(57)【要約】【課題】  計測精度の向上を図ることが可能な位置計測方法を提供する。【解決手段】  位置計測装置は、物体上に形成された周期パターンからなるマークを結像光学系を介して検出し、その検出結果に基づいてマークの位置情報を計測する。マークを含む被照射領域から得られるマーク光は、０次回折光以外の偶数次回折光が除去されており、マーク光の画像信号から、マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出し、その抽出された周波数成分を用いてマークの位置情報を計測する。【選択図】  図１
2006053056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上に形成された周期パターンからなるマークを結像光学系を介して検出し、該検出結果に基づいて前記マークの位置情報を計測する位置計測方法であって、
前記マークを含む被照射領域から得られるマーク光は、０次回折光以外の偶数次回折光が除去されており、
前記マーク光の画像信号から、前記マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出し、該抽出された周波数成分を用いて前記マークの位置情報を計測することを特徴とする位置計測方法。
【請求項２】
前記結像光学系が前記奇数次回折光に対して作用する光学特性情報を予め記憶しておき、
前記抽出された周波数成分と前記光学特性情報とを用いて前記マークの位置情報を計測することを特徴とする請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項３】
物体上に形成された周期パターンからなるマークの位置情報を計測する位置計測装置であって、
前記マークを含む被照射領域に対して検知光を照射する照射系と、
前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段へ導く結像光学系と、
前記マーク光の画像信号から、前記マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出する抽出部と、
前記抽出された周波数成分を用いて前記マークの位置情報を求める演算部と、を有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項４】
前記マークは、周期方向に関するパターン線幅とパターン間隔との長さの比（デューティ比）が１：１であることを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記照射系は、前記被照射領域に対して略垂直に前記検知光を照射するための絞りを含み、
前記結像光学系は、瞳面で０次回折光以外の偶数次回折光を遮断する遮断部材を含むことを特徴とする請求項３に記載の位置計測装置。
【請求項６】
前記抽出部は、フーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて前記抽出を行うことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の位置計測装置。
【請求項７】
前記結像光学系が前記奇数次回折光に対して作用する光学特性情報を記憶する記憶部を更に有し、
前記演算部は、前記抽出された周波数成分と前記光学特性情報とを用いて前記マークの位置情報を求めることを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の位置計測装置。
【請求項８】
所定パターンを基板上に転写する露光装置であって、
前記基板上に形成されたマークを、請求項３から請求項７のいずれかに記載の位置計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて前記基板の位置決めを行う位置決め部と、
前記位置決めされた前記基板上に前記所定パターンを転写する露光部と、
前記位置決め部及び前記露光部を制御する制御部と、を有することを特徴とする露光装置。
【請求項９】
請求項８に記載の露光装置を用いて、デバイスパターンを前記基板上に転写する露光工程と、
前記デバイスパターンが転写された前記基板を現像する現像工程と、を含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体上に形成されたマークの位置情報を計測する位置計測方法及び位置計測装置に関し、特に、半導体素子や液晶表示素子等のデバイス製造工程で使用される露光装置に用いられる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、液晶表示素子、その他のデバイスの製造においては、露光装置を用いてマスクやレチクル（以下、これらを総称する場合はマスクという）に形成された微細なパターンの像をフォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウエハ又はガラスプレート等の基板上に投影露光することが繰り返し行われる。露光装置は、マスク及び基板に形成されたマークの位置情報を計測し、これらの計測結果からマスクと基板との相対的な位置ずれ量を算出し、この位置ずれ量を補正することで投影されるパターン像と既に基板上に形成されているパターンとの位置合わせ（アライメント）を精確に行っている。近年においては、パターンの微細化の要求が高まっており、重ね合わせ精度の向上が益々厳しくなっている。重ね合わせ精度を向上させるためには、まずマスク及び基板に形成されたマークの計測精度を高める必要がある。
【０００３】
マスクに形成されたマークの位置情報を計測するアライメントセンサは、基板を露光する際に用いる露光光をマークに照射して位置情報を計測するものが一般的である。このアライメントセンサとしては、例えばＶＲＡ（Visual Reticle Alignment）方式を用いたものがある。ＶＲＡ方式は、基板がステージ上に搬送される前に、露光光をマスク上に形成されたマークに照射して得られる光学像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子で画像信号に変換し、この画像信号に対して画像処理を施してマークの位置情報を検出するものである。
【０００４】
また、基板に形成されたマークの位置情報を計測するアライメントセンサは、デバイスの製造過程において測定対象である基板の表面状態（荒れ程度）が変化するため、単一種類のアライメントセンサによって基板の位置情報を正確に検出することは困難なことが多いため、一般的には異なる方式のアライメントセンサが複数設けられる。これらの主なものとしては、ＬＳＡ（Laser Step Alignment）方式、ＦＩＡ（Field Image Alignment）方式、ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignment）方式のものがある。
【０００５】
これらの方式のアライメントセンサを概説すると以下の通りである。つまり、ＬＳＡ方式のアライメントセンサは、レーザ光を基板に形成されたマークに照射し、回折・散乱された光を利用してそのマークの位置情報を計測するものであり、従来から種々の半導体素子を製造する際に幅広く使用されている。ＦＩＡ方式のアライメントセンサは、ハロゲンランプ等の波長帯域幅の広い光源を用いてマークを照明し、その結果得られたマークの像を撮像素子で画像信号に変換した後、画像処理して位置計測を行うものであり、アルミニウム層や基板表面に形成された非対称なマークの計測に効果的である。ＬＩＡ方式のアライメントセンサは、基板表面に形成された回折格子状のマークに、僅かに波長が異なるレーザ光を２方向から照射し、その結果生ずる２つの回折光を干渉させ、この干渉光の位相からマークの位置情報を検出するものである。
【０００６】
また、以上の各方式のアライメントセンサは、投影光学系を介してマークの位置情報を計測するか否かによりＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式とオフ・アクシス方式とに分類される。以上説明した各方式のアライメントセンサの詳細については、例えば以下の特許文献１及び特許文献２を参照されたい。
【特許文献１】特開平１０−２８９８７１号公報
【特許文献２】特開平５−２１７８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した各種アライメントセンサのうち、マークの画像信号からマークの位置情報を計測するＦＩＡ方式のアライメントセンサでは、アライメントセンサが備える光学系の非対称（収差）が原因でマークの像が歪みやすい。一方、ＬＩＡ方式では、マークの光学像から所定次数の回折光の位相を取り出すことが可能であるので、光学系の非対称（収差）の影響を予め計測することで補正が可能である。ＦＩＡ方式では、各次数の電場が強度として検出されるため、次数ごとの位相の取り出しはこれまで難しかった。ただし、ＬＩＡ方式では、透明な物体上にマークが形成されている場合等において、計測対象のマークの下層構造からの散乱光（焦点以外からの散乱光）が強く検出されやすく、その散乱光により計測精度が低下しやすいという課題がある。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、計測精度の向上を図ることが可能な位置計測方法及び位置計測装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、露光精度の向上を図ることが可能な露光装置を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、高精度のデバイスを製造することが可能なデバイス製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、実施の形態を示す図１から図１１に対応付けした以下の構成を採用している。
本発明の位置計測方法は、物体（Ｗ）上に形成された周期パターンからなるマーク（ＡＭ）を結像光学系（４６、４５、４９）を介して検出し、該検出結果に基づいて前記マークの位置情報を計測する位置計測方法であって、前記マークを含む被照射領域から得られるマーク光は、０次回折光以外の偶数次回折光が除去されており、前記マーク光の画像信号から、前記マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出し、該抽出された周波数成分を用いて前記マークの位置情報を計測することを特徴とする。
【００１０】
この位置計測方法では、マークの画像信号からマークの位置情報を計測するものの、マーク光に含まれる０次回折光以外の偶数次回折光を予め除去することにより、マーク光に含まれる回折光に対応する周波数成分の抽出が可能となる。
【００１１】
上記の位置計測方法においては、前記結像光学系が前記奇数次回折光に対して作用する光学特性情報を予め記憶しておき、前記抽出された周波数成分と前記光学特性情報とを用いて前記マークの位置情報を計測するとよい。
これにより、結像光学系の非対称（収差）の影響を除去し、より正確にマークの位置情報を計測することができる。
【００１２】
本発明の位置計測装置は、物体（Ｗ）上に形成された周期パターンからなるマーク（ＡＭ）の位置情報を計測する位置計測装置（１６）であって、前記マークを含む被照射領域に対して検知光を照射する照射系（４１、４２、４３、４４、４５、４６）と、前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段（５０）へ導く結像光学系（４６、４５、４９）と、前記マーク光の画像信号から、前記マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出する抽出部（８３ａ〜８３ｎ）と、前記抽出された周波数成分を用いて前記マークの位置情報を求める演算部（８８）と、を有することを特徴とする。
【００１３】
この位置計測装置では、上記構成により、本発明の位置計測方法が実施可能となる。
【００１４】
上記の位置計測装置において、例えば、前記マーク（ＡＭ）は、周期方向に関するパターン線幅とパターン間隔との長さの比（デューティ比（Duty））が１：１であることにより、マーク光に含まれる０次回折光以外の偶数次回折光を除去することができる。
【００１５】
また、前記照射系（４１、４２、４３、４４、４５、４６）は、前記被照射領域に対して略垂直に前記検知光を照射するための絞りを含み、前記結像光学系（４６、４５、４９）は、瞳面で０次回折光以外の偶数次回折光を遮断する遮断部材を含むことによっても、マーク光に含まれる０次回折光以外の偶数次回折光を除去することができる。
【００１６】
上記の位置計測装置において、前記抽出部（８３ａ〜８３ｎ）は、フーリエ変換またはバンドパスフィルタを用いて前記抽出を行うとよい。
【００１７】
また、前記結像光学系（４６、４５、４９）が前記奇数次回折光に対して作用する光学特性情報を記憶する記憶部（８４）を更に有し、前記演算部（８８）は、前記抽出された周波数成分と前記光学特性情報とを用いて前記マークの位置情報を求めるとよい。これにより、結像光学系の非対称（収差）の影響を除去することが可能となり、より正確にマークの位置情報を計測することができる。
【００１８】
本発明の露光装置は、所定パターンを基板（Ｗ）上に転写する露光装置であって、前記基板上に形成されたマーク（ＡＭ）を、上記の位置計測装置（１６）を用いて計測し、その計測結果に基づいて前記基板の位置決めを行う位置決め部（９、１３）と、前記位置決めされた前記基板上に前記所定パターンを転写する露光部（ＰＬ）と、前記位置決め部及び前記露光部を制御する制御部（１５）と、を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明のデバイス製造方法は、上記の露光装置を用いて、デバイスパターンを前記基板上に転写する露光工程（Ｓ２６）と、前記デバイスパターンが転写された前記基板を現像する現像工程（Ｓ２７）と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の位置計測方法及び位置計測装置によれば、マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出し、その抽出した成分を用いてマークの位置情報を計測することにより、計測精度の向上を図ることができる。
また、本発明の露光装置によれば、位置情報の計測精度の向上が図られることから、基板を精度よく位置決めし、露光精度の向上を図ることができる。
また、本発明のデバイス製造方法によれば、露光精度の向上が図られることから、高精度のデバイスを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の位置計測方法を説明するための図である。
図１において、物体（基板）上に形成されたマークは回折格子状の周期パターンからなる。単波長の検知光をマークに照射するとき、マークを含む被照射領域から得られるマーク光は、ｎ次の回折光を含む（ｎ＝０，±１，±２，……）。このマーク光から所定次数の回折光の位相を取り出すことができれば、その位相情報からマークの位置に関する位置情報を求めることが可能である。ＣＣＤカメラ等の撮像素子（光電変換手段）を介してマークの光学像を画像信号として検出するとき、各次数の電場は強度として観測されるため、独立に分離・抽出するのは難しい。
【００２２】
本発明の位置計測方法は、マーク光から０次回折光以外の偶数次回折光を予め除去することにより、マークの光学像の画像信号から各次数に対応する周波数成分の分離・抽出を行う。
【００２３】
ここで、ｎ次回折光の電場を、下記の式（１）のように書くと（光の複素振幅の実数部Ａｎ、虚数部ｅ−ｉφｎとした。）、通常の明視野光学系の結像電場は式（２）で表される。
【００２４】
【数１】
2006053056.tif 000003
【００２５】
【数２】
2006053056.tif 000004
【００２６】
観測されるのは強度であり、強度は式（３）で表される。
【００２７】
【数３】
2006053056.tif 000005
【００２８】
ここで、式（１）より式（４）が導かれる。
【００２９】
【数４】
2006053056.tif 000006
【００３０】
光学像の強度は、電場の２乗であるため、電場を回折次数で展開した場合、像にはすべての項から選ぶ組み合わせの積の項を含む。強度の（ｌ＋ｍ）成分には、和がこの値になる回折光のすべての組み合わせ（干渉光）が混ざってしまい分離できない。ところが、０次以外の偶数次回折光を除去すると、奇数次同士の回折光の干渉光の強度はすべて偶数次成分となる（奇数＋奇数＝偶数）。
【００３１】
強度の奇数ｌ次成分は、Ｅ＊０Ｅ＊ｌと、Ｅ＊−ｌＥ０のみであり、強度の奇数−ｌ次成分は、Ｅ＊０Ｅ＊−ｌと、Ｅ＊ｌＥ０のみである。これらは、式（５）〜式（８）で表される。
【００３２】
【数５】
2006053056.tif 000007
【００３３】
【数６】
2006053056.tif 000008
【００３４】
【数７】
2006053056.tif 000009
【００３５】
【数８】
2006053056.tif 000010
【００３６】
ここで、マークが対称形である場合、奇数±ｌ次成分の振幅はほぼ同じであり、式（９）が導かれる。
【００３７】
【数９】
2006053056.tif 000011
【００３８】
そのため、式（５）〜式（８）の和は、式（１０）で表される。
【００３９】
【数１０】
2006053056.tif 000012
【００４０】
通常、φｌ＋φ−ｌ＜＜１であり、強度の波数ｌｋ成分はこれだけなので、この周波数成分は位相差φ１−φ−１で決まる。すなわち、式（１０）に示す和の位相は、奇数±ｌ次光の位相差に対応する。よって、例えばフーリエ変換あるいは複数のバンドパスフィルタを用いて強度信号から奇数次成分を分離・抽出することで、奇数±ｌ次光の位相差を検出することができる。
【００４１】
ここで、マーク光から０次光以外の偶数次回折光を除去する方法としては、例えば、マークデザインによる方法、具体的には、計測対象のマークのデューティ（Duty）比を１：１に設定する方法が挙げられる。すなわち、図２に示すように、周期方向に関するパターン線幅ＷＬとパターン間隔ＷＣとの長さの比が１：１の周期パターンからなるマークを用いる。こうしたマークからの光は、奇数次回折光が優勢となり、０次光以外の偶数次回折光は生じにくい。
【００４２】
この場合、光学像の画像信号に対し、所望のピッチだけを透過するバンドパスフィルタにより、他の成分を除去した後、反転自己相関計測方式などの方法で各成分の位置を計測することができる。反転自己相関方式（折り返し自己相関方式）は、計測系から得られる信号を所定の点にて対称に折り返して両信号のマッチングの度合を求めることによりマークの位置情報を求めるものであり、例えば、特開昭５６−２２８４号公報等に記載されている。
【００４３】
また、光学系に自遮断部材を設けることにより、０次光以外の偶数次回折光を除去してもよい。すなわち、図３に示すように、マークを含む被照射領域に対して略垂直に検知光を照射するための絞りを含む小σの照射系（照明系）を用い、また、結像光学系の瞳面に０次回折光以外の偶数次回折光を遮断する遮断部材を設ける。遮断部材を透過したマーク光は、０次回折光以外の偶数次回折光が除去されたものとなる。なお、図３では、説明の簡単化のため、照射系と結像光学系とをマークに挟んで対称に配置しているが、マークからの反射光を検出する場合は同じ側に配される。
【００４４】
この場合、光学像の画像信号をフーリエ変換することで、所望のピッチ成分の位相を計測することができる。各成分の振幅を計測し、この値によってどの成分を使用するかを決定してもよい。
【００４５】
なお、０次光以外の偶数次回折光を除去する方法は、上記のものに限定されない。また、上述したマークデザインによる方法と光学系に自遮断部材を設ける方法とを組み合わせてもよい。
【００４６】
このように、本発明の位置計測方法では、マーク光から０次回折光以外の偶数次回折光を予め除去することにより、マーク光に含まれる奇数次回折光に対応する成分（周波数成分）を抽出し、この抽出した周波数成分を用いてマークの位置情報を計測することが可能となる。
【００４７】
この方法では、多光束干渉を用いることから、透明な物体上にマークが形成されている場合において、焦点以外からの散乱光がぼかされるので、散乱光による計測精度低下は小さい。
【００４８】
また、この方法では、マークの光学像から所定次数の回折光の位相を取り出すことから、予め次数ごとのオフセット（位置ずれ）を理想的なマークを用いて計測しておくことにより、マーク光に対して作用する光学系（結像光学系）の非対称の影響を除去することが可能である。すなわち、光学系の収差を次数ごとの位相差で管理、補正することが可能である。
【００４９】
図４は、光学系の非対称（収差）の影響を除去する位置計測方法の一例を示す図である。
まず、理想的な基準マークの光学像を検出し、マークの光学像に含まれる奇数次回折光に対応する各成分の位相差を計測する。基準マークは、例えば、光学解像限界以下の点像（二次元で収差を補正する場合）又は光学解像限界以下の線像（一次元で収差を補正する場合）であり、Ｓｉウエハに対してエッチングなどの処理を施すことにより形成することができる。光学系が完全に対称であれば、すべてのピッチ成分の位相がそろうはずであるから、位相のずれは光学系の非対称性を示す。前述したように、像の奇数次成分の位相は各次回折光の位相差に対応する。基準マークが対象にできていると仮定すると、この位相差は、各次回折光に作用する光学系の光学特性情報としての光学系非対称（収差）に対応する。予めこれらの成分の位相差を計測し記憶しておく。
【００５０】
次に、実際の計測対象のマークの検出し、その検出結果からマークの位置情報を求める。このとき、像の奇数次成分のみを使用し、各次数成分の計測結果から、基準マークを用いた場合の位相ずれを減算する（オフセット処理）。これにより、マークから求められる位置情報から、光学系の非対称性の影響を除去することができる。
【００５１】
次に、上記した本発明の位置計測方法を露光装置における基板（ウエハ）の位置合わせ（アライメント）に適用した例について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。なお、以下の説明においては、図５中に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＺ軸が紙面に対して平行となるよう設定され、Ｙ軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。また、本実施形態においては、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置を例に挙げて説明する。
【００５２】
図５において、１は照明光学系の一部をなすコンデンサレンズである。照明光学系は例えば超高圧水銀ランプ又はエキシマレーザ等の光源（図示省略）が設けられており、この光源から射出された露光光ＥＬはコンデンサレンズ１を介してマスクとしてのレチクルＲに形成されたパターン領域ＰＡを均一な照度分布で照射する。露光光ＥＬとしては、例えばｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）、又はＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、もしくはＦ２エキシマレーザ（１５７ｎｍ）から射出される光が用いられる。
【００５３】
レチクルＲは、モータ２によって投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向に微動可能で、且つその光軸ＡＸに垂直な面内で２次元移動及び微小回転可能なレチクルステージ３上に吸着保持されている。なお、レチクルＲは不図示のレチクル交換器により適宜交換されて使用される。レチクルステージ３の端部にはレーザ干渉計４からのレーザビームを反射する移動鏡５が固定されており、レチクルステージ３の２次元的な位置はレーザ干渉計４によって、例えば１ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。レチクルＲの上方にはレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが配置されている。
【００５４】
レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、レチクルＲの外周付近に形成された位置検出用のレチクルマークＲＭと投影光学系ＰＬを介して後述するウエハステージ９上に形成された基準部材１０又はウエハステージ９上に載置されたウエハＷに形成されたマークとを同時に観察し、レチクルＲとウエハステージ９との相対的な位置関係又はレチクルＲとウエハＷとのＸ方向又はＹ方向（所定の計測方向）における相対的な位置関係を直接的に計測（観察）する。
【００５５】
レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂの計測結果は後述する主制御系１５へ出力され、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理が施されてレチクルＲとウエハステージ９又はウエハＷとの相対的な位置ずれ量が求められる。そして、この位置ずれ量に応じて主制御系１５がモータ２を駆動してレチクルステージ３を微動させることで、レチクルＲに形成されたパターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。このレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のアライメントセンサの一種であるＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメントセンサであって、レチクルマークＲＭ等の画像信号から位置情報を計測するＶＲＡ方式のアライメントセンサである。
【００５６】
上記レチクルＲのパターン領域ＰＡを透過した露光光ＥＬは、例えば両側（片側でも良い。）テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射して基板としてのウエハＷ上の各ショット領域に投影される。ここで、投影光学系ＰＬは、露光光ＥＬの波長に関して最良に収差補正されており、その波長のもとでレチクルＲとウエハＷとは互いに光学的に共役になっている。また、照明光（露光光ＥＬ）は、ケラー照明であり、投影光学系ＰＬの瞳（図示省略）の中心に光源像として結像されている。なお、投影光学系ＰＬは複数のレンズ等の光学素子を有し、その光学素子の硝材としては露光光ＥＬの波長に応じて石英、蛍石等の光学材料から選択され、その投影倍率は、例えば１／４又は１／５に設定されている。このため、露光光ＥＬによりレチクルＲ上の照明領域が照明されると、そのレチクルＲのパターン面に形成されたパターンの像が投影光学系ＰＬによってウエハＷ上に縮小投影され、表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウエハＷ上の一つのショット領域にレチクルＲの回路パターンの縮小像が転写される。
【００５７】
ウエハＷはウエハホルダ８を介してウエハステージ９上に吸着保持されている。ウエハホルダ８上には、レチクルＲの位置計測及びベースライン計測等で使用する基準部材１０が設けられている。ここで、ベースラインとは、例えばレチクルＲのパターン領域ＰＡに形成されたパターンの投影光学系ＰＬによる投影像の中心位置と後述するウエハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心との距離をいう。基準部材１０には基準マークとして、例えば光透過性の５組のＬ字状パターンから成るスリットパターンと、光反射性のクロムで形成された２組の基準パターン（デューティ比（Duty）は１：１）とが設けられている。
【００５８】
一方の組の基準パターンは、例えばＹ方向に配列された７個のドットマークをＸ軸方向に３列配列してなる回折格子マークと、３本の直線パターンをＸ軸方向に配列してなる回折格子マークと、Ｙ方向に延びた１２本のバーマークとを、Ｘ軸方向に配列したものである。他方の組の基準パターンは、例えばその一方の組の基準パターンを９０°回転したものである。
【００５９】
ウエハステージ９は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内でウエハＷを２次元的に位置決めするＸＹステージ、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）にウエハＷを位置決めするＺステージ、ウエハＷを微小回転させるステージ、及びＺ軸に対する角度を変化させてＸＹ平面に対するウエハＷの傾きを調整するステージ等より構成されている。ウエハステージ９の上面の一端にはＬ字型の移動鏡１１が取り付けられ、移動鏡１１の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計１２が配置されている。
【００６０】
図５では簡略化して図示しているが、移動鏡１１はＸ軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な反射面を有する平面鏡より構成されている。また、レーザ干渉計１２は、Ｘ軸に沿って移動鏡１１にレーザビームを照射する２個のＸ軸用のレーザ干渉計及びＹ軸に沿って移動鏡１１にレーザビームを照射するＹ軸用のレーザ干渉計より構成され、Ｘ軸用の１個のレーザ干渉計及びＹ軸用の１個のレーザ干渉計により、ウエハステージ９のＸ座標及びＹ座標が計測される。また、Ｘ軸用の２個のレーザ干渉計の計測値の差により、ウエハステージ９のＸＹ平面内における回転角が計測される。
【００６１】
ウエハステージ９の２次元的な座標は、レーザ干渉計１２によって例えば１ｎｍ程度の分解能で常時検出されており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の座標によりウエハステージ９のステージ座標系（静止座標系）（Ｘ，Ｙ）が定められる。即ち、レーザ干渉計１２により計測されるウエハステージ９の座標値が、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上の座標値である。レーザ干渉計１２により計測されたＸ座標、Ｙ座標、及び回転角を示す位置計測信号ＰＤＳは主制御系１５に出力される。
【００６２】
主制御系１５は、供給された位置計測信号ＰＤＳをモニタしつつ、ウエハステージ９の位置を制御する制御信号をモータ１３へ出力する。このような閉ループの制御系により、例えばウエハステージ９はウエハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光が終了すると、次のショット位置までステッピングされる。また、主制御系１５は図示しない照明光学系に設けられる光源から露光光ＥＬを射出するか否か、露光光ＥＬを射出する場合の露光光ＥＬの強度等の制御を行う。なお、主制御系１５の構成についての詳細な説明は後述する。
【００６３】
本実施形態の露光装置は、オフ・アクシス方式のウエハ・アライメントセンサ１６を投影光学系ＰＬの側方に備える。このウエハ・アライメントセンサ１６は、本発明の位置計測装置の一部をなすものであり、ウエハＷに形成されたマークのＸ方向及びＹ方向（所定の計測方向）における位置情報を計測するために用いられる。ウエハ・アライメントセンサ１６の計測結果を上述したベースラインの計測結果で補正することにより、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）におけるマークの位置情報を得ることができる。なお、ウエハ・アライメントセンサ１６の詳細については後述する。
【００６４】
また、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハＷのＺ軸方向の位置及びＸＹ平面に対する傾斜量を計測するための斜入射方式の多点のメインフォーカスセンサ１７が設置されている。このメインフォーカスセンサ１７は、ウエハＷ上においてレチクルＲの像が投影される露光領域内の予め設定された複数の計測点にスリット像を投影する照射光学系１８と、それらスリット像からの反射光を受光してそれらスリット像を再結像し、これら再結像されたスリット像の横ずれ量に対応する複数のフォーカス信号を生成する集光光学系１９とから構成され、それら複数のフォーカス信号が主制御系１５に供給されている。そして、主制御系１５が集光光学系１９から出力されるフォーカス信号に基づいて常に投影光学系ＰＬの最良結像面にウエハＷの表面が位置するようにモータ１３を介してウエハステージ９を制御する。なお、上記ウエハステージ９及びモータ１３は本発明にいう位置決め部に相当し、照明光学系及び投影光学系ＰＬは本発明にいう露光部に相当し、主制御系１５は本発明にいう制御部に相当する。
【００６５】
以上、本発明の露光装置の全体構成について概説したが、次に本発明の位置計測装置をなすウエハ・アライメントセンサ１６の詳細について説明する。
【００６６】
図６は、ウエハ・アライメントセンサ１６の構成例を示す構成図である。なお、図６に示すウエハ・アライメントセンサ１６は、ＦＩＡ（Field Image Alignment）方式のアライメントセンサである。ウエハ・アライメントセンサ１６は、所定の広帯域波長の光束を検知ビームＤＬとして射出する光源４１を備える。この光源４１はウエハＷに形成されたマークＡＭの観察用及び合焦用（焦点合わせ）に共用される。なお、検知ビームＤＬは本発明にいう検知光に相当する。
【００６７】
光源４１の光路上にはコンデンサレンズ４２、視野絞り４３、照明リレーレンズ４４、及びビームスプリッタ４５が順に配置されている。視野絞り４３は、図６中に示すように、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を有する。主開口Ｋ１は略正方形状に形成され、視野絞り４３の中央部に配置されており、その中心がコンデンサレンズ４２及び照明リレーレンズ４４の光軸とほぼ一致するように光路中に挿入されている。
【００６８】
副開口Ｋ２，Ｋ３は細長い矩形スリット状に形成され、その長手方向の辺が主開口Ｋ１の対向する２つの辺に対して所定の角度（例えば５°）傾いた状態で主開口Ｋ１の近傍位置に配置されている。そして、主開口Ｋ１の辺と直交し、且つ副開口Ｋ２，Ｋ３の長手方向と略直交する方向（傾いていない状態で直交する方向）が、後述するフォーカスの計測方向となる。以下の説明中では、副開口Ｋ２，Ｋ３の略長手方向を非計測方向と呼ぶ。また、フォーカスの計測方向は、種々の方向に設定することが可能であるが、本実施形態ではウエハＷの表面のパターンの基準線の方向（Ｘ方向又はＹ方向）に合わせているものとする。
【００６９】
照明リレーレンズ４４を介した光源４１からの検知ビームＤＬがビームスプリッタ４５において反射される方向、図６ではビームスプリッタ４５から下方に進む光路上には、第１対物レンズ４６が配置されている。この光路の先にはウエハＷを載置するためのウエハステージ９が配置されることになる。
【００７０】
ウエハＷの表面が基準面Ｆ１に一致するように位置決めされた状態では、ウエハＷの表面は、視野絞り４３と光学的に共役の関係となる。ウエハＷ上には位置検出用のマークＡＭが形成されており、このマークＡＭが図６に示すようにウエハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置されると、マークＡＭは検知ビームＤＬにより落射照明される。なお、ウエハステージ９上において検知ビームＤＬが落射照明される領域は、本発明にいう被照射領域に相当する。
【００７１】
ここで、ウエハＷ上の被照射領域を照明する検知ビームＤＬを、部分的なインコヒーレント照明光に設定する。このためには、ウエハ・アライメントセンサ１６の照明σを例えば 0.1 に設定する。つまり、先の図３に示したように、光源４１の光路上に小σの絞りを設ける。これは、結晶側で回折光を選択的に遮断するためである。
【００７２】
また、第１対物レンズ４６の光軸に沿って、ビームスプリッタ４５の反射面を透過する方向、図では上方向への光路上には、第２対物レンズ４８、ビームスプリッタ４９、遮光板５１、第１リレーレンズ５２、及び瞳分割用反射型プリズム５３が順に配置されている。遮光板５１は基準面Ｆ１と光学的に共役な面Ｆ２に配置されており、ウエハＷの表面で反射され、第１対物レンズ４６、ビームスプリッタ４５、第２対物レンズ４８、及びビームスプリッタ４９を順に通過した光の一部を遮光する。なお、遮光板５１の詳細については後述する。
【００７３】
瞳分割用反射型プリズム５３は、第１リレーレンズ５２を介して入射する光束を複数の光束に分割（本実施形態では２本の光束に分割）する光束分割部材であって、光源４１と共役な位置又はその近傍に配置される。ここで、瞳分割用反射型プリズム５３は、２面が１８０度に近い鈍角で山型に形成されたプリズムの、その２面を反射面に仕上げた光学部材である。本実施形態では、この２面の交線（山の稜線）が第１リレーレンズ５２の光軸と交差し、その光軸をほぼ９０度折り曲げるように傾けて配置されている。
【００７４】
第１リレーレンズ５２を介して瞳分割用反射型プリズム５３に入射した検知ビームＤＬは、ここで図中右方へ分割反射される。この右方への光路上には、瞳分割用反射型プリズム５３に続いて第２リレーレンズ５４、円柱光学系である円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）５５、及びＡＦ（オートフォーカス）センサ５６が順次配置される。ここで円柱光学系とは、前後の面が、互いに平行な母線を有する円柱面であるレンズである。前後の面の一方が平面であってもよい。この場合、具体的には円柱面の母線と直角の方向には屈折力があるが母線方向の屈折力はゼロである。本実施形態では、円柱レンズ５５はその母線がフォーカスの計測方向にほぼ一致するように配置される。また、本明細書では、直交する２方向で屈折力が異なるレンズ、トーリックレンズを含む概念とする。
【００７５】
ＡＦセンサ５６は、面Ｆ２と光学的に共役又はその近傍の位置である第１撮像面Ｖ１に配置され、第１撮像面Ｖ１上に結像される像の位置関係を検出して合焦用信号ＦＳ２を出力する。また、第１対物レンズ４６、ビームスプリッタ４５、及び第２対物レンズ４８を順に介した光束がビームスプリッタ４９によって反射される方向、図６中では左方向の光路上には基準面Ｆ１と光学的に設定された第２撮像面Ｖ２にＣＣＤ撮像素子等の撮像素子５０の受光面が配置される。撮像素子５０は第２撮像面Ｖ２上に結像される像を画像信号ＶＳ２に変換して出力する。上記ＡＦセンサ５６からの合焦用信号ＦＳ２及び撮像素子５０からの画像信号ＶＳ２は主制御系１５に出力される。
【００７６】
なお、上記光源４１、コンデンサレンズ４２、視野絞り４３、照明リレーレンズ４４、ビームスプリッタ４５、及び第１対物レンズ４６は本発明にいう照射系に相当し、第１対物レンズ４６、ビームスプリッタ４５、第２対物レンズ４８、及びビームスプリッタ４９は本発明にいう結像光学系に相当し、撮像素子５０は本発明にいう光電変換手段に相当する。
【００７７】
また、上記結像光学系の瞳面には、先の図３に示したように、０次以外の偶数次回折光をカット（遮断）する遮断部材が配設されている。これは、ウエハＷからの反射される光束から０次以外の偶数次回折光を除去することで、マークＡＭの光学像の画像信号から各次数に対応する周波数成分の分離・抽出を行うことを可能にするためである。
【００７８】
次に、以上の構成におけるウエハ・アライメントセンサ１６の動作について簡単に説明する。光源４１から検知ビームＤＬが射出されるとコンデンサレンズ４２によって集光され、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を有する視野絞り４３を均一に照明する。視野絞り４３の主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を通過した光束は、照明リレーレンズ４４によってコリメートされ、ビームスプリッタ４５で反射される。
【００７９】
この反射された光束は、第１対物レンズ４６によって集光され、ウエハステージ９上に載置されたウエハＷの表面に垂直に照射される。ウエハＷの表面が基準面Ｆ１に配置されているときには、ウエハＷの表面と視野絞り４３とは光学的に共役の関係となるため、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３の像は照明リレーレンズ４４及び第１対物レンズ４６を介してウエハＷの表面に結像される。
【００８０】
ここで、ウエハＷの表面に結像された主開口Ｋ１の像からの反射光束をＬ１、副開口Ｋ２の像からの光束をＬ２、副開口Ｋ３の像からの光束をＬ３とする。これらの光束Ｌ１〜Ｌ３は第１対物レンズ４６によってコリメートされ、ビームスプリッタ４５を透過し、第２対物レンズ４８によって再び集光され、ビームスプリッタ４９によって透過及び反射分岐される。
【００８１】
反射分岐された光束のうち、光束Ｌ１は集束されて撮像素子５０の受光面にマークＡＭの像が結像される。撮像素子５０は受光面に結像したマークＡＭの像を光電変換して画像信号ＶＳ２を出力する。一方、ビームスプリッタ４９において透過分岐された光束Ｌ１〜Ｌ３は、第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８の結像作用によって、ウエハＷ表面と共役又はその近傍の面Ｆ２の位置に設けられた遮光板５１にＫ１〜Ｋ３の像を再結像する。即ち、遮光板５１上には、第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８によってウエハＷの表面上に形成された主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３の中間像が形成される。
【００８２】
図６中に光軸方向から見た遮光板５１の構成例を示す。遮光板５１には光軸に対して対称な位置に２個のスリット状の光束通過部Ｋ１２，Ｋ１３が副開口Ｋ２，Ｋ３に対応するように設けられており、ウエハ表面において結像反射された光束Ｌ１〜Ｌ３のうち光束Ｌ１は遮光され、光束Ｌ２，Ｌ３のみがＫ１２及びＫ１３をそれぞれ介して通過できるように構成されている。また、遮光板５１の他の構成例も図６中に示してある。即ち、光束Ｌ１が遮光板５１に入射する（図中斜線で示す）範囲のみが遮光され、その周囲の部分全ての領域Ｋ１４が光束通過部として構成されていてもよい。
【００８３】
遮光板５１を通過した光束Ｌ２，Ｌ３は第１リレーレンズ５２によってコリメートされた後、瞳分割用反射型プリズム５３上に光源４１の像を結像する。更に、光束Ｌ２，Ｌ３は瞳分割用反射型プリズム５３によってそれぞれ２つの光束に分割されるとともに、図中右方へ反射されて第２リレーレンズ５４により再び集光される。そして、円柱レンズ５５を介して、ＡＦセンサ５６上に光束Ｌ２及びＬ３による副開口Ｋ２，Ｋ３のスリット像をそれぞれ２分割して結像する。
【００８４】
ＡＦセンサ５６の受光面上における２分割光束の結像位置はウエハＷの表面のＺ方向の位置に応じて変化する。このため、予めウエハＷが基準面Ｆ１に配置されている状態において検出される２分割光束の結像位置の距離を基準距離として主制御系１５に設定しておき、主制御系１５において基準距離とＡＦセンサ５６で検出された２分割光束の結像位置の距離との大小関係を比較することで、ウエハＷの表面がウエハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置されているか否か（合焦しているか否か）を判断する。
【００８５】
合焦していない場合には基準距離と算出した距離との大小関係からウエハＷのずれ方向を求めて、ずれ方向と反対方向にウエハステージ９を駆動する。ウエハステージ９をＺ方向に駆動している最中においてもＡＦセンサ５６による上述した検出及び各種処理を行い、２分割光束の結像位置間の距離と基準距離とが等しくなったときにウエハステージ９の駆動を停止する。ウエハＷがウエハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置されている状態で撮像素子５０から出力される画像信号ＶＳ２を主制御系１５で画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行うことにより、ウエハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置されているマークＡＭの位置情報が計測される。
【００８６】
以上、ウエハ・アライメントセンサ１６の構成及び動作について説明したが、次に主制御系１５について詳細に説明する。図７は、主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。なお、図７においては、図５及び図６中に示した部材と同一の部材には同一の符号を付してある。図７に示すように、主制御系１５は、フォーカス検出ユニット６０、画像処理ユニット６１、フォーカス検出ユニット６２、ＦＩＡ演算ユニット６３、アライメントデータ記憶部６４、ＥＧＡ演算ユニット６５、記憶部６６、ショットマップデータ部６７、システムコントローラ６８、ウエハステージコントローラ６９、及びレチクルステージコントローラ７０から構成されている。
【００８７】
画像処理ユニット６１は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂから出力される画像信号ＶＳ１に対して、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行い、レチクルマークＲＭと基準部材１０に形成された基準マークとの相対位置を求め、その処理結果をシステムコントローラ６８へ出力する。また、ＦＩＡ演算ユニット６３は、ウエハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２に対して、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行い、ウエハＷに形成されたマークＡＭの位置情報を求めてアライメントデータ記憶部６４へ出力する。なお、上記画像処理ユニット６１及びＦＩＡ演算ユニット６３で行われる画像処理等の具体例としては、マークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等がある。
【００８８】
フォーカス検出ユニット６０は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂから出力される合焦用信号ＦＳ１を用いて、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが備える結像光学系の焦点ずれを検出する。また、フォーカス検出ユニット６２は、ウエハ・アライメントセンサ１６から出力される合焦用信号ＦＳ２を用いて、ウエハ・アライメントセンサ１６の焦点位置からのウエハＷの表面のずれ量を検出する。フォーカス検出ユニット６０，６２の算出結果は、システムコントローラ６８へ出力される。
【００８９】
アライメントデータ記憶部６４はＦＩＡ演算ユニット６３から出力されたマークＡＭの位置情報を記憶する。ＥＧＡ演算ユニット６５は、ウエハＷ上に予め設定された代表的な数個（３〜９個）のショット領域の各々に付随して形成されたマークＡＭの、ウエハ・アライメントセンサ１６により計測された位置情報と、その設計上の位置情報とに基づいてＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）演算を行い、ウエハＷ上に設定された全てのショット領域の配列の規則性を統計的な手法で決定する。
【００９０】
記憶部６６は、ＥＧＡ演算ユニット６５がＥＧＡ演算を行っている最中に得られる各種変換パラメータ及び残留誤差成分（例えば、設計値と計測値との残差の単純な自乗和）を一時的に記憶する。ショットマップデータ部６７は、上述したウエハＷ上に設定された複数のショット領域の設計上の位置情報及びショット領域に付随して設けられたマークＡＭの位置情報を含むショットマップデータを予め記憶している。
【００９１】
システムコントローラ６８は、ＥＧＡ演算ユニット６５の演算結果に基づいて、ウエハステージコントローラ６９を介してレーザ干渉計１２の計測値をモニタしつつ、モータ１３を介して図５に示したウエハステージ９を駆動して、ウエハＷ上の各ショット領域の位置決め及び各ショット領域に対する露光制御を行う。また、システムコントローラ６８は、レチクルステージコントローラ７０を介してレーザ干渉計４の計測値をモニタしつつ、モータ２を介して図５に示したレチクルステージ３を駆動して、レチクルＲの位置調整を行う。
【００９２】
更に、システムコントローラ６８は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが備える結像光学系の焦点ずれが検出された場合には、その検出結果に応じてその結像光学系の焦点位置を可変させる。また更に、ウエハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウエハＷの表面が配置されていない場合には、フォーカス検出ユニット６２の検出結果に応じてモータ１３を介して図５に示したウエハステージ９を駆動して、ウエハＷをＺ方向に移動させる。
【００９３】
次に、主制御系１５に設けられるＦＩＡ演算ユニット６３の構成について説明する。
図８は、ＦＩＡ演算ユニット６３の内部構成を示す図である。図８に示す通り、ＦＩＡ演算ユニット６３は、画像信号増幅部８１、Ａ／Ｄ変換部８２、フィルタ部８３ａ〜８３ｎ、画像信号記憶部８４、位相補正部８５、位相特性情報記憶部８６、及び位置情報算出部８８を含んで構成される。
【００９４】
画像信号増幅部８１は、ウエハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２を所定の増幅率で増幅する。画像信号増幅部８１の増幅率は画像信号ＶＳ２の全体的なレベル及びＳ／Ｎ比（信号対雑音比）等を考慮して適宜決定され、この増幅率を示す増幅率情報は位相補正部８５へ出力される。Ａ／Ｄ変換部８２は、アナログ信号である画像信号ＶＳ２の標本化及び量子化を行い、画像信号ＶＳ２をディジタル信号に変換する。
【００９５】
フィルタ部８３ａ〜８３ｎはディジタル化された画像信号から所定の周波数成分を抽出する。ここで、フィルタ部８３ａ〜８３ｎの各々は、例えば帯域フィルタ（バンドパスフィルタであり、各々が異なる次数の回折光に対応する周波数成分を抽出する。前述したように、ウエハ・アライメントセンサ１６において０次以外の偶数次回折光が除去されており、フィルタ部８３ａ〜８３ｎは奇数次回折光に対応する周波数成分を抽出する。なお、図８ではフィルタ部を３つ備える構成を例に挙げて図示しているが、フィルタ部の数は任意に設定することができる。画像信号記憶部８４は、フィルタ部８３ａ〜８３ｎで抽出された周波数成分からなる画像信号をそれぞれ一時的に記憶する。
【００９６】
位相補正部８５は、画像信号記憶部８４に一時的に記憶されている周波数成分毎の画像信号をそれぞれ読み出し、位相特性情報記憶部８６に記憶された位相特性情報に基づいて周波数成分毎の画像信号各々の位相ずれを補正する。このとき、位相補正部８５は画像信号増幅部８１から出力される増幅率情報に応じた位相特性情報であって、周波数成分毎の位相特性情報を位相特性情報記憶部８６から選択的に読み出す。
【００９７】
ここで、ウエハＷの表面からの光はウエハ・アライメントセンサ１６を通過する際に各次数回折光に対応する周波数成分毎に異なる位相ずれが生じる。この各周波数成分毎の位相ずれを示す情報が位相特性情報（光学特性情報）であり、位相特性情報記憶部８６に記憶されている。
【００９８】
また、位相特性情報は、例えば、光学解像限界以下の点像（二次元で収差を補正する場合）又は光学解像限界以下の線像（一次元で収差を補正する場合）をウエハ・アライメントセンサ１６で観察し、得られる画像信号をスペクトル解析（フーリエ変換）して求める。この計測は、ウエハＷに形成されたマークを観察する前に予め行い、得られた位相特性情報を位相特性情報記憶部８６に記憶させておく。
【００９９】
位置情報算出部８８は、位相補正部８５から出力される画像信号に対し、スペクトル解析（フーリエ変換）等の処理を施し、マークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等の処理を行って、マークＡＭの位置情報を求める。なお、上記フィルタ部８３ａ〜８３ｎ、位相特性情報記憶部８６、及び位置情報算出部８８は、本発明にいう抽出部、記憶部、及び演算部にそれぞれ相当する。
【０１００】
次に、上記構成におけるウエハ・アライメントセンサ１６のマークＡＭの位置情報を計測する際の動作について説明する。露光装置内にウエハＷが搬入されてウエハステージ９上に吸着保持されると、主制御系１５がモータ１３を駆動してウエハステージ９をＸＹ面内で移動させ、ウエハＷに形成されたマークＡＭの１つをウエハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置し、検知ビームＤＬを配置したマークＡＭに照射する。この照射によってウエハＷの表面で反射又は回折された光は、図６に示す第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８等を介して撮像素子５０及びＡＦセンサ５６で受光される。
【０１０１】
ＡＦセンサ５６は２分割光束の結像位置間の距離を検出して合焦用信号ＦＳ２を出力する。この合焦用信号ＦＳ２は主制御系１５のフォーカス検出ユニット６２において予め設定されている基準距離と比較され、これらが異なる場合に主制御系１５はモータ１３を介してウエハステージ９をＺ方向に移動させる。ウエハステージ９を移動させた後、フォーカス検出ユニット６２で再度合焦用信号ＦＳ２と基準距離との比較を行い、異なる場合は同様にウエハステージ９を移動させる。以上の動作を繰り返して合焦用信号ＦＳ２と基準距離とが一致し、ウエハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウエハＷの表面が配置された状態になると、ＦＩＡ演算ユニット６３は、ウエハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２を取り込む。
【０１０２】
ＦＩＡ演算ユニット６３に取り込まれた画像信号ＶＳ２は、まず図８に示す画像信号増幅部８１において所定の増幅率で増幅される。このとき画像信号増幅部８１で設定された増幅率は増幅率情報として位相補正部８５へ出力される。
【０１０３】
また、Ａ／Ｄ変換部８２からフィルタ部８３ａ〜８３ｎへ出力された画像信号は、フィルタ部８３ａ〜８３ｎにおいて各々に設定された奇数次回折光に対応した周波数成分のみを含む画像信号が抽出されて画像信号記憶部８４に一時的に記憶される。次に、位相補正部８５は画像信号記憶部８４から抽出された画像信号を順次読み出すとともに、位相特性情報記憶部８６から各成分毎の光学特性情報及を順次読み出す。画像信号並びに各成分毎の光学特性情報を読み出す度に、位相補正部８５は読み出した光学特性情報に対してオフセット処理を施し、読み出した画像信号の位相ずれを補正する。
【０１０４】
補正された画像信号は、位置情報算出部８８へ順次出力される。位置情報算出部８８は、入力された画像信号に対してマークＡＭの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等の処理を行って、マークＡＭの位置情報を求める。
【０１０５】
位置情報の算出は、例えば、回折光の次数に対応する各周波数成分毎の算出結果を平均化することにより行う。この際、各成分の振幅を計測し、この値によってどの成分を使用するかを決定してもよい。
【０１０６】
位置情報算出部８８で算出された位置情報は図７に示すアライメントデータ記憶部６４へ出力されて一時的に記憶される。このようにして、結像光学系において生じた位相ずれが補正された画像信号からマークＡＭの位置情報が求められる。
【０１０７】
次に、ウエハＷ上の各ショット領域の位置決めを行って、各ショット領域にレチクルＲに形成されたパターンの像を投影露光する際の動作について説明する。
まず、ウエハＷ上のショット領域の配列及びアライメントマークとしてのマークの形状等について説明する。図９は、ウエハＷ上のショット領域の配列及びマークの形状を説明するための図である。図９において、ウエハＷ上にはウエハＷ上に設定された座標系（Ｘ，Ｙ）に沿って規則的にショット領域ＥＳ１，ＥＳ２，……，ＥＳＮが形成され、各ショット領域ＥＳｉにはそれまでの工程によりそれぞれデバイスパターンが形成されている。
【０１０８】
また、各ショット領域ＥＳｉはＸ方向及びＹ方向に所定幅のストリートラインで区切られており、各ショット領域ＥＳｉに近接するＸ方向に伸びたストリートラインの中央部にマークＡＭとしてのＸ軸方向のマークＭｘｉが形成され、各ショット領域ＥＳｉに近接するＹ方向に伸びたストリートラインの中央部にＹ方向のマークＭｙｉが形成されている。マークＭｘｉ，ＭｙｉはそれぞれＸ方向及びＹ方向に所定ピッチで３本の直線パターンを並べたものであり、これらのパターンはウエハＷの下部に凹部又は凸部のパターンとして形成したものである。
【０１０９】
ウエハＷへの露光を行う際には、それらショット領域ＥＳｉの内から例えば斜線を施して示す９個のショット領域が選択される。このように選択されたショット領域をサンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９と称する。各サンプルショットＳＡｉにはそれぞれマークＭｘｉ，Ｍｙｉが近接して形成されている。本例ではこれらマークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置を計測することにより、各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での位置情報を計測する。この位置情報の計測時においては、前述した処理が行われて、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号から各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）が求められる。これにより、マークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置情報が極めて高い精度で計測される。この計測結果は、図４に示す主制御系１５のアライメントデータ記憶部６４に記憶される。
【０１１０】
各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での位置情報が計測されると、これらの位置情報とショットマップデータ部６７に記憶されているショットマップデータを用いてＥＧＡ演算ユニット６５においてＥＧＡ演算が行われ、ウエハＷ上に設定された全てのショット領域の配列の規則性が決定される。システムコントローラ６８は決定されたショット領域の配列を用いて、露光すべきショット領域が投影光学系ＰＬの投影領域（レチクルＲに形成されたパターンが投影される領域）に配置されるように、ウエハステージ９を移動させて位置決めする。ウエハＷの位置決めが完了すると露光光ＥＬがレチクルＲに照射され、そのショット領域が露光される。以後同様に、決定されたショット領域の配列を用いてウエハステージ９がステップ移動により位置決めされて、順次ショット領域が露光される。
【０１１１】
本実施形態においては、結像光学系において生じた位相ずれが補正された画像信号から各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）を求めているため、高い精度で計測が行われる。この高精度の計測結果を用いて上述したＥＧＡ演算が行われ、決定されるショット領域の配列の規則性も高い精度のものとなる。この結果、露光時においてウエハＷの各ショット領域を投影光学系ＰＬの投影領域に精確に位置決めすることができ、重ね合わせ精度を向上を図ることができる。
【０１１２】
以上、本発明の実施形態による位置計測装置及び露光装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。
例えば、上述した他の実施形態では、フィルタ部８３ａ〜８３ｎで抽出された画像信号を一時的に画像信号記憶部８４に記憶し、順次位相補正部８５で位相ずれを補正するとともに、位置情報算出部８８で補正位置情報を求めるようにした。しかしながら、ＦＩＡ演算ユニット６３で要する処理時間を短縮するために、位相補正部８５及び位置情報算出部８８をフィルタ部８３ａ〜８３ｎ各々に対応して並列して設け、並列処理を行うようにしても良い。
【０１１３】
また、ウエハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心にマークＡＭが配置されている場合と、計測視野の端部にマークＡＭが配置されている場合とによって、残存収差が異なり、各周波数成分の位相ずれも異なることがある。このため、像高（ウエハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心からの距離）毎の光学特性情報を位相特性情報記憶部８６に記憶しておいてもよい。
【０１１４】
また、上記の実施形態においては、ウエハＷに形成されたマークの位置情報を求める場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られる訳ではなく、レチクルＲに形成されたマークの位置情報を求める場合、その他の物体に形成されたマークの位置情報を求める場合について適用可能である。更に、図７、及び図８に示した各ブロックは、電子回路によりハードウェア的に構成されていても良く、ソフトウェア的に構成されていても良い。各ブロックをソフトウェア的に構成する場合には、各ブロックの機能を規定するプログラムをＣＰＵ（中央処理装置）が実行することにより、各ブロックが実現される。また、図７に示す各ブロックをハードウェア的又はソフトウェア的に構成する場合には、図示した全てのブロックが１つにまとまって構成されていなくとも良く、分散されて構成されていても良い。例えば、フォーカス検出ユニット６０，６２は、主制御系１５とは別個に設けられていても良い
【０１１５】
また、上記実施形態においては、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６ＢがＶＲＡ方式のアライメントセンサであり、ウエハ・アライメントセンサ１６がＦＩＡ方式のアライメントセンサである場合を例に挙げて説明したが、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂ及びウエハ・アライメントセンサ１６は、更にＬＳＡ方式及びＬＩＡ方式のアライメントセンサを備えた構成であっても良い。また、本発明は、レチクルＲを介さずに投影光学系ＰＬのみを介して基準部材１０の基準パターンを観察するＴＴＬ方式のアライメントセンサにも適用することができる。
【０１１６】
また、本発明の露光装置は、図５に示したステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置に限定されず、例えばステップ・アンド・スキャン方式の露光装置、ミラープロジェクション方式、プロキシミティ方式、コンタクト方式等の露光装置に適用することが可能である。
【０１１７】
更に、半導体素子、液晶表示素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、プラズマディスプレイ、薄膜磁気ヘッド、及び撮像素子（ＣＣＤなど）の製造にも用いられる露光装置、及びレチクル、又はマスクを製造するために、ガラス基板、又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。即ち本発明は、露光装置の露光方式や用途等に関係なく適用可能である。
【０１１８】
また、前述した本発明の一実施形態による露光装置（図５）は、ウエハＷを精度よく高速に位置制御することができ、スループットを向上しつつ高い露光精度で露光が可能となるように、照明光学系、モータ２、レチクルステージ３、レーザ干渉計４、移動鏡５、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂを含むマスクアライメント系、ウエハホルダ８、ウエハステージ９、基準部材１０、移動鏡１１、レーザ干渉計１２、及びモータ１３を含むウエハアライメント系、投影光学系ＰＬ等の図５に示された各要素が電気的、機械的、又は光学的に連結して組み上げられた後、総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造される。
露光装置の製造は、温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【０１１９】
次に、本発明の一実施形態による露光装置を用いたマイクロデバイスの製造方法の実施形態について簡単に説明する。図１０は、マイクロデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートを示す図である。図１０に示すように、まず、ステップＳ１０（設計ステップ）において、マイクロデバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップＳ１１（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップＳ１２（ウエハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
【０１２０】
次に、ステップＳ１３（ウエハ処理ステップ）において、ステップＳ１０〜ステップＳ１２で用意したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ１４（デバイス組立ステップ）において、ステップＳ１３で処理されたウエハを用いてデバイス組立を行う。このステップＳ１４には、ダイシング工程、ボンティング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。最後に、ステップＳ１５（検査ステップ）において、ステップＳ１４で作製されたマイクロデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にマイクロデバイスが完成し、これが出荷される。
【０１２１】
図１１は、半導体デバイスの場合における、図１１のステップＳ１３の詳細なフローの一例を示す図である。図１１において、ステップＳ２１（酸化ステップ）においてはウエハの表面を酸化させる。ステップＳ２２（ＣＶＤステップ）においてはウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ２３（電極形成ステップ）においてはウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ２４（イオン打込みステップ）においてはウエハにイオンを打ち込む。以上のステップＳ２１〜ステップＳ２４のそれぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
【０１２２】
ウエハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップＳ２５（レジスト形成ステップ）において、ウエハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップＳ２６（露光ステップ）において、上で説明したリソグラフィシステム（露光装置）及び露光方法によってマスクの回路パターンをウエハに転写する。次に、ステップＳ２７（現像ステップ）においては露光されたウエハを現像し、ステップＳ２８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップＳ２９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０１２３】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の位置計測方法を説明するための図である。
【図２】計測対象のマークの構成例を示す平面模式図である。
【図３】本発明の位置計測方法を実施するための位置計測装置の構成例を模式的に示す図である。
【図４】光学系の非対称（収差）の影響を除去する位置計測方法の一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。
【図６】ウエハ・アライメントセンサの構成例を示す構成図である。
【図７】主制御系の内部構成を示すブロック図である。
【図８】ＦＩＡ演算ユニットの内部構成を示すブロック図である。
【図９】ウエハ上のショット領域の配列及びマークの形状を説明するための図である。
【図１０】マイクロデバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図１１】半導体デバイスの場合における、図１０のステップＳ１３の詳細なフローの一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１２５】
６Ａ，６Ｂ…レチクル・アライメントセンサ、９…ウエハステージ（位置決め部）、１３…モータ（位置決め部）、１５…主制御系（制御部）、１６…ウエハ・アライメントセンサ（位置計測装置）、４１…光源（照射系）、４２…コンデンサレンズ（照射系）、４３…視野絞り（照射系）、４４…照明リレーレンズ（照射系）、４５…ビームスプリッタ（照射系、結像光学系）、４６…第１対物レンズ（照射系、結像光学系）、４８…第２対物レンズ（結像光学系）、４９…ビームスプリッタ（結像光学系）、５０…撮像素子（光電変換手段）、８１…画像信号増幅部、８３ａ〜８３ｎ…フィルタ部（抽出部）、８５…位相補正部（演算部）、８６…位相特性情報記憶部（記憶部）、８８…位置情報算出部（演算部）、ＡＭ…マーク、ＤＬ…検知ビーム（検知光）、Ｍｘｉ，Ｍｙｉ…マーク、ＰＬ…投影光学系（露光部）、Ｒ…レチクル、ＲＭ…レチクルマーク、ＶＳ１，ＶＳ２…画像信号、Ｗ…ウエハ（物体、基板）。
【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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