(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出すべき基板上に形成された回折格子に対して垂直に照明光を投射し、該回折格子からの回折光を光電検出することによって前記基板の位置を検出する方法であって、
ａ．互いに異なる中心波長のレーザビームを出力する複数のレーザ光源から供給される互いに異なる波長成分を含む照明ビームをそれぞれ、１つの前記回折格子に投射し、前記１つの回折格子から各波長成分を含む複数の回折ビームを発生させる段階と；
ｂ．前記１つの回折格子から発生し且つ第１の波長成分から成る互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第１の干渉ビームを第１の光電素子で受光するとともに、前記１つの回折格子から発生し且つ第２の波長成分から成る互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第２の干渉ビームを第２の光電素子で受光する段階と；
ｃ．前記第１の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第１の位置情報を算出し、前記第２の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第２の位置情報を算出する段階と；
ｄ．前記第１の光電素子からの光電信号の振幅値と前記第２の光電素子からの光電信号の振幅値とに応じて重みを変化させて前記第１の位置情報と第２の位置情報とを加重平均演算することによって前記回折格子が形成された基板の位置を確定する段階とを備えたことを特徴とする位置検出方法。
【請求項２】
位置検出すべき基板上に形成された回折格子に対して垂直に照明光を投射し、該回折格子からの回折光を光電検出することによって前記基板の位置を検出する方法であって、
ａ．互いに異なる中心波長のレーザビームを出力する複数のレーザ光源から供給される互いに異なる波長成分を含む照明ビームをそれぞれ、１つの前記回折格子に投射し、前記１つの回折格子から各波長成分を含む複数の回折ビームを発生させる段階と；
ｂ．前記１つの回折格子から発生し且つ第１の波長成分から成る互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第１の干渉ビームを第１の光電素子で受光するとともに、前記１つの回折格子から発生し且つ第２の波長成分から成る互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第２の干渉ビームを第２の光電素子で受光する段階と；
ｃ．前記第１の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第１の位置情報を算出し、前記第２の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第２の位置情報を算出する段階と；
ｄ．前記第１の光電素子からの光電信号の強度と前記第２の光電素子からの光電信号の強度とに応じて重みを変化させて前記第１の位置情報と第２の位置情報とを加重平均演算することによって前記回折格子が形成された基板の位置を確定する段階とを備えたことを特徴とする位置検出方法。
【請求項３】
前記光電信号の強度の高い方に対してより多くの重みをかけることを特徴とする請求項２に記載の位置検出方法。
【請求項４】
前記第１の波長成分から成る互いに次数差を有する２つの回折ビームは、＋１次の回折ビームと−１次の回折ビームであり、
前記第２の波長成分から成る互いに次数差を有する２つの回折ビームは、＋１次の回折ビームと−１次の回折ビームであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の位置検出方法。
【請求項５】
前記第１の光電素子は、前記第１の波長成分から成る２つの回折ビームを前記基板上の回折格子とは異なる回折格子上に照射して発生した再回折ビームの干渉ビームを受光することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の位置検出方法。
【請求項６】
前記照明ビームを、前記基板上の回折格子とは異なる回折格子を介さずに前記基板上の回折格子に直接入射することを特徴とする請求項５に記載の位置検出方法。
【請求項７】
位置検出すべき基板上に形成された回折格子に対して垂直に照明光を投射し、該回折格子からの回折光を光電検出することによって前記基板の位置を検出する装置であって、
互いに異なる中心波長のレーザビームを出力する複数のレーザ光源と、
第１の波長成分を含む照明ビームで照射された１つの前記回折格子から発生した、互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第１の干渉ビームを受光する第１の光電素子と、
第２の波長成分を含む照明ビームで照射された前記１つの前記回折格子から発生した、互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第２の干渉ビームを受光する第２の光電素子と、
前記第１の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第１の位置情報を算出し、前記第２の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第２の位置情報を算出する手段と、
前記第１の光電素子からの光電信号の振幅値と前記第２の光電素子からの光電信号の振幅値とに応じて重みを変化させて前記第１の位置情報と第２の位置情報とを加重平均演算することによって前記回折格子が形成された基板の位置を確定する手段と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
位置検出すべき基板上に形成された回折格子に対して垂直に照明光を投射し、該回折格子からの回折光を光電検出することによって前記基板の位置を検出する装置であって、
互いに異なる中心波長のレーザビームを出力する複数のレーザ光源と、
第１の波長成分を含む照明ビームで照射された１つの前記回折格子から発生した、互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第１の干渉ビームを受光する第１の光電素子と、
第２の波長成分を含む照明ビームで照射された前記１つの前記回折格子から発生した、互いに次数差を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第２の干渉ビームを受光する第２の光電素子と、
前記第１の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第１の位置情報を算出し、前記第２の光電素子からの光電信号に基づいて前記回折格子の周期方向に関する第２の位置情報を算出する手段と、
前記第１の光電素子からの光電信号の強度と前記第２の光電素子からの光電信号の強度とに応じて重みを変化させて前記第１の位置情報と第２の位置情報とを加重平均演算することによって前記回折格子が形成された基板の位置を確定する手段と、を備えたことを特徴とする位置検出装置。
【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、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド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】
近年、ウェハ（又はレチクル）上のアライメントマークを１次元、又は２次元の格子状にし、その格子マーク上にピッチ方向に対称的に傾斜した２つのコヒーレントビームを投射し、格子マークから同一方向に発生する２つの回折光成分を干渉させて格子マークのピッチ方向の位置や位置ずれを検出する方法が、例えば（Ａ）特開昭６１−２０８２２０号公報、（Ｂ）特開昭６１−２１５９０５号公報等で提案された。このうち公報（Ａ）は２つの対称的なコヒーレントビームの周波数を同一にしたホモダイン方式を開示し、公報（Ｂ）は２つの対称的なコヒーレントビームの間に一定の周波数差を持たせたヘテロダイン方式を開示している。
【０００５】
さらにヘテロダイン方式の位置検出装置を縮小投影露光装置内のＴＴＲ（スルーザレチクル）アライメント系やＴＴＬ（スルーザレンズ）アライメント系に適用したものが、（Ｃ）特開平２−２２７６０２号公報、（Ｄ）特開平３−２５０４号公報等で提案されている。これら公報（Ｃ）、（Ｄ）に開示されたヘテロダイン方式では、２つの音響光学変調素子（ＡＯＭ）にＨｅ−Ｎｅレーザビームを同時に入射させ、各ＡＯＭを例えば２５ＫＨｚ程度の周波数差を持つ高周波駆動信号（一方が８０ＭＨｚ、他方が７９．９７５ＭＨｚ）で駆動し、各ＡＯＭから射出される回折ビームの間に２５ＫＨｚの周波数差を与えている。そしてそれら２つの回折ビームを、ウェハ上、又はレチクル上の格子マークに所定の交差角で照射するための一対の送光ビームとしている。
【０００６】
またヘテロダイン方式では、２つの送光ビーム間の周波数差（２５ＫＨｚ）を基準交流信号とし、格子マークから発生した２つの回折光成分の干渉光（ビート光）を光電検出した信号と基準交流信号との位相差を計測し、それを格子マークのピッチ方向に関する基準点からの位置ずれ量として検出している。
以上のようなヘテロダイン方式では、格子マークを照明する２つの送光ビームの単色性が良好な程、位置ずれの検出精度、分解能が向上し、ナノ・メータオーダの位置検出、位置合わせが可能となる。しかしながら２つの送光ビームの単色性が良好ということは、格子マークから発生する各種回折光間の波長オーダの位相が格子マークの非対称性やレジスト層等に応じて敏感に変化し易いことを意味する。
【０００７】
このうちレジスト層による影響は、露光装置におけるウェハアライメント時の宿命的な問題であり、マーク部分のレジストを局所的に除去するという特別な手法を併用しない限り、又は光学的なマーク検出手法を断念しない限り避けては通れない問題である。
そこで、レジスト層による影響、あるいはマークの断面形状の非対称性による影響を低減してより正確な位置検出を可能としたヘテロダイン方式が（Ｅ）特開平６−８２２１５号公報によって提案された。その公報（Ｅ）には、波長が異なる複数のビーム、又は白色ビームを用い、このビームを固定の回折格子に照射して得られる２つの回折ビームを１段目のＡＯＭに入射し、このＡＯＭで回折された０次ビーム、＋１次回折ビーム、−１次回折ビームを２段目のＡＯＭ内で交差するようにリレーすることによって、例えば第１の波長による一対の送光ビームと第２の波長による一対の送光ビームとを作り、それら２組の送光ビームを同時にウェハ上の格子マークに投射する手法が開示されている。
【０００８】
この際、格子マークから発生して光電検出される干渉ビート光には第１の波長成分と第２の波長成分とが含まれるが、それらは光電素子の受光面上で光量として加算された形で光電検出される。このため、レジスト層の薄膜干渉の影響またはマーク断面形状の非対称性の影響による各波長成分毎の干渉ビート光の相互位相差が強度的に平均化され、より正確な位置検出が可能になるのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、位置検出に使用する照明光束を複数の波長、又は所定の波長帯域幅を有するビームにし、格子マークから発生する複数の波長成分を含む干渉光を同一の光電素子で同時に受光する場合、照明光束の中に強度の高い波長成分があると、格子マークからの干渉光もその波長成分のところで強められ、平均化効果を得る上で問題となることがある。さらに、照明光束中の各波長成分が仮に同じ強度であったとしても、ウェハ等の感光基板の表面状態（レジストの厚みむら、格子マークの非対称性の程度等）によっては、格子マークからの干渉光の各波長成分毎の強度に大きな差が生じることも起こり得る。
【００１０】
このため、格子マークから発生した複数の波長成分を含む干渉光を単一の光電素子で受光しても、基板の表面状態によっては必ずしも良好な位置検出精度を得られない場合が生じ得る。
そこで本発明は上述の問題を解決し、ウェハ等の基板の表面状態に影響され難い位置検出方法、又は装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、複数の波長成分を含む照明光束で格子パターン（マーク）を照明した場合でも、波長成分毎の光強度の差に影響され難い位置検出方法、又は装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、複数の波長成分を含む照明光束を基板上の格子パターンに照射して格子パターンの位置を計測する際、基板表面の状態に依存した格子パターンの位置計測誤差を低減した高精度な位置合わせ（アライメント）装置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】
そこで本発明では、位置検出すべき基板（ウエハＷ、又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）上に形成された回折格子（ＭＧ）に照明光を投射し、回折格子（ＭＧ）からの回折光を光電検出することによって基板の位置を検出する方法に適用される。そこで図１を参照して本発明の構成を概略的に説明すると、まず、（ａ）回折格子（ＭＧ）に互いに異なる波長成分（λ１  、λ２  ）を含む照明ビーム（基準格子ＲＧで回折されたビーム±Ｄ１１、±Ｄ２２）を投射し、回折格子（ＭＧ）から各波長成分を含む複数の回折ビームを発生させ、（ｂ）発生した複数の回折ビームのうち第１の波長成分（λ１  ）から成る互いに次数差（＋１次と−１次、又は０次と２次）を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第１の干渉ビーム（Ｂｍ１）を第１の光電素子（ＤＴ３  ）で受光するとともに、複数の回折ビームのうち第２の波長成分（λ２  ）から成る互いに次数差（＋１次と−１次、又は０次と２次）を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第２の干渉ビーム（Ｂｍ２）を第２の光電素子（ＤＴ４  ）で受光する。そして次に、（ｃ）第１の光電素子（ＤＴ３  ）からの光電信号（Ｉｍ１）に基づいて回折格子（ＭＧ）の周期方向に関する第１の位置情報（ΔＸ１  ）を回路ユニットＣＵ３  で算出し、第２の光電素子（ＤＴ４  ）からの光電信号（Ｉｍ２）に基づいて回折格子（ＭＧ）の周期方向に関する第２の位置情報（ΔＸ２  ）を回路ユニットＣＵ４  でを算出する。そして最後に、（ｄ）第１の光電素子（ＤＴ３  ）からの光電信号の振幅値（図１では照明ビームＬＢ１  の一部を光電検出する素子ＤＴ１  の信号を利用）と第２の光電素子（ＤＴ４  ）からの光電信号の振幅値（図１では照明ビームＬＢ２  の一部を光電検出する素子ＤＴ２  の信号を利用）とに応じて重み（Ｃ１  、Ｃ２  ）を変化させて第１の位置情報と第２の位置情報とを回路ユニットＣＵ５  により加重平均演算することによって回折格子が形成された基板の位置を確定するようにした。
【００１２】
【作用】
一般にウエハ等の表面に形成される位置合わせ、位置計測用のマークは、その表面に微少な段差を持って作られるが、半導体加工工程上のエッチングやスパッター等のウエハプロセス、あるいはフォトレジスト層の塗布ムラによって、多少の非対称性を有している。その非対称性はマーク位置検出時の精度低下を招く。
【００１３】
格子マークから発生した２つの回折光の相互干渉光を光電検出し、その光電信号を利用する干渉式アライメント法においては、格子マークの非対称性はマーク自体の振幅反射率の非対称性となって位置検出精度の劣化に作用する。すなわち、格子マークを構成するラインの溝底部の深さ等が格子ピッチ方向に差を持ったり、レジスト層の厚みに部分的な差があった場合、マーク自体の振幅反射率の絶対値と位相とは、溝底部の深さやレジスト厚の変化に応じて非対称になる。この結果、格子マークから発生する回折光も例えば０次光に対して右方向に発生する正の次数と左方向に発生する負の次数とで強度や位相が異なったものになってしまう。このうち強度の差は位置検出精度の劣化にほとんど寄与しないが、位相の変化は位置検出精度に大きな影響を与える。
【００１４】
ところで格子マーク自体の振幅反射率は、マークの深さやレジスト厚だけでなく、照明光（検出光）の波長によっても大きく変動する。検出光の波長を複数（又はブロードバンド）にすると、各波長成分毎にマーク自体の振幅反射率が異なり、位置検出結果も異なったものとなる。そこで、種々のマーク条件のもとでマーク自体の振幅反射率を想定することにより位置検出精度をシミュレーションすることができる。
【００１５】
本願発明は、特定の波長のみを含む照明光によって格子マークを照射し、その格子マークから発生する回折光を光電検出する場合、光電信号の強度（照明光束と格子マークの相対走査に伴う信号変化の振幅）が極端に小さくなると、総じて位置検出精度も悪化するというシミュレーション上の結果に基づいて着想されたものである。そのシミュレーション結果から、本発明では、単一波長の照明光を用いたときに光電信号の振幅が極端に小さくなるような格子マーク条件であっても、別の波長の照明光を併用した波長毎の位置検出結果を加重平均することで位置検出精度の極端な悪化を防止するようにしたのである。
【００１６】
そこで、従来のように単一波長の照明光を用いたヘテロダイン方式での位置検出精度のシミュレーション結果を図１８、図１９を参照して説明する。このシミュレーションは、レジスト層で被覆されたウエハ上の格子マークに対称的な２方向から一定の周波数差をもつコヒーレントな送光ビームを照射する場合を想定し、格子マークから垂直に発生した±１次回折光の相互干渉光、すなわち干渉ビート光の状態（振幅、位相等）を波長を変化させて観察することで得られたものである。
【００１７】
図１８は、シミュレーションで想定したウエハ等の１次元格子ＭＧとその表面に塗布されたレジスト層ＰＲとの部分拡大断面を模式的に表したものである。ここで、格子ＭＧのピッチＰｍｇは８μｍ、デューティは１：１、溝の段差（又は深さ）Ｔ２  は０．７μｍに設定され、格子ＭＧのボトム部にはピッチ方向のテーパー（傾き）ΔＳとして０．１％の非対称性を設定した。このような格子ＭＧを覆うレジスト層ＰＲは、格子ＭＧのトップ部の表面からの厚さＴ１  を０．９μｍとし、格子ＭＧの各ボトム部の位置に対応したレジスト層表面でのへこみ量ΔＴがΔＴ≒０．３Ｔ２  （０．２１μｍ）となるように仮定した。このような図１８の格子構造のことを振幅反射率が非対称な格子と呼ぶ。
【００１８】
図１９は、横軸に照明光または±１次回折光を合成した干渉光の波長λ（μｍ）を取り、縦軸にその干渉光の光量変化に応じた信号の変化分（交流成分）の相対的な振幅と位置検出の誤差量（μｍ）とを取ったものである。この図１９のシミュレーション結果では、ヘテロダイン方式で受光した干渉光に応じた光電信号の交流成分が丁度零、すなわち直流成分のみになる波長λをＨｅ−Ｎｅレーザの波長０．６６３μｍに合わせるように、図１８の格子マーク構造とレジスト層の条件を設定した。
【００１９】
これから明らかなように、波長０．６６３μｍのレーザ光を使うと、その波長近傍（±２０ｎｍ程度）ではマーク位置の検出誤差が非常に大きくなることがわかる。これはヘテロダイン方式では当然のことで、位相差計測すべき光電信号にビート周波数に応じた交流成分がまったく含まれていなければ、位相差計測自体が不能になるからである。このことは、同じ条件の格子マーク構造とレジスト層のもとで、ホモダイン方式で位置検出する場合も全く同じである。
【００２０】
そこで、図１９のような条件下でも、波長λが０．６７０μｍ又は０．７２５μｍ程度の半導体レーザを照明ビームにすると、マーク位置の検出誤差を十分に小さく押さえることができる。このことから、Ｈｅ−Ｎｅレーザと半導体レーザ等のように波長が異なる２色の照明ビームを用い、信号の変化分（交流成分）の振幅が大きい方の波長のビーム照射のもとで検出されたマーク位置（又は位置ずれ量）を重視（選択、又は重み付け）することが有効となる。
【００２１】
あるいは、特定の一方向に進む２つの１次回折光の干渉光のみを検出するのではなく、別な方向に進む０次光と２次回折光との干渉光を光電検出し、その信号に基づいて決定されたマーク位置も考慮するという方法もある。図２０は、回折格子マークＭＧに波長λ１  の２つの照射ビーム±Ｌ１  と波長λ２  の２つの照射ビーム±Ｌ２  とを入射し、格子マークＭＧ上に波長λ１  とλ２  とで同一の強度分布のピッチＰｉｆを持つ干渉縞が生成されるビーム入射条件とした上で、格子マークＭＧのピッチＰｍｇをＰｍｇ＝２Ｐｉｆの関係にしたときの０次光、±１次、±２次の各回折光の発生を示したものである。
【００２２】
図２０で格子マークＭＧと垂直に進む１次回折光±Ｄ１ｎの干渉ビームＢＭには波長λ１  、λ２  の両方の成分が含まれている。そして０次光（正規反射光）は、ビーム±Ｌ１  と±Ｌ２  とで入射角がわずかに異なるために、それぞれのビーム±Ｌ１  、±Ｌ２  に対応して±Ｄ０１、±Ｄ０２の４本が互いに異なる方向に進む。ここでＤ０１、Ｄ０２の添字の１項目は回折次数を表し、２項目は波長（λ１  、λ２  ）を表す。
【００２３】
さて、ビーム＋Ｌ１  の照射によって発生した２次光−Ｄ２１はビーム＋Ｌ１  の光路を逆進する方向に進み、ビーム−Ｌ１  の０次光＋Ｄ０１と干渉する。同様に、他の２次光＋Ｄ２１、−Ｄ２２、＋Ｄ２２もそれぞれ対応する０次光−Ｄ０１、＋Ｄ０２、−Ｄ０２と同一方向に進む。これら０次光と２次光との干渉光も、±１次光の干渉ビームＢＭと同様に、格子ＭＧと干渉縞との相対変位に応じて強度変化する。
【００２４】
そこで、波長λ１  のみに着目して考えてみると、１次成分（１次光±Ｄ１１の干渉ビームＢＭ）を光電検出してマークの位置（又は位置ずれ）を求めるとともに、２つの２次成分（０次光＋Ｄ０１と２次光−Ｄ２１の干渉光と０次光−Ｄ０１と２次光＋Ｄ２１の干渉光）の夫々を光電検出し、２つの２次成分の夫々の信号を使って個別に求められたマーク位置を平均した値をマークの位置として求める。そして１次成分の信号の振幅値と２次成分の各信号の振幅の平均値との大小関係に応じて、１次成分を使って検出されたマーク位置と２次成分を使って検出されたマーク位置とのいずれか一方を選択する、又は重み付け平均を行う等の方法が有効となる。
【００２５】
このように、マーク検出に使う回折光の次数を変えるのは、次数に応じて格子ＭＧから発生する回折光の方向が異なるため、ある方向に進む次数成分の干渉光の強度変化の振幅が小さくなって検出精度が悪化する場合でも、別の方向に進む次数成分の干渉光の強度変化の振幅はそれ程小さくならず、検出精度を悪化させないことがあるからである。
【００２６】
このことは図２１に示したシュミレーション結果からも確かめられる。図２１は、波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザを照射ビームとし、図１９中の格子ＭＧの段差Ｔ２  をパラメータとした信号の変化分（交流成分）の振幅と位置検出誤差との関係のシミュレーショングラフであり、ピッチＰｍｇ＝８μｍ、デューティ１：１、テーパー量ΔＳ＝０．１％はそのままでレジスト層ＰＲの格子のトップ面での厚さＴ１  を１．１５μｍとしたものである。そして、図２１（Ａ）は１次成分（１次光±Ｄ１１）の干渉ビームＢＭの場合のシミュレーションであり、図２１（Ｂ）は２次成分（０次光±Ｄ０１と２次回折光±Ｄ２１）の干渉光の場合のシミュレーションである。
【００２７】
この図２１（Ａ）、（Ｂ）から理解されるように、１次成分、２次成分の各干渉光を光電検出して得られた信号の振幅成分は、格子マークの形状（段差Ｔ２  ）の微妙な変化に応じて大きく変化する。例えば図２１（Ａ）中で、格子の段差Ｔ２  が０．８６μｍのとき、１次成分の干渉光の強度変化の振幅は極めて小さくなり、その結果位置検出誤差も急激に大きくなっている。しかしながら、図２１（Ｂ）中で段差Ｔ２  が０．８６μｍのところを見てみると、２次成分の干渉光の強度変化は比較的大きく、位置検出誤差の悪化は少ない。尚、図２１（Ａ）、（Ｂ）中の信号の変化分の振幅はいずれも相対値として表してあるが、そのスケールは図２１（Ａ）と（Ｂ）とで合わせてある。
【００２８】
このように、１次成分の干渉光を使った格子マークの位置検出と２次成分の干渉光を使った格子マークの位置検出とを併用し、そのいずれかの一方の結果を採用するようなアルゴリズムを用いる場合も、先の図２０のシミュレーションから明らかなように、波長依存性を利用して複数の波長成分の照明光で得られた検出位置（又は位置ずれ）を加重平均することが良い。
【００２９】
以上のように、検出光の波長を複数とし、各波長成分毎に得られるマーク位置情報を平均化することによって、従来よりも高精度な位置検出が可能となる。また図２０に示した通り、ある波長の回折光（干渉光）の光量信号の変化分（交流成分）の振幅が小さいと、その波長の回折光を用いた位置検出精度が劣化する確率が高いというシミュレーション結果も得られている。そこで複数の波長成分の回折光（干渉光）を検出する際、各波長成分毎に検出されたマーク位置を、信号の変化分の振幅が小さいものには小さい重みを、そして振幅が大きいものには大きい重みを掛けて平均化する。このようにすると、大きな誤差を含んでいる確率の高い波長成分の回折光を用いたマーク位置の検出結果には、自動的に小さな重みしかかからず、最終的なマーク位置検出結果もそれなりに精度が維持される。
【００３０】
また２次成分（０次光と２次回折光の干渉光）の信号を検出する場合も、各波長成分毎に光電検出して得られた信号を使ってマーク位置を個別に求めるために、回折光（干渉光）の受光時に後述するような各波長の相殺効果によってマーク位置が検出できなくなるおそれが全くない。
【００３１】
【実施例】
図１は、本発明の第１の実施例による位置検出装置の構成を示し、ここでは２つの回折格子ＲＧ、ＭＧの間のピッチ方向（Ｘ方向とする）の相対的な位置ずれ量をホモダイン方式で計測する場合を例示する。照明光束としてのビームＬＢ１  、ＬＢ２  は、それぞれ異なるレーザ光源から互いに異なる波長λ１  、λ２  で射出され、同軸に合成された上でビームスプリッタＢＳ、ミラーＭＲ１  を介して格子ＲＧに垂直に照射される。ビームスプリッタＢＳはビームＬＢ１  、ＬＢ２  の一部分（数％程度）を振幅分割し、ダイクロイックミラーＤＣＭ１  を介して光電素子ＤＴ１  、ＤＴ２  に導く。ダイクロイックミラーＤＣＭ１  は波長λ１  のビームＬＢ１  を９０％以上透過して光電素子ＤＴ１  へ送り、波長λ２  のビームＬＢ２  を９０％以上反射して光電素子ＤＴ２  へ送る。各光電素子ＤＴ１  、ＤＴ２  は、受光した波長λ１  のビームの強度値を表す信号Ｉｒ１と波長λ２  のビームの強度値を表す信号Ｉｒ２とを出力する。
【００３２】
さて、格子ＲＧからはビームＬＢ１  、ＬＢ２  （平行光束）の照射によって、複数の回折光束が発生するが、格子ＲＧを透過型のデューティ１：１の１次元格子とし、そのピッチ方向が図１の紙面内の左右方向だとすると、それら回折光束（回折ビーム）の夫々は図１の紙面内で所定の回折角をもって曲げられる。
図１では、それら回折ビームとして波長λ１  のビームＬＢ１  から生成された１次回折ビーム＋Ｄ１１、−Ｄ１１、波長λ２  のビームＬＢ２  から生成された１次回折ビーム＋Ｄ１２、−Ｄ１２、及び０次ビームＤ０  を示してある。もちろん、各波長のビームＬＢ１  、ＬＢ２  毎に、それ以上の高次回折光も発生するが、ここでは説明を簡略化するために１次回折ビームのみを図示した。
【００３３】
さて、各回折ビームは前群レンズ系Ｇ１と後群レンズ系Ｇ２に分かれた結像光学系に入射する。格子ＲＧが前群レンズ系Ｇ１の前側焦点距離ｆ１ａの位置に配置され、前群レンズ系Ｇ１の後側焦点距離ｆ１ｂの位置と後群レンズ系Ｇ２の前側焦点距離ｆ２ｂの位置とがほぼ一致してフーリエ変換面ＥＰが形成されていると、各１次回折ビームは後群レンズ系Ｇ２の後側焦点距離ｆ２ａの位置で交差（結像）する。ただし、レンズ系Ｇ１、Ｇ２は２つの波長λ１  、λ２  に対して色収差が補正されているものとする。
【００３４】
図１に示すように、フーリエ変換面（瞳面）ＥＰの中央には小さなミラーＭＲ２  が固定され、このミラーＭＲ２  によって格子ＲＧからの０次ビームＤ０  は遮光され、後群レンズ系Ｇ２へ入射することが阻止される。また各１次回折ビームは格子ＲＧから射出するときは、ビームＬＢ１  、ＬＢ２  と同様に平行光束になっているが、前群レンズ系Ｇ１の作用でフーリエ変換面ＥＰの位置でビームウエストとなって収れんする。
【００３５】
ここで、格子ＲＧのピッチをＰｒｇとすると、波長λ１  のビームＬＢ１  によって発生した１次回折ビーム±Ｄ１１の回折角（０次ビームＤ０  に対する角度）θ１  と波長λ２  のビームＬＢ２  によって発生した１次回折ビーム±Ｄ１２の回折角θ２  はそれぞれ以下の式で表される。
ｓｉｎ  θ１  ＝λ１  ／Ｐｒｇ                                                                        （１）
ｓｉｎ  θ２  ＝λ２  ／Ｐｒｇ                                            （２）
ここでλ１  ＜λ２  とするとθ１  ＜θ２  になり、図１に示したようにフーリエ変換面ＥＰにおいて、１次回折ビーム±Ｄ１１の方が１次回折ビーム±Ｄ１２の内側（０次ビームＤ０  側）を通る。
【００３６】
さて各１次回折ビームは、後群レンズＧ２を介して物体側に凹凸形状で形成された被計測用の反射型格子ＭＧ上でそれぞれ平行光束となって重畳する。このとき、格子ＭＧのピッチ方向もＸ方向に一致しており、格子ＭＧ上には１次回折ビーム±Ｄ１１の２光束干渉によって波長λ１  の１次元干渉縞（ピッチ方向はＸ方向）が生成され、１次回折ビーム±Ｄ１２の２光束干渉によって波長λ２  の１次元干渉縞（ピッチ方向はＸ方向）が生成される。このとき、波長λ１  の光と波長λ２  の光が異なる波長であるため、１次回折ビーム±Ｄ１１と±Ｄ１２の間では干渉がおこらない。そして重要なことは、１次回折ビーム±Ｄ１１によって生成された波長λ１  の干渉縞と１次回折ビーム±Ｄ１２によって生成された波長λ２  の干渉縞とは、そのピッチがまったく同一であたかも単一の干渉縞として現れることである。
【００３７】
その干渉縞の強度分布のピッチＰｉｆは格子ＲＧのピッチＰｒｇと結像光学系（Ｇ１、Ｇ２）の倍率Ｍによって決まり、Ｐｉｆ＝Ｍ・Ｐｒｇ／２で表される。例えばピッチＰｒｇを４μｍ、倍率Ｍを１／４（格子ＲＧのパターンサイズが格子ＭＧ側で１／４に縮小される）にすると、干渉縞のピッチＰｉｆは０．５μｍとなる。ここで被計測用の格子ＭＧのピッチＰｍｇをＰｍｇ＝２Ｐｉｆの関係、すなわちＰｍｇ＝Ｍ・Ｐｒｇの関係に定めると、格子ＭＧからは１次回折ビーム±Ｄ１１を送光ビームとした再回折光が発生する。例えば、１次回折ビーム＋Ｄ１１を送光ビームとして格子ＭＧから発生する１つの再回折光は、格子ＭＧから垂直に進む−１次回折光（波長λ１  ）であり、１次回折ビーム−Ｄ１１を送光ビームとして格子ＭＧから発生する１つの再回折光は格子ＭＧから垂直に進む＋１次回折光（波長λ１  ）である。これら垂直に進む波長λ１  の±１次回折光は相互の位相状態に応じた干渉強度をもち、干渉ビームＢＭとなってミラーＭＲ２  へ達する。
【００３８】
一方、格子ＭＧからは１次回折ビーム±Ｄ１２を送光ビームとした再回折光も発生するが、１次回折ビーム＋Ｄ１２の照射により格子ＭＧから発生する−１次回折光（波長λ２  ）は格子ＭＧと垂直に進み、１次回折ビーム−Ｄ１２の照射により格子ＭＧから発生する＋１次回折光（波長λ２  ）も格子ＭＧと垂直に進む。これら垂直に進む波長λ２  の±１次回折光も相互の位相状態に応じた干渉強度をもち、干渉ビームＢＭとなってミラーＭＲ２  へ達する。すなわち、干渉ビームＢＭには波長λ１  の干渉ビームＢｍ１と波長λ２  の干渉ビームＢｍ２とが同軸に含まれている。
【００３９】
その干渉ビームＢＭは、ミラーＭＲ２  で反射されて光電検出系を構成するレンズ系Ｇ３、ダイクロイックミラーＤＣＭ２  を介して光電素子ＤＴ３  、ＤＴ４  に達する。そのダイクロイックミラーＤＣＭ２  は波長λ１  とλ２  を分割するものであり、実質的にダイクロイックミラーＤＣＭ１  と同じものが使われる。従って、干渉ビームＢＭ中の波長λ１  の干渉ビームＢｍ１は光電素子ＤＴ３  で受光され、波長λ２  の干渉ビームＢｍ２は光電素子ＤＴ４  で受光される。
【００４０】
光電素子ＤＴ３  は干渉ビームＢｍ１の強度に応じたレベルの光電信号Ｉｍ１を回路ユニットＣＵ１  とＣＵ３  に出力し、光電素子ＤＴ４  は干渉ビームＢｍ２の強度に応じたレベルの光電信号Ｉｍ２を回路ユニットＣＵ２  とＣＵ４  に出力する。回路ユニットＣＵ１  は光電素子ＤＴ１  からの信号Ｉｒ１と光電信号Ｉｍ１の振幅値との比Ｃ１  をＩｍ１／Ｉｒ１の演算によって求め、回路ユニットＣＵ２  は光電素子ＤＴ２  からの信号Ｉｒ２と光電信号Ｉｍ２の振幅値との比Ｃ２  をＩｍ２／Ｉｒ２の演算によって求める。これらの比Ｃ１  、Ｃ２  のデータは後で述べる加重平均を計算する回路ユニットＣＵ５  に出力される。
【００４１】
さて本実施例ではホモダイン方式を採用したので、干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２の強度は格子ＲＧとＭＧのＸ方向の相対位置変化に応じて変化し、仮に格子ＲＧ、ＭＧがある状態で静止していると信号Ｉｍ１、Ｉｍ２のレベルはそれぞれある一定値を取り続ける。そこで格子ＲＧによって生成された格子ＭＧ上の干渉縞と格子ＭＧとをＸ方向に一定量（干渉縞のピッチＰｉｆ分以上）だけ相対走査させ、その間に生じる信号Ｉｍ１、Ｉｍ２の正弦波状のレベル変化におけるピーク値とボトム値をサンプリングし、その差値を振幅値としてそれぞれ回路ユニットＣＵ１  、ＣＵ２  の演算に使うようにする。
【００４２】
そこで、図２を参照して干渉縞と格子ＭＧとの位置関係の変化に応じた信号Ｉｍ１（Ｉｍ２も同様）の変化を説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）でピッチＰｉｆの干渉縞は２光束干渉であるためきれいな正弦波状の強度分布を有し、格子ＭＧのピッチＰｍｇに対してＰｍｇ＝２Ｐｉｆに設定されている。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順に干渉縞が格子ＭＧに対して右方向に移動していくと、図２（Ｄ）のように信号Ｉｍ１のレベルは正弦波状に変化する。図２（Ｂ）のように干渉縞の各ピークが格子ＭＧの段差エッジと重なる位置で信号Ｉｍ１は点Ｂのようにボトムレベルとなる。ここで図２（Ｄ）中の点Ａのレベルは図２（Ａ）の位置関係の場合を表し、点Ｃのレベルは図２（Ｃ）の位置関係の場合を表す。
【００４３】
このように信号Ｉｍ１は干渉縞と格子ＭＧとがＸ方向にＰｍｇ／２だけ移動する毎に周期的にレベル変化する。このため、予備的に干渉縞と格子ＭＧとを微動させない限り、検出した信号Ｉｍ１のピークレベルやボトムレベルを求めることはできない。以上のことは信号Ｉｍ２についても同様である。信号Ｉｍ２は±１次回折光の干渉ビームＢｍ２の強度を表すから、図２（Ｄ）中に想像線で示したように、信号Ｉｍ１のレベルと大きく異なることはあっても、信号Ｉｍ１に対する位相は極端にずれることはない（ただし、レジストの干渉やマークの非対称性によって数％程度ずれることはある）。このため干渉縞と格子ＭＧとが静止している任意の位置関係のところで信号Ｉｍ１とＩｍ２の各レベルをサンプリングしても、理論上は回路ユニットＣＵ１  、ＣＵ２  による比Ｃ１  、Ｃ２  の演算は可能である。しかしながら、図２（Ｄ）から明らかなように、信号Ｉｍ１、Ｉｍ２がピークとなる点で各レベルをサンプリングした方が各種ノイズの問題や検出精度の点で有利となる。
【００４４】
一方、回路ユニットＣＵ３  、ＣＵ４  はそれぞれ信号Ｉｍ１、Ｉｍ２の振幅値と予め設定された関数または変換演算式Ｆ（Ｉｍ１）、Ｆ（Ｉｍ２）とに基づいて、干渉縞と格子ＭＧのＸ方向の位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  を演算する。この位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  は例えば図２（Ｄ）中の各信号Ｉｍ１、Ｉｍ２のピーク点又はボトム点を基準（原点）として、そこから±Ｐｍｇ／４の範囲内の値として求められる。
【００４５】
関数（または式）Ｆ（Ｉｍ１）、Ｆ（Ｉｍ２）は各信号がＩｍ１、Ｉｍ２が正弦波状であることから、正弦関数または余弦関数を使う。一例として、先に述べた信号Ｉｍ１のピークレベルをＥｐ１、ボトムレベルをＥｂ１とし、検出すべき位置における信号Ｉｍ１のレベルをｅ１  とすると、
（Ｅｐ１＋Ｅｂ１）／２＋｛（Ｅｐ１−Ｅｂ１）ｓｉｎψ１  ｝／２＝ｅ１
を満たすラジアンψ１  を求め、これをピッチＰｍｇの値を使った以下の変換式に代入すれば、基準点からのずれ量ΔＸ１  がわかる。
【００４６】
ΔＸ＝Ｐｍｇ・ψ／４π                                            （３）
こうして算出されたずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  のデータは加重平均演算を行う回路ユニットＣＵ５  に送られ、先に求めた比Ｃ１  、Ｃ２  を重み係数として以下の演算を行う。
ΔＸ＝（Ｃ１  ・ΔＸ１  ＋Ｃ２  ・ΔＸ２  ）／（Ｃ１  ＋Ｃ２  ）            （４）
この演算で求められたずれ量ΔＸが最終的に求めるべき格子ＭＧの格子ＲＧに対する位置ずれ量である。
【００４７】
この演算式から明らかなように、ずれ量ΔＸは干渉ビームＢＭ中の強度が高い方の波長成分の干渉ビームを使った位置ずれ量の計測結果の方により多くの重みをかけるようにして決定される。以上のように本実施例では２つの異なる波長成分のビームＬＢ１  、ＬＢ２  を使って各格子ＲＧ、ＭＧを照射し、受光すべき干渉ビームＢＭも波長別に光電検出し、各波長毎の干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２を使って個別に位置ずれ検出した結果を、波長毎の受光光の振幅に応じて加重平均するようにしたので、より信頼性の高い位置検出結果が得られる。
【００４８】
以上の図１に示した信号処理系（回路ユニットＣＵ１  〜ＣＵ５  ）のアルゴリズムは、以降で説明する他の実施例においても共通したものであり、各回路ユニットの機能を実現するにあたって格別に変更、改良があるときは、その都度説明する。また図１に示した光学配置で、格子ＲＧをマスク上の格子マークとし、格子ＭＧをウエハ上のマークとし、結像系Ｇ１  、Ｇ２  をマスクパターンのウエハへの投影レンズとすれば、投影露光装置でのアライメント装置が実現できる。
【００４９】
図３は第２の実施例による概略的な構成を示し、図１中の部材やビーム等と同一機能のものには同じ符号を付けてある。この第２の実施例では、照明用の２つのビームＬＢ１  、ＬＢ２  をレンズ系Ｇ４を介して結像光学系（Ｇ１、Ｇ２）の瞳面の中央に配置されたミラーＭＲ２  に入射させ、このミラーＭＲ２  で下へ曲げられたビームＬＢ１  、ＬＢ２  を後群レンズ系Ｇ２を介して平行光束にして格子ＭＧに垂直に照射する。そして格子ＭＧで回折した波長λ１  の１次回折ビーム±Ｄ１１と、波長λ２  の１次回折ビーム±Ｄ１２とをレンズ系Ｇ１、Ｇ２を通して格子ＲＧ上で交差（結像）させる。格子ＲＧは透過型なので、１次回折ビーム±Ｄ１１の照射によって格子ＲＧから発生した再回折光のうちの±１次回折光は格子ＲＧと垂直に結像光学系と反対方向に進み、ミラーＭＲ３  とダイクロイックミラーＤＣＭ３  を介して干渉ビームＢｍ１となって光電素子ＤＴ３  で受光される。１次回折ビーム±Ｄ１２の照射によって発生した±１次再回折光も干渉ビームＢｍ２となって干渉ビームＢｍ１と同じ光路を通り、ダイクロイックミラーＤＣＭ３  で選択されて光電素子ＤＴ４  に達する。その他の構成は図１と同じである。
【００５０】
本実施例はビームの送光と受光との関係を図１のものと逆にした構成であるが、この構成は格子ＭＧを半導体ウエハに形成し、格子ＲＧをレチクル（マスク）に形成し、そしてレンズ系Ｇ１、Ｇ２  をレチクルパターンの投影露光用の縮小投影レンズにした（Ｆ）特開平３−３２２４号公報の装置に適用できる。ただし、公報（Ｆ）に開示された装置では、投影レンズの瞳面ＥＰに１次回折ビームを微少量だけ屈折させる小レンズを設け、投影レンズで発生する色収差を補正しているが、図３の実施例を適用するときは、互いにわずかに波長の異なる２組の１次回折ビーム±Ｄ１１、±Ｄ１２の夫々に対して最適な補正が成されるような小レンズ（例えば色分散の大きいフリント系の硝材）を設ける必要がある。
【００５１】
以上、第２の実施例では照明用のビームＬＢ１  、ＬＢ２  を例えばウエハ上の格子ＭＧに直接入射するように構成したので、格子ＭＧから発生する１次回折ビーム±Ｄ１１、±Ｄ２１の各強度を、図１中の格子ＭＧから発生する回折ビーム（干渉ビームＢＭ）の強度よりも総じて高めることができる。
次に本発明の第３の実施例を図４、図５、図６を参照して説明するが、ここではホモダイン方式に代わってヘテロダイン方式を用いる。図４において、３つのレーザ光源ＬＳ１  、ＬＳ２  、ＬＳ３  はそれぞれ異なる波長λ１  、λ２  、λ３  のレーザビームＬＢ１  、ＬＢ２  、ＬＢ３  を射出する。一例として、レーザ光源ＬＳ１  はλ１  ＝０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光源、光源ＬＳ２  はλ２  ＝０．６９０μｍの半導体レーザ光源、光源ＬＳ３  はλ３  ＝０．７６０μｍの半導体レーザ光源に設定され、波長の関係はλ１  ＜λ２  ＜λ３  に選ばれるものとする。
【００５２】
これら３本のビームＬＢ１  、ＬＢ２  、ＬＢ３  はミラーＭＲ、ダイクロイックミラーＤＣＭ４  、ＤＣＭ５  を介して１本の同軸のビームＬＢ０  に合成され、ミラーＭＲで反射されて回転ラジアル格子板ＲＲＧに入射する。この格子板ＲＲＧは一方向に等角速度で回転軸Ｃ０  の回りに高速回転しており、この格子板ＲＲＧによって回折された各次数の回折光の周波数を、角速度に応じた分だけ増減させる作用を有する。
【００５３】
図５は回転ラジアル格子板ＲＲＧの拡大斜視図であり、ここでは回転軸Ｃ０  をＸＹＺ座標系のＺ軸と平行に設定し、円形の格子板ＲＲＧには円周上に透過型の位相回折格子ＲＧが３６０度に渡って形成されている。ビームＬＢ０  が格子板ＲＲＧの格子ＲＧに垂直に入射すると、０次光Ｄ０  以外に各種の回折光が発生する。本実施例では±１次回折光を用いてヘテロダイン方式を実現するので、図４、図５では格子板ＲＲＧからの±１次回折光のみを示してある。
【００５４】
さて、先の図１で示したのと同様に格子板ＲＲＧの格子ＲＧからは、波長λ１  のビームＬＢ１  から作られた１次回折ビーム±Ｄ１１と、波長λ２  のビームＬＢ２  から作られた１次回折ビーム±Ｄ１２と、そして波長λ３  のビームＬＢ３  から作られた１次回折ビーム±Ｄ１３が発生する。各波長毎に１次回折ビームの回折角θは以下のように表される。
【００５５】
ｓｉｎ  θｎ  ＝λｎ  ／Ｐｒｇ
ここでｎは波長を表し、Ｐｒｇは格子ＲＧのピッチを表す。
一方、１次回折ビームは波長によらず一定の周波数偏移Δｆを受け、格子板ＲＲＧの格子ＲＧがビームＬＢ０  を横切る速度をＶとすると、Δｆ＝Ｖ／Ｐｒｇで表され、＋１次回折ビームは０次光Ｄ０  の周波数に対してΔｆだけ高くなり、−１次回折ビームは０次光Ｄ０  の周波数に対してΔｆだけ低くなる。このため回転ラジアル格子板ＲＲＧは周波数シフターとして作用する。
【００５６】
さて、３つの波長成分の１次回折ビーム±Ｄ１ｎ（ｎ＝１、２、３）からなる送光ビーム±ＬＦと０次光Ｄ０  は図４に示すようにコリメータレンズ１０により主光線が互いに平行になるように変換され、光束選択部材１２に達する。この光束選択部材１２は、いわゆるフーリエ変換面に置かれる空間フィルターとして機能し、ここでは０次光Ｄ０  が遮断され、１次回折光±Ｄ１ｎによる送光ビーム±ＬＦが通過する。
【００５７】
その後、送光ビーム±ＬＦは傾斜量が可変な平行平板ガラスで構成された調整光学系１４、１６、１８を介してビームスプリッタ（ハーフミラー）２０に達する。調整光学系１４は送光ビーム＋ＬＦと送光ビーム−ＬＦとのフーリエ空間での間隔を変えることなく、レンズ１０の光軸に対して偏心させる機能を有し、調整光学系１６、１８は送光ビーム＋ＬＦと送光ビーム−ＬＦとの夫々の光軸に対する位置を個別に調整する機能を有する。
【００５８】
その送光ビーム±ＬＦはビームスプリッタ２０で２つに分割され、一方は対物レンズ２２に入射し、他方は波長選択フィルター２４を介して送光ビーム±ＬＦ中の特定の波長の１次ビーム、ここではλ２  の１次ビーム±Ｄ１２のみが選択されて集光レンズ（フーリエ変換レンズ）２６に入射する。
一方対物レンズ２２に入射した送光ビーム±ＬＦは、それぞれ平行光束となって互いに異なる角度でウエハＷ上の格子ＭＧを同時に照射する。これによって格子ＭＧ上には、波長λ１  の送光ビーム±Ｄ１１の干渉によって作られた干渉縞、波長λ２  の送光ビーム±Ｄ１２の干渉によって作られた干渉縞、及び波長λ３  の送光ビーム±Ｄ１３によって作られた干渉縞の３つが、同一ピッチ、同一位相で重畳して現れる。さらに送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの間の周波数差２・Δｆのため、その干渉縞は格子ＭＧ上を一方向に等速度で移動しているように観測される。その移動速度は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの速度Ｖに比例している。なお、図４から明らかなように、ウエハＷ表面（格子ＭＧ）とラジアル格子板ＲＲＧとは、コリメータレンズ１０と対物レンズ２２との合成系によって互いに共役（結像関係）になるように配置されている。そのためラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの±１次回折光による回折像が、ウエハＷの格子ＭＧ上に形成されるが、０次光Ｄ０  が遮へいされているため格子ＲＧのピッチの１／２の回折像（干渉縞強度分布）が形成される。そして、その干渉縞のウエハＷ上でのピッチＰｉｆは先の実施例と同様に格子ＭＧのピッチＰｍｇの１／２に設定されている。
【００５９】
以上のような関係を満たすとき、送光ビーム±ＬＦの照射によって格子ＭＧから１次回折光が垂直に発生する。すなわち送光ビーム＋ＬＦの照射によって垂直に発生した１次回折光と、送光ビーム−ＬＦの照射によって垂直に発生した１次回折光とが干渉した干渉ビームＢＭが発生する。この干渉ビームＢＭは周波数２・Δｆで強度変調されたビート光となっている。このように、±１次回折光（干渉ビームＢＭ）を同一方向に発生させるために、別の見方をすれば対物レンズ２２の焦点距離をＦ０  として各波長毎の送光ビーム±ＬＦのフーリエ変換面上での光軸からの間隔ＤＬｎ  を、
ＤＬｎ  ＝Ｆ０  ・ｓｉｎ  θｎ  ＝±Ｆ０  ・λｎ  ／Ｐｍｇ（ｎ＝１、２、３）
に設定すればよい。このような各波長毎の間隔ＤＬｎ  の設定は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧのピッチやコリメータレンズ１０の焦点距離を適当に定めることで調整可能である。
【００６０】
またウエハＷ上に形成される干渉縞はラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの回折像として結像されているため、原理的には３つの波長λ１  、λ２  、λ３  のうちの１つの波長成分による干渉縞のピッチとウエハＷの格子マークＭＧのピッチとが整数倍の関係になっていれば、他の波長成分による干渉縞のピッチも自ずとその関係になっている筈であり、さらに各波長成分毎の干渉縞も完全に合致して相互に位相ずれ、位置ずれを起こしていない筈である。しかしながら、実際には対物レンズ２２、コリメータレンズ１０等の光学系の色収差の程度に応じて、各波長成分毎の干渉縞は相互に位置ずれ、位相ずれ、及びピッチずれを起こしてしまう。
【００６１】
そこでこのようなずれを補正するために、図４中の調整光学系１４、１６、１８を用いる。これらの光学系１４、１６、１８は平行平板ガラスで構成され、その材料として色分散の大きいものを用いると、各波長成分毎にウエハＷ上に形成される干渉縞の相互の位置ずれや位相ずれを微小に変化させることができる。あるいは調整光学系１４、１６、１８として、色分散の小さい平行平板ガラスと色分散の大きい平行平板ガラスとを組み合わせ、色分散の大きい平行平板ガラスの傾き調整で各波長成分毎の干渉縞の相互の関係を補正し、その補正によって生じる送光ビーム±ＬＦのウエハ上での全体的な傾き誤差に関しては、色分散の小さい平行平板ガラスの傾き調整で補正することができる。
【００６２】
さて、以上のような干渉縞によって照明された格子ＭＧから垂直に発生した干渉ビームＢＭは、対物レンズ２２、ビームスプリッタ２０を通過して空間フィルター２８に達する。この空間フィルター２８は対物レンズ２２に関するフーリエ変換面、またはその近傍に配置され、本実施例では干渉ビームＢＭ（±１次回折光）のみを透過させる開口を有している。そして空間フィルター２８を透過した干渉ビームＢＭはレンズ系（逆フーリエ変換レンズ）３０で平行光束に変換された後、第１のダイクロイックミラー３２、第２のダイクロイックミラー３４の夫々によって波長選択される。
【００６３】
まず干渉ビームＢＭのうち波長λ１  の成分のビームＢｍ１はダイクロイックミラー３２で９０％以上が反射されて光電素子３６Ａに受光される。干渉ビームＢＭのうち波長λ２  の成分のビームＢｍ２は、ダイクロイックミラー３２を透過した後ダイクロイックミラー３４で９０％以上が反射されて光電素子３６Ｂに受光され、干渉ビームＢＭのうち波長λ３  の成分のビームＢｍ３はダイクロイックミラー３２、３４を透過して光電素子３６Ｃに受光される。これら光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは、先の図１中の光電素子ＤＴ３  、ＤＴ４  と同じ機能を有し、ただ、受光すべき干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２、Ｂｍ３の夫々がビート周波数２・Δｆで強度変調されている点で異なるだけである。なお、使用する波長λ１  、λ２  、λ３  の間隔によっては、ダイクロイックミラー３２、３４による波長分割が不十分なこともあるので、各受光素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの直前に干渉フィルター（狭帯バンドパスフィルター）を配置してもよい。またダイクロイックミラー３２、３４はそれぞれ送光系側のダイクロイックミラーＤＣＭ５  、ＤＣＭ４  と同じものであることはいうまでもない。
【００６４】
各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの光電信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３は、格子マークＭＧからの干渉ビームＢＭが存在する間、いずれもビート周波数２・Δｆと同じ周波数で正弦波状にレベル変化する波形となる。
一方、波長選択フィルター２４で選択され、集光レンズ２６に入射した１次ビーム±Ｄ１２は、透過型の参照格子ＳＧ上に重畳して照射される。ここでも参照格子ＳＧはコリメータレンズ１０と集光レンズ２６との合成系に関して回転ラジアル格子板ＲＲＧと共役に配置されている。このため参照格子ＳＧ上にも１次ビーム±Ｄ１２の２光束干渉による１次元の干渉縞が形成され、それはビート周波数２・Δｆに対応した速度で移動する。
【００６５】
そこで参照格子ＳＧのピッチとその干渉縞のピッチとを適当に定めると、参照格子ＳＧから発生した±１次回折光が同一方向に干渉ビームＢｍｓとなって進み、それは空間フィルター３８を透過して光電素子４０に受光される。この光電素子４０の光電信号Ｉｍｓは、ビート周波数２・Δｆと同じ周波数で正弦波状にレベル変化する波形となり、その信号Ｉｍｓがヘテロダイン方式の基準信号となる。
【００６６】
以上の構成で参照格子ＳＧは、ガラス板上にクロム層を蒸着し、そのクロム層を透明ラインと遮光ラインとが交互に形成されるようにエッチングして作られているため、少なくともウエハＷ上の格子マークＭＧのような非対称性、レジスト層の問題がないほぼ理想的な格子、すなわち振幅透過率が対称的な格子として作られる。このため参照格子ＳＧに照射される一対の送光ビームは３つの波長λ１  、λ２  、λ３  のうちいずれか１つの波長に対応した１次ビームだけでも十分な精度が得られる。もちろん、送光ビーム±ＬＦに含まれる３つの１次ビーム±Ｄ１１、±Ｄ１２、±Ｄ１３の全てを同時に参照格子ＳＧに照射して、ウエハ上の格子マークＭＧと同様に多色干渉縞を形成するようにしてもよい。
【００６７】
このように参照格子ＳＧ上に多色干渉縞を形成し、この参照格子ＳＧから発生する干渉ビームＢＭｓ  を各波長毎に分離して光電検出するように構成すると、波長λ１  に応じた基準信号、波長λ２  に応じた基準信号、及び波長λ３  に応じた基準信号が個別に得られるため、波長毎に格子マークＭＧの位置計測が可能となる。さらにウエハＷ上に形成される３つの波長成分毎の干渉縞が相互に一定の位置ずれ（位相ずれ）を起こしていても、それを予めオフセット量として計測しておくことも可能となる。そのことについては後で詳しく述べる。
【００６８】
ところで、図４に示したウエハＷは対物レンズ２２の光軸と垂直な面（ＸＹ平面）内で２次元移動するウエハステージＷＳＴ上に載置される。このステージＷＳＴ上の２次元移動は駆動モータを含む駆動源４２によって行われ、モータによって送りネジを回転させる方式、又はリニアモータによってステージ本体を直接運動させる方式のいずれでもよい。さらにステージＷＳＴの座標位置はレーザ干渉計４４によって逐次計測される。このレーザ干渉計４４の計測値は駆動源４２のフィードバック制御に使われる。さらにウエハステージＷＳＴの一部には、フィデューシャルマーク板ＦＧが設けられている。このマーク板ＦＧには石英ガラスの表面にクロム層でライン・アンド・スペースをパターニングした反射型の強度格子（ピッチはウエハ上の格子ＭＧと同一）が形成されている。このため強度格子は、ウエハＷ上に凹凸で形成された格子マークＭＧのような位相格子と異なり、非対称性がなく回折効率が照明光（又は検出光）の波長に依存しないという特徴、すなわち振幅反射率に非対称性がないという特徴を有する。さらにクロム層の反射率も位置検出用の照明光の波長帯（一般には０．５〜０．８μｍ）では殆ど変化しない。このため、フィデューシャルマーク板ＦＧ上の強度格子を用いると、各波長毎に得られた光電信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の各振幅の変化や相互の比を正確に求めることができる。
【００６９】
以上の図４の構成において、光源として半導体レーザを用いるが、この場合半導体レーザ（ＬＳ２  、ＬＳ３  ）と各ダイクロイックミラーＤＣＭ４  、ＤＣＭ５  との間に非点収差除去用の整形光学系（傾斜した複数枚の平行平板ガラス等）を設け、１本に合成されたビームＬＢ０  の各波長成分毎の光束成分をほぼ等しい径にするのが好ましい。またそれ以外の場合にも、合成後のビームＬＢ０  の径を各波長成分毎に揃えるようなビーム整形光学系を設けるのが望ましい。
【００７０】
また図４では説明を簡単にするために周波数シフターとして回転ラジアル格子板ＲＲＧを用いたが、その他に２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いたり、中心波長λ１  で発振する第１のゼーマンレーザ光源と中心波長λ２  で発振する第２のゼーマンレーザ光源とを光源として用いてもよい。ただし、ゼーマンレーザの場合、一般的には偏光方向が相補的な２つのレーザビームを発振し、そのビーム間に数百キロＨｚ〜数メガＨｚの周波数差を与えているため、光電検出する干渉ビームのビート周波数もそれなりに高くなり、光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、４０等は応答性の高いＰＩＮダイオードやフォトマル等を使うことになる。
【００７１】
また図４に示した各種ダイクロイックミラーはプリズム等の分散素子に置き換えてもよい。この場合、１個のプリズムは、例えば２つのダイクロイックミラーＤＣＭ４  、ＤＣＭ５  の組、あるいはダイクロイックミラー３２、３４の組と同じ機能を有する。
次に図４の装置に好適な位置検出、位置制御回路の一例を図６を参照して説明する。図４のヘテロダイン方式の場合、ウエハＷ上の格子マークＭＧ、又はフィデューシャルマーク板ＦＧから干渉ビームＢＭが発生している間、各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、４０からの信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３、Ｉｍｓは図７に示すような正弦波状の交流波形となる。
【００７２】
図７（Ｄ）は基準信号となる信号Ｉｍｓの時間的な強度変化を表し、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれウエハＷ上の格子マークＭＧからの干渉ビームＢＭを受光したときの信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の時間的な強度変化の一例を示す。ここで信号Ｉｍｓの位相を基準にすると、信号Ｉｍ１の位相は信号Ｉｍｓに対して−Δψ１  だけずれ、信号Ｉｍ２の位相は信号Ｉｍｓに対して−Δψ２  だけずれ、そして信号Ｉｍ３は信号Ｉｍｓに対して＋Δψ３  だけずれているものとする。また、信号Ｉｍ１の振幅（交流成分のピークｔｏピーク）はＥ１  、信号Ｉｍ２の振幅はＥ２  、信号Ｉｍ３の振幅はＥ３  であるものとする。
【００７３】
さて、図６に示された回路ブロックにおいて、各信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３、Ｉｍｓはアナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄコンバータ）回路ユニット５０に入力され、ここでサンプリングクロック発生回路５２からのクロック信号（パルス）Ｃｐｓに応答して各信号のその瞬間の強度レベルがデジタル値に変換される。クロック信号Ｃｐｓの周波数は信号Ｉｍｎ（ｎ＝１、２、３）、Ｉｍｓのビート周波数よりも十分に高く定められ、そのクロック信号Ｃｐｓは波形メモリ回路ユニット５４にも送られ、Ａ／Ｄコンバータ５０からのデジタル値（データ）を記憶する際のメモリアドレスの更新に使われる。従って、波形メモリ回路ユニット５４には、図７に示した４つの波形データが、各信号Ｉｍｎ、Ｉｍｓの所定周期分（例えば、１０周期分以上）に渡ってデジタルサンプリングされる。このとき、４つの信号Ｉｍｎ、Ｉｍｓは共通のクロック信号Ｃｐｓによって同時にサンプリングされるので、波形メモリ回路ユニット５４内の各波形データには時間軸上でのずれがないものとする。なお、回転ラジアル格子板ＲＲＧを用いた場合、ビート周波数は数ＫＨｚ程度が上限であるため、クロック信号Ｃｐｓも十数ＫＨｚ程度でよい。また、（Ｆ）特開平６−８２２１５号公報のように２個のＡＯＭをタンデムに配置した周波数シフターを用いる場合、ビート周波数は各ＡＯＭに加える高周波数変調信号の周波数の差の２倍で決まるので比較的自由に定めることができる。
【００７４】
さて、メモリ回路ユニット５４内の各波形データは位相差Δψｎ  （ｎ＝１、２、３）、位置ずれΔＸｎ  （ｎ＝１、２、３）の検出回路ユニット５６に読み込まれ、ここで図７に示したような各位相差Δψ１  、Δψ２  、Δψ３  がデジタル演算（フーリエ積分法）により算出される。先に仮定したようにウエハＷの格子マークＭＧのピッチＰｍｇと、この上に照射される干渉縞のピッチＰｉｆとがＰｍｇ＝２Ｐｉｆに設定されていると、図７の各波形の１周期はＰｍｇ／２に対応している。また一般に位相差計測は±１８０度の範囲で行われるので、検出回路５６は演算された位相差Δψ１  、Δψ２  、Δψ３  を、先の式（３）に従って±Ｐｍｇ／４の範囲内の位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  に変換する。このずれ量ΔＸｎ  は参照格子ＳＧに対する格子マークＭＧの±Ｐｍｇ／４内でのずれを表す。
【００７５】
ここで位相差計測の分解能として０．２度程度が得られるものとすると、ずれ量の分解能はほぼ（０．２／１８０）Ｐｍｇ／４となり、ピッチＰｍｇを４μｍにすると実用的な範囲として０．００２μｍ（２ｎｍ）程度が得られる。
一方、信号振幅、及び振幅比検出回路ユニット５８は、波形メモリ回路ユニット５４に記憶された図７のような各波形データを読み出し、各波形毎の振幅値Ｅ１  、Ｅ２  、Ｅ３  をデジタル演算によって検出する。この検出回路ユニット５８には、予めフィデューシャルマーク板ＦＧの格子から発生した干渉ビームＢＭを各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃで受光したときに得られる光電信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の各々の振幅値Ａ１  、Ａ２  、Ａ３  が記憶されている。
【００７６】
すなわち、ウエハＷ上の格子マークＭＧを計測する前にフィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークを対物レンズ２２の下に移動させ、各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃから図７のような信号を発生させ、それを波形メモリ回路ユニット５４に記憶させた後、振幅検出回路５８で振幅値Ａ１  、Ａ２  、Ａ３  を検出して記憶させておく。この際、マーク板ＦＧが検出されるステージＷＳＴの静止位置をレーザ干渉計４４から読み取って記憶するとともに、ずれ量検出回路ユニット５６で各波長毎の位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３も求めておけば、それをベースライン決定時のデータとして利用することができる。
【００７７】
尚、ここで言うベースラインとは、各波長毎に計測されたマーク板ＦＧ上の格子マークの位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３が極めて微少量だけ相互に異なっているときに、その相互の微少誤差分を意味する。本来、図４に示した送光系では波長λ１  、λ２  、λ３  の各ビームによってフィデューシャルマーク板ＦＧ上に生成される各波長毎の干渉縞が厳密に一致し、各波長毎の光電検出系の電気的な応答性、歪み特性が十分に揃っていれば、マーク板ＦＧの位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３の各値は完全に一致するはずである。
【００７８】
しかしながら現実問題として、分解能が２ｎｍ程度にもなると、その分解能程度に位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３が揃うように送光系や検出系を調整しておくことは難しい。そのため、マーク板ＦＧで計測された位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３の相互差が図４に示したアライメント系固有のオフセット（ベースライン誤差）として残存することになる。
【００７９】
そのベースライン誤差は、ウエハＷ上の格子マークＭＧを検出して検出回路５６で求められる各波長毎の位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  の夫々を、先に求めた位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３の夫々で補正計算することでされる。一例として、図４の装置では参照格子ＳＧから得られる干渉ビームＢｍｓを波長λ１  に制限したため、計測されたフィデューシャルマーク板ＦＧの位置ずれ量ΔＸｂ１を基準として、ΔＸｂ２−ΔＸｂ１＝ΔＸｂ２１  、ΔＸｂ３−ΔＸｂ１＝ΔＸｂ３１  を計算して記憶しておく。そしてウエハＷ上の格子マークＭＧについて計測された位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  に対して、ΔＸ２  −ΔＸ１  ＝ΔＸｂ２１  になるようにΔＸ２  の値を補正計算し、ΔＸ３  −ΔＸ１  ＝ΔＸｂ３１  になるようにΔＸ３  の値を補正計算すればよい。
【００８０】
もちろん、参照格子ＳＧから得られる干渉ビームＢｍｓに各波長λ１  、λ２  、λ３  が含まれるように構成し、その各波長毎の干渉ビームを別々に光電検出して基準信号を作る場合は、各基準信号（各波長）毎にフィデューシャルマーク板ＦＧの位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３が求まるので、計測されたウエハ上の格子マークＭＧの位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  を、ΔＸ１  −ΔＸｂ１、ΔＸ２  −ΔＸｂ２、ΔＸ３  −ΔＸｂ３のように補正計算すればよい。
【００８１】
さらに振幅比検出回路ユニット５８は、予め記憶してある振幅値Ａ１  、Ａ２  、Ａ３  とウエハＷ上の格子マークＭＧを検出したときに得られる振幅値Ｅ１  、Ｅ２  、Ｅ３  との各比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  を、Ｃ１  ＝Ｅ１  ／Ａ１  、Ｃ２  ＝Ｅ２  ／Ａ２  、
Ｃ３  ＝Ｅ３  ／Ａ３  として算出する。この比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  は、先の図１の実施例で説明した重み係数に相当する。
【００８２】
以上のようにして求められた位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  と比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  のデータは、加重平均化演算回路ユニット６０に送られ、ここで重みを加えた格子マークＭＧのずれ量ΔＸを算出する。その演算は次式によって行われる。
ΔＸ＝（Ｃ１  ・ΔＸ１  ＋Ｃ２  ・ΔＸ２  ＋Ｃ３  ・ΔＸ３）／  （Ｃ１  ＋Ｃ２  ＋Ｃ３）
こうして求められたずれ量ΔＸは、参照格子ＳＧに対する格子マークＭＧのピッチ方向のずれであり、そのデータは位置制御、表示器６２に送られるとともに、ウエハＷをリアルタイムにアライメント（位置決め）する場合にはサーボ制御回路ユニット６４にも送られる。
【００８３】
このサーボ制御回路ユニット６４は２つの機能を有しており、その１つはずれ量ΔＸが所定の値になるまで駆動源４２をフィードバック制御する機能（ダイレクトサーボモード）である。この機能の場合は、Ａ／Ｄコンバータ回路５０、メモリ回路ユニット５４、ずれ量検出回路ユニット５６、及び平均化回路ユニット６０の動作が逐次繰り返され、極めて短い時間（例えば数ｍｓｅｃ．）毎にずれ量ΔＸの値が算出される。なお、振幅比検出回路ユニット５８による比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  の算出は初めの１回だけでもよいし、ずれ量ΔＸの算出の度に毎回行ってもよい。比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  の算出を毎回行う場合は、加重平均化回路ユニット６０によるずれ量ΔＸの算出毎に比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  の値が若干変化することがあることは言うまでもない。また比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  の算出を初めの１回又は複数回だけにする場合は、それ以降同じ格子マークＭＧを検出する間は同じ比の値が使われる。
【００８４】
一方サーボ制御回路ユニット６４のもう１つの機能は、ウエハステージＷＳＴをレーザ干渉計４４の計測値に基づいて移動させる機能（干渉計サーボモード）である。この機能は、例えばステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧの格子やウエハＷ上の格子マークＭＧを対物レンズ２２の直下に位置決めしたり、検出された格子マークＭＧの位置を基準としてウエハＷ上の任意の点を対物レンズ２２の直下に位置決めしたりするときに使われる。この干渉計サーボモードの場合、位置制御器６２からウエハステージＷＳＴの目標位置情報がサーボ制御回路ユニット６４に出力され、制御回路ユニット６４はレーザ干渉計４４から読み取ったステージＷＳＴの現在位置と目標位置との偏差が所定の許容範囲（例えば±０．０４μｍ）に入るように駆動源４２をフィードバック制御する。
【００８５】
なお、干渉計サーボモードに続いてダイレクトサーボモードを実行する場合、ダイレクトモードによるサーボ可能範囲は格子マークＭＧのピッチＰｍｇに対して±Ｐｍｇ／４である。もしそれ以上にずれていると、格子マークＭＧの１ピッチの半分のオフセットが生じたまま位置決めされてしまうからである。そこで、干渉計サーボモードのときのステージＷＳＴの位置決め許容範囲を定常的に±０．０４μｍにするのではなく、格子マークＭＧ（又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）を検出するときだけ、許容範囲を±〔（Ｐｍｇ／４）−α〕に切り換えるようにしてもよい。例えばピッチＰｍｇが４μｍのとき、その許容範囲を±０．５μｍ程度にすると、通常の許容範囲（±０．０４μｍ）よりもはるかにゆるい精度で位置決めサーボが可能なので、追い込み時間が短縮されることになる。そして、そのゆるい許容範囲（±０．５μｍ）に入ったらただちにダイレクトサーボモードに切り換えることで、高速で高精度な位置決め（位置合わせ）が可能となる。
【００８６】
さて、位置制御、表示器６２は上述のサーボモードの切り換え指示の他に、格子マークＭＧの座標位置や求められたずれ量ΔＸを表示する機能も有する。また場合によっては、格子マークＭＧを検出したときの重み係数となる比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  の値も記憶、保存する。この場合、ウエハＷ上の多数の位置に同一の格子マークＭＧが形成され、それらマークＭＧの位置を順次検出するときに、比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  も順次記憶しておくと、ウエハＷ上のどの部分のマークＭＧに非対称性やレジスト層のむらに起因した問題があったのかを検証することができる。そして、ウエハＷ上で重み係数（比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  ）が大きく変化した部分をグラフィック表示するようにしてもよい。この際、拡散工程やエッチング工程等の化学プロセスを経て、レジスト層を塗布する前のウエハを図４の装置に装着して重み係数の変化を求めれば、その化学プロセスによるウエハ面上の影響を間接的に調べることもできる。さらにそのウエハにレジスト層を塗布して同様に重み係数の変化を求めて塗布前の重み係数の変化と比較すれば、レジスト層による影響を間接的に調べることもできる。
【００８７】
以上の第３の実施例ではステージＷＳＴ上にフィデューシャルマーク板ＦＧを設け、これを使って各波長毎の信号振幅の変化率、すなわち比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  を求めるようにしたので、第１の実施例（図１）のように送光ビームＬＢ１  、ＬＢ２  の光強度を直接検出する光電素子ＤＴ１  、ＤＴ２  を設ける必要がない。このことは逆に、第１（又は第２）の実施例においても基準となるフィデューシャルマーク板ＦＧを格子ＭＧと並置すれば、光電素子ＤＴ１  、ＤＴ２  を設けることなく比Ｃ１  、Ｃ２  を検出できることを意味する。
【００８８】
図８は第４の実施例による信号処理回路の構成を示し、ここでは図４に示した波長選択フィルター２４を省略し、参照格子ＳＧからの干渉ビームＢｍｓをダイクロイックミラー等で３つの波長λ１  、λ２  、λ３  毎のビームＢｍｓ１  、Ｂｍｓ２  、Ｂｍｓ３  に分離し、それらを個別に光電検出する３個の光電素子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを用いるものとする。この場合、計測用の光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃからの各信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３はそれぞれ光電素子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃからの参照信号Ｉｍｓ１  、Ｉｍｓ２  、Ｉｍｓ３  との間で位相差検出が行われる。すなわち、計測信号Ｉｍ１に関しては参照信号Ｉｍｓ１  との位相差Δψ１  を求めることによって、波長λ１  の送光ビームを使ったときの格子マークＭＧの位置ずれ（ΔＸ１  ）が求められる。
【００８９】
このような構成の場合、波形データを取り込むべき信号の数が多いので、図８に示すように各波長に対応して３組の波形サンプリング回路（図６中のＡ／Ｄコンバータ５０、クロック発生回路５２、メモリ回路５４の機能を有する）８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを設ける。この回路８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの内部構成はいずれも同一なので、図８では回路８０Ａのみについて詳細な構成を示し、他の回路８０Ｂ、８０Ｃでは詳細説明を省略する。
【００９０】
さて本実施例では、回路８０Ａに示したように、計測用の干渉ビームＢｍ１を受光する光電素子３６Ａからの信号Ｉｍ１と、参照用の干渉ビームＢｍｓ１  を受光する光電素子４０Ａからの信号Ｉｍｓ１  とを、それぞれサンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路８００、８０２に入力し、そのＳ／Ｈ回路８００、８０２からの信号レベルをアナログ・マルチプレクサ８０４を介してアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）８０６に入力する。
【００９１】
ＡＤＣ８０６で変換されたデジタル値は、書き換え自在のメモリ（ＲＡＭ）８０８のアクセスされたアドレスに書き込まれる。このＲＡＭ８０８はアドレスカウンタ８１０によってアドレス値が作成され、アドレス値はクロック信号Ｃｐｓに応答してインクリメンタル（又はデクリメント）される。ただしここでは、アドレスカウンタ８１０に特別な機能を持たせ、クロック信号Ｃｐｓをアドレスカウンタの特定の上位ビットの１つにフラグとして供給するように構成されている。これによってＲＡＭ８０８のアドレス空間は２つのページに分けられ、クロック信号Ｃｐｓが論理「０」の間は１ページ目のアドレス空間がアクセスされ、クロック信号Ｃｐｓが論理「１」の間は２ページ目のアドレス空間がアクセスされる。
【００９２】
そのクロック信号ＣｐｓはＳ／Ｈ回路８０２にも供給される。さらにクロック信号Ｃｐｓはタイミング回路８１４にも供給され、ＡＤＣ８０６のデジタル変換のタイミングとＲＡＭ８０８のデータ書き込みタイミングのための信号（パルス）ノ作成に使われる。
従ってクロック信号Ｃｐｓが「１」のときは、Ｓ／Ｈ回路８０２がホールド状態となり、光電素子３６Ａの信号Ｉｍ１のその時のレベルがアナログマルチプレクサ８０４を介してＡＤＣ８０６に供給され、そのレベルに応じたデジタル値がＲＡＭ８０８の２ページ目のアドレス空間内の１つのアドレス位置に記憶される。逆にクロック信号Ｃｐｓが「０」のときはＳ／Ｈ回路８０２がホールド状態となり、光電素子４０Ａの信号Ｉｍｓ１  のその時のレベルがマルチプレクサ８０４を介してＡＤＣ８０６に供給され、そのレベルに応じたデジタル値がＲＡＭ８０８の１ページ目のアドレス空間内の１つのアドレス位置に記憶される。
【００９３】
以上の動作が信号Ｉｍ１（又はＩｍｓ１  ）の所定周期分（例えば１０周期以上）だけ高速に繰り返され、ＲＡＭ８０８の１ページ目には参照信号Ｉｍｓ１  の波形データが記憶され、２ページ目には計測信号Ｉｍ１の波形データが記憶される。こうしてＲＡＭ８０８に記憶された１組の波形データは、マイクロプロセッサ等のアドレスバスＡＢＳからアドレスカウンタ８１０に設定されたアドレス値に応答して、マイクロプロセッサのデータバスＤＢＳに読みだされる。そのマイクロプロセッサは図６に示した各検出回路５６、５８と同じ機能を達成するプログラムによって各波形データを処理し、位置ずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  を求める。
【００９４】
以上のサンプリング回路８０Ａの構成、動作はサンプリング回路８０Ｂ、８０Ｃでも全く同じであり、回路８０Ｂは計測信号Ｉｍ２と参照信号Ｉｍｓ２  との各波形データを一時的に記憶し、回路８０Ｃは計測信号Ｉｍ３と参照信号Ｉｍｓ３  の各波形データを一時的に記憶する。
この第４の実施例では計測信号Ｉｍｎと参照信号Ｉｍｓｎ  との夫々に対してＡ／Ｄコンバータを設けていないので、マイクロ秒オーダー内で同時にサンプリングすることは難しいが、現実問題として干渉ビームのビート周波数が数十ＫＨｚ以下であれば、マイクロ秒オーダーの同時性は余り必要ではない。むしろＡ／Ｄコンバータ等の個数を半分にして回路構成を簡素化することによって信号処理回路のハードウエアコストを低減させた方が有利である。
【００９５】
ところでウエハステージＷＳＴ上に既知の反射率のクロム表面をもったフィデューシャルマーク板ＦＧを固定した場合は、先にも触れたようにそのマーク板ＦＧを各種ベースライン量の計測やフォーカス状態の計測に利用することができる。ベースライン量とは、基本的には投影露光装置に装着されたマスク（レチクル）の中心の投影点と各種ウエハアライメント系の検出中心点との相対的な位置関係を決定するための計測動作を意味する。
【００９６】
図９は本発明の第５の実施例として、ベースライン量の計測が必要な投影露光装置の概略的なアライメント系の配置を示し、レチクルＲはレチクルステージＲＳＴ上に吸着され、そのレチクルＲのパターン像は等倍、又は縮小の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の所定のショット領域に投影露光されるように構成されている。
【００９７】
図９において、ウエハステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧの表面には、スルーザレチクル（ＴＴＲ）方式のアライメント系ＴＴＲＡによって検出可能なマーク群と、レチクルアライメント系ＲＡによって検出可能なマーク群と、スルーザレンズ（ＴＴＬ）方式のアライメント系ＴＴＬＡによって検出可能なマーク群と、そして投影光学系ＰＬの外部に固定されたオフ・アクシス方式のアライメント系ＯＦＡによって検出可能なマーク群とが形成されている。これらのマーク群は一部共通に使われるものもある。また各アライメント系ＲＡ、ＴＴＲＡ、ＴＴＬＡ、ＯＦＡは、マーク検出時の基準となる直接的、または間接的な検出中心点Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４を備えている。
【００９８】
先の図４のような位置検出装置を各アライメント系に適用した場合、検出中心点Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４は参照格子ＳＧによって規定される。ただしレチクルアライメント系ＲＡにおいて、レチクルＲの周辺のレチクルアライメント用のマーク（格子パターン）ＲＭとフィデューシャルマーク板ＦＧ上の対応した格子マークとを、パターンＰＲの投影露光用の照明光と同じ波長の照明光で照射し、両マークが所定の位置関係になるようにレチクルステージＲＳＴを微動させるような構成になっている場合は、検出中心点Ｒｆ１を必要としない。
【００９９】
このことはアライメント系ＴＴＲＡにおいても同様であって、フィデューシャルマーク板ＦＧ上の対応したマークあるいはウエハＷ上のマークと、レチクルＲのパターンＰＲの周辺部に形成されたダイ・バイ・ダイ（Ｄ／Ｄ）アライメント用のマークとを画像として撮像し、両マーク像の位置ずれを検出する方式である場合は、格別に検出中心点Ｒｆ２を規定しておく必要もない。
【０１００】
ここで、ベースライン量とは、レチクルＲの中心ＣＣｒ  のウエハ側への投影点（ほぼ光軸ＡＸ上に一致している）と、各検出中心点Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４のウエハ側への投影点との間のＸ、Ｙ方向の位置関係に他ならない。その位置関係は、フィデューシャルマーク板ＦＧの対応したマーク群と、各検出中心点Ｒｆ１〜Ｒｆ４の投影点との位置ずれ量を各アライメント系ＲＡ、ＴＴＲＡ、ＴＴＬＡ、ＯＦＡ自体で検出するとともに、そのときのウエハステージＷＳＴの座標位置をレーザ干渉計４４（図４参照）によって検出することで求めることができる。
【０１０１】
そこで各アライメント系に図４のようなヘテロダイン方式の位置検出装置が組み込まれているときは、そのようなベースライン計測動作時にフィデューシャルマーク板ＦＧの格子を検出することになるので、図４中の光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃからの信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の各振幅レベルＡ１  、Ａ２  、Ａ３  を図６中の回路ユニット５８内に記憶しておくことができる。なお、図９に示した投影光学系ＰＬ内の瞳面ＥＰは、先の図１に示したフーリエ変換面ＥＰと同等のものである。そして投影光学系ＰＬを介してウエハステージＷＳＴ上の物体（ウエハＷのマーク、又はフィデューシャルマーク板ＦＧのマーク）を検出するアライメント系ＲＡ、ＴＴＲＡ、ＴＴＬＡの夫々に設けられた対物レンズの光軸は、ウエハステージＷＳＴ側では全て光軸ＡＸとほぼ平行になるように設定される。また、投影光学系ＰＬのウエハ側のみならずレチクル側もテレセントリック系になっているとき（図９の場合）は、各アライメント系の対物レンズの光軸はレチクル側でも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行になっている。そして、それら対物レンズの光軸の延長は、投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰの中央（光軸ＡＸが通る部分）を通ることになる。
【０１０２】
その瞳面ＥＰの実効的な半径は、投影レンズＰＬの解像力（最小解像線幅）を左右する開口数（Ｎ．Ａ．）に対応し、現在Ｎ．Ａ．＝０．５〜０．７程度の投影レンズが開発されている。
図１０は、図９に示したアライメント系のうちアライメント系ＴＴＬＡの主要部の一例を示し、ウエハ上の格子マークＭＧ、又はフィデューシャルマーク板ＦＧを検出するための２本の送光ビーム±ＬＦ（図４中のビーム＋ＬＦとビーム−ＬＦに相当）は補正光学系ＣＧ、ビームスプリッタ２０（図４中のハーフミラー２０に相当）、対物レンズＯＢＪ（図４中の対物レンズ２２に相当）、２枚のミラーＭＲを介して投影レンズＰＬに入射する。この際、２枚のミラーＭＲの間にはウエハＷの表面と共役な面ＦＣが形成され、この面ＦＣ内で２本のビーム±ＬＦは交差する。そのビーム±ＬＦは投影レンズＰＬによってリレーされ、ウエハ上でも交差して格子マークＭＧを照射する。
【０１０３】
そして格子マークＭＧからの干渉ビームＢＭは、投影レンズＰＬの瞳面ＥＰのほぼ中央を通り、ミラーＭＲ、対物レンズＯＢＪ、及びビームスプリッタ２０を介してダイクロイックミラーＤＣＭ（図４中のダイクロイックミラー３２に相当）に入射し、ここで波長分割される。仮に送光ビーム±ＬＦが２つの波長λ１  、λ２  であるとすると、ダイクロイックミラーＤＣＭは波長λ１  の干渉ビームＢｍ１を光電素子３６Ａへ導き、波長λ２  の干渉ビームＢｍ２を光電素子３６Ｂに導く。
【０１０４】
このようなアライメント系ＴＴＬＡにおいて、送光ビーム±ＬＦが複数の波長成分（互いに３０〜４０ｎｍ程度離れる）を含むと、投影レンズＰＬの色収差（軸上と倍率）の影響、又は対物レンズＯＢＪの色収差の影響によって、ウエハ上に照射されるビーム±ＬＦの交差領域が各波長成分毎にＺ方向、あるいはＸＹ方向に微妙にずれるてくることがある。そこで図１０のように送光ビーム±ＬＦの光路中に色収差に応じて発生する誤差を補正する補正光学系ＣＧを設ける。この補正光学系ＣＧは凸レンズ、凹レンズ、あるいはそれらの組み合わせレンズ、または平行平板ガラス等で構成され、図４に示した調整光学系１４、１６、１８を使用してもよい。
【０１０５】
また、図９中のアライメント系ＴＴＲＡの場合、レチクルＲ上のＤ／Ｄアライメント用のマークＤＤＭを回折格子とし、そのマークＤＤＭと対応するウエハＷ上の格子マークＭＧとの相対位置ずれを、図４のようなヘテロダイン方式で検出するときには、（Ｇ）特開平６−３０２５０４号公報に開示されているように、投影レンズＰＬの瞳面ＥＰに透明な平行平板状の補正板ＰＧＰを設け、この補正板ＰＧＰ上で送光ビーム（±ＬＦ）や干渉ビーム（ＢＭ）が通る位置のみに位相型回折格子（補正板ＰＧＰの表面に所定ピッチで凹凸のラインをエッチングしたもの）を配置して、軸上色収差と倍率色収差の影響を低減する必要がある。
【０１０６】
図１１は、アライメント系ＴＴＲＡの一部の構成と補正板ＰＧＰとの配置関係を示し、図１１（Ａ）はＸ方向（計測方向）にピッチを有する格子マークＭＧを検出する場合の送光ビーム±ＬＦと干渉ビームＢＭとの光路をＸ−Ｚ平面でみたものであり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の光路をそれと直交したＹ−Ｚ平面でみたものである。
【０１０７】
アライメント系ＴＴＲＡの対物レンズＯＢＪ（図４の対物レンズ２２に相当する）からは２本の送光ビーム±ＬＦが光軸ＡＸａ  からわずかに偏心して射出され、ミラーＭＲで反射してレチクルＲのパターン領域の周辺の窓ＲＷを介して投影レンズＰＬに入射する。２本の送光ビーム±ＬＦは多波長化されており、Ｘ−Ｚ平面内でみると図１１（Ａ）のように対称的な傾きで窓ＲＷを透過し、Ｙ−Ｚ平面内でみると図１１（Ｂ）のように、対物レンズＯＢＪの光軸ＡＸａ  に対して傾いて窓ＲＷを透過する。
【０１０８】
その２本の送光ビーム±ＬＦは、それぞれ投影レンズＰＬの瞳面ＥＰに配置された補正板ＰＧＰ上の２ヶ所の位相型回折格子（以下、位相格子とする）ＰＧ１  、ＰＧ２  を通る。このとき位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  の作用によって送光ビーム±ＬＦの夫々は同図中の破線から実線のように所定方向に所定量だけ傾きを変えられて投影レンズＰＬから射出する。そして送光ビーム±ＬＦは、Ｘ−Ｚ平面内でみると図１１（Ａ）のようにウエハＷ上の格子マークＭＧを対称的な入射角で照射し、Ｙ−Ｚ平面内では図１１（Ｂ）のように格子マークＭＧに対してＹ方向に若干傾いて入射する。
【０１０９】
これによって格子マークＭＧから発生した干渉ビームＢＭは再び投影レンズＰＬに入射し、瞳面ＥＰ上では位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  と異なる位置を通る。その位置には干渉ビームＢＭを図１１（Ｂ）中の破線から実線のように所定方向に所定量だけ傾けるための位相格子ＰＧ３  が形成され、それによって干渉ビームＢＭの光路は投影レンズＰＬを透過してレチクルＲの窓ＲＷへ向かうように補正される。そしてＲＷを通った干渉ビームＢＭはミラーＭＲ、対物レンズＯＢＪを介して図４のような受光系へ向かう。このとき干渉ビームＢＭは窓ＲＷを、対物レンズＯＢＪの光軸ＡＸａ  に対してわずかに傾いて透過する。
【０１１０】
このような補正板ＰＧＰを用いる場合、送光ビーム±ＬＦが多波長化されていると、送光ビーム±ＬＦの各波長成分毎に補正板ＰＧＰ上でＸ方向にわずかにずれて位置する。このため、位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  もそれに対応してＸ方向に大きめに形成されている。
また、このような補正板ＰＧＰの使用は、図１０に示したアライメント系ＴＴＬＡに対しても当然に可能である。例えば石英やホタル石を屈折レンズの硝材とし、波長１８０〜３００ｎｍの間の紫外線（エキシマレーザ光等）を露光光とするような投影レンズ（反射鏡と屈折レンズの組み合わせでもよい）を用いた露光装置の場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザからのビームの波長に対する色収差は極めて大きなものとなり、図１０中に示したウエハ共役面ＦＣは投影レンズから数十ｃｍ以上離れてしまう。そこで補正板ＰＧＰを使って、送光ビーム±ＬＦが交差するウエハ共役面ＦＣが投影レンズに近づくように補正するのである。
【０１１１】
以上の如く、補正板ＰＧＰ上の送光用位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  には多波長化されたビーム＋ＬＦ、−ＬＦが通るが、この際、位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  の格子構造を使用する波長成分の全てに対して最適化することは難しい。このため位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  の格子構造はある特定の波長成分で最適化されるように設定し、送光ビーム±ＬＦの送光路（一般的には対物レンズＯＢＪよりも光源側）中には、各波長成分毎の送光ビームが位相格子ＰＧ１  、ＰＧ２  で受ける回折作用の違いで生じる方向差分や位置差分だけ予め補償されるように、調整光学部材を設けておくのがよい。要するに、２本の送光ビーム±ＬＦの干渉によってウエハＷ（又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）の格子マークＭＧ上に作られる干渉縞が波長成分毎に位置ずれやピッチずれを生じないように、図４中の調整光学系１４、１６、１８、又は図１０中の補正レンズＣＧを設け、これらを調整するのである。
次に本発明の第６の実施例を以下に説明する。本実施例では図４に示した構成をベースとして、先の図２０、図２１で説明したように、格子マークからの±１次回折光の干渉ビームの他に、格子マークからの０次光と２次回折光の干渉ビームも検出する構成を付加した。０次光と２次回折光との干渉ビームを単一の光電素子で光電変換し、その光電信号を用いて格子マークの位置ずれを検出する方式は試みられているが、格子マーク照明用の送光ビームを多波長化した上で０次光と２次光の干渉ビーム（多波長化されている）を単一の光電素子で受光すると、そのままでは良好な位置ずれ検出が難しかった。その大きな理由は、図１２に示すように０次光と２次光の干渉ビームを例えば３つの波長成分λ１  、λ２  、λ３  毎に光電検出して得られた光電信号ＩＫ０２１  、ＩＫ０２２  、ＩＫ０２３  の波形を観察すると容易に理解できる。すなわち、３つの光電信号ＩＫ０２ｎ  （ｎ＝１、２、３）の相互の位相差が、±１次回折光の干渉ビームの場合の光電信号Ｉｍｎ（図７参照）の位相差に比べて総じて大きくなるためである。このため、元来大きな位相差をもつ各波長毎の光強度の変化を単一の光電素子で受光してしまうと、各波長の強度の相殺効果によって光電信号の振幅（交流の振幅分）が極めて小さくなってしまうのである。尚、０次光と２次光の干渉ビームは、先の図２０で説明したように１次回折光±Ｄ１ｎの干渉ビームＢＭの両側に対称的な角度で発生する。
【０１１２】
ところで図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図２０に示された０次−２次光の干渉ビームのうち、例えば±１次光の干渉ビームＢＭの左側に現れる干渉ビームを３つの波長λ１  、λ２  、λ３  毎に個別に光電検出したときの各光電信号ＩＫ０２１  、ＩＫ０２２  、ＩＫ０２３  のヘテロダイン方式での波形を表し、図１２（Ｄ）は図７（Ｄ）と同じ参照信号となる光電信号Ｉｍｓの波形を表す。
【０１１３】
一方、図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図２０に示された０次−２次光の干渉ビームのうち、±１次光の干渉ビームＢＭの右側に現れる干渉ビームを３つの波長λ１  、λ２  、λ３  毎に個別に光電検出したときの各光電信号ＩＫ２０１  、ＩＫ２０２  、ＩＫ２０３  のヘテロダイン方式での波形を表し、図１３（Ｄ）は図１２（Ｄ）と同じ光電信号Ｉｍｓの波形を表す。以上の図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）と図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、各信号ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）の位相ずれΔβ０１、Δβ０２、Δβ０３、Δβ２１、Δβ２２、Δβ２３は波長依存性が強く、大きくばらつくとともに、同一波長については信号ＩＫ０２ｎ  とＩＫ２０ｎ  とで逆方向の傾向をもつ。
【０１１４】
そこで本実施例の構成を図１４を参照して説明する。図１４は図４の構成の一部、具体的には格子マークＭＧからの各種干渉ビームの光電検出系を変更したものであり、従って図４中の部材と同じ機能の部材には同一の符号を付けてある。図１４中の送光系１００は、図４に示した光源ＬＳ１  、ＬＳ２  、ＬＳ３  、ミラーＭＲ、ダイクロイックミラーＤＣＭ４  、ＤＣＭ５  、周波数シフターとしてのラジアル格子板ＲＲＧ、レンズ１０、空間フィルター１２、及び調整光学系１４、１６、１８等で構成され、１対の送光ビーム＋ＬＦ、−ＬＦを射出する。波長λ１  、λ２  、λ３  の各成分を含む送光ビーム±ＬＦは、ハーフミラー２０で一部が反射されて対物レンズ２２に入射し、一部は参照光受光系１１０に入射する。参照光受光系１１０は図４中の波長選択フィルター２４、レンズ２６、参照格子ＳＧ、及び空間フィルター３８で構成され、参照光Ｂｍｓを光電素子４０へ導く。
【０１１５】
さて、対物レンズ２２を介してウエハＷ上の格子ＭＧが送光ビーム±ＬＦによって照射されると、±１次回折光の干渉ビームＢＭが垂直に発生するとともに、各送光ビームの進行方向と逆方向に０次−２次光の各種干渉ビームが発生する。その０次−２次光の干渉ビームは対物レンズ２２、ハーフミラー２０を介してダイクロイックミラー３２、３４に向かい、ここで各波長成分毎に分離される。  まずダイクロイックミラー３２では波長λ１  の０次−２次光の干渉ビーム（２つ）がほとんど反射され、その干渉ビームはそれぞれ３６Ａ１  、３６Ａ２  で受光される。もちろん、波長λ１  の±１次光の干渉ビームＢｍ１はダイクロイックミラー３２で反射されて光電素子３６Ａで受光される。
【０１１６】
またダイクロイックミラー３２を透過した波長λ２  、λ３  の０次−２次光の干渉ビームと±１次光の干渉ビームＢｍ２、Ｂｍ３とは、ダイクロイックミラー３４で波長成分毎に分離され、波長λ２  の０次−２次光の干渉ビーム（２つ）はそれぞれ光電素子３６Ｂ１  、３６Ｂ２  で受光され、±１次光の干渉ビームＢｍ２は光電素子３６Ｂで受光される。さらにダイクロイックミラー３４を透過した波長λ３  の０次−２次光の干渉ビーム（２つ）は光電素子３６Ｃ１  、３６Ｃ２  で受光され、±１次光の干渉ビームＢｍ３は光電素子３６Ｃで受光される。
【０１１７】
以上の構成から明らかなように、本実施例では光電素子４０からの光電信号Ｉｍｓを参照信号として、各光電素子３６Ａ、３６Ａ１  、３６Ａ２  、３６Ｂ、３６Ｂ１  、３６Ｂ２  、３６Ｃ、３６Ｃ１  、３６Ｃ２  からの光電信号の位相差を求める信号処理回路が必要となる。そのため最も簡便な回路構成の一例を図１５に示す。図１５は、先の図６に示された処理回路の一部を改良したものであり、ハードウエア上では図６中のＡ／Ｄコンバータ回路５０に入力する参照信号Ｉｍｓ以外の各光電信号を時系列的に選択するアナログマルチプレクサ１２０を付加したことが異なる。このアナログマルチプレクサ１２０は３入力１出力の切り替えスイッチＳＳ１  、ＳＳ２  、ＳＳ３  を含み、各スイッチＳＳ１  、ＳＳ２  、ＳＳ３  は外部切り替え信号ＳＮに応答して連動して切り替えられる。
【０１１８】
スイッチＳＳ１  は、波長λ１  の干渉ビームを受光して得られる３つの光電信号Ｉｍ１、ＩＫ０２１  、ＩＫ２０１  のうちの１つを選択し、スイッチＳＳ２  は波長λ２  の干渉ビームを受光して得られる３つ光電信号Ｉｍ２、ＩＫ０２２  、ＩＫ２０２  のうち１つを選択し、スイッチＳＳ３  は波長λ３  の干渉ビームを受光して得られる３つの光電信号Ｉｍ３、ＩＫ０２３  、ＩＫ２０３  のうちの１つを選択するように接続される。ただし本実施例では、スイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を連動しておくので、同時にＡ／Ｄコンバータ回路５０に入力される３つの計測信号（光電信号）は、同じ回折状態のもとで検出された信号とする。すなわち、スイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を中間位置に切り換えると、先の図６の状態と全く同じになって、±１次光の干渉ビームＢＭを各波長成分毎に光電検出した信号Ｉｍ１〜Ｉｍ３がＡ／Ｄコンバータ回路５０に供給され、３つのスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を図１５の図示の位置に切り換えると、±１次光の干渉ビームＢＭの左側に発生した０次−２次光の干渉ビームを各波長毎に光電検出した信号ＩＫ０２１  、ＩＫ０２２  、ＩＫ０２３  がＡ／Ｄコンバータ回路５０に供給される。もちろん３つのスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  が最も右側の位置に切り換えられると、光電信号ＩＫ２０１  、ＩＫ２０２  、ＩＫ２０３  がＡ／Ｄコンバータ回路５０に供給される。
【０１１９】
さらに図６で示した振幅検出、振幅比検出の回路５８は、図１５では回折状態の異なる干渉ビーム毎にグループ化された比のデータＣｎ１、Ｃｎ２、Ｃｎ３（ｎは波長に対応してｎ＝１、２、３）を出力するように変更される。この比のデータのうちＣｎ１（ｎ＝１、２、３）は図６中の比Ｃ１  、Ｃ２  、Ｃ３  と同じものであり、Ｃｎ２（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ０２ｎ  （ｎ＝１、２、３）から得られた各波長毎の比であり、Ｃｎ３（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）から得られた各波長毎の比である。
【０１２０】
また、図６で示した位相差、位置ずれ検出回路５６は、図１５では回折状態の異なる干渉ビーム毎にグループ化されたずれ量ΔＸｎ１、ΔＸｎ２、ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）を出力するように変更される。このずれ量のうちΔＸｎ１（ｎ＝１、２、３）は図６中のずれ量ΔＸ１  、ΔＸ２  、ΔＸ３  と同じものであり、ΔＸｎ２（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ０２ｎ  （ｎ＝１、２、３）から求められた各波長成分毎のずれ量であり、ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）から得られた各波長成分毎のずれ量である。なお、この検出回路５６は先の図１２、１３で説明したような位相差Δβ０ｎ、Δβ２ｎ（ｎ＝１、２、３）に応じた値を中間的に算出している。
【０１２１】
さらに図６中の加重平均化回路６０は、図１５では選択的な加重平均化回路に変更され、±１次光の干渉ビームＢＭの光電検出結果のみに基づいて最終的な位置ずれ量をΔＸを算出する図６と同じ第１の演算モード、０次−２次光の干渉ビームの光電検出結果のみに基づいて最終的なずれ量ΔＸを算出する第２の演算モード、及び全ての干渉ビーム光電検出結果に基づいて最終的なずれ量ΔＸを算出する第３の演算モードを備えている。これら３つの演算モードはオペレータによって適宜選択可能であるが、第３の演算モードを指定したときは、さらに２〜３の演算アルゴリズムを選ぶことができる。このようなモード指定、アルゴリズム選択については後で詳しく述べる。
【０１２２】
さて、本実施例の場合も、まず初めにウエハステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークが、対物レンズ２２からの送光ビーム±ＬＦで照射されるようにステージＷＳＴの位置決めが行われる。そして切り換え信号ＳＮをアナログマルチプレクサ１２０に与えて、スイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を例えば図１５に示した位置に設定し、フィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークから発生した０次−２次光の干渉ビームを光電検出して得られた光電信号のうちの信号ＩＫ０２ｎ  （ｎ＝１、２、３）をＡ／Ｄコンバータ回路５０でデジタルサンプリングし、その信号ＩＫ０２ｎ  の各波形をメモリ回路５４内に一時的に記憶する。
【０１２３】
そして振幅検出回路５８によってメモリ回路５４内の波形データを解析して、各信号ＩＫ０２ｎ  の振幅値（ピークｔｏピーク）をＪ０２ｎ  （ｎ＝１、２、３）として算出して記憶する。
次にスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を図１５中の最も右側に切り換えて、フィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークから発生した０次−２次光の干渉ビームを光電検出して得られる光電信号のうちの信号ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）をＡ／Ｄコンバータ回路５０でデジタルサンプリングし、その信号ＩＫ２０ｎ  の各波形をメモリ回路５４に一時的に記憶する。この際、メモリ回路５４の記憶容量が十分に大きくない場合は、先に記憶した信号ＩＫ０２ｎ  の各波形データを消去して信号ＩＫ２０ｎ  の各波形データを上書きする。その後、振幅検出回路５８によってメモリ回路５４内の波形データを解析して、各信号ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）の振幅値（ピークｔｏピーク）をＪ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）として算出して記憶する。
【０１２４】
最後に、スイッチＳＳ１  〜ＳＳ２  を中間位置に切り換えて、フィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークから発生した±１次光の干渉ビームを光電検出して得られる信号Ｉｍｎ（ｎ＝１、２、３）の各波形データを同様にメモリ回路５４に記憶し、振幅検出回路５８によって各信号Ｉｍｎの振幅値Ｊ１１ｎ  （ｎ＝１、２、３）を求めて記憶する。
【０１２５】
以上によって予備動作が終了するので、次に実際に位置決め、位置合わせすべきウエハＷをステージＷＳＴ上に載置し、ウエハＷ上の格子マークＭＧが対物レンズ２２からの送光ビーム±ＬＦによって照射されるようにステージＷＳＴを位置決めする。
そして、先のフィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークの検出時と同様にして、マルチプレクサ１２０のスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を順次切り換えては各信号の波形データをメモリ回路５４に取り込み、ウエハ上の格子マークＭＧから発生した各干渉ビームを光電検出して得られる信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）の各振幅値を検出回路５８によって、それぞれＥｎ  （図７参照）、Ｅ０２ｎ  、Ｅ２０ｎ  （図１２、１３参照）として算出する。
【０１２６】
また、スイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を切り換えてメモリ回路５４に信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  のうちの１組を記憶させる際、参照信号Ｉｍｓの波形も同じ時間軸のもとでメモリ回路５４に記憶する。そしてスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を切り換える前に、位相差、位相ずれ検出回路５６によって、信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  のうちの記憶した信号の波形データを解析し、位相Δψｎ  、Δβ０ｎ、Δβ２ｎのうちの対応した１つと、位置ずれ量ΔＸｎ１、ΔＸｎ２、ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）のうちの対応した１つとを順次算出しておく。
【０１２７】
こうして、各波長毎の振幅値や位置ずれ量が回折状態の異なる検出光（干渉ビーム）ごとに求まると、振幅比検出回路５８は以下の演算を行う。
【０１２８】
【数１】
0003622249.tif 000002
【０１２９】
【数２】
0003622249.tif 000003
【０１３０】
【数３】
0003622249.tif 000004
次に平均化回路６０によって最も確からしいずれ量ΔＸが算出されるが、±１次光の干渉ビームＢＭのみを使った第１の演算モードでは、先の図６の場合と同様であり、
ΔＸ＝（Ｃ１１・ΔＸ１１＋Ｃ２１・ΔＸ２１＋Ｃ３１・ΔＸ３１）／（Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１）によって算出される。
【０１３１】
一方、０次−２次光の干渉ビームのみを使った第２の演算モードでは、±１次光の干渉ビームＢＭの左側に発生する０次−２次光の干渉ビームの検出によって得られた位相差Δβ０ｎと、干渉ビームＢＭの右側に発生する０次−２次光の干渉ビームの検出によって得られた位相差Δβ２ｎとの平均位相差から、各波長毎の位置ずれ量を算出するアルゴリズムが採用される。その位相差の平均とは、いわゆるランダム成分を低減させて精度向上を図る目的での平均化とは異なり、０次光と±２次光との干渉ビームを使って位置検出する場合に原理的に実施しなければならない平均化である。
【０１３２】
そこで本実施例ではそのアルゴリズムをベースとして、平均化回路６０はまず信号ＩＫ０２ｎ  から求められた各位置ずれ量ΔＸｎ２（ｎ＝１、２、３）と信号ＩＫ２０ｎ  から求められた各位置ずれ量ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）との各波長毎の平均値ΔＸＡｎ  （ｎ＝１、２、３）を以下のように算出する。
ΔＸＡ１  ＝（ΔＸ１２＋ΔＸ１３）／２
ΔＸＡ２  ＝（ΔＸ２２＋ΔＸ２３）／２
ΔＸＡ３  ＝（ΔＸ３２＋ΔＸ３３）／２
さらに平均化回路６０は、振幅比検出回路５８で求められた０次−２次光の干渉ビームの振幅比Ｃｎ２、Ｃｎ３の各波長成分毎の平均値ＣＡｎ  （ｎ＝１、２、３）を以下のように算出する。
【０１３３】
ＣＡ１  ＝（Ｃ１２＋Ｃ１３）／２
ＣＡ２  ＝（Ｃ２２＋Ｃ２３）／２
ＣＡ３  ＝（Ｃ３２＋Ｃ３３）／２
その後、平均化回路６０は、各波長成分毎の平均的な比ＣＡｎ  を重み係数として、各波長成分毎の平均的な位置ずれ量ΔＸＡｎ  を以下のように加重平均して、最も確からしいずれ量ΔＸを算出する。
【０１３４】
ΔＸ＝（ＣＡ１  ・ΔＸＡ１  ＋ＣＡ２  ・ΔＸＡ２  ＋ＣＡ３  ・ΔＸＡ３  ）／（ＣＡ１  ＋ＣＡ２  ＋ＣＡ３  ）
以上により、第２の演算モードによる格子マークＭＧの位置又は位置ずれ検出が達成される。
また第３の演算モードでは、第１の演算モードで算出された位置ずれ量と第２の演算モードで算出された位置ずれ量とを単純平均する第１のアルゴリズムと、それら２つの位置ずれ量を加重平均する第２のアルゴリズムとのいずれか一方を、オペレータによって予め設定可能となっている。そこで第１の演算モード（±１次光の干渉ビームの検出結果を使うモード）で最終的に算出された位置ずれ量をΔＸＭ１  とし、第２の演算モードで最終的に算出された位置ずれ量をΔＸＭ２  とすると、第１のアルゴリズムで決定される位置ずれ量は（ΔＸＭ１  ＋ΔＸＭ２  ）／２で算出される。
【０１３５】
一方、第２のアルゴリズムでは、第１の演算モードで算出されるずれ量ΔＸＭ１  と第２の演算モードで算出されるΔＸＭ２  とを、所定の重み係数Ｑ１  、Ｑ２  を使って加重平均する。一例として、重み係数Ｑ１  は、±１次光の干渉ビームＢＭを光電検出して得られた信号Ｉｍｎ（ｎ＝１、２、３）の夫々の振幅値Ｅ１  、Ｅ２  、Ｅ３  （図７参照）の和に対応させ、重み係数Ｑ２  は０次−２次光の干渉ビームを光電検出して得られた信号ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  （ｎ＝１、２、３）の各波長毎の平均振幅値（Ｅ０２１  ＋Ｅ２０１  ）／２、（Ｅ０２２  ＋Ｅ２０２  ）／２、（Ｅ０２３  ＋Ｅ２０３  ）／２の和に対応させる。従って、第２のアルゴリズムは以下の演算により格子マークＭＧのずれ量ΔＸが決定される。
【０１３６】
ΔＸ＝（Ｑ１  ・ΔＸＭ１  ＋Ｑ２  ・ΔＸＭ２  ）／（Ｑ１  ＋Ｑ２  ）
なお、原理的に言って高次の回折光ほど、その光強度が小さいので、±１次光の干渉ビームＢＭの光強度振幅（Ｅｎ  に対応）にくらべて０次−２次光の干渉ビームの光強度振幅（Ｅ０２ｎ  、Ｅ２０ｎ  に対応）はかなり小さくなる。従って単純に信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  の振幅のみの和で重み係数Ｑ１  、Ｑ２  を決定してしまうと、ほとんどの場合重み係数Ｑ１  の方が係数Ｑ２  よりも大きくなってしまう。そこで係数Ｑ２  のほうは算出された値を、例えば予め定めた割合（一例として１０〜３０％）だけ増大させるように補正しておくのがよい。
【０１３７】
次に本発明の第７の実施例を図１６を参照して説明する。この実施例では、先の図４中に示したウエハステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧＮの構造を透過型の格子（振幅透過率に非対称性がない格子）に変更し、その格子から透過して発生する干渉ビームを光電検出することによって、各光電信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ  、ＩＫ２０ｎ  の振幅比を検出回路５８で算出する際に使う分母（基準値）を求めるようにした。
【０１３８】
図１６はウエハステージＷＳＴの部分断面を表し、送光ビーム±ＬＦ（ここでは波長λ１  、λ２  の２波長とする）がフィデューシャルマーク板ＦＧ上の格子を照射すると、その格子からステージ内部に向けて０次光、±１次光、±２次光が発生する。これらの回折光はミラーＭＲで直角に曲げられてフーリエ変換機能を有するレンズ系Ｇ５  に入射し、自動変換機能を有する波長選択フィルタ２４で波長λ１  とλ２  のいずれか一方の成分が選択され、それぞれ干渉ビームＢｍｒｎ  、±Ｂ１ｒ、±Ｂ２ｒとなって光電素子群ＤＴＲに入射する。波長選択フィルタ２４は、波長λ１  を透過して波長λ２  を遮断するフィルタと、その逆の特性を持つフィルタとを択一的に光路に挿脱できるように構成される。従って、波長λ１  を選択するフィルタが使われるときは、波長λ１  による０次−２次光の干渉ビーム±Ｂ１ｒと波長λ１  による±１次光の干渉ビームＢｍｒ１  とが光電素子群ＤＴＲに達し、波長λ２  を選択するフィルタが使われるときは、波長λ２  による０次−２次光の干渉ビーム±Ｂ１ｒと波長λ２  による±１次光の干渉ビームＢｍｒ２  とが光電素子群ＤＴＲに達する。このため波長λ１  選択用フィルタの使用時には光電信号Ｉｍｒ１  、光電信号ＩＲ０２１  、ＩＲ２０１  が得られ、波長λ２  選択用フィルタの使用時には光電信号Ｉｍｒ２  、光電信号ＩＲ０２２  、ＩＲ２０２  が得られる。
【０１３９】
ヘテロダイン方式の場合、これらの光電信号はビート周波数と等しい周波数の正弦波状の波形となって現れ、先の図１５に示した処理回路のアナログマルチプレクサ１２０の３つのスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  によって選択的にＡ／Ｄコンバータ５０へ入力されるように接続される。具体的には図１５中の３つのスイッチＳＳ１  〜ＳＳ３  を５入力１出力のものに変更し、そのうち２入力分をフィデューシャルマーク板ＦＧの検出時に得られる光電信号Ｉｍｒ１  、ＩＲ０２１  、ＩＲ２０１  の組と光電信号Ｉｍｒ２  、ＩＲ０２２  、ＩＲ２０２  の組との入力切換に使用する。
【０１４０】
これらの光電信号の各振幅値は図１５中の振幅検出回路５８で求められ、記憶される。そして振幅比を求める際には、例えば以下の演算を行う。
Ｃ１１＝Ｉｍ１／Ｉｍｒ１
Ｃ２１＝Ｉｍ２／Ｉｍｒ２
Ｃ１２＝ＩＫ０２１  ／ＩＲ０２１
Ｃ２２＝ＩＫ０２２  ／ＩＲ０２２
Ｃ１３＝ＩＫ２０１  ／ＩＲ２０１
Ｃ２３＝ＩＫ２０２  ／ＩＲ２０２
このように本実施例ではフィデューシャルマーク板を透過した回折光の干渉ビームを光電素子群ＤＴＲで光電検出するようにしたので、その素子群ＤＴＲから得られる各光電信号の位相情報と参照信号としての光電信号Ｉｍｓの位相情報とを比べると、フィデューシャルマーク板ＦＧの位置ずれ、又は位置の計測、すなわちベースライン計測の一部分の動作を兼用させることができる。
【０１４１】
次に本発明の第８の実施例を図１７を参照して説明する。本実施例では、対物レンズ２２を介してウエハＷ（又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）上の計測用（アライメント用）の格子マークＭＧを照射する１対の送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの偏光方向を相補的な関係にする。すなわち直線偏光であれば送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの偏光方向を直交させ、円偏光であれば送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとを互いに逆回りの偏光に設定する。このため２つの送光ビーム±ＬＦは互いに干渉することがなく、格子マークＭＧから垂直に発生する各波長λ１  、λ２  、λ３  の±１次回折光ＢＭも互いに干渉しない。
【０１４２】
そのため、±１次回折光ＢＭを対物レンズ２２、小ミラーＭＲ２  を介して光電検出する際、検光子（アナライザー）としての偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いる。このようにすると、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過した±１次光ＢＭは互いに干渉して第１の干渉ビームＢＰ１  となり、偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射された±１次光ＢＭは互いに干渉して第２の干渉ビームＢＰ２  となる。これら干渉ビームＢＰ１  、ＢＰ２  は互いに相補的ではあるが、それぞれの干渉ビームはヘテロダイン方式であればビート周波数に応じて正弦波状に強度変調されたものとなる。さらに干渉ビームＢＰ１  とＢＰ２  の強度変調の位相は丁度１８０度だけ異なったものとなっている。
【０１４３】
尚、同図中に示した１／２波長板ＨＷは、送光ビーム±ＬＦと±１次回折光ＢＭの互いに直交する直線偏光方向が、偏光ビームスプリッタＰＢＳの偏光分離方向と異なる（回転している）場合に、±１次回折光ＢＭ間の直線偏光方向を修正する目的で設けられたものである。このため、±１次回折光ＢＭの間の互いに直交した直線偏光方向が最初から偏光ビームスプリッタＰＢＳの偏光分離方向と一致しているか、あるいは送光ビーム＋ＬＦ、−ＬＦが逆回りの円偏光になっているときは１／２波長板ＨＷを用いなくてもよい。
【０１４４】
そこで本実施例では、干渉ビームＢＰ１  をダイクロイックミラー３３２、３４を介して各波長毎に弁別し、干渉ビームＢＰ１  の波長λ１  の成分を光電素子３６Ａ１  で受光し、波長λ２  の成分を光電素子３６Ｂ１  で受光し、波長λ３  の成分を光電素子３６Ｃ１  で受光する。同様に干渉ビームＢＰ２  についてもダイクロイックミラー３２、３４で波長弁別し、波長λ１  、λ２  、λ３  の各成分毎に光電素子３６Ａ２  、３６Ｂ２  、３６Ｃ２  で受光する。
【０１４５】
さらに光電素子３６Ａ１  と３６Ａ２  の両出力信号は、差動アンプによって減算されて光電信号Ｉｍ１となり、光電素子３６Ｂ１  と３６Ｂ２  の両出力信号は差動アンプによって減算されて光電信号Ｉｍ２となり、そして光電信号３６Ｃ１  と３６Ｃ２  の両出力信号は差動アンプによって減算されて光電信号Ｉｍ３となる。
このように差動アンプを用いたのは、例えば光電素子３６Ａ１  の出力信号と光電素子３６Ａ２  の出力信号とが互いに逆位相（１８０°の差）になっているからであり、両出力に共通に含まれる同相ノイズ成分が減算によってキャンセルされ、信号Ｉｍ１の実質的なＳ／Ｎ比が改善されることになる。なお、先の図４、１４、１７に示した対物レンズ２２は、使用する波長域（λ１  〜λ３  ）において発生する各種の色収差のうち、少なくとも軸上色収差についてある程度補正されているのが望ましい。仮に使用する波長λ１  〜λ３  の帯域が１００ｎｍ以下であれば、そのような軸上の色収差は対物レンズ２２を構成する複数のレンズ素子の硝材を選択したり、異なる屈折率、分散比のレンズ素子を組み合わせることによってある程度補正可能である。もちろん、そのような色収差は対物レンズ２２で完全に補正しておく必要もなく、図４に示した調整光学系１４、１６、１８により補正することも可能である。
【０１４６】
以上、本発明の各実施例を説明したが、ウエハＷやフィデューシャルマーク板ＦＧ上の格子マークＭＧをホモダイン方式で検出する場合、その格子マークＭＧをピッチ方向にプリスキャンして各光電信号のレベル変化をサンプリングする必要がある。その場合、最も簡単な手法は、図６又は図１５に示した信号波形サンプリング用のクロック信号Ｃｐｓを、ステージＷＳＴの位置計測用のレーザ干渉計４４からの計測パルス（例えば０．０２μｍ毎に１パルス）に変更することである。このようにすると、格子マークＭＧを数ピッチ分に渡ってプリスキャンする間に発生する各光電信号の波形データが格子マークＭＧの格子位置に対応してメモリ回路５４に記憶されることになる。
【０１４７】
また、格子マークＭＧに２つの送光ビーム±ＬＦを照射する方式では、その２つの送光ビーム±ＬＦは格子マークＭＧの少なくともピッチ方向に関して対称的な入射角にするのが望ましく、また先の図３のように格子マークＭＧに１本の送光ビームを投射する方式では、その入射角は格子マークＭＧのピッチ方向に関して零（垂直入射）にするのが望ましい。
【０１４８】
さらに本発明の各実施例では、多波長化した送光ビームを同時に格子マークＭＧへ照射するようにしたが、先の図４中の各光源ＬＳ１  、ＬＳ２  、ＬＳ３  の後に高速シャッターを設け、波長λ１  、λ２  、λ３  の各送光ビームのいずれか１つを時系列的に切り換えて射出させるようにしてもよい。この場合、受光系のいくつかの光電素子は波長毎に予め分離して用意することなく共通のものにすることができる。このように、各波長成分毎に時系列的に送光ビームを射出するようにすると、装置上高速シャッター機構は設けなければならないが、光電素子の数や信号処理回路内の部品点数（特にＡ／Ｄコンバータやメモリチップの数）を大幅に少なくすることができるばかりでなく、図１６中に示したステージＷＳＴ内の波長選択フィルタ２４も省略できる。
【０１４９】
ところで、多波長化された照明光束を計測用の格子マークＭＧ（またはフィデューシャルマーク）に投射する際、図１、３、４のように各波長毎の複数のレーザビームを一度同軸に合成せずに、格子マークＭＧのフーリエ変換面において、マーク位置の計測方向（ピッチ方向）と直交した非計測方向に分離して送光するように構成してもよい。すなわち複数の照明ビームの波長毎に格子マークＭＧへの入射角を非計測方向に異ならせることもできる。
【０１５０】
図２２は投影レンズの後群レンズ系Ｇ２または対物レンズ２２に入射する２つの波長のビーム±ＬＦλ１  、±ＬＦλ２  の送光の様子を示し、それらビーム±ＬＦλ１  、±ＬＦλ２  は格子マークＭＧに対するフーリエ変換面（瞳面）ＥＰ上で光軸ＡＸから偏心した位置を通る。また各ビーム±ＬＦλ１  、±ＬＦλ２  は同図中の紙面と垂直な方向に分離した２本のビームで構成される。さらに同図中の格子マークＭＧのピッチ方向も紙面と垂直な方向であり、波長λ１  のビーム±ＬＦλ１  と波長λ２  のビーム±ＬＦλ２  とをフーリエ変換面ＥＰ上で非計測方向（同図の紙面内の左右方向）にずらしておく。
【０１５１】
これによって格子マークＭＧから発生してフーリエ変換面ＥＰまで戻ってくる±１次回折光の干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２も、波長毎にフーリエ変換面ＥＰ上で非計測方向に分離した位置を通る。干渉ビームＢｍ１は送光ビーム±ＬＦλ１  の照射によりマークＭＧから発生したものであり、干渉ビームＢｍ２は送光ビーム±ＬＦλ２  の照射によりマークＭＧから発生したものであり、それら送光ビームと干渉ビームとはフーリエ変換面ＥＰ上では、例えば図２３のように分布する。
【０１５２】
図２３において、フーリエ変換面ＥＰの中心を原点とする直交軸（計測軸と非計測軸）を設定したとき、２組の送光ビーム±ＬＦλ１  、±ＬＦλ２  の非計測軸の方向のずれ量Ｄｈは、１次回折光による干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２の非計測方向のずれ量に対応したものとなる。このように、格子マークＭＧを照射するビームを各波長成分毎に非計測方向に傾けておくと、干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２もフーリエ変換面ＥＰ内で分離して分布することになるので、各光電検出器の受光面をフーリエ変換面ＥＰ上またはその面ＥＰと共役な面上に配置するだけで、同様に光電検出が可能となる。
【０１５３】
すなわち、光電検出すべき複数の干渉ビーム（±１次回折光の干渉、０−２次回折光の干渉）が各波長毎にフーリエ変換面ＥＰ上で分離していれば、それらは先の各実施例のようなダイクロイックミラーを用いなくとも個別に光電検出可能である。従って検出すべき干渉ビームを各波長毎に分離する手法として、ダイクロイックミラー、バンドパスフィルター等の波長選択素子を用いることは必ずしも必須のことではない。
【０１５４】
また、送光ビームの多波長化はレーザ光源に限らず、ハロゲンランプからの光、高輝度ＬＥＤからの光を利用しても実現できる。ハロゲンランプからの光を利用するときは、所定のバンド幅を有する波長選択フィルタを設け、このフィルタで選択された２０〜１００ｎｍ程度の波長幅の光（ブロードバンド光）を、例えば光ファイバー等で導光して使うことになる。この場合、ウエハ上の格子マークＭＧを照射する送光ビームは、選択された波長バンド幅内で連続した強度分布を有するため、受光系内の各光電素子の前に特定の波長成分のみを取り出す干渉フィルタ（バンド幅は３〜１０ｎｍ）を固定的または交換可能に配置してもよい。
【０１５５】
【発明の効果】
以上、本発明によれば位置検出用の照明光を多波長化、又はブロードバンド化し、基板上の位置検出用の格子状マークから発生する回折光を波長成分毎に独立して光電検出し、それによって得られる各光電信号毎にマーク位置情報を検出して計算上で平均化するようにしたので、マークの非対称性やレジスト層の厚みむらによる影響を低減させた高精度な位置検出が可能となる。また、マークからの回折光を光電検出する際に、波長成分毎に独立した光電信号を得るようにしたので、照明光の各波長成分毎の強度が異なっていても、従来のように多波長化による平均化効果を損なうことがないといった利点もある。
【０１５６】
さらに本発明によれば、光電検出すべき回折光がより高次の成分からなる場合であっても、従来のように単一の光電素子で多波長化された高次回折光（０次、２次光の干渉ビーム等）を同時に受光する際に生じる相殺現象がなくなり、従来に比べて各段に高精度な位置検出、アライメントが可能となる。
しかも本発明では、光電検出された各波長成分毎の回折光の強度レベルの減衰率（振幅比）を求め、その減衰率が小さく信号振幅が相対的に大きくなっている回折光に対しては、大きな重みを加えた平均化演算により位置検出を行うようにしたので、単純な平均化に比べて格段に位置検出の精度が高いといった効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図２】干渉縞と格子との相対的な位置関係の変化と検出信号のレベル変化を表す図
【図３】本発明の第２の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図４】本発明の第３の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図５】回転ラジアル格子板による回折ビームの発生の様子を示す斜視図
【図６】第３の実施例による装置に適用される信号処理回路を示すブロック図
【図７】図６の処理回路のメモリ中に取り込まれる各信号の波形の一例を示す図
【図８】図４に示された装置に適用される信号処理回路の変形例を第４の実施例として示すブロック図
【図９】本発明が適用し得る投影露光装置の概略構成を第５の実施例として示す図
【図１０】図９に示した装置のＴＴＬアライメント系の部分拡大図
【図１１】図９に示した装置の変形例を説明する図
【図１２】回折格子からの０次光と２次光との各干渉により得られた各波長毎の光電信号の波形の一例を示す図
【図１３】回折格子からの０次光と２次光との各干渉により得られた各波長毎の光電信号の波形の一例を示す図
【図１４】本発明の第６の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図１５】図１４の装置に適用される信号処理回路の構成を示すブロック図
【図１６】本発明の第７の実施例による装置の部分構成を示す断面図
【図１７】本発明の第８の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図１８】格子マークとレジスト層の構造の一例を示す断面図
【図１９】図１８の格子マークを検出したときの検出誤差と信号変化の振幅分との関係をシミュレーションしたグラフ
【図２０】複数の波長の光の照射によって格子マークから発生する各次数の回折光の様子を示す図
【図２１】１次回折光を使って図１８のような構造のマークを検出したときの検出誤差と、０次−２次回折光を使ってマークを検出したときの検出誤差とをシミュレーションしたグラフ
【図２２】本発明の各実施例で示された照明ビームの投射方式の変形例を示す図
【図２３】図２２の照明ビームの投射方式の際のフーリエ変換面上での各ビームの配置例を示す図
【符号の説明】
ＲＧ・・・基準格子
ＭＧ・・・格子マーク
Ｇ１・・・投影レンズの前群レンズ系
Ｇ２・・・投影レンズの後群レンズ系
ＬＳ１  、ＬＳ２  、ＬＳ３  ・・・レーザ光源
ＲＲＧ・・・回転ラジアル格子板（周波数シフター）
Ｗ・・・ウエハ
ＦＧ・・・フィデューシャルマーク板
ＤＴ１  、ＤＴ２  、ＤＴ３  、ＤＴ４  ・・・光電素子
２２・・・対物レンズ
３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ・・・光電素子
ＣＵ５、６０・・・加重平均化回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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