(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上に設けた位置検出用マークのマーク像を結像光学系を介して検出する像検出手段と、
前記像検出手段からの検出出力に基づいて前記位置検出用マークの位置を検出する位置検出手段と、
前記像検出手段で検出される前記マーク像を所定範囲内でデフォーカスさせることができるデフォーカス手段と、
前記マーク像をデフォーカスさせた場合の当該マーク像のエッジの傾きに基づいて、前記マーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定する決定手段とを備え、
前記像検出手段は、前記決定手段により決定された前記デフォーカス量のもとで前記マーク像を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記決定手段は、前記マーク像のエッジの傾きと強度情報とに基づいて前記デフォーカス量を決定することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記決定手段は、前記マーク像のエッジの傾きがほぼ最大となるように前記デフォーカス量を決定することを特徴とする請求項１または２の何れか一項に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記決定手段は、前記マーク像のコントラストが所定の値以上となるデフォーカス範囲内で、前記マーク像のエッジの傾きがほぼ最大となるように前記デフォーカス量を決定することを特徴とする請求項１または２の何れか一項に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記決定手段は、前記マーク像の強度分布における変化率の振幅から前記エッジの傾きを求めることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記位置検出用マークの種類に応じて、前記決定手段により決定された前記デフォーカス量のもとでの前記マーク像の検出動作と、前記マーク像をデフォーカスさせない検出動作とを切り替えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の位置検出装置。
【請求項７】
試料上に設けた位置検出用段差マークのマーク像をデフォーカスさせた状態で検出することによって前記位置検出用段差マークの位置を検出する位置検出方法であって、
前記マーク像をデフォーカスさせた場合の当該マーク像のエッジの傾きに基づいて、前記マーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定することを特徴とする位置検出方法。
【請求項８】
前記位置検出用マークの種類に応じて、前記デフォーカス量のもとでの前記マーク像の検出動作と、前記マーク像をデフォーカスさせない状態で検出する動作とを切り替えることを特徴とする請求項７に記載の位置検出装置。
【請求項９】
所定のパターンが描かれたマスクを照明する照明装置と、前記マスクの像を前記試料上に投影する投影光学系と、前記試料を前記マスクに対して相対的に移動させる試料ステージと、前記試料ステージの位置を検出する請求項１乃至６の何れか一項に記載の位置検出装置とを備えることを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程における投影露光に際しての、マスクと感光基板との位置合わせに適した位置検出装置及び方法、並びにこれを用いた露光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体露光装置では、レチクル（マスク）とウェハ（感光基板）とを位置合わせするアライメントを行った後、露光光をレチクルに照射し、レチクル上の回路パターンを投影レンズを介してウェハに転写露光する。
【０００３】
上記のアライメントでは、アライメントセンサによってウェハ上のアライメントマークの位置を光電検出し、その位置情報に基づいてレチクルとウェハの位置合わせを行う。アライメントセンサとしては、例えばＦＩＡ（field image alignment）が知られている。このＦＩＡでは、ウェハ上のアライメントマークに広帯域波長の光を垂直に照射し、アライメントマークからの反射・回折光を結像光学系で集光する。結像光学系によってＣＣＤ撮像面に形成されたアライメントマークは、撮像信号に変換され、その撮像信号を元にアライメントマークの位置検出を行っている。
【０００４】
かかるアライメントセンサについては、近年の半導体素子に関する製造技術の進展に伴って、低段差のアライメントマークであっても位置検出を精密に行い得ることが求められるようになってきている。特開平７−１８３１８６、特開平９−６０１７、特開平１０−５０５９２等では、ＦｌＡのようなアライメントセンサにおいて、低段差のアライメントパターンを検出する際にデフォーカスを行ってアライメントパターン像のコントラストの向上を図っている。つまり、ベストフオーカスの状態よりもデフォーカスの状態の方が像のコントラストが向上する場合があることを考慮して、像のコントラストが最大になるデフォーカス位置で位置検出を行ってアライメント精度の向上を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法のように、像のコントラストが最大になるデフォーカス位置で位置検出を行った場合、例えばアライメントマークに非対称性があると、デフォーカスに伴って位置検出結果にかなりの誤差成分が含まれるようになり、検出精度が大きく悪化する可能性がある。
【０００６】
本発明は、低段差のマークであっても、高精度に位置検出できる位置検出装置及び方法、並びに露光装置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】
上記課題を解決するため、本発明の位置検出装置は、試料上に設けた位置検出用マークのマーク像を結像光学系を介して検出する像検出手段と、像検出手段からの検出出力に基づいて位置検出用マークの位置を検出する位置検出手段と、像検出手段で検出されるマーク像を所定範囲内でデフォーカスさせることができるデフォーカス手段と、マーク像をデフォーカスさせた場合のこのマーク像のエッジの傾きに基づいて、マーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定する決定手段とを備える。
【０００８】
上記位置検出装置においては、決定手段が、マーク像をデフォーカスさせた場合のマーク像のエッジの傾きに基づいてマーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定するので、デフォーカス手段は、マーク像のエッジを明瞭にするような範囲でマーク像をデフォーカスさせることができる。この結果、本願の位置検出装置では、低段差の位置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能になる。
【０００９】
また、上記位置検出装置の好ましい態様では、決定手段が、マーク像のエッジの傾きと強度情報とに基づいてデフォーカス量を決定する。
【００１０】
上記の態様においては、決定手段がマーク像のエッジの傾きと強度情報とに基づいてデフォーカス量を決定するので、マーク像のコントラストを考慮してマーク像をデフォーカスさせることになり、低段差の位置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能になる。
【００１１】
また、上記位置検出装置の好ましい態様では、決定手段が、マーク像のエッジの傾きがほぼ最大となるようにデフォーカス量を決定する。
【００１２】
上記の態様においては、決定手段がマーク像のエッジの傾きがほぼ最大となるようにデフォーカス量を決定するので、マーク像のエッジを最も急峻にしてマーク像をデフォーカスさせることになり、低段差の位置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能になる。
また、上記位置検出装置の好ましい態様では、決定手段は、マーク像のコントラストが所定の値以上となるデフォーカス範囲内で、マーク像のエッジの傾きがほぼ最大となるようにデフォーカス量を決定する。
また、上記位置検出装置の好ましい態様では、決定手段は、マーク像の強度分布における変化率の振幅からエッジの傾きを求める。
【００１３】
また、本発明の位置検出方法は、試料上に設けた位置検出用マークのマーク像をデフォーカスさせた状態で検出することによって位置検出用マークの位置を検出する位置検出方法であって、マーク像をデフォーカスさせた場合のこのマーク像のエッジの傾きに基づいて、マーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定することを特徴とする。
【００１４】
上記位置検出方法においては、マーク像をデフォーカスさせた場合のマーク像のエッジの傾きに基づいてマーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定するので、マーク像のエッジを明瞭にするような範囲でマーク像をデフォーカスさせることができ、低段差の位置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能になる。
【００１５】
また、本発明の露光装置は、所定のパターンが描かれたマスクを照明する照明装置と、マスクの像を試料上に投影する投影光学系と、試料をマスクに対して相対的に移動させる試料ステージと、試料ステージの位置を検出する上記のごとき位置検出装置とを備える。
【００１６】
上記露光装置においては、位置検出装置が、マーク像をデフォーカスさせた場合のマーク像のエッジの傾きに基づいてマーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定するので、マーク像のエッジを明瞭にするような範囲でマーク像をデフォーカスさせてマーク像の位置検出を行うことができる。よって、本願の露光装置では、低段差の位置検出用マークであっても高精度で位置検出ができるようになり、種々の状況でマスク像を試料上に高精度で投影・転写することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る位置検出装置を備えた露光装置について図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、実施形態の露光装置の構造を説明する図である。この露光装置では、レチクルステージＲＳ上に載置されたレチクルＲのパターン領域ＰＡが照明装置１０からの露光光ＥＬにより照明される。このような露光光ＥＬのもとで、パターン領域ＰＡのパターン像が、投影光学系ＰＬを介してウェハステージＷＳに保持された試料であるウェハＷ上の各ショット領域に転写露光される。
【００１９】
投影光学系ＰＬの側方には、オフ・アクシス方式で、かつ、画像処理方式の位置検出装置の一部としてアライメント系２０が配置されている。このアライメント系２０は、ＦＩＡタイプの検出系であり、ウェハＷ上に形成されたウェハマークＷＭの位置情報を検出する。この位置情報と、ウェハステージＷＳに設けた不図示のレーザ干渉計の座標情報とを利用すれば、ウェハＷとレチクルＲとのアライメントが可能になる。
【００２０】
アライメント系２０は、照明系として、ハロゲンランプのような光源２１からの光を導いて照明光ＡＬとして射出する光ファイバ束２２と、光ファイバ束２２から出射する照明光ＡＬの形状等を調節するターレット板２３と、調整用のリレー系２４と、光路を分岐するためのハーフプリズム２５と、照明光ＡＬをウェハＷ上の位置検出用マークであるウェハマークＷＭに投影する第１対物レンズ２６及び全反射プリズム２７とを備える。なお、ターレット板２３は、互いに形状と大きさが異なる複数の照明開口絞りを備えており、モータＭＴに駆動されて光路上に配置される照明開口絞りが適宜交換されるようになっている。また、リレー系２４は、集光レンズ２４ａ、視野絞り２４ｂ及びコリメータレンズ２４ｃを含む。
【００２１】
また、アライメント系２０は、像検出手段として、全反射プリズム２７、第１対物レンズ２６、及びハーフプリズム２５のほか、ハーフプリズム２５で反射された光を結像する第２対物レンズ３１と、第２対物レンズ３１の結像位置に配置される指標マークを形成した指標板３２と、リレー系３３と、光路を分岐するためのハーフプリズム３４と、電荷結像型撮像デバイス（ＣＣＤ）からなる一対の撮像装置３５、３６と、両撮像装置３５、３６からの撮像信号を処理するための信号処理部３７とを備える。ここで、第１対物レンズ２６、第２対物レンズ３１は、結像光学系を構成する。なお、リレー系３３は、コリメータレンズ３３ａ、結像開口絞り３３ｂ及び集光レンズ３３ｃを含む。
【００２２】
信号処理部３７の出力は、主制御系４０に入力される。この主制御系４０は、露光装置全体を統括制御するためのもので、ウェハマークＷＭの位置を検出するアライメント系２０からの位置情報に基づいてウェハマークＷＭの位置を決定するとともに、この位置に基づいてウェハＷとレチクルＲとをアライメントする。さらに、主制御系４０は、照明装置１０による照明状態を制御したり、ステージ制御系４５を制御してウェハステージＷＳを間接的に任意の位置に駆動する。なお、主制御系４０に必要な指示やデータは、キーボード５０を介して外部から入力することもできる。
【００２３】
ステージ制御系４５に制御されているウェハステージＷＳは、ウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な水平状態に支持するウェハホルダ６１と、ステージ制御系４５からの指示に基づいてウェハステージＷＳすなわちウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿って移動させるＺステージ６２と、ステージ制御系４５からの指示に基づいてウェハステージＷＳを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な水平面面内で移動させるＸＹステージ６３とを備える。
【００２４】
以下、アライメント系２０の動作について簡単に説明する。光源２１からの光源光は、光ファイバ束２２の一端に集光され、光ファイバ束２２の他端から射出される照明光ＡＬは、リレー系２４、ハーフプリズム２５、第１対物レンズ２６及び全反射プリズム２７を経て、ウェハＷの表面のウェハマークＷＭ及びその周辺を落射照明する。
【００２５】
ウェハＷからの反射光は、全反射プリズム２７及び第１対物レンズ２６を経てハーフプリズム２５に戻り、ハーフプリズム２５で反射された光が第２対物レンズ３１を経て指標板３２上にウェハマークＷＭの像を結像する。
【００２６】
指標板３２からの光は、リレー系３３を経てハーフプリズム３４に到る。このハーフプリズム３４で反射された光により、Ｘ軸用の撮像装置３５の撮像面に、ウェハマークＷＭの像と指標マークＩＭの像とが重ねて結像され、ハーフプリズム３４を透過した光により、Ｙ軸用の撮像装置３６の撮像面に、ウェハマークＷＭの像と指標マークＩＭの像とが重ねて結像される。この場合、Ｘ軸用の撮像装置３５を構成するＣＣＤの走査方向はＸ軸と共役な方向に設定され、Ｙ軸用の撮像装置３６の走査方向はＹ軸と共役な方向に設定されている。
【００２７】
信号処理部３７は、両撮像装置３５、３６の動作を制御して、この撮像装置３５、３６から出力される撮像信号の入力を受ける。信号処理部３７は、各撮像装置３５、３６からの撮像信号に個別の処理を施して、ウェハマークＷＭや指標マークＩＭの適所をスキャンした際の明暗の強度分布に対応するコントラスト信号や、このコントラスト信号の微分信号であるエッジ傾き信号を検出し、これらを位置情報として出力する。なお、主制御系４０は、信号処理部３７からの上記位置情報に基づいて、指標マークＩＭを基準として、ウェハＷ上のＸ軸用のウェハマークＷＭやＹ軸用のウェハマークＷＭの位置を決定する。
【００２８】
図２は、ウェハマークＷＭと指標マークＩＭの形状の一例を説明する図である。図２（ａ）は、ウェハマークＷＭを示し、図２（ｂ）は、指標マークＩＭを示す。図２（ａ）には、ウェハＷ上の各ショット領域に付設されたウェハマークＷＭのうち、Ｘ軸用のＸマークＷＭＸが示されている。このＸマークＷＭＸは、ウェハＷの表面にＸ方向に所定ピッチで凹凸の段差パターンを形成したものである。なお、図示を省略しているが、ウェハＷの表面にはＹ方向に所定ピッチで凹凸の段差パターンを配列してなるＹマークも形成されている。図２（ｂ）に示す指標マークＩＭは、Ｘ軸と共役な方向に延びる光不透過部分からなるＸマークＩＭＸと、Ｙ軸と共役な方向に延びる光不透過部分からなるＹマークＩＭＹとを備える。
【００２９】
本実施形態の位置検出装置は、アライメント系２０で検出すべきウェハマークＷＭの像を所定範囲内でデフォーカスさせることができるデフォーカス手段と、このようにマーク像をデフォーカスさせた場合におけるマーク像のエッジの傾きに基づいて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定する決定手段とを備える。具体的には、主制御系４０が、ステージ制御系４５を介してウェハステージＷＳのうちＺステージ６２を駆動してウェハＷを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿って適宜移動させる。ウェハＷの移動により、撮像装置３５、３６に投影されるウェハマークＷＭの像はデフォーカス状態となる。この際、ウェハＷの移動は、段階的であってもよいし、連続的であってもよい。このようにウェハマークＷＭの像をデフォーカス状態とした場合、通常マーク像の強度分布が基準となるフォーカス状態の強度分布から変化する。主制御系４０は、信号処理部３７からの位置情報に基づいて、複数の異なるデフォーカス状態におけるマーク像のそれぞれの強度分布と、この各強度分布における変化率（マーク像のエッジの傾き）とを算出することができる。この変化率は、Ｘ方向及びＹ方向の双方について算出され、この変化率の振幅からマーク像のエッジの傾きを決定することができる。なお、強度分布の振幅からマーク像のコントラストを決定することもできる。さらに、主制御系４０は、決定手段として、以上のようにして検出したマーク像のエッジの傾きに基づいて、位置検出を行う際の好ましいデフォーカス量を決定する。このデフォーカス量は、基準となるフォーカス状態と所望のデフォーカス状態とにおけるウェハＷの光軸ＡＸ方向の位置ずれ量に相当する。
【００３０】
以下、図１の露光装置の動作の詳細について説明する。まず、主制御系４０は、キーボード５０等からの指示に基づいて、ウェハマークＷＭの位置検出に際してのデフォーカス量を算出するために必要なデフォーカス範囲を設定する。このデフォーカス範囲は、予め与えられており、或いはアライメントマークのプロセス条件等に基づいて算出され、例えば±数１０μｍ程度に設定される。具体的には、このデフォーカス範囲を、アライメント光学系２０の開口数ＮＡ、照明σ値及び使用波長等の光学条件のほか、位置検出の精度や計算時間を含む計測条件等の諸要素に基づいて決定する。
【００３１】
次に、主制御系４０は、ウェハＷをウェハステージＷＳ上に載置すべき指示を出す。図示を省略するローダは、この指示に応じてウェハＷをウェハステージＷＳ上に載置する。
【００３２】
次に、主制御系４０は、ステージ制御系４５を介して、上記のデフォーカス範囲内でＺステージ６２を駆動し、ウェハＷを光軸ＡＸに沿って移動させる。この際、主制御系４０は、ウェハＷを微小量ずつ移動させた段階的なデフォーカス状態におけるマーク像について、信号処理部３７から出力された波形情報、すなわちＸ方向及びＹ方向に関する信号の波形を採取する。
【００３３】
次に、主制御系４０は、採取した信号の波形から、例えば微分することによりＸ方向及びＹ方向に関するウェハマークＷＭの像のエッジ傾きＥを算出する。このマーク像のエッジ傾きＥは、採取した信号の波形の微分値の極大値と極小値との差から求めることができる。なお、主制御系４０は、必要に応じて、採取した信号の波形からＸ方向及びＹ方向に関するウェハマークＷＭのコントラストＣを算出する。このコントラストＣは、信号の波形の極大値と極小値との差から求めることができる。
【００３４】
さらに、主制御系４０は、算出したエッジ傾きＥに基づいて、位置検出を行うに際しての好ましいデフォーカス量Ｆを決定する。このデフォーカス量Ｆは、マーク像のエッジ傾きＥが最大となるような条件でまず選択される。
【００３５】
次に、主制御系４０は、ステージ制御系４５を介してＺステージ６２を駆動し、ウェハＷを上記のようにして決定したデフォーカス量Ｆだけ移動させる。
【００３６】
次に、主制御系４０は、信号処理部３７から出力された信号波形を適当なしきい値でスライスし、上記デフォーカス量Ｆにおけるマーク像のエッジ位置を指標マークＩＭの位置との対比において求める。なお、デフォーカス量ＦがＸ方向とＹ方向とで異なる場合、まずＸ方向に対応するデフォーカス量ＦでＸ方向のマーク像のエッジ位置を求め、次にＹ方向に対応するデフォーカス量ＦでＹ方向のマーク像のエッジ位置を求めることになる。また、図２（ａ）に示すようにウェハマークＷＭが複数本のラインから構成される場合、各ラインに関して得られる位置情報を平均することが望ましい。さらに、各ラインはその長手方向に延びる２つのエッジを有するので、両エッジから得られる位置情報を平均することが望ましい。
【００３７】
以上の位置検出においては、マーク像のエッジ傾きＥがある程度以上大きくなるような条件でデフォーカス量Ｆを決定しているので、マーク像のエッジを明瞭にすることができ、エッジ位置を決定する際の精度が向上する。つまり、低段差のウェハマークＷＭであっても高精度の位置検出が可能になる。特に、ウェハマークＷＭに非対称性があると、そのテレセントリシティに起因する大きな位置騙されが生じやすいが、マーク像のエッジ傾きＥがある程度以上大きいという条件の下では、このような位置騙されが生じにくい。なお、ここでテレセントリシティとは、デフォーカスの量（デフォーカスに際してのウェハＷの移動量）と、このようなデフォーカスの結果ウェハマークＷＭが検出される位置との関係を示す。
【００３８】
次に、主制御系４０は、マーク像のエッジ位置の検出結果に基づいてウェハＷの位置を決定し、ウェハＷをＸＹ面内で必要な位置に移動させるとともに、ウェハＷをＺ方向に移動させて投影光学系ＰＬに関してレチクルＲの共役位置に配置する。ウェハＷの位置決定に際しては、ウェハＷ上に配置した複数組のウェハマークＷＭを利用した位置決め法、例えばＥＧＡ（Enhancement Global Alignment）等の手法を利用することができる。
【００３９】
次に、主制御系４０は、照明装置１０を制御してウェハＷ上にレチクルＲの像を投影する露光を行う。露光後のウェハＷは未露光のウェハＷと交換される。
【００４０】
この未露光のウェハＷに対しても、主制御系４０は、ステージ制御系４５を介してＺステージ６２を駆動し、ウェハＷを上記のデフォーカス量Ｆだけ移動させる。次に、主制御系４０は、このデフォーカス量Ｆにおけるマーク像のエッジ位置を指標マークＩＭの位置との対比において求め、ウェハＷを位置決めし、レチクルＲの像をウェハＷに投影する露光を行う。
【００４１】
以上は、ウェハマークＷＭの形状等がほぼ同一のウェハＷを露光する場合についての説明であったが、ウェハマークＷＭの形状等が異なるウェハＷ（例えば別工程のウェハＷ）の場合、位置検出のためのデフォーカス量Ｆを最適値に更新した上で位置検出と露光とを行う。
【００４２】
つまり、主制御系４０は、適当なデフォーカス範囲内で、再度Ｚステージ６２を駆動してウェハＷを光軸ＡＸに沿って移動させ、信号処理部３７から出力される撮像信号の波形を採取する。次に、採取した波形から、ウェハマークＷＭのエッジ傾きＥ等が算出される。次に、検出したマーク像のエッジ傾きＥ等に基づいて、位置検出を行うに際しての好ましいデフォーカス量Ｆが決定される。次に、Ｚステージ６２を駆動して、上記のようにして決定したデフォーカス量ＦだけウェハＷを移動させる。次に、信号処理部３７からの信号波形に基づいて、このデフォーカス量Ｆにおけるマーク像のエッジ位置を求め、ウェハＷの位置検出を行う。
【００４３】
以上の説明においては、位置検出の対象となるウェハマークＷＭが低段差であるとして説明しているが、ウェハマークＷＭが高段差である場合や明暗構造を有する場合は、上記のような位置検出を行う必要はない。つまり、ウェハマークＷＭが高段差（例えば数１０μｍ以上）の場合、デフォーカスさせることなく、アライメント光学系２０の焦点面にウェハＷを配置した合焦状態にてウェハマークＷＭの位置検出を行う。また、ウェハマークＷＭが明暗パターンの場合も、デフォーカスさせることなく、アライメント光学系２０の焦点面にウェハＷを配置した合焦状態にてウェハマークＷＭの位置検出を行う。ただし、ウェハマークＷＭが低段差の場合、上記と同様に、デフォーカス量ＦだけウェハＷを移動させてウェハマークＷＭの位置検出を行う。なお、位置検出の対象となるウェハマークＷＭが段差であるか否かや段差の高低については、信号処理部３７で採取した信号波形に基づいて判断してもよいし、ウェハＷごとに実際に測定を行って判断してもよいし、ウェハステージＷＳ上にセットされているウェハＷを管理するとともに予め登録されているデータに基づいて対象となっているウェハマークＷＭのタイプを判断することとしてもよい。
【００４４】
なお、ターレット板２３の回転位置を調整することにより、照明光ＡＬの光束の形状等を調節できるので、例えば低段差の場合には、照明のシグマ値σを小さく設定することもできる。このような設定は、キーボード５０を介して主制御系４０に指示を出してもよいし、主制御系４０でウェハＷの状態を管理している場合、ウェハＷのタイプ、工程等の判断結果に基づいて照明のシグマ値σを切り換えるようにすることができる。
【００４５】
図３は、マーク像のデフォーカスと撮像信号の波形との関係を説明する図である。図３（ａ）は、ウェハマークＷＭの段差パターンの一例を示し、図３（ｂ）〜（ｄ）は、段差パターンのコントラスト信号がデフォーカスに伴って変化する様子を模式的に示し、図３（ｅ）〜（ｇ）は、それぞれ図３（ｂ）〜（ｄ）の微分波形（エッジ傾き信号）であり、微分波形がデフォーカスに伴って変化する様子を模式的に示す。図から明らかなように、マーク像が合焦状態にあるとき、コントラスト（コントラスト信号の変動幅）Ｃは低く（図３（ｂ）参照）、マーク像がある程度のデフォーカス状態にあるとき、コントラストＣは多少大きくなり（図３（ｃ）参照）、マーク像が更にデフォーカス状態にあるとき、コントラストＣは最も大きくなる（図３（ｄ）参照）。一方、マーク像がフォーカス状態にあるとき、エッジ傾きＥ（コントラスト信号の微分係数の変動幅）は小さく（図３（ｅ）参照）、マーク像がある程度のデフォーカス状態にあるとき、エッジ傾きＥは最も大きくなり（図３（ｆ）参照）、マーク像が更にデフォーカス状態にあるとき、エッジ傾きは再び減少する（図３（ｇ）参照）。
【００４６】
図４は、マーク像のデフォーカスと、コントラストＣ及びエッジ傾きＥとの関係を説明する図である。図４（ａ）に示すように、マーク像のコントラストＣは、フォーカス位置がＺ1、Ｚ2のときに極大となり、フォーカス位置がＺ1のときに最大となる。一方、マーク像のエッジ傾きＥは、フォーカス位置がＺ2のときに最大となり、フォーカス位置がＺ1のときにはかなり極めて小さくなる。
【００４７】
図５は、図３（ａ）に示すウェハマークＷＭに非対称性があった場合における、テレセントリシティーをシミュレーションした特性曲線を示すグラフである。ここで、コントラストＣが最大のフォーカス位置は、図４（ａ）に示すようにＺ1であるが、このフォーカス位置では、大きな位置検出編されＸ1が生じることが分かる。一方、エッジ傾きＥが最大のフォーカス位置は、図４（ｂ）に示すようにＺ2であるが、このフォーカス位置では、位置検出編されＸ2が小さいことが分かる。従って、エッジ傾きＥが最大となるようにデフォーカス量Ｆ（フォーカス位置Ｚ2に相当）を設定すれば、ウェハマークＷＭに非対称性があった場合であっても、位置検出編されを比較的小さくすることができ、位置検出精度を高くすることができる。
【００４８】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る位置検出装置を備えた露光装置について説明する。なお、第２実施形態の位置検出装置は第１実施形態の変形例であるので、第１実施形態の装置と異なる点についてのみ説明する。
【００４９】
低段差のウェハマークＷＭに対して、主制御系４０は、ステージ制御系４５を介してウェハステージＷＳをあらかじめ決められたフォーカス範囲で駆動し、各フォーカス位置での像のコントラストＣ（Ｚ）とエッジの傾きＥ（Ｚ）を算出する。
【００５０】
第１実施形態では、図５で説明したように、エッジの傾きが最大となるフォーカス位置Ｚ2で位置検出を行ったが、フォーカス位置Ｚ2におけるコントラストＣ（Ｚ2）では、位置検出のためのコントラストとして不十分な場合もある。従って、第２実施形態では、位置検出を行える限界のコントラスト
Ｃ（Ｚ）≧Ｃ0
Ｃ0＝定数
を予め設定しておく。なお、コントラストの下限値Ｃ0は、アライメント系２０固有のものとして予め設定しておくこともできるが、計測条件等の諸要素に基づいて決定することもできる。主制御系４０は、この条件を満たすフォーカス範囲でエッジの傾きＥ（Ｚ）が最大となるフォーカス位置を求め、これに対応するデフォーカス状態でウェハマークＷＭの位置検出を行う。
【００５１】
また、マーク像のコントラストＣが極めて低下する場合には、マーク像のエッジ傾きＥが所定の下限値以上となるような範囲でコントラストＣが最大となるデフォーカス量Ｆを選択することもできる。エッジ傾きＥのこのような下限値は、デフォーカス範囲と同様に、露光条件、計測条件等の諸要素に基づいて決定する。
【００５２】
また、フオーカス位置Ｚを段階的に変化させた場合の各フオーカス位置Ｚでの像のコントラストＣ（Ｚ）と、エッジ傾きＥ（Ｚ）について、以下の関数
Ｆ（Ｚ）＝Ａ×Ｃ（Ｚ）＋Ｂ×Ｅ（Ｚ）
Ａ，Ｂ＝定数
の演算機能を主制御系４０に組み込み、Ｆ（Ｚ）が最大となるフォーカス位置ＺMAXで位置検出を行うようにしてもよい。定数Ａ、Ｂは、デフォーカス範囲と同様に、露光条件、計測条件等の諸要素に基づいて決定する。
【００５３】
この際、コントラストＣの代わりに、像強度の変化としてウェハマークＷＭの像全体における最大値と最小値の差（像の強度差）を利用してもよい。
【００５４】
以上、実施形態に即してこの発明を説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、アライメント系２０のデフォーカスをウェハステージＷＳの駆動によって行ったが、レンズ（例えば、第１対物レンズ２６、第２対物レンズ３１、及びリレー系３３のいずれか）、撮像素子３５、３６等を光軸方向に駆動することによってデフォーカスを行ってもよい。さらに、デフォーカスは、特開平７−１８３１８６号公報に開示されているように、結像光学系の光軸に対して対象な波面収差を与えるものであってもよい。
【００５５】
また、ウェハマークＷＭは、ＸＹ計測用に個別に設けた１次元の周期マークであるが、２次元格子マークとすれば、２次元的な位置計測が同時に可能になる。
【００５６】
また、デフォーカスして位置検出を行う場合、ウェハマークＷＭに非対称性がない場合でもアライメント光学系の光軸ずれ等によって生じるテレセントリシティー特性が検出誤差となり得る。ウェハステージＷＳ上の対称性のよい基準マークのテレセントリシティーをあらかじめ計測しておくことにより、位置計測時に設定されるデフォーカス量Ｆによって生じるテレセントリシティーの誤差成分（位置検出の誤差成分）を補正すれば、光軸ずれによらない位置検出が可能となる。この際、基準マークではなく、実際に計測を行うマークＷＭについてテレセントリシティーを計測して位置検出誤差の補正を行ってもよい。
【００５７】
また、マークＷＭをＦ＝−ΔＺだけデフォーカスさせたときの前ピンマーク像を撮像装置３５、３６で撮像検出して得られる位置計測値を第１のウェハ位置Ｘ01（又はＹ01）とし、＋ΔＺだけデフォーカスしたときの後ピンマーク像を撮像装置３５、３６で撮像検出して得られる計測値を第２のウェハ位置Ｘ02（又はＹ02）とする。そして、両計測値Ｘ01、Ｘ02（又はＹ01、Ｙ02）の平均をとってウェハの真の計測位置とし、アライメント光学系の光軸ずれ等によって生じるテレセントリシティー特性（テレセンずれ）に起因する検出誤差を補正することもできる。その他、特開平９−６０１７号に開示された方法を適応することもできる。つまり、異なる２つのデフォーカス状態におけるマーク像の第１及び第２の位置情報に基づいて、第１及び第２のデフォーカス状態に伴うテレセンずれの影響を補正してより高精度な位置検出を行うことができる。
【００５８】
また、上記のような位置検出は、サーチアライメントとファインアライメントとを組み合わせてアライメントを行うことを前提とする場合、ファインアライメントに適用されるものであるが、ファインアライメントの前に行うサーチアライメントにも上記のような位置検出を適応することができる。この場合、サーチアライメントについてもファインアライメントについても高段差から低段差まで高精度で位置検出が可能になる。
【００５９】
また、上記実施形態では、パターンを落射照明する例を示したが、透過照明の場合にも上記のような位置検出が可能なことは言うまでもない。
【００６０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の位置検出装置においては、決定手段が、マーク像をデフォーカスさせた場合のマーク像のエッジの傾きに基づいてマーク像をデフォーカスさせて位置検出を行う際のデフォーカス量を決定するので、デフォーカス手段が、マーク像のエッジを明瞭にするような範囲でマーク像をデフォーカスさせることができ、結果的に、低段差の位置検出用マークであっても高精度の位置検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による位置検出装置の一実施形態が適用された投影露光装置の要部を示す構成図である。
【図２】（ａ）はウェハマークの一例を示し、（ｂ）は指標マークの一例を示す。
【図３】（ａ）は、ウェハマークの形状を示し、（ｂ）から（ｄ）は、デフォーカス量を種々に変化させた場合に観察される像の強度分布を示す波形であり、（ｅ）から（ｇ）は、（ｂ）から（ｄ）に示す波形を微分した波形である。
【図４】（ａ）は、図３（ａ）のウェハマークのデフォーカスとコントラストとの関係を示し、（ｂ）は、デフォーカスとエッジ傾きとの関係を示す。
【図５】ウェハマークのデフォーカス量と位置検出結果との一例の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１０    照明装置
２０    アライメント系
２１    光源
２２    光ファイバ束
２３    ターレット板
２４    リレー系
２５    ハーフプリズム
２６    第１対物レンズ
２７    全反射プリズム
３１    第２対物レンズ
３２    指標板
３３    リレー系
３４    ハーフプリズム
３５,３６    撮像装置
３７    信号処理部
４０    主制御系
４５    ステージ制御系
６１    ウェハホルダ
ＰＬ    投影光学系
Ｒ    レチクル
ＲＳ    レチクルステージ
Ｗ    ウェハ
ＷＭ    ウェハマーク
ＷＳ    ウェハステージ
【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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