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JP2006078283A - Position measuring device, aligner provided with the position-measuring device and aligning method using the position-measuring device - Google Patents

Position measuring device, aligner provided with the position-measuring device and aligning method using the position-measuring device Download PDF

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JP2006078283A
JP2006078283A JP2004261439A JP2004261439A JP2006078283A JP 2006078283 A JP2006078283 A JP 2006078283A JP 2004261439 A JP2004261439 A JP 2004261439A JP 2004261439 A JP2004261439 A JP 2004261439A JP 2006078283 A JP2006078283 A JP 2006078283A
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JP
Japan
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measurement
light
pattern
wafer
illumination
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004261439A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tadashi Nagayama
匡 長山
Takahiro Shoda
隆博 正田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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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)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provided a position-measuring device etc., that is improved in the throughput of wafer alignment, while maintaining precision of measurement. <P>SOLUTION: The position measuring device comprises the search measurement system 23 provided with the CCD camera 21 and NA diaphragm 22 for search measurement for conducting rough measurements on the alignment mark AM on the wafer W; the fine measurement system 28 provided with the CCD camera 25 and 26 and the NA diaphragm 27 for fine measurement for precisely measuring the alignment mark AM; and the observation measuring system 31 provided with the CCD camera 30 for the observation for observing the surface of the wafer W, including the wafer mark AM. The diaphragms a and b of the NA diaphragm 22 and the diaphragm a and b of the NA diaphragm 27 are the same in shape but are different in the number of apertures. By changing the combinations of the diaphragms a and b of the NA diaphragm 22 and the aperture diaphragms A, B, C and D of the σ diaphragm 62, measurement conditions can be changed variously, thereby the search measurement error can be surely avoided. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、位置計測用パターンを撮像して該位置計測用パターンの位置を計測する際、計測精度を維持しつつスループット性を向上させた位置計測装置、この位置計測装置を備えた露光装置及びこの位置計測装置を使用する露光方法に関する。   The present invention relates to a position measuring apparatus that improves the throughput while maintaining measurement accuracy when imaging a position measuring pattern and measuring the position of the position measuring pattern, and an exposure apparatus including the position measuring apparatus. The present invention relates to an exposure method using this position measuring apparatus.

一般に、半導体製造のためのリソグラフィ工程においては、露光装置(ステッパ又はスキャナ)を使用し、被露光基板としてのウエハのショット領域上に各種マスクパターン(レチクルパターン)が繰り返し露光され、現像、エッチング、化学的処理等を行ないながら複雑な回路が形成されていく。   In general, in a lithography process for manufacturing a semiconductor, an exposure apparatus (stepper or scanner) is used, and various mask patterns (reticle patterns) are repeatedly exposed on a shot area of a wafer as an exposure substrate to develop, etch, A complex circuit is formed while performing chemical processing.

従来より、ステッパのウエハライメント系では、画像処理型の位置計測装置が用いられている。このような装置においては、例えば、明視野型の顕微鏡を用いてウエハ上に形成された位置計測用パターン(アライメントマーク)の像を撮像し、得られた計測信号を画像処理し位置計測用パターンの位置を検出(アライメント計測)している。例えば、ステッパのウエハアライメント系としては、FIA(Field Image Alignment)センサが用いられている。   2. Description of the Related Art Conventionally, an image processing type position measuring apparatus has been used in a stepper wafer alignment system. In such an apparatus, for example, an image of a position measurement pattern (alignment mark) formed on a wafer is picked up using a bright field microscope, and the obtained measurement signal is image-processed to obtain a position measurement pattern. Is detected (alignment measurement). For example, as a wafer alignment system for a stepper, an FIA (Field Image Alignment) sensor is used.

FIAセンサは、上述した露光処理において、レジストが塗布されたウエハ上の任意のショット領域に付随して形成された、アライメントマークをそれぞれ検出し、画像処理により各位置を求めると共に、統計処理によりウエハ全体の位置と回転量とを算出している。その結果を受け、ステッパは、ウエハステージを駆動してウエハを正確に位置決め(ウエハアライメント)しながらステッピング露光動作を行ない、レチクルパターンをウエハ上の所望の各ショット領域の位置に重ねて形成する。   In the above-described exposure process, the FIA sensor detects alignment marks formed in association with arbitrary shot areas on the resist-coated wafer, determines each position by image processing, and performs statistical processing on the wafer. The overall position and rotation amount are calculated. In response to the result, the stepper performs a stepping exposure operation while driving the wafer stage to accurately position the wafer (wafer alignment), and forms a reticle pattern on the position of each desired shot area on the wafer.

きわめて細い線幅の露光パターンを露光するため、この重ね合せは、数nm(ナノメートル)の精度で行われる必要がある。よって、位置決め精度(アライメント精度)には更なる精度が必要とされている。   In order to expose an exposure pattern having a very narrow line width, this superposition needs to be performed with an accuracy of several nanometers (nanometers). Therefore, further accuracy is required for positioning accuracy (alignment accuracy).

また、ステッパにおいては、半導体を効率良く大量生産するために、1時間に何枚のウエハを露光できるか(スループット)の性能が非常に重要である。よって、FIAにおいても、高いアライメント精度をもつことに加え、高速にアライメント計測ができることが要求される。   In the stepper, in order to efficiently mass-produce semiconductors, the performance of how many wafers can be exposed per hour (throughput) is very important. Therefore, in addition to having high alignment accuracy, FIA is required to be able to perform alignment measurement at high speed.

上述したアライメント計測では、まずウエハ上のアライメントマークの大まかな位置(ウエハとアライメント計測系の計測視野との相対的な位置関係)を計測するサーチ計測を行い、次いでこのサーチ計測の計測結果に基づいてアライメントマークを高精度に計測するファイン計測を行っている。   In the alignment measurement described above, first, search measurement is performed to measure the approximate position of the alignment mark on the wafer (relative positional relationship between the wafer and the measurement visual field of the alignment measurement system), and then based on the measurement result of the search measurement. Fine measurement to measure the alignment mark with high accuracy.

サーチ計測は、次に行われるファイン計測のためのアライメントマークの補正位置情報を提供する点で重要な計測であり、この計測がスムーズに行われないと次のファイン計測に影響を与えるおそれがある。例えば、計測対象としてのアライメントマークの種類、計測のために該アライメントマークを照明する照明条件などによっては、サーチ計測の際にアライメントマークを検出するのに手間がかかり、次のファイン計測に移行するまでに長時間を要することがあり、最悪の場合にはアライメントマークを検出することが出来ず、装置が計測途中で停止してしまうことがある。これは上述したスループット性を低下させる要因となる。   Search measurement is important in that it provides correction position information for alignment marks for the next fine measurement. If this measurement is not performed smoothly, the next fine measurement may be affected. . For example, depending on the type of alignment mark as a measurement target and the illumination conditions for illuminating the alignment mark for measurement, it takes time to detect the alignment mark during search measurement, and the process proceeds to the next fine measurement. It may take a long time to complete, and in the worst case, the alignment mark cannot be detected, and the apparatus may stop during the measurement. This is a factor that reduces the throughput described above.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、計測精度を維持してウエハライメントのスループット性を向上させた位置計測装置、この位置計測装置を備えた露光装置及びこの位置計測装置を使用する露光方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a position measurement apparatus that maintains the measurement accuracy and improves the throughput of the wafer alignment, an exposure apparatus including the position measurement apparatus, and the position measurement apparatus. An object is to provide an exposure method to be used.

上記目的を達成する、本発明の請求項1に記載の位置計測装置は、物体(ウエハ)上に形成された位置計測用パターン(アライメントマークAM)に計測用照明光を照射し、該位置計測用パターンから反射した反射光を受光して計測することにより、前記物体の位置を計測する位置計測装置(FIAセンサ20)であって、前記位置計測用パターンから反射した反射光を、対物光学系(第1対物レンズ69〜71)を介して第1受光素子(サーチ計測用CCDカメラ21)で受光して、前記位置計測用パターンを第1の計測倍率(20倍前後(例えば19倍))で計測する第1計測系(サーチ計測系23)と、前記位置計測用パターンから反射した反射光を、前記対物光学系(第1対物レンズ69〜71)を介して前記第1受光素子とは異なる第2受光素子(ファイン計測CCDカメラ25,26)で受光して、前記位置計測用パターンを前記第1の計測倍率よりも高倍率の第2の計測倍率(40倍前後(例えば39倍))で計測する第2計測系(ファイン計測系28)とを有し、前記第1計測系は、前記位置計測用パターンから反射した光を前記第1受光素子へ導く光路上に配置された第1結像光束開口絞り(図3(B)参照:NA絞り22:開口数(NA)は例えばa=0.3、b=0.24〜0.3)を備えており、前記第2計測系は、前記位置計測用パターンから反射した光を前記第2受光素子へ導く光路上に配置された第2結像光束開口絞り(図3(B)参照:NA絞り27:開口数は例えばa=0.5、b=0.4〜0.5)を備えており、前記第1、第2結像光束開口絞りの開口数は異なっていることを特徴とする。   The position measuring apparatus according to claim 1 of the present invention that achieves the above object irradiates a position measuring pattern (alignment mark AM) formed on an object (wafer) with measurement illumination light, and performs the position measurement. A position measuring device (FIA sensor 20) for measuring the position of the object by receiving and measuring the reflected light reflected from the pattern for the object, and the reflected light reflected from the position measuring pattern is converted into the objective optical system. Light is received by the first light receiving element (search measurement CCD camera 21) via the first objective lenses 69 to 71, and the position measurement pattern is subjected to a first measurement magnification (around 20 times (for example, 19 times)). The first measurement system (search measurement system 23) that is measured in step (b) and the first light receiving element that reflects the reflected light reflected from the position measurement pattern via the objective optical system (first objective lenses 69 to 71). Different Light is received by a second light receiving element (fine measurement CCD cameras 25 and 26), and the position measurement pattern is subjected to a second measurement magnification (approximately 40 times (for example, 39 times)) higher than the first measurement magnification. A first measurement system (fine measurement system 28) for measuring the first measurement system disposed on an optical path that guides light reflected from the position measurement pattern to the first light receiving element. An imaging beam aperture stop (see FIG. 3B: NA stop 22: numerical aperture (NA) is, for example, a = 0.3, b = 0.24 to 0.3), and the second measurement system. Is a second imaging beam aperture stop (see FIG. 3B) arranged on the optical path that guides the light reflected from the position measurement pattern to the second light receiving element (see FIG. 3B: NA stop 27: numerical aperture is, for example, a = 0.5, b = 0.4 to 0.5), and the first and second imaging light beams are opened. Wherein the numerical aperture of the diaphragm are different.

前記計測用照明光を前記位置計測用パターンに導く照明光路上に配置され、且つ互いに異なる開口数又は形状に前記計測用照明光を規制するための複数の規制部(σ開口絞り62:図3(A)参照:照明の開口数(NA)又はσ値は、例えばA=0.4、B=0.12、C=0.24、D=0.3〜0.4)を備えた照明光束開口絞り(σ絞り)を更に有し、前記第1計測系で前記計測を行う際には、前記複数の規制部のうち何れか1つの規制部を前記照明光路上に選択配置することが好ましい(請求項2)。   A plurality of restricting portions (σ aperture stop 62: FIG. 3) arranged on the illumination light path for guiding the measurement illumination light to the position measurement pattern and restricting the measurement illumination light to different numerical apertures or shapes. (A) Reference: illumination with numerical aperture (NA) or σ value of illumination, for example, A = 0.4, B = 0.12, C = 0.24, D = 0.3-0.4) A light beam aperture stop (σ stop) is further provided, and when performing the measurement by the first measurement system, any one of the plurality of restriction portions may be selectively arranged on the illumination optical path. Preferred (claim 2).

また、前記位置計測用パターンから反射した反射光を、前記第1、第2受光素子とは独立した第3受光素子(観察用CCDカメラ30)で受光して、前記位置計測用パターンを前記第1の計測倍率よりも低倍率の第3の計測倍率(5倍前後(例えば4.8倍))で計測する第3計測系(観察計測系31)を更に有することができる(請求項3)。   The reflected light reflected from the position measurement pattern is received by a third light receiving element (observation CCD camera 30) independent of the first and second light receiving elements, and the position measuring pattern is received by the first light receiving element. A third measurement system (observation measurement system 31) that measures at a third measurement magnification (approximately 5 times (for example, 4.8 times)) lower than the measurement magnification of 1 can be further provided. .

上記目的を達成する、本発明の請求項4に記載の露光装置は、マスクパターン(レチクルパターン:アライメントマーク)を照明して、該マスクパターンの像を被露光基板(ウエハ)上に転写する露光装置であって、請求項1乃至3の何れか一項に記載の位置計測装置を有し、前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする。   The exposure apparatus according to claim 4 of the present invention that achieves the above object illuminates a mask pattern (reticle pattern: alignment mark) and transfers an image of the mask pattern onto an exposure substrate (wafer). A position measurement device according to any one of claims 1 to 3, wherein the position measurement pattern formed on the substrate to be exposed is measured using the position measurement device. An image of the mask pattern is transferred onto the substrate to be exposed positioned based thereon.

上記目的を達成する、本発明の請求項5に記載の露光方法は、マスクパターン(レチクルパターン:アライメントマーク)を照明して、該マスクパターンの像を被露光基板(ウエハ)上に転写する露光方法であって、前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを、請求項1乃至3の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測し、前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする。   The exposure method according to claim 5 of the present invention, which achieves the above object, illuminates a mask pattern (reticle pattern: alignment mark) and transfers an image of the mask pattern onto an exposure substrate (wafer). It is a method, Comprising: The position measurement pattern formed on the said to-be-exposed board | substrate is measured using the position measuring apparatus as described in any one of Claim 1 thru | or 3, It measures using the said position measuring apparatus. The image of the mask pattern is transferred onto the substrate to be exposed positioned based on the result.

本発明の請求項1に記載の位置計測装置によれば、計測倍率の異なる第1計測系と第2計測系は、それぞれ第1受光素子、第2受光素子を備え、且つそれぞれ開口数の異なる第1結像光束開口絞り、第2結像光束開口絞りを備えており、それぞれ最適な計測条件で位置計測用パターンの計測がスムーズに行える。   According to the position measurement apparatus of the first aspect of the present invention, the first measurement system and the second measurement system having different measurement magnifications include the first light receiving element and the second light receiving element, respectively, and have different numerical apertures. The first imaging light beam aperture stop and the second imaging light beam aperture stop are provided, and the position measurement pattern can be smoothly measured under optimum measurement conditions.

請求項2に記載の位置計測装置によれば、照明光束開口絞りを更に有し、第1計測系で計測を行う際、複数の規制部のうち何れか1つの規制部を照明光路上に選択配置するようにしているので、位置計測用パターンの種類によって照明条件を変えて最適な照明条件を選択してから計測が行えるようになるので、位置計測用パターンの種類によっては有効な計測結果が得られず、最悪の場合に装置が停止するような事態を回避することが出来る。   According to the position measuring device of claim 2, the illumination light beam aperture stop is further provided, and when performing measurement in the first measurement system, one of the plurality of restricting portions is selected on the illumination optical path. Because it is possible to measure after changing the illumination conditions according to the type of position measurement pattern and selecting the optimal illumination condition, depending on the type of position measurement pattern, the effective measurement result may be It is not possible to avoid such a situation that the apparatus stops in the worst case.

請求項3に記載の位置計測装置によれば、第1、第2受光素子とは独立した第3受光素子で受光して、第1の計測倍率よりも低倍率の第3の計測倍率で位置計測用パターンを計測する第3計測系を更に有するので、先ずこの第3計測系で計測し、この計測結果に基づいて第1計測系で計測することができ、第1計測系で計測する際、有る程度計測範囲を絞ることができ、結果として位置計測用パターンの計測時間の短縮を図ることが出来る。   According to the position measurement apparatus of claim 3, the light is received by the third light receiving element independent of the first and second light receiving elements, and the position is measured at the third measurement magnification lower than the first measurement magnification. Since it has further the 3rd measurement system which measures the pattern for measurement, it can measure with this 3rd measurement system first, can measure with the 1st measurement system based on this measurement result, and when measuring with the 1st measurement system The measurement range can be narrowed to some extent, and as a result, the measurement time of the position measurement pattern can be shortened.

請求項4に記載の露光装置又は請求項5に記載の露光法によれば、請求項1乃至3の何れか一項に記載の位置計測装置を使用するので、マスクパターンの重ね合わせ精度を確保することができ、また位置計測用パターンの有効な計測が出来ず、装置が停止してしまう事態を回避でき、スループット性を向上させることが可能となる。   According to the exposure apparatus according to claim 4 or the exposure method according to claim 5, since the position measurement apparatus according to any one of claims 1 to 3 is used, mask pattern overlay accuracy is ensured. In addition, it is possible to avoid a situation where the position measurement pattern cannot be effectively measured and the apparatus stops, and it is possible to improve throughput.

以下本発明の位置計測装置、該位置計測装置を備えた露光装置及び該位置計測装置を使用する露光方法の実施形態について図1乃至図10を参照して説明する。   Embodiments of a position measuring apparatus, an exposure apparatus including the position measuring apparatus, and an exposure method using the position measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

図1は本発明の位置計測装置(FIA(Field Image Alignment)センサを装備した露光装置の一実施形態を示す全体構成図、図2は図1の位置計測装置の詳細な実施形態を示す構成図、図3(A)は図2に示す位置計測装置に装備された照明開口絞りとしてのσ絞りの説明図、同図(B)は同結像光束開口絞りとしてのNA絞りの説明図、図4は図2に示す位置計測装置に装備された計測用の照明光の光源を示す構成図、図5は図2に示す位置計測装置に装備された指標板の機能を説明する説明図、図6(A)は図2に示す位置計測装置に装備されたオートフォーカス系に配置されたσ絞りを示す拡大図、同(B)は同開口絞りを示す拡大図、同(C)は同マルチスリットを示す拡大図、図7は被露光基板としてのウエハ上に形成されたアライメントマークの一例を示す平面図である。   FIG. 1 is a general block diagram showing an embodiment of an exposure apparatus equipped with a position measuring device (FIA (Field Image Alignment) sensor of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a detailed embodiment of the position measuring device of FIG. 3A is an explanatory view of a σ stop as an illumination aperture stop equipped in the position measuring apparatus shown in FIG. 2, and FIG. 3B is an explanatory view of an NA stop as an imaging beam aperture stop. 4 is a configuration diagram showing a light source of illumination light for measurement equipped in the position measuring device shown in FIG. 2, FIG. 5 is an explanatory view for explaining the function of the indicator plate equipped in the position measuring device shown in FIG. 6A is an enlarged view showing the σ stop arranged in the autofocus system provided in the position measuring apparatus shown in FIG. 2, FIG. 6B is an enlarged view showing the aperture stop, and FIG. FIG. 7 is an enlarged view showing a slit. FIG. 7 shows an alignment formed on a wafer as a substrate to be exposed. It is a top view which shows an example of a mark.

まず本実施形態の位置計測装置を装備した露光装置の全体構成及び動作について、図1を参照して説明する。   First, the overall configuration and operation of an exposure apparatus equipped with the position measurement apparatus of this embodiment will be described with reference to FIG.

本実施形態においては、露光装置10は、マスクとしてのレチクルR上に形成されたマスクパターンとしての回路パターンを、ステップ・アンド・リピート方式により投影光学系PLを介して物体または被露光基板としてのウエハWの各ショット領域上に順次露光転写する縮小投影型の露光装置である。図1中、X軸及びZ軸は紙面に並行に設定され、Y軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。   In the present embodiment, the exposure apparatus 10 applies a circuit pattern as a mask pattern formed on a reticle R as a mask as an object or a substrate to be exposed via the projection optical system PL by a step-and-repeat method. This is a reduction projection type exposure apparatus that sequentially exposes and transfers each shot area of the wafer W. In FIG. 1, the X axis and the Z axis are set in parallel with the paper surface, and the Y axis is set in a direction perpendicular to the paper surface.

図1において、照明光学系11から射出された露光光がほぼ均一な照度でマスクとしてのレチクルRを照明する。レチクルRはレチクルステージRS上に保持され、該レチクルステージRSは不図示のベース上の2次元平面(XY平面)内で移動及び微小回転できるように支持されている。装置全体の動作を制御する主制御系12が、駆動装置13を介してレチクルステージRSの動作を制御する。   In FIG. 1, the exposure light emitted from the illumination optical system 11 illuminates a reticle R as a mask with a substantially uniform illuminance. The reticle R is held on a reticle stage RS, and the reticle stage RS is supported so as to be able to move and slightly rotate in a two-dimensional plane (XY plane) on a base (not shown). A main control system 12 that controls the operation of the entire apparatus controls the operation of the reticle stage RS via the drive device 13.

レチクルRに形成された回路パターンの像は投影光学系PLを介してウエハW上の各ショット領域に投影される。ウエハWには、各ショット領域の周辺部には、図示しないがX軸方向の位置計測用とY軸方向の位置計測用(二次元計測用)のアライメントマーク(位置計測用パターン)が形成されている。   The image of the circuit pattern formed on the reticle R is projected onto each shot area on the wafer W via the projection optical system PL. Although not shown, alignment marks (position measurement patterns) for position measurement in the X-axis direction and for position measurement in the Y-axis direction (for two-dimensional measurement) are formed on the wafer W at the periphery of each shot area. ing.

ウエハWはウエハホルダー14を介してウエハステージWST上に載置されている。ウエハステージWSTは、投影光学系PLの光軸に垂直な面内でウエハWを2次元的に位置決めするXYステージ15、投影光学系PLの光軸に平行な方向(Z軸方向)にウエハWを位置決めするZステージ16及びウエハWを微小回転させる不図示のステージにより構成されている。   Wafer W is placed on wafer stage WST via wafer holder 14. Wafer stage WST includes an XY stage 15 for two-dimensionally positioning wafer W in a plane perpendicular to the optical axis of projection optical system PL, and wafer W in a direction parallel to the optical axis of projection optical system PL (Z-axis direction). Are constituted by a Z stage 16 that positions the wafer and a stage (not shown) that rotates the wafer W slightly.

ウエハステージWST(XYステージ17)上には移動鏡17が固定され、この移動鏡17と対向するようにレーザ干渉計18が配置されている。なお、詳細に図示していないが、移動鏡17は、X軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びY軸に垂直な反射面を有する平面鏡により構成されている。また、レーザ干渉計18は、X軸に沿って移動鏡17にレーザビームを照射する2個のX軸用のレーザ干渉計及びY軸に沿って移動鏡17にレーザビームを照射する2個のY軸用のレーザ干渉計により構成されている。X軸用の1個のレーザ干渉計及びY軸用の1個のレーザ干渉計により、ウエハステージWSTのX座標及びY座標が計測される。また、X軸用の2個のレーザ干渉計の計測値の差によりウエハステージWSTの回転角が計測される。   A movable mirror 17 is fixed on wafer stage WST (XY stage 17), and a laser interferometer 18 is arranged so as to face this movable mirror 17. Although not shown in detail, the movable mirror 17 includes a plane mirror having a reflecting surface perpendicular to the X axis and a plane mirror having a reflecting surface perpendicular to the Y axis. The laser interferometer 18 also includes two X-axis laser interferometers that irradiate the moving mirror 17 along the X axis and two laser beams that irradiate the moving mirror 17 along the Y axis. It is composed of a Y-axis laser interferometer. The X coordinate and Y coordinate of wafer stage WST are measured by one laser interferometer for X axis and one laser interferometer for Y axis. Further, the rotation angle of wafer stage WST is measured by the difference between the measurement values of the two laser interferometers for the X axis.

レーザ干渉計18により計測されたX座標、Y座標及び回転角の情報は主制御系12に送られ、該主制御系12は送られた座標をモニターしつつ駆動系19を介してウエハステージWSTの位置決め動作を制御する。図示していないが、レチクル側にもウエハ側と同様の干渉計システムが設けられている。   Information on the X coordinate, the Y coordinate, and the rotation angle measured by the laser interferometer 18 is sent to the main control system 12, and the main control system 12 monitors the sent coordinates and drives the wafer stage WST via the drive system 19. Control the positioning operation. Although not shown, an interferometer system similar to that on the wafer side is also provided on the reticle side.

次に、本発明の特徴部分について説明する。   Next, features of the present invention will be described.

投影光学系PLの側方には、FIAセンサ20が配置されている。このFIAセンサ20は、ウエハWの各ショット領域毎に配置されたアライメントマークAM(図7参照)を計測し、その計測結果を主制御系12に送り、該主制御系12で演算処理を行い、駆動系19を介してウエハステージWSTの位置決め動作を制御し、ウエハWの位置決め(アライメント)を行う。この位置決め後に、レチクルRのパターンを、投影光学系PLを介してウエハステージWST上のウエハWの各ショット領域に転写する、露光処理を行う。   An FIA sensor 20 is disposed on the side of the projection optical system PL. The FIA sensor 20 measures alignment marks AM (see FIG. 7) arranged for each shot area of the wafer W, sends the measurement results to the main control system 12, and performs arithmetic processing in the main control system 12. Then, the positioning operation of wafer stage WST is controlled via drive system 19 to perform positioning (alignment) of wafer W. After this positioning, an exposure process is performed in which the pattern of the reticle R is transferred to each shot area of the wafer W on the wafer stage WST via the projection optical system PL.

FIAセンサ20は、図2に示すように、第1受光素子であるサーチ計測用CCDカメラ21及び第1結像光束開口絞りとしてのNA絞り22などを備え、第1の計測倍率(20倍前後(例えば19倍))で計測を行い、ウエハW上のアライメントマークAMの大まかな位置計測を行う第1計測系としてのサーチ計測系23と、第2受光素子であるファイン計測用CCDカメラ25,26及び第2結像光束開口絞りとしてのNA絞り27などを備え、第1の計測倍率よりも高い計測倍率(40倍前後(例えば39倍))でアライメントマークAMを高精度で計測する第2計測系としてのファイン計測系28と、第3受光素子である観察用CCDカメラ30などを備え、アライメントマークAMを含むウエハW表面の広い範囲を観察する、第3計測系としての観察計測系31と、これらサーチ計測系23,ファイン計測系28及び観察計測系31のためにウエハW上のアライメントマークAMをブロードバンド光で照明する計測照明光学系33とを具備する。さらに、FIAセンサ20は、サーチ計測系23,ファイン計測系28及び観察計測系31の結像位置を調整するためのオートフォーカス系35を具備する。   As shown in FIG. 2, the FIA sensor 20 includes a search measurement CCD camera 21 as a first light receiving element, an NA aperture 22 as a first imaging light beam aperture stop, and the like, and a first measurement magnification (around 20 times). (For example, 19 times)), a search measurement system 23 as a first measurement system for measuring the approximate position of the alignment mark AM on the wafer W, a fine measurement CCD camera 25 as a second light receiving element, 26 and an NA stop 27 as a second imaging light beam aperture stop, and the like, which measures the alignment mark AM with high accuracy at a measurement magnification higher than the first measurement magnification (around 40 times (for example, 39 times)). A third measurement system 28 includes a fine measurement system 28 and an observation CCD camera 30 as a third light receiving element, and the like, and observes a wide range of the surface of the wafer W including the alignment mark AM. An observation measurement system 31 as a measurement system, and a measurement illumination optical system 33 that illuminates the alignment mark AM on the wafer W with broadband light for the search measurement system 23, the fine measurement system 28, and the observation measurement system 31 are provided. . Further, the FIA sensor 20 includes an autofocus system 35 for adjusting the imaging positions of the search measurement system 23, the fine measurement system 28, and the observation measurement system 31.

まず、アライメントマークAMをブロードバンド光で照明する計測照明光学系33について説明する。   First, the measurement illumination optical system 33 that illuminates the alignment mark AM with broadband light will be described.

計測照明光学系33は、図4に示す光源部36を備える。この光源部36は、ハロゲンランプ37を備え、このハロゲンランプ37のからの照明光(例えば530nm〜800nmのブロードバンド光)を2方向(図4の左右方向)から取り込む。   The measurement illumination optical system 33 includes a light source unit 36 shown in FIG. The light source unit 36 includes a halogen lamp 37 and takes illumination light (for example, broadband light of 530 nm to 800 nm) from the halogen lamp 37 from two directions (left and right directions in FIG. 4).

一方(図4の左方向)から取り込んだ照明光は第1分岐部38で分岐され、そのうちの一方の照明光はさらに第2分岐部39で分岐されて、オートフォーカス系35の送光系のライトガイド56,57に導かれる。   Illumination light taken from one side (left direction in FIG. 4) is branched by the first branching section 38, and one of the illumination lights is further branched by the second branching section 39, and the light transmission system of the autofocus system 35 is split. Guided to light guides 56 and 57.

また、他方の照明光は第3分岐部40でハロゲンランプ37の他方(図4の右方向)からの照明光と合成され、ライトガイド41に導かれる。このライトガイド41の端面から射出した照明光はリレーレンズ42,波長選択フィルタ43,減光率を選択する減光フィルタ(NDフィルタ)44を通り、さらにダイクロイックミラー45を透過する。なお、このダイクロイックミラー45において、赤外LED46から射出され、コリメートレンズ47を通過した赤外光(例えば870nmの赤外光)が合成される。合成された照明光はリレーレンズ48を介してライトガイド50又は51に入射する。ライトガイド50,51の直前(上流側)には切り替え式のミラー52が光路上に進退自在に配置されており、このミラー52を光路から後退させてミラー52を介さない場合はライトガイド50からファイン・サーチ系照明用のライトガイド53へ導かれ、またミラー52を光路内に前進させてミラー52を介す場合はライトガイド51から低倍観察照明用のライトガイド54へ入射する。   The other illumination light is combined with the illumination light from the other of the halogen lamps 37 (right direction in FIG. 4) at the third branch portion 40 and guided to the light guide 41. The illumination light emitted from the end face of the light guide 41 passes through the relay lens 42, the wavelength selection filter 43, and the neutral density filter (ND filter) 44 for selecting the attenuation factor, and further passes through the dichroic mirror 45. In this dichroic mirror 45, infrared light (for example, 870 nm infrared light) emitted from the infrared LED 46 and passed through the collimating lens 47 is synthesized. The synthesized illumination light enters the light guide 50 or 51 via the relay lens 48. A switchable mirror 52 is disposed on the optical path immediately before (upstream side) the light guides 50 and 51. When the mirror 52 is retracted from the optical path and does not pass through the mirror 52, the light guide 50 starts. The light is guided to the light guide 53 for fine search system illumination. When the mirror 52 is advanced in the optical path and passes through the mirror 52, the light guide 51 enters the light guide 54 for low magnification observation illumination.

波長選択フィルタ43、は光軸と直交する方向に移動することで選択波長を変更することができる。例えば、波長選択をせずにそのまま透過させるフィルタ部、530nm乃至610nmの光を透過させるフィルタ部、600nm乃至710nmの光を透過させるフィルタ部及び700nm乃至800nmの光を透過させるフィルタ部を備える。これら4つのフィルタ部のうちの何れか1つを光軸上に切換配置することで照明波長の選択が行える。減光フィルタ44は、同じく光軸と直交する方向に移動することで減光率を変更することができる。   The wavelength selection filter 43 can change the selected wavelength by moving in a direction orthogonal to the optical axis. For example, a filter unit that transmits light without selecting a wavelength, a filter unit that transmits light of 530 nm to 610 nm, a filter unit that transmits light of 600 nm to 710 nm, and a filter unit that transmits light of 700 nm to 800 nm are provided. The illumination wavelength can be selected by switching and arranging any one of these four filter units on the optical axis. Similarly, the neutral density filter 44 can move in a direction orthogonal to the optical axis to change the attenuation factor.

なお、光源部36には、ハロゲンランプ37と同一の構成のハロゲンランプ58が装備されている。このハロゲンランプ58は、投影光学系PLの結像面とウエハ表面とのフォーカス状態を検出するためのオートフォーカス機構(フォーカス検出部で使用する検出光として)に使用される。すなわち、図1に示すように、ハロゲンランプ58から照明光をウエハWの表面に照射し、その反射光を受光素子であるCCDカメラ60で受光し、これを主制御系12で演算処理し、投影光学系PLの不図示の駆動系に制御信号を送り、該駆動系により投影光学系PL内のレンズを光軸上で移動させて結像位置の調整を行う。   The light source unit 36 is equipped with a halogen lamp 58 having the same configuration as the halogen lamp 37. This halogen lamp 58 is used in an autofocus mechanism (as detection light used in the focus detection unit) for detecting the focus state between the imaging surface of the projection optical system PL and the wafer surface. That is, as shown in FIG. 1, the illumination light is irradiated from the halogen lamp 58 onto the surface of the wafer W, the reflected light is received by the CCD camera 60 which is a light receiving element, and this is processed by the main control system 12, A control signal is sent to a drive system (not shown) of the projection optical system PL, and the lens in the projection optical system PL is moved on the optical axis by the drive system to adjust the imaging position.

ファイン・サーチ系照明用のライトガイド(光ファイバ)53に導かれた照明光は、そのライトガイド53の射出端から射出して照明光束開口絞りとしてのσ絞り62を通過し、コンデンサーレンズ63を介して照野絞り64を照明する。照野絞り64を通過した照明光はハーフプリズ65で反射したあと、ハーフプリズム66及びリレーレンズ67を透過し、ハーフプリズム68で反射し、第1対物レンズ69〜71及び指標板72を透過してウエハWを照明する。   Illumination light guided to a light guide (optical fiber) 53 for fine search system illumination exits from the exit end of the light guide 53 and passes through a σ stop 62 as an illumination beam aperture stop, and passes through a condenser lens 63. The illumination field stop 64 is illuminated. The illumination light that has passed through the illumination field stop 64 is reflected by the half prism 65, then passes through the half prism 66 and the relay lens 67, is reflected by the half prism 68, and passes through the first objective lenses 69 to 71 and the index plate 72. The wafer W is illuminated.

σ絞り62は、図3(A)に示すように、絞りが無く、照明のNA(開口数)がライトガイド53の射出端の開口(例えば0.4)によって規制される開口絞りAと、照明のNAがライトガイド53の射出端の開口よりも小さい(例えば0.12)開口絞りBと、照明のNAが開口絞りBのそれよりは大きく且つライトガイド53の射出端の開口よりは小さい(例えば0.24)開口絞りCと、照明のNAが輪帯絞り(例えば内径が0.3で、外径が0.4の輪帯絞り)である開口絞りDを備え、光軸と直交する方向に移動することによって開口絞りA乃至Dを選択して、絞りの形状又は開口サイズを適宜変更し、照明条件を変更することができる。   As shown in FIG. 3A, the σ stop 62 has an aperture stop A that has no stop and whose NA (numerical aperture) of illumination is regulated by the opening (for example, 0.4) of the exit end of the light guide 53. An aperture stop B whose illumination NA is smaller than the exit end opening of the light guide 53 (for example, 0.12), and an illumination NA larger than that of the aperture stop B and smaller than the exit end opening of the light guide 53 (For example, 0.24) An aperture stop C and an aperture stop D whose illumination NA is an annular stop (for example, an annular stop having an inner diameter of 0.3 and an outer diameter of 0.4) are orthogonal to the optical axis. It is possible to select the aperture stops A to D by moving in the moving direction, change the shape of the stop or the aperture size as appropriate, and change the illumination conditions.

サーチ計測系23によりサーチ計測を行うときには、開口絞りA乃至Dの何れかを選択して照明条件を変更する。このように開口絞りA乃至Dを選択するのは、サーチ計測をする際に像コントラストが低い場合などによって生じるサーチ計測エラーを回避し、最適な計測信号が得られる計測条件を設定するためである。また、アライメントマークAMの段差の高低によっても開口絞りA乃至Dが選択される。   When search measurement is performed by the search measurement system 23, one of the aperture stops A to D is selected and the illumination condition is changed. The reason why the aperture stops A to D are selected in this way is to set a measurement condition for avoiding a search measurement error caused by a low image contrast when performing search measurement and obtaining an optimum measurement signal. . The aperture stops A to D are also selected depending on the level difference of the alignment mark AM.

ファイン計測系28によりファイン計測を行うときには、基本的にσ絞り62の中の開口絞りAが選択されるが、開口絞りB、C、Dが選択される場合もあり得る。すなわち、開口絞りAを選択した大σ照明が基本で、場合によっては開口絞りBを選択した小σ照明、開口絞りCを選択した中σ照明、開口絞りDを選択した輪帯照明(暗視野照明)の何れかによってアライメントマークAMの照明が行われる。   When fine measurement is performed by the fine measurement system 28, the aperture stop A in the σ stop 62 is basically selected, but the aperture stops B, C, and D may be selected. That is, large σ illumination with the aperture stop A selected is fundamental, and in some cases, small σ illumination with the aperture stop B selected, medium σ illumination with the aperture stop C selected, and annular illumination with the aperture stop D selected (dark field) The illumination of the alignment mark AM is performed by any one of (illumination).

サーチ計測やファイン計測では、照明光は同じ光路を通ってウエハW上のアライメントマークAMに導かれる。なお、サーチ計測とファイン計測では、σ絞り62の開口絞りA乃至Dの選択が同じとなる場合もあり得る。   In the search measurement and fine measurement, the illumination light is guided to the alignment mark AM on the wafer W through the same optical path. In the search measurement and the fine measurement, the selection of the aperture stops A to D of the σ stop 62 may be the same.

次に、低倍率の観察照明用のライトガイド54に導かれた照明光について説明する。観察照明用のライトガイド54に導かれた照明光は、そのライトガイド54の射出端から射出されたあと、コンデンサーレンズ74、ミラー75を介して照野絞り76を照明する。照野絞り76を通過した照明光は、ファイン・サーチ系照明用のライトガイド53に導かれた照明光と同様に、ハーフプリズ65を透過したあと、ハーフプリズム66、リレーレンズ67を透過し、ハーフプリズム68で反射し、第1対物レンズ69〜71及び指標板72を透過してウエハWを照明する。   Next, the illumination light guided to the light guide 54 for observation illumination with low magnification will be described. The illumination light guided to the observation illumination light guide 54 is emitted from the exit end of the light guide 54 and then illuminates the illumination field stop 76 via the condenser lens 74 and the mirror 75. The illumination light having passed through the illumination field stop 76 passes through the half prism 65 and the relay lens 67 after passing through the half prism 65 in the same manner as the illumination light guided to the light guide 53 for fine search system illumination. The light is reflected by the prism 68 and passes through the first objective lenses 69 to 71 and the index plate 72 to illuminate the wafer W.

次にアライメントマークAMを反射した反射光からアライメントマークAMの像の位置を計測する、サーチ計測系23と、ファイン計測系28と、観察計測系31について説明する。   Next, the search measurement system 23, the fine measurement system 28, and the observation measurement system 31 that measure the position of the image of the alignment mark AM from the reflected light reflected from the alignment mark AM will be described.

まず、アライメントマークAMを含んだウエハWの表面を観察する、観察計測系31について説明すると、ウエハWで反射した光は照明光と同じ経路を逆にたどり、指標板72、第1対物レンズ69〜71、ハーフプリズム68、リレーレンズ67を通り、ハーフプリズム66で反射した後、ハーフプリズム77で反射して視野絞り79を照明する。視野絞り79を通過した光はミラー80で反射し、リレーレンズ81、NA絞り82、リレーレンズ83、及び赤外カットフィルタ84を透過して観察用CCDカメラ30に入射する。観察用CCDカメラ30ではウエハW表面からの反射光の像を光電変換して、この信号を主制御系12に送り信号処理を施す。これによりウエハWの表面の広い範囲での情報を得ることができる。   First, the observation measurement system 31 for observing the surface of the wafer W including the alignment mark AM will be described. The light reflected by the wafer W follows the same path as the illumination light in the reverse direction, and the index plate 72 and the first objective lens 69. ˜71, half prism 68 and relay lens 67, reflected by half prism 66, and then reflected by half prism 77 to illuminate field stop 79. The light that has passed through the field stop 79 is reflected by the mirror 80, passes through the relay lens 81, the NA stop 82, the relay lens 83, and the infrared cut filter 84 and enters the observation CCD camera 30. The observation CCD camera 30 photoelectrically converts an image of reflected light from the surface of the wafer W and sends this signal to the main control system 12 for signal processing. Thereby, information in a wide range of the surface of the wafer W can be obtained.

次に、サーチ計測系23について説明すると、ウエハWで反射した光は、観察計測系31と同じ経路をたどり、ハーフプリズム66で反射した後、ハーフプリズム77に至るが、このハーフプリズム77を透過して視野絞り86を照明する。視野絞り86を通過した光は、リレーレンズ87、NA絞り22、リレーレンズ88及び赤外カットフィルタ89を介してサーチ用CCDカメラ21に入射する。サーチ用CCDカメラ21ではアライメントマークAMの反射光の像を光電変換して、この信号を主制御系12に送り、主制御系12で信号処理を施してアライメントマークAMの位置を算出する。   Next, the search measurement system 23 will be described. The light reflected by the wafer W follows the same path as the observation measurement system 31, is reflected by the half prism 66, and reaches the half prism 77, but is transmitted through the half prism 77. Then, the field stop 86 is illuminated. The light that has passed through the field stop 86 enters the search CCD camera 21 via the relay lens 87, the NA stop 22, the relay lens 88, and the infrared cut filter 89. The search CCD camera 21 photoelectrically converts the reflected light image of the alignment mark AM, sends this signal to the main control system 12, and performs signal processing in the main control system 12 to calculate the position of the alignment mark AM.

ここで、NA絞り22は、図3(B)に示すように、例えば開口数(NA)が0.3の絞り(通常開口絞り)aと、0.24〜0.3の絞りb(輪帯開口絞り)を備え、光軸と直交する方向に移動することによって形状を変更し、照明条件を変更することができる。このNA絞り22の絞りa、bは、ファイン計測系内に設けられているNA絞り27の絞りa(開口数0.5)、b(開口数0.4〜0.5)と形状は同じであるが、開口数が異なっている。   Here, as shown in FIG. 3B, the NA stop 22 has, for example, a stop (normal opening stop) a having a numerical aperture (NA) of 0.3 and a stop b (ring) of 0.24 to 0.3. It is possible to change the illumination condition by changing the shape by moving in a direction orthogonal to the optical axis. The apertures a and b of the NA aperture 22 have the same shape as the apertures a (numerical aperture 0.5) and b (numerical aperture 0.4 to 0.5) of the NA aperture 27 provided in the fine measurement system. However, the numerical aperture is different.

NA絞り22の絞りa,bと上述したσ絞り62の開口絞りA,B,C,Dとの組合せを変えることにより、計測条件を種々変更することができる。例えば、A/aが選択配置される大σ計測、B/aが選択配置される小σ計測、C/aが選択配置される中σ計測(これらは明視野計測である)、D/aが選択配置される暗視野計測、C/bが選択配置される輪帯暗視野計測と、がある。   By changing the combination of the diaphragms a and b of the NA diaphragm 22 and the aperture diaphragms A, B, C and D of the σ diaphragm 62 described above, various measurement conditions can be changed. For example, large σ measurement in which A / a is selectively arranged, small σ measurement in which B / a is selectively arranged, medium σ measurement in which C / a is selectively arranged (these are bright field measurements), D / a Are dark field measurement in which C / b is selectively arranged, and annular dark field measurement in which C / b is selectively arranged.

小σ計測である、B/aの場合、像のコントラストを上げることができ、計測信号のエッジがシャープになる。しかし、あまりシャープになり過ぎると、リンギングが生じて(信号波形のうねりが大きく)、どこのエッジを採取すべきかを判断するのが困難となり、画像信号処理が難しくなる。このような場合にあっては、中σ計測であるC/aを選択する。これにより、信号波形のうねりを抑えるので、画像信号処理が容易になる。   In the case of B / a, which is a small σ measurement, the contrast of the image can be increased and the edge of the measurement signal becomes sharp. However, if the image becomes too sharp, ringing occurs (the swell of the signal waveform is large), and it is difficult to determine which edge should be collected, and image signal processing becomes difficult. In such a case, C / a which is medium σ measurement is selected. As a result, the undulation of the signal waveform is suppressed, so that the image signal processing is facilitated.

サーチ計測では基本的に大σ計測であるA/aを選択する。これは、サーチ計測後に行われるファイン計測では(上述の如く、ファイン計測では基本的にσ絞り62は開口絞りAが選択されているので)、σ絞り62を切り換えなくてよいことから、アライメントマークAMの計測のスピードアップを図ることが出来、またσ絞り62を変更(移動)せずにファイン計測に移行することができるので、計測精度にも悪影響を与えずに済むなどのメリットがあるからである。   In the search measurement, A / a which is basically a large σ measurement is selected. This is because in the fine measurement performed after the search measurement (as described above, the aperture stop A is selected for the σ stop 62 in the fine measurement), the σ stop 62 does not need to be switched. The speed of AM measurement can be increased, and fine measurement can be performed without changing (moving) the σ diaphragm 62, so that there is an advantage that measurement accuracy is not adversely affected. It is.

暗視野計測であるD/aは、暗視野の効果が大きく、暗いが低段差パターンのときに有効である。しかし、これで暗いときには輪帯暗視野計測であるC/bに切り換えると、パターンが見えることがある。   D / a, which is dark field measurement, has a large dark field effect and is effective when dark but has a low step pattern. However, when this is dark, a pattern may be seen when switching to C / b, which is annular dark field measurement.

上述したように、本実施態様では、サーチ計測において、NA絞り22の絞りa,bとσ絞り62の開口絞りA,B,C,Dとの組合せを変えることにより、照明条件、計測条件を種々変更することにより、サーチ計測エラーを確実に回避するようにしており、どのようなタイプ(例えば段差パターンの高低など)のアライメントマークAMでもそれに合った最適な照明条件、計測条件で計測が行えるようにしてある。   As described above, in the present embodiment, in the search measurement, the illumination condition and the measurement condition are changed by changing the combination of the aperture stops a and b of the NA stop 22 and the aperture stops A, B, C and D of the σ stop 62. By making various changes, search measurement errors are surely avoided, and any type of alignment mark AM (for example, the height of the step pattern) can be measured under optimal illumination conditions and measurement conditions. It is like that.

次に、アライメントマークAMの位置を高精度で計測する、ファイン計測系28について説明すると、このファイン計測では、上述した観察計測やサーチ計測と異なり、指標板72を使用している。指標板72は、図5に示すように、その上面(ウエハWから離れた面)にアライメントマークAMの像の位置を計測する際の基準となる、ドットパターンが二次元配置された指標パターン72aが形成され、その下面(ウエハWに接近した面)に赤外光のみを反射させてハロゲンランプ37の白色照明光を透過させる赤外反射膜72bが形成されている。指標板72では、赤外反射膜72bで繰り返し赤外光を反射させた後にこの赤外光で指標パターン72aを照明する。指標パターン72aで反射された赤外光は、ウエハWから反射した白色光と共に第1対物レンズ69〜71に向けて射出する。指標パターン72aとしては従来と同様にガラス板上にクロム(Cr)膜でパターン形成したものを用いてもよいが、信号コントラストを向上させてより計測精度を向上させるためには、より反射率の高い素材で指標パターン72aを形成することが好ましい。このような素材としては、例えば白金(Pt)、アルミニウム(Al)、金(Au)、銅(Cu)、銀(Ag)などがある。   Next, the fine measurement system 28 that measures the position of the alignment mark AM with high accuracy will be described. In the fine measurement, unlike the above-described observation measurement and search measurement, the index plate 72 is used. As shown in FIG. 5, the index plate 72 is an index pattern 72a in which dot patterns are two-dimensionally arranged on the upper surface (the surface away from the wafer W) as a reference for measuring the position of the image of the alignment mark AM. Is formed, and an infrared reflection film 72b that reflects only the infrared light and transmits the white illumination light of the halogen lamp 37 is formed on the lower surface (the surface close to the wafer W). In the indicator plate 72, after the infrared light is repeatedly reflected by the infrared reflecting film 72b, the indicator pattern 72a is illuminated with the infrared light. The infrared light reflected by the index pattern 72 a is emitted toward the first objective lenses 69 to 71 together with the white light reflected from the wafer W. As the index pattern 72a, a pattern formed with a chromium (Cr) film on a glass plate as in the conventional case may be used. However, in order to improve the signal contrast and to improve the measurement accuracy, the reflectivity is higher. It is preferable to form the index pattern 72a with a high material. Examples of such materials include platinum (Pt), aluminum (Al), gold (Au), copper (Cu), and silver (Ag).

なお、観察用CCDカメラ30やサーチ計測用CCDカメラ21にもこの赤外光と白色光が導かれるので、上述した赤外カットフィルタ84、89により赤外光の部分を除去し、白色光のみが入射するようにしている。   Since the infrared light and the white light are guided to the observation CCD camera 30 and the search measurement CCD camera 21, the infrared light portion is removed by the infrared cut filters 84 and 89 described above, and only the white light is obtained. Is incident.

赤外光と白色光は、第1対物レンズ69〜71からハーフプリズム68を通過し、ミラー90で反射した後、第2対物レンズ91、第3対物レンズ92及びハービング93を透過し、NA絞り27を照明する。このNA絞り27を通過した赤外光と白色光は、第4対物レンズ94を透過し、ミラー95を反射してダイクロイックミラー96に入射する。このダイクロイックミラー96は、波長選択ミラーで、赤外光を透過させる一方、白色光を反射させて、赤外光と白色光とを分離するものである。ダイクロイックミラー96を反射した白色光は、分離されずに残存した赤外光を赤外カットフィルタ97で除去した後、ファイン計測用CCDカメラ25に入射し、またダイクロイックミラー96を透過した赤外光は、ミラー98で反射した後、分離されずに残存した白色光を白色カットフィルタ99で除去してファイン計測用CCDカメラ26に入射する。ファイン計測用CCDカメラ25ではアライメントマークAMの反射光の像を光電変換し、またファイン計測用CCDカメラ26では指標パターン72aの反射光の像を光電変換して、これら信号を主制御系12に送り、主制御系12で信号処理を施して指標パターン72aを基準としたアライメントマークAMの位置を算出する。   Infrared light and white light pass from the first objective lenses 69 to 71 through the half prism 68, are reflected by the mirror 90, and then pass through the second objective lens 91, the third objective lens 92, and the herbing 93, and the NA aperture 27 is illuminated. The infrared light and white light that have passed through the NA stop 27 are transmitted through the fourth objective lens 94, reflected by the mirror 95, and incident on the dichroic mirror 96. The dichroic mirror 96 is a wavelength selection mirror that transmits infrared light and reflects white light to separate infrared light and white light. The white light reflected from the dichroic mirror 96 is removed by the infrared cut filter 97, and the infrared light remaining without being separated is incident on the fine measurement CCD camera 25 and transmitted through the dichroic mirror 96. The white light remaining after being reflected by the mirror 98 is removed by the white cut filter 99 and is incident on the fine measurement CCD camera 26. The fine measurement CCD camera 25 photoelectrically converts the reflected light image of the alignment mark AM, and the fine measurement CCD camera 26 photoelectrically converts the reflected light image of the index pattern 72a and sends these signals to the main control system 12. The signal is processed by the main control system 12 to calculate the position of the alignment mark AM with reference to the index pattern 72a.

NA絞り27は、上述したように、サーチ計測系23のNA絞り22と同じ形状であるが、絞りaの開口数が0.5で、絞りbの開口数が0.4〜0.5となっていて、(図3(B)参照)、NA絞り22と開口数が異なっている。   As described above, the NA diaphragm 27 has the same shape as the NA diaphragm 22 of the search measurement system 23, but the numerical aperture of the diaphragm a is 0.5 and the numerical aperture of the diaphragm b is 0.4 to 0.5. (See FIG. 3B), the NA aperture 22 and the numerical aperture are different.

なお、ハービング93は、「ケラレ」を調整することができるタイプで、電動駆動機構が搭載されている。すなわち、ハービング93は、光軸に対して傾け可能(光軸と直交する方向の回転軸を中心として回転可能)な平行平板であって、傾けることでNA絞り27に向かう(或いはNA絞り27からの)光束を光軸と直交する方向に移動させる機構を有している。これにより、光束ケラレ(結像開口絞りが光軸に対して偏心すること)を小さくするような調整を行うことが可能である(特開2002−213916号公報中の段落0109,図16の平行平板113a参照)。   The herbing 93 is a type capable of adjusting “vignetting” and is equipped with an electric drive mechanism. That is, the herbing 93 is a parallel flat plate that can be tilted with respect to the optical axis (rotatable about a rotation axis in a direction perpendicular to the optical axis) and is directed toward the NA aperture 27 (or from the NA aperture 27). A mechanism for moving the luminous flux in a direction perpendicular to the optical axis. This makes it possible to make adjustments to reduce the light beam vignetting (the imaging aperture stop being decentered with respect to the optical axis) (paragraph 0109 in JP-A-2002-213916, parallel to FIG. 16). Flat plate 113a).

次に、サーチ計測系23,ファイン計測系28及び観察計測系31の結像位置を調整するためのアライメントオートフォーカス系35について説明する。   Next, an alignment autofocus system 35 for adjusting the imaging positions of the search measurement system 23, the fine measurement system 28, and the observation measurement system 31 will be described.

先ず、送光系について説明すると、ライトガイド56,57の端面から射出された照明光は、それぞれσ絞り100A、100B(図6(A)参照)、コンデンサレンズ101A、101B、マルチスリット102A、102B(図6(C)参照)、送光レンズ103A、103Bを透過した後、開口絞り104A、104Bの一方のスリット(図6(B)の右側にあるスリット)を介してハーフプリズム105に入射し、開口絞り104Aからの光はハーフプリズム105を通過し、開口絞り104Bからの光はハーフプリズム105で反射される。これら光は、開口絞り位置の瞳空間で合成され、スリット合成レンズ107を透過してウエハWと光学的にほぼ共役位置にある視野合成ミラー108で反射する。このウエハ共役位置で2つのマルチスリット像は、完全に重なった状態となり、ウエハW上に投影される。このとき、図8のアライメントオートフォーカス系35の原理説明図に示すように所定のウエハ投影傾き角TでウエハW上に投影される。   First, the light transmission system will be described. Illumination lights emitted from the end faces of the light guides 56 and 57 are σ stops 100A and 100B (see FIG. 6A), condenser lenses 101A and 101B, and multi-slits 102A and 102B, respectively. (See FIG. 6C), after passing through the light transmitting lenses 103A and 103B, the light enters the half prism 105 through one slit of the aperture stops 104A and 104B (the slit on the right side of FIG. 6B). The light from the aperture stop 104A passes through the half prism 105, and the light from the aperture stop 104B is reflected by the half prism 105. These lights are combined in the pupil space at the aperture stop position, transmitted through the slit combining lens 107, and reflected by the field combining mirror 108 which is optically substantially conjugate with the wafer W. At the wafer conjugate position, the two multi-slit images are completely overlapped and projected onto the wafer W. At this time, as shown in the principle explanatory diagram of the alignment autofocus system 35 in FIG.

次に、受光系について説明すると、所定のウエハ投影傾き角TでウエハWに投影され光のうち、図8の右側から入射した光は左側から反射し、また左側から入射した光は右側から反射して同じ光路をたどって視野合成ミラー108に戻り、さらに開口絞り104A、104Bの他方のスリット(図6(B)の左側にあるスリット)を通過し、円筒レンズ、受光レンズ110A、110B、ミラー及び円筒レンズ111などを介してラインセンサ112上にマルチスリット像を形成する。ラインセンサ112には、開口絞り104Aを通過したマルチスリット像と開口絞り104Bを通過したマルチスリット像とが入射されており、これらマルチスリット像のラインセンサ112上での結像位置間の間隔によりデフォーカス量(フォーカス状態)を計測している。すなわち、ラインセンサ112では入力した像分布をそれぞれ光電変換して主制御系12に送り、主制御系12ではこれら画像信号を演算処理して、マルチスリット像の結像位置間の間隔を求め、この間隔からデフォーカス量を演算する。主制御系12は、Zステージ16をデフォーカス量が零になる位置に駆動させる。これにより、上述した観察計測、サーチ計測及びファイン計測が合焦した状態で行われることになる。   Next, the light receiving system will be described. Of light projected onto the wafer W at a predetermined wafer projection tilt angle T, light incident from the right side in FIG. 8 is reflected from the left side, and light incident from the left side is reflected from the right side. Then, it returns to the field synthesis mirror 108 through the same optical path, and further passes through the other slit of the aperture stops 104A and 104B (the slit on the left side of FIG. 6B), and the cylindrical lens, the light receiving lenses 110A and 110B, the mirror A multi-slit image is formed on the line sensor 112 via the cylindrical lens 111 and the like. The multi-slit image that has passed through the aperture stop 104A and the multi-slit image that has passed through the aperture stop 104B are incident on the line sensor 112. Depending on the interval between the image forming positions on the line sensor 112 of these multi-slit images. The defocus amount (focus state) is measured. That is, the line sensor 112 photoelectrically converts each input image distribution and sends it to the main control system 12, and the main control system 12 calculates these image signals to obtain the interval between the image forming positions of the multi-slit images, The defocus amount is calculated from this interval. The main control system 12 drives the Z stage 16 to a position where the defocus amount becomes zero. Thereby, the above-described observation measurement, search measurement, and fine measurement are performed in a focused state.

また、上述したマルチスリット102A、102B(図6(C)参照)を用いる場合にあっては、光学系の像面傾斜が必要十分に良好でないとスリットの投影像が倒れてしまい、結果として、左右のマルチスリット102A、102Bの間隔値D0がスリット毎にばらつきを持つことになる。また、光学系に波面収差があると、左右スリット像が歪んで異なる像強度分布となるとか(像非対称)、フォーカZとスリット像位置ズレ量との関係の直線性が崩れるといった影響がある。このため、本実施形態では、像面湾曲のPV(Peak
to Valley)値をウエハW上で0.5μ以内、好ましくは0.1μ以内にして、また波面収差をPV値で0.2λ(λ=633nm)以下にしている。
In addition, in the case of using the multi slits 102A and 102B (see FIG. 6C) described above, the projected image of the slit is tilted unless the image plane tilt of the optical system is sufficiently good, and as a result, The interval value D0 between the left and right multi-slits 102A and 102B has a variation for each slit. Further, if there is wavefront aberration in the optical system, the left and right slit images are distorted to have different image intensity distributions (image asymmetry), or the linearity of the relationship between the focus Z and the slit image position shift amount is lost. For this reason, in this embodiment, PV (Peak
to Valley) value is within 0.5 μm, preferably within 0.1 μm on wafer W, and wavefront aberration is PV value of 0.2λ (λ = 633 nm) or less.

また、アライメントオートフォーカス系35では以下に説明する各種調整を行っている。   The alignment autofocus system 35 performs various adjustments described below.

図8はアライメントオートフォーカス系35における各種調整を示している。図8の左側に示す送光系では、ライトガイドの前後調整(又はコンデンサレンズの前後調整)、位置ハービング(平行平板)のチルト調整、送光レンズの送光ピント調整、色消し偏角プリズムの色分散調整、テレセンハービングのチルト調整、スリット合成レンズのピント調整などの調整を行い、また同図の右側に示す受光系では、色消し偏角プリズムの受光色分散調整、センサ位置ハービングの調整などの調整を行っている。   FIG. 8 shows various adjustments in the alignment autofocus system 35. In the light transmission system shown on the left side of FIG. 8, the light guide is adjusted back and forth (or the condenser lens back and forth), the tilt adjustment of the position herbing (parallel plate), the light transmission focus adjustment of the light transmission lens, and the achromatic declination prism. Adjustments such as chromatic dispersion adjustment, tilt adjustment of telecentric herbing, and focus adjustment of the slit compound lens are performed. In the light receiving system shown on the right side of the figure, the received color dispersion adjustment of the achromatic deviation prism and the adjustment of sensor position herbing are performed. Etc. are adjusted.

また、アライメントオートフォーカス系35では、テレセン調整(左右スリットのウエハ投影角度T調整)、スリット位置出し調整、面内テレセン調整(各スリットのテレセンズレ調整)、同焦点(マルチスリット像がウエハ面と共役でかつセンサと共役)調整、スリット回転(各スリット像がセンサ上で相対的に回転している)調整、センサ回転調整、スリット像落射位置(ウエハ上の左右スリット像位置)調整などの各種調整をさらに実施している。   In the alignment autofocus system 35, telecentric adjustment (wafer projection angle T adjustment of left and right slits), slit positioning adjustment, in-plane telecentric adjustment (telecentration adjustment of each slit), and confocality (multi-slit image is conjugate with wafer surface). Various adjustments such as adjusting the slit rotation (each slit image is relatively rotated on the sensor), adjusting the sensor rotation, adjusting the slit image incident position (left and right slit image position). Is further implemented.

これら調整の具体的な手法について説明する。アライメントオートフォーカス計測では、左右のマルチスリット102A、102Bのスリット像のベストフォーカス位置でのラインセンサ上の間隔D0(画素単位)とレートR0(センサ1画素あたりのフォーカス移動量)を用いながら行う。現在の間隔値がDだとすると、現在のデフォーカス量DFは、DF=R0×(D−D0)で表される。よって間隔D0とレートR0を光学調整にて常に合わせた状態で作業を行う。   A specific method for these adjustments will be described. The alignment autofocus measurement is performed using the interval D0 (pixel unit) on the line sensor at the best focus position of the slit images of the left and right multi-slits 102A and 102B and the rate R0 (focus movement amount per sensor pixel). If the current interval value is D, the current defocus amount DF is represented by DF = R0 × (D−D0). Therefore, the work is performed in a state where the interval D0 and the rate R0 are always matched by optical adjustment.

ベストフォーカス位置設定では、FM(図2参照)のパターンのない反射面(非パターン形成面)をFIAセンサ20のベストフォーカス位置に設置し、マルチスリット102A、102Bの位置を、ファインマーク(図6(C)の中央に位置する幅の狭い5本のスリットを参照:大きくデフォーカスすると、投影像の形が崩れる)毎に求め、またラフマーク(図6(C)の左右に位置する2本の幅の広いスリットを参照:大きくデフォーカスしても投影像の形はあまり崩れない)毎に求める。また、アライメントオートフォーカス計測に必要なスリット間隔D0を求める。この際、ラインセンサ112上のスリット像の位置がずれている場合は、受光系にあるセンサ位置ハービング(平行平板)で調整する。   In the best focus position setting, a reflection surface (non-pattern forming surface) having no FM (see FIG. 2) pattern is set at the best focus position of the FIA sensor 20, and the positions of the multi slits 102A and 102B are set to fine marks (FIG. 6). (C) Refer to five narrow slits located in the center: Obtained every time a large defocus occurs, and the rough image (two left and right positions in FIG. 6C) is obtained. See the wide slit: The shape of the projected image does not collapse much even if it is defocused greatly). Further, a slit interval D0 necessary for alignment autofocus measurement is obtained. At this time, if the position of the slit image on the line sensor 112 is deviated, adjustment is performed by sensor position herving (parallel plate) in the light receiving system.

また、レート(1ピクセル当たりの傾き)が所望の値になるように光軸傾き調整が行われる。これは、パターン無領域をFIAセンサ20のベストフォーカス位置に設置し、フォーカスZを振ってスリット像間隔を求め、レート(センサ画素1ピクセルあたりのフォーカスズレ量)を計測・設定する。ファインスリットのレート、ラフスリットのレート、マルチスリット102A、102B中のファインスリット部分の各レート、ラフスリット部分の各レートを表示する。   Further, the optical axis inclination is adjusted so that the rate (inclination per pixel) becomes a desired value. In this method, a non-pattern area is set at the best focus position of the FIA sensor 20, the slit Z interval is obtained by shaking the focus Z, and the rate (focus shift amount per sensor pixel) is measured and set. The fine slit rate, the rough slit rate, the rates of the fine slit portions in the multi-slits 102A and 102B, and the rates of the rough slit portions are displayed.

左右のマルチスリット102A、102Bで傾き量が合っていないと、スリット像のシフト量が変わるので、レート値を正しい値に調整する。これには、左マルチスリットであるマルチスリット102Aと右マルチスリットであるマルチスリット102Bのウエハ投射光軸の傾き量Tを調整すればよい。具体的には、マルチスリット102A、マルチスリット102Bの各送光系にあるテレセン(ウエハ投影光軸の傾き)調整用の平行平板(ハービングガラス)を傾けることにより調整される。これにより、正しいレート値に正確にあわせこむことが出来る。   If the left and right multi-slits 102A and 102B do not match the tilt amount, the shift amount of the slit image changes, so the rate value is adjusted to the correct value. For this purpose, the tilt amount T of the wafer projection optical axis of the multi-slit 102A that is the left multi-slit and the multi-slit 102B that is the right multi-slit may be adjusted. Specifically, it is adjusted by tilting a parallel plate (herving glass) for adjusting telecentric (inclination of the wafer projection optical axis) in each light transmission system of the multi slit 102A and the multi slit 102B. As a result, it is possible to accurately match the correct rate value.

また、ベストフォーカス位置での左右のマルチスリット102A、102Bのピント調整を行う。これは、送光レンズ103A、103Bとスリット合成レンズ107のピントを調整する。すなわち、図9(A)のピントと位置調整手法の説明図に示すように、送光スリットにFM上のアライメントオートフォーカス調整マークの強度パターンである、調整用明暗パターンを重ねて調整を行う。送光スリットにFM上の調整用明暗パターンを重ねると、同図(B)に示す信号波形が得られる。この図9(B)は信号のエッジ位置とエッジ傾斜を計測する手法を説明する説明図で、信号波形からエッジの位置と傾斜を計測して行う。IEL、IERが調整用明暗パターンの左右の内エッジの位置を表し、OEL,OERが送光スリットの左右の外エッジの位置を表しており、これらから送光スリットのエッジ位置と調整用明暗パターンのエッジ位置が求められる。また、ΔIEL、ΔIERが調整用明暗パターンの左右の内エッジの傾斜を表し、ΔOEL,ΔOERが送光スリットの左右の外エッジの傾斜を表しており、これらから送光スリットのエッジの傾斜と調整用明暗パターンのエッジの傾斜が求められる。   Further, focus adjustment of the left and right multi-slits 102A and 102B at the best focus position is performed. This adjusts the focus of the light transmitting lenses 103A and 103B and the slit combining lens 107. That is, as shown in the explanatory view of the focus and position adjustment method in FIG. 9A, adjustment is performed by superimposing the adjustment light / dark pattern, which is the intensity pattern of the alignment autofocus adjustment mark on the FM, on the light transmission slit. When the adjustment light / dark pattern on FM is superimposed on the light transmission slit, the signal waveform shown in FIG. FIG. 9B is an explanatory diagram for explaining a method for measuring the edge position and edge inclination of a signal, and is performed by measuring the edge position and inclination from the signal waveform. IEL and IER represent the positions of the left and right inner edges of the adjustment light / dark pattern, and OEL and OER represent the positions of the left and right outer edges of the light transmission slit. From these, the edge position of the light transmission slit and the adjustment light / dark pattern The edge position is determined. In addition, ΔIEL and ΔIER represent the inclination of the left and right inner edges of the adjustment light / dark pattern, and ΔOEL and ΔOER represent the inclination of the left and right outer edges of the light transmission slit, from which the inclination and adjustment of the edge of the light transmission slit are adjusted. The inclination of the edge of the bright and dark pattern is required.

デフォーカスZをFIAセンサ20のベスフォーカス位置を基準にピッチで振って得られた画像データを逐次処理して、送光スリットのエッジスロープ(角度)最大Z位置と、下地パターンのエッジスロープ最大Z位置を求める(それぞれ、送光スリットのピント位置、受光系のピント位置とする)。下地パターンと送光スリットの重なりを維持させるために、下地パターンはZと共に計測方向オフセットを持たせて振る(上述したレートの約1/2の値)デフォーカスZを振る際には、下地パターンである調整用明暗パターンは送光スリットと重なったまま行う。また、ピントの調整は、アライメントオートフォーカス調整マークのピント調整をスリット合成レンズ107、又は各受光系の受光レンズ110A、110Bで行う。各マルチスリット像のピント調整は各送光系にある送光レンズ103A、103Bにて行う。   The image data obtained by swinging the defocus Z with a pitch based on the best focus position of the FIA sensor 20 is sequentially processed to obtain the maximum edge slope (angle) Z position of the light transmission slit and the maximum edge slope Z of the base pattern. The position is obtained (the focus position of the light transmission slit and the focus position of the light receiving system, respectively). In order to maintain the overlap between the base pattern and the light transmission slit, the base pattern is shaken with a measurement direction offset together with Z (about half the above-mentioned rate). The adjustment light / dark pattern is performed while overlapping the light transmission slit. Further, the focus adjustment is performed by adjusting the alignment auto-focus adjustment mark with the slit combining lens 107 or the light receiving lenses 110A and 110B of the respective light receiving systems. The focus adjustment of each multi-slit image is performed by the light transmission lenses 103A and 103B in each light transmission system.

また、マルチスリット像のウエハW上での落射位置の計測を行い、ウエハW上で正確に重なり合うように調整する。これは、図9で示す送光スリットに、下地パターンである調整用明暗パターンを重ね、マルチスリットA、Bと下地パターンの位置を画像処理によりセンサ基準で計測して行う。マルチスリットA、Bの落射位置が、下地マークに対してFIAセンサ20のベストフォーカス位置で同じとなる様に調整する。調整手段としては、図8に示す送光系の平行平板である位置ハービングを傾けることで行う。   Further, the incident position of the multi-slit image on the wafer W is measured and adjusted so as to be accurately overlapped on the wafer W. This is performed by superimposing a light and dark pattern for adjustment, which is a base pattern, on the light transmission slit shown in FIG. 9, and measuring the positions of the multi slits A and B and the base pattern on the basis of a sensor by image processing. The incident positions of the multi slits A and B are adjusted so as to be the same at the best focus position of the FIA sensor 20 with respect to the background mark. As an adjusting means, it is performed by tilting a position herving which is a parallel plate of the light transmission system shown in FIG.

また、ウエハW上に塗布されるフォトレジストの厚みなどにより波長帯域により色ずれが生じるので、色ずれ調整を行う。アライメントオートフォーカス系35では、FIAセンサ20と同様広い波長域(530〜800nm)の光を用いているので、中心波長域では色ずれがないものの、長波域と短波域でそれぞれ色ずれが生じる。このため、照明光学系のコンデンサレンズ付近に長波側のみ透過する色フィルタと短波側のみ透過する色フィルタをそれぞれ挿入して、長波と短波での調整誤差をあわせる。   Further, since color shift occurs depending on the wavelength band depending on the thickness of the photoresist applied on the wafer W, color shift adjustment is performed. Since the alignment autofocus system 35 uses light in a wide wavelength range (530 to 800 nm) as in the FIA sensor 20, although there is no color shift in the central wavelength range, color shift occurs in the long wave range and the short wave range, respectively. For this reason, a color filter that transmits only the long wave side and a color filter that transmits only the short wave side are inserted in the vicinity of the condenser lens of the illumination optical system, respectively, so that adjustment errors in the long wave and short wave are matched.

長波域のときにウエハW上のスリット像落射位置計測を計測し、短波域のときにウエハW上のスリット像落射位置相対関係を計測し、各マルチスリットのウエハ投影像の色ずれがない様に、各送光系内に設置された色消し偏角プリズム(図8参照)を光軸中心に回転さて調整する。色消し偏角プリズムとは、2枚のガラス材料の偏角プリズムを接合したもので、波長域の中心波長ではほぼ射出フレ角が0であり、長波域と短波域の光に対しては、それぞれ正方向、負方向にフレ角が発生する光学素子である。このような調整により、投影スリット像の色ずれをなくすことが出来る。   The slit image incident position measurement on the wafer W is measured in the long wave region, and the slit image incident position relative relationship on the wafer W is measured in the short wave region, so that there is no color shift of the wafer projected image of each multi slit. Then, an achromatic declination prism (see FIG. 8) installed in each light transmission system is adjusted by rotating it around the optical axis. Achromatic declination prisms are made by joining two declination prisms made of glass material. The emission angle is almost zero at the center wavelength of the wavelength region, and for light in the long wave region and short wave region, It is an optical element that generates a deflection angle in the positive direction and the negative direction, respectively. By such adjustment, it is possible to eliminate the color shift of the projected slit image.

さらに、FIAセンサ20のベストフォーカス位置で、照明光を長波域と短波域にした状態で、基準となるスリット間隔D0の色によるズレを計測する。このズレは、受光系に設置された色消し偏角プリズム(図8参照)を光軸中心に回転させることにより必要十分に小さくする。   Further, at the best focus position of the FIA sensor 20, the deviation due to the color of the reference slit interval D0 is measured in a state where the illumination light is in the long wave region and the short wave region. This deviation is made sufficiently small by rotating the achromatic declination prism (see FIG. 8) installed in the light receiving system about the optical axis.

上述したFIAセンサ20においては、各種大きさのアライメントマークを計測するため、光軸近傍の透過波面収差がよい上に、周辺でも十分に良好な透過波面収差にしている。これは、特にコマ収差が大きいと、マークの線幅、反射率、ピッチ、段差量等が変わった際に、計測結果に横ズレが発生するという影響があるが、計測領域内でコマ収差が均一でないと、マークの大きさやパターンが変わったときに同横ズレ現象が発生するからである。例えば、ファイン計測系28のウエハWからファイン計測用CCDカメラ25,26に至る光路上の対物レンズ69〜71,91,92,94などの波面収差をファイン計測領域内全般に亘って小さくしている。これによりアライメント精度を向上させることができる。   In the FIA sensor 20 described above, in order to measure alignment marks of various sizes, the transmitted wavefront aberration in the vicinity of the optical axis is good, and the transmitted wavefront aberration in the periphery is sufficiently good. This is especially true when coma is large. When the line width, reflectivity, pitch, level difference, etc. of the mark change, there is an effect that lateral deviation occurs in the measurement results. If it is not uniform, the horizontal shift phenomenon occurs when the mark size or pattern changes. For example, the wavefront aberrations of the objective lenses 69 to 71, 91, 92, and 94 on the optical path from the wafer W of the fine measurement system 28 to the CCD cameras 25 and 26 for fine measurement are reduced over the entire fine measurement region. Yes. Thereby, alignment accuracy can be improved.

次に、FIAセンサ20の関連事項について説明する。FIAセンサ20の光学系にディストーションが残存していると、アライメントマークAMの計測位置がずれた際に、計測結果に横ズレが発生する。このため、本実施態様では、光学系におけるディストーションはもちろんのこと、さらに研磨面の微小なうねりにより発生する微小な像ひずみに関しても抑えた光学系にしてある。   Next, related items of the FIA sensor 20 will be described. If distortion remains in the optical system of the FIA sensor 20, a lateral shift occurs in the measurement result when the measurement position of the alignment mark AM is shifted. For this reason, in the present embodiment, not only the distortion in the optical system but also the minute image distortion caused by the minute waviness of the polished surface is suppressed.

また、本実施態様では、FIAセンサ20は、530〜800nmという広い波長域全域で軸上色収差、倍率色収差が十分に小さく、他の収差も良好にしてある
本実施態様において、ウエハW上のテレセン(光軸の垂直からの乖離量)が大きいと、ウエハWがデフォーカスした際に、計測結果に横ズレが発生するので、計測領域内の軸外点含め、すべての点でテレセンが良好にすることが好ましい。
In this embodiment, the FIA sensor 20 has axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration sufficiently small over the wide wavelength range of 530 to 800 nm, and other aberrations are also good. When the (deviation amount from the vertical axis of the optical axis) is large, when the wafer W is defocused, lateral deviation occurs in the measurement result, so that the telecentricity is good at all points including off-axis points in the measurement area. It is preferable to do.

また、本実施態様では、ファイン計測用CCDカメラ25,26において、カメラ回転補正を行っている。これは、例えば計測領域内の上半分、下半分にアライメントマークAMがくるようにウエハステージWSTを設置し、計測結果の横ズレ量とアライメントマークAMの上下ズレ量からファイン計測用CCDカメラ25,26の回転を割り出し、修正する。   In the present embodiment, the camera rotation correction is performed in the CCD cameras 25 and 26 for fine measurement. For example, the wafer stage WST is set so that the alignment mark AM is placed in the upper half and the lower half of the measurement area, and the fine measurement CCD camera 25, based on the horizontal shift amount of the measurement result and the vertical shift amount of the alignment mark AM, 26 rotations are determined and corrected.

また、本実施態様では、図10に示すように、上部ユニットカバー120,下部ユニットカバー121によりファイン計測系28の光路全体を覆い、密封することにより、光学系において空気揺らぎの影響を抑制している。   Further, in this embodiment, as shown in FIG. 10, the entire optical path of the fine measurement system 28 is covered and sealed by the upper unit cover 120 and the lower unit cover 121, thereby suppressing the influence of air fluctuations in the optical system. Yes.

上部ユニットカバー120内に熱源となる、ファイン計測用CCDカメラ25,26など(赤外LED46(図4参照)なども含まれる)を配置して密封することにより、ファイン計測用CCDカメラ25,26から発生した熱がウエハWの周辺に伝わらないようにしている。また、上部ユニットカバー120内には、冷媒を封入したヒートシンクポンプ122が配置されていて、ファイン計測用CCDカメラ25,26などから発生する熱により上部ユニットカバー120内の温度が上昇しないように温度調整を行っている。また、図示していないが、上部ユニットカバー120内において、第4対物レンズ94,ミラー95,ファイン計測用CCDカメラ25,26などを一体化することにより振動による計測誤差を抑える構造となっている。   The fine measurement CCD cameras 25 and 26 (including the infrared LED 46 (see FIG. 4), etc.) (including the infrared LED 46 (see FIG. 4)), which are heat sources, are disposed in the upper unit cover 120 and sealed. The heat generated from the wafer W is prevented from being transmitted to the periphery of the wafer W. Further, a heat sink pump 122 filled with a refrigerant is disposed in the upper unit cover 120 so that the temperature in the upper unit cover 120 does not rise due to heat generated from the CCD cameras 25 and 26 for fine measurement. Adjustments are being made. Although not shown, the fourth unit lens 94, mirror 95, fine measurement CCD cameras 25 and 26, etc. are integrated in the upper unit cover 120 to suppress measurement errors due to vibration. .

また、本実施態様では、図11に示すように、FM自体に段差パターンなどの検査用パターン125を形成しておき、原器ウエハとのオフセット管理を行うようにしている。   Further, in this embodiment, as shown in FIG. 11, an inspection pattern 125 such as a step pattern is formed on the FM itself, and offset management with respect to the original wafer is performed.

従来、位相(段差)パターンなどの所定のパターンが設けられた検査用ウエハを用いて位置検出装置(FIAセンサ)の光学系の特性(典型的には球面収差やコマ収差などの収差、光束ケラレ(結像開口絞りが光軸に対して非対称に偏心して光束が遮られること)など)を計測しているが(例えば特開2002−213916号公報)、本実施態様では、図11に示すように、ウエハステージWSTに設けられたFM(基準板)に位置検出装置であるFIAセンサ20の光学特性を計測するための位相(段差)パターンなどを有する検査用パターン125を設けている。これにより、位置検出装置の光学系の特性を測定するたびに検査用ウエハをウエハステージWST上に載せたり、或いはウエハステージWSTから降ろしたりする必要がなくなる。ここで、特定の検査基板を基準の検査用基板として、当該基準の検査用基板を用いた位置検出装置の光学系の計測結果と、ウエハステージWST上のFM(基準板)上の検査用パターン(段差パターンなど)を用いた位置検出装置の光学系の計測結果との差違をオフセット値として予め求めておくことが好ましい。ウエハステージWST上のFM(基準板)上の検査パターンを用いた位置検出装置の光学系の計測結果を上記オフセット値で補正することにより、高精度な計測が行える。   Conventionally, optical characteristics of a position detection device (FIA sensor) using an inspection wafer provided with a predetermined pattern such as a phase (step) pattern (typically, aberrations such as spherical aberration and coma aberration, luminous flux vignetting). (For example, the imaging aperture stop is decentered asymmetrically with respect to the optical axis to block the light beam)) (for example, JP-A-2002-213916). In this embodiment, as shown in FIG. In addition, an inspection pattern 125 having a phase (step) pattern for measuring optical characteristics of the FIA sensor 20 as a position detection device is provided on an FM (reference plate) provided on the wafer stage WST. This eliminates the need to place the inspection wafer on or off the wafer stage WST each time the characteristics of the optical system of the position detection device are measured. Here, using a specific inspection substrate as a reference inspection substrate, the measurement result of the optical system of the position detection device using the reference inspection substrate, and the inspection pattern on the FM (reference plate) on wafer stage WST It is preferable to obtain in advance the difference from the measurement result of the optical system of the position detection apparatus using (step difference pattern or the like) as an offset value. By correcting the measurement result of the optical system of the position detection apparatus using the inspection pattern on the FM (reference plate) on the wafer stage WST with the offset value, highly accurate measurement can be performed.

本実施態様において、σ絞り62、NA絞り22,27などの切り換え機構の切り換え時間を可及的に短くすることにより、スループット性への影響を出来るだけ少なくすることが望ましい。   In this embodiment, it is desirable to reduce the influence on the throughput as much as possible by shortening the switching time of the switching mechanisms such as the σ diaphragm 62 and the NA diaphragms 22 and 27 as much as possible.

また、照明光学系33において、2次光源の輝度分布を均一化する為、送光系のファイバ端面を6角形にしてもよい。   In the illumination optical system 33, the fiber end face of the light transmission system may be hexagonal in order to make the luminance distribution of the secondary light source uniform.

本発明は、上記実施態様で説明したものに限定されず、本発明の範囲内において種々変更することが出来る。   The present invention is not limited to the one described in the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention.

本発明の位置計測装置(FIA(Field Image Alignment)センサを装備した露光装置の一実施形態を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing an embodiment of an exposure apparatus equipped with a position measurement apparatus (FIA (Field Image Alignment) sensor of the present invention. FIG. 図1の位置計測装置の詳細な実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows detailed embodiment of the position measuring apparatus of FIG. (A)は図2に示す位置計測装置に装備された照明開口絞りとしてのσ絞りの説明図である。(B)は同結像光束開口絞りとしてのNA絞りの説明図である。(A) is explanatory drawing of (sigma) stop as an illumination aperture stop with which the position measuring apparatus shown in FIG. 2 was equipped. FIG. 6B is an explanatory diagram of an NA stop as the imaging light beam aperture stop. 図2に示す位置計測装置に装備された計測用の照明光の光源を示す構成図である。It is a block diagram which shows the light source of the illumination light for measurement with which the position measuring apparatus shown in FIG. 2 was equipped. 図2に示す位置計測装置に装備された指標板の機能を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the function of the parameter | index plate with which the position measuring apparatus shown in FIG. 2 was equipped. (A)は図2に示す位置計測装置に装備されたオートフォーカス系に配置されたσ絞りを示す拡大図である。(B)は同開口絞りを示す拡大図である。C)は同マルチスリットを示す拡大図である。(A) is an enlarged view showing a σ stop arranged in an autofocus system equipped in the position measuring apparatus shown in FIG. 2. (B) is an enlarged view showing the aperture stop. C) is an enlarged view showing the multi-slit. 被露光基板としてのウエハ上に形成されたアライメントマークの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the alignment mark formed on the wafer as a to-be-exposed board | substrate. アライメントオートフォーカス系35における各種調整の説明図である。It is explanatory drawing of the various adjustments in the alignment autofocus system. (A)はピントと位置調整手法の説明図である。(B)は信号のエッジ位置とエッジ傾斜を計測する手法を説明する説明図である。(A) is explanatory drawing of a focus and a position adjustment method. (B) is explanatory drawing explaining the method of measuring the edge position and edge inclination of a signal. ファイン計測系28の光路部分の構成図である。3 is a configuration diagram of an optical path portion of a fine measurement system 28. FIG. FM自体に段差パターンなどの検査用パターン125を形成する実施態様の説明図である。It is explanatory drawing of the embodiment which forms the test patterns 125, such as a level | step difference pattern, in FM itself.

符号の説明Explanation of symbols

10 露光装置
15 XYステージ
16 Zステージ
20 FIAセンサ(位置計測装置)
21 サーチ計測用CCDカメラ(第1受光素子)
22 NA絞り(第1結像光束開口絞り)
23 サーチ計測系(第1計測系)
25,26 ファイン計測用CCDカメラ(第2受光素子)
27 NA絞り(第2結像光束開口絞り)
28 ファイン計測系(第2計測系)
30 観察用CCDカメラ
31 観察計測系(第3計測系)
35 アライメントオートフォーカス系
62 σ絞り(照明光束開口絞り)
69〜71 第1対物レンズ
R レチクル
W ウエハ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Exposure apparatus 15 XY stage 16 Z stage 20 FIA sensor (position measuring device)
21 CCD camera for search measurement (first light receiving element)
22 NA stop (first imaging beam aperture stop)
23 Search measurement system (first measurement system)
25, 26 Fine measurement CCD camera (second light receiving element)
27 NA stop (second imaging beam aperture stop)
28 Fine measurement system (second measurement system)
30 CCD camera for observation 31 Observation measurement system (third measurement system)
35 Alignment autofocus system 62 σ stop (illumination beam aperture stop)
69-71 First objective lens R Reticle W Wafer

Claims (5)

物体上に形成された位置計測用パターンに計測用照明光を照射し、該位置計測用パターンから反射した反射光を受光して計測することにより、前記物体の位置を計測する位置計測装置であって、
前記位置計測用パターンから反射した反射光を対物光学系を介して第1受光素子で受光して、前記位置計測用パターンを第1の計測倍率で計測する第1計測系と、
前記位置計測用パターンから反射した反射光を前記対物光学系を介して前記第1受光素子とは異なる第2受光素子で受光して、前記位置計測用パターンを前記第1の計測倍率よりも高倍率の第2の計測倍率で計測する第2計測系と、を有し、
前記第1計測系は、前記位置計測用パターンから反射した光を前記第1受光素子へ導く光路上に配置された第1結像光束開口絞りを備えており、
前記第2計測系は、前記位置計測用パターンから反射した光を前記第2受光素子へ導く光路上に配置された第2結像光束開口絞りを備えており、
前記第1、第2結像光束開口絞りの開口数は異なっていることを特徴とする位置計測装置。
A position measurement device that measures the position of an object by irradiating measurement illumination light formed on the object with measurement illumination light and receiving and measuring reflected light reflected from the position measurement pattern. And
A first measurement system that receives reflected light reflected from the position measurement pattern by a first light receiving element via an objective optical system, and measures the position measurement pattern at a first measurement magnification;
The reflected light reflected from the position measurement pattern is received by the second light receiving element different from the first light receiving element through the objective optical system, and the position measurement pattern is higher than the first measurement magnification. A second measurement system for measuring at a second measurement magnification of the magnification,
The first measurement system includes a first imaging light beam aperture stop disposed on an optical path that guides light reflected from the position measurement pattern to the first light receiving element;
The second measurement system includes a second imaging light beam aperture stop disposed on an optical path that guides light reflected from the position measurement pattern to the second light receiving element,
A position measuring apparatus, wherein the first and second imaging light beam aperture stops have different numerical apertures.
請求項1に記載の位置計測装置において、
前記計測用照明光を前記位置計測用パターンに導く照明光路上に配置され、且つ互いに異なる開口数又は形状に前記計測用照明光を規制するための複数の規制部を備えた照明光束開口絞りを更に有し、
前記第1計測系で前記計測を行う際には、前記複数の規制部のうち何れか1つの規制部を前記照明光路上に選択配置することを特徴とする位置計測装置。
The position measuring device according to claim 1,
An illumination beam aperture stop that is disposed on an illumination optical path that guides the measurement illumination light to the position measurement pattern and includes a plurality of restricting portions for restricting the measurement illumination light to different numerical apertures or shapes. In addition,
When performing the measurement by the first measurement system, any one of the plurality of restricting portions is selectively arranged on the illumination optical path.
請求項1又は2に記載の位置計測装置において、
前記位置計測用パターンから反射した反射光を、前記第1、第2受光素子とは独立した第3受光素子で受光して、前記位置計測用パターンを前記第1の計測倍率よりも低倍率の第3の計測倍率で計測する第3計測系を更に有することを特徴とする位置計測装置。
In the position measuring device according to claim 1 or 2,
The reflected light reflected from the position measurement pattern is received by a third light receiving element independent of the first and second light receiving elements, and the position measurement pattern is lower in magnification than the first measurement magnification. A position measurement device further comprising a third measurement system for measuring at a third measurement magnification.
マスクパターンを照明して、該マスクパターンの像を被露光基板上に転写する露光装置であって、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の位置計測装置を有し、
前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする露光装置。
An exposure apparatus that illuminates a mask pattern and transfers an image of the mask pattern onto an exposed substrate,
It has the position measuring device according to any one of claims 1 to 3,
An image of the mask pattern is transferred onto the exposure substrate positioned based on a result of measuring a position measurement pattern formed on the exposure substrate using the position measurement device. Exposure device.
マスクパターンを照明して、該マスクパターンの像をステージ上に搭載された被露光基板上に転写する露光方法であって、
前記被露光基板上に形成された位置計測用パターンを、請求項1乃至3の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測し、
前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて位置決めされた前記被露光基板上に、前記マスクパターンの像を転写することを特徴とする露光方法。
An exposure method for illuminating a mask pattern and transferring an image of the mask pattern onto an exposure substrate mounted on a stage,
The position measurement pattern formed on the substrate to be exposed is measured using the position measurement device according to any one of claims 1 to 3,
An exposure method, comprising: transferring an image of the mask pattern onto the substrate to be exposed positioned based on a result measured using the position measuring device.
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