JP2001217174A

JP2001217174A - 位置検出方法、位置検出装置、露光方法、及び露光装置

Info

Publication number: JP2001217174A
Application number: JP2000023437A
Authority: JP
Inventors: Koji Yoshida; 幸司吉田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-10
Also published as: EP1122612A2; TW497146B; KR20010078246A; US20010017939A1; EP1122612A3

Abstract

(57)【要約】【課題】物体上に形成されたマークの位置を精度良く
かつ迅速に検出する。【解決手段】撮像装置ＡＳが、マークＭＸ，ＭＹを互
いに異なる複数のデフォーカス状態を含む撮像条件で撮
像した後、処理装置２０が、撮像されたマークの像とデ
フォーカス量との関係すなわちデーフォーカス量の変化
に伴う撮像されたマーク像の変遷の態様を求める。そし
て、求められた撮像マーク像とデフォーカス量との関係
からマークの位置すなわちフォーカス状態におけるマー
ク像を使用して得られるはずのマーク位置を検出する。
この結果、フォーカス状態において撮像されたマーク像
におけるラインパターンとスペースパターンとの段差が
小さい場合であっても精度良くマークの位置を検出する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出方法、位
置検出装置、露光方法、及び露光装置に係り、より詳し
くは、物体上に形成されたマークの位置を検出する位置
検出方法及び位置検出装置、並びに前記位置検出方法を
使用する露光方法及び前記位置検出装置を備える露光装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子等
を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレ
チクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成された
パターンを投影光学系を介してレジスト等が塗布された
ウエハ又はガラスプレート等の基板（以下、適宜「基
板」又は「ウエハ」という）上に転写する露光装置が用
いられている。こうした露光装置としては、いわゆるス
テッパ等の静止露光型の投影露光装置や、いわゆるスキ
ャニング・ステッパ等の走査露光型の投影露光装置が主
として用いられている。

【０００３】かかる露光装置においては、露光に先立っ
てレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメント）を
高精度に行う必要がある。このアライメントを行うため
に、ウエハ上には以前のリソグラフィ工程で形成（露光
転写）された位置検出用マーク（アライメントマーク）
が、各ショット領域に付設されており、このアライメン
トマークの位置を検出することで、ウエハ（又はウエハ
上の回路パターン）の位置を検出することができる。そ
して、ウエハ（又はウエハ上の回路パターン）の位置の
検出結果に基づいて、アライメントが行われる。

【０００４】現在、ウエハ上のアライメントマークの位
置検出にはいくつかの方法が実用化されているが、いず
れの方法においても位置検出用の検出器によって得られ
たアライメントマークの検出結果信号の波形を解析し
て、ウエハ上の所定形状のアライメントマークの位置を
検出している。例えば、最近の主流となっている画像検
出による位置検出では、アライメントマークの光学像を
撮像装置によって撮像し、その撮像信号すなわちその像
の光強度分布を解析してアライメントマーク位置を検出
している。かかるアライメントマークとしては、例え
ば、所定方向に沿ってラインパターンとスペースパター
ンとが交互に配列されたライン・アンド・スペースマー
ク等が用いられている。

【０００５】かかる画像検出による位置検出では、撮像
されたマーク像においてラインパターンとスペースパタ
ーンとが識別できることが前提となる。しかし、近年に
おける半導体素子等の高集積度化や微細化に伴う化学的
機械的研磨（ＣＭＰ）技術等の平坦化技術の進展によ
り、ラインパターンとスペースパターンとの間の低段差
化が進行しており、撮像結果におけるラインパターン部
分とスペースパターン部分との間のコントラストが小さ
くなってしまうことにより、マーク位置の検出のために
重要な要素であるラインパターンとスペースパターンと
の境界（以下、「エッジ」という）が明瞭には識別でき
なくなってしまう事態が生じ始めている。

【０００６】ところで、フォーカス状態から正又は負の
デフォーカス量を徐々に増加させながら低段差マークを
撮像すると、撮像結果のマーク像において、ボケの度合
いは徐々に進行していくが、ラインパターン部分とスペ
ースパターン部分との間のコントラストは、まず徐々に
増加し、その後に減少することがある。すなわち、ライ
ンパターン部分とスペースパターン部分との間のコント
ラストが、フォーカス状態よりも大きくなるデフォーカ
ス状態が存在することがある。そこで、デフォーカス量
を変化させることで得られるマーク像の変遷から、コン
トラストが高いデフォーカス位置を探し、そのデフォー
カス位置で得られる信号波形を用いて、マークの位置検
出を行う技術が、特開昭６２−２７８４０２号公報で提
案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の技術によ
って検出されるマーク位置は、ラインパターン部分とス
ペースパターン部分との間のコントラストが確保された
デフォーカス状態における撮像結果の信号波形に基づい
て検出されるマーク位置である。すなわち、従来の技術
によって検出されるマーク位置は、あくまでデフォーカ
ス状態における信号波形を使用して得られたマーク位置
であり、フォーカス状態における信号波形を使用して得
られるはずのマーク位置と同一であるとは限らない。

【０００８】これは、デフォーカス状態を発生させてマ
ーク像を撮像するのにあたって、（ａ）ウエハと撮像面
とをデフォーカス方向に相対移動させるときに、ウエハ
と撮像面との相対移動を正確にデフォーカス方向のみの
移動とすることは困難であること、（ｂ）ウエハと撮像
面との間の結像光学系の傾きを厳密に零とすることは困
難であること、（ｃ）デフォーカス状態における収差の
発生が等方的であるとは限らないこと等による。すなわ
ち、こうした要因によって、デフォーカス状態における
マーク像が撮像面内おいて移動したり、マーク像の横方
向倍率が撮像面内において均一でなくなる又はデフォー
カス量により変化することによる。

【０００９】一方、半導体素子等の更なる高集積化や微
細化の要請により、位置合わせ用マークの低段差化の傾
向は避けられない状況であるとともに、位置合わせ用マ
ークの検出精度の向上も求められている。すなわち、現
在、低段差のマークの高精度位置検出に関する新たな技
術が待望されているのである。

【００１０】本発明は、かかる事情のもとでなされたも
のであり、その第１の目的は、物体上に形成されたマー
クの位置を、精度良く検出することが可能な位置検出方
法及び位置検出装置を提供することにある。

【００１１】また、本発明の第２の目的は、所定のパタ
ーンを基板に高い精度で転写することが可能な露光方法
及び露光装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出方法
は、物体（Ｗ）に形成されたマーク（ＭＸ，ＭＹ）の位
置を検出する位置検出方法であって、前記マークを、互
いに異なる複数のデフォーカス状態を含む撮像条件で撮
像する第１工程と；前記撮像条件における撮像結果か
ら、撮像された前記マークの像とデフォーカス量との関
係を求め、該関係に基づいて前記マークの位置を検出す
る第２工程とを含む位置検出方法である。

【００１３】これによれば、第１工程において、マーク
を互いに異なる複数のデフォーカス状態を含む撮像条件
で撮像した後、第２工程において、撮像されたマークの
像とデフォーカス量との関係すなわちデフォーカス量の
変化に伴う撮像されたマーク像の変遷の態様を求める。
そして、求められた撮像マーク像とデフォーカス量との
関係からマークの位置すなわちフォーカス状態における
マーク像を使用して得られるはずのマーク位置を検出す
る。したがって、フォーカス状態において撮像されたマ
ーク像におけるラインパターン部とスペースパターン部
とのコントラストが小さい場合であっても精度良くマー
クの位置を検出することができる。

【００１４】本発明の位置検出方法では、前記第１工程
において、前記マークの像が結像される結像面に対して
傾斜した面を撮像面（６２Ｘ，６２Ｙ）として、前記マ
ークを撮像することができる。かかる場合には、撮像面
では、結像面に対する傾き方向に沿ってデフォーカス状
態が変化しているので、複数のデフォーカス状態を含む
を撮像条件による撮像を１回の撮像によって行うことが
できる。したがって、精度の良いマーク位置の検出を迅
速に行うことができる。

【００１５】また、本発明の位置検出方法では、前記第
２工程が、前記複数のデフォーカス状態における撮像結
果からフォーカス状態における前記マークの特徴点の位
置を推定する第３工程と；該推定結果に基づいて前記マ
ークの位置を検出する第４工程とを含むこととすること
ができる。ここで、「特徴点」とは、撮像結果の生信号
又はその微分信号における、極大点若しくは極小点（以
下、「極点」という）又は変曲点等となる点をいう。か
かる「特徴点」は、通常、マーク形状における特徴点と
一致している。例えば、上述したエッジ部において、マ
ークの撮像信号の１階微分信号の極大点又は極小点とな
る。なお、本明細書において「特徴点」というときに
は、上記の意味におけるマークの特徴点をいうものとす
る。

【００１６】かかる場合には、第２工程におけるマーク
位置の検出にあたって、まず、第３工程において、複数
のデフォーカス状態における撮像結果からフォーカス状
態におけるマークの特徴点の位置を推定する。この推定
は、各デフォーカス状態における撮像信号の波形から求
められた、各デフォーカス状態における特徴の位置のデ
フォーカス量の変化の態様に基づいて行われる。そし
て、第４工程において、フォーカス状態における特徴点
の推定位置に基づいて、マークの位置を検出する。この
結果、マークの位置を精度良く検出することができる。

【００１７】ここで、前記第２工程では、前記フォーカ
ス状態における前記マークの特徴点の位置の推定を、前
記複数のデフォーカス状態における撮像結果それぞれに
おけるコントラストを考慮して行うことができる。かか
る場合には、各デフォーカス状態の撮像結果におけるコ
ントラストに基づいて、各デフォーカス状態における特
徴点位置の確からしさが考慮される。すなわち、コント
ラストが大きな撮像結果を使用して得られ、確からしさ
が高い特徴点位置を高く評価し、一方コントラストが小
さな撮像結果を使用して得られ、確からしさが低い特徴
点位置を低く評価しつつ、デフォーカス量の変化による
特徴点位置の変遷を求める。この結果、特徴点位置の確
からしさが合理的に評価されてマーク位置が検出される
ので、精度良くマークの位置を検出することができる。

【００１８】以上では、デフォーカス状態における撮像
結果のみを使用してマークの位置を検出したが、フォー
カス状態における撮像結果においてラインパターン部と
スペースパターン部とのコントラストが十分とはいえな
いまでもある程度確保できた場合には、フォーカス状態
における撮像結果を更に使用することが可能である。す
なわち、本発明の位置検出方法では、前記撮像条件がフ
ォーカス状態を更に含み、前記第２工程が、前記複数の
デフォーカス状態における撮像結果からフォーカス状態
における前記マークの特徴点の位置を推定する第３工程
と；前記フォーカス状態における撮像結果から前記フォ
ーカス状態における前記マークの特徴点の位置を推定す
る第４工程と；前記第３工程における推定結果と前記第
４工程における推定結果とに基づいて、前記マークの位
置を検出する第５工程とを含むこととすることができ
る。かかる場合には、各デフォーカス状態における特徴
位置にフォーカス状態における撮像結果から得られた特
徴点の推定位置を加えた特徴点位置に基づいてマークの
位置を検出するので、精度良くマークの位置を検出する
ことができる。

【００１９】ここで、前記第５工程では、前記複数のデ
フォーカス状態に関する撮像結果それぞれにおけるコン
トラストと、前記フォーカス状態に関する撮像結果にお
けるコントラストとを考慮して、前記マークの位置を検
出することができる。かかる場合には、各撮像結果にお
けるコントラストによって異なる各状態における推定位
置の確からしさが考慮される。すなわち、フォーカス状
態に関する撮像結果から推定される特徴点位置について
も、上述したデフォーカス状態の場合と同様に、コント
ラストの大きさによって推定された特徴点位置の確から
しさが異なってくるので、複数のデフォーカス状態及び
フォーカス状態それぞれにおけるコントラストから各状
態におけける撮像結果から求められる特徴点位置の確か
らしさを評価する。この結果、精度良くマークの位置を
検出することができる。

【００２０】なお、前記複数のデフォーカス状態が、正
のデフォーカス状態及び負のデフォーカス状態のいずれ
かのみを含み、前記複数のデフォーカス状態における撮
像結果それぞれから求められた前記マークの特徴点の位
置から、外挿によって、前記フォーカス状態における前
記マークの特徴点の位置を推定することも可能である
し、また、前記複数のデフォーカス状態が、正のデフォ
ーカス状態と負のデフォーカス状態とを含み、前記複数
のデフォーカス状態における撮像結果それぞれから求め
られた前記マークの特徴点の位置から、内挿によって、
前記フォーカス状態における前記マークの特徴点の位置
を推定することも可能である。

【００２１】本発明の位置検出装置は、物体（Ｗ）に形
成されたマーク（ＭＸ，ＭＹ）の位置を検出する位置検
出装置であって、前記マークの像を結像する結像光学系
（６４Ｘ，６４Ｙ）と；前記結像光学系によって結像さ
れた前記マークをで撮像する撮像装置（ＡＳ）と；前記
撮像装置による互いに異なる複数のデフォーカス状態を
含む撮像条件における撮像結果から、撮像された前記マ
ークの像とデフォーカス量との関係を求め、該関係に基
づいて前記マークの位置を検出する処理装置（２０）と
を備える位置検出装置である。

【００２２】これによれば、結像光学系によって結像さ
れたマーク像を、互いに異なる複数のデフォーカス状態
を含む撮像条件で撮像装置装置によって撮像する。そし
て、処理装置が、各撮像条件における撮像結果から、撮
像されたマークの像とデフォーカス量との関係を求め、
撮像されたマーク像とデフォーカス量との関係からマー
クの位置すなわちフォーカス状態におけるマーク像を使
用して得られるはずのマーク位置を検出する。すなわ
ち、本発明の位置検出方法を使用して、マーク位置を検
出することができるので、フォーカス状態において撮像
されたマーク像におけるラインパターン部とスペースパ
ターン部とのコントラストが小さい場合であっても精度
良くマークの位置を検出することができる。

【００２３】本発明の位置検出装置では、前記マークが
所定方向に沿って表面状態が変化し、前記撮像装置が、
前記結像光学系によって前記マークの像が結像される結
像面（６２Ｘ，６２Ｙ）に対して、前記結像面における
前記所定方向に応じた方向回りに回転した撮像面を備え
る構成とすることができる。かかる場合には、撮像面で
は、結像面に対する傾き方向に沿ってデフォーカス状態
が変化しているので、複数のデフォーカス状態を含むを
撮像条件による撮像を１回の撮像によって行うことがで
きる。したがって、精度の良いマーク位置の検出を迅速
に行うことができる。

【００２４】ここで、前記撮像面が前記結像面と交差す
る構成とすることができる。かかる場合には、撮像面に
おけるデフォーカス状態は、正のデフォーカス状態及び
負のデフォーカス状態とを含むので、複数のデフォーカ
ス状態における撮像結果それぞれから抽出された前記マ
ークの特徴点の位置から、内挿によって、フォーカス状
態におけるマークの特徴点の位置を推定することができ
る。

【００２５】また、本発明の位置検出装置では、前記マ
ークが所定方向に沿って表面状態が変化し、前記結像光
学系によって前記マークの像が結像される結像面に対す
る前記撮像装置の撮像面の前記結像面における前記所定
方向に応じた方向回りの回転量を調整する傾斜調整機構
（６３Ｘ，６３Ｙ）を更に備える構成とすることができ
る。かかる場合には、マークにおけるラインパターン部
とスペースパターン部との段差に応じて、傾斜調整機構
が撮像面の結像面に対する傾斜量を調整することによ
り、精度良くマーク位置を検出するために必要な複数の
デフォーカス状態を、撮像面上に同時に発生させること
ができる。したがって、マークにおけるラインパターン
部とスペースパターン部との段差にかかわらず、迅速か
つ精度良くマークの位置を検出することができる。

【００２６】また、本発明の位置検出装置では、前記結
像光学系によって前記マークの像が結像される結像面と
前記撮像装置の撮像面とを、前記結像光学系の光軸方向
に沿って相対移動させる移動機構（６５）を更に備える
構成とすることができる。かかる場合には、移動機構が
マーク像の結像面と撮像面とを結像光学系の光軸方向に
沿って相対移動させることにより、精度良くマーク位置
を検出するために必要な複数のデフォーカス状態を、撮
像面上に順次発生することができる。したがって、マー
クにおけるラインパターン部とスペースパターン部との
段差にかかわらず、精度良くマークの位置を検出するこ
とができる。

【００２７】本発明の露光方法は、所定のパターンを基
板（Ｗ）上の区画領域（ＳＡ）に転写する露光方法であ
って、前記基板に形成された位置検出用マーク（ＭＸ，
ＭＹ）の位置を本発明の位置検出方法によって検出し
て、前記区画領域の位置に関する所定数のパラメータを
求め、前記基板上における前記区画領域の配列情報を算
出する配列算出工程と；前記配列算出工程において求め
られた前記区画領域の配列情報に基づいて、前記基板の
位置制御を行いつつ、前記区画領域に前記パターンを転
写する転写工程とを含む露光方法である。

【００２８】これによれば、配列算出工程において、本
発明の位置検出方法を使用して、基板に形成された位置
検出用マークの位置を高精度で検出し、その検出結果に
基づいて基板上の区画領域の配列座標を算出する。そし
て、転写工程において、区画領域の配列座標の算出結果
に基づいて基板の位置合わせを行いつつ、区画領域にパ
ターンを転写する。したがって、所定のパターンを精度
良く区画領域に転写することができる。

【００２９】本発明の露光装置は、所定のパターンを基
板（Ｗ）上の区画領域（ＳＡ）に転写する露光装置であ
って、前記基板を移動面に沿って移動させるステージ装
置（ＷＳＴ）と；前記ステージ装置に搭載された前記基
板上のマークの位置を検出する本発明の位置検出装置と
を備える露光装置である。これによれば、本発明の位置
検出装置により、基板上のマークの位置ひいては基板の
位置を精度良く検出することができる。したがって、ス
テージ装置が、精度良く求められた基板の位置に基づい
て基板を移動させることができる。この結果、精度を向
上して、所定のパターンを基板上の区画領域に転写する
ことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を、図
１〜図９を参照して説明する。

【００３１】図１には、本発明の一実施形態に係る露光
装置１００の概略構成が示されている。この露光装置１
００は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装
置である。この露光装置１００は、照明系１０、マスク
としてのレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳ
Ｔ、投影光学系ＰＬ、基板（物体）としてのウエハＷが
搭載されるウエハステージＷＳＴ、撮像装置としてのア
ライメント顕微鏡ＡＳ、及び装置全体を統括制御する主
制御系２０等を備えている。

【００３２】前記照明系１０は、光源、フライアイレン
ズ等からなる照度均一化光学系、リレーレンズ、可変Ｎ
Ｄフィルタ、レチクルブラインド、及びダイクロイック
ミラー等（いずれも不図示）を含んで構成されている。
こうした照明系の構成は、例えば、特開平１０−１１２
４３３号公報に開示されている。この照明系１０では、
回路パターン等が描かれたレチクルＲ上のレチクルブラ
インドで規定されたスリット状の照明領域部分を照明光
ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。

【００３３】前記レチクルステージＲＳＴ上にはレチク
ルＲが、例えば真空吸着により固定されている。レチク
ルステージＲＳＴは、ここでは、磁気浮上型の２次元リ
ニアアクチュエータから成る不図示のレチクルステージ
駆動部によって、レチクルＲの位置決めのため、照明系
１０の光軸（後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに一
致）に垂直なＸＹ平面内で微少駆動可能であるととも
に、所定の走査方向（ここではＹ方向とする）に指定さ
れた走査速度で駆動可能となっている。さらに、本実施
形態では上記磁気浮上型の２次元リニアアクチュエータ
はＸ駆動用コイル、Ｙ駆動用コイルの他にＺ駆動用コイ
ルを含んでいるため、Ｚ方向にも微小駆動可能となって
いる。

【００３４】レチクルステージＲＳＴのステージ移動面
内の位置はレチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干
渉計」という）１６によって、移動鏡１５を介して、例
えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レ
チクル干渉計１６からのレチクルステージＲＳＴの位置
情報（又は速度情報）ＲＰＶはステージ制御系１９に送
られ、ステージ制御系１９はレチクルステージＲＳＴの
位置情報に基づいてレチクルステージ駆動部（図示省
略）を介してレチクルステージＲＳＴを駆動する。な
お、レチクルステージＲＳＴの位置情報ＲＰＶはステー
ジ制御系１９を介して主制御系２０にも送られている。

【００３５】前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージ
ＲＳＴの図１における下方に配置され、その光軸ＡＸの
方向がＺ軸方向とされている。投影光学系ＰＬとして
は、両側テレセントリックで所定の縮小倍率（例えば１
／５、又は１／４）を有する屈折光学系が使用されてい
る。このため、照明光学系からの照明光ＩＬによってレ
チクルＲの照明領域が照明されると、このレチクルＲを
通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介してそ
の照明領域内のレチクルＲの回路パターンの縮小像（部
分倒立像）が表面にレジスト（感光剤）が塗布されたウ
エハＷ上に形成される。

【００３６】前記ウエハステージＷＳＴは、投影光学系
ＰＬの図１における下方で、ベースＢＳ上に配置され、
このウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホルダ２５が
載置されている。このウエハホルダ２５上にウエハＷが
例えば真空吸着等によって固定されている。ウエハホル
ダ２５は不図示の駆動部により、投影光学系ＰＬの光軸
直交面に対し、任意方向に傾斜可能で、かつ投影光学系
ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）にも微動可能に構成され
ている。また、このウエハホルダ２５は光軸ＡＸ回りの
微小回転動作も可能になっている。

【００３７】ウエハステージＷＳＴは走査方向（Ｙ方
向）の移動のみならず、ウエハＷ上の複数のショット領
域を前記照明領域と共役な露光領域に位置させることが
できるように、走査方向に垂直な方向（Ｘ方向）にも移
動可能に構成されており、ウエハＷ上の各ショット領域
を走査（スキャン）露光する動作と、次のショットの露
光開始位置まで移動する動作とを繰り返すステップ・ア
ンド・スキャン動作を行う。このウエハステージＷＳＴ
はモータ等を含むのウエハステージ駆動部２４によりＸ
Ｙ２次元方向に駆動される。

【００３８】ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内での位
置はウエハレーザ干渉計１８によって、移動鏡１７を介
して、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出さ
れている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度
情報）ＷＰＶはステージ制御系１９に送られ、ステージ
制御系１９はこの位置情報ＷＰＶに基づいてウエハステ
ージＷＳＴを制御する。なお、ウエハステージＷＳＴの
位置情報ＷＰＶはステージ制御系１９を介して主制御系
２０にも送られている。

【００３９】前記アライメント顕微鏡ＡＳは、投影光学
系ＰＬの側面に配置された、オフアクシス方式のアライ
メントセンサである。このアライメント顕微鏡ＡＳは、
ウエハＷ上の各ショット領域に付設されたアライメント
マーク（ウエハマーク）の撮像結果を出力する。かかる
撮像結果は撮像データＩＭＤとして主制御系２０へ送ら
れる。

【００４０】このアライメント顕微鏡ＡＳは、図２
（Ａ）に示されるように、光源５１、コリメータレンズ
５２、ビームスプリッタ５３、ミラー５４、対物レンズ
５５、集光レンズ５６、指標板５７、第１リレーレンズ
５８、ビームスプリッタ５９、Ｘ軸用第２リレーレンズ
６０Ｘ、撮像面６２Ｘを有する２次元ＣＣＤより成るＸ
軸用撮像素子６１Ｘ、傾斜調節機構６３Ｘ、Ｙ軸用第２
リレーレンズ６０Ｙ、撮像面６２Ｙを有する２次元ＣＣ
Ｄより成るＹ軸用撮像素子６１Ｙ、及び傾斜調節機構６
３Ｙ等を含んで構成されている。ここで、このアライメ
ント顕微鏡ＡＳの構成各部についてその作用とともに説
明する。

【００４１】光源５１は、ウエハ上のフォトレジストを
感光させない非感光性の光であって、ある帯域幅（例え
ば２００ｎｍ程度）をもつブロードな波長分布の光を発
する。特に、光源５１として、ハロゲンランプが好適に
採用可能である。レジスト層での薄膜干渉によるマーク
検出精度の低下を防止するため、十分に広い帯域幅の照
明光を用いることが望ましい。特に、アライメント顕微
鏡ＡＳのように画像処理方式の計測顕微鏡を用いる場合
には、このことは重要である。

【００４２】光源５１からの照明光がコリメータレンズ
５２、ビームスプリッタ５３、ミラー５４、及び対物レ
ンズ５５を順次介してウエハＷ上のアライメントマーク
ＭＸ又はＭＹ（図３参照）の近傍に照射される。そし
て、アライメントマークＭＸ又はＭＹからの反射光が、
対物レンズ５５、ミラー５４、ビームスプリッタ５３、
及び集光レンズ５６を順次介して指標板５７上に到達
し、指標板５７上にアライメントマークＭＸ又はＭＹの
像が結像される。

【００４３】指標板５７を透過した光は、第１リレーレ
ンズ５８を経てビームスプリッタ５９に向かう。そし
て、ビームスプリッタ５９を透過した光が、Ｘ軸用第２
リレーレンズ６０ＸによりＸ軸用撮像素子６１Ｘの撮像
面６２Ｘ上に集束される。一方、ビームスプリッタ５９
で反射された光は、Ｙ軸用第２リレーレンズ６０Ｙによ
りＹ軸用撮像素子６１Ｙの撮像面６２Ｙ上に集束され
る。この結果、撮像素子６１Ｘ，６１Ｙの撮像面６２
Ｘ，６２Ｙ上にはそれぞれアライメントマークＭＸ又は
ＭＹの像及び指標板５７上の指標マークの像が重ねて投
影される。なお、対物レンズ５５、集光レンズ５６、第
１リレーレンズ５８、Ｘ軸用第２リレーレンズ６０Ｘか
らマークＭＸ用の結像光学系６４Ｘが構成されており、
また、対物レンズ５５、集光レンズ５６、第１リレーレ
ンズ５８、Ｙ軸用第２リレーレンズ６０ＹからマークＭ
Ｙ用の結像光学系６４Ｙが構成されている。

【００４４】ここで、図２（Ｂ）に示されるように、主
制御系２０からの傾斜制御データＲＣＸに応じて傾斜調
節機構６３Ｘが、マークＭＸ用結像光学系に関するウエ
ハ座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の共役座標系（Ｘ_X，Ｙ_X，
Ｚ_X）のＸ_X軸回りに撮像素子６１Ｘを回転させる（回転
角φ_X）ことにより、マークＭＸ用の結像光学系６４Ｘ
のマーク像の結像面に対する撮像面６２Ｘの傾斜量が調
整される。また、図２（Ｃ）に示されるように、主制御
系２０からの傾斜制御データＲＣＹに応じて傾斜調節機
構６３Ｙが、マークＭＹ用の結像光学系６４Ｙに関する
ウエハ座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の共役座標系（Ｘ_Y，Ｙ_Y，
Ｚ_Y）のＹ_Y軸回りに撮像素子６１Ｙを回転させる（回転
角φ_Y）ことにより、マークＭＹ用結像光学系６４Ｙの
マーク像の結像面に対する撮像面６２Ｙの傾斜量が調整
される。

【００４５】こうして傾斜量が調整された撮像面６２
Ｘ，６２Ｙにおけるマーク像が撮像素子６１Ｘ及び６１
Ｙによって撮像され、その撮像結果である撮像データＩ
ＭＤが主制御系２０に供給される。なお、撮像対象がマ
ークＭＸである場合には、撮像素子６１Ｘによって得ら
れた撮像結果のみが撮像データＩＭＤとして主制御系２
０に供給される。一方、撮像対象がマークＭＹである場
合には、撮像素子６１Ｙによって得られた撮像結果のみ
が撮像データＩＭＤとして主制御系２０に供給される。

【００４６】アライメントマークとしては、例えば、図
３（Ａ）に示されるようなウエハＷ上のショット領域Ｓ
Ａの周囲のストリートライン上に形成された、位置合わ
せマークとしてのＸ方向位置検出用のマークＭＸとＹ方
向位置検出用のマークＭＹとが使用される。各マークＭ
Ｘ、ＭＹとしては、例えば、図３（Ｂ）において拡大さ
れたマークＭＸで代表して示されるように、検出位置方
向について周期構造を有するラインアンドスペースマー
クを使用することができる。アライメント顕微鏡ＡＳ
は、その撮像結果である撮像データＩＭＤを主制御系２
０へ向けて出力する（図１参照）。なお、図３（Ｂ）に
おいては、ラインが５本のラインアンドスペースマーク
が示されているが、マークＭＸ（又はマークＭＹ）とし
て採用されるラインアンドスペースマークにおけるライ
ン本数は、５本に限定されるものではなく、他の本数で
あってもよい。また、以下の説明においては、マークＭ
Ｘ及びマークＭＹの個々を示す場合には、対応するショ
ット領域ＳＡの配列位置に応じてマークＭＸ（ｉ，ｊ）
及びマークＭＹ（ｉ，ｊ）と記すものとする。

【００４７】ウエハＷにおけるマークＭＸの形成領域
は、図４（Ａ）のＸＺ断面で示されるように、基層７１
の表面にラインパターン７３とスペースパターン７４と
がＸ方向に交互に形成されており、ラインパターン７３
及びスペースパターン７４をレジスト層が覆っている。
レジスト層の材質は、例えばポジ型レジスト材や化学増
幅型レジストであり、高い光透過性を有している。ま
た、基層７１の材質とラインパターン７３の材質とは互
いに異なっており、一般に反射率や透過率が互いに異な
っている。本実施形態では、ラインパターン７３の材質
は反射率が高いものであり、かつ、基層７１の材質はラ
インパターン７３の材質よりも反射率が低いものとして
いる。そして、基層７１及びラインパターン７３の上面
はほぼ平坦であるとする。

【００４８】このとき、上方から照明光を照射し、マー
クＭＸの形成領域における反射光による像を上方で観察
すると、その像における光強度のＸ方向分布Ｉ（Ｘ）
は、図４（Ｂ）に示されるものとなる。すなわち、観察
像において、ラインパターン７３の上面に対応する位置
で光強度が最も大きく且つ一定であり、スペースパター
ン７４上面に対応する位置で光強度が次に大きく且つ一
定であり、そして、ラインパターン７３の上面と基層７
１上面との間では、光強度がＪ字（又は、し字）状に変
化する。こうした図４（Ｂ）に示された信号波形（生波
形）についての１階微分波形ｄ（Ｉ（Ｘ））／ｄＸ（以
下、「Ｊ（Ｘ）」という）及び２階微分波形ｄ²（Ｉ
（Ｘ））／ｄＸ²が、図４（Ｃ）及び図４（Ｄ）に示さ
れている。なお、本実施形態では、１階微分波形Ｊ
（Ｘ）を解析して、マークＭＸの位置を検出ことにして
いる。また、マークＭＹについてもＸの位置を検出する
ことにしている。

【００４９】なお、マークＭＹも、ラインパターンとス
ペースパターンとの配列方向がＹ方向であることを除い
て、マークＭＸと同様に構成されている。また、マーク
ＭＹについても、生波形の１階微分波形Ｊ（Ｘ）を解析
して、Ｙ位置を検出することにしている。

【００５０】前記主制御系２０は、図５に示されるよう
に、主制御装置３０と記憶装置４０とを備えている。主
制御装置３０は、アライメント顕微鏡ＡＳに傾斜制御デ
ータＲＣＸ，ＲＣＹを供給するとともに、ステージ制御
系１９にステージ制御データＳＣＤを供給する等して露
光装置１００の動作を制御する制御装置３９と、アライ
メント顕微鏡ＡＳからの撮像データＩＭＤを収集する撮
像データ収集装置３１と、該撮像データ収集装置３１に
よって収集された撮像データＩＭＤを解析してアライメ
ントマークＭＸ，ＭＹの位置を求める位置演算装置３２
と、該位置演算装置３２によって求められたアライメン
トマークＭＸ，ＭＹの位置に基づいて、ショット領域Ｓ
Ａの配列座標を規定するパラメータを算出するパラメー
タ算出装置３５とを含んでいる。そして、位置演算装置
３２は、各デフォーカス状態における撮像データＩＭＤ
を解析して、デフォーカス状態ごとに特徴点の位置を抽
出する特徴点位置抽出装置３３と、デフォーカス状態ご
とに特徴点の位置にもとづいて、アライメントマークＭ
Ｘ，ＭＹの位置を算出する位置算出装置３４とから構成
されている。

【００５１】また、記憶装置４０は、その内部に、撮像
データＩＭＤを格納する撮像データ格納領域４１と、デ
フォーカス状態ごとの特徴点の位置を格納する特徴点位
置格納領域４２と、マーク位置格納領域４３と、パラメ
ータ格納領域４４とを有している。

【００５２】なお、図５においては、データの流れが実
線矢印で示され、制御の流れが点線矢印で示されてい
る。主制御系２０の各装置の作用は後述する。

【００５３】以上のように、本実施形態では、主制御装
置３０を各種の装置を組み合わせて構成したが、主制御
装置３０を計算機システムとして構成し、主制御装置３
０を構成する上記の各装置の機能を主制御装置３０に内
蔵されたプログラムによって実現することも可能であ
る。

【００５４】図１に戻り、露光装置１００には、投影光
学系ＰＬの最良結像面に向けて複数のスリット像を形成
するための結像光束を光軸ＡＸ方向に対して斜め方向よ
り供給する照射光学系１３と、その結像光束のウエハＷ
の表面での各反射光束をそれぞれスリットを介して受光
する受光光学系１４とから成る斜入射方式の多点フォー
カス検出系が、投影光学系ＰＬを支える支持部（図示省
略）に固定されている。この多点フォーカス検出系（１
３、１４）としては、例えば特開平５−１９０４２３号
公報に開示されるものと同様の構成のものが用いられ、
ステージ制御系１９はこの多点フォーカス検出系（１
３、１４）からのウエハ位置情報に基づいてウエハホル
ダ２５をＺ方向及び傾斜方向に駆動する。

【００５５】以上のように構成された露光装置１００で
は、以下のようにしてウエハＷ上におけるショット領域
の配列座標を検出する。なお、ショット領域の配列座標
を検出する前提として、マークＭＸ（ｉ，ｊ），ＭＹ
（ｉ，ｊ）は、前層までプロセス（例えば、第１層目の
プロセス）で既にウエハＷ上に形成されているものとす
る。また、ウエハＷがウエハホルダ２５に不図示のウエ
ハローダによってロードされており、主制御系２０によ
るステージ制御系１９を介したウエハＷの移動により、
アライメント顕微鏡ＡＳの観察視野内に各マークＭＸ
（ｉ，ｊ），ＭＹ（ｉ，ｊ）を入れることができるよう
に、粗い精度の位置合わせ（プリアライメント）が既に
行われているものとする。こうした、プリアライメント
は、ウエハＷの外形の観察や、広い視野でのマークＭＸ
（ｉ，ｊ），ＭＹ（ｉ，ｊ）の観察結果及びウエハ干渉
計１８からの位置情報（又は速度情報）に基づいて、主
制御系２０（より詳しくは、制御装置３９）によってス
テージ制御系１９を介して行なわれる。

【００５６】また、マークＭＸ（ｉ，ｊ），ＭＹ（ｉ，
ｊ）におけるラインパターン７３部分とスペースパター
ン７４部との段差（ラインパターン７３の厚さにほぼ一
致）は既知であるものとする。そして、かかる既知の段
差の場合において、デフォーカス量の変化によるライン
パターン７３部とスペースパターン７４部とのコントラ
ストの変遷状況も既知であり、マークＭＸ（ｉ，ｊ），
ＭＹ（ｉ，ｊ）の位置検出のために適当な上述した撮像
面６２Ｘの傾斜角φ_X0及び撮像面６２Ｙの傾斜角φ_Y0も
既知であるものとする。なお、ラインパターン７３部分
とスペースパターン７４部との段差については、実測に
よって求めることもできるし、設計値を使用することも
できる。また、マークＭＸ（ｉ，ｊ），ＭＹ（ｉ，ｊ）
の位置検出のために適当な傾斜角φ_X0及び傾斜角φ_Y0に
ついては、傾斜角を変化させながら撮像した結果に基づ
いて求めることもできるし、段差等のマーク形状情報等
に基づいた算出によって求めることもできる。

【００５７】また、ショット領域の配列座標を検出する
ために計測される、設計上一直線上には並ばない３個以
上のＸアライメントマークＭＸ（ｉ_m，ｊ_m）（ｍ＝１〜
Ｍ；Ｍ≧３）、及び設計上一直線上には並ばない３個以
上のＹアライメントマークＭＹ（ｉ_n，ｊ_n）（ｎ＝１〜
Ｎ；Ｎ≧３）は既に選択されているものとする。但し、
選択されるマークの総数（＝Ｍ＋Ｎ）は６個よりも多い
個数でなければならない。

【００５８】以下、ウエハＷ上におけるショット領域Ｓ
Ａの配列座標の検出を、図６に示されるフローチャート
に基づきながら、適宜他の図面を参照しつつ説明する。

【００５９】まず、図６のステップ２０１において、選
択されたマークＭＸ（ｉ_m，ｊ_m），ＭＹ（ｉ_n，ｊ_n）の
内の最初のマーク（ＸアライメントマークＭＸ（ｉ₁，
ｊ₁）とする）をアライメント顕微鏡ＡＳによる撮像位
置となるようにウエハＷを移動する。かかる移動は、主
制御系２０（より詳細には、制御装置３９）によってス
テージ制御系１９を介した制御の下で行われる。こうし
たマークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）の撮像位置への移動と並行し
て、アライメント顕微鏡ＡＳ内のマークＭＸ用の撮像面
６２Ｘの傾斜角φ_Xを上述した位置検出に適当な傾斜角
φ_X0に設定する。かかる傾斜角設定は、主制御系２０
（より詳細には、制御装置３９）が傾斜調節機構６３Ｘ
を制御することによって行われる。また、マークＭＹ
（ｉ_n，ｊ_n）の撮像のために撮像面６２Ｙの傾斜角φ_Y
を上述した位置検出に適当な傾斜角φ_Y0とする設定も、
当該ステップ２０１において行われる。かかる傾斜角設
定は、主制御系２０（より詳細には、制御装置３９）が
傾斜調節機構６３Ｙを制御することによって行われる。

【００６０】以上のようにして、マークＭＸ（ｉ₁，
ｊ₁）がアライメント顕微鏡ＡＳによる撮像位置に設定
されると、ステップ２０２において、アライメント顕微
鏡ＡＳが、制御装置３９の制御のもとで、マークＭＸ
（ｉ₁，ｊ₁）を撮像する。

【００６１】ところで、マークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）がアラ
イメント顕微鏡ＡＳによる撮像位置となったときには、
図７に示されるように、撮像面６２Ｘは、上述のウエハ
座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の共役座標系（Ｘ_X，Ｙ_X，Ｚ_X）
におけるＸ_XＹ_X面すなわちマークＭＸ用結像光学系によ
るマークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）の結像面に対して、Ｘ_X軸回
りに角度φ_X0だけ傾いた状態となっている。ここで、撮
像面６２Ｘ上で定義され２次元座標系（Ｘ_MX，Ｙ_MX）
（Ｘ_MX軸はＸ_X軸と一致）における座標位置（Ｘ_M _X，Ｙ
_MX）は、共役座標系（Ｘ_X，Ｙ_X，Ｚ_X）においては、Ｘ_X＝Ｘ_MX …（１）Ｙ_X＝Ｙ_MX・ｃｏｓφ_X0 …（２）Ｚ_X＝Ｙ_MX・ｓｉｎφ_X0 …（３）で求められる座標位置となっている。すなわち、撮像面
６２ＸにおけるマークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）の像において
は、撮像面６２Ｘ上で定義され２次元座標系（Ｘ_MX，Ｙ
_MX）における位置において、Ｙ_MX座標値に比例したデフ
ォーカス量ＤＦ（Ｙ _MX）（＝Ｙ_MX・ｓｉｎφ_X0）が発生
した状態となっている。なお、撮像面６２Ｘには上述し
た指標マークの像も重ねて投影されているが、図７で
は、指標マークの像の図示を省略している。

【００６２】かかる撮像面６２Ｘに投影された像を撮像
することにより、マークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）におけるＸ軸
方向の共役方向であるＸ_MX軸方向の直交方向（Ｙ_MX軸方
向）に沿って正のデフォーカス状態から負のデフォーカ
ス状態へ連続的にデフォーカス状態が変化しているマー
クＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）の像（及び指標マークの像）が撮像
される。そして、アライメント顕微鏡ＡＳによる撮像結
果である撮像データＩＭＤを、制御装置３９からの指示
に応じて、撮像データ収集装置３１が取り込み、撮像デ
ータ格納領域４１に格納することにより、撮像データＩ
ＭＤが収集される。

【００６３】次に、ステップ２０３において、制御装置
３９の指示に応じて、特徴点位置抽出装置３３が、所定
のデフォーカス量間隔をΔＤＦとして、ＤＦ_k＝ｋ・ΔＤＦ …（４）で表されるデフォーカス量ＤＦ_k（ｋ＝−Ｋ〜Ｋ）ごと
の特徴点のＸ位置を抽出する。なお、以下の説明におい
ては、Ｋ＝３である場合を例にとって説明する。

【００６４】かかる特徴点位置の抽出にあたって、ま
ず、特徴点位置抽出装置３３は、撮像面６２Ｘにおい
て、上記のデフォーカス量ＤＦ_kが発生しているＹ位置
Ｙ_kを、Ｙ_k＝ＤＦ_k／ｓｉｎφ_X0 …（５）によって算出する。引き続き、特徴点位置抽出装置３３
は、撮像データ格納領域４１から撮像データＩＭＤを読
み出し、図８（Ａ）に示されるように、撮像面６２Ｘの
Ｙ_MX位置Ｙ_kそれぞれについて、走査線ＳＬＸ_k,p上の信
号強度分布（光強度分布）Ｉ_k,（Ｘ_MX）を抽出する。か
かる抽出にあたっては、図８（Ｂ）において、Ｙ_MX位置
Ｙ₀について代表的に示されるように、撮像面６２Ｘの
Ｙ_MX位置Ｙ_kそれぞれについて、Ｙ_MX方向についてＹ_MX
位置Ｙ_kを中心とするＸ_MX方向のＰ本（Ｐは複数（例え
ば、５本））の走査線ＳＬＸ_k,p（ｐ＝１〜Ｐ）上の信
号強度分布（光強度分布）Ｉ_k,1（Ｘ_MX）〜Ｉ
_k,P（Ｘ_MX）を抽出する。そして、次の（６）式によっ
て、Ｙ_MX位置Ｙ_kそれぞれにおけるＸ_MX方向に関する信
号強度分布の波形Ｉ_k（Ｘ_MX）を求める。なお、各Ｙ_MX
位置Ｙ_k間におけるＸ_MX位置合わせは、Ｙ_MX位置Ｙ_kにお
ける上記の指標マークのＸ_MX位置を同一とすることによ
って行われる。

【００６５】

【数１】

【００６６】こうして求められた信号波形Ｉ_k（Ｘ_MX）
は、信号強度分布Ｉ_k,1（Ｘ_MX）〜Ｉ _k,P（Ｘ_MX）の個々
に重畳しているホワイトノイズや高周波ノイズが低減さ
れたものとなっている。

【００６７】次いで、特徴点位置抽出装置３３は、信号
波形Ｉ_k（Ｘ_MX）の微分波形Ｊ_k（Ｘ _MX）（＝ｄＩ_k（Ｘ
_MX）／ｄＸ_MX）を算出する。こうして算出された微分波
形Ｊ_k（Ｘ_MX）が、図９に示されている。引き続き、特
徴点位置抽出装置３３は、微分波形Ｊ_k（Ｘ_MX）それぞ
れについて、ピークとなる特徴点のＸ_MX位置を抽出し
て、特徴点位置格納領域４２に格納する。

【００６８】次に、ステップ２０４において、位置算出
装置３４が、デフォーカス量がＤＦ _kに応じた各デフォ
ーカス状態における特徴点位置に基づいて、フォーカス
状態すなわちデフォーカス量が零（＝ＤＦ₀）における
特徴点位置を推定する。

【００６９】かかる特徴点の抽出にあたって、位置算出
装置３４は、まず、特徴点位置格納領域４２から、各デ
フォーカス状態における特徴点位置を読み出す。引き続
き、位置算出装置３４は、各デフォーカス状態間におい
て対応する特徴点のＸ_MX位置に基づいて、デフォーカス
量を変数として各デフォーカス量において求められる特
徴点のＸ_MX位置がどのような軌跡を描くかを推定する。
この推定は、例えば、線形補間法やスプライン補間法に
よる補間を行うことによって行われる。なお、本実施形
態においてはスプライン補間法を使用している。こうし
て得られた特徴点のＸ_MX位置のデフォーカス量の変化に
よる変遷の軌跡の例が、図９に２点鎖線で示されてい
る。

【００７０】また、上記の補間においては、デフォーカ
ス量による特徴点のＸ位置の軌跡の推定にあたって、各
デフォーカス量における撮像結果の波形におけるコント
ラストを考慮しつつ軌跡が推定される。すなわち、コン
トラストが大きな撮像結果となっているデフォーカス量
においては、撮像結果のＳ／Ｎが高いと考えられるの
で、その波形から得られる特徴点の位置はその確からし
さが高いと評価する。一方、コントラストが小さな撮像
結果となっているデフォーカス量においては、撮像結果
のＳ／Ｎが低いと考えられるので、その波形から得られ
る特徴点の位置はその確からしさが低いと評価する。そ
して、特徴点位置の確からしさの評価が高いほどその特
徴点位置から離れないように、特徴点軌跡が推定され
る。

【００７１】そして、位置算出装置３４は、求められた
デフォーカス量を変数とする特徴点軌跡において、デフ
ォーカス量を零としたときの特徴点位置を、フォーカス
状態における特徴点位置と推定する。

【００７２】次いで、ステップ２０５において、位置算
出装置３４は、推定したフォーカス状態における特徴点
位置に基づいてマークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）の位置を算出す
る。すなわち、推定されたフォーカス状態における各特
徴点は、ラインパターン７３とスペースパターン７４と
の境界である各エッジに対応しているので、位置算出装
置３４は、推定された各特徴点のＸ_XM位置すなわちＸ_X
位置及びウエハ干渉計１８から供給されたウエハＷのＸ
位置情報（又は速度情報）ＷＰＶに基づいて各エッジの
Ｘ位置を求め、それらのエッジ位置の平均を求めること
によりマークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）のＸ位置を算出する。そ
して、位置算出装置３４は、求められたマークＭＸ（ｉ
₁，ｊ₁）の位置をマーク位置格納領域４３に格納する。

【００７３】次に、ステップ２０６において選択された
全てのマークについてマーク位置の算出を完了したか否
かが判定される。以上では、１個のマークＭＸ（ｉ₁，
ｊ₁）のみについてマーク位置、すなわちマークＭＸ
（ｉ₁，ｊ₁）のＸ位置の算出が完了したのみなので、ス
テップ２０６においての判定は否定的なものとなり、ス
テップ２０７に処理が移行する。

【００７４】ステップ２０７では、制御装置３９が、次
のマークがアライメント顕微鏡ＡＳの撮像視野に入る位
置にウエハＷを移動させる。かかるウエハＷの移動は、
制御装置３９が、ステージ制御系１９を介してウエハ駆
動装置２４を制御し、ウエハステージＷＳＴを移動させ
ることにより行われる。

【００７５】以後、ステップ２０６において、選択され
た全てのマークについてマーク位置が算出されたと判定
されるまで、上述のマークＭＸ（ｉ₁，ｊ₁）の場合と同
様にして、マークＭＸ（ｉ_m，ｊ_m）（ｍ＝２〜Ｍ）のＸ
位置及びマークＭＹ（ｉ_n，ｊ_n）（ｎ＝１〜Ｎ）のＹ位
置が算出される。こうして、選択された全てのマークの
マーク位置が算出され、マーク位置格納領域４３に格納
され、ステップ２０６において肯定的な判定がなされる
と、マークＭＸ（ｉ_m，ｊ_m）のＸ位置及びマークＭＹ
（ｉ_n，ｊ_n）のＹ位置の検出が終了し、処理がステップ
２０８に移行する。

【００７６】ステップ２０８においては、パラメータ算
出装置３５が、マーク位置格納領域４３から、マークＭ
Ｘ（ｉ_m，ｊ_m）（ｍ＝１〜Ｍ）のＸ位置、及びマークＭ
Ｙ（ｉ_n，ｊ_n）（ｎ＝１〜Ｎ）のＹ位置を読み出して、
ショット領域ＳＡの配列座標を算出するためのパラメー
タ（誤差パラメータ）値を算出する。かかるパラメータ
の算出は、例えば特開昭６１−４４４２９号公報に開示
されているＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライ
ンメント）手法等の統計的な手法を用いて算出される。
そして、パラメータ算出装置３５は、算出されたパラメ
ータをパラメータ格納領域４４に格納する。

【００７７】こうしてショット領域ＳＡの配列座標を算
出するためのパラメータの算出が終了する。

【００７８】以上のようにして、ショット領域ＳＡの配
列座標を算出するためのパラメータの値が算出される
と、制御装置３９は、パラメータ格納領域４４からパラ
メータ値を読み出し、読み出されたパラメータ値を用い
て求められたショット領域配列を使用しつつ、レチクル
Ｒにおけるスリット状の照明領域（中心は光軸ＡＸとほ
ぼ一致）を照明光ＩＬにより照明した状態で、ウエハＷ
とレチクルＲとを走査方向（Ｙ方向）に沿って互いに逆
向きに、投影倍率に応じた速度比で同期移動させる。こ
れにより、レチクルＲのパターン領域のパターンがウエ
ハＷ上のショット領域上に縮小転写される。

【００７９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、ウエハＷ上に形成されたアライメントマークＭＸ，
ＭＹのフォーカス状態におけるラインパターン部とスペ
ースパターン部とのコントラストが小さな場合であって
も、ラインパターン部とスペースパターン部とのコント
ラストが確保可能な互いに異なる複数のデフォーカス状
態におけるマークの撮像結果を使用してアライメントマ
ークＭＸ，ＭＹの位置を検出するので、アライメントマ
ークＭＸ，ＭＹの位置を精度良く検出することができ
る。そして、本実施形態では、精度良く求められたアラ
イメントマークＭＸ，ＭＹの位置に基づいてウエハＷ上
のショット領域ＳＡ（ｉ，ｊ）の配列座標を高精度で算
出し、これらの算出結果に基づいて、ウエハＷの位置合
わせを高精度で行うことができるので、各ショット領域
ＳＡ（ｉ，ｊ）にレチクルＲに形成されたパターンを精
度良く転写することができる。

【００８０】また、本実施形態では、アライメントマー
クＭＸ，ＭＹの像が結像される結像面に対して、ライン
パターン像とスペースパターン像とが交互に配列される
方向（マークＭＸについてはＸ_X軸方向、マークＭＹに
ついてはＹ_Y軸方向）回りの回転量を調整することがで
きるので、アライメントマークＭＸ，ＭＹにおけるライ
ンパターン部分とスペースパターン部分との段差に応じ
て、撮像面の結像面に対する傾斜量を調整することによ
り、精度良くマーク位置を検出するために必要な複数の
デフォーカス状態を、撮像面上に同時に発生させること
ができる。したがって、アライメントマークＭＸ，ＭＹ
におけるラインパターン部とスペースパターン部との段
差にかかわらず、迅速かつ精度良くマークの位置を検出
することができる。

【００８１】なお、本実施形態では、アライメントマー
クＭＸ，ＭＹにおけるラインパターン部分とスペースパ
ターン部分との段差が十分であり、ラインパターン部分
とスペースパターン部分との間のコントラストが十分で
ある場合には、撮像面の結像面に対する傾斜量を零とす
ることにより、精度良くマーク位置を検出することがで
きる。

【００８２】また、本実施形態では、複数のデフォーカ
ス状態におけるアライメントマークＭＸ，ＭＹの撮像結
果における信号波形の特徴点の位置から、デフォーカス
量に変化による特徴点位置の変遷の仕方を推定すること
により、フォーカス状態におけるアライメントマークＭ
Ｘ，ＭＹの特徴点の位置を推定しているので、精度良く
かつ迅速にアライメントマークＭＸ，ＭＹの位置を検出
することができる。

【００８３】また、本実施形態では、複数のデフォーカ
ス状態に関する撮像結果それぞれにおけるコントラスト
と、フォーカス状態に関する撮像結果におけるコントラ
ストとから、各状態における特徴点位置の確からしさを
合理的に評価しつつ、アライメントマークＭＸ，ＭＹの
位置を検出するので、精度良くアライメントマークＭ
Ｘ，ＭＹの位置を検出することができる。

【００８４】なお、上記の実施形態では、結像面に対し
て傾斜した撮像面を結像面と交差させ、撮像面において
正のデフォーカス状態から負のデフォーカス状態までを
含む構成とし、内挿によって、フォーカス状態における
アライメントマークＭＸ，ＭＹの特徴点の位置を推定し
たが、撮像面において正のデフォーカス状態又は負のデ
フォーカス状態の一方のみを発生させる構成とし、外挿
によって、フォーカス状態におけるアライメントマーク
ＭＸ，ＭＹの特徴点の位置を推定することも可能であ
る。

【００８５】また、上記の実施形態では、撮像面を回転
することにより、撮像面に複数のデフォーカス状態を発
生させたが、楔型の光学ガラスを光路中に挿入すること
により、撮像面に複数のデフォーカス状態を発生させる
こともできる。

【００８６】また、上記実施形態では、注目した信号波
形のピーク点を特徴点としてフォーカス状態における特
徴点位置を推定したが、注目した信号波形の零点を特徴
点として、図９において点線で示されるような補間を行
ってフォーカス状態における特徴点位置を推定すること
も可能である。

【００８７】また、上記の実施形態では、結像光学系に
よるアライメントマークＭＸ，ＭＹの結像面に対して結
像面を傾斜させて複数のデフォーカス状態におけるアラ
イメントマークＭＸ，ＭＹの撮像を同時に行ったが、図
１０において撮像素子６１Ｘについて代表的に示される
ように、撮像面６２Ｘを結像面と平行とするとともに、
主制御系２０から供給され、上述の傾斜制御データＲＣ
Ｘに対応する移動制御データＤＣＸに基づいて、移動機
構６５が撮像面６２Ｘを結像光学系６４Ｘの光軸方向に
移動させることにより、結像面と撮像面６２Ｘとを結像
光学系６４Ｘの光軸方向に沿って相対移動させることも
可能である。かかる場合にも、精度良くマーク位置を検
出するために適切な複数のデフォーカス状態を、撮像面
６２Ｘ上に順次発生することができる。また、上記の相
対移動にあたっては、ウエハＷを結像光学系６４Ｘの光
軸方向に沿って移動させることにしてもよいし、また、
結像光学系６４Ｘの光学部品の位置を調整することにし
てもよい。

【００８８】また、結像光学系６４Ｘ，６４Ｙをそれぞ
れ介した光を更に２分岐し、分岐された一方の光の結像
面と一致する一の撮像面を配置するとともに、他方の光
の結像面に対して傾斜した他の撮像面を配置する構成と
することもできる。そして、マークＭＸ，ＭＹの段差が
十分なコントラストを発生される段差である場合には一
の撮像面を使用し、低段差の場合には他の撮像面を使用
することとしてもよい。

【００８９】また、上記の実施形態では、アライメント
マークとして１次元マークであるライン・アンド・スペ
ースマークを使用したが、他の形状の１次元マークやボ
ックス・イン・ボックスマーク等の２次元マークを使用
しても、同様に精度の良いマーク位置の検出をすること
ができる。

【００９０】また、上記の実施形態では、走査型露光装
置の場合を説明したが、本発明は、紫外線を光源にする
縮小投影露光装置、波長３０ｎｍ前後の軟Ｘ線を光源に
する縮小投影露光装置、波長１ｎｍ前後を光源にするＸ
線露光装置、ＥＢ（電子ビーム）やイオンビームによる
露光装置などあらゆるウエハ露光装置、液晶露光装置等
に適応できる。また、ステップ・アンド・リピート機、
ステップ・アンド・スキャン機、ステップ・アンド・ス
ティッチング機を問わない。

【００９１】また、上記の実施形態では、露光装置にお
けるウエハ上の位置合わせマークの位置検出及びウエハ
の位置合わせの場合を説明したが、本発明を適用した位
置検出、及び位置合わせは、レチクル上の位置合わせマ
ークのマーク検出、位置検出、及びレチクルの位置合わ
せに用いることもでき、更に、露光装置以外の装置、例
えば顕微鏡等を使用した物体の観察装置、工場の組み立
てライン、加工ライン、検査ラインにおける対象物の位
置決め装置等における物体の位置検出やその物体の位置
合わせにも利用可能である。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の位置検出
方法によれば、ラインパターン部とスペースパターン部
とのコントラストが確保可能な互いに異なる複数のデフ
ォーカス状態におけるマークの撮像結果を使用してマー
クの位置を検出するので、マークのフォーカス状態にお
けるラインパターン部とスペースパターン部とのコント
ラストが小さな場合であっても、マークの位置を精度良
く検出することができる。

【００９３】また、本発明の位置検出装置によれば、本
発明の位置検出方法を使用してマークの位置を検出する
ので、精度良くマーク位置の検出をすることができる。

【００９４】また、本発明の露光方法によれば、本発明
の位置検出方法を使用して、基板に形成された位置検出
用マークの位置を高精度で検出し、その検出結果に基づ
いて基板の位置合わせを行いつつ、区画領域にパターン
を転写するので、所定のパターンを精度良くかつ迅速に
区画領域に転写することができる。

【００９５】また、本発明の露光装置によれば、本発明
の位置検出装置によって、位置検出用マークの位置を精
度良く検出することができるので、精度を向上して、所
定のパターンを基板上の区画領域に転写することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態の露光装置の概略構成を示す図であ
る。

【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、図１のアラメント
顕微鏡の内部構成を示す図である。

【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、アライメントマ
ークの例を説明するための図である。

【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、アライメントマー
クに関する撮像結果を説明するための図である。

【図５】図１の主制御系の概略構成を示す図である。

【図６】マークの位置検出動作を説明するためのフロー
チャートである。

【図７】撮像時の撮像面上におけるデフォーカス状態の
発生状況を説明するための図である。

【図８】図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、各デフォーカス
量における信号波形の求め方を説明するための図であ
る。

【図９】フォーカス状態における特徴点の位置の推定を
説明するための図である。

【図１０】本発明の変形例を説明するための図である。

【符号の説明】

２０…主制御系（処理装置）、６２Ｘ，６２Ｙ…撮像
面、６３Ｘ，６３Ｙ…傾斜調整機構、６４Ｘ，６４Ｙ…
結像光学系、６５…移動機構、ＡＳ…アライメント顕微
鏡（撮像装置）、ＭＸ，ＭＹ…アライメントマーク（マ
ーク）、ＳＡ…ショット領域（区画領域）、Ｗ…ウエハ
（物体、基板）、ＷＳＴ…ウエハステージ（ステージ装
置）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA03 AA14 BB03 BB28 CC20 DD03 DD04 FF42 FF44 FF55 GG01 JJ03 JJ26 LL00 LL12 LL46 LL59 MM02 PP12 PP24 QQ13 QQ17 QQ28 QQ34 QQ38 5F046 BA05 CC01 CC02 CC03 CC16 ED02 FA03 FA10 FA17 FA20 FB14 FB20 FC04 FC05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体に形成されたマークの位置を検出す
る位置検出方法であって、前記マークを、互いに異なる複数のデフォーカス状態を
含む撮像条件で撮像する第１工程と；前記撮像条件にお
ける撮像結果から、撮像された前記マークの像とデフォ
ーカス量との関係を求め、該関係に基づいて前記マーク
の位置を検出する第２工程とを含む位置検出方法。
【請求項２】前記第１工程では、前記マークの像が結
像される結像面に対して傾斜した面を撮像面として、前
記マークを撮像することを特徴とする請求項１に記載の
位置検出方法。
【請求項３】前記第２工程は、前記複数のデフォーカス状態における撮像結果からフォ
ーカス状態における前記マークの特徴点の位置を推定す
る第３工程と；該推定結果に基づいて前記マークの位置
を検出する第４工程とを含むことを特徴とする請求項１
に記載の位置検出方法。
【請求項４】前記第２工程では、前記フォーカス状態
における前記マークの特徴点の位置の推定が、前記複数
のデフォーカス状態における撮像結果それぞれにおける
コントラストを考慮して行われることを特徴とする請求
項３に記載の位置検出方法。
【請求項５】前記撮像条件は、フォーカス状態を更に
含み、前記第２工程は、前記複数のデフォーカス状態における撮像結果から前記
フォーカス状態における前記マークの特徴点の位置を推
定する第３工程と；前記フォーカス状態における撮像結
果から前記フォーカス状態における前記マークの特徴点
の位置を推定する第４工程と；前記第３工程における推
定結果と前記第４工程における推定結果とに基づいて、
前記マークの位置を検出する第５工程とを含むことを特
徴とする請求項１に記載の位置検出方法。
【請求項６】前記第５工程では、前記複数のデフォー
カス状態に関する撮像結果それぞれにおけるコントラス
トと、前記フォーカス状態に関する撮像結果におけるコ
ントラストとを考慮して、前記マークの位置を検出する
ことを特徴とする請求項５に記載の位置検出方法。
【請求項７】前記複数のデフォーカス状態は、正のデ
フォーカス状態及び負のデフォーカス状態のいずれかの
みを含み、前記複数のデフォーカス状態における撮像結果それぞれ
から求められた前記マークの特徴点の位置から、外挿に
よって、前記フォーカス状態における前記マークの特徴
点の位置が推定されることを特徴とする請求項３〜６の
いずれか一項に記載の位置検出方法。
【請求項８】前記複数のデフォーカス状態は、正のデ
フォーカス状態と負のデフォーカス状態とを含み、前記複数のデフォーカス状態における撮像結果それぞれ
から求められた前記マークの特徴点の位置から、内挿に
よって、前記フォーカス状態における前記マークの特徴
点の位置が推定されることを特徴とする請求項３〜６の
いずれか一項に記載の位置検出方法。
【請求項９】物体に形成されたマークの位置を検出す
る位置検出装置であって、前記マークの像を結像する結像光学系と；前記結像光学
系によって結像された前記マークを撮像する撮像装置
と；前記撮像装置による互いに異なる複数のデフォーカ
ス状態を含む撮像条件における撮像結果から、撮像され
た前記マークの像とデフォーカス量との関係を求め、該
関係に基づいて前記マークの位置を検出する処理装置と
を備える位置検出装置。
【請求項１０】前記マークは、所定方向に沿って表面
状態が変化し、前記撮像装置は、前記結像光学系によって前記マークの
像が結像される結像面に対して、前記結像面における前
記所定方向に応じた方向回りに回転した撮像面を備える
ことを特徴とする請求項９に記載の位置検出装置。
【請求項１１】前記撮像面は、前記結像面と交差する
ことを特徴とする請求項１０に記載の位置検出装置。
【請求項１２】前記マークは、所定方向に沿って表面
状態が変化し、前記結像光学系によって前記マークの像が結像される結
像面に対する前記撮像装置の撮像面の前記結像面におけ
る前記所定方向に応じた方向回りの回転量を調整する傾
斜調整機構を更に備えることを特徴とする請求項９に記
載の位置検出装置。
【請求項１３】前記結像光学系によって前記マークの
像が結像される結像面と前記撮像装置の撮像面とを、前
記結像光学系の光軸方向に沿って相対移動させる移動機
構を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の位置
検出装置。
【請求項１４】所定のパターンを基板上の区画領域に
転写する露光方法であって、前記基板に形成された位置検出用マークの位置を請求項
１〜８のいずれか一項に記載の位置検出方法によって検
出して、前記区画領域の位置に関する所定数のパラメー
タを求め、前記基板上における前記区画領域の配列情報
を算出する配列算出工程と；前記配列算出工程において
求められた前記区画領域の配列情報に基づいて、前記基
板の位置制御を行いつつ、前記区画領域に前記パターン
を転写する転写工程とを含む露光方法。
【請求項１５】所定のパターンを基板上の区画領域に
転写する露光装置であって、前記基板を移動面に沿って移動させるステージ装置と；
前記ステージ装置に搭載された前記基板上のマークの位
置を検出する請求項９〜１３のいずれか一項に記載の位
置検出装置とを備える露光装置。