JPH0541343A

JPH0541343A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH0541343A
Application number: JP3219380A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kawakubo; 昌治川久保; Takechika Nishi; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-08-06
Filing date: 1991-08-06
Publication date: 1993-02-19
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JP3163669B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】基板表面が荒れている場合にも良好な位置検
出精度を達成すると共に、基板上のマーク領域を小さく
（ウェハの有効面積を大きく）抑えることができる位置
検出装置を得ることを目的とする。【構成】反射型の指標板２０を設け、基板照明用とは
別個の指標マーク用の第２照明系を設けて独自に照明光
を供給し、基板Ｗ表面並びに指標板２０から戻ってくる
光を撮像素子１７，１８の被検出面で結像させ、その合
成像から得られる画像信号から位置検出を行うもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置検出装置に関し、
特に半導体ウェハや液晶ディスプレイ用プレート等の基
板をアライメントする際、基板上に形成されたアライメ
ントマークを光電検出する位置検出装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、ウェハやプレート等の位置合わせ
（アライメント）においては、それら基板上の所定位置
に形成されたアライメントマークを、顕微鏡対物レンズ
を介して光電検出する方式が一般的であった。この光電
検出方式にも大別して２種類があり、レーザビーム等の
スポットでマークを相対走査し、マークで生じる散乱光
や回折光をフォトマルチプライヤやフォトダイオード等
で受光する光ビーム走査方式と、一様に照明されたマー
クの拡大像をテレビカメラ（ビジコン管やＣＣＤ等）で
撮像し、その画像信号を利用する方式とがある。いずれ
の場合にも、得られる光電信号は、波形処理され、マー
クの中心位置が求められる。

【０００３】これらのマーク位置を検出する方式として
は、特開昭６１−１２８１０６号公報、特開昭５７−１
４２６１２号公報等に開示された技術が知られている。
これらの従来技術では、主に以下の２つの理由で走査ビ
ーム、又はマーク照明光として単色光を使っている。
投影型露光装置（ステッパー）において、投影光学系を
介してウェハマークを検出する形式では、投影光学系の
大きい色収差を避けるために単一波長の照明光、又はレ
ーザビームを使う。高輝度、高分解能の検出を行うべ
く微小スポットに集光するために単色のレーザビームを
使う。

【０００４】このように、単色照明光（又はビーム）を
使うと、比較的Ｓ／Ｎ比が大きくとれるが、露光装置で
扱うウェハでは、通常ウェハ全面に０．５μｍ〜２μｍ
程度の厚みでフォトレジスト層が形成されているため、
ここに干渉縞が生じ、マーク位置検出時に誤検出の原因
になっていた。そこで近年、レジストによる干渉現象を
低減させるために、照明光の多波長化、あるいは広帯域
化が提案されるようになった。

【０００５】例えば、撮像方式の走査装置において照明
光源にハロゲンランプ等を用いて、その照明光の波長帯
域幅を３００ｎｍ程度（レジストへの感光域を除く）に
すると、レジストの表面とウェハの表面とで反射した光
同志の干渉性がほとんどなくなり、鮮明な画像検出が可
能になる。従って、撮像方式では照明光を白色化（広帯
域化）するとともに、結像光学系を色消ししておくだけ
で、レジストに影響されない極めて高精度な位置検出装
置が得られることになる。

【０００６】このような装置を備えた投影露光装置の一
例を図１２を参照して説明する。この図１２に示すよう
に投影露光装置は、ホルダー１１に固定されているレチ
クルＲ上のパターン領域ＰＡを、投影レンズ１０を介し
てウェハＷ（又はガラスプレート）上に投影露光するも
のである。そして、露光の際には、パターン領域ＰＡの
中心とウェハＷ上のショット領域の中心を重ね合わせ
（アライメント）する必要がある。

【０００７】このため、ウェハＷはステージ５上に載置
され、ステージ５を２次元的に移動させることによっ
て、レチクルＲとウェハＷとの重ね合わせを行う。この
ステージ５の移動は、ウェハＷ上に設けられたウェハマ
ークＭＸｎの基準座標系上での位置を検出し、その位置
情報に基づいて行われる。このウェハマークＭＸｎは、
図１３（Ａ）に示すように、それぞれ複数本の線状パタ
ーンを並べたマルチパターンとなっている。これらのマ
ルチパターンは、ウェハＷ上のショット領域Ｓｎのまわ
りに設けられたスクライブラインＳＣＬ上に設けられて
いる。

【０００８】このウェハマークＭＸｎを検出するのが位
置検出装置の光学系であり、図１２ではオフアクシス方
式のアライメント系として簡単に示してある。図１２に
おいて、ハロゲンランプ１からの照明光はファイバー２
を透過後、レンズ系３、ハーフミラー４、レンズ７を経
てプリズム９で反射されてウェハＷをほぼ垂直に照射す
る。ウェハＷからの反射光は、同じ経路を戻ってプリズ
ム９、レンズ７を介してハーフミラー４で反射され、レ
ンズ８によって指標板１３上に結像される。この指標板
１３には指標マーク３０ａ、３０ｂが形成されている。
この指標マーク３０ａ、３０ｂは、図１３（Ａ）に示す
ようにＹ方向に伸びた直線状パターンがＸ方向に所定の
間隔で並設された２本のパターンで構成されている。

【０００９】この指標板１３は、レンズ７とレンズ系８
によってウェハＷとほぼ共役に配置されている。従っ
て、ウェハＷ上のウェハマークＭＸｎの像は、指標板１
３上に結像され、リレー系１４、１５、ミラー１６を介
してこのウェハマークＭＸｎの像と指標マーク３０ａ、
３０ｂの像とが、ＣＣＤカメラ等の撮像素子１７に結像
する。そして撮像素子１７からの画像信号に基づいて、
指標板１３上の指標マーク３０ａ、３０ｂとウェハマー
クＭＸｎとの位置関係（位置ずれ）を主制御系１００が
検出する。指標マークを用いるのは、撮像素子１７によ
る画像のスキャン開始位置がドリフトする為である。な
お、ここでは図示していないが、レンズ系３内のウェハ
Ｗとほぼ共役な位置に照明視野絞りが設けられており、
この視野絞りはウェハＷ上での照明領域を規定する。

【００１０】ここで、撮像素子１７で観察されるこの照
明領域に相当する部分の様子を図１３（Ａ）に示す。ウ
ェハＷ上の照明領域は、ウェハマークＭＸｎに対応する
領域ＳＡ２とウェハマークＭＸｎ近傍での指標板１３上
の指標マーク３０ａ、３０ｂに実質的に対応する領域Ｓ
Ａ１、ＳＡ３とで構成されている。この領域ＳＡ１、Ｓ
Ａ３にまで広げてこの照明領域を規定しているのは、こ
の領域ＳＡ１、ＳＡ３のウェハからの戻り光を利用して
指標板１３上のマーク３０ａ、３０ｂを透過照明してい
るからである。

【００１１】従って、指標マーク３０ａ、３０ｂを照明
する光に他のマークや回路パターンからのノイズ成分が
混入しないように、領域ＳＡ１、ＳＡ３は回路パターン
もマークも形成されていない領域となっており、通常は
鏡面状に加工されている。以下領域ＳＡ１、ＳＡ３のよ
うな回路パターンもマークも形成されていない領域を禁
止帯と呼ぶことにする。

【００１２】次に、このときのウェハアライメントマー
クＭＸｎ、指標マーク３０ａ、３０ｂに対応する撮像素
子１７からのビデオ信号を、図１３（Ｂ）に示す。ここ
で、縦軸はビデオ信号の強度を表し、横軸はステージ５
の走査位置を表している。図１３（Ｂ）に示すように、
撮像素子１７からのビデオ信号は、指標マーク３０ａ、
３０ｂ位置やウェハマークＭＸｎのエッジに対応する位
置（画素位置）でボトムとなる信号波形となる。また、
Ｙ方向にもウェハアライメントマーク，指標マークが設
けられているものとし、撮像素子１８はＹ方向のマーク
を検出する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、指標板１３上の指標マーク３０ａ，３０ｂ
の照明光にウェハ表面からの戻り光を用いている。この
ため、フレア等によりウェハＷ上の表面が荒れている
と、指標マーク３０ａ，３０ｂからの検出光にウェハ表
面の荒れによるノイズ成分を含むこととなる。例えば、
図１４に示すように、指標マーク３０ａ，３０ｂに対応
する撮像素子１７からのビデオ信号成分にノイズ成分が
混入すると、検出信号からの指標マーク３０ａ，３０ｂ
の判断が難しく、正確な位置検出ができない場合があ
る。

【００１４】ここで、ウェハマークＭＸｎはマルチパタ
ーンにより構成されているので、マークＭＸｎに対応す
る信号は、平均化処理を行うことで検出精度の劣化を抑
えることができる。しかしながら、ウェハＷ上における
指標マーク３０ａ，３０ｂに対応する禁止帯（ＳＡ１、
ＳＡ３）は、ウェハＷ上の有効利用面積を制限するた
め、できるだけ小さくしたいという制約がある。このた
め、指標マークをあまり多くのパターンから構成させる
ことができず、その結果、平均化効果が小さくなり指標
マーク３０ａ，３０ｂに対応する信号波形部分は、ウェ
ハ表面の光学特性の影響をうけて、ノイズ成分に埋もれ
てしまうことがある。この結果、指標マーク３０ａ，３
０ｂの検出精度が劣化することより、ウェハマークＭＸ
ｎの位置検出精度が劣化するという問題点があった。

【００１５】また、ウェハ上のウェハマークＭＸｎ近傍
を指標マークに対応した禁止帯にしなければならないの
で、ウェハ上のマーク領域ＳＡ（ウェハマークＭＸｎ＋
禁止帯）が必然的に大きくなる（ウェハの有効利用面積
が小さくなる）という不都合があった。

【００１６】本発明は、このような従来の問題点を鑑み
てなされたもので、ウェハ表面が荒れている場合にも良
好な位置検出精度を達成することと、ウェハ上のマーク
領域を小さく（ウェハの有効面積を大きく）することを
目的とする。

【００１７】

【課題を解決する為の手段】上記目的達成のため本発明
では、位置検出すべき基板上に形成された第１マークを
対物光学系を介して撮像素子で検出し、該撮像素子から
の画像信号に基づいて前記マーク位置を検出する装置に
おいて、前記対物光学系に関して前記基板とほぼ共役な
位置に配置され、所定形状の第２マークが設けられた反
射型の指標板と、前記基板上の第１マークを含む局所領
域を前記対物光学系を介して照明する第１照明系と、前
記指標板上の第２マークを含む領域を照明する第２照明
系と、該第２照明系による照明により前記指標板で反射
する光を前記撮像素子に導き、前記撮像素子の被検出面
上の前記第１マークの像が形成される領域以外の領域
に、前記第２マークの像を結像させる結像光学系とを備
え、前記撮像素子における前記第２マークと前記第１マ
ークとの合成像に対応した画像信号に基づいて位置検出
を行うことを特徴とする位置検出装置を提供する。

【００１８】

【作用】本発明は上記のように、反射型の指標板を設
け、指標板に形成された第２（指標）マークの照明に、
基板表面からの反射光を用いずに、指標マーク用の第２
照明系を設けて独自に照明光を供給する構成としている
ため、基板表面の荒れ等の影響を受けないものとなって
いる。

【００１９】また、結像光学系では、基板表面から戻っ
てくる光を、例えば絞り等によって一定領域（第１マー
クを含む）に制限し、指標板から戻ってくる光を第２マ
ークを含む一定領域に制限すると共に、かつ第１マーク
からの戻り光を妨げない領域に規定する。ここで、基板
からの戻り光による結像位置は撮像素子の被検出面であ
り、反射型の指標板は基板と共役であるため、第１マー
クと第２マークとからの戻り光の光路を合成することに
より、その光路上の同じ位置に合成像が形成される。こ
のため、被検出面上に結像された合成像から相対位置が
検出され、この基板（の第１マーク）の位置検出が行わ
れる。

【００２０】尚、指標マーク用の第２照明系は、第１照
明系とは別個独自に構成されたものでも良いが、基板の
第１マークを照明するための光源から射出された照明光
を、その光路中で分離することで第１照明系と第２照明
系とを構成し、この照明光を直接用いる構成としてもよ
い。この場合、反射型の指標板を基板からの戻り光の光
路上にない位置に設け、基板への照明光の光路上に設け
たハーフミラー等を使うことで、単一の光源で反射型指
標板をも照明できるものとなる。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の一実施例に係る位置検出装置
を備えた投影露光装置の構成を図１を参照にして説明す
る。図１において、レチクルＲ上のパターン領域ＰＡの
像は、投影レンズ１０を介してウェハＷ上（のショット
領域）に結像投影される。ウェハＷは、Ｘ，Ｙ方向にス
テップアンドリピート方式で移動するステージ５上に載
置され、ステージ５の座標位置はレーザ干渉計ＩＦＸ，
ＩＦＹで計測される。レチクルＲは、パターン領域ＰＡ
の両脇に設けられたレチクルアライメントマークＲＭ
１，ＲＭ２を、レチクルアライメント顕微鏡ＲＡ１，Ｒ
Ａ２に対して位置決めすることで、装置（投影レンズ１
０の光軸ＡＸ）に対してアライメントされる。

【００２２】さて、本実施例による装置は、ここではウ
ェハＷ上のウェハマークＭＸｎ，ＭＹｎをオフ・アクシ
ス方式で検出するウェハアライメントセンサーに対して
適用される。このウェハアライメントセンサーは、投影
レンズ１０の下部直近に配置されたプリズム状のミラー
９、対物レンズ７、リレーレンズ１９，２１、絞り２
５、ハーフミラー４、レンズ系２６、回転偏光板２８、
反射型共役指標板２０、結像レンズ１５、ハーフミラー
１６及びＣＣＤ２次元撮像素子１７，１８等によって構
成される。

【００２３】さらに、照明光学系は、ハロゲンランプ、
光輝度多色ＬＥＤ等の白色光源で構成される光源１と、
この光源１からの広帯波長の光（ただし、ウェハＷの感
光域はカットされている。）を導く光ファイバ２、コン
デンサレンズ３、照明視野絞りＧＡ、全反射ミラーＧ
Ｂ、レンズ系ＧＣ等で構成されている。ここで、光源１
からの照明光はハーフミラー４で分割されてウェハＷ並
びに反射型指標板２０に導かれると共に、これらからの
戻り光（反射光）もハーフミラー４で同一光路上に合成
されて撮像素子１７，１８等に導かれる。従って、ウェ
ハＷ（のウェハマーク）並びに反射型指標板２０（の指
標マーク）を照明する個々の照明光は、ハーフミラー４
で分割された後は各々独自の照明光であり、他方の影響
を受けることはない。

【００２４】以上の構成において、反射型指標板２０、
絞り２５、及びＣＣＤ１７，１８の撮像面の各々は、ウ
ェハＷと略共役に配置されている。ここで、図２に示す
ように反射型指標板２０には、２３ａ，２３ｂ，２３
ｃ，２３ｄのような形状にクロム面が形成されており、
その中に指標マーク２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが
クロム未蒸着マークとして形成されている。そして、Ｃ
ＣＤ１７，１８では、ウェハＷ上のウェハマークＭＸ
ｎ，ＭＹｎの像と指標板２０上の指標マーク２２ａ〜２
２ｄの像とを同時に撮像する。

【００２５】また、照明光学系の光ファイバー２の射出
端面は、２次光源像として対物レンズ７とレンズ系ＧＣ
との間の瞳面（開口絞り位置）にリレーされ、ウェハＷ
に対してケーラー照明を行う。更に、視野絞りＧＡは、
対物レンズ７とレンズ系ＧＣとの合成系によってウェハ
Ｗと共役になっており、視野絞りＧＡのアパーチャ像が
ウェハＷ上に投影されることになる。尚、本実施例で
は、少なくとも対物レンズ７、結像レンズ１５の夫々に
対して色消しがなされており、色収差による結像特性の
劣化を押さえている。

【００２６】さて、ウェハＷ（のウェハマークＭＸｎ，
ＭＹｎ）からの戻り光は、同じ光路を戻ってハーフミラ
ー４で反射された後、ハーフミラー１６によってＸ軸ア
ライメント用のＣＣＤ１７とＹ軸アライメント用のＣＣ
Ｄ１８上に再投影される。従って、ウェハマークＭＸ
ｎ、ＭＹｎのマーク像は、それぞれＣＣＤ１７，１８上
に投影される。ただし、ＣＣＤ１７と１８とは水平走査
線方向が互いに９０°になるように設定されているもの
とする。

【００２７】前述のマーク検出の為の光学系は、深度を
深くする為と、信号波形の処理が楽になる様にＣＣＤ１
７までの光学系の開口数（Ｎ．Ａ.)を小さくしてある。
また、ウェハＷの荒れ部分の影響を小さくするために、
つまり、グレイン等によるウェハ表面荒れ部分からのノ
イズ信号成分を小さくし、マークエッジ部分からの信号
を良好に検出するために、照明系のσ値を大きくしてい
る。このσ値は、０．８〜１．０程度が望ましく、マー
クの段差やマーク形状、或いはウェハ表面の荒れ具合に
応じて可変としてもよい。

【００２８】一例として低段差マークを検出する場合に
ついて説明する。この場合、σ値が大きすぎるとマーク
そのものも良好に検出できなくなってしまう。このた
め、例えばσ値を０．８程度に調整して、ウェハ表面荒
れ部分からのノイズ成分を小さくするとともに低段差マ
ークに対しても良好にマークを検出できるようにすれば
よい。尚、σ値の可変幅は０．８〜１．０に限定される
ものではなく、マークやウェハの荒れの状態により定め
られる。

【００２９】また、本実施例の装置では、ステージ５上
に基準マークＦＭが設けられ、ウェハアライメントセン
サー内の指標板２０上の指標マークのウェハＷへの投影
点と、レチクルＲ上のレチクルアライメントマークＲＭ
１，ＲＭ２の投影点との間の距離 (ベースライン) を計
測するのに使われる。さらに、主制御系１００は、装置
全体を統括的に制御しており、ステージ５の制御はステ
ージコントローラ５２を介して行われる。

【００３０】次に、図３を参照して、ＣＣＤ１７，１８
からのビデオ信号の処理回路について説明する。ＣＣＤ
１７，１８は、２次元撮像素子であり、水平走査方向と
垂直走査方向とに画素（ピクセル）が配列されるが、本
実施例のＣＣＤ１７，１８では、ウェハＷ上のマークの
エッジを横切る方向を水平走査方向に一致させるものと
する。

【００３１】さて、ＣＣＤ１７，１８からは、水平同期
信号と垂直同期信号とが混合したコンポジットビデオ信
号が得られる。このビデオ信号は、周波数フィルターや
ＡＧＣ等の前処理回路４０を介してアナログ−デジタル
変換器（ＡＤＣ）４２に送られる。一方、ＣＣＤ１７，
１８からのビデオ信号は、同期信号分離回路やクロック
発生回路等を含む制御回路４４にも送られる。この制御
回路４４は、ＣＣＤ１７，１８の水平同期信号に基づい
て、１画素の電気走査（読み出し走査）あたり１つのク
ロックパルスとなるようなクロック信号ＣＬを出力す
る。このクロック信号ＳＣＬは、ＣＣＤ１７，１８の電
気的走査が１フレーム中でのサンプリング範囲（水平走
査線の垂直方向の本数）になったか否かを検出する比較
部４６と、ＡＤＣ４２の出力データを記憶するためのメ
モリ（ＲＡＭ）４３に対してアドレス値を出力するアド
レスカウンタ４８とに送られる。従って、ＲＡＭ４３内
には、ＣＣＤ１７，１８の所定の水平走査線から指定さ
れた本数分だけのデジタル波形データが記憶される。Ｒ
ＡＭ４３内の波形データは、プロセッサー５０によって
管理されるアドレスバスＡ−ＢＵＳとデータバスＤ−Ｂ
ＵＳとによってプロセッサー５０に読み込まれ、所定の
波形処理演算が行われる。以上により主制御系１００が
構成される。そして、プロセッサー５０のアドレスバス
Ａ−ＢＵＳとデータバスＤ−ＢＵＳには、ステージ５を
制御するためのステージコントローラ５２がつながれ、
このコントローラ５２は干渉計ＩＦＸ，ＩＦＹの座標計
測値を入力してステージＳＴの駆動モータ５４を制御す
る。

【００３２】図１に示したマーク位置検出手段としての
主制御系１００は、図３に示した部材４０〜５０を含む
ものであり、図１の符号ＷＳＣはコントローラ５２への
制御信号を表し、これは図３のＡ−ＢＵＳ、Ｄ−ＢＵＳ
に対応している。また、図１中の符号ＲＳＣは、不図示
のレチクルステージをコントロールするためのバスライ
ンを表している。

【００３３】さて、図４はウェハＷ上の１つのショット
領域Ｓｎと、ウェハ上のアライメントマークＭＸｎ、Ｍ
Ｙｎとの関係を示す図で、１つのショット領域Ｓｎの４
辺はスクライブラインＳＣＬで囲まれ、スクライブライ
ンＳＣＬの直交する２辺の夫々の中心部分にマークＭＸ
ｎ、ＭＹｎが形成されている。ここで、ＳＣはショット
領域Ｓｎの中心点で、露光時には投影レンズＰＬの光軸
ＡＸが通る。そして、マークＭＸｎ、ＭＹｎの夫々は、
中心ＳＣを原点にＸ方向、Ｙ方向の夫々に伸びた線Ｃ
Ｘ、ＣＹ上に位置する。

【００３４】上記のように形成されたマークＭＸｎは、
Ｘ方向の位置検出に使われ、このマークＭＸｎはＹ方向
に伸びた５本の線状パターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、
Ｐ５がＸ方向にほぼ一定のピッチＰ（デューティ１：
１）で配列された格子状のマルチパターンである。さら
に、マークＭＹｎについても同様で、Ｘ方向に伸びた線
状パターンがＹ方向にほぼ一定のピッチＰで配列された
格子状のマルチパターンである。

【００３５】次に、図２の反射型共役指標板２０につい
て詳しく説明する。指標板２０はガラス等の光透過性部
材からなる平板であって、クロム面２３ａ〜２３ｄを有
している。クロム面２３ａ〜２３ｄは、ガラス面上にク
ロム等を蒸着して作ったものであり、それぞれの中に、
３本の細線をクロム未蒸着部で形成し、指標マーク２２
ａ〜ｄとしている。ここで、指標マーク２２ａと２２ｂ
はＸ方向に並設され、２２ｃと２２ｄはＹ方向に並設さ
れている。そして、Ｘ方向のアライメントの際には、２
つの指標マーク２２ａ，２２ｂの間にマークＭＸｎを挟
み込んだ状態で位置検出が行われ、同様にＹ方向のアラ
イメントの際には、２つの指標マークＭＹｎを挟み込ん
だ後に位置検出が行われる。

【００３６】この指標板２０では、ハロゲンランプ等の
光源１からの照明光が、クロム面２３ａ〜２３ｄで反射
されるので、指標２２ａ〜２２ｄの画像信号をこの反射
光から得ることとなり、ウェハＷからの戻り光を使う必
要がない。また、回転偏光板２８によって指標板２０へ
の照明光量を適切に調整可能となっている。そして、絞
り２５を通過したウェハＷからの戻り光と反射型指標板
２０からの戻り光とは、ハーフミラー４、レンズ１５を
経てハーフミラー１６によってＸ軸アライメント用のＤ
ＤＣ１７とＹ軸アライメント用のＣＣＤ１８上に再投影
される。

【００３７】従って、指標マーク２２ａ〜２２ｄのマー
ク像は、それぞれＣＣＤ１７，１８上に投影される。な
お、クロム面２３ａ〜２３ｄは照明光を反射するもので
あればよく、クロムで形成されているものに限らない。
また、絞り２５は、指標２２ａ〜２２ｄ及びクロム面２
３ａ〜２３ｄに相対する部分の照明光のみ選択し、その
他の部分を吸収遮光する絞りとする。

【００３８】こうして得られるビデオ信号波形の一例を
図５に示す。図５（Ａ）は、指標マーク２２ａ，２２ｂ
にウェハマークＭＸｎを挟み込んだ様子を示し、ウェハ
マークＭＸｎの中心Ｘｍと指標マーク２２ａ，２２ｂの
中心Ｘｃとがわずかにずれている状態を仮定している。
図５（Ｂ）は、そのときの画像信号の波形を示す。ここ
で、縦軸はビデオ信号強度を表し、横軸はステージの走
査位置を表す。

【００３９】この状態で、ずれ量ΔＸを算出するのが主
制御系１００である。この際、図５（Ａ）に示すよう
に、検出すべきマークＭＸｎを指標板１３の指標マーク
２２ａ，２２ｂの間に位置決めし、そのときのウェハス
テージ５の精密な位置ＸＡの情報を主制御系１００内の
ＲＡＭ４３に記憶しておく。

【００４０】さて、ＣＣＤ１７では、マークＭＸｎの５
本の線状パターンＰ１〜Ｐ５と指標マーク２２ａ，２２
ｂとの像を走査線ＳＬに沿って電気的に走査する。そし
て、図５（Ｂ）に示すように、ＣＣＤ１７の水平走査線
ＳＬに沿って得られるビデオ信号波形は、広帯域照明光
を使ってレジスト層での干渉現象を低減させているた
め、パターンＰ１〜Ｐ５の各エッジ位置でのみボトム
（極小値）になる。

【００４１】図５（Ｂ）で、指標マーク２２ａ，２２ｂ
はそれぞれ微細な３本のバーマークであるため、そのバ
ーマーク１本について１つのボトム波形になる。このた
め、ウェハマークＭＸｎ（マルチパターンＰ１〜Ｐ５）
の各エッジ位置で、計１０個のボトム波形が得られる。

【００４２】ここで、プロセッサ５０は、このような原
信号波形をＲＡＭ４３内に一時的に取り込む。このとき
プロセッサ５０は、例えば１本の走査線だけではＳ／Ｎ
比の点で不利なので、前述の如くビデオサンプリング領
域ＶＳＡｘ内に入る複数の水平走査線によって得られる
画像信号のレベルを、水平方向の各画素毎に加算平均し
て平均波形データを作る。さらに、プロセッサ５０では
この平均波形データにスムージング処理を施す。このス
ムージングは、平均波形データを数値フィルターを通す
ことによって行われる。

【００４３】次に、プロセッサ５０では、この平均波形
データを適当なスライスレベルで画素単位に２値化し、
２値化波形の走査方向（Ｘ方向）の中心から、指標マー
ク２２ａ，２２ｂの中心位置Ｘｃ、及びマークＭＸｎ
（パターンＰ１〜Ｐ５）のＸ方向の中心位置Ｘｍを計算
する。ここで、スライスレベルは各エッジに対応する信
号部分ごとに求められ、波形処理上の各サンプリングポ
イントは、ＣＣＤカメラの水平画素番地に対応している
とともに、ＲＡＭ４３のアドレスとも一義的に対応して
いる。

【００４４】この際、指標板２０の指標マーク２２ａ〜
２２ｄは、ウェハＷからの戻り光とは無関係に照明され
ているので、指標マーク２２ａ，２２ｂに対する信号波
形は常に安定して良好なもの（コントラストが一定）と
なる。このため、高精度に指標マーク位置を検出するこ
とが可能となる。また、ウェハマークＭＸｎからの信号
については、ウェハＷの表面荒れによるノイズ成分の影
響を平均化処理により低減させている。ここで、指標マ
ーク２２ａ〜２２ｄは、ウェハＷ上に禁止帯等を設ける
必要がなく存在する為、個々の本数を増やすことも可能
であり、指標マークの検出に際しても平均化処理を行う
ことで検出精度の向上を図ることが可能である。

【００４５】そして、プロセッサ５０は、位置Ｘｃと位
置Ｘｍとの差ΔＸ＝Ｘｃ−Ｘｍを算出し、前述のウェハ
ステージが位置決めされたときの位置ＸＡと差ΔＸとを
加えた値をマーク位置情報（アライメント情報）として
算出する。さらに、ステージコントローラ５４は、この
マーク位置情報に基づいてモータ５４を制御し、ステー
ジ５を所定位置に移動させる（アライメントする）。

【００４６】一方、マークＭＹｎについても同様にし
て、指標マーク２２ｃ，２２ｄの間にマークＭＹｎを挟
み込み、プロセッサ５０では指標マーク２２ｃ，２２ｄ
の中心ＹｃとマークＭＹｎの中心Ｙｍとの差ΔＹ、及び
マーク位置情報を算出し、ステージ５の移動を制御す
る。ここで、上記の説明では、指標板２０上にＸ方向用
とＹ方向用の２組の指標マーク群が形成され、夫々から
の結像光束を２つのＣＣＤ１７，１８で受光するもので
あったが、Ｘ方向用とＹ方向用のアライメント光学系を
対物レンズから別個に配置し、指標板２０もＸ方向用と
Ｙ方向用とで別体としてもよい。

【００４７】また、高コントラストを得ようとしてマー
クのＬ／Ｓ（ライン・アンド・スペース）幅を細くして
いくと、マークが解像の限界を越えてしまい、コントラ
ストが低下してくる。逆に、Ｌ／Ｓ幅が大きいと、マー
クが大きくなり平均化効果も小さくなる。そこで、図６
（Ａ）に示すように、マークのピッチは変えずにＬ／Ｓ
のデューティ比を変えていったパターンを、マークＭＸ
ｎ，ＭＹｎとして用いてもよい。

【００４８】先に示したデューティ１：１のパターンで
は、立ち上がりと立ち下がりのエッジが暗部として検出
されるので、１つのマークから２つの信号が、図５
（Ｂ）のようにででくる。しかし、デューティ１：１の
ままＬ／Ｓを狭くしてマークのライン部とスペース部を
解像限界以下にすると、両エッジ部からの信号波形上の
ボトムがくっついてしまう。そこで、ピッチは変えずに
Ｌ／Ｓのデューティ比を変えると、図６（Ｂ）のような
１本のバーマークに対して１つのボトム波形の得られる
信号となり、コントラストの高いマーク信号が得られ
る。尚、図６（Ａ）のパターンは、デューティを１：３
にした場合を示し、図６（Ｂ）の縦軸はビデオ信号強度
を表し、横軸はステージの走査位置を表す。

【００４９】また、図６では通常のＸ，Ｙが独立したマ
ークを用いているが、図７（Ａ）に示すような、枡目状
のＸ，Ｙ共用マークＭＸＤを用い、Ｘ，ＹマークがＣＣ
Ｄ１７の撮像領域ＶＳＡｘとＣＣＤ１８の撮像領域ＶＳ
Ａｙとで同時に計測できるようにして、スループットの
向上を図ることも可能である。このように、図６に示す
ようなデューティの異なるパターンでＸ，Ｙ共用マーク
ＭＸＤをつくると、図５に示すようなデューティ１：１
の幅の広いマルチパターンでＸ，Ｙ共用マークを作る場
合に比べてスペース的に有利である。このときの信号波
形を図７（Ｂ）、（Ｃ）に示す。ここで、図７（Ｂ）、
（Ｃ）の縦軸はビデオ信号強度を表し、横軸はステージ
の走査位置を表す。

【００５０】次に、前述のごとく図１に示したオフ・ア
クシス方式のウェハアライメントセンサーをＥ．Ｇ．
Ａ．（エンハンスト・グローバル・アライメント）に利
用する場合について説明する。Ｅ．Ｇ．Ａ．は、最小二
乗近似による統計的演算処理を使ったアライメント手法
であり、詳しくは特開昭６１−４４４２９号公報、又は
特開昭６２−８４５１６号公報に開示されているので、
ここでは詳細な演算方法についての説明は省略する。

【００５１】この場合、図７のようなＸ，Ｙ共用マーク
ＭＸＤを利用して、図８のようにチップパターンの左右
又は上下にこのマークを設け、特開昭６２−８４５１６
号公報に開示されているような方法でＥ．Ｇ．Ａ．のた
めのマーク検出をＸ，Ｙ方向の夫々に実行すると、左右
又は上下のＹ軸アライメント結果のオフセットは、ウェ
ハ、又はチップのローテーションであり、左右または上
下のＸ軸アライメントのオフセットは、ウェハ、又はチ
ップの倍率誤差となる。

【００５２】従って、これによってチップローテーショ
ン、チップ倍率を補正しながら精度の高いアライメント
を行うことができる構成になっている。さらに、チップ
周辺２ヵ所に設けられたウェハアライメントマークを用
いてＥ．Ｇ．Ａ．を行えば、アライメント測定精度に対
する平均化効果が従来の２倍となり、アライメント精度
の大幅な向上が可能となる。尚、ここでは図８のＮｏ．
１〜８までのショット領域を使ってＥ．Ｇ．Ａ．を行う
ものとする。

【００５３】このＥ．Ｇ．Ａ．のためのマークを検出す
る際、プロセスの影響によるウェハマークの変形等によ
り、ショット領域によってはマークをうまく検出できな
い場合がある。この場合には、他のショット領域のマー
クで代替処理すればよい。その一例として、スループッ
トを重視する場合について説明する。Ｎｏ．１〜８まで
のショット領域をその番号順に計測するものとした場
合、例えば、Ｎｏ．４のショット領域でマークが良好に
検出できなかったとする。この場合には、Ｎｏ．４から
Ｎｏ．５のショット領域へ向かうベクトル上のショット
領域のうち、Ｎｏ．４のショット領域に隣接したＮｏ．
４ａのショット領域のマークを計測するようにすればよ
い（図中）。

【００５４】また、Ｎｏ．４のショット領域でもマーク
が良好に検出できなかった場合には、Ｎｏ．４からＮ
ｏ．５のショット領域へ向かうベクトルと直交する方向
のベクトル上のショット領域のうちＮｏ．４ａに隣接す
るショット領域Ｎｏ．４ｂのマークを計測するようにす
ればよい（図中）。これは、次に計測すべきショット
領域Ｎｏ．５を挟んで、ショット領域Ｎｏ．４に対して
反対側にあるショット領域を選択しないようにすること
を意味している。

【００５５】このような条件によって代替のショット領
域を選択すれば、最もスループットを高く維持したま
ま、良好なマーク検出が可能となる。以上は、スループ
ットを重視する場合について述べたが、この代替ショッ
トの選択は重視する条件に応じて定められる。

【００５６】また、一般にＣＣＤカメラでは、ウェハ表
面に対して反射型指標板２０のクロム面２３ａ〜２３ｄ
が明るすぎる場合は、ウェハマークからの検出光に対し
て指標マークからの検出光の強度が大きく異なり、ＣＣ
Ｄユニット内のＡＧＣ（オートゲインコントロール）回
路が働く。このため、指標マークからの検出光のコント
ラストが十分に得られず、指標マークを検出することが
できなくなってしまう場合がある。

【００５７】このような場合には、本実施例にかかる指
標マーク２２ａ〜２２ｄの他に、指標マークＭを併設す
るとよい。この指標マークＭは、従来のようにウェハＷ
からの反射光によって照明される指標マークであり、こ
の指標マークＭをクロム面２３ａ〜２３ｄ近傍に相当す
る一定領域以外の照明領域内に配置する。そして、ウェ
ハＷの反射率と指標板２０の反射率の差に応じて、指標
マーク２２ａ〜２２ｄを使うか、併設した指標マークＭ
を使うかを選択するようにすればよい。この選択は、例
えばＡＧＣ回路が働いて指標マーク２２ａ〜２２ｄが検
出できなかった場合には、指標マークＭからの検出光を
使うようにプロセッサ５０が選択するようにすればよ
い。

【００５８】さらに、図１に示したオフ・アクシス方式
のアライメントセンサーを、ウェハＷのグローバルアラ
イメントに利用する場合について説明する。この種のス
テッパーでは、一般にウェハのオリエンテーションフラ
ットを検出して機械的にウェハＷを位置決め（プリアラ
イメント）してステージＳＴ上に載置するが、その状態
では２０μｍ〜１００μｍ程度のプリアライメント誤差
が存在する。グローバルアライメントは、そのプリアラ
イメント誤差を見込んでウェハ上のグローバルアライメ
ント用のマークをサーチし、ウェハ上の実際のショット
配列と設計上のショット配列とを±１μｍ程度の誤差範
囲内に対応付ける作業である。

【００５９】従って、ＣＣＤカメラを用いてグローバル
アライメントする場合、設計値でステージＳＴを位置決
めしても、プリアライメント誤差が大きいとＣＣＤカメ
ラの撮像範囲内にグローバルマークが存在しないことも
起こり得る。そこで、ＣＣＤカメラでウェハ面を撮像し
て、ウェハＷをグローバルアライメントする場合には、
ウェハ面をＣＣＤで観察してはウェハを一定量ずらして
いくグローバル・サーチが必要となる。そのために、例
えば図７（Ａ）に示すＣＣＤ１７、１８の撮像面上の透
明領域ＶＰＡｘ，ＶＰＡｙを用いる。この領域ＶＰＡ
ｘ，ＶＰＡｙは、ＣＣＤ１７、１８の撮像面上の予め定
められた位置に存在するから、領域ＶＰＡｘ，ＶＰＡｙ
を走査する走査線の位置や本数も予めわかっている。

【００６０】また、ウェハ上のグローバルマークが、ス
トリートラインＳＣＬ内に形成されているものとする。
このグローバルマークは、ストリートラインＳＣＬの伸
びる方向に沿って平行に並べられた３本の格子状マーク
から成る。ここで、設計値に従ってウェハステージ５を
最初に位置決めしたとき、指標板２０の透明領域ＶＰＡ
がグローバルマークを取り込んでいるものとする。この
とき、プロセッサ５０は、領域ＶＰＡｘ，ＶＰＡｙ内の
走査線の複数本に対応したビデオ信号を加算平均し、波
形データをＲＡＭ４３内に記憶する。

【００６１】次に、この最初に取り込んだ波形データを
解析して、グローバルマークかどうかを認識する。認識
のアルゴリズムとしては、例えば特開昭６０−１１４９
１４号公報に開示された手法が応用できる。すなわち、
グローバルマークの設計上の配置関係に最も近い状態の
波形位置を捜し出す。

【００６２】このグローバルアライメントを行う際に、
グローバルアライメントのための透明領域を大きくとり
たい場合がある。このような場合は、例えば指標板２０
のクロム面（２３ｃ，２３ｄ）、指標マーク（２２ｃ，
２２ｄ）の中心を、図９のように撮像領域内の中心を通
るＹ方向の線分上からずらして配置すればよい。このよ
うにすると透明領域が大きくとれるので、グローバルサ
ーチ時のスループットが向上する。また、図１０に示す
ようにクロム面（２３ｃ，２３ｄ）と指標マーク（２２
ｃ，２２ｄ）の一部を透明領域部分まで広げてグローバ
ルアライメント時に使用するようにしてもよい。また、
同時に指標板２０のクロム面（２３ａ，２３ｂ）、指標
マーク（２２ａ，２２ｂ）の中心を、撮像領域内の中心
を通るＸ方向の線分上からずらして配置してもよい。

【００６３】また、指標とマークとを別々に取りこみ、
アライメントをする方法も考えられる。まず、指標２２
ａ，２２ｂの信号を取り込み、アライメントを行って指
標中心Ｘ_c を求める。次に、ウエハマークの信号を取り
込むが、この時、回転偏光板２８によって反射型指標板
２０の照明光は、すべて遮光されるようにしておく。ま
た、絞り２５は可動としておき、光路から外しておく。
このようにすることで、ウエハＷの信号取り込み領域を
大きくすることができる。これは、グローバルアライメ
ントで使用するほかに、ファインアライメントのアライ
メントマークが指標２２ａと指標２２ｂの指標間距離よ
り大きい時などに有効である。

【００６４】また、特開昭６３−２８３１２９号公報に
示すようなレチクルＲ上のダイ・バイ・ダイマークとウ
ェハＷ上の１ショット分のマークとを干渉式アライメン
ト方式を使ったＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）アライ
メント系で検出するシステムを備えたステッパーにおい
て、図１に示すように広帯域の照明光を使ったオフアク
シスアライメント系を設けて、ＴＴＲアライメント系で
アライメントされる格子マークと広帯域の照明光を使っ
たアライメント系で検出されるマークとを図６，図７に
示すようなデューティ比の異なるマルチマークで共用す
ることも可能である。

【００６５】これらのマークを共用する干渉式アライメ
ント方式を使ったアライメント系では、レチクルＲを介
さないものであってもよい。ここで、干渉式アライメン
ト方式で図６、図７に示すようなデューティ比の異なる
マークを検出する場合には、±１次回折光と０、２次回
折光の検出も可能な構成なっているものとする。

【００６６】また、以上とは別の実施例に係る検出系を
図１１に示す。この実施例では、反射型指標板２０を照
明する光源２９が、ウェハＷを照明する光源２とは別個
に設けられており、各々の照明系が独立して設けられて
いる。ここでは、説明を簡単にするため、指標マーク２
２ａ，２２ｂについてのみ説明する。

【００６７】ＬＥＤ等からなる光源２９からでた光は、
レンズ系２６，２６ａ、ハーフミラー４ｂを通り、反射
型指標板２０を照明するように配置されている。また、
指標板２０からの戻り光は、ハーフミラー４ａを介し
て、ＣＣＤ１７が撮像することにより、ウエハＷからの
戻り光に影響されることなく、指標マーク２２ａ，２２
ｂに対応した画像信号を得ることができる。この場合、
光源２９にＬＥＤを用いているので、回転偏光板２８を
使うことなく、照明光量の調整ができる。また、この系
においても、図１の系と同様に、ＬＥＤの光量を０と
し、絞り２５を可動としておくことで、指標とマークと
を別々にアライメントすることができる。

【００６８】以上の実施例で説明した広帯域の照明光を
使ったオフアクシスアライメント系においては、干渉ア
ライメント方式を組み込み、図６，図７に示すような線
状マークをアライメント時に共用することもできる。広
帯域照明光を使ったオフアクシスアライメント系に干渉
アライメント方式を組み込む系の一例としては、例えば
特開平２−５４１０３号公報に開示されているようなも
のがある。

【００６９】また、以上の実施例で図１に示すような広
帯域照明光を使ったアライメント系は投影レンズ１０を
介さないでマークを検出する系であったが、投影レンズ
１０を介してマークを検出する系にも以上の実施例を適
用できる。例えば、図１で対物レンズ７を収差補正用の
レンズとし、プリズム９からの光束が投影レンズ１０を
介してウェハＷ上を照明するような系とすればよい。

【００７０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、第
２照明系により反射型指標板の第２（指標）マークを含
む一定領域を独自に照明するため、指標マークの検出に
際し、基板表面からの反射光に影響されることがない。
このため、基板表面が荒れている場合でも指標マークの
検出精度を劣化させることなく、良好な位置検出並びに
これに基づくアライメントが可能となる。

【００７１】さらに、撮像素子の被検出面に形成される
各々のマークの像が別個の照明系に基づくものであるた
め、個々の像のコントラスト独自に調整できる。このた
め、個々の像を鮮明な状態に保ったまま合成像の検出を
行えるので、更に検出精度の向上を図ることができる利
点がある。

【００７２】また、基板上に指標マーク位置に相当する
禁止帯を設ける必要がないので、基板上のマーク領域を
小さくすることができる。この為、基板上の有効利用面
積を拡張することができる利点がある。逆に、基板表面
が荒れている場合には、基板上の第１マーク自体の検出
精度も劣化するので、従来指標マーク用に設けていた禁
止帯の部分も基板のマーク領域として利用することで、
マーク領域の拡大や、指標マークの本数を増やすことに
より、例えば計測時のマルチマークの平均化効果が増大
し、検出精度の向上につながることとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る位置検出装置を備えた
投影露光装置の概略構成を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施例に係る位置検出装置に使用す
る反射型の指標板上のクロム面と指標マークとの関係を
示す説明図である。

【図３】本発明の一実施例に係る位置検出装置におい
て、ＣＣＤからの画像信号の処理を表すブロック図であ
る。

【図４】ウェハ上のショット領域の配置とアライメント
マークの配置を示す説明図である。

【図５】本発明の一実施例に係る位置検出装置における
ウェハマークとアライメントマークの合成像とその検出
状態を説明するものであり、（Ａ）はＣＣＤによるマー
ク検出の様子を示す説明図であり、（Ｂ）はＣＣＤから
得られる信号波形を示す線図である。

【図６】本発明の他の実施例に係る位置検出装置におけ
るウェハマークとアライメントマークの合成像とその検
出状態を説明するものであり、（Ａ）はＣＣＤによるマ
ーク検出の様子を示す説明図であり、（Ｂ）はＣＣＤか
ら得られる信号波形を示す線図である。

【図７】本発明の他の実施例に係る位置検出装置におけ
るウェハマークとアライメントマークの合成像とその検
出状態を説明するものであり、（Ａ）はＣＣＤによるマ
ーク検出の様子を示す説明図であり、（Ｂ），（Ｃ）は
ＣＣＤから得られる信号波形を示す線図である。

【図８】上記実施例において、サンプルアライメントさ
れるウェハ上のショット領域の配置とショット領域周辺
に配置されるアライメントマークとを示す説明図であ
る。

【図９】上記実施例において、指標板のクロム面、指標
マークの配置の変形例を示す説明図である。

【図１０】上記実施例において、指標板のクロム面、指
標マークの配置の他の変形例を示す説明図である。

【図１１】本発明の他の実施例に係る位置検出装置の概
略構成を示す説明図である。

【図１２】従来の位置検出系を備えた投影露光装置の概
略構成を示す説明図である。

【図１３】上記従来例における位置検出に際し、（Ａ）
は撮像素子によるマーク検出の様子を示す説明図であ
り、（Ｂ）は撮像素子から得られる信号波形を示す線図
である。

【図１４】ウェハ表面が荒れていた場合の従来の位置検
出系によるＣＣＤから得られる信号波形を示す線図であ
る。

【符号の説明】

１…光源、４、４ａ，４ｂ…ハーフミラー７、８、９、１９、２１…レンズ系、１７、１８…ＣＣＤ、２０、２０ａ、２０ｂ…反射型指標板２２ａ，２２ｂ、２２ｃ，２２ｄ、３０ａ、３０ｂ…指
標マーク２３ａ、２３ｂ、２３ｃ，２３ｄ…クロム面Ｒ…レチクル、Ｗ…ウェハＰＡ…パターン領域、ＭＸｎ，ＭＹｎ…ウェハアライメントマーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置検出すべき基板上に形成された第１
マークを対物光学系を介して撮像素子で検出し、該撮像
素子からの画像信号に基づいて前記マーク位置を検出す
る装置において、前記対物光学系に関して前記基板とほぼ共役な位置に配
置され、所定形状の第２マークが設けられた反射型の指
標板と、前記基板上の第１マークを含む局所領域を前記対物光学
系を介して照明する第１照明系と、前記指標板上の第２マークを含む領域を照明する第２照
明系と、該第２照明系による照明により前記指標板で反射する光
を前記撮像素子に導き、前記撮像素子の被検出面上の前
記第１マークの像が形成される領域以外の領域に、前記
第２マークの像を結像させる結像光学系とを備え、前記撮像素子における前記第２マークと前記第１マーク
との合成像に対応した画像信号に基づいて位置検出を行
うことを特徴とする位置検出装置。