(57)【要約】【課題】色（波長）によらず測定誤差ＴＩＳを小さくでき、高い精度でマーク位置検出が可能なマーク位置検出装置を提供する。【解決手段】測定マーク６３に照明光を照射明する照明光学系１０と、前記測定マーク６３からの反射光を集光して前記測定マーク６３の像を撮像装置３０に結像させる結像光学系２０とを有し、前記撮像装置３０により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子１３を前記照明光学系１０に設けたこと。【選択図】  図１
2004264127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記照明光学系に設け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、
前記光学素子は、前記照明光学系の平行光束部分に設けら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】
測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記結像光学系の平行光束部分に設け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１から３のいずれか１項に記載のマーク検出装置において、
前記光学素子は、平行平面板からなる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３のいずれか１項に記載のマーク位置検出装置において、
前記光学素子は、チルト機構を有する平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項６】
測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光学系に第１光学素子および前記結像光学系の平行光束部分に第２光学素子を設けて、前記照明光あるいは前記反射光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正することを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項７】
請求項６に記載のマーク検出装置において、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載のマーク位置検出装置において、
前記第１光学素子および前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項９】
請求項５または７に記載のマーク位置検出装置において、
前記第１光学素子または前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることを特徴とするマーク位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ等の被検基板上に設けられた重ね合わせマークやアライメントマーク等のマーク位置検出装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、半導体製造工程のフォトリソグラフィ工程において形成されたレジストパターンと下地パターンとの重ね合わせずれ量を測定する必要がある。このような重ね合わせずれ量を測定する、重ね合わせ測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１の開示例では、測定マークに対して照明光を照射し、測定マークからの反射光を結像光学系により結像して、ＣＣＤカメラ等の撮像装置で撮像して、画像処理を経て重ね合わせずれ量を測定している。この際、照明光の波長帯域は、多種多様な測定マークの構造に対して安定した反射強度を得るために、可視光領域から近赤外光領域までの広い領域が用いられている。
【０００４】
ところで、このように光学的に重ね合わせずれ測定を行う場合、測定光学系（すなわち、測定マークに照明光を照射する照明光学系および測定マークからの反射光を集光結像させる結像光学系）に光学的な収差が発生することが避けられず、このような収差、特に光軸に対して非回転対称な収差が測定視野領域内に存在すると、測定マークの位置の検出に誤差が生じ、その結果、重ね合わせずれ測定値に測定誤差ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）が生ずる。
【０００５】
このため、重ね合わせずれ測定装置を用いて重ね合わせずれ測定を行う前に、この装置の測定光学系に用いられている照明開口絞り、結像開口絞り、対物レンズなどの位置調整を行って、測定誤差ＴＩＳを小さくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−７７２９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の技術においては、測定装置の光学部品を配置する際の製造誤差の影響により、照明光学系における対物レンズ仮想瞳位置での照明開口絞りの結像位置が照明光の波長により異なってしまう。これは照明光束の主光線の傾斜（以後、照明テレセントリシティーと記す）が色（波長）によって異なり、測定マークの反射分光特性によっては測定誤差ＴＩＳ発生の原因となる。また、結像光学系においても光学部品を配置する際の製造誤差等の影響により、結像光学系における結像開口絞り位置での仮想瞳の結像位置が照明光の波長により異なってしまう。これは反射光の波長領域によっては測定マークからの回折光が非対称にケラレることを意味しており、測定マークの反射分光特性によっては測定誤差ＴＩＳ発生の原因となるといった問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みて行われたものであり、照明光の色（波長）によらず測定誤差ＴＩＳを小さくでき、高い精度でマーク位置検出が可能なマーク位置検出装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記照明光学系に設けたことを特徴とするマーク位置検出装置を提供する。
【００１０】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記光学素子は、前記照明光学系の平行光束部分に設けられていることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正する光学素子を前記結像光学系の平行光束部分に設けたことを特徴とするマーク位置検出装置を提供する。
【００１２】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記光学素子は、平行平面板からなることが好ましい。
【００１３】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記光学素子は、チルト機構を有する平行平面板からなることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、測定マークに照明光を照射する照明光学系と、前記測定マークからの反射光を集光して前記測定マークの像を撮像装置に結像させる結像光学系とを有し、前記撮像装置により得られた画像信号を処理して前記測定マークの位置ずれを測定するマーク位置検出装置において、
前記照明光学系に第１光学素子および前記結像光学系の平行光束部分に第２光学素子を設けて、前記照明光あるいは前記反射光の波長による前記画像信号の非対称性の違いを補正することを特徴とするマーク位置検出装置を提供する。
【００１５】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記第１光学素子および前記第２光学素子は、平行平面板からなることが好ましい。
【００１６】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記第１光学素子および前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることが好ましい。
【００１７】
また、本発明のマーク位置検出装置では、前記第１光学素子または前記第２光学素子は、チルト機構を有する前記平行平面板からなることが好ましい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に付いて図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるマーク位置検出装置の概略構成図である。図２は、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における、照明光学系の光学部材のチルト誤差による、照明テレセントリシティーのずれの一例を示す図である。図３は、照明光束が傾斜した際の、測定マークプロファイルを示す図であり、（ａ）は、測定マークの断面を示し、入射光の色（波長）の違いによる入射方向の違いを模式的に示した図であり、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す図である。図４は、平行平面板の作用を模式的に示す図であり、（ａ）は、平行平板が傾斜していないときの青色光束、赤色光束それぞれの光路を示し、（ｂ）は平行平面板が傾斜しているときの青色光束、赤色光束それぞれの光路をそれぞれ示す図である。図５は、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における、結像光学系の光学部材のチルト誤差による結像の、色（波長）による非対称の一例を示す図である。図６は、測定マークからの反射光の色（波長）の違いによる測定マークプロファイルの非対称を示す図であり、（ａ）は、測定マークの断面を示し、反射光の色（波長）の違いを模式的に示した図、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す図である。図７は、Ｑ値特性曲線を測定する際に用いられるマークの一例であり、（ａ）はＬ／Ｓマークを示す平面図、（ｂ）はＬ／Ｓマークの断面図、（ｃ）はＬ／Ｓマークの画像信号強度プロファイルを示す図である。図８は、Ｑ値特性曲線の一例を示し、（ａ）は結像開口絞り、図８（ｂ）は第２対物レンズ、図８（ｃ）は結像開口絞りと第２対物レンズの合成Ｑ値特性曲線をそれぞれ示す図である。
【００１９】
図１において、図示するように、紙面に垂直な方向をＸ軸方向、紙面上で左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向と定義する。
【００２０】
本実施の形態にかかるマーク位置検出装置は、ステージ６１と、ステージ６１に載置した測定マークを照明する照明光学系１０と、測定マークからの反射光を集光して結像する結像光学系２０と、結像光学系２０により結像された像を撮影する撮影装置３０と、撮影装置３０により得られた撮影画像の画像信号を処理する画像処理装置４０と、撮像装置３０上に測定マークの像を焦点合わせするオートフォーカス（ＡＦ）装置５０とを備えている。
【００２１】
図１に示すマーク位置測定装置は、ウエハ６２の上に形成された測定マーク６３におけるレジストマークの重ね合わせずれを測定するものであり、測定に際してウエハ６２は、回転および水平移動（Ｘ−Ｙ方向移動）可能で、且つ上下移動（Ｚ方向移動）可能に構成されたステージ６１の上に載置される。このようなステージの移動制御のためステージ制御部６４が設けられている。測定マーク６３は、ウエハ６２の下地パターンの上に所定のレジストパターンをフォトリソグラフィ工程により形成させるときに、例えば図３（ａ）に示すように、ウエハ６２の各ショット領域の端部に形成された矩形状の下地マーク６３ｂの上に矩形状のレジストマーク６３ａを形成して作られており、本実施の形態に係るマーク位置検出装置により、下地マーク６３ｂに対するレジストマーク６３ａの重ね合わせずれを測定する。
【００２２】
照明光源１１から射出した白色光からなる照明光束は、照明開口絞り１２によって照明光束径が制限され、照明光学系平行平面板（以後、第１平行平面板と記す）１３を透過し、コンデンサーレンズ１４によって集光され視野絞り１５を均一に照明する。
【００２３】
視野絞り１５は図１中に斜線を施して示すように、略長方形の開口部Ｓ１を有している。なお、開口部Ｓ１を図１中に拡大して示しているが、図示のようにＸ軸およびＺ軸に対して略４５度傾けて配置され、ＸＺ平面内で図中ＡおよびＢで示す方向に移動可能に構成されている。なお、この照明光学系１０において、照明開口絞り１２の位置調整（Ｘ−Ｚ方向の位置）を行う機構（図示せず）が設けられている。
【００２４】
視野絞り１５を射出した照明光束は照明リレーレンズ１６によってコリメートされ、平行光束となり、第１ビームスプリッター１７に入射する。第１ビームスプリッタ１７において反射された照明光束は−Ｚ方向（図中、下方）に反射され、第１対物レンズ１８によって集光されてステージ６１に載置されたウエハ６２の測定マーク６３を垂直に照射する。このように、照明光学系１０は、照明光の主光線の傾き（照明テレセントリシティー）がウエハ６２に対して垂直となるように構成されている。ここで視野絞り１５と測定マーク６３とは、照明光学系１０において共役な位置に配設されており、ウエハ６２の測定マーク６３に対して、開口絞り１５の開口部Ｓ１の形状に対応する略長方形の領域が照明光により照射される。また、第１対物レンズ１８の仮想瞳面１９は照明開口絞り１２と共役な位置関係にある。
【００２５】
結像光学系２０において、測定マーク６３により反射された反射光Ｌ１は第１対物レンズ１８によってコリメートされ、第１ビームスプリッター１７を透過し、第１ビームスプリッタ１７の上方に配置された第２対物レンズ２１によって１次像面２７に集光される。この集光された光束は、第２ビームスプリッター２２によって透過および反射分岐される。
【００２６】
透過光束は、第１リレーレンズ２３を透過後、結像光学系平行平面板（以後、第２平行平面板と記す）２４を透過し、結像開口絞り２５により光束径を所定の径に制限され、第２リレーレンズ２６によって２次結像面２８に測定マーク６３の像を結像する。この２次像面と等価な位置に撮像装置３０の撮像素子（例えば、ＣＣＤ素子等）３１が配設され、撮像素子３１の表面に測定マーク６３の像が結像される。撮像素子３１からの出力信号は画像処理装置４０により処理され、ウエハ６２上の測定マーク６３の位置検出や重ね合わせ量の計測及びテレビモニターによる観察を行う。また、仮想瞳面１９と結像開口絞り２５とは共役な位置関係にある。この結像光学系２０において、第２対物レンズ２１および結像開口絞り２４の位置調整（Ｘ−Ｙ方向の位置）を行う機構（図示せず）がそれぞれ設けられている。
【００２７】
第２ビームスプリッター２２により反射分岐された光束はＡＦ第１リレーレンズ５１によってコリメートされた後、平行平面板５２を透過し、瞳分割ミラー５３上に照明開口絞り１２の像を結像する。
【００２８】
平行平面板５２は照明開口絞り１２の像を瞳分割ミラー５３の中心に位置調整するためのものであり、チルト調整が可能な機構になっている。平行平面板５２を透過した光束は瞳分割ミラー５３によって二つの光束に分離され、ＡＦ第２リレーレンズ５４によりそれぞれシリンドリカルレンズ５５を介してＡＦセンサー５６上の２個所にそれぞれの光束を計測方向に関して結像する。また、非計測方向に関してはシリンドリカルレンズ５５が屈折力を持ち、分離された二つの光束はＡＦセンサー５６上にそれぞれ光源像を結像する。オートフォーカスの動作原理は公知（例えば、特開２００２−１６４２６６）の原理を利用しているので、本明細書では説明を省略する。このようにして、本発明の実施形態にかかるマーク位置検出装置が構成されている。
【００２９】
本実施の形態にかかるマーク位置検出装置では、照明光学系１０の光軸に略平行な光束中に第１平行平面板１３が、結像光学系２０の光軸に略平行な光束中に第２平行平面板２４が設けられて、マーク検出装置の測定誤差ＴＩＳの波長による差を最小にするような調整が可能に構成されている。
【００３０】
次に、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における照明光学系１０に配置した第１平行平面板１３の機能と調整方法について説明する。
【００３１】
図１に示すような照明光学系１０および結像光学系２０を配置する場合、各々の光学部材を金物で固定し、そのブロックをコリメータ等の器具を用いて光軸に対して平行に配置する。しかしながら、金物ブロックの加工精度や配置する際の調整誤差等で各光学部材がチルト誤差を持つ。特に照明開口絞り１２と共役な位置関係にある第１対物レンズ１８の射出瞳近傍の仮想瞳面１９と照明開口絞り１２との間に配置された光学部材がチルト誤差を持つ場合に、照明開口絞り１２の像の結像位置が照明光の色（波長）によってＸ軸またはＹ軸方向にずれることになる。これは、照明光学系１０の照明テレセントリシティーがＸ軸またはＹ軸方向にずれることに対応している。
【００３２】
図２は、第１ビームスプリッタ１７にチルト誤差が生じた場合の一例を示している。このような場合、仮に照明光の中心波長では照明テレセントリシティーがウエハ６２面に対して垂直であっても、中心波長よりも短波長側（例えば、青色光ＬＢ）もしくは長波長側（例えば、赤色光ＬＲ）の光束は照明テレセントリシティーがウエハ６２面に対して傾きを持つことになる。その結果、図３（ａ）に示すように短波長側（ＬＢ）もしくは長波長側（ＬＲ）の光束は測定マーク６３を斜め方向より照明することになり、図３（ｂ）に示すように、撮像素子３１に結像される測定マーク６３像の画像信号プロファイルは非対称となる。
【００３３】
一般的に内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂの構造および物性は異なるため、測定マーク６３のエッジ部からの反射率の波長特性は異なると考えられる。そのため、各Ｂｏｘ６３ａ、６３ｂの測定マーク６３の反射率特性に適合した波長帯域の照明テレセントリシティーによって各Ｂｏｘ６３ａ、６３ｂの測定マーク６３像の特性が決まる。よって、照明テレセントリシティーの傾きによる影響度が内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂで異なる場合には測定誤差ＴＩＳが発生する原因となる。
【００３４】
ここで言う測定誤差ＴＩＳとは、測定マーク６３の測定を０度と１８０度との２つの方向で行い、０度方向における測定マーク６３の重ね合わせ測定値Ｌ０と１８０度方向における同じ測定マーク６３の重ね合わせ測定値Ｌ１８０の平均値として定義され、次式で測定誤差ＴＩＳを計算する。
【００３５】
【数１】
ＴＩＳ  ＝  （Ｌ０＋Ｌ１８０）／２
この測定誤差ＴＩＳは、マーク位置検出装置や重ね合わせ測定装置において、その性能を評価する指標の一つとして用いられている。
【００３６】
したがって、図３（ｂ）に示すように画像信号プロファイルが歪んで非対称の場合、測定誤差ＴＩＳが発生しマーク位置検出の精度を悪化させる原因となるため、照明光の色（波長）に依存する非対称性の違いを除去する手段が必要となる。
【００３７】
次に、照明光学系１０に配設した第１平行平面板１３の色（波長）に対する作用に関して図４を用いて説明する。
【００３８】
本実施の形態では、図１に示すように、第１平行平面板１３は照明光学系１０の、照明開口絞り１２とコンデンサーレンズ１４との間に、光軸に対してチルト可能に設けられている。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、像面Ｓに向かって同一光路を進行してきた照明光束のうち波長の異なる光束、例えば青色光ＬＢ（実線）と赤色光ＬＲ（破線）とを考える。２つの光束ＬＢ，ＬＲが第１平行平面板１３を透過する場合、図４（ｂ）に示すように第１平行平面板１３が光軸に対して角度θだけ傾斜しているとプリズム効果によって光束ＬＢとＬＲとは異なる光路を通り像面Ｓで異なる位置に結像する。このことは、光軸外の光束ＬＢ’とＬＲ’とについても同様である。このように、照明光の波長によって像面Ｓでの結像位置が異なる。光束ＬＢとＬＲとの結像位置の差Δは第１平行平面板１３の傾斜角θを変化させることにより調整することができる。従って、第１平行平面板１３の傾きを調整することで色（波長）による結像位置のずれを補正できる。なお、第１平行平面板１３のチルト調整機構は、図１で示すＸ軸及びＺ軸に平行な直線のまわりに回転可能な機構である。
【００３９】
そこで図２で示すようなビームスプリッタ１７のチルト誤差によって生じた分散量を相殺する方向と角度に第１平行平面板１３をチルトすることによってビームスプリッタ１７で発生したチルト誤差をキャンセルできる。これにより照明光の色（波長）による照明開口絞り１２の結像位置のずれをなくすことができ、測定マーク６３に対する照明テレセントリシティーを照明光の有する波長領域に亘ってほぼ垂直とすることができる。なお、ここではビームスプリッタ１７がチルトした例を示したがコンデンサーレンズ１４、照明リレーレンズ１６にそれぞれチルト誤差がある場合も同様にして、照明光学系１０の総合的なチルト誤差が第１平行平面板１３を傾斜させることでキャンセルできる。
【００４０】
次に、第１平行平面板１３の調整方法の具体例について述べる。測定マークには照明テレセントリシティーの変動に対して測定誤差ＴＩＳが感度よく変化する測定マークを用いる。
【００４１】
まず第１ステップとして、波長制限フィルター等を用いて照明光の波長帯域を短波長側（ＬＢ）に制限し、測定誤差ＴＩＳを測定する。第２ステップとして、照明光の波長帯域を長波長側（ＬＲ）に制限し、測定誤差ＴＩＳを測定する。第３ステップとして、上記第１、第２ステップで測定した測定誤差ＴＩＳの差が小さくなる方向に第１平行平面板１３をチルトする。上記測定誤差ＴＩＳの差が所定の規格値内となるまで前記第１〜第３ステップを繰り返す。このようにして、第１平行平面板１３のチルト位置を決定する。なお、調整方法に関してはここで記載した内容に限定されず適宜変更可能である。
【００４２】
なお、上述の説明では、第１平行平面板１３を照明開口絞り１２とコンデンサーレンズ１４との間に設けた場合を説明したが、平行平面板１３をリレーレンズ１６と第１ビームスプリッタ１７との間に配置しても同様の効果が得られる。
【００４３】
次に、本実施の形態にかかるマーク位置検出装置における結像光学系２０に配設した第２平行平面板２４の機能と調整方法について説明する。
【００４４】
図１に示すような照明光学系１０および結像光学系２０を配置する場合、各々の光学部材を金物で固定し、そのブロックをコリメータ等の器具を用いて光軸に対して平行に配置する。しかしながら、金物ブロックの加工精度や配置する際の調整誤差等で各光学部材がチルト誤差を持つ。特に結像開口絞り２５と共役な位置関係にある第１対物レンズ１８の射出瞳近傍の仮想瞳面１９と結像開口絞り２５との間に配置された光学部材がチルト誤差を持つ場合に、仮想瞳面１９の像の結像位置が測定マーク６２からの反射光の色（波長）によってＸ軸またはＹ軸方向にずれる。
【００４５】
図５は、照明光学系１０と結像光学系２０に共用されるビームスプリッタ１７にチルト誤差が生じた例を示している。この場合、例えば、ウエハ６２の測定マーク６３からの反射光の中心波長では、図示では省略するが回折光が結像開口絞り２５によって光軸中心に対して左右対称にケラレている。しかし、中心波長よりも短波長側（ＬＢ１、ＬＢ２）もしくは長波長側（ＬＲ１、ＬＲ２）の回折光は非対称にケラレるために、撮像像素子３１上に結像した測定マーク６３の画像は左右回折光の情報が均一でなくなる。その結果、図６（ａ）、に示すように短波長側（ＬＢ）もしくは長波長側（ＬＲ）の反射光束は回折光が非対称になったことと同一となり、図６（ｂ）に示すように、撮像素子３１に結像される測定マーク６３像の画像信号プロファイルは非対称になる。
【００４６】
一般的に内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂの構造および物性は異なるため、測定マーク６３のエッジ部からの反射率波長特性は異なると考えられる。そのため、各Ｂｏｘの測定マーク６３の反射率特性に適合した波長帯域の回折光のケラレの対称性によって各Ｂｏｘの測定マーク６３像の特性が決まる。よって、回折光のケラレが内Ｂｏｘ６３ａと外Ｂｏｘ６３ｂで異なる場合には測定誤差ＴＩＳが発生する原因となる。
【００４７】
したがって、図６（ｂ）に示すように画像信号プロファイルが歪んで非対称の場合、測定誤差ＴＩＳが発生しマーク位置検出の精度を悪化させる原因となるため、反射光の色（波長）に依存する非対称性の違いを除去する手段が必要となる。
【００４８】
次に、結像光学系２０に配設された第２平行平面板２４の色（波長）に対する機能に関して同じく図４を用いて説明する。
【００４９】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、像面Ｓに向かって同一光路を進行してきたマークからの反射光のうち波長の異なる光束、例えば青色光ＬＢ（実線）と赤色光ＬＲ（破線）とを考える。２光束ＬＢ，ＬＲが第２平行平面板２４を透過する場合、図４（ｂ）に示すように第２平行平面板２４が光軸に対して角度θだけ傾斜しているとプリズム効果によって光束ＬＢとＬＲとは異なる光路を通り像面Ｓに異なる位置で結像する。このことは、光軸外の光束ＬＢ’とＬＲ’とについても同様である。このように、反射光の波長によって像面Ｓでの測定マーク像の結像位置が異なる。ＬＢとＬＲとの結像位置の差Δは第２平行平面板２４の傾斜角θを変化させることにより調整することができる。従って、第２平行平面板２４の傾きを調整することで色（波長）による結像位置のずれを補正できる。なお、第２平行平面板２４のチルト調整機構は、図１で示すＸ軸及びＺ軸に平行な直線のまわりに回転可能な機構である。
【００５０】
図５で示すようなビームスプリッタ１７のチルト誤差によって生じた分散量を相殺する方向と角度に第２平行平面板２４を傾斜することによって、ビームスプリッタ１７で発生したチルト誤差をキャンセルできる。よって反射光の色（波長）の違いによる仮想瞳面１９の結像開口絞り２５位置での結像位置ずれをなくすことができ、広い波長帯域においてほぼ同じ位置に仮想瞳面１９の像を形成することができる。ここではビームスプリッタ１７がチルト誤差を有する例を示したが第２対物レンズ２１、ＡＦ分岐ビームスプリッタ２２、第１リレーレンズ２３にそれぞれチルト誤差がある場合も同様にして、結像光学系２０の総合的なチルト誤差をキャンセルすることができる。
【００５１】
次に、結像光学系２０と第２平行平面板２４の調整方法について述べる。この調整は、結像開口絞り２５および第２対物レンズ２３の位置調整を応用した調整方法により行われる。この調整は、図７に示すような形状のＬ／Ｓマーク７０を有したウエハを、図１に示す装置におけるウエハ６２に代えてステージ６１の上に載置し、照明光学系１０によりＬ／Ｓマーク７０を照明して撮像素子３１により撮像されたＬ／Ｓマーク像を画像処理することにより行われる。このＬ／Ｓマーク７０は、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、線幅３μｍ、段差０．０８５μｍ（照射光λの１／８相当）で、ピッチ６μｍの平行に延びる複数の線状マーク７１〜７７からなるマークである。
【００５２】
撮像素子３１により撮像されたＬ／Ｓマーク像を画像処理装置４０により処理して画像信号強度を求めると、そのプロファイルは図７（ｃ）に示すようになる。ここで、各線状マーク７１〜７７の段差位置において信号強度が低下するが、各線状マーク毎における左右両側の段差位置での信号強度差ΔＩを求め、これを全線状マーク７１〜７７について平均することにより、Ｌ／Ｓマーク像の非対称性を示すＱ値（Ｑ＝１／７×Σ（ΔＩ／Ｉ）×１００（％））を求める。次に、ステージ６１を上下方向（Ｚ方向）に移動させてＬ／Ｓマーク７０をＺ方向に移動させ、各高さ位置（Ｚ方向位置）毎にＱ値を求めてＱ値のフォーカス特性を求めると、例えば図８に示すようなＱ値特性曲線が得られる。
【００５３】
図８（ａ）は結像開口絞り２５の調整により変動する成分であり凹凸の成分である。図８（ｂ）は第２対物レンズ２１のシフト調整により変動する成分でありＱ値特性曲線の傾斜の成分である。各要素を機械的な設計値に配置した状態では各要素は大きくずれた位置に在り、全体としてＱ値特性曲線は図８（ｃ）に示すような状態である。そこで、まず調整感度が敏感な結像開口絞り２５を調整する。次に第２対物レンズ２１を調整する。Ｑ値特性曲線において、図８（ａ）に示すように、凹凸成分が大きいと第２対物レンズ２１の調整量が的確に定められないため、上記の順序で調整することが望ましい。さらに一度の調整でＱ値のフォーカス特性曲線がある定量的な規格内に入らないときは規格内となるまで調整を繰り返し行う。
【００５４】
図８に示すＱ値特性曲線を波長毎に測定し、図８（ａ）に示すＱ値特性曲線における凹凸成分の差を指標にして第２平行平面板２４のチルト調整を行う。第１ステップとして、波長制限フィルター等を用いて照明光の波長帯域を短波長側（ＬＢ）に制限し、Ｑ値特性曲線を測定する。第２ステップとして、照明光の波長帯域を長波長側（ＬＲ）に制限し、Ｑ値特性曲線を測定する。第３ステップとして、第１、第２ステップで測定したＱ値特性曲線における凹凸成分の差が小さくなる方向に第２平行平面板２４をチルト調整する。Ｑ値特性曲線における凹凸成分の差が規格内となるまで前記第１〜第３ステップを繰り返す。なお、調整方法に関してはここで記載した内容でなくとも良い。
【００５５】
このように本実施の形態にかかるマーク位置検出装置では、照明光学系において波長帯域によらず照明テレセントリシティーがウエハに対して垂直であり、披検査マークの反射分光特性に依存した測定誤差ＴＩＳの発生を防ぐことができる。また、結像光学系において、波長帯域全域において回折光のケラレが光軸に対して対称に調整され、披検査マークの反射分光特性に依存した測定誤差ＴＩＳの発生を防ぐことができる。その結果、重ね合わせ測定装置及びマーク位置検出装置の測定精度を向上させることができる。
【００５６】
なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【００５７】
【発明の効果】
上述のように、本発明では、色（波長）によらず測定誤差ＴＩＳを小さくでき、高い精度でマーク位置検出が可能なマーク位置検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるマーク位置検出装置の概略構成図。
【図２】本発明にかかるマーク位置検出装置における、照明光学系の光学部材のチルト誤差による、照明テレセントリシティーのずれの一例を示す図。
【図３】照明光束が傾斜した際の、測定マークプロファイルを示す図であり、（ａ）は、入射光の色（波長）の違いによる入射方向の違いを模式的に示した図、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す。
【図４】平行平面板の作用を模式的に示す図であり、（ａ）は、平行平板が傾斜していないときの青色光束、赤色光束それぞれの光路を示し、（ｂ）は平行平面板が傾斜しているときの青色光束、赤色光束それぞれの光路をそれぞれ示している。
【図５】本発明にかかるマーク位置検出装置における、結像光学系の光学部材のチルト誤差による、結像の色（波長）による非対称の一例を示す図。
【図６】マークからの反射光の色（波長）の違いによる測定マークプロファイルの非対称を示す図であり、（ａ）は、反射光の色（波長）の違いを模式的に示した図、（ｂ）は測定マークから得られる波形の非対称をそれぞれ示す。
【図７】Ｑ値特性曲線を測定する際に用いられるマークの一例であり、（ａ）はＬ／Ｓマークを示す平面図、（ｂ）はＬ／Ｓマークの断面図、および（ｃ）はＬ／Ｓマークの画像信号強度プロファイルをそれぞれ示す。
【図８】Ｑ値特性曲線の例であり、（ａ）結像開口絞り、（ｂ）第２対物レンズ、（ｃ）結像開口絞りと第２対物レンズの合成それぞれのＱ値特性曲線をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１０      照明光学系
１１      光源
１２      照明開口絞り
１３      照明光学系平行平面板（第１平行平面板）
１４      コンデンサーレンズ
１５      視野絞り
１６      照明リレーレンズ
１７      第１ビームスプリッタ
１８      第１対物レンズ
１９      仮想瞳面
２０      結像光学系
２１      第２対物レンズ
２２      第２ビームスプリッタ
２３      第１リレーレンズ
２４      結像光学系平行平面板（第２平行平面板）
２５      結像開口絞り
３０      撮像装置
３１      撮像素子（ＣＣＤ）
４０      画像処理装置
５０      ＡＦ光学系
５１      ＡＦ第１対物レンズ
５２      ＡＦ平行平面板
５３      瞳分割ミラー
５４      ＡＦ第２リレーレンズ
５５      シリンドリカルレンズ
５６      ＡＦセンサー
６１      ステージ
６２      ウエハ
６３      測定マーク
７０      Ｌ／Ｓマーク
７１〜７７  Ｌ／Ｓパターン
Ｓ        像面
【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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