(57)【要約】      （修正有）【課題】測定精度の高い位置ずれ測定方法、位置ずれ測定装置、およびマークを提供する。【解決手段】基板上に、少なくとも一対の立上がりと立下がりエッジを有する第１と第２のマークを形成し、第１のマークの立上がりおよび立下がりエッジの方向と第２のマークの立上がりおよび立下がりエッジの方向が同じになり、かつ第１のマークの立上がりおよび立下がりエッジの間隔と第２のマークの立上がりおよび立下がりエッジの間隔が等しくなるように形成することにより、第１と第２のマークを有するマーク部を形成する工程と、マーク部の画像を取り込むための画像取込部の視野領域内で、間隔に対応する距離だけ離れた第１と第２の観察点に、マーク部を順次位置決めする工程と、第１の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像と、第２の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像に基づいて、第１と第２のマークとの位置ずれ量を算出する工程とを備える。【選択図】      図３
2005024367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する第１のマークを形成し、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する第２のマークを、前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向とが同じになり、かつ前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔とが等しくなるように形成することにより、前記第１のマークと前記第２のマークとを有するマーク部を形成するマーク部形成工程と、
前記マーク部の画像を取り込むための画像取込部の視野領域内で、前記間隔に対応する距離だけ離れた第１の観察点と第２の観察点とに、前記マーク部を順次位置決めする位置決め工程と、
前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたときと、前記マーク部が前記第２の観察点に位置決めされたときとに、前記画像取込部により前記マーク部の画像をそれぞれ取り込む画像取込工程と、
前記第１の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像と、前記第２の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像とに基づいて、前記第１のマークと前記第２のマークとの位置ずれ量を算出する算出工程とを備えたことを特徴とする位置ずれ測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の位置ずれ測定方法において、
焦点検出部により前記マーク部の焦点検出を行う焦点検出工程をさらに備え、
前記画像取込工程では、前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたとき、前記マーク部の画像取り込み前に、前記焦点検出部を制御して焦点合わせを行い、前記第２の観察点での前記マーク部の画像取り込み時まで、前記焦点合わせの結果と同じ条件を維持することを特徴とする位置ずれ測定方法。
【請求項３】
第１のマークと第２のマークとを含み、前記第１のマークは少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、前記第２のマークは、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向とが同じになり、かつ前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔とが等しくなるように形成されているマーク部が形成された基板の前記マーク部の画像を取り込む画像取込手段と、
前記画像取込手段の視野領域内で、前記間隔に対応する距離だけ離れた第１の観察点と第２の観察点とに、前記マーク部を順次位置決めする位置決め手段と、
前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたときと、前記マーク部が前記第２の観察点に位置決めされたときとに、前記画像取込手段により前記マーク部の画像をそれぞれ取り込ませる制御手段と、
前記第１の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像と、前記第２の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像とに基づいて、前記第１のマークと前記第２のマークとの位置ずれ量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする位置ずれ測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の位置ずれ測定装置において、
前記マーク部の焦点検出を行う焦点検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたとき、前記マーク部の画像取り込み前に、前記焦点検出手段に焦点合わせを行わせ、前記第２の観察点での前記マーク部の画像取り込み時まで、前記焦点合わせの結果と同じ条件を維持することを特徴とする位置ずれ測定装置。
【請求項５】
少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凹状に形成された第１のマークと、前記第１のマークの内側に形成され、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凸状に形成された第２のマークとを有する第１の凹凸マーク部と、
少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凸状に形成され、前記第１のマークと大きさが等しい第３のマークと、前記第３のマークの内側に形成され、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凹状に形成され、前記第２のマークと大きさが等しい第４のマークとを有する第２の凹凸マーク部とを備えたことを特徴とするマーク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子の製造工程において、基板の異なる層に形成された複数のパターンの位置ずれ量を測定する位置ずれ測定方法、位置ずれ測定装置、およびマークに関する。
【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良く重ね合わせるため、各々のパターン形成工程のうち、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測定を行い、製品の歩留まり向上を図っている。これは、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る。
【０００５】
重ね合わせ検査においては、通常、下地パターンの基準位置を示す下地マークと、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークとが用いられる。これらの下地マーク，レジストマークは、上記のパターン形成工程で下地パターン，レジストパターンと同時に形成され、一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する凹凸構造である。なお、下地マークとレジストマークの間には、下地パターンとレジストパターンの間と同様、加工対象となる材料膜が形成されている。
【０００６】
この状態において、下地マークの位置とレジストマークの位置との差（位置ずれ量）を測定し、得られた位置ずれ量が許容範囲内に含まれるか否かを判断することにより、下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせ検査が行われる（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平７−１５１５１４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した装置では、マークの像を撮像素子を用いて撮像し、その像に基づいて位置ずれ量を測定する。そのため、マークの像を撮像素子上に結像させるために、結像光学系が備えられる。このような結像光学系には、それぞれの結像光学系に特有の歪みが存在するため、得られたマークの画像には結像光学系の視野領域内における位置に依存する歪みが発生し、精度良く位置ずれ測定を行うことができない場合があった。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、測定精度の高い位置ずれ測定方法、位置ずれ測定装置、およびマーク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】
請求項１に記載の位置ずれ測定方法は、基板上に、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する第１のマークを形成し、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する第２のマークを、前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向とが同じになり、かつ前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔とが等しくなるように形成することにより、前記第１のマークと前記第２のマークとを有するマーク部を形成するマーク部形成工程と、前記マーク部の画像を取り込むための画像取込部の視野領域内で、前記間隔に対応する距離だけ離れた第１の観察点と第２の観察点とに、前記マーク部を順次位置決めする位置決め工程と、前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたときと、前記マーク部が前記第２の観察点に位置決めされたときとに、前記画像取込部により前記マーク部の画像をそれぞれ取り込む画像取込工程と、前記第１の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像と、前記第２の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像とに基づいて、前記第１のマークと前記第２のマークとの位置ずれ量を算出する算出工程とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の位置ずれ測定方法は、請求項１に記載の位置ずれ測定方法において、焦点検出部により前記マーク部の焦点検出を行う焦点検出工程をさらに備え、前記画像取込工程では、前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたとき、前記マーク部の画像取り込み前に、前記焦点検出部を制御して焦点合わせを行い、前記第２の観察点での前記マーク部の画像取り込み時まで、前記焦点合わせの結果と同じ条件を維持することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の位置ずれ測定装置は、第１のマークと第２のマークとを含み、前記第１のマークは少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、前記第２のマークは、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向とが同じになり、かつ前記第１のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔と前記第２のマークの立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔とが等しくなるように形成されているマーク部が形成された基板の前記マーク部の画像を取り込む画像取込手段と、前記画像取込手段の視野領域内で、前記間隔に対応する距離だけ離れた第１の観察点と第２の観察点とに、前記マーク部を順次位置決めする位置決め手段と、前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたときと、前記マーク部が前記第２の観察点に位置決めされたときとに、前記画像取込手段により前記マーク部の画像をそれぞれ取り込ませる制御手段と、前記第１の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像と、前記第２の観察点に位置決めされたときに取り込まれた画像とに基づいて、前記第１のマークと前記第２のマークとの位置ずれ量を算出する算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の位置ずれ測定装置は、請求項３に記載の位置ずれ測定装置において、前記マーク部の焦点検出を行う焦点検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記マーク部が前記第１の観察点に位置決めされたとき、前記マーク部の画像取り込み前に、前記焦点検出手段に焦点合わせを行わせ、前記第２の観察点での前記マーク部の画像取り込み時まで、前記焦点合わせの結果と同じ条件を維持することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載のマークは、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凹状に形成された第１のマークと、前記第１のマークの内側に形成され、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凸状に形成された第２のマークとを有する第１の凹凸マーク部と、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凸状に形成され、前記第１のマークと大きさが等しい第３のマークと、前記第３のマークの内側に形成され、少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、凹状に形成され、前記第２のマークと大きさが等しい第４のマークとを有する第２の凹凸マーク部とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
【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５に対応する。
本実施形態の位置ずれ測定装置１０は、図１に示すように、ウエハ１１を支持する検査ステージ１２と、ウエハ１１側に向けて照明光Ｌ１を射出する照明光学系（１３〜１７）と、ウエハ１１の像を形成する結像光学系（１８〜２０）と、撮像素子２１と、画像処理部２２と、制御部２３と、焦点検出部（４１〜４８）とで構成されている。
【００１５】
この位置ずれ測定装置１０について具体的に説明する前に、ウエハ１１（基板）の説明を行う。
ウエハ１１には、複数のショット領域がＸＹ方向に沿って２次元配列されている（不図示）。また、各々のショット領域には、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、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。
【００１６】
さらに、ウエハ１１の各ショット領域の四隅や中央には、測定マーク３０（図２）が形成されている。この測定マーク３０は、位置ずれ測定装置１０により、ウエハ１１の下地パターンに対するレジストパターンの位置ずれ量を測定するために形成された凹凸マークである。
測定マーク３０は、図２（ａ）に示すように、大きさが等しい４つの矩形マーク（つまり左側の下地マーク３１Ａおよび３１Ｂと右側のレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂ）により構成されるマークである。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は断面図である。また、測定マーク３０は、そのサイズが非常に小さい（例えば、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂ、レジストマーク３２Ａおよび３２ＢのＸ方向の長さＸが２μｍ）。
【００１７】
下地マーク３１Ａおよび３１Ｂ，レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂは、各々、下地パターン，レジストパターンと同時に形成され、下地パターン，レジストパターンの基準位置を示す。下地マーク３１Ａおよび３１Ｂとレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂとの一方は、請求項の「第１のマーク」に対応し、他方は、請求項の「第２のマーク」に対応する。
【００１８】
また、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂは、Ｘ方向に関して、それぞれ１対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する。つまり、図２（ｂ）に示すように、下地マーク３１Ａは左側の立上がりエッジＥ１Ｌと右側の立下がりエッジＥ１Ｒとを有し、下地マーク３１Ｂは左側の立上がりエッジＥ２Ｌと右側の立下がりエッジＥ２Ｒとを有する。
【００１９】
また、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂは、Ｘ方向に関して、それぞれ１対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有する。つまり、図２（ｂ）に示すように、レジストマーク３２Ａは左側の立上がりエッジＥ３Ｌと右側の立下がりエッジＥ３Ｒとを有し、レジストマーク３２Ｂは左側の立上がりエッジＥ４Ｌと右側の立下がりエッジＥ４Ｒとを有する。
【００２０】
また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、上述した下地マーク３１Ａおよび３１Ｂにおけるエッジの方向と、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂにおけるエッジの方向とは同じである。さらに、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂにおける立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔と、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂにおける立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔とは等しく、全て長さＸである。
【００２１】
また、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂ、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂは、Ｘ方向の長さＸだけでなく、マークとマークとの間隔Ｘも全て等しい。
なお、図示省略したが、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂ，レジストパターンと、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂ，下地パターンとの間には、加工対象となる材料膜（不図示）が形成されている。この材料膜は、位置ずれ測定装置１０によって測定された位置ずれ量に基づいて重ね合わせ検査後、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂ，レジストパターンの下地マーク３１Ａおよび３１Ｂ，下地パターンに対する重ね合わせ状態が正確な場合に、実際に加工される。
【００２２】
位置ずれ測定装置１０による位置ずれ測定は、詳細は後述するように、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂの位置Ｃ１とレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂの位置Ｃ２との差（位置ずれ量Ｒ）を測定することにより行われる。さらに、このようにして算出された位置ずれ量Ｒと予め定められた設計値とを比較することにより重ね合わせ検査が行われる。
【００２３】
次に、位置ずれ測定装置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、ウエハ１１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。
検査ステージ１２のホルダをＸＹ方向に移動させることにより、ウエハ１１のショット領域（不図示）のうち測定マーク３０が形成された観察領域１１ａ（図２（ａ）参照）を１つずつ順に結像光学系（１８〜２０）の視野領域内に位置決めできる。測定マーク３０は、請求項の「マーク部」に対応する。
【００２４】
照明光学系（１３〜１７）は、光軸Ｏ１に沿って順に配置された光源１３とコンデンサレンズ１４と視野絞り１５と投影レンズ１６とハーフミラー１７とで構成されている。ハーフミラー１７は、光軸Ｏ１に対して略４５°傾けられ、結像光学系（１８〜２０）の光軸Ｏ２上にも配置されている。照明光学系（１３〜１７）の光軸Ｏ１は、結像光学系（１８〜２０）の光軸Ｏ２に垂直である。
【００２５】
結像光学系（１８〜２０）は、光軸Ｏ２に沿って順に配置された第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９と結像レンズ２０とで構成された光学顕微鏡部である。結像光学系（１８〜２０）の光軸Ｏ２は、Ｚ方向に平行である。なお、第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９との間には、照明光学系（１３〜１７）のハーフミラー１７と、後述する焦点検出部（４１〜４８）のハーフミラー４１とが配置されている。
【００２６】
上記の照明光学系（１３〜１７）および結像光学系（１８〜２０）において、光源１３から射出された光は、コンデンサレンズ１４と視野絞り１５と投影レンズ１６を介してハーフミラー１７に導かれ、そこで反射した後（照明光Ｌ１）、結像光学系（１８〜２０）の第１対物レンズ１８を通過して、検査ステージ１２上のウエハ１１に入射する。このとき、視野領域内に位置決めされた１つの観察領域は、照明光Ｌ１により略垂直に照明される。
【００２７】
そして、照明光Ｌ１が照射されたウエハ１１の観察領域からは、測定マーク３０の凹凸構造（立上がりエッジ，立下がりエッジ）に応じて反射光Ｌ２が発生する。この反射光Ｌ２は、第１対物レンズ１８とハーフミラー１７，４１とを介して第２対物レンズ１９に導かれ（光Ｌ３）、第１対物レンズ１８と第２対物レンズ１９の作用によって一次結像される。
【００２８】
さらに、一次結像後の光は、結像レンズ２０の作用によって撮像素子２１の撮像面上に再結像される。このとき、撮像素子２１の撮像面上には、反射光Ｌ２に基づく観察領域１１ａの拡大像（反射像）が形成される。
撮像素子２１は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサ（例えばＣＣＤカメラなどの２次元光電変換素子）であり、撮像面上の拡大像を撮像し、画像信号を画像処理部２２に出力する。画像信号は、複数のサンプル点からなり、撮像素子２１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。
【００２９】
画像処理部２２は、撮像素子２１からの画像信号に基づいて、ウエハ１１の測定マーク３０を含む観察領域１１ａの拡大像を画像として取り込む。そして、画像処理部２２は、観察領域１１ａの画像に基づいて、下地マーク３１とレジストマーク３２とのＸ方向の位置ずれ量Ｒを算出する（詳細は後述する）。
【００３０】
なお、ウエハ１１の各ショット領域には、図２（ａ）および図２（ｂ）で示した測定マーク３０の他に、Ｙ方向の位置ずれ量を測定するための測定マークも形成されている。Ｙ方向の位置ずれ量を測定するための測定マークは、図２（ａ）および図２（ｂ）で示した測定マーク３０をＸＹ平面上で９０°回転させたものである。このような測定マークを用いて測定を行うことにより、下地マーク３１，レジストマーク３２Ｙ方向の位置ずれ量も、Ｘ方向と同じ手順で算出可能である。このため、以下では、「Ｘ方向」に関する説明のみを行い、「Ｙ方向」に関する説明を省略する。
【００３１】
次に、焦点検出部（４１〜４８）について説明する。焦点検出部（４１〜４８）は、検査ステージ１２上のウエハ１１の観察領域が結像光学系（１８〜２０）の撮像素子２１の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを、ナイフエッジ法により検出するものである。
この焦点検出部（４１〜４８）は、光軸Ｏ３に沿って順に配置されたハーフミラー４１とリレーレンズ４２とミラー４３とナイフエッジ４４と結像レンズ４５とシリンドリカルレンズ４６とからなるＡＦ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。ハーフミラー４１は、光軸Ｏ３に対して略４５°傾けられ、結像光学系（１８〜２０）の光軸Ｏ２上にも配置される。光軸Ｏ３は、光軸Ｏ２に垂直である。ナイフエッジ４４は、略瞳位置に配置されている。
【００３２】
ＡＦセンサ４７はラインセンサであり、その撮像面には複数の画素が１次元配列されている（ＡＦ用光電変換素子）。シリンドリカルレンズ４６は、ＡＦセンサ４７の撮像面における画素の配列方向（図１中矢印Ａの方向）に対して垂直な方向の屈折力を持つ。Ａ方向は、計測方向に対応する。
焦点検出部（４１〜４８）において、ハーフミラー４１で反射した光（Ｌ４）は、リレーレンズ４２とミラー４３を介してナイフエッジ４４に入射し、そこで瞳の半分が遮光された後、結像レンズ４５とシリンドリカルレンズ４６を介して、ＡＦセンサ４７の撮像面の近傍に集光される。
【００３３】
このとき、撮像面には、画素の配列方向（Ａ方向）に関してウエハ１１と略共役で、かつ、Ａ方向に垂直な方向に関して略瞳共役なＡＦ像が形成される。そして、ＡＦセンサ４７は、撮像面に形成されたＡＦ像の強度プロファイル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。
信号処理部４８は、ＡＦセンサ４７からの検出信号に基づいて、検査ステージ１２上のウエハ１１の観察領域が合焦状態にあるか否かに応じたフォーカス信号を制御部２３に出力する。
【００３４】
制御部２３は、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して、ホルダ（ウエハ１１）をＸＹ方向に移動させ、ウエハ１１の観察領域を１つずつ順に位置ずれ測定装置１０の視野領域内に位置決めする。そして、焦点検出部（４１〜４８）からのフォーカス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（ウエハ１１）をＺ方向に上下動させる。その結果、ウエハ１１の観察領域を撮像素子２１に対して合焦させることができる（自動焦点合わせ）。
【００３５】
上記の検査ステージ１２，照明光学系（１３〜１７），結像光学系（１８〜２０），撮像素子２１，画像処理部２２は、総じて、請求項の「画像取込手段」に対応する。また、検査ステージ１２，制御部２３は、請求項の「位置決め手段」に対応し、画像処理部２２，制御部２３は、総じて「算出手段」に対応する。また、制御部２３は、請求項の「制御手段」に対応し、焦点検出部（４１〜４８），制御部２３は、請求項の「焦点検出手段」に対応する。
【００３６】
以下、本実施形態の位置ずれ測定装置１０における位置ずれ量Ｒの算出手順について、図３のフローチャートを用いて具体的に説明する。
制御部２３は、ユーザによって位置ずれ量Ｒの測定開始が指示されると、所定の初期設定を行う（ステップＳ１）。
次に、制御部２３は、第１番目の測定マーク３０（測定順序は予め定められているものとする）が形成された観察領域１１ａを、装置の視野領域内の予め定められた第１の観察点に位置決めする（ステップＳ２）。具体的には、制御部２３は、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して検査ステージ１２を移動する。
【００３７】
次に、制御部２３は、観察領域１１ａが第１の観察点に位置決めされているかを判定し（ステップＳ３）、位置決めされていない場合（ステップＳ３ＮＯ）には、ステップＳ２に戻り、検査ステージ１２を再び移動する。
そして、位置決めされている場合（ステップＳ３ＹＥＳ）には、  制御部２３は、自動焦点合わせを行う（ステップＳ４）。すなわち、制御部２３は、焦点検出部（４１〜４８）を制御して焦点検出を行う。そして、焦点検出結果に基づいて検査ステージ１２のＺ駆動部を制御し、ウエハ１１をＺ方向に上下動させる。
【００３８】
制御部２３は、合焦するまで（ステップＳ５ＹＥＳ）自動焦点合わせを行う。次に、制御部２３は、検査ステージ１２のＺ駆動部を固定する（ステップＳ６）。検査ステージ１２のＺ駆動部が固定されると、後述する第２の観察点での画像の取り込みまで、合焦時（ステップＳ５ＹＥＳ）と同じ条件が維持される（詳細は後述する）。
【００３９】
そして、制御部２３は、第１の観察点で観察領域１１ａの画像を、画像処理部２２を制御して取り込ませる（ステップＳ７）。制御部２３は、取り込ませた画像を制御部２３内のメモリに記憶する。さらに、制御部２３は、取り込ませた画像に基づいてマークの各エッジの位置を抽出することによりエッジの位置を測定し、取り込ませた画像とともにメモリに記憶する。
【００４０】
図４（ａ）は、第１の観察点に位置決めされた観察領域１１ａ示す図であり、図４（ｂ）は後述する第２の観察点に位置決めされた観察領域１１ａ示す図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）の外枠は、位置ずれ測定装置１０の視野領域を示す。また、図４（ａ）と図４（ｂ）との間に記された記号ａ〜ｈは、視野領域内のＸ方向の位置を示し、ａとｂ，ｂとｃ，ｃとｄ，ｄとｅ，ｅとｆ，ｆとｇ，ｇとｈとのそれぞれの間隔は長さＸである。実際には、結像光学系（１８〜２０）による倍率が掛かるため、図４（ａ）中の長さＸはＸとは異なる値になるが、以下では、説明を簡単にするため、長さをＸとして説明を行う。
【００４１】
第１の観察点４０は、図４（ａ）に示す位置に予め定められている。そして、この第１の観察点４０に、観察領域１１ａの基準点である下地マーク３１Ａの左上角が位置決めされている。また、各マークの上端は、視野領域の上端から長さｙの位置に配置されている。
図５は第１の観察点および第２の観察点での測定内容を示す図である。図中の視野領域内のＸ方向の位置ａ〜ｈは、図４中の位置ａ〜ｈと対応する。また、図中の測定結果ａ１〜ｈ１，ｂ２〜ｈ２は、それぞれの観察点でのエッジの位置を示す値である。第２の観察点については後述する。
【００４２】
次に、制御部２３は、ステップＳ２〜ステップＳ７で行った測定が１回目の測定であるか否かを判定する（ステップＳ８）。
そして、制御部２３は、１回目の測定である場合（ステップＳ８ＹＥＳ）には、測定マーク３０が形成された観察領域１１ａを、装置の視野領域内の予め定められた第２の観察点に位置決めする（ステップＳ９）。具体的には、ステップＳ２と同様に、検査ステージ１２のＸＹ駆動部を制御して検査ステージ１２を移動する。
【００４３】
第２の観察点４１は、図４（ｂ）に示す位置に予め定められている。そして、この観察点４１に、観察領域１１ａの基準点である下地マーク３１Ａの左上角が位置決めされている。第２の観察点４１は、第１の観察点４０からＸ方向にエッジの間隔に対応する距離（長さＸ）だけ離れた位置に予め定められている。したがって、下地マーク３１Ａの左側のエッジＥ１Ｌが位置ａ（図４（ａ）参照）から位置ｂに移動される（すなわち、Ｘ方向に長さＸだけ移動される）。ただし、各マークの上端は、第１の観察点と同様に、視野領域の上端から長さｙの位置に配置される。すなわち、Ｙ方向の位置を保ったまま、Ｘ方向にのみ移動される。
【００４４】
ここで、第１の観察点と第２の観察点での測定マーク３０を比較する。例えば、視野領域内のＸ方向の位置ｂに着目すると、第１の観察点では、位置ｂには下地マーク３１Ａの右側のエッジＥ１Ｒ（立下がりエッジ）が配置されている。一方、第２の観察点では、位置ｂには下地マーク３１Ａの左側のエッジＥ１Ｌ（立上がりエッジ）が配置されている。エッジＥ１ＬとエッジＥ１Ｒとは、図２（ｂ）にも示すように、マークの凹凸構造（立上がりエッジ，立下がりエッジ）が逆である。これは、視野領域内のＸ方向の位置ｂ〜ｈについても同様である。
【００４５】
そして、制御部２３は、第２の観察点で観察領域１１ａの画像を、画像処理部２２を制御して取り込ませる（ステップＳ１０）。制御部２３は、取り込ませた画像を制御部２３内のメモリに記憶する。さらに、制御部２３は、取り込ませた画像に基づいてマークの各エッジの位置を抽出することによりエッジの位置を測定し、取り込ませた画像とともにメモリに記憶する。
【００４６】
なお、撮像時には、検査ステージ１２は、ステップＳ５の合焦状態と同じＺ位置に固定されている。そのため、ステップＳ７における第１の観察点での画像の取り込みおよびエッジの位置の測定とステップＳ１０における第２の観察点での画像の取り込みおよびエッジの位置の測定とは略同一の合焦状態で行われることになる。
【００４７】
次に、制御部２３は、ステップＳ７およびステップＳ１０でメモリに記憶した各エッジの位置（第１の観察点での各エッジの位置と第２の観察点での各エッジの位置）に基づいて、測定マーク３０の位置ずれ量Ｒを算出する（ステップＳ１１）。
制御部２３は、図５に示す第１の観察点および第２の観察点での各エッジの位置をもとに、以下の式に従って、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂの位置Ｃ１とレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂの位置Ｃ２とを算出する。
【００４８】
Ｃ１＝（ｂ１＋ｂ２＋ｃ１＋ｃ２＋ｄ１＋ｄ２）÷６  ・・・式１
Ｃ２＝（ｆ１＋ｆ２＋ｇ１＋ｇ２＋ｈ１＋ｈ２）÷６  ・・・式２
このように、第１の観察点および第２の観察点の２カ所で測定を行い、平均の値をとることにより、結像光学系（１８〜２０）に特有の歪みの影響を受けずに位置ずれ量Ｒの測定を行うことができる。これは、前述した第１の観察点および第２の観察点で画像の取り込みを行うことにより、視野領域内の同じ位置に、凹凸構造（立上がりエッジ，立下がりエッジ）が逆になるようにマークを配置して測定を行うことになるので、歪みが逆方向に発生し、これらを平均することにより歪みを相殺できるためと考えられる。
【００４９】
そして、制御部２３は、全ての測定マーク３０について測定が終了したか否かを判定し（ステップＳ１２）、全ての測定マーク３０について測定が終了する（ステップＳ１２ＹＥＳ）まで、ステップＳ２〜ステップＳ１１の処理を繰り返す。
なお、全ての測定マーク３０について測定が終了していない（ステップＳ１２ＮＯ）場合、制御部２３は、次の測定順序の測定マーク３０を測定対象とし、ステップＳ２以降の処理を行う。
【００５０】
また、ステップＳ８において、２回目以降の測定であると判定されると（ステップＳ８ＮＯ）、制御部２３は、ステップＳ９およびステップＳ１０で説明した第２の観察点での画像の取り込みを省略する。そして、ステップＳ１１において位置ずれ量Ｒを算出する際には、１回目の測定で得た第２の観察点でのデータ（図５ｂ２〜ｈ２）を用いて位置ずれ量Ｒを算出する。これは、ウエハ１１に形成された複数の測定マーク３０は略同一の構造であるので、それぞれの測定マーク３０から発生する歪みもほぼ同一であると考えられるためである。そのため、第２の観察点での測定は１度だけ行い、そのデータを全ての測定マーク３０に対して用いることができる。このように算出を行うことにより、全体の測定時間を短縮することができる。
【００５１】
そして、全ての測定マーク３０について測定が終了すると（ステップＳ１２ＹＥＳ）一連の処理を終了する。
重ね合わせ検査においては、制御部２３は、算出した位置ずれ量Ｒと予め定められた設計値との比較を行う。前述したように位置ずれ量Ｒは結像光学系（１８〜２０）に特有の歪みの影響を受けずに正確に測定されるため、測定精度の高い位置ずれ測定を行うことができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、装置の視野領域内で立上がりエッジと立下がりエッジとの間隔に対応する距離だけ離れた第１の観察点および第２の観察点に測定マーク３０（マーク部）を順次位置決めし、それぞれの観察点で撮像素子２１により画像を取り込ませる。特に、測定マーク３０は、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂとレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂとを含み、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂがそれぞれ一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、レジストマーク３２Ａおよび３２Ｂがそれぞれ一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂとレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂとのエッジの方向が同じで、立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔がそれぞれ等しいマークである。
【００５３】
そして、第１の観察点で取り込まれた画像と第２の観察点で取り込まれた画像とに基づいて、位置ずれ量を算出することにより、結像光学系（１８〜２０）に特有の歪みの影響を受けずに、測定精度の高い位置ずれ測定を行うことができる。
また、本実施形態によれば、測定マーク３０が形成された観察領域１１ａが第１の観察点に位置決めされると焦点合わせを行い、第２の観察点での取り込みまで、第１の観察点における焦点合わせの結果と同じ条件が維持されるため、第１の観察点と第２の観察点では、略同一の合焦状態で画像の取り込みが行われることになる。一般に、合焦状態が変化すると、撮像素子２１を介して観察される位置ずれも変化してしまうことが知られているが、本実施形態によれば、略同一の合焦状態で撮像が行われるため、このような問題を回避することができる。
【００５４】
なお、本実施形態では、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した測定マーク３０を用いて位置ずれ測定を行う例を示したが、下地マークおよびレジストマークがそれぞれ少なくとも一対の立上がりエッジと立下がりエッジとを有し、下地マークおよびレジストマークにおける立上がりエッジおよび立下がりエッジの方向が同じで、立上がりエッジおよび立下がりエッジの間隔がそれぞれ等しければ、どのようなマークであっても良い。
【００５５】
例えば、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す測定マークを用いるようにしても良い。この測定マークは、図６（ａ）に示すように、下地マーク３３Ａ，３３Ｂ，３５Ａ，３５Ｂとレジストマーク３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂとで構成される。各マークは大きさが等しい矩形である。そして、図６（ａ）に示す第１の観察点に測定マークを位置決めして測定を行ってから、図６（ｂ）に示す第２の観察点に測定マークを位置決めして測定を行う。第２の観察点は、第１の観察点からＸ方向にもＹ方向にも長さＸ移動した位置である。そして、下地マーク３３Ａおよび３３Ｂに基づく位置とレジストマーク３４Ａおよび３４Ｂに基づく位置とからＸ方向の位置ずれ量を測定し、下地マーク３５Ａおよび３５Ｂに基づく位置とレジストマーク３６Ａおよび３６Ｂに基づく位置とからＹ方向の位置ずれ量を測定することができる。なお、前述した各位置を求める際には、第１の観察点と第２の観察点とで重なる部分（図６（ｂ）の太線部分）のみを算出対象とすることで結像光学系に特有の歪みの影響を排除することができる。
【００５６】
すなわち、このような測定マークを用いることにより、Ｘ方向とＹ方向とのずれ量を同時に測定することができる。また、このような測定マークでは、ウエハ１１が傾いて配置された場合にも、傾きによる歪みがＸ方向とＹ方向に同様に発生するため、精度の高い位置ずれ測定を行うことができる。
また、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示す測定マークを用いるようにしても良い。この測定マークは、図７（ａ）に示すように、ｂｏｘ  ｉｎ  ｂｏｘマークであり、凹凸構造の異なる２種類のマーク（実線で示すＡ，破線で示すＢ）がＸ方向とＹ方向とに並列に配置される。図７（ｃ）は図７（ａ）中のマークＡの断面図であり、図７（ｄ）は図７（ａ）中のマークＢの断面図である。
【００５７】
図７（ａ）および図７（ｃ）に示すように、マークＡは、外側マークとその内側に形成された内側マークとを有する。そして、外側マークおよび内側マークは、Ｘ方向、Ｙ方向に関して、それぞれ一対の立上がりエッジおよび立下がりエッジを有する。マークＢについても同様であり、マークＡおよびマークＢの外側マークおよび内側マークは大きさがそれぞれ等しい。また、マークＢは、図７（ｄ）に示すように、外側マークおよび内側マークの凹凸構造（立上がりエッジ，立下がりエッジ）がマークＡと逆である。すなわち、マークＡの外側マークは凹状に形成され、マークＢの外側マークは凸状に形成されている。また、マークＡの内側マークは凸状に形成され、マークＢの内側マークは凹状に形成されている。マークＡは請求項の「第１の凹凸マーク部」に対応し、マークＢは請求項の「第２の凹凸マーク部」に対応する。
【００５８】
そして、図７（ａ）に示す第１の観察点に測定マークを位置決めして測定を行ってから、図７（ｂ）に示す第２の観察点に同じ測定マークを位置決めして測定を行う。第２の観察点は、第１の観察点からＸ方向にのみマーク１つ分移動した位置である。そして、外側マークの中心位置と内側マークの中心位置とに基づいてＸ方向の位置ずれ量およびＹ方向の位置ずれ量を同時に測定することができる。
【００５９】
また、本実施形態で用いた測定マーク３０および上述した複数種類のマークを組み合わせて用いるようにしても良い。
また、本実施形態では、第１の位置および第２の位置に順次位置決めをして測定を行う例を示したが、さらに他の位置に位置決めをして測定を行うようにしても良い。例えば、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した測定マーク３０では、下地マーク３１Ａおよび３１Ｂとレジストマーク３２Ａおよび３２Ｂとは、マークの幅が全て等しい（長さＸ）例を示したが、下地マークとレジストマークとの幅は必ずしも同じでなくても良い。このような場合、第１の観察点に位置決めして測定を行った後、下地マークの幅の分だけ移動した第２の観察点に位置決めして測定を行い、さらに、第１の観察点からレジストマークの幅の分だけ移動した第３の観察点に位置決めして測定を行うようにすれば良い。
【００６０】
また、本実施形態の位置ずれ測定装置１０を重ね合わせ測定装置に適用しても良い。本実施形態の位置ずれ測定装置１０によれば、精度の高い位置ずれ測定を行うことが可能であるので、精度の高い重ね合わせ検査を行うことができる。
また、上記した実施形態では、位置ずれ測定装置１０内の画像処理部２２および制御部２３により、位置ずれ量Ｒの算出処理などを行ったが、位置ずれ測定装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、測定精度の高い位置ずれ測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置ずれ測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】測定マーク３０を説明する図である。
【図３】位置ずれ測定装置１０における測定手順を示すフローチャートである。
【図４】第１の観察点および第２の観察点に位置決めされた観察領域１１ａ示す図である。
【図５】各観察点での測定内容の例を示す図である。
【図６】別の形態の測定マークを説明する図である。
【図７】別の形態の測定マークを説明する図である。
【符号の説明】
１０  位置ずれ測定装置
１１  ウエハ
１２  検査ステージ
１３  光源
１４  コンデンサレンズ
１５  視野絞り
１６  投影レンズ
１７，４１  ハーフミラー
１８  第１対物レンズ
１９  第２対物レンズ
２０  結像レンズ
２１  撮像素子
２２  画像処理部
２３  制御部
３０  測定マーク
【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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