JP2002231604A - 位置検出装置およびその調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明光束のテレセントリシティの調整を高精
度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行う
ことのできる位置検出装置の調整方法。 【解決手段】 被検物体（Ｗ）上に並列的に設けられた
回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとが
同一の検出視野内に入るように設定する。結像光学系
（８〜１０）に対してデフォーカスさせた状態で、第１
調整用マークの像と第２調整用マークの像との間の相対
ずれ量を検出する。検出した相対ずれ量とデフォーカス
量との関係に基づいて、照明系（１〜８）による照明光
束の傾きを検出する。検出した照明光束の傾きに応じ
て、照明テレセントリシティを調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出装置およ
びその調整方法に関し、特に半導体素子や液晶表示素子
等を製造するリソグラフィ工程で用いる露光装置に搭載
される位置検出装置（重ね合わせ検査装置を含む）の調
整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子の製造に際し
て、レジストが塗布された基板上に露光装置を用いてパ
ターンを焼き付け、現像処理により不要なレジストを除
去する。そして、エッチングや蒸着などの加工工程によ
り、所定の性質を有するパターン層を形成する。こうし
て、上述の処理を数回から数十回ほど繰り返すことによ
り、半導体素子や液晶表示素子が製造される。

【０００３】近年、半導体素子や液晶表示素子では、パ
ターンの微細化が進み、その形成位置に対する許容度が
小さくなってきている。このため、露光装置でパターン
を焼き付ける際に以前の工程で焼き付けられたパターン
の位置を検出するための位置検出装置のパターン検出精
度が厳しくなってきている。同様に、以前の工程で焼き
付けられたパターンに対して今回のパターンが正しく焼
き付けられたことを検査するための重ね合わせ検査装置
のパターン検出精度も厳しくなってきている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体素子
や液晶表示素子の位置合わせマークや重ね合わせ検査用
マークは、段差状のパターンで形成されている。この場
合、これらのマークを検出する際に、照明系による照明
光束のテレセントリシティの調整状態が正しくないと、
段差状のパターンに対して照明光が斜めから照射される
ことになる。その結果、段差パターンの段差によって影
のでき方が異なるため、パターン像の位置検出（ひいて
はマークの位置検出）に誤差が生じてしまう。

【０００５】そこで、従来技術では、パターン像の光電
検出により得られる信号波形を参照して、照明光束のテ
レセントリシティを調整している。このように、従来技
術では、照明光の傾きを定量的に把握して照明系を調整
しているわけではないので、照明光束のテレセントリシ
ティの調整が十分でなく、高精度な位置検出を行うこと
ができなかった。

【０００６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、照明光束のテレセントリシティの調整を高精
度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行う
ことのできる位置検出装置およびその調整方法を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明では、被検物体上に設けられたマークを照明
するための照明系と、照明された前記マークからの光に
基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系と
を備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を
検出する位置検出装置の調整方法において、前記被検物
体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マー
クと第２調整用マークとが同一の検出視野内に入るよう
に設定し、前記第１調整用マークと前記第２調整用マー
クとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせた状態
で、前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マーク
の像との間の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量
と前記デフォーカス量との関係に基づいて前記照明系に
よる照明光束の傾きを検出し、検出した照明光束の傾き
に応じて前記照明系を調整することを特徴とする調整方
法を提供する。

【０００８】本発明の好ましい態様によれば、前記第１
調整用マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パ
ターンで形成され、前記第２調整用マークは、前記第１
のピッチＰ１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有
する第２明暗パターンで形成されている。あるいは、前
記第１調整用マークは、第１の段差を有する第１段差パ
ターンで形成され、前記第２調整用マークは、前記第１
段差パターンと同じピッチを有し且つ前記第１の段差と
は実質的に異なる第２の段差を有する第２段差パターン
で形成されていることが好ましい。

【０００９】また、本発明の別の局面によれば、被検物
体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照
明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像
を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像
に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置に
おいて、同一の検出視野内に入るように前記被検物体上
に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと
第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォー
カスさせたときのデフォーカス量と前記第１調整用マー
クの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量
とに基づいて、前記照明系による照明光束の傾きを検出
するための傾き検出部を備えていることを特徴とする位
置検出装置を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明では、被検物体上に並列的
に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整
用マークとが同一の検出視野（結像光学系または撮像素
子で規定される検出視野）内に入るように、被検物体を
位置検出装置の結像光学系に対して位置決めする。次
に、結像光学系に対して被検物体をデフォーカスさせた
状態で、すなわち第１調整用マークと第２調整用マーク
とを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、第
１調整用マークの像と第２調整用マークの像との間の相
対ずれ量を検出する。

【００１１】こうして、得られた相対ずれ量とデフォー
カス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出し、検
出した照明光束の傾きに応じて照明系を調整することが
できる。具体的には、たとえば照明系中の開口絞りを光
軸に直交する面に沿って、照明光束の傾きに応じた所定
距離だけ微動させることにより、照明光束のテレセント
リシティを調整することができる。

【００１２】以上のように、本発明では、一対の調整用
マークが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光
学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マ
ーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデ
フォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出
する。ここで、一対の調整用マークとして、照明光束の
傾きおよびデフォーカスに対して敏感な調整用マークと
鈍感な調整用マークとを用いることができる。

【００１３】また、位置検出装置は、被検物体上に設け
られたマークの位置を高精度に検出するように構成され
ており、非常に高い検出精度を有する信号処理系を備え
ている。したがって、本発明では、デフォーカス操作に
際して被検物体の移動誤差などの影響を受けることな
く、照明光束の傾きを高精度に検出することができる。
その結果、照明光束のテレセントリシティの調整を高精
度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行う
ことができる。

【００１４】本発明の実施形態を、添付図面に基づいて
説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる位置検出
装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、
露光装置に搭載された位置検出装置の調整方法に本発明
を適用している。図示の位置検出装置は、波長帯域幅の
広い照明光（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）を供給
するための光源１を備えている。光源１として、ハロゲ
ンランプのような光源を使用することができる。

【００１５】光源１から供給された照明光は、リレー光
学系（不図示）を介して、光ファイバーのようなライト
ガイド２の入射端に入射する。ライトガイド２の内部を
伝搬してその射出端から射出された照明光は、第１照明
リレーレンズ系３を介して、たとえば円形状の開口部
（光透過部）を有する照明開口絞り４を照明する。照明
開口絞り４を介して制限された照明光は、第２照明リレ
ーレンズ系５を介して、ハーフプリズム７に入射する。
なお、第２照明リレーレンズ系５の光路中には、照明視
野絞り６が配置されている。

【００１６】ハーフプリズム７で反射された照明光は、
対物レンズ８を介して、ウェハＷ上に設けられたウェハ
マーク（位置合わせマーク）ＷＭを照明する。ここで、
ウェハＷは、図中水平面内および鉛直方向に移動可能な
ウェハステージＷＳ上に保持されている。このように、
光源１、ライトガイド２、第１照明リレーレンズ系３、
照明開口絞り４、第２照明リレーレンズ系５、照明視野
絞り６、ハーフプリズム７、および対物レンズ８は、被
検物体であるウェハＷ上に設けられたウェハマークＷＭ
を照明するための照明系を構成している。

【００１７】照明光に対するウェハマークＷＭからの反
射光（回折光を含む）は、対物レンズ８および結像開口
絞り９を介して、ハーフプリズム７に入射する。ハーフ
プリズム７を透過した光は、結像レンズ１０を介して、
ＣＣＤのような撮像素子１１の撮像面１１ａ上にウェハ
マークＷＭの像を形成する。このように、対物レンズ
８、結像開口絞り９、ハーフプリズム７、および結像レ
ンズ１０は、照明されたウェハマークＷＭからの光に基
づいてウェハマークＷＭの像を形成するための結像光学
系を構成している。

【００１８】ＣＣＤ１１の出力は、信号処理系１２に供
給される。信号処理系１２では、ＣＣＤ１１から供給さ
れた画像信号を信号処理（パターンのエッジ検出のよう
な波形処理）することにより、ウェハマークＷＭの位置
情報が得られる。こうして、得られたウェハマークＷＭ
の位置情報からパターンの形成された位置を検出し、次
の工程で焼き付けるべきパターンの位置を補正して露光
を行うことになる。

【００１９】なお、照明視野絞り６は、結像光学系に対
して合焦状態に設定された（対物レンズ８の前側焦点面
に設定された）ウェハＷの表面と光学的に共役な位置に
配置されている。したがって、照明系によりウェハＷ上
に形成される照明領域は、照明視野絞り６によって規定
される。また、照明開口絞り４は、対物レンズ８の瞳面
に配置された結像開口絞り９と光学的に共役な位置に配
置されている。したがって、照明系による照明光束の中
心は結像光学系の光軸に平行となり、いわゆるテレセン
トリックな照明が行われる。

【００２０】本実施形態において調整の対象となるの
は、ウェハＷを照明する照明光束の中心線のウェハ面の
法線（ひいては光軸）に対する傾きの調整、すなわち照
明光束のテレセントリシティの調整である。この照明テ
レセントリシティの調整は、照明系中の照明開口絞り４
を光軸と直交する面に沿って微動させることにより行わ
れる。図２は、照明系中の照明開口絞りが光軸から偏心
した状態を説明する図である。なお、図２では、図１の
光源１、ＣＣＤ１１および信号処理系１２の図示を省略
している。

【００２１】図２に示すように、照明開口絞り４を通過
する光束の中心が光軸からδだけずれると、第２照明リ
レーレンズ系５の投影倍率をβとしたとき、対物レンズ
８の瞳面に配置された結像開口絞り９を通過する位置が
光軸からβδだけずれる。その結果、対物レンズ８の焦
点距離をｆとすると、ウェハＷを照明する光束の中心線
が光軸に対してβδ／ｆだけ傾くことになる。このと
き、ウェハＷからの反射光は照明光の傾きと反対側に傾
いて結像光学系に入射するが、ウェハＷが結像光学系に
対して合焦状態にある場合には、照明開口絞り４が偏心
していないときと同じ位置にウェハマーク像が形成され
る。

【００２２】ところで、ピッチＰの回折格子パターンに
波長λの光が入射角度θｉで入射するときのｎ次回折光
の回折角θｎは、次の式（１）で表される。 sinθｎ＝ｎλ／Ｐ＋sinθｉ （１） これらの回折光のうち、対物レンズ８または結像開口絞
り９で規定される結像光学系の物体側開口数よりも小さ
い回折角の光が、結像レンズ１０を介してＣＣＤ１１の
撮像面１１ａ上に結像する。

【００２３】なお、上述したように、照明開口絞り４が
δだけ偏心した場合、照明光束の入射角度がβδ／ｆだ
け変化する。したがって、次の式（２）に示すように、
照明光束の入射角度の変化に応じて、回折角も変化する
ことになる。 sinθｎ’＝ｎλ／Ｐ＋sin（θｉ−βδ／ｆ） （２）

【００２４】図３および図４は、ウェハ上に設けられた
回折格子パターンが対物レンズの焦点面からわずかに下
方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図であ
る。なお、図３および図４では、照明系の図示を省略
し、結像光学系部分だけを示している。また、理解を容
易にするために、照明光束をかなり細い光束として表し
ている。

【００２５】図３を参照すると、照明光束ＳＨが、結像
光学系の光軸に対してわずかに偏心している。そして、
対物レンズ８の焦点面８ａからわずかに下方にデフォー
カスしたウェハＷ上の回折格子状パターンからの回折光
の一部Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１が、対物レンズ８により集光
され、結像開口絞り９で遮られる（けられる）ことな
く、結像レンズ１０へ導かれる。ウェハＷからの回折光
Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１は、結像レンズ１０を介して、ＣＣ
Ｄ１１の撮像面１１ａよりもわずかに手前で結像する。
なお、図３では、対物レンズ８の焦点面８ａ上の１点に
達する照明光束ＳＨを示すとともに、焦点面８ａからデ
フォーカスしたウェハＷ上の１点から発する回折光束Ｌ
１，Ｌ０，Ｌ−１を示している。この点は、以下の図４
においても同様である。

【００２６】したがって、ウェハＷ上の一点に対応する
点像は、撮像面１１ａで広がって形成される。この点像
の広がりの重心を点像の中心と考えると、ウェハＷのデ
フォーカス量（対物レンズ８の焦点面とウェハＷの表面
との間隔）Δと照明光束ＳＨの傾きβδ／ｆとの積Δβ
δ／ｆだけ、像の中心が位置ずれすることになる。

【００２７】ウェハＷ上に設けられたピッチＰ１の回折
格子パターンからの回折光が結像光学系の開口にけられ
ない（たとえば結像開口絞り９に遮られない）ようにす
るには、照明光束ＳＨの太さを考慮して次の式（３）が
成立する必要がある。 ｎλ／Ｐ１＋ｓ＜ｕ＜（ｎ＋１）λ／Ｐ１−ｓ （３）

【００２８】ここで、ｓは、結像光学系の瞳面（結像開
口絞り９の位置）での照明光束ＳＨの半径を対物レンズ
８の焦点距離ｆで割った値（以下、「照明開口数」とい
う）である。また、ｕは、結像光学系の物体側開口数
（以下、「結像開口数」という）である。さらに、ｎは
整数である。式（３）は、次の式（４）のように変形す
ることができる。 （ｕ＋ｓ）／（ｎ＋１）＜λ／Ｐ１＜（ｕ−ｓ）／ｎ （４）

【００２９】また、回折格子パターンのライン部の幅と
スペース部の幅とが等しい場合には、０次を除く偶数次
の回折光は互いに打ち消し合うため光量が０になる。し
たがって、ピッチＰ１の回折格子パターンからの回折光
が結像開口絞り９に遮られるようにするには、偶数次の
回折角が結像開口数ｕに等しくなるように設定してもよ
い。この場合、回折格子パターンのピッチＰ１が次の式
（５）に示す関係を満たすことになる。

【００３０】Ｐ１＝２ｎλ／ｕ （５） 式（５）は、回折格子パターンのピッチＰ１が、照明光
の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍であ
ることを意味している。

【００３１】一方、図４では、対物レンズ８の焦点面８
ａからわずかに下方にデフォーカスしたウェハＷ上の回
折格子状パターンからの回折光Ｌ１およびＬ−１が、結
像開口絞り９で遮られるように設定されている。この場
合、回折光Ｌ１およびＬ−１の外側は結像開口絞り９で
制限されるので、結像光束の外側は照明開口絞り４の偏
心による影響を受けない。ただし、結像開口絞り９を通
過する光束Ｌ０は照明開口絞り４の偏心による影響を受
けるので、像の中心は位置ずれすることになる。ただ
し、図５および図６を参照して後述するように、図４の
状態における像の位置ずれ量は図３の状態における像の
位置ずれ量よりもかなり小さくなる。

【００３２】このように、ウェハＷ上に設けられたピッ
チＰ２の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り
９に遮られるようにするには、次の式（６）が成立する
必要がある。また、式（６）は、次の式（７）のように
変形することができる。 ｎλ／Ｐ２−ｓ＜ｕ＜ｎλ／Ｐ２＋ｓ （６） （ｕ−ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ２＜（ｕ＋ｓ）／ｎ （７）

【００３３】前述のように、回折格子パターンのライン
部の幅とスペース部の幅とが等しい場合には、０次を除
く偶数次の回折光は互いに打ち消し合うため光量が０に
なる。したがって、ピッチＰ２の回折格子パターンから
の回折光が結像開口絞り９に遮られるには、奇数次の回
折角が結像開口数ｕに等しくなるように設定してもよ
い。この場合、回折格子パターンのピッチＰ２が次の式
（８）に示す関係を満たすことになる。

【００３４】Ｐ２＝（２ｎ−１）λ／ｕ （８） 式（８）は、回折格子パターンのピッチＰ２が、照明光
の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの奇数倍であ
ることを意味している。

【００３５】図５および図６は、回折格子パターンを結
像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像
の位置ずれを示す図である。図５および図６において、
横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はパターン像の位置
ずれ量を示している。また、「ｍｒａｄ」は、照明光束
の傾きに対応し、「×１０^-3ｒａｄ（ラジアン）」を示
している。

【００３６】図５では、照明光の波長λを０．６μｍと
し、結像開口数ｕを０．６とし、照明開口数ｓを０．２
としている。また、回折格子パターンは、明部の幅およ
び暗部の幅がともに１μｍに設定されたピッチ２μｍの
明暗パターンである。すなわち、図５では、回折格子パ
ターンピッチが照明光の波長λを結像開口数ｕで割った
値λ／ｕの偶数倍（具体的には２倍）に設定されてお
り、図３の設定に対応する計算結果を示している。

【００３７】一方、図６では、図５の場合と同様に、照
明光の波長λを０．６μｍとし、結像光学系の物体側開
口数ｕを０．６とし、照明開口数ｓを０．２としてい
る。しかしながら、図５の場合とは異なり、回折格子パ
ターンは、明部の幅および暗部の幅がともに０．５μｍ
に設定されたピッチ１μｍの明暗パターンである。すな
わち、図６では、回折格子パターンピッチが照明光の波
長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの奇数倍（具体的
には１倍）に設定されており、図４の設定に対応する計
算結果を示している。

【００３８】図５と図６とを比較すると、照明光の波長
λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍に設定され
たピッチＰ１を有する第１回折格子パターンと奇数倍に
設定されたピッチＰ２を有する第２回折格子パターンと
を同じ量だけデフォーカスさせた場合、第１回折格子パ
ターン像の位置ずれ量は比較的大きく、第２回折格子パ
ターン像の位置ずれ量は比較的小さいことがわかる。す
なわち、第１回折格子パターンは照明開口絞り４の偏心
およびデフォーカスに敏感であり、第２回折格子パター
ンは照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感で
ある。

【００３９】ところで、各回折格子パターン像の位置ず
れ量は、たとえば数ｎｍ程度とかなり小さい値である。
したがって、各回折格子パターン像の位置ずれ量を個々
に検出する場合、ウェハステージＷＳの移動誤差（特に
上下方向の移動誤差）などの影響により位置ずれ量を正
確に検出することは困難である。そこで、本実施形態で
は、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感な
ピッチＰ１の回折格子パターンと、照明開口絞り４の偏
心およびデフォーカスに鈍感なピッチＰ２の回折格子パ
ターンとを、同一の検出視野内に入るようにウェハＷ上
に並列的に設けている。

【００４０】図７は、本実施形態において照明光束のテ
レセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構
成を概略的に示す図である。図７に示すように、調整用
マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パターン
で形成された第１調整用マーク２１と、第１のピッチＰ
１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明
暗パターンで形成された第２調整用マーク２２とから構
成されている。ここで、第１明暗パターンおよび第２明
暗パターンは、暗部（図中斜線で示す）の幅と明部の幅
とがほぼ等しく構成されている。また、第１調整用マー
ク２１の中心と第２調整用マーク２２の中心とがピッチ
方向に一致するように構成されている。

【００４１】さらに、第１調整用マーク２１のピッチＰ
１は、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕ
の２倍（偶数倍）に設定されている。一方、第２調整用
マーク２２のピッチＰ２は、照明光の波長λを結像開口
数ｕで割った値λ／ｕの１倍（奇数倍）に設定されてい
る。これらの明暗パターンは、たとえばガラスウェハに
クロムの薄膜をエッチングすることにより作成すること
ができる。あるいは、シリコンウェハに反射率の異なる
パターンを形成することにより作成することができる。

【００４２】本実施形態では、ウェハＷ上に並列的に設
けられた第１調整用マーク２１と第２調整用マーク２２
とが同一の検出視野内に入るように、ウェハステージＷ
Ｓを駆動してウェハＷを位置検出装置の結像光学系に対
して位置決めする。次に、結像光学系に対してウェハＷ
をデフォーカスさせた状態で、すなわち第１調整用マー
ク２１と第２調整用マーク２２とを結像光学系に対して
デフォーカスさせた状態で、第１調整用マーク２１の像
と第２調整用マーク２２の像との間の相対ずれ量を検出
する。ここで、第１調整用マーク２１の像と第２調整用
マーク２２の像との間の相対ずれ量は、たとえば第１調
整用マーク２１の像のアライメント位置と第２調整用マ
ーク２２の像のアライメント位置との間のピッチ方向に
沿った距離として検出される。

【００４３】こうして、信号処理系１２では、得られた
相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて、照明
光束の傾きを検出することができる。したがって、検出
した照明光束の傾きに応じて、照明開口絞り４を光軸に
直交する面に沿って所定距離だけ微動させることによ
り、照明光束のテレセントリシティを調整することがで
きる。この場合、手動により照明開口絞り４を移動させ
ても良いし、信号処理系１２から指令を受ける適当な駆
動系を介して移動させても良い。

【００４４】以上のように、本実施形態では、一対の調
整用マークが同一の検出視野内に入るように設定し、結
像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整
用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量
とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを
検出する。ここで、一方の調整用マークは照明光束の傾
きおよびデフォーカスに対して比較的大きな位置ずれ量
が発生する敏感なマークであり、他方の調整用マークは
照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して比較的小さ
な位置ずれ量が発生する鈍感なマークである。

【００４５】また、露光装置に搭載された位置検出装置
は、ウェハマークの位置を高精度に検出するように構成
されており、非常に高い検出精度を有する信号処理系を
備えている。したがって、本実施形態では、デフォーカ
ス操作に際してウェハステージの移動誤差などの影響を
受けることなく、照明光束の傾きを高精度に検出するこ
とができる。その結果、照明光束のテレセントリシティ
の調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位
置検出を行うことができる。

【００４６】上述の実施形態では、ピッチの異なる一対
の明暗パターンからなる調整用マークを用いて、照明光
束のテレセントリシティを調整している。しかしなが
ら、ピッチが等しく且つ段差の異なる一対の段差パター
ンからなる調整用マークを用いて、照明光束のテレセン
トリシティを調整することもできる。以下、段差の異な
る一対の段差パターンを用いる変形例について説明す
る。

【００４７】半導体ウェハなどでは、エッチングにより
パターンを所定の深さで掘り込むことにより、段差パタ
ーンを形成することができる。段差パターンでは、掘り
込み部と残し部との間の段差が、光の位相差を生じさせ
ることになる。本実施形態のように反射照明の場合には
段差が往復で影響するので、付与される位相差φは、段
差をｔとし、照明光の波長をλとしたとき、次の式
（９）で表される。 φ＝４πｔ／λ （９）

【００４８】ここで、掘り込み部の幅がピッチＰのｄ倍
であるとき、ｎ次回折光の強度Ｉ_nは、次の式（１０）
で表される。 Ｉ_n＝２（１−cosφ）ｄ²sin²（πｎｄ）／（π²ｎ²ｄ²） （１０）

【００４９】ｍ次回折角θｍ（ｍは整数）が結像開口数
ｕに一致しているとき、ｍ次回折光の強度Ｉ_mが０にな
るには、１−cosφが０になる必要がある。すなわち、
位相差φがπの偶数倍になること、ひいては式（９）を
参照すると段差ｔが波長λの１／４の偶数倍になること
が必要である。この場合、次数に関わらず回折光は全く
発生しないが、パターンエッジの部分で照明光が散乱さ
れるので、この散乱光に基づいてパターンエッジの像を
検出することができる。しかしながら、散乱光はほぼ等
方的に広がり照明の入射方向に依存しないので、照明光
が傾いた状態でウェハＷをデフォーカスさせても、パタ
ーンエッジ像の位置ずれは起こらない。

【００５０】これに対して、１−cosφが２のときは、
回折光が発生し、パターン像が形成される。回折光の回
折角は前述のように照明光の入射角の影響を受けるの
で、図４に示すように、照明光が傾いた状態でウェハＷ
をデフォーカスさせると、パターン像は敏感に位置ずれ
する。なお、１−cosφが２になるには、位相差φがπ
の奇数倍になること、ひいては式（９）を参照すると段
差ｔが波長λの１／４の奇数倍になることが必要であ
る。

【００５１】このとき、パターンピッチＰと、結像開口
数ｕと、照明開口数ｓとの間には、次の式（１１）に示
す関係が成立する。 ｍλ／Ｐ＋ｓ＜ｕ＜（ｍ＋１）λ／Ｐ−ｓ （１１）

【００５２】ところで、図４に示すように、照明開口数
ｓが結像開口数ｕに比して十分に小さい場合には回折光
同士が重ならないが、実際の光学系では照明開口数ｓが
結像開口数ｕの０．５倍から０．９倍に設定されること
が多い。この場合、一部の回折光が結像光学系の開口で
けられたりけられなかったりすると、回折光が結像に関
与したりしなかったりする。その結果、ウェハＷのデフ
ォーカス量とパターン像の位置ずれ量との関係が変化
し、照明光の傾きを検出することができなくなってしま
う。

【００５３】したがって、結像光学系の開口で回折光の
端がけられたりけられなかったりすることがないよう
に、ｍおよびｎを整数として、次の式（１２）に示す関
係を満たす必要がある。また、式（１２）は、次の式
（１３）のように変形することができる。 ｍλ／Ｐ＋ｓ＜ｕ＜ｎλ／Ｐ−ｓ （１２） （ｕ＋ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ＜（ｕ−ｓ）／ｍ （１３）

【００５４】図８は、変形例にかかる回折格子パターン
を結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパター
ン像の位置ずれを示す図である。図８において、横軸は
デフォーカス量を示し、縦軸はパターン像の位置ずれ量
を示している。また、図中実線は照明光の波長λの１／
４の２倍（偶数倍）の段差λ／２を有する第１段差パタ
ーンを示し、図中破線は波長λの１／４の１倍（奇数
倍）の段差λ／４を有する第２段差パターンを示してい
る。なお、各段差パターンは同じピッチを有し、ライン
部の幅とスペース部の幅が等しく設定されている。

【００５５】図８では、照明光の波長λを０．６５６μ
ｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを
０．２７とし、照明光束の傾きを５ｍｒａｄ（５×１０
^-3ｒａｄ）としている。この場合、式（１２）および
（１３）においてｍ＝１およびｎ＝５で、１次回折光と
５次回折光とが結像開口絞り９でけられない状態になっ
ている。なお、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく
設定されているので、２次回折光および４次回折光の強
度は０となり結像に関与しない。また、３次回折光は、
照明光束の傾きによって結像開口絞り９でけられる状態
になっている。

【００５６】図８を参照すると、照明光の波長λの１／
４の２倍（偶数倍）の段差λ／２を有する第１段差パタ
ーンと波長λの１／４の１倍（奇数倍）の段差λ／４を
有する第２段差パターンとを同じ量だけデフォーカスさ
せた場合、第１段差パターン像の位置ずれ量はほとんど
発生することなく、第２段差パターン像の位置ずれ量は
比較的大きく発生することがわかる。すなわち、第１段
差パターンはデフォーカスに鈍感であり、第２段差パタ
ーンはデフォーカスに敏感である。

【００５７】なお、照射光の入射角が傾くと、パターン
の位置によって入射光の位相差が生じる。このため、パ
ターンエッジでの位相差が変化したように見えてしま
い、ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にあっても
パターン像がずれて見えてしまう。ところが、上述の２
つの位相差では１−cosφが極値に対して対称になって
いるので、像ずれが生じない。図９は、ウェハ面が結像
光学系に対して合焦状態にある場合に、特定の２つの位
相差では像ずれが生じないことを示す図である。

【００５８】図９では、横軸に段差パターンの段差を示
し、縦軸にパターン像の位置ずれ量を示している。ま
た、図９では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、
結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７と
し、照明光束の傾きを５ｍｒａｄ（５×１０^-3ｒａｄ）
とし、段差パターンが結像光学系に対して合焦状態にあ
りデフォーカス量を０としている。さらに、段差パター
ンは、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定さ
れ、３．９３６μｍのピッチを有する。

【００５９】図９を参照すると、段差パターンが結像光
学系に対して合焦状態にありデフォーカス量が０である
にもかかわらず、段差がλ／４またはλ／２でないと
き、すなわち位相差がπまたは２πでないときには、像
の位置ずれが発生することがわかる。ちなみに、図１０
は、図８の第２段差パターンに対応する図であって、照
明光束の傾きとパターン像の位置ずれ量とデフォーカス
量との関係を示す図である。

【００６０】図１０において、縦軸にパターン像の位置
ずれ量を示し、一方の横軸に照明光束の傾きを示し、他
方の横軸にデフォーカス量を示している。また、図１０
では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口
数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７としてい
る。さらに、段差パターンは、ライン部の幅とスペース
部の幅が等しく設定され、３．９３６μｍのピッチを有
し、段差が０．１６４μｍ（波長λの１／４に相当）に
設定されている。すなわち、図１０の段差パターンは、
図８の第２段差パターンに対応している。図１０を参照
すると、第２段差パターンは照明光束の傾きおよびデフ
ォーカスに敏感であることがわかる。

【００６１】そこで、変形例では、照明開口絞り４の偏
心およびデフォーカスに鈍感な第１段差パターンと、照
明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感な第２段
差パターンとを、同一の検出視野内に入るようにウェハ
Ｗ上に並列的に設けている。図１１は、本実施形態の変
形例において照明光束のテレセントリシティの調整に用
いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。
図１１に示すように、変形例の調整用マークは、第１の
段差を有する第１段差パターンで形成された第１調整用
マーク２３と、第１段差パターンと同じピッチを有し且
つ第１の段差とは実質的に異なる第２の段差を有する第
２段差パターンで形成された第２調整用マーク２４とか
ら構成されている。

【００６２】ここで、第１段差パターンおよび第２段差
パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ等
しく構成されている。また、第１調整用マーク２３の段
差は、照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）すなわ
ちλ／２に設定されている。一方、第２調整用マーク２
４の段差は、照明光の波長λの１／４の１倍（奇数倍）
すなわちλ／４に設定されている。

【００６３】こうして、本実施形態の変形例において
も、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して鈍感な
第１調整用マーク２３と敏感な第２調整用マーク２４と
を結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で像の相
対ずれ量を検出し、得られた相対ずれ量とデフォーカス
量との関係に基づいて照明光束の傾きを高精度に検出す
ることができる。したがって、検出した照明光束の傾き
に応じて、照明開口絞り４を光軸に直交する面に沿って
所定距離だけ手動で（あるいは自動制御で）微動させる
ことにより、照明光束のテレセントリシティを高精度に
調整することができる。

【００６４】なお、変形例では、第１段差パターンのピ
ッチと第２段差パターンのピッチとが等しい。このた
め、２つの調整用マークの中心位置をピッチ方向に一致
させる必要のある上述の実施形態とは異なり、２つの調
整用マークの基準位置を定める必要がない。したがっ
て、２つの調整用マークが検出視野内に入った状態で相
対ずれ量を計測することができ、２つの調整用マークの
基準位置を検出視野内に入れる操作が不要になり、作業
性の向上を期待することができる。

【００６５】なお、上述の実施形態およびその変形例で
は、位置合わせマークの位置を検出する位置検出装置に
本発明を適用しているが、これに限定されることなく、
重ね合わせマークの位置を検出してマークの重ね合わせ
を検査する重ね合わせ検査装置に本発明を適用すること
もできる。したがって、本発明における位置検出装置
は、いわゆる重ね合わせ検査装置をも含む広い概念であ
る。

【００６６】また、上述の実施形態およびその変形例で
は、露光装置に搭載された位置検出装置に本発明を適用
しているが、これに限定されることなく、一般的な位置
検出装置に本発明を適用することができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、照明
光束の傾きおよびデフォーカスに対して敏感な調整用マ
ークと鈍感な調整用マークとが同一の検出視野内に入る
ように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた
状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検
出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて
照明光束の傾きを検出する。したがって、デフォーカス
操作に際して被検物体の移動誤差などの影響を受けるこ
となく照明光束の傾きを高精度に検出し、照明光束のテ
レセントリシティの調整を高精度に行って、高精度な位
置検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態にかかる位置検出装置の構成
を概略的に示す図である。

【図２】照明系中の照明開口絞りが光軸から偏心した状
態を説明する図である。

【図３】ウェハ上に設けられた回折格子状のパターンが
対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスし
た場合の回折光の様子を示す図である。

【図４】ウェハ上に設けられた回折格子状のパターンが
対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスし
た場合の回折光の様子を示す図である。

【図５】図３の設定において回折格子パターンを結像光
学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位
置ずれを示す図である。

【図６】図４の設定において回折格子パターンを結像光
学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位
置ずれを示す図である。

【図７】本実施形態において照明光束のテレセントリシ
ティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に
示す図である。

【図８】変形例にかかる回折格子パターンを結像光学系
に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ず
れを示す図である。

【図９】ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にある
場合に、特定の２つの位相差では像ずれが生じないこと
を示す図である。

【図１０】図８の第２段差パターンに対応する図であっ
て、照明光束の傾きとパターン像の位置ずれ量とデフォ
ーカス量との関係を示す図である。

【図１１】本実施形態の変形例において照明光束のテレ
セントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成
を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ ライトガイド ３ 第１照明リレーレンズ系 ４ 照明開口絞り ５ 第２照明リレーレンズ系 ６ 照明視野絞り ７ ハーフプリズム ８ 対物レンズ ９ 結像開口絞り １０ 結像レンズ １１ 撮像素子（ＣＣＤ） １２ 信号処理系 Ｗ ウェハ ＷＳ ウェハステージ ＷＭ ウェハマーク

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物体上に設けられたマークを照明す
   るための照明系と、照明された前記マークからの光に基
   づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを
   備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検
   出する位置検出装置の調整方法において、 前記被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１
   調整用マークと第２調整用マークとが同一の検出視野内
   に入るように設定し、 前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記
   結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、前記第
   １調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間
   の相対ずれ量を検出し、 検出した相対ずれ量と前記デフォーカス量との関係に基
   づいて前記照明系による照明光束の傾きを検出し、 検出した照明光束の傾きに応じて前記照明系を調整する
   ことを特徴とする調整方法。
2. 【請求項２】 前記第１調整用マークは、第１のピッチ
   Ｐ１を有する第１明暗パターンで形成され、 前記第２調整用マークは、前記第１のピッチＰ１とは実
   質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明暗パター
   ンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   調整方法。
3. 【請求項３】 前記第１のピッチＰ１および前記第２の
   ピッチＰ２は、照明光の波長をλとし、前記結像光学系
   の瞳面での照明光束の半径を前記結像光学系中の対物レ
   ンズの焦点距離で割った値をｓとし、前記結像光学系の
   物体開口数をｕとし、ｎを整数としたとき、 （ｕ＋ｓ）／（ｎ＋１）＜λ／Ｐ１＜（ｕ−ｓ）／ｎ （ｕ−ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ２＜（ｕ＋ｓ）／ｎ の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の調
   整方法。
4. 【請求項４】 前記第１調整用マークおよび前記第２調
   整用マークは、明部の幅と暗部の幅とがほぼ等しく設定
   され、 前記第１のピッチＰ１は、前記波長λを前記結像光学系
   の物体開口数ｕで割った値λ／ｕのほぼ偶数倍に設定さ
   れ、 前記第２のピッチＰ２は、前記波長λを前記結像光学系
   の物体側開口数ｕで割った値λ／ｕのほぼ奇数倍に設定
   されていることを特徴とする請求項３に記載の調整方
   法。
5. 【請求項５】 前記第１調整用マークは、第１の段差を
   有する第１段差パターンで形成され、 前記第２調整用マークは、前記第１段差パターンと同じ
   ピッチを有し且つ前記第１の段差とは実質的に異なる第
   ２の段差を有する第２段差パターンで形成されているこ
   とを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
6. 【請求項６】 前記第１調整用マークおよび前記第２調
   整用マークは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ
   等しく設定され、 前記第１の段差は照明光の波長λの１／４のほぼ偶数倍
   に設定され、 前記第２の段差は照明光の波長λの１／４のほぼ奇数倍
   に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の調
   整方法。
7. 【請求項７】 前記第１段差パターンおよび前記第２段
   差パターンのピッチＰは、照明光の波長をλとし、前記
   結像光学系の瞳面での照明光束の半径を前記結像光学系
   中の対物レンズの焦点距離で割った値をｓとし、前記結
   像光学系の物体開口数をｕとし、ｎおよびｍを整数とし
   たとき、 （ｕ＋ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ＜（ｕ−ｓ）／ｍ の条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の調
   整方法。
8. 【請求項８】 被検物体上に設けられたマークを照明す
   るための照明系と、照明された前記マークからの光に基
   づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを
   備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検
   出する位置検出装置の検出方法において、 前記被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１
   調整用マークと第２調整用マークとが同一の検出視野内
   に入るように設定し、 前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記
   結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、前記第
   １調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間
   の相対ずれ量を検出し、 検出した相対ずれ量と前記デフォーカス量との関係に基
   づいて前記照明系による照明光束の傾きを検出すること
   を特徴とする検出方法。
9. 【請求項９】 被検物体上に設けられたマークを照明す
   るための照明系と、照明された前記マークからの光に基
   づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを
   備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検
   出する位置検出装置において、 同一の検出視野内に入るように前記被検物体上に並列的
   に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整
   用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせ
   たときのデフォーカス量と前記第１調整用マークの像と
   前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量とに基づ
   いて、前記照明系による照明光束の傾きを検出するため
   の傾き検出部を備えていることを特徴とする位置検出装
   置。