JP4826326B2 - 照明光学系の評価方法および調整方法 - Google Patents

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Description

本発明は、物体のテレセントリック照明を行う照明光学系の評価方法および調整方法に関する。
例えば基板上の被検マークの位置検出を行う装置では、被検マークをテレセントリック照明して被検マークの画像を取り込み、この画像を処理して位置検出を行っている。また、この装置では、位置検出の精度を高めるために、照明テレセントリシティー（以下「照明テレセン」）を視野内で一律に調整して、装置起因の誤差ＴＩＳ（Tool Induced Shift）を低減するようにしている（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−１５８５５５号公報
しかし、上記のように照明テレセンを視野内で一律に調整する方法では、照明テレセンの視野内でのバラツキに関して、その調整を行うことはできない。また、バラツキを調整するにはバラツキを評価することが必要になるが、上記の方法では、視野内での平均的な照明テレセンを評価できても、照明テレセンのバラツキを評価することはできなかった。
本発明の目的は、物体を照明する際の照明テレセンのバラツキを評価できる照明光学系の評価方法および調整方法、並びに位置検出装置を提供することにある。
本発明の照明光学系の評価方法は、評価対象の照明光学系を用い、物体の光像を形成する結像光学系の物体面の所定領域に、照明光を照射する第１工程と、前記所定領域に前記照明光が照射された状態で、該所定領域内の異なる複数の評価地点に１つ以上の評価マークを順次または同時に位置決めするとともに、前記評価マークより低段差の補助マークを、前記所定領域内で前記評価マークから離れた地点に位置決めする第２工程と、前記複数の評価地点の各々に位置決めされた前記評価マークの明暗情報と共に前記補助マークの明暗情報を含む画像を、前記結像光学系を介して取り込む第３工程と、前記画像に含まれる前記評価マークおよび前記補助マークの各々の明暗情報に基づいて、前記評価マークと前記補助マークとの位置ずれ量を求め、該位置ずれ量に基づいて前記複数の評価地点の各々における前記照明光の主光線の傾斜情報を生成する第４工程とを備え、前記評価マークの段差ｈ1は、前記照明光の中心波長λおよび前記結像光学系の物体側の開口数ＮＡに対して、次の条件式「(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ1 ＜ ３(λ/ＮＡ2)」を満足するものである。
また、前記評価マークと前記補助マークとは、内外で段差の異なる二重マークを構成し、前記第４工程では、前記二重マークを前記結像光学系の光軸に垂直な面内で反転させる前後の各々で、前記評価マークと前記補助マークとの位置ずれ量を求め、前記反転前後の位置ずれ量の平均値に基づいて前記傾斜情報を生成することが好ましい。
また、前記第２工程では、複数の前記評価マークと複数の前記補助マークとを前記所定領域内で交互に並べて同時に位置決めすることが好ましい。
また、前記評価マークの段差ｈ1と前記補助マークの段差ｈ0は、各々、前記照明光の中心波長λおよび任意の整数ｍ1,ｍ0に対して、条件式「ｈ1＝ｍ1×(λ/４)」「ｈ0＝ｍ0×(λ/４)」を満足することが好ましい。
本発明の照明光学系の調整方法は、上記した照明光学系の評価方法により前記傾斜情報を生成した後、該傾斜情報に基づいて、前記照明光学系の開口絞りの位置を光軸と平行な方向にシフト調整するものである。
本発明によれば、物体を照明する際の照明テレセンのバラツキを評価することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
ここでは、図１の重ね合わせ測定装置１０を例に説明する。
重ね合わせ測定装置１０は、半導体素子や液晶表示素子などの製造工程において、基板１１のレジストパターンの重ね合わせ検査を行う装置である。基板１１は、半導体ウエハや液晶基板などであり、レジスト層に対する露光・現像後で、所定の材料膜に対する加工前の状態にある。基板１１には重ね合わせ検査のために多数の測定点が用意される。
基板１１の各測定点には、レジストパターンの基準位置を示すレジストマークと、下地パターンの基準位置を示す下地マークとが形成されている。例えば図２に示すバーマークの場合、下地マークは外側に形成され、レジストマークは内側に形成される。重ね合わせ検査では、各マークの位置検出や、下地マークに対するレジストマークの位置ずれ量Ｌの測定が行われる。以下の説明では、レジストマークと下地マークとを総じて「重ね合わせマーク１１Ａ」という。
重ね合わせ測定装置１０には、図１(ａ)に示す通り、基板１１を支持するステージ１２と、照明部(１３〜１９,４０)と、測定部(１８〜２５)と、瞳分割方式の焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)と、ステージ制御部２７とが設けられる。また、ステージ１２の上面には、照明部(１３〜１９,４０)の光学系の評価に用いられる基板２８が設けられ、この基板２８に段差の異なる２種類のマーク３０〜３９（図３）が形成されている。
ステージ１２は、図示省略したが、基板１１,２８を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向(ＸＹ方向)に駆動するＸＹ駆動部と、ホルダを鉛直方向(Ｚ方向)に駆動するＺ駆動部とで構成されている。そして、ＸＹ駆動部とＺ駆動部は、ステージ制御部２７に接続される。
ステージ制御部２７は、ステージ１２のＸＹ駆動部を制御し、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａ（または基板２８上の評価用のマーク３０〜３９）を視野領域内に位置決めする。また、焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)から出力されるフォーカス信号に基づいて、ステージ１２のＺ駆動部を制御する。このフォーカス調整により、重ね合わせマーク１１Ａ（または評価用のマーク３０〜３９）を、測定部(１８〜２５)の光学系の結像面に対して合焦させることができる（オートフォーカス動作）。
照明部(１３〜１９,４０)は、光源部１３と、照明開口絞り１４と、コンデンサーレンズ１５と、視野絞り１６と、ビームスプリッタ４０と、照明リレーレンズ１７と、ビームスプリッタ１８と、第１対物レンズ１９とで構成される。ビームスプリッタ１８,４０は、光の振幅分離を行うハーフプリズムである。以下の説明では、照明部(１３〜１９,４０)のうち光源部１３以外の構成要素を総じて適宜「照明光学系(１４〜１９,４０)」という。
光源部１３は、光源３Ａとコレクタレンズ３Ｂとリレーレンズ３Ｃと波長選択フィルタ３Ｅとライトガイドファイバ３Ｄとで構成される。光源３Ａは、波長帯域の広い光（例えば白色光）を射出する。光源３Ａからの光は、コレクタレンズ３Ｂと波長選択フィルタ３Ｅとリレーレンズ３Ｃとを介してライトガイドファイバ３Ｄに入射する。ライトガイドファイバ３Ｄの光出射端面は、照明開口絞り１４の近傍に配置される。
照明開口絞り１４は、ライトガイドファイバ３Ｄから射出された光束の径を特定の径に制限する。コンデンサーレンズ１５は、照明開口絞り１４からの光を集光して視野絞り１６を均一に照明する。視野絞り１６は、基板１１の表面の照明領域を制限するための光学素子であり、図１(ｂ)に示す１つの矩形状のＡＦスリット１６ａを有する。ビームスプリッタ４０は、ＡＦスリット１６ａからの光を透過する。
照明リレーレンズ１７は、ビームスプリッタ４０からの光をコリメートする。ビームスプリッタ１８は、照明リレーレンズ１７からの光を下向きに反射する（照明光Ｌ１）。第１対物レンズ１９は、ビームスプリッタ１８からの照明光Ｌ１を入射して集光する。これにより、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａ（または基板２８上の評価用のマーク３０〜３９）には、第１対物レンズ１９を透過した照明光Ｌ１が照射される。
上記の照明光学系(１４〜１９,４０)では、照明開口絞り１４と第１対物レンズ１９の瞳とが略共役に配置され、かつ、照明開口絞り１４の中心と光軸Ｏ１とが略一致するため、第１対物レンズ１９からの照明光Ｌ１の主光線は、光軸Ｏ２と略平行に進行した後、基板１１（または基板２８）の各点に対して略垂直に入射する。
このため、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａ（または基板２８上の評価用のマーク３０〜３９）は、第１対物レンズ１９からの照明光Ｌ１（主光線が光軸Ｏ２と略平行）によって略垂直に落射照明される（テレセントリック照明）。
また、上記の照明光学系(１４〜１９,４０)では、視野絞り１６と基板１１,２８の表面とが略共役なため、基板１１,２８の表面には、照明リレーレンズ１７および第１対物レンズ１９の作用によって、視野絞り１６のＡＦスリット１６ａ（図１(ｂ)）が投影される。そして、基板１１,２８の表面のうちＡＦスリット１６ａに対応する所定領域が照明光Ｌ１によってテレセントリック照明される。
そして、照明光Ｌ１によってテレセントリック照明されると、基板１１,２８の表面の照明領域（ＡＦスリット１６ａに対応する所定領域）から、０次回折光(つまり反射光)や±１次回折光など（総じて「光Ｌ２」）が発生する。照明領域からの光Ｌ２は、測定部(１８〜２５)と焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)とで共用の光路に導かれた後、各々の光路に分岐される。
測定部(１８〜２５)は、結像光学系(１８〜２３)と、ＣＣＤ撮像素子２４と、画像処理部２５とで構成される。また、結像光学系(１８〜２３)は、既に説明した第１対物レンズ１９,ビームスプリッタ１８に加えて、第２対物レンズ２０と、第１リレーレンズ２１と、結像開口絞り２２と、第２リレーレンズ２３とで構成される。
照明領域からの光Ｌ２は、測定部(１８〜２５)と焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)とで共用の光路を進み、第１対物レンズ１９によりコリメートされ、ビームスプリッタ１８に入射する。ビームスプリッタ１８は、第１対物レンズ１９からの光Ｌ２の一部（Ｌ３）を透過すると共に、残りの一部（Ｌ４）を反射する。そして、透過した光Ｌ３は測定部(１８〜２５)の後段の光路に導かれ、反射した光Ｌ４は焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)の後段の光路に導かれる。
測定部(１８〜２５)の後段の光路では、ビームスプリッタ１８を透過した光Ｌ３が第２対物レンズ２０を介して集光され、１次結像面１０ａに中間像を形成した後、第１リレーレンズ２１に導かれる。第１リレーレンズ２１は、１次結像面１０ａからの光Ｌ３をコリメートする。結像開口絞り２２は、第１リレーレンズ２１からの光の径を特定の径に制限する。第２リレーレンズ２３は、結像開口絞り２２からの光を２次結像面（ＣＣＤ撮像素子２４の撮像面）上に再結像する。
このため、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａ（または基板２８上の評価用のマーク３０〜３９）が視野領域内に位置決めされているとき、上記の結像光学系(１８〜２４)では、基板１１,２８の表面の照明領域から発生した光Ｌ２の一部（ビームスプリッタ１８を透過した光Ｌ３）に基づいて、各マークの光像をＣＣＤ撮像素子２４の撮像面に形成することができる。
ＣＣＤ撮像素子２４は、複数の画素が２次元配列されたエリアセンサであり、その撮像面に形成された重ね合わせマーク１１Ａ（または評価用のマーク３０〜３９）の光像を撮像して、画像処理部２５に撮像信号を出力する。撮像信号は、ＣＣＤ撮像素子２４の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布(輝度分布)を表している。
画像処理部２５は、ＣＣＤ撮像素子２４からの撮像信号に基づいて、重ね合わせマーク１１Ａ（または評価用のマーク３０〜３９）の画像を取り込み、その画像に対して所定の画像処理を施す。重ね合わせマーク１１Ａの画像には、重ね合わせ検査用の画像処理を施す。評価用のマーク３０〜３９の画像には、照明光学系(１４〜１９,４０)の評価に必要な画像処理を施す。なお、画像処理部２５を介して不図示のテレビモニタによる目視観察も可能である。
焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)には、既に説明した第１対物レンズ１９,ビームスプリッタ１８,照明リレーレンズ１７,ビームスプリッタ４０が設けられる他に、ＡＦ視野絞り４１,第１リレーレンズ４２,偏向ミラー４３,平行平面板４４,瞳分割ミラー４５,第２リレーレンズ４６,シリンドリカルレンズ４７,ＡＦセンサ４８,信号処理部４９が設けられる。ＡＦセンサ４８はラインセンサである。
この焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)は、ビームスプリッタ１８で反射した光Ｌ４に基づいて、ステージ１２上の基板１１（または基板２８）がＣＣＤ撮像素子２４の撮像面に対して合焦状態にあるか否かを検出して、その検出結果（フォーカス信号）をステージ制御部２７に出力する。
焦点検出部(１７〜１９,４０〜４９)を用いた瞳分割方式のＡＦ動作の詳細は、例えば 特開2002-40322号公報に記載されているので、ここでの説明を省略する。ＡＦ動作の後、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａ（または基板２８上の評価用のマーク３０〜３９）は、ＣＣＤ撮像素子２４の撮像面に対して合焦状態となり、結像光学系(１８〜２３)の物体面に配置される。
上記構成の重ね合わせ測定装置１０では、重ね合わせ検査の際、基板１１上の重ね合わせマーク１１Ａが視野領域内に位置決めされ、照明光学系(１４〜１９,４０)からの照明光Ｌ１によってテセレントリック照明される。そして、重ね合わせマーク１１Ａの光像が結像光学系(１８〜２３)を介してＣＣＤ撮像素子２４の撮像面に形成され、このマーク像に関わる画像信号が画像処理部２５に取り込まれる。
照明光Ｌ１の波長帯域は、波長選択フィルタ３Ｅの切り換えにより、例えば４７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内で任意に選択することができる。ただし、照明光Ｌ１の波長帯域の幅は６０ｎｍ以上とすることが好ましい。重ね合わせマーク１１Ａは透明な膜(不図示)を介して測定するので、照明光Ｌを単波長の光にすると、膜厚のバラツキによっては戻り光Ｌ２が微弱になることがある。このため、波長幅を６０ｎｍ以上とし、膜厚のバラツキがあってもＳＮ良く測定できるようにすることが好ましい。
画像処理部２５では、重ね合わせマーク１１Ａの画像に対して重ね合わせ検査用の画像処理を施し、重ね合わせマーク１１Ａ（図２）を構成するレジストマークおよび下地マークの各々の位置検出を行い、下地マークに対するレジストマークの位置ずれ量Ｌを算出する。この位置ずれ量Ｌは、各マークの中心位置の相対的なずれ量であり、基板１１上の下地パターンに対するレジストパターンの重ね合わせずれ量を表す。この重ね合わせずれ量は、重ね合わせ測定値とも呼ばれる。
ところで、近年、半導体デバイスの微細化に伴い、露光時の重ね合わせ精度を向上させる（つまり上記の位置ずれ量Ｌを小さくする）ことが望まれるようになってきた。したがって、重ね合わせ測定装置１０における位置検出の精度や位置ずれ量Ｌの測定精度に対する要求仕様もさらに厳しくなっている。
照明光学系(１４〜１９,４０)からの照明光Ｌ１の主光線が光軸Ｏ２に対して僅かに傾き、その傾斜が基板１１の各点ごとに異なる場合（つまり視野内での照明テレセンにバラツキがある場合）、重ね合わせマーク１１Ａの画像では、各マークのエッジ像ごとにシフト量が異なってしまい、系統的な測定誤差（ＴＩＳ）を生じる。また、このような照明光学系(１４〜１９,４０)を用いて重ね合わせ検査を行う場合、視野領域内での重ね合わせマーク１１Ａの位置（測定位置）ごとに重ね合わせ測定値が変化し、再現性が悪化する。
このため、適宜のタイミングで（例えば装置の製造時に）、照明光学系(１４〜１９,４０)の性能を評価して、重ね合わせ測定装置１０の測定精度などを安定化させることが必要である。さらに、照明光学系(１４〜１９,４０)を評価する際には、照明光学系(１４〜１９,４０)を装置に組み込んだ状態で、その評価を簡易的に行うことが望まれる。
次に、本実施形態の照明光学系(１４〜１９,４０)の評価方法について説明する。
照明光学系(１４〜１９,４０)を評価する際には、上記した重ね合わせ検査時と同様に、評価対象の照明光学系(１４〜１９,４０)を用い、結像光学系(１８〜２３)の物体面の所定領域（ＡＦスリット１６ａに対応する所定領域）に照明光Ｌ１を照射する。この場合にも、照明光Ｌ１の波長帯域の幅は６０ｎｍ以上とすることが好ましい。
また、照明光Ｌ１を照射した状態で、照明領域内に、基板２８上の評価用のマーク３０〜３９（図３）を位置決めする。このとき、評価用のマーク３０〜３９が照明光学系(１４〜１９,４０)からの照明光Ｌ１によってテセレントリック照明され、結像光学系(１８〜２３)を介して評価用のマーク３０〜３９の光像がＣＣＤ撮像素子２４の撮像面に形成される。そして、このマーク像に関わる画像信号が画像処理部２５に取り込まれる。
ここで、評価用のマーク３０〜３９（図３）は、シリコンウエハなどをエッチング処理することにより作成された凸形状のバーマークである。Ｘ方向に細長いマーク３０〜３４は、照明光学系(１４〜１９,４０)のＹ方向の評価に用いられる。Ｙ方向に細長いマーク３５〜３９は、Ｘ方向の評価に用いられる。
なお、Ｙ方向に細長いマーク３５〜３９は、Ｘ方向に細長いマーク３０〜３４を９０度回転させた形状を成す。また、Ｙ方向に細長いマーク３５〜３９を用いた評価の方法は、Ｘ方向に細長いマーク３０〜３４を用いた評価の方法と同様である。このため、Ｙ方向に細長いマーク３５〜３９に関わる説明を省略し、以下では、Ｘ方向に細長いマーク３０〜３４に関わる説明を行う。
Ｘ方向に細長いマーク３０〜３４は、短手方向の線幅(例えば３μｍ)と互いの間隔(例えば７μｍ)とが一定であり、段差の異なる２種類のマークを含む。また、高段差のマーク３０,３２,３４と低段差のマーク３１,３３とは交互に並べて配置されている。
このため、マーク３０〜３４の中央は高段差のマーク３２となり、このマーク３２から±１０μｍの地点に低段差のマーク３１,３３が配置される。また、マーク３２から±２０μｍの地点に他の高段差のマーク３０,３４が配置される。
上記構成のマーク３０〜３４は、照明光学系(１４〜１９,４０)の評価時、中央のマーク３２の中心点Ｐ0が視野領域の中心（物体高０μｍ）に位置決めされる。このため、低段差のマーク３１,３３は、視野領域内で中央のマーク３２から離れた物体高±１０μｍの地点に位置決めされる。さらに、他の高段差のマーク３０,３４は、視野内の物体高±２０μｍの地点に位置決めされる。
高段差のマーク３０,３２,３４の段差ｈ1は、照明光Ｌ１の中心波長λおよび結像光学系(１８〜２３)の物体側の開口数ＮＡに対して、次の条件式(１),(２)を満足する。式(２)のｍ1は、任意の整数である。本実施形態では、段差ｈ1を例えば４μｍとした。
(λ/ＮＡ2) ＜ ｈ1 ＜ ３(λ/ＮＡ2) …(１)
ｈ1＝ｍ1×(λ/４) …(２)
また、低段差のマーク３１,３３の段差ｈ0は、上記と同じ中心波長λおよび開口数ＮＡに対して、次の条件式(３),(４)を満足する。式(４)のｍ0は、任意の整数である。本実施形態では、段差ｈ0を例えば０.１６μｍとした。
λ/４ ≦ ｈ0 ＜ (λ/ＮＡ2) …(３)
ｈ0＝ｍ0×(λ/４) …(４)
照明光学系(１４〜１９,４０)の評価時には、上記構成のマーク３０〜３４が視野領域内に位置決めされ、評価対象の照明光学系(１４〜１９,４０)によってテレセントリック照明され、画像処理部２５にマーク３０〜３４の画像が取り込まれる。そして、必要に応じてマーク３０〜３４の画像の取り込みを繰り返しながら、図４のフローチャートの手順にしたがって照明光学系(１４〜１９,４０)の評価処理が行われる。
マーク３０〜３４の画像には、照明テレセンのバラツキを反映した明暗情報が含まれる。照明テレセンの影響は、高段差のマーク３０,３２,３４の明暗情報に大きく現れ、低段差のマーク３１,３３の明暗情報では非常に小さい。これは、図５(ａ),(ｂ)のように照明光Ｌ１の主光線の傾斜（角度θ）が同じでも、段差の大きいマークほど影の部分が広くなることからも分かる。この影の部分は、マークの中心に対して非対称に発生し、マーク３０〜３４の画像では暗部となる。
このため、照明光学系(１４〜１９,４０)の評価時には、マーク３０〜３４の画像を取り込むと（図４ステップＳ１）、この画像における各マークの明暗情報の非対称性から評価のための指標としてＴＩＳ値を求める（ステップＳ２）。
例えば、照明テレセンのバラツキが図６の状態であるとする。本実施形態では、まず、視野中心（物体高０μｍ）の高段差のマーク３２と、物体高±１０μｍの低段差のマーク３１,３３とに注目する。そして、これら３つのマーク３１〜３３が、内外で段差の異なる二重マークを構成すると考え、ＴＩＳ値を求める。
ステップＳ１では、この二重マーク(３１〜３３)を結像光学系(１８〜２３)の光軸Ｏ２に垂直な面内で反転させる（つまり１８０度回転させる）前後の各々で、画像処理部２５にマーク３０〜３４の画像を取り込む。そして、画像処理部２５は、反転前後の各画像に基づいて、高段差のマーク３２の中心位置Ｃ1と低段差のマーク３１,３３の中心位置Ｃ2との相対的な位置ずれ量を求める。さらに、反転前後の位置ずれ量の平均値（ＴＩＳ値）を求める。
このＴＩＳ値は、高段差のマーク３２が位置決めされた地点（物体高０μｍ）における照明テレセン（照明光Ｌ１の主光線の傾斜）の影響を反映している。低段差のマーク３１,３３が位置決めされた地点（物体高±１０μｍ）における照明テレセンの影響は、非常に小さく無視することができる。
通常、重ね合わせ測定装置１０では、視野領域内での物体高ごとの照明テレセンの差が問題となる。このため、本実施形態では、ステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返し行って、視野中心（物体高０μｍ）でのＴＩＳ値の絶対値を予め定めた閾値（例えば０.２ｎｍ）より小さくした後、照明光学系(１４〜１９,４０)の評価を行うこととした。
ステップＳ３では、ステップＳ２で求めた視野中心（物体高０μｍ）でのＴＩＳ値の絶対値を閾値（例えば０.２ｎｍ）と比較する。そして、ステップＳ２で求めたＴＩＳ値が、閾値以上であれば、ステップＳ４の処理を行う。ステップＳ４では、照明光学系(１４〜１９,４０)の照明開口絞り１４を光軸Ｏ１と垂直な方向にシフト調整する。このシフト調整により、視野内での照明テレセンを一律に調整できる。
ステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返し行って、視野中心（物体高０μｍ）でのＴＩＳ値が閾値より小さくなると、照明テレセンのバラツキは、例えば図７のようになる。つまり、視野中心（物体高０μｍ）における照明テレセンは略ゼロであって、中央のマーク３２に入射する照明光Ｌ１の主光線は光軸Ｏ２に対して略平行となる。画像処理部２５は、この状態での視野中心（物体高０μｍ）でのＴＩＳ値を、ＴＩＳ(0)として不図示のメモリに記憶する（ステップＳ５）。
次に（ステップＳ６）、画像処理部２５は、ステップＳ１で最後に取り込んだマーク３０〜３４の反転前後の各画像を用い、視野中心（物体高０μｍ）の高段差のマーク３２と、物体高＋１０μｍの低段差のマーク３３と、物体高＋２０μｍの高段差のマーク３４とに注目する（図７(ａ)）。そして、これら３つのマーク３２〜３４が、内外で段差の異なる二重マークを構成すると考え、ＴＩＳ値を求める。
このＴＩＳ値は、高段差のマーク３４が位置決めされた地点（物体高＋２０μｍ）における照明テレセン（照明光Ｌ１の主光線の傾斜）の影響を反映している。低段差のマーク３３が位置決めされた地点（物体高＋１０μｍ）と、高段差のマーク３２が位置決めされた地点（物体高０μｍ）との各々における照明テレセンの影響は、非常に小さく無視することができる。そして、この地点（物体高＋２０μｍ）でのＴＩＳ値を、ＴＩＳ(+20)としてメモリに記憶する。
次に（ステップＳ７）、画像処理部２５は、ステップＳ６と同じ画像を用い、視野中心（物体高０μｍ）の高段差のマーク３２と、物体高−１０μｍの低段差のマーク３１と、物体高−２０μｍの高段差のマーク３０とに注目する（図７(ｂ)）。そして、これら３つのマーク３０〜３２が、内外で段差の異なる二重マークを構成すると考え、ＴＩＳ値を求める。
このＴＩＳ値は、高段差のマーク３０が位置決めされた地点（物体高−２０μｍ）における照明テレセン（照明光Ｌ１の主光線の傾斜）の影響を反映している。低段差のマーク３１が位置決めされた地点（物体高−１０μｍ）と、高段差のマーク３２が位置決めされた地点（物体高０μｍ）との各々における照明テレセンの影響は、非常に小さく無視することができる。そして、この地点（物体高−２０μｍ）でのＴＩＳ値を、ＴＩＳ(-20)としてメモリに記憶する。
この時点で、画像処理部２５のメモリには、視野領域内の物体高−２０μｍの地点でのＴＩＳ(-20)と、視野中心（物体高０μｍの地点）でのＴＩＳ(0)と、物体高＋２０μｍの地点でのＴＩＳ(+20)が記憶されたことになる。これらのＴＩＳ(-20),ＴＩＳ(0),ＴＩＳ(+20)は、視野内の異なる複数の評価地点（例えば物体高０μｍと±２０μｍの地点）での照明テレセンの影響を反映している。
したがって、上記したように、視野内の異なる複数の評価地点（例えば物体高０μｍと±２０μｍの地点）に高段差のマーク３０,３２,３４を位置決めして、これらのマークを評価マークとして画像を取り込み、画像に含まれる明暗情報に基づいて各々の評価地点における照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報（例えばＴＩＳ(-20),ＴＩＳ(0),ＴＩＳ(+20)など）を生成するため、視野内での照明テレセンのバラツキを評価することができる。
照明テレセンのバラツキの評価に用いる指標としては、上記のＴＩＳ値の他に、画像の明暗情報（高段差のマーク３０,３２,３４の明暗情報）の非対称性に関わる相関値や暗部の幅などを用いてもよい。高段差のマーク３０,３２,３４の明暗情報に基づいて、照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報を生成することで、照明光学系(１４〜１９,４０)が基板１１などの物体を照明する際の照明テレセンのバラツキを評価することができる。上記の相関値や暗部の幅などを指標とする場合、上記した低段差のマーク３１,３３を省略してもよい。
照明テレセンのバラツキの評価に用いる指標（例えばＴＩＳ値など）を感度よく求めるためには、高段差のマーク３０,３２,３４の段差ｈ1を大きくすることが好ましい。しかし、この段差ｈ1が大きすぎると、ピントずれに起因して画像の明暗情報がブロードになって、指標を求める際の再現性が低下する。このため、本実施形態では、段差ｈ1に対して、上記の条件式(１)のような上限値“３(λ/ＮＡ2)”と下限値“(λ/ＮＡ2)”を設定した。条件式(１)の“λ/ＮＡ2”は、重ね合わせ測定装置１０の焦点深度の２倍に相当する。
また、本実施形態では、視野内で高段差のマーク３０,３２,３４から離れた地点に低段差のマーク３１,３３を位置決めし、低段差のマーク３１,３３を補助マークとして用いる。このため、画像に含まれる各マークの明暗情報に基づいて、高段差の評価マークと低段差の補助マークとの位置ずれ量を求め、この位置ずれ量から照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報を生成できる。この場合、上記の相関値や暗部の幅などを指標とする場合と比べて、照明テレセンのバラツキをより正確に評価することができる。高段差の評価マークと低段差の補助マークとで二重マークを構成しなくてもよい。
さらに、本実施形態では、高段差の評価マークと低段差の補助マークとで二重マークを構成し、二重マークを反転させる前後で位置ずれ量を求め、反転前後の位置ずれ量の平均値（ＴＩＳ値）から照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報を生成する。このため、上記の相関値や位置ずれ量などを指標とする場合と比べて、照明テレセンのバラツキを感度よく正確に評価することができる。
また、本実施形態では、複数の高段差のマーク３０,３２,３４と複数の低段差のマーク３１,３３とを視野内で交互に並べて同時に位置決めするため、視野内の各々の評価地点における照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報を生成する際に、ステージ１２を移動させる必要がなく、短時間で照明テレセンのバラツキを評価することができる。
ただし、ステージ１２の移動によって１つの高段差の評価マークを視野内の各々の評価地点に順次に位置決めしても構わない。このため、基板２８に設ける高段差のマークの数が１つ以上であれば、本発明を適用できる。
さらに、本実施形態では、高段差のマーク３０,３２,３４の段差ｈ1が条件式(２)を満足し、低段差のマーク３１,３３の段差ｈ0が条件式(４)を満足する。このため、マーク３０〜３４の画像において、結像光学系(１８〜２３)の偏心コマ収差の影響を低減することができる。このため、偏心コマ収差の影響を受けずに、照明テレセンのバラツキを評価することができる。
また、本実施形態では、マーク３０〜３４の線幅を例えば３μｍ程度とした。このため、マーク３０〜３４の画像において、各エッジ像が左右反対方向にシフトすることになり、各マークの中心位置の変化量は微小と考えて良い。つまり、像面湾曲の影響を低減することができる。このため、像面湾曲の影響を受けずに、照明テレセンのバラツキを評価することができる。
さらに、本実施形態では、評価用のマーク３０〜３９などの加工が施された基板２８と、画像解析ソフトさえ用意すれば、照明光学系(１４〜１９,４０)を重ね合わせ測定装置１０に組み込んだ状態で、簡易的に短時間で評価を行える。
（第２実施形態）
照明テレセンのバラツキを評価する際、結像光学系(１８〜２３)の偏心コマ収差や像面湾曲は上記のマーク形状によって低減できるが、ディストーションの影響は残存する可能性がある。このため、次のような処理を行って、結像光学系(１８〜２３)のディストーションの影響を補正することが好ましい。
この場合、図８に示すマーク５０〜５９が用いられる。マーク５０〜５９は、上記したマーク３０〜３９（図３）と線幅や間隔が同じで、その段差ｈ3が全て低段差のマーク３１,３３の段差ｈ0と同じである（例えば０.１６μｍ）。
このマーク５０〜５９（図８）を視野内に位置決めし、画像処理部２５にマーク５０〜５９の画像を取り込んだ後、上記と同様の二重マークの設定（図６,図７参照）を行って、各二重マークごとのＴＩＳ値を求める。
この場合、全てのマーク５０〜５９が低段差であるため、照明テレセンの影響はＴＩＳ値に反映されない。また、上記と同じ理由で、ＴＩＳ値における偏心コマ収差や像面湾曲の影響も軽微である。したがって、マーク５０〜５９の画像から求めた各々のＴＩＳ値は、ディストーションの影響と考えられる。
画像処理部２５は、マーク５０〜５９の画像からＴＩＳ値を求めると、視野領域内の物体高−２０μｍの地点でのＴＩＳdis(-20)、視野中心（物体高０μｍの地点）でのＴＩＳdis(0)、物体高＋２０μｍの地点でのＴＩＳdis(+20)として、メモリに記憶する。
そして、次の式(５)〜(７)にしたがい、上記したマーク３０〜３９（図３）の画像から求めたディストーションの影響を含むＴＩＳ値（ＴＩＳ(-20),ＴＩＳ(0),ＴＩＳ(+20)）との差を計算する。
ＴＩＳtel(-20)＝ＴＩＳ(-20)−ＴＩＳdis(-20) …(５)
ＴＩＳtel(0) ＝ＴＩＳ(0) −ＴＩＳdis(0) …(６)
ＴＩＳtel(+20)＝ＴＩＳ(+20)−ＴＩＳdis(+20) …(７)
このようにして得られたＴＩＳ値（ＴＩＳtel(-20),ＴＩＳtel(0),ＴＩＳtel(+20)）は、ディストションの影響が取り除かれ、視野内での照明テレセンのバラツキを表している。したがって、上記のような処理を行うことで、ディストーションの影響を受けずに、照明テレセンのバラツキを正確に評価することができる。
なお、ディストーションの影響が取り除かれた後の視野中心（物体高０μｍの地点）でのＴＩＳtel(0)は、上記の閾値（例えば０.２ｎｍ）以上になる可能性がある。このため、ディストーションの影響が取り除かれた後のＴＩＳtel(0)が閾値（例えば０.２ｎｍ）より小さくなるように、照明開口絞り１４のシフト調整（図４のステップＳ４と同様）を行うことが好ましい。
そして、このシフト調整後に、物体高±２０μｍの地点でのＴＩＳdis(-20),ＴＩＳdis(+20)を求めることで、視野領域内での物体高ごとの照明テレセンの差（視野中心に対する照明テレセンの差）をより正確に求めることができる。
（第３実施形態）
ここでは、照明光学系(１４〜１９,４０)の調整方法について説明する。
視野内での照明テレセンにバラツキがある場合、視野中心での照明テレセンが略ゼロであっても、視野周辺における照明テレセンはゼロにはならない（図７参照）。このような照明テレセンの誤差を低減するために、次のような調整を行う。
照明光学系(１４〜１９,４０)の調整は、上記した照明光学系(１４〜１９,４０)の評価によって、照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報（例えばＴＩＳ(-20),ＴＩＳ(0),ＴＩＳ(+20)やＴＩＳtel(-20),ＴＩＳtel(0),ＴＩＳtel(+20)など）を生成した後、これらの傾斜情報に基づいて、照明開口絞り１４の位置を光軸Ｏ１と平行な方向に微少量だけシフト調整することにより行われる。
例えば、視野中心でのＴＩＳtel(0)と物体高＋２０μｍでのＴＩＳtel(+20)とが次の式(８)を満足するように、照明開口絞り１４の光軸方向のシフト調整を行う。
｜ＴＩＳtel(+20)−ＴＩＳtel(0)｜＜０.３ …(８)
ここで、ＴＩＳtel(+20)＝０.３ｎｍ、ＴＩＳtel(0)＝０ｎｍと仮定し、照明テレセンの傾斜角（図５の角度θ）を物体側で評価すると、物体高＋２０μｍの地点では傾斜角＝０.２７(mrad)、物体高０μｍの地点では０(mrad)と推定される。
さらに、本実施形態の照明光学系(１４〜１９,４０)において、照明開口絞り１４を光軸方向に０.２８ｍｍ程度シフトさせたと仮定し、照明テレセンの傾斜角（図５の角度θ）の変化量を物体側で評価すると、物体高＋２０μｍの地点では、変化量が０.２７(mrad)程度なる。
したがって、これらの数値を目安に照明開口絞り１４を光軸方向にシフト調整すれば、照明光Ｌ１の主光線の傾斜（例えばＴＩＳtel(-20),ＴＩＳtel(+20)など）を適切に調整することができる。つまり、視野内での照明テレセンのバラツキを適切に調整することができる。
そして、上記の式(８)を満足するように調整を行えば、視野中心での照明テレセンの誤差のみならず、視野周辺（例えば物体高±２０μｍの地点）での照明テレセンの誤差も低減することができる。その結果、照明テレセンは例えば図９のような理想的な状態になり、照明光Ｌ１の主光線は何れも光軸Ｏ２に略平行となる。
重ね合わせ測定装置１０を製造する際の号機ごとに、照明テレセンのバラツキを特定の数値（例えば式(８)の閾値０.３）より小さくなるように調整して管理すれば、号機ごとの製造誤差を低減することができ、安定した装置製造が可能となる。
さらに、照明テレセンのバラツキが管理された重ね合わせ測定装置１０では、位置検出の精度や位置ずれ量Ｌ（図２）の測定精度が向上し、近年の半導体デバイスの微細化にも対応可能となる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、照明光学系(１４〜１９,４０)の評価に用いる高段差のマーク３０,３２,３４が段差ｈ1＝４μｍである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。条件式(１)を満足する範囲内であれば、段差ｈ1を他の値に設定してもよい。
また、上記した実施形態では、低段差のマーク３１,３３が段差ｈ0＝０.１６μｍである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。段差ｈ0は、条件式(３)を満足する範囲内で他の値に設定してもよいし、条件式(３)の下限値より小さい値に設定してもよい。
さらに、上記した実施形態では、マーク３０〜３４の段差ｈ1,ｈ0が条件式(２),(４)を満足する例で説明したが、本発明はこれに限定されない。結像光学系(１８〜２３)の偏心コマ収差の影響を無視できる場合には、各々の段差ｈ1,ｈ0が条件式(２),(４)を満足しなくても構わない。
また、上記した実施形態では、マーク３０〜３４の線幅を３μｍとしたが、本発明はこれに限定されない。結像光学系(１８〜２３)の像面湾曲の影響を無視できる場合には、マーク３０〜３４の線幅を３μｍ以外の値に設定しても構わない。
さらに、上記した実施形態では、マーク３０〜３４の間隔を７μｍとしたが、本発明はこれに限定されない。照明テレセンのバラツキの評価地点の物体高に応じて、マーク３０〜３４の間隔を７μｍ以外の値に設定しても構わない。
また、上記した実施形態では、評価用のマーク３０〜３９が凸形状のバーマークである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、凹形状のバーマークを評価用に用いても構わないし、ＢＯＸマークを用いてもよい。
さらに、上記した実施形態では、ステージ１２の上面に評価用の基板２８を固定して、この基板２８に評価用のマーク３０〜３９（図３）を形成し、照明テレセンのバラツキを評価したが、本発明はこれに限定されない。上記と同様のマーク３０〜３９が形成された工具基板を用意して、この工具基板を基板１１の代わりにステージ１２に搭載し、同様の手順で評価を行ってもよい。
また、上記した実施形態では、照明テレセンのバラツキを評価する際に、視野中心での照明テレセンを略ゼロに調整する処理（図４のステップＳ３,Ｓ４の処理）を行ったが、本発明はこれに限定されない。このような調整を行わずに（例えば図６の状態で）、マークの画像から照明光Ｌ１の主光線の傾斜情報（例えばＴＩＳ(-20),ＴＩＳ(0),ＴＩＳ(+20)やＴＩＳtel(-20),ＴＩＳtel(0),ＴＩＳtel(+20)など）を生成し、これを評価の結果としてもよい。
さらに、上記した実施形態では、重ね合わせ測定装置１０に組み込まれた位置検出装置の照明光学系(１４〜１９,４０)を例にその評価方法を説明したが、本発明はこれに限定されない。アライメントマークの位置検出を行う装置（例えば露光装置のアライメント系）に組み込まれた照明光学系の評価にも、本発明を適用できる。この装置では、アライメントマークの位置を精度良く検出することが可能となり、基板のアライメント精度の向上に寄与できる。
重ね合わせ測定装置１０の全体構成を示す図である。 重ね合わせマーク１１Ａを説明する図である。 照明テレセンのバラツキの評価に用いられるマーク３０〜３９を説明する図である。 照明テレセンのバラツキの評価手順を示すフローチャートである。 照明テレセンの影響を説明する図である。 視野中心（物体高０μｍ）におけるＴＩＳ(0)を説明する図である。 視野周辺（物体高±２０μｍ）におけるＴＩＳ(+20),ＴＩＳ(-20)を説明する図である。 ディストーションの補正に用いられるマーク５０〜５９を説明する図である。 照明開口絞り１４を光軸方向にシフト調整した後の状態を説明する図である。
符号の説明
１０ 重ね合わせ測定装置 ； １１，２８ 基板 ； １２ ステージ ；
１３〜１９,４０ 照明光学系 ； １８〜２３ 結像光学系 ；
２４ ＣＣＤ撮像素子 ； ２５ 画像処理部 ； ３０〜３９ 評価用のマーク

Claims (5)

  1. 評価対象の照明光学系を用い、物体の光像を形成する結像光学系の物体面の所定領域に、照明光を照射する第１工程と、
    前記所定領域に前記照明光が照射された状態で、該所定領域内の異なる複数の評価地点に１つ以上の評価マークを順次または同時に位置決めするとともに、前記評価マークより低段差の補助マークを、前記所定領域内で前記評価マークから離れた地点に位置決めする第２工程と、
    前記複数の評価地点の各々に位置決めされた前記評価マークの明暗情報と共に前記補助マークの明暗情報を含む画像を、前記結像光学系を介して取り込む第３工程と、
    前記画像に含まれる前記評価マークおよび前記補助マークの各々の明暗情報に基づいて、前記評価マークと前記補助マークとの位置ずれ量を求め、該位置ずれ量に基づいて前記複数の評価地点の各々における前記照明光の主光線の傾斜情報を生成する第４工程とを備え、
    前記評価マークの段差ｈ1は、前記照明光の中心波長λおよび前記結像光学系の物体側の開口数ＮＡに対して、次の条件式を満足する
    (λ/ＮＡ2) ＜ ｈ1 ＜ ３ (λ/ＮＡ2)
    ことを特徴とする照明光学系の評価方法。
  2. 請求項１に記載の照明光学系の評価方法において、
    前記評価マークと前記補助マークとは、内外で段差の異なる二重マークを構成し、
    前記第４工程では、前記二重マークを前記結像光学系の光軸に垂直な面内で反転させる前後の各々で、前記評価マークと前記補助マークとの位置ずれ量を求め、前記反転前後の位置ずれ量の平均値に基づいて前記傾斜情報を生成する
    ことを特徴とする照明光学系の評価方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載の照明光学系の評価方法において、
    前記第２工程では、複数の前記評価マークと複数の前記補助マークとを前記所定領域内で交互に並べて同時に位置決めする
    ことを特徴とする照明光学系の評価方法。
  4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の照明光学系の評価方法において、
    前記評価マークの段差ｈ 1 と前記補助マークの段差ｈ 0 は、各々、前記照明光の中心波長λおよび任意の整数ｍ 1 ,ｍ 0 に対して、次の条件式を満足する
    ｈ 1 ＝ｍ 1 ×(λ/４)
    ｈ 0 ＝ｍ 0 ×(λ/４)
    ことを特徴とする照明光学系の評価方法。
  5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の照明光学系の評価方法により前記傾斜情報を生成した後、該傾斜情報に基づいて、前記照明光学系の開口絞りの位置を光軸と平行な方向にシフト調整する
    ことを特徴とする照明光学系の調整方法。
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