(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１方向と、第１方向と異なる第２方向にそれぞれ周期をもつ第１回折格子と、前記第１回折格子の第２方向の周期と異なる周期を第２方向にもつ第２回折格子とを照明する照明光学系と、
前記照明光学系によって照明された前記第１回折格子及び前記第２回折格子で回折された回折光を光電変換素子で検出する検出光学系と、を備える検出器であって、
前記照明光学系は、その瞳面において第１の極と第２の極を形成するための開口絞りを有し、
前記検出光学系は、前記検出光学系の瞳面において、前記照明光学系の瞳面における前記第１の極と前記第２の極の位置より光軸側の位置に配置された導光部を有し、
前記導光部は、前記第１の極からの光を前記第１方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第１回折格子及び前記第２回折格子の一方で回折され、さらに他方で回折された回折光を前記光電変換素子に導き、
前記第２の極からの光を前記第２方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第２回折格子で回折された回折光が、前記検出光学系の瞳面において前記導光部とは異なる場所に入射することを特徴とする検出器。
【請求項２】
前記検出器は、前記検出された回折光に基づいて前記第１回折格子と前記第２回折格子の第２方向の相対的な位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の検出器。
【請求項３】
前記検出光学系は、前記第１回折格子と前記第２回折格子で回折された回折光により生じるモアレ縞を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検出器。
【請求項４】
前記第１方向と第２方向は互いに直交することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項５】
前記導光部は開口であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項６】
瞳面における座標を、（前記第１方向における位置、前記第２方向における位置）と表すと、
前記第１の極は、前記照明光学系の瞳面において、ＮＡＰ１の直径を有し座標（０，ＮＡｉｌ１）を中心位置とし、
前記第２の極は、前記照明光学系の瞳面において、ＮＡＰ２の直径を有し座標（ＮＡｉｌ２，０）を中心位置とし、
前記検出光学系の導光部は、前記検出光学系の瞳面において、ＮＡＯの半径を有し座標（０，０）を中心位置とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項７】
前記照明光学系から射出される光の波長をλとして、前記第１回折格子の第１方向の周期をＰ１、前記第１回折格子の第２方向の周期をＰ２、前記第２回折格子の第２方向の周期をＰ３としたとき、
｜λ／Ｐ２−ＮＡｉｌ２｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２、
｜λ／Ｐ３−ＮＡｉｌ２｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２、及び、
｜ＮＡｉｌ１−λ／Ｐ１｜＜ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２の関係を満たすことを特徴とする請求項６に記載の検出器。
【請求項８】
λ／Ｐ２＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２、及び、λ／Ｐ３＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２の関係をさらに満たすことを特徴とする請求項７に記載の検出器。
【請求項９】
ＮＡｉｌ１＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２、及び、ＮＡｉｌ２＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２の関係をさらに満たすことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１０】
前記照明光学系は複数波長の光で前記第１回折格子と前記第２回折格子を照明することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１１】
前記導光部の半径、前記第１の極の直径及び前記第２の極の直径の少なくともいずれかは可変であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１２】
前記検出光学系により検出された回折光の強度またはコントラストに基づいて、前記第１回折格子及び前記第２回折格子の格子ピッチ、前記導光部の半径、前記第１の極の中心位置、前記第２の極の中心位置、前記照明光学系の照明光の中心波長、前記照明光の波長範囲のうちの少なくとも１つが定められていることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１３】
前記照明光学系はその瞳面において、光軸に対して第１の極とは反対側の第３の極を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１４】
前記照明光学系はその瞳面において、光軸に対して第２の極とは反対側の第４の極を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１５】
前記照明光学系は、その瞳面においてＮＡＰ１の直径を有し座標（０，−ＮＡｉｌ１）を中心位置とする第３の極と、ＮＡＰ２の直径を有し座標（−ＮＡｉｌ２，０）を中心位置とする第４の極とを形成することを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１６】
前記検出光学系は、その瞳面において座標（ＮＡｉｌ１，ＮＡｉｌ２）、（−ＮＡｉｌ１，ＮＡｉｌ２）、（−ＮＡｉｌ１，−ＮＡｉｌ２）及び（ＮＡｉｌ１，−ＮＡｉｌ２）をそれぞれ中心位置としＮＡＯの半径を有する、回折光を前記光電変換素子に導く４つの導光部をさらに有することを特徴とする請求項１５に記載の検出器。
【請求項１７】
前記検出光学系は、その瞳面において座標（ＮＡｉｌ１，ＮＡｉｌ２）、（−ＮＡｉｌ１，ＮＡｉｌ２）、（−ＮＡｉｌ１，−ＮＡｉｌ２）及び（ＮＡｉｌ１，−ＮＡｉｌ２）をそれぞれ中心位置とし半径がＮＡＯの４つの円の内側の領域のうちで座標（０，０）を中心位置とし（ＮＡｉｌ１＋ＮＡＰ１／２）と（ＮＡｉｌ２＋ＮＡＰ２／２）のうち大きい方を半径とする円の内側の部分にある、回折光を前記光電変換素子に導く導光部をさらに有することを特徴とする請求項１５に記載の検出器。
【請求項１８】
前記照明光学系は、
第１物体に形成された前記第１回折格子と、第２物体に形成された前記第２回折格子と、を照明し、
前記第１物体に形成された、第１方向と第２方向にそれぞれ周期構造をもつ第３回折格子と、前記第２物体に形成された、前記第３回折格子の第１方向への周期と異なる周期の周期構造を第１方向にもつ第４回折格子とを照明し、
前記検出光学系は、前記照明光学系によって照明された前記第３回折格子及び前記第４回折格子で回折された回折光を検出し、
前記第２の極からの光を前記第２方向から斜入射させて前記第３回折格子及び前記第４回折格子を照明することによって前記第３回折格子及び前記第４回折格子で回折された回折光が、前記導光部に入射して前記光電変換素子に導かれ、
前記第１の極からの光を前記第１方向から斜入射させて前記第３回折格子及び前記第４回折格子を照明することによって前記第４回折格子で回折された回折光が、前記検出光学系の瞳面において前記導光部とは異なる場所に入射する、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項１９】
前記第３回折格子の第１方向の周期をＰ４、前記第３回折格子の第２方向の周期をＰ５、前記第４回折格子の第２方向の周期をＰ６、として、
｜λ／Ｐ４−ＮＡｉｌ１｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２、｜λ／Ｐ６−ＮＡｉｌ１｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２、及び、｜ＮＡｉｌ２−λ／Ｐ５｜＜ＮＡＯ＋ＮＡ、
を満たすことを特徴とする請求項６を引用する請求項１８に記載の検出器。
【請求項２０】
λ／Ｐ４＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２、及び、λ／Ｐ６＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２の関係をさらに満たすことを特徴とする請求項１９に記載の検出器。
【請求項２１】
前記検出光学系により検出された回折光の強度またはコントラストに基づいて、前記第４回折格子の格子ピッチを決定することを特徴とする請求項１８乃至請求項２０のいずれか１項に記載の検出器。
【請求項２２】
前記検出器は、該検出された回折光に基づいて前記第１物体と前記第２物体の前記第１方向及び第２方向の相対的な位置を求めることを特徴とする請求項１８乃至請求項２１のいずれか１項に記載の検出装置。
【請求項２３】
第１方向と、第１方向と異なる第２方向にそれぞれ周期をもつ第１回折格子と、前記第１回折格子の第２方向の周期と異なる周期を第２方向にもつ第２回折格子とを照明する照明光学系と、
前記照明光学系によって照明された前記第１回折格子及び前記第２回折格子で回折された回折光を検出する検出光学系と、を備える検出器であって、
前記照明光学系は、その瞳面において第１の極と第２の極を形成するための開口絞りを有し、
前記第１の極からの光を前記第１方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第１回折格子及び前記第２回折格子の一方で回折され、さらに他方で回折された回折光を前記検出光学系が検出し、
前記第２の極からの光を前記第２方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第２回折格子で回折された回折光を前記検出光学系が検出しないことを特徴とする検出器。
【請求項２４】
基板に塗布されたインプリント材と型のパターンとを接触させて前記インプリント材を硬化させ、該硬化されたインプリント材のパターンを前記基板に形成するインプリント装置であって、
前記型に形成された回折格子と前記基板上に形成された回折格子で回折された回折光を検出する請求項１乃至請求項２３のいずれか１項に記載の検出器を備えることを特徴とするインプリント装置。
【請求項２５】
請求項２４に記載のインプリント装置を用いてパターンを基板に形成する工程と、
前記工程で前記パターンが形成された基板を加工する工程と、
を含む物品の製造方法。
【請求項２６】
第１方向と、第１方向と異なる第２方向にそれぞれ周期をもつ第１回折格子と、前記第１回折格子の第２方向の周期と異なる周期を第２方向にもつ第２回折格子とを照明光学系が照明する照明工程と、
該照明された前記第１回折格子及び前記第２回折格子で回折された回折光を検出光学系が検出する検出工程と、を有する検出方法であって、
前記照明工程において、前記照明光学系は、開口絞りにより、その瞳面において第１の極と第２の極を形成し、
前記検出工程において、
前記第１の極からの光を前記第１方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第１回折格子及び前記第２回折格子の一方で回折され、さらに他方で回折された回折光を前記検出光学系が検出し、
前記第２の極からの光を前記第２方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第２回折格子で回折された回折光を前記検出光学系が検出しないことを特徴とする検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる２つの物体間の相対位置を検出する検出器、検出方法、インプリント装置及び物品製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細化の要求が進み、従来のフォトリソグラフィー技術に加え、基板上の未硬化樹脂をモールド（型）で成形し、樹脂のパターンを基板上に形成する微細加工技術が注目を集めている。この技術は、インプリント技術とも呼ばれ、基板上に数ナノメートルオーダーの微細な構造体を形成することができる。例えば、インプリント技術の１つとして、光硬化法がある。この光硬化法を採用したインプリント装置では、まず、基板上のインプリント領域であるショットに未硬化の状態の紫外線硬化樹脂（インプリント樹脂、光硬化性樹脂）を塗布する。次に、この樹脂を型により成形する。そして、紫外線を照射して樹脂を硬化させたうえで離型することにより、樹脂のパターンが基板上に形成される。
【０００３】
この光硬化法に適合したインプリント装置は、例えば特許文献１に開示されている。このようなインプリント装置は、基板を保持するステ−ジ、樹脂の塗布機構、インプリントヘッド、紫外線照射部及び位置合わせ用のマ−クの検出器を有する。インプリント装置において基板とモールドとの位置合わせには、基板と型の押し付け時に、ショット毎に基板と型のそれぞれに構成されたマ−クを同時に観察してそれらのずれ量を補正する、いわゆるダイバイダイ方式が採用されている。
【０００４】
特許文献１に開示されたインプリント装置では、位置合わせ用のマークが型と基板とにそれぞれ配置されている。型側のマークは計測方向に格子ピッチをもつ格子パターンを含み、基板側のマークは計測方向と計測方向に直交する方向（非計測方向）とにそれぞれ格子ピッチをもつチェッカーボード状の格子パターンを含む。マークに照明を行う照明光学系と、マークからの回折光を検出する検出光学系は、いずれも型と基板に垂直な方向から非計測方向に傾いて配置されている。すなわち、照明光学系はマークに対して非計測方向から斜入射照明を行うように構成されている。マークに斜入射で入射した光は基板側に配置されたチェッカーボード状の格子パターンによって非計測方向に回折され、検出光学系は非計測方向に関してゼロ次以外の特定の次数の回折光のみを検出するように配置されている。
【０００５】
また、型に配置された格子パターンと基板に配置された格子パターンとの計測方向の格子ピッチは互いに僅かに異なっている。このような格子ピッチが互いに異なる格子パターンを重ねると、２つの格子パターンからの回折光同士の干渉により、格子パターン間の格子ピッチの差を反映した周期を有する干渉縞（いわゆるモアレ縞）が現れる。このとき、格子パターン相互の位置関係によってモアレ縞の位相が変化するので、モアレ縞の位相を観察することにより基板と型との相対位置合わせを行うことができる。このようなモアレ縞を利用して相対位置を検出する方法では、解像力が低い検出光学系を用いても、高い精度で位置合わせを行うことができるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００８−５２２４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている検出器では、基板側に配置されたチェッカーボード状の格子パターンによって非計測方向に回折させた光を型もしくは基板に垂直ではない方向から検出している。そのため、１つの検出器（照明光学系と検出光学系）で型と基板との間の複数方向に関する相対位置情報を取得することができない。
【０００８】
本発明は、１つの検出器で２つの物体間の２方向における相対位置を高精度で検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの側面は、第１方向と、第１方向と異なる第２方向にそれぞれ周期をもつ第１回折格子と、前記第１回折格子の第２方向の周期と異なる周期を第２方向にもつ第２回折格子とを照明する照明光学系と、前記照明光学系によって照明された前記第１回折格子及び前記第２回折格子で回折された回折光を光電変換素子で検出する検出光学系と、を備える検出器であって、前記照明光学系は、その瞳面において第１の極と第２の極を形成するための開口絞りを有し、前記検出光学系は、前記検出光学系の瞳面において、前記照明光学系の瞳面における前記第１の極と前記第２の極の位置より光軸側の位置に配置された導光部を有し、前記導光部は、前記第１の極からの光を前記第１方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第１回折格子及び前記第２回折格子の一方で回折され、さらに他方で回折された回折光を前記光電変換素子に導き、前記第２の極からの光を前記第２方向から斜入射させて前記第１回折格子及び前記第２回折格子を照明することによって前記第２回折格子で回折された回折光が、前記検出光学系の瞳面において前記導光部とは異なる場所に入射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、１つの検出器で２つの物体間の２方向における相対位置を高精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る照明光学系、検出光学系の瞳分布を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る検出器の一例を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る検出器の別例を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る照明光学系、検出光学系の瞳分布を示す図である。
【図５】モアレ縞を発生するマークを示す図である。
【図６】第１実施形態に係るｘ方向の位置合わせ用のマークを示す図である。
【図７】第１実施形態における回折光の様子を示す図である。
【図８】第１実施形態に係るｙ方向の位置合わせ用のマークを示す図である。
【図９】第１実施形態に係る検出器を用いてｘ方向とｙ方向の位置合わせのためのモアレ縞を示す図である。
【図１０】第１実施形態における回折光を示す図である。
【図１１】第１実施形態に係るインプリント装置を示す図である。
【図１２】第１実施形態の変形例における照明光学系、検出光学系の瞳分布を示す図である。
【図１３】第１実施形態の変形例における照明光学系、検出光学系の瞳分布を示す図である。
【図１４】第２実施形態のインプリント装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について図面等を参照して説明する。
【００１３】
［第１実施形態］
図１１を用いて第１実施形態に係るインプリント装置について説明する。このインプリント装置１は、半導体デバイスなどのデバイス製造に使用され、基板（ウエハ）８上の未硬化樹脂（インプリント材）９をモールド（型）７で成形し、樹脂９のパターンを基板８上に形成する。なお、本実施形態のインプリント装置１は、光硬化法を採用するものとする。また、以下の図においては、基板８の表面に平行な面内にｘ軸及びｙ軸をとり、ｘ軸とｙ軸とに垂直な方向にｚ軸を取っている。このインプリント装置１は、紫外線照射部２と、検出器３と、型保持部４と、基板ステージ５と、塗布部６と備える。
【００１４】
紫外線照射部２は、型７とウエハ８上の樹脂９とを接触させる押型処理の後に、樹脂９を硬化させるために、型７に対して紫外線を照射する。この紫外線照射部２は、不図示であるが、光源と、該光源から射出される紫外線を型７のパターン面７ａに対して所定の形状で均一に照射するための複数の光学素子とから構成される。特に、紫外線照射部２による光の照射領域は、パターン面７ａの表面積と同程度、またはパターン面７ａの表面積よりもわずかに大きいことが望ましい。これは、紫外線の照射領域を必要最小限とすることで、照射に伴う熱に起因して型７またはウエハ８が膨張し、樹脂９に転写されるパターンに位置ズレや歪みが発生することを抑えるためである。加えて、ウエハ８などで反射した紫外線が後述の塗布部６に到達し、塗布部６の吐出部に残留した樹脂９を硬化させてしまうことで、後の塗布部６の動作に異常が生じることを防止するためでもある。
【００１５】
光源としては、例えば、高圧水銀ランプ、各種エキシマランプ、エキシマレーザーまたは発光ダイオードなどが採用可能である。光源は、樹脂９の特性に応じて適宜選択されるが、本発明は、光源の種類、数、または波長などにより限定されるものではない。型７は、ウエハ８に対する面に所定のパターン（例えば、回路パターン等の凹凸パターン）が３次元状に形成された型である。型７の材質は、紫外線を透過させることが可能な石英などである。
【００１６】
型保持部４は、真空吸着力や静電力により型７を引きつけて保持する。型保持部４は、型チャックと、樹脂９に型７を押し付けるために型チャックをｚ方向に駆動する駆動機構と、型７をｘ方向及びｙ方向に変形させて樹脂９に転写されるパターンの歪みを補正する補正機構とを含む。
【００１７】
型７とウエハ８とは、ｘｙｚ座標系においてｚ方向に間隔を置いて配置された第１物体と第２物体とを構成している。インプリント装置１における押型及び離型の各動作は、型７をｚ方向に移動させることで実現してもよいが、例えば、ウエハステージ５をｚ方向に移動させることで実現してもよく、または、その両方を移動させてもよい。ウエハステージ５は、ウエハ８を例えば真空吸着により保持し、かつ、ｘｙ平面内を移動可能とする。ウエハ８は、例えば、単結晶シリコンからなり、ウエハ８の被処理面には、型７により成形される紫外線硬化樹脂９が塗布される。
【００１８】
インプリント装置１は、型７とウエハ８との相対的な位置関係を検出する検出器３を備える。検出器３は型７とウエハ８とにそれぞれ配置された第１マーク及び第３マーク１０と第２マーク及び第４マーク１１を光学的に検出して両者の相対位置を検出する。検出器３の光軸はウエハ８の表面に対して垂直になるように配置されている。検出器３は、型７及びウエハ８に配置されたマーク１０，１１の位置に合わせて、ｘ方向及びｙ方向に駆動可能なように構成されている。また、検出器３は、マーク１０，１１の位置に光学系の焦点を合わせるためにｚ方向にも駆動可能なように構成されている。検出器３で検出された型７とウエハ８の相対位置に基づいてウエハステージ５や型７の補正機構の駆動が制御される。検出器３と位置合わせ用のマーク１０，１１については後で詳述する。
【００１９】
塗布部６は、ウエハ８上に未硬化状態の樹脂９を塗布する。樹脂９は、紫外線を受光することにより硬化する性質を有する光硬化性樹脂であって、半導体デバイスの種類などにより適宜選択される。塗布部６は、図１１に示すようにインプリント装置１の内部に設置せず、別途外部に塗布装置を準備し、この塗布装置により予め樹脂９を塗布したウエハ８をインプリント装置１の内部に導入してもよい。そのようにすれば、インプリント装置１の内部での塗布工程がなくなるため、インプリント装置１での処理の迅速化が可能となる。また、塗布部６が不要となることから、インプリント装置１全体としての製造コストを抑えることができる。
【００２０】
インプリント装置１によるインプリント処理について説明する。制御部Ｃは、まず、不図示の基板搬送部によりウエハ８をウエハステージ５に搬送し、このウエハ８をウエハステージ５上に固定させる。続いて、制御部Ｃは、ウエハステージ５を塗布部６の塗布位置へ移動させ、その後、塗布部６は、塗布工程としてウエハ８の所定のショット（インプリント領域）に樹脂９を塗布する。次に、制御部Ｃは、ウエハ８上の塗布面が型７の直下に位置するように、ウエハステージ５を移動させる。
【００２１】
次に、制御部Ｃは、型駆動機構を駆動させ、ウエハ８上の樹脂９に型７を押型する（押型工程）。このとき、樹脂９は、型７の押型により型７に形成されたパターン面７ａに沿って流動する。さらにこの状態で、検出器３は、ウエハ８及び型７に配置されたマーク１０，１１を検出し、制御部Ｃは、ウエハステージ５の駆動による型７とウエハ８との位置合わせ、及び型７の補正機構による補正などを実施する。樹脂９のパターン面７ａへの流動と、型７とウエハ８との位置合わせ及び型７の補正等が十分になされた段階で、紫外線照射部２は型７の背面（上面）から紫外線を照射し、型７を透過した紫外線により樹脂９が硬化される（硬化工程）。この際、検出器３は紫外線の光路を遮らないように退避駆動される。続いて、型駆動機構を再駆動させ、型７をウエハ８から離型させる（離型工程）ことにより、ウエハ８上に型７の凹凸パターンが転写される。
【００２２】
検出器３と型７及びウエハ８にそれぞれ配置されたマーク１０，１１の詳細を説明する。図２は本実施形態の検出器３の構成の一例を示す。検出器３は、検出光学系２１と照明光学系２２で構成されている。照明光学系２２は、プリズム２４等を用いて光源２３からの光を検出光学系２１と同じ光軸上へ導き、マーク１０，１１を同時に斜入射照明する。
【００２３】
光源２３には例えばハロゲンランプやＬＥＤ等が用いられ、樹脂９を硬化させる紫外線を含まない、可視光線や赤外線を照射するように構成されている。検出光学系２１と照明光学系２２はそれらを構成する光学部材の一部を共有するように構成されており、プリズム２４は検出光学系２１と照明光学系２２の瞳面もしくはその近傍に配置されている。マーク１０，１１はそれぞれ格子パターンから構成され、検出光学系２１は照明光学系２２によって照明されたマーク１０，１１で回折された回折光同士の干渉により発生する干渉光（干渉縞、モアレ縞）を撮像素子２５上に結像する。撮像素子２５としてＣＣＤやＣＭＯＳなどが用いられる。
【００２４】
プリズム２４は、その貼り合せ面において、照明光学系２２の瞳面の周辺部分の光を反射するための反射膜２４ａを有している。また、反射膜２４ａは検出光学系２１の瞳の大きさ（あるいは検出ＮＡ：ＮＡＯ）を規定する開口絞りとしても働く。プリズム２４は、貼り合せ面に半透膜を有するハーフプリズムや、あるいはプリズムに限らず表面に反射膜を成膜した板状の光学素子などであってもよい。本実施形態にかかるプリズム２４が配置される位置は、必ずしも検出光学系２１と照明光学系２２の瞳面もしくはその近傍でなくてもよい。この場合、図３に示すように検出光学系２１と照明光学系２２はそれぞれその瞳面に個別の開口絞り２６及び２７を有する。また、プリズム２４にはその貼り合せ面に半透膜を有するハーフプリズム等が用いられる。
【００２５】
図４に照明光学系２２の瞳面に形成された光強度分布（有効光源）と検出光学系２１の第１検出開口ＯＢＪ１との関係を示す。照明光学系２２は、その瞳面において第１の極ＩＬ１と、第２の極ＩＬ３と、第３の極ＩＬ２と、第４の極ＩＬ４とを含む光強度分布を形成している。第１の極ＩＬ１は、ＮＡＰ１の径を有し座標（０，ＮＡｉｌ１）を中心位置として配置される。第２の極ＩＬ３は、ＮＡＰ２の径を有し座標（ＮＡｉｌ２，０）を中心位置として配置される。第３の極ＩＬ２は、ＮＡＰ１の径を有し座標（０，−ＮＡｉｌ１）を中心位置として配置される。第４の極ＩＬ４は、ＮＡＰ２の径を有し座標（−ＮＡｉｌ２，０）を中心位置として配置される。なお、本実施形態では、第１乃至第４の極ＩＬ１〜ＩＬ４は、直径がＮＡＰ１＝ＮＡＰ２＝ＮＡＰ、の円形の極である。また、ＮＡｉｌ１＝ＮＡｉｌ２＝ＮＡｉｌとしている。第１検出開口ＯＢＪ１は、検出光学系２１の瞳面においてＮＡＯの開口数を有し座標（０，０）を中心位置として配置される。
【００２６】
照明光学系２２はマーク１０，１１に対して斜入射照明を行うように構成されており、マーク１０，１１への入射角度θは、式１で表わされる。
θ＝ｓｉｎ−１（ＮＡｉｌ）  ・・・（１）
【００２７】
照明光学系２２及び検出光学系２１は、ＮＡＯ、ＮＡＰ、ＮＡｉｌが下記の式２を満足するように構成される。すなわち、検出器３は、位置合わせマーク１０，１１からの正反射光（ゼロ次回折光）を検出しない暗視野構成になっている。
ＮＡｉｌ１＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２、かつ、
ＮＡｉｌ２＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２  ・・・（２）
【００２８】
本実施形態では、ＮＡｉｌ１＝ＮＡｉｌ２＝ＮＡｉｌ、ＮＡＰ１＝ＮＡＰ２＝ＮＡＰであるので、式２は、式２’として表現される。
ＮＡｉｌ＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ／２  ・・・（２’）
【００２９】
モアレ縞の発生の原理とモアレ縞を用いた型７とウエハ８との相対的な位置検出について説明する。図５の（ａ）と（ｂ）に示すような格子ピッチが僅かに異なる格子パターン３１と格子パターン３２を重ねると、２つの格子パターン３１，３２からの回折光同士が干渉して、格子ピッチの差を反映した周期をもつ（ｃ）のような干渉縞（モアレ縞）が発生する。モアレ縞は、２つの格子パターン３１，３２の相対位置関係によって明暗の位置（縞の位相）が変化する。例えば、片方を少しだけずらしてやると、図５の（ｃ）のモアレ縞は（ｄ）のように変化する。モアレ縞は、格子パターン３１，３２間の実際の相対位置ずれ量を拡大し、大きな周期の縞として発生するため、検出光学系２１の解像力が低くても、精度良く２物体間の相対位置関係を計測することができる。
【００３０】
モアレ縞（干渉光）を検出するために格子パターン３１，３２を明視野で検出（垂直方向から照明し、垂直方向から回折光を検出）しようとすると、検出器３は、格子パターン３１からの０次回折光や格子パターン３２からの０次回折光も検出してしまう。格子パターン３１，３２どちらか一方からの０次回折光はモアレ縞のコントラストを下げる要因になる。そこで、本実施形態の検出器３は、前述のように、０次回折光を検出しない暗視野の構成をとっている。斜入射で照明する暗視野の構成でもモアレ縞を検出できるように、型側及びウエハ側のマーク１０，１１との一方を図６の（ａ）に示すようなチェッカーボード状の格子パターンとし、他方を図５の（ａ）、（ｂ）に示すような格子パターンにしている。型側のマーク１０とウエハ側のマーク１１のどちらをチェッカーボード状の格子パターンにしても、基本的に同一であるが、以下では型側のマーク１０をチェッカーボード状にした場合を例に説明する。
【００３１】
図６の（ａ）と（ｂ）は、それぞれ型７とウエハ８のｘ方向に関する相対位置を検出するための型側のマーク（第１マーク）１０とウエハ側のマーク（第２マーク）１１を図示したものである。型側のマーク１０は、ｙ方向にＰｍｎ（Ｐ１）の格子ピッチとｘ方向にＰｍｍ（Ｐ２）の格子ピッチとを有するチェッカーボード状の格子パターン１０ａを含む。ウエハ側のマーク１１は、ｘ方向にのみＰｍｍとは異なる格子ピッチＰｗ（Ｐ３）を有する格子パターン１１ａを含む。この２つの格子パターン１０ａ，１１ａを重ねた状態で検出器３によってモアレ縞（干渉光）を検出する原理について、図７を用いて説明する。
【００３２】
図７の（ａ）と（ｂ）は格子パターン１０ａと格子パターン１１ａをそれぞれｘ方向とｙ方向から見た図である。ｘ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞は瞳面においてｙ軸上に並んだ第１及び第３の極の強度分布ＩＬ１とＩＬ２によって発生する。格子パターン１０ａ，１１ａによる回折角φは、格子ピッチをｄ、照明光学系２２から照明される光の波長をλ、回折次数をｎとして、以下の式３で表わされる。
sinφ＝nλ/d  ・・・（３）
【００３３】
したがって、格子パターン１０ａによるｘ方向とｙ方向の回折角をそれぞれφｍｍ、φｍｎとし、格子パターン１１ａによる回折角をφwとすると、式４〜式６が成り立つ。
sinφｍｍ＝ｎλ／Ｐｍｍ  ・・・（４）
sinφｍｎ＝ｎλ／Ｐｍｎ  ・・・（５）
sinφｗ＝ｍλ／Ｐｗ  ・・・（６）
【００３４】
図７の（ａ）において、格子パターン１０ａ及び格子パターン１１ａが瞳面において非計測方向であるｙ軸上に並んだ第１及び第３の極の強度分布ＩＬ１，ＩＬ２によって、ｙ方向（非計測方向）から斜入射照明される。格子パターン１０ａ，１１ａで正反射した光（０次回折光）Ｄ１，Ｄ１′は、検出器３が式２を満足するために、検出光学系２１には入射しない。
【００３５】
Ｄ２，Ｄ２′は型側の格子パターン１０ａでのみ±１次で回折した光を示し、Ｄ３は型側の格子パターン１０ａで＋／−１次で回折し、ウエハ側の格子パターン１１ａで−／＋１次に回折した回折光を示している。Ｄ３が検出器３により型７とウエハ８との相対位置の検出に用いられる回折光である。ｙ方向にＰｍｎの格子ピッチをもつ型側の格子パターン１０ａによって角度φｍｎだけ回折した光Ｄ２，Ｄ２′，Ｄ３は、ｙ軸に対して検出光学系２１によって検出される角度で射出する。
【００３６】
本実施形態では０次回折光を除く回折光の中で回折強度が高い、格子パターン１０ａで＋／−１次で回折し、格子パターン１１ａで−／＋１次に回折した回折光Ｄ３を検出するために、検出器３は、Ｐ１とＮＡＯ、ＮＡｉｌ１、ＮＡＰ１は下記条件を満足している。ＰｍｎとＮＡＯ、ＮＡｉｌ、ＮＡＰは以下の条件式７を満足している。 言い換えると、式７を満足する範囲の波長λでｙ方向への回折光を検出することができる。
｜ＮＡｉｌ１−｜sinφｍｎ｜｜＝｜ＮＡｉｌ１−λ／Ｐ１｜＜ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２  ・・・（７）
【００３７】
本実施形態では、Ｐ１＝Ｐｍｎ、ＮＡｉｌ１＝ＮＡｉｌ、ＮＡＰ１＝ＮＡＰであるから、条件式７は式７’と表現される。
｜ＮＡｉｌ−｜sinφｍｎ｜｜＝｜ＮＡｉｌ−λ／Ｐｍｎ｜＜ＮＡＯ＋ＮＡＰ／２  ・・・（７’）
【００３８】
もっとも効率良く回折光Ｄ３を検出できるのは回折光Ｄ３がｙ方向に垂直になる場合である。そこで、光源から出力される照明光の中心波長をλｃとすると、式８を満たすように照明光学系２２の照明条件と型側の格子パターン１０ａの格子ピッチＰｍｎが調整されていることが望ましい。
ＮＡｉｌ−λc／Ｐｍｎ＝0  ・・・（８）
【００３９】
以上のように、ｙ方向（非計測方向）に関しては型側の格子パターン１０ａが斜入射照明され、格子パターン１０ａによって非計測方向に回折した回折光が検出される。次に、ｘ方向（計測方向）に関する回折光の説明を、図７の（ｂ）を用いて行う。瞳面のｙ軸上に並んだ第１及び第３の極の光強度分布ＩＬ１，ＩＬ２は、ｘ軸に垂直な方向から格子パターン１０ａ，１１ａに入射する。ｙ方向の場合と同様に＋／−１次の回折光を考えると、型側の格子パターン１０ａで＋／−１次で回折し、ウエハ側の格子パターン１１ａで−／＋１次に回折した回折光Ｄ３は、ＰｍｍとＰｗが近いためにｘ軸に対して小さな角度で検出光学系２１に入射する。
【００４０】
図７の（ｃ）に回折光Ｄ３の回折の様子を示す。実線の矢印は型側の格子パターン１０ａで＋／−１次で回折し、ウエハ側の格子パターン１１ａで−／＋１次に回折し型７を透過した回折光を表わしている。また、点線の矢印は型側の格子パターン１０ａを透過し、ウエハ側の格子パターン１１ａで−／＋１次に回折し、型側の格子パターン１０ａで＋／−１次で回折した回折光を表わしている。このときの回折光Ｄ３の回折角φΔは以下の式９で表わされる。
sinφΔ＝λ×｜Ｐｗ−Ｐｍｍ｜／(ＰｍｍＰｗ) ・・・（９）
【００４１】
式９において｜Ｐｗ−Ｐｍｍ｜／(ＰｍｍＰｗ)＝１／ＰΔとすると式１０のようになる。
sinφΔ＝λ／ＰΔ  ・・・（１０）
【００４２】
式１０は回折光Ｄ３によって周期がPΔの干渉縞が現れることを意味する。この干渉縞がモアレ縞であり、その周期は型側の格子パターン１０ａとウエハ側の格子パターン１１ａの格子ピッチの差に依存する。ただし、本実施形態においては型側の格子パターン１０ａがチェッカーボード状であるため、発生するモアレ縞の周期はＰΔ／２となる。このとき、型７とウエハ８の相対位置ずれはモアレ縞の明暗の位置ずれに拡大されるため、解像力が低い検出光学系２１を用いても、高い精度で位置合わせを行うことができる。
【００４３】
型側の格子パターン１０ａのみで１次回折した光Ｄ２，Ｄ２′もしくはウエハ側の格子パターン１１ａのみで１次回折した光Ｄ４，Ｄ４′は、角度φｍｍあるいはφｗで射出する（図７の（ｂ））。Ｄ２，Ｄ２′，Ｄ４，Ｄ４′はモアレ縞を発生させずにノイズとなるので、検出光学系２１によって検出されないことが望ましい。そのため、本実施形態では下記の式１１及び１２を満足するように格子パターン１０ａ，１１ａの格子ピッチＰ２，Ｐ３と検出器３の第１検出開口ＯＢＪ１の開口数ＮＡＯが調整されている。
λ／Ｐ２＝｜sinφｍｍ｜＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２  ・・・（１１）
λ／Ｐ３＝｜sinφｗ｜＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２  ・・・（１２）
【００４４】
本実施形態では、Ｐ２＝Ｐｍｍ、Ｐ３＝Ｐｗ、ＮＡＰ１＝ＮＡＰであるから、式１１、１２は式１１’、１２’と表現される。
λ／Ｐｍｍ＝｜sinφｍｍ｜＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ／２  ・・・（１１’）
λ／Ｐｗ＝｜sinφｗ｜＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ／２  ・・・（１２’）
【００４５】
型側の格子パターン１０ａとウエハ側の格子パターン１１ａのいずれでもｘ方向に回折しなかった光（０次回折光、図７の（ｂ）のＤ１，Ｄ１′）はｘ軸に対して検出光学系２１で検出される角度で射出する。また、ウエハ側の格子パターン１１ａで回折せずにウエハ８での反射の前後で型側の格子パターン１０ａでｘ方向に＋／−ｎ次回折と−／＋ｎ次回折した（トータルで０次の）回折光Ｄ５，Ｄ５′もｘ軸に対して検出光学系２１で検出される角度で射出する。これらの回折光Ｄ５，Ｄ５′はモアレ縞を生成せずにモアレ縞のコントラストを低下する要因となる。しかし、本実施形態においては型側の格子パターン１０ａがチェッカーボード状であるため、隣り合う格子からの回折光Ｄ５，Ｄ５′の位相がπずれ、互いに打ち消し合う。したがって回折光Ｄ５，Ｄ５′の強度は抑制され、コントラストよくモアレ縞を計測することができる。図７の（ｄ）は図７の（ａ）、（ｂ）を３次元で表わした図である。なお、回折光Ｄ５、Ｄ５′に関しては強度が抑制されるため記載していない。
【００４６】
以上、型７とウエハ８のＸ方向に関する相対位置検出のためのモアレ縞の検出について説明したが、ｙ方向に関する相対位置検出のためのモアレ縞の検出についても、マークと照明の方向をｘとｙで入れ替えるだけで基本的に同一である。すなわち、型側のｙ方向の位置合わせ用の第３マーク１０にはｘ方向にＰ５（Ｐｍｎ）とｙ方向にＰ４（Ｐｍｍ）の格子ピッチを有するチェッカーボード状の格子パターン１０ｂを用いる。また、ウエハ側のｙ方向の位置合わせ用の第４マーク１１にはｙ方向のみにＰ４（Ｐｍｍ）と異なる格子ピッチＰ６（Ｐｗ）をもつ格子パターン１１ｂを用いる（図８）。また、ｙ方向に関する相対位置検出のためのモアレ縞は、瞳面においてｘ軸上に並んだ第２の極ＩＬ３と第４の極ＩＬ４との光強度分布で上記２つの格子パターン１０ｂ、１１ｂを照明することで発生する。
【００４７】
式７、式１１、式１２と同様に、ｙ方向に関する相対位置検出を行うために以下の式を満たす必要がある。
｜ＮＡｉｌ２−｜sinφｍｎ｜｜＝｜ＮＡｉｌ２−λ／Ｐ５｜＜ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２
λ／Ｐ４＝｜sinφｍｍ｜＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２
λ／Ｐ６＝｜sinφｗ｜＞ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２
【００４８】
以上、格子パターン１０ａと格子パターン１０ｂの格子ピッチがそれぞれ同じで、格子パターン１１ａと格子パターン１１ｂの格子ピッチがそれぞれ同じである場合について説明したが、本発明はこれに限定されることはない。すなわち、格子パターン１０ａと格子パターン１０ｂの格子ピッチはそれぞれ異なっていてもよく、また、格子パターン１１ａと格子パターン１１ｂの格子ピッチはそれぞれ異なっていてもよい。さらには、検出光学系２１の光軸から第１及び第３の極ＩＬ１，ＩＬ２の中心までの距離ＮＡｉｌ１と光軸から第２及び第４の極ＩＬ３，ＩＬ４の中心までの距離ＮＡｉｌ２はそれぞれ異なっていてもよい。
【００４９】
本実施形態の検出器３は、１つのモアレ縞を検出するのに２方向から位置合わせ用のマークを斜入射照明して垂直方向から検出しているので、１方向から斜入射照明して斜め方向から検出する従来の検出器と比べて、２倍の光量を確保することができる。これにより、検出器３は、２物体の相対位置を精度よく検出することができる。本実施形態の検出器３は、式７を満足する範囲の波長λで回折光を検出できることは既に述べたとおりであるが、この波長範囲はできる限り広いことが望ましい。したがって、照明光学系２２は複数波長の光で第１マーク乃至第４マーク１０，１１を照明することが望ましい。
【００５０】
ウエハ８に形成された第２及び第４マーク１１はウエハ８の表面に剥き出しになっていることは少なく、数層から数十層積まれたプロセスの内部に構成されている場合が多い。マーク１１の上部に透明な物質からなる層が形成されている場合、いわゆる薄膜干渉によって、照明光の波長によってはマーク１１から返ってくる光の強度が非常に弱くなることがある。このとき、照明光の波長λを変えてやれば、薄膜干渉の条件から外れ、マーク１１が見えるようになる。これに基づき、検出器３で観察する場合も照明光の波長λを広い範囲で可変とし、ウエハ８を作成するプロセスによって、最もよく検出できる条件を決定できることが望ましい。決定対象の条件は、マークの格子ピッチＰ１〜Ｐ６、開口数ＮＡＯ、第１及び第２の極の中心位置、照明光の波長範囲、中心波長等である。照明光の波長λは光源２３としてハロゲンランプのような広帯域に複数波長を持つ光源を用いてバンドパスフィルタなどで所望の波長帯域を切り出しても良いし、ＬＥＤのような単色光光源で中心波長の異なるものを複数備えて切り替えても良い。
【００５１】
図９のように格子パターン１０ａと格子パターン１１ａ、格子パターン１０ｂと格子パターン１１ｂとをそれぞれ重ねたマークを図４のような照明光学系２２の光強度分布ＩＬ１〜ＩＬ４と検出開口ＯＢＪ１を有する検出器３の視野４０に同時に入れる。そうすることによって、ｘ方向とｙ方向に関する位置合わせのためのモアレ縞を１つの検出器３により同時に観察することができる。すなわち、本実施形態では、１つの検出器３（検出光学系２１と照明光学系２２）によって２方向の相対位置情報を比較的安価で簡易な装置構成で同時に取得することができる。
【００５２】
ｘ方向とｙ方向に関するモアレ縞を同時に観察して位置を合わせる方法において、ｘ方向に関する相対位置の検出に用いる照明光の光強度分布は図４に記載の第１及び第３の極ＩＬ１及びＩＬ２であり、第２及び第４の極ＩＬ３及びＩＬ４は用いない。同様に、ｙ方向に関する相対位置の検出に用いる照明光の光強度分布は図４に記載の第２及び第４の極ＩＬ３及びＩＬ４であり、第１及び第３の極ＩＬ１及びＩＬ２は用いない。ｘ方向とｙ方向に関する相対位置の検出を同時に行うには照明光をｙ方向とｘ方向から斜入射照明する必要がある。
【００５３】
このとき、相対位置の検出に用いない照明光の光強度分布も位置合わせ用のマーク１０及び１１に照射されるため、相対位置の検出に用いない照明光の光強度分布によってもマーク１０及び１１で回折光が生じることになる。その回折光が検出光学系２１で検出されると、相対位置の検出に用いるモアレ縞のコントラストが下がるため、計測精度が低下することがある。
【００５４】
図６に示す型７とウエハ８のｘ方向に関する相対位置を検出するための第１及び第２マーク１０，１１に、ｙ方向に関する相対位置を検出するための照明光の光強度分布（図４のＩＬ３及びＩＬ４）を照射した場合について図１０を用いて説明する。図１０の（ａ）において、瞳面において計測方向であるｘ軸上に並んだ光強度分布ＩＬ３，ＩＬ４によって、格子パターン１０ａと格子パターン１１ａが斜入射で照明される。格子パターン１０ａ及び１１ａで正反射した光（０次回折光）Ｄ１１，Ｄ１１′は、検出器３が式２を満足するために、検出開口ＯＢＪ１をとは異なる場所に入射し、検出光学系２１には入射しない。Ｄ１２、Ｄ１２′はｘ方向にＰｍｍの周期をもつ型側の格子パターン１０ａでのみ±１次で回折して角度φｍｍだけ回折した光である。本実施形態においては型側の格子パターン１０ａがチェッカーボード状であるため、隣り合う格子からの回折光Ｄ１２、Ｄ１２′の位相がπずれ、互いに打ち消し合うので、強度を抑制することができる。
【００５５】
Ｄ１３、Ｄ１３′はウエハ側の格子パターン１１ａでのみ±１次で回折して角度φｗだけ回折した光である。回折光Ｄ１３、Ｄ１３′は、以下の式１３を満たす場合、検出開口ＯＢＪ１に入射しないので検出光学系２１によって検出されない。
｜λ／Ｐ２−ＮＡｉｌ２｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２
｜λ／Ｐ３−ＮＡｉｌ２｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ２／２・・・（１３）
【００５６】
本実施形態では、Ｐ３＝Ｐｗ、ＮＡｉｌ２＝ＮＡｉｌ、ＮＡＰ２＝ＮＡＰであるので、式１３は式１３’となる。
｜λ／Ｐｗ−ＮＡｉｌ｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ／２  ・・・（１３’）
【００５７】
式１３について図１を用いて説明する。図１に照明光学系２２の光強度分布ＩＬ１、ＩＬ３と検出開口ＯＢＪ１との関係を示す。図１では瞳の大きさを開口数ＮＡで示している。本実施形態の照明光学系２２の光強度分布はＩＬ１及びＩＬ３の２つの極から構成されている。簡略化のため、ＩＬ１とＩＬ３の極のみを示しているが、図４に記載のＩＬ２及びＩＬ４の極がある場合においても同様の考え方で関係式を得ることができる。また、回折光についても説明の便宜上必要な光強度分布のみ図示している。光強度分布ＩＬ１ｍはｙ方向の照明光ＩＬ１が型側の格子パターン１０ａによって回折した後の光強度分布を表している。さらに光強度分布ＩＬ１ｍがウエハ側の格子パターン１１ａで回折することによって検出開口ＯＢＪ１内に回折光ＩＬ１ｍｗが入り、モアレ縞が検出光学系２１によって検出される。
【００５８】
図１の（ａ）は、式１３’を満たさない場合の回折光の光強度分布を図示したものである。つまり、ウエハ側の格子パターン１１ａの格子ピッチＰｗと型側の格子パターン１０ａの非計測方向の格子ピッチＰｍｎの差が小さい場合を考える。このとき、型側の格子パターン１０ａによる回折光ＩＬ１ｍと計測に用いない照明光ＩＬ３のゼロ次回折光Ｄ１１がほぼ同じ入射角度をもってウエハ側の格子パターン１１ａに照射される。そのため、計測に用いない照明光ＩＬ３によって生じるウエハ側の格子パターン１１ａからの回折光Ｄ１３が検出されることになる。
【００５９】
これに対して、図１の（ｂ）は式１３’を満足する場合の回折光の光強度分布を図示したものである。ウエハ側の格子パターン１１ａの格子ピッチＰｗと型側の格子パターン１０ａの非計測方向の格子ピッチＰｍｎの差が大きい（図ではＰｗ＜Ｐｍｎ）。そのため、型側の格子パターン１０ａによる回折光ＩＬ１ｍと計測に用いない照明光ＩＬ３のゼロ次回折光Ｄ１１が異なる入射角度をもってウエハ側の格子パターン１１ａに照射される。
【００６０】
そのため、計測に用いない照明光ＩＬ３によって生じるウエハ側の格子パターン１１ａからの回折光Ｄ１３は検出開口ＯＢＪ１の外に回折されるので、回折光Ｄ１３は検出されない。Ｐｗ＞Ｐｍｎとなる場合、２次回折光以上の高次の回折光が検出される可能性があるが、１次回折光と比較して微弱である。したがって、式１３’（又は式１３）を満たすことで、型側の格子パターン１０ａの０次回折光であってウエハ側の格子パターン１１ａで１次回折した光が検出されなくなるため、精度よくｘ方向とｙ方向の相対位置を計測することができる。
【００６１】
図１０の（ａ）に示す回折光Ｄ１４，Ｄ１４′は型側の格子パターン１０ａで＋／−１次で回折し、ウエハ側の格子パターン１１ａで−／＋１次に回折した回折光である。図７の（ｂ）と同様にこのときの回折角φΔは式９で表わされ、この回折光Ｄ１４，Ｄ１４′の干渉縞がモアレ縞となる。次に、ｙ方向（非計測方向）に関する回折光の説明を、図１０の（ｂ）を用いて行う。
【００６２】
回折光Ｄ１１，Ｄ１１′は、型側の格子パターン１０ａとウエハ側の格子パターン１１ａのいずれにおいてもｙ方向に回折しなかった光、つまり０次の回折光である。また、型側の格子パターン１０ａを透過時に＋／−ｎ次回折し、ウエハ側の格子パターン１１ａで回折せずに反射し、型側の格子パターン１０ａでそれぞれｙ方向に−／＋ｎ次回折した（トータルでゼロ次の）回折光もＤ１１，Ｄ１１′に含まれる。次に、型側の格子パターン１０ａによる１次回折光を図１０の（ｂ）のＤ１２，Ｄ１２′，Ｄ１４，Ｄ１４′に示している。それぞれ±１次で回折しており、ｚ軸に対して角度φｍｎで射出する。図１０の（ｃ）は図１０の（ａ）、（ｂ）を３次元で表わした図である。
【００６３】
以上、型７とウエハ８のｘ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞の検出において検出に用いない方向の照明光が照射された場合について説明した。ｙ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞の検出についても、位置合わせ用のマークと照明の方向をｘとｙで入れ替えるだけで基本的に同一である。したがって、ｙ方向の計測において、式１３と同様の関係式１４を満たす必要がある。
｜λ／Ｐ４−ＮＡｉｌ１｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２
｜λ／Ｐ６−ＮＡｉｌ｜≧ＮＡＯ＋ＮＡＰ１／２  ・・・（１４）
【００６４】
格子パターン１０ａと格子パターン１０ｂの格子ピッチはそれぞれ異なっていてもよく、また、格子パターン１１ａと格子パターン１１ｂの格子ピッチはそれぞれ異なっていてもよい。さらには、光軸からＩＬ１及びＩＬ２までの距離と光軸からＩＬ３及びＩＬ４までの距離はそれぞれ異なっていてもよい。ＩＬ１からＩＬ４の４つの光強度分布の大きさがそれぞれ異なっていてもよい。ところで、本実施形態の検出器３では式１３及び式１４を満足する範囲の波長λで相対位置の検出に用いない照明光からの回折光を除去してコントラスト良くモアレ縞を検出できることは既に述べたとおりであるが、この波長範囲はできる限り広いことが望ましい。
【００６５】
図１２に第１実施形態の変形例に係る照明光学系２２の光強度分布と検出光学系２１の検出開口との関係を示す。図１２では図４と同様に瞳の大きさを開口数ＮＡで示している。本実施形態の変形例の照明光学系２２の光強度分布はＩＬ１からＩＬ４の４つの極を含む。ＩＬ１からＩＬ４はそれぞれ直径ＮＡＰの円形の極である。第１の極ＩＬ１と第３の極ＩＬ２は瞳面のｙ軸上の光軸からそれぞれプラス方向とマイナス方向にＮＡｉｌだけ離れた位置に配置されている。第２の極ＩＬ３と第４の極ＩＬ４は瞳面のｘ軸上の光軸からそれぞれプラス方向とマイナス方向にＮＡｉｌだけ離れた位置に配置されている。
【００６６】
ＯＢＪ１からＯＢＪ５はそれぞれ直径ＮＡＯの円形の第１〜第５検出開口を示している。第１検出開口ＯＢＪ１は原点位置に、第２乃至第５検出開口ＯＢＪ２〜ＯＢＪ５はｘ軸、ｙ軸からそれぞれプラス方向とマイナス方向にＮＡｉｌ１又はＮＡｉｌ２の位置に配置している。つまり、第２〜第５検出開口ＯＢＪ２〜ＯＢＪ５は、座標（ＮＡｉｌ１，ＮＡｉｌ２）、（−ＮＡｉｌ１，ＮＡｉｌ２）、（−ＮＡｉｌ１，−ＮＡｉｌ２）及び（ＮＡｉｌ１，−ＮＡｉｌ２）をそれぞれ中心位置として配置されている。図１２は図４と比較して、４つの検出開口ＯＢＪ２〜ＯＢＪ５を４隅に追加して配置した構造となっている。
【００６７】
図１２に示す検出器３の光強度分布と検出開口を用いて図６のｘ方向に関する相対位置を検出するためのマークを検出した場合について説明する。図１２の第１検出開口ＯＢＪ１によって検出されるｘ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞は、前述のように、瞳面においてｙ軸上に並んだ強度分布ＩＬ１とＩＬ２によって発生する。
【００６８】
同様の考え方で、検出開口ＯＢＪ２によって検出されるｘ方向に関する相対位置検出のためのモアレ縞は、瞳面においてｙ軸上に並んだ強度分布ＩＬ３によって発生する。同様に検出開口ＯＢＪ３，ＯＢＪ４によって検出されるｘ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞は強度分布ＩＬ４によって発生し、検出開口ＯＢＪ５によって検出されるｘ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞は強度分布ＩＬ３によって発生する。図１２の検出開口内に記載された括弧内のＩＬ１〜ＩＬ４の表示はそれぞれの検出開口によって検出されるｘ方向に関する相対位置を検出するためのモアレ縞が発生する強度分布を示している。
【００６９】
このように、検出開口の数を追加して配置したのは、相対位置を検出するためのモアレ縞の光量を増加させるためである。図１２に示す実施例の場合、４隅に検出開口ＯＢＪ２〜ＯＢＪ５を追加して配置することによって、中心の第１検出開口ＯＢＪ１のみの場合と比較して、相対位置を検出するためのモアレ縞の光量は３倍になる。
【００７０】
図１３に第１実施形態の変形例に係る照明光学系２２の光強度分布と検出開口との関係を示す。図１２に示すように４隅に検出開口を配置すると、検出器３において必要とされるＮＡの範囲が拡大されるため、検出器３の径が大きくなる。図１３の光強度分布と検出開口との関係を用いることによって、検出器３のＮＡを図４から変更せずに、図４と比較して検出される相対位置を検出するためのモアレ縞の光量を増やすことができる。
【００７１】
図１３の４隅の検出開口は、図１２の４隅の検出開口の円の内側の領域のうちで座標（０，０）を中心とし（ＮＡｉｌ１＋ＮＡＰ１／２）と（ＮＡｉｌ２＋ＮＡＰ２／２）のうち大きい方を半径とする円の内側の部分である。つまり、図１３の検出開口ＯＢＪ１では相対位置を検出するためのモアレ縞が全面で検出され、４隅の検出開口ＯＢＪ２〜ＯＢＪ５では相対位置を検出するためのモアレ縞が図１３の太線部内で検出される。したがって、中心の第１検出開口ＯＢＪ１のみの場合と比較して、相対位置を検出するためのモアレ縞の検出される光量は増加することが分かる。
【００７２】
［第２実施形態］
次に、図１４を用いて第２実施形態に係るインプリント装置１について説明する。本実施形態のインプリント装置１は、投影光学系１２を更に備えることを除いて、その構成やインプリント処理の方法については第１実施形態と基本的に同じである。投影光学系１２は型７の直上に配置されており、型７とウエハ８にそれぞれ形成された位置合わせ用のマーク１０及び１１の像を投影光学系１２の投影面１３に投影する。また、投影光学系１２は、その内部にダイクロイックミラー１４を備えている。ダイクロイックミラー１４は光の波長によって選択的に反射あるいは透過させる光学部材であり、例えば樹脂９を硬化させる紫外線を反射して、マークを１０及び１１を照明する可視光線あるいは赤外線を透過するように構成されている。
【００７３】
検出器３は投影光学系１２（及びダイクロイックミラー１４）を通して型７とウエハ８のマーク１０及び１１を照明し、投影光学系１２の投影面１３に投影されたモアレ縞の像を検出することで、型７とウエハ８との相対位置を検出する。紫外線照射部２は投影光学系１２の側方からダイクロイックミラー１４に紫外線を照射し、ダイクロイックミラー１４で反射した紫外線が投影光学系１２の内部を通じて凹凸パターンに所定の形状で均一に照射されるように構成されている。従って、投影光学系１２内部のダイクロイックミラー１４と型７との間の光学部材は、紫外線を透過する石英などで製作されている。このような構成にすることによって、型７及びウエハ８に対してその光軸が垂直になるように配置された検出器３を用いても、紫外線照射時に検出器３を退避させる必要がなくなる。すなわち、検出器３の退避にかかる時間が必要なくなるため、インプリント装置１の生産性を高めることができる。
【００７４】
ダイクロイックミラー１４は、紫外線を透過して可視光線あるいは赤外線を反射するように構成することも可能である。この場合、投影光学系１２の光路はダイクロイックミラー１４によって折り曲げられ、検出器３と紫外線照射部２との位置関係が図１４と逆になる。すなわち紫外線照射部２が型７の上方に配置されることになる。また、本実施形態に係るインプリント装置１では、投影光学系１２の投影面１３の近傍に折り曲げミラー１５が配置されている。折り曲げミラー１５によって、検出器３から照明される照明光と位置合わせ用のマーク１０及び１１からの回折光はその光束径が小さい位置でＸＹ面に平行な方向に折り曲げられる。したがって、波長範囲や照明光量の増加のために検出光学系２１や照明光学系２２のＮＡを拡大して検出器３の径が増大しても、検出器３をＸＹ方向に近接して配置することができるとともに、位置合わせ用のマーク１０及び１１の配置の自由度が高くなる。
【００７５】
投影光学系１２が構成されていない場合、検出器３は型保持部４に構成された型駆動機構や型７の補正機構との干渉を避けるために、型７からやや離れた位置に配置するか、その径をなるべく小さくする必要がある。検出器３を型７から離れた位置に配置すると、その光束径が拡がるために検出器３は大きくなってしまい、その結果、検出器３のコストが増大し、検出できるマーク１０及び１１の配置の制限も厳しくなってしまう。また、検出器３の径を小さくすると、検出光学系２１及び照明光学系２２のＮＡが小さくなるため、マーク１０，１１を照明する光量の減少や、検出波長の狭帯域化を招き、結果として型７とウエハ８との相対位置合わせの精度を低下させてしまう。
【００７６】
以上のように、投影光学系１２を構成することにより、型駆動機構や型７の補正機構との干渉や、マーク１０及び１１の配置の制限を気にすることなく、検出光学系２１や照明光学系２２のＮＡを拡大することができる。その結果、検出器３の検出波長範囲の拡大や、照明光量の増加を行うことができ、ひいてはより高い精度で型７とウエハ８の相対位置合わせを行うことができる。また、配置する空間を確保することができれば、投影光学系１２を構成せずに検出光学系２１や照明光学系２２を別々の光学系で構成することもできる。
【００７７】
［第３実施形態］
物品の製造方法について説明する。物品としてのデバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）の製造方法は、上述したインプリント装置１を用いて基板（ウエハ、ガラスプレート、フィルム状基板）にパターンを形成する工程を含む。さらに、該製造方法は、パターンを形成された基板をエッチングする工程を含み得る。なお、パターンドメディア（記録媒体）や光学素子などの他の物品を製造する場合には、該製造方法は、エッチングの代わりにパターンを形成された基板を加工する他の処理を含み得る。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
【００７８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【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７】
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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５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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