JP2002164266A

JP2002164266A - 光学的位置ずれ測定装置の調整装置および方法

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Publication number: JP2002164266A
Application number: JP2000356350A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukui; 達雄福井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2002-06-07
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: TW502108B; JP4613357B2; KR20020040569A; US20020060793A1; CN1230873C; CN1354395A

Abstract

(57)【要約】【課題】重ね合わせ位置ずれ測定装置の光学系の調整
作業を簡単に行う。【解決手段】測定マーク５２を照明する照明光学系１
０と、測定マークからの反射光を集光して測定マークの
像を結像させる結像光学系２０と、結像光学系により結
像された測定マークの像を撮影するＣＣＤカメラ３０
と、得られた画像信号から測定マークの位置ずれを測定
する画像処理装置３５と、オートフォーカス調整を行う
オートフォーカス装置４０とから光学的位置ずれ測定装
置が構成される。この装置において、オートフォーカス
調整、結像光学系２０の結像開口絞り２３の調整、第２
対物レンズ２１の調整、照明光学系１０の照明開口絞り
１２の調整をこの順序で行って測定誤差調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハのフ
ォトリソグラフィ製造工程等において、半導体ウエハ等
の被検基板上に形成される測定マーク（重ね合わせマー
ク）における下地マークに対するレジストマークの位置
ずれ（重ね合わせ位置ずれ）を光学的に測定するためな
どに用いられる光学的位置ずれ測定装置に関し、更に詳
しくは、この光学的位置ずれ測定装置の調整を行う装置
および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップの製造工程の一つであるフ
ォトリソグラフィ製造工程においては、ウエハ上に何段
階かに分けられてレジストパターンが形成される。すな
わち、各段階毎に、既に形成されているパターン（これ
を下地パターンと称する）の上に所定のレジストパター
ンが重ね合わせて形成される。このとき、下地パターン
に対して重ねて形成されるレジストパターンの位置がず
れたのでは所望の性能が得られないため、正確な重ね合
わせ位置決めが要求される。このようなことから、レジ
ストパターンの各形成段階毎に下地パターンに対するレ
ジストパターンの重ね合わせ位置ずれを測定することが
要求され、この重ね合わせ位置ずれ測定のための装置は
従来から知られている（例えば、特開２０００−７７２
９５号公報参照）。

【０００３】この重ね合わせ位置ずれ測定は、レジスト
パターン形成時に基板上に形成した下地マークの上にレ
ジストマークを形成して測定マークを形成しておき、光
学的位置ずれ測定装置（重ね合わせ位置ずれ測定装置）
を用いて、測定マークに照明光を照射するとともにその
反射光から測定マークの像をＣＣＤカメラ等で撮像し、
撮像した像を画像処理して下地マークに対するレジスト
マークの重ね合わせ位置ずれ量を測定するようになって
いる。

【０００４】ところで、このように光学的に重ね合わせ
位置ずれ測定を行う場合、測定光学系（すなわち、測定
マークに照明光を照射する照明光学系および測定マーク
からの反射光を集光結像させる集光光学系）に光学的な
収差が発生することが避けられず、このような収差、特
に光軸に対して非回転対称な収差が測定視野領域内に存
在すると、重ね合わせ位置ずれ測定値の測定誤差ＴＩＳ
(Tool Induced Shift)が生ずる。

【０００５】このような測定誤差ＴＩＳが存在したまま
重ね合わせ位置ずれ測定を行ったのでは正確な位置ずれ
測定ができないという問題がある。このため、光学的位
置ずれ測定装置を用いて位置ずれ測定を行う前に、この
装置の測定光学系に用いられている照明開口絞り、結像
開口絞り、対物レンズなどの位置調整を行って、測定誤
差ＴＩＳを出なくするようにすることが従来から提案さ
れている（例えば、特開２０００−７７２９５号公報参
照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、照明開
口絞り、結像開口絞り、対物レンズなどの調整要素は、
いずれか一つのみで測定誤差ＴＩＳを除去することは難
しく、これら複数の調整要素を適宜組み合わせて調整し
て測定誤差ＴＩＳを除去する必要がある。しかもこれら
複数の調整要素は互いに影響を及ぼしあって測定誤差Ｔ
ＩＳを微妙に変化させるため、これら複数の調整要素の
調整を適切に組み合わせるのが非常に難しいという問題
がある。

【０００７】さらに、重ね合わせ位置ずれ測定装置の測
定光学系にはオートフォーカス光学系が組み込まれるこ
とが多く、上記複数の調整要素の調整による測定誤差Ｔ
ＩＳの除去調整と同時に、オートフォーカス光学系の調
整も必要であり、これらの調整作業が一層複雑化すると
いう問題がある。

【０００８】本発明はこのような問題に鑑みたもので、
重ね合わせ位置ずれ測定装置の光学系の調整作業を簡単
に行えるようにすることを目的とする。本発明はまた、
重ね合わせ位置ずれ測定装置の光学系の調整作業を自動
的に行えるようにすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的達成のた
め、本発明は、測定マークを照明する照明光学系と、こ
の測定マークからの反射光を集光して測定マークの像を
結像させる結像光学系と、この結像光学系により結像さ
れた測定マークの像を撮影する撮像装置と、この撮像装
置により得られた画像信号を処理して測定マークの位置
ずれを測定する画像処理装置とを有して構成される光学
的位置ずれ測定装置において、照明光学系および結像光
学系を構成する複数の光学要素の位置調整を可能とな
し、これら複数の光学要素の位置調整を所定の順序で行
って測定誤差調整を行うように調整装置が構成される。

【００１０】なお、この測定誤差調整は、測定マークに
代えて複数の平行な線状マークからなるＬ／Ｓマークを
用いて得られるＱＺ曲線に基づいて行われる。このＱＺ
曲線は、Ｌ／Ｓマークを照明光学系により照明し、その
反射光を結像光学系により集光して結像されたＬ／Ｓマ
ークの像を撮像装置により撮影し、得られた画像信号を
画像処理装置により処理してＬ／Ｓマークの非対象性を
示すＱ値を求め、Ｌ／Ｓマークを光軸方向（Ｚ方向）に
移動させて得られる。

【００１１】本発明において位置調整が行われる複数の
光学要素としては、照明光学系を構成する照明開口絞り
と、結像光学系を構成する対物レンズおよび結像開口絞
りがある。この調整装置を用いて調整を行うときには、
最初に結像開口絞りの位置調整を行い、次に対物レンズ
の位置調整を行い、最後に照明開口絞りの位置調整を行
う。このとき、結像開口絞りの位置調整によりＱＺ曲線
の凸形状を平坦化する調整を行い、対物レンズの位置調
整によりＱＺ曲線の傾きを変化させる調整を行い、照明
開口絞りの位置調整によりＱＺ曲線をＱ値方向に平行シ
フト移動させる調整を行う。なお、これら位置調整は自
動化しても良い。

【００１２】本発明に係る調整装置はさらに、結像光学
系から分岐して、結像光学系により結像された像を前記
撮像装置により撮影するときのオートフォーカス調整を
行うオートフォーカス装置が設けられることもある。こ
の場合、最初にオートフォーカス装置によるオートフォ
ーカス調整を行い、二番目に結像開口絞りの位置調整を
行い、三番目に対物レンズの位置調整を行い、最後に照
明開口絞りの位置調整を行う。これらの調整を自動化し
ても良い。

【００１３】なお、照明開口絞りの位置調整を最後に行
った後、Ｑ値が所定範囲内に収まらないときには、オー
トフォーカス調整、結像開口絞りの位置調整、対物レン
ズの位置調整および照明開口絞りの位置調整をこの順序
で再度繰り返して行い、Ｑ値を所定範囲に収める調整を
行う。

【００１４】また、照明開口絞りの位置調整を最後に行
った後、この調整によりオートフォーカス調整が狂うお
それがあり、この場合にはオートフォーカス装置による
オートフォーカス調整を再度行うのが好ましい。

【００１５】一方、本発明に係る調整方法は、測定マー
クを照明する照明光学系と、測定マークからの反射光を
集光して測定マークの像を結像させる結像光学系と、結
像光学系により結像された測定マークの像を撮影する撮
像装置と、撮像装置により得られた画像信号を処理して
測定マークの位置ずれを測定する画像処理装置とを有し
て構成される光学的位置ずれ測定装置において、照明光
学系および結像光学系を構成する複数の光学要素の位置
調整を所定の順序で行って測定誤差調整を行うように構
成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。図１に本発明に係る
光学的位置ずれ測定装置の一例を示している。なお、説
明の容易化のため、図１において紙面に垂直な方向をＸ
軸方向、左右に延びる方向をＹ方向、上下に延びる方向
をＺ方向とする。

【００１７】図１に示す測定装置は、ウエハ５１の上に
形成された測定マーク５２におけるレジストマークの重
ね合わせ位置ずれを測定するものであり、測定に際して
ウエハ５１は、回転および水平移動（Ｘ−Ｙ方向移動）
可能で、且つ上下移動（Ｚ方向移動）可能に構成された
ステージ５０の上に載置される。このようなステージの
移動制御のためステージ制御部５５が設けられている。
測定マーク５２は、ウエハ５１の下地パターンの上に所
定のレジストパターンをフォトリソグラフィー工程によ
り形成させるときに、例えば図３に示すように、ウエハ
５１の端部に形成された矩形状の下地マーク５３の上に
矩形状のレジストマーク５４を形成して作られており、
本発明に係る光学的位置ずれ測定装置により、下地マー
ク５３に対するレジストマーク５４の重ね合わせ位置ず
れを測定する。

【００１８】この光学的位置ずれ測定装置は、測定マー
ク５２に照明光を照射するための照明光学系１０と、測
定マークからの反射光を集光して測定マークの像を結像
させる結像光学系２０と、このように結像された測定マ
ークの像を撮影する撮像装置３０と、撮像装置により得
られた画像信号を処理する画像処理装置３５と、撮像装
置３０による撮像における焦点合わせ制御（合焦制御）
を行うオートフォーカス装置４０とを備える。

【００１９】まず、照明光学系１０は、照明光源１１、
照明開口絞り１２およびコンデンサーレンズ１３を備
え、照明光源１１から射出される照明光束は照明開口絞
り１２により特定の光束系に絞られてコンデンサーレン
ズ１３に入力されて集光される。コンデンサーレンズ１
３によって集光された照明光は視野絞り１４を均一に照
明する。視野絞り１４は、図１においてハッチングを施
して示すように、長方形状の絞り開口Ｓ１を有する。な
お、絞り開口Ｓ１を図１内に拡大して示しているが、図
示のようにＸ軸およびＺ軸に対して斜めに４５度傾いて
設けられている。この照明光学系１０において、後述す
る測定誤差調整のため、照明開口絞り１２の位置調整
（Ｘ−Ｚ方向の位置）を行う機構（図示せず）が設けら
れている。

【００２０】視野絞り１４の視野開口Ｓ１を透過して射
出される照明光は照明リレーレンズ１５に入射し、この
照明リレーレンズ１５によってコリメートされて平行光
束となった状態で第１ビームスプリッタ１６に入射す
る。第１ビームスプリッタ１６において反射された照明
光は下方に出射され、第１対物レンズ１７によって集光
されてウエハ５１上の測定マーク５２を垂直に照射す
る。ここで、視野絞り１４と測定マーク５２とは照明光
学系１０において共役な位置に配設されており、ウエハ
５１の測定マーク５２に対して、視野開口Ｓ１の形状に
対応する長方形状の領域が照明光により照射される。

【００２１】このようにして測定マーク５２を含むウエ
ハ５１の表面に照明光が照射されて出てくる反射光が、
結像光学系２０を介して撮像装置３０に導かれる。具体
的には、この反射光は第１対物レンズ１７によってコリ
メートされて平行光束となり、第１ビームスプリッタ１
６を通過して、第１ビームスプリッタ１６の上方に配設
された第２対物レンズ２１によって一次結像面２８に測
定マーク５２の像を形成する。さらに、第１結像リレー
レンズ２２を透過し、結像開口絞り２３により特定の光
束径に絞られ、第２結像リレーレンズ２４によって二次
結像面２９に測定マーク５２の像を形成する。この結像
光学系２０において、後述する測定誤差調整のため、第
２対物レンズ２１および結像開口絞り２３の位置調整
（Ｘ−Ｙ方向の位置）を行う機構（図示せず）がそれぞ
れ設けられている。

【００２２】この二次結像面２９と撮像面３１とが一致
するようにＣＣＤカメラ（撮像装置）３０が配設されて
おり、測定マーク５２の像がＣＣＤカメラ３０により撮
像される。そして、ＣＣＤカメラ３０により得られた画
像信号が画像処理装置３５に送られて後述するように信
号処理される。この構成から分かるように、測定マーク
５２と撮像面３１とは共役な位置関係にある。

【００２３】結像光学系２０の一次結像面２８の後側に
第２ビームスプリッタ２５が配設されており、この第２
ビームスプリッタ２５により分岐された反射光を受ける
位置にオートフォーカス装置４０が設けられている。こ
のオートフォーカス装置４０において、第２ビームスプ
リッタ２５から分岐された光束はＡＦ第１リレーレンズ
４１に入射してコリメートされて平行光束となり、平行
平面ガラス板４２を透過し、瞳分割ミラー４３に照明開
口絞り１２の像を結像する。平行平面ガラス板４２は紙
面に垂直な軸４２ａを中心としてチルト調整可能であ
り、光屈折を利用して平行光束を図１の紙面における上
下に平行移動させる調整を行う。これにより、後述する
ように、瞳分割ミラー４３に対する照明開口絞り１２の
像の中心を瞳分割ミラー４３の中心に位置あわせする調
整が可能である。

【００２４】なお、第２ビームスプリッタ２５からの分
岐光の射出光軸方向は、図１においては照明光学系１０
の光軸と平行になるように示しているが、実際には、照
明光学系１０に対してＸ−Ｙ平面上で４５度傾いた方向
になるように第２ビームスプリッタ２５が配設されてい
る。すなわち、Ｚ視（平面視）において、照明光学系１
０の光軸と分岐光の光軸とは４５度の角度をなす。この
ため、スリットＳ１における矢印Ａで示す方向（これを
計測方向と称する）が図１における第２ビームスプリッ
タ２５から瞳分割ミラー４３に至る経路において上下方
向となり、矢印Ｂで示す方向（これを非計測方向と称す
る）が図１における紙面に垂直な方向となる。

【００２５】このようにして瞳分割ミラー４３に入射し
た平行光束は計測方向に二分割されて二つの光束Ｌ１，
Ｌ２に分かれてAF第２リレーレンズ４４に入射する。そ
して、ＡＦ第２リレーレンズ４４により集光された後、
図１における紙面に直角な断面において凸レンズ形状を
示すシリンドリカルレンズ４５により非計測方向に収束
される。シリンドリカルレンズ４５は紙面内における横
方向には屈折力を持たないため、上記二つの光束Ｌ１，
Ｌ２は計測方向（紙面内方向）においてＡＦ第２リレー
レンズ４４により集光されてラインセンサからなるＡＦ
センサ４６上にそれぞれ光源像を結像する。

【００２６】このようにしてＡＦセンサ４６上に二つの
光源像が結像するのであるが、図２に、結像位置がＡＦ
センサ４６より前側にずれた状態（図２（Ａ））、ＡＦ
センサ４６上に合焦した状態（図２（Ｂ））、ＡＦセン
サ４６より後側にずれた状態（図２（Ｃ））を示してい
る。図２（Ｂ）に示すように二つの光源像が合焦した状
態で、ウエハ５１の像がＣＣＤカメラ３０に合焦するよ
うに予め位置設定がなされており、合焦位置からずれる
とＡＦセンサ４６上における二つの光源像の中心位置Ｐ
１，Ｐ２間の距離が狭くなったり、広くなったりする。

【００２７】例えば、ウエハ５１の像がＣＣＤカメラ３
０に合焦した状態からウエハ５１を載置したステージ５
０を下方に移動させると、図２（Ａ）に示すように結像
位置がＡＦセンサ４６より前側にずれ、二つの光源像の
中心位置間の距離が近づく。一方、ウエハ５１の像がＣ
ＣＤカメラ３０に合焦した状態からウエハ５１を載置し
たステージ５０を上方に移動させると、図２（Ｃ）に示
すように結像位置がＡＦセンサ４６より後側にずれ、二
つの光源像の中心位置間の距離が離れる。

【００２８】ＡＦセンサ４６の検出信号はＡＦ信号処理
部４７に送られ、ここでＡＦセンサ４６上に結像された
二つの光源像の中心位置間の距離が算出される。そし
て、この中心間距離を、予め測定記憶されている合焦状
態における中心間距離と比較し、両距離の差を計算して
焦点位置情報としてステージ制御部５５に出力する。す
なわち、ウエハ５１の像がＣＣＤカメラ３０に合焦した
状態でのＡＦセンサ４６上における二つの光源像の中心
位置間の距離が予め測定記憶されており、これと実際に
検出された中心間距離との差が合焦状態との差であり、
この差を焦点位置情報としてステージ制御部５５に出力
する。そして、ステージ制御部５５においては、上記差
を無くすようにステージ５０を上下させ、ウエハ５１が
上下移動されその像をＣＣＤカメラ３０に合焦させる調
整、すなわち、オートフォーカス調整が行われる。

【００２９】なお、このようにしてオートフォーカス調
整に用いられる二つの光源像は、図１に示すように、視
野絞り１４に形成された非計測方向（Ｂ方向）に長いス
リットＳ１からの光束から作られる。このとき、非計測
方向に広がった光束Ｌ１，Ｌ２はシリンドリカルレンズ
４５により集束されてＡＦセンサ４６上に集められるよ
うになっている。これによりウエハ５１の表面からの反
射ムラを平均化することができ、ＡＦセンサ４６による
検出精度が向上する。

【００３０】次に、以上のような構成の光学的位置ずれ
測定装置による位置ずれ測定について説明する。この位
置ずれ測定のために、ウエハ５１に測定マーク５２が設
けられている。この測定マーク５２は、図３に示すよう
に、ウエハ５１の表面に形成された矩形状の凹部からな
る下地マーク５３と、フォトリソグラフィー製造工程に
おいてレジストパターンの形成と同時に下地マーク５３
の上に形成されるレジストマーク５４とから構成され
る。フォトリソグラフィー製造工程において、レジスト
マーク５４は下地マーク５３の中央に位置して形成され
るように設定されており、下地マーク５３に対するレジ
ストマーク５４の位置ずれ量が下地パターンに対するレ
ジストパターンの重ね合わせ位置ずれ量に対応する。こ
のため、図３に示すように、下地マーク５３の中心線Ｃ
１とレジストマーク５４の中心線Ｃ２との間隔Ｒを重ね
合わせ位置ずれ量として上記の構成の光学的位置ずれ測
定装置により測定される。なお、図３に示す重ね合わせ
位置ずれ量ＲはＹ軸方向（横方向）の位置ずれ量である
が、これと直角方向すなわちＸ軸方向（縦方向）の位置
ずれ量も同様に測定される。

【００３１】このようにして測定マーク５２における重
ね合わせ位置ずれ量Ｒの測定を行うときに、測定光学系
（すなわち、照明光学系１０および結像光学系２０）に
収差、特に、非回転対称な収差が存在すると、この重ね
合わせ位置ずれ量Ｒの測定値に測定誤差ＴＩＳが含まれ
るという問題がある。この測定誤差ＴＩＳについて、簡
単に説明する。この測定は、図４（Ａ）および（Ｂ）に
示すように、測定マーク５２を０度と１８０度との二方
向について行う。すなわち、まず、図４（Ａ）に示すよ
うに、仮想的に示した位置マーク５３ａが左に位置する
状態で下地マーク５３に対するレジストマーク５４の重
ね合わせ位置ずれ量Ｒ_０を測定し、次に図４（Ｂ）に示
すように、測定マーク５２を１８０度回転させて、仮想
位置マーク５３ａが右に位置する状態で重ね合わせ位置
ずれ量Ｒ_１８０を測定し、次式（１）により測定誤差Ｔ
ＩＳを計算する。

【００３２】

【数１】ＴＩＳ＝（Ｒ₀ ＋Ｒ₁₈₀ ）／２・・・（１）

【００３３】式（１）から分かるように、下地マーク５
３に対してレジストマーク５４の重ね合わせ位置ずれが
あっても、式（１）により演算される測定誤差ＴＩＳは
理論的には零になるべきものである。しかしながら、測
定光学系に光学的な収差、特に非回転対称な収差がある
ばあい、測定マーク５２を上記のように１８０度回転さ
せても、この収差は回転される訳ではないため、式
（１）の計算結果から収差の影響のみに対応する値が測
定誤差ＴＩＳとして求められる。

【００３４】このような光学的収差により発生する測定
誤差ＴＩＳを含んだままで、上述した光学的位置ずれ測
定装置により重ね合わせ位置ずれ量Ｒを測定したので
は、正確な重ね合わせ位置ずれ量Ｒを測定することがで
きない。このため、本発明に係る光学的位置ずれ測定装
置においては、上記測定誤差ＴＩＳの影響をできる限り
抑えるような調整を行うようにしている。さらに、オー
トフォーカス装置４０における瞳分割ミラー４３に対す
る中心位置合わせ調整も必要であり、これらの調整につ
いて以下に説明する。

【００３５】まず最初にオートフォーカス装置４０の調
整が行われる。前述したように瞳分割ミラー４３により
二つの光束Ｌ１，Ｌ２に分割されるときに、両光束Ｌ
１，Ｌ２の光量が等しくないとオートフォーカス調整が
不正確となるおそれがある。このため、両光束Ｌ１，Ｌ
２の光量が等しくなるように、すなわち、瞳分割ミラー
４３に結像された照明開口絞り１２の像の中心が瞳分割
ミラー４３の中心と一致させることが求められる。

【００３６】ここで、ＡＦセンサ４６に視野絞り１４の
スリットＳ１の像が結像した状態を図５（Ａ）に示して
おり、この図のように、二つの像ＩＭ(L1)およびＩＭ(L
2)が結像される。これによりＡＦセンサ４６はこれら二
つの像を検出し、図５（Ｂ）に示すようなプロファイル
信号を出力する。瞳分割ミラー４３による分割がずれて
両光束Ｌ１，Ｌ２の光量に差があると、図５（Ｂ）に示
すように、プロファイル信号強度ｉ(L1)およびｉ(L2)に
差Δｉが発生する。このままでは、二つの像の中心位置
間の距離Ｄの測定が不正確になるおそれがある。このた
め、このように信号強度差Δｉが検出されたときには、
この差を無くすように、平行平面ガラス板４２のチルト
調整が行われ、瞳分割ミラー４３に入射する光束の中心
光軸位置を図１における上下方向に平行移動させる調
整、すなわち瞳分割ミラー４３の中心に一致させる調整
を行う。このようにして光束Ｌ１，Ｌ２の光量が等しく
なるようにすれば、オートフォーカス装置４０の調整が
完了する。

【００３７】次に、測定誤差ＴＩＳの影響に対する調整
を行う。この調整は、照明開口絞り１２、結像開口絞り
２３および第２対物レンズ２１の位置調整により行われ
る。この調整は、図６に示すような形状のＬ／Ｓマーク
６０を有したウエハを、図１に示す装置におけるウエハ
５１に代えてステージ５０の上に載置し、照明光学系１
１によりＬ／Ｓマーク６０を照明してＣＣＤカメラ３０
により撮像されたＬ／Ｓマーク像を画像処理することに
より行われる。このＬ／Ｓマーク６０は、図６（Ａ）お
よび（Ｂ）に示すように、線幅３μｍ、段差０．０８５
μｍ（照射光λの１／８相当）で、ピッチ６μｍの平行
に延びる複数の線状マーク６１〜６７からなるマークで
ある。

【００３８】ＣＣＤカメラ３０により撮像されたＬ／Ｓ
マーク像を画像処理装置３５により処理して画像信号強
度を求めると、そのプロファイルは図６（Ｃ）に示すよ
うになる。ここで、各線状マーク６１〜６７の段差位置
において信号強度が低下するが、各線状マーク毎におけ
る左右両側の段差位置での信号強度差ΔＩを求め、これ
を全線状マーク６１〜６７について平均することによ
り、Ｌ／Ｓマーク像の非対象性を示すＱ値（Ｑ＝１／７
×Σ（ΔＩ／Ｉ）×１００（％））を求める。次に、ス
テージ５０を上下方向（Ｚ方向）に移動させてＬ／Ｓマ
ーク６０をＺ方向に移動させ、各高さ位置（Ｚ方向位
置）毎にＱ値を求めてＱ値のフォーカス特性を求める
と、例えば図７に示すようなＱＺ曲線が得られる。

【００３９】図７には、二種類のＱＺ曲線、すなわち、
ＱＺ曲線（１）およびＱＺ曲線（２）を示しており、Ｑ
Ｚ曲線（１）の場合には非回転対称な収差が大きく、Ｑ
Ｚ曲線（２）の場合には非回転対称な収差が小さい。こ
のため、ＱＺ曲線（２）となるような調整を行えば良い
と考えられる。

【００４０】このような調整（これをＱＺ調整と称す
る）について以下に簡単に説明する。この調整は、上述
のように照明開口絞り１２、結像開口絞り２３および第
２対物レンズ２１の位置調整により行われるが、各位置
調整毎のＱＺ曲線の変化特性を図８に示している。ま
ず、照明開口絞り１２の位置調整を行えば、図８（Ａ）
に矢印Ａで示すように、ＱＺ曲線を上下に平行シフト移
動させる調整となる。この図に示すように、各ＱＺ曲線
の最大Ｑ値、すなわち、Ｚ軸まで平行移動させるに必要
なシフト量をシフト量αと称する。結像開口絞り２３の
位置調整を行えば、図８（Ｂ）に矢印Ｂで示すように、
ＱＺ曲線の凸形状を平坦化する調整となる。この図に示
すように、各ＱＺ曲線の最大突出量を突出量βと称す
る。第２対物レンズ２１の位置調整を行えば、図８
（Ｃ）に矢印Ｃで示すように、ＱＺ曲線の傾斜角度を変
化させる調整となる。この図に示すように、各ＱＺ曲線
の最大最小値の差を傾き量γと称する。

【００４１】本発明では、このような調整に伴うＱＺ曲
線の変化特性を勘案して、最も調整が適切且つ簡単とな
るような調整方法を行う。ここで一般的に言って、図１
に示す構成の光学的位置ずれ測定装置を設計値通りに機
械的に組み立てて配置しただけの状態では、ＱＺ特性は
大きく崩れた状態であり、例えば、図９においてＱＺ
(1)で示す線のような特性である。これを図７において
示すＱＺ曲線（２）のような状態にするために、以下に
示す順序で調整を行う。

【００４２】まず、調整感度が敏感な結像開口絞り２３
を調整する。この調整は、図８（Ｂ）に示したように凸
形状を平坦化する調整であり、図９において矢印Ｂで示
すように、ＱＺ(2)で示す曲線からＱＺ(3)で示す曲線と
する調整を行う。この調整は、これら各ＱＺ曲線の両端
を結ぶ第１基準線ＢＬ(1)に対する突出量βを所定範囲
内（例えば、±０．５％以内）とするように行われる。

【００４３】次に、第２対物レンズ２１の位置調整を行
う。この調整は図８（Ｃ）に示したようにＱＺ曲線の傾
斜を変化させる調整であり、図９において矢印Ｃで示す
ように、平坦化された曲線ＱＺ(3)の傾斜をＱＺ(4)で示
すように水平に変化させる調整を行う。ここで、この調
整の前に結像開口絞り２３の位置調整によりＱＺ曲線を
平坦化（直線化）しているため、この傾斜調整を的確に
行うことが可能である。この調整は、曲線ＱＺ(4)の中
心位置を通る水平ラインである第２基準線ＢＬ(2)に対
する傾き量γを所定範囲内（例えば、±１．０％以内）
とするように行われる。

【００４４】上記二つの調整により、ＱＺ(4)で示すよ
うにＺ軸に平行な直線に近い状態となり、これとＺ軸と
の間隔が照明開口絞り１２の位置ずれ量を示している。
そこで、照明開口絞り１２の位置調整を行い、図９にお
いて矢印Ａで示すように、水平直線状となった曲線ＱＺ
(4)をＱＺ(5)からＱＺ(6)と平行シフト移動させる調整
を行う。この調整は、曲線ＱＺ(6)のシフト量αを所定
範囲内（例えば、±０．５％以内）とするように行われ
る。その結果、ＱＺ(6)で示される非回転対称な収差の
小さな特性が得られる。

【００４５】なお、照明開口絞り１２の調整感度は、他
の二つの調整感度（結像開口絞り２３および第２対物レ
ンズ２１の調整感度）より鈍く、照明開口絞り１２の位
置が多少ずれていてもその判断指標となる平行シフト量
の変化量は小さい。このため、これら他の二つの調整を
行った後でないと照明開口絞り１２の調整量を正確に判
断することが難しい。このような理由から照明開口絞り
１２の調整を最後に行うようにしている。

【００４６】上記の調整において、照明光学系１０はオ
ートフォーカス装置４０の光路を兼用しているため、上
記照明開口絞り１２の調整によりオートフォーカス装置
４０の調整が影響を受ける。このため、上記調整が行わ
れた後、オートフォーカス装置４０の調整（平行平面ガ
ラス板４２のチルト調整）が再度行われる。

【００４７】以上まとめると、オートフォーカス装置４
０の調整と、ＱＺ調整とは以下の手順で行われる。

【００４８】

【表１】(1) オートフォーカス装置４０における平行
平面ガラス板４２のチルト調整 (2) 結像開口絞り２３の調整 (3) 第２対物レンズ２１の調整 (4) 照明開口絞り１２の調整 (5) 平行平面ガラス板４２のチルト調整

【００４９】一度の上記（１）〜（４）の調整ではＱＺ
曲線で示される特性におけるＱ値がある定量的な規格内
に入らないときには、規格内に入るまで上記（１）〜
（４）の調整を繰り返す。

【００５０】以上説明した調整を自動化して行うように
しても良く、この例を図１０および図１１のフローチャ
ートを参照して説明する。なお、これら両図において、
丸囲み符号Ａ同士が繋がって一つのフローチャートを構
成する。

【００５１】まず最初にオートフォーカス調整が行われ
る（ステップＳ１）。但し、これは文字通り元来自動的
に行われるものである。次に、結像開口絞り２３の調整
を行う（ステップＳ２およびＳ３）。この調整はＱＺ曲
線を求めながら図９において矢印Ｂで示すように、ＱＺ
(2)で示す曲線からＱＺ(3)で示す曲線とする調整を行
う。この調整は、これら各ＱＺ曲線の両端を結ぶ第１基
準線ＢＬ(1)に対する突出量βを±１％以内とするまで
行われる。

【００５２】次に、第２対物レンズ２１の位置調整を行
う（ステップＳ４およびＳ５）。この調整はＱＺ曲線を
求めながら図９において矢印Ｃで示すように、平坦化さ
れた曲線ＱＺ(3)の傾斜をＱＺ(4)で示すように水平に変
化させる調整を行う。この調整は、第２基準線ＢＬ(2)
に対する傾き量γを２％以内とするまで行われる。

【００５３】そして、照明開口絞り１２の位置調整を行
う（ステップＳ６およびＳ７）。この調整はＱＺ曲線を
求めながら図９において矢印Ａで示すように、水平直線
状となった曲線ＱＺ(4)をＱＺ(5)からＱＺ(6)と平行シ
フト移動させる調整を行う。この調整は、シフト量αを
１％以内とするまで行われる。

【００５４】以上により、一次調整が完了するが、照明
開口絞り１２の調整によりオートフォーカス調整がずれ
る可能性があり、ステップＳ８においてオートフォーカ
ス調整を再度行う。以上の調整を行った時点で、突出量
βが±０．５％以内で、傾き量γが１％以内で、シフト
量αが０．５％以内となっているか否か、すなわち、突
出量β、傾き量γおよびシフト量αが所定の範囲内に納
まっているか否かを判断する（ステップＳ９）。このよ
うに所定の範囲内に納まっていればこれ以上の調整は不
要であるので自動調整完了する。

【００５５】一方、所定の範囲内に納まっていない場合
には、ステップＳ１０以下の二次調整を行う。この調整
は、ステップＳ１０およびＳ１１における結像開口絞り
２３の調整から開始し、ここでＱＺ曲線の突出量βを±
０．５％以内とする。次に、ステップＳ１２およびステ
ップＳ１３に進んで第２対物レンズ２１の位置調整を行
い、ここでＱＺ曲線の傾き量γを１％以内とする。さら
に、ステップＳ１４およびＳ１５に進んで照明開口絞り
１２の位置調整を行い、ここでＱＺ曲線のシフト量αを
０．５％以内とする。

【００５６】この後、オートフォーカス調整を再度行い
（ステップＳ１６）、ステップＳ１７において、突出量
βが±０．５％以内で、傾き量γが１％以内で、シフト
量αが０．５％以内となっているか否か、すなわち、突
出量β、傾き量γおよびシフト量αが所定の範囲内に納
まっているか否かを判断する。このように所定範囲内に
納まっていない場合には、ステップＳ１０に戻り上記二
次調整を再度行う。所定範囲内に納まったことが確認さ
れれば、この自動調整が完了する。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定マークを照明する照明光学系と、この測定マークか
らの反射光を集光して測定マークの像を結像させる結像
光学系と、この結像光学系により結像された測定マーク
の像を撮影する撮像装置と、この撮像装置により得られ
た画像信号を処理して測定マークの位置ずれを測定する
画像処理装置とを有して構成される光学的位置ずれ測定
装置において、照明光学系および結像光学系を構成する
複数の光学要素の位置調整を可能となし、これら複数の
光学要素の位置調整を所定の順序で行って測定誤差調整
を行うように調整装置および調整方法が構成される。

【００５８】このような本発明によれば、照明開口絞
り、結像開口絞り、対物レンズなどの調整要素の調整を
所定の順序に従って行えば、オートフォーカス光学系の
調整も含めて簡単に且つ正確に調整を行う、測定誤差Ｔ
ＩＳを除去することができる。また、このように所定の
順序に従って行う調整であり、これを自動化することが
簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により調整される光学的位置ずれ測定装
置の構成を示す説明図である。

【図２】オートフォーカス装置における結像状態を示す
説明図である。

【図３】光学的位置ずれ検出に用いられる測定マークを
示す平面図および断面図である。

【図４】上記測定マークを０度および１８０度回転した
位置で示す平面図である。

【図５】オートフォーカス装置におけるＡＦセンサへの
結像状態を示す説明図である。

【図６】Ｌ／Ｓマークを示す平面図および断面図と、Ｌ
／Ｓマーク像の画像信号強度プロファイルを示すグラフ
である。

【図７】Ｌ／Ｓマーク像全体についてのＱＺ曲線を示す
グラフである。

【図８】照明開口絞り、結像開口絞りおよび第２対物レ
ンズ２１の調整により変化するＱＺ曲線の特性を示すグ
ラフである。

【図９】結像開口絞り調整、第２対物レンズ調整、照明
開口絞り調整をこの順で行った場合でのＱＺ曲線の変化
を示すグラフである。

【図１０】オートフォーカス調整、結像開口絞り調整、
第２対物レンズ調整、照明開口絞り調整を自動的に行う
手順を示すフローチャートである。

【図１１】オートフォーカス調整、結像開口絞り調整、
第２対物レンズ調整、照明開口絞り調整を自動的に行う
手順を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１０照明光学系１２照明開口絞り１４視野絞り２０結像光学系１６第１ビームスプリッタ２２第２対物レンズ２３結像開口絞り２５第２ビームスプリッタ３０ＣＣＤカメラ３５画像処理装置４０オートフォーカス装置４２平行平面ガラス板４３瞳分割ミラー４５シリンドリカルレンズ４６ＡＦセンサ５０ステージ５１ウエハ５４レジストマーク６０Ｌ／Ｓマーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 7/11 ＭＦターム(参考） 2F065 AA07 BB28 CC19 DD10 FF04 JJ03 JJ26 LL00 LL04 LL08 LL30 LL46 NN03 2H051 AA10 BA03 BA20 CB02 CB06 CB07 CB11 CB14 CB20 CC04 DA11 5F046 BA03 DA13 DA14 DB05 DC12 EA03 EA09 FA10 FB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定マークを照明する照明光学系と、前
記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの
像を結像させる結像光学系と、前記結像光学系により結
像された前記測定マークの像を撮影する撮像装置と、前
記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定
マークの位置ずれを測定する画像処理装置とを有して構
成される光学的位置ずれ測定装置において、前記照明光学系および前記結像光学系を構成する複数の
光学要素の位置調整が可能に構成され、前記複数の光学
要素の位置調整を所定の順序で行って測定誤差調整を行
うように構成されていることを特徴とする光学的位置ず
れ測定装置の調整装置。
【請求項２】前記測定誤差調整が、前記測定マークに
代えて複数の平行な線状マークからなるＬ／Ｓマークを
用いて得られるＱＺ曲線に基づいて行われることを特徴
とする請求項１に記載の調整装置。
【請求項３】前記Ｌ／Ｓマークを前記照明光学系によ
り照明し、その反射光を前記結像光学系により集光して
結像された前記Ｌ／Ｓマークの像を前記撮像装置により
撮影し、得られた画像信号を前記画像処理装置により処
理して前記Ｌ／Ｓマークの非対象性を示すＱ値を求め、前記Ｌ／Ｓマークを光軸方向（Ｚ方向）に移動させて得
られる前記Ｑ値から前記ＱＺ曲線を求めることを特徴と
する請求項２に記載の調整装置。
【請求項４】前記複数の光学要素が、前記照明光学系
を構成する照明開口絞りと、前記結像光学系を構成する
対物レンズおよび結像開口絞りからなることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載の調整装置。
【請求項５】最初に前記結像開口絞りの位置調整を行
い、次に前記対物レンズの位置調整を行い、最後に前記
照明開口絞りの位置調整を行うように前記所定の順序が
設定されていることを特徴とする請求項４に記載の調整
装置。
【請求項６】前記結像開口絞りの位置調整により前記
ＱＺ曲線の凸形状を平坦化する調整を行い、前記対物レ
ンズの位置調整により前記ＱＺ曲線の傾きを変化させる
調整を行い、前記照明開口絞りの位置調整により前記Ｑ
Ｚ曲線をＱ値方向に平行シフト移動させる調整を行うこ
とを特徴とする請求項４もしくは５に記載の調整装置。
【請求項７】前記位置調整を自動的に行うことを特徴
とする請求項５もしくは６に記載の調整装置。
【請求項８】前記結像光学系から分岐して、前記結像
光学系により結像された像を前記撮像装置により撮影す
るときのオートフォーカス調整を行うオートフォーカス
装置が設けられていることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の調整装置。
【請求項９】前記複数の光学要素が、前記照明光学系
を構成する照明開口絞りと、前記結像光学系を構成する
対物レンズおよび結像開口絞りからなり、最初に、前記オートフォーカス装置によるオートフォー
カス調整を行い、二番目に前記結像開口絞りの位置調整
を行い、三番目に前記対物レンズの位置調整を行い、最
後に前記照明開口絞りの位置調整を行うように前記所定
の順序が設定されていることを特徴とする請求項８に記
載の調整装置。
【請求項１０】前記照明開口絞りの位置調整を最後に
行った後、前記Ｑ値が所定範囲内に収まらないときに
は、前記オートフォーカス調整、前記結像開口絞りの位
置調整、前記対物レンズの位置調整および前記照明開口
絞りの位置調整を前記所定の順序で再度繰り返して行う
ことを特徴とする請求項９に記載の調整装置。
【請求項１１】前記照明開口絞りの位置調整を最後に
行った後、前記オートフォーカス装置によるオートフォ
ーカス調整を再度行うことを特徴とする請求項９もしく
は１０に記載の調整装置。
【請求項１２】前記オートフォーカス調整および前記
位置調整を自動的に行うことを特徴とする請求項９〜１
１のいずれかに記載の調整装置。
【請求項１３】測定マークを照明する照明光学系と、
前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マーク
の像を結像させる結像光学系と、前記結像光学系により
結像された前記測定マークの像を撮影する撮像装置と、
前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測
定マークの位置ずれを測定する画像処理装置とを有して
構成される光学的位置ずれ測定装置において、前記照明光学系および前記結像光学系を構成する複数の
光学要素の位置調整を所定の順序で行って測定誤差調整
を行うことを特徴とする光学的位置ずれ測定装置の調整
方法。
【請求項１４】前記測定誤差調整が、前記測定マーク
に代えて複数の平行な線状マークからなるＬ／Ｓマーク
を用いて得られるＱＺ曲線に基づいて行われることを特
徴とする請求項１３に記載の調整方法。
【請求項１５】前記Ｌ／Ｓマークを前記照明光学系に
より照明し、その反射光を前記結像光学系により集光し
て結像された前記Ｌ／Ｓマークの像を前記撮像装置によ
り撮影し、得られた画像信号を前記画像処理装置により
処理して前記Ｌ／Ｓマークの非対象性を示すＱ値を求
め、前記Ｌ／Ｓマークを光軸方向（Ｚ方向）に移動させて得
られる前記Ｑ値から前記ＱＺ曲線を求めることを特徴と
する請求項１４に記載の調整方法。
【請求項１６】前記複数の光学要素が、前記照明光学
系を構成する照明開口絞りと、前記結像光学系を構成す
る対物レンズおよび結像開口絞りからなり、最初に前記結像開口絞りの位置調整を行い、次に前記対
物レンズの位置調整を行い、最後に前記照明開口絞りの
位置調整を行うことを特徴とする請求項１３〜１５のい
ずれかに記載の調整方法。
【請求項１７】前記結像光学系から分岐して、前記結
像光学系により結像された像を前記撮像装置により撮影
するときのオートフォーカス調整を行うオートフォーカ
ス装置が設けられており、最初に、前記オートフォーカス装置によるオートフォー
カス調整を行い、二番目に前記結像開口絞りの位置調整
を行い、三番目に前記対物レンズの位置調整を行い、最
後に前記照明開口絞りの位置調整を行うことを特徴とす
る請求項１６に記載の調整方法。