JPH09189520A

JPH09189520A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH09189520A
Application number: JP8003858A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】凹凸変化量（段差）の極めて小さい位置検出
マークに対しても確実に位置検出を行う。【解決手段】照明系瞳面（位置検出マークに対するフ
ーリエ変換面）に、光軸に関して対称に複数の透光部３
２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉが形成された照明光束制
限部材６を配置し、結像系瞳面にそれら透光部と共役な
領域及びその周辺を含む領域が遮光部３４Ａ〜３４Ｊ，
３５Ａ〜３５Ｉとされた結像光束制限部材１６を配置す
る。例えば１つの透光部３２Ｅからの照明光の位置検出
マークによる回折光の内で、０次回折光を対応する遮光
部３４Ｅで遮光して、他の回折光３６Ａ〜３６Ｃ，３７
Ａ〜３７Ｄを透過させて結像光束として利用することに
より、回折光のみを有効に利用してその位置検出マーク
の像を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
た位置検出マークの位置を検出するための位置検出装置
に関し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液
晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフ
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
上に転写するために使用される露光装置に備えられ、感
光性の基板上の位置検出マークの位置を検出するための
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】例えば、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では、フォトマスク又はレチク
ル等（以下、一例として「レチクル」を用いる）に形成
された転写用のパターンを、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（以
下、一例として「ウエハ」を用いる）上に転写する投影
露光装置、又はレチクルのパターンを近接して配置され
たウエハ上に直接転写するプロキシミティ方式の露光装
置等の露光装置が使用されている。

【０００３】一般に、半導体素子等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され
るため、斯かる露光装置においてウエハ上に２層目以降
の回路パターンを転写する際には、露光に先立ってレチ
クルとウエハとの位置合わせ（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によって回路パターンと共
に、位置検出マークとしてのアライメントマークが形成
されており、露光装置に装着されたアライメントセンサ
でそのアライメントマークの位置を検出することで、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、例え
ばスポット状又はシート状のレーザビームとアライメン
トマークとを計測方向に相対走査し、発生する散乱光や
回折光を検出し、その強度変化に基づいてマーク位置を
検出する方式（以下、「レーザビームスキャン方式」と
呼ぶ）や、回折格子状のアライメントマークに対して例
えば対称に可干渉なレーザビームを照射し、そのアライ
メントマークから発生する１対の回折光よりなる干渉光
の位相に基づいてマーク位置を検出する２光束干渉方式
等のように、レーザビームの散乱や回折を利用して位置
検出を行う方式がある。しかしながら、レーザビームを
使用する場合には、その可干渉性によって、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。

【０００５】これに対して、ハロゲンランプ等を光源と
してアライメントマークを含む所定範囲の領域をブロー
ドバンドな光束で照明し、そのマークの結像光学系によ
る像を撮像し、その画像信号に基づいて位置検出を行う
方式（以下、「結像式位置検出方式」と呼ぶ）のアライ
メントセンサも使用されている。この結像式位置検出方
式はＦＩＡ（Field Image Alignment)方式と呼ばれるこ
ともある。この結像式位置検出方式では、一般に照明光
束としてブロードバンドな光束が使用されるので、上記
のような多重干渉が生じる恐れはない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
等の微細化に伴い、成膜工程後で、フォトリソグラフィ
工程前に、ウエハ表面を平坦化する工程が導入されるよ
うになってきた。この工程には、形成する回路パターン
の元となる生成膜の厚さを均一化して素子特性を改善す
る効果と、フォトリソグラフィ工程においてウエハ表面
の凹凸が転写パターンに与える線幅の誤差等の悪影響を
改善する効果とがある。

【０００７】しかしながら、従来の結像式位置検出方式
のアライメントセンサように、ウエハ表面のアライメン
トマーク部での凹凸変化や反射率変化に基づいて位置検
出を行う方式においては、平坦化工程によりアライメン
トマーク部での凹凸変化量が著しく減少するため、アラ
イメントマークを検出できなくなる恐れがある。特に、
不透明な生成膜（金属や半導体膜）に対する露光工程で
は、アライメントマーク部は一様な反射率の不透明膜で
被われるため、位置検出はアライメントマークの凹凸変
化のみに頼ることになり、平坦化を行うことによってア
ライメントマークの検出が極めて困難になるという不都
合があった。

【０００８】これに関して、ほぼ平坦な被検物上の段差
部のみを検出する光学系としては、所謂暗視野顕微鏡が
周知である。暗視野顕微鏡には、先ず結像光学系を通過
しないような大きな開口数の照明光で被検物を照明し、
その被検物からの散乱光のみを用いて結像光学系を介す
る像を形成させる方式がある。更に、結像光学系中の被
検面に対する光学的フーリエ変換面（結像系瞳面）内の
一部に光軸を中心として円形の遮光部材を設け、これと
共役な照明光学系中の被検面に対する光学的フーリエ変
換面（照明系瞳面）内での照明光の分布を、前述の円形
の遮光部材と結像関係となる円内に限定するための絞り
（σ絞り）を設ける方式もある。

【０００９】暗視野顕微鏡は、例えばウエハ上のアライ
メントマークのような被検物への照明光による回折光等
の内、０次回折光（正反射光）を遮光し、高次回折光
（及び散乱光）のみによる像を形成する作用がある。こ
れらの内の０次回折光は、被検物の凹凸や反射率変化に
関する情報を殆ど含まない回折光であり、これらの情報
は１次以上の高次回折光に含まれている。そして、暗視
野顕微鏡では０次回折光が遮光され高次回折光のみによ
り像が形成されるため、通常の明視野の顕微鏡よりも明
瞭に、即ち高コントラストで段差を可視化することが可
能となる。

【００１０】しかしながら、従来の暗視野顕微鏡をウエ
ハ上のアライメントマークの位置検出に用いると、不要
な０次回折光のみでなく比較的低次の有益な回折光も遮
光されてしまい、像の光強度の忠実度が劣化するという
不都合があった。本発明は斯かる点に鑑み、凹凸変化量
（段差）の極めて小さい位置検出マークに対しても確実
に位置検出を行うことができる結像式位置検出方式の位
置検出装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、処理対象の基板（１０）上に形成された位置検出
マーク（１１）を照明する照明光学系（１〜５，８，
９）と、その位置検出マークからの照明光よりその位置
検出マークの像を形成する結像光学系（９，８，１８，
２５，２７）と、その位置検出マークの像を撮像する撮
像素子（２８）と、を備え、この撮像素子から出力され
る画像信号に基づいてその位置検出マークの位置を検出
する位置検出装置において、その照明光学系中の、その
位置検出マークの形成面に対する光学的フーリエ変換面
である照明系瞳面上に離散的に分布する複数個の２次光
源（３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ；３８Ａ〜３８
Ｇ）を形成する照明光束制限部材（６；６Ａ）と、その
結像光学系中の、その位置検出マークの形成面に対する
光学的フーリエ変換面である結像系瞳面に配置され、且
つその照明系瞳面でそれら離散的に分布する複数個の２
次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領域を含む
複数個の遮光領域（３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉ；
３９Ａ〜３９Ｇ）において照明光を遮光し、それ以外の
領域では照明光を通過せしめる結像光束制限部材（１
６；１６Ａ）と、を有するものである。

【００１２】斯かる本発明においては、従来の暗視野顕
微鏡のように大きな２次光源からの照明光で被検物を照
明すると、結像系瞳面では０次回折光と例えば１次回折
光とが部分的に重なってしまうため、０次回折光を遮光
して１次回折光のみを取り出すことが困難であることに
鑑みて、照明光束制限部材（６；６Ａ）による複数個の
小さい２次光源からの照明光で位置検出マーク（１１）
を照明する。この結果、１つの２次光源からの照明光に
よる位置検出マーク（１１）からの結像系瞳面での回折
光を考えると、例えば図５（Ｂ）に示すように、その分
布は遮光領域（３４Ｅ）に０次回折光が入射し、その両
側をｎ次回折光（ｎ＝±１，±２，…）（３６Ａ，３７
Ａ，３６Ｂ，３７Ｂ，…）が通過するような分布とな
る。即ち、０次回折光と１次以上の回折光とがそれぞれ
異なる領域を通過して分離し易くなるために、結像光束
制限部材（１６；１６Ａ）によって容易にほぼ０次回折
光のみを遮光することができ、有益な回折光を効率よく
利用することができる。その結果、凹凸変化量（段差）
の極めて小さい位置検出マークに対しても、確実に高コ
ントラストな像を形成でき、この像に基づいて高精度に
位置検出を行うことが可能となる。

【００１３】この場合、位置検出マーク（１１）が、計
測方向の幅がＷで計測方向に周期Ｐの周期性を有するマ
ークであるとき、照明光束制限部材（６；６Ａ）により
形成される複数個の２次光源（３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ
〜３３Ｉ；３８Ａ〜３８Ｇ）のそれぞれの、その位置検
出マークの計測方向に対応する方向の幅Ｄは、照明光の
最短波長をλ₁、最長波長をλ₂として、開口数を単位
として次式で定まる幅ｄ１以下に設定されることが望ま
しい。開口数を単位とした場合、開口角をθとして幅Ｄ
はsin θに相当するため、光学系の焦点距離をｆとし
て、その光学系のフーリエ変換面（瞳面）上での実際の
幅Ｄ’はｆ・Ｄで表される。

【００１４】ｄ１＝（λ₁／Ｐ−２λ₂／Ｗ）（１）これによって、結像系瞳面上で０次回折光と１次回折光
とがほぼ完全に分離されるため、０次回折光のみを遮光
し易くなる。また、結像光束制限部材（１６；１６Ａ）
によって遮光される複数個の遮光領域（３４Ａ〜３４
Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉ；３９Ａ〜３９Ｇ）のそれぞれの、
位置検出マーク（１１）の計測方向に対応する方向の幅
Ｄ１は、開口数を単位として照明光束制限部材（６；６
Ａ）により形成される複数個の各２次光源（３２Ａ〜３
２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ；３８Ａ〜３８Ｇ）の幅Ｄに対し
て次式で定まる値ｄ２以上に設定されることが望まし
い。

【００１５】ｄ２＝（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）（２）これによって、位置検出マーク（１１）の計測方向の幅
Ｗが有限でその０次回折光が±λ₂／Ｗ程度計測方向に
広がっていても、結像光束制限部材（１６；１６Ａ）に
よってその０次回折光をほぼ全部遮光できる。更に、照
明光束制限部材（６；６Ａ）により形成されるそれら複
数個の２次光源のそれぞれの、その位置検出マークの計
測方向に対応する方向の幅Ｄを、開口数を単位として
０．０６以下に設定するようにしてもよい。これは、上
述の（１）式で波長λ₁,λ₂をそれぞれ５５０ｎｍ，７
５０ｎｍ、その位置検出マークの周期Ｐを６μｍ、その
位置検出マークの計測方向の幅Ｗを５０μｍとして幅ｄ
１を０．０６とした場合に相当する。即ち、通常の使用
条件では、その幅Ｄを０．０６以下とすることによっ
て、結像系瞳面上で０次回折光と１次回折光とがほぼ完
全に分離されるようになる。

【００１６】同様に、結像光束制限部材（１６；１６
Ａ）によって遮光されるそれら複数個の遮光領域のそれ
ぞれの、その位置検出マークの計測方向に対応する方向
の幅Ｄ１を、開口数を単位として照明光束制限部材
（６；６Ａ）により形成されるそれら複数個の各２次光
源の幅Ｄに対して（Ｄ＋０．０３）以上に設定してもよ
い。これも、上述の（２）式で波長λ₂を７５０ｎｍ、
その位置検出マークの計測方向の幅Ｗを５０μｍとした
場合に相当する。即ち、通常の使用条件では、それら遮
光領域の幅Ｄ１を（Ｄ＋０．０３）以上とすることによ
って、結像系瞳面上で０次回折光をほぼ完全に遮光でき
る。

【００１７】次に、上述の発明において、その照明光束
制限部材によりその照明系瞳面上に形成されるそれら複
数個の２次光源の一例は、例えば図６に示すように、そ
の照明光学系の光軸に関して点対称に分布すると共に、
その位置検出マークの非計測方向に対応する方向で同じ
位置に分布する２つの２次光源（３８Ａ，３８Ｂ）を有
し、これら２つの２次光源のその位置検出マークの計測
方向に対応する方向の中心間隔Ｄ２は、照明光の中心波
長をλとして、λ／Ｐの整数倍とならないように設定さ
れるものである。

【００１８】この場合、それら２つの２次光源（３８
Ａ，３８Ｂ）の一方からの照明光の回折光の結像系瞳面
上での計測方向の間隔は、λ／Ｐとなるため、２次光源
（３８Ａ，３８Ｂ）の間隔をλ／Ｐからずらしておくこ
とによって、２次光源（３８Ａ，３８Ｂ）に対応する結
像系瞳面での遮光領域（３９Ａ，３９Ｂ）によってその
位置検出マークからの１次回折光が遮光されることがな
く、確実にその位置検出マークの像が形成される。ま
た、それら２次光源の分布を光軸に関して点対称とする
ことによって、得られる像の対称性が確保される。

【００１９】更に、その間隔Ｄ２はλ／Ｐの半整数倍、
即ち整数ｎを用いて（ｎ＋１／２）λ／Ｐに設定される
ことが望ましい。これによって、１次回折光が最も通過
し易くなる。また、上述の発明において、その照明光束
制限部材によりその照明系瞳面上に形成されるそれら複
数個の２次光源の他の例（３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３
３Ｉ）は、例えば図５に示すように、その照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、その位置検出マ
ークの非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の
２次光源が存在しないように分布するものである。

【００２０】これによって、例えば１つの２次光源（３
２Ｅ）によってその位置検出マークから発生する１次以
上の回折光（３６Ａ，３７Ａ，３６Ｂ，３７Ｂ，…）は
遮光されないため、その位置検出マークの像が確実に形
成される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置検出装置
の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
本例は、投影露光装置に備えられるオフ・アクシス方式
で、且つ結像式位置検出方式のアライメントセンサに本
発明を適用したものである。先ず、図１２は本例のアラ
イメントセンサを備えたステッパー型の投影露光装置の
一例を示し、この図１２において、照明光学系５１から
の露光用の照明光（水銀ランプのｉ線等の輝線、又はエ
キシマレーザ光等）ＩＬはレチクル５２の下面（パター
ン形成面）のパターンを均一な照度分布で照明し、その
パターンが投影光学系５４により投影倍率β（βは例え
ば１／５）で縮小されて、フォトレジストが塗布された
半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という）１０上の
各ショット領域に投影される。以下では、投影光学系５
４の光軸ＡＸＰに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面
内で図１２の紙面に平行にＸ軸を取り、図１２の紙面に
垂直にＹ軸を取って説明する。

【００２２】レチクル５２は、このレチクル５２をＸ方
向、Ｙ方向に位置決めすると共に、所望の角度だけ回転
して固定するレチクルステージ５３上に保持されてい
る。一方、ウエハ１０は不図示のウエハホルダを介して
ウエハステージ１２に保持されている。ウエハステージ
１２は、Ｘ方向及びＹ方向にウエハ１０の位置決めを行
い、ウエハ１０のＺ方向の位置（フォーカス位置）を制
御すると共に、ウエハ１０の傾斜角の補正を行う。ま
た、ウエハステージ１２の上面にその表面がウエハ１０
の表面と同じ高さになるように基準板１３が固定され、
基準板１３の表面にベースライン計測（投影光学系５４
の光軸ＡＸＰとアライメントセンサの検出中心との間隔
の計測）等に用いられる基準マークが形成されている。

【００２３】更に、ウエハステージ１２上に固定された
移動鏡１４と、対向するように配置されたレーザ干渉計
１５とによりウエハステージ１２（ウエハ１０）のＸ座
標、及びＹ座標が常時０．０１μｍ程度の分解能で計測
されている。このようにレーザ干渉計１５により計測さ
れる座標に基づいて定まる座標系を、ステージ座標系
（Ｘ，Ｙ）と呼ぶ。レーザ干渉計１５により計測された
座標は装置全体の動作を統轄制御する主制御系５５、及
び後述の画像処理系２９に供給され、その供給された座
標に基づいて主制御系５５は、ウエハステージ駆動系５
６を介してウエハステージ１２の位置決め動作を制御す
る。具体的に、ウエハ１０上の或るショット領域への露
光が終了すると、ウエハステージ１２のステッピング動
作によって次のショット領域を投影光学系５４の露光フ
ィールド内に位置決めして露光を行うという、ステップ
・アンド・リピート方式で露光が行われる。

【００２４】また、図１２の投影露光装置には、ウエハ
１０上の各ショット領域に付設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）の座標を検
出するための、オフ・アクシス方式で且つ結像式位置検
出方式のアライメント光学系５７、及び画像処理系２９
よりなるアライメントセンサが設けられている。このア
ライメントセンサのアライメント光学系５７の詳細な構
成については後述する。

【００２５】アライメント光学系５７で光電変換して出
力される撮像信号ＤＳが画像処理系２９に供給され、画
像処理系２９にはレーザ干渉計１５で計測されるウエハ
ステージ１２の座標も供給されている。画像処理系２９
では、その撮像信号ＤＳを処理して得られるアライメン
トマークのアライメント光学系５７内の指標マークに対
する相対位置に、レーザ干渉計１５で計測される座標を
加算することによって、検出対象のアライメントマーク
のステージ座標系での座標値を検出し、この座標値を主
制御系５７に供給する。主制御系５７では、例えばウエ
ハ上の所定個数のショット領域（サンプルショット）に
付設されたアライメントマークの座標の計測値、及びウ
エハ上の全部のショット領域の設計上の配列座標より所
謂エンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）
方式でそれら全部のショット領域のステージ座標系での
配列座標を算出する。

【００２６】また、アライメント光学系５７の検出中心
（例えば指標マークの中心）から投影光学系５４の光軸
ＡＸＰ（露光中心）までの距離であるベースライン量
は、予め基準板１３を用いて求められて主制御系５５内
の記憶装置に記憶されている。従って、主制御系５５
は、算出された配列座標をそのベースライン量で補正し
て得られた座標に基づいてウエハステージ１２を駆動す
ることにより、ウエハ上の各ショット領域に高い重ね合
わせ精度でレチクルのパターン像を転写できる。

【００２７】次に、本例の結像式位置検出方式のアライ
メントセンサの構成につき詳細に説明する。以下では計
測方向がＸ方向（Ｘ軸に平行な方向）のアライメントマ
ークを検出する機構につき説明するが、計測方向をＹ方
向とするアライメントマークについても同様の機構で検
出される。図１は、本例のアライメント光学系５７の概
略構成、及び画像処理系２９を示し、この図１のアライ
メント光学系５７において、ハロゲンランプ等の光源１
から射出された広帯域の照明光束は、コンデンサレンズ
２、及びシャープカットフィルタ又は干渉フィルタ等か
らなる波長選択素子３を経て、照明視野絞り４に入射す
る。波長選択素子３は、ウエハ１０上に塗布されたフォ
トレジストに対して非感光性の波長域（本例では波長５
５０ｎｍ以上）の光束のみを透過させる光学フィルタで
ある。但し、本例のアライメントセンサを、例えば露
光、及び現像後のウエハ上の回路パターンと転写された
レジストパターンとの重ね合わせ誤差の検出装置として
使用するのであれば、フォトレジストの感光を防ぐ必要
はないため、波長選択素子３を設けなくともよい。

【００２８】照明視野絞り４を透過した照明光束は、リ
レーレンズ系５を経て、照明光束制限部材６に入射す
る。そして、照明光束はビームスプリッタ８、及び対物
レンズ群９を介して、ウエハ１０の表面のアライメント
マーク１１を含む照明領域（観察視野）に入射する。本
例では、照明光束制限部材６は、ウエハ１０の表面（ア
ライメントマーク１１の形成面）に対して、対物レンズ
群９とビームスプリッタ８とを介して光学的にフーリエ
変換の関係となっている面（以下、「照明系瞳面」と呼
ぶ）に配置されている。即ち、照明光束制限部材６内で
照明系光軸ＡＸＩから位置ずれ量ΔＲＩの位置を通過し
た照明光束が、ウエハ１０の表面に入射する際の入射角
をθ_inとすると、その位置ずれ量ΔＲＩはその入射角θ
_inの正弦に比例する。

【００２９】また、光源１の発光部は照明光束制限部材
６の配置面と光学的にほぼ共役となっており、ウエハ１
０の表面は光源１からの照明光によってほぼケーラー照
明されている。但し、本例では照明光束制限部材６内の
後述の複数の透光部（２次光源）は２次元的に分布して
いるため、それらの透光部をほぼ均一に照明するため
に、照明光束制限部材６を光源１の発光部との共役面か
ら或る程度デフォーカスさせてもよい。また、光源１か
らの照明光の代わりに、所定の大きさの断面形状を有す
る光ファイバ束で導いた照明光等を使用してもよい。

【００３０】一方、照明視野絞り４は、リレーレンズ系
５〜対物レンズ群９までの一連の光学系を介して、ウエ
ハ１０の表面（アライメントマーク１１）と共役（結像
関係）となっており、照明視野絞り４の光透過部の形状
に応じてウエハ１０上での照明領域を制限することがで
きる。また、照明光束制限部材６は交換機構７に取り付
けられ、必要に応じて光路外に退避できるようになって
いる。

【００３１】ウエハ１０上のアライメントマーク１１を
含む照明領域で反射、回折、又は散乱された光束は、対
物レンズ群９、ビームスプリッタ８を経て結像光束制限
部材１６に至る。結像光束制限部材１６は、ウエハ１０
の表面（アライメントマーク１１の形成面）に対して、
対物レンズ群９とビームスプリッタ８とを介して光学的
にフーリエ変換の関係となっている面（以下、「結像系
瞳面」と呼ぶ）に配置されている。即ち、ウエハ１０の
表面から射出角θ_outで射出された光束が、結像光束制
限部材１６内で結像系光軸ＡＸから位置ずれ量ΔＲＪの
位置を通過するものとすると、その位置ずれ量ΔＲＪは
その射出角θ_outの正弦に比例する。

【００３２】これらの光学的なフーリエ変換の関係を図
２を用いて説明するが、図２中では簡単のために図１の
対物レンズ群９を１枚のレンズで表している。図２にお
いて、対物レンズ群９の一方の焦点面（焦点距離をｆと
する）上にウエハ１０の表面を配置すれば、他方の焦点
面が光学的なフーリエ変換面（瞳面）ＦＰとなる。そし
て、ウエハ１０上での入射角、及び射出角がθである光
束は、それぞれフーリエ変換面（瞳面）ＦＰ上で光軸Ａ
Ｘからｆ・sin θだけ離れた位置を通ることになる。

【００３３】図２では、対物レンズ群９を１枚のレンズ
で表しているが、これが複数枚からなるレンズ系であっ
ても本質的には何ら変わりはなく、複数枚のレンズの合
成焦点面にウエハ１０の表面を配置すれば他方の焦点面
がフーリエ変換面（瞳面）となる。そして、対物レンズ
群９と瞳面との間に図１に示すようにビームスプリッタ
８を配することにより、送光側である照明系瞳面と受光
側である結像系瞳面とを分離することが可能となる。ま
た、分離された両瞳面は共にウエハ１０の表面に対する
フーリエ変換面であり、即ち両瞳面は、ウエハ１０、対
物レンズ群９、及びビームスプリッタ８を介して共役
（結像関係）となっている。

【００３４】なお、照明光束制限部材６、及び結像光束
制限部材１６の遮光、透過部の形状の詳細については後
述する。結像光束制限部材１６を通過した光束（結像光
束）は、レンズ系１８、ビームスプリッタ１９を経て、
指標板２４上にアライメントマーク１１の像を形成す
る。一方、指標板２４は指標板照明用光学系から射出さ
れてビームスプリッタ１９で反射された照明光によって
も照明されている。この指標板照明用光学系は、発光ダ
イオード等の光源２０、コンデンサレンズ２１、指標板
照明視野絞り２２、及びリレーレンズ系２３より構成さ
れ、指標板照明視野絞り２２は、リレーレンズ系２３、
及びビームスプリッタ１９を介して指標板２４と共役、
ひいてはウエハ１０の表面と共役になっている。

【００３５】また、指標板２４には後述するようにアラ
イメントマーク１１の位置検出に際しての基準となる指
標マークが形成されている。指標板照明用光学系（以
下、「２０〜２３」で表す）は、この指標マークを照明
するためのものであり、光源２０からの照明光は、アラ
イメントマーク１１への照明光と異なり単色光でもよ
い。また、光源２０からの照明光はウエハ１０への照射
も行われないため、その波長がフォトレジストの感光波
長であっても構わない。そこで、光源２０として波長５
００ｎｍ程度の照明光を発光する発光ダイオードを使用
して、ビームスプリッタ１９の反射面を、波長選択素子
３で選択された照明光を透過させて光源２０からの照明
光を反射するダイクロイックミラー面とすることで、ウ
エハ１０からの結像光束、及び指標マークの照明光の利
用効率を高めることができる。

【００３６】指標板２４上の像は、リレーレンズ系２
５、開口絞り２６、及びリレーレンズ系２７によりＣＣ
Ｄ等の撮像素子２８上の撮像面に再び結像される。画像
処理系２９は、撮像素子２８からの撮像信号ＤＳに基づ
いて、前述の指標マークの像とアライメントマーク１１
の像との位置関係を算出する。これによりアライメント
マーク１１の位置検出が可能となる。なお、開口絞り２
６はウエハ１０の表面に対するフーリエ変換面（結像光
束制限部材１６の配置面と結像関係にある面）に配置さ
れ、この開口絞り２６によって対物レンズ群９〜リレー
レンズ系２７よりなる結像光学系の開口数が制限され
る。また、結像光束制限部材１６も交換機構１７に取り
付けられ、必要に応じて光路外に退避できるようになっ
ている。

【００３７】ここで、本例のアライメントマーク１１の
形状、指標板２４、指標板照明視野絞り２２、及び照明
視野絞り４の透過部の形状、並びに撮像素子２８上に形
成される像の光強度分布の一例につき、図３、及び図４
を用いて説明する。先ず、図４（Ａ）はアライメントマ
ーク１１の拡大平面図を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）
の計測方向（Ｘ方向）に沿った断面図を示す。即ち、ア
ライメントマーク１１はウエハ１０の表面において、他
の部分に比べて凹部となった３本の帯状のパターンをＸ
方向に周期（ピッチ）Ｐで配列した周期的マークよりな
る。そして、アライメントマーク１１上に図４（Ｂ）に
示すように、フォトレジスト３１が塗布され、計測方向
にアライメントマーク１１を含み照明光で照明されてい
る幅Ｗの領域をマーク領域ＭＡと呼ぶ。本例ではその幅
Ｗをアライメントマーク１１の計測方向の幅とみなす。

【００３８】また、図３（Ａ）は照明視野絞り４を示す
図、図３（Ｃ）は指標板２４を示す図であり、図３
（Ａ）に示す通り、照明視野絞り４上では中央の矩形の
透過部４Ｍ以外は全て斜線を施した遮光部となってい
る。その透過部４Ｍがウエハ１０の表面に投影され、透
過部４Ｍの明るい共役像がアライメントマーク１１の照
明領域となる。この照明領域は、図４（Ｂ）中の幅Ｗの
マーク領域ＭＡに相当し、この照明領域を図３（Ｃ）に
示す指標板２４上に投影した像が、マーク像領域ＭＩと
なっている。即ち、指標板２４上のマーク像領域ＭＩ内
にアライメントマーク１１の像が形成される。

【００３９】一方、図３（Ｂ）は指標板照明視野絞り２
２を示し、この図３（Ｂ）において、指標板照明視野絞
り２２内の２箇所の矩形の透過部２２Ｌ，２２Ｒ以外は
全て斜線を施して示す遮光部となっている。これらの透
過部２２Ｌ，２２Ｒからの透過光は、図３（Ｃ）に示す
指標板２４上においてそれぞれ照明領域ＬＩ，ＲＩを照
明する。そして、左右の照明領域ＬＩ，ＲＩ内には、そ
れぞれ遮光部である前述の指標マーク２４Ｌ，２４Ｒが
形成されている。

【００４０】これらの結果、撮像素子２８上に形成され
る像の光強度（像強度）の分布は図４（Ｃ）の如くな
る。なお、図４（Ｃ）では撮像素子２８から出力される
撮像信号ＤＳでその像強度を表している。図４（Ｃ）に
おいて、図１の光源１からの照明光で照明されたアライ
メントマーク１１の像１１Ｐを中心として、その左右に
光源２０からの照明光で照明された指標マーク２４Ｌ，
２４Ｒの像（暗像）２４ＬＰ，２４ＲＰが形成されてい
る。なお、本例においては、アライメントマーク１１へ
の照明が実質的に暗視野照明であるため、アライメント
マーク１１の像１１Ｐはアライメントマーク１１に対し
て倍周期となる。また、図４（Ｂ）の断面図において、
アライメントマーク１１の計測方向の左右の領域ＬＡ，
ＲＡは平坦な領域とされているが、これらの領域ＬＡ，
ＲＡの状態はアライメントマーク１１の位置検出には全
く影響しない（照明光で照明されていない）ので、ここ
に回路パターン等が存在しても全く問題はない。

【００４１】図１の画像処理系２９では、撮像素子２８
からの出力される図４（Ｃ）に示す撮像信号ＤＳに基づ
いて、アライメントマーク１１と指標マーク２４Ｌ，２
４Ｒとの位置関係の算出を行う。この過程は、従来の結
像式位置検出方式のアライメントセンサで一般に行われ
ている処理と全く同様である。例えば、或るスライスレ
ベルＳＬでの撮像信号ＤＳのスライス位置Ｌ₂,Ｌ₁,Ｍ₁
〜Ｍ_n,Ｒ₁,Ｒ₂を求め、これらのスライス位置に基づい
て位置検出を行うことができる。それ以外に、或るテン
プレート信号とアライメントマークの像１１Ｐに対応す
る撮像信号ＤＳとの相関に基づいて位置検出を行っても
よい。

【００４２】また、これらの位置検出に先立ち、検出位
置の基準となる指標マーク２４Ｌ，２４Ｒのウエハステ
ージ１２（ウエハ１０）に対する位置関係の計測、即ち
ベースラインチェックを行う必要がある。このため、図
１２において例えばウエハステージ１２を駆動して、基
準部材１３上の基準マークを投影光学系５４の露光フィ
ールド内に移動して、不図示のレチクル用のアライメン
トセンサでその基準マークとレチクル５２上のアライメ
ントマークとを所定の関係に合わせ込み、そのときのウ
エハステージ１２の座標値（レーザ干渉計１５により計
測されるステージ座標系での座標値）を第１の計測値と
して記憶する。

【００４３】その後、図１において、ウエハステージ１
２を駆動して基準部材１３上に形成された基準マークを
対物レンズ群９の下の観察視野内に移動し、その基準マ
ークと指標マーク２４Ｌ，２４Ｒとの位置関係を検出す
る。同時に、このときのウエハステージ１２の座標値
（ステージ座標系での座標値）を計測し、この計測値と
上記の基準マークに対する検出値との和を第２の計測値
として記憶し、この第２の計測値から先の第１の計測値
を差し引いて得られる量をベースライン量として記憶す
る。この場合、アライメントマーク１１の計測時のレー
ザ干渉計１５による計測値と、前述の撮像信号ＤＳから
求めたアライメントマーク１１と基準指標２４Ｌ，２４
Ｒとの位置関係との和から、そのベースライン量を差し
引いたものが、アライメントマーク１１の露光中心に対
する相対位置となる。

【００４４】次に、本例の照明光束制限部材６、及び結
像光束制限部材１６とそれらの変形例とについて、それ
ぞれ図５と図６とを参照して説明する。図５（Ａ）は図
１中の照明光束制限部材６を示し、図５（Ｂ）は図１中
の結像光束制限部材１６を示し、これら図５（Ａ）及び
（Ｂ）において横軸であるＵ軸は図４（Ａ）に示したア
ライメントマーク１１のＸ軸に対応し、縦軸であるＶ軸
はそのアライメントマーク１１のＹ軸に対応する。照明
光束制限部材６、及び結像光束制限部材１６は、それぞ
れアライメントマーク１１に対する瞳面に配置されるの
で、慣例に従ってＵ軸、及びＶ軸を使用している。

【００４５】図５（Ａ）に示すように、本例の照明光束
制限部材６は、斜線を施して示す遮光部上に複数個の微
小な矩形（正方形も可）の透光部３２Ａ〜３２Ｉ，３２
Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉを形成したものである。この場合、
照明光束制限部材６の上半分の領域（Ｖ＞０となる領
域）内の透光部３２Ａ〜３２Ｉと光軸（Ｕ軸及びＶ軸の
原点）に対して対称に、下半分の領域に透光部３３Ａ〜
３３Ｉが設けられていると共に、光軸上に透光部３２Ｊ
が設けられている。なお、必ずしも光軸上に透光部３２
Ｊを設ける必要はない。また、透光部の個数及び分布位
置は図５（Ａ）に限定されない。

【００４６】このように各透光部を光軸に関して対称に
配置することによって、照明光束制限部材６上の各透光
部の配置は各透光部の照明光量分布の重心位置が光軸と
一致する。これによって、撮像素子２８上に得られる像
の対称性が確保される。なお、検出対象とするアライメ
ントマークの形状等によって必ずしも像の対称性を確保
する必要のないときには、照明光束制限部材６上で透光
部を光軸に対して対称に配置する必要はない。

【００４７】一方、図５（Ｂ）に示すように、結像光束
制限部材１６は、照明光束制限部材６上の各透光部３２
Ａ〜３２Ｉ，３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉと共役な位置に、
それぞれそれよりやや大きい遮光部３４Ａ〜３４Ｉ，３
４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉが形成され、それ以外の領域が光
透過部となっている。このような照明光束制限部材６と
しては、金属遮光板上の特定箇所に透過開口を設けたも
のや、ガラス等の透明基板上に金属等で遮光膜を形成し
特定箇所の遮光膜を除去したものが使用できる。また、
結像光束制限部材１６としては、ガラス等の透明基板上
の特定箇所に金属薄膜等で遮光部を形成したものが使用
できる。

【００４８】そして、アライメントマーク１１が図４
（Ａ）に示すような周期的なパターンであるとき、図５
（Ａ）の照明光束制限部材６上の１つの透光部３２Ｅを
透過した照明光によりアライメントマーク１１から発生
した回折光は、結像光束制限部材１６上で（結像系瞳面
内で）図５（Ｂ）に示すような分布となる。即ち、発生
する回折光の内、０次回折光は透光部３２Ｅと共役な遮
光部３４Ｅによって遮光され、＋１次，＋２次，＋３次
の回折光３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ、及び−１次〜−４次
の回折光３７Ａ〜３７Ｄは透過部を透過し、指標板２４
及び撮像素子２８に到達し、像形成に寄与することにな
る。

【００４９】ところで、照明光束制限部材６上の各透光
部３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３ＩのＵ方向（計測方
向）の幅をＤとして、幅Ｄが仮に０であったとしても、
アライメントマーク１１からの０次回折光は結像光束制
限部材１６上でＵ方向に幅を持ったものとなる。これ
は、アライメントマーク１１の計測方向（Ｘ方向）の幅
Ｗが有限であるために生じるものであり、その広がりは
照明光の波長をλとして、２λ／Ｗ（単位は開口数）程
度となり、実際の広がりの幅は、図２に示すような焦点
距離ｆの対物レンズ群９では、ｆ・２λ／Ｗ程度とな
る。即ち、アライメントマーク１１の幅Ｗが大きい程
（例えば、マーク１本当たりの線幅が大きく、マーク本
数が多い程）結像光束制限部材１６上での結像光束の広
がりは小さくなるわけである。また、照明光が所定の波
長幅を有する場合、最長の波長をλ₂とすると、その０
次回折光の最大の広がりの幅は開口数単位で２λ₂／Ｗ
となる。

【００５０】そこで、本例では、結像光束制限部材１６
上での各遮光部３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５ＩのＵ方
向の幅Ｄ１を、照明光束制限部材６上の透光部（３２Ｅ
等）のＵ方向の幅Ｄと、上記の２λ₂／Ｗとの和程度以
上と設定する（単位は開口数、以下、特に断らない限り
瞳面上の単位は開口数とする）。即ち、開口数を単位と
してほぼ次式が成立する。

【００５１】Ｄ１≧Ｄ＋２λ₂／Ｗ（３）これにより、アライメントマーク１１からの０次回折光
を結像光束制限部材１６で完全に遮光することができ
る。なお、結像光束制限部材１６上の各遮光部のＵ方向
の幅Ｄ１が余りに大きくなると、１次以上の回折光も遮
光されてしまうため、当然のことながら、その各遮光部
の幅Ｄ１は（３）式の右辺の（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）以上
で、且つ１次以上の回折光を遮光しない範囲に設定され
る。

【００５２】他の次数、例えばｍ次（ｍは０以外の整
数）の回折光は、結像光束制限部材１６上で０次回折光
の中心からＵ方向に、ｍ・λ／Ｐ（Ｐはアライメントマ
ーク１１の周期）だけ離れた所を通り、その広がり幅は
０次回折光と同様となる。更に、照明光束がブロードバ
ンドであると各光束の波長λの差によりそれぞれの中心
位置も変化するため、各回折光の幅はより広がったもの
となる。そして、各次数の回折光の間隔は最も短い波長
λ₁において最も狭くなり、各波長での各次数の回折光
の広がりは最も長い波長λ₂において最大となる。

【００５３】０次回折光と１次回折光との位置関係に着
目すると、照明光束制限部材６上の透光部３２ＥのＵ方
向の幅Ｄがあまり広いと、それに伴って０次回折光遮光
用の遮光部３４ＥのＵ方向の幅Ｄ１と、１次回折光自身
の広がり幅とが共に大きくなり、その結果、±１次回折
光３６Ａ，３７Ａの一部も遮光部３４Ｅによって遮光さ
れることになる。

【００５４】これを避けるためには、照明光束制限部材
６上の各透光部のＵ方向の幅Ｄを、０次回折光と１次回
折光との最小間隔λ₁／Ｐから、幅Ｄが０の場合の各回
折光の広がり幅の最大値２λ₂／Ｗを差し引いた値以下
として、０次回折光と１次回折光とが結像光束制限部材
６上で重なり合わないようにすればよい。即ち、次式が
成立するようにすればよい。なお、幅Ｄは（４）式を満
たし、且つ０より大きければ良い。

【００５５】Ｄ≦λ₁／Ｐ−２λ₂／Ｗ（４）なお、実際のアライメントマークではその周期Ｐは６μ
ｍ〜１６μｍ程度であり、アライメントマークの計測方
向の幅Ｗは５０μｍ程度であることが多い。例えば、照
明光がブロードバンドで、波長域が５５０ｎｍ（λ₁)か
ら７８０ｎｍ（λ₂）であるとき、周期Ｐが６μｍ（一
般的なマークの中で最も細かい、即ち０次光と１次光が
最も離れる）のアライメントマークを検出するなら、
（４）式より照明光束制限部材６上の各透光部の幅Ｄ
を、０．０６（≒０．５５／６−２・０．７８／５０）
以下とすればよいことになる。このとき、照明光束制限
部材６上での０次回折光の広がり（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）
は、約（Ｄ＋０．０３１）となるので、（３）式より結
像光束制限部材１６の各遮光部の幅Ｄ１は（Ｄ＋０．０
３）程度以上とすればよい。

【００５６】同様に、周期Ｐが８μｍのアライメントマ
ークに対しては、照明光束制限部材６の各透光部の幅Ｄ
を０．０３８以下とし、周期Ｐが１２μｍのアライメン
トマークに対しては、その各透光部の幅Ｄを０．０１５
以下とすればよい。また、図５に示したように、或る値
のＶ座標上には、結像光束制限部材１６上の各遮光部
（３４Ｅ等）及びそれに対応する照明光束制限部材６上
の透光部（３２Ｅ等）を１つしか配置しないものとして
ある。図５（Ｂ）中のＵ軸に平行な破線群はこのことを
明示するための補助線であり、各破線の間には遮光部３
４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉが１つしかないことにな
る。このような配列にすると、任意の１つの透光部（３
２Ｅ等）の透過光のアライメントマークによる計測方向
（周期方向）への０次以外の回折光は、結像光束制限部
材１６上の遮光部に全く遮られることがない。このた
め、撮像素子２８上に形成される像として極めて忠実度
の高いものを得ることができる。

【００５７】次に、図６（Ａ）は照明光束制限部材の他
の例を示し、図６（Ｂ）は結像光束制限部材の他の例を
示し、図５と同様に、これら図６（Ａ）及び（Ｂ）のＵ
軸及びＶ軸は、それぞれ図４（Ａ）に示したアライメン
トマーク１１のＸ軸及びＹ軸に対応している。図６
（Ａ）に示すように、この照明光束制限部材６Ａ上には
遮光部中にそれぞれＵ方向には細く、Ｖ方向には長い長
方形の透光部３８Ａ〜３８Ｇが形成されている。また、
同一のＶ座標上に複数個の（２ないし３個の）透過部が
形成され、本例でも透光部３８Ａ〜３８Ｇは光軸に関し
て対称に配置されている。なお、図６（Ａ）では透光部
３８Ａ〜３８Ｇの個数は６個であるが、透光部の個数は
複数個であれば任意であり、配置も図６（Ａ）には限定
されない。本例では、それらの複数の透光部（２次光
源）の計測方向（Ｕ方向）の間隔は、照明光束の中心波
長をλとして開口数を単位として、透光部３８Ｄと３８
Ｅとの間隔Ｄ３、及び透光部３８Ｄと３８Ｃとの間隔Ｄ
３では２．５・λ／Ｐに、透光部３８Ａと３８Ｂとの間
隔Ｄ２、及び透光部３８Ｆと３８Ｇとの間隔Ｄ２では
３．５・λ／Ｐに、それぞれ設定してある。

【００５８】また、図６（Ｂ）に示す結像光束制限部材
１６Ａにおいて、図６（Ａ）中の照明光束制限部材６Ａ
上の透過部３８Ａ〜３８Ｇに共役な領域、及びその周辺
が遮光部３９Ａ〜３９Ｇとなっていることは、図５の例
と同様である。このとき、例えば透光部３８Ｄよりアラ
イメントマーク１１に照射される照明光束による回折光
の内で、図６（Ｂ）の結像光束制限部材１６Ａ上で０次
回折光は遮光部３９Ｄで遮光され、＋１次〜＋４次の回
折光４２Ａ〜４２Ｄ、及び−１次〜−４次の回折光４３
Ａ〜４３Ｄは遮光部の間を透過している。本例では、上
述のように、透光部３８Ｄと透光部３８Ｃ，３８Ｅとの
間隔、及び遮光部３９Ｄと遮光部３９Ｃ，３９Ｅとの間
隔が、２．５・λ／Ｐに設定されているために、上記の
回折光４３Ｄ〜４２Ｄは遮光部３９Ｃ，３９Ｅにより遮
光されることなく結像光束制限部材１６を透過すること
ができる。

【００５９】また、別の透光部３８Ｂからの照明光によ
り生じる−５次の回折光４１Ｄ〜＋２次の回折光４０Ｂ
までの回折光も、透光部３８Ａと透光部３８Ｂとの間
隔、及び遮光部３９Ａと遮光部３９Ｂとの間隔が、それ
ぞれ３．５・λ／Ｐに設定されているために、遮光部３
９Ａに遮光されることなく結像光束制限部材１６を透過
することができる。なお、これらの透光部３８Ａ〜３８
Ｇ、及び遮光部３９Ａ〜３９Ｇの計測方向（Ｕ方向）の
間隔は、上記の２．５・λ／Ｐ、３．５・λ／Ｐに限定
されるわけではなく、λ／Ｐの半整数倍であれば如何な
る値であってもよい。

【００６０】更に、或る程度回折光が遮光されてもよけ
れば、それらの間隔は、λ／Ｐの整数倍にならないよう
に設定すればよい。ところで、図６（Ａ）中の透光部３
８Ｃ，３８Ｅの照明光により発生する回折光について
は、それぞれ−５次及び＋５次の回折光が互いに他の透
光部に対応する遮光部３９Ｅ，３９Ｃにより遮光されて
しまう。しかし、このような高次（５次以上）の回折光
が像形成に及ぼす影響は、実用上無視できる程度に小さ
く問題となることは殆どない。但し、照明光の波長域が
広い場合、図６のような構成では、例えば透光部３８Ｄ
からの照明光による＋２次回折光４２Ｂの内、最も波長
の長いものはより大きく回折し、遮光部３９Ｅにより遮
光され、また＋３次回折光４２Ｃの内最も波長の短いも
のもあまり回折せずに遮光部３９Ｅにより遮光される恐
れがある。従って、透光部３８Ａ〜３８Ｇ及び遮光部３
９Ａ〜３９Ｇの各幅は図５の例の場合よりも細くするこ
とが望ましい。

【００６１】勿論、照明光の波長域がそれ程広くない場
合には、透光部及び遮光部の各幅は図５の例と同様でよ
い。このとき、更に透光部の総面積を同一のＶ座標につ
いて複数の透光部が存在する分だけ大きくすることがで
きるため、照明光量を大きく、即ち像を明るくできると
いう利点がある。ここで、上述の実施の形態と比較する
ために、図７（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ従来の暗視野
顕微鏡での照明系瞳面及び結像系瞳面での光量分布を示
す。図７でも、計測方向に対応する方向をＵ軸、計測方
向に直交する非計測方向に対応する方向をＶ軸としてい
る。

【００６２】図７では、照明系瞳面での光量分布が光軸
ＡＸを中心とする円形領域４４に制限され、結像系瞳面
での遮光部がその円形領域４４とほぼ共役な円形の遮光
部４５とされているタイプを表している。このとき、図
７（Ａ）の円形領域４４からの照明光によりアライメン
トマークから発生する回折光は、図７（Ｂ）に示すよう
にそれぞれ円形の＋１次〜＋４次の回折光４６Ａ〜４６
Ｄ、及び−１次〜−４次の回折光４７Ａ〜４７Ｄとな
る。しかしながら、例えば±１次回折光４６Ａ，４７Ａ
は大部分が円形の遮光部４５により遮光されてしまう。
この結果、得られる像は忠実度の極めて低いものとなっ
てしまうことになり、当然ながらその像を用いた位置検
出精度も劣化することとなる。それに対して本発明の実
施の形態によれば、図５及び図６に示すように、１次以
上の回折光が殆ど全部結像光束として利用されるため、
得られる像の忠実度は極めて高くなっている。

【００６３】次に、上述の実施の形態のアライメントセ
ンサを用いて、凹凸変化量（段差）の極めて小さいアラ
イメントマークの像を形成した場合の計算機によるシミ
ュレーション結果につき説明する。図８は、図１のアラ
イメントセンサにより得られる段差５ｎｍのアライメン
トマークの像強度分布のシミュレーション結果を示し、
図８において横軸はウエハ上での計測方向（Ｘ方向）の
位置を示したものであり、縦軸はそのアライメントマー
クの像の光強度を示している。また、アライメントマー
クの詳細な構成は、周期が１２μｍ、凹部の本数が５本
であり、凹部の幅と凸部の幅とが等しく、マーク表面の
材質は屈折率が３．５５の一様な材質であり、その上に
屈折率が１．６８のフォトレジストが厚さ１μｍで塗布
されているものとした。なお、照明光の波長域を５５０
ｎｍ（λ₁)から７５０ｎｍ（λ₂)として、照明光束制限
部材６上の透光部は図５に示すように分布しているもの
として、結像光学系の開口数は０．２とした。

【００６４】このとき、アライメントマークの計測方向
の幅Ｗは６０（＝１２×５）μｍとなるので、照明光束
制限部材６の各透過部のＵ方向の幅Ｄは、（４）式の条
件に従って０．０２とした。また、結像光束制限部材１
６上の各遮光部の幅Ｄ１は、（３）式の条件に従って、
０．０４５とした。図８の像強度分布はアライメントマ
ークの１周期分であり、横軸（位置）の原点はアライメ
ントマークの中央の凹部の中心を示し、±Ｐ／４の位置
に表示した破線はアライメントマークの凹部のエッジ
（凹部と凸部との境界）を示す。また、縦軸の光強度
は、１周期内でのマーク像の光強度の最大値が１となる
ように規格化してある。

【００６５】一方、図９及び図１０はそれぞれ通常（明
視野）の顕微鏡、及び暗視野顕微鏡により得られるアラ
イメントマークの像のシミュレーション結果を示す。明
視野顕微鏡の照明光のコヒーレンスファクタであるσ値
は０．８とし、暗視野顕微鏡のσ値は０．３とした。ま
た、暗視野顕微鏡の結像系瞳面での遮光部の半径はその
σ値（０．３）よりやや大きい０．３３ＮＡ（ＮＡは開
口数）とした。他の条件（アライメントマークの形状、
照明光の波長、開口数、横軸の位置、縦軸の光強度の規
格化）は、図８に示す本発明の実施の形態でのシミュレ
ーション条件と同様である。

【００６６】図９に示すように、明視野顕微鏡の像は明
暗変化（コントラスト）が殆どなく、このような像から
のマーク位置検出は殆ど不可能なことが分かる。一方、
図１０に示すように、暗視野顕微鏡の像ではコントラス
トは大きいが、前述の如くかなりの１次回折光が遮光さ
れているために像の忠実度が劣化し、アライメントマー
クの周期に対して４倍の周期の像が形成されている。実
際の位置検出においては、位置検出以前には真のマーク
位置は不明であるから、このような４倍周期の像に対し
ての位置検出を行うと、Ｐ／４だけマーク位置を誤検出
してしまう恐れがある。

【００６７】これに対して、図８に示した本発明の実施
の形態のアライメントセンサによる像では、コントラス
トが十分であるばかりでなく、その最暗部がマークエッ
ジと一致するような像であるため、これを用いて確実な
位置検出を行うことができる。また、図１１は、従来の
暗視野顕微鏡でありながら照明光束のσ値を０．０５
（開口数としては０．０１）とし、結像系瞳面での遮光
部の半径を０．１２ＮＡ（開口数としては０．０２４）
とした場合の像のシミュレーション結果を示す。このと
き、照明系瞳面の透過部及び結像系瞳面の遮光部の各全
幅（０．０２及び０．０４８）は上述の実施の形態の条
件を満たすものではある。従って、アライメントマーク
からの回折光の内の０次回折のみが遮光され、１次以上
の回折光は透過することになるが、その像は図１１に示
す通りやはり４倍周期に近いものとなっている。これ
は、このように照明光束のσ値の小さい照明条件（コヒ
ーレント照明）では、アライメントマーク上の照明光の
コヒーレンスが高くなり過ぎ、このために像質が劣化す
るためである。

【００６８】一方、本発明の実施の形態においては、照
明系瞳面の２次光源の１個当たりの大きさは小さいもの
の、それが複数個配置され、２次光源群全体としてはσ
値の大きな照明系となっており、上記の如き像質の劣化
の恐れは全くない。なお、以上の本発明の実施の形態で
は、計測方向に周期的なアライメントマークを検出対象
として説明したが、本発明の位置検出装置により周期的
でないマークを検出することも勿論可能である。この場
合、検出対象のマークから発生する回折光は上記のよう
に離散的なものとはならないが、本発明の位置検出装置
ではこの場合にも遮光する回折光をより低次（０次に近
い）のものに限定することができ、より多くの有益な回
折光を結像に寄与させることができ、より正確な位置検
出が可能となる。

【００６９】また、本発明の実施の形態の照明光束制限
部材６，６Ａ及び結像光束制限部材１６，１６Ａは、段
差の小さなマークの検出に極めて有効であることは前述
の通りであるが、段差の大きな（例えば１００ｎｍ以
上）のマークに対しては従来の検出光学系においても十
分な検出精度を有しているので、段差の大きなマークを
検出する際には、照明光束制限部材６，６Ａ及び結像光
束制限部材１６，１６Ａをそれぞれ図１に示す交換機構
７及び１７を用いて光路外へ退避させるようにしてもよ
い。なお、ガラス基板よりなる結像光束制限部材１６，
１６Ａ（あるいは照明光束制限部材６，６Ａ）の退避に
より、光学系の収差状態が変動してしまう恐れのある場
合には、これらの部材の退避時に同等な光学的厚さを有
する透明部材を挿入する必要がある。

【００７０】また、実施の形態中で用いた照明光束制限
部材６，６Ａは、特定部分の光束のみを透過し、他は遮
光するというものであったが、照明光束を照明系瞳面上
の特定の複数箇所に集光するような部材、例えばフライ
アイレンズのような光学系を用いてもよい。また、図１
の照明用の光源１として半導体レーザ素子等のレーザ光
源を用いてもよい。この場合も、照明光束としては或る
程度の波長域を有することが望ましいので、多波長（マ
ルチモード）で発振する半導体レーザ素子、色素レーザ
光源、又はその他の複数個の異なる波長で発振するレー
ザ光源を使用するとよい。

【００７１】なお、以上の実施の形態は、半導体ウエハ
上のアライメントマークの位置検出を行うアライメント
センサに本発明を適用したものであるが、本発明による
位置検出装置は他の用途の光学装置に対しても適用する
ことが可能である。例えば、目視検査や観察に使用する
ような一般の光学顕微鏡に対して本発明を適用すれば、
上述の実施の形態と同様に低段差パターンに対して高コ
ントラストな像を得ることができる。更には、生物顕微
鏡のように透過照明を使用する顕微鏡に対しても本発明
を適用することができる。

【００７２】このように、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。

【００７３】

【発明の効果】本発明によれば、照明系瞳面上に離散的
に分布する複数個の２次光源を形成し、対応する結像系
瞳面上の複数個の遮光領域で照明光を遮光しているた
め、位置検出マークからの０次回折光を遮光して１次以
上の回折光を高い効率で利用できる。従って、凹凸変化
量（段差）の極めて小さい位置検出マークに対しても高
い忠実度で像を形成でき、確実に位置検出を行うことが
できる利点がある。そのため、例えば平坦化工程等によ
り凹凸変化（段差）が極めて小さくなったアライメント
マークに対しても十分にコントラストの高いマーク像を
得ることができ、そのマーク像の光強度分布を用いてマ
ーク位置の検出を高精度に行うことができる。

【００７４】また、表面段差等が小さく、あるいは光束
の位相変化の少ない各種パターンを従来例より高いコン
トラストで検出できる光学系を実現することができる。
この場合、その位置検出マークが、計測方向の幅がＷで
計測方向に周期Ｐの周期性を有するマークであり、照明
光束制限部材により形成される複数個の２次光源のそれ
ぞれの、その位置検出マークの計測方向に対応する方向
の幅Ｄが、照明光の最短波長をλ₁、最長波長をλ₂と
して、開口数を単位として（λ₁／Ｐ−２λ₂／Ｗ）以
下に設定される場合には、結像系瞳面上で０次回折光と
１次回折光とがほぼ完全に分離されるため、０次回折光
のみを遮光し易くなる。

【００７５】また、結像光束制限部材によって遮光され
る複数個の遮光領域のそれぞれの、その位置検出マーク
の計測方向に対応する方向の幅が、開口数を単位として
その照明光束制限部材により形成される複数個の各２次
光源の幅Ｄに対して（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）以上に設定され
るときには、その位置検出マークの計測方向の幅Ｗによ
って０次回折光が広がりを有しても、その結像光束制限
部材によってその０次回折光をほぼ完全に遮光できる。

【００７６】次に、その照明光束制限部材により形成さ
れる複数個の２次光源のそれぞれの、その位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の幅Ｄが、開口数を単位と
して０．０６以下に設定されるときには、通常の使用条
件（照明光の波長λ₁,λ₂がそれぞれ５５０ｎｍ，７５
０ｎｍ、位置検出マークの周期Ｐが６μｍ、位置検出マ
ークの計測方向の幅Ｗが５０μｍ程度）下では、（１）
式の幅ｄ１に対して、Ｄ≦ｄ１が成立するため、結像系
瞳面上で０次回折光と１次回折光とがほぼ完全に分離さ
れるようになる。

【００７７】同様に、結像光束制限部材によって遮光さ
れる複数個の遮光領域のそれぞれの、その位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の幅Ｄ１を、開口数を単位
としてその照明光束制限部材により形成される複数個の
各２次光源の幅Ｄに対して（Ｄ＋０．０３）以上に設定
される場合には、その通常の使用条件下で、（２）式の
幅ｄ２に対して、Ｄ１≧ｄ２が成立するため、結像系瞳
面上で０次回折光をほぼ完全に遮光できる。

【００７８】また、照明光束制限部材によりその照明系
瞳面上に形成される複数個の２次光源が、照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、位置検出マーク
の非計測方向に対応する方向で同じ位置に分布する２つ
の２次光源を有し、これら２つの２次光源の位置検出マ
ークの計測方向に対応する方向の中心間隔が、照明光の
中心波長をλとして、λ／Ｐの整数倍とならないように
設定されるときには、その結像系瞳面での遮光領域によ
ってその位置検出マークからの１次以上の回折光が殆ど
遮光されることがなく、高い忠実度でその位置検出マー
クの像が形成される。また、それら２次光源の分布を光
軸に関して点対称とすることによって、得られる像の対
称性が確保される。更に、計測方向に複数の２次光源が
あるため、得られる像が明るくなる。

【００７９】また、照明光束制限部材によりその照明系
瞳面上に形成される複数個の２次光源が、照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、位置検出マーク
の非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の２次
光源が存在しないように分布するときには、その結像系
瞳面でその位置検出マークからの１次以上の回折光が殆
ど遮光されることなく、高い忠実度でその位置検出マー
クの像が形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の実施の形態の一例
のアライメントセンサを示す構成図である。

【図２】図１中の対物レンズ群９の瞳面の説明図であ
る。

【図３】（Ａ）は図１中の照明視野絞り４のパターンを
示す図、（Ｂ）は図１中の指標板照明視野絞り２２のパ
ターンを示す図、（Ｃ）は図１中の指標板２４のパター
ンを示す図である。

【図４】（Ａ）は図１中のアライメントマーク１１の一
例を示す拡大平面図、（Ｂ）は図４（Ａ）の断面図、
（Ｃ）はそのアライメントマーク１１の像の撮像信号
（光強度分布）を示す波形図である。

【図５】（Ａ）は図１中の照明光束制限部材６の透光部
の配置を示す図、（Ｂ）は図１中の結像光束制限部材１
６の遮光部の配置を示す図である。

【図６】（Ａ）は照明光束制限部材の他の例６Ａの透光
部の配置を示す図、（Ｂ）は結像光束制限部材の他の例
１６Ａの遮光部の配置を示す図である。

【図７】従来の暗視野顕微鏡における照明系瞳面及び結
像系瞳面での光量分布を示す図である。

【図８】本発明の実施の形態で得られるアライメントマ
ークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す図
である。

【図９】通常の明視野の顕微鏡で得られるアライメント
マークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す
図である。

【図１０】従来の暗視野顕微鏡で得られるアライメント
マークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す
図である。

【図１１】従来の暗視野顕微鏡でコヒーレント照明とし
た場合に得られるアライメントマークの像の光強度分布
のシミュレーション結果を示す図である。

【図１２】本発明の実施の形態のアライメントセンサを
備えた投影露光装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１光源４照明視野絞り６，６Ａ照明光束制限部材７，１７交換機構９対物レンズ群１０ウエハ１１アライメントマーク１２ウエハステージ１６，１６Ａ結像光束制限部材２２指標板照明視野絞り２４指標板２６開口絞り２８撮像素子２９画像処理系３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ透光部３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉ遮光部３８Ａ〜３８Ｇ透光部３９Ａ〜３９Ｇ遮光部５７アライメント光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理対象の基板上に形成された位置検出
マークを照明する照明光学系と、前記位置検出マークか
らの照明光より前記位置検出マークの像を形成する結像
光学系と、前記位置検出マークの像を撮像する撮像素子
と、を備え、該撮像素子から出力される画像信号に基づ
いて前記位置検出マークの位置を検出する位置検出装置
において、前記照明光学系中の、前記位置検出マークの形成面に対
する光学的フーリエ変換面である照明系瞳面上に離散的
に分布する複数個の２次光源を形成する照明光束制限部
材と、前記結像光学系中の、前記位置検出マークの形成面に対
する光学的フーリエ変換面である結像系瞳面に配置さ
れ、且つ前記照明系瞳面で前記離散的に分布する複数個
の２次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領域を
含む複数個の遮光領域において照明光を遮光し、それ以
外の領域では照明光を通過せしめる結像光束制限部材
と、を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置であって、前記位置検出マークは、計測方向の幅がＷで計測方向に
周期Ｐの周期性を有するマークであり、前記照明光束制限部材により形成される前記複数個の２
次光源のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向に
対応する方向の幅Ｄは、照明光の最短波長をλ ₁、最長
波長をλ₂として、開口数を単位として（λ₁／Ｐ−２
λ₂／Ｗ）以下に設定されることを特徴とする位置検出
装置。
【請求項３】請求項２記載の位置検出装置であって、前記結像光束制限部材によって遮光される前記複数個の
遮光領域のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向
に対応する方向の幅は、開口数を単位として前記照明光
束制限部材により形成される前記複数個の各２次光源の
幅Ｄに対して（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）以上に設定されること
を特徴とする位置検出装置。
【請求項４】請求項１記載の位置検出装置であって、前記照明光束制限部材により形成される前記複数個の２
次光源のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向に
対応する方向の幅Ｄは、開口数を単位として０．０６以
下に設定されることを特徴とする位置検出装置。
【請求項５】請求項４記載の位置検出装置であって、前記結像光束制限部材によって遮光される前記複数個の
遮光領域のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向
に対応する方向の幅は、開口数を単位として前記照明光
束制限部材により形成される前記複数個の各２次光源の
幅Ｄに対して（Ｄ＋０．０３）以上に設定されることを
特徴とする位置検出装置。
【請求項６】請求項２又は３記載の位置検出装置であ
って、前記照明光束制限部材により前記照明系瞳面上に形成さ
れる前記複数個の２次光源は、前記照明光学系の光軸に
関して点対称に分布すると共に、前記位置検出マークの
非計測方向に対応する方向で同じ位置に分布する２つの
２次光源を有し、該２つの２次光源の前記位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の中心間隔は、照明光の中
心波長をλとして、λ／Ｐの整数倍とならないように設
定されることを特徴とする位置検出装置。
【請求項７】請求項１〜５の何れか一項記載の位置検
出装置であって、前記照明光束制限部材により前記照明系瞳面上に形成さ
れる前記複数個の２次光源は、前記照明光学系の光軸に
関して点対称に分布すると共に、前記位置検出マークの
非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の２次光
源が存在しないように分布することを特徴とする位置検
出装置。