(57)【要約】【課題】  マークの計測精度を向上する。【解決手段】  アライメントマークの位置情報を計測するために２つの撮像素子を備え、これらの撮像素子各々から得られる画像情報を用いて最終的な位置情報を決定する。一方の撮像素子は、その走査方向ＳＣ１がアライメントマークの計測方向Ｄ１と同じ方向に設定されており、他方の撮像素子は、その走査方向ＳＣ２がアライメントマークの計測方向Ｄ１に対して直交する方向に設定されている。【選択図】  図５
2005252059.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、
前記マークに対して検知ビームを照射する照射装置と、
前記検知ビームの照射により前記マークから発生したマークの像を、結像面上に結像させる結像光学系と、
前記所定方向に走査方向が設定された走査線を走査しながら前記結像面上の前記マークの像を撮像して第１画像情報を生成する第１撮像装置と、
前記所定方向に直交する方向に走査方向が設定された走査線を走査しながら前記結像面上の前記マークの像を撮像して第２画像情報を生成する第２撮像装置と、
前記第１、第２画像情報に基づいて、前記マークの前記所定方向における位置情報を求める演算装置と
を備えることを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
前記演算装置は、前記第１画像情報から前記所定方向における前記マークの第１位置情報を求める第１算出部と、
前記第２画像情報から前記所定方向における前記マークの第２位置情報を求める第２算出部と、
前記第１、第２位置情報に対して所定の演算を行って前記所定方向における前記マークの位置情報を求める演算部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記マークの大きさに応じて前記第１、第２位置情報に対して行う前記所定の演算を変えて前記所定方向における前記マークの位置情報を求めることを特徴とする請求項２に記載の位置計測装置。
【請求項４】
前記演算部は、必要となる前記マークの位置情報の精度に応じて前記第１、第２画像情報に対して行う前記所定の演算を変えて前記所定方向における前記マークの位置情報を求めることを特徴とする請求項２に記載の位置計測装置。
【請求項５】
前記演算装置は、前記第１画像情報に対して所定の第１処理を施す第１処理部と、
前記第２画像情報に対して所定の第２処理を施す第２処理部と、
前記第１処理部で施される前記所定の第１処理と、前記所定の第１処理を施した際に生ずる前記マークの前記第１位置情報の誤差との関係を示す第１誤差情報を記憶する第１記憶部と、
前記第２処理部で施される前記所定の第２処理と、前記所定の第２処理を施した際に生ずる前記マークの前記第２位置情報の誤差との関係を示す第２誤差情報を記憶する第２記憶部と
を備えることを特徴とする請求項２に記載の位置計測装置。
【請求項６】
前記第１、第２誤差情報は、予め前記第１、第２処理の内容を変更しつつ所定の基準マークを前記物体上に形成された前記マークとして計測したときに生じる前記第１、第２位置情報の誤差から求められることを特徴とする請求項５に記載の位置計測装置。
【請求項７】
前記演算装置は、前記物体に形成された前記マークを計測したときに、前記第１、第２算出部の各々で算出される前記第１、第２位置情報の算出結果に基づいて、前記第１、第２記憶部に記憶される前記第１、第２誤差情報の各々を自動学習により更新する更新部を備えることを特徴とする請求項５又は６に記載の位置計測装置。
【請求項８】
前記演算装置は、前記第１記憶部に記憶された前記第１誤差情報に基づいて、前記第１処理部で施された前記所定の第１処理に応じて前記第１算出部で算出される前記第１位置情報を補正する第１補正部と、
前記第２記憶部に記憶された前記第２誤差情報に基づいて、前記第２処理部で施された前記所定の第２処理に応じて前記第２算出部で算出される前記第２位置情報を補正する第２補正部と
を備えることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の位置計測装置。
【請求項９】
前記演算装置は、前記マークの大きさに応じて前記第１、第２画像情報の何れか一方を用いて前記マークの所定方向における位置情報を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
【請求項１０】
前記演算装置は、必要となる前記マークの位置情報の精度に応じて前記第１、第２画像情報の何れか一方を用いて前記マークの所定方向における位置情報を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
【請求項１１】
前記演算装置は、前記第１、第２画像情報の何れか一方を用いて前記マークの認識を行い、他方を用いて前記マークの前記所定方向における位置情報を求めることを特徴とする請求項１に記載の位置計測装置。
【請求項１２】
マスクに形成されたパターンを基板上に転写する露光装置であって、
前記マスクに形成されたマーク及び前記基板に形成されたマークの少なくとも一方を前記物体に形成された前記マークとして計測する請求項１〜１１の何れか一項に記載の位置計測装置と、
前記位置計測装置で計測された位置情報に基づいて、前記マスク及び前記基板の少なくとも一方を位置合わせする位置合わせ装置と
を備えることを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子又は液晶表示素子等の製造工程において、ウエ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、及び当該位置計測装置を用い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、マスク又はレチクルに形成されたパターンをウエハ又はガラスプレート上に露光転写する露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
露光装置を用いて半導体素子や液晶表示素子等のデバイスを製造する際には、微細なパターンが形成されたマスク又はレチクル（以下、これらを総称するときは、マスクという）と、ウエハ又はガラスプレート等の基板上に既に形成されているパターンとを高精度に位置合わせした状態で、マスクのパターンを基板上に転写する必要がある。マスク及び基板の精確な位置合わせを行うためには、これらの位置情報を高精度に計測した上で精密にマスク及び基板を位置決めしなければならない。このため、露光装置はアライメント装置を備えている。アライメント装置はマスク又は基板に形成されたアライメントマークの位置を検出するアライメントセンサと、このアライメントセンサによって検出されたアライメントマークの位置情報に基づいてマスク又は基板の位置合わせを行う制御系とから構成される。
【０００３】
アライメントセンサは、主なものとしてＬＳＡ（Ｌａｓｅｒ  Ｓｔｅｐ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式、ＬＩＡ（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式等がある。近年においては、アライメントマークの計測に要する時間を短縮する観点から、ハロゲンランプ等の波長帯域幅の広い光源を用いてアライメントマークを照明し、アライメントマークの像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像装置で撮像して得られる画像情報に対して画像処理を行って位置計測を行うＦＩＡ方式のものが用いられることが多くなってきている。
【０００４】
上記の撮像装置は複数の走査線を備えており、これらの走査線を順次走査しながら撮像素子の撮像面に結像したアライメントマークの像を撮像することによりアライメントマークの画像情報を得ている。アライメントマークは、例えば長手方向を有する矩形形状のマーク要素を、その長手方向をほぼ平行とし、長手方向に対して直交する方向に所定の間隔、例えば数μｍの間隔をもって配列したものである。
【０００５】
従来は一般的に撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向（マーク要素の配列方向）に一致させた状態でアライメントマークを撮像し、得られた画像情報に対して画像処理を施してアライメントマークの位置情報を計測している。ここで、画像情報に対して行われる画像処理は、例えば撮像装置の走査線の各々から出力される画像情報を走査方向に直交する方向（非計測方向）に積算して一次元信号を得て、この一次元信号に対してエッジ検出処理又はテンプレートマッチング処理等の処理を行って、アライメントマークの形状に起因して生ずる画像情報の周期的な強度変化（計測方向の強度変化）が出現する位置を検出する処理等がある。
【０００６】
また、以下の特許文献１には、撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に直交する方向（非計測方向）に一致させた状態で、アライメントマークの位置情報を計測する技術が開示されている。
【特許文献１】国際公開ＷＯ０１／０６５５９１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来のように撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に一致させた状態でアライメントマークの位置情報を計測すると、撮像装置から出力される画像情報を増幅する増幅回路の周波数特性に起因してアライメントマークがアライメントマークの計測方向に位置ずれした状態で計測されてしまう（オフセットが発生してしまう）という問題がある。このオフセットは、増幅回路の高周波成分に対する応答性の悪化に起因するものであるため、増幅回路で設定される増幅率（ゲイン）に応じて大きさが変化する。上記の特許文献１に開示された発明は、撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に直交する方向（非計測方向）に一致させた状態で計測することにより、オフセットの発生を防止している。
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１に開示された発明のように、撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に直交する方向（非計測方向）に一致させた状態で計測を行うと、オフセットの発生は防止できるものの、外部からの電気ノイズが画像情報に重畳された場合に計測誤差（計測情報のばらつき（分散））が発生してしまうという問題がある。つまり、アライメントマークは撮像装置の走査線の走査方向がアライメントマークをなすマーク要素の配列方向（計測方向）に直交する状態で撮像されるため、画像情報の計測方向の強度変化は複数の走査線から出力される画像情報を用いなければ得ることができない（計測方向における画像情報の１点１点の強度変化は、それぞれ１本１本の走査線からの情報のみで作られるため）。このため、各走査線から出力される画像情報に電気ノイズ（例えば、走査線数本分の走査時間を周期とする比較的低周波の電気ノイズ）が重畳されると、アライメントマークの形状に起因して生ずる画像情報の周期的な強度変化が電気ノイズに応じて変化してしまい（該電気ノイズの周期に合わせてダイレクトに変化してしまい）計測誤差が発生する。
【０００９】
これに対して、従来のように撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に一致させた状態でアライメントマークの位置情報を計測すると、前述した通り、撮像装置の走査線の各々から出力される画像情報を走査方向に直交する方向（非計測方向）に積算して一次元信号を得る処理が行われる。この処理による積算により、走査線の各々から出力される画像情報に同様の電気ノイズが重畳されても平均化されるため、外部からの電気ノイズの影響を受けにくい。
【００１０】
また、一般的に用いられる撮像装置（ＣＣＤ）はアスペクト比が異なっており、走査線の走査方向に長く、走査線に直交する方向に短い。撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に一致させた場合には、有効な計測領域が撮像装置の走査線の走査方向の長さ程度となり、撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に直交する方向（非計測方向）に一致させた場合には、走査線に直交する方向の長さとなる。このため。特許文献１に開示された発明のように撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に直交する方向（非計測方向）に一致させた状態で計測を行うと有効な計測領域が狭くなるため、計測可能なアライメントマークの大きさが制限されるという問題がある。
【００１１】
このように、撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に一致させた状態でアライメントマークの位置情報を計測する場合、及び撮像装置の走査線の走査方向をアライメントマークの計測方向に直交する方向（非計測方向）に一致させた状態で計測する場合のそれぞれに長所及び短所がある。アライメントマークの計測精度を更に向上させるためには、各々の短所を抑えるとともに各々の長所を生かす必要がある。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、マークの計測精度を向上させることができる位置計測装置を提供するとともに、この位置計測装置によって計測された高い精度の位置情報に基づいて位置合わせを精度良く行って露光処理を行うことができる露光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下、この項に示す説明では、本発明を、実施形態を表す図面に示す部材符号に対応付けて説明するが、本発明の各構成要件は、これら部材符号を付した図面に示す部材に限定されるものではない。
【００１４】
本発明の第１の観点によると、物体（Ｗ）上に形成されたマーク（ＡＭ）の所定方向（Ｄ１）における位置情報を計測する位置計測装置であって、前記マークに対して検知ビーム（ＩＬ２）を照射する照射装置（１５、１６、２０、２１、２４〜２７）と、前記検知ビームの照射により前記マークから発生したマークの像（Ｉｍ）を、結像面（Ｆ１、Ｆ２）上に結像させる結像光学系（１６、２５〜３１）と、前記所定方向に走査方向（ＳＣ１）が設定された走査線を走査しながら前記結像面上の前記マークの像を撮像して第１画像情報を生成する第１撮像装置（３２）と、前記所定方向に直交する方向に走査方向（ＳＣ２）が設定された走査線を走査しながら前記結像面上の前記マークの像を撮像して第２画像情報を生成する第２撮像装置（３３）と、前記第１、第２画像情報に基づいて、前記マークの前記所定方向における位置情報を求める演算装置（１７）とを備える位置計測装置が提供される。
【００１５】
本発明では、マークに対する検知ビームの照射により発生したマークの像は、結像光学系を介して結像面に結像され、走査方向が互いに直交する方向に設定された第１、第２撮像装置により第１、第２画像情報が生成され、これら第１、第２の画像情報に基づいてマークの所定方向における位置情報を求めるようにしたので、何れか一方の画像情報にノイズが重畳され、又は画像情報を処理する電気回路の特性により本来の画像情報から変化が生じた場合であっても、計測誤差の発生を小さくすることができる。
【００１６】
また、計測するマークの形状に応じて、第１、第２撮像装置のアスペクト比が１：１以外である場合には、結像面に結像するマークの像と第１、第２撮像装置との配置関係に応じて第１、第２画像情報の何れか一方を用いて位置情報を求め、又は第１、第２画像信号各々から得られる位置情報に対して、必要に応じて重み付けを行った上で算術平均をとる等により最終的な位置情報を求めることができるため、計測可能なマークの大きさの制限を緩和することができる。
【００１７】
本発明の第２の観点によると、マスク（Ｒ）に形成されたパターンを基板（Ｗ）上に転写する露光装置であって、前記マスクに形成されたマーク及び前記基板に形成されたマークの少なくとも一方を前記物体に形成された前記マークとして計測する本発明の第１の観点に係る位置計測装置と、前記位置計測装置で計測された位置情報に基づいて、前記マスク及び前記基板の少なくとも一方を位置合わせする位置合わせ装置（７、１１、１２）とを備える露光装置が提供される。
【００１８】
本発明の第１の観点に係る位置計測装置によりマスクに形成されたマーク及び基板に形成されたマークの少なくとも一方の位置情報が計測され、この計測結果に基づいてマーク及び基板の少なくとも一方が位置合わせされるので、高い精度で計測された位置情報に基づいてマスク及び基板の少なくとも一方が位置合わせされ、マスクの微細なパターンを高精度で基板上に転写することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によると、マークの計測精度を向上することができるという効果がある。また、計測可能なマークの大きさの制限を緩和することができる。さらに、マスクの微細なパターンを精度良く基板上に転写することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。本実施形態においては、オフアクシス方式のアライメントセンサを備えるステップ・アンド・リピート方式の露光装置を例に挙げて説明する。
【００２１】
尚、以下の説明においては、図中に示した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。
【００２２】
図１において、照明光学系１は後述する主制御系１２から露光光の射出を指示する制御信号が出力された場合に、ほぼ均一の照度を有する露光光ＥＬを射出してレチクルＲを照明する。露光光ＥＬの光軸はＺ方向に対して平行に設定されている。上記露光光ＥＬとしては、例えばｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）等が用いられる。
【００２３】
レチクルＲは、フォトレジストが塗布されたウエハ（基板）Ｗ上に転写するための微細なパターンを有し、レチクルステージ２上に保持される。レチクルステージ２はベース３上のＸＹ平面内で移動及び微小回転ができるように支持されている。装置全体の動作を制御する主制御系１２が、レチクルアライメント系（画像アライメントセンサ）１８，１９で、レチクル上に形成されたマークの位置を計測し、その計測値に基づいて、ベース３上の駆動装置４を介してレチクルステージ２の動作を制御して、レチクルＲの位置を設定する。
【００２４】
露光光ＥＬが照明光学系１から射出された場合には、レチクルＲのパターン像が投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上のショット領域に投影される。投影光学系ＰＬはレンズ等の複数の光学素子を有し、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る。ウエハＷはウエハホルダ５を介してＺステージ６に載置されている。Ｚステージ６は、ウエハＷのＺ方向の位置を微調整させるステージである。また、Ｚステージ６はＸＹステージ７上に載置されている。ＸＹステージ７は、ＸＹ平面内にウエハＷを移動させるステージである。尚、図示は省略しているが、ウエハＷをＸＹ平面内で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平面に対するウエハＷの傾きを調整するステージを設けるのが好ましい。
【００２５】
ウエハホルダ５上の一端には、ベースライン計測等で使用する基準マークが形成された基準部材８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に形成されたパターン像が投影される露光領域の中心と後述するアライメントセンサ１３の計測視野中心との距離である。また、ウエハホルダ５の上面の一端にはＬ字型の移動鏡９が取り付けられ、移動鏡９の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計１０が配置されている。図１では図示を簡略化しているが、移動鏡９はＸ軸に垂直な鏡面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な鏡面を有する平面鏡から構成されている。また、レーザ干渉計１０は、Ｘ軸に沿って移動鏡９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９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、ウエハステージ７のＸ座標及びＹ座標が計測される。
【００２６】
また、Ｘ軸用の２個のレーザ干渉計の計測値の差により、ウエハホルダ５のＸＹ平面内における回転角が計測される。レーザ干渉計１０により計測されたＸ座標、Ｙ座標、及び回転角の情報はステージ駆動系１１に供給される。これらの情報は位置情報としてステージ駆動系１１から主制御系１２へ出力される。主制御系１２は、供給された位置情報をモニターしつつステージ駆動系１１を介して、ウエハホルダ５の位置決め動作を制御する。尚、図１には示していないが、レチクルステージ２にもウエハホルダ５に設けられた移動鏡９及びレーザ干渉計１０と同様のものが設けられており、レチクルステージ２のＸＹＺ位置等の情報が主制御系１２に入力される。
【００２７】
投影光学系ＰＬの側方にはオフ・アクシス方式のアライメントセンサ１３が設けられている。このアライメントセンサ１３は、ＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）方式の位置計測装置である。アライメントセンサ１３には、ハロゲンランプ１４から光ファイバ１５を介してウエハＷを照明するための照射光が入射される。ここで、照明光の光源としてハロゲンランプ１４を用いるのは、ハロゲンランプ１４の射出光の波長域は５００〜８００ｎｍであり、ウエハＷ上面に塗布されたフォトレジストを感光しない波長域であるため、及び波長帯域が広く、ウエハＷ表面における反射率の波長特性の影響を軽減することができるためである。
【００２８】
アライメントセンサ１３から射出された照明光はプリズムミラー１６によって反射された後、ウエハＷ上面を照射する。アライメントセンサ１３は、ウエハＷ上面の反射光をプリズムミラー１６を介して取り入れ、検出結果を電気信号に変換して画像情報としてアライメント信号処理系１７に出力する。また、アライメントセンサ１３からアライメント信号処理系１７へはアライメントセンサ１３の焦点位置に対するウエハＷの位置ずれ量（デフォーカス量）を示すデフォーカス信号も出力される。アライメント信号処理系１７は、アライメントセンサ１３からの画像情報及びデフォーカス信号に基づいて、アライメントマークＡＭのＸＹ平面内における位置情報及びアライメントセンサ１３の焦点位置に対するウエハＷの位置ずれ量（デフォーカス量）を求め、これらをウエハ位置情報として主制御系１２へ出力する。
【００２９】
主制御系１２は、ステージ駆動系１１から出力される位置情報及びアライメント信号処理系１７から出力されるウエハ位置情報に基づき露光装置の全体動作を制御する。具体的に説明すると、主制御系１２は、アライメント信号処理系１７から出力されるウエハ位置情報に基づいてステージ駆動系１１に対して駆動制御信号を出力する。ステージ駆動系１１はこの駆動制御信号に基づき、ＸＹステージ７やＺステージ６をステッピング駆動する。
【００３０】
また、主制御系１２はベースライン計測を行う。ベースライン計測を行うときには、主制御系１２は、まずウエハホルダ５上に形成された、各アライメント系１３，１９に対応する各基準マーク８がアライメントセンサ１３の計測視野内及びレチクルアライメント系１９の計測視野内にそれぞれ配置されるようにステージ駆動系１１に対して駆動制御信号を出力する。ステージ駆動系１１がＸＹステージ７を駆動するとアライメントセンサ１３から画像情報及びデフォーカス信号が、またレチクルアライメント系１９から画像情報がアライメント信号処理系１７へ出力される。これらの画像情報から、例えばアライメントセンサ１３の計測視野中心とレチクルＲの投影像の中心（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ）とのずれ量であるベースライン量が計測される。
【００３１】
ウエハＷに形成されたアライメントマークＡＭをアライメントセンサ１３で計測して得られる位置情報に上記ベースライン量を加算して得た値に基づいて、主制御系１２がステージ駆動系１１を制御することにより、ウエハＷ上に設定された各ショット領域をそれぞれ精確に露光領域に合わせ込む。ショット領域を露光領域に合わせ込んだ後、主制御系１２が照明光学系１に対して露光光ＥＬを射出させる制御信号を出力することにより、露光光ＥＬがレチクルＲ上に照射され、レチクルＲに形成されたパターンが投影光学系ＰＬを介して露光領域に合わせ込まれたショット領域に一括転写される。
【００３２】
次に、アライメントセンサ１３について詳細に説明する。図２は、アライメントセンサ１３の構成を示す図である。尚、図２においては図１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２に示す通り、アライメントセンサ１３には光ファイバ１５を介して図１中のハロゲンランプ１４から波長域が５００〜８００ｎｍの照明光ＩＬ１が導かれている。
【００３３】
この照明光ＩＬ１は、コンデンサーレンズ２０を介して視野分割絞り２１に入射する。視野分割絞り２１は、ウエハＷに照射する照明光ＩＬ２の像の形状を規定するものである。図３（ａ）は、視野分割絞り２１の一例を示す図である。図３（ａ）に示す通り、視野分割絞り２１には、その中央に幅広矩形状の開口よりなるマーク照明用絞り２２と、マーク照明用絞り２２を挟むように配置された一対の幅狭矩形状の開口よりなる焦点検出用スリット２３ａ，２３ｂとが形成されている。
【００３４】
照明光ＩＬ１は、視野分割絞り２１によってウエハＷ上のアライメントマーク領域を照明するマーク照明用の第１光束と、アライメントに先立つ焦点検出用の第２光束とに分割される。このように視野分割された照明光ＩＬ２は、レンズ系２４を透過し、ハーフミラー２５及びミラー２６で順次反射され、対物レンズ２７を介してプリズムミラー１６で反射され、図４に示すようにウエハＷ上のストリートラインＳＬ内に形成されたアライメントマークＡＭを含むマーク領域とその近傍に照射される。図４は、アライメントセンサ１３のウエハＷ上における照明領域を説明するための図である。
【００３５】
図４に示す通り、アライメントマークＡＭはデバイス部分ＤＰの間に設けられたストリートライン（スクライブライン）ＳＬ上に形成されている。尚、本実施形態においては、アライメントマークとして図４に示したアライメントマークＡＭを想定している。つまりアライメントマークＡＭは図中Ｙ方向に長手方向を有する矩形形状のマーク要素ａｍ，ａｍ，…を、図中Ｘ方向に配列したものである。このアライメントマークＡＭは、Ｘ方向の位置情報を計測するためのものである。アライメントマークＡＭが図４に示すものであって、図示のように配置されている場合には、図４中符号Ｄ１が付された方向、つまりＸ軸に平行な方向が計測方向となる。以下の説明では、図４に示すアライメントマークＡＭのＸ方向の位置情報を計測する場合について説明する。
【００３６】
アライメントセンサ１３からの照明光ＩＬ２は図示の通りアライメントマークＡＭ上に照明される。つまり、視野分割絞り２１に形成されたマーク照明用絞り２２によって整形されてなる第１光束は照明光ＩＬ３としてアライメントマークＡＭを照明し、焦点検出用スリット２３ａ，２３ｂ各々によって整形されてなる照明光ＩＬ４，ＩＬ５はそれぞれデバイス部分ＤＰ上を照明する。
【００３７】
照明光ＩＬ２を照射したときのウエハＷの表面での反射光は、プリズムミラー１６で反射され、対物レンズ２７を通過してミラー２６で反射された後、ハーフミラー２５を透過する。その後、レンズ系２８を介してビームスプリッタ２９に至り、２方向に分岐される。ビームスプリッタ２９を透過した第１の分岐光は、指標板３０上にアライメントマークＡＭの像を結像する。そして、この像及び指標板３０上の指標マークからの光はビームスプリッタ３１に入射して２方向に分岐される。ビームスプリッタ３１を透過した光は二次元ＣＣＤよりなる撮像素子３２に入射し、ビームスプリッタ３１で反射された光は二次元ＣＣＤよりなる撮像素子３３に入射する。撮像素子３２，３３各々の撮像面にはアライメントマークＡＭ及び指標マークの像が結像される。
【００３８】
ここで、アライメントマークＡＭの像に対する撮像素子３２，３３の撮像面の配置について説明する。図５は、アライメントマークＡＭの像に対する撮像素子３２，３３の配置例を示す図であって、（ａ）は撮像素子３２の配置例を示す図であり、（ｂ）は撮像素子３３の配置例を示す図である。図５（ａ）中の符号Ｆ１を付した矩形領域は撮像素子３２の撮像面（撮像視野）を示しており、図５（ｂ）中の符号Ｆ２を付した矩形領域は撮像素子３３の撮像面（撮像視野）を示している。また、図５において、Ｉｍは撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２にそれぞれ結像するアライメントマークＡＭ及び指標マークの像を示している。図５（ｂ）に示すように、指標板３０上に形成されている指標マークの全て（２本×２本）が撮像素子３３の撮像面Ｆ２には入りきらず、内側の左右１本ずつの指標マーク部分のみが撮像面Ｆ２内に入っている状態となる。
【００３９】
図５（ａ）に示す通り、撮像素子３２の撮像面Ｆ１は、計測方向Ｄ１（Ｘ方向）に沿うように長辺が設定され、計測方向Ｄ１に直交する非計測方向（Ｙ方向）に沿うように短辺が設定されており、そのアスペクト比（撮像面Ｆ１の長辺の長さと短辺の長さとの比）は例えば４：３である。撮像素子３２は、その走査方向ＳＣ１が計測方向Ｄ１と同じ方向になるように配置されている。
【００４０】
また、図５（ｂ）に示す通り、撮像素子３３の撮像面Ｆ２は、非計測方向（Ｙ方向）に沿うように長辺が設定され、計測方向Ｄ１に沿うように短辺が設定されており、そのアスペクト比（撮像面Ｆ２の長辺の長さと短辺の長さとの比）は撮像素子３２の撮像面Ｆ１と同様に、例えば４：３である。撮像素子３３は、その走査方向ＳＣ２が計測方向Ｄ１と直交する非計測方向と同じ方向になるように、つまり走査方向ＳＣ２が計測方向Ｄ１と直交するように配置されている。尚、以下の説明では、図５（ａ）に示す通り、走査方向と計測方向とが同じ方向に設定された状態で行われる位置情報の計測を「水平計測」といい、図５（ｂ）に示す通り、走査方向と計測方向とが直交する状態で行われる位置情報の計測を「垂直計測」という。
【００４１】
図２において、ビームスプリッタ２９で反射された第２の分岐光は、遮光板３４に入射する。図３（ｂ）は遮光板３４の一例を示す図である。図３（ｂ）に示した遮光板３４は、符号３４ａが付された矩形領域に入射した光を遮光し、矩形領域３４ａ以外の領域３４ｂに入射した光を透過させる。よって、遮光板３４は前述したマーク照明用の第１光束に対応する分岐光を遮光し、焦点検出用の第２光束に対応する分岐光を透過させる。遮光板３４を透過した分岐光は、瞳分割ミラー３５によりテレセントリック性が崩された状態で、一次元ＣＣＤよりなるラインセンサ３６に入射し、ラインセンサ３６の受光面に焦点検出用スリット２３ａ，２３ｂの像が結像される。
【００４２】
ここで、ウエハＷと撮像素子３２，３３との間はテレセントリック性が確保されているため、ウエハＷが照明光ＩＬ２及びその反射光の光軸に沿う方向に変位すると、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２上に結像されたアライメントマークＡＭの像Ｉｍは、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２上における位置が変化することなくデフォーカスされる。これに対して、ラインセンサ３６に入射する反射光は、そのテレセントリック性が崩されているため、ウエハＷが照明光ＩＬ２及びそその反射光の光軸に沿う方向に変位すると、ラインセンサ３６の受光面上に結像された焦点検出用スリット２３ａ，２３ｂの像は第２の分岐光の光軸に対して交差する方向に位置ずれする。このような性質を利用して、ラインセンサ３６上における像の基準位置に対するずれ量を計測すればウエハＷの照明光ＩＬ２及びその反射光の光軸方向の位置（焦点位置）が検出される。撮像素子３２，３３で撮像された画像情報及びラインセンサ３６で検出された検出信号は、図１のアライメント信号処理系１７に出力される。
【００４３】
次に、アライメント信号処理系１７の内部構成の概略について説明する。図６は、アライメント信号処理系１７の内部構成の概略を示すブロック図である。図６に示す通り、アライメント信号処理系１７は増幅器４０ａ〜４０ｃ、アナログ・ディジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）４１ａ〜４１ｃ、画像メモリ４２ａ，４２ｂ、位置情報算出部４３ａ，４３ｂ、焦点位置検出部４４、位置情報演算部４５、更新部４６、メモリ４７、補正部４８、及び制御部４９を含んで構成される。
【００４４】
増幅器４０ａ，４０ｂは制御部４９から出力される制御信号によって設定されるゲインで水平計測及び垂直計測によって得られた画像情報（撮像素子３２，３３から出力される画像情報）をそれぞれ増幅する。尚、本実施形態では、制御部４９が増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを設定する場合を例に挙げて説明するが、増幅器４０ａ，４０ｂにＡＧＣ（Automatic Gain Control：自動利得制御）回路を設け、ＡＧＣによって自動的に設定されたゲインを制御部４９に通知する構成にしても良い。増幅器４０ｃは必要に応じてラインセンサ３６から出力される検出信号を所定のゲインで増幅する。Ａ／Ｄ変換器４１ａ，４１ｂは、増幅器４０ａ，４０ｂで増幅された画像情報に対してそれぞれサンプリング処理及び量子化処理を行って画像情報をディジタル化する。Ａ／Ｄ変換器４１ｃは増幅器４０ｃで増幅された検出信号をディジタル化する。画像メモリ４２ａ，４２ｂは、Ａ／Ｄ変換器４１ａ，４１ｂでディジタル化された画像情報を一時的に記憶する。
【００４５】
位置情報算出部４３ａは、画像メモリ４２ａに一時的に記憶された画像情報に対して画像処理を行って、アライメントマークＡＭの位置情報を算出する。尚、以下の説明においては、位置情報算出部４３ａで算出される位置情報を、水平計測により得られる位置情報という。位置情報算出部４３ａで行われる画像処理は、撮像素子３２の走査線の各々を走査して得られる画像情報を、走査方向に直交する方向に積算して一次元信号を得る処理、この一次元信号に対して所定のテンプレートを用いてマッチングを行うテンプレートマッチング処理又は折り返し自己相関処理、又は例えば特開平４−６５６０３号公報で公知のエッジ位置計測処理（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。
【００４６】
一方、位置情報算出部４３ｂは、画像メモリ４２ｂに一時的に記憶された画像情報に対して画像処理を行って、アライメントマークＡＭの位置情報を算出する。尚、以下の説明においては、位置情報算出部４３ｂで算出される位置情報を、垂直計測により得られる位置情報という。位置情報算出部４３ｂで行われる画像処理は、上述と同様に折り返し自己相関処理、所定のテンプレートを用いたテンプレートマッチング処理又はエッジ位置計測処理等がある。
【００４７】
位置情報算出部４３ａ，４３ｂが画像処理を行うか否か、及び画像処理を行う場合の画像処理の種類（上記したもの）は制御部４９から出力される制御信号によって制御される。焦点位置検出部４４は、アライメントセンサ１３に設けられたラインセンサ３６から出力されるデフォーカス信号に基づいて、アライメントセンサ１３の焦点位置に対するウエハＷのデフォーカス量を検出する。
【００４８】
位置情報演算部４５は、位置情報算出部４３ａ，４３ｂで算出されたアライメントマークＡＭの位置情報（水平計測及び垂直計測により得られる位置情報）各々に対して所定の演算処理を行い、最終的なアライメントマークＡＭの位置情報を求める。位置情報算出部４５で行われる演算処理は、例えば水平計測により得られる位置情報と垂直計測により得られる位置情報とを平均化する演算処理（単純平均演算処理）、これらの位置情報に重み付けを行って平均化する演算処理（重み付け平均演算処理）、又は水平計測及び垂直計測により得られる位置情報のオフセットを補正する処理等である。また、制御部４９の制御の下で補正部４８から位置情報を補正するための誤差情報が出力された場合には、この誤差情報に応じて各々の位置情報のオフセットを補正し、又は各々の位置情報に対する重み付け（重みの度合い）を変更して平均化（重み付け平均演算処理）することにより最終的なアライメントマークＡＭの位置情報を求める。尚、誤差情報の詳細については後述する。
【００４９】
更新部４６は、制御部４９の制御の下で、位置情報演算部４５から出力される画像情報（水平計測及び垂直計測により得られる位置情報）に基づき、メモリ４７に記憶される誤差情報を自動学習により更新する。ここで用いる学習方法は、例えば遺伝的アルゴリズム（Genetic Algorithm）を用いた学習方法又はニューラルネットワークを用いた学習方法等の学習方法を用いることができる。ここで、遺伝的アルゴリズムとは、集団及び環境との相互作用を通じて環境に適応する個体が生き残り、交配による世代間での優れた形質の継承及び突然変異による新しい形質の獲得を通じて進化してきた生物進化のメカニズムをシミュレートする人工的モデルをいい、自然システムや人工システムの環境への適応過程をシミュレートするモデルである。メモリ４７は、増幅部４０ａ，４０ｂの各々に設定されたゲインと、これらゲインに応じて水平計測及び垂直計測により得られる位置情報の真値からのずれ量（計測誤差：オフセット）との関係を示す誤差情報を記憶する。
【００５０】
補正部４８は、制御部４９の制御の下で、増幅部４０ａ，４０ｂに設定されたゲインに応じた誤差情報をメモリ４７から読み出して位置情報演算部４５に出力する。制御部４９は、増幅器４０ａ，４０ｂのゲイン、位置情報算出部４３ａ，４３ｂの動作、並びに更新部４６及び補正部４８の動作を制御するとともに、位置情報演算部４５によって算出されたアライメントマークＡＭの位置情報と焦点位置検出部４４によって検出されたデフォーカス量をウエハ位置情報として主制御系１２に出力する。
【００５１】
ここで、水平計測及び垂直計測により得られる位置情報の特性及びメモリ４７に記憶される誤差情報について説明する。まず、水平計測により得られる位置情報の特性について説明する。図７は、水平計測により得られる位置情報の特性を説明するための図である。図７（ａ）において、ｒ１１〜ｒ２０は撮像素子３２の走査線の一部を示しており、水平計測の場合には、走査線ｒ１１〜ｒ２０の走査方向ＳＣ１はアライメントマークＡＭのマーク要素ａｍの像Ｉｍの配列方向（計測方向Ｄ１）と同一に設定されている。このため、マーク要素ａｍの像Ｉｍが結像した位置に配置されている走査線（図７（ａ）に示す例では、走査線ｒ１２〜ｒ１９）を走査して得られる画像情報には周期的な強度変化が現れる。
【００５２】
前述した通り、位置情報算出部４３ａでは、走査線の各々から出力される画像情報を走査方向に直交する方向に積算して一次元信号を得る処理が行われるため電気ノイズの影響を低減することができる。しかしながら、撮像素子３２からの画像情報が増幅器４０ａで増幅されるときに増幅器の周波数特性に起因して画像情報（信号波形）が鈍るため、位置情報算出部４３ａで算出される位置情報は、実際の位置から走査方向ＳＣ１に平行な計測方向Ｄ１に位置ずれしたものとなる。図７（ｂ）は水平計測を複数回行った場合の計測結果（Ｘ位置情報）とその個数（回数）との関係を示すヒストグラムであるが（横軸が計測値Ｘ位置で、縦軸が頻度を示す）、この図７（ｂ）に示す通り、水平計測により得られる位置情報Ｐ１は、電気ノイズの影響の低減により計測毎のばらつき（分散）ΔＸは小さいが、実際の位置を示す位置情報Ｐ０（真値）からずれてオフセットＯＦが発生したものになる。
【００５３】
次に、垂直計測により得られる位置情報の特性について説明する。図８は、垂直計測により得られる位置情報の特性を説明するための図である。図８（ａ）において、ｒ２１〜ｒ３０は撮像素子３３の走査線の一部を示しており、垂直計測の場合には、走査線ｒ２１〜ｒ３０の走査方向ＳＣ２はアライメントマークＡＭのマーク要素ａｍの像Ｉｍの配列方向（計測方向Ｄ１）と直交するように設定されている。このため、マーク要素ａｍの像Ｉｍが結像した位置に配置されている走査線（図８（ａ）に示す例では、走査線ｒ２２，ｒ２３，ｒ２５，ｒ２６，ｒ２８，ｒ２９）を走査すると、各々の走査線から出力される画像情報はマーク要素ａｍの像Ｉｍの長手方向の形状を示すものとなり、図７（ａ）を用いて説明したような周期的な強度変化は現れない。
【００５４】
位置情報算出部４３ｂでは、各々の走査線から出力される画像情報を用いて、走査方向ＳＣ２に直交する方向の画像情報の強度変化を求めることによりアライメントマークＡＭの位置情報を算出している。このため、各走査線から出力される画像情報に全く電気ノイズが重畳されていない場合には、実際の位置を示す位置情報Ｐ０（真値）が得られるか、又は真値に近い位置情報が求められる。しかしながら、各走査線から出力される画像情報に電気ノイズが重畳されると、電気ノイズによる影響を受けやすく計測誤差が発生しやすくなる。図８（ｂ）は垂直計測を複数回行った場合の各計測結果（Ｘ位置）とその頻度とを示すヒストグラムであるが、この図８（ｂ）に示す通り、垂直計測により得られる位置情報Ｐ２は、オフセットＯＦの発生量は少ないが、電気ノイズの影響により計測毎のばらつき（分散）ΔＸが大きくなる。
【００５５】
図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示す通り、複数回に亘ってアライメントマークＡＭの計測を行うと、水平計測、垂直計測を行った場合の何れの場合においても、計測誤差の分布が現れる。図８（ｂ）に示す垂直計測により得られる位置情報Ｐ２は同一のアライメントマークＡＭについて複数回位置計測を行えば実際の位置を示す位置情報Ｐ０（真値）に近い位置情報を求めることができる。しかしながら、図７（ｂ）に示す水平計測により得られる位置情報Ｐ１は位置計測を複数回行ってもオフセットＯＦは発生したままであり、実際の位置を示す位置情報Ｐ０（真値）に近い位置情報を求めることはできない。このため、アライメントマークＡＭの位置情報を高精度に検出するためには、オフセットＯＦを解消することが重要になる。
【００５６】
オフセットＯＦは、増幅器４０ａ，４０ｂに設定されるゲインに依存して変化する。図９は、水平計測及び垂直計測により得られる位置情報に生ずるオフセットのゲイン依存性を説明するための図である。図９に示すグラフは横軸にゲインを取り、縦軸に計測誤差（オフセット）の大きさを取っている。図９において、符号Ｅ１を付した曲線は水平計測により得られる位置情報に生ずるオフセットのゲイン依存性を示す曲線であり、符号Ｅ２を付した曲線は垂直計測により得られる位置情報に生ずるオフセットのゲイン依存性を示す曲線である。図９を参照すると、曲線Ｅ１はゲインが高くなるにつれてオフセットが大きくなる変化を示し、曲線Ｅ２はゲインが高くなってもさほどオフセットが大きくならないことが分かる。本実施形態では、図９に示すゲインとオフセットとの間の関係を示す誤差情報（オフセット情報）を予め求めておき、得られた誤差情報をメモリ４７に記憶させている。なお、メモリ４７に記憶させる誤差情報としては、図９に示す関係を表す関数式の形であっても良いし、デーブルの形式であっても良い。
【００５７】
また、オフセットのゲイン依存性を示す曲線は、アライメントマークＡＭの見え方によっても変化する。図１０は、アライメントマークＡＭの見え方に応じてオフセットのゲイン依存性を示す曲線が変化する様子を説明するための図である。尚、図１０においては、水平計測により得られる位置情報に生ずるオフセットのゲイン依存性を一例として図示している。
【００５８】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）はアライメントマークＡＭをなすマーク要素ａｍの見え方の例を示す図である。なお、本実施形態の説明においては、アライメントマークＡＭの形態は位相差マーク（段差マーク）であるものとするが、アライメントマークとしては反射率マーク（周囲との反射率が異なるマークで特に段差の有無にこだわらないマーク）であっても良い。図１０（ａ）に示す通り、マーク要素ａｍとマーク要素ａｍの周辺部との輝度（観察（撮像）輝度）が高く（両者間の輝度差が余り無い状態）、これらの境界の部分の輝度が低い場合には、いわばマーク要素ａｍが縁取られたように見える（観察される）。この状態のマーク要素ａｍを撮像素子３２で撮像すると、マーク要素ａｍの縁（エッジ）の部分のみ強度が低く、他の部分では強度が高い画像情報が得られる。
【００５９】
また、図１０（ｂ）に示す通り、マーク部分ａｍの輝度（観察（撮像）輝度）が低く、マーク部分ａｍの周辺部の輝度が高い場合（両者間の輝度差が所定値以上ある場合）にはマーク要素ａｍの部分のみが暗く見える（観察される）。この状態のマーク要素ａｍを撮像素子３２で撮像すると、マーク要素ａｍの部分で強度が低く、他の部分では強度が高い画像情報が得られる。反対に、図１０（ｃ）に示す通り、マーク部分ａｍの輝度が高く、マーク部分ａｍの周辺部の輝度が低い場合（両者間の輝度差が所定値以上ある場合）にはマーク要素ａｍの部分のみが明るく見える（観察される）。この状態のマーク要素ａｍを撮像素子３２で撮像すると、マーク要素ａｍの部分で強度が高く、他の部分では強度が低い画像情報が得られる。
【００６０】
図１０（ｄ）は、アライメントマークＡＭが図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示した各々の見え方をしたときに、水平計測により得られる位置情報に生ずるオフセットのゲイン依存性を示す図である。図１０（ｄ）において、符号Ｅ１１を付した曲線はアライメントマークＡＭが図１０（ａ）に示す見え方をしたとき、符号Ｅ１２を付した曲線はアライメントマークＡＭが図１０（ｂ）に示す見え方をしたとき、符号Ｅ１３を付した曲線はアライメントマークＡＭが図１０（ｃ）に示す見え方をしたときのオフセットのゲイン依存性を示す曲線である。
【００６１】
図１０（ｄ）に示す通り、曲線Ｅ１１〜Ｅ１３の各々は、ゲインの変化に伴って、それぞれ異なった変化を示す。このような変化の相違は、位置情報算出部４３ａ，４３ｂで画像情報に対して行われる画像処理の種類が一因となっている。アライメントマークＡＭの見え方は、アライメントセンサ１３からウエハＷ上に照射される照明光ＩＬ２の照明条件及びウエハＷの表面状態に応じて変化する。前述した通り、メモリ４７にはゲインとオフセットとの関係を示す誤差情報（オフセット情報）が予め記憶されるが、この誤差情報（オフセット情報）はアライメントマークＡＭの見え方毎、換言すればアライメントマークの種類やタイプ毎に予め求められ、アライメントマークＡＭの見え方毎の誤差情報がメモリ４７に記憶される。
【００６２】
また、アライメントセンサ１３は、ウエハＷの位置情報を計測するときにはアライメントマークＡＭの位置情報を計測し、ベースライン計測のときには基準部材８に形成された基準マークの位置情報を計測する。ウエハＷに形成されるアライメントマーク（プロセスマーク）ＡＭと基準部材８に形成される基準マーク（フィデューシャルマーク）の形状は必ずしも同一ではなく、また照明光ＩＬ２に対する各マーク間の反射率も異なることがあり、発生するオフセットの量が異なることがある。このため、アライメントマークＡＭに関する誤差情報（オフセット情報）とは別に、基準マークに関する誤差情報（オフセット情報）を予め求めてメモリ４７に記憶させておくことが好ましい。
【００６３】
次に、メモリ４７に記憶させる誤差情報の求め方について説明する。アライメントマークＡＭに関する誤差情報はウエハＷのアライメントに先立って行われ、基準マークに関する誤差情報はベースライン計測に先立って行われる。アライメントマークＡＭに関する誤差情報と基準マークに関する誤差情報は同様の求め方により求められるため、ここではアライメントマークＡＭに関する誤差情報の求め方を例に挙げて説明する。図１１は、アライメントマークＡＭに関する誤差情報の求め方を示すフローチャートである。
【００６４】
計測処理が開始すると、主制御系１２はステージ駆動系１１を介してＸＹステージ７を駆動し、ウエハＷ上に形成されたアライメントマークＡＭの何れか１つをアライメントセンサ１３の計測視野内に配置する（ステップＳ１１）。アライメントマークＡＭの配置が完了すると、主制御系１２はアライメント信号処理系１７の制御部４９に対して制御信号を出力して増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを０に設定させる（ステップＳ１２）。以上の処理が終了すると、主制御系１２はハロゲンランプ１４に対して制御信号を出力して照明光ＩＬ１を射出させる。ハロゲンランプ１４から射出された照明光ＩＬ１は光ファイバ１５を介してアライメントセンサ１３内に導かれ、コンデンサーレンズ２０を通過して視野分割絞り２１によって整形されて照明光ＩＬ２となる。照明光ＩＬ２はレンズ系２４を透過し、ハーフミラー２５及びミラー２６で反射された後、対物レンズ２７を通過してプリズムミラー１６で反射され、ウエハＷ上を落射照明する（ステップＳ１３）。
【００６５】
照明光ＩＬ２による反射光はプリズムミラー１６を介してアライメントセンサ１３内に入射し、対物レンズ２７を透過する。対物レンズ２７を通過した反射光はミラー２６で反射され、ハーフミラー２５を透過した後、レンズ系２８を介してビームスプリッタ２９へ至る。ビームスプリッタ２９へ至った反射光の内、ビームスプリッタ２９を透過した反射光は指標板３０を照明する。ビームスプリッタ２９で反射された反射光は遮光板３４を透過した後、瞳分割ミラー３５によってテレセントリック性が崩された状態でラインセンサ３６に入射し、ラインセンサ３６の受光面に焦点検出用スリット２３ａ，２３ｂの像を結像する。
【００６６】
指標板３０を介した光はビームスプリッタ３１で分割され、一方の光に含まれるアライメントマークＡＭの像Ｉｍは図５（ａ）に示す状態で撮像素子３２の撮像面に結像し、他方の光に含まれるアライメントマークＡＭの像Ｉｍは図５（ｂ）に示す状態で撮像素子３３の撮像面に結像する。撮像素子３２，３３は各々の走査線を走査しながら各々の撮像面に結像したアライメントマークＡＭの像Ｉｍを撮像する（ステップＳ１４）。アライメントマークＡＭの像Ｉｍが撮像素子３２，３３に撮像されると、像Ｉｍに応じた画像情報が撮像素子３２，３３から出力される。
【００６７】
これらの画像情報は、アライメント信号処理系１７が備える増幅器４０ａ，４０ｂにそれぞれ入力される。ここで、増幅器４０ａ，４０ｂのゲインが０に設定されているため、増幅器４０ａ，４０ｂに入力した画像情報は増幅されずに増幅器４０ａ，４０ｂの各々から出力されてＡ／Ｄ変換器４１ａ，４１ｂでディジタル化され、画像メモリ４２ａ，４２ｂに一時的に記憶される。次に、位置情報算出部４３ａ，４３ｂは画像メモリ４２ａ，４２ｂに一時的に記憶された画像情報に対し、制御部４９から出力される制御信号で設定される画像処理（前述したエッジ計測処理等）を行って位置情報を算出する（ステップＳ１５）。これにより、水平計測及び垂直計測により得られる位置情報が求められる。
【００６８】
水平計測及び垂直計測により得られる位置情報は、それぞれ位置情報演算部４５に出力され、各々に対する差分を算出する処理が行われる（ステップＳ１６）。ここで、「算出される差分」は、増幅器４０ａ，４０ｂのゲインが０に設定されたときに得られる位置情報に対する差分（オフセット）であるため、ここでは各々の画像情報に対する差分として０が算出される。尚、位置情報演算部４５は、増幅器４０ａ，４０ｂのゲインが０に設定されたときに得られる位置情報を一時的に記憶する。
【００６９】
算出された差分は更新部４６へ出力される。制御部４９は更新部４６に対して制御信号を出力し、更新部４６による自動学習を実行させずに、得られた差分を増幅器４０ａ，４０ｂに設定されたゲインに対応させてメモリ４７に記憶させる（ステップＳ１７）。尚、増幅器４０ａ，４０ｂに設定されたゲインは制御部４９から更新部４６へ出力される。ゲインと差分とを対応付けた誤差情報をメモリ４７に記憶させると、制御部４９は増幅器４０ａ，４０ｂのゲインの可変範囲に亘って計測が終了したか否かを判断する（ステップＳ１８）。
【００７０】
ここでは、増幅器４０ａ，４０ｂのゲインの可変範囲に亘る計測が終了していないため、ステップＳ１８の判断結果は「ＮＯ」となり、処理はステップＳ１９へ進んで制御部４９が増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを所定量だけ変化させる。増幅器４０ａ，４０ｂのゲイン設定が終了すると、処理はステップＳ１４へ戻り、再度撮像素子３２，３３でアライメントマークＡＭの像Ｉｍが撮像されて画像情報が出力される（ステップＳ１４）。これらの画像情報は増幅器４０ａ，４０ｂに設定されたゲインに応じて増幅されてディジタルされた後、位置情報算出部４３，４３ｂで位置情報（水平計測及び水平計測により得られる位置情報）が算出され（ステップＳ１５）、算出された位置情報が位置情報演算部４５へ出力される。
【００７１】
位置情報演算部４５は位置情報算出部４３，４３ｂから出力された位置情報と増幅器４０ａ，４０ｂのゲインが０に設定されたときに得られた位置情報との差分を算出して更新部４６に出力する（ステップＳ１６）。差分が入力されると、更新部４６は制御部４９の制御の下で増幅器４０ａ，４０ｂに設定されたゲインと差分とを対応付けた誤差情報をメモリ４７に記憶させる（ステップＳ１７）。次に、制御部４９は増幅器４０ａ，４０ｂのゲインの可変範囲に亘って計測が終了したか否かを判断し（ステップＳ１７）、判断結果が「ＮＯ」の場合には再度ステップＳ１９において増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを所定量だけ変化させた後で、ステップＳ１４の処理を行う。
【００７２】
以上説明した処理を順次行って、制御部４９は、増幅器４０ａ，４０ｂに設定されたゲインと位置情報の差分とを対応付けた誤差情報をメモリ４７に順次記憶させる。ステップＳ１８の判断結果が「ＹＥＳ」になると、制御部４９は主制御系１２に対して計測処理が終了した旨の制御信号を出力する。この制御信号が出力されると、主制御系１２はハロゲンランプ１４に対して制御信号を出力して照明光ＩＬ１の射出を停止させることで、照明光ＩＬ２によるアライメントマークＡＭの照明を停止させ、一連の計測処理が終了する。
【００７３】
尚、図１１に示す一連の処理においては、アライメントセンサ１３に設けられたラインセンサ３６の検出結果に基づいて、アライメントセンサ１３の焦点位置に対するウエハＷのデフォーカス量が焦点位置検出部４４で常時検出されている。このデフォーカス量に基づいて主制御系１２がステージ駆動系１１を介してＺステージ６を駆動しているため、アライメントマークＡＭはアライメントセンサ１３の焦点位置に常時配置された状態で計測される。以上、ウエハＷ上に形成されたアライメントマークＡＭに関する誤差情報の求め方について説明したが、基準マークに関する誤差情報も基準部材８をアライメントセンサ１３の計測視野内に配置し、増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを変化させつつ基準マークの位置情報の差分を算出することで同様に求められる。
【００７４】
次に、本実施形態の露光装置が備えるアライメントセンサ１３を用いてアライメントマークＡＭの位置情報を計測する際の動作について説明する。尚、以下の説明においては、簡単化のために、アライメント信号処理系１７に設けられる増幅器４０ａ，４０ｂのゲインが最初に設定されて計測中はゲインが一定であるとし、位置情報算出部４３ａ，４３ｂで行われる画像処理の種類も予め設定されているとする。また、アライメントマークＡＭの計測は、実際にはウエハＷの大まかな位置（回転やオフセット）を計測するためのラフアライメント計測（サーチアライメント計測）と、アライメントマークＡＭの位置情報を高い精度（高倍率）で計測するファインアライメント計測とに大別されるが、以下ではラフアライメント計測が終了しており、ファインアライメント計測を行う場合の位置計測動作について説明する。更に、計測対象のアライメントマークＡＭはアライメントセンサ１３の焦点位置に配置された状態で計測が行われるとする。
【００７５】
図１２は、ウエハＷに形成されたアライメントマークＡＭの位置情報を計測する動作の一例の概略を示すフローチャートである。計測が開始すると、まず、主制御系１２からアライメント信号処理系１７へアライメント開始を示す制御信号が出力される。この制御信号に基づいて、アライメント信号処理系１７の制御部４９は、増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを所定の値に設定する（ステップＳ２１）。ゲインの設定が終了すると、主制御系１２はステージ駆動系１１を介してＸＹステージ７を駆動し、ウエハＷ上に形成されたアライメントマークＡＭの内の計測対象となっているアライメントマークＡＭ（３〜９個）の１つをアライメントセンサ１３の計測視野内に配置する（ステップＳ２２）。配置が完了すると、主制御系１２はハロゲンランプ１４に制御信号を出力して照明光ＩＬ１の射出を開始させ、アライメントセンサ１３の視野内に配置されたアライメントマークＡＭの像Ｉｍを撮像素子３２，３３で撮像する（ステップＳ２３）。
【００７６】
撮像素子３２，３３から出力される画像情報は、増幅器４０ａ，４０ｂにおいて設定されたゲインに応じてそれぞれ増幅され、Ａ／Ｄ変換器４１ａ，４１ｂの各々でディジタル化された後、画像メモリ４２ａ，４２ｂに一時的に記憶される。位置情報算出部４３ａ，４３ｂは画像メモリ４２ａ，４２ｂに記憶された画像情報に対してそれぞれ予め設定された画像処理を行い、位置情報（水平計測及び垂直計測により得られる位置情報）をそれぞれ算出する（ステップＳ２４）。これらの水平計測及び垂直計測により得られる位置情報は位置情報演算部４５へ出力され、所定の演算が行われて最終的な位置情報が決定される（ステップＳ２５）。
【００７７】
ここで、ステップＳ２５の各サブルーチンで行われる所定の演算について説明する。
【００７８】
〔第１演算例〕
図１３は、位置情報演算部４５で行われる第１演算例を示すフローチャートである。図１３に示す第１演算例では、位置情報算出部４３ａで算出される位置情報（水平計測により得られる位置情報）と位置情報算出部４３ｂで算出される位置情報（垂直計測により得られる位置情報）とを平均化する演算処理が行われ、この演算処理によって得られた位置情報が最終的な位置情報となる。具体的には、水平計測により得られる位置情報をＸ１とし、水平計測により得られる位置情報をＸ２とすると、位置情報演算部４５は以下の（１）式に示す演算を行う。
【００７９】
（Ｘ１＋Ｘ２）／２    ……（１）
【００８０】
水平計測により得られる位置情報と垂直計測により得られる位置情報とを平均化（単純平均化）すると、電気ノイズに起因する位置情報の再現性の悪化を１／√２に低減することことができる。また、図７，図８を用いて説明した通り、水平計測により得られる位置情報はオフセットが生じ易く、垂直計測により得られる位置情報はオフセットが生じ難いものであるが、これらの位置情報を平均化することで、オフセットを１／２に軽減することができる。また、アライメントセンサ１３内において撮像素子３２，３３の撮像面の位置ずれが生ずると、その位置ずれが計測誤差になるが、水平計測により得られる位置情報と垂直計測により得られる位置情報とを共に用いて最終的な位置情報を決定することで、位置ずれによる計測誤差を軽減することができる。
【００８１】
〔第２演算例〕
図１４は、位置情報演算部４５で行われる第２演算例を示すフローチャートである。図１４に示す第２演算例では、まず制御部４９から補正部４８に対して増幅器４０ａ，４０ｂで設定されたゲインを示す情報が出力される。補正部４８はメモリ４７から、この情報で示されるゲインに応じた誤差情報（オフセット情報：ゲインに対応付けられている差分（オフセット））を読み出す。尚、ここでは、水平計測により得られる位置情報に関する誤差情報（オフセット情報）と垂直計測により得られる位置情報に関する誤差情報（オフセット情報）との両方が読み出される（ステップＳ３１）。
【００８２】
補正部４８により読み出された誤差情報の各々は位置情報演算部４５へ出力され、位置情報算出部４５は水平計測により得られる位置情報Ｘ１と垂直計測により得られる位置情報Ｘ２との各々に対して以下の（２）式に示す重み付けを行って平均化することにより、最終的な位置情報を決定する（ステップＳ３２）。
【００８３】
（ｗ１・Ｘ１＋ｗ２・Ｘ２）／２    ……（２）
【００８４】
上記（２）式において、ｗ１は水平計測により得られる位置情報に関する誤差情報（オフセット情報）の大きさに反比例する重み付けを示し、ｗ２は垂直計測により得られる位置情報に関する誤差情報（オフセット情報）の大きさに反比例する重み付けを示す。図９を用いて説明した通り、水平計測により得られる位置情報に生ずるオフセットはゲインが高くなるにつれて大きくなる変化を示し、垂直計測により得られる位置情報に生ずるオフセットはゲインが高くなってもさほど変化しない。このため、ゲインが高いときには水平計測により得られる位置情報Ｘ１に対する重み付けｗ１の値は相対的に小さくなり、垂直計測により得られる位置情報Ｘ２に対する重み付けｗ２の値は相対的に大きくなるため、計測精度の向上を図ることができる。尚、本例においても、上記第１演算例を行って位置情報を決定したときのように、位置情報の再現性の悪化を低減させることができるとともに、撮像素子３２，３３の位置ずれによる計測誤差を軽減することができる。
【００８５】
〔第３演算例〕
図１５は、位置情報演算部４５で行われる第３演算例を示すフローチャートである。図１３に示す第３演算例では、まず制御部４９から補正部４８に対して増幅器４０ａで設定されたゲインを示す情報が出力される。補正部４８はメモリ４７から、この情報で示されるゲインに応じた誤差情報（ゲインに対応付けられている差分（オフセット））を読み出す。尚、ここでは、水平計測により得られる位置情報に関する誤差情報のみが読み出される（ステップＳ３６）。
【００８６】
補正部４８により読み出された誤差情報は位置情報演算部４５へ出力される。位置情報算出部４５は、補正部４８からの誤差情報に基づいて水平計測により得られる位置情報Ｘ１に生じているオフセットを補正し（ステップＳ３７）、次にこのオフセットが補正された位置情報と垂直計測により得られる位置情報Ｘ２とを平均化して最終的な位置情報を決定する（ステップＳ３８）。ステップＳ３７，Ｓ３８で行われる処理は以下の（３）式で表される。尚、以下の（３）式中のｏｆは補正部４８からの誤差情報に含まれる差分（オフセット）である。
【００８７】
（（Ｘ１−ｏｆ）＋Ｘ２）／２    ……（３）
【００８８】
この演算を行うことで、水平計測により得られる位置情報に生ずるオフセット（ゲインが高くなるにつれて大きくなる特性を有するオフセット）を効果的に補正することができるため、計測精度の向上を図ることができる。尚、本例においても、上記第１演算例を行って位置情報を決定したときのように、位置情報の再現性の悪化を低減させることができるとともに、撮像素子３２，３３の位置ずれによる計測誤差を軽減することができる。更に、本例においては、水平計測により得られる位置情報Ｘ１に生じているオフセットを補正した後に、第２演算例のように、オフセットが補正された位置情報と垂直計測により得られる位置情報Ｘ２とに対して重み付けを行って平均化することもできる。
【００８９】
図１２に戻り、ステップＳ２５において位置情報演算部４５で決定された位置情報は主制御系１２へ出力される。次に、主制御系１２は、計測対象となっている所定数のアライメントマークＡＭの全てに対して計測終了したか否かを判断する（ステップＳ２６）。この判断結果が「ＮＯ」である場合には、ＸＹステージ７を駆動してウエハＷを移動させ、次の計測対象となっているアライメントマークＡＭをアライメントセンサ１３の計測視野内に配置して同様の計測処理を行う。一方、ステップＳ２６の判断結果が「ＹＥＳ」の場合には一連の計測動作が終了する。このようにして、計測対象となっているアライメントマークＡＭ全ての位置情報を計測する。尚、本実施形態では、計測方向Ｄ１がＸ方向に設定されたアライメントマークＡＭを計測する場合について説明しているが、計測方向がＹ方向に設定されたアライメントマーク（図示省略）の計測も同様に行う。
【００９０】
以上の計測が終了すると、主制御系１２はアライメントマークＡＭの計測結果と、ウエハＷ上に設定されたショット領域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、ウエハ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。以上の処理が終了すると露光処理が開始される。露光処理を行う際には、まず主制御系１２はＥＧＡ演算により求められた配列情報に対して前述したベースライン量を加算して補正を行う。そして、主制御系１２はステージ駆動系１１を介してベースライン補正されたウエハＷのＸ座標及びＹ座標に基づいて、各ショット領域の中心と投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとが一致するようにＸＹステージ７を駆動させる。これにより、ウエハＷの各ショット領域の正確な露光領域への合わせ込み、即ちウエハＷの正確な位置合わせが行われる。この状態で照明光学系１からの露光光ＥＬをレチクルＲに照射し、レチクルＲに形成されたパターンを投影光学系ＰＬを介して露光領域に配置されたショット領域へ転写する。
【００９１】
以上、アライメント時における計測動作について説明したが、ベースライン計測のときもアライメントセンサ１３の計測視野内に基準部材８に形成された基準マークが配置された状態で同様の計測処理が行われる。
【００９２】
尚、以上の説明においては、説明の簡単化のために計測中において増幅器４０ａ，４０ｂのゲインが変化しない場合を例に挙げて説明したが、計測中に増幅器４０ａ，４０ｂのゲインを変化させる場合、例えばＡＧＣ（オートゲインコントロール）がかけられるようになっている場合には、制御部４９が補正部４８を制御することにより、変化させたゲインに応じた誤差情報（オフセット情報）が読み出されることになる。
【００９３】
また、上記実施形態では位置情報算出部４３ａ，４３ｂで行われる画像処理の種類が予め設定されているとしたが、位置情報算出部４３ａ，４３ｂでは、例えばアライメントマークＡＭの見え方毎に異なる画像処理が行われる。図１０（ｄ）に示した通り、アライメントマークＡＭの見え方毎に応じて誤差情報は異なる。このため、例えば画像処理としてテンプレートマッチングを行う場合には、画像情報の特徴的な変化を検出するためのテンプレートを複数用意しておき、位置情報算出部４３ａ，４３ｂにおいて、これらのテンプレートと得られた画像情報とを比較してアライメントマークＡＭがどのように見えているかを調べることが好ましい。そして、この結果に基づいて補正部４８がアライメントマークＡＭの見え方に応じた誤差情報をメモリ４７から読み出し、この誤差情報を用いて位置情報算出部４５が前述した第２、第３演算例に示した演算を行うようにしても良い。
【００９４】
以上説明した実施形態では、予め誤差情報を計測してメモリ４７に記憶させておき、位置情報演算部４５がメモリ４７に記憶された誤差情報を用いて前述した第２，第３演算例に示した演算を行う場合を例に挙げて示した。しかしながら、予め誤差情報の計測は行わずに、アライメント時又はベースライン計測時において、水平計測及び垂直計測により得られる位置情報と、そのとき増幅器４０ａ，４０ｂに設定されたゲインとの関係を更新部４６において逐次自動学習し、その学習結果をメモリ４７に記憶するようにしても良い。
【００９５】
また、上記実施形態ではアライメントマークＡＭの像Ｉｍの大きさが撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２内に収まる大きさであったが、アライメントマークＡＭの大きさ又はアライメントセンサ１３が備える光学系の倍率によっては、像Ｉｍの全てが撮像面Ｆ１，Ｆ２内に収まらない場合がある。図１６は、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２に対して相対的に大きなアライメントマークＡＭの像が結像する様子の一例を示す図である。図１６（ａ）を参照すると、水平計測を行う撮像素子３２の撮像面Ｆ１に結像した像ＩｍにはアライメントマークＡＭを構成する全てのマーク要素の像が含まれている。これに対し、図１６（ｂ）を参照すると、垂直計測を行う撮像素子３３の撮像面Ｆ２に結像した像ＩｍにはアライメントマークＡＭを構成する全てのマーク要素の像の全てが含まれず、一部の像のみが含まれている。
【００９６】
このような状況が生ずるのは、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２のアスペクト比が１：１ではなく、例えば４：３に設定されているためである。計測方向Ｄ１に延びるアライメントマークＡＭの位置情報を計測する場合には、走査方向ＳＣ１が計測方向Ｄ１と直交する方向に設定された撮像素子３３よりも、走査方向ＳＣ１が計測方向Ｄ１と同じ方向に設定された撮像素子３２の方が実質的に広い領域を計測に利用することができる。図１６（ｂ）に示すように、アライメントマークＡＭの一部のみが撮像面Ｆ２に結像した状態で計測された位置情報を用いて最終的な位置情報を決定すると、誤った計測結果が得られ、又は計測精度の低下を招いてしまう。
【００９７】
このため、大きなアライメントマークＡＭの位置情報を計測するときには、アライメント信号処理系１７に設けられる制御部４９が位置情報演算部４５に対して制御信号を出力し、位置情報算出部４３ａ，４３ｂで算出される位置情報の何れか一方のみを用いて最終的な位置情報を決定することが好ましい。位置情報算出部４３ａ，４３ｂで算出される位置情報の内の何れの位置情報を用いるかは、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２に結像する像Ｉｍに含まれるマーク要素の像の配列方向が撮像面Ｆ１，Ｆ２の長辺に沿う方向であるか否かによって判断する。また、位置情報算出部４３ａ，４３ｂで算出される位置情報の両方を用いる場合には、上記の判断結果に応じて各々の位置情報に対する重み付けを変えて（一方の重みを非常に軽くして）平均化し、最終的な位置情報を決定するようにしても良い。
【００９８】
更に、上記の実施形態では水平計測により得られる位置情報と垂直計測により得られる位置情報の双方を用いてファインアライメント計測時の位置情報を決定するようにしていた。しかしながら、例えば撮像素子３２，３３の何れか一方をラフアライメント計測用に使用し、他方をファインアライメント計測用に使用するといった具合に、用途（計測用途）に応じて撮像素子３２，３３を使い分けても良い。また、撮像素子３２，３３を用途に応じて使い分けるのではなく、撮像素子３２，３３の両方を用いて計測を行い、用途に応じて位置情報算出部４３ａ，４３ｂで算出される位置情報に対する重み付けを変えても良い。
【００９９】
また、前述した通り、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２はアスペクト比が１：１ではないため、計測に利用することができる領域（計測領域）の広狭がある。この計測領域は計測対象としてのアライメントマークＡＭの形状及びＸＹ平面内における計測範囲Ｄ１の方向に応じて変わる。例えば、図１６に示す通り、アライメントマークＡＭの計測方向Ｄ１がＸ方向に設定されている場合には、撮像素子３３よりも撮像素子３２の方が計測領域は広くなる。しかしながら、アライメントマークＡＭの計測方向Ｄ１がＹ方向に設定された場合には、この関係は逆になる。よって、撮像素子３２，３３の内のアライメントマークＡＭに対する計測領域が広い方をアライメントマークＡＭの認識に用い、他方の計測範囲が狭い方の計測結果を位置情報の計測用に用いるといった使い分けができる。尚、ここでいう認識とは、アライメントセンサ１３の計測視野に対してアライメントマークＡＭがどのような位置関係にあるかを調査することである。
【０１００】
ところで、上記実施形態で説明したアライメントマークＡＭは、計測方向Ｄ１がＸ方向に設定されておりＸＹ平面内におけるＸ方向のみの位置情報を計測する一次元計測用のものであった。尚、このアライメントマークＡＭの計測方向Ｄ１をＹ方向に設定すると、Ｙ方向のみの位置情報を計測することができる。前述した実施形態では、一次元計測用のアライメントマークＡＭ以外に、一度の計測でＸ方向の位置情報とＹ方向の位置情報を計測する二次元計測用のアライメントマークを用いることもできる。図１７（ａ），（ｂ）は、二次元計測用のアライメントマークの一例を示す図である。図１７（ａ）に示す通り、二次元計測用のアライメントマークＡＭ１は、Ｘ方向の位置情報を計測するマーク要素ＡＭＸ，ＡＭＸとＹ方向の位置情報を計測するマーク要素ＡＭＹとを備える。マーク要素ＡＭＸ，ＡＭＸの計測方向は図８中の符号Ｄ２を付した方向であり、マーク要素ＡＭＹの計測方向は図８中の符号Ｄ３を付した方向である。一方の二次元計測用のアライメントマークＡＭ２も、図１７（ｂ）に示す通り、上記マークＡＭ１と同様の機能をもつマーク要素ＡＭＸ，ＡＭＹとを備える。
【０１０１】
一例としてアライメントマークＡＭ１の位置情報をアライメントセンサ１３で計測するときに得られるアライメントマークＡＭ１の像は、撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２に対して図１８に示す状態で結像する。図１８は、二次元計測用のアライメントマークＡＭ１の像が撮像素子３２，３３の撮像面Ｆ１，Ｆ２に結像する状態を示す図であって、（ａ）は撮像素子３２の撮像面Ｆ１に結像する状態を示す図であり、（ｂ）は撮像素子３３の撮像面Ｆ２に結像する状態を示す図である。
【０１０２】
図１８（ａ）に示す通り、アライメントマークＡＭ１の像Ｉｍ１は、計測方向Ｄ２が走査方向ＳＣ１と同じ方向になり、計測方向Ｄ３が走査方向ＳＣ１に対して直交するように撮像素子３２の撮像面Ｆ１に結像する。従って、撮像素子３２の走査方向ＳＣ１は、マーク要素ＡＭＸの像ＩｍＸに対しては走査方向ＳＣ１がその計測方向Ｄ２と同じ方向になり、マーク要素ＡＭＹの像ＩｍＹに対しては走査方向ＳＣ１がその計測方向Ｄ３と直交する。このため、撮像素子３２は、マーク要素ＡＭＸの像ＩｍＸに対しては、図５（ａ）に示す水平計測と同様の計測を行い、マーク要素ＡＭＹの像ＩｍＹに対しては、図５（ｂ）に示す垂直計測と同様の計測を行うことができる。
【０１０３】
また、図１８（ｂ）に示す通り、アライメントマークＡＭ１の像Ｉｍ１は、計測方向Ｄ２が走査方向ＳＣ２と直交し、計測方向Ｄ３が走査方向ＳＣ２と同じ方向になるように撮像素子３３の撮像面Ｆ２に結像する。従って、撮像素子３３の走査方向ＳＣ２は、マーク要素ＡＭＸの像ＩｍＸに対しては走査方向ＳＣ２がその計測方向Ｄ２と直交し、マーク要素ＡＭＹの像ＩｍＹに対しては走査方向ＳＣ２がその計測方向Ｄ３と同じ方向になる。このため、撮像素子３３は、マーク要素ＡＭＸの像ＩｍＸに対しては、図５（ｂ）に示す垂直計測と同様の計測を行い、マーク要素ＡＭＹの像ＩｍＹに対しては、図５（ａ）に示す水平計測と同様の計測を行うことができる。
【０１０４】
このように、撮像素子３２，３３の各々において、マーク要素ＡＭＸの像ＩｍＸ及びマーク要素ＡＭＹの像ＩｍＹのそれぞれに対して、水平計測と同様の計測又は垂直計測と同様の計測が行われる。このため、撮像素子３２の画像情報及び撮像素子３３の画像情報の各々から水平計測により得られる位置情報と垂直計測により得られる位置情報とを共に算出することができる。従って、これらの位置情報から前述した第１〜第３演算例に示した演算を行って最終的な位置情報を決定することにより、計測精度の向上等を図ることができる。
【０１０５】
更に、上記実施形態では、ウエハＷに形成されたアライメントマークＡＭの位置情報を計測するアライメントセンサ１３について説明したが、本発明の位置計測装置はレチクルＲに形成されたレチクルマークを、画素が２次元配列された撮像素子を用いて計測するレチクルアライメントセンサにも適用することができる。更に、これら以外に、物体上に形成されたマークの位置情報を上述の撮像素子を用いて計測する種々の位置計測装置に適用が可能である。
【０１０６】
尚、前述した本発明の実施形態に係る露光装置（図１）は、ウエハ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１、レチクルステージ２、ベース３、及び駆動装置４を含むレチクルアライメント系、ウエハホルダ５、Ｚステージ６、ＸＹステージ７、移動鏡９、及びレーザ干渉計１０を含むウエハアライメント系、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。
【０１０７】
次に、本発明の実施形態の露光装置を使用したデバイスの製造について説明する。図１９は、本発明の実施形態に係る露光装置を用いたデバイス（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）の生産のフローチャートである。図１９に示されるように、まず、ステップＳ４０（設計ステップ）において、デバイスの機能設計（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Ｓ４１（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を製作する。一方、ステップＳ４２（ウエハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
【０１０８】
次に、ステップＳ４３（ウエハプロセスステップ）において、ステップＳ４０〜ステップＳ４２で用意したマスクとウエハを使用して、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ４４（組立ステップ）において、ステップＳ４３において処理されたウエハを用いてチップ化する。このステップＳ４４には、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程が含まれる。最後に、ステップＳ４５（検査ステップ）において、ステップＳ４５で作製された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デバイスが完成し、これが出荷される。
【０１０９】
尚、本実施形態の露光装置として、マスクと基板とを同期移動してマスクのパターンを露光転写する走査型の露光装置（ＵＳＰ５，４７３，４１０）にも適用することができる。更に、本実施形態の露光装置として、投影光学系を用いることなくマスクと基板とを密接させてマスクのパターンを露光するプロキシミティ露光装置にも適用することができる。また、露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露光転写する液晶用の露光装置や、薄膜磁気ヘッドを製造するための露光装置にも広く適当できる。本実施形態の露光装置の光源は、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）のみならず、Ｘ線や電子線などの荷電粒子線を用いることができる。例えば、電子線を用いる場合には電子銃として、熱電子放射型のランタンヘキサボライト（ＬａＢ６）、タンタル（Ｔａ）を用いることができる。
【０１１０】
投影光学系は縮小系のみならず等倍および拡大系のいずれでも良い。投影光学系としては、エキシマレーザなどの遠紫外線を用いる場合は硝材として石英や蛍石などの遠紫外線を透過する材料を用い、Ｆ２レーザやＸ線を用いる場合は反射屈折系または屈折系の光学系にし（レチクルも反射型タイプのものを用いる）、また、電子線を用いる場合には光学系として電子レンズおよび偏向器からなる電子光学系を用いる。なお、電子線が通過する光路は真空状態にすることはいうまでもない。
【０１１１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る位置計測装置が備えるアライメントセンサの構成を示す図である。
【図３】視野分割絞り及び遮光板の一例を示す図である。
【図４】アライメントセンサのウエハＷ上における照明領域を説明するための図である。
【図５】アライメントマークの像に対する撮像素子の配置例を示す図である。
【図６】アライメント信号処理系の内部構成の概略を示すブロック図である。
【図７】水平計測により得られる位置情報の特性を説明するための図である。
【図８】垂直計測により得られる位置情報の特性を説明するための図である。
【図９】水平計測及び垂直計測により得られる位置情報に生ずるオフセットのゲイン依存性を説明するための図である。
【図１０】アライメントマークの見え方に応じてオフセットのゲイン依存性を示す曲線が変化する様子を説明するための図である。
【図１１】アライメントマークに関する誤差情報の求め方を示すフローチャートである。
【図１２】ウエハに形成されたアライメントマークの位置情報を計測する動作の一例の概略を示すフローチャートである。
【図１３】位置情報演算部で行われる第１演算例を示すフローチャートである。
【図１４】位置情報演算部で行われる第２演算例を示すフローチャートである。
【図１５】位置情報演算部で行われる第３演算例を示すフローチャートである。
【図１６】撮像素子の撮像面に対して相対的に大きなアライメントマークの像が結像する様子の一例を示す図である。
【図１７】二次元計測用のアライメントマークの一例を示す図である。
【図１８】二次元計測用のアライメントマークの像が撮像素子の撮像面に結像する状態を示す図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る露光装置を用いた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。
【符号の説明】
【０１１３】
７…ＸＹステージ
１１…ステージ駆動系
１２…主制御系
１５…光ファイバ
１６…プリズムミラー
１７…アライメント信号処理系
２０…コンデンサーレンズ
２１…視野分割絞り
２４…レンズ系
２５…ハーフミラー
２６…ミラー
２７…対物レンズ
２８…レンズ系
２９…ビームスプリッタ
３０…指標板
３１…ビームスプリッタ
３２…撮像素子
３３…撮像素子
４０ａ…増幅器
４０ｂ…増幅器
４３ａ…位置情報算出部
４３ｂ…位置情報算出部
４５…位置情報演算部
４６…更新部
４７…メモリ
４８…補正部
ＡＭ…アライメントマーク
Ｄ１…計測方向
Ｆ１…撮像面
Ｆ２…撮像面
ＩＬ２…照明光
Ｉｍ…マークの像
Ｒ…レチクル）
ＳＣ１…走査方向
ＳＣ２…走査方向
Ｗ…ウエハ
【図１】
2005252059.tif 000003
【図２】
2005252059.tif 000004
【図３】
2005252059.tif 000005
【図４】
2005252059.tif 000006
【図５】
2005252059.tif 000007
【図６】
2005252059.tif 000008
【図７】
2005252059.tif 000009
【図８】
2005252059.tif 000010
【図９】
2005252059.tif 000011
【図１０】
2005252059.tif 000012
【図１１】
2005252059.tif 000013
【図１２】
2005252059.tif 000014
【図１３】
2005252059.tif 000015
【図１４】
2005252059.tif 000016
【図１５】
2005252059.tif 000017
【図１６】
2005252059.tif 000018
【図１７】
2005252059.tif 000019
【図１８】
2005252059.tif 000020
【図１９】
2005252059.tif 000021