JP2000228345A

JP2000228345A - 位置検出装置及び方法、並びに露光装置

Info

Publication number: JP2000228345A
Application number: JP11027701A
Authority: JP
Inventors: Ayako Nakamura; 綾子中村; Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-08-15
Anticipated expiration: 2019-02-04
Also published as: JP4329146B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低段差の位置検出用マークであっても高精度
で位置検出する。【解決手段】マーク像のエッジ傾きＥがある程度以上
大きくなるようなデフォーカス位置Ｚ2でマーク像を検
出しているので、マーク像のエッジを明瞭にすることが
でき、エッジ位置を決定する際の精度が向上する。つま
り、低段差のウェハマークＷＭであっても高精度の位置
検出が可能になる。特に、ウェハマークＷＭに非対称性
があると、そのテレセントリシティに起因する大きな位
置騙されが生じやすいが、マーク像のエッジ傾きＥがあ
る程度以上大きいという条件の下では、このような位置
騙されが生じにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子や液晶
表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程における
投影露光に際しての、マスクと感光基板との位置合わせ
に適した位置検出装置及び方法、並びにこれを用いた露
光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体露光装置では、レチクル（マス
ク）とウェハ（感光基板）とを位置合わせするアライメ
ントを行った後、露光光をレチクルに照射し、レチクル
上の回路パターンを投影レンズを介してウェハに転写露
光する。

【０００３】上記のアライメントでは、アライメントセ
ンサによってウェハ上のアライメントマークの位置を光
電検出し、その位置情報に基づいてレチクルとウェハの
位置合わせを行う。アライメントセンサとしては、例え
ばＦＩＡ（field image alignment）が知られている。
このＦＩＡでは、ウェハ上のアライメントマークに広帯
域波長の光を垂直に照射し、アライメントマークからの
反射・回折光を結像光学系で集光する。結像光学系によ
ってＣＣＤ撮像面に形成されたアライメントマークは、
撮像信号に変換され、その撮像信号を元にアライメント
マークの位置検出を行っている。

【０００４】かかるアライメントセンサについては、近
年の半導体素子に関する製造技術の進展に伴って、低段
差のアライメントマークであっても位置検出を精密に行
い得ることが求められるようになってきている。特開平
７−１８３１８６、特開平９−６０１７、特開平１０−
５０５９２等では、ＦｌＡのようなアライメントセンサ
において、低段差のアライメントパターンを検出する際
にデフォーカスを行ってアライメントパターン像のコン
トラストの向上を図っている。つまり、ベストフオーカ
スの状態よりもデフォーカスの状態の方が像のコントラ
ストが向上する場合があることを考慮して、像のコント
ラストが最大になるデフォーカス位置で位置検出を行っ
てアライメント精度の向上を図っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法の
ように、像のコントラストが最大になるデフォーカス位
置で位置検出を行った場合、例えばアライメントマーク
に非対称性があると、デフォーカスに伴って位置検出結
果にかなりの誤差成分が含まれるようになり、検出精度
が大きく悪化する可能性がある。

【０００６】本発明は、低段差のマークであっても、高
精度に位置検出できる位置検出装置及び方法、並びに露
光装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の位置検出装置は、試料上に設けた位置検出
用マークのマーク像を結像光学系を介して検出する像検
出手段と、像検出手段からの検出出力に基づいて位置検
出用マークの位置を検出する位置検出手段と、像検出手
段で検出されるマーク像を所定範囲内でデフォーカスさ
せることができるデフォーカス手段と、マーク像をデフ
ォーカスさせた場合のこのマーク像のエッジの傾きに基
づいて、マーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う
際のデフォーカス量を決定する決定手段とを備える。

【０００８】上記位置検出装置においては、決定手段
が、マーク像をデフォーカスさせた場合のマーク像のエ
ッジの傾きに基づいてマーク像をデフォーカスさせて位
置検出を行う際のデフォーカス量を決定するので、デフ
ォーカス手段は、マーク像のエッジを明瞭にするような
範囲でマーク像をデフォーカスさせることができる。こ
の結果、本願の位置検出装置では、低段差の位置検出用
マークであっても高精度の位置検出が可能になる。

【０００９】また、上記位置検出装置の好ましい態様で
は、決定手段が、マーク像のエッジの傾きと強度情報と
に基づいてデフォーカス量を決定する。

【００１０】上記の態様においては、決定手段がマーク
像のエッジの傾きと強度情報とに基づいてデフォーカス
量を決定するので、マーク像のコントラストを考慮して
マーク像をデフォーカスさせることになり、低段差の位
置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能にな
る。

【００１１】また、上記位置検出装置の好ましい態様で
は、決定手段が、マーク像のエッジの傾きがほぼ最大と
なるようにデフォーカス量を決定する。

【００１２】上記の態様においては、決定手段がマーク
像のエッジの傾きがほぼ最大となるようにデフォーカス
量を決定するので、マーク像のエッジを最も急峻にして
マーク像をデフォーカスさせることになり、低段差の位
置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能にな
る。

【００１３】また、本発明の位置検出方法は、試料上に
設けた位置検出用マークのマーク像をデフォーカスさせ
た状態で検出することによって位置検出用マークの位置
を検出する位置検出方法であって、マーク像をデフォー
カスさせた場合のこのマーク像のエッジの傾きに基づい
て、マーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際の
デフォーカス量を決定することを特徴とする。

【００１４】上記位置検出方法においては、マーク像を
デフォーカスさせた場合のマーク像のエッジの傾きに基
づいてマーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際
のデフォーカス量を決定するので、マーク像のエッジを
明瞭にするような範囲でマーク像をデフォーカスさせる
ことができ、低段差の位置検出用マークであっても高精
度の位置検出が可能になる。

【００１５】また、本発明の露光装置は、所定のパター
ンが描かれたマスクを照明する照明装置と、マスクの像
を試料上に投影する投影光学系と、試料をマスクに対し
て相対的に移動させる試料ステージと、試料ステージの
位置を検出する上記のごとき位置検出装置とを備える。

【００１６】上記露光装置においては、位置検出装置
が、マーク像をデフォーカスさせた場合のマーク像のエ
ッジの傾きに基づいてマーク像をデフォーカスさせて位
置検出を行う際のデフォーカス量を決定するので、マー
ク像のエッジを明瞭にするような範囲でマーク像をデフ
ォーカスさせてマーク像の位置検出を行うことができ
る。よって、本願の露光装置では、低段差の位置検出用
マークであっても高精度で位置検出ができるようにな
り、種々の状況でマスク像を試料上に高精度で投影・転
写することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕以下、本発明の
第１実施形態に係る位置検出装置を備えた露光装置につ
いて図面を参照しつつ説明する。

【００１８】図１は、実施形態の露光装置の構造を説明
する図である。この露光装置では、レチクルステージＲ
Ｓ上に載置されたレチクルＲのパターン領域ＰＡが照明
装置１０からの露光光ＥＬにより照明される。このよう
な露光光ＥＬのもとで、パターン領域ＰＡのパターン像
が、投影光学系ＰＬを介してウェハステージＷＳに保持
された試料であるウェハＷ上の各ショット領域に転写露
光される。

【００１９】投影光学系ＰＬの側方には、オフ・アクシ
ス方式で、かつ、画像処理方式の位置検出装置の一部と
してアライメント系２０が配置されている。このアライ
メント系２０は、ＦＩＡタイプの検出系であり、ウェハ
Ｗ上に形成されたウェハマークＷＭの位置情報を検出す
る。この位置情報と、ウェハステージＷＳに設けた不図
示のレーザ干渉計の座標情報とを利用すれば、ウェハＷ
とレチクルＲとのアライメントが可能になる。

【００２０】アライメント系２０は、照明系として、ハ
ロゲンランプのような光源２１からの光を導いて照明光
ＡＬとして射出する光ファイバ束２２と、光ファイバ束
２２から出射する照明光ＡＬの形状等を調節するターレ
ット板２３と、調整用のリレー系２４と、光路を分岐す
るためのハーフプリズム２５と、照明光ＡＬをウェハＷ
上の位置検出用マークであるウェハマークＷＭに投影す
る第１対物レンズ２６及び全反射プリズム２７とを備え
る。なお、ターレット板２３は、互いに形状と大きさが
異なる複数の照明開口絞りを備えており、モータＭＴに
駆動されて光路上に配置される照明開口絞りが適宜交換
されるようになっている。また、リレー系２４は、集光
レンズ２４ａ、視野絞り２４ｂ及びコリメータレンズ２
４ｃを含む。

【００２１】また、アライメント系２０は、像検出手段
として、全反射プリズム２７、第１対物レンズ２６、及
びハーフプリズム２５のほか、ハーフプリズム２５で反
射された光を結像する第２対物レンズ３１と、第２対物
レンズ３１の結像位置に配置される指標マークを形成し
た指標板３２と、リレー系３３と、光路を分岐するため
のハーフプリズム３４と、電荷結像型撮像デバイス（Ｃ
ＣＤ）からなる一対の撮像装置３５、３６と、両撮像装
置３５、３６からの撮像信号を処理するための信号処理
部３７とを備える。ここで、第１対物レンズ２６、第２
対物レンズ３１は、結像光学系を構成する。なお、リレ
ー系３３は、コリメータレンズ３３ａ、結像開口絞り３
３ｂ及び集光レンズ３３ｃを含む。

【００２２】信号処理部３７の出力は、主制御系４０に
入力される。この主制御系４０は、露光装置全体を統括
制御するためのもので、ウェハマークＷＭの位置を検出
するアライメント系２０からの位置情報に基づいてウェ
ハマークＷＭの位置を決定するとともに、この位置に基
づいてウェハＷとレチクルＲとをアライメントする。さ
らに、主制御系４０は、照明装置１０による照明状態を
制御したり、ステージ制御系４５を制御してウェハステ
ージＷＳを間接的に任意の位置に駆動する。なお、主制
御系４０に必要な指示やデータは、キーボード５０を介
して外部から入力することもできる。

【００２３】ステージ制御系４５に制御されているウェ
ハステージＷＳは、ウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘに垂直な水平状態に支持するウェハホルダ６１と、ス
テージ制御系４５からの指示に基づいてウェハステージ
ＷＳすなわちウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿
って移動させるＺステージ６２と、ステージ制御系４５
からの指示に基づいてウェハステージＷＳを投影光学系
ＰＬの光軸ＡＸに垂直な水平面面内で移動させるＸＹス
テージ６３とを備える。

【００２４】以下、アライメント系２０の動作について
簡単に説明する。光源２１からの光源光は、光ファイバ
束２２の一端に集光され、光ファイバ束２２の他端から
射出される照明光ＡＬは、リレー系２４、ハーフプリズ
ム２５、第１対物レンズ２６及び全反射プリズム２７を
経て、ウェハＷの表面のウェハマークＷＭ及びその周辺
を落射照明する。

【００２５】ウェハＷからの反射光は、全反射プリズム
２７及び第１対物レンズ２６を経てハーフプリズム２５
に戻り、ハーフプリズム２５で反射された光が第２対物
レンズ３１を経て指標板３２上にウェハマークＷＭの像
を結像する。

【００２６】指標板３２からの光は、リレー系３３を経
てハーフプリズム３４に到る。このハーフプリズム３４
で反射された光により、Ｘ軸用の撮像装置３５の撮像面
に、ウェハマークＷＭの像と指標マークＩＭの像とが重
ねて結像され、ハーフプリズム３４を透過した光によ
り、Ｙ軸用の撮像装置３６の撮像面に、ウェハマークＷ
Ｍの像と指標マークＩＭの像とが重ねて結像される。こ
の場合、Ｘ軸用の撮像装置３５を構成するＣＣＤの走査
方向はＸ軸と共役な方向に設定され、Ｙ軸用の撮像装置
３６の走査方向はＹ軸と共役な方向に設定されている。

【００２７】信号処理部３７は、両撮像装置３５、３６
の動作を制御して、この撮像装置３５、３６から出力さ
れる撮像信号の入力を受ける。信号処理部３７は、各撮
像装置３５、３６からの撮像信号に個別の処理を施し
て、ウェハマークＷＭや指標マークＩＭの適所をスキャ
ンした際の明暗の強度分布に対応するコントラスト信号
や、このコントラスト信号の微分信号であるエッジ傾き
信号を検出し、これらを位置情報として出力する。な
お、主制御系４０は、信号処理部３７からの上記位置情
報に基づいて、指標マークＩＭを基準として、ウェハＷ
上のＸ軸用のウェハマークＷＭやＹ軸用のウェハマーク
ＷＭの位置を決定する。

【００２８】図２は、ウェハマークＷＭと指標マークＩ
Ｍの形状の一例を説明する図である。図２（ａ）は、ウ
ェハマークＷＭを示し、図２（ｂ）は、指標マークＩＭ
を示す。図２（ａ）には、ウェハＷ上の各ショット領域
に付設されたウェハマークＷＭのうち、Ｘ軸用のＸマー
クＷＭＸが示されている。このＸマークＷＭＸは、ウェ
ハＷの表面にＸ方向に所定ピッチで凹凸の段差パターン
を形成したものである。なお、図示を省略しているが、
ウェハＷの表面にはＹ方向に所定ピッチで凹凸の段差パ
ターンを配列してなるＹマークも形成されている。図２
（ｂ）に示す指標マークＩＭは、Ｘ軸と共役な方向に延
びる光不透過部分からなるＸマークＩＭＸと、Ｙ軸と共
役な方向に延びる光不透過部分からなるＹマークＩＭＹ
とを備える。

【００２９】本実施形態の位置検出装置は、アライメン
ト系２０で検出すべきウェハマークＷＭの像を所定範囲
内でデフォーカスさせることができるデフォーカス手段
と、このようにマーク像をデフォーカスさせた場合にお
けるマーク像のエッジの傾きに基づいて位置検出を行う
際のデフォーカス量を決定する決定手段とを備える。具
体的には、主制御系４０が、ステージ制御系４５を介し
てウェハステージＷＳのうちＺステージ６２を駆動して
ウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿って適宜移動
させる。ウェハＷの移動により、撮像装置３５、３６に
投影されるウェハマークＷＭの像はデフォーカス状態と
なる。この際、ウェハＷの移動は、段階的であってもよ
いし、連続的であってもよい。このようにウェハマーク
ＷＭの像をデフォーカス状態とした場合、通常マーク像
の強度分布が基準となるフォーカス状態の強度分布から
変化する。主制御系４０は、信号処理部３７からの位置
情報に基づいて、複数の異なるデフォーカス状態におけ
るマーク像のそれぞれの強度分布と、この各強度分布に
おける変化率（マーク像のエッジの傾き）とを算出する
ことができる。この変化率は、Ｘ方向及びＹ方向の双方
について算出され、この変化率の振幅からマーク像のエ
ッジの傾きを決定することができる。なお、強度分布の
振幅からマーク像のコントラストを決定することもでき
る。さらに、主制御系４０は、決定手段として、以上の
ようにして検出したマーク像のエッジの傾きに基づい
て、位置検出を行う際の好ましいデフォーカス量を決定
する。このデフォーカス量は、基準となるフォーカス状
態と所望のデフォーカス状態とにおけるウェハＷの光軸
ＡＸ方向の位置ずれ量に相当する。

【００３０】以下、図１の露光装置の動作の詳細につい
て説明する。まず、主制御系４０は、キーボード５０等
からの指示に基づいて、ウェハマークＷＭの位置検出に
際してのデフォーカス量を算出するために必要なデフォ
ーカス範囲を設定する。このデフォーカス範囲は、予め
与えられており、或いはアライメントマークのプロセス
条件等に基づいて算出され、例えば±数１０μｍ程度に
設定される。具体的には、このデフォーカス範囲を、ア
ライメント光学系２０の開口数ＮＡ、照明σ値及び使用
波長等の光学条件のほか、位置検出の精度や計算時間を
含む計測条件等の諸要素に基づいて決定する。

【００３１】次に、主制御系４０は、ウェハＷをウェハ
ステージＷＳ上に載置すべき指示を出す。図示を省略す
るローダは、この指示に応じてウェハＷをウェハステー
ジＷＳ上に載置する。

【００３２】次に、主制御系４０は、ステージ制御系４
５を介して、上記のデフォーカス範囲内でＺステージ６
２を駆動し、ウェハＷを光軸ＡＸに沿って移動させる。
この際、主制御系４０は、ウェハＷを微小量ずつ移動さ
せた段階的なデフォーカス状態におけるマーク像につい
て、信号処理部３７から出力された波形情報、すなわち
Ｘ方向及びＹ方向に関する信号の波形を採取する。

【００３３】次に、主制御系４０は、採取した信号の波
形から、例えば微分することによりＸ方向及びＹ方向に
関するウェハマークＷＭの像のエッジ傾きＥを算出す
る。このマーク像のエッジ傾きＥは、採取した信号の波
形の微分値の極大値と極小値との差から求めることがで
きる。なお、主制御系４０は、必要に応じて、採取した
信号の波形からＸ方向及びＹ方向に関するウェハマーク
ＷＭのコントラストＣを算出する。このコントラストＣ
は、信号の波形の極大値と極小値との差から求めること
ができる。

【００３４】さらに、主制御系４０は、算出したエッジ
傾きＥに基づいて、位置検出を行うに際しての好ましい
デフォーカス量Ｆを決定する。このデフォーカス量Ｆ
は、マーク像のエッジ傾きＥが最大となるような条件で
まず選択される。

【００３５】次に、主制御系４０は、ステージ制御系４
５を介してＺステージ６２を駆動し、ウェハＷを上記の
ようにして決定したデフォーカス量Ｆだけ移動させる。

【００３６】次に、主制御系４０は、信号処理部３７か
ら出力された信号波形を適当なしきい値でスライスし、
上記デフォーカス量Ｆにおけるマーク像のエッジ位置を
指標マークＩＭの位置との対比において求める。なお、
デフォーカス量ＦがＸ方向とＹ方向とで異なる場合、ま
ずＸ方向に対応するデフォーカス量ＦでＸ方向のマーク
像のエッジ位置を求め、次にＹ方向に対応するデフォー
カス量ＦでＹ方向のマーク像のエッジ位置を求めること
になる。また、図２（ａ）に示すようにウェハマークＷ
Ｍが複数本のラインから構成される場合、各ラインに関
して得られる位置情報を平均することが望ましい。さら
に、各ラインはその長手方向に延びる２つのエッジを有
するので、両エッジから得られる位置情報を平均するこ
とが望ましい。

【００３７】以上の位置検出においては、マーク像のエ
ッジ傾きＥがある程度以上大きくなるような条件でデフ
ォーカス量Ｆを決定しているので、マーク像のエッジを
明瞭にすることができ、エッジ位置を決定する際の精度
が向上する。つまり、低段差のウェハマークＷＭであっ
ても高精度の位置検出が可能になる。特に、ウェハマー
クＷＭに非対称性があると、そのテレセントリシティに
起因する大きな位置騙されが生じやすいが、マーク像の
エッジ傾きＥがある程度以上大きいという条件の下で
は、このような位置騙されが生じにくい。なお、ここで
テレセントリシティとは、デフォーカスの量（デフォー
カスに際してのウェハＷの移動量）と、このようなデフ
ォーカスの結果ウェハマークＷＭが検出される位置との
関係を示す。

【００３８】次に、主制御系４０は、マーク像のエッジ
位置の検出結果に基づいてウェハＷの位置を決定し、ウ
ェハＷをＸＹ面内で必要な位置に移動させるとともに、
ウェハＷをＺ方向に移動させて投影光学系ＰＬに関して
レチクルＲの共役位置に配置する。ウェハＷの位置決定
に際しては、ウェハＷ上に配置した複数組のウェハマー
クＷＭを利用した位置決め法、例えばＥＧＡ（Enhancem
ent Global Alignment）等の手法を利用することができ
る。

【００３９】次に、主制御系４０は、照明装置１０を制
御してウェハＷ上にレチクルＲの像を投影する露光を行
う。露光後のウェハＷは未露光のウェハＷと交換され
る。

【００４０】この未露光のウェハＷに対しても、主制御
系４０は、ステージ制御系４５を介してＺステージ６２
を駆動し、ウェハＷを上記のデフォーカス量Ｆだけ移動
させる。次に、主制御系４０は、このデフォーカス量Ｆ
におけるマーク像のエッジ位置を指標マークＩＭの位置
との対比において求め、ウェハＷを位置決めし、レチク
ルＲの像をウェハＷに投影する露光を行う。

【００４１】以上は、ウェハマークＷＭの形状等がほぼ
同一のウェハＷを露光する場合についての説明であった
が、ウェハマークＷＭの形状等が異なるウェハＷ（例え
ば別工程のウェハＷ）の場合、位置検出のためのデフォ
ーカス量Ｆを最適値に更新した上で位置検出と露光とを
行う。

【００４２】つまり、主制御系４０は、適当なデフォー
カス範囲内で、再度Ｚステージ６２を駆動してウェハＷ
を光軸ＡＸに沿って移動させ、信号処理部３７から出力
される撮像信号の波形を採取する。次に、採取した波形
から、ウェハマークＷＭのエッジ傾きＥ等が算出され
る。次に、検出したマーク像のエッジ傾きＥ等に基づい
て、位置検出を行うに際しての好ましいデフォーカス量
Ｆが決定される。次に、Ｚステージ６２を駆動して、上
記のようにして決定したデフォーカス量ＦだけウェハＷ
を移動させる。次に、信号処理部３７からの信号波形に
基づいて、このデフォーカス量Ｆにおけるマーク像のエ
ッジ位置を求め、ウェハＷの位置検出を行う。

【００４３】以上の説明においては、位置検出の対象と
なるウェハマークＷＭが低段差であるとして説明してい
るが、ウェハマークＷＭが高段差である場合や明暗構造
を有する場合は、上記のような位置検出を行う必要はな
い。つまり、ウェハマークＷＭが高段差（例えば数１０
μｍ以上）の場合、デフォーカスさせることなく、アラ
イメント光学系２０の焦点面にウェハＷを配置した合焦
状態にてウェハマークＷＭの位置検出を行う。また、ウ
ェハマークＷＭが明暗パターンの場合も、デフォーカス
させることなく、アライメント光学系２０の焦点面にウ
ェハＷを配置した合焦状態にてウェハマークＷＭの位置
検出を行う。ただし、ウェハマークＷＭが低段差の場
合、上記と同様に、デフォーカス量ＦだけウェハＷを移
動させてウェハマークＷＭの位置検出を行う。なお、位
置検出の対象となるウェハマークＷＭが段差であるか否
かや段差の高低については、信号処理部３７で採取した
信号波形に基づいて判断してもよいし、ウェハＷごとに
実際に測定を行って判断してもよいし、ウェハステージ
ＷＳ上にセットされているウェハＷを管理するとともに
予め登録されているデータに基づいて対象となっている
ウェハマークＷＭのタイプを判断することとしてもよ
い。

【００４４】なお、ターレット板２３の回転位置を調整
することにより、照明光ＡＬの光束の形状等を調節でき
るので、例えば低段差の場合には、照明のシグマ値σを
小さく設定することもできる。このような設定は、キー
ボード５０を介して主制御系４０に指示を出してもよい
し、主制御系４０でウェハＷの状態を管理している場
合、ウェハＷのタイプ、工程等の判断結果に基づいて照
明のシグマ値σを切り換えるようにすることができる。

【００４５】図３は、マーク像のデフォーカスと撮像信
号の波形との関係を説明する図である。図３（ａ）は、
ウェハマークＷＭの段差パターンの一例を示し、図３
（ｂ）〜（ｄ）は、段差パターンのコントラスト信号が
デフォーカスに伴って変化する様子を模式的に示し、図
３（ｅ）〜（ｇ）は、それぞれ図３（ｂ）〜（ｄ）の微
分波形（エッジ傾き信号）であり、微分波形がデフォー
カスに伴って変化する様子を模式的に示す。図から明ら
かなように、マーク像が合焦状態にあるとき、コントラ
スト（コントラスト信号の変動幅）Ｃは低く（図３
（ｂ）参照）、マーク像がある程度のデフォーカス状態
にあるとき、コントラストＣは多少大きくなり（図３
（ｃ）参照）、マーク像が更にデフォーカス状態にある
とき、コントラストＣは最も大きくなる（図３（ｄ）参
照）。一方、マーク像がフォーカス状態にあるとき、エ
ッジ傾きＥ（コントラスト信号の微分係数の変動幅）は
小さく（図３（ｅ）参照）、マーク像がある程度のデフ
ォーカス状態にあるとき、エッジ傾きＥは最も大きくな
り（図３（ｆ）参照）、マーク像が更にデフォーカス状
態にあるとき、エッジ傾きは再び減少する（図３（ｇ）
参照）。

【００４６】図４は、マーク像のデフォーカスと、コン
トラストＣ及びエッジ傾きＥとの関係を説明する図であ
る。図４（ａ）に示すように、マーク像のコントラスト
Ｃは、フォーカス位置がＺ1、Ｚ2のときに極大となり、
フォーカス位置がＺ1のときに最大となる。一方、マー
ク像のエッジ傾きＥは、フォーカス位置がＺ2のときに
最大となり、フォーカス位置がＺ1のときにはかなり極
めて小さくなる。

【００４７】図５は、図３（ａ）に示すウェハマークＷ
Ｍに非対称性があった場合における、テレセントリシテ
ィーをシミュレーションした特性曲線を示すグラフであ
る。ここで、コントラストＣが最大のフォーカス位置
は、図４（ａ）に示すようにＺ1であるが、このフォー
カス位置では、大きな位置検出編されＸ1が生じること
が分かる。一方、エッジ傾きＥが最大のフォーカス位置
は、図４（ｂ）に示すようにＺ2であるが、このフォー
カス位置では、位置検出編されＸ2が小さいことが分か
る。従って、エッジ傾きＥが最大となるようにデフォー
カス量Ｆ（フォーカス位置Ｚ2に相当）を設定すれば、
ウェハマークＷＭに非対称性があった場合であっても、
位置検出編されを比較的小さくすることができ、位置検
出精度を高くすることができる。

【００４８】〔第２実施形態〕以下、第２実施形態に係
る位置検出装置を備えた露光装置について説明する。な
お、第２実施形態の位置検出装置は第１実施形態の変形
例であるので、第１実施形態の装置と異なる点について
のみ説明する。

【００４９】低段差のウェハマークＷＭに対して、主制
御系４０は、ステージ制御系４５を介してウェハステー
ジＷＳをあらかじめ決められたフォーカス範囲で駆動
し、各フォーカス位置での像のコントラストＣ（Ｚ）と
エッジの傾きＥ（Ｚ）を算出する。

【００５０】第１実施形態では、図５で説明したよう
に、エッジの傾きが最大となるフォーカス位置Ｚ2で位
置検出を行ったが、フォーカス位置Ｚ2におけるコント
ラストＣ（Ｚ2）では、位置検出のためのコントラスト
として不十分な場合もある。従って、第２実施形態で
は、位置検出を行える限界のコントラストＣ（Ｚ）≧Ｃ0 Ｃ0＝定数を予め設定しておく。なお、コントラストの下限値Ｃ0
は、アライメント系２０固有のものとして予め設定して
おくこともできるが、計測条件等の諸要素に基づいて決
定することもできる。主制御系４０は、この条件を満た
すフォーカス範囲でエッジの傾きＥ（Ｚ）が最大となる
フォーカス位置を求め、これに対応するデフォーカス状
態でウェハマークＷＭの位置検出を行う。

【００５１】また、マーク像のコントラストＣが極めて
低下する場合には、マーク像のエッジ傾きＥが所定の下
限値以上となるような範囲でコントラストＣが最大とな
るデフォーカス量Ｆを選択することもできる。エッジ傾
きＥのこのような下限値は、デフォーカス範囲と同様
に、露光条件、計測条件等の諸要素に基づいて決定す
る。

【００５２】また、フオーカス位置Ｚを段階的に変化さ
せた場合の各フオーカス位置Ｚでの像のコントラストＣ
（Ｚ）と、エッジ傾きＥ（Ｚ）について、以下の関数Ｆ（Ｚ）＝Ａ×Ｃ（Ｚ）＋Ｂ×Ｅ（Ｚ）Ａ，Ｂ＝定数の演算機能を主制御系４０に組み込み、Ｆ（Ｚ）が最大
となるフォーカス位置ＺMAXで位置検出を行うようにし
てもよい。定数Ａ、Ｂは、デフォーカス範囲と同様に、
露光条件、計測条件等の諸要素に基づいて決定する。

【００５３】この際、コントラストＣの代わりに、像強
度の変化としてウェハマークＷＭの像全体における最大
値と最小値の差（像の強度差）を利用してもよい。

【００５４】以上、実施形態に即してこの発明を説明し
たが、この発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、上記実施形態では、アライメント系２０の
デフォーカスをウェハステージＷＳの駆動によって行っ
たが、レンズ（例えば、第１対物レンズ２６、第２対物
レンズ３１、及びリレー系３３のいずれか）、撮像素子
３５、３６等を光軸方向に駆動することによってデフォ
ーカスを行ってもよい。さらに、デフォーカスは、特開
平７−１８３１８６号公報に開示されているように、結
像光学系の光軸に対して対象な波面収差を与えるもので
あってもよい。

【００５５】また、ウェハマークＷＭは、ＸＹ計測用に
個別に設けた１次元の周期マークであるが、２次元格子
マークとすれば、２次元的な位置計測が同時に可能にな
る。

【００５６】また、デフォーカスして位置検出を行う場
合、ウェハマークＷＭに非対称性がない場合でもアライ
メント光学系の光軸ずれ等によって生じるテレセントリ
シティー特性が検出誤差となり得る。ウェハステージＷ
Ｓ上の対称性のよい基準マークのテレセントリシティー
をあらかじめ計測しておくことにより、位置計測時に設
定されるデフォーカス量Ｆによって生じるテレセントリ
シティーの誤差成分（位置検出の誤差成分）を補正すれ
ば、光軸ずれによらない位置検出が可能となる。この
際、基準マークではなく、実際に計測を行うマークＷＭ
についてテレセントリシティーを計測して位置検出誤差
の補正を行ってもよい。

【００５７】また、マークＷＭをＦ＝−ΔＺだけデフォ
ーカスさせたときの前ピンマーク像を撮像装置３５、３
６で撮像検出して得られる位置計測値を第１のウェハ位
置Ｘ01（又はＹ01）とし、＋ΔＺだけデフォーカスした
ときの後ピンマーク像を撮像装置３５、３６で撮像検出
して得られる計測値を第２のウェハ位置Ｘ02（又はＹ0
2）とする。そして、両計測値Ｘ01、Ｘ02（又はＹ01、
Ｙ02）の平均をとってウェハの真の計測位置とし、アラ
イメント光学系の光軸ずれ等によって生じるテレセント
リシティー特性（テレセンずれ）に起因する検出誤差を
補正することもできる。その他、特開平９−６０１７号
に開示された方法を適応することもできる。つまり、異
なる２つのデフォーカス状態におけるマーク像の第１及
び第２の位置情報に基づいて、第１及び第２のデフォー
カス状態に伴うテレセンずれの影響を補正してより高精
度な位置検出を行うことができる。

【００５８】また、上記のような位置検出は、サーチア
ライメントとファインアライメントとを組み合わせてア
ライメントを行うことを前提とする場合、ファインアラ
イメントに適用されるものであるが、ファインアライメ
ントの前に行うサーチアライメントにも上記のような位
置検出を適応することができる。この場合、サーチアラ
イメントについてもファインアライメントについても高
段差から低段差まで高精度で位置検出が可能になる。

【００５９】また、上記実施形態では、パターンを落射
照明する例を示したが、透過照明の場合にも上記のよう
な位置検出が可能なことは言うまでもない。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の位置検出装置においては、決定手段が、マーク像をデ
フォーカスさせた場合のマーク像のエッジの傾きに基づ
いてマーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際の
デフォーカス量を決定するので、デフォーカス手段が、
マーク像のエッジを明瞭にするような範囲でマーク像を
デフォーカスさせることができ、結果的に、低段差の位
置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の一実施形態が適用
された投影露光装置の要部を示す構成図である。

【図２】（ａ）はウェハマークの一例を示し、（ｂ）は
指標マークの一例を示す。

【図３】（ａ）は、ウェハマークの形状を示し、（ｂ）
から（ｄ）は、デフォーカス量を種々に変化させた場合
に観察される像の強度分布を示す波形であり、（ｅ）か
ら（ｇ）は、（ｂ）から（ｄ）に示す波形を微分した波
形である。

【図４】（ａ）は、図３（ａ）のウェハマークのデフォ
ーカスとコントラストとの関係を示し、（ｂ）は、デフ
ォーカスとエッジ傾きとの関係を示す。

【図５】ウェハマークのデフォーカス量と位置検出結果
との一例の関係を説明する図である。

【符号の説明】

１０照明装置２０アライメント系２１光源２２光ファイバ束２３ターレット板２４リレー系２５ハーフプリズム２６第１対物レンズ２７全反射プリズム３１第２対物レンズ３２指標板３３リレー系３４ハーフプリズム３５,３６撮像装置３７信号処理部４０主制御系４５ステージ制御系６１ウェハホルダＰＬ投影光学系ＲレチクルＲＳレチクルステージＷウェハＷＭウェハマークＷＳウェハステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料上に設けた位置検出用マークのマー
ク像を結像光学系を介して検出する像検出手段と、前記像検出手段からの検出出力に基づいて前記位置検出
用マークの位置を検出する位置検出手段と、前記像検出手段で検出される前記マーク像を所定範囲内
でデフォーカスさせることができるデフォーカス手段
と、前記マーク像をデフォーカスさせた場合の当該マーク像
のエッジの傾きに基づいて、前記マーク像をデフォーカ
スさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定する
決定手段とを備えることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記決定手段は、前記マーク像のエッジ
の傾きと強度情報とに基づいて前記デフォーカス量を決
定することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記決定手段は、前記マーク像のエッジ
の傾きがほぼ最大となるように前記デフォーカス量を決
定することを特徴とする請求項１または２の何れか記載
の位置検出装置。
【請求項４】試料上に設けた位置検出用マークのマー
ク像をデフォーカスさせた状態で検出することによって
前記位置検出用マークの位置を検出する位置検出方法で
あって、前記マーク像をデフォーカスさせた場合の当該マーク像
のエッジの傾きに基づいて、前記マーク像をデフォーカ
スさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定する
ことを特徴とする位置検出方法。
【請求項５】所定のパターンが描かれたマスクを照明
する照明装置と、前記マスクの像を前記試料上に投影す
る投影光学系と、前記試料を前記マスクに対して相対的
に移動させる試料ステージと、前記試料ステージの位置
を検出する請求項１記載の位置検出装置とを備えること
を特徴とする露光装置。