JPH08241844A

JPH08241844A - 相対位置検出装置および方法ならびに露光方法

Info

Publication number: JPH08241844A
Application number: JP7045123A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Yoshitake; 康裕吉武; Nobuyuki Irikita; 信行入来; Kenji Watanabe; 健二渡辺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1995-03-06
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体ウエハに形成された基準マークと測定
マークとの相対位置を正確に検出できる相対位置検出装
置を提供する。【構成】半導体ウエハ２に形成された基準マークと測
定マークとの相対位置を検出するもので、半導体ウエハ
２を支持するステージ４と、半導体ウエハ２に照明光Ｃ
₁を照射する照明系７と、半導体ウエハ２からの反射光
Ｃ₂を各マークに対応した反射光Ｃ_2a，Ｃ_2bに分岐する
ハーフミラー１１と、分岐された各反射光Ｃ_2a，Ｃ_2bの
結像位置に設置された第１および第２の撮像素子１２，
１３と、これらの撮像素子１２，１３によりそれぞれ得
られた基準マークと測定マークとの光学像を比較して基
準マークに対する測定マークの平面的ずれ量を算出する
ずれ量算出手段１６とを有するものである。第２の撮像
素子１３はカメラステージ１４により光軸方向に移動可
能とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は相対位置検出装置および
方法ならびに露光方法に関し、特に、被測定部材に形成
された平面的および立体的に位置関係の異なる複数の検
出対象物の相対位置の検出に適用して有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】たとえば半導体デバイスの製造には、フ
ォトマスク上の回路パターンを縮小レンズを介してフォ
トレジストの塗布された半導体ウエハ上に投影露光し、
現像、エッチングを行うことにより、回路パターンを形
成するフォトリソグラフィ技術が使用されている。

【０００３】このフォトリソグラフィ技術における投影
露光装置では、予め半導体ウエハ上に形成された基準マ
ークの位置を測定し、この基準マークとフォトマスクに
形成された測定マークとのアライメントを行ってから投
影露光している。この時の位置合わせ精度は形成された
半導体デバイスの断線、ショート等の欠陥を防ぐ上で重
要である。このため、重ね合わせ評価装置つまり相対位
置検出装置により、現像後のフォトレジストに形成され
た測定マークと予め半導体ウエハに形成された基準マー
クの位置合わせ誤差つまりずれ量を測定し、このずれ量
がたとえば0.15μｍに設定された許容値を越える場合に
は、投影露光装置のアライメント系にずれ量を補正する
ためのフィードバックをかける手法が採用されている。

【０００４】このような相対位置検出装置としては、例
えば特開昭６１−１２４８０９号公報に記載されている
ようなものが知られている。ここで該公報に記載された
相対位置検出装置の概要は次のようなものである。

【０００５】すなわち、図１６に示す照明系４７より出
射した照明光Ｃ₁₁はビームスプリッタ４８で反射されて
対物レンズ４９を介して半導体ウエハ４２に入射する。
そして、半導体ウエハ４２からの反射光Ｃ₁₂は対物レン
ズ４９、ビームスプリッタ４８、結像レンズ５０を介し
て撮像素子５２上に結像される。

【０００６】評価対象となる半導体ウエハ４２上には、
図２に示すように、絶縁膜２ａ，２ｂにより覆われて位
置合わせターゲットとなる基準マーク３が予め形成され
ている。そして、表層であるフォトレジスト層には、こ
の基準マーク３に対して位置合わせされた測定マーク１
が露光、現像により形成されている。したがって、測定
マーク１と基準マーク３とは、半導体ウエハ４２という
被測定部材において平面的および立体的に異なる位置関
係にある。

【０００７】撮像素子５２に結像された測定マーク１と
基準マーク３との光学像では、図１７に示すように、内
側に基準マーク像４３ａが、外側に測定マーク像４１ａ
が現れる。ここで、たとえばＸ方向のずれ量を測定する
ためには、図１７の画像をＹ方向に光学的または電気的
に圧縮し、図１８に示すような信号波形Ｓ₄を得る。こ
の信号波形Ｓ₄において、ＡおよびＡ’の部分は図１７
に示す基準マーク像４３ａに、ＢおよびＢ’の部分は測
定マーク像４１ａに対応している。図１８の信号波形Ｓ
₄において、それぞれの波形の中心位置ｘ_B, ｘ_A, ｘ
_A' ，ｘ_B' を求める。このようにすると、Ｘ方向のず
れ量δ_xは

【０００８】

【数１】

【０００９】により、また、Ｙ方向のずれ量δ_yは、図
１８の画像をＸ方向に圧縮して上記と同様の処理を行う
ことにより、それぞれ求められるというものである。

【００１０】なお、これらずれ量δ_x, δ_yの算出は、
図１６の制御処理部４５によって行われるようになって
いる。また、制御処理部４５はＺ軸ステージ４６ｃを制
御することによりフォーカス位置を変化させ、測定マー
ク１および基準マーク３が対物レンズ４９の視野内に入
るようにＸ軸ステージ４６ａとＹ軸ステージ４６ｂとを
制御するようになっている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ここで、図１７におい
て、測定マーク像４１ａおよび基準マーク像４３ａがコ
ントラストの良い光学像であるためには、図２の測定マ
ーク１と基準マーク３とがともに相対位置検出装置にお
ける一定の結像性能を維持できる焦点範囲内つまり焦点
深度内である必要がある。この焦点深度（Depth Of Foc
us - DOF）は次式で表すことができる。

【００１２】

【数２】

【００１３】ここに、λは照明光Ｃ₁₁の波長、ＮＡは対
物レンズ４９の開口数である。たとえばλ＝0.55μｍ、
ＮＡ＝0.9 とすると、 DOF＝0.34μｍとなる。したがっ
て、図２における測定マーク１と基準マーク３との段差
Ｌが次式を満たすとき測定マーク像４１ａおよび基準マ
ーク像４３ａがいずれもコントラストの良い光学像とな
る。

【００１４】

【数３】

【００１５】ここに、ｎは絶縁膜２ａ，２ｂの屈折率で
あり、例えばｎ＝1.5 である。したがって、測定マーク
１と基準マーク３との段差Ｌは、１μｍ以下である必要
がある。

【００１６】しかし、0.5 μｍルール以降のデバイス構
造などにおいては、高集積化に伴う容量確保のために段
差Ｌは拡大の一途を辿っており、現在では段差Ｌが１μ
ｍを越す場合も多い。一方、前記した相対位置検出装置
では焦点深度を簡単に拡大することはできず、１μｍ以
上という高段差により焦点深度外となった基準マーク３
のエッジは鮮明に捉えることができなくなる。

【００１７】その結果、図１８に示すように、圧縮後の
信号波形Ｓ₄において、基準マーク像４３ａに相当する
部分ＡおよびＡ’が鈍ってしまうことになる。すると、
中心位置ｘ_Aおよびｘ_A' （あるいはＸ方向に圧縮した
場合の中心位置ｙ_Aおよびｙ_A' （図示せず））を正確
に求めることができなくなり、これらの値を基に算出さ
れるずれ量δ_x，δ_yは信頼性に欠けるものになる。

【００１８】図１６のＺ軸ステージ４６ｃによりフォー
カス位置を移動させて測定マーク１と基準マーク３のそ
れぞれにピントの合う２枚の画像を順次取り込んで、ず
れ量δ_x，δ_yの算出を行う方法も考えられるが、Ｚ軸
ステージ４６ｃの移動に時間がかかり、また、Ｚ軸ステ
ージ４６ｃのヨーイング等により２枚の画像の位置ずれ
が発生する可能性もあり、スループットおよび検出精度
の両面から好ましくない。

【００１９】そこで、本発明の目的は、半導体ウエハな
どの被検出部材に形成された基準マークと測定マークの
ように平面的および立体的に位置関係の異なる複数の検
出対象物の相対位置を、両者の段差寸法を問わず正確に
検出することのできる技術を提供することにある。

【００２０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかにな
るであろう。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、次の通
りである。

【００２２】すなわち、本発明による相対位置検出装置
は、被測定部材に形成された平面的および立体的に位置
関係の異なる複数の検出対象物の相対位置を検出するも
のであり、被測定部材を支持するステージと、この被測
定部材に照明光を照射する照明系と、被測定部材からの
反射光による複数の検出対象物の光学像をそれぞれ焦点
が異なる複数の結像光路を介して結像させる光学像検出
手段とを有するものである。この場合、複数の検出対象
物の光学像を比較して該検出対象物相互間の平面的ずれ
量を算出するずれ量算出手段を設けてもよい。

【００２３】また、本発明による相対位置検出装置は、
被測定部材に形成された平面的および立体的に位置関係
の異なる基準マークと測定マークとの相対位置を検出す
るものであって、被測定部材を支持するステージと、被
測定部材に照明光を照射する照明系と、被測定部材から
の反射光を基準マークおよび測定マークに対応した反射
光に分岐する光路分岐手段と、光路分岐手段により分岐
された各反射光の結像位置にそれぞれ設置され、少なく
とも一つが光軸方向に移動可能とされた複数の光学像検
出手段と、これらの光学像検出手段によりそれぞれ得ら
れた基準マークと測定マークとの光学像を比較して基準
マークに対する測定マークの平面的ずれ量を算出するず
れ量算出手段とを有するものである。この場合におい
て、被測定部材からの反射光が入射する対物レンズと光
学像検出手段に光学像を結像させる結像レンズとは、双
方のレンズの焦点距離の合計となる光学的距離に配置し
てもよい。

【００２４】本発明による相対位置検出装置は、被測定
部材に形成された平面的および立体的に位置関係の異な
る基準マークと測定マークとの相対位置を検出するもの
であって、被測定部材を支持するステージと、被測定部
材に照明光を照射する照明系と、被測定部材からの反射
光が入射し、この反射光の波長によって焦点距離が変化
する焦点可変対物レンズと、焦点可変対物レンズを通過
した反射光を波長によって基準マークおよび測定マーク
のそれぞれの反射光に分類する複数の波長分類手段と、
波長分類手段により個別に分類された基準マークおよび
測定マークの反射光による光学像を順次結像する光学像
検出手段と、光学像検出手段により得られた測定マーク
と基準マークとの光学像を比較して基準マークに対する
測定マークの平面的ずれ量を算出するずれ量算出手段と
を有するものである。

【００２５】本発明による相対位置検出装置は、被測定
部材に形成された平面的および立体的に位置関係の異な
る基準マークと測定マークとの相対位置を検出するもの
であって、被測定部材を支持するステージと、被測定部
材に照明光を照射する照明系と、被測定部材からの反射
光が入射し、印加電圧によって焦点距離が変化する焦点
可変対物レンズと、焦点可変対物レンズに対して基準マ
ークおよび測定マークからのそれぞれの反射光に対応し
た焦点距離となる電圧を印加する電圧印加手段と、焦点
可変対物レンズでそれぞれ焦点距離が合わされた基準マ
ークおよび測定マークの反射光による光学像を順次結像
する光学像検出手段と、光学像検出手段により得られた
測定マークと基準マークとの光学像を比較して基準マー
クに対する測定マークの平面的ずれ量を算出するずれ量
算出手段とを有するものである。

【００２６】これらの場合において、ずれ量算出手段
は、ステージに設置されて複数の段差を有するキャリブ
レーションマークに対し、基準マークと測定マークとの
それぞれの光学像と同一の結像光路で焦点が合うキャリ
ブレーションマークのそれぞれのエッジ位置から各光学
像相互間の倍率差または倍率差とオフセット量を補正し
てずれ量を算出するようにしてもよい。キャリブレーシ
ョンマークは、半導体基板に対してｎ枚のフォトマスク
を用いて順次露光、現像、エッチングを繰り返すことに
より、２のｎ乗の段差数で形成することができる。

【００２７】本発明による相対位置検出方法は、平面的
および立体的に異なる位置関係で基準マークと測定マー
クとが形成された被測定部材をステージに設置し、この
被測定部材に照明光を照射し、被測定部材からの反射光
を基準マークおよび測定マークに対応した反射光に分岐
し、分岐された各反射光による基準マークと測定マーク
との光学像を複数の光学像検出手段でそれぞれ結像し、
得られた光学像を比較して基準マークに対する測定マー
クの平面的ずれ量を算出するものである。

【００２８】本発明による相対位置検出方法は、平面的
および立体的に異なる位置関係で基準マークと測定マー
クとが形成された被測定部材をステージに設置し、この
被測定部材に照明光を照射し、波長により焦点距離が変
化する焦点可変対物レンズに前記被測定部材からの反射
光を入射させて基準マークと測定マークのそれぞれの反
射光に分類し、各反射光による基準マークと測定マーク
との光学像を順次光学像検出手段で結像し、得られた各
光学像を比較して基準マークに対する測定マークの平面
的ずれ量を算出するものである。

【００２９】本発明による相対位置検出方法は、平面的
および立体的に異なる位置関係で基準マークと測定マー
クとが形成された被測定部材をステージに設置し、この
被測定部材に照明光を照射し、印加電圧により焦点距離
が変化する焦点可変対物レンズに被測定部材からの反射
光を入射させて基準マークと測定マークのそれぞれの反
射光に対応した光学像が結像する焦点距離となる電圧を
順次印加し、印加電圧によりそれぞれ焦点距離の合わさ
れた各反射光による基準マークと測定マークとの光学像
を順次光学像検出手段で結像し、得られた光学像を比較
して基準マークに対する測定マークの平面的ずれ量を算
出するものである。

【００３０】そして、本発明による露光方法は、前記の
ような相対位置検出装置を用いて半導体ウエハに形成さ
れた基準マークと転写された測定マークとのずれ量を算
出し、このずれ量に従って露光装置におけるアライメン
トの修正を行い、修正後に次の半導体ウエハに対して露
光処理を行うものである。

【００３１】

【作用】上記した手段によれば、被測定部材に形成され
た基準マークや測定マークといった複数の検出対象物の
反射光を、焦点の異なる複数の結像光路を介して光学像
検出手段により結像させているので、各検出対象物はベ
ストフォーカスで撮像され、得られた光学像は鮮明なも
のになる。

【００３２】したがって、これらの光学像をベースにす
ることで、両者の正確な平面的ずれ量を算出することが
可能になる。

【００３３】これにより、検出対象物間の段差寸法を問
わず、つまり一方の検出対象物がたとえ焦点深度外とな
った場合であっても、正確なずれ量を求めることが可能
になり、広範囲の段差に対応した高精度な測定が可能と
なる。

【００３４】また、ずれ量の測定中にステージを移動さ
せる必要がなくなるので、高スループット、且つ高精度
の測定が実現できる。

【００３５】よって、これらのずれ量に従って露光装置
のアライメント修正を行うことで、重ね合わせ精度の良
好な露光処理を行うことが可能になる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面に基づいて詳
細に説明する。なお、実施例を説明するための全図にお
いて、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、
その繰り返しの説明は省略する。

【００３７】（実施例１）図１は本発明の一実施例であ
る相対位置検出装置を示す概略図、図２は図１の相対位
置検出装置による被測定部材である半導体ウエハの要部
断面図、図３は図１の相対位置検出装置における第１の
撮像素子の配置と第２の撮像素子の配置とを示す説明
図、図４は図１の相対位置検出装置に用いられたキャリ
ブレーションマークの断面図、図５は図１の相対位置検
出装置の第１および第２の撮像素子に結像した光学像を
示す説明図、図６は図５の光学像を圧縮して得られた信
号波形を示す説明図、図７は図４のキャリブレーション
マークにおけるエッジＸ₀−Ｘ₀'およびＸ_i−Ｘ_i' に
おける信号波形を示す説明図、図８は図４のキャリブレ
ーションマークにおけるエッジと倍率変化との関係を示
すグラフ図、図９は図４のキャリブレーションマークに
おけるエッジとオフセット量との関係を示すグラフ図、
図１０は図４のキャリブレーションマークの製造方法を
示す説明図である。

【００３８】図１に示す本実施例の相対位置検出装置
は、たとえば図２に示すレジスト処理により絶縁膜２ａ
上に形成された測定マーク（検出対象物）１と予め半導
体ウエハ（被測定部材）２に形成されて絶縁膜２ｂによ
って保護された基準マーク（検出対象物）３とのずれ量
を測定し、これを図示しない投影露光装置のアライメン
ト系にフィードバックするためのもので、図１の下方に
は、半導体ウエハ２を支持するステージ４が位置してい
る。このステージ４には制御処理部５に制御される駆動
モータ（図示せず）によって動作するＸ駆動ステージ６
ａ、Ｙ駆動ステージ６ｂおよびＺ駆動ステージ６ｃが取
り付けられており、半導体ウエハ２を搭載したステージ
４は各駆動ステージ６ａ，６ｂ，６ｃによってＸ軸・Ｙ
軸・Ｚ軸方向にそれぞれ移動されるようになっている。

【００３９】半導体ウエハ２に照明光Ｃ₁を照射する照
明系７と半導体ウエハ２とを結ぶ光路上には、ビームス
プリッタ８および対物レンズ９が順次配列されている。
また、ビームスプリッタ８の反射光路上には、結像レン
ズ１０、ハーフミラー（光路分岐手段）１１およびこの
ハーフミラー１１によって分岐された反射光Ｃ₂による
光学像をそれぞれ結像する第１の撮像素子（第１の光学
像検出手段）１２と第２の撮像素子（第２の光学像検出
手段）１３とが順次配列されている。第２の撮像素子１
３はカメラステージ１４上に載置されており、制御処理
部５によりこのカメラステージ１４を駆動することで第
２の撮像素子１３は光軸方向に移動されるようになって
いる。

【００４０】第１の撮像素子１２と第２の撮像素子１３
とは、図３に示すような配置となっている。つまり、対
物レンズ９から距離ａにある測定マーク１の光学像を結
像する第１の撮像素子１２は、結像レンズ１０から距離
ｂの位置に設置されている。一方、対物レンズ９から距
離ａ’にある基準マーク３の光学像を結像する第２の撮
像素子１３は、結像レンズ１０から距離ｂ’の位置に設
置されている。また、測定マーク１を距離ａに固定した
ときに変動する基準マーク３の距離ａ’に対応して変動
する距離ｂ’に第２の撮像素子１３を位置させるため
に、図１に示すカメラステージ１４を駆動してこの第２
の撮像素子１３の位置合わせが行われる。このように各
撮像素子１２，１３を配置することにより、測定マーク
１および基準マーク３の各光学像はそれぞれ最良の結像
位置つまりベストフォーカス位置で撮像されることにな
る。

【００４１】後述する第１および第２の撮像素子１２，
１３で得られた各光学像の結像倍率差、およびカメラス
テージ１４のピッチングとヨーイングによる第１の撮像
素子１２で得られた光学像に対する第２の撮像素子１３
で得られた光学像のオフセットを補正するため、ステー
ジ４にはキャリブレーションマーク１５が設けられてい
る。このキャリブレーションマーク１５はたとえば半導
体基板からなり、図４に示すようにＸ₀−Ｘ'₀からＸ_n
−Ｘ' _nまでのエッジを有する複数の段差が形成されて
いる。段差の各エッジの座標はたとえば測長用ＳＥＭ
（Scanning Electron Microscope）で、各段差深さΔＺ
₀〜ΔＺ_nはたとえば触針式段差計によりそれぞれ測定
され、図１に示す制御処理部５から第２の撮像素子１３
とカメラステージ１４とに至る経路上に設けられたずれ
量算出手段１６に、各数値から導き出されるエッジと倍
率変化との関係およびエッジとオフセット量との関係が
予め入力されている。したがって、制御処理部５では各
撮像素子１２，１３から送られた光学像より求めた測定
マーク１と基準マーク３との相対位置に対して倍率とオ
フセット量の補正が施される。

【００４２】このような相対位置検出装置による測定マ
ーク１と基準マーク３との相対位置の検出は次のように
して行われる。

【００４３】まず、照明系７より出射された照明光Ｃ₁
はビームスプリッタ８で反射され、対物レンズ９を介し
て半導体ウエハ２に入射する。そして、半導体ウエハ２
からの反射光Ｃ₂は対物レンズ９、ビームスプリッタ８
および結像レンズ１０を介し、ハーフミラー１１によっ
て２つの反射光Ｃ_2a，Ｃ_2bに分岐される。ここで、制御
処理部５を操作して、半導体ウエハ２上の測定マーク１
および基準マーク３が第１および第２の撮像素子１２，
１３の視野に入るようにＸ駆動ステージ６ａおよびＹ駆
動ステージ６ｂを動かし、第１の撮像素子１２上で測定
マーク１の像がベストフォーカスとなるようＺ駆動ステ
ージ６ｃを動かす。このようにセッティングして焦点が
異なる反射光を異なる結像光路に分岐すると、ハーフミ
ラー１１を透過した一方の反射光Ｃ_2aによる光学像は第
１の撮像素子１２上に結像され、ハーフミラー１１で反
射されたもう一方の反射光Ｃ_2bによる光学像は第２の撮
像素子１３上に結像されるようになる。

【００４４】このときの結像メカニズムは、前述のよう
に、対物レンズ９から距離ａにある測定マーク１は結像
レンズ１０から距離ｂに位置する第１の撮像素子１２上
に結像され、対物レンズ９から距離ａ’にある基準マー
ク３は結像レンズ１０から距離ｂ’に位置する第２の撮
像素子１３上に結像されるものである（図３参照）。

【００４５】ここで、距離ｂ’は

【００４６】

【数４】

【００４７】で与えられる。ただし、Ｌは測定マーク１
と基準マーク３との段差を示す。段差Ｌに応じてｂ’が
変化するため、反射光Ｃ_2bによる光学像が第２の撮像素
子１３に結像するように、カメラステージ１４を駆動し
てこれを移動する。

【００４８】これにより、測定マーク１および基準マー
ク３の光学像は、第１の撮像素子１２および第２の撮像
素子１３によりそれぞれベストフォーカス位置で結像さ
れ、図５に示すように、鮮明な測定マーク像１ａ（図５
（ａ））および基準マーク像３ａ（図５（ｂ））が得ら
れる。

【００４９】各マーク像１ａ，３ａが得られたならば、
これをＹ方向およびＸ方向に順次圧縮して信号波形に変
換し、この信号波形から測定マーク１と基準マーク３と
のずれ量をずれ量算出手段１６により測定する。

【００５０】ずれ量算出手段１６によるＸ方向のずれ量
は次のようにして測定される。まず、図５（ａ）および
（ｂ）に示す各マーク像１ａ，３ａをたとえば電気的に
Ｙ方向に圧縮すると、図６に示すような測定マーク像１
ａの信号波形Ｓ₁（図６（ａ））および基準マーク像３
ａの信号波形Ｓ₃（図６（ｂ））が得られる。このと
き、測定マーク１と基準マーク３とはベストフォーカス
位置で結像されて鮮明なマーク像１ａ，３ａ（図５）が
得られているので、図６に示すように、これから得られ
た信号波形Ｓ₁,Ｓ₃はいずれもエッジがはっきり捉えら
れた良好なものとなる（図１８参照）。次に、信号波形
Ｓ₁,Ｓ₃から、それぞれの中心位置ｘ_D，ｘ_D' および
ｘ_C, ｘ_C' を求める。なお、良好な信号波形Ｓ₁,Ｓ₃
（図６）をベースに中心位置ｘ_D，ｘ_D' 、ｘ_C，
ｘ_C' を求めるので、得られた位置は正確なものにな
る。

【００５１】中心位置ｘ_D，ｘ_D' 、ｘ_C，ｘ_C' が求
まると、Ｘ方向のずれ量δ_xjは

【００５２】

【数５】

【００５３】により計算される。Ｙ方向のずれ量δ_yjは
画像をＸ方向に圧縮し、上記と同様の処理を行うことに
より求められる。

【００５４】ここで、得られたずれ量δ_xj，δ_yjは、第
１の撮像素子１２上での結像倍率に対する第２の撮像素
子１３上での結像倍率の差Δｍ、およびカメラステージ
１４のピッチングおよびヨーイングによる第１の撮像素
子１２上の光学像に対する第２の撮像素子１３上の光学
像のオフセットε_xが考慮されていない見掛けずれ量δ
_xj，δ_yjである。したがって、ずれ量算出手段１６で
は、Δｍ、ε_xを測定して実質的なずれ量δ_x，δ_yが
算出される。なお、カメラステージ１４にピッチングな
どがなく、第２の撮像素子１３を正確に光軸方向に移動
させることが可能であれば、オフセットε_xを考慮する
必要はない。

【００５５】Ｘ方向の見掛けずれ量δ_xjは次式により補
正され、正味のずれ量δ_xが得られる。

【００５６】

【数６】

【００５７】ただし、Δｍは第１の撮像素子１２上の倍
率に対する第２の撮像素子１３上の倍率の差、ε_xは第
１の撮像素子１２上の像に対する倍率補正後の第２の撮
像素子１３上の像のオフセット値である。Δｍ、ε_xを
測定するため、キャリブレーションマーク１５を第１の
撮像素子１２で撮像して図７（ａ）に示す信号波形Ｓ₀
を得、最外エッジの座標ｘ₀−ｘ'₀を求める。次に、キ
ャリブレーションマーク１５の最外エッジからｉ番目の
エッジに焦点が合うように第２の撮像素子１３を駆動
し、これを撮像して図７（ｂ）に示す信号波形Ｓ_iを
得、エッジ座標ｘ_i−ｘ_i' を求める。このとき、ｉ番
目のエッジでの倍率差Δｍ_iは

【００５８】

【数７】

【００５９】で、オフセット値ε_xiは

【００６０】

【数８】

【００６１】で与えられる。これらの式により得られた
Δｍ_i、ε_xiをｉ番目のエッジでベストフォーカスとな
るように移動させた第２の撮像素子１３の移動距離ｚと
Δｍ_i、ε_xiとの関係を図８および図９のグラフ図に示
す。プロットした点を曲線で補間し、第２の撮像素子１
３の任意の移動距離ｚに対するΔｍ、ε_xを求め、前記
した数６により平面的なずれ量δ_xが得られる。なお、
Ｙ方向の平面的なずれ量δ_yも同様にして得ることがで
きる。

【００６２】ここで、キャリブレーションマーク１５は
図１０に示すようにして製作される。たとえば４段の階
段形状のものを製作する場合を例に取ると、半導体製造
に用いられているリソグラフィプロセスと同様に、酸化
膜形成後にフォトレジストの塗布された半導体基板１５
ａを用意し、これに対して第１のマスク１７のパターン
を転写して現像した後、エッチングにより酸化膜パター
ンを形成し、さらに酸化膜パターンをマスクにシリコン
基板をエッチングする（図１０（ａ））。次に、第２の
マスク１８を用い、前記と同様のプロセスによりこのマ
スクのパターンに沿ってエッチングする（図１０
（ｂ））。このようにして４段の階段形状をもつキャリ
ブレーションマーク１５が製作される。そして、ｎ枚の
マスクを用いて上記の方法を繰り返し行うことにより、
２のｎ乗段の段差をもつキャリブレーションマーク１５
が製作される。

【００６３】得られたＸ方向およびＹ方向のずれ量
δ_x，δ_yが設定された許容値を越えている場合には、
このずれ量δ_x，δ_yに従って露光装置（図示せず）に
おけるアライメントの修正を行って次の半導体ウエハ２
に対して露光処理が行われることになる。

【００６４】このように、本実施例１による相対位置検
出装置によれば、半導体ウエハ２からの反射光Ｃ₂を、
ハーフミラー１１によって焦点の異なる測定マーク１か
らの反射光Ｃ_2aと基準マーク３からの反射光Ｃ_2bとに分
岐して結像光路を違え、第１の撮像素子１２および第２
の撮像素子１３にそれぞれの鮮明な各マーク像１ａ，３
ａを結像させ、これらのマーク像１ａ，３ａから見掛け
ずれ量δ_xj，δ_yjを求め、キャリブレーションマーク１
５を用いて該見掛けずれ量δ_xj，δ_yjに補正を加えて実
質的なずれ量δ_x，δ_yを求めているので、測定マーク
１と基準マーク３との間の段差Ｌを問わず、つまり段差
Ｌがたとえば１μｍを超えて焦点深度外となった場合で
あっても、正確なずれ量δ_x，δ_yを求めることが可能
になる。

【００６５】したがって、これらのずれ量δ_x，δ_yに
従ってアライメント修正を行うことで、重ね合わせ精度
の良好な露光処理を行うことが可能になる。

【００６６】（実施例２）図１１は本発明の他の実施例
による相対位置検出装置における対物レンズと結像レン
ズとの位置関係を示す説明図である。

【００６７】図示するように、本実施例２においては、
半導体ウエハからの反射光が入射する対物レンズ９と、
第２の撮像素子１３に基準マーク３の光学像を結像させ
る結像レンズ１０との光学的距離が、対物レンズ９の焦
点距離ｆ₃₁と結像レンズ１０の焦点距離ｆ₃₂の合計とな
る距離に配置されている。このように、物体像側の両方
でテレセントリックな構成とすることで、第２の撮像素
子１３を移動させても結像倍率に変化がなく、前記実施
例１における結像倍率の差Δｍの計算を省略することが
できる。

【００６８】したがって、前記のように第２の撮像素子
１３が正確に光軸方向に移動可能な場合にはオフセット
ε_xの計算も省略できるので、得られた光学像に一切の
補正を加えることなく、直接に実質的なずれ量δ_x，δ
_yを求めることができる。

【００６９】（実施例３）図１２は本発明のさらに他の
実施例である相対位置検出装置を示す概略図、図１３は
図１２の相対位置検出装置に用いられた焦点可変対物レ
ンズにおける波長と焦点距離との関係を示すグラフ図、
図１４はその焦点可変対物レンズによる結像メカニズム
を示す説明図である。

【００７０】本実施例３における相対位置検出装置で
は、波長に対して焦点距離が変化するつまり縦色収差を
もつ焦点可変対物レンズ１９が使用されている（図１３
参照）。また、反射光Ｃ₂を波長により選択し、特定の
波長の反射光Ｃ_2a，Ｃ_2bのみを通過させる２つの波長選
択フィルタ（波長分類手段）２０ａ，２０ｂが撮像素子
２２に至る反射光Ｃ₂の光路上、たとえばビームスプリ
ッタ８と結像レンズ１０との間に設置されている。各波
長選択フィルタ２０ａ，２０ｂはフィルタ保持具２１に
固定されており、制御処理部５がフィルタ保持具駆動部
２１ａを駆動してフィルタ保持具２１を回転させること
により、いずれかの波長選択フィルタ２０ａ，２０ｂが
反射光Ｃ₂の光路上に位置するようになっている。した
がって、選択された波長の反射光Ｃ_2a，Ｃ_2bによる光学
像が撮像素子２２に結像される。よって、前記した実施
例の場合と異なり、本実施例３においては単一の撮像素
子２２のみが設置されている。

【００７１】本実施例３による相対位置検出装置では、
次のようにして測定マーク１と基準マーク３（図２）と
の光学像が得られる。

【００７２】フィルタ保持具２１を回転させてたとえば
中心波長がλ₁である波長選択フィルタ２０ａを反射光
Ｃ₂の光路上に位置させる。この状態では、図１３に示
すように、焦点可変対物レンズ１９の焦点距離はｆ₁と
なる。これにより、波長λ₁である測定マーク１からの
反射光Ｃ_2aが選択され、図１４に示すように撮像素子２
２上では測定マーク像が結像される。

【００７３】また、中心波長がλ₂である波長選択フィ
ルタ２０ｂに切り替えると、焦点可変対物レンズ１９の
焦点距離はｆ₁からｆ₂に変化し、波長λ₂である基準
マーク３からの反射光Ｃ_2bが選択されてこの光学像が撮
像素子２２上に結像される。

【００７４】このように、波長選択フィルタ２０ａ，２
０ｂを切り替えることによって、測定マーク１の光学像
と基準マーク３の光学像とが、いずれもベストフォーカ
スで結像される。結像後は、前記した要領でずれ量
δ_x，δ_yが算出され、露光装置にフィードバックされ
る。

【００７５】なお、この相対位置検出装置においては、
各マーク１，３の光学像の倍率が異なっているので、ず
れ量算出手段１６において倍率補正が行われる。但し、
撮像素子２２は移動の必要がなく、よって、得られた光
学像間でオフセットが発生することはないので、オフセ
ット量の補正は不要になる。

【００７６】このように、縦色収差を有する焦点可変対
物レンズ１９を用い、波長選択フィルタ２０ａ，２０ｂ
によって測定マーク１および基準マーク３の反射光
Ｃ_2a，Ｃ_2bを順次透過させることで結像光路を異ならし
めてそれぞれの光学像を撮像素子２２に結像させること
によっても、測定マーク１と基準マーク３との間の段差
Ｌの大きさにかかわらず、正確なずれ量δ_x，δ_yを求
めることができる。

【００７７】（実施例４）図１５は本発明のさらに他の
実施例である相対位置検出装置を示す概略図である。

【００７８】本実施例４による相対位置検出装置は、印
加電圧によって焦点距離が変化する焦点可変対物レンズ
２９が用いられたものである。そして、この焦点可変対
物レンズ２９に電圧を印加するための電圧印加部（電圧
印加手段）３０が、制御処理部５による制御下のもとに
設けられている。したがって、制御処理部５により電圧
印加部３０を調整して、焦点可変対物レンズ２９の焦点
距離が基準マークあるいは測定マークからの反射光
Ｃ_2a，Ｃ_2bに対応したそれになるような電圧を印加する
ことで、撮像素子３２に各反射光Ｃ_2a，Ｃ_2bによる光学
像が順次結像される。

【００７９】ここで、焦点可変対物レンズ２９は、たと
えば「応用物理第６３巻第１号（1994年）」、 P57〜P5
8 に記載されているものであり、レンズの一部が液晶で
構成され、外部から電圧により液晶分子の配向性を制御
することにより焦点距離が可変とされているものであ
る。

【００８０】このように、印加電圧により焦点距離が変
化する焦点可変対物レンズ２９を用い、制御処理部５で
電圧印加部３０を制御してこの焦点可変対物レンズ２９
に印加する電圧を調節することにより結像関係を異なら
せ、撮像素子３２上で測定マークに焦点の合った画像と
基準マークに焦点の合った画像とに切り替えて順次撮像
することによっても、各光学像はいずれもベストフォー
カスで得られ、正確なずれ量δ_x，δ_yを求めることが
できる。なお、本実施例４の相対位置検出装置において
も結像倍率が変化するので、ずれ量算出手段１６におい
て倍率補正が行われる。但し、撮像素子３２の移動はな
いので、この場合もオフセット量の補正は不要となる。

【００８１】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例
に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲
で種々変更可能であることは言うまでもない。

【００８２】たとえば、いずれの実施例による相対位置
検出装置においても、測定マーク１と基準マーク３とい
う２つが検出対象物とされているが、３つ以上つまり測
定マーク１と基準マーク３の少なくともいずれか一方が
複数であってもよい。この場合、実施例１および実施例
２では、検出対象物の数と同数の撮像素子１２，１３が
設置されることになり、ハーフミラー１１もこれに応じ
て増設されることになる。また、実施例３では、検出対
象物の数と同数の波長選択フィルタ２０ａ，２０ｂが設
けられ、実施例４では、検出対象物の数に対応した電圧
が印加されることになる。

【００８３】なお、以上の説明では、主として本発明者
によってなされた発明をその背景となった利用分野であ
る露光装置におけるマスクアライメントの補正のための
相対位置検出装置に適用した場合について説明したが、
それに限定されるものではなく、たとえば複数層に存在
する欠陥や異物を検出するための半導体ウエハ２の外観
検査などのように他の種々の被測定部材に形成された平
面的および立体的に位置関係の異なる複数の検出対象物
の検出装置に適用することが可能である。

【００８４】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下の通りである。

【００８５】(1).すなわち、本発明の相対位置検出技術
によれば、被測定部材に形成された基準マークや測定マ
ークといった複数の検出対象物の反射光を、焦点の異な
る複数の結像光路を介して光学像検出手段により結像さ
せているので、各検出対象物はベストフォーカスで撮像
され、得られた光学像は鮮明なものになる。したがっ
て、これらの光学像をベースにすることで、両者の正確
な平面的ずれ量を算出することができる。

【００８６】(2).これにより、検出対象物間の段差寸法
を問わず、つまり一方の検出対象物がたとえ焦点深度外
となった場合であっても、正確なずれ量を求めることが
可能になり、広範囲の段差に対応した高精度な測定が可
能となる。

【００８７】(3).また、ずれ量の測定中にステージを移
動させる必要がなくなり、高スループット、且つ高精度
の測定が実現できる。

【００８８】(4).したがって、これらのずれ量に従って
露光装置のアライメント修正を行うことで、重ね合わせ
精度の良好な露光処理を行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１による相対位置検出装置を示
す概略図である。

【図２】図１の相対位置検出装置による被測定部材であ
る半導体ウエハの要部断面図である。

【図３】図１の相対位置検出装置における第１の撮像素
子の配置と第２の撮像素子の配置とを示す説明図であ
る。

【図４】図１の相対位置検出装置に用いられたキャリブ
レーションマークの断面図である。

【図５】第１および第２の撮像素子により得られた光学
像を示す説明図であり、（ａ）は第１の撮像素子による
測定マーク像を、（ｂ）は第２の撮像素子による基準マ
ーク像をそれぞれ示す。

【図６】図５の光学像を圧縮して得られた信号波形を示
す説明図であり、（ａ）は測定マーク像の信号波形を、
（ｂ）は基準マーク像の信号波形をそれぞれ示す。

【図７】図４のキャリブレーションマークにおけるエッ
ジＸ₀−Ｘ₀'およびＸ_i−Ｘ_i' における信号波形を示
す説明図である。

【図８】図４のキャリブレーションマークにおけるエッ
ジと倍率変化との関係を示すグラフ図である。

【図９】図４のキャリブレーションマークにおけるエッ
ジとオフセット量との関係を示すグラフ図である。

【図１０】図４のキャリブレーションマークの製造方法
を示す説明図である。

【図１１】本発明の実施例２による相対位置検出装置に
おける対物レンズと結像レンズとの位置関係を示す説明
図である。

【図１２】本発明の実施例３による相対位置検出装置を
示す概略図である。

【図１３】図１２の相対位置検出装置に用いられた焦点
可変対物レンズにおける波長と焦点距離との関係を示す
グラフ図である。

【図１４】図１３の焦点可変対物レンズによる結像メカ
ニズムを示す説明図である。

【図１５】本発明の実施例４による相対位置検出装置を
示す概略図である。

【図１６】従来の相対位置検出装置を示す概略図であ
る。

【図１７】図１６の相対位置検出装置により得られた測
定マーク像と基準マーク像とを示す説明図である。

【図１８】図１７の測定マーク像と基準マーク像とから
得られた信号波形を示す説明図である。

【符号の説明】

１測定マーク（検出対象物）１ａ測定マーク像２半導体ウエハ（被測定部材）２ａ絶縁膜２ｂ絶縁膜３基準マーク（検出対象物）３ａ基準マーク像４ステージ５制御処理部６ａＸ駆動ステージ６ｂＹ駆動ステージ６ｃＺ駆動ステージ７照明系８ビームスプリッタ９対物レンズ１０結像レンズ１１ハーフミラー（光路分岐手段）１２第１の撮像素子１３第２の撮像素子１４カメラステージ１５キャリブレーションマーク１５ａ半導体基板１６ずれ量算出手段１７第１のマスク１８第２のマスク１９焦点可変対物レンズ２０ａ波長選択フィルタ（波長分類手段）２０ｂ波長選択フィルタ（波長分類手段）２１フィルタ保持具２１ａフィルタ保持具駆動部２２撮像素子２９焦点可変対物レンズ３０電圧印加部（電圧印加手段）３２撮像素子４１ａ測定マーク像４２半導体ウエハ４３ａ基準マーク像４５制御処理部４６ａＸ軸ステージ４６ｂＹ軸ステージ４６ｃＺ軸ステージ４７照明系４８ビームスプリッタ４９対物レンズ５０結像レンズ５２撮像素子Ｃ₁ 照明光Ｃ₂ 反射光Ｃ_2a 反射光Ｃ_2b 反射光Ｃ₁₁ 照明光Ｃ₁₂ 反射光Ｌ段差Ｓ₀ 信号波形Ｓ₁ 信号波形Ｓ₃ 信号波形Ｓ₄ 信号波形Ｓ_i 信号波形

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定部材に形成された平面的および立
体的に位置関係の異なる複数の検出対象物の相対位置を
検出する相対位置検出装置であって、前記被測定部材を支持するステージと、前記被測定部材に照明光を照射する照明系と、前記被測定部材からの反射光による前記複数の検出対象
物の光学像をそれぞれ焦点が異なる複数の結像光路を介
して結像させる光学像検出手段とを有することを特徴と
する相対位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の相対位置検出装置であっ
て、前記複数の検出対象物の光学像を比較して該検出対
象物相互間の平面的ずれ量を算出するずれ量算出手段を
有することを特徴とする相対位置検出装置。
【請求項３】被測定部材に形成された平面的および立
体的に位置関係の異なる基準マークと測定マークとの相
対位置を検出する相対位置検出装置であって、前記被測定部材を支持するステージと、前記被測定部材に照明光を照射する照明系と、前記被測定部材からの反射光を前記基準マークおよび前
記測定マークに対応した反射光に分岐する光路分岐手段
と、前記光路分岐手段により分岐された各反射光の結像位置
にそれぞれ設置され、少なくとも一つが光軸方向に移動
可能とされた複数の光学像検出手段と、複数の前記光学像検出手段によりそれぞれ得られた前記
基準マークと前記測定マークとの光学像を比較して前記
基準マークに対する前記測定マークの平面的ずれ量を算
出するずれ量算出手段とを有することを特徴とする相対
位置検出装置。
【請求項４】請求項３記載の相対位置検出装置であっ
て、前記被測定部材からの反射光が入射する対物レンズ
と前記光学像検出手段に光学像を結像させる結像レンズ
とは、双方のレンズの焦点距離の合計となる光学的距離
に配置されていることを特徴とする相対位置検出装置。
【請求項５】被測定部材に形成された平面的および立
体的に位置関係の異なる基準マークと測定マークとの相
対位置を検出する相対位置検出装置であって、前記被測定部材を支持するステージと、前記被測定部材に照明光を照射する照明系と、前記被測定部材からの反射光が入射し、この反射光の波
長によって焦点距離が変化する焦点可変対物レンズと、前記焦点可変対物レンズを通過した反射光を波長によっ
て前記基準マークおよび前記測定マークのそれぞれの反
射光に分類する複数の波長分類手段と、前記波長分類手段により個別に分類された前記基準マー
クおよび前記測定マークの反射光による光学像を順次結
像する光学像検出手段と、前記光学像検出手段により得られた前記測定マークと前
記基準マークとの光学像を比較して前記基準マークに対
する前記測定マークの平面的ずれ量を算出するずれ量算
出手段とを有することを特徴とする相対位置検出装置。
【請求項６】被測定部材に形成された平面的および立
体的に位置関係の異なる基準マークと測定マークとの相
対位置を検出する相対位置検出装置であって、前記被測定部材を支持するステージと、前記被測定部材に照明光を照射する照明系と、前記被測定部材からの反射光が入射し、印加電圧によっ
て焦点距離が変化する焦点可変対物レンズと、前記焦点可変対物レンズに対して前記基準マークおよび
前記測定マークからのそれぞれの反射光に対応した焦点
距離となる電圧を印加する電圧印加手段と、前記焦点可変対物レンズでそれぞれ焦点距離が合わされ
た前記基準マークおよび前記測定マークの反射光による
光学像を順次結像する光学像検出手段と、前記光学像検出手段により得られた前記測定マークと前
記基準マークとの光学像を比較して前記基準マークに対
する前記測定マークの平面的ずれ量を算出するずれ量算
出手段とを有することを特徴とする相対位置検出装置。
【請求項７】請求項３〜６のいずれか一項に記載の相
対位置検出装置であって、前記ずれ量算出手段は、前記
ステージに設置されて複数の段差を有するキャリブレー
ションマークに対し、前記基準マークと前記測定マーク
とのそれぞれの光学像と同一の結像光路で焦点が合う前
記キャリブレーションマークのそれぞれのエッジ位置か
ら各光学像相互間の倍率差または倍率差とオフセット量
を補正してずれ量を算出することを特徴とする相対位置
検出装置。
【請求項８】請求項７記載の相対位置検出装置であっ
て、前記キャリブレーションマークは、半導体基板に対
してｎ枚のフォトマスクを用いて順次露光、現像、エッ
チングを繰り返すことにより、２のｎ乗の段差数とされ
ていることを特徴とする相対位置検出装置。
【請求項９】平面的および立体的に異なる位置関係で
基準マークと測定マークとが形成された被測定部材をス
テージに設置し、この被測定部材に照明光を照射し、前記被測定部材からの反射光を前記基準マークおよび前
記測定マークに対応した反射光に分岐し、分岐された各反射光による前記基準マークと前記測定マ
ークとの光学像を複数の光学像検出手段でそれぞれ結像
し、得られた各光学像を比較して前記基準マークに対する前
記測定マークの平面的ずれ量を算出することを特徴とす
る相対位置検出方法。
【請求項１０】平面的および立体的に異なる位置関係
で基準マークと測定マークとが形成された被測定部材を
ステージに設置し、この被測定部材に照明光を照射し、波長により焦点距離が変化する焦点可変対物レンズに前
記被測定部材からの反射光を入射させて前記基準マーク
と前記測定マークのそれぞれの反射光に分類し、各反射光による前記基準マークと前記測定マークとの光
学像を順次光学像検出手段で結像し、得られた各光学像を比較して前記基準マークに対する前
記測定マークの平面的ずれ量を算出することを特徴とす
る相対位置検出方法。
【請求項１１】平面的および立体的に異なる位置関係
で基準マークと測定マークとが形成された被測定部材を
ステージに設置し、この被測定部材に照明光を照射し、印加電圧により焦点距離が変化する焦点可変対物レンズ
に対して前記基準マークと前記測定マークのそれぞれの
反射光に対応した光学像が結像する焦点距離となる電圧
を順次印加し、印加電圧によりそれぞれ焦点距離の合わされた各反射光
による前記基準マークと前記測定マークとの光学像を順
次光学像検出手段で結像し、得られた光学像を比較して前記基準マークに対する前記
測定マークの平面的ずれ量を算出することを特徴とする
相対位置検出方法。
【請求項１２】請求項２〜８のいずれか一項に記載の
相対位置検出装置を用いて半導体ウエハに形成された基
準マークと転写された測定マークとのずれ量を算出し、
このずれ量に従って露光装置におけるアライメントの修
正を行い、修正後に次の半導体ウエハに対して露光処理
を行うことを特徴とする露光方法。