JP2006047922A

JP2006047922A - 結像装置

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Publication number: JP2006047922A
Application number: JP2004232369A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukui; 達雄福井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】ＡＦ用の結像光学系に色収差があっても、基板から発生する光の波長特性に応じたフォーカス誤差を確実に低減できるオートフォーカス装置を有する結像装置を提供する。
【解決手段】少なくとも対物レンズ１９を介して基板１１を照明する手段(１３〜１９)と、基板から発生する光Ｌ２を少なくとも対物レンズを介して受光し、予め定めた複数の波長帯域のうち各波長帯域ごとに、基板と対物レンズとの相対位置に応じたフォーカス信号を生成する手段(４１〜４９)と、各波長帯域ごとに生成されるフォーカス信号どうしのオフセット情報を予め記憶する手段２７と、少なくとも１つの波長帯域におけるフォーカス信号とオフセット情報とに基づいて、基板と対物レンズとの相対位置を調整する手段２７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板のフォーカス調整を自動的に行うオートフォーカス装置を有する結像装置に関し、特に、半導体素子や液晶表示素子などの製造工程において基板（半導体ウエハや液晶基板など）に形成されたマークの位置を高精度に検出する際のフォーカス調整に好適なオートフォーカス装置を有する結像装置に関する。

半導体素子や液晶表示素子などの製造工程では、周知のリソグラフィ工程を経てレジスト層に回路パターンが転写され、このレジストパターンを介してエッチングなどの加工処理を行うことにより、所定の材料膜に回路パターンが転写される(パターン形成工程)。そして、このパターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。

さらに、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため（製品の歩留まり向上を図るため）、各々のパターン形成工程のうち、リソグラフィ工程の前に、基板のアライメントを行い、リソグラフィ工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ検査を行っている。なお、基板のアライメントには、１つ前のパターン形成工程で下地層に形成されたアライメントマークが用いられる。レジストパターンの重ね合わせ検査には、現在のパターン形成工程でレジスト層に形成された重ね合わせマークと、１つ前のパターン形成工程で下地層に形成された重ね合わせマークとが用いられる。

また、基板のアライメントを行う装置や、基板上のレジストパターンの重ね合わせ検査を行う装置には、上記のアライメントマークや重ね合わせマーク（総じて単に「マーク」という）の位置を検出する装置が組み込まれている。
位置検出装置では、検出対象のマークを視野領域内に位置決めし、自動的にフォーカス調整を行った後、そのマークの画像をＣＣＤカメラなどの撮像素子によって取り込み、マークの画像に対して所定の画像処理を施すことにより、マークの位置検出を行う。上記のフォーカス調整は、位置検出用の結像光学系の対物レンズと基板との相対位置の調整に相当する。フォーカス調整の後、その相対位置は合焦位置に設定される。

このような位置検出装置のオートフォーカス装置としては、例えば瞳分割方式が提案されている（例えば特許文献１を参照）。従来のオートフォーカス装置では、基板を照明したときに基板から発生する反射光の全波長帯域を１つのセンサで一括して受光し、そのセンサからの出力信号に基づいて、上記の相対位置に応じたフォーカス信号を生成し、基板のフォーカス調整を行っている。
特開２００２−４０３２２号公報

しかしながら、上記した従来のオートフォーカス装置では、ＡＦ用の結像光学系に色収差が発生することがある。色収差は、設計値計算において、ある程度低減することはできるが、２次分散に関しては限界がある。また、ガラスの屈折率分散の誤差やレンズ曲率半径の誤差やレンズ中心厚の誤差などにより、設計値計算の結果より大きな色収差が発生することもある。

そして、ＡＦ用の結像光学系に色収差がある場合、上記の相対位置が同じであっても、基板から発生する反射光の波長特性に応じてセンサ上での結像位置が変化し、センサからの出力信号に基づいて生成されるフォーカス信号も変化してしまう。このため、フォーカス調整後の相対位置（つまり合焦位置）は、基板からの反射光の波長特性に応じて変化することになり、フォーカス誤差が生じてしまう。ちなみに、基板からの反射光の波長特性は、基板のレジスト層や下地層の膜厚などに依存することが知られている。

本発明の目的は、ＡＦ用の結像光学系に色収差があっても、基板から発生する光の波長特性に応じたフォーカス誤差を確実に低減できるオートフォーカス装置を有する結像装置を提供することにある。

請求項１に記載の結像装置は、基板を戴置するステージと、前記基板を照明する照明手段と、前記基板の像を形成する結像手段とを備えた結像装置において、前記基板から前記結像手段に入射した光を分岐して受光し、予め定められた複数の波長帯のうち各波長帯ごとに、前記基板と前記結像光学系との相対位置に応じたフォーカス信号を生成する信号生成手段と、少なくとも、所定の基準光での合焦位置に対する、前記複数の波長帯ごとに生成される前記フォーカス信号により求められた合焦位置のオフセット情報を予め記憶する記憶手段と、少なくとも前記複数の波長帯のうちのいずれか1つの波長帯における前記フォーカス信号と前記オフセット情報とに基づいて前記基板と前記結像手段との相対位置を調整する調整手段とを備えたオートフォーカス装置を有するものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の結像装置において、前記信号生成手段は、前記基板からの光を同時に前記複数の波長帯に分離する分光素子と、前記分光素子によって分離された各波長帯の光をそれぞれ受光する複数の受光素子とを有し、各受光素子からの出力信号に基づいて前記フォーカス信号を生成するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の結像装置において、前記信号生成手段は、前記基板からの光のうち前記複数の波長帯の光のそれぞれを時系列で取り出す分光素子と、前記分光素子によって分離された各波長帯の光を時系列で受光出する受光素子とを有し、前記受光素子からの出力信号に基づいて前記フォーカス信号を生成するものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の結像装置において、前記信号生成手段は、前記波長帯ごとの光を受光して各々の光の強度を検出する強度検出手段を備え、前記調整手段は前記波長帯ごとのフォーカス信号と、前記波長帯ごとの前記オフセット情報と、前記波長帯ごとに受光された光の相対強度に基づいて前記基板と前記結像手段との相対位置を調整するものである。

本発明のオートフォーカス装置を有する結像装置によれば、ＡＦ用の結像光学系に色収差があっても、基板から発生する光の波長特性に応じたフォーカス誤差を確実に低減することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
ここでは、第１実施形態のオートフォーカス装置を有する結像装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。重ね合わせ測定装置１０は、半導体素子や液晶表示素子などの製造工程において、基板１１のレジストパターン(不図示)の重ね合わせ検査を行う装置である。重ね合わせ検査では、基板１１の下地層に形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの位置ずれ量の測定が行われる。

基板１１は、半導体ウエハや液晶基板などであり、レジスト層に対する露光・現像後で、所定の材料膜に対する加工前の状態にある。基板１１には、重ね合わせ検査のために多数の測定点が用意されている。測定点の位置は、基板１１の各ショット領域の四隅などである。各測定点には、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークと下地パターンの基準位置を示す下地マークとが形成されている。以下の説明では、レジストマークと下地マークとを総じて「重ね合わせマーク３０」という。

第１実施形態では、基板１１として、重ね合わせ測定装置１０の使用波長（後述の光源１３の波長）の全域にわたって反射率の波長特性が略均一な標準基板、または、一般的な製品基板が用いられる。製品基板の場合には、そのレジスト層や下地層（蒸着膜）の膜厚ムラなどに依存して、各ショット領域ごとに（各重ね合わせマーク３０ごとに）反射率の波長特性が異なることが多い。

次に、重ね合わせ測定装置１０の説明を行う。
重ね合わせ測定装置１０は、図１(ａ)に示す通り、基板１１を支持する検査ステージ１２と、照明光学系(１３〜１９)と、結像光学系(１９〜２３)と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理部２６と、焦点検出部(４１〜４９)と、ステージ制御部２７とで構成されている。このうち、検査ステージ１２と照明光学系(１３〜１９)と焦点検出部(４１〜４９)とステージ制御部２７が、第１実施形態のオートフォーカス装置として機能する。

検査ステージ１２は、図示省略したが、基板１１を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向(ＸＹ方向)に駆動するＸＹ駆動部と、ホルダを鉛直方向(Ｚ方向)に駆動するＺ駆動部とで構成されている。そして、ＸＹ駆動部とＺ駆動部は、ステージ制御部２７に接続されている。
ステージ制御部２７は、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、ホルダをＸＹ方向に移動させて、基板１１上の重ね合わせマーク３０を視野領域内に位置決めする。また、焦点検出部(４１〜４９)から出力される後述のフォーカス信号などに基づいて、検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ホルダをＺ方向に上下移動させる。このフォーカス調整により、基板１１をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に対して合焦させることができる（詳細は後述する）。

照明光学系(１３〜１９)は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３と照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５と視野絞り１６と照明リレーレンズ１７とビームスプリッタ１８と、光軸Ｏ２上に配置された第１対物レンズ１９とで構成されている。ビームスプリッタ１８は、反射透過面が光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１９)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に垂直である。

また、光源１３は、波長帯域の広い光（例えば白色光）を射出する。照明開口絞り１４は、その中心が光軸Ｏ１上に位置し、光源１３から射出された広帯域波長の光の径を特定の径に制限する。コンデンサーレンズ１５は、照明開口絞り１４からの光を集光する。視野絞り１６は、重ね合わせ測定装置１０の視野領域を制限する光学素子であり、図１(ｂ)に示すように、矩形状の開口である１つのスリット１６ａを有する。照明リレーレンズ１７は、視野絞り１６のスリット１６ａからの光をコリメートする。ビームスプリッタ１８は、照明リレーレンズ１７からの光を下向きに反射する。

上記の構成において、光源１３から射出された広帯域波長の光は、照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５を介して、視野絞り１６を均一に照明する。そして、視野絞り１６のスリット１６ａを通過した光は、照明リレーレンズ１７を介してビームスプリッタ１８に導かれ、その反射透過面で反射した後（照明光Ｌ１）、光軸Ｏ２上の第１対物レンズ１９に導かれる。

第１対物レンズ１９は、ビームスプリッタ１８からの照明光Ｌ１を入射して集光する。これにより、検査ステージ１２上の基板１１は、第１対物レンズ１９を透過した広帯域波長の照明光Ｌ１によって垂直に照明される（落射照明）。第１対物レンズ１９は、請求項の「対物レンズ」に対応する。
なお、基板１１に入射するときの照明光Ｌ１の入射角度は、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係によって決まる。また、基板１１の各点における照明光Ｌ１の入射角度範囲は、照明開口絞り１４の絞り径によって決まる。照明開口絞り１４が第１対物レンズ１９の瞳と共役な面に配置されているからである。

さらに、視野絞り１６と基板１１とは共役な位置関係にあるため、基板１１の表面のうち、視野絞り１６のスリット１６ａに対応する領域が照明光Ｌ１によって照明される。つまり、基板１１の表面には、照明リレーレンズ１７と第１対物レンズ１９の作用によって、スリット１６ａの像が投影される。
そして、上記した広帯域波長の照明光Ｌ１が照射された基板１１の領域から、反射光Ｌ２が発生する。反射光Ｌ２の波長特性は、基板１１が標準基板（つまり反射率の波長特性が略均一）の場合、照明光Ｌ１の波長特性と略等しくなる。また、基板１１が一般的な製品基板の場合、反射光Ｌ２の波長特性は、基板１１の反射率の波長特性に応じて変化する。基板１１からの反射光Ｌ２は、後述の結像光学系(１９〜２３)に導かれる。

結像光学系(１９〜２３)は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０と第１結像リレーレンズ２１と結像開口絞り２２と第２結像リレーレンズ２３とで構成されている。結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。
なお、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０との間には、照明光学系(１３〜１９)のビームスプリッタ１８が配置され、第２対物レンズ２０と第１結像リレーレンズ２１との間には、後述する焦点検出部(４１〜４９)のビームスプリッタ４１が配置されている。ビームスプリッタ１８,４１は、光の振幅分離を行うハーフプリズムである。

そして、第１対物レンズ１９は、基板１１からの反射光Ｌ２をコリメートする。第１対物レンズ１９でコリメートされた反射光Ｌ２は、上記のビームスプリッタ１８を透過して第２対物レンズ２０に入射する。第２対物レンズ２０は、ビームスプリッタ１８からの反射光Ｌ２を１次結像面１０ａ上に集光する。
１次結像面１０ａの後段に配置された焦点検出部(４１〜４９)のビームスプリッタ４１は、焦点検出部(４１〜４９)の光軸Ｏ３と結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に対して、反射透過面が略４５°傾けられている。そして、ビームスプリッタ４１は、第２対物レンズ２０からの反射光Ｌ２の一部（Ｌ３）を透過すると共に、残りの一部（Ｌ４）を反射する。ビームスプリッタ４１を透過した一部の光Ｌ３は、結像光学系(１９〜２３)の第１結像リレーレンズ２１に導かれる。

第１結像リレーレンズ２１は、ビームスプリッタ４１からの光Ｌ３をコリメートする。結像開口絞り２２は、第１対物レンズ１９の瞳と共役な面に配置され、第１結像リレーレンズ２１からの光の径を特定の径に制限する。第２結像リレーレンズ２３は、結像開口絞り２２からの光をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面（２次結像面）上に再結像する。
ＣＣＤ撮像素子２５は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、基板１１からの反射光Ｌ２に基づく像（反射像）を撮像して、画像信号を画像処理部２６に出力する。画像信号は、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。

画像処理部２６は、基板１１として製品基板が検査ステージ１２上に載置され、製品基板の重ね合わせマーク３０が視野領域内に位置決めされているとき、ＣＣＤ撮像素子２５から得られる画像信号の輝度分布に基づいて、製品基板の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）を行う。この場合、不図示のテレビモニタよる目視観察も可能である。

また、画像処理部２６は、基板１１として標準基板が検査ステージ１２上に載置され、標準基板の重ね合わせマーク３０が視野領域内に位置決めされているとき、ＣＣＤ撮像素子２５からの画像信号を不図示のテレビモニタに出力する。この場合、標準基板の重ね合わせマーク３０の目視観察が可能となる。
次に、焦点検出部(４１〜４９)の説明を行う。焦点検出部(４１〜４９)は、検査ステージ１２上の基板１１がＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを検出するものである。

焦点検出部(４１〜４９)は、光軸Ｏ３に沿って順に配置されたビームスプリッタ４１とＡＦ第１リレーレンズ４２と平行平面板４３と瞳分割ミラー４４とＡＦ第２リレーレンズ４５とシリンドリカルレンズ４６とからなる結像光学系(４１〜４６)と、波長分離素子４７と、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)と、信号処理部４９(１)〜(３)とで構成されている。ＡＦセンサ４８(１)〜(３)はラインセンサであり、その撮像面４８ａには複数の画素が１次元配列されている。シリンドリカルレンズ４６は、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の各撮像面４８ａにおける画素の配列方向（図中Ａ方向）に対して垂直な方向の屈折力を持つ。

焦点検出部(４１〜４９)において、ビームスプリッタ４１で反射した一部の光Ｌ４（以下「ＡＦ光」という）は、ＡＦ第１リレーレンズ４２によってコリメートされ、平行平面板４３を透過して、瞳分割ミラー４４に入射する。瞳分割ミラー４４上には、照明光学系(１３〜１９)の照明開口絞り１４の像が形成される。平行平面板４３は、照明開口絞り１４の像を瞳分割ミラー４４の中心に位置調整するための光学素子であり、チルト調整が可能な機構になっている。

瞳分割ミラー４４に入射したＡＦ光は、そこで２方向の光に振幅分離された後、ＡＦ第２リレーレンズ４５とシリンドリカルレンズ４６を介して、波長分離素子４７に入射する。そして、シリンドリカルレンズ４６からのＡＦ光は、波長分離素子４７を介して３方向の光Ｌ５〜Ｌ７に波長分離された後、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の各撮像面４８ａの近傍に集光される。このとき、各撮像面４８ａには、画素の配列方向（図中Ａ方向）に沿って離れた位置に、２つの光源像が形成される。

ここで、波長分離素子４７は、２つの反射透過面を有するダイクロイックプリズム（光学素子）である。２つの反射透過面は、互いに直交し、光軸Ｏ３に対して略４５°傾いている。また、ＡＦ光の進行方向に沿って１番目の反射透過面は、予め定めた波長αよりも長波側の波長帯域（光Ｌ７）を反射すると共に、波長αよりも短波側の波長帯域（光Ｌ６,Ｌ５）を透過する。さらに、ＡＦ光の進行方向に沿って２番目の反射透過面は、予め定めた波長β（＜α）よりも長波側の波長帯域（Ｌ６）を反射すると共に、波長βよりも短波側の波長帯域（Ｌ５）を透過する。

このため、シリンドリカルレンズ４６からのＡＦ光は、波長分離素子４７の２つの反射透過面により、３つの波長帯域、つまり、短波長帯域（波長βよりも短波側）と、中心波長帯域（波長βよりも長波側で且つ波長αよりも短波側）と、長波長帯域（波長αよりも長波側）とに分離される。そして、短波長帯域の光Ｌ５はＡＦセンサ４８(１)に入射し、中心波長帯域の光Ｌ６はＡＦセンサ４８(２)に入射し、長波長帯域の光Ｌ７はＡＦセンサ４８(３)に入射する。

上記のように、焦点検出部(４１〜４９)では、波長分離素子４７によってＡＦ光が３つの波長帯域に分離され、分離後の各波長帯域の光Ｌ５〜Ｌ７がそれぞれ独立したＡＦセンサ４８(１)〜(３)に導かれる。３つのＡＦセンサ４８(１)〜(３)は、波長分離素子４７からの各波長帯域の光Ｌ５〜Ｌ７をそれぞれ受光する。ＡＦセンサ４８(１)〜(３)は、請求項の「受光素子」に対応する。波長分離素子４７は「分光素子」に対応する。

ＡＦセンサ４８(１)〜(３)からの出力信号は、それぞれ信号処理部４９(１)〜(３)に出力され、個別に信号処理される。例えば、信号処理部４９(１)では、ＡＦセンサ４８(１)からの出力信号に基づいて、ＡＦセンサ４８(１)の撮像面４８ａに形成された２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２（図２(ａ)〜(ｃ)）の距離を求め、この距離に応じたフォーカス信号を生成する。また、信号処理部４９(２),(３)では、ＡＦセンサ４８(２),(３)からの出力信号に基づいて、各々の撮像面４８ａに形成された２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離を求め、この距離に応じたフォーカス信号を生成する。

つまり、焦点検出部(４１〜４９)では、波長分離素子４７によってＡＦ光が３つの波長帯域に分離され（光Ｌ５〜Ｌ７）、各波長帯域ごとにフォーカス信号が生成される。この焦点検出部(４１〜４９)は、請求項の「信号生成手段」に対応する。焦点検出部(４１〜４９)で生成された各波長帯域ごとのフォーカス信号は、信号処理部４９(１)〜(３)から後段のステージ制御部２７に出力される。

ここで、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の各撮像面４８ａに形成された２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離について説明する。
図２(ａ),(ｂ),(ｃ)には、３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）のうち、ある１つの波長帯域に関し、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置に応じて、２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離が変化する様子を示した。図２(ａ),(ｂ),(ｃ)は、各々、基板１１が前ピン状態(合焦状態よりも下方),合焦状態,後ピン状態(合焦位置よりも上方)のときの様子に対応する。

図２(ａ),(ｂ),(ｃ)から分かるように、２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２は、前ピン状態(ａ)ほど互いに接近し、後ピン状態(ｃ)ほど互いに離れる。つまり、検査ステージ１２をＺ方向に上下させ、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置を変化させることで、２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２は、撮像面４８ａの画素の配列方向（図中Ａ方向）に沿って、近づいたり離れたりする。

また、ある１つの波長帯域（例えば短波長帯域）に関し、２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離の変化は、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置の変化に１対１で対応する。このため、既に説明した結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離に応じたフォーカス信号は、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置に応じたフォーカス信号と考えることができる。上記した通り、焦点検出部(４１〜４９)では、３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）のうち各波長帯域ごとに、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置に応じたフォーカス信号を生成して、後段のステージ制御部２７に出力する。

ところで、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)に色収差がある場合、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置が同じであっても、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の各撮像面４８ａにおける２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離は異なるため、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)からの出力信号に基づいて各波長帯域ごとに生成されるフォーカス信号どうしを比較すると、互いにオフセット成分を含むことになる。

このような各波長帯域のフォーカス信号どうしのオフセット量は、次のようにして予め計測され、ステージ制御部２７のメモリ（記憶手段）に、オフセット情報として記憶されている。
オフセット量の計測について説明する。オフセット量の計測には、反射率の波長特性が略均一な標準基板が、基板１１として用いられる。オフセット量の計測手順は、次の手順(I)〜(IV)の通りである。

手順(I) 標準基板を重ね合わせ測定装置１０の検査ステージ１２上に搬送し、その重ね合わせマーク３０を視野領域内に位置決めし、照明光Ｌ１を照射する。このとき、標準基板の重ね合わせマーク３０から発生する反射光Ｌ２の波長特性は、照明光Ｌ１の波長特性と略等しい。
手順(II) 標準基板の重ね合わせマーク３０からの反射光Ｌ２を、結像光学系(１９〜２３)とＣＣＤ撮像素子２５と画像処理部２６を介して取り込み、不図示のテレビモニタで目視観察しながら、検査ステージ１２をＺ方向に駆動し、マーク像のフォーカス状態を確認する。そして、フォーカス状態が最も良好なＺ位置（例えばマーク像のコントラストが最も高いＺ位置）で、検査ステージ１２を停止させる。このとき、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置は、合焦位置に設定される。

手順(III) 標準基板の重ね合わせマーク３０からの反射光Ｌ２を、第１対物レンズ１９→第２対物レンズ２０→ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の順に通過させた後、波長分離素子４７によって３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）に分離し、３つのＡＦセンサ４８(１)〜(３)で各波長帯域ごとに受光する。そして、信号処理部４９(１)〜(３)は、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)からの出力信号（２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離）に基づいて、合焦位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号を生成し、後段のステージ制御部２７に出力する。

手順(IV) ステージ制御部２７は、合焦位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号を大小比較して、フォーカス信号どうしのオフセット量を計測する。具体的には、３つの波長帯域(Ｌ５〜Ｌ７)のうち、例えば中心波長帯域(Ｌ６)を基準とする。そして、中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号と短波長帯域(Ｌ５)のフォーカス信号との差分を求め、大小の符号を含む差分値をオフセット量Ｏ₅₆とする。また、中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号と長波長帯域(Ｌ７)のフォーカス信号との差分を求め、大小の符号を含む差分値をオフセット量Ｏ₆₇とする。

上記のようにして、各波長帯域のフォーカス信号どうしのオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇を計測し終えると、ステージ制御部２７は、そのオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇をメモリに記憶する。また、オフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇の基準である中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号（つまり合焦位置における値）もメモリに記憶する。これらの情報は、一般的な製品基板に対するオートフォーカス制御に使用される。

次に、一般的な製品基板に対するオートフォーカス制御について説明する。このオートフォーカス制御は、重ね合わせ検査の前に行われる。制御手順は、次の手順(i)〜(iii)の通りである。
手順(i) 製品基板を重ね合わせ測定装置１０の検査ステージ１２上に搬送し、その重ね合わせマーク３０を視野領域内に位置決めし、照明光Ｌ１を照射する。製品基板では、レジスト層や下地層（蒸着膜）の膜厚ムラなどに依存して、各ショット領域ごとに（各重ね合わせマーク３０ごとに）反射率の波長特性が異なることが多い。このため、製品基板の重ね合わせマーク３０から発生する反射光Ｌ２の波長特性は、その箇所での反射率の波長特性に応じて変化する。

手順(ii) 製品基板の重ね合わせマーク３０からの反射光Ｌ２を、第１対物レンズ１９→第２対物レンズ２０→ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の順に通過させた後、波長分離素子４７によって３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）に分離し、３つのＡＦセンサ４８(１)〜(３)で各波長帯域ごとに受光する。そして、信号処理部４９(１)〜(３)は、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)からの出力信号（２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離）に基づいて、製品基板の現在のＺ位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号を生成し、後段のステージ制御部２７に出力する。このとき、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)からの出力信号の強弱に関する情報も、ステージ制御部２７に出力される。

ちなみに、製品基板の重ね合わせマーク３０の反射率の波長特性に応じて、反射光Ｌ２の波長特性が変化する。また、反射光Ｌ２の波長特性に応じて、波長分離素子４７により３つの波長帯域に分離された光Ｌ５〜Ｌ７の強度比が変化し、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)での受光量が相対的に増減し、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)からの出力信号の強弱も変化する。例えば、長波長帯域(Ｌ７)の割合が他の波長帯域(Ｌ５,Ｌ６)に比べて高ければ、長波長帯域(Ｌ７)に対応したＡＦセンサ４８(３)からの出力信号が強くなる。

手順(iii) ステージ制御部２７は、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の出力信号の強弱に関する情報を参照して、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)のうち出力信号が最も強いＡＦセンサに注目する。さらに、製品基板の現在のＺ位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号のうち、注目センサに対応するフォーカス信号と、メモリ内のオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇と、メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号とに基づいて、オフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇をキャンセルするように、検査ステージ１２をＺ方向に駆動し、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置を調整する（フォーカス調整）。

例えば、長波長帯域(Ｌ７)に対応したＡＦセンサ４８(３)の出力信号が最も強い場合、ＡＦセンサ４８(３)に対応するフォーカス信号と、メモリ内のオフセット量Ｏ₆₇と、メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号とに基づいて、オフセット量Ｏ₆₇をキャンセルするようにフォーカス調整を行う。同様に、短波長帯域(Ｌ５)に対応したＡＦセンサ４８(１)の出力信号が最も強い場合、ＡＦセンサ４８(１)に対応するフォーカス信号と、メモリ内のオフセット量Ｏ₅₆と、メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号とに基づいて、オフセット量Ｏ₅₆をキャンセルするようにフォーカス調整を行う。また、中心波長帯域(Ｌ６)に対応したＡＦセンサ４８(２)の出力信号が最も強い場合、ＡＦセンサ４８(２)に対応するフォーカス信号と、オフセット量(＝０)と、メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号とに基づいて、フォーカス調整を行う。

このように、フォーカス調整の際にメモリ内のオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇を加味するため、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の何れに対応するフォーカス信号を用いても、「ＡＦセンサ４８(２)に対応するフォーカス信号」が「メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号」に一致するようなＺ位置で、検査ステージ１２を停止させることができる。フォーカス調整の後、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置は、予め定めた合焦位置に設定される。以上で１つの重ね合わせマーク３０のＡＦ制御が終了する。

その後、同じ製品基板の他の重ね合わせマーク３０を視野領域内に位置決めし、同様のＡＦ制御を行う際に、その箇所での反射率の波長特性が異なり、重ね合わせマーク３０から発生する反射光Ｌ２の波長特性が異なると、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)のうち出力信号が最も強いＡＦセンサ（注目センサ）も変わる可能性がある。
しかし、第１実施形態のオートフォーカス装置では、既に説明した通り、ＡＦセンサ４８(１)〜(３)の何れに対応するフォーカス信号を用いても、メモリ内のオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇を加味するため、「ＡＦセンサ４８(２)に対応するフォーカス信号」が「メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号」に一致するようなＺ位置で、検査ステージ１２を停止させることができる。

したがって、第１実施形態のオートフォーカス装置によれば、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)に色収差があっても、基板１１（製品基板）から発生する反射光Ｌ２の波長特性に応じたフォーカス誤差を確実に低減することができる。その結果、同じ基板１１（製品基板）の全ての重ね合わせマーク３０において、ほぼ同一のフォーカス状態に設定することができる。

このため、重ね合わせ測定装置１０では、製品基板の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）を、ほぼ同一のフォーカス状態で行うことが可能となる。ちなみに、重ね合わせ検査は、重ね合わせマーク３０の画像からレジストマークと下地マークの各々の位置を検出し、その相対的な位置ずれ量（重ね合わせずれ量Δ）を算出した後、得られた重ね合わせずれ量Δを装置起因の誤差成分（ＴＩＳ値：Tool Induced Shift）によって補正することにより行われる。ＴＩＳ値による補正後の重ね合わせずれ量が最終値となる。

また、重ね合わせ測定装置１０では、ほぼ同一のフォーカス状態で製品基板の重ね合わせ検査を行えるため、１つの製品基板におけるＴＩＳ値のバラツキが非常に小さくなる。したがって、重ね合わせずれ量ΔをＴＩＳ値によって補正する際、同じ製品基板の全ての重ね合わせマーク３０において、共通のＴＩＳ値を使い回すことが可能となる。この場合には、基板１１を反方向(１８０度方向)に向けた状態での測定を省略し、基板１１を正方向(０度方向)に向けた状態での測定のみを実行すればよいので、重ね合わせ検査のスループットが向上する。

なお、上記した第１実施形態では、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の光路上にプリズム形状の波長分離素子４７を組み込む例で説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、ダイクロイックミラーのような波長分離機能を有する光学素子を２段構成にしても構わない。また、波長分離素子４７のように２つの反射透過面がＡＦ光の進行方向に沿って順に配置された構成に限らず、クロスダイクロイックプリズムを用いてもよい。
（第２実施形態）
第２実施形態では、図３に示す重ね合わせ測定装置５０を例に説明する。第２実施形態のオートフォーカス装置を有する結像装置は、第１実施形態のオートフォーカス装置の波長分離素子４７とＡＦセンサ４８(１)〜(３)と信号処理部４９(１)〜(３)に代えて、図３に示す波長帯域切替部５１と１つのＡＦセンサ５２と信号処理部５３を設けたものである。それ以外の構成は、第１実施形態と同じであるため、その説明を省略する。図３に示す重ね合わせ測定装置５０うち、検査ステージ１２と照明光学系(１３〜１９)と焦点検出部(４１〜４６,５１〜５３)とステージ制御部２７が、第２実施形態のオートフォーカス装置として機能する。

焦点検出部(４１〜４６,５１〜５３)は、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)と、波長帯域切替部５１と、ＡＦセンサ５２と、信号処理部５３とで構成される。波長帯域切替部５１は、結像光学系(４１〜４６)の第２リレーレンズ４５とシリンドリカルレンズ４６との間に配置されている。このため、ＡＦ光は、第２リレーレンズ４５→波長帯域切替部５１→シリンドリカルレンズ４６の順に通過した後、ＡＦセンサ４７に入射する。

波長帯域切替部５１には、図４に示す通り、透過波長帯域が互いに異なる３種類のフィルタ５４(１)〜(３)が設けられる。フィルタ５４(１)〜(３)の透過波長帯域は、各々、第１実施形態で説明した短波長帯域,中心波長帯域,長波長帯域に対応する。３種類のフィルタ５４(１)〜(３)を軸５１Ａまわりに回転させることで、フィルタ５４(１)〜(３)のうち何れか１つを順に切り替えてＡＦ光の光路に挿入することができる。

したがって、フィルタ５４(１)〜(３)の切り替えにより、３つの波長帯域の光（Ｌ５〜Ｌ７）を順に選択して（つまり時系列で取り出して）ＡＦセンサ５２に導くことができる。波長帯域切替部５１は、請求項の「選択部」に対応する。ＡＦセンサ５２は、波長帯域切替部５１のフィルタ５４(１)〜(３)によって選択された１つの波長帯域の光を順に（つまり時系列で）受光する。ＡＦセンサ５２の出力信号は、各波長帯域ごとに信号処理部５３に出力される。信号処理部５３は、ＡＦセンサ５２からの出力信号に基づいて、各波長帯域ごとにフォーカス信号を生成し、後段のステージ制御部２７に出力する。

第２実施形態のオートフォーカス装置でも、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)に色収差がある場合、各波長帯域ごとに生成されるフォーカス信号どうしを比較すると、互いにオフセット成分を含むことになる。フォーカス信号どうしのオフセット量の計測は、上記した手順(I)〜(IV)のうち、途中の手順(III)を次の手順(III')に変更することで行われる。
手順(III') 標準基板の重ね合わせマーク３０からの反射光Ｌ２を、第１対物レンズ１９→第２対物レンズ２０→ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の順に通過させた後、波長帯域切替部５１によって３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）のうち１つを選択し、ＡＦセンサ５２で受光する。また、３種類のフィルタ５４(１)〜(３)を切り替え、他の波長帯域も順に選択し、ＡＦセンサ５２で受光する。そして、信号処理部５３は、ＡＦセンサ５２からの出力信号（２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離）に基づいて、合焦位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号を生成し、後段のステージ制御部２７に出力する。

第２実施形態では、手順(I)→手順(II)→手順(III')→手順(IV)を経て、各波長帯域のフォーカス信号どうしのオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇が計測され、その結果がステージ制御部２７のメモリに記憶される。また、上記と同様、オフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇の基準である中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号（つまり合焦位置における値）もメモリに記憶される。これらの情報は、一般的な製品基板に対するオートフォーカス制御に使用される。

製品基板に対するＡＦ制御の手順は、上記した手順(i)〜(iii)のうち、途中の手順(ii)を次の手順(ii')に変更し、手順(iii)を次の手順(iii')に変更することで行われる。
手順(ii') 製品基板の重ね合わせマーク３０からの反射光Ｌ２を、第１対物レンズ１９→第２対物レンズ２０→ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の順に通過させた後、波長帯域切替部５１によって３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）のうち１つを選択し、ＡＦセンサ５２で受光する。また、３種類のフィルタ５４(１)〜(３)を切り替え、他の波長帯域も順に選択し、ＡＦセンサ５２で受光する。そして、信号処理部５３は、ＡＦセンサ５２からの出力信号（２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２の距離）に基づいて、製品基板の現在のＺ位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号を生成し、後段のステージ制御部２７に出力する。このとき、各波長帯域ごとのＡＦセンサ５２の出力信号の強弱に関する情報も、ステージ制御部２７に出力される。

手順(iii') ステージ制御部２７は、各波長帯域ごとのＡＦセンサ５２の出力信号の強弱に関する情報を参照して、３つの波長帯域（Ｌ５〜Ｌ７）のうち出力信号が最も強い波長帯域に注目する。さらに、製品基板の現在のＺ位置における各波長帯域ごとのフォーカス信号のうち、注目波長帯域に対応するフォーカス信号と、メモリ内のオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇と、メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号とに基づいて、オフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇をキャンセルするように、検査ステージ１２をＺ方向に駆動し、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置を調整する（フォーカス調整）。

このように、第２実施形態でも、フォーカス調整の際にメモリ内のオフセット量Ｏ₅₆,Ｏ₆₇を加味するため、３つの波長帯域(Ｌ５〜Ｌ７)の何れに対応するフォーカス信号を用いても、「中心波長帯域(Ｌ６)が選択されたときに対応するフォーカス信号」が「メモリ内の合焦位置における中心波長帯域(Ｌ６)のフォーカス信号」に一致するようなＺ位置で、検査ステージ１２を停止させることができる。フォーカス調整の後、基板１１と第１対物レンズ１９との相対位置は、予め定めた合焦位置に設定される。以上で１つの重ね合わせマーク３０のＡＦ制御が終了する。

したがって、第２実施形態のオートフォーカス装置によれば、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)に色収差があっても、基板１１（製品基板）から発生する反射光Ｌ２の波長特性に応じたフォーカス誤差を確実に低減することができる。その結果、同じ基板１１（製品基板）の全ての重ね合わせマーク３０において、ほぼ同一のフォーカス状態に設定することができる。

このため、重ね合わせ測定装置５０では、製品基板の重ね合わせ検査を、ほぼ同一のフォーカス状態で行うことが可能となる。したがって、１つの製品基板におけるＴＩＳ値のバラツキが非常に小さくなり、重ね合わせずれ量ΔをＴＩＳ値によって補正する際、同じ製品基板の全ての重ね合わせマーク３０において、共通のＴＩＳ値を使い回すことが可能となる。この場合には、基板１１を反方向(１８０度方向)に向けた状態での測定を省略し、基板１１を正方向(０度方向)に向けた状態での測定のみを実行すればよいので、重ね合わせ検査のスループットが向上する。

なお、上記した第２実施形態では、ＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の光路上に波長帯域切替部５１を設けたが、本発明はこれに限定されない。同様の波長帯域切替部を照明光学系(１３〜１９)の光路上に設け、照明光Ｌ１の波長帯域を選択してもよい。照明波長の切り替えにおいて、照明波長フィルタの透過特性がＡＦ用の結像光学系(４１〜４６)の波長切替部５１に含まれるフィルタのうち何れか１つと略同一の場合、ＡＦ光学系の波長帯域は、照明光Ｌ１の波長帯域と略一致するものに設定する。
（変形例）
なお、上記した第１実施形態と第２実施形態では、波長帯域の分離数を３つとしたが、その分離数は２つでも４つ以上でもよい。分離数を多くするほど、基板１１から発生する反射光Ｌ２の波長特性に応じたフォーカス誤差を大きく低減させることができる。

フォーカス精度を高める変形例として、例えば、波長分離素子をグレーティング等で構成し、入射光のスペクトルを受光してこのスペクトル情報に基づいてオフセット量を算出する構成としてもよい。オフセット情報は基準波長、又は基準波長に対するオフセット情報を波長−オフセットデータ表や波長−オフセット曲線として予め求めておく。この場合には、オートフォーカス光学系に入射した光を分岐してグレーティング側に入射させる光と、フォーカス信号生成部に入射させる光とに分け、各々を受光面に導く構成とする。そして、グレーティング側に配置された受光面で受光された情報に基づいて基板からの光のスペクトルを得、このスペクトルと、オフセット情報（波長−オフセットデータ表や波長−オフセット曲線）とに基づいてオフセット量を演算する。

また、上述した実施形態では、波長分離素子４７または波長帯切替部５１で分離した波長帯域のうちの中心波長帯域を基準としてオフセット量を求めたが、基準波長帯はこれに限定されない。中心波長帯域以外の帯域での合焦位置を基準としてオフセット量を算出してもよいし、また、ステージに全反射ミラー等を戴置して、白色光を入射したときのフォーカス位置を基準として各波長帯域でのフォーカス信号とのオフセット量であってもよい。また、所定の狭帯域の波長光の合焦位置を基準としてもよい。

また、上記した実施形態では、各波長帯域のフォーカス信号どうしのオフセット量を計測する際、反射率の波長特性が略均一な標準基板を用いたが、本発明はこれに限定されない。分離された各波長帯域の光（Ｌ５〜Ｌ７）の強度を十分に大きく確保できるような既知の反射特性であれば、標準基板の反射特性として採用可能である。
さらに、上記した実施形態では、オフセット量の計測の際、手順(II)で、重ね合わせマーク３０の画像を目視観察しながらフォーカス状態を確認する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。画像処理部２６においてマーク像の画像処理を行い、コントラスト方式のＡＦ制御を行ってもよい。

また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０,５０に組み込まれたオートフォーカス装置を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。基板１１の同じ層に形成された２つのマークの位置ずれ量を測定する装置や、単一のマークとカメラの基準位置との光学的位置ずれを検出する装置や、単一のマークの位置を検出する装置や、基板１１に対する露光工程の前に基板１１のアライメントを行う装置（つまり露光装置のアライメント系）に組み込まれたオートフォーカス装置にも、本発明を適用できる。アライメント系では、下地層に形成されたアライメントマークの位置を検出し、その検出結果とステージ座標系（干渉計など）との位置関係を求める。

さらに、重ね合わせ測定装置１０,５０のステージ制御部２７によりオフセット量の計測を行う場合に限らず、重ね合わせ測定装置などに接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。

重ね合わせ測定装置１０に組み込まれた第１実施形態のオートフォーカス装置の構成を示す図である。オートフォーカス装置の動作原理を説明する図である。重ね合わせ測定装置５０に組み込まれた第２実施形態のオートフォーカス装置の構成を示す図である。第２実施形態のオートフォーカス装置の波長帯域切替部５１について説明する図である。

符号の説明

１０，５０重ね合わせ測定装置
１１基板
１２検査ステージ
１３光源
１４照明開口絞り
１５コンデンサーレンズ
１６視野絞り
１７照明リレーレンズ
１８，４１ビームスプリッタ
１９第１対物レンズ
２０第２対物レンズ
２１第１結像リレーレンズ
２２結像開口絞り
２３第２結像リレーレンズ
２５ＣＣＤ撮像素子
２６画像処理装置
２７ステージ制御装置
３０重ね合わせマーク
４２ＡＦ第１リレーレンズ
４３平行平面板
４４瞳分割ミラー
４５ＡＦ第２リレーレンズ
４６シリンドリカルレンズ
４７波長分離素子
４８(１)〜(３)，５２ＡＦセンサ
４９(１)〜(３)，５３信号処理部
５１波長帯域切替部

Claims

基板を戴置するステージと、前記基板を照明する照明手段と、前記基板の像を形成する結像手段とを備えた結像装置において、
前記基板から前記結像手段に入射した光を分岐して受光し、予め定められた複数の波長帯のうち各波長帯ごとに、前記基板と前記結像光学系との相対位置に応じたフォーカス信号を生成する信号生成手段と、
少なくとも、所定の基準光での合焦位置に対する、前記複数の波長帯ごとに生成される前記フォーカス信号により求められた合焦位置のオフセット情報を予め記憶する記憶手段と、
少なくとも前記複数の波長帯のうちのいずれか1つの波長帯における前記フォーカス信号と前記オフセット情報とに基づいて前記基板と前記結像手段との相対位置を調整する調整手段とを備えたオートフォーカス装置を有する
ことを特徴とする結像装置。
請求項１に記載の結像装置において、
前記信号生成手段は、前記基板からの光を同時に前記複数の波長帯に分離する分光素子と、前記分光素子によって分離された各波長帯の光をそれぞれ受光する複数の受光素子とを有し、各受光素子からの出力信号に基づいて前記フォーカス信号を生成する
ことを特徴とする結像装置。
請求項１に記載の結像装置において、
前記信号生成手段は、前記基板からの光のうち前記複数の波長帯の光のそれぞれを時系列で取り出す分光素子と、前記分光素子によって分離された各波長帯の光を時系列で受光出する受光素子とを有し、前記受光素子からの出力信号に基づいて前記フォーカス信号を生成する
ことを特徴とする結像装置。
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の結像装置において、
前記信号生成手段は、前記波長帯ごとの光を受光して各々の光の強度を検出する強度検出手段を備え、前記調整手段は前記波長帯ごとのフォーカス信号と、前記波長帯ごとの前記オフセット情報と、前記波長帯ごとに受光された光の相対強度に基づいて前記基板と前記結像手段との相対位置を調整する
ことを特徴とする結像装置。