JP5875335B2 - 位置検出装置および露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、マスクやウエハなどの被検出体の位置を高精度に検出する位置検出装置に関する。

近年、半導体デバイスの微細加工技術の進展が著しい。露光光がＫｒＦエキシマレーザのような短波長光に移行すると、使用硝材が限定され、投影光学系のアライメント波長に対する波長差の補正が困難となる。このため露光装置では、波長差の影響を受けないオフアクシスアライメント検出系（ＯＡ検出系）を採用することが要求されている。また、ウエハの表面位置を計測するフォーカス系についても、高精度化が求められている。

従来から、ウエハアライメント系やフォーカス系では、位置検出誤差を低減するため、基準光学系を構成して絶対値補正計測が行われる。特許文献１には、ウエハアライメント系の補正計測において、ウエハ計測用の光学系とは別に計測基準光の光学系を備えた構成が開示されている。特許文献２には、フォーカス系の補正計測において、ウエハ計測用の光学系とは別に計測基準光の光学系を備えた構成が開示されている。特許文献１、２の構成において、基準光と計測光の波長が互いに異なる場合、検出系において波長差が発生する。この波長差は、センサ上の位置ズレの起因となるため、計測値に誤差が生じる。そこで特許文献３には、このような波長差による位置ズレを補正する構成が開示されている。

特開平２−２０６７０６号（図１） 特開２００６−３３７３７３号（図８） 特開２００２−１６４２６８号（図１）

ところで、位置検出装置で用いられる計測光の波長は可変であるが、基準光の波長は固定である。このため、計測値の補正は、実際の計測値に対して所定の補正量（オフセット量）を加減することにより行われる。しかし厳密に言えば、実際の計測値に対して要求される補正量は、計測光の波長と基準光の波長との差に応じて異なる。このため、一定の補正量を考慮しただけでは正確な補正を行うことができない。また、実際の位置検出装置では、光学部品等の構成部品の製造誤差や組み立て誤差への対応力を向上させるため、使用波長帯域を広帯域化する傾向がある。

そこで本発明は、波長差に起因する計測誤差を低減して高精度な位置検出を行う位置検出装置および露光装置を提供する。

本発明の一側面としての位置検出装置は、被検出体の位置を検出する位置検出装置であって、画像検出素子と、第１の波長帯域を有する計測光を用いて前記被検出体を照明する第１の照明光学系と、前記第１の波長帯域を有する計測光で照明された前記被検出体からの光を前記画像検出素子上に結像させる結像光学系と、前記第１の照明光学系及び前記結像光学系の光路外に配置された基準マークと、第２の波長帯域を有する基準光を用いて前記基準マークを照明する第２の照明光学系と、前記第２の波長帯域を有する基準光で照明された前記基準マークからの光を前記結像光学系の光路内を通して前記画像検出素子に導く光学素子と、前記画像検出素子によって検出された前記被検体の画像と前記基準マークの画像に基づいて前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、を有し、前記基準光の第２の波長帯域は、前記計測光の第１の波長帯域の上限と下限との間に設定されている。

本発明の他の側面としての露光装置は、原版のパターンを基板に露光する露光装置であって、前記位置検出装置を有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、波長差に起因する計測誤差を低減して高精度な位置検出を行う位置検出装置および露光装置を提供することができる。

本実施例における位置検出装置を備えた露光装置の概略図である。 本実施例におけるマスクステージ周辺部の構成図である。 実施例１における露光装置の要部構成図である。 実施例１における光源部の構成図である。 実施例１における波長切換円盤の構成図である。 実施例１におけるハーフミラー特性の説明図である。 実施例２における露光装置の要部構成図である。 実施例２におけるダイクロイックミラー特性の説明図である。 実施例３における光源の構成図である。 実施例４におけるフォーカス計測装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施例における露光装置１００の概略図である。露光装置１００は、後述のように、位置検出装置としてのＯＡ検出系２４およびフォーカス計測装置７０を備えて構成されている。本実施例の位置検出装置は、基準マークを利用して被検出体の位置を検出するように構成されている。なお、基準マークは基準指標としての機能を有するものであればその形態や位置は限定されるものではない。また被検出体は、ウエハ（ウエハマーク）に限定されるものではなく、その他の物体を検出する場合にも本実施例は適用可能である。

露光装置１００は、投影光学系２２を介して、マスク１７（原版）のパターンをウエハＷ（基板）上に結像して投影させる。光源３４からは、所定の波長帯域の照明光が射出する。光源３４から射出された照明光は、マスク１７を照明する照明光学系に入射し照明される。照明光学系は、照明光整形光学系３５、フライアイレンズ３６、コンデンサレンズ３７、固定視野絞り３８、可変視野絞り３９（可動ブラインド）、および、リレーレンズ系４０を備えて構成されている。可変視野絞り３９は、走査方向（±Ｙ方向）の幅を規定する２枚の羽根（遮光板３９Ａ、３９Ｂ）、および、走査方向に垂直な非走査方向（±Ｘ方向）の幅を規定する２枚の羽根（不図示）を有する。

このような構成により、スリット状の照明領域内におけるマスク１７の回路パターン像は、投影光学系２２を介してウエハＷ上に転写される。光源３４としては、例えば、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ等のエキシマレーザ光源、金属蒸気レーザ光源、ＹＡＧレーザの高周波発生装置等のパルス光源、水銀ランプと楕円反射鏡とを組み合わせた構成等の連続光源が用いられる。

露光のオン／オフは、光源３４がパルス光源の場合、パルス光源用の電源装置からの供給電力の制御により切り換えられる。一方、光源３４が連続光源の場合、照明光整形光学系３５内のシャッタにより切り換えられる。ただし、本実施例では可変視野絞り３９が設けられているため、可変視野絞り３９の開閉によって露光のオン／オフを切り換えてもよい。光源３４からの照明光は、照明光整形光学系３５によりその光束径が所定の大きさに設定され、フライアイレンズ３６に到達する。フライアイレンズ３６の射出面には、多数の２次光源が形成される。これらの２次光源からの照明光は、コンデンサレンズ３７により集光され、固定視野絞り３８を経て可変視野絞り３９に到達する。

本実施例において、固定視野絞り３８は可変視野絞り３９よりもコンデンサレンズ３７側に配置されているが、逆に、固定視野絞り３８をリレーレンズ系４０側に配置してもよい。固定視野絞り３８には、長方形のスリット状の開口部が形成されている。このため、固定視野絞り３８を通過した光束は、長方形のスリット状の断面を有する光束となり、リレーレンズ系４０に入射する。スリットの長手方向は、図１における紙面に対して垂直な方向である。リレーレンズ系４０は、可変視野絞り３９とマスク１７のパターン形成面とを共役に設定するレンズ系である。

マスク１７は、マスクステージ１８の上に保持されている。マスクステージ１８は、マスク１７を走査方向（±Ｙ方向）に移動可能に構成されている。マスクステージ１８の位置は、マスクステージ１８の上に設けられた反射ミラー２５からの反射光を検出する干渉計２６により計測される。また、マスクステージ１８の上にはマスク基準マーク１９が設けられており、マスクステージ１８の位置検出に用いられる。

ウエハＷは、ウエハ搬送装置（不図示）によりウエハステージ２０のステージ基盤２９に載置される。ウエハステージ２０は、投影光学系２２の光軸に垂直な面内でウエハＷの位置決めを行うとともに、ウエハＷを走査方向（±Ｙ方向）に走査するＸＹステージ、Ｚ方向にウエハＷの位置決めを行うＺステージ等を備えて構成されている。ウエハステージ２０の位置は、ウエハステージ２０の上に形成された反射ミラー２７からの反射光を検出する干渉計２８により計測される。また、ウエハステージ２０の上にはステージ基準マーク２１が設けられており、ウエハステージ２０の位置検出に用いられる。ウエハＷの上方には、オフ・アクシス方式のＯＡ検出系２４（オフアクシスアライメント検出系）が設けられている。なお、投影光学系２２の露光領域には、投影光学系２２のフォーカス方向（±Ｚ方向）の位置を計測するフォーカス計測装置７０が設けられている。

次に、図２を参照して、ベースライン計測方法について説明する。図２は本実施例におけるマスクステージ周辺部の構成図であり、図２（ａ）は上面図、図２（ｂ）は断面図である。マスクステージ１８は、マスク１７を保持して移動可能に構成されている。マスクステージ１８上にはマスク１７が載置されている。マスク１７には、ベースライン計測用マーク３３が設けられている。またマスクステージ１８上には、マスク１７とマスクステージ１８の位置決めのための基準マークであるマスク基準マーク１９が設けられている。マスク１７は、マスクアライメント顕微鏡（不図示）を用いて、マスク基準マーク１９に対する位置合わせが行われる。

まず図２（ｂ）に示されるように、アライメント顕微鏡２３を用いて、マスク１７上に設けられているベースライン計測用マーク３３と、投影光学系２２を介してウエハステージ２０上に固定されたステージ基準マーク２１との相対位置を検出する(第１工程)。第１工程の完了後、ウエハステージ２０を移動させ、ステージ基準マーク２１をＯＡ検出系２４の観察領域に移動させる。続いて、ステージ基準マーク２１とＯＡ検出系２４の基準マークとの相対位置を検出する(第２工程)。第１工程と第２工程の検出結果に基づいて、ベースライン量を算出する。これにより、露光描画中心に対するＯＡ検出系２４の検出位置を求めることができる。そして、ウエハＷ（基板）の位置決めを行った後に露光を開始することが可能となる。

次に、本発明の実施例における位置検出装置を備えた露光装置について説明する。図３は、本実施例における露光装置の要部構成図であり、ＯＡ検出系２４（位置検出装置）を中心として示している。

図３において、２２は投影光学系である。４１は光源部である。光源部４１には、ＨｅＮｅレーザやハロゲンランプの発熱体（光源）が配設されているため、温度安定性が求められるＯＡ検出系２４から離れて配置されている。ＯＡ検出系２４のウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、光源部４１からＯＡ検出系２４の照明系に接続されているファイバ４３により導光される。ファイバ４３の出射端からのウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、照明リレーレンズ２、３を介して、照明開口絞り円盤４上に配置された複数種類の照明開口絞りのいずれかを通過する。これらの照明開口絞りは、照明開口絞り円盤４をモータ４４で駆動することにより、回転方式（ターレット方式）で切り換え可能に構成されている。

コンピュータ４８は、光源部４１の種類（ＨｅＮｅレーザまたはハロゲンランプなど）と照明開口絞りの組合せによる照明条件（以下、「照明モード」という）が設定されると、モータ４４の原点からの回転量を主制御系４９に指示する。後述のように、コンピュータ４８は、検出光学系１０で検出された光束に基づいてウエハマークＷＭの位置を検出する位置検出部である。モータ４４の回転原点は、予め、原点検出駆動としてモータ４４を回転させることで得られる。本実施例の原点検出方法において、モータ４４の回転原点は、照明開口絞り円盤４に設けられたスリットがフォトスイッチの検出部を通過した位置に設定される。主制御系４９は、コンピュータ４８から指示された回転量に応じて、モータ４４を駆動し、照明開口絞りのいずれかがウエハマーク照明光束ＷＭＩＬに設定される。

次に、ウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、照明リレーレンズ３を介して照明視野絞り４５を照射する。照明視野絞り４５を射出したウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、照明光学系５（第１の照明光学系）を透過した後、偏光ビームスプリッタ６に入射する。照明光学系５は、第１の波長帯域を有する計測光を用いて被検出体（ウエハマークＷＭ）を照明するように構成されている。ウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、偏光ビームスプリッタ６に対してＰ偏光成分（紙面に平行な成分）が反射する。なお、偏光ビームスプリッタ６は、検出光を高効率で検出するのに用いられており、光量に問題がない場合には通常のハーフミラーで構成してもよい。

偏光ビームスプリッタ６を透過したウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、反射プリズム４６で反射し、ウエハＷに向けて（図中の下方向）に進む。反射プリズム４６の下には、λ／４板８が配置されている。λ／４板８を透過したウエハマーク照明光束ＷＭＩＬは、円偏光に変換される。その後、結像開口絞りＡＳおよび対物レンズ９を介して、ウエハＷ上の検出対象であるウエハマークＷＭを落射照明する。このとき、ウエハＷは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向およびそれらの軸の回転方向に駆動可能なウエハステージ２０上に保持されている。なおウエハステージ２０は、コンピュータ４８からの指示に応じて、ステージ制御系４７により駆動可能に構成されている。

ウエハマークＷＭからの反射、回折、散乱により発生した結像光束ＭＬは、対物レンズ９、結像開口絞りＡＳ、および、λ／４板８を透過する。λ／４板８を透過した結像光束ＭＬは、円偏光から紙面垂直方向（Ｗ方向）の直線偏光（Ｓ偏光）に変換される。次に、結像光束ＭＬは、反射プリズム４６を介して偏光ビームスプリッタ６を透過し、リレーレンズ７に導光される。リレーレンズ７は、ウエハマークＷＭの像を一旦結像する。その後、検出光学系１０により画像検出素子１１の受光面上に再度結像する。検出光学系１０は、ウエハマークＷＭからの光束（および後述の基準マークＳＭからの光束）を検出する。画像検出素子１１により検出されたウエハマーク信号は、主制御系４９を介してコンピュータ４８に入力される。ＯＡ検出系２４の基準マーク照明光束ＳＭＩＬは、光源部４１からＯＡ検出系２４の基準マーク照明系に接続されているファイバ４２により導光される。ファイバ４２の出射端からの基準マーク照明光束ＳＭＩＬは、基準板照明光学系１３（第２の照明光学系）を介して、基準板１４を一様な光量分布となるようケーラー照明を行う。基準板照明光学系１３は、第２の波長帯域を有する基準光を用いて基準マークＳＭを照明するように構成されている。

本実施例において、基準光の第２の波長帯域は、計測光の第１の波長帯域の上限と下限との間に設定されている。第１の波長帯域と第２の波長帯域との関係をこのように設定することにより、基準光と計測光との波長差が小さくなるため、波長差に起因する計測誤差を低減することができる。

またこれに代えて、第１の波長帯域と第２の波長帯域との波長差に基づく補正を行うように構成してもよい。この場合、計測光で基準マークＳＭを計測した結果と基準光で基準マークＳＭを計測した結果とに基づき、第１の波長帯域と第２の波長帯域とが互いに異なることで生じる基準マーク計測値の変動量を予め記憶する。この変動量は、例えばコンピュータ４８に設けられた記憶部に記憶される。そしてコンピュータ４８は、基準マーク計測値の変動量を用いて計測光によるウエハマークＷＭの計測結果を補正する。このような構成でも、波長差に起因する計測誤差を低減することが可能である。

基準マークＳＭは基準板１４に設けられており、基準マークＳＭを透過した光のみがハーフミラー１５（光学素子）に導光される。ハーフミラー１５は、基準マークＳＭからの光束を画像検出素子１１に導光する。画像検出素子１１は、ハーフミラー１５で合成された光束（ウエハマークＷＭからの光束と基準マークＳＭからの光束の合成光）を、検出光学系を介して受光する。画像検出素子１１により検出された基準マークＳＭ信号は、主制御系４９を介してコンピュータ４８に入力される。コンピュータ４８は、ウエハマーク信号および基準マーク信号を用いて、ウエハステージ２０の位置に基づいてウエハＷの位置を算出する。ステージ制御系４７は、その算出結果に基づいてウエハステージ２０を駆動し、ウエハＷの位置合わせを行う。

次に、図４を参照して、本実施例の位置検出装置における光源部４１について説明する。図４は、光源部４１の構成図である。光源部４１には、ハロゲンランプ５０、ＨｅＮｅレーザ５８、光源切換ミラー５１、光源（ハロゲンランプ５０、ＨｅＮｅレーザ５８）からの光束をファイバ４２、４３の入射端に集光する光学系５２、および、光路切換ミラー５７（光路切換手段）が設けられている。ハロゲンランプ５０およびＨｅＮｅレーザ５８は、ウエハマークＷＭを照明する第１の光源、および、基準マークＳＭを照明する第２の光源である。本実施例では、第１の光源と第２の光源を共通化して一つの光源部４１が構成されている。第１の光源と第２の光源とを互いに逆に構成してもよい。また、第１の光源および第２の光源のそれぞれは、ハロゲンランプ、ＬＥＤ、レーザ、レーザダイオードの少なくとも一つを備えて構成されていればよい。

光源部４１には、ハロゲンランプ５０からの光を所望の波長帯域に変換する波長切換円盤５４、および、波長切換円盤５４を駆動するモータ５３が設けられている。更に光源部４１には、光源の光量調整を行う光量調整円盤５６、光量調整円盤５６を駆動するモータ５５が設けられている。波長切換円盤５４には複数の波長カットフィルタが設けられており、波長切換円盤５４をモータ５３で駆動することにより、回転方式（ターレット方式）で波長の切り換えが可能である。

本実施例の波長切換円盤５４は、高波長側および低波長側の波長カットフィルタを組み合わせて所望の波長帯域の波長を実現可能な機構を有する。まず、本実施例で用いられる波長帯域（照明波長帯域）をａ(４５０ｎｍ〜５５０ｎｍ)、ｂ(５５０ｎｍ〜６００ｎｍ)、ｃ(６００ｎｍ〜６５０ｎｍ)、ｄ(６５０ｎｍ〜７００ｎｍ)、ｅ（７００ｎｍ〜８００ｎｍ）に設定する。また、ＨｅＮｅレーザの波長（波長帯域）を６３３ｎｍに設定する。なお、波長の最少単位を１ｎｍとする。

表１は、各波長帯域とその波長帯域に対応する波長カットフィルタの組合せについて示している。

ここで、例えば波長帯域ａ(４５０ｎｍ〜５５０ｎｍ)が選択された場合を考える。このとき、４４９ｎｍ以下の波長をカットする低波長側カットフィルタと５５１ｎｍ以上の波長をカットする高波長カットフィルタを組み合わせることで、ハロゲンランプ５０からの光を所望の波長帯域の照明光として生成することができる。他の波長帯域についても、同様の組合せにより、所望の波長帯域の照明光を生成可能である。

図５は、本実施例における波長切換円盤５４の構成図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図を示す。波長切換円盤５４は、複数の波長帯域に対応して組み合わせられた複数のカットフィルタを有する。図５（ｂ）の断面図に示されるように、波長切換円盤５４の一方の面側に低波長側カットフィルタ５９、６１が配置され、他方の面側に高波長側カットフィルタ６０、６２が配置される。このように、複数の種類の低波長側カットフィルタと高波長側カットフィルタとを組み合わることで、所望の波長帯域の照明光が生成可能となる。本実施例において、波長帯域ａに関しては、低波長側カットフィルタ５９として４４９ｎｍ以下の波長をカットする波長カットフィルタを用い、高波長側カットフィルタ６０として５５１ｎｍ以上の波長をカットする波長カットフィルタを用いる。同様に、波長帯域ｄに関しては、低波長側カットフィルタ６１として６４９ｎｍ以下の波長をカットする波長カットフィルタを用い、高波長側カットフィルタ６２として７０１ｎｍ以上の波長をカットする波長カットフィルタを用いる。

コンピュータ４８は、照明光の波長帯域が設定されると、主制御系４９にモータ５５の回転原点からの回転量を指示する。モータ５５の回転原点は、予め、原点検出駆動としてモータ５５を回転させて求められる。本実施例の原点検出方法において、モータ５５の回転原点は、波長切換円盤５４に設けられたスリット５４ａがフォトスイッチＰＳの検出部を通過した位置に設定される。主制御系４９は、指示された回転量に応じてモータ４４を駆動し、照明開口絞りのいずれかがウエハマーク照明光束ＷＭＩＬに設定される。なお、本実施例は５種類の波長帯域ａ〜ｆを設定しているが、これに限定されるものではなく、何種類の波長帯域を設定してもよい。また、波長切換円盤５４は一段構成であるが、これに限定されるものではなく、複数段構成を採用してより多くの波長帯域の照明光を生成可能に構成してもよい。また、基準光の波長帯域は、計測光の波長帯域の選択と連動して選択される。

図４において、光量調整円盤５６には、互いに透過率が異なる複数のＮＤフィルタが設けられている。光量調整円盤５６をモータ５５で駆動することにより、ＮＤフィルタは回転方式（ターレット方式）で切換可能に構成されている。光量調整円盤５６により、基準光および前記計測光は、互いに独立して光量調整が可能である。光量調整円盤５６を通過した光の光路は、ファイバ４２、４３の入射端に集光させるための光路切換ミラー５７で切り換えられる。このように、光路切換ミラー５７は、ウエハマークＷＭを照明する光路と基準マークＳＭを照明する光路とを切り換える。

コンピュータ４８は、ＨｅＮｅレーザ５８とハロゲンランプ５０のいずれの光源を使用するかについて主制御系４９に指示すると、主制御系４９はその指示に応じて光源切換ミラー５１を駆動する。すなわち、光源としてＨｅＮｅレーザ５８が選択された場合、光源切換ミラー５１は図４中の破線で示されるように光路から退避して（下方向に移動して）、ＨｅＮｅレーザ５８からの光束は、光学系５２を介してファイバの入射端に集光される。一方、光源としてハロゲンランプ５０が選択された場合、ハロゲンランプ５０からの光束は、光源切換ミラー５１で反射され、光学系５２を介してファイバの入射端に集光される。本実施例では、ＨｅＮｅレーザ５８とハロゲンランプ５０の配置を互いに逆にしてもよい。

また、波長帯域ａ〜ｅが選択された場合、コンピュータ４８が主制御系４９に対して選択波長帯域になるように指示することで、モータ５３により波長切換円盤５４が駆動される。光量調整に関しても同様に、設定された光量になるようにコンピュータ４８が主制御系４９に対して指示することで、モータ５５により光量調整円盤５６が駆動される。また、コンピュータ４８が主制御系４９に対する、ウエハマークＷＭと基準マークＳＭのいずれを計測するかの指示に応じて、光路切換ミラー５７は主制御系４９により駆動される。すなわち、ウエハマークＷＭの計測が選択された場合、光路切換ミラー５７は図４中の破線で示されるように光路から退避して（上方向に移動して）、光束はウエハマークＷＭを照明するためのファイバ４３の入射端に集光される。一方、基準マークＳＭの計測が選択された場合、光束は、光路切換ミラー５７で反射され、基準マークＳＭを照明するためのファイバ４２の入射端に集光される。本実施例では、ファイバ４３の入射端とファイバ４２の入射端の配置を互いに逆にしてもよい。また、製造プロセスの影響を受けるウエハマークＷＭの計測と基準マークＳＭの計測において、光量値を互いに異なるように設定してもよい。また、画像検出素子１１の蓄積時間を変化させてもよい。

なお、図３に示されるハーフミラー１５は、ハーフミラーに限定されるものではなく、透過率や反射率などの特性を任意に変更することが可能である。図６は、ハーフミラー１５の膜が透過率９０％、反射率１０％の光学特性を有する場合におけるハーフミラー特性の説明図である。図６（ａ）は基準マーク信号が１００％入射した場合の透過特性と反射特性を示す。９０％の光が透過され、画像検出素子１１には１０％の反射光が到達する。図６（ｂ）はウエハマーク信号が１００％入射した場合の透過特性と反射特性を示す。１０％の光が反射され、画像検出素子１１には９０％の透過光が到達する。このように本実施例において、ハーフミラー１５の膜の光学特性は、ウエハマークＷＭからの光束の光量が基準マークＳＭからの光束の光量より大きくなるように設定されている。透過率と反射率に差を付けることで、基準マーク信号の光量に対し、ウエハマーク信号をより多く取り込むことが可能となる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例２について説明する。図７は、本実施例における露光装置の要部構成図である。本実施例の露光装置では、ウエハマークＷＭを照射するための光源６３（ウエハマーク照明光源）と基準マークＳＭを照射するための光源６４（基準マーク照明光源）とが互いに分離して構成されている。ＯＡ検出系２４は、実施例１と同様の構成を有する。光源６３、６４の両光源ともに、温度安定性が求められるＯＡ検出系２４から離れて配置されている。また、両光源は、ＯＡ検出系２４に対してファイバ４２、４３を用いて独立して接続される。

本実施例では、ウエハアライメント光を射出する照明光源は専用の光源として構成されている。このため実施例１とは異なり、光束をウエハマークＷＭ照明用のファイバ４３と基準マークＳＭ照明用のファイバ４２に切換える光路切換手段を設ける必要がない。

ウエハマークＷＭの計測および基準マークＳＭの計測において、同一波長の照明光を用いて計測を行うには、基準マークＳＭを照明する光源６４の構成は、ウエハアライメント光を射出する光源とすればよい。コンピュータ４８は、主制御系４９に選択波長および計測タイミングの指令を与え、主制御系４９は、その指令に基づいて、ウエハマーク照明用の光源６３と基準マーク照明用の光源６４を選択的に用いて計測を行う。

実施例１の露光装置（位置検出装置）ではハーフミラー１５が用いられるが、本実施例ではハーフミラー１５に代えてダイクロイックミラー１５ａが用いられる。図８は、ダイクロイックミラー１５ａを用いた場合（ダイクロイックミラー特性）の説明図である。図８（ａ）は、ミラーの膜の光学特性として、ミラー部の透過率と波長の関係を示す。図８（ｂ）は、画像検出素子１１上の光量と波長の関係を示す。図８（ａ）に示されるように、ウエハマーク計測光の波長帯域の中心付近に一部透過特性を持たない膜を採用し、その波長帯域に基準マーク計測波長を設定する。このようにダイクロイックミラー１５ａ（光学素子）の膜の光学特性は、第１の波長帯域を有する計測光と第２の波長帯域を有する基準光との間で互いに異なる。

本実施例では図８（ｂ）に示されるように、全計測波長において、画像検出素子１１にて計測することができる。これにより、ウエハマーク計測光の波長帯域の中心付近に基準マーク計測波長を設定することで、波長差による計測誤差を低減させたシステムを構成することが可能である。なお本実施例においても、実施例１のハーフミラー１５を用いてもよい。

次に、図９を参照して、本発明の実施例３について説明する。実施例２では、基準マークＳＭを計測する光源６４は、ウエハマークＷＭを計測する光源６３と同様の構成を有している。すなわち、両光源はそれぞれ、ＨｅＮｅレーザ５８およびハロゲンランプ５０を備え、複数の波長帯域の照明光を生成することができる。しかし、光源はこのような構成に限定されるものではなく、例えば光源は、特定の波長帯域を有する複数のＬＥＤを備えて構成することもできる。

図９は、本実施例における光源６４の構成図であり、５つのＬＥＤを用いて構成された基準マーク光源（光源６４）を示している。図９において、６５ａは波長帯域ａ、６５ｂは波長帯域ｂ、６５ｃは波長帯域ｃ、６５ｄは波長帯域ｄ、６５ｅは波長帯域ｅを有するＬＥＤである。例えば波長帯域が比較的低い波長帯域ａでは、白色ＬＥＤを用いればよい。

６６＿１〜６６＿４は、ダイクロイックミラーである。本実施例では、波長帯域に合わせて４種類のダイクロイックミラーが設けられている。波長帯域ａ〜ｅの各波長帯域を有するＬＥＤの配置の関係で、各ダイクロイックミラーの膜は異なる。ダイクロイックミラー６６_１は、５５１ｎｍ以上の波長帯域の光を反射し、５４９ｎｍ以下の波長帯域の光を透過させる波長特性を有する。ダイクロイックミラー６６_２は、６０１ｎｍ以上の波長帯域の光を反射し、６００ｎｍ以下の波長帯域の光を透過させる波長特性を有する。ダイクロイックミラー６６_３は、６０１ｎｍ以上の波長帯域の光を反射し、６００ｎｍ以下の波長帯域の光を透過させる波長特性を有する。ダイクロイックミラー６６_４は、６５１ｎｍ以上の波長帯域の光を反射し、６５０ｎｍ以下の波長帯域の光を透過させる波長特性を有する。

本実施例ではダイクロイックミラーを用いているが、光量に余裕があればハーフミラーを用いてもよい。また、ウエハマークＷＭ計測の波長選択条件に応じて、コンピュータ４８が主制御系４９に指令を与えることにより、使用するＬＥＤが選択され照明される。例えばウエハマークＷＭ計測の際に波長帯域ｅが選択された場合、主制御系４９はＬＥＤ６５を照明させる。照明したＬＥＤの光束は、基準マークＳＭ照明用のファイバ４２の入射端に集光される光学系６７を通過し、ファイバ４２に集光される。ＬＥＤの光量は、主制御系４９により、電流値または電圧値を変化させることで調節可能である。その際、ＬＥＤは使用する波長帯域に応じて光量値を変化させてもよく、また画像検出素子１１の蓄積時間を変化させてもよい。

波長帯域ごとに構成するＬＥＤは、できるだけ波長帯域の中心波長のＬＥＤを採用することが好ましい。例えば、波長帯域ｂの場合、中心波長が５７５ｎｍであるため、その中心波長の近傍で輝度の高いＬＥＤを選定すればよい。また、本実施例のように各波長帯域で１つの種類のＬＥＤを備えた構成に限定されるものではなく、各波長帯域で複数の種類のＬＥＤを備えるように構成してもよい。その際、条件によって照明させるＬＥＤの組合せが自由に選択できるように構成することができる。

上記実施例１乃至実施例３では、ウエハマーク計測光の波長と基準マーク計測光の波長を同等にして波長差による計測誤差を低減させる位置検出装置（露光装置）について説明した。なお、ウエハマーク計測光の波長と基準マーク計測光の波長が異なる場合でも、予め波長差による計測誤差値を取得し、ウエハマーク計測値に反映させる方法を採用することができる。複数の基準光を構成する場合、基準光のそれぞれに対して計測誤差値を取得すればよい。また、ウエハマーク計測光の波長の条件が複数ある場合、各条件において基準光との計測誤差値を取得すればよい。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例４について説明する。本実施例では、位置検出装置が投影光学系２２のフォーカス方向を計測するフォーカス計測装置７０に適用される。図１０は、本実施例におけるフォーカス計測装置７０（位置検出装置）の構成図である。

フォーカス計測装置７０（フォーカス検出系）において、照明光源７１から射出した光は、照明レンズ７２を介してスリット７３を照明する。スリット７３を透過した光は、照明光学系７４（第１の照明光学系）およびミラー７５によってウエハＷ（被検出体）上にスリットパターンを結像する。ウエハＷ上に投影されたスリットパターンは、ウエハＷの表面上で反射し、照明光学系７４と反対側に構成されたミラー７６および検出光学系７７に入射する。検出光学系７７は、ウエハＷ上に形成されたスリットパターンを光電変換素子７８上に再結像させる。

次に、本実施例における基準光について説明する。基準光の光源７９から射出した光は、基準光照明レンズ８０（第２の照明光学系）を介して基準光スリット８１を照明する。基準光スリット８１を透過した光は、投影光学系２２下の雰囲気内を通過し、計測光と基準光を合成する基準光合成ミラー８２および合成光を検出する検出光学系７７に入射する。検出光学系７７は、基準光スリットパターンを光電変換素子７８上に再結像させる。ウエハＷが上下することで、光電変換素子７８上のスリット像が移動し、この移動量からウエハＷのフォーカス方向の距離を位置検出部（不図示）で計測することができる。通常は、スリット７３を複数（ウエハＷ上の多点）用意し、それぞれのフォーカス位置を検出すること（ウエハＷ上の多点計測）で、投影光学系２２のマスク１７像の像面に対するウエハＷの傾きを計測することもできる。これにより、通過する空気の密度がゆらいでも、いずれも略同一の空間内を通過するため、受ける影響が同じとなる。このため、変動の仕方が双方ともに等しくなる。

本実施例では、照明光源７１と基準光の光源７９とを互いに別に構成しているが、上記各実施例と同様に、基準光の光源７９の波長を照明光源７１と同等にすれば、波長差による計測値の誤差を低減することができる。なお、基準光の光源７９として複数の光源を備えて構成してもよく、また、照明光源７１と共通化してもよい。実施例１、２におけるＯＡ検出系の構成をフォーカス計測装置７０にも同様に適用可能である。なお実施例１乃至４は、ウエハ側の位置検出装置または面位置検出装置に関して説明しているが、これに限定されるものではなく、マスク側に構成される位置検出装置または面位置検出装置に適用してもよい。

上記各実施例によれば、波長差に起因する計測誤差を低減して高精度な位置検出を行う位置検出装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

５：照明光学系（第１の照明光学系）
１０：検出光学系
１３：基準板照明光学系（第２の照明光学系）
２４：ＯＡ検出系（位置検出装置）
４８：コンピュータ

Claims (13)

1. 被検出体の位置を検出する位置検出装置であって、
   画像検出素子と、
   第１の波長帯域を有する計測光を用いて前記被検出体を照明する第１の照明光学系と、
   前記第１の波長帯域を有する計測光で照明された前記被検出体からの光を前記画像検出素子上に結像させる結像光学系と、
   前記第１の照明光学系及び前記結像光学系の光路外に配置された基準マークと、
   第２の波長帯域を有する基準光を用いて前記基準マークを照明する第２の照明光学系と、
   前記第２の波長帯域を有する基準光で照明された前記基準マークからの光を前記結像光学系の光路内を通して前記画像検出素子に導く光学素子と、
   前記画像検出素子によって検出された前記被検体の画像と前記基準マークの画像に基づいて前記被検出体の位置を検出する位置検出部と、を有し、
   前記基準光の第２の波長帯域は、前記計測光の第１の波長帯域の上限と下限との間に設定されている、ことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記被検出体を照明する計測光の波長を選択する波長選択部を有し、
   前記波長選択部は、前記基準光の第２の波長帯域より高い波長、および、前記基準光の第２の波長帯域より低い波長から前記計測光の波長を選択することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記波長選択部は、前記基準光の第２の波長帯域より高い、互いに異なる複数の波長帯域、および、前記基準光の第２の波長帯域より低い、互いに異なる複数の波長帯域から前記計測光の波長を選択することを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
4. 前記光学素子は、入射光の一部を透過させ、他の一部を反射させるミラーであり、
   前記ミラーの光学特性は、前記被検出体から前記ミラーを介して前記画像検出素子へ到達する光の光量が前記基準マークから前記ミラーを介して前記画像検出素子へ到達する光の光量より大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
5. 前記光学素子は、入射光の一部を透過させ、他の一部を反射させるミラーであり、
   前記ミラーの反射率と透過率とが異なり、
   前記反射率と前記透過率のうち高い方の光学特性により、前記被検出体から光を前記ミラーを介して前記画像検出素子へ導き、
   前記反射率と前記透過率のうち低い方の光学特性により、前記基準マークから光を前記ミラーを介して前記画像検出素子へ導くことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記光学素子はダイクロイックミラーであり、
   前記ダイクロイックミラーは、前記第１の波長帯域の光および前記第２の波長帯域の光の一方を反射させ、他方を透過させて、前記被検出体からの光および前記基準マークからの光を前記画像検出素子に導くことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位置検出装置。
7. 前記ダイクロイックミラーの前記第２の波長帯域における透過率は、前記第２の波長帯域より高い前記第１の波長帯域、および、前記第２の波長帯域より低い前記第１の波長帯域における透過率よりも低いことを特徴とする請求項６に記載の位置検出装置。
8. 前記被検出体を照明する第１の光源と、
   前記基準マークを照明する第２の光源と、を更に有し、
   前記第１の光源および前記第２の光源のそれぞれは、ハロゲンランプ、ＬＥＤ、レーザ、レーザダイオードの少なくとも一つを備えて構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位置検出装置。
9. 前記第１の光源と前記第２の光源を共通化して一つの光源部が構成されていることを特徴とする請求項８に記載の位置検出装置。
10. 前記一つの光源部は、前記被検出体を照明する光路と前記基準マークを照明する光路とを切り換える光路切換手段を有することを特徴とする請求項９に記載の位置検出装置。
11. 前記基準光の波長帯域は、前記計測光の波長帯域の選択と連動して選択されることを特徴とする請求項２または３に記載の位置検出装置。
12. 前記基準光および前記計測光は、互いに独立して光量調整が可能であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の位置検出装置。
13. 原版のパターンを基板に露光する露光装置であって、
    前記基板に形成されたマークの位置を検出する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の位置検出装置を有することを特徴とする露光装置。