JPH08306609A

JPH08306609A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH08306609A
Application number: JP7106556A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2019-12-15
Also published as: JP3600920B2

Abstract

(57)【要約】【目的】凹凸変化（段差）が極めて小さい位置検出マ
ークであっても精度良く確実にその位置を検出可能とす
る。【構成】基板上の位置検出マークを照明する照明光学
系の瞳面での照明光を、光軸を中心とする輪帯領域に制
限するとともに、位置検出マークから発生する光を入射
してその像を撮像素子上に形成する結像光学系の瞳面上
の、照明光学系の瞳面上の輪帯領域と結像関係になる領
域内に分布する結像光束をほぼ遮光する。さらに、画像
信号の形成に寄与する照明光の波長域中の最短波長をλ
１、最長波長をλ２、位置検出マークの周期をＰとする
と、照明光学系の瞳面上の輪帯領域の外半径ｒo 、及び
内半径ｒi を、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）、ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐなる関係を満たすように定める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子等を
製造する際にマスクパターンを感光性の基板上に露光す
るフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置に適用
されるマスクパターンと感光性基板の相対的な位置合わ
せ技術に関し、特に感光基板上のマークパターンの検出
技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子、薄膜
磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）、又は光磁気ディスク
等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、転写
用のパターンが形成されたフォトマスク又はレチクル
（以下、まとめて「レチクル」という）の像を、投影光
学系を介した投影露光法、あるいはプロキシミティ露光
法により、フォトレジストが塗布されたウエハ、又はガ
ラスプレート等の感光基板上に転写する露光装置が使用
されている。

【０００３】このような露光装置においては、露光に先
立ってレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメン
ト）を高精度に行う必要がある。このアライメントを行
うために、ウエハ上には以前の工程で形成（露光転写）
された位置検出マーク（アライメントマ−ク）が形成さ
れており、このアライメントマ−クの位置を検出するこ
とで、ウエハ（ウエハ上の回路パターン）の正確な位置
を検出することができる。

【０００４】アライメントマークの検出方法としては、
例えばレーザビームスキャン方式、レーザ干渉式等のレ
ーザ光の散乱、回折光を検出するものがある。しかしな
がら、レーザ光は単色性が強く、フォトレジスト表面と
マーク表面との多重干渉等の悪影響により、位置検出精
度が悪化する恐れがある。これに対して、ランプ等を光
源としてアライメントマークをブロードバンドな光束で
照明し、その像を結像光学系を介して撮像し、その画像
信号に基づいて位置検出を行なう方式（以後「結像式位
置検出」と称す）は、フォトレジスト等の悪影響を受け
にくいというメリットがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
等の微細化に伴い、成膜工程後であってフォトリソグラ
フィ工程前に、ウエハ表面を平坦化する工程が導入され
るようになった。これには、回路パターンが形成される
生成膜の厚さを均一化して素子特性を改善する効果と、
フォトリソグラフィ工程においてウエハ表面の凹凸が転
写パターンの線幅誤差に与える悪影響を改善する効果が
ある。

【０００６】しかしながら、ウエハ表面のアライメント
マーク部での凹凸変化や反射率変化を基に位置検出を行
なう方式においては、平坦化工程によりアライメントマ
ーク部での凹凸変化が著しく減少するため、アライメン
トマークを検出できなくなる恐れがある。特に不透明な
生成膜（金属や半導体膜）に対する工程では、アライメ
ントマークは一様な反射率の不透明膜で被われる。この
ため、位置検出はマークの凹凸変化のみに頼ることにな
り、不透明な生成膜は平坦化が最も問題となる工程であ
る。

【０００７】本発明は上述の問題点を鑑みてなされたも
ので、凹凸変化（段差）の極めて小さい位置検出マーク
であっても精度良く確実にその位置を検出できる位置検
出装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定の波長域
の照明光（例えば広帯域光、又は多波長光）で基板上の
位置検出マークを照射する照明光学系と、その位置検出
マークから発生する光を入射して撮像素子上にその位置
検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、撮像素
子から出力される画像信号に基づいてその位置検出マー
クの位置を検出する装置に適用されるものである。そし
て本発明では、位置検出マークに対して実質的に光学的
フーリエ変換の関係となる照明光学系中の第１面（瞳
面）での照明光束を、照明光学系の光軸を中心とするほ
ぼ輪帯状の第１領域内に制限する照明光束制限部材と、
位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の
関係となる結像光学系中の第２面（瞳面）上の、第１領
域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域内に分布する
結像光束をほぼ遮光する結像光束制限部材とを設けるこ
ととした。

【０００９】さらに本発明では、前述の照明光束制限部
材と、結像光学系中の第２面上に分布する、周期性を持
つ位置検出マークからの０次光をほぼ遮光する遮光部材
とを設ける、あるいは照明光学系中の第１面上での照明
光の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高
める光学部材と、前述の結像光束制限部材とを設ける、
もしくは照明光学系の実質的な瞳面上の、輪帯状の第１
領域内に分布する照明光束を透過せしめる第１の絞り部
材と、結像光学系の実質的な瞳面上の、輪帯状の第２領
域以外に分布する結像光束を透過せしめる第２の絞り部
材とを設けるようにしても良い。

【００１０】さらに、照明光のうち画像信号の形成に寄
与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ
２、位置検出マークの周期をＰとすると、輪帯状の第１
領域の外半径ｒo 、及び内半径ｒi は、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐの関係を満たすことが望ましい。また、結像光学系の開
口数ＮＡｏは、ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐの関係を満たすことが望ましい。

【００１１】また、結像光学系の光路に対して結像光束
制限部材（又は遮光部材、第２の絞り部材）を挿脱可能
に保持する部材を設けると良い。さらにこのとき、照明
光学系の光路に対して照明光束制限部材（又は光学部
材、第１の絞り部材）を挿脱可能に保持する部材も設け
ると良い。さらに、撮像素子上に指標マークの像を形成
する像形成手段を設け、撮像素子から出力される画像信
号に基づいて位置検出マークの像と指標マークの像との
位置ずれを検出するようにしても良い。この像形成手段
は、指標マークを有する指標板と、基板上に照射される
照明光とは異なる光ビームで指標板を照射する照明系
と、指標マークから発生した光を入射してその像を撮像
素子上に形成する結像系とを有することが望ましい。特
に指標板を、結像光学系中の基板と実質的に共役な面に
配置し、結像光学系によって、位置検出マークの像を指
標板上に形成するとともに、この位置検出マークの像と
指標マークの像とを撮像素子上に形成するようにしても
良い。

【００１２】また、照明光学系中の第１面上での照明光
の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高め
る光学部材は、他の領域での光強度をほぼ零にするよう
に、他の領域をほぼ覆う遮光部を持つ絞り部材でも良
い。さらに光学部材は、輪帯状の第１領域の外半径と内
半径の少なくとも一方を変化させる強度分布変更部材を
有することが望ましい。この強度分布変更部材は、輪帯
状の開口の外半径と内半径の少なくとも一方が異なる複
数の絞り部材と、この複数の絞り部材の１つを照明光学
系の光路中に配置するように複数の絞り部材を保持する
部材とを持つようにしても良い。さらに結像光束制限部
材は、第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方の変
化に応じて、輪帯状の第２領域をほぼ覆う遮光部の半径
方向の幅を変化させることが望ましい。

【００１３】

【作用】ほぼ平坦な被検物上の「段差」部のみを検出す
る光学系としては、「暗視野顕微鏡」が知られている。
暗視野顕微鏡としては、結像光学系を透過しないような
大きな開口数で被検物を照明し、その散乱光のみを利用
して結像光学系を介して像を形成する構成、あるいは結
像光学系中の、被検物に対する光学的フーリエ変換面
（瞳面）の一部に、光軸を中心とする円形の遮光部材を
設け、これと共役な照明光学系中の面、即ち照明光学系
中の、被検物に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）で
の照明光の分布を、前述の円形の遮光部材と結像関係に
なる円内に限定する開口絞り（σ絞り）を設ける構成が
ある。また、この開口絞り（σ絞り）として、円環（輪
帯）状の開口を持つ絞りを用いることもある。

【００１４】暗視野顕微鏡は、被検物（例えばウエハ上
の位置検出マーク）への照明光の照射によってその被検
物から発生する反射回折光のうち、０次回折光（正反射
光）を遮光し、高次回折光（及び散乱光）のみによる像
を形成する作用がある。このうち０次回折光は、被検物
の凹凸や反射率変化に関する情報をほとんど含まない
が、高次（１次以上）の回折光はこれらの情報を含んで
いる。従って暗視野顕微鏡では、０次回折光が遮光さ
れ、高次回折光のみにより像が形成されるため、通常の
（明視野の）顕微鏡よりも明瞭に（高コントラストで）
段差を可視化することが可能となる。

【００１５】しかしながら、従来の暗視野顕微鏡をウエ
ハ上の位置検出マークの検出に用いると、像形成に不要
な０次回折光だけでなく、比較的低次の回折光（像形成
に寄与する有益な回折光）までも遮光してしまい、像の
コントラストや忠実性が劣化するという問題がある。こ
れに対して本発明では、ウエハ等の基板上の位置検出マ
ークには通常、その位置検出方向にある一定の周期性
（周期Ｐ）があることに着目し、その周期性により生じ
る０次以外の回折光が効率良くマーク像の形成に寄与す
るように、照明光学系の２次光源（照明光学系内のフー
リエ変換面（瞳面）での照明光束分布、又は照明光の強
度分布）、及び結像光学系内のフーリエ変換面（瞳
面）、即ち照明光学系の瞳面と共役な面に暗視野化のた
めの絞り（遮光部）を設定したので、不要な０次回折光
を遮光しつつ、有益な回折光を効率よく利用することが
できる。

【００１６】即ち本発明では、位置検出マークに対して
実質的に光学的フーリエ変換の関係となる照明光学系中
の第１面（瞳面）での照明光束（２次光源）を、光軸を
中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に制限し、かつ位置
検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係
となる結像光学系中の第２面（瞳面）上の、第１領域と
結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域内に分布する結像
光束をほぼ遮光する、換言すればその第２面上に分布す
る位置検出マークからの０次光をほぼ遮光する。また
は、照明光学系の第１面上での照明光の強度分布を、輪
帯状の第１領域で他の領域よりも高め、かつ結像光学系
の第２面上の、第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の
第２領域内に分布する結像光束をほぼ遮光する。もしく
は、照明光学系の実質的な瞳面上の、輪帯状の第１領域
内に分布する照明光束を透過せしめ、かつ結像光学系の
実質的な瞳面上の、輪帯状の第２領域以外に分布する結
像光束を透過せしめるようにする。

【００１７】このため、凹凸変化（段差）の極めて小さ
い位置検出マークに対しても、確実に（高コントラスト
な像で）位置検出を行なうことが可能となる。尚、結像
光学系中の第２面上の輪帯状の第２領域を完全に遮光す
る必要はなく、像コントラストや忠実性を多少劣化させ
ても所望の位置検出精度が得られるのであれば、その輪
帯状の第２領域に所定の透過率を持たせる、即ちその第
２領域を減光部としても良い。また、前述の第１及び第
２領域の形状は輪帯（円環）状であるとしたが、例えば
矩形、正方形、又は多角形（特に正多角形）としても良
い。さらに、照明光学系中の第１面（瞳面）上の第１領
域を部分的に遮光（又は減光）する、即ち第１領域を複
数の部分領域（その形状は任意で良く、例えば円弧、円
形、又は直線状等として構わない）から構成しても良
い。これに対応して結像光学系中の第２面（瞳面）上の
第２領域を、その第１領域と同一の形状としても良い
し、あるいはその第１領域と結像関係となる複数の部分
領域をほぼ含む輪帯、矩形、又は多角形状等としても良
い。

【００１８】さらに、照明光のうち画像信号の形成に寄
与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ
２、位置検出マークの周期をＰとすると、輪帯状の第１
領域の外半径ｒo 、及び内半径ｒi を、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐなる関係を満足するように設定する。また、結像光学系
の開口数ＮＡｏを、ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐなる関係を満足するように設定する。このため、低段差
の位置検出マークの像をより高いコントラストで検出す
ることができる。さらに、結像光学系内の第２面（瞳
面）、又はその共役面に、結像光学系の開口数ＮＡｏを
変化させるための可変開口絞り（ＮＡ絞り）を、結像光
束制限部材（遮光部材、第２の絞り部材）と機械的に干
渉しないように設けると良い。これにより、位置検出マ
ークの周期が変化しても、前述の条件を満足するよう
に、結像光学系の開口数をその周期に対応した値に設定
することができ、常にそのマーク像を高いコントラスト
で検出できる。尚、可変開口絞りは結像光学系の瞳面、
又はその共役面から光軸方向にずらして配置しても構わ
ない。

【００１９】また、結像光学系の光路に対して結像光束
制限部材（又は遮光部材、第２の絞り部材）を挿脱可能
に保持する部材を設ける。このため、明視野検出と暗視
野検出とを切り替えることができ、位置検出マークの段
差量に応じて明視野検出と暗視野検出との一方を選択し
てそのマーク像を検出できる。従って、位置検出マーク
の段差量に依らず、常に高いコントラストのマーク像を
得ることができ、位置検出精度を向上させることができ
る。さらに、照明光学系の光路に対して照明光束制限部
材（又は光学部材、第１の絞り部材）を挿脱可能に保持
する部材も設ける。このため、輪帯照明と通常照明とを
切り替えることができ、位置検出マークが低段差でない
場合にはその反射率が低くても、通常照明によってその
マーク像を確実に検出することができる。

【００２０】また、照明光学系中の第１面上での照明光
の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高め
る光学部材は、輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少
なくとも一方を変化させる強度分布変更部材を有する。
このため、位置検出マークの周期が変化しても、前述の
条件式を満足するように、輪帯状の第１領域の外半径と
内半径の少なくとも一方をその周期に対応した値に設定
することができる。従って、位置検出マークの周期に依
らず、常に高いコントラストのマーク像を得ることがで
きる。尚、輪帯状の第１領域の外半径や内半径は、位置
検出マークの周期の変化に連動して変更する必要はな
く、その変化により像コントラストや忠実性が、所望の
位置検出精度を得られない程度に劣化したときのみ、そ
の外半径や内半径を変更するようにしても良い。

【００２１】さらに結像光束制限部材は、第１領域の外
半径と内半径の少なくとも一方の変化に応じて、輪帯状
の第２領域をほぼ覆う遮光部の半径方向の幅と位置の少
なくとも一方を変化させる。このため、位置検出マーク
の周期に応じて輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少
なくとも一方が変化しても、常に不要な０次回折光は遮
光して、像形成に寄与する有益な０次以外の回折光を効
率良く撮像素子に入射させることができる。尚、結像光
学系の遮光部の幅や位置は、輪帯状の第１領域の外半径
や内半径（位置検出マークの周期）の変化に連動して変
更する必要はなく、その変化により像コントラストや忠
実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化し
たときのみ、その遮光幅や位置を変更するだけでも良
い。

【００２２】尚、前述した輪帯状の第１及び第２領域の
外半径や内半径（即ち半径方向の幅や位置）の変更は、
例えば液晶素子、又はエレクトロクロミック素子で作ら
れた開口絞りを各瞳面に配置する、あるいは照明光学系
にあっては開口部、結像光学系にあっては遮光部の外半
径と内半径の少なくとも一方が異なる複数の絞り部材を
それぞれ交換して各光路中に配置可能に構成することで
実現できる。

【００２３】

【実施例】図１〜図５を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は、本実施例の位置検出装置の概略的
な全体構成を示す。図１において、ハロゲンランプ等の
光源１を発したブロードバンドな照明光束（広帯域光）
はコンデンサーレンズ２、及び波長選択素子（シャープ
カットフィルター、又は干渉フィルター等）３を経て照
明視野絞り４に入射する。

【００２４】波長選択素子３は、後述するウエハ１０上
に塗布されたフォトレジスト（露光波長は例えば３６５
ｎｍ、又は２４８ｎｍ）に対して、非感光な波長域（例
えば波長５５０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の光束のみを透過さ
せる。ただし本発明を、フォトレジストで覆われていな
い基板の位置検出装置、例えば露光、現像処理後のウエ
ハ上の、回路パターンと転写したレジストパターンとの
重ね合わせ位置検出装置に適用するのであれば、フォト
レジストの感光を防ぐ必要はないので、より短波長の
（露光波長に近い）光束も使用することができる。

【００２５】照明視野絞り４を透過した光束は、リレー
レンズ５を経て本発明の照明光束制限部材（開口絞り）
６に入射する。さらに照明光は、ビームスプリッター
８、及び対物レンズ群９を介して、位置検出マーク１１
が形成されたウエハ１０に入射する。照明光束制限部材
６は、ウエハ１０の表面（位置検出マーク１１）に対し
て、対物レンズ群９とビームスプリッター８を介して、
光学的にフーリエ変換の関係となっている面（以後「照
明系瞳面」と略す）に配置されている。すなわち、照明
光束制限部材６内の所定点の、照明光学系（１〜５、
８、９）の光軸ＡＸＩからの位置ずれ量は、その所定点
を通過する照明光束の、ウエハ１０の表面に対する入射
角の正弦に比例する。

【００２６】ここで、照明光束制限部材６は輪帯開口を
有し、その輪帯開口の中心が照明光学系の光軸ＡＸＩと
一致するように可動部材７に保持されている。この可動
部材７は、例えばターレット板、又はスライダーであ
り、照明光学系の光路に対して照明光束制限部材６を挿
脱可能としている。従って、本実施例では可動部材７に
よって輪帯照明と通常照明とを切り替えることができ、
位置検出マーク１１の段差量（及び／又は微細度（周
期、線幅等))に応じていずれか一方を選択できるように
なっている。例えば、低段差の位置検出マーク、及び高
段差の微細な位置検出マークでは輪帯照明が選択されて
照明光束制限部材６が光路中に挿入され、高段差の粗い
位置検出マークでは通常照明が選択されて照明光束制限
部材６が光路外に待避される。

【００２７】また、照明視野絞り４は一連の光学系５〜
９を介して、ウエハ１０の表面（位置検出マーク１１）
と実質的に共役（結像関係）となっており、照明視野絞
り４の透過部の形状、大きさに応じて、ウエハ１０上で
の照明範囲を制限することができる。照明視野絞り４
は、例えば複数の可動ブレードからなり、位置検出マー
ク１１の大きさや形状に応じて、その複数の可動ブレー
ドによって規定される開口部の大きさや形状を変化させ
ることでウエハ１０上での照明範囲を変更することがで
きる。

【００２８】ウエハ１０は、２次元移動可能なウエハス
テージ１２に載置され、このウエハステージ１２の端部
にはレーザ干渉計１５からのレーザビームを反射するミ
ラー１４が固定されている。ウエハステージ１２（ウエ
ハ１０）のＸ、Ｙ方向の位置はレーザ干渉計１５によっ
て、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され
る。さらにウエハステージ１２には、ベースライン計測
等に用いられる基準マークが形成された基準板１３が設
けられている。

【００２９】さて、ウエハ１０（位置検出マーク１１）
で反射した光束は、対物レンズ群９、及びビームスプリ
ッター８を介して、本発明の結像光束制限部材（開口絞
り）１６に至る。結像光束制限部材１６は、ウエハ１０
の表面（位置検出マーク１１）に対して、対物レンズ群
９とビームスプリッター８を介して、光学的にフーリエ
変換の関係となっている面（以後「結像系瞳面」と略
す）に配置されている。即ち、結像光束制限部材１６内
の所定点の、結像光学系の光軸ＡＸからの位置ずれ量
は、その所定点を通過する光束（結像光束）の、ウエハ
１０の表面に対する射出角の正弦に比例する。

【００３０】ここで、結像光束制限部材１６は照明光束
制限部材６の輪帯開口と結像関係になる輪帯領域をほぼ
覆う遮光部を有し、その輪帯遮光部の中心が結像光学系
の光軸ＡＸと一致するように可動部材１７に保持されて
いる。この可動部材１７は、例えばターレット板、又は
スライダーであり、結像光学系の光路に対して結像光束
制限部材１６を挿脱可能としている。従って、本実施例
では可動部材１７によって暗視野検出と明視野検出とを
切り替えることができ、位置検出マーク１１の段差量に
応じていずれか一方を選択できるようになっている。例
えば、低段差の位置検出マークでは暗視野検出が選択さ
れて結像光束制限部材１６が光路中に挿入され、高段差
の位置検出マークでは明視野検出が選択されて結像光束
制限部材１６が光路外に待避される。

【００３１】ここで、光学的なフーリエ変換の関係を図
２を用いて説明するが、図２では１枚のレンズ９’で表
される対物レンズ群９（焦点距離をｆとする）の一方の
焦点面に、ウエハ１０を配置すれば、他方の焦点面が
「光学的なフーリエ変換面（瞳面）」ＦＰとなる。そし
て、ウエハ１０上での入射、及び射出角度がθである光
束はそれぞれフーリエ変換面（瞳面）ＦＰ上の、光軸Ａ
Ｘからｆ・ sinθだけ離れた位置を通ることになる。

【００３２】図２では、対物レンズ群９を１枚のレンズ
９’で表しているが、これが複数枚から成るレンズ系で
あっても本質的には何ら変わりはなく、複数枚のレンズ
の合成焦点面にウエハ１０を配置すれば、他方の焦点面
がフーリエ変換面（瞳面）となる。そして、対物レンズ
群９と瞳面との間にビームスプリッター８を配すること
で、送光側（照明系）瞳面と受光側（結像系）瞳面とを
分離することが可能となる。また、この分離された２つ
の瞳面は共にウエハ１０に対するフーリエ変換面であ
る、即ち照明系瞳面と結像系瞳面とはウエハ１０、対物
レンズ群９、及びビームスプリッター８を介して実質的
に共役（結像関係）となっている。

【００３３】結像光束制限部材１６を通過した結像光束
は、レンズ系１８、及びビームスプリッター１９を経
て、指標板２４上に位置検出マーク１１の像を形成す
る。一方、指標板２４は、指標板照明用光学系２０〜２
３によっても照明される。この指標板照明用光学系は、
発光ダイオード等の光源２０、コンデンサーレンズ２
１、指標板照明視野絞り２２、及びリレーレンズ２３か
らなる。指標板照明視野絞り２２は、リレーレンズ２
３、及びビームスプリッター１９を介して指標板２４と
共役、ひいてはウエハ１０の表面と共役になっている。
さらに指標板２４には、後述するように位置検出マーク
１１の検出に際して使用される基準指標（指標マーク）
が形成されている。指標板照明視野絞り２２は、指標板
２４上の基準指標のみが光源２０からの照明光で照射さ
れるようにその基準指標と結像関係になる領域に開口を
有する。

【００３４】指標板照明用光学系２０〜２３はこの基準
指標を照明するためのものであるので、光源２０からの
照明光は、位置検出マーク１１を照射する光源１からの
照明光と異なり、単色光でもよい。また、光源２０から
の照明光はウエハ１０上に照射されないため、その波長
がフォトレジストの感光波長であっても構わない。そこ
で、本実施例では発光ダイオードである光源２０の波長
を５００ｎｍ程度とし、ビームスプリッター１９の反射
面をダイクロイックミラーとすることで、ウエハ１０か
らの結像光束及び指標用照明光の利用効率を高める（即
ち光量損失を抑える）ことができる。尚、本実施例では
照明視野絞り４によってウエハ１０上での照明範囲が制
限されるので、位置検出マーク１１の像が基準指標に重
畳して形成されることはない。

【００３５】指標板２４上に形成される位置検出マーク
１１の像と基準指標の像はそれぞれリレーレンズ２５、
２７によってＣＣＤ等の撮像素子２８上に結像される。
画像処理系２９は、撮像素子２８からの出力信号を基
に、前述の基準指標像と位置検出マーク１１の像との位
置関係（位置ずれ量）を算出する。位置検出マーク１１
の像位置は、当然ながらレーザ干渉計１５によって規定
される直交座標系ＸＹ上での位置検出マーク１１の位置
を反映したものであるから、これにより位置検出マーク
１１の位置検出が可能となる。即ち、画像処理系２９で
算出される位置ずれ量と干渉計１５から出力される座標
位置とによって位置検出マーク１１の位置が求められ
る。

【００３６】ところで、開口絞り２６はウエハ１０に対
して実質的に光学的なフーリエ変換の関係となる結像光
学系（９〜２７）中の面（結像光束制限部材１６と共役
（結像関係）の面）に配置され、結像光学系の開口数を
制限するものである。本実施例では、開口絞り２６によ
って結像光学系の開口数を任意に変更できるものとす
る。また、図１では指標板２４を結像光学系の光路中に
配置したが、指標板２４をその光路外に配置し、結像系
を介して撮像素子２８上に基準指標の像を形成するよう
に構成してもよい。例えば、指標板２４の代わりに撮像
素子２８を配置し、かつ指標板照明視野絞り２２の代わ
りに指標板２４を配置すれば、リレーレンズ２５、２７
が不要となって装置全体を小型化できる。このとき、基
準指標以外からの光が撮像素子２８に入射しないよう
に、指標板２４上の、基準指標以外の領域は遮光してお
くと良い。また、開口絞り２６は結像光束制限部材１６
と機械的に干渉しないようにそれに近接して配置すれば
良い。

【００３７】ここで、位置検出マーク１１の形状、指標
板２４、指標板照明視野絞り２２、及び照明視野絞り４
の各透過部の形状、及び撮像素子２８上に形成される像
の強度分布の一例を、図３、図４を用いて説明する。図
４（Ａ）は位置検出マーク１１の上面図を示し、図４
（Ｂ）はその位置計測方向（図４（Ａ）中のＸ方向）の
断面図を示す。即ち、本実施例ではウエハ１０の表面
に、Ｘ方向に周期Ｐで配列される３本の帯状凹部からな
る位置検出マーク１１を形成している。また、ウエハ１
０の表面には図４（Ｂ）に示すようにフォトレジスト１
０’が塗布されている。

【００３８】照明視野絞り４は、図３（Ａ）に示すよう
に、ウエハ１０上での照明領域を制限する四角形の透過
部４Ｍ以外は、全て遮光部（斜線部）となっている。そ
して、この透過部４Ｍがウエハ１０上に投影され、位置
検出マーク１１を含む部分領域のみを照明する。この照
明領域は、図４（Ｂ）中のマーク領域Ｍ（Ｘ方向の幅
Ｗ）に相当し、図３（Ｃ）に示す指標板２４上のマーク
像領域ＭＩにも相当する。すなわち、指標板２４上のマ
ーク像領域ＭＩ内に位置検出マーク１１の像が形成され
る。

【００３９】一方、指標板照明視野絞り２２も図３
（Ｂ）に示すように、２つの四角形の透過部４Ｌ、４Ｒ
以外は、全て遮光部（斜線部）となっている。この透過
部４Ｌ、４Ｒからの透過光は、図３（Ｃ）に示す指標板
２４上の矩形領域（透過部）ＬＩ、ＲＩを照明する。そ
してこの矩形領域ＬＩ、ＲＩ内にはそれぞれ遮光部であ
る前述の基準指標（バーマーク）２４Ｌ、２４Ｒが形成
されている。

【００４０】以上のことから、撮像素子２８上に形成さ
れる像強度分布は図４（Ｃ）のようになる。即ち、光源
（ハロゲンランプ）１からの照明光で照射された位置検
出マーク１１の像ＩＭを中心として、その左右に光源
（発光ダイオード）２０からの照明光で照射された基準
指標２４Ｌ、２４Ｒの像（暗像）ＩＬ、ＩＲが形成され
る。なお前述及び後述の如く、本発明に於ては位置検出
マーク１１への照明が暗視野照明であるため、位置検出
マーク１１の像ＩＭはそのマークに対して倍周期とな
る。また、図４（Ｂ）の断面図において、位置検出マー
ク１１の左右の領域Ｌ、Ｒを平坦な領域としたが、この
領域Ｌ、Ｒの状態は位置検出マーク１１の位置検出には
全く影響を与えない（照明光で照明されていない）の
で、ここに回路パターン等が存在しても全く問題はな
い。

【００４１】画像処理系２９は、撮像素子２８からの出
力される図４（Ｃ）の如き光量信号を基に、位置検出マ
ーク１１の像ＩＭと基準指標２４Ｌ、２４Ｒの像ＩＬ、
ＩＲとの位置関係を算出する。この算出過程は、従来の
結像式位置検出で一般に行なわれている処理と全く同様
である。例えば、所定のスライスレベルＳＬでの光量信
号のスライス位置（Ｌｏ、Ｌｉ、Ｍ₁〜Ｍn 、Ｒｉ、Ｒ
ｏ）に基づいて位置検出を行なってもよいし、あるテン
プレート信号とマーク部の光量信号の相関を基に位置検
出を行なってもよい。

【００４２】また、これらの位置検出に先立ち、検出位
置の基準となる基準指標２４Ｌ、２４Ｒの、ウエハ１０
（ウエハステージ１２）に対する位置関係を計測してお
く必要がある。これも従来から知られているベースライ
ンチェックと呼ばれる処理であり、本実施例に於ても従
来と基本的に同様である。即ち、ウエハステージ１２上
に固設される基準板１３の表面に、位置検出マーク１１
と同一形状の基準マークを形成しておき、位置検出マー
ク１１の検出に先立ち、ウエハステージ１２を駆動して
この基準マークを対物レンズ群９の下に移動し、この基
準マークと基準指標２４Ｌ、２４Ｒとの位置関係を検出
する。同時に、このときのウエハステージ１２の位置
（ウエハステージ１２上のミラー１４の位置）をレーザ
干渉計１５で計測する。この干渉計１５の出力値と上記
検出値（画像処理系２９で検出される位置関係）の和を
「ベースライン量」として記憶する。そして、位置検出
マーク１１の計測時の干渉計１５の出力値と、前述の光
量信号から求めた位置検出マーク１１と基準指標２４
Ｌ、２４Ｒとの位置関係との和から「ベースライン量」
を差し引いた値が、位置検出マーク１１の基準マークに
対する位置となるわけである。

【００４３】また、本発明を投影露光装置の位置検出系
（アライメント系）に適用する場合には、以上の位置検
出値と、投影露光装置内に記憶された露光ショットの配
列データとを基に、ウエハ上の各ショット領域を不図示
の投影光学系の下に移動し、重ね合わせ露光を行なう。
次に、本実施例の照明光束制限部材６、及び結像光束制
限部材１６について、周期８μｍの位置検出マーク１１
を波長域５５０〜７５０ｎｍの照明光束で照射してその
位置検出することを前提として説明する。

【００４４】図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれこの条件に
適した照明光束制限部材６、結像光束制限部材１６の構
成を示す。各図中のＵ軸、Ｖ軸方向は、それぞれ図４
（Ａ）に示した位置検出マーク１１のＸ軸、Ｙ軸方向に
等しいが、照明光束制限部材６、及び結像光束制限部材
１６はそれぞれ位置検出マーク１１に対する光学的フー
リエ変換面（瞳面）に配置されるので、慣例に従ってＵ
軸、Ｖ軸と表す。

【００４５】図５（Ａ）に示すように照明光束制限部材
６は、遮光性基板上に、照明光学系（１〜９）の光軸
（Ｕ軸とＶ軸の交点）を中心として内半径ｒｉが０．１
６（単位は開口数、以下も同様）、外半径ｒｏが０．２
０である円環（輪帯）状の透過部Ｉが形成されたもので
ある。一方、図５（Ｂ）に示すように結像光束制限部材
１６は、照明光束制限部材６上の輪帯透光部Ｉと共役な
位置に、同様の輪帯遮光部Ｓ（図中斜線部）が形成され
たものとなっている。また、輪帯遮光部Ｓの大きさは、
照明光束制限部材６上の輪帯透光部Ｉよりも多少大きく
なるように、内半径ｒi'を０．１５、外半径ｒo'を０．
２１とした。これは、位置検出マーク１１からの０次回
折光が結像光束制限部材１６上で若干広がることを考慮
して、より確実に０次回折光を遮光するためである。ま
た、結像光学系の開口数ＮＡｏ（結像系瞳面の半径）は
０．３０であるものとした。尚、図１では実際の開口数
を規定する開口絞り２６が、結像光束制限部材１６と同
一位置ではなく、その共役位置に配置されているが、こ
こでの開口数ＮＡｏは、開口絞り２６の開口数が対物レ
ンズ群９の開口数よりも小さく絞られている場合には、
開口絞り２６の開口数（実効的な開口数）を表すことに
なる。また、照明光束制限部材６の外周の半径はその開
口数ＮＡｏに比べて十分に大きく、輪帯透光部Ｉの外側
に分布する透過光は当然ながら位置検出マーク１１には
達しない。

【００４６】ここで、照明光束制限部材６としては、金
属遮光板上の特定個所に輪帯開口を開けたもの、又はガ
ラス等の透明基板上に金属等で遮光膜を形成し、特定個
所の遮光膜を除去したものを使用する。また、結像光束
制限部材１６としては、ガラス等の透明基板上の特定個
所に金属薄膜等で輪帯遮光部を形成したものを使用す
る。

【００４７】図５（Ｂ）に、図５（Ａ）の照明光束制限
部材６上の輪帯透光部Ｉを透過した照明光の照射によ
り、位置検出マーク１１から発生した１つの１次回折光
の、結像光束制限部材１６上での分布（図中の２つの破
線円で囲まれた領域Ｄ）を示す。尚、位置検出マーク１
１からの回折光のうち０次回折光は、輪帯透光部Ｉと共
役な（かつそれよりも一回り大きい）輪帯遮光部Ｓによ
って遮光される。もちろん実際には、これ以外の次数の
回折光も分布しているが、ここでは位置検出マーク１１
の像の形成に支配的な１次の回折光についてのみ考察す
る。

【００４８】ところで、図５（Ｂ）に示すように１次回
折光の一部は輪帯遮光部Ｓで遮光されることになるが、
本実施例では輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉ及び外半径ｒｏ
が適切に定められているので、輪帯遮光部Ｓによる１次
回折光の遮光は最小限に抑えられている。以下、この理
由を説明する。まず、輪帯遮光部Ｓの内周及び外周とＵ
軸との交点のＵ座標は、それぞれｒi'、ｒo'（及び−ｒ
i'、−ｒo'）となる。一方、１次回折光が分布する領域
Ｄの境界（２つの破線円）とＵ軸との交点のＵ座標をＤ
pi、Ｄpo，Ｄmi、Ｄmoと定めると、これらの値は、Ｄpi＝λ／Ｐ＋ｒi 、Ｄpo＝λ／Ｐ＋ｒo Ｄmi＝λ／Ｐ−ｒi 、Ｄmo＝λ／Ｐ−ｒo となる。

【００４９】このとき、特にＤpiの値がｒo'よりも小さ
い、あるいはＤmoの値が−ｒi'よりも小さいと、輪帯遮
光部Ｓによる１次回折光の遮光の度合いが大きくなるこ
とは図５（Ｂ）から明らかである。また、Ｄmiの値がｒ
i'よりも大きくても、同様に遮光の度合いが大きくな
る。図５（Ａ）の例においては、位置検出マーク１１の
周期Ｐは８μｍ、輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉが０．１
６、外半径ｒｏが０．２０であり、照明光の波長λの範
囲は最短波長λ１が５５０ｎｍ、最長波長λ２が７５０
ｎｍであるので、Ｄpiの最小値はλ＝λ１のときに、Ｄpi＝λ１／Ｐ＋ｒｉ＝０．２３（１）となってｒo'（＝０．２１）より大きく、Ｄmoの最小値
はλ＝λ１のときに、Ｄmo＝λ１／Ｐ−ｒｏ＝−０．１３（２）となって−ｒi'（＝−０．１５）より大きい。

【００５０】さらに、Ｄmiの最大値はλ＝λ２のとき
に、Ｄmi＝λ２／Ｐ−ｒｉ＝−０．０７（３）となってｒi'（＝０．１５）より小さい。従って、輪帯
遮光部Ｓによる１次回折光の遮光の度合いは小さくなる
が、このための条件を一般化すると、Ｄpi＝λ１／Ｐ＋ｒｉ≧ｒo' （４）Ｄmo＝λ１／Ｐ−ｒｏ≧−ｒi' （５）Ｄmi＝λ２／Ｐ−ｒｉ≦ｒi' （６）となる。

【００５１】また、輪帯遮光部Ｓの外半径ｒo'は輪帯透
過部Ｉの外半径ｒｏよりも大きく、輪帯遮光部Ｓの内半
径ｒi'は輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉよりも小さいので、
上記不等式（４）〜（６）は、Ｄpi＝λ１／Ｐ＋ｒｉ≧ｒｏ（７）Ｄmo＝λ１／Ｐ−ｒｏ≧−ｒｉ（８）Ｄmi＝λ２／Ｐ−ｒｉ≦ｒｉ（９）としても良い。特に不等式（７）、（８）は共に、ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ（１０）と等価であり、不等式（９）は、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）（１１）と等価である。従って、一般に輪帯透過部Ｉの内半径ｒ
i 及び外半径ｒo が不等式（１０）、（１１）を満たす
とき、輪帯遮光部Ｓによる１次回折光の遮光の度合いを
極めて小さくできることになる。

【００５２】ところで、結像光学系の開口数ＮＡｏの値
によっては、輪帯遮光部Ｓのみでなく、開口数ＮＡｏに
よる制限によっても１次回折光が遮光されてしまう恐れ
もある。すなわちＤpo＝λ／Ｐ＋ｒｏの値が前述した開
口数ＮＡｏ以下であることが望ましい。Ｄpoの最大値
は、λ＝λ２のときにλ２／Ｐ＋ｒｏとなるので、開口
数ＮＡｏは、ＮＡｏ≧λ２／Ｐ＋ｒｏ（１２）の関係を満たすことが望ましい。

【００５３】以上の説明では、０次回折光に対して片側
（＋Ｕ方向）に発生する１次回折光のみに着目して説明
したが、反対方向（−Ｕ方向）に発生する１次回折光に
ついても全く同様であり、上記の条件（不等式）に変わ
りはない。また、位置検出マーク１１の周期Ｐや照明
光束の波長域（λ１、λ２）も、上記の値に限らず、他
の条件であってもこれらの条件（不等式）が成立する。

【００５４】次に、本実施例の位置検出装置の効果につ
いて、凹凸変化（段差）が極めて小さい位置検出マーク
の像のシミュレーション結果を基に説明する。図６は、
本実施例の位置検出装置により得られる、段差５ｎｍの
位置検出マーク像のシミュレーション結果を示す。マー
ク形成条件は、周期が１２μｍで、凹部幅と凸部幅が等
しく、マーク表面の材質は一様で（屈折率は３．５
５）、その上に屈折率が１．６８であるフォトレジスト
が厚さ１μｍで塗布されているものとした。尚、照明光
の波長域は５５０ｎｍ（＝λ１）から７５０ｎｍ（＝λ
２）であり、照明光束制限部材６上の輪帯透過部Ｉの内
半径、外半径はそれぞれ前述の条件（不等式）に従い、ｒｉ＝０．１０≧λ２／（２×Ｐ）＝０．７５０／２４
＝０．０３１ｒｏ＝０．１４（ｒｏ−ｒｉ＝０．０４≦λ１／Ｐ＝０．５５０／１２
＝０．０４６）とした。また、結像光束制限部材１６上の輪帯遮光部Ｓ
の内半径、外半径はそれぞれ輪帯透過部Ｉの内半径ｒ
ｉ、外半径ｒｏと等しくし、結像光学系の開口数ＮＡｏ
は前述の条件（不等式）に従い、ＮＡｏ＝０．２２≧λ２／Ｐ＋ｒｏ＝０．７５０／１２
＋０．１４＝０．２０３とした。

【００５５】図６に示した像強度分布は、位置検出マー
ク１１の１周期分であり、横軸の位置０はマーク（凹
部）の中心を示し、±Ｐ／４の破線はマークのエッジ
（凹部と凸部の境界）を示す。また、縦軸の強度分布は
一周期の像強度の最大値が１となるように規格化してあ
る。さらに図７には、図６とほぼ同一の条件で、開口数
ＮＡｏのみを０．１８とし、前述した開口数ＮＡｏの条
件式（１２）を満たさない場合のシミュレーション結果
を示す。この図７のマーク像は、図６に示した像に比べ
てやや暗部（マークのエッジ部分）のシャープさが劣る
ものの、エッジ位置、即ちマーク位置を検出するのに十
分なコントラストを有している。従って、本実施例によ
る前述の条件式（１０）〜（１２）のうち、開口数ＮＡ
ｏの条件式（１２）については必ずしもこれを厳密に満
たす必要はないことが分かる。

【００５６】同様に図８には、図６の条件とほぼ同一の
条件で、輪帯透過部Ｉの外半径ｒｏのみを０．１８と
し、前述した外半径ｒｏの条件式（１０）を満たさない
場合のシミュレーション結果を示す。この場合、図６、
図７に示した像に比べて像コントラストの劣化が顕著で
あり、従ってこのような像に基づいた位置検出では良好
な検出精度を得ることができないことが分かる。

【００５７】さらに図９には、図６の条件とほぼ同一の
条件で、輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉを０．０２、外半径
ｒｏを０．０６とし、前述した外半径ｒｏの条件式（１
０）は満たすものの、内半径ｒｉの条件式（１１）は満
たさない場合のシミュレーション結果を示す。この場
合、像のコントラストは高いものの、マークエッジだけ
でなく、凹部及び凸部の各中心においても暗部が形成さ
れ、４倍周期の像となってしまう。そしてこのような像
では、Ｐ／４だけマーク位置を誤検出してしまう恐れが
あるので、位置検出に使用することは難しい。

【００５８】図１０には、図６〜図９と異なり、照明光
束制限部材６上の透過部Ｉが光軸を中心とする円形（通
常のσ絞り）であり、結像光束制限部材１６上の遮光部
Ｓも光軸を中心とする円形である場合のシミュレーショ
ン結果を示す。なおこのときの透過部Ｉ、遮光部Ｓの半
径は共に０．６６（σ値としては０．３）とした。波長
域、開口数、その他の条件は、図６の条件と同一であ
る。この場合の像も、図９と同様に４倍周期となり、位
置検出に使用することは難しい。

【００５９】図１１には、通常（明視野）の顕微鏡によ
る像を示す。σ絞りの半径は０．１７６（σ値としては
０．８）であり、当然ながら遮光部Ｓは設けない。その
他の条件は図６の条件と同一である。図１１から明らか
なように、低段差（５ｎｍ）の位置検出マークに対して
明視野顕微鏡を使用すると、像に明暗変化（コントラス
ト）が殆どなく、位置検出は不可能なことがわかる。

【００６０】以上のように、図８〜図１１に示した各像
に比べて図６、図７に示した本発明の位置検出装置によ
る像は、コントラストが十分であるばかりでなく、その
最暗部がマークエッジと一致しているため、このような
マーク像を用いて確実な位置検出を行なうことができ
る。尚、前述の実施例における照明光束制限部材６及び
結像光束制限部材１６は、段差の小さな位置検出マーク
の検出に極めて有効であることは前述の通りであるが、
段差の大きな（例えば１００ｎｍ以上）の位置検出マー
クに対しては、従来の位置検出装置でも十分な検出精度
が得られるので、段差の大きなマークを検出する際に
は、照明光束制限部材６及び結像光束制限部材１６を、
交換機構（可動部材）７及び１７を用いて光路外へ待避
させるようにしてもよい。また、ガラス基板からなる結
像光束制限部材１６（又は照明光束制限部材６）の待避
により、光学系の収差状態が変動する恐れがある場合
は、その待避時に、結像光束制限部材１６（又は照明光
束制限部材６）の代わりにそれと同等な光学的厚さを有
する透明部材を挿入する必要がある。これは、交換機構
７、１７にそれぞれその透明部材を保持させておけば、
簡単に交換を行なうことができる。

【００６１】ところで、前述の実施例では、照明光束制
限部材６が形成する離散的な複数個の各２次光源の幅
Ｄ、及びそれと共役な結像光束制限部材１６上の遮光部
の幅は、照明光束の波長域（λ１〜λ２）により決定さ
れるとしたが、例えば位置検出マーク１１と撮像素子２
８との間にシャープカットフィルター等の波長選択素子
を挿入する場合、または撮像素子２８の分光感度が照明
光束の波長域よりも狭い場合などは、上記２次光源の幅
Ｄや遮光部の幅は、これらを考慮して、すなわち位置検
出マーク１１の画像信号の形成に実際に寄与する波長域
に基づいて、各幅を決定することになる。

【００６２】また、前述の実施例で用いた照明光束制限
部材６は、照明系瞳面上に分布する光束のうち輪帯透過
部Ｉ内の光束のみを透過し、それ以外は遮光するという
ものであったが、照明光束を照明系瞳面上の輪帯領域
に、例えば光ファイバー、又は凹型円錐プリズムと凸型
円錐プリズムとを組み合わせもの等を用いて集光させる
ようにしても良い。この場合、光量損失が大幅に低減さ
れるという利点が得られる。また、照明光源１として、
半導体レーザ等のレーザを用いてもよい。この場合も照
明光束としてはある程度の波長域を有することが望まし
いので、多波長で発振するレーザ、例えば色素レーザを
使用するか、異なる波長で発振する複数個のレーザを使
用すると良い。

【００６３】さらに、輪帯透過部Ｉの外半径と内半径の
少なくとも一方が異なる、換言すれば輪帯透過部Ｉの半
径方向の幅（輪帯比）と位置の少なくとも一方が異なる
複数の開口絞りを交換機構７に設け、この複数の開口絞
りをそれぞれ交換して照明光路中に配置するように構成
しても良い。この場合、位置検出マーク１１の微細度
（周期Ｐ）の変化に応じて、前述の条件式（１０）、
（１１）を満足する、その周期に最適な開口絞りを選択
して照明光路に配置することができる。従って、位置検
出マーク１１の周期に依らず、常に高いコントラストの
マーク像を得ることができる。尚、輪帯透過部Ｉの外半
径や内半径は、位置検出マーク１１の周期の変化に連動
して変更する必要はなく、その変化により像コントラス
トや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に
劣化したときのみ、その外半径や内半径を変更するよう
にしても良い。

【００６４】また、複数の開口絞りを有する交換機構７
の代わりに、例えば液晶素子、又はエレクトロクロミッ
ク素子で作られた開口絞りを照明系瞳面に配置するよう
にしても良い。この場合、照明系瞳面上の透過部Ｉの形
状、大きさ、及び位置を任意に変更することが可能とな
る。さらに、凹状円錐プリズムと凸型円錐プリズムとを
組み合わせ、照明系瞳面上に前述の条件式（１０）、
（１１）を満足する輪帯状の照明光束分布（又は光強度
分布）を形成するようにしても良い。このとき、この２
つのプリズムを光軸方向に相対移動可能に構成して、そ
の輪帯状の照明光束分布（光強度分布）の半径方向の位
置を変更するようにしてもよい。また、光源１とこの２
つのプリズムとの間にズームレンズ系を配置して、光源
側の円錐プリズムに入射する照明光束の径（大きさ）を
変化させるようにし、その輪帯状の照明光束分布（光強
度分布）の半径方向の幅を変更するようにしても良い。

【００６５】尚、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｉ以外を完
全に遮光する必要はなく、像コントラストや忠実性を多
少劣化させても所望の位置検出精度が得られるのであれ
ば、その輪帯透過部Ｉ以外の領域に所定の透過率を持た
せる、即ちその輪帯透過部Ｉ以外の領域を減光部として
も良い。換言すれば、照明系瞳面上での照明光の強度分
布を、前述の条件式（１０）、（１１）を満足する輪帯
領域で他の領域よりも高めるようにするだけでも良い。

【００６６】さらに、結像系瞳面上の輪帯遮光部Ｓの外
半径と内半径の少なくとも一方が異なる、換言すれば輪
帯遮光部Ｓの半径方向の幅（輪帯比）と位置の少なくと
も一方が異なる複数の開口絞りを交換機構１７に設け、
この複数の開口絞りをそれぞれ交換して結像光路中に配
置するように構成しても良い。この場合、前述の如く位
置検出マーク１１の周期に応じて輪帯透過部Ｉの外半径
と内半径の少なくとも一方が変化しても、この変化後の
輪帯透過部Ｉに最適な開口絞りを選択して結像光路に配
置することができる。従って、常に不要な０次回折光は
遮光して、像形成に寄与する有益な０次以外の回折光を
効率良く撮像素子２８に入射させることができる。尚、
結像系瞳面上の輪帯遮光部Ｓの幅や位置は、照明系瞳面
上の輪帯透過部Ｉの外半径や内半径の変化に連動して変
更する必要はなく、その変化により像コントラストや忠
実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化し
たときのみ、その遮光幅や位置を変更するだけでも良
い。

【００６７】尚、結像系瞳面上の輪帯遮光部Ｓは、像コ
ントラストや忠実性を多少劣化させても所望の位置検出
精度が得られるのであれば、所定の透過率を持つ減光部
としても良い。また、前述の輪帯透過部Ｉ及び輪帯遮光
部Ｓは共にその形状が輪帯（円環）状であるとしたが、
例えば矩形、正方形、又は多角形（特に正多角形）とし
ても良い。さらに、照明系瞳面上の光透過領域を部分的
に遮光（又は減光）する、即ち光透過領域を複数の部分
領域（その形状は任意で良く、例えば円弧、円形、又は
直線状等として構わない）から構成しても良い。これに
対応して結像系瞳面上の遮光領域を、その光透過領域と
同一の形状としても良いし、あるいはその光透過領域と
結像関係となる複数の部分領域をほぼ含む輪帯、矩形、
又は多角形状等としても良い。尚、照明系瞳面上の輪帯
透過部を正方形とする場合は、その正方形透過部の内側
エッジと光軸との距離を前述の内半径ｒｉ、その外側エ
ッジと光軸との距離を前述の外半径ｒｏと見做して、前
述の条件式（１０）、（１１）を満足するように各値を
決定すれば良い。但し、結像光学系の開口数ＮＡｏにつ
いては前述の条件式（１２）から決定される開口数より
も大きくしておくことが望ましい。

【００６８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、平坦化工
程等により凹凸変化（段差）が極めて小さくなる位置検
出マークであっても、十分にコントラストの高いマーク
像を得ることができる。従って、高いコントラストの像
強度分布を用いてそのマーク位置の検出を高精度に行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による位置検出装置の概略的な
全体構成を示す図。

【図２】本発明における光学的なフーリエ変換の関係の
説明に供する図。

【図３】（Ａ）は照明視野絞りの構成を示す図、（Ｂ）
は指標板用照明視野絞りの構成を示す図、（Ｃ）は指標
板の構成を示す図。

【図４】（Ａ）、（Ｂ）は位置検出マークの具体的な構
成を示す図、（Ｃ）は撮像素子上に形成される像強度分
布を示す図。

【図５】（Ａ）は照明光束制限部材の具体的な構成を示
す図、（Ｂ）は結像光束制限部材の具体的な構成を示す
図。

【図６】本発明の実施例による位置検出装置で得られる
低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を
示す図。

【図７】図６のシミュレーション条件のうち結像光学系
の開口数のみを変更して得られる低段差の位置検出マー
クの像のシミュレーション結果を示す図。

【図８】図６のシミュレーション条件のうち照明系瞳面
上の輪帯透過部の外半径のみを変更して得られる低段差
の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す
図。

【図９】図６のシミュレーション条件のうち照明系瞳面
上の輪帯透過部の内半径のみを変更して得られる低段差
の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す
図。

【図１０】照明系瞳面上の透過部、及び結像系瞳面上の
遮光部をそれぞれ円形としたときに得られる低段差の位
置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。

【図１１】明視野顕微鏡で得られる低段差の位置検出マ
ークの像のシミュレーション結果を示す図。

【符号の説明】

４照明視野絞り６照明光束制限部材１６結像光束制限部材２２指標板照明視野絞り２４指標板２８撮像素子２９画像処理系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５３１Ｊ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長域の照明光で基板上の位置検
出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークか
ら発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マーク
の像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から
出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位
置を検出する装置において、前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変
換の関係となる前記照明光学系中の第１面での照明光束
を、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の第
１領域内に制限する照明光束制限部材と；前記位置検出
マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係とな
る前記結像光学系中の第２面上の、前記第１領域と結像
関係となるほぼ輪帯状の第２領域内に分布する結像光束
をほぼ遮光する結像光束制限部材とを備えたことを特徴
とする位置検出装置。
【請求項２】前記照明光のうち前記画像信号の形成に
寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長を
λ２、前記位置検出マークの周期をＰとすると、前記輪
帯状の第１領域の外半径ｒo 、及び内半径ｒi は、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の装
置。
【請求項３】前記輪帯状の第１領域の外半径をｒo 、
前記位置検出マークの周期をＰ、前記照明光のうち前記
画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最長波長を
λ２とすると、前記結像光学系の開口数ＮＡｏは、ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項１、又は２に記
載の装置。
【請求項４】前記結像光学系の光路に対して前記結像
光束制限部材を挿脱可能に保持する部材を有することを
特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】前記照明光学系の光路に対して前記照明
光束制限部材を挿脱可能に保持する部材を有することを
特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】前記撮像素子上に指標マークの像を形成
する像形成手段を有し、前記撮像素子から出力される画
像信号に基づいて前記位置検出マークの像と前記指標マ
ークの像との位置ずれを検出することを特徴とする請求
項１〜５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】前記像形成手段は、前記指標マークを有
する指標板と、該指標板を前記照明光と異なる光ビーム
で照射する照明系と、前記指標マークから発生した光を
入射してその像を前記撮像素子上に形成する結像系とを
含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】前記指標板は、前記結像光学系中の前記
基板と実質的に共役な面に配置され、前記結像光学系
は、前記位置検出マークの像を前記指標板上に形成する
とともに、該位置検出マークの像と前記指標マークの像
とを前記撮像素子上に形成することを特徴とする請求項
７に記載の装置。
【請求項９】所定の波長域の照明光で基板上の周期性
を持つ位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置
検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位
置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記
撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検
出マークの位置を検出する装置において、前記位置検出マークに対して実質的に光学的なフーリエ
変換の関係となる前記照明光学系中の第１面での照明光
束を、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の
第１領域内に制限する照明光束制限部材と；前記位置検
出マークに対して実質的に光学的なフーリエ変換の関係
となる前記結像光学系中の第２面上に分布する前記位置
検出マークからの０次光をほぼ遮光する遮光部材とを備
えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項１０】前記照明光のうち前記画像信号の形成
に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長
をλ２、前記位置検出マークの周期をＰとすると、前記
輪帯状の第１領域の外半径ｒｏ、及び内半径ｒｉは、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項９に記載の装
置。
【請求項１１】前記輪帯状の第１領域の外半径をｒ
ｏ、前記位置検出マークの周期をＰ、前記照明光のうち
前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最長波
長をλ２とすると、前記結像光学系の開口数ＮＡｏは、ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項９、又は１０に
記載の装置。
【請求項１２】所定の波長域の照明光で基板上の位置
検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マーク
から発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マー
クの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子か
ら出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの
位置を検出する装置において、前記位置検出マークに対して実質的に光学的なフーリエ
変換の関係となる前記照明光学系中の第１面上での前記
照明光の強度分布を、前記照明光学系の光軸を中心とす
るほぼ輪帯状の第１領域で他の領域よりも高める光学部
材と；前記位置検出マークに対して実質的に光学的なフ
ーリエ変換の関係となる前記結像光学系中の第２面上
の、前記第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領
域内に分布する結像光束をほぼ遮光する結像光束制限部
材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項１３】前記照明光のうち前記画像信号の形成
に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長
をλ２、前記位置検出マークの周期をＰとすると、前記
輪帯状の第１領域の外半径ｒｏ、及び内半径ｒｉは、ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の装
置。
【請求項１４】前記輪帯状の第１領域の外半径をｒ
ｏ、前記位置検出マークの周期をＰ、前記照明光のうち
前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最長波
長をλ２とすると、前記結像光学系の開口数ＮＡｏは、ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐの関係を満たすことを特徴とする請求項１２、又は１３
に記載の装置。
【請求項１５】前記光学部材は、前記第１面上の前記
他の領域での光強度をほぼ零にするように、前記他の領
域をほぼ覆う遮光部を持つ絞り部材を有することを特徴
とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】前記光学部材は、前記輪帯状の第１領
域の外半径と内半径の少なくとも一方を変化させる強度
分布変更部材を有することを特徴とする請求項１２に記
載の装置。
【請求項１７】前記強度分布変更部材は、輪帯状の開
口の外半径と内半径の少なくとも一方が異なる複数の絞
り部材と、該複数の絞り部材の１つを前記照明光学系の
光路中に配置するように該複数の絞り部材を保持する部
材とを有することを特徴とする請求項１６に記載の装
置。
【請求項１８】前記結像光束制限部材は、前記第１領
域の外半径と内半径との少なくとも一方の変化に応じ
て、前記輪帯状の第２領域をほぼ覆う遮光部の半径方向
の幅を変化させることを特徴とする請求項１６、又は１
７に記載の装置。
【請求項１９】所定の波長域の照明光で基板上の位置
検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マーク
から発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マー
クの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子か
ら出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの
位置を検出する装置において、前記照明光学系の実質的な瞳面上の、前記照明光学系の
光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に分布する照
明光束を透過せしめる第１の絞り部材と；前記結像光学
系の実質的な瞳面上の、前記第１領域と結像関係となる
ほぼ輪帯状の第２領域以外に分布する結像光束を透過せ
しめる第２の絞り部材とを備えたことを特徴とする位置
検出装置。
【請求項２０】前記照明光学系は、前記照明光として
広帯域光、又は多波長光を射出する光源を含むことを特
徴とする請求項１〜１９のいずれかに記載の装置。