JP2005166722A - 位置検出装置及び該位置検出装置を用いた投影露光装置及び露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のウエハ等の位置検出装置に於いて、非計測方向が異なる長さを持つアライメントマークＡＭに対して、非計測方向の積算領域を常に一定で検出していた。その為、コントラストの低いアライメントマーク信号になってしまう場合があり、精度劣化に繋がっていた。
【解決手段】 本発明は、非計測方向が異なる長さを持つアライメントマークＡＭに対して、非計測方向の積算領域を可変にし、ユーザーの目的に応じて設定する非計測方向の短いアライメントマークＡＭに対しては、最適で短い非計測方向の積算領域を設定し高精度な位置検出が可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被検出物体の位置を高精度に検出出来る位置検出装置に関する。またその高精度検出を保証した位置検出装置を用いたデバイス製造方法に関するものであり、特に半導体ＩＣ、ＬＳＩ、ＣＣＤ、液晶パネル、磁気ヘッド等の各種のデバイスを製造する投影露光装置で使用されるウエハ等の物体の位置を該物体上にある像を観察して高精度に検出し、該検出情報に基づいて物体の位置合わせを行う際に好適なものである。

最近では、半導体素子の製造技術の進展は目覚ましく、又それに伴う微細加工技術の進展も著しい。特に光加工技術はサブミクロンの解像力を有する縮小投影露光装置、通称ステッパーが主流であり、更なる解像力向上に向けて光学系の開口数（ＮＡ）の拡大や、露光波長の短波長化が図られている。

露光波長の短波長化に伴って、露光光源もｉ線の高圧水銀ランプからＫｒＦ、ＡｒＦ更に、Ｆ_２のエキシマレーザーに変移してきている。

一方、投影パターンの解像力の向上に伴って、投影露光装置に於けるウエハとマスク（レチクル）を相対的位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。投影露光装置は高解像度の露光装置であると同時に高精度な位置検出装置としての機能も要求されている。

その為、ウエハ等の上に構成されたアライメントマークを検出する位置検出装置、所謂アライメントスコープ自体の性能も高精度化が要求されている。

アライメントスコープの形態として、大きく２つの方法が提案、使用されている。一つは、投影露光光学系を介さず別個に構成されて、アライメントマークを光学的に検出する所謂 オフアクシスアライメント検出系（Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ ＡＡ以下「ＯＡ検出系」と呼ぶ。）がある。オフアクシスアライメント検出系は、例えば特許文献１等に開示されている。

従来のｉ線露光装置でのアライメント方式として、ＴＴＬ−ＡＡ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓ Ａｕｔｏ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）と呼ばれる投影光光学系を介して、非露光光のアライメント波長を用いてウエハ上のアライメントマークを検出する方法がある。

現在、何れの検出系に於いても、観察対象となるアライメントマークの像（画像データ）を光電変換素子により電気的な信号に変換し、その電気信号に基づいて、位置算出する方法が精度上、或いは様々な半導体プロセスに対する柔軟性から主流となって来ている。

従来のＯＡ検出系を備えた投影露光光学系について、図４に示す概略図を用いて解説する。露光光源を含む露光照明光学系１（光源としては水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザー、やＡｒＦエキシマレーザー等）から出射した光ＩＬは、パターンを形成しているマスク（レチクル）２を照明する。この時レチクル２は、レチクル２上方（或いは下方）に配置されたアライメント検出系１１によって投影露光光学系３の光軸ＡＸとレチクルパターンの中心が一致するように、レチクルフォルダー１２，１２‘に予め位置決めされている。

レチクルパターンを通った光によって、投影露光光学系３によりその像をウエハステージ８上に保持されたウエハ６に所定の倍率で転写する。尚、レチクル上方から照射光を照射し、投影露光光学系を介して、固定位置でレチクルパターンをウエハ６上に順次露光するのがステッパーと呼ばれ、レチクル及びウエハが相対的に駆動（レチクルの駆動量はウエハ駆動量の投影倍率を乗じた分）する露光装置をスキャナー（走査型露光装置）と呼ぶ。

一方、ウエハ６にはセカンドウエハと呼ばれる既にパターンが形成されている種類のものが有り、このウエハに次のパターンを形成する場合には、予めウエハの位置を検出しておかなければならない。その位置検出方法に上記のＴＴＬ−ＡＡ方式やＯＡ検出方式がある。

ここでは、ＯＡ検出系を備えたアライメント方式に関して、図４に基づいて解説する。

ＯＡ検出系４は図４に示すように投影露光光学系３とは、別個に構成されており、ウエハステージ８は横方向距離を計測出来る干渉計９に基づいて駆動し、ＯＡ検出系４の観察領域にウエハ６を位置決めする。干渉計９によって位置決めされたウエハ６に対して、ウエハ６上に形成されたアライメントマークをＯＡ検出系４で位置検出し、ウエハ６上に形成されたチップ（素子）の配列情報を得ることが出来る。

次に、このチップ（素子）の配列情報に基づいて、ウエハ６を投影露光光学系３の露光領域（レチクルの転写領域）にウエハステージ８を駆動して、順次露光を行っていく。

ここで、通常投影露光光学系３の露光領域には、投影露光光学系３のフォーカス方向を計測するフォーカス検出系５が構成されており、フォーカス検出系５の測定結果に基づき、ステージの高さを制御しながら露光が行われる。

ウエハ６上には図３に示すように複数チップ（例えば、Ｓ１からＳ４）が構成されており、ウエハ６上のアライメントマークは、それらチップの間（所謂、スクライブライン）に構成されている。スクライブラインの幅は実素子の領域（≒チップ領域）を出来るだけ広くする為に、その幅は少なくする事が有利である。（以下、「狭スクライブ化」と表す。）尚、本図のアライメントマークは一方向計測用マークを示しているが、ＸＹの二方向を同時に測定できるマーク等もある。

通常は上記の様に、スクライブライン２０１上に構成されたアライメントマークＡＭをＯＡ検出系４等で順次測定し、ウエハ６上のチップの配列情報を算出した後、露光が順次実行される。

又、半導体プロセスの重ね合わせを管理する上で、重ね合わせ測長用のマークもスクライブライン２０１上に構成される場合が多く、そうした検査用のマーク等も構成する為、スクライブライン２０１中の各種のマーク面積拡大に伴い、スクライブライン２０１に構成されるアライメントマークＡＭを小さくしたいと言う要請がある。
特開２０００−０９１２１９号公報

先に述べた様に、スクライブライン２０１上に構成されるアライメントマークＡＭや重ね合わせ測長用のマーク等は、スクライブライン２０１の幅が少なくなると、そのマーク自体の大きさも小さくしなくてはならない。また、スクライブライン中に構成されるマークの種類が多くなるに従って、マーク自体の大きさを小さくしたいと言う要請があるのは先に述べた通りである。

或いは、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程等を考慮した場合、実素子パターンの大きさに比べ、アライメントマークの大きさが大きくなる場合、ＣＭＰによるウエハ面内での膜厚安定性が悪くなると言う場合もある。そうした場合もアライメントマークＡＭを小さくしなくてはならない。上記の様にアライメントマークＡＭが小さくなる場合の例を図２を用いて解説する。

図２（ａ）は、通常の幅を持つスクライブライン上に構成されたアライメントマーク（Ｘ方向計測マーク）を示し、図２（ｂ）はそれよりも狭いスクライブライン上に構成されたアライメントマークＡＭを示している。一方向計測用マークの場合、スクライブラインの長手方向（図中横方向）に計測方向を設定し、スクラブラインの短手方向が非計測方向（図中縦方向）として設定する場合が多い。この様に狭スクライブ化が進むと、マークの非計測方向の長さＬの短縮化が進む事になる（以下、「非計測方向の短縮化」と表す）。

ところが、計測方向のマークの大きさは、計測系の検出範囲、マーク本数等で決定されるが、非計測方向のマークの長さＬもある程度以上が必要である。

図８は、図２中に示したアライメントマークＡＭの１本について、実プロセスで形成されるマーク形状について、模式的に示したものである。アライメントマークＡＭのエッジＥ部を拡大してみると、エッジＥ部は完全な直線ではない。要求されるアライメント精度が厳しくなるにつれて、こうしたエッジＥの凸凹形状も無視出来なくなる。このエッジＥの凸凹の影響を軽減する方法として、非計測方向の長さＤ１（以下、「非計測方向の積算領域」）を出来るだけ長くして、そのエッジの情報を積算（平均）する事が有効である。つまり、凸凹したエッジＥの長さを長くし積算する事で、凸凹の平均化効果で精度向上が達成される（以下、「非計測方向の平均化効果」と表す）。

以上のように、狭スクライブ化から要請されるマークの非計測方向長さの短縮化、とアライメント精度向上から要請される非計測方向の平均化効果と言う、相反する要請に対して、ＯＡ検出系等は対応する必要が発生する。

本特許では、こうした相反するアライメントマークに対しても、対応出来るアライメント検出系を提供できる方法を開示し、要求仕様に応じて最適なアライメントを提供する事を目的とする。

本発明は、上記の様に非計測方向が異なる長さを持つアライメントマークＡＭに対して、最適な位置検出系を提供する事であり、非計測方向の積算領域を可変にする事にある。

ユーザーの目的に応じて設定する非計測方向の短いアライメントマークＡＭに対しては、最適で短い非計測方向の積算領域を設定し、一方、高精度なアライメントが必要なプロセスに対して設定される非計測方向の長いアライメントマークＡＭについては、非計測方向の積算領域を拡大し、より非計測方向の平均化効果を出す事が可能となる。

非計測方向の可変方法としては、光学的にエッジ情報を積算する場合、アライメントマークＡＭと光学的に共役な位置に配置された絞りを交換（変更）する事で積算量を可変とする事が可能となる。又、２次元画像として、アライメントマークＡＭ像を検出する方法の場合、画像処理を利用してその積算領域を可変にする。

更に、レーザービーム等の光とアライメントマークＡＭの相対スキャンを行って、アライメントマークＡＭの位置を検出する所謂レーザービームスキャン方式に於いて、特に、正反射光を取り込むような場合、同様に非計測方向の照明領域（若しくは、検出領域）を可変にする事で、画像検出と同様に柔軟性のある高精度なアライメント検出が可能となる。

本発明は、非計測方向が異なる長さを持つアライメントマークＡＭに対して、非計測方向の積算領域を可変にし、ユーザーの目的に応じて設定する非計測方向の短いアライメントマークＡＭに対しては、最適で短い非計測方向の積算領域を設定し高精度な位置検出が可能となる。一方、高精度なアライメントが必要なプロセスに対して設定される非計測方向の長いアライメントマークＡＭについては、非計測方向の積算領域を拡大し、より非計測方向の平均化効果を出す事が可能となる。従って、ユーザーの要求仕様に応じた柔軟で高精度な位置検出が可能となる。

本特許を説明する為に、図４に示した投影露光装置に於いて構成されているＯＡ検出系（アライメント検出系）４について、図１の概略図及び図６を用いて解説する。

図１中に於いて、照明光源４００（ファイバー等）から導光された光は、照明リレー光学系４０１、４０１’を通過する。照明系リレー光学系４０１、４０１’によって、ファイバー端面が複数の開口形状を配置した回転開口絞り４１０上に結像するように構成されている。回転開口絞り上の複数の開口形状を変更する事で、ＯＡ検出系の所謂照明σ等の可変が可能となっている。尚、ここでファイバー端面、開口絞り４１０は後述する対物レンズの瞳位置ＰＬ（対物絞り）と光学的に共役な関係となっている。回転開口絞り４１０を通過した所定の光は、照明光学系４０２を通過した後、偏光ビームスプリッタ４０３に導かれる。偏光ビームスプリッタ４０３によって反射された紙面垂直なＳ偏光光は、リレーレンズ４０４、λ／４板４０６を通過した後、円偏光に変換され、対物レンズ４０５を通ってウエハ６上に形成されたアライメントマークＡＭをケーラー照明する。

アライメントマークＡＭから発生した反射光、回折光、散乱光は、再度対物レンズ４０５、λ／４板４０６、リレーレンズ４０４を戻り、今度は紙面平行なＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４０３を通過し、その後Ｘ計測用マーク像を結像する結像光学系４０８とＹ計測用マーク像を結像する結像光学系４０８’側に分離するハーフミラー４０７で分離される。それぞれの結像光学系４０８、４０８’によって光電変換素子（例えばＣＣＤ）４０９（４０９’）上に結像されるアライメントマークＡＭ像に基づいて、位置検出が実行される。それぞれの光電変換素子４０９（４０９’）から得られたアライメントマーク信号は、制御系４１２で処理され、不図示のウエハステージの位置情報と合わせて、ウエハ６上のチップ配列情報を算出している。

図６は、図１中に示した結像光学系４０８（４０８’）から光電変換素子４０９（４０９’）までを更に詳細に説明する為のものである。

アライメントの測定方向Ｘ及びＹは、９０度回転した関係になっているので、ここではＸ計測に関して説明を行う。図６（ａ）は、結像光学系４０８の計測方向断面を示すものであり、図６（ｂ）はそれと直交する断面（非計測方向）から見たものを模式的に示している。

図６（ａ）に関して、リレーレンズ４０４で結像されたアライメントマークの中間像ＭＩを更に、主に第１結像光学系１０１、第２結像光学系１０４等によって、光電変換素子上４０９に再結像している様子を示している。第１結像光学系１０１、及び第２結像光学系１０４によって、中間像ＭＩは所定の拡大倍率で光電変換素子４０９上に結像させている。尚、光路の途中に構成されている第１シリンドリカルレンズ群１０２、第２シリンドリカルレンズ群１０５に関しての詳細は後述するが、計測方向断面について、これらレンズは結像倍率には寄与していないものとする。ここで物体のＦｏｃｕｓ変化や、検出光学系のＦｏｃｕｓ方向の組立誤差による倍率変化を抑える為に、対物レンズ４０５からリレーレンズ４０４及び、第１結像光学系１０１から第２結像光学系１０４の結像はテレセントリックな系で構成されている。一方、図６（ａ）の９０度方向から（非計測方向断面）から見た図が図６（ｂ）であり、この非計測方向の屈折力を持つ様に、上記の第１シリンドリカルレンズ群１０２、第２シリンドリカルレンズ群１０５が配置されている。第１シリンドリカルレンズ群１０２は、中間像面ＭＩの非計測方向の像を第１結像光学系１０１と第１シリンドリカルレンズ群１０２によって、一旦、視野絞り面Ｆ．Ｓ．上にアライメントマークＡＭを結像している。この視野絞り面Ｆ．Ｓ．上には後述する、絞り切換機構１１０が構成されている。第１結像光学系１０１及び第１シリンドリカルレンズ群１０２は、アライメントマークＡＭの非計測方向に関して、結像する様に構成されており、従って非計測方向に関してはアライメントマークＡＭ、中間像面ＭＩ、視野絞り面Ｆ．Ｓ．は光学的に共役な関係になっている。視野絞り面Ｆ．Ｓ．上に結像された非計測方向の像は、絞り切換機構１１０内に構成されている開口部（以下、「積算絞り」）を通過し、領域が限定された像の部分のみが、第２結像光学系１０４側に導光される。視野絞り面Ｆ．Ｓ．上に結像されたアライメントマークＡＭの非計測方向の像は、第２結像光学系１０４と第２シリンドリカルレンズ群１０５によって、更に光電変換素子４０９上に結像される。従って、光電変換素子４０９上には、計測方向と非計測方向の結像倍率が異なる変倍されたアライメントマークＡＭ像が結像される事になる。ここで今、光電変換素子４０９を１次元のラインセンサーとし、１画素が計測方向に並べられたものと想定し、非計測方向の光を１画素内に全て取り込める様に第１結像光学系１０１から第２シリンドリカルレンズ群１０５までの結像倍率を設定したとする。その様子を図１０に示す。

図１０は第２シリンドリカルレンズ群１０５から１次元ラインセンサー４０９までの部分を拡大したものであり、素子（画素）１０６はＸ方向（計測方向）に複数並んだ構成になっている。第２シリンドリカルレンズ群１０５により、非計測方向に対しての全ての光が素子１０６内に集光されている。計測方向に関しては、アライメントマークＡＭ像を複数の画素で検出している為、アライメントマークＡＭの像信号として、検出が可能である。

非計測方向に関しては、絞り切換機構１１０内に構成されている積算絞り１１０ａ、１１０ｂによって領域限定された光が光電変換素子４０９上に集光されている。このように、非計測方向に集光して、光電変換素子４０９で取り込む事により、１画素あたりに取り込める光量が上がる。従って、単純に二次元的に結像倍率を上げた場合に比べ、光量余裕が発生すると言うメリットがある。

次に、このように計測方向、非計測方向の結像倍率を異ならせ、非計測方向の積算領域を視野絞り面Ｆ．Ｓ．上で、限定できる検出系に於いて、アライメントマークＡＭを観察する例を図２に基づいて説明する。

図２は、Ｘ方向に延びるスクライブライン領域Ｓ．Ｌ．内に構成されているＸ方向の計測用マークであり、Ｙ方向に延び、Ｘ方向に複数本並ぶマークで構成されている。本図は４本の計測マーク（ＡＭ）から構成されたものであり、アライメントマークＡＭの両側に、ダミーのマークＦが構成されている。ダミーのマークＦは、実プロセスのアライメントマークに於いては、マーク領域の外側（このマークの場合ダミーのマークＦ）で、連続性が失われ、マークの非対称性が発生する為、その連続性を失わない様にする目的で構成されている。

図中の破線領域ＭＡは、アライメントマークＡＭの像を検出する領域であり、非計測方向の長さＤ１は、積算絞り１１０ａや１１０ｂの大きさに相当している。

図２（ａ）に示すアライメントマークＡＭに対して、非計測方向の積算領域Ｄ１で検出されるアライメントマーク信号の強度を図２（ｂ）に示している。このように、積算領域Ｄ１内よりもアライメントマークの非計測方向の長さＬが長い場合、コントラストの高い信号として検出する事が可能となる。例えば、非計測方向のマークの長さＬを３０μｍ程度とすると、積算領域Ｄ１は２０μｍ程度とすると良い事になる。一方、スクライブラインを狭くしたいプロセスに構成されるアライメントマークＡＭを図２（ｃ）に示している。先の積算領域Ｄ１よりも、このように非計測方向のマーク長さＬ’が短い場合、マークではない領域の光も取り込んでしまう為、検出されるアライメント信号は、コントラストの低い物となってしまう（図２（ｄ））。このように、コントラストの低いアライメント信号では計測精度が出ない問題が発生する事が判っている。そこで、マークの非計測方向の長さＬ’よりも短い領域で積算する事で、コントラストの高い信号にする事が可能である。例えば、非計測方向の長さＬ’を２０μｍとすると、積算領域Ｄ２は１５μｍ程度にする事で、コントラストの高い信号波形を得る事が可能である。

図２（ｅ）は、積算領域をＤ１よりも狭くした（Ｄ２）ものを示している。ここで、積算領域Ｄ１やＤ２の大きさは、先の図６に示した絞り切換機構１１０内の積算絞り１１０ａや１１０ｂに切り替える事で可能である。今、積算絞り１１０ａをＤ１の領域に相当し、積算絞り１１０ｂの大きさをＤ２に相当する様に設定する場合を考える。図２（ｅ）の様に、マークの非計測方向の長さＬ’が短い場合、積算絞り１１０ｂに切換え、その積算領域Ｄ２でアライメント信号を取り込む。このように非計測方向にマークではない領域が入り込まない為、図２（ｄ）に比べ、コントラストの高い信号（図２（ｆ））として検出する事が可能となり、測定精度が図（ｂ）と同様にする事が可能である。

尚、積算領域を減らす事により光量が減ってしまうが、光電変換素子４０９の取り込み時間を延ばす等の手法で光量を上げる事が出来、そのデメリットは補う事は可能である。

ところで、元々の積算領域をＤ２に設定しておけば、わざわざ積算領域を変更しなくとも常にコントラストの高い信号が得られるとは言える。しかし、実プロセウに於けるアライメントマークＡＭの非計測方向に延びている形状は、先述したように凸凹になっている場合がある（図８）。そうしたアライメントマークＡＭを高精度に検出する為には、出来るだけ非計測方向の積算領域を増やす事が有効である。

つまり、ユーザーが実際のプロセスを考慮しこの凸凹形状が顕著である事を認識した場合、出来るだけ非計測方向のマークを大きくしたものをウエハ６上に構成し、装置側としてはそのアライメントマークＡＭを高精度に計測する対応が必要となる。又、凸凹形状が無視できるレベルであると判断された場合、スクライブラインの幅を小さくする事でウエハ全面から取れるショット数を増やす工夫も可能となる。何れの場合にも、装置側としては高精度に検出する必要がある為（柔軟性のある検出）、上記の様に積算領域を可変にし、最適な領域でアライメントマークＡＭを検出する事が重要である。

さて、以上のようにマークの非計測方向の大きさに応じて、その積算領域を変更する事で、柔軟性のある検出が可能である事が示されたが、ここで再度、図６（ｂ）に示した絞り切換１１０について、詳細に図６、図７を用いて説明する。

図６中の絞り切換１１０内には、先述した積算絞り１１０ａ、１１０ｂが構成されており、不図示の駆動系にて、切換が可能となっている。図７には、積算絞り１１０ａや１１０ｂの例を示しており、斜線部が遮光帯で開口部１１２が光が通過する部分である。絞り１１１はメカニカル的な部品で構成しても良いし、ガラスの基板にクロム等の遮光部を構成したようなものでも良い。

何れにしても、透過部、遮光部から構成され、非計測方向の長さを異ならせた絞りを図７の様に構成し、それらを検出系の光軸内へ出し入れする事で、積算領域を可変にする事が出来る。尚、本例では２種類の絞りを示しているがこれに限定されるものではない。３つ以上の絞りを構成したり、ターレット上に切換える事でより多くの種類の積算領域の選択が可能になっても良い。本特許の特許性は、非計測方向の積算領域を可変にした所にある。

以上までのアライメントマークは一方向計測用であり、それらについて説明してきたが、次にＸとＹの二方向を測定するマークについて図５を用いて説明する。図５（ａ）は非計測方向の大きなマークであり、それに対して大きさを小さくしたマークを図５（ｃ）に示している。

図５（ａ）のマークに対しては、既に述べた様に出来るだけ大きな非計測方向の積算領域と取る様な積算領域ＭＡ１が設定されている。その積算領域から得られるアライメント信号を図５（ｂ）に示している（信号は、Ｘ方向のみを示す）。この様にマークの非計測方向の長さよりも積算領域を小さくしている為、コントラストの高い信号が得られ高精度な検出が可能である。一方、狭スクライブラインに配置する小型の同様なマークの場合を図５（ｃ）に示す。この小型のアライメントマークに対して、先の積算領域ＭＡ１の様に検出すると、マークではない領域も積算される為、コントラストの低い信号となってしまう（図５（ｄ））。更に、Ｙ方向マークの内側のマークが積算領域ＭＡ１内に入って来てしまう場合、信号波形の中心部にノイズ信号が載ってしまう（図５（ｄ）中の点線領域Ｎ）。このようにノイズ光が載ってしまうと、測定したいアライメントマーク信号に影響を与え、測定精度劣化に繋がる。そこで、こうした小型のアライメントマークにした場合、積算領域を狭く設定し、積算領域ＭＡ２がアライメントマークＡＭ２よりも小さくする事でコントラストが高く、且つ、Ｙ方向マークがＸ計測信号の中に入って来る事を回避する事が可能となる（図５（ｅ））。

以上の様に、ＸＹの二方向計測用マークの場合、最適な積算領域をマークの大きさに応じて設定することで、コントラストが高く、且つ互いに直交するマークの影響（Ｘ計測に対しては、Ｙ方向マーク、Ｙ計測に対しては、Ｘ方向マーク）を無くす事ができる効果を持つ。

尚、積算領域を変更する方法は、既に述べた積算絞りを変更する方法をＸ，Ｙそれそれに対して、行えば良い。

ところで以上の実施形態に於いては、結像光学系内に構成されている積算絞りを可変にするのもについて言及してきたが、積算絞りの配置位置は上記の場所に限定されるものではない。つまり検出光学系全体の中で、上述以外のウエハ面と光学的に共役な位置に配置しても良い。

例えば、照明系側にウエハ面と光学的に共役な面を構成し、その位置に照明領域を限定する絞り（以下、「照明視野絞り」）を配置しても良い。この照明視野絞りの大きさを変更すれば、先に述べた方法と同様な効果が得られる事は、明白であると思われる。

以上までは、光学的に非計測方向の像を集光して、一次元の光電変換素子４０９によって、検出方法について説明してきたが、次に二次元の光電変換素子４０９により検出する方法について解説する。

光学的な構成は、図１に示したものと同等であり、ハーフミラー４０７、結像光学系４０８’や光電変換素子４０９’がなく、且つ結像光学系４０８内に構成されていたシリンドリカルレンズ群を省いた形と考える。光電変換素子４０９は、二次元のものを用いる事で、アライメントマークＡＭの二次元画像として、検出が可能となる。

又、その時得られるアライメントマークＡＭ像は、図２（ａ）、（ｃ）や図５（ａ）、（ｃ）に示したものと同等になるものとする。

さて、上記の様に得られるアライメントマークＡＭ像の検出方法について、特に図２（ａ）及び積算領域の最適化シーケンスについて図９を用いて説明する。

まず、図２（ａ）の様に画像を取り込む（図９Ｓ１０１）。次にその画像データに基づき、画面全体に対して、アライメントマークＡＭのパターンマッチングを行う。パターンマッチングは、テンプレートに対して相関度を算出して、その相関度の一番高い場所を検出位置とする（Ｓ１０２）。尚、計測方向の位置算出精度はこの後に精検出を行う為、数画素程度のものであっても良い。次に、パターンマッチングから得られたマークの位置の内、非計測方向の位置を算出する（Ｓ１０３）。非計測方向のパターンマッチング精度としては、非計測方向の積算量の余裕をある程度持たせるとすると、１画素程度の精度があれば、十分である。又、非計測方向の位置を算出すると同時に、非計測方向のマークの大きさも算出して、非計測方向の最適な積算領域をマークに対して設定する（Ｓ１０４）。尚、この時、非計測方向のマークの大きさが既知の場合、積算領域の大きさは予め設定した大きさでも良く、その積算領域の画面内の位置だけを算出する方を取っても良い。何れにしても、非計測方向に対して、最適な大きさ、位置で積算領域を決定する。次に、上記で設定した積算領域内で計測方向のアライメント信号を非計測方向に積算して、積算信号波形（図２（ｂ））を算出する（Ｓ１０５）。積算信号波形は、非計測方向の複数の画素から得られた信号強度を足し合わせる事で得られる。そして得られたアライメントマークの積算信号波形に基づいて、アライメントマーク位置を算出する（Ｓ１０６）。ここで、アライメントマーク波形を非計測方向に積算してから積算信号波形を算出した後、その積算信号波形より位置を算出したが、光電変換素子の一つの走査線上で得られるアライメントマーク波形を取り出し、その一つのアライメントマーク波形よりマーク位置を計算した後に、複数の走査線（複数のアライメントマーク波形）から得られた複数のアライメントマーク位置情報から平均値を求める方法でも良い。何れにしても、非計測方向の複数の画素より得られるアライメントマーク信号について、最適な積算領域量を設定して、計測方向のアライメントマーク位置を算出する方法を行う事に本特許の効果がある。

尚、積算信号波形、又はアライメントマーク波形に基づいて、アライメントマーク位置を算出する方法は、特に限定されるものではない。つまり、信号強度の重心位置から算出する方法や特定の信号強度（閾値）を横切る位置から算出する方法、更にはパターンマッチング方法等、様々な位置算出方法で処理しても本特許の性格を逸脱しない限り如何なる方法でも良い。

さて、以上では一次元若しくは二次元といったようにアライメントマーク画像に基づいて、アライメントマーク位置を算出する方法について解説してきたが、次にレーザービーム等の光とアライメントマークＡＭに対する相対位置から検出する所謂レーザービームスキャン方式に本特許を適用した場合について、図１１を用いて説明する。

図１１（ａ）には、ウエハ６上の固定の位置に投影されるレーザービーム光（Ｌ．Ｂ．）に対して、アライメントマークＡＭをステージを駆動しアライメントマークＡＭからの反射光を取り込む方式について説明している。レーザービーム光Ｌ．Ｂ．に対して、アライメントマークＡＭを計測方向にスキャンした時に、アライメントマークＡＭとレーザービーム光Ｌ．Ｂ．が一致したところで、反射光の変化が発生する。その時の反射光変化の一例を図１１（ｂ）（ｃ）に示す。尚、図１１（ｂ）はアライメントマークＡＭの非計測方向の長さＬに対して、レーザービーム光Ｌ．Ｂ．の長さＬ（ＬＢ）が長い場合（Ｌ＜Ｌ（ＬＢ））に得られる例を示している。それに対して図１１（ｃ）は、アライメントマークＡＭの非計測方向の長さＬよりも、Ｌ（ＬＢ）が短い場合（Ｌ＞Ｌ（ＬＢ））に得られる信号例を示している。

図１１（ｂ）では、レーザービーム光Ｌ．Ｂ．の長さＬ（ＬＢ）が長い為（面積が大きい為）、検出される反射光量は高くなる。しかし、マークではない領域からの光も混入してしまう為、信号変化は少なくなってしまう。一方、図１１（ｃ）に示したように、Ｌ＞Ｌ（ＬＢ）の場合、反射光量自体は、図１１（ｂ）よりも少なくなってしまうが、マーク領域のみの光で構成されている為、信号変化は大きくなる。つまり、信号変化が大きいと言う事は、計測精度が向上する事を意味している。反射光量自体が低いというデメリットは、光源側の光量に余裕がある場合や、光電変換素子の電気ゲインを上げる等の対策があれば、然程の問題にはならない。

以上のレーザービームスキャン方式の場合も、検出系内にウエハ６上のレーザービーム光と光学的に共役な位置に非計測方向の長さＬを可変に出来る構成を取る事で、像検出方式と同様な効果が得られる事は理解できるであろう。

本実施例を示す位置検出装置の概略図 一方向計測用マークでの本実施例を説明する概略図 ウエハ上のチップ及びアライメントマークを示す模式図 露光装置全体を示す概略図 二方向計測用マークに本特許を適用した場合を示す模式図 結像光学系の詳細図 切換絞り形状を示す模式図 実プロセスに於けるアライメントマークエッジ部を示す模式図 二次元画像を用いた別実施例のシーケンス 結像光学系に構成されているシリンドリカルレンズを示す模式図 レーザービームスキャン方式に適用した別実施形態を示す模式図

符号の説明

１ 投影露光照明系
２ レチクル
３ 投影露光光学系
４ ＯＡ検出系
５ ＡＦ検出系
６ ウエハ
７ 干渉計ミラー
８ ウエハステージ
９ 干渉計
１０ ステージ制御部
１１ レチクルアライメント検出系
１２、１２’ レチクルフォルダー
１３ 基準マーク
１４ 制御部
１０１ 第１結像光学系
１０２ 第１シリンドリカルレンズ群
１０３ 瞳面
１０４ 第２結像光学系
１０５ 第２シリンドリカルレンズ群
１０６ 画素
４００ 光源（ファイバー）
４０１、４０１’ 照明リレー光学系
４０２ 照明光学系
４０３ 偏光ビームスプリッタ
４０４ リレーレンズ
４０５ 対物レンズ
４０６ λ／４板
４０７ ハーフミラー
４０８、４０８’ 結像光学系
４０９ ４０９’ 光電変換素子
４１０ 回転開口絞り
４１２ 制御系

Claims (12)

1. 被観察物体の位置を検出する位置検出装置に於いて、前記被観察物体上の位置検出用マークは第１方向に平行に配置された形状のパターンを第１方向とは直交する第２方向に少なくとも１本以上構成したものであり、前記位置検出装置は前記位置検出用マークの前記第２方向の位置を検出するに際し、該第１方向の所定領域から得られる光学的情報を用いて前記位置を検出し、前記所定領域は前記パターンの該第１方向の長さ以内であり、該パターンの該第１方向の長さに応じて可変にする事が可能な事を特徴とする位置検出装置及び該位置検出装置を備えた投影露光装置。
2. 前記位置検出装置は前記第１方向の前記所定領域を光電変換素子上に集光する光学系を有し、該位置検出装置内の該所定領域と光学的に共役な位置に配置された絞りの大きさを可変にする事が可能な事を特徴とする請求項１記載の位置検出装置及び該位置検出装置を備えた投影露光装置。
3. 前記位置検出装置に於いて、前記光学系は少なくとも１つ以上のシリンドリカルレンズで構成されている事を特徴とする請求項２記載の位置検出装置及び該位置検出装置を備えた投影露光装置。
4. 前記位置検出装置に於いて、前記光電変換素子から得られる該位置検出用マーク情報のうち該第１方向の該所定領域を選別する事を特徴とする請求項１乃至３記載の位置検出装置及び該位置検出装置を備えた投影露光装置。
5. 前記位置検出装置に於いて、該位置検出装置は該被観察物体を照明する照明系を有し、該位置検出装置内の前記絞りは前記照明系内に構成された事を特徴とする請求項２乃至４記載の位置検出装置及び該位置検出装置を備えた投影露光装置。
6. 前記位置検出装置に於いて、該位置検出装置は該被観察物体からの光を検出する検出系を有し、該位置検出装置内の前記絞りは前記検出系内に構成された事を特徴とする請求項２乃至４記載の位置検出装置及び該位置検出装置を備えた投影露光装置。
7. 被観察物体の位置を検出する位置検出装置を用いた位置検出方法に於いて、前記被観察物体上の位置検出用マークは第１方向に平行に配置された形状のパターンを第１方向とは直交する第２方向に少なくとも１本以上構成したものであり、前記位置検出装置は前記位置検出用マークの前記第２方向の位置を検出するに際し、該第１方向の所定領域から得られる光学的情報を用いて前記位置を検出し、前記所定領域は前記パターンの該第１方向の長さ以内であり、該パターンの該第１方向の長さに応じて可変にする事が可能な事を特徴とする位置検出装置を用いた方法及び該位置検出方法を用いた投影露光方法。
8. 前記位置検出方法は前記位置検出装置で前記第１方向の前記所定領域を光電変換素子上に集光する光学系を有し、該位置検出装置内の該所定領域と光学的に共役な位置に配置された絞りの大きさを可変にする事が可能な事を特徴とする請求項７記載の位置検出装置を用いた方法及び該位置検出方法を用いた投影露光方法。
9. 前記位置検出方法に於いて、該位置検出装置の前記光学系は少なくとも１つ以上のシリンドリカルレンズで構成されている事を特徴とする請求項８記載の位置検出方法及び該位置検出方法を用いた投影露光方法。
10. 前記位置検出方法に於いて、前記光電変換素子から得られる該位置検出用マーク情報のうち該第１方向の該所定領域を選別する事を特徴とする請求項７乃至９記載の位置検出方法及び該位置検出方法を用いた投影露光方法。
11. 前記位置検出方法に於いて、該位置検出装置は該被観察物体を照明する照明系を有し、該位置検出装置内の前記絞りは前記照明系内に構成された事を特徴とする請求項８乃至１０記載の位置検出方法及び該位置検出方法を用いた投影露光方法。
12. 前記位置検出方法に於いて、該位置検出装置は該被観察物体からの光を検出する検出系を有し、該位置検出装置内の前記絞りは前記検出系内に構成された事を特徴とする請求項８乃至１０記載の位置検出方法及び該位置検出方法を用いた投影露光方法。

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