(57)【要約】【課題】ノイズの影響を受けにくく高い精度をもって計測対象としてのマークが合焦位置に配置されているか否か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に形成された位置計測用のマークＡＭを撮像素子で撮像して得られる画像信号から、所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出し、この抽出した高周波信号の各周波数成分の二乗和を算出し、二乗和がピークとなる位置をもってマークＡＭが位置計測装置の合焦位置に配置されたと計測する。【選択図】  図８
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【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計測する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部と、
前記検知光の照射により前記被照射領域から得られる光を結像光学系を介して受光して、前記被照射領域の画像に対応する画像信号を出力する受光部と、
前記画像信号から、所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出する抽出部と、
前記抽出された高周波信号に基づいて、前記結像光学系を介した前記画像の結像位置に関する結像位置情報を求める演算部と
を有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記高周波信号は、前記所定の空間周波数以上の一部の周波数成分で構成され、
前記演算部は、前記高周波信号に関する所定の特徴量に基づいて、前記結像位置情報を求め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】
前記高周波信号は、前記所定の空間周波数以上の全ての周波数成分を含み、
前記演算部は、前記高周波信号に関する所定の特徴量に基づいて、前記結像位置情報を求め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４】
前記所定の特徴量は、前記高周波信号の強度に関する特徴量であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記所定の特徴量は、前記高周波信号の振幅に基づき算出されることを特徴とする請求項２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】
前記演算部は、
前記特徴量として、前記高周波信号に含まれる複数の周波数成分毎の所定情報の単純和又は二乗和を算出し、
その算出結果に基づいて、前記結像位置情報を求め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７】
前記所定情報は、前記周波数成分の信号毎の振幅情報を含む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】
前記所定の空間周波数は、少なくとも前記マークの形状で定まる基本空間周波数よりも高い周波数であ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】
前記演算部は、
前記結像光学系を介した前記画像の結像位置を変化させながら、複数の結像位置毎に前記所定の特徴量を算出する第１演算部と、
前記第１演算部の演算結果に基づいて、前記所定の特徴量がピークを示す結像位置を算出する第２演算部と
を含むことを特徴とする請求項２から請求項８の何れか一項に記載の位置計測装置。
【請求項１０】
前記抽出部は、前記画像信号から前記所定の空間周波数以上の周波数成分を除去した低周波数成分信号を得るフィルタ部と、
前記画像信号から前記低周波数成分信号を減じて前記所定の空間周波数以上の周波数成分を得る減算部と
を備えることを特徴とする請求項９記載の位置計測装置。
【請求項１１】
前記抽出部は、前記画像信号から前記所定の空間周波数未満の周波数成分を除去するフィルタ部を備えることを特徴とする請求項９記載の位置計測装置。
【請求項１２】
前記演算部で求められた前記結像位置情報に基づいて位置決めされた前記マークを撮像し、その撮像結果に基づいて前記マークの前記所定の計測方向における位置情報を計測することを特徴とする請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の位置計測装置。
【請求項１３】
マスク上に形成されたデバイスパターンを基板上に露光転写する露光装置であって、
請求項１２記載の位置計測装置を用いて前記基板上に形成されたマークの前記所定の計測方向におけるマーク位置情報を計測し、
前記計測されたマーク位置情報に基づいて前記基板を位置決めした後に、前記デバイスパターンを前記基板上に露光することを特徴とする露光装置。
【請求項１４】
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計測する位置計測方法であって、
結像光学系を介して前記マークを撮像して画像信号を出力する工程と、
前記画像信号から、所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出する工程と、
前記抽出された高周波信号に基づいて、前記結像光学系を介した前記画像の結像位置に関する結像位置情報を求める演算工程と
を含むことを特徴とする位置計測方法。
【請求項１５】
前記高周波信号は、前記所定の空間周波数以上の一部又は全ての周波数成分を含み、
前記演算工程では、前記高周波信号に関する所定の特徴量に基づいて、前記結像位置情報を求めることを特徴とする請求項１４記載の位置計測方法。
【請求項１６】
前記所定の特徴量は、前記高周波信号の強度に関する特徴量であることを特徴とする請求項１５記載の位置計測方法。
【請求項１７】
前記演算工程は、
前記結像光学系を介した前記画像の結像位置を変化させながら、複数の結像位置毎に前記所定の特徴量を算出する第１演算工程と、
前記第１演算工程の算出結果に基づいて、前記所定の特徴量がピークを示す結像位置を算出する第２演算工程とを含み、
前記第２演算工程で求められた前記結像位置の情報に基づいて位置決めされた前記マークを撮像し、その撮像結果に基づいて前記マークの前記所定の計測方向における位置情報を計測することを特徴とする請求項１４から請求項１６の何れか一項に記載の位置計測方法。
【請求項１８】
請求項１３記載の露光装置を用いて前記デバイスパターンを前記基板に転写する露光工程と、
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、マークがセンサの焦点位置からデフォーカスしている状態で位置情報の計測を行うと、その計測結果が実際のマークの位置からは大きくずれたものとなる場合がある。これは、例えばアライメントセンサが備える光学系の残存収差又はテレセントリシティの僅かな崩れが原因でマークの像が横方向（基板の面内方向）にシフトするためである。よって、高い精度でマークの位置情報を計測するためには、マークをセンサの焦点位置に精確に配置する必要がある。
【０００９】
計測対象のマークがセンサの焦点位置に配置されているか否かを計測する方法の１つとして、垂直方向（基板の表面に垂直な方向）における基板の位置を可変させつつマークの画像信号のコントラストを計測し、コントラストが最大となる位置をもってマークがセンサの焦点位置に配置されていると判断する方法がある。しかしながらこの方法では、マークが幅広のマーク要素（マークがライン・アンド・スペースパターンである場合には、マーク又はスペース）から構成されている場合には、マークが焦点位置に配置されているときに得られるコントラストとデフォーカスしているときに得られるコントラストとはさほど変わらないため計測精度が悪い。
【００１０】
計測精度を高める方法として、画像信号を微分して得られる信号を用いた方法がある。図１４は、画像信号を微分した信号を用いてマークがセンサの焦点位置に配置されているか否かを計測する従来の方法を説明するための図である。図１４においては、マーク（ライン・アンド・スペースマーク）ＡＭ０の上面図及び断面図を図示している。また、図１４中の符号ＳＧ０を付した曲線はマークＡＭ０を撮像して得られる画像信号の一例を示しており、符号ＳＧ１を付した曲線は画像信号ＳＧ０を微分して得られる信号の絶対値を示している。
【００１１】
図１４を参照すると、画像信号ＳＧ０はマークＡＭ０をなす各マーク要素の端部（エッジ部）ＥＧにおいて信号強度が急激に変化するため、画像信号ＳＧ０を微分して得られる信号ＳＧ１は各端部ＥＧの位置おいてピークが現れる信号となる。信号ＳＧ１のピーク値ｃ１は、画像信号ＳＧ０の信号の傾き（変化率）、即ちシャープさを示すものである。このため、垂直方向における基板の位置又はマーク像検出系内におけるマーク像の結像位置を変化させつつ信号ＳＧ１のピーク値ｃ１を計測し、このピーク値ｃ１が最大となる位置、即ち画像信号が最もシャープとなる位置をもってマークがセンサの焦点位置に配置されたと判断する。この方法では、画像信号のシャープさを評価しているため、上述した幅広のマーク要素からなるマークを用いた場合であっても高い精度をもってマークがセンサの焦点位置に配置されているか否かを計測することができる。
【００１２】
しかしながら、上述した画像信号ＳＧ０を微分した信号ＳＧ１を用いる方法では、マークがセンサの焦点位置に配置されているか否か、即ち画像信号ＳＧ０がシャープであるか否かを、端部ＥＧにおけるピーク値ｃ１の大小のみをもって判断している。マークＡＭ０全体に対して端部ＥＧが占める割合は極めて小さいため、ピークにノイズが乗った場合には計測誤差が生じやすい傾向がある。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ノイズの影響を受けにくく高い精度をもって計測対象としてのマークが合焦位置に配置されているか否かを計測することができる位置計測装置及び方法、当該位置計測装置を備える露光装置、並びに当該露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【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計測する位置計測装置（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）を照射する照射部（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光を結像光学系（２３、４５、４６、４８、４９）を介して受光して、前記被照射領域の画像に対応する画像信号（ＶＳ１、ＶＳ２）を出力する受光部（２５、５０）と、前記画像信号から、所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出する抽出部（７２）と、前記抽出された高周波信号に基づいて、前記結像光学系を介した前記画像の結像位置に関する結像位置情報を求める演算部（７５）とを有することを特徴としている。
この発明は、物体が位置計測装置の焦点位置に配置されている状態においては、受光部に最良の状態で被照射領域の画像が結像するため、受光部から出力される画像信号には高い周波数成分を多く含むシャープな画像信号が得られる。これに対し、物体がデフォーカスしている状態では、高い高周波成分が少なくなり鈍った画像信号が得られる。本発明はこの事象に着目し、マークを含む被照射領域の画像を画像信号に変換し、画像信号から所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出し、この高周波信号に基づいて上記画像の結像位置に関する結像位置情報を求めるようにしている。本発明は、物体が位置計測装置の焦点位置に配置されているか否かの評価基準として画像信号から抽出した高周波信号に基づいた結像位置情報を用いているため、被照射領域の全体に亘るシャープさが対象となる。よって、従来のように被照射領域の１点又は数点における信号のピーク値を評価基準とする場合に比べてノイズの影響を受けにくく、しかも高い精度をもって計測対象としてのマークが合焦位置に配置されているか否かを計測することができる。
本発明の露光方法は、物体（Ｒ、Ｗ、１０）上に形成されたマーク（ＡＭ）の、所定の計測方向（Ｘ、Ｙ）における位置情報を計測する位置計測方法であって、結像光学系（２３、４５、４６、４８、４９）を介して前記マークを撮像して画像信号（ＶＳ１、ＶＳ２）を出力する工程（Ｓ１２）と、前記画像信号から、所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出する工程（Ｓ１３）と、前記抽出された高周波信号に基づいて、前記結像光学系を介した前記画像の結像位置に関する結像位置情報を求める演算工程（Ｓ１４、Ｓ１７）とを含むことを特徴としている。
本発明の露光装置は、マスク（Ｒ）上に形成されたデバイスパターンを基板（Ｗ）上に露光転写する露光装置であって、上記の位置計測装置を用いて前記基板上に形成されたマーク（Ｍｘｉ，Ｍｙｉ）の前記所定の計測方向（Ｘ、Ｙ）におけるマーク位置情報を計測し、前記計測されたマーク位置情報に基づいて前記基板を位置決めした後に、前記デバイスパターンを前記基板上に露光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前記デバイスパターンを前記基板（Ｗ）に転写する露光工程（Ｓ３６）と、転写された前記基板を現像する現像工程（Ｓ３７）とを含むことを特徴としている。
【００１５】
【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及び方法、露光装置、並びに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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
尚、本実施形態では不図示であるが、ウェハステージ９のＺ方向の位置を測定する手段として、前述したメインフォーカスセンサ１７に限らず、Ｚ方向干渉計を用いても良い。Ｚ方向計測用干渉計としては、投影光学系ＰＬの鏡筒側に固定鏡を設け、ウェハステージ９上に移動鏡を設け、これらにより、その固定鏡（投影光学系ＰＬの鏡筒）を基準としてウェハステージ９のＺ方向位置を求めるようにすれば良い。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、本発明の照射部に相当するものである。
【００３４】
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。
【００３５】
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。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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、ハーフミラー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。
【００３８】
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。
【００３９】
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として露光光源から分岐した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。
【００４０】
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。光ファイバ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２８，２４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。このスリット像が結像される領域は本発明にいう被照射領域に相当する。
【００４１】
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、ハーフミラー２４で反射された後、ハーフミラー２８を透過し、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、以下の方法を用いて予め求めておく。つまり、結像光学系２３のレンズ群を駆動して結像光学系２３の焦点位置を可変させつつＣＣＤセンサ２５から出力される画像信号ＶＳ１を取得し、各々の画像信号ＶＳ１について所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号の大きさを求め、この高周波信号の大きさが最大となるときのスリット像の結像位置（換言すれば、結像光学系２３の、該結像光学系２３の光軸方向における位置）を目標値とする。
【００４４】
このように、本実施形態においては、レチクルマークＲＭ等の像を検出するための検出光学系の一部をなすＣＣＤセンサ２５の画像信号ＶＳ１の高周波成分に着目し、その大きさが最大となるときに結像光学系２３の焦点がレチクルパターン面とＣＣＤセンサ２５の受光面に合った状態としている。これは、結像光学系２３の焦点がレチクルパターン面とＣＣＤセンサ２５の受光面とに合っている状態では、高周波成分が多く含まれるシャープな画像信号ＶＳ１が得られ、焦点がずれるに従って高周波成分が少なくなって画像信号ＶＳ１が鈍る事象に着目したものである。尚、高周波信号の抽出方法等の詳細については後述する。
【００４５】
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（ブロードバンドな）の光束を検知ビームＤＬとして射出する光源４１（例えば、ハロゲンランプ）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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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部に相当し、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は本発明にいう結像光学系に相当し、撮像素子５０は本発明にいう受光部に相当する。
【００５５】
以下、図３を参照して上記の構成におけるウェハ・アライメントセンサ１６の動作について説明する。光源４１から射出した検知ビームＤＬがコンデンサレンズ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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
ここで、ウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカス計測原理について説明する。図４は、ウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカス計測原理を説明するための図である。尚、図４においては、瞳分割用反射型プリズム５３に入射する光束Ｌ２，Ｌ３のうち光束Ｌ２のみを図示しており、この光束Ｌ２を例に挙げてフォーカス計測原理を説明する。
【００６２】
図４（ｂ）は、ウェハＷの表面と撮像素子５０とが光学的に共役関係にある場合の光束Ｌ２の結像状態を示す図である。図４（ｂ）を参照すると、瞳分割用反射型プリズム５３で分割された光束Ｌ２は、第１撮像面Ｖ１の位置に結像していることが分かる。このとき、分割された２光束（２分割光束）各々の結像位置中心をＰ１，Ｐ２とし、これら結像位置中心Ｐ１，Ｐ２間の距離をｄとする。図４（ｂ）に示した結像状態にあるとき、結像位置中心Ｐ１，Ｐ２は２分割光束の各々が集光される位置にそれぞれ対応することになる。
【００６３】
これに対して、ウェハＷの表面がウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置から−Ｚ方向（図３参照）にずれた状態であるとすると、図４の（ａ）に示すように、２分割光束各々の合焦点がＡＦセンサ５６の受光面よりも図中で左方寄り、即ち第２リレーレンズ５４寄りの位置となる。これにより、ＡＦセンサ５６の受光面における結像位置中心又は光量中心は、図４（ｂ）に示した結像位置中心Ｐ１，Ｐ２よりも互いに近づく方向へずれた位置Ｐ１ａ，Ｐ２ａになる。従って、これらの位置Ｐ１ａ，Ｐ２ａ間の距離をｄａとすると、ｄａ＜ｄの関係となる。
【００６４】
また、これとは反対にウェハＷの表面がウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置から＋Ｚ方向にずれた状態であるとすると、図４（ｃ）に示すように、２分割光束による結像位置中心又は光量中心は図４（ｂ）に示した結像位置中心Ｐ１，Ｐ２よりも互いに離れる方向へずれた位置Ｐ１ｃ，Ｐ２ｃになる。従って、これらの位置Ｐ１ｃ，Ｐ２ｃ間の距離をｄｃとすると、ｄｃ＞ｄの関係となる。
【００６５】
つまり、ウェハステージ９を駆動してウェハＷのＺ方向の位置を変化させると、２分割光束のスリット像が計測方向に関して互いに近づいたり離れたりする。このため、ＡＦセンサ５６を用いて２分割光束の結像位置についての情報を検出し、この情報を含む合焦用信号ＦＳ２を主制御系１５で処理して結像位置間の距離を算出し、合焦状態にあるときの基準距離（図４中の距離ｄ）と算出した距離を比較する。
【００６６】
そして、この比較結果から主制御系１５はウェハ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）を判断し、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。
【００６７】
このようにして、ウェハＷに形成されたマークＡＭのＸＹ面内における位置計測に先立ってウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷを位置合わせしている。このため、マークＡＭのＸＹ面内における位置情報の計測時には、計測対象のマークＡＭはウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置された状態で計測が行われるため、計測精度を高めることができる。
【００６８】
以上説明したウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカス計測においては、計測された２分割光束の結像位置間の距離が基準距離ｄと等しいか否かをもって、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を判断している。このため、精確にウェハＷの表面をウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置するには、基準距離ｄの設定が極めて重要になる。この基準距離ｄの設定は、前述したレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂにおける目標値の設定方法と同様の方法を用いて設定している。
【００６９】
つまり、ウェハステージ９を駆動してウェハＷのＺ方向の位置を可変させつつ、撮像素子５０から出力される画像信号ＶＳ２を取得し、各々の画像信号ＶＳ２について所定の空間周波数（以下、閾空間周波数という）以上の周波数成分を含む高周波信号の大きさ（所定の特徴量）を求め、この高周波信号の大きさが最大となるときにＡＦセンサ５６で検出される２分割光束の結像位置間の距離を基準距離ｄとする。
【００７０】
このように、ウェハ・アライメントセンサ１６においても、レチクルアライメントセンサ６Ａ，６Ｂと同様に、ウェハＷに形成されたマークＡＭ等の像を検出するための検出光学系の一部をなす撮像素子５０の画像信号ＶＳ２の高周波成分に着目し、その大きさが最大となるときにウェハＷの表面がウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に合った状態としている。
【００７１】
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５は、主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。尚、図５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５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。
【００７２】
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。
【００７３】
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及び画像信号ＶＳ１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及び画像信号ＶＳ２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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
次に、主制御系１５に設けられる上述したフォーカス検出ユニット６０，６２の構成について説明する。図６は、フォーカス検出ユニット６２の内部構成を示すブロック図である。尚、フォーカス検出ユニット６０とフォーカス検出ユニット６２とは同様の構成であるため、以下においてはフォーカス検出ユニット６２について説明し、フォーカス検出ユニット６０については説明を省略する。図６に示すように、フォーカス検出ユニット６２は、フォーカス検出部７１、高周波信号抽出部７２、及び最大値算出部７５を含んで構成される。
【００７９】
フォーカス検出部７１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を処理し、図４を用いて説明した２分割光束の結像位置間の距離を算出する。また、図４を用いて説明した基準距離ｄを記憶しており、この基準距離ｄと算出した２分割光束の結像位置間の距離との誤差を算出してシステムコントローラ６８へ出力する。高周波信号抽出部７２は、本発明にいう抽出部に相当するものであり、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷ表面が配置されているか否かを計測するために、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から閾空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出する。ここで、閾空間周波数は、少なくともマークＡＭの形状で定まる基本空間周波数よりも高い周波数である。
【００８０】
尚、高周波信号抽出部７２としては、所望の周波数以上の信号を抽出し、それ未満の周波数信号をカットするハイパスフィルタリング動作を行うものでも良いし、あるいは、所望の周波数未満の信号を抽出し、それ以上の周波数信号をカットするローパスフィルタリングを行って、そのローパスフィルタリングで得られた信号を元信号（ローパス前の信号）から引算（除外）することにより、所望の周波数以上の信号を抽出する演算手法を行うものであっても良い。
【００８１】
図７は、ウェハＷに形成されたマークＡＭ及びその形状をフーリエ変換したときの空間周波数成分の一部を示す図である。いま、図７に示す通りライン・アンド・スペースパターンのマークＡＭを考える。マークＡＭの上面を示す図に付したＡ−Ａ線に沿ったマークＡＭの断面は、図示の通り矩形形状となる。Ａ−Ａ線に沿ってマークＡＭの形状をフーリエ変換により成分分解すると、図７中に示した成分Ｃ０〜Ｃ３，…が得られる。成分Ｃ０は直流成分であり、成分Ｃ１はマークＡＭの周期Ｔの逆数、即ちｆ０＝１／Ｔの空間周波数を有しており、これがマークＡＭの形状で定まる基本空間周波数の成分である。このマークＡＭを観察して得られる画像信号ＳＶ１をフーリエ変換しても同様の成分が得られる。
【００８２】
高周波信号抽出部７２は、画像信号ＶＳ２から少なくとも基本空間周波数ｆ０より高い周波数成分を含む高周波信号を抽出している。即ち、高周波信号抽出部７２は、画像信号ＶＳ２から少なくとも基本空間周波数ｆ０の成分Ｃ０を除去した高周波信号を抽出している。このように、画像信号ＶＳ２から基本空間周波数ｆ０の成分Ｃ０必ず除去するのは、他の周波数を有する成分Ｃ２，Ｃ３等の大きさに比べて大きさが大きいためである。尚、ウェハＷの表面状態は、ウェハＷの処理工程に応じて変化するため、上記の閾空間周波数は工程毎（ウェハＷに加えられたプロセス処理内容毎）に変えるようにすることが好ましい。
【００８３】
図８は、画像信号ＶＳ２に含まれる成分のスペクトル分布の一例を示す図である。図８において、スペクトル分布ＰＦ１は、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ときに得られる画像信号ＶＳ２のスペクトル分布である。また、スペクトル分布ＰＦ２は、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ないとき（デフォーカスしているとき）に得られる画像信号ＶＳ２のスペクトル分布である。
【００８４】
図８を参照すると、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ても、デフォーカスしていても、低周波領域ＬＦに含まれる成分の振幅はさほど変化しない。しかしながら、デフォーカスすると、高周波領域ＨＦに含まれる成分の振幅が極めて小さくなる。この高周波領域ＨＦに含まれる成分は、画像信号ＶＳ１のシャープさを決定付けるものであり、これらの成分が少なくなると画像信号ＶＳ１が鈍る。本実施形態では、この特性を利用して、高周波信号の大きさ（所定の特徴量）がピークを示す位置をもって、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たとしている。尚、低周波領域ＬＦと高周波領域ＨＦとの境界の周波数を、前述した閾空間周波数に設定しても良い。
【００８５】
図６に戻り、高周波信号抽出部７２は、フィルタ部７３及び減算部７４を含んで構成されている。フィルタ部７３はカットオフ周波数がｋ／２πである以下の（１）式に示す透過特性を有するローパスフィルタｆＬ（ｘ）を備えており、画像信号ＶＳ２から閾空間周波数以上の周波数成分を除去した低周波数成分信号を得る。尚、このローパスフィルタｆＬ（ｘ）は、マークＡＭを構成するマーク要素（ライン及びスペース）の配列方向がＸ方向であるときに用いられるものである。Ｙ方向についても同様のローパスフィルタを用いることができる。
【数１】
2004247349.tif 000003
【００８６】
実際には、上記（１）式で示されるローパスフィルタｆＬ（ｘ）に適当な窓関数をかけて使用する。この窓関数は、上記カットオフ周波数より高い周波数成分のゲインを“０”、カットオフ周波数より低い周波数成分のゲインを“１”とするフィルタである。また、このフィルタとして、より一般的に以下の（２）式で示されるフィルタｆＷ（ｘ）を用いても良い。以下の（２）式では変数ｋに応じてＡｋ及びΦｋを設定することにより、任意のゲインを設定することができる。尚、上記（２）式に示したフィルタｆＷ（ｘ）は、その値（和）が１となるように正規化する。
【数２】
2004247349.tif 000004
【００８７】
減算部７４は、画像信号ＶＳ２からフィルタ部７３で抽出された低周波数成分信号を減算して閾空間周波数以上の全ての周波数成分を含む高周波信号を得る。このように、本実施形態においては、画像信号ＶＳ２から低周波数成分信号を抽出し、抽出した低周波数成分信号を画像信号ＶＳ２から減算することで、高周波信号を得ている。これは、主としてフィルタ処理の容易さのためである。尚、画像信号ＶＳ２から閾空間周波数未満の周波数成分を除去し、高周波信号を直接得ることができるフィルタ部が用意できるのであれば、高周波信号抽出部７２の構成を、フィルタ部７３及び減算部７４に代えてそのようなフィルタ部を含む構成とすればよい。
【００８８】
最大値算出部７５は、本発明にいう演算部に相当するものであり、高周波信号抽出部７２で抽出された高周波信号に基づいて、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷ表面が配置されているか否かを示す情報、即ち撮像素子５０の受光面に対するマークＡＭの像の結像位置に関する結像位置情報を求める。最大値算出部７５は、強度算出部７６とピーク算出部７７とを含んで構成される。
【００８９】
強度算出部７５は、本発明にいう第１演算部に相当するものであり、ウェハＷのＺ方向の位置を変化させて撮像素子５０の受光面に対するマークＡＭの像の結像位置を変える度に高周波信号抽出部７２から出力される高周波信号に含まれる各周波数成分を二乗してその強度を算出し、各周波数成分毎に得られた強度の和を算出する。つまり、強度算出部７５は高周波信号の大きさ（所定の特徴量；例えば、図８に示した高周波信号の面積Ａ１，Ａ２）を示す二乗和を算出している。
【００９０】
ピーク算出部７７は、本発明にいう第２演算部に相当するものであり、ウェハＷのＺ方向の位置を変化させる度に強度算出部７６から出力される算出結果を一時的に記憶し、ウェハＷの移動が完了した後で、その算出結果がピークとなる位置（ウェハＷの表面の位置）を算出する。図９は、ピーク算出部７７の処理を説明するための図である。図９において、横軸はウェハＷの表面のＺ方向の位置であり、縦軸は高周波信号の二乗和の大きさである。ウェハＷを一方向（＋Ｚ方向又は−Ｚ方向）に移動させた場合には、図中黒丸で示す算出結果が時系列的に強度算出部７６から出力される。ピーク算出部７７はこれらの算出結果がピークとなる位置情報Ｚ０を算出する。
【００９１】
以上のように本実施形態においては、強度算出部７６が高周波信号の二乗和を算出し、ピーク算出部７７が二乗和のピーク位置を算出しているため、最大値算出部７５における処理は、以下の（３）式で表される真値を０とした標準偏差のピークを求める処理と同様の処理を行っている。
【数３】
2004247349.tif 000005
【００９２】
上記（３）式におけるｈ（ｘ）は高周波信号であり、ｎはデータ数（図９中における黒丸の数）である。尚、上記（３）式の右辺には変数ｚが表れていないが、右辺はウェハＷのＺ方向の位置を変化させて得られるものであるため、左辺においてｚの関数である点を明示している点に注意されたい。強度算出部７６は周波数成分毎に二乗和を算出して高周波信号の大きさを求めていたが、上記（３）式では周波数成分に分解せずに高周波信号の大きさを求めている。
【００９３】
ピーク算出部７７の算出結果はフォーカス検出部７１へ出力される。フォーカス検出部７１は、ピーク算出部７７によって算出された位置情報Ｚ０にウェハＷが配置されているときに得られる２分割光束の結像位置間の距離を基準距離ｄとする。これにより、以後においては、フォーカス検出部７１において算出される２分割光束の結像位置間の距離が基準距離ｄと等しいときには、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、マークＡＭの像が最良の状態、即ちシャープな画像信号ＶＳ２が得られる状態で撮像素子５０の受光面に結像していることになる。
【００９４】
次に、上記構成におけるウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカス計測時の動作について説明する。このフォーカス計測はウェハＷに形成されたマークＡＭの位置情報を計測する前に行われる。尚、この計測はウェハＷがウェハステージ９上に吸着保持される度に（即ち、ウェハ１枚毎に）行っても良く、スループット（単位時間内において露光装置で露光処理することができるウェハＷの枚数）の向上のために複数枚のウェハＷを単位としたロット毎に行っても良いし、あるいはプロセス毎に（ウェハに対する処理プロセスが異なるウェハがステージ上に搭載される毎に）行っても良い。
【００９５】
図１０は、アライメントセンサ１６のフォーカス計測時における動作を示すフローチャートである。計測動作が開始されると、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ＡＭ１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する（ステップＳ１０）。次に、主制御系１５はモータ１６を駆動してウェハステージ９をＺ方向に移動させ、ウェハＷをフォーカス計測の初期位置に配置する（ステップＳ１１）。
【００９６】
以上のウェハＷの配置が完了すると、ウェハ・アライメントセンサ１６は計測対象のマークＡＭに対して検知ビームＤＬ（図３参照）を照射し、検知ビームＤＬの照射によって得られるマークＡＭの像を撮像素子５０で撮像して画像信号ＶＳ２に変換し、この画像信号ＶＳ２を主制御系１５に出力する（ステップＳ１２：画像信号を出力する工程）。尚、ウェハ・アライメントセンサ１６は画像信号ＶＳ２とともに、ＡＦセンサ５６で検出された合焦用信号ＦＳ２も主制御系１５へ出力する。これらの画像信号ＶＳ２及び合焦用信号ＦＳ２は、主制御系１５のフォーカス検出ユニット６２（図４参照）に入力される。
【００９７】
フォーカス検出ユニット６２に入力された合焦用信号ＦＳ２は、図６に示すフォーカス検出部７１において処理され、２分割光束の結像位置間の距離が算出されて一時的に記憶される。また、フォーカス検出ユニット６２に入力された画像信号ＶＳ２は、図６に示す高周波信号抽出部７２のフィルタ部７３及び減算部７４へ入力される。フィルタ部７３へ入力された画像信号ＶＳ２は低周波成分信号が抽出され、減算部７４へ入力された画像信号ＶＳ２はフィルタ部７３で抽出された低周波成分信号が減算される。これにより、前述した閾空間周波数以上の全ての周波数成分を含む高周波信号が抽出される（ステップＳ１３：高周波信号を抽出する工程）。
【００９８】
抽出された高周波信号は高周波信号抽出部７２から最大値算出部７５の強度算出部７６へ出力されて高周波信号の二乗和（所定の特徴量）が算出される（ステップＳ１４：第１演算）。算出された二乗和はピーク算出部７７に出力されて一時的に記憶される。次に、主制御系１５は、ウェハＷの移動範囲が予め設定された移動範囲を超えたか否かを判断し（ステップＳ１５）、越えていないと判断した場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、モータ１３を介してウェハステージ９を駆動して、ウェハＷをＺ方向に所定量だけ移動させる（ステップＳ１６）。尚、ウェハＷのＺ方向の位置を変化させると、撮像素子５０の受光面に対するマークＡＭの像の結像位置が変化する。
【００９９】
ウェハＷの移動が完了すると、前述したステップＳ１２の処理に戻り、マークＡＭの像をウェハ・アライメントセンサ１６の撮像素子５０で撮像して画像信号ＶＳ２を主制御系１５のフォーカス検出ユニット６２へ出力し（ステップＳ１２）、高周波信号抽出部７２において画像信号ＶＳ２から高周波信号を抽出し（ステップＳ１３）、最大値算出部７５において抽出した高周波信号の二乗和を算出する（ステップＳ１４）。このように、ウェハＷの移動範囲が予め設定された移動範囲を超えていない場合には、ウェハＷをＺ方向に移動させつつ（撮像素子５０の受光面に対するマークＡＭの像の結像位置を変化させつつ）、画像信号ＶＳ２の高周波成分の二乗和をピーク算出部７７に順次記憶するとともに、２分割光束の結像位置間の距離をフォーカス検出部７１へ順次記憶する。
【０１００】
ウェハＷの移動範囲が予め設定された移動範囲を超えたと主制御系１５が判断した場合（ステップＳ１５における判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、ピーク算出部７７は一時的に記憶している複数の二乗和から、図９を用いて説明した方法で二乗和がピークをとる結像位置情報としての位置情報Ｚ０を算出する（ステップＳ１７：第２演算工程）。尚、この位置情報Ｚ０はウェハステージ９のＺ方向の位置を示す情報であっても良く、ピーク算出部７７に順に記憶されている二乗和の記憶位置を示す情報であっても良い。
【０１０１】
この位置情報Ｚ０が算出されると、ピーク算出部７７からフォーカス検出部７１へ出力され、位置情報Ｚ０で示される二乗和がピークとなる位置において検出された２分割光束の結像位置間の距離が基準距離ｄに設定される（ステップＳ１８）。
このようにして、ウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカス計測が行われる。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂのフォーカス計測についても、図１０に示すフローチャートに示す処理と同様の処理が行われる。レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂのフォーカス計測においては、Ｚ方向へのウェハＷの移動に代えて、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の焦点位置が可変される。
【０１０２】
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１１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１１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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。この計測結果は、図５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。
【０１０５】
尚、マークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置情報の計測を行う前に、ウェハ・アライメントセンサ１６が備えるＡＦセンサ５６から出力される合焦用信号ＦＳ２を主制御系１５内のフォーカス検出部７１において処理し、２分割光束の結像位置間の距離と基準距離ｄとを比較し、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を判断している。２分割光束の結像位置間の距離と基準距離ｄとが異なる場合には、これらが一致するように主制御系１５がウェハステージ９をＺ方向に移動させ、マークＭｘｉ，Ｍｙｉの像がウェハ・アライメントセンサ１６が備える撮像素子５０の受光面に最良の結像する状態に設定しておく。これにより、この最良結像状態への設定動作以降に行われるマークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置情報（ＸＹ平面上での位置情報）の計測が極めて高い精度で行われる。
【０１０６】
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。
【０１０７】
本実施形態においては、マークＭｘｉ，Ｍｙｉ（マークＡＭ）がウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置された状態で、マークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置情報の計測を行っているため、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。
【０１０８】
以上、本発明の一実施形態による位置計測装置及び方法並びに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、高周波信号抽出部７２において画像信号ＶＳ２から閾空間周波数以上の全ての周波数成分を含む高周波信号を抽出するようにしていたが、閾空間周波数以上の全ての周波数成分ではなく、閾空間周波数以上の一部の周波数成分を含む高周波信号を抽出するようにしても良い。
【０１０９】
また、強度算出部７６においては、所定の特徴量として高周波信号の二乗和を算出するようにしていたが、所定の特徴量として高周波信号の各成分の強度の単純和を求めるようにしても良い。更に、所定の特徴量として高周波信号の強度に関するものではなく、高周波信号の振幅に関するものであっても良い。この高周波信号の振幅に関するものとは、例えば閾空間周波数以上の１つの周波数成分を高周波信号として用いるときの、その１つの周波数成分の振幅である。
【０１１０】
また、上記実施形態では、画像信号ＶＳ２から得られた高周波信号の二乗和がピークとなる位置において、ＡＦセンサ５６からの合焦用信号ＦＳ２から得られる２分割光束の結像位置間の距離を基準距離ｄとしていた。しかしながら、合焦用信号ＦＳ２を用いずに画像信号ＶＳ２から得られた高周波信号のみを用いて、ウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカシングを行うようにしても良い。
【０１１１】
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５及び図６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５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
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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１２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１２に示すように、まず、ステップＳ２０（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Ｓ２１（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Ｓ２２（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。
【０１１８】
次に、ステップＳ２３（ウェハ処理ステップ）において、ステップＳ２０〜ステップＳ２２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Ｓ２４（デバイス組立ステップ）において、ステップＳ２３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Ｓ２４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Ｓ２５（検査ステップ）において、ステップＳ２４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。
【０１１９】
図１３は、半導体デバイスの場合における、図１２のステップＳ２３の詳細なフローの一例を示す図である。図１３において、ステップＳ３１（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Ｓ３２（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Ｓ３３（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Ｓ３４（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Ｓ３１〜ステップＳ３４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。
【０１２０】
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Ｓ３５（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Ｓ３６（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Ｓ３７（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Ｓ３８（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Ｓ３９（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。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マークを含む被照射領域の画像を画像信号に変換し、画像信号から所定の空間周波数以上の周波数成分を含む高周波信号を抽出し、この高周波信号に基づいて上記画像の結像位置に関する結像位置情報を求めるようにしている。本発明は、物体が位置計測装置の焦点位置に配置されているか否かの評価基準として画像信号から抽出した高周波信号に基づいた結像位置情報を用いているため、被照射領域の全体に亘るシャープさが対象となる。よって、従来のように被照射領域の１点又は数点における信号のピーク値を評価基準とする場合に比べてノイズの影響を受けにくく、しかも高い精度をもって計測対象としてのマークが合焦位置に配置されているか否か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】ウェハ・アライメントセンサ１６のフォーカス計測原理を説明するための図である。
【図５】主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。
【図６】フォーカス検出ユニット６２の内部構成を示すブロック図である。
【図７】ウェハＷに形成されたマークＡＭ及びその形状をフーリエ変換したときの空間周波数成分の一部を示す図である。
【図８】画像信号ＶＳ２に含まれる成分のスペクトル分布の一例を示す図である。
【図９】ピーク算出部７７の処理を説明するための図である。
【図１０】アライメントセンサ１６のフォーカス計測時における動作を示すフローチャートである。
【図１１】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１２】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である。
【図１３】半導体デバイスの場合における、図１２のステップＳ２３の詳細なフローの一例を示す図である。
【図１４】画像信号を微分した信号を用いてマークがセンサの焦点位置に配置されているか否かを計測する従来の方法を説明するための図である。
【符号の説明】
６Ａ，６Ｂ        レチクル・アライメントセンサ（位置計測装置）
１０              基準部材（物体）
１６              ウェハ・アライメントセンサ（位置計測装置）
２０Ａ，２０Ｂ    プリズム（照射部）
２３              結像光学系
２５              ＣＣＤセンサ（受光部）
４１              光源（照射部）
４２              コンデンサレンズ４２（照射部）
４３              視野絞り（照射部）
４４              照明リレーレンズ（照射部）
４５              ビームスプリッタ（照射部、結像光学系）
４６              第１対物レンズ（照射部、結像光学系）
４８              第２対物レンズ（結像光学系）
４９              ビームスプリッタ（結像光学系）
５０              撮像素子（受光部）
７２              高周波信号抽出部（抽出部）
７３              フィルタ部
７４              減算部
７５              最大値算出部（演算部）
７６              強度算出部（第１演算部）
７７              ピーク算出部（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）
Ｍｘｉ，Ｍｙｉ    マーク
Ｒ                レチクル（物体、マスク）
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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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