JP6025346B2

JP6025346B2 - 検出装置、露光装置及びデバイスを製造する方法

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Description

本発明は、被測定物の裏面に設けられたマークを被測定物の表面側から検出する検出装置、露光装置及びデバイスを製造する方法に関する。

フォトリソグラフィー技術を用いてデバイス（例えば、半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド）を製造する際には、レチクルに描画されたパターンを投影光学系によってウエハ等に投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。この際、投影露光装置に搭載されたアライメント検出系を用いて、ウエハ上にすでに形成されたパターンに対して、投影光学系を介して投影されるレチクルのパターンの像を位置合わせした後に、露光を行う。

投影露光装置においては、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、より高い解像力でレチクルのパターンをウエハに投影して露光することが要求されている。投影露光装置で転写できる最少の線幅（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど解像度はよくなる。このため、近年の光源は、超高圧水銀ランプｇ線（波長約４３６ｎｍ）、ｉ線（波長約３６５ｎｍ）から波長の短いＫｒＦエキシマレーザ（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長約１４３ｎｍ）になっている。さらには、光源としてＦ２レーザ（波長約１５７ｎｍ）の実用化も進んでおり、将来的には波長が数ｎｍ〜百ｎｍの極端紫外光（EＸtreme Ultra Violet：ＥＵＶ光）の採用も見込まれている。

従来からのメモリやロジックと言ったＩＣチップ以外に、ＭＥＭＳやＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）等、貫通ＶＩＡ工程を使った積層デバイス等の特殊な素子が、露光装置を用いて使用され製造されるようになってきている。ＭＥＭＳやＣＩＳ等の素子はＩＣチップと幾つか異なる点がある。ＭＥＭＳやＣＩＳ等の素子はでは、ＩＣチップで必要な線幅解像度や重ね合わせ精度に対して要求が緩い一方で、深い焦点深度が必要である。又、ＭＥＭＳやＣＩＳ等の素子を製造するための特殊工程として、Ｓｉウエハの裏面側にアライメントターゲットを構成し、この裏面側に合わせて表面側に露光する工程がある。Ｓｉウエハを薄化した後、表面側から貫通ＶＩＡを形成し、裏面側の回路と導通させる事がその代表的な適用例となる。こうした裏面側に構成されたアライメントマークを検出する（裏面アライメント）技術が昨今重要になってきている。

特許文献１では、裏面側（ウエハチャック側）に構成されたアライメント検出系を用いて、裏面側に形成されたアライメントマークの像を表面側に形成して、アライメントマークの位置を表面側で検出する事が提案されている。しかし、こうした裏面側にアライメント検出系を構成する方法では、ウエハチャックの特定位置に穴を構成している為、その位置にあるアライメントマークしか測定は出来ない。従って、特許文献１の手法では、ウエハ上の裏面の任意の位置に配置されるアライメントマークを観察する事が出来ない。

特開２００２−２８０２９９号公報

Ｓｉ基板は、赤外光（波長１０００ｎｍ以上）に対して、透過性を有する。そこで、赤外光を光源とした位置検出系を用いて裏面側のマークを表面側から観察する方法も提唱されている。通常のアライメントシーケンスでは、まずはアライメントマークのベストフォーカス位置を計測する為に、ウエハステージを位置検出系の光軸方向に駆動しながらアライメントマークの画像を取得し、最もコントラストの高い位置を算出していた。以下、この計測手法をイメージオートフォーカス計測と呼ぶ。イメージオートフォーカス計測によって算出されたフォーカス位置でアライメントする事で、高精度な位置検出を行う事ができる。

イメージオートフォーカス計測は、位置検出系のデフォルトのフォーカス位置からウエハステージをＺ方向に駆動させてアライメントマークの画像取得を行う。位置検出系のデフォルトのフォーカス位置は、露光装置内のステージに配置された基準プレートに合わせられていた。つまり、従来のイメージオートフォーカス計測は、基準プレートの高さ基準に計測の開始点を決定していた。しかし、ウエハをウエハステージに載せる際のウエハの吸着具合によっては、ウエハ表面の高さが基準プレートの高さと異なる場合があった。この場合、Ｓｉ基板の表面にあるアライメントマークに対して、厳密にはＳｉ基板の表面からイメージオートフォーカス計測を開始する事はできない。しかし、基準プレートの高さからイメージオートフォーカス計測を開始する事で、Ｓｉ基板の表面側のマークについては迅速かつ容易に検出する事ができた。

しかし、Ｓｉ基板の裏面側にアライメントマークがある場合、通常、位置検出系は、基準プレートにフォーカスが合っている事が問題となる。位置検出系のデフォルトのフォーカス位置である基準プレートからウエハステージを駆動していては、Ｓｉ基板の裏面にあるアライメントマークを検出するには、模索範囲が大きく必要となる。Ｓｉ基板の裏面側のアライメントマークを計測する為に模索範囲を大きくすると、それだけ計測に時間がかかり、スループットが低下する。また、イメージオートフォーカス計測の計測ピッチを大きくすると、アライメントマークのベストフォーカス位置の算出誤差が大きくなり、高精度なアライメントができない。

本発明は、被測定物の裏面に設けられたマークの位置を迅速かつ高精度に検出することを目的とする。

本発明の１つの側面は、基板に設けられたマークを検出する検出装置であって、前記基板の表面側から前記基板の表面側に設けられたマークと前記基板の裏面側に設けられたマークとを照明し、該照明された前記基板の表面側に設けられたマークの像と前記基板の裏面側に設けられたマークの像とを検出する第１検出器と、前記基板の表面位置を検出する第２検出器と、前記第２検出器により検出された表面位置から前記裏面側に設けられたマークに前記第１検出器のフォーカスを合わせるためのオフセット量を示す情報を取得する処理部と、を備え、前記オフセット量は、前記基板の厚さを前記基板の屈折率で割った値であり、前記オフセット量に基づいて前記第１検出器の光軸の方向における前記第１検出器と前記基板との相対位置を調整することにより、前記裏面側に設けられたマークに前記第１検出器のフォーカスを合わせることを特徴とする。

本発明によれば、被測定物の裏面に設けられたマークの位置を迅速かつ高精度に検出することができる。

ウエハアライメント検出器を示した図である。光源と瞳位置でのビーム径を示した図である。露光装置を示した図である。ウエハ及びアライメントマークを示した図である。ＡＦ検出器によるＡＦ光のウエハへの照射を示した図である。ＡＦ検出器による計測光のウエハからの計測光の受光を示した図である。ＡＦ検出器による計測を示した図である。表面側のアライメントマークをＡＦ検出器が計測している様子を示した図である。表面側のアライメントマークをウエハアライメント検出器が計測している様子を示した図である。イメージオートフォーカス計測で取得したコントラストカーブを示した図である。裏面にアライメントマークが設けられたウエハの表面をＡＦ検出器が計測している様子を示した図である。裏面側のアライメントマークをウエハアライメント検出器が計測している様子を示した図である。裏面にアライメントマークが設けられたウエハに対する従来のイメージオートフォーカスのコントラストカーブを示した図である。ウエハの厚みに起因するオフセットを補正するウエハステージの駆動を示した図である。コントラストカーブとオフセットとの関係を示した図である。レジストの裏面に設けられたアライメントマークを計測する様子を示した図である。ワイドピッチでのコントラストカーブを示した図である。ファインピッチでのコントラストカーブを示した図である。ウエハアライメント検出器とＡＦ検出器との配置例を示した図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
図３を用いて、被測定物の厚みと屈折率を用いて、基板（被測定物）３の裏面側のアライメントマーク（マーク）１９を高速かつ高精度に計測する事が可能な露光装置について説明する。露光装置は、図１に示されるウエハアライメント検出器（第１検出器）１６とウエハ３の表面位置を検出してウエハアライメント検出器１６のベストフォーカス位置を検出する支援を行うフォーカス検出器（第２検出器）４１とを含む検出装置を備えている。フォーカス検出器（第２検出器）４１を以下「ＡＦ検出器」と呼ぶ。露光装置は、レチクルステージ２とウエハステージ(基板ステージ)４と照明光学系５と投影光学系６と制御部Ｃとをさらに備えている。レチクルステージ２は、レチクル（マスク）１を支持する。ウエハステージ４は、ウエハ（基板）３を支持する。照明光学系５は、レチクル１を露光光で照明する。投影光学系６は、露光光で照明されたレチクル１のパターン像をウエハステージ４に支持されたウエハ３に投影する。制御部Ｃは、露光装置全体の動作を統括制御する。

実施例１では、露光装置としてレチクル１とウエハ３とを走査方向に互いに同期移動しつつレチクル１に形成されたパターンをウエハ３に投影して露光する走査型露光装置（スキャニングステッパ）を使用する。露光装置は、レチクル１を固定しレチクル１のパターンをウエハ３に投影して露光する露光装置（ステッパー）であってもよい。投影光学系６の光軸と一致する方向をＺ方向、Ｚ方向に垂直な平面内でレチクル１とウエハ３との同期移動方向（走査方向）をＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向に垂直な方向（非走査方向）をＸ方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわり方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

レチクル１上の所定の照明領域は照明光学系５により均一な照度分布の露光光で照明される。照明光学系５から射出される露光光としては、これまで主流だった水銀ランプに代わって、ＫｒＦエキシマレーザが用いられるようになり、さらに短波長のＡｒＦエキシマレーザやＦ２レーザの実用化が進められている。また今後は、より微細な半導体素子等を製造するために、露光光として波長が数ｎｍ〜百ｎｍの極端紫外光（Extreme Ultra Violet：ＥＵＶ光）を使用した露光装置の開発も行われつつある。

レチクルステージ２は、投影光学系６の光軸に垂直な平面内、すなわちＸＹ平面内での２次元移動及びθＺ方向の微小回転が可能である。レチクルステージ２は、最低１軸に駆動可能であるが、６軸に駆動可能でも良い。レチクルステージ２はリニアモータ等の駆動部（不図示）により駆動され、この駆動部は制御部Ｃにより制御される。レチクルステージ２にはミラー７が設けられ、ミラー７に対向する位置にはＸＹ方向用のレーザ干渉計９が設けられている。レチクル１の２次元方向の位置及び回転角はレーザ干渉計９によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御部Ｃに出力される。制御部Ｃは、レーザ干渉計９の計測結果に基づいてレチクルステージ２の駆動部を駆動することでレチクルステージ２に支持されているレチクル１の位置決めを行う。

投影光学系６は、レチクル１のパターンを所定の投影倍率βでウエハ３に投影露光するものであって、複数の光学素子で構成されている。投影光学系６は、投影倍率βが例えば１／４あるいは１／５の縮小投影系である。ウエハステージ４は、ウエハチャックを介してウエハ３を保持するＺステージと、Ｚステージを支持するＸＹステージと、ＸＹステージを支持するベースとを備えている。ウエハステージ４はリニアモータ等の駆動部（不図示）により駆動される。ウエハステージ４の駆動部は制御部Ｃにより制御される。

ウエハステージ４にはミラー８が設けられている。ミラー８に対向する位置には、ＸＹ方向用のレーザ干渉計１０とＺ方向用のレーザ干渉計１２が設けられている。ウエハステージ４のＸＹ方向の位置及びθＺはレーザ干渉計１０によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御部Ｃに出力される。また、ウエハステージ４のＺ方向の位置及びθＸ、θＹについてはレーザ干渉計１２によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御部Ｃに出力される。レーザ干渉計１０，１２の計測結果に基づいてウエハステージ４の駆動部を通してＸＹＺステージを駆動することでウエハ３のＸＹＺ方向における位置を調整し、ウエハステージ４に支持されているウエハ３の位置決めを行う。

レチクル１上の基準マーク（不図示）と投影光学系６とを通してウエハステージ４上の基準プレート１１に設けられた基準マーク３９（図４）を検出するレチクルアライメント検出器１３が、レチクルステージ２の近傍に設けられている。レチクルアライメント検出器１３は、ウエハ３を露光する光源と同一の光源を用い、投影光学系６を通してレチクル１上の基準マークと基準マーク３９とを照射し、その反射光を検出するための光電変換素子（例えばＣＣＤカメラなど）を搭載している。レチクルアライメント検出器１３は、レチクル１上の基準マークと基準プレート１１上の基準マーク３９の位置、フォーカスを合わせることで、レチクル１とウエハ３の相対位置関係（Ｘ,Ｙ,Ｚ）を合わせることができる。

レチクルアライメント検出器１３により検出される基準マーク３９は、反射型のマークでも良いし、透過型のレチクルアライメント検出器１４を用いて、透過型の基準マーク３９を検出することもできる。透過型のレチクルアライメント検出器１４は、ウエハ３を露光する光源と同一の光源と照明光学系５を用い、投影光学系６を通してレチクル１上の基準マークと基準マーク３９とを照射し、その透過光を検出するための光量センサを搭載している。ウエハステージ４をＸ方向（又はＹ方向）及びＺ方向に駆動させながら透過光の光量を測定することで、レチクル１上の基準マークと基準プレート１１上の基準マーク３９との位置及びフォーカスを合わせることができる。このように、レチクルアライメント検出器１３、透過型のレチクルアライメント検出器１４のどちらを用いても、レチクル１とウエハ３との相対位置関係（Ｘ,Ｙ,Ｚ）を合わせることができる。

図４に示されるように、ウエハステージ４のコーナーには、基準プレート１１がウエハ３表面とほぼ同じ高さで設置されている。基準プレート１１には、ウエハアライメント検出器１６が検出する基準マーク４０とレチクルアライメント検出器１３又は透過型のレチクルアライメント検出器１４が検出する基準マーク３９とを備えている。基準プレート１１はウエハステージ４の複数のコーナーに配置されていても良い。また、基準プレート１１は、複数の基準マーク３９、複数の基準マーク４０を設けていても良い。レチクルアライメント用の基準マーク３９とウエハアライメント用の基準マーク４０との位置関係（ＸＹ方向）は既知であるとする。また、ウエハアライメント検出用の基準マーク４０とレチクルアライメント用の基準マーク３９とは共通のマークであっても良い。

フォーカス検出器１５は、検出光をウエハ３表面に投射する投射系とそのウエハ３からの反射光を受光する受光系とを備えており、フォーカス検出器１５の検出結果は制御部Ｃに出力される。制御部Ｃは、フォーカス検出器１５の検出結果に基づいてＺステージを駆動し、Ｚステージに保持されているウエハ３のＺ方向における位置（フォーカス位置）及び傾斜角を許容範囲に収めるように調整する。

ウエハアライメント検出器１６は、検出光をウエハ３上のマーク１９や基準プレート１１上のウエハアライメント検出用の基準マーク４０に投射する投射系と該マークからの反射光を受光する受光系を備えている。ウエハアライメント検出器１６の検出結果は制御部Ｃに出力される。制御部Ｃは、ウエハアライメント検出器１６の検出結果に基づいてウエハステージ４をＸＹ方向に駆動することで、ウエハステージ４に保持されているウエハ３のＸＹ方向における位置を調整することが可能である。露光装置は、ウエハアライメント検出器１６のベストフォーカス位置を迅速に取得するためにウエハ３の表面位置を検出するフォーカス検出器（ＡＦ検出器）４１を備える。ＡＦ検出器４１は、フォーカス検出器１５と同じく検出光をウエハ３表面に投射する投射系とそのウエハ３からの反射光を受光する受光系とを備えている。フォーカス検出器１５は投影光学系６のベストフォーカス位置を取得するために用いられるのに対して、ＡＦ検出器４１はウエハアライメント検出器１６のベストフォーカス位置を取得するために用いられる。

ウエハアライメント検出器１６の形態としては大きく２つの方式が存在する。１つ目の方式は、投影光学系６を介さず個別に構成されていて、ウエハ３上のマーク１９、基準マーク４０を光学的に検出するオフアクシスアライメント検出系（Off-axis AA、ＯＡ検出方式）である。２つ目の方式は、特にｉ線露光装置で使用される、投影光学系６を介して非露光光のアライメント波長を用いてマーク１９、基準マーク４０を検出するＴＴＬ−ＡＡ（Through The Lens アライメント）方式である。本実施例ではＯＡ検出方式のウエハアライメント検出器１６を用いて説明するが、ＴＴＬ−ＡＡ方式でも構わない。

ウエハアライメント検出器１６によるウエハ３の観察を詳細に示したものが図１である。ウエハアライメント検出器１６の照明光源２０は、赤外光（例えば、１０００〜１５００ｎｍ）及び可視光（例えば、４００〜８００ｎｍ）を発生する。照明光源２０で発生された光は第１リレー光学系２１、波長フィルタ板２２、第２リレー光学系２３を通り、ウエハアライメント検出器１６の瞳面（物体面に対する光学的なフーリエ変換面）に配置された開口絞り２４に到達する。開口絞り２４でのビーム径３７は、図２に示されるように、照明光源２０でのビーム径３６よりも十分に小さい。

波長フィルタ板２２は、透過波長帯の異なる複数のフィルタを含み、制御部Ｃからの命令でフィルタの切換を行う。開口絞り２４は、照明σの異なる複数の絞りを含み、制御部Ｃからの命令で絞りの切換を行うことで、照明σを変更することができる。本実施例では、波長フィルタ板２２と開口絞り２４とがそれぞれ複数のフィルタと複数の絞りを備えているが、波長フィルタ板２２と開口絞り２４とは別にフィルタと絞りとを追加してもよい。本実施例の波長フィルタ板２２は、可視光を透過するフィルタと赤外光を透過するフィルタとを備えており、これらのフィルタを切り替えることによりマークの検出に使用する光の波長を選択できる。赤外光に対して透過性を有するＳｉ基板の裏面に置かれたマークを計測する際には、赤外光を透過するフィルタが使用される。

開口絞り２４まで到達した光は第１照明光学系２５、第２照明光学系２７を通って偏光ビームスプリッター２８に導かれる。偏光ビームスプリッター２８により反射された紙面に垂直なＳ偏光光は、ＮＡ絞り２６、プリズム６３、λ／４板２９を透過して円偏光に変換され、対物レンズ３０を通ってウエハ３に形成されたマーク１９を照明する（照明光は図１中の実線で示す）。ＮＡ絞り２６は絞り量を変えることでＮＡを変えることができる。ＮＡ絞り２６の絞り量は制御部Ｃからの命令で変更できる。プリズム６３については、図５の説明で後述するが、アライメント光を透過する特性を持っている。

マーク１９から発生した反射光、回折光、散乱光は（図１中の１点波線で示す）、再度対物レンズ３０及びλ／４板２９を通って今度は紙面に平行なＰ偏光に変換される。Ｐ偏光は、プリズム６３、偏光ビームスプリッター２８を透過し、リレーレンズ３１、第１結像光学系３２、コマ収差を調整する光学部材３５、第２結像光学系３３、波長シフト差を調整する光学部材３８を通過する。光学部材３８を通過したＰ偏光は、マーク１９の検出信号を光電変換素子３４（例えば、ＣＣＤカメラ）上に形成する。

通常、ウエハアライメント検出器１６により、マーク１９を観察してマーク１９の位置を検出する場合、マーク１９上に塗布又は形成された透明層のため、単色光や狭い波長帯域の光では干渉縞が発生してしまう。そのため、アライメント信号に干渉縞の信号が加算された状態で検出され、マーク１９を高精度に検出できなくなる。従って、一般的にウエハアライメント検出器１６の照明光源２０としては、マーク１９を干渉縞の少ない信号として検出するために、広帯域の波長を持つものが使用される。

図５及び図６に、ＡＦ検出器４１がフォーカス計測している状態を示す。図５は、ＡＦ検出器４１がウエハ３にフォーカス計測光（ＡＦ光）を照射している様子を示している。図６は、照射されたＡＦ光がウエハ３で反射され、反射光がＡＦ検出器４１により受光される様子を示している。光源５５から照射されたＡＦ光は、レンズ５６を通して、パターン板５７を照明する。光源５５は可視光帯域（Ｓｉを透過しない４００〜８００ｎｍの波長）の光を発生する。ウエハ３に照射されるＡＦ光はウエハ３を透過しない。パターン板５７は、ガラス基板にスリットパターンが描画されており、パターン板５７の中心部に描画されたスリットパターンを照明されたＡＦ光は、レンズ５８を通りミラー５９で反射されてレンズ６０に到達する。パターン板５７以降のＡＦ光は、説明の都合上主光線のみを書くが、実際にはＮＡを持った光線である。ＡＦ光はレンズ６０の中心ではなく、レンズ６０の中心から偏心した部分に到達し、レンズ６０で屈折することによって、基準ミラー６１を通過し、レンズ６２に到達する。レンズ６２に到達した光も、レンズ６２の中心ではなく、レンズ６２の中心から偏心した部分に到達する。レンズ６２で屈折したＡＦ光は、プリズム６３に到達する。プリズム６３はＡＦ光を反射し、アライメントに使う光が透過する特性のプリズムとなっている。プリズム６３で反射したＡＦ光は、λ／４板２９を透過し、レンズ３０に到達する。ＡＦ光はレンズ３０の中心ではなく、レンズ３０の中心から偏心した部分に到達し、レンズ３０で屈折することによって、図５に示すようにウエハ３に入射角度θで斜入射する。

図６を用いて、ウエハ３に斜入射したＡＦ光がＡＦ検出器４１に受光される様子を説明する。ウエハ３で反射されたＡＦ光は、照明した時と同じ角度θでウエハ３から反射され、レンズ３０に到達する。このとき、ＡＦ光はレンズ３０の中心ではなく、レンズ３０の中心から偏心した部分に到達し、レンズ３０で屈折することによって、λ／４板２９を透過し、プリズム６３に到達する。プリズム６３で反射したＡＦ光は、レンズ６２に到達する。このとき、ＡＦ光はレンズ６２の中心ではなく、レンズ６２の中心から偏心した部分に到達し、レンズ６２で屈折することによって、基準ミラー６１を通過し、レンズ６０に到達する。このとき、ＡＦ光はレンズ６０の中心ではなく、レンズ６０の中心から偏心した部分に到達し、レンズ６０で屈折することによって、レンズ６４の中心に到達し、レンズ６４を透過し、ＡＦ検出センサ６５で受光される。

図５及び図６を用いて、ＡＦ検出器４１がウエハ３にＡＦ光を斜入射し、ＡＦ検出センサ６５で受光する様子について説明した。この説明から、ウエハ３がフォーカス方向（Ｚ方向）に移動すると、それに応じてＡＦ検出センサ６５におけるＡＦ光の受光する位置がずれる事が分かる。このように、ＡＦ検出器４１は、ウエハ３の面位置を計測する事が可能である。

図７は、ＡＦ検出器４１内の基準の計測について示した図である。パターン板５７の周辺部に照明されたＡＦ光は、レンズ５８の中心から偏心した部分に到達し、レンズ５８で屈折しミラー５９で反射される。ミラー５９で反射したＡＦ光は、レンズ６０の中心から偏心した部分に到達し、レンズ６０で屈折して基準ミラー６１で反射され、今度はレンズ６０の中心に到達する。レンズ６０の中心を透過したＡＦ光は、レンズ６４の中心から偏心した部分に到達し、レンズ６４で屈折してＡＦ検出センサ６５で受光される。ＡＦ検出器４１内の基準の計測では、ＡＦ光はウエハ３に到達する事なく直接ＡＦ検出センサ６５で受光された位置が、ＡＦ検出器４１によるフォーカス計測の基準となる。ＡＦ検出器４１内の基準とウエハ３に対するフォーカス計測結果との差分から、ウエハ３のフォーカス位置を求める事が可能となる。

図５〜図７に示したＡＦ検出器４１によるフォーカス計測は、ウエハアライメント検出器１６がマーク１９を検出するためのベストフォーカス位置を計測するものではなく、ウエハ３の表面位置を検出する為のものである。ＡＦ検出器４１によるフォーカス計測は、ウエハアライメント検出器１６におけるマーク１９の像のファーカス状態を許容範囲に収めるようにする動作である。ウエハ３の表面で反射されたＡＦ光を検出する為、ウエハ３の裏面に設けられたマークのフォーカス位置を直接検出する事はできない。

図８、図９を用いて、ウエハ３の表面にマーク１９が配置されている場合に、ウエハアライメント検出器１６がマーク１９を検出するベストフォーカス位置を求める（イメージオートフォーカス計測の）従来の手法について説明する。イメージオートフォーカス計測は、図８に示されるように、まず初めにＡＦ検出器４１がＡＦ光４２をウエハ３の表面のマーク１９に投射し反射光を受光する。図８は、ウエハアライメント検出器１６の外部にＡＦ検出器４１が配置されている構成を図示しているが、ウエハアライメント検出器１６の内部にＡＦ検出器４１を配置される構成でも良い。受光した反射光の位置がＡＦ検出器４１のＡＦ検出センサ６５の中心に来るようにウエハステージ４を駆動する事で、ウエハ３表面のマーク１９のフォーカス位置を取得する事ができる。その取得したフォーカス位置を用いてウエハアライメント検出器１６のフォーカス位置をマーク１９に概略合わせることができる。図９は、ウエハ３の表面にウエハアライメント検出器１６のフォーカスが概略合った状態で、マーク１９にウエハアライメント検出器１６からの計測光４３が照射されている様子を示す。ＡＦ検出器４１はウエハ３表面のマーク１９にフォーカスが合っているが、ウエハアライメント検出器１６が画像処理したマーク１９のコントラストが最も高くなるフォーカス位置を求める必要がある。図９の状態からＺ方向にウエハステージ４を駆動させ、ウエハアライメント検出器１６が各フォーカス位置でアライメント計測を行う事で、マーク１９のコントラストが最も高くなるフォーカス位置を見つける事ができる（イメージオートフォーカス計測）。つまり、ＡＦ検出器４１がウエハ３の表面を計測し、それによりウエハ３の表面にウエハアライメント検出器１６のフォーカスが概略合っている状態を基準として、ウエハアライメント検出器１６が＋Ｚ方向と−Ｚ方向でアライメント計測する。

図９の状態から、ウエハアライメント検出器１６がイメージオートフォーカス計測を行って、図１０に示されるコントラストカーブ４７が得られる。フォーカス位置とコントラストの関係のデータから、ウエハアライメント検出器１６の最もコントラストの高いベストフォーカス位置を求める事が出来る。最もコントラストの高いフォーカス位置を求める際には、図１０のグラフから２次フィッティングや重心計算でコントラストのピーク位置を求める手法がある。また、図１０では簡単の為に、イメージオートフォーカス計測による３つのフォーカス位置４４、４５、４６を示しているが、計測点は１０点や２０点などもっと増やしても良い。但し、計測点を増やしすぎると、計測に時間がかかり、スループット低下の原因となる。また、イメージオートフォーカス計測の従来の手法の説明として、ウエハ３の表面にマーク１９が設けられた図８を用いて説明したが、マーク１９がウエハ３の表面の近傍にあれば、ウエハ３の表面にレジストが被覆されていてもかまわない。

次に、図１１、図１２を用いてウエハ３の裏面にマーク１９が設けられた場合に、イメージオートフォーカス計測の手法を適用した場合について説明する。ウエハ３の裏面にマーク１９がある場合も、まず初めにＡＦ検出器４１がＡＦ光４２をウエハ３の表面に投射し反射光を受光する。このとき、受光した反射光の位置がＡＦ検出器４１のＡＦ検出センサ６５の中心に来るようにウエハステージ４を駆動する事で、ウエハ３の表面のフォーカス位置を取得する事ができる。その取得したフォーカス位置を用いてウエハアライメント検出器１６のフォーカス位置をウエハ３の表面に概略合わせることができる。図１２は、ウエハ３の表面にウエハアライメント検出器１６のフォーカスが概略合った状態で、ウエハアライメント検出器１６からの計測光４３が照射されている様子を示す。図１２の状態では、ウエハ３の裏面に設けられたマーク１９に照射された赤外光（計測光）４３は、ウエハアライメント検出器１６の光電変換素子３４に結像していない。

図１２の状態から、ウエハアライメント検出器１６のイメージオートフォーカス計測を行うと、図１３に示されるようなコントラストカーブ４８が得られる。各フォーカス位置４４、４５、４６でのコントラストは低く、ウエハ３の裏面側のマーク１９を検出出来ていない。ウエハ３の裏面にマーク１９が置かれている場合、ウエハ３の厚みは数１００μｍ程度のこともあり、ＡＦ検出器４１で検出したウエハ３の表面を基準とするイメージオートフォーカス計測では、ウエハ３の裏面側のマーク１９を迅速に検出する事はできない。ウエハ３の表面を基準とするイメージオートフォーカス計測の計測レンジを大幅に広げれば、ウエハ３の厚みが数１００μｍでも、ウエハ３の裏面側のマーク１９をウエハアライメント検出器１６により検出する事は可能である。しかし、その場合、計測点数が大幅に増えてしまい、計測時間が増え、スループットが低下する。

次に、図１４を用いて、ウエハ３の裏面にマーク１９が設けられた場合でも、ウエハアライメント検出器１６のベストフォーカス位置を迅速に求める手法について説明する。この手法では、ウエハ３の裏面に設けられたマーク１９のベストフォーカス位置を迅速に求めるために、ウエハ３の厚みと屈折率を利用して、イメージオートフォーカス計測の開始点を決定する。図３の入力器１８に入力されたウエハ３の厚みと屈折率を基に、計算器１７は、ウエハ３の裏面側のマーク１９にウエハアライメント検出器１６のフォーカスが合う為のオフセット量を計算し、ウエハステージ４にオフセット量だけ駆動するように指示する。図１４の（Ａ）は裏面にマーク１９が設けられたウエハ３の表面をＡＦ検出器４１が検出している様子を示す。ＡＦ検出器４１がウエハ３の表面を検出した（Ａ）の状態のままでは、（Ｂ）に示されるように、ウエハ３の表面にフォーカスが概略合っているウエハアライメント検出器１６ではマーク１９を検出する事はできない。図１４の（Ｂ）は、ウエハ３の裏面に設けられたマーク１９に照射された計測光４３が、ウエハアライメント検出器１６の光電変換素子３４に結像していない様子を示している。ウエハ３の厚み４９は数１００μm程度の量であり、図１４の（Ｂ）では、ウエハアライメント検出器１６は、この厚みに対応する量（オフセット量５０）だけデフォーカスしている。

オフセット量５０は、入力器１８に入力されたウエハ３の厚み４９とウエハ３の屈折率を基に計算器１７によって算出される。ウエハ３の表面をＡＦ検出器４１が計測した図１４の（Ａ）の状態から、計算器１７により算出されたオフセット量５０の分だけウエハステージ４をＺ方向に駆動させる。そうすると、図１４の（Ｃ）のようにウエハ３の裏面側のマーク１９にウエハアライメント検出器１６のフォーカスを合わせる事ができる。オフセット量５０は、（ウエハ３の厚み４９）／（ウエハ３の屈折率）で算出する事ができ、例えば２００μｍ厚のＳｉ基板の場合、２００μｍ／３．５（Ｓｉの屈折率）≒５７μｍとなる。このようにウエハ３の厚み４９と屈折率から算出されたオフセット量５０を使えば、ウエハ３の裏面側のマーク１９に対しても迅速にイメージオートフォーカス計測を行う事が可能となる。

図１４（Ｃ）の状態からイメージオートフォーカス計測を行うと、図１５の右側部分のコントラストカーブ５４が得られる。図１５の各フォーカス位置５１、５２、５３でのコントラストは高く、ウエハ３の裏面側のマーク１９をウエハアライメント検出器１６が検出出来ている事を示している。図１２（及び図１４の（Ｂ））の状態すなわちウエハ３の表面からイメージオートフォーカス計測したときのコントラストカーブが図１３であった。したがって、図１３のコントラストカーブは、フォーカス位置４４〜４６を含む図１５の左側部分のコントラストカーブに対応する。図１５のコントラストカーブ５４におけるフォーカス位置５２と４５との差分がオフセット量５０を意味している。図１５のようなフォーカス位置とコントラストの関係のデータから、ウエハ３の裏面側のマーク１９に対しても、その位置をウエハアライメント検出器１６が迅速にかつ高精度に求める事が出来る。

上記の説明では、ウエハ３の厚みと屈折率を入力器１８に入力し、（ウエハ３の厚み４９）／（ウエハ３の屈折率）を計算器１７が計算して、オフセット量５０を算出するとしている。しかし、入力器１８にオフセット量５０を直接入力しても構わない。入力器１８にオフセット量５０を直接入力すると、（ウエハ３の厚み）／（ウエハ３の屈折率）の計算を手動で行う手間が生じるが、計算器１７を削除できると言うコスト上のメリットがある。入力器１８及び計算器１７は、オフセット量５０すなわちウエハアライメント検出器１６におけるマーク１９の像のフォーカス状態を示す情報を求める処理部Ｐを構成している。

本実施例では、可視光を斜入射させるＡＦ検出器４１と、赤外光を用いるウエハアライメント検出器１６を用いて、ウエハ３の裏面に設けられたマーク１９に対するイメージオートフォーカス計測を行った。しかし、ＡＦ検出器４１とウエハアライメント検出器１６とを用いて、ウエハ３の上に塗布されたレジスト６６の裏面に設けられたマーク１９の位置を検出することができる。図１６は、レジスト６６の裏面にあるマーク１９に対するイメージオートフォーカス計測を示した図である。上述のＡＦ検出器４１では可視光がレジスト６６を透過してしまい、レジスト６６の表面の位置を検出できない為、レジスト６６の表面の位置を検出するためにエアーフォーカス検出器６７を使用する。エアーフォーカス検出器６７は、ウエハアライメント検出器１６の中に構成されており、エアー（気体）６８をレジスト６６の表面に向けて噴射し、レジスト６６から跳ね返るエアーの強度（圧力）によりレジスト６６の表面高さを検出する。エアーフォーカス検出器６７が検出したレジスト６６の表面高さとレジスト６６の厚み４９と屈折率とに基づいて、レジスト６６の裏面側のマーク１９に対するイメージオートフォーカス計測が可能となる。

レジスト６６の表面位置をエアーフォーカス検出器６７が計測した図１６の（Ａ）の状態から、オフセット量５０の分だけウエハステージ４を駆動させる。そうすると、図１６の（Ｂ）のようにレジスト６６の裏面側のマーク１９にウエハアライメント検出器１６のフォーカスを概略合わせる事ができる。オフセット量５０は、（レジスト６６の厚み４９）／（レジスト６６の屈折率）で算出する事ができる。例えば２００μｍ厚のレジスト６６の場合、オフセット量５０は２００μｍ／１．５（レジスト６６の屈折率）≒１３３μｍとなる。図１６の（Ｂ）の状態からイメージオートフォーカス計測を開始する事で、レジスト６６の裏面にあるマーク１９のベストフォーカス位置を迅速に求めることができる。このようにマーク１９を裏面に有する被測定物の厚みと屈折率から算出されたオフセット量５０を使えば、ウエハ３以外の被測定物の裏面に設けられたマーク１９に対してもイメージオートフォーカス計測を行う事が可能となる。

レジスト６６の表面を計測するセンサは、エアーフォーカス検出器６７の代わりに、静電容量センサ等を適用しても良い。静電容量センサは、レジスト６６の表面に電圧を印加したときに発生する電荷量を検出する事によって、静電容量センサからレジスト６６の表面までの高さを検出する。静電容量センサからレジスト６６の表面までの距離が近ければ、電圧を加えたときに発生する電荷量は大きくなり、静電容量センサからレジスト６６の表面までの距離が遠ければ、電圧を加えたときに発生する電荷量は小さくなる。このように静電容量センサは、一定の電圧を静電容量センサとレジスト６６の表面にかけた際に発生する電荷量を検出する事で、静電容量センサからレジスト６６の表面までの距離を算出する。

露光装置が１ロット２５枚のウエハ３を露光する場合、１枚目のウエハ３のマーク（第１マーク）１９に対してのみイメージオートフォーカス計測を実施する。そして、２枚目以降のウエハ３のマーク（第２マーク）１９に対してはＡＦ検出器４１による計測結果のみでウエハ３の裏面側のマーク１９に対するフォーカスを合わせる事が可能である。ロット内の１枚目のウエハ３に対しては図１４の（Ｃ）のように、ＡＦ検出器４１の計測値からオフセット量５０だけウエハステージ４を駆動させてから裏面側のマーク１９に対してイメージオートフォーカス計測を行う。この時、イメージオートフォーカス計測で算出された裏面側のマーク１９に対するウエハアライメント検出器１６のベストフォーカス位置と、ＡＦ検出器４１がウエハ３の表面を計測したフォーカス位置との差分６９を求める。２枚目以降のウエハ３に対しては、ウエハ３の表面位置をＡＦ検出器４１が計測した状態から、１枚目のウエハ３のイメージオートフォーカス計測から求めた差分６９だけウエハステージ４を駆動する。そして、その状態で、裏面側のマーク１９をウエハアライメント検出器１６により計測する。こうすることで、１枚目のウエハ３に対してのみイメージオートフォーカス計測するだけで、他の２４枚のウエハ３に対しても高精度にアライメント計測する事が可能になる。

［実施例２］
実施例１では、ウエハ３の表面位置を検出するフォーカス検出器４１、６７を用いて、ウエハ３の裏面に設けられたマーク１９に対するウエハアライメント検出器１６のフォーカス位置を迅速に取得した。実施例２では、ウエハアライメント検出器１６として、第1検出モードと第２検出モードとの２つの検出モードに切り替え可能なものを使用する。また、実施例２では、実施例１で用いたウエハ３の表面位置を検出するフォーカス検出器４１、６７を用いない。ウエハアライメント検出器１６は、第１検出モードで、マーク１９との間隔を第１ピッチで変更しながら第１検出精度でマーク１９を検出し、第２検出モードで、マーク１９との間隔を第２ピッチで変更しながら第２検出精度でマーク１９を検出する。そのとき、第２ピッチは第１ピッチより小さく、第２検出精度は第１検出精度より高い精度とする。すなわち、第１検出モードは、検出精度は低いが一度に広い領域を検出できるワイドピッチの検出モードである。一方、第２検出モードは、検出領域は狭いが検出精度が高いファインピッチの検出モードである。

図１７は、ウエハ３の表面側に配置されたウエハアライメント検出器１６をワイドピッチの第１検出モードでウエハ３の裏面側のマーク１９を計測したときのコントラストカーブを示した図である。ウエハアライメント検出器１６の従来のイメージオートフォーカス計測のピッチよりもワイドピッチの第１検出モードでイメージオートフォーカス計測をする事で、マーク１９を計測するための概略のフォーカス位置７２を迅速に取得することができる。次いで、ウエハアライメント検出器１６の検出モードを検出精度が高い第２検出モードに切り替えてフォーカス位置７２からイメージオートフォーカス計測を開始する。このようにウエハアライメント検出器１６の検出モードを切り替えて２段階でのイメージオートフォーカス計測をする事でマーク１９を計測するためのベストフォーカス位置を迅速に取得することができる。図１８は、第1検出モードで得られたフォーカス位置７２から第２検出モードでイメージオートフォーカス計測を行った場合のコントラストカーブを示しており、ベストフォーカス位置７４を取得している事が分かる。

［参考例］
実施例１では、ウエハ３の裏面側のマーク１９を検出するためのウエハアライメント検出器１６及びＡＦ検出器４１がともにウエハ３の表面側に配置されていた。しかし、ウエハ３の裏面側にウエハアライメント検出器１６又はＡＦ検出器４１を配置することが可能な場合には、ウエハアライメント検出器１６とＡＦ検出器４１をウエハ３の表面側と裏面側とに分離して配置することもできる。図１９はウエハアライメント検出器１６とＡＦ検出器４１との配置例を示した図である。（Ａ）は、ウエハアライメント検出器１６及びＡＦ検出器４１をともにウエハ３の表面側に配置した実施例１の配置例を示す。配置例（Ｂ）は、ウエハ３の裏面側のマーク１９を検出する為に、赤外光を光源とするウエハアライメント検出器１６をウエハ３の表面側に配置し、可視光を光源とするＡＦ検出器４１をウエハ３の裏面側に配置した配置例を示す。（Ｃ）は、ウエハ３の裏面側のマーク１９を検出する為に、可視光を光源とするウエハアライメント検出器１６をウエハ３の裏面側に配置し、赤外光を光源とするＡＦ検出器４１をウエハ３の表面側に配置した配置例を示す。

［デバイス製造方法］
次に、デバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）の製造方法について説明する。半導体デバイスは、ウエハに集積回路を作る前工程と、前工程で作られたウエハ上の集積回路チップを製品として完成させる後工程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感光剤が塗布されたウエハを露光する工程と、ウエハを現像する工程を含む。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）を含む。液晶表示デバイスは、透明電極を形成する工程を経ることにより製造される。透明電極を形成する工程は、透明導電膜が蒸着されたガラス基板に感光剤を塗布する工程と、前述の露光装置を使用して感光剤が塗布されたガラス基板を露光する工程と、ガラス基板を現像する工程を含む。本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims

基板に設けられたマークを検出する検出装置であって、
前記基板の表面側から前記基板の表面側に設けられたマークと前記基板の裏面側に設けられたマークとを照明し、該照明された前記基板の表面側に設けられたマークの像と前記基板の裏面側に設けられたマークの像とを検出する第１検出器と、
前記基板の表面位置を検出する第２検出器と、
前記第２検出器により検出された表面位置から前記裏面側に設けられたマークに前記第１検出器のフォーカスを合わせるためのオフセット量を示す情報を取得する処理部と、
を備え、
前記オフセット量は、前記基板の厚さを前記基板の屈折率で割った値であり、
前記オフセット量に基づいて前記第１検出器の光軸の方向における前記第１検出器と前記基板との相対位置を調整することにより、前記裏面側に設けられたマークに前記第１検出器のフォーカスを合わせることを特徴とする検出装置。
前記基板の厚さの情報と前記基板の屈折率の情報とを入力する入力部を有し、
前記処理部は、入力された前記基板の厚さの情報と前記基板の屈折率の情報とを取得し、前記基板の厚さを前記基板の屈折率で割ることにより前記オフセット量を求める、ことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
前記第１検出器は、赤外光で前記裏面側に設けられたマークを照明することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検出装置。
前記第２検出器は、前記基板の表面に斜入射させ、前記基板の表面で反射された光を検出することによって前記基板の表面位置を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の検出装置。
前記第２検出器は、気体を前記基板の表面に向けて噴射し、前記基板の表面から跳ね返る気体の圧力を検出することによって前記基板の表面位置を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の検出装置。
前記第２検出器は、前記基板の表面に電圧を印加したときに生じる電荷量を検出することによって前記基板の表面位置を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の検出装置。
前記第２検出器は、前記裏面側に設けられたマークの像を検出することなく、前記基板の表面位置を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の検出装置。
前記第２検出器は、前記基板の表面に光を投影する投影部と、前記表面で反射された反射光を受光する受光部と、を有し、
前記第２検出器は、前記受光部で受光された前記反射光の位置に基づいて前記基板の表面の位置を検出する、ことを特徴とする請求項４又は請求項７に記載の検出装置。
前記第２検出器により検出された前記基板の表面位置に基づいて、前記基板の表面に前記第１検出器のフォーカスが合うように前記第１検出器の光軸の方向における前記第１検出器と前記基板との相対位置を調整した後、前記基板の裏面に前記第１検出器のフォーカスが合うように、前記オフセット量だけ前記第１検出器の光軸の方向における前記第１検出器と前記基板との相対位置を調整する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の検出装置。
基板を露光する露光装置であって、
前記基板に設けられたマーク又は前記基板に塗布されたレジストに設けられたマークを検出する請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の検出装置と、
前記基板を保持する基板ステージと、
前記処理部により求められた前記情報に基づいて前記基板ステージを制御する制御部と、
を備えることを特徴とする露光装置。
前記処理部は、
前記第２検出器により検出された、ロットの１枚目の基板の表面位置から当該基板の裏面側に設けられたマークに前記第１検出器のフォーカスを合わせるためのオフセット量を示す情報を取得し、
前記情報と前記第２検出器により検出された前記ロットの２枚目以降の基板の表面位置とに基づいて、前記２枚目以降の基板の裏面側に設けられたマークに前記第１検出器のフォーカスを合わせるためのオフセット量を示す情報を取得する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
デバイスを製造する方法であって、
請求項１０又は請求項１１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、
を含むことを特徴とする方法。