(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１物体と第２物体との間の、間隔を規定する方向と直交する方向にパワーを持つグレーティングレンズを用いて、前記直交する方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であって、
該第１物体は、第１および第５グレーティングレンズと、該第１および第５グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第２および第６グレーティングレンズとを有し、該第２物体は、第３および第７グレーティングレンズと、該第３および第７グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第４および第８グレーティングレンズとを有し、
該第１および第３グレーティングレンズを介した第１光束がセンサーに入射する第１入射位置と、該第２および第４グレーティングレンズを介した第２光束が該センサーに入射する第２入射位置と、該第５および第７グレーティングレンズを介した第３光束が該センサーに入射する第３入射位置と、該第６および第８グレーティングレンズを介した第４光束が該センサーに入射する第４入射位置とを該センサーにより検出し、該第１入射位置と該第３入射位置との間隔ｄ１と該第２入射位置と第４入射位置との間隔ｄ２との差分値を定数倍して、前記位置ずれを検出することを特徴とする位置ずれ検出方法。
【請求項２】
対向する第１物体と第２物体との間の、間隔を規定する方向と直交する方向にパワーを持つグレーティングレンズを用いて、前記直交する方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であって、
該第１物体は、第１および第５グレーティングレンズと、該第１および第５グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第２および第６グレーティングレンズとを有し、該第２物体は、第３および第７グレーティングレンズと、該第３および第７グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第４および第８グレーティングレンズとを有し、
該第１および第３グレーティングレンズを介した第１光束がセンサーに入射する第１入射位置と、該第２および第４グレーティングレンズを介した第２光束が該センサーに入射する第２入射位置と、該第５および第７グレーティングレンズを介した第３光束が該センサーに入射する第３入射位置と、該第６および第８グレーティングレンズを介した第４光束が該センサーに入射する第４入射位置とを該センサーにより検出し、該第１入射位置と該第２入射位置との平均位置と、該第３入射位置と該第４入射位置との平均位置との差分値を定数倍して、前記位置ずれを検出することを特徴とする位置ずれ検出方法。
【請求項３】
対向する第１物体と第２物体との間の、間隔を規定する方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であって、
該第１物体は、第１および第５グレーティングレンズと、該第１および第５グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第２および第６グレーティングレンズとを有し、該第２物体は、第３および第７グレーティングレンズと、該第３および第７グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第４および第８グレーティングレンズとを有し、
該第１および第３グレーティングレンズを介した第１光束がセンサーに入射する第１入射位置と、該第２および第４グレーティングレンズを介した第２光束が該センサーに入射する第２入射位置と、該第５および第７グレーティングレンズを介した第３光束が該センサーに入射する第３入射位置と、該第６および第８グレーティングレンズを介した第４光束が該センサーに入射する第４入射位置とを該センサーにより検出し、該第１入射位置と該第３入射位置との間隔ｄ１と該第２入射位置と第４入射位置との間隔ｄ２との和を定数倍して、前記位置ずれを検出することを特徴とする位置ずれ検出方法。
【請求項４】
前記第１および第７グレーティングレンズは凸レンズの作用をし、前記第３および第５グレーティングレンズは凹レンズの作用をすることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の位置ずれ検出方法。
【請求項５】
前記第１乃至第８グレーティングレンズはそれぞれ直線グレーティングレンズであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の位置ずれ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位置ずれ検出方法に関し、例えば、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体デバイス、ＣＣＤ等の撮像デバイス、液晶パネル等の表示デバイス、そして磁気ヘッド等のデバイスを製造するリソグラフィー工程において使用される露光装置や走査型露光装置において、マスクやレチクル（以下「マスク」という。）等の第１物体に形成されている微細な電子回路パターンをウエハ等の第２物体に露光転写する際に第１物体と第２物体との位置合わせ（アライメント）を行なう場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりデバイス製造用の露光装置においては、マスクとウエハの相対的な位置合わせは性能向上を図るための重要な一要素となっている。半導体集積回路で代表的なＤＲＡＭにおいては解像パターン像の最小線幅の１／３から１／４程度の総合重ね合わせ精度が必要とされている。特に最近の露光装置の位置合わせにおいては、半導体の高集積化のために、２０ｎｍ以下の位置合わせ精度が要求されている。
【０００３】
例えば現在研究レベルである１ＧｂｉｔＤＲＡＭでは総合重ね合わせ精度が４０ｎｍから５０ｎｍが要求され、そのうち位置合わせ精度に割り当てられる精度は１０ｎｍから１５ｎｍになる。
【０００４】
多くの露光装置にはマスクとウエハそれぞれに位置合わせ用のマーク、所謂アライメントマークを設けておいて各々のアライメントマークの位置ずれを光学的に検出してその値に基づいてマスクとウエハの位置合わせ（アライメント）を行っている。アライメントマークの検出の方法としては、マークを光学的に拡大してＣＣＤ上に投影して画像処理によるもの、マークに直線回折格子を用いてその回折光の位相を計測するもの、またはマークにゾーンプレート（グレーティングレンズ）を用いてそのゾーンプレートで回折した光を所定面で検出し、その光の位置ずれを検出するもの等がある。
【０００５】
これらの検出方法のうちアライメントマークとして直線回折格子やゾーンプレートを用いる方式は、マーク内の欠陥に影響されにくいという意味で半導体プロセスに強い比較的高精度のアライメントができるという特徴がある。
【０００６】
図２３はゾーンプレートを利用した従来の位置検出装置の概略図である。同図において光源７２から射出した平行光束はハーフミラー７４を通過後、集光レンズ７６で集光点７８に集光された後、マスク６８面上のマスクアライメントパターン６８ａ及び支持台６２に載置したウエハ６０面上のウエハアライメントパターン６０ａを照射する。これらのアライメントパターン６８ａ，６０ａは反射型のゾーンプレートより構成され、各々集光点７８を含む光軸と直交する平面上に集光点を形成する。このときの平面上の集光点位置のずれ量を集光レンズ７６とレンズ８０により検出器８２上に導光して検出している。
【０００７】
そして検出器８２からの出力信号に基づいて制御回路８４により駆動回路６４を駆動させてマスク６８をウエハ６０の相対的な位置決めを行っている。図２４は図２３に示したマスクアライメントパターン６８ａとウエハアライメントパターン６０ａからの光束の結像関係を示した説明図である。
【０００８】
同図において集光点７８から発散した光束はマスクアライメントパターン６８ａよりその一部の光束が回折し、集光点７８近傍にマスク位置を示す集光点７８ａを形成する。又、その他の一部の光束はマスク６８を０次透過光として透過し、波面を変えずにウエハ６０面上のウエハアライメントパターン６０ａに入射する。このとき光束はウエハアライメントパターン６０ａにより回折された後、再びマスク６８を０次透過光として透過し、集光点７８近傍に集光しウエハ位置をあらわす集光点７８ｂを形成する。
【０００９】
同図においてはウエハ６０により回折された光束が集光点を形成する際には、マスク６８は単なる素通し状態としての作用をする。
【００１０】
このようにして形成されたウエハアライメントパターン６０ａによる集光点７８ｂの位置は、ウエハ６０のマスク６８に対するマスク・ウエハ面に沿った方向（横方向）のずれ量Δσに応じて集光点７８を含む光軸と直交する平面に沿って該ずれ量Δσに対応した量のずれ量Δσ′として形成される。
【００１１】
このずれ量Δσ′をセンサー上に設けた絶対座標系を基準として測定することによってずれ量Δσを求めている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一般にマスクとウエハとの相対的な位置ずれを検出し、双方のアライメントを行うには、マスクとウエハとが所定の範囲内の間隔となるように制御した後に、マスク及びウエハ面上に設けた位置合わせ用の所謂アライメントパターンを介したときにセンサーから得られる位置情報を利用してこれにより双方のアライメントを行なっている。
【００１３】
このような方法においては、マスク及びウエハのアライメントマークの開口からのフランフォーファ回折光がセンサーの中央部に入射し、信号光との干渉を引き起こしその結果アライメント信号の、Ｓ／Ｎ比が低下し、マスクとウエハの相対ずれ量に対する信号の非線形が生じてくるという問題点があった。
【００１４】
このフランフォーファ回折光の影響を低減する方法としては、図２５に示すようにマスク回路パターンとウエハ回路パターンの位置ずれが無い状態で、マスク側アライメントマークＷＡに対してウエハ側アライメントマークＷＡを偏心させて配置する方法がある。このようにすれば、信号光に対して、開口からのフランフォーファ回折光が空間的に離れているために、干渉の影響が少なく、信号は良好となる。
【００１５】
しかしながら、この方法ではウエハ側アライメントマークＷＡが図２５に示すようにアライメント検出方向に関して非対称な形状をしているため、アライメントマーク内で非対称な回折効率むらを生じやすいという問題点があった。
【００１６】
マーク内の回折効率分布が非対称になると、センサー上の信号光のビームスポットも非対称になり、その結果、スポットのピーク位置及び重心位置がずれて検出エラーになってくる。アライメントマーク内の回折効率分布の非対称性が信号光のスポットの非対称性に影響する度合いは、マスクとウエハの間隔（ギャップ）が設計ギャップに対してずれるほど、デフォーカスしたスポットになるため顕著になる。
【００１７】
アライメントマーク内で回折効率むらは、アライメントマークがアライメント方向に対してパワーを持っているためピッチ（すなわち線幅）がパターン内で変化しており、デバイスプロセスにおけるエッチング、蒸着などの行程において、すべての線幅に関して線幅と段差をウエハ全面においてコントロールするのが困難なため生じると考えられている。
【００１８】
特に、回路パターンの微細化により回路パターンの線幅が０．１５μｍ以下になり、アライメントマークの線幅が数μｍから１０μｍ程度と対象とする線幅のレンジが広くなりことと、また、ウエハの大口径化の流れにより、今後一層ウエハ内のアライメントマークの線幅、段差の不均一性によるアライメント検出エラーの問題は大きくなってくる。
【００１９】
さらに、マスク側アライメントマークで回折し、ウエハ側アライメントマークで回折してマスクを透過する信号光の他に、マスク側アライメントマークを透過した後、ウエハ側アライメントマークで回折して、マスク側アライメントマークで回折する不要回折光が存在し、ウエハ側アライメントマークの段差が変化する場合、信号光と不要回折光の強度比が変化して検出誤差が生じていた。更に、スループット上有利なグローバルアライメントでは、ウエハプロセスによる局所的な歪みを補正できないという問題があった。
【００２０】
以上は、半導体プロセスが起因する重ね合わせ精度の劣化の問題であるが、アライメント検出系の敏感度が大きいことにより生じる重ね合わせ精度の劣化が生じている。アライメントマークが正常に作製されている場合においても、たとえば図２６に示すように信号光が光軸から角度θを持っている場合には、マスクとウエハの間隔設定誤差δｇにより、スポット位置はｔａｎ（θ）・δｇだけ変位し、検出誤差になっていた。
【００２１】
このような、ギャップ変動などアライメント検出系の敏感度に起因する重ね精度の劣化やプロセスによるアライメントマークの変形、局所的な歪みによる重ね精度の劣化については、ゾーンプレート（グレーティングレンズ）を用いるアライメント方式のみの問題点ではなく、先に示したようなその他のアライメント方式にも共通する課題となっている。
【００２２】
本発明は、第１物体のグレーティングレンズと第２物体のグレーティングレンズとを介した光のセンサへの入射位置をもとに第１物体と第２物体との間の位置ずれを高精度に検出することができる位置ずれ検出方法の提供を目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の位置ずれ検出方法は、
対向する第１物体と第２物体との間の、間隔を規定する方向と直交する方向にパワーを持つグレーティングレンズを用いて、前記直交する方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であって、
該第１物体は、第１および第５グレーティングレンズと、該第１および第５グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第２および第６グレーティングレンズとを有し、該第２物体は、第３および第７グレーティングレンズと、該第３および第７グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第４および第８グレーティングレンズとを有し、
該第１および第３グレーティングレンズを介した第１光束がセンサーに入射する第１入射位置と、該第２および第４グレーティングレンズを介した第２光束が該センサーに入射する第２入射位置と、該第５および第７グレーティングレンズを介した第３光束が該センサーに入射する第３入射位置と、該第６および第８グレーティングレンズを介した第４光束が該センサーに入射する第４入射位置とを該センサーにより検出し、該第１入射位置と該第３入射位置との間隔ｄ１と該第２入射位置と第４入射位置との間隔ｄ２との差分値を定数倍して、前記位置ずれを検出することを特徴としている。
【００２４】
請求項２の発明の位置ずれ検出方法は、
対向する第１物体と第２物体との間の、間隔を規定する方向と直交する方向にパワーを持つグレーティングレンズを用いて、前記直交する方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であって、
該第１物体は、第１および第５グレーティングレンズと、該第１および第５グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第２および第６グレーティングレンズとを有し、該第２物体は、第３および第７グレーティングレンズと、該第３および第７グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第４および第８グレーティングレンズとを有し、
該第１および第３グレーティングレンズを介した第１光束がセンサーに入射する第１入射位置と、該第２および第４グレーティングレンズを介した第２光束が該センサーに入射する第２入射位置と、該第５および第７グレーティングレンズを介した第３光束が該センサーに入射する第３入射位置と、該第６および第８グレーティングレンズを介した第４光束が該センサーに入射する第４入射位置とを該センサーにより検出し、該第１入射位置と該第２入射位置との平均位置と、該第３入射位置と該第４入射位置との平均位置との差分値を定数倍して、前記位置ずれを検出することを特徴としている。
【００２５】
請求項３の発明の位置ずれ検出方法は、
対向する第１物体と第２物体との間の、間隔を規定する方向の位置ずれを検出する位置ずれ検出方法であって、
該第１物体は、第１および第５グレーティングレンズと、該第１および第５グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第２および第６グレーティングレンズとを有し、該第２物体は、第３および第７グレーティングレンズと、該第３および第７グレーティングレンズとはそれぞれミラーイメージの関係にある第４および第８グレーティングレンズとを有し、
該第１および第３グレーティングレンズを介した第１光束がセンサーに入射する第１入射位置と、該第２および第４グレーティングレンズを介した第２光束が該センサーに入射する第２入射位置と、該第５および第７グレーティングレンズを介した第３光束が該センサーに入射する第３入射位置と、該第６および第８グレーティングレンズを介した第４光束が該センサーに入射する第４入射位置とを該センサーにより検出し、該第１入射位置と該第３入射位置との間隔ｄ１と該第２入射位置と第４入射位置との間隔ｄ２との和を定数倍して、前記位置ずれを検出することを特徴としている。
【００２６】
請求項４の発明は、請求項１、２又は３の発明において、
前記第１および第７グレーティングレンズは凸レンズの作用をし、前記第３および第５グレーティングレンズは凹レンズの作用をすることを特徴としている。
【００２７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、
前記第１乃至第８グレーティングレンズはそれぞれ直線グレーティングレンズであることを特徴としている。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の位置ずれ検出方法では、マスクとウエハの位置ずれに対し、回折光のスポット間隔を増大せしめる第１，第３のグレーティングレンズと、マスクとウエハの位置ずれに対し、スポット間隔を減少せしめ、かつ第１，第３のグレーティングレンズをマーク中心線（ｙ）でミラーイメージに折り返して形成したパターンを有する第２，第４グレーティングレンズを該第１，第３グレーティングレンズに対して隣接して配置し、第１，第３のグレーティングレンズからの回折光から得られる第１のスポットＢ１及び、第２，第４のグレーティングレンズからの回折光から得られる第２のスポットＢ２を用いてマスクとウエハの位置ずれとマスクとウエハの間隔を検出することによって、ウエハ側グレーティングレンズ内の回折効率むら等のプロセスばらつき、及びギャップ設定誤差の影響を低減し、高精度な位置ずれ検出装置を行っている。
【００３７】
また、本発明の位置ずれ検出方法では、マスクとウエハに各々アライメントマークを設けて、露光光を遮光あるいは吸収させない位置に第１，第２アライメント光学ヘッド９Ｌ，９Ｒを配置して、斜めからアライメント光を照射し、アライメントマークからの光を受光し、露光位置で位置ずれ検出、ギャップ計測を可能にし、グローバルアライメント終了後に、各ショット露光前に位置ずれを検出し、露光されたウエハの重ねずれを測定し、位置ずれ測定値と重ねずれ測定値を用いて、グローバルアライメントモード、グローバル／ダイバイダイ併用モード、ダイバイダイモードの選択を行うこととし、ウエハプロセスによるアライメント系のだまされ、局所的な歪みの影響を受けないでマスクとウエハとの高精度な位置ずれ検出方法を行っている。
【００３８】
又、本発明の位置ずれ検出方法では、前記各ショットのアライメント系の位置ずれ測定値と重ねずれ測定値の比較によりアライメント検出系のだまされショットを特定し、そのショットをグローバル測定ショットから除外し、ウエハ全面でのショットの重ねずれが最小となるグローバル測定ショットの選定を行うこととし、ウエハプロセスによるアライメント系のだまされの影響を受けないでマスクとウエハとの高精度な位置ずれ検出を行っている。
【００３９】
次に本発明の位置ずれ検出方法について説明する。
【００４０】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図、図２は図１のアライメントマークでの回折の様子を示す説明図、図３は図１のセンサ面上での信号波形の説明図、図４は第１物体（マスク）と第２物体（ウエハ）との相対的な位置関係における信号特性の説明図、図５は図１の位置ずれ検出方法の光学系の光路を展開したときの説明図、図６は図１のアライメントマークの概略図である。
【００４１】
本実施形態は本発明の位置ずれ検出装置をＸ線を露光高原とするデバイス製造用の露光装置に適用したときを示している。図中、１は第１物体としてのマスク、２は第２物体としてのウエハであり、アライメント光学ユニット１９（１９Ｌ，１９Ｒ）からの光束を、マスク１に設けたアライメントマーク３（３Ｌ，３Ｒ）に斜方向から入射させ、露光光を遮断しないようにしてアライメントを行っている。
【００４２】
これによってアライメント光学ユニット１９を固定にして、第１物体１と第２物体２とのアライメントを行うと同時に、露光することができるようにしている。特にダイバイダイアライメント方式での露光装置のスループットの向上を行っている。
【００４３】
次に本実施形態における各要素について説明する。図１において、マスク１上には、マスク１とウエハ２との位置ずれ検出方向であるＸ方向にのみパワーをもつフレネルゾーンプレート（グレーティングレンズ）からなるアライメントマーク（第１アライメントマーク，マスク側マーク）３Ｌ，３Ｒがあり、ウエハ２上にはアライメントマーク３Ｌと３Ｒとそれぞれ位置決めされるべきＸ方向にのみパワーをもつフレネルゾーンプレート（グレーティングレンズ）からなるアライメントマーク（第２アライメントマーク，ウエハ側マーク）４Ｌ，４Ｒがある。
【００４４】
１９Ｌ，１９Ｒはそれぞれ、アライメントマーク３Ｌ，４Ｌとアライメントマーク３Ｒ，４Ｒの位置ずれを検出する第１，第２のアライメント光学ユニットであり、ＸＹ方向に移動可能なステージ７Ｌ，７Ｒに載っている。アライメント光学ユニット１９Ｌと１９Ｒは同じ構成をしているので、以下は一方のアライメント光学ユニット１９Ｌについて説明する。
【００４５】
１０Ｌは半導体レーザー（光源）であり、光源１０Ｌから出射された光は投光用レンズ１１Ｌとハーフミラー１３Ｌを介し、レンズ１４Ｌで集光されミラー１５Ｌで反射してマスク１上のアライメントマーク（第１アライメントマーク）３Ｌに投光角θで照射される。アライメントマーク３Ｌは出射光をマスク１の法線方向（−Ｚ方向）に射出させ、アライメントマーク（第２アライメントマーク）４Ｌに入射させている。マーク４Ｌに入射した光は投光角θと同じ角度θで回折される。マーク４Ｌからの回折光でマスク１を単に透過した１１０光はミラー１５Ｌで反射され、レンズ１４Ｌとハーフミラー１３Ｌを透過してセンサー１２Ｌに集光する。センサー１２Ｌは１次元のラインセンサーを使用している。
【００４６】
なお、図１中の５はウエハチャックであり、ウエハ１を吸着しており、６はＸＹＺステージを示している。マスク１とウエハ２はＺステージを駆動することにより所定の間隔で保持されている。
【００４７】
図１には図示していないが、Ｘ方向のずれ検出用の第１，第２のアライメント光学ユニット１９Ｌ，１９Ｒの２つのほかに、本実施形態ではＹ方向の位置ずれを検出するために、Ｙ方向にパワーを持つフレネルゾーンプレートからなるアライメントマークをマスク１とウエハ２のスクライブライン上に設けてあり、そのアライメントマーク検出用の第３のアライメント光学ユニットがある。
【００４８】
各アライメント光学ユニット内のセンサーからの信号はＣＰＵ１６に入り、Ｘ方向検出用の２つアライメント光学ユニットのセンサー出力の平均値からＸ方向ずれ量を求め、出力の差から回転量を求め、Ｙ方向のアライメント光学ユニットのセンサー出力からＹ方向のずれ量を算出して、ウエハ２内の数ショットの位置ズレを検出して、周知のグローバルアライメント方法はダイバイダイアライメント方法によってマスク１とウエハ２を位置合わせするようにステージ駆動ドライバー１７に信号を送るようにしている。アライメント光学ユニット１９Ｌ，１９Ｒは、何れも露光光であるＸ線を露光領域内は遮光しない位置におかれている。
【００４９】
次に図１２を用いて図１のアライメント光学ユニット１９（１９Ｌ，１９Ｒ）内の投光用レンズ１１（１１Ｌ，１１Ｒ）および、受光レンズ１４（１４Ｌ，１４Ｒ）の働きについて説明する。
【００５０】
光源１０からの光２０は投光用レンズ１１で一度集光され、ハーフミラー１３で反射されて、レンズ１４に入射する。ここで、レンズ１１とレンズ１４は、レンズ１４に関して、レンズ１１による集光点１１ａがマスク１と概略共役になるように設計している。このようにして、マスク１上の投射ビームスポットがアライメントマーク３Ｌ，３Ｒより少し大きめになるようにしている。一方受光側は、１１０光の集光面２３をレンズ１４によって等倍でセンサー１２にリレーするように設計してある。
【００５１】
次に図５を用いて本実施形態の位置ずれ検出の基本原理の説明を行う。同図において、実際にはウエハ２で反射回折する光を用いているが、それと等価な透過型レンズの配置で示している。マスク側マーク３０ａ，３１ａで１次回折され、ウエハ側マーク３０ｂ，３１ｂで１次回折され、マスク１を単に透過する光（１１０光）と、マスク側マーク３０ａ，３１ａを透過し、先にウエハ側マーク３０ｂ，３１ｂで１次回折され、次にマスク側マーク３０ａ，３１ａで回折される光（０１１光）の光路を重ねて示している。
【００５２】
マスク１上には、スクライブライン上にＸ方向にのみパワーを持つフレネルゾーンプレートからなるアライメントマーク（グレーティングレンズ）３０ａがあり、その透過１次回折光は集光作用を受ける。アライメントマーク（グレーティングレンズ）３０ｂはウエハ２上のスクライブライン上に設けられており、Ｘ方向のみにパワーをもつフレネルゾーンプレートからなり、これにより反射回折光（図５では透過）は発散作用を受ける。回折光はマスクを透過して、センサー１２に集光する。
【００５３】
このように、マスク１側で凸レンズ作用を受け、ウエハ側２で凹レンズ作用を受けるようなゾーンプレートの組み合わせ（グレーティングレンズ３０ａとグレーティングレンズ３０ｂ）を以下は凸凹系と呼ぶことにする。
【００５４】
またマスク１とウエハ２のぞれぞれのスクライブライン上に凸凹系のアライメントマーク３０ａ，３０ｂ対に隣接する位置にＸ方向にのみパワーを持つフレネルゾーンプレートからなるアライメントマーク（グレーティングレンズ）３１ａおよびアライメントマーク（グレーティングレンズ）３１ｂを設けている。マスク１上のアライメントマーク３１ａは、その透過１次回折光に発散作用を与え、ウエハ２上のアライメントマーク３１ｂはその反射回折光に集光作用を与える。
ここで図１の第１アライメントマーク３Ｌはアライメントマーク３０ａ，３１ａに相当し、第２アライメントマーク４Ｌはアライメントマーク３０ｂ，３１ｂに相当している。
【００５５】
このようにマスク１側で凹レンズ作用を、ウエハ２側で凸レンズ作用を受けるようなアライメントマーク（ゾーンプレート）の組み合わせ（アライメントマーク３１ａと３１ｂ）を以下、凹凸系と呼ぶ。凹凸系を通った光は、凸凹系を通った光と同様にセンサー１２上に集光する。
【００５６】
以上はマスク側マーク（マスク側アライメントマーク）で１次回折され、ウエハ側マーク（ウエハ側アライメントマーク）で１次回折され、マスクを透過する光（１１０光）で、先に述べたように実際にはマスク側マークを透過し、先にウエハ側マークで１次回折され、次にマスク側マークで回折される光（０１１光）が、１１０光に近い位置に概略集光する。
【００５７】
図５はこのときの様子を示したものである。２３は（１１０光）の集光面である。マスク１のアライメントマーク３０ａ，３１ａのそれぞれの焦点距離をＦｍ１，Ｆｍ２、ウエハ２のアライメントマーク３０ｂ，３１ｂのそれぞれの焦点距離をＦｗ１，Ｆｗ２として、マスク１とウエハ２の間隔をｇ、マスク１から集光面２３までの距離をＬとすると、マスク１とウエハ２のＸ方向のずれｘにより、集光面Ｘ方向の凸凹系（３０ａ，３０ｂ）、凹凸系（３１ａ，３１ｂ）の１１０光の集光点の位置Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ、
Ｓ１＝（１−Ｌ／（Ｆｍ１−ｇ））・ｘ      ‥‥‥（１）
Ｓ２＝（１−Ｌ／（Ｆｍ２−ｇ））・ｘ      ‥‥‥（２）
となる。
【００５８】
一方、集光面２３上におけるＸ方向の凸凹系、凹凸系の０１１光の集光点の位置Ｓ３，Ｓ４はそれぞれ、
Ｓ３＝（Ｌ’／（Ｆｗ１−ｇ））・ｘ        ‥‥‥（３）
Ｓ４＝（Ｌ”／（Ｆｗ２−ｇ））・ｘ        ‥‥‥（４）
となる。
【００５９】
ここで、Ｌ’、Ｌ”はそれぞれ凸凹系と凹凸系の０１１光が集光する位置と、マスク１までの距離である。
【００６０】
また、１１０光を集光面２３に集光させる条件として、
１／（Ｆｍ１−ｇ）＋１／Ｌ＝−１／Ｆｗ１  ‥‥‥（５）
１／（Ｆｍ２−ｇ）＋１／Ｌ＝−１／Ｆｗ２  ‥‥‥（６）
が必要である。
【００６１】
本実施形態では、位置Ｓ１のマスクとウエハの位置ずれｘに対する倍率が１００倍になるようにＬ＝１８．７ｍｍ、ｇ＝３０μｍとし、Ｆｍ１＝２１４μｍ、Ｆｗ１＝−１８４μｍとしている。
【００６２】
図９は凹凸系の１１０光の倍率を変えた時のＧＡＰ１μｍ当たりのスポット位置変化量を測定したものであり、倍率が低くなるほど変化量が徐々に少なくなっている。凸凹系のＧＡＰ１μｍ当たりのセンサー上でのスポット変化量は、１０μｍあったため、凹凸系１１０光の倍率は７０倍のものを使用した。このときアライメントマーク３１ａ，３１ｂの焦点距離の設計値Ｆｍ２，Ｆｗ２はそれぞれ−２６０μｍ、２９４μｍである。
【００６３】
一方、位置Ｓ２の倍率については、マスク１とウエハ２の位置ずれｘに対する倍率が−１００倍になるようにアライメントマーク３１ａ，３１ｂの焦点距離の設計値Ｆｍ２，Ｆｗ２をそれぞれ−２４０μｍ，２７０μｍとしている。
ここで、１式から４式より、凸凹系の１１０光（Ｓ１）と０１１光（Ｓ３）の倍率差により生じるセンサー１２上での位置ずれ量（Ｓ１−Ｓ３）は、それぞれのビームスポットの広がりに比べて小さいため、図３に示すようにセンサー１２上では見かけ上１つのスポットＢ１に見える。
【００６４】
また凹凸系の１１０光（Ｓ２）と０１１光（Ｓ４）についても同様であり、凹凸系のスポットとして、見かけ上１つのスポットＢ２をなす。従って、この凸凹系（３０ａ，３０ｂ）と凹凸系（３１ａ，３１ｂ）のスポット間隔ｄ１を計測することにより約２００倍に拡大されたマスク１とウエハ２の相対位置ずれを検出することができる。
【００６５】
図６は本実施形態で用いているマスク１上の第１アライメントマーク３Ｌとウエハ２上の第２アライメントマークＬ４の説明図である。
【００６６】
図６に示すようにアライメントマーク３０ａと３０ｂの反転したパターンのミラーイメージマーク（アライメントマーク）３０ａｍ、３０ｂｍ及び、アライメントマーク３１ａと３１ｂのミラーイメージマーク（アライメントマーク）３１ａｍ、３１ｂｍを隣接して配置する。
【００６７】
ここで第１アライメントマーク（３Ｌ）を構成するアライメントマーク３０ａ，３０ａｍ，３１ａ，３１ａｍは順に第１，第２，第５，第６グレーティングレンズに相当し、第２アライメントマーク（４Ｌ）を構成するアライメントマーク３０ｂ，３０ｂｍ，３１ｂ，３１ｂｍは順に第３，第４，第７，第８グレーティングレンズに相当している。
【００６８】
アライメントマーク３０ａｍと３０ｂｍ及びアライメントマーク３１ａｍと３１ｂｍのマーク群を逆マークと呼ぶことにする。センサー１２上では、順マーク凸凹系スポットＢ１、順マーク凹凸系スポットＢ３、逆マーク凸凹系スポットＢ２、逆マーク凹凸系スポットＢ４の４つの信号スポットが形成できるが、マスク１とウエハ２のずれが無い場合において、図２で示す通り、順マーク凸凹系（３０ａ，３０ｂ）からの回折光が−５度の方向に回折し、順マーク凹凸系（３１ａ，３１ｂ）からの回折光が＋２．５度の方向に回折するようにしており、順マークのミラーイメージである逆マーク凸凹系（３０ａｍ，３０ｂｍ）からの回折光が＋５度の方向に回折し、凹凸系からの回折光が−２．５度の方向に回折するようにしてあるため、図３に示すように４つの信号スポットＢ１からＢ４は分離した状態にある。
【００６９】
図４は、マスクに対してウエハをずらした時の順マーク凸凹系スポットと順マーク凹凸系スポットＢ１３の間隔ｄ１と逆マーク凸凹系スポットＢ２と逆マーク凹凸系スポットＢ４の間隔ｄ２を２つのギャップで測定したものである。間隔ｄ１のマスク／ウエハずれに対する倍率Ｍ＝２１０倍であり、間隔ｄ２のマスク／ウエハずれに対する倍率ｍ＝−２１０倍＝−Ｍであった。
【００７０】
また、ギャップを変化させた場合、スポット間隔ｄ１，ｄ２は、マスク／ウエハずれ±３μｍの範囲では図４のように共にスポット間隔が広がる（又は狭まる）方向にオフセットとして変化することが分かった（ギャップ変化によるスポット変化量をスポット間隔ｄ１、ｄ２共にＥｇとする）。
【００７１】
続いて、半導体デバイス製造プロセスで生じるウエハ側アライメントマークの変化によるスポット間隔ｄ１，ｄ２の変化について述べる。先に述べた通り、４つの信号スポットＢ１からＢ４は１１０光と０１１光の２つの光の合成スポットであり、例えば順マークのスポットＢ１，Ｂ３について凹凸系の１１０光と０１１光のビームスポット間隔が凸凹系の１１０光と０１１光のビームスポット間隔より広い場合においては、０１１光の光量が１１０光の光量に比べて増大するとスポット間隔は広がる方向に変化する。
【００７２】
一方、順マークのミラーイメージで形成されている逆マークについても、０１１光の光量が１１０光の光量に比べて増大するとスポット間隔は広がる方向に変化する。なお、１１０光と０１１光の強度比は、ウエハ上アライメントマークへの入射角が異なるため、アライメントマークの段差が変化する場合に変化する。
【００７３】
また、アライメントマークは位置ずれ検出方向にパワーを持っているため、マーク内のグレーティングのピッチ（線幅）は位置ずれ検出方向に変化しているため、アライメントマーク内の線幅に応じてそのマーク上のレジストに膜厚むらを生じせしめ、その結果アライメントマーク内に回折効率むらが生じる。この回折効率むらは、ビームスポット波形の変形をもたらし、スポット間隔を変化せしめる。
【００７４】
順マークのスポット間隔ｄ１は回折効率むらにより、広がる方向に変化する場合、そのミラーイメージで形成した逆マークのスポット間隔ｄ２も同一方向、同量だけ変化する。なお、マーク上のレジストむらは、一般にレジストがスピンコーティングで塗布されるため、ウエハの中心に依存して変化し、更に、下地アライメントマークの段差、デューティ比によってその変化の様子が異なってくる。
【００７５】
以上説明したように、下地マークの段差変化や、レジストの塗布むらなどがプロセスにより変化した場合のスポット間隔変化量Ｅｐはスポット間隔ｄ１，ｄ２共に等しく、かつ同一方向になる。従って、スポット間隔ｄ１，ｄ２はマスク／ウエハずれ量をｘ、マスク／ウエハずれに対するスポット間隔の倍率をＭ、マスク／ウエハずれの無い場合のスポット間隔をｄ０とし、ギャップ設定誤差により生じるスポット間隔変化量Ｅｇ、プロセスによるマーク変化により生じるスポット間隔変化量Ｅｐを用いて以下のように表すことが出来る。
【００７６】
ｄ１＝  Ｍ＊ｘ＋Ｅｇ＋Ｅｐ＋ｄ０  ‥‥‥（７）
ｄ２＝−Ｍ＊ｘ＋Ｅｇ＋Ｅｐ＋ｄ０  ‥‥‥（８）
（７）＋（８）の計算から、マスク／ウエハずれ量ｘは、
ｘ＝（ｄ１−ｄ２）／２Ｍ    ‥‥‥（９）
となる。即ち、間隔ｄ１、ｄ２の差分値の定数倍１／（２Ｍ）となる。
【００７７】
（９）式より、初期スポット間隔ｄ０、ギャップ設定誤差により生じるスポット間隔変化量Ｅｇ、マーク変化により生じるスポット間隔変化量Ｅｐがすべてキャンセルでき、順マークのスポット間隔ｄ１と逆マークのスポット間隔ｄ２を計測することで、ギャップ設定誤差及び、アライメントマークの変形に影響されずに。マスクに対するウエハのずれを計測することが出来る。
【００７８】
一方、本実施形態ではスポットＢ１とＢ３の間隔をｄ１、スポットＢ４とＢ２のスポット間隔ｄ２を検出して（９）式によりマスク／ウエハずれを算出する方法を示したが、スポットＢ１とＢ４の間隔をｄ１、スポットＢ２とＢ３の間隔をｄ２としても、同様にギャップ設定誤差により生じるスポット間隔変化量Ｅｇ、マーク変化により生じるスポット間隔変化量Ｅｐをキャンセルしてマスク／ウエハずれを計測できる。
【００７９】
さらに、（９）式を別の見方で解釈すると、凸凹系（３０ａ、３０ｂ）のビーム位置Ｂ１と凸凹系ミラーイメージマーク（３０ａｍ、３０ｂｍ）のビーム位置Ｂ２の平均位置と、凹凸系（３１ａ、３１ｂ）のビーム位置Ｂ３と凹凸系ミラーイメージマーク（３１ａｍ、３１ｂｍ）のビーム位置Ｂ４の平均位置との間隔を計測していることになる。即ち、これらの平均位置との差分値の定数倍となる。
【００８０】
このとき、ウエハ側マークのプロセスによる変形や、ギャップの設定誤差に伴う信号波形の非対称性は、マークがミラーイメージで形成されているため、その信号波形についても、図３のようにミラーイメージの信号波形になる。したがって、ミラーイメージ波形同士の平均位置は、波形の非対称性に影響されにくい。
【００８１】
以上のようにして、本実施形態ではマスク１とウエハ２との位置ずれを検出し、双方のアライメントを高精度に行っている。
【００８２】
図７は本発明の実施形態２に係るアライメント光の光路説明図、図８は本実施形態２における信号波形の説明図である。
【００８３】
実施形態１では、アライメント信号光を１つのラインセンサーで受光したのに対し、本実施形態では、凸凹系マークからの回折光と凹凸系マークからの回折光をそれぞれ異なるラインセンサー１２ａ，１２ｂで受光することにより、より検出レンジの広いアライメント系を実施している点が異なっているだけであり、その他の構成は基本的に全く同じである。
【００８４】
即ちアライメントマーク（順マーク、逆マーク）の配置及び、アライメント方向のパワーすなわち、各レンズの焦点距離等は、実施形態１のそれと同じ設計になっている。
【００８５】
図７において、波長λ＝８３０ｎｍのアライメント光の入射角θ１を１２度、凸凹系マークからの回折角θ２を１５度、凹凸系マークからの回折角θ３を２０度としている。マスクアライメントマークからは、真下（−ｚ方向）に回折させる場合の各グレーティングレンズのｙ方向のピッチは次のように設定している。
【００８６】
マスク側アライメントマークについて、各グレーティングレンズのｙ方向のピッチＰｍは、Ｐｍ＝λ／ｓｉｎ（１２度）＝３．９９μｍ。ウエハ側アライメントマークについては、凸凹系グレーティングレンズのｙ方向のピッチＰｗ１は、Ｐｗ１＝λ／ｓｉｎ（１５度）＝３．２１μｍ、凹凸系グレーティングレンズのｙ方向のピッチＰｗ２はＰｗ２＝λ／ｓｉｎ（２０度）＝２．４３μｍとなっている。
【００８７】
図８に示すようにセンサー１２ａ上のスポットＢ１、Ｂ２の位置及び、センサー１２ｂ上のスポットＢ３、Ｂ４の位置を検出して、スポットＢ１とＢ３の間隔ｄ１とスポットＢ４とＢ２の間隔ｄ２を求め、前述した（９）式によりマスク／ウエハのずれ量ｘを算出している。
【００８８】
図９は本発明の実施形態３に係るアライメントマークの説明図、図１０は実施形態３に係る信号波形の説明図である。
【００８９】
実施形態１では図２に示すようにマスク上の第１アライメントマーク３Ｌと、ウエハ上の第２アライメントマークＬ４上のアライメントマークを各々４つのグレーティングレンズで構成し、４つのビームスポットからマスク／ウエハずれ量ｘを検出していた。
【００９０】
これに対して本実施形態では図９に示すようにマスク上の第１アライメントマーク３Ｌには凸レンズ３０ａ、そのミラーイメージで形成した凸レンズ３０ａｍ、さらに直線グレーティング３５を配置している。
【００９１】
また、ウエハ上の第２アライメントマーク４Ｌには、凹レンズ３０ｂとそのミラーイメージで形成した凹レンズ３０ｂｍを配置している。センサー上では、図１０のようにマーク３０ａ，３０ｂで回折した光スポットＢ１とマーク３０ａ、３０ｂのミラーイメージマークである３０ａｍ、３０ｂｍで回折した光スポットＢ２を受光している。
【００９２】
更にセンサーの中央では、マスクの直線グレーティング３５で回折し、ウエハで単に反射し、マスクを透過した光スポットＢ５を受光している。
【００９３】
スポットＢ１とスポットＢ５の間隔ｄ１と、スポットＢ５とスポットＢ２の間隔ｄ２を検出するこにより、（９）式によりマスク／ウエハずれ量ｘを算出している。直線グレーティング３５回折格子３０ａで回折した光は、マスク／ウエハずれ量ｘに対して感度が無いが、この信号光を利用することにより、ウエハのチルトに対して３つのスポットが同一方向に変位するため、ウエハチルトの影響を除去することが出来る。
【００９４】
本実施形態では、実施形態１に比べて、約１／２の検出感度になるが、マスクとウエハで、アライメントマークの占める面積を減少させることができるという利点がある。
【００９５】
図１１は本発明の実施形態４の要部概略図である。本実施形態は本発明の位置ずれ検出装置のＸ線を露光光源とするデバイス製造用の露光装置に適用したときを示している。図中、１は第１物体としてのマスク、２は第２物体としてのウエハであり、アライメント光学ユニット１９からの光束を用いて双方のアライメント（位置合わせ）を行う場合を示している。
【００９６】
図１において、マスク１上には、マスク１とウエハ２との位置ずれ検出方向であるＸ方向にのみパワーをもつ直線フレネルゾーンプレートからなるアライメントマーク（第１のアライメントマーク）３Ｌ，３Ｒがあり、ウエハ２上にはアライメントマーク３Ｌと３Ｒとそれぞれ位置決めされるべきＸ方向にのみパワーをもつ直線フレネルゾーンプレートからなるアライメントマーク（第２アライメントマーク）４Ｌ，４Ｒがある。
【００９７】
１９Ｌ，１９Ｒはそれぞれ、アライメントマーク３Ｌ，４Ｌとアライメントマーク３Ｒ，４Ｒの位置ずれを検出するアライメント光学ユニットであり、ＸＹ方向に移動可能なステージ７Ｌ，７Ｒに載っている。アライメント光学ユニット１９Ｌと１９Ｒは同じ構成をしているので、以下アライメント光学ユニット１９Ｌについて説明する。
【００９８】
１０Ｌは半導体レーザー（光源）であり、光源１０Ｌから出射された光は投光用レンズ１１Ｌとハーフミラー１３Ｌを介し、レンズ１４Ｌで集光されミラー１５Ｌで反射してマスク１上のアライメントマーク（第１アライメントマーク）３Ｌに垂直で照射される。アライメントマーク３Ｌは出射光をマスク１の法線方向（−Ｚ方向）に射出させ、アライメントマーク（第２アライメントマーク）４Ｌに入射させている。マーク４Ｌに入射した光は垂直で＋Ｚ方向に回折される。回折光はマスク１を透過して、ミラー１５Ｌで反射され、レンズ１４Ｌとハーフミラー１３Ｌを透過してセンサー１２Ｌに集光する。センサー１２Ｌは１次元のラインセンサーを使用している。
【００９９】
なお、図１１中の５はウエハチャックであり、ウエハ１を吸着しており、６はＸＹＺステージを示している。マスク１とウエハ２はＺステージを駆動することにより所定の間隔で保持されている。
【０１００】
図１１には図示していないが、Ｘ方向のずれ検出用の第１，第２アライメント光学ユニット１９Ｌ，１９Ｒの２つのほかに、本実施形態ではＹ方向の位置ずれを検出するために、Ｙ方向にパワーを持つ直線フレネルゾーンプレートからなるアライメントマークをマスク１とウエハ２のスクライブライン上に設けてあり、そのアライメントマーク検出用の第３のアライメント光学ユニットがある。
【０１０１】
各アライメント光学ユニット内のセンサーからの信号はＣＰＵ１６に入り、Ｘ方向検出用の２つ光学ユニットのセンサー出力の平均値からＸ方向ずれ量を求め、出力の差から回転量を求め、Ｙ方向のアライメント光学ユニットのセンサー出力からＹ方向のずれ量を算出して、ウエハ２内の数ショットの位置ずれを検出して、周知のグローバルアライメント方法又はダイバイダイアライメント方法によってマスク１とウエハ２を位置合わせするようにステージ駆動ドライバーに信号を送るようにしている。
【０１０２】
なお、本実施形態において露光時には第１，第２，第３のアライメント光学ユニットがショットの中心から離れる方向に移動して、露光光を遮断しないようにしている。
【０１０３】
図１３は本実施形態で使用した第１、第２アライメントマーク３Ｌ，４Ｌの概念図である。それぞれのマークの焦点距離及び配置は実施形態１と同様に設計されている。
【０１０４】
図１３において、マスク上の第１アライメントマーク３Ｌとして凸レンズマーク４０ａと凹レンズ４１ａとそれぞれのミラーイメージマーク４０ａｍ、４１ａｍ及び、ウエハ上の第２アライメントマーク４Ｌとして凹レンズ４０ｂと凸レンズ４１ｂのミラーイメージマーク４０ｂｍ、４１ｂｍを隣接して配置している。
【０１０５】
実施形態１と同様に各グレーティングレンズからの回折光のビームスポットのスポット間隔ｄ１、ｄ２を検出することにより、マスク／ウエハの位置ずれ量ｘを算出している。
【０１０６】
図１３のように本実施形態では、直線のグレーティングレンズを使用しているため、アライメントマークの作製が容易であるという効果がある。
【０１０７】
以上の各実施形態の説明では、プロキシミティｘ線露光装置の例で説明したが、ｘ線縮小露光装置、光を露光光に使用する縮小投影露光装置へも同様に適用することができる。
【０１０８】
次に、本発明の実施形態５について説明する。本実施形態は、前述の実施形態の応用であり、同じくデバイス製造用の露光装置に適用したものである。装置の全系は図１の実施形態と同様である。
【０１０９】
図１におけるアライメントマーク３Ｌ（４Ｌ）、３Ｒ（４Ｒ）内のグレーティングレンズを図１４に示すグレーティングレンズに置き換えたのものである。
図１４において、マスク１上には凸レンズ作用をするゾーンプレート５０ａ、凹レンズ作用をするゾーンプレート５１ａを設けてあり、各マークはそれぞれレンズの中心軸がアライメント検出方向に偏心させてある。また、マスク１上には、ゾーンプレート５０ａ、５１ａのｙ軸に関するミラーイメージマーク５０ａｍ、５１ａｍをミラーイメージ位置に設けてある。
【０１１０】
一方、ウエハ上には、凹レンズ作用をするゾーンプレート５０ｂと凸レンズ作用をするゾーンプレート５１ｂがあり、それぞれのゾーンプレートｙ軸に関するミラーイメージ位置に、ミラーイメージマーク５０ｂｍ，５１ｂｍを配置している。それぞれのゾーンプレートであるグレーティングレンズの焦点距離は実施形態１と同様である。
【０１１１】
実施形態１との本実施形態との違いは、実施形態１がマスクから垂直に回折させて、ウエハ側レンズの変心により、センサー中央部からビームスポットを離しているのに対し、本実施形態は、マスク側マークを予め変心させて、その回折光をアライメント検出方向に傾けることにより、センサー中央部のノイズの影響を受けない位置までセンサー中央部から離している点である。
【０１１２】
ここで、図１４で示されるようにウエハ側の全てのグレーティングレンズ５０ｂ，５１ｂ，５０ｂｍ，５１ｂｍの中心軸は、それぞれのマークの中心軸と一致している（軸対称なマーク形状）。
【０１１３】
したがって、その回折光のビームプロファイルは対称な形状になる。即ち、プロセスにより、グレーティング内のピッチに依存して回折効率が変化する場合においても、ビームプロファイルの対称性を保ちながら変形するため、各ビームスポット重心位置の変動が極めて少なくなり、プロセスに対する依存性が少ない。
【０１１４】
実施形態１と同様に、凸凹系（５０ａ，５０ｂ）のセンサー上でのビームスポット重心位置Ｂ１と凹凸系（５１ａ，５１ｂ）のビームスポット重心位置Ｂ３の間隔をｄ１、凸凹系のミラーイメージマーク（５０ａｍ，５０ｂｍ）からのセンサー上でのビームスポット重心位置Ｂ２と凹凸系のミラーイメージマーク（５１ａｍ，５１ｂｍ）からのビームスポット重心位置Ｂ４の間隔をｄ２とすると、式７、８において、Ｅｐ＝０と近似できる。
【０１１５】
ここで７式、８式の和を取ると次式が成り立つ。
【０１１６】
Ｅｇ＝（ｄ１＋ｄ２）／２＋ｄ０  ‥‥‥（１０）
マスク１とウエハ２間の間隔（ギャップ）ｇは、ｍを倍率、ｇ０をオフセットとして、
ｇ＝（ｄ１＋ｄ２）／ｍ＋ｇ０  ‥‥‥（１１）
と表すことができる。即ち、間隔ｄ１、ｄ２の和の定数倍（１／ｍ）となる。
【０１１７】
１１式のように、横（Ｘ）方向のずれが少ない場合（３μｍ以下）の場合は、位置ずれに依存せず、ギャップ（Ｚ）方向の検出をサブミクロンオーダーの精度で検出することができた。なお、オフセットｇ０については、他のギャップセンサー（例えば靜電容量センサー）を用いて校正する必要がある。
【０１１８】
続いて、本実施形態において、位置決め方法について説明する。図１５は、ショット毎に位置決めを行うダイバイダイアライメントを使用した場合のマスク１とウエハ２の関係を示したものである。図１５（Ａ）において、マスク１の下にウエハ２上の所定のショットがステージ精度で送られきた後、位置ずれ測定、ギャップ測定を行い、ギャップの設定位置が所定量を越えている場合には、ギャップの追込みを行い、その後位置ずれ（シフト、回転）を所定トレランス内に追い込む。
【０１１９】
次に図１５（Ｂ）で露光を行い、図１５（Ｃ）のように次ショットへウエハステージ５をステップさせる。このように、アライメント計測ギャップ（Ｇａ）とギャップ計測ギャップ（Ｇｇ）、露光ギャップ（Ｇｅ）、ステップギャップ（Ｇｓ）が一致している場合がスループットを考える上では有利である。
【０１２０】
もちろんプロキシミティ露光装置では、露光ギャップが狭い程、解像度に優れているため、アライメントギャップ（Ｇａ）とギャップ計測ギャップ（Ｇｇ）とステップギャップ（Ｇｓ）を一致させ（例えばＧａ＝Ｇｇ＝Ｇｓ＝３０μｍ）、露光ギャップ（Ｇｅ）のみ狭いギャップ（例えばＧｅ＝１５μｍ）に設定するようにしてもよい。
【０１２１】
図１５の（Ｂ）では、アライメントギャップで計測されたギャップを基に、露光ギャップが所定量になるようにＺ軸ステージを送り込んだ後露光する。
【０１２２】
なお、本実施形態では、マスク側とウエハ側にマークを設けて、その回折光からギャップの測定をしているため、最初のレイヤーを露光する際には、ウエハ側にマークが無くてもギャップ計測ができる別のギャップ計測用のマークをマスク上に設けておく必要がある（例えば、本出願人による特願平２−１６７４１３号公報等）。
【０１２３】
続いて、ウエハのショット配列を測定してそれに、本露光装置のウエハステージ軸を合わせるグローバルアライメントシーケンスで露光する場合を図１６を用いて説明する。
【０１２４】
図１６（Ａ），（Ｂ）で予め決定してある数ショットの位置ずれ、ギャップをそれぞれ測定し、ウエハに転写されているショット配列と本露光装置のウエハステージ軸とのずれを求め各ショットの補正量を求め、更にギャップ測定値からウエハ表面形状の情報を求める。
【０１２５】
図１６（Ｃ）でショット配列ずれを補正してウエハステージを露光ショットにステップさせて、更に、ウエハ表面形状データをもとに、ギャップの設定を行う。図１６（Ｄ）で露光を行う。
【０１２６】
以下順次、図１６（Ｃ）と図１６（Ｄ）を繰り返す。ギャップの設定値に関しては、
Ｇｍ＝Ｇｍｓ≠Ｇｅｓ＝Ｇｅ
又は
Ｇｍ＝Ｇｍｓ＝Ｇｅｓ＝Ｇｅ
の２つから選択できるようにしている。
【０１２７】
ダイバイダイアライメントとグローバルアライメントのどちらの方法においても、本実施形態のように、位置ずれとギャップの測定が同一ギャップ（Ｇｍ＝Ｇａ＝Ｇｇ）で行うことができ、両者のギャップが異なる方式に比べてスループット上有利である。
【０１２８】
また、本実施形態のように、露光位置においても位置ずれ（及びギャップ測定）ができる場合には、更に特別の効果がある。グローバルアライメントでは通常、ショット配列の変換パラメータとして、シフト（Ｓｘ，Ｓｙ）、回転（Ｒｘ，Ｒｙ）、スケール（Ｂｘ，Ｂｙ）の６つのパラメータで極座標系を一次式で変換するのが一般的である。
しかしながらこの場合においては、
（ａ１）ウエハプロセスやウエハチャッキング状態の違いにより生じる局所的な歪成分が補正できない
（ａ２）アライメント計測ショットでの位置ずれ計測誤差が全ショットに影響を及ぼす
という２つの課題がある。
【０１２９】
以下、この２つの課題に対する対処方法について説明する。（ａ１）の課題について、本発明では図１７に示すように、通常のグローバルアライメントを行い、露光ショットにステップした後、再度位置ずれを測定するようにしている。ウエハショット位置が一次変換された極座標系にのる場合においては、この時の位置ずれ量は、ほぼゼロになる。
【０１３０】
しかし、図１８に示すように局所的歪が発生しているショットについては、この位置ずれ量が急激に増加する。従って、ある許容値（本実施例ではシフト；２０ｎｍ，ローテーション０．２ｕｒａｄ）を設けて、この値を越えるショットにおいては、ダイバイダイ的に、Ｘ、Ｙ、及びチップローテーションを補正するモード（グローバル／ダイバイダイ併用モード）を設けている。
【０１３１】
また、ギャップ測定値が許容値を超える場合にもＺチルトステージで補正する。
【０１３２】
更に局所的な歪の発生する位置は、プロセスロット毎、あるいは、使用している複数のステッパーの組合せが同じ場合には、再現性が良い。従って、先行ウエハを用いて重ね合わせ精度検定装置のデータにより、露光時のアライメント検出系の測定データを校正した後に、上記のように、グーローバルアライメントを主に、局所歪が大きいショットについてはダイバイダイアライメント露光を行うようにするのが好ましい。
【０１３３】
続いて（ａ２）の課題に対する対処について説明する。図１９は先行ウエハとして数枚をロット投入に先駆けて露光するフローを示している。
【０１３４】
同図のように、アライメント系の検出値として、各ショットの位置ずれ量を計測しながら、露光を行い、露光終了後、重ね合わせ精度検定装置で重ね精度検定値を得る。
【０１３５】
その後、アライメントモードを決定する。本発明による装置は、３つのアライメントモードを有しており、図２０はアライメントモードの決定方法を示すフロー図でる。図２０において、第１ステップで重ね精度検定値をもとに、シフト（Ｓｘ，Ｓｙ），回転（Ｒｘ，Ｒｙ），スケール（Ｂｘ，Ｂｙ）の６つのパラメータで補正し、その残差から局所歪位置とその量を把握する。
【０１３６】
第２ステップでは、位置ずれ測定値と重ね精度検定値との差分から、アライメント検出系の測定だまされ量とそのショットを把握する。測定だまされショットが無く、スループットの制限が緩い場合には（Ａ）ダイバイダイアライメントモードにより露光する。
【０１３７】
測定だまされショットが無く、スループットの制限が厳しい場合には、前述の（Ｂ）グローバル／ダイバイダイ併用アライメントモードにより露光する。アライメント系にだまされショットが存在する場合は、グローバルアライメント測定ショットの最適化を行う。
【０１３８】
本発明による最適化の手法は、前述の第２ステップで把握しただまされショット以外のショットから、仮想グローバル測定ショット数（例えば４ショット）の検定値を抽出し、その値をもとに、仮想グローバル測定ショットを最小化するシフト（Ｓｘ，Ｓｙ），回転（Ｒｘ，Ｒｙ），スケール（Ｂｘ，Ｂｙ）の６つのパラメータを算出し、そのパラメータで全ショットの検定値を補正する。
【０１３９】
この作業を全てのグローバル測定ショットの組み合わせについて算出し、その中で、補正後の検定値のばらつきが最小になる測定ショットの組み合わせを用いるようにしている。これにより、グローバルアライメントの測定ショットにアライメント検出系のだまされが含まれなくなり、プロセスだまされによる重ね合わせ精度の劣化を防ぐことが可能である。
【０１４０】
なお、だまされショットが有る場合、あるいは、だまされショットは無いが、局所歪みが少なくかつスループットが厳しい場合は（Ｃ）グローバルアライメント単独モードを使用するようにしている。
【０１４１】
次に、本発明の実施形態６について説明する。本実施形態は、前述の実施形態の応用であり、同じくデバイスの製造用の露光装置に適用したものである。装置の全系は図１の実施形態１と同様であり、図１におけるアライメントマーク３Ｌ（４Ｌ），３Ｒ（４Ｌ）内のグレーティングレンズを図２１に示すグレーティングレンズに置き換えたのものである。
【０１４２】
図２１において、マスク１上には凸レンズ作用をするゾーンプレート５５ａ、凹レンズ作用をするゾーンプレート５６ａを設けてあり、各マークはそれぞれレンズの中心軸がアライメント検出方向に偏心させてある。また、マスク１上には、ゾーンプレート５５ａ，５６ａのｙ軸に関するミラーイメージマーク５５ａｍ，５６ａｍをミラーイメージ位置に設けてある。
【０１４３】
一方、ウエハ上には、凹レンズ作用をするゾーンプレート５５ｂと凸レンズ作用をするゾーンプレート５６ｂがあり、それぞれのゾーンプレートｙ軸に関するミラーイメージ位置に、ミラーイメージマーク５５ｂｍ，５６ｂｍを配置している。
【０１４４】
それぞれのゾーンプレートであるグレーティングレンズの焦点距離は実施形態５と同様である。実施形態５との本実施形態との違いは、マスク側マークの形（開口）の違いである。実施形態５のマークは矩形であり、その回折光はフランフォーファの回折により、図２２（Ａ）のようにマークの辺に垂直にサイドローブが発生する。
【０１４５】
このとき、２つのビームスポットのサイドローブが互いに影響しない位置で計測する必要がある。しかし、ながら本実施形態で使用するアライメントマークにおいては、図２２（Ｂ）に示すように、センサー面から離れる方向にサイドローブが発生することになり、各信号スポットをより近づけることが可能となる。これは、アライメント検出系内の受光レンズのＮＡを小さくできるため、アライメント検出系の小型化が可能である。あるいは、同じアライメント検出系を用いる場合には計測ダイナミックレンジを広くできるという利点がある。
【０１４６】
本実施形態では、マスク側のマークを六角形にしたが、サイドローブの発生する方向がセンサーから離れる方向にあれば他の形（多角形状）でも同様の効果が得られる。また、マスク側のみでなく、ウエハ側マークの形状を、六角形にしてもよい。
【０１４７】
次に上記説明した投影露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０１４８】
図２７は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【０１４９】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【０１５０】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【０１５１】
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、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）等の工程を含む。
【０１５２】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０１５３】
図２８は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【０１５４】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【０１５５】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０１５６】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【０１５７】
本発明によれば第１物体のグレーティングレンズと第２物体のグレーティングレンズとを介した光のセンサへの入射位置をもとに第１物体と第２物体との間の位置ずれを高精度に検出することができる位置ずれ検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】図１のアライメントマークの説明図
【図３】図１のセンサー面上での信号波形の説明図
【図４】本発明の実施形態１の信号特性の説明図
【図５】本発明の実施形態１の位置ずれ検出の原理説明図
【図６】本発明の実施形態１のアライメントマークの説明図
【図７】本発明の実施形態２の一部分の概略図
【図８】本発明の実施形態２のセンサー面上での信号波形の説明図
【図９】本発明の実施形態３のアライメントマークの説明図
【図１０】本発明の実施形態３のセンサー面上での信号波形の説明図
【図１１】本発明の実施形態４の要部概略図
【図１２】本発明に係るアライメント光学ヘッドの説明図
【図１３】本発明の実施形態４のアライメントマークの説明図
【図１４】本発明の実施形態５のアライメントマークの説明図
【図１５】本発明に係るダイバイダイアライメントのときのマスクとウエハとの関係を示す説明図
【図１６】本発明に係るグローバルアライメントのときのマスクとウエハとの関係を示す説明図
【図１７】本発明に係るグローバル／ダイバイダイアライメントへ異様モードのシーケンス
【図１８】本発明に係るダイバイダイショットの選択方法の説明図
【図１９】本発明に係る先行ウエハ露光シーケンスの説明図
【図２０】本発明に係るアライメントモードの選択方法の説明図
【図２１】本発明の実施形態６のアライメントマークの説明図
【図２２】本発明に係るアライメントマークの説明図
【図２３】従来の位置ずれ検出装置の要部概略図
【図２４】図２３の一部分の説明図
【図２５】従来のアライメントマークの説明図
【図２６】従来の位置ずれ検出装置の一部分の説明図
【図２７】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図２８】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
１              マスク
２              ウエハ
３Ｌ，３Ｒ      マスク側アライメントマーク
４Ｌ，４Ｒ      ウエハ側アライメントマーク
５              ウエハチャック
６              ウエハステージ（Ｘ，Ｙ，Ｚチルト）
７Ｌ，７Ｒ          ピックアップステージ
１０Ｌ，１０Ｒ      アライメント光源
１１Ｌ，１１Ｒ，１４Ｌ，１４Ｒ      レンズ
１２Ｌ，１２Ｒ      センサー
１３Ｌ，１３Ｒ      ハーフミラー
１５Ｌ，１５Ｒ      ミラー
１９Ｌ，１９Ｒ      アライメントピックアップ
３０ａ，３０ａｍ，５０ａ，５０ａｍ        透過凸形グレーティングレンズ
３０ｂ，３０ｂｍ  ，５０ｂ，５０ｂｍ      反射凹形グレーティングレンズ
３１ａ，３１ａｍ  ，５１ａ，５１ａｍ      透過凹形グレーティングレンズ
３１ｂ，３１ｂｍ，５１ｂ，５１ｂｍ        反射凸形グレーティングレンズ
３５        直線グレーティング
４０ａ，４０ａｍ          透過凸形直線グレーティングレンズ
４０ｂ，４０ｂｍ          反射凹形直線グレーティングレンズ
４１ａ，４１ａｍ          透過凹形直線グレーティングレンズ
４１ｂ，４１ｂｍ          反射凸形直線グレーティングレンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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