JPH11341361A - イメージセンサ、その使用方法および露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビニング動作可能なイメージセンサにおい
て、ランダムノイズの影響を低減させて、アライメント
マークなどのマーク位置を高精度で検出することが可能
なイメージセンサ、その使用方法およびそのイメージセ
ンサを有する露光装置を提供すること。 【解決手段】 行方向および列方向に二次元的に配置さ
れた複数の光検知部１２と、該光検知部１２の各々に蓄
積された電荷を前記列方向に沿って複数行の組に分割
し、分割された複数行の組の電荷を前記行方向に沿って
読み出す読み出し制御手段１６，１８，２９，３０と、
該読み出し制御手段によって読み出された複数行の組の
電荷に関する信号を、列方向に沿って演算処理を行う演
算手段２５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イメージセンサ、
その使用方法およびそのイメージセンサを有する露光装
置に係り、さらに詳しくは、ビニング動作可能なイメー
ジセンサにおいて、ランダムノイズの影響を低減させ
て、アライメントマークなどのマーク位置を高精度で検
出することが可能なイメージセンサ、その使用方法およ
びそのイメージセンサを有する露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】イメージセンサとしては、大きく分け
て、リニアイメージセンサとエリアイメージセンサとが
ある。リニアイメージセンサは、一次元方向の光の分布
を検出可能であり、二次元センサは、二次元方向の光の
分布を検出可能である。一般には、リニアイメージセン
サは、光検知部が一次元方向に配列してあり、エリアイ
メージセンサでは、光検知部が二次元行列状に配置して
ある。

【０００３】ところが、最近では、微弱な光の分布をも
高精度で検出できるように、光検知部が二次元行列状に
配列してあるイメージセンサをビニング動作させて、リ
ニアイメージセンサとして使用させているイメージセン
サが開発されている。

【０００４】ビニング動作とは、行方向および列方向に
二次元的に配置された複数の光検知部（画素）毎に蓄積
された光電荷を列方向全体にわたって転送し、列方向の
各画素に蓄積された電荷を各列毎に一度に加算し、その
後に、列毎に一度に加算された電荷を、行方向に転送す
ることである。このビニング動作によれば、列方向の各
画素に蓄積された電荷を各列毎に加算することから、微
弱な光であっても、行方向の光の分布を比較的高精度で
検出することができる。

【０００５】このようなイメージセンサは、たとえば半
導体装置の製造過程で用いる露光装置において、マスク
（レチクル含む）と基板との位置合わせ用のアライメン
トマークの位置検出として好ましく用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
ビニング動作のイメージセンサでは、列毎に一度に加算
された電荷信号（光検出信号）を、行方向に転送した
後、アナログ・デジタル変換回路に転送するまでの間、
あるいはその後の転送の間に、ランダムノイズが光検出
信号に加算され、信号のＳ／Ｎ比を悪化させていた。た
とえばイメージセンサの光検知部が、ｍ行×ｎ列の行列
であり、各光検知部毎に電荷ｑが蓄積されたとすると、
列毎に一度に加算された電荷は、ｍ×ｑである。また、
アナログ・デジタル変換回路の変換係数をＧとすると、
アナログ・デジタル変換後の光検出信号はＧ×ｍ×ｑで
ある。この本来の光検出信号Ｇ×ｍ×ｑにランダムノイ
ズに対応するノイズ電圧Ｖｎが加算されると、ノイズを
含む信号（Ｇ×ｍ×ｑ＋Ｖｎ）となる。このノイズを含
む信号（Ｇ×ｍ×ｑ＋Ｖｎ）は、各列毎に発生する。

【０００７】したがって、このビニング動作のイメージ
センサを用いて、たとえば図５（Ｃ）に示す一次元方向
の光の分布８Ｐを検出し、アナログ・デジタル変換回路
を通した信号８Ｄ（図５（Ｄ））から、光分布のピーク
位置を求めようとしても精度の点で難点があった。すな
わち、実際には、図５（Ｅ）に示すランダムノイズ電圧
１１が信号８Ｄに加わり、図５（Ｆ）に示すようなノイ
ズを含む信号となり、光分布のピーク位置を高精度で検
出することが困難であった。

【０００８】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、ビニング動作可能なイメージセンサにおいて、ラン
ダムノイズの影響を低減させて、アライメントマークな
どのマーク位置を高精度で検出することが可能なイメー
ジセンサ、その使用方法およびそのイメージセンサを有
する露光装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るイメージセンサは、行方向および列方
向に二次元的に配置された複数の光検知部と、該光検知
部の各々に蓄積された電荷を前記列方向に沿って複数行
の組に分割し、分割された複数行の組の電荷を前記行方
向に沿って読み出す読み出し制御手段と、該読み出し制
御手段によって読み出された複数行の組の電荷に関する
信号を、列方向に沿って演算処理を行う演算手段と、を
有する。本発明において、演算手段で行う演算として
は、特に限定されないが、加算演算または平均化演算処
理であることが好ましい。

【００１０】また、本発明に係るイメージセンサの電荷
読み出し方法は、行方向および列方向に二次元的に配置
された複数の光検知部の各々に蓄積された電荷を読み出
す方法において、前記光検知部の列方向に沿って複数行
の組に分割し、その分割された複数行の組の電荷を前記
行方向に沿って読み出す工程を含むことを特徴とする。

【００１１】さらに、本発明に係るイメージセンサの使
用方法は、行方向および列方向に二次元的に配置された
複数の光検知部にそれぞれ蓄積された電荷を前記列方向
に沿って複数行の組に分割し、分割された複数行の組の
電荷を前記行方向に沿って各行毎に変換器へ送り、前記
受光範囲内に照射された行方向の光の分布（光の強度分
布に限らない）を求めるように、前記変換器を通して変
換された複数行の組の信号を、列方向に沿って演算処理
することを特徴とする。本発明において、変換器として
は、特に限定されないが、アナログ・デジタル変換回路
などが例示される。

【００１２】さらにまた、本発明に係る露光装置は、マ
スクに形成されたパターンを基板上に転写する露光装置
において、上記イメージセンサを含むことを特徴とす
る。このイメージセンサが、基板および／またはマスク
に形成されたマークからの光情報を検知するように装着
してあることが好ましい。

【００１３】なお、本発明において、マスクとは、特に
限定されず、レチクルを含む概念で用いる。また、基板
とは、特に限定されず、ウエハやガラス基板などを含む
概念で用いる。

【００１４】本発明において、露光装置としては、特に
限定されず、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎ
ｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエ
キシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ_２ レーザ（１５７ｎ
ｍ）、またはＹＡＧレーザなどの高調波を露光用光源と
して用いる露光装置に限らず、Ｘ線露光装置や電子線
（ＥＢ）露光装置なども含む。なお、ＥＢ露光装置の場
合には、マスクがない場合もあり得る。

【００１５】また、露光方式の分類による露光装置のタ
イプも特に限定されず、いわゆるステップ・アンド・リ
ピート方式の露光装置でも、いわゆるステップ・アンド
・スキャン方式の露光装置でも良い。いわゆるステップ
・アンド・スキャン方式の露光装置は、レチクルなどの
マスク上のパターンの一部を投影光学系を介して感光性
基板上に縮小投影露光した状態で、マスクと感光性基板
とを、投影光学系に対して同期移動させることにより、
マスク上のパターンの縮小像を逐次感光性基板の各ショ
ット領域に転写する方式の露光装置である。この方式の
露光装置は、いわゆるステップ・アンド・リピート方式
の露光装置に比較して、投影光学系に対する負担を増大
させることなく、転写対象パターンを大面積化すること
ができるという利点がある。

【００１６】

【作用】本発明に係るイメージセンサでは、行方向およ
び列方向に二次元的に配置された複数の光検知部にそれ
ぞれ蓄積された電荷を前記列方向に沿って複数行の組に
分割し、分割された複数行の組の電荷を前記行方向に沿
って各行毎に変換器へ送り、前記受光範囲内に照射され
た行方向の光の分布を求めるように、前記変換器を通し
て変換された複数行の組の信号を、列方向に沿って演算
処理する。すなわち、本発明では、従来のように列毎に
一度に加算された電荷信号（光検出信号）を行方向に転
送するのではなく、複数の行毎に分割して、加算された
分割電荷信号（分割光検出信号）を行方向に転送する。

【００１７】そのため、仮に分割光検出信号にランダム
ノイズが加算されたとしても、分割光検出信号は、後工
程において総加算されるので、ランダムノイズ成分は、
相互にうち消し合う方向に作用し、総加算された光検出
信号に含まれるランダムノイズ成分の影響を低減するこ
とができる。統計学的には、ランダムノイズ（すなわち
相関のないノイズ）のばらつきの標準偏差をσとして、
複数の行毎に分割する回数をＮとすると、総加算の後で
求めた光検出信号の標準偏差はσ／Ｎ^１／２となり、ノ
イズを低減できる。

【００１８】その結果、リニアセンサとして、一次元方
向の光の分布を高精度で検知することが可能となり、露
光装置のアライメント用リニアセンサとして好適に用い
ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面に示す実施
形態に基づき説明する。

【００２０】第１実施形態 図１は本発明の１実施形態に係るイメージセンサの概略
構成図、図２は図１に示す駆動回路を駆動するための駆
動信号発生回路の論理回路図、図３（Ａ）および（Ｂ）
は図２に示す回路により発生される駆動信号のタイミン
グチャート図、図３（Ｃ）および（Ｄ）は従来の回路に
より発生される駆動信号のタイミングチャート図、図４
は露光装置の概略図、図５（Ａ）〜（Ｆ）はアライメン
トマークとセンサ出力との関係を示す概略図である。

【００２１】図１に示す本実施形態に係るイメージセン
サ１０は、図４に示す露光装置５に具備してあり、マス
クとしてのレチクル３に形成してあるアライメント用レ
チクルマーク９と、基板としてのウエハ１に形成してあ
るアライメント用ウエハマーク８とを位置合わせするた
めに用いられる。露光装置５は、レチクル３に形成して
あるパターンを、ウエハ１の表面に投影露光するために
用いられ、投影レンズ２を有する。

【００２２】一般に、半導体素子などの製造では、数層
〜十数層の回路パターンを重ね合わせるため、ウエハ上
にすでに形成された回路パターンと、これから露光すべ
き回路パターンの光像とを正確に重ね合わせる必要があ
る。この重ね合わせに必要な各種装置を、位置合わせ装
置、あるいはアライメント装置と呼んでいる。このアラ
イメント装置は、上述の重ね合わせ露光を行なう露光装
置には必須のものであり、アライメント装置としては、
イメージセンサを用いて画像処理を行うことにより、ア
ライメントを行う画像処理アライメント装置（以下、単
にアライメント装置という）が多用されている。

【００２３】本実施形態では、図４に示すように、アラ
イメント装置のイメージセンサ１０により、投影レンズ
２およびセンサ光学系４を通して、ウエハマーク８とレ
チクルマーク９とを重ねて検出可能になっている。本実
施形態では、投影レンズ２を介してウエハマーク８とレ
チクルマーク９とを検出する、いわゆるＴＴＲ型のアラ
イメントである。

【００２４】ウエハマーク８およびレチクルマーク９と
しては、特に限定されないが、たとえば図５に示すマー
クが例示される。図５（Ａ）では、ウエハマーク８が十
字形マークであり、レチクルマーク９が四角形マークで
ある。本実施形態に係るイメージセンサ１０は、これら
マークのＸ方向位置関係を検出できる位置１０ａまたは
これらマークのＹ方向位置関係を検出できる位置１０ｂ
に配置される。

【００２５】次に、図１〜３を主として参考にして、本
実施形態に係るイメージセンサ１０について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るイメージセンサ１
０は、二次元マトリックス状に配置された光検知部１２
を有する。図１では、説明の容易化のために、複数の光
検知部１２が６×６のマトリックス状に配置してある
が、実際には、行方向Ｘ（画素スキャン方向または電荷
読み出し方向とも言う）には数百〜数千、列方向Ｙ（非
計測方向または積分方向とも言う）には数十〜数百程度
である。

【００２６】本実施形態のイメージセンサ１０では、図
１に示すように、１列毎の光検知部１２の群毎に、図示
省略してある垂直電荷転送部（列方向電荷転送部）が垂
直方向に隣接して配置してある。また、各垂直電荷転送
部の出力端には、水平電荷転送部１４が行方向Ｘに沿っ
て配置してある。水平電荷転送部１４の出力端には、出
力アンプ２０を介してアナログ・デジタル変換回路２２
が接続してある。アナログ・デジタル変換回路２２に
は、信号処理回路２５が接続してある。信号処理回路２
５は、本実施形態では、メモリ２４とＣＰＵ（中央処理
制御装置）２６とクロック信号発振器２８とを有する。
信号処理回路２５が、本発明の読み出し手段に対応す
る。

【００２７】各光検知部１２と各列毎の垂直電荷転送部
とは転送ゲートにより接続してあり、ゲート電極に印加
される電圧に応じて、光検知部１２に発生する電荷が垂
直電荷転送部へと転送可能になっている。垂直電荷転送
部における列方向（垂直方向）Ｙの電荷の転送は、垂直
駆動回路１６により制御される。また、水平電荷転送部
１４における行方向（水平方向）Ｘの電荷の転送は、水
平駆動回路１８により制御される。

【００２８】光検知部１２、垂直電荷転送部、転送ゲー
トおよびその他の回路は、半導体基板上に形成される。
半導体基板は、たとえばシリコン基板などで構成され、
垂直電荷転送部では、半導体基板の表面にイオン注入法
などで不純物拡散層が形成され、その上に熱酸化法など
による酸化シリコン膜から成る絶縁膜が形成され、その
上に、たとえばポリシリコン膜などで構成されるゲート
電極が形成される。なお、水平電荷転送部１４，アンプ
２０、垂直駆動回路１６、水平駆動回路１８およびその
他の回路も、同一または別の半導体基板上に形成され
る。

【００２９】垂直電荷転送部（図示省略）および水平電
荷転送部１４は、電荷結合素子（ＣＣＤ）などで構成し
てあり、垂直駆動回路１６および水平駆動回路１８から
駆動電圧パルスを印加することで、それぞれの方向Ｘお
よびＹに電荷の移動が可能になる。

【００３０】本実施形態において、光検知部１２として
は、特に限定されないが、たとえば、通常の可視光を検
出するフォトセンサ、あるいはＰｔＳｉショットキーダ
イオードやアモルファスシリコンの積層型受光部を持つ
紫外光および／または赤外光を検出するセンサで構成し
てある。

【００３１】垂直駆動回路１６および水平駆動回路１８
は、それぞれシフトレジスタ回路などで構成してあり、
垂直電荷転送部（図示省略）および水平電荷転送部１４
へ駆動パルス電圧を印加し、転送部に蓄積された電荷を
それぞれの方向ＸおよびＹに順次転送するようになって
いる。

【００３２】垂直駆動回路１６には、垂直駆動タイミン
グ信号発生回路２９が接続してあり、そこから垂直駆動
タイミング信号ＣＬＫＶが入力するようになっている。
また、水平駆動回路１８には、水平駆動タイミング信号
発生回路３０が接続してあり、そこから垂直駆動タイミ
ング信号ＣＬＫＨが入力するようになっている。これら
のタイミング信号ＣＬＫＶおよびＣＬＫＨは、クロック
信号発振器２８により同期して動作されるようになって
いる。

【００３３】垂直駆動タイミング信号発生回路２９およ
び水平駆動タイミング信号発生回路３０の論理回路の一
例を図２に示すが、図２に示す論理回路に限定されな
い。図２に示すように、垂直駆動タイミング信号発生回
路２９および水平駆動タイミング信号発生回路３０は、
それぞれ、第１のカウンタ回路３２または４４と、第２
のカウンタ回路４０または５０と、Ｄフリップフロップ
回路３８または４８と、第１のアンド回路３４または４
４と、第２のアンド回路４２または５２とを有する。

【００３４】クロック信号発振器２８の出力端子は、第
１のカウンタ回路３２および４４の入力端子Ａに接続し
てあり、クロック信号発振器２８からのクロック信号の
立ち下がりのエッジで回路がアクティブとなる。

【００３５】垂直駆動タイミング信号発生回路２９にお
ける第１のカウンタ回路３２の出力端子ＱＡは、第１の
アンド回路３４の第１入力端子と、第２のカウンタ回路
４０の入力端子Ａに接続してある。Ｄフリップフロップ
回路３８のプリセット入力端子ＰＲには、図１に示すイ
メージセンサ１０の電荷読み出しスタートパルス信号が
入力されるようになっている。Ｄフリップフロップ回路
３８の出力端子Ｑは、第１のアンド回路３４の第２入力
端子に接続してある。第１のアンド回路３４の出力端子
３６は、図１に示す垂直駆動回路１６に接続してあり、
垂直駆動タイミング信号ＣＬＫＶを駆動回路１６へ供給
するようになっている。Ｄフリップフロップ３８の反転
出力端子／Ｑは、第２のカウンタ回路４０の初期化入力
端子ＣＬＲに接続してある。

【００３６】第２のカウンタ回路４０の出力端子ＱＣお
よびＱＤは、第２のアンド回路４２の二つの入力端子に
接続してある。第２のアンド回路の出力端子は、Ｄフリ
ップフロップ回路３８の初期化入力端子ＣＬＲと、水平
駆動タイミング信号発生回路３０のＤフリップフロップ
回路４８のプリセット入力端子ＰＲとに接続してある。

【００３７】水平駆動タイミング信号発生回路３０にお
ける第１のカウンタ回路４４の出力端子ＱＡは、第１の
アンド回路４４の第１入力端子と、第２のカウンタ回路
５０の入力端子Ａに接続してある。Ｄフリップフロップ
回路４８の出力端子Ｑは、第１のアンド回路４４の第２
入力端子に接続してある。第１のアンド回路４４の出力
端子４６は、図１に示す水平駆動回路１８に接続してあ
り、水平駆動タイミング信号ＣＬＫＨを駆動回路１８へ
供給するようになっている。Ｄフリップフロップ４８の
反転出力端子／Ｑは、第２のカウンタ回路５０の初期化
入力端子ＣＬＲに接続してある。

【００３８】第２のカウンタ回路５０の出力端子ＱＣお
よびＱＤは、第２のアンド回路４２の二つの入力端子に
接続してある。第２のアンド回路の出力端子は、Ｄフリ
ップフロップ回路４８の初期化入力端子ＣＬＲに接続し
てある。

【００３９】このように構成してある垂直駆動タイミン
グ信号発生回路２９の出力端子３６からは、たとえば図
３（Ａ）に示すパルス波形の垂直駆動タイミング信号が
発生する。また、水平駆動タイミング信号発生回路３０
の出力端子４６からは、たとえば図３（Ｂ）に示すよう
に、垂直駆動タイミング信号から遅れた短パルス波形の
水平駆動タイミング信号が発生する。垂直駆動タイミン
グ信号発生回路２９、水平駆動タイミング信号発生回路
３０、垂直駆動回路１６および水平駆動回路１８が、本
発明の読み出し制御手段に対応する。

【００４０】本実施形態では、図１に示す光検知部１２
の列方向Ｙに沿って複数行の組に分割し、その分割され
た複数行の組の電荷を、水平電荷転送部１４から行方向
Ｙに沿って読み出すために、図３（Ａ）に示す垂直駆動
タイミング信号ＣＬＫＶと、水平駆動タイミング信号Ｃ
ＬＫＨとを、それぞれの駆動回路１６および１８に供給
する。

【００４１】図３（Ａ）に示す垂直駆動タイミング信号
ＣＬＫＶは、２つで一組のパルス信号が所定時間の間隔
で供給される信号であることから、２つで１組のパルス
信号に対応して、図１に示す垂直駆動回路１６は、光検
知部１２に蓄積してある２行分の電荷を垂直電荷転送部
を用いて水平電荷転送部１４へ列方向Ｙに転送する。水
平電荷転送部１４の各電荷蓄積部１４1 〜１４6 には、
各列毎の光検知部１２の内の２行分の電荷が蓄積され
る。単一の光検知部１２に蓄積される電荷をｑとする
と、各電荷蓄積部１４1 〜１４6 には、２×ｑの電荷が
蓄積される。

【００４２】図３（Ｂ）に示すように、図３（Ａ）に示
す２つで１組の垂直駆動用パルス信号の後、本実施形態
では、６つの短パルス信号が連続して発生する。この６
つの短パルス信号が図１に示す水平駆動回路１８に供給
されると、駆動回路１８は、シフトレジスタ回路によ
り、水平電荷転送部１４を駆動し、各電荷蓄積部１４1
〜１４6 に蓄積してある電荷を行方向Ｘに順次アンプ２
０を通してアナログ・デジタル変換回路２２に転送す
る。

【００４３】アナログ・デジタル変換回路２２は、各電
荷蓄積部１４1 〜１４6 に蓄積してある各列毎の２行分
の電荷（２×ｑ）を、デジタル信号に変換する。アナロ
グ・デジタル変換回路２２の変換係数をＧとすると、ア
ナログ・デジタル変換後の光検出信号は２×Ｇ×ｑであ
る。各列毎の光検出信号（２×Ｇ×ｑ）は、各列毎に、
メモリ２４に記憶される。記憶処理は、クロック信号発
振器２８のクロック信号に同期して、ＣＰＵ２６により
制御されて行われる。

【００４４】次に、図３（Ａ）に示すように、図３
（Ｂ）に示す６つの短パルス信号の後に、２つで１組の
パルス信号が再度発生する。これらの２つで１組のパル
ス信号に対応して、図１に示す垂直駆動回路１６は、光
検知部１２に蓄積してある、さらに２行分の電荷を垂直
電荷転送部を用いて水平電荷転送部１４へ列方向Ｙに転
送する。水平電荷転送部１４の各電荷蓄積部１４1 〜１
４6 には、各列毎の光検知部１２の内の次の組の２行分
の電荷が蓄積される。単一の光検知部１２に蓄積される
電荷をｑとすると、各電荷蓄積部１４1 〜１４6 には、
２×ｑの電荷が再度蓄積される。

【００４５】図３（Ｂ）に示すように、図３（Ａ）に示
す２つで１組の垂直駆動用パルス信号の後、本実施形態
では、再度、６つの短パルス信号が連続して発生する。
この６つの短パルス信号が図１に示す水平駆動回路１８
に供給されると、駆動回路１８は、シフトレジスタ回路
により、水平電荷転送部１４を駆動し、各電荷蓄積部１
４1 〜１４6 に蓄積してある電荷を行方向Ｘに順次アン
プ２０を通してアナログ・デジタル変換回路２２に転送
する。

【００４６】アナログ・デジタル変換回路２２は、各電
荷蓄積部１４1 〜１４6 に蓄積してある各列毎のさらに
２行分の電荷（２×ｑ）を、デジタル信号に変換する。
アナログ・デジタル変換回路２２の変換係数をＧとする
と、アナログ・デジタル変換後の光検出信号は２×Ｇ×
ｑである。各列毎の次の組の光検出信号（２×Ｇ×ｑ）
は、各列毎に、メモリ２４に記憶される。その記憶の際
には、前回メモリ２４に記憶してある各列毎の光検出信
号（２×Ｇ×ｑ）と同じメモリ番地に列毎に積算して蓄
積しても良いが、前回記憶してあるメモリ番地とは別の
記憶番地に、各列毎に記憶し、後で各列毎に加算演算ま
たは平均化演算処理しても良い。記憶処理は、クロック
信号発振器２８のクロック信号に同期して、ＣＰＵ２６
により制御されて行われる。

【００４７】これらの動作を繰り返すことで、メモリ２
４には、光検知部１２の各列毎に、全ての行について、
２行分毎に分割された光検出信号（２×Ｇ×ｑ）が記憶
される。または２行分毎に分割された光検出信号（２×
Ｇ×ｑ）が各列毎に積算（加算）されて記憶される。

【００４８】なお、本実施形態においても、特に水平電
荷転送部１４からアナログ・デジタル変換回路２２へ至
る途中、またはその後の回路において、光検出信号に
は、ランダムノイズが加算されると考えられる。ランダ
ムノイズに対応するノイズ電圧をＶｎとすると、アナロ
グ・デジタル変換回路２２から取り出された光検出信号
は、２×Ｇ×ｑ＋Ｖｎｉと表すことができる。なお、ｉ
は１からｎまでの整数であり、ｎは図１に示す光検知部
１２の列方向Ｙに沿って複数の行毎に分割した回数であ
り、本実施形態では、３である。

【００４９】アナログ・デジタル変換回路２２から取り
出された各列毎の光検出信号（２×Ｇ×ｑ＋Ｖｎｉ）
は、各列毎に全ての行について加算演算されるとする
と、本実施形態では、２行毎に３つの組に分割してある
（ｉ＝１〜３）ので、全ての行について加算演算された
各列毎の光検出信号は、３×２×Ｇ×ｑ＋ΣＶｎｉと表
せる。

【００５０】ここで、Ｖｎｉ（ｉ＝１〜３）は、それぞ
れランダムノイズ成分なので、各Ｖｎｉのそれぞれの標
準偏差をσとすると、Ｖｎｉの総和（ΣＶｎｉ）の標準
偏差は、σ／３^１／２ となり、各Ｖｎｉ単独での標準
偏差よりも小さくなる。

【００５１】ちなみに、従来では、図３（Ｃ）および
（Ｄ）に示す垂直駆動タイミング信号および水平駆動タ
イミング信号が発生されることが一般的であった。すな
わち、図１に示す光検知部１２の内の各列毎に全ての行
の光検知部１２に蓄積してある電荷を一度に水平電荷転
送部１８に積算して蓄積し、それらを一度にアナログ・
デジタル変換回路２２へ転送していた。このため、従来
では、光検出信号（６×Ｇ×ｑ）に含まれるランダムノ
イズ成分は、単独のＶｎであり、Ｖｎのばらつきの標準
偏差σは、前記実施形態に係るＶｎｉの総和（ΣＶｎ
ｉ）の標準偏差（σ／３^１／２ ）よりも大きかった。
すなわち、従来では、ランダムノイズの影響が大きく、
精度の点で難点を有していた。これに対して、本実施形
態のイメージセンサ１０およびその使用方法では、光検
出信号に含まれるランダムノイズ成分の影響を極力小さ
くすることができる。

【００５２】次に、本実施形態に係るイメージセンサ１
０を、図４に示す露光装置のアライメント装置に組み込
んで、アライメントを行う方法について説明する。

【００５３】図４に示すように、本実施形態に係るイメ
ージセンサ１０は、レチクル３に形成してあるアライメ
ント用レチクルマーク９と、ウエハ１に形成してあるア
ライメント用ウエハマーク８とを位置合わせするために
用いられる。

【００５４】ウエハマーク８およびレチクルマーク９と
しては、特に限定されないが、たとえば図５に示すマー
クが例示される。図５（Ａ）では、ウエハマーク８が十
字形マークであり、レチクルマーク９が四角形マークで
ある。本実施形態に係るイメージセンサ１０は、これら
マークのＸ方向位置関係を検出できる位置１０ａまたは
これらマークのＹ方向位置関係を検出できる位置１０ｂ
に配置される。

【００５５】本実施形態に係るイメージセンサ１０を、
図５（Ａ）の位置１０ａに示すように配置し、Ｘ方向の
光分布状態を検出すると仮定する。イメージセンサ１０
は、これらのアライメントマーク８および９を検出する
位置で、図５（Ｂ）に示すように、光量のピーク８Ｐお
よび９Ｐを検出するとする。マークのアライメントに際
しては、これらの光量のピーク８Ｐおよび９Ｐの間隔Ｌ
１およびＬ２を正確に検出することが重要である。ま
た、一つ一つの光量のピーク（たとえばピーク８Ｐ）
は、図５（Ｃ）に示すように、イメージセンサ１０にお
ける複数の光検知部１２にまたがって検知されることが
一般的であり、そのピーク中心位置を正確に求めること
が重要である。

【００５６】図５（Ｃ）に示す光量のピーク８Ｐを、図
１に示すイメージセンサ１０のＸ方向に沿って複数の光
検知部１２で検知したとすると、その検出信号のイメー
ジは、図５（Ｄ）に示す検出信号８Ｄのようになる。こ
の検出信号８Ｄには、図１に示すアナログ・デジタル変
換回路２２の変換前後に、図５（Ｅ）に示すようなラン
ダムノイズ１１が重畳され、結果的に、図５（Ｆ）に示
すような検出信号８Ｄ’となる。この検出信号８Ｄ’に
はランダムノイズ１１が含まれているので、この信号の
みに基づいて、ピーク中心位置を検出しようとすると、
必ずしも正確に検出することができない場合がある。こ
の状態が従来技術に対応する。

【００５７】本実施形態では、図１に示すアナログ・デ
ジタル変換回路２２から取り出された各列毎の光検出信
号を、各列毎に全ての行について加算演算または平均化
処理するので、ランダムノイズの影響をキャンセルし、
比較的に高精度で、光量分布のピーク中心位置を検出す
ることが可能になる。

【００５８】また、図１に示すアナログ・デジタル変換
回路２２の分解能は、たとえば約４０ｍＶ程度に限定さ
れているが、回路２２から取り出された各列毎の光検出
信号を、各列毎に全ての行について加算演算、特に平均
化処理することで、回路の分解能よりも細かいデータを
得ることが可能になる。すなわち、平均化処理すること
で、４０ｍＶ以下の端数を含む信号データとなる。

【００５９】さらにまた、従来では、図１に示す水平電
荷転送部１４における各電荷蓄積部１４1 〜１４6 は、
列方向に沿って全ての行の光検知部１２に含まれる電荷
を加算して蓄積できる程度の容量が必要であったが、本
実施形態では、２行分の電荷を蓄積できる容量であれば
よい。したがって、水平電荷転送部１４における各電荷
蓄積部１４1 〜１４6 の容量を低減することが可能にな
り、製造が容易になると共に、製造コストの低減を図る
こともできる。

【００６０】なお、本実施形態では、各列毎の光検知部
１２の内の２行分毎に分割して読み出したが、分割され
る組の数は、前記複数の光検知部に蓄積された電荷の読
み出し時間と、当該読み出し時に生じるノイズなどとに
応じて決定される。たとえば分割数を細かくして、アナ
ログ・デジタル変換回路２２を通過した後に加算する分
割検出信号の数を多くするほど、統計学的に、ランダム
ノイズの影響が小さくなる。しかしながら、その場合に
は、一つのアライメントデータを読み出すための時間
が、分割数に対応して長くなる。

【００６１】したがって、分割数としては、２以上であ
れば特に限定されないが、好ましくは１０回以上、さら
に好ましくは２０回以上である。分割数の上限は、本実
施形態に係るイメージセンサ１０の具体的用途に応じて
決定され、特に精度が要求される場合には、分割数を多
くし、精度よりも読み出し時間の速さが要求される場合
には、分割数を少なくすることが好ましい。たとえば図
１に示す光検知部１２が２５６行×１０４４列のマトリ
ックスである場合には、８行毎に３２回の分割数などが
好ましい。

【００６２】第２実施形態 次に、本発明の他の実施形態に係る露光装置について説
明する。図６は本発明の１実施形態に係る露光装置の概
略構成図、図７（Ａ）〜（Ｃ）は図６に示す露光装置の
各部の構成を示す図、図８はウェハ上のショット領域の
配置を示す平面図、図９（Ａ）および（Ｂ）はウェハ上
のマーク形状を示す平面図および断面図、図１０（Ａ）
および（Ｂ）はＴＴＬ方式のアライメント系による位置
検出方法を説明するための図、図１１（Ａ），（Ｂ）は
ＴＴＬ方式のアライメント系による位置検出方法を説明
するための図である。

【００６３】本実施形態では、本発明に係るイメージセ
ンサを露光装置のＦＩＡ（フィールド・イメージ・アラ
イメント）として用いる。

【００６４】図６に示すように、本実施形態に係る露光
装置では、露光用の照明光（水銀ランプからのｇ線、ｉ
線、あるいはエキシマレーザ光源からの紫外線パルス
光）ＩＬは、コンデンサレンズＣＬを介してレチクルＲ
のパターン領域ＰＡを均一な照度分布で照射する。この
パターン領域ＰＡを通った照明光ＩＬは、たとえば両側
（片側でも良い。）テレセントリックな投影レンズＰＬ
に入射してウェハＷに達する。ここで、投影レンズＰＬ
は、照明光ＩＬの波長に関して最良に収差補正されてお
り、その波長のもとでレチクルＲとウェハＷとは互いに
共役になっている。また、照明光ＩＬは、ケラー照明で
あり、投影レンズＰＬの瞳ＥＰ内の中心に光源像として
結像されている。

【００６５】レチクルＲは、二次元的に微動可能なレチ
クルステージＲＳに保持されており、このレチクルＲ
は、その周辺に形成されたレチクルアライメントマーク
がミラー１１６、対物レンズ１１７、マーク検出系１１
８からなるレチクルアライメント系で検出されることに
よって、投影レンズＰＬの光軸ＡＸに関して位置決めさ
れる。

【００６６】これに対して、ウェハＷは、駆動系１１３
によって二次元移動するウェハステージＳＴ上に載置さ
れ、ウェハステージＳＴの座標値は干渉計１１２により
逐次計測される。ステージコントローラ１１４は、干渉
計１１２からの座標計測値等に基づいて駆動系１１３を
制御してウェハステージＳＴの移動や位置決めを制御す
る。ウェハステージＳＴ上には、後述のベースライン計
測等で使用する基準マークＦＭが設けられている。

【００６７】本実施形態の露光装置には、レーザ光源１
０１、ビーム整形光学系１０２、ミラー１０３ａ，１０
３ｂ、レンズ系１０４、ビームスプリッタ１０５、対物
レンズ１０６、ミラー１０７、受光素子１０８、ＬＳＡ
演算ユニット１０９、及び投影レンズＰＬを構成部材と
するＴＴＬ方式のアライメント光学系が設けられてい
る。

【００６８】レーザ光源１０１からのビームＬＢは、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ等の赤色光などのアライメント用ビーム
であり、ウェハＷ上のレジスト層に対して非感光性であ
る。このビームＬＢは、シリンドリカルレンズ等を含む
ビーム整形光学系１０２を通り、ミラー１０３ａ、レン
ズ系１０４、ミラー１０３ｂ、ビームスプリッタ１０５
を介して対物レンズ１０６に入射する。対物レンズ１０
６から射出したビームＬＢは、レチクルＲの下方に４５
°に斜設されたミラー１０７で反射され、投影レンズＰ
Ｌの視野の周辺に光軸ＡＸと平行に入射する。そして、
ビームＬＢは、投影レンズＰＬの瞳ＥＰの中心を通って
ウェハＷを垂直に照射する。

【００６９】ここで、ビームＬＢは、ビーム整形光学系
１０２の働きで対物レンズ１０６と投影レンズＰＬとの
間の光路中の空間にスリット状のスポット光ＳＰ_０ と
なって集光している。そして、投影レンズＰＬは、この
スポット光ＳＰ_０ をウェハＷ上にスポットＳＰとして
再結像する。また、ミラー１０７は、レチクルＲのパタ
ーン領域ＰＡの周辺よりも外側で、かつ投影レンズＰＬ
の視野内にあるように固定される。したがって、ウェハ
Ｗ上にできるスリット状のスポット光ＳＰは、パターン
領域ＰＡの投影像の外側に位置する。

【００７０】このスポット光ＳＰによってウェハＷ上の
マークを検出するには、ウェハステージＳＴをスポット
光ＳＰに対して水平移動させる。スポット光ＳＰがマー
クを相対走査すると、マークからは正反射光、散乱光、
回折光等が生じ、マークとスポット光ＳＰの相対位置に
より光量が変化していく。こうした光情報は、ビームＬ
Ｂの送光路に沿って逆進し、投影レンズＰＬ、ミラー１
０７、対物レンズ１０６、及びビームスプリッタ１０５
で反射されて、受光素子１０８に達する。この受光素子
１０８も、本発明に係るイメージセンサで構成すること
ができる。

【００７１】受光素子１０８の受光面は投影レンズＰＬ
の瞳ＥＰとほぼ共役な面ＥＰ’に位置され、マークから
の正反射光に対して不感領域をもち、散乱光や回折光の
みを受光する。

【００７２】ここで、ウェハＷ上のマークからの光情報
の瞳ＥＰ（又は瞳像面ＥＰ’）上での分布を図７（Ｂ）
に示す。瞳ＥＰの中心にｘ方向にスリット状に伸びた正
反射光Ｄ_０ の上下（ｙ方向）には、それぞれ正の１次
回折光＋Ｄ_１ 、２次回折光＋Ｄ_２ と、負の１次回折
光−Ｄ_１ 、２次回折光−Ｄ_２ が並び、正反射光Ｄ
_０ の左右（ｘ方向）にはマークエッジからの散乱光Ｄ
ｒが位置する。これはたとえば特開昭６１−１２８，１
０６号公報に詳しく述べられているので詳しい説明は省
略するが、回折光±Ｄ_１ 、±Ｄ_２ はマークが回折格
子マークのときにのみ生じる。

【００７３】そこで、受光素子１０８は、同図（Ｃ）に
示すように、瞳像面ＥＰ’内で４つの独立した受光面１
０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄに分割され、受
光面１０８ａ，１０８ｂが散乱光Ｄｒを受光し、受光面
１０８ｃ，１０８ｄが回折光±Ｄ_１ 、±Ｄ_２ を受光
するように配列される。なお、投影レンズＰＬのウェハ
側の開口数（Ｎ．Ａ．）が大きく、回折格子マークから
発生する３次回折光も瞳ＥＰを通る場合は、受光面１０
８ｃ，１０８ｄはその３次元も受光するような大きさに
するとよい。

【００７４】このような受光素子１０８からの各光電信
号は干渉計１１２からの位置計測信号ＰＤＳとともに、
ＬＳＡ（レーザステップアライメント）演算ユニット１
０９に入力し、マーク位置の情報ＡＰ_１ が作られる。
ＬＳＡ演算ユニット１０９は、スポット光ＳＰに対して
ウェハマークを走査したときの受光素子１０８からの光
電信号波形を位置計測信号ＰＤＳに基づいてサンプリン
グして記憶し、その波形を解析することによってマーク
の中心がスポット光中心と一致したときのウェハステー
ジＳＴの座標位置として、情報ＡＰ_１ を出力する。

【００７５】ちなみに、図６中の構成で、ＴＴＬ方式の
アライメント系（１０１，１０２，１０３ａ，１０３
ｂ，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８）は、１
組しか示していないが、紙面と直交する方向にもう１組
が設けられ、同様のスポット光が投影像面内に形成され
る。これら２つのスポット光の長手方向の延長線は光軸
ＡＸに向かっている。

【００７６】また、図６中のＴＴＬ方式のアライメント
光学系の光路中に示した実線は、ウェハＷとの結像関係
を表わし、破線は瞳ＥＰとの共役関係を表わす。

【００７７】本実施形態の露光装置には、Ｏｆｆ−Ａｘ
ｉｓ方式のアライメント系（ハロゲンランプ１２０から
符号順にＦＩＡ演算ユニット１３５までの部材によって
構成される）が設けられている。

【００７８】すなわち、ハロゲンランプ１２０から発生
した光は、コンデンサーレンズ１２１によってオプチカ
ルファイバー１２２の一端面に集光される。ファイバー
１２２を通った光は、レジスト層の感光波長（短波長）
域と赤外波長域とをカットするフィルター１２３を通っ
て、レンズ系１２４を介してハーフミラー１２５に達す
る。ここで反射された照明光は、ミラー１２６でほぼ水
平に反射された後、対物レンズ１２７に入射し、さらに
投影レンズＰＬの鏡筒下部の周辺に投影レンズＰＬの視
野を遮光しないように固定されたプリズム（ミラー）１
２８で反射されてウェハＷを垂直に照射する。

【００７９】ここでは図示していないが、ファイバー１
２２の射出端から対物レンズ１２７までの光路中には、
適当な照明視野絞りが対物レンズ１２７に関してウェハ
Ｗと共役な位置に設けられる。また、対物レンズ１２７
は、テレセントリック系とし、その開口絞り（瞳と同
じ）の面１２７ａには、ファイバー１２２の射出端の像
が形成され、ケーラー照明が行なわれる。対物レンズ１
２７の光軸は、ウェハＷ上では垂直となるように定めら
れ、マーク検出時に光軸の倒れによるマーク位置のずれ
が生じないようになっている。

【００８０】ウェハＷからの反射光は、対物レンズ１２
８、ハーフミラー１２５を通り、レンズ系１２９によっ
て指標板１３０に結像される。この指標板１３０は、対
物レンズ１２７とレンズ系１２９とによってウェハＷと
共役に配置され、図７（Ａ）に示すように矩形の透明窓
内に、ｘ方向とｙ方向の夫々に伸びた直線条の指標マー
ク１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄを有する。
従って、ウェハＷのマークの像は、指標板１３０の透明
窓内に結像され、このウェハマーク像と指標マーク１３
０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ，１３０ｄとは、リレー系１
３１，１３３、ミラー１３２を介してＣＣＤカメラ等の
イメージセンサ１３４（本発明のイメージセンサに相当
する）に結像する。

【００８１】イメージセンサ１３４からのビデオ信号
は、ＦＩＡ演算ユニット１３５に、干渉計１１２からの
位置計測信号ＰＤＳとともに入力する。ＦＩＡ演算ユニ
ット１３５は、指標マーク１３０ａ〜１３０ｄに対する
マーク像のずれを、ビデオ信号の波形に基づいて求め、
位置計測信号ＰＤＳによって表わされるウェハステージ
ＳＴの停止位置から、ウェハマークの像が指標マーク１
３０ａ〜１３０ｄの中心に正確に位置したときのウェハ
ステージＳＴのマーク中心検出位置に関する情報ＡＰ
_２ を出力する。

【００８２】以上の構成で、フィルター１２３を通った
ウェハＷの照明光は、ウェハＷ上のマークを含む局所領
域（ショット領域よりも小さい）をほぼ均一な照度で照
明し、波長域は２００ｎｍ程度の幅に定められる。

【００８３】ちなみに、対物レンズ１２７、レンズ系１
２９、リレー系１３１，１３３によるテレセントリック
結像光学系には波長帯域２００ｎｍ程度の光が通るた
め、当然、それに対応した色収差の補正を行なっておく
必要があるが、それには顕微鏡レンズの色消し技術をそ
のまま利用すればよい。

【００８４】さらに、対物レンズ１２７のウェハ側の開
口数（Ｎ．Ａ．）は投影レンズＰＬの開口数よりも小さ
くしておくとよい。これは対物レンズ１２７、レンズ系
１２９で決まる拡大倍率が比較的大きく、なおかつ色収
差補正も必要なことから、対物レンズ１２７の開口数を
現在の一般的な投影レンズの開口数、約０．４５〜０．
５と同等、もしくはそれ以上にした場合に、対物レンズ
１２７の作動距離（ウェハ面までの間隔）をある程度確
保するとしても、対物レンズ径が大口径になることをさ
けられる点で有利である。本実施形態では、プリズム１
２８によって、対物レンズ１２７の観察視野域を投影レ
ンズＰＬの鏡筒下面に一部もぐり込ませ、極力投影レン
ズＰＬの視野に近づけている。

【００８５】一般にこの種のステッパーには、投影レン
ズＰＬの結像面とウェハＷ表面との間隔（ズレ）を精密
に検出するフォーカスセンサーと、ウェハＷ上のショッ
ト領域の面と、投影レンズＰＬの結像面との相対的な傾
きを検出するレベリングセンサーとが設けられている。
このフォーカスセンサーやレベリングセンサーは、投影
レンズＰＬの投影視野が存在するウェハＷ上に斜めから
赤外域の光束を照射し、その反射光の受光位置のずれを
求めて、フォーカスとレベリングを行なうように構成さ
れている。

【００８６】そこで、対物レンズ１２７を介してウェハ
Ｗ上のマークを観察するとき、スループットを考慮する
と、ウェハＷ上のマークを対物レンズ１２７の観察視野
内にもたらした時点で、フォーカスセンサーを働かせ
て、ピント調整（ウェハステージＳＴに組み込まれたＺ
ステージの上下動）を行なうのがよい。

【００８７】しかしながら、フォーカスセンサーがウェ
ハＷ表面を検出している領域と、対物レンズ１２７の観
察視野とはずれているため、仮にその２つの間でウェハ
Ｗが微小な凹凸やそりをもっているものとすると、開口
数の大きな対物レンズ１２７に関しては正確なピント調
整が行われないことになる。

【００８８】しかしながら、対物レンズ１２７の開口数
を投影レンズの開口数の１／２〜２／３程度にしておく
と、実用上の焦点深度は大きくなり、ウェハの微小な凹
凸やそりに対してほとんど影響を受けずにマーク観察が
できる。また開口数を小さくした場合は、対物レンズ１
２７の光軸のウェハＷとの垂直性、所謂テレセン性が多
少悪化したとしても、観察視野内の部分的な位置（例え
ば中心と４隅等）の夫々で像質が急激に変化することが
ない点でも有利である。

【００８９】なお、図６中の構成で、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ
方式のアライメント系の検出中心（指標板１３０の中
心）は、投影レンズ中心から離れているので干渉計１１
２の計測位置と投影レンズ中心とを結ぶ直線、すなわち
測長軸（測長ビーム中心線）上に設けることによってア
ッベ誤差（ステージの傾きによる軸外エラー）を最小限
に抑えている。ここでは１組しか示していないが、例え
ば特開昭５６−１０２８２３号公報に示されているよう
に、Ｘ測長軸とＹ測長軸の上にそれぞれ１組ずつのアラ
イメント系が設けられている。

【００９０】但し、光学系の配置問題でアライメント系
を前記各測長軸上に設けられない場合や、１組の光学系
でｘｙ両方向のマークを観察する場合はアッベ誤差が大
きく、精度が十分に得られなくなる。そこで、そのよう
な構成のときは、ステージＳＴの傾き（ｘｙ平面内での
微小回転）を計測するステージ傾き角計測センサー（ヨ
ーイングセンサー）をステージに取付けてアライメント
時のアッベ誤差を補正演算によって取除く手段を用いれ
ば良い。すなわち、アッベ誤差を含む方向のマーク検出
位置をステージＳＴのヨーイング量に基づいて補正すれ
ばよい。

【００９１】また、アライメント実行時はウェハ組合せ
のためのグローバルアライメントと、高精度にアライメ
ントするファインアライメントを行う必要がある。この
グローバルアライメントに関しては、例えば特開昭６０
−１３０７４２号公報に開示されているように、ＴＴＬ
アライメント系とＯｆｆ−Ａｘｉｓアライメント系を混
用する方法がある。

【００９２】本実施形態の露光装置では、通常は処理速
度の速いＴＴＬアライメント系によってウェハ上の３ケ
所、又は２ケ所のマークを検出してグローバルアライメ
ントを行うシーケンスを採る。しかしながら、ウェハ下
地やレジスト層の厚みや種類によってアライメントが正
常に行なわれない場合（特にマーク検出がうまくいかな
い場合）もあるので、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の広帯域幅
の照明波長を用いたアライメント系を使ってグローバル
アライメントを実行するようにシーケンスを切換える手
段が設けられている。この場合、ＴＴＬ方式のアライメ
ント系でグローバルアライメントするときのマーク検出
時間、マーク検出信号の大きさや歪み等を判定して、シ
ーケンスを切替える。

【００９３】次に主制御系１５０について説明する。Ｔ
ＴＬ方式のアライメント系、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のア
ライメント系、及びステージコントローラ１４等を統括
制御する主制御系１５０は、干渉計１２からの位置情報
ＰＤＳを常時入力しているものとする。アライメント
（ＡＬＧ）データ記憶部５０１は、ＬＳＡ演算ユニット
９からのマーク位置情報ＡＰ_１ と、ＦＩＡ演算ユニッ
ト３５からのマーク位置情報ＡＰ_２ との両方を入力可
能となっている。

【００９４】ＥＧＡ（エンハンスメント・グローバル・
アライメント）演算ユニット５０２は、ＡＬＧデータ記
憶部５０１に記憶された各マーク位置情報に基づいて、
統計的な演算手法によりウェハ上の実際のショット配列
座標値を算出するもので、その算出結果はシーケンスコ
ントローラ５０６に送られる。詳しくは特開昭６１−４
４，４２９号公報に開示されている。

【００９５】露光（ＥＸＰ）ショットマップデータ部５
０３は、ウェハ上の露光すべきショット配列座標値の設
計値を格納し、この設計値は、ＥＧＡ演算ユニット５０
２と、シーケンスコントローラ５０６に送られる。アラ
イメント（ＡＬＧ）ショットマップデータ部５０４は、
ウェハ上のアライメントすべきショット配列座標値（設
計値）を格納し、この座標値は、ＥＧＡ演算ユニット５
０２とシーケンスコントローラ５０６へ送られる。

【００９６】補正データ部５０５には、アライメント用
の各種データ、あるいは露光ショットに対する位置決め
の補正用のデータ等が格納され、これら補正データは、
ＡＬＧデータ記憶部５０１やシーケンスコントローラ５
０６へ送られる。シーケンスコントローラ５０６は、上
記各データに基づいて、アライメント時やステップアン
ドリピート方式の露光時のウェハステージＳＴの移動を
制御するための一連の手段を決定する。

【００９７】図８は、ウェハＷ上の１つのショット領域
Ｓｎと、ウェハ上のアライメントマークＭＸｎ，ＭＹｎ
との配置関係を示す平面図で、１つのショット領域Ｓｎ
の４辺はスクライブラインＳＣＬで囲まれ、スクライブ
ラインＳＣＬの直交する２辺の夫々の中心部分にアライ
メントマークＭＸｎ，ＭＹｎが形成されている。

【００９８】図中「ＳＣ」は、ショット領域Ｓｎの中心
点を示し、露光時には投影レンズＰＬの光軸ＡＸが通
る。そして、アライメントマークＭＸｎ，ＭＹｎの夫々
は、中心ＳＣを原点にｘ方向、ｙ方向の夫々に伸びた線
ＣＸ，ＣＹ上に位置する。アライメントマークＭＸｎ
は、ｘ方向の位置検出に使われ、アライメントマークＭ
Ｙｎは、ｙ方向の位置検出に使われ、それぞれ複数本の
線条パターンを平行に並べたマルチマークとされてい
る。

【００９９】図９（Ａ）はアライメントマークＭＸｎの
拡大図であり、ｙ方向に伸びた５本の線条パターンＰ
_１ ，Ｐ_２ ，Ｐ_３ ，Ｐ_４ ，Ｐ_５ がｘ方向にほぼ
一定のピッチで配列されている。同図（Ｂ）は、そのア
ライメントマークＭＸｎのｘ方向の断面構造を示し、こ
こでは５本の線条パターンＰ_１ 〜Ｐ_５ は、ウェハＷ
の下地から突出した凸状に形成され、その上面はレジス
ト層ＰＲで被覆されている。図６にも示したように、シ
ョット領域Ｓｎの中心ＳＣを通るｙ軸と平行な線ＣＸ
は、アライメントマークＭＸｎの中央の線条パターンＰ
_３ の幅中心を通るものとする。なお、マアライメント
ークＭＹｎに関しても同様で、５本の線条パターンから
なり、中央の線条パターンの中心線が線ＣＹと一致して
いる。

【０１００】本実施形態では、このようなアライメント
マークＭＸｎ，ＭＹｎを、上述したＴＴＬ方式のアライ
メント系と、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系と
で共通に検出する。

【０１０１】本実施形態のイメージセンサ１３４では、
図９に示すアライメントマークＭＸｎの５本の線条パタ
ーンＰ_１ 〜Ｐ_５ と指標マーク１３０ａ，１３０ｂと
の像を画素スキャン方向（ここでは、線条パターンＭＸ
ｎの延在方向に垂直な方向）に沿って電子的に走査す
る。

【０１０２】本実施形態では、イメージセンサ１３４
は、マークＭＸｎの明視野像を光電検出しているため、
５本の線条パターンＰ_１ 〜Ｐ_５ の夫々の左右の段差
エッジでは光の散乱によって対物レンズ１２７へ戻る光
が極端に減少する。このため、線条パターンＰ_１ 〜Ｐ
_５ の夫々の左エッジ、右エッジは黒い線のように撮像
される。 本実施形態では、イメージセンサ１３４を用
いてアライメントマークＭＸｎを電子的に走査するにあ
たり、前記第１実施形態のイメージセンサ１０と同様に
して電荷を読み出す。本実施形態のイメージセンサ１３
４でも、前記第１実施形態のイメージセンサ１０と同様
に、線条パターンＰ_１ 〜Ｐ_５ の夫々の左エッジ、右
エッジの位置を正確に検出することが可能になる。

【０１０３】その後の処理について説明すれば、ＦＩＡ
演算ユニット１３５は、このような波形に基づいてマー
クＭＸｎ（パターンＰ_１ 〜Ｐ_５ ）の中心（線ＣＸ）
のｘ方向の位置Ｘｍを計算する。さらに詳しく述べるな
ら、ＦＩＡ演算ユニット１３５はパターンＰ_１ 〜Ｐ
_５ の夫々の中心位置を左、右のエッジ位置に基づいて
算出した後、５本の線条パターンＰ_１ 〜Ｐ_５ の各位
置を加算して５で割ると、中心となるべきｘ方向のマー
ク位置が検出される。

【０１０４】そしてＦＩＡ演算ユニット１３５は、先に
求めておいた指標マーク１３０ａ，１３０ｂの中点位置
ＸＲ_０ とマーク計測位置Ｘｍとの差ΔＸ＝ＸＲ_０ −
Ｘｍを算出し、ウェハステージＳＴが位置決めされたと
きの位置ＸＡと差ΔＸとを加えた値をマーク位置情報Ａ
Ｐ_２ として出力する。

【０１０５】次に、ＴＴＬ方式のアライメント系のスポ
ット光ＳＰによるマーク検出の様子を図１０および図１
１を参照して説明する。図１０（Ａ）はウェハ上のショ
ット領域Ｓｎに付随して設けられた従来の回折格子マー
クＭＫとスポット光ＳＰとの配置を示し、図１０（Ｂ）
はｙ方向に伸びたスポット光ＳＰと、マークＭＫとを相
対的にｘ方向に走査したときの回折光の強度分布を示
す。

【０１０６】回折格子マークＭＫは、微小な矩形パター
ン（凸又は凹）をデューティ比１：１でｙ方向に一定ピ
ッチで形成したものであり、マークＭＫのｘ方向の幅は
スポット光ＳＰの幅とほぼ等しく定められている。スポ
ット光ＳＰがマークＭＫと重なると、レーザスポット光
の波長と格子定数とによって、図１０（Ａ）の紙面と垂
直で、かつｙ方向に広がった面内に所定の回折角で高次
回折光が発生する。この回折光は、スポット光ＳＰの照
射部分内に、スポット光の長手方向に一定ピッチの段差
エッジをもつ周期構造パターンが存在するときに発生す
るため、極めてＳ／Ｎ比がよい。

【０１０７】従って、この回折光から得られた光電信号
波形は、スポット光ＳＰの幅方向の強度分布（例えばガ
ウス分布）と近似した波形となり、図１０（Ｂ）のよう
に適当なスライスレベルＳＶで２値化することで、比較
的高精度にｘ方向のマーク中心位置を特定できる。した
がって、このような図１０に示すスポット光ＳＰの幅方
向の強度分布を検出するために、本発明に係るイメージ
センサを用いることも可能である。

【０１０８】一方、図１１（Ａ）に示すようなマルチマ
ークＭＸｎを、スリット状のスポット光ＳＰで走査する
場合は、回折格子の場合と異なり、ｙ方向に伸びた線条
パターンの左右のエッジで発生する散乱光を光電検出す
ることになる。この場合、スポット光ＳＰのｘ方向の幅
は、線条パターンの幅よりも狭く、例えば１／２以下で
ある。

【０１０９】このマルチマークＭＸｎ（ＭＹｎも同様）
は、スポット光ＳＰの長手方向と平行に連続して伸びた
エッジを検出するように使うため、エッジの伸びた方向
（ｙ方向）では散乱光発生の平滑化（平均化）が行なわ
れる。各エッジからの散乱光の分布は図１１（Ｃ）に示
すように、一本の線条パターンの左右でピークＰＫ_１ ，
ＰＫ_１ ’……ＰＫ_５ ，ＰＫ_５ ’となり、これらピ
ーク波形ＰＫｎ，ＰＫｎ’のｘ方向の位置を演算上で平
均化すれば、マークＭＸｎの中心位置が求まる。ところ
が、このようなエッジ散乱光を検出する方式では、スポ
ット光ＳＰがレーザ光（単波長）であることから、図１
１（Ｂ）に示すように線条パターンのエッジ付近のレジ
スト層ＰＲの厚みムラによって、散乱光の発生方向を不
均一なものにすること、単波長であることからレジスト
層ＰＲによる干渉（薄膜干渉）によって散乱光の受光光
量自体がみかけ上大きく変動を受ける等の現象が認めら
れている。このため図１１（Ｃ）にも示すように、各エ
ッジでのピーク波形は、かならずしも全てきれいに揃っ
たものではなくなり、むしろ複雑な波形になることが多
い。このような波形の処理は必ずしも簡単ではないが、
さほど難しいものではない。

【０１１０】したがって、図１１（Ａ）に示すようなア
ライメントマークを検出する場合にも、本発明に係るイ
メージセンサを用いることができる。

【０１１１】また、図１０および図１１に示した信号波
形は、ＬＳＡ演算ユニット１０９内の波形メモリに、干
渉計１１２からの位置計測パルス（例えば０．０２μｍ
毎）に応答してデジタルサンプリングの手法により記憶
される。

【０１１２】これによって、シーケンスコントローラ５
０６はステージコントローラ１１４にウェハステージＳ
Ｔのステッピング制御の指令を出力する。このためウェ
ハステージＳＴは、ウェハＷ上の各ショット領域Ｓｎが
順次レチクルＲのパターン領域ＰＡの投影像と合致する
ようにステッピングされ、重ね合わせ露光が行なわれ
る。

【０１１３】以上、本実施形態では、１枚のウェハに対
してＴＴＬ方式、Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式の両方を使うも
のとしたが、一般に同一プロセスを受けた多数枚のウェ
ハ間では、スケーリング量はほぼ同じ値を示すことが多
い。そこで、１ロット（通常２５枚）分のウェハを連続
して処理する場合、はじめの数枚（３〜５枚程度）に対
しては、ＴＴＬ方式とＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式の両方を使
って、本実施形態のようにスケーリング量の計測誤差を
最小とするＥＧＡ方式のシーケンスを採用し、それ以降
のウェハ処理に対しては、それまでに求めたスケーリン
グ量Ｒｘ，Ｒｙの平均値を固定値とし、他のパラメータ
（Ｏｘ，Ｏｙ，θなど）だけをＴＴＬ方式、又はＯｆｆ
−Ａｘｉｓ方式のいずれか一方のみを用いたサンプルア
ライメントで求めるようにしてもよい。

【０１１４】さらに、あるウェハに対してＴＴＬ方式と
Ｏｆｆ−Ａｘｉｓ方式との両方を使うことが予め決めら
れている場合は、ある決められたサンプルアライメント
ショットのうち、幾つかのアライメントマークはＴＴＬ
方式のアライメント系でサンプルアライメントしてＥＧ
ＡのパラメータＯｘ，Ｏｙ，θ，ｗのみの決定に用い、
他のマークはＯｆｆ−Ａｘｉｓ方式のアライメント系で
サンプルアライメントして、パラメータＲｘ，Ｒｙの決
定に用いるように、計測すべきマークを予め分担させて
おいてもよい。この場合は、ＥＧＡ方式のサンプルアラ
イメントのトータルの計測時間はかなり短くなり、スル
ープットの低下が押えられる。

【０１１５】その他の実施形態 なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるもので
はなく、本発明の範囲内で種々に改変することができ
る。

【０１１６】たとえば、本発明に係るイメージセンサが
適用される露光装置のタイプは特に限定されず、ステッ
プ・アンド・スキャン方式の縮小投影型走査露光装置
（スキャニング・ステッパー）、ステップ・アップ・リ
ピート方式の縮小投影型露光装置（ステッパー）、さら
にはミラープロジェクション方式やプロキシミティ方式
などの露光装置にも同様に本発明に係るイメージセンサ
を適用することができる。

【０１１７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、ビニング動作可能なイメージセンサにおいて、ラン
ダムノイズの影響を低減させて、アライメントマークな
どのマーク位置を高精度で検出することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は本発明の１実施形態に係るイメージセ
ンサの概略構成図である。

【図２】 図２は図１に示す駆動回路を駆動するための
駆動信号発生回路の論理回路図である。

【図３】 図３（Ａ）および（Ｂ）は図２に示す回路に
より発生される駆動信号のタイミングチャート図、図３
（Ｃ）および（Ｄ）は従来の回路により発生される駆動
信号のタイミングチャート図である。

【図４】 図４は露光装置の概略図である。

【図５】 図５（Ａ）〜（Ｆ）はアライメントマークと
センサ出力との関係を示す概略図である。

【図６】 図６は本発明の１実施形態に係る露光装置の
概略構成図である。

【図７】 図７（Ａ）〜（Ｃ）は図６に示す露光装置の
各部の構成を示す図である。

【図８】 図８はウェハ上のショット領域の配置を示す
平面図である。

【図９】 図９（Ａ）および（Ｂ）はウェハ上のマーク
形状を示す平面図および断面図である。

【図１０】 図１０（Ａ）および（Ｂ）はＴＴＬ方式の
アライメント系による位置検出方法を説明するための図
である。

【図１１】 図１１（Ａ），（Ｂ）はＴＴＬ方式のアラ
イメント系による位置検出方法を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１… ウエハ ２… 投影レンズ ３… レチクル ４… センサ光学系 ８… ウエハマーク ９… レチクルマーク １０… イメージセンサ １２… 光検知部 １４… 水平電荷転送部 １６… 垂直駆動回路 １８… 水平駆動回路 ２０… アンプ ２２… アナログ・デジタル変換回路 ２４… メモリ ２５… 信号処理回路 ２６… ＣＰＵ ２８… クロック信号発振器 ２９… 垂直駆動タイミング信号発生回路 ３０… 水平駆動タイミング信号発生回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 行方向および列方向に二次元的に配置さ
   れた複数の光検知部と、 該光検知部の各々に蓄積された電荷を前記列方向に沿っ
   て複数行の組に分割し、分割された複数行の組の電荷を
   前記行方向に沿って読み出す読み出し制御手段と、 該読み出し制御手段によって読み出された複数行の組の
   電荷に関する信号を、列方向に沿って演算処理を行う演
   算手段と、を有するイメージセンサ。
2. 【請求項２】 前記制御手段によって分割される組の数
   は、前記複数の光検知部に蓄積された電荷の読み出し時
   間と、当該読み出し時に生じるノイズとに応じて決定さ
   れることを特徴とする請求項１記載のイメージセンサ。
3. 【請求項３】 マスクに形成されたパターンを基板上に
   転写する露光装置において、請求項１または２に記載さ
   れたイメージセンサを含むことを特徴とする露光装置。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載のイメージセン
   サが、基板および／またはマスクに形成されたマークか
   らの光情報を検知するように装着してある露光装置。
5. 【請求項５】 行方向および列方向に二次元的に配置さ
   れた複数の光検知部の各々に蓄積された電荷を読み出す
   方法において、 前記光検知部の列方向に沿って複数行の組に分割し、そ
   の分割された複数行の組の電荷を前記行方向に沿って読
   み出す工程を含むことを特徴とするイメージセンサの電
   荷読み出し方法。
6. 【請求項６】 行方向および列方向に二次元的に配置さ
   れた複数の光検知部にそれぞれ蓄積された電荷を前記列
   方向に沿って複数行の組に分割し、 分割された複数行の組の電荷を前記行方向に沿って各行
   毎に変換器へ送り、 前記受光範囲内に照射された行方向の光の分布を求める
   ように、前記変換器を通して変換された複数行の組の信
   号を、列方向に沿って演算処理することを特徴とするイ
   メージセンサの使用方法。