JP2015220343A - 検出装置、リソグラフィ装置、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度の向上に有利な検出装置を提供する。
【解決手段】この検出装置は、周期構造を有するマーク２を検出するものであり、マーク２に光を照射する照明光学系と、照明光学系とマーク２との相対位置を計測方向に変化させているときにマーク２からの回折光を受光する受光光学系１１と、受光光学系１１からの回折光を検出する受光素子１６とを有する。ここで、計測方向における受光光学系１１の開口数は、マーク２が形成されている面内の非計測方向における受光光学系の開口数よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、検出装置、リソグラフィ装置、および物品の製造方法に関する。

半導体デバイスや液晶表示デバイスなどの製造工程に含まれるリソグラフィ工程において、露光装置が用いられる。露光装置は、原版（レチクルなど）に形成されているパターンを、投影光学系などを介して基板（表面にレジスト層が形成されたウエハやガラスプレートなど）に転写する装置である。このような露光装置は、その内部に設置されているアライメント計測系（検出装置）を用いて、基板上に存在するパターン形成領域と原版に形成されているパターンの位置を位置合わせした後に露光を行う。例えば、半導体露光装置でのアライメント計測では、ウエハ上に形成されているマーク（アライメントマーク）に照明光を照射し、当該マークからの光を光電変換素子にて検出する方式が採用される。しかしながら、この計測方式では、検出されたマークの光学像の形状が歪んでいたり、または光電変換素子が出力した信号波形である計測信号（アライメント信号）のコントラストが低下したりしていると、高精度な計測ができない場合がある。そこで、特許文献１は、マークをドット状に配置して回折光を発生させ、ドットパターン形成領域で発生する計測光の光量を制御することにより、マークの光学像の結象性能を向上させる半導体装置を開示している。特許文献２は、ＴＴＬ方式のアライメント計測系を採用し、特許文献１と同様にマークから発生した回折光を光路中に設置された光学フィルターの範囲外に光を通すことにより、マークの光学像の結象性能を向上させる投影露光装置を開示している。これに対して、特許文献３は、ウエハ上に露光された回路パターンとマークとのエッチングレートまたはＣＭＰの研磨量を揃えるための条件を満たしつつ所望の計測精度を得るよう、マークをセグメント化している半導体装置を開示している。

特開２００１−４４１０５号公報 特許第３４４８６７３号公報 特開２０１１−９２５９号公報

ここで、特許文献１および２に開示されている技術を踏まえ、特許文献３で検討されているエッチングレートまたはＣＭＰの研磨量を揃えることを考える。上記の技術でエッチングレート等を揃えようとすると、ウエハ上のマーク（パターン）が形成されている領域と形成されていない領域との段差が、ＣＭＰプロセス等を経ることにより低くなる。このように段差が低くなると、２つの領域から得られる計測光の光量差が小さくなるので、上記技術を採用したとしても、計測信号のコントラストの低下を招き得る。また、マークの段差量とそのマーク上に塗布されるレジストの厚さとの関係によっては、レジスト表面で発生する反射光とマークで発生する反射光との干渉により反射光の強度が低下する場合があるので、この場合にも計測信号のコントラストの低下を招き得る。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、計測精度の向上に有利な検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、周期構造を有するマークを検出する検出装置であって、マークに光を照射する照明光学系と、照明光学系とマークとの相対位置を計測方向に変化させているときにマークからの回折光を受光する受光光学系と、受光光学系からの回折光を検出する受光素子と、を有し、計測方向における受光光学系の開口数は、マークが形成されている面内の非計測方向における受光光学系の開口数よりも大きい、ことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、計測精度の向上に有利な検出装置を提供することができる。

第１実施形態に係る検出装置を含む露光装置の構成を示す図である。 第１実施形態に係る検出装置の構成を示す図である。 ウエハアライメントマークの形状を示す図である。 図３（ａ）のアライメントマークの平面および断面の形状を示す図である。 第１実施形態における結像光学系内の開口絞りの形状を示す図である。 第１実施形態における結像光学系内での計測光の光路を示す図である。 アライメント計測信号の波形を示すグラフである。 レチクルアライメントマークの形状を示す図である。 第１実施形態に係る他の検出装置の構成を示す図である。 第３実施形態に係る検出装置の構成を示す図である。 第３実施形態における受光光学系内での計測光の光路を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態に係る検出装置と、この検出装置を備える露光装置について説明する。図１は、本実施形態に係る露光装置１００の構成を示す概略図である。露光装置１００は、例えば、半導体デバイスの製造工程におけるリソグラフィ工程で使用されるものであり、ステップ・アンド・リピート方式にて、レチクルＲに形成されているパターンの像をウエハＷ上（基板上）に露光（転写）する投影型露光装置である。なお、図１では、投影光学系１１１の光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な同一平面内で露光時のウエハＷの走査方向（レチクルＲとウエハＷとの相対的な移動方向）にＸ軸を取り、Ｘ軸に直交する非走査方向にＹ軸を取っている。露光装置１００は、照明系１０１と、レチクルステージ１１０と、投影光学系１１１と、ウエハステージ１０４と、アライメント計測系１０５と、制御部１０２とを備える。

照明系１０１は、不図示の光源（レーザー光源）から出射された光を調整してレチクルＲを照明する。レチクルＲは、ウエハＷ上に転写されるべきパターン（例えば回路パターン）が形成された、例えば石英ガラス製の原版である。レチクルステージ１１０は、レチクルＲを保持してＸ、Ｙの各軸方向に可動である。投影光学系１１１は、レチクルＲを通過した光を所定の倍率（例えば１／２倍）でウエハＷ上に投影する。ウエハＷは、表面上にレジスト（感光剤）が塗布された、例えば単結晶シリコンからなる基板である。ウエハステージ１０４は、ウエハチャック３を介してウエハＷを保持し、Ｘ、Ｙ、Ｚ（それぞれの回転方向であるωｘ、ωｙ、ωｚを含む場合もある）の各軸方向に可動である。

図２は、アライメント計測系１０５の構成を示す概略図である。アライメント計測系１０５は、本実施形態でいう検出装置であり、ウエハステージ１０４上に保持された状態のウエハＷ上（物体上）に形成されているマーク（ウエハアライメントマーク）２の位置を計測する。なお、マーク２の形状については、以下で詳説する。また、マーク２は、Ｘ軸方向計測用とＹ軸方向計測用との２種類が存在する。そして、アライメント計測系１０５も、Ｘ軸方向計測用のマーク２を計測（検出）する系とＹ軸方向計測用のマーク２を計測（検出）する系との２つの計測系（検出系）と、それぞれに対応する検出器１６とを有する。なお、これら２つの計測系による計測原理は、基本的に同一である。そこで、説明の簡単化のために、以下、Ｘ軸方向計測用のマーク２とそれを計測する計測系とについて説明するものとする。

アライメント計測系１０５は、照明光学系５と、結像光学系（受光光学系）１１と、検出器１６とを有し、結像光学系１１の一部は、照明光学系５も兼ねる。照明光学系５は、例えば、シリンドリカルレンズを含み、アライメント計測用の照明光として光源４から出射された光をＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１７およびλ／４板１８を介してウエハＷ上のマーク２に照射（照明）する。結像光学系１１は、対物レンズ７、λ／４板１８、ＰＢＳ１７、リレーレンズ８、視野絞り１２、エレクターレンズ９および開口絞り１３を含む。そして、結像光学系１１は、照明光学系５による照明光の照射により発生したマーク２の光学像（反射光、回折光または散乱光を含む計測光）を検出器１６の検出面に所定の倍率（例えば１００倍）で結像させる。ここで、検出器（受光素子）１６は、ＣＣＤセンサまたはフォトダイオード等の光電変換素子（光電変換器）である。なお、開口絞り１３の形状については、以下で詳説する。アライメント計測系１０５は、Ｘ軸方向計測用のマーク２との相対位置をＸ軸方向に変化させつつ（例えばアライメント計測系１０５に対してウエハステージ１０４を走査させつつ）、計測光を計測（検出器１６が検出）する。検出器１６は、得られた計測信号（アライメント信号）を信号処理部１０６に出力する。

制御部１０２は、主制御部１０７と、信号処理部１０６とを含む。主制御部１０７は、例えばコンピューターなどで構成され、露光装置１００の各構成要素に回線を介して接続されて、プログラムなどに従って各構成要素の動作を統括し得る。信号処理部１０６は、アライメント計測系１０５の検出器１６から得られた計測信号に基づいてマーク２の位置を求め、その結果を主制御部１０７に送信する。主制御部１０７は、信号処理部１０６から得られた位置結果をウエハステージ１０４の制御用データとし、露光時のウエハステージ１０４の動作を制御する。なお、制御部１０２は、露光装置１００の他の部分と一体で（共通の筐体内に）構成してもよいし、露光装置１００の他の部分とは別体で（別の筐体内に）構成してもよい。また、信号処理部１０６は、アライメント計測系１０５の構成要素として制御部１０２とは別体で構成されつつ、制御部１０２に回線を介して接続されるものであってもよい。

次に、マーク２の形状について説明する。以下、Ｘ軸方向計測用のマーク２について説明するが、Ｙ軸方向計測用も同様である。図３は、マーク２の形状を示す斜視図である。このうち、図３（ａ）は、ライン・アンド・スペース状の複数（本実施形態では４本）のパターンで構成される、第１の例としての周期構造を有するマーク２の形状を示す図である。図中黒塗りで示されるパターンは、Ｘ軸方向にピッチＰ１で周期的にウエハＷ上の一部に並列に形成されている。照明光学系５を用いてマーク２上に照明される照明光の形状（照射領域）は、図３（ａ）に示す照明光２０のように、Ｘ軸方向については短軸、Ｙ軸方向については長軸となる楕円状となる。

図４は、図３（ａ）に示すマーク２の形状を平面と断面とで示す図である。図４（ａ）に示すように、１つのパターンの寸法は、例えば、計測方向であるＸ軸方向に幅ａ＝４μｍで、非計測方向であるＹ軸方向に長さｂ＝３０μｍの矩形マークであり、４本のパターンは、Ｘ軸方向にピッチＰ１＝２０μｍで並んでいる。また、パターンの断面形状は、図４（ｂ）に示すように、それぞれエッチングで形成される凹形である。なお、実際には露光前にマーク２上にレジストが塗布されるが、不図示としている。

図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すような１本のパターンをさらにセグメント化した複数のパターンで構成される、第２の例としての周期構造を有するマーク２の形状を示す図である。図中黒塗りで示されるパターンは、Ｘ軸方向に第１のピッチＰ１で、かつＹ軸方向に第２のピッチ（セグメントピッチ）Ｐ２で周期的にウエハＷ上の一部に並列に形成されている。この場合、パターンを構成するＹ軸方向にセグメント化された１つの領域（黒塗り領域）におけるＹ軸方向の線幅は、Ｘ軸方向の最小線幅の３倍以下とすることが望ましい。そして、照明光学系５を用いてマーク２上に照明される照明光の形状は、図３（ｂ）に示す照明光２０のように楕円である。具体的には、照明光２０のＸ軸方向の寸法は、照明光２０を受光したときに、マーク２で回折光がＸＺ面を含むＸ軸方向には発生せず、反射光のみが発生するように、ピッチＰ１よりも小さく設定されている。一方、照明光２０のＹ軸方向の寸法は、照明光２０を受光したときに、マーク２でＹ軸方向に回折光が発生するように、複数の黒塗り領域を照射し得る大きさとする。以下、便宜上、図３（ｂ）に示す第２の例を「セグメント化されたマーク２」と表現するのに対して、図３（ａ）に示す第１の例を「セグメント化されていないマーク２」と表現する。

次に、開口絞り１３の形状について説明する。図５は、検出器１６側から見た開口絞り１３の平面形状を示す図である。また、図６は、図３（ｂ）に示すセグメント化されたマーク２で発生する反射光と回折光との主光線を示した結像光学系１１内での計測光の光路を示す概略図である。このうち、図６（ａ）は、結像光学系１１を計測方向であるＸ軸方向から見た図であり、図６（ｂ）は、結像光学系１１を非計測方向であるＹ軸方向から見た図である。なお、マーク２のエッジ部で発生する散乱光は、微量のため無視している。

まず、図６（ａ）に示すように、対物レンズ７のＮＡ（開口数）の範囲内で照明された照明光２０を受けてマーク２で反射する計測光２１は、同じく対物レンズ７のＮＡの範囲内で取り込まれ、結像光学系１１を経て検出器１６へと向かう。その上で、開口絞り１３が有する開口の形状は、図５に示すように、ＸＺ面方向にマーク２で発生した正反射光からなる第１計測光２１が開口を通過して検出器１６に向かい得るように規定される。

一方、図６（ｂ）に示すように、照明光２０を受けてＹＺ面を含むＹ軸方向にマーク２で発生する第２計測光は、２種類に分かれる。１つ目は、対物レンズ７のＮＡの範囲外に進む第２Ａ計測光２２である。２つ目は、対物レンズ７のＮＡの範囲内に入る第２Ｂ計測光２３であるが、この第２Ｂ計測光２３は、さらに、開口絞り１３で遮蔽される第２Ｂ_１計測光２４と、開口絞り１３の開口を通過して検出器１６に入射する第２Ｂ_２計測光２５とに分かれる。本実施形態では、このようにマーク２のＹ軸方向に発生する計測光である第２Ｂ計測光の一部を遮蔽させるために、結像光学系１１のＮＡは、Ｙ軸方向の方がＸ軸方向の方よりも小さくなるように規定される。具体的には、開口絞り１３が有する開口の形状を、図５に示すような楕円状とし、開口幅は、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向の方（Ｄ２）が狭いものとする。

ここで、比較のために、図３（ａ）に示すようなセグメント化されていないマーク２を従来のアライメント計測系で計測する場合について説明する。図３（ａ）を参照すると、マーク２上に照明光２０が照射されている状態でマーク２がＸ軸方向に走査すると、検出器１６は、黒塗りの部分であるパターンからの計測光と、パターン以外の領域からの計測光とを交互に計測する。図７は、図４に示すマーク２の形状に対応した、マーク２の光学像を従来のアライメント計測系が計測して得られた計測信号の波形を示すグラフである。ここで、マーク２のパターンが上記のとおり凹部で構成され、かつウエハＷ上（マーク２上）にはレジストが塗布されているものとする。このとき、レジストの表面反射光とマーク２の表面反射光とが干渉し、レジストの厚さ、または凹部とパターン以外の領域との段差量によっては、凹部からの計測光の光量と、パターン以外の領域からの計測光の光量が同等となる。その結果、検出器が出力する計測信号のコントラスト（周期的に繰り返されるパターンとパターン以外の領域とからの信号強度間のコントラスト）が低下し、アライメント計測系は、計測信号を精度良く得ることができない場合がある。

そこで、本実施形態では、アライメント計測系１０５は、上記のような開口絞り１３を有するものとする。さらに望ましくは、ウエハＷ上には、アライメント計測を実施する前に、予め図５に示すようなセグメント化されたマーク２が形成されているものとする。

次に、マーク２でＸ軸方向およびＹ軸方向に発生し得る複数の次数の回折光と、対物レンズ７のＮＡとの関係から、開口絞り１３の形状とその作用について説明する。マーク２で発生し得る回折光の回折角をθ、回折次数（整数）をｍ、照明光２０の波長をλ、マーク２のピッチをＰとすると、式（１）が成り立つ。
ｓｉｎθ＝ｍ×λ／Ｐ （１）
以下、対物レンズ７のＮＡが０．４、マーク２のピッチＰ２が１．５９μｍ、マーク２のピッチＰ１が１０．０μｍ、照明光２０の波長λが０．６３２μｍであると想定する。

まず、非計測方向であるＹ軸方向に発生し得る回折光の回折角θ１は、照明光２０が垂直入射の場合、式（１）より、式（２）が成り立つ。
ｓｉｎθ１＝ｍ×０．６３２／１．５９ （２）
式（２）より、±１次の回折光においては、回折角が±２３．４度となり、対物レンズ７には、正反射光および±１次の回折光のみが入射することになる。また、照明光２０の中で、Ｆｕｌｌ ＮＡの角度（図６（ｂ）で見ると、対物レンズ７の光出射面の左斜め上からの照明光）で照明された照明光に対して、正反射光および＋１次の回折光は、対物レンズ７の計測ＮＡ内に入る。一方、−１次の回折光は、対物レンズ７の計測ＮＡの範囲外に進み、検出器１６には向かわない。なお、回折光の符号は、正反射光に対して反時計回りの方向に発生する回折光の次数をプラスとしている。

一方、計測方向であるＸ軸方向に発生する回折光の回折角θ２は、上記と同様に、照明光２０が垂直入射の場合、式（１）より、式（３）が成り立つ。
ｓｉｎθ２＝ｍ×０．６３２／１０．０ （３）
式（３）より、対物レンズ７は、Ｘ軸方向に発生した±６次程度の回折光まで取り込むことができる。

ここで、上記のような寸法であるマーク２に対して、φＤ１の径を有する対物レンズ７の射出瞳１４が、開口絞り１３の位置に結像倍率βで結像されるものとする。この場合、開口絞り１３の開口のＹ軸方向の幅Ｄ２（図５参照）を、式（４）に示す条件を満たすように設定すれば、開口絞り１３は、Ｙ軸方向に発生する計測光の一部を好適に遮蔽することができる。
Ｄ２＜Ｄ１×β （４）

これにより、マーク２のパターン（凹部）で発生した後に検出器１６に入射する計測光の光量は、パターン以外の領域で発生したものの計測光の光量よりも減少する。したがって、アライメント計測系１０５は、従来のアライメント計測系に比べてコントラスト値が高い計測信号を得るので、計測精度を向上させることができる。

なお、第２の例のマーク２の非計測方向についての光学像は、開口絞り１３による計測ＮＡの低下により、セグメントピッチに対する解像性能が解像限界以下となる。したがって、検出器１６は、セグメント化されている個々のパターンを判別できず、通常、光量が一様な光学像としてマーク２を計測する。また、アライメント計測系１０５は、計測方向の計測ＮＡの大きさは、上記のように、開口絞り１３による回折光の遮蔽がないようにＦｕｌｌ ＮＡの状態に設定されている。したがって、検出器１６は、マーク２の光学像における濃淡部分の境界においても、その強度分布の立ち上がりがシャープな光学像を得ることができる。

また、上記説明では、検出装置として、ウエハＷ上のマーク（ウエハアライメントマーク）２を計測するアライメント計測系１０５を例示した。しかしながら、本発明は、これに限定されず、例えば、ＥＵＶ露光装置に採用され得る反射型レチクルに予め形成されているマーク（レチクルアライメントマーク）を計測するレチクルアライメント計測系にも適用し得る。ここで、ＥＵＶ露光装置とは、波長５〜１５ｎｍの軟Ｘ線領域の光（ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光）を露光光として用いる露光装置であり、最小線幅を１００ｎｍとし得る。なお、ここでいうレチクルアライメント計測系の構成は、第１実施形態に係るアライメント計測系１０５と基本的に同一であるので、以下、同一構成には同一の符号を付す。

図８は、反射型レチクル上に形成されているマーク６０の形状と、マーク６０における入射光および回折光の進行方向とを示す斜視図である。このうち、図８（ａ）は、第１実施形態における図３（ａ）に示すマーク２と同一形状である、第１の例としてのセグメント化されていないマークを示している。一方、図８（ｂ）は、第１実施形態における図３（ｂ）に示すマーク２と同一形状である、第２の例としてのセグメント化されているマークを示している。マーク６０において、図中黒塗りで示されるパターンは、例えば、Ｃｒ（クロム）で描画されたものである。また、図８では、マーク６０の全体に一様に照明光が照射されており、説明の簡単化のために、Ｃｒ領域（パターン）と非Ｃｒ領域（パターン以外の領域）とに照射される光の代表的なものとしての入射光４５を示している。

ここで、図８（ａ）に示す第１の例のマーク６０では、計測光の波長に対するＣｒ領域における反射率（入射光４５に対する回折光４６の光量比）が４０％で、Ｃｒ領域以外における反射率（入射光４５に対する回折光４７の光量比）が５０％であるとする。これに対して、図８（ｂ）に示す第２の例のマーク６０では、入射光４５に対して発生する回折光は、ＺＸ面上に発生する回折光４８だけではなく、ＹＺ面上にも発生する回折光４９、５０となる。回折光４９、５０は、その回折角が対物レンズ７の開口角よりも大きくなるようにＹ軸方向のピッチＰ２が設定されているため、検出器１６に入射することはない。したがって、マーク６０の形状を第２の例のようにすると、第１の例の場合に比べて、Ｃｒ領域で発生し、かつ検出器１６に入射する回折光の総光量が減少するので、検出器１６上でのＣｒ領域と非Ｃｒ領域との信号コントラストがより向上する。

以上のように、本実施形態によれば、計測精度の向上に有利な検出装置を提供することができる。また、本実施形態に係る検出装置を用いた露光装置（リソグラフィ装置）によれば、アライメント計測をより高精度に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る検出装置について説明する。第１実施形態に係る検出装置であるアライメント計測系１０５は、非計測方向のＮＡを計測方向の方よりも小さくするように、楕円形の開口を有する開口絞り１３を用いて、マーク２で非計測方向に発生した回折光が検出器１６に入射しないようにする。これに対して、本実施形態に係る検出装置であるアライメント計測系の特徴は、結像光学系を構成する光学素子（レンズ）の外形形状を変えることで、非計測方向の結像光学系のＮＡを計測方向の方よりも小さくする。

図９は、図３（ｂ）に示すセグメント化されたマーク２で発生する反射光と回折光との主光線を示した、本実施形態に係る検出装置としてのアライメント計測系に含まれる結像光学系６１の構成を示す概略図である。このうち、図９（ａ）は、結像光学系６１を計測方向であるＸ軸方向から見た図であり、図９（ｂ）は、結像光学系６１を非計測方向であるＹ軸方向から見た図である。なお、結像光学系６１の各構成要素について、第１実施形態に係るアライメント計測系１０５の結像光学系１１の構成要素と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する。また、本実施形態に係るアライメント計測系の照明光学系は、不図示であるが、第１実施形態に係るアライメント計測系１０５の照明光学系５と同一であるものとする。

結像光学系６１では、まず、第１実施形態における開口絞り１３に対応する開口絞り６２の開口形状は、円である。次に、開口絞り６２の近傍に配置される第１実施形態におけるエレクターレンズ９に対応するエレクターレンズ６３の前群レンズの形状は、非計測方向についての回折光が検出器１６に入射しないよう、光軸を基準として両端をＸ軸方向に平行に切り欠いたものとする。アライメント計測系をこのような構成とした本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、非計測方向の結像光学系のＮＡを計測方向の方よりも小さくするための光学素子は、このような切り欠きを有するエレクターレンズ６３に限らず、例えば、シリンドリカルレンズまたはトーリックレンズとして、ＮＡを調整するものとしてもよい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る検出装置について説明する。第１実施形態に係る検出装置であるアライメント計測系１０５は、結像光学系１１を含むことからも明らかなように、マーク２の光学像を検出器１６が検出する構成を有する。これに対して、本実施形態に係るアライメント計測系の特徴は、結像光学系を含まず、マーク２からの光量のみを検出器４４が検出する受光光学系を有するものとして、上記の各実施形態の技術を適用する点にある。

図１０は、本実施形態に係る検出装置としてのアライメント計測系２０５の構成を示す概略図である。アライメント計測系２０５は、上記の各実施形態と同様に、例えば露光装置１００に、アライメント計測系１０５に換えて設置され得る。なお、ウエハＷ（不図示）上に形成されているマーク２の形状は、第１実施形態における図３（ｂ）に示すセグメント化されたものとし、第１実施形態と同様に、以下、Ｘ軸方向計測用のマーク２と、それを計測する計測系とについて説明するものとする。

アライメント計測系２０５は、互いに波長が異なる複数の光源（例えばＬＤまたはＬＥＤ）２８、２９、３０および光源２８、２９、３０ごとに配置される複数のコリメーターレンズ３１、３２、３３と、複数の光学素子と、検出器４４とを備える。なお、複数の光源は、複数のＬＤまたはＬＥＤからなる多波長光源ではなく、単一波長からなる１個のＬＤまたはＬＥＤで構成されていてもよい。まず、すべての光源２８、２９、３０を同時または１つもしくは２つの光源を選択して発光させることで出射した光は、各コリメーターレンズ３１、３２、３３で平行光となる。ダイクロイックプリズム３４は、各平行光を同一光軸上に揃え、コリメーターレンズ付きのファイバー３５に入射させる。ファイバー３５を出射した発散光は、コリメーターレンズ３６、シリンドリカルレンズ３７、ＰＢＳ３８、λ／４板３９および開口絞り４０を順に通過し、対物レンズ４１で集光された後、マーク２に照射される。このとき、マーク２上に照射される照射光の形状は、第１実施形態において説明したのと同様に、Ｘ軸方向については短軸、Ｙ軸方向については長軸となる楕円状となる。コリメーターレンズ３６、シリンドリカルレンズ３７および対物レンズ４１の組み合わせにより、Ｘ軸方向には、ウエハＷに対してクリティカル照明となって集光光が照射され、Ｙ軸方向には、ウエハＷに対してケーラー照明となって平行光が照射される。そして、マーク２で反射光および回折光は、計測光として、対物レンズ４１、開口絞り４０、λ／４板３９、ＰＢＳ３８およびシリンドリカルレンズ４３を順に通過して、検出器（光電変換素子）４４で計測される。

次に、アライメント計測系２０５における開口絞り４０の形状について具体的に説明する。図１１は、図３（ｂ）に示すセグメント化されたマーク２で発生する反射光と回折光との主光線を示した受光光学系内での計測光の光路を示す概略図である。このうち、図１１（ａ）は、受光光学系を計測方向であるＸ軸方向から見た図であり、図１１（ｂ）は、受光光学系を非計測方向であるＹ軸方向から見た図である。

まず、図１１（ａ）では、平行光がＰＢＳ３８に入射した後、反射面で９０度進行方向が変わり、対物レンズ４１で集光されてマーク２にクリティカル照明されている状態を示している。集光後の照明光の寸法は、Ｘ軸方向に回折光が発生しないように、マーク２のピッチＰ１より小さくなるように設定される。そして、マーク２をＸ軸方向に走査させたときには、集光して照明した領域から得られる反射光のみが対物レンズ４１の計測ＮＡの範囲に入り、その計測光が再び、開口絞り４０、λ／４板３９、ＰＢＳ３８を透過し、検出器４４へと向かう。

一方、図１１（ｂ）では、平行光で垂直落斜した光が、Ｙ軸方向にセグメント化されているマーク２で反射光および回折光が発生している状態を示している。コリメーターレンズ３６で平行光となった光は、ウエハＷに対してケーラー照明となるように配置されたシリンドリカルレンズ３７および対物レンズ４１を通過し、Ｙ軸方向にブロードとなる平行光がマーク２に照射される。ここで、マーク２にスポット光を照射せず、Ｙ軸方向に広範囲なブロード光を照射して計測光を計測する理由は、以下のとおりである。すなわち、マーク２に局所的な欠陥があり、その部分から得られる計測光にＷＩＳ（Ｗａｆｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｈｉｆｔ）エラーが発生しているとしても、平均化効果によりＷＩＳエラーの影響が軽減されるからである。そして、特に本実施形態では、対物レンズ４１とλ／４板３９との間に開口絞り４０が配置され、かつ、開口絞り４０が有する開口の形状を楕円状とし、開口幅は、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向の方が狭い。したがって、Ｙ軸方向のプラス側とマイナス側とに発生する±１次の回折光は、開口絞り４０にて遮蔽され、反射光のみが検出器４４で計測される。

このように、マーク２のパターン（凹部）とパターン以外の領域とからそれぞれ得られる計測光の光量が同等の場合には、パターンで発生する計測光の一部は、回折光となる。そして、その回折光は、開口絞り４０で遮蔽されるので、パターンで発生する計測光の光量は、パターン以外の領域で発生する計測光の光量よりも少なくなる。その結果、上記の各実施形態と同様に、計測光のコントラストが向上し、計測精度が向上に有利となる。

なお、上記各実施形態では、リソグラフィ装置として露光装置の例を説明したが、リソグラフィ装置は、それに限らず、他のリソグラフィ装置であってもよい。例えば、電子線のような荷電粒子線で基板（上の感光剤）に描画を行う描画装置であってもよく、または基板上のインプリント材を型（モールド）で成形（成型）して基板上にパターンを形成するインプリント装置等であってもよい。

（物品の製造方法）
一実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。当該製造方法は、物体（例えば、感光剤を表面に有する基板）上に上記のリソグラフィ装置を用いてパターン（例えば潜像パターン）を形成する工程と、該工程でパターンを形成された物体を処理する工程（例えば、現像工程）とを含み得る。さらに、該製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど）を含み得る。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形または変更が可能である。

５ 照明光学系
１１ 結像光学系
１６ 検出器
１０５ アライメント計測系

Claims (8)

1. 周期構造を有するマークを検出する検出装置であって、
   前記マークに光を照射する照明光学系と、
   前記照明光学系と前記マークとの相対位置を計測方向に変化させているときに前記マークからの回折光を受光する受光光学系と、
   前記受光光学系からの前記回折光を検出する受光素子と、を有し、
   前記計測方向における前記受光光学系の開口数は、前記マークが形成されている面内の非計測方向における前記受光光学系の開口数よりも大きい、
   ことを特徴とする検出装置。
2. 前記受光光学系は、開口絞りを有し、
   前記開口絞りの開口の寸法は、前記非計測方向の方が前記計測方向の方よりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記受光光学系は、光学素子を有し、
   前記光学素子の外形の寸法は、前記受光光学系の前記非計測方向の開口数が前記計測方向の開口数よりも小さくなるように、前記計測方向と前記非計測方向とで異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
4. 前記マークは、ライン・アンド・スペース状に形成されるパターンを含み、
   前記パターンは、前記計測方向に第１のピッチで並列し、かつ、前記非計測方向に第２のピッチでセグメント化されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の検出装置。
5. 前記パターンを構成する前記非計測方向にセグメント化された１つの領域における前記非計測方向の線幅は、前記計測方向の最小線幅の３倍以下であることを特徴とする請求項４に記載の検出装置。
6. 前記マークに照射される前記光の前記計測方向における照射領域は、前記第１のピッチよりも小さく、かつ、
   前記マークに照射される前記光の前記非計測方向における照射領域は、前記マークで前記非計測方向に回折光が発生するように、複数の前記領域を照射する大きさである、
   ことを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
7. パターンを基板に形成するリソグラフィ装置であって、
   前記基板に形成された前記周期構造を有するマークを検出する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の検出装置を有する、
   ことを特徴とするリソグラフィ装置。
8. 請求項７に記載のリソグラフィ装置を用いてパターンを基板に形成する工程と、
   前記工程で前記パターンを形成された基板を処理する工程と、
   を含むことを特徴とする物品の製造方法。
   

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