JPH11251218A

JPH11251218A - 位置検出方法及び装置、並びに該装置を備えた露光装置

Info

Publication number: JPH11251218A
Application number: JP10049099A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハマークが低段差である場合であって
も、高精度にその位置を検出し、アライメントを行う。【解決手段】ウエハ上のウエハマークＭＫＸ１，ＭＫ
Ｙ１とウエハアライメントセンサ内の指標板上の指標マ
ークＩＭＸ１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ１，ＩＭＹ２とを照明
して撮像素子の撮像面に形成される投影像の撮像信号を
生成する。撮像信号のウエハマーク部のオフセットＷＩ
と指標マーク部のオフセットＫＩとが等しくなるように
指標マークを照明する照明光の光量を調整する。指標マ
ークを構成する互いに線幅の異なるマーク１９ａ〜１９
ｃの像に対応した撮像信号のピークＳＸａ〜ＳＸｃのう
ち振幅が所定の範囲内にあるピークより指標マークの中
心位置Ｘ２を求める。ウエハマークＭＫＸ１の中心位置
Ｘ１の指標マークの中心位置Ｘ２に対する位置ずれ量を
検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウエハ等の基板上
の被検マークの位置を検出するための位置検出方法及び
装置に関し、特に半導体素子、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
で使用される露光装置に備えられて、ウエハ等の基板上
のアライメントマークを光電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】例えば、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投影露光装置においては、マス
クとしてのレチクル上に形成された回路パターンの像
を、感光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）
上の各ショット領域にそれまでの工程で形成されている
パターン上に、高い重ね合わせ精度で転写するために、
レチクルとウエハの各ショット領域とを高精度に位置合
わせするためのアライメント機構が備えられている。

【０００３】このアライメント機構の主要部が、レチク
ル上のアライメントマーク（レチクルマーク）の位置を
検出するレチクルアライメント顕微鏡と、ウエハ上のア
ライメントマーク（ウエハマーク）の位置を検出するア
ライメントセンサとである。また、ウエハマーク用のア
ライメントセンサとしては、特開平２−５４１０３号公
報に示されているような、ウエハマーク検出用の専用の
光学系を使用し、露光位置と異なる位置でウエハマーク
の位置を検出するオフ・アクシス方式で広帯域の照明光
を用いる画像処理方式のアライメントセンサが多用され
ている。このアライメントセンサには、指標マークが設
けられており、アライメントの前に、アライメントセン
サの検出中心位置（指標マークの中心位置）と露光中心
位置（レチクルのパターン像の中心位置）との距離を計
測するベースライン計測が予め行われていた。そして、
指標マークの中心位置とウエハマークの中心位置との位
置ずれ量を計測し、その位置ずれ量にベースライン量を
加えて補正を行い、その補正結果に基づいてウエハを位
置決めして露光を行っていた。

【０００４】また、従来のウエハマークは段差が５００
ｎｍ程度以上であるものがほとんどであり、アライメン
トセンサには開口数（Ｎ．Ａ．）が０．２〜０．３程度
の結像光学系を備えることで十分な精度が得られてい
た。また、指標マークは、アライメントセンサの計測安
定性がアライメント精度に大きく影響するため、アライ
メントセンサの光学系中で、撮像面までの像のリレー数
の少ない位置に設けられていた。

【０００５】また、指標マークをウエハからの戻り光で
照射する場合には、ウエハ表面が荒れていると、指標マ
ークからの検出光にウエハ表面の荒れによるフレア等に
起因するノイズが含まれるため、指標マークの検出精度
が悪化する。また、指標マークと共役なウエハ面は、パ
ターンを形成してはならないパターン禁止帯とする必要
があり、ウエハの有効利用面積が小さくなるという問題
があった。このような問題を解決するために、特開平５
−３２６３７５号公報、又は特開平６−７７１１６号公
報に示されているように、ウエハ上のウエハマークを照
明する照明系とは別に指標マークを照明する照明系を別
途設ける方法が提案されている。

【０００６】また、従来は露光波長以外の光束でウエハ
上の各ショット領域に付設されたウエハマークの位置を
検出し、ウエハマークを検出するための光学系の一部と
して投影光学系を使用するＴＴＬ（スルー・ザ・レン
ズ）方式も併用して使用されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、従来のア
ライメントセンサでは、オフ・アクシス方式の他にＴＴ
Ｌ方式も併用して使用されており、ウエハマークは段差
が５００ｎｍ程度以上であるものがほとんどで、開口数
（Ｎ．Ａ．）が０．２〜０．３程度の結像光学系でウエ
ハマークを検出するのに十分な精度が得られていた。

【０００８】しかしながら、近年では０．２５〜０．１
μｍ程度の解像度が要求されるようになり、それに応え
るべく露光も水銀ランプのｉ線等からＫｒＦ、又はＡｒ
Ｆ等のエキシマレーザ光に短波長化しつつあり、開口数
を例えば０．７以上とした投影光学系が要求されてい
る。このような投影光学系を製造するのに使用できるレ
ンズ硝材としては、現在のところ蛍石や石英しか適当な
ものがないとされているが、レンズ硝材として蛍石や石
英を用いた投影光学系では、露光光と異なるアライメン
ト用のレーザ光や広帯域波長（５３０〜８００ｎｍ程
度）の光に対しては収差が残存するため、ＴＴＬ方式の
位置検出装置（アライメントセンサ）を使用することは
困難となる。

【０００９】また、アライメントセンサの対物光学系に
おいても、アライメント精度を高めるために、開口数を
例えば０．４〜０．６程度まで高めることが要求されて
いる。また、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing：
化学機械的研磨）技術等における平坦化プロセスによ
り、ウエハマークも３０〜５００ｎｍ程度まで低段差化
される可能性がある。しかし、ウエハマークを低段差化
した場合、ウエハマークを検出する際のウエハマークの
像のコントラストが低下し、ウエハマークの中心位置を
正確に検出できなくなる恐れがある。

【００１０】即ち、低段差化したウエハマーク、及び指
標マークの像を同じ撮像素子で撮像して得られる撮像信
号は、図７（ａ）に示すように、中央のウエハマークに
対応する部分の振幅が、その両側の指標マークに対応す
る部分の振幅より小さくなる。図７（ａ）において、横
軸は計測方向（Ｘ方向とする）の位置Ｘ、縦軸は位置Ｘ
での撮像信号ＳＸＡのレベルを表している。この際に、
ウエハマークの部分の振幅を大きくするために、撮像信
号ＳＸＡを所定のレベルを中心としてアナログで増幅す
ると、図７（ｂ）の撮像信号ＳＸＢで示すように、撮像
信号ＳＸＢ中の指標マーク部が飽和して波形の歪みが生
じてしまうため、指標マークの中心位置を高精度に検出
できなくなり、ひいてはアライメント精度が低下すると
いう不都合がある。

【００１１】また、指標マークの部分の撮像信号の飽和
を避けるためには、指標マークとウエハマークとを別々
の撮像素子で検出する方法も考えられるが、ウエハマー
クの投影像と指標マークの投影像とのコントラストやオ
フセットが大きく異なる場合に、各撮像素子の撮像信号
ごとにゲインやオフセットを調整する際に誤差を生じや
すいという不都合がある。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑み、低段差のウエハ
マークであっても、高精度にその位置を検出できる位置
検出方法を提供することを第１の目的とする。本発明は
更に、種々の段差のウエハマークの位置をそれぞれ高精
度に検出できる位置検出方法を提供することを第２の目
的とする。また、本発明は、そのような位置検出方法を
実施できる位置検出装置及び露光装置を提供することを
も目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の位置検出
方法は、基板（４）上の被検マーク（ＭＫＸ１，ＭＫＸ
２）の像と所定の指標マーク（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２）、
又はこの指標マーク（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２）の像とを比
較することによって、その被検マーク（ＭＫＸ１，ＭＫ
Ｘ２）の位置を検出する位置検出方法において、その指
標マーク（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２）は、互いに異なる複数
のマーク（１９ａ〜１９ｃ）を有し、その被検マーク
（ＭＫＸ１，ＭＫＸ２）の像に応じて、その複数のマー
ク（１９ａ〜１９ｃ）の内から比較の基準となるマーク
を選択するものである。また、その互いに異なる複数の
マーク（１９ａ〜１９ｃ）は、例えば互いに線幅の異な
る複数のマークであることが好ましい。

【００１４】斯かる本発明の第１の位置検出方法によれ
ば、検出される被検マークが高段差でその像の検出レベ
ル（振幅）が大きいときは、指標マーク（ＩＭＸ１，Ｉ
ＭＸ２）を構成する複数のマーク（１９ａ〜１９ｃ）の
像の内から太いマークの像を比較の基準として選択し、
その被検マークが低段差でその像の検出レベルが小さい
ときには細いマークの像を選択することにより、高精度
に種々の段差の被検マークの位置を検出することができ
る。

【００１５】次に、本発明の第２の位置検出方法は、基
板（４）上の被検マーク（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）の像と
所定の指標マークの像（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ
１，ＩＭＹ２）とを比較することによって、その被検マ
ーク（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）の位置を検出する位置検出
方法において、その指標マーク（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２，
ＩＭＹ１，ＩＭＹ２）は、この指標マークの像（ＩＭＸ
１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ１，ＩＭＹ２）を所定の検出面
（３１Ｘ，３１Ｙ）上に形成する対物光学系の解像限界
よりも細い線幅のマーク（１９ｃ）を有するものであ
る。

【００１６】斯かる本発明の第２の位置検出方法によれ
ば、指標マークの像（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ１，
ＩＭＹ２）を所定の検出面（３１Ｘ，３１Ｙ）上に形成
する対物光学系の解像限界よりも線幅の細い指標マーク
は、その像のコントラストが低い。そこで、被検マーク
（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）がその像のコントラストの低い
低段差の被検マークであっても、その線幅の細い指標マ
ークの像を比較の基準として選択することにより、高精
度に被検マーク（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）の位置を検出す
ることができる。

【００１７】なお、その対物光学系の開口数をＮＡ、照
明光の平均波長をλとすると、レーリーの解像限界△は
次のようになり、指標マークの線幅は△より小さければ
よい。 △＝λ／（２・ＮＡ）（１）従って、仮に開口数ＮＡを０．６、平均波長λを６５０
ｎｍとすると、解像限界△はほぼ５４０ｎｍ（基板上の
投影像に換算した値）となり、同じ平均波長で開口数Ｎ
Ａを０．４とすると、解像限界△はほぼ８１２ｎｍ（基
板上の投影像に換算した値）となる。

【００１８】また、その被検マークとその指標マークと
を互いに異なる照明系（２５，２７）により照明すると
共に、その被検マークの像及びその指標マークの像の検
出レベルに応じてその互いに異なる照明系（２５，２
７）の相対的な照度を調整することが望ましい。この場
合、その被検マークの像とその指標マークの像との例え
ば平均的な検出レベルを等しくすることができ、その被
検マークの位置検出精度を向上させることができる。

【００１９】また、その被検マークの像及びその指標マ
ークの像は同一の撮像素子（３１Ｘ，３１Ｙ）の撮像面
上に投影され、その撮像素子の検出信号はその被検マー
クの像に対応する信号部が所定範囲の振幅となるように
利得制御、即ち、オートゲインコントロール（ＡＧＣ）
され、この利得制御された検出信号を処理してその指標
マークの像に対するその被検マークの像の位置ずれ量を
検出することが望ましい。この場合、検出信号を利得制
御することにより、その被検マークが像のコントラスト
が低い低段差の被検マークであっても、高精度にその位
置を検出することができる。

【００２０】なお、その被検マークの像と指標マークの
像とを別々の撮像素子で検出する場合には、撮像素子の
検出信号をそれぞれ同じ条件で利得制御することによ
り、被検マークの像と指標マークの像とを同一の撮像素
子で検出する場合と同様の効果が得られる。また、被検
マークの像と指標マークの像とが同一の撮像素子の撮像
面上に投影した場合は、検出信号を利得制御した際に生
じる撮像素子の感度特性の変化の影響を受けない。ま
た、その指標マークを構成するマークをそれぞれ複数の
同一線幅の線状パターンより形成してもよい。この場
合、複数の線状パターンの各位置を平均化することによ
り、より高精度に指標マークの位置検出を行うことがで
き、ひいては高精度にアライメントを行うことができ
る。

【００２１】一方、被検マークの像と指標マークの像と
を別々の撮像素子で検出した場合には、被検マークを検
出するための計測視野の大きさに左右されずに指標マー
クの大きさや配置を決定することができるという利点が
ある。次に、本発明の位置検出装置は、基板上の被検マ
ークの像（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）と所定の指標マークの
像（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ１，ＩＭＹ２）とを撮
像する撮像素子（３１Ｘ，３１Ｙ）を備え、この撮像素
子（３１Ｘ，３１Ｙ）の検出信号を処理してその指標マ
ーク（ＩＭＸ１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ１，ＩＭＹ２）を基
準としてその被検マーク（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）の位置
を検出する位置検出装置において、その指標マーク（Ｉ
ＭＸ１，ＩＭＸ２，ＩＭＹ１，ＩＭＹ２）は、互いに線
幅の異なる複数のマーク（１９ａ〜１９ｃ）を有し、そ
の撮像素子（３１Ｘ，３１Ｙ）の検出信号中のその被検
マークの像（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）に対応する部分のレ
ベルに応じて、その検出信号中のその複数のマーク（１
９ａ〜１９ｃ）に対応する部分から比較の基準となる部
分を選択する信号処理系（１３）を設けたものである。

【００２２】斯かる本発明の位置検出装置によれば、本
発明の第１の位置検出方法を実施できると共に、信号処
理系（１３）により、指標マーク（ＩＭＸ１，ＩＭＸ
２，ＩＭＹ１，ＩＭＹ２）の像を形成する複数のマーク
（１９ａ〜１９ｃ）に対応する部分から最適な部分を比
較の基準として選択することにより、高精度に被検マー
ク（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）の位置検出を行うことができ
る。また、低段差で像のコントラストの低い被検マーク
（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）を検出する際に、撮像素子（３
１Ｘ，３１Ｙ）の検出信号中の被検マーク部のレベルを
所定の範囲となるように利得制御する場合であっても、
検出信号のレベルがそれと同じ程度の範囲内にある指標
マークの像を比較の基準として選択することにより、高
精度に被検マークの指標マークに対する位置検出を行う
ことができる。

【００２３】次に、本発明の露光装置は、上記の本発明
の位置検出装置（５）と、位置合わせ用マーク（ＭＫＸ
２，ＭＫＹ２）が形成された基板（４）の位置決めを行
う基板ステージ（３）と、その基板（４）上にマスク
（９）のパターンを露光する露光部（１，８，１０）と
を有する露光装置であって、その位置検出装置（５）に
よってその基板（４）上の位置合わせ用のマーク（ＭＫ
Ｘ２，ＭＫＹ２）の位置を検出し、この検出結果に基づ
いてその基板（４）とそのマスク（９）との位置合わせ
を行うものである。

【００２４】斯かる本発明の露光装置によれば、本発明
の位置検出装置（５）を使用して、基板上の位置合わせ
用マーク（ＭＫＸ２，ＭＫＹ２）を位置を検出するた
め、位置合わせ用マークの低段差化が行われている場合
でも、基板（４）とマスク（９）との位置合わせを高精
度に行うことができる。また、本発明の位置検出装置
と、位置合わせ用マークが形成された基板の位置決めを
行う基板ステージと、その基板上にマスクのパターンを
露光する露光部とを、上記の機能を達成するように、電
気的、機械的、又は光学的に連結することで、本発明の
露光装置が組み上げられる。

【００２５】

【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。本実施の形態は、本発
明をステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置に
備えられたオフ・アクシス方式のアライメントセンサに
適用したものである。図１は、本例で使用される投影露
光装置の概略構成を示し、この図１において、露光時に
は露光光源、照度分布均一化用のオプティカル・インテ
グレータ、レチクルブラインド、コンデンサレンズ系等
で構成された照明光学系１０からの露光光ＩＬで、マス
クとしてのレチクル９のパターン面のパターン領域が照
明される。その露光光ＩＬとしては、水銀ランプのｉ線
（波長３６５ｎｍ）等の輝線、又はＫｒＦ（波長２４８
ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）等のエキシマレー
ザ、もしくはＦ₂ （波長１５７ｎｍ）レーザ等が使用で
きる。

【００２６】その露光光ＩＬのもとで、レチクル９のパ
ターン像が両側（又はウエハ側に片側）テレセントリッ
クな投影光学系１を介して所定の倍率β（βは１／４，
１／５等）で、ウエハ４上の各ショット領域に投影され
る。ウエハ４の表面にはフォトレジストが塗布され、そ
の表面は投影光学系１の像面に合致するように保持され
ている。以下、投影光学系１の光軸ＡＸに平行にＺ軸を
取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を
取り、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。

【００２７】レチクル９はレチクルステージ８上に保持
され、レチクルステージ８はレチクルベース８Ｂ上でレ
チクル９をＸ方向、Ｙ方向、回転方向に位置決めする。
レチクルステージ８の２次元的な位置はレーザ干渉計７
によって計測され、この計測結果、及び主制御系１１の
制御情報に基づいてステージ駆動部１２がレチクルステ
ージ８の動作を制御する。

【００２８】一方、ウエハ４はウエハホルダ（不図示）
上に吸着保持され、ウエハホルダは試料台３上に固定さ
れ、試料台３はウエハステージ２上に固定されている。
ウエハステージ２は、試料台３のＺ方向の位置（フォー
カス位置）及び傾斜角を制御すると共に、試料台３のＸ
方向及びＹ方向へのステッピングや高精度な位置決めを
行う。そのため、試料台３の側面は移動鏡としてのミラ
ー面になっており、そのミラー面に対向するようにレー
ザ干渉計６が配置され、レーザ干渉計６によって試料台
３の位置が計測されている。この計測結果、及び主制御
系１１の制御情報に基づいて、ステージ駆動部１２がウ
エハステージ２を駆動する。

【００２９】露光時にはウエハ４上の一つのショット領
域へのレチクル９のパターン像の露光が終わると、ウエ
ハステージ２を介してウエハ４上の次のショット領域を
投影光学系１の露光領域に移動して、レチクル９のパタ
ーン像を露光する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て、ウエハ４上の各ショット領域
への露光が行われる。また、投影光学系１の像面をウエ
ハ４の表面に合わせ込むために、投影光学系１の下方に
は露光領域に位置するウエハ４の表面のＺ方向の位置
（フォーカス位置）を計測するための斜入射オートフォ
ーカス装置（不図示）が設置されている。

【００３０】さて、重ね合わせ露光を行う場合には、予
めレチクル９とウエハ４の各ショット領域とのアライメ
ントを高精度に行っておく必要がある。そのため、レチ
クル９のパターン面のパターン領域の近傍にはアライメ
ント用のレチクルマーク（不図示）が形成され、レチク
ルマークの上方にレチクルアライメント用のレチクル顕
微鏡（不図示）が配置されている。また、投影光学系１
の側面には、ウエハ４上の各ショット領域に付設された
アライメント用のウエハマークの位置を検出するための
オフ・アクシス方式で且つ画像処理方式のアライメント
センサ５が配置され、アライメントセンサ５の撮像信号
が画像処理装置１３に供給されている。

【００３１】また、ウエハステージ２上に基準マーク
（不図示）が設けられ、レチクル９の投影光学系１によ
る投影像の中心（露光中心）と、アライメントセンサ５
内の指標板１９（図２参照）上の指標マークの中心と、
ウエハ４上で共役な点（検出中心）との距離（ベースラ
イン）を計測するのにその基準マークが使用される。そ
して、アライメントセンサ５を介して指標マークの中心
位置とウエハマークの中心位置との位置ずれ量を計測
し、画像処理装置１３はその位置ずれ量を主制御系１１
に供給する。主制御系１１は、その位置ずれ量をウエハ
ステージ２の座標に加算して得られるウエハマークの座
標にベースライン量を加えて補正を行い、その補正結果
に基づいてウエハを位置決めして露光を行う。

【００３２】次に、本例の投影露光装置のアライメント
センサ５について説明する。図２は、本例のアライメン
トセンサ５を示し、この図２において、ウエハ４上の検
出対象のウエハマークＭＫ１を照明するための光源２７
は、ハロゲンランプからの照明光を、楕円鏡により集光
した後、照明光が５００〜８００ｎｍ程度の波長帯域と
なるようにフィルタリングする構成となっている。そし
て、光源２７からの照明光は、ランダムに束ねられた光
ファイバ束２６により照度分布が均一化された後に、レ
ンズ２４，２２を経て遮光スリット２０上を均一に照明
する。遮光スリット２０を透過した照明光はレンズ１８
を経てハーフミラー１６によりて偏向されて下方に向か
い、ダイクロイックミラー１５を透過して、第１対物レ
ンズ１４を介して、ウエハ４の表面上のウエハマークＭ
Ｋ１を照明する。

【００３３】なお、ウエハマークＭＫ１は段差が５００
ｎｍ程度の高段差マークであるが、本例では段差が５０
０ｎｍ〜３０ｎｍ程度の低段差化されたウエハマークＭ
Ｋ２も高精度に位置検出を行うことができる。ウエハ４
からの反射光は再び第１対物レンズ１４、ダイクロイッ
クミラー１５、及びハーフミラー１６を透過し、第２対
物レンズ３３によりウエハ４の表面と共役な位置に配置
されたＣＣＤ型の２次元の撮像素子３１Ｙの撮像面にウ
エハマークＭＫ１の像を形成する。また、第２対物レン
ズ３３と撮像素子３１Ｙとの間のハーフミラー３０で偏
向された光は同様に、ウエハ４の表面と共役な位置に配
置されたＣＣＤ型の２次元撮像素子３１Ｘの撮像面にも
ウエハマークＭＫ１の像を形成する。本例の第１対物レ
ンズ１４、及び第２対物レンズ３３よりなる結像光学系
の開口数は、一例として０．３〜０．６程度の範囲内で
不図示の開口絞りによって可変となっている。

【００３４】一方、指標マークを照明するための発光ダ
イオード（ＬＥＤ）２５からの波長８５０ｎｍ程度の準
単色光とみなせる照明光は、レンズ２３，２１を経て指
標マークが付設された指標板１９を照明する。なお、発
光ダイオード２５の光量は、画像処理装置１３の制御の
もとで光量制御装置２８により調整自在となっている。
指標板１９を透過した照明光は、レンズ１７を経てダイ
クロイックミラー１５により上方に偏向され、ハーフミ
ラー１６を透過した後、第２対物レンズ３３によりウエ
ハ面と共役な位置にある撮像素子３１Ｘ，３１Ｙの撮像
面上に指標マークの像を投影する。また、撮像素子３１
Ｘ、３１Ｙはそれぞれウエハ４上でＸ方向、Ｙ方向に対
応する方向を画素の走査方向（読み出し方向）としてお
り、撮像素子３１Ｘ，３１Ｙからは、それぞれ撮像信号
ＳＸ，ＳＹが画像処理装置１３に供給されている。な
お、指標マークを撮像素子３１Ｘ，３１Ｙの撮像面に直
接形成してもよい。これらの要素を前述の機能を達成す
るように、電気的、機械的、又は光学的に連結すること
で、本例の投影露光装置が組み上げられる。

【００３５】次に、アライメントを行う際のウエハマー
クの指標マークに対する位置ずれ量の検出方法について
説明する。なお、簡単のためＸ方向のアライメントのみ
について説明を行い、Ｙ方向のアライメントについての
説明を省略する。なお、検出対象が高段差のウエハマー
クＭＫ１である場合、図２の結像光学系（１４，３３）
の開口数は例えば０．３程度に設定される。

【００３６】図３（ａ１）は、図２においてウエハマー
クＭＫ１を照明する光源２７を使用したときのウエハ４
上での撮像素子３１Ｘによる観察視野内のウエハマーク
ＭＫ１を示し、この図３（ａ１）において、図２の遮光
スリット２０は、ウエハ４上の検出領域でスリット像２
０Ｖとなって視野を制限するものとなっており、ウエハ
マークＭＫ１はＸ方向に凹凸のライン・アンド・スペー
スパターンを配置したＸ軸のウエハマークＭＫＸ１と、
それをＹ方向に挟むようにＹ方向に凹凸のライン・アン
ド・スペースパターンを配置したＹ軸のウエハマークＭ
ＫＹ１と、から構成されている。ウエハマークＭＫＸ１
はＸ方向の位置検出に使用され、このウエハマークＭＫ
Ｘ１は、Ｙ方向に伸びた５本の凹の線状パターンがＸ方
向にほぼ一定のピッチで配列された格子状のマルチパタ
ーンとなっている。

【００３７】同様に、２箇所のウエハマークＭＫＹ１
は、それぞれＸ方向に伸びた３本の凹の線状パターン
（バーマーク）がＹ方向にほぼ一定のピッチで配列され
た格子状のマルチパターンとなっている。また、図２の
撮像素子３１Ｘの撮像面には、Ｘ方向、及びＹ方向に対
応する方向に画素（ピクセル）が配列されており、その
走査方向はＸ方向となっている。

【００３８】撮像素子３１Ｘでは、図３（ａ１）のサン
プリング領域ＶＳＡ内の像の各画素での光電信号をＸ方
向に対応する方向（以下、これも「Ｘ方向」と呼ぶ）に
読み出す。それによって得られる撮像信号ＳＸは、ウエ
ハマークＭＫＸ１が高段差のバーマークであるため、そ
のバーマーク１本について１つのボトム（最小値）にな
る。また、１本の走査線だけではＳ／Ｎ比の点で不利で
あるため、画像処理装置１３では、サンプリング領域Ｖ
ＳＡ内に入る複数のＸ方向への走査によって得られる撮
像信号のオフセット、及びゲインを後述のように補正し
た後、得られる撮像信号を加算平均して、画像信号を得
る。この平均化処理により、ウエハ４表面の荒れ等によ
るノイズ成分の影響が低減される。そして、この平均化
された画像信号を画素間で補間して適当なスライスレベ
ルＳＬで２値化し、２値化された画像信号の走査方向
（Ｘ方向）の中心をウエハマークＭＫＸ１のＸ方向の位
置とみなす。ここで、一例としてスライスレベルＳＬは
各バーマークに対応する信号部分毎に求められる。

【００３９】図３（ｂ１）は、図３（ａ１）のサンプリ
ング領域ＶＳＡ内の或る１列の画素より得られる撮像信
号ＳＸを示し、この図３（ｂ１）において、横軸は対応
するウエハ上でのＸ方向の位置を表す。本例では、ウエ
ハマークＭＫＸ１が５本の高段差のバーマークから構成
されており、領域Ａで計５個のボトム波形が得られる。
なお、ウエハマークを構成するバーマークの本数は、５
本に限られず、検出精度の向上を図るため、本数を増や
してもよい。逆に、ウエハ面の荒れが少ないようなとき
は、本数を４本以下としてもよい。

【００４０】図３（ａ２）は、図２において指標板１９
を照明する発光ダイオード２５を使用したときに撮像素
子３１Ｘの観察視野で検出される指標マークを示し、こ
の図３（ａ２）において、指標板１９は、中央部がクロ
ムにより遮光されており、遮光スリット２０のクロム面
とガラス面とが反転した基板にＸ軸の指標マークＩＭＸ
１，ＩＭＸ２、及びＹ軸の指標マークＩＭＹ１，ＩＭＹ
２が付設されたものとなっている。また、Ｘ軸の指標マ
ークＩＭＸ１は、互いに線幅の異なる複数のＹ方向に伸
びた矩形の遮光膜よりなるマーク１９ａ〜１９ｃをＸ方
向に配列したものであり、指標マークＩＭＸ２と対にな
っている。また、Ｙ軸の指標マークＩＭＹ１，ＩＭＹ２
は、Ｘ軸の指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２を９０°回転
したマークである。各マーク１９ａ〜１９ｃの線幅は、
外側のマーク１９ａが最も太く、内側のマーク１９ｃが
最も細くなっている。

【００４１】なお、指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２，Ｉ
ＭＹ１，ＩＭＹ２はクロム膜のような遮光膜より形成さ
れているものに限られず、照明光を遮光、又は反射する
ものであればよい。図３（ｂ２）は、図３（ａ２）のサ
ンプリング領域ＶＳＡ内の像を撮像素子３１Ｘで撮像し
て、或る１列の画素から読み出した撮像信号ＳＸを示
し、この図３（ｂ２）において、横軸はウエハ上に換算
したＸ方向の位置を表し、線幅の異なるマーク１９ａ〜
１９ｃにそれぞれ対応したピークＳＸａ〜ＳＸｃが現れ
ている。ここで、マーク１９ａ〜１９ｃは互いに線幅が
異なるため、対応する像のコントラストも異なり、ピー
クＳＸａ〜ＳＸｃの大きさは線幅が狭くなるに従って小
さくなっている。

【００４２】図３（ａ３）は、同時にウエハマークＭＫ
１と指標板１９とを照明したときの撮像素子３１Ｘの観
察視野を示し、この図３（ａ３）において、観察される
パターンは図３（ａ１）のパターンと図３（ａ２）のパ
ターンとが合成されたものとなる。図３（ｂ３）は、図
３（ａ３）のサンプリング領域ＶＳＡ内の像を撮像素子
３１Ｘで撮像して得られる或る１列の画素上の撮像信号
ＳＸを示し、この図３（ｂ３）の撮像信号ＳＸは、図３
（ｂ１）の撮像信号と図３（ｂ２）の撮像信号とが合成
されたものとなる。このように単純に合成したのみで
は、ウエハマークＭＫＸ１の撮像信号のオフセットＷＩ
と指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２の撮像信号のオフセッ
トＫＩとは異なっているのが普通である。そこで、画像
処理装置１３は、光量制御装置２８を介して、ウエハマ
ークＭＫＸ１の検出領域の明部（オフセットＷＩ）の照
度に指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２の検出領域の明部
（オフセットＫＩ）の照度を合わせるように発光ダイオ
ード２５の光量を調整する。なお、ウエハマークＭＫＸ
１の検出領域の明部の照度は、ウエハ４の反射率によっ
て異なるため、発光ダイオード２５の光量調整は各ウエ
ハ毎に行う。図３（ｂ４）は、発光ダイオード２５の照
明光の照度を調整後の撮像信号ＳＸ１を示し、図３（ａ
４）は、それに対応する観察視野を示している。

【００４３】この図３（ｂ４）において、撮像信号ＳＸ
１中でウエハマークＭＫＸ１に対応するＡ部の振幅は高
精度に位置検出ができる程度に大きいため、この撮像信
号ＳＸ１をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換した後、
図３（ａ４）のサンプリング領域ＶＳＡの像の非計測方
向（Ｙ方向）に加算平均してデジタルの画像信号ＳＸ
１’を得る。その後、画像信号ＳＸ１’のＡ部の振幅の
中心にスライスレベルＳＬを設定して、Ａ部がスライス
レベルＳＬを横切る座標を平均化することで、ウエハマ
ークの中心位置Ｘ１が求められる。

【００４４】次に、指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２に対
応する画像信号ＳＸ１’中で、Ａ部に振幅が最も近いピ
ークＳＸｂにおいて、振幅の中心に新たなスライスレベ
ルＳＬを設定して、２つのピークＳＸｂがスライスレベ
ルＳＬを横切る座標を平均化することで指標マークの中
心位置Ｘ２が求められ、位置Ｘ２に対する位置Ｘ１の位
置ずれ量が求められて、主制御系１１に供給される。

【００４５】次に、段差が５００ｎｍ程度以下の低段差
のウエハマークを検出してアライメントを行う場合につ
いて、図４を参照して説明する。以下ではウエハマーク
の段差は、一例として３０〜５０ｎｍであるとする。な
お、図４において図３に対応する部分には同一符号を付
してその詳細説明を省略する。図４（ａ１）は、図２に
おいてウエハ４上の別のレイヤの低段差のウエハマーク
ＭＫ２を検出する際の撮像素子３１Ｘの観察視野内のパ
ターンを示し、ウエハマークＭＫ２は、５本の凹部より
なるＹ方向に伸びたバーマークをＸ方向に一定ピッチで
配列したＸ軸のウエハマークＭＫ２と、これを挟むよう
にそれぞれ３本の凹部よりなるＸ方向に伸びたバーマー
クをＹ方向に一定ピッチで配列した２個のＹ軸のウエハ
マークＭＫＹ２と、から構成されている。ウエハマーク
ＭＫ２の凹部の段差は３０〜５０ｎｍであり、これに対
応して図２の結像光学系（１４，３３）の開口数は、一
例として０．４〜０．６程度に設定される。

【００４６】また、図４（ｂ１）は、図４（ａ１）のサ
ンプリング領域ＶＳＡ内の像の撮像信号ＳＸを示し、図
４（ｂ１）において、ウエハマークＭＫ２が低段差であ
るためそれに対応するＢ部のコントラストが図３（ｂ
１）のＡ部に比べて低くなっている。また、撮像素子３
１ＸのＸ方向の１列の画素から得られる撮像信号ＳＸ
は、ウエハマークＭＫＸ２の各凹部の両側のエッジ位置
でボトム（最小値）になるため、１０個のボトムが検出
される。また、図３の場合と同様に、発光ダイオード２
５の光量制御でウエハマークＭＫＸ２と指標マークＩＭ
Ｘ１，ＩＭＸ２とを同時に検出する際に得られる図４
（ｂ３）の撮像信号ＳＸのオフセットを調整し、図４
（ｂ４）に示すような撮像信号ＳＸ１を生成する。

【００４７】このように、ウエハマークＭＫＸ２が低段
差である場合には、図４（ｂ４）の撮像信号ＳＸ中でウ
エハマークＭＫＸ２に対応するＢ部のコントラストが低
く、中心位置を検出することが困難になる。また、ウエ
ハ４表面の荒れによるノイズ成分の影響が大きい場合に
は、ウエハマークＭＫＸ２の中心位置を検出することが
できなくなる。そこで、高精度にウエハマークＭＫＸ２
の中心位置を検出するため、図２の画像処理装置１３内
のアナログのオートゲインコントロール（ＡＧＣ）回路
において、撮像信号ＳＸ１のゲインを調整する。

【００４８】図５は、ゲイン調整前後の撮像信号を示
し、図５（ａ）に示す撮像信号ＳＸ１のゲインをＢ部が
飽和しない範囲で増大させて、図５（ｂ）に示すような
撮像信号ＳＸ２を生成する。ここで、図５（ｂ）の撮像
信号ＳＸ２は、図５（ａ）の撮像信号ＳＸ１を縦方向に
拡大したものとなっている。ゲインを調整することによ
り、ウエハマークＭＫＸ２に対応するＢ部の振幅の中央
にスライスレベルＳＬを設定することで、その中心位置
Ｘ１を高精度に求めることができる。

【００４９】また、本例でも、その撮像信号ＳＸ２をＡ
／Ｄ変換して、図３（ａ４）のサンプリング領域ＶＳＡ
でＹ方向に加算平均してデジタルの画像信号ＳＸ２を得
る。本例では画像信号ＳＸ２’の指標マークＩＭＸ１，
ＩＭＸ２の太いマーク１９ａ，１９ｂに対応するピーク
ＳＸａ，ＳＸｂがＡＧＣ回路の出力部で飽和を起こして
しまうため、飽和した部分の信号に遅れが生じ、その部
分の画像信号ＳＸ２’に位置ずれが生じてしまう。そこ
で、振幅が飽和しない範囲内にあり指標マークＩＭＸ
１，ＩＭＸ２中の最も細かいマーク１９ｃに対応するピ
ークＳＸｃを用いて、この両側のピークＳＸｃの振幅の
中央にスライスレベルＳＬを設置して、２つのピークＳ
ＸｃがスライスレベルＳＬを横切る座標の中心を、指標
マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２の中心位置Ｘ２として求め、
この位置Ｘ２に対するウエハマークＭＫＸ２の位置Ｘ１
の位置ずれ量を求めてアライメントを行う。

【００５０】このように、本例では、低段差のウエハマ
ークを検出する際に、ＡＧＣ回路によりゲインを調整し
た場合であっても、指標マークとして線幅を変えること
によって像のコントラストが異なる複数のマーク１９ａ
〜１９ｃを用意しており、撮像信号の振幅が飽和しない
範囲内にある指標マークの中心位置を求めているため、
低段差マークであっても高精度にアライメントを行うこ
とができる。

【００５１】また、指標マークを構成する複数のマーク
１９ａ〜１９ｃの像のそれぞれの計測方向の中心を合致
させるために、予め、それらの中心位置のオフセットを
計測しておき、アライメントを行う際には使用するマー
クに応じてそのオフセットを補正する必要がある。な
お、上記の実施の形態ではスライスレベル法で各マーク
の位置を求めているが、ウエハマーク、及び指標マーク
の各線幅のマークの像について、それぞれテンプレート
信号を用意して、パターンマッチング法で各マークの位
置を特定してもよい。

【００５２】なお、指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２を構
成する線幅の異なる複数のマーク１９ａ〜１９ｃの内の
最も細いマーク１９ｃを、図２の結像光学系（１７，３
３）の解像限界より狭い線幅のパターンとしてもよい。
この場合、そのパターン１９ｃの像のコントラストは容
易に低段差マークの像程度に小さくなる。なお、本例で
は、指標マークＩＭＸ１，ＩＭＸ２を異なる線幅のマー
ク１９ａ〜１９ｃにより構成することで、指標マークの
像のコントラストを変化させているが、各マーク１９ａ
〜１９ｃを同じ太さとして非計測方向（Ｙ方向）に結像
光学系の解像度より細かい切り欠きを入れたり（内側の
マーク１９ｃ程多くの切り欠きを設ける）、クロム透過
率がそれぞれ異なる複数のマークから各マーク１９ａ〜
１９ｃを構成することでも、指標マークを構成する複数
のマーク相互のコントラストを変化させることができ
る。また、更に２次元の撮像素子３１Ｘの代わりに、Ｘ
方向に細長い画素を配列した１次元のラインセンサ等を
用いる場合には、非計測方向の各マーク１９ａ〜１９ｃ
の長さを変えてもよい。

【００５３】次に、本発明の実施の形態の他の例につい
て説明する。本例は上記の実施の形態に対して指標マー
クの構成を変更したものであり、図２において、指標板
１９の代わりに指標板３２を使用する。図６（ａ）は、
本例で使用される指標板３２を照明した際の図２の撮像
素子３１Ｘの指標板３２上での観察視野を示し、この図
６（ａ）において、指標板３２には、３本の遮光膜より
なる線状パターンが一定のピッチでＸ方向に対応する方
向に配列されたマルチパターン３２ａ、及びマルチパタ
ーン３２ａに対して線幅が次第に狭くなるマルチパター
ン３２ｂ，３２ｃが付設されており、Ｘ軸の一方の指標
マークＩＭＸ３は、このマルチパターン３２ａ〜３２ｃ
から構成されている。そして、指標マークＩＭＸ３と対
称にＸ軸の他方の指標マークＩＭＸ４が設けられてい
る。同様に、Ｙ方向のアライメント用として、Ｙ方向に
対応する方向に配列されたマルチパターン３２ｄ〜３２
ｆよりなる指標マークＩＭＹ３と、これに対称な指標マ
ークＩＭＹ４とが対になって設けられている。

【００５４】図６（ｂ）は、図６（ａ）のサンプリング
領域ＶＳＡ内の像を撮像して得られる撮像信号ＳＸを示
し、この図６（ｂ）において、マルチパターン３２ａ〜
３２ｃに対応して、それぞれ次第にコントラストが低下
するように３つのボトムが形成されている。アライメン
トを行う際には、図４、及び図５の実施の形態と同様
に、振幅が飽和しない範囲内にある指標マーク部を選択
して、例えば各マルチパターン（３２ａ〜３２ｃの何れ
か）の信号が所定のスライスレベルを横切る位置を平均
化して位置検出を行うことにより、平均化効果で高精度
にアライメントを行うことができる。なお、マルチパタ
ーン３２ａ〜３２ｃを構成する線状パターンの本数は３
本に限られず、２本、又は４本以上でもよい。但し、そ
の本数を増やす場合には、平均化効果により検出精度が
向上し、より高精度にアライメントを行うことができ
る。

【００５５】なお、上記の実施の形態において、ベース
ライン計測時に使用するウエハステージ上の基準マーク
を指標マークと同様に、線幅の異なる複数のマークより
構成してもよい。この場合、撮像信号のゲイン、及びオ
フセットを調整して、例えば指標マークＩＭＸ１，ＩＭ
Ｘ２の各線幅のマーク１９ａ〜１９ｃに対してそれぞれ
最適な基準マークを選択してベースライン計測を行うこ
とにより、各線幅のマーク１９ａ〜１９ｃのそれぞれに
ついて、高精度なベースライン計測を行うことができ
る。

【００５６】なお、本発明は、本例のようなステップ・
アンド・リピート方式の投影露光装置のみならず、近年
主流となってきているステップ・アンド・スキャン方式
の投影露光装置のアライメントセンサにも適用すること
ができる。また、本例では屈折光学系の投影光学系を有
した投影露光装置に本発明を適用したが、反射屈折光学
系や、Ｘ線を用いた反射光学系を用いた露光装置にも適
用できる。

【００５７】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。

【００５８】

【発明の効果】本発明の第１の位置検出方法によれば、
検出される被検マークの像のコントラストに応じて、最
適なコントラストの指標マークの像を比較の基準として
選択することにより、種々の段差の被検マークの位置を
それぞれ高精度に検出することができる。

【００５９】次に、本発明の第２の位置検出方法によれ
ば、指標マークの像を所定の検出面上に形成する対物光
学系の解像限界よりも線幅が細い指標マークを有するた
め、被検マークがその像のコントラストの低い低段差の
被検マークであっても、その指標マークの像を比較の基
準として選択することにより、高精度に被検マークの位
置を検出することができる。

【００６０】次に、本発明の位置検出装置によれば、本
発明の位置検出方法を実施できると共に、信号処理系に
より、指標マークの像を形成する複数のマークに対応す
る部分から最適な部分を比較の基準として選択すること
により、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、低段差でその像のコントラストの低い被検
マークを検出する際に、撮像素子の検出信号を所定の範
囲の振幅となるように利得制御する場合には、飽和を起
こしていない指標マークの像を比較の基準として選択す
ることにより、高精度に被検マークの位置検出を行うこ
とができる。

【００６１】また、本発明の露光装置によれば、本発明
の位置検出装置を使用して、基板上の位置合わせ用マー
クを検出することにより、その基板が低段差化プロセス
を経ている場合でも、基板とマスクとの位置合わせを高
精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例で使用される露光装
置を示す概略構成図である。

【図２】図１のアライメントセンサ５を示す概略構成図
である。

【図３】高段差マークの位置検出を行う場合の撮像素子
の観察視野、及びそれに対応する撮像信号を示す図であ
る。

【図４】低段差マークの位置検出を行う場合の撮像素子
の観察視野、及びそれに対応する撮像信号を示す図であ
る。

【図５】（ａ）は、図４（ｂ４）の撮像信号を示す図、
（ｂ）は図５（ａ）の撮像信号のゲインを増大させた撮
像信号を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の他の例において使用され
るマルチマーク化された指標マーク、及びその像の撮像
信号を示す図である。

【図７】従来の位置検出装置で低段差マークの位置検出
を行う場合の説明図である。

【符号の説明】

１投影光学系４ウエハ５，アライメントセンサ６，７レーザ干渉計９レチクル１１主制御系１２ステージ駆動部１３画像処理装置１５ダイクロイックミラー１６ハーフミラー１９，３２指標板２０視野スリット２５発光ダイオード２６ランダムに束ねられたファイバ束２７光源３１Ｘ，３１Ｙ２次元の撮像素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上の被検マークの像と所定の指標マ
ーク、又は該指標マークの像とを比較することによっ
て、前記被検マークの位置を検出する位置検出方法にお
いて、前記指標マークは、互いに異なる複数のマークを有し、
前記被検マークの像に応じて、前記複数のマークの内か
ら比較の基準となるマークを選択することを特徴とする
位置検出方法。
【請求項２】請求項１記載の位置検出方法であって、前記互いに異なる複数のマークは、互いに線幅の異なる
複数のマークであることを特徴とする位置検出方法。
【請求項３】基板上の被検マークの像と所定の指標マ
ークの像とを比較することによって、前記被検マークの
位置を検出する位置検出方法において、前記指標マークは、該指標マークの像を所定の検出面上
に形成する対物光学系の解像限界よりも細い線幅のマー
クを有することを特徴とする位置検出方法。
【請求項４】請求項１、２、又は３記載の位置検出方
法であって、前記被検マークと前記指標マークとを互いに異なる照明
系により照明すると共に、前記被検マークの像及び前記
指標マークの像の検出レベルに応じて前記互いに異なる
照明系の相対的な照度を調整することを特徴とする位置
検出方法。
【請求項５】請求項１〜４の何れか一項記載の位置検
出方法であって、前記被検マークの像及び前記指標マークの像は同一の撮
像素子の撮像面上に投影され、前記撮像素子の検出信号
は前記被検マークの像に対応する信号部が所定範囲の振
幅となるように利得制御され、該利得制御された検出信
号を処理して前記指標マークの像に対する前記被検マー
クの像の位置ずれ量を検出することを特徴とする位置検
出方法。
【請求項６】請求項１〜５の何れか一項記載の位置検
出方法であって、前記指標マークを構成するマークはそれぞれ複数の同一
線幅の線状パターンよりなることを特徴とする位置検出
方法。
【請求項７】基板上の被検マークの像と所定の指標マ
ークの像とを撮像する撮像素子を備え、該撮像素子の検
出信号を処理して前記指標マークを基準として前記被検
マークの位置を検出する位置検出装置において、前記指標マークは、互いに線幅の異なる複数のマークを
有し、前記撮像素子の検出信号中の前記被検マークの像
に対応する部分のレベルに応じて、前記検出信号中の前
記複数のマークに対応する部分から比較の基準となる部
分を選択する信号処理系を設けたことを特徴とする位置
検出装置。
【請求項８】請求項７記載の位置検出装置と、位置合
わせ用マークが形成された基板の位置決めを行う基板ス
テージと、前記基板上にマスクのパターンを露光する露
光部と、を有する露光装置であって、前記位置検出装置によって前記基板上の位置合わせ用の
マークの位置を検出し、該検出結果に基づいて前記基板
と前記マスクとの位置合わせを行うことを特徴とする露
光装置。