(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置の調整方法において、
回折格子状の第１調整用マークと、デフォーカスに関する検出位置ずれの感度が前記第１調整用マークとは実質的に異なる回折格子状の第２調整用マークとを、前記被検物体上に並列的に設け、
前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとが同一の検出視野内に入るように設定し、
前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量を検出し、
検出した相対ずれ量と前記デフォーカス量との関係に基づいて前記照明系による照明光束の傾きを検出し、
検出した照明光束の傾きに応じて前記照明系を調整することを特徴とする調整方法。
【請求項２】
前記第１調整用マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パターンで形成され、
前記第２調整用マークは、前記第１のピッチＰ１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明暗パターンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
【請求項３】
前記第１のピッチＰ１および前記第２のピッチＰ２は、照明光の波長をλとし、前記結像光学系の瞳面での照明光束の半径を前記結像光学系中の対物レンズの焦点距離で割った値をｓとし、前記結像光学系の物体開口数をｕとし、ｎを整数としたとき、
（ｕ＋ｓ）／（ｎ＋１）＜λ／Ｐ１＜（ｕ−ｓ）／ｎ
（ｕ−ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ２＜（ｕ＋ｓ）／ｎ
の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の調整方法。
【請求項４】
前記第１調整用マークおよび前記第２調整用マークは、明部の幅と暗部の幅とがほぼ等しく設定され、
前記第１のピッチＰ１は、前記波長λを前記結像光学系の物体開口数ｕで割った値λ／ｕのほぼ偶数倍に設定され、
前記第２のピッチＰ２は、前記波長λを前記結像光学系の物体側開口数ｕで割った値λ／ｕのほぼ奇数倍に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の調整方法。
【請求項５】
前記第１調整用マークは、第１の段差を有する第１段差パターンで形成され、
前記第２調整用マークは、前記第１段差パターンと同じピッチを有し且つ前記第１の段差とは実質的に異なる第２の段差を有する第２段差パターンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
【請求項６】
前記第１調整用マークおよび前記第２調整用マークは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ等しく設定され、
前記第１の段差は照明光の波長λの１／４のほぼ偶数倍に設定され、
前記第２の段差は照明光の波長λの１／４のほぼ奇数倍に設定されていることを特徴とする請求項５に記載の調整方法。
【請求項７】
前記第１段差パターンおよび前記第２段差パターンのピッチＰは、照明光の波長をλとし、前記結像光学系の瞳面での照明光束の半径を前記結像光学系中の対物レンズの焦点距離で割った値をｓとし、前記結像光学系の物体開口数をｕとし、ｎおよびｍを整数としたとき、
（ｕ＋ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ＜（ｕ−ｓ）／ｍ
の条件を満足することを特徴とする請求項６に記載の調整方法。
【請求項８】
被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置の検出方法において、
回折格子状の第１調整用マークと、デフォーカスに関する検出位置ずれの感度が前記第１調整用マークとは実質的に異なる回折格子状の第２調整用マークとを、前記被検物体上に並列的に設け、
前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとが同一の検出視野内に入るように設定し、
前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量を検出し、
検出した相対ずれ量と前記デフォーカス量との関係に基づいて前記照明系による照明光束の傾きを検出することを特徴とする検出方法。
【請求項９】
被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置において、
前記被検物体上には、回折格子状の第１調整用マークと、デフォーカスに関する検出位置ずれの感度が前記第１調整用マークとは実質的に異なる回折格子状の第２調整用マークとが並列的に設けられ、
同一の検出視野内に入るように前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせたときのデフォーカス量と、前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量とに基づいて、前記照明系による照明光束の傾きを検出するための傾き検出部を備えていることを特徴とする位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置検出装置およびその調整方法に関し、特に半導体素子や液晶表示素子等を製造するリソグラフィ工程で用いる露光装置に搭載される位置検出装置（重ね合わせ検査装置を含む）の調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や液晶表示素子の製造に際して、レジストが塗布された基板上に露光装置を用いてパターンを焼き付け、現像処理により不要なレジストを除去する。そして、エッチングや蒸着などの加工工程により、所定の性質を有するパターン層を形成する。こうして、上述の処理を数回から数十回ほど繰り返すことにより、半導体素子や液晶表示素子が製造される。
【０００３】
近年、半導体素子や液晶表示素子では、パターンの微細化が進み、その形成位置に対する許容度が小さくなってきている。このため、露光装置でパターンを焼き付ける際に以前の工程で焼き付けられたパターンの位置を検出するための位置検出装置のパターン検出精度が厳しくなってきている。同様に、以前の工程で焼き付けられたパターンに対して今回のパターンが正しく焼き付けられたことを検査するための重ね合わせ検査装置のパターン検出精度も厳しくなってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体素子や液晶表示素子の位置合わせマークや重ね合わせ検査用マークは、段差状のパターンで形成されている。この場合、これらのマークを検出する際に、照明系による照明光束のテレセントリシティの調整状態が正しくないと、段差状のパターンに対して照明光が斜めから照射されることになる。その結果、段差パターンの段差によって影のでき方が異なるため、パターン像の位置検出（ひいてはマークの位置検出）に誤差が生じてしまう。
【０００５】
そこで、従来技術では、パターン像の光電検出により得られる信号波形を参照して、照明光束のテレセントリシティを調整している。このように、従来技術では、照明光の傾きを定量的に把握して照明系を調整しているわけではないので、照明光束のテレセントリシティの調整が十分でなく、高精度な位置検出を行うことができなかった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行うことのできる位置検出装置およびその調整方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置の調整方法において、
前記被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとが同一の検出視野内に入るように設定し、
前記第１調整用マークと前記第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量を検出し、
検出した相対ずれ量と前記デフォーカス量との関係に基づいて前記照明系による照明光束の傾きを検出し、
検出した照明光束の傾きに応じて前記照明系を調整することを特徴とする調整方法を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい態様によれば、前記第１調整用マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パターンで形成され、前記第２調整用マークは、前記第１のピッチＰ１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明暗パターンで形成されている。あるいは、前記第１調整用マークは、第１の段差を有する第１段差パターンで形成され、前記第２調整用マークは、前記第１段差パターンと同じピッチを有し且つ前記第１の段差とは実質的に異なる第２の段差を有する第２段差パターンで形成されていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明の別の局面によれば、被検物体上に設けられたマークを照明するための照明系と、照明された前記マークからの光に基づいて前記マークの像を形成するための結像光学系とを備え、前記マークの像に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出装置において、同一の検出視野内に入るように前記被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとを前記結像光学系に対してデフォーカスさせたときのデフォーカス量と前記第１調整用マークの像と前記第２調整用マークの像との間の相対ずれ量とに基づいて、前記照明系による照明光束の傾きを検出するための傾き検出部を備えていることを特徴とする位置検出装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明では、被検物体上に並列的に設けられた回折格子状の第１調整用マークと第２調整用マークとが同一の検出視野（結像光学系または撮像素子で規定される検出視野）内に入るように、被検物体を位置検出装置の結像光学系に対して位置決めする。次に、結像光学系に対して被検物体をデフォーカスさせた状態で、すなわち第１調整用マークと第２調整用マークとを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、第１調整用マークの像と第２調整用マークの像との間の相対ずれ量を検出する。
【００１１】
こうして、得られた相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出し、検出した照明光束の傾きに応じて照明系を調整することができる。具体的には、たとえば照明系中の開口絞りを光軸に直交する面に沿って、照明光束の傾きに応じた所定距離だけ微動させることにより、照明光束のテレセントリシティを調整することができる。
【００１２】
以上のように、本発明では、一対の調整用マークが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出する。ここで、一対の調整用マークとして、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して敏感な調整用マークと鈍感な調整用マークとを用いることができる。
【００１３】
また、位置検出装置は、被検物体上に設けられたマークの位置を高精度に検出するように構成されており、非常に高い検出精度を有する信号処理系を備えている。したがって、本発明では、デフォーカス操作に際して被検物体の移動誤差などの影響を受けることなく、照明光束の傾きを高精度に検出することができる。
その結果、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行うことができる。
【００１４】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる位置検出装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態では、露光装置に搭載された位置検出装置の調整方法に本発明を適用している。図示の位置検出装置は、波長帯域幅の広い照明光（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）を供給するための光源１を備えている。光源１として、ハロゲンランプのような光源を使用することができる。
【００１５】
光源１から供給された照明光は、リレー光学系（不図示）を介して、光ファイバーのようなライトガイド２の入射端に入射する。ライトガイド２の内部を伝搬してその射出端から射出された照明光は、第１照明リレーレンズ系３を介して、たとえば円形状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り４を照明する。照明開口絞り４を介して制限された照明光は、第２照明リレーレンズ系５を介して、ハーフプリズム７に入射する。なお、第２照明リレーレンズ系５の光路中には、照明視野絞り６が配置されている。
【００１６】
ハーフプリズム７で反射された照明光は、対物レンズ８を介して、ウェハＷ上に設けられたウェハマーク（位置合わせマーク）ＷＭを照明する。ここで、ウェハＷは、図中水平面内および鉛直方向に移動可能なウェハステージＷＳ上に保持されている。このように、光源１、ライトガイド２、第１照明リレーレンズ系３、照明開口絞り４、第２照明リレーレンズ系５、照明視野絞り６、ハーフプリズム７、および対物レンズ８は、被検物体であるウェハＷ上に設けられたウェハマークＷＭを照明するための照明系を構成している。
【００１７】
照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光（回折光を含む）は、対物レンズ８および結像開口絞り９を介して、ハーフプリズム７に入射する。ハーフプリズム７を透過した光は、結像レンズ１０を介して、ＣＣＤのような撮像素子１１の撮像面１１ａ上にウェハマークＷＭの像を形成する。このように、対物レンズ８、結像開口絞り９、ハーフプリズム７、および結像レンズ１０は、照明されたウェハマークＷＭからの光に基づいてウェハマークＷＭの像を形成するための結像光学系を構成している。
【００１８】
ＣＣＤ１１の出力は、信号処理系１２に供給される。信号処理系１２では、ＣＣＤ１１から供給された画像信号を信号処理（パターンのエッジ検出のような波形処理）することにより、ウェハマークＷＭの位置情報が得られる。こうして、得られたウェハマークＷＭの位置情報からパターンの形成された位置を検出し、次の工程で焼き付けるべきパターンの位置を補正して露光を行うことになる。
【００１９】
なお、照明視野絞り６は、結像光学系に対して合焦状態に設定された（対物レンズ８の前側焦点面に設定された）ウェハＷの表面と光学的に共役な位置に配置されている。したがって、照明系によりウェハＷ上に形成される照明領域は、照明視野絞り６によって規定される。また、照明開口絞り４は、対物レンズ８の瞳面に配置された結像開口絞り９と光学的に共役な位置に配置されている。したがって、照明系による照明光束の中心は結像光学系の光軸に平行となり、いわゆるテレセントリックな照明が行われる。
【００２０】
本実施形態において調整の対象となるのは、ウェハＷを照明する照明光束の中心線のウェハ面の法線（ひいては光軸）に対する傾きの調整、すなわち照明光束のテレセントリシティの調整である。この照明テレセントリシティの調整は、照明系中の照明開口絞り４を光軸と直交する面に沿って微動させることにより行われる。図２は、照明系中の照明開口絞りが光軸から偏心した状態を説明する図である。なお、図２では、図１の光源１、ＣＣＤ１１および信号処理系１２の図示を省略している。
【００２１】
図２に示すように、照明開口絞り４を通過する光束の中心が光軸からδだけずれると、第２照明リレーレンズ系５の投影倍率をβとしたとき、対物レンズ８の瞳面に配置された結像開口絞り９を通過する位置が光軸からβδだけずれる。その結果、対物レンズ８の焦点距離をｆとすると、ウェハＷを照明する光束の中心線が光軸に対してβδ／ｆだけ傾くことになる。このとき、ウェハＷからの反射光は照明光の傾きと反対側に傾いて結像光学系に入射するが、ウェハＷが結像光学系に対して合焦状態にある場合には、照明開口絞り４が偏心していないときと同じ位置にウェハマーク像が形成される。
【００２２】
ところで、ピッチＰの回折格子パターンに波長λの光が入射角度θｉで入射するときのｎ次回折光の回折角θｎは、次の式（１）で表される。
sinθｎ＝ｎλ／Ｐ＋sinθｉ    （１）
これらの回折光のうち、対物レンズ８または結像開口絞り９で規定される結像光学系の物体側開口数よりも小さい回折角の光が、結像レンズ１０を介してＣＣＤ１１の撮像面１１ａ上に結像する。
【００２３】
なお、上述したように、照明開口絞り４がδだけ偏心した場合、照明光束の入射角度がβδ／ｆだけ変化する。したがって、次の式（２）に示すように、照明光束の入射角度の変化に応じて、回折角も変化することになる。
sinθｎ’＝ｎλ／Ｐ＋sin（θｉ−βδ／ｆ）    （２）
【００２４】
図３および図４は、ウェハ上に設けられた回折格子パターンが対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図である。なお、図３および図４では、照明系の図示を省略し、結像光学系部分だけを示している。また、理解を容易にするために、照明光束をかなり細い光束として表している。
【００２５】
図３を参照すると、照明光束ＳＨが、結像光学系の光軸に対してわずかに偏心している。そして、対物レンズ８の焦点面８ａからわずかに下方にデフォーカスしたウェハＷ上の回折格子状パターンからの回折光の一部Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１が、対物レンズ８により集光され、結像開口絞り９で遮られる（けられる）ことなく、結像レンズ１０へ導かれる。ウェハＷからの回折光Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１は、結像レンズ１０を介して、ＣＣＤ１１の撮像面１１ａよりもわずかに手前で結像する。なお、図３では、対物レンズ８の焦点面８ａ上の１点に達する照明光束ＳＨを示すとともに、焦点面８ａからデフォーカスしたウェハＷ上の１点から発する回折光束Ｌ１，Ｌ０，Ｌ−１を示している。この点は、以下の図４においても同様である。
【００２６】
したがって、ウェハＷ上の一点に対応する点像は、撮像面１１ａで広がって形成される。この点像の広がりの重心を点像の中心と考えると、ウェハＷのデフォーカス量（対物レンズ８の焦点面とウェハＷの表面との間隔）Δと照明光束ＳＨの傾きβδ／ｆとの積Δβδ／ｆだけ、像の中心が位置ずれすることになる。
【００２７】
ウェハＷ上に設けられたピッチＰ１の回折格子パターンからの回折光が結像光学系の開口にけられない（たとえば結像開口絞り９に遮られない）ようにするには、照明光束ＳＨの太さを考慮して次の式（３）が成立する必要がある。
ｎλ／Ｐ１＋ｓ＜ｕ＜（ｎ＋１）λ／Ｐ１−ｓ    （３）
【００２８】
ここで、ｓは、結像光学系の瞳面（結像開口絞り９の位置）での照明光束ＳＨの半径を対物レンズ８の焦点距離ｆで割った値（以下、「照明開口数」という）である。また、ｕは、結像光学系の物体側開口数（以下、「結像開口数」という）である。さらに、ｎは整数である。式（３）は、次の式（４）のように変形することができる。
（ｕ＋ｓ）／（ｎ＋１）＜λ／Ｐ１＜（ｕ−ｓ）／ｎ    （４）
【００２９】
また、回折格子パターンのライン部の幅とスペース部の幅とが等しい場合には、０次を除く偶数次の回折光は互いに打ち消し合うため光量が０になる。したがって、ピッチＰ１の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り９に遮られるようにするには、偶数次の回折角が結像開口数ｕに等しくなるように設定してもよい。この場合、回折格子パターンのピッチＰ１が次の式（５）に示す関係を満たすことになる。
【００３０】
Ｐ１＝２ｎλ／ｕ    （５）
式（５）は、回折格子パターンのピッチＰ１が、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍であることを意味している。
【００３１】
一方、図４では、対物レンズ８の焦点面８ａからわずかに下方にデフォーカスしたウェハＷ上の回折格子状パターンからの回折光Ｌ１およびＬ−１が、結像開口絞り９で遮られるように設定されている。この場合、回折光Ｌ１およびＬ−１の外側は結像開口絞り９で制限されるので、結像光束の外側は照明開口絞り４の偏心による影響を受けない。ただし、結像開口絞り９を通過する光束Ｌ０は照明開口絞り４の偏心による影響を受けるので、像の中心は位置ずれすることになる。ただし、図５および図６を参照して後述するように、図４の状態における像の位置ずれ量は図３の状態における像の位置ずれ量よりもかなり小さくなる。
【００３２】
このように、ウェハＷ上に設けられたピッチＰ２の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り９に遮られるようにするには、次の式（６）が成立する必要がある。また、式（６）は、次の式（７）のように変形することができる。
ｎλ／Ｐ２−ｓ＜ｕ＜ｎλ／Ｐ２＋ｓ    （６）
（ｕ−ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ２＜（ｕ＋ｓ）／ｎ    （７）
【００３３】
前述のように、回折格子パターンのライン部の幅とスペース部の幅とが等しい場合には、０次を除く偶数次の回折光は互いに打ち消し合うため光量が０になる。したがって、ピッチＰ２の回折格子パターンからの回折光が結像開口絞り９に遮られるには、奇数次の回折角が結像開口数ｕに等しくなるように設定してもよい。この場合、回折格子パターンのピッチＰ２が次の式（８）に示す関係を満たすことになる。
【００３４】
Ｐ２＝（２ｎ−１）λ／ｕ    （８）
式（８）は、回折格子パターンのピッチＰ２が、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの奇数倍であることを意味している。
【００３５】
図５および図６は、回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。図５および図６において、横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はパターン像の位置ずれ量を示している。また、「ｍｒａｄ」は、照明光束の傾きに対応し、「×１０-3ｒａｄ（ラジアン）」を示している。
【００３６】
図５では、照明光の波長λを０．６μｍとし、結像開口数ｕを０．６とし、照明開口数ｓを０．２としている。また、回折格子パターンは、明部の幅および暗部の幅がともに１μｍに設定されたピッチ２μｍの明暗パターンである。すなわち、図５では、回折格子パターンピッチが照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍（具体的には２倍）に設定されており、図３の設定に対応する計算結果を示している。
【００３７】
一方、図６では、図５の場合と同様に、照明光の波長λを０．６μｍとし、結像光学系の物体側開口数ｕを０．６とし、照明開口数ｓを０．２としている。しかしながら、図５の場合とは異なり、回折格子パターンは、明部の幅および暗部の幅がともに０．５μｍに設定されたピッチ１μｍの明暗パターンである。すなわち、図６では、回折格子パターンピッチが照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの奇数倍（具体的には１倍）に設定されており、図４の設定に対応する計算結果を示している。
【００３８】
図５と図６とを比較すると、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの偶数倍に設定されたピッチＰ１を有する第１回折格子パターンと奇数倍に設定されたピッチＰ２を有する第２回折格子パターンとを同じ量だけデフォーカスさせた場合、第１回折格子パターン像の位置ずれ量は比較的大きく、第２回折格子パターン像の位置ずれ量は比較的小さいことがわかる。すなわち、第１回折格子パターンは照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感であり、第２回折格子パターンは照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感である。
【００３９】
ところで、各回折格子パターン像の位置ずれ量は、たとえば数ｎｍ程度とかなり小さい値である。したがって、各回折格子パターン像の位置ずれ量を個々に検出する場合、ウェハステージＷＳの移動誤差（特に上下方向の移動誤差）などの影響により位置ずれ量を正確に検出することは困難である。そこで、本実施形態では、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感なピッチＰ１の回折格子パターンと、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感なピッチＰ２の回折格子パターンとを、同一の検出視野内に入るようにウェハＷ上に並列的に設けている。
【００４０】
図７は、本実施形態において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。図７に示すように、調整用マークは、第１のピッチＰ１を有する第１明暗パターンで形成された第１調整用マーク２１と、第１のピッチＰ１とは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有する第２明暗パターンで形成された第２調整用マーク２２とから構成されている。ここで、第１明暗パターンおよび第２明暗パターンは、暗部（図中斜線で示す）の幅と明部の幅とがほぼ等しく構成されている。また、第１調整用マーク２１の中心と第２調整用マーク２２の中心とがピッチ方向に一致するように構成されている。
【００４１】
さらに、第１調整用マーク２１のピッチＰ１は、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの２倍（偶数倍）に設定されている。一方、第２調整用マーク２２のピッチＰ２は、照明光の波長λを結像開口数ｕで割った値λ／ｕの１倍（奇数倍）に設定されている。これらの明暗パターンは、たとえばガラスウェハにクロムの薄膜をエッチングすることにより作成することができる。あるいは、シリコンウェハに反射率の異なるパターンを形成することにより作成することができる。
【００４２】
本実施形態では、ウェハＷ上に並列的に設けられた第１調整用マーク２１と第２調整用マーク２２とが同一の検出視野内に入るように、ウェハステージＷＳを駆動してウェハＷを位置検出装置の結像光学系に対して位置決めする。次に、結像光学系に対してウェハＷをデフォーカスさせた状態で、すなわち第１調整用マーク２１と第２調整用マーク２２とを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で、第１調整用マーク２１の像と第２調整用マーク２２の像との間の相対ずれ量を検出する。ここで、第１調整用マーク２１の像と第２調整用マーク２２の像との間の相対ずれ量は、たとえば第１調整用マーク２１の像のアライメント位置と第２調整用マーク２２の像のアライメント位置との間のピッチ方向に沿った距離として検出される。
【００４３】
こうして、信号処理系１２では、得られた相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて、照明光束の傾きを検出することができる。したがって、検出した照明光束の傾きに応じて、照明開口絞り４を光軸に直交する面に沿って所定距離だけ微動させることにより、照明光束のテレセントリシティを調整することができる。この場合、手動により照明開口絞り４を移動させても良いし、信号処理系１２から指令を受ける適当な駆動系を介して移動させても良い。
【００４４】
以上のように、本実施形態では、一対の調整用マークが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出する。ここで、一方の調整用マークは照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して比較的大きな位置ずれ量が発生する敏感なマークであり、他方の調整用マークは照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して比較的小さな位置ずれ量が発生する鈍感なマークである。
【００４５】
また、露光装置に搭載された位置検出装置は、ウェハマークの位置を高精度に検出するように構成されており、非常に高い検出精度を有する信号処理系を備えている。したがって、本実施形態では、デフォーカス操作に際してウェハステージの移動誤差などの影響を受けることなく、照明光束の傾きを高精度に検出することができる。その結果、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行うことができ、ひいては高精度な位置検出を行うことができる。
【００４６】
上述の実施形態では、ピッチの異なる一対の明暗パターンからなる調整用マークを用いて、照明光束のテレセントリシティを調整している。しかしながら、ピッチが等しく且つ段差の異なる一対の段差パターンからなる調整用マークを用いて、照明光束のテレセントリシティを調整することもできる。以下、段差の異なる一対の段差パターンを用いる変形例について説明する。
【００４７】
半導体ウェハなどでは、エッチングによりパターンを所定の深さで掘り込むことにより、段差パターンを形成することができる。段差パターンでは、掘り込み部と残し部との間の段差が、光の位相差を生じさせることになる。本実施形態のように反射照明の場合には段差が往復で影響するので、付与される位相差φは、段差をｔとし、照明光の波長をλとしたとき、次の式（９）で表される。
φ＝４πｔ／λ    （９）
【００４８】
ここで、掘り込み部の幅がピッチＰのｄ倍であるとき、ｎ次回折光の強度Ｉnは、次の式（１０）で表される。
Ｉn＝２（１−cosφ）ｄ2sin2（πｎｄ）／（π2ｎ2ｄ2）    （１０）
【００４９】
ｍ次回折角θｍ（ｍは整数）が結像開口数ｕに一致しているとき、ｍ次回折光の強度Ｉmが０になるには、１−cosφが０になる必要がある。すなわち、位相差φがπの偶数倍になること、ひいては式（９）を参照すると段差ｔが波長λの１／４の偶数倍になることが必要である。この場合、次数に関わらず回折光は全く発生しないが、パターンエッジの部分で照明光が散乱されるので、この散乱光に基づいてパターンエッジの像を検出することができる。しかしながら、散乱光はほぼ等方的に広がり照明の入射方向に依存しないので、照明光が傾いた状態でウェハＷをデフォーカスさせても、パターンエッジ像の位置ずれは起こらない。
【００５０】
これに対して、１−cosφが２のときは、回折光が発生し、パターン像が形成される。回折光の回折角は前述のように照明光の入射角の影響を受けるので、図４に示すように、照明光が傾いた状態でウェハＷをデフォーカスさせると、パターン像は敏感に位置ずれする。なお、１−cosφが２になるには、位相差φがπの奇数倍になること、ひいては式（９）を参照すると段差ｔが波長λの１／４の奇数倍になることが必要である。
【００５１】
このとき、パターンピッチＰと、結像開口数ｕと、照明開口数ｓとの間には、次の式（１１）に示す関係が成立する。
ｍλ／Ｐ＋ｓ＜ｕ＜（ｍ＋１）λ／Ｐ−ｓ    （１１）
【００５２】
ところで、図４に示すように、照明開口数ｓが結像開口数ｕに比して十分に小さい場合には回折光同士が重ならないが、実際の光学系では照明開口数ｓが結像開口数ｕの０．５倍から０．９倍に設定されることが多い。この場合、一部の回折光が結像光学系の開口でけられたりけられなかったりすると、回折光が結像に関与したりしなかったりする。その結果、ウェハＷのデフォーカス量とパターン像の位置ずれ量との関係が変化し、照明光の傾きを検出することができなくなってしまう。
【００５３】
したがって、結像光学系の開口で回折光の端がけられたりけられなかったりすることがないように、ｍおよびｎを整数として、次の式（１２）に示す関係を満たす必要がある。また、式（１２）は、次の式（１３）のように変形することができる。
ｍλ／Ｐ＋ｓ＜ｕ＜ｎλ／Ｐ−ｓ    （１２）
（ｕ＋ｓ）／ｎ＜λ／Ｐ＜（ｕ−ｓ）／ｍ    （１３）
【００５４】
図８は、変形例にかかる回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。図８において、横軸はデフォーカス量を示し、縦軸はパターン像の位置ずれ量を示している。また、図中実線は照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）の段差λ／２を有する第１段差パターンを示し、図中破線は波長λの１／４の１倍（奇数倍）の段差λ／４を有する第２段差パターンを示している。なお、各段差パターンは同じピッチを有し、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定されている。
【００５５】
図８では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７とし、照明光束の傾きを５ｍｒａｄ（５×１０-3ｒａｄ）としている。この場合、式（１２）および（１３）においてｍ＝１およびｎ＝５で、１次回折光と５次回折光とが結像開口絞り９でけられない状態になっている。なお、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定されているので、２次回折光および４次回折光の強度は０となり結像に関与しない。また、３次回折光は、照明光束の傾きによって結像開口絞り９でけられる状態になっている。
【００５６】
図８を参照すると、照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）の段差λ／２を有する第１段差パターンと波長λの１／４の１倍（奇数倍）の段差λ／４を有する第２段差パターンとを同じ量だけデフォーカスさせた場合、第１段差パターン像の位置ずれ量はほとんど発生することなく、第２段差パターン像の位置ずれ量は比較的大きく発生することがわかる。すなわち、第１段差パターンはデフォーカスに鈍感であり、第２段差パターンはデフォーカスに敏感である。
【００５７】
なお、照射光の入射角が傾くと、パターンの位置によって入射光の位相差が生じる。このため、パターンエッジでの位相差が変化したように見えてしまい、ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にあってもパターン像がずれて見えてしまう。ところが、上述の２つの位相差では１−cosφが極値に対して対称になっているので、像ずれが生じない。図９は、ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にある場合に、特定の２つの位相差では像ずれが生じないことを示す図である。
【００５８】
図９では、横軸に段差パターンの段差を示し、縦軸にパターン像の位置ずれ量を示している。また、図９では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７とし、照明光束の傾きを５ｍｒａｄ（５×１０-3ｒａｄ）とし、段差パターンが結像光学系に対して合焦状態にありデフォーカス量を０としている。さらに、段差パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定され、３．９３６μｍのピッチを有する。
【００５９】
図９を参照すると、段差パターンが結像光学系に対して合焦状態にありデフォーカス量が０であるにもかかわらず、段差がλ／４またはλ／２でないとき、すなわち位相差がπまたは２πでないときには、像の位置ずれが発生することがわかる。ちなみに、図１０は、図８の第２段差パターンに対応する図であって、照明光束の傾きとパターン像の位置ずれ量とデフォーカス量との関係を示す図である。
【００６０】
図１０において、縦軸にパターン像の位置ずれ量を示し、一方の横軸に照明光束の傾きを示し、他方の横軸にデフォーカス量を示している。また、図１０では、照明光の波長λを０．６５６μｍとし、結像開口数ｕを０．５とし、照明開口数ｓを０．２７としている。さらに、段差パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅が等しく設定され、３．９３６μｍのピッチを有し、段差が０．１６４μｍ（波長λの１／４に相当）に設定されている。すなわち、図１０の段差パターンは、図８の第２段差パターンに対応している。図１０を参照すると、第２段差パターンは照明光束の傾きおよびデフォーカスに敏感であることがわかる。
【００６１】
そこで、変形例では、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに鈍感な第１段差パターンと、照明開口絞り４の偏心およびデフォーカスに敏感な第２段差パターンとを、同一の検出視野内に入るようにウェハＷ上に並列的に設けている。図１１は、本実施形態の変形例において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。図１１に示すように、変形例の調整用マークは、第１の段差を有する第１段差パターンで形成された第１調整用マーク２３と、第１段差パターンと同じピッチを有し且つ第１の段差とは実質的に異なる第２の段差を有する第２段差パターンで形成された第２調整用マーク２４とから構成されている。
【００６２】
ここで、第１段差パターンおよび第２段差パターンは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ等しく構成されている。また、第１調整用マーク２３の段差は、照明光の波長λの１／４の２倍（偶数倍）すなわちλ／２に設定されている。一方、第２調整用マーク２４の段差は、照明光の波長λの１／４の１倍（奇数倍）すなわちλ／４に設定されている。
【００６３】
こうして、本実施形態の変形例においても、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して鈍感な第１調整用マーク２３と敏感な第２調整用マーク２４とを結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で像の相対ずれ量を検出し、得られた相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを高精度に検出することができる。したがって、検出した照明光束の傾きに応じて、照明開口絞り４を光軸に直交する面に沿って所定距離だけ手動で（あるいは自動制御で）微動させることにより、照明光束のテレセントリシティを高精度に調整することができる。
【００６４】
なお、変形例では、第１段差パターンのピッチと第２段差パターンのピッチとが等しい。このため、２つの調整用マークの中心位置をピッチ方向に一致させる必要のある上述の実施形態とは異なり、２つの調整用マークの基準位置を定める必要がない。したがって、２つの調整用マークが検出視野内に入った状態で相対ずれ量を計測することができ、２つの調整用マークの基準位置を検出視野内に入れる操作が不要になり、作業性の向上を期待することができる。
【００６５】
なお、上述の実施形態およびその変形例では、位置合わせマークの位置を検出する位置検出装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、重ね合わせマークの位置を検出してマークの重ね合わせを検査する重ね合わせ検査装置に本発明を適用することもできる。したがって、本発明における位置検出装置は、いわゆる重ね合わせ検査装置をも含む広い概念である。
【００６６】
また、上述の実施形態およびその変形例では、露光装置に搭載された位置検出装置に本発明を適用しているが、これに限定されることなく、一般的な位置検出装置に本発明を適用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、照明光束の傾きおよびデフォーカスに対して敏感な調整用マークと鈍感な調整用マークとが同一の検出視野内に入るように設定し、結像光学系に対してデフォーカスさせた状態で一対の調整用マーク像の相対ずれ量を検出し、検出した相対ずれ量とデフォーカス量との関係に基づいて照明光束の傾きを検出する。したがって、デフォーカス操作に際して被検物体の移動誤差などの影響を受けることなく照明光束の傾きを高精度に検出し、照明光束のテレセントリシティの調整を高精度に行って、高精度な位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる位置検出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】照明系中の照明開口絞りが光軸から偏心した状態を説明する図である。
【図３】ウェハ上に設けられた回折格子状のパターンが対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図である。
【図４】ウェハ上に設けられた回折格子状のパターンが対物レンズの焦点面からわずかに下方にデフォーカスした場合の回折光の様子を示す図である。
【図５】図３の設定において回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。
【図６】図４の設定において回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。
【図７】本実施形態において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。
【図８】変形例にかかる回折格子パターンを結像光学系に対してデフォーカスさせたときのパターン像の位置ずれを示す図である。
【図９】ウェハ面が結像光学系に対して合焦状態にある場合に、特定の２つの位相差では像ずれが生じないことを示す図である。
【図１０】図８の第２段差パターンに対応する図であって、照明光束の傾きとパターン像の位置ずれ量とデフォーカス量との関係を示す図である。
【図１１】本実施形態の変形例において照明光束のテレセントリシティの調整に用いられる調整用マークの構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１  光源
２  ライトガイド
３  第１照明リレーレンズ系
４  照明開口絞り
５  第２照明リレーレンズ系
６  照明視野絞り
７  ハーフプリズム
８  対物レンズ
９  結像開口絞り
１０  結像レンズ
１１  撮像素子（ＣＣＤ）
１２  信号処理系
Ｗ  ウェハ
ＷＳ  ウェハステージ
ＷＭ  ウェハマーク
【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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