JPH096017A

JPH096017A - アライメント装置

Info

Publication number: JPH096017A
Application number: JP7179370A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nakagawa; 正弘中川; Ayako Sugaya; 綾子菅谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 1997-01-10

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
するマークからの反射光に基づいてマーク像を形成する
ための結像光学系と、マーク像を検出するための像検出
手段と、該像検出手段で検出されたマーク像の位置情報
に基づいてマークの位置を検出するためのマーク位置検
出手段とを備えたアライメント装置において、像検出手
段で検出されるマーク像のフォーカス状態を制御するた
めのフォーカス制御手段をさらに備え、マーク位置検出
手段は、第１のデフォーカス状態におけるマーク像の第
１位置情報と、第１のデフォーカス状態とは実質的に異
なる第２のデフォーカス状態におけるマーク像の第２位
置情報とに基づいて、マークの位置を検出する。

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４−６
５６０３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マーク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と、前記マー
ク像を検出するための像検出手段と、該像検出手段で検
出された前記マーク像の位置情報に基づいて前記マーク
の位置を検出するためのマーク位置検出手段とを備えた
アライメント装置において、前記像検出手段で検出され
る前記マーク像のフォーカス状態を制御するためのフォ
ーカス制御手段をさらに備え、前記マーク位置検出手段
は、第１のデフォーカス状態における前記マーク像の第
１位置情報と、前記第１のデフォーカス状態とは実質的
に異なる第２のデフォーカス状態における前記マーク像
の第２位置情報とに基づいて、前記マークの位置を検出
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、前記アラ
イメント装置は、前記マークとして低段差マークを検出
するものであって、前記第１および第２のデフォーカス
状態におけるマーク像のコントラストは、ベストフォー
カス状態におけるマーク像のコントラストよりも実質的
に大きい。

【０００８】

【作用】所定方向に沿ってピッチＰで周期的に形成され
た段差マークを波長λの照明光で照明する場合、段差マ
ークからの一次回折光の回折角θは、次の式（１）で表
される。 θ＝λ／Ｐ（１）ここで、たとえば段差マークを結像光学系の光軸に沿っ
てΔＺだけ移動させてマーク像のデフォーカス状態を形
成したとき、段差マークからの０次光（正反射光）と一
次回折光との位相ずれΔＷは、次の式（２）で表され
る。 ΔＷ＝θ²ΔＺ／２＝λ²ΔＺ／（２Ｐ²）（２）

【０００９】位相差顕微鏡の原理から明らかなように、
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
が最大になる条件は、０次光と一次回折光との位相ずれ
ΔＷがλ／４になることである。すなわち、デフォーカ
ス量ΔＺが次の式（３）に示す関係を満たすときに、マ
ーク像のコントラストが最大になる。 ΔＺ＝Ｐ²／（２λ²）（３）

【００１０】なお、形成されるマーク像の光量を充分確
保するためには、照明光の照明σ（ウエハ上での結像開
口数に対する照明開口数の比）がある程度大きくインコ
ヒーレント照明に近い方が良い。しかしながら、所定以
上の照射角度を有する照明光でマークを照射すると、得
られる０次光および一次回折光に対して上述の最大コン
トラストのための位相条件は成立しなくなり、コントラ
ストの低いマーク像しか得られなくなってしまう。した
がって、低段差マークの形状や反射率特性に応じて、照
明開口状態およびデフォーカス量を適当に設定する必要
がある。

【００１１】通常、段差マークのピッチＰは数μｍであ
るから、最大コントラストのマーク像を得るには、数十
μｍのデフォーカス量ΔＺが必要となる。しかしなが
ら、たとえばマークを結像光学系の光軸に対して移動さ
せてデフォーカス状態を形成する際、光学系の調整状態
およびマークの非対称性等によるテレセントリック性の
ずれ（結像光学系の光軸に対するマークからの反射光の
傾き）があると、デフォーカスに伴いマーク像の位置ず
れが発生する。すなわち、マーク像のコントラストが高
くなるようにデフォーカス状態を形成しても、このデフ
ォーカス状態におけるマーク像の位置情報に対してテレ
セントリック性のずれの影響を補正しなければ、マーク
像の位置情報だけに基づいて求められたマーク位置には
検出誤差が発生する。

【００１２】そこで、本発明では、たとえば低段差マー
クに対して、ベストフォーカス状態よりも高いコントラ
ストが得られる第１のデフォーカス状態においてマーク
像の第１位置情報を検出する。また、同じくベストフォ
ーカス状態よりも高いコントラストが得られる第２のデ
フォーカス状態においてマーク像の第２位置情報を検出
する。こうして、本発明によれば、互いに異なる２つの
デフォーカス状態におけるマーク像の第１位置情報と第
２位置情報とに基づき、第１のデフォーカス状態および
第２のデフォーカス状態に伴うテレセントリック性のず
れの影響を補正して、マークの位置を高精度に検出する
ことができる。

【００１３】

【実施例】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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、メカ絞り等の照
明開口状態規定手段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。

【００１８】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上に形成されたウエハマークＷＭを
照明する。

【００１９】このように、光源３、ライトガイド４、照
明開口状態規定手段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。

【００２０】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、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。
このマーク像からの光は、リレーレンズ系（１３，１
４）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１
５を透過した光はＸ方向用ＣＣＤ１７に入射する。

【００２１】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、第２対物レンズ１１、指標
板１２、リレーレンズ系（１３，１４）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。

【００２２】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。

【００２３】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、照明開口状態規定手段２７に対する設
定指令が供給される。主制御系２５は、この設定指令に
基づき、駆動系２８を介して照明開口状態規定手段２７
を駆動し、照明光の照明開口状態を所望の状態に規定す
る。

【００２４】通常の高さを有する段差マークに対して
は、照明開口状態規定手段２７により規定される照明光
束ができるだけ大きな照明σを有するように、キーボー
ド２６を介して指令する。また、第１対物レンズ７のウ
エハ側焦点面にすなわち結像光学系の物体面にウエハマ
ークＷＭを位置決めする。こうして、Ｙ方向用ＣＣＤ１
６およびＸ方向用ＣＣＤ１７の撮像面には、マーク像が
ベストフォーカス状態（合焦状態）で形成される。そし
て、このマーク像に基づいて、たとえばＥＧＡ（エンハ
ンストグローバルアライメント）の手法によりウエ
ハマークＷＭの位置検出を行う。なお、ＥＧＡの手法に
ついては、特開昭６１−４４４２９号公報や特開昭６２
−８４５１６号公報に詳述されているので、本明細書に
おける詳細な説明を省略する。

【００２５】一方、たとえば数十ｎｍ以下の高さを有す
る低段差マークに対しては、照明開口状態規定手段２７
により規定される照明光束ができるだけ小さな照明σを
有するように、キーボード２６を介して指令する。ま
た、第１対物レンズ７のウエハ側焦点面すなわち結像光
学系の物体面から結像光学系の光軸ＡＸに沿って所定距
離（デフォーカス量）だけウエハマークＷＭを位置ずれ
させる。この場合、Ｙ方向用ＣＣＤ１６およびＸ方向用
ＣＣＤ１７の撮像面には、マーク像がデフォーカス状態
で形成される。

【００２６】図２は、低段差ウエハマークＷＭに対する
デフォーカス状態およびベストフォーカス状態における
マーク像の光強度分布を示す図である。なお、（ａ）は
低段差ウエハマークＷＭの断面を示している。図示のウ
エハマークＷＭは、たとえばＸ方向に沿ってピッチＰで
交互に形成された谷部分（Ｓ）と山部分（Ｌ）とからな
る周期性マークである。

【００２７】一方、（ｂ）は、ウエハマークＷＭが光軸
ＡＸに沿って焦点面からΔＺだけ図１中上方に移動した
デフォーカス状態（Ｚ＝ΔＺ）すなわち後ピン状態にお
けるマーク像の光強度分布を示している。また、（ｃ）
は、ウエハマークＷＭが焦点面に位置決めされたベスト
フォーカス状態（Ｚ＝０）におけるマーク像の光強度分
布を示している。さらに、（ｄ）は、ウエハマークＷＭ
が光軸ＡＸに沿って焦点面からΔＺだけ図１中下方に移
動したデフォーカス状態（Ｚ＝−ΔＺ）すなわち前ピン
状態におけるマーク像の光強度分布を示している。

【００２８】図２に示すように、低段差マークに対して
は、ベストフォーカス状態（Ｚ＝０）におけるマーク像
のコントラストは低く、本発明の作用で説明したように
所定のデフォーカス状態においてマーク像のコントラス
トは最大になる。そこで、本実施例では、Ｚ＝−ΔＺの
前ピン状態におけるコントラストの高いマーク像の位置
を第１位置情報として求める。また、Ｚ＝ΔＺの後ピン
状態におけるコントラストの高いマーク像の位置を第２
位置情報として求める。

【００２９】なお、Ｚ＝−ΔＺの前ピン状態およびＺ＝
ΔＺの後ピン状態におけるマーク像のコントラストは最
大である必要はない。本実施例において重要なことは、
Ｚ＝−ΔＺの前ピン状態およびＺ＝ΔＺの後ピン状態に
おけるマーク像のコントラストがベストフォーカス状態
におけるマーク像のコントラストよりも実質的に高いこ
とである。

【００３０】こうして、得られた第１位置情報と第２位
置情報との平均値に基づいて、ウエハマークＷＭの位置
を検出する。このように、平均値をとることにより、Ｚ
＝−ΔＺの前ピン状態に伴うテレセントリック性のずれ
の影響とＺ＝ΔＺの後ピン状態に伴うテレセントリック
性のずれの影響とを相殺して、ウエハマークＷＭの位置
を高精度に検出することができる。

【００３１】なお、上述のような後ピン状態および前ピ
ン状態を形成するのに、必ずしもウエハマークＷＭを光
軸ＡＸに沿って移動させる必要はない。たとえば、第１
対物レンズ７や第２対物レンズ１１を光軸ＡＸに沿って
前後に移動させても、所望のデフォーカス状態を形成す
ることができる。また、リレーレンズ系（１３，１４）
を光軸ＡＸに沿って前後に移動させて、所望のデフォー
カス状態を形成してもよい。この場合、指標板１２とリ
レーレンズ系（１３，１４）とを一体的に、あるいは指
標板１２とリレーレンズ１３または指標板１２とリレー
レンズ１４とを一体的に移動させれば、ＣＣＤの撮像面
において指標パターン像のコントラストがデフォーカス
の影響を受けることがない。

【００３２】さらに、Ｙ方向用ＣＣＤ１６およびＸ方向
用ＣＣＤ１７の撮像面を光軸ＡＸに沿って前後に移動さ
せてもよい。また、結像光学系の光路中に光学部材（す
なわち光路長を変化させる部材）を挿脱したり、あるい
は結像光学系の光路中に配置された光学部材の屈折率を
電気的に変化させて、所望のデフォーカス状態を形成す
るようにしてもよい。また、低段差マークの検出に適し
た照明開口状態としては、照明σを小さくする方法以外
に、輪帯状や四つ目状の変形二次光源を形成する方法も
ある。この場合、照明光学系の瞳面において、図３に示
すような形状のメカ絞りを自動的に交換することができ
るように構成すればよい。

【００３３】図４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の一部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し、図４に示す構成以外
の部分は第１実施例の構成と同じである。第２実施例で
は、レンズ１４とＸＹ分岐ハーフプリズム１５との間の
光路中に配置されたもう１つのハーフプリズム４５によ
り光路を分岐し、分岐された光路中に撮像検出系を２軸
追加している点が第１実施例と基本的に異なる。図４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、同じ参照符号を付している。

【００３４】上述したように、図４のアライメント装置
では、リレーレンズ系（１３，１４）とＸＹ分岐ハーフ
プリズム１５との間の光路中に光分割手段としてハーフ
プリズム４５が配置されている。したがって、リレーレ
ンズ系（１３，１４）を介してハーフプリズム４５に入
射したマーク像からの光は、２つに分割される。すなわ
ち、ハーフプリズム４５を透過した光は、第１のＸＹ分
岐ハーフプリズム１５に入射する。そして、第１のＸＹ
分岐ハーフプリズム１５で反射された光は第１のＹ方向
用ＣＣＤ１６に、第１のＸＹ分岐ハーフプリズム１５を
透過した光は第１のＸ方向用ＣＣＤ１７に入射する。

【００３５】一方、ハーフプリズム４５で図中左側に反
射された光は、第２のＸＹ分岐ハーフプリズム１５’に
入射する。そして、第２のＸＹ分岐ハーフプリズム１
５’を透過した光は第２のＹ方向用ＣＣＤ１６’に、第
２のＸＹ分岐ハーフプリズム１５’で反射された光は第
２のＸ方向用ＣＣＤ１７’に入射する。なお、第２実施
例では、図４の示すように、ハーフプリズム４５と第１
のＸＹ分岐ハーフプリズム１５との間の光路中と、ハー
フプリズム４５と第２のＸＹ分岐ハーフプリズム１５’
との間の光路中との間で切り換え可能な光路長補正部材
４６を備えている。

【００３６】すなわち、通常の段差マークを検出する際
は、図中破線で示すように、光路長補正部材４６はハー
フプリズム４５と第１のＸＹ分岐ハーフプリズム１５と
の間の光路中に位置決めされる。その結果、第１のＹ方
向用ＣＣＤ１６および第１のＸ方向用ＣＣＤ１７におい
ても、第２のＹ方向用ＣＣＤ１６’および第２のＸ方向
用ＣＣＤ１７’においても、コントラストの高いマーク
像がベストフォーカス状態で検出される。したがって、
たとえば第１のＹ方向用ＣＣＤ１６および第１のＸ方向
用ＣＣＤ１７からの出力信号に基づいて、ウエハマーク
ＷＭの位置をひいてはウエハＷの位置を高精度に検出す
ることができる。

【００３７】一方、低段差マークを検出する際は、図中
実線で示すように、光路長補正部材４６はハーフプリズ
ム４５と第２のＸＹ分岐ハーフプリズム１５’との間の
光路中に位置決めされる。その結果、第１のＹ方向用Ｃ
ＣＤ１６および第１のＸ方向用ＣＣＤ１７においては前
ピン状態で、第２のＹ方向用ＣＣＤ１６’および第２の
Ｘ方向用ＣＣＤ１７’においては後ピン状態で、それぞ
れコントラストの高いマーク像が検出される。なお、通
常の段差マークを検出する際にも、低段差マークを検出
する際にも、ウエハマークＷＭが第１対物レンズの焦点
面にあることはいうまでもない。

【００３８】このように、第２実施例では、低段差マー
クの検出に際して、いわゆる前ピン状態と後ピン状態と
を同時に形成し、各デフォーカス状態におけるコントラ
ストの高いマーク像を同時に検出することができる。し
たがって、前ピン状態におけるマーク像の第１位置情報
と後ピン状態におけるマーク像の第２位置情報との平均
値に基づいて、ウエハマークＷＭの位置を検出すること
ができる。すなわち、デフォーカスに伴うテレセントリ
ック性のずれの影響を補正して、ウエハマークＷＭの位
置を高精度且つ迅速に検出することができる。

【００３９】図５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の一部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し、図５に示す構成以外
の部分は第１実施例の構成と同じである。第３実施例で
は、低段差マークを検出する際にＺステージ２２等を駆
動する代わりに結像光学系の光路中に方解石などの１軸
性結晶からなるアフォーカル系５０を挿入する点が第１
実施例と基本的に異なる。図５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、同じ参照符号を付
している。

【００４０】上述したように、図５のアライメント装置
では、第１対物レンズ７とハーフプリズム６との平行光
路中に、アフォーカル系５０が配置されている。アフォ
ーカル系５０は、ウエハ側から順に、正レンズ５０ａと
負レンズ５０ｂとの組み合わせからなるほぼ等倍のアフ
ォーカル系である。図６は、図５のアフォーカル系５０
を構成する各レンズの光学軸の方向について説明する図
である。図６において、（ａ）は正レンズ５０ａの光学
軸の方向を、（ｂ）は負レンズ５０ｂの光学軸の方向を
それぞれ示している。

【００４１】図６（ａ）に示すように、正レンズ５０ａ
の光学軸は、光軸ＡＸ（Ｚ軸に平行）に対して垂直なＸ
Ｙ平面内において光軸ＡＸを通りＸ軸から図中反時計回
りに４５°だけ回転したａ軸である。一方、負レンズ５
０ｂの光学軸は、光軸ＡＸに対して垂直なＸＹ平面内に
おいて光軸ＡＸを通りＸ軸から図中時計回りに４５°だ
け回転したｂ軸である。このように、アフォーカル系５
０を構成する各レンズの光学軸の方向は互いに直交し、
計測方向であるＸ方向およびＹ方向に対してそれぞれ４
５°だけ傾いている。

【００４２】方解石などの１軸性の負結晶の場合、正常
波に対する屈折率Ｎo は異常波に対する屈折率Ｎe より
も大きい。したがって、図７（ａ）に示すように、正レ
ンズ５０ａに入射する際の偏光方向が紙面に垂直で正レ
ンズ５０ａの光学軸（ａ軸）に対して垂直である正常波
ｏに対してアフォーカル系５０全体は正屈折力を有し、
指標板１２上において正常波ｏにより形成されるマーク
像はいわゆる前ピン状態となる。逆に、図７（ｂ）に示
すように、正レンズ５０ａに入射する際の偏光方向が紙
面に垂直で正レンズ５０ａの光学軸（ａ軸）に対して平
行である異常波ｅに対してアフォーカル系５０全体は負
屈折力を有し、指標板１２上において異常波ｅにより形
成されるマーク像はいわゆる後ピン状態となる。

【００４３】しかしながら、このままでは、後述するよ
うに、指標板１２上において、前ピン状態のマーク像と
後ピン状態のマーク像とが重なり合って互いに打ち消
し、コントラストの低い合成像しか得られないことにな
る。そこで、第３実施例では、アフォーカル系５０を光
軸ＡＸから偏心させて、前ピン状態のマーク像と後ピン
状態のマーク像とを偏心方向に沿って乖離させる。図８
は、ａ軸方向に沿ってアフォーカル系５０を光軸ＡＸか
ら偏心させて、前ピン状態のマーク像と後ピン状態のマ
ーク像とを偏心方向であるａ軸方向に沿って乖離させる
様子を示す図である。

【００４４】図８に示すように、正レンズ５０ａの光学
軸であるａ軸方向に沿ってアフォーカル系５０全体を光
軸ＡＸから図中上方に偏心させると、正常波ｏと異常波
ｅとは光軸ＡＸに関して互いに反対方向に偏向された角
度でアフォーカル系５０を射出する。その結果、指標板
１２上において、正常波ｏによる前ピン状態のマーク像
と異常波ｅによる後ピン状態のマーク像とが光軸ＡＸに
対して垂直方向に、すなわちａ軸方向に沿って乖離す
る。図９（ａ）および（ｂ）は、アフォーカル系５０の
ａ軸方向に沿った偏心により、正常波ｏによる前ピン状
態のマーク像および異常波ｅによる後ピン状態のマーク
像がそれぞれ指標板１２上においてシフトする様子を示
す図である。

【００４５】図９（ａ）において実線で示すように、ア
フォーカル系５０を光軸ＡＸに対して偏心させない場
合、正常波ｏによる前ピン状態のマーク像がＸ軸および
Ｙ軸に関してほぼ対称に形成される。なお、図９（ａ）
において、実線斜線部は段差マークの前ピン像の山に対
応し、実線斜線部の中間にある白地は前ピン像の谷に対
応している。一方、図９（ｂ）において実線で示すよう
に、アフォーカル系５０を光軸ＡＸに対して偏心させな
い場合、異常波ｅによる後ピン状態のマーク像もＸ軸お
よびＹ軸に関して対称に形成される。なお、図９（ｂ）
において、実線斜線部は、段差マークの後ピン像の山に
対応し、実線斜線部の中間にある白地は後ピン像の谷に
対応している。

【００４６】図９（ａ）および（ｂ）を参照すると、ア
フォーカル系５０を光軸ＡＸに対して偏心させない状態
では、指標板１２上において、前ピン状態のマーク像と
後ピン状態のマーク像とが重なり合って互いに打ち消
し、コントラストの低い合成像しか得られないことにな
ることがわかる。ここで、アフォーカル系５０のａ軸に
沿った偏心量を適当に設定することにより、指標板１２
上において２つのマーク像をそのピッチｐの√２／２倍
だけ乖離させることができる。

【００４７】すなわち、図９（ａ）において破線で示す
ように、正常波ｏによる前ピン状態のマーク像がａ軸に
沿って斜め右上方向にｐ／（２√２）だけ移動する。ま
た、図９（ｂ）において破線で示すように、異常波ｅに
よる後ピン状態のマーク像がａ軸に沿って斜め左下方向
にｐ／（２√２）だけ移動する。その結果、指標板１２
上において、正常波ｏによる前ピン状態のマーク像と異
常波ｅによる後ピン状態のマーク像との間で各々の山と
山、谷と谷とが計測方向であるＸ軸方向に関してほぼ重
なり合うことになる。図９では、ウエハマークＷＭがＸ
計測用の１次元マークの場合を例示しているが、アフォ
ーカル系５０の偏心状態をこのままにしてＹ計測用の１
次元マークやＸＹ共用の２次元マークに対しても同様の
作用がある。こうして、指標板１２上において、ひいて
は撮像面上において、前ピン状態のマーク像と後ピン状
態のマーク像とのコントラストの高い合成像が形成され
る。なお、図８および図９において、アフォーカル系５
０の偏心方向をａ軸方向としているが、アフォーカル系
５０の偏心方向はｂ軸方向でもよいし、さらにａ軸およ
びｂ軸以外の方向であってもよい。

【００４８】このように、第３実施例においても、低段
差マークの検出に際して、いわゆる前ピン状態と後ピン
状態とを同時に形成し、各デフォーカス状態におけるコ
ントラストの高いマーク像を同時に検出することができ
る。したがって、前ピン状態におけるマーク像の第１位
置情報と後ピン状態におけるマーク像の第２位置情報と
の平均値に基づいて、ウエハマークＷＭの位置を検出す
ることができる。すなわち、デフォーカスに伴うテレセ
ントリック性のずれの影響を補正して、ウエハマークＷ
Ｍの位置を高精度且つ迅速に検出することができる。な
お、第３実施例においても、ウエハマークＷＭが第１対
物レンズの焦点面にあることはいうまでもない。

【００４９】上述の第１実施例乃至第３実施例では、位
相パターンとみなせる低段差マークに対して、ベストフ
ォーカス時（Ｚ＝０）に得られるマーク像のコントラス
トが最も低いものとしている。しかしながら、レジスト
層の影響等により、段差マークの谷部分（Ｓ）と山部分
（Ｌ）とで反射率が異なる場合、ベストフォーカス状態
のマーク像のコントラストが最も低くなるとは限らな
い。たとえば、段差マークの谷部分（Ｓ）の反射率ＮS
と山部分（Ｌ）の反射率ＮL とが大きく異なる場合に
は、低段差マークであっても明暗パターンと同様の光強
度分布が得られ、コントラストの高いマーク像が得られ
る。

【００５０】また、段差マークの谷部分（Ｓ）の反射率
ＮS と山部分（Ｌ）の反射率ＮL とが僅かに異なる低段
差マークの場合には、図１０に示すように、マーク像の
光強度差ΔＩ（最大の光強度Ｉmax と最小の光強度Ｉmi
n との差）のフォーカス変動に伴う変化の様態がベスト
フォーカス時（Ｚ＝０）に関して対称にはならない。す
なわち、図１１に示すように、ベストフォーカス時（Ｚ
＝０）におけるマーク像の光強度差ΔＩb よりも、Ｚ＝
−ΔＺのデフォーカス状態におけるマーク像の光強度差
ΔＩc が小さくなることがある。

【００５１】また、Ｚ＝ΔＺのデフォーカス状態におけ
るマーク像の光強度差ΔＩa と、Ｚ＝−ΔＺのデフォー
カス状態におけるマーク像の光強度差ΔＩc とが等しく
ならないことがある。したがって、第１実施例乃至第３
実施例のように前ピン状態に相当するデフォーカス量と
後ピン状態に相当するデフォーカス量とを等しくする
と、図１１（ｃ）に示すように、前ピン状態においてマ
ーク像の位置検出が不可能になる場合がある。

【００５２】そこで、本発明の第４実施例では、図１０
に示すように、光強度差が最小の値ΔＩmin になるデフ
ォーカス量Ｚ0 をオフセットとして用いる。すなわち、
図１２に示すように、第１のデフォーカス量Ｚ1 および
第２のデフォーカス量Ｚ2 を、それぞれ以下の式（４）
および（５）のように規定する。Ｚ1 ＝−ΔＺ＋Ｚ0 （４）Ｚ2 ＝ΔＺ＋Ｚ0 （５）

【００５３】そして、第１のデフォーカス量Ｚ1 の状態
におけるマーク像の位置Ｘ1 と、第２のデフォーカス量
Ｚ2 の状態におけるマーク像の位置Ｘ2 とに基づいて、
内挿の手法によりベストフォーカス状態におけるマーク
像の位置Ｘ0 を求める。こうして、位置Ｘ0 に基づい
て、デフォーカスに伴うテレセントリック性のずれの影
響を補正したマーク位置を高精度に検出することができ
る。なお、光強度差ΔＩが最小となるデフォーカス量Ｚ
0 は、低段差マークの谷部分（Ｓ）と山部分（Ｌ）との
反射率差の他、照明σ、マークピッチＰ、デューティー
比等に依存するので、各マークについて最大コントラス
トのマーク像にて位置計測するためには各デフォーカス
状態における光強度差ΔＩの変化をあらかじめ実際に測
定し、その結果に基づいてデフォーカス量Ｚ0 を求める
必要がある。

【００５４】図１２では、第１デフォーカス量Ｚ1 およ
び第２デフォーカス量Ｚ2 をデフォーカス量Ｚ0 に関し
て対称に規定している。しかしながら、図１３に示すよ
うに、第１デフォーカス量Ｚ1 および第２デフォーカス
量Ｚ2 をデフォーカス量Ｚ0に関して非対称に規定する
こともできる。図１１を参照すると、Ｚ＝−ΔＺの前ピ
ン状態よりもＺ＝ΔＺの後ピン状態の方がマーク像のコ
ントラストが高いことがわかる。そこで、図１３に示す
ように、第１デフォーカス量Ｚ1 をΔＺとし、第２デフ
ォーカス量Ｚ2 をΔＺ＋Ｚ’とすることもできる。

【００５５】こうして、図１３に示すように、Ｚ＝Ｚ1
およびＺ＝Ｚ2 の２つのデフォーカス状態を形成する。
そして、第１のデフォーカス量Ｚ1 の状態におけるマー
ク像の位置Ｘ1 と、第２のデフォーカス量Ｚ2 の状態に
おけるマーク像の位置Ｘ2 とに基づいて、外挿の手法に
よりベストフォーカス状態におけるマーク像の位置Ｘ0
を求める。こうして、位置Ｘ0 に基づいて、デフォーカ
スに伴うテレセントリック性のずれの影響を補正したマ
ーク位置を高精度に検出することができる。

【００５６】なお、第４実施例において、第１実施例の
ような像検出方式を採用する場合には、まずデフォーカ
ス量が第１デフォーカス量Ｚ1 になるまでＺステージ２
２を移動させ、次にデフォーカス量が第２デフォーカス
量Ｚ2 になるまでＺステージ２２を移動させる。そし
て、ＣＣＤの撮像面に形成される各デフォーカス状態に
おけるマーク像に基づいて、マークの位置を高精度に検
出することができる。

【００５７】一方、第４実施例において、第２実施例ま
たは第３実施例のような像検出方式を採用する場合に
は、デフォーカス量が（Ｚ1 ＋Ｚ2 ）／２になるまでＺ
ステージ２２を移動させた状態を初期状態とする。そし
て、この初期状態を基準とした上で、各実施例に従って
２つの所望のデフォーカス状態を形成する。そして、Ｃ
ＣＤの撮像面に形成される各デフォーカス状態における
マーク像に基づいて、マークの位置を高精度に検出する
ことができる。

【００５８】なお、第４実施例において、テレセントリ
ック性のずれの影響が無視し得る程度であれば、第１デ
フォーカス状態（Ｚ＝Ｚ1 ）および第２デフォーカス状
態（Ｚ＝Ｚ2 ）のうちマーク像のコントラストの高い方
を選択し、コントラストの高い方のデフォーカス状態に
おけるマーク像だけに基づいてマークの位置検出を行っ
ても良いことはいうまでもない。

【００５９】重ね露光に際しては、いわゆる重ね合わせ
測定を行う。すなわち、ファースト露光によるマークを
主尺（Ｘ）とし、セカンド露光によるマークを副尺
（ｘ）とし、主尺に対する副尺の位置ずれ（ｘ−Ｘ）を
測定する。ここで、主尺が低段差マークである場合、上
述の第１実施例乃至第４実施例にしたがって主尺の位置
（Ｘ）をデフォーカスに伴うテレセントリック性のずれ
の影響を補正して高精度に検出することができる。

【００６０】しかしながら、副尺がレジストのような実
質的に明暗パターンとみなせるマークである場合には、
上述の第１実施例乃至第４実施例にしたがって、デフォ
ーカス状態を形成すると副尺のマーク像がぼやけてしま
い、副尺の位置（ｘ）を正確に求めることができなくな
る。すなわち、図１４の（ｂ）に示すように、Ｚ＝０の
ベストフォーカス状態では図中中央の主尺の像のコント
ラストが低く、図中両側の副尺の像のコントラストが高
い。一方、図１４の（ａ）および（ｃ）に示すように、
Ｚ＝Ｚ1 およびＺ＝Ｚ2 のデフォーカス状態では図中中
央の主尺の像のコントラストが高く、図中両側の副尺の
像のコントラストが低くなってしまう。

【００６１】そこで、本発明の第５実施例を第１実施例
に適用する場合、マーク像のフォーカス状態に依存する
ことなく、常に撮像検出系の撮像面において指標パター
ン像が常にベストフォーカス状態で形成されるように構
成する。そして、この指標像の位置（Ｓ）に対する主尺
の相対位置（Ｘ）および副尺の相対位置（ｘ）を求め、
その差分（ｘ−Ｘ）を測定する。このような指標パター
ン像を形成するための指標板は、撮像素子であるＣＣＤ
の撮像面とほぼ共役な面に位置決めされたパターン板で
あっても、撮像面に直接形成された基準ラインであって
もよい。

【００６２】まず、主尺の位置検出に際しては、指標パ
ターン像の位置（Ｓ）に対する主尺の相対位置（Ｘ）を
第１デフォーカス状態（Ｚ＝Ｚ1 ）および第２デフォー
カス状態（Ｚ＝Ｚ2 ）で求め（Ｘ1 ，Ｘ2 ）、主尺のマ
ーク位置Ｘ0 （＝（Ｘ1 ＋Ｘ2 ）／２）を求める。一
方、副尺の位置検出に際しては、指標像の位置（Ｓ）に
対する副尺の相対位置（ｘ）として、ベストフォーカス
状態（Ｚ＝０）における副尺のマーク位置ｘ0 を求め
る。こうして、求める重ね合わせの値として上記２つの
計測値の差分（ｘ0 −Ｘ0）を高精度に計測することが
できる。

【００６３】なお、上述の第５実施例では、主尺の位置
検出をする際に、Ｘ1 とＸ2 との平均化を行っている。
しかしながら、第４実施例のように、Ｘ1 とＸ2 とに基
づいて内挿や外挿を行う手法も有効である。また、上述
の第５実施例では、主尺が低段差マークで副尺が明暗パ
ターンとみなせるマークであるとしている。しかしなが
ら、主尺が明暗パターンとみなせるマークで副尺が低段
差マークとみなせる場合には、主尺をベストフォーカス
状態で副尺をデフォーカス状態で計測すればよい。

【００６４】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マーク、特に低段
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。また、上述の第３実施例では、ウエ
ハ側から順に、正レンズと負レンズとからなるアフォー
カル系を用いた例を示しているが、負レンズと正レンズ
とからなるアフォーカル系を用いてもよいことは明らか
である。

【００６５】

【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】低段差ウエハマークＷＭに対するデフォーカス
状態およびベストフォーカス状態におけるマーク像の光
強度分布を示す図である。

【図３】輪帯状や四つ目状の変形二次光源を形成するた
めのメカ絞りの構成を示す図である。

【図４】本発明の第２実施例にかかるアライメント装置
の構成の一部を概略的に示す図である。

【図５】本発明の第３実施例にかかるアライメント装置
の構成の一部を概略的に示す図である。

【図６】図５のアフォーカル系５０を構成する各レンズ
の光学軸の方向について説明する図である。

【図７】図５のアフォーカル系５０の作用により、前ピ
ン状態のマーク像および後ピン状態のマーク像が形成さ
れる様子を示す図である。

【図８】ａ軸方向に沿ってアフォーカル系５０を光軸Ａ
Ｘから偏心させて、前ピン状態のマーク像と後ピン状態
のマーク像とを乖離させる様子を示す図である。

【図９】アフォーカル系５０の偏心により、正常波ｏに
よる前ピン状態のマーク像および異常波ｅによる後ピン
状態のマーク像がそれぞれ指標板１２上においてシフト
する様子を示す図である。

【図１０】マーク像の光強度差ΔＩがベストフォーカス
時（Ｚ＝０）に関して対称にはならない例を示す図であ
る。

【図１１】各フォーカス状態におけるマーク像の光強度
分布の例を示す図である。

【図１２】Ｚ＝０に対して非対称に、第１のデフォーカ
ス量Ｚ1 および第２のデフォーカス量Ｚ2 を設定した例
を示す図である。

【図１３】Ｚ＝０に対して非対称に、第１のデフォーカ
ス量Ｚ1 および第２のデフォーカス量Ｚ2 を設定したも
う１つの例を示す図である。

【図１４】重ね合わせ測定において、各フォーカス状態
における主尺の像および副尺の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照明開口状態規定手段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

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
マークに照明光を照射するための照明光学系と、前記照
明光に対する前記マーク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と、前記マーク像を検出
するための像検出手段と、該像検出手段で検出された前
記マーク像の位置情報に基づいて前記マークの位置を検
出するためのマーク位置検出手段とを備えたアライメン
ト装置において、前記像検出手段で検出される前記マーク像のフォーカス
状態を制御するためのフォーカス制御手段をさらに備
え、前記マーク位置検出手段は、第１のデフォーカス状態に
おける前記マーク像の第１位置情報と、前記第１のデフ
ォーカス状態とは実質的に異なる第２のデフォーカス状
態における前記マーク像の第２位置情報とに基づいて、
前記マークの位置を検出することを特徴とするアライメ
ント装置。
【請求項２】前記アライメント装置は、前記マークと
して低段差マークを検出するものであって、前記第１および第２のデフォーカス状態におけるマーク
像のコントラストは、ベストフォーカス状態におけるマ
ーク像のコントラストよりも実質的に大きいことを特徴
とする請求項１に記載のアライメント装置。
【請求項３】前記照明光の照明開口状態を規定するた
めの照明開口状態規定手段をさらに備え、前記照明開口状態規定手段は、前記マークの形状および
反射率特性に応じて前記照明光の照明開口状態を規定
し、前記フォーカス制御手段は、前記マークの形状および反
射率特性に応じて前記第１のデフォーカス状態および前
記第２のデフォーカス状態を規定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】前記フォーカス制御手段は、前記結像光
学系の光軸に沿って前記基板を移動させることによっ
て、前記第１のデフォーカス状態および前記第２のデフ
ォーカス状態を形成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５】前記フォーカス制御手段は、前記結像光
学系中において屈折力を有する少なくとも１つの光学部
材を前記結像光学系の光軸に沿って移動させることによ
って、前記第１のデフォーカス状態および前記第２のデ
フォーカス状態を形成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６】前記フォーカス制御手段は、前記像検出
手段の像検出面を前記結像光学系の光軸に沿って移動さ
せることによって、前記第１のデフォーカス状態および
前記第２のデフォーカス状態を形成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７】前記結像光学系は、前記マークからの反
射光を２つに分割するための光分割手段を有し、該光分
割手段を介した一方の光に基づいて第１のマーク像を形
成し、前記光分割手段を介した他方の光に基づいて第２
のマーク像を形成し、前記像検出手段は、前記第１のマーク像を検出するため
の第１像検出手段と、前記第２のマーク像を検出するた
めの第２像検出手段とを有し、前記フォーカス制御手段は、前記第１像検出手段と前記光分割手段との間の第１光路
と前記第２像検出手段と前記光分割手段との間の第２光
路との間において切り換え可能な光路長補正部材を有
し、前記第１像検出手段および前記第２像検出手段において
前記第１のマーク像および前記第２のマーク像をそれぞ
れベストフォーカス状態で検出するために、前記第１光
路中に前記光路長補正部材を介在させ、前記第１像検出手段において前記第１のマーク像を前記
第１のデフォーカス状態で検出し且つ前記第２像検出手
段において前記第２のマーク像を前記第２のデフォーカ
ス状態で検出するために、前記第２光路中に前記光路長
補正部材を介在させ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８】前記フォーカス制御手段は、１軸性結晶からなり且つ前記結像光学系の光軸に対して
垂直な第１方向に沿って光学軸を有する正レンズ成分
と、１軸性結晶からなり且つ前記結像光学系の光軸に対
して垂直な面において前記第１方向と直交する第２方向
に沿って光学軸を有する負レンズ成分とを有するアフォ
ーカル系を前記結像光学系の光路中に備え、前記マークからの反射光のうち入射側のレンズ成分に対
する異常波に基づいて第１デフォーカス状態の第１のマ
ーク像を形成し、前記マークからの反射光のうち前記入
射側のレンズ成分に対する正常波に基づいて第２デフォ
ーカス状態の第２のマーク像を形成し、前記アフォーカル系を前記結像光学系の光軸に対して一
体的に偏心させることによって、前記第１のマーク像と
前記第２のマーク像とを該偏心方向に沿って乖離させる
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９】前記アライメント装置は、第１マークと
第２マークとの重ね合わせ測定を行うものであって、前記像検出手段は、前記像検出面上において前記マーク
像のフォーカス状態に依存することのない基準位置を有
し、前記マーク位置検出手段は、前記第１マークに対して、前記基準位置に対する前記第
１のデフォーカス状態におけるマーク像に関する第１位
置情報と前記基準位置に対する前記第２のデフォーカス
状態におけるマーク像に関する第２位置情報とに基づい
て、前記第１マークの相対位置を検出し、前記第２マークに対して、前記基準位置に対するベスト
フォーカス状態におけるマーク像に関する第３位置情報
に基づいて、前記第２マークの相対位置を検出し、前記第１マークの相対位置と前記第２マークの相対位置
とに基づいて、前記第１マークと前記第２マークとの重
ね合わせ測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の
アライメント装置。