WO2001065591A1 - Appareil de mesure de position et dispositif d'alignement - Google Patents

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WO2001065591A1
WO2001065591A1 PCT/JP2001/000910 JP0100910W WO0165591A1 WO 2001065591 A1 WO2001065591 A1 WO 2001065591A1 JP 0100910 W JP0100910 W JP 0100910W WO 0165591 A1 WO0165591 A1 WO 0165591A1
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PCT/JP2001/000910
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Akira Takahashi
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Nikon Corporation
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7088—Alignment mark detection, e.g. TTR, TTL, off-axis detection, array detector, video detection
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7092—Signal processing

Definitions

  • the present invention relates to a position measuring device that measures position information of a mark formed on an object such as a wafer, a glass plate, a mask, or a reticle in a manufacturing process of a semiconductor device, a liquid crystal display device, and the like, and a position measuring device.
  • the present invention relates to an exposure apparatus for performing alignment of an object using obtained position information of a mark and exposing a pattern formed on a mask or a reticle onto a wafer or a glass plate.
  • a fine pattern image formed on a photomask reticle (hereinafter, these are collectively referred to as a reticle) using an exposure apparatus is used as a photosensitive agent such as a photoresist.
  • the projection exposure is repeatedly performed on a substrate such as a semiconductor wafer or a glass plate on which is coated.
  • the exposure apparatus has an alignment device.
  • the alignment device includes an alignment sensor for detecting a position of an alignment mark formed on the substrate, and a control system for performing position adjustment of the substrate based on the position of the alignment mark detected by the alignment sensor.
  • the main alignment sensors include the LSA (Laser Step Alignment) method and the FIA ield image alignment 3 ⁇ 4 ⁇ > L ⁇ A (Laser Interferometric Alignment) method. Below, these alignment The outline of the sensor will be described.
  • the LSA type alignment sensor uses a laser beam formed on a substrate.
  • the alignment sensor measures the position of the alignment mark by irradiating the mark with the light and diffracted and scattered light, and has been widely used in the semiconductor industry in various manufacturing processes.
  • the FIA alignment sensor illuminates the alignment mark using a light source with a wide wavelength band such as a halogen lamp, and performs image processing on the resulting alignment mark image to perform position measurement. This sensor is effective for measuring asymmetric marks formed on the aluminum layer and substrate surface.
  • the LIA-based alignment sensor irradiates laser beams having slightly different wavelengths from two directions onto a diffraction grating-shaped alignment mark formed on the substrate surface, and makes the resulting two diffracted light beams more uniform.
  • the alignment sensor detects alignment mark position information from the phase of the interference light. This LIA-type alignment sensor is effective when used for alignment marks with low steps and substrates with large surface roughness.
  • the position information detecting device described above includes a TTL (through-the-lens) method for detecting position information of a mark on a substrate via a projection optical system, and a method for directly detecting a mark on a substrate without passing through a projection optical system.
  • TTL through-the-lens
  • the baseline which is the distance between the measurement center of the position information detector and the center of the projected image of the reticle pattern (exposure center) is set in advance. The quantity is required.
  • the position information detection device detects the displacement amount force S from the measurement center of the mark, and moves the substrate by a distance corrected for the deviation amount by the base line amount.
  • the exposure area exposes the shot area after the center of the area has been accurately aligned with the exposure center.
  • the baseline amount may fluctuate gradually.
  • the alignment accuracy overlay accuracy
  • the reticle position information detecting device detects the position information of the mark formed on the reticle, and adjusts the position of the reticle based on this position information.
  • the substrate is transported to the exposure position, and the position information of the mark formed on the substrate is detected by the substrate position information detecting device.
  • the substrate is moved by a distance obtained by correcting the shift amount indicated by the positional information of the substrate by the baseline amount in a plane perpendicular to the optical axis of the exposure light.
  • the relative position between the shot area formed on the substrate and the reticle is adjusted, and then the reticle is irradiated with exposure light to expose the image of the pattern formed on the reticle onto the substrate.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a mark formed on a substrate for position measurement.
  • a mark 100 has rectangular mark elements 101, 101,... Having a longitudinal direction, and the longitudinal directions of the respective mark elements 101, 101,. They are arranged at predetermined intervals in the direction orthogonal to the longitudinal direction, for example, at intervals of several / m. Therefore, the mark 100 shown in FIG. 12 is a direction orthogonal to the longitudinal direction of the mark elements 101, 101,..., That is, the direction denoted by the reference numeral 102 in the figure. Is a structure in which the surface position changes periodically.
  • the alignment sensor measures the position information of the mark 100 by detecting a periodic change in the surface position.
  • an alignment sensor of the FIA method performs image processing on image information in which the signal intensity (brightness or darkness of an image) changes in accordance with the periodic change in the surface position, and performs mark processing on the mark elements 101, 101. , Are detected, and position information of the mark 100 (for example, position information indicating the center position of the mark 100) is measured based on the detected edge position.
  • position information of the mark 100 for example, position information indicating the center position of the mark 100
  • Control Automatic gain control
  • Amplification is performed by a circuit or the like, and the intensity of the image information is set to be within a certain range.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the position information measurement processing by the FIA system alignment sensor.
  • the FIA-type alignment sensor includes an image sensor configured by, for example, arranging a plurality of pixels 103, 103,... On an image forming surface of a mark image, that is, an image capturing surface 104.
  • As the imaging device for example, a CCD (Charge Coupled Device) is used.
  • CCD Charge Coupled Device
  • FIG. 13 for ease of understanding, of the mark elements 103, 103,... Shown in FIG. The state of being imaged is illustrated.
  • the pixels arranged on the imaging surface 104 receive the incident light and convert it into an electric signal.
  • the imaging device converts an image incident on the imaging surface into image information by sequentially scanning the arranged pixels.
  • the pixels arranged in row r 1 are sequentially scanned in the scanning direction denoted by reference numeral 105 in the figure, and when the scanning is completed for all the elements arranged in row r 1,
  • the pixels arranged in the row r 2 in the direction orthogonal to the scanning direction 105 and denoted by reference numeral 106 in FIG. 13 are sequentially scanned in the scanning direction 105 in the drawing, and so on.
  • the elements arranged in rows r 3, r 4,... Are sequentially scanned.
  • the image information obtained by scanning row r1 is output as image information C1
  • the image information obtained by scanning row r2 is image information. Output as C2.
  • image information is similarly output for the other rows.
  • the number of pixels arranged on the imaging surface is reduced for ease of understanding.
  • the longitudinal direction of the mark elements 101, 101,... Forming the mark 100 is set to be orthogonal to the scanning direction of the image sensor. By the way, even if the intensity of the image information detected by the image sensor changes for each mark, the intensity of the image information is set to a value within a certain range by providing the aforementioned AGC circuit. .
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a result obtained by amplifying image information obtained by converting the images 110, 111, and 112 of the mark elements shown in FIG. 13 with an image sensor with different amplification factors. .
  • curves denoted by dl, d2, and d3 indicate a part of the image information obtained by amplifying at different amplification factors.
  • the set amplification factor increases in the order of the curves dl, d2, and d3.
  • the image information shown in Fig. 14 shows the image information obtained using the above-mentioned image sensor that performs the temporal scanning process.Time is set on the horizontal axis, and signal intensity is set on the vertical axis. are doing. Although three horizontal axes are shown in FIG. 14, the time when each horizontal axis intersects a straight line set parallel to the vertical axis is the same time.
  • the image sensor scans the arrayed elements to obtain image information.
  • Scanning is the process of obtaining image information of pixels arranged at different positions in time series. Therefore, image information obtained by performing scanning is a signal that changes with time.
  • the mark 100 shown in FIG. 12 measures the position information of the reference numeral 102 in FIG. 12, but as described above, the position information of the mark 100 is measured. Are set so that the longitudinal direction of the mark elements 101, 101,... Forming the mark 100 is orthogonal to the scanning direction of the image sensor.
  • the amplification factor changes and the When the signal waveform becomes dull, the position of the mark 100 on the time axis becomes a position delayed in time, and as a result, the position information measured is shifted from the original position of the mark 100. Also, when the amplification factor changes, the amount of this shift also changes.
  • the amount of mark displacement is less than the resolution required for alignment. Therefore, it is conceivable to improve the AGC circuit and to design the AGC circuit so that the position is hardly displaced or the amount of the position shift is equal to or less than the resolution required at the time of the alignment.
  • the size of the field of view of the position measurement device is about 200 mx 1600 and the number of pixels of the image sensor is 640 ⁇ 480 pixels, one pixel is 0.3 m on the substrate. Equivalent distance. In general, the resolution required at the time of alignment is about 1 Onm, and this distance is about 30 times smaller than one pixel.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a position measurement device capable of measuring position information of a mark formed on an object with high accuracy, and a high position measurement device measured by the position measurement device.
  • An object of the present invention is to provide an exposure apparatus that can perform exposure while performing alignment with high accuracy based on accurate positional information, and as a result, can realize fine processing.
  • a position measuring device of the present invention measures position information of a mark (AM, AMI) formed on an object (W) in a predetermined direction (D1, D2, D3).
  • Irradiation means (15, 16, 20, 21, 24, 25, 26, 27) for irradiating the mark (AM, AMI) with a detection beam (IL 2), which is a position measuring device (14, 18).
  • the predetermined direction of the mark and the scanning direction of the scanning line are set to be orthogonal to each other, even when the image information is amplified, a time delay occurs in the measurement direction as in the related art. No position shift due to time delay occurs. Therefore, the position information of the mark can be measured with high accuracy.
  • the position measuring device of the present invention further includes a storage unit (40, 60) for storing the image information, and the arithmetic unit (41) stores the image information in the storage unit (40, 60).
  • position information of the mark AM, AMI
  • the position measuring device of the present invention may be configured such that the image pickup means (32, 51) force (scanning direction) (SC 1) is orthogonal to the predetermined direction (D 1) so that the image (Iml ) Can be rotated.
  • the position measuring device of the present invention comprises: a first mark (AM Y ) having periodicity in the mark (AMI) force first direction (D3); and a second direction (A 3) orthogonal to the first direction (D3).
  • the arithmetic unit (41) may include the first imaging unit.
  • the position information of the second mark ( ⁇ ⁇ ) in the second direction (D2) is obtained based on
  • the position measuring device of the present invention may be configured such that the image (Im2) of the mark is branched into an image (Im Y ) of the first mark and an image (Im x ) of the second mark.
  • the first imaging means for guiding the one-mark image (Im Y ) to the first imaging means (32), and for guiding the second mark image (I mx ) to the second imaging means (51);
  • the position measuring device of the present invention is a position measuring device that measures position information of a mark (AM, A Ml) formed on an object (W) in a predetermined direction (X-axis direction).
  • Irradiation means (15, 16, 20, 21, 24, 25, 26, 27, 28) for irradiating AM, AMI) with the detection beam (IL 2), and irradiation of the detection beam (IL 2)
  • An imaging optical system (28, 27, 26, 25, 29, 30, 31, 50) for imaging an image of the mark generated from the mark (AM, AMI) on the imaging surface (104) by Imaging means (32, 51) for capturing an image of the mark on the imaging surface (104) while scanning a scanning line to generate image information corresponding to the image of the mark; and Calculating means (41) for obtaining position information of the mark (AM, AMI) in the predetermined direction (X-axis direction) based on the information.
  • the means (32, 51) captures the image of the mark while scanning the scanning line in the predetermined direction (X-axis direction) with respect to the image of the mark, and generates first image information.
  • X-axis direction Direction opposite to the predetermined direction (X-axis direction) with respect to the image of the mark
  • the image of the mark is captured while scanning in the (one Y-axis direction) to generate second image information, and the arithmetic means (41) calculates the position information based on the first and second image information. It is characterized by seeking.
  • the position measuring device of the present invention is characterized in that the imaging means (32, 51) can rotate with respect to the image of the mark.
  • the imaging means (32, 51) includes a plurality of scanning lines, and a first scanning line extends in the predetermined direction (X-axis direction) with respect to the mark image. An image of the mark is taken while scanning, and a second scanning line different from the first scanning line is scanned in the opposite direction ( ⁇ X-axis direction) with respect to the image of the mark, and the mark is scanned. Is captured.
  • the exposure apparatus of the present invention is a positioning apparatus for positioning the substrate (W) based on the positional information of the mark (AM, AM 1) on the substrate (W) measured by the position measuring apparatus. Means (9, 12), wherein the aligned substrate (W) is exposed in a predetermined pattern.
  • the position of the substrate is adjusted based on the position information detected with high accuracy. Therefore, when the pattern already formed on the substrate is exposed in an overlapping manner, Superposition can be performed with high accuracy, and as a result, fine processing can be realized.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an alignment sensor 1 provided in the position measuring device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of FIG.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view illustrating an example of the field-of-view aperture 103
  • FIG. 3B is a view illustrating an example of the light-shielding plate 33.
  • FIG. 4 is a view for explaining an illumination area of the alignment sensor 14 on the wafer W.
  • FIG. 5 is a diagram showing an arrangement relationship of the imaging surface F1 of the imaging device 32 with respect to the image of the alignment mark AM.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing the internal configuration of the alignment signal processing system 18.
  • FIG. 7 shows an alignment sensor provided in a position measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of 14;
  • FIG. 8 is a top view of the alignment mark AM1 used in the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement relationship between the imaging surface F2 of the imaging device 32 and the imaging surface F3 of the imaging device 51 with respect to the image of the alignment mark AM1.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the internal configuration of the alignment signal processing system 18 when the alignment sensor 14 is as shown in FIG.
  • FIG. 11 is a flowchart when a device is produced using an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a mark formed on a substrate for position measurement.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining the position information measurement processing by the FIA method alignment sensor.
  • FIG. 14 shows an example of the result of amplifying image information obtained by converting the images 110, 111, and 112 of the mark elements shown in Fig. 13 with the image sensor with different amplification factors.
  • FIG. FIG. 15 is a diagram for explaining an example of a calculation form in the position information calculation unit 41. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention is applied to a step-and-repeat type exposure apparatus having an off-axis type alignment sensor.
  • the XYZ rectangular coordinate system shown in FIG. 1 is set, and the positional relationship of each member will be described with reference to the XYZ rectangular coordinate system.
  • the XYZ rectangular coordinate system is set so that the X-axis and the Z-axis are parallel to the paper, and the Y-axis is set to be perpendicular to the paper.
  • the XY plane is actually set as a plane parallel to the horizontal plane, and the Z axis is set vertically upward.
  • the illumination optical system 1 emits exposure light EL having substantially uniform illuminance when a control signal indicating the emission of exposure light is output from a main control system 13 described later. Irradiate Reticle R.
  • the optical axis of the exposure light EL is set parallel to the Z-axis direction.
  • the exposure light EL includes, for example, g-line (436 nm), i-line (365 nm), KrF excimer laser (248 nm), and ArF excimer laser (193 nm) , F 2 excimer laser (1 9 3 nm) is used.
  • the reticle R has a fine pattern to be transferred onto a wafer (substrate) W coated with a photoresist, and is held on a reticle holder 3.
  • the reticle holder 3 is supported so as to be able to move and minutely rotate in the XY plane on the base 4.
  • Main control system that controls the operation of the entire device 1 3 Force Controls the operation of reticle stage 3 via drive device 5 on base 4 to set the position of reticle R.
  • the projection optical system PL has an optical element such as a plurality of lenses, and the glass material of the optical element is selected from optical materials such as quartz and fluorite according to the wavelength of the exposure light EL.
  • the wafer W is placed on the Z stage 8 via the wafer holder 7.
  • the Z stage 8 is a stage for finely adjusting the position of the wafer W in the Z-axis direction.
  • the Z stage 8 is mounted on the XY stage 9.
  • the XY stage 9 is a stage for moving the wafer W within the XY plane.
  • An L-shaped movable mirror 10 is attached to one end of the upper surface of the wafer holder 7, and a laser interferometer 11 is arranged at a position facing the mirror surface of the movable mirror 10.
  • the movable mirror 10 is composed of a plane mirror having a mirror surface perpendicular to the X axis and a plane mirror having a mirror surface perpendicular to the Y axis.
  • the laser interferometer 11 irradiates the movable mirror 11 1 with a laser beam along the X-axis.
  • the two laser interferometers for the X-axis and the movable mirror 11 irradiates the movable mirror 11 along the Y-axis.
  • the X coordinate and the Y coordinate of the wafer stage 7 are measured by one laser interferometer for the X axis and one laser interferometer for the Y axis.
  • the rotation angle of the wafer holder 7 in the XY plane is measured based on the difference between the measurement values of the two X-axis laser interferometers.
  • X seat measured by laser interferometer 1 Information on the target, the Y coordinate, and the rotation angle is supplied to the stage drive system 12. These pieces of information are output from the stage drive system 12 to the main control system 13 as position information.
  • the main control system 13 monitors the supplied position information while monitoring the supplied position information.
  • the positioning operation of the wafer holder 7 is controlled.
  • the reticle holder 3 is also provided with a moving mirror and a laser interferometer provided on the wafer holder 7, and information such as the ⁇ ⁇ ⁇ position of the reticle holder 3 is provided. Is input to the main control system 13.
  • An off-axis alignment sensor 14 is provided beside the projection optical system PL.
  • the alignment sensor 14 is a part of the position measuring device according to the embodiment of the present invention provided in the exposure apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • Irradiation light for illuminating the wafer W from the halogen lamp 15 via the optical fiber 16 is incident on the alignment sensor 14.
  • the halogen lamp 15 is used as the light source of the illumination light because the wavelength range of the light emitted from the halogen lamp 15 is 500 to 800 nm, and the photoresist applied on the upper surface of the wafer W is exposed to light. This is because the wavelength range is not large, and the wavelength band is wide, so that the influence of the wavelength characteristic of the reflectance on the surface of the wafer W can be reduced.
  • the illumination light emitted from the alignment sensor 14 is reflected by the prism mirror 17 and then irradiates the upper surface of the wafer W.
  • the alignment sensor 14 takes in the reflected light on the upper surface of the wafer W through the prism mirror 17, converts the detection result into an electric signal, and outputs the electric signal to the alignment signal processing system 18 as image information.
  • a defocus signal indicating the amount of displacement (defocus amount) of the wafer W with respect to the focal position of the alignment sensor 14 is output from the alignment sensor 14 to the alignment signal processing system 18.
  • the alignment signal processing system 18 calculates the position of the alignment mark AM in the XY plane and the position of the wafer W with respect to the focal position of the alignment sensor 14 based on the image information and the defocus signal from the alignment sensor 14.
  • the shift amount (defocus amount) is obtained, and these are output to the main control system 13 as wafer position information.
  • the main control system 13 includes the position information and alignment information output from the stage drive system 12.
  • the overall operation of the exposure apparatus is controlled based on the wafer position information output from the signal processing system 18. More specifically, main controller 13 outputs a drive control signal to stage drive system 12 based on wafer position information output from alignment signal processing system 18.
  • the stage drive system 12 drives the XY stage 9 and the Z stage 8 based on the drive control signal.
  • the main control system 13 first drives and controls the stage drive system 12 so that the position of a reference mark (not shown) formed on the wafer W is detected by a position detection sensor (not shown). Outputs a signal.
  • image information and a defocus signal are output from the alignment sensor 14 to the alignment signal processing system 18.
  • a baseline amount that is a deviation amount between the detection center of the position detection sensor and the center of the projected image of the reticle R (the optical axis AX of the projection optical system PL) is measured. Then, by controlling the X coordinate and the Y coordinate of the wafer W based on the value obtained by adding the above-mentioned baseline amount to the position of the alignment mark AM measured by the position detection sensor, each shot area is controlled. Each is precisely adjusted to the exposure position. After adjusting the shot area to the exposure position, the main control system 13 outputs a control signal for causing the illumination optical system 1 to emit the exposure light EL.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the alignment sensor 14 provided in the position measuring device according to one embodiment of the present invention.
  • the same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
  • the illumination light IL 1 having a wavelength range of 500 to 800 nm is guided from the halogen lamp 15 in FIG. 1 to the alignment sensor 14 via the optical fiber 16. ing.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing an example of the field-of-view dividing stop 103.
  • the field-of-view dividing diaphragm 21 has a mark illumination diaphragm 22 having a wide rectangular opening in the center thereof, and a pair of narrow width diaphragms arranged so as to sandwich the mark illumination diaphragm 22.
  • the focus detection slits 2 3a Has been established.
  • the illumination light I L1 is split by the field splitting aperture 21 into a first light flux for illuminating a mark on the alignment mark area on the wafer W and a second light flux for detecting a focal position prior to the alignment.
  • the illumination light IL 2 divided in this way passes through the lens system 24, is reflected by the half mirror 25 and the mirror 26, is reflected by the prism mirror 28 through the objective lens 27, As shown in FIG. 4, the light is irradiated to the mark area including the alignment mark AM formed in the street line SL on the wafer W and the vicinity thereof.
  • FIG. 4 is a view for explaining an illumination area of the alignment sensor 14 on the wafer W.
  • the alignment mark AM is formed on a street line (scribe line) SL provided between the device portions DP.
  • the alignment mark AM shown in FIG. 4 is assumed as the alignment mark.
  • the alignment mark AM is one in which rectangular mark elements am, am, ... having a longitudinal direction in the X-axis direction in the figure are arranged in the Y-axis direction in the figure.
  • the alignment mark AM is a direction in which the surface position periodically changes in the Y-axis direction, and is used for measuring position information in the Y-axis direction.
  • the direction indicated by reference numeral D1 in FIG. 4 that is, the direction parallel to the Y axis is referred to as a measurement direction. .
  • the illumination light I L2 is illuminated on the alignment mark AM as shown. That is, the first luminous flux shaped by the mark illumination aperture 22 formed in the field split aperture 21 illuminates the alignment mark AM as the illumination light IL 3, and the focus detection slit 23 a 3. bThe illumination lights IL 4 and IL 5 shaped by each illuminate the device portion DP.
  • the first branch light transmitted through the beam splitter 30 forms an image of the alignment mark AM on the index plate 31. And this
  • the image and the light from the index mark on the index plate 31 enter the image sensor 32 formed of a two-dimensional CCD, and the image of the alignment mark AM and the index mark is formed on the imaging surface of the image sensor 32. .
  • FIG. 5 is a diagram showing an arrangement relationship of the imaging surface F1 of the imaging device 32 with respect to the image of the alignment mark AM.
  • I ml indicates an image of the alignment mark AM formed on the imaging surface of the imaging device 32.
  • the imaging device 32 is set so that its scanning direction S C1 is orthogonal to the measurement direction D 11 of the alignment sensor AM. Note that the measurement direction D11 shown in FIG. 5 is a direction corresponding to the measurement direction D1 shown in FIG.
  • the measurement direction D11 is a direction in which the intensity of the image of the alignment mark AM changes periodically.
  • the imaging device 32 is configured to be rotatable within its imaging surface F1, and under the control of the alignment signal processing system 18, a rotating operation is performed by an unillustrated actuator. By rotating the image sensor 32, the scanning direction S C1 of the image sensor 32 can be changed.
  • the alignment mark AM shown in FIG. 4 is a mark for measuring the position information in the Y-axis direction, and the alignment mark for measuring the position in the X-axis direction is the alignment mark shown in FIG.
  • the AM is rotated 90 degrees. In other words, in the alignment mark for measuring the position in the X-axis direction, the surface position changes periodically in the X-axis direction.
  • the image formed on the imaging surface F1 of the imaging device 32 is obtained by rotating the image Im1 by 90 degrees in the imaging surface F1 shown in FIG.
  • the image sensor is rotated 90 degrees so that the scanning direction SC1 of the image sensor 32 is orthogonal to the measurement direction. .
  • FIG. 3B is a diagram illustrating an example of the light shielding plate 33.
  • the plate 33 blocks light incident on the rectangular area denoted by the symbol 33a, and transmits light incident on the area 33b other than the rectangular area 33a. Therefore, the light blocking plate 33 blocks the branched light corresponding to the first light flux and transmits the branched light corresponding to the second light flux.
  • the branched light transmitted through the light-shielding plate 33 enters the line sensor 35 composed of a one-dimensional CCD with the telecentricity broken by the pupil division mirror 34, and focuses on the light receiving surface of the line sensor 35.
  • the images of the slits 23a and 23b are formed.
  • the imaging surface of the imaging device 32 is The image of the alignment mark AM formed thereon is defocused without changing the position of the imaging element 32 on the imaging surface.
  • the reflected light incident on the line sensor 35 has lost its telecentricity as described above, when the wafer W is displaced in a direction parallel to the optical axis of the illumination light and the reflected light, The images of the focus detection slits 23a and 23b formed on the light receiving surface of the line sensor 35 are displaced in a direction crossing the optical axis of the branched light.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically showing the internal configuration of the alignment signal processing system 18.
  • the alignment signal processing system 18 includes an image memory 40, a position information calculation unit 41, a focus position detection unit 42, and a control unit 43.
  • the image memory 40 temporarily stores image information output from the alignment sensor 14.
  • an AGC circuit and an analog-to-digital converter (hereinafter, referred to as an AZD converter) are provided in the preceding stage of the image memory 40.
  • the image information output from the alignment sensor 14 is amplified by an AGC circuit and then digitized by an analog-to-digital converter. Therefore, the image memory 40 stores the digitized image information.
  • the position information calculation unit 41 performs a calculation process on the image information stored in the image memory 40 to measure the position information of the alignment mark AM. Further, the focus position detection unit 42 detects the defocus signal output from the alignment sensor 14 based on the defocus signal. Then, the defocus amount of the wafer W with respect to the focal position of the alignment sensor 14 is detected.
  • the control unit 43 controls the position information calculation unit 41 and the focus position detection unit 42, and controls the position information of the alignment mark AM obtained by the position information calculation unit 41 and the focus position detection unit 42. The detected defocus amount is output to the main control unit 13 as wafer position information.
  • the main control system 13 moves the alignment mark AM for position measurement in the Y-axis direction on the wafer W via the stage drive system 12 to a position within the field of view of the alignment sensor 14. Drive the XY stage 9 as shown in FIG.
  • the main control system 13 outputs a control signal to the alignment signal processing system 18, and based on the control signal, the alignment signal processing system 18 controls the imaging device 3. Rotate 2. That is, since the alignment mark AM to be measured is for measuring the position information in the Y-axis direction, the alignment mark AM is set so that the scanning direction of the image sensor 32 is orthogonal to the measurement direction of the alignment mark AM.
  • the signal processing system 18 outputs a drive signal to the factory (not shown).
  • the main control system 13 outputs a control signal to the halogen lamp 15 to
  • Illumination light I L 1 is objective lens system
  • the prism mirror 28 After passing through the mirror 24 and reflected by the half mirror 25 and the mirror 26, it passes through the objective lens 27, is reflected by the prism mirror 28, and illuminates the wafer W with incident light.
  • the light reflected by the illumination light IL 2 returns to the alignment sensor 14 via the prism mirror 27, passes through the objective lens 27, is reflected by the mirror 26, passes through the half mirror 25, and then passes through the lens Beams split evening 30 via system 29.
  • the reflected light that has passed through beam splitter 30 illuminates indicator plate 31.
  • Image of indicator plate 31 and alignment mark AM in the state shown in Fig. 5 Is imaged.
  • the reflected light reflected by the beam splitter 30 passes through the light shielding plate 33, and the telecentricity is broken by the pupil division mirror 34. In this state, the light enters the line sensor 35 and forms images of the focus detection slits 23 a and 23 b on the light receiving surface of the line sensor 35.
  • the image sensor 32 converts the image Im1 formed on the image pickup surface F1 into image information while scanning in the scanning direction SC1, and sequentially converts the converted image information into alignment signals. Output to processing system 18.
  • the image information is output to the alignment signal processing system 18, it is amplified by an AGC circuit (not shown) as described above, digitized by an AZD converter, and stored in the image memory 40.
  • the position shift of the image information especially the time delay when it is amplified by the AGC circuit, becomes a problem, but as described above, the imaging direction SC1 and the measurement direction of the image Im1 are set to be orthogonal. Therefore, the time delay in the scanning direction SC1 shown in FIG. 5, that is, the time delay in the longitudinal direction of the image Iml of the alignment mark AM still occurs.
  • the measurement direction D 11 is arranged so as to be orthogonal to the scanning direction S C 1, no time delay occurs in the measurement direction D 1.
  • the position information calculation unit 41 calculates the position information of the alignment mark ⁇ [based on the image information stored in the image memory 40, the position shift due to the time delay of the measurement direction Dl1 is performed. Therefore, the position information of the alignment mark AM can be measured with high accuracy.
  • a defocus signal is output from the line sensor 35, and the focus position detection unit 42 calculates the defocus amount of the wafer W with respect to the focus position of the alignment sensor 14 based on this signal.
  • the position information of the alignment mark AM obtained by the alignment signal processing section 18 and the defocus amount detected by the focus position detection section 42 are output to the main control system 13 as wafer position information.
  • the main control system 13 When performing measurement processing on an alignment mark for measuring position information in the X-axis direction, first, the main control system 13 outputs a control signal to the alignment signal processing system 18, and this control The alignment signal processing system 18 rotates the image sensor 32 based on the signal. By rotating the imaging device 32, the imaging surface set when the alignment mark AM for measuring the position information in the Y-axis direction is measured is rotated by 90 degrees. Set like this Thus, when an image of the alignment mark for measuring the position information in the X-axis direction is formed on the imaging surface, the measurement direction of the alignment mark is orthogonal to the scanning direction of the imaging element 32.
  • the operation after rotating the image sensor 32 is the same as the operation when the alignment mark AM for measuring the position information in the Y-axis direction is measured. Since the position information of the alignment mark measured in this way has no time delay, the position information of the alignment mark can be measured with high accuracy.
  • Fig. 15 (a) shows the measurement of the position in the X-axis direction of the mark including the line patterns (mark elements) 110, 111, and 112 periodically arranged in the X direction using the image sensor 32.
  • FIG. 7 is a diagram showing an arrangement relationship between a mark and an image sensor in the case of performing the operation.
  • the scanning direction of the image sensor is the one Y-axis direction in Fig. 15 (a)
  • the measurement direction of the mark is the X-axis direction
  • both (scanning direction and measurement direction) are orthogonal.
  • the image memory 40 stores image information Cn obtained by scanning all the pixels of the image sensor 32 for each row r n (n is a natural number). As the image information, a signal waveform as shown in FIG. 15 (b) is stored for each row of the image sensor 32. In FIG. 15 (a), the number of rows is reduced for convenience of illustration, and in FIG. 15 (b), only representative ones of the obtained signal waveforms are shown.
  • the position information calculation unit 41 performs the following processing based on the image information (signal waveform) stored in the image memory 40. First, the average value of the signal waveforms (signal intensities) of a plurality of pixels within the predetermined range a as shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b) is calculated for each row. Next, the calculated average value (the average value of the signal intensity for each row) is plotted with the signal strength on the vertical axis and the X position of each row rn of the image sensor on the horizontal axis. Figure 15 (c) shows an example plotted in this way. Then, the position information calculation unit 41 calculates the position of the mark in the X-axis direction by using, for example, a known edge detection method based on the plotted waveform data (the waveform in FIG. 15C).
  • the positional shift (delay of the electric signal) due to the time delay of the image information Cn occurs in the Y-axis direction in FIGS. 15A and 15B and does not occur in the X-axis direction. Because of this By using the above-mentioned method, it is possible to prevent the occurrence of a position shift due to a delay (time delay) of the electric signal.
  • the main control system 13 When performing the exposure processing, first, the main control system 13 adds the above-described baseline amount to the position information included in the wafer position information output from the alignment signal processing system 18 to perform correction. Do. Then, the main control system 13 determines the center of each shot area and the optical axis AX of the projection optical system PL based on the X- and Y-coordinates of the wafer W corrected for the baseline via the stage drive system 12. Driving XY stage 9 to match. As a result, alignment of each shot area of the wafer W with an accurate exposure position, that is, accurate alignment of the wafer W is performed.
  • the measurement direction of the alignment mark and the scanning direction of the imaging element 32 are set to be orthogonal, for example, when image information is amplified by an AGC circuit Even in this case, there is no time lag in the measurement direction unlike the conventional case, and no positional displacement due to the time lag occurs. Therefore, the alignment mark position information can be measured with high accuracy. Further, the position of the shot area of the wafer W and the exposure position are adjusted based on the position information detected with high accuracy. Therefore, when exposure is performed on a pattern already formed on the wafer W, the overlay can be performed with high accuracy, and as a result, fine processing can be realized.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an alignment sensor 14 included in a position measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to members common to the members of the alignment sensor 14 shown in FIG. 2, and the description thereof will be omitted.
  • the difference between the alignment sensor 14 included in the position measuring device according to the other embodiment of the present invention shown in FIG. 7 and the alignment sensor 14 shown in FIG. This is a point that a beam splitter 50 that divides the image 1 and the image of the index plate 31 in two directions is provided, and an image pickup device 51 that receives the image split by the beam splitter 50 is provided.
  • FIG. 8 is a top view of the alignment mark AM1 used in the present embodiment.
  • the alignment mark ⁇ 41 used in the embodiment is for measuring position information in the X-axis direction and position information in the ⁇ -axis direction in one measurement.
  • the Araimen at sign includes mark element Arufamyu chi which measures positional information of the X-axis direction, and a mark element Arufamyu Upsilon which measures positional information of Arufamyu chi and Upsilon axially.
  • Mark elements Arufamyu chi, the total measuring direction Arufamyu chi is a direction code D 2 is attached in FIG. 8, the measurement direction of the mark element Arufamyu Upsilon is the direction in which the attached code D 3 in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement relationship between the imaging surface F2 of the imaging device 32 and the imaging surface F3 of the imaging device 51 with respect to the image of the alignment mark AM1.
  • the image Im2 of the alignment mark AM1 formed on the imaging surface F2 of the imaging device 32 and the imaging surface F3 of the imaging device 51 is disposed substantially at the center of the imaging surface F2 and the imaging surface F3. Is done. Further, in FIG.
  • mark element AM X and a reference numeral I m x with respect to the image of the AM X, is denoted by the reference numerals I m Y with respect to the image of Ma one click element AM Y.
  • Measurement direction of the image of the mark elements AM X, AM X is the direction indicated by symbol D 1 2
  • the measurement direction of the image of the mark element AM Y is the direction indicated by symbol D 1 3.
  • the direction denoted by reference numeral SC2 is the scanning direction of the imaging element 32
  • the direction denoted by reference numeral SC3 is the scanning direction of the imaging element 51.
  • FIG. 10 is a block diagram showing the internal configuration of the alignment signal processing system 18 when the alignment sensor 14 is as shown in FIG.
  • the difference between the alignment signal processing system 18 shown in FIG. 10 and the alignment signal processing system 18 shown in FIG. 6 is that an image memory 60 is further provided.
  • the image sensor 51 is provided in the alignment sensor 14. That is, the image information output from the image sensor 32 is stored in the image memory 40, and the image information output from the image sensor 51 is stored in the image memory 60.
  • the position information calculation unit 41 uses the same method as the above-described method based on the image information stored in the image memory 40 and the image memory 60 to calculate the alignment mark AM1 in the X-axis direction. The position information and the position information in the Y-axis direction are calculated.
  • an AGC circuit and an AZD conversion circuit are provided in the preceding stage of the image memory 60.
  • the main control system 13 controls the XY stage 9 via the stage drive system 12 to move the alignment mark AM 1 for measurement into the field of view of the alignment sensor 14.
  • the main control system 13 outputs a control signal to the halogen lamp 15 to emit the illumination light IL 1, illuminates the alignment mark AM 1 with the illumination light IL 2, and illuminates the imaging element 3 2.
  • An image Im2 is formed on the imaging surface F2 of the imaging device F1 and the imaging surface F3 of the imaging element 51.
  • the imaging element 32 converts the image Im2 formed on the imaging surface F2 into an electric signal while scanning in the scanning direction SC2, and outputs it as image information. Further, the imaging element 51 converts the image Im2 formed on the imaging surface F3 into an electric signal while scanning in the scanning direction SC3, and outputs it as image information.
  • the image signals output from the imaging device 32 and the imaging device 51 are amplified by an AGC circuit (not shown), digitized by an AZD converter, and stored in the image memory 40 and the image memory 60, respectively.
  • the positional deviation of the image information becomes a problem, but on the imaging surface F2 of the imaging device 32, the scanning direction SC2 and the scanning direction SC2 as described above. Because it is set to be perpendicular to the measurement direction D 1 3 of the image I m Y mark elements AM Y, the delay time in the scanning direction SC 2 shown in FIG. 9, i.e. Araimen at sign mark elements of AM AM Y A time delay in the longitudinal direction of the image I m Y still occurs. However, since the measurement direction D 13 is arranged so as to be orthogonal to the scanning direction SC 2, no time delay occurs in the measurement direction D 13.
  • the image information stored in the image memory 40 is If the measurement is performed using only the image information of the mark element AM Y image I m Y , the measurement direction D 13, that is, the measurement is performed when calculating the position information of the alignment mark AM 1 in the Y-axis direction. Since there is no position shift due to the time delay in the direction D13, the position information of the alignment mark AM in the Y-axis direction can be measured with high accuracy.
  • the imaging plane F 3 Oite of the imaging element 5 1 is orthogonal to the measurement direction D 1 2 of the image I m x, I m x in the scanning direction SC 3 and mark elements AM X, AM X as described above since setting is made so, the delay time in the scanning direction SC 3 shown in FIG. 9, that is the mark elements Arai placement marks AM AM X, AM Y image I m x a, when the longitudinal direction of the I m x The delay still occurs.
  • the measurement direction D12 is arranged so as to be orthogonal to the scanning direction SC3, no time delay occurs in the measurement direction D12. Therefore, when the image Im2 of the alignment mark AM1 is imaged on the imaging surface F3 of the imaging device 51 in the state shown in FIG.
  • the position shift due to the time delay of the measurement direction D12 does not occur, so that the position information of the alignment mark AM in the X-axis direction can be measured with high accuracy.
  • the position information of the alignment mark AM1 in the X-axis direction and the Y-axis direction can be measured only by one measurement of the alignment mark AM1. There is no need to rotate the image sensor as in the embodiment. Therefore, it is preferable to improve the throughput, that is, the number of wafers that can be processed in a unit time.
  • the position information in the X-axis direction and the position information in the Y-axis direction calculated by the position information calculation unit 41 and the defocus amount detected by the focus position detection unit 42 are sent to the main control system 13 as wafer position information. Is output.
  • the main control system 13 When performing the exposure processing, first, the main control system 13 applies the X-axis direction information and the Y-axis direction information included in the wafer position information output from the alignment signal processing system 18 to the main control system 13. The correction is performed by adding the above-mentioned baseline amount. Then, the main control system 13 matches the center of each shot area with the optical axis AX of the projection optical system PL based on the X coordinate and the Y coordinate of the wafer W corrected by the baseline via the stage drive system 12. Drive the XY stage 9 as shown in FIG. As a result, alignment of each shot area of the wafer W to an accurate exposure position, that is, accurate alignment of the wafer W is performed.
  • the measurement direction D 2 As Araimentoma Ichiku AM 1 for measuring the position information, the measurement direction D 2, the mark D 3 is set in a direction orthogonal to each other element AM X, AM X, with those having AM Y, captures an image I m 2 of Araime Ntoma Ichiku AM 1, in the scanning direction SC 2, the imaging device SC 3 are arranged in orthogonal relation to each other 3 2, 5 1 . And the image sensor 32, 51 The position information is measured using only the image signal of the part where the measurement direction is orthogonal to the scanning direction among the image information converted by the above.
  • the alignment mark position information can be measured with high accuracy.
  • the shot area of the wafer W is aligned with the exposure position based on position information detected with high accuracy. Therefore, when exposure is performed on a pattern already formed on the wafer W in a superimposed manner, superposition can be performed with high accuracy, and as a result, fine processing can be realized.
  • the mark is imaged in a state where the scanning direction of the image sensor and the measurement direction of the mark are set to the same direction (the image sensor is at 0 degree with respect to the mark) and image information ( Normal image information and first image information) are obtained, and mark position information (first mark position information) is obtained based on the image information.
  • the image sensor is rotated 180 degrees to capture an image of the mark, image information (reverse image information, second image information) is obtained, and mark position information (second mark position information) is obtained based on the image information. Ask for. Then, an average value of the first and second mark position information is obtained.
  • a method using an image sensor capable of reading in and out of the data can be considered.
  • the image sensor is placed in a state where the scanning direction of the image sensor and the measurement direction of the mark are set to the same direction (the image sensor is at 0 degrees to the mark). Then, for example, when scanning pixels on odd lines, the normal scanning direction (Fig. In the case of 13, scanning is performed in the scanning direction 105), and when scanning pixels on even lines, the scanning direction is the reverse of the normal scanning direction (in FIG. 13, the direction opposite to the scanning direction 105).
  • the image sensor and the scanning algorithm are configured so that scanning can be performed by using.
  • the mark position information obtained when the scanning direction of the image sensor is 0 degrees with respect to the mark measurement direction and the mark position information obtained by inverting 180 degrees with respect to the mark measurement direction are 0 degrees with respect to the mark measurement direction and the mark position information obtained by inverting 180 degrees with respect to the mark measurement direction.
  • the imaging device 32 is described as rotating.
  • the present invention is not limited to this.
  • the imaging device is fixed, and is arranged in the optical path from the mark to the imaging device.
  • the rotatable optical member rotating at 90 degrees or 180 degrees
  • the mark image formed on the imaging element surface may be rotated.
  • the exposure apparatus (FIG. 1) according to one embodiment of the present invention described above can control the position of the wafer W with high accuracy and high speed, and can perform exposure with high exposure accuracy while improving throughput.
  • Reticle alignment system including illumination optical system 1, reticle holder 3, base 4, and drive unit 5, wafer holder 7, Z stage 8, XY stage 9, moving mirror 10, and wafer interferometer 11
  • the components shown in Fig. 1, such as the illuminating system and the projection optical system PL are assembled by connecting them electrically, mechanically, or optically, comprehensive adjustments (electrical adjustment, operation confirmation, etc.) are performed. It is manufactured. It is desirable to manufacture the exposure apparatus in a clean room where the temperature and cleanliness are controlled.
  • FIG. 11 is a flowchart of production of devices (semiconductor chips such as ICs and LSIs, liquid crystal panels, CCDs, thin-film magnetic heads, micromachines, etc.) using the exposure apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • device function design for example, circuit design of a semiconductor device
  • pattern design for realizing the function is performed.
  • step S11 1 mask production step
  • step S12 wafer manufacturing step
  • a wafer is manufactured using a material such as silicon.
  • step S13 wafer process step
  • step S14 assembly step
  • step S15 inspection step
  • the exposure apparatus of the present embodiment can be applied to a scanning exposure apparatus (US Pat. No. 5,473,410) for exposing a mask pattern by synchronously moving a mask and a substrate. Further, the exposure apparatus of the present embodiment can be applied to a proximity exposure apparatus that exposes a mask pattern by bringing a mask and a substrate into close contact without using a projection optical system.
  • the use of the exposure apparatus is not limited to an exposure apparatus for manufacturing semiconductors. For example, an exposure apparatus for liquid crystal, which exposes a liquid crystal display element pattern to a square glass plate, and a thin film magnetic head are manufactured. It can be widely applied to an exposure apparatus for performing the above.
  • the light source of the exposure apparatus includes g-line (436 nm), i-line (365 nm), KrF excimer laser (248 nm), and ArF excimer laser (1 9 3 nm), F 2 not only laser (1 5 7 nm), it is possible that uses charged particle beams such as X-ray or electron beam.
  • charged particle beams such as X-ray or electron beam.
  • a thermionic emission type lanthanum hexabolite (L a B 6 ) or tantalum (T a) can be used as an electron gun.
  • the magnification of the projection optical system may be not only a reduction system but also any one of an equal magnification and an enlargement system.
  • the projecting projection optical system using a material which transmits far ultraviolet rays such as quartz Ya fluorite as the glass material when using far ultraviolet rays such as excimer one
  • the catadioptric system or the case of using the F 2 laser or X-ray Use a refraction type optical system (use a reflective type reticle)
  • an electron optical system including an electron lens and a deflector may be used as the optical system. It is needless to say that the optical path through which the electron beam passes is in a vacuum state.
  • the stage may be a type that moves along a guide or a guideless type that does not have a guide.
  • a stage driving device a planar motor that drives a stage by an electromagnetic force by opposing a magnet unit having a two-dimensionally arranged magnet and an armature unit having a two-dimensionally arranged coil may be used. Good.
  • one of the magnet unit and the armature unit may be connected to the stage, and the other of the magnet unit and the armature unit may be provided on the moving surface side of the stage.
  • the reaction force generated by the movement of the wafer stage is mechanically controlled by using a frame member as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-166475 (USP 5,528,118). You can escape to The reaction force generated by the movement of the reticle stage is determined by mechanically using a frame member as a floor (ground) as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-333024 (US SZN 08 / 416,558). You may escape to

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Description

明 細 位置計測装置及び露光装置 技術分野
本発明は、 半導体素子や液晶表示素子等の製造工程において、 ウェハ若しくは ガラスプレート又はマスク若しくはレチクル等の物体に形成されたマークの位置 情報を計測する位置計測装置、 及び当該位置計測装置によつて得られたマークの 位置情報を用いて物体の位置合わせ （ァライメント） を行い、 マスク若しくはレ チクルに形成されたパターンをウェハ若しくはガラスプレート上に露光する露光 装置に関する。 背景技術
半導体素子や液晶表示素子等のデバイスの製造においては、 露光装置を用いて フォトマスクゃレチクル （以下、 これらをレチクルと総称する） に形成された微 細なパターンの像をフォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウェハゃガラ スプレート等の基板上に投影露光することが繰り返し行われる。 投影露光を行う 際には、 基板の位置と投影されるレチクルに形成されたパターン像の位置とを精 密に合わせる必要がある。 この位置合わせを行うために露光装置はァライメント 装置を備えている。 ァライメント装置は、 基板に形成されたァライメントマーク の位置を検出するァライメントセンサと、 このァライメントセンサによって検出 されたァライメン卜マークの位置に基づいて基板の位置合わせを行う制御系とか ら構成される。
半導体素子や液晶表示素子等の製造過程において測定対象である基板の表面状 態 （荒れ程度） が変化するため、 単一のァライメントセンサによって基板位置を 正確に検出することは困難であり、 一般的には基板の表面状態に合わせて異なる センサが使用される。 ァライメントセンサの主なものには、 L S A (Laser Step Alignment) 方式、 F I A ield Image Alignment ¾Ά> L 丄 A (Laser Interferometric Alignment) 方式のものがある。 以下、 これらのァライメントセ ンサの概略について説明する。
L S A方式のァライメントセンサは、 レーザ光を基板に形成された
トマークに照射し、 回折 ·散乱された光を利用してそのァライメントマークの位 置を計測するァライメントセンサであり、 従来より種々の製造工程の半導体ゥェ 八に幅広く使用されている。 F I A方式のァライメントセンサは、 ハロゲンラン プ等の波長帯域幅の広い光源を用いてァライメントマ一クを照明し、 その結果得 られたァライメントマークの像を画像処理して位置計測を行うァライメントセン サであり、 アルミニウム層や基板表面に形成された非対称なマークの計測に効果 的である。 L I A方式のァライメントセンサは、 基板表面に形成された回折格子 状のァライメントマークに、 僅かに波長が異なるレーザ光を 2方向から照射し、 その結果生ずる 2つの回折光を千涉させ、 この干渉光の位相からァライメン卜マ ークの位置情報を検出するァライメントセンサである。 この L I A方式のァライ メントセンサは、 低段差のァライメントマークや基板表面の荒れが大きい基板に 用いると効果的である。
また、 上記の位置情報検出装置としては、 投影光学系を介して基板上のマーク の位置情報を検出する T T L (スルー *ザ， レンズ） 方式、 投影光学系を介する ことなく直接基板上のマークの位置情報を検出するオフ ·ァクシス方式、 及び投 影光学系を介して基板とレチクルとを同時に観察し、 両者の相対位置関係を検出 する T T R (スルー♦ザ ' レチクル） 方式等がある。 これらの位置情報検出装置 を使用して、 レチクルと基板との位置合わせを行う場合、 予め位置情報検出装置 の計測中心とレチクルのパターンの投影像の中心 （露光中心） との間隔であるべ ースライン量が求められている。 そして、 位置情報検出装置によってマークの計 測中心からのずれ量力 S検出され、 このずれ量をべ一スライン量で補正した距離だ け基板を移動することによって基板上に設定された区画領域 （ショット領域） の 中心が露光中心に正確に位置合わせされた後に、 露光光によりショット領域が露 光される。 露光装置を維持して使用する過程で次第にベースライン量が変動する ことがあが、 このようなベースライン量の変動である所謂ベースライン変動が生 じると、 ァライメン卜精度 （重ね合わせ精度） が低下する。 従って、 例えば定期 的に位置情報検出装置の計測中心と露光中心との間隔を正確に計測するためのベ -エックを行う必要がある。
次に、 露光装置の全体の動作の一例を概説すると以下の通りである。
まず、 基板が露光位置に搬送される前にレチクル位置情報検出装置によってレ チクルに形成されたマークの位置情報を検出し、 この位置情報に基づいてレチク ルの位置の調整を行う。 次に、 基板を露光位置に搬送し、 基板位置情報検出装置 によって基板に形成されたマークの位置情報を検出する。 そして、 基板に形成さ れたマークの位置情報に基づいて露光光の光軸に対して垂直な面内において基板 の位置情報で示されるずれ量をベースライン量で補正した距離だけ基板を移動す ることにより、 基板に形成されたショット領域とレチクルとの相対位置の位置あ わせを行った後に露光光をレチクルに照射してレチクルに形成されたパターンの 像を基板上に露光する。
ところで、 上述した基板に形成されたマークは、 例えば図 1 2に示したもので ある。 図 1 2は位置計測のために基板上に形成されたマークの一例を示す図であ る。 図 1 2において、 マーク 1 0 0は長手方向を有する矩形形状のマーク要素 1 0 1， 1 0 1， …を、 各マーク要素 1 0 1， 1 0 1， …の長手方向をほぼ平行と し、 長手方向に対して直交する方向に所定の間隔、 例えば数/ mの間隔をもって 配列したものである。 よって、 図 1 2に示したマ一ク 1 0 0は、 マーク要素 1 0 1， 1 0 1， …の長手方向に対して直交する方向、 つまり図中符号 1 0 2が付さ れた方向に対して表面位置が周期的に変化する構造である。
ァライメントセンサは、 表面位置の周期的な変化を検出してマーク 1 0 0の位 置情報を計測する。 例えば、 F I A方式のァライメントセンサは、 表面位置の周 期的な変化に応じて信号強度 （像の明暗） が変化する画像情報に対して画像処理 を行ってマーク要素 1 0 1， 1 0 1 , …のエッジ位置を検出し、 検出されたエツ ジ位置に基づいてマーク 1 0 0の位置情報 （例えば、 マーク 1 0 0の中心位置を 示す位置情報） を計測する。 尚、 画像処理を行ってマーク 1 0 0の位置情報を計 測する場合に、 十分な強度の画像情報が得られないと高い精度で位置情報を計測 することができたいため、 A G C (Automatic Gain Control： 自動利得制御） 回 路等により増幅が行われ、 画像情報の強度がある範囲の強度となるように設定さ れる。 以下、 F I A方式のァライメントセンサによる位置情報の計測処理について詳 細に説明する。 図 1 3は F I A方式のァライメントセンサによる位置情報計測処 理を説明するための図である。 F I A方式のァライメントセンサは、 例えば複数 の画素 103， 1 03， …をマークの像の結像面、 即ち撮像面 104に配列して 構成される撮像素子を備える。撮像素子としては、例えば C C D (Charge Coupled Device) が用いられる。 図 13では、 理解を容易にするため、 図 12に示したマ —ク要素 103, 103， …の内、 3つのマーク要素の像 1 10, 1 1 1， 1 1 2が撮像面 104に結像している様子を図示している。 撮像面 104に配列され た画素は入射した光を受光して電気信号に変換するものである。 撮像素子は配列 された画素を順次走査することにより撮像面に入射する像を画像情報に変換する。 つまり、 図 1 3に示されるように、 行 r 1に配列された画素を図中符号 105 が付された走査方向に順次走査し、 行 r 1に配列された素子全てについて走査が 終了すると、 次に、 走査方向 105に直交する方向であって、 図 13中符号 10 6が付された方向の行 r 2内に配列された画素を図中の走査方向 105に順次走 査し、 以下同様に、 順次行 r 3, r 4, …に配列された素子を走査する。 このよ うに走査して得られた画像情報の内、 行 r 1を走査して得られた画像情報は画像 情報 C 1として出力され、 行 r 2を走査して得られた画像情報は画像情報 C 2と して出力される。 以下他の行についても同様に画像情報が出力される。 尚、 図 1 3では理解を容易にするため撮像面に配列された画素の数を減じ,て図示している。 一般的に、 マーク 100の位置情報を計測する場合には、 マーク 100をなす マーク要素 101, 101, …の長手方向と撮像素子の走査方向は直交するよう 設定される。 ところで、 撮像素子によって検出される画像情報の強度がマーク毎 に変化した場合であっても、 前述した AG C回路.を備えることによって画像情報 の強度は安定してある範囲の値に設定される。 しかしながら、 マークの画像情報 がマーク毎に異なる増幅率で増幅される結果、 計測される位置情報には位置ずれ 誤差が生ずる。 次に、 A GC回路による増幅率の相違によって位置ずれ誤差が発 生する理由について説明する。
図 14は、 図 1 3に示したマーク要素の像 1 10， 1 1 1， 1 12を撮像素子 で変換して得られた画像情報を異なる増幅率で増幅した結果の例を示す図である。 図 1 4において、 符号 d l， d 2 , d 3が付された曲線は、 それぞれ異なる増幅 率で増幅して得られた画像情報の一部を示している。 設定された増幅率は、 曲線 d l， d 2 , d 3の順に大きくなつている。 尚、 図 1 4に示した画像情報は、 前 述した時間的に走査処理を行う撮像素子を用いて得られた画像情報を示しており、 横軸に時間、 縦軸に信号強度をそれぞれ設定している。 図 1 4中においては 3本 の横軸が示されているが、 縦軸に平行に設定された直線と各横軸が交わる時点は 同一の時点である。
図 1 4から分かるように、 異なる増幅率で増幅した結果得られる検出信号は時 間的に遅延する。 これは、 A G C回路を含む増幅回路の周波数特性が高周波成分 に対して悪化することに起因する。 つまり、 図 1 4に示した検出信号に対してフ 一リエ変換を施すと、 各周波数成分に分離することができる。 増幅回路は一般的 に高い周波数成分に対するゲインが小であるため、 低い周波数成分は設定した増 幅率で増幅されるが、 高い周波数成分は低い周波数成分に対して設定した増幅率 で増幅されない。 ' このように、 異なる増幅率で増幅された周波数成分を合成すると、 図 1 4の曲 線 d 2， d 3のように、 信号波形が鈍る。 この傾向は、 通常検出信号に対して設 定された増幅率が高くなる程顕著になる。 図 1 4に示したように、 検出信号が時 間軸上に設定されている場合には、 検出信号の時間軸上の位置、 例えば極大部及 び極小部の時間軸上の位置に基づきマークの位置情報が計測される。 よって、 図 1 4に示したように、 増幅率が異なると検出信号が鈍り、 その結果、 検出信号の 時間軸上の位置が変化する。 検出信号の時間軸上の位置変化量は増幅率が異なる と変わる。
図 1 3に示したように、 撮像素子は配列された素子の走査を行って画像情報を 得ているが、 走査は時系列で異なる位置に配列された画素の画像情報を求める処 理であるので、 走査を行って得られる画像情報は時間とともに変化する信号であ る。 また、 図 1 2に示したマーク 1 0 0は、 図 1 2中符号 1 0 2の位置情報を計 測するものであるが、 前述したように、 マーク 1 0 0の位置情報を計測する場合 には、 マーク 1 0 0をなすマーク要素 1 0 1， 1 0 1 , …の長手方向と撮像素子 の走査方向は直交するよう設定される。 つまり、 増幅率が変化して画像情報の信 号波形が鈍ると、 マーク 1 0 0の時間軸上の位置は時間的に遅れた位置となり、 その結果計測される位置情報は、 本来のマーク 1 0 0の位置からずれたものとな る。 また、 増幅率が変化するとこのずれの量も変化する。
マークの位置ずれの量がァライメン卜時に要求される分解能以下であれば問題 はないと考えられる。よって、 A G C回路を改善し、位置ずれか殆ど生じないか、 又はその位置ずれ量がァライメント時に要求される分解能以下となるよう A G C 回路を設計することも考えられる。 しかしながら、 位置計測装置の視野の寸法が 2 0 0 m x 1 6 0 程度であって、 撮像素子の画素数が 6 4 0 X 4 8 0画素 である場合、 1画素は基板上の 0 . 3 m程度の距離に相当する。 一般的にァラ ィメント時に要求される分解能は 1 O n m程度であり、 この距離は上記画素 1つ 分の 3 0分の 1程度の距離である。 1 0 n mの距離を画像情報の時間間隔に換算 すると、 約 3 n sに相当するものであり、 電気信号の遅れとしては極めて短い時 間である。 よって、 周波数特性を改善することによって位置ずれが生じない A G C回路を設計するのは極めて困難である。
近年、 更なる集積回路の高密度化が要求されている。 例えば、 パーソナルコン ピュー夕に用いられている C P U (中央制御装置） では配線幅が 0 . 1 8 z mの ものが実用化されているが、 近い将来には配線幅を 0 . 1 / mとする計画も発表 されている。 従って、 今後、 より高密度で微細な加工技術が求められると考えら れる。 このような高密度化の要求に答えるためには、 位置情報の計測誤差を極力 小さくし、 高い精度で計測された位置情報に基づいて位置合わせを行って位置合 わせの精度を向上することが極めて重要となる。 発明の開示
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、 高い精度で物体上に形成され たマークの位置情報を計測することができる位置計測装置を提供するとともに、 この位置計測装置によって計測された高い精度の位置情報に基づいて位置合わせ を精度良く行つて露光ができ、 その結果として微細な加工を実現することができ る露光装置を提供することを目的とする。 フ
上記課題を解決するために、 本発明の位置計測装置は、 物体 （W) 上に形成さ れたマーク （AM、 AMI) の所定方向 （D l、 D2、 D 3) における位置情報 を計測する位置計測装置 （14、 18) であって、 前記マーク （AM、 AMI) に対して検知ビーム （I L 2) を照射する照射手段 （15、 16、 20、 2 1、 24、 25、 26、 27、 28) と、 前記検知ビーム （I L 2) の照射により前 記マーク （AM、 AMI) から発生したマークの像 （ Iml、 I m2) を、 結像 面 （F l、 F 2、 F 3) 上に結像させる結像光学系 （28、 27、 26、 25、 29、 30、 31、 50) と、 前記結像面 （F 1、 F 2、 F 3) 上の前記マーク の像 （ I m 1、 I m2) を、 走査線を走査しながら撮像して、 前記マークの像（ I ml、 I m2) に相当する画像情報を生成する撮像手段 （32、 51) と、 前記 画像情報に基づいて、 前記マーク （AM、 AMI) の前記所定方向 （D l、 D2、 D3) における位置情報を求める演算手段 （41) とを有し、 前記走査線の走査 方向 （SC 1、 SC 2、 S C 3) は、 前記所定方向 （D l、 D2、 D 3) と直交 していることを特徴としている。
かかる発明によればマークの所定方向と走査線の走査方向とが直交するように 設定されているため、 画像情報を増幅した場合であっても、 従来のように計測方 向の時間遅れが生じず、 時間遅れに起因する位置ずれが発生しない。 よって、 高 い精度でマークの位置情報を計測することができる。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記画像情報を記憶する記憶手段 （40、 6 0) を更に有し、 前記演算手段 （41) は、 前記記憶手段 （40、 60) に記憶 された前記画像情報に基づいて、 前記マーク （AM、 AMI) の位置情報を演算 することが好ましい。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記撮像手段 （32、 51) 力 前記走査線 の方向 （SC 1) が前記所定方向 （D 1) に対して直交するように、 前記マーク の像 （Iml) に対して回転可能であることを特徴としている。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記マーク （AMI) 力 第 1方向 （D3) に周期性を有する第 1マーク （AMY) と、 前記第 1方向 （D3) と直交する第 2 方向（D 2)に周期性を有する第 2マーク （ΑΜΧとを含み、前記撮像手段（32、 51) は、 前記第 1方向 （D3) と直交する方向に延びた走査線から成る第 1撮 像手段 （32) と前記第 2方向 （D2) と直交する方向に延びた走査線から成る 第 2撮像手段 （51) とを含むことを特徴としている。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記演算手段 （41) は、 前記第 1撮像手段
(32) から得られた画像情報に基づいて、 前記第 1マーク （AMY) の前記第 1 方向 （D 3) における位置情報を求め、 前記第 2撮像手段 （51) から得られた 画像情報に基づいて、 前記第 2マーク （ΑΜΧ) の前記第 2方向 （D2) における 位置情報を求めることを特徴としている。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記マークの像 （ Im2) を、 前記第 1マ一 クの像 （ImY) と前記第 2マークの像 （Imx) とに分岐せしめて、 前記第 1マ 一クの像 （ ImY) を前記第 1撮像手段 （32) へ導き、 前記第 2マークの像 （ I mx) を前記第 2撮像手段 （51) へ導く分岐手段 （50) と、 前記第 1撮像手段
(32) から得られた画像情報を記憶する第 1記憶手段 （40) と、 前記第 2撮 像手段 （51) から得られた画像情報を記憶する第 2記憶手段 （60) とを有す ることを特徴としている。
また、 本発明の位置計測装置は、 物体 （W) 上に形成されたマーク （AM、 A Ml) の所定方向 （X軸方向） における位置情報を計測する位置計測装置であつ て、 前記マーク （AM、 AMI) に対して検知ビーム （I L 2) を照射する照射 手段 （1 5、 16、 20、 2 1、 24、 25、 26、 27、 28) と、 前記検知 ビーム （ I L 2) の照射により前記マーク （AM、 AMI) から発生したマーク の像を、 結像面 （104) 上に結像させる結像光学系 （28、 27、 26、 25、 29、 30、 31、 50) と、 前記結像面 （104) 上の前記マークの像を、 走 査線を走査しながら撮像して、 前記マークの像に相当する画像情報を生成する撮 像手段 （32、 51) と、 前記画像情報に基づいて、 前記マーク （AM、 AMI) の前記所定方向 （X軸方向） における位置情報を求める演算手段 （41) とを有 し、 前記撮像手段 （32、 51) は、 前記走査線を、 前記マークの像に対して前 記所定方向 （X軸方向） に走査しながら前記マークの像を撮像して第 1画像情報 を生成すると共に、 該マークの像に対して該所定方向 （X軸方向） とは反対方向
(一 Y軸方向）に走査しながら前記マークの像を撮像して第 2画像情報を生成し、 前記演算手段 （41) は、 前記第 1、 第 2画像情報に基づいて、 前記位置情報を 求めることを特徴としている。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記撮像手段 （3 2、 5 1 ) 力 前記マーク の像に対して回転可能であることを特徴としている。
また、 本発明の位置計測装置は、 前記撮像手段 （3 2、 5 1 ) が複数の走査線 を含み、 第 1の走査線は前記マークの像に対して前記所定方向 （X軸方向） に走 査しながら前記マークの像を撮像し、 前記第 1の走査線とは異なる第 2の走査線 は前記マークの像に対して前記反対方向 （― X軸方向） に走査しながら前記マー クの像を撮像することを特徴としている。
また、 本発明の露光装置は、 上記の位置計測装置に計測された基板 （W) 上の マーク （AM、 AM 1 ) の位置情報に基づいて、 前記基板 （W) を位置合わせす る位置合わせ手段 （9、 1 2 ) を有し、 前記位置合わせされた前記基板 （W) 上 を、 所定パターンで露光することを特徴としている。
かかる本発明の露光装置によれば、 高い精度で検出された位置情報に基づいて 基板の位置合わせが行われ、 よって、 基板上にすでに形成されたパターンに対し て重ねて露光を行う場合には高い精度で重ね合わせを行うことができ、 その結果 として微細な加工を実現することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。
図 2は、 本発明の一実施形態による位置計測装置が備えるァライメン卜センサ 1
4の構成を示す図である。
図 3は、 （a ) は視野分割絞り 1 0 3の一例を示す断面図であり、 （b ) は遮光板 3 3の一例を示す図である。
図 4は、 ァライメントセンサ 1 4のウェハ W上における照明領域を説明するため の図である。
図 5は、 ァライメン卜マーク AMの像に対する撮像素子 3 2の撮像面 F 1の配置 関係を示す図である。
図 6は、ァライメント信号処理系 1 8の内部構成の概略を示すプロック図である。 図 7は、 本発明の他の実施形態による位置計測装置が備えるァライメントセンサ 1 4の構成を示す図である。
図 8は、 本実施形態で使用されるァライメントマーク AM 1の上面図である。 図 9は、 ァライメントマーク AM 1の像に対する撮像素子 3 2の撮像面 F 2及び 撮像素子 5 1の撮像面 F 3の配置関係を示す図である。
図 1 0は、 ァライメン卜センサ 1 4が図 9に示したものである場合のァライメン 卜信号処理系 1 8の内部構成を示すブロック図である。
図 1 1は、 本発明の一実施形態による露光装置を用いてデバイスを生産する際の フローチヤ一卜である。
図 1 2は、 位置計測のために基板上に形成されたマークの一例を示す図である。 図 1 3は、 F I A方式のァライメン卜センサによる位置情報計測処理を説明する ための図である。
図 1 4は、 図 1 3に示したマーク要素の像 1 1 0 , 1 1 1 , 1 1 2を撮像素子で 変換して得られた画像情報を異なる増幅率で増幅した結果の例を示す図である。 図 1 5は、 位置情報演算部 4 1における演算形態の一例を説明するための図であ る。 発明を実施するための形態
以下、 図面を参照して本発明の一実施形態による位置計測装置及び露光装置に ついて詳細に説明する。
図 1は、 本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。 本実 施形態においては、 本発明をオファクシス方式のァライメントセンサを備えたス テツプ'アンド · リピート方式の露光装置に適用している。 尚、 以下の説明にお いては、 図 1中に示された X Y Z直交座標系を設定し、 この X Y Z直交座標系を 参照しつつ各部材の位置関係について説明する。 X Y Z直交座標系は、 X軸及び Z軸が紙面に対して平行となるよう設定され、 Y軸が紙面に対して垂直となる方 向に設定されている。 図中の X Y Z座標系は、 実際には X Y平面が水平面に平行 な面に設定され、 Z軸が鉛直上方向に設定される。
図 1において、 照明光学系 1は後述する主制御系 1 3から露光光出射を指示す る制御信号が出力された場合に、 ほぼ均一の照度を有する露光光 E Lを出射して レチクル Rを照射する。 露光光 E Lの光軸は Z軸方向に対して平行に設定されて いる。 上記露光光 E Lとしては、 例えば g線（4 3 6 n m)、 i線（3 6 5 n m)、 K r Fエキシマレーザ （2 4 8 n m)、 A r Fエキシマレ一ザ （1 9 3 n m)、 F 2 エキシマレーザ （1 9 3 n m) が用いられる。
レチクル Rは、 フォトレジストが塗布されたウェハ （基板） W上に転写するた めの微細なパターンを有し、 レチクルホルダ 3上に保持される。 レチクルホルダ 3はベース 4上の X Y平面内で移動及び微小回転ができるように支持されている。 装置全体の動作を制御する主制御系 1 3力 ベース 4上の駆動装置 5を介してレ チクルステージ 3の動作を制御して、 レチクル Rの位置を設定する。
露光光 E Lが照明光学系 1から出射された場合には、 レチクル Rのパターン像 が投影光学系 P Lを介してウェハ W上の各ショット領域に投影される。 投影光学 系 P Lは複数のレンズ等の光学素子を有し、 その光学素子の硝材としては露光光 E Lの波長に応じて石英、 蛍石等の光学材料から選択される。 ウェハ Wはウェハ ホルダ 7を介して Zステージ 8に載置されている。 Zステージ 8は、 ウェハ Wの Z軸方向の位置を微調整させるステージである。 また、 Zステージ 8は X Yステ —ジ 9上に載置されている。 X Yステージ 9は、 X Y平面内にウェハ Wを移動さ せるステージである。 尚、 図示は省略しているが、 ウェハ Wを X Y平面内で微小 回転させるステージ及び Z軸に対する角度を変化させて X Y平面に対するウェハ Wの傾きを調整するステージを設けるのが好ましい。
ウェハホルダ 7の上面の一端には L字型の移動鏡 1 0が取り付けられ、 移動鏡 1 0の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計 1 1が配置されている。 図 1では図示 を簡略化しているが、 移動鏡 1 0は X軸に垂直な鏡面を有する平面鏡及び Y軸に 垂直な鏡面を有する平面鏡から構成されている。 また、 レーザ干渉計 1 1は、 X 軸に沿って移動鏡 1 1にレーザビームを照射する 2個の X軸用のレーザ干渉計及 び Y軸に沿って移動鏡 1 1にレーザビームを照射する Y軸用のレーザ干渉計より 構成され、 X軸用の 1個のレーザ干渉計及び Y軸用の 1個のレーザ干渉計により、 ウェハステージ 7の X座標及び Y座標が計測される。
また、 X軸用の 2個のレーザ干渉計の計測値の差により、 ウェハホルダ 7の X Y平面内における回転角が計測される。 レーザ干渉計 1 1により計測された X座 標、 Y座標及び回転角の情報はステージ駆動系 1 2に供給される。 これらの情報 は位置情報としてステージ駆動系 1 2から主制御系 1 3へ出力される、 主制御系 1 3は、 供給された位置情報をモニタ一しつつステージ駆動系 1 2を介して、 ゥ ェハホルダ 7の位置決め動作を制御する。 尚、 図 1には示していないが、 レチク ルホルダ 3にもウェハホルダ 7に設けられた移動鏡及びレーザ干渉計と同様のも のが設けられており、 レチクルホルダ 3の Χ Υ Ζ位置等の情報が主制御系 1 3に 入力される。
投影光学系 P Lの側方にはオフ ·ァクシスのァライメン卜センサ 1 4が設けら れている。 このァライメントセンサ 1 4は、 本発明の一実施形態による露光装置 が備える本発明の一実施形態による位置計測装置の一部をなすものであり、 F I
A (Field Image Alignment) 方式に適用した場合の位置計測装置である。 ァラ ィメントセンサ 1 4には、 ハロゲンランプ 1 5から光ファイバ 1 6を介してゥェ ハ Wを照明するための照射光が入射される。 ここで、 照明光の光源としてハロゲ ンランプ 1 5を用いるのは、 ハロゲンランプ 1 5の出射光の波長域は 5 0 0〜8 0 0 n mであり、 ウェハ W上面に塗布されたフォトレジストを感光しない波長域 であるため、 及び波長帯域が広く、 ウェハ W表面における反射率の波長特性の影 響を軽減することができるためである。
ァライメントセンサ 1 4から出射された照明光はプリズムミラー 1 7によって 反射された後、 ウェハ W上面を照射する。 ァライメントセンサ 1 4は、 ウェハ W 上面の反射光をプリズムミラ一 1 7を介して取り入れ、 検出結果を電気信号に変 換して画像情報としてァライメント信号処理系 1 8に出力する。 また、 ァライメ ントセンサ 1 4からァライメント信号処理系 1 8へはァライメントセンサ 1 4の 焦点位置に対するウェハ Wの位置ずれ量 （デフォーカス量） を示すデフォーカス 信号が出力される。 ァライメント信号処理系 1 8は、 ァライメントセンサ 1 4か らの画像情報及びデフォーカス信号に基づいて、 ァライメントマ一ク AMの X Y 平面内における位置及びァライメントセンサ 1 4の焦点位置に対するウェハ Wの 位置ずれ量 （デフォーカス量） を求め、 これらをウェハ位置情報として主制御系 1 3へ出力する。
主制御系 1 3は、 ステージ駆動系 1 2から出力される位置情報及びァライメン ト信号処理系 1 8から出力されるウェハ位置情報に基づき露光装置の全体動作を 制御する。 具体的に説明すると、 主制御装置 1 3は、 ァライメント信号処理系 1 8から出力されるウェハ位置情報に基づいてステージ駆動系 1 2に対して駆動制 御信号を出力する。 ステージ駆動系 1 2はこの駆動制御信号に基づき、 X Yステ —ジ 9や Zステージ 8をステッピング駆動する。 このとき、 主制御系 1 3は、 ま ずウェハ Wに形成された基準マーク （図示省略） の位置が位置検出センサ （図示 省略） によって検出されるようにステージ駆動系 1 2に対して駆動制御信号を出 力する。 ステージ駆動系 1 2が X Yステージ 9を駆動するとァライメントセンサ 1 4から画像情報及びデフォーカス信号がァライメント信号処理系 1 8へ出力さ れる。 この検出結果から、 例えば位置検出センサの検出中心とレチクル Rの投影 像の中心 （投影光学系 P Lの光軸 A X) とのずれ量であるベースライン量が計測 される。 そして、 位置検出センサで計測されたァライメントマーク AMの位置に 上記ベースライン量を加算して得た値に基づいて、 ウェハ Wの X座標及び Y座標 を制御することにより、 各ショッ卜領域をそれぞれ正確に露光位置に合わせ込む ようになつている。 ショット領域を露光位置に合わせ込んだ後、 主制御系 1 3は 照明光学系 1に対して露光光 E Lを出射させる制御信号を出力する。
以上、 本発明の一実施形態による露光装置の構成及び動作の概略について説明 したが、 次に本発明の一実施形態による位置計測装置が備えるァライメン卜セン サ 1 4について詳細に説明する。 図 2は、 本発明の一実施形態による位置計測装 置が備えるァライメントセンサ 1 4の構成を示す図である。 尚、 図 2において図 1に示した部材と同一の部材には同一の符号が付してある。図 2に示したように、 ァライメントセンサ 1 4には光ファイバ 1 6を介して図 1中のハロゲンランプ 1 5から波長域が 5 0 0〜8 0 0 n mの照明光 I L 1が導かれている。
この照明光 I L 1は、 コンデンサ一レンズ 2 0を介して視野分割絞り 2 1に入 射する。 視野分割絞り 2 1は、 ウェハ Wに照射する照明光 I L 1の像の形状を規 定するものである。 図 3 ( a ) は、 視野分割絞り 1 0 3の一例を示す断面図であ る。 図示されたように、 視野分割絞り 2 1には、 その中央に幅広矩形状の開口に よりなるマーク照明用絞り 2 2と、 マーク照明用絞り 2 2を挟むように配置され た一対の幅狭矩形状の開口によりなる焦点検出用スリット 2 3 a . 2 3 bとが形 成されている。
照明光 I L 1は、 視野分割絞り 2 1によってウェハ W上のァライメントマ一ク 領域を照明するマーク照明用の第 1光束と、 ァライメントに先立つ焦点位置検出 用の第 2光束とに分割される。 このように視野分割された照明光 I L 2は、 レン ズ系 2 4を透過し、 ハーフミラー 2 5及びミラー 2 6で反射され、 対物レンズ 2 7を介してプリズムミラ一 2 8で反射され、 図 4に示すようにウェハ W上のスト リートライン S L内に形成されたァライメントマーク AMを含むマーク領域とそ の近傍に照射される。 図 4は、 ァライメントセンサ 1 4のウェハ W上における照 明領域を説明するための図である。
図 4に示したように、 ァライメントマーク A Mはデバイス部分 D Pの間に設け られたストリートライン （スクライブライン） S L上に形成されている。 尚、 本 実施形態においては、 ァライメントマークとして図 4に示したァライメントマ一 ク AMを想定している。 つまりァライメントマ一ク AMは図中 X軸方向に長手方 向を有する矩形形状のマーク要素 a m, a m, …を、 図中 Y軸方向に配列したも のである。 このァライメントマーク AMは、 その表面位置が Y軸方向に周期的に 変化する方向であり、 Y軸方向の位置情報を計測するためのものである。 以下、 ァライメントマーク AMが図 4に示したものであり、 図示のように配置されてい る場合、 図 4中符号 D 1が付された方向、 つまり Y軸に平行な方向を計測方向と 称する。
また、照明光 I L 2は図示したようにァライメントマーク AM上に照明される。 つまり、 視野分割絞り 2 1に形成されたマーク照明用絞り 2 2によって整形され てなる第 1光束は照明光 I L 3としてァライメントマ一ク AMを照明し、 焦点検 出用スリット 2 3 a . 2 3 b各々によって整形されてなる照明光 I L 4， I L 5 はそれぞれデバイス部分 D P上を照明する。
照明光 I L 2を照射したときのウェハ Wの露光面の反射光は、 プリズムミラ一 2 8で反射され、 対物レンズ 2 7を通過してミラー 2 6で反射された後、 ハーフ ミラ一 2 5を透過する。 その後、 レンズ系 2 9を介してビ一ムスプリッタ 3 0に 至り、 反射光は 2方向に分岐される。 ビームスプリツ夕 3 0を透過した第 1の分 岐光は、 指標板 3 1上にァライメントマーク AMの像を結像する。 そして、 この 像及び指標板 3 1上の指標マークからの光が、 二次元 C C Dによりなる撮像素子 3 2に入射し、 撮像素子 3 2の撮像面にァライメントマ一ク AM及び指標マーク の像が結像される。
ここで、 ァライメントマ一ク AMの像に対する撮像素子 3 2の撮像面の配置関 係について説明する。 図 5は、 ァライメントマーク AMの像に対する撮像素子 3 2の撮像面 F 1の配置関係を示す図である。 尚、 撮像素子 3 2の撮像面 F 1に結 像される像の内、 図 5においてはァライメントマ一ク AMの像のみを図示してい る。 図 5において、 I m lは撮像素子 3 2の撮像面に結像されるァライメントマ ーク AMの像を示している。 尚、 撮像素子 3 2は、 その走査方向 S C 1がァライ メントセンサ AMの計測方向 D 1 1に対して直交するよう設定されている。 尚、 図 5に示した計測方向 D l 1は、 図 4に示した計測方向 D 1に対応する方向であ る。 つまり、 計測方向 D 1 1はァライメントマーク AMの像の強度が周期的に変 化する方向である。 このように撮像素子 3 2を配置することで、 撮像素子 3 2の 走査方向とァライメントマ一ク AMをなすマーク要素 a m, a m, …の像の長手 方向はほぼ平行に設定される。
尚、 撮像素子 3 2は、 その撮像面 F 1内において回動可能に構成され、 ァライ メント信号処理系 1 8の制御の下、 図示しないァクチユエ一夕によって回動動作 が行われる。 撮像素子 3 2が回動することにより、 撮像素子 3 2の走査方向 S C 1を変えることができる。 図 4に示したァライメントマーク AMは、 Y軸方向の 位置情報を計測するためのマークであり、 X軸方向の位置を計測するためのァラ ィメントマ一クは、 図 4に示したァライメントマ一ク AMを 9 0度回転したもの となる。 つまり、 X軸方向の位置を計測するためのァライメントマ一クは、 表面 位置が X軸方向に周期的に変化するものとなる。 このァライメントマ一クを計測 する場合、 撮像素子 3 2の撮像面 F 1に結像する像は、 図 5に示した撮像面 F 1 内において像 I m 1を 9 0度回転したものとなる。 この場合、 撮像素子 3 2の走 査方向 S C 1と計測方向とがー致するので、 撮像素子 3 2の走査方向 S C 1と計 測方向とを直交させるため、 撮像素子を 9 0度回転させる。
一方、 ビームスプリツ夕 3 0で反射された第 2の分岐光は、 遮光板 3 3に入射 する。 図 3 ( b ) は遮光板 3 3の一例を示す図である。 図 3 ( b ) に示した遮光 板 3 3は、 符号 3 3 aが付された矩形領域に入射した光は遮光し、 矩形領域 3 3 a以外の領域 3 3 bに入射した光は透過する。 よって、 遮光板 3 3は前述した第 1の光束に対応する分岐光を遮光し、 第 2の光束に対応する分岐光を透過する。 遮光板 3 3を透過した分岐光は、 瞳分割ミラー 3 4によりテレセントリツク性が 崩された状態で、 一次元 C C Dよりなるラインセンサ 3 5に入射し、 ラインセン サ 3 5の受光面に焦点検出用スリット 2 3 a， 2 3 bの像が結像される。
ここで、 ウェハ Wと撮像素子 3 2との間はテレセントリック性が確保されてい るため、 ウェハ Wが照明光及び反射光の光軸と平行な方向に変位すると、 撮像素 子 3 2の撮像面上に結像されたァライメントマーク AMの像は、 撮像素子 3 2の 撮像面上における位置が変化することなくデフォーカスされる。 これに対して、 ラインセンサ 3 5に入射する反射光は、 上述のようにそのテレセントリック性が 崩されているため、 ウェハ Wが照明光及び反射光の光軸と平行な方向に変位する と、 ラインセンサ 3 5の受光面上に結像された焦点検出用スリット 2 3 a， 2 3 bの像は分岐光の光軸に対して交差する方向に位置ずれする。 このような性質を 利用して、 ラインセンサ 3 5上における像の基準位置に対するずれ量を計測すれ ばウェハ Wの照明光及び反射光の光軸方向の位置 （焦点位置） が検出される。 次に前述したァライメント信号処理系 1 8の内部構成の概略について説明する。 図 6は、ァライメン卜信号処理系 1 8の内部構成の概略を示すプロック図である。 図 6に示したように、 ァライメント信号処理系 1 8は画像メモリ 4 0、 位置情報 演算部 4 1、焦点位置検出部 4 2、及び制御部 4 3を有する。画像メモリ 4 0は、 ァライメントセンサ 1 4から出力される画像情報を一時的に記憶する。 尚、 図示 は省略しているが、 画像メモリ 4 0の前段には A G C回路及びアナログ ·ディジ タル変換器 （以下、 AZD変換器と称する） を備える。 ァライメントセンサ 1 4 から出力された画像情報は、 A G C回路によって増幅された後、 アナログ，ディ ジ夕ル変換器によってディジタル化される。 よって、 画像メモリ 4 0にはデイジ 夕ル化された画像情報が記憶される。
位置情報演算部 4 1は、 画像メモリ 4 0に記憶された画像情報に対して演算処 理を施して、 ァライメントマ一ク AMの位置情報を計測する。 また、 焦点位置検 出部 4 2は、 ァライメントセンサ 1 4から出力されるデフォーカス信号に基づい て、 ァライメントセンサ 1 4の焦点位置に対するウェハ Wのデフォーカス量を検 出する。 制御部 4 3は、 位置情報演算部 4 1及び焦点位置検出部 4 2を制御する とともに、 位置情報演算部 4 1によって求められたァライメントマーク AMの位 置情報と焦点位置検出部 4 2によって検出されたデフォーカス量をウェハ位置情 報として主制御部 1 3へ出力する。
次に、 本実施形態の露光装置のァライメントセンサ 1 4を用いた位置検出の動 作について説明する。
処理が開始すると、 主制御系 1 3は、 ステージ駆動系 1 2を介してウェハ W上 の Y軸方向の位置計測用のァライメントマーク AMがァライメントセンサ 1 4の 視野領域内に位置に移動するように X Yステージ 9を駆動させる。 このァライメ ン卜マーク AMの移動が完了すると、 主制御系 1 3はァライメン卜信号処理系 1 8に対して制御信号を出力し、 この制御信号に基づいてァライメント信号処理系 1 8は撮像素子 3 2を回動させる。 つまり、 計測対象のァライメントマーク AM は Y軸方向の位置情報を計測するためのものであるので、 撮像素子 3 2の走査方 向がこのァライメントマ一ク AMの計測方向に直交するように、 ァライメント信 号処理系 1 8は図示しないァクチユエ一夕に対して駆動信号を出力する。
次に、 主制御系 1 3はハロゲンランプ 1 5に対して制御信号を出力して照明光
1 L 1を出射させる。 照明光 I L 1が出射されると光ファイバ 1 6を介してァラ ィメン卜センサ 1 4内に導入され、 コンデンサーレンズ 2 0を通過し、 視野分割 絞り 2 1によって整形されて照明光 I L 2となる。 照明光 I L 2は対物レンズ系
2 4を透過し、 ハーフミラー 2 5及びミラー 2 6で反射された後、 対物レンズ 2 7を通過した後プリズムミラ一 2 8で反射され、 ウェハ W上を落射照明する。 照明光 I L 2による反射光はプリズムミラー 2 7を介してァライメントセンサ 1 4内に戻り、 対物レンズ 2 7を透過した後、 ミラー 2 6で反射され、 ハーフミ ラー 2 5を透過した後、 レンズ系 2 9を介してビームスプリツ夕 3 0へ至る。 ビ —ムスプリッ夕 3 0へ至った反射光の内、 ビームスプリッタ 3 0を透過した反射 光は指標板 3 1を照明し、 図 5に示した状態で指標板 3 1及びァライメントマ一 ク AMの像が結像される。 一方、 ビームスプリツ夕 3 0で反射された反射光は遮 光板 3 3を透過した後、 瞳分割ミラ一 3 4によってテレセントリック性が崩され た状態でラインセンサ 3 5に入射し、 ラインセンサ 3 5の受光面に焦点検出用ス リット 2 3 a , 2 3 bの像を結像する。
図 5を参照すると、 撮像素子 3 2は、 撮像面 F 1に結像された像 I m 1を走査 方向 S C 1に走査しながら画像情報に変換し、 変換後の画像情報を順次ァライメ ント信号処理系 1 8へ出力する。 画像情報がァライメント信号処理系 1 8へ出力 されると、 前述したように図示しない A G C回路によって増幅され、 AZD変換 器でディジ夕ル化され、 画像メモリ 4 0に記憶される。 ここで、 画像情報の位置 ずれ、 特に A G C回路によって増幅される際の時間遅れが問題となるが、 前述し たように撮像方向 S C 1と像 I m 1の計測方向とは直交するように設定されてい るので、 図 5に示した走査方向 S C 1への時間遅れ、 つまりァライメントマーク AMの像 I m lの長手方向への時間遅れは依然として生ずる。 しかし、 走査方向 S C 1に対して計測方向 D 1 1は直交するよう配置されているので、 計測方向 D 1の時間遅れは生じない。
よって、 画像メモリ 4 0に記憶される画像情報に基づいて、 位置情報演算部 4 1がァライメン卜マーク Αλ[の位置情報を演算する際に、 計測方向 D l 1の時間 遅れに起因する位置ずれが生じないため、 高い精度でァライメン卜マーク AMの 位置情報を計測することができる。 尚、 ラインセンサ 3 5からはデフォーカス信 号が出力され、 この信号に基づいて焦点位置検出部 4 2はァライメントセンサ 1 4の焦点位置に対するウェハ Wのデフォーカス量を算出する。 ァライメント信号 処理部 1 8によって得られたァライメントマーク AMの位置情報及び焦点位置検 出部 4 2で検出されたデフォーカス量は、 ウェハ位置情報として主制御系 1 3へ 出力される。
以上の処理を繰り返し、 Y軸方向の位置情報を計測するためのァライメントマ —ク AMに対する計測処理を行う。 X軸方向の位置情報を計測するためのァライ メントマークに対して計測処理を行う場合には、 まず主制御系 1 3がァライメン ト信号処理系 1 8に対して制御信号を出力し、 この制御信号に基づいてァライメ ン卜信号処理系 1 8は撮像素子 3 2を回動させる。 撮像素子 3 2を回動させるこ とにより、 Y軸方向の位置情報を計測するためのァライメントマ一ク A Mの計測 処理を行ったときに設定された撮像面を 9 0度回転させる。 このように設定する ことで、 X軸方向の位置情報を計測するためのァライメントマークの像が撮像面 に結像した際に、 そのァライメン卜マークの計測方向と撮像素子 32の走査方向 とが直交する。 撮像素子 32を回転させた後の動作は Y軸方向の位置情報を計測 するためのァライメントマ一ク AMを計測しているときの動作と同様である。 こ のようにして計測されたァライメントマークの位置情報は時間遅れが生じていな いものであるので高い精度でァライメントマークの位置情報を計測することがで さる。
ここで位置情報演算部 41における演算形態の一例を、 図 1 5を用いて説明す る。
図 15 (a) は、 X方向に周期的に配列されたラインパターン （マーク要素） 1 10， 1 1 1， 1 12を含むマークの、 X軸方向の位置を、 撮像素子 32を用 いて計測する場合の、 マークと撮像素子との配置関係を示す図である。 撮像素子 の走査方向は図 15 (a) 中の一 Y軸方向であり、 マークの計測方向は X軸方向 であり、 両者 （走査方向と計測方向） は直交している。
画像メモリ 40は、 撮像素子 32の画素全てについて、 各行 r n (nは自然数） 毎に走査して得られた画像情報 Cnをメモリしている。 画像情報としては、 図 1 5 (b) に示したような信号波形が、 撮像素子 32の各行毎に記憶されている。 尚、 図 15 (a) では図示の都合上、 行の数を減じて図示しており、 図 15 (b) では、 得られる信号波形の内、 代表的なもののみを図示している。
位置情報演算部 41は、画像メモリ 40に記憶されている画像情報（信号波形） に基づいて次のような処理を行う。 まず図 15 (a), (b) に示したような所定 範囲 a内に存在する複数の画素の信号波形 （信号強度） の平均値を、 各行毎に算 出する。次に、信号強度を縦軸とし、撮像素子の各行 r nの X位置を横軸として、 算出された平均値 （各行毎の信号強度の平均値） をプロットする。 図 15 (c) はこのようにプロットした例を示す。 そして位置情報演算部 41は、 このプロッ トした波形データ （図 15 (c) の波形） に基づいて、 例えば公知のエッジ検出 法などを用いてマークの X軸方向の位置を算出する。
ここで、 画像情報 Cnの時間的な遅延による位置ズレ （電気信号の遅れ） は、 図 15 (a), (b) の Y軸方向に発生し、 X軸方向には発生しない。 このため上 記手法を用いることにより、 電気信号の遅れ （時間遅れ） による位置ズレの発生 を防止することができる。
露光処理を行う際には、 まず主制御系 1 3は、 ァライメント信号処理系 1 8か ら出力されるウェハ位置情報に含まれる位置情報に対して、 前述したベースライ ン量を加算して補正を行う。 そして、 主制御系 1 3はステージ駆動系 1 2を介し てベースライン補正されたウェハ Wの X座標及び Y座標に基づいて、 各ショット 領域の中心と投影光学系 P Lの光軸 A Xとがー致するように X Yステージ 9を駆 動させる。 これにより、 ウェハ Wの各ショット領域の正確な露光位置への合わせ 込み、 即ちウェハ Wの正確な位置合わせが行われる。
以上説明した本発明の一実施形態によればァライメントマークの計測方向と撮 像素子 3 2の走査方向とが直交するように設定しているため、 例えば A G C回路 にて画像情報を増幅した場合であっても、 従来のように計測方向の時間遅れが生 じず、 時間遅れに起因する位置ずれが発生しない。 よって、 高い精度でァライメ ントマークの位置情報を計測することができる。 また、 高い精度で検出された位 置情報に基づいてウェハ Wのショッ卜領域と露光位置との位置合わせを行ってい る。 よって、 ウェハ W上にすでに形成されたパターンに対して重ねて露光を行う 場合には高い精度で重ね合わせを行うことができ、 その結果として微細な加工を 実現することができる。
次に、 本発明の他の実施形態による位置計測装置について説明する。
図 7は、 本発明の他の実施形態による位置計測装置が備えるァライメントセン サ 1 4の構成を示す図である。 尚、 図 7においては、 図 2に示したァライメント センサ 1 4の部材と共通する部材には同一の符号を付し、 その説明を省略する。 図 7に示した本発明の他の実施形態による位置計測装置が備えるァライメントセ ンサ 1 4が図 2に示したァライメントセンサ 1 4と異なる点は、 指標板 3 1を透 過したァライメントマーク AM 1の像及び指標板 3 1の像とを 2方向に分割する ビームスプリッ夕 5 0と、 ビームスプリッタ 5 0によって分割された像を受光す る撮像素子 5 1を設けた点である。
ここで、 ァライメントマ一ク AM 1について説明する。 図 8は、 本実施形態で 使用されるァライメントマーク AM 1の上面図である。 図 8に示したように、 本 実施形態において使用されるァライメントマーク Αλ4 1は一度の計測で X軸方向 の位置情報と Υ軸方向の位置情報を計測するためのものである。 このァライメン トマークは、 X軸方向の位置情報を計測するマーク要素 ΑΜΧ, ΑΜΧと Υ軸方向 の位置情報を計測するマーク要素 ΑΜΥとを備える。マーク要素 ΑΜΧ， ΑΜΧの計 測方向は図 8中の符号 D 2が付された方向であり、マーク要素 ΑΜΥの計測方向は 図 8中の符号 D 3が付された方向である。
次に、 撮像素子 3 2及び撮像素子 5 1の走査方向とァライメントマーク AM 1 の像との位置関係について説明する。 図 9は、 ァライメントマーク AM 1の像に 対する撮像素子 3 2の撮像面 F 2及び撮像素子 5 1の撮像面 F 3の配置関係を示 す図である。 撮像素子 3 2の撮像面 F 2及び撮像素子 5 1の撮像面 F 3に結像さ れるァライメントマーク AM 1の像 I m 2は、 撮像面 F 2及び撮像面 F 3のほぼ 中央に配置される。 また、 図 5においては、 マーク要素 AMX， AMXの像に対し て符号 I mxを付しており、マ一ク要素 AMYの像に対して符号 I mYを付している。 マーク要素 AMX, AMXの像の計測方向は符号 D 1 2を付した方向であり、 マー ク要素 AMYの像の計測方向は符号 D 1 3を付した方向である。 また、 図 9中にお いて、 符号 S C 2が付された方向は撮像素子 3 2の走査方向であり、 符号 S C 3 が付された方向は撮像素子 5 1の走査方向である。
また、 図 1 0は、 ァライメントセンサ 1 4が図 9に示したものである場合のァ ライメント信号処理系 1 8の内部構成を示すブロック図である。 図 1 0に示した ァライメント信号処理系 1 8が図 6に示したァライメント信号処理系 1 8と異な る点は、 画像メモリ 6 0を更に設けた点である。 これは、 ァライメントセンサ 1 4内に撮像素子 5 1を設けたことによるものである。 つまり、 撮像素子 3 2から 出力される画像情報は画像メモリ 4 0に記憶され、 撮像素子 5 1から出力される 画像情報は画像メモリ 6 0に記憶される。 また、 位置情報演算部 4 1は、 画像メ モリ 4 0及び画像メモリ 6 0に記憶された画像情報に基づいて前述した手法と同 様の手法を用いてァライメントマーク AM 1の X軸方向の位置情報及び Y軸方向 の位置情報を演算により求める。 尚、 図示は省略しているが、 画像メモリ 6 0の 前段に A G C回路及び A Z D変換回路が設けられている。
次に、 本発明の他の実施形態による位置計測装置の動作について説明する。 処理が開始すると、 主制御系 1 3がステージ駆動系 1 2を介して X Yステージ 9を制御し、 計測を行うァライメントマーク AM 1をァライメントセンサ 1 4の 視野領域内に移動させる。 次に、 主制御系 1 3はハロゲンランプ 1 5に対して制 御信号を出力して照明光 I L 1を出射させ、 照明光 I L 2によりァライメントマ ーク AM 1を落射照明し、 撮像素子 3 2の撮像面 F 2及び撮像素子 5 1の撮像面 F 3上に像 I m 2を結像させる。
撮像素子 3 2は撮像面 F 2に結像した像 I m 2を、 走査方向 S C 2に走査しつ つ電気信号に変換し、 画像情報として出力する。 また、 撮像素子 5 1は撮像面 F 3に結像した像 I m 2を、 走査方向 S C 3に走査しつつ電気信号に変換し、 画像 情報として出力する。 撮像素子 3 2及び撮像素子 5 1から出力された画像信号は 図示しない A G C回路によって増幅され、 AZD変換器でディジタル化され、 画 像メモリ 4 0及び画像メモリ 6 0にそれぞれ記憶される。
ここで、 画像情報の位置ずれ、 特に A G C回路によって増幅される際の時間遅 れが問題となるが、 撮像素子 3 2の撮像面 F 2おいては、 前述したように走査方 向 S C 2とマーク要素 AMYの像 I mYの計測方向 D 1 3とは直交するように設定 されているので、 図 9に示した走査方向 S C 2への時間遅れ、 つまりァライメン トマーク AMのマーク要素 AMYの像 I mYの長手方向への時間遅れは依然として 生ずる。 しかし、 走査方向 S C 2に対して計測方向 D 1 3は直交するよう配置さ れているので、 計測方向 D 1 3の時間遅れは生じない。 よって、 ァライメントマ —ク AM 1の像 I m 2が図 9に示した状態で撮像素子 3 2の撮像面 F 2に結像し ている場合には、 画像メモリ 4 0に記憶された画像情報の内、 マーク要素 AMY の像 I mYの部分の画像情報のみを用いて計測を行えば、計測方向 D 1 3、つまり ァライメントマ一ク AM 1の Y軸方向の位置情報を演算する際に計測方向 D 1 3 の時間遅れに起因する位置ずれが生じないため、 高い精度でァライメン卜マーク AMの Y軸方向の位置情報を計測することができる。
また、 撮像素子 5 1の撮像面 F 3おいては、 前述したように走査方向 S C 3と マーク要素 AMX, AMXの像 I mx, I mxの計測方向 D 1 2とは直交するように 設定されているので、 図 9に示した走査方向 S C 3への時間遅れ、 つまりァライ メントマーク AMのマーク要素 AMX， AMYの像 I mx, I mxの長手方向への時 間遅れは依然として生ずる。 しかし、 走査方向 S C 3に対して計測方向 D 1 2は 直交するよう配置されているので、 計測方向 D 1 2の時間遅れは生じない。 よつ て、 ァライメントマ一ク AM 1の像 I m 2が図 9に示した状態で撮像素子 5 1の 撮像面 F 3に結像している場合には、画像メモリ 6 0に記憶された画像情報の内、 マーク要素 AMX， AMXの像 I mx， I mxの部分の画像情報のみを用いて計測を 行えば、 計測方向 D 1 2、 つまりァライメントマーク AM Iの X軸方向の位置情 報を演算する際に計測方向 D 1 2の時間遅れに起因する位置ずれが生じないため、 高い精度でァライメントマーク AMの X軸方向の位置情報を計測することができ る。
以上のように、 本実施形態においては、 ァライメントマーク AM 1の一度の計 測のみでァライメントマーク AM 1の X軸方向及び Y軸方向の位置情報を計測す ることができる、前述の実施形態のように撮像素子を回転させる必要が無くなる。 よって、 スループット、 即ち単位時間に処理することができるウェハの枚数の向 上を図る上で好ましい。 位置情報演算部 4 1で演算された X軸方向の位置情報及 び Y軸方向の位置情報並びに焦点位置検出部 4 2で検出されたデフォーカス量は、 ウェハ位置情報として主制御系 1 3へ出力される。
露光処理を行う際には、 まず主制御系 1 3は、 ァライメント信号処理系 1 8か ら出力されるウェハ位置情報に含まれる X軸方向の位置情報及び Y軸方向の位置 情報に対して、 前述したベースライン量を加算して補正を行う。 そして、 主制御 系 1 3はステージ駆動系 1 2を介してベースライン補正されたウェハ Wの X座標 及び Y座標に基づいて、 各ショット領域の中心と投影光学系 P Lの光軸 A Xとが 一致するように X Yステージ 9を駆動させる。 これにより、 ウェハ Wの各ショッ ト領域の正確な露光位置への合わせ込み、 即ちウェハ Wの正確な位置合わせが行 われる。
以上説明した他の実施形態による位置計測装置によれば、 位置情報を計測する ためのァライメントマ一ク AM 1として、 計測方向 D 2， D 3が互いに直交する 方向に設定されたマーク要素 AMX， AMX，AMYを有するものを用い、 ァライメ ントマ一ク AM 1の像 I m 2を、走査方向 S C 2 , S C 3が互いに直交する関係に 配置された撮像素子 3 2， 5 1で撮像する。 そして、 撮像素子 3 2， 5 1によつ て変換された画像情報の内、 計測方向が走査方向と直交する部分の画像信号のみ を用いて位置情報を計測している。 よって、 例えば A G C回路にて画像情報を増 幅した場合であっても、 従来のように計測方向の時間遅れが生じず、 時間遅れに 起因する位置ずれが発生しない。 よって、 高い精度でァライメントマークの位置 情報を計測することができる。 また、 高い精度で検出された位置情報に基づいて ウェハ Wのショット領域と露光位置との位置合わせを行っている。 よって、 ゥェ ハ W上にすでに形成されたパターンに対して重ねて露光を行う場合には高い精度 で重ね合わせを行うことができ、 その結果として微細な加工を実現することがで きる。
以上説明した実施形態では、 撮像素子の走査方向とマークの計測方向とを直交 させることにより、 電気信号の遅れ （時間遅れ） に起因する位置ズレの発生を防 止するようにしている。 しかしながらこれ以外にも、 電気信号の時間遅れに起因 する位置ズレの発生を防止する他の計測方法がある。 以下に、 この他の計測方法 について述べる。
まず、 図 1 3のように撮像素子の走査方向とマークの計測方向とを同一方向に 設定した状態 （撮像素子が、 マークに対して 0度の状態） でマークを撮像して画 像情報 （通常画像情報、 第 1画像情報） を求め、 その画像情報に基づきマーク位 置情報 （第 1マーク位置情報） を求める。 次に、 撮像素子を 1 8 0度回転させて マークを撮像し、 その画像情報 （反転画像情報、 第 2画像情報） を求め、 その画 像情報に基づきマーク位置情報 （第 2マーク位置情報） を求める。 そして、 これ ら第 1、 第 2マーク位置情報の平均値を求める。 このように、 撮像素子の走査方 向がマークの計測方向に対して 0度の状態で得たマーク位置情報と、 1 8 0度反 転させて得たマーク位置情報との平均を取ることにより、 電気信号の時間遅れに 起因するマーク信号の位置ズレを相殺することができ、 該時間遅れによる位置ズ レを含まないマーク位置を測定することが可能となる。
また、 別の手法として、 イン夕一レス読み出し可能な撮像素子を用いる手法が 考えられる。 図 1 3のように撮像素子の走査方向とマークの計測方向とを同一方 向に設定した状態 （撮像素子が、 マークに対して 0度の状態） に撮像素子を配置 する。 そして、 例えば、 奇数ラインの画素を走査する時には通常の走査方向 （図 1 3で言えば走査方向 1 0 5 ) に走査し、 偶数ラインの画素を走査する時には通 常の走査方向を反転させた走査方向（図 1 3で言えば走査方向 1 0 5の反対方向） で走査することができるように撮像素子及び走査アルゴリズムを構成しておく。 これにより上述した計測方法と同様に、 撮像素子の走査方向がマークの計測方向 に対して 0度の状態で得たマーク位置情報と、 1 8 0度反転させて得たマーク位 置情報との平均を取れば、 電気信号の時間遅れに起因するマーク信号の位置ズレ を相殺することができ、 該時間遅れによる位置ズレを含まないマーク位置を測定 することが可能となる。
なお上述した実施形態では、 撮像素子 3 2を回転するものとして説明したが、 本発明はこれに限られず、 例えば撮像素子は固定としておき、 マークから撮像素 子に至るまでの光路中に配置された回転可能な光学部材を回転 （9 0度や 1 8 0 度に回転） することにより、 撮像素子面に結像されるマーク像を回転させるよう に構成しても良い。
尚、 前述した本発明の一実施形態による露光装置 （図 1 ) は、 ウェハ Wを精度 よく高速に位置制御することができ、 スループットを向上しつつ高い露光精度で 露光が可能となるように、 照明光学系 1、 レチクルホルダ 3、 ベース 4、 及び駆 動装置 5を含むレチクルァライメント系、 ウェハホルダ 7、 Zステージ 8、 X Y ステージ 9、 移動鏡 1 0、 及びレーザ干渉計 1 1を含むウェハァライメント系、 投影光学系 P L等の図 1に示された各要素が電気的、 機械的、 又は光学的に連結 して組み上げられた後、 総合調整 （電気調整、 動作確認等） をすることにより製 造される。 尚、 露光装置の製造は、 温度及びクリーン度等が管理されたクリーン ルームで行うことが望ましい。
次に、 本発明の一実施形態の露光装置及び露光方法を使用したデバイスの製造 について説明する。
図 1 1は、 本発明の一実施形態による露光装置を用いてデバイス （ I Cや L S I等の半導体チップ、 液晶パネル、 C C D、 薄膜磁気ヘッド、 マイクロマシン等） の生産のフローチャートである。 図 1 1に示されるように、 まず、 ステップ S 1 0 (設計ステップ） において、 デバイスの機能設計 （例えば、 半導体デバイスの 回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、 ステップ S 1 1 (マスク製作ステップ） において、 設計した回路パターンを形成 したマスクを製作する。一方、 ステップ S 1 2 (ウェハ製造ステップ） において、 シリコン等の材料を用いてウェハを製造する。
次に、 ステップ S 1 3 (ウェハプロセスステップ） において、 ステップ S 1 0 〜ステップ S 1 2で用意したマスクとウェハを使用して、 リソグラフィ技術によ つてウェハ上に実際の回路等を形成する。 次いで、 ステップ S 1 4 (組立ステツ プ）において、ステップ S 1 3において処理されたウェハを用いてチップ化する。 このステップ S 1 4には、 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）等の工程が含まれる。最後に、 ステップ S 1 5 (検 査ステップ）において、ステップ S 1 5で作製されたデバイスの動作確認テスト、 耐久性テスト等の検査を行う。 こうした工程を経た後にデバイスが完成し、 これ が出荷される。
尚、 本実施形態の露光装置として、 マスクと基板とを同期移動してマスクのパ 夕一ンを露光する走査型の露光装置 （USP5, 473,410) にも適用することができ る。 更に、 本実施形態の露光装置として、 投影光学系を用いることなくマスクと 基板とを密接させてマスクのパターンを露光するプロキシミティ露光装置にも適 用することができる。 また、 露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に 限定されることなく、 例えば、 角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを 露光する液晶用の露光装置や、 薄膜磁気へッドを製造するための露光装置にも広 く適当できる。 本実施形態の露光装置の光源は、 g線 （4 3 6 n m)、 i線 （3 6 5 n m)、 K r Fエキシマレ一ザ （2 4 8 n m)、 A r Fエキシマレ一ザ （1 9 3 n m)、 F 2レーザ （1 5 7 n m) のみならず、 X線や電子線などの荷電粒子線を 用いることができる。 例えば、 電子線を用いる場合には電子銃として、 熱電子放 射型のランタンへキサボライト （L a B 6)、 タンタル （T a ) を用いることがで さる。
投影光学系の倍率は縮小系のみならず等倍および拡大系のいずれでも良い。 投 影光学系としては、 エキシマレ一ザなどの遠紫外線を用いる場合は硝材として石 英ゃ蛍石などの遠紫外線を透過する材料を用い、 F 2レーザや X線を用いる場合は 反射屈折系または屈折系の光学系にし（レチクルも反射型タイプのものを用いる）、 また、 電子線を用いる場合には光学系として電子レンズおよび偏向器からなる電 子光学系を用いればいい。 なお、 電子線が通過する光路は真空状態にすることは いうまでもない。
ウェハステージゃレチクルステージにリニアモー夕 （USP5、 623,853 又は USP5、 528、 118参照） を用いる場合は、 エアベアリングを用いたエア浮上型お よびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁気浮上型のどちらを用いても いい。 また、 ステージは、 ガイドに沿って移動するタイプでもいいし、 ガイドを 設けないガイドレスタイプでもいい。 ステージの駆動装置としては、 2次元に磁 石を配置した磁石ュニッ卜と、 2次元にコイルを配置した電機子ュニッ卜とを対 向させ電磁力によりステージを駆動する平面モー夕を用いてもいい。 この場合、 磁石ュニッ卜と電機子ュニッ卜とのいずれか一方をステージに接続し、 磁石ュニ ットと電機子ュニッ卜との他方をステージの移動面側に設ければよい。
ウェハステージの移動により発生する反力は、 特開平 8 — 1 6 6 4 7 5号公報 (USP5、 528、 118) に記載されているように、 フレーム部材を用いて機械的に 床 （大地） に逃がしてもいい。 レチクルステージの移動により発生する反力は、 特開平 8 _ 3 3 0 2 2 4号公報（US SZN 08/416,558)に記載されているように、 フレーム部材を用いて機械的に床 （大地） に逃がしてもよい。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 物体上に形成されたマークの所定方向における位置情報を計測する位置計測 装置であって、
前記マークに対して検知ビームを照射する照射手段と、
前記検知ビームの照射により前記マークから発生したマークの像を、 結像面上 に結像させる結像光学系と、
前記結像面上の前記マークの像を、 走査線を走査しながら撮像して、 前記マー クの像に相当する画像情報を生成する撮像手段と、
前記画像情報に基づいて、 前記マークの前記所定方向における位置情報を求め る演算手段とを有し、
前記走査線の走査方向は、 前記所定方向と直交していることを特徴とする位置 計測装置。
2 . 前記画像情報を記憶する記憶手段を更に有し、
前記演算手段は、 前記記憶手段に記憶された前記画像情報に基づいて、 前記 マークの位置情報を演算することを特徴とする請求の範囲第 1項記載の位置計測
3 .前記撮像手段は、前記走査線の方向が前記所定方向に対して直交するように、 前記マークの像に対して回転可能であることを特徴とする請求の範囲第 1項又は 第 2項記載の位置計測装置。
4 . 前記マークは、 第 1方向に周期性を有する第 1マークと、 前記第 1方向と直 交する第 2方向に周期性を有する第 2マークとを含み、
前記撮像手段は、 前記第 1方向と直交する方向に延びた走査線から成る第 1撮 像手段と前記第 2方向と直交する方向に延びた走査線から成る第 2撮像手段とを 含むことを特徴とする請求の範囲第 1項から第 3項の何れか一項に記載の位置計 測装置。
5 . 前記演算手段は、 前記第 1撮像手段から得られた画像情報に基づいて、 前記 第 1マークの前記第 1方向における位置情報を求め、 前記第 2撮像手段から得ら れた画像情報に基づいて、 前記第 2マークの前記第 2方向における位置情報を求 めることを特徴とする請求の範囲第 4項記載の位置計測装置。
6 . 前記マークの像を、 前記第 1マークの像と前記第 2マークの像とに分岐せし めて、 前記第 1マークの像を前記第 1撮像手段へ導き、 前記第 2マークの像を前 記第 2撮像手段へ導く分岐手段と、
前記第 1撮像手段から得られた画像情報を記憶する第 1記憶手段と、 前記第 2撮像手段から得られた画像情報を記憶する第 2記憶手段と
を有することを特徴とする請求の範囲第 4項又は第 5項記載の位置計測装置。
7 . 物体上に形成されたマークの所定方向における位置情報を計測する位置計測 装置であって、
前記マークに対して検知ビームを照射する照射手段と、
前記検知ビームの照射により前記マークから発生したマークの像を、 結像面上 に結像させる結像光学系と、
前記結像面上の前記マークの像を、 走査線を走査しながら撮像して、 前記マー クの像に相当する画像情報を生成する撮像手段と、
前記画像情報に基づいて、 前記マークの前記所定方向における位置情報を求め る演算手段とを有し、
前記撮像手段は、 前記走査線を、 前記マークの像に対して前記所定方向に走査 しながら前記マークの像を撮像して第 1画像情報を生成すると共に、 該マークの 像に対して該走査方向とは反対方向に走査しながら前記マークの像を撮像して第 2画像情報を生成し、
前記演算手段は、 前記第 1、 第 2画像情報に基づいて、 前記位置情報を求める ことを特徴とする位置計測装置。
8 . 前記撮像手段は、 前記マークの像に対して回転可能であることを特徴とする 請求の範囲第 7項記載の位置計測装置。
9 . 前記撮像手段は複数の走査線を含み、 第 1の走査線は前記マークの像に対し て前記所定方向に走査しながら前記マークの像を撮像し、 前記第 1の走査線とは 異なる第 2の走査線は前記マークの像に対して前記反対方向に走査しながら前記 マークの像を撮像することを特徴とする請求の範囲第 7項記載の位置計測装置。
1 0 . 請求の範囲第 1項から第 9項の何れか一項に記載の位置計測装置に計測さ れた基板上のマークの位置情報に基づいて、 前記基板を位置合わせする位置合わ せ手段を有し、
前記位置合わせされた前記基板上を、 所定パターンで露光することを特徴とす る露光装置。
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