(57)【要約】【課題】撮像装置のダイナミックレンジを拡大することを目的とする。【解決手段】本発明の撮像装置は、入射光を画素単位に光電蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部の信号電荷を転送読み出しする電荷転送部とを有する。この電荷転送部は、電荷蓄積部からオーバーフローする過剰電荷を画素単位に蓄積する。さらに、電荷転送部は、この過剰電荷を転送読み出しした後，電荷蓄積部にオーバーフローせずに残った信号電荷を転送読み出しする。このように２段階で読み出された画像信号を信号合成することにより、ダイナミックレンジの広い合成画像を生成することが可能になる。【選択図】        図３
2004165563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基体と、
前記半導体基体の受光面に複数形成され、前記受光面に照射されるエネルギー線によって発生する信号電荷を画素単位に蓄積する電荷蓄積部と、
前記電荷蓄積部の前記信号電荷を転送して読み出す電荷転送部とを有する撮像装置であって、
前記電荷転送部は、前記信号電荷の蓄積時に、前記電荷蓄積部からオーバーフローした過剰電荷を画素単位に蓄積することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記電荷転送路が、前記電荷蓄積部が存在する前記受光面側と対向する反対面側に形成された
ことを特徴とする背面照射型の撮像装置。
【請求項３】
請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記電荷転送部は、前記過剰電荷を読み出した後、前記電荷蓄積部の前記信号電荷を転送して読み出す
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項３に記載の撮像装置において、
前記電荷転送部は、前記エネルギー線の遮断期間に、前記過剰電荷の読み出しを行う
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項３ないし請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記電荷転送部により読み出される前記過剰電荷と前記信号電荷を信号合成して、画像データを生成する信号合成部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
被検光学系の像空間に受光面を配置した撮像装置と、
前記撮像装置の出力に基づいて、前記被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測部とを備え、
前記撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載した
ことを特徴とする光学特性計測装置。
【請求項７】
位置検出の対象物を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置の出力に基づいて、前記対象物の位置検出を行う位置計測部とを備え、
前記撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載した
ことを特徴とする位置計測装置。
【請求項８】
投影光学系と、
露光対象に対して前記投影光学系を介して露光パターンを投影する露光部と、
前記投影光学系の像空間に受光面が配置される撮像装置と、
前記撮像装置の出力に基づいて、前記投影光学系の光学特性を補正する光学特性補正部とを備え、
前記撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載した
ことを特徴とする露光装置。
【請求項９】
投影光学系と、
露光対象に対して前記投影光学系を介して露光パターンの投影像を投影する露光部と、
前記露光対象および／または前記露光パターンを撮像する撮像装置と、
前記撮像装置の出力に基づいて、前記露光パターンの投影位置をコントロールするアライメント制御部とを備え、
前記撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載した
ことを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
請求項８ないし請求項９のいずれか１項に記載の露光装置において、
前記撮像装置の入射光は明滅するパルス光であり、
前記撮像装置の前記電荷転送部は、前記パルス光が消灯する期間に、前記過剰電荷の読み出しを行うことを特徴とする露光装置。
【請求項１１】
請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の露光装置を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に転写する工程を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置のダイナミックレンジを拡大する技術に関する。
本発明は、上記の撮像装置を搭載した光学特性計測装置、位置計測装置、露光装置に関する。
本発明は、上記の露光装置を使用したデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＣＣＤ撮像素子は、転送方式によって、インターライン型、フレーム転送型、光の照射方向によって転送電極の表面側から照射する表面照射型、および裏面側から照射する背面照射型とに分けられる。
インターライン型の撮像素子は、受光素子と受光素子との列間に電荷転送路とを配置するものである。
フレーム転送型の撮像素子は、受光素子列を電荷転送路として使用するものである。
背面照射型の撮像素子は、薄く成形された半導体基体の背面を受光面として使用するものである。この受光面の反対側には電荷転送部が形成される。受光面で光電変換された信号電荷は、対向する電荷転送部まで拡散し、蓄積される。電荷転送部は、この信号電荷を順次に転送して、画像信号として外部に出力する。
この背面照射型撮像素子の中で、背面近傍に電荷蓄積部を有するものがある。この撮像素子は信号電荷を電荷蓄積部に蓄え、一括して電荷転送部へ移送するものである。
なお、この種の背面照射型撮像素子については、例えば、下記の特許文献１に詳細な説明が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１５１６７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、計測用途に使用される撮像素子は、微弱光を高Ｓ／Ｎで計測したり、入射光量の差の大きな現象を観測するなどの目的から、ダイナミックレンジの拡大が強く要望されている。
また、電子カメラやスキャナーなどに使用される撮像素子においても、画像を階調豊かに撮像するなどの目的から、ダイナミックレンジの拡大が強く要望されている。
【０００５】
しかしながら、近年の撮像素子は、高画素化の傾向にあり、画素のピッチ間隔がますます狭くなっている。そのため、１画素当たりの受光面積が狭くなり、かつ電荷転送路も狭路化している。その結果、撮像素子の内部で扱う信号電荷の量は小さくなり、撮像素子のダイナミックレンジは逆に低下する傾向にある。
特に、背面近傍に電荷蓄積部を有する背面照射型の撮像素子では、背面側で蓄積された信号電荷を、反対面側の電荷転送路に完全に移送しなければならず、受光面の電荷蓄積量をあまり大きくできない。このような事情のため、背面照射型の撮像素子では、ダイナミックレンジを拡大することが、非常に困難であった。
そこで、本発明は、これら問題点に鑑みて、撮像装置のダイナミックレンジを拡大するための技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以下、本発明について説明する。
《請求項１》
請求項１の撮像装置は、半導体基体と、半導体基体の受光面に複数形成され、受光面に照射されるエネルギー線によって発生する信号電荷を画素単位に蓄積する電荷蓄積部と、電荷蓄積部の信号電荷を転送して読み出す電荷転送部とを有する撮像装置であって、電荷転送部は、信号電荷の蓄積時に、電荷蓄積部からオーバーフローした過剰電荷を画素単位に蓄積することを特徴とする。
《請求項２》
請求項２の撮像装置は、請求項１に記載の撮像装置において、電荷転送路が、電荷蓄積部が存在する受光面側と対向する反対面側に形成されたことを特徴とする。
《請求項３》
請求項３の撮像装置は、請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の撮像装置において、電荷転送部は、過剰電荷を読み出した後、電荷蓄積部の信号電荷を転送して読み出すことを特徴とする。
《請求項４》
請求項４の撮像装置は、請求項３に記載の撮像装置において、電荷転送部は、エネルギー線の遮断期間に、過剰電荷の読み出しを行うことを特徴とする。
《請求項５》
請求項５の撮像装置は、請求項３ないし請求項４のいずれか１項に記載の撮像装置において、電荷転送部により読み出される過剰電荷と信号電荷を信号合成して、画像データを生成する信号合成部を備えたことを特徴とする。
《請求項６》
請求項６の光学特性計測装置は、被検光学系の像空間に受光面を配置した撮像装置と、撮像装置の出力に基づいて、被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測部とを備え、撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載したことを特徴とする。
《請求項７》
請求項７の位置計測装置は、位置検出の対象物を撮像する撮像装置と、撮像装置の出力に基づいて、対象物の位置検出を行う位置計測部とを備え、撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載したことを特徴とする。
《請求項８》
請求項８の露光装置は、投影光学系と、露光対象に対して投影光学系を介して露光パターンを投影する露光部と、投影光学系の像空間に受光面が配置される撮像装置と、撮像装置の出力に基づいて、投影光学系の光学特性を補正する光学特性補正部とを備え、撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載したことを特徴とする。
《請求項９》
請求項９の露光装置は、投影光学系と、露光対象に対して投影光学系を介して露光パターンの投影像を投影する露光部と、露光対象および／または露光パターンを撮像する撮像装置と、撮像装置の出力に基づいて、露光パターンの投影位置をコントロールするアライメント制御部とを備え、撮像装置として、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載したことを特徴とする。
《請求項１０》
請求項１０の露光装置は、請求項８ないし請求項９のいずれか１項に記載の露光装置において、撮像装置の入射光は明滅するパルス光であり、撮像装置の電荷転送部は、パルス光が消灯する期間に、過剰電荷の読み出しを行うことを特徴とする。
《請求項１１》
請求項１１のデバイス製造方法は、請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の露光装置を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に転写する工程を含むことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明にかかる実施形態を説明する。
【０００８】
《第１の実施形態》
図１は、撮像装置１１の構成を示す図である。この撮像装置１１は、背面照射型の撮像素子１２、Ａ／Ｄ変換部１３、デジタルメモリ１４、および信号合成部１５を備えて構成される。
図２は、この撮像素子１２のＡ−Ａ′ラインの断面構造を示す図である。
【０００９】
以下、図１および図２を参照しながら、撮像素子１２の構成と製造条件について説明する。なお、ここでは半導体基体をｐ型とする場合について説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されず、逆導電型で構成しても勿論構わない。まず、撮像素子１２は、不純物濃度５Ｅ１４／ｃｍ３程度のｐ型の半導体基体２０を土台にして構成される。この半導体基体２０は、不図示の基板に厚さ１０〜２０μｍのエピタキシャル層を成長させて形成される。
【００１０】
この半導体基体２０の表面に、５００Å程度のプロテクト酸化膜を形成した上で、加速電圧３４０ＫｅＶ，ドーズ量１Ｅ１１／ｃｍ２の条件でＢ＋イオンを注入する。その後、窒素雰囲気中において（１１５０℃，３６０分）の条件でドライブインして、半導体基体２０の内部にｐ型層２２ａを形成する。このｐ型層２２ａは、電荷移送の閾値電圧を決定する層である。
【００１１】
次に、半導体基体２０には、埋め込みＣＣＤ拡散２２、転送電極２３などが、通常のフレームトランスファー型ＣＣＤと同様の手順で形成される。この埋め込みＣＣＤ拡散２２と転送電極２３によって、垂直ＣＣＤ２４が構成される。
その後、支持基板２０ａの表面に半導体基体２０を貼り付ける。この状態で、半導体基体２０の背面側の基板をエッチング除去し、半導体基体２０の背面側を露出させる。この背面側が撮像素子１２の受光面となる。
【００１２】
この半導体基体２０の背面側にプロテクト酸化膜を形成した上で、加速電圧３４０ＫｅＶ，ドーズ量１Ｅ１２／ｃｍ２の条件でＡｓイオンを注入し、電荷蓄積部２１を画素単位に形成する。これらの電荷蓄積部２１は、受光面に発生する信号電荷を画素単位に蓄積する役割を果たす。
次に、加速電圧５０ＫｅＶ、ドーズ量３Ｅ１２／ｃｍ２の条件でＢイオンを注入し、電荷蓄積部２１と電荷蓄積部２１との境界部分に埋め込みチャネルストップ２１ａを形成する。これらの埋め込みチャネルストップ２１ａは、信号電荷に対して電位障壁として作用し、電荷蓄積部２１に蓄積された信号電荷が混じり合うことを防止する。
【００１３】
なお、ここで、電荷蓄積部、埋め込みチャネルストップを形成したが、半導体基体を形成する工程中に、予め電荷蓄積部、埋め込みチャネルストップを形成してもよい。
さらに、加速電圧１０ＫｅＶ、ドーズ量１Ｅ１５／ｃｍ２の条件でフッ化ボロンをイオン注入し、空乏化阻止層２１ｂを形成する。この空乏化阻止層２１ｂは、電荷蓄積部２１の空乏化領域が半導体基体２０の界面に到達することを防ぎ、界面の暗電流が電荷蓄積部２１に混入することを防止する。また、この空乏化阻止層２１ｂは、界面近傍にランダム発生する電位井戸（いわゆるバックサイドウェル）を潰して、信号電荷のトラップを防止するという役割も果たす。
【００１４】
その他、撮像素子１２には、図１に示すような水平ＣＣＤ２５および転送制御部２６が設けられる。なお、この転送制御部２６には、動作シーケンスのタイミングを決定するため、パルス光の明滅タイミングや、シャッタの開閉タイミングを示す同期信号が外部から与えられる。
上述した水平ＣＣＤ２５から読み出される信号電荷は、出力アンプ２７を介して画像信号（電圧信号）に変換された後、撮像素子１２から出力される。この画像信号は、Ａ／Ｄ変換部１３を介してデジタル化された後、デジタルメモリ１４に一時記憶される。信号合成部１５は、このデジタルメモリ１４内に記憶された画像信号に対して、後述する信号合成の処理を行い、合成画像の信号を完成させる。
【００１５】
［発明との対応関係］
以下、発明と本実施形態との対応関係について説明する。なお、ここでの対応関係は、参考のために一解釈を例示するものであり、本発明を徒らに限定するものではない。
請求項記載の半導体基体は、半導体基体２０に対応する。
請求項記載の電荷蓄積部は、電荷蓄積部２１に対応する。
請求項記載の電荷転送部は、垂直ＣＣＤ２４および転送制御部２６に対応する。
請求項記載の信号合成部は、信号合成部１５に対応する。
【００１６】
［撮像装置１１の動作説明］
図３は、撮像装置１１の動作シーケンスを説明するタイミングチャートである。
図４は、撮像素子１２の電荷移送動作を概念的に説明する説明図である。
図５は、撮像装置１１の信号合成動作を説明する説明図である。
以下、図３中に示すステップ番号の順に、撮像装置１１の動作を説明する。
【００１７】
ステップＳ１：『電荷蓄積の開始』
エネルギー線（例えば、紫外線などのパルス光）の入射により、受光面に電子−ホール対が発生する。このとき発生する電子は、電荷蓄積部２１の電位井戸へ吸引され、画素単位の信号電荷となる。
電荷蓄積部２１は、パルス光の点灯開始や、シャッタ（不図示）の開動作、電荷蓄積部２１の電荷排出などを契機として、このような信号電荷の蓄積動作を開始する。
【００１８】
ステップＳ２：『埋め込みＣＣＤ拡散２２に電位井戸を形成』
転送制御部２６は、転送電極２３の一部（図１に示すφＶ２，φＶ３など）に電圧を印加することにより、埋め込みＣＣＤ拡散２２に電位井戸を発生させる。これらの電位井戸は、個々の電荷蓄積部２１と対向する位置にそれぞれ発生する。
【００１９】
ステップＳ３：『オーバーフローの開始』
個々の電荷蓄積部２１では、各々の入射量に従って、信号電荷が蓄積されていく。この内、入射量の多い電荷蓄積部２１からは、信号電荷の蓄積量が飽和値に達した後、過剰分の信号電荷（以下『過剰電荷』という）が溢れ出す。
個々の電荷蓄積部２１の間には、埋め込みチャネルストップ２１ａによる高い電位障壁が存在する。一方、電荷蓄積部２１と埋め込みＣＣＤ拡散２２との間には、ｐ型層２２ａによる比較的に低い電位障壁が存在する。
そのため、電荷蓄積部２１からオーバーフローした過剰電荷は、埋め込みチャネルストップ２１ａによる高い電位障壁に阻まれて、埋め込みＣＣＤ拡散２２の方向に移動する。
埋め込みＣＣＤ拡散２２内に画素単位に用意された電位井戸（ステップＳ２で用意したもの）では、対向する電荷蓄積部２１から流れてくる過剰電荷を高い確率で捕捉し、画素単位に蓄積する。
図４に実線で示すポテンシャルは、このような過剰電荷の移動の様子を概念的に説明するものである。
【００２０】
ステップＳ４：『蓄積時間の終了』
電荷蓄積部２１は、パルス光の消灯や、シャッタ（不図示）の閉動作などを契機として、信号電荷の蓄積を一旦終了する。
【００２１】
ステップＳ５：『過剰電荷の転送動作』
エネルギー線の遮断期間（パルス光の消灯期間）において、転送制御部２６は、過剰電荷の転送読み出しを実施する。
すなわち、転送制御部２６は、転送電極２３のφＶ１〜φＶ４に対して、垂直転送用の制御パルスを印加し、過剰電荷を垂直転送する。
この垂直転送により、垂直ＣＣＤ２４から水平ＣＣＤ２５へ１行分の過剰電荷が移される。転送制御部２６は、水平ＣＣＤ２５に対して水平転送用の制御パルスを印加し、この１行分の過剰電荷を水平転送する。出力アンプ２７は、水平ＣＣＤ２５から順次に出力される過剰電荷を電圧変換して出力する。
このような垂直転送と水平転送とを交互に繰り返すことにより、１画面分の過剰電荷に該当する画像信号が、撮像素子１２から外部に読み出される。
【００２２】
ステップＳ６：『オーバーフロー分の画像をデジタル記憶する』
Ａ／Ｄ変換部１３は、この過剰電荷による画像信号を、画素単位にＡ／Ｄ変換し、デジタルメモリ１４に一時記録する。
【００２３】
ステップＳ７：『移送動作』
前述の過剰電荷の転送を終了すると、埋め込みＣＣＤ拡散２２の電位井戸は空の状態になる。この状態において、転送制御部２６は、転送電極２３の一部（図１に示すφＶ２，φＶ３など）に、電荷蓄積部２１から埋め込みＣＣＤ拡散２２へ電荷を移送するに十分な電圧ＶＨを印加する。
図４に点線で示すポテンシャルは、この電圧ＶＨを印加した際の様子を概念的に示したものである。この電圧ＶＨの印加により、電荷蓄積部２１にそのまま残留していた信号電荷が、埋め込みＣＣＤ拡散２２側に一括移送される。
なお、このような移送動作によって、電荷蓄積部２１は空の状態にリセットされる。そのため、この移送動作の完了直後から、次コマの撮像動作を随時に開始することできる。
【００２４】
ステップＳ８：『信号電荷の転送動作』
移送動作の後、転送制御部２６は、過剰電荷の時と同様にして、垂直ＣＣＤ２４および水平ＣＣＤ２５を駆動制御し、信号電荷の画像信号を外部に読み出す。ちなみに、この転送動作と同時並行して、電荷蓄積部２１で次コマの信号電荷の蓄積を行う場合、電荷蓄積部２１から過剰電荷がオーバーフローする前に、垂直ＣＣＤ２４の転送動作を余裕を持って完了させることが好ましい。
【００２５】
ステップＳ９：『信号電荷の画像信号をＡ／Ｄ変換する』
Ａ／Ｄ変換部１３は、撮像素子１２から出力される信号電荷の画像信号を、画素単位にＡ／Ｄ変換した後、デジタルメモリ１４に一時記録する。
【００２６】
ステップＳ１０：『合成画像の作成』
この時点において、デジタルメモリ１４には、図５（Ａ）に示すような電荷蓄積部２１からオーバーフローした分の画像信号と、図５（Ｂ）に示すような電荷蓄積部２１に残留した分の画像信号とが一時記録される。
信号合成部１５は、これら双方の画像信号をデジタルメモリ１４から読み出し、画素単位に信号合成する。このような処理により、図５（Ｃ）に示すような合成画像が生成される。
【００２７】
［第１の実施形態の効果など］
通常、背面近傍に電荷蓄積部を有する背面照射型の撮像素子１２では、残像などの不具合を回避するため、電荷蓄積部２１から埋め込みＣＣＤ拡散２２へ信号電荷を完全に移送しなければならない。そのため、電荷蓄積部２１の信号電荷の最大蓄積量（飽和蓄積量）を適度に低く抑える必要があり、撮像素子１２のダイナミックレンジを大幅に拡大することが非常に困難になる。
【００２８】
しかしながら、本実施形態では、電荷蓄積部２１からオーバーフローした過剰電荷を、埋め込みＣＣＤ拡散２２の電位井戸において画素単位に蓄積する。このように過剰電荷を画素単位に蓄積することにより、従来失われていたオーバーフロー分の画像信号を後から再現することが可能になる。
【００２９】
また、本実施形態では、本来一つの画像を、（１）過剰電荷、（２）信号電荷に分けて、２段階で転送する。したがって、撮像装置１１のダイナミックレンジは、電荷転送部（垂直ＣＣＤ２４や水平ＣＣＤ２５や出力アンプ２７）のダイナミックレンジによって直接に制限されない。原理的には、電荷転送部のダイナミックレンジのほぼ２倍まで、撮像装置１１のダイナミックレンジを拡大することが可能である。
【００３０】
さらに、本実施形態では、この過剰電荷と信号電荷とを信号合成して、合成画像信号を生成する。図６は、この信号合成によるダイナミックレンジの拡大効果を説明する図である。この図６に示されるように、過剰電荷によって高い輝度部分のダイナミックレンジを補足することにより、全体のダイナミックレンジが一段と拡大する。
【００３１】
また、本実施形態では、エネルギー線の遮断期間（パルス光の消灯期間やシャッタの閉期間など）に、過剰電荷の読み出しを行う。そのため、読み出し中の過剰電荷に、異なる画素の過剰電荷が新たに混入するなどの弊害がなく、合成画像の画質を一段と高めることが可能になる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、図３に示すように、電荷蓄積部２１に残留した信号電荷を垂直転送する動作と同時並行して、電荷蓄積部２１で次コマの光電蓄積を実行する。そのため、次コマの撮像開始を早めて、連写速度を向上できるなどの効果が得られる。
次に、別の実施形態について説明する。
【００３３】
《第２の実施形態》
第２の実施形態は、露光装置（位置計測装置を含む）の実施形態である。
図７は、第２の実施形態における露光装置６０を示す図である。
図７において、ウェハステージ６１の上には、露光対象として半導体ウェハ６２が配置される。この半導体ウェハ６２の上方には、露光部６３の投影光学系を介して、レチクル６３ａおよびレチクルステージ６３ｂが配置される。
【００３４】
この投影光学系およびレチクル６３ａを介して、レチクル６３ａ上のマークとウェハステージ６１側のアライメントマークとを撮像する位置に、いわゆるＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）タイプの撮像装置６４ａ〜ｂが配置される。
また、投影光学系を介して、ウェハステージ６１側のアライメントマークを撮像する位置に、いわゆるＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）タイプの撮像装置６４ｃ〜ｄが配置される。
【００３５】
さらに、投影光学系を介さずにウェハステージ６１側のアライメントマークを直に撮像する位置に、オフ・アクシスタイプの撮像装置６４ｅ〜ｆが配置される。
なお、このような撮像装置６４ａ〜ｆの配置位置については、例えば特開平６−９７０３１号公報において公知である。
【００３６】
露光装置６０では、これらの撮像装置６４ａ〜ｆとして、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置（例えば、第１の実施形態で説明した撮像装置１１）が使用される。なお、撮像装置６４ａ〜ｆの動作シーケンスについては、第１の実施形態（図３）と同様であるため、ここでの詳しい説明を省略する。
【００３７】
これらの撮像装置６４ａ〜ｆで撮像された画像情報は、位置計測部６５に与えられる。この位置計測部６５は、画像情報に基づいて半導体ウェハ６２や基準マーク板（図示せず）の位置検出を行う。位置制御部６６は、この位置検出結果に基づいてウェハステージ６１を位置制御し、半導体ウェハ６２の位置決めを行う。位置決めを完了した半導体ウェハ６２に対し、露光部６３は、レチクル６３ａを介して所定の半導体回路パターンを転写する。
半導体ウェハ６２には、このような転写工程の他に、必要に応じて、不純物拡散，エッチング，配線，ダイシング，およびパッケージングなどの工程が施され、デバイスが完成する。
【００３８】
［第２の実施形態の効果など］
第２の実施形態では、撮像装置６４ａ〜ｆとして、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載する。したがって、撮像装置６４ａ〜ｆからは、広ダイナミックレンジの撮像画像を得ることが可能となる。この撮像画像からは、アライメントマークの輝度差をより精密に検出できるので、位置の検出精度を従来よりも向上させることができる。その結果、露光装置６０の位置決め精度を一段と向上させることが可能になる。
次に、別の実施形態について説明する。
【００３９】
《第３の実施形態》
第３の実施形態は、露光装置（光学特性計測装置を含む）の実施形態である。
図８は、第３の実施形態における露光装置４０を示す図である。
この図８において、光源系ＡＬから出た照明光ＩＬはオプティカルインテグレータ（フライアイレンズ）５１、開口絞り（σ絞り）５２、及びコンデンサーレンズ５３を経由して光路折り曲げ用のミラー５４に入射する。ミラー５４でほぼ直角に折り曲げられた照明光ＩＬは、回路パターンＭＰが描かれたレチクルＲをほぼ均一の照度で照明する。この照明光により、露光時にはレチクルＲの回路パターンＭＰの像が投影光学系ＰＬを介してウェハＷ上に投影される。（なお、図８は、焦点位置計測時の状態を示している。）
光源系ＡＬには、上記光学部品の他、露光光を遮断するためのシャッタ、あるいはレチクルＲを照明する光線の特性を切り換える照明条件切り換え装置等が備わっている。また、コンデンサーレンズ５３の前には、不図示であるが、リレー光学系及びレチクルＲ上での照明領域を制限する可変視野絞りが設けられている。
【００４０】
ここで、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図８の紙面の垂直方向にＹ軸を、図８の紙面の平行方向にＸ軸を取る。
レチクルＲは、このＺ方向に微動可能で、且つ、ＸＹ面内で２次元移動及び微小回転可能なレチクルステージ４１上に真空吸着により保持されている。レチクルＲには前述の回路パターンＭＰの他、焦点位置計測用のレチクルパターンＲＰが周辺部に形成されている。
【００４１】
一方、ウェハＷはウェハステージＷＳ上のウェハホルダー４２に真空吸着により保持される。このウェハステージＷＳは駆動モータ４７により、Ｚ軸方向およびＸＹ面方向に移動する。
ウェハステージＷＳのＸＹ平面内の位置は、ウェハステージＷＳの周辺に配置されたレーザ干渉計４６、及びウェハステージＷＳの端部に設けられた移動鏡４５により高精度に測定される。なお、図８では、構造を分かりやすく示すため、Ｘ方向用のレーザ干渉計４６のみ図示している。また、ウェハＷ（又はセンサパターンＳＰ）のＺ方向の位置は、投光系４３及び受光系４４よりなる斜入射方式の位置計測系によって測定される。
【００４２】
ウェハステージＷＳの一部には、センサパターンＳＰを形成したガラス基板５５が設置される。このガラス基板５５の下には、撮像装置ＰＥＳが配置される。この撮像装置ＰＥＳとしては、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置（例えば、第１の実施形態の撮像装置１１）が搭載される。この撮像装置ＰＥＳの出力は、焦点位置検出部４９に与えられる。
【００４３】
以下、撮像装置ＰＥＳを使用した焦点位置計測について説明する。
レチクルパターンＲＰには、透過パターンが周期的に配置される。例えば、このようなレチクルパターンＲＰとしては、スリット状の透過パターンをＸ方向に周期配列したものや、スポット状の透過パターンをＸＹ方向に周期配列したものが好ましい。
【００４４】
一方、センサパターンＳＰには、撮像装置ＰＥＳの電荷蓄積部ごとに位置を合わせて、レチクルパターンＲＰの透過パターン（投影像）の１個分に対応する透過パターンが配置される。
まず、焦点位置計測に際して、ステージコントローラ５０は、ウェハステージＷＳを位置制御し、センサパターンＳＰをレチクルパターンＲＰの投影範囲に位置させる。この状態で、ステージコントローラ５０は、ウェハステージＷＳをＸ方向およびＺ軸方向に走査移動させる。
【００４５】
撮像装置ＰＥＳは、この走査移動に同期しながら、撮像動作を行う。なお、ここでの撮像装置ＰＥＳの動作シーケンスは、第１の実施形態（図３）と同様であるため、ここでの重複説明を省略する。
Ｘ方向の走査移動では、レチクルパターンＲＰの周期的な投影像が、センサパターンＳＰを順番に横切るため、各光電蓄積部の画素出力には周期変動が生じる。一方、Ｚ方向の走査移動では、レチクルパターンＲＰの投影像にピント変動が生じる。
【００４６】
すなわち、Ｚ方向の走査移動によってセンサパターンＳＰが焦点位置（結像面）から外れると、レチクルパターンＲＰの周期的な投影像がぼけて不鮮明になり、画素出力に現れる周期変動が小さくなる。逆に、センサパターンＳＰが焦点位置（結像面）から外れると、レチクルパターンＲＰの周期的な投影像が鮮明となり、画素出力に現れる周期変動が大きくなる。
【００４７】
そこで、焦点位置検出部４９は、画素出力の周期変動が最大となるＺ値を求めることにより、撮像面内の複数箇所について焦点位置を求める。
焦点位置検出部４９は、このように求めた複数点の焦点位置に基づいて、投影光学系ＰＬ（請求項記載の被検光学系に対応）の像面湾曲を求める。焦点位置検出部４９は、この像面湾曲に基づいて投影光学系ＰＬを構成する各レンズ素子の間隔や、その間隔の空気の圧力を調整し、投影光学系ＰＬの像面湾曲を所定の精度範囲内に補正する。
【００４８】
さらに、焦点位置検出部４９は、異なる２点の光電蓄積部の間について、画素出力の周期変動を比較し、周期変動の位相差を求める。レチクルパターンＲＰの投影像に歪み（歪曲収差）があると、この位相差が予想される値からずれる。そこで、焦点位置検出部４９は、この位相差の予想値からのずれに基づいて、投影光学系ＰＬの歪曲収差を求める。焦点位置検出部４９は、この歪曲収差に基づいて投影光学系ＰＬを構成する各レンズ素子の間隔や、その間隔の空気の圧力を調整し、投影光学系ＰＬの歪曲収差を所定の精度範囲内に補正する。
【００４９】
一方、ステージコントローラ５０は、これら焦点位置について平均値または中間値を求めることで、高精度な焦点位置を求める。ステージコントローラ５０は、この高精度な焦点位置にウェハＷの露光面が来るよう、ウェハステージＷＳを位置制御する。なお、ウェハステージＷＳの傾きが調整可能であれば、ステージコントローラ５０は、複数点の焦点位置がウェハＷの露光面と略一致するよう、ウェハステージＷＳの傾き調整を行ってもよい。
【００５０】
このような調整動作を経た後、ステージコントローラ５０はウェハＷを投影光学系ＰＬのイメージサークル内に位置させる。この状態で、レチクルＲのデバイスパターンをウェハＷに転写する。
ウェハＷには、このような転写工程の他に、必要に応じて、不純物拡散，エッチング，配線，ダイシング，およびパッケージングなどの工程が施される。これらの工程を経て、デバイスが完成する。
【００５１】
［第３の実施形態の効果など］
第３の実施形態では、撮像装置ＰＥＳとして、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載する。このような撮像装置ＰＥＳでは、広ダイナミックレンジの計測が可能となるため、投影光学系ＰＬの光学特性を一段と高精度に計測することが可能になる。その結果、計測結果に基づく露光装置４０の調整精度を一段と向上させることが可能になる。そのため、デバイスパターンの転写精度が高まり、デバイスの集積率の向上や、歩留まり改善などが容易になる。
なお、本実施形態では、レチクルパターンＲＰの透過パターンをスリット状またはスポット状としているが、他の形状にすることも勿論可能である。
次に、別の実施形態について説明する。
【００５２】
《第４の実施形態》
第４の実施形態は、露光装置（光学特性計測装置を含む）の実施形態である。
図９は、第４の実施形態における露光装置７０を示す図である。
図９において、光源１から発生した露光光は、ミラー９、コンデンサレンズ１０を経て、レチクル（マスク）Ｒを照明する。レチクルＲはレチクルステージ１０ａ上に載置されており、レチクルステージ１０ａは、レチクルステージ制御部６により制御される。
【００５３】
ウェハステージ３（ＸＹステージ３ａと、Ｚ及びレベリングステージ３ｂ）上にはウェハホルダ４が設けられており、露光対象であるウェハＷ（不図示）は、ウェハホルダ４上にチャックされるようになっている。ウェハステージ３はウェハステージ制御部５により駆動制御および位置制御される。
ウェハステージ３の側面には、収差計測ユニットＵＴが着脱機構Ｄを介して着脱自在に接続される。収差計測ユニットＵＴには、コリメータレンズＣＬと、複数のレンズ素子Ｌを２次元配列した２次元レンズアレイと、集光位置検出部ＤＥＴとが設けられている。集光位置検出部ＤＥＴの内部には、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置（例えば、第１の実施形態の撮像装置１１）が、図９に示す受光面ＩＰに配置される。複数のレンズ素子Ｌを通過した光束は、この受光面ＩＰ上に集光される。
主制御部２は、上述した光源１、レチクルステージ制御部６、ウェハステージ制御部５を統括的に制御する。また、主制御部２は、演算処理部ＰＣおよびレンズ制御部ＬＣも統括的に制御して、投影光学系ＰＬ（請求項記載の被検光学系に対応）の収差補正を実施する。
【００５４】
［第４の実施形態の動作説明］
次に、投影光学系ＰＬの収差計測および収差補正を行う手順について説明する。
投影光学系ＰＬの波面を計測する際には、波面収差計測用の光束として、球面波の光を投影光学系ＰＬに入射させる。この球面波の光は、レチクルが配置される位置に、ピンホールパターンＰＨを備えるレチクルＲ（図９）を配置し、これを光源１からの光で照明することによって発生させることができる。なお、レチクルステージ１０ａ上にピンホールを形成しておいてそれを照明するようにしても良く、或いは点光源を使用しても良い。あるいはレチクルＲ上、またはレチクルステージ１０ａ上に、光源１からの光を拡散して透過させる領域（いわゆるレモンスキン）を設けておき、このレモンスキンを透過した光を波面収差計測用の光源としても良い。
【００５５】
上述のように形成された波面収差計測用の光を投影光学系ＰＬに照射する。この状態で、投影光学系ＰＬからの透過波面が収差計測ユニットＵＴに入射するように、ウェハステージ制御部５はウェハステージ３の位置制御を実施する。
投影光学系ＰＬの透過光は、コリメータレンズＣＬによって平行光に変換される。そして、微小なレンズＬを２次元に配列した２次元レンズアレイに入射される。入射した光の被検波面と理想的な波面との偏差は、受光面ＩＰにおける集光点の変位となって現れる。受光面ＩＰに配置された撮像装置は、受光面ＩＰの光量分布を計測する。このとき、撮像装置を走査移動させることにより、光量分布の計測点を密にすることが好ましい。
【００５６】
なお、この撮像装置の動作シーケンスは、第１の実施形態（図３）と同様であるため、ここでの重複説明を省略する。
演算処理部ＰＣは、このように計測された光量分布から集光点の変位を検出し、投影光学系ＰＬの波面収差を求める。
このように計測される波面収差に基づいて、投影光学系ＰＬの球面収差や非点隔差などを求めることができる。また、収差計測ユニットＵＴを、投影光学系ＰＬによる結像面内で移動することによって、投影光学系ＰＬのコマ収差、像面湾曲、ディストーション、または非点収差を求めることもできる。
【００５７】
このように得られた投影光学系ＰＬのコマ収差、像面湾曲、ディストーション、非点収差等の収差情報をレンズ制御部ＬＣへフィードバックする。レンズ制御部ＬＣは、この収差情報に基づいて投影光学系ＰＬを構成する各レンズ素子の間隔や、その間隔の空気の圧力を調整し、投影光学系ＰＬの収差を所定の精度範囲内に補正する。
【００５８】
このような収差補正を経た後、ウェハステージ制御部５は、ウェハステージ３をアライメント制御して、ウェハＷを投影光学系ＰＬのイメージサークル内に位置させる。この状態で、レチクルＲのデバイスパターンをウェハＷに転写する。ウェハＷには、このような転写工程以外にも、必要に応じて、不純物拡散，エッチング，配線，ダイシング，およびパッケージングなどの工程が施される。これらの工程を経て、デバイスが完成する。
【００５９】
［第４の実施形態の効果など］
第４の実施形態では、収差計測ユニットＵＴ内に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置を搭載する。したがって、広ダイナミックレンジの画像情報を得ることが可能であり、露光装置７０の収差補正精度を一段と向上させることが可能になる。その結果、デバイスパターンの転写精度が高まり、デバイスの集積率の向上や、歩留まり改善などが容易になる。
なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬの波面収差を露光装置７０に組込んだ状態で計測したが、露光装置に組み込む前に計測しても良い。波面収差を計測するタイミングとしては、ウェハ交換毎、レチクル交換毎、または予め設定した所定時間毎のいずれでもよく、これら以外のタイミングであってもよい。
【００６０】
《実施形態の補足事項》
なお、上述した実施形態では、背面照射型の撮像装置について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。例えば、インターライン型やフレーム転送型などの撮像装置に本発明を適用してもよい。
【００６１】
なお、上述した第２〜第４の実施形態において、本発明を適用する露光装置としては、投影光学系を搭載するものであれば何でもよい。例えば、露光装置としては、ステップ・アンド・リピート型、ステップ・アンド・スキャン型、ステップ・アンド・スティッチング型などでもよい。
【００６２】
また、露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶用の露光装置や、薄膜磁気ヘッドを製造するための露光装置にも広く適当できる。
【００６３】
なお、第２〜第４の実施形態における露光装置の照明光源としては、例えば、水銀ランプ光、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（１５７ｎｍ）、金属蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高調波などを用いてもよい。また、Ｘ線や電子線などの荷電粒子線を用いてもよい。例えば、電子線を用いる場合には電子銃として、熱電子放射型のランタンヘキサボライト（ＬａＢ６）、タンタル（Ｔａ）を用いることができる。
【００６４】
また、露光装置の投影倍率は縮小系のみならず等倍および拡大系のいずれでもよい。
【００６５】
なお、本発明の適用用途は、投影光学系の光学特性の計測に限定されるものではない。例えば、反射鏡の形状計測などや、レンズの形状計測などに使用される光学特性計測装置に本発明を適用してもよい。
すなわち、本発明は、実施形態中で述べた露光装置や計測装置の用途に限らず、撮像装置を備えたシステム全般に適用可能である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明では、電荷蓄積部からオーバーフローする過剰電荷を、電荷転送部で画素単位に蓄積する。したがって、従来失われていたオーバーフロー分の画像情報を維持し再現することが可能になる。このオーバーフロー分の画像情報を高い輝度領域の画像情報として利用することにより、撮像装置のダイナミックレンジを有効に拡大することが可能になる。
その結果、光量差の大きな現象を計測する用途に特に適した撮像装置などを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】撮像装置１１の構成を示す図である。
【図２】撮像素子１２の断面構造を示す図である。
【図３】撮像装置１１の動作シーケンスを説明するタイミングチャートである。
【図４】撮像素子１２の電荷移送動作を概念的に説明する説明図である。
【図５】撮像装置１１の信号合成動作を説明する説明図である。
【図６】信号合成によるダイナミックレンジの拡大効果を説明する図である。
【図７】第２の実施形態における露光装置６０を示す図である。
【図８】第３の実施形態における露光装置４０を示す図である。
【図９】第４の実施形態における露光装置７０を示す図である。
【符号の説明】
１１  撮像装置
１２  撮像素子
１３  Ａ／Ｄ変換部
１４  デジタルメモリ
１５  信号合成部
２０  半導体基体
２１  電荷蓄積部
２１ａ  埋め込みチャネルストップ
２１ｂ  空乏化阻止層
２２  埋め込みＣＣＤ拡散
２２ａ  ｐ型層
２３  転送電極
２４  垂直ＣＣＤ
２５  水平ＣＣＤ
２６  転送制御部
２７  出力アンプ
【図１】
2004165563.tif 000003
【図２】
2004165563.tif 000004
【図３】
2004165563.tif 000005
【図４】
2004165563.tif 000006
【図５】
2004165563.tif 000007
【図６】
2004165563.tif 000008
【図７】
2004165563.tif 000009
【図８】
2004165563.tif 000010
【図９】
2004165563.tif 000011