(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出し、検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行う投影露光装置であって、
前記位置検出光学系が収差を有しており、
前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】
光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１又は２記載の投影露光装置。
【請求項４】
光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項５】
前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項６】
前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項７】
光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に設けられた、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項８】
前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴とする請求項７記載の投影露光装置。
【請求項９】
前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項７又は８記載の投影露光装置。
【請求項１０】
前記位置検出光学系は、ＴＴＬの位置検出光学系であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項１１】
前記位置検出光学系は、ＴＴＲの位置検出光学系であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項１２】
前記位置検出光学系は、オフアクシスの位置検出光学系であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の投影露光装置。
【請求項１３】
光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出する位置検出装置であって、
前記位置検出光学系が収差を有しており、
前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴とする位置検出装置。
【請求項１４】
前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１３記載の位置検出装置。
【請求項１５】
光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１３又は１４記載の位置検出装置。
【請求項１６】
光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項１７】
前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項１８】
前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１３乃至１７のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項１９】
光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴とする請求項１３乃至１８のいずれか１項記載の位置検出装置。
【請求項２０】
前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴とする請求項１９記載の位置検出装置。
【請求項２１】
前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴とする請求項１９又は２０記載の位置検出装置。
【請求項２２】
請求項１３乃至２１のいずれか１項記載の位置検出装置を有し、前記位置検出装置によって検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行うことを特徴とする投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及び位置検出装置に関するものであり、特に半導体ＩＣやＬＳＩを製造する際に、レチクル面上のパターンをウエハに投影するときにレチクルやウエハ等の物体の位置情報を該物体の像を観察することによって高精度に検出し、該検出した位置情報に基づいて物体の位置合わせを行う際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造技術の進展は近年ますます速度を増しており、それに伴って微細加工技術の進展も著しいものがある。特にその中心をなすレチクル面上のパターンをウエハに投影する投影露光装置を用いた光加工技術は１ＭＤＲＡＭを境にサブミクロンの領域に及んでいる。
【０００３】
投影パターン像の解像力を向上させる手段として投影露光装置に対して過去より行われてきた方法に露光光の波長を固定して投影光学系のＮＡを大きくしていく手法や、露光波長をｇ線からｉ線、さらにはエキシマレ−ザの発振波長というようにより短波長化していく手法がある。また最近では位相シフトマスクや変形照明等により、光露光による光加工の限界を広げる試みが行われている。
【０００４】
一方、解像力の向上に伴って、投影露光装置においてウエハとレチクルとを相対的に位置合わせするアライメントについても高精度化が必要とされている。半導体素子製造用の投影露光装置は露光装置と同時に位置検出装置としての機能も必要となっている。
【０００５】
図３は従来の半導体素子製造用の投影露光装置におけるアライメント用の位置検出系の構成を示したものである。ウエハ４の表面内に図に示したようにｘ、ｙ軸を取るが、投影露光装置の位置検出系はｘ及びｙ方向が同様なので、ここではｙ方向の計測について説明する。ここで位置検出光学系（位置検出系）とは光源から検出に到るまでの全ての光学系を総称した名称とする。
【０００６】
不図示のＨｅ−Ｎｅレ−ザ−等の光源から出射した光は、ファイバ−１２を通して照明光学系１１に導かれる。光は偏光ビ−ムスプリッタ１０により紙面に垂直なＳ偏光成分が反射され、λ／４板７を透過して円偏光に変換される。その後、光は結像光学系６、５、ミラー３０、投影露光光学系１を介し、ｘｙｚ方向に駆動可能なステ−ジ２の上に置かれたウエハ４上に作成されたマ−ク（アライメントマーク）３１をケ−ラ−照明する。マ−ク３１からの反射光、あるいは散乱光は再び投影露光光学系１、ミラー３０、結像光学系５、６を通過した後、λ／４板７を経て今度は紙面内成分であるＰ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換されたため、光は偏光ビ−ムスプリッタ１０を透過し、結像レンズ８によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子９上に前記マ−ク３１の像を結像する。該光電変換素子９で検出されたマーク像の信号は画像処理されてマ−ク３１の位置が高精度で検出され、該検出値からステ−ジ２を駆動してウエハ４の位置合わせを行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す従来の位置検出系では位置検出精度を低下させるいくつかの問題点が存在している。
【０００８】
第１に挙げられるのは検出波長に伴う問題である。このような位置検出系ではアライメント用の光源として、マーク像の検出時の露光を防ぐため非露光光を用いている。投影露光光学系１は露光波長に対して諸収差が最適化されているため、非露光光の波長では収差が発生し、また製造誤差による影響もあって位置検出時に計測誤差を発生させる要因となる。
【０００９】
第２の要因はケ−ラ−照明に関する問題である。該照明法において照明をσ＝０  で使用するのは、光量や結像時における空間周波数のカットオフの問題があるため実用上困難で、一般には有限の大きさの発光面を持った光源が用いられる。例えば実際にはレ−ザ−光源からの光をファイバ−で照明系に導光したり、ランプそのものを光源として用いたりしている。
【００１０】
σがゼロでないため位置検出面のウエハ面では光軸に対してある角度を持った照明光が存在する。ケ−ラ−照明は検出面を一様に照明する手法であるが、検出光学系の瞳面の分布である有効光源の一様性まで保証するものではない。従って有効発光面の光強度分布がマ−クの計測方向に対して対称でない場合、即ち検出面に対する照明光の入射角分布が非対称な場合、観察されるマーク像の光強度分布が対称に照明されたものと異なり、計測誤差を発生させるという問題を生じる。
【００１１】
図４（ａ）はｙ方向の計測マ−ク３１の鳥瞰図、図４（ｂ）は該マ−クをｘ方向から見た断面図、図４（ｃ）は観察される信号波形を示す。
【００１２】
有効発光面の光強度分布は光源の発光強度分布と等価なので、検出面では該発光領域の強度に依存した入射角度の強度分布を生じる。図４で３２ａをマ−ク３１に対して垂直に入射する光、３２ｂと３２ｃをそれぞれ垂直方向に対して角度が等しいが方向の異なる方向からの入射光とし、段差構造を持ったマ−ク３１を照明して位置検出を行うケ−スを考える。図に示すように斜方向から入射する光３２ｂの照明光強度が、斜方向から入射する光３２ｃの照明光強度より弱いとすると、マ−ク３１を検出する場合、マ−クエッジ部の散乱光強度に差が発生し正確な位置検出ができないという問題が発生してくる。簡単のためマ−ク３１の断面形状が完全に対称と仮定すれば、マ−クエッジからの散乱光の干渉条件の差は考慮しなくてよいが、このように理想的な場合でも、光３２ｃの方が光３２ｂよりも強度が強ければマ−クエッジ部での光の散乱の様子が異なり、得られるマ−クの画像信号は図４（ｃ）に見られるように非対称となる。即ち、マ−ク自体が対称であるにもかかわらず、照明条件が非対称だと検出する画像信号の波形が歪んでしまい、正確なマ−ク位置の検出が困難となる。勿論、光３２ｂと光３２ｃの強度が等しければ対称性より、波形は完全に対称な形となる。
【００１３】
実際の信号の非対称性はマ−ク段差の構造の違いや、レジスト等の半導体製造工程の違いによっても生じる。また、エッジの散乱特性は入射光の強度に比例したり、反比例したりと千差万別な様相を示して信号の非対称性の発生を複雑化させる。しかしながら、装置自身としてはまず測定方向における照明光の入射角強度の非対称性によるマ−クの計測誤差を取り除くのが重要である。
【００１４】
このような現象を解決する方法としては位置検出系の瞳面や像面に拡散板等のフィルタを配置し、光強度分布及び角度分布の均一化を図っている。ところがこのように拡散板を用いると光強度の均一度に反比例して物体面での光量の減少を引き起こし、半導体素子の製造工程によってアライメントマ−クの検出が困難になる場合がある。本発明は上記の点及び幾つかの実験を通して判明した事実を考慮し、投影露光光学系も含む位置検出光学系の諸収差を除去するよう、該位置検出光学系の照明条件を最適化し、位置検出精度の向上を図り、高集積度の半導体素子を製造する際に好適な投影露光装置及び位置検出装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記説明したように位置検出装置の位置検出光学系の瞳面に当たる像面のフ−リエ変換面の一次元、あるいは二次元の光強度分布は、検出対象物体のマ−クをケ−ラ−照明する光の角度特性に対応する。そして該角度特性によって検出するべきマ−クの画像信号は影響を受ける。投影露光光学系を含む位置検出光学系が検出光に対して無収差の場合、検出される画像信号を対称にするためには、照明光の角度特性がマ−クの中心に対して対称になるようにすればよい。つまり、瞳面での光強度分布を光軸に対して対称になるようにすることが必要となる。なおここでの瞳面強度に要求される対称性はマ−クの計測方向に関するものである。
【００１６】
更に発明者の実験によれば、検出されるマ−クの画像信号が特に光強度分布の重心位置に依存して顕著に変化することが確認された。投影露光光学系を含む位置検出光学系自体に収差が存在する場合、これらの影響によるマ−クの画像信号の非対称性は瞳面の光学重心の調整によってキャンセルできること、及びこの光学重心の変化に対して信号が敏感に反応する構造のマ−クのあることも発明者によって確認された。本発明は以上の点を考慮してなされたもので、位置検出光学系を光学重心の調整可能な照明系で構成し、ある特定の画像信号を観察して照明条件を最適化することで、マ−クの位置検出精度の向上を図ったことを特徴としている。
【００１７】
次に具体的に各請求項の発明の構成を示す。
【００１８】
請求項１の発明の投影露光装置は光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出し、検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行う投影露光装置であって、前記位置検出光学系が収差を有しており、前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明は請求項１の発明において前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００２０】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００２１】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴としている。
【００２２】
請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００２３】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００２４】
請求項７の発明は請求項１乃至６のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に設けられた、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴としている。
【００２５】
請求項８の発明は請求項７の発明において前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴としている。
【００２６】
請求項９の発明は請求項７又は８の発明において前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００２７】
請求項１０の発明は請求項１乃至９のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系は、ＴＴＬの位置検出光学系であることを特徴としている。
【００２８】
請求項１１の発明は請求項１乃至９のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系は、ＴＴＲの位置検出光学系であることを特徴としている。
【００２９】
請求項１２の発明は請求項１乃至９のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系は、オフアクシスの位置検出光学系であることを特徴としている。
【００３０】
請求項１３の位置検出装置は発明は光電変換素子と、光源からの光で被検物体を照明し、該被検物体からの反射光を前記光電変換素子上に結像する位置検出光学系とを有し、前記光電変換素子で検出された画像信号に基づいて前記被検物体の位置を検出する位置検出装置であって、前記位置検出光学系が収差を有しており、前記被検物体の画像信号の、前記収差による非対称性を打ち消す方向に作用するように、前記被検物体を照明する光の前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が設定されていることを特徴としている。
【００３１】
請求項１４の発明は請求項１３の発明において前記位置検出光学系の瞳面における光強度分布の重心位置が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００３２】
請求項１５の発明は請求項１３又は１４の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面が前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００３３】
請求項１６の発明は請求項１３乃至１５のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーを有し、前記光ファイバーの光出射側の端面を偏心調整する手段を有していることを特徴としている。
【００３４】
請求項１７の発明は請求項１３乃至１６のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、該開口又は空間フィルタが前記位置検出光学系の光軸に対して偏心していることを特徴としている。
【００３５】
請求項１８の発明は請求項１３乃至１７のいずれか１項の発明において前記位置検出光学系の瞳位置と共役な位置に配置された開口又は空間フィルタを有し、前記開口又は前記空間フィルタを駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００３６】
請求項１９の発明は請求項１３乃至１８のいずれか１項の発明において光出射側の端面が前記位置検出光学系の瞳位置近傍になるように配置された光ファイバーと、前記光ファイバーの光出射側の端面の像が形成される位置に、前記端面の像よりも小さい開口部を有する開口とを有することを特徴としている。
【００３７】
請求項２０の発明は請求項１９の発明において前記開口は前記位置検出光学系のσを１以下とする開口であることを特徴としている。
【００３８】
請求項２１の発明は請求項１９又は２０の発明において前記開口の最適移動量を算出する演算処理装置と、該演算処理装置による算出値に従い前記開口を駆動する駆動装置を有することを特徴としている。
【００３９】
請求項２２の発明の投影露光装置は請求項１３乃至２１のいずれか１項記載の位置検出装置を有し、前記位置検出装置によって検出された前記被検物体の位置によりウエハの位置合わせを行うことを特徴としている。
【００４０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の半導体素子製造用の投影露光装置を示すものである。図中、従来例と同一の構成要素には同じ記号が付されている。ウエハ４の表面内に図に示したようにｘ、ｙ軸を取るが、本実施形態の投影露光装置の位置検出光学系はｘ及びｙ方向の計測は同等なので、ｙ方向の計測についてのみ説明する。
【００４１】
図１でＨｅＮｅレ−ザ−あるいはその他の非露光光源で構成される光源１３から出射した光はファイバ−１２を通して照明光学系１１に入射する。光は偏光ビ−ムスプリッタ１０により紙面に垂直なＳ偏光成分が反射され、λ／４板７を透過して円偏光に変換される。その後、光は結像光学系６、５、ミラー３０、投影露光光学系１を介してｘｙｚ方向に駆動可能なステ−ジ２の上に置かれたウエハ４上に作成されたマ−クあるいは調整用の基準マ−ク１４を照明する。マ−クからの反射光、あるいは散乱光は再び投影露光光学系１、ミラー３０、結像光学系５、６を通過した後、λ／４板７を経て今度は紙面内成分であるＰ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換されたため、光は偏光ビ−ムスプリッタ１０を透過し、結像レンズ８によってＣＣＤカメラ等の光電変換素子９上に前記マ−クの像を結像させる。該光電変換素子９で検出された信号は画像処理されてマ−クの位置が検出され、該検出値からステ−ジ２を駆動してウエハ４の位置合わせを行っている。
【００４２】
本発明は光学重心の調整用の基準マ−ク１４をステージ２上に設けたことを特徴としている。調整用の基準マ−ク１４は図９に示す構造を持ったメカニズムの上に形成されている。即ち基準マ−ク１４は第２基板２１の上に取り付けられているが、第２基板２１はｚ軸方向の調整が可能となるようにピエゾ素子等の歪電素子２２を介して第１基板２３の上に設置されており、更に第１基板２３は回転軸２４によって保持されている。このような構造を持っているためピエゾ素子２２の印加電圧を制御することで基準マ−ク１４のフォ−カスを調整し、更に基準マ−ク１４を所定の角度回転することが可能となっている。特に基準マ−ク１４を１８０°回転させて観察し、回転前の観察と比較して、基準マ−ク１４の構造自体の非対称性による影響を削除するようにしている。本実施形態では、調整用の基準マ−ク１４のような特別なマ−クを装置に設け、これによってウエハと関係なく簡易に計測でき、且つ安定した調整基準を持つことを可能としている。
【００４３】
ここでは特別にステ−ジ２上に調整用の基準マ−ク１４を設けたが、同じことは同様のマ−クを持つウエハあるいはそれに類するマ−クを持つウエハを用いて行うことも可能である。
【００４４】
ここで位置検出光学系の瞳面の光学重心が計測方向を含む面内で光軸に関して対称ではあるが、検出波長の光に対して投影露光光学系を含む位置検出光学系が偏心コマ収差を持つ場合を例に考える。図６は本実施形態で得られる検出信号の模式図である。図６（ａ）は計測方向断面の段差形状を持ったマ−クと照明光４１、及び偏心コマを考慮した散乱光４２ａ、４２ｂを示す。図６（ｂ）は図６（ａ）の状態での基準マ−クの画像信号である。マ−クエッジ部からの検出光はマ−ク中心に対して非対称な波形となる。ここで一方のエッジの強度をａ、もう一方のエッジの強度をｂ、マ−ク全体の強度をｃとして、評価値Ｅを、
Ｅ＝（ａ−ｂ）／ｃ          （１）
とする。評価値Ｅは波形歪みを表すパラメ−タ−と考えられる。このような定義の下、シリコン（Ｓｉ）で矩形段差構造を持つアライメントマ−クの段差の高さｄを幾つか変え、そのときの評価値Ｅを計測した結果を図７に示す。図で横軸は検出光のＨｅＮｅレ−ザ−の波長λでｍｏｄｕｌｕｓを取った段差（高さ）ｄ、縦軸は評価値Ｅである。検討の結果、評価値Ｅは図７（ａ）に示すように周期関数的に変化することが実験及びシミュレ−ションから確認された。
【００４５】
これに対し図７（ｂ）は投影露光光学系を含む位置検出光学系に収差がない状態で、図１に示したファイバ−１２の端面（瞳面）が偏心した時の段差に対する評価値Ｅを示したものである。実線は瞳面での光学重心の偏心を計測方向に検出系のＮＡの３％ずらした場合の特性、破線は同様に１．５％偏心させた時の特性を示す。縦軸、及び横軸は図７（ａ）と同じである。瞳面での光学重心の偏心量に応じて評価値Ｅが振幅を持って変化していることが分かる。即ち位置検出光学系に収差が存在しない場合は、瞳面の光学重心を光軸上に調整することで、段差の高さに依存しない、つまり多数ある半導体製造工程間でマ−クの構造に依存したオフセット（工程間オフセット）の少ない位置検出光学系を達成することができる。
【００４６】
図７（ａ）と図７（ｂ）の両者は類似した正弦波状の特性を持っている。従って投影露光光学系を含む位置検出光学系に偏心コマ成分がある場合、偏心コマによるマ−クに基づく画像信号の波形歪みを打ち消す方向に光学重心を調整することで、理想的な場合と同様に段差の高さに影響されない位置検出光学系を達成することができる。また図７（ａ），（ｂ）より段差がλ／８、または３λ／８近辺の段差を持つマ−クを用いることで敏感に、且つ効率よく光学重心の調整を行うことができることも分かった。実際の調整ではＳｉウエハを使って矩形段差マ−クを作成すると、段差量ｄの制御が容易であるため都合が良い。しかしながらその他の材質を用いてこれに類似するマ−ク、つまり矩形段差構造を持ち、検出光に対してエッジ部のみ干渉現象を持つようなマ−クを用いても同様の効果が達成できる。また、図７で示した様に段差に対する評価値は周期的に変化するので、λ／８，３／８λに限定されず、１／８λの奇数倍の段差を用いることで、同様の効果が得られることは、このグラフからも容易に推測できる。
【００４７】
図５は実際の調整手順を示したフローチャートである。調整はこれまで説明したように段差がλ／８、またはλ／８近辺の段差を持つウエハを用いても行うことができるが、ここでは図１に従って、調整用の基準マ−ク１４を用いた場合について説明する。
【００４８】
まず調整用の基準マ−ク１４を回転がない初期状態においてピエゾ２２を用いてフォ−カス位置に駆動して、該基準マ−ク１４の画像デ−タの取り込みを行う。この状態での計測を添字nを付けて表す事とし、得られた画像デ−タのエッジ信号の高さをａn、ｂn、信号の全体強度をｃnとすると、（１）式より評価値Ｅnを計算することができる。
【００４９】
次に調整用の基準マ−ク１４を回転軸２４により１８０°回転し、再びピエゾ２２によりフォ−カス駆動を行って画像デ−タを取り込む。この状態での計測を添字rを付けて表す事とし、得られた画像デ−タのエッジ信号の高さをａr、ｂr、信号の全体強度をｃrとすれば、（１）式より評価値Ｅnを計算することができる。その後、２つの評価値を平均化して
Ｅ0＝（Ｅn＋Ｅr）／２          （２）
を最終評価値とする。評価値Ｅ0が所定の判断基準Ｅthよりも小さければ、検出光学系の調整が十分になされていることになり通常のアライメント・ル−チンを続けることができる。なお、判断基準Ｅthは位置検出光学系ごとに、発生する工程間オフセットが許容範囲となるような判断基準値として予め設定されている。評価値Ｅ0が条件（２）を満足しない場合は評価値Ｅ0に関する情報をＣＲＴ等の表示手段に表示する。この場合は位置検出光学系の調整が不十分であるため評価値Ｅ０の値が判断基準Ｅｔｈ以下になるまで光学重心の最適化が繰り返し行われる。
【００５０】
以上述べたように調整用の基準マ−ク１４の回転しない画像と、１８０°回転した画像を用いることで、使用する基準マ−ク１４が保有する非対称性によるオフセットの影響を除去している。従って基準マ−ク１４の段差構造がマ−ク中心に対して完全に対称なことが予め分かっている場合は１８０°回転して計測するという操作を割愛することができる。また１８０°の回転により発生するオフセット量が予め分かっている場合も、回転操作を割愛し、代わりに該オフセット量を評価値Ｅnに反映させて最終評価値Ｅ0を求めることができる。
【００５１】
これまでの説明は一方向の調整、即ち図１のｙ方向の計測の調整について述べてきたが、最終的な位置合わせは二次元的になされねばならない。その場合、前記ｙ方向と直交するｘ方向、即ち図１のｘ方向についての調整も同様に行うことができる。即ちｘ方向については調整用の基準マ−ク１４を９０°、２７０°と回転させ、ｙ方向と同様に互いに１８０°異なる２つの状態にして計測を行えば、一つの調整用マ−ク１４でｘ、ｙ両方向を賄うことができる。一つのマ−クを用いると省スペ−スとなると同時に、マ−ク自体が２つの方向で共通となるため、オフセットの管理上からも実用的に価値が大きい。
【００５２】
図２は本発明の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は半導体素子製造用の投影露光装置等の位置検出装置によって光学重心の最適化を自動的に行う補正システムを備えたことを特徴としている。図２においても前に説明したものと同一の部材については同一の符号が付されている。本実施形態の最も特徴となっている部分は位置検出光学系の照明部の構成で、その他は図１と同じなのでここでは照明部に着目して説明を行う。
【００５３】
ファイバ−１２から出射した光源１３からの光は照明系レンズ１５を通過した後、ファイバ−端面（瞳面）の像を照明系１１内で少なくとも１度結像する。該結像位置には検出系のσが１以下となる開口１６、またはそれと同等な空間フィルタが配置される。照明系レンズ１５はファイバ−端面を開口１６の位置に開口部の大きさより十分大きい大きさで結像させるため、開口１６の位置を照明系の光軸に対して直交する方向に動かすことで光学重心を調整でき、最適な位置検出系を達成している。
【００５４】
開口１６の駆動は実施形態１で説明した評価値Ｅ0をもとに演算処理装置１７で開口１６の最適移動量を算出して行っている。該算出値に従い基板５４上に設けたピエゾ素子等の駆動装置５３を使って開口１６を駆動し、自動で且つ容易に高精度な位置検出光学系の調整を行っている。
【００５５】
このような自動補正シ−ケンスは装置の定期メンテナンス時や、装置に不具合が発生した時に行うとよい。評価値Ｅ0の計測値が判断基準Ｅthより大きければ、自動補正のクロ−ズト・ル−プ・シ−ケンスに入り、小さければ前述のとうり通常のアライメント・ル−チンに入る。
【００５６】
図８は本発明の実施形態３の要部概略図である。これまでの実施形態では位置検出光学系として、投影露光光学系を介して位置検出する所謂ＴＴＬオフアクシス系について説明してきたが、図８は投影露光光学系を介さない単純なオフアクシスの位置検出光学系に本発明を適用した場合を示している。図中これまでの説明図で用いたものと同じ構成要素については同じ符号を付してある。光源１３から出射した光は位置検出光学系５０に導光され、ウエハまたは調整用の基準マ−ク１４を照明する。調整用の基準マ−ク１４はステ−ジ２上に載せられており、図９に示す構造を持っていることは他の実施形態と同様である。基準マ−ク１４からの反射光はＣＣＤカメラ等の光電変換素子９上に結像されて、電気信号に変換される。該電気信号から得られた情報より演算処理装置１７が評価値Ｅ0の値を計算し、判断基準Ｅｔｈと比較する。照明系の光学重心の位置を調整するか否かを決定する以降の手順は先の２つの実施形態１，２と同一である。
【００５７】
またレチクル５１を通してウエハ上のマ−クを観察する所謂ＴＴＲオンアクシス位置検出系についても、実施形態１〜３と同様の機能及び手段を持つことで、検出光学系の調整状態をチェックし、位置検出精度の向上を図ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明は半導体素子製造用の投影露光装置のような位置検出装置における位置検出光学系を光学重心の調整可能な照明系で構成し、ある特定の画像信号を観察して照明条件を最適化することで、マ−クの位置検出精度の向上を可能としている。また本発明では特定の画像信号を得るためにステ−ジ上に所定の条件を持つ調整用の基準マ−クを配置することにより、位置検出光学系の調整状態を自動で簡単に評価することを可能とした。調整が不良な場合には位置検出光学系内の照明系の開口部の位置を光軸と直交する方向に動かして検出光学系の光学重心の最適化を行い、各種誤差成分をキヤンセルできるため、工程間オフセットの少ない位置検出装置を実現して、位置検出精度の向上を図っている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１の位置検出装置の構成図
【図２】  本発明の実施形態２の位置検出装置の構成図
【図３】  従来の位置検出装置の構成図
【図４】  アライメント・マ−クと照明光と信号の関係を示す図
【図５】  光学重心最適化のフロ−チャ−ト
【図６】  位置検出光学系に収差がある場合の検出信号
【図７】  位置検出光学系の調整状態によるマ−クの段差量と評価量との関係を示す図
【図８】  本発明の実施形態３の位置検出装置の構成図
【図９】  ステ−ジ上に配置する調整用基準マ−クの構成図
【符号の説明】
１      投影露光光学系            ２      ＸＹＺステ−ジ
３      ウエハチヤック材          ４      ウエハ
５      検出光学系                ６      検出光学系
７      λ／４板                  ８      結像光学系
９      光電変換素子            １０      偏光ビ−ムスプリッタ
１１      照明光学系            １２      ファイバ−
１３      光源                  １４      調整用基準マ−ク
１５      照明系レンズ          １６      開口
１７      演算処理装置
２１      第一基板              ２２      歪電素子
２３      第二基板              ２４      回転軸
３０      ミラ−                ３１      アライメントマ−ク
３２      照明光                ３４      マ−ク中心
４１      照明光                ４２      エッジ散乱光
５０      位置検出光学系        ５１      レチクル
５２      露光照明系            ５３      駆動装置
５４      駆動基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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