JP2000012445A

JP2000012445A - 位置検出方法及び装置、並びに前記装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JP2000012445A
Application number: JP10178736A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1998-06-25
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】位置検出用の光束よりも広い波長域の光束を
使用することなく、被検マークのデフォーカス量を検出
する。【解決手段】所定の偏光特性のフォーカス計測用の光
束ＦＬでフォーカス計測用スリット５０を照明し、この
フォーカス計測用スリット５０の像をウエハマーク７上
又はこの近傍に投影する。ウエハＷから反射される光束
ＦＬを偏光ビームスプリッタ１８で瞳分割部材４４側に
導き、瞳分割部材４４で分割された光束５３，５４によ
って形成されるフォーカス計測用スリット５０の像の横
ずれ量からウエハマーク７のデフォーカス量を検出し、
そのデフォーカス量を補正する。光束ＦＬと同じ波長域
で偏光特性の異なる光束ＡＬでウエハマーク７を照明
し、ウエハマーク７からの光束ＡＬを偏光ビームスプリ
ッタ１８を介して撮像素子２０側に導いて、ウエハマー
ク７の位置検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ等の基板上
の被検マークの位置を光学的に検出するための位置検出
方法及び装置に関し、例えば半導体素子、撮像素子（Ｃ
ＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造
する際に使用される露光装置に備えられたオフ・アクシ
ス方式の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】半導体素子等を製造する際に使用される
ステッパー等の一括露光型、又はステップ・アンド・ス
キャン方式等の走査露光型の投影露光装置においては、
マスクとしてのレチクルのパターンの像を高い重ね合わ
せ精度で基板としてのレジストが塗布されたウエハ上に
転写するために、ウエハ上の各ショット領域に形成され
たアライメントマーク（ウエハマーク）の位置を検出す
るためのアライメントセンサが備えられている。アライ
メントセンサの内で、ウエハ上のレジストによる薄膜干
渉等の影響をあまり受けることなく高精度にウエハマー
クの位置を検出できるセンサとして、例えば特開平４−
６５６０３号公報に開示されているように、レジストに
対して非感光性の波長域（非露光波長域）の広帯域の照
明光を用いて、投影光学系を介することなくウエハマー
クの位置を検出するオフ・アクシス方式で、かつ画像処
理方式のアライメントセンサ（以下「オフ・アクシス
系」と呼ぶ）が使用されている。

【０００３】従来のオフ・アクシス系では、開口数が
０．２〜０．３程度で焦点深度（ＤＯＦ）の深い対物光
学系が使用されていた。また、ウエハの表面の平面度は
通常は５〜８μｍ程度以下であるため、投影露光装置に
備えられている投影光学系用の斜入射方式のオートフォ
ーカスセンサ（以下「ＡＦセンサ」と呼ぶ）の計測値に
基づいて、例えばウエハの中心でその対物光学系のベス
トフォーカス位置に対する合わせ込み（合焦）を行って
おけば、その後で例えばエンハスト・グローバル・アラ
イメント（ＥＧＡ）方式でアライメントを行う際には、
計測対象のマーク毎にフォーカス位置の計測を行うこと
なく、各マークはそれぞれ焦点深度内に収まっていた。

【０００４】また、その対物光学系の焦点深度が或る程
度浅くなっても対応できるように、そのオフ・アクシス
系に、専用の例えば２〜３μｍ程度の精度で大まかにフ
ォーカス位置を検出するためのＡＦセンサを設けること
も行われていた。更に、従来はオフ・アクシス系と共
に、投影光学系を介してレーザビームを走査してウエハ
マークの位置を検出するＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）
方式のアライメントセンサも併用されていたため、全体
として高い検出精度が得られていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く従来のオフ
・アクシス系においては、開口数が比較的小さく焦点深
度の深い対物光学系が使用されていたため、ウエハの表
面の凹凸に殆ど影響されることなく高精度に位置検出が
行われていた。ところで、最近では半導体集積回路の集
積度の一層の向上に対応して、２５０〜１００ｎｍ程度
の解像度が要求されるようになり、露光光がｉ線からＫ
ｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）等
のエキシマレーザ光に移行している。更に、照明視野を
拡大すると共に、開口数が０．７以上の投影光学系が要
求されている。このような投影光学系を構成するレンズ
の硝材は、蛍石や石英に限られるため、露光波長と異な
る波長のレーザビームや例えば５００〜８００ｎｍ程度
の広帯域の波長を有する照明光を用いたＴＴＬ方式の光
学系では、色収差によってレーザビームのスポットや被
検マークの像を高精度に形成することが困難である。従
って、今後はオフ・アクシス系のみを用いて高精度のア
ライメントを実現することが望ましい状況になって来て
いる。

【０００６】また、一般にアライメント精度は必要解像
度の１／３程度が要求されるため、２５０〜１００ｎｍ
程度の解像度に対しては８０〜３０ｎｍ程度のアライメ
ント精度が必要になる。そこで、オフ・アクシス系の光
学系の収差や製造誤差の影響を平均化効果によって緩和
して、高い位置検出精度を得るために、対物光学系の開
口数を高める必要が生じて来ている。ただし、その対物
光学系の開口数をＮＡ、照明光の波長をλとすると、焦
点深度はほぼλ／ＮＡ²であるため、開口数ＮＡを０．
４〜０．６程度まで高めると、焦点深度は３〜１μｍ程
度に浅くなってしまう。

【０００７】この場合、従来のように投影光学系用のＡ
Ｆセンサを用いて、投影光学系の露光フィールド内に被
検マークを移動して合焦を行った後に、ステージを駆動
してその被検マークをオフ・アクシス系の視野に移動す
る方式を用いると、スループットが低いという不都合が
ある。更に、投影光学系用のＡＦセンサは、露光領域
（例えば２２ｍｍ角）の全面を高精度に像面に合わせ込
むという要求に応えるために、フォーカス位置の計測領
域、例えば複数のスリット像の投影領域をその露光領域
と同等に広く取っている。

【０００８】図１５は、ウエハ上の或るショット領域Ｓ
Ａに隣接するストリートライン領域ＳＬ上に形成された
ウエハマークＷＭを示し、この図１５において、ウエハ
マークＷＭを含む広い計測領域ＦＬ１内の複数点に、不
図示のＡＦセンサより複数のスリット像が斜めに投影さ
れている。この場合、それまでの工程によって、回路パ
ターンが形成されているショット領域ＳＡと、ストリー
トライン領域ＳＬとの間に段差が生じていると、計測領
域ＦＬ１で検出される平均的なフォーカス位置がストリ
ートライン領域ＳＬでのフォーカス位置からシフトして
いるため、ウエハマークＷＭの検出時にデフォーカスが
発生するという不都合がある。

【０００９】このため、オフ・アクシス系にも専用の高
精度のＡＦセンサが必要となっている。ところが、その
専用のＡＦセンサとして、投影光学系用の斜入射方式の
ＡＦセンサと同様のセンサを用いたときには、機構が複
雑化すると共に、大気圧変化等に起因するベストフォー
カス位置のドリフトの管理を高精度に行う必要があり、
制御が複雑化するという不都合がある。

【００１０】また、例えば米国特許（ＵＳＰ）３７２１
８２７号明細書には、共通の対物光学系を介して位置検
出、及びフォーカス位置の検出を行うと共に、位置検出
用の光束とフォーカス位置検出用の光束との波長域を異
ならしめることによって、それら２つの光束を高いＳＮ
比で分離するようにした顕微鏡が開示されている。通常
の顕微鏡のように使用する波長域に制限が無い場合に
は、そのような波長分離方式が容易に使用できる。これ
に対して、投影露光装置に備えられたオフ・アクシス系
においては、フォトレジストを感光させる波長域の使用
は望ましくないため、露光波長（感光波長）が近紫外域
〜遠紫外域であるとすると、位置検出用の光束（アライ
メント光）の波長域は例えば５００〜８００ｎｍ程度に
設定される。このような広帯域に設定されるのは、フォ
トレジストの薄膜干渉やウエハマークの非対称性の影響
を軽減するためである。この場合に、波長分離方式を適
用すると、フォーカス位置検出用の波長域は例えば８０
０〜１１００ｎｍの赤外域となる。

【００１１】しかしながら、５００〜１１００ｎｍ程度
の広い波長域に亘って、オフ・アクシス系の光学系の色
収差の補正を高精度に行うためには、光学系が複雑化す
ると共に、そのような広い波長域で均一な特性を持つ反
射防止膜を設計及び製造することは困難であるという不
都合がある。これを避けるために、フォーカス位置検出
用の波長域を狭くすると、フォトレジストの薄膜干渉等
の影響を受けて合焦精度が低下する恐れがある。

【００１２】なお、アライメント光の波長域とフォーカ
ス位置検出用の波長域とを同一にしても、図１５に示す
ように、フォーカス位置検出用の光束をウエハマークＷ
Ｍを含むアライメント光の照射領域から外れた計測領域
ＦＬ２に照射することによって、アライメント光に影響
されることなく、フォーカス位置を検出できる。しかし
ながら、この方式では直接ウエハマークＷＭを観察して
いる訳ではないため、既に説明したようにストリートラ
イン領域ＳＬに段差があるときには、検出誤差が生じる
ことがある。この検出誤差の発生を抑えるために、ウエ
ハステージを駆動してウエハマークＷＭの位置を計測領
域ＦＬ２に設定してフォーカス位置を計測した後に、ウ
エハステージを駆動してウエハマークＷＭの位置をアラ
イメント光の照射領域に設定する方法も考えられるが、
この方法ではスループットが低下してしまう。

【００１３】また、アライメント光によるウエハマーク
の像を用いて、ウエハステージを上下に駆動したときに
そのウエハマークの像のコントラストが最も高くなる位
置を検出したり、又はウエハマークからの光束を分割し
て、それぞれの光束から形成されるウエハマークの像の
横ずれ量を検出することによって、デフォーカス量を求
める方法も考えられる。ところが、このようにウエハマ
ーク自体の像を用いてフォーカス位置を検出する方法
は、フォーカス位置の検出と位置検出とを平行に処理す
ることができないため、検出速度が低下すると共に、ウ
エハマークの形状によっては検出精度が低下する場合が
ある。更に、ウエハマークが既に検出範囲（視野）内に
収まっていることが前提となるため、ウエハマークの大
まかな位置を検出するためのサーチアライメントの開始
時のように、ウエハマークが必ずしも検出範囲内に完全
に収まっていない場合にはフォーカス位置を検出できな
いために、ウエハマークを検出範囲内に追い込んで位置
検出を開始するまでの時間が長くなる恐れがある。

【００１４】本発明は斯かる点に鑑み、位置検出用の光
束よりも大幅に広い波長域の光束を使用することなく、
被検マークのフォーカス位置やデフォーカス量等の合焦
状態を検出できる位置検出方法、及び位置検出装置を提
供することを第１の目的とする。更に本発明は、被検マ
ークが形成されている領域の近くに段差等が存在する場
合でも、高速に、かつその被検マークの形状に影響され
ることなく高精度にその被検マークの合焦状態を検出で
きる位置検出方法、及び位置検出装置を提供することを
第２の目的とする。

【００１５】また、本発明はそのような位置検出方法を
使用できる露光装置を提供することをも目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出方
法は、所定の基板（Ｗ）に形成された被検マーク（７）
の位置を検出するための位置検出方法において、その被
検マークに第１の照明光（ＡＬ）を照射し、その基板上
のその被検マーク上又はこの近傍にその第１の照明光と
光学特性の異なる第２の照明光（ＦＬ）を照射し、その
基板からのその第１の照明光に対応する光学特性を有す
る光束を所定の対物光学系（１４〜１６）を介して検出
すると共に、その基板からのその第２の照明光に対応す
る光学特性を有する光束をその対物光学系を介して検出
し、その第２の照明光に対応する光学特性を有する光束
に基づいてその基板のその被検マークが形成されている
領域のその対物光学系に対する合焦状態を求め、その第
１の照明光に対応する光学特性を有する光束に基づいて
その被検マークの位置を求めるものである。

【００１７】斯かる本発明によれば、そのように光学特
性が異なるとは、一例として波長域がほぼ同じで、かつ
偏光特性等が異なることを言う。この場合、その第１、
及び第２の照明光は波長域がほぼ同じであるために、高
精度に諸収差が補正されている光学系を共通に使用でき
る。このように光学系を共通に使用した場合でも、それ
らの照明光は偏光特性等が異なるため、例えばその被検
マークからの反射光を偏光ビームスプリッタ等の偏光状
態選択素子等に通す等の方法によって、その第１、及び
第２の照明光の成分を容易に高いＳＮ比で分離できる。
そして、その第２の照明光の反射光を用いてその被検マ
ークのデフォーカス量等を検出することによって、合焦
状態の検出処理と位置検出処理とを実質的に並行に（同
時に）行うことができ、処理速度が向上する。

【００１８】また、その合焦状態検出用の照明光（Ｆ
Ｌ）は、ほぼその被検マーク上に照射されているため、
その被検マークの近くに段差が存在しても、その基板を
移動することなく、その被検マークの位置が正確に検出
できる。また、その被検マークの像ではなく、例えばそ
の第２の照明光の照射領域（所定の開口パターンの像
等）の形状に基づいてデフォーカス量等を検出するた
め、その被検マーク自体の形状等に依らずに高精度にデ
フォーカス量等を検出することができる。

【００１９】次に、本発明による位置検出装置は、所定
の基板（Ｗ）に形成された被検マーク（７）の位置を検
出するための位置検出装置において、その被検マークに
第１の照明光（ＡＬ）を照射する第１の照明系（３３
Ａ，３３Ｃ，３４Ｂ，３５Ｂ，３２，３５Ｃ，３０，２
９，１５，１４）と、その基板上のその被検マーク上又
はこの近傍にその第１の照明光と光学特性の異なる第２
の照明光（ＦＬ）を照射する第２の照明系（３３Ａ，３
３Ｃ，３４Ａ，３９〜３６，３５Ａ，３２，３５Ｃ，２
９，１５，１４）と、その基板からのその第１の照明光
に対応する光学特性を有する光束を所定の対物光学系
（１４〜１６）を介して検出する第１の検出系（１７〜
２０）と、その基板からのその第２の照明光に対応する
光学特性を有する光束をその対物光学系（１４〜１６）
を介して検出する第２の検出系（１７，１８，４１〜４
６，２１，２２）と、その第２の検出系からの検出信号
に基づいてその基板のその被検マークが形成されている
領域のその対物光学系に対する合焦状態を求める焦点ず
れ演算系（１３ｂ）と、その第１の検出系からの検出信
号に基づいてその被検マークの位置を求める位置演算系
（１３ａ）と、を有するものである。

【００２０】斯かる位置検出装置によって、本発明の位
置検出方法が使用される。これらの場合において、その
光学特性の異なる２つの照明光が偏光特性の異なる照明
光である場合に、その第１及び第２の照明光の両方の偏
光特性を有する第３の照明光のもとで、その第１及び第
２の検出系にそれぞれ位置検出及び合焦状態の検出の基
準となる指標マーク（４７Ｘ，４８）の像を投影する指
標マーク投影系（２３〜２８，１５，１６）を備えるこ
とが望ましい。その指標マークを用いることによって、
位置検出、及び合焦状態の検出が高精度に行われる。

【００２１】次に、本発明による露光装置は、上記の本
発明による位置検出装置（５）と、マスクパターンを投
影する投影光学系（ＰＬ）と、その被検マークとしての
位置合わせ用マークが形成されると共に、この位置合わ
せ用マークに対応する位置にそのマスクパターンの像が
転写される基板（Ｗ）を載置して位置決めするステージ
系（１ＸＹ）と、その位置検出装置のその焦点ずれ演算
系（１３ｂ）の検出結果に基づいて、そのステージ系上
のその基板の高さを制御する合焦系（１１，１２，６，
２Ａ〜２Ｃ，１Ｚ）と、を有するものである。上記の位
置検出方法を使用して求められる例えばデフォーカス量
を相殺するようにその合焦系を介してその基板の高さを
制御して、その位置合わせ用マークをその位置検出装置
のベストフォーカス位置に合わせ込んだ（合焦させた）
状態で、その位置合わせ用マークの位置を検出すること
で、高速、かつ高精度に位置検出が行われる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本例の
投影露光装置を示し、この図１（ａ）において、露光時
には、露光光源、オプティカル・インテグレータ、照明
系の開口絞り、リレーレンズ系、視野絞り（レチクルブ
ラインド）、及びコンデンサレンズ系等からなる照明光
学系１０から射出された露光光ＩＬが、マスクとしての
レチクルＲのパターン領域を照明する。露光光ＩＬとし
ては、水銀ランプのｉ線、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、
若しくはＡｒＦ(波長１９３ｎｍ)等のエキシマレーザ
光、又はＦ₂レーザ光（波長１５７ｎｍ）等が使用でき
る。

【００２３】その露光光ＩＬのもとで、レチクルＲのパ
ターンの像が投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは
例えば１／４，１／５等）で、基板としてのフォトレジ
ストが塗布されたウエハＷの表面に投影露光される。ウ
エハＷは例えばシリコン又はＳＯＩ(silicon on insula
tor)等のウエハ（wafer)である。以下、投影光学系ＰＬ
の光軸ＡＸに垂直な平面内で、図１（ａ）の紙面に平行
にＸ軸を、図１（ａ）の紙面に垂直にＹ軸を取って説明
する。

【００２４】まず、レチクルＲは、レチクルステージ８
上に保持されており、レチクルステージ８は、不図示の
レチクルベース上でＸ方向、Ｙ方向、回転方向にレチク
ルＲの駆動を行う。レチクルステージ８の２次元的な位
置は、レチクルステージ駆動系９に組み込まれたレーザ
干渉計によって計測され、この計測結果はステージ制御
系１２、及び装置全体の動作を統轄制御する主制御系１
１に供給され、ステージ制御系１２は、そのレーザ干渉
計の計測値及び主制御系１１からの制御情報に基づい
て、レチクルステージ駆動系９を介してレチクルステー
ジ８の位置決め動作を制御する。

【００２５】一方、ウエハＷは、ウエハホルダＷＨ上に
真空吸着によって保持され、ウエハホルダＷＨは、試料
台３上に固定され、試料台３はそれぞれＺ方向に伸縮自
在の３個のＺ駆動部２Ａ〜２Ｃを介してＺステージ１Ｚ
上に載置され、Ｚステージ１Ｚは不図示のウエハベース
（定盤）上を例えばリニアモータ方式でＸ方向、及びＹ
方向に移動するＸＹステージ１ＸＹ上に固定されてい
る。Ｚ駆動部２Ａ〜２Ｃとしては、回転運動を直進運動
に変換するカム機構、例えば永久磁石同士の反発によっ
てＺ方向にほぼ吊り合った状態でボイスコイルモータ
（ＶＣＭ）方式でＺ方向に可変の変位を付与する機構、
又はピエゾ素子等の電歪素子や磁歪素子等の駆動素子を
使用することができる。試料台３、Ｚ駆動部２Ａ〜２
Ｃ、Ｚステージ１Ｚ、及びＸＹステージ１ＸＹよりウエ
ハステージ１が構成されている。

【００２６】試料台３の２次元的な位置は、ウエハステ
ージ駆動系６内に組み込まれたレーザ干渉計によって計
測され、この計測結果もステージ制御系１２及び主制御
系１１に供給され、ステージ制御系１２は、その計測値
及び主制御系１１からの制御情報に基づいて、ウエハス
テージ駆動系６を介してＸＹステージ１ＸＹのステップ
移動動作、及び位置決め動作を制御する。露光時には、
ウエハＷ上の一つのショット領域へのレチクルＲのパタ
ーン像の露光が終わると、ＸＹステージ１ＸＹのステッ
プ移動によって次のショット領域を露光位置に移動して
露光を行うという動作がステップ・アンド・リピート方
式で繰り返される。このように本例の投影露光装置は、
ステッパー型（一括露光型）であるが、投影露光装置と
してステップ・アンド・スキャン方式のような走査露光
型を使用する場合にも本発明が適用できるのは言うまで
も無い。

【００２７】更に、不図示であるが、投影光学系ＰＬの
側面には、ウエハＷの露光領域の表面における投影光学
系ＰＬの像面からのデフォーカス量を計測するための斜
入射方式のＡＦセンサ（オートフォーカスセンサ）が配
置されている。このＡＦセンサは、投影光学系ＰＬの光
軸ＡＸに斜めにウエハＷの表面に複数のスリット像を投
影する照射光学系と、その表面からの反射光を受光して
それらのスリット像を再結像し、この再結像された複数
のスリット像の横ずれ量に応じた複数のフォーカス信号
を生成する集光光学系とから構成されており、それらの
フォーカス信号がウエハステージ駆動系６に供給されて
いる。それらのフォーカス信号は各計測点におけるデフ
ォーカス量に対応するため、レチクルＲのパターン像を
ウエハＷ上の各ショット領域に露光している際には、ウ
エハステージ駆動系６はそれらのデフォーカス量が例え
ば平均的に最も小さくなるようにサーボ方式でＺ駆動部
２Ａ〜２ＣのＺ方向への駆動量を制御する。これによっ
て、オートフォーカス方式、及びオートレベリング方式
でウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面に合わせ込ま
れた（合焦された）状態で露光が行われる。

【００２８】ただし、ウエハＷのアライメント時には、
ウエハステージ駆動系６は、主制御系１１からステージ
制御系１２を介して供給されるデフォーカス量の情報に
基づいてＺ駆動部２Ａ〜２Ｃを駆動する。これによっ
て、ウエハＷの表面の被検マークが後述のアライメント
センサ（オフ・アクシス系５）のベストフォーカス位置
に合焦された状態で、その被検マークの位置検出が行わ
れる。

【００２９】さて、上記の露光動作が重ね合わせ露光で
ある場合には、ウエハＷ上の各ショット領域とレチクル
Ｒのパターン像とのアライメントを高精度に行う必要が
ある。そのため、ウエハＷの各ショット領域には位置合
わせ用マークとしてのウエハマークが付設されている。
図１（ｂ）は、ウエハＷの表面の一部を示し、この図１
（ｂ）において、ウエハＷの表面にはＸ方向、Ｙ方向に
所定ピッチで多数のショット領域ＳＡが形成され、各シ
ョット領域ＳＡにはそれまでの工程で所定の回路パター
ンが形成されている。また、隣接するショット領域ＳＡ
の間は回路パターンの無いストリートライン領域ＳＬと
されており、各ショット領域ＳＡに隣接するストリート
ライン領域ＳＬ上にそのショット領域の位置を規定する
ウエハマーク７が形成されている。本例のウエハマーク
７は、Ｘ方向に所定ピッチで配列された凹凸のライン・
アンド・スペースパターンよりなるＸ軸のマーク７Ｘ
と、このウエハマーク７Ｘを挟むようにそれぞれＹ方向
に所定ピッチで配列された凹凸のライン・アンド・スペ
ースパターンよりなるＹ軸のマーク７Ｙとから構成され
ている。ウエハマーク７の座標の中心と、対応するショ
ット領域ＳＡの中心との位置関係は、予め露光データと
して主制御系１１内の記憶装置に記憶されている。

【００３０】また、ウエハマーク７は、最終的に各ショ
ット領域の配列座標を規定するためのファイン・アライ
メントマークであるが、ウエハマーク７の内の例えば２
つの所定のウエハマークを、各ショット領域の大まかな
配列座標（ひいては各ウエハマークの大まかな位置）を
規定するためのサーチ・アライメントマークとしても使
用することができる。なお、ウエハマーク７とは別に、
専用のサーチ・アライメントマークを設けてもよい。

【００３１】図１（ａ）に戻り、投影光学系ＰＬの側面
にオフ・アクシス方式で、かつ撮像方式（画像処理型）
のアライメントセンサ（以下「オフ・アクシス系」と呼
ぶ）５が備えられ、オフ・アクシス系５の複数の画像信
号がアライメント信号処理系１３に供給されている。即
ち、オフ・アクシス系５は、露光用の投影光学系ＰＬを
介することなく直接ウエハマーク７の位置を検出する検
出系であり、アライメント信号処理系１３は、それらの
画像信号を処理して、オフ・アクシス系５内の対物光学
系のベストフォーカス位置に対するウエハマーク７のデ
フォーカス量、及びそのウエハマーク７の中心の所定の
検出中心に対するＸ方向、Ｙ方向への位置ずれ量を求
め、これらのデフォーカス量及び位置ずれ量を主制御系
１１に供給する。主制御系１１は、これらの情報に基づ
いてオフ・アクシス系５に対するウエハマーク７の合焦
動作を制御すると共に、そのウエハマーク７のステージ
座標系（ウエハステージ駆動系６内のレーザ干渉計の計
測値に基づいて定められる座標系）（Ｘ，Ｙ）における
配列座標を求め、更に対応するショット領域の中心の配
列座標を求める。

【００３２】また、試料台３上には所定の基準マークが
形成された基準マーク部材４が固定され、レチクルＲの
上方にはレチクルＲのアライメントマークの位置を計測
するためのレチクルアライメント顕微鏡（図示省略）が
配置されており、これらを用いてレチクルＲのパターン
像の中心（露光中心）とオフ・アクシス系５の検出中心
との間隔であるベースライン量が予め求められており、
そのベースライン量は主制御系１１内の記憶装置に記憶
されている。主制御系１１は、上記のように求められた
各ショット領域の配列座標をそのベースライン量で補正
した座標に基づいて、ステージ制御系１１及びウエハス
テージ駆動系６を介してＸＹステージ１ＸＹを駆動する
ことによって、露光対象の各ショット領域の中心をそれ
ぞれ露光中心に位置合わせする。

【００３３】次に、図２を参照してオフ・アクシス系５
の位置検出用（アライメント用）の光学系、及びフォー
カス位置検出用の光学系の構成につき詳細に説明する。
図２は、図１（ａ）中のオフ・アクシス系５、及びアラ
イメント信号処理系１３の構成を示し、この図２におい
て、図１のアライメント信号処理系１３は、位置演算系
１３ａ及びデフォーカス量演算系１３ｂに分かれてい
る。演算系１３ａ，１３ｂはそれぞれコンピュータのソ
フトウェア上の機能としても実現できるが、それぞれマ
イクロプロセッサ等を含む別個のハードウェアで実現し
てもよい。

【００３４】そして、不図示のハロゲンランプ、集光用
の楕円鏡、及び波長選択用の光学フィルタよりなる光源
系により波長域が５００〜８００ｎｍ程度の照明光が射
出され、アライメント時にはその照明光がランダムに束
ねられた光ファイバ束３３Ａを介して均一な照度分布で
オフ・アクシス系５内に導かれている。光ファイバ束３
３Ａの端部から射出されたランダムな偏光状態を有する
照明光は、レンズ３３Ｂを介してほぼ平行光束となって
偏光ビームスプリッタ３３Ｃに入射し、偏光ビームスプ
リッタ３３Ｃで反射された偏光成分（Ｓ偏光成分）より
なるフォーカス位置検出用の光束ＦＬは、レンズ３４Ａ
によって一度集光される。また、偏光ビームスプリッタ
３３Ｃを透過した偏光成分（Ｐ偏光成分）よりなるアラ
イメント用の光束ＡＬは、ミラー３３Ｄで反射されて、
レンズ３４Ｂによって一度集光される。

【００３５】まず、後者のレンズ３４Ｂによって集光さ
れたアライメント用の光束ＡＬは、レンズ３５Ｂにより
ほぼ平行光束となって偏光ビームスプリッタ３２に入射
する。光束ＡＬはＰ偏光であるため、全部が偏光ビーム
スプリッタ３２を透過してレンズ３５Ｃにより視野スリ
ット板３０上を均一な照度分布で照明する。視野スリッ
ト板３０には、図３（ａ１）に示すように、遮光部中に
ほぼ正方形の開口よりなる視野絞り３０ａが形成されて
いる。

【００３６】視野スリット板３０の視野絞りを通過した
光束ＡＬは、レンズ２９によってほぼ平行光束となって
ハーフミラー１５に入射し、ハーフミラー１５で反射さ
れた光束ＡＬは第１対物レンズ１４を介してウエハＷ上
のウエハマーク７を含むほぼ正方形の検出領域を照明す
る。合焦状態では、ウエハＷの表面と視野スリット板３
０の視野絞り３０ａの形成面とは共役であり、ウエハＷ
上の検出領域はその視野絞り３０ａの投影像でもある。

【００３７】図２において、ウエハＷの表面で反射され
たアライメント用の光束ＡＬは、第１対物レンズ１４を
経てハーフミラー１５に戻り、ハーフミラー１５を透過
した光束ＡＬは、第２対物レンズ１６を経て一度ウエハ
マークの像を形成した後、レンズ１７を経てほぼ平行光
束となって偏光ビームスプリッタ１８に入射する。光束
ＡＬはほぼＰ偏光であるため大部分が偏光ビームスプリ
ッタ１８を透過して、レンズ１９によってＣＣＤ型等の
２次元の撮像素子２０の撮像面に、視野絞り３０ａ及び
ウエハマーク７の像を形成する。撮像素子２０の各画素
から読み出される画像信号が不図示の増幅器、及びアナ
ログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を介して位置演算系１
３ａに供給されている。

【００３８】この場合、第１対物レンズ１４、ハーフミ
ラー１５、及び第２対物レンズ１６が本発明の対物光学
系に対応する、少なくともウエハ側でテレセントリック
な結像系であり、この結像系（１４〜１６）の開口数は
例えば０．４〜０．６に設定されており、焦点深度は狭
いが極めて高い解像度で被検マークの像を形成すること
ができ、その結果として極めて高精度に被検マークの位
置検出を行うことができる。また、レンズ１７、偏光ビ
ームスプリッタ１８、及びレンズ１９よりリレーレンズ
系が構成されており、その結像系（１４〜１６）のベス
トフォーカス位置にウエハＷの表面が所定の許容範囲内
で合わせ込まれている状態、即ちウエハＷの合焦状態で
は、ウエハＷの表面と撮像素子２０の撮像面とは共役で
ある。

【００３９】撮像素子２０は、Ｘ方向に関しては図３
（ａ１）に示すように、視野絞り３０ａをＸ方向に横切
る細長い長方形のサンプリング領域ＸＬに対応する撮像
面上の領域（これも「サンプリング領域ＸＬ」と呼
ぶ）、及びこのサンプリング領域ＸＬを９０°回転した
形状のＹ軸のサンプリング領域ＹＬ（図３ａ４参照）内
に対応する画素のデータをそれぞれＸ方向、及びＹ方向
に読み出して得られる画像信号を位置演算系１３ａに供
給する。なお、図３（ａ１）〜（ａ４）においては、ウ
エハＷ上でのＸ方向、Ｙ方向に対応する方向をそれぞれ
Ｘ方向、Ｙ方向としている。そして、視野絞り３０ａに
対応するウエハ上の検出領域内にウエハマークが存在す
ることなく、かつそのウエハの表面が鏡面とみなせる場
合には、Ｘ軸のサンプリング領域ＸＬ内からＸ方向に読
み出される画像信号を、そのサンプリング領域ＸＬ内で
Ｙ方向に平均化（又は加算）して得られる画像信号ＳＸ
は、図３（ｂ１）に示すように、視野絞り３０ａに対応
する部分で高レベルとなる。その検出領域内にウエハマ
ーク７が存在するときには、その高レベルの部分にウエ
ハマークの像に対応する信号波形が形成される。

【００４０】次に、レンズ３４Ａで集光されたフォーカ
ス位置検出用の光束ＦＬは、レンズ３９、ミラー３８及
びレンズ３７を経てフォーカス計測用スリット板３６を
均一な照度分布で照明する。フォーカス計測用スリット
板３６の遮光部中には、図３（ａ３）に示すように、Ｘ
方向及びＹ方向（ウエハマーク７の計測方向）に対して
４５°で傾斜した方向に、長方形の３個の開口パターン
を所定ピッチで配列してなるフォーカス計測用スリット
５０が形成されている。

【００４１】図２において、フォーカス計測用スリット
５０を通過した光束ＦＬは、レンズ３５Ａを経てほぼ平
行光束となって偏光ビームスプリッタ３２に入射する。
光束ＦＬはＳ偏光であるため、大部分が偏光ビームスプ
リッタ３２で反射された後、レンズ３５Ｃによって視野
スリット板３０の視野絞り３０ａ内に集光される。この
視野絞り３０ａを通過した光束ＦＬは、レンズ２９、ハ
ーフミラー１５、及び第１対物レンズ１４を介してウエ
ハＷ上のウエハマーク７上に、フォーカス計測用スリッ
ト５０の像を形成する。即ち、合焦状態では、ウエハＷ
の表面とフォーカス計測用スリット５０の形成面とは共
役であり、ウエハＷ上でのフォーカス計測用スリット５
０の像の中心は、アライメント用の光束ＡＬ用による検
出領域である視野絞り３０ａの像の中心（視野中心）に
ほぼ合致するように、位置調整が行われている。

【００４２】なお、図２では光束ＦＬ，ＡＬの偏光特性
を異ならせるために偏光ビームスプリッタ３３Ｃが使用
されているが、本例では偏光ビームスプリッタ３２によ
ってフォーカス計測用スリット５０を通過したフォーカ
ス計測用の光束と、アライメント用の光束との偏光方向
は確実に直交した状態に設定される。従って、光ファイ
バ束３３Ａからの照明光の光量損失が或る程度生じても
よい場合には、最初の偏光ビームスプリッタ３３Ｃを単
にハーフミラーに置き換えてもよい。

【００４３】また、フォーカス計測用スリット５０の像
の大きさは、図１（ｂ）のウエハマーク７中のＸ軸のマ
ーク７Ｘの外形よりも小さくなるように設定されてい
る。アライメント時には例えば後述のサーチアライメン
トの結果に基づいて、検出対象のウエハマーク７はそれ
ぞれその中心がその視野中心付近に来るように位置決め
される。この結果、アライメント時に通常は、検出対象
のウエハマーク７の中心部であるＸ軸のマーク７Ｘの外
形内に収まるように、フォーカス計測用スリット５０の
像が投影される。

【００４４】ウエハＷの表面で反射されたフォーカス計
測用の光束ＦＬは、第１対物レンズ１４を経てハーフミ
ラー１５に戻り、ハーフミラー１５を透過した光束ＦＬ
は、第２対物レンズ１６を介して一度フォーカス計測用
スリット５０の像を形成した後、レンズ１７を経て偏光
ビームスプリッタ１８に入射する。光束ＦＬはほぼＳ偏
光であるため、大部分が偏光ビームスプリッタ１８で反
射された後、レンズ４１、ミラー４２及びレンズ４３を
経て瞳分割部材４４に入射する。瞳分割部材４４は、２
つの三角プリズムをそれぞれの斜面で接合すると共に、
この接合面において光軸を通過する直線で仕切られた半
面を反射面４４ａとして形成されている。

【００４５】また、瞳分割部材４４は、簡単のため図２
ではその接合面が紙面に垂直になるように表現されてい
るが、実際にはその接合面は、レンズ４３側から入射し
た光束をＸ軸及びＹ軸に対応する方向に対してそれぞれ
ほぼ４５°で交差する方向、即ちフォーカス計測用スリ
ット５０の像の計測方向に２分割するように設定されて
いる。更に、その瞳分割部材４４の接合面の中心（反射
面４４ａの端部）は、ウエハＷの表面が合焦状態にある
ときにその表面に対して光学的にフーリエ変換面（瞳
面）となる面上に位置している。

【００４６】その結果、レンズ４３から瞳分割部材４４
に入射した光束ＦＬは、瞳面において光軸を中心として
フォーカス計測用スリット５０の像の計測方向に２分割
されて、第１光束５３及び第２光束５４となる。そし
て、２分割された光束５３，５４はそれぞれの主光線が
光軸に対して対称に（逆方向に）傾斜したテレセントリ
ック性の崩れた光束となる。瞳分割部材４４内の透過面
を透過した第１光束５３は、レンズ４５を介してＣＣＤ
型のアレイセンサ等の１次元の第１の撮像素子２１の撮
像面に、フォーカス計測用スリット５０の像を形成し、
瞳分割部材４４内の反射面４４ａで反射された第２光束
５４は、レンズ４６を介して１次元の第２の撮像素子２
２の撮像面に、フォーカス計測用スリット５０の像を形
成する。

【００４７】なお、１次元の撮像素子２１，２２の代わ
りに２次元の撮像素子を使用してもよい。この際に、光
束５３，５４はテレセントリック性が逆方向に崩れてい
るため、ウエハＷの表面のフォーカス位置（Ｚ方向の位
置）が変化すると、撮像素子２１及び２２の撮像面に形
成されるフォーカス計測用スリット５０の像は互いに逆
方向に移動する。本例ではこの原理を用いてウエハＷ上
のウエハマーク７のデフォーカス量を計測する。

【００４８】そのため、撮像素子２１及び２２の各画素
から読み出された画像信号は、それぞれ不図示の増幅器
及びＡＤ変換器を介してデフォーカス量演算系１３ｂに
供給されている。この際に、撮像素子２１及び２２は、
それぞれ図４（ａ１）に示すように、視野絞り３０ａの
Ｘ方向、Ｙ方向に４５°で交差するＲ方向の対角線に沿
った細長い長方形のサンプリング領域ＲＬに対応する撮
像面上での領域（これも「サンプリング領域ＲＬ」と呼
ぶ）内の像を、Ｒ方向に読み出した画像信号ＳＲを出力
する。この画像信号ＳＲは、サンプリング領域ＲＬ内の
画像をＲ方向に直交する方向に積分して得られる画像に
対応する信号である。フォーカス計測用の光束ＦＬが照
射されていない場合には、フォーカス計測用スリット５
０の像が無いため、画像信号ＳＲは図４（ｂ１）のよう
に低レベルの信号となる。

【００４９】次に、本例ではアライメント用の画像信号
ＳＸ、及びフォーカス計測用の画像信号ＳＲの位置の基
準となる指標マークを備えている。即ち、図２におい
て、光量が可変である発光ダイオード（ＬＥＤ）２３か
ら波長がほぼ８５０ｎｍの準単色光とみなすことができ
る照明用の光束ＢＬが射出されている。光束ＢＬは、レ
ンズ２４、ミラー２５、レンズ２６を経て指標板２７を
照明する。指標板２７は、ハーフミラー１５に関して合
焦状態のウエハＷの表面と共役な位置に配置されてい
る。この指標板２７には図３（ａ２）に示すように、中
央部には図３（ａ１）の視野絞り３０ａのウエハＷへの
投影像と同じ形状のほぼ正方形の遮光部４９が形成され
ている。即ち、指標板２７のパターンは、ほぼ視野スリ
ット板３０のパターンの遮光部と透過部とを逆にしたよ
うなパターンである。

【００５０】更に指標板２７の透過部中には、遮光部４
９をＸ方向に挟むようにそれぞれ３本の長方形の遮光パ
ターンを所定ピッチでＸ方向に配列して構成されるアラ
イメント用のＸ軸の指標マーク４７Ｘが形成されてい
る。また、その遮光部４９をＹ方向に挟むように、指標
マーク４７Ｘを９０°回転した形状のアライメント用の
Ｙ軸の指標マーク４７Ｙも形成されている。更に、指標
板２７の透過部には、遮光部４９をＸ軸及びＹ軸に４５
°で交差する対角線方向、即ち図４（ａ１）のＲ方向に
挟むように、それぞれ３本の長方形の遮光パターンを所
定ピッチでＲ方向に配列して構成されるフォーカス計測
用の指標マーク４８が形成されている。なお、指標マー
ク４７Ｘ，４７Ｙ、及び指標マーク４８を構成する遮光
パターンの本数は任意であるが、複数であれば平均化効
果が得られる。

【００５１】図２に戻り、指標板２７を照明する光束Ｂ
Ｌの偏光状態は円偏光に設定されている。言い換える
と、光束ＢＬの偏光状態は、フォーカス計測用の光束Ｆ
Ｌの偏光状態、及びアライメント用の光束ＡＬの偏光状
態を混合した状態である。発光ダイオード２３から射出
される光束ＢＬが円偏光であれば、そのまま使用するこ
とができるが、発光ダイオード２３から射出される光束
ＢＬが例えば直線偏光であれば、例えば１／４波長板を
用いて円偏光に変換すればよい。なお、円偏光の光束Ｂ
Ｌを使用する代わりに、例えば偏光方向（電気ベクトル
の振動方向）がＸ方向、及びＹ方向に４５°で交差する
方向となっている直線偏光の光束を使用してもよい。更
には、その光束ＢＬの代わりにランダム偏光の光束を使
用してもよい。なお、被検マークからの反射光を受光す
る光学系に偏光特性をあまり持たせない場合は、４５°
で交差させなくとも１０〜３０°の傾きがあればよい。

【００５２】指標板２７を透過した光束ＢＬは、レンズ
２８、ハーフミラー１５、及び第２対物レンズ１６を経
て一度指標マークの像を形成した後、レンズ１７を経て
偏光ビームスプリッタ１８に入射する。光束ＢＬは円偏
光であるため、入射する光束ＢＬ内のほぼ１／２が偏光
ビームスプリッタ１８を透過し、残りの大部分が偏光ビ
ームスプリッタ１８で反射される。偏光ビームスプリッ
タ１８を透過した光束ＢＬは、レンズ１９により撮像素
子２０の撮像面に図３（ａ４）に示すように指標マーク
４７Ｘ，４７Ｙ，４８の像４７ＸＰ，４７ＹＰ，４８Ｐ
を形成する。即ち、指標板２７のパターン形成面と撮像
素子２０の撮像面とは共役である。この際に、視野絞り
３０ａをＸ方向に横切るサンプリング領域ＸＬは、図３
（ａ２）の指標板２７上では指標マーク４７Ｘを横切る
領域に対応しており、図３（ａ４）のサンプリング領域
ＸＬで得られる画像信号ＳＸの内で、Ｘ軸の指標マーク
の像４７ＸＰに対応する部分の信号は図３（ｂ２）に示
すように正弦波状となる。

【００５３】また、フォーカス計測用の光束ＦＬは、撮
像素子２０には殆ど入射しないため、撮像素子２０によ
るサンプリング領域ＸＬが図３（ａ３）に示すように、
フォーカス計測用スリット５０を横切る位置に対応する
ように設定されていても、その画像信号ＳＸには図３
（ｂ３）に示すように、フォーカス計測用スリット５０
の像に対応する信号は殆ど含まれていない。また、アラ
イメント時には、図３（ａ４）に示すように、撮像素子
２０のサンプリング領域ＸＬの中央部付近にウエハマー
クの内のＸ軸のマークの像７ＸＰが形成される。そし
て、得られる画像信号ＳＸは、図３（ｂ４）に示すよう
に、Ｘ軸の指標マークの像４７ＸＰに対応する部分ＳＸ
Ｂと、Ｘ軸のマークの像７ＸＰに対応する部分ＳＸＡと
から構成される。

【００５４】そこで、例えばウエハＷの表面がほぼ合焦
しているときには、位置演算系１３ａでは、例えば撮像
信号ＳＸが所定のスライスレベルを横切る位置を求める
スライス法、撮像信号ＳＸの各部分の内で所定のテンプ
レートパターンとの相関度が最も高くなる位置を求める
相関法、又は後述のアップダウンスロープ検出法等によ
って、撮像信号ＳＸの内の部分ＳＸＡの中心位置ＸＡ、
及び部分ＳＸＢの中心位置ＸＢを求める。更に、位置演
算系１３ａでは、位置ＸＢを基準とした位置ＸＡの位置
ずれ量（＝ＸＡ−ＸＢ）に、図２のオフ・アクシス系５
の光学系のウエハＷの表面から撮像素子２０の撮像面に
対する既知の倍率αの逆数（１／α）を乗じて得られる
位置ずれ量ΔＸｉを、Ｘ軸のマーク７Ｘの位置ずれ量と
して図１の主制御系１１に供給する。

【００５５】同様に、Ｙ軸のマーク７Ｙの位置ずれ量Δ
Ｙｉを求める際には、位置演算系１３ａは、図３（ａ
４）に示すように、Ｙ軸の指標マークの像４７ＹＰ及び
Ｙ軸のマークの像７ＹＰをＹ方向に対応する方向に横切
るように設定されているＹ軸のサンプリング領域ＹＬ内
で、撮像素子の画素の信号をＹ方向に読み出した後、そ
の信号をＸ方向に平均化（又は加算）して得られる画像
信号に基づいて、Ｙ軸のマーク７Ｙの検出中心からの位
置ずれ量を求めればよい。従って、本例のオフ・アクシ
ス系５の検出中心とは、撮像素子２０の撮像面上で、指
標マークの像４７ＸＰのＸ方向の中心をＸ座標として、
指標マークの像４７ＹＰのＹ方向の中心をＹ座標とする
点（より正確には、これと共役なウエハ上の点）であ
る。

【００５６】なお、このように指標マークを基準として
ウエハマークの位置ずれ量を検出する場合には、図３
（ｂ４）における撮像信号ＳＸにおいて、指標マークに
対応する部分ＳＸＢとウエハマークに対応する部分ＳＸ
Ａとのレベル差は所定の許容範囲内であることが望まし
い。そこで、図２の発光ダイオード２３の光量は、ウエ
ハＷの表面の反射率に応じて、即ちウエハマーク７の像
に対応する画像信号ＳＸのレベルに応じてそれぞれ位置
演算系１３ａによって所定の定格出力以下の任意のレベ
ルに制御される。発光ダイオード２３の光量は、一例と
して指標マークの像に対応する部分ＳＸＢの平均レベル
（オフセット）が、ウエハマークの像に対応する部分Ｓ
ＸＡの平均レベルとほぼ合致するように設定される。発
光ダイオード２３を使用することによって、指標マーク
の像に対応する画像信号のレベルを電気的に容易に、か
つ高速に制御できる利点がある。

【００５７】なお、フォーカス位置計測を行う場合に
は、撮像素子２１，２２の撮像信号ＳＲの内で、フォー
カス計測用の指標マークの像４８Ｐに対応する部分とフ
ォーカス計測用スリットの像５０Ｐに対応する部分との
レベルに応じて、デフォーカス量演算系１３ｂによって
その発光ダイオード２３の光量が制御される。また、発
光ダイオード２３からの光束ＢＬの波長域は狭いが、光
束ＢＬはフォトレジストを透過するわけではないため、
薄膜干渉の影響等を受けることはない。更に、光束ＢＬ
の中心波長は８５０ｎｍ程度で、アライメント用及びフ
ォーカス計測用の光束ＦＬ，ＡＬの波長域は５００〜８
００ｎｍ程度であるため、オフ・アクシス系５の光学系
は例えばほぼ５００〜８５０ｎｍ程度の波長域で諸収差
が小さくなるように構成することが望ましい。これによ
って、撮像素子２０（撮像素子２１，２２についても同
様）の撮像面には指標マークの像が高コントラストで形
成される。

【００５８】なお、この実施の形態では光学系を簡単に
するため、ハーフミラー１５で指標板２７を透過した光
束ＢＬと、ウエハＷからの光束ＦＬ，ＡＬとを合成して
いるが、この構成では光束ＢＬの利用効率が１／２にな
ると共に、迷光も発生する恐れがある。そこで、例えば
ハーフミラー１５と第２対物レンズ１６との間に、波長
選択用のダイクロイックミラーを配置して、このダイク
ロイックミラーで指標板２７を透過した光束ＢＬと、ウ
エハＷ（ハーフミラー１５）からの光束ＦＬ，ＡＬとを
合成する構成としてもよい。そのダイクロイックミラー
は、５００〜８００ｎｍの波長の光束を透過させて、８
５０ｎｍ付近の波長の光束を反射させる波長選択性を持
てばよい。

【００５９】ただし、指標板２７を照明する光束ＢＬの
波長域をウエハＷを照明する光束ＦＬ，ＡＬの波長域内
に設定してもよい。次に、図２において、偏向ビームス
プリッター１８により反射された光束ＢＬは、レンズ４
１、ミラー４２、レンズ４３を経た後に瞳分割部材４４
によって、Ｘ方向、及びＹ方向に４５°で交差する方向
（Ｒ方向）に２分割される。そして、分割された一方の
光束はレンズ４５を介して、撮像素子２１の撮像面に指
標マーク４７Ｘ，４７Ｙ，４８の像を形成し、分割され
た他方の光束はレンズ４６を介して撮像素子２２の撮像
面に指標マーク４７Ｘ，４７Ｙ，４８の像を形成する。
撮像素子２１，２２の撮像面はそれぞれ指標板２７の指
標マーク形成面と共役である。

【００６０】図３（ａ４）は、図２の撮像素子２０，２
１，２２の撮像面に形成される指標マーク４７Ｘ，４７
Ｙ，４８の像４７ＸＰ，４７ＹＰ，４８Ｐ、並びにこれ
らに対応するウエハマークの像７ＸＰ，７ＹＰ及びフォ
ーカス計測用スリットの像５０Ｐを共通に示している。
ただし、偏光ビームスプリッタ１８の作用によって、ア
ライメント用の撮像素子２０の撮像面には、フォーカス
計測用スリットの像５０Ｐは殆ど形成されることがな
く、フォーカス計測用の撮像素子２１，２２の撮像面に
はウエハマークの像７ＸＰ，７ＹＰは殆ど形成されるこ
とがない。なお、フォーカス計測用の光束ＦＬによって
撮像素子２１，２２上に形成される、ウエハマークの部
分的な像の影響については後述する。

【００６１】また、撮像素子２１，２２の撮像面でのサ
ンプリング領域ＲＬは、図４（ａ２）に示すように、指
標板２７のフォーカス計測用の２つの指標マーク４８を
Ｒ方向に覆う領域に設定されており、ウエハＷの表面が
合焦状態では、そのサンプリング領域ＲＬの中央に、図
４（ａ３）のフォーカス計測用スリット５０の像が形成
される。また、サンプリング領域ＲＬ内でＲ方向に読み
出して得られる画像信号ＳＲの内で、指標マーク４８の
像に対応する部分は、図４（ｂ２）に示すようにＲ方向
の両端で正弦波状に変化する信号となり、フォーカス計
測用スリット５０の像に対応する部分は、図４（ｂ３）
に示すようにＲ方向の中央部で正弦波状に変化する信号
となる。実際には両方の信号を合成した形の画像信号Ｓ
Ｒが得られる。

【００６２】本例においては、フォーカス計測用の光束
ＦＬを瞳分割部材４４で分割して得られる第１光束５
３、及び第２光束５４は、互いにテレセントリック性が
逆方向に崩れているため、ウエハＷのフォーカス位置が
変化すると、撮像素子２１及び２２からの画像信号ＳＲ
の内で、図４（ｂ３）のフォーカス計測用スリットの像
に対応する部分が互いに逆方向に移動する。これに対し
て、指標板２７を透過した光束ＢＬを瞳分割部材４４で
分割して得られる２つの光束もテレセントリック性が崩
れているが、指標板２７と第２対物レンズ１６等との関
係は常に一定であるため、ウエハＷのフォーカス位置が
変化しても画像信号ＳＲの内で指標マーク４８の像に対
応する部分の位置は一定である。

【００６３】そこで、図２のデフォーカス量演算系１３
ｂは、アライメントの場合と同様にして、例えばスライ
スレベル法、相関法、又はアップダウンスロープ検出法
等によって、その画像信号ＳＲの内で２つの指標マーク
４８の像に対応する部分のＲ方向の中心位置ＲＢ、及び
フォーカス計測用スリット５０の像に対応する部分の中
心位置ＲＡを求め、中心位置ＲＢに対する中心位置ＲＡ
の横ずれ量ΔＱ（＝ＲＡ−ＲＢ）を求める。この横ずれ
量ΔＱは、撮像素子２１及び２２の各画像信号ＳＲにつ
いてそれぞれ独立に、例えばΔＱ１及びΔＱ２として算
出される。そして、これら２つの位置ずれ量ΔＱ１，Δ
Ｑ２に基づいて、ウエハマークのデフォーカス量を検出
することができる。

【００６４】この場合、図１（ａ）の投影露光装置で
は、投影光学系ＰＬの像面と、オフ・アクシス系５のベ
ストフォーカス位置とはＺ方向でほぼ同じ位置になるよ
うに調整が行われている。また、予めウエハＷの表面が
オフ・アクシス系５のベストフォーカス位置に合致して
いる状態で、上記の横ずれ量ΔＱ１，ΔＱ２の値ΔＱ１
１，ΔＱ２１が初期値として求められて、デフォーカス
量演算系１３ｂ内に記憶されている。その後のデフォー
カス量の検出時には、各撮像素子２１，２２の画像信号
ＳＲより求められる横ずれ量ΔＱ１，ΔＱ２から、それ
ぞれ初期値であるΔＱ１１，ΔＱ２１を差し引いて得ら
れる値ΔＲ１，ΔＲ２（これをまとめて「横ずれ量Δ
Ｒ」と呼ぶ）が、フォーカス計測用スリットの像の横ず
れ量とみなされる。

【００６５】そこで、図５及び図６を参照して本例のオ
フ・アクシス系５に対するウエハマークのデフォーカス
量の検出原理につき説明する。図５は、図２のオフ・ア
クシス系５の光学系と実質的に等価で、かつ簡略化され
た光学系を示し、図２では実際にはウエハＷの表面（ウ
エハ面）からの反射光に対して瞳分割部材４４によって
分割が行われているが、この図５においては、フォーカ
ス計測用の光束ＦＬは、ハーフミラー５２で反射された
後、レンズ系５１を介してウエハ面に斜めに入射してい
る。そして、ウエハ面で反射された光束ＦＬは、レンズ
系５１、及びレンズ４５を介して撮像素子２１の撮像面
２１ａにフォーカス計測用スリットの像を形成する。即
ち、ウエハ面に入射する光束ＦＬのテレセントリック性
が、反射面４４ａに対応する遮光部材によって光軸ＡＸ
Ｆに対してＲ方向に角度θ（ｒａｄ）だけ崩れた状態と
なっている。なお、簡単のためレンズ系５１及びレンズ
４５による倍率を１として説明する。

【００６６】ここで、ウエハ面にウエハマーク等のパタ
ーンが無いものとして、ウエハ面がオフ・アクシス系５
のベストフォーカス位置にある（合焦状態にある）場
合、光束ＦＬによってフォーカス計測用スリットの像が
ウエハ面の光軸ＡＸＦ上に投影されており、ウエハＷか
らの反射光５３Ａは撮像面２１ａ上で光軸ＡＸＦ上にそ
のフォーカス計測用スリットの像を形成しているものと
する。この状態から、ウエハ面が−Ｚ方向にＤだけ変位
すると、ウエハ面でのフォーカス計測用スリットの像の
位置はＲ方向に近似的にＤ・θだけ移動する。そして、
ウエハ面からの反射光５３Ｃによって撮像面２１ａ上に
形成されるフォーカス計測用スリットの像の位置は、−
Ｒ方向に２・Ｄ・θだけ移動する。

【００６７】これに対して、ウエハ面上の光軸ＡＸＦ上
に、フォーカス計測用スリットの像と同じようなパター
ンが形成されているものとして、ウエハ面がＤだけ−Ｚ
方向に変位すると、そのパターンによる光束ＦＬの反射
光５３Ｂが発生し、この反射光５３Ｂによって撮像面２
１ａ上に形成されるパターン像の位置が−Ｒ方向にＤ・
θだけ移動する。即ち、ウエハ面上にあるパターンの撮
像面２１ａ上での像の横ずれ量は、ウエハ面に投影され
たフォーカス計測用スリットの像の撮像面２１ａ上への
投影像の横ずれ量の１／２である。従って、デフォーカ
ス量の誤検出を防止するために、ウエハ面上には、フォ
ーカス計測用スリットの像と同じような形状（方向）の
パターンは無いことが望ましい。

【００６８】ここで、フォーカス計測用スリットの撮像
素子２１，２２の撮像面でのＲ方向への横ずれ量ΔＲ
と、ウエハ面のデフォーカス量Ｄとの関係につき、図６
を参照して説明する。図６は、図２中の撮像素子２１，
２２にそれぞれ向かう第１光束５３、及び第２光束５４
の主光線を示し、この図６において、簡単のために光束
５３及び５４は共通の光軸に沿って進むように表されて
いる。また、図２の瞳分割部材４４のテレセントリック
性を崩す作用によって、光束５３及び５４の主光線はそ
れぞれ光軸に対してほぼ対称に角度θ１及びθ２だけ傾
斜している。また、光束５３及び５４によるフォーカス
計測用スリットの像（結像光束）の横ずれ量ΔＲをそれ
ぞれＸ１及びＸ２として、これらの横ずれ量Ｘ１及びＸ
２に対応するデフォーカス量をそれぞれＤ１及びＤ２と
すると、図５より近似的に次の関係が成立している。な
お、図２のウエハ面から撮像素子２１，２２までの倍率
に応じた係数をｋとしている。

【００６９】Ｘ１＝２ｋ・Ｄ１・θ１（１）Ｘ２＝２ｋ・Ｄ２・θ２（２）これらをデフォーカス量Ｄ１，Ｄ２に関して表すと次の
ようになる。Ｄ１＝Ｘ１／（２ｋ・θ１）（３）Ｄ２＝Ｘ２／（２ｋ・θ２）（４）ここで、θ１＋θ２＝２θ，Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄとすると、
（１）式及び（２）式は次のように変形できる。Ｄ＝（Ｘ１＋Ｘ２）／（４ｋ・θ）（５）

【００７０】この場合、図２のデフォーカス量演算系１
３ｂには、光束５３，５４の主光線の傾斜角の平均値で
あるθ、及び倍率に応じた係数ｋの値が予め記憶されて
いる。なお、傾斜角θ、及び係数ｋの値を個別に記憶す
る代わりに、予め実際にウエハ面をＺ方向にデフォーカ
スさせたときの撮像素子２１，２２の撮像面でのフォー
カス計測用スリットの像の横ずれ量を実測し、この結果
より求められる（５）式の係数ｋ・θを一体として記憶
しておいてもよい。そして、デフォーカス量演算系１３
ｂは、撮像素子２１，２２の画像信号ＳＲより得られる
フォーカス計測用スリットの像の横ずれ量Ｘ１，Ｘ２を
（５）式に代入することによってウエハ面のデフォーカ
ス量Ｄを算出し、このデフォーカス量Ｄを主制御系１１
に供給する。

【００７１】なお、上記の落射照明とは異なり透過照明
の場合に本例のような瞳分割法で被検面のデフォーカス
量を計測する方法が特願昭６３−９１９５３号明細書に
開示されている。この場合、照明方式は異なってもテレ
セントリック性の崩れ量θの計測方法、分割された光束
の重心位置、及びデフォーカス量の算出方法はほぼ同じ
である。ただし、落射照明方式ではデフォーカス量に対
するフォーカス計測用スリットの像の横ずれ量が２倍に
なるため、検出感度が向上している。

【００７２】また、図５を参照して説明したように、ウ
エハＷ上へ投影されるフォーカス計測用スリットの像の
位置に、特にＲ方向に周期性を有するパターンが存在し
たときに、誤ってそのパターンの撮像素子２１，２２へ
の投影像を用いてデフォーカス量を計測すると、計測値
が本来のデフォーカス量Ｄの１／２になってしまう。本
例では、ウエハマーク７のデフォーカス量を計測するた
め、そのフォーカス計測用スリットの像の位置に有るパ
ターンはウエハマーク７そのものである。そこで、本例
では図３（ａ４）に投影像として示したように、フォー
カス計測用スリットの像５０Ｐの計測方向（周期方向）
は、ウエハマークの像７ＸＰ，７ＹＰの計測方向（周期
方向）に対してほぼ４５°傾けてあると共に、ウエハマ
ークの中央のマークの像７ＸＰの外形内にフォーカス計
測用スリットの像５０Ｐが収まるように、フォーカス計
測用スリット５０を小さくしてある。以下ではこの作用
効果につき説明する。

【００７３】まず、図７（ａ），（ｂ）は、例えば撮像
素子２１の撮像面において、ライン・アンド・スペース
パターンよりなるウエハマーク像５５Ａの周期方向がフ
ォーカス計測方向（Ｒ方向）に合致し、かつウエハマー
ク像５５Ａ上にこれより大きいフォーカス計測用スリッ
トの像５６Ａが投影されている場合を示し、図７（ａ）
はウエハ面が合焦しており、ウエハマーク像５５Ａの中
心にフォーカス計測用スリットの像５６Ａの中心が合致
している状態を、図７（ｂ）はウエハ面のデフォーカス
によって、フォーカス計測用スリットの像５６Ａの中心
がＲ方向に横ずれした状態をそれぞれ示している。な
お、フォーカス計測用スリットの像５６Ａが照明光とし
て使用されているため、ウエハマーク像５５Ａの中で実
際に投影されている部分は像５６Ａの内部にある部分の
みである（以下同様）。また、図７（ｂ）において、ウ
エハマーク像５５Ａの中心は点線で表され、フォーカス
計測用スリットの像５６Ａの本来の中心は一点鎖線で表
されており、画像処理によって求められる像５６Ａの中
心Ｃが、ウエハマーク像５５Ａの影響によって一点鎖線
から外れると、デフォーカス量が誤検出されることにな
る。これらは、以下の図８〜図１１においても同様であ
る。

【００７４】本例では、画像処理によってフォーカス計
測用スリットの像５６Ａの中心Ｃを検出する方法とし
て、像５６Ａの画像信号の変化をＲ方向に沿って両側か
ら調べ、それぞれ画像信号が最初に立ち上がる位置をエ
ッジＥ１，Ｅ２として検出し、両側のエッジＥ１，Ｅ２
の中間点を中心Ｃとみなすアップダウンスロープ検出法
を適用する。この場合、ウエハマークの種類によって以
下のような画像信号が得られるため、それに応じて検出
される中心Ｃの位置が変化することがある。

【００７５】（イ）撮像信号５７Ａ，５８Ａで示すよう
に、ウエハ面が鏡面である（ウエハマークが存在しな
い）場合である。当然ながら検出される中心Ｃの位置は
常にフォーカス計測用スリットの像５６Ａの本来の中心
に合致している。（ロ）ウエハマーク全体が反射性のマークである場合で
ある。このとき、図７の例ではウエハマーク像５５Ａの
全体が明るい像となるため、撮像信号５７Ｂ，５８Ｂが
得られ、検出される中心Ｃは本来の中心に合致してい
る。なお、画像信号５７Ｂ’及び５８Ｂ’はそれぞれ、
図２のウエハＷを暗視野照明した場合の画像信号を示し
ている。暗視野照明した場合には、ウエハマーク像５５
Ａのみが検出されるため、画像信号５８Ｂ’を用いて検
出される中心Ｃは本来の中心からは横ずれしている。

【００７６】（ハ）ウエハマークの凸部のみが高反射率
である場合である。このとき、図７の例では、ウエハマ
ーク像５５Ａの部分のみが明るい像となるため、画像信
号５７Ｃ，５８Ｃが得られ、撮像信号５８Ｃを用いたと
きに得られる中心Ｃは計測誤差を持っている。また、画
像信号５７Ｃ’，５８Ｃ’はそれぞれ暗視野照明した場
合に得られる画像信号であり、画像信号５８Ｃ’では中
心Ｃが誤検出される。

【００７７】（ニ）ウエハマークの凸部のみが低い反射
率である場合である。このとき、図７の例では、ウエハ
マーク像５５Ａの部分のみが暗い像となるため、フォー
カス計測用スリットの像５６Ａのエッジを含む画像信号
５７Ｄ，５８Ｄが得られて、正確に中心Ｃが検出され
る。ただし、この場合にも暗視野照明で得られる画像信
号５７Ｄ’，５８Ｄ’を用いると、図７（ｂ）の状態で
計測誤差が発生する。

【００７８】上述のように、フォーカス計測用スリット
の像５６Ａの計測方向（Ｒ方向）にウエハマーク像５５
Ａの周期方向が合致しており、かつ（ハ）のようにウエ
ハマークの凸部のみが高反射率である場合には、計測誤
差の発生することが分かる。次に、図８（ａ），（ｂ）
は、ウエハマーク像５５Ａの周期方向がフォーカス計測
方向（Ｒ方向）に合致し、かつウエハマーク像５５Ａ上
にこれより小さいフォーカス計測用スリットの像５６Ｂ
が投影されている場合を示し、図８（ｂ）はデフォーカ
スした状態を示している。この例においても、図７の例
と同様に、上記の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）の場
合に対応してそれぞれ画像信号５９Ａ，６０Ａ、５９
Ｂ，６０Ｂ、５９Ｃ，６０Ｃ、及び５９Ｄ，６０Ｄが得
られる。また、画像信号５９Ｂ’，６０Ｂ’、５９
Ｃ’，６０Ｃ’、及び５９Ｄ’，６０Ｄ’はそれぞれ暗
視野照明時に得られる信号である。

【００７９】この図８の例でも、各画像信号について、
両側からのアップダウンスロープ検出法でフォーカス計
測用スリットの像の中心Ｃを検出するものとすると、
（ハ）及び（ニ）の条件下で計測誤差が発生しているこ
とが分かる。これは、ウエハマークの位置や反射率の条
件に最も影響を受け易いことを意味している。次に、図
９（ａ），（ｂ）は、ウエハマーク像５５Ｂの周期方向
がフォーカス位置の計測方向（Ｒ方向）に直交し、かつ
ウエハマーク像５５Ｂ上にＲ方向にこれより大きいフォ
ーカス計測用スリットの像５６Ｃが投影されている場合
を示している。この例においても、図７の例と同様に、
上記の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）の場合にそれぞ
れ画像信号６１Ａ，６２Ａ、６１Ｂ，６２Ｂ、６１Ｃ，
６２Ｃ、及び６１Ｄ，６２Ｄが得られる。また、画像信
号６１Ｂ’，６２Ｂ’、６１Ｃ’，６２Ｃ’、及び６１
Ｄ’，６２Ｄ’はそれぞれ暗視野照明時に得られる信号
である。

【００８０】この例でも、各画像信号について、両側か
らのアップダウンスロープ検出法でフォーカス計測用ス
リットの像の中心Ｃを検出するものとすると、（ハ）の
条件下で計測誤差が発生していることが分かる。しかし
ながら、画像信号の形状自体は大きく変化していない。
次に、図１０（ａ），（ｂ）は、ウエハマーク像５５Ｂ
の周期方向がフォーカス位置の計測方向（Ｒ方向）に直
交し、かつウエハマーク像５５Ｂ上にこれより小さいフ
ォーカス計測用スリットの像５６Ｄが投影されている場
合を示している。この例においても、図７の例と同様
に、上記の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）の場合にそ
れぞれ画像信号６３Ａ，６４Ａ、６３Ｂ，６４Ｂ、６３
Ｃ，６４Ｃ、及び６３Ｄ，６４Ｄが得られる。また、画
像信号６３Ｂ’，６４Ｂ’、６３Ｃ’，６４Ｃ’、及び
６３Ｄ’，６４Ｄ’はそれぞれ暗視野照明時に得られる
信号である。

【００８１】この例でも、各画像信号について、両側か
らのアップダウンスロープ検出法でフォーカス計測用ス
リットの像の中心Ｃを検出するものとすると、ウエハマ
ークの有無に関係なく、何れの場合でも計測誤差は発生
していない。また、画像信号の波形も安定していること
が確認できる。以上の結果より、ウエハマーク上にこの
マークより小さいフォーカス計測用スリットの像を照射
し、かつウエハマークの計測方向（周期方向）とフォー
カス計測方向（Ｒ方向）とを直交させれば、デフォーカ
ス量の計測誤差が発生しないことが確認できた。しか
し、実際に使用されるウエハマークは、図１（ｂ）のウ
エハマーク７のように、Ｘ軸のマーク７ＸとＹ軸のマー
クとがあるため、本例ではフォーカス計測用スリットの
像をマーク７Ｘ，７Ｙについて共用するために、そのフ
ォーカス計測用スリットの像の計測方向をマーク７Ｘ，
７Ｙの周期方向に４５°で交差させ、かつフォーカス計
測用スリットの像をマーク７Ｘよりも小さくしている。
なお、前述のように、スリット像とマーク像が交差する
条件を満たしていれば１０°〜３０°程度の傾きでもよ
い。

【００８２】図１１（ａ），（ｂ）は、本例のようにウ
エハマーク像５５Ａ（これがＸ軸のマークの像７ＸＰに
相当する）の周期方向（Ｘ方向）に対してフォーカス位
置の計測方向（Ｒ方向）が４５°で交差し、かつウエハ
マーク像５５Ａ上にこれより小さいフォーカス計測用ス
リットの像５０Ｐが投影されている場合を示し、像５０
Ｐは、３個の小さい開口パターンの像５６Ｅ〜５６Ｇよ
りなるマルチパターンである。

【００８３】この例においても、図７の例と同様に、上
記の（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）の場合にそれぞれ
画像信号６５Ａ，６６Ａ、６５Ｂ，６５Ｂ、６５Ｃ，６
６Ｃ、及び６５Ｄ，６６Ｄが得られる。また、画像信号
６５Ｂ’，６６Ｂ’、６５Ｃ’，６６Ｃ’、及び６５
Ｄ’，６６Ｄ’はそれぞれ暗視野照明時に得られる信号
である。

【００８４】この例でも、各画像信号について、両側か
らのアップダウンスロープ検出法でフォーカス計測用ス
リットの像５０Ｐの中心Ｃを検出するものとすると、ウ
エハマークの有無に関係なく、更に図１１（ｂ）のよう
なデフォーカス状態でも、何れの場合でも計測誤差は発
生していない。また、画像信号の波形も安定しているこ
とが確認できる。また、図１１の例では、暗視野照明を
行ってもそれぞれ計測誤差が発生することなく、正確に
デフォーカス量を検出できることが分かる。なお、像５
０Ｐの代わりに、単一スリットの投影像を使用しても正
確にデフォーカス量を検出できるが、検出精度は全体の
光量とフォーカス計測用スリットのエッジ数とに依存す
るため、マルチパターンを使用することによって計測精
度が向上する。

【００８５】ここで、ウエハマーク像５５Ａのウエハ面
に換算した大きさの一例を５４μｍ（Ｙ方向）×６０μ
ｍ（Ｘ方向）として、フォーカス計測用スリットの像５
０Ｐのウエハ面での投影位置精度、その像の位置の計測
精度、及びデフォーカス量が最大のときの像５０ＰのＲ
方向への横ずれ量等を全体として±５μｍ以下に抑える
ことができるものとすると、像５０Ｐのウエハ面に換算
したＲ方向の幅ＨＡ、及びこれに直交する方向の幅ＨＢ
の上限は、それぞれ次のようになる。ＨＡ＝ＨＢ＝（５４−１０）／２^1/2≒３１（μｍ）（６）

【００８６】また、本例ではフォーカス計測用の光束Ｆ
Ｌの波長域は、アライメント用の光束ＡＬと同じ５００
〜８００ｎｍであるため、平均波長λを６５０ｎｍとす
る。また、図２におけるフォーカス計測用スリット板３
６の照明光のコヒーレンスファクタ（σ値）をほぼ１と
して、かつレンズ３５Ａから第１対物レンズ１４までの
結像系の開口数ＮＡ_AFを０．１５程度であるとすると、
フォーカス計測用スリットの像５０Ｐのウエハ面での最
小線幅ｄはほぼ次のようになる。ｄ＝λ／ＮＡ_AF＝６５０／０．１５（ｎｍ）≒４（μｍ）（７）

【００８７】従って、図１１（ａ）の幅ＨＡの中に最小
線幅の開口パターンの像を少なくとも３本（幅で約２０
μｍ）は余裕を持って配置することができる。また、図
１１（ａ）に示すように、フォーカス計測用スリットの
像５０Ｐはマルチパターンであるため、そのＲ方向の中
心Ｃを決定するためには、通常はその像５０Ｐの画像信
号を用いて、各開口パターンの像５６Ｅ〜５６Ｇの中心
位置を求め、これらの中心位置の全体の中心を求めれば
よい。

【００８８】ただし、例えばウエハ上の反射率分布や段
差等によって、そのマルチパターンの像の内の特定のパ
ターンの像のコントラストが所定の許容値より悪いよう
な場合には、その部分を除外してそのフォーカス計測用
スリットの像５０Ｐの中心を決定するようにしてもよ
い。また、その画像信号そのものを用いる代わりに、そ
の画像信号の微分信号（デジタル信号の場合には差分信
号）を用いてもよい。このように微分信号を用いる場合
にも、微分信号のコントラストが悪い部分を除外してフ
ォーカス計測用スリットの像５０Ｐの中心を決定するよ
うにしてもよい。そのように部分的に画像信号、又は微
分信号のコントラストが低下する場合につき、図１２を
参照して説明する。

【００８９】図１２（ａ）は、サーチアライメント時の
ウエハ上のウエハマークとフォーカス計測用スリットの
像（これも５０Ｐとする）との関係の一例を示し、この
図１２（ａ）において、サーチアライメント時には例え
ばウエハの外形基準で大まかに位置合わせが行われてい
るのみであるため、計測対象のウエハマーク（マーク７
Ｘ，７Ｙ）を図２のオフ・アクシス系５の視野内に移動
しても、フォーカス計測用スリットの像５０Ｐは、初め
は必ずしもＸ軸のマーク７Ｘ上にはなく、ショット領域
ＳＡとストリートライン領域ＳＬとの境界部を横切る領
域に有ることがある。

【００９０】この際に、ショット領域ＳＡ（回路パター
ン領域）でのウエハの反射率が低いものとすると、ウエ
ハが合焦状態に近いときには、そのフォーカス計測用ス
リットの像５０Ｐに対応するＲ方向への画像信号ＳＲ
は、図１２（ｂ）に示すようになる。また、図１２
（ｃ）がその画像信号ＳＲの微分信号ｄＳＲ／ｄＲであ
る。図１２（ｂ），（ｃ）のように、画像信号ＳＲ、微
分信号ｄＳＲ／ｄＲの何れにおいても、３本のパターン
に対応する部分のコントラストが許容値以上であるとき
には、３本のパターンの各中心位置を求め、これらの平
均化を行うことで、高い計測精度が得られる。

【００９１】ところが、ウエハのデフォーカス量が大き
くなって、画像信号ＳＲの各パターンに対応する部分の
コントラストが図１２（ｄ）に示すように悪化すると、
それに対応する微分信号ｄＳＲ／ｄＲのコントラスト
も、図１２（ｅ）に示すように悪化する。図１２（ｅ）
より特に中央、及び左側のパターンに対応する部分のコ
ントラストが悪化していることが分かるため、右側のパ
ターンに対応する微分信号ｄＳＲ／ｄＲのみの中心位置
を求めることになる。この場合、予め左右のパターンの
位置から中心のパターンの位置までのオフセットを求め
ておき、その右側のパターンの中心位置にそのオフセッ
トを加算することによって、フォーカス計測用スリット
の像５０Ｐの中心位置を正確に求めることができ、ひい
てはデフォーカス量を高精度に計測できる。

【００９２】なお、そのサーチアライメント後にウエハ
マーク７の位置を検出する際には、図１３（ａ）に示す
ように、ウエハマーク７の中心は、ほぼ図２のアライメ
ント用の撮像素子２０のサンプリング領域ＸＬ，ＹＬの
中心付近に位置決めされて、中央のＸ軸のマーク７Ｘ上
にフォーカス計測用スリットの像５０Ｐが投影され、こ
の投影像の画像信号ＳＲ（又は微分信号）よりマーク７
Ｘのデフォーカス量、即ちウエハマーク７のデフォーカ
ス量が高精度に計測される。そこで、そのデフォーカス
量を相殺するように、図１（ａ）のＺ駆動部２Ａ〜２Ｃ
を駆動することで、ウエハマーク７がオフ・アクシス系
５に対して合焦される。

【００９３】この場合、図１３（ｂ）の断面図に示すよ
うに、ショット領域ＳＡとストリートライン領域ＳＬと
の間に段差があっても、直接ウエハマーク７を合焦させ
ることができるため、サンプリング領域ＸＬ内では図１
３（ｃ）に示すように、高いコントラストの画像信号Ｓ
Ｘが得られ、これに基づいてマーク７ＸのＸ座標が高精
度に計測される。Ｙ軸のマーク７Ｙについても同様であ
る。

【００９４】このようにデフォーカス量を計測するに際
して本例では、図２のフォーカス計測用の光束ＦＬと、
アライメント用の光束ＡＬとが偏光ビームスプリッタ１
８によってほぼ完全に分離されている。従って、ウエハ
Ｗ上では図１３（ａ）に示すように、ウエハマーク７と
フォーカス計測用スリットの像５０Ｐとが同時に照明さ
れているにも拘らず、図２の撮像素子２０にはフォーカ
ス計測用スリットの像からの光束は入射することがな
く、撮像素子２１，２２にはアライメント用の光束によ
るウエハマーク７からの光束が入射することがない。従
って、同じ広帯域のフォーカス計測用の光束、及びアラ
イメント用の光束を使用する条件下でも、第１対物レン
ズ１４及び第２対物レンズ１６等の光学系を共通に使用
し、かつ指標板２７を共通に使用して、デフォーカス量
の計測、及び位置計測をほぼ同時に並列に処理すること
ができる。

【００９５】次に、上記の実施の形態の投影露光装置を
用いて、ウエハ交換を行いながら露光を行う際の一連の
動作の一例につき図１４のフローチャートを参照して説
明する。まず、図１４のステップ１０１で図１（ａ）の
ウエハステージ１をローディング位置に移動して、ウエ
ハ交換を行った後、ステップ１０２において、ウエハス
テージ１を駆動してウエハの位置を投影光学系ＰＬ用の
ＡＦセンサ（不図示）からのフォーカス計測用の照明光
（露光用フォーカスビーム）が照射される位置まで移動
して、その位置でのデフォーカス量（ここでは投影光学
系ＰＬの像面に対するデフォーカス量）がほぼ０になる
ようにＺ駆動部２Ａ〜２Ｃを駆動する。これによって、
ラフなフォーカス追い込みが行われたことになる。これ
は、本例のオフ・アクシス系５には、大まかにフォーカ
ス位置を計測するセンサが備えられていないために行わ
れる工程であり、オフ・アクシス系５に例えば大まかに
フォーカス位置を計測するＡＦセンサを設けた場合に
は、ステップ１０２は省略することができる。

【００９６】次に、ステップ１０３において、ウエハ上
の例えば２個のウエハマーク７（図１（ｂ）参照）をサ
ーチアライメントの対象に選択する。これらのウエハマ
ーク７の位置は、ウエハの外形基準によって大まかに計
測されている。そこで、ウエハステージ１を駆動して、
１番目のウエハマーク７をオフ・アクシス系５の視野の
中央に移動する。ただし、この段階ではウエハのオフセ
ットやローテーション等によってウエハマーク７の中心
は視野の中心から比較的大きくずれていることがある。
この状態で、図２のフォーカス計測用の光束ＦＬ、及び
アライメント用の光束ＡＬを照射して、デフォーカス量
演算系１３ｂにてウエハの表面のフォーカス位置、即ち
オフ・アクシス系５に対するデフォーカス量を計測し、
このデフォーカス量を相殺するようにＺ駆動部２Ａ〜２
Ｃを駆動してウエハの合焦を行う。それに続くステップ
１０４において、位置演算系１３ａにてオフ・アクシス
系５の撮像素子２０の画像信号を処理して、そのウエハ
マークの検出基準からの位置ずれ量を求めて主制御系１
１に供給する。これがサーチアライメントである。

【００９７】この位置ずれ量が所定の許容値より大きい
場合には、主制御系１１は、その位置ずれ量をオフセッ
トとして記憶すると共に、そのオフセットを相殺するよ
うにウエハステージ１をＸ方向、Ｙ方向に駆動する。そ
の後、位置演算系１３ａは再びそのウエハマーク７の位
置ずれ量を求めて、主制御系１１に供給する。これによ
って、サーチ用のウエハマークの中心はオフ・アクシス
系５の視野のほぼ中心に移動された状態で位置計測が行
われるため、視野の周辺部で結像系の収差が大きいよう
な場合でも、高精度にサーチアライメントを行うことが
できる。主制御系１１は、その位置ずれ量にウエハステ
ージ駆動系６内のレーザ干渉計で計測される試料台３の
座標を加算することによって、そのレーザ干渉計の計測
値によって規定されるステージ座標系（Ｘ，Ｙ）でのそ
のウエハマークの配列座標を求める。同様に、２番目の
サーチ用のウエハマークについてもステップ１０３，１
０４を実行して、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での配列座
標を求める。この際に、サーチアライメントではそれ程
の計測精度は必要ではないため、２番目のウエハマーク
のフォーカス計測動作を省略してもよいし、後述するフ
ァインアライメントからフォーカス計測動作を行っても
よい。

【００９８】その後、２つのサーチ用のウエハマークの
配列座標の計測結果を処理して、ウエハのオフセット、
及び回転誤差を求め、これらに基づいてウエハ上の各ウ
エハマーク（ひいては各ショット領域）の大まかな配列
座標を算出する。次に、例えばエンハスト・グローバル
・アライメント（ＥＧＡ）方式でファイン・アライメン
トを行うために、ウエハ上から所定個数（例えば３個以
上）のウエハマーク７を選択する。

【００９９】そして、ステップ１０５において、算出さ
れた配列座標に基づいてウエハステージ１を駆動して、
１番目のウエハマーク７をオフ・アクシス系５の視野内
に移動して、フォーカス計測とマーク位置計測とを同時
に並列に実行する。このようにフォーカス計測とマーク
位置計測とを同時に実行できるのは、サーチアライメン
トによって一度合焦が行われており、各ウエハマークの
デフォーカス量は既に許容範囲内に収まっている場合が
多いからであり、これによってスループットが向上す
る。また、サーチアライメントによって、各ウエハマー
クの中心はほぼオフ・アクシス系５の視野の中心付近に
移動するため、位置計測も高精度に実行される。

【０１００】次に、ステップ１０６においてデフォーカ
ス量演算系１３ｂは、フォーカス位置を計測した際のフ
ォーカスゲインが許容範囲内であったかどうか、即ち例
えば図４（ｂ３）に示すフォーカス計測用スリットの像
に対応する画像信号ＳＲのレベルが所定の許容範囲内で
あったかどうかを確認し、許容範囲外であるときにはス
テップ１０７で、例えば図２の撮像素子２１，２２とデ
フォーカス量演算系１３ｂとの間の不図示の増幅器のゲ
インを再設定してステップ１０５に戻る。一方、フォー
カスゲインが適正である場合には、ステップ１０６から
ステップ１０８に移行して、主制御系１１はステップ１
０５で計測されたデフォーカス量が許容範囲内がどうか
を確認し、許容範囲外であればステップ１１１に移行し
てＺ駆動部２Ａ〜２Ｃを駆動してデフォーカス量が許容
範囲内になるように、フォーカス位置の追い込みを行っ
てから、ステップ１０５に戻る。そして、デフォーカス
量が許容範囲内であるときには、ステップ１０８からス
テップ１１０に移行して、計測すべきウエハマークが残
っているかどうかを調べ、計測すべきウエハマークが残
っているときにはステップ１１１に移行して、そのウエ
ハマークをオフ・アクシス系５の視野内に移動してステ
ップ１０５に戻る。

【０１０１】その後、所定個数のウエハマークの計測が
終了したときには、ステップ１１２に移行して主制御系
１１は、計測されたウエハマークの配列座標よりＥＧＡ
パラメータ（Ｘ方向及びＹ方向のスケーリング、ローテ
ーション、直交度、Ｘ方向及びＹ方向のオフセット等）
を算出し、この結果を用いてウエハ上の全部のショット
領域の配列座標を算出する。その後、ステップ１１３に
おいて、算出された配列座標をオフ・アクシス系５のベ
ースライン量で補正した値に基づいてウエハを移動する
ことによって、ウエハ上の全部のショット領域へのレチ
クルのパターン像の露光が行われる。そして、ステップ
１１４で未露光のウエハが尽きるまで、ステップ１０１
〜１１３の動作が繰り返される。

【０１０２】この際に、ステップ１０７のフォーカスゲ
インの再設定、及びステップ１０９のフォーカスの追い
込み動作が実行される確率は低いため、高いスループッ
トで露光が行われる。次に、上記の実施の形態の投影露
光装置は、図１（ａ）の照明光学系１０、投影光学系Ｐ
Ｌ、及びオフ・アクシス系５等を光学的に組み上げると
共に、レチクルステージ８及びウエハステージ１を含む
ステージ系等を機械的に組み上げることによって製造さ
れる。この製造は例えばクリーンルーム内で行うことが
望ましい。

【０１０３】なお、上記の実施の形態では、図２のオフ
・アクシス系５において偏光状態選択素子として偏光ビ
ームスプリッタ１８が使用されているが、その代わりに
ウォラストン・プリズム（Wollaston prism ）、グラン
・トムソンプリズム（Glan-Thompson prism ）又はニコ
ルプリズム（Nicol prism ）等を使用した光学系を用い
ることができる。

【０１０４】また、上記の実施の形態では、フォーカス
計測用の光束ＦＬ、及びアライメント用の光束ＡＬは同
じ波長域で偏光状態が異なっているが、それ以外に光学
特性の異なる光束を得るために、例えばフォーカス計測
用の光束ＦＬ、及びアライメント用の光束ＡＬを同じ波
長域として、かつ互いに異なる周波数ｆ１，ｆ２で強度
変調してもよい。この場合、得られる光電変換信号を中
心周波数がｆ１，ｆ２のバンドパスフィルタに通すこと
によって光束ＦＬ，ＡＬを正確に分離できるため、フォ
ーカス位置の計測とアライメントとを同時に並列に実行
することができる。

【０１０５】また、上記の実施の形態では投影光学系Ｐ
Ｌを屈折光学系より構成しているが、投影光学系ＰＬと
して反射屈折系を用いた投影露光装置や、露光ビームと
して極端紫外光（ＥＵＶ光）としてのＸ線を用いる場合
に想定されているように、投影光学系ＰＬとして反射光
学系を用いた投影露光装置等にも、本発明による位置検
出装置を適用することができる。

【０１０６】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取
り得ることは勿論である。

【０１０７】

【発明の効果】本発明の位置検出方法、又は位置検出装
置によれば、フォーカス位置の計測用の照明光、及び位
置計測用の照明光として、例えば波長域が同じで互いに
光学特性の異なる光束を用いているため、位置検出用の
光束よりも広い波長域の光束を使用することなく、被検
マークのフォーカス位置やデフォーカス量等の合焦状態
を検出できる利点がある。

【０１０８】また、被検マーク上、又はこの近傍上にフ
ォーカス計測用の光束が照射されているため、被検マー
クが形成されている領域の近くに段差等が存在する場合
でも、高速に、かつその被検マークの形状に影響される
ことなく高精度にその被検マークの合焦状態を検出でき
る利点がある。また、フォーカス計測と位置計測とを同
時に実行することによって、計測時間が短縮できる。

【０１０９】また、本発明の露光装置によれば、そのよ
うな位置検出方法を使用することによって、高精度、か
つ高いスループットでアライメントを行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施の形態の一例で使用さ
れる投影露光装置を示す概略構成図、（ｂ）は検出対象
のウエハマーク７を示す要部の拡大平面図である。

【図２】図１中のオフ・アクシス系５を示す構成図で
ある。

【図３】図２中の視野スリット板３０、指標板２７、
フォーカス計測用スリット板３６上の開口パターン、及
びそれらに対応する位置計測用の画像信号を示す図であ
る。

【図４】図２中の視野スリット板３０、指標板２７、
フォーカス計測用スリット板３６上の開口パターン、及
びそれらに対応するフォーカス計測用の画像信号を示す
図である。

【図５】図２のウエハから撮像素子２１までの光学系
と実質的に等価な簡略化した光学系を示す図である。

【図６】図２のオフ・アクシス系５におけるウエハの
デフォーカス量と、フォーカス計測用スリットの像の横
ずれ量との関係を示す図である。

【図７】ウエハマーク上にこれより大きいフォーカス
計測用スリットの像が投影されており、かつウエハマー
クの計測方向とフォーカス位置の計測方向（Ｒ方向）と
が一致している場合に、合焦状態及びデフォーカス状態
でウエハマークの条件に応じて得られる複数の画像信号
を示す図である。

【図８】ウエハマーク上にこれより小さいフォーカス
計測用スリットの像が投影されており、かつウエハマー
クの計測方向とフォーカス位置の計測方向（Ｒ方向）と
が一致している場合に、合焦状態及びデフォーカス状態
でウエハマークの条件に応じて得られる複数の画像信号
を示す図である。

【図９】ウエハマーク上にこれより大きいフォーカス
計測用スリットの像が投影されており、かつウエハマー
クの計測方向がフォーカス位置の計測方向（Ｒ方向）に
直交している場合に、合焦状態及びデフォーカス状態で
ウエハマークの条件に応じて得られる複数の画像信号を
示す図である。

【図１０】ウエハマーク上にこれより小さいフォーカ
ス計測用スリットの像が投影されており、かつウエハマ
ークの計測方向がフォーカス位置の計測方向（Ｒ方向）
に直交している場合に、合焦状態及びデフォーカス状態
でウエハマークの条件に応じて得られる複数の画像信号
を示す図である。

【図１１】ウエハマーク上にこれより小さいフォーカ
ス計測用スリットの像が投影されており、かつウエハマ
ークの計測方向に対してフォーカス位置の計測方向（Ｒ
方向）が４５°で交差している場合に、合焦状態及びデ
フォーカス状態でウエハマークの条件に応じて得られる
複数の画像信号を示す図である。

【図１２】ウエハマークに対してフォーカス計測用ス
リットの像５０Ｐの位置が比較的大きく外れた状態で得
られるフォーカス計測用の画像信号ＳＲの２つの例、及
びその画像信号ＳＲの微分信号を示す図である。

【図１３】（ａ）はウエハマーク７の中心部上にフォ
ーカス計測用スリットの像５０Ｐが投影されている状態
を示す拡大平面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）は図１
３（ａ）のサンプリング領域ＸＬ内に対応する画像信号
ＳＸを示す図である。

【図１４】本発明の実施の形態の一例における露光動
作の一例を示すフローチャートである。

【図１５】従来のウエハマークのフォーカス位置の計
測方法の説明図である。

【符号の説明】

１…ウエハステージ、５…オフ・アクシス方式のアライ
メントセンサ（オフ・アクシス系）、７…ウエハマー
ク、８…レチクルステージ、１１…主制御系、１３…ア
ライメント信号処理系、Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学
系、Ｗ…ウエハ、１５…ハーフミラー、１８，３２…偏
光ビームスプリッタ、２０…撮像素子、２１，２２…１
次元の撮像素子、２３…発光ダイオード、２７…指標
板、３０…視野スリット板、３６…フォーカス計測用ス
リット板、４４…瞳分割部材、４７Ｘ，４７Ｙ…アライ
メント用の指標マーク、４８…フォーカス計測用の指標
マーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の基板に形成された被検マークの位
置を検出するための位置検出方法において、前記被検マークに第１の照明光を照射し、前記基板上の前記被検マーク上又はこの近傍に前記第１
の照明光と光学特性の異なる第２の照明光を照射し、前記基板からの前記第１の照明光に対応する光学特性を
有する光束を所定の対物光学系を介して検出すると共
に、前記基板からの前記第２の照明光に対応する光学特
性を有する光束を前記対物光学系を介して検出し、前記第２の照明光に対応する光学特性を有する光束に基
づいて前記基板の前記被検マークが形成されている領域
の前記対物光学系に対する合焦状態を求め、前記第１の照明光に対応する光学特性を有する光束に基
づいて前記被検マークの位置を求めることを特徴とする
位置検出方法。
【請求項２】所定の基板に形成された被検マークの位
置を検出するための位置検出装置において、前記被検マークに第１の照明光を照射する第１の照明系
と、前記基板上の前記被検マーク上又はこの近傍に前記第１
の照明光と光学特性の異なる第２の照明光を照射する第
２の照明系と、前記基板からの前記第１の照明光に対応する光学特性を
有する光束を所定の対物光学系を介して検出する第１の
検出系と、前記基板からの前記第２の照明光に対応する光学特性を
有する光束を前記対物光学系を介して検出する第２の検
出系と、該第２の検出系からの検出信号に基づいて前記基板の前
記被検マークが形成されている領域の前記対物光学系に
対する合焦状態を求める焦点ずれ演算系と、前記第１の検出系からの検出信号に基づいて前記被検マ
ークの位置を求める位置演算系と、を有することを特徴
とする位置検出装置。
【請求項３】前記光学特性は偏光特性であり、前記第１及び第２の照明光の両方の偏光特性を有する第
３の照明光のもとで、前記第１及び第２の検出系にそれ
ぞれ位置検出及び合焦状態の検出の基準となる指標マー
クの像を投影する指標マーク投影系を備えたことを特徴
とする請求項２記載の位置検出装置。
【請求項４】前記指標マーク投影系によって投影され
る前記指標マークは、位置検出の基準となる指標マーク
と、合焦状態の検出の基準となる指標マークとが互いに
独立に設けられていることを特徴とする請求項３記載の
位置検出装置。
【請求項５】前記第２の照明系は、前記基板上の前記
被検マークの近傍に所定の開口パターンの像を投影し、前記第２の検出系は、前記基板からの光束を互いに主光
線の傾斜角の異なる２つの部分光束に分割する光束分割
系と、該光束分割系によって分割された２つの部分光束
よりそれぞれ前記開口パターンの像を形成する２つの部
分結像系と、を有することを特徴とする請求項２記載の
位置検出装置。
【請求項６】前記被検マークは所定方向に沿ったエッ
ジを持つパターンを備え、前記第２の照明系によって投影される前記開口パターン
の像の１つのエッジは前記パターンのエッジに対して交
差していると共に、前記開口パターンの像の外形は前記
被検マークの外形よりも小さいことを特徴とする請求項
５記載の位置検出装置。
【請求項７】前記被検マークは所定方向に沿ったエッ
ジを持つパターンを備え、前記第２の照明系によって投影される前記開口パターン
の像は、前記パターンのエッジに交差する方向に伸びた
複数の線状パターンよりなることを特徴とする請求項５
記載の位置検出装置。
【請求項８】請求項２〜７の何れか一項記載の位置検
出装置と、マスクパターンを投影する投影光学系と、前記被検マークとしての位置合わせ用マークが形成され
ると共に、該位置合わせ用マークに対応する位置に前記
マスクパターンの像が転写される基板を載置して位置決
めするステージ系と、前記位置検出装置の前記焦点ずれ演算系の検出結果に基
づいて、前記ステージ系上の前記基板の高さを制御する
合焦系と、を有することを特徴とする露光装置。