JP4078953B2 - マーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の被検マークの位置を検出するマーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法に関し、特に、半導体素子などの製造工程における高精度な位置検出に好適なマーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している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）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。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。
【０００４】
ところで、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、各々のパターン形成工程のうち露光工程の前に、マスクと基板とのアライメントを行い、さらに、現像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状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。
【０００５】
ちなみに、マスクと基板とのアライメント（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントであり、各々の回路パターンの基準位置を示すアライメントマークを用いて行われる。
また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、１つ前のパターン形成工程で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重ね合わせ検査であり、下地パターンとレジストパターンの各々の基準位置を示す重ね合わせマークを用いて行われる。
【０００６】
そして、これらのアライメントマークや重ね合わせマーク（総じて「被検マーク」という）の位置検出は、被検マークを照明すると共に、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて被検マークの像を撮像し、得られた画像信号に対して所定の画像処理を施すことにより行われる。
また、被検マークの位置検出を行う装置では、その検出精度を高めるために、例えば特許文献１に開示されている方法（以下「ＱＺ法」という）を利用して、照明光学系や結像光学系の中に設けられている光学部品の配置を微調整し、装置起因の誤差ＴＩＳ（Tool Induced Shift）を低減するようにしている。
【０００７】
ＱＺ法を利用した光学部品の配置の微調整は、例えば装置の組み立て時や被検マークの位置検出の直前に行われる。なお、照明光学系は、被検マークに照明光を照射するものである。結像光学系は、被検マークからの光（例えば反射光）を結像してマーク像を形成するものである。
【特許文献１】
特開２０００−７７２９５号公報（第７−１２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＱＺ法を利用した場合、結像光学系の微調整と比較して照明光学系の微調整における感度が低く、調整誤差が大きかった。このため、従来の装置では、装置起因の誤差ＴＩＳを十分に低減できるとは限らず、検出精度の向上にもばらつきがあった。
【０００９】
本発明の目的は、照明光学系の調整感度を向上させることにより装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減できるマーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマーク位置検出装置は、対象基板に照明光を照射する照明光学系と、前記対象基板からの光を結像して基板像を形成する結像光学系と、前記基板像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、調整用マークが設けられ且つ該調整用マークの段差ｈが前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式“(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)”を満足する調整用基板を前記対象基板として用いたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整手段と、被検マークが設けられた被検基板を前記対象基板として用いたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマーク位置検出装置において、前記微調整手段は、前記調整用基板を前記対象基板として用いたときに、前記調整用基板を１８０度回転させる前後の状態で前記撮像手段から各々取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のマーク位置検出装置において、前記微調整手段は、前記照明光学系を微調整した後、複数のラインマークが該ラインマークの短手方向に沿って一定のピッチで配列された補助基板を前記対象基板として用い、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記結像光学系を微調整するものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、被検マークが設けられた被検基板を支持する支持手段と、前記被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備え、前記支持手段には、調整用マークが設けられ、前記調整用マークの段差ｈは、前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式“(λ/ＮＡ2)＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)”を満足するものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のマーク位置検出装置において、前記調整用マークは、外マークと内マークからなる二重マークであり、前記内マークと前記外マークのうち少なくとも一方の段差ｈは、前記条件式を満足するものである。
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載のマーク位置検出装置において、前記被検マークに代えて前記調整用マークを前記照明光の照射領域に位置決めしたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整手段をさらに備えたものである。
【００１４】
請求項７に記載の調整用基板は、被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたマーク位置検出装置の調整用基板であって、当該調整用基板には、調整用マークが設けられ、前記調整用マークの段差ｈは、前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式“(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)”を満足するものである。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の調整用基板において、前記調整用マークは、外マークと内マークからなる二重マークであり、前記内マークと前記外マークのうち少なくとも一方の段差ｈは、前記条件式を満足するものである。請求項９に記載の調整方法は、被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたマーク位置検出装置の調整方法であって、請求項７または請求項８に記載した調整用基板の前記調整用マークに前記照明光を照射する照明工程と、前記照明工程の後に前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整工程とを備えたものである。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の調整方法において、前記照明工程では、前記調整用基板を１８０度回転させる前後の状態で前記調整用マークに前記照明光を照射し、前記微調整工程では、前記前後の状態で前記撮像手段から各々取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整するものである。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項９または請求項１０に記載の調整方法において、前記微調整工程の後に、複数のラインマークが該ラインマークの短手方向に沿って一定のピッチで配列された補助基板のマーク群に前記照明光を照射し、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記結像光学系を微調整する工程をさらに備えたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項３,請求項７〜請求項１１に対応する。
ここでは、本実施形態のマーク位置検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１９】
重ね合わせ測定装置１０は、図１(ａ)に示すように、製品ウエハ１１（または不図示の調整用ウエハ）を支持する検査ステージ１２と、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）に対する照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１８)と、照明光Ｌ１によって照明された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の像を形成する結像光学系(１９〜２３)と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理装置２６と、制御装置２７と、焦点検出装置(４１〜４８)と、ステージ制御装置４９とで構成されている。
【００２０】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、製品ウエハ１１および調整用ウエハの説明を行う。
製品ウエハ１１（被検基板）には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、製品ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００２１】
そして、製品ウエハ１１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状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、製品ウエハ１１の表面には、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２(ａ)は重ね合わせマーク３０の平面図、図２(ｂ)は断面図である。
【００２２】
重ね合わせマーク３０は、図２(ａ),(ｂ)に示すように、大きさが異なる矩形状の下地マーク３１とレジストマーク３２とからなる。下地マーク３１は、下地パターンと同時に形成され、下地パターンの基準位置を示す。レジストマーク３２は、レジストパターンと同時に形成され、レジストパターンの基準位置を示す。下地マーク３１,レジストマーク３２は、各々、請求項の「被検マーク」に対応する。
【００２３】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２およびレジストパターンと、下地マーク３１および下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査後、レジストマーク３２が下地マーク３１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対し正確に重ね合わされている場合に、レジストパターンを介して実際に加工される。
【００２４】
一方、調整用ウエハ（調整用基板，補助基板）の表面には、図３に示す高段差マーク３５と、図４に示すライン＆スペースマーク３３とが形成されている。調整用ウエハの作成、つまり、高段差マーク３５およびライン＆スペースマーク３３の形成は、シリコンウエハに対するパターンニング（エッチング）によって行われる。図３(ａ),図４(ａ)は平面図、図３(ｂ),図４(ｂ)は断面図である。
【００２５】
高段差マーク３５（図３）は、大きさが異なる２つの矩形マーク（つまり外マーク３６と内マーク３７）からなる二重マーク（ box in box マーク）であり、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、照明光学系(１３〜１８)を微調整するために用いられる。
また、高段差マーク３５の外マーク３６は、エッジ部３６ａ,３６ｂの段差ｈ1が次の条件式(１)を満足するように構成されている（例えばｈ1＝４μｍ）。条件式(１)において、λは照明光学系(１３〜１８)から射出される照明光Ｌ１の中心波長、ＮＡは結像光学系(１９〜２３)の物体側（調整用ウエハ側）の開口数である。
【００２６】
(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ1 ＜ ３(λ/ＮＡ2) ……(１)
ここで、条件式(１)の“λ/ＮＡ2”は、重ね合わせ測定装置１０の焦点深度の２倍に相当する。このため、段差ｈ1が条件式(１)を満足する外マーク３６は、重ね合わせ測定装置１０の焦点深度に対して高段差形状を有するマークと言うことができる。条件式(１)の上限値および下限値の説明は後で行う。
【００２７】
これに対して内マーク３７は、エッジ部３７ａ,３７ｂの段差ｈ2が外マーク３６の段差ｈ1と比較して非常に小さく構成されている（例えばｈ2＝０.１μｍ）。つまり、高段差マーク３５は、外マーク３６と内マーク３７の段差ｈ1,ｈ2の形状差が比較的大きく構成されたものである。
一方、ライン＆スペースマーク３３（図４）は、複数のラインマーク３４がその短手方向に沿って一定のピッチで配列されたものであり、各々のラインマーク３４の線幅が３μｍ、ピッチが６μｍ、段差が８５ｎｍ(測定波長λの１/８程度)である。このライン＆スペースマーク３３は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、結像光学系(１９〜２３)を微調整するために用いられる。
【００２８】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
検査ステージ１２は、図示省略したが、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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、後述するステージ制御装置４９に接続されている。
【００２９】
なお、この検査ステージ１２のホルダには、製品ウエハ１１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）時、製品ウエハ１１が載置される。また、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、製品ウエハ１１に代えて調整用ウエハが載置される。
照明光学系(１３〜１８)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とで構成されている。ビームスプリッタ１８は、反射透過面１８ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１８)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００３０】
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、光源１３から射出された光の径を特定の径に制限する。この照明開口絞り１４は、光軸Ｏ１に対して垂直な面内でシフト可能に支持されている。照明開口絞り１４のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記の高段差マーク３５（図３）を用いて行われる。
【００３１】
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。
上記の照明光学系(１３〜１８)において、光源１３から射出された光は、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１８ａで反射した後（照明光Ｌ１）、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２上に導かれる。
【００３２】
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(１３〜１８)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、後述する焦点検出装置(４１〜４８)のビームスプリッタ４１が配置されている。
【００３３】
結像光学系(１９〜２３)の第１対物レンズ１９は、照明光学系(１３〜１８)のビームスプリッタ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上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）は、第１対物レンズ１９を透過した照明光Ｌ１によって照明される。
なお、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）に入射するときの照明光Ｌ１の入射角度は、照明光学系(１３〜１８)の照明開口絞り１４のシフト状態によって決まる。照明開口絞り１４のシフト状態とは、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係の状態を表す。また、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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は、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。
【００３４】
さらに、視野絞り１６と製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）とは共役な位置関係にあるため、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００３５】
そして、上記の照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の領域からは、反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９に導かれる。
第１対物レンズ１９は、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００３６】
また、第２対物レンズ２０は、光軸Ｏ２に対して垂直な面内でシフト可能に支持されている。第２対物レンズ２０のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図４）を用いて行われる。
このように、照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）からの反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９とビームスプリッタ１８とを介して第２対物レンズ２０に導かれ、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０の作用によって１次結像面１０ａに結像される。１次結像面１０ａは、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の中間像の形成位置である。
【００３７】
１次結像面１０ａの後段に配置された焦点検出装置(４１〜４８)のビームスプリッタ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。
【００３８】
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。この結像開口絞り２２は、光軸Ｏ２に垂直な面内でシフト可能に支持されている。
結像開口絞り２２のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図４）を用いて行われる。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。
【００３９】
このように、第２対物レンズ２０からの光は、ビームスプリッタ４１と第１結像リレーレンズ２１と結像開口絞り２２とを介して第２結像リレーレンズ２３に導かれ、第１結像リレーレンズ２１と第２結像リレーレンズ２３の作用によってＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上にリレー結像（再結像）される。
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、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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装置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。
【００４０】
画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に製品ウエハ１１が載置され、重ね合わせマーク３０（図２）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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、製品ウエハ１１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。
【００４１】
また、画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に調整用ウエハが載置され、高段差マーク３５（図３）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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後述のＴＩＳ値を測定する（図９参照）。ＴＩＳ値は、照明光学系(１３〜１８)を微調整するための指標であり、指標信号として制御装置２７に出力される。
【００４２】
さらに、画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に調整用ウエハが載置され、ライン＆スペースマーク３３（図４）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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後述のＱ値を測定する（図１０参照）。Ｑ値は、結像光学系(１９〜２３)を微調整するための指標であり、指標信号として制御装置２７に出力される。
【００４３】
制御装置２７は、詳細は後述するように、画像処理装置２６からの指標信号のＴＩＳ値（図９参照）に基づいて照明光学系(１３〜１８)を微調整する。つまり、照明開口絞り１４のシフト状態を必要に応じて調整する。また、指標信号のＱ値（図１０参照）に基づいて結像光学系(１９〜２３)を微調整する。つまり、第２対物レンズ２０,結像開口絞り２２のシフト状態を必要に応じて各々調整する。
【００４４】
焦点検出装置(４１〜４８)は、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
焦点検出装置(４１〜４８)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とからなる光学系と、ＡＦセンサ４７と、信号処理部４８とで構成されている。
【００４５】
ビームスプリッタ４１は、反射透過面が光軸Ｏ３に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２上にも配置されている。光軸Ｏ３は、光軸Ｏ２に垂直である。ＡＦセンサ４７はラインセンサであり、その撮像面４７ａ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４７の撮像面４７ａ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。
【００４６】
ビームスプリッタ４１で反射した光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(１３〜１８)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。
【００４７】
瞳分割ミラー４４に入射したＡＦ光は、そこで２方向の光に分離された後、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、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａの近傍に集光される。このとき、撮像面４７ａ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。
そして、ＡＦセンサ４７は、撮像面４７ａに形成された２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２（図５(ａ)〜(ｃ)）に関する情報を検出信号として信号処理部４８に出力する。図５(ａ),(ｂ),(ｃ)は、各々、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）のＣＣＤ撮像素子２５に対する前ピン状態,合焦状態,後ピン状態を示している。
【００４８】
図５(ａ)〜(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（合焦状態よりも下方）ほど互いに接近し、後ピン状態（合焦位置よりも上方）ほど互いに離れる。つまり、検査ステージ１２をＺ方向に上下させることで、撮像面４７ａ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。
【００４９】
信号処理部４８は、ＡＦセンサ４７からの検出信号に基づいて、２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２間の距離を算出する。この信号処理部４８には、合焦状態における結像中心Ｐ１,Ｐ２間の距離が、予め記憶されている。このため、信号処理部４８は、算出した結像中心Ｐ１,Ｐ２間の距離を合焦状態での距離と比較し、両者の差を計算して、得られる焦点位置信号をステージ制御装置４９に出力する。
【００５０】
構成説明の最後に、ステージ制御装置４９について説明する。
ステージ制御装置４９は、制御装置２７からの指示に基づいて検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、ホルダ（製品ウエハ１１または調整用ウエハ）をＸＹ方向に移動させて、製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)または調整用ウエハ上の高段差マーク３５(図３)またはライン＆スペースマーク３３(図４)を重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。
【００５１】
そして、焦点検出装置(４１〜４８)からの焦点位置信号に基づいて検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ホルダ（製品ウエハ１１または調整用ウエハ）をＺ方向に上下移動させる。その結果、製品ウエハ１１または調整用ウエハをＣＣＤ撮像素子２５に対して合焦させることができる（自動焦点合わせ）。
さらに、ステージ制御装置４９は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、調整用ウエハ上のライン＆スペースマーク３３(図４)を視野領域内に位置決めした状態で、検査ステージ１２のＺ駆動部を制御して、ホルダ（調整用ウエハ）を所定範囲内でＺ方向に上下移動させる。
【００５２】
上記した照明光学系(１３〜１８)および第１対物レンズ１９は、請求項の「照明光学系」に対応する。結像光学系(１９〜２３)は「結像光学系」に対応する。ＣＣＤ撮像素子２５は「撮像手段」に対応し、画像処理装置２６は「算出手段」に対応する。また、画像処理装置２６および制御装置２７は「微調整手段」に対応する。
【００５３】
次に、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０の組み立て手順のうち、照明光学系(１３〜１８)および結像光学系(１９〜２３)を微調整する手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。一般に、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２３)を機械的な設計値に応じて装置内に組み込んだ状態では、光学部品どうしの相対的な配置関係が理想的ではないため、各光学系の微調整が必要になる。
【００５４】
このとき、検査ステージ１２のホルダには調整用ウエハが載置され、重ね合わせ測定装置１０の測定視野内に高段差マーク３５(図３)またはライン＆スペースマーク３３(図４)が順に位置決めされる（図６のステップＳ１,Ｓ５）。この位置決め後、制御装置１７は自動焦点合わせ処理を行い、測定視野内のマークをＣＣＤ撮像素子２５に対して合焦させる。
【００５５】
そして、高段差マーク３５(図３)が測定視野内に位置決めされた状態で、制御装置１７はステップＳ２〜Ｓ４の処理を行い、照明開口絞り１４のシフト状態を調整する。既に説明したように、照明開口絞り１４のシフト状態とは、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係の状態を表し、このシフト状態によって照明光Ｌ１の入射角度（主光線の方向）が変化する。つまり、照明光Ｌ１による高段差マーク３５の照明状態が変化する。
【００５６】
具体的には、図７(ａ),(ｂ)に示すように、照明開口絞り１４の中心１４ａが光軸Ｏ１と一致している場合、照明光Ｌ１の入射角度は９０度（光軸Ｏ２と平行）となる。これは理想的な状態である。そして高段差マーク３５の照明状態は、左右のエッジ部３６ａ,３６ｂ,３７ａ,３７ｂに拘わらず同じになる（垂直照明）。
このため、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６に出力される画像信号にに基づいて高段差マーク３５の像を観察すると、図７(ｃ)に示すように、外マーク３６の強度プロファイルも、内マーク３７の強度プロファイルも、マーク中心に対して対称となる。
【００５７】
これに対し、図８(ａ),(ｂ)に示すように、中心１４ａが光軸Ｏ１から大きく外れていると、照明光Ｌ１は光軸Ｏ２に対して傾斜角を持つことにとなる。これは要調整の状態である。そして高段差マーク３５の照明状態は、左右のエッジ部３６ａ,３６ｂ,３７ａ,３７ｂで差が生じる（斜め照明）。つまり、エッジ部３６ａ,３７ｂの側に影の領域が生じてしまう。
【００５８】
このため、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６に出力される画像信号にに基づいて高段差マーク３５の像を観察すると、図８(ｃ)に示すように、外マーク３６の強度プロファイルも、内マーク３７の強度プロファイルも、マーク中心に対して非対称となる。
ただし、照明開口絞り１４の中心１４ａの位置ずれ(シフト)に起因する高段差マーク３５の観察像の非対称性は、高段差マーク３５のエッジ部３６ａ,３６ｂ,３７ａ,３７ｂの段差ｈ1,ｈ2（図３参照）の高低に応じて異なる。具体的には、段差ｈ2の小さい内マーク３７と比較して段差ｈ1の大きい外マーク３６で、高段差マーク３５の観察像の非対称性が大きくなる。
【００５９】
すなわち、外マーク３６のように段差ｈ1が大きいほど、照明開口絞り１４の中心１４ａの位置ずれが、高段差マーク３５の観察像の非対称性として明確に現れることになる。したがって、この観察像の非対称性に応じて測定されるＴＩＳ値（図９参照)(照明開口絞り１４のシフト状態を調整するための指標）も、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）が大きいほど明確化する。
【００６０】
しかしながら、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）が大きすぎると、ピントずれに起因して高段差マーク３５の観察像の強度プロファイルがブロードになり、ＴＩＳ値の測定再現性が低下する。このため、本実施形態では、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）に対して、上述の条件式(１)のような上限値“３(λ/ＮＡ2)”および下限値“(λ/ＮＡ2)”を設定した。
【００６１】
本実施形態では、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）が条件式(１)を満足するため、高段差マーク３５の観察像の非対称性（図８(ｃ)参照）に基づいて、照明開口絞り１４のシフト状態を調整するために有効な指標(ＴＩＳ値)を高感度で再現性良く測定することができる。
さて次に、ＴＩＳ値の測定方法について簡単に説明しておく。ＴＩＳ値の測定は画像処理装置２６で行われ、その測定結果が制御装置２７に取り込まれる（図６のステップＳ２）。
【００６２】
制御装置２７は、ＴＩＳ値の測定時、調整用ウエハを光軸Ｏ２のまわりに１８０度回転させる前後の状態（図９(ａ),(ｂ)）で、画像処理装置２６に、高段差マーク３５の外マーク３６の中心位置Ｃ１と内マーク３７の中心位置Ｃ２とを各々算出させる。
画像処理装置２６では、図９(ａ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ0を算出し、同様に、図９(ｂ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２に基づいて１８０度方向での重ね合わ測定値Ｌ180を算出する。
【００６３】
そして、次式(２)にしたがってＴＩＳ値を測定する。ＴＩＳ値は、０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ0と１８０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ180との平均値である。このため、高段差マーク３５の外マーク３６のエッジ部３６ａ,３６ｂの段差形状が左右非対称であっても、照明開口絞り１４の中心１４ａのシフト量のみを反映したＴＩＳ値を測定結果として得ることができる。
【００６４】
ＴＩＳ ＝ (Ｌ0＋Ｌ180)/２ ……(２)
このようにして画像処理装置２６におけるＴＩＳ値の測定が終了すると、制御装置２７は、測定結果であるＴＩＳ値を画像処理装置２６から取り込み（図６のステップＳ２）、次のステップＳ３において、予め定めた閾値と比較する。閾値は、十分に小さい規格値（例えば±１ｎｍ）を示している。
【００６５】
そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より大きい場合には（Ｓ３がＮ）、照明開口絞り１４の中心１４ａが光軸Ｏ１から大きく外れているため（図８(ａ)参照）、次のステップＳ４において、照明開口絞り１４を光軸Ｏ１に垂直な面内でシフトさせる。さらに、照明開口絞り１４のシフト調整（偏心調整）後、再度、ステップＳ２,Ｓ３の処理を行う。
【００６６】
このようにして、制御装置２７は、測定されたＴＩＳ値が閾値（例えば±１ｎｍ）より小さくなるまで、ステップＳ２〜Ｓ４の処理を繰り返す。そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなる（Ｓ３がＹ）と、照明開口絞り１４の中心１４ａが光軸Ｏ１と一致しているため（図７(ａ)参照）、次のステップＳ５に進む。
【００６７】
本実施形態では、上述の条件式(１)を満足する高段差マーク３５によってＴＩＳ値を測定し、このＴＩＳ値を指標として照明開口絞り１４のシフト状態を調整するため、その調整を極めて感度よく適切に行うことができる。
その結果、照明開口絞り１４の調整誤差を確実に小さくすることができる（例えば±２.５μｍ以下）。これは、ステップＳ２〜Ｓ４の処理による調整後、照明開口絞り１４の中心１４ａが、光軸Ｏ１を中心とする直径５μｍ以下の範囲内に位置決めされることを意味する。
【００６８】
次に、制御装置１７は、ステップＳ５でライン＆スペースマーク３３(図４)を視野領域内に位置決めした後、特開２０００−７７２９５号公報に開示されているＱＺ法を利用して、結像光学系(１９〜２３)の結像開口絞り２２と第２対物レンズ２０のシフト状態の調整を行う（ステップＳ６）。なお、結像開口絞り２２,第２対物レンズ２０のシフト調整は、各々、結像光学系(１９〜２３)における反射光Ｌ２の非対称なけられの補正,偏心コマ収差の補正に対応する。
【００６９】
視野領域内にライン＆スペースマーク３３(図４)が位置決めされると、このライン＆スペースマーク３３が照明光Ｌ１によって垂直照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上にはライン＆スペースマーク３３の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６には、図１０(ａ)に示すように、ライン＆スペースマーク３３の像の光強度(明るさ)に応じた画像信号が出力される。
【００７０】
そして、画像処理装置２６では、図１０(ａ)の画像信号の輝度分布に基づいて、画像信号に現れた複数のエッジを抽出し、左側エッジ３８と右側エッジ３９との信号強度差ΔＩを算出する。さらに、得られた信号強度差ΔＩを任意の信号強度Ｉ0で規格化して、次式(３)に示されるＱ値を算出する。Ｑ値は、左側エッジ３８と右側エッジ３９との非対称性を表している。
【００７１】
Ｑ値＝ΔＩ／Ｉ0×１００(％) ……(３)
また、このようなＱ値の算出は、ステージ制御装置４９が検査ステージ１２のホルダ（調整用ウエハ）をＺ方向に微少量ずつ移動させる毎に行われる。その結果、図１０(ｂ)に示すようなＱ値のフォーカス特性曲線を得ることができる。Ｑ値のフォーカス特性は、結像開口絞り２２と第２対物レンズ２０のシフト状態を調整する際の指標信号として、制御装置２７に出力される。
【００７２】
ここで、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）のうち、図１０(ｃ)に示す凹凸成分βは、結像開口絞り２２のシフト調整によって変動する成分である。また、図１０(ｄ)に示す傾斜成分γは、第２対物レンズ２０のシフト調整によって変動する成分である。
上述した図６のステップＳ２〜Ｓ４によって既に照明開口絞り１４は調整済みであり、照明開口絞り１４の中心１４ａは光軸Ｏ１と一致している（図７(ａ)参照）ため、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）の中に平行シフト成分（照明開口絞り１４で変動する成分）は含まれていない。つまり、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）には凹凸成分βと傾斜成分γのみが残存している。
【００７３】
したがって、制御装置２７は、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）を指標として、凹凸成分β,傾斜成分γ（図１０(ｃ),(ｄ)）が除去されるように、結像開口絞り２２,第２対物レンズ２０のシフト調整を順に行う。
調整の順序は、結像開口絞り２２→第２対物レンズ２０とすることが望ましい。これは、結像開口絞り２２による調整感度の方が敏感であり、Ｑ値のフォーカス特性曲線において凹凸成分β（図１０(ｃ)）が大きいと、第２対物レンズ２０の調整量を的確に定めることが難しいからである。
【００７４】
したがって、第２対物レンズ２０,結像開口絞り２２を必要に応じてシフト調整することにより、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）を予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）に収束させることができる。１回の調整サイクルで規格値に収束しない場合は、同様の調整サイクルを繰り返すことが望ましい。
【００７５】
その結果、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に対して非回転対称な偏心コマ収差を、測定視野内で対称に分布させることができる。また、調整用ウエハから発生した反射光Ｌ２の非対称なけられを補正することもできる。つまり、良好な結像光学系(１９〜２３)を得ることができる。
ちなみに、結像開口絞り２２および第２対物レンズ２０をシフト調整(Ｓ６)したときの高段差マーク３５のＴＩＳ値の変化量は、照明開口絞り１４のシフト調整(Ｓ３)による変化量と比較して、極めて微小である。このため、ステップＳ２〜Ｓ４での照明開口絞り１４の良好な調整結果が、ステップＳ６での結像開口絞り２２および第２対物レンズ２０の調整によって崩れることはない。
【００７６】
これで、重ね合わせ測定装置１０の組み立て工程は終了する。このとき、重ね合わせ測定装置１０の各構成要素（照明開口絞り１４,結像開口絞り２２,第２対物レンズ２２）の相対的な位置関係に関して、最適な状態を確保できる。すなわち、装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減することができる。
そして、この最適な状態で、製品ウエハ１１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）が行われる。重ね合わせ検査時、検査ステージ１２には製品ウエハ１１が載置され、重ね合わせ測定装置１０の視野領域内には製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)が位置決めされる。
【００７７】
そして、この重ね合わせマーク３０が照明光Ｌ１によって垂直に照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、良好な結像光学系(１９〜２３)を介して重ね合わせマーク３０の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、重ね合わせマーク３０の像を撮像して、この像の光強度に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００７８】
画像処理装置２６は、重ね合わせマーク３０(図２)の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を各々算出する。エッジとは画像信号の強度が急激に変化する箇所である。
さらに、画像処理装置２６は、製品ウエハ１１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状態を検査する際、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせ測定値Ｒを算出する。重ね合わせ測定値Ｒは、製品ウエハ１１の表面の２次元ベクトルとして表される。
【００７９】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、上述の条件式(１)を満足する高段差マーク３５（図３）を用い、そのＴＩＳ値（図９）を指標とするため、極めて感度よく適切に照明開口絞り１４のシフト状態を調整でき、照明開口絞り１４の調整誤差を確実に小さくすることができる。
したがって、重ね合わせ測定装置１０における装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減することが可能となり、装置の品質向上が図られる。また、重ね合わせ装置１０の測定精度（測定誤差）のバラツキを小さくすることもできる。
【００８０】
さらに、製品ウエハ１１の下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを精度良く検出することができる。その結果、重ね合わせ測定値Ｒも精度良く測定できる。その結果、重ね合わせ測定装置１０によれば、製品ウエハ１１の重ね合わせ状態を高精度に検査することができ、製品の歩留まりをさらに向上させることもできる。
【００８１】
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図３に示す高段差マーク３５（外マーク３６が上述の条件式(１)を満足するもの）を用いて照明光学系(１３〜１８)を微調整したが、本発明はこれに限定されない。例えば逆に、外マーク３６の段差を低く（ｈ2）して、内マーク３７の段差を高く（ｈ1）してもよい。
【００８２】
また、高段差マーク３５に代えて、図１１に示す高段差マーク５５を用いてもよい。これは、外マーク５６および内マーク５７の双方の段差（ｈ1）が高く、条件式(１)を満足するものである。高段差マーク５５を用いた場合には、さらに感度よく照明光学系(１３〜１８)を微調整することができる。
さらに、上記した実施形態では、高段差マーク３５,５５のように box in boxマークを用いる例を説明したが、その種類は他のもの（例えば frame in frameマークや bar in bar マークなど）でも良い。
【００８３】
また、上記した実施形態では、高段差マーク３５,５５のように二重マークを用いたが一重マークを用いても良い。この場合、照明光学系(１３〜１８)を微調整するための指標としては、ＴＩＳ値に代えて相関値（図８(ｃ)の強度プロファイルの非対称性に関わる相関値）を用いればよい。ＴＩＳ値や相関値に代えて、強度プロファイルの左右エッジ部の幅の違いを指標としてもよい。二重マークを用いた場合でも、相関値や左右エッジ部の幅の違いを指標としてもよい。
【００８４】
さらに、上記した実施形態では、高段差マーク３５(,５５)とライン＆スペースマーク３３が１つの調整用ウエハに形成されている例を説明したが、高段差マーク３５(,５５)が形成されている調整用ウエハ（調整用基板）と、ライン＆スペースマーク３３（マーク群）が形成されている調整用ウエハ（補助基板）とを、別々に用意してもよい。
【００８５】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に検査ステージ１２上に調整用ウエハを載置し、その調整用ウエハに設けられた高段差マーク３５,５５を用いて照明光学系(１３〜１８)などの微調整を行ったが、本発明はこれに限定されない。
【００８６】
例えば図１２に示す重ね合わせ測定装置５０のように、検査ステージ１２の上面に、同様の高段差マークが設けられた調整用マーク板５８を固定しておき、調整用マーク板５８の高段差マークを用いて上記の微調整を行ってもよい（請求項４〜請求項６）。この場合、検査ステージ１２に回転テーブルを設置し、回転テーブルに調整用マーク板５８を固定することが必要である。
【００８７】
重ね合わせ測定装置５０の結像光学系(１９〜２３)を微調整するためには、上記したライン＆スペースマーク３３が形成されている調整用ウエハを検査ステージ１２に載置するか、検査ステージ１２上の調整用マーク板５８にライン＆スペースマーク３３と同様のマーク群を設けておくことが必要になる。
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、照明開口絞り１４,第２対物レンズ２０,結像開口絞り２２を微調整したが、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査の直前に同様の微調整を行っても良い。
【００８８】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の制御装置２７によって、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に照明光学系(１３〜１８)および結像光学系(１９〜２３)を微調整したが、重ね合わせ測定装置１０の外部に接続されたコンピュータなどで同様の微調整を行っても良い。
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。例えば、マスクに形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程の前に、マスクと製品ウエハ１１とのアライメントを行う装置（露光装置のアライメント系）にも適用できる。この場合には、製品ウエハ１１上に形成されたアライメントマークの位置を精度良く検出することができる。また、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にも、本発明は適用できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照明光学系の調整感度を向上させることにより装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減でき、被検マークの位置検出をさらに精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】製品ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図３】調整用ウエハに形成された高段差マーク３５の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図４】調整用ウエハに形成されたライン＆スペースマーク３３の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図５】重ね合わせ測定装置１０の自動焦点合わせ機構を説明する図である。
【図６】重ね合わせ測定装置１０における照明光学系(１３〜１８)と結像光学系(１９〜２３)を微調整する手順を示すフローチャートである。
【図７】照明開口絞り１４のシフト状態(ａ)と照明光Ｌ１による照明状態(ｂ)と画像信号の強度プロファイル(ｃ)について説明する図である。
【図８】照明開口絞り１４のシフト状態(ａ)と照明光Ｌ１による照明状態(ｂ)と画像信号の強度プロファイル(ｃ)について説明する図である。
【図９】ＴＩＳ値の測定方法を説明する図である。
【図１０】ＱＺ法による結像開口絞り２２と第２対物レンズ２０の微調整方法を説明する図である。
【図１１】変形例の高段差マーク５５の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図１２】変形例の重ね合わせ測定装置５０の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，５０ 重ね合わせ測定装置
１１ 製品ウエハ
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 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
２５ ＣＣＤ撮像素子
２６ 画像処理装置
２７ 制御装置
３０ 重ね合わせマーク
３３ ライン＆スペースマーク
３５ 高段差マーク
４９ ステージ制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の被検マークの位置を検出するマーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法に関し、特に、半導体素子などの製造工程における高精度な位置検出に好適なマーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク(レチクル)に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより(加工工程)、レジスト膜の直下に隣接している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）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。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。
【０００４】
ところで、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、各々のパターン形成工程のうち露光工程の前に、マスクと基板とのアライメントを行い、さらに、現像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状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。
【０００５】
ちなみに、マスクと基板とのアライメント（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントであり、各々の回路パターンの基準位置を示すアライメントマークを用いて行われる。
また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、１つ前のパターン形成工程で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重ね合わせ検査であり、下地パターンとレジストパターンの各々の基準位置を示す重ね合わせマークを用いて行われる。
【０００６】
そして、これらのアライメントマークや重ね合わせマーク（総じて「被検マーク」という）の位置検出は、被検マークを照明すると共に、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて被検マークの像を撮像し、得られた画像信号に対して所定の画像処理を施すことにより行われる。
また、被検マークの位置検出を行う装置では、その検出精度を高めるために、例えば特許文献１に開示されている方法（以下「ＱＺ法」という）を利用して、照明光学系や結像光学系の中に設けられている光学部品の配置を微調整し、装置起因の誤差ＴＩＳ（Tool Induced Shift）を低減するようにしている。
【０００７】
ＱＺ法を利用した光学部品の配置の微調整は、例えば装置の組み立て時や被検マークの位置検出の直前に行われる。なお、照明光学系は、被検マークに照明光を照射するものである。結像光学系は、被検マークからの光（例えば反射光）を結像してマーク像を形成するものである。
【特許文献１】
特開２０００−７７２９５号公報（第７−１２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＱＺ法を利用した場合、結像光学系の微調整と比較して照明光学系の微調整における感度が低く、調整誤差が大きかった。このため、従来の装置では、装置起因の誤差ＴＩＳを十分に低減できるとは限らず、検出精度の向上にもばらつきがあった。
【０００９】
本発明の目的は、照明光学系の調整感度を向上させることにより装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減できるマーク位置検出装置ならびにその調整用基板および調整方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマーク位置検出装置は、対象基板に照明光を照射する照明光学系と、前記対象基板からの光を結像して基板像を形成する結像光学系と、前記基板像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、調整用マークが設けられ且つ該調整用マークの段差ｈが前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式“(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)”を満足する調整用基板を前記対象基板として用いたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整手段と、被検マークが設けられた被検基板を前記対象基板として用いたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマーク位置検出装置において、前記微調整手段は、前記調整用基板を前記対象基板として用いたときに、前記調整用基板を１８０度回転させる前後の状態で前記撮像手段から各々取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のマーク位置検出装置において、前記微調整手段は、前記照明光学系を微調整した後、複数のラインマークが該ラインマークの短手方向に沿って一定のピッチで配列された補助基板を前記対象基板として用い、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記結像光学系を微調整するものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、被検マークが設けられた被検基板を支持する支持手段と、前記被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備え、前記支持手段には、調整用マークが設けられ、前記調整用マークの段差ｈは、前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式“(λ/ＮＡ2)＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)”を満足するものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のマーク位置検出装置において、前記調整用マークは、外マークと内マークからなる二重マークであり、前記内マークと前記外マークのうち少なくとも一方の段差ｈは、前記条件式を満足するものである。
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載のマーク位置検出装置において、前記被検マークに代えて前記調整用マークを前記照明光の照射領域に位置決めしたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整手段をさらに備えたものである。
【００１４】
請求項７に記載の調整用基板は、被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたマーク位置検出装置の調整用基板であって、当該調整用基板には、調整用マークが設けられ、前記調整用マークの段差ｈは、前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式“(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)”を満足するものである。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の調整用基板において、前記調整用マークは、外マークと内マークからなる二重マークであり、前記内マークと前記外マークのうち少なくとも一方の段差ｈは、前記条件式を満足するものである。請求項９に記載の調整方法は、被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたマーク位置検出装置の調整方法であって、請求項７または請求項８に記載した調整用基板の前記調整用マークに前記照明光を照射する照明工程と、前記照明工程の後に前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整工程とを備えたものである。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の調整方法において、前記照明工程では、前記調整用基板を１８０度回転させる前後の状態で前記調整用マークに前記照明光を照射し、前記微調整工程では、前記前後の状態で前記撮像手段から各々取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整するものである。
【００１７】
請求項１１に記載の発明は、請求項９または請求項１０に記載の調整方法において、前記微調整工程の後に、複数のラインマークが該ラインマークの短手方向に沿って一定のピッチで配列された補助基板のマーク群に前記照明光を照射し、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記結像光学系を微調整する工程をさらに備えたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項３,請求項７〜請求項１１に対応する。
ここでは、本実施形態のマーク位置検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１９】
重ね合わせ測定装置１０は、図１(ａ)に示すように、製品ウエハ１１（または不図示の調整用ウエハ）を支持する検査ステージ１２と、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）に対する照明光Ｌ１を射出する照明光学系(１３〜１８)と、照明光Ｌ１によって照明された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の像を形成する結像光学系(１９〜２３)と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理装置２６と、制御装置２７と、焦点検出装置(４１〜４８)と、ステージ制御装置４９とで構成されている。
【００２０】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、製品ウエハ１１および調整用ウエハの説明を行う。
製品ウエハ１１（被検基板）には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、製品ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００２１】
そして、製品ウエハ１１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状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、製品ウエハ１１の表面には、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２(ａ)は重ね合わせマーク３０の平面図、図２(ｂ)は断面図である。
【００２２】
重ね合わせマーク３０は、図２(ａ),(ｂ)に示すように、大きさが異なる矩形状の下地マーク３１とレジストマーク３２とからなる。下地マーク３１は、下地パターンと同時に形成され、下地パターンの基準位置を示す。レジストマーク３２は、レジストパターンと同時に形成され、レジストパターンの基準位置を示す。下地マーク３１,レジストマーク３２は、各々、請求項の「被検マーク」に対応する。
【００２３】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２およびレジストパターンと、下地マーク３１および下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査後、レジストマーク３２が下地マーク３１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対し正確に重ね合わされている場合に、レジストパターンを介して実際に加工される。
【００２４】
一方、調整用ウエハ（調整用基板，補助基板）の表面には、図３に示す高段差マーク３５と、図４に示すライン＆スペースマーク３３とが形成されている。調整用ウエハの作成、つまり、高段差マーク３５およびライン＆スペースマーク３３の形成は、シリコンウエハに対するパターンニング（エッチング）によって行われる。図３(ａ),図４(ａ)は平面図、図３(ｂ),図４(ｂ)は断面図である。
【００２５】
高段差マーク３５（図３）は、大きさが異なる２つの矩形マーク（つまり外マーク３６と内マーク３７）からなる二重マーク（ box in box マーク）であり、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、照明光学系(１３〜１８)を微調整するために用いられる。
また、高段差マーク３５の外マーク３６は、エッジ部３６ａ,３６ｂの段差ｈ1が次の条件式(１)を満足するように構成されている（例えばｈ1＝４μｍ）。条件式(１)において、λは照明光学系(１３〜１８)から射出される照明光Ｌ１の中心波長、ＮＡは結像光学系(１９〜２３)の物体側（調整用ウエハ側）の開口数である。
【００２６】
(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ1 ＜ ３(λ/ＮＡ2) ……(１)
ここで、条件式(１)の“λ/ＮＡ2”は、重ね合わせ測定装置１０の焦点深度の２倍に相当する。このため、段差ｈ1が条件式(１)を満足する外マーク３６は、重ね合わせ測定装置１０の焦点深度に対して高段差形状を有するマークと言うことができる。条件式(１)の上限値および下限値の説明は後で行う。
【００２７】
これに対して内マーク３７は、エッジ部３７ａ,３７ｂの段差ｈ2が外マーク３６の段差ｈ1と比較して非常に小さく構成されている（例えばｈ2＝０.１μｍ）。つまり、高段差マーク３５は、外マーク３６と内マーク３７の段差ｈ1,ｈ2の形状差が比較的大きく構成されたものである。
一方、ライン＆スペースマーク３３（図４）は、複数のラインマーク３４がその短手方向に沿って一定のピッチで配列されたものであり、各々のラインマーク３４の線幅が３μｍ、ピッチが６μｍ、段差が８５ｎｍ(測定波長λの１/８程度)である。このライン＆スペースマーク３３は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、結像光学系(１９〜２３)を微調整するために用いられる。
【００２８】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
検査ステージ１２は、図示省略したが、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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、後述するステージ制御装置４９に接続されている。
【００２９】
なお、この検査ステージ１２のホルダには、製品ウエハ１１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）時、製品ウエハ１１が載置される。また、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、製品ウエハ１１に代えて調整用ウエハが載置される。
照明光学系(１３〜１８)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とで構成されている。ビームスプリッタ１８は、反射透過面１８ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１８)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に垂直である。
【００３０】
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、光源１３から射出された光の径を特定の径に制限する。この照明開口絞り１４は、光軸Ｏ１に対して垂直な面内でシフト可能に支持されている。照明開口絞り１４のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記の高段差マーク３５（図３）を用いて行われる。
【００３１】
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。
上記の照明光学系(１３〜１８)において、光源１３から射出された光は、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１８ａで反射した後（照明光Ｌ１）、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２上に導かれる。
【００３２】
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(１３〜１８)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、後述する焦点検出装置(４１〜４８)のビームスプリッタ４１が配置されている。
【００３３】
結像光学系(１９〜２３)の第１対物レンズ１９は、照明光学系(１３〜１８)のビームスプリッタ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上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）は、第１対物レンズ１９を透過した照明光Ｌ１によって照明される。
なお、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）に入射するときの照明光Ｌ１の入射角度は、照明光学系(１３〜１８)の照明開口絞り１４のシフト状態によって決まる。照明開口絞り１４のシフト状態とは、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係の状態を表す。また、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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は、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。
【００３４】
さらに、視野絞り１６と製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）とは共役な位置関係にあるため、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００３５】
そして、上記の照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の領域からは、反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９に導かれる。
第１対物レンズ１９は、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００３６】
また、第２対物レンズ２０は、光軸Ｏ２に対して垂直な面内でシフト可能に支持されている。第２対物レンズ２０のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図４）を用いて行われる。
このように、照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）からの反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９とビームスプリッタ１８とを介して第２対物レンズ２０に導かれ、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０の作用によって１次結像面１０ａに結像される。１次結像面１０ａは、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の中間像の形成位置である。
【００３７】
１次結像面１０ａの後段に配置された焦点検出装置(４１〜４８)のビームスプリッタ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。
【００３８】
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。この結像開口絞り２２は、光軸Ｏ２に垂直な面内でシフト可能に支持されている。
結像開口絞り２２のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図４）を用いて行われる。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。
【００３９】
このように、第２対物レンズ２０からの光は、ビームスプリッタ４１と第１結像リレーレンズ２１と結像開口絞り２２とを介して第２結像リレーレンズ２３に導かれ、第１結像リレーレンズ２１と第２結像リレーレンズ２３の作用によってＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上にリレー結像（再結像）される。
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、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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装置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。
【００４０】
画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に製品ウエハ１１が載置され、重ね合わせマーク３０（図２）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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、製品ウエハ１１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。
【００４１】
また、画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に調整用ウエハが載置され、高段差マーク３５（図３）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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後述のＴＩＳ値を測定する（図９参照）。ＴＩＳ値は、照明光学系(１３〜１８)を微調整するための指標であり、指標信号として制御装置２７に出力される。
【００４２】
さらに、画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に調整用ウエハが載置され、ライン＆スペースマーク３３（図４）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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後述のＱ値を測定する（図１０参照）。Ｑ値は、結像光学系(１９〜２３)を微調整するための指標であり、指標信号として制御装置２７に出力される。
【００４３】
制御装置２７は、詳細は後述するように、画像処理装置２６からの指標信号のＴＩＳ値（図９参照）に基づいて照明光学系(１３〜１８)を微調整する。つまり、照明開口絞り１４のシフト状態を必要に応じて調整する。また、指標信号のＱ値（図１０参照）に基づいて結像光学系(１９〜２３)を微調整する。つまり、第２対物レンズ２０,結像開口絞り２２のシフト状態を必要に応じて各々調整する。
【００４４】
焦点検出装置(４１〜４８)は、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
焦点検出装置(４１〜４８)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とからなる光学系と、ＡＦセンサ４７と、信号処理部４８とで構成されている。
【００４５】
ビームスプリッタ４１は、反射透過面が光軸Ｏ３に対して略４５°傾けられ、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２上にも配置されている。光軸Ｏ３は、光軸Ｏ２に垂直である。ＡＦセンサ４７はラインセンサであり、その撮像面４７ａ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４７の撮像面４７ａ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。
【００４６】
ビームスプリッタ４１で反射した光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(１３〜１８)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。
【００４７】
瞳分割ミラー４４に入射したＡＦ光は、そこで２方向の光に分離された後、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、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａの近傍に集光される。このとき、撮像面４７ａ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。
そして、ＡＦセンサ４７は、撮像面４７ａに形成された２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２（図５(ａ)〜(ｃ)）に関する情報を検出信号として信号処理部４８に出力する。図５(ａ),(ｂ),(ｃ)は、各々、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）のＣＣＤ撮像素子２５に対する前ピン状態,合焦状態,後ピン状態を示している。
【００４８】
図５(ａ)〜(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（合焦状態よりも下方）ほど互いに接近し、後ピン状態（合焦位置よりも上方）ほど互いに離れる。つまり、検査ステージ１２をＺ方向に上下させることで、撮像面４７ａ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。
【００４９】
信号処理部４８は、ＡＦセンサ４７からの検出信号に基づいて、２つの光源像の結像中心Ｐ１,Ｐ２間の距離を算出する。この信号処理部４８には、合焦状態における結像中心Ｐ１,Ｐ２間の距離が、予め記憶されている。このため、信号処理部４８は、算出した結像中心Ｐ１,Ｐ２間の距離を合焦状態での距離と比較し、両者の差を計算して、得られる焦点位置信号をステージ制御装置４９に出力する。
【００５０】
構成説明の最後に、ステージ制御装置４９について説明する。
ステージ制御装置４９は、制御装置２７からの指示に基づいて検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、ホルダ（製品ウエハ１１または調整用ウエハ）をＸＹ方向に移動させて、製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)または調整用ウエハ上の高段差マーク３５(図３)またはライン＆スペースマーク３３(図４)を重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。
【００５１】
そして、焦点検出装置(４１〜４８)からの焦点位置信号に基づいて検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ホルダ（製品ウエハ１１または調整用ウエハ）をＺ方向に上下移動させる。その結果、製品ウエハ１１または調整用ウエハをＣＣＤ撮像素子２５に対して合焦させることができる（自動焦点合わせ）。
さらに、ステージ制御装置４９は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、調整用ウエハ上のライン＆スペースマーク３３(図４)を視野領域内に位置決めした状態で、検査ステージ１２のＺ駆動部を制御して、ホルダ（調整用ウエハ）を所定範囲内でＺ方向に上下移動させる。
【００５２】
上記した照明光学系(１３〜１８)および第１対物レンズ１９は、請求項の「照明光学系」に対応する。結像光学系(１９〜２３)は「結像光学系」に対応する。ＣＣＤ撮像素子２５は「撮像手段」に対応し、画像処理装置２６は「算出手段」に対応する。また、画像処理装置２６および制御装置２７は「微調整手段」に対応する。
【００５３】
次に、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０の組み立て手順のうち、照明光学系(１３〜１８)および結像光学系(１９〜２３)を微調整する手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。一般に、照明光学系(１３〜１８)や結像光学系(１９〜２３)を機械的な設計値に応じて装置内に組み込んだ状態では、光学部品どうしの相対的な配置関係が理想的ではないため、各光学系の微調整が必要になる。
【００５４】
このとき、検査ステージ１２のホルダには調整用ウエハが載置され、重ね合わせ測定装置１０の測定視野内に高段差マーク３５(図３)またはライン＆スペースマーク３３(図４)が順に位置決めされる（図６のステップＳ１,Ｓ５）。この位置決め後、制御装置１７は自動焦点合わせ処理を行い、測定視野内のマークをＣＣＤ撮像素子２５に対して合焦させる。
【００５５】
そして、高段差マーク３５(図３)が測定視野内に位置決めされた状態で、制御装置１７はステップＳ２〜Ｓ４の処理を行い、照明開口絞り１４のシフト状態を調整する。既に説明したように、照明開口絞り１４のシフト状態とは、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係の状態を表し、このシフト状態によって照明光Ｌ１の入射角度（主光線の方向）が変化する。つまり、照明光Ｌ１による高段差マーク３５の照明状態が変化する。
【００５６】
具体的には、図７(ａ),(ｂ)に示すように、照明開口絞り１４の中心１４ａが光軸Ｏ１と一致している場合、照明光Ｌ１の入射角度は９０度（光軸Ｏ２と平行）となる。これは理想的な状態である。そして高段差マーク３５の照明状態は、左右のエッジ部３６ａ,３６ｂ,３７ａ,３７ｂに拘わらず同じになる（垂直照明）。
このため、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６に出力される画像信号にに基づいて高段差マーク３５の像を観察すると、図７(ｃ)に示すように、外マーク３６の強度プロファイルも、内マーク３７の強度プロファイルも、マーク中心に対して対称となる。
【００５７】
これに対し、図８(ａ),(ｂ)に示すように、中心１４ａが光軸Ｏ１から大きく外れていると、照明光Ｌ１は光軸Ｏ２に対して傾斜角を持つことにとなる。これは要調整の状態である。そして高段差マーク３５の照明状態は、左右のエッジ部３６ａ,３６ｂ,３７ａ,３７ｂで差が生じる（斜め照明）。つまり、エッジ部３６ａ,３７ｂの側に影の領域が生じてしまう。
【００５８】
このため、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６に出力される画像信号にに基づいて高段差マーク３５の像を観察すると、図８(ｃ)に示すように、外マーク３６の強度プロファイルも、内マーク３７の強度プロファイルも、マーク中心に対して非対称となる。
ただし、照明開口絞り１４の中心１４ａの位置ずれ(シフト)に起因する高段差マーク３５の観察像の非対称性は、高段差マーク３５のエッジ部３６ａ,３６ｂ,３７ａ,３７ｂの段差ｈ1,ｈ2（図３参照）の高低に応じて異なる。具体的には、段差ｈ2の小さい内マーク３７と比較して段差ｈ1の大きい外マーク３６で、高段差マーク３５の観察像の非対称性が大きくなる。
【００５９】
すなわち、外マーク３６のように段差ｈ1が大きいほど、照明開口絞り１４の中心１４ａの位置ずれが、高段差マーク３５の観察像の非対称性として明確に現れることになる。したがって、この観察像の非対称性に応じて測定されるＴＩＳ値（図９参照)(照明開口絞り１４のシフト状態を調整するための指標）も、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）が大きいほど明確化する。
【００６０】
しかしながら、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）が大きすぎると、ピントずれに起因して高段差マーク３５の観察像の強度プロファイルがブロードになり、ＴＩＳ値の測定再現性が低下する。このため、本実施形態では、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）に対して、上述の条件式(１)のような上限値“３(λ/ＮＡ2)”および下限値“(λ/ＮＡ2)”を設定した。
【００６１】
本実施形態では、高段差マーク３５の段差（ここでは外マーク３６の段差ｈ1）が条件式(１)を満足するため、高段差マーク３５の観察像の非対称性（図８(ｃ)参照）に基づいて、照明開口絞り１４のシフト状態を調整するために有効な指標(ＴＩＳ値)を高感度で再現性良く測定することができる。
さて次に、ＴＩＳ値の測定方法について簡単に説明しておく。ＴＩＳ値の測定は画像処理装置２６で行われ、その測定結果が制御装置２７に取り込まれる（図６のステップＳ２）。
【００６２】
制御装置２７は、ＴＩＳ値の測定時、調整用ウエハを光軸Ｏ２のまわりに１８０度回転させる前後の状態（図９(ａ),(ｂ)）で、画像処理装置２６に、高段差マーク３５の外マーク３６の中心位置Ｃ１と内マーク３７の中心位置Ｃ２とを各々算出させる。
画像処理装置２６では、図９(ａ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２の差に基づいて０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ0を算出し、同様に、図９(ｂ)の状態で算出した中心位置Ｃ１,Ｃ２に基づいて１８０度方向での重ね合わ測定値Ｌ180を算出する。
【００６３】
そして、次式(２)にしたがってＴＩＳ値を測定する。ＴＩＳ値は、０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ0と１８０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ180との平均値である。このため、高段差マーク３５の外マーク３６のエッジ部３６ａ,３６ｂの段差形状が左右非対称であっても、照明開口絞り１４の中心１４ａのシフト量のみを反映したＴＩＳ値を測定結果として得ることができる。
【００６４】
ＴＩＳ ＝ (Ｌ0＋Ｌ180)/２ ……(２)
このようにして画像処理装置２６におけるＴＩＳ値の測定が終了すると、制御装置２７は、測定結果であるＴＩＳ値を画像処理装置２６から取り込み（図６のステップＳ２）、次のステップＳ３において、予め定めた閾値と比較する。閾値は、十分に小さい規格値（例えば±１ｎｍ）を示している。
【００６５】
そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より大きい場合には（Ｓ３がＮ）、照明開口絞り１４の中心１４ａが光軸Ｏ１から大きく外れているため（図８(ａ)参照）、次のステップＳ４において、照明開口絞り１４を光軸Ｏ１に垂直な面内でシフトさせる。さらに、照明開口絞り１４のシフト調整（偏心調整）後、再度、ステップＳ２,Ｓ３の処理を行う。
【００６６】
このようにして、制御装置２７は、測定されたＴＩＳ値が閾値（例えば±１ｎｍ）より小さくなるまで、ステップＳ２〜Ｓ４の処理を繰り返す。そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなる（Ｓ３がＹ）と、照明開口絞り１４の中心１４ａが光軸Ｏ１と一致しているため（図７(ａ)参照）、次のステップＳ５に進む。
【００６７】
本実施形態では、上述の条件式(１)を満足する高段差マーク３５によってＴＩＳ値を測定し、このＴＩＳ値を指標として照明開口絞り１４のシフト状態を調整するため、その調整を極めて感度よく適切に行うことができる。
その結果、照明開口絞り１４の調整誤差を確実に小さくすることができる（例えば±２.５μｍ以下）。これは、ステップＳ２〜Ｓ４の処理による調整後、照明開口絞り１４の中心１４ａが、光軸Ｏ１を中心とする直径５μｍ以下の範囲内に位置決めされることを意味する。
【００６８】
次に、制御装置１７は、ステップＳ５でライン＆スペースマーク３３(図４)を視野領域内に位置決めした後、特開２０００−７７２９５号公報に開示されているＱＺ法を利用して、結像光学系(１９〜２３)の結像開口絞り２２と第２対物レンズ２０のシフト状態の調整を行う（ステップＳ６）。なお、結像開口絞り２２,第２対物レンズ２０のシフト調整は、各々、結像光学系(１９〜２３)における反射光Ｌ２の非対称なけられの補正,偏心コマ収差の補正に対応する。
【００６９】
視野領域内にライン＆スペースマーク３３(図４)が位置決めされると、このライン＆スペースマーク３３が照明光Ｌ１によって垂直照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上にはライン＆スペースマーク３３の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６には、図１０(ａ)に示すように、ライン＆スペースマーク３３の像の光強度(明るさ)に応じた画像信号が出力される。
【００７０】
そして、画像処理装置２６では、図１０(ａ)の画像信号の輝度分布に基づいて、画像信号に現れた複数のエッジを抽出し、左側エッジ３８と右側エッジ３９との信号強度差ΔＩを算出する。さらに、得られた信号強度差ΔＩを任意の信号強度Ｉ0で規格化して、次式(３)に示されるＱ値を算出する。Ｑ値は、左側エッジ３８と右側エッジ３９との非対称性を表している。
【００７１】
Ｑ値＝ΔＩ／Ｉ0×１００(％) ……(３)
また、このようなＱ値の算出は、ステージ制御装置４９が検査ステージ１２のホルダ（調整用ウエハ）をＺ方向に微少量ずつ移動させる毎に行われる。その結果、図１０(ｂ)に示すようなＱ値のフォーカス特性曲線を得ることができる。Ｑ値のフォーカス特性は、結像開口絞り２２と第２対物レンズ２０のシフト状態を調整する際の指標信号として、制御装置２７に出力される。
【００７２】
ここで、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）のうち、図１０(ｃ)に示す凹凸成分βは、結像開口絞り２２のシフト調整によって変動する成分である。また、図１０(ｄ)に示す傾斜成分γは、第２対物レンズ２０のシフト調整によって変動する成分である。
上述した図６のステップＳ２〜Ｓ４によって既に照明開口絞り１４は調整済みであり、照明開口絞り１４の中心１４ａは光軸Ｏ１と一致している（図７(ａ)参照）ため、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）の中に平行シフト成分（照明開口絞り１４で変動する成分）は含まれていない。つまり、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）には凹凸成分βと傾斜成分γのみが残存している。
【００７３】
したがって、制御装置２７は、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）を指標として、凹凸成分β,傾斜成分γ（図１０(ｃ),(ｄ)）が除去されるように、結像開口絞り２２,第２対物レンズ２０のシフト調整を順に行う。
調整の順序は、結像開口絞り２２→第２対物レンズ２０とすることが望ましい。これは、結像開口絞り２２による調整感度の方が敏感であり、Ｑ値のフォーカス特性曲線において凹凸成分β（図１０(ｃ)）が大きいと、第２対物レンズ２０の調整量を的確に定めることが難しいからである。
【００７４】
したがって、第２対物レンズ２０,結像開口絞り２２を必要に応じてシフト調整することにより、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図１０(ｂ)）を予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）に収束させることができる。１回の調整サイクルで規格値に収束しない場合は、同様の調整サイクルを繰り返すことが望ましい。
【００７５】
その結果、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に対して非回転対称な偏心コマ収差を、測定視野内で対称に分布させることができる。また、調整用ウエハから発生した反射光Ｌ２の非対称なけられを補正することもできる。つまり、良好な結像光学系(１９〜２３)を得ることができる。
ちなみに、結像開口絞り２２および第２対物レンズ２０をシフト調整(Ｓ６)したときの高段差マーク３５のＴＩＳ値の変化量は、照明開口絞り１４のシフト調整(Ｓ３)による変化量と比較して、極めて微小である。このため、ステップＳ２〜Ｓ４での照明開口絞り１４の良好な調整結果が、ステップＳ６での結像開口絞り２２および第２対物レンズ２０の調整によって崩れることはない。
【００７６】
これで、重ね合わせ測定装置１０の組み立て工程は終了する。このとき、重ね合わせ測定装置１０の各構成要素（照明開口絞り１４,結像開口絞り２２,第２対物レンズ２２）の相対的な位置関係に関して、最適な状態を確保できる。すなわち、装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減することができる。
そして、この最適な状態で、製品ウエハ１１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）が行われる。重ね合わせ検査時、検査ステージ１２には製品ウエハ１１が載置され、重ね合わせ測定装置１０の視野領域内には製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０(図２)が位置決めされる。
【００７７】
そして、この重ね合わせマーク３０が照明光Ｌ１によって垂直に照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、良好な結像光学系(１９〜２３)を介して重ね合わせマーク３０の像が形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、重ね合わせマーク３０の像を撮像して、この像の光強度に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００７８】
画像処理装置２６は、重ね合わせマーク３０(図２)の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を各々算出する。エッジとは画像信号の強度が急激に変化する箇所である。
さらに、画像処理装置２６は、製品ウエハ１１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状態を検査する際、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせ測定値Ｒを算出する。重ね合わせ測定値Ｒは、製品ウエハ１１の表面の２次元ベクトルとして表される。
【００７９】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、上述の条件式(１)を満足する高段差マーク３５（図３）を用い、そのＴＩＳ値（図９）を指標とするため、極めて感度よく適切に照明開口絞り１４のシフト状態を調整でき、照明開口絞り１４の調整誤差を確実に小さくすることができる。
したがって、重ね合わせ測定装置１０における装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減することが可能となり、装置の品質向上が図られる。また、重ね合わせ装置１０の測定精度（測定誤差）のバラツキを小さくすることもできる。
【００８０】
さらに、製品ウエハ１１の下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを精度良く検出することができる。その結果、重ね合わせ測定値Ｒも精度良く測定できる。その結果、重ね合わせ測定装置１０によれば、製品ウエハ１１の重ね合わせ状態を高精度に検査することができ、製品の歩留まりをさらに向上させることもできる。
【００８１】
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図３に示す高段差マーク３５（外マーク３６が上述の条件式(１)を満足するもの）を用いて照明光学系(１３〜１８)を微調整したが、本発明はこれに限定されない。例えば逆に、外マーク３６の段差を低く（ｈ2）して、内マーク３７の段差を高く（ｈ1）してもよい。
【００８２】
また、高段差マーク３５に代えて、図１１に示す高段差マーク５５を用いてもよい。これは、外マーク５６および内マーク５７の双方の段差（ｈ1）が高く、条件式(１)を満足するものである。高段差マーク５５を用いた場合には、さらに感度よく照明光学系(１３〜１８)を微調整することができる。
さらに、上記した実施形態では、高段差マーク３５,５５のように box in boxマークを用いる例を説明したが、その種類は他のもの（例えば frame in frameマークや bar in bar マークなど）でも良い。
【００８３】
また、上記した実施形態では、高段差マーク３５,５５のように二重マークを用いたが一重マークを用いても良い。この場合、照明光学系(１３〜１８)を微調整するための指標としては、ＴＩＳ値に代えて相関値（図８(ｃ)の強度プロファイルの非対称性に関わる相関値）を用いればよい。ＴＩＳ値や相関値に代えて、強度プロファイルの左右エッジ部の幅の違いを指標としてもよい。二重マークを用いた場合でも、相関値や左右エッジ部の幅の違いを指標としてもよい。
【００８４】
さらに、上記した実施形態では、高段差マーク３５(,５５)とライン＆スペースマーク３３が１つの調整用ウエハに形成されている例を説明したが、高段差マーク３５(,５５)が形成されている調整用ウエハ（調整用基板）と、ライン＆スペースマーク３３（マーク群）が形成されている調整用ウエハ（補助基板）とを、別々に用意してもよい。
【００８５】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に検査ステージ１２上に調整用ウエハを載置し、その調整用ウエハに設けられた高段差マーク３５,５５を用いて照明光学系(１３〜１８)などの微調整を行ったが、本発明はこれに限定されない。
【００８６】
例えば図１２に示す重ね合わせ測定装置５０のように、検査ステージ１２の上面に、同様の高段差マークが設けられた調整用マーク板５８を固定しておき、調整用マーク板５８の高段差マークを用いて上記の微調整を行ってもよい（請求項４〜請求項６）。この場合、検査ステージ１２に回転テーブルを設置し、回転テーブルに調整用マーク板５８を固定することが必要である。
【００８７】
重ね合わせ測定装置５０の結像光学系(１９〜２３)を微調整するためには、上記したライン＆スペースマーク３３が形成されている調整用ウエハを検査ステージ１２に載置するか、検査ステージ１２上の調整用マーク板５８にライン＆スペースマーク３３と同様のマーク群を設けておくことが必要になる。
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、照明開口絞り１４,第２対物レンズ２０,結像開口絞り２２を微調整したが、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査の直前に同様の微調整を行っても良い。
【００８８】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の制御装置２７によって、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に照明光学系(１３〜１８)および結像光学系(１９〜２３)を微調整したが、重ね合わせ測定装置１０の外部に接続されたコンピュータなどで同様の微調整を行っても良い。
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。例えば、マスクに形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程の前に、マスクと製品ウエハ１１とのアライメントを行う装置（露光装置のアライメント系）にも適用できる。この場合には、製品ウエハ１１上に形成されたアライメントマークの位置を精度良く検出することができる。また、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にも、本発明は適用できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照明光学系の調整感度を向上させることにより装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減でき、被検マークの位置検出をさらに精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】製品ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図３】調整用ウエハに形成された高段差マーク３５の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図４】調整用ウエハに形成されたライン＆スペースマーク３３の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図５】重ね合わせ測定装置１０の自動焦点合わせ機構を説明する図である。
【図６】重ね合わせ測定装置１０における照明光学系(１３〜１８)と結像光学系(１９〜２３)を微調整する手順を示すフローチャートである。
【図７】照明開口絞り１４のシフト状態(ａ)と照明光Ｌ１による照明状態(ｂ)と画像信号の強度プロファイル(ｃ)について説明する図である。
【図８】照明開口絞り１４のシフト状態(ａ)と照明光Ｌ１による照明状態(ｂ)と画像信号の強度プロファイル(ｃ)について説明する図である。
【図９】ＴＩＳ値の測定方法を説明する図である。
【図１０】ＱＺ法による結像開口絞り２２と第２対物レンズ２０の微調整方法を説明する図である。
【図１１】変形例の高段差マーク５５の平面図(ａ)および断面図(ｂ)である。
【図１２】変形例の重ね合わせ測定装置５０の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，５０ 重ね合わせ測定装置
１１ 製品ウエハ
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 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
２５ ＣＣＤ撮像素子
２６ 画像処理装置
２７ 制御装置
３０ 重ね合わせマーク
３３ ライン＆スペースマーク
３５ 高段差マーク
４９ ステージ制御装置
Claims (11)
- 対象基板に照明光を照射する照明光学系と、
前記対象基板からの光を結像して基板像を形成する結像光学系と、
前記基板像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、
調整用マークが設けられ且つ該調整用マークの段差ｈが前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式を満足する調整用基板を前記対象基板として用いたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整手段と、
(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)
被検マークが設けられた被検基板を前記対象基板として用いたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 請求項１に記載のマーク位置検出装置において、
前記微調整手段は、前記調整用基板を前記対象基板として用いたときに、前記調整用基板を１８０度回転させる前後の状態で前記撮像手段から各々取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 請求項１または請求項２に記載のマーク位置検出装置において、
前記微調整手段は、前記照明光学系を微調整した後、複数のラインマークが該ラインマークの短手方向に沿って一定のピッチで配列された補助基板を前記対象基板として用い、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記結像光学系を微調整する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 被検マークが設けられた被検基板を支持する支持手段と、
前記被検マークに照明光を照射する照明光学系と、
前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、
前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、
前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備え、
前記支持手段には、調整用マークが設けられ、
前記調整用マークの段差ｈは、前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式を満足する
(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 請求項４に記載のマーク位置検出装置において、
前記調整用マークは、外マークと内マークからなる二重マークであり、
前記内マークと前記外マークのうち少なくとも一方の段差ｈは、前記条件式を満足する
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 請求項４または請求項５に記載のマーク位置検出装置において、
前記被検マークに代えて前記調整用マークを前記照明光の照射領域に位置決めしたときに、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整手段をさらに備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置。 - 被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたマーク位置検出装置の調整用基板であって、
当該調整用基板には、調整用マークが設けられ、
前記調整用マークの段差ｈは、前記照明光の中心波長λと前記結像光学系の前記対象基板側の開口数ＮＡに対して次の条件式を満足する
(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ ＜ ３(λ/ＮＡ2)
ことを特徴とする調整用基板。 - 請求項７に記載の調整用基板において、
前記調整用マークは、外マークと内マークからなる二重マークであり、
前記内マークと前記外マークのうち少なくとも一方の段差ｈは、前記条件式を満足する
ことを特徴とする調整用基板。 - 被検マークに照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像してマーク像を形成する結像光学系と、前記マーク像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたマーク位置検出装置の調整方法であって、
請求項７または請求項８に記載した調整用基板の前記調整用マークに前記照明光を照射する照明工程と、
前記照明工程の後に前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する微調整工程とを備えた
ことを特徴とする調整方法。 - 請求項９に記載の調整方法において、
前記照明工程では、前記調整用基板を１８０度回転させる前後の状態で前記調整用マークに前記照明光を照射し、
前記微調整工程では、前記前後の状態で前記撮像手段から各々取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記照明光学系を微調整する
ことを特徴とする調整方法。 - 請求項９または請求項１０に記載の調整方法において、
前記微調整工程の後に、複数のラインマークが該ラインマークの短手方向に沿って一定のピッチで配列された補助基板のマーク群に前記照明光を照射し、前記撮像手段から取り込んだ前記画像信号に基づいて、前記結像光学系を微調整する工程をさらに備えた
ことを特徴とする調整方法。
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