(57)【要約】【課題】アライメントセンサのようなマーク検出系の計測誤差の要因又は要因別の誤差を、容易にかつ迅速に求める。【解決手段】ウエハ上の検出対象のウエハマーク４８Ｘをアライメントセンサによって検出し、その撮像信号を処理して波形データＩ（ｘ）を得る。この波形データＩ（ｘ）を計測方向の位置ｘに関してｎ次（ｎ＝１，２，３，…）の成分ｉ１（ｘ），ｉ２（Ｘ），ｉ３（ｘ），…からなるフーリエ級数で表し、各次数ｎの成分において１次の成分（基準次数の成分）に対する位相ずれをそれぞれ求める。ウエハマーク４８Ｘを１８０°回転した状態でも同じ計算を行い、回転角が０°での位相ずれと回転角が１８０°での位相ずれとを演算処理して装置起因の誤差とウエハ起因の誤差とを求める。【選択図】        図４
2004335971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体上で所定方向の位置を示すマークに関する情報を求めるマーク検出方法において、
前記マークからの光束を検出用光学系を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得る第１工程と、
前記第１工程で得られた検出信号を前記所定方向の位置に関して基準次数及びそれ以外の次数を含む複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開する第２工程と、
前記フーリエ級数の前記それ以外の次数の成分と前記基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、前記検出用光学系及び前記物体の少なくとも一方に起因して、前記マークに関する情報に作用する誤差要因を求める第３工程とを有することを特徴とするマーク検出方法。
【請求項２】
前記マーク又は前記検出用光学系を該検出用光学系の光軸に平行な軸の回りに１８０°回転する第４工程と、
前記第４工程の後で前記マークからの光束を前記検出用光学系を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得る第５工程と、
前記第５工程で得られた検出信号を前記所定方向の位置に関して前記基準次数及び前記それ以外の次数を含む複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開する第６工程とを更に有し、
前記第３工程は、前記第２工程及び前記第６工程でそれぞれ得られたフーリエ級数の前記それ以外の次数の成分と前記基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、前記検出用光学系及び前記物体の少なくとも一方に起因して、前記マークに関する情報に作用する誤差要因を求める工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のマーク検出方法。
【請求項３】
前記第３工程は、前記第２工程及び前記第６工程でそれぞれ得られたフーリエ級数の前記それ以外の次数の成分の前記基準次数の成分に対する位相ずれを求め、この位相ずれの和及び差に基づいて、それぞれ前記検出用光学系に起因する誤差及び前記物体に起因する誤差を求める工程を有することを特徴とする請求項２に記載のマーク検出方法。
【請求項４】
前記第１工程及び前記第２工程と、前記第５工程及び前記第６工程とを、前記マークの前記検出用光学系に対するフォーカス位置を変えながら複数回実行し、
前記第３工程は、前記第２工程及び前記第６工程でそれぞれ得られたフーリエ級数の前記それ以外の次数の成分と前記基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、前記検出用光学系に対する前記マークのベストフォーカス位置に関する情報を求める工程を有することを特徴とする請求項２又は３に記載のマーク検出方法。
【請求項５】
前記基準次数の成分は、１次の正弦波成分及び１次の余弦波成分の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のマーク検出方法。
【請求項６】
物体上で所定方向の位置を示すマークに関する情報を求めるマーク検出方法において、
前記マークからの光束を検出用光学系を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得る第１工程と、
前記第１工程で得られた検出信号を前記所定方向の位置に関して複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開し、該フーリエ級数の前記複数次数の成分の振幅情報を求める第２工程と、
前記第２工程で求められた振幅情報に基づいて、前記検出用光学系及び前記物体の少なくとも一方に起因して、前記マークに関する情報に作用する誤差要因を求める第３工程とを有することを特徴とするマーク検出方法。
【請求項７】
前記第１工程及び第２工程を、前記マークの前記検出用光学系に対するフォーカス位置を変えながら複数回実行し、
前記第３工程は、前記第２工程で求められた振幅情報に基づいて、前記検出用光学系に対する前記マークのベストフォーカス位置に関する情報を求める工程を有することを特徴とする請求項６に記載のマーク検出方法。
【請求項８】
物体上で所定方向の位置を示すマークに関する情報を求めるマーク検出装置において、
前記マークからの光束を検出用光学系を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得るマーク検出系と、
前記マーク検出系で得られた検出信号を前記所定方向の位置に関して基準次数及びそれ以外の次数を含む複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開し、該フーリ級数の前記それ以外の次数の成分と前記基準次数の成分とを比較し、該比較結果に基づいて、前記検出用光学系及び前記物体の少なくとも一方に起因して、
前記マークに関する情報に作用する誤差要因を求める演算装置とを有することを特徴とするマーク検出装置。
【請求項９】
前記基準次数の成分は、１次の正弦波成分及び１次の余弦波成分の少なくとも一方であり、
前記物体を前記検出用光学系に対して１８０°回転するための回転機構を更に備えることを特徴とする請求項８に記載のマーク検出装置。
【請求項１０】
物体上で所定方向の位置を示すマークに関する情報を求めるマーク検出装置において、
前記マークからの光束を検出用光学系を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得るマーク検出系と、
前記マーク検出系で得られた検出信号を前記所定方向の位置に関して複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開し、該フーリエ級数の前記複数次数の成分の振幅情報を求め、前記振幅情報に基づいて前記検出用光学系及び前記物体の少なくとも一方に起因して、前記マークに関する情報に作用する誤差要因を求める演算装置とを有することを特徴とするマーク検出装置。
【請求項１１】
第１物体を露光ビームで照明し、前記露光ビームで前記第１物体及び投影光学系を介して第２物体を露光する露光方法において、
請求項１〜７の何れか一項に記載のマーク検出方法で前記第２物体上に形成されたマークに関する情報を求めることを特徴とする露光方法。
【請求項１２】
第１物体を露光ビームで照明し、前記露光ビームで前記第１物体及び投影光学系を介して第２物体を露光する露光装置において、
請求項８〜１０の何れか一項に記載のマーク検出装置を備えることを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体上に形成されたマークに関する情報を求めるマーク検出技術に関し、例えば半導体素子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等のデバイスを製造するためのリソグラフィ工程中で使用される露光装置に備えられたアライメントセンサの誤差要因を評価する場合に使用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、例えば半導体素子を製造するためのリソグラフィ工程においては、マスクとしてのレチクルのパターンをステッパー等の露光装置を用いて、基板としてのレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に転写する露光工程、現像工程、及びエッチング等のパターン形成工程等を繰り返して行うことで、複雑な回路が多数のレイヤに亘って形成されていく。その露光工程において露光装置は、レジストが塗布されたウエハ上の所定の複数のショット領域に形成されたアライメントマーク（ウエハマーク）の位置をアライメントセンサによって計測し、この計測結果を統計処理してウエハ全体の位置と回転量を算出し、この算出結果に基づいてレチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に既に形成されている回路パターンに高精度に重ね合わせている。極めて細い線幅の回路パターンを露光するためには、この重ね合わせは数ｎｍ程度の精度で行われる必要がある。よって、アライメント精度にはそれ以下の精度が必要とされている。
【０００３】
そのような露光装置用の高精度なアライメントセンサとして、従来より明視野型の顕微鏡を用いてウエハマークの像を形成し、その像を撮像して得られた撮像信号を画像処理してそのウエハマークの位置を検出する、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式のセンサが用いられている（例えば特許文献１参照）。また、露光装置においては、デバイスを製造する際のスループット（単位時間当たりに露光できるウエハの枚数）を高めることも常に要求されている。そのため、ＦＩＡ方式のアライメントセンサにおいても、高いアライメント精度を保つことに加え、高速にマーク計測できることが要求されている。
【０００４】
一方、アライメント結果に基づく重ね合わせ精度が十分良好か否かを判断するために、重ね合わせ測定機が用いられる。具体的な測定方法としては、予め前工程において、ウエハマークと同時に重ね合わせ測定用の指標マークをウエハ上の各ショット領域内に焼き付けておく。そして、その指標マークの内側に転写される相対位置検出用の計測マークを含むレチクルパターンを用いて、かつＦＩＡ方式のアライメントセンサを用いてアライメントを行いながら、そのウエハの各ショット領域に重ね合わせ露光を行う。その後、ウエハの現像を行い、現像されたウエハの各ショット領域で指標マークに対する計測マークの相対的な位置ずれを重ね合わせ測定機で計測することによって、当該露光工程における重ね合わせ誤差を検出することができる。
【０００５】
例えば図９（Ａ）に示すように、指標マーク８２として白抜きのボックス形状のパターンを形成しておき、重ね合わせ露光後の計測マーク８１としては、斜線を施して示すボックス形状のパターンを形成する。９（Ｂ）には図９（Ａ）の一点鎖線に沿った断面構造を示す。例えば、指標マーク部８４は段差構造、計測マーク部８３はレジストを残したパターンとなっている。このような断面構造のマークを撮像すると、図９（Ｃ）に示すような撮像信号が得られる。図９（Ｃ）の中心部の計測マークによる信号８５と、周辺の指標マークによる信号８６との相対位置を計測することによって、重ね合わせ誤差を計測することができる。この計測の結果、重ね合わせ誤差がある場合には、その誤差分をオフセットとして露光装置に認識させ、この露光装置でアライメントする際にそのオフセット分の補正を行うことで、より高い重ね合わせ精度で露光することが可能となる。このため、重ね合わせ測定機の相対位置計測には、露光装置のアライメント精度や重ね合わせ精度に比べて更に良好な計測精度が要求される。
【０００６】
高精度な位置計測のために、計測対象のマークの撮像信号をデジタル化した波形データは歪みが無く計測誤差が生じないものが望ましい。しかしながら、撮像信号を得るために用いる顕微鏡の結像光学系に収差が残存していると、波形データが歪み、その結果として計測誤差が発生する。また、ウエハマークが形状誤差を持つと、それに起因して波形データが歪んで計測誤差が発生する。そこで、重ね合わせ測定機においては、指標マークと計測マークとの相対位置を、ウエハを普通に設置して計測した結果（回転角０°の計測結果）と、ウエハを１８０°回転させて計測した結果（回転角１８０°の計測結果）とを用いて、その計測誤差を補正している。
【０００７】
即ち、結像光学系の収差に起因する波形データの歪みは、回転角０°の計測結果と回転角１８０°の計測結果とで変化しないが、ウエハマークの形状誤差に起因する波形データの歪みは、回転角０°の計測結果と回転角１８０°の計測結果とで反転する。そこで、回転角０°の計測結果をＭ０、回転角１８０°の計測結果をＭ１８０とすると、装置起因の誤差であるＴＩＳ（Ｔｏｏｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）、及びウエハ起因の誤差であるＷＩＳ（Ｗａｆｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）は、それぞれ次のように表すことができる。
【０００８】
ＴＩＳ＝（Ｍ０＋Ｍ１８０）／２  …（１）
ＷＩＳ＝（Ｍ０−Ｍ１８０）／２  …（２）
また、重ね合わせ測定機での重ね合わせ誤差の計測値をＭとすると、計測値Ｍは以下のように回転角０°の計測結果Ｍ０からＴＩＳの影響を除いて表される。
Ｍ＝Ｍ０−ＴＩＳ  …（３）
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−１８３１８６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、ＦＩＡ方式のアライメントセンサにおいても、重ね合わせ測定機と同様に非常に高いアライメント精度が要求されており、重ね合わせ測定機におけるＴＩＳ及びＷＩＳに相当する誤差成分を減らすことは同様に重要である。
しかしながら、ＦＩＡ方式のアライメントセンサの場合は、指標マークと計測マークとを用いた相対位置計測ではなく、ウエハ上のウエハマークの位置（絶対位置）を高速に計測しなければならない。また、計測対象のウエハマークの形状も絶対位置計測用に最適化されている。このような条件の違いにより、ＦＩＡ方式のアライメントセンサの計測誤差を重ね合わせ測定機の場合と同様の装置起因の誤差（ＴＩＳ）とウエハ起因の誤差（ＷＩＳ）とに分けて求めることは、従来は行われていなかった。
【００１１】
また、例えばＦＩＡ方式のアライメントセンサの調整時やメンテナンス時において、マーク検出用の顕微鏡の収差を求める手法として、重ね合わせ測定機の場合と同様の２つのマーク（指標マーク及び計測マーク）を用いて重ね合わせ露光を行い、露光後の２つのマークの位置ずれ量を計測してその顕微鏡に起因するＴＩＳを求めるものとすると、その計測時間が長くなり、露光工程を停止する時間が長くなるという不都合がある。更に、それによって求められるＴＩＳは、アライメントセンサの実際の使用条件下での計測誤差とは異なる恐れもある。
【００１２】
本発明は、斯かる点に鑑み、アライメントセンサのようなマーク検出系の計測誤差の要因又は要因別の誤差を、容易にかつ迅速に求めることができるマーク検出技術を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、そのマーク検出技術を用いて重ね合わせ精度等を高めることができる露光技術を提供することを第２の目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１のマーク検出方法は、物体（Ｗ）上で所定方向の位置を示すマーク（４８Ｘ）に関する情報を求めるマーク検出方法において、そのマークからの光束を検出用光学系（２０，１８，２３，２４，２６）を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得る第１工程（ステップ１０２）と、その第１工程で得られた検出信号をその所定方向の位置に関して基準次数及びそれ以外の次数を含む複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開する第２工程（ステップ１０３）と、そのフーリエ級数のそのそれ以外の次数の成分とその基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、その検出用光学系及びその物体の少なくとも一方に起因して、そのマークに関する情報に作用する誤差要因を求める第３工程（ステップ１１２）とを有するものである。
【００１４】
斯かる本発明によれば、そのマークの検出信号の基準次数のフーリエ成分を基準としたそれ以外の次数のフーリエ成分のずれ量から、そのマークに関する情報に作用する誤差要因（又は検出用光学系等に起因する誤差）を求めることができる。従って、２つのマークを比較する方法と比べて容易にかつ迅速に、その検出用光学系を含むマーク検出系の誤差要因を求めることができる。
【００１５】
この場合、そのマーク又はその検出用光学系をこの検出用光学系の光軸（ＢＸ）に平行な軸の回りに１８０°回転する第４工程（ステップ１０６）と、その第４工程の後でそのマークからの光束をその検出用光学系を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得る第５工程（ステップ１０８）と、その第５工程で得られた検出信号をその所定方向の位置に関してその基準次数及びそのそれ以外の次数を含む複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開する第６工程（ステップ１０９）とを更に有し、その第３工程は、その第２工程及びその第６工程でそれぞれ得られたフーリエ級数のそのそれ以外の次数の成分とその基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、その検出用光学系及びその物体の少なくとも一方に起因して、そのマークに関する情報に作用する誤差要因を求める工程を含むことが望ましい。
【００１６】
この際にその第４工程でそのマーク（その物体）を１８０°回転すると、その第５工程で得られる検出信号は、その第２工程で得られる検出信号に比べてその検出用光学系に起因する誤差は実質的に同じであるが、その物体に起因する誤差は位置に関して反転する。そこで、その検出用光学系に起因する誤差とその物体に起因する誤差とを容易にかつ正確に分離することができる。その後、その検出用光学系に起因する誤差を補正することによって、より高精度にマーク位置を検出することができる。
【００１７】
また、その第３工程は、その第２工程及びその第６工程でそれぞれ得られたフーリエ級数のそのそれ以外の次数の成分のその基準次数の成分に対する位相ずれを求め、この位相ずれの和及び差に基づいて、それぞれその検出用光学系に起因する誤差及びその物体に起因する誤差を求める工程を有することが望ましい。これによれば、簡単な計算で検出用光学系に起因する誤差及びその物体に起因する誤差を分離して求めることができる。
【００１８】
また、その第１工程及びその第２工程と、その第５工程及びその第６工程とを、そのマークのその検出用光学系に対するフォーカス位置を変えながら複数回実行し（ステップ１０５，１１１）、その第３工程は、その第２工程及びその第６工程でそれぞれ得られたフーリエ級数のそのそれ以外の次数の成分とその基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、その検出用光学系に対するそのマークのベストフォーカス位置に関する情報を求める工程を有することが望ましい。
【００１９】
この際に、例えばフォーカス位置を変えたときに各次数のフーリエ成分の振幅が全体として最も大きくなるときのフォーカス位置をベストフォーカス位置とするなどによって、マーク検出系に対するベストフォーカス位置を容易に決定することができる。
また、その基準次数の成分は、１次の正弦波成分及び１次の余弦波成分の少なくとも一方であることが望ましい。１次の成分は最も周期（ピッチ）が長いと共に、通常は振幅が最も大きいため、基準次数として好適である。
【００２０】
また、本発明による第２のマーク検出方法は、物体（Ｗ）上で所定方向の位置を示すマーク（４８Ｘ）に関する情報を求めるマーク検出方法において、そのマークからの光束を検出用光学系（２０，１８，２３，２４，２６）を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得る第１工程（ステップ１０２）と、その第１工程で得られた検出信号をその所定方向の位置に関して複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のその複数次数の成分の振幅情報を求める第２工程（ステップ１０３）と、その第２工程で求められた振幅情報に基づいて、その検出用光学系及びその物体の少なくとも一方に起因して、そのマークに関する情報に作用する誤差要因を求める第３工程（ステップ１１３）とを有するものである。
【００２１】
本発明によれば、そのマークの検出信号のフーリエ成分の振幅情報から、そのマークに関する情報に作用する誤差要因、例えばデフォーカスを求めることができる。従って、２つのマークを比較する方法と比べて容易にかつ迅速に、その検出用光学系を持つマーク検出系の誤差要因を求めることができる。
この場合、その第１工程及び第２工程を、そのマークのその検出用光学系に対するフォーカス位置を変えながら複数回実行し（ステップ１０５）、その第３工程は、その第２工程で求められた振幅情報に基づいて、その検出用光学系に対するそのマークのベストフォーカス位置に関する情報を求める工程を有することが望ましい。これによれば、振幅情報を比較するだけで、容易に例えばベストフォーカス位置を求めることができる。
【００２２】
次に、本発明による第１のマーク検出装置は、物体（Ｗ）上で所定方向の位置を示すマーク（４８Ｘ）に関する情報を求めるマーク検出装置において、そのマークからの光束を検出用光学系（２０，１８，２３，２４，２６）を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得るマーク検出系（１２）と、そのマーク検出系で得られた検出信号をその所定方向の位置に関して基準次数及びそれ以外の次数を含む複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開し、このフーリ級数のそのそれ以外の次数の成分とその基準次数の成分とを比較し、この比較結果に基づいて、その検出用光学系及びその物体の少なくとも一方に起因して、そのマークに関する情報に作用する誤差要因を求める演算装置（４７，４）とを有するものである。
【００２３】
斯かる本発明によれば、本発明の第１のマーク検出方法を実施でき、２つのマークを比較する方法と比べて容易にかつ迅速に、そのマーク検出系の誤差要因を求めることができる。また、そのマーク検出系において求められた誤差要因に基づく誤差を補正することによって、マークの計測精度を高めることができる。
この場合、その基準次数の成分は、１次の正弦波成分及び１次の余弦波成分の少なくとも一方であり、その物体をその検出用光学系に対して１８０°回転するための回転機構（５０）を更に備えることが望ましい。その回転機構でその物体を１８０°回転することによって、上記のマーク検出方法の第４工程〜第６工程を実行でき、その検出用光学系に起因する誤差とその物体に起因する誤差とを容易にかつ正確に分離することができる。
【００２４】
また、本発明による第２のマーク検出装置は、物体（Ｗ）上で所定方向の位置を示すマーク（４８Ｘ）に関する情報を求めるマーク検出装置において、そのマークからの光束を検出用光学系（２０，１８，２３，２４，２６）を介して受光し、この受光された光を光電変換して検出信号を得るマーク検出系（１２）と、そのマーク検出系で得られた検出信号をその所定方向の位置に関して複数次数の成分よりなるフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のその複数次数の成分の振幅情報を求め、その振幅情報に基づいてその検出用光学系及びその物体の少なくとも一方に起因して、そのマークに関する情報に作用する誤差要因を求める演算装置（４７，４）とを有するものである。
【００２５】
本発明によれば、本発明の第２のマーク検出方法を実施でき、２つのマークを比較する方法と比べて容易にかつ迅速に、そのマーク検出系の誤差要因を求めることができる。また、そのマーク検出系において求められた誤差要因に基づく誤差を補正することによって、マークの計測精度を高めることができる。
また、本発明による露光方法は、第１物体（Ｒ）を露光ビームで照明し、その露光ビームでその第１物体及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光方法において、本発明の何れかのマーク検出方法でその第２物体上に形成されたマーク（ＷＭ）に関する情報を求めるものである。本発明のマーク検出方法を適用して求めた誤差を補正することによって、重ね合わせ精度等を向上させることができる。
【００２６】
また、本発明による露光装置は、第１物体（Ｒ）を露光ビームで照明し、その露光ビームでその第１物体及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、本発明の何れかのマーク検出装置を備えるものである。本発明のマーク検出装置で求めた誤差要因による誤差、例えばマーク検出装置に起因する誤差を補正することによって、重ね合わせ精度等を向上させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１は、本例で使用される走査露光型の投影露光装置を示し、この図１において露光時には、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）又はＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）よりなるエキシマレーザ光源等の露光光源（不図示）からの露光ビームとしての露光光ＩＬは、照明光学系１を介してマスクとしてのレチクルＲのパターン面の細長い照明領域を均一な照度分布で照明する。照明光学系１は、照度分布均一化用のオプティカル・インテグレータ、照明領域を規定する視野絞り（レチクルブラインド）、及びコンデンサレンズ系等から構成されている。
【００２８】
そして、露光光ＩＬのもとで、レチクルＲ上の回路パターンの一部の像が、両側テレセントリックな投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは１／５，１／４等）で、ウエハＷ上の一つのショット領域上の細長い露光領域に投影される。ウエハＷは例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等の直径が１５０〜３００ｍｍ程度の円板状の基板であり、その表面にフォトレジストが塗布されている。レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれ第１物体及び第２物体（又は単に物体）ともみなすことができる。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を取り、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。本例の走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ方向である。
【００２９】
このとき、レチクルＲはレチクルステージ２上に吸着保持され、レチクルステージ２は、レチクルベース３上にエアーベアリングを介してＹ方向に一定速度で駆動され、かつＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸の回りの回転方向に微動できるように載置されている。レチクルステージ２のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び回転角はレチクルステージ駆動系５内のレーザ干渉計によって計測されている。この計測値及び装置全体の動作を制御するコンピュータよりなる主制御系４からの制御情報に基づいて、レチクルステージ駆動系５は、リニアモータ等の駆動機構（不図示）を介してレチクルステージ２の速度及び位置を制御する。
【００３０】
一方、ウエハＷは不図示のウエハホルダを介してウエハテーブル６上に真空吸着によって保持されており、このウエハテーブル６がＺ方向の位置及びＸ軸、Ｙ軸の回りの傾斜角を制御するためのＺチルトステージ７上に固定され、Ｚチルトステージ７はＸＹステージ８上に固定されている。ＸＹステージ８は、定盤よりなるウエハベース９上にエアーベアリングを介してＹ方向に一定速度で移動でき、かつＸ方向、Ｙ方向にステップ移動できるように載置されている。また、投影光学系ＰＬの下部側面に、ウエハＷの表面に複数のスリット像を斜めに投影する投射光学系１１Ａと、ウエハＷからの反射光を受光してそのスリット像を再結像して、この再結像された像のシフト量に応じた信号を出力する受光光学系１１Ｂとからなる斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（１１Ａ，１１Ｂ）が配置されている。走査露光時には、このオートフォーカスセンサ（１１Ａ，１１Ｂ）の計測値に基づいてウエハステージ駆動系１０は、Ｚチルトステージ７を介してオートフォーカス方式でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込む。
【００３１】
ウエハテーブル６、Ｚチルトステージ７、及びＸＹステージ８よりウエハステージが構成されている。ウエハテーブル６（ウエハＷ）のＸ方向、Ｙ方向の位置及び回転角は、ウエハステージ駆動系１０内のレーザ干渉計によって例えば１ｎｍ程度の位置分解能で計測されている。この計測値及び主制御系４からの制御情報に基づいて、ウエハステージ駆動系１０は、リニアモータ等の駆動機構（不図示）を介してＸＹステージ８（ウエハステージ）の速度及び位置を制御する。
【００３２】
また、ウエハベース９の＋Ｙ方向の近傍にウエハローダ系５０が配置されている。ウエハローダ系５０は、不図示のコラムによって支持されたＸ軸ガイド５３と、Ｘ軸ガイド５３に沿ってリニアモータ等によってＸ方向に駆動できるように配置されたＹ軸ガイド５２と、Ｙ軸ガイド５２に沿ってリニアモータ等によってＹ方向に駆動できるように配置されたウエハアーム５１と、後述の昇降ターンテーブル５４とを含んでいる。一例としてウエハテーブル６の中央には、ウエハを昇降するための昇降ピン（不図示）が配置されている。そして、ウエハのロード時には、この昇降ピンを或る程度上昇させた状態でウエハアーム５１を介してその昇降ピンの上方にウエハを移動させた後、その昇降ピンを更に上昇させて、ウエハアーム５１を引き抜いてから、その昇降ピンを下降させることで、ウエハテーブル６上にウエハを受け渡すことができる。この逆の手順で、ウエハテーブル６からウエハアーム５１上へのウエハＷのアンロードも行うことができる。ウエハアーム５１は更に不図示のウエハ搬送系（又はウエハカセット）との間でウエハの受け渡しを行う。
【００３３】
また、Ｘ軸ガイド５３の−Ｘ方向の端部に、Ｚ方向への昇降及び光軸ＡＸに平行な軸の回りに１８０°の回転ができる昇降ターンテーブル５４が配置されている。この構成において、ウエハアーム５１上の位置Ｐ１にウエハを移動した状態で、更にウエハアーム５１を昇降ターンテーブル５４上に移動した後、昇降ターンテーブル５４を上昇させてウエハアーム５１から昇降ターンテーブル５４にウエハを受け渡す。続いて、昇降ターンテーブル５４を１８０°回転した後、昇降ターンテーブル５４を下降させてウエハアーム５１上にウエハを受け渡すことで、ウエハアーム５１上のウエハを光軸ＡＸに平行な軸の回りに１８０°回転することができる。本例のウエハローダ系５０が、第２物体としてのウエハの回転機構に対応している。
【００３４】
そして、ウエハＷに対する走査露光時には、レチクルステージ２及びＸＹステージ８を駆動して、露光光ＩＬの照明領域及びこれに投影光学系ＰＬに関して共役な露光領域に対してそれぞれレチクルＲとウエハＷ上の一つのショット領域とをＹ方向に同期走査する動作と、ＸＹステージ８を駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。この動作によって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。
【００３５】
さて、この露光が重ね合わせ露光であるとすると、その露光前に予めレチクルＲのアライメント及びウエハＷのアライメントを行っておく必要がある。そのため、レチクルＲの上方には、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示されているレチクルアライメント顕微鏡（不図示）が配置されている。そして、このレチクルアライメント顕微鏡によってレチクルＲ上の所定のアライメントマーク（レチクルマーク）と、ウエハテーブル６上の所定の基準マーク（不図示）との位置ずれ量を検出し、この位置ずれ量に基づいてレチクルＲの位置及び回転角が補正される。
【００３６】
また、ウエハＷ上の各ショット領域にはそれぞれアライメントマークとしてのウエハマークが付設されており、そのウエハマークの位置を検出するために、投影光学系ＰＬの側面にオフ・アクシス方式でＦＩＡ（Ｆｉｅ１ｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａ１ｉｇｎｍｅｎｔ  ）方式よりなる画像処理方式のアライメントセンサ１２が配置されている。アライメントセンサ１２は、白色光で被検マークを照明する照明系と、その被検マークの拡大像を形成する検出用光学系と、その像を撮像するＣＣＤ型の２次元撮像素子とを備えると共に、内部にオートフォーカスセンサを備えている（詳細後述）。
【００３７】
アライメントセンサ１２からの撮像信号より、アライメント信号処理系４７は検出対象のマークの検出中心（指標マークの中心）からの位置ずれ量を求めて主制御系４に供給する。主制御系４は、ウエハステージ駆動系１０内のレーザ干渉計を介して検出されるウエハテーブル６（ウエハＷ）のＸ座標、Ｙ座標にその位置ずれ量を加算することによって、その検出対象のマークのステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での配列座標を求めることができる。
【００３８】
また、レチクルＲのアライメント時に、ウエハテーブル６上の別の基準マークの位置をアライメントセンサ１２を介して検出することによって、レチクルＲのパターン像の中心とアライメントセンサ１２の検出中心との間隔であるベースライン量が求められて、主制御系４の記憶部に記憶される。これ以後は、アライメントセンサ１２の検出結果を例えば特公平４−４７９６８号公報で開示されているエンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）方式で統計処理して得られるウエハＷ上の各ショット領域の配列座標を、そのベースライン量分だけずらすことによって、ウエハＷ上の各ショット領域に既に形成されている回路パターンと、レチクルＲのパターン像とを高精度に重ね合わせて露光することができる。
【００３９】
次に、本例のアライメントセンサ１２の構成につき説明する。図１において、不図示の検出用光源から光ファイバー１３を介して導かれた近赤外及び可視の広帯域の光（白色光）を含むアライメント用の検出光は、レンズ１４、照明視野絞り１５、レンズ１６、ビームスプリッタ１７、第１対物レンズ１８、落射照明用のミラー１９、レンズ２０、及び指標マークが形成された指標板２１を介してウエハＷ上の検出対象のマークとしてのウエハマークＷＭを照明する。ウエハマークＷＭでの反射、散乱、及び回折によって上方に向かう光（以下、「マーク光」と呼ぶ）は、指標板２１、レンズ２０、ミラー１９、第１対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７を経てミラー２２に至る。また、指標板２１の上面には指標マークが形成され、その下面には検出光のうち長波長領域の光（赤外光）のみを反射させるコーティングが施されており、ミラー１９からレンズ２０を介して指標板２１に入射した検出光のうち、赤外成分の光が指標板２１の下面で反射され、上面の指標マークを照明する。指標板２１上面の指標マークで反射、散乱、及び回折された光は、再び下方に向かう。指標板２１の下面で再反射された光（以下、「指標光」と呼ぶ）は、レンズ２０、ミラー１９、第１対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７を経てミラー２２に至る。
【００４０】
ミラー２２で上方に反射されたマーク光及び指標光は、第２対物レンズ２３、レンズ２４、開口絞り２５、レンズ２６、及びミラー２７を経てビームスプリッタ２８に至る。ビームスプリッタ２８で反射されたマーク光は、ＣＣＤ型の２次元撮像素子２９の撮像面にウエハマークＷＭの拡大像を形成し、ビームスプリッタ２８を透過してミラー３０で反射された指標光は、ＣＣＤ型の２次元撮像素子３１の撮像面に指標マークの拡大像を形成する。撮像素子２９及び３１の撮像信号はアライメント信号処理系４７に供給されている。この場合、指標板２１、レンズ２０、ミラー１９、第１対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７、ミラー２２、第２対物レンズ２３、レンズ２４、開口絞り２５、レンズ２６、ミラー２７、及びビームスプリッタ２８よりアライメントセンサ１２の検出用光学系が構成され、この検出用光学系は広帯域の検出光のもとでウエハＷ上のウエハマークＷＭの拡大像を撮像素子２９上に形成する。また、検出用光学系は、指標マークを撮像素子３１上に形成するためにも兼用されている。その検出用光学系のウエハＷ上での光軸を光軸ＢＸと呼ぶ。
【００４１】
また、不図示の光源から光ファイバー３２を介して導かれた所定波長域のオートフォーカス用の検出光（以下、「ＡＦ光」と呼ぶ）は、レンズ３３、ミラー３４を介してスリット板３５を照明し、スリット板３５のスリットを通過したＡＦ光は、レンズ３６、ビームスプリッタ３７、レンズ３８を経て部分的に光束を反射する部分ミラー３９で下方に反射される。反射されたＡＦ光は、第２対物レンズ２３、ミラー２２、ビームスプリッタ１７、第１対物レンズ１８、ミラー１９、レンズ２０、及び指標板２１を介してウエハＷ上の検出対象のウエハマークＷＭを含む領域にスリット像を形成する。ウエハＷでの反射、散乱、及び回折によって上方に向かうＡＦ光は、指標板２１、レンズ２０、ミラー１９、第１対物レンズ１８、ビームスプリッタ１７を経てミラー２２に至り、ミラー２２で上方に反射されたＡＦ光は、第２対物レンズ２３、部分ミラー３９を経てビームスプリッタ３７に入射する。ビームスプリッタ３７を透過したＡＦ光は、レンズ４０、開口絞り４１、レンズ４２、瞳分割用のミラー４３、レンズ４４、波長選択フィルタ４５を介して例えばラインセンサよりなる撮像素子４６上に、分割された２つのスリット像を形成する。撮像素子４６の撮像信号もアライメント信号処理系４７に供給され、アライメント信号処理系４７はその撮像信号を処理して、ウエハＷ上の検出対象の領域のアライメントセンサ１２の検出用光学系のベストフォーカス位置に対するＺ方向へのずれ量（デフォーカス量）を求め、求めたデフォーカス量を主制御系４に供給する。なお、そのベストフォーカス位置は、本例では投影光学系ＰＬの像面とほぼ一致している。このように、アライメントセンサ１２には、光ファイバー３２、スリット板３５、ビームスプリッタ３７、部分ミラー３９、レンズ３８，４０，４２，４４、瞳分割ミラー４３、及び撮像素子４６を含むオートフォーカスセンサが組み込まれている。
【００４２】
なお、アライメントセンサ１２は図１の構成には限定されず、例えば特開平７−１８３１８６号公報に開示されているような種々の構成を取り得る。
次に、本例のウエハマークの一例につき図２を参照して説明する。
図２（Ａ）は、図１のウエハＷを示す拡大平面図であり、図２（Ａ）において、ウエハＷの表面はＸ方向、Ｙ方向に所定ピッチで複数のショット領域ＳＡに区分され、各ショット領域ＳＡにそれぞれ凹凸パターンよりなる２次元のウエハマークＷＭが形成されている。ウエハマークＷＭは、図２（Ｂ）に示すように、Ｘ方向に所定ピッチで凹部と凸部とを格子状に形成したＸ軸のウエハマーク４８Ｘと、このウエハマーク４８ＸをＹ方向に挟むように、Ｙ方向に所定ピッチで凹部と凸部とを格子状に形成した２つのＹ軸のウエハマーク４８Ｙとを備えている。
【００４３】
例えばＥＧＡ方式でアライメントを行う場合には、図１のアライメントセンサ１２によって図２（Ａ）のウエハＷの周辺部にほぼ均等に配列されたショット領域Ａ１〜Ａ１０に形成されたウエハマークＷＭのＸ方向、Ｙ方向の位置がそれぞれ検出される。
本実施形態では、説明を容易にするためマークの凹凸部分の反射率が一定の、非常に単純な場合を想定している。一般的なウエハマークは、半導体プロセスの都合により様々な構造を持っている。例えば、凹部と凸部との反射率が異なっていたり、逆に反射率差が大きく凹凸は小さかったり、また、凹部凸部に相当するマークの断面構造が、様々な物質により複雑な層を形成している場合もある。また、一般的にはマーク上にはレジストが塗布されている。そのような一般的なウエハマークに対しても本実施形態の内容は同様に適用できる。
【００４４】
図３（Ａ）は、図１の撮像素子２９の撮像面２９ａに形成されるウエハマークＷＭの拡大像（Ｘ軸のウエハマーク４８Ｘの像４８ＸＩ及びＹ軸の２つのウエハマーク４８Ｙの像４８ＹＩ）の一例を示し、図３（Ａ）において図２（Ａ）のウエハＷ上のＸ方向、Ｙ方向に対応する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向としてある。撮像素子２９から得られた２次元画像を表す撮像信号は、アライメント信号処理系４７にてアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換された後、所定範囲のｘ軸に平行な複数の波形データに変換される。Ｘ軸のウエハマークの像４８ＸＩのｘ方向の位置を求めるためには、一例として前記ｘ軸に平行な複数の波形データを加算（又は平均）することによって、図３（Ｃ）に示すようなＸ軸のウエハマーク４８Ｘの波形データＩ（ｘ）を得る。波形データＩ（ｘ）は、撮像面上のｘ方向の位置（例えば画素の番号で表される）に対応させてアライメント信号処理系４７内のメモリに格納される。ウエハＷ上のＸ方向の長さと撮像面２９ａ上のｘ方向の長さとの比の値は、主制御系４及びアライメント信号処理系４７内の処理部に記憶されている。
【００４５】
図３（Ｂ）は、ウエハＷ上のＸ軸のウエハマーク４８Ｘの断面形状の一例を示し、図３（Ｃ）の波形データＩ（ｘ）は、図３（Ｂ）のウエハマーク４８Ｘに対して或るフォーカス位置で検出される撮像信号をデジタル化したものである。この例の波形データＩ（ｘ）は、ウエハマーク４８Ｘの各段差部でそれぞれ値がパルス状に低下する信号となっている。この場合には、一例として所定のスライスレベルで波形データＩ（ｘ）を２値の複数のパルスで表し、これら複数のパルスのｘ方向の位置を平均化することでウエハマークの像４８Ｉのｘ方向の位置を求めることができる。
【００４６】
次に、アライメントセンサ１２の検出精度を向上するためには、アライメントセンサ１２の検出結果からアライメントセンサ１２自体に起因する誤差を補正することが望ましい。以下では、フーリエスペクトルを用いた解析によって、アライメントセンサ１２の検出誤差を検出用光学系の収差等の装置に起因する誤差であるＴＩＳ（Ｔｏｏｌ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）と、ウエハマークＷＭの断面の非対称構造等を含むウエハに起因する誤差であるＷＩＳ（Ｗａｆｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｈｉｆｔ）とに分ける方法につき説明する。
【００４７】
先ず、本例の光学原理上の説明を行う。一般的なパーシャルコヒーレント結像光学系の理論として、参考文献１「鶴田匡夫著：応用物理工学選書１”応用光学１”ｐｐ．２８２−２９２（培風館，１９９０）」によると、使用波長、結像光学系の開口数、照明光学系の開口数、物体（本例ではウエハマークを含むウエハ）の情報（ウエハマークのピッチ、線幅、断面構造等）、波面収差等の光学的パラメータが与えられている場合には、結像光学系により形成されるその像は、像のフーリエスペクトルとして数値計算可能である。また、物体をデフォーカスさせたときの像についても、同様に数値計算することが可能である。
【００４８】
また、前記光学原理は、物体が周期構造を持っている場合、数値計算（シミュレーション）の結果として、像はまず像のフーリエスペクトルつまり像のフーリエ級数の形で必ず得られることを示している。このような結像光学系の性質をアライメントマークとしてのウエハマークを計測するＦＩＡ（Ｆｉｅ１ｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａ１ｉｇｎｍｅｎｔ  ）に適用すると、以下のようになる。
例えば、図４（Ａ）のようにウエハマーク４８Ｘを周期（ピッチ）Ｐの周期的パターンと考えると、そのアライメントセンサ１２による撮像信号から得られる波形データＩ（ｘ）は、次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）で振幅ａｎと位相ずれφｎとを持つ余弦フーリエ級数として以下のように表される。以下の式において、ａ０はオフセットである。なお、余弦フーリエ級数の代わりに正弦フーリエ級数、又はこれらを混合したフーリエ級数を用いてもよい。
【００４９】
【数１】
2004335971.tif 000003
ここで、ｘは検出信号としての波形データ（像強度分布に対応している）の計測方向の位置、Ｐはウエハマークの周期、ｍは次式で規定される空間周波数の最大次数を表す数値である。なお、次式において、ＮＡは図１のアライメントセンサ１２の検出用光学系の開口数、λはアライメントセンサ１２の検出光の平均波長であり、本例ではｍは２以上の整数となるように開口数ＮＡ、周期Ｐ、波長λが設定されている。
【００５０】
ｍ＜２・ＮＡ・Ｐ／λ  …（１２）
その検出用光学系を通した像のフーリエスペクトルは、空間周波数できまる次数ｍの周期の余弦関数（以下、「ＣＯＳ関数」と言う）までの成分しか持たないことになる。
具体的に波形データＩ（ｘ）が図４（Ｂ）の場合には、そのフーリエ級数中の１次のＣＯＳ関数ｉ１（ｘ）、２次のＣＯＳ関数ｉ２（ｘ）、及び３次のＣＯＳ関数ｉ３（ｘ）はそれぞれ図４（Ｃ）、（Ｄ）、及び（Ｅ）のようになる。図４（Ｃ）には１次のＣＯＳ関数ｉ１（ｘ）の振幅ａ１及び位相ずれφ１が図示されている。
【００５１】
なお、ウエハマークが非周期的孤立パターン（例えば、図４（Ａ）に示すウエハマーク４８Ｘに対して、凸又は凹のライン状のパターンが複数本ではなく１本しかないようなパターン）である場合には、ピッチＰが物体構造からは決まらない。しかしながら、このような場合にも、孤立パターンに対して十分に大きな周期（ピッチＰ）を設定すれば、ウエハマーク像を前記同様の（１１）式の形に表すことができる。例えば非周期パターンの線幅の５倍程度の周期にすれば、周期的パターンと同様に扱うことができる。
【００５２】
ここで、特徴として重要な点が２点挙げられる。先ず当然の事ながら、各次数のＣＯＳ関数そのものは歪みの無い周期関数であること。また、各次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）の位相ずれφｎが、直接各次数のＣＯＳ成分の横ずれ量（ｘ方向の位置ずれ量）を表していることである。光学系に収差等の像歪発生要因が残存している場合、各次数の位相ずれφｎは各次数毎のＴＩＳに相当する量となる。また、物体形状が歪みを持つ場合には、各次数の位相ずれφｎは各次数毎のＷＩＳに相当する量となる。更に、両方の成分を持つ場合も考えられる。
【００５３】
従来のＴＩＳ・ＷＩＳの計測手法においては、画像処理アルゴリズムにより撮像信号の波形データからマーク位置を求めているが、本例の手法による各ＣＯＳ成分の位相ずれ、つまり各ＣＯＳ成分の位置ずれ量は、原理的に像のフーリエ級数が持っている画像処理アルゴリズムに依らない絶対的な数値である。
これらの各次数のＣＯＳ成分を用いて、各次数毎にＴＩＳとＷＩＳとに相当する値を定義することができる。以下では、フーリエ級数中の次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＣＯＳ成分から求められるＴＩＳ及びＷＩＳをそれぞれＴＩＳｎ及びＷＩＳｎとし、これらを図６のフローチャートの動作に従って計測する。
【００５４】
先ず図６のステップ１０１において、図１の主制御系４の制御のもとで、ＸＹステージ８を駆動して、ウエハＷ上の所定のウエハマークＷＭをアライメントセンサ１２の検出領域に移動した後、Ｚチルトステージ７を駆動して、ウエハＷの表面のＺ方向の位置を初期位置（ここではベストフォーカス位置とされている位置から＋Ｚ方向に移動ストロークの１／２だけずれた位置）に設定する。この際のオートフォーカスセンサとしては、露光用のオートフォーカスセンサ（１１Ａ，１１Ｂ）を用いてもよい。本例では、アライメントセンサ１２の検出領域でのフォーカス位置を高精度に制御するために、アライメントセンサ１２内の撮像素子４６を含むオートフォーカスセンサを使用する。また、ここまでは、光学原理に基づき新しいウエハマーク像の表現方法を説明してきたが、以下では、その表現方法をＦＩＡによる実際のウエハマーク計測に適用した例として説明する。
【００５５】
次のステップ１０２において、アライメントセンサ１２でそのウエハマークＷＭの像を撮像し、撮像信号をアライメント信号処理系４７に供給する。次のステップ１０３において、アライメント信号処理系４７では、供給された撮像信号から図３（Ａ）のＸ軸のウエハマークの像４８ＸＩをｘ方向に走査した複数の撮像信号を取り出し、これらの撮像信号をｙ方向に加算（又は平均化）することによって計測方向の位置ｘに関する波形データＩ（ｘ）を生成する。そして、この波形データＩ（ｘ）を（１１）式のようにフーリエ級数に展開し、各次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＣＯＳ成分の振幅ａｎ及び位相ずれφｎ０を求め、これらを主制御系４に供給する。なお、位相ずれφｎ０とは、ウエハＷの回転角が０°での位相ずれφｎを意味している。主制御系４では、供給された振幅ａｎ及び位相ずれφｎ０をメモリに格納する。
【００５６】
次のステップ１０４において、主制御系４は、ウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）が移動ストロークの下の端点かどうかを判定し、下の端点に達していないときには、ステップ１０５に移動してＺチルトステージ７を介してウエハＷのフォーカス位置をδｚ（本例では１μｍ程度）だけ−Ｚ方向に下げる。その後、ステップ１０２、１０３の動作を繰り返して、異なるフォーカス位置（これも「位置Ｚ」で表す）でウエハマークの波形データＩ（ｘ）をフーリエ級数に展開し、各次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＣＯＳ成分の振幅ａｎ及び位相ずれφｎ０を求めて、これらをメモリに格納する。このステップ１０２及び１０３の動作は、ウエハＷのフォーカス位置を移動ストローク（例えば±１０μｍ）内でδｚだけ次第に変えながら複数回（例えば２１回）実行される。
【００５７】
そして、ステップ１０４でウエハＷのフォーカス位置が移動ストローク内の下の端点に達しているときには、動作はステップ１０６に移行して、主制御系４は、図１のウエハローダ系５０を駆動して、ウエハテーブル６上のウエハＷをアライメントセンサ１２の光軸ＢＸ（本例では投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行である）に平行な軸の回りに１８０°回転させる。それに続くステップ１０７において、図１の主制御系４の制御のもとで、ＸＹステージ８を駆動して、ウエハＷ上のステップ１０２で検出したウエハマークＷＭをアライメントセンサ１２の検出領域に移動する。その後、Ｚチルトステージ７を駆動して、ウエハＷの表面のＺ方向の位置をステップ１０１と同じ初期位置に設定する。
【００５８】
次のステップ１０８において、ステップ１０２と同様にアライメントセンサ１２でそのウエハマークＷＭの像を撮像し、撮像信号をアライメント信号処理系４７に供給する。次のステップ１０９において、ステップ１０３と同様にアライメント信号処理系４７では、供給された撮像信号から図３（Ａ）のＸ軸のウエハマークの像４８ＸＩに対応する波形データＩ（ｘ）を生成する。そして、この波形データＩ（ｘ）を（１１）式のようにフーリエ級数に展開し、各次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＣＯＳ成分の振幅ａｎ及び位相ずれφｎ１８０を求め、これらを主制御系４に供給する。なお、位相ずれφｎ１８０とは、ウエハＷの回転角が１８０°での位相ずれφｎを意味している。主制御系４では、供給された振幅ａｎ及び位相ずれφｎ１８０をメモリに格納する。
【００５９】
次のステップ１１０において、主制御系４は、ウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）が移動ストロークの下の端点かどうかを判定し、下の端点に達していないときには、ステップ１１１に移動してＺチルトステージ７を介してウエハＷのフォーカス位置をδｚ（ステップ１０５での変位と同じ値）だけ−Ｚ方向に下げる。その後、ステップ１０８、１０９の動作を繰り返して、異なるフォーカス位置Ｚでウエハマークの波形データＩ（ｘ）をフーリエ級数に展開し、各次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＣＯＳ成分の振幅ａｎ及び位相ずれφｎ１８０を求めて、これらをメモリに格納する。このステップ１０８及び１０９の動作も、ステップ１０３及び１０４の繰り返し回数と同じ回数だけ実行される。
【００６０】
そして、ステップ１１０でウエハＷのフォーカス位置が移動ストローク内の下の端点に達しているときには、動作はステップ１１２及び１１３に移行して、主制御系４は以下のようにして次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＴＩＳｎ及びＷＩＳｎ等を計算する。
即ち、従来の指標マーク及び計測マークを用いるＴＩＳ計測では、撮像信号の波形データ全体の位置を用いているため像全体が横にずれているのか、像歪みの影響で横にずれているのかが区別できないため、指標マークと計測マークとの相対関係でしかＴＩＳの値を定義することが出来なかった。しかしながら、本例の計測においてはＴＩＳｎ及びＷＩＳｎとして各次数ｎ毎に値を求めるため、基準次数としての１次成分の位置ずれと全ての高次成分（一般にその他の次数の成分）の位置ずれとが同じ場合は、単なる横ずれと判別することができる。
【００６１】
ウエハＷの回転角が０°での計測（０度計測）による波形データＩ（ｘ）（像強度分布）の解析で得られた各次数の位相ずれφｎ０と、ウエハＷの回転角が１８０°での計測（１８０度計測）による波形データＩ（ｘ）（像強度分布）の解析で得られた各次数の位相ずれφｎ１８０とを用いて、或るフォーカス位置（例えばそれまでのベストフォーカス位置）での各次数ｎのＴＩＳｎ及びＷＩＳｎはそれぞれ以下のように表すことができる。
【００６２】
ＴＩＳｎ＝（φｎ０＋φｎ１８０）／２−（φ１０＋φ１１８０）／２…（１３）
ＷＩＳｎ＝（φｎ０−φｎ１８０）／２−（φ１０−φ１１８０）／２…（１４）
例えば図５（Ａ１）及び（Ａ２）に示すようなウエハマーク４８Ｘ１及び４８Ｘ２をアライメントセンサ１２で検出する際に、それぞれ図５（Ｂ１）及び（Ｂ２）に示す波形データＩ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）が得られるものとする。この際に、図５（Ｂ１）の波形データＩ１（ｘ）は、アライメントセンサ１２の検出用光学系の収差（装置起因の誤差ＴＩＳ）によって波形が歪み、図５（Ｂ２）の波形データＩ２（ｘ）は、ウエハマークの断面形状が非対称であること（ウエハ起因の誤差ＷＩＳ）によって波形が歪んでいる。この場合、図５（Ａ１）のウエハマーク４８Ｘ１を１８０°回転して得られる図５（Ｃ１）のウエハマーク４８Ｘ１の断面形状は同じであり、それに対応する図５（Ｄ１）の波形データＩ１（ｘ）も同じ（位相ずれφｎ０とφｎ１８０とが同じ）である。従って、図５（Ｂ１），（Ｄ１）の波形データに対しては（１４）式のＷＩＳｎは０になり、（１３）式のＴＩＳｎは或る値になるため、装置に起因するｎ次の誤差ＴＩＳｎを求めることができる。
【００６３】
一方、図５（Ａ２）のウエハマーク４８Ｘ２を１８０°回転して得られる図５（Ｃ２）のウエハマーク４８Ｘ２の断面形状はＸ方向に反転し、それに対応する図５（Ｄ２）の波形データＩ２（ｘ）も図５（Ｂ２）に対してｘ方向に反転する（位相ずれφｎ０とφｎ１８０とが逆符号になる）。従って、図５（Ｂ２），（Ｄ２）の波形データに対しては（１３）式のＴＩＳｎは０になり、（１４）式のＷＩＳｎは或る値になるため、ウエハに起因するｎ次の誤差ＷＩＳｎを求めることができる。
【００６４】
上記のＴＩＳｎやＷＩＳｎは、一般的な半導体製造プロセスにおいて使用されるウエハマークに対しても同様に求めることができる。また、一般的にＴＩＳｎやＷＩＳｎはマーク構造によって異なる値を取る。よって、或るプロセスにおいて形成されたウエハマークにてＴＩＳｎ、ＷＩＳｎを求め、その大きさがアライメント精度に対して大きい場合、アライメント精度に影響が大きいマーク構造であることが分かる。そのような場合、例えばマークの線幅や構造を変えたマークを数種類用意しておけば、そのマークの中からＴＩＳｎやＷＩＳｎが小さくなるものを選択することによって、アライメント誤差の少ないマークを用いることができる。また、ＷＩＳｎに関しては、原因となるウエハマークの非対称成分を数値化する指標として利用し、ウエハマークの非対称が少なくなるような工程改善（各種装置の加工条件の最適化等）を行うことができる。また、ウエハ内の複数のウエハマークに対してＷＩＳｎの発生傾向を調べ、よりＷＩＳｎの少ないショットのウエハマークを用いてアライメントを行うことができる。また、事前にアライメント誤差が小さくなるようにマーク構造を最適化するに際しても、ＴＩＳｎ、ＷＩＳｎの数値を利用することができる。
【００６５】
また、本例ではウエハＷのフォーカス位置Ｚを変えながら計測を行っているため、フォーカス位置Ｚにおいて０度計測による波形データＩ（ｘ）の解析で得られた各次数の位相ずれφｎ０をφｎ０（Ｚ）として、１８０度計測による波形データＩ（ｘ）の解析で得られた各次数の位相ずれφｎ１８０をφｎ１８０（Ｚ）とする。この場合、フォーカス位置Ｚにおける各次数ｎ（ｎ＝１〜ｍ）のＴＩＳｎ及びＷＩＳｎをそれぞれＴＩＳｎ（Ｚ）及びＷＩＳｎ（Ｚ）とすると、これらはデフォーカス量が０（即ちＺ＝０）での１次成分の位相ずれφ１０（０）及びφ１１８０（０）を基準にして以下のように表すことができる。
【００６６】
ＴＩＳｎ（Ｚ）
＝（φｎ０（Ｚ）＋φｎ１８０（Ｚ））／２−（φ１０（０）＋φ１１８０（０））／２…（１５）
ＷＩＳｎ（Ｚ）
＝（φｎ０（Ｚ）−φｎ１８０（Ｚ））／２−（φ１０（０）−φ１１８０（０））／２…（１６）
また、本例では、フォーカス位置Ｚにおけるフーリエ級数の各次数の振幅ａｎであるａｎ（Ｚ）も同時に得られている。そこで、ステップ１１３において、各次数の振幅ａｎ（Ｚ）から例えばアライメントセンサ１２に対するウエハマークのベストフォーカス位置を求めることもできる。即ち、一般的なプロセスマークに対し本計測を行えば、そのマークがＦＩＡ方式のアライメントセンサ１２による計測に与える影響を各フォーカス位置毎に判断でき、またフォーカス位置最適化アルゴリズム（ベストフォーカス位置を決定するためのアルゴリズム）も選別できる。
【００６７】
次に、図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），及び（Ｄ）は、それぞれ（１５）式のＴＩＳｎ（Ｚ）、ＴＩＳｎ（Ｚ）と（１６）式のＷＩＳｎ（Ｚ）との和、ＷＩＳｎ（Ｚ）、及び振幅ａｎ（Ｚ）の計測例（次数ｎ＝１，２，３，４，５）を示し、図７（Ａ）〜（Ｄ）の横軸のフォーカス位置Ｚはそれまでのベストフォーカス位置からのデフォーカス量（μｍ）を表している。また、図７（Ａ）〜（Ｃ）の縦軸は位相ずれをウエハマークの周期Ｐを３６０°とした位置ずれ量（ｎｍ）で表し、図７（Ｄ）の縦軸は振幅を相対値で表したものである。この図７は、装置起因の誤差ＴＩＳに比べてウエハ起因の誤差ＷＩＳが比較的大きい例を表している。そして、例えば図７（Ｄ）の振幅ａｎ（Ｚ）において、位置Ｚが−５μｍで１次を除く各次数の振幅がほぼ最大となっているため、その−５μｍの位置を新たなベストフォーカス位置とすることも考えられる。
【００６８】
次に、図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），及び（Ｄ）は、それぞれＴＩＳｎ（Ｚ）、ＴＩＳｎ（Ｚ）とＷＩＳｎ（Ｚ）との和、ＷＩＳｎ（Ｚ）、及び振幅ａｎ（Ｚ）の別の計測例（次数ｎ＝１，２，３，４，５，６）を示し、図８（Ａ）〜（Ｄ）の横軸及び縦軸は図７（Ａ）〜（Ｄ）の横軸及び縦軸と同じである。この図８は、装置起因の誤差ＴＩＳに比べてウエハ起因の誤差ＷＩＳが比較的小さい例を表している。そして、例えば図８（Ｄ）の振幅ａｎ（Ｚ）において、位置Ｚが−５μｍで各次数の振幅がほぼ最大となっているため、その−５μｍの位置を新たなベストフォーカス位置とすることも考えられる。
【００６９】
なお、上記の実施形態では、１次の成分を基準次数としているが、それ以外の２次、３次等の成分で例えば振幅がより大きい成分がある場合には、その成分を基準次数としてもよい。また、本例のフーリエ解析によってＴＩＳとＷＩＳとを求める手法は、例えばレチクルアライメント顕微鏡の誤差を解析する場合も同様に適用することができる。
【００７０】
このようにして得られた、ＴＩＳｎやＷＩＳｎは実プロセスマークに対する像歪み誤差として検査に利用できる。またＴＩＳｎ（Ｚ）やＷＩＳｎ（Ｚ）は、図７、図８に示すようにフォーカス位置Ｚに対する各次数の位置ずれ分布を示すため、Ｚ変動に対する誤差要因が小さいＺ位置の特定や、ＴＩＳｎやＷＩＳｎが小さいＺ位置の特定に使うことができる。
【００７１】
また、フーリエ解析の際に同時に得られる各次数毎の振幅値は、各次数が最終的な像強度分に対してどのくらい寄与しているかを表す数値であり、像歪みの寄与を減らすために位置ずれの大きな成分を特定することができる。よって、本例のように像の空間周波数解析を行うことにより、空間周波数フィルタリングや特定空間周波数に対して位置ずれオフセットを持たせるといった、画像処理アルゴリズムの最適化を行うことも可能である。
【００７２】
上記のＴＩＳｎ（Ｚ）やＷＩＳｎ（Ｚ）は、一般的な半導体製造プロセスにおいて使用されるウエハマークに対して、前記のＴＩＳｎ、ＷＩＳｎと同様に求めることができる。また、一般的にＴＩＳｎ（Ｚ）やＷＩＳｎ（Ｚ）はマーク構造によって異なる値を取る。よって、或るプロセスにおいて形成されたウエハマークにてＴＩＳｎ（Ｚ）、ＷＩＳｎ（Ｚ）を求めれば、各次数のＴＩＳ（Ｚ）及びＷＩＳ（Ｚ）のばらつきが小さいＺ位置が分かる。また、そのＺ位置（Ｚａとする）でのＴＩＳ（Ｚａ）及びＷＩＳ（Ｚａ）の大きさが分かり、その大きさがアライメント精度に対して大きい場合には、Ｚ位置を最適化してその位置Ｚａにて計測を行っても、アライメント精度に影響が大きなマーク構造であることが分かる。そのような場合、例えばマークの線幅や構造を変えたマークを数種類用意しておけば、そのマークの中からＴＩＳｎ（Ｚａ）やＷＩＳｎ（Ｚａ）が小さくなるものを選択することによって、アライメント誤差の少ないマークを用いることができる。また、ＷＩＳｎ（Ｚａ）に関しては、原因となるウエハマークの非対称成分を数値化する指標として利用し、ウエハマークの非対称が少なくなるような工程改善（各種装置の加工条件の最適化等）を行うことができる。また、ウエハ内の複数のウエハマークに対し、ＷＩＳｎ（Ｚａ）の発生傾向やショットによる位置Ｚａの差をを調べ、よりＷＩＳｎ（Ｚａ）の少ないショットのウエハマークを用いてアライメントを行ったり、ウエハ全体を考慮して位置Ｚａを設定することができる。また、事前にアライメント誤差が小さくなるようにマーク構造を最適化するに際しても、ＴＩＳｎ（Ｚ）、ＷＩＳｎ（Ｚ）の数値を利用することができる。
【００７３】
一般に、ウエハ上には複数点の計測対象ショットがあるため、ＷＩＳの寄与はそれぞれのショットで異なることが多い。よって、ＴＩＳのみの寄付を計測したい場合には、多数のショットを計測し、ＷＩＳの影響を平均化して減少させ、０度計測だけでほぼＴＩＳの寄与のみを計測できる可能性がある。また、プロセスウエハのＷＩＳが小さい場合は、０度データからＴＩＳのみを計測してもよい。この場合は、（１５）式のＴＩＳｎ（Ｚ）の式において、１８０度の計測値φｎ１８０（Ｚ）に０度の計測値φｎ０（Ｚ）を入れて扱えばよい。
【００７４】
なお、上記の実施の形態の投影露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その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。
【００７５】
また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。
【００７６】
なお、本発明は、走査露光型の露光装置のみならず、一括露光型の露光装置にも同様に適用することができる。また、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス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形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【００７７】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、２つのマーク間の相対的な位置ずれを計測する必要がないため、マーク検出系の計測誤差の要因又は要因別の誤差を、容易にかつ迅速に求めることができる。
また、求められた計測誤差のうちで装置に起因する誤差を補正することによって、マーク検出系（マーク検出装置）の計測精度を高めることができ、そのマーク検出系を用いてアライメントを行うことによって、露光装置における重ね合わせ精度等を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例の投影露光装置を示す図である。
【図２】（Ａ）は図１中のウエハＷを示す拡大平面図、（Ｂ）は図２（Ａ）のウエハマークＷＭを示す拡大平面図である。
【図３】（Ａ）は図１中の撮像素子２９の撮像面の画像の一例を示す図、（Ｂ）はウエハマークの断面形状の一例を示す図、（Ｃ）は図３（Ｂ）に対応する波形データを示す図である。
【図４】本発明の実施形態におけるフーリエ解析の原理説明図である。
【図５】装置起因の誤差ＴＩＳ及びウエハ起因の誤差ＷＩＳの説明に供する図である。
【図６】本発明の実施形態のフーリエ解析の動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】その実施形態において計算されたＴＩＳｎ（Ｚ）、ＷＩＳｎ、及び振幅ａｎ（Ｚ）の一例を示す図である。
【図８】その実施形態において計算されたＴＩＳｎ（Ｚ）、ＷＩＳｎ、及び振幅ａｎ（Ｚ）の他の例を示す図である。
【図９】（Ａ）は指標マークと計測マークとを用いて重ね合わせ精度を計測する場合の両マークの一例を示す図、（Ｂ）は図９（Ａ）のマーク構造を示す断面図、（Ｃ）は図９（Ａ）のマークから得られる撮像信号を示す図である。
【符号の説明】
１…照明光学系、Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＭ…ウエハマーク、７…Ｚチルトステージ、１２…ＦＩＡ方式のアライメントセンサ、１８，２３…対物レンズ、２９…撮像素子、４７…アライメント信号処理系、４８Ｘ…Ｘ軸のウエハマーク、５０…ウエハローダ系、５４…昇降ターンテーブル
【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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