JPH11211415A - 位置検出装置及びそれを用いたデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイナミックレンジの大きな光量調整機能を
備えることで、装置の拡大化を抑えつつ、高速、且つ高
精度な位置計測を行なうことのできる位置検出装置を提
供すること。 【解決手段】 位置検出装置においてパルス発光する光
を光源とするとともに、位置検出を行なう際のパルス数
を調整して検出されるマークの光量を最適化する事。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパルス光を光源とす
る位置検出装置及びそれを用いたデバイスの製造方法に
関するもので、特に半導体ＩＣ、ＬＳＩ、ＣＣＤ、液晶
パネル、磁気ヘッド等の各種のデバイスを製造する投影
露光装置のように、マスクやウエハ等の物体の位置情報
を該物体の像観察により高精度に検出し、該検出情報に
基づいて物体の位置合わせを行なう位置合わせ装置に好
適なものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体素子の製造技術の進展は目
覚ましく、それに伴う微細加工技術の進展も著しい。そ
の中心をなす光加工技術ではサブミクロンの解像力を有
する縮小投影露光装置、通称ステッパーが主流であり、
更なる解像力向上に向けて光学系の開口数（ＮＡ）の拡
大や、露光波長の短波長化が図られている。

【０００３】露光波長の短波長化に伴って、露光光源も
ｇ線、ｉ線の超高圧水銀ランプからＫｒＦ更にＡｒＦの
エキシマレーザーに変移してきている。

【０００４】投影パターンの解像力の向上に伴って、投
影露光装置におけるウエハとマスク（レチクル）を相対
的位置合わせするアライメントにも高精度化が必要とさ
れている。投影露光装置は高解像の露光装置であると同
時に高精度な位置検出装置としての機能も要求されてい
るのである。また、レチクル上のパターンをウエハに転
写する際、投影光学系のフォーカス位置を高精度に検出
することも高解像度の露光装置には要求される。

【０００５】ここで狭義の位置検出はアライメント検
出、広義の位置検出はアライメント検出とフォーカス位
置検出を意味するものとして使用することとする。

【０００６】位置検出装置の一つの形態としてレチクル
上に構成された位置合わせマークと、感光基板であるウ
エハ上、あるいは該感光基板を搭載するステージ上に構
成された基準板上の位置合わせマークを直接重ねて相対
位置を検出する所謂スルーザレチクルオートアライメン
ト（以下「ＴＴＲ−ＡＡ」と呼ぶ）がある。

【０００７】従来のＴＴＲ−ＡＡの一例を図３を用いて
解説する。光源１４（露光光の場合は水銀ランプ等、非
露光光の場合はハロゲンランプ等が用いられる）から出
射した照明光１８は、光量調整を行なう光量減衰器２０
（ＮＤフィルター等）を透過し、照明系１８を通った
後、ビームスプリッタ１２を反射して検出光学系９、１
０に向かう。検出光学系９、１０を透過した光は、レチ
クル２のマーク領域３をケーラー照明する。レチクル２
のパターン面上に形成されたマーク領域３からの反射
光、散乱光又は回折光１７は再び検出光学系９、１０を
通過してビームスプリッタ１２を透過し、結像光学系１
３によりＣＣＤカメラ等で構成される光電変換素子１５
に到達する。光電変換素子１５の管面上にはレチクル２
のパターン面上のマーク３（以下「レチクルアライメン
トマーク」と呼ぶ）の像が結像される。

【０００８】一方、レチクル２上のマーク３の反射面領
域（パターン領域）以外に入射した光は、レチクルを透
過して投影光学系１を通過し、可動なウエハステージ４
上に構成されたアライメントマーク８（以下「ウエハア
ライメントマーク」と呼ぶ）を同様にケーラー照明す
る。アライメントマーク８はウエハステージ４上に構成
された基準板７上にパターン形成されている。ウエハ６
のアライメントを行う場合には、ウエハ６上に構成され
たアライメントマーク８を照明する。

【０００９】ウエハアライメントマーク８を照明して得
られる反射光、散乱光又は回折光は、投影光学系１を通
過してレチクル２のパターン面上に結像する。そしてウ
エハアライメントマーク８の像もレチクルアライメント
マーク３と同じ光路を通って、光電変換素子１５上に結
像する。光電変換素子１５から得られるウエハアライメ
ントマーク８とレチクル２上のレチクルアライメントマ
ーク３の信号より両者の相対位置が算出される。算出さ
れた結果よりレチクルとウエハ上のパターンの重ね合せ
が最適となるように駆動可能なウエハステージ４がＸ、
Ｙ、Ｚ方向に駆動され、レチクル上に配置された不図示
の露光用照明系によりレチクル上の回路パターンが順次
ウエハ６上に露光される。

【００１０】投影光学系のフォーカス位置計測において
は、上記光学系で結像されるレチクルアライメントマー
ク３とウエハアライメントマーク８の像を光電変換素子
１５で検出し、それぞれの得られた画像コントラストか
ら投影光学系１のフォーカス位置検出を行なう。

【００１１】図８はウエハアライメントマーク８を投影
光学系１の光軸方向に駆動した際、光電変換素子１５か
ら得られる画像コントラストの変化の様子を模式的にグ
ラフ化したものである。ウエハアライメントマーク８の
画像コントラストはウエハアライメントマーク８を投影
光学系１の光軸方向の駆動により変化し、レチクル３の
投影光学系１を介した共役面（ベストフォーカス面：Ｂ
Ｆ）で最大になる。

【００１２】但し、ウエハアライメントマーク８の画像
コントラストを検出する際、検出光学系自体のフォーカ
ス位置はレチクルアライメントマーク３に最適な状態で
無ければならない。そのためレチクルアライメントマー
ク３の画像コントラストもウエハアライメントマーク８
のフォーカス計測と同様な原理で求め、検出光学系のフ
ォーカス設定が行なわれる。具体的には例えば検出光学
系１０をフォーカス方向に駆動して得られるコントラス
トカーブから算出されるベストフォーカス位置に検出光
学系１０を固定する。検出光学系がレチクルに対して最
適に設定された状態になれば、ウエハアライメントマー
ク８のフォーカス方向の計測を実施することができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようにレチクルアライメントマーク３とウエハアライメ
ントマーク８を同一の光電変換素子上で同時に観察する
場合、高精度な検出するには、それぞれのマーク像の明
るさがある範囲に入らなければならない。

【００１４】図４（ａ）はレチクル上のレチクルアライ
メントマーク３の一例、図４（ｂ）はウエハステージ４
上のウエハアライメントマーク８の一例である。図４
（ａ）ではレチクル上のマーク３を３０１のように配置
し、投影露光装置がＸ、Ｙ方向を同時に観察出来るよう
にマーク領域３０３の四隅にマークが配置されている。

【００１５】図４（ｂ）ではウエハアライメントマーク
８がレチクルアライメントマーク３０１のマークの無い
領域を通して観察出来るよう、十字型のマーク３０２と
して形成されている。これらのマークが前記位置検出系
で同時に観察される。

【００１６】図５（ａ）はウエハアライメントマーク３
０２とレチクルアライメントマーク３０１を同時に観察
した状態を示す図で、このような同時観察により両者の
相対位置が算出される。

【００１７】また、投影光学系のフォーカス計測はアラ
イメントマーク３０１、３０２の画像コントラストから
算出される。

【００１８】一般にウエハアライメントマーク３０２の
信号はレチクルアライメントマーク３０１に比べ投影光
学系１を透過する分、光量減少があり低くなる。図５
（ｂ）〜（ｄ）はこの時の水平方向の信号波形を示すも
のである。通常の最適な信号強度を表わしているのが図
５（ｃ）で、レチクルとウエハマークの信号がある範囲
の強度で検出されるよう検出光学系に構成されている光
量減衰器２０を調整する。光量減衰器２０は回転可能な
回転板にＮＤフィルターが構成されたもので、回転によ
り光軸中に適正なＮＤフィルターを挿入して光量調整を
行なう。

【００１９】図５（ｂ）のように光量が多いとレチクル
アライメントマーク３０１のピーク付近の信号が飽和し
て、レチクルアライメントマーク３０１の高精度な検出
ができない。それに対し、図５（ｄ）のように光量が少
ないとウエハアライメントマーク３０２の信号強度が低
くなり、今度はウエハアライメントマーク３０２の検出
精度の低下を招いてしまう。

【００２０】光量対策としては各マークの個別検出があ
げられる。例えば図５（ｂ）では、ウエハアライメント
マーク３０２だけを検出した後、光量減衰器２０を切り
替えて図５（ｄ）の状態にしてレチクルアライメントマ
ーク３０１だけを検出し、演算処理により相対位置を求
めることができる。

【００２１】しかし、光量調整で光量減衰器２０を切り
替えると、切り替えに時間がかかるという問題がある。
特に、従来のように光量減衰器２０を切り替え式のＮＤ
フィルターのようなのもで構成すると交換にかなりの時
間がかかり、スループットの低下が問題となる。

【００２２】また、最適な光量範囲が限定されている
為、光量調整の分解能をあげるには、ＮＤフィルターの
種類を多くする必要がある。例えば、光量の最適範囲を
７０％とし、１００％〜６％まで光量調整するには、１
００％、７０％、５０％、３４％、２４％、１７％、１
２％、８．４％、６％と９種類ものＮＤフィルターが必
要となり、装置が拡大化するという問題が発生する。

【００２３】他の方法として従来の水銀ランプ、ハロゲ
ンランプ、Ｈｅ−Ｎｅレーザー等の連続光を光源とした
場合、光電変換素子の取り込み時間内でシャッター等の
機械的遮光体、或いは電流制御を用いて光のＯｎ／Ｏｆ
ｆまたは調光することが考えられる。しかしながらこの
ような制御は時間的な拘束から高速切り替えを意味し、
実質的に不可能であった。

【００２４】本発明は上記問題を鑑み光量調整機能のダ
イナミックレンジを拡大しつつ高精度化し、装置の拡大
化を抑え、且つスループットへの影響を極力抑えた光電
検出装置、位置検出装置及び該位置検出装置を用いた投
影露光装置を提供することを目的としている。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、 （１−１）投影露光光学系を介して互いに共役な関係に
置かれた第１の物体と第２の物体の相対位置を前記第１
の物体上に設けられた第１のマークと前記第２の物体
上、または第２の物体と等価な位置に置かれている基準
板上に設けられた第２のマークを同一の光電変換素子に
より検出する位置検出装置において、前記位置検出装置
の光源としてパルス発光する光源を用いると共に、該光
源のパルス数を制御して前記相対位置を検出することを
特徴としている。

【００２６】特に、 （１−１−１）前記パルス数が前記パルス光源の発生さ
せるスペックルによる前記相対位置検出の測定誤差を生
じない最小複数パルス数より小さくないこと。

【００２７】（１−１−２）前記パルス数制御を前記光
電変換素子の取り込み時間内のパルス発光周波数を変え
ることによって行なうこと。

【００２８】（１−１−３）前記パルス数制御を前記光
電変換素子の取り込み時間を変えることによって行なう
こと。

【００２９】（１−１−４）前記取り込み時間変更の
時、該パルス光源を該パルス光源の最高の発光周波数で
発光すること。

【００３０】（１−１−５）前記パルス数制御と共に他
の光量調整手段を併用すること。

【００３１】（１−１−６）前記他の光量調整手段が複
数個のＮＤフィルターの選択によって行なわれること。

【００３２】（１−１−７）前記位置検出装置において
前記光電変換素子の光量をモニタする第２の光電素子を
設けること。

【００３３】（１−１−８）前記パルス数の制御を前記
第２の光電素子の出力によって行なうこと。

【００３４】（１−１−９）前記相対位置の検出が前記
第１と第２の物体の前記投影光学系に関するアライメン
ト状態であること。

【００３５】（１−１−１０）前記相対位置の検出が前
記第１と第２の物体の前記投影光学系に関するフォーカ
ス状態であること。

【００３６】（１−１−１１）前記フォーカス状態を前
記光電変換素子に結像された像のコントラストを算出す
ることによって行なうこと。

【００３７】（１−１−１２）前記位置検出装置が前記
第１の物体に対してベストフォーカス状態に設定されて
いること。

【００３８】（１−１−１３）前記位置検出装置の前記
第１の物体に対するフォーカス状態を前記位置検出装置
内の光学素子を駆動して検出すること。

【００３９】（１−１−１４）前記第２物体のフォーカ
ス状態を前記位置検出装置に対し、前記第２物体または
前記基準板を前記投影露光光学系の光軸方向に駆動して
検出すること。等を特徴としている。

【００４０】本発明の投影露光装置は、（２−１）構成
（１−１）のいずれか１項に記載された位置検出装置を
用いてレチクルとウエハとの位置合わせを行ないレチク
ル面上のパターンをウエハ面上に投影露光していること
を特徴としている。

【００４１】本発明のデバイスの製造方法は、（３−
１）構成（１−１）のいずれか１項記載の位置検出装置
を用いてレチクルとウエハとの位置合わせを行なった後
に、レチクル面上のパターンをウエハ面上に投影露光し
ていることを特徴としている。

【００４２】本発明の光電検出装置は、（４−１）照明
された対象を光電変換素子で検出する装置で、前記対象
をパルス発光光で照明するとともに、該パルス発光光の
パルス数の制御により前記光電変換素子による検出の制
御を行うことを特徴としている。

【００４３】特に、（４−１−１）前記パルス発光光の
パルス数の制御を前記光電変換素子の取り込み時間内の
パルス発光数を変えることによって行うこと。

【００４４】（４−１−２）前記パルス発光光のパルス
数の制御を前記光電変換素子の取り込み時間を変えるこ
とによって行うこと。等を特徴としている。

【００４５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の位置検出装置を半
導体素子製造用の投影露光装置に適用した実施例１の要
部概略図で、Ｘ、Ｙ座標軸は図に示すように定義する。
同図の投影露光装置における位置検出装置のＸ及びＹ方
向の位置検出光学系は同等なので、以下、Ｘ方向に配置
された位置検出装置について解説する。

【００４６】なお、図４に示すマークを用いればＸ方向
に配置された位置検出装置だけでもＸ及びＹの両方向の
計測が可能である。

【００４７】図１においてパルス発光する光源２３（エ
キシマレーザー等）から出射した光は不図示の各種光学
系（レンズ、ミラー等）により拡散板２１に導光され
る。拡散板２１は駆動機構２４に保持されて時間的且つ
空間的に揺動され、レーザー光特有のスペックルの影響
を除去する。スペックルの影響は拡散板２１と光の入射
位置の相対位置を変える事でを除去できるため、本実施
例のように拡散板２１を時間的、空間的に揺動する代わ
りに、拡散板２１に入射する光の方を揺動しても同じ効
果が得られる。また、拡散板２１と同様な効果が得られ
る光学素子を用いることも可能で、拡散板２１を位置検
出光学系内の他の位置に配置することもできる。

【００４８】拡散板２１を透過した光は光量減衰機２０
（ＮＤフィルター）に導光される。光量減衰器２０の位
置も位置検出系内であればどこに配置しても構わない。
光量減衰器２０を透過した光は位置検出系の照明光学系
１９を通過してビームスプリッタ１２に入射して反射し
た後、検出光学系９、１０に向かう。ビームスプリッタ
を偏光ビームスプリッタとして構成すれば紙面に垂直な
Ｓ成分が反射して検出光学系に向かう。この時不図示の
λ／４を検出光学系に構成すると、検出光を効率良く光
電変換素子１５に導光することができる。

【００４９】検出光学系９、１０を通過した光は、レチ
クル２のパターン面上に構成されたレチクルアライメン
トマーク３をケーラー照明する。照明されたレチクルア
ライメントマーク３より反射、散乱又は回折した光（以
下では「レチクル信号光」と呼ぶ）は、再び検出光学系
９、１０に戻る。レチクル信号光は検出光学系９、１０
を通過した後、今度はビームスプリッタ１２を透過し、
結像光学系１３により光電変換素子１５上の管面上にレ
チクルアライメントマーク３の像を結像する。

【００５０】レチクルアライメントマーク３のマークパ
ターン領域以外を照明した光はレチクル２を透過し、投
影光学系１を通過した後、ウエハ６あるいはウエハステ
ージ４上に構成された基準プレート７上のウエハアライ
メントマーク８をケーラー照明する。照明されたウエハ
アライメントマーク８からも反射光、散乱光あるいは回
折光が発生し、これらの光は再び投影光学系１を戻っ
て、ウエハアライメントマーク８の像を投影光学系１に
よりレチクル面上に結像する。

【００５１】ウエハアライメントマーク８の結像位置は
結像関係よりレチクルアライメントマーク３のマークパ
ターン領域以外（レチクルアライメントマーク３の間）
になる。該領域を通過したウエハアライメントマーク８
の光はレチクルアライメントマーク３と同様に光電変換
素子１５の管面上に結像される。

【００５２】以上の構成によりレチクルアライメントマ
ーク３とウエハアライメントマーク８の像は光電変換素
子１５上に同時に結像して光電検出され、両者の相対位
置が算出される。相対位置の算出は光電変換素子１５か
らの信号及びウエハステージ４の位置に基づいて演算処
理器２０１が行なう。算出された相対位置に基づいて不
図示の駆動手段によりウエハステージ４を駆動して重ね
露光が行なわれる。

【００５３】上記の位置検出においては、課題で述べた
様に一般にレチクルアライメントマーク３とウエハアラ
イメントマーク８の光電変換素子１５上の像の明るさが
異なる。例えばウエハアライメントマーク８からの光は
レチクルアライメントマーク３に比べ、照明時及び検出
時の２回投影光学系１を透過するため光量が減少する。
その為、レチクルアライメントマーク３に比べ、ウエハ
アライメントマーク８の像の方が暗く検出される。従っ
て、光電変換素子１５でレチクルアライメントマーク３
とウエハアライメントマーク８を同時に精度良く検出す
るには、最適な光量になるよう、駆動系２４により光量
減衰器２０を駆動しなければならない。光量減衰器２０
は例えば回転式の回転板にＮＤフィルター２６を複数個
並べて構成したもので、回転して光軸上に挿入するＮＤ
フィルターを換えることで光量を変えることができる。

【００５４】光電検出に当たっての最適な光量とはレチ
クルアライメントマーク３の検出光量が飽和せず、且つ
ウエハアライメントマーク８の検出光量ができるだけ多
くなることである。光源としてエキシマレーザーの様な
パルス発光する光源を用いれば、光電変換素子１５の取
り込み時間内のパルス数の調整により大きなダイナミッ
クレンジで高精度な光量の調整が可能となる。このため
図１では、光電変換素子１５より算出される像の明るさ
に基づいて演算処理装置２０１が最適なパルス数を算出
する。該算出値に従ってレーザー側を制御して位置計測
時のパルス数を調整し、光量調整を行なう。実際にはレ
チクルアライメントマーク３は必ずしもウエハアライメ
ントマーク８に比べ明るいとは限らない為、算出する明
るさは検出信号光量の最大値を求める。

【００５５】図２は光電変換素子１５により検出される
検出信号光量（最大値）とレーザーパルスの関係を示し
たものである。図２（ａ）はパルス発光する光源による
検出信号強度の最大値の時間に対する変化、図２（ｂ）
はパルス発光の様子を時間を横軸にして模式的に表した
ものである。

【００５６】図２（ａ）に示すように、パルス数を増や
すと検出信号光量はに比例して大きくなる。一方、信号
検出の最適光量には範囲があり、該範囲に入るようにパ
ルス数を調整する必要がある。図２（ａ）の場合、最適
光量に入れるにはパルス数をｔ２からｔ３の間になるよ
うに制御すると良い。即ち、ｔ１よりも少ないパルス数
では光量が低いため、ウエハアライメントマーク８の検
出信号が精度良く検出出来ず、ｔ４よりもパルス数を増
やしてしまうと、今度は検出信号光量が飽和して、レチ
クルアライメントマーク３の検出精度が劣化してしま
う。従って、ｔ２からｔ３の範囲で計測すると精度良く
位置検出が可能となる。

【００５７】パルス数の制御は、予め求められている最
適なパルス数を発光するように演算処理装置２０１から
レーザー側に指令が出される。また、光電信号取り込み
のタイミングと同期するように光電変換素子１５側にも
演算処理装置２０１よりトリガー信号が送られる。１５
にトリガー信号が送られると同時にレーザー発光のトリ
ガー信号も同時に送られるため発光が同期して起こり、
所望のパルス数が発光された時点で、レーザー側に発光
停止の指令が出る。以上の手順で、所望のパルス数での
位置計測が可能となる。

【００５８】レーザーパルス数による検出光量の調整
は、光量減衰器２０を機械的に交換する頻度を低下さ
せ、且つ交換時間を減少させることを可能とし、更に光
量減衰器２０の種類を減らすことができるメリットがあ
る。

【００５９】典型的な例としてレーザーのパルス周波数
を１ＫＨｚとし、光電変換素子１５の取り込み時間を２
０ｍｓとすると、１回の取り込みに対して最大２０パル
スの取り込みが可能である。但しレーザー光を光源とす
る場合は光電変換素子１５上に形成される像にスペック
ルが発生し、像にノイズが乗ることを考慮しなければな
らない。スペックルの影響を押さえるには、上記の拡散
板２１等を用いて結像面上で時間的、或いは空間的にス
ペックルを平均化する必要がある。即ち、スペックルに
よる悪影響を取り除くには、取り込み時間内にある程度
のパルス数が必要となり、例えば図２（ｂ）でいうとｔ
０以上のパルス数が必要になる。この場合、選ばれるパ
ルス数はスペックルを除去できる最小パルス数より小さ
くない様に選ばれる。

【００６０】ここでスペックルの影響を除去する為の最
少のパルス数を１０パルスと考えると、最大２０パルス
の取り込みが可能なことよりパルス数による調光の範囲
は５０％となる。従って、計測可能な光量範囲を７０％
とし、パルス数とＮＤフィルターの組み合わせで光量調
整すると必要なＮＤフィルターは、１００％、３４％、
１２％の３種類で良い事になる。この値は課題のところ
で述べた９種類のＮＤフィルターが必要な光量減衰器２
０の構成に比べ効果が明らかである。

【００６１】以上説明したようにパルス発光するレーザ
ーを光源とすれば、パルス数を制御して調光する事で位
置検出装置において位置検出光学系内の光量減衰器２０
の種類を減らす事ができる。

【００６２】また本発明では検出光量の最大値に着目し
てパルス数を調光している為、高精度且つ高速な位置検
出が可能になり、光量減衰器の切り替えが少なくなって
スループットの低下を極力抑えることができる。

【００６３】図６は本発明の実施例２を示すものであ
る。本実施例は位置検出光学系の構成が実施形態１とほ
ぼ同様で、同じ記号を付したものは同じ効果及び同じ機
能を有する。このため同一点についての説明は割愛し、
相違点について説明する。

【００６４】実施例１と同様にレチクルアライメントマ
ーク３とウエハアライメントマーク８からの検出光１７
はビームスプリッタ１２を透過した後、結像光学系１３
に入射する。本実施例では第１の光電変換素子１５の前
にビームスプリッタ２２が配置されていることが特徴で
ある。ビームスプリッタ２２によって検出光の一部は反
射し、第２の光電変換素子１６に入射する。ビームスプ
リッタ２２を透過した光は実施例１と同様に第１の光電
変換素子１５に到達し、同様にレチクルアライメントマ
ーク３とウエハアライメントマーク８の相対位置検出を
行なう。

【００６５】第２の光電変換素子１６は入射してくる光
量だけを検出するもので、検出光量の絶対値が検出可能
で、且つレーザーの１パルス毎の光量を検出できるもの
であれば良い。１６は光量のモニターをして第１の光電
変換素子１５上の光量を類推する役割をする。

【００６６】第２の光電変換素子１６は検出光量の総量
を検出するため、計測するマークが限定されている場
合、またはマークの種類とその時の第１の光電変換素子
１５上で検出される像の明るさが予め求められている場
合に特に有効である。１６の計測中の光量がリアルタイ
ムで計測出来ることを利用すれば、第１の光電変換素子
１５上の光量が最適になるタイミングを見つけることが
できる。

【００６７】図２は本発明の光量調整を説明するもの
で、図２（ａ）で第２の光電変換素子１６からの出力を
示す縦軸の光量が最適光量の範囲に入った段階が、第１
の光電変換素子１５でも最適な光量と判断する。従って
光量減衰器２０を交換しなくてもよい状態であれば検出
光１７の光量をモニターし、最適光量となるパルスが発
光した段階で演算処理装置２０１からレーザー側に発光
の停止する信号を送る。該信号に基づきレーザーの発光
が中止するため、所望のパルス数で位置検出が行なわれ
る。

【００６８】以上のように位置検出光学系内に第２の光
電変換素子１６を配置すれば、第１の光電変換素子１５
の明るさを複数回計測しなくても、リアルタイムで最適
パルス数になるようレーザーの発光を制御することがで
きる。従ってより高速で且つ最適な光量でレチクルアラ
イメントマーク３とウエハアライメントマーク８の相対
位置検出が可能となる。

【００６９】図６ではビームスプリッタ２２及び第２の
光電素子１６を結像光学系１３の後側に配置した例を示
したが、検出光１７の光量の情報が検出出来る形態であ
れば１６の挿入位置は任意で良い。例えばビームスプリ
ッタ１２と結像光学系１３の間に、ビームスプリッタ２
２と第２の光電変換素子１６を配置しても同様な効果が
得られる。

【００７０】図７は本発明の実施例３で投影光学系１に
よるレチクルパターンのウエハ側の共役面（結像面）の
光軸方向の位置計測を行なうものである。本実施例の位
置検出光学系の構成も実施例１とほぼ同様で、同じ記号
を付したものは同じ効果及び同じ機能を有する。このた
め同じ点についての説明は割愛し、相違点について説明
する。

【００７１】図７で検出光学系９、１０はテレセントリ
ックな光学系で、検出光学系１０（以下リレーレンズと
呼ぶ）を駆動機構２５により検出光学系の光軸方向に駆
動して１０の位置を最適化し、レチクル面上のレチクル
アライメントマーク３の像を光電変換素子１５上に良好
に結像させる。最適化は光電変換素子１５で観察される
レチクルアライメントマーク３のコントラストの算出に
より行なわれる。

【００７２】図８はリレーレンズ１０の光軸方向の位置
と光電変換素子１５から観察されるレチクルアライメン
トマーク３の画像コントラストの変化の様子を表してい
る。画像コントラストは、レチクルアライメンマーク３
（レチクルパターン面）の共役面（ベストフォーカス
面）が光電変換素子１５の管面に位置した場合、最大と
なる。つまりリレーレンズ１０を駆動して複数のリレー
位置についてレチクルアライメントマーク３のコントラ
ストを算出すれば、レチクルに対する検出光学系のベス
トフォーカス面位置の設定を行なうことができる。

【００７３】このようにして求めたベストフォーカス位
置にリレーレンズ１０を駆動した後、今度は光電変換素
子１５上のウエハアライメントマーク８の像に着目す
る。

【００７４】ウエハアライメントマーク８もレチクルア
ライメントマーク３と同様に検出光学系のフォーカス方
向の位置に対し画像コントラストが変化する。前述の様
に検出光学系はレチクルアライメントマーク３に対しベ
ストフォーカス状態に設定されている。ウエハアライメ
ントマーク８のフォーカス検出は投影光学系１の光軸方
向であるウエハステージ４の上下方向にウエハステージ
４を駆動して検出画像のコントラストを算出することで
行なう。ベストフォーカス面はレチクルアライメントマ
ーク３と同様の手順で画像コントラストより求めること
が出来る。レチクルアライメントマーク３と同一の検出
位置でベストフォーカス検出を行なっているため、ウエ
ハアライメントマーク８のフォーカス位置は投影光学系
によるレチクルパターン面の共役面に一致する。求めた
フォーカス位置にウエハステージ４を駆動し、感光基板
であるウエハ面を持って行き露光する事で、ベストフォ
ーカス位置で露光することが出来る。

【００７５】上記説明したフォーカス位置計測では、コ
ントラストの算出を取り込む画像の明るさが最適な状態
で行なわないと、精度良い計測が出来ない。フォーカス
位置計測でも実施例１で示したように光電変換素子１５
の取り込み時間内のパルス数を可変制御して調光を行な
えば、位置検出光学系内に持つ光量減衰器２０の種類を
減らす事ができる。

【００７６】本実施例では検出光量の最大値に着目して
パルス数による調光をしている為ダイナミックレンジが
大きく、高精度且つ高速のフォーカス位置検出が可能
で、スループットの低下を極力抑えることが可能とな
る。

【００７７】図９は本発明の実施例４でパルス数の変更
による他の調光方法を説明するもので、横軸は光検出器
の取り込み時間、各縦棒はパルスの発光を意味してい
る。

【００７８】本特許は位置検出装置において、取り込み
時間内でのパルス数の変更によって明るさを調整する事
を特徴としている。図９（ａ）は実施例１に対応するも
ので光検出器の取り込み時間とパルス光の周波数を固定
にし、ある所定のパルス数でパルス発光を中止する方法
である。図９（ａ）では取り込み時間の途中、９パルス
でパルス発光を中止して調光している。

【００７９】図９（ｂ）は光検出器の取り込み時間を固
定にして、パルス光の周波数を変更し、所定のパルス数
を取り込む方法を示すものである。図９（ｂ）では各縦
棒の間隔が周波数に対応し、間隔（周波数）を変更し
て、所定のパルス数（９パルス）を取り込んでいる。

【００８０】図９（ｃ）はパルス光の周波数を固定に
し、発光の周波数を光源が持っている最大の周波数とし
て、所定のパルス数（９パルス）が発光した時点で、光
検出器の取り込みを中止する方法を示している。本実施
例は光源の周波数を最大にし、取り込み時間を変更する
ので、計測時間を短縮化出来ると云う特徴を有する。

【００８１】以上の様に、光検出器の取り込み時間内で
のパルス数の変更には、種々の方法が有り、使用する光
検出器や光源の性質、特性を考慮して、選択を行なう事
が望ましい。

【００８２】次に上記説明した投影露光装置を利用した
半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。

【００８３】図１０は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等
の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造
のフローを示す。

【００８４】ステップ１（回路設計）では半導体デバイ
スの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。

【００８５】一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリ
コン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４
（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマ
スクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ
上に実際の回路を形成する。

【００８６】次のステップ５（組立）は後工程と呼ば
れ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導
体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシ
ング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程を含む。

【００８７】ステップ６（検査）ではステップ５で作製
された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト
等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイス
が完成し、これが出荷（ステップ７）される。

【００８８】図１１は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。

【００８９】ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に
電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打
込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５
（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステ
ップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマ
スクの回路パターンをウエハに焼付露光する。

【００９０】ステップ１７（現像）では露光したウエハ
を現像する。ステップ１８（エッチング）では現像した
レジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジス
ト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジスト
を取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことに
よってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

【００９１】本実施形態の製造方法を用いれば、従来は
製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製
造することができる。

【００９２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
電検出装置、位置検出装置においてパルス発光する光を
光源とするとともに、検出を行なう際のパルス数を調整
して検出される対象の光量を最適化する事で、ダイナミ
ックレンジが大きく、且つ高精度な検出が可能となる。
また検出装置内の光量を調整する光量調整器の切り替え
を最小限に抑えることができる為、高速でスループット
の低下を極力抑えた装置を提供することが可能となっ
た。

【００９３】また、本発明ではパルス数の制御という新
しい自由度を導入により光量減衰器の種類を減らす事が
出来る為、装置の拡大化を抑え、装置全体の拡大化を抑
えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の概略図

【図２】検出光量とパルス数の関係を表すグラフ

【図３】従来例を示す図

【図４】レチクルアライメントマークとウエハアライメ
ントマークの一例

【図５】レチクルアライメントマークとウエハアライメ
ントマークの光量に対する検出波形

【図６】本発明の実施例２の概略図

【図７】本発明の実施例３の概略図

【図８】フォーカス変動時の検出画像コントラスト変化
の様子、

【図９】本発明の実施例４の概念説明図

【図１０】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【図１１】本発明のデバイスの製造方法のフローチャー
ト

【符号の説明】

１ 投影光学系 ２ マスク（レチクル） ３ レチクルアライメントマーク ４ ウエハステージ ５ ウエハチャック ６ ウエハ ７ 基準マークプレート ８ ウエハアライメントマーク ９、１０ 検出光学系 １１ ミラー １２ ビームスプリッタ １３ 結像光学系 １４ レーザー光源 １５ 第１の光電変換素子 １６ 第２の光電変換素子 １７ 検出光 １８ 照明光 １９ 照明光学系 ２０ 光量減衰器 ２１ 拡散板 ２２ ビームスプリッタ ２３ パルスレーザー光源 ２４、２５ 駆動機構 ２６ ＮＤフィルター ２０１ 演算処理装置 ３０１ レチクルアライメントマーク ３０２ ウエハアライメントマーク ３０３ マーク領域

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投影露光光学系を介して互いに共役な関
   係に置かれた第１の物体と第２の物体の相対位置を前記
   第１の物体上に設けられた第１のマークと前記第２の物
   体上、または第２の物体と等価な位置に置かれている基
   準板上に設けられた第２のマークを同一の光電変換素子
   により検出する位置検出装置において、前記位置検出装
   置の光源としてパルス発光する光源を用いると共に、該
   光源のパルス数を制御して前記相対位置を検出すること
   を特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】 前記パルス数が前記パルス光源の発生さ
   せるスペックルによる前記相対位置検出の測定誤差を生
   じない最小複数パルス数より小さくないことを特徴とす
   る請求項１記載の位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記パルス数制御を前記光電変換素子の
   取り込み時間内のパルス発光周波数を変えることによっ
   て行なうことを特徴とする請求項２記載の位置検出装
   置。
4. 【請求項４】 前記パルス数制御を前記光電変換素子の
   取り込み時間を変えることによって行なうことを特徴と
   する請求項２記載の位置検出装置。
5. 【請求項５】 前記取り込み時間変更の時、該パルス光
   源を該パルス光源の最高の発光周波数で発光することを
   特徴とする請求項５記載の位置検出装置。
6. 【請求項６】 前記パルス数制御と共に他の光量調整手
   段を併用することを特徴とする請求項２記載の位置検出
   装置。
7. 【請求項７】 前記他の光量調整手段が複数個のＮＤフ
   ィルターの選択によって行なわれることを特徴とする請
   求項６記載の位置検出装置。
8. 【請求項８】 前記位置検出装置において前記光電変換
   素子の光量をモニタする第２の光電素子を設けることを
   特徴とする請求項２記載の位置検出装置。
9. 【請求項９】 前記パルス数の制御を前記第２の光電素
   子の出力によって行なうことを特徴とする請求項７記載
   の位置検出装置。
10. 【請求項１０】 前記相対位置の検出が前記第１と第２
    の物体の前記投影光学系に関するアライメント状態であ
    ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の
    位置検出装置。
11. 【請求項１１】 前記相対位置の検出が前記第１と第２
    の物体の前記投影光学系に関するフォーカス状態である
    ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の位
    置検出装置。
12. 【請求項１２】 前記フォーカス状態を前記光電変換素
    子に結像された像のコントラストを算出することによっ
    て行なうことを特徴とする請求項１１記載の位置検出装
    置。
13. 【請求項１３】 前記位置検出装置が前記第１の物体に
    対してベストフォーカス状態に設定されていることを特
    徴とする請求項１２記載の位置検出装置。
14. 【請求項１４】 前記位置検出装置の前記第１の物体に
    対するフォーカス状態を前記位置検出装置内の光学素子
    を駆動して検出することを特徴とする請求項１３記載の
    位置検出装置。
15. 【請求項１５】 前記第２物体のフォーカス状態を前記
    位置検出装置に対し、前記第２物体または前記基準板を
    前記投影露光光学系の光軸方向に駆動して検出すること
    を特徴とする請求項１４記載の位置検出装置。
16. 【請求項１６】 前記請求項１〜１５のいずれか１項に
    記載された位置検出装置を用いてレチクルとウエハとの
    位置合わせを行ないレチクル面上のパターンをウエハ面
    上に投影露光していることを特徴とする投影露光装置。
17. 【請求項１７】 請求項１から１５のいずれか１項記載
    の位置検出装置を用いてレチクルとウエハとの位置合わ
    せを行なった後に、レチクル面上のパターンをウエハ面
    上に投影露光していることを特徴とするデバイスの製造
    方法。
18. 【請求項１８】 照明された対象を光電変換素子で検出
    する装置で、前記対象をパルス発光光で照明するととも
    に、該パルス発光光のパルス数の制御により前記光電変
    換素子による検出の制御を行うことを特徴とする光電検
    出装置。
19. 【請求項１９】 前記パルス発光光のパルス数の制御を
    前記光電変換素子の取り込み時間内のパルス発光数を変
    えることによって行うことを特徴とする請求項１８記載
    の光電検出装置。
20. 【請求項２０】 前記パルス発光光のパルス数の制御を
    前記光電変換素子の取り込み時間を変えることによって
    行うことを特徴とする請求項１８記載の光電検出装置。