(57)【要約】【課題】装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減でき、被検マークの位置検出をさらに精度良く行えるマーク位置検出装置およびその組み立て方法を提供する。【解決手段】基板１１上の被検マーク３０を照明する照明光学系１３〜１９と、被検マークからの光Ｌ２を結像して、被検マークの像を形成する結像光学系１９〜２３と、結像光学系の光軸Ｏ２上に配置され、結像光学系の残存収差を補正する補正部材２４と、結像光学系および補正部材を介して形成された被検マークの像を撮像して、画像信号を出力する撮像手段２５と、撮像手段から画像信号を入力して、被検マークの位置を算出する算出手段２６とを備える。【選択図】　　　図１
2004128253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の被検マークを照明する照明光学系と、
前記被検マークからの光を結像して、前記被検マークの像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系の光軸上に配置され、前記結像光学系の残存収差を補正する補正部材と、
前記結像光学系および前記補正部材を介して形成された前記被検マークの像を撮像して、画像信号を出力する撮像手段と、
前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマーク位置検出装置において、
前記結像光学系は、前記被検マークの中間像を形成する第１光学系と、前記中間像をリレー結像する第２光学系とを有し、
前記補正部材は、前記第２光学系の中に配置されている
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載したマーク位置検出装置において、
前記補正部材を前記結像光学系の光軸を中心として回転可能かつ前記光軸に垂直な面内でシフト可能に支持する支持手段を備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載のマーク位置検出装置において、
前記結像光学系および前記補正部材からなる全系の残存収差に応じて指標信号を生成する生成手段と、
前記指標信号に基づいて前記支持手段を制御することにより、前記補正部材の回転状態とシフト状態との少なくとも一方を調整する制御手段とを備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載したマーク位置検出装置の組み立て方法であって、
前記結像光学系の光軸上の所定位置に未加工の光学部材を配置した状態で、前記結像光学系の残存収差を測定する測定工程と、
前記測定工程の後で前記所定位置から前記光学部材を取り出し、該光学部材に対して前記結像光学系の残存収差を相殺するような凹凸加工を施すことにより、前記補正部材を作製する作製工程と、
前記作製工程で作製された前記補正部材を前記所定位置に再び配置し、該補正部材を微調整する微調整工程とを備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置の組み立て方法。
【請求項６】
請求項５に記載したマーク位置検出装置の組み立て方法において、
前記微調整工程では、前記結像光学系および前記補正部材からなる全系の残存収差に応じた指標信号に基づいて、前記結像光学系の光軸を中心とした前記補正部材の回転状態と、前記光軸に垂直な面内での前記補正部材のシフト状態との少なくとも一方を調整する
ことを特徴とするマーク位置検出装置の組み立て方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の被検マークの位置を検出するマーク位置検出装置およびその組み立て方法に関し、特に、半導体素子などの製造工程における高精度な位置検出に好適なマーク位置検出装置およびその組み立て方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体素子や液晶表示素子の製造工程では、マスク（レチクル）に形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程と、レジスト膜の露光部分または未露光部分を溶解する現像工程とを経て、レジスト膜に回路パターン（レジストパターン）が転写され、このレジストパターンをマスクとしてエッチングや蒸着などを行うことにより（加工工程）、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜に回路パターンが転写される（パターン形成工程）。
【０００３】
次いで、上記所定の材料膜に形成された回路パターンの上に別の回路パターンを形成するには、同様のパターン形成工程が繰り返される。パターン形成工程を何回も繰り返し実行することにより、様々な材料膜の回路パターンが基板（半導体ウエハや液晶基板）の上に積層され、半導体素子や液晶表示素子の回路が形成される。
【０００４】
ところで、上記の製造工程では、様々な材料膜の回路パターンを精度よく重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち露光工程の前に、マスクと基板とのアライメントを行い、さらに、現像工程の後でかつ加工工程の前に、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査を行い、製品の歩留まり向上を図っている。
【０００５】
ちなみに、マスクと基板とのアライメント（露光工程の前）は、マスク上の回路パターンと、１つ前のパターン形成工程で基板上に形成された回路パターンとのアライメントであり、各々の回路パターンの基準位置を示すアライメントマークを用いて行われる。
また、基板上のレジストパターンの重ね合わせ状態の検査（加工工程の前）は、１つ前のパターン形成工程で形成された回路パターン（以下「下地パターン」という）に対するレジストパターンの重ね合わせ検査であり、下地パターンとレジストパターンの各々の基準位置を示す重ね合わせマークを用いて行われる。
【０００６】
そして、これらのアライメントマークや重ね合わせマーク（総じて「被検マーク」という）の位置検出は、被検マークを照明すると共に、ＣＣＤカメラなどの撮像素子を用いて被検マークの像を撮像し、得られた画像信号に対して所定の画像処理を施すことにより行われる。
また、被検マークの位置検出を行う装置では、その検出精度を高めるために、例えば特許文献１に開示されている方法（以下「ＱＺ法」という）を利用して、照明光学系や結像光学系の中に設けられている光学部品の配置を微調整し、装置起因の誤差ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ　Ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｓｈｉｆｔ）を低減するようにしている。ＱＺ法を利用した微調整は、通常、装置の組み立て時に行われる。なお、照明光学系は、被検マークへの照明光を射出するものである。結像光学系は、被検マークの像を形成するものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−７７２９５号公報（第７−１２頁）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＱＺ法を利用して照明光学系や結像光学系の配置を微調整しても、結像光学系の高次の収差成分（例えばツェルニケ収差表現法による５次以上のコマ収差成分など）を除去することはできなかった。このため、従来の装置では、装置起因の誤差ＴＩＳを十分に低減することが難しく、検出精度の向上にも限界があった。
【０００９】
本発明の目的は、装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減でき、被検マークの位置検出をさらに精度良く行えるマーク位置検出装置およびその組み立て方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のマーク位置検出装置は、基板上の被検マークを照明する照明光学系と、前記被検マークからの光を結像して、前記被検マークの像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の光軸上に配置され、前記結像光学系の残存収差を補正する補正部材と、前記結像光学系および前記補正部材を介して形成された前記被検マークの像を撮像して、画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から前記画像信号を入力して、前記被検マークの位置を算出する算出手段とを備えたものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマーク位置検出装置において、前記結像光学系は、前記被検マークの中間像を形成する第１光学系と、前記中間像をリレー結像する第２光学系とを有し、前記補正部材は、前記第２光学系の中に配置されているものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載したマーク位置検出装置において、前記補正部材を前記結像光学系の光軸を中心として回転可能かつ前記光軸に垂直な面内でシフト可能に支持する支持手段を備えたものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のマーク位置検出装置において、前記結像光学系および前記補正部材からなる全系の残存収差に応じて指標信号を生成する生成手段と、前記指標信号に基づいて前記支持手段を制御することにより、前記補正部材の回転状態とシフト状態との少なくとも一方を調整する制御手段とを備えたものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載したマーク位置検出装置の組み立て方法であって、前記結像光学系の光軸上の所定位置に未加工の光学部材を配置した状態で、前記結像光学系の残存収差を測定する測定工程と、前記測定工程の後で前記所定位置から前記光学部材を取り出し、該光学部材に対して前記結像光学系の残存収差を相殺するような凹凸加工を施すことにより、前記補正部材を作製する作製工程と、前記作製工程で作製された前記補正部材を前記所定位置に再び配置し、該補正部材を微調整する微調整工程とを備えたものである。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載したマーク位置検出装置の組み立て方法において、前記微調整工程では、前記結像光学系および前記補正部材からなる全系の残存収差に応じた指標信号に基づいて、前記結像光学系の光軸を中心とした前記補正部材の回転状態と、前記光軸に垂直な面内での前記補正部材のシフト状態との少なくとも一方を調整するものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項６に対応する。
ここでは、本実施形態のマーク位置検出装置について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１６】
重ね合わせ測定装置１０は、図１（ａ）に示すように、製品ウエハ１１（または不図示の組み立て用ウエハ）を支持する検査ステージ１２と、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）に対する照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１８）と、照明光Ｌ１によって照明された製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）の像を形成する結像光学系（１９〜２３）と、結像光学系（１９〜２３）の光軸上に配置された収差補正板２４と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理装置２６と、光学素子制御装置２７と、焦点検出装置（４１〜４８）と、ステージ制御装置４９とで構成されている。
【００１７】
この重ね合わせ測定装置１０について具体的に説明する前に、製品ウエハ１１および組み立て用ウエハの説明を行う。
製品ウエハ１１（基板）には、複数の回路パターン（何れも不図示）が表面上に積層されている。最上層の回路パターンは、レジスト膜に転写されたレジストパターンである。つまり、製品ウエハ１１は、１つ前のパターン形成工程で形成された下地パターンの上に別の回路パターンを形成する工程の途中（レジスト膜に対する露光・現像後で且つ材料膜に対するエッチング加工前）の状態にある。
【００１８】
そして、製品ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態が重ね合わせ測定装置１０によって検査される。このため、製品ウエハ１１の表面には、重ね合わせ状態の検査に用いられる重ね合わせマーク３０（図２）が形成されている。図２（ａ）は重ね合わせマーク３０の平面図、図２（ｂ）は断面図である。
【００１９】
重ね合わせマーク３０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、大きさが異なる矩形状の下地マーク３１とレジストマーク３２とからなる。下地マーク３１は、下地パターンと同時に形成され、下地パターンの基準位置を示す。レジストマーク３２は、レジストパターンと同時に形成され、レジストパターンの基準位置を示す。下地マーク３１，レジストマーク３２は、各々、請求項の「被検マーク」に対応する。
【００２０】
なお、図示省略したが、レジストマーク３２およびレジストパターンと、下地マーク３１および下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜が形成されている。この材料膜は、重ね合わせ測定装置１０による重ね合わせ状態の検査後、レジストマーク３２が下地マーク３１に対して正確に重ね合わされ、レジストパターンが下地パターンに対し正確に重ね合わされている場合に、レジストパターンを介して実際に加工される。
【００２１】
一方、組み立て用ウエハには、ライン＆スペースマーク３３（図３（ａ），（ｂ））が形成されている。ライン＆スペースマーク３３は、線幅が３μｍ、ピッチが６μｍ、段差が８５ｎｍ（測定波長λの１／８程度）である。図３（ａ）はライン＆スペースマーク３３の平面図、図３（ｂ）は断面図である。
このライン＆スペースマーク３３は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、照明光学系（１３〜１８），結像光学系（１９〜２３），収差補正板２４を微調整するために用いられる。
【００２２】
さて次に、重ね合わせ測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
検査ステージ１２は、図示省略したが、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向（ＸＹ方向）に駆動するＸＹ駆動部と、ホルダを鉛直方向（Ｚ方向）に駆動するＺ駆動部とで構成されている。そして、ＸＹ駆動部とＺ駆動部は、後述するステージ制御装置４９に接続されている。
【００２３】
なお、この検査ステージ１２のホルダには、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）時、製品ウエハ１１が載置される。また、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、製品ウエハ１１に代えて組み立て用ウエハが載置される。
照明光学系（１３〜１８）は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３と照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５と視野絞り１６と照明リレーレンズ１７とビームスプリッタ１８とで構成されている。ビームスプリッタ１８は、反射透過面１８ａが光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系（１３〜１８）の光軸Ｏ１は、結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２４】
また、光源１３は、波長帯域の広い光（例えば白色光）を射出する。照明開口絞り１４は、光源１３から射出された光の径を特定の径に制限する。この照明開口絞り１４は、光軸Ｏ１に対して垂直な面内でシフト可能に支持されている。照明開口絞り１４のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われる。
【００２５】
コンデンサーレンズ１５は、照明開口絞り１４からの光を集光する。視野絞り１６は、重ね合わせ測定装置１０の視野領域を制限する光学素子であり、図１（ｂ）に示すように、矩形状の開口である１つのスリット１６ａを有する。照明リレーレンズ１７は、視野絞り１６のスリット１６ａからの光をコリメートする。
上記の照明光学系（１３〜１８）において、光源１３から射出された光は、照明開口絞り１４とコンデンサーレンズ１５を介して、視野絞り１６を均一に照明する。そして、視野絞り１６のスリット１６ａを通過した光は、照明リレーレンズ１７を介してビームスプリッタ１８に導かれ、その反射透過面１８ａで反射した後（照明光Ｌ１）、結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上に導かれる。
【００２６】
結像光学系（１９〜２３）は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０と第１結像リレーレンズ２１と結像開口絞り２２と第２結像リレーレンズ２３とで構成されている。結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。
【００２７】
なお、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０との間には、照明光学系（１３〜１８）のビームスプリッタ１８が配置され、第２対物レンズ２０と第１結像リレーレンズ２１との間には、後述する焦点検出装置（４１〜４８）のビームスプリッタ４１が配置されている。さらに、結像開口絞り２２の近傍には、後述の収差補正板２４が配置されている。
【００２８】
結像光学系（１９〜２３）の第１対物レンズ１９は、照明光学系（１３〜１８）のビームスプリッタ１８からの照明光Ｌ１を入射して集光する。これにより、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）は、第１対物レンズ１９を透過した照明光Ｌ１によって垂直に照明される。
なお、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）に入射するときの照明光Ｌ１の入射角度範囲は、照明光学系（１３〜１８）の照明開口絞り１４の絞り径によって決まる。照明開口絞り１４は、第１対物レンズ１９の瞳と共役な面に配置されているからである。
【００２９】
また、視野絞り１６と製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）とは共役な位置関係にあるため、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）の表面のうち、視野絞り１６のスリット１６ａに対応する領域が照明光Ｌ１によって照明される。つまり、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）の表面には、照明リレーレンズ１７と第１対物レンズ１９の作用によって、スリット１６ａの像が投影される。
【００３０】
そして、上記の照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）の領域からは、反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９に導かれる。
第１対物レンズ１９は、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）からの反射光Ｌ２をコリメートする。第１対物レンズ１９でコリメートされた反射光Ｌ２は、上記のビームスプリッタ１８を透過して第２対物レンズ２０に入射する。第２対物レンズ２０は、ビームスプリッタ１８からの反射光Ｌ２を１次結像面１０ａ上に集光する。
【００３１】
また、第２対物レンズ２０は、光軸Ｏ２に対して垂直な面内でシフト可能に支持されている。第２対物レンズ２０のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われる。
このように、照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）からの反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９とビームスプリッタ１８とを介して第２対物レンズ２０に導かれ、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０の作用によって１次結像面１０ａに結像される。１次結像面１０ａは、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）の中間像の形成位置である。
【００３２】
１次結像面１０ａの後段に配置された焦点検出装置（４１〜４８）のビームスプリッタ４１は、第２対物レンズ２０からの反射光Ｌ２の一部（Ｌ３）を透過すると共に、残りの一部（Ｌ４）を反射する。ビームスプリッタ４１を透過した光Ｌ３は、結像光学系（１９〜２３）の第１結像リレーレンズ２１に導かれる。
第１結像リレーレンズ２１は、ビームスプリッタ４１からの光Ｌ３をコリメートする。結像開口絞り２２は、第１対物レンズ１９の瞳と共役な面に配置され、第１結像リレーレンズ２１からの光の径を特定の径に制限する。この結像開口絞り２３は、光軸Ｏ２に垂直な面内でシフト可能に支持されている。
【００３３】
結像開口絞り２３のシフト状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われる。第２結像リレーレンズ２３は、結像開口絞り２２からの光（正確には次に説明する収差補正板２４を透過した後の光）をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面（２次結像面）上に再結像する。
【００３４】
収差補正板２４は、結像光学系（１９〜２３）の残存収差を補正する光学素子であり、結像開口絞り２３の近傍、つまり、第１対物レンズ１９の瞳と共役な面の近傍に配置されている。
この収差補正板２４は、光軸Ｏ２に対して垂直な面内でシフト可能に支持されると共に、光軸Ｏ２を中心として回転可能に支持されている。収差補正板２４のシフト状態および回転状態の調整は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記のライン＆スペースマーク３３（図３）を用いて行われる。
【００３５】
結像光学系（１９〜２３）の残存収差、および、収差補正板２４の作製方法については、後で重ね合わせ測定装置１０の組み立て方法を説明する際に、具体的に説明する。
このように、第２対物レンズ２０からの光は、ビームスプリッタ４１と第１結像リレーレンズ２１と結像開口絞り２２と収差補正板２４とを介して第２結像リレーレンズ２３に導かれ、第１結像リレーレンズ２１と第２結像リレーレンズ２３の作用によってＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上にリレー結像（再結像）される。
【００３６】
ＣＣＤ撮像素子２５は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、製品ウエハ１１（または組み立て用ウエハ）からの反射光Ｌ２に基づく像（反射像）を撮像して、画像信号を画像処理装置２６に出力する。画像信号は、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。
【００３７】
画像処理装置２６は、詳細は後述するように、検査ステージ１２上に製品ウエハ１１が載置されているとき、ＣＣＤ撮像素子２５から得られる画像信号の輝度分布に基づいて、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）を行う。
さらに、画像処理装置２６は、詳細は後述するように、検査ステージ１２上に組み立て用ウエハが載置されているとき、ＣＣＤ撮像素子２５から得られる画像信号の輝度分布に基づいて、後述のＱ値（図５（ｂ）〜（ｅ）参照）を測定する。Ｑ値は、照明光学系（１３〜１８），結像光学系（１９〜２３），収差補正板２４を微調整するための指標であり、指標信号として光学素子制御装置２７に出力される。
【００３８】
光学素子制御装置２７は、詳細は後述するように、画像処理装置２６からの指標信号（後述のＱ値（図５（ｂ）〜（ｅ）参照））に基づいて、照明光学系（１３〜１８），結像光学系（１９〜２３），収差補正板２４を微調整する。つまり、照明開口絞り１４，第２対物レンズ２０，結像開口絞り２３のシフト状態や、収差補正板２４のシフト状態，回転状態を必要に応じて各々調整する。
【００３９】
焦点検出装置（４１〜４８）は、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）時、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１がＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを検出するものである。
焦点検出装置（４１〜４８）は、光軸Ｏ３に沿って順に配置されたビームスプリッタ４１とＡＦ第１リレーレンズ４２と平行平面板４３と瞳分割ミラー４４とＡＦ第２リレーレンズ４５とシリンドリカルレンズ４６とからなる光学系と、ＡＦセンサ４７と、信号処理部４８とで構成されている。
【００４０】
ビームスプリッタ４１は、反射透過面が光軸Ｏ３に対して略４５°傾けられ、結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上にも配置されている。光軸Ｏ３は、光軸Ｏ２に垂直である。ＡＦセンサ４７はラインセンサであり、その撮像面４７ａには複数の画素が１次元配列されている。シリンドリカルレンズ４６は、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａにおける画素の配列方向（図中Ａ方向）に対して垂直な方向の屈折力を持つ。
【００４１】
ビームスプリッタ４１で反射した光Ｌ４（以下「ＡＦ光」という）は、ＡＦ第１リレーレンズ４２によってコリメートされ、平行平面板４３を透過して、瞳分割ミラー４４に入射する。瞳分割ミラー４４上には、照明光学系（１３〜１８）の照明開口絞り１４の像が形成される。平行平面板４３は、照明開口絞り１４の像を瞳分割ミラー４４の中心に位置調整するための光学素子であり、チルト調整が可能な機構になっている。
【００４２】
瞳分割ミラー４４に入射したＡＦ光は、そこで２方向の光に分離された後、ＡＦ第２リレーレンズ４５とシリンドリカルレンズ４６を介して、ＡＦセンサ４７の撮像面４７ａの近傍に集光される。このとき、撮像面４７ａには、画素の配列方向（図中Ａ方向）に沿って離れた位置に、２つの光源像が形成される。
そして、ＡＦセンサ４７は、撮像面４７ａに形成された２つの光源像の結像中心Ｐ１，Ｐ２（図４（ａ）〜（ｃ））に関する情報を検出信号として信号処理部４８に出力する。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、各々、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１のＣＣＤ撮像素子２５に対する前ピン状態，合焦状態，後ピン状態を示している。
【００４３】
図４（ａ）〜（ｃ）から分かるように、２つの光源像の結像中心Ｐ１，Ｐ２は、前ピン状態（合焦状態よりも下方）ほど互いに接近し、後ピン状態（合焦位置よりも上方）ほど互いに離れる。つまり、検査ステージ１２をＺ方向に上下させることで、撮像面４７ａの画素の配列方向（図中Ａ方向）に沿って、近づいたり離れたりする。
【００４４】
信号処理部４８は、ＡＦセンサ４７からの検出信号に基づいて、２つの光源像の結像中心Ｐ１，Ｐ２間の距離を算出する。この信号処理部４８には、合焦状態における結像中心Ｐ１，Ｐ２間の距離が、予め記憶されている。このため、信号処理部４８は、算出した結像中心Ｐ１，Ｐ２間の距離を合焦状態での距離と比較し、両者の差を計算して、得られる焦点位置信号をステージ制御装置４９に出力する。
【００４５】
構成説明の最後に、ステージ制御装置４９について説明する。
ステージ制御装置４９は、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）時、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して、ホルダ（製品ウエハ１１）をＸＹ方向に移動させ、製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０（図２）を重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。
【００４６】
そして、焦点検出装置（４１〜４８）からの焦点位置信号に基づいて検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ホルダ（製品ウエハ１１）をＺ方向に上下移動させる。その結果、製品ウエハ１１をＣＣＤ撮像素子２５に対して合焦させることができる（自動焦点合わせ）。
さらに、ステージ制御装置４９は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して、ホルダ（組み立て用ウエハ）をＸＹ方向に移動させ、組み立て用ウエハ上のライン＆スペースマーク３３（図３）を重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。そして、検査ステージ１２のＺ駆動部を制御して、ホルダ（組み立て用ウエハ）を所定範囲内でＺ方向に上下移動させる。
【００４７】
上記した照明光学系（１３〜１８）および第１対物レンズ１９は、請求項の「照明光学系」に対応する。結像光学系（１９〜２３）は「結像光学系」に対応する。結像光学系（１９〜２３）のうち、第１対物レンズ１９および第２対物レンズ２０は「第１光学系」に対応する。第１結像リレーレンズ２１および第２結像リレーレンズ２３は「第２光学系」に対応する。
【００４８】
また、収差補正板２４は、請求項の「補正部材」に対応する。ＣＣＤ撮像素子２５は「撮像手段」に対応する。画像処理装置２６は、請求項の「算出手段」，「生成手段」に対応する。光学素子制御装置２７は、請求項の「制御手段」に対応する。
次に、重ね合わせ測定装置１０の組み立て方法について説明する。
【００４９】
本実施形態では、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査時に、図２の下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を精度良く検出するため、特開２０００−７７２９５号公報に開示されているＱＺ法を利用して、重ね合わせ測定装置１０の組み立てを行う。つまり、照明光学系（１３〜１８），結像光学系（１９〜２３），収差補正板２４の微調整を行う。
【００５０】
ちなみに、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時、検査ステージ１２のホルダには、ライン＆スペースマーク３３（図３）を有する組み立て用ウエハが載置される。また、結像光学系（１９〜２３）の結像開口絞り２３の近傍には、未加工の収差補正板２４（以下「平行平面板２４」という）が配置される。平行平面板２４は、石英ガラスからなる光学部材である。
【００５１】
そして、重ね合わせ測定装置１０の視野領域内に組み立て用ウエハのライン＆スペースマーク３３（図３）が位置決めされると、このライン＆スペースマーク３３が照明光Ｌ１によって照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、ライン＆スペースマーク３３の像が形成される。
このとき、ＣＣＤ撮像素子２５から画像処理装置２６には、図５（ａ）に示すように、ライン＆スペースマーク３３の像の光強度（明るさ）に応じた画像信号が出力される。このため、画像処理装置２６では、図５（ａ）に示す画像信号の輝度分布に基づいて、図５（ｂ）に示すようなＱ値のフォーカス特性を測定する。
【００５２】
すなわち、画像信号（図５（ａ））に現れた複数のエッジを抽出して、左側エッジ３６と右側エッジ３７との信号強度差ΔＩを算出し、得られた信号強度差ΔＩを任意の信号強度Ｉで規格化して、次式（１）に示されるＱ値を算出する。Ｑ値は、左側エッジ３６と右側エッジ３７との非対称性を表している。
Ｑ値＝ΔＩ／Ｉ０×１００（％）　　…（１）
さらに、このようなＱ値の算出は、ステージ制御装置４９が検査ステージ１２のホルダ（組み立て用ウエハ）をＺ方向に移動させる毎に行われる。その結果、図５（ｂ）に示すようなＱ値のフォーカス特性曲線を得ることができる。Ｑ値のフォーカス特性は、照明光学系（１３〜１８），結像光学系（１９〜２３），収差補正板２４を微調整する際の指標信号として、光学素子制御装置２７に出力される。
【００５３】
なお、重ね合わせ測定装置１０の各構成要素（特に光学素子）を機械的な設計値に応じて配置しただけの状態では、通常、各構成要素の相対的な位置関係が大きくずれている。そして、このときのＱ値のフォーカス特性曲線は、図５（ｂ）に示すように、予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）から大きく外れている。
【００５４】
ここで、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図５（ｂ））のうち、図５（ｃ）に示す平行シフト成分αは、照明開口絞り１４のシフト調整によって変動する成分である。また、図５（ｄ）に示す凹凸成分βは、結像開口絞り２３のシフト調整によって変動する成分である。さらに、図５（ｅ）に示す傾斜成分γは、第２対物レンズ２０のシフト調整によって変動する成分である。
【００５５】
また、照明開口絞り１４のシフト調整は、照明光Ｌ１の主光線の傾斜（照明テレセン）の補正に対応する。結像開口絞り２３，第２対物レンズ２０のシフト調整は、各々、結像光学系（１９〜２３）における反射光Ｌ２のけられの補正，偏心コマ収差の補正に対応する。
したがって、光学素子制御装置２７は、まず初めに、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図５（ｂ））を指標として、照明開口絞り１４，結像開口絞り２３，第２対物レンズ２０のシフト調整を行う（ＱＺ法）。
【００５６】
調整の順序は、結像開口絞り２３→第２対物レンズ２０→照明開口絞り１４とすることが望ましい。これは、結像開口絞り２３による調整感度が最も敏感であり、Ｑ値のフォーカス特性曲線において凹凸成分β（図５（ｄ））が大きいと、第２対物レンズ２０の調整量を的確に定めることが難しいからである。
ところで、上記３つの調整要素（第２対物レンズ２０，結像開口絞り２３，照明開口絞り１４）を順にシフト調整しても、Ｑ値のフォーカス特性曲線（図５（ｂ）参照）を予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）に収束させることは難しい。
【００５７】
つまり、３つの調整要素（２０，２３，１４）をシフト調整しても、Ｑ値のフォーカス特性曲線には、図６（ａ）に示すように、３次以上のうねり成分が残存してしまう。このうねり成分は、結像光学系（１９〜２３）の高次の収差成分（例えばツェルニケ収差表現法による５次以上のコマ収差成分など）がまだ除去されず、残存していることを表している。
【００５８】
そこで、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０を組み立て方法では、まず初めに、３つの調整要素（２０，２３，１４）のシフト調整により、Ｑ値のフォーカス特性曲線から平行シフト成分α（図５（ｃ））と凹凸成分β（図５（ｄ））と傾斜成分γ（図５（ｅ））を全て除去する。
つまり、Ｑ値のフォーカス特性曲線に、うねり成分（図６（ａ））のみを残存させる。１回の調整サイクルで図６（ａ）の状態に収束しない場合は、同様の調整サイクルを繰り返すことが望ましい。これにより、結像光学系（１９〜２３）の低次の収差成分を除去できる。
【００５９】
そして次に、重ね合わせ測定装置１０の外に用意された干渉計（不図示）を用いて、結像光学系（１９〜２３）の残存収差、つまり、高次の収差成分（例えばツェルニケ収差表現法による５次以上のコマ収差成分など）を測定する。干渉計による結像光学系（１９〜２３）の収差測定とは、周知のように、透過波面収差の測定である。
【００６０】
このとき、結像光学系（１９〜２３）だけでなく、その光軸Ｏ２上に配置された他の光学素子（ビームスプリッタ１８，４１および平行平面板２４）も含めた状態で、結像光学系（１９〜２３）の残存収差を測定する。したがって、結像光学系（１９〜２３）とビームスプリッタ１８，４１と平行平面板２４との相対的な位置関係を保持した状態で、これらの光学素子を干渉計まで移動させる必要がある。
【００６１】
干渉計による収差測定が終了すると、次に、結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上から平行平面板２４（未加工の収差補正板２４）が取り出され、平行平面板２４に対して凹凸加工が施される。平行平面板２４の被加工面は、一方の面のみでも両方の面でも構わない。
【００６２】
凹凸加工の深さ（加工量）は、結像光学系（１９〜２３）の残存収差を相殺するような位相差に対応し、▲１▼干渉計による測定結果（透過波面の収差量）と、▲２▼収差測定に使用した光の波長と、▲３▼平行平面板２４の材料（石英ガラス）の屈折率とに基づいて、計算機により算出することができる。
平行平面板２４に対する凹凸加工の方法には、例えば特開平９−６３７９１号公報に開示されているプラズマ加工法を用いることができる。このプラズマ加工は、ラジカル反応を用いたプラズマ加工機にて行われる。ここで、ラジカル反応を用いたプラズマ加工により、平行平面板２４に対して凹凸加工を施す手順について、簡単に説明する。
【００６３】
まず、高圧力下において、被加工物である平行平面板２４の近傍に設置された加工電極からプラズマを発生させる。このプラズマにハロゲンなどの電気陰性度の高い反応ガスを供給する。これにより、反応ガスは解離し、反応性に富んだラジカルになる。
そして、このラジカルを平行平面板２４の表面と反応させ、反応により生じた生成物を連続的に気化させることにより、平行平面板２４を加工していく。なお、反応ガスには、平行平面板２４と反応し、生成物が気化する特性を有するものを選択して用いる。
この加工法では、高圧力下でプラズマを生成するため、従来にない高濃度のラジカルを生成できる。したがって、機械加工に匹敵する高加工速度が得られるという効果がある。
【００６４】
また、高圧力下であるため、加工電極周辺の電界強度の高い箇所だけに局在化したプラズマを生成できる。その結果、加工領域を加工電極近傍に限定することができ、加工電極形状に依存した極めて空間分解能の高い加工を達成できるという効果が得られる。
【００６５】
さらに、機械加工では、塑性変形、ぜい性破壊といった物理現象を利用しているため、加工によって平行平面板２４の表面にダメージを与えることになる。これに対して、プラズマ加工では、化学的に加工が進行するので平行平面板２４の表面に欠陥や熱的変質層が形成されず無歪であるという効果が得られる。
このように、上記のプラズマ加工によって、結像光学系（１９〜２３）の残存収差を相殺するような凹凸加工が平行平面板２４に対して施され、収差補正板２４の作製が終了する。そして、加工後の平行平面板２４が収差補正板２４として使用される。
【００６６】
次に、プラズマ加工によって作製された収差補正板２４を元の位置に戻す。つまり、結像光学系（１９〜２３）の結像開口絞り２３の近傍に、収差補正板２４を再び配置する。また、収差補正板２４と結像光学系（１９〜２３）とビームスプリッタ１８，４１との相対的な位置関係を保持した状態で、これらの光学素子を重ね合わせ測定装置１０の中に設置する。
【００６７】
この状態で、結像光学系（１９〜２３）の残存収差は多少補正されたと考えられるが、未だ最適な状態ではない。したがって、重ね合わせ測定装置１０の組み立て工程の最後に、上記と同様のＱＺ法を利用して収差補正板２４の微調整を行う。このとき、光学素子制御装置２７には、結像光学系（１９〜２３）および収差補正板２４からなる全系の残存収差に応じた指標信号が、Ｑ値のフォーカス特性（図６（ａ）参照）として出力される。
【００６８】
このため、光学素子制御装置２７は、全系（１９〜２４）の残存収差に応じたＱ値のフォーカス特性を指標として、収差補正板２４のシフト調整および／または回転調整を行い、Ｑ値のフォーカス特性から図６（ａ）のうねり成分を除去する。その結果、図６（ｂ）に示すように、Ｑ値のフォーカス特性曲線を予め定めた規格値（例えばＺ位置によらず０を示す状態）に収束させることができる。
【００６９】
収差補正板２４の微調整の終了によって、重ね合わせ測定装置１０の組み立て工程は終了する。このとき、結像光学系（１９〜２３）の残存収差は収差補正板２４によってほぼ完全に補正され（図６（ｂ）参照）、重ね合わせ測定装置１０の各構成要素の相対的な位置関係に関して最適な状態を確保できる。すなわち、高次の収差成分（例えばツェルニケ収差表現法による５次以上のコマ収差成分など）が除去された低収差な光学系（１９〜２４）を得ることができる。
【００７０】
そして、この最適な状態で、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査（下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態の検査）が行われる。重ね合わせ検査時、検査ステージ１２には製品ウエハ１１が載置され、重ね合わせ測定装置１０の視野領域内には製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０（図２）が位置決めされる。
【００７１】
そして、この重ね合わせマーク３０が照明光Ｌ１によって照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、低収差な光学系（１９〜２４）を介して重ね合わせマーク３０の像が良好に形成される。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５は、重ね合わせマーク３０の像を撮像して、この像の光強度に応じた画像信号を画像処理装置２６に出力する。
【００７２】
画像処理装置２６は、重ね合わせマーク３０（図２）の像に関わる画像信号をＣＣＤ撮像素子２５から入力すると、画像に現れた複数のエッジを抽出して、下地マーク３１の中心位置Ｃ１およびレジストマーク３２の中心位置Ｃ２を各々算出する。エッジとは画像信号の強度が急激に変化する箇所である。
さらに、画像処理装置２６は、製品ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ状態を検査する際、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２の差に基づいて、重ね合わせずれ量Ｒを算出する。重ね合わせずれ量Ｒは、製品ウエハ１１の表面の２次元ベクトルとして表される。
【００７３】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、組み立て時に、収差補正板２４によって結像光学系（１９〜２３）の残存収差が補正され、高次の収差成分（例えばツェルニケ収差表現法による５次以上のコマ収差成分など）も除去されている。
このため、装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減でき、下地マーク３１の中心位置Ｃ１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ２とを精度良く検出することができる。その結果、重ね合わせずれ量Ｒも精度良く測定できる。
【００７４】
したがって、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０によれば、製品ウエハ１１の重ね合わせ状態を高精度に検査することができ、製品の歩留まりをさらに向上させることもできる。
また、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、ＱＺ法を用いた収差補正板２４の微調整を重ね合わせ測定装置１０に組み込んだ状態で行うため、各構成要素の相対的な位置関係を確実に最適な状態とすることができる。
【００７５】
（変形例）
なお、上記した実施形態では、ＱＺ法を用いて収差補正板２４の微調整（位置出し調整）を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、結像光学系（１９〜２３）の残存収差の測定に使用した干渉計により、結像光学系（１９〜２３）および収差補正板２４からなる全系の残存収差を測定しながら、透過波面収差が０になるように、収差補正板２４の微調整を行ってもよい。
【００７６】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の外に用意された干渉計（不図示）を用いて、結像光学系（１９〜２３）の残存収差を測定したが、結像光学系（１９〜２３）を重ね合わせ測定装置１０に組み込んだ状態で、直接測定することもできる。この場合、干渉計を配置するためには、少なくとも検査ステージ１２およびＣＣＤ撮像素子２５を退避させる必要がある。
【００７７】
さらに、上記した実施形態では、ラジカル反応によるプラズマ加工法を用いて収差補正板２４を作製したが、本発明はこれに限定されない。他の任意の加工法を用いてもよい。ただし、ラジカル反応によるプラズマ加工法を用いた場合には、収差補正板２４の少なくとも一方の面を、結像光学系（１９〜２３）の残存収差に応じた高精度な凹凸面とすることができるため、好ましい。
【００７８】
また、上記した実施形態では、結像光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上のうち、リレー光学系（２１〜２３）の中に収差補正板２４を配置したが、収差補正板２４は、その前段の光学系（１９，２０）の中（例えば第１対物レンズ１９の瞳面）に配置することもできる。
ただし、第１対物レンズ１９の瞳面に配置しようとすると、第１対物レンズ１９を設計する際に、収差補正板２４のスペースや機構を考慮しなければならず、負荷が大きい。このため、本実施形態のようにリレー光学系（２１〜２３）の中に収差補正板２４を配置することが好ましい。
【００７９】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、照明開口絞り１４，第２対物レンズ２０，結像開口絞り２３，収差補正板２４を微調整したが、製品ウエハ１１の重ね合わせ検査の直前に同様の微調整を行っても良い。収差補正板２４をシフト可能かつ回転可能に支持する手段は、重ね合わせ測定装置１０の構成要素として組み込まれていても、外部の機構でも構わない。
【００８０】
また、上記した実施形態では、光学素子制御装置２７によって、自動的に、照明光学系（１３〜１８），結像光学系（１９〜２３），収差補正板２４の微調整を行い、その後、重ね合わせマーク３０の下地マーク３１とレジストマーク３２の中心位置Ｃ１，Ｃ２および重ね合わせずれ量Ｒを検出したが、本発明は、手動で調整や位置検出などを行う装置にも適用することができる。この場合、重ね合わせ測定装置１０の光学素子制御装置２７は省略される。
【００８１】
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、マスクに形成された回路パターンをレジスト膜に焼き付ける露光工程の前に、マスクと製品ウエハ１１とのアライメントを行う装置（露光装置のアライメント系）にも適用できる。この場合には、製品ウエハ１１上に形成されたアライメントマークの位置を精度良く検出することができる。また、単一のマークとカメラの基準位置との光学的位置ずれを検出する装置にも、本発明は適用できる。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減でき、被検マークの位置検出をさらに精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】製品ウエハ１１に形成された重ね合わせマーク３０の平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図３】組み立てようウエハに形成されたライン＆スペースマーク３３の平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図４】重ね合わせ測定装置１０の自動焦点合わせ機構を説明する図である。
【図５】ＱＺ法による光学系（１４，２０，２２）の微調整方法を説明する図である。
【図６】ＱＺ法による収差補正板２４の微調整方法を説明する図である。
【符号の説明】
１０　重ね合わせ測定装置
１１　製品ウエハ
１２　検査ステージ
１３　光源
１４　照明開口絞り
１５　コンデンサーレンズ
１６　視野絞り
１７　照明リレーレンズ
１８　ビームスプリッタ
１９　第１対物レンズ
２０　第２対物レンズ
２１　第１結像リレーレンズ
２２　結像開口絞り
２３　第２結像リレーレンズ
２４　収差補正板
２５　ＣＣＤ撮像素子
２６　画像処理装置
２７　光学素子制御装置
３０　重ね合わせマーク
３３　ライン＆スペースマーク
４９　ステージ制御装置
【図１】
2004128253.tif 000003
【図２】
2004128253.tif 000004
【図３】
2004128253.tif 000005
【図４】
2004128253.tif 000006
【図５】
2004128253.tif 000007
【図６】
2004128253.tif 000008