JP3955985B2 - マーク位置検出装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置及びマーク位置検出方法に関し、特に半導体や液晶等の製造に用いる露光装置に設けられてマスクと感光基板との位置合わせを行うためのマーク位置検出装置及びマーク位置検出方法、並びに露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置用の露光装置では、レチクル（或いはマスク）とウェハ等の感光基板との位置合わせをした後、露光光をレチクルに照射し、レチクル上の回路パターン像を投影レンズを介してウェハ上に転写露光する。上記位置合わせ（アライメント）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ものである。
【０００３】
アライメントセンサとして、例えばＦＩＡ（ｆｉｅｌｄ ｉｍａｇｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）ではウェハ上のアライメントマークに広帯域波長の可視光を垂直に照射し、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し、ＣＣＤ撮像面上にアライメントマーク像を結像する。ＣＣＤから得られるアライメントマーク像の撮像信号を基にアライメントマークの位置検出を行っている。
【０００４】
また、ＦＩＡのようなオフアクシス方式、即ち光軸からはずれた箇所にアライメントマークを置いて位置合わせを行うようなアライメントセンサの場合、ベースラインの安定性がアライメント精度にとって重要である。その為、アライメントマークの計測位置と投影光学系の光軸との間隔を可能な限り近づける、即ちベースライン間隔をできるだけ短縮することで、熱変動等によるベースライン変化を受けにくくしている。
【０００５】
ＦＩＡの場合、アライメントセンサの対物レンズとアライメントマークとの間に偏向プリズムなどの偏向部材を設けることで、該対物レンズを露光装置の投影レンズ下に潜り込ませて上記間隔を狭めるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように結像系の光路中、特に物体空間に偏向部材を設ける場合には、偏向部材の偏向面において結像光の波面に位相飛びが発生することがある。単色光であれば位相飛びが起こらないようにすることも可能であるが、特に広域帯波長の可視光線では避けがたい。
【０００７】
結像開口数（ＮＡ）を十分に確保するためには、偏向プリズム等の偏向部材の偏向面に蒸着膜を施す必要があるが、その場合偏向面での結像光にその入射角度、波長、偏光成分に応じた位相変化が生じ、その影響を受けて結像面上でのアライメントマーク像にわずかではあるが分散が生じたり、その収差や位置が偏光成分毎に異なるといった現象が発生する。こうした結像性能の不具合を有するアライメント系で様々な種類のアライメントマークの位置を計測する場合、計測オフセットやランダムエラーといったマーク位置検出誤差が発生する虞れがある。
【０００８】
ＦＩＡのような比較的低い開口数（ＮＡ）であっても、広帯域波長の光を結像光として扱う光学系で高精度なマーク位置検出精度を確保するには、上記偏向面での偏光成分毎の位相飛び特性が、入射光の入射角度や波長によってほとんど変わらないような、極めて高性能な蒸着膜が必要である。
【０００９】
近年の回路線幅の微細化に伴い要求されるアライメント精度は益々厳しくなって来ており、上記蒸着膜の性能の更なる向上が求められている。しかし、こうした薄膜性能の向上はもはや設計製造上の限界近くにきており、このことが光学系の結像性能の向上の妨げとなり、アライメントマークの位置検出精度を左右するものとして問題になる。
【００１０】
したがって本発明は、基板と集光光学系との間に配された偏向部材における検出光の位相飛びに起因する検出誤差を補正する、マーク位置検出装置及び方法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に、本発明に係るマーク位置検出装置は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材と、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するように構成され、該マークと該光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系とを備える。
【００１２】
また、前記偏光補償光学系が、該偏向部材と該光検出装置との間の光路中に配されてもよい。
【００１３】
このように構成すると、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正する。
【００１４】
また、前記偏光補償光学系が、該マークと該偏向部材との間の光路中に配されてもよい。
【００１５】
ここで、前記偏光補償光学系が、偏光デポライザーであってもよい。
【００１６】
このように構成すると、アライメントマークからの結像光束自体が常に無偏光化するので、後続の光学系に偏向部材などによる偏光特性が生じていても、アライメントマーク像の検出誤差を生じない。
【００１７】
さらに、本発明に係るマーク位置検出装置は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材とを備え、該光検出装置が、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するために、該検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有する。
【００１８】
このように構成すると、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００１９】
さらに、本発明に係る露光装置は、マスク上のパターンを前記基板上に露光転写する露光装置において、該露光装置は、該マスク上のパターンを該基板上に露光転写するに先だって該マスクと該基板との位置合わせをする、アライメント装置を含み、該アライメント装置は、以上述べたマーク位置検出装置と、前記検出された検出光に基づいて前記位置合わせマークの位置を求め、求めた位置に基づいて前記露光装置の一部を動かし、よって前記マスクと前記基板との位置合わせを行う制御部とを備える。
【００２０】
このように構成すると、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正することができ、マスクと基板との位置合わせを正確に行うことができる。
【００２１】
本発明に係るマーク位置検出方法は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、該位置合わせマークに照明光を照射する工程と、該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、該偏向された検出光を集光する工程と、該集光された検出光を検出する工程とを備え、該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備える。
【００２２】
このような方法によれば、位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程を備えるので、偏向する工程における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正できる。
【００２３】
また、本発明に係るマーク位置検出方法は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、該位置合わせマークを照明光で照射する工程と、該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、該偏向された検出光を集光する工程と、該集光された検出光を検出する工程とを備え、該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備える。
【００２４】
このような方法によれば、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図９は上記ＦＩＡの偏向部材である偏向プリズムの偏向面の位相飛び特性が入射光の入射角度や偏光に依存している場合に生じる現象の説明図である。以下、各図において対応する要素には同一の符号を付して、その重複した説明は省略する。
【００２６】
図９において、アライメントマークＷＭが施されたウエハ１１の上方に、偏向部材である偏向プリズム１３が、その偏向反射面１２がウエハ１１の表面にほぼ４５度の角度で傾斜して配置されている。アライメントマークＷＭからウエハ１１の表面に対して垂直上方に射出した光が反射面１２で反射されて進行する方向前方に第１対物レンズ１４が配されており、その光軸上前方に第２対物レンズ１５が配されている。さらにその光軸上前方にＣＣＤ撮像面１６が配置されている。
【００２７】
ここで、アライメントマークＷＭから反射・回折される結像光のうちのＰ偏光成分を考える。アライメントマークＷＭからほぼ垂直に射出する結像光ＰＣの偏向プリズム１３の偏向面１２での位相飛びの値を基準にして考えて、結像光ＰＣの左側、言い換えればアライメントマークＷＭから偏向面１２までの光路長が結像光ＰＣより短い側を進む結像光ＰＬの位相が＋θPLだけ進み、結像光ＰＣの右側、言い換えれば結像光ＰＣに対して結像光ＰＬと対称な光路を進む結像光ＰＲの位相が−θPRだけ遅れるものとする（進みを＋、遅れを−で示す）。ここで、第１対物レンズ１４の開口数をＮＡとすると、ウェハ１１上での見掛けのアライメントマークＷＭ位置ＸPは、△θP＝θPL＋θPRとして、
【数１】
となって、図９の＋Ｘ方向にずれる。
【００２８】
一方、結像光のＳ偏光成分については、アライメントマークＷＭからほぼ垂直に射出する結像光ＳＣの偏向プリズム１３の偏向面１２での位相飛びの値を基準にして考えて、Ｐ偏光の場合と同様に結像光ＳＣの左側を進む結像光ＳＬの位相が−θSLだけ遅れ、結像光ＳＣの右側を進む結像光ＳＲの位相が＋θSRだけ進むものとする。ウェハ１１上でのアライメントマークＷＭの見掛けの位置ＸSは、△θS＝θSL＋θSRとして、
【数２】
となって、図９の−Ｘ方向にずれる。
【００２９】
こうして、偏向プリズム１３の偏向面１２での偏光と入射角度に関する位相飛び特性により、ウェハ１１上での見掛け上のアライメントマークＷＭの位置はＰ偏光とＳ偏光とで互いに乖離し、その乖離量△Ｘ＝ＸP−ＸSは、
【数３】
である。
【００３０】
図９で、第１対物レンズ１４の入射瞳上でのＰ波とＳ波のそれぞれの位相ずれを示したのが、Ｐ波面２１とＳ波面２２である。またその位相ずれによる乖離は、撮像面では、Ｐ波による結像位置３１とＳ波による結像位置３２で示されている。
【００３１】
ウェハ１１上のアライメントマークＷＭ位置が偏光成分毎に見掛け上互いにずれる現象があると、アライメントマークＷＭ自身に偏光特性、例えばアライメントマークＷＭの結像光にＰ偏光よりもＳ偏光の成分が多い場合、ウェハ１１上のアライメントマークＷＭの見掛けの位置がＳ偏光の見掛け上の位置の方向にやや偏ることになり、アライメントマークＷＭの位置計測誤差を発生させる。
【００３２】
偏向プリズム１３の偏向面１２に施される蒸着膜は△θP＋△θSの位相飛び量を照明光の波長全域に渡って極力押さえるようにしているが、こうした要求を満たす性能の薄膜を得ることは設計・製造上かなり困難なものであり、このことが光学系の結像性能の向上の妨げとなって、アライメントマークの位置検出精度を左右するものとして問題になる。
【００３３】
図１は、本発明によるマーク位置検出装置及びそれを露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合を一般的に説明する第１の実施の形態を示している。従来の装置との相違は偏光補償光学系１２０が追加されたことである。
【００３４】
図１において、ウエハ１１を照明するための照明光学系は、光源であるハロゲンランプ（ＨＬ）１０１、その光路中の前方に配されたコンデンサレンズ（ＣＬ）１０２、その光軸上前方に、順に配された、ウェハ１１と共役な位置に設けられた視野絞り（ＦＳ）１０３、照明リレーレンズ１０４とからなる。そしてその光軸上前方に照明光１３０を分割するためのハーフプリズム（ＨＰ）１０５が、その反射面を光軸にほぼ４５度に傾斜させて配されている。
【００３５】
ハロゲンランプ１０１から射出する広帯域波長の照明光１３０は、コンデンサレンズ１０２で集光され、視野絞り１０３を均一に照明する。視野絞り１０３から射出する照明光は、照明リレーレンズ１０４でほぼ平行光に変換され、ハーフプリズム１０５で分岐された後、その反射光の方向で前記光軸上に配された第１対物レンズ（Ｏ１）１４の入射瞳ＩＰ上にハロゲンランプ１０１の像を形成する。
【００３６】
第１対物レンズ１４で集光された照明光は、その光軸上前方に配された偏向プリズム（ＲＰ）１３で偏向されて、プリズム１３の反射光の光軸上に置かれたウェハ１１上のアライメントマークＷＭをほぼ垂直に照射する。
【００３７】
プリズム１３は、露光装置を構成する、レチクル４２の像をウエハ１１上に投影する投影レンズ４１とウエハ１１との間に、投影レンズ４１の光軸にできるだけ近接させて、したがってウエハ１１に近接させて配されている。
【００３８】
アライメントマークＷＭで照明光は反射・回折されて結像光束１３１となって、もと来た光路を逆進する。この結像光１３１は偏向プリズム１３で偏向された後、第１対物レンズ１４に再入射し、第１対物レンズ１４の入射瞳ＩＰ上にアライメントマークＷＭの回折像を形成する。
【００３９】
入射瞳ＩＰを射出した結像光１３１は、ほぼ平行光束となってハーフプリズム１０５を通過し、その前方光軸上に配された第２対物レンズ１５を経てさらにその前方に置かれたＣＣＤ１０８上に集光され、アライメントマークＷＭの像を結像する。
【００４０】
このように、ＦＩＡの光学系が構成されているが、本第１の実施の形態では偏光補償光学系１２０が、第２対物レンズ１５とＣＣＤ１０８との間の光軸上に配されている。
【００４１】
さらに、ＣＣＤ１０８から得られるアライメントマークＷＭの像の撮像信号を基に、ＣＣＤ１０８と電気的に接続された制御系１０９は、アライメントマークＷＭの位置を求める。ウェハ１１上の複数箇所のアライメントマークを、ウエハ１１を載置したウェハステージ１１０を駆動して、ＦＩＡの計測域に移動させて、上記と同様の仕方でその位置を計測し、得られた各アライメントマークの位置情報を統計処理することで、ウェハ１１の位置を正確に求めることが出来る。
【００４２】
こうして得られたウェハ１１の位置情報を基にウェハステージ１１０を駆動して、ウェハ１１上の各ショット領域とレチクル４２の投影レンズ４１を介したレチクル像とを正確にアライメントして逐次露光を繰り返す。
【００４３】
偏向補償光学系１２０は、必ずしも第２対物レンズ１５とＣＣＤ１０８の間ではなく、その性質により、アライメントマークＷＭとＣＣＤ１０８との間の光路中の適切な箇所に配することができる。
【００４４】
図２〜図８は、本発明に用いる偏光補償光学系の具体例を順次説明している。偏光補償光学系（図１で１２０で示される）の働きは、偏向部材１３の偏向面１２で生じた前記のような結像光の偏光毎のＣＣＤ１０８上での位置の乖離や収差を光学的手法で補正することである。
【００４５】
図２から図６は、偏光補償光学系として複像素子を利用する場合の実施例である。複像素子の媒質としては常光線と異常光線との屈折率差が分散を生じる照明光の波長間の屈折率差に比べて十分大きい方解石などがこの場合に適している。
【００４６】
図２の（Ａ）では、図１の場合と違って、第１対物レンズ１４と第２対物レンズ１５との間の、第１対物レンズ１４の入射瞳面上に偏光補償光学系が設けられている。この実施の形態では偏光補償光学系は方解石より成るウオラストン・プリズム（ＷＰ）１２１ａである。ここで、プリズム１２１ａの一方の構成部分に示した両端に矢印のある線分は、この構成部分の結晶軸の方向が矢印の方向即ち紙面内にあることを示し、黒点は紙面に直交する方向であることを示す。以下の図においても、プリズムに示した同様な矢印と黒点は結晶軸の方向を示すものである。
【００４７】
図２の（Ａ）において、第１対物レンズ１４を射出して、ウオラストン・プリズム１２１ａに入射した結像光は、ウオラストン・プリズム１２１ａの作用により、結像光の成分であるＰ偏光とＳ偏向とは互いに異なる角度でウオラストン・プリズム１２１ａを射出するので、第２対物レンズ１５を経てＣＣＤの撮像面１６上に結像する上記Ｐ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離する。ウオラストン・プリズム１２１ａを射出する際のＰ偏光とＳ偏光の分離角度と分離方向はウオラストン・プリズム１２１ａを構成する２組の互いに結晶軸が直交する方解石の楔角の大きさと楔角の方向を適当に設定することで制御可能であり、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離をウオラストン・プリズム１２１ａを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。ウオラストン・プリズム１２１ａを上記入射瞳上に配置できない場合には、特に入射瞳が第１対物レンズの中に入り込んでいるような場合にはノマルスキープリズムなどを用いても良い。なお、ウオラストン・プリズム１２１ａは、必ずしも入射瞳に置く必要はなく、例えば図２の（Ｂ）のようにしてもよい。
【００４８】
図２の（Ｂ）は、第２対物レンズ１５とＣＣＤの撮像面１６との間の像空間に、方解石より成るウオラストン・プリズム（ＷＰ）１２１ｂが設けられている場合を示している。この場合も、図２の（Ａ）の実施例と同様な効果が得られる。ウオラストン・プリズム１２１ｂを置く光軸上の位置によって、ＣＣＤの撮像面１６上の像の乖離量を調節できる。
【００４９】
図３ではＣＣＤの手前の像空間に、方解石より成るサバール板（ＳＶ）１２２を設けている。このサバール板１２２に入射した結像光は、サバール板１２２の作用により、結像光の成分であるＰ偏光は光軸からずれてサバール板１２２を射出するので、 ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離する。サバール板１２２を射出する際のＰ偏光の光軸からのズレ量と方向はサバール板１２２の結晶軸と光軸のなす角度により制御可能であり、 ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を、サバール板１２２を用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。
【００５０】
図４と図５は、偏光補償光学系として光学ガラスなどの等方性媒質と１軸結晶などの複屈折媒質を組み合わせて利用する場合である。１軸結晶の常光線と異常光線との屈折率差が分散を生じる照明光の波長間の屈折率差とほぼ等しい水晶などがこの場合に適している。
【００５１】
図４ではＣＣＤの撮像面１６から適当に離した像空間に、クラウンガラスを媒質とするの楔プリズム（ＫＰ）１２３ａと水晶を媒質とする楔プリズム（ＳＰ）１２３ｂとを組み合わせて配置する。双方の楔角はほぼ等しく設定し、楔角の方向を互いに反対向きにする。楔プリズム１２３ａを射出する結像光は、分散角を有するが、楔プリズム１２３ｂを射出する結像光は楔プリズム１２３ｂとは反対方向の分散角を有することになる。また、楔プリズム１２３ａからは結像光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いに反対方向の角度で射出するので、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離し、その際ＣＣＤの撮像面１６上に分散は生じない。
【００５２】
楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを、光軸に対して１８０度回転すると、 ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置を上記と逆転することが可能である。
【００５３】
こうして上記楔角の大きさやＣＣＤからの距離と楔角の方向とを適当に設定することで、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。また、楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを、第１対物レンズ１４と第２対物レンズ１５の間の瞳空間に配置しても上記と同様の効果がある。
【００５４】
図５では、ＣＣＤの撮像面１６の手前の像空間にクラウンガラスを媒質とする平行平面板（ＫＨ）１２４ａと水晶を媒質とする平行平面板（ＳＨ）１２４ｂとを組み合わせて配置する。双方を光軸に対してほぼ等しい角度で傾斜させ、傾斜の方向を互いに反対向きにする。平行平面板１２４ａを射出する結像光は、分散を生じて波長毎にずれるが、平行平面板１２４ｂを射出する結像光は平行平面板１２４ｂとは反対方向の分散を生じて波長毎にずれる。また、平行平面板１２４ａからは結像光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いにずれて射出するので、 ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離し、その際ＣＣＤ上に分散は生じない。平行平面板１２４ａと平行平面板１２４ｂの組み合わせを光軸に対して１８０度回転すると、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置を上記と逆転することが可能である。こうして平行平面板１２４ａや１２４ｂの厚さや光軸に対する傾斜角及び傾斜角の方向とを適当に設定することで、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を平行平面板１２４ａと１２４ｂの組み合わせを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。
【００５５】
図６は、偏光補償光学系として偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）と結像光の偏光成分毎の位置と収差の補正手段とを組み合わせて利用する場合である。図２から図５に示す偏光補償光学系は、主に結像光の偏光成分同士のＣＣＤの撮像面１６上での位置の乖離を低減する働きをしていたが、図６では偏光同士の位置だけでなく偏向部材１３の偏向面１２で生じる結像光の偏光成分毎のわずかな収差をもきめ細かく補正する。
【００５６】
図６で、第２対物レンズ１５を射出した結像光は、その前方光軸上に反射面を光軸に対してほぼ４５度に傾斜して配された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ１）１４１でＰ偏向成分とＳ偏光成分とに分岐される。偏光ビームスプリッター１４１で偏光され反射されたＳ偏光成分は偏向部材１３で発生した波面の乱れを、偏光ビームスプリッター１４１の反射光の進行する前方光軸上に配されたＳ偏光収差補正手段１４２で整えられた後、その前方に反射面を光軸に対しほぼ４５度に傾斜して配された偏向ミラー（ＭＳ）１４３で偏向され、その反射光の進行する前方光軸上に反射面をほぼ４５度に傾斜して配された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）１４４の反射面で反射されて、その反射光の進行する前方に配されたＣＣＤの撮像面１６上にＳ偏光成分のアライメントマークＷＭ像を形成する。
【００５７】
一方、偏光ビームスプリッター１４１を通過したＰ偏光成分は偏向部材１３で発生した波面の乱れを、偏光ビームスプリッター１４１の通過光の進行する前方光軸上に配されたＰ偏光収差補正手段１４５で整えられた後、その前方に反射面を光軸に対しほぼ４５度に傾斜して配された偏向ミラー（ＭＰ）１４６で偏向さる。
【００５８】
前述の偏光ビームスプリッター１４４は、偏向ミラー１４６で反射されたＰ偏光の進行方向と反射面がほぼ４５度の角度をもつようにも配されており、そのＰ偏光は偏光ビームスプリッター１４４に入射し、ここを通過しＣＣＤの撮像面１６上にＰ偏光成分のアライメントマークＷＭ像を形成する。偏光ミラー１４６には入射光軸の方向に沿って微動可能な調整機構１４７が設けられており、ＣＣＤの撮像面１６上のＰ偏光成分のアライメントマークＷＭ像の位置を微調整することが可能である。
【００５９】
上述の各偏向収差補正手段１４２、１４５は、例えば等倍アフォーカル系様のレンズ系に偏心微動機構が設けられたもので構成されていて、各偏光成分毎の横収差などを補正する働きをする。こうしてＣＣＤの撮像面１６上には各偏光毎に収差が補正され、かつ各々の像位置が合致したアライメントマークＷＭ像が形成される。
【００６０】
以上述べたように、偏向部材とＣＣＤ等の光電検出手段の間に設けた方解石や水晶などの１軸性結晶よりなる偏光補償手段は、その結晶の楔角、厚み、結晶軸の向きや方向、偏心を適当に設定することで生じる複像作用の為に偏光補償手段を通過したアライメントマーク像のＰ偏向成分とＳ偏向成分の撮像面上での位置を別々に制御する事が出来る。この像面乖離の量と方向を適当に設定することで、アライメント光学系の対物レンズの物体空間に配した偏向部材の偏向面が有する位相飛び特性が原因で生じるアライメントマーク像のＰ偏向成分とＳ偏向成分とが撮像手段の撮像面での乖離現象をある程度まで打ち消すことが可能である。こうした偏光補償手段としては結晶などの複屈折性部材を用いずに、偏光ビームスプリッターと偏光成分毎のアライメント像の位置や収差をを補正する光学系とを組み合わせたものでも実現可能である。
【００６１】
図７は、本発明を露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合の第２の実施の形態を示している。
【００６２】
従来の装置との相違は、偏向部材１３とウェハ１１の間の物空間に偏光デポライザー（ＨＤ）１５１を配置していることである。アライメントマークＷＭからの広帯域波長の結像光を無偏光化するためには、例えば２組の適当な厚みの水晶板を互いの結晶軸が光軸を中心にして４５度回転させた白色光デポライザーを用いる。偏向部材１３の偏向面１２でアライメントマークＷＭからの結像光のＰ偏光とＳ偏光の波面間に変化が生じて、ＣＣＤの撮像面１６上の各偏光同士の結像位置がずれるような場合でも、偏光デポライザー１５１の作用により偏向部材１３に入射するアライメントマークＷＭからの結像光は無偏光化するので、このＦＩＡは偏光特性の実質的に無い光学系とみなせる。よって、アライメントマークＷＭの偏光特性に左右されない正確なアライメントマークＷＭの位置検出が可能になる。
【００６３】
図８は、本発明を露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合の第３の実施の形態を示している。
【００６４】
従来のＦＩＡとの相違は偏光選択手段として、アライメントマークＷＭからの結像光を各偏光成分ごとに選択検出するために、第２対物レンズ１５の射出光の進行方向光軸上に偏光ビームスプリッター１４１と各偏光成分の検出専用のＣＣＤ、即ちＰ偏光用ＣＣＤ１０８ＰとＳ偏光用ＣＣＤ１０８Ｓとを配置した。上記各ＣＣＤの撮像面上には偏向部材の偏光面で発生した波面変化をそのまま保持した偏光成分毎のアライメントマークＷＭ像が形成される。
【００６５】
各ＣＣＤから得られるＳ偏光、Ｐ偏光それぞれの撮像信号は、各ＣＣＤに電気的に接続された制御系１４２に伝達される。制御系１４２では、例えば各撮像信号毎にアライメントマークＷＭ位置を検出した後、その２組の位置の平均を取ってアライメントマークＷＭの真の位置としている。こうすることで、たとえＦＩＡ光学系に偏光に関する不具合があってもアライメントマークＷＭの偏光特性に左右されない正確なアライメントマークＷＭの位置検出が可能になる。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるマーク位置検出装置は、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正でき、アライメントマークの位置検出精度を高めることができる。
【００６７】
偏光補償光学系が、偏光デポライザーであるときは、アライメントマークからの結像光束自体が常に無偏光化するので、後続の光学系に偏向部材などによる偏光特性が生じていても、アライメントマーク像の検出誤差を生じず、アライメントマークの位置検出精度を高めることができる。
【００６８】
また、検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有するときは、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００６９】
さらに、本発明に係る露光装置は、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正することができ、マスクと基板との位置合わせを高精度で行うことができる。
【００７０】
本発明に係るマーク位置検出方法は、位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程を備えるので、偏向する工程における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正でき、高精度の位置検出が可能になる。
【００７１】
また、偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備えるので、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す、偏光補償光学系を有するＦＩＡの全体図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図９】偏向プリズムの偏向面での位相飛びにより生じる現象の説明図である。
【符号の説明】
１１ ウエハ
１２ 偏向面
１３ 偏向部材
１４ 第１対物レンズ
１５ 第２対物レンズ
１６ ＣＣＤの撮像面
１０１ ハロゲンランプ
１０５ ハーフプリズム
１０８ ＣＣＤ
１０９ 制御系
１２０ 偏向補償光学系
１２１ａ、１２１ｂ ウオラストン・プリズム
１２２ サバール板
１２３ａ、１２３ｂ 楔プリズム
１２４ａ、１２４ｂ 平行平面板
１４１、１４４ 偏光ビームスプリッター
１４２ Ｓ偏光収差補正手段
１４５ Ｐ偏光収差補正手段
１４３、１４６ 偏向ミラー
１４７ 調整機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置及びマーク位置検出方法に関し、特に半導体や液晶等の製造に用いる露光装置に設けられてマスクと感光基板との位置合わせを行うためのマーク位置検出装置及びマーク位置検出方法、並びに露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置用の露光装置では、レチクル（或いはマスク）とウェハ等の感光基板との位置合わせをした後、露光光をレチクルに照射し、レチクル上の回路パターン像を投影レンズを介してウェハ上に転写露光する。上記位置合わせ（アライメント）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ものである。
【０００３】
アライメントセンサとして、例えばＦＩＡ（ｆｉｅｌｄ ｉｍａｇｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）ではウェハ上のアライメントマークに広帯域波長の可視光を垂直に照射し、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し、ＣＣＤ撮像面上にアライメントマーク像を結像する。ＣＣＤから得られるアライメントマーク像の撮像信号を基にアライメントマークの位置検出を行っている。
【０００４】
また、ＦＩＡのようなオフアクシス方式、即ち光軸からはずれた箇所にアライメントマークを置いて位置合わせを行うようなアライメントセンサの場合、ベースラインの安定性がアライメント精度にとって重要である。その為、アライメントマークの計測位置と投影光学系の光軸との間隔を可能な限り近づける、即ちベースライン間隔をできるだけ短縮することで、熱変動等によるベースライン変化を受けにくくしている。
【０００５】
ＦＩＡの場合、アライメントセンサの対物レンズとアライメントマークとの間に偏向プリズムなどの偏向部材を設けることで、該対物レンズを露光装置の投影レンズ下に潜り込ませて上記間隔を狭めるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のように結像系の光路中、特に物体空間に偏向部材を設ける場合には、偏向部材の偏向面において結像光の波面に位相飛びが発生することがある。単色光であれば位相飛びが起こらないようにすることも可能であるが、特に広域帯波長の可視光線では避けがたい。
【０００７】
結像開口数（ＮＡ）を十分に確保するためには、偏向プリズム等の偏向部材の偏向面に蒸着膜を施す必要があるが、その場合偏向面での結像光にその入射角度、波長、偏光成分に応じた位相変化が生じ、その影響を受けて結像面上でのアライメントマーク像にわずかではあるが分散が生じたり、その収差や位置が偏光成分毎に異なるといった現象が発生する。こうした結像性能の不具合を有するアライメント系で様々な種類のアライメントマークの位置を計測する場合、計測オフセットやランダムエラーといったマーク位置検出誤差が発生する虞れがある。
【０００８】
ＦＩＡのような比較的低い開口数（ＮＡ）であっても、広帯域波長の光を結像光として扱う光学系で高精度なマーク位置検出精度を確保するには、上記偏向面での偏光成分毎の位相飛び特性が、入射光の入射角度や波長によってほとんど変わらないような、極めて高性能な蒸着膜が必要である。
【０００９】
近年の回路線幅の微細化に伴い要求されるアライメント精度は益々厳しくなって来ており、上記蒸着膜の性能の更なる向上が求められている。しかし、こうした薄膜性能の向上はもはや設計製造上の限界近くにきており、このことが光学系の結像性能の向上の妨げとなり、アライメントマークの位置検出精度を左右するものとして問題になる。
【００１０】
したがって本発明は、基板と集光光学系との間に配された偏向部材における検出光の位相飛びに起因する検出誤差を補正する、マーク位置検出装置及び方法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に、本発明に係るマーク位置検出装置は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材と、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するように構成され、該マークと該光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系とを備える。
【００１２】
また、前記偏光補償光学系が、該偏向部材と該光検出装置との間の光路中に配されてもよい。
【００１３】
このように構成すると、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正する。
【００１４】
また、前記偏光補償光学系が、該マークと該偏向部材との間の光路中に配されてもよい。
【００１５】
ここで、前記偏光補償光学系が、偏光デポライザーであってもよい。
【００１６】
このように構成すると、アライメントマークからの結像光束自体が常に無偏光化するので、後続の光学系に偏向部材などによる偏光特性が生じていても、アライメントマーク像の検出誤差を生じない。
【００１７】
さらに、本発明に係るマーク位置検出装置は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材とを備え、該光検出装置が、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するために、該検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有する。
【００１８】
このように構成すると、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００１９】
さらに、本発明に係る露光装置は、マスク上のパターンを前記基板上に露光転写する露光装置において、該露光装置は、該マスク上のパターンを該基板上に露光転写するに先だって該マスクと該基板との位置合わせをする、アライメント装置を含み、該アライメント装置は、以上述べたマーク位置検出装置と、前記検出された検出光に基づいて前記位置合わせマークの位置を求め、求めた位置に基づいて前記露光装置の一部を動かし、よって前記マスクと前記基板との位置合わせを行う制御部とを備える。
【００２０】
このように構成すると、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正することができ、マスクと基板との位置合わせを正確に行うことができる。
【００２１】
本発明に係るマーク位置検出方法は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、該位置合わせマークに照明光を照射する工程と、該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、該偏向された検出光を集光する工程と、該集光された検出光を検出する工程とを備え、該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備える。
【００２２】
このような方法によれば、位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程を備えるので、偏向する工程における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正できる。
【００２３】
また、本発明に係るマーク位置検出方法は、基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、該位置合わせマークを照明光で照射する工程と、該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、該偏向された検出光を集光する工程と、該集光された検出光を検出する工程とを備え、該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備える。
【００２４】
このような方法によれば、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図９は上記ＦＩＡの偏向部材である偏向プリズムの偏向面の位相飛び特性が入射光の入射角度や偏光に依存している場合に生じる現象の説明図である。以下、各図において対応する要素には同一の符号を付して、その重複した説明は省略する。
【００２６】
図９において、アライメントマークＷＭが施されたウエハ１１の上方に、偏向部材である偏向プリズム１３が、その偏向反射面１２がウエハ１１の表面にほぼ４５度の角度で傾斜して配置されている。アライメントマークＷＭからウエハ１１の表面に対して垂直上方に射出した光が反射面１２で反射されて進行する方向前方に第１対物レンズ１４が配されており、その光軸上前方に第２対物レンズ１５が配されている。さらにその光軸上前方にＣＣＤ撮像面１６が配置されている。
【００２７】
ここで、アライメントマークＷＭから反射・回折される結像光のうちのＰ偏光成分を考える。アライメントマークＷＭからほぼ垂直に射出する結像光ＰＣの偏向プリズム１３の偏向面１２での位相飛びの値を基準にして考えて、結像光ＰＣの左側、言い換えればアライメントマークＷＭから偏向面１２までの光路長が結像光ＰＣより短い側を進む結像光ＰＬの位相が＋θPLだけ進み、結像光ＰＣの右側、言い換えれば結像光ＰＣに対して結像光ＰＬと対称な光路を進む結像光ＰＲの位相が−θPRだけ遅れるものとする（進みを＋、遅れを−で示す）。ここで、第１対物レンズ１４の開口数をＮＡとすると、ウェハ１１上での見掛けのアライメントマークＷＭ位置ＸPは、△θP＝θPL＋θPRとして、
【数１】
【００２８】
一方、結像光のＳ偏光成分については、アライメントマークＷＭからほぼ垂直に射出する結像光ＳＣの偏向プリズム１３の偏向面１２での位相飛びの値を基準にして考えて、Ｐ偏光の場合と同様に結像光ＳＣの左側を進む結像光ＳＬの位相が−θSLだけ遅れ、結像光ＳＣの右側を進む結像光ＳＲの位相が＋θSRだけ進むものとする。ウェハ１１上でのアライメントマークＷＭの見掛けの位置ＸSは、△θS＝θSL＋θSRとして、
【数２】
【００２９】
こうして、偏向プリズム１３の偏向面１２での偏光と入射角度に関する位相飛び特性により、ウェハ１１上での見掛け上のアライメントマークＷＭの位置はＰ偏光とＳ偏光とで互いに乖離し、その乖離量△Ｘ＝ＸP−ＸSは、
【数３】
【００３０】
図９で、第１対物レンズ１４の入射瞳上でのＰ波とＳ波のそれぞれの位相ずれを示したのが、Ｐ波面２１とＳ波面２２である。またその位相ずれによる乖離は、撮像面では、Ｐ波による結像位置３１とＳ波による結像位置３２で示されている。
【００３１】
ウェハ１１上のアライメントマークＷＭ位置が偏光成分毎に見掛け上互いにずれる現象があると、アライメントマークＷＭ自身に偏光特性、例えばアライメントマークＷＭの結像光にＰ偏光よりもＳ偏光の成分が多い場合、ウェハ１１上のアライメントマークＷＭの見掛けの位置がＳ偏光の見掛け上の位置の方向にやや偏ることになり、アライメントマークＷＭの位置計測誤差を発生させる。
【００３２】
偏向プリズム１３の偏向面１２に施される蒸着膜は△θP＋△θSの位相飛び量を照明光の波長全域に渡って極力押さえるようにしているが、こうした要求を満たす性能の薄膜を得ることは設計・製造上かなり困難なものであり、このことが光学系の結像性能の向上の妨げとなって、アライメントマークの位置検出精度を左右するものとして問題になる。
【００３３】
図１は、本発明によるマーク位置検出装置及びそれを露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合を一般的に説明する第１の実施の形態を示している。従来の装置との相違は偏光補償光学系１２０が追加されたことである。
【００３４】
図１において、ウエハ１１を照明するための照明光学系は、光源であるハロゲンランプ（ＨＬ）１０１、その光路中の前方に配されたコンデンサレンズ（ＣＬ）１０２、その光軸上前方に、順に配された、ウェハ１１と共役な位置に設けられた視野絞り（ＦＳ）１０３、照明リレーレンズ１０４とからなる。そしてその光軸上前方に照明光１３０を分割するためのハーフプリズム（ＨＰ）１０５が、その反射面を光軸にほぼ４５度に傾斜させて配されている。
【００３５】
ハロゲンランプ１０１から射出する広帯域波長の照明光１３０は、コンデンサレンズ１０２で集光され、視野絞り１０３を均一に照明する。視野絞り１０３から射出する照明光は、照明リレーレンズ１０４でほぼ平行光に変換され、ハーフプリズム１０５で分岐された後、その反射光の方向で前記光軸上に配された第１対物レンズ（Ｏ１）１４の入射瞳ＩＰ上にハロゲンランプ１０１の像を形成する。
【００３６】
第１対物レンズ１４で集光された照明光は、その光軸上前方に配された偏向プリズム（ＲＰ）１３で偏向されて、プリズム１３の反射光の光軸上に置かれたウェハ１１上のアライメントマークＷＭをほぼ垂直に照射する。
【００３７】
プリズム１３は、露光装置を構成する、レチクル４２の像をウエハ１１上に投影する投影レンズ４１とウエハ１１との間に、投影レンズ４１の光軸にできるだけ近接させて、したがってウエハ１１に近接させて配されている。
【００３８】
アライメントマークＷＭで照明光は反射・回折されて結像光束１３１となって、もと来た光路を逆進する。この結像光１３１は偏向プリズム１３で偏向された後、第１対物レンズ１４に再入射し、第１対物レンズ１４の入射瞳ＩＰ上にアライメントマークＷＭの回折像を形成する。
【００３９】
入射瞳ＩＰを射出した結像光１３１は、ほぼ平行光束となってハーフプリズム１０５を通過し、その前方光軸上に配された第２対物レンズ１５を経てさらにその前方に置かれたＣＣＤ１０８上に集光され、アライメントマークＷＭの像を結像する。
【００４０】
このように、ＦＩＡの光学系が構成されているが、本第１の実施の形態では偏光補償光学系１２０が、第２対物レンズ１５とＣＣＤ１０８との間の光軸上に配されている。
【００４１】
さらに、ＣＣＤ１０８から得られるアライメントマークＷＭの像の撮像信号を基に、ＣＣＤ１０８と電気的に接続された制御系１０９は、アライメントマークＷＭの位置を求める。ウェハ１１上の複数箇所のアライメントマークを、ウエハ１１を載置したウェハステージ１１０を駆動して、ＦＩＡの計測域に移動させて、上記と同様の仕方でその位置を計測し、得られた各アライメントマークの位置情報を統計処理することで、ウェハ１１の位置を正確に求めることが出来る。
【００４２】
こうして得られたウェハ１１の位置情報を基にウェハステージ１１０を駆動して、ウェハ１１上の各ショット領域とレチクル４２の投影レンズ４１を介したレチクル像とを正確にアライメントして逐次露光を繰り返す。
【００４３】
偏向補償光学系１２０は、必ずしも第２対物レンズ１５とＣＣＤ１０８の間ではなく、その性質により、アライメントマークＷＭとＣＣＤ１０８との間の光路中の適切な箇所に配することができる。
【００４４】
図２〜図８は、本発明に用いる偏光補償光学系の具体例を順次説明している。偏光補償光学系（図１で１２０で示される）の働きは、偏向部材１３の偏向面１２で生じた前記のような結像光の偏光毎のＣＣＤ１０８上での位置の乖離や収差を光学的手法で補正することである。
【００４５】
図２から図６は、偏光補償光学系として複像素子を利用する場合の実施例である。複像素子の媒質としては常光線と異常光線との屈折率差が分散を生じる照明光の波長間の屈折率差に比べて十分大きい方解石などがこの場合に適している。
【００４６】
図２の（Ａ）では、図１の場合と違って、第１対物レンズ１４と第２対物レンズ１５との間の、第１対物レンズ１４の入射瞳面上に偏光補償光学系が設けられている。この実施の形態では偏光補償光学系は方解石より成るウオラストン・プリズム（ＷＰ）１２１ａである。ここで、プリズム１２１ａの一方の構成部分に示した両端に矢印のある線分は、この構成部分の結晶軸の方向が矢印の方向即ち紙面内にあることを示し、黒点は紙面に直交する方向であることを示す。以下の図においても、プリズムに示した同様な矢印と黒点は結晶軸の方向を示すものである。
【００４７】
図２の（Ａ）において、第１対物レンズ１４を射出して、ウオラストン・プリズム１２１ａに入射した結像光は、ウオラストン・プリズム１２１ａの作用により、結像光の成分であるＰ偏光とＳ偏向とは互いに異なる角度でウオラストン・プリズム１２１ａを射出するので、第２対物レンズ１５を経てＣＣＤの撮像面１６上に結像する上記Ｐ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離する。ウオラストン・プリズム１２１ａを射出する際のＰ偏光とＳ偏光の分離角度と分離方向はウオラストン・プリズム１２１ａを構成する２組の互いに結晶軸が直交する方解石の楔角の大きさと楔角の方向を適当に設定することで制御可能であり、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離をウオラストン・プリズム１２１ａを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。ウオラストン・プリズム１２１ａを上記入射瞳上に配置できない場合には、特に入射瞳が第１対物レンズの中に入り込んでいるような場合にはノマルスキープリズムなどを用いても良い。なお、ウオラストン・プリズム１２１ａは、必ずしも入射瞳に置く必要はなく、例えば図２の（Ｂ）のようにしてもよい。
【００４８】
図２の（Ｂ）は、第２対物レンズ１５とＣＣＤの撮像面１６との間の像空間に、方解石より成るウオラストン・プリズム（ＷＰ）１２１ｂが設けられている場合を示している。この場合も、図２の（Ａ）の実施例と同様な効果が得られる。ウオラストン・プリズム１２１ｂを置く光軸上の位置によって、ＣＣＤの撮像面１６上の像の乖離量を調節できる。
【００４９】
図３ではＣＣＤの手前の像空間に、方解石より成るサバール板（ＳＶ）１２２を設けている。このサバール板１２２に入射した結像光は、サバール板１２２の作用により、結像光の成分であるＰ偏光は光軸からずれてサバール板１２２を射出するので、 ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離する。サバール板１２２を射出する際のＰ偏光の光軸からのズレ量と方向はサバール板１２２の結晶軸と光軸のなす角度により制御可能であり、 ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を、サバール板１２２を用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。
【００５０】
図４と図５は、偏光補償光学系として光学ガラスなどの等方性媒質と１軸結晶などの複屈折媒質を組み合わせて利用する場合である。１軸結晶の常光線と異常光線との屈折率差が分散を生じる照明光の波長間の屈折率差とほぼ等しい水晶などがこの場合に適している。
【００５１】
図４ではＣＣＤの撮像面１６から適当に離した像空間に、クラウンガラスを媒質とするの楔プリズム（ＫＰ）１２３ａと水晶を媒質とする楔プリズム（ＳＰ）１２３ｂとを組み合わせて配置する。双方の楔角はほぼ等しく設定し、楔角の方向を互いに反対向きにする。楔プリズム１２３ａを射出する結像光は、分散角を有するが、楔プリズム１２３ｂを射出する結像光は楔プリズム１２３ｂとは反対方向の分散角を有することになる。また、楔プリズム１２３ａからは結像光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いに反対方向の角度で射出するので、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離し、その際ＣＣＤの撮像面１６上に分散は生じない。
【００５２】
楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを、光軸に対して１８０度回転すると、 ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置を上記と逆転することが可能である。
【００５３】
こうして上記楔角の大きさやＣＣＤからの距離と楔角の方向とを適当に設定することで、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。また、楔プリズム１２３ａと楔プリズム１２３ｂの組み合わせを、第１対物レンズ１４と第２対物レンズ１５の間の瞳空間に配置しても上記と同様の効果がある。
【００５４】
図５では、ＣＣＤの撮像面１６の手前の像空間にクラウンガラスを媒質とする平行平面板（ＫＨ）１２４ａと水晶を媒質とする平行平面板（ＳＨ）１２４ｂとを組み合わせて配置する。双方を光軸に対してほぼ等しい角度で傾斜させ、傾斜の方向を互いに反対向きにする。平行平面板１２４ａを射出する結像光は、分散を生じて波長毎にずれるが、平行平面板１２４ｂを射出する結像光は平行平面板１２４ｂとは反対方向の分散を生じて波長毎にずれる。また、平行平面板１２４ａからは結像光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いにずれて射出するので、 ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置とは互いに乖離し、その際ＣＣＤ上に分散は生じない。平行平面板１２４ａと平行平面板１２４ｂの組み合わせを光軸に対して１８０度回転すると、ＣＣＤの撮像面１６上に結像するＰ偏光の結像位置とＳ偏向の結像位置を上記と逆転することが可能である。こうして平行平面板１２４ａや１２４ｂの厚さや光軸に対する傾斜角及び傾斜角の方向とを適当に設定することで、ＣＣＤの撮像面１６上でのＰ偏光とＳ偏光の結像位置を任意に決められる。よって、偏向プリズム１３の偏向面１２にて発生する結像光のＰ及びＳ偏光成分のウェハ１１上での見掛けの乖離を平行平面板１２４ａと１２４ｂの組み合わせを用いてＣＣＤの撮像面１６上で補正することが出来る。
【００５５】
図６は、偏光補償光学系として偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）と結像光の偏光成分毎の位置と収差の補正手段とを組み合わせて利用する場合である。図２から図５に示す偏光補償光学系は、主に結像光の偏光成分同士のＣＣＤの撮像面１６上での位置の乖離を低減する働きをしていたが、図６では偏光同士の位置だけでなく偏向部材１３の偏向面１２で生じる結像光の偏光成分毎のわずかな収差をもきめ細かく補正する。
【００５６】
図６で、第２対物レンズ１５を射出した結像光は、その前方光軸上に反射面を光軸に対してほぼ４５度に傾斜して配された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ１）１４１でＰ偏向成分とＳ偏光成分とに分岐される。偏光ビームスプリッター１４１で偏光され反射されたＳ偏光成分は偏向部材１３で発生した波面の乱れを、偏光ビームスプリッター１４１の反射光の進行する前方光軸上に配されたＳ偏光収差補正手段１４２で整えられた後、その前方に反射面を光軸に対しほぼ４５度に傾斜して配された偏向ミラー（ＭＳ）１４３で偏向され、その反射光の進行する前方光軸上に反射面をほぼ４５度に傾斜して配された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ２）１４４の反射面で反射されて、その反射光の進行する前方に配されたＣＣＤの撮像面１６上にＳ偏光成分のアライメントマークＷＭ像を形成する。
【００５７】
一方、偏光ビームスプリッター１４１を通過したＰ偏光成分は偏向部材１３で発生した波面の乱れを、偏光ビームスプリッター１４１の通過光の進行する前方光軸上に配されたＰ偏光収差補正手段１４５で整えられた後、その前方に反射面を光軸に対しほぼ４５度に傾斜して配された偏向ミラー（ＭＰ）１４６で偏向さる。
【００５８】
前述の偏光ビームスプリッター１４４は、偏向ミラー１４６で反射されたＰ偏光の進行方向と反射面がほぼ４５度の角度をもつようにも配されており、そのＰ偏光は偏光ビームスプリッター１４４に入射し、ここを通過しＣＣＤの撮像面１６上にＰ偏光成分のアライメントマークＷＭ像を形成する。偏光ミラー１４６には入射光軸の方向に沿って微動可能な調整機構１４７が設けられており、ＣＣＤの撮像面１６上のＰ偏光成分のアライメントマークＷＭ像の位置を微調整することが可能である。
【００５９】
上述の各偏向収差補正手段１４２、１４５は、例えば等倍アフォーカル系様のレンズ系に偏心微動機構が設けられたもので構成されていて、各偏光成分毎の横収差などを補正する働きをする。こうしてＣＣＤの撮像面１６上には各偏光毎に収差が補正され、かつ各々の像位置が合致したアライメントマークＷＭ像が形成される。
【００６０】
以上述べたように、偏向部材とＣＣＤ等の光電検出手段の間に設けた方解石や水晶などの１軸性結晶よりなる偏光補償手段は、その結晶の楔角、厚み、結晶軸の向きや方向、偏心を適当に設定することで生じる複像作用の為に偏光補償手段を通過したアライメントマーク像のＰ偏向成分とＳ偏向成分の撮像面上での位置を別々に制御する事が出来る。この像面乖離の量と方向を適当に設定することで、アライメント光学系の対物レンズの物体空間に配した偏向部材の偏向面が有する位相飛び特性が原因で生じるアライメントマーク像のＰ偏向成分とＳ偏向成分とが撮像手段の撮像面での乖離現象をある程度まで打ち消すことが可能である。こうした偏光補償手段としては結晶などの複屈折性部材を用いずに、偏光ビームスプリッターと偏光成分毎のアライメント像の位置や収差をを補正する光学系とを組み合わせたものでも実現可能である。
【００６１】
図７は、本発明を露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合の第２の実施の形態を示している。
【００６２】
従来の装置との相違は、偏向部材１３とウェハ１１の間の物空間に偏光デポライザー（ＨＤ）１５１を配置していることである。アライメントマークＷＭからの広帯域波長の結像光を無偏光化するためには、例えば２組の適当な厚みの水晶板を互いの結晶軸が光軸を中心にして４５度回転させた白色光デポライザーを用いる。偏向部材１３の偏向面１２でアライメントマークＷＭからの結像光のＰ偏光とＳ偏光の波面間に変化が生じて、ＣＣＤの撮像面１６上の各偏光同士の結像位置がずれるような場合でも、偏光デポライザー１５１の作用により偏向部材１３に入射するアライメントマークＷＭからの結像光は無偏光化するので、このＦＩＡは偏光特性の実質的に無い光学系とみなせる。よって、アライメントマークＷＭの偏光特性に左右されない正確なアライメントマークＷＭの位置検出が可能になる。
【００６３】
図８は、本発明を露光装置に搭載されたＦＩＡに適用した場合の第３の実施の形態を示している。
【００６４】
従来のＦＩＡとの相違は偏光選択手段として、アライメントマークＷＭからの結像光を各偏光成分ごとに選択検出するために、第２対物レンズ１５の射出光の進行方向光軸上に偏光ビームスプリッター１４１と各偏光成分の検出専用のＣＣＤ、即ちＰ偏光用ＣＣＤ１０８ＰとＳ偏光用ＣＣＤ１０８Ｓとを配置した。上記各ＣＣＤの撮像面上には偏向部材の偏光面で発生した波面変化をそのまま保持した偏光成分毎のアライメントマークＷＭ像が形成される。
【００６５】
各ＣＣＤから得られるＳ偏光、Ｐ偏光それぞれの撮像信号は、各ＣＣＤに電気的に接続された制御系１４２に伝達される。制御系１４２では、例えば各撮像信号毎にアライメントマークＷＭ位置を検出した後、その２組の位置の平均を取ってアライメントマークＷＭの真の位置としている。こうすることで、たとえＦＩＡ光学系に偏光に関する不具合があってもアライメントマークＷＭの偏光特性に左右されない正確なアライメントマークＷＭの位置検出が可能になる。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるマーク位置検出装置は、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正でき、アライメントマークの位置検出精度を高めることができる。
【００６７】
偏光補償光学系が、偏光デポライザーであるときは、アライメントマークからの結像光束自体が常に無偏光化するので、後続の光学系に偏向部材などによる偏光特性が生じていても、アライメントマーク像の検出誤差を生じず、アライメントマークの位置検出精度を高めることができる。
【００６８】
また、検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有するときは、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【００６９】
さらに、本発明に係る露光装置は、マークと光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系を備えるので、偏向部材における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正することができ、マスクと基板との位置合わせを高精度で行うことができる。
【００７０】
本発明に係るマーク位置検出方法は、位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程を備えるので、偏向する工程における検出光の位相飛びによる検出光の偏光成分間の波面変化を補償し、マークの位置検出の誤差を補正でき、高精度の位置検出が可能になる。
【００７１】
また、偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備えるので、各偏光成分による撮像信号を画像処理して得た各々のアライメントマーク位置の平均値を求めたり、各撮像信号を合成した合成信号を画像処理してアライメントマーク位置を求めることでアライメントマークの偏光特性や光学系の偏光不具合に影響されない高精度の位置検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す、偏光補償光学系を有するＦＩＡの全体図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態を示す図である。
【図９】偏向プリズムの偏向面での位相飛びにより生じる現象の説明図である。
【符号の説明】
１１ ウエハ
１２ 偏向面
１３ 偏向部材
１４ 第１対物レンズ
１５ 第２対物レンズ
１６ ＣＣＤの撮像面
１０１ ハロゲンランプ
１０５ ハーフプリズム
１０８ ＣＣＤ
１０９ 制御系
１２０ 偏向補償光学系
１２１ａ、１２１ｂ ウオラストン・プリズム
１２２ サバール板
１２３ａ、１２３ｂ 楔プリズム
１２４ａ、１２４ｂ 平行平面板
１４１、１４４ 偏光ビームスプリッター
１４２ Ｓ偏光収差補正手段
１４５ Ｐ偏光収差補正手段
１４３、１４６ 偏向ミラー
１４７ 調整機構
Claims (8)
- 基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、
該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、
該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、
該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材と、
該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するように構成され、該マークと該光検出装置との間の光路中に配された偏光補償光学系とを備えることを特徴とするマーク位置検出装置。 - 前記偏光補償光学系が、該偏向部材と該光検出装置との間の光路中に配されたことを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置。
- 前記偏光補償光学系が、該マークと該偏向部材との間の光路中に配されたことを特徴とする請求項１に記載のマーク位置検出装置。
- 前記偏光補償光学系が、偏光デポライザーを有することを特徴とする請求項３に記載のマーク位置検出装置。
- 基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出装置であって、
該基板上の位置合わせマークからの検出光を集光するための集光光学系と、
該集光光学系で集光された該検出光を検出する光検出装置と、
該マークと該集光光学系との間の光路中に配されて該検出光を偏向する偏向部材とを備え、
該光検出装置が、該偏向部材の偏向面における該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償するために、該検出光を偏光成分毎に別々に検出する偏光選択光学系を有することを特徴とするマーク位置検出装置。 - マスク上のパターンを前記基板上に露光転写する露光装置において、該露光装置は、該マスク上のパターンを前記基板上に露光転写するに先だって該マスクと該基板との位置合わせをする、アライメント装置を含み、
該アライメント装置は、
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のマーク位置検出装置と、
前記検出された検出光に基づいて前記位置合わせマークの位置を求め、求めた位置に基づいて前記露光装置の一部を動かし、よって前記マスクと前記基板との位置合わせを行う制御部とを備えることを特徴とする露光装置。 - 基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、
該位置合わせマークに照明光を照射する工程と、
該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、
該偏向された検出光を集光する工程と、
該集光された検出光を検出する工程とを備え、
該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備えることを特徴とするマーク位置検出方法。 - 基板上の位置合わせマークの位置を検出するマーク位置検出方法であって、
該位置合わせマークを照明光で照射する工程と、
該照射された位置合わせマークからの検出光を偏向する工程と、
該偏向された検出光を集光する工程と、
該集光された検出光を検出する工程とを備え、
該偏向する工程に於いて位相飛びされた検出光を偏光成分毎に別々に検出する工程と、
該検出光の位相飛びにより生じる該検出光の偏光成分間の波面変化を補償する工程とを備えることを特徴とするマーク位置検出方法。
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