(57)【要約】【課題】高精度に検出対象の輪郭を検出する。【解決手段】ステップ１２７では、撮像データＩＭＤ２の各画素の中から検出対象の輪郭候補点が抽出される。ステップ１２９では、その輪郭候補点に基づいて、検出対象の輪郭が幾何関数に近似され、ステップ１３１では、近似された幾何関数における基準位置が算出される。そして、ステップ１３３では、その基準位置からの距離に対する輪郭候補点の頻度分布が作成され、ステップ１３５では、その頻度分布における最頻値Ｍとなる距離が算出される。ステップ１３７において、その最頻値Ｍの近傍の距離にある輪郭候補点がその検出対象の輪郭点として抽出される。すなわち、輪郭候補点の中から、統計的手法を用いて真の輪郭点である可能性が高い輪郭点が抽出される。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象の輪郭を検出する輪郭検出方法であって、
前記検出対象を含む領域上の複数の観測点の観測値に基づいて前記観測点の中から選択される複数の輪郭候補点を用いて、前記検出対象の輪郭を幾何関数で近似する第１工程と；
前記近似された幾何関数に基づいて前記検出対象における少なくとも１つの基準位置を特定する第２工程と；
前記基準位置からの距離に対する前記複数の輪郭候補点の頻度分布を作成する第３工程と；
前記頻度分布の分布状態に基づいて前記複数の輪郭候補点の中から前記検出対象の輪郭点を抽出する第４工程と；を含む輪郭検出方法。
【請求項２】
前記第４工程は、
前記頻度分布において最頻値となる前記基準位置からの距離を求める最頻値検出工程と；
前記基準位置からの距離が前記最頻値の近傍である輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出する抽出工程と；を含むことを特徴とする請求項１に記載の輪郭検出方法。
【請求項３】
前記抽出工程では、
前記基準位置からの距離が、前記最頻値を中心とする所定範囲にある輪郭候補点を、前記検出対象の輪郭点として抽出することを特徴とする請求項２に記載の輪郭検出方法。
【請求項４】
前記抽出工程では、
前記頻度分布において、所定度数以上の頻度となる前記基準位置からの距離にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することを特徴とする請求項２又は３に記載の輪郭検出方法。
【請求項５】
前記第１工程では、最小二乗法を用いて前記幾何関数を求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の輪郭検出方法。
【請求項６】
前記第１工程に先立って、前記各観測点における観測値を所定の閾値と比較して二値データに変換する工程を更に含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の輪郭検出方法。
【請求項７】
前記第１工程に先立って、前記二値データの値が一方の値となっている観測点に隣接する観測点における二値データの値を前記一方の値に変換し、前記二値データの値が他方の値となっている観測点に隣接する観測点の二値データの値を前記他方の値に変換する工程をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の輪郭検出方法。
【請求項８】
前記第１工程に先立って、微分フィルタを用いて前記複数の観測点の中から前記輪郭候補点を抽出する工程を更に含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の輪郭検出方法。
【請求項９】
検出対象の位置を検出する位置検出方法であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の輪郭検出方法を用いて前記検出対象を含む領域中の複数の観測点の中から前記検出対象の輪郭点を検出する輪郭検出工程と；
該輪郭検出工程において検出された輪郭点に基づいて前記検出対象の位置を検出する位置検出工程と；を含む位置検出方法。
【請求項１０】
検出対象の輪郭を検出する輪郭検出装置であって、
前記検出対象を含む領域上の複数の観測点の観測値に基づいて前記観測点の中から選択される複数の輪郭候補点を用いて前記検出対象の輪郭を幾何関数で近似する関数近似装置と；
前記近似された幾何関数に基づいて前記検出対象における少なくとも１つの基準位置を特定する基準位置算出装置と；
前記基準位置からの距離に対する前記複数の輪郭候補点の頻度分布を作成する頻度分布作成装置と；
前記頻度分布の分布状態に基づいて前記複数の輪郭候補点の中から前記検出対象の輪郭点を抽出する輪郭点抽出装置と；を備える輪郭検出装置。
【請求項１１】
前記輪郭点抽出装置は、
前記頻度分布において最頻値となる前記基準位置からの距離を求め、前記基準位置からの距離が前記最頻値の近傍である輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することを特徴とする請求項１０に記載の輪郭検出装置。
【請求項１２】
前記輪郭点抽出装置は、
前記基準位置からの距離が、前記最頻値を中心とする所定範囲の距離にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することを特徴とする請求項１１に記載の輪郭検出装置。
【請求項１３】
前記輪郭点抽出装置は、
前記頻度分布において、所定度数以上の頻度となる前記基準位置からの距離にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の輪郭検出装置。
【請求項１４】
前記関数近似装置は、
最小二乗法を用いて前記幾何関数を求めることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の輪郭検出装置。
【請求項１５】
前記各観測点における観測値を所定の閾値と比較して二値データに変換する輪郭候補点抽出装置をさらに備えることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の輪郭検出装置。
【請求項１６】
前記輪郭候補点抽出装置は、
前記二値データの値が一方の値となっている観測点に隣接する観測点における二値データの値を前記一方の値に変換し、前記二値データの値が他方の値となっている観測点に隣接する観測点の二値データの値を前記他方の値に変換することを特徴とする請求項１５に記載の輪郭検出装置。
【請求項１７】
前記輪郭候補点抽出装置は、微分フィルタを用いて前記複数の観測点の中から前記輪郭候補点を抽出することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の輪郭検出装置。
【請求項１８】
検出対象の位置を検出する位置検出装置であって、
請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の輪郭検出装置と；
該輪郭検出装置において検出された輪郭点に基づいて前記検出対象の位置を検出する検出装置と；を備える位置検出装置。
【請求項１９】
露光光を物体に照射する露光装置であって、
前記露光光の光路上に配置された投影光学系と；
ピンホールパターンを通過後、前記投影光学系を介して投影された光源像を撮像する撮像装置と；
検出対象を前記撮像装置によって撮像された前記光源像とする請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置。
【請求項２０】
露光光を物体に照射する露光装置であって、
前記露光光の光路上に配置された投影光学系と；
前記投影光学系を介して投影された光源像を撮像する撮像装置と；
検出対象を前記撮像装置によって撮像された前記光源像とする請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置。
【請求項２１】
露光光を物体に照射する露光装置であって、
前記露光光の光路上に配置された投影光学系と；
前記物体上に転写された光源の転写像を撮像する撮像装置と；
検出対象を前記転写像とする請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置。
【請求項２２】
前記位置検出装置において検出された前記検出対象の位置に基づいて、前記投影光学系に入射する露光光の光軸を調整する調整装置をさらに備えることを特徴とする請求項２０又は２１に記載の露光装置。
【請求項２３】
露光光を物体に照射する露光装置であって、
前記物体を含む領域中の複数の観測点における観測値を観測する観測装置と；検出対象を前記物体とする、請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置。
【請求項２４】
前記位置検出装置によって検出された前記物体の位置に基づいて前記物体を位置制御する位置制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輪郭検出方法及び装置、位置検出方法及び装置、並びに露光装置に係り、更に詳しくは、検出対象の輪郭を検出する輪郭検出方法及び装置、検出対象の位置を検出する位置検出方法及び装置、その位置検出装置を備える露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子、液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成されたパターンを、投影光学系を介してレジスト等が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板（以下、適宜「ウエハ」ともいう）上に転写する露光装置が用いられている。この種の装置としては、近年では、スループットを重視する観点から、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆる「ステッパ」）や、このステッパを改良したステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置などの逐次移動型の投影露光装置が主として用いられている。
【０００３】
こうした露光装置においては、露光に先立ってレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメント）行うためのウエハの位置検出や、投影光学系のコヒーレンスファクタσ（以下、「照明σ」という）の測定などにあたって、ウエハ（ウエハの外縁）像や、投影光学系へ入射する露光光（照明光）の入射瞳と共役な面に結像された照明光学系の光源像を検出している。そして、その検出結果、例えば、撮像データの画像全体の輝度分布に基づいて、ウエハの輪郭を抽出してウエハ位置を検出したり、光源像の輪郭を抽出して投影光学系の結像特性に影響する照明σを測定したりしている。
【０００４】
この場合、ウエハや光源像等の検出対象の輪郭を抽出する際には、例えば、その輪郭付近の観測点における観測値、例えば、撮像結果の各画素の輝度値の変化が他の画素の輝度値の変化に比べて大きくなるという特徴を利用して、撮像データに微分処理を施し、その微分処理の結果、微分値の大きい画素を輪郭点として抽出するなどしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の撮像結果、すなわち撮像データの各画素における輝度値には、ノイズが含まれているのが一般的である。撮像結果のＳ／Ｎ比が小さい場合には、このようなノイズの影響により、検出対象の輪郭を精度良く抽出することが困難となるという不都合があった。
【０００６】
また、撮像結果に、前述のように微分処理を施し、その微分処理の結果によって得られる微分値の大きい画素を輪郭点として抽出する場合には、このようなノイズの影響がさらに深刻となり、検出対象の輪郭を精度良く抽出することが困難となるという不都合があった。
【０００７】
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、高精度に検出対象の輪郭を検出することができる輪郭検出方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の第２の目的は、高精度に検出対象の位置を検出することができる位置検出方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第３の目的は、高精度な露光を実現することができる露光装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、検出対象の輪郭を検出する輪郭検出方法であって、前記検出対象を含む領域上の複数の観測点の観測値に基づいて前記観測点の中から選択される複数の輪郭候補点を用いて、前記検出対象の輪郭を幾何関数で近似する第１工程と；前記近似された幾何関数に基づいて前記検出対象における少なくとも１つの基準位置を特定する第２工程と；前記基準位置からの距離に対する前記複数の輪郭候補点の頻度分布を作成する第３工程と；前記頻度分布の分布状態に基づいて前記複数の輪郭候補点の中から前記検出対象の輪郭点を抽出する第４工程と；を含む輪郭検出方法である。
【００１１】
これによれば、まず、検出対象が含まれる領域上の複数の観測点において観測された観測値に基づいて、それらの観測点の中から選択されたその検出対象の輪郭点の候補である輪郭候補点によって、検出対象の輪郭が円、楕円、その他諸々の幾何形状を表す幾何関数に近似される。次に、近似された幾何関数における基準位置（例えば、近似された幾何関数の形状が円である場合には、円の中心、楕円である場合には２つの焦点、平行四辺形である場合には対角線の交点がこれに相当する）からの距離に対する前述の輪郭候補点の頻度分布が作成される。次に、真の輪郭点である可能性が最も高い輪郭候補点が、その頻度分布の分布状態に基づいて、その検出対象の輪郭点として抽出される。このようにすれば、観測値に含まれるノイズなどの要因によって、輪郭候補点の中に真の輪郭点ではないものが幾つか含まれていたとしても、統計的手法を用いて真の輪郭点である可能性が高い輪郭点を輪郭候補点の中から抽出することができるようになるので、検出対象の輪郭を高精度に検出することができる。
【００１２】
なお、本明細書では、「基準位置からの距離」は、近似された幾何関数で表される輪郭の形状と相似な形状であってその幾何関数で表される形状と基準位置が同じである形状の大きさを示す尺度として用いられる。すなわち、その相似な形状の大きさが大きくなればなるほど、「基準位置からの距離」も大きくなる。したがって、「基準位置からの距離に対する輪郭候補点の頻度分布」とは、その基準位置を中心にして、基準位置からの距離、すなわち幾何関数で表される形状と相似な形状の大きさを大きくしていった場合のその形状の輪郭上に存在する輪郭候補点の数の頻度分布を意味する。また、例えば、撮像装置によって撮像された撮像データに基づいて検出対象の輪郭を抽出する場合には、「検出対象を含む領域上の複数の観測点」は、撮像装置の各撮像素子に対応するその領域上の点となる。すなわち、この場合には、その撮像装置によって撮像された撮像データの各画素の輝度値がそれらの観測点の観測値に対応する。
【００１３】
この場合、請求項２に記載の輪郭検出方法のごとく、前記第４工程は、前記頻度分布において最頻値となる前記基準位置からの距離を求める最頻値検出工程と；前記基準位置からの距離が前記最頻値の近傍である輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出する抽出工程と；を含むこととすることができる。
【００１４】
これによれば、第３工程で作成された頻度分布において、最頻値となる距離にある輪郭候補点から離れた位置にある輪郭候補点を、真の輪郭点である可能性の低い輪郭候補点として、輪郭点から除外することができるようになる。
【００１５】
この場合、請求項３に記載の輪郭検出方法のごとく、前記抽出工程では、前記基準位置からの距離が、前記最頻値を中心とする所定範囲にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することとしてもよい。
【００１６】
また、上記請求項２又は３に記載の輪郭検出方法において、請求項４に記載の輪郭検出方法のごとく、前記抽出工程では、前記頻度分布において、所定度数以上の頻度となる前記基準位置からの距離にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することとしてもよい。
【００１７】
また、上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の輪郭検出方法において、請求項５に記載の輪郭検出方法のごとく、前記第１工程では、最小二乗法を用いて前記幾何関数を求めることとすることができる。
【００１８】
これによれば、第１工程で近似される幾何関数が、最小二乗法という統計的手法を用いて求められるようになるため、近似される幾何関数の信頼性を高めることができる。
【００１９】
また、上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の輪郭検出方法において、請求項６に記載の輪郭検出方法のごとく、前記第１工程に先立って、前記各観測点における観測値を所定の閾値と比較して二値データに変換する工程を更に含むこととすることができる。
【００２０】
この場合、請求項７に記載の輪郭検出方法のごとく、前記第１工程に先立って、前記二値データの値が一方の値となっている観測点に隣接する観測点における二値データの値を前記一方の値に変換し、前記二値データの値が他方の値となっている観測点に隣接する観測点の二値データの値を前記他方の値に変換する工程をさらに含むこととすることができる。
【００２１】
これによれば、ノイズ等の要因によって輪郭でないにも関わらず輪郭候補点として選択された点、すなわち孤立点や突起部分を消滅させることができるようになるため、観測値に含まれるノイズによる輪郭候補点の抽出への影響を低減することができる。
【００２２】
上記請求項６又は７に記載の輪郭検出方法において、請求項８に記載の輪郭検出方法のごとく、前記第１工程に先立って、微分フィルタを用いて前記複数の観測点の中から前記輪郭候補点を抽出する工程を更に含むこととすることができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、検出対象の位置を検出する位置検出方法であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載の輪郭検出方法を用いて前記検出対象を含む領域中の複数の観測点の中から前記検出対象の輪郭点を検出する輪郭検出工程と；該輪郭検出工程において検出された輪郭点に基づいて前記検出対象の位置を検出する位置検出工程と；を含む位置検出方法である。
【００２４】
これによれば、統計的手法を用いて抽出された検出対象の輪郭に基づいて検出対象の位置を検出することができるため、高精度に検出対象の位置を検出することができる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、検出対象の輪郭を検出する輪郭検出装置（８３）であって、前記検出対象を含む領域上の複数の観測点の観測値に基づいて前記観測点の中から選択される複数の輪郭候補点を用いて前記検出対象の輪郭を幾何関数で近似する関数近似装置（５２）と；前記近似された幾何関数に基づいて前記検出対象における少なくとも１つの基準位置を特定する基準位置算出装置（５３）と；前記基準位置からの距離に対する前記複数の輪郭候補点の頻度分布を作成する頻度分布作成装置（５４）と；前記頻度分布の分布状態に基づいて前記複数の輪郭候補点の中から前記検出対象の輪郭点を抽出する輪郭点抽出装置（５５）と；を備える輪郭検出装置である。
【００２６】
これによれば、関数近似装置において、輪郭点の候補となる輪郭候補点によって検出対象の輪郭が、円、楕円、その他諸々の幾何形状を表す幾何関数によって関数近似され、近似された幾何関数における基準位置（例えば、円なら円の中心であり、楕円なら２つの焦点がこれに相当する）からの距離に対する輪郭候補点の頻度分布が、頻度分布作成装置において作成される。そして、その頻度分布において頻度の高い距離にある輪郭候補点がその検出対象の輪郭点として輪郭点抽出装置によって抽出される。このようにすれば、観測値に含まれるノイズなどの要因によって、輪郭候補点の中に真の輪郭点ではないものが幾つか含まれていたとしても、輪郭候補点の中から真の輪郭である可能性が高い輪郭点を、統計的手法を用いて抽出することができるようになるので、高精度に検出対象の輪郭を検出することができる。
【００２７】
この場合、請求項１１に記載の輪郭検出装置のごとく、前記輪郭点抽出装置は、前記頻度分布において最頻値となる前記基準位置からの距離を求め、前記基準位置からの距離が前記最頻値の近傍である輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することとすることができる。
【００２８】
これによれば、輪郭点抽出装置では、頻度分布作成装置で作成された頻度分布において、最頻値となる距離にある輪郭候補点から離れた位置にある輪郭候補点を、真の輪郭点である可能性が低い輪郭候補点として、輪郭点から除外することができるようになる。
【００２９】
この場合、請求項１２に記載の輪郭検出装置のごとく、前記輪郭点抽出装置は、前記基準位置からの距離が、前記最頻値を中心とする所定範囲の距離にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することとしてもよい。
【００３０】
また、上記請求項１１又は１２に記載の輪郭検出装置において、請求項１３に記載の輪郭検出装置のごとく、前記輪郭点抽出装置は、前記頻度分布において、所定度数以上の頻度となる前記基準位置からの距離にある輪郭候補点を前記検出対象の輪郭点として抽出することとしてもよい。
【００３１】
また、上記請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の輪郭検出装置において、請求項１４に記載の輪郭検出装置のごとく、前記関数近似装置は、最小二乗法を用いて前記幾何関数を求めることとすることができる。
【００３２】
これによれば、関数近似装置において、近似される幾何関数が、最小二乗法という統計的手法を用いて求められるようになるため、近似される幾何関数の信頼性を高めることができる。
【００３３】
また、上記請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の輪郭検出装置において、請求項１５に記載の輪郭検出装置のごとく、前記各観測点における観測値を所定の閾値と比較して二値データに変換する輪郭候補点抽出装置をさらに備えることとすることができる。
【００３４】
この場合、請求項１６に記載の輪郭検出装置のごとく、前記輪郭候補点抽出装置は、前記二値データの値が一方の値となっている観測点に隣接する観測点における二値データの値を前記一方の値に変換し、前記二値データの値が他方の値となっている観測点に隣接する観測点の二値データの値を前記他方の値に変換することとすることができる。
【００３５】
これによれば、輪郭候補点抽出装置において、ノイズ等の要因によって輪郭でないにも関わらず輪郭候補点として選択された点、すなわち孤立点や突起部分を消滅させることができるようになるため、観測値に含まれるノイズによる輪郭候補点の抽出への影響を低減することができる。
【００３６】
また、上記請求項１５又は１６に記載の輪郭検出装置において、請求項１７に記載の輪郭検出装置のごとく、前記輪郭候補点抽出装置は、微分フィルタを用いて前記複数の観測点の中から前記輪郭候補点を抽出することとすることができる。
【００３７】
請求項１８に記載の発明は、検出対象の位置を検出する位置検出装置（８１）であって、請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の輪郭検出装置と；該輪郭検出装置において検出された輪郭点に基づいて前記検出対象の位置を検出する検出装置と；を備える位置検出装置である。
【００３８】
これによれば、請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の輪郭検出装置において、統計的手法によって検出された検出対象の輪郭を用いて検出対象の位置を検出することができるため、高精度に検出対象の位置を検出することができる。
【００３９】
請求項１９に記載の発明は、露光光を物体に照射する露光装置（１００）であって、前記露光光の光路上に配置された投影光学系（ＰＬ）と；ピンホールパターン（ＰＨ１〜ＰＨＮ）を通過後、前記投影光学系を介して投影された光源像を撮像する撮像装置（９５２）と；検出対象を前記撮像装置によって撮像された前記光源像とする請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置である。
【００４０】
露光装置における投影光学系の波面収差を計測する場合には、ピンホールパターンに露光光を照射することによって形成される、露光光の投影光学系の瞳面における波面をマイクロレンズアレイによって分割し（波面分割）、そのマイクロレンズアレイのマイクロレンズ毎に得られるスポット像の基準となるべき位置からのずれを検出し、例えばツェルニケの多項式等を用いて波面収差を求めている。
【００４１】
ツェルニケの多項式を用いて波面収差を精度良く求めるためには、投影光学系の瞳位置や大きさに基づいて、スポット像のずれを求めるための基準となる基準位置を補正することが必要となる。そこで、本発明の露光装置では、撮像装置によって撮像された光源像を検出対象として、その像の位置を、請求項１８に記載の位置検出装置を用いて精度良く検出する。したがって、本発明の露光装置では、波面収差を精度良く計測することができ、精度良く計測された波面収差を調整したうえで露光工程を実行すれば、高精度な露光を実現することができる。
【００４２】
請求項２０に記載の発明は、露光光を物体に照射する露光装置であって、前記露光光の光路上に配置された投影光学系と；前記投影光学系を介して投影された光源像を撮像する撮像装置と；検出対象を前記撮像装置によって撮像された前記光源像とする請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置である。
【００４３】
照明σは、投影光学系における入射瞳面における光源像の大きさと、その入射瞳の大きさとの比で定義される。入射瞳の大きさが既知であり、投影光学系における入射瞳面の位置及びその入射瞳面の共役面である撮像装置の受光面の位置が既知であり、投影光学系における入射瞳面における光源像に対する撮像装置の受光面における光源像の倍率も既知であるとすると、撮像された光源像の大きさから照明σを求めることができる。本発明では、撮像装置によって撮像された光源像を検出対象として、その光源像の位置や大きさを位置検出装置において精度良く検出することができるため、高精度に照明σを計測することができる。
【００４４】
請求項２１に記載の発明は、露光光を物体に照射する露光装置であって、前記露光光の光路上に配置された投影光学系と；前記物体上に転写された光源の転写像を撮像する撮像装置と；検出対象を前記転写像とする請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置である。
【００４５】
これによれば、撮像装置によって撮像された光源の転写像を検出対象として、その転写像の位置や輪郭を位置検出装置において精度良く検出することができるため、高精度に照明σを計測することができる。
【００４６】
上記請求項２０又は２１に記載の露光装置において、請求項２２に記載の露光装置のごとく、前記位置検出装置において検出された前記検出対象の位置に基づいて、前記投影光学系に入射する露光光の光軸を調整する調整装置をさらに備えることとすることができる。
【００４７】
これによれば、位置検出装置において精度良く検出された検出対象の位置に基づいて投影光学系の光軸を調整することができるため、高精度な露光を実現することができる。
【００４８】
請求項２３に記載の発明は、露光光を物体に照射する露光装置であって、前記物体を含む領域中の複数の観測点における観測値を観測する観測装置と；検出対象を前記物体とする、請求項１８に記載の位置検出装置と；を備える露光装置である。
【００４９】
これによれば、請求項１８に記載の位置検出装置によって、物体の位置を精度良く検出することができる。そのため、例えば、この精度良く検出された物体の位置に基づいて物体を位置制御しながら露光を実行すれば、高精度な露光を実現することができる。
【００５０】
この場合、請求項２４に記載の露光装置のごとく、前記位置検出装置によって検出された前記物体の位置に基づいて前記物体を位置制御する位置制御装置（２０）をさらに備えることとすることができる。
【００５１】
これによれば、その位置検出装置において精度良く検出された物体の位置に基づいて、物体を位置制御することができるため、高精度な露光を実現することができる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１６に基づいて説明する。
【００５３】
図１には、本発明に係る輪郭検出方法および位置検出方法の実施に好適な一実施形態に係る露光装置１００が示されている。この露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置である。この露光装置１００は、露光装置本体６０と、光学特性測定装置７０とを備えている。
【００５４】
前記露光装置本体６０は、光源６及び照明光学系１２を含む照明系、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、物体としてのウエハＷが搭載されるステージ装置であるウエハステージＷＳＴ、アライメント検出系ＡＳ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴの位置及び姿勢を制御するステージ制御系１９、並びに装置全体を統括制御する主制御系２０等を備えている。
【００５５】
前記光源６としては、ここでは、ＡｒＦエキシマレーザ光源（出力波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、光源６として、Ｆ２レーザ光源（出力波長１５７ｎｍ）等の真空紫外域のパルス光を出力する光源や、ＫｒＦエキシマレーザ光源（出力波長２４８ｎｍ）などの近紫外域のパルス光を出力する光源などを用いても良い。
【００５６】
前記光源６は、実際には、照明光学系１２、レチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、及びウエハステージＷＳＴ等から成る露光装置本体が収納されたチャンバ（不図示）が設置されたクリーンルームとは別のクリーン度の低いサービスルームに設置されており、そのチャンバにビームマッチングユニットと呼ばれる光軸調整用光学系を少なくとも一部に含む不図示の送光光学系を介して接続されている。この光源６は、主制御系２０からの制御情報ＴＳに基づいて、内部のコントローラにより、レーザ光ＬＢの出力のオン・オフ、レーザ光ＬＢの１パルスあたりのエネルギ、発振周波数（繰り返し周波数）、中心波長及びスペクトル半値幅などが制御されるようになっている。
【００５７】
前記照明光学系１２は、シリンダレンズ、ビームエキスパンダ及びズーム光学系（いずれも不図示）、並びにオプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）として機能する、フライアイレンズ又は内面反射型インテグレータ（ロッドインテグレータ等）あるいは回折光学素子（本実施形態ではフライアイレンズ２２２）等を含むビーム整形・照度均一化光学系２２０、照明系開口絞り板２２４、第１リレーレンズ２２８Ａ、第２リレーレンズ２２８Ｂ、固定レチクルブラインド２３０Ａ、可動レチクルブラインド２３０Ｂ、光路折り曲げ用のミラーＭ及びコンデンサレンズ２３２等を備えている。
【００５８】
前記ビーム整形・照度均一化光学系２２０は、光透過窓２１７を介して不図示の送光光学系に接続されている。このビーム整形・照度均一化光学系２２０は、光源６でパルス発光され、光透過窓２１７を介して入射したレーザビームＬＢの断面形状を、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダを用いて整形する。そして、ビーム整形・照度均一化光学系２２０内部の射出端側に位置するフライアイレンズ２２２は、レチクルＲを均一な照度分布で照明するために、前記断面形状が整形されたレーザビームの入射により、照明光学系１２の瞳面とほぼ一致するように配置されるその射出側焦点面に多数の点光源（光源像）から成る面光源（２次光源）を形成する。この２次光源から射出されるレーザビームを以下においては、「照明光ＩＬ」と呼ぶものとする。
【００５９】
フライアイレンズ２２２の射出側焦点面の近傍に、円板状部材から成る照明系開口絞り板２２４が配置されている。この照明系開口絞り板２２４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（通常絞り）、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（小σ絞り）、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り（輪帯絞り）、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（図１ではこのうちの２種類の開口絞りのみが図示されている）等が配置されている。
【００６０】
この照明系開口絞り板２２４は、主制御系２０からの制御信号ＭＬＣにより制御されるモータ等の駆動装置２４０により回転されるようになっている。これによりいずれかの開口絞りが照明光ＩＬの光路上に選択的に設定され、光源面の形状が、輪帯、小円形、大円形、あるいは四つ目等に制限される。なお、本実施形態では開口絞り板２２４を用いて照明光学系の瞳面上での照明光の光量分布（２次光源の形状や大きさ）、すなわちレチクルＲの照明条件を変更するものとしたが、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ）２２２の入射面上での照明光の強度分布あるいは照明光の入射角度範囲を可変として、前述の照明条件の変更に伴う光量損失を最小限に抑えることが好ましい。このために、開口絞り板２２４の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、例えば照明光学系の光路上に交換して配置される複数の回折光学素子、照明光学系の光軸に沿って移動可能な少なくとも１つのプリズム（円錐プリズムや多面体プリズムなど）、及びズーム光学系の少なくとも１つを含む光学ユニットを光源６とオプティカルインテグレータ（フライアイレンズ）２２２との間に配置する構成を採用することができる。
【００６１】
照明系開口絞り板２２４から出た照明光ＩＬの光路上に、固定レチクルブラインド２３０Ａ、可動レチクルブラインド２３０Ｂを介在させて第１リレーレンズ２２８Ａ及び第２リレーレンズ２２８Ｂから成るリレー光学系が配置されている。
【００６２】
固定レチクルブラインド２３０Ａは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置され、レチクルＲ上の照明領域を規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド２３０Ａの近傍（レチクルＲのパターン面に対する共役面）に走査方向（ここではＹ軸方向とする）及び非走査方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ対応する方向の位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド２３０Ｂが配置されている。走査露光の開始時及び終了時には、主制御系２０の制御により、その可動レチクルブラインド２３０Ｂを介してレチクルＲ上の照明領域をさらに制限することによって、不要な部分の露光が防止されるようになっている。
【００６３】
リレー光学系を構成する第２リレーレンズ２２８Ｂ後方の照明光ＩＬの光路上には、当該第２リレーレンズ２２８Ｂを通過した照明光ＩＬをレチクルＲに向けて反射する折り曲げミラーＭが配置され、このミラーＭ後方の照明光ＩＬの光路上にコンデンサレンズ２３２が配置されている。
【００６４】
以上の構成において、フライアイレンズ２２２の入射面、可動レチクルブラインド２３０Ｂの配置面、及びレチクルＲのパターン面は、光学的に互いに共役に設定され、フライアイレンズ２２２の射出側焦点面に形成される光源面（照明光学系の瞳面）、投影光学系ＰＬのフーリエ変換面（瞳面）は光学的に互いに共役に設定されている。
【００６５】
このようにして構成された照明光学系１２の作用を簡単に説明すると、光源６からパルス発光されたレーザビームＬＢは、ビーム整形・照度均一化光学系２２０に入射して断面形状が整形され、フライアイレンズ２２２に入射する。これにより、フライアイレンズ２２２の射出側焦点面に前述した２次光源が形成される。
【００６６】
上記の２次光源から射出された照明光ＩＬは、照明系開口絞り板２２４上のいずれかの開口絞りを通過し、第１リレーレンズ２２８Ａを経て固定レチクルブラインド２３０Ａ、可動レチクルブラインド２３０Ｂの矩形開口を通過する。そして、第２リレーレンズ２２８Ｂを通過してミラーＭによって光路が垂直下方に折り曲げられ、コンデンサレンズ２３２を経て、レチクルステージＲＳＴ上に保持されたレチクルＲ上の矩形の照明領域を均一な照度分布で照明する。
【００６７】
前記レチクルステージＲＳＴ上にはレチクルＲが、例えば真空吸着により固定されている。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リニアモータ等から成る不図示のレチクルステージ駆動部によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ平面内で微小駆動可能であるとともに、所定の走査方向（Ｙ軸方向）に指定された走査速度で駆動可能となっている。
【００６８】
レチクルステージＲＳＴのステージ移動面内の位置はレチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）１６によって、移動鏡１５を介して、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計１６からのレチクルステージＲＳＴの位置情報（又は速度情報）はステージ制御系１９を介して主制御系２０に送られ、主制御系２０は、この位置情報（又は速度情報）に基づき、ステージ制御系１９及びレチクルステージ駆動部（図示省略）を介してレチクルステージＲＳＴを移動する。
【００６９】
前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に配置され、その光軸ＡＸの方向がＺ軸方向とされている。投影光学系ＰＬは、例えば、両側テレセントリックな縮小系であり、共通のＺ軸方向の光軸ＡＸを有する不図示の複数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Βが例えば１／４、１／５、１／６などのものが使用されている。このため、上述のようにして、照明光（露光光）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に形成されたパターンが投影光学系ＰＬによって投影倍率Βで縮小された像（部分倒立像）が、表面にレジスト（感光剤）が塗布されたウエハＷ上のスリット状の露光領域に投影され転写される。
【００７０】
なお、本実施形態では、上記の複数のレンズエレメントのうち、特定のレンズエレメント（例えば、所定の５つのレンズエレメント）がそれぞれ独立に移動可能となっている。かかるレンズエレメントの移動は、特定レンズエレメントを支持するレンズ支持部材を支持し、鏡筒部と連結する、特定レンズごとに設けられた３個のピエゾ素子等の駆動素子によって行われるようになっている。すなわち、特定レンズエレメントを、それぞれ独立に、各駆動素子の変位量に応じて光軸ＡＸに沿って平行移動させることもできるし、光軸ＡＸと垂直な平面に対して所望の傾斜を与えることもできるようになっている。そして、これらの駆動素子に与えられる駆動指示信号が、主制御系２０からの指令ＭＣＤに基づいて結像特性補正コントローラ２５１によって制御され、これによって各駆動素子の変位量が制御されるようになっている。
【００７１】
こうして構成された投影光学系ＰＬでは、主制御系２０による結像特性補正コントローラ２５１を介したレンズエレメントの移動制御により、ディストーション、像面湾曲、非点収差、コマ収差、又は球面収差等の光学特性が調整可能となっている。
【００７２】
前記ウエハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの図１における下方で、不図示のベース上に配置され、このウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホルダ２５が載置されている。このウエハホルダ２５上にウエハＷが例えば真空吸着等によって固定されている。ウエハホルダ２５は不図示の駆動部により、投影光学系ＰＬの光軸直交面に対し、任意方向に傾斜可能で、かつ投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）にも微動可能に構成されている。また、このウエハホルダ２５は光軸ＡＸ回りの微小回転動作も可能になっている。
【００７３】
また、ウエハステージＷＳＴの＋Ｙ方向側には、後述する波面センサ９０を着脱可能とするためのブラケット構造が形成されている。
【００７４】
ウエハステージＷＳＴは走査方向（Ｙ軸方向）の移動のみならず、ウエハＷ上の複数のショット領域を前述の照明領域と共役な露光領域に位置させることができるように、走査方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）にも移動可能に構成されている。そして、このウエハステージＷＳＴ等によって、ウエハＷ上の各ショット領域を走査（スキャン）露光する動作と、次のショットの露光開始位置まで移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・スキャン動作が実行される。このウエハステージＷＳＴは、モータ等を含むウエハステージ駆動部２４によりＸＹの２次元方向に駆動される。
【００７５】
ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内での位置は、ウエハレーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）１８によって、移動鏡１７を介して、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）はステージ制御系１９を介して主制御系２０に送られ、主制御系２０は、この位置情報（又は速度情報）に基づき、ステージ制御系１９及びウエハステージ駆動部２４を介してウエハステージＷＳＴの駆動制御を行う。
【００７６】
前記アライメント検出系ＡＳは、投影光学系ＰＬの側面に配置されている。本実施形態では、ウエハＷ上に形成されたストリートラインや位置検出用マーク（ファインアライメントマーク）を観測する結像アライメントセンサから成るオフ・アクシス方式の顕微鏡がアライメント検出系ＡＳとして用いられている。このアライメント検出系ＡＳの詳細な構成は、例えば、特開平９−２１９３５４号公報に開示されている。アライメント検出系ＡＳによる観測結果は、主制御系２０に供給される。
【００７７】
更に、図１の装置には、ウエハＷ表面の露光領域内部及びその近傍の領域のＺ軸方向（光軸ＡＸ方向）の位置を検出するための斜入射方式のフォーカス検出系（焦点検出系）の一つである、多点フォーカス位置検出系（２１，２２）が設けられている。この多点フォーカス位置検出系（２１，２２）は、光ファイバ束、集光レンズ、パターン形成板、レンズ、ミラー、及び照射対物レンズ（いずれも不図示）から成る照射光学系２１と、集光対物レンズ、回転方向振動板、結像レンズ、受光用スリット板、及び多数のフォトセンサを有する受光器（いずれも不図示）から成る受光光学系２２とから構成されている。この多点フォーカス位置検出系（２１，２２）の詳細な構成等については、例えば特開平６−２８３４０３号公報に開示されている。多点フォーカス位置検出系（２１，２２）による検出結果は、ステージ制御系１９に供給される。
【００７８】
前記光学特性測定装置７０は、波面センサ９０と、波面データ処理装置８０と、位置検出装置８１とから構成されている。
【００７９】
前記波面センサ９０は、図２に示されるように、表示板９１、コリメータレンズ９２、レンズ９３ａ及びレンズ９３ｂから成るリレーレンズ系９３、並びに強度分割光学系としてのハーフミラー９６０を備えており、この順序で光軸ＡＸ１上に配置されている。また、ハーフミラー９６０で光が２つに分岐されるが、その一方の光軸に沿って、波面分割光学系としてのマイクロレンズアレイ９４、並びに撮像装置としてのＣＣＤ９５１が配置されている。また、他方の光軸に沿って、撮像装置としてのＣＣＤ９５２が配置されている。さらに波面センサ９０は、波面センサ９０に入射した光の光路を設定するミラー９６ａ、９６ｂ、並びにコリメータレンズ９２、リレーレンズ系９３、ハーフミラー９６０、マイクロレンズアレイ９４、ＣＣＤ９５１、９５２、及びミラー９６ａ、９６ｂを収納する収納部材９７をさらに備えている。
【００８０】
前記標示板９１は、例えばガラス基板を基材とし、ウエハホルダ２５に固定されたウエハＷの表面と同じ高さ位置（Ｚ軸方向位置）に、光軸ＡＸ１と直交するように配置されている（図１参照）。この標示板９１の表面には、図３に示されるように、その中央部に開口９１ａが形成されている。また、表示板９１の表面における開口９１ａに周辺には、３組以上（図３では、４組）の２次元位置検出用マーク９１ｂが形成されている。この２次元位置検出用マーク９１ｂとしては、本実施形態では、Ｘ軸方向に沿って形成されたラインアンドスペースマーク９１ｃと、Ｙ軸方向に沿って形成されたラインアンドスペースマーク９１ｄとの組合せが採用されている。なお、ラインアンドスペースマーク９１ｃ、９１ｄは、上述のアライメント検出系ＡＳによって検出可能となっている。また、開口９１ａ及び２次元位置検出用マーク９１ｂを除く標示板９１の表面は反射面加工がなされている。かかる反射面加工は、例えば、ガラス基板にクロム（Ｃｒ）を蒸着することによって行われている。
【００８１】
図２に戻り、前記コリメータレンズ９２は、開口９１ａを通って入射した光を平面波に変換する。
【００８２】
図４（Ａ）は、マイクロレンズアレイ９４の平面図であり、図４（Ｂ）は、マイクロレンズアレイ９４が、図４（Ａ）における線分Ａ−Ａ’線断面図（端面図）である。
【００８３】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）によって総合的に示されるように、マイクロレンズアレイ９４は、一辺の長さがＤ１である正方形状の多数のマイクロレンズ９８がマトリクス状に稠密に配列されたものである。なお、マイクロレンズ９８は、正の屈折力を有するレンズである。
【００８４】
ここで、各マイクロレンズ９８の光軸は互いにほぼ平行になっている。なお、図４においては、マイクロレンズ９８が、７×７マトリクス状に配列されたものが、一例として示されている。
【００８５】
こうしたマイクロレンズアレイ９４は、平行平面ガラス板にエッチング処理を施すことにより作成される。マイクロレンズアレイ９４は、リレーレンズ系９３を介した後にハーフミラー９６０で反射された光を、入射したマイクロレンズ９８ごとに、開口９１ａの像をそれぞれ異なる位置に結像する。
【００８６】
図２に戻り、前記ＣＣＤ９５１は、マイクロレンズアレイ９４の各マイクロレンズ９８によって開口９１ａに形成された後述するピンホールパターンを介した像が結像される結像面、開口９１ａの形成面の光学的な共役面に受光面を有している。すなわち、ＣＣＤ９５１は、その撮像面に結像されたピンホールパターンを介した多数の像を撮像する。この撮像結果は、撮像データＩＭＤ１として波面データ処理装置８０に供給される。
【００８７】
前記ＣＣＤ９５２は、ハーフミラー９６０を透過した光を受光する受光面を有しており、その受光面に結像された像を撮像する。この受光面は、投影光学系の瞳面と共役な面となっている。この撮像結果は、撮像データＩＭＤ２として位置検出装置８１に供給される。
【００８８】
前記収納部材９７は、その内部に、コリメータレンズ９２、リレーレンズ系９３、ハーフミラー９６０、マイクロレンズアレイ９４、及びＣＣＤ９５１、９５２をそれぞれ支持する不図示の支持部材を有している。なお、ミラー９６ａ，９６ｂは、収納部材９７の内面に取り付けられている。また、前記収納部材９７の外形は、上述したウエハステージＷＳＴのブラケット構造と嵌合する形状となっており、ウエハステージＷＳＴに対して着脱自在となっている。
【００８９】
前記波面データ処理装置８０は、図５に示されるように、主制御装置３０と記憶装置４０とを備えている。主制御装置３０は、（ａ）波面データ処理装置８０の動作全体を制御するとともに、波面測定結果データＷＦＡを主制御系２０へ供給する制御装置３９と、（ｂ）波面センサ９０からの撮像データＩＭＤ１を収集する撮像データ収集装置３１と、（ｃ）撮像データＩＭＤ１に基づいてスポット像の位置を検出する位置情報検出装置３２と、（ｄ）位置情報検出装置３２により検出されたスポット像位置に基づいて、投影光学系ＰＬの波面収差を算出する波面収差算出装置３３とを含んでいる。
【００９０】
また、記憶装置４０は、（ａ）撮像データを格納する撮像データ格納領域４１と、（ｂ）スポット像の位置情報を格納する位置情報格納領域４２と、（ｃ）波面収差データを格納する波面収差格納領域４３とを有している。
【００９１】
また、本実施形態では、波面データ処理装置８０を上記のように、各種の装置を組み合わせて構成したが、波面データ処理装置８０の少なくとも一部を計算機システムとして構成し、主制御装置３０を構成する上記の各装置の少なくとも一部の機能を波面データ処理装置８０に内蔵されたプログラムによって実現することも可能である。
【００９２】
図６は、位置検出装置８１の構成を示すブロック図である。図６に示されるように、位置検出装置８１は、主制御装置５０と、記憶装置６１とを備えている。主制御装置５０は、（ａ）位置検出装置８１の動作全体を制御するとともに、位置情報データＰＯＳを主制御系２０や波面データ処理装置８０へ供給する制御装置８９と、（ｂ）波面センサ９０から撮像データＩＭＤ２を収集する撮像データ収集装置８２と、（ｃ）撮像データＩＭＤ２から検出対象である光源像の輪郭を検出する輪郭検出装置８３と、（ｄ）輪郭検出装置８３によって検出された光源像の輪郭に基づいて、その光源像の位置を検出する検出装置８４とを備えている。
【００９３】
輪郭検出装置８３は、（ａ）撮像データＩＭＤ２の各画素の中から前述の２次光源の光源像の輪郭候補点となる画素を抽出する輪郭候補点抽出装置５１と、（ｂ）輪郭候補点抽出装置５１によって抽出された輪郭候補点の位置に基づいて、光源像の輪郭を幾何関数で近似する関数近似装置５２と、（ｃ）関数近似装置５２によって近似された幾何関数に基づいて光源像の形状の仮の中心位置を特定する基準位置算出装置５３と、（ｄ）基準位置算出装置５３によって算出された光源像の形状の基準位置からの距離に対する各輪郭候補点の頻度分布を作成する頻度分布作成装置５４と、（ｅ）頻度分布作成装置５４によって作成された頻度分布の分布状態に基づいて各輪郭候補点の中から光源像の輪郭となる輪郭点を抽出する輪郭点抽出装置５５と、を備えている。
【００９４】
検出装置８４は、輪郭点抽出装置５５において検出された輪郭点に基づいて光源像の位置や輪郭の大きさを示す位置情報データＰＯＳを算出する。
【００９５】
また、記憶装置６１には、（ａ）撮像データＩＭＤ２を格納する撮像データ格納領域６２と、（ｂ）輪郭候補点抽出装置５１で抽出された輪郭候補点の情報が格納される輪郭候補点格納領域６３と、（ｃ）関数近似装置５２で近似された幾何関数の情報を格納する幾何関数格納領域６４と、（ｄ）基準位置算出装置５３で算出された幾何関数の基準位置の情報を格納する基準位置格納領域６５と、（ｅ）頻度分布作成装置５４によって作成された頻度分布を格納する頻度分布格納領域６６と、（ｆ）輪郭点抽出装置５５によって抽出された輪郭点の情報を格納する輪郭点情報格納領域６７と、（ｇ）検出装置８４によって検出された光源像の位置情報データＰＯＳを格納する位置情報データ格納領域６８と、が設けられている。
【００９６】
また、本実施形態では、位置検出装置８１を上記のように、各種の装置を組み合わせて構成したが、位置検出装置８１の少なくとも一部を計算機システムとして構成し、主制御装置５０を構成する上記の各装置の少なくとも一部の機能を位置検出装置８１に内蔵されたプログラムによって実現することも可能である。
【００９７】
以下、本実施形態の露光装置１００による露光動作を、図７に示されるフローチャートに沿って、適宜他の図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、ウエハＷ上への１回目の露光がすでに終了しているものとして、第２回目以降の露光を行うものとして説明する。また、以下の動作の前提として、波面センサ９０は、ウエハステージＷＳＴに装着されており、波面データ処理装置８０と位置検出装置８１と主制御系２０とが接続されているものとする（図１の端点ｃ、ｄ参照）。
【００９８】
また、ウエハステージに装着された波面センサ９０の標示板９１の開口９１ａとウエハステージＷＳＴとの位置関係は、２次元位置マーク９１ｂをアライメント検出系ＡＳで観察することにより、正確に求められているものとする。すなわち、ウエハ干渉計１８から出力される位置情報（速度情報）に基づいて、開口９１ａのＸＹ位置を正確に検出することができ、かつ、ウエハステージ駆動部２４を介してウエハステージＷＳＴを移動制御することにより、開口９１ａを所望のＸＹ位置に精度良く位置決めできるものとする。なお、本実施形態では、開口９１ａとウエハステージＷＳＴとの位置関係は、アライメント検出系ＡＳによる４つの２次元位置マーク９１ｂの位置の検出結果に基づいて、特開昭６１−４４４２９号公報等に開示されている、いわゆるエンハンストグローバルアライメント（以下、「ＥＧＡ」という）等と同様な統計的な手法を用いて正確に検出される。
【００９９】
図７に示される処理では、まず、サブルーチン１０１において、投影光学系ＰＬの波面収差が測定される。この波面収差の測定では、図８に示されるように、まず、ステップ１１１において、不図示のレチクルローダにより、図９に示される波面収差測定用の測定用レチクルＲＴがレチクルステージＲＳＴにロードされる。測定用レチクルＲＴには、図９に示されるように、複数個（図９では、９個）のピンホールパターンＰＨ１〜ＰＨＮがＸ軸方向及びＹ軸方向に沿ってマトリクス状に形成されている。なお、ピンホールパターンＰＨ１〜ＰＨＮは、図９において点線で示されるスリット状の照明領域の大きさの領域内に形成されている。
【０１００】
引き続き、ウエハステージＷＳＴ上に配置された不図示の基準マーク板を使用した測定用レチクルＲＴの位置計測、例えば、レチクルアライメント検出系（不図示）による、投影光学系ＰＬを介した測定用レチクルＲＴのレチクルアライメントマークと対応する基準マーク板との相対位置の検出、更にアライメント検出系ＡＳを使用したベースラインの測定等が行われる。そして、収差測定が行われる最初のピンホールパターンＰＨ１が投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ上に位置するように、レチクルステージＲＳＴを移動させる。かかる移動は、主制御系２０が、レチクル干渉計１６が検出したレチクルステージＲＳＴの位置情報（速度情報）に基づいて、ステージ制御系１９を介してレチクルステージ駆動部を制御することにより行われる。
【０１０１】
図８に戻り、次に、ステップ１１２において、波面センサ９０の標示板９１の開口９１ａが、ピンホールパターンＰＨ１の投影光学系ＰＬに関する共役位置（ピンホールパターンＰＨ１の場合には、光軸ＡＸ上）にウエハステージＷＳＴを移動させる。かかる移動は、主制御系２０が、ウエハ干渉計１８が検出したウエハステージＷＳＴの位置情報（速度情報）に基づいて、ステージ制御系１９を介してウエハステージ駆動部２４を制御することにより行われる。この際、主制御系２０は、多点フォーカス位置検出系（２１，２２）の検出結果に基づいて、ピンホールパターンＰＨ１のピンホール像が結像される像面に波面センサ９０の標示板９１の上面を一致させるべく、ウエハステージ駆動部２４を介してウエハステージＷＳＴをＺ軸方向に微少駆動する。
【０１０２】
以上のようにして、最初のピンホールパターンＰＨ１からの球面波に関する投影光学系ＰＬの波面収差測定のための光学的な各装置の配置が終了する。こうした、光学的配置について、波面センサ９０の光軸ＡＸ１及び投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿って展開したものが、図１０に示されている。
【０１０３】
こうした光学配置において、照明光学系１２から照明光ＩＬが射出されると、測定用レチクルＲＴの最初のピンホールパターンＰＨ１に到達した光が、球面波となってピンホールパターンＰＨ１から射出される。そして、投影光学系ＰＬを介した後、波面センサ９０の標示板９１の開口９１ａに集光される。なお、最初のピンホールパターンＰＨ１以外のピンホールパターンＰＨ２〜ＰＨＮを通過した光は、開口９１ａには到達しないようになっている。こうして開口９１ａに集光された光の波面は、ほぼ球面ではあるが、投影光学系ＰＬの波面収差を含んだものとなる。
【０１０４】
開口９１ａを通過した光は、コリメータレンズ９２により平行光に変換され、さらにリレーレンズ系９３を介した後、ハーフミラー９６０に入射する。ハーフミラー９６０で反射された入射光の一部は、ミラー９６ｂでさらに反射された後、マイクロレンズアレイ９４に入射する。ここで、マイクロレンズアレイ９４に入射する光の波面は、投影光学系ＰＬの波面収差を反映したものとなっている。すなわち、投影光学系ＰＬに波面収差が無い場合には、図１０において点線で示されるように、その波面ＷＦが光軸ＡＸ１と直交する平面となるが、投影光学系ＰＬに波面収差が有る場合には、図１０において二点鎖線で示されるように、その波面ＷＦ’は光軸ＡＸ１と直交する平面とはならず、その平面上の位置に応じた角度の傾きを有する面となる。
【０１０５】
マイクロレンズアレイ９４は、マイクロレンズ９８（図４参照）ごとに、開口９１ａの像を、標示板９１の光学的な共役面すなわちＣＣＤ９５１の撮像面に結像させる。マイクロレンズ９８に入射した光の波面が光軸と直交する場合には、そのマイクロレンズ９８の光軸と撮像面の交点を中心とするスポット像が、撮像面に結像される。また、マイクロレンズ９８に入射した光の波面ＷＦが傾いている場合には、その傾き量に応じた距離だけ、そのマイクロレンズ９８の光軸と撮像面の交点からずれた点を中心とするスポット像が撮像面に結像される。一方、ハーフミラー９６０を透過した光は、ＣＣＤ９５２に入射する。
【０１０６】
図８に戻り、次いで、ステップ１１３において、ＣＣＤ９５１、９５２により、それら撮像面（受光面）に形成された光の像の撮像が行われる。ＣＣＤ９５１の撮像により得られた撮像データＩＭＤ１は、波面データ処理装置８０に供給される。波面データ処理装置８０では、撮像データ収集装置３１が撮像データＩＭＤ１を収集し、撮像データ格納領域４１に撮像データＩＭＤ１を格納する。また、ＣＣＤ９５２の撮像により得られた撮像データＩＭＤ２は、位置検出装置８１に供給される。位置検出装置８１では、撮像データ収集装置８２が撮像データＩＭＤ２を収集し、撮像データＩＭＤ２を撮像データ格納領域６２に格納する。
【０１０７】
次に、ステップ１１４において、撮像結果に基づいて、各スポット像の位置情報が検出される。かかる位置情報の算出にあたり、波面データ処理装置８０の位置情報検出装置３２は、撮像データ格納領域４１から、撮像データＩＭＤ１を読み出す。引き続き、位置情報検出装置３２は、マイクロレンズアレイ９４によりＣＣＤ９５１の撮像面に形成された各スポット像の光強度分布の重心を算出することにより、各スポット像の中心位置を算出する。位置情報検出装置３２は、こうして求められた各スポット像の中心位置を、マイクロレンズアレイ９４によりＣＣＤ９５１の撮像面に形成された各スポット像の位置情報として、スポット像位置格納領域４２に格納する。
【０１０８】
次いで、ステップ１１５において、位置検出装置８１は、光源像の輪郭および位置検出処理を実行する。図１１は、位置検出装置８１において実行されるステップ１１５の輪郭および位置検出処理のサブルーチンを示すフローチャートである。図１１に示されるように、まず、ステップ１２１において、位置検出装置８１の輪郭候補点抽出装置５１は、撮像データ格納領域６２に格納されている撮像データＩＭＤ２を読み出す。
【０１０９】
図１２には、撮像データＩＭＤ２の一例が示されている。図１２では、撮像データＩＭＤ２が、その画像イメージのまま、マトリクス状（正方形状）に示されている。図１２では、輝度が最も高い部分が白地で示されており、その次に明るい部分が斑点模様で示されている。また、その次に明るい部分が斜線模様で示されており、最も暗い部分が網掛け模様で示されている。図１２に示されるように、この撮像データＩＭＤ２では、その略中心部の輝度が最も高くなっており、外側に向けて徐々に輝度が低くなっている。
【０１１０】
図１１に戻り、ステップ１２３において、輪郭検出装置８３の輪郭候補点抽出装置５１は、撮像データＩＭＤ２を所定の閾値と比較して二値データに変換する。例えば、その閾値よりも高い輝度値を有する画素についてはその二値データの値を「１」とし、閾値よりも低い輝度値を有する画素については、その二値データの値を「０」とする。
【０１１１】
図１３には、その二値データの一例が示されている。図１３では、二値データの値が「１」である画素は白地で示され、「０」である画素が斑点模様で示されている。
【０１１２】
次に、ステップ１２５において、輪郭候補点抽出装置５１は、二値データの膨張圧縮処理を行う。図１４には、その膨張圧縮処理の様子が示されている。この膨張圧縮処理では、まず、二値データの値が一方の値（例えば１）となっている画素に隣接するとなりの画素における値がその値（１）に変換される。そして、二値データの値が他方の値（例えば０）となっている画素に隣接する画素の二値データの値が他方の値（０）に変換される。ここで、隣接する画素とは、その画素に直接隣接する上、下、左、右、右上、左上、右下、左下の八方の画素のことである。例えば、二値データが、図１４（Ａ）に示されるような状態であったとする。まず、図１４（Ｂ）に示されるように、二値データの値が「１」である画素（白地の部分）に隣接する画素の二値データの値が全て「１」に変換される。なお、図１４（Ｂ）では、二値データの値が「０」から「１」に変換された画素は斜線で示されている。次いで、図１４（Ｃ）に示されるように、二値データの値が「０」である画素（グレーの部分）に隣接する画素の二値データの値が全て「０」に変換される。なお、図１４（Ｃ）では、値が「１」から「０」に変換された画素は、網掛け模様で示されている。
【０１１３】
図１４（Ａ）に示されるような周辺の画素の二値化データの値が「１」であるにも関わらず、その値が「０」となっているところは、光源像の真の輪郭を示すものではなく、各画素の輝度値に含まれるノイズ等の要因によって輝度値が変化した孤立点や突起であると考えられる。したがって、ステップ１２５における膨張圧縮処理を実行すれば、各画素の輝度値に含まれるノイズ等の要因によって現れる周辺の画素とは異なった値を有する画素、すなわち孤立点や突起部分を消滅させることができるようになるため、各画素の輝度値に含まれるノイズによる輪郭候補点の抽出への影響を低減することができる。
【０１１４】
次に、ステップ１２７において、輪郭候補点抽出装置５１は、輪郭候補点の抽出を行う。具体的には、ステップ１２５において、膨張圧縮処理が実行された撮像データＩＭＤ２の二値データを、微分フィルタを用いて微分し、その微分値が所定の閾値よりも大きい画素を輪郭候補点として抽出する。抽出された輪郭候補点の情報は、輪郭候補点抽出装置５１によって、輪郭候補点格納領域６３に格納される。
【０１１５】
ステップ１２９において、関数近似装置５２は、検出対象である光源像を含む撮像データＩＭＤ２の複数の画素の中から選択されたその光源像の幾つかの輪郭候補点の位置に基づいて、その光源像の輪郭を近似することができる幾何関数を求める。具体的には、関数近似装置５２は、輪郭候補点格納領域６３に格納されていた輪郭候補点の情報に基づいて、輪郭候補点として抽出された各画素の分布状態から、例えば円、楕円、多角形等の近似可能な幾何形状を決定し、各輪郭候補点を元に、最小二乗法を用いてその光源像の輪郭候補点の分布状態に最もフィットする幾何形状の関数を決定する。決定された幾何関数の情報は、関数近似装置５２によって幾何関数格納領域６４に格納される。このように、最小二乗法という統計的手法を用いて求めることによって、近似される幾何関数の信頼性を高めることができる。
【０１１６】
次に、ステップ１３１において、ステップ１２９において近似された幾何関数の基準位置が算出される。基準位置算出装置５３は、幾何関数格納領域６４から幾何関数の情報を読み出し、その幾何関数の基準位置を算出する。例えば、ステップ１２９において近似された幾何関数が円であったときには、その基準位置はその円の中心となり、その幾何関数が楕円であったときには、その基準位置はその楕円の２つの焦点となる。なお、算出された基準位置の情報は、基準位置算出装置５３によって、基準位置格納領域６５に格納される。
【０１１７】
次に、ステップ１３３において、ステップ１３１で算出された基準位置からの距離に対する各輪郭候補点の頻度分布を作成する。頻度分布作成装置５４は、基準位置格納領域６５から基準位置の情報を読み出し、その基準位置からの距離に対する各輪郭候補点の頻度分布を作成する。
【０１１８】
例えば、図１５に示されるように、光源像の輪郭が楕円で近似されているものとすると、頻度分布作成装置５４は、基準位置である仮焦点Ｔ１、Ｔ２と、それらの仮焦点以外の点Ｓとの距離、Ｔ１〜Ｓの距離とＴ２〜Ｓの距離との和が一定となる線上（楕円の円周上）の各輪郭候補点の数に基づいて、仮焦点からの距離に対する輪郭候補点の頻度分布を作成する。なお、作成された頻度分布は、頻度分布作成装置５４によって頻度分布格納領域６６に格納される。
【０１１９】
図１６には、頻度分布作成装置５４によって作成された頻度分布の一例が示されている。この頻度分布は、光源像の輪郭が楕円（図１５参照）で近似されたときの頻度分布となっている。図１５において、横軸は、仮焦点Ｔ１、Ｔ２からの距離（線分Ｔ１〜Ｓと線分Ｔ２〜Ｓとの和の大きさ）を示し、縦軸は、その距離における線上に存在する輪郭候補点の頻度を示す。
【０１２０】
次に、ステップ１３５において、輪郭点抽出装置５５は、ステップ１３３において作成された頻度分布を頻度分布格納領域６６から読み出し、その頻度分布において、輪郭候補点の頻度が最大となる最頻値Ｍとなる基準位置からの距離を求める。
【０１２１】
そして、ステップ１３７において、輪郭点抽出装置５５は、輪郭候補点の中から輪郭点を抽出する。具体的には、まず、輪郭点抽出装置５５は、頻度分布における最頻値Ｍを求める。次いで、最頻値Ｍを中心とする所定の許容範囲ｄＸに含まれる輪郭候補点を光源像の輪郭点として抽出する。そして、輪郭点抽出装置５５は、その頻度分布において、所定の度数ｄＹより低い頻度となっている輪郭候補点を、光源像の真の輪郭を示すものではなく、ノイズによるものであると判断し、所定の度数ｄＹ以上の頻度となる基準位置からの距離にある輪郭候補点を光源像の輪郭点として抽出する。このようにすれば、真の輪郭点である可能性が最も高い最頻値Ｍの距離にある輪郭候補点から離れた位置にある輪郭候補点を、真の輪郭である可能性が低い輪郭点から除外することができるようになる。図１６では、前述の条件によって抽出された輪郭点の頻度が斜線で示されている。抽出された輪郭点の情報は、輪郭点抽出装置５５によって、輪郭点情報格納領域６７に格納される。なお、所定の許容範囲ｄＸおよび所定の度数ｄＹとは、予め輪郭点抽出装置５５に設定されているものとする。
【０１２２】
次に、ステップ１３９において、検出装置８４は、上述の輪郭抽出工程、すなわちステップ１２１〜ステップ１３７に示される工程によって抽出され、輪郭点情報格納領域６７に格納されている輪郭点の情報を用いて、光源像の中心位置や、大きさなどの光源像の位置情報を検出する。検出された光源像の位置情報は、位置情報データ格納領域６８に格納される。そして、制御装置８９は、位置情報データ格納領域４３から光源像の位置情報を読み出して、位置情報データＰＯＳとして出力する。出力された位置情報データＰＯＳは、主制御系２０と波面データ処理装置８０へ供給される。波面データ処理装置８０へ供給された位置情報データＰＯＳは、制御装置８９を介して波面収差算出装置３３に供給される。この後、処理は、図８のステップ１１６に移行する。
【０１２３】
図８に戻り、ステップ１１６において、波面データ処理装置８０の波面収差算出装置３３は、位置情報格納領域４２から、マイクロレンズアレイ９４によりＣＣＤ９５１の撮像面に形成された各スポット像の位置情報を読み出して、測定用レチクルＲＴにおける最初のピンホールパターンＰＨ１を介した光に関する投影光学系ＰＬの波面収差を算出する。かかる波面収差の算出は、波面収差が無いときに期待される各スポット像位置と、検出されたスポット像位置との差から、ツェルニケ多項式の係数を求めることにより行われる。本実施形態では、波面収差算出装置３３は、波面収差が無いときに期待される各スポット像位置と、検出されたスポット像位置との差を求める際には、制御装置８９から供給された位置情報データＰＯＳに含まれる光源像の中心位置や大きさなどに基づいて、波面収差が無いときに期待される各スポット像位置（スポット像のずれ量を算出するための基準位置）を補正する。このようにすれば、波面センサ９０に入射される光の光軸のずれに起因する、波面収差が無いときの各スポット像位置のずれをキャンセルすることができ、より高精度に波面収差を求めることができる。
【０１２４】
次に、ステップ１１７において、全てのピンホールパターンに関して投影光学系ＰＬの波面収差を算出したか否かが判定される。この段階では、最初のピンホールパターンＰＨ１についてのみ投影光学系ＰＬの波面収差を測定しただけなので、否定的な判定がなされ、処理はステップ１１８に移行する。
【０１２５】
ステップ１１８では、波面センサ９０の標示板９１の開口９１ａが、次のピンホールパターンＰＨ２の投影光学系ＰＬに関する共役位置にウエハステージＷＳＴを移動させる。かかる移動は、主制御系２０が、ウエハ干渉計１８が検出したウエハステージＷＳＴの位置情報（速度情報）に基づいて、ステージ制御系１９を介してウエハステージ駆動部２４を制御することにより行われる。なお、このときも、主制御系２０が、多点フォーカス位置検出系（２１，２２）の検出結果に基づいて、ピンホールパターンＰＨ２を介した像が結像される像面に波面センサ９０の標示板９１の上面を一致させるべく、必要に応じて、ウエハステージ駆動部２４を介してウエハステージＷＳＴをＺ軸方向に微少駆動する。
【０１２６】
そして、上記のピンホールパターンＰＨ１の場合と同様にして、投影光学系ＰＬの波面収差が測定される。そして、波面収差の測定結果は、ピンホールパターンＰＨ２の位置とともに、波面収差格納領域４３に格納される。
【０１２７】
以後、上記と同様にして、全てのピンホールパターンに関する投影光学系ＰＬの波面収差が順次測定され、開口パターンごとの測定結果が開口パターンの位置とともに、波面収差格納領域４３に格納される。こうして全てのピンホールパターンに関する投影光学系ＰＬの波面収差が測定されると、ステップ１１７において肯定的な判定がなされる。そして、制御装置３９は、波面収差格納領域４３から波面収差の測定結果を読み出し、その測定結果を波面測定結果データＷＦＡとして主制御系２０へ供給する。この後、処理が図７のステップ１０２に移行する。
【０１２８】
ステップ１０２では、主制御系２０が、制御装置３９から供給された波面測定結果データＷＦＡに基づいて、投影光学系ＰＬの波面収差の測定が許容値以下であるか否かを判定する。この判定が肯定的である場合には、処理がステップ１０４に移行する。一方、判定が否定的である場合には、処理はステップ１０３に移行する。この段階では、判定が否定的であり、処理がステップ１０３に移行したとして、以下の説明を行う。
【０１２９】
ステップ１０３では、主制御系２０が、投影光学系ＰＬの波面収差の測定結果に基づき、現在発生している波面収差を低減させるように、投影光学系ＰＬの波面収差の調整を行う。かかる波面収差の調整は、制御装置３９が、結像特性補正コントローラ２５１を介してレンズエレメントの移動制御を行うことや、場合によっては、人手により投影光学系ＰＬのレンズエレメントのＸＹ平面内での移動やレンズエレメントの交換を行うことによりなされる。
【０１３０】
引き続き、サブルーチン１０１において、調整された投影光学系ＰＬに関する波面収差が上記と同様にして測定される。以後、ステップ１０２において肯定的な判断がなされるまで、投影光学系ＰＬの波面収差の調整（ステップ１０３）と、波面収差の測定（ステップ１０１）が繰り返される。そして、ステップ１０２において肯定的な判断がなされると処理は、ステップ１０４に移行する。
【０１３１】
ステップ１０４では、波面センサ９０をウエハステージＷＳＴから取り外し、波面データ処理装置８０と主制御系２０との接続を切断した後、主制御系２０の制御のもとで、不図示のレチクルローダにより、転写したいパターンが形成されたレチクルＲがレチクルステージＲＳＴにロードされる。なお、このとき、測定用レチクルＲＴは、すでにレチクルステージＲＳＴからアンロードされているものとする。また、不図示のウエハローダにより、露光対象であるウエハＷがウエハステージＷＳＴにロードされる。
【０１３２】
次に、ステップ１０５において、主制御系２０の制御のもとで、露光準備用計測が行われる。すなわち、ウエハステージＷＳＴ上に配置された不図示の基準マーク板を使用したレチクルアライメントや、更にアライメント検出系ＡＳを使用したベースラインの測定等の準備作業が行われる。なお、ここでは、ウエハＷに対する露光が第２層目以降の露光であるので、既に形成されている回路パターンと重ね合わせ精度良く回路パターンを形成するためにアライメント検出系ＡＳを使用した上述のＥＧＡ計測により、ウエハＷ上におけるショット領域の配列座標が高精度で検出される。
【０１３３】
次いで、ステップ１０６において、露光が行われる。この露光動作にあたって、まず、ウエハＷのＸＹ位置が、ウエハＷ上の最初のショット領域（ファースト・ショット）の露光のための走査開始位置（加速開始位置）となるように、ウエハステージＷＳＴが移動される。ウエハ干渉計１８からの位置情報（速度情報）や、基準座標系と配列座標系との位置関係の検出結果等に基づき、主制御系２０によりステージ制御系１９及びウエハステージ駆動部２４等を介して行われる。同時に、レチクルＲのＸＹ位置が、走査開始位置（加速開始位置）となるように、レチクルステージＲＳＴが移動される。この移動は、主制御系２０によりステージ制御系１９及び不図示のレチクル駆動部等を介して行われる。
【０１３４】
そして、主制御系２０からの指示に応じて、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとを走査方向（互いに逆方向）に同期移動させつつ、レチクルＲのパターンをウエハＷ上に転写する。なお、この同期移動中には、レチクル干渉計１６によって検出されるレチクルステージＲＳＴのＸＹ位置の情報、多点フォーカス位置検出系（２１，２２）及びウエハ干渉計１８によって検出されるウエハステージＷＳＴのＺ位置の情報、ＸＹ位置の情報に基づいて、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとの相対位置関係が適切に保たれるよう、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴの位置制御が行われる。
【０１３５】
こうして、最初のショット領域の露光が終了すると、次のショット領域の露光のための走査開始位置となるように、ウエハステージＷＳＴが移動されるとともに、レチクルＲのＸＹ位置が、走査開始位置となるように、レチクルステージＲＳＴが移動される。そして、当該ショット領域に関する走査露光が、上述の最初のショット領域と同様にして行われる。以後、同様にして各ショット領域について走査露光が行われ、露光が完了する。
【０１３６】
そして、ステップ１０７において、不図示のアンローダにより、露光が完了したウエハＷがウエハホルダ２５からアンロードされる。こうして、１枚のウエハＷの露光処理が終了する。
【０１３７】
以上説明したように、本実施形態の輪郭検出装置８３では、撮像データＩＭＤ２の各画素の中から輪郭候補点が抽出され、その輪郭候補点によって光源像の輪郭が、円、楕円、その他諸々の幾何形状を表す幾何関数によって関数近似される。そして、近似された幾何関数における基準位置（例えば、円なら円の中心であり、楕円なら２つの焦点がこれに相当する）からの距離に対する輪郭候補点の頻度分布が作成される。そして、その頻度分布において頻度の高い距離にある輪郭候補点が光源像の輪郭点として抽出される。したがって、位置検出装置８１によれば、撮像データＩＭＤ２に含まれるノイズ成分などの要因によって、輪郭候補点の中に真の輪郭点ではないものが幾つか含まれていたとしても、輪郭候補点の中から統計的手法を用いて真の輪郭である可能性が高い輪郭点を抽出することができるようになるので、高精度に光源像の輪郭を検出することができる。
【０１３８】
また、本実施形態の位置検出装置８１によれば、輪郭検出装置８３において統計的手法を用いて抽出された光源像の輪郭に基づいて光源像の位置を検出することができるため、光源像の位置を高精度に検出することができる。
【０１３９】
また、本実施形態の露光装置によれば、ピンホールパターンＰＨＮを通過後、投影光学系ＰＬを介して投影された光源像を撮像するＣＣＤ９５２と、ＣＣＤ９５２によって撮像された光源像を検出対象とする位置検出装置８１とを備える。
【０１４０】
露光装置における投影光学系の波面収差を計測する場合には、測定用レチクルＲＴのピンホールパターンＰＨＮに照明光ＩＬを照射することによって形成される波面をマイクロレンズアレイ９４によって分割し、マイクロレンズアレイ９４のマイクロレンズ９８毎に得られるスポット像のずれを検出し、例えばツェルニケの多項式等を用いて波面収差を求めている。
【０１４１】
ツェルニケの多項式を用いて波面収差を精度良く求めるためには、投影光学系ＰＬの瞳位置や大きさに基づいて波面収差を求めるための基準位置のずれを補正することが必要となる。そこで、本実施形態では、前述のように、ＣＣＤ９５１によって撮像された光源像を検出対象として、その光源像の位置を、位置検出装置８１を用いて精度良く検出する。そして、検出された光源像の位置や大きさに基づいてそのずれが補正される。したがって、本実施形態では、波面収差を精度良く計測することができる。
【０１４２】
さらに、本実施形態では、この投影光学系ＰＬの波面収差に基づいて、投影光学系ＰＬの収差を調整し、十分に諸収差が低減された投影光学系ＰＬによりレチクルＲに形成された所定のパターンがウエハＷ表面に投影されるので、所定のパターンをウエハＷに精度良く転写することができる。
【０１４３】
なお、上記実施形態では、測定用レチクルＲＴにおける開口パターンの数を９つとしたが、所望の波面収差の測定精度に応じて、数を増減することが可能である。また、マイクロレンズアレイ９４におけるマイクロレンズ９８の配列数や配列態様も、所望の波面収差の測定精度に応じて変更することが可能である。
【０１４４】
また、上記実施形態では、位置検出の対象像をスポット像としたが、他の形状のパターンの像であってもよい。
【０１４５】
また、上記実施形態では、投影光学系ＰＬの波面収差測定及び波面収差調整を、露光装置が組み立てられた後の定期メンテナンス時等に行い、その後のウエハの露光に備える場合について説明したが、露光装置の製造における投影光学系ＰＬの調整時に、上記の実施形態と同様にして、波面収差の調整を行ってもよい。なお、露光装置の製造時における投影光学系ＰＬの調整にあたっては、上記の実施形態において行われる投影光学系ＰＬを構成する一部のレンズエレメントの位置調整に加えて、他のレンズエレメントの位置調整、レンズエレメントの再加工、レンズエレメントの交換等を行うことが可能である。
【０１４６】
また、上記実施形態では、露光装置における投影光学系ＰＬの波面収差測定の際の光源像の輪郭の計測であったが、露光装置に限らず、他の種類の装置における結像光学系の諸収差の計測にも本発明を適用することができる。
【０１４７】
さらに、光学特性測定装置７０は、光学系の収差測定以外の様々な光学系の光学特性の測定（例えば、反射鏡の形状等の様々な光学系の光学特性の計測）にも適用することができる。例えば、この光学特性測定装置７０を用いて、照明σの計測も実行することができる。例えば、レチクルＲをレチクルステージＲＳＴに保持しない状態、あるいはレチクルステージＲＳＴ上に照射される光を遮蔽しないガラスレチクルを保持した状態とし、前述のステップ１１２（図８参照）の動作と同様に、波面センサ９０の標示板９１の開口９１ａが光軸ＡＸ上に位置するように、ウエハステージＷＳＴを移動させる。かかる移動は、前述と同様に、主制御系２０が、ウエハ干渉計１８が検出したウエハステージＷＳＴの位置情報（速度情報）に基づいて、ステージ制御系１９を介してウエハステージ駆動部２４を制御することにより行われる。こうした光学配置において、照明系から射出された照明光ＩＬが、投影光学系ＰＬを介した後、波面センサ９０の標示板９１の開口９１ａに到達するようになる。
【０１４８】
開口９１ａを通過した光は、コリメータレンズ９２により平行光に変換され、さらにリレーレンズ系９３を介した後、ハーフミラー９６０に入射する。ハーフミラー９６０を透過した光は、ＣＣＤ９５２に入射する。このとき、ＣＣＤ９５２により、それら撮像面（受光面）に形成された光源像の撮像が行われる。
【０１４９】
その撮像データＩＭＤ２は、位置検出装置８１に送信され、その後、前述のステップ１２１〜１３９（図１１参照）における動作を実行することによって、輪郭検出装置８３において光源像の輪郭点が検出され、検出装置８４によって、その光源像の位置や大きさが検出される。その光源像の位置や大きさを示す位置情報データＰＯＳは、位置検出装置８１から主制御系２０に送信される。
【０１５０】
照明σは、投影光学系ＰＬにおける入射瞳面における光源像の大きさと、その入射瞳の大きさとの比で定義される。入射瞳の大きさが既知であり、投影光学系ＰＬにおける入射瞳面の位置及びその入射瞳面の共役面である波面センサ９０のＣＣＤ９５２の撮像面の位置が既知であり、投影光学系ＰＬにおける入射瞳面における光源像に対するＣＣＤ９５２の受光面における光源像の倍率も既知であるとすると、主制御系２０において、位置情報データＰＯＳに含まれる、ＣＣＤ９５２によって撮像された光源像の大きさから照明σを求めることができる。
【０１５１】
すなわち、照明σを求める際にも、ＣＣＤ９５２によって撮像された光源像を検出対象として、光源像の大きさを位置検出装置８１において精度良く検出することができるため、高精度に照明σを計測することができる。
【０１５２】
また、測定用ウエハに光源像を転写する従来の照明σの計測にも、位置検出装置８１を適用することができる。なお、この場合には、測定用ウエハに転写された光源像を撮像するアライメント検出系ＡＳで撮像された撮像データを位置検出装置８１に入力できるように、アライメント検出系ＡＳと位置検出装置８１とが接続されている必要がある。
【０１５３】
以下に、測定用ウエハに光源像を転写する場合の照明σの計測について説明する。まず、測定用ウエハに光源像を転写する。かかる転写を行う際には、まず、微小開口パターンが形成された測定用レチクルをレチクルステージＲＳＴにロードするとともに、測定用ウエハをウエハステージＷＳＴにロードする。引き続き、測定用レチクルの配置位置と測定用ウエハの配置位置との関係を、投影光学系ＰＬに関する共役関係から所定量ずれた位置関係（投影光学系ＰＬの瞳面と測定用ウエハの表面と互いに光学的共役位置となる位置関係）となるようにし、照明系により測定用レチクルを照明する。そして、測定用レチクルの微小開口パターンを通過した光が投影光学系ＰＬを介した後の光によって測定用ウエハの表面が露光され、その測定用ウエハ上に光源像が転写される。こうして、光源像が転写された測定用ウエハを、ウエハステージＷＳＴからアンロードし、不図示の現像装置により現像する。引き続き、現像された測定用ウエハがウエハステージＷＳＴにロードされる。
【０１５４】
次に、アライメント検出系ＡＳの観察視野内に、測定用ウエハ上の光源像の形成領域が位置するように、ウエハステージＷＳＴを移動させる。かかるウエハステージの移動は、主制御系２０がウエハステージ駆動部２４を介してウエハステージＷＳＴを駆動することにより行われる。
【０１５５】
次いで、アライメント検出系ＡＳにより、測定用ウエハの表面における光源像を含む領域が撮像される。その撮像データは、位置検出装置８１に送信されることによって、位置検出装置８１において前述のステップ１２１〜１３９（図１１参照）における動作が実行され、撮像データの中から転写された光源像の輪郭点の抽出が実行される。
【０１５６】
以上述べたように、アライメント検出系ＡＳによって撮像された測定用ウエハ上に形成された光源の転写像を検出対象としても、その転写像の位置や大きさを位置検出装置８１によって精度良く検出することができるため、高精度に照明σを計測することができる。
【０１５７】
なお、照明σが測定される照明条件は、通常照明に限られるものではなく、輪帯照明や４極照明等でもよい。すなわち、照明光学系の瞳面上で照明光が分布する領域は、円形や楕円形等に限られるものではなく、輪帯、あるいは照明光学系の光軸からほぼ等距離に分布する複数の局所領域等でもよい。
【０１５８】
また、位置検出装置８１において検出された光源像の位置に基づいて、前述のビームマッチングユニットを用いて照明光ＩＬの光軸を調整するようにしてもよい。このようにすれば、位置検出装置８１において精度良く検出された光源像の位置に基づいて照明光ＩＬの光軸を調整することができるため、高精度な露光を実現することができる。なお、上述の場合には、光源像が転写されたウエハを現像して得られるレジスト像を検出するものとしたが、ウエハに転写される光源像の潜像を検出してもよい。さらに、この潜像検出に用いる感光材料は、フォトレジストに限られるものではなく光磁気材料等でもよい。また、光源像の転写像の撮像はアライメント検出系ＡＳでなく、光源像の転写像を観察することができる別の観察装置を用いてもよい。
【０１５９】
また、上記実施形態では、光源像の輪郭を抽出するのに用いられたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ウエハ等の物体の輪郭を検出するのにも用いることが可能である。
【０１６０】
例えば、露光装置においては、露光に先立ってレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメント）を高精度に行う必要がある。この高精度な位置合わせを行うためには、高精度にウエハの位置検出を行うことが必要であり、このための様々な技術が提案されている。
【０１６１】
こうした位置検出方法では、ウエハの移動を規定する基準座標系とウエハ上のショット領域の配列に関する配列座標系（ウエハ座標系）との位置関係の高精度な検出（詳細（ファイン）アライメント）を行うために、ウエハ内の数箇所のファインアライメントマーク（回路パターンとともに転写された詳細位置合わせマーク）を計測する。そして、最小二乗近似等で各ショット領域の配列座標を求めた後、露光に際しては、その演算結果を用い、ウエハステージの精度に任せてステッピングを行うＥＧＡが広く用いられている。
【０１６２】
かかるＥＧＡのためには、ウエハ上の所定箇所に形成されたファインアライメントマークを高倍率で観測する必要があるが、高倍率で観測を行うには、観測視野が必然的に狭いものとなる。そこで、狭い観測視野で確実にファインアライメントマークを捉えるために、例えば、ファインアライメントに先立って、以下のような、基準座標系と配列座標系との位置関係の検出を行っている。
【０１６３】
まず、位置検出の対象物であるウエハについて、そのウエハの外縁形状を観測装置（不図示、プリアライメント検出系とも呼ばれる）によって観測する。そして、観測装置によって観測されたウエハ外縁のノッチやオリエンテーションフラットの位置やウエハ外縁の位置等に基づいて、所定の精度で、基準座標系と配列座標系との位置関係が検出される。この検出を「プリアライメント」という。
【０１６４】
上述したプリアライメントの方法では、前述のように、ウエハの外縁の位置を少なくとも数箇所（ウエハは略円形なので、例えば３箇所）検出する必要がある。かかるウエハの外縁の位置検出に、上述の位置検出装置８１と同様な位置検出装置を適用すれば、精度良くウエハの外縁の位置を検出することができる。
【０１６５】
上述したように、露光工程の際に位置制御の制御対象となるウエハ等の物体の位置検出にも、位置検出装置８１と同様の位置検出装置を用いて、それらの制御対象の位置を精度良く検出することができる。露光の際にそれらの物体の位置制御を行う位置制御装置である主制御系２０では、精度良く検出された物体の位置に基づいて、物体を位置制御することができるため、結果的に高精度な露光を実現することができる。
【０１６６】
なお、上記実施形態では、関数近似工程において、近似される幾何関数が楕円であった場合について述べたが、他の形状（円、多角形、曲線、曲面）が選択されてもよいことは勿論である。
【０１６７】
また、光源像や物体などの検出対象の輪郭のみならず、検出対象に属する多数の測定データから、その検出対象の特性の傾向を算出する場合にも、本発明を用いることが可能である。すなわち、それらのデータの傾向によって表されるその測定対象の特性をある仮の関数で近似し、その関数からの距離に対するそれらのデータの頻度分布を作成し、その頻度分布の最頻値Ｍ近傍のデータだけを真のデータとして抽出すれば、その検出対象の特性の傾向を精度良く求めることができる。
【０１６８】
また、上記実施形態では、近似された幾何関数の基準位置からの距離に対する輪郭候補点の頻度分布を作成し、その頻度が最頻値Ｍを基準とし、所定範囲ｄｘにある輪郭候補点を真の輪郭点として抽出したが、他の方法を用いることも可能である。例えば、近似された幾何関数を輪郭とした場合に期待される輪郭点の基準モデルを予め仮定し、その基準モデルと、実際に検出された輪郭候補点のうち、最頻値Ｍを基準とする何個かの輪郭候補点を輪郭点として選択したときの幾つかのモデルとの情報量基準ＡＩＣ（赤池情報量基準）を算出し、このＡＩＣが最小となったときのモデルにおいて選択された輪郭候補点を、真の輪郭点として抽出するようにしてもよい。
【０１６９】
また、上記実施形態では、検出対象の検出する元のデータを、撮像装置の撮像データとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、検出対象が光源像である場合には、その光源像の光の強度を測定できるセンサによって測定され、その光源像を含む領域の複数の観測点における観測値を含んだ測定結果であればよく、検出対象が物体である場合には、その物体の形状を測定可能なセンサによって測定され、その物体を含む領域の複数の観測点における観測値を含んだ測定結果であればよい。
【０１７０】
また、上記実施形態では、オプティカルインテグレータとしてフライアイレンズ２２２が用いられるとしたが、その代わりに、マイクロフライアイレンズが用いられてもよい。この場合には、フライアイレンズ２２２が用いられたときよりも光源像の強度分布が均一となるので、光源像の輪郭の検出がより容易となる。また、オプティカルインテグレータとして内面反射型インテグレータ（ロッドインテグレータ等）を用いることもできるが、この場合には、光源像としてその虚像を検出することになる。
【０１７１】
また、上記実施形態の露光装置の光源６としては、Ｆ２レーザ光源、ＡｒＦエキシマレーザ光源、ＫｒＦエキシマレーザ光源などの紫外パルス光源に限らず、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）などの輝線を発する超高圧水銀ランプを用いることも可能である。また、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。また、投影光学系の倍率は縮小系のみならず等倍および拡大系のいずれでも良い。
【０１７２】
また、上記実施形態では、走査型露光装置の場合を説明したが、本発明は、投影光学系を備える露光装置であれば、ステップ・アンド・リピート機、ステップ・アンド・スキャン機、ステップ・アンド・スティッチング機を問わず適用することができる。
【０１７３】
露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶標示素子パターンを転写する液晶用の露光装置や、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシーン及びＤＮＡチップなどを製造するための露光装置にも広く適用できる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用される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。
【０１７４】
また、上記実施形態では、露光装置について説明したが、露光装置以外の装置、例えば顕微鏡等を使用した物体の観察装置、工場の組み立てライン、加工ライン、検査ラインにおける対象物の輪郭の検出に用いることもできる。
【０１７５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の輪郭検出方法及び装置によれば、統計的手法を用いて検出対象の輪郭を検出することができるため、高精度に検出対象の輪郭を検出することができる。
【０１７６】
また、本発明の位置検出方法及び装置によれば、本発明の輪郭検出方法及び装置を用いて検出対象の輪郭を検出するので、高精度に検出対象の位置を検出することができる。
【０１７７】
また、本発明の露光装置によれば、位置検出装置によって精度良く検出された検出対象の位置に基づいて装置を調整することができるため、高精度な露光を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の波面センサの構成を概略的に示す図である。
【図３】図２の標示板の表面状態を説明するための図である。
【図４】図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、図２のマイクロレンズアレイの構造を示す図である。
【図５】波面データ処理装置の構成を示すブロック図である。
【図６】位置検出装置の構成を示すブロック図である。
【図７】図１の露光装置における露光動作における処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】図７の収差測定サブルーチンにおける処理を説明するためのフローチャートである。
【図９】測定用レチクルに形成された測定用パターンの例を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態におけるスポット像の撮像時における光学配置を説明するための図である。
【図１１】輪郭および位置検出サブルーチンにおける処理を説明するためのフローチャートである。
【図１２】撮像データＩＭＤ２の一例を示すイメージ図である。
【図１３】撮像データＩＭＤ２の二値データの一例を示すイメージ図である。
【図１４】図１４（Ａ）は、膨張圧縮処理が実行される前の撮像データの様子を示す図、図１４（Ｂ）は、膨張圧縮処理中の撮像データの様子を示す図、図１４（Ｃ）は、膨張圧縮処理後の撮像データの様子を示す図である。
【図１５】楕円で近似される場合の輪郭候補点の頻度分布の作成方法を説明するための図である。
【図１６】頻度分布作成装置によって作成された頻度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
２０…主制御系（位置制御装置）、５１…輪郭候補点抽出装置、５２…関数近似装置、５３…基準位置算出装置、５４…頻度分布作成装置、５５…輪郭点抽出装置、８１…位置検出装置、８３…輪郭検出装置、８４…検出装置、９５２…ＣＣＤ、１００…露光装置、ＡＳ…アライメント検出系、ＰＬ…投影光学系、ＰＨ１〜ＰＨＮ…ピンホールパターン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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