JP2011040549A - 検出装置、露光装置及びデバイスの製造方法 - Google Patents

検出装置、露光装置及びデバイスの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】基板に形成された裏面側マーク及び表面側マークを検出することができる検出装置を提供する。
【解決手段】レチクルのパターンが転写される基板の表面側及び裏面側のそれぞれに形成された表面側マーク及び裏面側マークを検出する検出装置であって、前記基板を透過する波長を有する第１の光と前記基板を透過しない波長を有する第２の光とを射出する光源と、光電変換素子と、前記光源から射出した第１の光を前記基板の表面側から前記裏面側マークに照射して前記裏面側マークで反射した第１の光により前記裏面側マークの像を前記光電変換素子の受光面に形成すると共に、前記光源から射出した第２の光を前記基板の表面側から前記表面側マークに照射して前記表面側マークで反射した第２の光により前記表面側マークの像を前記光電変換素子の受光面に形成する光学系と、を有することを特徴とする検出装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、検出装置、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。
半導体素子を製造する際に、レチクル（マスク）に形成された回路パターンを投影光学系によってウエハ等（基板）に投影して回路パターンを転写する露光装置が使用されている。近年、露光装置には、半導体メモリや論理回路などの１次元ＩＣチップだけではなく、３次元積層チップやＭＥＭＳなどの特殊な素子も製造することが要求されている。このような特殊な素子の製造においては、１次元ＩＣチップの製造と比較して、線幅解像度や重ね合わせ精度が緩いが、深い焦点深度が必要となる。
また、露光装置では、特殊工程として、ウエハ（例えば、Ｓｉウエハ）の裏面側に構成されたアライメントマークに基づいて、ウエハの表面側を露光する工程が実施される。かかる工程は、例えば、ウエハの表面側から貫通ヴィアを形成し、ウエハの裏面側の回路と導通させるために必要となる。そこで、ウエハの裏面側のアライメントマークを検出するために、ウエハの裏面側（ウエハチャック側）にアライメント検出系を構成する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２８０２９９号公報
しかしながら、ウエハの裏面側にアライメント検出系を構成した場合には、特定領域（即ち、アライメント検出系の検出領域）に位置するアライメントマークだけしか検出することができない。換言すれば、従来技術では、ウエハ上の任意の位置に配置されるアライメントマークを検出することができない。また、露光装置のアライメント検出系には、ウエハの裏面側のアライメントマークを検出するだけではなく、ウエハの表面側のアライメントマークを検出することも要求される。
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、基板に形成された裏面側マーク及び表面側マークを検出することができる技術を提供することを例示的目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての検出装置は、レチクルのパターンが転写される基板の表面側及び裏面側のそれぞれに形成された表面側マーク及び裏面側マークを検出する検出装置であって、前記基板を透過する波長を有する第１の光と前記基板を透過しない波長を有する第２の光とを射出する光源と、光電変換素子と、前記光源から射出した第１の光を前記基板の表面側から前記裏面側マークに照射して前記裏面側マークで反射した第１の光により前記裏面側マークの像を前記光電変換素子の受光面に形成すると共に、前記光源から射出した第２の光を前記基板の表面側から前記表面側マークに照射して前記表面側マークで反射した第２の光により前記表面側マークの像を前記光電変換素子の受光面に形成する光学系と、を有することを特徴とする。
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、例えば、基板に形成された裏面側マーク及び表面側マークを検出する技術を提供することができる。
本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。 図１に示す露光装置において、ベースラインを求めるための処理を説明するための図である。 図１に示す露光装置において、基準マークのＸ軸方向の位置と基準マークを通過した光の強度との関係を示す図である。 図１に示す露光装置のアライメント検出装置の構成の一例を示す図である。 入射光の波長に対するウエハ（Ｓｉ基板）の透過率を示す図である。 ウエハの断面を模式的に示す図である。 図１に示す露光装置において、アライメント検出装置を重ね合わせ検出装置として用いる場合について説明するための図である。 図１に示す露光装置において、基準マークの構成を模式的に示す断面図である。 ウエハの裏面側に形成された裏面側マークを模式的に示す断面図である。 図１に示す露光装置に適用可能なアライメント検出装置の構成の一例を示す図である。 軸上色収差と可視光及び赤外光との関係を説明するための図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略図である。露光装置１は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクルのパターンをウエハに転写する投影露光装置である。但し、露光装置１は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
露光装置１は、照明光学系１０と、レチクルステージ２５と、アライメントスコープ２７と、投影光学系３０と、ウエハステージ４５と、干渉計５０と、フォーカス位置計測系６０と、アライメント検出装置７０と、制御部８０とを有する。
照明光学系１０は、光源からの光（露光光）を用いて、レチクルステージ２５に保持されたレチクル２０を照明する。レチクル２０は、レチクル２０及びレチクルステージ２５のそれぞれに形成されたレチクルセットマーク（不図示）を同時に検出可能なアライメントスコープ２７によってレチクルステージ２５上に位置決めされる。
アライメントスコープ２７は、露光光を光源とし、レチクル２０の上方で任意の位置に移動することができるように構成され、投影光学系３０の複数の像高において、レチクル２０とウエハ４０の両方を、投影光学系３０を介して検出することが可能である。換言すれば、アライメントスコープ２７は、レチクル２０とウエハ４０の位置を検出することが可能である。なお、投影光学系３０を介してウエハ４０を検出するスコープと、レチクル２０及びレチクルステージ２５のそれぞれに形成されたレチクルセットマークを検出するスコープとを別々に構成してもよい。
投影光学系３０は、レチクル２０のパターンを反映する光をウエハ４０に結像して、ウエハ４０にパターンを形成する。なお、１回の露光でレチクル２０のパターンが転写されるウエハ４０の領域をショットと呼ぶ。
ウエハ４０は、ウエハチャック４７を介して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及びその回転方向に駆動可能なウエハステージ４５に保持される。本実施形態では、ウエハ４０の表面側及び裏面側のそれぞれには、アライメントマーク（表面側マーク及び裏面側マーク）が形成されている。また、ウエハステージ４５には、後述するベースライン計測用の基準マークＲＭやミラー５２が設けられている。ウエハステージ４５の位置は、干渉計５０によって常に測定されている。具体的には、干渉計５０は、レーザ光をミラー５２に照射し、ミラー５２で反射したレーザ光を検出することで、ウエハステージ４５の位置を測定する。
フォーカス位置計測系６０は、ウエハ４０を露光する際に、投影光学系３０によって形成されるレチクル２０のパターンの結像位置（フォーカス位置）に対して、ウエハ４０の位置合わせを行うための計測系である。フォーカス位置計測系６０は、本実施形態では、光源６０１と、レンズ６０２と、スリットパターン６０３と、レンズ６０４と、ミラー６０５と、レンズ６０６と、光電変換素子６０７とを含み、ウエハ４０の表面位置（Ｚ軸方向の位置）を計測する。具体的には、光源６０１から射出した光は、レンズ６０２を介して、スリットパターン６０３を照明する。スリットパターン６０３の像は、レンズ６０４及びミラー６０５を介して、斜め方向からウエハ４０に投影される。ウエハ４０に投影されたスリットパターン６０３の像は、ウエハ４０の表面で反射して、レンズ６０６を介して、ＣＣＤ等の光電変換素子６０７に到達する。そして、光電変換素子６０７で得られるスリットパターン６０３の像の位置からウエハ４０の表面位置を求めることができる。
アライメント検出装置７０は、ウエハ４０に形成されたアライメントマーク（表面側マーク及び裏面側マーク）を検出する。アライメント検出装置７０は、後述するように、ウエハ４０を透過する波長を有する光（第１の光）及びウエハ４０を透過しない波長を有する光（第２の光）を用いて、ウエハ４０に形成された裏面側マーク及び表面側マークの両方を検出することが可能である。
制御部８０は、ＣＰＵやメモリを有し、露光装置１の動作を制御する。例えば、制御部８０は、干渉計５０の測定結果やアライメント検出装置７０の検出結果に基づいて、ウエハ４０に形成されたショットの配列情報を算出する。そして、制御部８０は、ショットの配列情報に基づいて、投影光学系３０によって形成されるレチクル２０のパターンの結像位置とウエハ４０のショットの位置とが一致するように、ウエハステージ４５の位置を制御する。また、制御部８０は、ショットの配列情報の算出する際に必要となるレチクル２０とアライメント検出装置７０との相対的な位置関係（ベースライン）を求めるための処理を実行する。更に、制御部８０は、ウエハステージ４５に設けられた基準マークＲＭを用いて、投影光学系３０（即ち、露光位置）とアライメント検出装置７０との相対的な位置関係（ベースライン）を求めるための処理も実行する。
ここで、図２を参照して、レチクル２０とアライメント検出装置７０とのベースラインを求めるための処理について説明する。図２に示すように、レチクル２０には、位置補正マークとして、キャリブレーションマークＣＭが形成されている。
照明光学系１０は、レチクル２０に形成されたキャリブレーションマークＣＭを照明する。キャリブレーションマークＣＭの開口パターンを通過した光は、投影光学系３０を介して、その開口パターンの像としてウエハ側のベストフォーカス位置に結像する。
ウエハステージ４５に設けられた基準マークＲＭには、キャリブレーションマークＣＭの像（投影像）と同じ大きさの開口パターンが形成されている。基準マークＲＭの開口パターンを通過した光は、基準マークＲＭの下に構成された光電変換素子に到達し、かかる光電変換素子によって、基準マークＲＭの開口パターンを通過した光の強度が検出される。
更に、基準マークＲＭには、アライメント検出装置７０で検出可能な位置検出マークが形成されている。かかる位置検出マークがアライメント検出装置７０の検出領域に位置するようにウエハステージ４５を駆動し、アライメント検出装置７０による位置検出マークの検出結果とそのときの干渉計５０の測定結果に基づいて、位置検出マークの位置を求めることができる。そして、キャリブレーションマークＣＭ及び基準マークＲＭの開口パターンを通過した光の強度、及び、基準マークＲＭに形成された位置検出マークの位置から、レチクル２０とアライメント検出装置７０とのベースラインを求めることが可能である。
投影光学系３０とアライメント検出装置７０とのベースラインを求めるための処理について説明する。まず、レチクル２０に形成されたキャリブレーションマークＣＭを所定の位置（キャリブレーションマークＣＭの開口パターンを通過した光が投影光学系３０に入射する位置）に駆動し、照明光学系１０によって、キャリブレーションマークＣＭを照明する。キャリブレーションマークＣＭの開口パターンを通過した光は、投影光学系３０を介して、その開口パターンの像としてウエハ側の結像位置に結像する。
キャリブレーションマークＣＭの開口パターンの像に対して、基準マークＲＭの開口パターンが一致するように、ウエハステージ４５を駆動する。そして、基準マークＲＭがキャリブレーションマークＣＭの結像位置（ベストフォーカス位置）に配置されている状態で、基準マークＲＭをＸ軸方向に駆動しながら、基準マークＲＭの開口パターンを通過した光の強度を光電変換素子で検出する。
図３は、基準マークＲＭのＸ軸方向の位置と光電変換素子で検出される光の強度との関係を示す図である。図３では、横軸に基準マークＲＭ（の開口パターン）のＸ軸方向の位置を採用し、縦軸に光電変換素子で検出される光の強度を採用している。図３に示すように、キャリブレーションマークＣＭと基準マークＲＭとの相対位置を変化させると、光電変換素子で検出される光の強度も変化する。光電変換素子で検出される光の強度は、キャリブレーションマークＣＭの開口パターンと基準マークの開口パターンとが一致する位置（Ｘ０）で最大となる。光電変換素子で検出される光の強度が最大となる位置Ｘ０を特定し、投影光学系３０によるキャリブレーションマークＣＭのウエハ側の投影像の位置を検出することで、投影光学系３０とアライメント検出装置７０とのベースラインを求めることができる。
なお、複数のキャリブレーションマークＣＭをレチクル２０に形成し、かかる複数のキャリブレーションマークＣＭの位置を基準マークＲＭを用いて求めることで、レチクル２０のパターンの形状（倍率、歪曲）を測定することも可能である。
以下、アライメント検出装置７０について詳細に説明する。図４は、アライメント検出装置７０の構成の一例を示す図である。アライメント検出装置７０は、光源７０２と、コリメータレンズ７０４と、波長フィルタ７０６ａ及び７０６ｂと、リレーレンズ７０８と、偏光ビームスプリッタ７１０と、λ／４板７１２と、対物レンズ７１４とを有する。更に、アライメント検出装置７０は、リレーレンズ７１６と、ダイクロミックミラー７１８と、結像レンズ７２０と、第１の光電変換素子７２２と、結像レンズ７２４と、第２の光電変換素子７２６と、駆動部７２８とを有する。
光源７０２は、ウエハ４０を透過する波長を有する光（第１の光）及びウエハ４０を透過しない波長を有する光（第２の光）を射出する光源であって、例えば、ハロゲンランプを使用する。図５は、入射光の波長に対するウエハ４０（Ｓｉ基板）の透過率を示す図である。図５では、横軸に入射光の波長を採用し、縦軸にウエハ４０の透過率を採用している。図５を参照するに、ウエハ４０は、入射光の波長が１０００ｎｍを超えるあたりから透過率が増加する特性を有している。そこで、本実施形態では、ウエハ４０の裏面側に形成された裏面側マークを検出するための第１の光として、１０００ｎｍ以上の波長を有する赤外光を用いる。また、ウエハ４０の表面側に形成された表面側マークを検出するための第２の光として、１０００ｎｍ未満の波長を有する可視光を用いる。
光源７０２から射出した光は、コリメータレンズ７０４、波長フィルタ７０６ａ又は７０６ｂ及びリレーレンズ７０８を介して、偏光ビームスプリッタ７１０に入射する。波長フィルタ７０６ａは、光源７０２からの光のうち可視光を透過するフィルタであり、波長フィルタ７０６ｂは、光源７０２からの光のうち紫外光を透過するフィルタであって、波長フィルタ７０６ａ及び７０６ｂは、互いに挿脱可能に配置されている。そして、ウエハ４０の表面側に形成された表面側マークを検出する場合には波長フィルタ７０６ａを光路に挿入し、ウエハ４０の裏面側に形成された裏面側マークを検出する場合には波長フィルタ７０６ｂを光路に挿入する。
なお、本実施形態では、波長フィルタ７０６ａ及び７０６ｂを用いているが、赤外光を射出する光源と可視光を射出する光源とを切り替え可能に構成した光源を光源７０２として用いてもよい。換言すれば、可視光と赤外光とを切り替えてウエハ４０に導光できる構成であればよい。
偏光ビームスプリッタ７１０は、紙面に垂直な偏光を有するＳ偏光成分の光を反射してλ／４板７１２に導光する。λ／４板７１２は、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ７１０と共同して、光アイソレータを構成する。λ／４板７１２を通過した光は、円偏光に変換され、ウエハ４０とλ／４板７１２との間に配置された対物レンズ７１４を介して、ウエハ４０をケーラー照明する。
ウエハ４０に形成されたアライメントマークで反射（回折、散乱なども含む）した光は、対物レンズ７１４及びλ／４板７１２を介して、偏光ビームスプリッタ７１０に入射する。偏光ビームスプリッタ７１０に入射する光は、紙面に平行な偏光を有するＰ偏光成分の光に変換されているため、偏光ビームスプリッタ７１０を透過する。
偏光ビームスプリッタ７１０を透過した光は、リレーレンズ７１６を介して、赤外光を透過し、且つ、可視光を反射する特性を有するダイクロミックミラー７１８に入射する。ダイクロミックミラー７１８は、複数の誘電体物質を用いた多層膜で構成してもよいし、図５に示すような透過率特性を有するＳｉ基板で構成してもよい。
ダイクロミックミラー７１８を透過する赤外光ＩＲは、結像レンズ（第１のレンズ）７２０を介して、ウエハ４０の裏面側マークの像を第１の光電変換素子７２２の受光面に形成する。一方、ダイクロミックミラー７１８で反射した可視光ＶＲは、結像レンズ（第２のレンズ）７２４を介して、ウエハ４０の表面側マークの像を第２の光電変換素子７２６の受光面に形成する。
このように、ウエハ４０の裏面側マークに対しては赤外光を、ウエハ４０の表面側マークに対しては可視光を用いることで、ウエハ４０の裏面側マーク及び表面側マークのそれぞれの位置を検出することができる。但し、赤外光及び可視光を用いて、ウエハ４０の裏面側マーク及び表面側マークの両方を検出する場合には、以下のような問題が生じることがある。図６は、ウエハ４０の断面を模式的に示す図であって、図６（ａ）は、可視光ＶＲを用いてウエハ４０の表面側マークＡＭＳを検出する場合を、図６（ｂ）は、赤外光ＩＲを用いてウエハ４０の裏面側マークＡＭＢを検出する場合を示している。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、一般的に、可視光ＶＲによる検出面と赤外光ＩＲによる検出面とは、同じ位置になるように構成されている。従って、例えば、ウエハ４０の裏面側マークＡＭＢを検出するためには、ウエハ４０をＺ軸方向（高さ方向）に駆動しなければならない。上述したように、ウエハ４０を駆動するウエハステージ４５には、低熱膨張材を鏡面加工したミラー５２が設けられているが、ミラー５２には加工誤差が残存している。そのため、干渉計５０からのレーザ光が照射されるミラー５２上の位置によって、干渉計５０で測定されるウエハステージ４５の位置に誤差が含まれることになる。従って、ウエハ４０の裏面側マークＡＭＢを検出するためにウエハ４０をＺ軸方向に駆動した場合には、干渉計５０からのレーザ光が照射されるミラー５２上の位置も変化してしまうため、ウエハステージ４５の位置を正確に測定することが困難になる。
また、フォーカス位置計測系６０は、一般的には、高精度な計測を保証するため、計測範囲が限定されている。従って、ウエハ４０の裏面側マークＡＭＢを検出するためにウエハ４０をＺ軸方向に駆動した場合には、フォーカス位置計測系６０の計測範囲外にウエハ４０を駆動してしまう可能性がある。
そこで、本実施形態では、ウエハ４０の裏面側マークＡＭＢを検出するためのウエハ４０のＺ軸方向への駆動を不要にするために、ウエハ側における赤外光ＩＲの結像位置と可視光ＶＲの結像位置とが異なるように、対物レンズ７１４を構成している。対物レンズ７１４は、一般的には、所定の軸上色収差が補正されている。但し、本実施形態の対物レンズ７１４には、ウエハ４０の裏面側マークＡＭＢで反射した赤外光及び表面側マークＡＭＳで反射した可視光のそれぞれを第１の光電変換素子７２２及び第２の光電変換素子７２６の受光面に結像させるように、軸上色収差を発生させる。
また、本実施形態では、ウエハ４０の厚さに基づいて、結像レンズ７２０をその軸方向に沿って最適な位置に駆動する駆動部７２８を設けている。そして、可視光のフォーカスがウエハ４０の表面側マークに一致する状態において、赤外光を用いてウエハ４０の裏面側マークを第１の光電変換素子７２２で検出する。第１の光電変換素子７２２で得られた画像からコントラストを算出し、かかるコントラストと結像レンズ７２０の位置からベストフォーカス位置を算出する。換言すれば、ウエハ４０の厚さに応じて、結像レンズ７２０の軸方向の位置（ベストフォーカス位置）を求め、かかる位置に結像レンズ７２０を駆動した状態で、赤外光を用いてウエハ４０の裏面側マークの位置を検出する。なお、結像レンズ７２０、リレーレンズ７１６及び対物レンズ７１４を含む光学系をテレセントリックな結像系とすると、駆動部７２８によって結像レンズ７２０を軸方向に駆動しても倍率が変わらないようにすることができる。また、駆動部７２８によって結像レンズ７２０をその軸方向に駆動する際に、結像レンズ７２０がその軸方向とは異なる方向に駆動され、ウエハ４０の裏面側マークがずれてしまう（即ち、ベースライン長の変化してしまう）可能性がある。このような場合には、ウエハステージ４５に設けられた基準マークＲＭを用いて、ベースラインを算出すればよい。このとき、ウエハステージ４５には厚さの異なる複数の基準マークＲＭを設けておき、ウエハ４０の厚さに最も近い基準マークＲＭを用いるとよい。
本実施形態では、駆動部７２８によって結像レンズ７２０をその軸方向に駆動して赤外光のフォーカスを調整する構成について説明したが、例えば、第１の光電変換素子７２２を軸方向に駆動してもよいし、リレーレンズ７１６を軸方向に駆動してもよい。また、結像レンズ７２４をその軸方向に駆動して可視光のフォーカスを調整する構成にしてもよいし、アライメント検出装置７０の光路中に光路長を変更可能な光学部材を設けてもよい。
また、本実施形態では、波長フィルタ７０６ａ及び７０６ｂを用いて、光源７０２から射出された光から可視光と赤外光とを切り出しているが、アライメントの検出条件、即ち、波長の切り出し条件を変更するようにしてもよい。ウエハ４０に形成されたアライメントマークの材質や厚さなどによって干渉条件が変化するため、切り出す波長を変更することで、光電変換素子においてコントラストの高い画像を得ることが可能となる。
なお、アライメント検出装置７０において、波長フィルタ７０６ａ及び７０６ｂは必須な構成ではなく、可視光と赤外光とを同時にウエハ４０に照射したとしても、ダイクロミックミラー７１８で可視光と赤外光とを分離することができる。この場合、可視光と赤外光、即ち、ウエハ４０の表面側マークと裏面側マークとを同時に検出することができる。これにより、アライメント検出装置７０を、ウエハ４０の表面側マークと裏面側マークの重ね合わせ状態を検出する、所謂、重ね合わせ検出装置として用いることが可能となる。
図７を参照して、アライメント検出装置７０を重ね合わせ検出装置として用いる場合について説明する。図７（ａ）は、ウエハ４０の表面側及び裏面側のそれぞれに形成された重ね合わせ検査マークＯＬｓ及びＯＬｂを模式的に示す断面図であり、図７（ｂ）は、重ね合わせ検査マークＯＬｓ及びＯＬｂを模式的に示す上面図である。アライメント検出装置７０を用いて重ね合わせ検査マークＯＬｓと重ね合わせ検査マークＯＬｂとの間の距離Ｓ＝ＤＳ＋ΔＳ＋Ｂを検出することで、重ね合わせ精度を求めることができる。距離Ｓには、重ね合わせ検査マークＯＬｓと重ね合わせ検査マークＯＬｂとの間の距離の設計値ＤＳ、重ね合わせ誤差ΔＳ、赤外光と可視光との検出間距離Ｂが含まれている。赤外光と可視光との検出間距離Ｂは、基準マークＲＭを用いて予め算出されているため、距離Ｓを検出することで、重ね合わせ誤差ΔＳを求めることができる。なお、重ね合わせ検査マークＯＬｓ及びＯＬｂは、重ね合わせ検査マークＯＬｂからの光の広がりを考慮して配置し、重ね合わせ検査マークＯＬｂからの光がノイズとなることを防止する必要がある。
このように、アライメント検出装置７０は、ウエハ４０の表面側に形成された各種マークを可視光を用いて検出する検出系と、ウエハ４０の裏面側に形成された各種マークを赤外光を用いて検出する検出系とを構成している。従って、アライメント検出装置７０は、ウエハ４０の表面側に形成されたマークと裏面側に形成されたマークの両方を検出することができる。また、対物レンズ７１４に軸上色収差を発生させ、ウエハ４０の厚さに基づいて、結像レンズ７２０又は７２４を駆動することで、ウエハ４０のＺ軸方向への駆動が不要となり、ウエハ４０の表面側及び裏面側に形成されたマークを高精度に検出することができる。
ここで、レチクル２０とアライメント検出装置７０とのベースラインを求めるための基準マークＲＭの構成について説明する。図８は、基準マークＲＭの構成を模式的に示す断面図である。基準マークＲＭは、赤外光に対して透過性を有するガラス基板で構成され、キャリブレーションマークＣＭｓを表面側に、キャリブレーションマークＣＭｂを裏面側に有する。基準マークＲＭの厚さｔｇとウエハ４０の厚さｔｓとの関係は、ガラスの屈折率をｎｇ、シリコンの屈折率をｎｓとして、ｔｇ／ｎｇ＝ｔｓ／ｎｓを満たすものとする。厚さの異なる複数のウエハ４０を露光する場合には、厚さの異なる複数の基準マークＲＭを用意し、ｔｇ／ｎｇ＝ｔｓ／ｎｓを満たすウエハ４０の厚さに近い基準マークＲＭを用いるとよい。これにより、キャリブレーションマークＣＭｓ及びＣＭｂのそれぞれを可視光及び赤外光で検出する場合であっても、基準マークＲＭをＺ軸方向に駆動することなく、キャリブレーションマークＣＭｓ及びＣＭｂを検出することが可能となる。なお、本実施形態では、基準マークＲＭをガラス基板で構成しているが、例えば、ウエハ４０と同じＳｉ基板で構成してもよい。この場合、ウエハ４０の厚さと基準マークＲＭの厚さとが同じになることは言うまでもない。
キャリブレーションマークＣＭｓとキャリブレーションマークＣＭｂとの相対位置は、露光装置１の外部で予め測定した値を用いてもよいし、基準マークＲＭを用いてウエハ４０の表面側マーク及び裏面側マークを検出し、露光結果に基づいて補正してもよい。
キャリブレーションマークＣＭｓとキャリブレーションマークＣＭｂとの相対位置を予め測定することで、可視光でベースラインを求め、この相対位置分だけずらせば、赤外光でベースラインを求めることを省略することが可能となる。赤外光は波長が長いため、マークのコントラストが可視光に対して低くなる。マークの検出精度はコントラストに比例して変化するため、コントラストの高い可視光でベースラインを求めることでより高精度な補正を行うことができる。
図９を参照して、ウエハ４０の裏面側マークの検出について具体的に説明する。図９は、ウエハ４０の裏面側に形成された裏面側マークＡＭＢを模式的に示す断面図である。ウエハ４０は、Ｓｉ基板４０Ａとガラス基板４０Ｂとで構成され、Ｓｉ基板４０Ａとガラス基板４０Ｂとは、接着剤やオプティカルコンタクトなどによって、接着されている。また、Ｓｉ基板４０Ａの表面には、フォトレジスト（感光剤）ＲＳが塗布されている。Ｓｉ基板４０Ａの裏面には、裏面側マークＡＭＢが金属等の材料で形成されている。従って、裏面側マークＡＭＢは、Ｓｉ基板４０Ａとガラス基板４０Ｂとの間に位置している。このような裏面側マークＡＭＢに対して赤外光を照射して、裏面側マークＡＭＢで反射した赤外光を検出し、裏面側マークＡＭＢの位置を求める。
上述したように、ウエハ４０は、ウエハチャック４７で真空吸着されている。従来の体露光装置におけるウエハチャックは、裏面側マークＡＭＢに照射された赤外光を反射してしまう可能性があるため、ウエハチャックの表面から反射した赤外光がノイズ光となり、裏面側マークＡＭの像を劣化させることがある。そこで、本実施形態では、ウエハチャック４７を２層構造で構成し、本体部４７Ｂのうちウエハ４０と接する部分に、赤外光の反射を防止する反射防止膜４７Ａを形成している。但し、反射防止膜４７Ａは、ウエハ４０に形成してもよい。反射防止膜４７Ａをウエハ４０に形成する場合には、Ｓｉ基板４０Ａとガラス基板４０Ｂとの間、或いは、ガラス基板４０Ｂの裏面に形成すればよい。また、赤外光の照射による温度上昇を抑制するために、ウエハチャック４７には、冷却機構及び温度センサを構成し、ウエハ４０の収縮を制御するとよい。
更に、Ｓｉ基板４０Ａの表面には、赤外光の反射を防止する反射防止膜を形成するとよい。赤外光に対するＳｉ基板４０Ａの屈折率は、通常のガラスに比べて高いため、Ｓｉ基板４０Ａの表面で反射される赤外光が多くなってしまう（約３０％程度）。従って、裏面側マークＡＭＢで反射された赤外光にＳｉ基板４０Ａの表面で反射された赤外光が重なってしまうため、コントラストが低くなってしまう。そこで、フォトレジストＲＳの下層には、露光光の反射を防止する膜を形成し、更に、かかる膜の下層には、赤外光の反射を防止する膜（ＳｉＯ２膜やＺｎＳ膜）を形成することで、コントラストの高い画像を得ることができる。
アライメント検出装置７０は、ウエハ４０の厚さが一定でない場合でも、結像レンズ７２０をその軸方向に駆動することで、ウエハ４０をＺ軸方向に駆動することなく、ウエハ４０の表面側マーク及び裏面側マークのそれぞれを検出することができる。但し、ウエハ４０の厚さが一定である場合には、図１０に示すように、アライメント検出装置７０よりも簡易な構成を有するアライメント検出装置７０Ａを用いることができる。
図１０を参照するに、ウエハ４０に形成されたアライメントマークで反射（回折、散乱なども含む）した光は、対物レンズ７１４及びλ／４板７１２を介して、偏光ビームスプリッタ７１０に入射する。偏光ビームスプリッタ７１０を透過した光は、リレーレンズ７１６及び結像レンズ７２０Ａを介して、ウエハ４０のアライメントマークの像を光電変換素子７２２Ａの受光面に形成する。
アライメント検出装置７０Ａにおいて、対物レンズ７１４には、可視光と赤外光との間に意図的に軸上色収差を発生させている。具体的には、対物レンズ７１４には、可視光がウエハ４０の表面にフォーカスが合うように、且つ、赤外光がウエハ４０の裏面にフォーカスが合うように、軸上色収差を発生させている。かかる軸上色収差は、ウエハ４０の厚さに起因する表面側マークと裏面側マークとの光路長差を考慮して、裏面側マークで反射した赤外光及び表面側マークで反射した可視光のそれぞれが光電変換素子７２２Ａの受光面に結像させるようにするものである。
例えば、赤外光に対するＳｉの屈折率をｎ（波長１１００ｎｍに対して３．６程度）とし、ウエハ４０の厚さをｔとすると、対物レンズ７１４に発生させる赤外光と可視光との軸上色収差ΔＦは、ΔＦ＝ｔ／ｎを満たせばよい。
図１１は、軸上色収差と可視光及び赤外光との関係を説明するための図である。図１１（ａ）は、ウエハ４０を配置しない状態において、可視光ＶＲに対して赤外光ＩＲをフォーカス方向（Ｚ軸方向）にΔＦだけ意図的にずらした場合を示している。図１１（ｂ）は、厚さｔのウエハ４０を配置した状態において、可視光ＶＲに対して赤外光ＩＲをフォーカス方向（Ｚ軸方向）にΔＦだけ意図的にずらした場合を示している。図１１（ｂ）を参照するに、可視光ＶＲのフォーカスがウエハ４０の表面、赤外光のフォーカスがウエハ４０の裏面にあっていることがわかる。また、赤外光に関しては、ウエハ４０で発生する球面収差を、対物レンズ７１４などのレンズで補正することも可能である。
なお、対物レンズ７１４に発生させる軸上色収差の量は、ウエハ４０をＺ軸方向に駆動することなく、ウエハ４０の表面側マーク及び裏面側マークのそれぞれを検出することが可能であれば、ΔＦ＝ｔ／ｎに限定するものではない。また、対物レンズ７１４に軸上色収差を発生させるのではなく、リレーレンズ７１６など他のレンズに軸上色収差を発生させてもよく、更には、アライメント検出装置７０Ａの光路上に軸上色収差を有する光学部材を配置してもよい。
露光において、光源から発せられた光は、照明光学系１０を介して、レチクル２０を照明する。レチクル２０を通過してマスクパターンを反映する光は、投影光学系３０を介して、ウエハ４０に結像される。この際、ウエハ４０の位置は、上述したアライメント検出装置７０又は７０Ａによる裏面側マークや表面側マークの検出結果に基づいて、高精度に制御されている。従って、露光装置１は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）を提供することができる。なお、デバイスは、露光装置１を用いてフォトレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることにより製造される。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims (9)

  1. レチクルのパターンが転写される基板の表面側及び裏面側のそれぞれに形成された表面側マーク及び裏面側マークを検出する検出装置であって、
    前記基板を透過する波長を有する第１の光と前記基板を透過しない波長を有する第２の光とを射出する光源と、
    光電変換素子と、
    前記光源から射出した第１の光を前記基板の表面側から前記裏面側マークに照射して前記裏面側マークで反射した第１の光により前記裏面側マークの像を前記光電変換素子の受光面に形成すると共に、前記光源から射出した第２の光を前記基板の表面側から前記表面側マークに照射して前記表面側マークで反射した第２の光により前記表面側マークの像を前記光電変換素子の受光面に形成する光学系と、
    を有することを特徴とする検出装置。
  2. 前記光電変換素子は、第１の光電変換素子と、第２の光電変換素子と、を含み、
    前記光学系は、前記裏面側マークの像を前記第１の光電変換素子の受光面に形成すると共に、前記表面側マークの像を前記第２の光電変換素子の受光面に形成することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
  3. 前記光学系は、
    前記裏面側マークで反射した第１の光を前記第１の光電変換素子の受光面に結像させるための第１のレンズと、
    前記表面側マークで反射した第２の光を前記第２の光電変換素子の受光面に結像させるための第２のレンズと、
    を含むことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
  4. 前記光学系は、前記基板の厚さに基づいて、前記第１のレンズ又は前記第２のレンズをその軸方向に沿って駆動する駆動部を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
  5. 前記基板と前記光学系との間に配置され、前記第１の光の結像位置と前記第２の光の結像位置とが異なるように構成された対物レンズを更に有することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
  6. 前記対物レンズは、前記裏面側マークで反射した第１の光を前記第１の光の波長に応じて前記光電変換素子の受光面に結像させるように、且つ、前記表面側マークで反射した第２の光を前記第２の光の波長に応じて前記光電変換素子の受光面に結像させるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
  7. レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系と、
    前記基板を保持するステージと、
    前記基板の表面側及び裏面側のそれぞれに形成された表面側マーク及び裏面側マークを検出する検出装置と、
    前記検出装置の検出結果に基づいて、前記ステージの位置を制御する制御部と、
    を有し、
    前記検出装置は、請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の検出装置を含むことを特徴とする露光装置。
  8. 前記検出装置と露光位置との関係を計測するための基準マークを更に有し、
    前記基準マークは、前記基板と高さが一致するように、前記ステージに配置されていることを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
  9. 請求項７又は８に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
    露光された前記基板を現像するステップと、
    を有することを特徴とするデバイスの製造方法。
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