JP2808595B2 - Position detecting apparatus and projection exposure apparatus using the same - Google Patents

Position detecting apparatus and projection exposure apparatus using the same

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JP2808595B2
JP2808595B2 JP63036802A JP3680288A JP2808595B2 JP 2808595 B2 JP2808595 B2 JP 2808595B2 JP 63036802 A JP63036802 A JP 63036802A JP 3680288 A JP3680288 A JP 3680288A JP 2808595 B2 JP2808595 B2 JP 2808595B2
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はLSIのパターン転写等に使用される投影型露
光装置に関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a projection type exposure apparatus used for LSI pattern transfer and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

縮小投影型露光装置はより集積度の高いパターンの転
写を可能とするように年々改善されつつある。最近では
エキシマレーザを光源とするデュープUV領域のステッパ
ーが発売され、0.5μm以下の線幅領域におけるリング
ラフィーの主力装置としての可能性が強いものとして注
目を集めている。特に、波長248nmのKVFエキシマレーザ
の発振スペクトル幅を5pm(ピコメータ)以下に狭帯化
し、投影レンズとして石英のみを光学材料に用いた形式
の装置はウェハ上での1回の露光領域が大きくとれ、LS
Iのサイズ又は複数個のサイズの確保ができるので量産
装置として早期に実用化されることを期待されている。
The reduction projection type exposure apparatus has been improved year by year to enable transfer of a pattern with a higher degree of integration. Recently, a stepper in the duplication UV region using an excimer laser as a light source has been released, and has attracted attention as a potential device as a main device of linography in a line width region of 0.5 μm or less. In particular, an apparatus that narrows the oscillation spectrum width of a KVF excimer laser with a wavelength of 248 nm to less than 5 pm (picometer) and uses only quartz as the projection lens as the optical material has a large exposure area on the wafer. , LS
Since the size of I or a plurality of sizes can be secured, it is expected to be put to practical use as a mass production device at an early stage.

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

上記のような全石英タイプの投影レンズを用いると、
パターンの焼付けに用いるスペクトルの光のみしか色収
差が補正されず、投影レンズを介したいわゆるスルーザ
レンズのアライメント系を設けようとすれば、焼付け光
も同じスペクトルの光を用いなければならなかった。と
ころで、ディープUV領域のフォトレジストは吸収が激し
いものが多く、ディープUV光ではレジストの吸収の為に
ウェハ上のアライメントマークの観測ができないという
問題がある。また、多層レジストを用い、最上層に吸収
の比較的少ないレジスト層を設けた場合でも、下層では
UV光がほとんど吸収されてしまうという問題がある。こ
のような問題を解決する試みとして、一方ではアライメ
ントマーク部のみのレジストをエキシマー光でアブレー
ション効果によりはがすことも行われているが、スルー
プットやゴミの発生等の問題が解決されていない。
When using an all-quartz type projection lens as described above,
Only the light of the spectrum used for printing the pattern corrects the chromatic aberration, and if an alignment system of a so-called through-the-lens is provided via a projection lens, the light of the same spectrum must be used for the printing light. Incidentally, many photoresists in the deep UV region have a strong absorption, and there is a problem that the alignment marks on the wafer cannot be observed with the deep UV light due to absorption of the resist. Also, even when a multilayer resist is used and a resist layer having relatively low absorption is provided on the uppermost layer, the lower layer
There is a problem that UV light is almost absorbed. As an attempt to solve such a problem, on the other hand, the resist at only the alignment mark portion is peeled off by an ablation effect using excimer light, but the problems such as throughput and generation of dust are not solved.

従って、上記のようなディープUVステッパーにおける
アライメント方式は投影レンズを介さないオファキシス
アライメント方式が主流になると考えられてきたが、オ
ファキシス方式には次のような問題がある。
Accordingly, it has been considered that the above-mentioned alignment method in the deep UV stepper mainly uses an off-axis alignment method without using a projection lens. However, the off-axis method has the following problems.

(1)レチクルの像の位置とアライメント計測位置の相
対的なオフセットが存在し、それがドリフトする。
(1) There is a relative offset between the position of the reticle image and the alignment measurement position, which drifts.

(2)装置温度、大気圧、機械振動、露光光の一部吸収
による熱的な変化、微小な機械的歪の解消による変形等
によって生じる投影倍率やディストーションの変化、フ
ォーカスや像面湾曲の変化に対応したアライメントがで
きない。
(2) Changes in projection magnification and distortion caused by device temperature, atmospheric pressure, mechanical vibration, thermal changes due to partial absorption of exposure light, deformation due to elimination of minute mechanical distortion, changes in focus and field curvature. Alignment cannot be performed.

(3)レチクルの位置を精密に位置計測しても、投影レ
ンズ自体の振動や歪等の効果により、ウェハ側の像面に
おける像位置の計測に誤差が生じる。
(3) Even if the position of the reticle is precisely measured, an error occurs in the measurement of the image position on the image plane on the wafer side due to effects such as vibration and distortion of the projection lens itself.

(4)ウェハステージに設けたフィデューZヤルマーク
を用いた計測を行っても、ウェハ露光中に行えないの
で、速いモニターができず、スループットが低下する。
(4) Even if measurement using the fiducial Z dial mark provided on the wafer stage cannot be performed during wafer exposure, high-speed monitoring cannot be performed and the throughput decreases.

そこで本発明は以上のような従来の問題点に鑑みてな
されたもので、ウェハ等の被投影物(第2対象物)上の
パターンに対してはオファキシスのアライメント系であ
るが、オンアキシス系と同等以上の性能を有する投影露
光装置を得ることを主な目的とする。さらに本発明は、
光源等による熱的外乱による弊害を改善できる位置検出
装置及び投影露光装置を得ることを目的とする。
In view of the above, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and is an off-axis alignment system for a pattern on a projection object (second object) such as a wafer. It is a main object to obtain a projection exposure apparatus having the same or higher performance. Furthermore, the present invention
It is an object of the present invention to provide a position detection device and a projection exposure device that can improve the adverse effects caused by thermal disturbance caused by a light source or the like.

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

上記問題点の解決の為に、第1物体と第2物体との相
対位置ずれを検出する位置検出装置において、アライメ
ント光を射出する光源と、第1物体と第2物体との少な
くとも一方にアライメント光を導く照明光学系とを備
え、照明光学系に光導波路を含ませることとした。ま
た、第1物体上のパターンを第2物体上に投影光学系を
介して投影する投影露光装置において、アライメント光
を射出する光源と、第2物体にアライメント光を導く照
明光学系とを有し、第1物体と第2物体との相対位置ず
れ量を検出する位置検出装置と、位置ずれ量に基づいて
第1物体と前記第2物体の相対位置を調整する位置制御
装置とを備え、照明光学系に光導波路を含ませることと
した。
In order to solve the above-mentioned problem, in a position detection device that detects a relative position shift between a first object and a second object, a light source that emits alignment light, and at least one of the first object and the second object are aligned. An illumination optical system for guiding light is provided, and an optical waveguide is included in the illumination optical system. A projection exposure apparatus for projecting a pattern on a first object onto a second object via a projection optical system includes a light source that emits alignment light and an illumination optical system that guides the alignment light to the second object. A position detection device for detecting a relative displacement between the first object and the second object, and a position control device for adjusting a relative position between the first object and the second object based on the displacement. An optical waveguide is included in the optical system.

〔作用〕[Action]

本発明では、光源等の熱源を投影レンズ等から遠くに
離し、光ファイバー等でアライメント用の照明光学系に
導くようにしたので、光源等による熱的外乱による弊害
を改善できる位置検出装置及び投影露光装置を得ること
ができる。
In the present invention, a heat source such as a light source is separated from a projection lens or the like and guided to an illumination optical system for alignment by an optical fiber or the like. A device can be obtained.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の第1の実施例による投影露光装置の
全体的な構成を示す図であり、エキシマレーザを露光光
とするエキシマステッパーを想定している。波長248nm
等の狭帯化されたレーザビームを射出するKrFエキシマ
レーザ光源1は外部トリガーによって発振される。その
エキシマレーザ光は、可変アテニュエータ等の光量制御
装置2、投影領域(レチクルR上での照明領域)を制限
するための可変開口ブラインド3、第1コンデンサーレ
ンズ4、反射ミラー5、及び第2コンデンサーレンズ6
を介して、レチクルRを一様の照度分布で照明する。石
英等のレチクルRの下面にはクロム、酸化クロム等の遮
光材料でLSIの回路パターンPAや各種アライメントのた
めのマークパターンRM等が形成されている。またレチク
ルRはレチクルステージRST上に水平に吸着固定され、
レチクルステージRSTは駆動部RSDによって、レチクルR
を投影レンズ系PLの光軸AXと垂直な平面内で2次元移動
させる。さて、レチクルRのパターン領域PAの像は、投
影レンズ系PLと光学的に透明な平板状の参照部材RPを介
してウェハW上に結像投影される。参照部材RPの中央部
分は露光時に投影レンズ系PLとともに、レチクルRのパ
ターン領域PAのウェハWへの結像に寄与する。また参照
部材RPのバターン投影像の周辺部分の水面で、レチクル
RのマークパターンRM(基準パターン)の投影像に対応
した部分を反射面にし、ここで反射して形成された像面
(レチクルRのパターン面と共役な面)付近にマークRM
に対応した参照パターンが設けられている。この参照部
材RPは石英等の寸法安定性の良い材料で作られており、
詳しい構成形状についきは後で述べる。尚、参照部材RP
は投影レンズ系PLと機械的な位置ずれが生じないように
取付けられている。
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a projection exposure apparatus according to a first embodiment of the present invention, and assumes an excimer stepper using excimer laser as exposure light. Wavelength 248nm
The KrF excimer laser light source 1 that emits a narrow band laser beam is oscillated by an external trigger. The excimer laser light is supplied to a light quantity control device 2 such as a variable attenuator, a variable aperture blind 3 for limiting a projection area (illumination area on the reticle R), a first condenser lens 4, a reflection mirror 5, and a second condenser. Lens 6
, The reticle R is illuminated with a uniform illuminance distribution. On the lower surface of the reticle R such as quartz, a circuit pattern PA of the LSI, a mark pattern RM for various alignments, and the like are formed with a light-shielding material such as chrome or chromium oxide. The reticle R is horizontally fixed on the reticle stage RST by suction.
Reticle stage RST is driven by reticle R
Is moved two-dimensionally in a plane perpendicular to the optical axis AX of the projection lens system PL. The image of the pattern area PA of the reticle R is image-formed and projected on the wafer W via the projection lens system PL and the optically transparent flat reference member RP. The central portion of the reference member RP together with the projection lens system PL during exposure contributes to the image formation of the pattern area PA of the reticle R on the wafer W. In addition, on the water surface around the pattern projection image of the reference member RP, a portion corresponding to the projection image of the mark pattern RM (reference pattern) of the reticle R is used as a reflection surface, and an image surface (reticle R RM near the surface conjugate with the pattern surface of
Are provided. This reference member RP is made of a material having good dimensional stability such as quartz,
The detailed configuration will be described later. The reference member RP
Is mounted such that no mechanical displacement occurs with respect to the projection lens system PL.

さて、投影レンズ系PLの光軸AXから一定間隔の位置に
は、ウェハW上のマークパターン等を観察するオファキ
シス方式のアライメントセンサーWAが設けられている。
アライメントセンサーWAは本実施例では参照部材RPを介
することなく直接ウェハ面を観察するものとする。また
参照部材RPを介してウェハWに斜めに光ビームを照射す
る送光系AF1と、その光ビームのウェハ表面での反射光
を再び参照部材RPを介して受光する受光系AF2とは、投
影レンズ系PLによる最良結像面とウェハ表面との間隔を
光学的に検出するギャップセンサーであり、受光系AF2
の出力信号はウェハ表面の光軸AX方向の位置、所謂焦点
ずれを表わし、自動合焦システムに使われる。ところで
ウェハWはウェハホルダーWH上に吸引固定され、ウェハ
ホルダーWHは、紙面と垂直な水平面内でx、y方向に平
行移動するとともに、θ(回転)方向に微動回転し、さ
らに光軸AX方向にZ移動するステージWSTに設けられて
いる。ステージWSTは例えば階層構造となっており、下
からYステージ、Xステージ、Zステージ、θステージ
およびウェハホルダーWHの順に組み合わされている。各
ステージの駆動はステージ駆動部WSDによって行なわ
れ、特にxy方向の座標位置はレーザ干渉計9によって高
分解能に逐次計測されている。レーザ干渉計9からの測
長用のレーザビームの1つは固定(参照)ミラー7に垂
直に入射し、もう1つのレーザビームはステージWSTの
Zステージ部に固定された移動ミラー8に垂直に入射
し、レーザ干渉計9は固定ミラー7までの光路長と、移
動ミラー8までの光路長との差に基づいてステージWST
の位置を計測する。尚、第1図では一次元方向のレーザ
干渉計しか示していないが、紙面と垂直な方向に関して
も同様にレーザ干渉計が設けられる。また固定ミラー7
は参照部材RPにできるだけ近い位置、もしくは一体に設
けられている。
An orixis type alignment sensor WA for observing a mark pattern or the like on the wafer W is provided at a position at a fixed distance from the optical axis AX of the projection lens system PL.
In this embodiment, the alignment sensor WA directly observes the wafer surface without passing through the reference member RP. Further, a light transmission system AF1 that irradiates the wafer W obliquely to the wafer W via the reference member RP, and a light reception system AF2 that receives the reflected light of the light beam on the wafer surface again through the reference member RP are projected. A gap sensor that optically detects the distance between the best imaging plane and the wafer surface by the lens system PL.
Output signal represents the position of the wafer surface in the direction of the optical axis AX, so-called defocus, and is used for an automatic focusing system. By the way, the wafer W is suction-fixed on the wafer holder WH, and the wafer holder WH moves in parallel in the x and y directions in a horizontal plane perpendicular to the plane of the paper, rotates slightly in the θ (rotation) direction, and further in the optical axis AX direction. Is provided on the stage WST that moves Z. The stage WST has a hierarchical structure, for example, and is combined from the bottom in the order of Y stage, X stage, Z stage, θ stage, and wafer holder WH. Each stage is driven by a stage driving unit WSD. In particular, coordinate positions in the xy direction are sequentially measured with high resolution by a laser interferometer 9. One of the laser beams for length measurement from the laser interferometer 9 is perpendicularly incident on the fixed (reference) mirror 7, and the other laser beam is perpendicularly on the moving mirror 8 fixed on the Z stage of the stage WST. The laser interferometer 9 enters the stage WST based on the difference between the optical path length to the fixed mirror 7 and the optical path length to the movable mirror 8.
Measure the position of. Although FIG. 1 shows only a laser interferometer in a one-dimensional direction, a laser interferometer is similarly provided in a direction perpendicular to the paper surface. Fixed mirror 7
Is provided as close as possible to the reference member RP or integrally therewith.

さて、本実施例では、より高精度、高分解能にレチク
ルR上のマークRMと参照部材RP上のマークとを検出する
ために、所謂光ヘテロダイン方式の位置ずれ検出系(ア
ライメント系)を採用した。以下その構成を説明する
と、各マークの照明光として、ミラー11、レーザチュー
ブ12、及びミラー14から成るアルゴンイオンレーザ光源
LSからの波長488、496、又は514nmのいずれか1つの連
続発振レーザ光を共振器内部に設けられたSHG結晶13に
よって高調波に変換したレーザ光17を用いる。レーザ光
17はモータ16によって一定速度で回転する透明円板15の
一方の面側からほぼ垂直に入射する。回転円板15のレー
ザ光17の入射点を含む円周上には、放射方向に延びた微
小格子を円周方向に配列した格子パターンが形成されて
いる。円板15の格子パターン部に入射したレーザ光17の
一部は反射方向の解折光となって光電素子18に受光され
る。この光電素子18の光電出力は円板15の回転位置をモ
ニターし、位置ずれ検出の動作タイミングを決めるため
に使われる。回転円板15の格子パターンで透過した解折
光のうち、例えば+1次光と−1次光の夫々は集光レン
ズ19、20によって光ファイバー23、24の各端面に集光さ
れる。一方、回転円板15を透過した0次光はミラー21、
22で反射され、再び回転円板15の他の部分に入射する。
この部分に格子パターンがあると、ここでも同様に±1
次回折光が発生し、それぞれ集光レンズ25、26によって
光ファイバー27、28の各端面に集光される。光ファイバ
ー23、24、27、28は紫外域の波長に対する減衰の少ない
ものがよく、また好ましくは単一モード保存ファイバー
がよいが、必ずしもモード保存タイプである必要はな
い。ここで光ファイバー23、24で導かれる光は各マーク
のx方向の位置計測に使われ、光ファイバー27、28で導
かれる光はy方向の位置計測に使われる。そして光ファ
イバー23、24、27、28の各他端面から射出される光は、
アパーチャ板30、テレセントリックな対物レンズ31、及
びミラー32を介して、レチクルRのマークRMを含む局所
領域を照射する。このマークRMの一部の透明部を透過し
た光は投影レンズ系PLと参照部材RPを通って参照部材RR
の下面の一部に形成された反射面に達し、ここで反射し
てさらに参照パターンに至る。レチクルRのマークRMか
らの光情報と参照部材RRの参照パターンからの光情報と
は、再びミラー32、対物レンズ31を介して部分ミラー34
で照明光路から分岐される。部分ミラー34は対物レンズ
31の焦点位置、すなわち投影レンズ系PLの瞳共役位置に
設けられている。部分ミラー34で反射された光情報は、
レンズ系35によって部分ミラー36によって2方向に分け
られる。部分ミラー36は対物レンズ31とレンズ系35の結
像系に関してレチクルRのマークRMあるいは参照部材RR
の参照パターンとほぼ共役な位置に設けられ、マークRM
の像と参照パターンの像とを分割し、それぞれレンズ系
42と41の方へ導く。レンズ系41を通った参照パターンか
らの光情報は光電検知器37で受光され、レンズ系42を通
ったマークRMからの光情報は光電検知器38で受光され
る。
In this embodiment, a so-called optical heterodyne type displacement detection system (alignment system) is employed to detect the mark RM on the reticle R and the mark on the reference member RP with higher accuracy and higher resolution. . The configuration will be described below. An argon ion laser light source including a mirror 11, a laser tube 12, and a mirror 14 is used as illumination light for each mark.
A laser beam 17 is used in which a continuous wave laser beam having a wavelength of 488, 496, or 514 nm from the LS is converted into a higher harmonic by an SHG crystal 13 provided inside the resonator. Laser light
The light 17 is incident on the transparent disk 15 rotated at a constant speed by a motor 16 at a substantially right angle from one surface of the transparent disk 15. On the circumference of the rotating disk 15 including the point of incidence of the laser beam 17, a grating pattern in which minute gratings extending in the radial direction are arranged in the circumferential direction is formed. A part of the laser light 17 that has entered the lattice pattern portion of the disk 15 becomes broken light in the reflection direction and is received by the photoelectric element 18. The photoelectric output of the photoelectric element 18 is used for monitoring the rotational position of the disk 15 and determining the operation timing of the position shift detection. Of the broken light transmitted through the lattice pattern of the rotating disk 15, for example, + 1st-order light and -1st-order light are condensed on the end faces of the optical fibers 23 and 24 by the condensing lenses 19 and 20, respectively. On the other hand, the zero-order light transmitted through the rotating disk 15 is
The light is reflected at 22 and again enters the other part of the rotating disk 15.
If there is a lattice pattern in this part, also ± 1
Next-order diffracted light is generated and condensed on each end face of optical fibers 27 and 28 by condensing lenses 25 and 26, respectively. The optical fibers 23, 24, 27, and 28 preferably have low attenuation for wavelengths in the ultraviolet region, and are preferably single-mode storage fibers, but are not necessarily mode-preservation types. Here, the light guided by the optical fibers 23 and 24 is used for measuring the position of each mark in the x direction, and the light guided by the optical fibers 27 and 28 is used for measuring the position in the y direction. The light emitted from the other end surfaces of the optical fibers 23, 24, 27, 28 is
A local area including the mark RM of the reticle R is irradiated via the aperture plate 30, the telecentric objective lens 31, and the mirror 32. The light transmitted through a part of the transparent part of the mark RM passes through the projection lens system PL and the reference member RP, and the reference member RR.
Reaches a reflection surface formed on a part of the lower surface of the light source, where it is reflected and further reaches a reference pattern. The optical information from the mark RM of the reticle R and the optical information from the reference pattern of the reference member RR are again transmitted to the partial mirror 34 via the mirror 32 and the objective lens 31.
Branch from the illumination light path. Partial mirror 34 is an objective lens
31 are provided at the pupil conjugate position of the projection lens system PL. The optical information reflected by the partial mirror 34 is
It is divided into two directions by a partial mirror 36 by a lens system 35. The partial mirror 36 is a mark RM of the reticle R or a reference member RR with respect to the imaging system of the objective lens 31 and the lens system 35.
Mark RM provided at a position almost conjugate with the reference pattern of
Image of the reference pattern and the image of the reference pattern
Guide towards 42 and 41. Optical information from the reference pattern that has passed through the lens system 41 is received by the photoelectric detector 37, and optical information from the mark RM that has passed through the lens system 42 is received by the photoelectric detector.

ここでレンズ系41、42は対物レンズ32の焦点面(すな
わち投影レンズ系PLの瞳面)と各検知器37、38の受光面
とをほぼ共役にするように配置される。
Here, the lens systems 41 and 42 are arranged so that the focal plane of the objective lens 32 (that is, the pupil plane of the projection lens system PL) and the light receiving surfaces of the detectors 37 and 38 are substantially conjugate.

ここでレチクルRのマークRMと参照部材RPの参照パタ
ーンとを回折格子パターンにすると、各検知器37、38の
光電信号はともにある一定の周波数の交流信号となる。
この2つの交流信号は、マークRMと参照パターンの格子
ピッチ以内での相対的な位置ずれが、信号の位相差(例
えば±180°)に対応しているという極めて重要な性質
を持っている。そこで位相計39によって各検知器37、38
からの出力信号の位相ずれを求めることにより、レチク
ルRと参照部材RPの相対的な位置ずれが検出される。こ
の検出された位置ずれ(もしくは位相ずれ)はメインプ
ロセッサーMCに入力する。プロセッサーMCは、レーザ干
渉計9で計測された座標値、オフ・アキシス方式のアラ
イメントセンサーWAからのアライメント情報、ギャップ
センサーの受光器AF2からのウェハ表面の高さ位置情
報、及び光電素子18からのタイミング信号等を入力す
る。さらにプロセッサーMCはステージWSTの駆動部WSD、
レチクルステージRSTの駆動部RSD、エキシマレーザ光源
1、及び光量制御装置2等へ適宜駆動情報を出力する。
Here, when the mark RM of the reticle R and the reference pattern of the reference member RP are diffraction grating patterns, the photoelectric signals of the detectors 37 and 38 are both AC signals having a certain frequency.
These two AC signals have a very important property that the relative displacement between the mark RM and the reference pattern within the grid pitch corresponds to the phase difference of the signals (for example, ± 180 °). Therefore, each detector 37, 38 is measured by the phase meter 39.
The relative positional deviation between the reticle R and the reference member RP is detected by calculating the phase deviation of the output signal from the reticle R. The detected position shift (or phase shift) is input to the main processor MC. The processor MC calculates coordinate values measured by the laser interferometer 9, alignment information from the off-axis type alignment sensor WA, height position information on the wafer surface from the light receiver AF2 of the gap sensor, and information from the photoelectric element 18. Input a timing signal and the like. Furthermore, the processor MC is the drive unit WSD of the stage WST,
The drive information is appropriately output to the drive unit RSD of the reticle stage RST, the excimer laser light source 1, the light amount control device 2, and the like.

またレチクルRのパターン領域PAをはさんだ右側には
想像線40で示すように、部材30〜39、41、42と同様に構
成されるもう1組の位置ずれ検出系(アライメント系)
が設けられる。
As shown by an imaginary line 40 on the right side of the pattern area PA of the reticle R, another set of misalignment detection systems (alignment systems) configured similarly to the members 30 to 39, 41, and 42.
Is provided.

ここで回転円板15は、所謂ラジアルグレーティングと
呼ばれるものであり、レーザ光17を横切る方向に格子パ
ターンが移動することによって、発生する回折光の正の
次数光と負の次数光の周波数に所定量だけ差を与える。
従って、例えば光ファイバー23と24の夫々から射出して
対物レンズ31を介してレチクルRのマークRMの領域に達
した周波数の異なる2つの光は、相互に干渉してマーク
RM(又は参照パターン)上に干渉縞を形成するととも
に、その干渉縞は周波数の差(ビート)の周波数で縞と
直交する方向に流れることになる。ところで光ヘテロダ
イン法では、マークパターン(回折格子パターン)に対
してその干渉縞が高速に流れる(スキャンする)ことか
ら、位置検出すべき対象物をアライメント系に対して微
動させる必要がないといった特徴点がある。このこと
は、第1図のように露光動作中は相対位置を動かすこと
のないレチクルRと投影レンズ系PL(参照部材RP)との
微小な位置ずれ誤差を高精度に検出するのに極めて好都
合である。
Here, the rotating disk 15 is a so-called radial grating, and the grating pattern moves in a direction traversing the laser light 17 so that the frequency of the positive order light and the negative order light of the diffracted light generated is changed. The difference is given only by quantification.
Therefore, for example, two lights having different frequencies emitted from the optical fibers 23 and 24 and reaching the region of the mark RM of the reticle R via the objective lens 31 interfere with each other to form a mark.
An interference fringe is formed on the RM (or reference pattern), and the interference fringe flows in a direction orthogonal to the fringe at a frequency of a frequency difference (beat). By the way, in the optical heterodyne method, since an interference fringe flows (scans) at a high speed with respect to a mark pattern (diffraction grating pattern), it is not necessary to finely move an object to be detected with respect to an alignment system. There is. This is extremely convenient for detecting a very small displacement error between the reticle R and the projection lens system PL (reference member RP) which does not move its relative position during the exposure operation as shown in FIG. It is.

さらに光ヘテロダイン法では、得られた光電信号の位
相情報が位置ずれに対応するから、位相情報のみを高精
度に検知すればよい。そしてさらに好都合なことに、現
在の電子回路技術では、交流信号の位相差等を極めて分
解能よく検知する回路をいとも簡単に実現してしまう。
この結果回折格子パターンの格子ピッチの1/100〜1/100
0程度の位置ずれが容易に計測される。尚、光ヘテロダ
イン法を用いてウェハ上の格子パターンの位置ずれを検
出する方式としては、例えば特開昭61−215905号公報に
詳しく開示されている。
Further, in the optical heterodyne method, since the phase information of the obtained photoelectric signal corresponds to the positional deviation, only the phase information needs to be detected with high accuracy. Even more advantageously, with current electronic circuit technology, it is very easy to realize a circuit for detecting the phase difference or the like of an AC signal with extremely high resolution.
As a result, 1/100 to 1/100 of the grating pitch of the diffraction grating pattern
A displacement of about 0 is easily measured. A method of detecting the displacement of the lattice pattern on the wafer using the optical heterodyne method is disclosed in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-215905.

次に、第1図に示した装置の部分的な構成を順次詳細
に説明する。
Next, a partial configuration of the apparatus shown in FIG. 1 will be sequentially described in detail.

第2図は、第1図に示した位置ずれ検出系のための照
明光の発生部、すなわちレーザ光源LSから各光ファイバ
ー23、24、27、28までの構成を示す斜視図である。回転
円板15には第2図に示すように円周上の2ケ所に格子パ
ターン部51、52が形成されており、その他の円周部は透
明部とされている。この格子パターン部51、52のさらに
詳しい配置は第4図の平面図に示されている。回転円板
15の矢印53の方向の回転中心Ogに関して点対称に約90°
の角度分だけ格子パターン部51と52が形成されている。
レーザ光17の0次の透過光はミラー21、22によって再び
回転円板15の他の部分に入射するレーザ光66となる。第
4図に示すようにレーザ光17の入射点とレーザ光66の入
射点は回転中心Ogからともに等しい距離で、かつ回転中
心Ogを中心に角度θ1だけ開いているものとする。角度
θ1は格子パターン部が点対称に2ケ所あることから、
ここでは90°〜180°の間の一定値に定められている。
さて、第2図において回転円板15の格子パターン部51、
52には、回転中心Ogを中心とする同心円に沿って一定ピ
ッチd1で透過部と不透過部とが形成されている。この回
転円板15をモータ16によって矢印53方向に速度m(rp
s)で等速回転させると、レーザ光17(又は66)の入射
点と中心Ogの距離(半径)をr(mm)として、格子パタ
ーン部51、52からの1次回折光+LB、−LBには(1)式
で表わされる周波数のずれが生じる。
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration from the laser light source LS to the optical fibers 23, 24, 27, and 28, that is, the illumination light generating unit for the displacement detection system shown in FIG. As shown in FIG. 2, lattice pattern portions 51 and 52 are formed on the rotating disk 15 at two locations on the circumference, and the other circumferential portions are transparent portions. A more detailed arrangement of the lattice pattern portions 51 and 52 is shown in the plan view of FIG. Rotating disk
Approximately 90 ° point-symmetrically with respect to the rotation center Og in the direction of the arrow 53 of 15
The grating pattern portions 51 and 52 are formed by the angle of.
The zero-order transmitted light of the laser light 17 becomes the laser light 66 which is again incident on the other part of the rotating disk 15 by the mirrors 21 and 22. Incident point and point of incidence of the laser beam 66 of laser light 17 as shown in FIG. 4 are assumed to be open at both equal distance from the rotational center Og, and the center of rotation Og angle theta 1. Since the angle θ 1 has two point patterns symmetrically with respect to the grid,
Here, it is set to a constant value between 90 ° and 180 °.
Now, in FIG. 2, the grid pattern portion 51 of the rotating disc 15
52, the transmission unit at a constant pitch d 1 along a concentric circle around the rotation center Og and the impermeable portion. The rotating disk 15 is rotated by a motor 16 in the direction of arrow 53 in a speed m (rp
When rotated at a constant speed in s), the distance (radius) between the incident point of the laser beam 17 (or 66) and the center Og is defined as r (mm), and the first-order diffracted light + LB and -LB from the grating pattern portions 51 and 52 are converted into Causes a frequency shift expressed by equation (1).

従って+1次光と−次光との間の周波数差Δ∫0
(2)式で表わされる。
Therefore, the frequency difference Δ∫ 0 between the +1 order light and the −order light is expressed by the equation (2).

このため、第1図で示した光ファイバー24(又は28)
に入射する光の周波数は、光ファイバー23(又は27)に
入射する光の周波数よりもΔ∫0だけ高いことになる。
Therefore, the optical fiber 24 (or 28) shown in FIG.
Frequency of the incident light will be higher by Deruta∫ 0 than the frequency of light incident to the optical fiber 23 (or 27) to.

このように回転円板15は1次回折光の正と負とで周波
数を異ならせる周波数シフターの機能を有するととも、
格子パターン部51、52と透明部を円周に沿って交互に設
けてレーザ光をミラー21、22で反射することで、レンズ
19、20へ入射する回折光の発生とレンズ25、26へ入射す
る回折光の発生とを時間的に交互に繰り返すスイッチン
グの機能を有する。
As described above, the rotating disk 15 has the function of a frequency shifter that varies the frequency between positive and negative first-order diffracted light, and
Grating pattern portions 51 and 52 and transparent portions are provided alternately along the circumference, and the laser light is reflected by mirrors 21 and 22 to form a lens.
It has a switching function of alternately repeating generation of diffracted light incident on lenses 19 and 20 and generation of diffracted light incident on lenses 25 and 26 with time.

ところで第1図では光ファイバー23、24、27、28の4
本、1組しか示していなかったが、位置ずれ検出系が複
数ある場合は、その数に応じて各レンズ19、20、25、26
で集光された光を複数の光ファイバーへ、分配すればよ
い。第2図に示した分配器MB1、MB2、MB3、MB4の夫々
は、集光された光をそれぞれ4本の光ファイバーへ、ほ
ぼ同等の光量で分配するように構成されている。
By the way, in FIG. 1, four optical fibers 23, 24, 27, 28
Although only one set is shown, if there are a plurality of displacement detection systems, each lens 19, 20, 25, 26
May be distributed to a plurality of optical fibers. Each of the distributors MB1, MB2, MB3, and MB4 shown in FIG. 2 is configured to distribute the condensed light to four optical fibers with substantially the same amount of light.

第3図は、代表して分配器MB1とMB2の内部構成を示す
斜視図であり、分配器MB3、MB4についても同様に構成さ
れる。レンズ19で集光された+1次光はビームスプリッ
タ54で2つに分割され、ここを透過した光はさらにビー
ムスプリッタ55で2つに分割され、それぞれ光ファイバ
ー23、56に入射する。一方ビームスプリッタ54で反射し
た光はさらにビームスプリッタ57で2つに分割され、そ
れぞれ光ファイバー58、59に入射する。分配器MB2につ
いても同様に、ビームスプリッタ60、62、63によって−
1次光を分割して光ファイバー24、61、64、65の夫々へ
入射させる。同様に分配器MB3は第2図に示すように+
1次光を4本の光ファイバー27、71、73、74の夫々に分
割し、分配器MB4は−1次光を4本の光ファイバー28、7
7、79、80の夫々に分割する。ここで用いられる光ファ
イバーは、先にも述べたように単一モードを保存できる
タイプのものが望ましいが、偏光面は保存されない方が
望ましい。偏光面が保存される場合は、光ファイバーの
射出端から位置ずれ検出系に至る光路中に偏光素子を挿
入したり、光ファイバーを回転位置合わせする等して偏
光面を揃える必要がある。
FIG. 3 is a perspective view showing the internal configuration of distributors MB1 and MB2 as a representative, and distributors MB3 and MB4 are similarly configured. The +1 order light condensed by the lens 19 is split into two by a beam splitter 54, and the light transmitted therethrough is further split into two by a beam splitter 55, and enters the optical fibers 23 and 56, respectively. On the other hand, the light reflected by the beam splitter 54 is further split into two by the beam splitter 57, and enters the optical fibers 58 and 59, respectively. Similarly for the distributor MB2, the beam splitters 60, 62, 63
The primary light is split and made incident on each of the optical fibers 24, 61, 64 and 65. Similarly, as shown in FIG.
The primary light is split into four optical fibers 27, 71, 73 and 74, respectively, and the distributor MB4 splits the primary light into four optical fibers 28 and 7 respectively.
Divide into 7, 79 and 80 respectively. As described above, the optical fiber used here is preferably of a type that can store a single mode, but it is preferable that the polarization plane is not stored. If the polarization plane is preserved, it is necessary to align the polarization plane by inserting a polarizing element in the optical path from the exit end of the optical fiber to the displacement detection system, or by rotating and positioning the optical fiber.

次に第1図に示した位置ずれ検出系(アライメント
系)の構成について、第5図を参照して説明する。第5
図は第1図に示した光ファイバー23、24、27、28の射出
端から参照部材RPに形成された参照パターンRFまでの系
を概略的に示す斜視図である。
Next, the configuration of the displacement detection system (alignment system) shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG. Fifth
The figure is a perspective view schematically showing a system from the emission ends of the optical fibers 23, 24, 27, and 28 shown in FIG. 1 to the reference pattern RF formed on the reference member RP.

レチクルRのマークRMはx方向に回折格子を配列した
X基準パターンPXと、y方向に回折格子を配列したY基
準パターンPYとを有し、それらパターンPX、PYに隣接す
るとともに参照パターンRFと対応した位置には透明窓部
PWが設けられる。これら基準パターンPX、PY、窓部PWの
周囲は所定の大きさの遮光部で囲まれている。そしてマ
ークRMと参照パターンRFとは光ファイバーから射出され
る光の波長のもとでは、互いに共役になっている。さ
て、光ファイバー23、24の各々からの光は、アパーチャ
板30の小開口43、44の各々を通り、光路内に斜設された
透明板の中心部に部分ミラー34を形成した窓間フィルタ
ー47の透明部を通り、対物レンズ31に入射する。アパー
チャ板30の微小開口43、44はアパーチャ板30の中心(対
物レンズ31の光軸が通る点)に関してx方向に対称的な
位置に設けられている。さらにアパーチャ板30には光フ
ァイバー27、28の夫々からの光を通す微小開口45、46が
設けられるが、開口45、46はアパーチャ板30の中心に関
してy方向に対称的な位置に形成されている。このアパ
ーチャ板30は好ましくは対物レンズ31の焦点(f)の位
置近傍に設けられる。また部分ミラー34は対物レンズ31
の光軸の通る位置に形成され、対物レンズ31の焦点
(f)の位置、すなわち投影レンズ系PLの瞳と共役な位
置、又はその近傍に配置される。さて対物レンズ31に入
射してレチクルRへ向う光のうち、アパーチャ板30の開
口43を通った光(光ファイバー23からの+1次光)90a
と、開口44を通った光(光ファイバー24からの−1次
光)90bとは対物レンズ31の光軸を中心にしてx方向に
ほぼ同じ角度で傾いた主光線に沿ってマークRMの領域を
照射する。アパーチャ板30の開口45、46の夫々を通った
+1次光、−1次光も同様に、対物レンズ31の光軸を中
心にしてy方向にほぼ角度で傾いた主光線に沿ってマー
クRMの領域を照射する。ただし第2図、第4図に示した
回転円板15のスイッチング機能によって、開口43、44を
通る±1次光と開口45、46を通る±1次光とは交互にマ
ークRMの領域を照射する。
The mark RM of the reticle R has an X reference pattern PX having diffraction gratings arranged in the x direction and a Y reference pattern PY having diffraction gratings arranged in the y direction. The marks RM are adjacent to the patterns PX and PY and have a reference pattern RF. Transparent window at corresponding position
PW is provided. The reference patterns PX and PY and the window PW are surrounded by a light-shielding portion having a predetermined size. The mark RM and the reference pattern RF are conjugate to each other under the wavelength of light emitted from the optical fiber. Now, the light from each of the optical fibers 23 and 24 passes through each of the small openings 43 and 44 of the aperture plate 30, and passes through the window filter 47 in which the partial mirror 34 is formed at the center of the transparent plate obliquely provided in the optical path. And enters the objective lens 31. The minute openings 43 and 44 of the aperture plate 30 are provided at positions symmetric in the x direction with respect to the center of the aperture plate 30 (the point where the optical axis of the objective lens 31 passes). Further, the aperture plate 30 is provided with minute openings 45 and 46 for transmitting light from the optical fibers 27 and 28, respectively, and the openings 45 and 46 are formed at positions symmetrical in the y direction with respect to the center of the aperture plate 30. . This aperture plate 30 is preferably provided near the position of the focal point (f) of the objective lens 31. The partial mirror 34 is the objective lens 31
Is formed at a position where the optical axis of the objective lens 31 passes, that is, at the position of the focal point (f) of the objective lens 31, that is, at the position conjugate with the pupil of the projection lens system PL or in the vicinity thereof. Now, of the light that enters the objective lens 31 and travels toward the reticle R, the light (+ 1st-order light from the optical fiber 23) 90a that has passed through the opening 43 of the aperture plate 30
And the light 90b passing through the opening 44 (-1st-order light from the optical fiber 24) is defined by the area of the mark RM along the principal ray inclined at substantially the same angle in the x direction about the optical axis of the objective lens 31. Irradiate. Similarly, the + 1st-order light and the -1st-order light passing through each of the openings 45 and 46 of the aperture plate 30 are also marked RM along the principal ray inclined at an angle in the y-direction about the optical axis of the objective lens 31. Is illuminated. However, due to the switching function of the rotating disk 15 shown in FIGS. 2 and 4, ± primary light passing through the openings 43 and 44 and ± primary light passing through the openings 45 and 46 alternately form the area of the mark RM. Irradiate.

尚、アパーチャ板30の微小開口43、44、45、46はそれ
ぞれ光ファイバーからの光の指向性と可干渉性を向上さ
せて対物レンズ31へ入射させる働き、すなわち空間的コ
ヒーレンシイを高める働きがある。そこで以下、マーク
RMと参照パターンRFのx方向の位置ずれ計測について説
明する。
The minute apertures 43, 44, 45, and 46 of the aperture plate 30 have a function of improving the directivity and coherence of light from the optical fiber and allowing the light to enter the objective lens 31, that is, a function of increasing spatial coherency. . So, below, mark
The measurement of the displacement of the RM and the reference pattern RF in the x direction will be described.

対物レンズ31からの2本の光90a、90bは、開口43、44
が微小であることから、それぞれほぼ平行光束に集光さ
れており、しかも光90a、90bの周波数がΔf0だけ異な
ることから、レチクルRのマークRMを含む照射領域にx
方向に流れる明暗の干渉縞(縞自体はy方向に伸びてい
る)が生じる。このときマークRM上の干渉縞のピッチは
X基準パターンPXの格子ピッチの丁度1/2になるように
設定されている。干渉縞のピッチは光90aと90bの入射角
と波長とによって決まる。ここでX基準パターンPXの格
子ピッチを2d2(mm)とすると、干渉縞のx方向の移動
速度はd2・Δf0(mm/Sec)で表わされる。そして光ビ
ーム90a、90bの入射角をともにθrとし、波長をλとす
ると、入射角θrは(3)式で表わされる。
The two lights 90a and 90b from the objective lens 31 are
Are very small, so that they are condensed into almost parallel light beams, respectively, and since the frequencies of the lights 90a and 90b are different by Δf 0 , x is applied to the irradiation area including the mark RM of the reticle R.
A bright and dark interference fringe flowing in the direction (the fringe itself extends in the y direction) is generated. At this time, the pitch of the interference fringes on the mark RM is set to be exactly 1/2 of the grating pitch of the X reference pattern PX. The pitch of the interference fringes is determined by the incident angles and wavelengths of the light 90a and 90b. Here, assuming that the grid pitch of the X reference pattern PX is 2d 2 (mm), the moving speed of the interference fringes in the x direction is represented by d 2 Δf 0 (mm / Sec). Then, assuming that the incident angles of the light beams 90a and 90b are both θr and the wavelength is λ, the incident angle θr is expressed by Expression (3).

この(3)式の関係が成立するとき、X基準パターン
PXから法線(対物レンズ31の光軸)方向に対物レンズ31
へ向けて生じる干渉光90cは、レチクルRと他の光学系
の相対位置関係が変動しない限り、周波数Δf0の光ビ
ーム信号を含むようになる。
When the relationship of equation (3) is established, the X reference pattern
Objective 31 in the direction of the normal line (optical axis of objective 31) from PX
The interference light 90c generated toward the optical path includes a light beam signal having a frequency Δf 0 as long as the relative positional relationship between the reticle R and another optical system does not change.

一方、マークRM内の窓部PWに生じた干渉縞は投影レン
ズ系PLの縮小率1/Mで縮小(又は等倍)され、参照パタ
ーンRF上にピッチd2/Mの干渉縞となって結像投影され
る。従ってここで参照パターンRFがx方向にピッチ2・
d2/Mで格子要素を配列した格子パターンであると、参照
パターンRFからの干渉光も投影レンズ系PL光軸と平行に
発生し、レチクルRの窓部PWを通過して干渉光90cと同
じ光路で対物レンズ31へ向う。尚、投影レンズ系PLのウ
ェハW(参照パターンRF)側はテレセントリックな系で
あることを前提とし、投影レンズ系PLのレチクルR側も
テレセントリックな系であるときは、対物レンズ31の光
軸は投影レンズ系PLの光軸AXと平行に定められる。レチ
クルR側が非テレセントリックな系であるときは、対物
レンズ31の光軸を光軸AXと平行にする場合と、投影レン
ズ系PLの軸外の傾いた主光線に合わせる場合とが考えら
れる。
On the other hand, the interference fringes generated in the window portion PW in the mark RM are reduced (or equal in size) at a reduction ratio 1 / M of the projection lens system PL, and become interference fringes with a pitch d 2 / M on the reference pattern RF. The image is projected. Therefore, here, the reference pattern RF has a pitch of 2.
In the case of a lattice pattern in which lattice elements are arranged at d 2 / M, interference light from the reference pattern RF also occurs parallel to the projection lens system PL optical axis, passes through the window PW of the reticle R, and forms interference light 90c. It goes to the objective lens 31 in the same optical path. It is assumed that the wafer W (reference pattern RF) side of the projection lens system PL is a telecentric system. When the reticle R side of the projection lens system PL is also a telecentric system, the optical axis of the objective lens 31 is It is determined parallel to the optical axis AX of the projection lens system PL. When the reticle R side is a non-telecentric system, the case where the optical axis of the objective lens 31 is parallel to the optical axis AX and the case where the optical axis is aligned with the off-axis inclined principal ray of the projection lens system PL can be considered.

以上のようにしてX基準パターンPXから戻ってくる干
渉光90cと、参照パターンRFから戻ってくる干渉光とは
ともに対物レンズ31を介して空間フィルター47の部分ミ
ラー34に至る。対物レンズ31がテレセントリック系であ
り、さらに投影レンズ系PLのウェハW側がテレセントリ
ック系であることから、光軸と平行に発生した各干渉光
はともに部分ミラー34内、すなわち瞳中心部に集光さ
れ、ここで反射されて第2対物レンズ35に入射する。
As described above, the interference light 90c returning from the X reference pattern PX and the interference light returning from the reference pattern RF both reach the partial mirror 34 of the spatial filter 47 via the objective lens 31. Since the objective lens 31 is a telecentric system and the wafer W side of the projection lens system PL is a telecentric system, each interference light generated in parallel with the optical axis is condensed in the partial mirror 34, that is, in the center of the pupil. Are reflected here and enter the second objective lens 35.

第2対物レンズ35を通った干渉光によって、部分ミラ
ー36の上にX基準パターンPXと参照パターンRFの各像が
形成される。部分ミラー36は、光路中に斜設された透明
板に参照パターンRFの像のみを反射する反射部48を有
し、X基準パターンPXとY基準パターンPYの像は、透過
するように構成される。反射部48で反射された参照パタ
ーンRFからの干渉光はレンズ41(第1図参照)を介して
検知器37で受光され、反射部48の廻りを透過した基準パ
ターンPX、PYからの干渉光はレンズ42(第1図参照)を
介して検知器38で受光される。第5図に示した部分ミラ
ー36の反射部48の周囲にはL字形の帯状吸収部39が形成
され、参照パターンRFの像と基準パターンPX、PYの像と
の位置的な分離を完全なものとしている。
Each image of the X reference pattern PX and the reference pattern RF is formed on the partial mirror 36 by the interference light passing through the second objective lens 35. The partial mirror 36 has a reflecting portion 48 for reflecting only the image of the reference pattern RF on a transparent plate obliquely provided in the optical path, and is configured to transmit the images of the X reference pattern PX and the Y reference pattern PY. You. The interference light from the reference pattern RF reflected by the reflection unit 48 is received by the detector 37 via the lens 41 (see FIG. 1), and the interference light from the reference patterns PX and PY transmitted around the reflection unit 48. Is received by the detector 38 via the lens 42 (see FIG. 1). An L-shaped band-shaped absorbing portion 39 is formed around the reflecting portion 48 of the partial mirror 36 shown in FIG. 5 to completely separate the image of the reference pattern RF from the image of the reference patterns PX and PY. It is assumed.

以上のようにして、X基準パターンPXと参照パターン
RFのx方向の相対位置ずれを検出する場合、検知器38の
出力信号に対して検知器37の出力信号の位相ずれを位相
計39で測定する。例えば位相計39で得られた位相ずれが
φxの時、この位相ずれφxをウェハ面上の位置ずれ量
Δxに換算すると、 となり、Δxだけ、参照パターンRFがx方向にずれてい
るとみなされる。
As described above, the X reference pattern PX and the reference pattern
When detecting the relative positional shift of the RF in the x direction, the phase shift of the output signal of the detector 37 with respect to the output signal of the detector 38 is measured by the phase meter 39. For example, when the phase shift obtained by the phase meter 39 is φx, when this phase shift φx is converted into a positional shift amount Δx on the wafer surface, It is considered that the reference pattern RF is shifted in the x direction by Δx.

y方向についても同様のことがいえる。 The same is true for the y direction.

次に上記レチクルマークRMと参照パターンRFの詳細な
形状の一例について第6図、第7図(a)、(b)を参
照して説明する。第6図は周辺を遮光部(斜線部)で囲
まれたレチクルマークRMを示し、X基準パターンPXはy
方向に伸びたスリット状の透明の格子要素1041、1042、
1043、1044、1045がピッチ2d2でx方向に配列される。
Y基準パターンPYはx方向に伸びたスリット状の透明格
子要素1031、1032、1033、1034…がピッチ2d2でy方向
に配列される。基準パターンPX、PYの格子デューティは
50%である。窓部PWはX基準パターンPXの上方(y方
向)に隣接するとともにY基準パターンPYの右方(x方
向)に隣接して形成される。第7図(a)は窓部PW内に
丁度入り込む大きさで形成された基準パターンRFの形状
を示し、ここでは、ピッチ2d2/Mでx方向とy方向に正
方形の不透明格子要素1051、1052…をデューティ50%で
マトリックス状に配列したもので、2次元回折格子とし
て働く、第7図(b)は第7図(a)に示した参照パタ
ーンRFの変形例であり、ピッチ2d2/Mの不透明格子要素1
071、1072…をx、y方向に市松模様に並べたものであ
り、同様に2次元回折格子として働く。
Next, an example of the detailed shape of the reticle mark RM and the reference pattern RF will be described with reference to FIGS. 6, 7A and 7B. FIG. 6 shows a reticle mark RM whose periphery is surrounded by a light-shielding portion (shaded portion), and the X reference pattern PX is y
Slit-shaped transparent grid elements 1041, 1042, extending in the direction
1043,1044,1045 are arranged in the x direction at a pitch 2d 2.
In the Y reference pattern PY, slit-like transparent lattice elements 1031, 1032, 1033, 1034... Extending in the x direction are arranged in the y direction at a pitch 2d 2 . The grid duty of the reference patterns PX and PY is
50%. The window portion PW is formed adjacent to the upper part (X direction) of the X reference pattern PX and adjacent to the right side (X direction) of the Y reference pattern PY. FIG. 7 (a) shows the shape of a reference pattern RF formed to have a size that just fits into the window PW. Here, a square opaque grid element 1051, in the x and y directions at a pitch of 2d 2 / M, 1052 ... in which are arranged in a matrix at 50% duty, and acts as a two-dimensional diffraction grating, Figure a. 7 (b) is a modification of the reference pattern RF shown in Figure No. 7 (a), the pitch 2d 2 / M opaque grid element 1
. Are arranged in a checkered pattern in the x and y directions, and similarly function as a two-dimensional diffraction grating.

第6図に示したレチクルマークRMに対して、対物レン
ズ31から射出された光によってできる干渉縞は、マーク
RMの全体を覆うように形成される。ただし、回転円板15
のスイッチング機能によって、x方向に伸びた干渉縞と
y方向に伸びた干渉縞とは時間的にオーバーラップする
ことなくマークRMを照射する。
The interference fringes formed by the light emitted from the objective lens 31 with respect to the reticle mark RM shown in FIG.
It is formed so as to cover the entire RM. However, rotating disk 15
With the switching function described above, the interference fringes extending in the x direction and the interference fringes extending in the y direction irradiate the mark RM without temporally overlapping.

次に第1図に示した参照部材RPの構成について第8図
を参照して説明する。
Next, the configuration of the reference member RP shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.

参照部材RPは円形の2枚の石英板RPa、RPbを重ね合わ
せた構造となっており、その中心に投影レンズ系PLの光
軸AXが通るように配設されている。第8図中、中心点Os
で光軸AXと直交する2本の線lx、lyは夫々座標系xyのx
軸、y軸と平行であり、かつ石英板RPaの上面に含まれ
た線である。光軸AXと同心に表わした円形の領域IFは石
英板RPaの上面における投影レンズ系PLの結像視野(イ
メージフィールド)であり、領域IFに円接する矩形領域
PAmはレチクルRのパターン領域PAの像光束が通る部分
である。
The reference member RP has a structure in which two circular quartz plates RPa and RPb are overlapped, and is disposed so that the optical axis AX of the projection lens system PL passes through the center thereof. In FIG. 8, the center point Os
And two lines lx and ly orthogonal to the optical axis AX are x in the coordinate system xy, respectively.
This is a line parallel to the axis and the y-axis and included on the upper surface of the quartz plate RPa. A circular area IF concentric with the optical axis AX is an imaging field (image field) of the projection lens system PL on the upper surface of the quartz plate RPa, and is a rectangular area circularly tangent to the area IF.
PAm is a portion through which the image light flux of the pattern area PA of the reticle R passes.

ここでは、参照部材RPの光軸AXを挟んでx方向に対称
的に離れた位置の2ケ所に、参照パターンRFa、RFbが設
けられた場合を説明する。参照パターンRFa、RFbは石英
板RPa、RPbの間の面に形成されており、この参照パター
ンRFa、RFbの夫々を通り光軸AXと平行な垂線La、Lbは、
第1図、第5図で示した対物レンズ31の光軸と一致して
いる。参照パターンRFa、RFbの夫々は矩形のパターン像
領域PAmの外側で、かつイメージフィールドIFの内側の
収差が良好に補正された部分に設けられる。垂線La、Lb
上の点Oa、Obは線lx上の点、すなわち石英板RPaの上面
に含まれる点であり、中心Osから点Oa、Obの夫々までの
x方向の距離は、本実施例では等しいものとする。
Here, a case where reference patterns RFa and RFb are provided at two positions symmetrically separated in the x direction with respect to the optical axis AX of the reference member RP will be described. The reference patterns RFa and RFb are formed on the surface between the quartz plates RPa and RPb, and the perpendicular lines La and Lb passing through each of the reference patterns RFa and RFb and parallel to the optical axis AX are:
It coincides with the optical axis of the objective lens 31 shown in FIG. 1 and FIG. Each of the reference patterns RFa and RFb is provided outside the rectangular pattern image area PAm and inside the image field IF where the aberration has been well corrected. Vertical lines La, Lb
The upper points Oa and Ob are points on the line lx, that is, points included in the upper surface of the quartz plate RPa, and the distance in the x direction from the center Os to each of the points Oa and Ob is equal in the present embodiment. I do.

さて、参照パターンRFa、RFbの下部で石英板RPbの下
面(ウェハWと対向する面)には反射部Ma、Mbが蒸着等
により形成されている。反射部Ma、Mbは垂線La、Laがそ
の中心を通るように、参照パターンRFa、RFbのサイズよ
りも大きな面積で形成される。ただし、パターン像領域
PAmを通る露光時の結像光束を遮光しないように設定さ
れている。
Now, on the lower surface of the quartz plate RPb (the surface facing the wafer W) below the reference patterns RFa and RFb, reflection portions Ma and Mb are formed by vapor deposition or the like. The reflection portions Ma and Mb are formed with an area larger than the size of the reference patterns RFa and RFb so that the perpendicular lines La and La pass through the centers thereof. However, the pattern image area
The setting is made so as not to block the imaging light flux at the time of exposure through PAm.

以上の構成からも明らかなように、参照パターンRF
a、RFbと反射部Ma、Mbは光軸AX方向に石英板RPbの厚み
分だけ離れている。
As is clear from the above configuration, the reference pattern RF
a, RFb and the reflection parts Ma, Mb are separated by the thickness of the quartz plate RPb in the optical axis AX direction.

第9図は投影レンズ系PL、参照部材RP、及びウェハW
の光軸AX方向の配置を示す断面であり、石英板RPbの厚
みをG2、石英板RPbの下面とウェハWの間隔をG1とし、
光軸AXと平行な主光線lmに沿った光束LexはレチクルR
のパターン領域PAの最外部の1点からの結像光線を表わ
し、主光線La(対物レンズ31の光軸)に沿った光束Lfr
はレチクルRのマークRM内の1点(対物レンズ31の光軸
上)からの結像光線を表わす。エキシマレーザ光の照明
によってレチクルRの投影レンズ系PLに関する共役面
は、参照部材RPがないとすると第9図中の面FPにでき
る。しかしながら参照部材RPの全体の厚さ、および光学
的屈折率nから面FPよりも所定量下方に共役面ができ、
ここにウェハWの表面が合わされる。
FIG. 9 shows a projection lens system PL, a reference member RP, and a wafer W.
Of a cross-section showing the arrangement of the optical axis AX direction, the thickness of the quartz plate RPb and G 2, the distance between the lower surface and the wafer W of the quartz plate RPb with G 1,
The light beam Lex along the principal ray lm parallel to the optical axis AX is the reticle R
Represents an imaging light beam from one outermost point of the pattern area PA, and a light beam Lfr along the principal ray La (the optical axis of the objective lens 31).
Represents an image-forming ray from one point (on the optical axis of the objective lens 31) within the mark RM of the reticle R. If there is no reference member RP, the conjugate plane of the reticle R with respect to the projection lens system PL due to the illumination of the excimer laser light can be formed as the plane FP in FIG. However, a conjugate plane is formed a predetermined amount below the plane FP from the overall thickness of the reference member RP, and the optical refractive index n,
Here, the surface of the wafer W is fitted.

さて、レチクルRのマークRMを照明する光の波長がエ
キシマレーザ光の波長と極めて近い(又は一致する)場
合、光束Lfrの結像点は参照部材RPがないとすると面FP
と同一の面にできる。しかしながら参照部材RPの下面に
反射部Maが存在することから、光束Lfrはここで上方に
反射され、参照パターンRFaの面に結像する。尚、もう
一方の参照パターンRFbと反射部Mbの作用についても同
じである。
By the way, if the wavelength of the light illuminating the mark RM of the reticle R is very close (or coincident) with the wavelength of the excimer laser light, the image point of the light beam Lfr is assumed to have no reference member RP and the surface FP
Can be on the same side as However, since the reflection part Ma exists on the lower surface of the reference member RP, the light beam Lfr is reflected upward here and forms an image on the surface of the reference pattern RFa. The same applies to the operation of the other reference pattern RFb and the reflection portion Mb.

ここで参照パターンRFaとレチクルマークRMの結像関
係を考えてみると、一般に投影レンズ系PLの焦点深度は
±2μm以下で極めて浅い。そのため参照パターンRFa
を石英板RPaのみを介して直にレチクルR側から観察す
ると、参照パターンRFaの像は極めて大きくデーフォー
カスしている。このため第1図、第5図で示した部分ミ
ラー36の位置では、参照部材RPの反射部Maを介した参照
パターンRFaの像のみが結像する。
Here, considering the image forming relationship between the reference pattern RFa and the reticle mark RM, the depth of focus of the projection lens system PL is generally very shallow at ± 2 μm or less. Therefore, the reference pattern RFa
Is observed directly from the reticle R side only through the quartz plate RPa, the image of the reference pattern RFa is extremely largely defocused. For this reason, at the position of the partial mirror 36 shown in FIGS. 1 and 5, only the image of the reference pattern RFa via the reflecting portion Ma of the reference member RP is formed.

次に、第10図、第11図を参照して、本実施例の動作を
説明する。第10図はレチクルRのマーク部分の様子を示
し、ここではX基準パターンPXと窓部PWとを示す。レチ
クルマークRMには第5図に示したように2方向から入射
角θRの光束90a、90bが同時に照射され、一部はX基準
パターンPXで反射回折してレチクルRと垂直な干渉光90
Cになる。また窓部PWをそのまま透過した光束90a、90b
は投影レンズ系PLを介して第11図のように参照パターン
RFaを表面から照射する。光束90a、90bの参照パターンR
Faへの入射角θWは、参照部材RPの光学的屈折率をn、
投影レンズ系PLの縮小率を1/Mとすると、次式で与えら
れる。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIG. 10 and FIG. FIG. 10 shows a state of a mark portion of the reticle R. Here, an X reference pattern PX and a window portion PW are shown. As shown in FIG. 5, the reticle mark RM is simultaneously irradiated with light beams 90a and 90b having an incident angle θR from two directions, and a part thereof is reflected and diffracted by the X reference pattern PX and interfering light 90 perpendicular to the reticle R
Become C. The luminous flux 90a, 90b transmitted through the window PW as it is
Is a reference pattern as shown in FIG. 11 via the projection lens system PL.
Irradiate RFa from the surface. Reference pattern R for luminous flux 90a, 90b
The incident angle θW to Fa is n, the optical refractive index of the reference member RP,
If the reduction ratio of the projection lens system PL is 1 / M, it is given by the following equation.

この条件を満すとき、光束90a、90bの夫々が参照パター
ンRFaによって回折されて生じる回折光(例えば+1光
と−1次光)は互いに垂直方向に進む干渉光90dとなっ
て投影レンズ系PLへ戻り、さらに第10図中の窓部PWを通
って対物レンズ31へ入射する。従って、第5図に示した
部分ミラー36の位置には、基準パターンPX(PY)からの
干渉光90Cによって形成された基準パターン像(暗視野
像)と、参照パターンRFaからの干渉光90cによって形成
された参照パターン像(暗視野像)とが結像する。ただ
し干渉光90c、90dは先にも説明したように光束90a、90b
の周波数差Δf0をもつビート周波数で明暗を繰り返し
ている。そして部分ミラー36で分離された干渉光90c、9
0dの位相差は位相計39で計測される。位相計39で検出さ
れた位相差は、第1図に示したプロセッサーMCに送られ
る。プロセッサーMCは光電素子18からの光電出力を計測
時の同期信号として入力し、位相計39で計測された位相
差が、x方向かy方向かを弁別する。第2図第5図の構
成、及び第6図、第7図のマーク形状からも明らかなよ
うに、光電素子18が出力信号を生じるのは、光ファイバ
ー23、24がレーザ光を射出するときであり、これはx方
向の位置ずれ計測のときである。従ってプロセッサーMC
は、光電素子18が出力信号を発生しているときの位相差
をx方向のずれ量として求め、出力信号がないときの位
相差をy方向のずれ量として求める。
When this condition is satisfied, the diffracted light (for example, +1 light and −1 order light) generated by each of the light beams 90a and 90b diffracted by the reference pattern RFa becomes interference light 90d traveling in the perpendicular direction to the projection lens system PL. Then, the light enters the objective lens 31 through the window PW in FIG. Therefore, at the position of the partial mirror 36 shown in FIG. 5, the reference pattern image (dark field image) formed by the interference light 90C from the reference pattern PX (PY) and the interference light 90c from the reference pattern RFa. The formed reference pattern image (dark field image) forms an image. However, the interference light beams 90c and 90d have the luminous fluxes 90a and 90b as described above.
Brightness and darkness are repeated at a beat frequency having a frequency difference Δf 0 . Then, the interference lights 90c and 9 separated by the partial mirror 36
The phase difference of 0d is measured by the phase meter 39. The phase difference detected by the phase meter 39 is sent to the processor MC shown in FIG. The processor MC inputs the photoelectric output from the photoelectric element 18 as a synchronization signal at the time of measurement, and discriminates whether the phase difference measured by the phase meter 39 is the x direction or the y direction. 2 and FIG. 5 and the mark shapes of FIGS. 6 and 7, the photoelectric element 18 generates an output signal when the optical fibers 23 and 24 emit laser light. Yes, this is when measuring the displacement in the x direction. So processor MC
Calculates the phase difference when the photoelectric element 18 is generating an output signal as the shift amount in the x direction, and calculates the phase difference when there is no output signal as the shift amount in the y direction.

ここで、レチクルRが不図示のレチクルアライメント
系によって投影レンズ系PLの光軸に対して正確に位置決
めされているものとすると、位相計39で計測されたレチ
クルR上の2ケ所のマークRMと、2ケ所の参照パターン
RFa、RFbの夫々のx、y方向の位置ずれはほぼ零にな
る。
Here, assuming that the reticle R is accurately positioned with respect to the optical axis of the projection lens system PL by a reticle alignment system (not shown), two marks RM on the reticle R measured by the phase meter 39 are , 2 reference patterns
The displacement of each of RFa and RFb in the x and y directions becomes almost zero.

しかしながら実際にはわずかな位置決め誤差等が残る
ため、各マークの位置でずれ量が計測される。
However, since a slight positioning error or the like remains in practice, the amount of displacement is measured at the position of each mark.

例えば第12図に示したレチクルマークRMのようにレチ
クルRの左右にマークRMa、RMbが設けられていて、各マ
ークの位置でのずれ量がそれぞれ(ΔXa、ΔYa)、(Δ
Xb、ΔYb)だけ存在しているとする。そこで、ずれ量Δ
XaとΔXbを比較し、そのずれの方向が同方向(xの正、
又は負方向の1つ)である場合、プロセッサーMCはその
方向と逆方向に、レチクルステージRSTを微動する。そ
してずれ量ΔXaとΔXbのずれの符号が互いに逆のとき
は、|ΔXa|=|ΔXb|となるようにレチクルステージRS
Tの位置を追い込む。y方向の位置決めについても同様
であるが、y方向のずれ上方からは、さらにレチクルR
のローテーション誤差も得られるので、ローテーション
量が許容値よりも大きい場合は、レチクルステージRST
を回転駆動させて回転ずれが零になるように追い込む。
以上のようにして、レチクルRの参照パターンRFa、RFb
に対する位置ずれが常時検出され、何らかの原因(ステ
ッピング時の振動等)によってレチクルRの位置ずれが
生じるようなときは、レチクルステージRSTのサーボ制
御が働き、レチクルRと投影レンズ系PLはあたかも一体
のように振る舞う。
For example, marks RMa and RMb are provided on the left and right sides of the reticle R as in the reticle mark RM shown in FIG. 12, and the amount of displacement at each mark position is (ΔXa, ΔYa), (Δ
Xb, ΔYb). Therefore, the deviation amount Δ
Xa and ΔXb are compared, and the direction of the shift is the same (positive x,
Or one of the negative directions), the processor MC finely moves the reticle stage RST in the opposite direction. When the signs of the deviations ΔXa and ΔXb are opposite to each other, reticle stage RS is set so that | ΔXa | = | ΔXb |
Drive in the position of T. The same applies to the positioning in the y direction, but the reticle R
Reticle stage RST if the rotation amount is larger than the allowable value.
Is driven to rotate so that the rotational deviation becomes zero.
As described above, the reference patterns RFa, RFb of the reticle R
Is constantly detected and the reticle R is misaligned due to some cause (vibration during stepping, etc.), the servo control of the reticle stage RST is activated, and the reticle R and the projection lens system PL are integrated as if they were integrated. Behave like.

尚、実際の露光時には、レチクルRのパターン中心
(又はレチクルマークRM)とオフ・アキシス方式のアラ
イメントセンサーWAの検出中心との間隔を正確に求め、
この間隔値を基準として記憶した後、ウェハWのマーク
をアライメントセンサーWAが検出した位置と、記憶した
間隔値に基づいてウェハWをステップ・アンド・リピー
ト方式で順次ステッピングさせていく。このステッピン
グ露光中、レチクルRのマークRMa、RMbはパターン領域
PAの周辺から少し離れているため、第1図に示した位置
ずれ計測系の先端のミラー32は露光光を遮断することは
ない。従って露光動作中も常にレチクルRと参照パター
ンRFa、RFbのずれがモニターされる。
At the time of actual exposure, the distance between the pattern center (or reticle mark RM) of the reticle R and the detection center of the off-axis type alignment sensor WA is accurately obtained.
After storing the interval value as a reference, the wafer W is sequentially stepped in a step-and-repeat manner based on the position where the alignment sensor WA detects the mark on the wafer W and the stored interval value. During this stepping exposure, the marks RMa and RMb of the reticle R are in the pattern area.
Since it is slightly away from the periphery of the PA, the mirror 32 at the tip of the displacement measuring system shown in FIG. 1 does not block the exposure light. Therefore, the shift between the reticle R and the reference patterns RFa and RFb is constantly monitored even during the exposure operation.

以上、本実施例では位相計39で検出される位相差は、
レチクルマークRMと参照パターンRFのずれに対応してい
るが、回転円板15の格子パターンを基準としてマークRM
と参照パターンRFの夫々の位置ずれを求めてもよい。こ
の場合は、第2図に示した回転円板15の格子パターン5
1、52の内側等の全周に同一ピッチの格子パターン(ラ
ジアルグレーティング)を設け、この格子パターンにも
レーザ光17から分岐した一部のビームを照射する。そし
てこの格子パターンから生じる+1次光と−1次光を干
渉させて光学的に基準ビート信号を作るか、又は+1次
光と−1次光を別々に光電検出した後、電気的に基準ビ
ート信号を得るかして、基準交流信号を作り出す。この
基準交流信号と、検知器37、38の夫々からの出力信号と
の各位相差を求める。この場合位相計39はレチクルマー
クRM用と参照パターンRF用の2つが必要であり、さらに
求められた2つの位相差を比較する回路も必要となる。
As described above, in the present embodiment, the phase difference detected by the phase meter 39 is
It corresponds to the difference between the reticle mark RM and the reference pattern RF, but the mark RM is based on the grid pattern of the rotating disk 15.
And the reference pattern RF may be obtained. In this case, the grid pattern 5 of the rotating disk 15 shown in FIG.
A grating pattern (radial grating) having the same pitch is provided on the entire circumference, such as inside 1, 52, and this grating pattern is also irradiated with a partial beam branched from the laser beam 17. Then, the + 1st-order light and the -1st-order light generated from this lattice pattern interfere with each other to optically generate a reference beat signal, or after the + 1st-order light and the -1st-order light are separately photoelectrically detected, the reference beat signal is electrically detected. Get a signal or create a reference AC signal. The phase difference between the reference AC signal and the output signal from each of the detectors 37 and 38 is determined. In this case, two phase meters 39 are required for the reticle mark RM and the reference pattern RF, and a circuit for comparing the obtained two phase differences is also required.

尚、参照部材RPは2枚の石英板RPa、RPbを重ね合わせ
たものとしたが、参照パターンRFと反射部Mを表裏の夫
々に形成した1枚の石英板RFbのみにしてもよい。
Although the reference member RP is formed by laminating two quartz plates RPa and RPb, the reference member RP may include only one quartz plate RFb in which the reference pattern RF and the reflection portion M are formed on each of the front and back sides.

また露光用のエキシマレーザ光と位置ずれ計測用の照
明光(90a、90b等)の波長について予めその差がわかっ
ているときは、石英板RPbの厚みG2やウェハWとの間隔G
1等を適宜調整することによって、レチクルマークRMと
参照パターンRFの共役関係と、レチクルRとウェハWの
共役関係とを同時に満すことが可能である。また参照部
材RPを光軸AX方向のみに正確に上下微動させる機構とし
ておけば、レチクルRのパターンPAの投影像の焦点位置
には何ら変化を与えることなく、レチクルマークRMと参
照パターンRFのみの焦点合わせが可能である。
Also when previously the difference is known about the wavelength of the illumination light for positional displacement measurement and excimer laser light for exposure (90a, 90b, etc.), the gap G between the thickness G 2 and the wafer W of the quartz plate RPb
By appropriately adjusting 1 and the like, the conjugate relationship between the reticle mark RM and the reference pattern RF and the conjugate relationship between the reticle R and the wafer W can be satisfied at the same time. If the reference member RP is moved up and down precisely in the direction of the optical axis AX only, the focal position of the projected image of the pattern PA of the reticle R is not changed at all, and only the reticle mark RM and the reference pattern RF are used. Focusing is possible.

次に、本発明の第2の実施例を第13図、14図、15図を
参照して説明する。第13図は参照部材RPの平面図であ
り、第14図はそれに対応したレチクルRの平面図であ
る。第13図に示すように、参照部材RPのx軸上には第8
図と同様に参照パターンRFa、RFbが設けられ、その下方
には反射部Ma、Mbが形成される。さらに本実施例では、
y軸上にも同じ形状、寸法の参照パターンRFc、RFdと、
反射部Mc、Mdが形成される。これら参照パターンRFa、R
Fb、RFc、RFdはともにイメージフィールドIF内の最大パ
ターン転写領域PAmの外側であって、良好に収差補正さ
れている部分に設けられる。第14図では、4ケ所の参照
パターンに対応して、それぞれマーク(基準パターン)
RMa、RMb、RMc、RMdが遮光部132、134、136、138内に形
成されている。またパターン領域PAの外周部には、レチ
クルブラインド3の開口設定精度開口エッジのボケ等で
決まる幅の遮光帯140が形成される。さらにレチクルR
の隅で、イメージフィールドIF外の2ケ所には、十字状
のレチクルプリアライメントマーク131a、131bが設けら
れている。このプリアライメントマーク131a、131bは装
置に設けられた基準マークとの位置合わせに使われるも
ので、例えば光電顕微鏡等を用いてマーク131a、131bと
基準マークとを検出してレチクルステージRSTを位置合
わせすれば、±1μm程度でプリアライメント可能であ
る。このプリアライメントのあと、参照パターンRFとレ
チクルマークRMとのファインな位置合わせが行なわれ
る。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13, 14, and 15. FIG. FIG. 13 is a plan view of the reference member RP, and FIG. 14 is a plan view of the reticle R corresponding thereto. As shown in FIG. 13, the reference member RP has
Similarly to the drawing, reference patterns RFa and RFb are provided, and below them, reflection portions Ma and Mb are formed. Further, in this embodiment,
Reference patterns RFc and RFd of the same shape and dimensions also on the y-axis,
Reflection parts Mc and Md are formed. These reference patterns RFa, R
Fb, RFc, and RFd are all provided outside the maximum pattern transfer area PAm in the image field IF and in a portion where aberration is well corrected. In FIG. 14, marks (reference patterns) corresponding to the four reference patterns are respectively provided.
RMa, RMb, RMc, and RMd are formed in the light shielding portions 132, 134, 136, and 138. Further, on the outer peripheral portion of the pattern area PA, a light-shielding band 140 having a width determined by the blur of the opening edge of the reticle blind 3 and the like is set. Further, reticle R
At two corners outside the image field IF, cross-shaped reticle pre-alignment marks 131a and 131b are provided. These pre-alignment marks 131a and 131b are used for positioning with reference marks provided in the apparatus.For example, the marks 131a and 131b and the reference marks are detected using a photoelectric microscope or the like to position the reticle stage RST. Then, pre-alignment can be performed at about ± 1 μm. After this pre-alignment, fine positioning of the reference pattern RF and the reticle mark RM is performed.

第15図は、そのファインな位置合わせ、及び位置ずれ
計測を行う場合に好適な位置ずれ検出系の配置を示す斜
視図である。第15図に示すように、本実施例では4ケ所
に第5図に示したような位置ずれ検出系DMSa、DMSb、DM
Sc、DMSdを設け、各位置で参照パターンRFとマークRMの
2次元の位置ずれを計測する。第15図において、PA′は
レチクルRのパターン領域PAの投影像であり、Epは投影
レンズ系PLの瞳を表わす。このように、4ケ所に同様の
位置ずれ検出系を設けておくと、レチクルRから参照パ
ターンRFまでの結像特性をモニターすることができる。
結像特性のうち代表的なものは、投影倍率の変化、ディ
ストーション特性、及びレチクルRの水平面からの傾き
変化等である。
FIG. 15 is a perspective view showing an arrangement of a displacement detection system suitable for performing the fine positioning and the displacement measurement. As shown in FIG. 15, in the present embodiment, the displacement detection systems DMSa, DMSb, and DM as shown in FIG.
Sc and DMSd are provided, and a two-dimensional displacement between the reference pattern RF and the mark RM is measured at each position. In FIG. 15, PA 'is a projection image of the pattern area PA of the reticle R, and Ep represents a pupil of the projection lens system PL. By providing the same positional deviation detection system at four locations, it is possible to monitor the imaging characteristics from the reticle R to the reference pattern RF.
Representative of the imaging characteristics are a change in projection magnification, a distortion characteristic, a change in inclination of the reticle R from a horizontal plane, and the like.

従来より、この種の結像特性を計測する試みは多々な
されてきたが、いずれの方式も露光動作中にリアルタイ
ムに行なうことはできなかった。しかしながら本実施例
によれば、露光動作中においても逐次レチクルRの位置
ずれの他に結像特性をモニターできるから、より高精度
な重ね合わせ露光が可能となる。
Conventionally, many attempts have been made to measure this type of imaging characteristic, but none of these methods can be performed in real time during the exposure operation. However, according to the present embodiment, even during the exposure operation, since the image forming characteristics can be monitored in addition to the sequential displacement of the reticle R, a more accurate overlay exposure can be performed.

一般に投影レンズ系PLの倍率変化やディストーション
変化は極めて小さく、サブミクロンの計測精度が必要で
ある。第2実施例においても第1実施例と同様に光ヘテ
ロダイン方式による2重回折法を採用して4ケ所の位置
ずれの夫々を計測するとすれば、4ケ所の夫々での計測
分解能は容易に0.01μm程度が得られるため、倍率変
化、ディストーション変化は極めて正確に求められる。
Generally, a change in magnification and a change in distortion of the projection lens system PL are extremely small, and a measurement accuracy of submicron is required. In the second embodiment, as in the first embodiment, if each of the four positional shifts is measured by employing the double diffraction method based on the optical heterodyne method, the measurement resolution at each of the four locations can be easily determined. Since about 0.01 μm can be obtained, the change in magnification and the change in distortion can be determined very accurately.

さて、このような計測系によって、倍率変化等がリア
ルタイムに検出されると、その倍率変化等を所定値に追
い込むような補正装置の制御信号として適用することが
できる。第16図は本発明の第3の実施例による光学特性
補正装置の概略的な構成を示す。第16図において、4ケ
所の位置ずれ検出系DMSa、DMSb、DMSc、DMSdからの2次
元的なずれ情報は特性変動演算部200に入力し、ここで
所望の特性変化量が算出される。特性変化量として倍率
誤差が算出されると、その倍率誤差情報201bは圧力制御
部202、又はフィールドレンズ駆動部206へ送られる。圧
力制御部202は投影レンズ系PL内の密封された空気室
(単数、あるいは複数)の圧力を所定量だけ制御して倍
率誤差が零(又は一定のオフセット値)になるようにフ
ィードバック制御する。駆動部206の場合は投影レンズ
系PLのレチクルR側のフィールドレンズ部212を所定量
だけ上下動させて倍率誤差を補正する。
Now, when a change in magnification or the like is detected in real time by such a measurement system, it can be applied as a control signal of a correction device that drives the change in magnification or the like to a predetermined value. FIG. 16 shows a schematic configuration of an optical characteristic correcting device according to a third embodiment of the present invention. In FIG. 16, two-dimensional displacement information from the four displacement detection systems DMSa, DMSb, DMSc, and DMSd is input to a characteristic variation calculation unit 200, where a desired characteristic change amount is calculated. When the magnification error is calculated as the characteristic change amount, the magnification error information 201b is sent to the pressure control unit 202 or the field lens driving unit 206. The pressure control unit 202 controls the pressure of the sealed air chamber (single or plural) in the projection lens system PL by a predetermined amount, and performs feedback control so that the magnification error becomes zero (or a constant offset value). In the case of the drive unit 206, the magnification error is corrected by moving the field lens unit 212 on the reticle R side of the projection lens system PL up and down by a predetermined amount.

また倍率誤差の補正にともなって焦点変化が生じる場
合は、ウェハWのホルダーWHを上下動させるフォーカス
駆動部204に焦点変化に応じたオフセット情報201aを導
入して、受光系AF2からの焦点信号にオフセットを与え
ればよい。さらにレチクルR側が非テレセントリックな
投影レンズ系の場合は、レチクルRを誤差情報201bに応
じて上下動させても倍率補正ができる。また4ケ所の位
置ずれ計測点の夫々のx方向又はy方向のずれの傾向を
選べることで、レチクルRの傾きを求めることもでき
る。この場合は、レチクルステージRSTにレベリング機
構を設け、傾きが零になるようにレベリング機構を駆動
すればよい。あるいはウェハステージWSTにレベリング
機構が設けられている場合は、計測されたレチクルRの
傾きの方向と量に応じて投影像面の傾きを予測し、ウェ
ハWの表面が、この投影像面と平行になるようにレベリ
ング機構で傾けておいてもよい。
In the case caused focus changes with the correction of magnification error, by introducing the offset information 201a corresponding to the focus change in the focus driving unit 204 for vertically moving the holder WH of the wafer W, the focus signal from the light receiving system AF 2 Can be given an offset. Further, when the reticle R side is a non-telecentric projection lens system, magnification correction can be performed by moving the reticle R up and down according to the error information 201b. Further, the inclination of the reticle R can also be obtained by selecting the tendency of the displacement of the four displacement measurement points in the x direction or the y direction. In this case, a leveling mechanism may be provided on reticle stage RST, and the leveling mechanism may be driven so that the inclination becomes zero. Alternatively, when the wafer stage WST is provided with a leveling mechanism, the inclination of the projection image plane is predicted according to the measured direction and amount of the inclination of the reticle R, and the surface of the wafer W is parallel to the projection image plane. May be tilted by a leveling mechanism so that

次に本発明の第4の実施例について第17図、第18図を
参照して説明する。今まで説明した各実施例では、レチ
クルRと投影レンズ系PL1(参照部材RP)との相対的な
アライメントは行なっていたが、ウェハWとのアライメ
ントは不可能であった。そこで本実施例では、レチクル
マークRMの位置合わせの基準となる参照パターンRFを有
する参照部材RPの一部に、ウェハW上に形成されたアラ
イメントマークの位置合わせの基準となる第2の参照パ
ターンを設けるようにした。第17図はその参照部材RPの
断面を表わし、第18図は平面を表わし、今までの各実施
例で説明した石英板RPa、RPb、参照パターンRFa、RFc及
び反射部Ma、Mc等は第13図の場合と全く同様に設けられ
ている。ただし、反射部Ma、Mc(Mb、Mdも同じ)はイメ
ージフィールドIFの外側に延長して形成される。そして
反射部Ma(Mb)のx軸上で投影レンズ系PLの鏡筒外径よ
りも外側の位置に開口178が形成され、反射部Mc(Md)
のy軸上で鏡筒外径の外側の位置に開口184が形成され
る。さらに参照パターンRFaからx方向について一定距
離の位置に、開口178を挟むように第2の参照パターン
(第2の基準格子パターン)RGaが形成され、参照パタ
ーンRFcからy方向について一定距離の位置に開口184を
挟むように第2の基準格子パターンRGcが形成される。
基準格子パターンRGa、RGcは参照パターンRFa、RFcと同
一面に設けられたもので、格子パターンRGaはウェハW
のx方向の位置合わせに使用され、格子パターンRGcは
ウェハWのy方向の位置合わせに使用される。また格子
パターンRGa、RGcはそれぞれ開口178、184を挟んで2分
されているが、本来同一のピッチの格子配列の中央部の
みを開口178、184に合わせて透明にしたものである。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In each of the embodiments described so far, the relative alignment between the reticle R and the projection lens system PL1 (reference member RP) is performed, but the alignment with the wafer W is impossible. Therefore, in the present embodiment, a part of the reference member RP having the reference pattern RF serving as a reference for the alignment of the reticle mark RM is provided with a second reference pattern serving as a reference for the alignment of the alignment mark formed on the wafer W. Was provided. FIG. 17 shows a cross section of the reference member RP, FIG. 18 shows a plane, and the quartz plates RPa, RPb, the reference patterns RFa, RFc and the reflection portions Ma, Mc, etc. described in each of the above embodiments are the same. It is provided exactly as in the case of FIG. However, the reflection portions Ma and Mc (same for Mb and Md) are formed to extend outside the image field IF. An opening 178 is formed at a position outside the outer diameter of the lens barrel of the projection lens system PL on the x-axis of the reflection part Ma (Mb), and the reflection part Mc (Md) is formed.
An opening 184 is formed on the y-axis at a position outside the outer diameter of the lens barrel. Further, a second reference pattern (second reference lattice pattern) RGa is formed at a position at a fixed distance from the reference pattern RFa in the x direction so as to sandwich the opening 178, and at a position at a fixed distance from the reference pattern RFc in the y direction. Second reference lattice pattern RGc is formed so as to sandwich opening 184.
The reference grid patterns RGa and RGc are provided on the same plane as the reference patterns RFa and RFc, and the grid pattern RGa is
, And the grid pattern RGc is used for positioning the wafer W in the y direction. Although the lattice patterns RGa and RGc are divided into two parts with the openings 178 and 184 interposed therebetween, only the center part of the lattice arrangement having the same pitch is originally made transparent so as to match the openings 178 and 184.

さてウェハW上には、アライメントマークWMaが第17
図のように形成される。マークWMaはウェハWのx方向
のアライメントのために設けられ、y方向のアライメン
トのためのマークも同様に設けられている。マークWMa
は格子要素をx方向に一定のピッチで配列した回折格子
パターンで構成される。参照部材RPに対してウェハWを
位置合わせ(アライメント)するとき、マークWMaは反
射部Maの開口178の直下に位置するように、ウェハステ
ージWSTの位置決めが行なわれる。このマークWMaを検出
する系は、ウェハ表面のレジストに非感光な波長のレー
ザビームを出力するHe−Neレーザ光源161、レーザビー
ムをウェハW上に所定径でスポット集光させるレンズ16
2、レーザビームを2方向に分割するビームスプリッタ1
63、2つの反射面166a、166bを有するプリズム166、マ
ークWMaからの光情報を取り出すミラー175、及びその光
情報を検知器177へ集光するレンズ176等で構成される。
尚、レーザ光源161等は熱的外乱となることがあるの
で、第1図、第2図で示したように参照部材RPや投影レ
ンズ系PL等から遠くに離し、単一モード保存光ファイバ
ー等でHe−Neレーザ光をレンズ162へ導くようにした方
が望ましい。
Now, on the wafer W, the alignment mark WMa
It is formed as shown in the figure. The mark WMa is provided for alignment of the wafer W in the x direction, and a mark for alignment in the y direction is provided similarly. Mark WMa
Is composed of a diffraction grating pattern in which grating elements are arranged at a constant pitch in the x direction. When aligning (aligning) wafer W with reference member RP, wafer stage WST is positioned such that mark WMa is located immediately below opening 178 of reflection portion Ma. A system for detecting the mark WMa includes a He-Ne laser light source 161 for outputting a laser beam having a wavelength insensitive to the resist on the wafer surface, and a lens 16 for spot-focusing the laser beam on the wafer W with a predetermined diameter.
2. Beam splitter 1 for splitting laser beam in two directions
63, a prism 166 having two reflecting surfaces 166a and 166b, a mirror 175 for extracting optical information from the mark WMa, a lens 176 for condensing the optical information to a detector 177, and the like.
Incidentally, since the laser light source 161 and the like may cause thermal disturbance, the laser light source 161 and the like are separated from the reference member RP and the projection lens system PL and the like as shown in FIGS. It is desirable to guide the He-Ne laser light to the lens 162.

上記構成で、ビームスプリッタ163で反射した一方の
レーザビーム167は、参照部材RP内を光軸AXと平行に進
み、基準格子パターンRGaの2分された一方の格子部を
垂直に照射する。またビームスプリッタ163を透過した
他方のレーザビーム168は、プリズム166の反射面166a、
166bの順に反射された後、参照部材RP内を光軸AXと平行
に進み、格子パターンRGaの他方の格子部を垂直に照射
する。ここでビームスプリッタ163から格子パターンRGa
に至る2本のビーム167、168の光路差はHe−Neレーザビ
ームの可干渉距離よりも短くしておく必要がある。
In the above configuration, one laser beam 167 reflected by the beam splitter 163 travels in the reference member RP in parallel with the optical axis AX, and vertically irradiates one of the two grating portions of the reference grating pattern RGa. Further, the other laser beam 168 transmitted through the beam splitter 163 is reflected by the reflecting surface 166a of the prism 166,
After being reflected in the order of 166b, the light travels in the reference member RP in parallel with the optical axis AX, and irradiates the other grating portion of the grating pattern RGa vertically. Here, from the beam splitter 163, the grating pattern RGa
Must be shorter than the coherence length of the He-Ne laser beam.

こうして2本のビーム167、168が格子パターンRGaを
照射すると、格子パターンRGaを透過する±1次の回折
光171、172と0次光が発生する。0次光は反射部Maによ
って遮光され、±1次光171、172は開口178を透過して
ウェハWへ達し、ここで互いに干渉してx方向に一定ピ
ッチで明暗縞が並んだ干渉縞が生ずる。本実施例では2
本のビーム167、168の周波数差が零であるため、ウェハ
W上に生じる干渉縞は静止している。先の実施例と同様
にその干渉縞のピッチはウェハWのマークWMaの格子ピ
ッチの丁度1/2になるように定められている。
When the two beams 167 and 168 irradiate the grating pattern RGa in this manner, ± first-order diffracted lights 171 and 172 and a zero-order light that pass through the grating pattern RGa are generated. The 0-order light is shielded by the reflector Ma, and the ± first-order lights 171 and 172 pass through the opening 178 and reach the wafer W, where they interfere with each other to form interference fringes in which bright and dark fringes are arranged at a constant pitch in the x direction. Occurs. In this embodiment, 2
Since the frequency difference between the beams 167 and 168 is zero, the interference fringes generated on the wafer W are stationary. As in the previous embodiment, the pitch of the interference fringes is determined to be exactly 1/2 of the grating pitch of the mark WMa of the wafer W.

マークWMaの格子パターンと干渉縞が重なると、マー
クWMaの格子と干渉縞のx方向の位置関係に対応した強
度で、ほぼ垂直に干渉光174が発生する。この干渉光174
はウェハ上に照射される干渉縞に対してマークWMaを相
対的にx方向に移動させたとき、ほぼ正弦波状の強度変
化を奏する。そこで検知器177によって光強度の変化を
光電信号に変換し、その信号があるレベルになるように
ウェハWをx方向に位置決めすれば、ウェハマークWMa
の基準格子パターンRGaに対するx方向のアライメント
が達成される。y方向についても、基準格子パターンRG
cとウェハW上のマークとを用い、同様のマーク検出系
を使ってアライメントされる。
When the grating pattern of the mark WMa and the interference fringe overlap, the interference light 174 is generated almost vertically with an intensity corresponding to the positional relationship between the grating of the mark WMa and the interference fringe in the x direction. This interference light 174
When the mark WMa is moved in the x-direction relatively to the interference fringes radiated on the wafer, a substantially sinusoidal intensity change is produced. Then, a change in light intensity is converted into a photoelectric signal by the detector 177, and the wafer W is positioned in the x direction so that the signal has a certain level.
Is achieved in the x direction with respect to the reference grating pattern RGa. Also in the y direction, the reference grid pattern RG
Using c and a mark on the wafer W, alignment is performed using a similar mark detection system.

あるいは検知器177からの光電信号のレベル変化を、
ウェハステージWSTの位置計測を行なうレーザ干渉計9
からの計測パルス(又は位置情報)等に同期してサンプ
リングし、サンプリングされた波形を解析することによ
って、ウェハステージWSTのx方向の走査のみ、すなわ
ちステージWSTを停止させることなく、マークWMaの基準
格子パターンRGaに対する位置(x方向)が求められ
る。
Alternatively, the level change of the photoelectric signal from the detector 177 is
Laser interferometer 9 for measuring the position of wafer stage WST 9
Sampling is performed in synchronization with the measurement pulse (or position information) and the like, and the sampled waveform is analyzed, so that only the scanning of the wafer stage WST in the x direction, that is, without stopping the stage WST, the reference of the mark WMa The position (x direction) with respect to the lattice pattern RGa is obtained.

尚、第18図中の参照パターンRFcの上方と左方の反射
部Mcに含まれる部分に破線で示した領域は、それぞれレ
チクルRの基準パターンPX、PYの投影像が位置する部分
である。レチクルマークRMと参照パターンRFを検出する
ための光90a、90bは露光光の波長に近く、レジストを感
光させるため、反射部Ma、Mc、Mb、Md等は、それら光90
a、90bがウェハWに達しないように遮光するのに充分な
面積を持たせる必要がある。また本実施例においても、
2つに分けたビーム167、168に一定の周波数差を持たせ
て、光ヘテロダイン検出するようにしてもよい。この場
合は、格子パターンRGaからの+1次光171と−1次光17
2とに周波数差が生じ、ウェハW上で干渉縞はビート周
波数(Δf0)で高速に流れることになる。このように
光ヘテロダイン方式でマークWMaを検出する場合は、干
渉縞が流れるため、マークWMaを所定の精度、例えば±
1μm程度に追い込んで静止させたときの位相差から位
置ずれ量ΔXを求め、静止したときのウェハステージWS
Tの座標値をレーザ干渉計9から基準位置として求め、
その両方の情報からマークWMaのxy座標系上での位置を
規定することになる。これに対し、二本のビーム167、1
68に周波数差を持たせない、所謂光ホモダイン方式では
ウェハステージWSTをことさら静止させなくてもよく、
スループットの高いマーク位置検出が可能である。
In FIG. 18, the areas indicated by broken lines above and below the reference pattern RFc and included in the reflection part Mc are the parts where the projected images of the reference patterns PX and PY of the reticle R are located. Lights 90a and 90b for detecting the reticle mark RM and the reference pattern RF are close to the wavelength of the exposure light, and the resists are exposed to light, so that the reflection portions Ma, Mc, Mb, Md, etc.
It is necessary to provide a sufficient area to shield the light so that a and 90b do not reach the wafer W. Also in this embodiment,
Optical heterodyne detection may be performed by giving a certain frequency difference to the two divided beams 167 and 168. In this case, the +1 order light 171 and the −1 order light 17 from the lattice pattern RGa
2 and the interference fringes flow at high speed at the beat frequency (Δf 0 ) on the wafer W. When the mark WMa is detected by the optical heterodyne method as described above, since the interference fringes flow, the mark WMa is detected at a predetermined accuracy, for example, ± 10%.
The position shift amount ΔX is obtained from the phase difference obtained when the wafer stage is stopped after being driven to about 1 μm, and the wafer stage WS when stopped is obtained.
The coordinate value of T is obtained from the laser interferometer 9 as a reference position,
From both information, the position of the mark WMa on the xy coordinate system is defined. In contrast, the two beams 167, 1
In the so-called optical homodyne system, which does not have a frequency difference to 68, the wafer stage WST does not have to be kept still,
Mark position detection with high throughput is possible.

以上本実施例では、寸法の安定性が良く、温度係数の
小さい石英の平板に参照パターンRFと基準格子パターン
RGを所定の位置関係で一体に形成しておくため、検知器
177を含むオフ・アキシス方式のアライメントマーク検
出系の検出中心位置と、レチクルRの像の投影位置との
相対的な位置変化(ドリフト等)を高精度にモニターす
ることができ、オフ・アキシス方式に特有の誤差が全て
補正可能である。
As described above, in the present embodiment, the reference pattern RF and the reference grid pattern are
In order to form RG integrally with a predetermined positional relationship, a detector
The off-axis method can monitor the relative position change (drift, etc.) between the detection center position of the off-axis type alignment mark detection system including the 177 and the projected position of the image of the reticle R with high accuracy. Can be corrected.

また本実施例に示したプリズム166のように、干渉さ
せるべき2本のビーム167、168の計測方向の反射回数を
互いに奇数と偶数(0を含む)の関係にすると、レーザ
ビーム(ビームスプリッタ163に入射するビーム)が位
置的、又は角度的にドリフトしても、光ホモダイン方式
の場合は基準格子パターンRGに対する干渉縞の発生位置
が計測方向に関して不変となる。
Further, as in the prism 166 shown in this embodiment, if the number of reflections in the measurement direction of the two beams 167 and 168 to be caused to interfere with each other has an odd number and an even number (including 0), a laser beam (beam splitter 163) is used. In the case of the optical homodyne method, the generation position of the interference fringe with respect to the reference grating pattern RG does not change with respect to the measurement direction even if the beam incident on the reference beam pattern drifts.

さらに、第18図の配置からも明らかなように、基準格
子パターンRGaはレーザ干渉計9のx方向の測長軸上に
位置し、基準格子パターンRGcはy方向の測長軸上に位
置するため、マークWMa等の計測時のアッベ誤差は零と
みなせる。
Further, as is clear from the arrangement in FIG. 18, the reference grating pattern RGa is located on the length measurement axis in the x direction of the laser interferometer 9, and the reference grating pattern RGc is located on the length measurement axis in the y direction. Therefore, the Abbe error when measuring the mark WMa or the like can be regarded as zero.

また、1ケ所で2次元(x、y両方向)のアライメン
ト(位置計測)ができるように基準格子パターンRG及び
マーク検出系を構成してもよい。
Further, the reference grating pattern RG and the mark detection system may be configured so that two-dimensional (x and y directions) alignment (position measurement) can be performed at one place.

次に本発明の第5の実施例を第19図、第20図を参照し
て説明する。第19図に示した光学系は、第5図に示した
位置ずれ検出系のうち、光ファイバー23、24からレチク
ルRまでの送光系のみを表わす。本実施例では第20図に
示すようにアパーチャ板30′に4つにスリット開口4
3′、44′、45′、46′を設けた点が異なる。光ファイ
バー23、24はレチクルマークRM、参照パターンRFのx方
向のずれを検出するときレーザビームを射出するが、そ
れらレーザビームはスリット開口43′、44′を照明す
る。スリット開口43′、44′はアパーチャ板30′の中心
から計測方向(x方向)に対称的な位置に設けられ、計
測方向(x方向)と直交する方向に細長く伸びている。
スリット開口45′、46′も同様に計測方向(y方向)に
関して対称的に配置され、x方向に細長く伸びている。
本実施例では、レチクルマークRM、又は参照パターンRM
を入射角θR又はθWで2方向から照明する光90a、90b
の夫々は、少なくとも計測方向に関してのみ平行光束に
近づければよい、という利点を用いてスリット開口によ
る照射光量の増大をねらっている。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The optical system shown in FIG. 19 represents only the light transmission system from the optical fibers 23 and 24 to the reticle R in the position shift detection system shown in FIG. In this embodiment, four slit openings 4 are formed in the aperture plate 30 'as shown in FIG.
The difference is that 3 ', 44', 45 'and 46' are provided. The optical fibers 23 and 24 emit laser beams when detecting the displacement of the reticle mark RM and the reference pattern RF in the x direction, and these laser beams illuminate the slit openings 43 'and 44'. The slit openings 43 'and 44' are provided at positions symmetrical in the measurement direction (x direction) from the center of the aperture plate 30 ', and extend elongated in a direction orthogonal to the measurement direction (x direction).
Similarly, the slit openings 45 'and 46' are arranged symmetrically with respect to the measurement direction (y direction), and extend in the x direction in an elongated manner.
In this embodiment, the reticle mark RM or the reference pattern RM
90a, 90b illuminating the light from two directions at an incident angle θR or θW
Each of them aims at increasing the amount of irradiation light by the slit opening by using an advantage that it is sufficient to approach the parallel light beam only at least in the measurement direction.

尚、第19図において、アパーチャ板30′はテレセント
リックな対物レンズ31の瞳面、すなわち前側焦点面にあ
るものとして示した。従ってスリット開口43′、44′等
を新たな線光源(実際にはスリット幅があるため面光
源)としてスリットの幅方向に関しては適当に広がりを
絞られた光ビーム90a、90bが対物レンズ31に入射し、レ
チクルRに対してはx方向に対称的に傾いた、ほぼ平行
な2光束となる。この2光束のレチクルRへの入射角θ
Rは、対物レンズ31の倍率等が一定のものとすると、対
になるスリット開口43′、44′、あるいはスリット開口
45′、46′のアパーチャ板30′の中心(光軸Laが通る
点)からの距離によって決まる。
In FIG. 19, the aperture plate 30 'is shown as being on the pupil plane of the telecentric objective lens 31, that is, on the front focal plane. Therefore, the slit apertures 43 ', 44', etc. are used as new line light sources (actually, surface light sources because of the slit width), and the light beams 90a, 90b appropriately narrowed in the width direction of the slit are applied to the objective lens 31. The luminous flux enters the reticle R, and becomes two substantially parallel light beams inclined symmetrically in the x direction. Angle of incidence θ of these two light beams on reticle R
R is a pair of slit apertures 43 'and 44', or a pair of slit apertures, assuming that the magnification and the like of the objective lens 31 are constant.
The distance is determined by the distance between the center of the aperture plate 30 '(the point where the optical axis La passes) of 45' and 46 '.

第21図は本発明の第6の実施例による位置ずれ検出系
の送光系を示し、第5図、又は第19図に示したアパーチ
ャ板30、30′の代りに光ファイバー23、24等の射出端か
らのレーザビームを入射する球面(又は非球面)レン
ズ、又はシリンドリカルレンズ等の集光レンズ300a、30
0b等を設け、この集光レンズ300a、300bで適当なNA(開
口数)の光束に絞り、空中に円形スポット又はスリット
状スポットSPa、SPbとして一度集光させる。このスポッ
トSPa、SPbの集光点は対物レンズ31の瞳面とほぼ一致し
ている。このためアパーチャ板30、30′を設けるより
も、光90a、90b等の照射光量が増大するといった利点が
ある。またピンホール等の開口43〜46やスリット開口4
3′〜46′が存在しないため、開口エッジで不要な回折
現象が生じることなく、レチクルR、又は参照パターン
RFを照射する領域が比較的きれいに区画され、参照部材
RP下面の反射部Ma、Mb、Mc、Md等から照射光が不用意に
はみ出すことがないといった利点もある。
FIG. 21 shows a light transmission system of a displacement detection system according to a sixth embodiment of the present invention, and optical fibers 23, 24, etc. are used instead of the aperture plates 30, 30 'shown in FIG. 5 or FIG. Condensing lenses 300a, 30 such as a spherical (or aspheric) lens for receiving a laser beam from the exit end, or a cylindrical lens
A light beam having an appropriate NA (numerical aperture) is narrowed by the condenser lenses 300a and 300b, and is once focused in the air as circular spots or slit-shaped spots SPa and SPb. The focal points of the spots SPa and SPb substantially coincide with the pupil plane of the objective lens 31. Therefore, there is an advantage that the irradiation light amount of the light 90a, 90b or the like is increased as compared with the case where the aperture plates 30, 30 'are provided. Also, openings 43 to 46 such as pinholes and slit openings 4
Since there is no 3 'to 46', unnecessary diffraction phenomenon does not occur at the opening edge, and the reticle R or the reference pattern
The area to irradiate RF is relatively cleanly divided and the reference member
There is also an advantage that irradiation light does not inadvertently protrude from the reflection portions Ma, Mb, Mc, Md, etc. on the lower surface of the RP.

第22図は本発明の第7の実施例による位置ずれ検出系
の送光系を示す。変実施例では、レチクルR上のマーク
RMの形状に合わせて、照射領域を限定するための視野絞
り311を設けるようにした。第22図で、レンズ系310は第
5図、第19図でしめした対物レンズ31に相当し、2方向
に射出するほぼ平行なビームを視野絞り311に照射す
る。従って視野絞り311の位置には干渉縞が形成され
る。絞り311を所定の断面形状で透過した2光束90a、90
bは第2対物レンズ312に入射し、それぞれ対物レンズ31
の瞳面e1にスポットSPa、SPbとなって集光した後、対物
レンズ31からほぼ平行な光束90a、90bとして2方向へ射
出してレチクルRを照明する。ここで第2対物レンズ31
2の後側焦点面は瞳面e1と一致し、前側焦点面は絞り311
と一致するように配置される。このため絞り311の開口
像がレチクルRMを含むように結像投影され、レチクルマ
ークRM、又は参照パターンRFを照明する干渉縞の領域が
極めてきれいに区画される。この実施例では第1対物レ
ンズ31と第2対物レンズ312との間の空間に瞳面e1があ
ることから、ここに空間フィルターとしての部分ミラー
34を挿入して干渉光を描出する構成を極めて容易に実現
できる。
FIG. 22 shows a light transmission system of a displacement detection system according to a seventh embodiment of the present invention. In the modified embodiment, the mark on the reticle R
A field stop 311 for limiting an irradiation area is provided according to the shape of the RM. 22, the lens system 310 corresponds to the objective lens 31 shown in FIGS. 5 and 19, and irradiates the field stop 311 with substantially parallel beams emitted in two directions. Therefore, interference fringes are formed at the position of the field stop 311. Two light beams 90a and 90 transmitted through the stop 311 with a predetermined cross-sectional shape
b is incident on the second objective lens 312 and the objective lens 31
The pupil plane e 1 spot SPa, was condensed becomes SPb, and emitted from the objective lens 31 substantially parallel light flux 90a, the two directions as 90b illuminates the reticle R. Here, the second objective lens 31
The back focal plane of the 2 coincides with the pupil plane e 1, the front focal plane aperture 311
Are arranged so as to match. Therefore, the aperture image of the stop 311 is image-formed and projected so as to include the reticle RM, and the area of the reticle mark RM or the interference fringe illuminating the reference pattern RF is extremely clearly defined. Partial mirror as a spatial filter since there is pupil plane e 1 in the space, here between in this embodiment and the first objective lens 31 and the second objective lens 312
A configuration in which interference light is drawn by inserting 34 can be realized very easily.

さて第23図は本発明の第8の実施例による送光系を示
す図であり、第5図、第19図、第22図に示したレチクル
用の位置ずれ検出系と第17図に示したウェハ用の位置ず
れ検出系との両方にともに使用できるものである。第1
図、第2図に示したように、2方向から入射させる2つ
のビームの周波数に差を与える方法として、回転するラ
ジアル・グレーティングを用いる代りに、周波数シフタ
ーを用いることができる。第23図において、直線偏光の
レーザビームLBは偏光ビームスプリッター320でP偏光
とS偏光の2つのビームに分けられ、それぞれ周波数シ
フター322、324に入射する。周波数シフター322、324は
ドライブ回路328からのドライブ信号S1、S2に応答し
て、射出するビームLB1、LB2の周波数をそれぞれf1、f2
だけ変化させる。ドライブ周波数f1、f2は所定の周波数
差Δf0になるように設定され、ドライブ回路328は差の
周波数Δf0の信号を基準信号S3として出力する。基準信
号S3は、各検知器37、38、又は177からの光電信号との
位相差を求めるのに使われる。ビームLB1、LB2はコーナ
ミラー326によって所定の間隔にされた後、例えば光フ
ァイバー23、24又は27、28等に入射して各検出系へ導か
れる。
FIG. 23 is a view showing a light transmitting system according to an eighth embodiment of the present invention, which is shown in FIG. 17, FIG. 19, and FIG. It can be used for both the wafer misalignment detection system. First
As shown in FIG. 2 and FIG. 2, a frequency shifter can be used as a method of giving a difference between the frequencies of two beams incident from two directions, instead of using a rotating radial grating. In FIG. 23, a linearly polarized laser beam LB is split into two beams of P-polarized light and S-polarized light by a polarization beam splitter 320, and is incident on frequency shifters 322 and 324, respectively. The frequency shifters 322 and 324 respond to the drive signals S 1 and S 2 from the drive circuit 328 to change the frequencies of the emitted beams LB 1 and LB 2 to f 1 and f 2 , respectively.
Only change. Drive frequency f 1, f 2 is set to a predetermined frequency difference Delta] f 0, the drive circuit 328 outputs a signal of frequency Delta] f 0 of the difference as the reference signal S 3. Reference signal S 3 is used to determine the phase difference between the photoelectric signals from the detectors 37 and 38, or 177. After the beams LB 1 and LB 2 are spaced at a predetermined interval by the corner mirror 326, they are incident on, for example, the optical fibers 23, 24 or 27, 28, etc., and are guided to the respective detection systems.

本実施例では2本のビーム90a、90b、又はビーム16
7、168によって形成される干渉縞の流れるスピードは、
高周波域の周波数帯になり、受光される干渉光の明暗の
変化(ビート周波数)も高周波域になることから検出系
の回路規模は大きくなるものの、周波数が高いことから
位相差検出の分解能が高まり、位置ずれ検出分解能も高
くなるといった利点がある。
In this embodiment, two beams 90a, 90b or beam 16
The flow speed of the interference fringes formed by 7, 168 is
The frequency band of the high-frequency range and the change in the light and dark of the received interference light (beat frequency) also become the high-frequency range, so that the circuit scale of the detection system increases. In addition, there is an advantage that the displacement detection resolution is also increased.

以上、本発明の各実施例においては、2重回折格子に
よる光ヘテロダイン検出法、又は光ホモダイン検出法に
よって相対的な位置ずれを検出するようにしたが、本発
明では必ずしもその必要はなく、例えば特公昭56−4625
5号公報に開示されているように、レーザスポット(又
はシートビーム)走査とパターン(マーク)エッジから
の散乱光検出とを組み合わせたものでもよい。その場
合、レチクルマークRMは単なる矩形の透明窓とし、この
透明窓内に合致するような参照部材RPの位置に参照パタ
ーンRFとして矩形マーク、又は十字マークを設けてお
く。そして投影レンズ系PLのN.A.(開口数:通常0.35〜
0.5)よりも小さなN.A.に絞ったレーザビームをレチク
ルマークの窓上と参照パターン上とに共にスポットとし
て結像させ、このスポットを1次元、又は2次元に走査
する。このとき参照パターンの上方(レチクル側)から
は大きくデフォーカスしたレーザビームが照射され、下
面の反射部Ma、Mb等で上方へ反射されたビームが参照パ
ターンの位置に結像してスポットを形成する。このとき
の様子は第9図に示した結像光束Lfrの状態と同様であ
る。参照パターンのエッジがスポットで走査されると、
エッジからの散乱光のうち下方に生じた光が反射部Ma、
Mb等で反射されて、再びレチクルの透明窓を通して検出
される。従ってレチクルの透明窓のエッジ位置と参照パ
ターンのエッジ位置との走査方向の差をモニターすれ
ば、全く同様に位置ずれ検出が可能である。またレーザ
スポットを走査する方式の場合、レチクルマークのエッ
ジあるいは参照パターンのエッジからの散乱光を、比較
的大きな開口数(N.A.)を用いて集光するような配置を
とると、レーザスポットのデフォーカスを光電信号のコ
ントラスト(波形の立上りや立下りの傾斜)変化で検出
できることから、経時的なフォーカス変化(レチクル面
と参照パターンの間の結像光路の変化)や像面の位置変
化、傾斜等が同時に測定できる。ただし、2重回折格子
を用いる各実施例の場合は、干渉縞を作るための照明光
束のN.A.がほぼ零(平行光束)に近いため、逆にデフォ
ーカスが生じたときにも良好な検出感度を維持できると
いった特徴がある。
As described above, in each embodiment of the present invention, the optical heterodyne detection method using a double diffraction grating, or to detect the relative displacement by the optical homodyne detection method, the present invention is not necessarily required, For example, Japanese Patent Publication No. 56-4625
As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5 (1994), a combination of laser spot (or sheet beam) scanning and detection of scattered light from a pattern (mark) edge may be used. In this case, the reticle mark RM is simply a rectangular transparent window, and a rectangular mark or a cross mark is provided as a reference pattern RF at a position of the reference member RP that matches the inside of the transparent window. The NA of the projection lens system PL (numerical aperture: usually 0.35 to
A laser beam focused to an NA smaller than 0.5) is formed as a spot on both the window of the reticle mark and the reference pattern, and the spot is scanned one-dimensionally or two-dimensionally. At this time, a largely defocused laser beam is radiated from above the reticle (the reticle side), and the beam reflected upward by the reflection portions Ma, Mb, etc. on the lower surface forms an image at the position of the reference pattern to form a spot. I do. The state at this time is the same as the state of the imaging light beam Lfr shown in FIG. When the edge of the reference pattern is scanned by the spot,
Of the scattered light from the edge, the light generated below is the reflection part Ma,
The light is reflected by Mb or the like and is detected again through the transparent window of the reticle. Therefore, if the difference in the scanning direction between the edge position of the transparent window of the reticle and the edge position of the reference pattern is monitored, it is possible to detect positional deviation in the same manner. In the case of a method of scanning a laser spot, if the arrangement is such that the scattered light from the edge of the reticle mark or the edge of the reference pattern is condensed using a relatively large numerical aperture (NA), the laser spot de- grees. Since the focus can be detected by the change in the contrast of the photoelectric signal (the rise or fall of the waveform), the focus change over time (change in the imaging optical path between the reticle surface and the reference pattern) and the position change and inclination of the image surface Etc. can be measured simultaneously. However, in each of the embodiments using the double diffraction grating, the NA of the illuminating light beam for forming interference fringes is almost zero (parallel light beam). There is a feature that the sensitivity can be maintained.

従って対物レンズ31を介して、結像したレーザスポッ
トの走査を行なう系と、対物レンズ31を介して2重回折
格子のための平行ビームを2方向から照射する系との両
方を組み込んで、交互に位置ずれ検出に使用すると、xy
方向のずれとz方向のずれとが精度よく求まる。
Therefore, both a system for scanning the formed laser spot via the objective lens 31 and a system for irradiating the parallel beam for the double diffraction grating from the two directions via the objective lens 31 are incorporated. When used alternately for position shift detection, xy
The shift in the direction and the shift in the z direction can be determined with high accuracy.

そこで従来より使われているアライメントマークと同
じ形状の基準パターン(レチクルマークRM)と参照パタ
ーン(RF)を用いた場合の位置ずれ計測系の構成を本発
明の第9の実施例として第24図を参照して説明する。
Therefore, a configuration of a displacement measurement system using a reference pattern (reticle mark RM) and a reference pattern (RF) having the same shape as a conventionally used alignment mark is shown in FIG. 24 as a ninth embodiment of the present invention. This will be described with reference to FIG.

第24図ではレチクルR上の1ケ所のマークRMに対する
位置ずれ計測系のみを示す。マークRMは矩形窓PWを有す
る遮光部で形成されている。さて、レーザ光源LSから射
出した露光波長に近いスペクトルのレーザビームは、ビ
ームエクスパンダー400、によって所定の光束径(平行
光束)に変換された後、ビームスプリッタ402、シリン
ドリカルレンズ404を経て、回転ポリゴン鏡406の1つの
反射面に入射する。回転ポリゴン鏡406は矢印405の方向
へ等速回転し、反射されたビームは図中の場合、紙面内
で偏向される。そのビームはミラー408で反射された
後、走査レンズ401に入射し、分割ミラー412の位置で小
さなスポット(スリット状)光に収束されるとともに、
矢印A1の方向に直線走査される。分割ミラー412は系の
光軸に対して45°の反射面を有し、その反射面の上端が
光軸と一致するように設けられている。従ってスポット
光が光軸よりも上に位置するときは、そのまま第2対物
レンズ414へ入射し、スポット光が光軸よりも下に位置
するときは、分割ミラー412で直角に上方に折り曲げら
れてミラー416で反射させた後、第2対物レンズ418へ入
射する。第2対物レンズ414を射出したビームはほぼ平
行光束となって、2つの反射面416a、416bを有する台形
ミラー416の一方の面416aへ水平に入射し、ここで反射
したビームは平面ミラー417で反射されて他方の面416b
に入射して再び水平に射出する。この台形ミラー416と
ミラー417は一体となって、水平な光軸と一致した中心
軸416cの回りに紙面に対して45°だけ回転して設けら
れ、イメージローテータとして働く。さて、面416bで反
射したビームはビームスプリッター418を透過した後、
第1対物レンズ422に入射し、ミラー424で垂直に下方に
反射されて、レチクルRの下面のマークRMの面にスポッ
ト光(スリット状)SPYとなって集光する。一方、分割
ミラー412で反射されたビームは、第2対物レンズ418、
ミラー420を介してビームスプリッター418に入射し、こ
こで反射した後同様に第1対物レンズ422に入射してレ
チクルRの下面にスポット光(スリット状)SPXとなっ
て集光するとともに、矢印A2方向に直線走査される。こ
こでイメージローテータ(416、417)を通ったビームで
形成されるスポット光SPYは紙面内で左右にスリット状
に伸びており、紙面と垂直な方向に走査され、イメージ
ローテータをバイパスしたビームによるスポット光SPX
は紙面と垂直な方向にスリット状に伸びており、紙面内
の左右方向に走査される。従って回転ポリゴン鏡406の
回転によって、スポット光SPY、SPXはレチクルマークRM
の窓PWを含む領域内を、それぞれy方向とx方向とに交
互に走査する。レチクルマークRMの窓PWの周囲の遮光部
を反射性のクロム等の金属薄幕で形成しておくと、スポ
ット光SPY、SPXが遮光部を照射したときは反射光が生じ
る。この反射光はレーザビームの送光路を逆向きに進
み、シリンドリカルレンズ404の後のビームスプリッタ4
02で反射されて、集光レンズ430、光電検出器432から成
る受光部へ分岐される。また窓PWを透過して投影レンズ
系PLを通って参照部材RPへ向うビームが参照パターンRF
を照射すると、この参照パターンRFから反射光、透過光
等の光情報が発生する。この光情報は同様に窓PWを逆進
して光電検出器432で受光される。
FIG. 24 shows only a displacement measurement system for one mark RM on the reticle R. The mark RM is formed by a light shielding portion having a rectangular window PW. Now, a laser beam having a spectrum close to the exposure wavelength emitted from the laser light source LS is converted into a predetermined light beam diameter (parallel light beam) by a beam expander 400, and then passes through a beam splitter 402, a cylindrical lens 404, and a rotating polygon. It is incident on one reflecting surface of a mirror 406. The rotating polygon mirror 406 rotates at a constant speed in the direction of the arrow 405, and the reflected beam is deflected in the drawing in the drawing. After being reflected by the mirror 408, the beam enters the scanning lens 401, and is converged to a small spot (slit-like) light at the position of the split mirror 412,
It is linearly scanned in the direction of the arrow A 1. The split mirror 412 has a reflecting surface at 45 ° to the optical axis of the system, and is provided such that the upper end of the reflecting surface coincides with the optical axis. Therefore, when the spot light is located above the optical axis, it is directly incident on the second objective lens 414, and when the spot light is located below the optical axis, it is bent upward at a right angle by the split mirror 412. After being reflected by the mirror 416, the light enters the second objective lens 418. The beam emitted from the second objective lens 414 becomes a substantially parallel light beam and is horizontally incident on one surface 416a of a trapezoidal mirror 416 having two reflecting surfaces 416a and 416b. Reflected on the other side 416b
And exits horizontally again. The trapezoidal mirror 416 and the mirror 417 are integrally provided so as to be rotated around the center axis 416c coincident with the horizontal optical axis by 45 ° with respect to the paper surface, and function as an image rotator. Now, after the beam reflected by the surface 416b has passed through the beam splitter 418,
The light enters the first objective lens 422, is reflected vertically downward by the mirror 424, and is condensed as spot light (slit shape) SPY on the surface of the mark RM on the lower surface of the reticle R. On the other hand, the beam reflected by the split mirror 412 is the second objective lens 418,
The light enters the beam splitter 418 via the mirror 420, is reflected there, is similarly incident on the first objective lens 422, and is condensed on the lower surface of the reticle R as a spot light (slit shape) SPX. Linear scanning is performed in two directions. Here, the spot light SPY formed by the beam passing through the image rotator (416, 417) extends in a slit shape to the left and right in the plane of the paper, is scanned in a direction perpendicular to the plane of the paper, and is spotted by the beam that bypasses the image rotator. Optical SPX
Extends in a slit shape in a direction perpendicular to the paper surface, and is scanned in the left-right direction in the paper surface. Therefore, the rotation of the rotating polygon mirror 406 causes the spot lights SPY and SPX to change the reticle mark RM.
Are alternately scanned in the y direction and the x direction, respectively. If the light-shielding portion around the window PW of the reticle mark RM is formed of a reflective metallic thin film such as chrome, reflected light is generated when the spot light SPY or SPX irradiates the light-shielding portion. This reflected light travels in the laser beam transmission path in the opposite direction, and enters the beam splitter 4 after the cylindrical lens 404.
The light is reflected at 02, and is branched to a light receiving unit including a condenser lens 430 and a photoelectric detector 432. The beam transmitted through the window PW and passing through the projection lens system PL to the reference member RP is the reference pattern RF.
Irradiates light information such as reflected light and transmitted light from the reference pattern RF. This optical information is similarly received by the photoelectric detector 432 after moving backward through the window PW.

以上、第24図の光学系において第1対物レンズ422は
テレセントリックな系に定められ、後側焦点面はレチク
ルRのマークRMの面と一致し、前側焦点面(瞳面)は第
2対物レンズ414、418の各後側焦点面と一致するように
定められる。そして第2対物レンズ414、418の各前側焦
点は分割ミラー412の頂点で一致するとともに、走査レ
ンズ410の後側焦点とも一致する。さらに走査レンズ410
の前側焦点は回転ポリゴン鏡406の反射面に一致するよ
うに定められる。
As described above, in the optical system shown in FIG. 24, the first objective lens 422 is defined as a telecentric system, the rear focal plane coincides with the plane of the mark RM of the reticle R, and the front focal plane (pupil plane) is the second objective lens. It is determined so as to coincide with the respective rear focal planes of 414 and 418. The front focal points of the second objective lenses 414 and 418 coincide with the vertex of the split mirror 412, and also coincide with the rear focal points of the scanning lens 410. Scanning lens 410
Is determined so as to coincide with the reflection surface of the rotating polygon mirror 406.

また第1対物レンズ422の前側焦点面は投影レンズ系P
Lの瞳面と共役に定められる。このため回転ポリゴン鏡4
06によるビーム偏向によって、レチクルRには常に垂直
にレーザビームが照射された状態で走査され、所謂テレ
セントリックな照明が行なわれる。
The front focal plane of the first objective lens 422 is
It is determined to be conjugate with the pupil plane of L. For this reason, rotating polygon mirror 4
Due to the beam deflection by the reticle R, the reticle R is always scanned while being irradiated with the laser beam vertically, and so-called telecentric illumination is performed.

第25図は本実施例に好適な参照部材RPとウェハWとの
配置を示す部分断面であり、参照部材RPの上面でレチク
ルマークRMの窓PWに対向する位置には、中心に小さな矩
形窓を有する矩形(又は円形)状の遮光層による参照パ
ターンRFが形成されている。参照部材RPの下面で参照パ
ターンRFを含む所定領域には、反射部Mbが形成されてい
る。ここでは参照部材RPを一枚の石英ガラスとし、参照
パターンRFの直上には投影レンズ系PLが位置する。レチ
クルマークRMの窓PWの投影像は、露光波長のもとでは反
射部Mbを介して参照パターンRFと同一面に結像される。
ここで窓PWはレチクルR側からみたとき、第26図(A)
に示すように参照パターンRFの外形寸法よりは小さく、
かつ参照パターンRF内の透明窓の外形寸法よりは大きく
なるように定められている。さて、第25図において、窓
PWを通ってきたレーザビームは、参照部材RPの上面では
大きくデフォーカスしており、参照パターンRFの周囲等
を透過して反射部Mbに達し、ここで反射して参照パター
ンRFの裏面にスポット光(SPX′)として結像する。レ
チクルR上を第26図(A)のようにx方向に矢印A2に沿
って走査するスポット光SPXの場合、参照パターンRFを
下面から照射するスポット光SPX′は矢印A3′に沿って
x方向に走査される。このスポット光SPX′の照射によ
って、参照パターンRFで反射されて反射部Mbへ向う反射
光は、入射光と全く同じ光路を逆向きに進み、レチクル
R下面のマークRMの窓PW内でスポットとなって再結像さ
れ、計測光学系内の光電検出器432で受光される。一
方、参照パターンRFの透明窓を上方に向けて透過したス
ポット光SPX′は比較的大きな開口数を有し、投影レン
ズ系PLによってレチクルR側に再結像されるが、参照部
材RPの上面はレチクルRの下面とは共役関係になってい
ないため、マークRMの位置では窓PWの寸法よりも大きく
デフォーカスしてしまう。このため、参照パターンRFを
下方から上方へ素通りしたスポット光SPX′のビームの
うち、大部分はレチクルマークRMの窓PWの周辺で遮光さ
れ、レチクルRの上部に進む光量、すなわち光電検出器
432に達する光量は減少する。
FIG. 25 is a partial cross-section showing a preferred arrangement of the reference member RP and the wafer W in the present embodiment, and a small rectangular window at the center is located at a position facing the window PW of the reticle mark RM on the upper surface of the reference member RP. The reference pattern RF is formed by a rectangular (or circular) light-shielding layer having the following. A reflection portion Mb is formed in a predetermined area including the reference pattern RF on the lower surface of the reference member RP. Here, the reference member RP is a piece of quartz glass, and the projection lens system PL is located immediately above the reference pattern RF. The projection image of the window PW of the reticle mark RM is formed on the same plane as the reference pattern RF via the reflection part Mb under the exposure wavelength.
Here, when the window PW is viewed from the reticle R side, FIG. 26 (A)
As shown in the figure, it is smaller than the external dimensions of the reference pattern RF,
In addition, it is determined to be larger than the outer dimensions of the transparent window in the reference pattern RF. Now, in Fig. 25, the window
The laser beam that has passed through the PW is largely defocused on the upper surface of the reference member RP, passes through the periphery of the reference pattern RF, etc., reaches the reflection portion Mb, reflects there, and spots on the back surface of the reference pattern RF. An image is formed as light (SPX '). For the spot light SPX that scans along the arrow A 2 in the x-direction as the upper reticle R FIG. 26 (A), the spot light SPX irradiating the reference pattern RF from the lower surface 'arrow A 3' along the Scanning is performed in the x direction. Due to the irradiation of the spot light SPX ′, the reflected light reflected by the reference pattern RF and traveling toward the reflecting portion Mb travels in the same optical path as that of the incident light in the opposite direction, and the spot is reflected within the window PW of the mark RM on the lower surface of the reticle R. The image is re-formed and received by the photoelectric detector 432 in the measurement optical system. On the other hand, the spot light SPX ′ transmitted through the transparent window of the reference pattern RF upward has a relatively large numerical aperture and is re-imaged on the reticle R side by the projection lens system PL. Is not in a conjugate relationship with the lower surface of the reticle R, so that the position of the mark RM defocuses more than the size of the window PW. For this reason, most of the beam of the spot light SPX 'that has passed through the reference pattern RF from below to above is shielded around the window PW of the reticle mark RM, and the amount of light traveling to the upper part of the reticle R, that is, the photoelectric detector
The amount of light reaching 432 decreases.

第26図(A)はレチクルマークRMと参照パターンRFと
を整合させたときの状態を示し、スポット光SPXのx方
向走査とスポット光SPYのy方向走査とは時間的に交互
に行なわれる。さて、スポット光SPX(SPX′)がレチク
ルマークRMのエッジEa、参照パターンRFのエッジEb、E
c、及びマークRMのエッジEdの順に走査されると、光電
検出器432の光電信号SSは第26図(B)に示すようにレ
ベル変化する。まずスポット光SPXがレチクルマークRM
の窓PWの外側を走査しているときは、極めて大きな受光
量となる。スポット光SPXが窓PW内の参照パターンRFの
遮光層(反射性)部分、すなわちエッジEaからWbの間、
及びエッジEcからWdの間を走査するときは、スポット光
SPX′が参照パターンRFの遮光層部分に下方から照射さ
れることになるので、一度反射部Mbで反射された光が光
電検出器432で受光されることから、この期間の受光量
は低下する。さらにスポット光SPX′が参照パターンRF
の透明窓内、すなわちエッジEbからEcまでの間を走査す
るときは、先にも説明したようにレチクルマークRMの窓
PWを通過する光量は、大きくデォーカスしたビームのご
く一部分であることから、この期間の受光量は極端に低
下する。
FIG. 26A shows a state in which the reticle mark RM and the reference pattern RF are aligned, and the x-direction scanning of the spot light SPX and the y-direction scanning of the spot light SPY are alternately performed in time. Now, the spot light SPX (SPX ′) is the edge Ea of the reticle mark RM and the edges Eb and E of the reference pattern RF.
When scanning is performed in the order of c and the edge Ed of the mark RM, the level of the photoelectric signal SS of the photoelectric detector 432 changes as shown in FIG. 26 (B). First, spot light SPX is reticle mark RM
When scanning outside the window PW, the light reception amount becomes extremely large. When the spot light SPX is a light-shielding layer (reflective) portion of the reference pattern RF in the window PW, that is, between the edge Ea and Wb,
When scanning between the edges Ec and Wd, the spot light
Since the light-shielding layer portion of the reference pattern RF is irradiated with SPX ′ from below, the light once reflected by the reflection portion Mb is received by the photoelectric detector 432, and the light reception amount during this period decreases. . In addition, the spot light SPX '
When scanning within the transparent window of the reticle mark RM, that is, when scanning between the edges Eb and Ec, as described above,
Since the amount of light passing through the PW is only a small part of the largely defocused beam, the amount of light received during this period is extremely reduced.

そこで適当な2つのスライスレベルVR1、VR2を設定し
て光電信号SS上の立上り部、立下り部の位置Xa、Xb、X
c、Xdを検出する。ここでスポット光が等速直線走査さ
れる場合は、位置Xa、Xb、Xc、Xdはエッジ検出の時刻と
して計測される。こうして、検出された位置に基づい
て、レチクルマークRMと参照パターンRFのx方向の相対
位置ずれΔX0を求める。位置ずれΔX0によって求められる。y方向の計測についても全く同様
である。ただし光電検出器432は、x方向、y方向の計
測で共用されているため、第26図(B)のような信号波
形は時間的に繰り返し発生する。そこで適当な同期処理
によって、各信号波形処理毎に、x方向のずれ計測値と
y方向のずれ計測値とに交互に分けて演算していく必要
がある。その場合でも、スライスレベルVR1、VR2はx方
向用とy方向用とで共通でよい。
Therefore, two appropriate slice levels VR 1 and VR 2 are set and the positions Xa, Xb and X of the rising and falling portions on the photoelectric signal SS are set.
c, Xd is detected. Here, when the spot light is scanned linearly at a constant speed, the positions Xa, Xb, Xc, and Xd are measured as edge detection times. Thus, based on the detected position, the relative positional deviation ΔX 0 between the reticle mark RM and the reference pattern RF in the x direction is obtained. The displacement ΔX 0 is Required by The same applies to the measurement in the y direction. However, since the photoelectric detector 432 is shared for measurement in the x direction and the y direction, a signal waveform as shown in FIG. 26 (B) repeatedly occurs in time. Therefore, it is necessary to perform the calculation by alternately dividing the displacement measurement value in the x direction and the displacement measurement value in the y direction for each signal waveform process by appropriate synchronization processing. Even in such a case, the slice levels VR 1 and VR 2 may be common for the x direction and the y direction.

本実施例では、第1の実施例のように参照パターンRF
やレチクルマークRMとして回折格子パターンを設けなく
ともよいため、レチクルマークRMが小さくできるといっ
た利点がある。
In this embodiment, the reference pattern RF as in the first embodiment is used.
Since it is not necessary to provide a diffraction grating pattern as the reticle mark RM, there is an advantage that the reticle mark RM can be made smaller.

なお、本実施例では反射光量を受光するようにした
が、各パターンのエッジEa、Eb、Ec、Edで生じるエッジ
散乱光のみを光電検出するようにしてもよい。
In the present embodiment, the amount of reflected light is received. However, only the edge scattered light generated at the edges Ea, Eb, Ec, and Ed of each pattern may be photoelectrically detected.

さて、本発明の各実施例では、エキシマレーザ光のス
ペクトルを狭帯化し、投影レンズ系の光学材料として石
英を主に用いたステッパーに適用したときに最もよい効
果が得られる。しかしながらエキシマレーザ光を用いな
い他の形式のステッパーに適用しても同等の効果が得ら
れる。例えば波長436nmのg線を露光光とするステッパ
ーに対しては、位置ずれ検出用のレーザ光線LSとして波
長441.6nmのレーザビームを出力するHe−Cdレーザ光
源、波長488、514nmのビームを出力するアルゴンイオン
レーザ光源、波長544nmのビームを出力するHe−Neレー
ザ光源、あるいは半導体レーザのSHC高調波等が使用で
きる。また波長365nmのi線を露光光とするステッパー
においては、レーザ光源LSとして波長325nmのビームを
出力するHe−Cdレーザ光源や波長365nmのビームを出力
するアルゴンイオンレーザ光源等が適している。先にも
述べたように露光光の波長とアライメント用のレーザ光
源の波長が異なる場合、両者の波長の光のもとでは色収
差のために結像位置が異なることがあるが、参照部材RP
に設けた参照パターンRFの光軸方向の位置を、アライメ
ント用の波長の光のもとでレチクルとの結像位置に一致
させるように調整しておけばよい。
In each embodiment of the present invention, the best effect can be obtained when the spectrum of the excimer laser light is narrowed and applied to a stepper mainly using quartz as an optical material of the projection lens system. However, the same effect can be obtained even when applied to other types of steppers that do not use excimer laser light. For example, for a stepper using g-line exposure light at a wavelength of 436 nm, a He-Cd laser light source that outputs a laser beam having a wavelength of 441.6 nm as a laser beam LS for position shift detection, and a beam having a wavelength of 488 and 514 nm are output. An argon ion laser light source, a He-Ne laser light source that outputs a beam with a wavelength of 544 nm, an SHC harmonic of a semiconductor laser, or the like can be used. For a stepper using i-line having a wavelength of 365 nm as exposure light, a He-Cd laser light source outputting a beam of 325 nm or an argon ion laser light source outputting a beam of 365 nm is suitable as the laser light source LS. As described above, when the wavelength of the exposure light and the wavelength of the laser light source for alignment are different, the image forming position may be different due to chromatic aberration under the light of both wavelengths.
May be adjusted so that the position in the optical axis direction of the reference pattern RF provided in the step (b) coincides with the image forming position with the reticle under the light of the wavelength for alignment.

また各実施例で用いたレーザ光源LSは、第1図に示し
たように、内部にSHG結晶を含むアルゴンイオンレーザ
であるため、レーザ光源自体のコストが高いといった問
題がある。しかし、出力パワーに余裕があるため、1台
のレーザ光源LSからのレーザビームを分岐させて、光フ
ァイバー等を用いて複数の露光装置にレーザビームを送
ることもできる。こうすれば露光装置1台当りのレーザ
コストが低下する。しかしながら、この方式では1台の
レーザ光源の故障(ダウン)は、複数台の露光装置の運
転停止を意味し、はなはだ不都合である。そこで予備の
レーザ光源LSを用意しておき、ミラーの移動等によって
即座に使用するレーザ光源を切替えるようにした方がよ
い。この場合、1台の露光装置に1台のレーザ光源を持
たせたときのレーザコストとくらべて、2台のレーザ光
源(1台は予備)に対して3台以上の露光装置を組み合
わせるとコスト低減の効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 1, the laser light source LS used in each embodiment is an argon ion laser containing an SHG crystal inside, and therefore has a problem that the cost of the laser light source itself is high. However, since there is enough output power, the laser beam from one laser light source LS can be branched and sent to a plurality of exposure apparatuses using an optical fiber or the like. This reduces the laser cost per exposure apparatus. However, in this method, failure (down) of one laser light source means stoppage of operation of a plurality of exposure apparatuses, which is extremely inconvenient. Therefore, it is better to prepare a spare laser light source LS and immediately switch the laser light source to be used by moving a mirror or the like. In this case, when compared with the laser cost of providing one laser light source for one exposure apparatus, combining three or more exposure apparatuses with two laser light sources (one spare) is costly. The effect of reduction is obtained.

ところで各実施例等で説明したように、レチクルRは
参照部材RPの参照パターンRFを基準として位置ずれをモ
ニターしている。特にステッパーの場合、ウェハW上に
マトリックス状にショット(チップ)領域を配置する基
準は、ウェハステージWSTの送り座標系、すなわちレー
ザ干渉計9の直交するx、y測長軸によって規定される
座標系である。このため参照部材RPの少なくとも2ケ所
に設けられた参照パターンRFa、RFbを結ぶ線分が、例え
ば第8図に示したようにx軸と正確に平行になるように
配置されているものとすると、レチクルRの少なくとも
2ケ所のマークRMと参照部材RPの参照パターンRFa、RFb
との位置ずれ計測によってレチクルRがxy平面内で微小
回転していることがわかったときは、レチクルRそのも
のを回転(θ)補正してもよいが、ウェハステージWST
上のウェハホルダーWHを計測された回転量だけ、同方向
に回転させてもよい。
By the way, as described in each embodiment, the position of the reticle R is monitored with reference to the reference pattern RF of the reference member RP. In particular, in the case of a stepper, the criterion for arranging the shot (chip) areas in a matrix on the wafer W is a coordinate system defined by the feed coordinate system of the wafer stage WST, that is, the orthogonal x, y measurement axes of the laser interferometer 9. System. For this reason, it is assumed that a line segment connecting the reference patterns RFa and RFb provided in at least two places of the reference member RP is arranged so as to be exactly parallel to the x-axis as shown in FIG. 8, for example. , At least two marks RM of reticle R and reference patterns RFa, RFb of reference member RP
When the reticle R is found to be slightly rotating in the xy plane by measuring the positional deviation from the reticle R, the rotation (θ) of the reticle R itself may be corrected, but the wafer stage WST
The upper wafer holder WH may be rotated in the same direction by the measured rotation amount.

ところが参照パターンRFa、RFb等の配置そのものがレ
ーザ干渉計9で規定されたxy座標系に対して微小回転
(又はx、y方向の平行ずれ)を起していた場合は何ら
かの対応策が必要である。その1つの対応策は、例えば
第17図、第18図に示したように、参照部材RPの少なくと
も2ケ所に設けられた第2の参照パターンRGと、これを
基準として投影像面内に位置したマーク(格子パターン
WM等)を検出するオフ・アクシス方式のマーク検出系を
用いることである。この際、投影像面内に位置するマー
クとしては、ウェハステージWST上に、ウェハ表面とほ
ぼ同じ高さ位置で固定された基準マーク(フィデューシ
ャルマーク)を利用するとよい。第27図は参照部材RPの
xy座標系に対する回転ずれを検出するのに好適な参照パ
ターンRGの配置を示し、第10の実施例として説明する。
However, if the arrangement of the reference patterns RFa, RFb, etc., has caused slight rotation (or parallel displacement in the x and y directions) with respect to the xy coordinate system defined by the laser interferometer 9, some countermeasure is required. is there. One countermeasure is, for example, as shown in FIGS. 17 and 18, a second reference pattern RG provided in at least two places of the reference member RP, and a position in the projection image plane based on the second reference pattern RG. Mark (grid pattern
WM, etc.) to detect an off-axis mark. At this time, as a mark located in the projection image plane, a reference mark (fiducial mark) fixed on wafer stage WST at substantially the same height position as the wafer surface may be used. Figure 27 shows the reference member RP
The arrangement of a reference pattern RG suitable for detecting a rotational displacement with respect to the xy coordinate system is shown, and will be described as a tenth embodiment.

第27図において、参照部材RPはxy座標系に対して微小
角度Δθだけ回転しているものとする。第2の参照パタ
ーンとしての基準格子パターンRGa、RGbはともにx方向
とy方向の位置ずれ検出用に適するように設けられてい
る。また格子パターンRGa、RGbの参照部材RPの中心CCか
らの各距離は等しいものとし、点対称の関係に設けられ
ている。ウェハステージWST上にはフィデューシャルマ
ークFMが設けられ、その上面にはウェハマークWMと同等
の回折格子マークFmx、Fmyが形成されている。マークFm
xはx方向の位置計測に使われ、マークFmyはy方向の位
置計測に使われる。
In FIG. 27, it is assumed that the reference member RP is rotated by a small angle Δθ with respect to the xy coordinate system. The reference grid patterns RGa and RGb as the second reference patterns are both provided so as to be suitable for detecting a displacement in the x and y directions. The distances between the lattice patterns RGa and RGb from the center CC of the reference member RP are assumed to be equal, and are provided in a point-symmetric relationship. A fiducial mark FM is provided on wafer stage WST, and diffraction grating marks Fmx and Fmy equivalent to wafer mark WM are formed on the upper surface thereof. Mark Fm
x is used for position measurement in the x direction, and mark Fmy is used for position measurement in the y direction.

このような構成で、まずマークFmx、Fmyの夫々が格子
パターンRGaと重なり合うようにウェハステージWSTを位
置決めした後、第17図に示したオフ・アキシス方式のマ
ーク検出系を用いて、格子パターンRGaのy方向の格子
配置とマークFmyとが所定の整合状態でy方向にアライ
メントされるようにウェハステージWSTをy方向に微動
させる。そしてこのアライメントが完了した時点で、ウ
ェハステージWSTのy方向の座標値Yaをレーザ干渉計9
から読み取る。次に座標値Yaを保ったままウェハステー
ジWSTを一定距離(パターンRGaとRGbの間隔分)SLだけ
x方向に送り、そこで格子パターンRGbのy方向の格子
列とマークFmyとの位置ずれΔYを、第17図のようなマ
ーク検出系で読み取る。角度Δθは通常1°以下の微小
量であることから、Δθ≒ΔY/SLによって求められる。
あるいは、x方向に送った後、マーク検出系で検出され
た格子パターンRGbとマークFmyのy方向のずれが零とな
るようにウェハステージWSTをy方向に微動させ、完了
したときのウェハステージWSTの位置を座標値Ybとして
読み取る。従ってこの場合、Δθ≒(Ya−Yb)/SLで求
められる。本実施例のように回折格子を用いて第2の参
照パターンRGとフィデューシャルマークFMとをアライメ
ントする場合、パターンRGaとRGbの2ケ所でのy方向の
相対ずれはマークFmyの格子ピッチ分の範囲内であるこ
とが望ましい。通常ウェハ上に形成する格子パターン又
はマークFmyのピッチは数ミクロン以上であるため、予
めこのような精度内に角度Δθを追い込んで製造するこ
とは比較的容易である。
In such a configuration, first, after positioning the wafer stage WST so that each of the marks Fmx and Fmy overlaps the lattice pattern RGa, the lattice pattern RGa is formed using the off-axis type mark detection system shown in FIG. The wafer stage WST is finely moved in the y direction so that the lattice arrangement in the y direction and the mark Fmy are aligned in the y direction in a predetermined alignment state. Then, when this alignment is completed, the coordinate value Ya of the wafer stage WST in the y direction is set to the laser interferometer 9.
Read from. Next, while keeping the coordinate value Ya, the wafer stage WST is moved in the x direction by a fixed distance SL (the distance between the patterns RGa and RGb), and the positional deviation ΔY between the grid line in the y direction of the grid pattern RGb and the mark Fmy is calculated there. And a mark detection system as shown in FIG. Since the angle Δθ is usually a very small amount of 1 ° or less, it can be obtained by Δθ ≒ ΔY / SL.
Alternatively, after the wafer stage WST is sent in the x direction, the wafer stage WST is finely moved in the y direction such that the displacement of the grid pattern RGb and the mark Fmy detected by the mark detection system in the y direction becomes zero, Is read as the coordinate value Yb. Therefore, in this case, it is obtained by Δθ ≒ (Ya−Yb) / SL. When the second reference pattern RG and the fiducial mark FM are aligned using the diffraction grating as in the present embodiment, the relative displacement in the y direction at two places of the patterns RGa and RGb is equal to the grid pitch of the mark Fmy. Is preferably within the range. Since the pitch of the grid pattern or mark Fmy formed on the wafer is usually several microns or more, it is relatively easy to manufacture in advance by controlling the angle Δθ within such accuracy.

また回折格子の参照パターンRGの代り、又は別の位置
に、専用のスリットマーク等を形成しておき、これらス
リットマークを同時に参照部材RPの上から顕微鏡等で観
察してもよい。この際、参照部材RPに形成されるスリッ
トマークとフィデューシャルマークとは光軸AXの方向に
ある間隔で離れているため、マーク観察用顕微鏡の対物
レンズと接眼レンズ(又はリレー系)との間に複屈折素
子を用いた2焦点素子(水晶レンズ等)を設け、光軸方
向に離間したスリットマークを同一結像面で検出すると
よい。またはフィデューシャルマークを開口スリットに
して、この開口スリットをウェハステージWSTの内側か
ら照明し、参照パターンRGとの整合状態を参照部材RPの
上方で光電検出することによって、少なくとも2ケ所の
参照パターンRGの座標位置を計測してもよい。
Alternatively, a dedicated slit mark or the like may be formed instead of the reference pattern RG of the diffraction grating or at another position, and these slit marks may be simultaneously observed from above the reference member RP with a microscope or the like. At this time, the slit mark and the fiducial mark formed on the reference member RP are separated at a certain interval in the direction of the optical axis AX, so that the objective lens and the eyepiece (or the relay system) of the mark observation microscope are connected. It is preferable to provide a bifocal element (such as a quartz lens) using a birefringent element between them, and detect slit marks separated in the optical axis direction on the same image plane. Alternatively, the fiducial mark is formed as an opening slit, and the opening slit is illuminated from the inside of the wafer stage WST, and the matching state with the reference pattern RG is photoelectrically detected above the reference member RP, thereby obtaining at least two reference patterns. The coordinate position of RG may be measured.

なお、いずれの場合も、第2の参照パターンRGa、RGb
に対する参照パターンRFa、RFbの位置関係は予め精密に
求められているため、参照パターンRFa、RFaのxy座標系
での位置も正確に求められる。
In each case, the second reference patterns RGa, RGb
Since the positional relationship between the reference patterns RFa and RFb relative to the reference patterns RFa and RFb is precisely obtained in advance, the positions of the reference patterns RFa and RFa in the xy coordinate system can also be obtained accurately.

また、参照パターンRFa、RFb、RFc、RFdの夫々とレチ
クルマークRMa、FMb、RMc、RMdの夫々との位置関係、あ
るいは参照パターンRGa、RGb、RGc、RGdの配置等は露光
装置やレチクルRの種類、レチクルRのマーク配置等に
よって異なるので、所定のあるべき位置関係は露光装置
に記憶しておく必要がある。
Further, the positional relationship between each of the reference patterns RFa, RFb, RFc, and RFd and each of the reticle marks RMa, FMb, RMc, and RMd, or the arrangement of the reference patterns RGa, RGb, RGc, and RGd is determined by the exposure apparatus and the reticle R. Since it differs depending on the type, the mark arrangement of the reticle R, and the like, it is necessary to store the predetermined positional relationship in the exposure apparatus.

上記各実施例において、ウェハステージWSTの位置計
測用のレーザ干渉計9の参照ミラー(固定ミラー)は、
参照部材RPの参照パターンRF付近にほぼ一体に固定され
るため、レチクルパターンの投影像の位置変化を正確に
モニターできるといった効果が得られる。
In each of the above embodiments, the reference mirror (fixed mirror) of the laser interferometer 9 for measuring the position of the wafer stage WST is:
Since the reference member RP is fixed almost integrally with the vicinity of the reference pattern RF, an effect that a change in the position of the projected image of the reticle pattern can be accurately monitored is obtained.

また第2図、第4図、第5図に示した光ヘテロダイン
方式の送光系は、本発明の各実施例に示された使用方法
以外に、単独で他の位置検出装置等に流用できる。すな
わち2次元(x、y方向)の位置ずれを検出すべき物体
に、2次元の回折格子パターンが形成されていれば、第
2図のような極めて簡単な送光系によってx、y方向に
ついて交互に光ヘテロダイン方式の検出が可能である。
The optical transmission system of the optical heterodyne system shown in FIGS. 2, 4 and 5 can be independently applied to other position detecting devices in addition to the use method shown in each embodiment of the present invention. . That is, if a two-dimensional diffraction grating pattern is formed on an object for which a two-dimensional (x, y direction) displacement is to be detected, an extremely simple light transmission system as shown in FIG. Optical heterodyne detection can be performed alternately.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上のように本発明では、光源等の熱源を投影レンズ
等から遠くに離し、光ファイバー等でアライメント用の
照明光学系に導くようにしたので、光源等による熱的外
乱による弊害を改善できる位置検出装置及び投影露光装
置を得ることができる。
As described above, in the present invention, a heat source such as a light source is separated from a projection lens or the like, and guided to an illumination optical system for alignment by an optical fiber or the like. An apparatus and a projection exposure apparatus can be obtained.

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

第1図は本発明の第1の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、第2図は位置ずれ検出系のための照明光を
発生する送光系の一部の構成を示す斜視図、第3図は照
明光を複数に分割する分配器の構造を示す斜視図、第4
図は送光系中の回転円板(ラジアル・グレーティング)
の構造を示す平面図、第5図は位置ずれ検出系の構成を
示す斜視図、第6図はレチクル上のマークの形状を示す
平面図、第7図(a)、(b)は参照部材に形成された
参照パターンの形状を示す平面図、第8図は参照部材の
構造を示す斜視図、第9図は投影レンズ、参照部材、ウ
ェハの配置における結像関係を示す断面図、第10図はレ
チクルマークを通る照明光と、レチクルマークから生じ
る干渉光の様子を示す断面図、第11図は参照パターンで
生じる干渉光の様子を示す断面図、第12図はレチクル上
の2ケ所のマーク配置を示す平面図、第13図は本発明の
第2の実施例による参照部材の構成を示す平面図、第14
図は第2の実施例に好適なレチクルのマーク配置を示す
平面図、第15図は第2の実施例における位置ずれ検出系
の配置を示す斜視図、第16図は本発明の第3の実施例に
よる光学特性の調整機構を示す図、第17図は本発明の第
4の実施例による参照部材の構造とマーク検出系の構成
とを示す部分断面図、第18図は第17図の参照部材の各パ
ターンの配置を示す部分平面図、第19図は本発明の第5
の実施例による位置ずれ検出系の一部の構成を示す図、
第20図は第19図に示したアパーチャ板の構造を示す平面
図、第21図は本発明の第6の実施例による位置ずれ検出
系の一部を示す図、第22図は本発明の第7の実施例によ
る位置ずれ検出系の一部の構成を示す図、第23図は本発
明の第8の実施例による送光系の構成を示す図、第24図
は本発明の第9の実施例による位置ずれ計測系の構成を
示す図、第25図は第24図の装置に好適な参照部材の構成
を示す部分断面図、第26図は第24図の装置による位置ず
れ計測の様子を示す平面図、第27図は本発明の第10の実
施例による参照部材とフィデューシャルマークとの配置
を示す平面図である。 〔主要部分の符号の説明〕 1……エキシマレーザ光源、15……回転円板、23、24、
27、28……光ファイバー、30、30′……アパーチャ板、
31……対物レンズ、34……部分ミラー、37、38……光検
知器、39……位相計、LS……レーザ光源、R……レチク
ル、PL……投影レンズ系、RP……参照部材、W……ウェ
ハ、RM、RMa、RMb、RMc、RMd……レチクルマーク(基準
パターン)、RF、RFa、RFb、RFc、RFd……参照パター
ン、Ma、Mb、Mc、Md……反射部、RPa、RPb……石英板
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a projection exposure apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a part of a light transmission system for generating illumination light for a position shift detection system. FIG. 3 is a perspective view showing the structure of a distributor for dividing illumination light into a plurality of parts, and FIG.
The figure shows a rotating disk (radial grating) in the light transmission system
5, FIG. 5 is a perspective view showing the configuration of a misregistration detection system, FIG. 6 is a plan view showing the shape of a mark on a reticle, and FIGS. 7 (a) and 7 (b) are reference members. FIG. 8 is a perspective view showing the structure of the reference member, FIG. 9 is a cross-sectional view showing the imaging relationship in the arrangement of the projection lens, the reference member and the wafer, and FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view showing illumination light passing through the reticle mark and interference light generated from the reticle mark. FIG. 11 is a cross-sectional view showing interference light generated in the reference pattern. FIG. FIG. 13 is a plan view showing a mark arrangement, FIG. 13 is a plan view showing a configuration of a reference member according to a second embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 15 is a plan view showing a mark arrangement of a reticle suitable for the second embodiment, FIG. 15 is a perspective view showing an arrangement of a displacement detection system in the second embodiment, and FIG. 16 is a third embodiment of the present invention. FIG. 17 is a diagram showing a mechanism for adjusting optical characteristics according to an embodiment, FIG. 17 is a partial sectional view showing the structure of a reference member and the configuration of a mark detection system according to a fourth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 19 is a partial plan view showing the arrangement of each pattern of the reference member, and FIG.
A diagram showing a partial configuration of a position shift detection system according to the embodiment of the present invention,
FIG. 20 is a plan view showing the structure of the aperture plate shown in FIG. 19, FIG. 21 is a diagram showing a part of a displacement detection system according to a sixth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a part of a displacement detection system according to a seventh embodiment, FIG. 23 is a diagram showing a configuration of a light transmission system according to an eighth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 25 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a reference member suitable for the apparatus shown in FIG. 24, and FIG. 26 is a partial sectional view showing a configuration of a reference member suitable for the apparatus shown in FIG. 24. FIG. 27 is a plan view showing the appearance, and FIG. 27 is a plan view showing the arrangement of a reference member and fiducial marks according to a tenth embodiment of the present invention. [Description of Signs of Main Parts] 1 ... Excimer laser light source, 15 ... Rotating disk, 23, 24,
27, 28 ... optical fiber, 30, 30 '... aperture plate,
31 Objective lens, 34 Partial mirror, 37, 38 Photodetector, 39 Phase meter, LS Laser light source, R Reticle, PL Projection lens system, RP Reference member , W… wafer, RM, RMa, RMb, RMc, RMd… reticle mark (reference pattern), RF, RFa, RFb, RFc, RFd… reference pattern, Ma, Mb, Mc, Md… reflection part, RPa, RPb: quartz plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/027──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/027

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1物体と第2物体との相対位置ずれを検
出する位置検出装置において、 アライメント光を射出する光源と; 前記アライメント光を2分割する分割光学部材と; 前記分割光学部材からの2光束を送光する光導波路と; 前記第1物体と前記第2物体との少なくとも一方に設け
られた回折マークに、前記2光束を互いに異なる方向か
ら照射するための照明光学系と; 前記回折マークからの光情報を受光する受光素子を有す
ることを特徴とする位置検出装置。
1. A position detecting device for detecting a relative positional deviation between a first object and a second object, comprising: a light source for emitting alignment light; a split optical member for splitting the alignment light into two; An optical waveguide for transmitting the two light beams; and an illumination optical system for irradiating the two light beams to diffraction marks provided on at least one of the first object and the second object from directions different from each other; A position detecting device comprising a light receiving element for receiving optical information from a diffraction mark.
【請求項2】前記光導波路は、前記2光束を各々独立に
送光する2つの光導波路を含むことを特徴とする請求項
1記載の位置検出装置。
2. The position detecting device according to claim 1, wherein said optical waveguide includes two optical waveguides for independently transmitting said two light beams.
【請求項3】前記光導波路は光ファイバーであることを
特徴とする請求項1記載の位置検出装置。
3. The position detecting device according to claim 1, wherein said optical waveguide is an optical fiber.
【請求項4】前記光ファイバーは単一モード保存光ファ
イバーであることを特徴とする請求項3記載の位置検出
装置。
4. The position detecting device according to claim 3, wherein said optical fiber is a single mode storage optical fiber.
【請求項5】前記受光素子は、前記回折マークからの同
一方向に進行する複数の回折光の干渉光を受光すること
を特徴とする請求項1または2のいずれか1項記載の位
置検出装置。
5. The position detecting device according to claim 1, wherein said light receiving element receives interference light of a plurality of diffracted lights traveling in the same direction from said diffraction mark. .
【請求項6】前記分割光学部材は、前記2光束に異なる
周波数差を与える変調光学部材を含むことを特徴とする
請求項1または5のいずれか1項記載の位置検出装置。
6. The position detecting device according to claim 1, wherein the split optical member includes a modulation optical member that gives a different frequency difference between the two light beams.
【請求項7】前記光導波路は、射出端側に前記2光束の
各々のコヒーレンシイを向上させるアパーチャ板を有す
ることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載
の位置検出装置。
7. The position detecting device according to claim 1, wherein the optical waveguide has an aperture plate on the exit end side for improving coherency of each of the two light beams.
【請求項8】第1物体上のパターンを第2物体上に投影
系を介して露光する投影露光装置において、 アライメント光を射出する光源と; 前記アライメント光を2分割する分割光学部材と; 前記分割光学部材からの2光束を各々独立に送光する2
つの光導波路と; 前記第1物体と前記第2物体との少なくとも一方に設け
られた回折マークに、前記2光束を互いに異なる方向か
ら照射するための照明光学系と; 前記回折マークからの光情報を受光する受光素子と; 前記受光素子からの信号に基づいて、前記第1物体と前
記第2物体の相対位置を調整する位置制御装置とを有す
ることを特徴とする投影露光装置。
8. A projection exposure apparatus for exposing a pattern on a first object onto a second object via a projection system, comprising: a light source for emitting alignment light; a division optical member for dividing the alignment light into two parts; 2 for independently transmitting the two light beams from the split optical member
Two optical waveguides; an illumination optical system for irradiating the two light fluxes to diffraction marks provided on at least one of the first object and the second object from directions different from each other; and optical information from the diffraction marks And a position control device for adjusting a relative position between the first object and the second object based on a signal from the light receiving element.
【請求項9】照明光学系は前記投影系を介して前記2光
束を前記第2物体に照射することを特徴とする請求項8
載の投影露光装置。
9. The illumination optical system irradiates the two light beams to the second object via the projection system.
Projection exposure apparatus.
【請求項10】照明光学系は前記投影系を介さずに前記
2光束を前記第2物体に照射することを特徴とする請求
項8載の投影露光装置。
10. The projection exposure apparatus according to claim 8, wherein the illumination optical system irradiates the second light beam to the second object without passing through the projection system.
【請求項11】基板上に設けられたマークにアライメン
ト光を照射し、該マークからの光情報を検出する基板の
位置検出装置において、 前記アライメント光を射出する光源; 前記光源からのアライメント光を分割する分割光学素子
と; 前記分割光学素子で分割された2つのアライメント光に
周波数差を与える少なくとも2つの周波数変調器と; 前記2つの周波数変調器から射出されたアライメント光
を入射し、前記基板に向けて射出する光学素子と; 前記基板からの光情報を受光する受光素子とを有するこ
とを特徴とする位置検出装置。
11. A substrate position detecting device for irradiating a mark provided on a substrate with alignment light and detecting light information from the mark, comprising: a light source for emitting the alignment light; an alignment light from the light source; A splitting optical element for splitting; at least two frequency modulators for giving a frequency difference to the two alignment lights split by the splitting optical element; an alignment light emitted from the two frequency modulators being incident on the substrate; A position detecting device comprising: an optical element that emits light toward the substrate; and a light receiving element that receives light information from the substrate.
【請求項12】前記分割された2つのアライメント光を
所定の間隔をあけて、ほぼ平行となるように合成する合
成光学系を有することを特徴とする請求項11に記載の位
置検出装置。
12. The position detecting apparatus according to claim 11, further comprising a combining optical system for combining the two divided alignment lights so as to be substantially parallel at a predetermined interval.
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