JPH10106937A

JPH10106937A - 位置検出方法及びその装置並びに投影露光装置

Info

Publication number: JPH10106937A
Application number: JP8275410A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】２次元撮像素子の取り付け位置と位置検出マ
ークとの間に回転誤差が生じても、高精度に位置検出マ
ークの位置が検出できるようにする。【解決手段】ＣＣＤの撮像面７０に撮像されたウエハ
マークＷＭと指標マーク５２ａ，５２ｂの２次元の撮像
信号を、ＣＣＤのラスタースキャン方向（矢印ＨＳ）と
直交する方向（矢印ＶＳ）にｎ分割（ｎ＝５）して、各
分割領域毎に矢印ＶＳ方向に積算し、その積算信号に基
づいて各分割領域毎のウエハマークＷＭと指標マーク５
２ａ，５２ｂの位置を計測し、それらの各マーク位置計
測値を統計処理することにより、最終的なマーク位置を
高精度に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置検出方法及び
その装置並びに投影露光装置に係り、更に詳しくは、半
導体ウエハ等の基板や基板を保持するステージ等の表面
に形成された位置検出マークを検出する位置検出方法及
びその装置並びにこの位置検出装置を備えた投影露光装
置に関する。本発明に係る位置検出方法及びその装置
は、特に、半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表
示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の製造工程内のフォトリ
ソグラフィ工程でマスクパターンを感光性の基板上に露
光する際に、その基板上等に形成された位置検出マーク
を検出するアライメントセンサに使用して好適なもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子等を製造するため
のフォトリソグラフィ工程（マスクパターンのレジスト
像を基板上に形成する工程）では、マスクとしてのレチ
クルのパターンを投影光学系を介してフォトレジストが
塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に露光す
る投影露光装置（ステッパー等）、あるいはレチクルの
パターンを直接ウエハ上に転写するプロキシミティ方式
による露光装置等が使用されている。

【０００３】例えば、半導体素子を製造するには、ウエ
ハ上に多数層の回路パターンを所定の位置関係で積み重
ねて形成する必要があり、上述した投影露光装置等を用
いて２層目以降の回路パターンをウエハ上に露光する際
に、露光に先立ってレチクルとウエハの各ショット領域
内の回路パターンの位置合わせ（アライメント）を高精
度に行う必要がある。このアライメントを行うために、
ウエハ上にはそれまでの工程中で位置検出マークとして
のアライメントマ−ク（ウエハマ−ク）が形成されてお
り、投影露光装置に装着されているアライメントセンサ
によってそのアライメントマ−クの位置を検出すること
により、ウエハ上の各ショット領域内の回路パターンの
正確な位置を検出できるようになっている。

【０００４】従来のアライメントセンサとしては、ア
ライメントマークの近傍にレーザビームを照射かつ走査
（スキャン）して、その散乱・回折光の強度変化に基づ
いてマーク位置を検出するレーザビームスキャン式セン
サと、アライメントマークの近傍に単色光又はブロー
ドバンド光（広帯域光）を照射して検出光学系を介して
その像を撮像し、その撮像信号に基づいてマーク位置を
検出する結像式センサの２種類が主流である。

【０００５】但し、上述したのレーザビームスキャン
式センサにおいては、使用される検出光束が単色のレー
ザビームであることに伴って、ウエハ表面とその上に塗
布されたフォトレジスト表面との間で多重干渉が生じ、
マークの検出位置に大きな誤差が生じる恐れがあるた
め、今後は、検出光束としてブロードバンド光を使用す
る結像式センサが主流になるものと予想される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のの
結像式センサにおいては、撮像素子として一般にＣＣＤ
（ Charge Coupled Device：固体撮像素子）や撮像管が
使用されている。これらの撮像素子では、水平走査を繰
り返しながら順次垂直走査を行うラスタースキャン方式
によって２次元像を撮像しているため、その撮像信号に
基づく位置検出はラスタースキャン方向（水平走査方
向）について行う方が好適であり、一般に検出方向はそ
のように設定されている。このため、アライメントマー
クの位置検出は、マーク位置の検出方向（以下、「計測
方向」と称する）をラスタースキャン方向と一致させて
撮像信号を取り込み、かつその計測方向と直交する方向
（以下、「非計測方向」と称する）については撮像信号
を積算し、すなわち、２次元信号を１次元信号に積算
し、その１次元信号に基づいてマークの位置検出を行っ
ていた。

【０００７】上述したように、２次元の撮像信号を１次
元信号に積算処理する場合は、信号のＳ／Ｎ比が向上し
たり、信号の処理時間の短縮化が図れるというメリット
がある反面、計測方向とラスタースキャン方向とがずれ
た場合には、アライメントマーク位置の検出誤差が生じ
るというデメリットがある。

【０００８】すなわち、計測方向とラスタースキャン方
向とがずれた場合（例えば、アライメントマークに対し
て撮像素子の取り付け位置が角度θだけずれた場合）
は、撮像素子のラスタースキャンによって取り込まれた
撮像信号をこれと直交する方向に積算して１次元信号と
すると、少しずつ位相がずれたほぼ同じ波形から成る撮
像信号（例えば、正弦波のような信号）が加算された状
態となるため、積算信号のコントラストが低下すること
からマーク位置の検出誤差が生じ易くなる。

【０００９】そこで、計測方向に対してラスタースキャ
ン方向を厳密に合わせ込むようにすれば良いが、撮像素
子の回転方向をアライメントマークの方向に全く誤差の
ないようにして装置に取り付けることは実際には困難で
あって、製造上ある程度の回転誤差が生じることは止む
を得ないことであった。

【００１０】上記のことに加え、ウエハ表面のレジスト
に塗布ムラ等があると、その影響でウエハ上に形成され
たウエハマークの反射率が場所によって変化するため、
従来のように撮像信号を全面で積算する全面積算信号を
用いてマーク位置を検出すると、反射率の高い部分に引
きずられて、検出誤差が生じるという不都合があった。

【００１１】本発明は、かかる従来技術の有する不都合
に鑑みてなされたもので、請求項１に記載の発明の目的
は、２次元撮像素子の取り付け方向と位置検出マークの
計測方向とが回転方向にずれていたり、位置検出マーク
の反射率に部分的なムラがあっても、その影響を受ける
ことなく位置検出マークの位置を高精度に検出すること
ができる位置検出方法を提供することにある。

【００１２】請求項２及び３に記載の発明の目的は、状
況に応じた統計処理を行うことにより位置検出マークの
位置を一層高精度に検出することが可能な位置検出方法
を提供することにある。

【００１３】請求項４に記載の発明の目的は、２次元撮
像素子と位置検出マークとの回転方向のずれや、位置検
出マークの反射率のムラの影響を受けることなく位置検
出マークの位置を高精度に検出することができる位置検
出装置を提供することにある。

【００１４】請求項５に記載の発明の目的は、指標マー
クと位置検出マークとの相対位置に基づいて位置検出マ
ークの位置を高精度に検出することができる位置検出装
置を提供することにある。

【００１５】請求項６に記載の発明の目的は、２次元撮
像素子と位置検出マークとの回転方向のずれや、位置検
出マークの反射率のムラの影響を受けることなく位置検
出マークの位置を高精度に検出することにより、結果的
にマスクパターン像と基板との重ねあわせ精度を向上さ
せることが可能な投影露光装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２ｂ）の所定の
計測方向の位置を検出する位置検出方法であって、前記
位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２ｂ）に照明光（Ｄ
Ｌ）を照射して前記位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５
２ｂ）の２次元像を形成せしめる第１工程と；前記２次
元像を２次元撮像素子（１４）を用いて撮像する第２工
程と；前記２次元像の撮像信号（ＤＳＡ）を、前記計測
方向とほぼ直交する非計測方向に複数分割し、かつ各分
割領域（Ａ〜Ｅ）毎にそれぞれ前記非計測方向に積算
し、得られた前記各分割領域（Ａ〜Ｅ）の積算信号に基
づいて各分割領域についての前記位置検出マーク（Ｗ
Ｍ，５２ａ，５２ｂ）の位置をそれぞれ検出する第３工
程と；前記第３工程で得られた各分割領域（Ａ〜Ｅ）に
ついての前記位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２ｂ）
の位置検出値を統計処理して、最終的なマーク検出位置
を算出する第４工程とを含む。

【００１７】これによれば、位置検出マークに照明光を
照射して位置検出マークの２次元像を形成し、その２次
元像を２次元撮像素子を用いて撮像して、その撮像信号
を計測方向とほぼ直交する非計測方向の複数領域に分割
し、各分割領域の撮像信号を非計測方向にそれぞれ積算
した積算信号に基づいて各分割領域毎のマークの位置を
検出して、その検出した複数の位置検出値を統計処理す
ることによって、最終的な位置検出マークの位置が算出
される。

【００１８】２次元撮像素子の取り付け位置がずれて位
置検出マークとの相対的な位置関係が回転方向にずれた
場合は、従来のように計測方向の撮像信号を非計測方向
の全面で積算する全面積算信号を用いると、低コントラ
スト化するためマーク位置の検出が不正確になるおそれ
があるが、本発明では、撮像信号を非計測方向に複数分
割して、各分割領域毎に撮像信号を積算することによ
り、積算信号の低コントラスト化を回避することができ
る。また、位置検出マークの反射率が場所によって変化
する場合は、従来のように計測方向の撮像信号を非計測
方向に全て積算する全面積算信号を用いると、反射率の
高い方に引きずられてマークの検出位置がずれる可能性
があるが、本発明では撮像信号を非計測方向に複数分割
して、各分割領域毎にマーク位置を検出して、その複数
のマークの位置検出値を統計処理することにより、マー
クの反射率の高低の影響が分散されて、位置検出マーク
の検出誤差が少なくなり、高精度にマーク位置を検出す
ることが可能になる。

【００１９】この場合において、撮像信号を非計測方向
に複数分割し、各分割領域毎の撮像信号を非計測方向に
積算して得られた複数の撮像信号に基づく位置検出マー
クの位置検出値の統計処理は、種々の処理方法が考えら
れるが、例えば請求項２に記載の発明の如く、第４工程
の統計処理として、複数の分割領域（Ａ〜Ｅ）における
位置検出値を単純平均化処理するものであっても良い。
この場合には、複数の位置検出値が等価として扱われ、
これらを単純に平均化することにより、位置検出マーク
と２次元撮像素子とが相対的に回転方向に位置ずれして
も、良好なコントラストで位置検出マークの位置を高精
度に検出することができる。

【００２０】あるいは、上記の第４工程の統計処理とし
て、請求項３に記載の発明の如く、各分割領域（Ａ〜
Ｅ）の前記非計測方向の位置に応じて対応する位置検出
値に重みを付けて複数の位置検出値を平均する加重平均
化処理を行っても良い。通常、位置検出マークは、両端
近傍においてマークの変形に伴う計測誤差が生じ易いこ
とから、例えば中心部に比べて両端近傍の重み付けを小
さくすることによって、位置検出マークの変形等による
検出誤差の発生を防止することができる。もちろん、重
み付けの例はこれに限定されず、マーク等の状況に応じ
て種々の重み付けを行った後、平均化するものであって
も良い。

【００２１】請求項４に記載の発明は、試料（Ｗ）上と
該試料（Ｗ）を保持するステージ（１８）の少なくとも
一方に形成された位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２
ｂ）の所定の計測方向の位置を検出する位置検出装置で
あって、前記位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２ｂ）
に照明光（ＤＬ）を照射して前記位置検出マークの２次
元像を形成せしめる結像光学系（１２）と；前記２次元
像を撮像する２次元撮像素子（１４）と；前記２次元像
の撮像信号（ＤＳＡ）を、前記計測方向とほぼ直交する
非計測方向に複数分割し、かつ各分割領域（Ａ〜Ｅ）毎
にそれぞれ前記非計測方向に積算する信号処理手段（１
６）と；前記信号処理手段（１６）により得られた前記
各分割領域（Ａ〜Ｅ）の積算信号に基づいて各分割領域
についての前記位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２
ｂ）の位置をそれぞれ検出する検出手段（１６）と；前
記検出手段（１６）で検出された各分割領域（Ａ〜Ｅ）
についての前記位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２
ｂ）の位置検出値を統計処理して、最終的なマーク検出
位置を演算する演算手段（１６）とを有する。

【００２２】これによれば、結像光学系により位置検出
マークに照明光が照射され位置検出マークの２次元像が
形成されると、その２次元像が２次元撮像素子により撮
像され、信号処理手段でその撮像信号が非計測方向に複
数分割されて、各分割領域毎の撮像信号が非計測方向に
積算される。検出手段により各分割領域毎の積算信号に
基づいて位置検出マークの位置がそれぞれ検出され、演
算手段によりそれらの位置検出マークの位置検出値が統
計処理され、最終的なマーク検出位置が演算される。

【００２３】このため、２次元撮像素子の取り付け位置
がずれるなどして、２次元撮像素子と位置検出マークと
の相対的位置関係が回転方向にずれた場合には、撮像信
号を複数に分割してそれぞれの領域における位置検出マ
ークの位置が検出され、演算手段により各分割領域のマ
ークの位置検出値が統計処理されることから、積算信号
が低コントラスト化するのが回避される。また、位置検
出マークの反射率が部分的に変化する場合であっても、
撮像信号を非計測方向に複数分割し、各分割領域単位の
積算信号を用いてマーク位置を検出するため、一領域内
におけるマーク反射率の変化の度合を小さくすることが
でき、各分割領域毎に正確なマーク位置が検出されて、
それらの位置検出値が統計処理されるので、マーク位置
の検出誤差が小さくなって高精度なマーク位置検出が可
能になる。

【００２４】請求項５に記載の発明は、試料（Ｗ）上に
形成された位置検出マーク（ＷＭ，５２ａ，５２ｂ）の
所定の計測方向の位置を検出する位置検出装置であっ
て、前記試料（Ｗ）上に照明光（ＤＬ）を照射して前記
位置検出マークの２次元像を形成する第１結像光学系
（３０，３２，３４，３６，３８，４０，４２，４４，
４６，４８）と；前記位置検出マーク（ＷＭ）の２次元
像の形成面または該形成面と共役な面に配置され、指標
マーク（５２ａ，５２ｂ）が形成された指標板（５２）
と；前記指標板（５２）に照明光を照射して前記指標マ
ークの２次元像を形成する第２結像光学系（５０，５
６，５８，６０，６２）と；前記位置検出マーク（Ｗ
Ｍ）の２次元像と前記指標マーク（５２ａ，５２ｂ）の
２次元像とを撮像する２次元撮像素子（１４）と；前記
２次元撮像素子（１４）からの撮像信号（ＤＳＡ）を、
前記計測方向とほぼ直交する非計測方向に複数分割し、
かつ、該複数分割した領域毎に前記非計測方向に積算し
た積算信号を出力する信号処理手段（１６）と；前記積
算信号に基づいて、前記指標マーク（５２ａ，５２ｂ）
に対する前記分割した領域毎の前記位置検出マーク（Ｗ
Ｍ）の位置を検出する検出手段（１６）と；前記検出手
段（１６）が検出した前記分割した領域毎の前記位置検
出マーク（ＷＭ）の位置を統計処理して、前記位置検出
マーク（ＷＭ）の位置を演算する演算手段（１６）とを
有する。

【００２５】これによれば、第１結像光学系では、位置
検出マークに照明光を照射して位置検出マークの２次元
像を形成する。これとともに、第２結像光学系では、指
標マークが形成された指標板に照明光を照射して指標マ
ークの２次元像を形成する。そして、２次元撮像素子で
は、これらの２次元像を同時に撮像する。このように、
位置検出マークと指標マークとは、それぞれ固有の光学
系を用いてマークの２次元像が個別に形成されるため、
マーク同士が重畳しないように２次元撮像素子の撮像面
に結像させることが可能となり、それぞれのマーク位置
を確実に検出することができる。また、２次元撮像素子
により撮像した撮像信号は、信号処理手段により非計測
方向に複数分割されて、各分割領域毎の撮像信号が非計
測方向に積算され、検出手段によって各分割領域の積算
信号に基づく各分割領域における位置検出マーク及び指
標マークのそれぞれの位置が検出され、演算手段によっ
て各分割領域の位置検出マークの位置検出値が統計処理
され、最終的なマーク位置が求められる。

【００２６】このため、２次元撮像素子の取り付け位置
がずれたり、位置検出マークの反射率が場所によって異
なる場合はもちろん、位置検出マークとオフ・アクシス
方式に用いられるベースライン計測の基準となる指標マ
ークとが回転方向にずれた場合でも、検出誤差が少なく
なり、位置検出マークの位置を高精度に検出することが
可能になる。

【００２７】請求項６に記載の発明は、マスク（Ｒ）に
形成されたパターンの像（ＣＣｒ）を感光材が塗布され
た基板（Ｗ）上に転写する投影露光装置であって、請求
項４又は５に記載の位置検出装置（１０）を前記基板上
に形成された位置検出マークの検出用として具備する。

【００２８】これによれば、請求項４又は５に記載の位
置検出装置が前記基板上に形成された位置検出マークの
検出用として投影露光装置に具備されているため、当該
位置検出装置と位置検出マークとが回転方向に相対的に
位置ずれしたり、位置検出マークの反射率が部分的に変
化しても、その影響を受けることなく高精度にマーク位
置を検出することができ、結果的にマスクパターン像と
基板との重ねあわせ精度を向上させることが可能にな
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
ないし図４に基づいて説明する。

【００３０】図１には、本発明に係る位置検出装置を、
オフ・アクシス方式のアライメントセンサとして備えた
一実施形態に係る投影露光装置１００が示されている。
この投影露光装置１００は、ステップ・アンド・リピー
ト方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッパー）であ
る。

【００３１】この投影露光装置１００は、マスクとして
のレチクルＲを露光用照明光で照明する照明系ＩＯＰ
と、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴと、
レチクルＲに形成されたパターンの像を試料としてのウ
エハＷ上に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷを不図
示のウエハホルダを介して保持するステージとしての試
料台１８と、試料台１８が搭載されＸＹ２次元平面内を
Ｘ軸方向（図１における紙面左右方向）及びこれに直交
するＹ軸方向（図１における紙面直交方向）に移動可能
なＸＹステージ２０と、ウエハＷに形成された位置検出
マークとしてのアライメントマーク（ウエハマーク）を
検出するオフ・アクシス方式のアライメントセンサＯＦ
Ａと、このアライメントセンサＯＦＡからの撮像信号を
処理する信号処理系１６と、試料台１８上に載置された
移動鏡２４と、該移動鏡２４にレーザビームを照射し、
その反射光を受光して試料台１８のＸＹ面内の位置を計
測するレーザ干渉計２６と、ＸＹステージ２０を駆動す
る駆動系２２と、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ
（ Read Only Memory )、ＲＡＭ（ Random Access Memor
y ）等を含んで構成されたミニコンピュータ（又はマイ
クロコンピュータ）から成り、装置全体を統括制御する
主制御装置２８とを備えている。

【００３２】照明系ＩＯＰは、光源（水銀ランプ又はエ
キシマレーザ等）とフライアイレンズ、リレーレンズ、
コンデンサレンズ等から成る照明光学系とから構成され
ている。この照明系ＩＯＰは、光源からの露光用の照明
光ＩＬによってレチクルＲの下面（パターン形成面）の
パターンＣＣｒを均一な照度分布で照明する。ここで、
露光用照明光ＩＬとしては、水銀ランプのｉ線等の輝
線、又はＫｒＦ、ＡｒＦ等のエキシマレーザ光等が用い
られる。

【００３３】レチクルＲは、レチクルステージＲＳＴ上
に不図示の固定手段により固定されており、このレチク
ルステージＲＳＴは、不図示の駆動系によってＸ軸方
向、Ｙ軸方向、及びθ方向（２次元平面内の回転方向）
に微小駆動可能とされている。これにより、このレチク
ルステージＲＳＴは、レチクルＲのパターンＣＣｒの中
心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一
致する状態でレチクルＲを位置決め（レチクルアライメ
ント）できるようになっている。図１では、このレチク
ルアライメントが行われた状態が示されている。

【００３４】投影光学系ＰＬは、その光軸ＡＸがレチク
ルステージＲＳＴの移動面に直交するＺ軸方向とされ、
ここでは両側テレセントリックで、所定の縮小倍率β
（βは例えば１／５）を有するものが使用されている。
このため、レチクルのパターンＣＣｒとウエハＷ上のシ
ョット領域との位置合わせ（アライメント）が行われた
状態で、照明光ＩＬによりレチクルＲが均一な照度で照
明されると、パターン形成面のパターンＣＣｒが投影光
学系ＰＬにより縮小倍率βで縮小されて、フォトレジス
トが塗布されたウエハＷ上に投影され、ウエハＷ上の各
ショット領域にパターンの縮小像が形成される。

【００３５】前記ＸＹステージ２０は、実際には不図示
のベース上をＹ軸方向に移動するＹステージと、このＹ
ステージ上をＸ軸方向に移動するＸステージとで構成さ
れている。前記試料台１８は、Ｘステージ上に搭載さ
れ、ウエハＷを保持するウエハホルダをＺ軸方向に微小
駆動させるもので、Ｚステージとも称される。

【００３６】そして、ウエハＷは、この試料台１８上に
不図示のウエハホルダを介して固定されている。また、
試料台１８の一端部上面には、移動鏡２４が設けられて
おり、この移動鏡２４にレーザビームを投射して、その
反射光を受光することにより、試料台１８のＸＹ面内の
位置を計測する前記レーザ干渉計２６がこの移動鏡２４
の反射面に対向して設けられている。なお、移動鏡２４
は、実際にはＸ軸に直交する反射面を有するＸ移動鏡
と、Ｙ軸に直交する反射面を有するＹ移動鏡とが設けら
れ、これに対応してレーザ干渉計もＸ方向位置計測用の
Ｘレーザ干渉計とＹ方向位置計測用のＹレーザ干渉計と
が設けられているが、図１ではこれらが代表して移動鏡
２４、レーザ干渉計２６として図示されている。従っ
て、以下の説明ではレーザ干渉計２６によって、試料台
１８のＸＹ座標が計測されるものとする。

【００３７】レーザ干渉計２６の計測値は主制御装置２
８に供給され、主制御装置２８ではこのレーザ干渉計２
６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹス
テージを駆動することにより、試料台１８が位置決めさ
れる。この他、不図示のフォーカスセンサの出力も主制
御装置２８に供給されており、この主制御装置２８で
は、このフォーカスセンサの出力に基づいて駆動系２２
を介して試料台１８をＺ軸方向（フォーカス方向）に駆
動する。すなわち、このようにして試料台１８を介して
ウエハＷがＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に位置決めされる。

【００３８】試料台１８上には、その表面がウエハＷの
表面と同じ高さになるような基準板ＦＰが固定されてい
る。この基準板ＦＰの表面には、ベースライン計測（投
影光学系ＰＬの光軸ＡＸとアライメントセンサＯＦＡの
検出中心Ｒｆ4 との間隔の計測）等に用いられる基準マ
ークを含む各種の基準マークが形成されている。

【００３９】アライメントセンサＯＦＡとしては、画像
処理方式の結像式アライメントセンサが用いられてい
る。このアライメントセンサＯＦＡは、図２に示される
ように、ウエハＷの表面に形成された位置検出マークと
してのウエハマークＷＭやアライメントセンサＯＦＡの
検出中心Ｒｆ4 を決める基準となる指標板５２に形成さ
れた指標マーク５２ａ，５２ｂに対してそれぞれ照明光
を照射し、ウエハマークＷＭと指標マーク５２ａ，５２
ｂの２次元像を形成する結像光学系（第１結像光学系と
第２結像光学系とを含む）としての検出光学系１２と、
それらの２次元像を撮像する２次元撮像素子としてのＣ
ＣＤ１４等を含んで構成されている。

【００４０】上述した検出光学系１２は、光源３０、コ
ンデンサーレンズ３２、波長選択素子３４、照明視野絞
り３６、リレーレンズ３８、照明開口絞り４０、ビーム
スプリッタ４２、対物レンズ４４、結像開口絞り４６、
結像レンズ４８、ビームスプリッタ５０、指標板５２、
リレーレンズ５４、光源５６、コンデンサーレンズ５
８、指標照明視野絞り６０、レンズ６２等を含んで構成
されている。ここで、この検出光学系１２の構成各部に
ついてその作用とともに説明する。

【００４１】光源３０は、ブロードバンドな照明光（広
帯域光）を発するハロゲンランプ等により構成される。
これは、画像処理方式のアライメントセンサの場合、単
色光を光源として用いると、ウエハＷの表面に塗布され
たフォトレジストの薄膜干渉等の影響によりマーク画像
の検出が確実に行えない場合もあり得るので、非干渉性
の光を発する光源を用いることとしたのである。従っ
て、レジストの薄膜干渉等の影響が殆どないような場合
には、光源としてレーザ光を発するレーザ光源を用いて
も良い。

【００４２】光源３０を発したブロードバンドな照明光
（広帯域光）は、コンデンサーレンズ３２及び波長選択
素子（シャープカットフィルタ又は干渉フィルタ等）３
４を経て照明視野絞り３６に入射される。

【００４３】波長選択素子３４は、ウエハＷ上に塗布さ
れたフォトレジスト（例えば、３６５ｎｍ又は２４８ｎ
ｍのものの光に対して感光性を有するもの）に対して非
感光な波長域（例えば波長５５０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の
光束のみを透過させるものである。但し、本実施形態に
係るアライメントセンサＯＦＡをフォトレジストで覆わ
れていない基板の位置検出用として用いる場合は、感光
を防ぐ必要がないため、露光波長に近い短波長の光束を
使用することもできる。例えば、ウエハ上に形成された
回路パターンと、その上にマスクパターン像を転写して
露光、現像処理した後のレジストパターンとの重ね合わ
せ誤差を検出する装置として適用する場合などがある。

【００４４】照明視野絞り３６の透過部を透過した照明
光ＤＬは、リレーレンズ３８を経て照明開口絞り４０に
入射され、ビームスプリッタ４２で鉛直下方に向けて反
射された後、ビームスプリッタ４２のウエハＷ側に配置
された対物レンズ４４を介してウエハＷ上に形成された
ウエハマークＷＭを含む照明領域を照射する。

【００４５】上記の照明視野絞り３６は、ウエハＷの表
面（ウエハマークＷＭ）と実質的に共役（結像関係）と
なっているため、照明視野絞り３６の透過部の形状、大
きさに応じてウエハＷ上での照明領域を制限することが
できる。

【００４６】ウエハＷ上のウエハマークＷＭを含む照明
領域で反射された光束は、対物レンズ４４とビームスプ
リッタ４２を透過して結像開口絞り４６に至る。そし
て、この結像開口絞り４６を透過した光束は、結像レン
ズ４８により集光され、ビームスプリッタ５０を透過し
て指標板５２上にウエハマークＷＭの像が形成される。
ここまでが、第１結像光学系の説明である。

【００４７】指標板５２の所定位置には、指標マーク５
２ａ，５２ｂが形成されている。この指標マーク５２
ａ，５２ｂは、以下に述べる第２結像光学系としての指
標板照明系１３によって照明されるようになっている。
指標板照明系１３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光
源５６、コンデンサーレンズ５８、指標照明視野絞り６
０、レンズ６２等により構成されている。この指標板照
明系１３からの照明光は、ビームスプリッタ５０で反射
されて指標マーク５２ａ，５２ｂを含む部分領域のみが
照明されるように、指標照明視野絞り６０の透過部の形
状が設定されている。

【００４８】また、逆に上述した第１結像光学系におけ
る照明視野絞り３６の透過部の形状は、これらの指標マ
ーク５２ａ，５２ｂを含む部分領域を照明しないように
（遮光するように）設定されている。このため、ウエハ
マークＷＭと指標マーク５２ａ，５２ｂの２次元像は、
それぞれ別個に形成することができることから、２つの
マークの２次元像が重畳して形成されることが無くなっ
て、それぞれのマーク位置を確実かつ高精度に検出する
ことが可能になる。

【００４９】指標板５２上に形成されたウエハマークＷ
Ｍと指標マーク５２ａ，５２ｂの２次元像は、それぞれ
リレーレンズ５４によってＣＣＤ１４に集光され、ＣＣ
Ｄ１４の撮像面にそれぞれ結像される。

【００５０】以上説明したように、光源３０〜リレーレ
ンズ５４により検出光学系１２が形成されており、この
検出光学系１２とＣＣＤ１４とによってアライメントセ
ンサＯＦＡが形成されている。そして、上記ＣＣＤ１４
からの撮像信号ＤＳＡは、次段のアライメント信号処理
系１６に供給される。上述したアライメントセンサＯＦ
Ａ、アライメント信号処理系１６及び主制御装置２８と
によって、本発明に係る位置検出装置１０が構成されて
いる。

【００５１】次に、図３及び図４を用いて本発明の特徴
的な構成部分であるアライメント信号処理系１６及び主
制御装置２８についてその作用とともに説明する。

【００５２】図３には、図２中のＣＣＤ１４の撮像面７
０上に形成された指標マーク５２ａ，５２ｂとウエハマ
ークＷＭの２次元像が示されている。このときのＣＣＤ
１４のラスタースキャン方向は、図３中の撮像面７０に
おいて正確に紙面の左右方向（図３中の矢印ＨＳ方向）
であるものとする。

【００５３】これに対して、ウエハマークＷＭと指標マ
ーク５２ａ，５２ｂの位置の計測方向は、上記したラス
タースキャン方向からウエハマークＷＭはθ1 だけ、指
標マーク５２ａ，５２ｂはθ2 だけ回転している。すな
わち、ＣＣＤ１４は、ウエハマークＷＭに対して回転誤
差θ1 、指標マーク５２ａ，５２ｂに対して回転誤差θ
2 でアライメントセンサＯＦＡに取り付けられているも
のとする（図３及び図４では、θ1 ＝θ2 の場合を示し
たが、ウエハマークＷＭと指標マーク５２ａ，５２ｂの
回転方向や回転誤差が異なっている場合はθ1 ≠θ2 と
なる）。

【００５４】このような状況において、図２に示される
本実施形態のアライメント信号処理系１６では、ＣＣＤ
１４から供給される撮像信号ＤＳＡを図３中の矢印ＨＳ
で示されるラスタースキャン方向（位置検出マークとの
関係で回転誤差がある場合は、ほぼ計測方向となる）と
直交する図３中の矢印ＶＳ方向（ほぼ非計測方向とな
る）にｎ分割し（ｎは２以上の整数である）、各分割領
域における撮像信号を矢印ＶＳ方向に積算するようにす
る。具体的には、図３に示されるように、ＣＣＤ１４の
撮像面７０における撮像信号を矢印ＶＳ方向の破線位置
でそれぞれ区切って、Ａ〜Ｅまでの５つの領域に分割
し、各領域内の撮像信号を矢印ＶＳ方向に積算するよう
に信号処理される。

【００５５】図４の（Ａ）〜（Ｅ）には、図３に示され
るＡ〜Ｅの各分割領域毎の撮像信号を矢印ＶＳ方向に積
算した積算信号が示され、各図の横軸はＣＣＤ１４のラ
スタースキャン方向（矢印ＨＳ方向）の位置（時間）で
あり、縦軸は積算信号の強度が示されている。

【００５６】次に、本実施形態における主制御装置２８
では、各分割領域毎の撮像信号を矢印ＶＳ方向に積算し
た図４の積算信号に基づき、例えば、同図（Ａ）に示さ
れるように、所定のスライスレベルＳＬに対する積算信
号の各交点の座標位置を求める。ここでは、指標マーク
５２ａ，５２ｂとウエハマークＷＭの各分割領域（Ａ〜
Ｅ）毎の積算信号に対するスライスレベルＳＬとの交点
の座標位置を求め、その座標位置から指標マーク５２
ａ，５２ｂとウエハマークＷＭのそれぞれの中心位置を
求めて、各分割領域における指標マークとウエハマーク
の位置とする。ここでは、図４に示されるように、マー
ク位置での反射率がそれ以外の部分に比べて低くなるよ
うなマークを使っているため、スライスレベルＳＬより
も低い強度の積算信号部分を用いて指標マーク５２ａ，
５２ｂとウエハマークＷＭの位置が検出される。このよ
うに、本実施形態では、所定のスライスレベルＳＬを使
って、各分割領域毎の積算信号から指標マークとウエハ
マークＷＭのそれぞれの位置を検出するスライス法が用
いられている。勿論、上記したスライス法以外にも、パ
ターンマッチング法やピーク検出法等を用いてマーク位
置を検出するようにしてもよい。

【００５７】図３に示されるように、ウエハマークＷＭ
の計測方向とＣＣＤ１４のラスタースキャン方向（矢印
ＨＳ方向）との間にθ1 の回転誤差が生じている場合
は、図４に示されるように、各分割領域（Ａ〜Ｅ）内の
ウエハマークＷＭの積算信号の波形がほぼ同じ形状をし
ていて、回転誤差θ1 に応じて積算信号の波形の位相が
ラスタースキャン方向に僅かずつずれたものとなる。す
なわち、図４では、任意の中心線ＣＬと中央のウエハマ
ーク７２（図３の７本あるウエハマークＷＭの端から４
番目の中央のマーク）の中心位置とを比較した場合に、
それぞれΔａ〜ΔｅのようにウエハマークＷＭの積算信
号の位相が少しずつずれていることがわかる。

【００５８】また、指標マークも上述したウエハマーク
ＷＭの場合と同様であって、指標マーク５２ａ，５２ｂ
から得られる指標中心は、指標マークの計測方向とラス
タースキャン方向（矢印ＨＳ方向）との間にθ2 の回転
誤差が生じている場合は、図４に示されるように、回転
誤差θ2 に応じて指標マーク５２ａ，５２ｂの積算信号
の位相がラスタースキャン方向に少しずつずれている。

【００５９】そこで、上述したように、ＣＣＤ１４のラ
スタースキャン方向とウエハマークＷＭあるいは指標マ
ークの計測方向との間に回転誤差θ1 ，θ2 が生じてい
る場合は、従来のようにＣＣＤ１４の撮像面７０上の撮
像信号を矢印ＶＳ方向（ほぼ非計測方向）に全面積算す
ると、得られる積算信号は図４の（Ａ）〜（Ｅ）までの
信号を全て積算した信号と同じになるため、位相の少し
ずつずれた正弦波のような信号が加算された状態とな
り、積算信号のコントラストの低下が避けられない。

【００６０】その上、ウエハＷ表面のレジストに塗布ム
ラ等があった場合は、その影響で例えば図３中の分割領
域Ａ，Ｂ部に相当する部分のウエハマークＷの反射率が
低下し、逆に領域Ｄ，Ｅ部に相当する部分の反射率が高
くなると、従来のような全面積算信号に基づく位置検出
では、反射率の高い分割領域Ｄ，Ｅ部に引きずられて、
図４中のウエハマークＷＭの検出中心が左方向にずれて
しまい、検出誤差が生じ易くなる。

【００６１】この点、本発明では、上述したように撮像
信号をほぼ非計測方向に５つの領域（Ａ〜Ｅ）に分割し
て、各分割領域毎にそれぞれのマーク位置（ウエハマー
クと指標マーク）を検出した後、主制御装置２８により
分割領域毎のマークの位置検出値を統計処理することに
よって、最終的なマーク位置を正確に検出できるように
している。このようにしてマーク位置検出を行うため、
例えば、ウエハマークＷＭの反射率が部分的に変化して
も検出誤差の影響を小さくすることが可能となり、常に
高い精度でウエハマークＷＭの位置を検出することが可
能となる。

【００６２】上述した主制御装置２８による統計処理と
しては、各分割領域毎のマークの位置検出値の和を分割
数で割って平均化することにより、最終的なウエハマー
クＷＭの位置を演算する単純平均化処理の他、前記分割
領域の両端近傍のウエハマークＷＭが変形し易いという
蓋然性に鑑みて、両端近傍の位置検出値よりもその他の
分割領域（例えば、中心部付近の分割領域）の方の位置
検出値の重み付けを大きくして平均化する加重平均化処
理などがある。この加重平均化処理の場合は、ウエハマ
ークの部分的な変形による影響を極力排除することがで
きる。

【００６３】これまでの説明から明らかなように、本実
施形態では、アライメント信号処理系１６によって信号
処理手段が構成され、主制御装置２８によって検出手段
と演算手段とが構成されている。

【００６４】次に、本発明の位置検出装置をオフ・アク
シス方式の結像式センサとして搭載した上述の投影露光
装置１００の露光動作について説明する。

【００６５】始めに、主制御装置２８では、基準板ＦＰ
の表面に形成されたベースライン計測用の基準マークが
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの下に位置するように駆動系
２２を介してＸＹステージ２０を移動させる。このとき
のレーザ干渉計２６の出力（試料台１８の座標位置）
は、主制御装置２８内に設けられた不図示のメモリ内に
記憶される。

【００６６】次に、主制御装置２８は、基準板ＦＰに形
成された基準マークがアライメントセンサＯＦＡの下に
位置するように駆動系２２を介してＸＹステージ２０を
移動させる。そして、このときのアライメントセンサＯ
ＦＡの出力（２次元像）とレーザ干渉計１４の出力とが
主制御装置２８内のメモリに記憶されて、ベースライン
計測（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとアライメントセンサ
ＯＦＡの検出中心との間隔の計測）が行われる。

【００６７】上述したアライメントセンサＯＦＡで検出
される基準マークは、図３に示されるウエハマークＷＭ
と同様の格子マークであって、その基準マークの位置検
出もウエハマークＷＭの場合と同様に、指標マークと基
準マークとの２次元像の撮像信号を図３の矢印ＶＳ方向
（ほぼ非計測方向）に５分割して（Ａ〜Ｅ）、各分割領
域毎に撮像信号を積算して、各分割領域における指標マ
ークと基準マークとの位置検出がそれぞれ行われる。５
分割された各領域毎のマーク位置検出値は、そのときの
レーザ干渉計２６の出力値と各分割領域における指標・
基準マーク間の距離とのそれぞれの和であって、各分割
領域毎のベースライン量として主制御装置２８内のメモ
リ内に記憶される。

【００６８】次に、ウエハＷ上のウエハマークＷＭを検
出する場合は、上記と同様にアライメントセンサＯＦＡ
により撮像された撮像信号を図３の矢印ＶＳ方向に５分
割（Ａ〜Ｅ）し、各分割領域内で矢印ＶＳ方向に積算し
て、それぞれの領域内におけるウエハマークＷＭの位置
検出がアライメント信号処理系１６で行われる。そし
て、ウエハマークＷＭの各位置検出値は、そのときのレ
ーザ干渉２６の出力値と指標・ウエハマーク間の距離と
のそれぞれの和から、上記記憶された各分各領域のベー
スライン量を引いた値となる。そして、これらのウエハ
マークＷＭの複数の位置検出値は、主制御装置２８によ
り所定の統計処理（単純平均あるいは加重平均）がなさ
れて、最終的なウエハマーク位置が算出される。

【００６９】そして、主制御装置２８は、上述したウエ
ハＷ上のウエハマークＷＭの検出位置に基づいて駆動系
２２を制御してＸＹステージ２０を駆動し、各露光領域
（ここでは半導体チップの形成領域）を投影光学系ＰＬ
の下に移動することによってウエハＷに対する重ね合わ
せ露光を正確に行うことができる。

【００７０】以上説明したように、本実施形態に係る位
置検出装置１０を備えた投影露光装置１００によると、
ウエハマークＷＭ、指標マーク、あるいは基準板ＦＰ上
の基準マーク等の各種マークを２次元撮像素子（ＣＣＤ
１４等）を使って位置検出する場合に、２次元撮像素子
のラスタースキャン方向とマークの計測方向とが回転誤
差を持ってずれていたとしても、高精度にマーク位置を
検出することができ、重ね合わせずれの無い露光動作を
行うことが可能となる。

【００７１】特に、ウエハＷに対して重ね合わせ露光を
する際の前提となるベースライン計測では、基準マーク
の２次元撮像信号をラスタースキャン方向と直交方向に
複数分割し、各分割領域毎に基準マーク位置を検出し
て、各領域毎のベースライン量を持つようにしたため、
各種マーク同士で回転誤差が生じていても、常に適正な
マーク位置を検出することができる。

【００７２】なお、上記実施形態では、本発明に係る位
置検出装置がオフ・アクシス方式の結像式センサに適用
される場合について説明したが、本発明の適用範囲がこ
れに限定されるものではなく、例えばＴＴＬ（Through
The Lens）方式の結像式アライメントセンサにも同様に
適応できることは勿論、投影露光装置用のアライメント
センサのみならず、種々の測定装置用の位置検出装置に
も同様に適用できるものである。

【００７３】また、上記実施形態では、本発明の信号処
理手段がアライメント信号処理系１６で実現され、検出
手段及び演算手段が主制御装置２８によって実現される
ように説明したが、勿論これに限定されるものではな
く、信号処理手段及び検出手段がアライメント信号処理
系１６で実現され、演算手段が主制御装置２８で実現さ
れるものであったり、また、信号処理手段、検出手段及
び演算手段がアライメント信号処理系１６で実現される
ものであっても良い。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、２次元撮像素子の取り付け方向と位置検
出マークの計測方向とが回転方向にずれていたり、位置
検出マークの反射率に部分的なムラがあっても、その影
響を受けることなく位置検出マークの位置を高精度に検
出することができる位置検出方法が提供される。

【００７５】請求項２及び３に記載の発明によれば、状
況に応じた統計処理を行うことにより位置検出マークの
位置を一層高精度に検出することが可能な位置検出方法
が提供される。

【００７６】請求項４に記載の発明によれば、２次元撮
像素子と位置検出マークとの回転方向のずれや、位置検
出マークの反射率のムラの影響を受けることなく位置検
出マークの位置を高精度に検出することができる位置検
出装置を提供することができる。

【００７７】請求項５に記載の発明によれば、指標マー
クと位置検出マークとの相対位置に基づいて位置検出マ
ークの位置を高精度に検出することができる位置検出装
置を提供することができる。

【００７８】請求項６に記載の発明によれば、２次元撮
像素子と位置検出マークとの回転方向のずれや、位置検
出マークの反射率のムラの影響を受けることなく位置検
出マークの位置を高精度に検出することにより、結果的
にマスクパターン像と基板との重ねあわせ精度を向上さ
せることが可能な投影露光装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態に係る投影露光装置の全体構成を概
略的に示す図である。

【図２】図１の位置検出装置の構成の一例を示す図であ
る。

【図３】図２中のＣＣＤの撮像面上に形成された指標マ
ークとウエハマークの２次元像を示した図である。

【図４】（Ａ）〜（Ｅ）は図３に示されるＡ〜Ｅの各分
割領域毎の撮像信号を矢印ＶＳ方向に積算した積算信号
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１０位置検出装置１２検出光学系１４ＣＣＤ１６アライメント信号処理系３０光源３２コンデンサーレンズ３４波長選択素子３６照明視野絞り３８リレーレンズ４０照明開口絞り４２ビームスプリッタ４４対物レンズ４６結像開口絞り４８結像レンズ５０ビームスプリッタ５２ａ，５２ｂ指標マーク５６光源５８コンデンサーレンズ６０指標照明視野絞り６２レンズＷウエハＷＭウエハマークＯＦＡアライメントセンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位置検出マークの所定の計測方向の位置
を検出する位置検出方法であって、前記位置検出マークに照明光を照射して前記位置検出マ
ークの２次元像を形成せしめる第１工程と；前記２次元
像を２次元撮像素子を用いて撮像する第２工程と；前記
２次元像の撮像信号を、前記計測方向とほぼ直交する非
計測方向に複数分割し、かつ各分割領域毎にそれぞれ前
記非計測方向に積算し、得られた前記各分割領域の積算
信号に基づいて各分割領域についての前記位置検出マー
クの位置をそれぞれ検出する第３工程と；前記第３工程
で得られた各分割領域についての前記位置検出マークの
位置検出値を統計処理して、最終的なマーク検出位置を
算出する第４工程とを含む位置検出方法。
【請求項２】前記第４工程における統計処理は、前記
複数の分割領域についての位置検出値の単純平均化処理
であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出方
法。
【請求項３】前記第４工程における統計処理は、前記
各分割領域の前記非計測方向の位置に応じて対応する位
置検出値に重みを付けて前記複数の位置検出値を平均す
る加重平均化処理であることを特徴とする請求項１に記
載の位置検出方法。
【請求項４】試料上と該試料を保持するステージの少
なくとも一方に形成された位置検出マークの所定の計測
方向の位置を検出する位置検出装置であって、前記位置検出マークに照明光を照射して前記位置検出マ
ークの２次元像を形成せしめる結像光学系と；前記２次
元像を撮像する２次元撮像素子と；前記２次元像の撮像
信号を、前記計測方向とほぼ直交する非計測方向に複数
分割し、かつ各分割領域毎にそれぞれ前記非計測方向に
積算する信号処理手段と；前記信号処理手段により得ら
れた前記各分割領域の積算信号に基づいて各分割領域に
ついての前記位置検出マークの位置をそれぞれ検出する
検出手段と；前記検出手段で検出された各分割領域につ
いての前記位置検出マークの位置検出値を統計処理し
て、最終的なマーク検出位置を演算する演算手段とを有
する位置検出装置。
【請求項５】試料上に形成された位置検出マークの所
定の計測方向の位置を検出する位置検出装置であって、前記試料上に照明光を照射して前記位置検出マークの２
次元像を形成する第１結像光学系と；前記位置検出マー
クの２次元像の形成面または該形成面と共役な面に配置
され、指標マークが形成された指標板と；前記指標板に
照明光を照射して前記指標マークの２次元像を形成する
第２結像光学系と；前記位置検出マークの２次元像と前
記指標マークの２次元像とを撮像する２次元撮像素子
と；前記２次元撮像素子からの撮像信号を、前記計測方
向とほぼ直交する非計測方向に複数分割し、かつ、該複
数分割した領域毎に前記非計測方向に積算した積算信号
を出力する信号処理手段と；前記積算信号に基づいて、
前記指標マークに対する前記分割した領域毎の前記位置
検出マークの位置を検出する検出手段と；前記検出手段
が検出した前記分割した領域毎の前記位置検出マークの
位置を統計処理して、前記位置検出マークの位置を演算
する演算手段とを有することを特徴とする位置検出装
置。
【請求項６】マスクに形成されたパターンの像を感光
材が塗布された基板上に投影光学系を介して転写する投
影露光装置であって、前記請求項４又は５に記載の位置検出装置を前記基板上
に形成された位置検出マークの検出用として具備する投
影露光装置。