JP2000028321A - 位置検出装置及びこれを用いた露光装置並びに位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】アライメントマークの反射率が相違しても高精
度の位置検出を行うことができる位置検出装置を提供す
る。 【解決手段】撮像素子４２Ｘで検出されたアライメント
マークＭＸＪの光信号を計測方向＋Ｘに向かう第１の走
査により第１の時系列信号に変換するとともに、計測方
向とは逆方向−Ｘに向かう第２の走査により第２の時系
列信号に変換する。こうして得られた第１および第２の
時系列信号のそれぞれの利得を調整したのち、利得調整
の際に生じた時間的な位相誤差を除去し、得られた時系
列信号を位置信号に変換する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子、撮像
素子、液晶表示素子または薄膜磁気ヘッドなどの各種マ
イクロデバイスを製造するためのフォトリソグラフィ工
程で用いられる露光装置に関し、特にマスクと基板との
位置合わせのための位置検出装置及びこれを用いた露光
装置並びに位置検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス製造のフォトリソグラフ
ィ工程では、フォトレジストが塗布されたウェハやガラ
スプレート（以下、基板ともいう。）にマスクのパター
ンを転写することが行われるが、この種の露光装置とし
て、従来よりステップアンドリピート式露光装置が広く
用いられている。このステップアンドリピート式露光装
置は、マスクのパターンをウェハの各ショット領域に一
括して縮小投影することにより露光するもので、一つの
ショット領域の露光を終了すると、ウェハを移動して次
のショット領域の露光を行い、これを順次繰り返す方式
である。

【０００３】また、マスクパターンの露光範囲を拡大す
るために、照明系からの露光光をスリット状（矩形状）
に制限し、このスリット光を用いてマスクパターンの一
部をウェハ上に縮小投影した状態で、マスクとウェハと
を投影光学系に対して同期走査させるステップアンドス
キャン式露光装置も開発されている。このステップアン
ドスキャン式露光装置は、一回の走査露光でマスク全面
のパターンを等倍でウェハの全面に転写するアライナー
の転写方式の長所と、上述したステッパーの転写方式の
長所とを兼ね備えたものである。

【０００４】この種の露光装置には、マスクと基板とを
高精度で位置合わせするためにアライメントセンサが設
けられており、投影レンズから一定距離だけ離して別設
された顕微鏡対物レンズを介してウェハ上のアライメン
トマークを検出するオフアクシス（Off Axis）系の画像
処理アライメント（いわゆるField Image Alignment）
などが用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ウェハ上の
アライメントマークからの反射光は、レジスト膜の厚さ
や下地の材質などの影響によってその反射率が大きく相
違するため、光電素子によって検出されるアライメント
画像の明暗差も大きくなり、その後の画像処理が複雑に
なる。こうした光電変換時の利得を調整して充分なダイ
ナミックレンジが得られるように、光電素子にはオート
マティックゲインコントローラ（ＡＧＣ）が設けられて
いる。

【０００６】しかしながら、オートマティックゲインコ
ントローラなどの演算増幅器は、増幅度（ゲイン調整倍
率）が大きくなると周波数特性が低下するため、増幅度
が大きくなるほど演算増幅器の入出力の位相が遅延する
傾向にある。このため、同一のアライメントマークを使
用した位置計測を行っても、そのアライメントマークの
反射率の相違、つまり増幅度の相違によって位相遅れ特
性も変動し、これが位置ずれの原因となっていた。

【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、アライメントマークの反射
率が相違しても高精度の位置検出を行うことができる位
置検出装置及びこれを用いた露光装置並びに位置検出方
法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】［１］上記目的を達成す
るために、本発明の第１の観点によれば、計測対象物か
らの光信号を時系列信号に変換して位置を検出する位置
検出装置において、計測対象物からの光信号を検出する
撮像手段と、前記撮像手段で検出された光信号を第１の
走査により第１の時系列信号に変換するとともに前記撮
像手段で検出された光信号を第２の走査により第２の時
系列信号に変換する時系列信号変換手段と、前記時系列
信号変換手段で得られた第１および第２の時系列信号の
それぞれの利得を調整する利得調整手段と、前記利得調
整手段で得られた時系列信号を用いて前記利得の調整の
際に生じた時間的な位相誤差を除去する位相誤差除去手
段と、前記位相誤差除去手段で得られた時系列信号を位
置信号に変換する位置信号変換手段と、を備えたことを
特徴とする位置検出装置が提供される。

【０００９】本発明の位置検出装置では、撮像手段で検
出された光信号を時系列信号に変換するにあたり、時系
列信号変換手段によって、第１の走査により第１の時系
列信号を得るとともに、第２の走査により第２の時系列
信号を得たのち、利得調整手段により、これら第１およ
び第２の時系列信号のそれぞれの利得を調整する。

【００１０】このとき、利得が調整された時系列信号に
は、利得に応じた位相遅れ誤差が含まれているが、第１
の走査と第２の走査とを、その位相遅れ誤差を相殺し得
る走査方向とすることで、位相誤差除去手段にて、利得
調整の際に生じた時間的な位相誤差を除去することがで
きる。こうして時間的な位相誤差が除去された時系列信
号を、位置信号変換手段にて位置信号に変換すること
で、得られる位置信号は、調整される利得の大きさに無
関係の精度の高い測定値となる。

【００１１】［２］本発明の第２の観点によれば、計測
対象物からの光信号を時系列信号に変換して位置を検出
する位置検出装置において、計測対象物からの光信号を
検出する撮像手段と、前記撮像手段で検出された光信号
を時系列信号に変換する時系列信号変換手段と、前記時
系列信号変換手段で得られた時系列信号の利得を調整す
る利得調整手段と、前記利得調整手段における前記時系
列信号の利得調整倍率を出力する利得調整倍率出力手段
と、前記時系列信号変換手段で得られた時系列信号を位
置信号に変換する位置信号変換手段と、予め求められた
利得調整倍率に対する位置信号の誤差の関係を記憶する
位置誤差記憶手段と、前記位置誤差記憶手段に記憶され
た情報を参照して前記利得調整倍率出力手段から出力さ
れた利得調整倍率に応じた位置信号の誤差を選定する位
置誤差選定手段と、前記位置信号変換手段で得られた位
置信号から前記位置誤差選定手段で選定された位置誤差
を除去する位置誤差除去手段と、を備えたことを特徴と
する位置検出装置が提供される。

【００１２】上述した本発明の第１の観点により提供さ
れる位置検出装置では、第１および第２の走査によって
時間的な位相誤差を相殺できる時系列信号を生成した
が、この第２の観点による位置検出装置では、利得の調
整倍率とそれが原因で生じる時間的または距離的な誤差
とが、予め求めることができる物性値である点に着目
し、これらの関係をマトリックスデータとして所有し、
調整された利得の倍率に応じてその誤差を参照して補正
するものである。

【００１３】すなわち、この位置検出装置では、撮像手
段で検出された光信号を時系列信号変換手段によって時
系列信号に変換し、利得調整手段によりこの時系列信号
の利得を調整し、さらに位置信号変換手段により位置信
号に変換する。この位置信号には、利得調整倍率に応じ
た位置誤差が含まれている。

【００１４】利得調整倍率出力手段は、利得調整手段に
おける利得調整倍率を位置誤差選定手段へ出力し、位置
誤差選定手段では、位置誤差記憶手段に記憶されている
利得調整倍率に対する位置的な誤差の関係データを参照
して、利得調整倍率に該当する位置的な誤差を選定す
る。そして、位置誤差除去手段にて、位置信号変換手段
で得られた位置信号から位置誤差選定手段で選定された
位置誤差を除去する。これにより、得られる位置信号
は、調整される利得の大きさに無関係の精度の高い測定
値となる。

【００１５】［３］本発明の第３の観点によれば、マス
クに形成されたパターンの像を基板に転写する露光装置
において、前記マスクおよび前記基板の少なくとも一方
に設けられたアライメントマークにアライメント光を照
射するアライメント光学系と、請求項１乃至３の何れか
に記載され、前記アライメントマークからの光信号を時
系列信号に変換して前記マスクおよび前記基板の少なく
とも一方の位置を検出する位置検出装置と、を備えたこ
とを特徴とする露光装置が提供される。

【００１６】本発明の第１および第２の観点による位置
検出装置を露光装置に応用することで、アライメントマ
ークからの反射光の反射率に拘わらず、マスクまたは基
板の少なくとも一方の位置が正確に検出される。

【００１７】［４］本発明の第４の観点によれば、入力
された光信号を時系列信号に変換して位置を検出する方
法において、入力された光信号を第１の走査により第１
の時系列信号に変換する過程と、前記第１の時系列信号
の利得を調整する過程と、入力された光信号を第２の走
査により第２の時系列信号に変換する過程と、前記第２
の時系列信号の利得を調整する過程と、前記利得が調整
された第１および第２の時系列信号を用いて前記利得の
調整の際に生じた時間的な位相誤差を除去する過程と、
前記時間的な位相誤差が除去された時系列信号を位置信
号に変換する過程とを有することを特徴とする位置検出
方法が提供される。

【００１８】本発明の位置検出方法では、入力された光
信号を時系列信号に変換するにあたり、第１の走査によ
り第１の時系列信号を得るとともに、第２の走査により
第２の時系列信号を得たのち、これら第１および第２の
時系列信号のそれぞれの利得を調整する。

【００１９】このとき、利得が調整された時系列信号に
は、利得に応じた位相遅れ誤差が含まれているが、第１
の走査と第２の走査とを、その位相遅れ誤差を相殺し得
る走査方向とすることで、利得調整の際に生じた時間的
な位相誤差を除去することができる。こうして時間的な
位相誤差が除去された時系列信号を位置信号に変換する
ことで、得られる位置信号は、調整される利得の大きさ
に無関係の精度の高い測定値となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の露光装置の実施形態
を示す全体構成図、図２は図１の照明視野絞り板（３
２）を示す拡大図、図３（ａ）は実施形態で露光対象と
されるウェハのショット配列を示す平面図、同図（ｂ）
はそのウェハ上のサンプルショット（ＳＡ）の近傍を示
す拡大平面図、図４（ａ）は撮像素子で観察されるウェ
ハマークおよび指標マークを示す図、同図（ｂ）は
（ａ）に対応する映像信号を示す波形図である。

【００２１】本実施形態は、フォトレジストが塗布され
たウェハ上の各ショット領域に、ステップアンドリピー
ト方式で順次レチクルのパターン像を転写して露光する
投影露光装置、いわゆるステッパーであって、オフアク
シス方式のアライメントセンサを用いてアライメントを
行うものに本発明を適用したものである。

【００２２】まず、本実施形態の露光装置の全体構成か
ら説明する。図１に示すように、超高圧の水銀ランプ１
から発生した露光光ＩＬ１は、楕円鏡２で反射されてそ
の第２焦点で一度集光した後、コリメータレンズ、干渉
フィルター、オプティカル・インテグレータ（フライア
イレンズ）および開口絞り（σ絞り）等を含む照度分布
均一化光学系３に入射する。また、楕円鏡２の第２焦点
の近傍には、モータ５によって露光光ＩＬ１の光路の閉
鎖および開放を行うシャッター（たとえば４枚羽根のロ
ータリーシャッター）４が配置されている。

【００２３】なお、露光光ＩＬ１としては、上述した水
銀ランプ１等の輝線（ｉ線等）の他にも、ＫｒＦエキシ
マレーザ若しくはＡｒＦエキシマレーザ等のレーザ光、
または金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等を用い
ることもできる。

【００２４】照度分布均一化光学系３から射出されたウ
ェハのフォトレジスト層を感光させる波長域の露光光Ｉ
Ｌ１は、その大部分がビームスプリッター６を透過し、
この透過光が第１リレーレンズ７、可変視野絞り（レチ
クルブラインド）８および第２リレーレンズ９を通過し
てミラー１０に至り、ここでほぼ垂直に下方に反射され
た後、メインコンデンサーレンズ１１を介してレチクル
Ｒのパターン領域ＰＡをほぼ均一な照度分布で照明す
る。レチクルブラインド８の配置面は、レチクルＲのパ
ターン形成面と共役関係（結像関係）にある。

【００２５】レチクルＲは、駆動モータ１５によって投
影光学系１６の光軸方向に微動可能で、かつ水平面内で
２次元的な移動および微小回転が可能なレチクルステー
ジ１２上に載置されている。レチクルステージ１２の端
部には、レーザ光波干渉式測長器（以下、単に「干渉
計」と呼ぶ。）１３からのレーザビームを反射する移動
鏡１３ｍが固定され、レチクルステージ１２の２次元的
な位置は、干渉計１３によってたとえば０．０１μｍ程
度の分解能で常時検出されている。

【００２６】レチクルＲ上にはレチクルアライメント系
（不図示）が配置され、これらレチクルアライメント系
は、レチクルＲの外周付近に形成された２組のアライメ
ントマークを検出するものである。レチクルアライメン
ト系からの検出信号に基づいてレチクルステージ１２を
微動させることで、レチクルＲはパターン領域ＰＡの中
心点が光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。

【００２７】レチクルＲのパターン領域ＰＡを通過した
露光光ＩＬ１は、両側テレセントリックな投影光学系１
６に入射し、投影光学系１６はレチクルＲの回路パター
ンを１／５に縮小した投影像を、表面にフォトレジスト
層が形成され、その表面が投影光学系１６の結像面とほ
ぼ一致するように保持されたウェハＷ上の１つのショッ
ト領域に重ね合わせて投影（結像）する。

【００２８】図３（ａ）は、ウェハＷ上の座標系（ｘ，
ｙ）に沿ってウェハＷ上に配列されたショット領域ＥＳ
１〜ＥＳＮを示し、各ショット領域ＥＳｉ（ｉ＝１〜
Ｎ）に隣接するストリートラインには、それぞれＸ方向
用のウェハマークＭＸｉ、およびＹ方向用のウェハマー
クＭＹｉが形成されている。一方のウェハマークＭＸｉ
はＸ方向に所定ピッチで配列されたマルチマークであ
り、他方のウェハマークＭＹｉはＹ方向に所定ピッチで
配列されたマルチマークである。

【００２９】本例では、アライメントをたとえばエンハ
ンストグローバルアライメント（以下、ＥＧＡともい
う。）方式で行う。このＥＧＡ方式では、それらショッ
ト領域ＥＳｉから予め選択されたショット領域（以下、
サンプルショットともいう。）ＳＡ１〜ＳＡ９について
のみオフアクシス方式のアライメントセンサ２７でウェ
ハマークの位置を検出し、その検出結果を統計処理する
ことにより、全てのショット領域の計算上の配列座標を
算出し、この配列座標に基づいて位置合わせを行う。

【００３０】図１に戻り、ウェハＷは、微小回転可能な
ウェハホルダ（不図示）に真空吸着され、このウェハホ
ルダを介してＺステージ１７上に保持され、Ｚステージ
１７は、ＸＹステージ１８上に載置されている。装置全
体の動作を統轄制御する主制御系１４は、駆動モータ２
１を介して、ＸＹステージ１８をステップアンドリピー
ト方式で駆動することにより、ウェハＷを２次元移動さ
せ、Ｚステージ１７を介してウェハＷを投影光学系１６
の光軸に平行なＺ方向で位置決めする。ちなみに、Ｚス
テージ１７内には、ウェハＷの水平出し（レベリング）
を行うレベリングステージも組み込まれている。

【００３１】ウェハＷ上の１つのショット領域に対する
レチクルＲの転写露光が終了すると、ウェハＷは、ＸＹ
ステージ１８によって次のショット位置までステッピン
グされる。Ｚステージ１７の端部には、干渉計２０から
のレーザビームを反射する移動鏡２０ｍが固定され、Ｚ
ステージ１７の２次元的な位置は干渉計２０によって、
たとえば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出されてい
る。

【００３２】また、Ｚステージ１７上には、ベースライ
ン計測時等で用いられる基準マークが形成されたガラス
基板よりなる基準部材１９が、その表面の高さがウェハ
Ｗの露光面の高さとほぼ一致するように設けられてい
る。本例では、Ｚステージ１７でＺ方向の位置を変え
て、基準部材１９上の基準マーク（フィジューシャルマ
ーク）を後述するオフアクシス方式のアライメントセン
サ２７で観測し、撮像された基準マーク像のコントラス
トが最も高くなる位置から、そのアライメントセンサ２
７のベストフォーカス位置を求める。その基準部材１９
上の基準マークとしては、ウェハマークと同様のマルチ
マーク等が使用できる。

【００３３】また、投影光学系１６の結像面の位置は、
たとえばテストプリントや、ウェハ側のステージ内に設
けた発光性のマーク（不図示）等を用いて求めることが
できる。また、基準部材１９上の基準マークの位置をア
ライメントセンサ２７により検出し、次にＴＴＬ（スル
ーザレンズ）方式の観察系（不図示）により投影光学系
１６を介してその基準マークの位置を検出することによ
り、投影光学系１６の光軸とアライメントセンサ２７の
光軸とのずれ量であるベースライン量を求めることがで
きる。そして、アライメントセンサ２７でウェハＷ上の
或るウェハマークの位置を検出し、その検出結果にその
ベースライン量を加算することにより、そのウェハマー
クの属するショット領域を投影光学系１６による露光フ
ィールド内に位置合わせすることができる。

【００３４】ちなみに、ビームスプリッタ６で反射され
た露光光ＩＬ１は、集光レンズ２４を介して光電検出器
２５で受光され、光電検出器２５の光電変換信号が主制
御系１４に供給されている。予め光電検出器２５での受
光量とウェハＷの露光面での露光エネルギーとの関係が
求められており、主制御系１４は光電検出器２５の光電
変換信号を積算することによりウェハＷの積算露光量を
モニタすることができ、これにより露光時間の制御を行
う。

【００３５】また本例の投影露光装置には、ウェハＷの
露光面の位置を計測するための露光用フォーカス位置検
出系（主ＡＦセンサ）４７ａ，４７ｂが設けられてお
り、この主ＡＦセンサ４７ａ，４７ｂ、Ｚステージ１７
および主制御系１４によりオートフォーカスが行われ
る。主ＡＦセンサは、投影光学系１６の側面に配置され
た送光系４７ａおよび受光系４７ｂより構成されてい
る。

【００３６】次に、本例のオフアクシス方式のアライメ
ントセンサ２７（本発明の位置検出装置に相当する。）
の構成につき詳細に説明する。図１に戻り、投影光学系
１６の側面に、プリズムミラー２６と共にアライメント
センサ２７が配置されている。このアライメントセンサ
２７において、ハロゲンランプ２８からの照明光ＩＬ２
は、集光レンズ２９を介して光ファイバ３０に入射し、
光ファイバ３０の他端から射出された照明光ＩＬ２は、
レンズ３１を介して照明視野絞り板３２を照明する。

【００３７】図２は照明視野絞り板３２の構成を示し、
この図において、照明視野絞り板３２は、遮光膜４８が
形成された円形のガラス基板よりなり、この遮光膜４８
の中央部に矩形開口よりなる照野パターン３２ａが形成
され、この照野パターン３２ａの上下にそれぞれ微細な
正方形のパターンを所定ピッチで並べた点列状開口より
なるＡＦパターン３２ｂおよび３２ｃが形成されてい
る。その中央部の照野パターン３２ａを通過した照明光
によりウェハ上の検出対象とするウェハマークを含む照
明領域が規定され、その上下のＡＦパターン３２ｂおよ
び３２ｃの像がそのウェハマークの上下に投影される。

【００３８】図１に示すように、照明視野絞り板３２の
開口パターンを通過した照明光ＩＬ２は、レンズ３３、
ハーフプリズム３４および対物レンズ３５を介してプリ
ズムミラー２６に入射し、プリズムミラー２６で反射さ
れた照明光がウェハＷ上のウェハマークの近傍をほぼ垂
直に照射する。この場合、ウェハＷの露光面は、照明視
野絞り板３２の配置面とほぼ共役となっている。そこ
で、プリズムミラー２６の直下にたとえば図３（ａ）の
サンプルショットＳＡ１に付設されたＸ方向用のウェハ
マークＭＸｊがあるものとすると、同図（ｂ）に拡大図
で示すように、ウェハマークＭＸｊを囲む矩形の照明領
域６５に照明光が照射される。すなわち、照明領域６５
は、図２に示す照明視野絞り板３２中の照野パターン３
２ａと共役となっている。

【００３９】図１において、ウェハＷ上のウェハマーク
からの反射光は、同じ経路を戻ってプリズムミラー２
６、対物レンズ３５を介してハーフプリズム３４に達
し、ハーフプリズム３４で反射された光が、結像レンズ
３６を経て指標板３７上にウェハマークの像を結像す
る。この指標板３７には、Ｘ方向用の指標マーク３７
ａ，３７ｂ（図４（ａ）参照）およびＹ方向用の指標マ
ークが形成されている。これら指標マーク３７ａ，３７
ｂは図４（ａ）に示すように、それぞれＹ方向に対応す
る方向に伸びた直線状パターンがＸ方向に対応する方向
に所定間隔で並設された２本のパターンより構成されて
いる。

【００４０】図１において、指標板３７は、対物レンズ
３５と結像レンズ３６とによってウェハＷの露光面とほ
ぼ共役な面に配置されている。したがって、ウェハＷ上
のウェハマークの像は、指標板３７上に結像され、指標
板３７からの光が、リレー系３８、ビームスプリッター
３９、リレー系４０およびハーフプリズム４１を介し
て、それぞれ２次元ＣＣＤカメラ等よりなる撮像素子４
２Ｘおよび４２Ｙ（本発明の撮像手段に相当する。）の
撮像面に達する。撮像素子４２Ｘおよび４２Ｙの撮像面
にはそれぞれウェハマークの像と指標マークの像とが結
像される。

【００４１】そして、撮像素子４２Ｘおよび４２Ｙから
の撮像信号に基づいて、信号処理系４３が指標板３７上
の指標マークとウェハマークとの位置ずれ量を検出し、
この位置ずれ量を主制御系１４に供給する。

【００４２】この際に、撮像素子４２Ｘの走査線の方向
はＸ方向に対応する方向であり、撮像素子４２Ｙの走査
線の方向はＹ方向に対応する方向である。そこで、たと
えば図３（ａ）のサンプルショットＳＡ１のＸ方向用の
ウェハマークＭＸｊの位置検出は、撮像素子４２Ｘの撮
像信号ＳＸに基づいて行い、Ｙ方向用のウェハマークＭ
Ｙｊの位置検出は、撮像素子４２Ｙの撮像信号に基づい
て行う。このように指標マークを用いるのは、撮像素子
４２Ｘおよび４２Ｙによる画像のスキャン開始位置のド
リフトの影響を軽減するためである。

【００４３】こうしたオフアクシス方式アライメントセ
ンサ２７の撮像素子４２ＸによるマークＭＸｊおよび画
像信号波形の様子を、図４〜図８を参照しながらさらに
詳細に説明する。

【００４４】図５は、オフアクシス方式のアライメント
センサ２７の撮像素子４２Ｘによって検出されたウェハ
マークＭＸｊと画素との関係を示し、図６〜図８はその
ときの画像信号の波形を示す。

【００４５】まず図４（ａ）において、ウェハＷ上の照
明領域６５は、ウェハマークＭＸｊに対応する領域６５
ｃと、ウェハマークＭＸｊの両側での指標板３７上の指
標マーク３７ａ，３７ｂに実質的に対応する領域６５
ａ，６５ｂとで構成されている。これらの領域６５ａ，
６５ｂにまで広げてその照明領域６５を規定しているの
は、それらの領域６５ａ，６５ｂのウェハからの戻り光
を利用して指標板３７上の指標マーク３７ａ，３７ｂを
透過照明しているからである。したがって、指標マーク
３７ａ，３７ｂを照明する光に他のマークや回路パター
ンからのノイズ成分が混入しないように、領域６５ａ，
６５ｂは回路パターンもマークも形成されていない領域
となっており、通常は鏡面状に加工されている。以下、
領域６５ａ，６５ｂのような回路パターンもマークも形
成されていない領域を禁止帯と呼ぶ。

【００４６】このときのウェハマークＭＸｊ、指標マー
ク３７ａ，３７ｂに対応する撮像素子４２Ｘからの撮像
信号ＳＸの概要を図４（ｂ）に示す。ここで、縦軸は信
号強度を表し、横軸は図１のＸＹステージ１８のＸ方向
の走査位置を表している。図４（ｂ）に示すように、撮
像素子４２Ｘからの撮像信号は、指標マーク３７ａ，３
７ｂの位置やウェハマークＭＸｊのエッジに対応する位
置（画素位置）でそれぞれボトムとなる信号波形とな
る。また、Ｙ方向にも指標マークが設けられており、Ｙ
方向のウェハマークＭＹｊの位置は撮像素子４２Ｙによ
り検出される。

【００４７】ここで、本実施形態の撮像素子４２Ｘは、
エリアセンサであり、二次元マトリックス状に設けられ
た複数の受光素子群３４１およびこれらの受光素子３４
１に蓄積された電荷を非計測方向（ここでは、同図に示
されるように線条パターンＭＸｊの延在方向をいう。）
に積分して読み出すための水平読み出し部３４２とを有
し、受光素子群３４１は駆動回路３４３によって駆動さ
れ、水平読み出し部３４２は駆動回路３４４によって駆
動される。

【００４８】この撮像素子４２Ｘでは、ウェハマークＭ
Ｘｊの５本の線条パターンＰ_１ 〜Ｐ_５ と指標マーク
３７ａ，３７ｂとの像を画素スキャン方向（ここでは、
図５に示されるように線条パターンＭＸｊの延在方向に
垂直な方向という。）に沿って電子的に走査する。この
とき、例えば１本の走査線だけではＳ／Ｎ比の点で不利
なので、まず最初に駆動回路３４３を駆動して受光素子
群３４１のマトリックス領域で蓄積された電荷をそれぞ
れ非計測方向に水平読み出し部３４２へ読み出したの
ち、こうして水平読み出し部３４２に積分された電荷を
駆動回路３４４を駆動することにより読み出す。

【００４９】撮像素子４２Ｘは、ウェハマークＭＸｊの
明視野像を光電検出しているため、５本の線条パターン
Ｐ_１ 〜Ｐ_５ の夫々の左右の段差エッジでは光の散乱
によって対物レンズ３５へ戻る光が極端に減少する。こ
のため、線条パターンＰ_１〜Ｐ_５ の夫々の左エッジ、
右エッジは黒い線のように撮像される。従って、画像信
号上の波形は、図６（ａ）に示すように、左エッジ、右
エッジに対応した位置でボトム状となる。

【００５０】特に本実施形態では、図５に示す撮像素子
４２Ｘを用いてウェハマークＭＸｊを電子的に走査する
にあたり、まず最初の走査にて、駆動回路３４３を駆動
することにより受光素子群３４１のうち奇数ラインの受
光素子群に蓄積された電荷を水平読み出し部３４２へ読
み出し（積分し）、この水平読み出し部３４２へ読み出
された電荷を、駆動回路３４４を駆動することにより、
図示する＋Ｘ方向に時系列信号として読み出し出力す
る。そして次の走査にて、駆動回路３４３を駆動するこ
とにより、今度は受光素子群３４１のうち偶数ラインの
受光素子群に蓄積された電荷を水平読み出し部３４２へ
読み出し（積分し）、この水平読み出し部３４２へ読み
出された電荷を、駆動回路３４４を駆動することによ
り、今度は図示する−Ｘ方向に時系列信号として読み出
し出力する。

【００５１】図６（ａ）に、最初の走査によって得られ
た時系列信号の時間に対する信号強度の関係を示し、図
７（ａ）に、次の走査によって得られた時系列信号の時
間に対する信号強度の関係を示す。これらは何れも同じ
ウェハマークＭＸｊを撮像したときの出力信号であるこ
とから、最初の走査および次の走査による信号強度レベ
ルはほぼ等しい。

【００５２】ここで、ウェハ上のアライメントマークＭ
Ｘｊからの反射光は、レジスト膜の厚さや下地の材質な
どの影響によってその反射率が大きく相違するため、撮
像素子４２Ｘによって検出されるアライメント画像の明
暗差も大きくなり、その後の画像処理が複雑になる。こ
うした光電変換時のゲインを調整して充分なダイナミッ
クレンジが得られるように、本実施形態の撮像素子４２
Ｘにはオートマティックゲインコントローラ（ＡＧＣ）
が設けられている。

【００５３】したがって、図６（ａ）および図７（ａ）
に示す信号強度が２値化処理を行うには微弱すぎる場合
には、かかるオートマティックゲインコントローラＡＧ
Ｃによってそのゲインが調整され、これにより図６
（ａ）および図７（ａ）に示す信号は、それぞれ図６
（ｂ）および図７（ｂ）に示すように所定のスラッシュ
レベルに達する程度の強度を有する時系列信号になる。

【００５４】ところが、ＡＧＣなどの演算増幅器では、
増幅度（ゲイン調整倍率）が大きくなると周波数特性が
低下するため、増幅度が大きくなるほど演算増幅器の入
出力の位相が遅延する傾向にある。したがって、図６
（ａ）および図７（ａ）の時系列信号を図６（ｂ）およ
び図７（ｂ）の時系列信号にゲイン調整したときに、増
幅度に応じた時間的位相誤差Δｔが発生する。本実施形
態においても、同図（ｂ）に示されるように、それぞれ
の時系列信号にはΔｔの位相誤差が含まれることにな
る。

【００５５】しかしながら、図６（ｂ）および図７
（ｂ）の時系列信号それぞれに含まれる時間的位相誤差
Δｔを位置座標に変換して考えると、図６（ｂ）に示す
走査では時間軸が＋Ｘ方向であるのに対し、図７（ｂ）
に示す走査では時間軸が−Ｘ方向に相当する。つまり、
２回の走査方向が互いに逆方向であることから、これを
図８に示すように位置座標で合成すると、２ΔＸだけ離
れた位置座標波形となる。したがって、互いのピーク値
の座標の平均値を求めれば、時間的位相誤差Δｔが除去
された位置座標が得られることになる。

【００５６】なお、図５に示す撮像素子４２Ｘは、エリ
アセンサから構成されているが、本発明の位置検出装置
では、ウェハマークＭＸｊの計測方向Ｘに沿ったライン
センサで構成することもできる。また、こうしたエリア
センサやラインセンサに代えて、少なくとも一つの受光
素子を有する撮像素子４２Ｘを用い、これを計測方向に
沿って移動させることにより、計測方向に対するウェハ
マークＭＸｊの時系列信号を生成し、上述した手順で位
置情報を求めることもできる。

【００５７】さらに、上述した例では、ウェハマークＭ
Ｘｊの計測方向±Ｘに走査することで２つの時系列信号
を得たのち、これらを合成することで時間的誤差を相殺
するように構成したが、本発明の位置検出装置では、こ
れに代えてルックアップテーブルを用いた情報処理も採
用することができる。

【００５８】すなわち、撮像素子４２Ｘからの時系列信
号をＡＧＣなどの演算増幅器で増幅すると時間的位相誤
差が生じるが、この誤差は増幅度に応じた値となるた
め、考えられる増幅度の範囲で増幅度と時間的位相誤差
との関係を予め求めておき、これをテーブルフォーマッ
トなどでメモリに格納しておく。そして、ＡＧＣによる
ゲイン調整が行われたら、その調整倍率に応じた時間的
位相誤差をメモリから読み出し、その誤差を補正する。

【００５９】この場合、ゲインの調整倍率と時系列信号
の時間的位相誤差との関係をルックアップテーブルに格
納する方法の他、ゲインの調整倍率と位置誤差との関係
をルックアップテーブルに格納する方法であっても良
い。

【００６０】ちなみに、その後の処理について説明すれ
ば、信号処理系４３は、このような波形に基づいて、予
め選択されたいくつかのマークＭＸｊ，ＭＹｊの中心の
ｘおよびｙ方向の位置Ｘｍ，Ｙｍをそれぞれ計算し、そ
して、先に求めておいた指標マーク３７ａ，３７ｂの中
点位置ＸＲ_０ ，ＹＲ_０ とマーク計測位置Ｘｍ，Ｙｍ
との差ΔＸ＝ＸＲ_０ −ＸｍおよびΔＹ＝ＹＲ_０ −Ｙ
ｍを算出し、これらの検出結果を統計処理することによ
り、全てのショット領域の計算上の配列座標を算出し、
この配列座標に基づいて位置合わせを行う。

【００６１】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

【００６２】たとえば、本発明における露光装置自体の
構成は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、
他のステップアンドスキャン式露光装置、あるいはスキ
ャンステッパその他の露光装置に適用することができ
る。

【００６３】また、上述した実施形態では、本発明の位
置検出装置および位置検出方法を、投影レンズから一定
距離だけ離して別設した顕微鏡対物レンズを介してウェ
ハ上のアライメントマークを検出するオフアクシス方式
のアライメント系に適用したが、本発明のアライメント
光学系には、これ以外にも、マスクに形成されたアライ
メントマークとウェハ上のアライメントマークとを投影
レンズを介して同時に観察するＴＴＲ（ Through The R
eticle）式のアライメント光学系、およびマスクのアラ
イメントセンサは検出しないで投影レンズを介してウェ
ハ上のアライメントマークのみを検出するＴＴＬ（Thro
ugh The Lens）式のアライメント光学系が含まれる。

【００６４】また、こうした光学的分類以外の、たとえ
ば位置検出原理による分類についても、全てのアライメ
ント光学系が含まれる。たとえば、投影光学系を介して
ウェハに設けられた回折格子状のマークに可干渉性の２
光束を照射し、このマークから発生する干渉縞を検出し
て目的とする位置を求める、いわゆるレーザ干渉アライ
メント方式（ Laser Interferometric Alignment）や、
投影光学系を介してウェハに設けられた回折格子状のマ
ークにスリット状のスポット光を照射し、このマークか
ら発生する回折光または散乱光を検出して目的とする位
置を求める、いわゆるレーザステップアライメント方式
（ Laser Step Alignment ）も含まれる。さらに、基板
ステージの基準面に形成された所定形状の開口パターン
に照射光を導き、投影光学系を介してマスクのパターン
面に形成された照明光による投影像の反射光を、投影光
学系及び開口パターンを介して検出することで目的とす
る位置を求める、いわゆる空間像計測方式（Areal Imag
e Sensor）も含まれる。

【００６５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、計測
対象物からの反射率の相違により光信号のゲインを調整
しても、その調整倍率に拘わらず調整の際に生じる位置
誤差を除去することができ、高精度の位置検出を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の露光装置の実施形態を示す構成図であ
る。

【図２】図１の照明視野絞り板を示す拡大図である。

【図３】（ａ）は露光対象とされるウェハのショット配
列を示す平面図、（ｂ）はそのウェハ上のサンプルショ
ットの近傍を示す拡大平面図である。

【図４】（ａ）は撮像素子で観察されるウェハマークお
よび指標マークを示す図、（ｂ）は（ａ）に対応する映
像信号を示す波形図である。

【図５】アライメントマークの検出方法を説明するため
の図である。

【図６】図５のアライメント系による位置検出方法を説
明するための信号波形図である。

【図７】図５のアライメント系による位置検出方法を説
明するための信号波形図である。

【図８】図５のアライメント系による位置検出方法を説
明するための信号波形図である。

【符号の説明】

Ｒ…レチクル Ｗ…ウェハ １６…投影レンズ ＭＸｊ，ＭＹｊ…アライメントマーク ４２Ｘ，４２Ｙ…撮像素子（撮像手段１０１） ４３…信号処理系（時系列信号変換手段１０２、利得調
整手段１０３、位相誤差除去手段１０４、位置信号変換
手段１０５、利得調整倍率出力手段１０６、位相誤差記
憶手段１０７、位相誤差選定手段１０８、位置誤差記憶
手段１０９、位置誤差選定手段１１０、位置誤差除去手
段１１１）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA14 BB28 CC20 FF01 FF04 FF23 GG02 HH17 JJ03 JJ05 JJ26 LL02 LL12 LL30 MM22 PP23 QQ31 UU05 5F046 BA04 CA02 CA03 CA04 CB02 CB03 CB05 CB06 CB14 CB23 CC01 CC02 CC04 CC05 CC06 CC16 DB04 EB01 EB03 ED02 FA10 FB06 FB08 FB09 FB10 FC04 FC06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 計測対象物からの光信号を時系列信号に
   変換して位置を検出する位置検出装置において、 計測対象物からの光信号を検出する撮像手段と、前記撮
   像手段で検出された光信号を第１の走査により第１の時
   系列信号に変換するとともに前記撮像手段で検出された
   光信号を第２の走査により第２の時系列信号に変換する
   時系列信号変換手段と、前記時系列信号変換手段で得ら
   れた第１および第２の時系列信号のそれぞれの利得を調
   整する利得調整手段と、前記利得調整手段で得られた時
   系列信号を用いて前記利得の調整の際に生じた時間的な
   位相誤差を除去する位相誤差除去手段と、前記位相誤差
   除去手段で得られた時系列信号を位置信号に変換する位
   置信号変換手段と、を備えたことを特徴とする位置検出
   装置。
2. 【請求項２】 前記撮像手段は、少なくとも位置の計測
   方向に沿って複数の光電変換素子が配列された電荷結合
   素子を含み、前記時系列信号変換手段は、前記光電変換
   素子に入力された光信号を少なくとも前記計測方向の何
   れか一方向に対して電子的に読み出して前記第１の時系
   列信号に変換するとともに、前記光電変換素子に入力さ
   れた光信号を前記計測方向の逆方向に対して電子的に読
   み出して前記第２の時系列信号に変換することを特徴と
   する請求項１記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】 計測対象物からの光信号を時系列信号に
   変換して位置を検出する位置検出装置において、計測対
   象物からの光信号を検出する撮像手段と、前記撮像手段
   で検出された光信号を時系列信号に変換する時系列信号
   変換手段と、前記時系列信号変換手段で得られた時系列
   信号の利得を調整する利得調整手段と、前記利得調整手
   段における前記時系列信号の利得調整倍率を出力する利
   得調整倍率出力手段と、前記時系列信号変換手段で得ら
   れた時系列信号を位置信号に変換する位置信号変換手段
   と、予め求められた利得調整倍率に対する位置信号の誤
   差の関係を記憶する位置誤差記憶手段と、前記位置誤差
   記憶手段に記憶された情報を参照して前記利得調整倍率
   出力手段から出力された利得調整倍率に応じた位置信号
   の誤差を選定する位置誤差選定手段と、前記位置信号変
   換手段で得られた位置信号から前記位置誤差選定手段で
   選定された位置誤差を除去する位置誤差除去手段と、を
   備えたことを特徴とする位置検出装置。
4. 【請求項４】 マスクに形成されたパターンの像を基板
   に転写する露光装置において、前記マスクおよび前記基
   板の少なくとも一方に設けられたアライメントマークに
   アライメント光を照射するアライメント光学系と、請求
   項１〜３の何れかに記載され、前記アライメントマーク
   からの光信号を時系列信号に変換して前記マスクおよび
   前記基板の少なくとも一方の位置を検出する位置検出装
   置と、を備えたことを特徴とする露光装置。
5. 【請求項５】 入力された光信号を時系列信号に変換し
   て位置を検出する方法において、入力された光信号を第
   １の走査により第１の時系列信号に変換する過程と、前
   記第１の時系列信号の利得を調整する過程と、入力され
   た光信号を第２の走査により第２の時系列信号に変換す
   る過程と、前記第２の時系列信号の利得を調整する過程
   と、前記利得が調整された第１および第２の時系列信号
   を用いて前記利得の調整の際に生じた時間的な位相誤差
   を除去する過程と、前記時間的な位相誤差が除去された
   時系列信号を位置信号に変換する過程とを有することを
   特徴とする位置検出方法。
6. 【請求項６】 前記第１の走査は、位置の計測方向に沿
   って入力された光信号を少なくとも前記計測方向の何れ
   か一方向に対して電子的に読み出す走査であり、前記第
   ２の走査は、前記計測方向に沿って入力された光信号を
   前記計測方向の逆方向に対して電子的に読み出す走査で
   あることを特徴とする請求項５記載の位置検出方法。