JPH11297600A

JPH11297600A - 位置検出装置及び露光装置

Info

Publication number: JPH11297600A
Application number: JP10100705A
Authority: JP
Inventors: Ayako Sugaya; 綾子菅谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1998-04-13
Publication date: 1999-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-13
Also published as: JP4337149B2

Abstract

(57)【要約】【課題】プロセスオフセットを小さくすること。【解決手段】位置検出用パターンを照明する照明手段
と、照明された前記位置検出用パターンからの光を対物
光学系を介して集光する集光手段と、集光手段を介した
前記位置検出用パターンからの光を検出する光電検出手
段とを有し、該光電検出手段により得られる検出信号に
基づいて前記位置検出用パターンの位置を検出するもの
であって、前記集光手段中の前記対物光学系は複数の光
学素子からなり、前記対物光学系の該複数の光学素子の
光学面の研磨面精度の平均値が前記光の中心波長をλと
するとき、ＲＭＳ０．０１λ（λ：前記光の中心波長）
以下となるように、前記複数の光学素子が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は位置検出用パターン
の位置を検出する位置検出装置に関し、特に半導体素
子、撮像素子、液晶表示素子、または薄膜磁気ヘッド等
のデバイスを製造するリソグラフィ工程で用いる露光装
置に好適なマスクと感光基板との位置合わせ装置や、該
露光装置の重ね合わせ（位置合わせ）精度やステージの
送り精度（ステッピング精度）を測定する重ね合わせ測
定装置に用いられる位置検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等のデバイスは、一般に感光
材料が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等の基
板）上に複数層の回路パターンを積み重ねて形成される
ため、回路パターンをウエハ上に露光するための投影露
光装置には、これから露光するレチクルのパターンと既
に回路パターンが形成されているウエハの各ショット領
域との位置合わせを行うためのアライメント装置が備え
られている。

【０００３】従来この種のアライメント装置としては、
特開平４−６５６０３号公報、特開平４−２７３２４６
号公報等で提示されているように、ハロゲンランプ等の
光源から射出される波長帯域幅の広い光でウエハ上のア
ライメントマーク（ウエハマーク）を照明し、その拡大
像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理
してそのウエハマークの位置検出を行うオフ・アクシス
方式で、且つ撮像方式のアライメント装置が知られてい
る。撮像方式のアライメント装置の検出系はＦＩＡ（Fi
eld Image Alignment)系とも呼ばれている。この撮像
方式のアライメント装置では、広帯域照明であるため、
ウエハ上のフォトレジスト層での薄膜干渉の影響が低減
される利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
撮像方式のアライメント装置の結像光学系では、加工、
組立、調整等の製造工程において、僅かながら収差が残
存していた。このように収差が残存していると、撮像面
上でのウエハマーク像のコントラストが低下したり、ウ
エハマーク像に歪が生じるなどして、マーク位置の検出
誤差が発生する。近年、回路パターンの線幅の微細化に
伴い、益々高精度のアライメントが必要とされるように
なり、上記の如き僅少な収差による、アライメント精度
の低下も問題となってきている。

【０００５】そのように残存する収差の内で、特にコマ
収差のウエハマーク像の検出に及ぼす影響は大きく、光
軸に軸対称なコマ収差や視野全面に均一な偏心コマ収差
などの瞳において光軸に非対称な横収差が光学系内に発
生していると、撮像面上に投影されるウエハマーク像
は、理想結像の場合と比べて位置ずれして計測される。
また、ピッチ、デューティ比、段差等のウエハマークの
形状が変わった場合や、ウエハマークがデフォーカスし
た場合に、そのウエハマーク像にコマ収差が存在する
と、その像へのコマ収差の影響の度合いが様々に変化
し、且つその計測位置のずれ量も様々に変わることにな
る。

【０００６】半導体製造工程毎にウエハマークの形状は
異なるため、コマ収差が残留した光学系でウエハのアラ
イメント（位置合わせ）を行うと、プロセスオフセット
が発生したり、重ね合わせ精度の再現性が悪化する等に
より、アライメント精度が低下する。このようなコマ収
差を補正するために、本願出願人は特開平8-195336号公
報において、対物光学系に後続する光学系においてコマ
収差を補正する手法を提案した。しかしながら、当該特
開平8-195336号公報にて提案した手法では、補正可能な
コマ収差は低次のコマ収差のみであり、高次のコマ収差
の補正を行うことは困難である。近年の回路の微細化に
伴なって要求される厳しい位置検出精度を満足するため
には、上記高次コマ収差が無視できなくなってきてい
る。

【０００７】そこで、本発明は、低次だけでなく高次の
コマ収差を極力抑えることにより、プロセスオフセット
が小さく高精度な位置検出装置を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明にかかる位置検出装置は、位置検出用パタ
ーンを照明する照明手段と、照明された前記位置検出用
パターンからの光を対物光学系を介して集光する集光手
段と、集光手段を介した前記位置検出用パターンからの
光を検出する光電検出手段とを有し、該光電検出手段に
より得られる検出信号に基づいて前記位置検出用パター
ンの位置を検出するものであって、前記集光手段中の前
記対物光学系は複数の光学素子からなり、前記光の中心
波長をλとするとき、前記対物光学系の該複数の光学素
子の光学面の研磨面精度から少なくともアス成分を取り
除いた後のＲＭＳの平均値が０．０１λ以下となるよう
に、前記複数の光学素子が形成される。

【０００９】上述の構成において、前記集光手段は複数
の光学素子からなり、前記光の中心波長をλとすると
き、前記集光手段中の該複数の光学素子の光学面の研磨
面精度から少なくともアス成分を取り除いた後の平均値
がＳ０．０１λ以下となるように、前記複数の光学素子
が形成されることが好ましい。また、前記ＲＭＳの平均
値は、前記光学面の研磨面精度から前記アス成分及び曲
率誤差成分を取り除いた後のＲＭＳの平均値であること
が好ましい。

【００１０】また、本発明の好ましい態様においては、
前記集光光学系の瞳における波面収差成分と、光軸から
の距離の偶数乗、１乗及び３乗に比例する成分並びにア
ス成分との残差波面収差成分のＲＭＳの平均値が０．０
１λ以下である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の原理に
ついて説明する。図１は、本発明の原理を説明するため
の図である。図１に示す結像光学系は、レンズＬ１、開
口絞りＡＳ、及びレンズＬ２で構成されており、物体面
上に形成されるマークの像を結像面上に所定の倍率のも
とで結像させるものである。なお、図１における物体面
には、ピッチがｐのパターンとピッチが２ｐのパターン
とが形成されているものとする。図１の結像光学系に
おいてコマ収差が残存していると、このコマ収差は、結
像光学系の瞳面（開口絞りＡＳ位置）において光軸ＡＸ
に対して回転非対称な波面収差で表される。また、ピッ
チｐのパターンから発生する±１次光と、ピッチ２ｐの
パターンから発生する±１次光とが瞳面において通過す
る座標が異なるため、ピッチｐのパターンからの±１次
光に加わる収差量ΔＷｐとピッチ２ｐのパターンからの
±１次光に加わる収差量ΔＷ２ｐとは異なる。従って、
ピッチｐのパターンからの±１次光が結像面上に到達す
る位置と、ピッチ２ｐのパターンからの±１次光が結像
面上に到達する位置とは、上記収差量ΔＷｐ，ΔＷ２ｐ
の違いに応じて異なり、結果として、ピッチｐのパター
ンの結像位置とピッチ２ｐのパターンの結像位置とが一
致しない。これがプロセスオフセットとなる。なお、
図１には低次（参照球面からの位相ずれが光軸からの距
離の３乗に比例する成分）のコマ収差が発生している状
態を図示したが、高次（参照球面からの位相ずれが光軸
からの距離の３乗を超える成分）のコマ収差についても
原理は同様であり、低次のコマ収差及び高次のコマ収差
が大きいほどプロセスオフセットは大きくなる。

【００１２】なお、低次の収差成分とは、光学系の瞳上
での波面収差ΔＷのうち参照球面からの位相ずれが光軸
からの距離Ｄの３乗に比例する成分を指し、例えばツェ
ルニケ(Zernike)の多項式では一般的にＤ³ｃｏｓ（３
θ），（３Ｄ³−２Ｄｃｏｓθ，（３Ｄ³−２Ｄ）ｓｉ
ｎθ，Ｄ³ｓｉｎ（３θ）で表される。また高次の収
差成分とは、光学系の瞳上での波面収差ΔＷを、参照球
面からの位相ずれが光軸からの距離Ｄの偶数乗、１乗及
び３乗に比例する成分でフィッティングし、そのフィッ
ティング面とΔＷとの残差成分に対応する。なお、参照
球面からの位相ずれが光軸からの距離Ｄの１乗に比例す
る成分は、例えばツェルニケの多項式では、Ｄｃｏｓ
θ，Ｄｓｉｎθで表される。

【００１３】このようなコマ収差を初めとする収差（光
軸に対称な収差、光軸に非対称な収差）は、設計値、ガ
ラス部品の内部歪み、ガラス部品の面の研磨誤差、ガラ
ス部品をメカ部品に組み込むときに内部や外部に生じる
歪み、更には組み立て誤差によって生じる。これらの収
差のうち低次のコマ収差は、特開平8-195336号公報など
で提案した方法で補正することが可能であるが、この手
法では高次のコマ収差補正が困難である。

【００１４】次に、高次のコマ収差の残存量とプロセス
オフセットとの関係について図２を参照して説明する。
まず、実際に製造された複数本（図２では４本）の対物
レンズを任意に選択して、それらの波面収差を周知の手
法で測定する。測定された波面収差を補正可能な低次収
差でフィッティングし、残存する波面収差（残差波面収
差成分）の平方自乗平均(root mean square, RMS)を高
次コマ収差ＲＭＳとする。そして、上記残存する波面収
差が結像光学系に存在しているとして、パターンピッ
チ、デューティなどが異なる複数種類のパターンが理想
結像位置からどれくらいずれた位置に結像するのかをシ
ミュレーションし、これらの結像点のばらつきの幅をプ
ロセスオフセットとする。

【００１５】図２は、横軸を上記高次コマ収差とし縦軸
を上記プロセスオフセットとして複数本の対物レンズに
関してプロットした図である。この図２からも明らかな
通り、高次のコマ収差を低減させれば（低次収差が補正
されていることが前提）、プロセスオフセットを小さく
抑えることができる。本願発明者らは、どのようにした
ら高次コマ収差を低減させることができるのかについて
鋭意研究した結果、結像光学系を構成している光学部品
の光学面（レンズであればレンズ面、反射鏡であれば反
射面）の研磨誤差が上記高次コマ収差の発生要因として
大きいという結論に到達した。

【００１６】図３は、結像光学系の瞳における収差と、
該収差のうちの高次コマ収差との関係とを示すシミュレ
ーション結果である。図３のシミュレーションに際して
は、以下の手法で行った。まず、実際に製造された複数
本（図３では９本）の対物レンズを任意に選択して、そ
れらの波面収差を周知の手法で測定する。そして、測定
された波面収差の平方自乗平均を瞳に生じた収差ＲＭＳ
とする。次に、測定された波面収差から、光軸対称成分
（主に球面収差に対応）、参照球面からの位相ずれが光
軸からの距離の３乗に比例する成分、及び傾斜成分（参
照球面からの位相ずれが光軸からの距離の１乗に比例す
る成分に対応）でフィッティングした残りの波面収差
（残差波面収差）の平方自乗平均を瞳に生じた高次コマ
収差ＲＭＳとする。

【００１７】図３は、横軸を上記瞳に生じた収差ＲＭＳ
とし、縦軸を上記瞳に生じた高次コマ収差成分ＲＭＳと
して、上記複数本の対物レンズにつきプロットした図で
ある。この図３からも明らかな通り、高次のコマ収差を
小さくするためには、研磨面の面誤差に起因して瞳に生
じる全体の収差を小さく抑えることが必要なことが分か
る。なお、研磨面で光軸に非対称な収差だけでなく対称
な収差も抑える必要があるのは、研磨面のみでは光軸に
対称な収差も、組み立て誤差により偏心すれば光軸に非
対称な収差となるからである。

【００１８】次に、対物光学系を構成する複数の光学素
子のうち、特定の光学素子の光学面に研磨誤差があった
場合を想定してシミュレーションを行った。このシミュ
レーションにおいては、対物光学系のレンズデータにお
いて、ある特定の面に研磨誤差として設計値の面形状に
偏差を与え、このときに瞳に生じる収差を計算した。次
に上記特定の面とは異なる面に対しても同様に収差を計
算した。この結果、対物光学系中の様々な位置にあるレ
ンズ面のうちのどのレンズ面であっても、瞳に生じる収
差への影響が同程度であることが分かった。従って、高
次コマ収差の発生を抑えるためには、対物光学系を構成
する各光学素子の光学面の研磨面精度を全ての光学面に
おいて所定の値以下にする必要がある。

【００１９】さて、図４は対物光学系の開口数ごとに、
高次のコマ収差の残存量とプロセスオフセットとの関係
を示した図である。なお、図４のシミュレーションにお
いては、図２・図３と同様に低次の収差を引いた状態で
シミュレーションしている。図４において、点Ａは対物
光学系の物体側開口数ＮＡ＝０．２である場合、研磨面
精度の平方自乗平均が０．０２λのときを示す。ここ
で、点Ｂは対物光学系の物体側開口数ＮＡを一定にしつ
つ研磨面精度の平方自乗平均を０．０１λとした場合を
示している。点Ａ、点Ｂの比較により、上述の図２に示
したときと同様に対物光学系の開口数が一定である場合
には、プロセスオフセットはコマ収差量にほぼ比例して
小さくなることが分かる。また、点Ｃは対物光学系を
構成する光学面の研磨面精度の平方自乗平均を０．０１
λとしつつ、対物光学系の物体側開口数ＮＡをＮＡ＝
０．３に拡大した場合を示しており、点Ｄは対物光学系
を構成する光学面の研磨面精度の平方自乗平均を０．０
２λとしつつ対物光学系の物体側開口数ＮＡをＮＡ＝
０．３に拡大した場合を示している。これより、対物光
学系を構成する光学面の研磨面精度の平方自乗平均が
０．０２λ程度である場合には、対物光学系の物体側開
口数ＮＡを大きくしてもプロセスオフセットの低減には
つながらないが、この研磨面精度の平方自乗平均が０．
０１λ以下である場合には、対物光学系の物体側開口数
を大きくしてさらにプロセスオフセットの低減を図るこ
とができる。すなわち、対物光学系の瞳における全体
の収差が同じであっても、第一対物レンズの各面の研磨
精度がＲＭＳで０．０２λ程度の場合はＮＡを大きくし
てもあまり精度は変わらないが、０．０１λ以下程度で
あればＮＡを大きくしてプロセスオフセットを向上する
ことができる。

【００２０】これは、研磨面精度が０．０２λ程度の場
合、参照球面からの位相ずれが光軸からの距離の３乗に
比例する補正可能な収差を補正しても、残存した高次収
差のうち瞳の外周部にいくほど位相ずれ（収差）が大き
くなるような収差が支配的になっていて、ＮＡを大きく
することによるコマ収差の増加が支配的となり、ＮＡは
小さいほうが高精度となるためである。

【００２１】しかし、図４に示したように、研磨面精度
のＲＭＳの平均値が０．０１λ程度となれば、瞳上にお
いて残存した収差のうちランダムに分布するような高次
の収差が支配的になり、ＮＡを大きくしてもコマ収差の
増加はあまりなく、それ以上にＮＡを大きくすることに
よるプロセスオフセットの減少が大きくなる。上述した
図１〜図４の説明より、対物光学系に後続する光学系に
より補正することが難しい高次のコマ収差の発生を抑
え、更に残存する収差が瞳にランダムに分布するような
程度まで高次の収差を抑えるためには、対物光学系の各
面の研磨面精度の平方自乗平均の平均値が０．０１λ
（λ＝使用中心波長）以下であることが必要であること
がわかる。ただし、研磨誤差において理想曲面からの
ずれのうち、光軸からの距離の２乗に比例する成分はレ
ンズの曲率誤差成分であり、レンズのパワー（屈折力）
誤差となるが、このパワー誤差は補正可能であるためプ
ロセスオフセットの要因とはならない。さらに、アス成
分は、レンズ同士を回転させ打ち消し合うことが可能で
ある。なお、アス成分とは、あるメリジオナル面で光軸
からの距離Ｄの２乗に比例する研磨誤差成分と、それに
直交する面における光軸からの距離Ｄの２乗に比例する
研磨誤差成分との差のうち、その差が一番大きくなる成
分のことである。

【００２２】さらに、対物光学系の各面の精度を本発明
のようにすれば、全光学系の瞳の波面収差のうち、補正
が難しい光軸に関して高次の非対称収差の残存成分をＲ
ＭＳ０．０１λ以下とすることができる。図５を参照し
て、瞳の波面収差について説明する。図５において、瞳
の波面収差とは、実光学系を介して光電検出面（結像
面）に結像した像点Ｉｐからの球面波を考え、その球面
波が瞳に形成する波面Ｗと、無収差の理想光学系での瞳
上での理想波面Ｗ0との位相ずれΔＷである。波面収差
ΔＷのうち、光軸Ａｘからの距離Ｄの偶数次数で比例す
る成分（光軸に対称な収差）はプロセスオフセットの要
因とはならない。さらに光軸Ａｘからの距離Ｄの１乗に
比例する成分（ツェルニケの多項式では一般的にＤｃｏ
ｓθ，Ｄｓｉｎθで表される）も全ての像の位置ずれと
なるだけで、プロセスオフセットの要因とはならない。
また、光軸Ａｘからの距離Ｄの３乗に比例する成分（ツ
ェルニケ多項式では一般的にＤ³ｃｏｓ（３θ），（３
Ｄ³−２Ｄｃｏｓθ，（３Ｄ³−２Ｄ）ｓｉｎθ，Ｄ³
ｓｉｎ（３θ）で表される）は特開平８−１９５３８６
号公報に開示されている手法で補正可能な低次のコマ収
差である。

【００２３】従って本発明を適用することにより、全光
学系の瞳上での波面収差ΔＷを光軸からの距離Ｄの偶数
乗、１乗及び３乗に比例する成分でフィッティングし、
そのフィッティング面と波面収差ΔＷとの残差成分Δ
Ｗ’（＝補正が難しい高次のコマ収差）をＲＭＳ０．０
１λ以下とすることができる。なお、上記高次の非対称
波面収差ΔＷ’において、アス成分は、集光光学系を構
成する複数のレンズの組み上げの際に、これら複数のレ
ンズの回転方向をコントロールして組み上げることによ
り、Ｘ方向及びＹ方向のフォーカスずれとはなるがプロ
セスオフセットの要因としないことが可能なため、アス
補正後のＲＭＳが０．０１λ以下でもよい。ここで、
アス成分とは、あるメリジオナル面で光軸からの距離Ｄ
の２乗に比例する波面収差成分（Ｗ１）と、それに直交
する面における光軸からの距離Ｄの２乗に比例する波面
収差成分（Ｗ２）との差が一番大きくなる成分である。

【００２４】

【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６は、本発明の第１実施例にかかる位置
検出装置および該位置検出装置を備えた露光装置の構成
を概略的に示す図である。本実施例は、半導体露光装置
における感光性基板の位置検出に本発明を適用してい
る。

【００２５】なお、図６では、露光装置の投影光学系Ｐ
Ｌの光軸に対して平行にＺ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内に
おいて図６の紙面に平行な方向にＸ軸が、Ｚ軸に垂直な
平面内において図６の紙面に垂直な方向にＹ軸がそれぞ
れ設定されている。図示の露光装置は、適当な露光光で
マスク（投影原版）としてのレチクル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。

【００２６】レチクルＲを透過した光は、投影光学系Ｐ
Ｌを介してウエハ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。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構成されている。

【００２７】Ｚステージ２２はさらに、ＸＹステージ２
３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
うに構成されている。前述したように、露光装置では、
投影露光に先立って、レチクルＲ上のパターン領域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
成された段差パターンからなるアライメントマークすな
わちウエハマークＷＭの基準座標系におけるＸ方向位置
およびＹ方向位置を検出し、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、本発明の位
置検出装置が使用される。

【００２８】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、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。図６に示す位置
検出装置は、波長帯域幅の広い照明光としてアライメン
ト光ＡＬを供給するための光源３を備えている。光源３
として、たとえばハロゲンランプのような光源を使用す
ることができる。本実施例では、アライメント光の波長
帯域を５００ｎｍ〜８００ｎｍとしている。光源３から
のアライメント光ＡＬ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アライメント光ＡＬ
は、たとえば円形の開口部を有する照明開口絞り２７を
介して制限された後、コンデンサーレンズ２９に入射す
る。

【００２９】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。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。

【００３０】照明光に対するウエハマークＷＭからの反
射光（回折光を含む）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（１３，１４）およびその光路中において照明開口
絞り２７とほぼ共役な位置に配置された結像開口絞り３
０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。

【００３１】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）、結像開口絞り
３０、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（集光光学系）を構成している。

【００３２】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。

【００３３】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ウエハＷのＸ方向
位置およびＹ方向位置を検出し、検出したウエハＷのＸ
方向位置およびＹ方向位置に応じた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。

【００３４】このように、Ｙ方向用ＣＣＤ１６、Ｘ方向
用ＣＣＤ１７、信号処理系１８、および主制御系２５
は、結像光学系を介して形成されたマーク像の位置情報
に基づいてウエハＷの位置を検出するための光電検出手
段を構成している。さて、本実施例における第１対物レ
ンズ７は、複数の光学素子（レンズ素子）で構成されて
おり、これら各光学素子の光学面（レンズ面）の研磨面
精度は、従来のＲＭＳ≒０．０２λ（λ＝６３３ｎｍ）
のときには全光学系の瞳での波面収差のうち光軸に非対
称な高次収差がＲＭＳ≒０．０２λ程度残存していたの
に比べて、各レンズの研磨面精度の平方自乗平均の値を
ＲＭＳ≒０．０１λ（λ＝６３３ｎｍ）としたため、補
正が難しい瞳上での高次コマ収差の発生が約半分（ＲＭ
Ｓ≒０．０１λ）となり、プロセスオフセットの発生も
約半分とすることができた。

【００３５】なお、本実施例においては、低次の収差に
よるプロセスオフセットの発生を防ぐために、特開平8-
195336号に開示される技術も併せて適用している。さ
て、図６に示した本実施例のような位置検出装置では、
拡大倍率を有する光学系を用いることが一般的である。
この場合、第１対物レンズ７の物体側開口数は、倍率の
かかった後段のレンズ１１，１３，１４などの物体側開
口数よりも大きくなる。図７に示すように、軸上光束の
みを考えると、第１対物レンズ７も倍率のかかった後段
のレンズ１１（１３，１４）も同程度の研磨面精度が要
求される。しかしながら、倍率のかかった後段のレンズ
１１（１３，１４）では、図中破線で示すように結像面
Ｉ上で像高を持つ光束による有効径の増加が大きい。従
って、後段のレンズ１１（１３，１４）では必ずしも有
効径全域での研磨面精度がＲＭＳ≒０．０１λ（λ：使
用波長の中心波長）を満足する必要はない。言いかえる
と、集光光学系を構成するレンズのうち、第１対物レン
ズ７が平均値でＲＭＳ０．０１λを満足していれば、高
精度なアライメントが可能となる。

【００３６】なお、図６の実施例において、例えば瞳空
間に置かれたハーフプリズム６等の入射面・射出面の研
磨面誤差は、そのまま瞳での収差を発生させる恐れがあ
る。また、第１対物レンズ７に後続する各レンズ（１
１，１３，１４）においても第１対物レンズ７と同程度
な研磨面誤差が存在するときには、瞳での収差を発生さ
せる恐れがある。さらに、第１対物レンズ７の物体側に
配置される反射プリズム８の反射面の研磨面誤差も瞳に
おいて収差を発生させる恐れがある。

【００３７】従って、さらなる高精度の位置検出系を提
供するためには、第一対物レンズだけでなく、位置検出
系における各レンズ、各平行平面板、各反射面の研磨面
精度の平方自乗平均の平均値が０．０１λ以下であるこ
とが好ましい。また、本発明は、面精度や瞳の収差をＲ
ＭＳで表現しているが、最大値と最小値との差（Ｐ−
Ｖ、ＰＫ−ＰＫ）、収差係数などで言いかえることがで
きるのは言うまでもない。なお、上記の研磨面精度
は、光学部品全体で要求されるのではなく、光束が通過
する有効域内だけでいいことは言うまでもない。

【００３８】また、落射照明型の位置検出装置の例を示
したが、透過型の位置検出装置に本発明を適応すること
が可能なのは言うまでもない。なお、図６に示した露光
装置の位置検出装置は、例えば本件出願人による特願平
8-273227号にて提案されているパターン間寸法測定装置
の集光光学系や、同じく本件出願人による特開昭62-326
14号公報に開示される重ね合わせ測定装置のアライメン
ト系などに適用することもできる。これらの場合、高精
度な寸法測定や高精度な重ね合わせ精度（位置合わせ精
度）を測定することができる。また、図５の位置検出装
置は、特開平1-187817号公報などに開示される最適露光
条件設定装置にも適用することができる。

【００３９】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、検出するパ
ターンの種類によらず高精度に該パターンの位置を検出
することができる位置検出装置を実現できる。また、該
位置検出装置を露光装置に適用すれば、微細な線幅に対
応することができる。また、該位置検出装置を重ね合わ
せ測定装置に適用すれば、高精度に重ね合わせ精度を測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図である。

【図２】シミュレーション結果を示すグラフである。

【図３】シミュレーション結果を示すグラフである。

【図４】シミュレーション結果を示すグラフである。

【図５】本発明の原理を説明するための図である。

【図６】本発明の位置検出装置を露光装置に適用した実
施例を示す図である。

【図７】本発明の変形例の原理を説明するための図であ
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３０結像開口絞り

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置検出用パターンを照明する照明手段
と、照明された前記位置検出用パターンからの光を対物
光学系を介して集光する集光手段と、該集光手段を介し
た前記位置検出用パターンからの光を検出する光電検出
手段とを有し、該光電検出手段により得られる検出信号
に基づいて前記位置検出用パターンの位置を検出する位
置検出装置において、前記集光手段中の前記対物光学系は複数の光学素子から
なり、前記光の中心波長をλとするとき、前記対物光学系の該
複数の光学素子の光学面の研磨面精度から少なくともア
ス成分を取り除いた後のＲＭＳの平均値が０．０１λ以
下となるように、前記複数の光学素子が形成されること
を特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記集光手段は複数の光学素子からなり、
前記光の中心波長をλとするとき、前記集光手段中の該
複数の光学素子の光学面の研磨面精度から少なくともア
ス成分を取り除いた後のＲＭＳの平均値が０．０１λ以
下となるように、前記複数の光学素子が形成されること
を特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】前記ＲＭＳの平均値は、前記光学面の研磨
面精度から前記アス成分及び曲率誤差成分を取り除いた
後のＲＭＳの平均値であることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の位置検出装置。
【請求項４】前記集光光学系の瞳における波面収差成分
と、光軸からの距離の偶数乗、１乗及び３乗に比例する
成分並びにアス成分との残差波面収差成分のＲＭＳの平
均値が０．０１λ以下であることを特徴とする請求項
１、２または３記載の位置検出装置。
【請求項５】原版上の所定のパターンを感光性材料が塗
布された基板へ転写するための露光装置において、請求項１、２、３または４記載の位置検出装置を備えた
ことを特徴とする露光装置。