JPH0934134A

JPH0934134A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH0934134A
Application number: JP7205307A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nakagawa; 正弘中川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-07-19
Filing date: 1995-07-19
Publication date: 1997-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】低段差のアライメントマークに対しても高い
コントラストを有するマーク像に基づいて高精度な位置
検出が可能なアライメント装置を提供すること。【構成】アライメントすべき基板上に形成されたアラ
イメントマークに照明光を照射するための照明光学系
と、照明光に対するアライメントマークからの回折光を
対物レンズで集光してアライメントマーク像を形成する
ための結像光学系とを備え、アライメントマーク像の位
置情報に基づいてアライメントマークの位置を検出する
アライメント装置において、結像光学系の光路中におい
て、対物レンズの像側面と、アライメントマークからの
０次回折光と±１次回折光とが実質的に重なる位置との
間に配置され、回折光の位相振幅分布を変化させるため
の位相板をさらに備え、位相板を介して形成されたアラ
イメントマーク像の位置情報に基づいてアライメントマ
ークの位置を位相差検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアライメント装置に
関し、特に半導体ウエハや液晶ディスプレイ用プレート
等の基板に形成されたアライメントマークの位置を検出
して、基板のアライメント（位置合わせ）を行うアライ
メント装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子などを製造す
るための投影露光装置には、感光性基板としてのウエハ
（またはガラスプレート等）に形成されたアライメント
マークの位置を検出し、その位置情報に基づいて基板の
アライメントを行うアライメント装置が組み込まれてい
る。従来のこの種のアライメント装置として、たとえば
特開平４−６５６０３号公報や特開平４−２７３２４６
号公報等に開示されているように、いわゆる撮像方式の
アライメント装置が知られている。

【０００３】上述の公報等に開示された従来の撮像方式
のアライメント装置では、アライメントすべき基板上の
所定位置に形成されたアライメントマークを照明し、そ
の反射光に基づいてアライメントマークの像を結像光学
系を介して形成する。そして、形成された像の画像情報
に基づいて、具体的には画像信号を波形処理することに
より、アライメントマークの中心位置をひいては基板の
位置を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来のアライメント装置では、アライメントマー
クが低段差マークである場合、結像光学系を介して形成
されるマーク像のコントラストは低い。その結果、アラ
イメントマークの位置検出を、ひいては基板のアライメ
ントを高精度に行うことができないという不都合があっ
た。

【０００５】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、低段差のアライメントマークに対しても高い
コントラストを有するマーク像に基づいて高精度な位置
検出が可能なアライメント装置を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、アライメントすべき基板上に形
成されたアライメントマークに照明光を照射するための
照明光学系と、前記照明光に対する前記アライメントマ
ークからの回折光を対物レンズで集光してアライメント
マーク像を形成するための結像光学系とを備え、前記ア
ライメントマーク像の位置情報に基づいて前記アライメ
ントマークの位置を検出するアライメント装置におい
て、前記結像光学系の光路中において、前記対物レンズ
の像側面と、前記アライメントマークからの０次回折光
と±１次回折光とが実質的に重なる位置との間に配置さ
れ、前記回折光の位相振幅分布を変化させるための位相
板をさらに備え、前記位相板を介して形成された前記ア
ライメントマーク像の位置情報に基づいて前記アライメ
ントマークの位置を位相差検出することを特徴とするア
ライメント装置を提供する。

【０００７】本発明の好ましい態様によれば、前記位相
板は、前記０次回折光と±１次回折光との間に前記照明
光の波長の１／４の位相差を付与するための位相膜と、
前記０次回折光の振幅を低減させるための吸収膜とを有
する。また、前記位相板は、前記結像光学系の光路に対
して挿脱自在に設けられており、前記アライメントマー
クを明視野検出する際には、前記位相板を前記結像光学
系の光路外の位置に退避させて前記アライメントマーク
像を検出し、前記アライメントマークを位相差検出する
際には、前記位相板を前記結像光学系の光路に挿入して
前記位相板を介して形成された前記アライメントマーク
像を検出する。また、本発明の別の態様によれば、前記
結像光学系に対する前記基板の合焦情報を検出するため
の合焦検出光学系をさらに備え、前記合焦検出光学系
は、前記結像光学系の物体面にほぼ共役な位置に配置さ
れたＡＦマークに基づいて前記基板上にＡＦマーク像を
形成するためのＡＦマーク像形成手段と、前記ＡＦマー
ク像からの光を前記対物レンズおよび前記位相板を介し
た後に前記結像光学系の光路から分岐するための光分割
手段と、前記光分割手段を介して分岐された光に基づい
て前記基板の前記結像光学系に対する合焦情報を検出す
るための検出手段とを有し、前記位相板は、前記ＡＦマ
ーク像からの回折光に対して均一な位相振幅分布を有す
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】位相差顕微鏡では、低段差マーク
などのような観察物体の位相分布の小さい対象物を波長
λの照明光で照明する。そして、照明光に対する対象物
からの０次回折光（正反射光または透過光）と±１次回
折光との位相差をλ／４にして、対象物の位相分布を像
の強度分布に変換する。このとき、０次回折光の振幅を
弱めることにより、像のコントラストを高めることがで
きる。

【０００９】様々な対象物を扱う一般の位相差顕微鏡で
は、リング状の照明開口絞りを用いており、この照明開
口絞りと対物レンズの後側（像側）焦点面とが光学的に
ほぼ共役である。そして、対物レンズの後側（像側）焦
点面の近傍に配置された位相板は、照明開口絞りの形状
に対応したリング状の吸収性位相膜を有する。そして、
照明光を十分に使って明るい像を形成し、且つ位相差像
に方向性が生じないようにしている。

【００１０】しかしながら、構造の粗い対象物の場合、
位相板上において０次回折光と±１次回折光との分離を
完全に行うことができず、像のエッジにハロが生じる。
また、照明開口絞りと位相板との位置合わせが正確でな
いと、位相差像に方向性が生じることになる。この位相
板を配置すべき位置、すなわち対物レンズの後側焦点面
位置は、通常、対物レンズの内部にある。当然、照明開
口絞りと位相板との位置合わせのためには、位相板が対
物レンズの外部にあるのが望ましい。しかしながら、対
物レンズの後側焦点面が対物レンズの外部に位置するよ
うに設計することは困難である。

【００１１】本発明のアライメント装置が主として検出
対象とするアライメントマークは、たとえば周期性が数
μｍと小さく、マーク領域も１００μｍ程度と小さい。
この場合、照明光の照明σ（アライメントすべき基板上
での結像開口数に対する照明開口数の比）を小さくする
だけで、照明開口絞りと光学的にほぼ共役な位置におい
て０次回折光と±１次回折光とが十分に分離する。

【００１２】また、照明開口絞りと光学的にほぼ共役な
位置から光軸に沿って像側にある程度間隔を隔てた位置
においても、光束の広がり角が小さいので、回折像はほ
とんどボケることがなく互いに分離する。したがって、
対物レンズの後側焦点面（通常は対物レンズ内）の近傍
やその共役位置に位相板を配置する必要はなく、対物レ
ンズよりも像側に間隔を隔てた結像光路中に位相板を配
置してもよい。さらに特定するならば、対物レンズの像
側面と、アライメントマークからの０次回折光と±１次
回折光とが実質的に重なるようになる所定位置との間の
結像光路中に位相板を配置することができる。

【００１３】このように、対物レンズよりも像側に間隔
を隔てた結像光路中に位相板を配置することにより、対
物レンズ内に位置決めされている場合には困難であった
位相板の着脱や交換が容易になる。また、位相板の光軸
に対する位置調整も正確に行うことが可能になる。さら
に、落射照明の場合、照明光学系と結像光学系との分岐
位置よりも像面側に位相板を配置することにより、照明
光の光量を位相板により損失することなく、０次回折光
の振幅を位相板により低減してマーク像のコントラスト
を高めることができる。

【００１４】また、対物レンズの後側焦点面とほぼ共役
な位置に位相板を配置しようとすると、通常その共役な
位置はアライメントマークの拡大像よりも像側の結像光
路中の位置になる。この位置では、回折像は縮小投影さ
れて回折像同志の間隔が小さくなるとともに、瞳の収差
が発生して回折像はかなりボケたものとなる。また、位
相膜の作用によるマーク像にはハロが生じ易い他、位相
膜の光軸に対する位置調整が微妙で困難になる。

【００１５】なお、開口形状の異なる照明開口絞りや位
相振幅分布の異なる位相板を多種類用意し、検出するマ
ークの周期や反射率等に応じて適当な照明開口絞りや位
相板を自動的に交換することができるようにすれば、常
に最適な光量とコントラストとを有するマーク像を得る
ことができる。なお、低段差マークでない通常のマーク
の場合には、位相板を光路から取り外して明視野検出を
行えばよい。また、照明開口絞りや結像開口絞りを位相
板と光学的にほぼ共役な位置に配置することにより、さ
らにコントラストの高いマーク像を得ることができる。

【００１６】次に、位相差検出に最適なＴＴＬ（スルー
・ザ・レンズ）方式のＡＦ（オートフォーカス）手法に
ついて説明する。照明光学系の光路中において、結像光
学系の物体面（対物レンズの前側焦点面）と光学的にほ
ぼ共役な位置に配置したＡＦマーク（通常は明暗パター
ン）からの光は、基板上にＡＦマーク像を形成する。Ａ
Ｆマーク像からの光は、対物レンズおよび位相板を介し
た後、アライメントマーク像形成位置よりも基板側の光
路中において分岐され、ＡＦマーク二次像を再形成す
る。こうして再形成されたＡＦマーク二次像のコントラ
ストや横ずれ等に応じたＡＦ信号に基づいて、結像光学
系の光軸方向に沿った基板の位置情報を検出する。

【００１７】検出した基板の位置情報に基づいて、基板
を結像光学系の光軸方向に沿って適宜移動させて、アラ
イメントマークを対物レンズの前側（物体側）焦点位置
に合致させ、ひいては結像光学系に合焦させることがで
きる。位相板上の位相振幅分布がＡＦマークの計測方向
に対して均一であれば、明視野検出から位相差検出へと
切り換えて位相板が光路中に挿入されても、基板上に形
成されたＡＦマーク像からの０次回折光や±１次回折光
との間には位相差が生じない。その結果、ＡＦマーク二
次像のコントラストが悪化することなく、高精度なオー
トフォーカスを行うことができる。

【００１８】以下、本発明の実施例を、添付図面に基づ
いて説明する。図１は、本発明の第１実施例にかかるア
ライメント装置の構成を概略的に示す図である。なお、
本実施例は、投影露光装置用のアライメント装置に本発
明を適用した例である。図１では、投影露光装置の投影
光学系ＰＬの光軸に対して平行にＺ軸が、光軸に垂直な
平面内において図１の紙面に平行な方向にＸ軸が、Ｚ軸
およびＸ軸に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ設定されてい
る。

【００１９】図示の投影露光装置は、適当な露光光でレ
チクルＲを均一に照明するための露光用照明光学系（不
図示）を備えている。レチクルＲはレチクルステージ１
上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されており、その
パターン領域ＰＡには転写すべき回路パターンが形成さ
れている。レチクルＲを透過した光は、投影光学系ＰＬ
を介して感光基板であるウエハ（またはガラスプレー
ト）Ｗに達し、ウエハＷ上にはレチクルＲのパターン像
が形成される。

【００２０】なお、ウエハＷは、ウエハホルダ２１を介
してＺステージ２２上においてＸＹ平面とほぼ平行に支
持されている。Ｚステージ２２は、ステージ制御系２４
によって、投影光学系ＰＬの光軸に沿って駆動されるよ
うになっている。Ｚステージ２２はさらに、ＸＹステー
ジ２３上に支持されている。ＸＹステージ２３は、同じ
くステージ制御系２４によって、投影光学系ＰＬの光軸
に対して垂直なＸＹ平面内において二次元的に駆動され
るようになっている。

【００２１】投影露光の際には、パターン領域ＰＡとウ
エハＷ上の各露光領域とを光学的に位置合わせ（アライ
メント）する必要がある。そこで、ウエハＷ上に形成さ
れたアライメント用の段差マークすなわちウエハマーク
ＷＭの基準座標系における位置を検出し、その位置情報
に基づいてアライメントが行われる。このように、ウエ
ハマークＷＭの位置を検出してアライメントを行うの
に、本発明のアライメント装置が使用される。なお、ウ
エハマークＷＭは、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ周期
性を有する互いに独立した２つの一次元マークであって
もよいし、Ｘ方向およびＹ方向に周期性を有する二次元
マークであってもよい。

【００２２】図１に示す第１実施例のアライメント装置
は、照明光（アライメント光ＡＬ）を供給するために、
たとえばハロゲンランプのような光源３を備えている。
光源３からの光は、たとえば光ファイバーのようなライ
トガイド４を介して所定位置まで導かれる。ライトガイ
ド４の射出端から射出された照明光は、必要に応じて照
明開口絞り２７で制限された後、適当な断面形状を有す
る照明光束となってコンデンサーレンズ２９に入射す
る。

【００２３】コンデンサーレンズ２９を介したアライメ
ント光ＡＬは、一旦集光された後、照明視野絞り（不図
示）を介して照明リレーレンズ５に入射する。照明リレ
ーレンズ５を介して平行光となったアライメント光ＡＬ
は、ハーフプリズム６を透過した後、第１対物レンズ７
に入射する。第１対物レンズ７で集光されたアライメン
ト光ＡＬは、反射プリズム８の反射面で図中下方に反射
された後、ウエハＷ上に形成されたアライメントマーク
であるウエハマークＷＭを照明する。

【００２４】このように、光源３、ライトガイド４、照
明開口絞り２７、コンデンサーレンズ２９、照明視野絞
り（不図示）、照明リレーレンズ５、ハーフプリズム
６、第１対物レンズ７、および反射プリズム８は、ウエ
ハマークＷＭに照明光を照射するための照明光学系を構
成している。

【００２５】照明光に対するウエハマークＷＭからの反
射光は、反射プリズム８および第１対物レンズ７を介し
て、ハーフプリズム６に入射する。ハーフプリズム６で
図中上方に反射された光は、位相板３０、第２対物レン
ズ１１を介して、指標板１２上にウエハマークＷＭの像
を形成する。指標板１２を介した光は、リレーレンズ系
（１３，１４）を介して、ＸＹ分岐ハーフプリズム１５
に入射する。そして、ＸＹ分岐ハーフプリズム１５で反
射された光はＹ方向用ＣＣＤ１６に、ＸＹ分岐ハーフプ
リズム１５を透過した光はＸ方向用ＣＣＤ１７に入射す
る。なお、リレーレンズ系（１３，１４）の平行光路中
には、結像開口絞り３１が配置されている。

【００２６】このように、反射プリズム８、第１対物レ
ンズ７、ハーフプリズム６、位相板３０、第２対物レン
ズ１１、指標板１２、リレーレンズ系（１３，１４）、
結像開口絞り３１およびハーフプリズム１５は、照明光
に対するウエハマークＷＭからの反射光に基づいてマー
ク像を形成するための結像光学系を構成している。ま
た、Ｙ方向用ＣＣＤ１６およびＸ方向用ＣＣＤ１７は、
結像光学系を介して形成されたマーク像を検出するため
の像検出手段を構成している。

【００２７】こうして、Ｙ方向用ＣＣＤ１６およびＸ方
向用ＣＣＤ１７の撮像面には、マーク像が指標板１２の
指標パターン像とともに形成される。Ｙ方向用ＣＣＤ１
６およびＸ方向用ＣＣＤ１７からの出力信号は、信号処
理系１８に供給される。さらに、信号処理系１８におい
て信号処理（波形処理）により得られたウエハマークＷ
Ｍの位置情報は、主制御系２５に供給される。

【００２８】主制御系２５は、信号処理系１８からのウ
エハマークＷＭの位置情報に基づいて、ステージ制御信
号をステージ制御系２４に出力する。ステージ制御系２
４は、ステージ制御信号にしたがってＸＹステージ２３
を適宜駆動し、ウエハＷのアライメントを行う。なお、
主制御系２５には、たとえばキーボードのような入力手
段２６を介して、照明開口絞り２７に対する指令や位相
板３０に対する指令が供給される。主制御系２５は、こ
れらの指令に基づき、駆動系２８を介して照明開口絞り
２７を駆動し、照明光の照明開口形状を所望の形状に規
定する。また、駆動系３２を介して位相板３０を駆動
し、光路に対する位相板３０の切り換えを行う。

【００２９】まず、通常の高さを有する段差マークの明
視野検出動作について説明する。通常の高さを有する段
差マークに対しては、キーボード２６を介して駆動系２
８および３２に指令を送り、照明開口絞り２７および位
相板３０をそれぞれ光路から退避させる。すなわち、ラ
イトガイド４の射出端が照明開口絞りを兼ねることにな
る。

【００３０】ライトガイド４の射出端から射出された照
明光は、コンデンサーレンズ２９を介して照明視野絞り
（不図示）を照明する。この照明視野絞りを介した照明
光ＡＬは、照明リレーレンズ５、ハーフプリズム６、第
１対物レンズ７、および反射プリズム８を介して、ウエ
ハＷ上のウエハマークＷＭを落射照明する。なお、ライ
トガイド４の射出面と第１対物レンズ７の後側焦点面Ｂ
Ｆとは光学的にほぼ共役である。したがって、第１対物
レンズ７の後側焦点面ＢＦには、ライトガイド４の射出
端の共役像が形成されている。

【００３１】照明光に対するウエハマークＷＭからの回
折光は、反射プリズム８、第１対物レンズ７、ハーフプ
リズム６、第２対物レンズ１１を介して、指標板１２上
にマーク像を形成する。指標板１２を介した光は、第１
リレーレンズ１３、結像開口絞り３１、第２リレーレン
ズ１４およびＸＹ分岐ハーフプリズム１５を介して、Ｙ
方向用ＣＣＤ１６およびＸ方向用ＣＣＤ１７に入射す
る。こうして、Ｙ方向用ＣＣＤ１６およびＸ方向用ＣＣ
Ｄ１７の撮像面には、マーク像が指標板１２の指標パタ
ーン像とともに形成される。なお、結像開口絞り３１
は、ライトガイド４の射出面および第１対物レンズ７の
後側焦点面ＢＦと光学的にほぼ共役な位置に位置決めさ
れている。

【００３２】Ｙ方向用ＣＣＤ１６およびＸ方向用ＣＣＤ
１７からの出力信号は、信号処理系１８に供給される。
さらに、信号処理系１８において信号処理（波形処理）
により得られたウエハマークＷＭの位置情報は、主制御
系２５に供給される。主制御系２５は、信号処理系１８
からのウエハマークＷＭの位置情報に基づいて、ステー
ジ制御信号をステージ制御系２４に出力する。ステージ
制御系２４は、ステージ制御信号にしたがってＸＹステ
ージ２３を適宜駆動し、ウエハＷのアライメントを行
う。

【００３３】次に、たとえば数十ｎｍ以下の高さを有す
る低段差マークの位相差検出動作について説明する。図
２は、低段差マーク像の検出信号を示す図であって、
（ａ）は低段差マークを明視野検出した場合の検出信号
を、（ｂ）は低段差マークを位相差検出した場合の検出
信号をそれぞれ示している。図２に示すように、明視野
検出ではマーク像のコントラストが低く、検出が非常に
困難である。一方、位相差検出によれば、マーク像のコ
ントラストが高く、高精度な検出が可能となる。

【００３４】そこで、低段差マークに対しては、キーボ
ード２６を介して駆動系２８に指令を送り、ライトガイ
ド４の射出端よりもアライメントマーク側（ウエハＷ
側）の光路中に照明開口絞り２７を挿入させる。そし
て、照明光束が明視野検出の際の照明σよりも小さな所
定の照明σを有するように、照明開口絞り２７の開口形
状を規定する。また、キーボード２６を介して駆動系３
２に指令を送り、ハーフプリズム６と第２対物レンズ１
１との間の光路中の所定位置に位相板３０を挿入させ
る。位相板３０の挿入位置は、第１対物レンズの像側面
と、ウエハマークＷＭからの０次回折光と±１次回折光
とが実質的に重なるようになる所定位置との間である。

【００３５】なお、位相板３０は、照明開口絞り２７と
光学的にほぼ共役に位置決めされているのが好ましい。
ここで、２次光源である照明開口絞り２７がライトガイ
ド４の射出端よりもアライメントマーク側に位置するこ
とにより、照明光学系の物体側テレセントリック性が崩
れる。しかしながら、ウエハマークＷＭのベストフォー
カス位置は常に一定であるため、特に問題はない。

【００３６】図３は、位相板上における回折光の分布お
よび位相振幅分布を示す図である。図３（ａ）では、位
相板３０上においてウエハマークＷＭからの０次回折像
が形成される領域をカバーする領域には吸収性位相膜３
０ａが形成されている。一方、図３（ｂ）では、位相板
３０上においてウエハマークＷＭからの０次回折像が形
成される領域をカバーする領域には吸収膜３０ｂが形成
されている。また、ウエハマークＷＭからの±１次回折
像が形成される領域をカバーする領域にはそれぞれ位相
膜３０ｃが形成されている。

【００３７】こうして、位相板３０において０次回折光
と±１次回折光との位相差をλ／４（λは照明光の波
長）にするとともに０次回折光の振幅を弱めることによ
り、マーク像のコントラストを高めることができる。ま
た、第１実施例では、照明光学系と結像光学系との分岐
位置（ハーフプリズム６の分割面）よりも像側に位相板
３０を配置することにより、照明光の光量を位相板３０
により損失することなく、０次回折光の振幅を位相板３
０により低減してマーク像のコントラストを高めること
ができる。

【００３８】図４（ａ）〜（ｃ）および図５（ａ）〜
（ｄ）は、図中左側から、位相差検出に用いる様々な照
明開口絞りの形状、対応する位相板の位相膜配置、およ
び対応する位相板上での回折光分布をそれぞれ示す図で
ある。なお、図５（ｃ）および（ｄ）では、対応する位
相板上での回折光分布の図示を省略している。図４
（ａ）に示すような一般のリング照明では、位相板上に
おいて、０次回折光と±１次回折光とが重なり、ハロを
伴ったマーク像しか得ることはできない。

【００３９】図４（ｂ）および（ｃ）に示すように照明
σ値の小さい照明開口絞りを用いることにより、位相板
上において０次回折光と±１次回折光とを完全に分離す
ることができ、コントラストの高いマーク像を得ること
ができる。なお、図４（ｂ）の照明開口絞りおよび位相
板は周期の比較的大きい低段差マークに、図４（ｃ）の
照明開口絞りおよび位相板は周期の比較的小さい低段差
マークに適している。

【００４０】さらに位相差検出精度を向上させるため
に、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、小さな開口部が
多数設けられた照明開口絞りを用いることもできる。こ
の場合、長周期のアライメントマークであっても０次回
折光と±１次回折光とを空間的に完全に分離して、コン
トラストの高いマーク像を得ることができる。さらに、
開口部を多数配設することにより、光量の高いマーク像
を得ることができるとともに、コヒーレンシーの低い照
明光によりマーク像の乱れを低減することができる。な
お、開口部を多数配設する場合、１つの開口部を通過し
た照明光による±１次回折光と他の開口部を通過した照
明光による０次回折光とが位相板上で空間的に分離され
ているのが好ましい。

【００４１】図６は、本発明の第２実施例にかかるアラ
イメント装置の構成を概略的に示す図である。なお、第
２実施例のアライメント装置は第１実施例のアライメン
ト装置と類似の構成を有する。しかしながら、第２実施
例では、照明開口絞りや位相板の種類が選択可能なよう
に構成されている点および結像開口絞りが第１結像開口
絞りと第２結像開口絞りとで構成されている点が第１実
施例と基本的に異なる。図６において、第１実施例の要
素と同様の機能を有する要素には、図１と同じ参照符号
を付している。以下、第１実施例との相違点に着目して
第２実施例を説明する。

【００４２】第２実施例では、図６に示すように、駆動
系２８を介して照明開口絞り２７の開口径を変化させる
ようにしてもよい。しかしながら、図７（ａ）に示すよ
うに、全開放開口６０やリング状開口６１や小開口６２
や多数小開口６３を選択可能なターレット式の照明開口
絞り２７にするのが有効である。この場合、明視野検出
に際して全開放開口６０が選択され、位相差検出に際し
て各開口６１〜６３から低段差マークの周期や反射率等
に適した開口が選択される。

【００４３】一方、位相板５０についても、図６に示す
ようなスライド式や図７（ｂ）に示すようなターレット
式で駆動系５１を介して位相膜配置を選択する構成が有
効である。図６に示すスライド式の場合、明視野検出に
際して位相板５０は光路から退避される。また、図７
（ｂ）に示すターレット式の場合、明視野検出に際して
位相板５０の全開放開口６４が選択される。位相差検出
に際しては、照明開口絞り２７において選択された照明
開口６１〜６３に対応した位相分布６５〜６７がそれぞ
れ選択される。

【００４４】このように、照明開口形状や位相分布の種
類は、検出方式（明視野検出あるいは位相差検出）およ
び検出すべきアライメントマークの周期や反射率等に応
じて、キーボード２６および主制御径２５を介して選択
される。なお、マーク像におけるハロの低減等の観点か
ら、結像開口絞りの位置および照明開口絞りの位置は、
位相板と光学的にほぼ共役であることが望ましい。そこ
で、図６においてライトガイド４の射出端よりもマーク
側に配置された照明開口絞り２７とほぼ共役な位置に、
位相板５０を配置している。この位相板５０の挿入位置
は、第１対物レンズ７の像側面よりも像側にあり、特に
図６においてはハーフプリズム６よりも像側にある。

【００４５】一方、位相差検出に切り換わったときに結
像開口絞りと位相板５０との共役関係を確保するため
に、明視野検出用の第１結像開口絞り５２と位相差検出
用の第２結像開口絞り５３とを設けている。すなわち、
駆動系５４を介して、明視野検出に際しては第１結像開
口絞り５２が、位相差検出に際しては第２結像開口絞り
５３が選択されて光路中に挿入される。第１結像開口絞
り５２の挿入位置は、第１対物レンズ７の後側焦点位置
ＢＦおよびライトガイド４の射出端（２次光源位置）と
光学的にほぼ共役である。また、第２結像開口絞り５３
の挿入位置は、位相板５０および照明開口絞り２７と光
学的にほぼ共役である。

【００４６】図８は、２つの結像開口絞りを用いること
なく、位相差検出の際にも１つの結像開口絞りで位相板
との共役関係を確保する方法を示す図である。図８
（ａ）に示す方法では、１つの可動結像開口絞り７０を
駆動系５４により光軸に沿って駆動する。そして、明視
野検出に際しては可動結像開口絞り７０を図中破線で示
す位置、すなわち第１対物レンズ７の後側焦点位置ＢＦ
およびライトガイド４の射出端（２次光源位置）と光学
的にほぼ共役な位置まで移動させる。また、位相差検出
に際しては可動結像開口絞り７０を図中実線で示す位
置、すなわち位相板５０および照明開口絞り２７と光学
的にほぼ共役な位置まで移動させる。

【００４７】一方、図８（ｂ）に示す方法では、検出方
式に応じて、位相板５０または等倍アフォーカル系７１
を選択的に光路中に挿入する。すなわち、明視野検出に
際しては、照明開口絞り２７を光路から退避させるとと
もに、等倍アフォーカル系７１を光路中に挿入する。こ
うして、図９（ａ）に示すように、結像開口絞り８０が
第１対物レンズ７の後側焦点位置ＢＦおよびライトガイ
ド４の射出端（２次光源位置）と光学的に共役となる。

【００４８】また、位相差検出に際しては、照明開口絞
り２７の形状を適宜設定するとともに、等倍アフォーカ
ル系７１を光路から退避させて位相板５０を第２対物レ
ンズ１１の前側（ウエハ側）焦点面に挿入する。こうし
て、図９（ｂ）に示すように、結像開口絞り８０が位相
板５０および照明開口絞り２７と光学的にほぼ共役にな
る。こうして、キーボード２６を介した指令により位相
板５０または等倍アフォーカル系７１を選択的に光路中
に挿入する機構を用いることによって、位相差検出に際
しても１つの結像開口絞り８０で位相板５０との共役関
係を確保することができる。

【００４９】図１０は、本発明の第３実施例にかかるア
ライメント装置の構成を概略的に示す図である。なお、
第３実施例のアライメント装置は第１実施例のアライメ
ント装置と類似の構成を有する。しかしながら、第３実
施例では、結像光学系に対するウエハＷ（ウエハマーク
ＷＭ）の合焦情報を検出するためのＡＦ系が組み込まれ
ている点だけが第１実施例と基本的に異なる。図１０に
おいて、第１実施例の要素と同様の機能を有する要素に
は、図１と同じ参照符号を付している。以下、第１実施
例との相違点に着目して第３実施例を説明する。

【００５０】図１０では、ＡＦマーク（通常は明暗パタ
ーン）が形成されたＡＦマーク板９０が照明光学系中に
配置されている。そして、ＡＦマークは、結像光学系の
物体面（すなわち第１対物レンズ７の前側焦点面）と光
学的にほぼ共役な位置に形成されている。したがって、
ＡＦマークを介した照明光は、ウエハＷ上にＡＦマーク
像を形成する。位相差検出に際して、ウエハＷ上に形成
されたＡＦマーク像からの光は、第１対物レンズ７、ハ
ーフプリズム６および位相板３０介した後、ハーフミラ
ー９１に入射する。ハーフミラー９１で結像光学系の光
路から分岐された光は、遮光板９２で図中上側の光束が
遮られた後、集光レンズ９３に入射する。

【００５１】集光レンズ９３で集光された光は、光電変
換素子からなるＡＦセンサー９４上にＡＦマーク像を再
形成する。こうして、ＡＦセンサー９４上に形成された
ＡＦマーク像のコントラストや位置ずれ（横ずれ）等に
応じたＡＦ信号に基づいて、主制御系２５ではウエハＷ
（ひいてはウエハマークＷＭ）の結像光学系に対する合
焦情報を検出する。主制御系２５は、検出した合焦情報
に基づいてＺステージ２２を駆動して、ウエハＷを第１
対物レンズ７の前側焦点面に、すなわち結像光学系およ
び投影光学系ＰＬに対して自動的に合焦させることがで
きる。

【００５２】図１１は、ウエハ上に形成されたＸ方向ウ
エハマークＷＭｘとＡＦマーク像との関係を示す図であ
る。図１１に示すように、ウエハＷ上において第１対物
レンズ７の視野領域内の中央には、Ｘ方向ウエハマーク
ＷＭｘが形成されている。そして、図中破線で示すＡＦ
センサー９４の投影領域内において、ＡＦ計測方向に沿
ってＡＦマーク像が形成される。

【００５３】図１２は、位相板上における位相分布を示
す図である。図１２に示すように、位相板５０の中央に
は、ＡＦマーク像からの０次回折光１１１およびＸ方向
ウエハマークＷＭｘからの０次回折光１１２が入射す
る。また、光軸を中心としてＸ軸に沿って互いに離間し
た位置に、Ｘ方向ウエハマークＷＭｘの±１次回折光１
１３および１１４がそれぞれ入射する。さらに、光軸を
中心としてＡＦ計測方向に沿って互いに離間した位置
に、ＡＦマーク像からの±１次回折光１１５および１１
６がそれぞれ入射する。

【００５４】図１２に示すように、位相板５０には、Ｘ
方向ウエハマークＷＭｘの±１次回折光１１３および１
１４とＸ方向ウエハマークＷＭｘからの０次回折光１１
２との間にλ／４の位相差を付与するための位相膜１１
０が、ＡＦ計測方向に沿ってＡＦマーク像からの０次回
折光１１１並びに±１次回折光１１５および１１６をカ
バーするように形成されている。このように、位相分布
がＡＦ計測方向に沿って均一で、ＡＦマーク像からの０
次回折光１１１とＡＦマーク像からの±１次回折光１１
５および１１６との間には位相差が発生しないようにな
っている。

【００５５】図１３は、第３実施例のように位相分布が
ＡＦ計測方向に沿って均一でない場合におけるＡＦセン
サー上のＡＦマーク像の光強度分布を示す図である。図
１３中実線で示すように、明視野検出ではＡＦマーク像
のコントラストは高い。しかしながら、図１３中破線で
示すように、位相差検出ではＡＦマーク像からの０次回
折光と±１次回折光との間に位相差が発生するとＡＦマ
ーク像のコントラストが低下してしまう。

【００５６】第３実施例においては、明視野検出から位
相差検出に切り換えて位相板３０を光路中に挿入して
も、ＡＦマーク像からの０次回折光と±１次回折光との
間に位相差が発生することない。したがって、位相差検
出に切り換えて位相板３０を光路中に挿入しても、ＡＦ
センサー９０上において形成されるＡＦマーク像のコン
トラストが低下することがない。その結果、結像光学系
に対するウエハＷの合焦を高精度に行うことができ、ひ
いてはウエハマークＷＭの位相差検出を高精度に行うこ
とが可能になる。

【００５７】なお、上述の各実施例では、本発明のアラ
イメント装置を投影露光装置に適用した例を示したが、
アライメントすべき基板に形成された低段差マークの位
置検出に対して本発明を一般的に適用することが可能で
ある。

【００５８】

【効果】以上説明したように、本発明によれば、低段差
のアライメントマークに対しても、高いコントラストを
有するマーク像に基づいて、高精度な位置検出が可能な
アライメント装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかるアライメント装置
の構成を概略的に示す図である。

【図２】低段差マーク像の検出信号を示す図であって、
（ａ）は低段差マークを明視野検出した場合の検出信号
を、（ｂ）は低段差マークを位相差検出した場合の検出
信号をそれぞれ示している。

【図３】位相板上における回折光の分布および位相振幅
分布を示す図である。

【図４】図中左側から、位相差検出に用いる様々な照明
開口絞りの形状、対応する位相板の位相膜配置、および
対応する位相板上での回折光分布をそれぞれ示す図であ
る。

【図５】図中左側から、位相差検出に用いる様々な照明
開口絞りの形状、対応する位相板の位相膜配置、および
対応する位相板上での回折光分布をそれぞれ示す図であ
る。

【図６】本発明の第２実施例にかかるアライメント装置
の構成を概略的に示す図である。

【図７】ターレット式の照明開口絞りおよび位相板を示
す図である。

【図８】２つの結像開口絞りを用いることなく、位相差
検出の際にも１つの結像開口絞りで位相板との共役関係
を確保する方法を示す図である。

【図９】図８（ｂ）において等倍アフォーカル系７１ま
たは位相板５０が光路に挿入されたときの結像開口絞り
８０の共役関係を示す図である。

【図１０】本発明の第３実施例にかかるアライメント装
置の構成を概略的に示す図である。

【図１１】ウエハ上に形成されたＸ方向ウエハマークＷ
ＭｘとＡＦマーク像との関係を示す図である。

【図１２】位相板上における位相分布を示す図である。

【図１３】第３実施例のように位相分布がＡＦ計測方向
に沿って均一でない場合におけるＡＦセンサー上のＡＦ
マーク像の光強度分布を示す図である。

【符号の説明】

１レチクルステージ３光源４ライトガイド６ハーフプリズム７第１対物レンズ８反射プリズム１１第２対物レンズ１２指標板１５ＸＹ分岐ハーフプリズム１６、１７ＣＣＤ１８信号処理系２１ウエハホルダ２２Ｚステージ２３ＸＹステージ２４ステージ制御系２５主制御系２６キーボード２７照明開口絞り２８照明開口絞り用駆動系３０位相板３１結像開口絞り３２位相板用駆動系ＲレチクルＰＡパターン領域ＰＬ投影光学系ＷウエハＷＭウエハマーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｒ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アライメントすべき基板上に形成された
アライメントマークに照明光を照射するための照明光学
系と、前記照明光に対する前記アライメントマークから
の回折光を対物レンズで集光してアライメントマーク像
を形成するための結像光学系とを備え、前記アライメン
トマーク像の位置情報に基づいて前記アライメントマー
クの位置を検出するアライメント装置において、前記結像光学系の光路中において、前記対物レンズの像
側面と、前記アライメントマークからの０次回折光と±
１次回折光とが実質的に重なる位置との間に配置され、
前記回折光の位相振幅分布を変化させるための位相板を
さらに備え、前記位相板を介して形成された前記アライメントマーク
像の位置情報に基づいて前記アライメントマークの位置
を位相差検出することを特徴とするアライメント装置。
【請求項２】前記位相板は、前記０次回折光と±１次
回折光との間に前記照明光の波長の１／４の位相差を付
与するための位相膜と、前記０次回折光の振幅を低減さ
せるための吸収膜とを有することを特徴とする請求項１
に記載のアライメント装置。
【請求項３】前記位相板は、前記結像光学系の光路に
対して挿脱自在に設けられており、前記アライメントマークを明視野検出する際には、前記
位相板を前記結像光学系の光路外の位置に退避させて前
記アライメントマーク像を検出し、前記アライメントマークを位相差検出する際には、前記
位相板を前記結像光学系の光路に挿入して前記位相板を
介して形成された前記アライメントマーク像を検出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のアライメン
ト装置。
【請求項４】前記位相板は、前記照明光学系の光路中
に配置された照明開口絞りおよび前記結像光学系の光路
中に配置された結像開口絞りのうち少なくとも一方と光
学的にほぼ共役な位置において挿脱自在に配置されてい
ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記
載のアライメント装置。
【請求項５】前記照明開口絞りは、前記照明光学系の
光路中に選択的に挿入可能な複数の開口形状を有し、前記位相板は、前記照明開口絞りの複数の開口形状にそ
れぞれ対応し且つ前記結像光学系の光路中に選択的に挿
入可能な複数の位相振幅分布を有することを特徴とする
請求項４に記載のアライメント装置。
【請求項６】前記照明開口絞りの前記複数の開口形状
のうちの１つは、第１開口部と第２開口部とを有し、前記位相板の前記複数の位相振幅分布のうちの１つは、
前記第１開口部を通過した照明光による前記アライメン
トマークでの０次回折光と±１次回折光との間に位相差
を与えるための第１位相膜と、前記第２開口部を通過し
た照明光による前記アライメントマークでの０次回折光
と±１次回折光との間に位相差を与えるための第２位相
膜とを有し、前記第１および第２開口部と前記第１および第２位相膜
とは、前記第１および第２開口部を通過した照明光によ
る０次回折光同士が前記位相板上で空間的に分離される
とともに、前記第１開口部を通過した照明光による±１
次回折光と前記第２開口部を通過した照明光による０次
回折光とが前記位相板上で空間的に分離されるように設
けられていることを特徴とする請求項５に記載のアライ
メント装置。
【請求項７】前記結像開口絞りは、前記対物レンズの
後側焦点面と光学的にほぼ共役な位置において光路中に
挿入可能な第１結像開口絞りと、前記位相板と光学的に
ほぼ共役な位置において光路中に挿入可能な第２結像開
口絞りとを有し、前記結像開口絞りは、明視野検出に際しては前記第１結
像開口絞りを光路中に挿入し、位相差検出に際しては前
記第２結像開口絞りを光路中に挿入することを特徴とす
る請求項４乃至６のいずれか１項に記載のアライメント
装置。
【請求項８】前記結像開口絞りは、前記結像光学系の
光軸に沿って移動可能であり、明視野検出に際しては前
記対物レンズの後側焦点面と光学的にほぼ共役な位置に
移動し、位相差検出に際しては前記位相板と光学的にほ
ぼ共役な位置に移動することを特徴とする請求項４乃至
６のいずれか１項に記載のアライメント装置。
【請求項９】前記結像光学系の光路中の所定位置にお
いて光路中に挿入可能な等倍アフォーカル系をさらに備
え、前記結像開口絞りは、前記位相板と光学的にほぼ共役な
位置に固定され、前記位相板が光路中から取り外され且つ前記等倍アフォ
ーカル系が光路中に挿入された明視野検出状態におい
て、前記結像開口絞りは前記対物レンズの後側焦点面と
光学的にほぼ共役であることを特徴とする請求項４乃至
６のいずれか１項に記載のアライメント装置。
【請求項１０】前記結像光学系に対する前記基板の合
焦情報を検出するための合焦検出光学系をさらに備え、前記合焦検出光学系は、前記結像光学系の物体面にほぼ共役な位置に配置された
ＡＦマークに基づいて前記基板上にＡＦマーク像を形成
するためのＡＦマーク像形成手段と、前記ＡＦマーク像からの光を前記対物レンズおよび前記
位相板を介した後に前記結像光学系の光路から分岐する
ための光分割手段と、前記光分割手段を介して分岐された光に基づいて前記基
板の前記結像光学系に対する合焦情報を検出するための
検出手段とを有し、前記位相板は、前記ＡＦマーク像からの回折光に対して
均一な位相振幅分布を有することを特徴とする請求項１
乃至３のいずれか１項に記載のアライメント装置。
【請求項１１】前記ＡＦマークは、前記照明光学系の
光路中に配置されていることを特徴とする請求項１０に
記載のアライメント装置。