JP2007171761A - 焦点検出装置およびオートフォーカス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 物体面に投影されたＡＦスリット（照明領域）のエッジを横切るようにパターンが存在しても、物体面の焦点検出を正確に行う。
【解決手段】 物体面の所定の領域を照明し、該領域から発生した光（Ｌ５）を瞳近傍で分割して該領域の２つの像を形成し、該２つの像の間隔に基づいて、物体面のフォーカス状態に関わる信号を生成する第１の処理手段(１３〜１９,４０〜４９)と、物体面のマーク１１Ａを照明し、該マークから発生した光（Ｌ７）を瞳近傍で分割して該マークの２つの像を形成し、該２つの像の間隔に基づいて、物体面のフォーカス状態に関わる信号を生成する第２の処理手段(１３〜１９,４０,４１,５０〜４６)とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体面の焦点検出を行う焦点検出装置およびオートフォーカス装置に関する。

瞳分割方式の焦点検出装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。この装置では、物体面にＡＦスリットを投影し、物体面からの光をＡＦ光学系にリレー結像した後、ＡＦ光学系の瞳近傍で分割して、２つのＡＦスリット像を形成する。２つのＡＦスリット像の間隔は物体面のフォーカス状態に応じて変化し、物体面が合焦面に一致するときの間隔は既知である。このため、焦点検出装置では、２つのＡＦスリット像の間隔と既知の間隔との差に応じた信号を生成して、物体面のフォーカス状態を調整する機構（例えばステージ制御部）に出力する。
特開２００２−４０３２２号公報

しかし、上記の焦点検出装置では、物体面に投影されたＡＦスリットのエッジを横切るようにパターンが存在すると、そのパターンがＡＦスリット像にも写り込む。このため、２つのＡＦスリット像の間隔を求める際に誤差が生じることがあった。誤差が生じれば、物体面の焦点検出を正確に行うこともできない。
本発明の目的は、物体面に投影されたＡＦスリット（照明領域）のエッジを横切るようにパターンが存在しても、物体面の焦点検出を正確に行うことができる焦点検出装置およびオートフォーカス装置を提供することにある。

本発明の焦点検出装置は、物体面の所定の領域を照明し、該領域から発生した光を瞳近傍で分割して該領域の２つの像を形成し、該２つの像の間隔に基づいて、前記物体面のフォーカス状態に関わる信号を生成する第１の処理手段と、前記物体面のマークを照明し、該マークから発生した光を瞳近傍で分割して該マークの２つの像を形成し、該２つの像の間隔に基づいて、前記物体面のフォーカス状態に関わる信号を生成する第２の処理手段とを備えたものである。

また、前記第１の処理手段は、矩形状の前記領域を照明すると共に、該領域から発生した光の分割を前記領域のエッジと平行または垂直な方向に行い、前記第２の処理手段は、１つ以上の直線部からなる前記マークを照明すると共に、該マークから発生した光の分割を前記マークの直線部と平行または垂直な方向に行うことが好ましい。
また、前記物体面には、前記マークの直線部と平行または垂直な方向に座標軸が設定され、前記第１の処理手段は、前記座標軸に対し前記エッジを傾斜させた前記領域を照明すると共に、該領域から発生した光の分割とは垂直な方向に前記領域の像を圧縮して前記２つの像を形成し、前記第２の処理手段は、前記マークの像を圧縮せずに前記２つの像を形成することが好ましい。

また、前記第１の処理手段と前記第２の処理手段とは、共通の照明部によって前記領域と前記マークとを同時に照明すると共に、前記領域の中に前記マークを含んだ状態で照明し、前記第２の処理手段は、前記領域から発生した光のうち、前記マークから発生した光を選択した後、該光を瞳近傍で分割して前記２つの像を形成することが好ましい。
本発明のオートフォーカス装置は、前記第１の処理手段によって生成された信号に基づいて前記物体面のフォーカス状態を調整した後、前記第２の処理手段によって生成された信号に基づいて前記フォーカス状態を微調整する調整手段とを備えたものである。

本発明の焦点検出装置およびオートフォーカス装置によれば、物体面に投影されたＡＦスリット（照明領域）のエッジを横切るようにパターンが存在しても、物体面の焦点検出を正確に行うことができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
ここでは、図１の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の重ね合わせ検査を行う装置である。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る。

基板１１の各測定点には、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。例えば図２に示すバーマークの場合、下地マークは外側に形成され、レジストマークは内側に形成される。重ね合わせ検査では、各マークの位置検出や、下地マークに対するレジストマークの位置ずれ量Ｌの測定が行われる。

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１１Ａ」という。重ね合わせマーク１１Ａは、１つ以上の直線部（例えば図２では８つの直線部）からなる。そして、基板１１の表面（物体面）には、重ね合わせマーク１１Ａの直線部と平行または垂直な方向に座標軸（図３のＸ軸やＹ軸）が設定される。また、基板１１の表面には重ね合わせマーク１１Ａの他にも様々なパターン（ストリートパターンなど）が形成され、各パターンの直線部は一般に上記の座標軸（Ｘ軸,Ｙ軸）に対して平行または垂直である。

重ね合わせ測定装置１０には、図１(ａ)に示す通り、基板１１を支持するステージ１２と、照明部(１３〜１９,４０)と、測定部(１８〜２５)と、瞳分割方式の焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)と、ステージ制御部２７とが設けられる。
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に接続される。

ステージ制御部２７は、ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａを視野内に位置決めする。また、焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)から出力されるフォーカス信号に基づいて、ステージ１２のＺ駆動部を制御する。このフォーカス調整により、基板１１の表面（物体面）の重ね合わせマーク１１Ａを測定部(１３〜１９,４０)の結像面に対して合焦させることができる（オートフォーカス動作）。

照明部(１３〜１９,４０)は、光源部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、ビームスプリッタ４０と、照明リレーレンズ１７と、ビームスプリッタ１８と、第１対物レンズ１９とで構成される。このうち、ビームスプリッタ４０,照明リレーレンズ１７,ビームスプリッタ１８,第１対物レンズ１９は、焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)と共用の光学素子である。ビームスプリッタ１８,第１対物レンズ１９は、測定部(１８〜２５)とも共用の光学素子である。ビームスプリッタ１８,４０は、光の振幅分離を行うハーフプリズムである。

光源部１３は、光源３Ａと、コレクタレンズ３Ｂと、リレーレンズ３Ｃと、ライトガイドファイバ３Ｄとで構成される。光源３Ａは、波長帯域の広い光（例えば白色光）を射出する。光源３Ａから射出された光は、コレクタレンズ３Ｂとリレーレンズ３Ｃとを介してライトガイドファイバ３Ｄに入射する。ライトガイドファイバ３Ｄの光出射端面は、照明開口絞り１４の近傍に配置される。

照明開口絞り１４は、ライトガイドファイバ３Ｄから射出された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、基板１１の表面の照明領域を制限するための光学素子であり、図１(ｂ)に示す１つの矩形状のＡＦスリット１６ａを有する。ビームスプリッタ４０は、ＡＦスリット１６ａからの光を透過する。

照明リレーレンズ１７は、ビームスプリッタ４０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（照明光Ｌ１）。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、ステージ１２上の基板１１は、第１対物レンズ１９を透過した照明光Ｌ１によって垂直に照明される（落射照明）。

ここで、視野絞り１６と基板１１の表面とは略共役なため、基板１１の表面には、照明リレーレンズ１７および第１対物レンズ１９の作用により、視野絞り１６のＡＦスリット１６ａが投影される。そして、基板１１の表面のうちＡＦスリット１６ａ（図１(ｂ)）に対応する所定の領域６０（図３）が照明光Ｌ１によって照明される。以下、所定の領域６０を「照明領域６０」という。

基板１１の表面の照明領域６０は、ＡＦスリット１６ａ（図１(ｂ)）と同様の矩形状であり、図１(ｂ)のＡ方向に等価な短手方向のエッジ６０Ａと、Ｂ方向に等価な長手方向のエッジ６０Ｂとが、互いに直交している。また、これらのエッジ６０Ａ,６０Ｂは物体面の座標軸（Ｘ軸,Ｙ軸）に対して傾けられ、その傾斜角θが例えば４５度である。このような角度関係を保つことで、オートフォーカス動作時にパターンの影響による誤差を低減することができる。

また、重ね合わせ検査の際には、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａが照明領域６０の中心付近に位置決めされる。このとき、重ね合わせマーク１１Ａの直線部と照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂとは、例えば４５度の傾斜角を成す。照明領域６０の中に重ね合わせマーク１１Ａが含まれる場合、上記の照明光Ｌ１によって、照明領域６０に対する照明と同時に、重ね合わせマーク１１Ａを照明することができる。

そして、照明光Ｌ１が照射されると、基板１１の照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）から、０次回折光(つまり反射光)や±１次回折光など（総じて「光Ｌ２」）が発生する。照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）から発生した光Ｌ２は、測定部(１８〜２５)と焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)との双方に導かれる。
測定部(１８〜２５)は、結像光学系(１８〜２３)と、ＣＣＤ撮像素子２４と、画像処理部２５とで構成される。また、結像光学系(１８〜２３)は、第１対物レンズ１９と、ビームスプリッタ１８と、第２対物レンズ２０と、第１リレーレンズ２１と、結像開口絞り２２と、第２リレーレンズ２３とで構成される。このうち、第１対物レンズ１９,ビームスプリッタ１８は、焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)と共用である。

照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）から発生した光Ｌ２は、測定部(１８〜２５)と焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)とで共用の光路を進み、第１対物レンズ１９を介してコリメートされ、ビームスプリッタ１８に入射する。ビームスプリッタ１８は、第１対物レンズ１９からの光Ｌ２の一部（Ｌ３）を透過すると共に、残りの一部（Ｌ４）を反射する。そして、透過した光Ｌ３は測定部(１８〜２５)の後段の光路に導かれ、反射した光Ｌ４は焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)の後段の光路に導かれる。

測定部(１８〜２５)の後段の光路では、ビームスプリッタ１８を透過した光Ｌ３が第２対物レンズ２０を介して集光され、１次結像面１０ａに中間像を形成した後、第１リレーレンズ２１に導かれる。第１リレーレンズ２１は、１次結像面１０ａからの光Ｌ３をコリメートする。結像開口絞り２２は、第１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２４の撮像面（２次結像面）上に再結像する。

このため、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａが視野内に位置決めされているとき、ＣＣＤ撮像素子２４の撮像面には、照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）から発生した光Ｌ２の一部（ビームスプリッタ１８を透過した光Ｌ３）に基づいて、マーク像が形成される。
ＣＣＤ撮像素子２４は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、撮像面に形成された重ね合わせマーク１１Ａの像を撮像して、画像処理部２５に撮像信号を出力する。撮像信号は、ＣＣＤ撮像素子２４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２５は、ＣＣＤ撮像素子２４からの撮像信号に基づいて、重ね合わせマーク１１Ａの画像を取り込み、その画像に対して重ね合わせ検査用の画像処理を施す。なお、画像処理部２５を介して不図示のテレビモニタよる目視観察も可能である。
重ね合わせ検査用の画像処理では、重ね合わせマーク１１Ａ（図２）を構成するレジストマークおよび下地マークの各々の位置検出を行い、下地マークに対するレジストマークの位置ずれ量Ｌを算出する。この位置ずれ量Ｌは、各マークの中心位置の相対的なずれ量であり、基板１１上の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせずれ量を表す。この重ね合わせずれ量は、重ね合わせ測定値とも呼ばれる。

次に、焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)におけるビームスプリッタ１８よりも後段の構成を説明し、ビームスプリッタ１８で反射した光Ｌ４について説明する。
焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)において、ビームスプリッタ１８の後段には、照明部(１３〜１９,４０)と共用の照明リレーレンズ１７とビームスプリッタ４０とが設けられる他、ビームスプリッタ４１と、第１検出部(４２〜４９)と、第２検出部(５０〜５６)とが設けられる。

ビームスプリッタ１８で反射した光Ｌ４は、照明リレーレンズ１７を介して集光され、ビームスプリッタ４０で反射した後、ビームスプリッタ４１に入射する。ビームスプリッタ４１は、ビームスプリッタ４０と同様のハーフプリズムであり、ビームスプリッタ４０からの光Ｌ４の一部（Ｌ５）を透過すると共に、残りの一部（Ｌ６）を反射する。そして、透過した光Ｌ５は第１検出部(４２〜４９)に導かれ、反射した光Ｌ６は第２検出部(５０〜５６)に導かれる。

第１検出部(４２〜４９)に導かれる光Ｌ５と第２検出部(５０〜５６)に導かれる光Ｌ６は集光光であり、それぞれ、第１検出部(４２〜４９)の光路上の１次結像面１０ｂ、第２検出部(５０〜５６)の光路上の１次結像面（遮光板５０の配置面）に、基板１１の表面の照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）の中間像を形成する。以下、第１検出部(４２〜４９)と第２検出部(５０〜５６)の構成などについて順に説明する。

第１検出部(４２〜４９)は、光Ｌ５に基づいて基板１１の表面の焦点検出を行う部分であり、第１リレーレンズ４２と、偏向ミラー４３と、平行平面板４４と、瞳分割ミラー４５と、第２リレーレンズ４６と、シリンドリカルレンズ４７と、ＡＦセンサ４８と、信号処理部４９とで構成される。瞳分割ミラー４５は、瞳近傍に配置され、照明開口絞り１４と略共役である。ＡＦセンサ４８の撮像面は、１次結像面１０ｂと略共役である。

１次結像面１０ｂには、上記の通り、基板１１の表面の照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）の中間像が形成される。この中間像を図示すると、図４(ａ)のように、照明領域６０（図３）と同様の矩形状である。
１次結像面１０ｂで中間像を形成した後の光Ｌ５は、第１リレーレンズ４２（図１）によってコリメートされ、偏向ミラー４３で反射した後、平行平面板４４を透過し、瞳分割ミラー４５に入射する。

瞳分割ミラー４５の反射面上には、照明開口絞り１４の像（図４(ｂ)）が形成される。照明開口絞り１４の像の位置調整を行うために、平行平面板４４が設けられている。平行平面板４４はチルト可能に構成され、平行平面板４４のチルト調整により、照明開口絞り１４の像を瞳分割ミラー４５の反射面の中心に位置調整することができる。
瞳分割ミラー４５に入射した光Ｌ５は、そこで２方向の光に振幅分離（つまり２分割）される。光Ｌ５の分割の方向は、図４(ｂ)に示す通り、瞳分割ミラー４５の稜線５Ａとは垂直な方向であり、基板１１の照明領域６０（図３）の短手方向のエッジ６０Ａと平行な方向（長手方向のエッジ６０Ｂと垂直な方向）に相当する。

瞳分割ミラー４５で２分割された後の光Ｌ５は、一方の光が基板１１から発生した０次回折光と＋１次回折光とを含み、他方の光が０次回折光と−１次回折光とを含む。このような光Ｌ５は、第２リレーレンズ４６を介して集光され、シリンドリカルレンズ４７を介した後、ＡＦセンサ４８の撮像面の近傍に集光される。
ＡＦセンサ４８の撮像面には、計測方向（Ｙ軸に対して例えば４５度だけ傾いた方向）に沿って離れた位置に、２つのＡＦスリット像が形成される。具体的に説明すると、仮にシリンドリカルレンズ４７が光路中に存在しない場合、図４(ｃ)のように、１次結像面１０ｂにおける中間像（図４(ａ)）と同様の矩形状のＡＦスリット像６１,６２が形成される。しかし、実際にはシリンドリカルレンズ４７があるため、図４(ｃ)のＡＦスリット像６１,６２は、その分割方向とは垂直な方向（非計測方向）に圧縮され、図４(ｄ)のような形状のＡＦスリット像６３,６４となる。

つまり、第１検出部(４２〜４９)では、ビームスプリッタ４１からの光Ｌ５に基づいて、２つの圧縮されたＡＦスリット像６３,６４（図４(ｄ)）がＡＦセンサ４８の撮像面に形成される。なお、ＡＦセンサ４８は、非計測方向の素子サイズＤ₄₈が数１０μｍ程度のラインセンサである。
計測方向におけるＡＦスリット像６３,６４の間隔は、基板１１の表面のフォーカス状態に応じて変化し、基板１１の表面が合焦面に一致するときの間隔は既知である。傾向としては、基板１１の表面が合焦面より下側(−側)にデフォーカスした前ピン状態ほどＡＦスリット像６３,６４が互いに接近し、合焦面より上側(＋側)にデフォーカスした後ピン状態ほど互いに離れる。

ＡＦセンサ４８は、２つのＡＦスリット像６３,６４を撮像すると、ＡＦスリット像６３,６４の強度プロファイルに関する撮像信号（図４(ｅ)）を信号処理部４９に出力する。図４(ｅ)の横軸はＡＦセンサ４８上での位置を表し、縦軸はＡＦスリット像６３,６４の強度を表している。
信号処理部４９は、図４(ｅ)のような強度プロファイルの波形に対して、所定のスライスレベル（例えばＳＬ＝５０％）を設定し、このスライスレベルにおける４つの交点Ｑ１〜Ｑ４の位置を求め、ＡＦスリット像６３,６４の間隔ΔＱを求める。そして、予め記憶している合焦状態での間隔ΔＱｏとの差（＝｜ΔＱ−ΔＱｏ｜）を求め、基板１１の表面のフォーカス状態に関わる信号（以下「フォーカス信号」）を生成する。

このように、第１検出部(４２〜４９)では、基板１１の表面の照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）から発生した光Ｌ２の一部（光Ｌ５）を瞳近傍で分割して２つのＡＦスリット像６３,６４（図４(ｄ)）を形成し、２つのＡＦスリット像６３,６４の間隔ΔＱ（図４(ｅ)）に基づいてフォーカス信号を生成する。
そして、第１検出部(４２〜４９)によって生成されたフォーカス信号は、基板１１の表面を合焦面に一致させるための制御信号（指標）としてステージ制御部２７に出力される。ステージ制御部２７は、第１検出部(４２〜４９)からのフォーカス信号に基づいてステージ１２のＺ駆動部を制御し、基板１１の表面を合焦面に一致させる（オートフォーカス動作）。

ところが、図５(ａ)に示すように、基板１１の表面において重ね合わせマーク１１Ａの周辺にパターン６５が存在し、このパターン６５が照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを横切るように形成されていると、図５(ｄ)に点ハッチングで示すように、ＡＦセンサ４８の撮像面においてＡＦスリット像６３,６４にパターン６５が写り込んでしまう。そして、ＡＦスリット像６３,６４の強度プロファイルに関する撮像信号は、図５(ｅ)に示すようになる。つまり、パターン６５の写り込みの影響で、強度プロファイルの波形が矩形状ではなくなってしまう。

このため、信号処理部４９において、図５(ｅ)のような強度プロファイルの波形に対してスライスレベル(ＳＬ)を設定したときに、その位置でパターン６５の影響が顕著に発生し、交点Ｑ１〜Ｑ４の位置がずれてしまう場合には、ＡＦスリット像６３,６４の間隔ΔＱを求める際に誤差が生じてしまう。そして誤差が生じれば、基板１１の表面の焦点検出を正確に行うこともできない。さらに、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることもできない（ＡＦ誤差）。

近年、半導体デバイスの微細化に伴い、露光時の重ね合わせ精度を向上させる（つまり下地パターンに対するレジストパターンの位置ずれ量Ｌを小さくする）ことが望まれるようになってきた。また、重ね合わせ測定装置１０の測定精度に対する要求仕様もさらに厳しくなっている。このため、図５(ａ)に示すようなパターン６５が存在しても、基板１１の表面の焦点検出を正確に行うことが必要である。

本実施形態では、パターン６５（図５(ａ)）が存在しても正確な焦点検出を行うため、焦点検出部(１７〜１９,４０〜５６)に、上記の第１検出部(４２〜４９)と、次に説明する第２検出部(５０〜５６)とを設けた。そして、基板１１の表面のフォーカス状態を調整する際、第１検出部(４２〜４９)によって生成されたフォーカス信号に基づいて調整した後、第２検出部(５０〜５６)によって生成されたフォーカス信号に基づいて微調整を行う。

なお、第１検出部(４２〜４９)を用いたフォーカス調整では、上記の通り、基板１１の表面にパターン６５（図５(ａ)）が存在すると、基板１１の表面が合焦面に正確に一致しないこともある（ＡＦ誤差）。ただし、合焦面を含む所定の範囲内に基板１１の表面を追い込むことは可能である。このような第１検出部(４２〜４９)を用いたフォーカス調整後の状態を前提に、第２検出部(５０〜５６)の説明を行う。

第２検出部(５０〜５６)は、ビームスプリッタ４１で反射した光Ｌ６に基づいて基板１１の表面の焦点検出を行う部分であり、遮光板５０と、第１リレーレンズ５１と、平行平面板５２と、瞳分割ミラー５３と、第２リレーレンズ５４と、ＡＦセンサ５５と、画像処理部５６とで構成される。瞳分割ミラー５３は、瞳近傍に配置され、照明開口絞り１４と略共役である。ＡＦセンサ５５の撮像面は、遮光板５０の配置面と略共役である。

遮光板５０の配置面には、上記の通り、基板１１の表面の照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）の中間像が形成される。この中間像を図示すると、図６(ａ)のように、照明領域６０（図３）と同様の矩形状である。
また、遮光板５０は、１つの矩形状の開口部５０ａを有する。この開口部５０ａのサイズは、重ね合わせマーク１１Ａの中間像より大きく、照明領域６０の中間像のエッジより小さくなるように設定されている。このため、開口部５０ａにより、照明領域６０の中間像の周辺部分（エッジ付近）を遮断して、中心部分（重ね合わせマーク１１Ａの部分）を選択的に通過させることができる。

遮光板５０の開口部５０ａを通過した後の光Ｌ７は、第１リレーレンズ５１（図１）によってコリメートされ、平行平面板５２を透過して、瞳分割ミラー５３の反射面に入射する。
瞳分割ミラー５３の反射面上には、照明開口絞り１４（図６(ｂ)）の像が形成される。照明開口絞り１４の像の位置調整を行うために、平行平面板５２が設けられている。平行平面板５２はチルト可能に構成され、平行平面板５２のチルト調整により、照明開口絞り１４の像を瞳分割ミラー５３の反射面の中心に位置調整することができる。

瞳分割ミラー５３に入射した光Ｌ７は、そこで２方向の光に振幅分離（つまり２分割）される。光Ｌ７の分割の方向は、図６(ｂ)に示す通り、瞳分割ミラー５３の稜線５３Ａとは垂直な方向であり、基板１１の表面に設定された座標軸のＸ軸と垂直な方向（Ｙ軸と平行な方向）に相当する。また、重ね合わせマーク１１Ａの直線部に対して平行または垂直である。

瞳分割ミラー５３で２分割された後の光Ｌ７は、第２リレーレンズ５４を介して集光された後、第１検出部(４２〜４９)のシリンドリカルレンズ４７のような光学素子を介さずに（つまり分割方向とは垂直な方向への圧縮作用を受けずに）、ＡＦセンサ５５の撮像面の近傍に集光される。
ＡＦセンサ５５の撮像面には、計測方向（Ｙ軸方向）に沿って離れた位置に２つの開口像６６,６７（図６(ｃ)）が形成される。開口像６６,６７は、遮光板５０の配置面における中間像（図６(ａ)）のうち、開口部５０ａを通過した中心部分（重ね合わせマーク１１Ａを含む部分）と同様の矩形状である。

この場合、開口像６６,６７の中には、照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂに関わる像（図４(ｃ)で説明したＡＦスリット像６１,６２のエッジ参照）が現れることはなく、重ね合わせマーク１１Ａの最終像が圧縮されない状態で現れる。
また、ＡＦセンサ５５の撮像面において、開口像６６,６７のエッジ（遮光板５０の開口部５０ａのエッジ像）は基板１１の表面のフォーカス状態に拘わらず同じ位置に形成されるが、重ね合わせマーク１１Ａの最終像は基板１１の表面のフォーカス状態に応じて異なる位置に形成される。このため、以下では、重ね合わせマーク１１Ａの最終像に注目し、開口像６６,６７を「マーク像６６,６７」と言う。

上記の第２検出部(５０〜５６)では、遮光板５０の開口部５０ａからの光Ｌ７に基づいて、２つの圧縮されないマーク像６６,６７（図６(ｃ)）がＡＦセンサ５５の撮像面に形成される。なお、ＡＦセンサ５５は、非計測方向の素子サイズＤ₅₅が１ｍｍ程度のエリアセンサである。
計測方向におけるマーク像６６,６７の間隔は、基板１１の表面のフォーカス状態に応じて変化し、基板１１の表面が合焦面に一致するときの間隔は既知である。傾向としては、基板１１の表面が合焦面より下側(−側)にデフォーカスした前ピン状態ほどマーク像６６,６７が互いに接近し、合焦面より上側(＋側)にデフォーカスした後ピン状態ほど互いに離れる。

ＡＦセンサ５５は、撮像面に形成された２つのマーク像６６,６７（図６(ｃ)）を撮像すると、画像処理部５６に対して撮像信号を出力する。
画像処理部５６は、ＡＦセンサ５５からの撮像信号に基づいて、計測方向に２分割された重ね合わせマーク１１Ａの画像を取り込み、このマーク画像に対して焦点検出用の画像処理を施す。

焦点検出用の画像処理では、まず、マーク画像の各画素の輝度値を非計測方向に積算してＳ/Ｎ比を向上させ、マーク像６６,６７の強度プロファイルに関する信号（図６(ｄ)）を生成する。図６(ｄ)の横軸はＡＦセンサ５５上での計測方向（Ｙ軸方向）の位置を表し、縦軸はマーク像６６,６７の強度を表している。
図６(ｄ)のような強度プロファイルの波形には、８つのピークＰ１〜Ｐ８が現れる。このうち、ピークＰ１〜Ｐ４は一方のマーク像６６に対応し、ピークＰ５〜Ｐ８は他方のマーク像６７に対応する。

また、ピークＰ１,Ｐ５は重ね合わせマーク１１Ａ（図２）の下地マークの例えば左側のエッジに対応し、ピークＰ４,Ｐ８は下地マークの右側のエッジに対応する。ピークＰ２,Ｐ６はレジストマークの例えば左側のエッジに対応し、ピークＰ３,Ｐ７はレジストマークの右側のエッジに対応する。
さらに、共通のエッジに対応するピークＰ１,Ｐ５の間隔Ｍ１、ピークＰ２,Ｐ６の間隔Ｍ２、ピークＰ３,Ｐ７の間隔３、および、ピークＰ４,Ｐ８の間隔Ｍ４は、互いに等しく、基板１１の表面のフォーカス状態に応じて同じように変化する。

焦点検出用の画像処理では、次に、図６(ｄ)のような強度プロファイルの波形において、レジストマークの一方のエッジに対応するピークＰ２,Ｐ６の各位置を例えば相関法により求め、間隔Ｍ２を求める。すなわち、ピークＰ２を含む波形の相関法によってピークＰ２の位置を、ピークＰ６を含む波形の相関法によってピークＰ６の位置を求め、｜Ｐ２−Ｐ６｜＝Ｍ２として、間隔Ｍ２を求める。このとき、間隔Ｍ２に代えて（または加えて）、レジストマークの他方のエッジに対応するピークＰ３,Ｐ７の各位置を同様の方法で求め、間隔Ｍ３を求めてもよい。

さらに、レジストマークに関わる間隔Ｍ２,Ｍ３に代えて（または加えて）、下地マークに関わる間隔Ｍ１,Ｍ４を求めてもよい。ただし、下地マークは様々なプロセスごとに反射率の特性が異なるのに対し、レジストマークは屈折率や段差の条件が略同じである。このため、様々なプロセスの影響が小さいレジストマークの間隔Ｍ２および／または間隔Ｍ３を求めることが好ましい。

そして、上記の間隔Ｍ１〜Ｍ４のうち少なくとも１つを求めた後、画像処理部５６では、予め記憶している合焦状態での間隔Ｍ０との差（例えば｜Ｍ２−Ｍ０｜）を求め、基板１１の表面のフォーカス状態に関わる信号（フォーカス信号）を生成する。間隔Ｍ１〜Ｍ４のうち２つ以上からフォーカス信号を生成する際には、２つ以上の間隔（例えば間隔Ｍ２,Ｍ３）の平均値と合焦時の間隔Ｍ０との差に基づいてフォーカス信号を生成すればよい。

このように、第２検出部(５０〜５６)では、基板１１の表面の照明領域６０（重ね合わせマーク１１Ａを含む）から発生した光Ｌ２の一部（光Ｌ７）を瞳近傍で分割して２つのマーク像６６,６７（図６(ｃ)）を形成し、２つのマーク像６６,６７の間隔（図６(ｄ)に示す間隔Ｍ１〜Ｍ４のうち少なくとも１つ）に基づいてフォーカス信号を生成する。
そして、第２検出部(５０〜５６)によって生成されたフォーカス信号は、上記した第１検出部(４２〜４９)によって生成されたフォーカス信号と同様、基板１１の表面を合焦面に一致させるための制御信号（指標）としてステージ制御部２７に出力される。ステージ制御部２７は、第２検出部(５０〜５６)からのフォーカス信号に基づいてステージ１２のＺ駆動部を制御し、基板１１の表面を合焦面に一致させる（オートフォーカス動作）。

なお、第２検出部(５０〜５６)では、２つのマーク像６６,６７の間隔（図６(ｄ)に示す間隔Ｍ１〜Ｍ４のうち少なくとも１つ）を求める際に、ピークＰ１〜Ｐ８の位置を例えば相関法により求めた。このとき、各ピーク付近の波形どうしで相関演算を行ってもよいが、複数のピークを含む波形どうしで相関演算を行って平均的な間隔を求めてもよい。また、相関法の他に、図６(ｄ)のような強度プロファイルの波形において、強度が最小値となる位置をピークの位置として求めてもよい。

上記のように、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、２つのＡＦスリット像６３,６４（図４(ｄ)）の間隔に基づいて焦点検出を行う第１検出部(４２〜４９)と、２つのマーク像６６,６７（図６(ｃ)）の間隔に基づいて焦点検出を行う第２検出部(５０〜５６)とを設けたことにより、基板１１の表面において照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを横切るようにパターンが存在しても（例えば図５(ａ)のパターン６５参照）、基板１１の表面の焦点検出を正確に行うことができる。このため、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることができる。

第１検出部(４２〜４９)では、照明領域６０の中に何らかのパターン（例えば重ね合わせマーク１１Ａなど）が含まれていても、エッジ６０Ａ,６０Ｂを横切るようなパターンが存在しなければ、基板１１の表面の焦点検出を正確に行える。そして、第１検出部(４２〜４９)を用いたフォーカス調整により、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることができる。

しかし、第１検出部(４２〜４９)では、照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを横切るようにパターンが存在すると、場合によっては基板１１の表面の焦点検出を正確に行うことができなくなる。そして、第１検出部(４２〜４９)を用いたフォーカス調整では、合焦面に基板１１の表面を正確に一致させることが難しくなる（ＡＦ誤差）。ただし、そのような場合でも、合焦面を含む所定の範囲内に基板１１の表面を追い込むことは可能である。

これに対し、第２検出部(５０〜５６)では、照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを横切るようにパターンが存在しても、重ね合わせマーク１１Ａから発生した光（Ｌ７）に基づいて２つのマーク像６６,６７（図６(ｃ)）を形成し、その間隔に基づいてフォーカス信号を生成するので、エッジ付近のパターンの影響を受けることなく、基板１１の表面の焦点検出を正確に行える。そして、第２検出部(５０〜５６)を用いたフォーカス調整により、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることができる。

したがって、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを横切るようなパターンが存在しない場合、第１検出部(４２〜４９)および／または第２検出部(５０〜５６)によって焦点検出を行えばよく、エッジ付近にパターンが存在する場合は、第２検出部(５０〜５６)のみによって焦点検出を行う、または、第２検出部(５０〜５６)と第１検出部(４２〜４９)とを組み合わせて順に焦点検出を行うことが考えられる。

エッジ付近にパターンが存在し、第２検出部(５０〜５６)と第１検出部(４２〜４９)とを組み合わせて順に焦点検出を行う場合、基板１１の表面のフォーカス調整は、次のような２段階［１］,［２］で行うことが好ましい。
［１］まず、第１検出部(４２〜４９)による焦点検出で生成されたフォーカス信号に基づいてフォーカス調整を行う。このとき、照明領域６０のエッジ付近のパターンの影響で、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることはできないが、合焦面を含む所定の範囲内に基板１１の表面を追い込むことはできる。

このようなラフＡＦには次の利点がある。第１検出部(４２〜４９)を用いるため、基板１１の表面のデフォーカス量（合焦面からの位置ずれ量）が大きくても、ＡＦスリット像６３,６４（図４(ｄ)）の間隔を算出できる限り、合焦面を含む所定の範囲内に基板１１の表面を追い込むことができる。さらに、ＡＦスリット像６３,６４の間隔を求める際の信号処理は１次元の簡単な信号処理で済むため、追い込み処理を高速に行える。

［２］その後、第２検出部(５０〜５６)による焦点検出で生成されたフォーカス信号に基づいて微調整を行う。ラフＡＦの後、第２検出部(５０〜５６)のＡＦセンサ５５の撮像面には、比較的鮮明なマーク像６６,６７（図６(ｃ)）が形成される。そして、このマーク像６６,６７に基づいて生成した強度プロファイル（図６(ｄ)）の波形において、各ピークの明暗差は、マーク像６６,６７の間隔を求める上で十分なコントラストを有する。

このため、第２検出部(５０〜５６)を利用した精密なフォーカス調整（微調整）を良好に行うことができ、照明領域６０のエッジ付近のパターンの影響を受けることなく、第１検出部(４２〜４９)によるＡＦ誤差を補って、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることができる。
このようなファインＡＦは計算に時間を要するが、ファインＡＦの前にラフＡＦを行うため、ラフＡＦを省略する場合と比較して、ファインＡＦにおける調整範囲が狭くなり、基板１１の表面のフォーカス調整（［１］→［２］）における全体的な所要時間を短縮することができる。

上記の２段階［１］,［２］で基板１１の表面のフォーカス調整を行う場合、第１検出部(４２〜４９)と第２検出部(５０〜５６)の各メリットを組み合わせることができ、ＡＦ動作を開始した時点での物体面のデフォーカス量が大きくても、照明領域６０のエッジ付近のパターンの影響を受けることなく、正確かつ高速に基板１１の表面を合焦面に一致させて、ＡＦ動作を完了させることができる。

さらに、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、照明領域６０のエッジ付近にパターンが存在しても、基板１１の表面を合焦面に正確に一致させることができるため、正しいフォーカス位置で正確に各マークの位置検出や位置ずれ量Ｌの算出などを行うことができる。また、基板１１の表面の測定点が異なっても（エッジ付近のパターンの状態が異なっても）、常に、正しいフォーカス位置で正確に各マークの位置検出や位置ずれ量Ｌの算出などを行うことができる。したがって、重ね合わせ測定装置１０のＡＦ誤差に起因する測定誤差を低減できる。

また、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、第１検出部(４２〜４９)の瞳分割ミラー４５で光Ｌ５を分割する際、矩形状の照明領域６０のエッジ６０Ａと平行な方向（エッジ６０Ｂと垂直な方向）に分割するため、ＡＦセンサ４８の撮像面における２つのＡＦスリット像６３,６４の間隔ΔＱを正確に求めることができる。同様に、第２検出部(５０〜５６)の瞳分割ミラー５３で光Ｌ７を分割する際、重ね合わせマーク１１Ａの直線部と平行または垂直な方向（例えばＹ軸方向）に分割するため、ＡＦセンサ５５の撮像面における２つのマーク像６６,６７の間隔を正確に求めることができる。

さらに、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、基板１１の表面の座標軸（Ｘ軸,Ｙ軸）に対して照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを傾斜させると共に、シリンドリカルレンズ４７を用いてＡＦスリット像を一方向に圧縮する（瞳分割ミラー４５における分割とは垂直な方向に圧縮する）ため、照明領域６０の中に含まれるパターン（重ね合わせマーク１１Ａなど）の写り込みの影響を低減しつつＡＦスリット像の光量をかせぐことができる。このため、第１検出部(４２〜４９)において、ＡＦスリット像６３,６４の間隔ΔＱをより正確に求めることができる。第２検出部(５０〜５６)では、マーク像６６,６７を圧縮せずに形成するため、マーク像６６,６７の間隔をより正確に求めることができる。

基板１１の表面の座標軸（Ｘ軸,Ｙ軸）に対する照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂの傾斜角θは、上記の４５度に限らない。傾斜角θを３０度〜６０度の範囲に設定すれば、上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、照明領域６０の形状を長方形とし、その長手方向（エッジ６０Ｂの方向）にＡＦスリット像を圧縮したので、ＡＦスリット像における不要なパターンの写り込みの影響の低減や、ＡＦスリット像の光量増加を、より効果的に行うことができる。ただし、照明領域６０の短手方向（エッジ６０Ａの方向）にＡＦスリット像を圧縮しても構わない。また、照明領域６０の形状は、正方形でも構わない。

さらに、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、第１検出部(４２〜４９)による焦点検出の際にも、第２検出部(５０〜５６)による焦点検出の際にも、共通の照明部(１３〜１９,４０)を用いて、照明領域６０の中に重ね合わせマーク１１Ａを含んだ状態で、照明領域６０と重ね合わせマーク１１Ａとを同時に照明する。そして、第２検出部(５０〜５６)による焦点検出の際には、遮光板５０によって、照明領域６０から発生した光Ｌ２のうち、重ね合わせマーク１１Ａから発生した光Ｌ７を選択した後、この光Ｌ７を瞳近傍で分割して２つのマーク像６６,６７を形成する。したがって、ＡＦ動作と重ね合わせ検査とを同時に行うことができる。この場合、焦点検出用の照明波長と重ね合わせ検査用の照明波長とが同じになり、ブローバンドの照明光Ｌ１で重ね合わせ検査を行いながらＡＦ動作を行うことになる。また、照明部の構成が簡素化する利点もある。

（変形例）
なお、上記した実施形態では、ＡＦ動作と重ね合わせ検査とを同時に行うために、第２検出部(５０〜５６)に遮光板５０を設けたが、本発明はこれに限定されない。ＡＦ動作の後に重ね合わせ検査を行う構成とする場合には、遮光板５０を省略し、これと同様の視野絞り(５０)を照明部(１３〜１９,４０)の視野絞り１６に代えて配置可能とすればよい。この場合、視野絞り１６を配置して第１検出部(４２〜４９)による焦点検出を行い、視野絞り(５０)を配置して第２検出部(５０〜５６)による焦点検出を行い、視野絞り１６を配置して重ね合わせ検査を行うことになる。

また、上記した実施形態では、基板１１の表面の座標軸に対して照明領域６０のエッジ６０Ａ,６０Ｂを傾斜させたが、このエッジ６０Ａ,６０Ｂを座標軸に対し平行または垂直としてもよい。
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせマーク１１Ａがバーマークである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えばボックスマークや十字マークのように１つ以上の直線部を有するマークであれば、第２検出部(５０〜５６)による焦点検出に用いることができる。

また、上記した実施形態では、照明領域６０の中に測定マーク（例えば重ね合わせマーク１１Ａ）を含んだ状態で照明したが、本発明はこれに限定されない。第１検出部(４２〜４９)はスリット投影方式であり、照明領域６０の中に測定マークがなくても焦点検出を行うことができる。このため、照明領域６０の外に測定マークを位置決めし、照明部(１３〜１９,４０)とは別の照明部（上記の視野絞り(５０)を有する構成）によって測定マークを照明しても構わない。

さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、測定マークの位置を検出する装置や、アライメントマークの位置を検出する装置のＡＦ系にも適用できる。

重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。 重ね合わせマーク１１Ａの構成を説明する図である。 基板１１の表面（物体面）における照明領域６０を説明する図である。 第１検出部(４２〜４９)における焦点検出の原理を説明する図である。 重ね合わせマーク１１Ａの周辺にパターン６５が存在する場合の焦点検出を説明する図である。 第２検出部(５０〜５６)における焦点検出の原理を説明する図である。

符号の説明

１０重ね合わせ測定装置 ; １１基板 ; １１Ａ重ね合わせマーク ; １３〜１９,４０照明部 ; １６視野絞り ; １６ａ ＡＦスリット ; ６０照明領域 ; ６０Ａ,６０Ｂエッジ ;
１７〜１９,４０〜５６焦点検出部 ; ４２〜４９第１検出部 ; ５０〜５６第２検出部 ; ４５,５３瞳分割ミラー ; ５０遮光板 ; ４７シリンドリカルレンズ ;
６３,６４ ＡＦスリット像 ; １２ステージ ; ２７ステージ制御部

Claims (5)

1. 物体面の所定の領域を照明し、該領域から発生した光を瞳近傍で分割して該領域の２つの像を形成し、該２つの像の間隔に基づいて、前記物体面のフォーカス状態に関わる信号を生成する第１の処理手段と、
   前記物体面のマークを照明し、該マークから発生した光を瞳近傍で分割して該マークの２つの像を形成し、該２つの像の間隔に基づいて、前記物体面のフォーカス状態に関わる信号を生成する第２の処理手段とを備えた
   ことを特徴とする焦点検出装置。
2. 請求項１に記載の焦点検出装置において、
   前記第１の処理手段は、矩形状の前記領域を照明すると共に、該領域から発生した光の分割を前記領域のエッジと平行または垂直な方向に行い、
   前記第２の処理手段は、１つ以上の直線部からなる前記マークを照明すると共に、該マークから発生した光の分割を前記マークの直線部と平行または垂直な方向に行う
   ことを特徴とする焦点検出装置。
3. 請求項２に記載の焦点検出装置において、
   前記物体面には、前記マークの直線部と平行または垂直な方向に座標軸が設定され、
   前記第１の処理手段は、前記座標軸に対し前記エッジを傾斜させた前記領域を照明すると共に、該領域から発生した光の分割とは垂直な方向に前記領域の像を圧縮して前記２つの像を形成し、
   前記第２の処理手段は、前記マークの像を圧縮せずに前記２つの像を形成する
   ことを特徴とする焦点検出装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の焦点検出装置において、
   前記第１の処理手段と前記第２の処理手段とは、共通の照明部によって前記領域と前記マークとを同時に照明すると共に、前記領域の中に前記マークを含んだ状態で照明し、
   前記第２の処理手段は、前記領域から発生した光のうち、前記マークから発生した光を選択した後、該光を瞳近傍で分割して前記２つの像を形成する
   ことを特徴とする焦点検出装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の焦点検出装置と、
   前記第１の処理手段によって生成された信号に基づいて前記物体面のフォーカス状態を調整した後、前記第２の処理手段によって生成された信号に基づいて前記フォーカス状態を微調整する調整手段とを備えた
   ことを特徴とするオートフォーカス装置。
   

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