(57)【要約】本発明は、観察視野を介してマークの一部分しか観察できない場合や、観察視野内からマークがずれる場合にも、そのマークの位置情報を正しく計測できる位置計測方法を提供する。この場合、観察系は、マークＭの一部分を観察可能でかつマークＭ全体を観察不能な観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを有する。観察系の観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを介して、マークＭが部分的に観察される領域を少なくとも一つ含むように、物体上の複数の領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…を撮像し、その撮像結果に基づいて、撮像されるマークＭの一部分がマークＭのどの部分であるかを特定し、マークＭの一部分を撮像した結果と、特定した結果とに基づいて、マークＭの位置情報を求める。
2003069276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上に形成されたマークを観察系を介して撮像し、この撮像結果に基づいて前記マークの位置に関する位置情報を計測する位置計測方法において、
前記観察系は、前記マークの一部分を観察可能でかつ前記マーク全体を観察不能な観察視野を有し、
前記観察系の観察視野を介して、前記マークが部分的に観察される領域を少なくとも一つ含むように、前記物体上の複数の領域を撮像し、
この複数の領域を撮像した結果に基づいて、撮像される前記マークの一部分が前記マークのどの部分であるかを特定し、
前記マークの一部分を撮像した結果と、前記特定した結果とに基づいて、前記マークの位置情報を求める位置計測方法。
【請求項２】
前記複数の領域のうち、前記マークが部分的に観察される領域の個数に基づいて、前記特定を行う請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項３】
前記複数の領域のうち、前記マークが部分的に観察される領域同士の位置関係に基づいて、前記特定を行う請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項４】
前記マークは、特徴が互いに異なる複数のマーク領域を含み、
前記マークの一部分を撮像した結果に基づいて、このマークの一部分が前記複数のマーク領域のうちのいずれの特徴を有するかを抽出し、この抽出結果に基づいて前記特定を行う請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項５】
前記複数の領域のうちの隣り合う２つの領域は、所定の方向に対して互いに一部重なる請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項６】
前記観察系の観察視野を前記物体に対して相対的に移動させながら前記複数の領域を撮像する請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項７】
前記観察系は、複数の観察視野を有し、
この複数の観察視野を介して、前記複数の領域を同時に撮像する請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項８】
物体上に形成されたマークの全体を観察不能であり、前記マークの特徴形状部分を撮像する観察系を備えた位置計測装置で、前記マークの位置情報を検出して前記物体の位置情報を計測する位置計測方法において、
前記マークは、前記特徴形状部分を複数有し、
前記マークに対して前記観察視野の位置を複数設定し、
前記複数設定された観察視野で撮像された複数の撮像結果に基づいて、特定の特徴形状部分を撮像した特定撮像結果を特定し、
前記特定撮像結果に基づいて、前記マークの位置情報を検出する位置計測方法。
【請求項９】
前記観察視野を複数設定する工程は、前記マークに対して前記観察視野を相対移動させながら撮像を行うことによって、複数の観察視野を設定する請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１０】
前記観察系は複数の観察視野を有し、
この複数の観察視野を介して前記複数の領域を同時に撮像することによって、複数の観察視野を設定する請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１１】
前記マークの特定の特徴形状部分は、マークの端部である請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１２】
前記マークは、全体が矩形状に形成されるとともに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ分割されて４つの領域を有するマークである請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１３】
前記物体は、パターンが形成されたマスク、あるいはこのマスクのパターンが転写される基板であり、
請求項１から請求項１２のうちのいずれか一項に記載の位置計測方法により計測された前記マークの位置情報に基づいて、前記マスクあるいは前記基板を位置決めし、
前記マスクを照明することにより、前記基板上に前記パターンの像を転写する露光方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の露光方法を用いて、前記マスク上に形成されたデバイスパターンを前記基板上に転写する工程を含むデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、物体上に形成されたマークを観察系を介して撮像し、その撮像結果に基づいてマークの位置に関する位置情報を計測する位置計測方法に関し、特に、半導体素子や液晶表示素子などのデバイスの製造工程で使用される露光方法及び露光装置に用いられる方法に関する。
背景技術
半導体素子、液晶表示素子等の電子デバイスの製造工程では、プロセス処理を行いながら、基板（ウエハやガラスプレートなど）上に多数層の回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成する。そのため、露光装置で２層目以降の回路パターンを基板上に露光する際には、マスク（又はレチクル）のパターンと基板上に既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）を高精度に行う必要がある。
基板（マスクを含む）上には位置合わせ用のマークが形成されており、このマークの位置に関する位置情報を計測し、その位置情報に基づいて上記の位置合わせが行われる。
マークに対する位置計測技術としては、ハロゲンランプ等を光源とする波長帯域幅の広い光や露光光の照明光で、基板上のマークを照射し、その光学像をＣＣＤカメラ等の撮像手段で画像信号に変換し、その画像信号に基づいてマークの位置情報を計測するＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｇｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式あるいはＶＲＡ（Ｖｉｄｅｏ  Ｒｅｔｉｃｌｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式や、レーザ光を基板上のマークに照射し、マークで回折または散乱された光を用いてマークの位置情報を計測するＬＳＡ（Ｌａｓｅｒ  Ｓｔｅｐ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、基板上のマークに周波数をわずかに変えたレーザ光を２方向から照射し、あるいはレーザ光をマークに対して垂直に照射し、発生した２つの回折光を干渉させ、その位相からマークの位置情報を計測するＬＩＡ（ＬａｓｅｒＩｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式などが知られている。
上記位置計測技術のうち、ＦＩＡ方式やＶＲＡ方式など、撮像手段を備える観察系を用いた位置計測方法では、その光学的な分解能がＮ．Ａ．（開口数）と光の波長とによって大きく左右される。すなわち、Ｎ．Ａ．が大きいほど、また、光の波長が小さいほど光学的な分解能は向上する。したがって、上記観察系を用いた位置検出方法において、所定の波長の光に対して、より高精度にマークの位置情報を計測するには、観察用の光学系の倍率を上げて、撮像面上に形成されるマークの光学像をピクセルサイズに対して相対的に大きくし、Ｎ．Ａ．を大きくする必要がある。
ところが、観察用の光学系の倍率を上げると、その光学系の観察視野が物体に対して相対的に小さくなるために、基板上のマークの形状によっては、マークの一部分しか撮像できない場合が生じる。また、観察視野がマークからずれてマークを観察できない場合が生じやすい。プロセス条件によってはマークの形状を新たに変更するのは困難であり、その対応方法が課題となる。
また、一般に、観察視野内にマークを最初に配置する際には、観察視野内からマークからずれやすい。
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、観察視野を介してマークの一部分しか観察できない場合や、観察視野内からマークがずれる場合にも、そのマークの位置情報を正しく計測できる位置計測方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、スループットを向上させることができる露光方法及びデバイス製造方法を提供することをも目的とする。
発明の開示
本発明の位置計測方法は、物体上に形成されたマーク（Ｍ）を観察系を介して撮像し、この撮像結果に基づいて前記マーク（Ｍ）の位置に関する位置情報を計測する位置計測方法において、観察系は、マーク（Ｍ）の一部分を観察可能でかつ前ーク（Ｍ）全体を観察不能な観察視野（ＰＦｘ、ＰＦｙ）を有し、観察系の観察視野（ＰＦｘ、ＰＦｙ）を介して、マーク（Ｍ）が部分的に観察される領域を少なくとも一つ含むように、物体上の複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）を撮像し、複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）を撮像した結果に基づいて、撮像される前記マーク（Ｍ）の一部分が前記マーク（Ｍ）のどの部分であるかを特定し、マーク（Ｍ）の一部分を撮像した結果と、この特定した結果とに基づいて、マーク（Ｍ）の位置情報を求めることを特徴とする。
この位置計測方法では、観察視野がマークからずれる場合にも、物体上の複数の領域を撮像することにより、その複数の領域のうちの少なくとも一つの領域でマークの一部分が撮像される。そして、このマークの一部分がマークのどの部分であるのかは、複数の領域を撮像した結果に基づいて特定される。そのため、この特定した結果と、マークの一部分を撮像した結果とに基づいて、マーク全体の位置情報を求めることができる。
その結果、観察視野を介してマークの一部分しか観察できない場合や、観察視野内からマークがずれる場合にも、そのマークの位置情報を正しく計測することができる。
上記位置計測方法において、例えば、複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）のうち、マーク（Ｍ）が部分的に観察される領域の個数に基づいて上記の特定を行ってもよく、あるいは複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）のうち、マーク（Ｍ）が部分的に観察される領域同士の位置関係に基づいて上記特定を行ってもよい。
また、マーク（Ｍ）が、特徴が互いに異なる複数のマーク領域（ＭＡ１〜ＭＡ４）を含む場合、マーク（Ｍ）の一部分を撮像した結果に基づいて、このマーク（Ｍ）の一部分が前記複数のマーク領域（ＭＡ１〜ＭＡ４）のうちのいずれの特徴を有するかを抽出し、この抽出結果に基づいて上記特定を行ってもよい。これにより、マークの位置情報が、より正確に計測される。
また、上記位置計測方法において、複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）のうちの隣り合う２つの領域は、所定の方向に対して互いに一部重なるのが好ましい。これにより、上記特定が、より確実に行われる。
また、上記位置計測方法において、観察系の観察視野（ＰＦｘ、ＰＦｙ）を物体に対して相対的に移動させながら複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）を撮像してもよく、あるいは観察系が複数の観察視野を有し、この複数の観察視野を介して、複数の領域（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）を同時に撮像してもよい。
観察系の観察視野を物体に対して相対的に移動させて複数の領域を撮像する場合、装置構成の簡素化が図られ、複数の観察視野を介して複数の領域を同時に撮像する場合、スループットの向上が図られる。
また、本発明の露光方法は、上記物体が、パターンが形成されたマスク、あるいはこのマスクのパターンが転写される基板であり、上記位置計測方法により計測された前記マークの位置情報に基づいて、マスクあるいは基板を位置決めし、マスクを照明することにより、基板上にパターンの像を転写することを特徴としている。
また、本発明のデバイス製造方法は、上記露光方法を用いて、マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に転写する工程を含むことを特徴としている。
本発明の露光方法及びデバイス製造方法によれば、観察視野を介してマークの一部分しか観察できない場合や、観察視野内からマークがずれる場合にも、そのマークの位置情報を正しく計測することができる。したがって、短時間での基板あるいはマスクの位置決めが可能となり、スループットを向上させることができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例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の一実施例を概念的に示す図である。本例の位置計測方法は、基板上に形成されたマークＭを、観察手段としてのＣＣＤカメラを備える観察系の観察視野を介して撮像し、その撮像結果に基づいて、マークＭの中心位置（マークの中心のＸ座標及びＹ座標）を求めるものである。なお、図では、Ｘ軸用の観察視野ＰＦｘを実線で示し、Ｙ軸用の観察視野ＰＦｙを破線で示している。また、観察系内の所定の中心点を原点（０，０）として、座標軸Ｘ、Ｙが設定されている。さらに、説明の簡潔化のため、必要に応じて、＋Ｘ軸方向を右側、−Ｘ軸方向を左側、＋Ｙ軸方向を上側、−Ｙ軸方向を下側と呼ぶ。
図２は、本例におけるマークＭの構成例を示している。マークＭは、全体が略矩形状に形成されるとともに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ分割され、特徴が互いに異なる４つのマーク領域（第１マーク領域ＭＡ１、第２マーク領域ＭＡ２、第３マーク領域ＭＡ３、及び第４マーク領域ＭＡ４）を有している。この４つのマーク領域ＭＡ１〜ＭＡ４は、互いに所定の間隔を空けて配置されている。第１及び第４マーク領域ＭＡ１、ＭＡ４は、Ｙ軸方向に延びた直線状のラインパターンＭＬｙがＸ軸方向に所定ピッチで周期的に配列されたマーク要素を含み、第２及び第３マーク領域ＭＡ２、ＭＡ３は、Ｘ軸方向に延びた直線状のラインパターンＭＬｘがＹ軸方向に所定ピッチで周期的に配列されたマーク要素を含む。また、第１マーク領域ＭＡ１と第４マーク領域ＭＡ４とは配列周期（ライン・アンド・スペース；Ｌ／Ｓ）が互いに異なり、第２マーク領域ＭＡ２と第３マーク領域ＭＡ３とも配列周期が互いに異なる。つまり、ラインパターンの延在方向及びその配列周期によって、４つのマーク領域ＭＡ１〜ＭＡ４が特徴づけられている。これら４つのマーク領域ＭＡ１〜ＭＡ４は、クロム等からなる低反射率の背景領域に、高反射率の直線状のラインパターンＭＬｘ、ＭＬｙを基板上に設けたものからなる。
ここで、図２に示すように、観察系の観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙは、上記構成のマークＭに比べて小さい。具体的には、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙの１辺の長さが矩形状のマークＭの１辺の長さＬｘ、Ｌｙの約１／４となっている。そのため、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙでは、マークＭの一部分を観察可能であっても、マークＭの全体を観察することはできない。そこで、本例では、マークＭの端部を撮像した結果に基づいて、マークＭの中心位置を求める。なお、「マークＭの端部」とは、Ｘ軸及びＹ軸方向にそれぞれＬｘ、Ｌｙの長さを有するマークＭ全体の端部のことを言う。
図３Ａ〜図３Ｃは、マークＭの端部として、第２マーク領域ＭＡ２の端部を図３Ｃのように撮像したときに得られる画像データの信号波形の一例を示しており、図３Ａは観察視野ＰＦｘを介して得られるＸ軸用のＣＣＤカメラの画像信号波形ＶＨｘ、図３Ｂは観察視野ＰＦｙを介して得られるＹ軸用のＣＣＤカメラの画像信号波形ＶＨｙを示している。なお、Ｘ軸用のＣＣＤカメラは、Ｘ軸方向に水平走査線をもち、Ｙ軸用のＣＣＤカメラは、Ｙ軸方向に水平走査線をもち、それぞれ走査線と直交する方向の信号レベルを積算して出力する。
図３Ａにおいて、Ｘ軸用のＣＣＤカメラによる信号波形ＶＨｘには、第２マーク領域ＭＡ２におけるラインパターンＭＬｘの右端部に対応した波形部分Ｖｘ１と、低反射率の背景領域に対応した無波形部分Ｖｘ２とが含まれる。同様に、図３Ｂにおいて、Ｙ軸用のＣＣＤカメラによる信号波形ＶＨｙには、第２マーク領域ＭＡ２における上端部のラインパターンＭＬｘに対応した波形部分Ｖｙ１と、低反射率の背景領域に対応した無波形部分Ｖｙ２とが含まれる。この場合、Ｘ軸用の信号波形ＶＨｘでは、ラインパターンＭＬｘに対応する波形部分Ｖｘ１が走査方向（Ｘ軸方向）にほぼ一定の信号レベルを示すのに対し、Ｙ軸用の信号波形ＶＨｙでは、ラインパターンＭＬｘに対応する波形部分Ｖｙ１に、ラインパターンＭＬｘの間のスペース部分に対応した信号が含まれる。このスペース部分の信号は無波形部分Ｖｙ２と同程度の低い信号レベルとなるので、両者を区別するために、ラインパターンＭＬｘに対応する波形がラインパターンＭＬｘの配列ピッチよりも長い区間にわたって含まれないことが、無波形部分Ｖｙ２の条件となる。
波形部分Ｖｘ１、Ｖｙ１と無波形部分Ｖｘ２、Ｖｙ２とが検出されると、その検出結果に基づいてマークＭの端の位置を求めることができる。図３Ａ〜図３Ｃの例では、波形部分Ｖｘ１、Ｖｙ１と無波形部分Ｖｘ２、Ｖｙ２との境界（ラインパターンＭＬｘの最終エッジに対応する極値）がマークＭの端（Ｘ＝ａ１、Ｙ＝ｂ１）として求められる。そして、マークＭの端の位置が求められると、そこからマークＭの中心位置を算出することができる。図３Ａ〜図３Ｃの例では、Ｘ軸方向において、波形部分Ｖｘ１の右側（＋Ｘ軸方向）に無波形部分Ｖｘ２があるので、Ｘ軸用のＣＣＤカメラで撮像した領域がマークＭの右端部であることが分かり、Ｙ軸方向においては、波形部分Ｖｙ１の上側（＋Ｙ軸方向）に無波形部分Ｖｙ２があるので、Ｙ軸用のＣＣＤカメラで撮像した領域がマークＭの上端部であることが分かる。したがって、マークＭ中心のＸ座標は（ａ１−Ｌｘ／２）であり、Ｙ座標は（ｂ１−Ｌｙ／２）である（Ｌｘ：マークＭのＸ軸方向長さ、Ｌｙ：マークＭのＹ軸方向長さ。図２参照）。
このように、本例では、マークＭに比べて観察系の観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙに比べて小さいものの、マークＭの端部を撮像した結果に基づいて、マークＭの中心位置を求めることができる。なお、ここでは、マークＭの第２マーク領域ＭＡ２を撮像した例について説明したが、他のマーク領域を撮像した場合も同様に、マークの中心位置を求めることができることは言うまでもない。すなわち、マークＭの端部のうち、Ｘ軸方向の端部（右端部あるいは左端部）を撮像することにより、マークＭ中心のＸ座標を求めることができ、Ｙ軸方向の端部（上端部あるいは下端部）を撮像することにより、マークＭ中心のＹ座標を求めることができる。
図１に戻り、符号ＴＡは、上記観察系の原点（０，０）に対して、マークＭの中心がずれる可能性のある範囲（許容領域）を示している。こうしたずれは、例えば、マークに対する観察視野の相対的な配置誤差や、基板（あるいはマーク）の形状誤差等が起因となって生じる。本例では、このマークＭの中心がずれる可能性のある範囲（許容領域ＴＡ）が、マークＭよりも大きく、１辺の長さがマークＭの約２倍となっている。そのため、本例の観察系では、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを介してマークＭを撮像しようとしても、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙがマークＭからずれてマークＭを観察できない場合が生じ、しかも、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙでマークＭを観察できても、その観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙ内にマークＭの端部が含まれるとは限らない。
そのため、本例の位置計測方法では、観察系の観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを介して、マークＭの端部を観察可能な領域を少なくとも一つ含むように、基板上の複数の領域を撮像する。具体的には、上記許容領域ＴＡ内で観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを、基板に対して相対的に所定ピッチずつステップ移動させ、各移動先に対応する基板上の領域（観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…）を撮像する。ステップ移動の方向は、矩形状の許容領域ＴＡの対角方向であり、Ｘ軸（及びＹ軸）に対してほぼ４５°斜め方向である。この観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙのステップ移動は、マークＭの位置情報を計測可能な撮像結果が得られるまで、許容領域ＴＡ内でシフト移動しながら複数回繰り返される。図１には、観察系に予め設定されている観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙの４つの移動シーケンス（第１シーケンス〜第４シーケンス）に対応する観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…が示されている。
図４は、本例の位置計測方法の全般的な流れを示すフローチャート図である。以下、この図４と先の図１を参照して、本例の位置計測方法の全体の流れを説明する。
まず、観察系では、上記許容領域ＴＡの中央付近を移動するように、第１シーケンスに基づいて、許容領域ＴＡ内で観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを所定のピッチでステップ移動させるとともに、各移動先に対応する基板上の観察領域Ｓ１〜Ｓ７を観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを介して撮像する（ステップ１００）。続いて、観察領域Ｓ１〜Ｓ７を撮像したデータによってマークＭの位置情報を計測可能か否かを判別し（ステップ１０１）、上記計測が困難な場合は、次の第２シーケンスに移る。
第２シーケンスでは、先の図１に示すように、第１シーケンスのステップ方向と垂直な方向に観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙの移動ラインをシフトさせ、第１シーケンスと同様に、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを所定のピッチでステップ移動させ、各移動先に対応する基板上の観察領域Ｓ８〜１４を撮像する（ステップ１０２）。続いて、観察領域Ｓ８〜Ｓ１４を撮像したデータによってマークＭの位置情報を計測可能か否かを判別し（ステップ１０３）、上記計測が困難な場合は、次の第３シーケンスに移る。以後同様の手順で、第３シーケンスさらに必要に応じて第４シーケンスに対応する基板上の観察領域Ｓ１５〜Ｓ１８、及び観察領域Ｓ１９〜Ｓ２２を撮像する（ステップ１０４、１０５、１０６）。
なお、上記各判別工程（ステップ１０１、１０３、１０５）において、撮像データからマークＭの位置情報を計測可能な場合には、マークＭの位置情報（中心位置）を計測し（ステップ１０７）、その後のシーケンスに基づく撮像動作は行わない。このように、マークＭの位置情報を計測可能となった時点で撮像動作を終了することにより、スループットの低下を抑制することができる。なお、本例では、最初に許容領域ＴＡの中央付近を観察しているが、これは、一般に、許容領域ＴＡの中央付近にマークＭが配置されている確率が高いと考えらたためであり、許容領域ＴＡ内の複数の観察領域の観察順序は任意に変更可能である。例えば、マークＭの位置計測を複数回繰り返したとき、許容領域ＴＡ内のある箇所（例えば左上部分）でマークＭが観察されることが多い場合には、撮像時間短縮のために、その箇所（例えば左上部分）を先に撮像するようにしてもよい。
ここで、上記第１〜第４シーケンスは、許容領域ＴＡ内において観察される複数の観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…のうち、少なくとも１つの観察領域でマークＭの端部が必ず撮像されるように設定されている。すなわち、観察系において、マークＭの端部を観察可能な領域を少なくとも１つ含むように、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙのステップ移動量（移動ピッチ）及びシフト移動量が定められている。
図５は、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙのステップ移動の様子を拡大して示している。図５に示すように、Ｘ軸方向に対して、観察視野ＰＦｘを介して観察される複数の観察領域のうちの隣り合う２つの観察領域の一部の区間Ｌｐｘが重なるように、観察視野ＰＦｘの移動ピッチｐｘが設定されている。また、Ｙ軸方向に対しても同様に、隣り合う２つの観察領域の一部の区間Ｌｐｙが重なるように、観察視野ＰＦｙの移動ピッチｐｙが設定されている。この重複区間Ｌｐｘ、Ｌｐｙは、上記マークに含まれるラインパターンの配列ピッチとライン幅との合計以上の長さを有する。このように、隣り合う２つの観察領域が、Ｘ軸及びＹ軸方向に対して一部重なるように配列されることにより、マークＭの端部をより確実に撮像することができる。すなわち、例えば、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙの境界とマークＭの端とがほぼ重なり、そのときの観察領域においてはマークＭの端部の撮像データを得るのが困難な場合にも、上記重複区間を有することにより、その隣の観察領域においてマークＭの端部が撮像可能となる。
図６Ａ〜図８Ｂは、上述したステップ移動する観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを介して、許容領域ＴＡ内の様々な位置に配されるマークＭを撮像する様子を示しており、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙとマークＭとの相対的な位置関係の様々なパターン例を示している。本例の位置計測方法では、許容領域ＴＡ（図１参照）内のいずれの位置にマークＭが配置されても、すでに説明したように、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを介して、基板上の複数の観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…を観察することにより、少なくとも一つの観察領域でマークＭの端部を撮像する。ただし、本例のマークＭは、先の図２を用いて説明したように、４つのパターン領域が互いに所定の間隔を空けて配置されているので、このパターン領域の間隔部分を撮像した画像データは、マークＭの端部を撮像した画像データに似た信号パターンを示す傾向にある。そのため、本例の位置計測方法では、基板上の複数の観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…を撮像した結果に基づいて、マーク端部として観察されたマークの一部分（仮のマーク端部）が正しくマークＭの端部であることを特定し、その上で、マークＭの中心位置を求める。以下、図５〜図８Ｂを参照しながら、本例の位置計測方法の詳細について説明する。
図６Ａ〜図６Ｃは、１つの観察領域において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向の端部として撮像される例を示している。すなわち、図６Ａの例では、複数の観察領域Ｓ１〜Ｓ７のうちの観察領域Ｓ５において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向の端部として観察される。すなわち、観察領域Ｓ５を撮像した画像データのＸ軸用及びＹ軸用の信号波形にそれぞれ、マークに対応する波形部分と背景領域に対応する無波形部分とが含まれる。また、図６Ｂの例では、観察領域Ｓ４において、マークＭの一部分がＸ軸方向のマーク端部として観察され、観察領域Ｓ５において、マークＭの一部分がＹ軸方向のマーク端部として観察される。さらに、図６Ｃの例では、観察領域Ｓ４において、マークＭの一部分がＸ軸方向のマーク端部として観察され、観察領域Ｓ６において、マークＭの一部分がＹ軸方向のマーク端部として観察される。
マークＭの一部分が端部として観察される領域が１つの場合、そのマークＭの一部分は正しくマークＭの端部であると特定される。すなわち、図６Ａ〜図６Ｃに示す例は、正しくマークＭの端部を観察しているとき以外は起こらない。観察したマークＭの一部分がマークＭの端部であることが特定されれば、先の図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明したように、その特定した結果と、マークＭの一部分の撮像データとに基づいて、マークＭの中心位置を求めることができる。
図７Ａ及び図７Ｂは、２つの観察領域において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向の端部として観察される例を示している。すなわち、図７Ａの例では、複数の観察領域Ｓ１〜Ｓ７のうちの観察領域Ｓ２及び観察領域Ｓ６において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向のマーク端部として観察される。また、図７Ｂの例では、観察領域Ｓ３及び観察領域Ｓ６において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向のマーク端部として観察される。なお、図７Ａにおける観察領域Ｓ４、及び図７Ｂにおける観察領域Ｓ４、Ｓ５を撮像した画像データは、マークＭの端部を撮像した画像データに似た信号パターンを示すが、それらの観察領域よりも外側の観察領域において、マークＭの一部分がマーク端部として観察されていることから、内側の観察領域で観察されるマークＭの一部分はマーク端部として認識されない。
マークＭの一部分が端部として観察される領域が２つの場合、その２つの領域同士の位置関係に基づいて、観察されるマークＭの一部分が正しくマーク端部であるかどうかが判別される。図７Ａ及びＢの例では、マーク端部が観察される２つの領域同士が隣り合わない離れた位置関係にある（Ｓ２→Ｓ６、あるいはＳ３→Ｓ６）。この場合、マーク端部として観察されるマークＭの一部分は正しくマークＭの端部であると特定される。観察したマークＭの一部分がマークＭの端部であることが特定されれば、上述したように、その特定した結果と、マークＭの一部分の撮像データとに基づいて、マークＭの中心位置を求めることができる。
図８Ａ及び図８Ｂは、図７Ａ及び図７Ｂと同様に、２つの観察領域において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向のマーク端部として観察される例を示している。すなわち、図８Ａ及び図８Ｂの例ではそれぞれ、複数の観察領域Ｓ１〜Ｓ７のうちの観察領域Ｓ４及び観察領域Ｓ５において、マークＭの一部分がＸ軸方向及びＹ軸方向のマーク端部として観察される。
図７Ａ及び図７Ｂの例と異なり、図８Ａ及び図８Ｂの例では、マークＭの一部分が端部として観察される２つの領域同士が隣り合う位置関係にある（Ｓ４→Ｓ５）。この場合、これまでに得られた情報だけでは、観察されたマークＭの一部分のうちのどれが正しくマークＭの端部であるかを特定することはできない。そのため、この場合、マークＭの一部分を撮像した画像データから、その部分の特徴抽出を行って、上記特定の補完を行う。
すなわち、先の図２を用いて説明したように、マークＭは、特徴が互いに異なる複数のマーク領域ＭＡ１〜ＭＡ４からなる。そのため、マークＭの一部分を撮像した画像データがどのマーク領域の特徴を有しているかを抽出することにより、観察されたマークＭの一部分が正しくマークＭの端部であるかどうかを判別することが可能となる。なお、この図８のケースが生じるのは、第１マーク領域ＭＡ１もしくは第４マーク領域ＭＡ４を撮像した場合に限られる。そのため、Ｘ軸用の観察視野ＰＦｘを介して得られる波形ピッチを計測することにより、マーク領域の特徴として、ラインパターンの配列周期を抽出することができる。つまり、抽出される特徴（配列周期）が第１マーク領域ＭＡ１のものであれば、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙとマークＭとは、図８Ａに示す位置関係にあることが分かるので、Ｘ軸方向については観察領域Ｓ４で観察されるマークＭの一部分、Ｙ軸方向については観察領域Ｓ５で観察されるマークＭの一部分がそれぞれ、マークＭの端部として特定される。また、逆に、抽出される特徴（配列周期）が第４マーク領域ＭＡ４のものであれば、観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙとマークＭとは、図８Ｂに示す位置関係にあると分かるので、Ｘ軸方向については観察領域Ｓ５で観察されるマークＭの一部分、Ｙ軸方向については観察領域Ｓ４で観察されるマークＭの一部分がそれぞれ、マークＭの端部として特定される。そして、観察されたマークＭの一部分のうちのどれが正しくマークＭの端部であるのかが特定されれば、上述したように、その特定した結果と、マークＭの一部分の撮像データとに基づいて、マークＭの中心位置を求めることができる。
図９は、これまで説明した本例の位置計測方法における処理の具体的な流れを示すフローチャート図である。上述したように、本例の位置計測方法では、基板上の複数の観察領域を観察することにより、そのうちの少なくとも一つの観察領域においてマークの一部分をマーク端部（仮のマーク端部）として撮像する（ステップ２００）。次に、（１）仮のマーク端部が観察された観察領域の個数を判別する工程（ステップ２０１）、（２）仮のマーク端部が観察される観察領域同士の位置関係を判別する工程（ステップ２０２）、（３）仮のマーク端部の画像データの特徴を抽出する工程（ステップ２０３）の少なくとも１つを経ることによって、観察される仮のマーク端部のうちのどれが正しくマークの端部であるかを特定する（ステップ２０４）。そして、その特定されたマーク端部の画像データに基づいて、マークの中心位置を求める（ステップ２０５）。これにより、マークの一部分しか観察できない場合や、観察視野内からマークがずれやすい場合にも、そのマークの位置情報を正しく計測することができる。
なお、観察系に予め設定される観察視野の移動シーケンスは、図１に示したものに限定されない。図１の例では、４つの移動シーケンス（第１シーケンス〜第４シーケンス）に基づいて、許容領域内の複数の観察領域を観察する場合について示したが、図１０に示すように、５つの移動シーケンスを用いてもよい。
また、図１及び図１０の例においては、第２シーケンスは第１シーケンスで観察された領域から所定間隔を置いた斜め隣の領域を観察するように設定されているが、第１シーケンスで観察された領域の真横、または上下を第２シーケンスで観察するように設定しても良い。
さらには、図１及び図１０の例においては、各シーケンス内で観察領域は斜め方向に移動するが、観察領域の軌跡がＷ字を描くように観察領域を移動させても良い。
また、マークの構成も、図２に示したものに限らず、任意に変更可能である。例えば、図１１に示すように、マーク領域ＭＡ１〜ＭＡ４同士の間隔がほとんどない構成のマークＭ２も適用可能である。
また、本例では、観察系の観察視野ＰＦｘ、ＰＦｙを基板に対して相対的に移動させながら複数の観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…を撮像しているが、これに限らず、観察系が、複数の観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…のそれぞれに対応する複数の観察視野を備え、その複数の観察視野を介して、複数の観察領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…を同時に撮像してもよい。観察系の観察視野を基板に対して相対的に移動させて複数の領域を撮像する場合、装置構成の簡素化が図られ、複数の観察視野を介して複数の領域を同時に撮像する場合、スループットの向上が図られる。
なお、以上の実施形態では図２に示した４つのマーク領域で構成されるマークの外側端部を検出してマークの位置情報を検出したが、４つのマーク領域それぞれの内側端部を検出しても良い。
また、図１１に示したようなマーク領域ＭＡ１〜ＭＡ４同士の間隔がほとんど無い構成のマークＭ２の位置を検出する場合にも、ＭＡ１とＭＡ２との境界、ＭＡ２とＭＡ４との境界、ＭＡ４とＭＡ３との境界、ＭＡ３とＭＡ１との境界を検出することで、マークの位置を検出しても良い。例えば観察領域がＭＡ１とＭＡ２との境界に跨る位置にあるとき、領域ＭＡ１からはライン部に対応した信号とスペース部に対応した信号とが交互に並ぶ波形が得られ、領域ＭＡ２からはほぼ一定の信号が得られるため、ＭＡ１とＭＡ２との境界の位置情報を特定することが可能である。
次に、本発明の露光方法の実施例について説明する。
上述した本発明の位置計測方法の実施例は、図１２に示すような半導体デバイス製造用の縮小投影型露光装置に好適に使用することができる。図１２に示す露光装置１０の実施形態例は、マスクとしてのレチクルＲと基板としてのウエハＷとを１次元方向に同期移動させつつ、レチクルＲに形成された回路パターンを、ウエハＷ上の各ショット領域に転写する、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置、いわゆるスキャニング・ステッパである。
この投影露光装置１０は、光源１２を含む照明系１１、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲに形成されたパターンの像をウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持する基板ステージとしてのウエハステージＷＳＴ、一対の観察手段としてのレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂ、ウエハアライメントセンサ２７、メインフォーカス検出系（６０ａ，６０ｂ）及び制御系等を備えている。
照明系１１は、例えばエキシマレーザから成る光源１２、ビーム整形用レンズ及びオプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）等を含む照度均一化光学系１６、照明系開口絞り板（レボルバ）１８、リレー光学系２０、不図示のレチクルブラインド、折り曲げミラー３７及び不図示のコンデンサレンズ系等を含む。ここで、この照明系１１の構成各部についてその作用とともに説明すると、光源１２から射出された照明ビームＩＬ（エキシマレーザ光（ＫｒＦ、ＡｒＦ）等）は、照度均一化光学系１６によって光束の一様化、スペックルの低減化等が行われる。ここで、光源１２のレーザパルスの発光は後述する主制御装置１３によって制御されるようになっている。なお、光源１２として、超高圧水銀ランプを用いても良く、この場合には、ｇ線、ｉ線等の紫外域の輝線が照明ビームとして用いられるとともに、不図示のシャッタの開閉が主制御装置１３によって制御されることになる。
照度均一化光学系１６の出口部分には、円板状部材から成る照明系開口絞り板１８が配置されている、この照明系開口絞り板１８には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り、及び変形光源法用に複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り（いずれも図示省略）等が配置されている。この照明系開口絞り板１８は、主制御装置１３により制御されるモータ等の駆動系２４により回転駆動されるようになっており、これによりいずれかの開口絞りが照明ビームＩＬの光路上に選択的に設定される。
照明系開口絞り板１８の後方の照明ビームＩＬの光路上には、不図示のブラインドを介在させてリレー光学系２０が設置されている。ブラインドの設置面はレチクルＲと共役関係にある。リレー光学系２０後方の照明ビームＩＬの光路上には、このリレー光学系２０を通過した照明ビームＩＬをレチクルＲに向けて反射する折り曲げミラー３７が配置され、このミラー３７後方の照明ビームＩＬの光路上には不図示のコンデンサレンズが配置されている。このため、リレー光学系２０を通過する際に、照明ビームＩＬは、不図示のブラインドでレチクルＲの照明領域が規定（制限）された後、ミラー３７で垂直下方に折り曲げられて不図示のコンデンサレンズを介してレチクルＲの上記照明領域内のパターン領域ＰＡを均一な照度で照明する。
レチクルＲは、レチクルステージＲＳＴ上に載置され、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、水平面（ＸＹ平面）内で２次元移動可能に構成されており、レチクルＲがレチクルステージＲＳＴに載置された後、レチクルＲのパターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように位置決めが行なわれる。こうしたレチクルステージＲＳＴの位置決め動作は、主制御装置１３によって不図示の駆動系が制御されることにより行われる。また、レチクルＲの初期設定のためのレチクルアライメントについては、後に詳述する。なお、レチクルＲは図示しないレチクル交換装置により適宜交換されて使用される。
投影光学系ＰＬは、両側テレセントリックな光学配置になるように配置された共通のＺ軸方向の光軸ＡＸを有する複数枚のレンズエレメントから構成されている。また、この投影光学系ＰＬとしては、投影倍率が例えば１／４又は１／５のものが使用されている。このため、上述したように、照明ビームＩＬ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が投影光学系ＰＬによって表面にレジスト（感光材）が塗布されたウエハＷ上に縮小投影され、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。但し、図１２では、説明の都合上、ウエハＷ上にレチクルパターン像が結像する露光時の状態以外の場合が示されている。
ウエハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの下方に配設された定盤（ステージ定盤ＢＳ）上に載置されている。このウエハステージＷＳＴは、実際には水平面（ＸＹ面）内を２次元移動可能なＸＹステージと、このＸＹステージ上に搭載され光軸方向（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ等から構成されるが、図１２ではこれらが代表的にウエハステージＷＳＴとして示されている。以下の説明中では、このウエハステージＷＳＴは、駆動系２５によってステージ定盤ＢＳの上面に沿ってＸＹ２次元方向に駆動されるとともに微小範囲（例えば１００μｍ程度）内で光軸ＡＸ方向にも駆動されるようになっているものとする。なお、ステージ定盤ＢＳの表面は、平坦に加工されており、且つ低反射率の物質（黒クロム等）により一様にめっき加工が施されている。
また、このウエハステージＷＳＴ上にウエハホルダ５２を介してウエハＷが真空吸着等によって固定されている。ウエハステージＷＳＴの２次元的な位置は、このウエハステージＷＳＴ上に固定された移動鏡５３を介してレーザ干渉計５６によって所定の分解能（例えば１ｎｍ程度）の分解能で常時検出され、このレーザ干渉計５６の出力が主制御装置１３に与えられている。そして、主制御装置１３によって駆動系２５が制御され、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ＷＳＴ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（スキャン露光）が終了すると、次のショットに対する露光開始位置までステッピングされる。また、すべてのショット位置に対する露光が終了すると、ウエハＷは不図示のウエハ交換装置によって他のウエハＷに交換される。なお、ウエハ交換装置は、ウエハステージＷＳＴから外れた位置に配置され、ウエハＷの受け渡しを行うウエハローダ等のウエハ搬送系を備えて構成されている。
また、ウエハＷ面のＺ方向の位置は、メインフォーカス検出系により測定される。メインフォーカス検出系としては、投影光学系ＰＬの結像面に向けてピンホールまたはスリットの像を形成するための結像光束もしくは平行光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向より照射する照射光学系６０ａと、その結像光束もしくは平行光束のウエハＷ表面（又は後述する基準板ＷＦＢ表面）での反射光束を受光する受光光学系６０ｂとから成る斜入射光式の焦点検出系が用いられており、受光光学系６０ｂからの信号が主制御装置１３に供給されている。そして、主制御装置１３では受光光学系６０ｂからの信号に基づき、常に投影光学系ＰＬの最良結像面にウエハＷの面が来るように駆動系２５を介してウエハＷのＺ位置を制御する。
また、ウエハステージＷＳＴ上には、後述するレチクルアライメント及びベースライン計測のためのウエハ基準マーク（ウエハフィデューシャルマーク）ＷＦＭ１，ＷＦＭ２，及びＷＦＭ３等の各種の基準マークが形成された基準板ＷＦＢが設けられている。この基準板ＷＦＢの表面位置（Ｚ方向の位置）はウエハＷの表面位置とほぼ同一とされている。なお、本例では、ウエハ基準マークＷＦＭ１〜ＷＦＭ３が形成された基準板ＷＦＢをウエハステージＷＳＴ上に設けているが、この基準板ＷＦＢは、ステージ定盤上ＢＳであれば他の位置（例えばウエハホルダ５２上や移動鏡５３上等）にあってもよい。
ウエハアライメントセンサ２７としては、ここでは、検出基準となる指標を備え、その指標を基準としてウエハＷ上のウエハアライメントマーク又は基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭの位置を検出する例えば特開平４−６５６０３号公報等で公知の画像処理方式の結像式センサが用いられている。このウエハアライメントセンサ２７の検出値も主制御装置１３に供給されるようになっている。なお、ウエハアライメントセンサとして、例えば特開平１０−１４１９１５号公報等で公知のレーザスキャン式センサや、レーザ干渉式センサ等の他の方式のものを用いても構わない。
一方のレチクルアライメント顕微鏡２２Ａは、プリズム２８Ａ、半透鏡３０Ａ及び観察系３２Ａを備えている。このレチクルアライメント顕微鏡２２Ａは、ケースにより一体化され、駆動系２６Ａによって図１２の矢印Ａ、Ａ’方向に移動自在に構成されている。主制御装置１３では、後述するレチクルアライメントやベースライン計測を行なう際には、当該レチクルアライメント顕微鏡２２Ａを駆動系２６Ａを介して矢印Ａ方向に駆動して図１２に示される位置に位置決めし、レチクルアライメントやベースライン計測が終了すると、露光の際に邪魔にならないように、駆動系２６Ａを介して矢印Ａ’方向に駆動して所定の退避位置に退避させる。
また、他方のレチクルアライメント顕微鏡２２Ｂは、同様に、プリズム２８Ｂ、半透鏡３０Ｂ及び観察光学系３２Ｂを備え、ケースにより一体化され、駆動系２６Ｂによって図１２の矢印Ｂ、Ｂ’方向に移動自在に構成されている。そして、このレチクルアライメント顕微鏡２２Ｂも、同様に、主制御装置１３により、後述するレチクルアライメントやベースライン計測を行なう際に、図１２に示される位置に位置決めされ、レチクルアライメントやベースライン計測が終了すると、所定の退避位置に退避されるようになっている。なお、本実施例では、ミラー３７、プリズム２８を介して、レチクルアライメント顕微鏡２２で検出用照明として使用する露光光（照明ビームＩＬ）を導いているが、本発明はこれに限らず、例えば照明ビームをミラー等で分岐させた後、光ファイバを用いてレチクルアライメント顕微鏡２２内に導き、後述する結像光学系４０、半透鏡３０を介してレチクルＲ上に照射するように構成しても良い。このように構成すれば、プリズム２８は不要となり、また駆動系２６は顕微鏡２２全体を退避位置へ移動するのではなく、半透鏡３０Ａ（３０Ｂ）のみを図１２中の矢印Ｃ’（Ｄ’）の方向に駆動して所定の退避位置へ退避させるだけで済むようになる。
ここで、一方のレチクルアライメント顕微鏡２２Ａの構成等について、図１３に基づいて詳細に説明する。図１３には、図１２の投影光学系ＰＬ、基準板ＷＦＢ、及びレチクルアライメント顕微鏡２２Ａが拡大して示されている。図１３に示されるように、プリズム２８Ａは、照明ビームＩＬをレチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１上に導くためのものである。これは、レチクルマークはパターン領域ＰＡの外側に設けられており、この部分は通常は照明する必要の無い部分であるため、照明系の負荷、照度の無駄を無くすため、通常照明領域より照明ビームＩＬの一部の光束（以下、この光束を便宜上「ＩＬ１」と呼ぶものとする）を導くようにしたものである。
この光束ＩＬ１の光路上に、半透鏡３０Ａが配置されており、プリズム２８Ａにより導かれた光束ＩＬ１は半透鏡３０Ａを介してレチクルマークＲＭ１を照明するとともに、レチクルＲ及び投影光学系ＰＬを介して基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１を照明する。レチクルマークＲＭ１、ウエハ基準マークＷＦＭ１からの反射光は、半透鏡３０Ａでそれぞれ反射され、それらの反射光束は、観察系３２Ａに入射する。
観察系３２Ａは、結像光学系４０、半透鏡５１、レンズ４９、瞳分割プリズム５０、及びＣＣＤセンサ４２を含んで構成されている。
このうち、結像光学系４０、半透鏡５１及びＣＣＤセンサ４２によって、レチクルマークＲＭ１、ウエハ基準マークＷＦＭ１の像を検出する検出光学系が構成される。すなわち、上述したように、半透鏡３０Ａでそれぞれ反射されたレチクルマークＲＭ１、ウエハ基準マークＷＦＭ１部分からの反射光束は、半透鏡５１を透過して結像光学系４０の最良結像面（焦点位置）にそれぞれ結像される。この場合、レチクルパターン面と基準板ＷＦＢ面とは元々共役関係に設定されているので、レチクルパターン面とＣＣＤセンサ４２の受光面とが共役であるものとすれば、ＣＣＤセンサ４２の受光面にマークＲＭ１、ＷＦＭ１の像が最良の結像状態でそれぞれ結像し、ＣＣＤセンサ４２によってマークＲＭ１、ＷＦＭ１が光電検出される。従って、主制御装置１３（図１２参照）では、このＣＣＤセンサ４２の出力（レチクルアライメント顕微鏡２２Ａの出力）に基づいてマークＲＭ１、ＷＦＭ１の像の相対位置を検出する。
結像光学系４０としては、ここでは、焦点距離を可変とできる光学系、すなわち所謂内焦式の光学系が用いられている。また、半透鏡５１を介してレチクルマークＲＭの像をＣＣＤセンサ４８上に再結像させるレンズ４９、このレンズ４９とＣＣＤセンサ４８との間の瞳面に設けられた瞳分割プリズム５０、ＣＣＤセンサ４８等によって、結像光学系４０の焦点ずれを検出する焦点ずれ検出手段としての焦点検出系７０が構成されている。この焦点検出系７０は、露光用照明ビームＩＬを焦点位置の検出用の検出光束として使用するものである。この焦点検出系７０では、レチクルマークＲＭからの反射光束は、瞳分割プリズム５０で二分割された後、ＣＣＤセンサ４８の受光面に結像する。このとき、結像光学系４０の焦点位置がずれると、分割された２光束のＣＣＤセンサ４８上での結像位置の間隔が変化する。主制御装置１３では、この間隔の変化に基づいて主制御装置１３で焦点ずれを検出する。従って、主制御装置１３では、このＣＣＤセンサ４８の出力に基づいて結像光学系４０の焦点ずれを測定し、駆動系５４を介して結像光学系４０内部の不図示のレンズ群を駆動することでその結像光学系４０の焦点をレチクルパターン面とＣＣＤセンサ４２の受光面に合せることができるようになっている。この場合、主制御装置１３では、ＣＣＤセンサ４８上での結像位置の間隔が常に一定になるように、結像光学系４０内部のレンズ群を駆動することにより、ＣＣＤセンサ４２に焦点位置を一致させる。つまり、焦点検出系７０、主制御装置１３、及び駆動系５４等により、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの焦点状態を調節する焦点調節系５５が構成される。
他方のレチクルアライメント顕微鏡２２Ｂを構成するプリズム２８Ｂ、半透過鏡３０Ｂ及び観察光学系３２Ｂも上記レチクルアライメント顕微鏡２２Ａと同様の構成及び機能を備えており、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭ２、ウエハ基準マークＷＭ２の相対位置ずれを、結像光学系の焦点ずれのない状態で検出する。
制御系は、図１２に示す主制御装置１３によって主に構成される。主制御装置１３は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等から成るいわゆるマイクロコンピュータ（又はミニコンピュータ）によって構成され、露光動作が的確に行われるように、レチクルＲとウエハＷの位置合わせ、ウエハＷのステッピング、露光タイミング等を統括して制御する。また、主制御装置１３は、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの焦点位置の調整を上述の如くして行なう他、装置全体を統括制御する。
次に、上述のようにして構成される本実施形態の露光装置１０による重ね合わせ露光時の動作について、特にベースライン計測に伴う動作について図１４のフローチャート等を参照して説明する。
前提として、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが載置され、ウエハＷ上にはそれまでの工程で、既にパターンが形成されており、このパターンとともに不図示のウエハアライメントマークも形成されているものとする。
まず、主制御装置１３では、予め定められた設計値に基づいて、駆動系２６Ａ、２６Ｂを介して、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを移動させ、その観察視野内にレチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２を位置決めする（ステップ３００）。
また、主制御装置１３では、予め定められた設計値に基づいて、基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２の中心点が投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ上に位置するように、レーザ干渉計５６の出力をモニタしつつウエハステージＷＳＴを移動させ、ウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２をレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内に位置決めする（ステップ３０１）。
そして、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを用いて、照明ビームＩＬをレチクルＲ上に導くとともに、レチクルＲ上のレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２及び基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２を同時に観察する。
続いて、主制御装置１３では、上述した焦点調節系５５によりレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２に対するレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの焦点状態の調節を行うとともに、メインフォーカス検出系（６０ａ，６０ｂ）によりウエハステージＷＳＴ上のウエハ基準マークＷＭ３に対する投影光学系ＰＬの焦点状態を調節する（ステップ３０２）。
次に、主制御装置１３では、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２とウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２とを同時に観察した結果に基づいて、両マークＲＭ１、ＷＦＭ１の相対的な位置関係、及び両マークＲＭ２、ＷＦＭ２の相対的な位置関係を計測する（ステップ３０３）。なお、レチクルＲの初期設定として、この相対的位置関係の計測結果に基づいて、投影光学系ＰＬに対するレチクルＲの位置決め、すなわちレチクルアライメントを行うことができる。
また、主制御装置１３では、この相対位置計測と同時に、ウエハアライメントセンサ２７を用いて基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ３を観察し、ウエハ基準マークＷＦＭ３とウエハアライメントセンサ２７の指標との相対位置関係を計測する。基準板ＷＦＢ上のウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＭ２，ＷＭ３は、予め定められた設計上の位置関係に正確に従った位置にそれぞれ形成されているため、設計上の配置情報と以上の動作により求められた相対位置関係とから、主制御装置１３では基準板ＷＦＢを介してレチクルＲのパターンの投影位置とウエハアライメントセンサ２７の指標との相対距離（所謂ベースライン量）を算出することができる（ベースライン計測、ステップ３０４）。
その後、主制御装置１３では、ウエハＷ上の複数ショット領域に付設されたウエハアライメントマークの位置をウエハアライメントセンサ２７を用いて順次計測し、いわゆるＥＧＡ（エンハンストグローバルアライメント）の手法により、ウエハＷ上の全てのショット配列データを求め、この配列データに従って、ウエハＷ上のショット領域を順次投影光学系ＰＬの真下（露光位置）に順次位置決めしつつ、光源１２のレーザ発光を制御して、いわゆるステップアンドリピート方式で露光を行なう（ステップ３０５）。なお、ＥＧＡ等については、特開昭６１−４４４２９号公報等で公知であるから、ここでは詳細な説明は省略する。
ここで、上述した本発明の本発明の位置計測方法の実施例は、例えば、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを移動させ、その観察視野内にレチクルＲのレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２を位置決めする工程（ステップ３００）や、ウエハステージＷＳＴを移動させ、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内にウエハ基準マークＷＦＭ１，ＷＦＭ２を位置決めする工程（ステップ３０１）に好ましく適用することができる。
特に、レチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂを移動させて、その観察視野内にレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２を位置決めする工程では、観察視野内からレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２がずれて配されやすい。そのため、この位置決め工程に上述した位置計測方法の実施例を適用することにより、観察系としてのレチクルアライメント顕微鏡２２Ａ，２２Ｂの観察視野内からレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２がずれて配される場合にも、レチクルマークＲＭ１，ＲＭ２の位置情報を正しく計測し、その計測結果に基づいて、短時間でしかも確実にその観察視野内にレチクルマークＲＭ１，ＲＭ２を位置決めすることが可能となる。
したがって、上述した本発明の本発明の位置計測方法の実施例をマスクあるいはウエハの位置決めに適用することにより、位置合わせ動作（アライメント動作）の安定化やスループットの向上が図られる。なお、上述した位置計測方法の実施例は、上述したステップ３００やステップ３０１に適用するのに限らず、他の工程に適用してもよい。
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施例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る。したがって、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。
例えば、上記実施例では、露光用の照明ビームをレチクルアライメント用の照明ビームに用いているが、レチクルアライメント用の照明ビームのための光源を新たに設けるようにしてもよい。この場合、その新たな照明ビームに対するレチクルマークの反射率特性に基づいて、レチクルアライメント顕微鏡の観察視野内に配置されるウエハステージ上の領域を定めるようにするとよい。
また、本発明に係る位置計測方法は、露光が正確に行われたかどうかを評価するための位置ずれ計測や、パターン像が描画されているフォトマスクの描画精度の計測にも適用できる。
また、ウエハやレチクル、基準板などに形成されるマークの数や配置位置、及び形状は任意に定めてよい。特にウエハマークは各ショット領域に少なくとも１つ設ければよいし、あるいはショット領域毎にウエハマークを設けずにウエハ上の複数点にそれぞれウエハマークを形成しておくだけでもよい。また、基板上のマークは１次元マーク及び２次元マークのいずれでもよい。
また、本発明が適用される露光装置は、露光用照明ビームに対してマスク（レチクル）と基板（ウエハ）とをそれぞれ相対移動する走査露光方式（例えば、ステップ・アンド・スキャン方式など）に限られるものではなく、マスクと基板とをほぼ静止させた状態でマスクのパターンを基板上に転写する静止露光方式、例えばステップ・アンド・リピート方式などでもよい。さらに、基板上で周辺部が重なる複数のショット領域にそれぞれパターンを転写するステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置などに対しても本発明を適用することができる。また、投影光学系ＰＬは縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれでもよいし、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれでもよい。さらに、投影光学系を用いない、例えばプロキシミティ方式の露光装置などに対しても本発明を適用できる。
また、本発明が適用される露光装置は、露光用照明光としてｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｆ２レーザ光、及びＡｒ２レーザ光などの紫外光だけでなく、例えばＥＵＶ光、Ｘ線、あるいは電子線やイオンビームなどの荷電粒子線などを用いてもよい。さらに、露光用光源は水銀ランプやエキシマレーザだけでなく、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザなどの高調波発生装置、ＳＯＲ、レーザプラズマ光源、電子銃などでもよい。
また、本発明が適用される露光装置は、半導体デバイス製造用に限られるものではなく、液晶表示素子、ディスプレイ装置、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどのマイクロデバイス（電子デバイス）製造用、露光装置で用いられるフォトマスクやレチクルの製造用などでもよい。
また、本発明は露光装置だけでなく、デバイス製造工程で使用される他の製造装置（検査装置などを含む）に対しても適用することができる。
また、上述したウエハステージやレチクルステージにリニアモータを用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁気浮上型のどちらを用いてもいい。また、ステージは、ガイドに沿って移動するタイプでもいいし、ガイドを設けないガイドレスタイプでもよい。さらに、ステージの駆動系として平面モータを用いる場合、磁石ユニット（永久磁石）と電機子ユニットのいずれか一方をステージに接続し、磁石ユニットと電機子ユニットの他方をステージの移動面側（定盤、ベース）に設ければよい。
また、ウエハステージの移動により発生する反力は、特開平８−１６６４７５号公報に記載されているように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。本発明は、このような構造を備えた露光装置においても適用可能である。
また、レチクルステージの移動により発生する反力は、特開平８−３３０２２４号公報に記載されているように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。本発明は、このような構造を備えた露光装置においても適用可能である。
また、本発明が適用される露光装置は、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およ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。
また、半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行う工程、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作する工程、シリコン材料からウエハを製造する工程、前述した露光装置によりレチクルのパターンをウエハに露光するウエハ処理工程、デバイス組み立て工程（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査工程等を経て製造される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る位置計測方法の一実施例を概念的に示す図である。
図２は、マークの構成例を示す平面図である。
図３Ａは、マークの端部を撮像したときに得られる画像データの信号波形の一例を示す図であり、Ｘ軸用の画像信号波形を示している。
図３Ｂは、マークの端部を撮像したときに得られる画像データの信号波形の一例を示す図であり、Ｙ軸用の画像信号波形を示している。
図３Ｃは、図３Ａ及び図３Ｂに示した信号波形が得られるようなマークＭの端部の撮像状況の例を示す図である。
図４は、位置計測方法の全般的な流れの一例を示すフローチャート図である。
図５は、観察視野のステップ移動の様子を拡大して示す図である。
図６Ａは、観察視野を介して、許容領域内の様々な位置に配されるマークを撮像する様子を示しており、観察視野とマークとの相対的な位置関係の一例を模式的に示す図である。
図６Ｂは、観察視野を介して、許容領域内の様々な位置に配されるマークを撮像する様子を示しており、観察視野とマークとの相対的な位置関係の一例を模式的に示す図である。
図６Ｃは、観察視野を介して、許容領域内の様々な位置に配されるマークを撮像する様子を示しており、観察視野とマークとの相対的な位置関係の一例を模式的に示す図である。
図７Ａは、図６に示す観察視野とマークとの相対的な位置関係の他の例を模式的に示す図である。
図７Ｂは、図６に示す観察視野とマークとの相対的な位置関係の他の例を模式的に示す図である。
図８Ａは、図６に示す観察視野とマークとの相対的な位置関係の他の例を模式的に示す図である。
図８Ｂは、図６に示す観察視野とマークとの相対的な位置関係の他の例を模式的に示す図である。
図９は、位置計測方法における処理の具体的な流れの一例を示すフローチャート図である。
図１０は、本発明の位置計測方法の他の実施例を概念的に示す図である。
図１１は、マークの他の構成例を示す平面図である。
図１２は、露光装置の概略構成の一例を示す図である。
図１３は、図１２の主要部を拡大して示す図である。
図１４は、露光装置の動作の手順の一例を示すフローチャート図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成15年7月28日(2003.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上に形成されたマークを観察系を介して撮像し、この撮像結果に基づいて前記マークの位置に関する位置情報を計測する位置計測方法において、
前記観察系は、前記マークの一部分を観察可能でかつ前記マーク全体を観察不能な観察視野を有し、
前記観察系の観察視野を介して、前記マークが部分的に観察される領域を少なくとも一つ含むように、前記物体上の複数の領域を撮像し、
この複数の領域を撮像した結果に基づいて、撮像される前記マークの一部分が前記マークのどの部分であるかを特定し、
前記マークの一部分を撮像した結果と、前記特定した結果とに基づいて、前記マークの位置情報を求める位置計測方法。
【請求項２】
前記複数の領域のうち、前記マークが部分的に観察される領域の個数に基づいて、前記特定を行う請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項３】
前記複数の領域のうち、前記マークが部分的に観察される領域同士の位置関係に基づいて、前記特定を行う請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項４】
前記マークは、特徴が互いに異なる複数のマーク領域を含み、
前記マークの一部分を撮像した結果に基づいて、このマークの一部分が前記複数のマーク領域のうちのいずれの特徴を有するかを抽出し、この抽出結果に基づいて前記特定を行う請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項５】
前記複数の領域のうちの隣り合う２つの領域は、所定の方向に対して互いに一部重なる請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項６】
前記観察系の観察視野を前記物体に対して相対的に移動させながら前記複数の領域を撮像する請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項７】
前記観察系は、複数の観察視野を有し、
この複数の観察視野を介して、前記複数の領域を同時に撮像する請求項１に記載の位置計測方法。
【請求項８】
物体上に形成されたマークの全体を観察不能であり、前記マークの特徴形状部分を撮像する観察系を備えた位置計測装置で、前記マークの位置情報を検出して前記物体の位置情報を計測する位置計測方法において、
前記マークは、前記特徴形状部分を複数有し、
前記マークに対して前記観察視野の位置を複数設定し、
前記複数設定された観察視野で撮像された複数の撮像結果に基づいて、特定の特徴形状部分を撮像した特定撮像結果を特定し、
前記特定撮像結果に基づいて、前記マークの位置情報を検出する位置計測方法。
【請求項９】
前記観察視野を複数設定する工程は、前記マークに対して前記観察視野を相対移動させながら撮像を行うことによって、複数の観察視野を設定する請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１０】
前記観察系は複数の観察視野を有し、
この複数の観察視野を介して前記複数の領域を同時に撮像することによって、複数の観察視野を設定する請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１１】
前記マークの特定の特徴形状部分は、マークの端部である請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１２】
前記マークは、全体が矩形状に形成されるとともに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ分割されて４つの領域を有するマークである請求項８に記載の位置計測方法。
【請求項１３】
前記物体は、パターンが形成されたマスク、あるいはこのマスクのパターンが転写される基板であり、
請求項１から請求項１２のうちのいずれか一項に記載の位置計測方法により計測された前記マークの位置情報に基づいて、前記マスクあるいは前記基板を位置決めし、
前記マスクを照明することにより、前記基板上に前記パターンの像を転写する露光方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の露光方法を用いて、前記マスク上に形成されたデバイスパターンを前記基板上に転写する工程を含むデバイス製造方法。
【請求項１５】
（追加）物体上のマークの位置に関する位置情報を計測する位置計測装置であって、
前記マークの一部分を観察可能であり、かつ前記マーク全体を観察不能な観察視野を備え、前記物体上に形成されたマークを撮像する観察系と、
前記観察系の観察視野を介して、前記マークが部分的に観察される領域を少なくとも一つ含むように、前記物体と前記観察系の観察視野とを相対移動する駆動系と、
前記駆動系により前記物体と前記観察視野とを相対移動させながら、前記観察系に、前記物体上の複数の領域を撮像させる制御系と、
前記複数の領域を撮像した結果に基づいて、撮像される前記マークの一部分が前記マークのどの部分であるかを特定し、前記マークの一部分を撮像した結果と、前記特定した結果とに基づいて、前記マークの位置情報を決定する演算系とを有する位置計測装置。
【請求項１６】
（追加）前記演算系は、前記複数の領域のうち、前記マークが部分的に観察される領城の個数に基づいて、前記特定を行う請求項１５に記載の位置計測装置。
【請求項１７】
（追加）前記演算系が、前記複数の領域のうち、前記マークが部分的に観察される領域同士の位置関係に基づいて、前記特定を行う請求項１５または１６に記載の位置計測装置。
【請求項１８】
（追加）前記マークは、特徴が互いに異なる複数のマーク領域を含み、
前記演算系は、前記マークの一部分を撮像した結果に基づいて、このマークの一部分が前記複数のマーク領域のうちのいずれの特徴を有するかを抽出し、この抽出結果に基づいて前記特定を行う請求項１５から１７のいずれか一項に記載の位置計測方法。
【請求項１９】
（追加）前記制御系は、前記複数の領域のうちの隣り合う２つの領域が、所定の方向に対して互いに一部重なるように、前記物体と前記観察系の観察視野とを相対移動する請求項１５から１８のいずれか一項に記載の位置計測方法。
【請求項２０】
（追加）前記観察系は、複数の観察視野を有し、この複数の観察視野を介して、前記複数の領域を同時に撮像する請求項１５から１９のいずれか一項に記載の位置計測方法。
【請求項２１】
（追加）物体上に形成され特徴形状部分を複数有するマークの位置情報を検出して、前記物体の位置情報を計測する位置計測装置であって、
前記物体上に形成された前記マーク全体を観察不能な観察視野を備え、前記マークの特徴形状部分を撮像する観察系と、
前記マークに対して前記観察視野の位置を複数設定する駆動系と、
前記複数設定された観察視野で撮像された複数の撮像結果に基づいて、特定の前記特徴形成部分を撮像した特定撮像結果を特定し、この特定撮像結果に基づいて、前記マークの位置情報を検出する演算系とを有する位置計測装置。
【請求項２２】
（追加）前記駆動系は、前記マークに対して前記観察視野を相対移動させることによって、複数の観察視野を設定する請求項２１に記載の位置計測方法。
【請求項２３】
（追加）前記観察系は複数の観察視野を有し、
この複数の観察視野を介して前記複数の領域を同時に撮像する請求項２２に記載の位置計測方法。
【請求項２４】
（追加）前記マークの特定の特徴形状部分は、マークの端部である請求項２１から２３のいずれか一項に記載の位置計測方法。
【請求項２５】
（追加）前記マークは、全体が矩形状に形成されるとともに、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ分割されて４つの領域を有するマークである請求項２１から２４のいずれか一項に記載の位置計測方法。
【請求項２６】
（追加）前記物体が、パターンが形成されたマスク、あるいはこのマスクのパターンが転写される基板であり、
請求項１５から請求項２５のうちのいずれか一項に記載の位置計測装置を用いて計測された前記マークの位置情報に基づいて、前記マスクあるいは前記基板を位置決めし、
前記マスクを照明することにより、前記基板上に前記パターンの像を転写する露光装置。
【国際調査報告】
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