JP3182746B2

JP3182746B2 - 位置検出装置

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Publication number: JP3182746B2
Application number: JP21345892A
Authority: JP
Inventors: 和哉太田; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-07-17
Filing date: 1992-07-17
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH0697037A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子等を
製造するための露光装置のオートフォーカス機構又はレ
ベリング機構に適用して好適な位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レチクル上に形成された回路パターンを
投影光学系を介してウエハ上に転写する投影露光装置に
おいては、投影光学系の焦点深度が比較的浅いと共にウ
エハには部分的に凹凸が存在することがあるため、ウエ
ハの各ショット領域に対して投影光学系に対する焦点ず
れの補正をそれぞれ行う必要がある。その場合の投影光
学系の光軸方向の位置の検出装置として、従来は例えば
ウエハ等の被検面上に斜めにスリットの像を投影する斜
め入射型オートフォーカスセンサが使用されている（例
えば特開昭５６−４２２０５号公報参照）。この方式で
は、被検面が上下すると、そのスリットの被検面上での
位置が斜め入射光学系の光軸にほぼ垂直な方向にずれる
ので、このずれ量を測定することにより被検面の高さを
検出することができる。

【０００３】しかしながら、このように被検面上にスリ
ットの像等を投影する方式では被検面上の或る１点の位
置しか検出することができないため、ウエハのショット
領域内に凹凸が存在するような場合に、そのショット領
域の例えば平均的な面を投影光学系の最良結像面（ベス
トフォーカス面）に合わせることができない。なお、投
影露光装置には、ウエハの各ショット領域に例えば平行
光束を照射して、反射光の方向によりそのショット領域
の傾きを検出するレベリング光学系も設けられている
が、そのショット領域に凹凸が存在する場合には、レベ
リング光学系でも正確にショット領域の平均的な面の傾
きを検出することができない虞がある。

【０００４】これに関して、本出願人は特願平３−３１
１７５８号において、被検面上に２次元的なパターンを
投影することにより、比較的簡単な構成でその被検面の
所定範囲の高さの分布を検出できる位置検出装置を提案
した。図１１はその特願平３−３１１７５８号で提案さ
れている位置検出装置が適用された縮小投影型露光装置
を示し、この図１１において、１はウエハであり、ウエ
ハ１の露光面が被検面１ａである。２はウエハホルダ
ー、３はウエハステージよりなる保持機構を示し、ウエ
ハ１をウエハホルダー２上に保持し、ウエハホルダー２
を保持機構３上に例えば３個の支持点で支持する。保持
機構３は、ウエハ１を２次元的に位置決めするＸＹステ
ージ、ウエハ１を投影光学系の光軸方向に位置決めする
Ｚステージ及びウエハ１を微小角度回転するθステージ
等より構成されている。

【０００５】４は保持機構３を駆動する駆動手段、５は
ウエハ１の上方に位置する投影光学系を示し、図示省略
した照明光学系からの露光光のもとで、投影光学系５は
図示省略したレチクルのパターンをウエハ１の露光面に
転写する。保持機構３を駆動手段４を介して駆動するこ
とにより、ウエハ１は投影光学系５の光軸ＡＸ１に垂直
な平面内での平行移動及び微小回転並びにその光軸ＡＸ
１に平行な方向（フォーカシング方向）への移動を行
う。更に、駆動手段４からの指令により保持機構３が、
例えば３個の支持点の内の２点を突没させることによ
り、ウエハ１のレベリングが行われる。

【０００６】図１１において、６は光源、７はコンデン
サーレンズ、８は反射型位相格子を示し、この反射型位
相格子８の格子形成面８ａに図１１の紙面に平行な方向
にピッチＱ１で凹凸の位相格子を形成する。ウエハ１の
被検面１ａがレジスト等の薄膜で覆われた場合の干渉の
影響を低減するためには、その光源６は白色光源である
ことが望ましい。ただし、その光源６としてレジストに
対する感光性の弱い波長帯の光を射出する発光ダイオー
ド等を使用してもよい。その光源６からの照明光束をコ
ンデンサーレンズ７を介して平行光束に近づけ、この略
々平行な光束で回折格子８の格子形成面８ａを照明す
る。

【０００７】９は集光レンズ、１０は投射用対物レンズ
を示し、これら集光レンズ９と投射用対物レンズ１０と
により投射光学系を構成し、この投射光学系の光軸ＡＸ
２を投影光学系５の光軸ＡＸ１に対して角度θで交差さ
せる。そして、回折格子形成面８ａからの平均的な反射
角γの反射光（回折光を含む）をその投射光学系により
ウエハ１の被検面１ａ上に集束する。この際、被検面１
ａが投影光学系５の結像面に合致している状態で、その
被検面１ａと回折格子形成面８ａとはその投射光学系に
関してシャインプルーフの条件を満たすようにしてお
く。従って、その状態では被検面１ａの全面に回折格子
形成面８ａの格子パターンの像が正確に結像している。

【０００８】また、集光レンズ９と投射用対物レンズ１
０とよりなる投射光学系は所謂両側テレセントリックな
光学系を構成し、回折格子形成面８ａ上の各点と被検面
１ａ上の共役点とは全面でそれぞれ同じ倍率である。従
って、図１１の装置ではその回折格子形成面８ａの格子
パターンは図１１の紙面に垂直な方向を長手方向とする
等間隔の格子状にしてあるので、被検面１ａ上に投影さ
れる像も図１１の紙面に垂直な方向を長手方向とする等
間隔の格子状のパターンとなる。

【０００９】そして、受光用対物レンズ１１と集光レン
ズ（結像レンズ）１２とより集光光学系を構成し、この
集光光学系の受光対物レンズ１１の光軸ＡＸ３は投影光
学系の光軸ＡＸ１に関して投射光学系の光軸ＡＸ２と線
対称になるようにする。１３はアオリ補正用プリズムを
示し、被検面１ａからの反射光を受光用対物レンズ１
１、平面鏡１４Ａ及び集光レンズ１２を介してアオリ補
正用プリズム１３のプリズム入射面１３ａ上に集束す
る。

【００１０】この際、被検面１ａが投影光学系５の結像
面に合致している状態で、被検面１ａとプリズム入射面
１３ａとはその集光光学系に関してシャインプルーフの
条件を満たすようにしておく。従って、その状態ではプ
リズム入射面１３ａの全面に被検面１ａ上の格子パター
ンの像が正確に再結像する。また、受光用対物レンズ１
１と集光レンズ１２とよりなる集光光学系も両側テレセ
ントリックな光学系を構成し、被検面１ａ上の各点とプ
リズム入射面１３ａ上の共役点とは全面でそれぞれ同じ
倍率である。従って、被検面１ａが投影光学系５の結像
面に合致している状態では、プリズム入射面１３ａ上に
投影される像も図１１の紙面に垂直な方向を長手方向と
する等間隔の格子状のパターンとなる。

【００１１】即ち、図１１において被検面１ａが投影光
学系５の結像面に合致している状態では、回折格子形成
面８ａ、被検面１ａ及びプリズム入射角１３ａは各々シ
ャインブルーフの条件を満たす関係にあり、しかも各面
とも全面で各々倍率が等しい。

【００１２】そのアオリ補正用プリズム１３に入射した
光は屈折するが、その入射光の主光線がプリズム入射角
１３ａの法線方向に略々平行に屈折されるようにそのプ
リズムガラス材の屈折率を定めておく。そのプリズム入
射面１３ａからの光束をプリズム１３の射出面、平面鏡
１４Ｂ、レンズ１５及びレンズ１６を介して２次元電荷
結合型撮像デバイス（ＣＣＤ）１７の撮像面１７ａ上に
集束させる。これによりプリズム入射面１３ａ上の格子
状のパターンの像の更なる像が撮像面１７ａ上に結像さ
れる。それらレンズ１５とレンズ１６とより構成される
リレー光学系も両側テレセントリックである。また、撮
像面１７ａ上に形成される像は、反射型位相格子８の回
折格子形成面８ａ上のパターンによる被検面１ａ上の像
を２回リレーして得られた像であり、言い換えると被検
面１ａに投影されたパターンの像を再々結像した像であ
る。

【００１３】この場合、プリズム１３からの屈折光の主
光線はプリズム入射面１３ａに略々垂直か、又はその入
射角が小さいため、２次元ＣＣＤ１７に入射する光束の
主光線も撮像面１７ａに対して略々垂直か、又はその入
射角ρが小さくなっている。撮像面１７ａには被検面１
ａに投影されたパターンの像が再々結像されているの
で、被検面１ａの投影光学系５の光軸ＡＸ１に沿った上
下によりその撮像面１７ａ上での格子状のパターンの像
は横ずれする。この横ずれ量を測定することにより、被
検面１ａ上の光軸ＡＸ１方向の面位置が測定できる。

【００１４】具体的に、被検面１ａが平面である場合に
は、２次元ＣＣＤ１７の撮像面には図１２（ａ）に示す
ように明部２０と暗部２１とが所定ピッチで形成された
縞２２が結像される。その縞２２のピッチ方向の走査ラ
インに沿う撮像信号は、図１２（ｂ）に示すように明部
２０に対応する領域で大きく暗部２１に対応する領域で
小さい（０に近い）信号となる。また、被検面１ａ上で
縞状のパターンが投影されている領域を図１３（ａ）の
領域２３として、その領域２３の中に部分的に凹部２４
Ａ及び凸部２４Ｂが存在すると、図１３（ｂ）に示すよ
うに、２次元ＣＣＤ１７の撮像面上の縞２２のそれぞれ
対応する領域２５Ａ及び２５Ｂにおいては縞の位相が変
化する。従って、その縞２２の各部の位相のずれ量（横
ずれ量）を検出することにより、被検面１ａの全面の投
影光学系５の光軸方向の位置を検出することができる。

【００１５】図１１において、その２次元ＣＣＤ１７か
ら出力される撮像信号を検出部１８に供給し、この検出
部１８はその撮像信号を処理して撮像面１７ａ上の像の
パターンを求め、このパターン情報を補正量算出手段１
９に供給する。この補正量算出手段１９はそのパターン
情報より、被検面１ａの今回のショット領域の平均的な
面を求め、駆動手段４及び保持機構３を介してその被検
面１ａの今回のショット領域の平均的な面を投影光学系
５の最良結像面に対して所定の許容範囲内で合致させ
る。これによりオートフォーカス動作及びレベリング動
作が行われる。

【００１６】また、被検面１ａの光軸ＡＸ１方向の変位
がｚであるときの２次元ＣＣＤ１７の撮像面１７ａにお
ける縞の像の横ずれ量ｙは次のようになる。即ち、被検
面１ａに対する入射光の主光線の入射角はθであり、レ
ンズ１１及び１２よりなる集光光学系の横倍率をβ、被
検面１ａからプリズム入射面１３ａへのアオリの結像面
に沿った倍率をβ′、レンズ１５及び１６よりなるリレ
ー光学系の横倍率をβ″とすると横ずれ量ｙは次のよう
になる。

【数１】ｙ＝２・β″・β′・ｔａｎθ・ｚ＝２・β″（β² ｓｉｎ² θ＋β⁴ ｓｉｎ⁴ θ／ｃｏｓ² θ）^1/2 ・ｚ

【００１７】次にアオリ補正用プリズム１３の働きにつ
いて説明する。例えば集光光学系の横倍率βが０．５で
入射角θが８５゜の場合、プリズム入射面１３ａに対す
る被検面１ａからの反射光の主光線の入射角αは８０゜
程度となる。このように大きな入射角の場合、プリズム
１３の代わりに直接２次元ＣＣＤ１７を置くと入射する
光量が著しく低下する。何故ならば、ＣＣＤの光電変換
部分に入射する光がその回りの読み出し回路部分でケラ
レたり、更に光電変換部分やＣＣＤのパッケージの窓ガ
ラスの表面反射が大きく光が有効に入らないためであ
る。そこでＣＣＤへの入射角を小さくする光学素子が必
要となる。図１１の装置ではアオリ補正用プリズム１３
を使うことによりそれを達成している。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記の本出願人の先願
に係る位置検出装置において、２次元ＣＣＤ１７の撮像
面１７ａ上に結像する像を図１３（ｂ）に示す。この像
は一定ピッチＰの周期的なパターンであるため、像のピ
ッチ方向であるＤ１方向の横ずれ（位相ずれ）量をδｘ
とすると、その横ずれ量δｘの検出範囲は一例として以
下のようになる。 −Ｐ／２≦δｘ＜Ｐ／２

【００１９】仮にその横ずれ量δｘが±Ｐ／２を越えた
場合には、横ずれ量Ｐに対応する投影光学系５の光軸方
向の位置ずれをＺ_P とすると、その横ずれ量δｘに対応
する高さの検出結果にｎＺ_P （ｎは整数）の誤差が生じ
る虞がある。これは図１１の装置では検出できる高さ方
向の検出範囲が狭いことを意味する。従って、図１１の
装置によりウエハ１の被検面１ａの高さ検出を行うに際
しては、事前に別の手段、例えば空気式マイクロメータ
等によってその検出範囲内へ被検面１ａの高さｚを合わ
せてやる必要があり、検出系が複雑になるという不都合
があった。

【００２０】ただし、例えば図１３（ｂ）の領域２５Ｂ
で示す場合のように、２次元ＣＣＤ１７の撮像面におい
て再結像された縞２２の位相が連続的に変化して、最大
の位相変化量が±Ｐ／２を超えたような場合には、連続
的に高さの変化量を求めることによって、その位相変化
量が最大の計測点に対応する高さをも正確に求めること
ができる。ただし、その縞２２が全体として例えばＤ１
方向に±Ｐ／２を超えて横ずれしているような場合に
は、全ての検出結果に共通に或るオフセットが混入して
高さが不確定になる。

【００２１】本発明は斯かる点に鑑み、格子パターンの
ように或る方向への周期的なパターンを被検面に投影し
て、その周期的なパターンを撮像手段で結像して得られ
た繰り返しの間隔がＰの像の位相ずれよりその被検面の
位置を検出する場合に、その再結像して得られた像の位
相ずれが±Ｐ／２を超えたようなときにも正確にその被
検面の位置を検出できる位置検出装置を提供することを
目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、例えば図１〜図３に示す如く、繰り返し部（４５
Ｉ）の中に非繰り返し部（４６Ｉ）が形成された明暗の
パターン（４２）を所定の軸（Ｚ軸）に対して斜めの方
向から被検面（１）に投影する送光手段（３３）と、こ
の投影された明暗のパターンの像を撮像する撮像手段
（１７，３４）と、この撮像された像のその繰り返し部
に対応する部分（４５）の横ずれ量を検出する第１の処
理手段（３７，３８）と、この撮像された像のその非繰
り返し部に対応する部分（４６）の位置を検出する第２
の処理手段（３９）とを有し、その第２の処理手段（３
９）により検出されたその位置及びその第１の処理手段
（３７，３８）により検出された横ずれ量よりその被検
面（１）のその所定の軸（Ｚ軸）の方向の位置を検出す
るものである。

【００２３】この場合、その繰り返し部の中に非繰り返
し部が形成された明暗のパターン（４２）の中のその非
繰り返し部を、その繰り返し部（４５Ｉ）の一部を除去
して形成してもよい。また、その繰り返し部の中に非繰
り返し部が形成された明暗のパターン（４２）の中のそ
の非繰り返し部は、その繰り返し部の端部（４２ａ）で
あってもよい。また、その第２の処理手段（３９）によ
り検出された位置がその撮像手段（１７，３４）の撮像
面の所定の領域内に来るようにその被検面（１）のその
所定の軸（Ｚ軸）方向の位置を調整する位置調整手段
（３，４，３９）を設けることが望ましい。

【００２４】

【作用】斯かる本発明によれば、第１の処理手段（３
７，３８）により、その撮像された像の内のその繰り返
し部に対応する部分（４５）の横ずれ量が検出される。
例えばその繰り返し部に対応する部分（４５）がＸ方向
にピッチＰの格子状パターンであり、この格子状パター
ンのＸ方向の横ずれ量δｘのその被検面（１）のＺ方向
の位置ｚに対する倍率がΩ（＝δｘ／ｚ）であるとする
と、その格子状パターンの全体としての横ずれ量δｘが
±Ｐ／２（範囲でＰ）を超えない範囲では、その被検面
（１）の位置ｚはδｘ／Ωとして求めることができる。

【００２５】また、その横ずれ量δｘが範囲Ｐを超えて
いるかどうかを検出するために、その第２の処理手段
（３９）によりその非繰り返し部の対応する部分（４
６）のＸ方向の位置ｘ′を検出する。この場合、予め例
えばこの位置ｘ′がその撮像手段（１７，３４）の撮像
面の所定の原点にある（ｘ′＝０）ときに、その被検面
（１）の位置ｚがほぼ０になるようにしておけば、その
位置ｘ′はそのままその格子状パターンの全体としての
横ずれ量となる。そこで、位置調整手段（３，４，３
９）がその被検面（１）のＺ方向の位置を調整して、そ
の非繰り返し部に対応する部分（４６）の位置ｘ′がそ
の原点から例えば±Ｐ／２の中に収まるようにする。こ
れによりその格子状パターンのＸ方向の横ずれ量δｘか
らその被検面（１）のＺ方向の位置ｚを正確に検出する
ことができる。

【００２６】なお、必ずしもその位置調整手段（３，
４，３９）を介してその被検面（１）のＺ方向の位置を
調整しなくとも、その部分（４６）のＸ方向の位置ｘ′
より被検面（１）のＺ方向の位置ｚのおおまかな値は、
ｘ′／Ωとして求めることができる。また、位置ｚのよ
り正確な値は（δｘ＋ｎＰ）／Ω（ｎは整数）であり、
この中で値が最もｘ′／Ωに近くなる整数ｎの値ｎ^* を
求めれば、その位置ｚのより正確な値は（δｘ＋ｎ^* ・
Ｐ）／Ωである。

【００２７】即ち、繰り返し部（４５）とは異なる特徴
を持った非繰り返し部（４６）が撮像手段（１７，３
４）の撮像面内に入っている限りにおいて、その撮像さ
れた像の横ずれ量が前に示した範囲Ｐ（±Ｐ／２）を越
えても被検面（１）のＺ方向の位置ｚを正確に検出する
ことができる。

【００２８】また、その繰り返し部の中に非繰り返し部
が形成された明暗のパターン（４２）の中のその非繰り
返し部を、その繰り返し部（４５Ｉ）の一部を除去して
形成した場合には、その非繰り返し部の形成が容易であ
る。更に、その繰り返し部の中に非繰り返し部が形成さ
れた明暗のパターン（４２）の中のその非繰り返し部
が、その繰り返し部の端部（４２ａ）である場合には、
その明暗のパターン（４２）の形成が容易である。

【００２９】

【実施例】以下、本発明による位置検出装置の一実施例
につき図１〜図４を参照して説明する。本実施例は、縮
小投影型露光装置のオートフォーカス機構部及びレベリ
ング機構部の検出系に本発明を適用したものである。図
１は本実施例の縮小投影型露光装置の要部を示し、この
図１において、２６はレチクルホルダー２７に支持され
たレチクルである。図示省略した照明光学系からの露光
光ＩＬがそのレチクル２６に照射され、レチクル２６の
回路パターンの像が投影光学系５を介してウエハホルダ
ー２に保持されたウエハ１の各ショット領域に転写され
る。ウエハホルダー２はウエハステージよりなる保持機
構３に載置されている。この保持機構３の一端には移動
鏡３ａが装着され、レーザー干渉計２８からのレーザー
ビームがその移動鏡３ａで反射され、保持機構３の中の
ＸＹステージの座標が常時計測されている。

【００３０】２９はアライメント系であり、このアライ
メント系からのアライメント光（ウエハ１の表面に塗布
された感光材に感光しない波長帯の光）がミラー３０及
び投影光学系５を介して保持機構３側に照射される。ま
た、保持機構３の上部のウエハ１の近傍には基準マーク
３１が配置され、レチクル２６の上部の側方にアライメ
ント顕微鏡３２が移動自在に配置されている。アライメ
ント系２９を用いて基準マーク３１の位置を投影光学系
５に対して所定の位置に設定し、且つアライメント顕微
鏡３２を用いて基準マーク３１に対してレチクル２６の
位置決めを行うことにより、間接的にレチクル２６とウ
エハ１との相対的な位置合わせが行われる。

【００３１】また、３３は図１１の光源６〜投射用対物
レンズ１０までの光学素子よりなる投射光学系、３４は
図１１の受光用対物レンズ１１〜レンズ１６までの光学
素子よりなる集光光学系を示す。投射光学系３３により
ウエハ１の現在のショット領域の上に非繰り返し部を含
む明暗の周期的なパターン（格子状のパターン）が投影
光学系５の光軸（これを「Ｚ軸」とする）に対して斜め
に投影され、ウエハ１の上の明暗の周期的なパターンの
像が集光光学系３４により２次元ＣＣＤ１７の撮像面に
再結像されている。

【００３２】その２次元ＣＣＤ１７から出力される撮像
信号を検出部１８に供給し、検出部１８はその撮像信号
を順次メモリ３５に書き込む。３６は画像抽出手段を示
し、この画像抽出手段３６はメモリ３５からウエハ１の
露光対象のショット領域上の明暗の周期的なパターンの
像に対応する撮像信号を抽出して微分手段３７に供給す
る。

【００３３】また、微分手段３７は供給された撮像信号
を微分して得られた微分信号をゼロクロス点検出手段３
８に供給し、ゼロクロス点検出手段３９は供給された微
分信号のゼロクロス点を検出して、このゼロクロス点の
座標を補正量算出手段３９に供給する。補正量算出手段
３９は、供給された情報からウエハ１の露光対象とする
ショット領域の平均的な面の高さ（Ｚ方向の位置）及び
傾きを求め、そのショット領域の平均的な面が投影光学
系５の最良結像面に所定の許容範囲で合致するように、
駆動手段４及び保持機構３を介してウエハ１の高さ及び
傾きを調整する。

【００３４】次に、本例の位置検出動作につき図２〜図
４を参照して詳細に説明する。先ず、図２に示すよう
に、ウエハ１の表面には多数のショット領域よりなるパ
ターン転写領域４０が形成され、その内のこれから露光
される正方形のショット領域４１の上に非繰り返し部を
含む明暗の周期的なパターン４２が斜めに投影される。
この明暗の周期的なパターン４２は、ショット領域４１
の各辺に対して４５°で交差するＲ方向に所定ピッチの
格子パターン４５Ｉ及びこの格子パターン４５Ｉの中央
部に配置された短い直線パターン４６Ｉより構成されて
いる。その短い直線パターン４６Ｉが非繰り返し部であ
る。

【００３５】ただし、後述のように格子パターン４５Ｉ
の端のエッジ部４２ａ等を非繰り返し部とみなすことも
できる。なお、格子パターン４５Ｉのピッチ方向である
Ｒ方向をショット領域４１の各辺に対して斜めに設定し
た場合には、ショット領域４１にそれまでの露光で形成
されている回路パターンの影響を低減することができ
る。

【００３６】図３（ａ）は２次元ＣＣＤ１７の撮像面に
再結像された図２の明暗の周期的なパターン４２の像を
示し、この図３（ａ）において、その撮像面の一辺に平
行なＸ方向にピッチＰで結像された明部４３と暗部４４
とより格子パターン像４５が結像され、この格子パター
ン像４５の中央部に短い直線パターン像４６が結像され
ている。その格子パターン像４５及び直線パターン像４
６は、それぞれ図２の格子パターン４５Ｉ及び直線パタ
ーン４６Ｉの共役像である。また、その撮像面のＹ方向
の一端には２本の細い暗い直線パターンの像よりなる指
標マーク像５０Ａが結像され、Ｙ方向の他端にも２本の
細い暗い直線パターンの像よりなる指標マーク像５０Ｂ
が結像されている。指標マーク像５０Ａ及び５０Ｂはそ
れぞれ、図１１のアオリ補正用プリズム１３のプリズム
入射面１３ａの上に形成されているパターンの像であ
り、指標マーク像５０Ａ及び５０Ｂはその撮像面に対し
て常に固定された位置に結像される。この指標マークは
ウエハからの反射光によって照明される。また、受光光
学系の１部（図１１においてレンズ１１〜プリズム１３
までの間）にビームスプリッターを挿入し、そこからマ
ーク部分のみ照明する照明光学系を設けてやると、ウエ
ハ下地反射率の影響を受けずに指標マークの検出が行え
る。

【００３７】図３（ｂ）は図３（ａ）の直線パターン像
４６の外の走査ラインｍに沿った撮像信号を示し、この
撮像信号が図１の検出部１８、メモリ３５、画像抽出手
段３６及び微分手段３７を介してゼロクロス点検出手段
３８に供給される。このゼロクロス点検出手段３８では
図３（ｂ）の撮像信号の凹部のピークのＸ方向の位置を
検出する。これら凹部のピークの位置の中で位置Ｘ₁ 及
びＸ₂ は指標マーク像５０Ａの２本の暗線（縞）の位
置、位置Ｘ₃ 及びＸ₄ は指標マーク像５０Ｂの２本の縞
の位置、位置ｘ₁ 〜ｘ₈ は格子パターン像４５の暗線
（縞）の位置とみなすことができる。これらの位置Ｘ₁
〜Ｘ₄ 及びｘ₁ 〜ｘ₈ が図１の補正量算出手段３９に供
給される。

【００３８】補正量算出手段３９では、まず指標マーク
像の位置Ｘ₁ 〜Ｘ₄ から次式より基準位置Ｘ₀ を算出す
る。

【数２】Ｘ₀ ＝（Ｘ₁ ＋Ｘ₂ ＋Ｘ₃ ＋Ｘ₄ ）／４次に、その基準位置Ｘ₀ に対して格子パターン像の各縞
の位置ｘ₁ 〜ｘ₈ が決定される。具体的にその基準位置
Ｘ₀ からの格子パターン像の各縞の位置をｑ₁〜ｑ₈ と
すると、次式が成立する。

【数３】ｑ_i ＝ｘ_i −Ｘ₀ （ｉ＝１，２，‥‥，８）

【００３９】この（数３）で求められた位置ｑ₁ 〜ｑ₈
を、ウエハ１のショット領域４１の表面が投影光学系５
の最良結像面に合致しているときの基準位置（予め求め
られている）と比較することにより、その格子パターン
像の各縞のＸ方向の横ずれ量δｘ_i が求められる。そし
て、その格子パターン像のＸ方向の横ずれ量δｘのその
ウエハ１のＺ方向の位置ｚに対する倍率がΩ（＝δｘ／
ｚ）であるとすると、その格子パターン像の全体として
の横ずれ量δｘが±Ｐ／２（範囲でＰ）を超えない範囲
では、格子パターン像の各縞の位置ｘ_i に対応するショ
ット領域４１上の計測点のＺ方向の位置ｚ_i は、δｘ_i
／Ωとして求めることができる。この演算は図１の補正
量算出手段３９において実行される。

【００４０】また、本例では図３（ａ）に示すように明
暗縞の像の中心の一本の直線パターン像４６がやや短く
作られている。従って走査ラインｍにおいて直線パター
ン像４６は存在せず、図３（ｂ）に示すよう走査ライン
ｍの撮像信号の中心部には暗い部分に対応する凹部がな
い。この場合、位置ｑ_i と位置ｑ_j との間隔をｄ_ijを次
式で定義すると、間隔ｄ₄₅が他の間隔ｄ_ijに比べて２倍
であること分かる。

【数４】ｄ_ij＝ｑ_j −ｑ_i （ｉ＝１，２，‥‥，７；ｊ
＝ｉ＋１）

【００４１】従って、間隔が通常の間隔の２倍である２
本の縞の位置（位置ｑ₄ 及び位置ｑ₅ ）の中心を直線パ
ターン像４６の位置ｘ′であるとみなすことができる。
そして、予めウエハ１の露光面が投影光学系５の最良結
像面に合致している状態で、図３（ａ）において、直線
パターン像４６が指標マーク像５０Ａと指標マーク像５
０Ｂとの間の中央に位置するように調整しておき、その
中央の位置を位置ｘ′の原点（ｘ′＝０）にする。図３
（ａ）の場合にはその直線パターン像４６の位置ｘ′が
ほぼ０であるため、格子パターン像４５の横ずれ量δｘ
から求めたショット領域４１上の各計測点の高さｚは正
確である。

【００４２】次に、ウエハ１のショット領域４１の高さ
が投影光学系５の最良結像面から大きく外れている場合
に、２次元ＣＣＤ１７の撮像面に結像される像の状態を
図４（ａ）に示し、図４（ａ）の走査ラインｍ上の撮像
信号を図４（ｂ）に示す。その図４（ａ）において、格
子パターン像４５及び非繰り返し部としての直線パター
ン像４６はＸ方向に図３（ａ）の状態に対して±Ｐ／２
を超えて横ずれしているものとする。

【００４３】この場合も、図４（ｂ）の撮像信号を微分
してゼロクロス点を検出することにより、その撮像信号
が凹部で極小値を取る位置Ｘ₁ 〜Ｘ₄ 及びｘ₁ 〜ｘ₈ を
求める。そして、（数２）及び（数３）より指標マーク
像５０Ａ，５０Ｂの位置を基準とした位置ｑ₁ 〜ｑ₈ を
算出し、（数４）より位置ｑ_i と位置ｑ_j との間隔ｄ_ij
を算出する。その結果、図４（ｂ）より間隔ｄ₁₂が他の
間隔ｄ_ijの２倍であることから、図１の補正量算出手段
３９は位置ｑ₁ と位置ｑ₂とが直線パターン像４６のそ
れぞれ左右の縞位置であることを認識する。この情報に
基づいて、補正量算出手段３９は、駆動装置４及び保持
機構３を介してウエハ１をＺ方向に上下させ、図４
（ａ）の直線パターン像４６のＸ方向の位置ｘ′を基準
位置Ｘ₀ に対して±Ｐ／２以内の領域へ移動させる。そ
の後、再度計測を行うと、図３（ａ）のような像が撮像
されるので、格子パターン像４５の各部の横ずれ量から
ショット領域４１の各計測点の高さを正確に計測するこ
とができる。

【００４４】また、このときのウエハ１のＺ方向への移
動量は別途計測されて記憶されている。ただし、単にそ
のショット領域４１の平均的な面をその投影光学系５の
最良結像面に合致させるのであれば、その記憶されてい
る移動量を使用する必要はない。

【００４５】このように、本例によれば、２次元ＣＣＤ
１７の撮像面上で非繰り返し部としての短い直線パター
ン像４６の位置をその撮像面の中央付近に設定してから
位置検出を行うようにしているので、ウエハ１の計測対
象とするショット領域４１のＺ方向の高さが投影光学系
５の最良結像面から±Ｐ／（２Ω）を超えている場合に
も、そのショット領域４１の高さの分布を正確に検出す
ることができる。

【００４６】なお、必ずしもその駆動手段４及び保持機
構４を介してそのウエハ１のＺ方向の位置を調整しなく
とも、その直線パターン像４６のＸ方向の位置ｘ′か
ら、ショット領域４１上のその直線パターン像４６に対
応する位置のＺ方向の位置ｚのおおまかな値は、ｘ′／
Ωとして求めることができる。また、その直線パターン
像４６に最も近い格子パターン像４５の横ずれ量（例え
ば位置ｘ₁ に対応する横ずれ量）をｘとすると、その位
置ｚのより正確な値は（δｘ＋ｎＰ）／Ω（ｎは整数）
である。この中で値が最もｘ′／Ωに近くなる整数ｎの
値ｎ^* を求めれば、その位置ｚのより正確な値は（δｘ
＋ｎ^* ・Ｐ）／Ωである。そして、格子パターン像４５
の他の部分の横ずれ量から求めた位置をｚ_i とすると、
この位置ｚ_i に（ｎ^* ・Ｐ）／Ωを加算して得られた値
がより正確なＺ方向の位置である。

【００４７】次に、上述の実施例において図１の投射光
学系３３からウエハ１の露光面に投影される非繰り返し
部を含む明暗の周期的なパターンの種々の変形例につき
説明する。以下では便宜上、２次元ＣＣＤ１７の撮像面
に再結像されたパターンを用いて説明する。

【００４８】［第１変形例］図５（ａ）は、本例の２次
元ＣＣＤ１７の撮像面に再結像された明暗のパターンの
像を示し、この図５（ａ）に示すように、その撮像面の
両端には指標マーク像５０Ａ及び５０Ｂが結像され、こ
れら指標マーク像の間に格子パターン像４５が再結像さ
れている。また、その格子パターン像４５の中央部には
非繰り返し部としての中抜けの直線パターン像４７が再
結像されている。また、ウエハ１上の対応するショット
領域上には図５（ａ）から指標マーク像５０Ａ及び５０
Ｂを除いたパターンが投影されている。また、図５
（ａ）の走査ラインｕに沿う撮像信号を図５（ｂ）に示
す。

【００４９】本例でも図４（ａ）のパターンを使用する
場合と同様に、図５（ｂ）の撮像信号から中抜けの直線
パターン像４７の位置を検出することができ、この位置
をその撮像面の中央付近に設定することにより、対応す
るショット領域の正確な位置検出を行うことができる。

【００５０】［第２変形例］図６（ａ）は、本例の２次
元ＣＣＤ１７の撮像面に再結像された明暗のパターンの
像を示し、この図６（ａ）に示すように、その撮像面の
両端には指標マーク像５０Ａ及び５０Ｂが結像され、こ
れら指標マーク像の間に格子パターン像４５が再結像さ
れている。また、その格子パターン像４５の中央部の暗
線を間引くことにより非繰り返し部としての幅が広い明
部４８が形成されている。この場合、図６（ａ）の走査
線ｍ又は走査線ｕの何れに沿った撮像信号も図６（ｂ）
に示すようになる。その明部４８がその撮像面の中央部
に来るようにウエハ１の高さを調整することにより、格
子パターン像４５が±Ｐ／２を超えて横ずれしていて
も、正確にウエハ１の高さの分布を検出できる。

【００５１】［第３変形例］図７（ａ）は、本例の２次
元ＣＣＤ１７の撮像面に再結像された明暗のパターンの
像を示し、この図７（ａ）に示すように、その撮像面の
両端には指標マーク像５０Ａ及び５０Ｂが結像され、こ
れら指標マーク像の間に格子パターン像４５が再結像さ
れている。また、その格子パターン像４５の左右両端部
に非繰り返し部として互いに反対側が短くされた直線パ
ターン像４９Ａ及び４９Ｂが形成されている。その左端
の直線パターン像４９Ａは、格子パターン像４５全体が
図７（ａ）において右方向にずれた場合の基準として使
用され、その右端の直線パターン像４９Ｂは、格子パタ
ーン像４５全体が図７（ａ）において左方向にずれた場
合の基準として使用される。また、図７（ａ）の走査ラ
インｕ及び走査ラインｍに沿う撮像信号をそれぞれ図７
（ｂ）及び（ｃ）に示す。

【００５２】この場合、パターン全体が左方向にずれる
と、図８（ａ）に示すように、直線パターン像４９Ａは
視野から外れるが、直線パターン像４９Ｂは視野内に収
まっている。図８（ａ）の走査ラインｕ及び走査ライン
ｍに沿う撮像信号をそれぞれ図８（ｂ）及び（ｃ）に示
し、この図８（ｂ）の走査線ｕに沿った撮像信号によ
り、直線パターン像４９Ｂの位置が上述実施例と同様に
検出できる。一方、パターン全体が右方向にずれると、
図９（ａ）に示すように、直線パターン像４９Ｂは視野
から外れるが、直線パターン像４９Ａは視野内に収まっ
ている。図９（ａ）の走査ラインｕ及び走査ラインｍに
沿う撮像信号をそれぞれ図９（ｂ）及び（ｃ）に示し、
この図９（ｃ）の走査線ｍに沿った撮像信号により、直
線パターン像４９Ａの位置が上述実施例と同様に検出で
きる。

【００５３】この第３変形例においては、非繰り返し部
を格子パターン像４５の左右に分けて配置することによ
り、非繰り返し部を格子パターン像４５の中心に配置し
た場合に比べて２倍の横ずれ量を正確に検出できる。ま
た、図２及び図７（ａ）から明かなように、非繰り返し
部の直線パターン像４９Ａ及び４９Ｂに対応する投影パ
ターンはウエハ１のショット領域４１の外側に配置され
るため、そのショット領域４１の全面の位置検出を行う
ことができる。

【００５４】［第４変形例］以上の実施例及び変形例で
は投影されたパターン像の明部を広くして他の部分と区
別しているが、投影されたパターン像の暗部を広くして
他の部分と区別することも考えられる。即ち、図１０
（ａ）は、本例の２次元ＣＣＤ１７の撮像面に再結像さ
れた明暗のパターンの像を示し、この図１０（ａ）に示
すように、その撮像面の両端には指標マーク像５０Ａ及
び５０Ｂが結像され、これら指標マーク像の間に格子パ
ターン像４５が再結像されている。また、その格子パタ
ーン像４５の中央部で明部よりなる直線パターン像の中
央部を暗部で塗りつぶすことにより、非繰り返し部とし
てのパターン像５１が形成されている。その図１０
（ａ）の走査ラインｕに沿った撮像信号は図１０（ｂ）
に示すようになり、この撮像信号からそのパターン像５
１の位置を検出することができる。同様に、先に述べた
その他の変形例でも明部の一部を塗りつぶして非繰り返
し部を形成することができる。

【００５５】また、図２において周期的なパターン４２
の両端部のエッジ４２ａ及び４２ｂを非繰り返し部とみ
なしてもよい。そして、ウエハ１の表面１ａが投影光学
系５の最良結像面に合ったときに、図３（ａ）の２次元
ＣＣＤ１７の撮像面において、そのエッジ４２ａ及び４
２ｂに対応する像がそれぞれ指標マーク像５０Ａ及び５
０Ｂの内側に収まるように回折格子８の位置を調整すれ
ば、その周期的なパターン４２の像の横ずれ量から対応
するショット領域４１の位置を正確に検出することがで
きる。

【００５６】なお、図３（ａ）に示すように、上述実施
例では指標マーク像５０Ａ及び５０Ｂが位置の基準とし
て使用されているが、その指標マーク５０Ａ及び５０Ｂ
は必ずしも必要ない。指標マーク５０Ａ及び５０Ｂを使
用しない場合には、例えば２次元ＣＣＤ１７の撮像エレ
メントの何れかを位置の基準としてもよい。また、上述
実施例では、格子パターン像４５の各部の位相ずれを検
出するのに微分手段及びゼロクロス点検出手段が使用さ
れているが、それ以外に例えばフーリエ変換して直接に
位相成分を検出する手法を使用することもできる。

【００５７】このように、本発明は上述実施例に限定さ
れず本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、被検面に投影される明
暗のパターンに非繰り返し部が形成されているので、撮
像された像のその非繰り返し部に対応する部分を撮像面
の所定範囲内に収めることにより、その明暗のパターン
の撮像された像が繰り返しの間隔を超えて横ずれした場
合でも、正確に被検面の位置を検出できる利点がある。
また、第２の処理手段により検出された位置が撮像手段
の撮像面の所定の領域内に来るようにその被検面のその
所定の軸方向の位置を調整する位置調整手段を設けた場
合には、非繰り返し部に対応する部分が撮像画面から外
れた場合でも、被検面を上下してその非繰り返し部に対
応する部分がその撮像画面に入るようにすればよく、こ
れを補う他のオートフォーカス機構等は不要である。

【００５９】また、非繰り返し部を、繰り返し部の一部
を除去して形成した場合には、被検面に投影される明暗
のパターンが容易に形成でき、非繰り返し部が繰り返し
部の端部である場合にもその明暗のパターンが容易に形
成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の一実施例が適用さ
れた縮小投影型露光装置の要部を示す構成図である。

【図２】図１のウエハ１の露光面に投影された明暗のパ
ターンを示す平面図である。

【図３】（ａ）は図１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面の像
を示す線図、（ｂ）は図３（ａ）の走査ラインｍに沿っ
た撮像信号を示す波形図である。

【図４】（ａ）は図１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面の像
が横ずれした場合を示す線図、（ｂ）は図４（ａ）の走
査ラインｍに沿った撮像信号を示す波形図である。

【図５】（ａ）は図１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面の像
の第１変形例を示す線図、（ｂ）は図５（ａ）の走査ラ
インｕに沿った撮像信号を示す波形図である。

【図６】（ａ）は図１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面の像
の第２変形例を示す線図、（ｂ）は図６（ａ）の走査ラ
インｕ又は走査ラインｍに沿った撮像信号を示す波形図
である。

【図７】（ａ）は図１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面の像
の第３変形例を示す線図、（ｂ）は図７（ａ）の走査ラ
インｕに沿った撮像信号を示す波形図、（ｃ）は図７
（ａ）の走査ラインｍに沿った撮像信号を示す波形図で
ある。

【図８】（ａ）は図７（ａ）の像が左方向にずれた場合
を示す線図、（ｂ）は図８（ａ）の走査ラインｕに沿っ
た撮像信号を示す波形図、（ｃ）は図８（ａ）の走査ラ
インｍに沿った撮像信号を示す波形図である。

【図９】（ａ）は図７（ａ）の像が右方向にずれた場合
を示す線図、（ｂ）は図９（ａ）の走査ラインｕに沿っ
た撮像信号を示す波形図、（ｃ）は図９（ａ）の走査ラ
インｍに沿った撮像信号を示す波形図である。

【図１０】（ａ）は図１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面の
像の第４変形例を示す線図、（ｂ）は図１０（ａ）の走
査ラインｕに沿った撮像信号を示す波形図である。

【図１１】本出願人の先願に係る縮小投影型露光装置の
要部を示す構成図である。

【図１２】（ａ）は図１１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面
の像を示す線図、（ｂ）は図１２（ａ）の或る走査ライ
ンに沿った撮像信号を示す波形図である。

【図１３】（ａ）は図１１のウエハの被検面１ａの要部
を示す拡大平面図、（ｂ）は図１３（ａ）に対応して図
１１の２次元ＣＣＤ１７の撮像面に結像される像を示す
線図である。

【符号の説明】

１ウエハ２ウエハホルダー３保持機構４駆動装置５投影光学系１７２次元電荷結合型撮像デバイス（２次元ＣＣＤ）２６レチクル２９アライメント系３２アライメント用の顕微鏡３３投射光学系３４集光光学系３６画像抽出手段３７微分手段３８ゼロクロス点検出手段３９補正量算出手段４１ショット領域４２明暗の周期的なパターン４３明部４４暗部４５格子パターン像４６短い直線パターン像５０Ａ，５０Ｂ指標マーク像

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−201516（ＪＰ，Ａ) 特開平２−207521（ＪＰ，Ａ) 特開平３−220714（ＪＰ，Ａ) 実開平４−45913（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 9/00 H01L 31/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】繰り返し部の中に非繰り返し部が形成さ
れた明暗のパターンを所定の軸に対して斜めの方向から
被検面に投影する送光手段と、該投影された明暗のパターンの像を撮像する撮像手段
と、該撮像された像の前記繰り返し部に対応する部分の横ず
れ量を検出する第１の処理手段と、該撮像された像の前記非繰り返し部に対応する部分の位
置を検出する第２の処理手段とを有し、前記第２の処理手段により検出された位置及び前記第１
の処理手段により検出された横ずれ量より前記被検面の
前記所定の軸の方向の位置を検出することを特徴とする
位置検出装置
【請求項２】前記繰り返し部の中に非繰り返し部が形
成された明暗のパターンの中の前記非繰り返し部を、前
記繰り返し部の一部を除去して形成したことを特徴とす
る請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記繰り返し部の中に非繰り返し部が形
成された明暗のパターンの中の前記非繰り返し部は、前
記繰り返し部の端部であることを特徴とする請求項１記
載の位置検出装置。
【請求項４】前記第２の処理手段により検出された位
置が前記撮像手段の撮像面の所定の領域内に収まるよう
に前記被検面の前記所定の軸方向の位置を調整する位置
調整手段を更に有することを特徴とする請求項１、２、
又は３記載の位置検出装置