(57)【要約】非対称な低段差パターンのマークを高精度に位置検出することのできる位置検出装置。位置検出すべき物体（Ｗ）に設けられたマーク（ＷＭ）からの光を導く光学系（７〜１４）と、マークからの光を光電検出する光電検出器（１５，１６）と、該光電検出器の出力信号に基づいてマークの位置を検出する検出系（１８，３５）とを備えた位置検出装置。検出系は、光電検出器に達するマークからの回折光のうちの特定次数の１つの回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態において、光電検出器の出力信号に基づいてマークの位置を検出する。
2003074966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記検出系は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの特定次数の１つの回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態において、前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の位置検出装置において、
前記特定次数の１つの回折光は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの最高次数の回折光であることを特徴とする位置検出装置。
【請求項３】
請求の範囲第１項または第２項に記載の位置検出装置において、
前記所定の光学状態はデフォーカス状態であり、前記マークからの光の中心波長をλとし、前記マークのピッチをＰとし、前記特定次数の回折光の次数をＮとすると、前記デフォーカス状態におけるデフォーカス量の大きさΔＺ０は、
2003074966.tif 000008
で表されることを特徴とする位置検出装置。
【請求項４】
請求の範囲第３項に記載の位置検出装置において、
前記光電検出器は、前記光学系の像面に対して光電検出面が＋ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第１光電検出器と、前記光学系の像面に対して光電検出面が−ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第２光電検出器との少なくとも一方を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載の位置検出装置において、
前記光電検出器は、前記光学系の像面と光電検出面とがほぼ一致するように配置された第３光電検出器をさらに有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載の位置検出装置において、
前記検出系は、前記第１光電検出器、前記第２光電検出器および前記第３光電検出器のうち、前記マークの構造形態に基づいて選択された光電検出器の出力信号を用いて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項７】
請求の範囲第３項に記載の位置検出装置において、
前記検出系は、前記光学系の物体面に対して前記マークを＋ΔＺ０だけデフォーカスさせた第１デフォーカス状態、前記光学系の物体面に対して前記マークを−ΔＺ０だけデフォーカスさせた第２デフォーカス状態、および前記光学系の物体面に対して前記マークをほぼ一致させたフォーカス状態のうち、前記マークの構造形態に基づいて選択された状態における前記光電検出器の出力信号を用いて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記検出系は、所定のデフォーカス範囲に対する前記マークの検出位置の変動がほぼ最小になる所定のデフォーカス状態において、前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の位置検出装置において、
前記所定のデフォーカス状態は、前記物体のほぼ中央に設けられた中央マークの検出位置の変動が前記所定のデフォーカス範囲に対してほぼ最小になるデフォーカス状態であることを特徴とする位置検出装置。
【請求項１０】
請求の範囲第８項に記載の位置検出装置において、
前記所定のデフォーカス状態は、前記物体に間隔を隔てて設けられた複数のマークの検出位置の変動の平均値が前記所定のデフォーカス範囲に対してほぼ最小になるデフォーカス状態であることを特徴とする位置検出装置。
【請求項１１】
位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記検出系は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの最高次回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になる第１デフォーカス量と、所定のデフォーカス範囲に対する前記マークの検出位置の変動がほぼ最小になる第２デフォーカス量とに前記マークの構造形態に基づく重みをつけて決定された所定のデフォーカス量に対応する所定のデフォーカス状態において、前記光電検出器の出力信号を用いて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置。
【請求項１２】
位置検出すべき物体に設けられたマークから光学系を介して導かれた光を光電検出器で光電検出し、前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、
前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの特定次数の１つの回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態に設定する設定工程と、
前記所定の光学状態において前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出工程とを含むことを特徴とする位置検出方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１２項に記載の位置検出方法において、
前記設定工程は、前記マークのパターン特性と前記光学系の光学特性とに基づいて、前記所定の光学状態としてのデフォーカス状態を規定するデフォーカス量を算出する算出工程を含むことを特徴とする位置検出方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１２項または第１３項に記載の位置検出方法において、
所定の条件に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断する判断工程をさらに含むことを特徴とする位置検出方法。
【請求項１５】
請求の範囲第１４項に記載の位置検出方法において、
前記判断工程では、前記マークの位置検出に要求される精度に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断することを特徴とする位置検出方法。
【請求項１６】
請求の範囲第１４項または第１５項に記載の位置検出方法において、
前記判断工程では、前記マークのパターン情報に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断することを特徴とする位置検出方法。
【請求項１７】
請求の範囲第１６項に記載の位置検出方法において、
前記判断工程では、前記マークのパターンを構成するライン部のピッチ方向の寸法が１μｍ以下の場合に前記設定工程および前記検出工程の実施を決定することを特徴とする位置検出方法。
【請求項１８】
請求の範囲第１４乃至第１７項のいずれか１項に記載の位置検出方法において、
前記判断工程では、ベストフォーカス状態において前記マークから得られた前記出力信号の波形情報に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断することを特徴とする位置検出方法。
【請求項１９】
所定のパターンが形成されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクのパターン像を感光性基板上に形成するための投影光学系と、前記感光性基板の位置を検出するための請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１項に記載の位置検出装置とを備えていることを特徴とする露光装置。
【請求項２０】
所定のパターンが形成されたマスクを照明し、照明された前記マスクのパターン像を感光性基板上に露光する露光方法において、
請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１項に記載の位置検出装置または請求の範囲第１２項乃至第１８項のいずれか１項に記載の位置検出方法を用いて前記感光性基板の位置を検出することを特徴とする露光方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、位置検出装置、露光装置、および露光方法に関し、特に半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスを製造するリソグラフィ工程で用いる露光装置に搭載される位置検出装置に関するものである。
背景技術
一般に、半導体素子等のデバイスの製造に際して、感光材料の塗布されたウェハ（またはガラスプレート等の基板）上に複数層の回路パターンを重ねて形成する。このため、回路パターンをウェハ上に露光するための露光装置には、マスクのパターンと既に回路パターンの形成されているウェハの各露光領域との相対位置合わせ（アライメント）を行うためのアライメント装置が備えられている。近年、回路パターンの線幅の微細化に伴い、高精度のアライメントが必要とされるようになってきている。
従来、この種のアライメント装置として、特開平４−６５６０３号公報、特開平４−２７３２４６号公報等に開示されているように、オフ・アクシス方式で且つ撮像方式のアライメント装置が知られている。この撮像方式のアライメント装置の位置検出系は、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系の位置検出装置とも呼ばれている。ＦＩＡ系の位置検出装置では、ハロゲンランプ等の光源から射出される波長帯域幅の広い光で、ウェハ上のアライメントマーク（ウェハマーク）を照明する。そして、結像光学系を介してウェハマークの拡大像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理することによりウェハマークの位置検出を行う。
一般に、低段差パターンのアライメントマークの場合、ベストフォーカス状態で得られるアライメントマーク像のコントラストは低くなる。そこで、特開平７−１８３１８６号公報、特開平９−６０１７号公報、特開平１０−５０５９２号公報等には、デフォーカス状態において低段差パターンのアライメントマークを検出することによりアライメントマーク像のコントラストを向上させる技術が開示されている。なお、近年の半導体素子に関する製造技術の進展に伴って、非対称な低段差パターンのアライメントマークであっても位置検出を高精度に行うことが求められるようになってきている。
上述のように、従来技術では、ベストフォーカス状態よりもデフォーカス状態の方が低段差パターン像のコントラストが向上することを考慮し、像のコントラストが最大になるデフォーカス位置で位置検出を行うことにより精度の向上を図っている。しかしながら、像のコントラストが最大になるデフォーカス位置で位置検出を行う従来技術では、アライメントマークが非対称な低段差パターンである場合にアライメントマーク像も非対称に歪むので、デフォーカスに伴って位置検出結果にかなりの誤差成分が含まれるようになり、結果として位置検出精度が悪化する可能性がある。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、非対称な低段差パターンのマークを高精度に位置検出することのできる位置検出装置を提供することを目的とする。さらに、本発明の高精度な位置検出装置を用いて、たとえば投影光学系に対してマスクと感光性基板とを高精度に位置合わせして良好な露光を行うことのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。
発明の開示
前記課題を解決するために、本発明の第１発明では、位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記検出系は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの特定次数の１つの回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態において、前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置を提供する。この場合、前記特定次数の１つの回折光は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの最高次数の回折光であることが好ましい。また、前記特定次数の１つの回折光は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうち、像の非対称性に影響する次数の回折光であることが好ましい。
第１発明の好ましい態様によれば、前記所定の光学状態はデフォーカス状態であり、前記マークからの光の中心波長をλとし、前記マークのピッチをＰとし、前記特定次数の回折光の次数をＮとすると、前記デフォーカス状態におけるデフォーカス量の大きさΔＺ０は、ΔＺ０≒（１／λ）×（Ｐ／Ｎ）２×１／２で表される。この場合、前記光電検出器は、前記光学系の像面に対して光電検出面が＋ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第１光電検出器と、前記光学系の像面に対して光電検出面が−ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第２光電検出器との少なくとも一方を有することが好ましい。そして、前記第１光電検出器と前記第２光電検出器との双方を有することがさらに好ましい。
また、第１発明の好ましい態様によれば、光電検出器は、前記光学系の像面と光電検出面とがほぼ一致するように配置された第３光電検出器をさらに有する。この場合、前記検出系は、前記第１光電検出器、前記第２光電検出器および前記第３光電検出器のうち、前記マークの構造形態に基づいて選択された光電検出器の出力信号を用いて前記マークの位置を検出することが好ましい。
さらに、第１発明の好ましい態様によれば、前記検出系は、前記光学系の物体面に対して前記マークを＋ΔＺ０だけデフォーカスさせた第１デフォーカス状態、前記光学系の物体面に対して前記マークを−ΔＺ０だけデフォーカスさせた第２デフォーカス状態、および前記光学系の物体面に対して前記マークをほぼ一致させたフォーカス状態のうち、前記マークの構造形態に基づいて選択された状態における前記光電検出器の出力信号を用いて前記マークの位置を検出する。
本発明の第２発明では、位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記検出系は、所定のデフォーカス範囲に対する前記マークの検出位置の変動がほぼ最小になる所定のデフォーカス状態において、前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置を提供する。
第２発明の好ましい態様によれば、前記所定のデフォーカス状態は、前記物体のほぼ中央に設けられた中央マークの検出位置の変動が前記所定のデフォーカス範囲に対してほぼ最小になるデフォーカス状態である。あるいは、前記物体に間隔を隔てて設けられた複数のマークの検出位置の変動の平均値が前記所定のデフォーカス範囲に対してほぼ最小になるデフォーカス状態であることが好ましい。
本発明の第３発明では、位置検出すべき物体に設けられたマークからの光を導く光学系と、前記マークからの光を光電検出する光電検出器と、該光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出系とを備えた位置検出装置において、
前記検出系は、前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの最高次回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になる第１デフォーカス量と、所定のデフォーカス範囲に対する前記マークの検出位置の変動がほぼ最小になる第２デフォーカス量とに前記マークの構造形態に基づく重みをつけて決定された所定のデフォーカス量に対応する所定のデフォーカス状態において、前記光電検出器の出力信号を用いて前記マークの位置を検出することを特徴とする位置検出装置を提供する。
本発明の第４発明では、位置検出すべき物体に設けられたマークから光学系を介して導かれた光を光電検出器で光電検出し、前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する位置検出方法において、
前記光電検出器に達する前記マークからの回折光のうちの特定次数の１つの回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態に設定する設定工程と、
前記所定の光学状態において前記光電検出器の出力信号に基づいて前記マークの位置を検出する検出工程とを含むことを特徴とする位置検出方法を提供する。
第４発明の好ましい態様によれば、前記設定工程は、前記マークのパターン特性と前記光学系の光学特性とに基づいて、前記所定の光学状態としてのデフォーカス状態を規定するデフォーカス量を算出する算出工程を含む。また、所定の条件に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断する判断工程をさらに含むことが好ましい。この場合、前記判断工程では、前記マークの位置検出に要求される精度に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断することが好ましい。
また、第４発明の好ましい態様によれば、前記判断工程では、前記マークのパターン情報に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断する。この場合、前記判断工程では、前記マークのパターンを構成するライン部のピッチ方向の寸法が１μｍ以下の場合に前記設定工程および前記検出工程の実施を決定することが好ましい。また、前記判断工程では、ベストフォーカス状態において前記マークから得られた前記出力信号の波形情報に基づいて前記設定工程および前記検出工程を実施するか否かを判断することが好ましい。
本発明の第５発明では、所定のパターンが形成されたマスクを照明するための照明系と、前記マスクのパターン像を感光性基板上に形成するための投影光学系と、前記感光性基板の位置を検出するための第１発明〜第３発明の位置検出装置とを備えていることを特徴とする露光装置を提供する。
本発明の第６発明では、所定のパターンが形成されたマスクを照明し、照明された前記マスクのパターン像を感光性基板上に露光する露光方法において、第１発明〜第３発明の位置検出装置または第４発明の位置検出方法を用いて前記感光性基板の位置を検出することを特徴とする露光方法を提供する。
発明を実施するための最良の形態
本発明の位置検出装置においてデフォーカスさせると、光軸に対称な波面収差（位相ずれ）が発生する。ここで、デフォーカス量の大きさをΔＺとし、マークからの光の中心波長をλとし、マークのピッチをＰとし、回折光の次数をＮ（Ｎ＝０，±１，±２，・・・）とすると、発生する位相ずれの大きさΔＷ（ラジアン）は次の式（１）で表される。
2003074966.tif 000003
ところで、非対称なパターンのマークの場合、光学系が集光して光電検出器に達する回折光においてプラスの次数の回折光と対応するマイナスの次数の回折光とが光軸に関して非対称になり、結果としてマーク像が非対称に歪む。同様に、製造誤差などにより光学系の光軸に対して結像開口絞りが位置ずれ（以下「光軸ずれ」という）している場合にも、光電検出器に達する回折光においてプラスの次数の回折光と対応するマイナスの次数の回折光とが光軸に関して非対称になり、マーク像が非対称に歪む。
上述したように、一般的に光電検出器に達する回折光が光軸に関して非対称になると、マーク像も非対称に歪むことになる。しかしながら、光電検出器に達する回折光が０次回折光と１次回折光とに限定される場合、０次回折光と１次回折光との位相差が９０度であれば、マーク像が対称になる。つまり、０次回折光と１次回折光との位相差が９０度になるようなデフォーカス状態に設定すれば、マークのパターンが非対称であっても、また結像開口絞りの光軸ずれが存在していても、対称なマーク像を得ることができる。以下、この点について簡単に説明する。
パターンの非対称性や結像開口絞りの光軸ずれにより、０次回折光および＋１次回折光のみが光電検出器に達し−１次回折光が光電検出器に達しない場合、光電検出面に形成されるパターン像の強度分布Ｉは、パターンの凸部と凹部との段差をｄとし、パターンのピッチ方向の位置座標をＸとし、０次回折光のフーリエ振幅をＣ０とし、±１次回折光のフーリエ振幅をＣ１とすると、次の式（２）で表される。
2003074966.tif 000004
ここで、
2003074966.tif 000005
したがって、デフォーカス量がΔＺ＝０のベストフォーカス状態では、０次回折光と１次回折光との位相差が△Ｗ＝０となり、パターン像の強度分布Ｉは次の式（３）で表される。
2003074966.tif 000006
すなわち、デフォーカス量がΔＺ＝０のベストフォーカス状態では、パターン像の強度分布Ｉを表す式（３）にＸの奇関数ｓｉｎの項が現れることにより、パターン像に非対称性が生じる。これに対し、０次回折光と１次回折光との位相差が△Ｗ＝π／２になるように、所定のデフォーカス量ΔＺ０だけデフォーカスさせると、パターン像の強度分布Ｉは次の式（４）で表される。また、０次回折光と１次回折光との位相差が△Ｗ＝π／２になるデフォーカス量ΔＺ０は、次の式（５）で表される。
2003074966.tif 000007
すなわち、０次回折光と１次回折光との位相差が△Ｗ＝π／２になるような所定のデフォーカス状態では、パターン像の強度分布Ｉを表す式（４）にＸの奇関数ｓｉｎの項がなくなりＸの偶関数ｃｏｓの項が現れることにより、パターン像の非対称性がなくなり対称なパターン像が得られることになる。また、この場合には、得られるパターン像のコントラストも最良になる。
以上のように、マークからの０次回折光と１次回折光とに基づいて非対称な低段差パターンのマークを検出する場合、０次回折光と１次回折光との位相差が９０度（π／２）になる所定のデフォーカス状態に設定すると、完全に対称でコントラストの最良なマーク像を得ることができる。
以上の説明は簡単のためにマークからの０次回折光と１次回折光とに基づいてマークを検出する場合を想定しているが、実際の位置検出装置では１次よりもさらに高次の回折光も光電検出する構成になっている場合が多い。この場合にも、後述するように、光電検出器に達するマークからの回折光のうち、最高次回折光と０次回折光との位相差が９０度になる所定のデフォーカス状態において非対称な低段差パターンのマークを検出すると、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができる。さらに、一般的には、光電検出器に達するマークからの回折光のうち、特定次数の１つの回折光または複数の特定次数の回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態において、非対称な低段差パターンのマークを検出すると、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができる。
本発明の典型的な形態にしたがう位置検出装置では、光電検出器がマークからの光を光電検出し、検出系が光電検出器の出力信号に基づいてマークの位置を検出する。そして、検出系は、光電検出器に達するマークからの回折光のうちの最高次回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になる所定のデフォーカス状態において、光電検出器の出力信号に基づいてマークの位置を検出することを特徴としている。その結果、本発明では、非対称な低段差パターンのマークであっても、ほぼ対称で且つコントラストのほぼ良好なマーク像を得ることができ、ひいてはマークの位置を高精度に位置検出することができる。
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
第１図は、本発明の実施形態にかかる位置検出装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。また、第２Ａ図および第２Ｂ図は、本実施形態の位置検出装置により位置検出すべき物体であるウェハに形成された段差パターンからなるウェハマークの構成を模式的に示す図である。
本実施形態では、半導体素子を製造するための露光装置において感光性基板の位置を検出するためのＦＩＡ系の位置検出装置に本発明を適用している。なお、第１図では、露光装置の投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に対して平行にＺ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において第１図の紙面に平行な方向にＸ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において第１図の紙面に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ設定されている。
図示の露光装置は、適当な露光光でマスク（投影原版）としてのレチクルＲを照明するための露光用照明系ＩＬを備えている。レチクルＲはレチクルステージ３０上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されており、そのパターン領域ＰＡには転写すべき回路パターンが形成されている。レチクルＲを透過した光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板としてのウェハＷに達し、ウェハＷ上にはレチクルＲのパターン像が形成される。
なお、ウェハＷは、ウェハホルダ３１を介して、Ｚステージ３２上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されている。Ｚステージ３２は、ステージ制御系３４によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に沿ってＺ方向に駆動されるように構成されている。Ｚステージ３２はさらに、ＸＹステージ３３上に支持されている。ＸＹステージ３３は、同じくステージ制御系３４によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に対して垂直なＸＹ平面内において二次元的に駆動されるように構成されている。
前述したように、露光装置では、投影露光に先立って、レチクルＲ上のパターン領域ＰＡとウェハＷ上の各露光領域とを光学的に位置合わせ（アライメント）する必要がある。そこで、位置検出すべき物体であるウェハＷには、第２Ａ図および第２Ｂ図に模式的に示すような段差パターンからなるウェハマーク（ウェハアライメントマーク）ＷＭが形成されている。ウェハマークＷＭの位置を検出し、ひいてはウェハＷの位置を検出するのに、本実施形態の位置検出装置が使用される。
具体的には、ウェハマークＷＭとして、Ｘ方向に周期性を有する一次元マークとしてのＸ方向ウェハマークＷＭＸと、Ｙ方向に周期性を有する一次元マークとしてのＹ方向ウェハマークＷＭＹ（不図示）とが、ウェハＷ上に形成されている。なお、本実施形態では、ウェハマークＷＭとして、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ周期性を有する互いに独立した２つの一次元マークを採用しているが、Ｘ方向およびＹ方向に周期性を有する二次元マークを採用することもできる。
本実施形態にかかる位置検出装置は、波長帯域幅の広い照明光（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）を供給するための光源１を備えている。光源１として、ハロゲンランプのような光源を使用することができる。光源１から供給された照明光は、リレー光学系（不図示）を介して、光ファイバーのようなライトガイド２の入射端に入射する。ライトガイド２の内部を伝搬してその射出端から射出された照明光は、たとえば円形状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り３を介して制限された後、コンデンサーレンズ４に入射する。
コンデンサーレンズ４を介した照明光は、照明すべき物体であるウェハＷの露光面と光学的に共役に配置された照明視野絞り５を介して、照明リレーレンズ６に入射する。照明リレーレンズ６を介した照明光は、ハーフプリズム７を透過した後、第１対物レンズ８に入射する。第１対物レンズ８を介した照明光は、反射プリズム９の反射面で図中下方に（−Ｚ方向に）反射された後、ウェハＷ上に形成されたウェハマークＷＭを照明する。
このように、光源１、ライトガイド２、照明開口絞り３、コンデンサーレンズ４、照明視野絞り５、照明リレーレンズ６、ハーフプリズム７、第１対物レンズ８および反射プリズム９は、ウェハマークＷＭを照明するための照明系を構成している。照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光（回折光を含む）は、反射プリズム９および第１対物レンズ８を介して、ハーフプリズム７に入射する。ハーフプリズム７で図中上方に（＋Ｚ方向に）反射された光は、第２対物レンズ１０を介して、指標板１１上にウェハマークＷＭの像を形成する。
指標板１１を介した光は、リレーレンズ系（１２，１３）を介して、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４に入射する。そして、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４で反射された光はＹ方向用ＣＣＤ１５に、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４を透過した光はＸ方向用ＣＣＤ１６に入射する。なお、リレーレンズ系（１２，１３）の平行光路中には、結像開口絞り１７が配置されている。
このように、反射プリズム９、第１対物レンズ８、ハーフプリズム７、第２対物レンズ１０、指標板１１、リレーレンズ系（１２，１３）、結像開口絞り１７およびハーフプリズム１４は、照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。また、Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６は、結像光学系を介して形成されたマーク像を光電検出するための光電検出器を構成している。
こうして、Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６の撮像面には、マーク像が指標板１１の指標パターン像とともに形成される。Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６からの出力信号は、信号処理系１８に供給される。さらに、信号処理系１８において信号処理（波形処理）により得られたウェハマークＷＭの位置情報は、主制御系３５に供給される。主制御系３５は、信号処理系１８からのウェハマークＷＭの位置情報に基づいて、ステージ制御信号をステージ制御系３４に出力する。
ステージ制御系３４は、ステージ制御信号にしたがってＸＹステージ３３を適宜駆動し、ウェハＷのアライメントを行う。なお、主制御系３５には、たとえばキーボードのような入力手段３６を介して、照明開口絞り３に対する指令や結像開口絞り１７に対する指令が供給される。主制御系３５は、これらの指令に基づき、駆動系１９を介して照明開口絞り３を駆動したり、駆動系２０を介して結像開口絞り１７を駆動したりする。
第３図は、本実施形態においてウェハマークとして用いられる非対称な低段差パターンの構成例を概略的に示す図である。第３図を参照すると、たとえばシリコンからなるウェハＷ上にＳｉＯ２（酸化シリコン）からなる絶縁層４０が形成され、この絶縁層４０においてＷ（タングステン）からなる複数のライン部４１が形成されている。ここで、複数のライン部４１は、Ｙ方向に沿って細長く直線状に延びた形態を有し、Ｘ方向に沿って所定のピッチにしたがって配置されている。また、絶縁層４０および複数のライン部４１の表面はＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）手法により平坦化され、その表面上にアルミニウム層４２が形成されている。
一般に、ＣＭＰ手法を用いて絶縁層４０および複数のライン部４１の表面を平坦化すると、ライン部４１の表面が非対称に窪んだ形態になり、ライン部４１の表面部分に対応するアルミニウム層４２の表面部分も非対称に窪んだ形態になる。本実施形態では、この反射層としてのアルミニウム層４２をＸ方向のウェハマークＷＭＸとして用いる。その結果、ウェハマークＷＭＸは、凹部（ライン部４１の表面部分に対応するアルミニウム層４２の表面部分）および凸部（絶縁層４０の表面部分に対応するアルミニウム層４２の表面部分）がピッチ方向（Ｘ方向）に関してそれぞれ非対称に形成された非対称低段差パターンで構成されることになる。このことは、Ｙ方向のウェハマークＷＭＹについても同様である。
第４Ａ図および第４Ｂ図は、対称な段差パターンをベストフォーカス状態で検出したときに得られる信号波形を示す図である。デフォーカス量がΔＺ＝０のベストフォーカス状態（すなわち結像光学系の物体面に対してウェハマークＷＭを一致させたフォーカス状態）において、ウェハマークＷＭからの０次回折光と１次回折光とに基づいて対称な段差パターンを検出すると、対称なパターン像が、ひいては第４Ａ図に示すように対称な信号波形が得られる。実際には、後述するように、たとえばウェハマークＷＭからの０次回折光〜７次回折光に基づいてパターン検出することが多い。この場合にも、第４Ｂ図に示すように対称な信号波形が得られる。
第５Ａ図および第５Ｂ図は、第４Ａ図および第４Ｂ図と同じパターンを光軸に対して結像開口絞りがずれた状態でガウス像面において検出したときに得られる信号波形を示す図である。一般に、ガウス像面において、ウェハマークＷＭからの０次回折光と１次回折光とに基づいて低段差パターンを結像開口絞りがずれた状態で検出すると、第５Ａ図に示すように非対称な信号波形が得られる。
実際に、ウェハマークＷＭからの０次回折光〜７次回折光に基づいてパターン検出する場合、パターン像も非対称に歪むので、第５Ｂ図に示すように非対称な信号波形が得られる。その結果、非対称な信号波形に基づいて得られた位置検出結果にはかなりの誤差成分が含まれるようになり、位置検出精度が悪化し易い。同様に、非対称な低段差パターンであっても、非対称な信号波形が得られることになり位置検出精度が悪化し易い。
そこで、本実施形態では、結像開口絞りがずれている場合やウェハマークＷＭが非対称な低段差パターンの場合、光電検出器（１５，１６）に達するウェハマークＷＭからの回折光のうちの最高次回折光と０次回折光との位相差が９０度になる所定のデフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置を検出する。以下、本実施形態の作用効果を最も簡潔に示すために、ウェハマークＷＭからの回折光のうち、０次回折光および１次回折光だけが光電検出器（１５，１６）に達するように結像開口絞り１７が設定されている場合について説明する。
この場合、０次回折光と１次回折光との位相差が９０度になる（△Ｗ＝π／２になる）ように、結像光学系の物体面に対してウェハマークＷＭを式（５）に示すΔＺ０だけデフォーカスさせた所定のデフォーカス状態において位置検出すると、対称なパターン像が、ひいては第６Ａ図に示すように完全に対称な信号波形が得られる。また、得られるパターン像のコントラストも最良になる。
本実施形態の位置検出装置では、１次よりもさらに高次の回折光が光電検出器（１５，１６）に達するように結像開口絞り１７が設定されている場合が一般的である。そこで、本実施形態では、光電検出器（１５，１６）に達するウェハマークＷＭからの回折光のうち、たとえば最高次回折光である７次回折光と０次回折光との位相差が９０度になる所定のデフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置を検出する。
その結果、本実施形態では、ほぼ対称なパターン像が、ひいては第６Ｂ図に示すようにほぼ対称な信号波形が得られる。また、得られるパターン像のコントラストも良好になる。なお、光電検出器（１５，１６）に達する回折光のうち、最高次回折光に対応する信号波形は、最高周波数を有し、ひいては立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジが最も大きな傾きを有する波形である。このため、最高次回折光と０次回折光との位相差を９０度に設定することにより、第６Ｂ図に示すようにエッジが最も急峻になる良好な信号波形が得られる。
こうして、本実施形態では、ウェハマークＷＭが非対称な低段差パターンの場合、結像光学系の物体面に対してウェハマークＷＭを＋ΔＺ０だけデフォーカスさせた第１デフォーカス状態、または結像光学系の物体面に対してウェハマークＷＭを−ΔＺ０だけデフォーカスさせた第２デフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号を用いてウェハマークＷＭの位置を、ひいてはウェハＷの位置を検出する。その結果、ウェハマークＷＭが非対称な低段差パターンであっても、ほぼ対称で且つほぼ最良なパターン像に基づいて、ウェハマークＷＭを高精度に位置検出することができる。また、結像開口絞り１７の光軸ずれが存在したとしても、ほぼ対称で且つほぼ最良なパターン像に基づいて、ウェハマークＷＭを高精度に位置検出することができる。
あるいは、第１デフォーカス状態および第２デフォーカス状態の双方においてウェハマークＷＭの位置を検出し、その検出結果の平均値に基づいてその平均化効果によりウェハＷの位置をさらに高精度に検出することもできる。一方、ウェハマークＷＭが非対称な低段差パターンとは構造形態の異なるパターン、たとえば対称な高段差パターンである場合、結像光学系の物体面に対してウェハマークＷＭをほぼ一致させたフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号を用いてウェハマークＷＭの位置（ひいてはウェハＷの位置）を検出すればよい。
第７図は、第１図の実施形態の変形例にかかる位置検出装置の要部構成を概略的に示す図である。第７図の変形例は、第１図の実施形態と類似の構成を有する。しかしながら、第１図の実施形態では結像光学系の物体面に対してウェハマークＷＭをデフォーカスさせているが、第７図の変形例では結像光学系の像面に対して光電検出面をデフォーカスさせている点だけが基本的に相違している。以下、第１図の実施形態との相違点に着目して、第７図の変形例を説明する。
第７図を参照すると、変形例では、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４とＹ方向用ＣＣＤ１５ｃ（第１図のＣＣＤ１５に対応）との間の光路中に配置された一対のハーフミラー２２および２３と、第１ハーフミラー２２で反射された光が入射するＹ方向用ＣＣＤ１５ａと、第２ハーフミラー２３で反射された光が入射するＹ方向用ＣＣＤ１５ｂとが付設されている。したがって、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４で反射されたウェハマークＷＭからの光は第１ハーフミラー２２に入射し、第１ハーフミラー２２で反射された光はＣＣＤ１５ａへ導かれ、第１ハーフミラー２２を透過した光は第２ハーフミラー２３へ導かれる。
また、第２ハーフミラー２３で反射された光はＣＣＤ１５ｂへ導かれ、第２ハーフミラー２３を透過した光はＣＣＤ１５ｃへ導かれる。ＣＣＤ１５ａ〜１５ｃの出力信号は、信号処理系１８に供給される。ここで、第１光電検出器としてのＣＣＤ１５ａでは、結像光学系の像面に対して光電検出面（撮像面）が＋ΔＺ０だけデフォーカスして配置されている。また、第２光電検出器としてのＣＣＤ１５ｂでは、結像光学系の像面に対して光電検出面が−ΔＺ０だけデフォーカスして配置されている。
さらに、第３光電検出器としてのＣＣＤ１５ｃでは、第１図のＣＣＤ１５と同様に、結像光学系の像面と光電検出面とがほぼ一致するように配置されている。また、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４とＸ方向用ＣＣＤ１６ｃ（第１図のＣＣＤ１６に対応）との間の光路中にも同様に、一対のハーフミラー２４および２５が配置されている。そして、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４を透過したウェハマークＷＭからの光は、＋ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第１光電検出器としてのＣＣＤ１６ａ、−ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第２光電検出器としてのＣＣＤ１６ｂ、および像面と光電検出面とがほぼ一致するように配置された第３光電検出器としてのＣＣＤ１６ｃへ導かれる。
こうして、変形例では、ウェハマークＷＭが非対称な低段差パターンの場合、結像光学系の像面に対して＋ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第１光電検出器（１５ａ，１６ａ）の出力信号、または結像光学系の像面に対して−ΔＺ０だけデフォーカスして配置された第２光電検出器（１５ｂ，１６ｂ）の出力信号を用いて、ウェハマークＷＭの位置を、ひいてはウェハＷの位置を検出する。その結果、ほぼ対称で且つほぼ最良なパターン像に基づいて、非対称な低段差パターンのウェハマークＷＭを高精度に位置検出することができる。
あるいは、第１光電検出器（１５ａ，１６ａ）の出力信号および第２光電検出器（１５ｂ，１６ｂ）の双方を用いて、その平均値に基づいてその平均化効果によりウェハＷの位置をさらに高精度に検出することもできる。一方、ウェハマークＷＭが非対称な低段差パターンとは構造形態の異なるパターン、たとえば対称な高段差パターンである場合、結像光学系の像面と光電検出面とがほぼ一致するように配置された第３光電検出器（１５ｃ，１６ｃ）の出力信号を用いてウェハマークＷＭの位置（ひいてはウェハＷの位置）を検出すればよい。
第１変形例の場合、第１光電検出器としてのＣＣＤ（１５ａ，１６ａ）および第２光電検出器としてのＣＣＤ（１５ｂ，１６ｂ）のデフォーカス量を変化させるには新たな駆動系の導入が必要であり、実際にはデフォーカス量を変化させない形態が望ましい。ここで、式（５）を参照すると、第１光電検出器および第２光電検出器に設定すべきデフォーカス量を規定するパラメータは、光の中心波長λ、ウェハマークＷＭのピッチＰ、および回折光の最高次数Ｎである。ここで、光の中心波長λは装置に固有であり、回折光の最高次数Ｎも装置に固有であることが多い。したがって、ウェハマークＷＭのピッチＰが一定であれば、新たな駆動系を導入することなく簡素な構成にしたがって第１変形例を実施することができる。
第８図は、本実施形態の位置検出装置においてデフォーカス量ΔＺを変化させながら検出したウェハマークの位置座標Ｘの変化を模式的に示す図である。第８図において、縦軸は検出したウェハマークＷＭのピッチ方向の位置座標Ｘである。また、横軸は、結像光学系の光軸方向に沿ったウェハマークＷＭの位置座標Ｚであって、デフォーカス量ΔＺ＝０に対応するフォーカス位置をＺ＝０に設定している。
第８図を参照すると、Ｚ＝０のベストフォーカス状態では、所定のデフォーカス範囲に対するウェハマークＷＭの検出位置Ｘの変動がかなり大きい（換言すればＺに対するＸの変化曲線の傾きがかなり急峻である）。これは、Ｚ＝０のベストフォーカス状態においてウェハマークＷＭの位置を検出する場合、ウェハマークＷＭの位置座標Ｚの変動に起因してその検出位置Ｘにかなりの誤差成分が含まれるようになり、結果として位置検出精度が悪化し易いことを示している。
これに対し、Ｚ＝Ｚ１（デフォーカス量ΔＺ１に対応）のデフォーカス状態では、所定のデフォーカス範囲（第８図において横に細長い長方形で示す）に対するウェハマークＷＭの検出位置Ｘの変動がほぼ最小になることがわかる。したがって、本実施形態の第２変形例では、所定のデフォーカス範囲に対するウェハマークＷＭの検出位置Ｘの変動がほぼ最小になる所定のデフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置を検出すれば、検出位置Ｘに含まれる誤差成分を小さく抑えることができ、ウェハマークＷＭの位置を高精度に検出することができる。
なお、第２変形例では、たとえばウェハＷのほぼ中央に設けられた中央ウェハマークの検出位置Ｘの変動が所定のデフォーカス範囲に対してほぼ最小になるデフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置を検出すればよい。あるいは、たとえばウェハＷに間隔を隔てて二次元的に設けられた複数のウェハマークＷＭの検出位置Ｘの変動の平均値が所定のデフォーカス範囲に対してほぼ最小になるデフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置を平均化効果によりさらに高精度に検出することもできる。
さらに、本実施形態と第２変形例とを組み合わせた手法も可能である。具体的には、光電検出器（１５，１６）に達するウェハマークＷＭからの回折光のうちの最高次回折光と０次回折光との位相差が９０度になる第１デフォーカス量ΔＺ０と、所定のデフォーカス範囲に対するウェハマークＷＭの検出位置Ｘの変動がほぼ最小になる第２デフォーカス量ΔＺ１とに、ウェハマークＷＭの構造形態（パターン種別、対称性など）に基づく重みをつけてデフォーカス量ΔＺ２を決定する。そして、本実施形態と第２変形例との組み合わせ手法により決定されたデフォーカス量ΔＺ２に対応する所定のデフォーカス状態において、光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置をさらに高精度に検出することもできる。
なお、上述の実施形態および変形例では、ウェハマークを落射照明しているが、これに限定されることなく、ウェハマークを透過照明する位置検出装置に本発明を適用することもできる。また、上述の実施形態および変形例では、Ｘ方向マーク検出とＹ方向マーク検出とにそれぞれ別のＣＣＤを用いているが、１つのＣＣＤでＸ方向マーク検出とＹ方向マーク検出との双方を行ってもよい。なお、上述の実施形態および変形例では、０次光と最高次数の回折光との間に９０度の位相差を与える場合を説明しているが、像の非対称性をもたらす主原因となっている次数の回折光と０次光との間に９０度の位相差を与えてもよい。すなわち、０次光との位相差が９０度となるような位相差を与える回折光の次数は最高次数には限定されない。また、上述の実施形態および変形例では、０次光と所定次数の回折光との間の位相差をデフォーカスで与えているが、所定の回折光にのみ位相差を付与することができる位相板を用いても、同等の効果が得られることはいうまでもない。また、最高次数の回折光を含む特定次数の回折光は、単数のみならず複数の特定次数の回折光も含むものである。
また、上述の実施形態および変形例では、ウェハマークからの光に基づいてその像を形成する結像光学系を備えた位置検出装置に対して本発明を適用しているが、これに限定されることなく、一般的にウェハマークからの光を導く光学系を備えた位置検出装置に対しても本発明を適用することもできる。
さらに、上述の実施形態および変形例では、露光装置における感光性基板の位置検出を行っているが、これに限定されることなく、位置検出すべき一般的な物体に形成された物体マークの位置検出、たとえば特開平６−５８７３０号公報、特開平７−７１９１８号公報、特開平１０−１２２８１４号公報、特開平１０−１２２８２０号公報、および特開２０００−２５８１１９号公報などに開示される重ね合わせ精度測定装置やパターン間寸法測定装置に本発明を適用することもできる。
次に、たとえば本実施形態の位置検出装置を用いて実施することのできる位置検出方法を説明する。第９図は、本実施形態の位置検出方法の工程を概略的に示すフローチャートである。第９図を参照すると、本実施形態は、後述するような所定の条件に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断する判断工程Ｓ１を有する。たとえば、判断工程Ｓ１において、ウェハマークＷＭの位置検出に要求される精度（以下、「要求精度」という）に基づいてデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断する。すなわち、要求精度が所定の基準精度よりも高い場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために、たとえば最高次数の回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になるように位相差を付与した所定の光学状態としてのデフォーカス状態を規定するデフォーカス量を算出する算出工程Ｓ２へ移行する。一方、要求精度が所定の基準精度以下の場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することなく、たとえば特開２００２−３２４７４６号公報に開示された従来技術にしたがってベストフォーカス状態における位置検出を実施するフォーカス検出工程Ｓ１０へ移行する。
また、判断工程Ｓ１において、ウェハマークＷＭのパターン情報に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断する。すなわち、たとえばウェハマークＷＭのパターンを構成するライン部のピッチ方向の寸法が１μｍ以下の場合には、従来のフォーカス検出工程Ｓ１０を適用してもパターンが非対称であれば波形が非対称に歪み易いので、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために算出工程Ｓ２へ移行する。一方、ウェハマークＷＭのパターンを構成するライン部のピッチ方向の寸法が１μｍを越える場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することなく、従来のフォーカス検出工程Ｓ１０へ移行する。また、たとえばライン部のピッチ方向寸法よりもスペース部のピッチ方向寸法の方が実質的に大きいパターン（いわゆる細溝パターン）や、各ライン部が複数のセグメントラインを有するパターン（いわゆるセグメントパターン）の場合にも、従来のフォーカス検出工程Ｓ１０を適用してもパターンが非対称であれば波形が非対称に歪み易いので、これらのパターン情報に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することが好ましい。また、たとえばパターンの材質や膜厚（ひいては屈折率や吸収率）に関するパターン情報に基づいてコントラストの比較的低い光学像しか得られないことが予想される場合にも、従来のフォーカス検出工程Ｓ１０を適用してもパターンが非対称であれば波形が非対称に歪み易いので、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することが好ましい。
また、判断工程Ｓ１において、ベストフォーカス状態でウェハマークＷＭから得られた光電検出信号の波形情報に基づいて本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するか否かを判断する。すなわち、たとえばベストフォーカス状態で得られた波形のコントラストが比較的低い場合や波形の対称性が比較的低い場合には、従来のフォーカス検出工程Ｓ１０を適用してもパターンが非対称であれば波形が非対称に歪み易いので、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施するために算出工程Ｓ２へ移行する。一方、ベストフォーカス状態で得られた波形のコントラストが比較的高い場合、あるいは波形の対称性が比較的高い場合には、本発明のデフォーカス状態における位置検出を実施することなく、従来のフォーカス検出工程Ｓ１０へ移行する。
本発明のデフォーカス状態における位置検出では、算出工程Ｓ２において、ウェハマークＷＭのパターン特性と光学系の光学特性とに基づいて、所要のデフォーカス状態を規定するデフォーカス量ΔＺ０を算出する。なお、デフォーカス量ΔＺ０の算出に際しては、前述の式（１）を用いることができる。式（１）において、所定の回折光の次数Ｎを、たとえばパターンの非対称性により回折光の振幅分布が非対称になり易い最高次数と設定することができる。回折光の最高次数Ｎは、光学系の光学特性としての結像光学系のＮＡ（開口数）、照明σおよび使用光の中心波長λに依存して決定される。ちなみに、照明σが小さい場合には、式（１）中の（Ｎ・λ／Ｐ）は結像光学系のＮＡに近い値になる。なお、ＰはウェハマークＷＭのピッチであって、ウェハマークＷＭのパターン特性である。こうして、式（１）にΔＷ＝π／２、最高次数Ｎ、使用光の中心波長λ、ウェハマークＷＭのピッチＰを代入することにより、デフォーカス量ΔＺ０を算出することができる。
次いで、設定工程Ｓ３において、算出したデフォーカス量ΔＺ０にしたがってウェハステージ（３２，３３）を駆動することにより、ウェハＷを（ひいてはウェハマークＷＭを）所要のデフォーカス状態に設定する。さらに、検出工程Ｓ４では、設定工程Ｓ３において設定されたデフォーカス状態において光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいて当該ウェハマークＷＭの位置を検出する。なお、いわゆるＥＧＡ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）の手法にしたがって、ウェハＷ上に配置された複数（たとえば６つまたは８つ）のウェハマークＷＭの位置を検出するために、ウェハステージ（３２，３３）をＸＹ平面に沿って二次元的に駆動しながら設定工程Ｓ３と検出工程Ｓ４とを複数回に亘って繰り返すこともできる。こうして、本実施形態の位置検出方法では、最高次回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になる所定のデフォーカス状態において光電検出器（１５，１６）の出力信号に基づいてウェハマークＷＭの位置を検出するので、非対称な低段差パターンのマークであってもほぼ対称で且つコントラストのほぼ最良なパターン像を得ることができ、結果として高精度な位置検出を行うことができる。
ところで、ベストフォーカス状態におけるウェハマークＷＭからの波形に基づく判断工程Ｓ１では、たとえばロット先頭ウェハのＥＧＡ第１ショット、ロット先頭ウェハのＥＧＡ全ショット、ロットのウェハ毎先頭ショット、あるいはロットのウェハ毎ＥＧＡ全ショットの波形を用いることができる。
産業上の利用の可能性
以上説明したように、本発明の位置検出装置および位置検出方法では、最高次回折光と０次回折光との位相差がほぼ９０度になる所定のデフォーカス状態において光電検出器の出力信号に基づいてマークの位置を検出するので、非対称な低段差パターンのマークであってもほぼ対称で且つコントラストのほぼ最良なパターン像を得ることができ、結果として高精度な位置検出を行うことができる。
また、本発明の位置検出装置が搭載された露光装置および本発明の位置検出装置または位置検出方法を用いる露光方法では、高精度な位置検出装置を用いて感光性基板を高精度に位置検出し、ひいてはマスクと感光性基板とを高精度に位置合わせして、良好な投影露光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施形態にかかる位置検出装置を備えた露光装置の構成を概略的に示す図である。
第２Ａ図および第２Ｂ図は、本実施形態の位置検出装置により位置検出すべき物体であるウェハに形成された段差パターンからなるウェハマークの構成を模式的に示す図である。
第３図は、本実施形態においてウェハマークとして用いられる非対称な低段差パターンの構成例を概略的に示す図である。
第４Ａ図および第４Ｂ図は、対称な段差パターンをベストフォーカス状態で検出したときに得られる信号波形を示す図である。
第５Ａ図および第５Ｂ図は、第４図と同じパターンを光軸に対して結像開口絞りがずれた状態でガウス像面において検出したときに得られる信号波形を示す図である。
第６Ａ図は、１次回折光と０次回折光との位相差が９０度になるデフォーカス状態において非対称な低段差パターンを検出したときに得られる信号波形を示す図である。
第６Ｂ図は、７次回折光と０次回折光との位相差が９０度になるデフォーカス状態において非対称な低段差パターンを検出したときに得られる信号波形を示す図である。
第７図は、第１図の実施形態の変形例にかかる位置検出装置の要部構成を概略的に示す図である。
第８図は、本実施形態の位置検出装置においてデフォーカス量ΔＺを変化させながら検出したウェハマークの位置座標Ｘの変化を模式的に示す図である。
第９図は、本実施形態の位置検出方法の工程を概略的に示すフローチャートである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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