JP5489849B2 - 位置計測装置及び方法、露光装置並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置計測装置及び方法、露光装置並びにデバイス製造方法に関するものである。

近年、半導体デバイスの製造に用いられる縮小投影露光装置では、更なる解像力の向上に向けて、光学系の開口数（ＮＡ）の拡大や、露光波長の短波長化等が図られている。そして、近年の縮小投影露光装置では、投影光学系の色収差の影響を受けないオフアクシスアライメント検出系（ＯＡ検出系）が用いられている。

このような縮小投影露光装置を用いた露光工程では、シリコンウエハの裏面側に形成されたアライメントマークの位置に基づいて表面側に露光する場合がある。この工程は、例えば、ウエハの表面側から貫通ビアを形成し、裏面側の回路パターンと導通させる場合に実施される。ウエハの裏面側に形成されたアライメントマークを検出する方法として、特許文献１は、ウエハチャックの下に配置された検出系によりアライメントマークの検出を実施するリソグラフィー装置を開示している。しかしながら、この方式では、ウエハチャックの特定位置に形成された穴からアライメントマークを検出する。よって、ウエハ上の任意の位置に配置されたアライメントマークを検出することができない。

これに対して、シリコンが赤外光（波長１０００ｎｍ以上）に対して透過性を有する性質を利用し、赤外光源を含むＯＡ検出系により、シリコンウエハの表面側から裏面側にあるアライメントマークを検出する方法がある。しかしながら、この方法は、検出光学系のテレセントリシティまたはテレセントリック性（光軸と主光線との平行度、または、それらのなす角度）に注意を要する。アライメントマークが形成された面に対して検出光線（主光線）が垂直でないと、検出光学系の視野内におけるアライメントマークの位置は、当該光軸の方向におけるアライメントマークの位置（デフォーカス量）によって変動する。例えば、図１１（ａ）に示すように、検出光線が傾いている場合、＋側に＋Ｄ（μｍ）のデフォーカスでΔ１、−側に−Ｄ（μｍ）のデフォーカスでΔ２というように、アライメントマークＡＭの位置の計測値がずれる。即ち、アライメントマークＡＭの位置の計測誤差は、＋側では１μｍデフォーカス当たり「Δ１／＋Ｄ」、−側では１μｍデフォーカス当たり「Δ２／−Ｄ」だけ、デフォーカス量に対して依存性を有する。したがって、この状態でアライメントマークＡＭの位置を計測すると、デフォーカス量のばらつきが計測値のばらつきとなり、計測再現性の劣化を引き起こす。そこで、このような検出光学系のテレセントリシティによるデフォーカス特性（デフォーカスによる位置計測誤差）を抑えるために、図１１(ｂ)に示すように、アライメントマークが形成された面と検出光線とを垂直に近づける必要がある。

特許文献２は、照明系の瞳面上において、位置検出方向では通過光量の変化がなく、該瞳面の周辺部では通過光量を調整することができる光学部材を備えることにより、デフォーカス特性を極力抑えた位置検出装置を開示している。また、特許文献３は、計測方向である２方向（Ｘ軸、Ｙ軸の方向）に関して検出光線の傾きをそれぞれ独立して調整できるようにした位置検出装置を開示している。

特開２００２−２８０２９９号公報 特開平１０−２２２１１号公報 特開２００３−１４２３７５号公報

上述したデフォーカスによるアライメント計測誤差は、特許文献２、３のようにデフォーカス特性の調整により低減することができるが、調整機構が必要となる。また、デフォーカス特性がある場合でも、ベストフォーカスで計測すれば、計測誤差を低減することができるが、計測対象のすべてのマークに対してベストフォーカスになるよう調整すると、計測に要する時間が長くなって露光装置のスループットが低下する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アライメントマークの位置を計測する時間の短さの点で有利な位置計測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、基板を保持してＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系のＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸それぞれの方向に可動のステージと、基板に形成されたアライメントマークを撮像する撮像系と、基板の表面のＺ軸方向における位置を検出する検出系と、ステージと撮像系と検出系とを制御してアライメントマークのＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める制御部とを有する位置計測装置であって、制御部は、撮像系のテレセントリシティに関する情報を予め記憶し、基板に形成された複数のアライメントマークのうち少なくとも１つのアライメントマークに関して、ステージの位置の制御により撮像系に対するフォーカス調整を行って撮像系に撮像を行わせ、該撮像により得られたアライメントマークの信号に基づいてＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求め、フォーカス調整のなされた少なくとも１つのアライメントマークに関して、基板の表面の第１の位置を検出系に検出させ、複数のアライメントマークのうち他のアライメントマークに関して、フォーカス調整を行わずに、撮像系に撮像を行わせ、かつ基板の表面の第２の位置を検出系に検出させ、該撮像により得られたアライメントマークの信号と第１の位置と第２の位置とテレセントリシティに関する情報とに基づいて、Ｘ−Ｙ平面に平行な面における位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、アライメントマークの位置を計測する時間の短さの点で有利な位置計測装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る露光装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る位置計測装置の構成を示す概略図である。 ベースライン計測を実施する構成要素の位置関係を示す概略図である。 第１実施形態に係る位置計測装置とアライメントマークとの関係図である。 第１実施形態に係るフォーカス位置差算出を示すフローチャートである。 第１実施形態に係るデフォーカス特性を示すグラフである。 第２実施形態に係るウエハとアライメントマークとの関係図である。 第３実施形態に係るウエハの構造を示す概略図である。 第３実施形態に係るウエハとアライメントマークとの関係図である。 第３実施形態に係るフォーカス位置差算出を示すフローチャートである。 デフォーカス特性を説明するための概略図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の位置計測装置（方法）を適用する露光装置の構成について説明する。図１は、本発明の露光装置の構成を示す図である。本実施形態における露光装置は、半導体デバイス製造工程に使用され、被処理基板であるウエハに対して露光処理を施す装置であり、ステップ・アンド・スキャン方式を採用した走査露光装置である。なお、本発明を適用する露光装置は、これに限らず、ステップ・アンド・リピート方式を採用した露光装置であってもよい。以下の図において、投影光学系の光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光をするためのウエハの走査方向にＹ軸を取り、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向にＸ軸をとって説明する。露光装置１は、照明光学系２と、レチクル３を保持するレチクルステージ４と、投影光学系５と、ウエハ６を保持するウエハステージ７と、露光装置１の各構成要素を制御する制御系（制御部）８とを備える。

照明光学系２は、光源１０を備え、レチクル３を照明する装置である。光源１０としては、例えば、パルスレーザ光源を使用する。使用可能なレーザは、例えば、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、波長約１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザ等である。なお、レーザの種類は、エキシマレーザに限定されず、例えばＹＡＧレーザを使用してもよい。また、レーザの個数も限定されない。また、光源１０にレーザが使用される場合、レーザ光源からの平行光束を所望のビーム形状に整形する整形光学系や、コヒーレントなレーザ光をインコヒーレント化するインコヒーレント化光学系を使用することが好ましい。更に、光源１０に使用可能な光源は、パルス光源に限定されるものではなく、一又は複数の連続光源（水銀ランプやキセノンランプ等）も使用可能である。

ここでは、照明光学系２は、整形光学系１１、フライアイレンズ１２、コンデンサレンズ１３、固定視野絞り１４、可変視野絞り１５、及びリレーレンズ１６を備える。まず、整形光学系１１は、光源１０から照射された照明光の光束径（形状・サイズ）を規定する光学系である。フライアイレンズ１２は、多数の２次光源を形成する光学素子であって、２組のシリンドリカルレンズアレイ板を重ねることによって構成された光学素子、光学ロッド、又は回折要素により置換されてもよい。コンデンサレンズ１３は、フライアイレンズ１２で形成された２次光源を集光する光学素子である。各視野絞り１４、１５は、レチクル上の照明領域を規定する絞りである。リレーレンズ１６は、レチクル３のパターン形成面と可変視野絞り１５とを共役にする光学素子である。なお、図１では、固定視野絞り１４は、可変視野絞り１５よりもコンデンサレンズ１３の側に配置しているが、リレーレンズ１６の側に配置してもよい。ここで、露光のオン／オフは、パルス光源を使用する場合には、パルス光源への供給電力の制御により切り換え、連続光源を使用する場合には、照明光学系２内のシャッタにより切り換えうる。あるいは、可変視野絞り１５の開閉によって切り換えてもよい。

レチクル３は、例えば、石英ガラス製の原版であり、基板に転写されるべきパターンが形成されている。また、レチクルステージ４は、ＸＹ方向に移動可能であって、レチクル３を保持及び位置決めするための装置である。走査露光を行う場合、レチクルステージ４は、Ｙ軸方向にスキャン移動する。レチクルステージ４は、移動鏡１７を有する。レチクルステージ４の位置は、移動鏡１７にレーザビームを投射し、その反射光を受光するレーザ干渉計１８によって計測される。

投影光学系５は、照明光学系２からの露光光で照明されたレチクル３から射出した露光光により、レチクルに形成されたパターンを所定倍率（例えば、１／４、又は１／５）でウエハ６上に投影する。

ウエハ６は、その表面にレジスト（感光剤）が塗布された基板であり、本実施形態における計測対象としてのアライメントマークを含む。ウエハステージ７は、投影光学系５及び後述の位置計測装置に対してＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系のＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸それぞれの方向に可動する基板保持機構であり、チャック２２上に保持されたウエハ６を位置決め（位置合わせ）するための装置である。ここで、走査露光を行う場合、ウエハステージ７は、レチクルステージ４と同様、Ｙ軸方向にスキャン移動する。なお、本実施形態では、レチクルステージ４及びウエハステージ７は、互いに逆方向にスキャン移動する。一方、静止露光を行う装置の場合、レチクルステージ４及びウエハステージ７は、露光中には移動しない。更に、ウエハステージ７は、移動鏡１９を有する。ウエハステージ７の位置は、移動鏡１９にレーザビームを投射し、その反射光を受光するレーザ干渉計２０によって計測される。なお、ウエハステージ７のＺ軸の方向における位置を計測するレーザ干渉計を備える場合もある。

制御系８は、前述した露光装置の構成要素や後述する露光装置の構成要素の動作を制御する制御手段である。また、制御系８は、後述するマーク検出系２１とともに位置計測装置（単に計測装置ともいう）を構成する。この制御系８は、コンピュータを含みうる。また、制御系８は、露光装置１の本体と一体で構成してもよいし、露光装置１の本体の設置場所とは異なる場所に設置してもよい。

更に、露光装置１は、オフアクシス方式のマーク検出系（以下、「アライメントマーク検出系」又は「ＯＡ検出系」とも表記する）２１を備える。図２は、ＯＡ検出系２１の構成を示す図である。なお、図２において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。ＯＡ検出系２１は、照明光束ＩＬを導入する照明光源３０と、照明／結像系３１（撮像系ともいう）と、フォーカス検出系（ＡＦ系、又は検出系ともいう）３２とを備える。

照明光源３０は、可視光及び赤外光を射出可能とする光源部である。例えば、ウエハ６の表面側（裏面より表面に十分に近い）のアライメントマークＡＭを計測する場合は、可視域の波長を使用し、一方、ウエハ６の裏面側（裏面より表面に十分に近くない）のアライメントマークＡＭを計測する場合は、赤外域の波長を使用する。具体的には、例えば、シリコンウエハは、波長１０００ｎｍ以上なら透過性を有するので、波長１０００ｎｍ以上の光をウエハの裏面側アライメントマークの検出用とする。一方、波長１０００ｎｍ未満の光をウエハの表面側アライメントの検出用とする。波長の切り替えは、例えば、後述の照明系の光路における波長フィルタの切り替え、または、光源自体の切り替えにより行いうる。

照明／結像系３１は、ウエハ６に形成されたアライメントマークＡＭをケーラー照明するための照明系と、アライメントマークＡＭからの反射光を受光して光電変換素子３３上に像を形成する結像系とを有する。照明系は、照明光学系３４、偏光ビームスプリッタ３５、リレーレンズ３６、及び対物レンズ３７を備える。この照明系は、照明光源３０からの光を照明光学系３４により偏光ビームスプリッタ３５に導き、リレーレンズ３６及び対物レンズ３７を介してアライメントマークＡＭを照明する。結像系は、結像光学系３８、及び光電変換素子３３を備える。結像光学系３８は、アライメントマークＡＭから対物レンズ３７、リレーレンズ３６、及び偏光ビームスプリッタ３５を介して入射する反射光により、光電変換素子３３上にアライメントマークＡＭの像を形成する。光電変換素子３３は、例えば、ＣＣＤカメラを採用しうる。

ＡＦ系３２は、スリットパターンをウエハ６上に斜め方向から投影し、ウエハ６上のスリット像を光電変換素子上に再結像して得られたスリット像を検出する検出系である。即ち、ＡＦ系３２は、基板の表面に斜入射する光のパターンを投影し、当該表面における当該パターンの位置を検出する。制御系８は、再結像されたスリット像の位置に基づいてＺ軸の方向におけるウエハ６の表面の位置を求めることができる。ＡＦ系３２は、照明系として、ＡＦ照明光源４０、照明レンズ４１、スリット部材４２、ＡＦ照明光学系４３、ミラー４４、第１リレーレンズ４５、第２リレーレンズ４６、中間結像面絞り４７、及びダイクロミックミラー４８を備える。ＡＦ照明光源４０から照射された光ＩＬは、照明レンズ４１の作用により、スリット部材４２の表面を均一に照明する。スリット部材４２に形成された第１開口部（スリット）４２ａを通過した光ＦＩＬ（図中実線）は、ＡＦ照明光学系４３、ミラー４４、及び第１リレーレンズ４５を介して中間結像面絞り４７の開口部に結像し、スリット像を形成する。中間結像面絞り４７には、光を反射する反射部４７ａが部分的に形成されており、スリット４２ａを通過した光ＦＩＬの一部は、反射部４７ａで反射し、第１リレーレンズ４５に導光される。一方、中間結像面絞りおよび第２リレーレンズ４６を透過した光ＦＩＬは、ダイクロミックミラー４８で反射し、対物レンズ３７の瞳面３７ａで偏心した位置を通過する。そのため、対物レンズ３７を通過した光ＦＩＬは、ウエハ６の表面を斜め方向から照射する入射光となり、スリット４２ａの像をウエハ６上に形成する。

更に、ＡＦ系３２は、結像系として、開口絞り４９、結像レンズ５０、光電変換素子５１を備える。ウエハ６からの反射光ＦＭＬは、瞳面３７ａにおいて光軸に関して入射光とは反対側を通過し、再度、ダイクロミックミラー４８、第２リレーレンズ４６、中間結像面絞り４７、第１リレーレンズ４５、開口絞り４９を通過する。開口絞り４９を通過した光ＦＭＬにより、結像レンズ５０は、ウエハ６上に結像したスリット像を光電変換素子５１上に再結像する。これにより、制御系８は、ウエハ６の表面のＺ軸方向における位置を光電変換素子５１上でのスリット像の位置から求めることができる。なお、中間結像面絞り４７の反射部４７ａにて反射された光（図中点線）は、光電変換素子５１に導かれ、スリット４２ａにおける基準スリットの像を光電変換素子５１上に形成する。制御系８は、当該基準スリットの像の位置を基準位置としてウエハ６の表面の位置を求める。

次に、ウエハ６のアライメント処理に必要なベースライン計測について説明する。図３は、ベースライン計測を実施する露光装置１の構成を示す模式図であり、図３（ａ）は、レチクルステージ４の平面図であり、図３（ｂ）は、露光装置１の一部の構成要素を省略した側面図である。なお、図３において、図１と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。ここで、レチクルステージ４上には、レチクル３の位置決めのための複数のレチクルマーク６０と２箇所のレチクル基準プレート６１とが形成され、一方のレチクル基準プレート６１上には、複数のベースライン計測用マーク６２が形成されている。また、ウエハステージ７上には、複数のステージ基準マーク６３が形成されている。露光装置１は、まず、ベースライン計測に先立ち、不図示のレチクルアライメント顕微鏡を用いてレチクルマーク６０を検出し、レチクルステージ４に対するレチクル３の位置決めを実施する。次に、ベースライン計測の第１工程として、露光装置１は、アライメント顕微鏡６４を用いて、投影光学系５を介して、ベースライン計測用マーク６２とステージ基準マーク６３との相対位置を検出する。次に、第１工程の終了後、露光装置１は、第２工程として、ウエハステージ７を移動させることにより、ステージ基準マーク６３をＯＡ検出系２１の観察領域に合わせる。その後、露光装置１は、ステージ基準マーク６３とＯＡ検出系２１内の基準マークとの相対位置を検出する。最終的に、露光装置１は、第１工程と第２工程との検出結果に基づいてベースライン量の算出を行う。このベースライン計測により、露光装置１は、露光領域内の基準点（例えば中心点）に対するＯＡ検出系２１の検出領域の基準点（例えば中心点）のオフセット量（ベースライン量）を求めることができる。その結果、ＯＡ検出系２１を用いてウエハ６に対するアライメント計測を実施することにより、ウエハ６上のショット領域（被露光領域）を露光装置１の露光領域（レチクルのパターンの投影像）にアライメントすることができる。

次に、ＯＡ検出系２１を使用したアライメント計測において、デフォーカス量を計測してアライメント計測値を補正する方法について説明する。図４は、本実施形態に係るＯＡ検出系２１とアライメントマークＡＭが形成されたウエハ６との関係を示す図である。なお、図４において、図１と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。ウエハ６は、図４（ａ）に示すように、ウエハステージ７上のチャック２２に載置され、その表面には、ウエハ中心を挟んで間隔Ｌで第１及び第２アライメントマークＡＭ１１・ＡＭ１２が形成されている。更に、ウエハ６の表面には、レジスト７０が塗布されている。ここで、ウエハ６の表面形状、アライメントマークＡＭの状態、又はレジスト７０の塗布条件等により、レジスト７０の膜厚分布は均一とはならない。そこで、ここでは、図４に示すように、レジスト７０に塗布ムラがあって、レジスト７０の表面に一定の傾きがあると仮定する。

まず、本実施形態に係るフォーカス位置差の算出方法について説明する。図５は、フォーカス位置差の算出方法の流れを示すフローチャートである。ＯＡ検出系２１（ＡＦ系３２）は、制御系８からの指示に基づいてフォーカス位置の計測を開始する。まず、ＯＡ検出系２１は、図４（ａ）に示すように、第１アライメントマークＡＭ１１を計測対象とする。このとき、ＯＡ検出系２１は、制御系８がウエハステージ７をＺ軸の方向に微小移動させることを含む移動ＡＦ計測を実施する。ここで、ＯＡ検出系２１は、光電変換素子３３の信号に基づいて第１アライメントマークＡＭ１１にフォーカスが合う状態（ベストフォーカス状態）になるようにウエハステージ７の位置を調整する（ステップＳ５０１）。この状態で、次に、ＡＦ系３２を用いて第１アライメントマークの形成位置に対応する基板表面領域のＺ軸の方向における第１の位置（第１表面位置）を計測する（ステップＳ５０２）。次に、制御系８は、ＯＡ検出系２１の計測対象を第２アライメントマークＡＭ１２に変更するために、ウエハステージ７のＺ軸の方向における位置を保持しつつ、ウエハステージ７を間隔Ｌの距離分Ｘ―Ｙ平面に平行に移動させる（ステップＳ５０３）。このとき、ＯＡ検出系２１による第２アライメントマークＡＭ１２の計測状態は、図４（ｂ）に示すように、レジスト７０の表面の傾きに起因してデフォーカス状態となる。この状態で、次に、ＡＦ系３２を用いて第２アライメントマークＡＭ１２の形成位置に対する基板表面領域のＺ軸の方向における第２の位置（第２表面位置）を計測する（ステップＳ５０４）。そして、制御系８は、第１表面位置と第２表面位置との差ΔＺを算出する（ステップＳ５０５）。なお、ここで「基板」と表記しているものは、ウエハ６とレジスト７０とを組み合わせたものを示しており、本実施形態における「基板表面」とは、レジスト７０の表面である。

次に、上記位置差ΔＺに基づいて、第２アライメントマークの位置（Ｘ座標及びＹ座標の少なくとも一方）に関する計測値を補正する２つの方法（ステップＳ５０６・Ｓ５０７）について説明する。図６は、ＯＡ検出系２１のデフォーカス特性、ここでは、ウエハステージ７の位置（例えば、Ｘ座標。レジストの膜厚の変化によるデフォーカス量に対応）に対するアライメントマークの計測値（例えば、Ｘ座標）のシフト量（計測誤差）の変化を示すグラフである。図６において、実線は、ＯＡ検出系２１のテレセントリシティ、即ち、検出光線の傾き（Ｘ軸方向の位置を求める場合、ＸＺ平面に平行な面におけるＺ軸に平行な直線に対する傾き）をαとした場合の、ＯＡ検出系２１による実測値の変化を示している。一方、一点鎖線は、上記実測値を線形近似した結果である。まず、第１の補正方法は、図６に例示したような近似式を用いて、図５に示す工程で算出した位置差ΔＺ又は第１表面位置及び第２表面位置からデフォーカスによるシフト量を求めるものである。即ち、このシフト量を補正値として第２アライメントマークＡＭ１２の位置計測値を補正するものである。ここで、図６に示すようなデフォーカス特性（デフォーカス量とシフト量との関係）に関する情報は、ＯＡ検出系２１の特性やレジスト７０の種類等の種々の条件により変化する。そこで、アライメント計測対象のウエハ６を用いて予め取得し、制御系８内に記憶させておくことが望ましい。このとき、アライメント対象のウエハ６を用いてデフォーカス特性を取得しておくことが困難な場合は、図３に示すステージ基準マーク６３を用いて取得した特性を代用してもよい。この場合、例えば、ウエハステージ７のＺ軸方向における位置（デフォーカス量）を変化させたときのシフト量を求めればよい。

次に、第２の補正方法は、図６に示すデフォーカス特性からＯＡ検出系２１の特性値を求め、当該特性値と位置差ΔＺとから補正値を得るものである。具体的には、まず、図６に示すようなデフォーカス特性のデータからＯＡ検出系２１の検出光線の傾き（Ｘ軸方向の位置を求める場合は、Ｘ―Ｚ平面に平行な面におけるＺ軸に平行な直線に対する傾き）を求める。なお、本実施形態では、図６に示すようなデフォーカス特性のデータを線形近似して傾きαを求める。ここでは、例えば、基板表面からアライメントマークＡＭまでの層の材質（媒質）、即ち、レジスト７０の絶対屈折率をｎ_１とし、該絶対屈折率ｎ_１とは異なるＯＡ検出系２１と基板表面との間の材質（媒質）、即ち、空気の絶対屈折率をｎ_０とする。このとき、空気中から絶対屈折率ｎ_１・厚みΔの物質（本実施形態ではレジスト７０）に光が入射した場合、フォーカスは、Δ×（１−ｎ_０／ｎ_１）の量だけ延びる。そこで、第２アライメントマークＡＭ１２に関する補正値ΔＬ（図４（ｂ）参照）は、（数１）を用いて算出する。第２アライメントマークＡＭ１２の位置計測値は、この補正値ΔＬで補正すればよい。

なお、上記の（数１）は、アライメントマークの上に絶対屈折率ｎの異なる複数の層が形成されている場合にも適用可能である。ここで、ＯＡ検出系２１とアライメントマークとの間の各層の絶対屈折率をｎ_ｋ（ｋは、ゼロ以上、Ｎ以下の整数、Ｎは層数）とし、基板表面とアライメントマークＡＭとの間の各層に関する表面位置差をΔＺ_ｋとする。このときの補正値ΔＬは、（数２）で表される。（数２）を用いれば、任意の層に形成されたアライメントマークに対して、その位置計測値を補正することができる。

第１アライメントマークＡＭ１１以外のアライメントマークＡＭに対しては、以上に説明した補正方法により位置計測値を補正すればよく、フォーカス調整は行わずに済む。このため、本実施形態によれば、アライメントマークの位置を計測する時間の短さの点で有利な位置計測装置を提供することができる。したがって、ウエハ６上のレジスト７０に塗布ムラが発生している場合でも、迅速、かつ、高精度にアライメント計測を実施することができる。

なお、本実施形態では、アライメントマークＡＭの個数を２つとしたが、本発明はこれに限定されない。３つ以上のアライメントマークを計測する場合は、例えば、１つのアライメントマークに対して図５におけるステップＳ５０１・Ｓ５０２を実施し、それ以外の２つ以上のアライメントマークそれぞれに対しては、ステップＳ５０３〜Ｓ５０６を実施すればよい。また、以上の説明では、図６に示したようにデフォーカス特性が線形である場合を例示したが、本発明は、これには限定されず、デフォーカス特性が非線形である場合にも適用可能である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る位置計測装置（方法）について説明する。本実施形態の計測装置は、ＯＡ検出系２１を使用し、チャック２２の表面の傾き（形状）も考慮して、アライメントマークの位置計測値を補正するものである。図７は、本実施形態に係るアライメントマークＡＭが形成されたウエハ６の状態を示す図である。なお、図７において、図１と同一構成のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態においても、ウエハ６は、図７に示すように、ウエハステージ７上のチャック２２に載置（保持）され、表面には、ウエハ中心を挟んで間隔Ｌで第１及び第２アライメントマークＡＭ２１・ＡＭ２２が形成されている。また、ウエハ６の表面にはレジスト７０が塗布されており、第１実施形態と同様に、レジスト７０の表面には一定の傾き（膜厚分布）を有しているものとする。更に、本実施形態では、チャック２２の表面は、ウエハステージ７の走査面（Ｘ−Ｙ平面に平行な平面）に対して角度βだけ傾きを有すると仮定する。この場合、第１実施形態で示した方法を用いて第１アライメントマークＡＭ２１の計測に続いて第２アライメントマークＡＭ２２の計測を実施すると、チャック２２の表面（ウエハ吸着面）の傾きに起因して、更なる基板表面位置の差が発生する。即ち、第１アライメントマークＡＭ２１と第２アライメントマークＡＭ２２との間のＸ軸方向の間隔をＬとすると、第２アライメントマークＡＭ２２を計測する場合のレジスト７０の厚みは、Ｌ×ｓｉｎβだけ長くなる。

そこで、本実施形態では、まず、第１実施形態と同様に、図５のフローチャートに示す方法で第１アライメントマークＡＭ２１の形成位置と第２アライメントマークＡＭ２２の形成位置とにそれぞれ対応する２つの基板表面位置の差ΔＺ_２を算出する。したがって、第１アライメントマークＡＭ２１の上のレジスト厚と第２アライメントマークＡＭ２２の上のレジスト厚との差ΔＺ_２´は、（数３）で表される。

即ち、チャック２２の傾きまたは変形を伴う本実施形態では、上述のΔＺ_２´から補正値を算出し、アライメントマークＡＭ２２の位置計測値を当該補正値で補正すればよい。なお、本実施形態では、チャックの表面の位置を線形近似したが、本発明は、これには限定されず、例えば、スプライン関数（曲線）で面形状を近似して求めてもよい。本実施形態によれば、チャックの表面がウエハステージの走り面と平行な平面とみなせない場合において、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る位置計測装置（方法）について説明する。本実施形態の計測装置は、ＯＡ検出系２１を使用し、ウエハ６の裏面側に形成されたアライメントマークＡＭを計測するものである。特に、本実施形態では、ウエハ６のシリコン層の厚みが変化している場合、即ち、複数のアライメントマークを被覆するレジストの厚みが、その位置により互いに異なる場合について説明する。図８は、本実施形態に係るアライメントマークＡＭが形成されたウエハ６の構成を示す図である。ウエハ６は、シリコン層６ａとガラス層６ｂとで構成され、該シリコン層６ａとガラス層６ｂとは、接着剤又はオプティカルコンタクト等により互いに接着されている。シリコン層６ａの表面には、レジスト７０が塗布されている。また、シリコン層６ａの裏面には、４カ所にアライメントマークＡＭ３１〜３４が形成されている。これらのアライメントマークＡＭは、金属等の物質で構成されており、シリコン層６ａとガラス層６ｂとの間に閉じ込められた状態で配置される。ＯＡ検出系２１は、このアライメントマークＡＭに対して赤外光を照射し、アライメントマークＡＭからの反射光を検出することで位置を計測する。また、チャック２２は、ウエハ６を真空吸着にて保持する基板保持装置を構成し、本実施形態では、ウエハ６と接する面に赤外光を反射しない反射防止膜２２ａを備えた２層構造とする。反射防止膜２２ａは、チャック２２の表面で反射した赤外光が迷光となってアライメントマークＡＭの画像の画質を劣化させることのないようにするための膜である。この場合、反射防止膜２２ａは、チャック２２と一体に形成してもよい。また、チャック２２の赤外光による温度上昇を抑えるための冷却器や温度センサを備え、チャックの熱膨脹を介してウエハ６が熱膨張しないようにする構成としてもよい。

ここで、上記のような貼り合わせウエハ６は、シリコン層６ａとガラス層６ｂとの接合面で生じるバイメタル効果により変形する場合がある。また、シリコン層６ａとガラス層６ｂとは、共に単体で厚みムラが発生している場合がある。図９は、図８に示したウエハ６において、シリコン層６ａとガラス層６ｂとの厚みが、チャック２２の表面の各位置で変化している場合のアライメントマークＡＭの位置関係を示す図である。ここでは、ウエハステージ７の走り面、チャック２２の表面、及びレジスト７０の表面は、互いに平行であると仮定する。図９（ａ）は、透過斜視図であり、平面Ａ（面Ａ）は、シリコン層６ａとガラス層６ｂとの接合面を示す。ここで、平面Ａは、Ｚ軸に垂直ではなく、Ｚ軸に対して傾いている。また、平面Ａ上には、ウエハ６の中心点を中心とする円周上に均等な角度間隔で、又はそれに近い配置で、アライメントマークＡＭ３１〜ＡＭ３４が形成されている。図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、それぞれ、図９（ａ）のＸ−Ｚ断面及びＹ−Ｚ断面を示す断面図である。ここで、図９（ｂ）及び図９（ｃ）に示すように、Ｘ−Ｙ平面に対してウエハ６の表面には傾きが発生しておらず、アライメントマークＡＭ３１〜ＡＭ３４が形成されている平面Ａが傾いている。そこで、本実施形態では、アライメントマークＡＭが形成されている面ＡのＺ軸方向の位置を計測し、それに基づいてアライメントマークの位置計測値を補正する。

図１０は、本実施形態に係る位置差を求める流れを示すフローチャートである。ＯＡ検出系２１は、制御系８からの指示に基づいて計測を開始する。まず、ＯＡ検出系２１は、第１Ａ、第１Ｂ及び第１ＣアライメントマークＡＭ３１〜ＡＭ３３の３つのマークを計測対象として、第１Ａ〜１ＣアライメントマークＡＭ３１〜ＡＭ３３それぞれに対してフォーカス調整を実施する（ステップＳ１００１）。このとき、制御系８は、ウエハステージ７のＺ軸方向の位置を変化させて各アライメントマークに対してフォーカス調整を行う。次に、ＡＦ系３２を用いて、第１Ａ〜１ＣアライメントマークＡＭ３１〜ＡＭ３３それぞれに対して、対応する基板表面領域のＺ軸方向の位置（第１Ａ〜１Ｃフォーカス位置）を計測する（ステップＳ１００２）。このとき、制御系８は、ウエハステージ７を走査面（Ｘ−Ｙ平面）に平行に移動させる。次に、制御系８は、ステップＳ１００１・Ｓ１００２での計測結果に基づいて、面Ａの形状（面ＡのＺ軸方向位置）を算出する（ステップＳ１００３）。次に、制御系８は、計測対象を第２アライメントマークＡＭ３４に変更し、第２アライメントマークＡＭ３４がＯＡ検出系２１の直下に位置するようにウエハステージ７を移動させる（ステップＳ１００４）。ここでも、制御系８は、ウエハステージ７を走査面（Ｘ−Ｙ平面）に平行に移動させる。次に、ＡＦ系３２を用いて、第２アライメントマークＡＭ３４の形成位置に対応した基板表面領域のＺ軸方向の位置（第２フォーカス位置）を計測する（ステップＳ１００５）。次に、制御系８は、ステップＳ１００３にて算出した面Ａの形状に基づいて、第２アライメントマークＡＭ３４のＺ軸方向の位置を算出する（ステップＳ１００６）。次に、制御系８は、第１Ａ〜１ＣアライメントマークＡＭ３１〜３３のうち少なくとも１つの形成位置と第２アライメントマークＡＭ３４の形成位置とにそれぞれ対応した基板表面領域のＺ軸方向の位置の差ΔＺ_３を算出する（ステップＳ１００７）。次に、制御系８は、当該位置差ΔＺ_３と面Ａの形状（面ＡのＺ軸方向の位置）とからデフォーカス量を求める。最終的に、制御系８は、当該デフォーカス量と第１実施形態で説明したようなＯＡ検出系２１のデフォーカス特性とから第２アライメントマークＡＭ３４の位置計測値に対する補正値を求めればよい（ステップＳ１００８・Ｓ１００９）。なお、ここで「基板」と表記しているものは、シリコン層６ａ、ガラス層６ｂ、及びレジスト７０を組み合わせたものを指し、本実施形態における「基板表面」は、レジスト７０の表面である。このように、本実施形態によれば、図８に示したような貼り合わせウエハ６を対象とする場合でも、第１実施形態と同様の効果を奏する。

なお、本実施形態では、チャック２２がウエハステージ７の走査面に対して傾いていないと仮定したが、傾いている場合には第２実施形態の計測方法を採用すればよい。また、本実施形態では、アライメントマークＡＭの個数を４つとしたが、５つ以上のアライメントマークを計測する場合にも本実施形態の方法を適用できることは自明である。また、本実施形態では、シリコン層６ａとガラス層６ｂとの接合面を平面とみなせる場合を例示したが、接合面が所定の関数で近似しなければならないような曲面であっても本実施形態の方法を適用できることは自明である。

（デバイス製造方法）
続いて、本発明の一実施形態のデバイス（液晶表示デバイス、光学素子、リソグラフィー装置（露光装置）用マスク、等）の製造方法について半導体デバイスを例にして説明する。半導体デバイスは、ウエハ（基板）に集積回路を形成する前工程と、前工程でウエハに形成された集積回路を製品として完成させる後工程とを経ることにより製造される。前工程は、前述の露光装置を使用して、レジスト（感光剤）が塗布されたウエハを露光する工程と、当該露光工程で露光されたウエハを現像する工程とを含む。後工程は、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）と、パッケージング工程（封入）とを含む。本実施形態の物デバイス製造方法は、従来の方法と比較して、物品の性能・品質・生産性・製造コストの少なくとも一つの点で有利である。

（その他の実施形態）
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及び変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、ＯＡ検出系２１による計測を例示したが、本発明は、これに限定されない。アライメントマークの位置を計測するためのアライメントマークの検出系は、投影光学系５を介してアライメントマークを検出する所謂ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）の検出系であってもよい。また、基板表面位置の計測は、ＯＡ検出系２１がＡＦ系３２を有していない場合、ＯＡ検出系２１とは独立に設置されたフォーカス（基板表面位置）検出系を用いてもよい。

更に、第１及び第２実施形態では、Ｘ軸方向におけるアライメント計測について例示したが、Ｙ軸方向におけるアライメント計測にも本発明を適用できることは自明である。この場合、ＯＡ検出系２１の検出光線の傾きは、Ｙ−Ｚ平面に平行な平面においてＺ軸に平行な直線に対する検出光線の傾きとすればよい。

６ ウエハ
７ ウエハステージ
８ 制御系
２１ ＯＡ検出系
３２ ＡＦ系
ＡＭ アライメントマーク

Claims (10)

1. 基板を保持してＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系のＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸それぞれの方向に可動のステージと、前記基板に形成されたアライメントマークを撮像する撮像系と、前記基板の表面のＺ軸方向における位置を検出する検出系と、前記ステージと前記撮像系と前記検出系とを制御して前記アライメントマークのＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める制御部とを有する位置計測装置であって、
   前記制御部は、
   前記撮像系のテレセントリシティに関する情報を予め記憶し、
   前記基板に形成された複数のアライメントマークのうち少なくとも１つのアライメントマークに関して、前記ステージの位置の制御により前記撮像系に対するフォーカス調整を行って前記撮像系に撮像を行わせ、該撮像により得られた前記アライメントマークの信号に基づいてＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求め、
   前記フォーカス調整のなされた前記少なくとも１つのアライメントマークに関して、前記基板の表面の第１の位置を前記検出系に検出させ、
   前記複数のアライメントマークのうち他のアライメントマークに関して、前記フォーカス調整を行わずに、前記撮像系に撮像を行わせ、かつ前記基板の表面の第２の位置を前記検出系に検出させ、該撮像により得られた前記アライメントマークの信号と前記第１の位置と前記第２の位置と前記テレセントリシティに関する情報とに基づいて、Ｘ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める、
   ことを特徴とする位置計測装置。
2. 前記制御部は、前記少なくとも１つのアライメントマークを複数のアライメントマークとし、該複数のアライメントマークに関してなされた前記フォーカス調整の結果に基づいて該複数のアライメントマークを含む面の形状を求め、前記他のアライメントマークに関して、前記面の形状にも基づいてＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
3. 前記制御部は、前記ステージに設けられた基準マークのＺ軸方向の位置を変化させて該基準マークを前記撮像系に撮像させることにより、前記テレセントリシティに関する情報を得る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置計測装置。
4. 前記制御部は、被覆するレジストの厚みが互いに異なる複数のアライメントマークを前記撮像系に撮像させることにより、前記テレセントリシティに関する情報を得る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置計測装置。
5. 前記撮像系から前記基板の表面までの媒質の屈折率をｎ_０、前記表面から前記アライメントマークまでの各層の媒質の屈折率をｎ_ｋ、前記各層の表面の位置の差をΔＺ_ｋ、前記撮像系の検出光線の傾きをαとした場合、
   前記撮像系による撮像により得られた前記アライメントマークの信号に対応したＸ−Ｙ平面に平行な面における前記アライメントマークの位置に対する補正値ΔＬを、
   

   

   （但し、ｋは整数、かつ、Ｎは層数）、
   により求める、ことを特徴とする請求項４に記載の位置計測装置。
6. 前記検出系は、前記基板の表面に斜入射する光のパターンを投影し、該表面における前記パターンの位置を検出する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の位置計測装置。
7. 前記制御部は、前記他のアライメントマークに関して、前記第１の位置と前記第２の位置との差に基づいてＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の位置計測装置。
8. 基板を保持してＸ−Ｙ−Ｚ直交座標系のＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸それぞれの方向に可動のステージと、前記基板に形成されたアライメントマークを撮像する撮像系と、前記基板の表面のＺ軸方向における位置を検出する検出系とを制御して前記アライメントマークのＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める位置計測方法であって、
   前記基板に形成された複数のアライメントマークのうち少なくとも１つのアライメントマークに関して、前記ステージの位置の制御により前記撮像系に対するフォーカス調整を行って前記撮像系に撮像を行わせ、該撮像により得られた前記アライメントマークの信号に基づいてＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求め、
   前記フォーカス調整のなされた前記少なくとも１つのアライメントマークに関して、前記基板の表面の第１の位置を前記検出系に検出させ、
   前記複数のアライメントマークのうち他のアライメントマークに関して、前記フォーカス調整を行わずに、前記撮像系に撮像を行わせ且つ前記基板の表面の第２の位置を前記検出系に検出させ、該撮像により得られた前記アライメントマークの信号と前記第１の位置と前記第２の位置と前記撮像系のテレセントリシティに関する情報とに基づいてＸ−Ｙ平面に平行な面における位置を求める、
   ことを特徴とする位置計測方法。
9. 基板を露光する露光装置であって、
   前記基板に形成されたアライメントマークの位置を求める請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の位置計測装置を有する、ことを特徴とする露光装置。
10. 請求項９に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    前記工程で露光された基板を現像する工程と、
    を有することを特徴とするデバイス製造方法。

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