JPS63229305A - パタ−ン検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は基板上に形成されたパターンを自己照明により
光学的に検出、又は観察するパターン検出装置に関し、
特に半導体素子の製造工程で使われるマスクパターン（
マーク）あるいはウェハパターン（マーク）を検出して
、マスク又はウェハのアライメントを行なう装置（例え
ば露光装置）に好適なパターン検出装置に関する。

（従来の技術） 従来、この種のパターン検出装置が適用されるアライメ
ント光学系、ないしは装置として、例えば特開昭６０−
２６２４２３号公報に開示されたものが知られている。

このアライメント光学系においては、パターン、特にア
ライメントマークの検出のＳ／Ｎ比、及び精度を向上さ
せる点で、マークへの照明光としてレーザ光が使われて
いる。

また一般にアライメント光学系は、マーク位置検出及び
計測の有意性の点から、テレセントリックな光学系が用
いられている。特に投影型露光装置では、マスク（レチ
クル）の回路パターンをウェハに焼き付けるために、少
なくともウェハ（射出瞳）側がテレセントリックな投影
光学系が採用されており、ウェハ上のマークを投影光学
系を介して検出する場合においても、系としてのテレセ
ン性が保証されている。さて、このような投影光学系を
介してウェハ上のマークを検出する場合、投影光学系を
介してウェハに達するアライメント用の照明光は、ウェ
ハ表面で反射して正反射光、回折光、散乱光となって投
影光学系に逆進する。この場合、系がテレセンドリンク
であることから、軸外であっても正反射光と一部の回折
、散乱光は照明光路と同じ光路をそのまま逆進する。こ
のため、マークからの光情報を抽出するために、照明光
路中にハーフミラ−１又はハーフプリズム等の振幅分割
器を設け、照明光とマークからの光情報とを分離する方
法が採られている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の方法では、ウェハのマ
ーク、又はウェハ表面そのものからの光情報の一部が振
幅分割器を介してレーザ光源まで戻ってしまい、レーザ
光の発振を不安定にする現象、所謂バックトークが発生
ずるという欠点があった。この欠点は振幅分割器の反射
率と透過率の比を変えれば、多少改善されるものの、そ
の比がｌ：１以外の場合はウェハからの光情報の検出ロ
ス、又はウェハへの照明光の強度低下といった新たな問
題が生じてしまい、通常その比はｌ：１に定められてし
まう。

（問題点を解決する為の手段） 本発明では、照明光（特にレーザ光）の送光路と基板上
のパターンからの光情報の検出路とを偏光ビームスプリ
ッタ（波面分割器）により分離するとともに、この偏光
ビームスプリッタと検出光学系（例えば露光装置の投影
光学系、又は観察用の対物レンズ）との間に偏光状態を
変える波面回転板（例えばλ／４板）を設け、偏光ビー
ムスプリッタに入射する照明光の偏光状態を特定の成分
（直線偏光）に制限するようにした。

（作用） このため、基板に達する照明光の偏光状態、及び基板か
らの反射光（正反射光、回折光、散乱光）の偏光状態は
、光源から偏光ビームスプリッタに入射した照明光の偏
光状態とは異なってくるため、偏光ビームスプリッタに
よってほぼ全ての反射光が検出路に分離され、光源まで
戻る反射光は著しく低減されることになる。また光量的
なロスも少な〈従来と同等、あるいはそれ以上のＳＺＮ
比を得ることができる。

（実施例） 第１図は本発明の実施例に好適の縮小投影型露光装置の
概略的な構成を示す図である。本発明の検出光学系とし
ても作用する縮小投影光学系（以下、単に投影レンズと
する）１はレチクルＲに形成された回路パターン等の像
をウェハＷに１１５、又は１／１０に縮小して露光する
。レチクルＲは不図示のレチクルステージに載置され、
このレチクルステージは不図示の駆動部によってＸ、Ｙ
方向、及びθ（回転）方向に微動する。そしてレチクル
Ｒは不図示の位置合せ顕微鏡を使って、例えば投影レン
ズ１の光軸ＡＸに対して所定位置にアライメント（位置
合せ、あるいは位置決め）される。またレチクルＲはウ
ェハＷに塗布されたレジストを感光させるのに有効な波
長（例えばｇ線やｉ線）を含む露光光によって照明され
る。この露光光の照明により、レチクルＲのパターン像
を形成する光束ＥＬは、ウェハＷの表面に結像する。

一方、このウェハＷはＸ、Ｙ方向に２次元移動するステ
ージ２に載置される。ステージ２は不図示であるが、ウ
ェハＷを上下動させるためのＺステージ部と、このＺス
テージ部上に設けられてウェハＷを微小回転させるｅテ
ーブルとを有する。ステージ２の２次元的な移動は駆動
部（モータ等）２０によって行なわれ、またステージ２
のＸＹ座標系における位置（座標値）はレーザ干渉計等
の測長器３によって、例えば０．０２μｍの分解能で常
時検出されている。

次にウェハＷの位置合せ検出光学系（アライメント光学
系）について説明する。レーザ光源４からの直線偏光の
レーザ光はビーム拡大器５で所定のビーム径に拡大され
、シリンドリカルレンズ６によって断面が細長い楕円ビ
ームに整形される。

そして、この整形されたレーザビームはミラー７で反射
され、レンズ８、偏光ビームスプリッタ９、位相回転部
材としてのλ／４板１板金０び検出光学系の一部を成す
対物レンズ１１を通り、ミラー１２によってレチクルＲ
の下面から上方に向けて反射される。ミラー１２からの
レーザビームは一部スリット状に収束した後、レチクル
Ｒの下方にレチクルＲと平行な反射平面を有するミラー
１３に至り、ここでレーザビームは投影レンズ１の入射
瞳１ａに向けて反射される。この投影レンズｌのレチク
ル側は非テレセントリックであるが、ウェハ側（すなわ
ち射出瞳側）はテレセントリックな系になっている。も
ちろん両側テレセントリック系でも同様である。さらに
対物レンズ１１も本実施例ではテレセントリック系とし
て設計されているものとする。

さて、投影レンズ１を通ったレーザビームをシリンドリ
カルレンズ６の働きでウェハＷ上で細長い帯状のスポッ
ト光ＬＡｙに結像される。このスポット光はウェハＷの
レジストを感光させないような波長に定められている。

ウェハＷ上には予め位置合せ用のマーク（アライメント
マーク）が微小な凹凸で形成されているので、スポット
光ＬＡｙがこのマークを照射すると、マークからは正反
射光以外に散乱光や回折光が生じる。これらマークから
の光情報は投影レンズ１に逆入射し、入射瞳１ａを通っ
てミラー１３．１２で反射され、対物レンズ１１、λ／
４板ｌＯを通って偏光ビームスプリッタ９で反射され、
空間フィルター１４に達する。空間フィルター１４は対
物レンズ１１の絞り位置（瞳面）、すなわち投影レンズ
１の入射瞳１ａ又は射出瞳と共役であり、ウェハＷの表
面からの正反射光（０次回折光）のみを遮断する。

ウェハＷの表面（マーク）からの回折光（散乱光）は空
間周波数によって瞳面上では正反射光の光路に対して変
位する。そこで、空間フィルター１４は、回折光や散乱
光のみを通し、集光レンズ１５はそれら回折光や散乱光
を光電検出器としての受光素子１６に集光する。受光素
子１６は回折光や散乱光の強度に応じた光電信号ＳＡを
出力し、この光電信号ＳＡはアライメント信号処理回路
（以下、単に処理回路とする）１７に人力する。

処理回路１７は測長器３からの位置情報（時系列的なア
ップ・ダウンパルス信号、又はパラレルなデジタル信号
）ＰＤも入力して、マークからの回折光や散乱光に応じ
た光電信号ＳＡの発生位置（走査位置）を検出する。具
体的には、ステージ４の単位移動量（０，０２μｍ）毎
に発生するアップ・ダウンパルス信号によって光電信号
ＳＡをサンプリングし、各サンプリング値をデジタル値
に変換してメモリに番地順に記憶させた後、所定の演算
処理によって、マークの走査位置を検出するものである
。制御装置１Ｂは、検出されたマークの位置情報に基づ
いて駆動部２０を制御する。ウェハＷ上のマークが、ウ
ェハ上の複数のチップの各々に付随して設けられたもの
であれば、各マークの位置を検出することによって、各
チップの中心と光軸ＡＸ（レチクルＲのパターン中心）
とを正確に位置合わせすることができる。

尚、上記構成でレーザ光源４を常時点灯させて、投影レ
ンズ１にレーザビームを送光しているものとすると、ス
ポット光ＬＡｙはウェハＷがその位置にあれば常に反射
されることになる。このことは露光動作中においても、
アライメント光学系にウェハＷの表面からの反射光（レ
ーザ光の反射光、露光光の反射光）が戻ってくることを
意味する。

以上の構成において、偏光ビームスプリッタ９にレーザ
光源４から入射してくる照明光（レーザ光）は、例えば
直線偏光のうちの一方向の成分であるＰ偏光に制限され
ている。このため偏光ビームスプリッタ９はその入射レ
ーザ光のほぼ全ての光量を透過させる。このＰ偏光のレ
ーザ光が次のλ／４板１板金０ると、偏波面がπ／４だ
け回転して円偏光になる。従ってウェハＷ上にできるス
ポット光ＬＡｙも円偏光であり、同時にウェハＷからの
反射光も円偏光が保存されていることになる。この反射
光が再びλ／４板１板金０明光に対して逆進すると、偏
波面がさらにπ／４だけ回転した直線偏光、ここではＳ
偏光になる。従ってウェハＷからの反射光のほぼ全てが
偏光ビームスプリッタ９で反射され、空間フィルター１
４に達することになる。このため、レーザ光源４に戻る
ウェハＷからの反射光はほぼ無視できる程度に低減され
、バックトークの発生が防止される。このように偏光ビ
ームスプリッタ９に入射する照明光を一方向の直線偏光
成分とするためには、何らかの偏光手段が必要であるが
、ウェハＷに達した照明光の利用効率はウェハＷの反射
率等にもよるが、かなり大きなものになる。

さらに偏光ビームスプリッタ９に入射する照明光がＰ、
Ｓ両方の成分を含む直線偏光の場合であっても、偏光ビ
ームスプリッタ９によってＳ偏光成分は第１図中の矢印
Ｊの方向にほぼ全て反射されＰ偏光成分のみがλ／４板
１０に達するので同様に実施できる。この場合もウェハ
Ｗに達する照明光と空間フィルター１４に達する反射光
の比、すなわち利用効率は先の場合と同程度に大きなも
のとなる。

次に本発明の第２の実施例を第２図に基づいて説明する
。本実施例も投影露光装置のアライメント光学系で例示
するが、ここでは投影レンズ１を両側テレセンドリンク
系としである。その他第１図に示した実施例と同じ機能
を奏する部材には同一の部番及び記号を付しである。本
実施例のアライメント光学系はレチクルＲの上方に設け
られ、レチクルＲのマークとウェハＷのマークとをレー
ザビームのスポット光で走査して光電検出するものであ
る。レーザ光源４からの直線偏光のレーザビームはレン
ズ系８を介して偏光ビームスプリッタ９にＳ偏光として
入射する。このレーザビームは偏光ビームスプリッタ９
でほぼ全て反射され、λ／４板１０ａに入射して円偏光
に変換される。

その後レーザビームは平面ミラーＭで垂直に反射されて
再びλ／４板１０ａに入射して、Ｐ偏光（直線偏光）に
変換されて、偏光ビームスプリッタ９に入射する。この
ときレーザビームはＰ偏光であるため、はぼ全て透過し
、λ／４板１０ｂを介してテレセントリックな対物レン
ズ１１に入射し、レチクルＲ上に円偏光のレーザスポッ
ト光として結像され、さらに投影レンズ１の入射瞳１ａ
の中心部を通って、ウェハＷ上に再びスポット光ＬＡｙ
として結像される。本実施例では対物レンズ１１を介し
てレチクルＲのマークとウェハＷのマークとを同時検出
するため、レーザビームの波長は投影レンズ１の色消し
された波長、例えば露光光の波長と一致するように定め
られる。もちろん投影レンズｌが異なる２波長に対して
色消しされている場合は、露光波長とレーザビームの波
長とをその色消しの波長の夫々に合わせることもできる
。また色消しされていない波長のレーザビームを使うこ
とも可能であり、そのためにはレーザビームのレチクル
Ｒまでの送光路中に色収差補正光学系を設ければよい。

さて、ウェハＷからの反射光（正反射光、回折光、散乱
光）は投影レンズ１を逆進し、レチクルＲの透明部を介
して対物レンズ１１に入射する。

同時にレチクルＲのマークからの反射光（正反射、回折
、散乱光）も対物レンズ１１に入射する。対物レンズ１
１を通ったウェハＷからの反射光とレチクルＲのマーク
からの反射光とはともにλ／４板１０ｂを介して再び直
線偏光のＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ９で
ほぼ全てが反射され、瞳共役な空間フィルター１４、集
光レンズ１５を介して受光素子１６にて回折光や散乱光
のみが検出される。

以上、本実施例でも同様にレーザ光源に対するバックト
ークの防止が成され、照明光の利用効率が高いといった
効果が得られる。

また本実施例では、偏光ビームスプリッタ９に入射する
レーザビームの瞳面上での寸法を、瞳径よりも小さくし
て、レーザ光源４とレンズ系８の間に設けられた振動ミ
ラーやポリゴンミラーでスポット光を走査するようにし
てもよい。この場合、レーザビームの振れ原点を対物レ
ンズ１１の瞳面、すなわち投影レンズ１の射出面（入射
面１ａ）と共役にすることによって、レチクルＲ上、ウ
ェハＷ上でスポット光はテレセンドリンクを保って走査
される。

一方、本実施例の場合、レーザビームが偏光ビームスプ
リッタ９に入射する方向の延長線上に受光素子Ｉ６が配
置されているため、Ｓ、Ｐの両方の偏光成分が偏光ビー
ムスプリッタ９に入射すると、Ｐ偏光成分に関してはそ
のまま受光素子１６に達する可能性がある。しかしなが
ら、そのような場合であっても、本実施例ではレーザ光
源４から直接受光素子１６に向う一方の偏光成分は、全
て空間フィルター１４の遮光部１４ａで遮光されること
になり、受光素子１６に達することはない。

空間フィルター１４の遮光部１４ａは瞳像面の中心部に
設けられ、正反射光を遮光するものである。

そして正反射光の瞳面上での形状、寸法は、テレセント
リック系の場合、レチクルＲ１又はウェハＷを照明する
レーザビームの瞳面上での形状、寸法と同一になること
から、空間フィルター１４の遮光部１４ａは必然的に偏
光ビームスプリッタ９を介してレーザ光Ｒ４から直接達
する一方向の偏光成分（Ｓ偏光）の光束の全てを遮光す
ることになる。このことは前述のようにレーザビームを
瞳共役な位置で振る場合でも同様である。

従って本実施例においても、偏光ビームスプリッタ９に
入射する照明光はＰ偏光とＳ偏光を含む直線偏光でかま
わない。尚、空間フィルター１４の遮光部１４ａをレー
ザビームの波長に対して吸収性の高い物質で形成すれば
、遮光部１４ａでの反射光がレーザ光源４に戻ることも
防止される。

さらに本実施例の平面ミラーＭとλ／４板１０ａとは一
体に貼り付けてもよい。

また本実施例において、空間フィルター１４の位置に、
瞳面内で正反射光に対して分離された回折光、散乱光の
みを受光するように受光面を配置した光電素子を直接設
けるようにしてもよい。この場合、レーザ光源４から偏
光ビームスプリッタ９を透過してくる一方の偏光成分（
Ｐ偏光）は、その光電素子の受光面以外の領域に達する
から、その領域のみを開口部又は透明部として後方に逃
すようにすれば、先の反射防止された遮光部１４ａと同
等の機能が達成でき、バックトークの発生が押さえられ
る。尚、本実施例のアライメント光学系の対物レンズ１
１のもとにパターンを有する基板を配置すれば、ビーム
走査のパターン検出装置−になり得ることは言うまでも
ない。

（発明の効果） 以上、本発明によれば、レンズ光源等に戻る光が著しく
低減され、レーザ光源の発振を安定に維持することがで
きるとともに、照明光の利用効率が向上し、パターン（
マーク）検出時のＳ／Ｎ（信号光対迷光）比が向上し、
パターン認識、パターンの位置検出の精度が向上すると
いった効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例によるパターン検出装置
が適用される露光装置の構成を示す図、第２図は本発明
の第２の実施例によるパターン検出装置が適用される露
光装置の構成を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ■・・・投影レンズ ４・・・レーザ光源 ９・・・偏光ビームスプリッタ １０　、　　］、　　Ｏａ　　、　　１　０　　ｂ　−
・・　λ／４１反１１・・・対物レンズ Ｗ・・・ウェハ Ｒ・・・レチクル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　所定のパターンを有する基板に照明光を照射するため
   の光源と；該光源と前記基板との間に配置された検出光
   学系と；該検出光学系と前記光源との間に配置された光
   分割器とを有し、該光分割器によって前記パターンへの
   照明光の光路と前記パターンからの反射光の光路とを分
   離し、該反射光を検出する装置において、 前記光分割器を偏光ビームスプリッタとし、該偏光ビー
   ムスプリッタと前記検出光学系との間に偏光状態を変化
   させる偏波面回転部材を設け、前記偏光ビームスプリッ
   タに入射する照明光を特定の偏光成分に制限したことを
   特徴とするパターン検出装置。