(57)【要約】【課題】迅速かつ高精度にマスクとワークの位置合せを行う。【解決手段】マスクマーク（Ｍ１）を有するマスク（５０）と、合わせマーク（Ｗ１）を有する被処理対象のワーク（４０）と、マスクとワークとを隙間を介して対向させると共に、相互の相対的な位置関係を設定する駆動系と、マスクマークとこのマークの開口内に露出するワークの合わせマークとを斜め方向から結像光学系を用いて検出する検出器（２０３）と、検出されたマスクマークと開口内のワーク上に投影されるマスクマークの虚像とに基づきワーク上の結像光学系の合焦位置を求め、合焦位置のデータに基づいてワークの位置合わせマークを読取るべきマスクマークの開口内の検出領域（Ｚ）を設定し、該検出領域で検出されたワークの合わせマークとマスクマークの合わせ基準位置（ｍｓ）との差に基づいて上記駆動系を制御する（２０５）。【選択図】    図４
2005005402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に開口された所定のパターンを担うマスクパターンと位置合わせ用のマスクマークとを有するマスクと、
位置合わせ用の合わせマークが形成された被処理対象のワークと、
前記マスクと前記ワークとを微小隙間を介して対向させると共に、相互の相対的な位置関係を設定する駆動系と、
前記マスクのマスクマークとこのマークの開口内に露出する前記ワークの合わせマークとを前記マスクに対して斜め方向から結像光学系を用いて検出する検出器と、
検出された前記マスクマークと前記開口内のワーク上に投影される前記マスクマークの虚像とに基づき前記ワーク上の前記結像光学系の合焦位置を求める演算部と、
前記合焦位置のデータに基づき、前記ワークの位置合わせマークを読取るべき前記マスクのマスクマークの開口内の検出領域を設定する検出領域設定手段と、
前記検出領域におけるマスクマークの合わせ基準位置と前記ワークの合わせマークとの差に基づいて前記駆動系を制御する制御手段と、
を備える位置合わせ装置。
【請求項２】
前記駆動系は前記検出器及び前記マスクに対して前記ワークを相対的に移動し、
前記結像光学系はその光軸と直交する合焦面を前記マスク上に予め設定されたマスク検出ライン上に設定し、
前記ワークの合わせマークの像は前記結像光学系の結像面上において前記開口の像内に位置するようになされ、
前記演算部は前記結像面上における前記マスクマークの像と前記開口の像内の前記マスクマークの虚像との距離Ａ及び結像光学系の光軸のマスクに対する入射角αに基づき、前記マスク検出ラインからの前記ワーク上の前記結像光学系の合焦位置ｌをＡ／２ｓｉｎ２αにて求め、
前記検出領域設定手段は前記合焦位置ｌを含む小領域を前記ワークの位置合わせマークの検出領域として設定する、
請求項１記載の位置合わせ装置。
【請求項３】
前記マスクのマスクマークは前記マスク検出ラインと直交する方向において、前記マスク検出ラインとの距離が連続的に変化する補助ラインを更に有し、
前記演算部は、前記結像面上における前記マスクマークの像と前記開口の像内の前記マスクマークの虚像との距離Ａ及び結像光学系の光軸のマスクに対する入射角αに基づき、前記マスク検出ラインからの前記ワーク上の前記結像光学系の合焦位置ｌをＡ／２ｓｉｎ２αにて求め、更に、前記マスク検出ラインから２・ｌ離れた位置で前記補助ラインの虚像と交差し、かつ前記マスク検出ラインに略直交する方向に存在するギャップ検出ラインに沿って、前記マスク検出ラインの像から前記補助ラインの虚像までの距離Ｂから前記マスクと前記ワークの隙間を求める、
請求項２記載の位置合わせ装置。
【請求項４】
前記マスクマークは前記開口部のエッジ又は前記開口部を横切って形成されたマスク検出ラインと、
前記開口部を斜行する補助ラインとを含む、
請求項３記載の位置合わせ装置。
【請求項５】
前記補助ラインの斜行範囲Ｈは前記マスクと前記ワーク間の隙間の変動幅Δ２に対して、Ｈ＝２Δ２／ｔａｎα以上の大きさとなるように形成される、請求項４記載の位置合わせ装置。
【請求項６】
被処理対象となるワークとの位置を合わせるために開口部によって基板に形成された位置合わせマークを含むマスクであって、
前記位置合わせマークは、前記開口部のエッジ又は該開口部を横切る直線部と、該開口部を斜行する補助直線部とを含み、
前記補助直線部の斜行範囲がこのマスクと前記ワーク間に設定されるべき隙間の大きさに対応して設定される、マスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体装置の製造工程における被処理基板とマスクとを微小間隔を介して対向させた状態でパターン露光やイオン注入などを行う際に、被処理基板とマスクとの位置合わせを行う位置合せ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マスクを用いて基板にパターンを露光したり、部分的にイオン注入を行ったりする場合には、基板とマスクとの位置合せが不可欠である。このようなマスクと基板との位置合せを行う一方法として、カメラと画像処理系とを組み合わせたものがある。これは、基板に位置合せ用に形成されたアライメントマークとマスクに位置合せ用に形成されたマスクマーク（例えば、窓）とをカメラでそれぞれ観測し、読み取った画像を画像処理して位置ずれを検出し、この検出結果に基づいて基板とマスクの各マークが所定の位置関係となるように基板とマスクとを相対的に移動して位置合せを行うものである。
【０００３】
この検出に際し、基板のアライメントマークをマスクに対して垂直な方向から観測する場合と、斜め方向から観測する場合とがあるが、前者は観測のためのカメラの光学系が露光領域（あるいは被処理領域）に入り込むので、露光やイオン注入の際には光学系を待避させることが必要となる。後者はマスク面に対して光軸が斜めになるようにカメラの光学系を配置することができるので、該光学系が露光光を遮らないように配置することが可能となる。このため、露光中に光学系（カメラ）を待避させる必要がなく、露光中もアライメントマークを観測することができる。
【０００４】
特開２０００−３５６５１１号公報に記載のマスクとウエハの間隔の測定方法には、マスクと基板のそれぞれに複数配列されたマーク群からなるパターンを形成し、それぞれの最もピントの合っているもの同士の距離を求め、この距離に基づいてマスクと基板間の隙間を求める例が示されている。また、マスク側にのみ複数配列されたマーク群を形成し、マスク上のパターンでのベストフォーカス状態の光学系の位置と、ウエハ面で反射した当該マスクパターンの虚像のベストフォーカス状態の光学系の位置との距離に基づき、隙間を求める方法が記載されている。しかし、複雑な検出用のマーク群を形成する必要がある。パターンマッチングの手法を用いるので処理にある程度の時間を要する。光学系を移動する場合には更に時間がかかることが考えられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５６５１１号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、精度良くマークの位置を検出するためには検出マークを出来るだけ焦点の合っている状態で検出することが望ましい。
【０００６】
しかし、基準となるマスクのマークとこれに対応する基板側のマークとをマスクと基板との位置関係によらず、同時に合焦状態として隙間測定のための検出を迅速に行うことは困難である。
【０００７】
また、隙間の違いにより基板側アライメントマークの合焦位置も変化する。すなわち、予め定めた一定の検出ラインでの測定では合焦位置に当該マークが位置していない場合には測定精度が低下する。カメラ視野全域の中から合焦状態の位置（ベストフォーカス位置）を探すのでは、焦点を合わせ直すのと同様、時間が掛かる。
【０００８】
また、隙間（ギャップ）の測定の高精度化に限界がある。例えば、精度１μｍ程度の、通常の近接露光、あるいはイオン注入ではギャップ値の精度としてこの程度で十分あるが、より高精度のギャップ精度の要求、例えば、０．１μｍの要求がなされている。このためには、カメラの結像光学系の焦点をその都度正確に合わせる必要が生じるが、焦点を合わせ直すのでは時間も掛かる。
【０００９】
よって、本発明は、迅速かつ高精度にマスクとウエハの位置合せを可能とする位置合わせ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、マスクとウエハの隙間を簡単な構成で、より高精度に設定することを可能とする位置合わせ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の位置合わせ装置は、基板に開口された所定のパターンを担うマスクパターンと位置合わせ用のマスクマークとを有するマスクと、位置合わせ用の合わせマークが形成された被処理対象のワークと、上記マスクと上記ワークとを隙間を介して対向させると共に、相互の相対的な位置関係を設定する駆動系と、上記マスクのマスクマークとこのマークの開口内に露出する上記ワークの合わせマークとを上記マスクに対して斜め方向から結像光学系を用いて検出する検出器と、検出された上記マスクマークと上記開口内のワーク上に投影される上記マスクマークの虚像とに基づき上記ワーク上の上記結像光学系の合焦位置を求める演算部と、上記合焦位置のデータに基づき、上記ワークの位置合わせマークを読取るべき上記マスクのマスクマークの開口内の検出領域を設定する検出領域設定手段と、上記検出領域におけるマスクマークの合わせ基準位置と上記ワークの合わせマークとの差に基づいて上記駆動系を制御する制御手段と、を備える。
【００１２】
かかる構成とすることによって、オートフォーカス機構を使用せずにワーク側のマークをベストフォーカスで検出することが可能となり、しかも検出領域を設定することによってデータ処理量を減らすことができるのでより迅速に検出することが可能となる。
【００１３】
好ましくは、上記駆動系は上記検出器及び上記マスクに対して上記ワークを相対的に移動し、上記結像光学系はその光軸と直交する合焦面を上記マスク上に予め設定されたマスク検出ライン上に設定し、上記ワークの合わせマークの像は上記結像光学系の結像面上において上記開口の像内に位置するようになされ、上記演算部は上記結像面上における上記マスクマークの像と上記開口の像内の上記マスクマークの虚像との距離Ａ及び結像光学系の光軸のマスクに対する入射角αに基づき、上記マスク検出ラインからの上記ワーク上の上記結像光学系の合焦位置ｌをＡ／２ｓｉｎ２αにて求め、上記検出領域設定手段は上記合焦位置ｌを含む小領域を上記ワークの位置合わせマークの検出領域として設定する。
【００１４】
かかる構成とすることによって、より簡単にアライメントの検出を行うことが可能となる。
【００１５】
好ましくは、上記マスクのマスクマークは上記マスク検出ラインと直交する方向において上記マスク検出ラインとの距離が連続的に変化する補助ラインを更に有し、上記演算部は上記結像面上における上記マスクマークの像と上記開口の像内の上記マスクマークの虚像との距離Ａ及び結像光学系光軸の上記マスクに対する入射角αに基づき、上記マスク検出ラインからの上記ワーク上の上記結像光学系の合焦位置ｌをＡ／２ｓｉｎ２αにて求め、更に、上記マスク検出ラインから２ｌ離れた位置で上記補助ラインの虚像と交差し、かつ上記マスク検出ラインに略直交する方向に存在するギャップ検出ラインに沿って、上記マスク検出ラインの像から上記補助ラインの虚像までの距離Ｂから上記マスクと上記ワークの隙間を求める。
【００１６】
かかる構成とすることによって、マスクとワーク相互間の隙間の検出精度をより高精度に行うことが可能となる。
【００１７】
好ましくは、上記マスクマークは上記開口部のエッジ又は上記開口部を横切って形成されたマスク検出ラインと、上記開口部を斜行する補助ラインとを含む。
【００１８】
かかる構成とすることによって、補助ラインの虚像上のいずれかの位置に結像系のベストフォーカス面を存在させることが可能となる。
【００１９】
例えば、上記補助ラインの斜行範囲Ｈは、上記マスクと上記ワーク間の隙間の変動幅Δ２に対して、Ｈ＝２Δ２／ｔａｎα以上の大きさとなるように形成される。
【００２０】
また、本発明のマスクは、被処理対象となるワークとの位置を合わせるために開口部によって基板に形成された位置合わせマークを含むマスクにおいて、上記位置合わせマークは、上記開口部のエッジ又は該開口部を横切る直線部と、該開口部を斜行する補助直線部とを含み、上記補助直線部の斜行範囲がこのマスクと上記ワーク間に設定されるべき隙間の大きさ（寸法）に対応して設定される。
【００２１】
かかる構成とすることによって、マスクとワーク間の隙間をより正確に検出することが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の位置合わせ調整装置が使用された露光装置２０の例を示している。露光装置２０は、被処理基板であるワークとしてのウエハ４０を載置するウエハステージ１００、マスク５０を静電力で保持する静電チャック２０２、ウエハ４０のウエハマークやマスクマークをＣＣＤカメラ、照明光源等によって観測する複数の測定ユニット２０３、露光光線を発生する露光光発生部２０４、ウエハ４０とマスク５０間のギャップ調整、傾き調整、アライメント調整などの位置合わせや露光の制御を行う制御部２０５等を含んで構成される。
【００２４】
ウエハステージ１００は、ウエハ４０を吸着する静電チャックを備えたウエハ微調整ステージ１０１と、ウエハ微調整ステージ１０１を図示のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸周りに、例えば、圧電素子などの微動アクチュエータによって微動するアライメント調整用駆動機構１０２と、ウエハ微調整ステージ１０１をＺ軸方向、Ｘ軸周り、Ｙ軸周りに、例えば、圧電素子などの微動アクチュエータによって微動するギャップ調整用駆動機構１０３と、アライメント調整用駆動機構１０２とギャップ調整用駆動機構１０３とを介してウエハ微調整ステージ１０１を支持するウエハステージ本体１０４と、ウエハステージ本体１０４のＸ軸方向及びＹ軸方向のステップ送りとＺ軸方向の位置の粗調整とを行うステージ送り機構１０５と、を備えている。
【００２５】
ウエハステージ１００は、図示のＸ軸及びＹ軸方向におけるステップ送りと、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向への微調整と各軸周りの微調整、Ｚ軸方向での粗調整が可能なウエハの載置台であり、制御部２０５によって駆動されて、ウエハ４０とマスク５０との相対的な位置を決定する。
【００２６】
制御部２０５は、例えば、図１４に示されるように、制御プログラムを実行してウエハ４０とマスク５０相互間の位置合せを行うＣＰＵ２０５ａ、プログラムやデータを一時的に記憶する大記憶容量のＲＡＭ２０５ｂ、プログラムやデータテーブルなどを記憶するＲＯＭ２０５ｃ、入力される指令やＣＣＤカメラＣの画像出力をデータ化して画像フレームのデータとしてＲＡＭ０２５ｂに転送する入力インタフェース２０５ｄ、ステージ１００の各駆動要素を駆動する出力インタフェース２０５ｅ、図示しない、指令を入力するキーボード、情報を表示する表示装置、ハードディスクなどの大容量の外部記憶装置、制御装置２０５を工場のネットワーク等に接続する通信インタフェース等を備えている。
【００２７】
図２は、マスク５０上の測定ユニット２０３の配置例を図示のＸＹ平面にて示している。マスク５０は、例えば、ウエハを加工して形成したステンシルマスクであり、外形（図示せず）が円形状で相対的に厚手の周縁部５１、この内側の領域の相対的に薄手のメンブレン部５２、中央部のマスクパターン部５３、マスクパターン部５３の周囲のウエハのウエハマークＷ１乃至Ｗ３に対応する位置に貫通孔でそれぞれ形成されたマスクマークＭ１乃至Ｍ３、周縁部５１に形成されたプリアライメント用の切欠き及びプロセス室での粗調整用のグローバルアライメントマーク（図示せず）等を有している。マスク５０は、例えば、シリコンウエハを基板とするものであり、直径４インチ、周縁部５１の厚さ０．５ｍｍ、この中央領域のメンブレン部５２の厚さ１０μｍである。
【００２８】
この例では、ウエハマークＷ１とマスクマークＭ１を観測する第１の観測光学系（カメラＣ１、照明光源Ｌ１）、ウエハマークＷ２とマスクマークＭ２を観測する第２の観測光学系（カメラＣ２、照明光源Ｌ２）、ウエハマークＷ３とマスクマークＭ３を観測する第３の観測光学系（カメラＣ３、照明光源Ｌ３）を備えている。照明光源としてはハロゲンランプやＬＥＤ等が使用可能である。カメラとしてはＣＣＤカメラ等が使用可能である。配置例は図示の態様に限られず、３箇所以上に配置しても良い。
【００２９】
図３は、ウエハ４０、マスク５０及び測定ユニット２０３のカメラＣの垂直面（ＹＺ平面）内における配置例を示している。例えば、カメラＣ１はマスク５０又はウエハ４０の上面の法線方向に対して角度αで斜め上方向からマスク５０のマスクマークＭ１及びウエハマークＷ１を観測する。カメラＣ１は、例えば、結像光学系とＣＣＤとによって構成されている。他の測定ユニット２０３も同様に構成される。
【００３０】
制御部２０５はマスク５０に設けられた図示しないグローバルアライメント調整用マークを観測し、位置合わせ機構を制御してウエハ４０の位置を粗調整し、更にウエハ４０上の所定の基準を用いてステージの位置を粗調整し、ウエハ４０のウエハマークＷ１がマスクマークＭ１内に位置するように調整する。更に、後述するように、制御部２０５はカメラＣ１によってマスク基板に開口されたマスクマークＭ１と、この開口部内に露出するウエハマークＷ１とを同時に観測し、マスクマークＭ１の開口部中央にウエハ４０のウエハマークＷ１が存在するようにステージ２０１を微調整する。
【００３１】
（第１の実施例）
第１のマスクマークを用いた例について図４乃至図８を参照して説明する。先にマスクマークを使用したウエハ４０とマスク５０の位置ズレの検出について説明し、その後に位置合わせ装置の動作について説明する。
【００３２】
図４及び図５は、ウエハ４０のアライメントマーク（あるいはウェハマークと称する）Ｗ１、マスク５０のマスクマークＭ１の観察画像から位置合せ情報を取得する例を説明する説明図である。図４はカメラで観察される結像面（ＵＶ面）における画像、図５は図４に示すマスク５０及びウエハ４０の例をＺＹ面（図３参照）における断面で示している。前述したマスクマークＭ２、Ｍ３、ウエハのアライメントマークＷ２，Ｗ３も同様に構成することができる。
【００３３】
尚、図５において、合焦面（ベストフォーカス面）と結像面で像は等倍として示しているが、実際は結像面において像は所定の光学系により所定の倍率で拡大されている。しかし、便宜上、以下は等倍の図で説明する。このことは、後の図１０、図１２の場合も同様である。
【００３４】
この実施例では、図４及び図５に示すように、マスクマークＭ１をマスク基板５０への四角形の開口によって形成している。制御部２０５によって予めなされた粗調整によってマスクマークＭ１の開口内にウエハのアライメントマークＷ１が図示しないカメラＣ１に見えている。ウエハ４０は、パターン部以外の母材の部分はＳｉ（シリコン）で形成されており、その表面に入射した光はほぼ全反射するのに対し、本実施例のウエハのアライメントマークＷ１の部分は表面から所定深さに渡り、ＳｉＯ２で形成されている。そのため、ウエハのアライメントマークＷ１の部分はその周りに比べて暗くなる。尚、これとは逆に、ウエハのアライメントマークＷ１の部分をＳｉとし、それ以外の、マスクマークＭ１の開口に臨む部分の表面をＳｉＯ２で形成するようにする等、要するにウェハのアライメントマークＷ１の部分とその周りの部分とを区別して検出可能であればよく、本実施例に限定されるものではない。マスクマークＭ１はマスク基板に形成されたメインの四角形の開口とその両側にそれぞれ形成されたサブの長方形の開口によって形成されている。開口部上縁のエッジ部にラインｍ１が、メインの開口とサブの開口間にラインｍ２及びｍ３が形成されている。また、開口部上縁のエッジ部（ラインｍ１）からＹ軸方向の開口側に所定距離だけ離間した位置にマスク検出ラインｍ０が想定される。ここで、ラインｍ２及びｍ３の両側を開口としたのは、カメラＣ１によるラインの読取り画像をより鮮明にしてライン位置を検出するためである。
【００３５】
すなわち、図６に示すエッジ部のカメラの画像読取り特性に示すように、当該ラインをマスクの片側のエッジで形成した場合には、読取り画像のエッジ部を光強度特性が変化する傾斜部分で検出することになるのに対し、ラインの両側を開口して両側エッジとした場合には、光強度特性のパルス状のピーク部分での検出となりライン位置検出をより正確に行うことが可能となる。
【００３６】
予め観察画像上でマスクマークＭ１の上部エッジのラインｍ１に略平行に且つ結像光学系の略合焦面上に位置するように予め設定されたマスク検出ラインｍ０に沿って、画像処理によってラインｍ２及びｍ３の位置が判別される。両ラインｍ２及びｍ３の所定の中間位置にウエハマークＷ１のずれ検出基準としてラインｍＳを想定する。
【００３７】
図４に示すように、マスク５０のマスクマークＭ１の開口部内には、図示しない光源からの照明によってエッジｍ１の虚像ｍ１’がウエハ４０上に映っている。ラインｍ２及びｍ３のラインに略平行に観察画像上に設定されるギャップ検出ラインＧに沿って測定されるエッジｍ１からこのエッジの虚像ｍ１’までの距離は図４中にＡと示されている。ここで、「略」としているのは、Ｕ軸、Ｖ軸をカメラＣを基準に取った場合、マスクマークＭ１の向きが、例えばラインｍ２、ｍ３が厳密にＶ軸と平行になっているとは限らないためである。以下、「略」という文字を省く場合もあるが、同様に必ずしも厳密に平行あるいは直交を意味しない場合があることを断っておく。
【００３８】
図５に示されるように、ウエハ４０及びマスク５０相互間の間隙をδ、カメラの結像光学系の光軸方向とマスク面の法線とのなす角度（入射角）をα、マスク５０の検出ラインｍ０上にカメラの合焦面（ベストフォーカス面）を合わせた場合の、マスク検出ラインｍ０からウエハ面とベストフォーカス面との交差線（ベストフォーカスライン）Ｖ１までの距離をｌとすると、間隙δは、δ＝Ａ／２ｓｉｎα、として求められる。従って、エッジｍ１の虚像の距離Ａを観測することによって間隙δを算出し、ステージ１００を調整して間隙δを規定値に調整することができる。また、ベストフォーカスラインＶ１が存在する位置ｌは、ｌ＝δ／ｓｉｎα＝Ａ／２ｓｉｎ２α、として求められる。ここで、入射角αを３０度とすると、δ＝Ａ、ｌ＝２Ａ、となって計算が簡単になって都合がよい。尚、実際に得られるδは、測定原理上、マスク５０上面からウエハ４０表面までの距離となるので、正確な隙間の大きさは別途得られるマスク５０の厚みを差し引いて求められる。
【００３９】
図７は、他のカメラの画像の読取り特性を説明する説明図であり、同図（ａ）は、図４に示すギャップ検出ラインＧに沿って読取り画像の光強度分布を示したグラフである。虚像（影）の部分が周りに比べて暗いため、光強度特性の立ち下がり部分によってラインｍ１を、立ち上がり部分によってラインｍ１’を検出可能であることが判る。Ｖ軸上におけるｍ１とｍ１’との差が距離Ａに相当する。
【００４０】
図７（ｂ）乃至同（ｄ）は、カメラのアライメントマークＷ１の読取り特性を示している。同図（ｂ）はカメラの結像光学系の合焦面がウエハ４０上の合焦ライン（ベストフォーカスライン）Ｖ１に設定されているときに、これよりもカメラから離れた側に位置するラインＶ２上でのアライメントマークＷ１のＵ軸方向における読取り特性（オフフォーカス）を示している。同図（ｃ）は、カメラの結像光学系の合焦面がウエハ４０上のラインＶ１上に存在するときの、ラインＶ１上でのアライメントマークＷ１のＵ軸方向における読取り特性（オンフォーカス）を示している。同図（ｄ）はカメラの結像光学系の合焦面がウエハ４０上の合焦ラインＶ１に設定されているときに、これよりもカメラ側の位置にあるラインＶ３上でのアライメントマークＷ１のＵ軸方向における読取り特性（オフフォーカス）を示している。これら読取り特性により、ベストフォーカス面上でアライメントマークＷ１を読取った場合は、パルス状の最大振幅の波形として検出され、この波形のピーク値（山の中点）のＵ座標位置をアライメントマークＷ１のＵ座標位置として検出することが可能である。これに対し、焦点の合っていないラインＶ２及びＶ３における光強度分布は波形の最大ピーク値が低く、複数のピーク部分が生じて波形の乱れも大きくなり、読取り誤差が増大する。
【００４１】
そこで、このベストフォーカス位置を正確に探すのに上述した距離ｌを予め算出することによって、ベストフォーカス位置を概略的に求め、この距離ｌの位置を含む近傍領域Ｚの読取り画像データ群を処理対象として、最大ピーク値などから合焦位置の読取りデータを抽出してＶ軸方向に延在するウエハマークＷ１のＵ軸上の位置の判別を行う。また、複数ラインの画像データの各画像データのＵ軸上の位置を合わせてＵ軸上の各座標毎に積算し、Ｕ軸上の各座標毎の積算結果のピーク特性分布からウエハマークＷ１のＵ軸上の位置の判別を行うことも出来る。また、領域Ｚにおいて他の適切な画像処理を行ってウエハマークＷ１のＵ軸上の位置の判別を行うことも可能である。
【００４２】
ウエハマークＷ１のＵ軸上の位置を合焦部分のデータを使用して検出することによって検出精度を向上すると共に処理対象のデータ数を領域Ｚに限定することによって、例えば、開口部の全域についての画像データに基いて、ベストフォーカスのラインを探したり、カメラのレンズを駆動して焦点を合わせたりする場合と比べて、検出時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００４３】
検出されたＵ軸上におけるこのウエハマークＷ１の位置とラインｍ２及びｍ３から求められているマスクマークＭ１のＵ軸方向基準ラインｍＳとの位置の差Δを求めることによってウエハ４０とマスク５０のアライメントのズレΔを検出することが出来る。マスクマークＭ２及びウェハマークＷ２、並びにマスクマークＭ３及びウェハマークＷ３についても同様にしてそれぞれについての隙間δ及びアライメントのずれΔを得る。制御部２０５は、上述したウエハ４０とマスク５０との３組の隙間δ及びアライメントのずれΔに基づいてステージの位置調整を行う。尚、検出ラインＧによるギャップδの測定はベストフォーカスの状態で行われていないが、一般にギャップδや本実施例における合焦位置ｌの算出に必要な精度は、アライメントのズレΔ検出に必要とされる精度に比べて低くてよいのでそのような場合であれば問題ない。
【００４４】
次に、図８を参照して制御部２０５による位置合わせ動作について説明する。
【００４５】
（１）  全体位置合わせ（粗調整）
まず、制御部２０５のＣＰＵ２０５ａはステージ１００に載置されたウエハ４０とマスク５０との粗調整を行う。粗調整は、例えば、マスク５０の図示しないグローバルアライメントマークを使用してウエハ４０とマスク５０との位置合せをステージ１００を移動することによって行う。これによって各マスクマークＭｎの開口内に対応する各ウエハマークＷｎがそれぞれ位置するようになる。
【００４６】
（２）  個別位置合わせ（微調整）
次に、ＣＰＵ２０５ａは以下の微調整位置合わせ手順を実行する。
【００４７】
（ステップＳ１２）
ａ）  予めカメラＣの光軸の入射角をαとし、その結像光学系の合焦面が図４に示す予め定められたマスク検出ラインｍ０上に位置するようにマスク５０及びカメラＣの結像光学系相互間の位置を調整してあり、この状態でカメラＣよりマスク画像をメモリ２０５ｂの画像記憶領域（フレームメモリ）に読み込む。
【００４８】
ｂ）  当該マスク画像のデータから図４に示すギャップ検出ラインＧに沿った画像をフレームメモリから抽出し、マスクエッジのラインｍ１及びこの虚像のラインｍ１’の位置を検出する。両マークの画面座標（Ｕ，Ｖ）系の位置、すなわち、画像フレームメモリにおけるマトリクス座標位置の「ラインｍ１−ラインｍ１’」より、距離Ａを求める。画像フレームメモリは、例えば、１０００×１０００画素の記憶容量を持つ。
【００４９】
（ステップＳ１４）
ｃ）  当該検出部分におけるウエハ４０とマスク５０との間隙δを、δ＝Ａ／２ｓｉｎαによって求める。
【００５０】
（ステップＳ１６）
ｄ）  マスク検出ラインｍ０からウエハベストフォーカスラインＶ１の存在位置までの距離ｌを、ｌ＝δ／ｓｉｎα、または、ｌ＝Ａ／２ｓｉｎ２α、により算出する。ウエハ４０のベストフォーカスラインＶ１近傍にアライメント測定領域Ｚを設定する。これはマトリクス状に並んだ画素の内、この領域Ｚに対応する画素群を選択することを意味し、上記の演算結果からこの選択が可能となる。領域Ｚの大きさとしては、例えば、ベストフォーカスラインＶ１を中心に１０〜２０ライン程度の画素数の幅の画像データとすることができる。
【００５１】
（ステップＳ１８）
ｅ）  マスク検出ラインｍ０上の画像データから、マスクのラインｍ２及びｍ３を検出する。検出した両ラインのＵ軸上の位置を求め、両者の位置の中間点（Ｕ軸上）に検出基準線（中線）ｍＳを設定する。尚、マスクの位置はカメラ位置に対し、不変に設定されているので、このステップは必ずしも毎回行なわなくてもよい。但し、特に、サブミクロン以下の高精度を必要とする場合では、例えば、ドリフトなどによる位置の変動も無視できないので、そのような場合は必要である。
【００５２】
（ステップＳ２０）
ｆ）  マスク検出ラインＶ１近傍に設定されたアライメント測定領域Ｚの画像データを取り込む。図７に示すように、ウエハのアライメントマークＷ１のＵ軸上の位置を検出する。
【００５３】
（ステップＳ２２）
Ｕ軸上の検出基準線ｍＳの位置とウエハのアライメントマークＷ１のＵ軸上の位置の差Δを算出する。
【００５４】
（マスクマークＭ２，Ｍ３における検出）
上述したマスクマークＭ１についての間隙δ、アライメントのずれΔの測定をを各マスクマークＭ２、Ｍ３について同様に行う。
【００５５】
（ステップＳ２４）
各マスクマーク部分における、ウエハ及びマスク間の間隙δ１、δ２、δ３、アライメントのずれΔ１、Δ２、Δ３が許容誤差範囲内かどうかを判別する。
【００５６】
（ステップＳ２６）
許容誤差範囲内にない場合には、間隙δ１、δ２、δ３、アライメントのずれΔ１、Δ２、Δ３に基づいてステージ１００のアライメント調整用駆動機構及びギャップ調整用駆動機構を動作させて位置合せを行う。
【００５７】
（ステップＳ１２〜Ｓ２６）
再度、ステップＳ１２からステップＳ２６を繰り返し、間隙及びアライメントの誤差が許容範囲となるようにウエハ４０とマスク５０の位置合せを繰り返す。
【００５８】
（ステップＳ２８）
ウエハ４０及びマスク５０間の間隙及びアライメントが規定値（許容誤差範囲）となると、位置合せを終了して、図示しない露光工程等に移行する。
【００５９】
なお、上述した測定において、図４に示すギャップ検出ラインＧを複数設定してギャップ（δあるいはＡ）を複数測定し、最も大きいものを除いて平均したものを使用するようにしても良い。ここで、最も大きいものを除くのはギャップ検出ラインＧとウエハのアライメントマークＷｎとが重なった場合を除くためである。
【００６０】
また、上記実施例ではコンピュータによる画像処理を行っているが、オペアンプなどのアナログ回路を使用したハードウエアによる処理部によって構成しても良い。前者によれば汎用性に優れるという利点がある。後者によれば、より高速な処理が可能となる利点がある。
【００６１】
また、実施例において行われるマークやラインの検出には、パターンマッチング等の手法を用いることとしても良い。本実施例ではアライメント測定領域Ｚを設定することによって処理対象を狭い範囲に限定しているので、パターンマッチング等を用いても、短時間での処理が可能となる利点がある。
【００６２】
（第２の実施例）
図９及び図１０は、本発明の第２の実施例（マスクマークが上記第一のマスクマークと異なる例）を示す説明図である。両図において図４及び図５と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００６３】
この実施例では、ラインｍ３の右側開口部が大きく形成されており、図４における仮想のマスク検出ラインｍ０がマスクマークＭ１の一部の実ラインｍ４として形成されている。また、右側開口部にはラインｍ４と平行にラインｍ５が形成されている。そして、結像光学系の入射角をα（設計値）、ウエハ４０とマスク５０との間隙をδ（設計値）とし、ラインｍ４にベストフォーカス面を合わせたときに、ラインｍ４から距離Ｂのベストフォーカス面上にラインｍ５の虚像ｍ５’が存在するように予めマスクマークの開口パターンが形成されている。
【００６４】
このマスクパターンを用いて、結像光学系の入射角をα（設計値）に設定し、マスク検出ラインｍ４と虚像ｍ５’間の距離ＢをカメラＣで測定する。隙間δは、δ＝（Ｂ−ｌ０）／（２ｓｉｎα）として求められる。ここで、ｌ０はｍ４の像とｍ５の像との結像面上での距離（図１０参照）であり、設計上定まる既知の値である。従って、Ｂを測定することによってウエハ４０とマスク５０との隙間を測定することが出来る。虚像ｍ５’は隙間δが設計値通りの場合にはベストフォーカス面上にあるので、マスク検出ラインｍ４及び虚像ｍ５’が明瞭に観察され、多少ずれている場合でも第１の実施例よりもより高精度に隙間の測定を行うことが可能である。
【００６５】
この実施例においても、図４の場合と同様にＡを測定し、ｌの位置をｌ＝Ａ／２ｓｉｎ２αより計算し、この前後の領域にアライメント調整領域Ｚを設定することが出来る（図９参照）。また、Ａの測定に際し、図６に示したようにより明瞭に観察されるラインｍ４と虚像ｍ５’より得られるＢを用い、Ａ＝Ｂ−ｌ０により求めるようにしても良い。
【００６６】
また、図１０に示されるように、所定の入射角度α、ウエハ４０とマスク５０との平行が確保された状態では、ラインｍ４から虚像ｍ５’までの距離Ｂの１／２（＝ｌ）に近い位置にウエハのアライメントマークＷ１のベストフォーカスが存在するのでこの距離Ｂ／２の近傍にアライメント測定領域Ｚを設定することが出来る。それにより、より少ない画像のデータでアライメント調整を行うことが可能となる。
【００６７】
また、上記実施例ではコンピュータによる画像処理を行っているが、オペアンプなどのアナログ回路を使用したハードウエアによる処理部によって構成しても良い。前者によれば汎用性に優れるという利点がある。後者によれば、より高速な処理が可能となる利点がある。
【００６８】
また、実施例において行われるマークやラインの検出には、パターンマッチング等の手法を用いることとしても良い。本実施例ではアライメント測定領域Ｚを設定することによって処理対象を狭い範囲に限定しているので、パターンマッチング等を用いても、短時間での処理が可能となる利点がある。
【００６９】
（第３の実施例）
図１１乃至図１３、図１５は、本発明の第３の実施例（マスクマークがさらに異なる例）を示す説明図である。図１１及び図１２において図９及び図１０と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００７０】
この実施例では、第２の実施例（図９）に示した補助ラインｍ５を右側開口部を斜めに横切るように形成している。それにより、図１２に示すようにウエハ４０が設計された高さ基準位置Ｗ０から上限位置Ｗｕ及び下限値Ｗｄ間に上下動しても補助ラインｍ５に対応する虚像ｍ５’、ｍ５’’、ｍ５’’’が、予めラインｍ４を略含むように設定されているベストフォーカス面と交差するようになる。それにより、上記第２の実施例では補助ラインｍ５の虚像については隙間が設計基準値からずれるとベストフォーカス状態とはならなかったのに対し、本実施例では、ウエハ４０とマスク５０との隙間が設計基準値に対して多少変化しても常にベストフォーカス状態でギャップ検出を行うことが可能となる。
【００７１】
この場合、ラインｍ５のＹ軸方向の寸法Ｈは、図１２の一部を拡大した図１３及びマスク基板に形成されたマスクマークの例を示す図１５に示すように、ウエハ４０の許容すべき上下動の幅を２γとすると、ｔａｎα＝２γ／Ｈより、Ｈ＝２γ／ｔａｎαとして求められる。
【００７２】
この例においても、ベストフォーカス位置を求める手順については第１の実施例と同様であり、ギャップ検出ラインＧに沿ってエッジｍ１とその虚像ｍ１’を観測し、両者の距離ＡからベストフォーカスラインＶ１が存在する位置ｌを、ｌ＝Ａ／２ｓｉｎ２α、として求められる。あるいは、結像面上でラインｍ４の像と略直交し且つ、ラインｍ４の像及びｍ５の像と交わる仮の検出ライン（例えば右側の３つの開口の中央を通るライン）を定め、この検出ラインで得られるラインｍ４の像と虚像ｍ５’との距離Ｂ’に基き、Ａ＝Ｂ’−ｌｘ’により求めてもよい。ｌｘ’はこの検出ライン上でのラインｍ４の像とラインｍ５の像との結像面上の距離であり、設定値により定まる既知の値である。
【００７３】
本実施例においても、第２の実施例と同様にカメラＣの合焦面をラインｍ４上に設定するので、ラインｍ４からＶ軸方向に距離ｌを設定し、ウエハ上のベストフォーカスラインＶ１を設定する。一方、図１２に示すベストフォーカス面と傾斜ラインｍ５の虚像ｍ５’との交差点のＵ座標の値によって精密ギャップ検出ラインＧ’を設定する。ラインＧ’の位置（Ｕ座標）はマスクマークＭ１の形状と、上記Ａの値から幾何学的に求めることができる。すなわち、この座標の求め方の一例としては、図１１、１２で、Ｂ＝２・ｌ＝Ａ／ｓｉｎ２α、ｌｘ＝Ｂ−Ａより、Ｕｘ＝（ｌｘ−ｌ０）Ｕ０／Ｈ’である。ｌｘは、ラインＧ’に対応するラインｍ４の像とラインｍ５の像との結像面上での距離である。Ｕｘが定まればラインＧ’のＵ座標を求められる。このラインＧ’上のラインｍ４と虚像ｍ５’の共にオンフォーカスにある画像データによって改めて両者間の距離Ｂを測定する。隙間δは、
δ＝（Ｂ−ｌｘ）／（２ｓｉｎα）として求められる。
【００７４】
また、ベストフォーカスラインＶ１の前後の領域にウエハアライメント調整領域Ｚを設定し、この領域の画像データを取り込み、ウエハのアライメントマークＷ１のＵ軸上における位置を検出する。
【００７５】
ラインｍ２とラインｍ３とからＵ軸上の検出位置ｍＳを設定する。検出位置ｍＳとウエハのアライメントマークＷ１との差からアライメントのずれΔを求める。このようにして、マスクマークＭ１における、隙間δ、アライメントのずれΔを測定することが出来る。しかも、δ、Δについても高精度の測定が可能となる。
【００７６】
上記実施例ではコンピュータによる画像処理を行っているが、オペアンプなどのアナログ回路を使用したハードウエアによる処理部によって構成しても良い。前者によれば汎用性に優れるという利点がある。後者によれば、より高速な処理が可能となる利点がある。
【００７７】
また、実施例において行われるマークやラインの検出には、パターンマッチング等の手法を用いることとしても良い。本実施例ではアライメント測定領域Ｚを設定することによって処理対象を狭い範囲に限定しているので、パターンマッチング等を用いても、短時間での処理が可能となる利点がある。
【００７８】
このように、本実施例によれば、オートフォーカス機構を設けずとも、被処理対象のワーク（ウエハ）のマークをベストフォーカスで検出し、かつ、迅速に検出することが可能となる。
【００７９】
また、ウエハのアライメントマーク検出領域を設定することによって画像処理の対象となるデータ量を減少することが可能となる。
【００８０】
また、対比する観測対象がベストフォーカス面上に存在するので検出精度が向上する。
【００８１】
なお、上述した実施例では、露光装置に使用した位置合わせ装置の例について説明したが、同様に、被処理基板とマスクとの位置合わせが必要なイオン注入装置、スパッタ装置にも使用することができ、特定の半導体製造装置に限定されるものではない。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明した本発明の位置合わせ装置によれば、被処理基板とマスクとの位置合せのために所要部分の観測をベストフォーカスで行い、観測した画像データに処理対象となる検出領域を設定することによってデータ処理量を減らしたのでより正確かつ迅速に位置ずれを検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置合わせ装置の概略を説明する説明図である。
【図２】ウエハマーク、マスクマーク、照明光源及びカメラの配置関係を説明する説明図である。
【図３】マスクマーク、ウエハマーク及びカメラの相互位置関係を説明する説明図である。
【図４】第１のマスクマークを用いた例を説明する説明図である。
【図５】マスクマークとウエハマークとを垂直面内で説明する説明図である。
【図６】マスクエッジ部の形成画像を説明する説明図である。
【図７】フォーカスと形成画像の関係を説明する説明図である。
【図８】位置合せの手順を説明するフローチャートである。
【図９】第２のマスクマークを用いた例を説明する説明図である。
【図１０】第２のマスクマークとウエハマークとを垂直面内で説明する説明図である。
【図１１】第３のマスクマークを用いた例を説明する説明図である。
【図１２】第３のマスクマークとウエハマークとを垂直面内で説明する説明図である。
【図１３】第３のマスクマークを使用した例を説明する説明図である。
【図１４】制御部の構成例を示す説明図である。
【図１５】マスクマークの例を説明する説明図である。
【符号の説明】
４０  ウエハ（被処理基板）、５０  マスク、１００  ウェハステージ、２０３  観測ユニット（照明光源、カメラ）、２０４  露光光発生部、２０５  制御部、Ｌ１〜Ｌ３  照明光源、Ｍ１〜Ｍ３  マスクマーク、ｍ１〜ｍ５  検出用ライン、Ｗ１〜Ｗ３  ウエハマーク
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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