JP4604651B2

JP4604651B2 - 焦点検出装置

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Publication number: JP4604651B2
Application number: JP2004315330A
Authority: JP
Inventors: 達雄福井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: JP2006126540A; WO2006046430A1; TW200628869A

Description

本発明は、物体面の焦点検出を行う焦点検出装置に関し、特に、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（半導体ウエハや液晶基板など）に形成されたマークの位置を高精度に検出する際のフォーカス調整に好適な焦点検出装置に関する。

半導体素子や液晶表示素子などの製造工程では、周知のリソグラフィ工程を経てレジスト層に回路パターンが転写され、このレジストパターンを介してエッチングなどの加工処理を行うことにより、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)。そして、この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。

さらに、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（製品の歩留まり向上を図るため）、各々のパターン形成工程のうち、リソグラフィ工程の前に、基板のアライメントを行い、リソグラフィ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検査を行っている。なお、基板のアライメントには、１つ前のパターン形成工程で下地層に形成されたアライメントマークが用いられる。レジストパターンの重ね合わせ検査には、現在のパターン形成工程でレジスト層に形成された重ね合わせマークと、１つ前のパターン形成工程で下地層に形成された重ね合わせマークとが用いられる。

また、基板のアライメントを行う装置や、基板上のレジストパターンの重ね合わせ検査を行う装置には、上記のアライメントマークや重ね合わせマーク（総じて単に「マーク」という）の位置を検出する装置が組み込まれている。位置検出装置では、検出対象のマークを視野領域内に位置決めし、自動的にフォーカス調整を行った後、そのマークの画像をＣＣＤカメラなどの撮像素子によって取り込み、マークの画像に対して所定の画像処理を施すことにより、マークの位置検出を行う。

さらに、上記の位置検出装置には、フォーカス調整の際に物体面の焦点検出を行う装置も組み込まれている。物体面の焦点検出とは、結像手段の焦点面（つまり合焦面）に対する物体面の位置関係に応じたフォーカス信号の生成に相当する。フォーカス信号は、物体面を合焦面に一致させるための制御信号として用いられ、物体面と合焦面との相対位置を調整する手段（例えば基板を支持するステージの制御装置）に出力される。

従来の焦点検出装置としては、例えば瞳分割方式が提案されている（例えば特許文献１を参照）。この装置では、視野絞りを介して物体面を照明し、物体面からの光に基づいて視野絞りの像を２分割して形成し、２つの像の間隔を検知してフォーカス信号を生成する。２つの像の間隔は、例えば、物体面が結像手段に近づくほど大きく、結像手段から離れるほど小さくなり、合焦面に対する物体面の位置関係に比例して線形的に増減する。また、物体面が合焦面に一致するときの間隔は既知である。そして、２つの像の間隔と既知の間隔との差に応じてフォーカス信号が生成される。
特開平１０−２２３５１７号公報

しかしながら、上記の焦点検出装置では、合焦面に対する物体面の位置関係に比例して２つの像の間隔が線形的に増減するため、物体面のデフォーカス量（合焦面からの位置ずれ量）が大きくなると、２つの像の内側部分が互いに重なり合ったり、２つの像の外側部分がセンサの受光領域から食み出したりする。そのため、２つの像の間隔を検知できなくなり、フォーカス信号の生成が困難になってしまう。

焦点検出装置においてフォーカス信号を生成できなければ、物体面を合焦面に一致させるオートフォーカス動作が正常に機能しなくなり、その後の処理（例えば上記したマークの位置検出）を良好に行うこともできない。物体面のデフォーカス量として許容できる範囲、つまり、オートフォーカス動作が正常に機能する範囲は、焦点検出装置においてフォーカス信号を生成可能な範囲と一致し、以下の説明では「オートフォーカス動作の引き込み範囲」という。

上記の焦点検出装置において、オートフォーカス動作の引き込み範囲は、２つの像の内側部分が互いに重なり合うような物体面の位置から、２つの像の外側部分がセンサの受光領域から食み出すような物体面の位置までとなる。そして、この引き込み範囲を拡大するためには、物体面のデフォーカス量が大きくなっても２つの像の内側部分が重なり合わず、また、２つの像の外側部分がセンサから食み出さないように、センサや光学系を大型化する必要があり、コストアップにつながってしまう。

本発明の目的は、オートフォーカス動作の引き込み範囲を簡易に拡大できる焦点検出装置を提供することにある。

請求項１に記載の焦点検出装置は、第１視野絞りを含み、該第１視野絞りを介して物体面を照明する照明手段と、第２視野絞りを含み、前記物体面から発生した光に基づいて前記第１視野絞りの第１中間像を前記第２視野絞りの配置面に形成すると共に、前記物体面が合焦面を含む所定範囲内に位置するときに前記第２視野絞りによって前記第１中間像を遮断せずに通過させ、前記物体面が前記所定範囲外に位置するときに前記第２視野絞りによって前記第１中間像の一部を遮断して残りの一部を通過させる第１結像手段と、前記第１結像手段からの光を瞳分割して再結像することにより、前記第２視野絞りを介した前記第１視野絞りの１対の第２中間像を形成し、その形成面の強度プロファイルを検出する第２結像手段と、前記第２結像手段が検出した強度プロファイルに基づき、前記第１視野絞りの１対の第２中間像の間隔を検知して、前記物体面の前記合焦面に対する位置関係に応じたフォーカス信号を生成する生成手段とを備え、前記第２視野絞りは、前記第１視野絞りと共役であり、前記配置面において前記瞳分割の方向と等価な方向に関し、次の条件式を満足し、Ａ ₁ ＜Ａ ₂ ＜ (１＋ＮＡ)×Ａ _1、Ａ ₁ ：物体面が合焦面に一致するときの前記第１視野絞りの第１中間像の１次元的な長さ、Ａ ₂ ：前記第２視野絞りの１次元的な長さ、ＮＡ：前記第１結像手段の物体面側の開口数、前記生成手段は、前記強度プロファイルに対して所定のスライスレベルを設定し、そのスライスレベルにおける４つの交点位置に基づき、前記第１視野絞りの１対の第２中間像の間隔を算出するものである。

本発明の焦点検出装置によれば、オートフォーカス動作の引き込み範囲を簡易に拡大することができる。

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、本実施形態の焦点検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。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(不図示)の重ね合わせ検査を行う装置である。重ね合わせ検査では、基板１１の下地層に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位置ずれ量の測定が行われる。

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、照明光学系(１３〜１９)と、結像光学系(１９〜２３)と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理部２６と、焦点検出部(４０〜４８)と、ステージ制御部２７とが設けられる。このうち、照明光学系(１３〜１９)と結像光学系(１９〜２３)の一部の光学素子(１９,２０)と焦点検出部(４０〜４８)とが、本実施形態の焦点検出装置として機能する。

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に接続されている。
ここで、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ている。測定点の位置は、各ショット領域の四隅などである。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。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。

上記の基板１１がステージ１２のホルダに支持された状態で、ステージ制御部２７は、ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、ホルダをＸＹ方向に移動させて、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａを視野領域内に位置決めする。また、焦点検出部(４０〜４８)から出力される後述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、ホルダをＺ方向に上下移動させる。このフォーカス調整により、基板１１の表面（物体面）をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に対して合焦させることができる。

照明光学系(１３〜１９)は、光源部１３と、光軸Ｏ１に沿って順に配置された照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５と照明視野絞り１６と照明リレーレンズ１７とビームスプリッタ１８と、光軸Ｏ２上に配置された第１対物レンズ１９とで構成されている。ビームスプリッタ１８は、反射透過面が光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系(１３〜１９)の光軸Ｏ１は、結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に垂直である。

また、光源部１３は、光源３Ａとコレクタレンズ３Ｂと光源リレーレンズ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。上記の光源部１３において、光源３Ａから射出された広帯域波長の光は、コレクタレンズ３Ｂと光源リレーレンズ３Ｃとライトガイドファイバ３Ｄとを介して、照明開口絞り１４に導かれる。

照明開口絞り１４は、その中心が光軸Ｏ１上に位置し、光源部１３から射出された広帯域波長の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。照明視野絞り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、照明視野絞り１６のスリット１６ａ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。

上記の構成において、光源部１３から射出された広帯域波長の光は、照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５とを介して、照明視野絞り１６を均一に照明する。そして、照明視野絞り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、その反射透過面で反射した後（照明光Ｌ１）、光軸Ｏ２上の第１対物レンズ１９に導かれる。

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を透過した広帯域波長の照明光Ｌ１によって垂直に照明される（落射照明）。上記の照明光学系(１３〜１９)は、照明視野絞り１６を介して基板１１の表面（物体面）を照明する手段（請求項の「照明手段」）として機能する。照明視野絞り１６は、請求項の「第１視野絞り」に対応する。

なお、基板１１に入射するときの照明光Ｌ１の角度は、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係によって決まる。また、基板１１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が第１対物レンズ１９の瞳と共役な位置関係にあるからである。
さらに、照明視野絞り１６と合焦状態の基板１１の表面（物体面）とは共役な位置関係にあるため、基板１１の表面（物体面）のうち、照明視野絞り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、基板１１の表面（物体面）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。

基板１１の表面（物体面）において、スリット１６ａの像は、その長手方向(図１(ｂ)のＢ方向に等価な方向)と短手方向(図１(ｂ)のＡ方向に等価な方向)が、物体面上に存在するストリートパターンと４５度の角度を成すように形成される。実際の処理では、基板１１をステージ１２に搬送する際、基板１１のストリートパターンがスリット１６ａの像の長手方向と短手方向に対して４５度の角度を成すように搬送される。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のパターンの影響による誤差を低減できる。また、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａは、スリット１６ａの像が投影されている領域（照明領域）の中心付近に位置決めされる。

そして、上記した広帯域波長の照明光Ｌ１が照射された基板１１の領域から、反射光Ｌ２が発生する。基板１１からの反射光Ｌ２は、結像光学系(１９〜２３)に導かれる。
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(１３〜１９)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、焦点検出部(４０〜４８)のビームスプリッタ４０が配置されている。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。

そして、第１対物レンズ１９は、基板１１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。
１次結像面１０ａの前段に配置された焦点検出部(４０〜４８)のビームスプリッタ４０は、焦点検出部(４０〜４８)の光軸Ｏ３と結像光学系(１９〜２３)の光軸Ｏ２に対して、反射透過面が略４５°傾けられている。そして、ビームスプリッタ４０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４０を透過した一部の光Ｌ３は、１次結像面１０ａを介した後、結像光学系(１９〜２３)の第１結像リレーレンズ２１に導かれる。第１結像リレーレンズ２１は、ビームスプリッタ４０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。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。
上記の結像光学系(１９〜２３)では、視野領域内に基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａが位置決めされているとき、そのマークの像（基板１１からの反射光Ｌ２に基づく像（反射像））をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に形成する。

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、その撮像面が結像光学系(１９〜２３)の像面と一致するように配置され、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａの像を撮像して、画像信号を画像処理部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。

画像処理部２６は、ＣＣＤ撮像素子２５からの画像信号に基づいて、基板１１上の重ね合わせマーク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。そして、基板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。重ね合わせ検査では、重ね合わせマーク１１Ａのレジストマークと下地マークの位置検出や、重ね合わせマーク１１Ａの重ね合わせ量の計測が行われる。なお、画像処理部２６を介して、不図示のテレビモニタよる観察も可能である。

次に、焦点検出部(４０〜４８)の説明を行う。
焦点検出部(４０〜４８)は、結像光学系(１９〜２３)の第２対物レンズ２０と１次結像面１０ａとの間に配置され、光軸Ｏ３に沿って順に配置されたビームスプリッタ４０とＡＦ視野絞り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、ＡＦセンサ４７、および、信号処理部４８により構成される。

焦点検出部(４０〜４８)には、ビームスプリッタ４０で反射した一部の光Ｌ４（以下「ＡＦ光Ｌ４」という）が導かれる。ＡＦ光Ｌ４は、物体面から発生した光(反射光Ｌ２)の一部である。この焦点検出部(４０〜４８)は、上記の照明光学系(１３〜１９)と結像光学系(１９〜２３)の一部の光学素子(１９,２０)と共に、本実施形態の焦点検出装置として機能する。本実施形態の焦点検出装置は、基板１１の表面（物体面）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、つまり、物体面の焦点検出を行うものである。

焦点検出部(４０〜４８)において、ビームスプリッタ４０からのＡＦ光Ｌ４は、まず、ＡＦ視野絞り４１に入射する。ＡＦ視野絞り４１は、合焦状態の基板１１の表面（物体面）と共役であり、照明視野絞り１６と共役である。そして、ＡＦ視野絞り４１の配置面には、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０の集光作用によって、照明視野絞り１６の中間像１６ｂ（図２参照）が形成される。ＡＦ視野絞り４１と第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０は、総じて、請求項の「第１結像手段」に対応する。ＡＦ視野絞り４１は、請求項の「第２視野絞り」に対応する。

照明視野絞り１６の中間像１６ｂの中心は、常に光軸Ｏ３上にあり、結像光学系(１９〜２３)の焦点面（つまり合焦面）に対する基板１１の表面（物体面）の位置関係が変化しても動くことはない。そして、合焦面に対する物体面の位置関係が変化すると、照明視野絞り１６の中間像１６ｂの輪郭のボケ具合が変化する。
図２(ａ)は物体面が合焦面に一致するとき(合焦状態のとき)に中間像１６ｂを光軸Ｏ３の方向から見た図である。図２(ｂ)は合焦状態の中間像１６ｂの強度プロファイルを示しており、この場合には中間像１６ｂの輪郭がボケていない（シャープになる）ことが分かる。図２(ｃ)は物体面が合焦面から外れたとき(デフォーカス状態のとき)の中間像１６ｂの強度プロファイルを示しており、この場合には中間像１６ｂの輪郭がボケていることが分かる。

このような照明視野絞り１６の中間像１６ｂに対し、ＡＦ視野絞り４１の大きさＡ₂は、次の条件式(１)を満足するように設定される。大きさＡ₂は、ＡＦ視野絞り４１の計測方向（ｘ方向）に関する１次元的な長さである。また、条件式(１)の大きさＡ₁は、合焦状態の中間像１６ｂの計測方向に関する１次元的な長さである。開口数ＮＡは、結像光学系(１９〜２３)の物体面側の開口数である。

Ａ₁ ＜Ａ₂ ＜ (１＋ＮＡ)×Ａ₁ …(１)
条件式(１)を満足するようなＡＦ視野絞り４１の大きさＡ₂とは、計測方向（ｘ方向）に関し、合焦状態の中間像１６ｂの大きさＡ₁より大きく、合焦状態の中間像１６ｂの大きさＡ₁の(１＋ＮＡ)倍以下となるような大きさであればよい。ＡＦ視野絞り４１の大きさＡ₂を(１＋ＮＡ)×Ａ₁程度とした場合でも、ＡＦ視野絞り４１のエッジにデフォーカスした中間像の一部が重なり、ＡＦ視野絞り４１のエッジ像で検知できることがシミュレーションにより分かっている。本実施形態では、結像光学系(１９〜２３)の物体面側の開口数ＮＡを０.７５とし、ＡＦ視野絞り４１の大きさＡ₂を１.３×Ａ₁とした。なお、非計測方向（ｙ方向）に関しては、合焦状態の中間像１６ｂの大きさＡ₃の１.３倍をＡＦ視野絞り４１の大きさＡ₄とした。

このため、物体面が合焦面を含む所定範囲内に位置するときには、中間像１６ｂの輪郭のボケ(広がり)が小さく、ＡＦ視野絞り４１によって中間像１６ｂを遮断せずに通過させることができる。これに対し、物体面が所定範囲外に位置するときには、中間像１６ｂの輪郭のボケが大きく、ＡＦ視野絞り４１によって中間像１６ｂの一部(つまり輪郭部分)を遮断して残りの一部を通過させることができる。

ＡＦ視野絞り４１を通過したＡＦ光Ｌ５（図１）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、照明開口絞り１４の像が形成される。瞳分割ミラー４４には、ＡＦ光Ｌ５の中央部を遮光して周辺部を透過する遮光絞り４Ａが取り付けられ、ゴーストなどの迷光を除去している。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。

瞳分割ミラー４４に入射したＡＦ光Ｌ５は、そこで２方向の光に振幅分離（つまり２分割）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、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａには、計測方向（Ｓ方向）に沿って離れた位置に、図３(ａ)に示すような照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)が形成される。最終像１６ｃ(1),(2)は、シリンドリカルレンズ４６の屈折力によって非計測方向(Ｓ方向に垂直な方向)に圧縮された形状となっている。

上記のＡＦ第１リレーレンズ４２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は、ＡＦ視野絞り４１からのＡＦ光Ｌ５に基づいて照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)を２分割して形成する手段（請求項の「第２結像手段」）として機能する。
ここで、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける計測方向（Ｓ方向）は、上記した瞳分割ミラー４４（図１）による２分割の方向と等価であり、ＡＦ視野絞り４１の配置面（図２）における計測方向（ｘ方向）と等価である。また、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける非計測方向（Ｓ方向に垂直な方向）は、ＡＦ視野絞り４１の配置面における非計測方向（ｙ方向）と等価である。

図３(ａ)に示す点線枠５１,５２は、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａに投影されるＡＦ視野絞り４１の位置を表している。撮像面４７ａとＡＦ視野絞り４１が共役なため、撮像面４７ａに投影されるＡＦ視野絞り４１の位置（点線枠５１,５２）は、合焦面に対する物体面の位置関係が変化しても動くことはない。これに対して、照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)は、合焦面に対する物体面の位置関係が変化すると、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔が変化すると共に、その輪郭のボケ具合も変化する。

このような最終像１６ｃ(1),(2)の変化について、図４(ａ),(ｂ),(ｃ)の模式図を用いて説明する。図４(ａ),(ｂ),(ｃ)は、各々、物体面が合焦面より下側(−側)にデフォーカスした前ピン状態，物体面が合焦面に一致した合焦状態，物体面が合焦面より上側(＋側)にデフォーカスした後ピン状態のときの様子である。
図４(ａ),(ｂ),(ｃ)から分かるように、最終像１６ｃ(1),(2)は、前ピン状態(ａ)ほど互いに接近し、後ピン状態(ｃ)ほど互いに離れる。つまり、ステージ１２をＺ方向に上下させ、物体面と合焦面との位置関係を変化させると、最終像１６ｃ(1),(2)は、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａの計測方向（Ｓ方向）に沿って近づいたり離れたりする。つまり、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔が変化する。さらに、ＡＦ光Ｌ５の集束位置が光軸Ｏ３の方向に沿って移動するため、最終像１６ｃ(1),(2)の輪郭のボケ具合も変化する。

ただし、ＡＦ視野絞り４１が開口の外側の光束を遮断すると同様、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおいては、近似的に、図３(ａ)に示すＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）の外側に光束が入射しないと考えられる。
このため、図４(ｃ)のような後ピン状態で、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔が大きくなると、図３(ｂ)の点線枠５１,５２から食み出す部分は遮断され、残りの部分によって最終像１６ｃ(1),(2)が形成されることになる。図３(ｂ)の太い点線枠５３,５４は、ＡＦ視野絞り４１を省略した場合の最終像１６ｃ(1),(2)の輪郭を表す。この点線枠５３,５４とＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）との重なり部分が、実際の最終像１６ｃ(1),(2)となる。図３(ｂ)では最終像１６ｃ(1),(2)の輪郭のボケ具合を図示省略した。

また同様に、図４(ａ)のような前ピン状態で、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔が小さくなると、図３(ｃ)の点線枠５１,５２から食み出す部分は遮断され、残りの部分によって最終像１６ｃ(1),(2)が形成される。この場合にも、図３(ｃ)の太い点線枠５３,５４は、ＡＦ視野絞り４１を省略した場合の最終像１６ｃ(1),(2)の輪郭を表す。そして、太い点線枠５３,５４とＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）との重なり部分が、実際の最終像１６ｃ(1),(2)となる。図３(ｃ)でも輪郭のボケ具合を図示省略した。

図３(ａ)〜(ｃ)のような最終像１６ｃ(1),(2)を撮像するため、ＡＦセンサ４７（図１）にはラインセンサが用いられる。ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａには複数の画素が１次元配列されている。撮像面４７ａにおける画素の配列方向は、計測方向（Ｓ方向）に平行である。撮像面４７ａの計測方向（Ｓ方向）の大きさは、ＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）を含むような大きさである。ＡＦセンサ４７は、撮像面４７ａ上の最終像１６ｃ(1),(2)を撮像すると、最終像１６ｃ(1),(2)の強度プロファイルに関する撮像信号を後段の信号処理部４８に出力する。

物体面が合焦面に一致しているとき（合焦状態）、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける最終像１６ｃ(1),(2)は図５(ａ)のような位置に輪郭がボケることなく形成され、最終像１６ｃ(1),(2)の強度プロファイルは図５(ｂ)のようになる。図５(ｂ)には、ＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）に対応するエッジ位置をＳ１〜Ｓ４で示した。エッジ位置Ｓ１,Ｓ２の間は点線枠５１の内側に対応し、エッジ位置Ｓ３,Ｓ４の間は点線枠５２の内側に対応する。

また、物体面が合焦面を含む所定範囲内に位置するとき（合焦状態に近いとき）、最終像１６ｃ(1),(2)には多少の輪郭のボケが現れ、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔は上記の合焦状態と比較して少し大きく(または小さく)なるが、エッジ位置Ｓ１〜Ｓ４によって最終像１６ｃ(1),(2)が遮断されることはない。このため、ＡＦ視野絞り４１を省略した場合と同じ大きさの最終像１６ｃ(1),(2)が、それぞれ、エッジ位置Ｓ１,Ｓ２の間とエッジ位置Ｓ３,Ｓ４の間の完全に内側に形成される。この場合、エッジ位置Ｓ１〜Ｓ４が像として写り込むことはない。

信号処理部４８は、図５(ｂ)のような最終像１６ｃ(1),(2)の強度プロファイルに対して、所定のスライスレベル（例えば５０％）を設定し、このスライスレベルにおける４つの交点Ｋ１〜Ｋ４の位置を求め、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬを求める。そして、予め記憶している合焦状態での間隔ΔＬｏとの差（つまり[ΔＬ−ΔＬｏ]または[ΔＬｏ−ΔＬ]）を求め、フォーカス信号を生成する。

フォーカス信号は、合焦面に対する物体面の位置関係に応じた信号であり、物体面を合焦面に一致させるための制御信号としてステージ制御部２７に出力される。なお、ＡＦセンサ４７と信号処理部４８とは、総じて、２分割された最終像１６ｃ(1),(2)の間隔を検知して、物体面の合焦面に対する位置関係に応じたフォーカス信号を生成する手段（請求項の「生成手段」）として機能する。

物体面が合焦面を含む所定範囲内に位置するとき（つまり最終像１６ｃ(1),(2)がエッジ位置Ｓ１〜Ｓ４によって遮断されないとき）、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬは、合焦面に対する物体面の位置関係が変化すると、この変化に比例して線形的に増減する。したがって、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬと合焦状態での間隔ΔＬｏとの差から生成したフォーカス信号は、物体面の正確なオフセット（デフォーカス量）を表す制御信号となる。

一方、物体面が上記の所定範囲外に位置し、合焦面より上側(＋側)にデフォーカスした後ピン状態のとき（図４(ｃ)参照）、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける最終像１６ｃ(1),(2)は、図６(ａ)のような位置に輪郭がボケた状態（図６(ｂ)参照）で形成される。図６(ｂ)の強度プロファイルは、図６(ａ)の太い点線枠５３,５４に対応する（つまりＡＦ視野絞り４１を省略した場合の）ものである。

そして、実際には、図６(ｂ)の強度プロファイルのうち斜線部以外がエッジ位置Ｓ１とエッジ位置Ｓ４によって遮断される。このため、実際の強度プロファイルは、図６(ｃ)のようになる。この場合、図６(ｃ)の強度プロファイルには、エッジ位置Ｓ１とエッジ位置Ｓ４が像として写り込んでいる。このようなエッジ位置Ｓ１,Ｓ４の投影は、ＡＦ視野絞り４１の配置面において（図２）、ＡＦ視野絞り４１の計測方向（ｘ方向）のエッジを、照明視野絞り１６のボケた中間像１６ｂにより照明したことに起因する。

このような場合でも、信号処理部４８は、図６(ｃ)のような最終像１６ｃ(1),(2)の強度プロファイルに対して、所定のスライスレベル（例えば５０％）を設定し、このスライスレベルにおける４つの交点Ｋ１〜Ｋ４の位置を求め、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ(+)を求める。そして、予め記憶している合焦状態での間隔ΔＬｏとの差（つまり[ΔＬ(+)−ΔＬｏ]または[ΔＬｏ−ΔＬ(+)]）を求め、フォーカス信号を生成する。このフォーカス信号もステージ制御部２７に出力される。

物体面が上記の所定範囲外に位置し、合焦面より上側(＋側)にデフォーカスした後ピン状態のとき（つまり最終像１６ｃ(1),(2)がエッジ位置Ｓ１,Ｓ４によって遮断されたとき）、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ(+)は、合焦状態での間隔ΔＬｏよりも常に大きい値となる。また、この間隔ΔＬ(+)は、合焦面に対する物体面の位置関係が変化しても、この変化に比例せずに増減する。

したがって、間隔ΔＬ(+)に応じたフォーカス信号は、物体面の正確なオフセット（デフォーカス量）を表す信号とはならないが、物体面を下側(−側)に引き戻すための制御信号としては有効である。つまり、間隔ΔＬ(+)に応じたフォーカス信号は、物体面のデフォーカス方向を表す制御信号として有効である。間隔ΔＬ(+)に応じたフォーカス信号を用いれば、物体面を上記の所定範囲内に追い込むことができ、図５と同様の状態となる。

さらに、＋側のデフォーカス量が大きくなっても、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおけるＡＦ視野絞り４１の投影位置（エッジ位置Ｓ１〜Ｓ４）は動かないため、最終像１６ｃ(1),(2)がエッジ位置Ｓ１,Ｓ４によって遮断される状態（図６）は同じである。したがって、＋側のデフォーカス量が大きくなっても、上記と同様の間隔ΔＬ(+)に応じたフォーカス信号を生成することができる。そして、このフォーカス信号を用いて物体面を下側(−側)に引き戻し、上記の所定範囲内に追い込むことができる。

また逆に、物体面が上記の所定範囲外に位置し、合焦面より下側(−側)にデフォーカスした前ピン状態のとき（図４(ａ)参照）、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける最終像１６ｃ(1),(2)は、図７(ａ)のような位置に輪郭がボケた状態（図７(ｂ)参照）で形成される。図７(ｂ)の強度プロファイルは、図７(ａ)の太い点線枠５３,５４に対応する（つまりＡＦ視野絞り４１を省略した場合の）ものである。

そして、実際には、図７(ｂ)の強度プロファイルのうち斜線部以外がエッジ位置Ｓ２とエッジ位置Ｓ３によって遮断される。このため、実際の強度プロファイルは、図７(ｃ)のようになる。この場合、図７(ｃ)の強度プロファイルには、エッジ位置Ｓ２とエッジ位置Ｓ３が像として写り込んでいる。このようなエッジ位置Ｓ２,Ｓ３の投影は、ＡＦ視野絞り４１の配置面において（図２）、ＡＦ視野絞り４１の計測方向（ｘ方向）のエッジを、照明視野絞り１６のボケた中間像１６ｂにより照明したことに起因する。

このような場合でも、信号処理部４８は、図７(ｃ)のような最終像１６ｃ(1),(2)の強度プロファイルに対して、所定のスライスレベル（例えば５０％）を設定し、このスライスレベルにおける４つの交点Ｋ１〜Ｋ４の位置を求め、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ(-)を求める。そして、予め記憶している合焦状態での間隔ΔＬｏとの差（つまり[ΔＬ(-)−ΔＬｏ]または[ΔＬｏ−ΔＬ(-)]）を求め、フォーカス信号を生成する。このフォーカス信号もステージ制御部２７に出力される。

物体面が上記の所定範囲外に位置し、合焦面より下側(−側)にデフォーカスした前ピン状態のとき（つまり最終像１６ｃ(1),(2)がエッジ位置Ｓ２,Ｓ３によって遮断されたとき）、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ(-)は、合焦状態での間隔ΔＬｏよりも常に小さい値となる。また、この間隔ΔＬ(-)は、合焦面に対する物体面の位置関係が変化しても、この変化に比例せずに増減する。

したがって、間隔ΔＬ(-)に応じたフォーカス信号は、物体面の正確なオフセット（デフォーカス量）を表す信号とはならないが、物体面を上側(＋側)に引き戻すための制御信号としては有効である。つまり、間隔ΔＬ(-)に応じたフォーカス信号は、物体面のデフォーカス方向を表す制御信号として有効である。間隔ΔＬ(-)に応じたフォーカス信号を用いれば、物体面を上記の所定範囲内に追い込むことができ、図５と同様の状態となる。

さらに、−側のデフォーカス量が大きくなっても、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおけるＡＦ視野絞り４１の投影位置（エッジ位置Ｓ１〜Ｓ４）は動かないため、最終像１６ｃ(1),(2)がエッジ位置Ｓ２,Ｓ３によって遮断される状態（図７）は同じである。したがって、−側のデフォーカス量が大きくなっても、上記と同様の間隔ΔＬ(-)に応じたフォーカス信号を生成することができる。そして、このフォーカス信号を用いて物体面を上側(＋側)に引き戻し、上記の所定範囲内に追い込むことができる。

上記したように、本実施形態の焦点検出装置では、物体面が合焦面を含む所定範囲外に位置するとき、ＡＦ視野絞り４１によって照明視野絞り１６の中間像１６ｂの一部を遮断して残りの一部を通過させるため、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａ（図６または図７）でも、ＡＦ視野絞り４１の投影位置（エッジ位置Ｓ１〜Ｓ４）によって照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)を部分的に遮断することができる。

したがって、物体面の＋側のデフォーカス量が大きくなっても、エッジ位置Ｓ１,Ｓ４による遮断部位（図６(ｃ)）を含む強度プロファイルにより、スライスレベルとの４つの交点Ｋ１〜Ｋ４を求めることができ、上記と同様の間隔ΔＬ(+)に応じたフォーカス信号を生成できる。また、物体面の−側のデフォーカス量が大きくなっても、エッジ位置Ｓ２,Ｓ３による遮断部位（図７(ｃ)）を含む強度プロファイルにより、スライスレベルとの４つの交点Ｋ１〜Ｋ４を求めることができ、上記と同様の間隔ΔＬ(-)に応じたフォーカス信号を生成することができる。

そして、これらのフォーカス信号（物体面のデフォーカス方向を表す制御信号）を用いて物体面を合焦面に近づける方向に引き戻し、上記の所定範囲内に追い込むことができる。このような追い込み段階の後には、物体面が所定範囲内に位置し、照明視野絞り１６の中間像１６ｂがＡＦ視野絞り４１によって遮断されずに通過するため、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａ（図５）でも、照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)がＡＦ視野絞り４１の投影位置（エッジ位置Ｓ１〜Ｓ４）によって遮断されることはない。

したがって、この場合の最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬは、合焦面に対する物体面の位置関係の変化に比例して線形的に増減する。また、この間隔ΔＬに応じたフォーカス信号は、物体面の正確なオフセット（デフォーカス量）を表す制御信号となる。そして、このフォーカス信号を用い、物体面を合焦面に一致させることができる（オートフォーカス動作）。このとき、物体面（基板１１の表面）はＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に対して合焦状態に位置決めされたことになる。

本実施形態の焦点検出装置において、オートフォーカス動作の引き込み範囲は、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける最終像１６ｃ(1),(2)の位置が、図８(ａ)のようにＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）の内側で最も近づくような物体面のＺ位置から、図８(ｂ)のようにＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）の内側で最も離れるような物体面のＺ位置までとなる。ただし、上記の引き込み範囲は、最終像１６ｃ(1),(2)の強度としてＡＦセンサ４７が検知可能な強度を確保している場合である。

本実施形態の焦点検出装置によれば、図２に示すＡＦ視野絞り４１を設け、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおけるＡＦ視野絞り４１の投影位置（点線枠５１,５２）の内側で、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ（または間隔ΔＬ(+)または間隔ΔＬ(-)）を検知するため、オートフォーカス動作の引き込み範囲を簡易に拡大できる。
具体的には、結像光学系(１９〜２３)の物体面側の開口数ＮＡを０.７５とし、ＡＦ視野絞り４１の計測方向の大きさＡ₂を１.３×Ａ₁とする場合、従来と同じセンサと光学系を用いても、本実施形態の引き込み範囲を従来の１.６倍程度に拡大できる。

さらに、本実施形態の焦点検出装置では、ＡＦ視野絞り４１の計測方向の大きさＡ₂を、上記の条件式(１)を満足するように設定するため、光軸Ｏ３に対するＡＦ視野絞り４１の調整誤差があっても確実にオートフォーカス動作の引き込み範囲を拡大できる。
また、本実施形態の焦点検出装置では、ＡＦ視野絞り４１の非計測方向の大きさＡ₄を、１.３×Ａ₃としたので、物体面のデフォーカス量が大きくなって照明視野絞り１６の中間像１６ｂがボケたときに、最終像１６ｃ(1),(2)の光量の極端な落ち込みを回避できる。

さらに、本実施形態の焦点検出装置では、オートフォーカス動作の引き込み範囲を簡易に拡大できるため、重ね合わせ測定装置１０のステージ１２を高精度化しなくても、基板１１の大型化に対応できる。近年では、半導体素子などの製造工程において、歩留まりを向上させるために、基板１１の大型化が進んでいる（例えば半導体ウエハの場合には２００ｍｍサイズから３００ｍｍサイズへの移行）。そして、基板１１の大型化により、基板１１の平坦性が低下する恐れがある。このような場合でもオートフォーカス動作を正常に機能させるには、ステージ１２を高精度化する方法も考えられるが、コストアップにつながるため好ましくない。

本実施形態の焦点検出装置を用いれば、オートフォーカス動作の引き込み範囲を簡易に拡大できるため、平坦性の低下した大きな基板１１（例えば３００ｍｍサイズの半導体ウエハ）でも、従来と同精度のステージ１２を用いつつ、正常にオートフォーカス動作を機能させることができる。したがって、基板１１の大型化に対応可能な重ね合わせ測定装置１０の製造コストの増大を回避することができる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、結像光学系(１９〜２３)の物体面側の開口数ＮＡを０.７５とし、ＡＦ視野絞り４１の計測方向の大きさＡ₂を１.３×Ａ₁とする例に説明したが、本発明はこれに限定されない。任意の開口数ＮＡに対して上記の条件式(１)を満足するように大きさＡ₂を設定する場合にも本発明を適用でき、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記した実施形態では、照明視野絞り１６とＡＦ視野絞り４１が共役である例を説明したが、照明視野絞り１６とＡＦ視野絞り４１を共役な位置の近傍に配置する場合にも本発明を適用でき、上記と同様の効果を得ることができる。
さらに、上記した実施形態では、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ（または間隔ΔＬ(+)または間隔ΔＬ(-)）を求める際にスライスレベルを用いたが、本発明はこれに限定されない。最終像１６ｃ(1),(2)の強度プロファイルの光量重心を求めて、最終像１６ｃ(1),(2)の間隔ΔＬ（または間隔ΔＬ(+)または間隔ΔＬ(-)）を求めてもよい。ただし、スライスレベルを用いる方が高速なため好ましい。

また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０に組み込まれた焦点検出装置を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。基板１１の同じ層に形成された２つのマークの位置ずれ量を測定する装置や、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や、単一のマークの位置を検出する装置や、基板１１に対する露光工程の前に基板１１のアライメントを行う装置（つまり露光装置のアライメント系）に組み込まれた焦点検出装置にも、本発明を適用できる。アライメント系では、下地層に形成されたアライメントマークの位置を検出し、その検出結果とステージ座標系（干渉計など）との位置関係を求める。

重ね合わせ測定装置１０に組み込まれた本実施形態の焦点検出装置の構成を示す図である。照明視野絞り１６の中間像１６ｂとＡＦ視野絞り４１の形状を説明する図である。ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)とＡＦ視野絞り４１の位置（点線枠５１,５２）とを説明する図である。照明視野絞り１６の最終像１６ｃ(1),(2)の間隔と輪郭のボケ具合の変化について説明する図である。物体面が合焦面を含む所定範囲内に位置するときの最終像１６ｃ(1),(2)と、強度プロファイルを説明する図である。物体面が所定範囲外に位置し、合焦面より上側(＋側)にデフォーカスした後ピン状態において、最終像１６ｃ(1),(2)と強度プロファイルを説明する図である。物体面が所定範囲外に位置し、合焦面より下側(−側)にデフォーカスした前ピン状態において、最終像１６ｃ(1),(2)と強度プロファイルを説明する図である。本実施形態の焦点検出装置におけるオートフォーカス動作の引き込み範囲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
１２ステージ
１３光源部
１４照明開口絞り
１５コンデンサーレンズ
１６照明視野絞り
１６ｂ照明視野絞りの中間像
１６ｃ(1),(2) 照明視野絞りの最終像
１７照明リレーレンズ
１８，４０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
２５ＣＣＤ撮像素子
２６画像処理装置
２７ステージ制御部
４１ＡＦ視野絞り
４２ＡＦ第１リレーレンズ
４３平行平面板
４４瞳分割ミラー
４５ＡＦ第２リレーレンズ
４６シリンドリカルレンズ
４７ＡＦセンサ
４８信号処理部

Claims

第１視野絞りを含み、該第１視野絞りを介して物体面を照明する照明手段と、
第２視野絞りを含み、前記物体面から発生した光に基づいて前記第１視野絞りの第１中間像を前記第２視野絞りの配置面に形成すると共に、前記物体面が合焦面を含む所定範囲内に位置するときに前記第２視野絞りによって前記第１中間像を遮断せずに通過させ、前記物体面が前記所定範囲外に位置するときに前記第２視野絞りによって前記第１中間像の一部を遮断して残りの一部を通過させる第１結像手段と、
前記第１結像手段からの光を瞳分割して再結像することにより、前記第２視野絞りを介した前記第１視野絞りの１対の第２中間像を形成し、その形成面の強度プロファイルを検出する第２結像手段と、
前記第２結像手段が検出した強度プロファイルに基づき、前記第１視野絞りの１対の第２中間像の間隔を検知して、前記物体面の前記合焦面に対する位置関係に応じたフォーカス信号を生成する生成手段とを備え、
前記第２視野絞りは、前記第１視野絞りと共役であり、前記配置面において前記瞳分割の方向と等価な方向に関し、次の条件式を満足し、
Ａ ₁ ＜Ａ ₂ ＜ (１＋ＮＡ)×Ａ ₁ 、
Ａ ₁ ：物体面が合焦面に一致するときの前記第１視野絞りの第１中間像の１次元的な長さ、
Ａ ₂ ：前記第２視野絞りの１次元的な長さ、
ＮＡ：前記第１結像手段の物体面側の開口数、
前記生成手段は、
前記強度プロファイルに対して所定のスライスレベルを設定し、そのスライスレベルにおける４つの交点位置に基づき、前記第１視野絞りの１対の第２中間像の間隔を算出する
ことを特徴とする焦点検出装置。