(57)【要約】【課題】調整感度の向上により装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減できる結像光学系の調整方法、マーク位置検出装置の調整方法、マーク位置検出装置、調整用基板、および結像光学系の評価方法を提供する。【解決手段】物体からの光に基づいて像を形成する結像光学系の物体面に複数の調整用マーク３５，３６を配置し、複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、撮像工程で撮像された複数のマーク像の位置ずれに基づいて、結像光学系の色分散特性を補正する補正工程とを備える。【選択図】      図３
2004354330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの光に基づいて像を形成する結像光学系の物体面に複数の調整用マークを配置し、前記複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する補正工程とを備えた
ことを特徴とする結像光学系の調整方法。
【請求項２】
被検マークが設けられた対象物に照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの反射光に基づいて像を形成する結像光学系と、前記像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段と、を備えたマーク位置検出装置の調整方法であって、
前記結像光学系の物体面に複数の調整用マークを配置し、前記複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する補正工程とを備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法。
【請求項３】
請求項２に記載のマーク位置検出装置の調整方法において、
前記補正工程では、前記複数の調整用マークを１８０度回転させる前後の状態で得られる各々の前記位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する
ことを特徴とするマーク位置検出装置の調整方法。
【請求項４】
被検マークが設けられた対象物に照明光を照射する照明光学系と、
前記被検マークからの反射光に基づいて像を形成する結像光学系と、
前記像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、
前記撮像手段から出力される前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段と、
前記結像光学系の物体面に複数の調整用マークが配置され、前記複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に複数のマーク像が形成されたときに、前記撮像手段から前記画像信号を取り込み、前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する補正手段とを備えた
ことを特徴とするマーク位置検出装置。
【請求項５】
照明光が照射されたときに、前記照明光のうち所定波長の光を選択的に反射する複数の波長特性マークが設けられ、
前記複数の波長特性マークは、前記所定波長が互いに異なる
ことを特徴とする調整用基板。
【請求項６】
請求項５に記載の調整用基板において、
前記波長特性マークが２つ設けられ、
前記２つの波長特性マークのうち一方の前記所定波長を波長λ１、他方の前記所定波長を波長λ２とするとき、
前記波長λ１と前記波長λ２とは、次の条件式を満足し、
λ１＜λ２
λ２−λ１＞２０ｎｍ
前記一方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１における反射率Ｒ１（λ１）と前記波長λ２における反射率Ｒ１（λ２）との比が、次の条件式を満足し、
Ｒ１（λ１）／Ｒ１（λ２）＞１．１
前記他方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１における反射率Ｒ２（λ１）と前記波長λ２における反射率Ｒ２（λ２）との比が、次の条件式を満足する
Ｒ２（λ２）／Ｒ２（λ１）＞１．１
ことを特徴とする調整用基板。
【請求項７】
請求項６に記載の調整用基板において、
前記一方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１と前記波長λ２との間にて、波長が長いほど反射率が減少する単調関数となり、
前記他方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１と前記波長λ２との間にて、波長が短いほど反射率が増加する単調関数となる
ことを特徴とする調整用基板。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の調整用基板において、
前記波長λ１は、前記照明光の波長域の中で最短の波長に相当し、
前記波長λ２は、前記照明光の波長域の中で最長の波長に相当する
ことを特徴とする調整用基板。
【請求項９】
物体からの光に基づいて像を形成する結像光学系の物体面に複数の評価用マークを配置し、前記複数の評価用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を評価する評価工程とを備えた
ことを特徴とする結像光学系の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の像を形成する結像光学系の調整方法、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の調整方法、マーク位置検出装置、調整用基板、および結像光学系の評価方法に関し、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結像光学系の調整方法、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の調整方法、マーク位置検出装置、調整用基板、および結像光学系の評価方法に関する。
【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】
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、この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。
【０００７】
ここで、被検マークの位置検出を行う装置では、被検マークから発生した反射光が撮像素子に到達するまでの観察光路に多数の光学部材が配置されている。本明細書では、観察光路に配置された多数の光学部材を総じて「結像光学系」という。結像光学系の多数の光学部材のうち少なくとも１つに偏心誤差があると、結像光学系に色収差が発生し、撮像素子に形成される被検マーク像の位置が波長（つまり色）ごとに異なってしまう。
【０００８】
さらに、このような被検マーク像の波長による位置ずれが存在すると、装置起因の誤差ＴＩＳ（Ｔｏｏｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）が増大し、被検マークの位置検出の精度が低下してしまう。
そこで従来、上記の結像光学系とは別の光学部材を観察光路の中に新たに配置し、この新たな光学部材の配置を微調整することにより結像光学系の色分散特性を補正し、被検マーク像の波長による位置ずれを低減することが提案されている（例えば特許文献１参照）。この新たな補正用の光学部材の微調整は、基板上の被検マークに対して波長の異なる２種類の照明光を順に照射し、それぞれのタイミングで撮像素子に形成される被検マーク像の位置を比較しながら行われる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３４９０１４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、補正用の光学部材の配置を微調整して結像光学系の色分散特性を補正する際の感度が低く、調整誤差が大きかった。このため、従来のマーク位置検出装置では、装置起因の誤差ＴＩＳを十分に低減できるとは限らず、検出精度の向上にもばらつきがあった。
【００１１】
本発明の目的は、調整感度の向上により装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減できる結像光学系の調整方法、マーク位置検出装置の調整方法、マーク位置検出装置、調整用基板、および結像光学系の評価方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の結像光学系の調整方法は、物体からの光に基づいて像を形成する結像光学系の物体面に複数の調整用マークを配置し、前記複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像された前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する補正工程とを備えたものである。
【００１３】
請求項２に記載のマーク位置検出装置の調整方法は、被検マークが設けられた対象物に照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの反射光に基づいて像を形成する結像光学系と、前記像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記画像信号に基づいて前記被検マークの位置を算出する算出手段と、を備えたマーク位置検出装置の調整方法であって、前記結像光学系の物体面に複数の調整用マークを配置し、前記複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像された前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する補正工程とを備えたものである。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のマーク位置検出装置の調整方法において、前記補正工程では、前記複数の調整用マークを１８０度回転させる前後の状態で得られる各々の前記位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正するものである。
請求項４に記載のマーク位置検出装置は、被検マークが設けられた対象物に照明光を照射する照明光学系と、前記被検マークからの反射光に基づいて像を形成する結像光学系と、前記像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段から出力される前記画像信号に基づいて、前記被検マークの位置を算出する算出手段と、前記結像光学系の物体面に複数の調整用マークが配置され、前記複数の調整用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に複数のマーク像が形成されたときに、前記撮像手段から前記画像信号を取り込み、前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を補正する補正手段とを備えたものである。
【００１５】
請求項５に記載の調整用基板は、照明光が照射されたときに、前記照明光のうち所定波長の光を選択的に反射する複数の波長特性マークが設けられ、前記複数の波長特性マークは、前記所定波長が互いに異なるものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の調整用基板において、前記波長特性マークが２つ設けられ、前記２つの波長特性マークのうち一方の前記所定波長を波長λ１、他方の前記所定波長を波長λ２とするとき、
前記波長λ１と前記波長λ２とは、次の条件式を満足し、
λ１＜λ２
λ２−λ１＞２０ｎｍ
前記一方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１における反射率Ｒ１（λ１）と前記波長λ２における反射率Ｒ１（λ２）との比が、次の条件式を満足し、
Ｒ１（λ１）／Ｒ１（λ２）＞１．１
前記他方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１における反射率Ｒ２（λ１）と前記波長λ２における反射率Ｒ２（λ２）との比が、次の条件式を満足するものである。
【００１６】
Ｒ２（λ２）／Ｒ２（λ１）＞１．１
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の調整用基板において、前記一方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１と前記波長λ２との間にて、波長が長いほど反射率が減少する単調関数となり、前記他方の波長特性マークの反射率分光特性は、前記波長λ１と前記波長λ２との間にて、波長が短いほど反射率が増加する単調関数となるものである。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の調整用基板において、前記波長λ１は、前記照明光の波長域の中で最短の波長に相当し、前記波長λ２は、前記照明光の波長域の中で最長の波長に相当するものである。
請求項９に記載の発明は、物体からの光に基づいて像を形成する結像光学系の物体面に複数の評価用マークを配置し、前記複数の評価用マークの各々から発生した波長域の異なる光に基づいて前記結像光学系の像面に形成された複数のマーク像を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像された前記複数のマーク像の位置ずれに基づいて、前記結像光学系の色分散特性を評価する評価工程とを備えたものである。
【００１８】
【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８に対応する。
ここでは、本実施形態の調整方法について、図１に示す重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
【００１９】
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（または不図示の調整用ウエハ）を支持する検査ステージ１２と、照明光学系（１３〜１９）と、観察光学系（１９〜２３）と、平行平面板２４と、ＣＣＤ撮像素子２５と、画像処理装置２６と、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。
【００２０】
以下の説明では、観察光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上に配置された多数の光学部材、つまり、照明光学系（１３〜１９）のビームスプリッタ１８と、観察光学系（１９〜２３）と、平行平面板２４と、焦点検出装置（４１〜４８）のビームスプリッタ４１とを総じて、適宜、「結像光学系（１８〜２４，４１）」という。なお、平行平面板２４は、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性の補正用の光学部材である。
【００２１】
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および調整用ウエハの説明を行う。
製品ウエハ１１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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
一方、調整用ウエハ（調整用基板）には、図３に示す２つの波長特性マーク３５，３６（調整用マーク）が設けられる。図３（ａ）は波長特性マーク３５，３６の平面図、図３（ｂ）は断面図である。２つの波長特性マーク３５，３６は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に照明光Ｌ１によって照明され、平行平面板２４の配置を微調整するために用いられる。この波長特性マーク３５，３６は、大きさが互いに異なり、二重マークを構成している。
【００２６】
また、外側の波長特性マーク３５は、Ｘ方向に細長い２本のバーマーク５１，５２と、Ｙ方向に細長い２本のバーマーク５３，５４とで構成される。内側の波長特性マーク３６は、Ｘ方向に細長い２本のバーマーク５５，５６と、Ｙ方向に細長い２本のバーマーク５７，５８とで構成される。つまり、波長特性マーク３５，３６は、ｂａｒ  ｉｎ  ｂａｒ  マークである。
【００２７】
波長特性マーク３５，３６が設けられた調整用ウエハの作成は、周知の半導体プロセス技術を用い、概略、次の手順（１）〜（３）を経て行われる。手順（１）では、シリコン層３７のパターンニング（エッチング）により外側の波長特性マーク３５が形成される。手順（２）では、シリコン層３７の上に窒化膜３８が形成される。手順（３）では、窒化膜３８のパターンニングにより内側の波長特性マーク３６が形成される。
【００２８】
さらに、外側の波長特性マーク３５は、全てのバーマーク５１〜５４のエッジ部の段差ｈ１が例えば０．０６μｍである。窒化膜３８は、その膜厚ｈ２が例えば０．１μｍである。内側の波長特性マーク３６は、全てのバーマーク５５〜５８のエッジ部の段差ｈ３が例えば０．０３５μｍである。
このため、２つの波長特性マーク３５，３６は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、反射率分光特性が互いに異なることになる。図４（ａ）は外側の波長特性マーク３５の反射率分光特性であり、図４（ｂ）は内側の波長特性マーク３６の反射率分光特性である。図４の横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率を表す。横軸の波長λ１（例えば５３０ｎｍ）は、照明光Ｌ１の波長域の中で最短の波長に相当する。波長λ２（例えば８００ｎｍ）は、照明光Ｌ１の波長域の中で最長の波長に相当する。
【００２９】
また、外側の波長特性マーク３５の反射率分光特性（図４（ａ））は、波長λ１と波長λ２との間にて、波長が長いほど反射率が減少する単調関数となっている。つまり、外側の波長特性マーク３５は、波長λ１における反射率が最も高く、照明光Ｌ１のうち波長λ１の光を選択的に反射するマークである。
波長特性マーク３５の反射率分光特性を決めるパラメータは、バーマーク５１〜５４のエッジ部の段差ｈ１と、窒化膜３８の膜厚ｈ２とである。波長特性マーク３５では、バーマーク５１〜５４の底部で反射した光と、窒化膜３８の底部で反射した光との干渉により、波長λ１の光が強め合い、波長λ２の光が弱め合うような条件（ｈ１，ｈ２）となっている。
【００３０】
これに対し、内側の波長特性マーク３６の反射率分光特性（図４（ｂ））は、波長λ１と波長λ２との間にて、波長が短いほど反射率が増加する単調関数となっている。つまり、内側の波長特性マーク３６は、外側の波長特性マーク３５による選択波長（λ１）とは異なる波長λ２において反射率が最も高く、照明光Ｌ１のうち波長λ２の光を選択的に反射するマークである。
【００３１】
波長特性マーク３６の反射率分光特性を決めるパラメータは、バーマーク５５〜５８のエッジ部の段差ｈ３と、窒化膜３８の膜厚ｈ２とである。波長特性マーク３６では、バーマーク５５〜５８の底部で反射した光と、窒化膜３８の底部で反射した光との干渉により、波長λ２の光が強め合い、波長λ１の光が弱め合うような条件（ｈ３，ｈ２）となっている。
【００３２】
ここで、外側の波長特性マーク３５による選択波長（λ１）と内側の波長特性マーク３６による選択波長（λ２）とは、次の条件式（１），（２）を満足する。
λ１＜λ２  …（１）
λ２−λ１＞２０ｎｍ  …（２）
また、外側の波長特性マーク３５の反射率分光特性（図４（ａ））は、波長λ１における反射率Ｒ１（λ１）と波長λ２における反射率Ｒ１（λ２）との比が、次の条件式（３）を満足する。
【００３３】
Ｒ１（λ１）／Ｒ１（λ２）＞１．１  …（３）
内側の波長特性マーク３６の反射率分光特性（図４（ｂ））は、波長λ１における反射率Ｒ２（λ１）と波長λ２における反射率Ｒ２（λ２）との比が、次の条件式（４）を満足する。
Ｒ２（λ２）／Ｒ２（λ１）＞１．１  …（４）
さらに、本実施形態では、反射特性マーク３５，３６の選択波長（λ１），（λ２）が、上記の条件式（１）より好ましい条件式（５）も満足する。波長特性マーク３５の反射率分光特性が、上記の条件式（３）より好ましい条件式（６）も満足する。波長特性マーク３６の反射率分光特性が、上記の条件式（４）より好ましい条件式（７）も満足する。
【００３４】
λ２−λ１＞１００ｎｍ  …（５）
Ｒ１（λ１）／Ｒ１（λ２）＞３．０  …（６）
Ｒ２（λ２）／Ｒ２（λ１）＞３．０  …（７）
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（または調整用ウエハ）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。
【００３５】
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に代えて調整用ウエハが載置される。
照明光学系（１３〜１９）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、光軸Ｏ２上に配置された第１対物レンズ１９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、光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系（１３〜１９）の光軸Ｏ１は、観察光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２に垂直である。
【００３６】
また、光源１３は、波長域の広い光（例えば５３０ｎｍ〜８００ｎｍの光や白色光）を射出する。この光の波長域の中で最短の波長λ１と最長の波長λ２とは、既に説明した通り、調整用ウエハの波長特性マーク３５，３６（図３，図４）による選択波長（λ１），（λ２）に対応している。
照明開口絞り１４は、その中心が光軸Ｏ１上に位置し、光源１３から射出された広帯域波長の光の径を特定の径に制限する。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。
【００３７】
上記の照明光学系（１３〜１９）において、光源１３から射出された広帯域波長の光（例えば５３０ｎｍ〜８００ｎｍの光）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）、観察光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２上に導かれる。
【００３８】
観察光学系（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。観察光学系（１９〜２３）の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。
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（１３〜１９）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。
【００３９】
第１対物レンズ１９は、照明光学系（１３〜１９）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（または調整用ウエハ）は、第１対物レンズ１９を透過した広帯域波長の照明光Ｌ１によって垂直に照明される。
なお、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）に入射するときの照明光Ｌ１の入射角度は、照明光学系（１３〜１９）の照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１との位置関係によって決まる。また、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の各点における照明光Ｌ１の入射角度範囲は、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。
【００４０】
さらに、視野絞り１６と製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）とは共役な位置関係にあるため、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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（または調整用ウエハ）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。
【００４１】
そして、上記した広帯域波長（例えば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）の照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）の領域から、反射光Ｌ２が発生する。反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１９に導かれる。ここで、反射光Ｌ２の波長（つまり色）について簡単に説明する。
製品ウエハ１１の場合には、重ね合わせマーク３０（図２）の段差形状とレジスト膜や材料膜の材質や厚さに応じた波長（つまり色）となる。このため、重ね合わせマーク３０のうち、下地マーク３１から発生する反射光Ｌ２と、レジストマーク３２から発生する反射光Ｌ２とで、一般に波長（つまり色）が異なる。
【００４２】
また、調整用ウエハの場合には、波長特性マーク３５，３６（図３）の段差形状（ｈ１，ｈ３）と窒化膜３８の厚さ（ｈ２）に応じた波長（つまり色）となる。具体的には、外側の波長特性マーク３５から発生する反射光Ｌ２の波長は、照明光Ｌ１の波長域の最短の波長λ１となる（図４）。内側の波長特性マーク３６から発生する反射光Ｌ２の波長は、照明光Ｌ１の波長域の最長の波長λ２となる。
【００４３】
そして、第１対物レンズ１９は、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００４４】
このように、照明光Ｌ１が照射された製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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（または調整用ウエハ）の中間像の形成位置である。
【００４５】
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、観察光学系（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。第２結像リレーレンズ２３は、結像開口絞り２２からの光をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面（２次結像面）上に再結像する。２次結像面は、請求項の「像面」に対応する。
【００４６】
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。正確には、次に説明する平行平面板２４を透過した後の光がＣＣＤ撮像素子２５に到達する。
【００４７】
ところで、重ね合わせ測定装置１０では、平行平面板２４を省略した場合、製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）から発生した反射光Ｌ２がＣＣＤ撮像素子２５に到達するまでの観察光路に多数の光学部材（つまり観察光学系（１９〜２３）とビームスプリッタ１８，４１）が配置され、その中の少なくとも１つの光学部材に偏心誤差があると、反射光が分散してしまう。
【００４８】
例えば図５には、ビームスプリッタ４１に偏心誤差が発生したときの様子が示されている。この場合の偏心誤差は傾き誤差である。ビームスプリッタ４１に偏心誤差があると、これに入射した反射光Ｌ２の屈折角は波長（つまり色）ごとに異なり、それぞれ異なる方向に進行する。この現象が“分散”である。図５には、波長λａの光Ｌａと波長λｂの光Ｌｂの進行方向を例示した（λａ≠λｂ）。なお、図５では光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌ３の主光線を点線と破線で示している。
【００４９】
そして、このような分散現象の結果、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に形成される像（反射像）の位置も、波長（つまり色）ごとに異なってしまう。さらに、反射像の波長による位置ずれΔが存在すると（Δ≠０）、装置起因の誤差ＴＩＳが増大し、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）の精度が低下してしまう。
【００５０】
このため、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、上記の観察光学系（１９〜２３）およびビームスプリッタ１８，４１とは別の光学部材（つまり平行平面板２４）を観察光路の中に配置し、この平行平面板２４の配置を微調整することで結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性を補正し、反射像の波長による位置ずれΔを低減するようにした。
【００５１】
次に、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性の補正に用いられる平行平面板２４の説明を行う。観察光路における平行平面板２４の位置は、第２結像リレーレンズ２３とＣＣＤ撮像素子２５との間である。
平行平面板２４は、光軸Ｏ２に垂直なＸ軸およびＹ軸を中心としてチルト可能に支持されている。チルト可能とは、平行平面板２４自体の光軸２４ａ（厚さ方向に平行な軸）を光軸Ｏ２に対して傾斜可能なことを意味する。また、平行平面板２４の配置の微調整とは、平行平面板２４のチルト角度の微調整を意味する。
【００５２】
図６（ａ）には、平行平面板２４の光軸２４ａを光軸Ｏ２に揃えた状態が示されている。このとき、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面における反射像の位置は、平行平面板２４を省略した状態（図５）と同様であり、波長（つまり色）ごとに異なる（Δ≠０）。
この位置ずれ状態から平行平面板２４を所定角度θだけチルトさせると、図６（ｂ）に示すように、反射像の波長による位置ずれΔを０にすることができる。以下、位置ずれΔ＝０の状態（図６（ｂ））を実現可能な上記の所定角度θを「最適チルト角度」という。
【００５３】
このような平行平面板２４のチルト角度の微調整（図６（ａ）→（ｂ））は、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に、上記の波長特性マーク３５，３６（図３）を用いて行われる。波長特性マーク３５，３６を用いることにより、補正用の平行平面板２４の調整感度が向上する（詳細は後述）。
また、平行平面板２４の後段に配置された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（または調整用ウエハ）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。
【００５４】
画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に製品ウエハ１１が載置され、重ね合わせマーク３０（図２）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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。この場合、不図示のテレビモニタよる目視観察も可能である。
【００５５】
また、画像処理装置２６は、検査ステージ１２上に調整用ウエハが載置され、波長特性マーク３５，３６（図３）が視野領域内に位置決めされているとき、詳細は後述するように、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ＴＩＳ値を測定する（図９，図１０参照）。ＴＩＳ値は、平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整するための指標であり、指標信号として制御装置２７に出力される。
【００５６】
制御装置２７は、詳細は後述するように、画像処理装置２６からの指標信号のＴＩＳ値（図９，図１０参照）に基づいて、平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整する（図６（ａ）→（ｂ））。
次に、焦点検出装置（４１〜４８）の説明を行う。焦点検出装置（４１〜４８）は、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００５７】
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。
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、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。
【００５８】
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、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（１３〜１９）の照明開口絞り１４の像が形成される。
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。
【００５９】
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７（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７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、各々、検査ステージ１２上の製品ウエハ１１（または調整用ウエハ）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。
【００６０】
図７（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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、制御装置２７からの指示に基づいて検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、ホルダ（製品ウエハ１１または調整用ウエハ）をＸＹ方向に移動させて、製品ウエハ１１上の重ね合わせマーク３０（図２）または調整用ウエハ上の波長特性マーク３５，３６（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。
【００６３】
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または調整用ウエハ）をＺ方向に上下移動させる。その結果、製品ウエハ１１または調整用ウエハを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）。
上記した照明光学系（１３〜１９）は、請求項の「照明光学系」に対応する。結像光学系（１８〜２４，４１）は「結像光学系」に対応する。ＣＣＤ撮像素子２５は「撮像手段」に対応し、画像処理装置２６は「算出手段」に対応する。また、平行平面板２４と画像処理装置２６と制御装置２７は「補正手段」に対応する。
【００６４】
次に、本実施形態の重ね合わせ測定装置１０の組み立て手順のうち、平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整して結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性を補正する手順について、図８のフローチャートを用いて説明する。
一般に、結像光学系（１８〜２４，４１）を機械的な設計値に応じて装置内に組み込んだ状態では、光学部材どうしの相対的な配置関係が必ずしも理想的ではなく、例えば図６のビームスプリッタ４１のような偏心誤差を含むことがある。このため、平行平面板２４の配置（チルト角度）の微調整が必要になる。
【００６５】
このとき、検査ステージ１２のホルダには調整用ウエハが載置され、重ね合わせ測定装置１０の測定視野内に波長特性マーク３５，３６（図３）が位置決めされる（図８のステップＳ１）。この位置決め後、制御装置２７は自動焦点合わせ処理を行い、測定視野内の波長特性マーク３５，３６をＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に対して合焦させる。つまり、結像光学系（１８〜２４，４１）の物体面に、波長選択マーク３５，３６を配置する。
【００６６】
測定視野内の波長特性マーク３５，３６は、広帯域波長（例えば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）の照明光Ｌ１により照明され、その段差形状（ｈ１，ｈ３）と窒化膜３８の厚さ（ｈ２）に応じた２種類の波長（つまり色）の反射光Ｌ２を発生する。具体的には、外側の波長特性マーク３５から、照明光Ｌ１の波長域の最短の波長λ１の反射光Ｌ２を発生し、内側の波長特性マーク３６から、照明光Ｌ１の波長域の最長の波長λ２の反射光Ｌ２を発生する（λ１≠λ２）。
【００６７】
したがって、結像光学系（１８〜２４，４１）の中の少なくとも１つの光学部材（例えば図６のビームスプリッタ４１）に偏心誤差があり、平行平面板２４の配置（チルト角度）が図６（ｂ）の最適チルト角度θから外れていると、つまり、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性が補正されていないと、図６（ａ）のように、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面に形成される波長λ１の反射像と波長λ２の反射像とは、形成位置が異なってしまう（位置ずれΔ≠０）。
【００６８】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整して、図６（ｂ）の最適チルト角度θに設定し（図６（ａ）→（ｂ））、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性を補正するために、波長特性マーク３５，３６のＴＩＳ値（図９，図１０参照）を指標とする。ＴＩＳ値の測定は画像処理装置２６で行われ、その測定結果が制御装置２７に取り込まれる（ステップＳ２）。
【００６９】
ＴＩＳ値の測定方法について、図９，図１０を用いて説明する。
図９には、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面における波長λ１の反射像３５Ａと波長λ２の反射像３６Ａとを図示した。反射像３５Ａは、調整用ウエハの外側の波長特性マーク３５の像である。反射像３６Ａは、内側の反射特性マーク３６の像である。図９は、反射像３５Ａ，３６Ａの位置ずれΔが０の場合（図６（ｂ）も参照）、つまり、平行平面板２４の配置が最適チルト角度θに設定されている場合に対応する。
【００７０】
これに対して図１０では、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面における波長λ１の反射像３５Ａと波長λ２の反射像３６Ａとを簡略化し、実線の矩形枠として図示した。図１０は、反射像３５Ａ，３６Ａに位置ずれΔが存在する場合（図６（ａ）参照）、つまり、平行平面板２４の配置が最適チルト角度θから外れている場合に対応する。また図１０には、位置ずれΔが０の場合（図９）の反射像３５Ａ，３６Ａを破線の矩形枠３５Ｂ，３５Ｂとして併せて図示した。
【００７１】
制御装置２７は、ＴＩＳ値の測定時、調整用ウエハ（つまり波長特性マーク３５，３６）を光軸Ｏ２のまわりに１８０度回転させる前後の状態（図９，図１０）で、画像処理装置２６に、外側の波長特性マーク３５（反射像３５Ａ）の中心位置Ｃ１と、内側の波長特性マーク３６（反射像３６Ａ）の中心位置Ｃ２とを各々算出させる。
【００７２】
画像処理装置２６では、図９（ａ），図１０（ａ）の状態で算出した中心位置Ｃ１，Ｃ２の差（間隔）に基づいて０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ０を算出し、同様に、図９（ｂ），図１０（ｂ）の状態で算出した中心位置Ｃ１，Ｃ２の差（間隔）に基づいて１８０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ１８０を算出する。そして、次式（８）にしたがってＴＩＳ値を測定する。ＴＩＳ値は、０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ０と１８０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ１８０との平均値である。
【００７３】
ＴＩＳ  ＝  （Ｌ０＋Ｌ１８０）／２  ……（８）
図９（ａ），（ｂ）から分かるように、平行平面板２４の配置が最適チルト角度θに設定され（図６（ｂ））、反射像３５Ａ，３６Ａの位置ずれΔが０の場合、０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ０と１８０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ１８０とは、大きさが同じで且つ方向が逆である（Ｌ０＝−Ｌ１８０）。この場合、式（８）にしたがって計算したＴＩＳ値は０となる。
【００７４】
また、図１０（ａ），（ｂ）から分かるように、平行平面板２４の配置が最適チルト角度θから外れ（図６（ａ））、反射像３５Ａ，３６Ａに位置ずれΔが存在する場合、０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ０と１８０度方向での重ね合わせ測定値Ｌ１８０とは、大きさも方向も不規則である（Ｌ０≠−Ｌ１８０）。この場合、式（８）にしたがって計算したＴＩＳ値は０以外の任意の値となる。
【００７５】
ここで、画像処理装置２６が測定するＴＩＳ値（式（８）参照）と、反射像３５Ａ，３６Ａの位置ずれΔとの関係について説明しておく。
この説明のため、図１０（ａ），（ｂ）における“破線の矩形枠３５Ｂ（位置ずれΔ＝０での反射像３５Ａ）”に対する“位置ずれΔ≠０での反射像３５Ａ”の位置ずれ、つまり、波長λ１の位置ずれをαとする。同様に、“破線の矩形枠３６Ｂ（位置ずれΔ＝０での反射像３６Ａ）”に対する“位置ずれΔ≠０での反射像３６Ａ”の位置ずれ、つまり波長λ２の位置ずれをβとする。この場合、反射像３５Ａ，３６Ａの位置ずれΔは、次の式（９）により表すことができる。
【００７６】
Δ＝α−β  …（９）
また、位置ずれΔ＝０における重ね合わせ測定値Ｌ０，Ｌ１８０（図９（ａ），（ｂ））を“Ｌ０（Δ＝０）”“Ｌ１８０（Δ＝０）”とし、これらＬ０（Δ＝０）とＬ１８０（Δ＝０）の大きさを“σ”とし、位置ずれΔ≠０における重ね合わせ測定値Ｌ０，Ｌ１８０（図１０（ａ），（ｂ））を“Ｌ０（Δ≠０）”“Ｌ１８０（Δ≠０）”とする。この場合、次の式（１０）〜（１２）が成立する。
【００７７】
Ｌ０（Δ＝０）  ＝  −Ｌ１８０（Δ＝０）  ＝  σ  …（１０）
Ｌ０（Δ≠０）  ＝  （α−β）＋σ  …（１１）
Ｌ１８０（Δ≠０）  ＝  （α−β）−σ  …（１２）
したがって、ＴＩＳ値と位置ずれΔとの関係は、式（８）〜式（１２）を用いると、次の式（１３）のように表すことができる。式（１３）から分かるように、画像処理装置２６が測定するＴＩＳ値は、反射像３５Ａ，３６Ａの位置ずれΔそのものである。
【００７８】
ＴＩＳ  ＝  （α−β）  ＝  Δ      …（１３）
このようにして、画像処理装置２６におけるＴＩＳ値の測定が終了すると、制御装置２７は、測定結果であるＴＩＳ値を“反射像３５Ａ，３６Ａの位置ずれΔ”の指標として画像処理装置２６から取り込み（図８のステップＳ２）、次のステップＳ３において、予め定めた閾値と比較する。閾値は、十分に小さい規格値（例えば±０．５ｎｍ）を示している。
【００７９】
そして、測定されたＴＩＳ値（つまり位置ずれΔ）が閾値より大きい場合（Ｓ３がＮ）、平行平面板２４の配置（チルト角度）が最適チルト角度から大きく外れているため（図６（ａ）参照）、次のステップＳ４において、平行平面板２４をチルトさせる。さらに、平行平面板２４のチルト調整後、再度、ステップＳ２，Ｓ３の処理を行う。
【００８０】
このようにして、制御装置２７は、測定されたＴＩＳ値（つまり位置ずれΔ）が閾値（例えば±０．５ｎｍ）より小さくなるまで、ステップＳ２〜Ｓ４の処理を繰り返す。そして、測定されたＴＩＳ値が閾値より小さくなる（Ｓ３がＹ）と、平行平面板２４の配置（チルト角度）が最適チルト角度に設定された（図６（ｂ）参照）と判断し、処理を終了する。
【００８１】
本実施形態では、上述の条件式（１）〜（４）を満足する波長特性マーク３５，３６によってＴＩＳ値を測定し、このＴＩＳ値を指標として平行平面板２４の配置を微調整するため、その調整を極めて感度よく適切に行うことができる。その結果、平行平面板２４の配置（チルト角度）の調整誤差を確実に小さくすることができる（例えば±０．２５度以下）。
【００８２】
したがって、重ね合わせ測定装置１０の結像光学系（１８〜２４，４１）において少なくとも１つの光学部材が偏心誤差を含む場合（図６（ａ））でも、各々の光学部材どうしの相対的な位置関係に関して、最適な状態を確保できる（図６（ｂ））。つまり、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性を補正することができる。このため装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減することができる。
【００８３】
そして、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性が補正された後の最適な状態で、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。
【００８４】
そして、この重ね合わせマーク３０が照明光Ｌ１によって垂直に照明され、ＣＣＤ撮像素子２５の撮像面上には、良好な結像光学系（１８〜２４，４１）を介して重ね合わせマーク３０の像が形成される。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。
【００８５】
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、重ね合わせ測定値Ｒを算出する。重ね合わせ測定値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。
【００８６】
本実施形態の重ね合わせ測定装置１０では、照明光Ｌ１のうち波長λ１の光を選択的に反射する波長特性マーク３５と、波長λ２（≠λ１）の光を選択的に反射する波長特性マーク３６とを用いて、ＣＣＤ撮像素子２５上に波長λ１，λ２の反射像３５Ａ，３６Ａを同時に形成するため、平行平面板２４の配置を微調整する際の指標を再現性良く得ることができ、調整感度が向上する。
【００８７】
また、２つの波長特性マーク３５，３６のＴＩＳ値（図９，図１０参照）を指標とするため、極めて感度よく適切に平行平面板２４の配置（チルト角度）を調整でき、平行平面板２４の調整誤差を確実に小さくすることができる。
さらに、上述の条件式（１）〜（４）を満足する２つの波長特性マーク３５，３６を用いるため、波長特性マーク３５から発生する反射光Ｌ２の波長λ１と、波長特性マーク３６から発生する反射光Ｌ２の波長λ２を分離することができる。その結果、平行平面板２４の調整感度が向上する。
【００８８】
また、本実施形態では、２つの波長特性マーク３５，３６が上述の好ましい条件式（５）〜（７）を満足するため、波長特性マーク３５による選択波長λ１と波長特性マーク３６による選択波長λ２を確実に分離することができる。その結果、平行平面板２４の調整感度がさらに向上する。
さらに、本実施形態では、波長特性マーク３５の反射率分光特性（図４（ａ））を単調減少の関数、波長特性マーク３６の反射率分光特性（図４（ｂ））を単調増加の関数としたため、波長特性マーク３５による選択波長λ１と波長特性マーク３６による選択波長λ２を確実に分離することができる。その結果、平行平面板２４の調整感度がさらに向上する。
【００８９】
また、本実施形態では、波長特性マーク３５による選択波長λ１と波長特性マーク３６による選択波長λ２を、照明光Ｌ１の両端付近の波長としたため、選択波長λ１，λ２を確実に分離することができる。その結果、平行平面板２４の調整感度がさらに向上する。
したがって、重ね合わせ測定装置１０における装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減することが可能となり、装置の品質向上が図られる。また、重ね合わせ装置１０の測定精度（測定誤差）のバラツキを小さくすることもできる。
【００９０】
さらに、製品ウエハ１１の下地マーク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、重ね合わせ測定値Ｒも精度良く測定できる。その結果、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。
【００９１】
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図３，図４に示す波長特性マーク３５，３６を用いて平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整したが、本発明はこれに限定されない。外側の波長特性マーク３５の反射率分光特性を図４（ｂ）、内側の波長特性マーク３６の反射率分光特性を図４（ａ）のようにしても構わない。波長特性マーク３５，３６のエッジ部の段差ｈ１，ｈ３と窒化膜３８の膜厚ｈ３は、必要となる反射率分光特性に応じて、任意の値に設定することができる。段差ｈ１，ｈ３は、０．１μｍ〜１．０μｍの間に設定することが好ましい。波長特性マーク３５，３６による選択波長λ１，λ２を照明光Ｌ１の波長域の両端付近に対応させたが、その他の波長を用いても良い。
【００９２】
また、上記した実施形態では、調整用ウエハにおいてシリコン層３７の上に窒化膜３８のみを形成したが、窒化膜３８の他に各種材料膜を積層し、多層膜によって反射率分光特性の異なる複数の波長特性マークを形成することもできる。窒化膜に代えて酸化膜を用いても良い。
さらに、上記した実施形態では、波長特性マーク３５，３６のように  ｂａｒ  ｉｎ  ｂａｒ  マークを用いる例を説明したが、その種類は他のもの（例えば  ｆｒａｍｅ  ｉｎ  ｆｒａｍｅ  マークや  ｂｏｘ  ｉｎ  ｂｏｘ  マークなど）でも良い。波長特性マークの数は２つに限らず、３つ以上でもよい。
【００９３】
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に検査ステージ１２上に調整用ウエハを載置し、その調整用ウエハに設けられた波長特性マーク３５，３６を用いて平行平面板２４の配置の微調整を行ったが、本発明はこれに限定されない。
例えば図１１に示す重ね合わせ測定装置６０のように、検査ステージ１２の上面に、同様の波長特性マークが設けられた調整用マーク板６１を固定しておき、調整用マーク板６１の波長特性マークを用いて上記の微調整を行ってもよい。この場合、検査ステージ１２に回転テーブルを設置し、回転テーブルに調整用マーク板６１を固定することが必要である。
【００９４】
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、平行平面板２４の配置（チルト角度）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。
また、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０の制御装置２７によって、重ね合わせ測定装置１０の組み立て時に平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整したが、重ね合わせ測定装置１０の外部に接続されたコンピュータなどで同様の微調整を行っても良い。
【００９５】
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。
【００９６】
また、結像光学系（１８〜２４，４１）の色分散特性を補正するために平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整したが、平行平面板２４に代えて２つの楔形の光学部材を用い、相対的な位置関係を変化させてもよい。ビームスプリッタに代えてハーフプリズムを用いてもよい。
さらに、上記した実施形態では、調整用マークとして、照明光Ｌ１のうち波長λ１，λ２の光を選択的に反射する反射特性マーク３５，３６を用いたが、本発明はこれに限定されない。反射特性マーク３５，３６に代えて、波長λ１，λ２の光を選択的に透過する２種類のマークを用いることもできる。この場合、上記した実施形態の落斜照明光学系（１３〜１９）に代えて透過照明光学系を用いることが必要である。その他、波長λ１，λ２の光を発光する２種類のマークに代えることもできる。この場合には結像光学系の調整時に照明光学系が不要となる。
【００９７】
また、上記した実施形態では、結像光学系の調整について説明したが、結像光学系の色分散特性を評価する場合にも、本発明を適用できる（請求項９）。この場合、波長特性マーク３５，３６と同じ構成の評価用マークを用いることによって、ＣＣＤ撮像素子２５上に波長λ１，λ２の反射像３５Ａ，３６Ａを同時に形成することができ、結像光学系の色分散特性の高精度な評価が可能となる。その結果、結像光学系を感度よく調整することができる。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、調整感度の向上により装置起因の誤差ＴＩＳを確実に低減できる。
【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】調整用ウエハに形成された波長特性マーク３５，３６の平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図４】波長特性マーク３５，３６の反射分光特性を示す図である。
【図５】ビームスプリッタ４１の偏心誤差による反射像の位置ずれを説明する図である。
【図６】平行平面板２４の配置（チルト角度）の微調整について説明する図である。
【図７】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８】重ね合わせ測定装置１０における平行平面板２４の配置（チルト角度）を微調整する手順を示すフローチャートである。
【図９】ＴＩＳ値の測定方法を説明する図である（位置ずれΔ＝０の場合）。
【図１０】ＴＩＳ値の測定方法を説明する図である（位置ずれΔ≠０の場合）。
【図１１】変形例の重ね合わせ測定装置６０の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，６０  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  平行平面板
２５  ＣＣＤ撮像素子
２６  画像処理装置
２７  制御装置
３０  重ね合わせマーク
３５，３６  波長特性マーク
３５Ａ，３６Ａ  反射像
３７  シリコン層
３８  窒化膜
４９  ステージ制御装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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