JPH07119569B2

JPH07119569B2 - 光走査型位置検出装置

Info

Publication number: JPH07119569B2
Application number: JP62066499A
Authority: JP
Inventors: 裕二今井; 伸貴馬込; 成郎村上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1987-03-20
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPS63233306A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、所定のパターンを有する被検物体面上を光ビ
ームで走査して、このパターンからの散乱光や回折光等
の反射光を検出することによって該パターンの位置を検
出するための装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の装置は、半導体ウエハ上に形成された微細のパ
ターンの測定や、半導体製造の工程において用いられる
露光装置におけるアライメントのために用いられてい
る。

このための光走査機構は、小型な構成とするために反射
鏡と振動子、又はスリットと回転子とからなるのが一般
的である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、振動子や回転子の駆動方法により非線形な動き
や、振動子固有の不安定な動きが、アライメントマーク
上での検出光の走査速度の変動をもたらし、位置検出即
ちアライメントのための誤差を生ずる恐れがあった。具
体的には、アライメントのために一般的に行われている
如き基準マーク位置からアライメントマーク位置までの
走査時間を計測して基準マーク位置からのズレ量を求め
る方法においては、アライメント光の走査速度の変動が
計測誤差を生じ、結果としてアライメント精度を低下さ
せることがあった。

また、走査光を等速で移動するように走査部材を構成す
ることは装置を複雑且つ大型化してしまうことになり、
等速度の精度の向上も困難である。特に、振動鏡を振動
させるための振動子を用いてその往復運動により、光ビ
ームの走査を行う場合には、振動子の駆動信号としては
正弦波を用いるのが理想的であるため、単位時間当たり
の走査光移動距離と振動鏡の回転角度とは１対１に対応
しなくなり、結果としてアライメント誤差を生じ易いと
いう問題があった。

そこで、本発明の目的はこれらの欠点を解消し、光走査
部材の速度の変動によらず、安定して被検出物体の検出
を行うことのできる走査型光位置検出装置を提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、物体面上に第１の光ビームを集光する主光学
系と、この第１の光ビームを物体面上で走査するために
主光学系の光路中に配置されて光束の進行方向を変更す
るために偏向反射鏡を有する走査部材と、物体面からの
反射光を受光する光電検出手段とを備えた光走査型位置
検出装置を基本とするものである。そして、偏向反射鏡
に第１の光ビームとは別の第２の光ビームを照射すると
ともに、偏向反射鏡で反射された第２の光ビームを受光
し、偏向反射鏡の角度位置に対応した検出信号を出力す
る角度位置検出手段と、偏向反射鏡による物体面上での
第１の光ビームの走査に伴って光電検出手段から出力さ
れる光電信号を、角度位置検出手段から出力される検出
信号に同期し取り込み、この取り込まれた信号に基づい
て物体の位置を検出する物体位置検出手段とを設けるよ
うにしたものである。

〔作用〕

このような本発明の構成によれば、偏向反射鏡の位置検
出手段によって、走査用の偏向反射鏡の位置が逐次検出
されているため、偏向反射鏡の振動や回転が等速でなく
とも物体位置検出手段の信号を偏向反射鏡の位置に応じ
て測定することができるため、被検出物体の位置を正確
に検出することが可能である。しかも、被検出物体上に
て検出光を走査するための偏向反射鏡自体に、別光路に
て光ビームを照射することによって該偏向反射鏡の位置
を検出する構成であるため、偏向反射鏡そのものに経時
変化や熱等による変形があったとしても測定精度を低下
させる恐れが少ない。

具体的には、偏向反射鏡の位置検出手段により偏向反射
鏡の角度位置に対応した反射光の移動量を検出すること
によって偏向反射鏡の角度位置を求め、この位置信号に
よりアライメント用主光学系からの光信号におけるアラ
イメントマーク検出の信号の計数のためのトリガーをか
けている。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を示した第１図によって本発明を詳
細に説明する。

第１図は、本発明による光走査型位置検出装置を投影型
露光装置のアライメント系に採用した構成を示す概略構
成図である。

レチクルＲは照明用光源手段50からの光束によりコンデ
ンサーレンズ51を介して均一に照明され、レチクルＲ上
の所定のパターンが投影レンズＬによってウエハＷ上に
投影転写される。ここで、レチクルＲとウエハＷとの位
置を所定の関係に設定するために、両者の位置関係を検
出するアライメント用の光学系10及び20からなる主光学
系が設けられている。レーザー光源１から供給されるレ
ーザー光をレチクルＲ及びウエハＷ上で走査するための
光走査部材２として、振動鏡2aとこれを振動させるため
の回転子2bとが設けられている。レーザー光はビームエ
キスパンダー３によって所望の光束幅に拡張され、シリ
ンドリカルレンズ４を通って矩形ビームに整形され、振
動鏡2aで反射された後、集光レンズ５、半透過鏡HMを透
過して対物レンズ６通り、ミラーＭで反射されてレチク
ルＲ上に達する。レチクルＲ上でレーザー光は矩形のビ
ームスポットとして集光され、レチクルＲを透過する光
束は投影対物レンズＬを通ってウエハＷ上に達し、ウエ
ハＷ上にも矩形のビームスポットが形成される。ウエハ
Ｗで反射された光は再び投影対物レンズＬを通り、元き
た経路に沿って戻ってレチクルＲを透過し、半透過鏡HM
で反射さたディテクター７に入射する。

ここで、光源１からシリンドリカルレンズ４までの光学
系10と、集光レンズ5,ハーフミラーHM,対物レンズ６及
びミラーＭからなる光学系20とによって、レチクルＲ及
びウエハＷ面上に矩形のビームを集光すると共に該被検
出物体面からの反射光を受光するための主光学系が形成
されている。そして、光走査部２を構成する振動鏡2aの
反射面の振動中心は、主光学系のほぼ瞳位置に合致する
ように配置されており、投影対物レンズＬがその像側
（ウエハ側）でテレセントリックであるため、ウエハＷ
面上での走査光の主光線は常にウエハ面に対して垂直に
入射する。

振動鏡2aとこれを振動させるための回転子2bとからなる
走査部材２によって、レーザー光の反射角が連続的に変
化し、これによってレチクルＲ及びウエハＷ上でレーザ
ーの光の矩形ビームスポットが走査される。走査中に、
レチクルＲ上のアライメントマークM_RとウエハＷ上のア
ライメントマークM_Wとから反射される光は、回折光や散
乱光を含めて元きた経路に沿って戻り、ディテクター７
ではウエハＷ及びレチクルＲ上の各アライメントマーク
M_W,M_Rからの反射光毎に信号を発生する。この信号はプ
リアンプ16で増幅された後、A/D変換器14でデジタル信
号に変換され、メモリ回路13に記憶される。

メモリ回路13の信号は、マイクロプロセッサ11と演算専
用プロセッサ12によって解折され、レチクルＲ上のアラ
イメントマークM_RとウエハＷ上のアライメントマークM_W
とのアライメントの誤差量を求める。マイクロプロセッ
サ11は求められた誤差量に基づいて、ステージ駆動手段
９に信号を送り、ステージ駆動モータ８によってステー
ジを所定量だけ移動すると共に、干渉計17によってステ
ージの位置を検出し、レチクルＲ上のアライメントマー
クM_RとウエハＷ上のアライメントマークM_Wとが所定の位
置関係になるように制御する。

他方、偏向反射鏡としての振動鏡2aの同一の反射面上に
アライメント用ビームの光路とは別の光路にて第２の光
ビームを照射するための照射光学系30と、該照射光学系
30から供給されて振動鏡2aによって反射された第２光ビ
ームを集光するための集光光学系40とが設けられてい
る。ここで、アライメント用ビームの反射位置と第２光
ビームの反射位置とは偏向反射鏡の反射面上でほぼ一致
するように構成されている。また、第２光ビームの照射
光学系の光軸と該第２光ビームを集光するための集光光
学系との光軸を含む平面は、偏向反射鏡2a上における前
記主光学系の光ビームの入射面に一致して構成され、こ
の入射面は偏向反射鏡2aの回転中心に垂直に構成されて
いる。このため、偏向反射鏡の位置検出の精度が最も高
くなっている。そして、この集光光学系により集光され
る第２光ビームの位置を検出するディテクター44の出力
によって、振動鏡2aの振動位置が検出でき、この位置が
アライメント用走査光のウエハＷ面上での位置に１対１
に対応する。具体的には、照射光学系30はアライメント
用の主光学系に用いられるレーザー光とは別波長のレー
ザー光を発する第２のレーザー光源31と、この光束径を
拡大するビームエキスパンダー32とを有し、集光光学系
は振動鏡2aからの反射光を集光するレンズ41とシリンド
リカルレンズ42、エンコーダ用の格子43及びディテクタ
ー44を有している。そして、アライメント用光ビームの
波長と、偏向反射鏡位置検出用の第２光ビームの波長と
を異なる波長とし、さらには一方の光学系に用いる波長
光が他方の光学系に用いるディテクターの感度の低い波
長領域とすることにより、双方のビームスポット位置検
出のノイズを低下させ、より高精度の検出を行うことが
可能となる。

ここで、後述する如く、偏向反射鏡の位置検出手段のパ
ルス発生回路18によって、第２光ビームの走査位置に対
応したアライメント用の一定間隔のトリガーパルスが生
成され、このトリガーパルスの計数によりレチクル上の
アライメントマークの位置とウエハ上のアライメントマ
ークとの位置関係を検出することが可能となる。

すなわち、レチクルＲ上のアライメトマークM_Rとウエハ
Ｗ上のアライメントマークM_Wとの位置関係は、走査光ビ
ームが各アライメントマークを走査した時に発する検出
光をディテクター７により電気信号に変換し、さらにA/
D変換器14を用いてカウンタ回路15が計数するパルス発
生回路からのパルス数に同期して、各アライメントマー
クに対応して発する信号をデジタル信号に変換し、メモ
リ回路13に記憶する。換言すれば、走査部材の２によっ
て走査される光が、レチクルＲ上のアライメントマーク
M_RとウエハＷ上にアライメントマークM_Wを走査開始位置
から走査終了位置まで移動する間に、一定間隔ごとに発
生するパルス（位置パルス）信号によって両者の位置関
係が検出記憶される。

走査部材としての偏向反射鏡の位置検出用受光光学系40
のディテクター44によって検出された位置信号を電気信
号に変換し、このアナログ信号に基づいてパルス発生回
路18はディテクター44上での一定距離ごとにトリガーパ
ルスを発生する。このトリガーパルスは回転子2bの回転
を制御するスキャナ駆動回路19及びカウンタ回路15に入
力される。カウンタ回路15は、パルス発生回路18からの
位置情報とステージ駆動回路９からのステージ位置情報
とから、振動鏡2aの角度位置と走査光の位置との相対関
係を計算し、記録すると共に、メモリ回路13のアドレス
信号及びA/D変換器14のトリガーパルスを発生する。

ところで、アライメント用の主光学系のうち、振動鏡2a
からレチクルＲまでの光学系20は、振動鏡2aの位置検出
用集光光学系40とは、互いに光学的に相似に関係となる
ように構成されている。即ち、振動鏡2aの反射に関して
走査光ビームがレチクル上で移動する距離と、偏向反射
鏡の位置検出用ディテクター44の受光面上で振動鏡2aの
位置検出用の第２光ビームが移動する距離とが所定の倍
率関係で比例関係に構成されている。具体的には、第２
ビームを集光するための集光光学系の歪曲収差量が、主
光学系の被検出物対面上での歪曲収差量とほぼ等しい値
になるように構成されている。このため、アライメント
用走査光ビームと振動鏡2aの位置検出用第２光ビームと
の各々の移動量は１対１の対応関係に維持される。従っ
て、走査光１がレチクルＲ及びウエハＷ上の一定速度で
走査することが出来ない場合においても、走査ビームの
位置に応じたトリガパルスを基準としてアライメントが
なされるため、常に位置座標上の正しいアライメント信
号を得ることができる。

次に、偏向反射鏡位置検出手段のパルス発生回路18によ
って、走査光ビームの走査位置に対応したアライメント
用の一定間隔のトリガーパルスを生成するための構成に
ついて説明する。まず、第２図の光学断面図及び第３図
の概略斜視図に示す如く、偏向反射鏡位置検出用の集光
光学系40では、図中破線で示した偏向反射鏡2aの位置検
出用の第２光ビームが、偏向反射鏡2aで反射された後集
光するレンズ41により集光され、シリンドリカルレンズ
42によって偏向反射鏡の入射面（図の紙面）に垂直な方
向に伸長したビーム形状として集光される。ここで、第
２図に示すように、集光光学系40においては集光レンズ
41の焦点が偏向反射鏡2aの回転中心に合致するように配
置されているため、集光光学系はその射出側（ディテク
ター44側）でテレセントリックに形成されている。この
ことは、位置検出用の主光学系中の光学系20における対
物レンズ６がレチクルＲ側にてテレセントリックになっ
ていることに対応し、このような構成によって、各ビー
ムスポットかデフォーカスした場合にも、主光学系の光
ビームのレチクルＲ上での移動距離と、偏向反射鏡の位
置検出用の第２光ビームのディテクター44上での移動距
離とが１対１に対応し、安定して高精度が維持される。

シリンドリカルレンズ42によって伸長された第２光ビー
ムは、ディテクター44の前に配置された格子板43に入射
し、これを通過した光がディテクター44に達する。格子
板43には互いに90゜だけ位相がずれた４つの透過型格子
43a,43b,43c,43dが並列されている。このため各格子を
通過する光ビームの強度は互いに位相が90゜ずれた正弦
波状に変化し、ディテクター44は第２光ビームの位置に
対応した互いに位相が90゜ずれた４つの正弦波信号を発
生する。なお、この正弦波の一周期が格子の一周期に対
応する。

第4A図、第4B図及び第4C図は、上述した偏向反射鏡2aの
位置検出用格子板43上の第２光ビームの走査の様子と、
これと同様に行われる被検出物体としてのレチクルＲ上
での位置検出光ビームの走査の様子とを示し、第５図は
第4B図の如き第２光ビームの格子板上での走査によって
発する信号と、第4C図の如きレチクルＲ上での光ビーム
の走査によって発する信号との関係を示す波形図であ
る。第4C図の如く偏向反射鏡2aの振動によって、偏向反
射鏡2aの位置検出用第２光ビームB₂のスポットB_2Sが、
第4B図の如く４つの格子43a,43b,43c,43d上を走査し、
このときレチクルＲ上ではレチクル面上での位置検出用
の光ビームB₁のスポットB_1SがレチクルＲ上のアライメ
ントマークM_R1,M_R2並びにレチクル面上に投影されたウ
エハ上のアライメントマークの像M_Wを走査する。

第4B図に示した如く、第２光ビームB₂の伸長光スポット
B_2Sが格子板上を走査すると、４つの格子43a,43b,43c,4
3dを通過した光に対応するディテクターからの出力波形
は、それぞれ、第５図中のa,b,c,dとなる。パルス発生
回路18はこれら４つの信号に基づいて所謂エンコーダー
回路の如く正弦波一周期を複数のｍ個に分割して、第５
図ｅの如き一定周期の分割パルスを発生する。

他方、第4C図に示す如く、位置検出光ビームB₁の伸長光
スポットB_1sがレチクル面上を走査すると、レチクル上
のアライメントマークの一方のエッジM_R1と他方のエッ
ジM_R2とを走査したときに、ディテクター７は各エッジ
からの散乱光を受光して第５図中のｆの如く、一方のエ
ッジM_R1に対応する信号S_R1と他方のエッジM_R2に対応す
る信号S_R2とを生ずる。また、レチクル面上に投影され
るウエハアライメントマークの像M_Wを走査した時には、
走査ビームは投影レンズＬを介してウエハ上をも走査
し、ウエハ上のアライメントマークからの散乱回折光が
ディテクター７に到達して、第５図ｇに示す如き信号S_W
を発する。

これらの一連の信号系が第１図にて前述した如き各回路
の構成によって処理される。すなわち、第５図中ｆに示
したレチクルアライメントマークからの信号S_R1とS_R2と
の間における、第５図ｇの如きウエハアライメントマー
クからの信号S_Wの位置、H₁,H₂を第５図ｅに示した如き
パルス発生回路18からのパルス数によって検出すること
ができる。そして、このパルス数が第4C図に示した如
き、レチクル面上におけるレチクルアライメントマーク
M_R1,M_R2とウエハアライメントマークの像M_Wとの位置関
係に対応する。従って、例えば２つのアライメントマー
クM_R1,M_R2の中間にウエハアライメントマークの像M_Wが
位置するように、即ちH₁＝H₂となるように、マイクロプ
ロセッサ11によりステージＳが駆動されてアライメント
が完了する。

ここで、偏向反射鏡2aの位置検出手段における格子板の
各格子は第２光ビームの走査領域においてｎ周期有する
ものであり、パルス発生回路における正弦波の分割数を
ｍとし、レチクル面上での走査光ビームの走査幅をｌと
すると、レチクル面上で計測できる最小単位ｘはｘ＝l/nm で与えられ、ウエハ面上での計測最小単位ｙは、投影レ
ンズＬの縮小倍率をβとするとき、ｙ＝l/βnm となる。例えば、ｌ＝400μm,n＝200,m＝20,β＝５とす
ると、ｙ＝0.02μｍとなり、実用上十分な精度のアライ
メントが可能となる。そして、格子板43の格子間隔をよ
り小さくして所定走査幅における周波数ｎを多くし、ま
た正弦波の分割数ｍを多くしてパルス数を増すことによ
ってより精度を向上させることが可能である。

尚、上記実施例において偏向反射鏡2aの位置検出のため
の集光光学系40において、４つの格子を同時に走査する
ためのシリンドリカルレンズ42を用いて伸長した光ビー
ムスポットB_2Sを形成したが、第６図の斜視図に示す如
く、シリンドリカルレンズの代わりに回折格子板45を用
いることもできる。この場合、回折格子板45の格子溝の
方向は、偏向反射鏡の回転方向に一致しており、±１次
及び±２次の回折光を均等に発するような回折格子であ
ることが望ましく、４つの回折光をそれぞれ４つの格子
板に導くように構成すればよい。

また、上記の実施例においては、格子板43の直後にディ
テクター44を配置して格子板の通過光をそのまま受光す
る構成としたが、格子板43とディテクター44との間に格
子板43の通過光を集光するためのシリンドリカルレンズ
を配置することによって、ディテクターを小型に構成す
ることが可能となる。第７図はこのような構成の一例を
示す斜視図であり、格子板43の後方に正屈折力のシリン
ドリカルレンズ46が配置されている。シリンドリカルレ
ンズ46の母線は、伸長された第２光ビームの伸長方向、
即ち４つの透過型格子43a,43b,43c,43dの配列方向に偏
向に配列されている。そして、シリンドリカルレンズの
焦点位置に、該シリンドリカルレンズの母線に平行に、
縦に配列された４個のディテクター44a,44b,44c,44dを
有するディテクター部44′が配置されている。このよう
な構成により、格子板43上を走査する第２光ビームB_2s
が第７図中実線で示す位置から破線で示す位置まで移動
するが、ディテクター部44′上での第２光ビームB_2Fの
位置は変化せず、ディテクター部44′を小さい形状とす
ることができるのである。この場合、各ディテクター44
a,44b,44c,44dでの受光面積が小さくなることにより、
ディテクターの応答が良くなり高速での走査に対応でき
ると共に、受光位置が走査ビームスポットの位置によら
ず常に一定にできるため、ディテクターの受光面上の感
度ムラを防止することができ、より性能の向上が期待で
きる。

そして、上記の実施例においては、偏向反射鏡2aの位置
検出手段からのパルス発生のために、互いに90゜位相の
異なる４つの格子を並列配置したが、これに限られるも
のではなく、２つまたは１つの格子による構成も可能で
ある。また、上記実施例では光ビームの走査のための偏
向反射鏡として、振動鏡を用いたが、これに限らず一定
方向に回転するミラーや所謂ポリゴンミラーを用いるこ
とも可能であることはいういまでもない。

〔発明の効果〕

以上の如き本発明の構成において、被検出物体面上にお
ける走査光ビームの位置と、偏向反射鏡の位置検出用の
第２光ビームの位置とが、光学的に等価な位置であるの
で、第２光ビームによる偏向反射鏡の位置情報に基づい
て被検出物体面上の位置検出を行うことにより、位置検
出用光ビームの走査状態にかかわらず、また走査部材の
変動によって走査光ビームが所定の移動形態と異なる状
態になった場合においても、常に安定して高精度の物体
位置検出及び測定を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の全体構成を示す概略構成図、
第２図は偏向反射鏡による光ビーム走査の様子を示す光
学構成図、第３図は偏向反射鏡の位置検出のための集光
光学系の構成を示す光学斜視図、第4A図は偏向反射鏡に
よる２つの光ビームの走査の様子を示す光路図、第4B図
は偏向反射鏡の位置検出用集光光学系における格子板上
での第２光ビームの走査を様子を示す平面図、第4C図は
レチクル面上における検出光ビームの走査の様子の示す
平面図、第５図は本発明の実施例における各種信号の波
形図、第６図は偏向反射鏡の位置検出のための集光光学
系において回折格子を用いた構成を示す斜視図、第７図
は偏向反射鏡の位置検出のための集光光学系において格
子板の後方に正屈折力をシリンドリカルレンズを配置し
た場合の構成を示す斜視図である。〔主要部分の符号の説明〕 10,20……主光学系 2a……偏向反射鏡（２……走査部材） 2b……回転子（２……走査部材） 30……照射光学系 40……集光光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体面上に第１の光ビームを集光する主光
学系と、前記第１の光ビームを前記物体面上で走査する
ために前記主光学系の光路中に配置されて光束の進行方
向を変更するための偏向反射鏡を有する走査部材と、前
記物体面からの反射光を受光する光電検出手段とを備え
た光走査型位置検出装置において、前記偏向反射鏡に前記第１の光ビームとは別の第２の光
ビームを照射するとともに、前記偏向反射鏡で反射され
た第２の光ビームを受光し、前記偏向反射鏡の角度位置
に対応した検出信号を出力する角度位置検出手段と；前記偏向反射鏡による前記物体面上での前記第１の光ビ
ームの走査に伴って前記光電検出手段から出力される光
電信号を、前記角度位置検出手段から出力される検出信
号に同期して取り込み、該取り込まれた信号に基づいて
前記物体の位置を検出する物体位置検出手段とを備えた
ことを特徴とする光走査型位置検出装置。
【請求項２】前記第２の光ビームは、前記偏向反射鏡に
おける前記第１の光ビームの反射面と同一反射面上のほ
ぼ同一位置にて反射される構成であることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の光走査型位置検出装置。
【請求項３】前記角度位置検出手段は、前記主光学系の
光路とは別の光路にて前記第２の光ビームを前記偏向反
射鏡に照射する照射光学系と、前記偏向反射鏡で反射さ
れた第２の光ビームを集光する集光光学系と、該集光さ
れた第２の光ビームの位置を検出する光電検出器とを有
することを特徴とする特許請求の範囲第１項、又は第２
項記載の光走査型位置検出装置。
【請求項４】前記照射光学系の光軸と前記集光光学系の
光軸とを含む平面は、前記偏向反射鏡上における前記主
光学系の第１の光ビームの入射面にほぼ一致して構成さ
れることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の光走
査型位置検出装置。
【請求項５】前記集光光学系の歪曲収差量は、前記主光
学系の前記物体面上での歪曲収差量とほぼ等しい値に構
成されることを特徴とする特許請求の範囲第３項、又は
第４項記載の光走査型位置検出装置。
【請求項６】前記集光光学系は、前記偏向反射部材の回
転中心に焦点がほぼ合致するように配置される集光レン
ズを含むことを特徴とする特許請求の範囲第３項乃至第
５項記載の光走査型位置検出装置。
【請求項７】前記第２の光ビームは、前記第１の光ビー
ムとは異なる波長域の光であることを特徴とする特許請
求の範囲第１項乃至第６項記載の光走査型位置検出装
置。