JP5943717B2 - 位置検出システム、インプリント装置、デバイス製造方法、および位置検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体間の相対的な位置を求める位置検出システム、インプリント装置、デバイス製造方法、および位置検出方法に関する。

半導体デバイスの微細化の要求が進み、従来のフォトリソグラフィー技術に加え、インプリント技術と呼ばれる微細加工技術が注目を集めている。この技術は、インプリント技術とも呼ばれ、基板上に数ナノメートルオーダーの微細な構造体を形成することができる。例えば、インプリント技術の１つとして、光硬化法がある。この光硬化法を用いたインプリント装置では、まず、基板（ウエハ）上のインプリント領域であるショットに樹脂（インプリント材、光硬化性樹脂）を塗布する。次に、基板に塗布された樹脂を型により成形する。そして、光（紫外線）を照射して樹脂を硬化させたうえで樹脂と型とを離す（離型する）ことにより、樹脂のパターンが基板上に形成される。

この光硬化法に適合したインプリント装置は、例えば特許文献１に開示されている。インプリント装置における基板と型との位置合わせには、基板と型とを接触させる（押型）時に、基板と型のそれぞれに形成された位置合わせマークをショット毎に観察する。観察結果から得られたずれ量を補正して、樹脂を硬化させる、いわゆるダイバイダイ方式が採用されている。

インプリント装置では、位置合わせマークとして計測方向に周期（繰り返しパターン）を持つ回折格子が型と基板のそれぞれに形成されている。型と基板に形成された回折格子の周期（繰り返しパターンのピッチ）は互いに僅かに異なっている。ピッチが互いに異なる回折格子を重ねると、２つの回折格子からの回折光同士の干渉により、干渉縞（いわゆるモアレ縞）が現れる。２つの回折格子の相対位置によってモアレ縞の位相が変化するので、モアレ縞を観察することにより型と基板の相対的な位置を合わせることができる。モアレ縞を検出するために、インプリント装置は回折格子を照明する照明光学系とモアレ縞を検出する検出光学系とを有する。

従来、モアレ縞の位相を求めるために、検出光学系の受光素子が検出したモアレ縞の全ての領域を用いて位相を求め、型と基板との相対位置を合わせていた。検出光学系の受光素子が検出したモアレ縞は、特許文献２の図３（３Ｃ、３Ｄ）に開示されている。

特表２００８−５２２４１２号公報 特開２０１１−２４３６６４号公報

型と基板に形成された回折格子に照明した光の正反射光以外の光を検出するためには、特許文献１のインプリント装置のように、型と基板の少なくとも一方の回折格子を、計測方向と直交する方向に周期を持つチェッカーボード状の回折格子とする。計測方向と直交する方向（非計測方向）に周期を持つ回折格子を用いることによって、照明光学系から照明された光が非計測方向に回折した光を検出することができる。

回折角の大きさは非計測方向の回折格子の間隔（ピッチ）によって決まるため、回折角の大きさや、位置合わせマークが形成できる領域の制限などから、非計測方向に形成された回折格子の周期の数（繰り返し回数）が少なくなる場合がある。非計測方向に形成された回折格子のピッチや周期の数によって、検出光学系が検出したモアレ縞（回折光の干渉パターン）の強度に非計測方向に非対称な強度分布が生じることが分かった。そのため、検出系が検出したモアレ縞から、計測に用いる検出領域を非計測方向に制限すると、非計測方向における検出領域の位置によってモアレ縞から求まる位相にずれが生じることが分かった。特許文献２の図３ではモアレ縞を３周期用いており、非計測方向に非対称な強度分布が生じると検出精度が低下する恐れがある。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、非計測方向に周期を持つ回折格子を用いて２つの物体の相対的な位置を求める方法であって、相対的な位置を精度よく求めることができる位置検出システムを提供する。

本発明の位置検出システムは、第１方向に周期を有する第１回折格子と、前記第１回折格子の第１方向に関する周期と異なる周期を第１方向に有し、第１方向と異なる第２方向に周期を有する第２回折格子と、を照明する照明光学系と、前記照明光学系に照明された前記第１回折格子と前記第２回折格子とから光による干渉パターンを検出する検出光学系と、制御部と、を備え、前記検出光学系の検出結果から、前記第１回折格子と前記第２回折格子との第１方向における相対的な位置を検出する位置検出システムであって、前記制御部は、前記検出光学系で検出された第１方向に周期的に変化する前記干渉パターンのうち、第１方向に偶数周期で、第２方向に制限された検出領域を用いて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、非計測方向に周期を持つ回折格子を用いて２つの物体の相対的な位置を求める方法であって、相対的な位置を精度よく求めることができる位置検出システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係るインプリント装置の構成を示す図である。 モアレ縞を発生する位置合わせマークを示す図である。 本発明の第一実施形態に係るＸ方向用位置合わせマークを示す図である。 本発明の第一実施形態に係るマーク検出部の構成の一例を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るマーク検出部の構成の一例を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るマーク検出部の瞳面を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るモアレ縞計測時の回折光の様子を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るＹ方向用位置合わせマークを示す図である。 本発明の第一実施形態に係る位置検出装置を用いてＸ方向とＹ方向の位置合わせのためのモアレ縞を観察する様子を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る位置合わせマークとモアレ縞を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る位置合わせマークとモアレ縞を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る干渉縞の光強度を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。

（第一実施形態）
（装置の構成について）
まず、本発明の第一実施形態に係るインプリント装置１の構成について図１を用いて説明する。本実施形態のインプリント装置は、光硬化法を採用するものとする。また、以下の説明では図１のように、基板および型に平行な面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸をとり、Ｘ軸とＹ軸とに垂直な方向をＺ軸として説明する。

インプリント装置１は、照射部２、マーク検出部３、型７を保持する型保持部４、基板８を保持する基板ステージ５、樹脂９を基板８に塗布（供給）する塗布部６を有する。

照射部２は、型７と樹脂９とを接触（押型）させた後、樹脂９を硬化させるために型７に対して光を照射する。照射部２には、不図示の光源と、該光源から射出される光を被照射面となる後述の凹凸パターン７ａに対して所定の形状で均一に照射するための複数の光学素子を有する。ここで、光源としては、例えば、高圧水銀ランプ、各種エキシマランプ、エキシマレーザーまたは発光ダイオードなどが採用可能である。光源は、樹脂９の特性に応じて適宜選択されるが、本発明は、光源の種類、数、または波長などにより限定されるものではない。

マーク検出部３は、型７に形成された型側マーク１０（第１回折格子）と基板８に形成された基板側マーク１１とを光学的に検出する。マーク検出部３は、型７と基板８の相対的な位置を計測するための光学系であり、型７と基板８の位置合わせのための計測を行う位置検出システムである。光学系の光軸は型７または基板８に対して垂直になるように配置されている。また、マーク検出部３は型７または基板８に配置されたマークの位置に合わせて、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に駆動可能なように構成されている。さらには、マークの位置に光学系の焦点を合わせるためにＺ軸方向にも駆動可能なように構成されている。マーク検出部３で検出されたマークを基に計測された型７と基板８の相対位置情報に基づいて型保持部４や基板ステージ５の駆動を制御する。

型保持部４は、真空吸着や静電吸着などにより型７を引きつけて保持する。型保持部４には、型７を保持するチャック部と、型７と樹脂９とを接触させるために型７をＺ軸方向に駆動させる駆動機構とを有する。また、型保持部４に、型７をＸ軸方向およびＹ軸方向に変形させて樹脂９に転写されるパターンの歪みを補正する倍率補正機構を備えていても良い。なお、インプリント装置１の押型および離型の各動作は、型７をＺ方向に移動させてもよいが、基板ステージ５（基板８）をＺ方向に移動させてもよく、または、その両方を移動させてもよい。

基板ステージ５（基板保持部）は、真空吸着や静電吸着により基板８を保持する。基板ステージ５には、基板８を保持するチャック部と、基板８をＸＹ平面内に駆動させる駆動機構とを有する。

塗布部６は、基板８上に樹脂９を塗布（供給）する塗布手段である。ここでは、樹脂９として、紫外線が照射されることにより硬化する性質を有する光硬化性樹脂を用いて説明する。樹脂９には、半導体デバイスの種類などにより適宜選択される。塗布部６は、図１に示すようにインプリント装置１の内部に設置せず、別途外部に塗布装置を準備し、塗布装置により予め樹脂９を塗布した基板８をインプリント装置１の内部に導入する構成もあり得る。

型７は、基板８に対する面に所定のパターン（例えば、回路パターン等の凹凸パターン７ａ）が形成されている。なお、型７の材質は、照射部２から照射された光を透過させることが可能な石英などである。

（インプリント動作について）
次に、インプリント装置１によるインプリント動作について説明する。まず、不図示の基板搬送部により基板８を基板ステージ５に搬送する。続いて、基板ステージ５によって基板８が塗布部６の塗布位置へ移動する。塗布部６は、基板８の所定のショット（インプリント領域）に樹脂９を塗布する（塗布工程）。

次に、基板８上に塗布された樹脂９が型７の直下に位置するように、基板ステージ５を移動させる。このとき、型側マーク１０と基板側マーク１１とをマーク検出部３で検出し、型７と基板８との位置合わせ、および型保持部に設けられた倍率補正機構による型７の倍率補正などを実施する。次に、型保持部４により型７が駆動して、樹脂９と型７とを接触させる（押型工程）。マーク検出部３によるマークの検出は樹脂９と型７とを接触させた後に行っても良い。

樹脂９の凹凸パターン７ａへの流動、型７と基板８との位置合わせ、型の倍率補正などが十分になされた段階で、照射部２は樹脂９を硬化させる光を照射する（照射工程）。このとき、マーク検出部３が光路を遮る場合は、マーク検出部３は光路を遮らないように退避する。次に、型保持部によって型７が駆動して、型７と硬化した樹脂９とが離れることにより（離型工程）、基板８上に型７の凹凸パターン７ａが転写される。これら一連のインプリント動作および以下に説明するマーク検出は制御部１２によって制御される。

（マーク検出について）
続いて、マーク検出部３（位置検出システム）と、型７に形成された型側マーク１０と、基板８に形成された基板側マーク１１の詳細を説明する。

型７と基板８との位置合わせには、型側マーク１０と基板側マーク１１として図２（ａ）と図２（ｂ）に示すような周期（繰り返しパターンのピッチ）が僅かに異なる回折格子３１と回折格子３２が用いられる。これら２つの回折格子を重ねると、それぞれの回折格子からの回折光同士が干渉して、２つの回折格子の周期の差を反映した周期をもつ図２（ｃ）のような干渉パターン（モアレ縞）が発生する。モアレ縞は、２つの相対的な位置によって明暗の位置（縞の位相）が変化する。例えば、片方を少しだけずらしてやると、図２（ｃ）のモアレ縞は図２（ｄ）のように変化する。このモアレ縞は、回折格子間の実際の相対的な位置ずれ量を拡大し、大きなピッチの縞として発生するため、検出光学系の解像力が低くても、精度良く２物体間の相対的な位置を計測することができる。本発明では、後述するように、発生したモアレ縞のうち偶数周期の信号を用いて、２物体間の相対的な位置を計測する。

ここで、モアレ縞（モアレ信号）を検出するために図２（ａ）と図２（ｂ）の回折格子を明視野で検出（垂直方向から照明し、垂直方向から回折光を検出）しようとすると、回折格子３１からのゼロ次光、また回折格子３２からのゼロ次光も検出してしまう。型側マーク１０または基板側マーク１１のどちらか一方の回折格子からのゼロ次光はモアレ縞のコントラストを下げる要因になる。

そこで、本実施形態のマーク検出部３では、ゼロ次光を検出しない暗視野の構成をとっている。また、斜入射で照明する暗視野の構成でもモアレ縞を検出できるように、型側マーク１０と基板側マーク１１のいずれか一方の回折格子を図３（ａ）に示すようなチェッカーボード状の回折格子にしている。型側マーク１０と基板側マーク１１のどちらをチェッカーボード状の回折格子にしても、基本的に同一であるが、以下では型側の回折格子をチェッカーボード状にした場合を例に説明する。

図３（ａ）と図３（ｂ）はそれぞれ型と基板のＸ方向に関する相対的な位置を検出するための型側マーク１０と基板側マーク１１を図示したものである。型側マーク１０はＸ方向にＰｍｍとＹ方向にＰｍｎの周期を有するチェッカーボード状の回折格子１０ａ（第２回折格子）であり、周期Ｐｍｍと周期Ｐｍｎは異なっていても同じであっても良い。基板側マーク１１はＸ方向に周期Ｐｍｍと異なる周期Ｐｗをもつ回折格子１１ａ（第１回折格子）である。

以下、この２つの回折格子１０ａと回折格子１１ａを重ねた状態でマーク検出部３によってモアレ縞を検出する原理について説明する。

図４は本実施形態のマーク検出部３の構成の一例を示す図である。マーク検出部３は検出光学系２１と照明光学系２２で構成されている。照明光学系２２は光源２３から照射された光をプリズム２４などの光学部材を用いて、検出光学系２１と同じ光軸上へ導き、型側マーク１０と基板側マーク１１を照明する。

光源２３は、例えばハロゲンランプやＬＥＤなどが用いられ、照射部２から照射される光とは異なる可視光線や赤外線を照射するように構成されている。このように、光源２３に樹脂９を硬化させない光を用いることで、マーク検出時に樹脂が硬化することを防ぐことができる。

検出光学系２１と照明光学系２２はそれらを構成する光学部材の一部を共有するように構成されており、プリズム２４は検出光学系２１と照明光学系２２の瞳面もしくはその近傍に配置されている。型側マーク１０と基板側マーク１１はそれぞれ回折格子から構成され、検出光学系２１は照明光学系２２によって照明された２つの回折格子からの回折光同士の干渉により干渉パターンが生じる。干渉パターンは、２つの回折格子の周期差を反映した周期を有する干渉パターン（いわゆるモアレ縞）であり、撮像素子２５上に結像する。撮像素子２５はＣＣＤやＣＭＯＳなどが用いられる。

プリズム２４はその貼り合せ面において、照明光学系２２の瞳面近傍の光を反射するための反射膜２４ａが構成されている。また、反射膜２４ａは検出光学系２１の瞳面における瞳の大きさ（あるいは検出ＮＡ：ＮＡｏ）を規定する開口絞りとしても働く。ここで、プリズム２４は、貼り合せ面に半透膜を有するハーフプリズムや、あるいはプリズムに限らず表面に反射膜を成膜した板状の光学部材などであってもよい。

図５に示すマーク検出部３のように、検出光学系２１と照明光学系２２はそれぞれその瞳面に個別の開口絞り２６および２７を配置しても良い。このように、本実施形態にかかるプリズム２４が配置される位置は、必ずしも検出光学系２１と照明光学系２２の瞳面もしくはその近傍でなくてもよい。このとき、プリズム２４にはその貼り合せ面に半透膜を有するハーフプリズム等が用いられる。

図６を用いてマーク検出部３の照明光学系２２の瞳面における有効光源分布と、検出光学系２１の瞳面における瞳（検出開口部）の大きさＮＡｏとの関係を示す。図６では瞳面における瞳の大きさを開口数ＮＡで示している。本実施形態の照明光学系の有効光源分布はＩＬ１からＩＬ４の４つの極から構成されている。ＩＬ１からＩＬ４はそれぞれ直径ＮＡｐの円形の極である。極ＩＬ１と極ＩＬ２は瞳面のＹ軸上で光軸からそれぞれプラス方向とマイナス方向にＮＡｉｌだけ離れた位置に配置されており、極ＩＬ３と極ＩＬ４は瞳面のＸ軸上で光軸からそれぞれプラス方向とマイナス方向にＮＡｉｌだけ離れた位置に配置されている。すなわち、照明光学系２２は型側マーク１０と基板側マーク１１に対して斜入射照明を行うように構成されており、その入射角度θは
θ＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ_ｉｌ） 式１
である。また、ＮＡｏ、ＮＡｐ、ＮＡｉｌは下記の式２を満足する。
ＮＡ_Ｏ＜ＮＡ_ｉｌ−ＮＡ_Ｐ／２ 式２
すなわち型側マーク１０と基板側マーク１１からの正反射光（ゼロ次回折光）を検出しない、暗視野構成になっている。また、図６のＴｏｔａｌ＿ＮＡは照明光学系２２を形成するために必要となる開口数の大きさを示している。

続いて、モアレ縞の発生の原理とモアレ縞を用いた相対的な位置検出について説明する。

図７（ａ）と図７（ｂ）は回折格子１０ａと回折格子１１ａをそれぞれＸ軸方向とＹ軸方向から見た図である。Ｘ方向（第１方向）に関する相対位置を検出するためのモアレ縞は瞳面においてＹ軸上（第２方向に平行）に並んだ極ＩＬ１と極ＩＬ２によって発生する。

ここで、回折格子による回折角φは、回折格子の周期をｄ、光の波長をλ、回折次数をｎとして、以下の式で表わされる。
ｓｉｎφ＝ｎλ／ｄ 式３
したがって、回折格子１０ａによるＸ方向とＹ方向の回折角をそれぞれφｍｍ、φｍｎとし、回折格子１１ａによる回折角をφｗとすると、
ｓｉｎφｍｍ＝ｎλ／Ｐｍｍ 式４
ｓｉｎφｍｎ＝ｎλ／Ｐｍｎ 式５
ｓｉｎφｗ＝ｎλ／Ｐｗ 式６
となる。

図７（ａ）において、まず回折格子１０ａおよび回折格子１１ａが瞳面において非計測方向（第２方向）であるＹ軸上に並んだ極ＩＬ１と極ＩＬ２によって、Ｙ軸方向（非計測方向）から斜入射照明される。回折格子１０ａおよび１１ａで正反射した光（ゼロ次回折光）Ｄ１およびＤ１′は、マーク検出部３が式２を満足するために、検出光学系２１には入射しない。

次に、Ｄ２、Ｄ２′は型側でのみ±１次で回折した光を示し、Ｄ３は型側の回折格子１０ａで＋／−１次で回折し、基板側の回折格子１１ａで−／＋１次に回折した回折光を示している。Ｄ３が検出に用いられる回折光である。Ｙ軸方向にＰｍｎの周期をもつ型側の回折格子１０ａによって角度φｍｎだけ回折した光Ｄ２、Ｄ２′、Ｄ３は、Ｙ軸に対して検出光学系２１によって検出される角度で射出する。本実施形態ではゼロ次光を除く回折光の中で回折強度が最も高い±１次回折光を検出するために、ＰｍｎとＮＡｏ、ＮＡｉｌ、ＮＡｐは以下の条件を満足している。
｜ＮＡｉｌ−｜ｓｉｎφｍｎ｜｜＝｜ＮＡ_ｉｌ−λ／Ｐｍｎ｜＜ＮＡ_Ｏ＋ＮＡ_Ｐ／２ 式７
言い換えると、式７を満足する範囲の波長λでＹ軸方向への回折光を検出することができる。

ここで、もっとも効率良く１次回折光を検出できるのはＤ３がＹ軸方向に垂直になる場合なので、光源から出力される照明光の中心波長をλｃとすると、
ＮＡ_ｉｌ−λｃ／Ｐｍｎ＝０ 式８
となるように照明条件と型側の回折格子の周期が調整されていることが望ましい。

以上のように、Ｙ軸方向（非計測方向）に関しては型側の回折格子１０ａが斜入射照明され、回折格子１０ａによって非計測方向に回折した回折光が検出される。

次に、Ｘ軸方向（計測方向）に関する回折光の説明を、図７（ｂ）を用いて行う。

瞳面のＹ軸上に並んだ極ＩＬ１および極ＩＬ２は、Ｘ軸に垂直な方向から回折格子１０ａおよび１１ａに入射する。Ｙ軸方向の場合と同様に＋／−１次の回折光を考えると、
型側の回折格子１０ａで＋／−１次で回折し、基板側の回折格子１１ａで−／＋１次に回折した回折光Ｄ３は、ＰｍｍとＰｗが近いためにＸ軸に対して小さな角度で検出光学系２１に入射する。

図７（ｃ）に回折光Ｄ３の回折の様子を示す。実線の矢印は型側の回折格子１０ａで＋／−１次で回折し、基板側の回折格子１１ａで−／＋１次に回折し型を透過した回折光を表わしている。また、点線の矢印は型側の回折格子１０ａを透過し、基板側の回折格子１１ａで−／＋１次に回折し、型側の回折格子１０ａで＋／−１次で回折した回折光を表わしている。

このときの回折角φΔは以下の式で表わされる。

式９において｜Ｐｗ−Ｐｍｍ｜／（Ｐｍｍ・Ｐｗ）＝１／（ＰΔ）とすると
ｓｉｎφΔ＝λ／（ＰΔ） 式１０
となる。これは回折光Ｄ３によって周期がＰΔの干渉パターンが現れることを意味する。この回折光の干渉パターンがモアレ縞であり、その周期は型側の回折格子と基板側の回折格子の周期の差に依存する。ただし、本実施形態においては型側の回折格子がチェッカーボード状であるため、発生するモアレ縞の周期は（ＰΔ）／２となる。このとき、型と基板の相対的な位置ずれはモアレ縞の明暗の位置ずれに拡大されるため、解像力が低い検出光学系を用いても、高い精度で位置合わせを行うことができる。

次に、型側の回折格子１０ａのみで１次回折した光Ｄ２、Ｄ２′もしくは基板側の回折格子１１ａのみで１次回折した光Ｄ４、Ｄ４′は、角度φｍｍあるいはφｗで射出する（図７（ｂ））。Ｄ２、Ｄ２′、Ｄ４、Ｄ４′はモアレ縞を発生させずにノイズとなるので、検出光学系２１によって検出されないことが望ましい。そのため、本実施形態では下記の式１１および１２を満足するように回折格子の周期とマーク検出部３が調整されている。
ＮＡ_Ｏ＋ＮＡ_Ｐ／２＜｜ｓｉｎφｍｍ｜＝λ／Ｐｍｍ 式１１
ＮＡ_Ｏ＋ＮＡ_Ｐ／２＜｜ｓｉｎφｗ｜＝λ／Ｐｗ 式１２

また、型側の回折格子１０ａと基板側の回折格子のいずれでもＸ軸方向に回折しなかった光（ゼロ次回折光、図７（ｂ）Ｄ１、Ｄ１′）はＸ軸に対して検出光学系２１で検出される角度で射出する。また、基板側の回折格子で回折せずに基板での反射の前後で型側の回折格子でそれぞれＸ軸方向に＋／−ｎ次回折と−／＋ｎ次回折した（トータルでゼロ次の）回折光もＸ軸に対して検出光学系２１で検出される角度で射出する。これらの光はモアレ縞を生成せずにモアレ縞のコントラストを低下する要因となるが、本実施形態においては型側の回折格子１０ａがチェッカーボード状であるため、隣り合う格子からの回折光の位相がπずれ、互いに打ち消し合う。したがってＤ５の強度は抑制され、コントラストよくモアレ縞を計測することができる。

図７（ｄ）は図７（ａ）、図７（ｂ）を３次元で表わした図である。なお、Ｄ１、Ｄ１′に関しては強度が抑制されるため記載していない。

以上、型７と基板８のＸ方向に関する相対位置計測のためのモアレ縞の検出について説明したが、Ｙ方向に関する相対位置計測のためのモアレ縞の検出についても、位置合わせマークと照明の方向をＸとＹで入れ替えるだけで基本的に同一である。

図８に示すように、型側マーク１０にはＸ方向にＰｍｎとＹ方向にＰｍｍの周期を有するチェッカーボード状の回折格子１０ｂを用い、基板側マーク１１にはＹ方向にＰｍｍと異なる周期Ｐｗをもつ回折格子１１ｂを用いる。また、Ｙ方向に関する相対位置計測のためのモアレ縞は、Ｙ軸上に並んだ極ＩＬ３および極ＩＬ４で回折格子１０ｂ、１１ｂを照明することで発生する。

以上、回折格子１０ａと回折格子１０ｂの周期がそれぞれ同じで、回折格子１１ａと回折格子１１ｂの周期がそれぞれ同じ場合について説明した。回折格子の周期を同じにすることで、光軸からＩＬ１およびＩＬ２までの距離と光軸からＩＬ３およびＩＬ４までの距離を等しくすることができ、Ｘ方向とＹ方向で回折光が検出される条件等を分けて設計する必要が無い。そのため、検出されたモアレ縞から相対位置計測のための信号処理を共通にすることができる。しかし、本発明はこれに限定されない。Ｘ方向とＹ方向で回折光が検出される条件を変えれば、回折格子１０ａと回折格子１０ｂの周期はそれぞれ異なっていてもよく、また、回折格子１１ａと回折格子１１ｂの周期はそれぞれ異なっていてもよい。さらには、光軸からＩＬ１およびＩＬ２までの距離と光軸からＩＬ３およびＩＬ４までの距離はそれぞれ異なっていてもよい。この場合は、Ｘ方向とＹ方向で信号処理の方法が異なり、後述する位置検出に用いる積算領域（検出領域）の大きさも変える必要がある。

また、本実施形態では、図６のように照明光学系の瞳面の有効光源分布として、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ２つの極が形成された４重極照明について説明した。光強度分布の形状としては、Ｘ方向またはＹ方向に、２つの極が形成された２重極照明を用いても良い。また、ここでは瞳面において周囲よりも強い光強度を有する領域を極と呼ぶ。したがって、極と極の間に光があっても良い。さらに、有効光源分布の形状として、輪帯状であってもよい（輪帯照明）。この場合、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ、２つの光強度のピーク（極）が形成される。そのため、輪帯照明を用いても照明光学系は非計測方向に、複数の極を有する光を照射することができる。

また、本実施形態のマーク検出部３は、回折格子に対して２方向から斜入射照明して垂直方向に検出しているが、モアレ縞を検出するためには少なくとも１方向から斜入射照明すればよい。例えば、図３に示した回折格子を用いてモアレ縞を検出するには、ＩＬ１とＩＬ２のどちらか一方の光が照射されればよい。２方向から斜入射照明を行えば、特許文献１に記載されているように１方向から斜入射照明して斜め方向からマークを検出する場合と比べて、２倍の光量を確保することができる。そのため、精度よく２物体の相対的な位置を検出することができる。

本実施形態のマーク検出部は、図６のような有効光源分布と検出開口部を有するため、Ｘ方向とＹ方向から同時に斜入射照明を行うことができる。そのため、図９のように回折格子１０ａと１１ａ、回折格子１０ｂと１１ｂとをそれぞれ重ねたマークをマーク検出部３の視野４０に同時に入れることによって、Ｘ方向とＹ方向に関するモアレ縞を同時に観察することができる。すなわち、本実施形態のマーク検出部３は２方向の相対位置情報を同時に取得することができる。

（モアレ縞の非対称性について）
本実施形態のように高い解像力のスコープ（マーク検出部）を用いてチェッカーボード状の回折格子の回折光を検出する場合、非計測方向の繰り返しパターンの数が少ない場合、検出されるモアレ縞に非対称性が生じるということが分かった。

モアレ縞に生じる非対称性について図１０と図１１を用いて説明する。２つの回折格子の一方の回折格子がチェッカーボード状であるため、型側マークと基板側マークの重なり方に、Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂの２つパターンがある。

図１０のＴｙｐｅ＿Ａについて説明する。図１０（ａ）と図１０（ｂ）に相対位置検出に用いる回折格子の概略図を示す。図１０（ａ）は型側マーク１０の回折格子であり、チェッカーボード状の回折格子を表している。図１０（ｂ）は基板側マーク１１の回折格子であり、ラインアンドスペース状の回折格子を表している。黒色部がＣｒなどの遮光パターン（遮光部）、白色部が透過パターン（透過部）を表わしている。Ｘ軸方向が計測方向、Ｙ軸方向が非計測方向である。

図１０（ｃ）に、型側マーク１０の回折格子と基板側マーク１１の回折格子とを配置したときの、電磁場解析による光強度シミュレーションによって得られたＸＹ平面上のモアレ縞を示す。図１０（ｃ）に示されたマーク領域ＭＲの範囲に型側マーク１０と基板側マーク１１の回折格子が配置されている。図１０（ａ）と図１０（ｂ）は図１０（ｃ）と比較してスケールを拡大して誇張して書かれている。等高線によってモアレ縞の光強度の強弱が表わされている。モアレ縞の画像がマーク中心に対してＹ軸方向に非対称となっている。

図１０（ｄ）は図１０（ｃ）に示されたモアレ縞の光強度を非計測方向に範囲が制限された積算領域（検出領域）において非計測方向に積算した積算波形を示したものである。図１０（ｃ）に示す積算領域の光強度を積算したときの結果である。横軸はモアレ縞の位置を示し、縦軸はモアレ縞の光強度を示す。この積算波形に対してフーリエ変換などを用いて周波数解析を行う。型側マーク１０と基板側マーク１１の回折格子の周期から計算されるモアレ縞の周期を基にモアレ縞の位相成分を求め、モアレ縞の位置を特定する。上述したように、ここでマークの周期からモアレ縞の周期は（ＰΔ）／２と求められる。

同様に、図１１のＴｙｐｅ＿Ｂについて説明する。図１１（ａ）は型側マーク１０の回折格子であり、チェッカーボード状の回折格子を表している。図１１（ｂ）は基板側マーク１１の回折格子であり、ラインアンドスペース状の回折格子を表している。図１１（ｃ）は、型側マーク１０の回折格子と基板側マーク１１の回折格子とを配置したときの、電磁場解析による光強度シミュレーションによって得られたＸＹ平面上のモアレ縞である。図１１（ａ）と図１１（ｂ）は図１１（ｃ）と比較してスケールを拡大して誇張して書かれている。図１１（ｃ）に示されたモアレ縞の画像もまた、マーク中心に対してＹ軸方向に非対称となっている。

図１１（ｄ）は図１１（ｃ）に示されたモアレ縞の光強度を非計測方向に範囲が制限された積算領域（検出領域）において非計測方向に積算した積算波形を示したものである。図１１（ｃ）に示す積算領域の光強度を積算したときの結果である。

図１０と図１１のように、モアレ縞強度がピークとなる型側マークと基板側マークの重なり方に、Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂの２パターンの重なり方がある。Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂとの違いは図１０（ａ）と図１１（ａ）に示すチェッカーボードの遮光部と透過部が反転していることである。そのため、マークの周期に対して高い解像力のスコープでモアレ縞を検出すると、Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂで見られるモアレ縞の強弱が反転して見える。具体的には、図１０（ｃ）のＴｙｐｅ＿Ａと図１１（ｃ）のＴｙｐｅ＿Ｂのようにモアレ縞の強度がマーク中心に対してＹ軸方向に非対称となり、反転した強度となる。図１０（ｃ）と図１１（ｃ）はいずれも、Ｘ軸方向の＋Ｘ側（右側）と−Ｘ側（左側）にモアレ縞の明部を有するものを示している。図１０（ｃ）は−Ｘ側の明部が＋Ｘ側の明部と比較して＋Ｙ側（上）にシフトしており、図１１（ｃ）は＋Ｘ側の明部が−Ｘ側の明部と比較して＋Ｙ側（上）にシフトしているものを示している。

モアレ縞がＹ軸方向に非対称（非計測方向に非対称）であるため、検出されたモアレ縞から光強度を積算する際に、積算する領域によって、光強度のピークの位置にずれ（だまされ）が生じることがある。これは、積算波形に対してフーリエ変換などを用いて周波数解析を行った結果、得られる位相が積算領域によって異なるためである。このピーク位置のずれは、モアレ縞の計測方向の位置の誤差となる。つまり、型７と基板８の相対的な位置検出に誤差が生じることになる。

図１１を用いて一例を説明する。図１１（ｃ）に示すようにマーク領域内に積算領域を定めて、その領域内の光強度を積算してモアレ縞の波形を求める。図１１（ｃ）に積算領域が非計測方向（Ｙ軸方向）におけるマーク中心からＹ軸方向−側にずれた積算領域（ｉ）とＹ軸方向＋側にずれた積算領域（ｉｉ）を示す。積算領域（ｉ）と積算領域（ｉｉ）モアレ縞に非対称な強弱があるため、この時の積算波形は図１１（ｄ）に示すように計測方向に差が生じた波形になる。すなわち、モアレ縞の光強度を積算する領域がマーク領域の中心からＹ軸方向に動くと、モアレ縞の重心位置が計測方向であるＸ軸方向にずれるということが分かる。

図１０のＴｙｐｅ＿Ａもまた、図１１のＴｙｐｅ＿Ｂと同様にモアレ縞がＹ軸方向に非対称であるため、モアレ縞の光強度を積算する領域がマークの中心からＹ軸方向に動くと、モアレ縞の重心位置が計測方向であるＸ軸方向にずれる。ただし、Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿ＢとはＹ軸方向に現れるモアレ縞の非対称性が反転している。そのため、積算領域によるＸ軸方向のずれはＴｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂとでは逆方向に現れる。

マーク検出部で検出されるモアレ縞は、上述したＴｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂのモアレ縞の繰り返しとなる。相対位置検出に用いる回折格子とモアレ縞の概略図の一例を、図１２に示す。図１２（ａ）は型側マーク１０の回折格子であり、図１２（ｂ）は基板側マーク１１の回折格子である。図１２（ｃ）は２つの回折格子により得られるモアレ縞である。図１２（ｄ）は、図１２（ｃ）に示した積算領域（ｉｉｉ）でモアレ縞の光強度を非計測方向に積算した積算波形を示す。本実施形態ではこの積算領域（ｉｉｉ）を検出領域として位置合わせマークの検出に用いる。

図１２（ｃ）に示すように、Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂの二種類の信号が周期的に繰り返されることになる。つまり、図１２（ｄ）に示した積算波形は、検出される非対称なモアレ縞が二周期毎に繰り返される。

そのため、非計測方向における非対称性の問題の解決策としては、Ｔｙｐｅ＿ＡおよびＴｙｐｅ＿Ｂの二種類のモアレ縞（二周期分のモアレ縞）を用いて位置を検出することがあげられる。すなわち、二周期分のモアレ縞を用いて積算波形を求める。二周期分の積算波形に対してフーリエ変換などを用いて周波数解析を行う。二周期分の積算波形に対して周波数解析を行うことで、モアレ縞の非対称性による計測誤差を低減することができる。Ｔｙｐｅ＿ＡとＴｙｐｅ＿Ｂとでは非計測方向に現れる非対称性が反転しているので、計測方向に生じるずれを低減することができるためである。

図１２（ｄ）に示すように計測方向に非対称なモアレ縞の検出信号は、二周期毎に繰り返される。そのため、計測方向に関する検出領域は、二周期に限られず、四周期でも六周期でもよい。偶数周期のモアレ縞を用いることによって非対称なモアレ縞の影響を低減することができる。このように、検出されたモアレ縞から偶数周期の光強度を積算した積算波形に対してフーリエ変換などを用いて周波数解析を行う。例えば、検出されたモアレ縞から周波数解析により、モアレ縞の周期構造の基本周波数成分を抽出する。これにより求まるモアレ縞の位相成分から型側マークと基板側マークとの相対的な位置ずれの大きさを求める。位相成分が無い状態を位置合わせの基準位置とすると、相対的な位置ずれは位相成分の大きさに比例することになる。

また、検出領域はマーク検出部３の撮像素子２５で検出される干渉光の干渉パターンから、偶数周期分の領域の信号を取り出しても良いし、撮像素子２５に入射する光が偶数周期分となるように、スリットや遮光板を設けても良い。また、撮像素子２５は計測方向に伸びたラインセンサであっても良い。

さらに、検出光学系の倍率を調整して撮像素子に偶数周期分のモアレ縞が検出されるようにしても良い。上述したように、型側のマークの周期と基板側のマークの周期が分かればモアレ縞の周期（干渉パターン）を求めることができる。モアレ縞の周期は（ＰΔ）／２であるので、検出光学系の倍率を乗ずることで撮像素子２５の検出面での偶数周期の領域を求めることができる。また、検出領域の計測方向の長さに合わせて、モアレ縞の周期が偶数周期検出されるように、型側の回折格子と基板側の回折格子のピッチを設計しても良い。このように予め検出領域の大きさを決めておくことができる。また、撮像素子２５で検出されるモアレ縞から連続する２つの光強度のピークを特定して、それを用いて偶数周期の領域を決めてもよい。これら一連の位置検出の処理は制御部１２によって制御される。

非計測方向におけるモアレ縞の非対称性の問題は、非計測方向に回折格子の繰り返しパターンの数を増やせばモアレ縞の非対称性による計測誤差を低減することができる。しかし、基板側マークはスクライブライン上に形成されるため、位置合わせマークの領域には限りがある。そのため、非計測方向に回折格子の周期の繰り返しの数を簡単に増やすことはできない。スクライブラインに沿って計測方向のマークが形成されるため、非計測方向はスクライブラインの幅の方向に一致する。基板上に形成されるパターン領域をできるだけ大きくしたいため、スクライブラインの幅を簡単に広くすることができない。

また、回折格子からの１次回折光を検出しようとする場合、検出系の位置によっては非計測方向の繰り返しパターンの間隔（ピッチ）を大きくしなければならない。例えば、回折格子に対して斜入射照明を行い、斜入射照明した方向で１次回折光を検出する場合と比べて、斜入射照明を行い、位置合わせマークに対して垂直の方向で１次回折光を検出する場合の回折角は小さくなる。そのため、非計測方向の回折格子の繰り返しパターンの間隔（ピッチ）は大きくなる。このように、回折格子からの回折光を検出する方向（入射光に対する回折角の大きさ）によって、回折格子の繰り返しパターンの間隔が大きくなることがある。マークの領域を大きくすることができない場合は非計測方向の回折格子の繰り返しパターンの数を減らさざるを得なくなる。図１２（ａ）では、非計測方向の回折格子の周期の数（繰り返しの回数）は１周期の場合を示している。本発明は、特に４周期以下の回折格子のモアレ縞を検出する際に効果が大きい。

非計測方向におけるモアレ縞の非対称性の影響は、非計測方向にマークを検出する検出領域を十分に広い領域でマーク領域以上にとることによってその影響を低減することができる。しかし、この場合処理を行うモアレ縞のコントラストが低下するため、計測精度が低下する恐れがある。また、検出するマークに隣接して他のマークがある場合は、そのマークからの光が検出領域に入り込んでしまう恐れがあり、計測誤差が生じる原因になる。そのため、モアレ縞を検出する検出領域は必要以上に大きくしない方が、検出された、マークのコントラストを向上させることができる。本実施形態では非計測方向に制限された領域を検出領域として定めている。

このように、回折格子から回折した光を検出領域から検出光学系で検出する際に、計測方向に回折光の偶数周期の信号を用いることによって、検出結果にずれが生じるのを低減することができる。検出領域が非計測方向にシフトしたときに発生する計測方向の位置ずれは一周期毎に逆方向に発生する。そのため、二周期分の信号で打ち消すように非対称性による計測誤差が発生するため、偶数周期の信号を用いることで計測誤差を低減することができる。非計測方向に検出領域がシフトしても、モアレ縞を検出することで得られる計測方向における計測位置に応じて検出結果にずれがほとんど生じないことが分かった。

一方、計測方向におけるモアレ縞を検出する検出領域の長さが回折光の２周期よりも長い場合や、短い場合は、計測方向の位置ずれが生じる。位置ずれの大きさは、計測方向における検出領域と２周期分の長さとのずれの大きさに比例する。マークの検出精度によっては、モアレ縞を検出する検出領域の計測方向における長さは、正確にモアレ縞の２周期（偶数周期）でなくても良い。許容する検出精度に応じて検出領域を決めることができる。

（第二実施形態）
（デバイス製造方法について）
続いて、本発明の一実施形態に係るデバイス製造方法について説明する。

物品としてのデバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）の製造方法は、上述したインプリント装置を用いて基板（ウエハ、ガラスプレート、フィルム状基板）にパターンを形成する工程を含む。さらに、該製造方法は、パターンを形成された基板をエッチングする工程を含み得る。なお、パターンドメディア（記録媒体）や光学素子などの他の物品を製造する場合には、該製造方法は、エッチングの代わりにパターンを形成された基板を加工する他の処理を含み得る。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

上記実施形態では、インプリント装置の型と基板の位置合わせに用いる位置合わせマークを検出する位置検出システム、位置検出方法について説明したが、本発明はこれに限られない。異なる２つの物体の位置合わせに、モアレ縞が生じる回折格子を用いるいずれの装置にも本発明を用いることができる。例えば、基板とマスクとの間に微小な間隙を設けてマスクのパターンを基板へ転写するプロキシミティ方式の露光装置の基板とマスクの位置合わせなどに用いることができる。

上記実施形態では、位置合わせマークに対して斜入射照明をして、位置合わせマークから垂直方向に回折した１次回折光を検出する方法のマーク検出部３について説明したが、回折光を検出する方法はこれに限られない。例えば、位置合わせマークに対して垂直方向から光を照明して回折光を斜めから検出する方法が挙げられる。また、位置合わせマークに対して斜入射照明をして、ゼロ次回折光を検出する方法、特許文献１のように位置合わせマークに対して斜入射照明して、１次回折光を斜めから検出する方法などが挙げられる。何れの場合も、型側マークと基板側マークの少なくとも一方に非計測方向に周期を有する回折格子を用いる必要がある。このように、非計測方向に周期を有する回折格子のモアレ縞を検出する際に、上述した検出方法を用いることができる。

図４で説明したマーク検出部３で用いられる照明光の波長λは、できるだけ広い範囲で可変とし、基板８を作成するプロセスによって、マーク検出に適した照明光の条件を設定できることが望ましい。例えば、マーク検出部３で用いられる照明光の波長λは、光源２３として広帯域に波長を持つハロゲンランプを用いてバンドパスフィルタなどで所望の波長帯域を切り出しても良いし、ＬＥＤのような単色光光源で中心波長の異なるものを複数備えて切り替えても良い。マーク検出部３は、回折格子に複数波長の光を照明して複数の波長の光の回折光を検出しても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ インプリント装置
２ 紫外線照射部
３ マーク検出部
４ 型保持部
５ 基板ステージ
６ 塗布部
７ 型
８ 基板
９ 樹脂
１０ 型側位置合わせマーク
１１ 基板側位置合わせマーク

Claims (14)

1. 第１方向に周期を有する第１回折格子と、前記第１回折格子の第１方向に関する周期と異なる周期を第１方向に有し、第１方向と異なる第２方向に周期を有する第２回折格子と、を照明する照明光学系と、
   前記照明光学系に照明された前記第１回折格子と前記第２回折格子とから光による干渉パターンを検出する検出光学系と、
   制御部と、を備え、
   前記検出光学系の検出結果から、前記第１回折格子と前記第２回折格子との第１方向における相対的な位置を検出する位置検出システムであって、
   前記制御部は、前記検出光学系で検出された光が形成する前記第１方向に周期的に変化する前記干渉パターンのうち、第１方向に偶数周期で、第２方向に制限された検出領域を用いて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする位置検出システム。
2. 前記制御部は、前記検出光学系で検出された前記干渉パターンを周波数解析することで前記干渉パターンの位相成分を求め、該位相成分から前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置検出システム。
3. 前記制御部は、前記検出光学系で検出され、第２方向に制限された前記検出領域の前記干渉パターンの光強度を第２方向に積算することで得られる積算波形を用いて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出システム。
4. 第１方向に周期を有する第１回折格子と、前記第１回折格子の第１方向に関する周期と異なる周期を第１方向に有し、第１方向と異なる第２方向に周期を有する第２回折格子と、を第２方向に平行かつ、前記第１回折格子および前記第２回折格子に斜めの方向から照明する照明光学系と、
   前記照明光学系に照明された前記第１回折格子と前記第２回折格子からの干渉パターンを前記第１回折格子および第２回折格子に対し垂直方向で検出する検出光学系と、
   制御部と、を備え、
   前記検出光学系の検出結果から、前記第１回折格子と前記第２回折格子との第１方向における相対的な位置を検出する位置検出システムであって、
   前記制御部は、前記検出光学系で検出された第１方向に周期的に変化する前記干渉パターンのうち、第１方向に偶数周期で、第２方向に制限された検出領域を用いて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする位置検出システム。
5. 前記照明光学系はその瞳面において、第２方向に極を有する光を照明し、
   前記第２回折格子の第２方向への周期をＰ１、前記検出光学系の瞳面における前記検出光学系の開口数をＮＡｏ、前記瞳面における前記照明光学系の前記極の、光軸からの距離をＮＡｉｌ１、前記極の大きさをＮＡｐ１、前記照明光学系から照明される光の波長をλとしたとき、
   少なくとも一部の波長λで
   ｜ＮＡｉｌ１−λ／Ｐ１｜＜ＮＡｏ＋ＮＡｐ１／２を満足することを特徴とする、
   請求項４に記載の位置検出システム。
6. 前記照明光学系はその瞳面において、第２方向に複数の極を有する光を照明することを特徴とする請求項５に記載の位置検出システム。
7. 第１方向と第２方向は、互いに直交することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の位置検出システム。
8. 前記第１回折格子の第１方向の周期と前記第２回折格子の第１方向の周期とを用いて、前記干渉パターンの偶数周期の領域の大きさを求めることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の位置検出システム。
9. 型を用いて樹脂のパターンを基板上に形成するインプリント装置であって、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の位置検出システムを用いて前記型と前記基板の相対的な位置を求めることを特徴とするインプリント装置。
10. 請求項９に記載のインプリント装置を用いて基板上にパターンを形成する工程と、
    前記工程で前記パターンが形成された基板を加工する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
11. 第１方向に周期を有する第１回折格子と、前記第１回折格子の第１方向に関する周期と異なる周期を第１方向に有し、第１方向と異なる第２方向に周期を有する第２回折格子と、を照明し、
    照明された前記第１回折格子と前記第２回折格子とからの光による第１方向に周期的に変化する干渉パターンを検出し、
    前記干渉パターンを検出した検出結果から、前記第１回折格子と前記第２回折格子との第１方向における相対的な位置を求める位置検出方法であって、
    検出された光が形成する前記干渉パターンのうち、第１方向に偶数周期で、第２方向に制限された検出領域を用いて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする位置検出方法。
12. 検出された光が形成する前記干渉パターンを周波数解析することで前記干渉パターンの位相成分を求め、該位相成分から前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする請求項１１に記載の位置検出方法。
13. 第２方向に制限された前記検出領域の前記干渉パターンの光強度を第２方向に積算することで得られる積算波形を用いて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第１方向における相対的な位置を求めることを特徴とする請求項１１または１２に記載の位置検出方法。
14. 前記第１回折格子の第１方向の周期と前記第２回折格子の第１方向の周期とを用いて、前記干渉パターンの偶数周期の領域の大きさを求めることを特徴とする、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の位置検出方法。

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