(57)【要約】【課題】計測対象としてのマークを撮像して得られる画像信号が光学系の光学特性又は電気系の電気特性により位相ずれが生じたものであったとしても高い精度でマークの位置情報を計測することができる位置計測装置を提供する。【解決手段】ウェハＷの表面からの光を撮像素子５０の受光面に結像させる検出光学系ＯＳの像の位相ずれを示す伝達関数をｆ（ｘ）とする。また、撮像素子５０から出力される画像信号ＶＳ２がＡ／Ｄ変換部７２に伝達されるまでの電気経路ＥＳにおける電気信号の位相ずれを示す伝達関数をｇ（ｘ）とする。本発明は、これらの伝達関数ｆ（ｘ），ｇ（ｘ）を予め求めておき、Ａ／Ｄ変換部７２から出力される画像信号を伝達関数ｆ（ｘ），ｇ（ｘ）の逆特性を示す関数（フィルタ）で演算することにより、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳで生じた位相ずれを補正し、補正後の画像信号からマークＡＭの位置情報を算出する。【選択図】  図６
2004281904.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の、所定の計測方向における位置情報を演算する演算部を備えた位置計測装置であって、
前記マークを含む被照射領域に対して検知光を照射する照射系と、
前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段へ導き、且つ該光電変換手段から出力された前記画像信号を前記演算部へ導く検出系と、
前記検出系において、前記マーク光及び前記画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を記憶する記憶部と、
前記位相特性情報を用いて前記画像信号を加工処理する処理部とを有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記記憶部は、前記マーク光が前記光電変換手段へ導かれるまでに通過する光学系において前記マーク光に対して作用する光学特性情報と、前記光電変換手段から前記演算部までの電気経路上において前記画像信号に作用する電気特性情報とを総合した情報を、前記位相特性情報として記憶することを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
【請求項３】
物体上に形成されたマークの、所定の計測方向における位置情報を演算する演算部を備えた位置計測装置であって、
前記マークを含む被照射領域に対して検知光を照射する照射系と、
前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段へ導く検出光学系と、
前記検出光学系が前記マーク光の位相特性に対して作用する光学特性情報を記憶する記憶部と、
前記光学特性情報を用いて前記画像信号を加工処理する処理部とを有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項４】
前記記憶部は、前記検出光学系における像高に応じた前記光学特性情報を記憶しており、
前記処理部は、前記像高に応じた光学特性情報の中から、前記マークに応じた光学特性情報を選択的に使用することを特徴とする請求項３記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記照射系は、前記被照射領域を、部分的なインコヒーレント照明光で照明することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の位置計測装置。
【請求項６】
物体上に形成されたマークの、所定の計測方向における位置情報を演算する演算部を備えた位置計測装置であって、
前記マークを含む被照射領域に対して検知光を照射する照射系と、
前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を受光し、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段と、
前記画像信号が前記光電変換手段から前記演算部まで伝達される電気経路上において、前記画像信号の位相特性に対して作用する電気特性情報を記憶する記憶部と、
前記電気特性情報を用いて前記画像信号を加工処理する処理部とを有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項７】
前記電気経路上に設けられ、前記画像信号を増幅する増幅部を有し、
前記記憶部は、前記増幅部の増幅率に応じた電気特性情報を記憶しており、
前記処理部は、前記増幅部に設定された増幅率に応じて、前記電気特性情報を選択的に使用することを特徴とする請求項６記載の位置計測装置。
【請求項８】
前記演算部は、前記処理部により加工処理された前記画像信号を用いて、前記位置情報を算出することを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の位置計測装置。
【請求項９】
物体上に形成されたマークの、所定の計測方向における位置情報を演算する演算部を備えた位置計測装置であって、
前記マークを含む被照射領域に対して検知光を照射する照射系と、
前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段へ導き、且つ該光電変換手段から出力された前記画像信号を前記演算部へ導く検出系と、
前記検出系において、前記マーク光及び／又は前記画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を記憶する記憶部と、
前記画像信号を加工して複数の加工信号を生成する処理部とを有し、
前記演算部は更に、
前記複数の加工信号毎に前記位置情報を算出する第１演算部と、
前記位相特性情報を用いて前記第１演算部の算出結果を補正演算する第２演算部とを含むことを特徴とする位置計測装置。
【請求項１０】
所定パターンを基板上に転写する露光装置であって、
前記基板上に形成されたマークを、請求項１から請求項９の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて前記基板の位置決めを行う位置決め部と、
前記位置決めされた前記基板上に前記所定パターンを転写する露光部と、
前記位置決め部及び前記露光部を制御する制御部とを有することを特徴とする露光装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の露光装置を用いて、デバイスパターンを前記基板上に転写する露光工程と、
前記デバイスパターンが転写された前記基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウェハ若しくはガラスプレート又はマスク若しくはレチクル等の物体に形成されたマークの位置情報を計測する位置計測装置及び方法、当該位置計測装置及び方法によって得られたマークの位置情報を用いて物体の位置合わせ（アライメント）を行い、マスク若しくはレチクルに形成されたパターンをウェハ若しくはガラスプレート上に転写する露光装置、並びに当該露光装置を用いてデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、液晶表示素子、その他のデバイスの製造においては、露光装置を用いてマスクやレチクル（以下、これらを総称する場合はマスクという）に形成された微細なパターンの像をフォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウェハ又はガラスプレート等の基板上に投影露光することが繰り返し行われる。露光装置は、マスク及び基板に形成されたマークの位置情報を計測し、これらの計測結果からマスクと基板との相対的な位置ずれ量を算出し、この位置ずれ量を補正することで投影されるパターン像と既に基板上に形成されているパターンとの位置合わせを精確に行っている。近年においては、パターンの微細化の要求が高まっており、重ね合わせ精度の向上が益々厳しくなっている。重ね合わせ精度を向上させるためには、まずマスク及び基板に形成されたマークの計測精度を高める必要がある。
【０００３】
マスクに形成されたマークの位置情報を計測するアライメントセンサは、基板を露光する際に用いる露光光をマークに照射して位置情報を計測するものが一般的である。このアライメントセンサとしては、例えばＶＲＡ（Ｖｉｓｕａｌ  Ｒｅｔｉｃｌｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式を用いたものがある。ＶＲＡ方式は、基板がステージ上に搬送される前に、露光光をマスク上に形成されたマークに照射して得られる光学像をＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の撮像素子で画像信号に変換し、この画像信号に対して画像処理を施してマークの位置情報を検出するものである。
【０００４】
また、基板に形成されたマークの位置情報を計測するアライメントセンサは、デバイスの製造過程において測定対象である基板の表面状態（荒れ程度）が変化するため、単一種類のアライメントセンサによって基板の位置情報を正確に検出することは困難なことが多いため、一般的には異なる方式のアライメントセンサが複数設けられる。これらの主なものとしては、ＬＳＡ（Ｌａｓｅｒ  Ｓｔｅｐ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＬＩＡ（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式のものがある。
【０００５】
これらの方式のアライメントセンサを概説すると以下の通りである。つまり、ＬＳＡ方式のアライメントセンサは、レーザ光を基板に形成されたマークに照射し、回折・散乱された光を利用してそのマークの位置情報を計測するものであり、従来から種々の半導体素子を製造する際に幅広く使用されている。ＦＩＡ方式のアライメントセンサは、ハロゲンランプ等の波長帯域幅の広い光源を用いてマークを照明し、その結果得られたマークの像を撮像素子で画像信号に変換した後、画像処理して位置計測を行うものであり、アルミニウム層や基板表面に形成された非対称なマークの計測に効果的である。ＬＩＡ方式のアライメントセンサは、基板表面に形成された回折格子状のマークに、僅かに波長が異なるレーザ光を２方向から照射し、その結果生ずる２つの回折光を干渉させ、この干渉光の位相からマークの位置情報を検出するものである。このＬＩＡ方式の基板位置情報検出装置は、低段差のマークや基板表面の荒れが大きい基板に用いると効果的である。
【０００６】
また、以上の各方式のアライメントセンサは、投影光学系を介してマークの位置情報を計測するか否かによりＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式とオフ・アクシス方式とに分類される。以上説明した各方式のアライメントセンサの詳細については、例えば以下の特許文献１及び特許文献２を参照されたい。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２８９８７１号公報
【特許文献２】
特開平５−２１７８３５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した各種アライメントセンサのうち、マークの像の画像信号を得て画像処理を施すことによりマークの位置情報を計測するＶＲＡ方式及びＦＩＡ方式のアライメントセンサにおいては、アライメントセンサが備える光学系の残存収差が原因でマークの像が歪む。この歪みはマークで反射された光がアライメントセンサの光学系を通過する際に、光学系の残存収差によりマークの像の空間周波数成分の位相が成分毎にずれた（ウェハ又は基板の表面方向にシフトした）結果であると解釈することができる。
【０００９】
また、マークの像を撮像素子で変換した直後の画像信号はアナログ信号であり、このアナログ信号が増幅器で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器（アナログ・ディジタル変換器）で標本化及び量子化されることでディジタル信号に変換される。このため、撮像素子から出力された画像信号は、電気ケーブルを介してアナログ信号としてＡ／Ｄ変換器まで転送されることになるが、増幅器を含む電気伝送路の電気的特性によって、画像信号の周波数に依存した位相ずれが発生する。この位相ずれは時間的なものであるが、画像信号はマスク又は基板の面内の一方向に走査して得られるものであるため、走査方向における位相ずれと等価なものである。
【００１０】
上記の光学系で生ずる位相ずれ及び電気伝送路で生ずる位相ずれは、何れもマスク又は基板の面内におけるマークの位置ずれを引き起こし、マークの位置計測精度に悪影響を与える。位置計測精度を向上させるためには、これらの位相ずれが生じないようにアライメントセンサの光学系及び電気系を設計することが理想であるが現状では困難である。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、計測対象としてのマークを撮像して得られる画像信号が光学系の光学特性又は電気系の電気特性により位相ずれが生じたものであったとしても高い精度でマークの位置情報を計測することができる位置計測装置、露光装置、及びデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点による位置計測装置は、物体（Ｒ、Ｗ、１０）上に形成されたマーク（ＲＭ、ＡＭ）の、所定の計測方向（Ｘ、Ｙ）における位置情報を演算する演算部（７６）を備えた位置計測装置（６Ａ、６Ｂ、１６）であって、前記マークを含む被照射領域に対して検知光（ＥＬ１、ＤＬ）を照射する照射系（２０Ａ、２０Ｂ、４１〜４６）と、前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段（２５、５０）へ導き、且つ該光電変換手段から出力された前記画像信号（ＶＳ１、ＶＳ２）を前記演算部へ導く検出系（２１Ａ、２３、２４、４５、４６、４８、４９、７１、ＥＳ、ＯＳ）と、前記検出系において、前記マーク光及び前記画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を記憶する記憶部（７５）と、前記位相特性情報を用いて前記画像信号を加工処理する処理部（７４）とを有することを特徴としている。
この発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段へ導くとともに、光電変換手段から出力された画像信号を演算部へ導く検出系においてマーク光及び画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を予め記憶しておき、この位相特性情報を用いて検出系を介して得られた画像信号を加工処理している。かかる加工処理を行うことにより、演算部へ導かれた画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正される。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができる。
上記課題を解決するために、本発明の第２の観点による位置計測装置は、物体（Ｒ、Ｗ、１０）上に形成されたマーク（ＲＭ、ＡＭ）の、所定の計測方向（Ｘ、Ｙ）における位置情報を演算する演算部（７６）を備えた位置計測装置（６Ａ、６Ｂ、１６）であって、前記マークを含む被照射領域に対して検知光（ＥＬ１、ＤＬ）を照射する照射系（２０Ａ、２０Ｂ、４１〜４６）と、前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段（２５、５０）へ導く検出光学系（２１Ａ、２３、２４、４５、４６、４８、４９、ＯＳ）と、前記検出光学系が前記マーク光の位相特性に対して作用する光学特性情報を記憶する記憶部（７５）と、前記光学特性情報を用いて前記画像信号を加工処理する処理部（７４）とを有することを特徴としている。
この発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段へ導く検出光学系においてマーク光の位相特性に対して作用する光学特性情報を予め記憶しておき、この光学特性情報を用いて検出光学系を介して得られた画像信号を加工処理している。かかる加工処理を行うことにより、光電変換手段から出力される画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正される。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができる。
上記課題を解決するために、本発明の第３の観点による位置計測装置は、物体（Ｒ、Ｗ、１０）上に形成されたマーク（ＲＭ、ＡＭ）の、所定の計測方向（Ｘ、Ｙ）における位置情報を演算する演算部（７６）を備えた位置計測装置（６Ａ、６Ｂ、１６）であって、前記マークを含む被照射領域に対して検知光（ＥＬ１、ＤＬ）を照射する照射系（２０Ａ、２０Ｂ、４１〜４６）と、前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を受光し、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段（２５、５０）と、前記画像信号が前記光電変換手段から前記演算部まで伝達される電気経路（７１、ＥＳ）上において、前記画像信号の位相特性に対して作用する電気特性情報を記憶する記憶部（７５）と、前記電気特性情報を用いて前記画像信号を加工処理する処理部（７４）とを有することを特徴としている。
この発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段で光電変換して得られる画像信号が光電変換手段から演算部まで伝達される電気経路において電気経路の位相特性に対して作用する電気特性情報を予め記憶しておき、この電気特性情報を用いて電気経路を介した画像信号を加工処理している。かかる加工処理を行うことにより、演算部に導かれた画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正される。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができる。
上記課題を解決するために、本発明の第４の観点による位置計測装置は、物体（Ｒ、Ｗ、１０）上に形成されたマーク（ＲＭ、ＡＭ）の、所定の計測方向（Ｘ、Ｙ）における位置情報を演算する演算部（８５、８７）を備えた位置計測装置（６Ａ、６Ｂ、１６）であって、前記マークを含む被照射領域に対して検知光（ＥＬ１、ＤＬ）を照射する照射系（２０Ａ、２０Ｂ、４１〜４６）と、前記検知光の照射により前記被照射領域から得られるマーク光を、該マーク光に応じた画像信号を出力する光電変換手段（２５、５０）へ導き、且つ該光電変換手段から出力された前記画像信号を前記演算部へ導く検出系（２１Ａ、２３、２４、４５、４６、４８、４９、８１）と、前記検出系において、前記マーク光及び／又は前記画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を記憶する記憶部（８６）と、前記画像信号を加工して複数の加工信号を生成する処理部（８３ａ〜８３ｎ）とを有し、前記演算部は更に、前記複数の加工信号毎に前記位置情報を算出する第１演算部（８８）と、前記位相特性情報を用いて前記第１演算部の算出結果を補正演算する第２演算部（８５、８９）とを含むことを特徴としている。
この発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段へ導くとともに、光電変換手段から出力された画像信号を演算部へ導く検出系においてマーク光及び／又は画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を予め記憶しておき、検出系を介して得られた画像信号を加工して複数の加工信号を生成してこれらの加工信号各々から位置情報を算出し、位相特性情報を用いて算出した位置情報を補正演算している。かかる補正演算を行うことにより、演算部へ導かれた画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正される。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができる。
本発明の露光装置は、所定パターンを基板（Ｗ）上に転写する露光装置であって、前記基板上に形成されたマーク（ＡＭ、Ｍｘｉ，Ｍｙｉ）を、上記の何れかの位置計測装置を用いて計測し、その計測結果に基づいて前記基板の位置決めを行う位置決め部（９、１３）と、前記位置決めされた前記基板上に前記所定パターンを転写する露光部（ＰＬ）と、前記位置決め部及び前記露光部を制御する制御部（１５）とを有することを特徴としている。
本発明のデバイス製造方法は、上記の露光装置を用いて、デバイスパターンを前記基板上に転写する露光工程（Ｓ２６）と、前記デバイスパターンが転写された前記基板を現像する現像工程（Ｓ２７）とを含むことを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による位置計測装置、露光装置、及びデバイス製造方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。尚、以下の説明においては、図１中に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＺ軸が紙面に対して平行となるよう設定され、Ｙ軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。また、本実施形態においては、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置を例に挙げて説明する。
【００１４】
図１において、１は照明光学系の一部をなすコンデンサレンズである。照明光学系は例えば超高圧水銀ランプ又はエキシマレーザ等の光源（図示省略）が設けられており、この光源から射出された露光光ＥＬはコンデンサレンズ１を介してマスクとしてのレチクルＲに形成されたパターン領域ＰＡを均一な照度分布で照射する。露光光ＥＬとしては、例えばｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）、又はＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、若しくはＦ２エキシマレーザ（１５７ｎｍ）から射出される光が用いられる。
【００１５】
レチクルＲは、モータ２によって投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向に微動可能で、且つその光軸ＡＸに垂直な面内で２次元移動及び微小回転可能なレチクルステージ３上に吸着保持されている。尚、レチクルＲは不図示のレチクル交換器により適宜交換されて使用される。レチクルステージ３の端部にはレーザ干渉計４からのレーザビームを反射する移動鏡５が固定されており、レチクルステージ３の２次元的な位置はレーザ干渉計４によって、例えば１ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。レチクルＲの上方にはレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが配置されている。
【００１６】
レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、レチクルＲの外周付近に形成された位置検出用のレチクルマークＲＭと投影光学系ＰＬを介して後述するウェハステージ９上に形成された基準部材１０又はウェハステージ９上に載置されたウェハＷに形成されたマークとを同時に観察し、レチクルＲとウェハステージ９との相対的な位置関係又はレチクルＲとウェハＷとのＸ方向又はＹ方向（所定の計測方向）における相対的な位置関係を直接的に計測（観察）する。
【００１７】
レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂの計測結果は後述する主制御系１５へ出力され、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理が施されてレチクルＲとウェハステージ９又はウェハＷとの相対的な位置ずれ量が求められる。そして、この位置ずれ量に応じて主制御系１５がモータ２を駆動してレチクルステージ３を微動させることで、レチクルＲに形成されたパターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。このレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のアライメントセンサの一種であるＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメントセンサであって、レチクルマークＲＭ等の画像信号から位置情報を計測するＶＲＡ方式のアライメントセンサであり、その詳細については後述する。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、本発明の一実施形態による位置計測装置の一部をなすものである。
【００１８】
上記レチクルＲのパターン領域ＰＡを透過した露光光ＥＬは、例えば両側（片側でも良い。）テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射して基板としてのウェハＷ上の各ショット領域に投影される。ここで、投影光学系ＰＬは、露光光ＥＬの波長に関して最良に収差補正されており、その波長のもとでレチクルＲとウェハＷとは互いに光学的に共役になっている。また、照明光ＥＬは、ケラー照明であり、投影光学系ＰＬの瞳（図示省略）の中心に光源像として結像されている。尚、投影光学系ＰＬは複数のレンズ等の光学素子を有し、その光学素子の硝材としては露光光ＥＬの波長に応じて石英、蛍石等の光学材料から選択され、その投影倍率は、例えば１／４又は１／５に設定されている。このため、露光光ＥＬによりレチクルＲ上の照明領域が照明されると、そのレチクルＲのパターン面に形成されたパターンの像が投影光学系ＰＬによってウェハＷ上に縮小投影され、表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウェハ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。
【００１９】
ウェハＷはウェハホルダ８を介してウェハステージ９上に吸着保持されている。ウェハホルダ８上には、レチクルＲの位置計測及びベースライン計測等で使用する基準部材１０が設けられている。ここで、ベースラインとは、例えばレチクルＲのパターン領域ＰＡに形成されたパターンの投影光学系ＰＬによる投影像の中心位置と後述するウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心との距離をいう。基準部材１０には基準マークとして、例えば光透過性の５組のＬ字状パターンから成るスリットパターンと、光反射性のクロムで形成された２組の基準パターン（デューティ比は１：１）とが設けられている。
【００２０】
一方の組の基準パターンは、例えばＹ方向に配列された７個のドットマークをＸ軸方向に３列配列してなる回折格子マークと、３本の直線パターンをＸ軸方向に配列してなる回折格子マークと、Ｙ方向に延びた１２本のバーマークとを、Ｘ軸方向に配列したものである。他方の組の基準パターンは、例えばその一方の組の基準パターンを９０°回転したものである。
【００２１】
ウェハステージ９は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内でウェハＷを２次元的に位置決めするＸＹステージ、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）にウェハＷを位置決めするＺステージ、ウェハＷを微小回転させるステージ、及びＺ軸に対する角度を変化させてＸＹ平面に対するウェハＷの傾きを調整するステージ等より構成されている。ウェハステージ９の上面の一端にはＬ字型の移動鏡１１が取り付けられ、移動鏡１１の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計１２が配置されている。
【００２２】
図１では簡略化して図示しているが、移動鏡１１はＸ軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な反射面を有する平面鏡より構成されている。また、レーザ干渉計１２は、Ｘ軸に沿って移動鏡１１にレーザビームを照射する２個のＸ軸用のレーザ干渉計及びＹ軸に沿って移動鏡１１にレーザビームを照射するＹ軸用のレーザ干渉計より構成され、Ｘ軸用の１個のレーザ干渉計及びＹ軸用の１個のレーザ干渉計により、ウェハステージ９のＸ座標及びＹ座標が計測される。また、Ｘ軸用の２個のレーザ干渉計の計測値の差により、ウェハステージ９のＸＹ平面内における回転角が計測される。
【００２３】
ウェハステージ９の２次元的な座標は、レーザ干渉計１２によって例えば１ｎｍ程度の分解能で常時検出されており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の座標によりウェハステージ９のステージ座標系（静止座標系）（Ｘ，Ｙ）が定められる。即ち、レーザ干渉計１２により計測されるウェハステージ９の座標値が、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上の座標値である。レーザ干渉計１２により計測されたＸ座標、Ｙ座標、及び回転角を示す位置計測信号ＰＤＳは主制御系１５に出力される。
【００２４】
主制御系１５は、供給された位置計測信号ＰＤＳをモニタしつつ、ウェハステージ９の位置を制御する制御信号をモータ１３へ出力する。このような閉ループの制御系により、例えばウェハステージ９はウェハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光が終了すると、次のショット位置までステッピングされる。また、主制御系１５は図示しない照明光学系に設けられる光源から露光光ＥＬを射出するか否か、露光光ＥＬを射出する場合の露光光ＥＬの強度等の制御を行う。尚、主制御系１５の構成についての詳細な説明は後述する。
【００２５】
また、本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬの結像特性を調整するための結像特性補正部１４が設けられている。この結像特性補正部１４は、投影光学系ＰＬを構成する一部のレンズエレメント、特にレチクルＲに近い複数のレンズエレメントの各々を、ピエゾ素子等の圧電素子を用いて独立に駆動（光軸ＡＸに対して平行な方向の移動又は傾斜）することで、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば投影倍率やディストーションを補正するものである。
【００２６】
また、本実施形態の露光装置は、オフ・アクシス方式のウェハ・アライメントセンサ１６を投影光学系ＰＬの側方に備える。このウェハ・アライメントセンサは１６、本発明の位置計測装置の一部をなすものであり、ウェハＷに形成されたマークのＸ方向及びＹ方向（所定の計測方向）における位置情報を計測するために用いられる。ウェハ・アライメントセンサ１６の計測結果を上述したベースラインの計測結果で補正することにより、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）におけるマークの位置情報を得ることができる。尚、ウェハ・アライメントセンサ１６の詳細については後述する。
【００２７】
更に、本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬの側面にウェハＷのＺ軸方向の位置及びＸＹ平面に対する傾斜量を計測するための斜入射方式の多点のメインフォーカスセンサ１７が設置されている。このメインフォーカスセンサ１７は、ウェハＷ上においてレチクルＲの像が投影される露光領域内の予め設定された複数の計測点にスリット像を投影する照射光学系１８と、それらスリット像からの反射光を受光してそれらスリット像を再結像し、これら再結像されたスリット像の横ずれ量に対応する複数のフォーカス信号を生成する集光光学系１９とから構成され、それら複数のフォーカス信号が主制御系１５に供給されている。そして、主制御系１５が集光光学系１９から出力されるフォーカス信号に基づいて常に投影光学系ＰＬの最良結像面にウェハＷの表面が位置するようにモータ１３を介してウェハステージ９を制御する。尚、上記ウェハステージ９及びモータ１３は本発明にいう位置決め部に相当し、照明光学系及び投影光学系ＰＬは本発明にいう露光部に相当し、主制御系１５は本発明にいう制御部に相当する。
【００２８】
以上、本発明の露光装置の全体構成について概説したが、次に本発明の位置計測装置の一部をなすレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂ及びウェハ・アライメントセンサ１６の詳細について順に説明する。図２は、レチクル・アライメントセンサ６Ａの構成例を示す構成図である。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは同様の構成であるため、以下では主にレチクル・アライメントセンサ６Ａについて詳細に説明する。
【００２９】
レチクル・アライメントセンサ６Ａは、プリズム２０Ａ、ハーフミラー２１Ａ、及び観察光学系２２Ａを含んで構成される。レチクル・アライメントセンサ６Ａはケースにより一体化され、不図示の駆動装置によって図１中の符号Ａ，Ａ′を付した方向に移動自在に構成されている。レチクルＲのアライメントを行なう際には、主制御系１５は不図示の駆動装置を介してレチクル・アライメントセンサ６Ａを符号Ａを付した方向に駆動して図１に示した位置に位置決めし、レチクルアライメントが終了すると、露光の際に邪魔にならないように、符号Ａ′を付した方向に駆動して所定の退避位置に退避させる。
【００３０】
レチクル・アライメントセンサ６Ｂは、同様に、プリズム２０Ｂ、ハーフミラー２１Ｂ、及び不図示の観察光学系を含んでケースにより一体化され、不図示の駆動装置によって図１中の符号Ｂ，Ｂ′を付した方向に移動自在に構成されている。そして、このレチクル・アライメントセンサ６Ｂも、同様に主制御系１５により、後述するレチクルアライメントを行なう際に、図１に示される位置に位置決めされ、レチクルアライメントが終了すると、所定の退避位置に退避されるように構成されている。尚、上記プリズム２０Ａ，２０Ｂは、本発明の照射系の一部に相当するものである。
【００３１】
図２に示すように、プリズム２０Ａは、露光光ＥＬをレチクルＲ上のレチクルマークＲＭ上に導くためのものである。レチクルマークＲＭ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、照明光学系の負荷、照度の無駄を無くすため、通常照明領域より露光光ＥＬの一部の光束（以下、この光束を便宜上、露光光ＥＬ１という）を導くようにしたものである。尚、この露光光ＥＬ１は本発明にいう検知光に相当するものである。
【００３２】
露光光ＥＬ１の光路上にハーフミラー２１Ａが配置されており、プリズム２０Ａにより導かれた露光光ＥＬ１はハーフミラー２１Ａ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、例えば基準部材１０に形成された基準マークを照明する。尚、露光光ＥＬ１が照明されるレチクルＲ上の領域及び露光光ＥＬ１が照明される基準部材１０又はウェハＷ上の領域は本発明にいう被照射領域に相当する。
【００３３】
ここで、レチクルアライメントを行う際には、レチクルＲ上の被照射領域及びウェハＷ又は基準部材１０上の被照射領域を照明する露光光ＥＬ１を、部分的なインコヒーレント照明光に設定する。このためには、プリズム２０Ａを含む照明光学系の照明σを０．８以上に設定する。これは、観察光学系２２Ａを線形光学系とみなして、レチクルマークＲＭからの反射光及び基準部材１０等からの反射光の位相情報を得るためである。
【００３４】
レチクルマークＲＭからの反射光及び基準部材１０からの反射光は、ハーフミラー２１Ａでそれぞれ反射されて観察光学系２２Ａに入射する。観察光学系２２Ａは、結像光学系２３、ハーフミラー２４、ＣＣＤセンサ２５、焦点位置検出用の光として露光光源から分岐された露光光を導く光ファイバ２６、スリット板２７、ハーフミラー２８、瞳遮光板３０、及びＣＣＤセンサ３１を含んで構成されている。これらの部材のうち、結像光学系２３、ハーフミラー２４、及び受光部としてのＣＣＤセンサ２５により、レチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マーク等の像を検出するための検出光学系が構成されている。
【００３５】
つまり、前述したように、ハーフミラー２１Ａでそれぞれ反射されたレチクルマークＲＭ、基準部材１０からの反射光は、露光波長の光のみを透過させ、その他の波長の光を反射させるダイクロイックミラー２４を透過して結像光学系２３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Ｒのパターン形成面と基準部材１０の上面とは光学的に共役関係となるよう設定されている。
【００３６】
このため、レチクルＲのパターン形成面とＣＣＤセンサ２５の受光面とが光学的に共役であれば、ＣＣＤセンサ２５の受光面にレチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マークの像が最良の結像状態でそれぞれ結像し、ＣＣＤセンサ２５からはレチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マークの画像信号ＶＳ１が出力される。従って、主制御系１５がＣＣＤセンサ２５から出力される画像信号ＶＳ１に対して画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行えば、レチクルマークＲＭと基準部材１０に形成された基準マークとの相対位置を求めることができる。尚、本実施形態では、上記結像光学系２３として、焦点距離を可変とできる光学系、即ち所謂内焦式の光学系が用いられている。また、上記ハーフミラー２１Ａ、結像光学系２３、及びダイクロイックミラー２４は本発明にいう検出光学系に相当し、ＣＣＤセンサ２５は本発明にいう検出系の一部又は光電変換手段に相当する、
【００３７】
また、観察光学系２２Ａを構成する部材のうち、焦点位置検出用の光源２６、スリット板２７、ハーフミラー２８、波長選択フィルタ２９、瞳遮光板３０、及びＣＣＤセンサ３１によって、結像光学系２３の焦点ずれを検出する焦点位置検出系が構成されている。上記焦点位置検出用の光源２６は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）であり、この光源２６から射出される焦点位置検出用の検出光ＩＬの波長は露光光ＥＬとは異なる波長である。
【００３８】
スリット板２７には、所定形状の開口（スリット）が形成されている。光源２６から射出された検出光ＩＬがスリット板２７を照明すると、スリット板２７のスリットを透過した検出光ＩＬは、ハーフミラー２８、ダイクロイックミラー２４で順次反射され、結像光学系２３を通過した後、ハーフミラー２１ＡによりレチクルＲのパターン面を落射照明する。これにより、レチクルＲのパターン形成面にスリット板２７のスリット像が結像される。
【００３９】
このスリット像の反射光は検出光ＩＬと同じ光路を逆向きに戻り、ダイクロイックミラー２４で反射された後、ハーフミラー２８を透過し、露光光ＥＬの波長域の光を透過させない波長選択フィルタ２９を更に透過して瞳遮光板３０に至る。この瞳遮光板３０は、例えば焦点位置検出系の瞳面に配置され、瞳面の図２における左半分を遮光する半円状のものである。この瞳遮光板３０を通過したスリット像の反射光は強制的に傾斜させられた後、ＣＣＤセンサ３１上にスリット像を再結像する。
【００４０】
以上のように、ＣＣＤセンサ３１の受光面には、その光軸が傾斜した光束が入射するため、例えばレチクルＲの厚さ変化等の要因により結像光学系２３の焦点位置がずれて、レチクルＲのパターン形成面とＣＣＤセンサ２５の受光面との共役関係が維持できなくなると、ＣＣＤセンサ３１上におけるスリット像の結像位置がずれる。従って、ＣＣＤセンサ３１からの合焦用信号ＦＳ１に基づいて主制御系１５が結像光学系２３の焦点ずれを測定し、結像光学系２３内部の不図示のレンズ群を駆動することで結像光学系２３の焦点をレチクルパターン面とＣＣＤセンサ２５の受光面とに合わせることができることができるようになっている。
【００４１】
この場合、主制御系１５は、ＣＣＤセンサ３１上でのスリット像の結像位置が常に一定になるように、結像光学系２３内部のレンズ群を駆動することにより、常にＣＣＤセンサ２５に焦点位置を一致させる。ＣＣＤセンサ２５上でのスリット像結像位置の目標値は、ＣＣＤセンサ２５から出力される画像信号が最もシャープ（例えば、コントラストが最大となる）状態において、ＣＣＤセンサ３１で検出されるスリット像結像位置を予め求めて設定しておく。
【００４２】
次に、ウェハ・アライメントセンサ１６について詳細に説明する。図３は、ウェハ・アライメントセンサ１６の構成例を示す構成図である。尚、図３に示すウェハ・アライメントセンサ１６は、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式のアライメントセンサである。ウェハ・アライメントセンサ１６は、所定の広帯域波長の光束を検知ビームＤＬとして射出する光源４１を備える。この光源４１はウェハＷに形成されたマークＡＭの観察用及び合焦用（焦点合わせ）に共用される。尚、検知ビームＤＬは本発明にいう検知光に相当する。
【００４３】
光源４１の光路上にはコンデンサレンズ４２、視野絞り４３、照明リレーレンズ４４、及びビームスプリッタ４５が順に配置されている。視野絞り４３は、図３中に示すように、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を有する。主開口Ｋ１は略正方形状に形成され、視野絞り４３の中央部に配置されており、その中心がコンデンサレンズ４２及び照明リレーレンズ４４の光軸とほぼ一致するように光路中に挿入されている。
【００４４】
副開口Ｋ２，Ｋ３は細長い矩形スリット状に形成され、その長手方向の辺が主開口Ｋ１の対向する２つの辺に対して所定の角度（例えば５°）傾いた状態で主開口Ｋ１の近傍位置に配置されている。そして、主開口Ｋ１の辺と直交し、且つ副開口Ｋ２，Ｋ３の長手方向と略直交する方向（傾いていない状態で直交する方向）が、後述するフォーカスの計測方向となる。以下の説明中では、副開口Ｋ２，Ｋ３の略長手方向を非計測方向と呼ぶ。また、フォーカスの計測方向は、種々の方向に設定することが可能であるが、本実施形態ではウェハＷの表面のパターンの基準線の方向（Ｘ方向又はＹ方向）に合わせているものとする。
【００４５】
照明リレーレンズ４４を介した光源４１からの検知ビームＤＬがビームスプリッタ４５において反射される方向、図３ではビームスプリッタ４５から下方に進む光路上には、第１対物レンズ４６が配置されている。この光路の先にはウェハＷを載置するためのウェハステージ９が配置されることになる。
【００４６】
ウェハＷの表面が基準面Ｆ１に一致するように位置決めされた状態では、ウェハＷの表面は、視野絞り４３と光学的に共役の関係となる。ウェハＷ上には位置検出用のマークＡＭが形成されており、このマークＡＭが図３に示すようにウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置されると、マークＡＭは検知ビームＤＬにより落射照明される。尚、ウェハステージ９上において検知ビームＤＬが落射照明される領域は、本発明にいう被照射領域に相当する。
【００４７】
ここで、ウェハＷ上の被照射領域を照明す検知ビームＤＬを、部分的なインコヒーレント照明光に設定する。このためには、ウェハ・アライメントセンサ１６の照明σを０．８以上に設定する。これは、ウェハ・アライメントセンサ１６を線形光学系とみなして、ウェハＷ等からの反射光の位相情報を得るためである。
【００４８】
また、第１対物レンズ４６の光軸に沿って、ビームスプリッタ４５の反射面を透過する方向、図では上方向への光路上には、第２対物レンズ４８、ビームスプリッタ４９、遮光板５１、第１リレーレンズ５２、及び瞳分割用反射型プリズム５３が順に配置されている。遮光板５１は基準面Ｆ１と光学的に共役な面Ｆ２に配置されており、ウェハＷの表面で反射され、第１対物レズ４６、ビームスプリッタ４５、第２対物レンズ４８、及びビームスプリッタ４９を順に通過した光の一部を遮光する。尚、遮光板５１の詳細については後述する。
【００４９】
瞳分割用反射型プリズム５３は、第１リレーレンズ５２を介して入射する光束を複数の光束に分割（本実施形態では２本の光束に分割）する光束分割部材であって、光源４１と共役な位置又はその近傍に配置される。ここで、瞳分割用反射型プリズム５３は、２面が１８０度に近い鈍角で山型に形成されたプリズムの、その２面を反射面に仕上げた光学部材である。本実施形態では、この２面の交線（山の稜線）が第１リレーレンズ５２の光軸と交差し、その光軸をほぼ９０度折り曲げるように傾けて配置されている。
【００５０】
第１リレーレンズ５２を介して瞳分割用反射型プリズム５３に入射した検知ビームＤＬは、ここで図中右方へ分割反射される。この右方への光路上には、瞳分割用反射型プリズム５３に続いて第２リレーレンズ５４、円柱光学系である円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）５５、及びＡＦ（オートフォーカス）センサ５６が順次配置される。ここで円柱光学系とは、前後の面が、互いに平行な母線を有する円柱面であるレンズである。前後の面の一方が平面であってもよい。この場合、具体的には円柱面の母線と直角の方向には屈折力があるが母線方向の屈折力はゼロである。本実施形態では、円柱レンズ５５はその母線がフォーカスの計測方向にほぼ一致するように配置される。また、本明細書では、直交する２方向で屈折力が異なるレンズ、トーリックレンズを含む概念とする。
【００５１】
ＡＦセンサ５６は、面Ｆ２と光学的に共役又はその近傍の位置である第１撮像面Ｖ１に配置され、第１撮像面Ｖ１上に結像される像の位置関係を検出して合焦用信号ＦＳ２を出力する。また、第１対物レンズ４６、ビームスプリッタ４５、及び第２対物レンズ４８を順に介した光束がビームスプリッタ４９によって反射される方向、図３中では左方向の光路上には基準面Ｆ１と光学的に設定された第２撮像面Ｖ２にＣＣＤ撮像素子等の撮像素子５０の受光面が配置される。撮像素子５０は第２撮像面Ｖ２上に結像される像を画像信号ＶＳ２に変換して出力する。上記ＡＦセンサ５６からの合焦用信号ＦＳ２及び撮像素子５０からの画像信号ＶＳ２は主制御系１５に出力される。
【００５２】
尚、上記光源４１、コンデンサレンズ４２、視野絞り４３、照明リレーレンズ４４、ビームスプリッタ４５、及び第１対物レンズ４６は本発明にいう照射系に相当し、第１対物レンズ４６、ビームスプリッタ４５、第２対物レンズ４８、及びビームスプリッタ４９は本発明にいう検出系の一部又は検出光学系に相当し、撮像素子５０は本発明にいう光電変換手段に相当する。
【００５３】
次に、以上の構成におけるウェハ・アライメントセンサ１６の動作について簡単に説明する。光源４１から検知ビームＤＬが射出されるとコンデンサレンズ４２によって集光され、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を有する視野絞り４３を均一に照明する。視野絞り４３の主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を通過した光束は、照明リレーレンズ４４によってコリメートされ、ビームスプリッタ４５で反射される。
【００５４】
この反射された光束は、第１対物レンズ４６によって集光され、ウェハステージ９上に載置されたウェハＷの表面に垂直に照射される。ウェハＷの表面が基準面Ｆ１に配置されているときには、ウェハＷの表面と視野絞り４３とは光学的に共役の関係となるため、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３の像は照明リレーレンズ４４及び第１対物レンズ４６を介してウェハＷの表面に結像される。
【００５５】
ここで、ウェハＷの表面に結像された主開口Ｋ１の像からの反射光束をＬ１、副開口Ｋ２の像からの光束をＬ２、副開口Ｋ３の像からの光束をＬ３とする。これらの光束Ｌ１〜Ｌ３は第１対物レンズ４６によってコリメートされ、ビームスプリッタ４５を透過し、第２対物レンズ４８によって再び集光され、ビームスプリッタ４９によって透過及び反射分岐される。
【００５６】
反射分岐された光束のうち、光束Ｌ１は集束されて撮像素子５０の受光面にマークＡＭの像が結像される。撮像素子５０は受光面に結像したマークＡＭの像を光電変換して画像信号ＶＳ２を出力する。一方、ビームスプリッタ４９において透過分岐された光束Ｌ１〜Ｌ３は、第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８の結像作用によって、ウェハＷ表面と共役又はその近傍の面Ｆ２の位置に設けられた遮光板５１にＫ１〜Ｋ３の像を再結像する。即ち、遮光板５１上には、第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８によってウェハＷの表面上に形成された主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３の中間像が形成される。
【００５７】
図３中に光軸方向から見た遮光板５１の構成例を示す。遮光板５１には光軸に対して対称な位置に２個のスリット状の光束通過部Ｋ１２，Ｋ１３が副開口Ｋ２，Ｋ３に対応するように設けられており、ウェハ表面において結像反射された光束Ｌ１〜Ｌ３のうち光束Ｌ１は遮光され、光束Ｌ２，Ｌ３のみがＫ１２及びＫ１３をそれぞれ介して通過できるように構成されている。また、遮光板５１の他の構成例も図３中に示してある。即ち、光束Ｌ１が遮光板５１に入射する（図中斜線で示す）範囲のみが遮光され、その周囲の部分全ての領域Ｋ１４が光束通過部として構成されていてもよい。
【００５８】
遮光板５１を通過した光束Ｌ２，Ｌ３は第１リレーレンズ５２によってコリメートされた後、瞳分割用反射型プリズム５３上に光源４１の像を結像する。更に、光束Ｌ２，Ｌ３は瞳分割用反射型プリズム５３によってそれぞれ２つの光束に分割されるとともに、図中右方へ反射されて第２リレーレンズ５４により再び集光される。そして、円柱レンズ５５を介して、ＡＦセンサ５６上に光束Ｌ２及びＬ３による副開口Ｋ２，Ｋ３のスリット像をそれぞれ２分割して結像する。
【００５９】
ＡＦセンサ５６の受光面上における２分割光束の結像位置はウェハＷの表面のＺ方向の位置に応じて変化する。このため、予めウェハＷが基準面Ｆ１に配置されている状態において検出される２分割光束の結像位置の距離を基準距離として主制御系１５に設定しておき、主制御系１５において基準距離とＡＦセンサ５６で検出された２分割光束の結像位置の距離との大小関係を比較することで、ウェハＷの表面がウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置されているか否か（合焦しているか否か）を判断する。
【００６０】
合焦していない場合には基準距離と算出した距離との大小関係からウェハＷのずれ方向を求めて、ずれ方向と反対方向にウェハステージ９を駆動する。ウェハステージ９をＺ方向に駆動している最中においてもＡＦセンサ５６による上述した検出及び各種処理を行い、２分割光束の結像位置間の距離と基準距離とが等しくなったときにウェハステージ９の駆動を停止する。ウェハＷがウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置されている状態で撮像素子５０から出力される画像信号ＶＳ２を主制御系１５で画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行うことにより、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置されているマークＡＭの位置情報が計測される。
【００６１】
以上、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂ及びウェハ・アライメントセンサ１６の構成及び動作について説明したが、次に主制御系１５について詳細に説明する。図４は、主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。尚、図４においては、図１〜図３中に示した部材と同一の部材には同一の符号を付してある。図４に示すように、主制御系１５は、フォーカス検出ユニット６０、画像処理ユニット６１、フォーカス検出ユニット６２、ＦＩＡ演算ユニット６３、アライメントデータ記憶部６４、ＥＧＡ演算ユニット６５、記憶部６６、ショットマップデータ部６７、システムコントローラ６８、ウェハステージコントローラ６９、及びレチクルステージコントローラ７０から構成されている。
【００６２】
画像処理ユニット６１は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂから出力される画像信号ＶＳ１に対して、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行い、レチクルマークＲＭと基準部材１０に形成された基準マークとの相対位置を求め、その処理結果をシステムコントローラ６８へ出力する。また、ＦＩＡ演算ユニット６３は、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２に対して、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行い、ウェハＷに形成されたマークＡＭの位置情報を求めてアライメントデータ記憶部６４へ出力する。尚、上記画像処理ユニット６１及びＦＩＡ演算ユニット６３で行われる画像処理等の具体例としては、マークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等がある。
【００６３】
フォーカス検出ユニット６０は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂから出力される合焦用信号ＦＳ１を用いて、図２に示すレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが備える結像光学系２３の焦点ずれを検出する。また、フォーカス検出ユニット６２は、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される合焦用信号ＦＳ２を用いて、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置からのウェハＷの表面のずれ量を検出する。フォーカス検出ユニット６０，６２の算出結果は、システムコントローラ６８へ出力される。
【００６４】
アライメントデータ記憶部６４はＦＩＡ演算ユニット６３から出力されたマークＡＭの位置情報を記憶する。ＥＧＡ演算ユニット６５は、ウェハＷ上に予め設定された代表的な数個（３〜９個）のショット領域の各々に付随して形成されたマークＡＭの、ウェハ・アライメントセンサ１６により計測された位置情報と、その設計上の位置情報とに基づいてＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）演算を行い、ウェハＷ上に設定された全てのショット領域の配列の規則性を統計的な手法で決定する。
【００６５】
記憶部６６は、ＥＧＡ演算ユニット６５がＥＧＡ演算を行っている最中に得られる各種変換パラメータ及び残留誤差成分（例えば、設計値と計測値との残差の単純な自乗和）を一時的に記憶する。ショットマップデータ部６７は、上述したウェハＷ上に設定された複数のショット領域の設計上の位置情報及びショット領域に付随して設けられたマークＡＭの位置情報を含むショットマップデータを予め記憶している。
【００６６】
システムコントローラ６８は、ＥＧＡ演算ユニット６５の演算結果に基づいて、ウェハステージコントローラ６９を介してレーザ干渉計１２の計測値をモニタしつつ、モータ１３を介して図１に示したウェハステージ９を駆動して、ウェハＷ上の各ショット領域の位置決め及び各ショット領域に対する露光制御を行う。また、システムコントローラ６８は、レチクルステージコントローラ７０を介してレーザ干渉計４の計測値をモニタしつつ、モータ２を介して図１に示したレチクルステージ３を駆動して、レチクルＲの位置調整を行う。
【００６７】
更に、システムコントローラ６８は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂの焦点位置と図２に示すＣＣＤセンサ２５の受光面とが一致していない場合には、フォーカス検出ユニット６０の検出結果に応じてレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂに設けられた結像光学系２３が備えるレンズ群を駆動し、結像光学系２３の焦点位置を可変させる。また更に、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷの表面が配置されていない場合には、フォーカス検出ユニット６２の検出結果に応じてモータ１３を介して図１に示したウェハステージ９を駆動して、ウェハＷをＺ方向に移動させる。
【００６８】
次に、主制御系１５に設けられるＦＩＡ演算ユニット６３及び画像処理ユニット６１の構成について説明する。図５は、ＦＩＡ演算ユニット６３の内部構成を示すブロック図である。図５に示すように、ＦＩＡ演算ユニット６３は、画像信号増幅部７１、Ａ／Ｄ変換部７２、画像信号記憶部７３、位相補正部７４、位相特性情報記憶部７５、及び位置情報算出部７６を含んで構成される。
【００６９】
画像信号増幅部７１は、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２を所定の増幅率で増幅する。ここで、画像信号増幅部７１の増幅率は、画像信号ＶＳ２の全体的なレベル及びＳ／Ｎ比（信号対雑音比）等を考慮して適宜決定される。尚、画像信号増幅部７１は、設定した増幅率を示す増幅率情報を位相補正部７４へ出力する。Ａ／Ｄ変換部７２は、アナログ信号である画像信号ＶＳ２の標本化及び量子化を行い、画像信号ＶＳ２をディジタル信号に変換する。画像信号記憶部７３は、ディジタル化された画像信号ＶＳ２を一時的に記憶する。
【００７０】
位相補正部７４は、画像信号記憶部７３に一時的に記憶されている画像信号を読み出し、位相特性情報記憶部７５に記憶された位相特性情報に基づいて画像信号の位相ずれを補正する。このとき、位相補正部７４は画像信号増幅部７１から出力される増幅率情報又は位置情報算出部７６から出力される像高情報に応じた位相特性情報を位相特性情報記憶部７５から選択的に読み出す。
【００７１】
位置情報算出部７６は、位相補正部７４から出力される画像信号に対し、マークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等の処理を行って、マークＡＭの位置情報を求める。また、位置情報算出部７６はウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内におけるマークＡＭの位置を示す情報を像高情報として位相補正部７４に出力する。尚、上記画像信号増幅部７１、位相特性情報記憶部７５、位相補正部７４、及び位置情報算出部７６は、本発明にいう電気経路の一部、記憶部、処理部、演算部にそれぞれ相当する。
【００７２】
ここで、位相特性情報について説明する。図６は、位相特性情報を決める伝達関数を説明するための図である。図６に示すように、ウェハＷの表面で反射された光が撮像素子５０に至るまでの光学系を検出光学系ＯＳとし、撮像素子５０から出力された画像信号ＶＳ２がＡ／Ｄ変換部７２に至るまでを電気経路ＥＳとする。尚、電気経路ＥＳには画像信号増幅部７１が含まれる。また、検出光学系ＯＳの伝達関数をｆ（ｘ）とし、電気経路ＥＳの伝達関数をｇ（ｘ）とする。これらの伝達関数ｆ（ｘ），ｇ（ｘ）は複素関数で表され、一般的にはＸ軸の座標を示す変数ｘとＹ軸の座標を示す変数ｙとの関数であるが、ここでは簡単のためＸ軸方向のみについて考え、変数ｘの関数としてある。
【００７３】
伝達関数ｆ（ｘ）は、いわばウェハＷの表面からの光がどのように撮像素子５０の受光面に結像するかを示す関数である。従って、ウェハＷ表面における光強度及び初期位相を設定して伝達関数ｆ（ｘ）で演算すると、撮像素子５０の受光面に結像する光の振幅分布及び位相（複素振幅）を求めることができる。例えば、図６中に示すように、マークＡＭを含む領域において反射される光の光強度分布を示すデータｗ０と初期位相とを与えれば、撮像素子５０の受光面に受光されるマーク像の複素振幅分布を求めることができる。尚、複素振幅分布を二乗すれば強度分布となる。
【００７４】
同様に、伝達関数ｇ（ｘ）は、いわば撮像素子５０から出力された画像信号が画像信号増幅部７１を介してどのようにＡ／Ｄ変換部７２に伝達されるかを示す関数である。よって、撮像素子５０から出力される画像信号（例えば、図６に示す画像信号ｗ１）及び初期位相を設定して伝達関数ｇ（ｘ）で演算すると、Ａ／Ｄ変換部７２に入力される画像信号（例えば、図６に示す画像信号ｗ２）を求めることができる。尚、画像信号ｗ１，ｗ２は時系列的に出力されるが、撮像素子５０はウェハＷ上を一定速度で走査して画像信号ｗ１を得ており、時間とＸ座標は１対１に対応するため、伝達関数ｇ（ｘ）は変数ｘの関数として表しても良い点に注意されたい。
【００７５】
尚、伝達関数ｆ（ｘ），ｇ（ｘ）は、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳをそれぞれ線形システムとみなすことができる場合に用いられるものである。検出光学系ＯＳは、厳密には完全なインコヒーレント照明により照明されている場合に線形システムと考えられるものであるが、完全なインコヒーレント照明を実現するのは困難である。このため、本実施形態においては照明σを０．８以上に設定し、部分的なインコヒーレント照明とすることで、伝達関数ｆ（ｘ）を線形システムとみなしている。
【００７６】
ウェハＷの表面からの光は検出光学系ＯＳを通過する際に周波数成分毎に異なる位相ずれが生じ、この位相ずれが生じた周波数成分を重ね合わせて得られるマーク像を撮像素子５０で撮像すると、図６に示す形状変化及び位置シフトが生じた画像信号ｗ１が得られる。この各周波数成分毎の位相ずれを示す情報が位相特性情報の１つである光学特性情報であり、伝達関数ｆ（ｘ）から求めることができる。同様に、電気経路ＥＳにおける各周波数成分毎の位相ずれを示す情報が位相特性情報の１つである電気特性情報である。これら光学特性情報及び電気特性情報は、図５に示す位相特性情報記憶部７５に記憶されている。
【００７７】
尚、検出光学系ＯＳの伝達関数ｆ（ｘ）は、像高（ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心からの距離）によって変化する。つまり、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心にマークＡＭが配置されている場合と、計測視野の端部にマークＡＭが配置されている場合とによって、残存収差が異なり、各周波数成分の位相ずれも異なることがある。このため、像高毎に伝達関数ｆ（ｘ）を求め、像高毎の光学特性情報を位相特性情報記憶部７５に記憶しておく。同様に、電気経路ＥＳの伝達関数ｇ（ｘ）は、画像信号増幅部７１の増幅率によって変化するため、増幅率毎に伝達関数ｇ（ｘ）を求め、増幅率毎の電気特性情報を位相特性情報記憶部７５に記憶しておく。
【００７８】
図７は、位相特性情報を用いて位相ずれを補正する原理を説明するための図である。尚、ここでは検出光学系ＯＳで生ずる位相ずれを補正する場合を例に挙げて説明する。図７に示す通り、マークＡＭを含む領域において反射される光の光強度分布を示すデータｗ０を伝達関数ｆ（ｘ）で演算すると、位相ずれが生じた画像信号ｗ１（撮像素子５０の受光面に結像したマーク像に対応）が得られる。
【００７９】
線形システムの特性上、伝達関数ｆ（ｘ）からその逆の特性を有する伝達関数ｆ−１（ｘ）が求められ、形状変化等が生じた画像信号ｗ１（撮像素子５０の受光面に結像しているマーク像）を伝達関数ｆ−１（ｘ）で演算すると、位相ずれが生じていない元のデータｗ０が得られる。この原理を用いて、位相補正部７４は画像信号ＶＳ２の位相ずれを補正している。
【００８０】
以上、画像信号ＶＳ２の位相ずれを補正する原理について説明したが、次に、位相補正部７４が行う具体的な位相ずれの補正方法について説明する。位相補正部７４が位相ずれを補正するときには、まず補正フィルタの窓の大きさを決定する。この補正フィルタの窓の大きさは、計測対象であるマークＡＭが繰り返しパターンである場合には、この繰り返しパターンの周期よりも充分大きくなるように設定することが望ましい。このとき、補正フィルタの窓の大きさが繰り返しパターンの周期の整数倍となるように設定すると、位相と成分の次数との対応関係が明確となるため、より望ましい、
【００８１】
上記の補正フィルタは、設定した窓の大きさを整数で除算した周期を有する余弦関数（ｃｏｓ関数）の重ね合わせで表現する。ここで、設定した窓の大きさの１／ｋの周期を有する成分の次数をｋとし、これをｋ次成分とする。検出光学系ＯＳにおけるｋ次成分の位相遅れをΦｋとすると、補正フィルタｆＣ（ｘ）は以下の（１）式で表される。
【数１】
2004281904.tif 000003
【００８２】
位相補正部７４は、位相特性情報記憶部７５から光学特性情報、電気特性情報、又は光学特性情報と電気特性情報とを合わせた位相特性情報を読み出して、各成分毎に上記（１）式に示された補正フィルタの位相遅れΦｋを設定して、補正フィルタを生成する。そして、画像信号ＶＳ２に対して補正フィルタｆＣ（ｘ）を畳み込み演算することで、画像信号ＶＳ２の位相ずれを補正する。
【００８３】
尚、実際には上記（１）式に示した補正フィルタのみを用いる訳ではなく、窓による不連続性を緩和するための窓関数がかけられたものを用いる。また、上記（１）式中のＡ０，Ａｋは０次成分及びｋ次成分の振幅である。この各成分の振幅を調整可能に構成して各成分毎のゲインを調整することで、周波数ゲイン調整フィルタを兼ねる事も可能である。
【００８４】
ここで、移動特性情報記憶部７５に記憶される位相特性情報１つである光学特性情報は、例えば波面計測装置を用いてウェハ・アライメントセンサ１６における（電場振幅の）波面計測を行い、これを大σを有する光学系の電場強度の位相特性に換算して求める。また、位相特性情報の１つである電気特性情報は、電気経路ＥＳに対して位相が既知の試験信号を入力し、その試験信号の位相遅れを計測して求める。
【００８５】
更に、上記光学特性情報と電気特性情報とを合わせた位相特性情報を求める場合には、ウェハ・アライメントセンサ１６の残存収差によって、像が影響を受けるマークを観察してその像から求める。例えば、光学解像限界以下の点像（二次元で収差を補正する場合）又は光学解像限界以下の線像（一次元で収差を補正する場合）をウェハ・アライメントセンサ１６で観察し、得られる画像信号をスペクトル解析（フーリエ変換）して求める。これらの計測は、ウェハＷに形成されたマークを観察する前に予め行い、得られた位相特性情報を図５に示す位相特性情報記憶部７５に記憶させておく。
【００８６】
以上、ＦＩＡ演算ユニット６３の構成について説明したが、画像処理ユニット６１も図５に示す画像信号増幅部７１〜位置情報算出部７５と同様の構成を有しし、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが備えるＣＣＤセンサ２５から出力される画像信号ＶＳ１の位相ずれを補正した後で、レチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からレチクルマークＡＭ及び基準マークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からレチクルマークＲＭと基準マークとのずれ量を算出する処理を行う。
【００８７】
次に、上記構成におけるウェハ・アライメントセンサ１６のマークＡＭの位置情報を計測する際の動作について説明する。露光装置内にウェハＷが搬入されてウェハステージ９上に吸着保持されると、主制御系１５がモータ１３を駆動してウェハステージ９をＸＹ面内で移動させ、ウェハＷに形成されたマークＡＭの１つをウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置し、検知ビームＤＬを配置したマークＡＭに照射する。この照射によってウェハＷの表面で反射又は回折された光は、図３に示す第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８等を介して撮像素子５０及びＡＦセンサ５６で受光される。
【００８８】
ＡＦセンサ５６は２分割光束の結像位置間の距離を検出して合焦用信号ＦＳ２を出力する。この合焦用信号ＦＳ２は主制御系１５のフォーカス検出ユニット６２において予め設定されている基準距離と比較され、これらが異なる場合に主制御系１５はモータ１３を介してウェハステージ９をＺ方向に移動させる。ウェハステージ９を移動させた後、フォーカス検出ユニット６２で再度合焦用信号ＦＳ２と基準距離との比較を行い、異なる場合は同様にウェハステージ９を移動させる。以上の動作を繰り返して合焦用信号ＦＳ２と基準距離とが一致し、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷの表面が配置された状態になると、ＦＩＡ演算ユニット６３は、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２を取り込む。
【００８９】
ＦＩＡ演算ユニット６３に取り込まれた画像信号ＶＳ２は、まず図５に示す画像信号増幅部７１において所定の増幅率で増幅される。このとき画像信号増幅部７１で設定された増幅率は増幅率情報として位相補正部７４へ出力される。増幅された画像信号はＡ／Ｄ変換部７２へ出力され、標本化及び量子化が行われてディジタル化された後、画像信号記憶部７３に一時的に記憶される。
【００９０】
次に、位相補正部７４は、画像信号増幅部７１から出力された増幅率情報に応じた電気特性情報を位相特性情報記憶部７５から読み出し、読み出した電気特性情報を前述した（１）式に示した補正フィルタに適用して画像信号記憶部７３に一時的に記憶された画像信号の位相ずれを補正する。このようにして、電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正される。この位相ずれが補正された画像信号は、画像信号記憶部７３へ出力されて一時的に記憶されるとともに、位置情報算出部７６へ出力される。
【００９１】
電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号が位置情報算出部７６へ入力されると、位置情報算出部７６は入力された画像信号に対してマークＡＭの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等の処理を行う。そして、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内におけるマークＡＭの位置を示す情報を求め、この情報を像高情報として位相補正部７４に出力する。
【００９２】
位置情報算出部７６から像高情報が出力されると、位相補正部７４は位相特性情報記憶部７５から像高情報に応じた光学特性情報を読み出すとともに、先に画像信号記憶部７３に記憶した画像信号（電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれを補正した画像信号）を読み出す。そして、読み出した光学特性情報を前述した（１）式に示した補正フィルタに適用して、読み出した画像信号の位相ずれを補正する。このようにして、検出光学系ＯＳにおいて生じた位相ずれが補正される。この位相ずれが補正された画像信号は位置情報算出部７６へ出力される。
【００９３】
電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号が位置情報算出部７６へ入力されると、位置情報算出部７６は入力された画像信号に対してマークＡＭの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等を行って、マークＡＭの位置情報を求める。この位置情報は図４に示すアライメントデータ記憶部６４へ出力されて一時的に記憶される。このようにして、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号からマークＡＭの位置情報が求められる。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６ＢにおけるレチクルマークＲＭと基準マークとの位置ずれの計測時にも同様の動作が行われる。
【００９４】
次に、ウェハＷ上の各ショット領域の位置決めを行って、各ショット領域にレチクルＲに形成されたパターンの像を投影露光する際の動作について説明する。まず、ウェハＷ上のショット領域の配列及びアライメントマークとしてのマークの形状等について説明する。図８は、ウェハＷ上のショット領域の配列及びマークの形状を説明するための図である。図８において、ウェハＷ上にはウェハＷ上に設定された座標系（Ｘ，Ｙ）に沿って規則的にショット領域ＥＳ１，ＥＳ２，……，ＥＳＮが形成され、各ショット領域ＥＳｉにはそれまでの工程によりそれぞれデバイスパターンが形成されている。
【００９５】
また、各ショット領域ＥＳｉはＸ方向及びＹ方向に所定幅のストリートラインで区切られており、各ショット領域ＥＳｉに近接するＸ方向に伸びたストリートラインの中央部にマークＡＭとしてのＸ軸方向のマークＭｘｉが形成され、各ショット領域ＥＳｉに近接するＹ方向に伸びたストリートラインの中央部にＹ方向のマークＭｙｉが形成されている。マークＭｘｉ，ＭｙｉはそれぞれＸ方向及びＹ方向に所定ピッチで３本の直線パターンを並べたものであり、これらのパターンはウェハＷの下部に凹部又は凸部のパターンとして形成したものである。
【００９６】
ウェハＷへの露光を行う際には、それらショット領域ＥＳｉの内から例えば斜線を施して示す９個のショット領域が選択される。このように選択されたショット領域をサンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９と称する。各サンプルショットＳＡｉにはそれぞれマークＭｘｉ，Ｍｙｉが近接して形成されている。本例ではこれらマークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置を計測することにより、各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での位置情報を計測する。この位置情報の計測時においては、前述した処理が行われて、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号から各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）が求められる。これにより、マークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置情報が極めて高い精度で計測される。この計測結果は、図４に示す主制御系１５のアライメントデータ記憶部６４に記憶される。
【００９７】
各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での位置情報が計測されると、これらの位置情報とショットマップデータ部６７に記憶されているショットマップデータを用いてＥＧＡ演算ユニット６５においてＥＧＡ演算が行われ、ウェハＷ上に設定された全てのショット領域の配列の規則性が決定される。システムコントローラ６８は決定されたショット領域の配列を用いて、露光すべきショット領域が投影光学系ＰＬの投影領域（レチクルＲに形成されたパターンが投影される領域）に配置されるように、ウェハステージ９を移動させて位置決めする。ウェハＷの位置決めが完了すると露光光ＥＬがレチクルＲに照射され、そのショット領域が露光される。以後同様に、決定されたショット領域の配列を用いてウェハステージ９がステップ移動により位置決めされて、順次ショット領域が露光される。
【００９８】
本実施形態においては、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号から各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）を求めているため、高い精度で計測が行われる。この高精度の計測結果を用いて上述したＥＧＡ演算が行われ、決定されるショット領域の配列の規則性も高い精度のものとなる。この結果、露光時においてウェハＷの各ショット領域を投影光学系ＰＬの投影領域に精確に位置決めすることができ、重ね合わせ精度を向上を図ることができる。
【００９９】
次に、本発明の他の実施形態による位置計測装置について説明する。以下に説明する本発明の他の実施形態による位置計測装置は、上述した本発明の一実施形態による位置計測装置が備えるＦＩＡ演算ユニット６３及び画像処理ユニット６１とは異なる構成のＦＩＡ演算ユニット及び画像処理ユニットを備えている。尚、以下の説明では、ＦＩＡ演算ユニットについて詳細に説明し、画像処理ユニットについては説明を省略する。
【０１００】
図９は、本発明の他の実施形態による位置計測装置が備えるＦＩＡ演算ユニット８０の内部構成を示す図である。図９に示す通り、ＦＩＡ演算ユニット８０は、画像信号増幅部８１、Ａ／Ｄ変換部８２、帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎ、画像信号記憶部８４、位相補正部８５、位相特性情報記憶部８６、及び位置情報演算部８７を含んで構成される。
【０１０１】
画像信号増幅部８１は、図５に示す画像信号増幅部７１と同様に、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２を所定の増幅率で増幅する。画像信号増幅部８１の増幅率は画像信号ＶＳ２の全体的なレベル及びＳ／Ｎ比（信号対雑音比）等を考慮して適宜決定され、この増幅率を示す増幅率情報は位相補正部８５へ出力される。Ａ／Ｄ変換部８２は、図５に示すＡ／Ｄ変換部７２と同様に、アナログ信号である画像信号ＶＳ２の標本化及び量子化を行い、画像信号ＶＳ２をディジタル信号に変換する。
【０１０２】
帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎはディジタル化された画像信号から所定の帯域の周波数成分を抽出する。ここで、帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎの各々には異なる帯域が設定されており、各々が異なる帯域の周波数成分を抽出する。尚、図９では帯域フィルタ部を３つ備える構成を例に挙げて図示しているが、帯域フィルタ部の数は任意に設定することができる。
【０１０３】
画像信号記憶部８４は、帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎで抽出された周波数成分からなる画像信号をそれぞれ一時的に記憶する。位相補正部８５は、画像信号記憶部８４に一時的に記憶されている周波数成分毎の画像信号をそれぞれ読み出し、位相特性情報記憶部８６に記憶された位相特性情報に基づいて周波数成分毎の画像信号各々の位相ずれを補正する。このとき、位相補正部８５は画像信号増幅部８１から出力される増幅率情報及び位置情報演算部８７から出力される像高情報に応じた位相特性情報であって、周波数成分毎の位相特性情報を位相特性情報記憶部８６から選択的に読み出す。
【０１０４】
位置情報演算部８７は、位置情報算出部８８及び位置情報補正部８９を含んで構成され、マークＡＭの位置情報を求める。位置情報算出部８８は、Ａ／Ｄ変換部８２から出力される画像信号に対してマークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等の処理を行って、マークＡＭの位置情報を求める。
【０１０５】
また、位置情報算出部７６はＡ／Ｄ変換部８２から出力される画像信号に基づいてマーク中心を求めた際に、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内におけるマークＡＭの位置を示す情報を像高情報として位相補正部８５に出力する。更に、位置情報算出部８８は、位相補正部８５から出力される位相ずれが補正された周波数成分毎の画像信号各々に対しても同様の処理を行って、周波数成分毎の画像信号に基づいたマークＡＭの位置情報を求める。以下、周波数成分毎の画像信号に基づいたマークＡＭの位置情報を補正用位置情報という。
【０１０６】
位置情報補正部８９は、Ａ／Ｄ変換部８２から出力された全ての周波数成分を含む画像信号から求めたマークＡＭの位置情報を補正用位置情報を用いて補正する。つまり、Ａ／Ｄ変換部８２から出力された全ての周波数成分を含む画像信号は、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳにおいて生ずる位相ずれの影響を受けたものであり、この画像信号に基づいて求められた位置情報は誤差を含んでいると考えられる。
【０１０７】
そこで、位置情報補正部８９は、位相ずれが補正された周波数成分毎の画像信号から得られた補正用位置情報を用いて位置情報を補正することにより、計測精度を高めている。位置情報補正部８９で行われる処理は、例えば補正用位置情報各々のばらつきの平均値を求め、これらの値で位置情報を補正する処理が挙げられる。これ以外に、補正用位置情報の分散や標準偏差を求めて統計的な演算により補正するようにしても良い。
【０１０８】
尚、上記帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎは本発明にいう処理部に相当し、位相特性情報記憶部８６は本発明にいう記憶部に相当し、位相補正部８５及び位置情報演算部８７は本発明にいう演算部に相当する。また、位置情報算出部８８は本発明にいう第１演算部に相当し、位相補正部８５及び位置情報補正部８９は本発明にいう第２演算部に相当する。
【０１０９】
次に、ＦＩＡ演算ユニット８０の動作について説明する。ウェハ・アライメントセンサ１６から出力された画像信号ＶＳ２がＦＩＡ演算ユニット８０に入力されると、まず画像信号増幅部８１において所定の増幅率で増幅される。このとき画像信号増幅部８１で設定された増幅率は増幅率情報として位相補正部８５へ出力される。
【０１１０】
増幅された画像信号はＡ／Ｄ変換部８２へ出力され、標本化及び量子化が行われてディジタル化された後、位置情報算出部８８及び帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎの各々に入力される。位置情報算出部８８は入力された画像信号に対してマークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等の処理を行って、マークＡＭの位置情報を求める。求められた位置情報は位置情報補正部８９へ出力されて一時的に記憶される。また、位置情報算出部８８はマーク中心を求める際に、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内におけるマークＡＭの位置を示す情報を求めて像高情報として位相補正部８５に出力する。
【０１１１】
また、Ａ／Ｄ変換部８２から帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎへ出力された画像信号は、帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎにおいて各々に設定された帯域の周波数成分のみを含む画像信号が抽出されて画像信号記憶部８４に一時的に記憶される。次に、位相補正部８５は画像信号記憶部８４から抽出された画像信号を順次読み出すとともに、位相特性情報記憶部８６から各帯域毎（又は成分毎）の光学特性情報及び電気特性情報を順次読み出す。画像信号並びに各帯域毎（又は成分毎）の光学特性情報及び電気特性情報を読み出す度に、位相補正部８５は読み出した光学特性情報及び電気特性情報を前述の（１）式に示した補正フィルタに適用して、読み出した画像信号の位相ずれを補正する。
【０１１２】
補正された画像信号は、位置情報算出部８８へ順次出力されて各帯域毎の画像信号から補正用位置情報が算出される。算出された位置情報補正部８９へ順次出力される。全ての帯域の画像信号に対する位相ずれの補正と補正位置情報の算出とが完了すると、位置情報補正部８９は補正位置情報を用いてＡ／Ｄ変換部８２から出力された全周波数成分を含む画像信号から求められた位置情報を補正し、補正された位置情報はアライメントデータ記憶部６４へ出力されて一時的に記憶される。このようにして、検出光学系ＯＳ及び電気経路ＥＳにおいて生じた位相ずれが補正された画像信号からマークＡＭの位置情報が求められる。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６ＢにおけるレチクルマークＲＭと基準マークとの位置ずれの計測時にも同様の動作が行われる。
【０１１３】
以上、本発明の実施形態による位置計測装置及び露光装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、検出光学系ＯＳにおいて生ずる位相ずれと電気経路ＥＳにおいて生ずる位相ずれをともに補正するようにしていたが、検出光学系ＯＳにおいて生ずる位相ずれのみを補正するようにしても良いし、電気経路ＥＳにおいて生ずる位相ずれのみを補正するようにしても良い。
【０１１４】
また、上述した他の実施形態では、帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎで抽出された画像信号を一時的に画像信号記憶部８４に記憶し、順次位相補正部８５で位相ずれを補正するとともに、位置情報算出部８８で補正位置情報を求めるようにした。しかしながら、ＦＩＡ演算ユニット８０で要する処理時間を短縮するために、位相補正部８５及び位置情報算出部８８を帯域フィルタ部８３ａ〜８３ｎ各々に対応して並列して設け、並列処理を行うようにしても良い。
【０１１５】
また、上記の実施形態においては、ウェハＷに形成されたマークの位置情報を求める場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られる訳ではなく、レチクルＲに形成されたマークの位置情報を求める場合、その他の物体に形成されたマークの位置情報を求める場合について適用可能である。更に、図４、図５、及び図９に示した各ブロックは、電子回路によりハードウェア的に構成されていても良く、ソフトウェア的に構成されていても良い。各ブロックをソフトウェア的に構成する場合には、各ブロックの機能を規定するプログラムをＣＰＵ（中央処理装置）が実行することにより、各ブロックが実現される。また、図４に示す各ブロックをハードウェア的又はソフトウェア的に構成する場合には、図示した全てのブロックが１つにまとまって構成されていなくとも良く、分散されて構成されていても良い。例えば、フォーカス検出ユニット６０，６２は、主制御系１５とは別個に設けられていても良い
【０１１６】
また、上記実施形態においては、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６ＢがＶＲＡ方式のアライメントセンサであり、ウェハ・アライメントセンサ１６がＦＩＡ方式のアライメントセンサである場合を例に挙げて説明したが、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂ及びウェハ・アライメントセンサ１６は、更にＬＳＡ方式及びＬＩＡ方式のアライメントセンサを備えた構成であっても良い。また、本発明は、レチクルＲを介さずに投影光学系ＰＬのみを介して基準部材１０の基準パターンを観察するＴＴＬ方式のアライメントセンサにも適用することができる。
【０１１７】
更に、上記実施形態で説明したレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは露光光ＥＬの一部の露光光ＥＬ１をレチクルマークＲＭに照射するとともに、投影光学系ＰＬを介して基準部材１０の上面に照射して、レチクルマークＲＭ及び基準パターンを観察するようにしていた。しかしながら、光ファイバー（不図示）等を用いて基準部材１０の下方に露光光ＥＬの一部を導き、基準部材１０に形成されたスリットパターンを下方（ウェハステージ９の内部）から照明するように構成しても良い。
【０１１８】
また、本発明の露光装置は、図１に示したステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置に限定されず、例えばステップ・アンド・スキャン方式の露光装置、ミラープロジェクション方式、プロキシミティ方式、コンタクト方式等の露光装置に適用することが可能である。
【０１１９】
更に、半導体素子、液晶表示素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、プラズマディスプレイ、薄膜磁気ヘッド、及び撮像素子（ＣＣＤなど）の製造にも用いられる露光装置、及びレチクル、又はマスクを製造するために、ガラス基板、又はシリコンウェハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。即ち本発明は、露光装置の露光方式や用途等に関係なく適用可能である。
【０１２０】
尚、前述した本発明の一実施形態による露光装置（図１）は、ウェハＷを精度よく高速に位置制御することができ、スループットを向上しつつ高い露光精度で露光が可能となるように、照明光学系、モータ２、レチクルステージ３、レーザ干渉計４、移動鏡５、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂを含むマスクアライメント系、ウェハホルダ８、ウェハステージ９、基準部材１０、移動鏡１１、レーザ干渉計１２、及びモータ１３を含むウェハアライメント系、投影光学系ＰＬ等の図１に示された各要素が電気的、機械的、又は光学的に連結して組み上げられた後、総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造される。尚、露光装置の製造は、温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
【０１２１】
次に、本発明の一実施形態による露光装置を用いたマイクロデバイスの製造方法の実施形態について簡単に説明する。図１０は、マイクロデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートを示す図である。図１０に示すように、まず、ステップＳ１０（設計ステップ）において、マイクロデバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップＳ１１（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップＳ１２（ウェハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウェハを製造する。
【０１２２】
次に、ステップＳ１３（ウェハ処理ステップ）において、ステップＳ１０〜ステップＳ１２で用意したマスクとウェハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によってウェハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ１４（デバイス組立ステップ）において、ステップＳ１３で処理されたウェハを用いてデバイス組立を行う。このステップＳ１４には、ダイシング工程、ボンティング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。最後に、ステップＳ１５（検査ステップ）において、ステップＳ１４で作製されたマイクロデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にマイクロデバイスが完成し、これが出荷される。
【０１２３】
図１１は、半導体デバイスの場合における、図１０のステップＳ１３の詳細なフローの一例を示す図である。図１１において、ステップＳ２１（酸化ステップ）においてはウェハの表面を酸化させる。ステップＳ２２（ＣＶＤステップ）においてはウェハ表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ２３（電極形成ステップ）においてはウェハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ２４（イオン打込みステップ）においてはウェハにイオンを打ち込む。以上のステップＳ２１〜ステップＳ２４のそれぞれは、ウェハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
【０１２４】
ウェハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップＳ２５（レジスト形成ステップ）において、ウェハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップＳ２６（露光ステップ）において、上で説明したリソグラフィシステム（露光装置）及び露光方法によってマスクの回路パターンをウェハに転写する。次に、ステップＳ２７（現像ステップ）においては露光されたウェハを現像し、ステップＳ２８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップＳ２９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウェハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０１２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段へ導くとともに、光電変換手段から出力された画像信号を演算部へ導く検出系においてマーク光及び画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を予め記憶しておき、この位相特性情報を用いて検出系を介して得られた画像信号を加工処理している。かかる加工処理を行うことにより、演算部へ導かれた画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正されるという効果がある。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができるという効果がある。
また、本発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段へ導く検出光学系においてマーク光の位相特性に対して作用する光学特性情報を予め記憶しておき、この光学特性情報を用いて検出光学系を介して得られた画像信号を加工処理している。かかる加工処理を行うことにより、光電変換手段から出力される画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正されるという効果がある。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができるという効果がある。
また、本発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段で光電変換して得られる画像信号が光電変換手段から演算部まで伝達される電気経路において電気経路の位相特性に対して作用する電気特性情報を予め記憶しておき、この電気特性情報を用いて電気経路を介した画像信号を加工処理している。かかる加工処理を行うことにより、演算部に導かれた画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正されるという効果がある。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができるという効果がある。
更に、本発明によれば、被照射領域から得られるマーク光を光電変換手段へ導くとともに、光電変換手段から出力された画像信号を演算部へ導く検出系においてマーク光及び／又は画像信号の位相特性に対して作用する位相特性情報を予め記憶しておき、検出系を介して得られた画像信号を加工して複数の加工信号を生成してこれらの加工信号各々から位置情報を算出し、位相特性情報を用いて算出した位置情報を補正演算している。かかる補正演算を行うことにより、演算部へ導かれた画像信号が位相ずれを生じたものであっても位相ずれが補正されるという効果がある。この位相ずれが補正された画像信号を用いてマークの位置情報を求ることで、高い精度でマークの位置情報を計測することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】レチクル・アライメントセンサ６Ａの構成例を示す構成図である。
【図３】ウェハ・アライメントセンサ１６の構成例を示す構成図である。
【図４】主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。
【図５】ＦＩＡ演算ユニット６３の内部構成を示すブロック図である。
【図６】位相特性情報を決める伝達関数を説明するための図である。
【図７】位相特性情報を用いて位相ずれを補正する原理を説明するための図である。
【図８】ウェハＷ上のショット領域の配列及びマークの形状を説明するための図である。
【図９】本発明の他の実施形態による位置計測装置が備えるＦＩＡ演算ユニット８０の内部構成を示す図である。
【図１０】マイクロデバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【図１１】半導体デバイスの場合における、図１０のステップＳ１３の詳細なフローの一例を示す図である。
【符号の説明】
６Ａ，６Ｂ        レチクル・アライメントセンサ
９                ウェハステージ（位置決め部）
１０              基準部材（物体）
１３              モータ（位置決め部）
１５              主制御系（制御部）
１６              ウェハ・アライメントセンサ
２０Ａ，２０Ｂ    プリズム（照射系）
２１Ａ            ハーフミラー（検出系、検出光学系）
２３              結像光学系（検出系、検出光学系）
２４              ダイクロイックミラー（検出系、検出光学系）
２５              ＣＣＤセンサ（光電変換手段）
４１              光源（照射系）
４２              コンデンサレンズ（照射系）
４３              視野絞り（照射系）
４４              照明リレーレンズ（照射系）
４５              ビームスプリッタ（照射系、検出系、検出光学系）
４６              第１対物レンズ（照射系、検出系、検出光学系）
４８              第２対物レンズ（検出系、検出光学系）
４９              ビームスプリッタ（検出系、検出光学系）
５０              撮像素子（光電変換手段）
７１              画像信号増幅部（検出系、電気経路）
７４              位相補正部（処理部）
７５              位相特性情報記憶部（記憶部）
７６              位置情報算出部（演算部）
８１              画像信号増幅部（検出系）
８３ａ〜８３ｎ    帯域フィルタ部（処理部）
８５              位相補正部（演算部、第２演算部）
８６              位相特性情報記憶部（記憶部）
８７              位置情報演算部（演算部）
８８              位置情報算出部（第１演算部）
８９              位置情報補正部（第２演算部）
ＡＭ              マーク
ＤＬ              検知ビーム（検知光）
ＥＬ１            露光光（検知光）
ＥＳ              電気経路（検出系）
Ｍｘｉ，Ｍｙｉ    マーク
ＯＳ              検出光学系（検出系）
ＰＬ              投影光学系（露光部）
Ｒ                レチクル（物体）
ＲＭ              レチクルマーク（マーク）
ＶＳ１，ＶＳ２    画像信号
Ｗ                ウェハ（物体、基板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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