JPH07321030A

JPH07321030A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH07321030A
Application number: JP7064084A
Authority: JP
Inventors: Shinji Mizutani; 真士水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】複数の位置合わせ用のマークの位置を対応す
る複数系統のアライメントセンサにより個別に光学的に
検出する場合に、各アライメントセンサに対して個別に
正確且つ高速に合焦する。【構成】ウエハ上のＦＩＡ系のウエハマークからの反
射光を、対物レンズ２３等を介してＦＩＡ系の検出部５
１で受光して、ウエハマークのＸ座標又はＹ座標を計測
する。ウエハマークがＬＩＡ系の場合には、ＬＩＡ系の
検出部３４からのレーザビームを対物レンズ２３等を介
してウエハ上に照射する。合焦のため、スリット板３７
内の複数のパターンを対物レンズ２３等を介して各ウエ
ハマーク上に投影し、その像を遮光板３８等を介してラ
インセンサ３９上に再結像し、再結像された像の横ずれ
量から各ウエハマークのフォーカス位置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子や液
晶表示素子等を製造する工程で使用される露光装置や座
標測定機等の各種製造装置、又は検査装置等に組み込ま
れるアライメント装置に関し、特に焦点合わせ機構を備
えたアライメント装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子や、液晶表示素子
等の製造工程においては、半導体素子が作り込まれるウ
エハ、又は液晶表示素子が作り込まれるガラスプレート
上に形成されたアライメント用のマーク（ウエハマー
ク）を検出して、ウエハやガラスプレートを所望の位置
に精密に位置決めするためのアライメント装置が用いら
れている。以下では半導体素子を製造する場合を例に取
ると、アライナー、ステッパー等の露光装置でウエハ上
に１０数回〜２０回程度の重ね合わせ露光を繰り返す必
要があり、各重ね合わせ露光毎のアライメント精度を高
めることが要求されている。また、アライメント装置
は、ウエハマークの位置を検出するアライメントセンサ
と、このアライメントセンサにより検出された位置に基
づいてウエハの目標移動位置を求める制御系とから構成
されている。

【０００３】これに関して、露光及びその後のプロセス
等によりウエハの表面の荒れの程度が変化すると共に、
ウエハ上の層（レイア）によってウエハマークと周辺の
下地との段差が異なる場合があるため、単一のアライメ
ント系で全てのウエハマークの位置を正確に検出するの
は困難である。そこで、用途に応じて次のようなアライ
メントセンサが使用されている。

【０００４】ＬＳＡ（レーザ・ステップ・アライメン
ト）方式のアライメントセンサ：これはレーザ光をウエ
ハマークに照射し、回折・散乱された光を利用してその
ウエハマークの位置を計測する系であり、従来より種々
のプロセスウエハに幅広く使用されているものである。ＦＩＡ（Field Image Alignment ）系：これはハロゲ
ンランプ等を光源とする波長帯域幅の広い光で照明した
ウエハマークの像を、画像処理して位置計測を行うセン
サであり、アルミニウム層やウエハ表面の非対称なマー
クの計測に効果的である。

【０００５】ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignm
ent ）系：これは回折格子状のウエハマークに、周波数
を僅かに変えたレーザ光を２方向から照射し、発生した
２つの回折光を干渉させ、この干渉光の位相からウエハ
マークの位置情報を検出するセンサである。このＬＩＡ
系は、低段差のウエハマークや表面荒れの大きいウエハ
に効果的である。

【０００６】従来は、このような種々のアライメントセ
ンサを用途に応じて使い分けていた。即ち、各種ウエハ
マークに対向するアライメントセンサは１系統（１種
類）であり、違う種類のウエハマークの位置検出を行う
場合には、ウエハを移動させて検出対象とするウエハマ
ークをそれに対応するアライメントセンサの下方に設定
していた。

【０００７】また、一般に光学系にはオートフォーカス
機構が設けられているが、アライメントセンサにおいて
も、被検面をアライメントセンサから所定の範囲内に収
める（これも「焦点合わせ」と呼ぶ）ためのオートフォ
ーカス機構が設けられている。このオートフォーカス機
構は、計測対象とするウエハマーク上に検出用の光束を
照射して、反射光よりその被検面の光軸方向の位置（フ
ォーカス位置）を検出するオートフォーカスセンサと、
そのフォーカス位置を予め求められている位置（合焦位
置）に設定する駆動機構とから構成されている。この場
合、複数種のアライメントセンサが設けられていても、
オートフォーカスセンサとしてはウエハ上の所定の計測
点に１つのフォーカス位置検出用の光束を照射するもの
が共通に１つ設けられているだけであった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】最近は、露光装置に組
み込まれるセンサ等の種類が多くなっているため、露光
装置の付属機構を効率的に配置することが望まれてい
る。そこで、アライメントセンサについても、例えば特
開平５−２９１１０９号公報に開示されているように、
共通の対物レンズを有する光学系内に複数の異なる種類
のアライメントセンサをまとめた多系統のアライメント
センサが使用されるようになってきた。

【０００９】このように多系統のアライメントセンサを
使用する場合、実際には各アライメントセンサ毎に最も
正確に位置検出を行える被検面の高さの範囲（合焦範
囲）が微妙に異なっている。また、検出対象とするウエ
ハマーク毎に下地面との段差が異なる。このため、従来
のようにウエハ上の所定の一か所にフォーカス位置検出
用の光束を照射し、その反射光に基づいてウエハの露光
面を或る高さに設定した場合、或るアライメントセンサ
に対しては最良の高さ（合焦面）になっても他のアライ
メントセンサに対して必ずしも最良の高さにならないこ
ともあり、アライメントセンサによってはウエハマーク
の正確な位置を検出できない場合があった。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、位置決め対象物
上の位置合わせ用のマークの位置を対応する複数系統の
アライメントセンサにより個別に光学的に検出する場合
に、各アライメントセンサに対して個別に正確に焦点合
わせを行うことができるアライメント装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のアライメント装
置は、位置決め対象物（Ｗ）上の第１マーク領域に形成
された位置合わせ用の第１マーク（４５Ｘ）からの光、
及び第２マーク領域に形成された第２マーク（４７Ｘ）
からの光を検出するために設けられた対物光学系（２
３）と、対物光学系（２３）の視野内に第１検出領域
（４４Ａ）を有し、対物光学系（２３）を介して第１マ
ーク（４５Ｘ）からの光を検出して第１マーク（４５
Ｘ）の位置を検出する第１検出光学系（３４）と、対物
光学系（２３）の視野内に第１検出領域とは異なる第２
検出領域（４４Ｃ）を有し、第２マーク（４７Ｘ）から
の光を検出して第２マーク（４７Ｘ）の位置を検出する
第２検出光学系（５１）と、第１検出領域（４４Ａ）及
び第２検出領域（４４Ｃ）のそれぞれに光ビーム（４１
Ａ，４１Ｃ）を照射すると共にその反射光を受光するこ
とにより、第１マーク領域のその第１検出光学系の合焦
面に対するずれ、及び第２マーク領域のその第２検出光
学系の合焦面に対するずれの少なくとも一方を検出する
焦点検出系（３５，３６，３７，３９）と、を有するも
のである。

【００１２】この場合、その第１マーク（４５Ｘ）と第
２マーク（４７Ｘ）とは同一のマークでもよい。更に、
焦点検出系が第１検出領域（４４Ａ）及び第２検出領域
（４４Ｃ）のそれぞれに照射する光ビームは所定形状の
パターン像（４１Ａ，４１Ｃ）であることが望ましい。
また、パターン像（４１Ａ，４１Ｃ）の形状は、それぞ
れの検出領域で検出される位置合わせ用のマーク（４５
Ｘ，４７Ｘ）の計測方向、形状、及び大きさに応じて設
定されることが望ましい。

【００１３】また、焦点検出系は光ビームの照射、及び
その反射光の受光を対物光学系（２３）を介して行うこ
とが望ましい。更に、焦点検出系は、反射光を受光する
際に該反射光のテレセントリック性を崩す光学部材（３
８）を有することが望ましい。更にまた、そのパターン
像（４１Ａ，４１Ｃ）の形状を、それぞれの検出領域
（４４Ａ，４４Ｃ）で検出される位置合わせ用のマーク
（４５Ｘ，４７Ｘ）の計測方向、形状、及び大きさに応
じて変更するパターン形状切り換え手段（５２）を設け
るようにしてもよい。

【００１４】

【作用】斯かる本発明によれば、複数のアライメント系
（３４，５１）それぞれの検出領域（例えば４４Ａ，４
４Ｃ）に焦点検出用に光ビーム（４１Ａ，４１Ｃ）が照
射される。従って、各アライメント系に対して個別に正
確に焦点合せができる。また、それぞれの検出領域（４
４Ａ，４４Ｃ）で検出される位置合わせ用のマーク（４
５Ｘ，４７Ｘ）に対して焦点検出用のパターンの像（４
１Ａ，４１Ｃ）を最適化した場合には、各位置合わせ用
のマークの形状等に影響されずに、より高精度に焦点合
わせを行うことができる。

【００１５】また、位置決め対象物に対する焦点検出の
ための光ビームの照射、及びその反射光の受光を対物光
学系（２３）を介して行うので、対物光学系（２３）の
結像特性が変化しても、その変化が焦点検出に影響しな
い。また、焦点検出系が検出領域からの反射光を受光す
る際に、その反射光のテレセントリック性を崩す光学部
材（３８）を有する場合には、全体の構成がコンパクト
である。

【００１６】更に、例えば液晶ディスプレイのようなパ
ターン形状切り換え手段（５２）を設けた場合には、同
一のアライメント系（５１）で検出対象とする位置合わ
せ用のマーク（４７Ｘ）の形状がプロセス等に応じて変
更されたような場合でも、それに応じて最適化された焦
点検出用のパターンを投影することにより、正確に焦点
ずれを検出できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明によるアライメント装置の一実
施例につき図面を参照して説明する。本実施例は、投影
露光装置用のオフ・アクシス方式の対物レンズを共通化
した２系統のアライメントセンサを有するアライメント
系に本発明を適用したものである。

【００１８】図１は、本実施例の投影露光装置の要部を
示し、この図１において、露光対象とするレチクルＲが
レチクルホルダ１上に保持され、図示省略された照明光
学系からの露光光のもとでレチクルＲのパターンが投影
光学系ＰＬを介してウエハＷの各ショット領域に露光さ
れる。投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、
Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行な方向にＸ軸、
図１の紙面に垂直にＹ軸をそれぞれ取る。この場合、フ
ォトレジストが塗布されたウエハＷはウエハホルダ１を
介してＺステージ３上に載置され、Ｚステージ３はＸＹ
ステージ４上に載置されている。Ｚステージ３は、Ｚ方
向にウエハＷの位置を微調整し、ＸＹステージ４はＸ方
向及びＹ方向にウエハＷの位置決めを行う。

【００１９】ウエハホルダ２の一端にＬ次型の移動鏡７
が取り付けられ、この移動鏡７及び外部のレーザ干渉計
８よりウエハＷのＸ座標及びＹ座標が常時計測され、計
測された座標値がステージ制御ユニット９に供給されて
いる。ステージ制御ユニット９は、後述のアライメント
制御ユニット１５からの焦点位置情報に基づいてＺステ
ージ３の駆動量を制御して、ウエハＷの各系統のアライ
メントセンサに対する焦点合わせを行う。更に、ステー
ジ制御ユニット９は、アライメント制御ユニット１５で
検出されたウエハマーク（アライメントマーク）の位置
情報に基づいて、駆動系１０の動作を制御してＸＹステ
ージ４をステッピング駆動することにより、ウエハＷの
各ショット領域の中心を投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに合
わせ込んで、レチクルＲのパターンを露光する。

【００２０】そのウエハホルダ２上には基準マーク板６
が設けられ、基準マーク板６上に種々のアライメントセ
ンサ用の基準マークが形成されている。また、レチクル
Ｒの上方にレチクル用のアライメント顕微鏡５が配置さ
れ、アライメント顕微鏡５によりレチクルＲ上のアライ
メントマークと、基準マーク板６上の所定の基準マーク
とを同時に観察し、レチクルＲの位置を調整してそれら
の位置ずれ量を所定の範囲内に収めることにより、レチ
クルアライメントが行われる。その後、各ウエハマーク
と同じ形状の基準マーク板６上の基準マークの位置を、
対応するアライメントセンサにより検出することによ
り、例えば各アライメントセンサの検出中心とレチクル
Ｒの投影像の中心（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ）とのず
れ量であるベースラインが計測される。各アライメント
センサで計測されたウエハマークの位置にそのベースラ
イン量を加算して得た値に基づいてウエハＷのＸ座標及
びＹ座標を制御することにより、各ショット領域をそれ
ぞれ正確に露光位置に合わせ込むことができる。

【００２１】次に、本実施例では、投影光学系ＰＬの側
方にオフ・アクシス方式の２系統のアライメントセンサ
１１が配置されている。その２系統のアライメントセン
サ１１は、ＦＩＡ（Field Image Alignment ）系のアラ
イメントセンサ、及びＬＩＡ（Laser Interferometric
Alignment ）系のアライメントセンサである。そのアラ
イメントセンサ１１に、外部のハロゲンランプ１３から
光ファイバ１４を介して照明光が導かれ、アライメント
センサ１１からの各種光束がプリズムミラー１２を介し
てウエハＷ上に照射されると共に、ウエハＷからの反射
光がプリズムミラー１２を介してアライメントセンサ１
１に戻されている。また、アライメントセンサ１１から
の各種検出信号がアライメント制御ユニット１５に供給
されている。

【００２２】図２は、図１中の２系統のアライメントセ
ンサ１１の詳細な構成を示し、この図２において、光フ
ァイバ１４からはウエハＷ上のフォトレジストに対して
非感光性のブロードバンド（帯域２７０ｎｍ以上）の照
明光Ｌ３が射出され、この照明光Ｌ３はコンデンサーレ
ンズ１６を介して視野絞り板１７を均一な照度で照明す
る。視野絞り板１７で制限された照明光はダイクロイッ
クミラー１８で反射され、レンズ系１９を通ってビーム
スプリッタ２０に入射する。このビームスプリッタ２０
で反射によって分割された照明光は、プリズムミラー２
１で反射されてビームスプリッタ２２に入射する。この
ビームスプリッター２２で反射された照明光が、対物レ
ンズ２３、及びプリズムミラー１２を介してウエハ上の
所定領域を照明する。

【００２３】このウエハ用の照明送光路において、視野
絞り板１７はレンズ系１９と対物レンズ２３との合成系
に関してウエハと共役（結像関係）になっている。ま
た、その視野絞り板１７を通過した照明光Ｌ３がＦＩＡ
系用の照明光であり、ＦＩＡ系によるウエハＷに対する
照明領域は視野絞り板１７に形成された開口形状及び寸
法で一義的にきまる。

【００２４】そして、光ファイバ１４からの照明光の内
で、ウエハで反射された光（正規反射光、散乱光等）
は、プリズムミラー１２、対物レンズ２３、ビームスプ
リッタ２２及びプリズムミラー２１を経てビームスプリ
ッタ２０に戻り、このビームスプリッタ２０を透過した
光（戻された光の約１／２）が、ダイクロイックミラー
２５を透過してＦＩＡ系の検出部５１に向かう。この検
出部５１において、ダイクロイックミラー２５からの光
が、ミラー２６を介して指標板２７上にウエハマークの
像を結像する。この像、及び指標板２７上の指標マーク
からの光が、撮像用のリレーレンズ２８、ミラー２９、
波長フィルタ板（特定帯域をカットするフィルタ板）３
０、リレーレンズ３１及びビームスプリッター３２を介
して、それぞれ２次元ＣＣＤ等からなるＸ軸用の２次元
撮像素子３３Ｘ、及びＹ軸用の２次元撮像素子３３Ｙの
撮像面にウエハマーク及び指標マークの像を結像する。
その波長フィルタ板３０は、後述のＬＩＡ系を使用した
ときにウエハＷで反射してくる強いレーザ光と同じ波長
域の光をカットするためのものである。

【００２５】ここで、指標板２７は、合焦状態では、対
物レンズ２３とレンズ系２４との合成系に関してウエハ
Ｗの露光面と共役に配置され、更に指標板２７と各撮像
素子３３Ｘ，３３Ｙの撮像面とはリレーレンズ系２８，
３１に関して互いに共役に配置される。この指標板２７
は透明板の上にクロム層等で指標マークを形成したもの
であり、ウエハマークの像が形成される部分は透明部の
ままである。また、指標マークは、ウエハＷ上のＸ方向
と共役な方向の位置基準となるＸ軸の指標マーク、及び
Ｙ方向と共役な方向の位置基準となるＹ軸の指標マーク
より構成される。撮像素子３３Ｘ，３３Ｙは、ＦＩＡ系
のＸ軸のウエハマーク及びＦＩＡ系のＹ軸のウエハマー
クの少なくとも一方と指標マークの像とを撮像し、撮像
素子３３Ｘ及び３３Ｙの撮像信号を処理することによ
り、それぞれＦＩＡ系用のＸ軸のウエハマークのＸ座
標、及びＹ軸のウエハマークのＹ座標が求められる。な
お、実際には指標板２７を独立に照明するための照明系
が別途設けられているが、図２では省略してある。

【００２６】この場合、ビームスプリッタ２２よりもウ
エハ側の対物レンズ２３、及びプリズムミラー１２を共
通対物系と呼ぶ。この共通対物系は、本実施例のＦＩＡ
系のアライメントセンサ、ＬＩＡ系のアライメントセン
サ、及びオートフォーカスセンサの全てに共通に使用さ
れている。共通対物系、及びミラー２６以降のＦＩＡ系
の検出部５１の各レンズは光軸ＡＸａに沿って同軸に配
置されている。

【００２７】更に図２において、ウエハＷ上に形成され
たウエハマークからの反射光（散乱光、回折光も含む）
は、プリズムミラー１２及び対物レンズ２３を介してビ
ームスプリッター２２に戻るが、ビームスプリッター２
２を透過した光はＬＩＡ系の検出部３４に入射する。こ
のＬＩＡ系の検出部３４からは、Ｘ軸及びＹ軸の各軸に
つきそれぞれ１対のレーザビームがビームスプリッター
２２に供給され、ビームスプリッター２２を透過した２
対のレーザビームが対物レンズ２３及びプリズムミラー
１２を介して、それぞれウエハＷ上のＸ軸の回折格子状
のウエハマーク、及びＹ軸の回折格子状のウエハマーク
上に所定の交差角で対称に照射される。

【００２８】そして、回折格子状のウエハマークから同
一方向に発生する２つの回折光が２組、ＬＩＡ系の検出
部３４に入射している。検出部３４では、各軸について
２つの回折光よりなる干渉光を光電変換して得られたビ
ート信号の位相が検出され、この位相情報が図１のアラ
イメント制御ユニット１５に供給されている。即ち、Ｌ
ＩＡ系の検出部３４内には、Ｘ軸用の２本のレーザビー
ムと、Ｙ軸用の２本のレーザビームとの計４本のビーム
を対物レンズ２３を介して所定の光学条件でウエハ上に
投射するための送光系と、Ｘ軸用の回折格子状マークか
らの干渉光と、Ｙ軸用の回折格子状マークからの干渉光
とを個別に光電検出するための受光系とが設けられてい
る。このＬＩＡ系のアライメントセンサの検出原理は、
特開昭６２−５６８１８号公報、特開平２−１１６１１
６号公報等に開示されている。

【００２９】次に、本実施例のオートフォーカスセンサ
について説明する。先ず、オートフォーカスセンサ用の
ＬＥＤ、又はレーザダイオード等の光源３５から射出さ
れた検出光Ｍが集光レンズ３６を介してスリット板３７
を照明する。スリット板３７には、対物レンズ２３の観
察視野内に設定されるアライメントセンサの検出領域の
数と同数の焦点検出用パターンが形成されている。スリ
ット板３７の焦点検出用パターンを通過した検出光Ｍ
は、ダイクロイックミラー１８を透過した後、レンズ系
１９を介してビームスプリッター２０に向かう。この際
に、検出光Ｍとしては、ウエハＷ上のフォトレジストに
対して非感光性の波長帯（例えば赤色光〜近赤外光）の
光が使用され、ダイクロイックミラー１８の波長選択性
は、光ファイバ１４からの照明光Ｌ３の内で位置検出に
使用される波長帯の光を反射し、検出光Ｍの中で焦点検
出に使用する波長帯の光を透過させるような特性に設定
されている。即ち、ウエハＷに照射される位置検出用の
光と、焦点検出用の光とは波長帯が異なり、互いに悪影
響を及ぼさないようになっている。

【００３０】ビームスプリッタ２０で反射された焦点検
出用の光は、プリズムミラー２１、ビームスプリッタ２
２、対物レンズ２３、及びプリズムミラー１２を経てウ
エハＷ上に照射される。スリット板３７は、レンズ系１
９及び対物レンズ２３に関してウエハＷの露光面とほぼ
共役であり、ウエハＷの露光面にスリット板３７内の焦
点検出用パターン４０の像、又はこれをデフォーカスさ
せた像が投影される。ウエハＷの露光面で反射された光
は、プリズムミラー１２、対物レンズ２３、ビームスプ
リッタ２２、プリズムミラー２１を経てビームスプリッ
タ２０に戻り、ビームスプリッター２０を透過した光が
レンズ系２４を経てダイクロイックミラー２５に向か
う。

【００３１】ダイクロイックミラー２５の波長選択性
は、ダイクロイックミラー１８とは逆に、光ファイバ１
４から射出された位置検出用の光を透過させ、光源３５
から射出された焦点検出用の光を反射させる特性を有す
る。従って、ダイクロイックミラー２５で反射された焦
点検出用の光が、像側のテレセントリック性を崩すため
に設けられた瞳制限用の遮光板３８の外側を経て１次元
ＣＣＤ等からなるラインセンサ３９上に、ウエハＷ上に
投影された焦点検出用パターンの像（又はデフォーカス
された像）を再結像する。即ち、ウエハＷの露光面とラ
インセンサ３９の受光面とは対物レンズ２３及びレンズ
系２４に関してほぼ共役である。このオートフォーカス
センサについても、ＬＩＡ系を使用した場合のレーザ光
の混入を防止するためには、波長フィルタ板３０をダイ
クロイックミラー２５とレンズ系２４との間に設置する
ことが望ましい。

【００３２】図２では、ＬＩＡ系のアライメントセン
サ、ＦＩＡ系のアライメントセンサ、及びオートフォー
カスセンサが混じっているため、分かり易くするため、
図２中のオートフォーカスセンサのみを図３に示す。な
お、図３では図２中から光路折り曲げ用のミラー等は省
いてある。この図３に示すように、スリット板３７中に
は５個（図３では２個のみを示す）の焦点検出用パター
ン４０Ａ，４０Ｂ，…が形成され、これら焦点検出用パ
ターン４０Ａ，４０Ｂ，…のレンズ系１９、及び対物レ
ンズ２３による像４１Ａ，４１Ｂ，…がウエハＷ上に投
影されている。そして、像４１Ａ，４１Ｂ，…の対物レ
ンズ２３、レンズ系２４、ダイクロイックミラー２５、
及び遮光板３８を介して再結像された像４２Ａ，４２
Ｂ，…がラインセンサ３９上に投影されている。

【００３３】また、ウエハＷ上の焦点検出用パターンの
像４１Ａ，４１Ｂ，…はほぼ１直線上に配置されている
ため、それらのラインセンサ３９上に再結像された像４
２Ａ，４２Ｂ，…は所定の方向（これをＵ方向とする）
に沿ってそれぞれ異なる位置に形成される。そして、瞳
制限用の遮光板３８は、光軸ＡＸａからＵ方向に下半分
の領域を遮光するものである。この場合、対物レンズ２
３からウエハＷ側はテレセントリックであるが、遮光板
３８の作用によりレンズ系２４からラインセンサ３９側
は非テレセントリックとなっている。そのため、ウエハ
Ｗが光軸ＡＸａに平行に（Ｚ方向に）変位すると、ウエ
ハＷ上の焦点検出用パターンの像４１Ａ，４１Ｂ，…の
位置は変化しないが（但し、像はデフォーカスされ
る）、ラインセンサ３９上の像４２Ａ，４２Ｂ，…の位
置はＵ方向に位置ずれする。これを利用して、ラインセ
ンサ３９上での像のＵ方向への基準位置に対する横ずれ
量から対応するウエハＷ上の計測点のＺ方向の位置（フ
ォーカス位置）が検出される。

【００３４】ここで、対物レンズ２３を介してＦＩＡ系
のアライメントセンサ、ＬＩＡ系のアライメントセンサ
の各々で検出されるウエハ上の観察視野の一例を図４を
参照して説明する。図４において、円形の領域は対物レ
ンズ２３のウエハ上における観察視野４３を表す。観察
視野４３内には５個の検出領域４４Ａ〜４４Ｅが設定さ
れている。

【００３５】検出領域４４Ａ及び４４ＥはそれぞれＬＩ
Ａ系のセンサの検出領域である。検出領域４４ＡにはＬ
ＩＡ系のＸ方向検出用の２本のビームが照射され、検出
領域４４ＥにはＬＩＡ系のＹ方向検出用の２本のビーム
が照射される。検出領域４４Ｂ，４４Ｃ、及び４４Ｄは
それぞれＦＩＡ系センサの検出領域である。観察視野４
３内の矩形領域４８は撮像素子３３Ｘ，３３Ｙの撮像範
囲を示す。検出領域４４Ｃは撮像素子３３Ｘで画像解析
される領域を示し、検出領域４４Ｄは撮像素子３３Ｙで
画像解析される領域を示す。また、検出領域４４Ｂは、
ウエハのレジストレーション（重ね合わせ）を計測する
ために撮像素子３３Ｘ，３３Ｙの両方で画像解析される
領域を示す。

【００３６】図４において、検出領域４４Ａ〜４４Ｅに
はそれぞれの領域内で検出されるウエハマークを仮想的
に示す。即ち、検出領域４４ＡではＸ方向に所定ピッチ
で形成された回折格子状のＬＩＡ系センサ用のウエハマ
ーク（以下、回折格子状マークと呼ぶ）４５Ｘが検出さ
れ、検出領域４４ＥではＹ方向に所定ピッチで形成され
た回折格子状マーク４５Ｙが検出される。また、検出領
域４４ＣではＸ方向に所定ピッチで形成されたライン・
アンド・スペースパターン（以下、Ｌ／Ｓパターンと呼
ぶ）４７Ｘが検出され、検出領域４４ＤではＹ方向に所
定ピッチで形成されたＬ／Ｓパターン４７Ｙが検出され
る。更に検出領域４４Ｂではボックス・イン・ボックス
方式のウエハマーク４６が検出される。ウエハマーク４
６は内側のボックス４６ｂと外側のボックス４６ａとか
らなっている。

【００３７】なお、回折格子状マーク４５Ｘ，４５Ｙ、
Ｌ／Ｓパターン４７Ｘ，４７Ｙ、及びマーク４６はそれ
ぞれ、例えば図８に示すように、ウエハ上の複数のショ
ット領域ＳＡそれぞれの間のマーク領域ＭＡａ，ＭＡｂ
に形成されるものである。因みに、レジストレーション
の計測は、ＦＩＡ系センサの撮像素子３３Ｘ、３３Ｙ
（図２参照）それぞれの撮像信号に基づいて、外側のボ
ックス４６ａの像と内側のボックス４６ｂの像との位置
ずれ量を求めることにより行われる。

【００３８】図６は、観察視野４３内の検出領域４４Ａ
〜４４Ｅのそれぞれに投影される焦点検出用のパターン
像４１Ａ〜４１Ｅを示したものである。図６に示すよう
に、検出領域４４Ａ〜４４Ｅのそれぞれに投影される焦
点検出用のパターン像４１Ａ〜４１Ｅは、それぞれＸ軸
に対して４５°で交差する方向に所定ピッチで形成され
た明暗のパターン（マルチパターン）である。

【００３９】この場合、これらの像パターンはそれぞれ
の検出領域内で検出されるウエハマークと交差する形状
であるため、焦点検出に対するマークの影響は軽減され
る。なお、焦点検出用のパターンは一本のスリットパタ
ーンの形状にしても良い。図７は、図６の焦点検出用の
各パターン像に対応して、ラインセンサ３９（図３参
照）の受光面３９ａに再投影される焦点検出用のパター
ン像４２Ａ〜４２Ｅを示す。図７において、ラインセン
サ３９の受光面３９ａには矢印Ｕ方向に沿って受光素子
が配列され、矢印Ｕ方向に沿って焦点検出用のパターン
像４２Ａ〜４２Ｅがそれぞれ異なる位置に投影される。
パターン像４２Ａ〜４２Ｅはそれぞれ矢印Ｕ方向に所定
ピッチで形成された明暗パターンなので、ラインセンサ
３９より読みだされる撮像信号をアライメント制御ユニ
ット１５（図１参照）で処理することにより、パターン
像４２Ａ〜４２Ｅの矢印Ｕ方向の位置がそれぞれ求めら
れる。

【００４０】パターン像４２Ａの基準位置に対するＵ方
向の位置ずれ量ｕＡを求めることにより、回折格子状マ
ーク４５Ｘ（図４参照）が形成されたウエハ上の領域の
Ｚ方向の位置ずれ量が検出される。パターン像４２Ｂの
基準位置に対するＵ方向の位置ずれ量ｕＢを求めること
によりウエハマーク４６（図４参照）が形成されたウエ
ハ上の領域のＺ方向の位置ずれ量が検出される。パター
ン像４２Ｃの基準位置に対するＵ方向の位置ずれ量ｕＣ
を求めることにより、Ｌ／Ｓパターン４７Ｘ（図４参
照）が形成されたウエハ上の領域のＺ方向の位置ずれ量
が検出される。パターン像４２Ｄの基準位置に対するＵ
方向の位置ずれ量ｕＤを求めることにより、Ｌ／Ｓパタ
ーン４７Ｙ（図４参照）が形成されたウエハ上の領域の
Ｚ方向の位置ずれ量が検出される。パターン像４２Ｅの
基準位置に対するＵ方向の位置ずれ量ｕＥを求めること
により、回折格子状マーク４５Ｙ（図４参照）が形成さ
れたウエハ上の領域のＺ方向の位置ずれ量が検出され
る。

【００４１】ここで、ラインセンサ３９上における基準
位置の決め方について一例を簡単に説明する。ＦＩＡ系
のアライメントセンサの場合には、例えば検出領域４４
Ｃ内に基準マーク板６（図１参照）の基準マークを配置
して、基準マーク板６のＺ方向の位置を変化させながら
基準マークを撮像素子３３Ｘで撮像する。そして、撮像
素子３３Ｘからの撮像信号を画像解析して、基準マーク
の像のコントラストが最も高くなるように基準マーク板
６のＺ方向の位置決めをする。そこで焦点検出用のパタ
ーンの像４１Ｃを基準マーク板６上に投影すると共に、
ラインセンサ３９上にパターン像４２Ｃを投影する。そ
のときのラインセンサ３９上でのパターン像４２Ｃの位
置をパターン像４２Ｃの基準位置とする。パターン像４
２Ｂ、４２Ｄも同様にして基準位置を決めればよい。

【００４２】ＬＩＡ系のアライメントセンサの場合に
は、例えば検出領域４４Ａ内に基準マーク板６の基準マ
ークを配置して、基準マーク板６のＺ方向の位置を変化
させながら基準マークに２本のレーザビームを照射す
る。そして基準マークからの干渉光を検出して、干渉光
のビート信号の振幅が最大となるように基準マーク板６
のＺ方向の位置決めをする。そこで焦点検出用のパター
ンの像４１Ａを基準マーク板６上に投影すると共に、ラ
インセンサ３９上にパターン像４２Ａを投影する。その
ときのラインセンサ３９上でのパターン像４２Ａの位置
をパターン像４２Ａの基準位置とする。パターン像４２
Ｅについても同様に基準位置を決めればよい。

【００４３】なお、ラインセンサ３９としては、Ｕ方向
に平行に複数ラインの画素が配列された一種の２次元撮
像素子を使用して、複数ラインの画素の撮像信号を加算
してラインセンサ上におけるパターン像の位置を検出す
るようにしてもよい。また、図７のＵ方向に垂直な方向
に集光作用を有するシリンドリカルレンズをラインセン
サ３９の受光面の前に配置してもよい。

【００４４】そして、図３において、対物レンズ２３及
びレンズ系２４の合成系のウエハＷからラインセンサ３
９への倍率（横倍率）をβとすると、図７の横ずれ量ｕ
Ａ〜ｕＥの１／β²がそれぞれウエハ上の対応するマー
ク形成領域の合焦位置からＺ方向への位置ずれ量とな
る。そこで、ウエハマークの位置を検出する場合には、
それぞれその位置ずれ量を０にするように、図１のＺス
テージ３の位置を調整してから、対応するアライメント
センサで位置検出を行う。これにより、ＦＩＡ系のアラ
イメントセンサでも、ＬＩＡ系のアライメントセンサで
も、更にはアライメントセンサのＸ方向でも、Ｙ方向で
も、それぞれ正確に焦点合わせを行った状態で対応する
ウエハマークの位置を高精度に検出できる。しかも、対
物光学系の視野内に設定された複数の検出領域（例えば
４４Ａと４４Ｅ）それぞれに同時にウエハマーク（例え
ば、４５Ｘと４５Ｙ）が位置する場合には、それぞれの
マークが形成されたウエハ上の領域について同時にフォ
ーカス位置を検出できるので、ウエハマークの位置検出
時間を短縮できる利点がある。

【００４５】更に合焦精度を高めるには、アライメント
センサにより位置計測を行っている際にも、サーボ方式
によりオートフォーカスをかけるようにしてもよい。な
お、例えば図４において、検出領域４４Ａ内のフォーカ
ス位置のみを計測すればよい場合には、図３において焦
点検出用パターン４０Ａ以外の焦点検出用パターン４０
Ｂ，…を不図示のシャッタにより遮光してもよい。これ
により、他の焦点検出用パターンの投影像からの迷光の
影響を受けずに正確にその焦点検出できる。また、シャ
ッタで切り換える代わりに、焦点検出用パターン４０
Ａ，４０Ｂ，…毎に照明用の光源を別に設け、これら光
源の発光を制御することにより、特定の焦点検出用パタ
ーンだけを照明するようにしてもよい。

【００４６】これに関連して、図２に示すように、スリ
ット板３７を液晶パネル５２で置き換えて、液晶パネル
５２に焦点検出用パターンを発生してもよい。この場
合、検出対象とするウエハマークの形状に応じて容易に
焦点検出用パターンの形状を最適化できると共に、不要
な焦点検出用パターンを消去することもできる。また、
図３のオートフォーカスセンサは、対物レンズ２３を介
してウエハＷ上に焦点検出用パターンの像を投影するも
のであるが、例えば対物レンズ２３とは別の送光系より
光軸ＡＸａに斜めに複数の焦点検出用パターンの像４１
Ａ，４１Ｂ，…を投影してもよい。この場合、ウエハＷ
からの反射光をその送光系とほぼ対称に配置された受光
系で受光して、焦点検出用パターンの像を再結像し、こ
のように再結像された像の横ずれ量を求めることによ
り、対応するマーク形成領域のフォーカス位置が検出で
きる。

【００４７】また、図２のＦＩＡ系のアライメントセン
サの撮像素子３３Ｘ，３３Ｙは対物レンズ２３の視野内
の同一範囲を撮像し、全撮像範囲の内の異なる領域をそ
れぞれ画像解析するものであるが、撮像素子３３Ｘ，３
３Ｙの各撮像範囲自体を異なるらせるようにしてもよ
い。更に、上述では、ＦＩＡ系とＬＩＡ系とが統合され
ているが、ＦＩＡ系、ＬＩＡ系、又は他のアライメント
センサ（例えばＬＳＡ方式のアライメントセンサ）より
選ばれた複数のアライメントセンサを統合した場合にも
本発明を適用できることは言うまでもない。また、本発
明はＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のアライメント
センサ、又はＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のア
ライメントセンサを統合する場合にも適用できる。

【００４８】なお、本発明は上述実施例に限定されず、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得
る。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、対物レンズを共通化し
た複数のアライメント系に応じたそれぞれの検出領域に
個別に焦点検出用の光ビームが照射されるため、各アラ
イメント系（アライメントセンサ）に対して個別に正確
に焦点合わせを行うことができる利点がある。また、対
物光学系の視野内に設定されたそれぞれの検出領域に同
時に位置合わせ用のマークが位置する場合には、位置決
め対象物を移動させる必要もなく、同時にそれぞれのマ
ーク形成されたウエハ上の領域の高さ（Ｚ方向の位置）
を検出できるので、計測時間を短縮できる利点がある。
更に、複数のアライメントセンサのそれぞれの検出領域
で焦点検出が行われるので、どのアライメントセンサを
使っている場合でも位置計測中にオートフォーカスをか
け続けることができる。

【００５０】次に、複数のアライメントセンサの検出領
域上に個別に投影される各焦点検出用のパターンの像の
形状を、それぞれの検出領域で検出される位置合わせ用
のマークの計測方向、形状、及び大きさに応じて最適化
した場合には、位置合わせ用のマークに影響されずに、
且つその位置合わせ用のマークが形成された領域の高さ
（フォーカス位置）を正確に検出できる。

【００５１】また、焦点検出のための位置決め対象物に
対する光の照射、及びその反射光の受光を、複数のアラ
イメントセンサで共通化された対物光学系を介して行う
ときには、対物光学系の光学特性が変化しても、その対
物光学系の光学特性の変化による焦点検出の影響が抑制
される。また、焦点検出のために位置決め対象物上に光
を投射し、その反射光を受光する際に、この反射光のテ
レセントリック性を崩す光学部材を有する場合には、装
置全体をコンパクトにまとめることができると共に、そ
の光学部材を所定の面に配置するという簡単な構成で、
位置決め対象物の高さ方向の変位を再結像された像の横
ずれ量に変換できる。

【００５２】また、複数のアライメントセンサの検出領
域上に個別に投影される各焦点検出用のパターンの像の
形状を、それぞれの検出領域で検出される位置合わせ用
のマークの計測方向、形状、及び大きさに応じて応じて
変更するパターン形状切り換え手段を設けた場合には、
プロセスにより同じアライメント系に対して位置合わせ
用のマークの形状が変化したような場合でも、その上に
投射される焦点検出用のパターンの像を容易に最適化で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアライメント装置の一実施例が適
用された投影露光装置の要部を示す概略構成図である。

【図２】図１中の２系統のアライメントセンサ１１の構
成を示す斜視図である。

【図３】実施例のオートフォーカスセンサの構成を示す
概略構成図である。

【図４】ウエハ上で対物レンズの視野内に設定される複
数のアライメントセンサの各検出領域を示す拡大平面図
である。

【図５】ＬＩＡ系のアライメントセンサによる検出原理
の説明図である。

【図６】図４に示したアライメントセンサの検出領域の
それぞれに投影される焦点検出用パターンの像の構成を
示す拡大平面図である。

【図７】ラインセンサ３９上に再結像される像を示す拡
大図である。

【図８】位置合わせ用のマークが形成されるウエハ上の
領域の一例を示す拡大図である。

【符合の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ３Ｚステージ４ＸＹステージ８レーザ干渉系１１２系統のアライメントセンサ１５アライメント制御ユニット１８，２５ダイクロイックミラー２３対物レンズ３３Ｘ，３３Ｙ２次元撮像素子３４ＬＩＡ系の検出部３５光源４４Ａ〜４４Ｅ検出領域４５Ｘ，４５ＹＬＩＡ系用の回折格子状マーク４６ボックス・イン・ボックス型のウエハマーク４７Ｘ，４７ＹＦＩＡ系用のＬ／Ｓパターン４１Ａ〜４１Ｅ焦点検出用のパターン像

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置決め対象物上の第１マーク領域に形
成された位置合わせ用の第１マークからの光、及び第２
マーク領域に形成された第２マークからの光を検出する
ために設けられた対物光学系と、前記対物光学系の視野内に第１検出領域を有し、前記対
物光学系を介して前記第１マークからの光を検出して前
記第１マークの位置を検出する第１検出光学系と、前記対物光学系の視野内に前記第１検出領域とは異なる
第２検出領域を有し、前記第２マークからの光を検出し
て前記第２マークの位置を検出する第２検出光学系と、前記第１検出領域及び前記第２検出領域のそれぞれに光
ビームを照射すると共にその反射光を受光することによ
り、前記第１マーク領域の前記第１検出光学系の合焦面
に対するずれ、及び前記第２マーク領域の前記第２検出
光学系の合焦面に対するずれの少なくとも一方を検出す
る焦点検出系と、を有することを特徴とするアライメント装置。
【請求項２】位置決め対象物上のマーク領域に形成さ
れた位置合わせ用のマークからの光を検出するために設
けられた対物光学系と、前記対物光学系の視野内に第１検出領域を有し、前記対
物光学系を介して前記マークからの光を検出して前記マ
ークの位置を検出する第１検出光学系と、前記対物光学系の視野内に前記第１検出領域とは異なる
第２検出領域を有し、前記マークからの光を検出して前
記マークの位置を検出する第２検出光学系と、前記第１検出領域及び前記第２検出領域のそれぞれに光
ビームを照射すると共にその反射光を受光することによ
り、前記マーク領域の前記第１検出光学系の合焦面に対
するずれ、又は前記マーク領域の前記第２検出光学系の
合焦面に対するずれを検出する焦点検出系と、を有することを特徴とするアライメント装置。
【請求項３】前記焦点検出系が前記第１検出領域及び
前記第２検出領域のそれぞれに照射する光ビームは所定
形状のパターン像であることを特徴とする請求項１又は
２記載のアライメント装置。
【請求項４】前記焦点検出系が前記第１検出領域及び
前記第２検出領域のそれぞれに投射する前記パターン像
の形状は、それぞれの検出領域で検出される位置合わせ
用のマークの計測方向、形状、及び大きさに応じて設定
されていることを特徴とする請求項３記載のアライメン
ト装置。
【請求項５】前記焦点検出系は前記光ビームの照射、
及びその反射光の受光を前記対物光学系を介して行うこ
とを特徴とする請求項１又は２記載のアライメント装
置。
【請求項６】前記焦点検出系は、前記反射光を受光す
る際に該反射光のテレセントリック性を崩す光学部材を
有することを特徴とする請求項１又は２記載のアライメ
ント装置。
【請求項７】前記焦点検出系が前記第１検出領域及び
前記第２検出領域のそれぞれに投射する前記パターン像
の形状を、それぞれの検出領域で検出される位置合わせ
用のマークの計測方向、形状、及び大きさに応じて変更
するパターン形状切り換え手段を設けたことを特徴とす
る請求項３記載のアライメント装置。