(57)【要約】【課題】結像光学系の開口数の大きさに比べて、マークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えて高精度な位置検出を行うことのできる位置検出装置。【解決手段】マーク（ＷＭ）に対して実質的にフーリエ変換の関係にある照明光学系中の第１面における照明光束を所定の形状に整形するための照明光束整形部材（３）と、マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある結像光学系中の第２面に配置されて、結像光学系の光軸を含む中央領域よりも光軸を含まない周辺領域の方が高い所定の光通過率分布を有する結像光束整形部材（１７）とを備えている。結像光束整形部材は、第１面での照明光束の所定の形状と光学的に共役な第２面上の領域の少なくとも一部において結像光束を通過させる。【選択図】　図１
2004119663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上のマークを照明する照明光学系と、前記マークからの光を集光して前記マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置において、
前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記照明光学系中の第１面における照明光束を所定の形状に整形するための照明光束整形部材と、
前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記結像光学系中の第２面に配置されて、前記結像光学系の光軸を含む中央領域よりも前記光軸を含まない周辺領域の方が高い所定の光通過率分布を有する結像光束整形部材とを備え、
前記結像光束整形部材は、前記第１面での照明光束の所定の形状と光学的に共役な前記第２面上の領域の少なくとも一部において結像光束を通過させることを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記結像光束整形部材は、前記光軸を中心とする輪帯状の光通過領域を有することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記マークを照明する照明光の最も短い波長をλとし、前記マークを構成するパターンの周期をＰとし、前記結像光束整形部材の前記光軸を中心とした遮光領域の半径を開口数換算したものをｒとするとき、
ｒ≧λ／Ｐ
の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記結像光束整形部材は、前記光軸から偏心した複数極状の光通過領域を有することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記結像光束整形部材は、結像光束を所定の形状に制限し、該所定の形状を有する結像光束の輝度分布の不均一性を補正するための補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記結像光束整形部材は、第１の光通過率分布を持つ第１部材と、第２の光通過率分布を持つ第２部材とを有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記結像光束整形部材は、入射光束の偏向方向を独立に変更することのできる複数の微小ミラー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項に記載の位置検出装置。
【請求項８】
前記結像光束整形部材は、前記結像光学系の光路に対して挿脱自在に構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項９】
照明光学系を介して基板上のマークを照明し、結像光学系を介して前記マークからの光を集光して前記マークの像を形成し、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、
前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記照明光学系中の第１面において照明光束を所定の形状に制限し、
前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記結像光学系中の第２面において結像光束の強度分布を、前記結像光学系の光軸を含む中央領域よりも前記光軸を含まない周辺領域の方が高い所定の光強度分布に制限し、
前記第１面での照明光束の所定の形状と光学的に共役な前記第２面上の領域の少なくとも一部において結像光束を透過させることを特徴とする位置検出方法。
【請求項１０】
前記結像光束の強度分布を第１の光強度分布に制限した状態において前記マークの位置を検出する第１工程と、
前記結像光束の強度分布を第２の光強度分布に制限した状態において前記マークの位置を検出する第２工程と、
前記第１工程における検出結果と前記第２工程における検出結果とに基づいて、前記マークの位置検出結果の位置ずれ補正量を求める第３工程とを含むことを特徴とする請求項９に記載の位置検出方法。
【請求項１１】
所定のパターンが形成されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクのパターン像を感光性基板上に形成するための投影光学系と、前記感光性基板の位置を検出するための請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位置検出装置とを備えていることを特徴とする露光装置。
【請求項１２】
所定のパターンが形成されたマスクを照明し、照明された前記マスクのパターン像を感光性基板上に露光する露光方法において、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の位置検出装置または位置検出方法を用いて前記感光性基板の位置を検出することを特徴とする露光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出装置、位置検出方法、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスを製造するリソグラフィ工程で用いる露光装置に搭載される位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子等のデバイスの製造に際して、感光材料の塗布されたウェハ（またはガラスプレート等の基板）上に複数層の回路パターンを重ねて形成する。このため、回路パターンをウェハ上に露光するための露光装置には、マスクのパターンと既に回路パターンの形成されているウェハの各露光領域との相対位置合わせ（アライメント）を行うためのアライメント装置が備えられている。近年、回路パターンの線幅の微細化に伴い、高精度のアライメントが必要とされるようになってきている。
【０００３】
従来、この種のアライメント装置として、特開平４−６５６０３号公報、特開平４−２７３２４６号公報等に開示されているように、オフ・アクシス方式で且つ撮像方式のアライメント装置が知られている。この撮像方式のアライメント装置の検出系は、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｉｍａｇｅ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系の位置検出装置とも呼ばれている。ＦＩＡ系の位置検出装置では、ハロゲンランプ等の光源から射出される波長帯域幅の広い光で、ウェハ上のアライメントマーク（ウェハマーク）を照明する。そして、結像光学系を介してウェハマークの拡大像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理することによりウェハマークの位置検出を行う。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−６５６０３号公報
【特許文献２】
特開平４−２７３２４６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、半導体素子等のデバイスの製造に際して、ウェハマークはチップ周辺のスクライブラインに形成される。この場合、１つのウェハからできるだけ多くのチップを得るには、スクライブラインを小さくし、ひいてはマークを小さく（パターンのピッチを小さく）することが重要である。そして、小さいマークを従来と同等の結像性能で検出するには、結像光学系の開口数ＮＡを大きくしなければならない。
【０００６】
また、結像光学系の開口数ＮＡを大きくすると、検出可能な（取込み可能な）回折光の次数が上がる（増大する）ので、特にマークのパターンに非対称性が存在する場合には、パターンの非対称性に起因する位置検出誤差を小さく抑えることができるという利点もある。これは、高次の回折光が形成するマーク像では、低次の回折光が形成するマーク像よりも、パターンの非対称性に起因する位置ずれ量が小さいからである。
【０００７】
しかしながら、従来のＦＩＡ系の位置検出装置では、結像光学系の開口数ＮＡを大きくすると、結像光学系の焦点深度（ＤＯＦ）が小さくなり、ひいてはマークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化が敏感になってしまう。具体的には、結像光学系の開口数ＮＡが比較的小さい位置検出装置において結像光学系の物体面に対してマークを所定量だけデフォーカスさせるよりも、結像光学系の開口数ＮＡが比較的大きい位置検出装置においてマークを同じ所定量だけデフォーカスさせる方が、マーク像の波形の変化が大きくなり、ひいてはマーク位置の検出誤差が発生し易い。
【０００８】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、結像光学系の開口数の大きさに比べて、マークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えることによって、高精度な位置検出を行うことのできる位置検出装置および位置検出方法を提供することを目的とする。さらに、本発明の高精度な位置検出装置および位置検出方法を用いて、たとえば投影光学系に対してマスクと感光性基板とを高精度に位置合わせして良好な露光を行うことのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、基板上のマークを照明する照明光学系と、前記マークからの光を集光して前記マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置において、
前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記照明光学系中の第１面における照明光束を所定の形状に整形するための照明光束整形部材と、
前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記結像光学系中の第２面に配置されて、前記結像光学系の光軸を含む中央領域よりも前記光軸を含まない周辺領域の方が高い所定の光通過率分布を有する結像光束整形部材とを備え、
前記結像光束整形部材は、前記第１面での照明光束の所定の形状と光学的に共役な前記第２面上の領域の少なくとも一部において結像光束を通過させることを特徴とする位置検出装置を提供する。
【００１０】
第１形態の好ましい態様によれば、前記結像光束整形部材は、前記光軸を中心とする輪帯状の光通過領域を有する。この場合、前記マークを照明する照明光の最も短い波長をλとし、前記マークを構成するパターンの周期をＰとし、前記結像光束整形部材の前記光軸を中心とした遮光領域の半径を開口数換算したものをｒとするとき、ｒ≧λ／Ｐの条件を満足することが好ましい。あるいは、前記結像光束整形部材は、前記光軸から偏心した複数極状の光通過領域を有することが好ましい。
【００１１】
また、第１形態の好ましい態様によれば、前記結像光束整形部材は、結像光束を所定の形状に制限し、該所定の形状を有する結像光束の輝度分布の不均一性を補正するための補正手段を備える。さらに、前記結像光束整形部材は、第１の光通過率分布を持つ第１部材と、第２の光通過率分布を持つ第２部材とを有するか、あるいは入射光束の偏向方向を独立に変更することのできる複数の微小ミラーを有することが好ましい。また、前記結像光束整形部材は、前記結像光学系の光路に対して挿脱自在に構成されていること
【００１２】
本発明の第２形態では、照明光学系を介して基板上のマークを照明し、結像光学系を介して前記マークからの光を集光して前記マークの像を形成し、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記照明光学系中の第１面において照明光束を所定の形状に制限し、前記マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある前記結像光学系中の第２面において結像光束の強度分布を、前記結像光学系の光軸を含む中央領域よりも前記光軸を含まない周辺領域の方が高い所定の光強度分布に制限し、前記第１面での照明光束の所定の形状と光学的に共役な前記第２面上の領域の少なくとも一部において結像光束を透過させることを特徴とする位置検出方法を提供する。
【００１３】
第２形態の好ましい態様によれば、前記結像光束の強度分布を第１の光強度分布に制限した状態において前記マークの位置を検出する第１工程と、前記結像光束の強度分布を第２の光強度分布に制限した状態において前記マークの位置を検出する第２工程と、前記第１工程における検出結果と前記第２工程における検出結果とに基づいて、前記マークの位置検出結果の位置ずれ補正量を求める第３工程とを含む。
【００１４】
本発明の第３形態では、所定のパターンが形成されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクのパターン像を感光性基板上に形成するための投影光学系と、前記感光性基板の位置を検出するための第１形態の位置検出装置とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
【００１５】
本発明の第４形態では、所定のパターンが形成されたマスクを照明し、照明された前記マスクのパターン像を感光性基板上に露光する露光方法において、第１形態の位置検出装置または第２形態の位置検出方法を用いて前記感光性基板の位置を検出することを特徴とする露光方法を提供する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の典型的な態様によれば、マークに対して実質的にフーリエ変換の関係にある結像光学系中の第２面（すなわち結像瞳面またはその近傍の面）において結像光束の強度分布を、光軸を含む中央領域よりも光軸を含まない周辺領域の方が高い（大きい）所定の光強度分布に、たとえば光軸を中心とした輪帯状の光強度分布に制限する。具体的には、輪帯状の開口部を有する結像光束整形部材を結像瞳面またはその近傍の面に配置した状態でマークの位置を検出する。
【００１７】
一般に、結像瞳面において、デフォーカスによる結像光束の位相は、結像光束の開口数の自乗に応じて変化する。したがって、結像瞳面において光軸を中心とした円形状の断面を有する結像光束を用いる従来技術では、位相の異なるすべての結像光束成分に基づいてマーク像を形成するため、開口数が大きいほどマークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化が敏感になる。そして、像形状の変化が大きいほど、その像を用いて検出する位置の変化も大きくなる。これに対し、本発明では、たとえば結像瞳面において光軸を中心とした輪帯状の断面を有する結像光束を用いるので、位相差の比較的小さい結像光束成分に基づいてマーク像を形成することになり、マークのデフォーカスに対するマーク像形状の変化を小さく抑えることができる。すなわち、像形状の変化が小さいため、デフォーカスによる位置の変化を小さく抑えることができる。
【００１８】
こうして、本発明の位置検出装置および位置検出方法では、結像光学系の開口数の大きさに比べて、マークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えることができるため、高精度な位置検出を行うことが可能であり、特に結像光学系の開口数を大きく設定した場合に有利である。また、本発明の位置検出装置が搭載された露光装置、および本発明の位置検出装置または位置検出方法を用いる露光方法では、高精度な位置検出装置を用いて感光性基板を高精度に位置検出し、ひいてはマスクと感光性基板とを高精度に位置合わせして、良好な投影露光を行うことができる。
【００１９】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる位置検出装置を備えた露光装置の基本構成を概略的に示す図である。また、図２は、本実施形態の位置検出装置により位置検出すべき物体であるウェハに形成された段差パターンからなるウェハマークの構成を模式的に示す図である。
【００２０】
本実施形態では、半導体素子を製造するための露光装置において感光性基板の位置を検出するためのＦＩＡ系の位置検出装置に本発明を適用している。なお、図１では、露光装置の投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に対して平行にＺ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に平行な方向にＸ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ設定されている。
【００２１】
図１を参照すると、本実施形態の露光装置は、適当な露光光でマスク（投影原版）としてのレチクルＲを照明するための露光用照明系ＩＬを備えている。レチクルＲはレチクルステージ３０上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されており、そのパターン領域ＰＡには転写すべき回路パターンが形成されている。レチクルＲを透過した光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板としてのウェハＷに達し、ウェハＷ上にはレチクルＲのパターン像が形成される。
【００２２】
なお、ウェハＷは、ウェハホルダ３１を介して、Ｚステージ３２上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されている。Ｚステージ３２は、ステージ制御系３４によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に沿ってＺ方向に駆動されるように構成されている。Ｚステージ３２はさらに、ＸＹステージ３３上に支持されている。ＸＹステージ３３は、同じくステージ制御系３４によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に対して垂直なＸＹ平面内において二次元的に駆動されるように構成されている。
【００２３】
前述したように、露光装置では、投影露光に先立って、レチクルＲ上のパターン領域ＰＡとウェハＷ上の各露光領域とを光学的に位置合わせ（アライメント）する必要がある。そこで、位置検出すべき物体であるウェハＷには、図２に模式的に示すような段差パターンからなるウェハマーク（ウェハアライメントマーク）ＷＭが形成されている。ウェハマークＷＭの位置を検出し、ひいてはウェハＷの位置を検出するのに、本実施形態の位置検出装置が使用される。
【００２４】
具体的には、ウェハマークＷＭとして、Ｘ方向に周期性を有する一次元マークとしてのＸ方向ウェハマークＷＭＸと、Ｙ方向に周期性を有する一次元マークとしてのＹ方向ウェハマークＷＭＹ（不図示）とが、ウェハＷ上に形成されている。なお、本実施形態では、ウェハマークＷＭとして、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ周期性を有する互いに独立した２つの一次元マークを採用しているが、Ｘ方向およびＹ方向に周期性を有する二次元マークを採用することもできる。
【００２５】
本実施形態にかかる位置検出装置は、波長帯域幅の広い照明光（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）を供給するための光源１を備えている。光源１として、ハロゲンランプのような光源を使用することができる。光源１から供給された照明光は、リレー光学系（不図示）を介して、光ファイバーのようなライトガイド２の入射端に入射する。ライトガイド２の内部を伝搬して、その射出端から射出された照明光は、たとえば円形状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り３を介して制限された後、コンデンサーレンズ４に入射する。
【００２６】
コンデンサーレンズ４を介した照明光は、照明すべき物体であるウェハＷの露光面と光学的に共役に配置された照明視野絞り５を介して、照明リレーレンズ６に入射する。照明リレーレンズ６を介した照明光は、ハーフプリズム７を透過した後、第１対物レンズ８に入射する。第１対物レンズ８を介した照明光は、反射プリズム９の反射面で図中下方に（−Ｚ方向に）反射された後、ウェハＷ上に形成されたウェハマークＷＭを照明する。
【００２７】
このように、光源１、ライトガイド２、照明開口絞り３、コンデンサーレンズ４、照明視野絞り５、照明リレーレンズ６、ハーフプリズム７、第１対物レンズ８および反射プリズム９は、ウェハマークＷＭを照明するための照明光学系を構成している。また、照明開口絞り３は、ウェハマークＷＭに対して（ひいてはウェハＷに対して）実質的にフーリエ変換の関係にある照明光学系中の第１面（すなわち照明瞳面またはその近傍の面）における照明光束を所定の形状に整形するための照明光束整形部材を構成している。
【００２８】
照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光（回折光を含む）は、反射プリズム９および第１対物レンズ８を介して、ハーフプリズム７に入射する。ハーフプリズム７で図中上方に（＋Ｚ方向に）反射された光は、第２対物レンズ１０を介して、指標板１１上にウェハマークＷＭの像を形成する。指標板１１を介した光は、リレーレンズ系（１２，１３）を介して、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４に入射する。
【００２９】
そして、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４で反射された光はＹ方向用ＣＣＤ１５に、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４を透過した光はＸ方向用ＣＣＤ１６に入射する。なお、リレーレンズ系（１２，１３）の平行光路中には、結像開口絞り１７が配置されている。このように、反射プリズム９、第１対物レンズ８、ハーフプリズム７、第２対物レンズ１０、指標板１１、リレーレンズ系（１２，１３）、結像開口絞り１７およびハーフプリズム１４は、照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。
【００３０】
また、Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６は、結像光学系を介して形成されたマーク像を光電検出するための光電検出器を構成している。さらに、結像開口絞り１７は、ウェハマークＷＭに対して（ひいてはウェハＷに対して）実質的にフーリエ変換の関係にある結像光学系中の第２面（すなわち結像瞳面またはその近傍の面）に配置されて、結像光学系の光軸ＡＸを含む中央領域よりも光軸ＡＸを含まない周辺領域の方が高い（大きい）所定の光通過率分布を有する結像光束整形部材を構成している。なお、結像光束整形部材としての結像開口絞り１７の具体的な構成および作用については後述する。
【００３１】
こうして、Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６の撮像面には、マーク像が指標板１１の指標パターン像とともに形成される。Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６からの出力信号は、信号処理系１８に供給される。さらに、信号処理系１８において信号処理（波形処理）により得られたウェハマークＷＭの位置情報は、主制御系３５に供給される。主制御系３５は、信号処理系１８からのウェハマークＷＭの位置情報に基づいて、ステージ制御信号をステージ制御系３４に出力する。
【００３２】
ステージ制御系３４は、ステージ制御信号にしたがってＸＹステージ３３を適宜駆動し、ウェハＷのアライメントを行う。なお、主制御系３５には、たとえばキーボードのような入力手段３６を介して、照明開口絞り３に対する指令や結像開口絞り１７に対する指令が供給される。主制御系３５は、これらの指令に基づき、駆動系１９を介して照明開口絞り３を駆動したり、駆動系２０を介して結像開口絞り１７を駆動したりする。
【００３３】
具体的には、結像開口絞り１７は、交換可能な複数の開口絞りとして、輪帯開口絞り、２極開口絞り、４極開口絞りなどを備えている。駆動系１９は、主制御系３５からの指令に基づいて、所要の開口絞りを結像瞳面またはその近傍に位置決めする。また、照明開口絞り３は、開口サイズの異なる交換可能な複数の円形開口絞りを備えている。駆動系２０は、主制御系３５からの指令に基づいて、所要の円形開口絞りを照明瞳面またはその近傍に位置決めする。
【００３４】
図３は、結像光束を輪帯状に整形する第１実施例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。また、図４は、第１実施例においてウェハマークをデフォーカスさせたときのマーク像波形の変化を示す図である。さらに、図５は、第１実施例の比較例として、結像光束を円形状の光束に整形する従来技術においてウェハマークをデフォーカスさせたときのマーク像波形の変化を示す図である。
【００３５】
図３の結像瞳面を参照すると、第１実施例では、結像光束が、光軸ＡＸを中心とした輪帯状の光束に整形（制限）されている。ここで、輪帯状の結像光束の外径（半径）Ｒ１と内径（半径）Ｒ２との間には、たとえばＲ２＝Ｒ１×（１／２）の関係が設定され、いわゆる輪帯比が１／２に設定されている。一方、図３の照明瞳面を参照すると、第１実施例では、照明光束が光軸ＡＸを中心とした半径がＲ３の円形状の光束に整形されている。
【００３６】
なお、照明瞳面には、結像瞳面における輪帯状の結像光束と光学的に共役な輪帯状の領域を破線で示している。ここで、円形状の照明光束の半径Ｒ３と、輪帯状の結像光束と光学的に共役な輪帯状の領域の外径Ｒ１’との間には、Ｒ３＝Ｒ１’の関係が設定されている（ただし、図３では図面の明瞭化のために半径Ｒ３を外径Ｒ１’よりも小さく示している）。換言すれば、円形状の照明光束の半径Ｒ３が、輪帯状の結像光束と光学的に共役な輪帯状の領域の内径Ｒ２’よりも大きく設定されている。
【００３７】
したがって、第１実施例では、円形状の照明光束と光学的に共役な結像瞳面上の円形状の領域の少なくとも一部において結像光束が結像瞳面を通過する。なお、図示を省略したが、第１実施例の比較例では、結像光束および照明光束がともに円形状に整形され、円形状の照明光束と円形状の結像光束とは光学的に同じ大きさに設定されている。換言すれば、照明瞳面において、円形状の照明光束の半径と、円形状の結像光束と光学的に共役な円形状の領域の半径とが等しく設定されている。
【００３８】
図４を参照すると、第１実施例においてウェハマークＷＭを結像光学系の物体面に一致させた状態、すなわちウェハマークＷＭのデフォーカス量Ｚが０のフォーカス状態において、結像光学系を介して形成されるマーク像に対して得られる波形を太線４１で示している。一方、ウェハマークＷＭを結像光学系の物体面から所定のデフォーカス量Ｚ＝Ｚ１だけ移動させたデフォーカス状態において、結像光学系を介して形成されるマーク像に対して得られる波形を細線４２で示している。
【００３９】
図５を参照すると、第１実施例の比較例のフォーカス状態において、結像光学系を介して形成されるマーク像に対して得られる波形を太線５１で示している。一方、デフォーカス量Ｚ＝Ｚ１のデフォーカス状態において、結像光学系を介して形成されるマーク像に対して得られる波形を細線５２で示している。図４および図５を参照すると、従来技術にしたがう比較例よりも本発明にしたがう第１実施例のほうが、同じデフォーカス量Ｚ＝Ｚ１だけデフォーカスさせたときのマーク像の波形の変化が小さいことがわかる。
【００４０】
図６は、結像光束を２極状に整形する第２実施例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。図６の結像瞳面を参照すると、第２実施例では、結像光束が、光軸ＡＸを通る直線に関して対称に配置された２つの円形状の光束からなる２極状の光束に整形されている。ここで、２つの円形状の光束は同じ半径Ｒ４を有し、互いに隣接している。一方、図６の照明瞳面を参照すると、第２実施例では、照明光束が光軸ＡＸを中心とした半径Ｒ５の円形状の光束に整形されている。
【００４１】
なお、照明瞳面には、結像瞳面における２つの円形状の結像光束と光学的に共役な２極状の領域を破線で示している。ここで、円形状の照明光束の半径Ｒ５は、２極状の領域に外接する円の半径と等しく設定されている。したがって、第２実施例においても、円形状の照明光束と光学的に共役な結像瞳面上の円形状の領域の少なくとも一部において結像光束が結像瞳面を通過する。第２実施例では、図示を省略したが、ウェハマークＷＭを同じデフォーカス量Ｚ＝Ｚ１だけデフォーカスさせたときのマーク像の波形の変化が従来技術にしたがう比較例よりも小さいことを確認している。
【００４２】
図７は、結像光束を４極状に整形する第３実施例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。図７の結像瞳面を参照すると、第３実施例では、結像光束が、光軸ＡＸを通る２つの直交する直線に関して対称に配置された４つの円形状の光束からなる４極状の光束に整形されている。ここで、４つの円形状の光束は同じ半径Ｒ６を有し、互いに隣接している。一方、図７の照明瞳面を参照すると、第３実施例では、照明光束が光軸ＡＸを中心とした半径Ｒ７の円形状の光束に整形されている。
【００４３】
なお、照明瞳面には、結像瞳面における４つの円形状の結像光束と光学的に共役な４極状の領域を破線で示している。ここで、円形状の照明光束の半径Ｒ７は、４極状の領域に外接する円の半径と等しく設定されている。したがって、第３実施例においても、円形状の照明光束と光学的に共役な結像瞳面上の円形状の領域の少なくとも一部において結像光束が結像瞳面を通過する。第３実施例においても、図示を省略したが、ウェハマークＷＭを同じデフォーカス量Ｚ＝Ｚ１だけデフォーカスさせたときのマーク像の波形の変化が従来技術にしたがう比較例よりも小さいことを確認している。
【００４４】
図８は、各実施例および比較例におけるウェハマークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を示す図である。上述したように、第１実施例〜第３実施例では、ウェハマークＷＭを同じデフォーカス量Ｚ＝Ｚ１だけデフォーカスさせたときのマーク像の波形の変化が比較例よりも小さく抑えられる。これに対応するように、図８（ａ）を参照すると、第１実施例および第２実施例では、ウェハマークＷＭのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化が比較例よりも小さく抑えられることがわかる。
【００４５】
また、図８（ｂ）では、第１実施例の変形例のシミュレーション結果を追加的に示しているが、この変形例では、結像光束の輪帯形状をＲ２＝Ｒ１×（３／５）に設定するとともに、照明光束の半径をＲ３＝Ｒ１’×（４／５）に設定している。図８（ｂ）を参照すると、第１実施例の変形例においても、ウェハマークＷＭのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化が比較例よりも小さく抑えられることがわかる。なお、図８では、第３実施例のシミュレーション結果を図示していないが、第３実施例においてもウェハマークＷＭのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化が比較例よりも小さく抑えられることを確認している。
【００４６】
以上のように、本実施形態では、たとえば結像瞳面において輪帯状や２極状や４極状の結像光束を用いているので、位相差の比較的小さい結像光束成分に基づいてウェハマーク像を形成することになり、ウェハマークＷＭのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えることができる。その結果、本実施形態の位置検出装置では、結像光学系の開口数を大きく設定しても、ウェハマークＷＭのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えて高精度な位置検出を行うことができる。
【００４７】
なお、第１実施例では、円形状の照明光束の半径Ｒ３と、輪帯状の結像光束と光学的に共役な輪帯状の領域の外径Ｒ１’との間にＲ３＝Ｒ１’の関係を設定している。また、第１実施例の変形例では、照明光束の半径Ｒ３と輪帯状の領域の外径Ｒ１’との間にＲ３＝Ｒ１’×（４／５）の関係を設定している。しかしながら、これに限定されることなく、円形状の照明光束と光学的に共役な結像瞳面上の円形状の領域の少なくとも一部において結像光束が結像瞳面を通過するように、照明光束の半径Ｒ３を輪帯状の領域の内径Ｒ２’よりも大きく設定すれがよい。
【００４８】
さらに、第２実施例および第３実施例では、２つの円形状の光束および４つの円形状の光束が互いに隣接して配置されているが、これに限定されることなく、光束の数、形状、配置などについて様々な変形例が可能である。また、第２実施例および第３実施例では、照明光束を円形状に整形しているが、これに限定されることなく、図９に示すように、２極状および４極状にそれぞれ整形することもできる。そして、この変形例においても、第２実施例および第３実施例と同様の効果を得ることができる。
【００４９】
なお、第２実施例では、一方向に沿って配置された２つの円形状の結像光束を用いているので、一方向に周期性を有する一次元パターンからなるウェハマークの位置検出に有利である。一方、第３実施例では、互いに直交する方向に沿って配置された４つの円形状の結像光束を用いているので、互いに直交する方向に周期性を有する二次元パターンからなるウェハマークの位置検出に有利である。
【００５０】
また、第１実施例およびその変形例では、結像光束を輪帯状の断面を有する光束に整形しているが、これに限定されることなく、半径Ｒ１の円形状領域において光軸から周辺に向かって強度が増加する光強度分布や、中央の半径Ｒ２の円形状領域において光軸から周辺に向かって強度が増加する光強度分布を有する結像光束を用いることも可能である。いずれにしても、本実施形態では、光軸を含む中央領域よりも光軸を含まない周辺領域の方が大きい光強度分布を有する結像光束を用いることが重要である。なお、結像断面の強度分布が断面（すなわち１または０）ではなく分布でも良いことは、後述する第２実施例および第３実施例でも同じである。
【００５１】
ところで、第１実施例およびその変形例では、円形状の中央遮光領域の半径Ｒ２を大きくするほど効果は大きくなる。ここで、効果を得るための半径Ｒ２の設定手法の一つとして、像を形成する１次光の中心を目安とすることができる。ウェハマークＷＭを照明する照明光の最も短い波長をλとし、ウェハマークＷＭを構成するパターンの周期をＰとすると、１次回折光の中心ｒは開口数換算で、
ｒ≦λ／Ｐ　　　（１）
であるので、半径Ｒ２を上記（１）式にしたがって設定すればよい。
【００５２】
なお、上述の実施形態では、結像開口絞り１７を結像光学系の光路に対して挿脱自在に構成し、結像開口絞り１７を光路から退避させた状態で、従来技術にしたがってウェハマークＷＭの位置検出を行うこともできる。このとき、結像瞳面またはその近傍には、円形開口絞りが必要に応じて配置される。あるいは、結像開口絞り１７が交換可能な開口絞りとして円形開口絞りを備え、この円形開口絞りを結像光路に導入することによって従来技術にしたがう位置検出を行うこともできる。また、これは、照明開口絞りに対しても同様で、照明開口絞りを従来の円形の絞り以外に、照明光束を２極状に整形するような照明開口絞りや、照明光束を４極状に整形するような照明開口絞りを備えておき、結像開口絞りの種類や計測するパターンの種類などに応じて最適な照明絞りを選択することも可能である。
【００５３】
また、上述の実施形態では、所定の形状を有する結像光束の輝度分布の不均一性を補正するための補正手段として、たとえば結像光束の輝度分布とは逆傾向の透過率分布を持つ濃度フィルタを、結像瞳面（結像光学系の最終像面に対してフーリエ変換の関係にある位置、図１では第１対物レンズ８と第２対物レンズ１０との間の光路中、およびリレーレンズ１２とリレーレンズ１３との間の光路中の位置）に配置してもよい。濃度フィルタの作成に際しては、結像光束の輝度分布を測定して対応する強度分布を求め、この強度分布を反転させた分布を求め、この反転分布に基づいて濃度フィルタの透過率分布を算出する。
【００５４】
そして、光透過性の基板上に遮光性または光透過性の微小ドットの集合体を形成し、この微小ドットの密度の疎密で透過率分布を表現する手法や光透過率の濃度分布を持った吸収フィルターを用いる手法などを用いることができる。この構成により、結像光束の輝度分布の不均一性を補正することができる。なお、結像光学系中の濃度フィルタに代えて、あるいは濃度フィルタに付加して、結像光束の輝度分布の不均一性を補正するための補正手段としての濃度フィルタを照明光学系の内部に設けても良い。このとき、濃度フィルタは、照明光学系中の瞳位置（被照射面としてのマークに対してフーリエ変換の関係となる位置、図１では照明開口絞り３の位置、および照明リレーレンズ６と第１対物レンズ８との間の光路中の位置）に配置することが好ましい。
【００５５】
さらに、上述の実施形態では、たとえば第１実施例にしたがって結像光束を輪帯状に制限した状態においてウェハマークＷＭの位置を検出し、第２実施例にしたがって結像光束を２極状に制限した状態においてウェハマークＷＭの位置を検出し、第１実施例の検出結果と第２実施例の検出結果とに基づいて、ウェハマークＷＭの位置検出結果の位置ずれ補正量を求めることが好ましい。ここで、位置ずれ補正量とは、光学系の収差やマークの非対称性に起因して発生する検出誤差を補正するためのオフセット量である。
【００５６】
また、上述の実施形態では、照明光束整形部材および結像光束整形部材として、照明開口絞り３および結像開口絞り１７をそれぞれ用いているが、これに限定されることなく、入射光束の偏向方向を独立に変更することのできる複数の微小ミラーを有するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅまたは　Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ　Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることもできる。ＤＭＤは、碁盤の目状に配列された多数のマイクロミラーからなる光変調素子であって、各マイクロミラーの向きはそれぞれ個別に駆動制御されるように構成されている。ＤＭＤでは、各マイクロミラーの向きをそれぞれ適宜駆動することにより、所望の光強度分布を形成することができる。
【００５７】
なお、上述の実施形態では、ウェハマークを落射照明しているが、これに限定されることなく、ウェハマークを透過照明する位置検出装置に本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態では、Ｘ方向マーク検出とＹ方向マーク検出とにそれぞれ別のＣＣＤを用いているが、１つのＣＣＤでＸ方向マーク検出とＹ方向マーク検出との双方を行ってもよい。
【００５８】
さらに、上述の実施形態では、露光装置における感光性基板の位置検出を行っているが、これに限定されることなく、位置検出すべき一般的な物体に形成された物体マークの位置検出、たとえば特開平６−５８７３０号公報、特開平７−７１９１８号公報、特開平１０−１２２８１４号公報、特開平１０−１２２８２０号公報、および特開２０００−２５８１１９号公報などに開示される重ね合わせ精度測定装置やパターン間寸法測定装置に本発明を適用することもできる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の位置検出装置および位置検出方法では、たとえば結像瞳面において光軸を中心とした輪帯状または２極状の結像光束を用いるので、位相差の比較的小さい結像光束成分に基づいてマーク像を形成することになり、マークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えることができる。その結果、本発明では、結像光学系の開口数の大きさに比べて、マークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を小さく抑えることができるため、高精度な位置検出を行うことが可能である。特に本発明では、結像光学系の開口数を大きく設定した場合に有効である。
【００６０】
また、本発明の位置検出装置が搭載された露光装置、および本発明の位置検出装置または位置検出方法を用いる露光方法では、高精度な位置検出装置を用いて感光性基板を高精度に位置検出し、ひいてはマスクと感光性基板とを高精度に位置合わせして、良好な投影露光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる位置検出装置を備えた露光装置の基本構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施形態の位置検出装置により位置検出すべき物体であるウェハに形成された段差パターンからなるウェハマークの構成を模式的に示す図である。
【図３】結像光束を輪帯状に整形する第１実施例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。
【図４】第１実施例においてウェハマークをデフォーカスさせたときのマーク像波形の変化を示す図である。
【図５】第１実施例の比較例として、結像光束を円形状の光束に整形する従来技術においてウェハマークをデフォーカスさせたときのマーク像波形の変化を示す図である。
【図６】結像光束を２極状に整形する第２実施例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。
【図７】結像光束を４極状に整形する第３実施例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。
【図８】各実施例および比較例におけるウェハマークのデフォーカスに対するマーク像の位置ずれの変化を示す図である。
【図９】第２実施例および第３実施例の変形例における照明瞳面および結像瞳面の光束の様子を示す図である。
【符号の説明】
１　ハロゲンランプ
２　ライトガイド
３　照明開口絞り
５　照明視野絞り
７　ハーフプリズム
８　第１対物レンズ
９　反射プリズム
１０　第２対物レンズ
１１　指標板
１４　ＸＹ分岐ハーフプリズム
１５，１６　ＣＣＤ
１７　結像開口絞り
１８　信号処理系
３０　レチクルステージ
３１　ウェハホルダ
３２　Ｚステージ
３３　ＸＹステージ
３４　ステージ制御系
３５　主制御系
３６　キーボード
ＩＬ　露光用照明系
Ｒ　レチクル
ＰＡ　パターン領域
ＰＬ　投影光学系
Ｗ　ウェハ
ＷＭ　ウェハマーク
【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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