JP5203675B2 - 位置検出器、位置検出方法、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置検出器、位置検出方法、露光装置及びデバイス製造方法に関する。

フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等を製造する際に、レチクル又はフォトマスクに描画されたパターンを投影光学系によってウエハ等に投影してパターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。この際、ウエハ上に既に形成されたパターンに対して、投影光学系を介して形成されるマスクパターンの投影像を、投影露光装置に搭載されたアライメント検出系によって位置合わせを行った後に、露光を行う。

投影露光装置においては、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、より高い解像力でマスクパターンをウエハに投影露光することが要求される。投影露光装置で転写できる最少の線幅（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。したがって、波長を短くすればするほど解像度はよくなる。このため、近年の光源は超高圧水銀ランプｇ線（波長約４３６ｎｍ）、ｉ線（波長約３６５ｎｍ）から波長の短いＫｒＦエキシマレーザ（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長約１４３ｎｍ）になっている。光源としては、さらにＦ２レーザ（波長約１５７ｎｍ）の実用化も進んでおり、将来的には波長が数nm〜百ｎｍの極端紫外光（Extreme Ultra Violet：ＥＵＶ光）の採用も見込まれている。

また、露光装置の解像度のさらなる向上の為に、投影光学系とウエハとの間の少なくとも一部に屈折率が１よりも大きい液体を浸してＮＡの増大を図ることにより解像度の向上を図る液浸露光装置も登場している。この液浸露光装置においては、ウエハと投影光学系のウエハ側先端面を構成する光学素子との間の空間に、フォトレジスト層の屈折率に近い屈折率を有する液体が充填されている。これにより、ウエハ側から見た投影光学系の有効開口数が増加し、解像度を向上させることができる。

このように露光光の短波長化や液浸法の登場によりますます解像度の向上が進み、ウエハの重ね合わせ精度（以下、オーバーレイ精度）もまた高精度化が求められている。通常、オーバーレイ精度には解像度の１／５程度が必要とされており、半導体素子の微細化が進むにつれオーバーレイ精度の向上がますます重要となってくる。

ウエハアライメント検出系の形態としては大きく２つの方法が提案され、使用されている。１つは投影光学系を介さず別個に構成されていて、ウエハ上のアライメントマークを光学的に検出する所謂オフアクシスアライメント検出系（Off-axis AA、以下OA検出系）である。2つ目は特にi線露光装置でのアライメント方式としてTTL-AA（Through the Lens Auto Aligment）方式と呼ばれる投影光学系を介して非露光光のアライメント波長を用いてウエハ上のアライメントマークを検出する方法である。

上述のようなアライメント系においては、照明むら、受光素子又は撮像素子等の感度むら、検出系自体へのゴミの付着等による歪み等の、被観察面を照明し観察して得られる検出信号のノイズ成分により、計測結果に計測誤差が生じる場合があった。現在の高解像度化の流れでは、これらの計測誤差を低減することが重要となっている。これらの計測誤差を低減するために、これらノイズ成分を検出信号から除去する処理（以下、下地補正と呼ぶ）が行われる。下地補正は、被観察面を照明し観察して得られる検出信号の種々のノイズ成分を各々予め計測して下地信号として記憶しておき、下地信号を参照してアライメントマークの検出信号を補正する処理である。

この下地補正の為の下地信号は、通常アライメント条件（照明波長・照明ＮＡ・検出ＮＡ）ごとに記憶しておき、アライメント条件ごとに対応する下地信号を用いて下地補正が行われていた（特許文献１）。
特開平１１−５４４１８号公報

露光装置上に搭載されたウエハアライメント検出系では、該検出系内の光学系の経時的な変化などによりアライメント性能に関する条件が変化することがあり、これらの調整を行っていた。アライメント性能に関する条件としては、収差や光軸ずれ、またレンズや平行平面板などの偏芯によって発生する波長ごとのシフト成分（以下、波長シフト差）等があげられる。同じアライメント条件であるにも関わらず、調整前に使用していた下地信号がもはや最適なものではなくなった状況で、以前の下地信号を使用してアライメントを行うと、計測だまされが発生する場合があった。

本発明は、光学部材が調整されて位置計測に関する条件が変化しても高精度に検出可能な位置検出器、位置検出方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、被検物体に設けられたマークの位置を検出する位置検出器であって、被検物体の像を撮像する撮像部と、撮像部の撮像面に被検物体の像を形成する光学系と、光学系に含まれる光学部材が調整されたことに応じて光学系及び撮像部を用いてマーク以外の領域を撮像しノイズの情報を取得するノイズ取得部と、光学系及び撮像部を用いて取得されたマークの像をノイズ取得部により取得されたノイズの情報を用いて補正する補正部と、を備え、光学部材は、光学系の光軸ずれを調整可能な光学部材、光学系において発生する収差を調整可能な光学部材、および、光学系に含まれる光学部材の偏芯によって発生する波長に依存したシフトを調整可能な光学部材のうち少なくとも１つであることを特徴とする。

本発明の第２の側面は、被検物体に搭載されたマークの像を光学系により形成し、形成されたマークの像を撮像部により撮像してマークの位置を検出する位置検出方法であって、光学系に含まれる光学部材が調整されたことに応じて光学系及び撮像部を用いてマーク以外の領域を撮像しノイズの情報を取得するノイズ取得工程と、光学系及び撮像部を用いて取得されたマークの像をノイズ取得工程において取得されたノイズの情報を用いて補正する補正工程と、を含み、光学部材は、光学系の光軸ずれを調整可能な光学部材、光学系において発生する収差を調整可能な光学部材、および、光学系に含まれる光学部材の偏芯によって発生する波長に依存したシフトを調整可能な光学部材のうち少なくとも１つであることを特徴とする。

本発明によれば、光学部材が調整されて位置計測に関する条件が変化しても高精度に検出可能な位置検出器、位置検出方法を提供することができる。

［露光装置に使用されるアライメント検出器の実施形態］
本発明に係る位置検出器は、半導体露光装置や液晶露光装置内の被検物体に搭載されたマークの位置を検出するものである。被検物体は、原版としてレチクル、基板としてのウエハの少なくとも一方であればよい。露光装置は、位置検出器による位置検出結果に基づいて原版及び基板の少なくとも一方の位置決めを行う。以下の実施形態では、露光装置のウエハに搭載されたマークの位置を検出するウエハアライメント系について説明する。

アライメント性能に関する条件が変更された時のアライメント手法について図面を参照しながら説明する。

図１の露光装置において、レチクルステージ２はレチクル１を支持し、ウエハステージ４はウエハ３を支持する。照明光学系５は、レチクルステージ２に支持されているレチクル１を露光光で照明し、投影光学系６は、露光光で照明されたレチクル１のレチクルパターン像をウエハステージ４に支持されたウエハ３に投影露光する。露光装置全体の動作は、制御器１７によって統括制御される。

本実施形態において、露光装置として、レチクル１とウエハ３とを走査方向に互いに同期移動しつつレチクル１に形成されたレチクルパターンをウエハ３に露光する走査型露光装置（スキャナー）が使用される。しかし、レチクル１を固定しレチクルパターンをウエハ３に露光するタイプの露光装置（ステッパー）も使用することができる。

以下の説明において、投影光学系６の光軸と一致する方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直な平面内でレチクル１とウエハ３との同期移動方向（走査方向）をＹ軸方向、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向（非走査方向）をＸ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわり方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。

レチクル１上の所定の照明領域は照明光学系５により均一な照度分布の露光光で照明される。照明光学系５から射出される露光光としては、ＫｒＦエキシマレーザ、さらに短波長のＡｒＦエキシマレーザやＦ２レーザ、波長が数nm〜百ｎｍの極端紫外光（Extreme Ultra Violet：ＥＵＶ光）が使用されうる。

レチクルステージ２は、投影光学系６の光軸に垂直な平面内、すなわちＸＹ平面内で２次元移動可能及びθＺ方向に微小回転可能である。レチクルステージ２は最低１軸以上駆動されればよく、６軸駆動でもよい。レチクルステージ２はリニアモータ等のレチクルステージ駆動機構（不図示）により駆動され、レチクルステージ駆動機構は制御器１７により制御される。レチクルステージ２上にはミラー７が設けられている。ミラー７に対向する位置にはレーザ干渉計９が設けられている。レチクルステージ２上のレチクル１の２次元方向の位置及び回転角はレーザ干渉計９によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御器１７に出力される。制御器１７はレーザ干渉計９の計測結果に基づいてレチクルステージ駆動機構を駆動することでレチクルステージ２に支持されているレチクル１の位置決めを行う。

投影光学系６は、レチクル１のレチクルパターンを所定の投影倍率βでウエハ３に投影露光するものであって、複数の光学素子で構成されている。本実施形態において、投影光学系６は、投影倍率βが例えば１／４あるいは１／５の縮小投影系である。

ウエハステージ４は、ウエハチャックを通してウエハ３を保持するＺステージと、Ｚステージを支持するＸＹステージと、ＸＹステージを支持するベースとを備えている。ウエハステージ４はリニアモータ等のウエハステージ駆動機構（不図示）により駆動される。ウエハステージ機構は制御器１７により制御される。

ウエハステージ４上にはウエハステージ４とともに移動するミラー８が設けられている。ミラー８に対向する位置にはＸＹ方向用のレーザ干渉計１０とＺ方向用のレーザ干渉計１２が設けられている。ウエハステージ４のＸＹ方向の位置及びθＺはレーザ干渉計１0によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御器17に出力される。また、ウエハステージ4のＺ方向の位置及びθＸ、θＹについてはレーザ干渉計１２によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御器１７に出力される。これらのレーザ干渉計１０，１２の計測結果に基づいてウエハステージ駆動機構を通してＸＹＺステージが駆動されることでウエハ３のＸＹＺ方向における位置が調整され、ウエハステージ４に支持されているウエハ３の位置決めが行われる。

レチクルステージ２の近傍には、レチクルアライメント検出系１３が設けられている。レチクルアライメント検出系１３は、レチクル１上のレチクル基準マーク（不図示）と投影光学系６とを通してウエハステージ４上のステージ基準プレート１１にある図２中のレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８を検出する。レチクルアライメント検出系１３は、実際にウエハ３を露光する光源と同一の光源を用い、投影光学系６を通してレチクル基準マークとレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８を照射し、その反射光を検出するための光電変換素子を搭載している。レチクルアライメント検出系１３に搭載される光電変換素子は、例えばＣＣＤカメラである。この光電変換素子の信号を元に、レチクル１とウエハ３の位置合わせを行う。レチクル１上のレチクル基準マーク（不図示）とステージ基準プレート１１上のレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８との位置及びフォーカスを合わせることで、レチクル１とウエハ３の相対位置関係（Ｘ,Ｙ,Ｚ）を合わせることができる。

レチクルアライメント検出系１３により検出される基準マーク１８は透過型のマークでも良い。透過型のレチクルアライメント検出系１４を用いれば、透過型のレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８を使用することもできる。

透過型のレチクルアライメント検出系１４は、ウエハ３を露光する光源と同一の光源から照射され、レチクル基準マーク（不図示）、投影光学系６、レチクルアライメント検出系用の基準マーク１８を透過した光を検出するための光量センサーなどを搭載している。ウエハステージ４をＸ方向（若しくはＹ方向）・Ｚ方向に駆動させながら透過光の光量を測定し、レチクル１上のレチクル基準マーク（不図示）とレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８の位置及びフォーカスを合わせる。

このようにレチクルアライメント検出系１３及び透過型のレチクルアライメント検出系１４のどちらを用いても、レチクル１とウエハ３の相対位置関係（Ｘ,Ｙ,Ｚ）を合わせることができる。

ウエハステージ４の１つのコーナーにあるステージ基準プレート１１は、ウエハ３表面とほぼ同じ高さに設置されている。また、ステージ基準プレート１１は、ウエハアライメント検出系１６が検出するウエハアライメント検出系用の基準マーク１８とレチクルアライメント検出系１３，１４が検出するレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８とを備えている。ステージ基準プレート１１は、ウエハステージ４の複数のコーナーに配置されていてもよい。また、１つのステージ基準プレート１１が複数のレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８、ウエハアライメント検出系用の基準マーク１８を含んでいてもよい。ここで、レチクルアライメント検出系用の基準マーク１８とウエハアライメント検出系用の基準マーク１８との位置関係（ＸＹ方向）は既知であるとする。さらに、ウエハアライメント検出系用の基準マーク１８とレチクルアライメント検出系用の基準マーク１８とは共通のマークであってもよい。

フォーカス検出系１５は、検出光をウエハ３表面に投射する投射系とそのウエハ３からの反射光を受光する受光系とを備えており、フォーカス検出系１５の検出結果は制御器１７に出力される。制御器１７は、フォーカス検出系１５の検出結果に基づいてＺステージを駆動し、Ｚステージに保持されているウエハ３のＺ軸方向における位置（フォーカス位置）及び傾斜角を調整することが可能である。

ウエハアライメント検出系１６は、検出光をウエハ３上のウエハアライメントマーク１９やステージ基準プレート１１上のウエハアライメント検出系用の基準マーク１８に投射する投射系と該マークからの反射光の受光系を備える。ウエハアライメント検出系１６の検出結果は制御器１７に出力される。制御器１７は、ウエハアライメント検出系１６の検出結果に基づいてウエハステージ４をXY方向に駆動することで、ウエハステージ４に保持されているウエハ３のXY方向における位置を調整することが可能である。

本実施形態において、ウエハアライメント検出系１６としてオフアクシスアライメント検出系（Off-axis AA、以下OA検出系）が使用される。しかし、本発明において、ウエハアライメント検出系１６はOA検出系に限定されるものではない。

図３は、本発明に係る位置検出器の一例としてのウエハアライメント検出系１６を詳細に示したものである。ウエハアライメント検出系用の照明光源２０（ファイバ等）から導光された光は第一リレー光学系２１、波長フィルタ板２２、第二リレー光学系２３を通り、開口絞り２４に到達する。開口部材（開口絞り）２４は、ウエハアライメント検出系１６の瞳面（物体面に対する光学的なフーリエ変換面）に当たる。このとき開口絞り２４でのビーム径はウエハアライメント検出系用の照明光源２０（ファイバ等）でのビーム径よりも十分に小さいものとなる。図４はこのときのビーム径の関係を示したもので、光源２０でのビーム径３９と比べて開口絞り２４でのビーム径３９'は十分に小さい。

波長フィルタ板２２には透過波長帯の異なるフィルタが複数種挿入されており、制御器１７からの命令でフィルタの切換を行う。開口絞り２４には照明σの異なる絞りが複数種用意されており、制御器１７からの命令で絞りの切換を行うことで、照明σを変更することができる。波長フィルタ板２２と開口絞り２４には予め複数種のフィルタと絞りが備え付けられているが、新たに追加でフィルタと絞りを構成することも可能な機構となっている。

開口絞り２４まで到達した光は第一照明光学系２５、第二照明光学系２７を通って偏光ビームスプリッタ２８に導かれる。偏光ビームスプリッタ２８により反射された紙面に垂直なS偏光光は、ＮＡ絞り２６、λ/4板２９を透過して円偏光に変換され、対物レンズ３０を通ってウエハ３上に形成されたウエハアライメントマーク１９をケーラー照明する（照明光は図３中の実線で示す）。ＮＡ絞り２６は絞り量を変えることでＮＡを変えることができる。ＮＡ絞り２６の絞り量は制御器１７からの命令で変更されうる。

ウエハアライメントマーク１９から発生した反射光、回折光、散乱光（図３中の1点波線で示す）は、再度対物レンズ３０を通りλ/4板２９を通って今度は紙面に平行なP偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２８を透過する。透過光は、リレーレンズ３１、第一、第二結像光学系３２，３３、コマ収差調整用光学部材４５、波長シフト差調整用光学部材４６によって、ウエハアライメントマーク１９の検出信号を光電変換素子３４（例、CCDカメラ）上に形成する。

光電変換素子３４は被検物体の像を撮像する撮像部を構成している。照明光源２０から波長シフト差調整用光学部材４６に至る各種光学部材は、撮像部である光電変換素子３４の撮像面に被検物体の像を形成する光学系を構成している。また、当該光学系のうち、照明光源２０から第２照明光学系２７に至る光学部材は、照明光学系を構成している。

ウエハアライメント検出系１６には、さらに信号発生部３５、ノイズ取得部３６、記憶部３７、補正部３８が備え付けられている。信号発生部３５は、後述する上記光学系に含まれる光学部材が光軸ずれ、波長シフト差、収差等を調整された場合に信号を発生する。ノイズ取得部３６は、信号発生部が発生した信号に応答してウエハアライメント検出系１６のノイズの情報である下地信号を取得する。記憶部３７にはアライメント条件ごとの下地信号のデータに加えてノイズ取得部により取得された下地信号のデータが記憶される。補正部３８は、光電変換素子３４で検出されたウエハアライメントマーク１９の検出信号を、その時のアライメント条件での下地信号を用いて補正する（いわゆる下地補正）。したがって、光学部材が調整されて信号が発生されると、補正部３８は、当該信号に応答して取得された下地信号を用いて検出信号を補正する。ウエハアライメント検出系１６は、補正された検出信号に基づいて、ウエハ３の位置を検出し、ウエハ３の位置合わせを行う。

通常、上記のようなウエハアライメント検出系１６により、ウエハ３上のウエハアライメントマーク１９を観察、位置検出する場合、ウエハアライメントマーク１９上部に塗布、或いは形成された透明層のため、単色光では干渉縞が発生してしまう。そのため、アライメント信号に干渉縞の信号が加算された状態で検出され、高精度に検出できなくなる。したがって、一般的にこうしたウエハアライメント検出系１６の照明光源２０としては、広帯域の波長を持つものが使用され、干渉縞の少ない信号として検出する。

ウエハ3上のウエハアライメントマーク１９を精度良く検出する為には、ウエハアライメントマーク１９の像が明確に検出されなければならない。つまり、ウエハアライメント検出系１６のピントがウエハアライメントマーク１９に合っていなければならない。その為に、一般には不図示のオートフォーカス検出系が構成され、その検出結果に基づいて、ウエハアライメントマーク１９をウエハアライメント検出系１６のベストフォーカス面に駆動して、ウエハアライメントマーク１９の検出を行っている。

なお、TTL-AA方式についての説明はここでは割愛するが、基本的には投影光学系６を介してウエハ３上を観察する構成である点で、OA方式の検出系と異なっている。

図５に下地補正の一例を示す。図５の４０は、アライメントマークの断面構造を示したものであり、横方向が位置、縦方向が高さを示している。また図５の４１の波形は横軸が位置で縦軸がアライメントマークを検出した際の信号強度を示しており、以降の説明でも同様である。通常、図５の４０のようなアライメントマークをウエハアライメント検出系１６があるアライメント条件で検出したアライメントマークの検出信号は図５の４１のように、マーク以外の領域にむらが見られる検出信号となる。このむらは、照明むら、受光素子若しくは撮像素子等の感度むら、ゴミの付着などによる、被観察面を照明し観察して得られる検出信号の歪みによるものであり、アライメントの際の計測誤差となり問題視されていた。

従来の下地補正では、マーク以外の領域を撮像して、図５の４２のようなウエハアライメント検出系１６が持つノイズ成分（いわゆる下地信号）を取得していた。そして、この下地信号で検出信号４１に補正をかけ、図５の４３のような補正検出信号によって、ウエハの位置合わせを行っていた。下地補正前の検出信号４１と比べて、下地補正後の補正検出信号４３はマーク以外の部分でのむらがなく、アライメントの際の計測誤差が低減され高精度なアライメントが可能となる。

ウエハアライメント検出系１６に予め構成されているアライメント条件（以下、備え付けアライメント条件）に対しては、通常、図６のようにアライメント条件ごとに下地信号が用意されている。アライメント条件Ａで得た検出信号に対しては、アライメント条件Aに最適化された下地信号Ａを用いて下地補正を行うし、アライメント条件Ｂで得た検出信号に対しては、アライメント条件Ｂに最適化された下地信号Ｂを用いて下地補正を行う。つまり、ウエハアライメント検出系１６は備え付けアライメント条件に対しては、最適な下地信号を用意している。

ウエハアライメント検出系１６を露光装置に搭載する際、該検出系のアライメント性能に関する条件（光軸ずれ量、波長シフト差、コマ収差等）はある程度は調整されているが、経時変化などにより該条件が変化する場合がある。したがって、定期的に該条件の調整を行う必要がある。又、観察するマークによってはウエハアライメントマークごとに最適な光軸補正を行う場合があり、該検出系を露光装置に搭載後に、該条件の調整を行う場合がある。つまり、照明波長、照明ＮＡ、検出ＮＡなどのアライメント条件が同じでも、光軸ずれなどのアライメント性能に関する調整状態が変わることがあった。従来は光軸ずれ補正などだけではノイズ成分の変化は少ないと考えられていたが、昨今の露光装置の高精度化を鑑みると、これらノイズ成分の変化が無視できない。光軸ずれなどのアライメント性能に関する条件の調整状態が変われば検出信号の傾き具合が変わる為、同じアライメント条件であっても元々の下地信号を使えば、最適な下地補正が行えず計測だまされが生じる可能性があった。

以下、本発明に係る、アライメント性能に関する条件が変更された時のアライメント手法について、特に光軸ずれ量が変更されたときの実施形態について図面を参照しながら説明する。

まずは、図３に示したウエハアライメント検出系内の光学系における光軸ずれの調整手法について説明する。図７は図３のウエハアライメント検出系の照明光学系である。図７に示したような該検出系内に光軸ずれが存在しない時は、該検出系の照明光の主光線はウエハ３上に垂直に入射する。しかし、図８のように該検出系内の開口部材（開口絞り）２４がずれている場合、ウエハ３上に該検出系の照明光の主光線は垂直に入射せずにある角度θを持って入射する。

このとき、開口絞り２４でのビーム径は、図４の３９''に示すように、ウエハアライメント検出系用の照明光源２０（ファイバ等）でのビーム径３９の中心位置に対して、ずれた位置に位置する。このような状態のことを該光学系に光軸ずれが存在すると言う。図８では開口絞りの位置ずれによって光軸ずれの説明をしているが、開口絞りと同様照明光学系内の瞳と共役な位置に配置される照明光源２０（ファイバ等）自体が位置ずれを起こしても、光軸ずれは発生する。該光学系内での光軸ずれは、図８に示すウエハアライメント検出系用の照明光源２０の位置若しくは開口絞り２４の位置を、光軸に対して駆動可能な垂直方向に動かすことで調整することができる。このようにOA方式のウエハアライメント検出系での光軸ずれの調整は、該検出系内の該光源２０若しくは開口絞り２４を光軸に対して垂直方向に動かすことによって行う。

ウエハアライメント検出系内の光学系における光軸ずれの調整は、アライメントマークの各デフォーカスポジションに対する位置情報（以下、デフォーカス特性と呼ぶ）を利用して行う。該光学系の光軸ずれの指標であるデフォーカス特性について、図９〜図１２を用いて説明する。デフォーカス特性を検査するには、クロムパターンのアライメントマークをデフォーカスさせながら計測すればよい。クロムパターンのアライメントマークは装置内のステージ基準プレート１１上などに構成されており、デフォーカス特性のデータは露光装置上で簡易に取得することができる。更には実際に露光する実露光ウエハ上のアライメントマークに対して、同様にデフォーカス特性を求め補正することも可能である。ステージ基準プレート１１上に構成されたクロムパターンと実露光ウエハでのデフォーカス特性の差は、該検出系に残存する収差成分や、アライメントマークの断面構造の違い等によって発生することが分かっている。図９はクロムパターンのアライメントマークでの検出信号を示している。図９の検出信号５０はウエハアライメント検出系内の光学系に光軸ずれが残存していない理想的な光学系で検出された対称な検出信号である。該検出信号５０をプラス方向にデフォーカスして得られる検出信号が検出信号５１、マイナス方向にデフォーカスして得られる検出信号が検出信号５２である。デフォーカスした検出信号５１，５２は検出信号５０と比べると検出信号のコントラストは落ちるものの、該光学系内に光軸ずれが残存していないために、検出信号の対称性が崩れることはない。つまり、検出信号５１，５２の計測中心位置は検出信号５０と同じ位置を取る。この時のデフォーカスに対する計測中心位置を示したのが図１０で、検出信号の計測中心位置は５３のようにデフォーカスに関わらず一定値を取る。この検出信号の計測中心位置５３のデフォーカスに対する傾きがデフォーカス特性であり、この場合のデフォーカス特性は０となる。図１０のようなデフォーカスに対する計測中心位置の変化がなければ、ウエハアライメントの際にデフォーカスが発生しても位置ずれは起こらない。

図１１の検出信号５４は、ウエハアライメント検出系内の光学系に光軸ずれが残存している場合を示したものである。該検出信号５４をプラス方向にデフォーカスして得られる検出信号が検出信号５５、マイナス方向にデフォーカスして得られる検出信号が検出信号５６である。デフォーカスした検出信号５５，５６はコントラストが低下するだけでなく、該検出系内の光軸ずれの影響で非対称な検出信号となる。このときの検出信号５５，５６の計測中心位置は検出信号５４と同じ位置を取らなくなる。このときのデフォーカスに対する計測中心位置を示したのが図１２で、検出信号の計測中心位置は５７のようにデフォーカスに依存した値を取る。この５７のデフォーカスに対する傾きがデフォーカス特性で、この場合、あるデフォーカス特性値を持つ。図１２のようなデフォーカスに対する計測中心位置の変化がある場合、ベストフォーカスでは位置ずれは発生しない。しかし、実際のウエハアライメントの際には多少のデフォーカスが発生するので、そうした場合位置ずれが発生することになる。このデフォーカス特性は該検出系の光軸ずれを表す指標として使えるので、該検出系の光軸ずれの調整には、このデフォーカス特性が０になるように光軸ずれの調整を行えば良い。

図１３以下に、下地補正の具体例を示す。通常、図１３の４０のようなアライメントマークをウエハアライメント検出系１６があるアライメント条件で検出したアライメントマークの検出信号は図１３の６０のように、非マーク領域にむらが見られる検出信号となる。このむらは、照明むら、受光素子若しくは撮像素子等の感度むら、又はゴミの付着などによる、被観察面を照明し観察して得られる検出信号の歪みによるものであり、アライメントの際の計測誤差となる。

従来の下地補正では、該アライメント条件でマーク以外の領域を観察して、図１３の６１のようなウエハアライメント検出系１６が持つノイズ成分（いわゆる下地信号）を予め記憶しておく。そして、検出信号６０に補正をかけて、図１３の６２のような補正検出信号として、ウエハの位置合わせを行っていた。下地補正前の検出信号６０と比べて、下地補正後の補正検出信号６２は非マーク部分でのむらがなく、アライメントの際の計測だまされが低減され高精度なアライメントが可能となる。

ウエハアライメント検出系１６に予め構成されているアライメント条件に対しては、通常、図１４のようにアライメント条件ごとに下地信号が用意されている。アライメント条件Cで得た検出信号に対しては、アライメント条件Cに最適化された下地信号Cを用いて下地補正を行っていた。

しかしながら、露光装置上でウエハアライメント検出系の光軸ずれの調整を行うことがあり、その際には照明波長、照明ＮＡ、検出ＮＡなどのアライメント条件が同じでも、光軸ずれの調整前の下地信号を使っては高精度なアライメントができないことがあった。

図１５の検出信号６３は図１３の検出信号６０と同じアライメント条件Cで計測したものであるが、ウエハアライメント検出系の光軸ずれの調整が異なる状態で取得したものである。図１５の検出信号６３は図１３の検出信号６０と比べ、該検出系の光軸ずれの調整状態が異なる為、同じアライメント条件でも検出信号が異なっている。この図１５の検出信号６３のような状態で、該検出系の光軸ずれを調整する前の下地信号６１を用いて下地補正を行うと、検出信号６４のようにマーク以外の領域に傾きを持った非対称な検出信号となってしまう。このような非対称な検出信号だとアライメントの際の計測誤差が生じてしまう。このように、同じアライメント条件でも該検出系の光軸ずれの調整状態が変更されれば、変更後の光軸ずれの調整状態で下地信号を取り直す必要がある。

本実施形態では、アライメント条件Cの光軸ずれの調整状態が変更されたことに応じて下地信号CCを取り直す（図１６）。この取り直された下地信号CCは、アライメント条件Cの光軸ずれの調整状態が変更されたものに最適化されたものであり、適切な下地補正を行うことができる。図１７の検出信号６３は、図１５の検出信号６３と同じく、図１３の検出信号６０と比べ該検出系の光軸ずれの調整状態が異なる為、同じアライメント条件でも検出信号が異なっている。検出信号６３は、下地信号６５を用いて変更後の光軸ずれの状態で取り直された下地信号６５を用いて下地補正される。そうすると、非マーク領域でのむらや傾きのない対称な補正検出信号６６が得られる。該検出系の光軸ずれ調整前に取得した下地信号６１で下地補正を行っていた補正検出信号６４と比べると、該検出系の光軸ずれ調整に応じて取得した下地信号６５で下地補正を行った補正検出信号６６はマーク以外の領域でのむらや傾きがない。その為、高精度なアライメントが可能となる。

つまり、同じアライメント条件でウエハアライメント検出系の光軸ずれ状態が変更された場合でも、変更後の光軸ずれ状態で最適な下地信号を取得することで、むらや検出信号の傾きのない補正検出信号を得ることができる。

上述の説明では、同じアライメント条件でウエハアライメント検出系の光軸ずれ状態が変更されたことに応じて下地信号を取り直す場合の説明を行ったが、本発明は光軸ずれ状態のみが変更されことに応じて下地信号を取り直すことに限定されるわけではない。光軸ずれ調整以外にも、該検出系内のコマ収差を調整可能な光学部材４５によりコマ収差量が変更されたことに応じて、下地信号が取り直される。該検出系のコマ収差調整はコマ収差を調整可能な光学部材４５を光軸方向に対して垂直に動かすことによって行われる。また光学系に含まれる光学部材の偏芯によって発生する波長に依存したシフトを調整するための光学部材４６により波長シフト差が変更されたことに応じても下地信号が取り直される。波長シフト差調整用の光学部材４６は、複数の楔光学部材を有しており、異なる楔光学部材の隣り合う楔面が検出光軸の直角方向から所定の角度傾けかつ該隣り合う楔面が平行になるように配置されている。波長シフト差調整用の光学部材４６は、該楔部材間の間隔を調整することで、波長シフト差を調整できる。

本実施形態によると、該検出系がどのような状態に調整されていようとも最適な下地補正を行うことが可能となり、計測だまされが少なく常に高精度なアライメントを行うことが可能となる。

また、ウエハアライメント検出系の光軸ずれ量やコマ収差量や波長シフト差などアライメント性能に関する条件が変更された場合に下地信号を取得するシーケンスは、該条件が変更されると自動的に下地信号が取得できるシーケンスとなっていてもよい。

［デバイス製造の実施形態］
次に、図１８及び図１９を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施形態を説明する。図１８は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造方法を例に説明する。

ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンに基づいてマスクを製作する。ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィ技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、それが出荷（ステップ７）される。

図１９は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。

露光装置の構成を概略的に示す図である。 ウエハ及びステージ基準プレートを示す図である。 ウエハアライメント検出系の構成を詳細に示す図である。 光源と瞳位置とにおけるビームのサイズを示した図である。 ウエハアライメントマークと検出信号、下地信号、補正検出信号の例を示した図である。 アライメント条件と対応する下地信号の例を示した図である。 光軸ずれがない場合のウエハアライメント検出系の照明部分を示した図である。 光軸ずれがある場合のウエハアライメント検出系の照明部分を示した図である。 光軸ずれのない光学系で検出された検出信号をデフォーカスさせた図である。 図９の検出信号でのデフォーカスに対する検出信号の中心位置を示した図である。 光軸ずれのある光学系で検出された検出信号をデフォーカスさせた図である。 図１１の検出信号でのデフォーカスに対する検出信号の中心位置を示した図である。 ウエハアライメントマークと検出信号、下地信号、補正検出信号の例を示した図である。 アライメント条件と対応する下地信号の例を示した図である。 ウエハアライメントマークと検出信号、下地信号、補正検出信号の例を示した図である。 アライメント条件と対応する下地信号の例を示した図である。 ウエハアライメントマークと検出信号、下地信号、補正検出信号の例を示した図である。 露光装置を使用したデバイスの製造を説明するためのフローチャートである。 図１８に示すフローチャートにおけるステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１：レチクル（原版）
２：レチクルステージ
３：ウエハ(基板)
４：ウエハステージ
５：露光装置の照明光学系
６：投影光学系
７，８：ミラー
９，１０，１２：レーザ干渉計
１１：ステージ基準プレート
１３：レチクルアライメント検出系
１４：透過型のレチクルアライメント検出系
１５：フォーカス検出系
１６：ウエハアライメント検出系（位置検出器）
１７：制御器
１８：レチクル、ウエハアライメント検出系用の基準マーク
１９：ウエハアライメントマーク
２０：ウエハアライメント検出系用の照明光源
２１：第一リレー光学系
２２：波長フィルタ板
２３：第二リレー光学系
２４：開口絞り（開口部材）
２５：第一照明光学系
２６：ＮＡ絞り
２７：第二照明光学系
２８：偏光ビームスプリッタ
２９：λ／４板
３０：対物レンズ
３１：リレーレンズ
３２：第一結像光学系
３３：第二結像光学系
３４：光電変換素子（撮像部）
３５：信号発生部
３６：ノイズ取得部
３７：記憶部
３８：補正部
３９，３９'，３９''：ビーム径
４０：アライメントマーク
４１，６０，６３：検出信号
４２，６１，６５：下地信号
４３，６２，６４，６６：補正検出信号
４５：コマ収差調整用の光学部材
４６：波長シフト差調整用の光学部材
５０：対称な検出信号
５１：検出信号５０がデフォーカスした検出信号
５２：検出信号５０が検出信号５１とは逆の方向へデフォーカスした検出信号
５３：デフォーカスに対する中心位置の変化を示した線
５４：非対称な検出信号
５５：検出信号５４がデフォーカスした検出信号
５６：検出信号５４が検出信号５５とは逆の方向へデフォーカスした検出信号
５７：デフォーカスに対する中心位置の変化を示した線

Claims (8)

1. 被検物体に設けられたマークの位置を検出する位置検出器であって、
   前記被検物体の像を撮像する撮像部と、
   前記撮像部の撮像面に前記被検物体の像を形成する光学系と、
   前記光学系に含まれる光学部材が調整されたことに応じて前記光学系及び前記撮像部を用いて前記マーク以外の領域を撮像しノイズの情報を取得するノイズ取得部と、
   前記光学系及び前記撮像部を用いて取得された前記マークの像を前記ノイズ取得部により取得されたノイズの情報を用いて補正する補正部と、
   を備え、
   前記光学部材は、前記光学系の光軸ずれを調整可能な光学部材、前記光学系において発生する収差を調整可能な光学部材、および、前記光学系に含まれる光学部材の偏芯によって発生する波長に依存したシフトを調整可能な光学部材のうち少なくとも１つであることを特徴とする位置検出器。
2. 前記光学系の光軸ずれを調整可能な光学部材は、照明光学系内の瞳と共役な位置に配置され、光軸に対して垂直方向に駆動可能な光源及び開口部材のうち少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出器。
3. 前記光学系に含まれる光学部材の偏芯によって発生する波長に依存したシフトを調整可能な光学部材は複数の楔光学部材であり、前記楔光学部材の間隔を調整することによって前記シフトを調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置検出器。
4. 前記光学系に含まれる光学部材が調整されたことに応じて信号を発生する信号発生部をさらに備え、
   前記ノイズ取得部は、前記信号に応答して前記光学系及び前記撮像部を用いて前記マーク以外の領域を撮像しノイズの情報を取得することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の位置検出器。
5. 前記ノイズ取得部により取得されたノイズの情報を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記補正部は、前記記憶部により記憶されたノイズの情報を用いて前記マークの像を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の位置検出器。
6. 被検物体に搭載されたマークの像を光学系により形成し、当該形成されたマークの像を撮像部により撮像して当該マークの位置を検出する位置検出方法であって、
   前記光学系に含まれる光学部材が調整されたことに応じて前記光学系及び前記撮像部を用いて前記マーク以外の領域を撮像しノイズの情報を取得するノイズ取得工程と、
   前記光学系及び前記撮像部を用いて取得された前記マークの像を前記ノイズ取得工程において取得されたノイズの情報を用いて補正する補正工程と、
   を含み、
   前記光学部材は、前記光学系の光軸ずれを調整可能な光学部材、前記光学系において発生する収差を調整可能な光学部材、および、前記光学系に含まれる光学部材の偏芯によって発生する波長に依存したシフトを調整可能な光学部材のうち少なくとも１つであることを特徴とする位置検出方法。
7. 原版に形成されたパターンを基板に投影して露光する露光装置であって、
   前記原版及び前記基板の少なくとも一方を前記被検物体として、そのマークの位置を検出するように構成される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の位置検出器を備え、
   当該位置検出器による位置検出結果に基づいて前記原版及び前記基板の少なくとも一方の位置決めを行うことを特徴とする露光装置。
8. 請求項７に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記露光された基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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