(57)【要約】      （修正有）【課題】被測定物の位置を高精度に検出することができる位置検出装置を提供する。【解決手段】波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する結像光学系の結像特性を取得する第１の取得部と、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を取得する第２の取得部と、前記結像光学系の結像特性に基づいて前記被測定物の光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を復元する復元部と、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像を生成する生成部と、前記被測定物の光学像に基づいて、前記被測定物の位置を決定する決定部と、を有する。【選択図】図１
2009239077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に対して波長幅を有する光を射出する光源と、前記被測定物からの光を撮像素子に結像する結像光学系とを備え、前記被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、
前記波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する前記結像光学系の結像特性を取得する第１の取得部と、
前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を取得する第２の取得部と、
前記第１の取得部によって取得された前記結像光学系の結像特性に基づいて、前記第２の取得部によって取得された前記被測定物の光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を復元する復元部と、
前記復元部によって復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像を生成する生成部と、
前記生成部によって生成された前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像に基づいて、前記被測定物の位置を決定する決定部と、
を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記結像光学系の結像特性は、前記結像光学系の点像分布関数、前記結像光学系の線像分布関数又は前記結像光学系の伝達関数であることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記復元部は、前記第２の取得部によって取得された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像と、前記結像光学系の点像分布関数又は前記結像光学系の線像分布関数とをデコンボリューションすることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記第２の取得部によって取得された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像をｇ（λ）、前記被測定物の光学像ｇ（λ）のフーリエ変換をＧ（ω、λ）、前記結像光学系の伝達関数をＨ（λ）とすると、
前記復元部によって復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像ｆ（λ）は、
【数１】
2009239077.tif 000015
で表されることを特徴とする請求項２に記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記被測定物を照明する光として、前記波長幅を有する光から前記複数の波長の光を選択する波長選択部を更に有し、
前記波長選択部は、
前記複数の波長の光のそれぞれを通過させる複数のバンドパスフィルタと、
前記複数のバンドパスフィルタを前記光源と前記被測定物との間の光路に交換可能に配置するターレットと、
を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記被測定物からの光から前記複数の波長の光を分割する光分割部を更に有し、
前記光分割部は、前記複数の波長の光のそれぞれを反射して複数の撮像素子のそれぞれに導光するダイクロイックミラーを含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項７】
前記被測定物からの光から前記複数の波長の光を分割する光分割部を更に有し、
前記光分割部は、前記複数の波長の光のそれぞれを回折して前記撮像素子の互いに異なる領域に導光する回折格子を含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の位置検出装置。
【請求項８】
被測定物に対して波長幅を有する光を射出する光源と、前記被測定物からの光を撮像素子に結像する結像光学系とを備える位置検出装置を用いた位置検出方法であって、
前記波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する前記結像光学系の結像特性を取得する第１の取得ステップと、
前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を取得する第２の取得ステップと、
前記第１の取得ステップで取得された前記結像光学系の結像特性に基づいて、前記第２の取得ステップで取得された前記被測定物の光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を復元する復元ステップと、
前記復元ステップで復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像を生成する生成ステップと、
前記生成ステップで生成された前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像に基づいて、前記被測定物の位置を決定する決定ステップと、
を有することを特徴とする位置検出方法。
【請求項９】
レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、
前記基板に対して波長幅を有する光を射出する光源と、前記基板に形成されたアライメントマークからの光を撮像素子に結像する結像光学系とを備え、前記基板の位置を検出する位置検出装置と、
前記位置検出装置によって検出された前記基板の位置に基づいて、前記基板の位置を調整する調整部と、
を有し、
前記位置検出装置は、
前記波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する前記結像光学系の結像特性を取得する第１の取得部と、
前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記アライメントマークの光学像を取得する第２の取得部と、
前記第１の取得部によって取得された前記結像光学系の結像特性に基づいて、前記第２の取得部によって取得された前記アライメントマークの光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記アライメントマークの光学像を復元する復元部と、
前記復元部によって復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記アライメントマークの光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記アライメントマークの光学像を生成する生成部と、
前記生成部によって生成された前記複数の波長を含む光に対する前記アライメントマークの光学像に基づいて、前記基板の位置を決定する決定部と、
を含むことを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップと、
を有することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置検出装置、位置検出方法、露光装置及びデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に形成された回路パターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影して回路パターンを転写する。
【０００３】
投影露光装置には、半導体デバイスの微細化への要求に伴って、解像力（転写できる最小の寸法）の向上が要求されており、露光光の短波長化、投影光学系の高ＮＡ化（投影光学系の開口数（ＮＡ）の増大）及び露光領域の大画面化が進んでいる。近年では、略正方形形状の露光領域をウエハに縮小して一括露光する露光装置（ステッパー）から、露光領域を矩形のスリット形状としてレチクルとウエハを相対的に走査して大画面を精度よく露光する露光装置（スキャナー）が主流になりつつある。また、半導体デバイスの製造プロセスも多様化しており、例えば、平坦化技術として、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）プロセス等の技術が導入されている。
【０００４】
一方、半導体デバイスの微細化が進むにつれて、レチクルとウエハとを高精度にアライメントすることも要求されており、回路パターンの線幅の１／３のアライメント精度が必要となっている。例えば、現在の９０ｎｍデザインにおいては、３０ｎｍのアライメント精度が必要となる。
【０００５】
露光装置におけるアライメントは、回路パターンと共にアライメントマークをウエハに転写し、かかるアライメントマークの位置を、次の回路パターンをウエハに転写する際に検出して、レチクルに対してウエハを位置決めすることで行われる。ウエハに転写されたアライメントマークは、例えば、図２１に示すような位置検出装置（撮像装置）１０００によって光学的に検出される。図２１は、従来の位置検出装置１０００の構成を示す概略図である。
【０００６】
位置検出装置１０００において、光源１００２から射出された光は、ビームスプリッタ１００４で偏向され、結像光学系１００６を介して、ウエハ１００８に転写されたアライメントマーク（被測定物）１０１０を照明する。アライメントマーク１０１０で反射された光は、結像光学系１００６を介して、撮像素子１０１２で結像し、アライメントマーク１０１０の光学像（光強度分布）として撮像素子１０１２で撮像される。
【０００７】
また、結像光学系１００６の光学的伝達関数を予め測定して逆フィルタを用いることで、位置検出装置１０００の光学系に起因するアライメントマーク１０１０の光学像（光強度分布）の劣化を補正及び復元する技術が知られている。例えば、アライメントマーク１０１０で反射された光の光学像（光強度分布）をｆ（ｘ）、撮像素子１０１２上の光学像（光強度分布）をｇ（ｘ）、結像光学系１００６の光学的伝達関数をＨ（ω）とすると、以下の式１で示される関係式が成り立つ。
【０００８】
Ｇ（ω）＝Ｈ（ω）×Ｆ（ω）      ・・・（式１）
ここで、Ｇ（ω）は、ｇ（ｘ）をフーリエ変換したものを示し、Ｆ（ω）は、ｆ（ｘ）のフーリエ変換したものを示す。また、Ｈ（ω）は、点像分布関数（ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）又は線像分布関数（ＬＳＦ：Ｌｉｎｅ  Ｓｐｒｅａｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）をフーリエ変換したものを示し、結像光学系１００６の結像特性を表すものである。
【０００９】
式１を変形すると、以下の式２が得られる。
【００１０】
Ｆ（ω）＝Ｇ（ω）×１／Ｈ（ω）      ・・・（式２）
従って、式２を逆フーリエ変換することで、位置検出装置１０００の光学系よって劣化する前の光学像、即ち、アライメントマーク１０１０で反射された光の光学像ｆ（ｘ）を求めることができる。
【００１１】
更に、位置検出装置の高精度化に関する技術として、例えば、位置検出装置の光学的伝達関数と電気的伝達関数を予め測定して、かかる２つの伝達関数を用いて光学像（光強度分布）の劣化を補正する技術も提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平２００４−２８１９０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、従来技術では、アライメントマークなどの被測定物の反射率に波長依存性があった場合には、位置検出装置の光学系に起因する光学像（光強度分布）の劣化を十分に補正することができず、被測定物の検出精度が低下してしまう。
【００１３】
例えば、従来技術では、まず、ブロードバンド光を照明光として用いて、かかる照明光の波長幅全体でのＰＳＦ又はＬＳＦを測定する。そして、ＰＳＦ又はＬＳＦのフーリエ変換である光学的伝達関数Ｇ（ω）を用いて、光学像の劣化を補正する。ここで、光学系における収差の影響を反映した光学的伝達関数Ｇ（ω）は、波長依存性を有する。これは、光学系における収差（例えば、軸上色収差）は、一般には、波長間で発生量（収差量）が異なるからである。従って、ＰＳＦ又はＬＳＦを測定した時とアライメントマークなどの被測定物を測定した時とで、波長間で光強度差が発生した場合に、光学像（光強度分布）の劣化を十分に補正することができなくなってしまう。
【００１４】
また、ウエハは、レジストや層間絶縁膜などの透明薄膜を積層した積層構造を有するため、図２２に示すように、各波長に対する反射率が一定にならない。図２２は、被測定物としてのウエハ（アライメントマーク）の反射率の波長依存性を示すグラフであって、縦軸はウエハの反射率を示し、横軸はウエハを照明する光の波長を示す。このような透明薄膜での多重反射の影響を軽減するために、位置検出装置は、波長幅の広い照明光でウエハを照明して、ウエハに転写されたアライメントマークの位置を検出するようにしている。但し、このようなウエハ（アライメントマーク）の反射率の波長依存性に関しては、特許文献１において考慮されていない。従って、照明光の波長幅全体でのＰＳＦ又はＬＳＦを求め、そのフーリエ変換である光学的伝達関数Ｇ（ω）を用いても、波長によって光学像（光強度分布）が変化してしまうため、光学像の劣化を十分に補正することができない。
【００１５】
そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて、被測定物の位置を高精度に検出することができる位置検出装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての位置検出装置は、被測定物に対して波長幅を有する光を射出する光源と、前記被測定物からの光を撮像素子に結像する結像光学系とを備え、前記被測定物の位置を検出する位置検出装置であって、前記波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する前記結像光学系の結像特性を取得する第１の取得部と、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を取得する第２の取得部と、前記第１の取得部によって取得された前記結像光学系の結像特性に基づいて、前記第２の取得部によって取得された前記被測定物の光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を復元する復元部と、前記復元部によって復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像を生成する生成部と、前記生成部によって生成された前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像に基づいて、前記被測定物の位置を決定する決定部と、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の別の側面としての位置検出方法は、被測定物に対して波長幅を有する光を射出する光源と、前記被測定物からの光を撮像素子に結像する結像光学系とを備える位置検出装置を用いた位置検出方法であって、前記波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する前記結像光学系の結像特性を取得する第１の取得ステップと、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を取得する第２の取得ステップと、前記第１の取得ステップで取得された前記結像光学系の結像特性に基づいて、前記第２の取得ステップで取得された前記被測定物の光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を復元する復元ステップと、前記復元ステップで復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記被測定物の光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像を生成する生成ステップと、前記生成ステップで生成された前記複数の波長を含む光に対する前記被測定物の光学像に基づいて、前記被測定物の位置を決定する決定ステップと、を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の更に別の側面としての露光装置は、レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、前記基板に対して波長幅を有する光を射出する光源と、前記基板に形成されたアライメントマークからの光を撮像素子に結像する結像光学系とを備え、前記基板の位置を検出する位置検出装置と、前記位置検出装置によって検出された前記基板の位置に基づいて、前記基板の位置を調整する調整部と、を有し、前記位置検出装置は、前記波長幅を有する光のうち互いに異なる複数の波長の光のそれぞれに対する前記結像光学系の結像特性を取得する第１の取得部と、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記アライメントマークの光学像を取得する第２の取得部と、前記第１の取得部によって取得された前記結像光学系の結像特性に基づいて、前記第２の取得部によって取得された前記アライメントマークの光学像の前記結像光学系に起因する劣化を補正して、前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記アライメントマークの光学像を復元する復元部と、前記復元部によって復元された前記複数の波長の光のそれぞれに対する前記アライメントマークの光学像を合成して、前記複数の波長を含む光に対する前記アライメントマークの光学像を生成する生成部と、前記生成部によって生成された前記複数の波長を含む光に対する前記アライメントマークの光学像に基づいて、前記基板の位置を決定する決定部と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明の更に別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップと、を有することを特徴とする。
【００２０】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、例えば、被測定物の位置を高精度に検出する位置検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２３】
図１は、本発明の一側面としての位置検出装置１の構成を示す概略図である。位置検出装置１は、被測定物Ｔ（被測定パターンＴＰ）の位置を検出する位置検出装置である。
【００２４】
位置検出装置１は、光源１１と、波長選択部１２と、ビームスプリッタ１３と、結像光学系１４と、撮像素子１５と、第１の記憶部１６と、第２の記憶部１７と、算出部１８と、出力部１９と、ステージ２０と、結像特性取得用パターン２１とを備える。
【００２５】
光源１１は、ハロゲンランプなどを使用し、波長幅を有する光（即ち、ブロードバンド光）を射出する。
【００２６】
波長選択部１２は、光源１１から射出した波長幅を有する光から所定の波長の光（互いに異なる複数の波長の光）を選択的に通過させる。波長選択部１２は、図２に示すように、複数の波長の光をそれぞれ通過させる複数のバンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊと、バンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊを光源１１と被測定物Ｔとの間の光路に交換可能に配置するターレット１２４とを含む。
バンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊのそれぞれは、例えば、図３に示すように、透過波長幅が約３０ｎｍで、透過中心波長が２０ｎｍずつ異なった特性を有する。波長選択部１２において、ターレット１２４を回転させて、バンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊのうち任意のバンドパスフィルタを光路に配置することで、任意の波長の光で被測定物Ｔを照明することができる。ここで、図２は、波長選択部１２の具体的な構成を示す概略図である。図３は、波長選択部１２の複数のバンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊの分光特性を示すグラフである。
【００２７】
なお、波長選択部１２は、図２に示す構成に限定されるものではない。例えば、複屈折板と強誘電性液晶セルとの組み合わせによって作製されたバンドパスフィルタを用いてもよい。また、波長可変が可能なＴｉサファイヤレーザーや光周波数コム発生器などを光源１１に用いたり、互いに異なる波長の光を射出する複数の光源で光源１１を構成したりするなどして、波長選択部１２の機能を光源１１に備えさせてもよい。
【００２８】
ビームスプリッタ１３は、波長選択部１２を通過した光を反射して、被測定物Ｔ（被測定パターンＴＰ）又は結像特性取得用パターン２１に導光する。また、ビームスプリッタ１３は、被測定物Ｔ（被測定パターンＴＰ）又は結像特性取得用パターン２１からの光を透過して、撮像素子１５に導光する。
【００２９】
結像光学系１４は、被測定物Ｔ上の被測定パターンＴＰ又は結像特性取得用パターン２１からの光を撮像素子１５に結像して、撮像素子１５上に被測定パターンＴＰ又は結像特性取得用パターン２１の光学像（光強度分布）を形成する。
【００３０】
撮像素子１５は、結像光学系１４によって形成される被測定パターンＴＰ又は結像特性取得用パターン２１の光学像を撮像する。
【００３１】
第１の記憶部１６は、波長選択部１２によって選択された互いに異なる複数の波長（λ）のそれぞれに対する結像光学系１４の結像特性として、結像光学系１４の点像分布関数ＰＳＦ（λ）又は線像分布関数ＬＳＦ（λ）を記憶する。
【００３２】
第２の記憶部１７は、波長選択部１２によって選択された互いに異なる複数の波長（λ）のそれぞれに対する被測定パターンＴＰの光学像ｇ（λ）を記憶する。なお、第２の記憶部１７に記憶される被測定パターンＴＰの光学像ｇ（λ）には、結像光学系１４に起因する劣化が含まれている。
【００３３】
算出部１８は、点像分布関数ＰＳＦ（λ）又は線像分布関数ＬＳＦ（λ）に基づいて、光学像ｇ（λ）の結像光学系１４に起因する劣化を補正して、複数の波長（λ）のそれぞれに対する被測定パターンＴＰの光学像ｆ（λ）を復元する。また、算出部１８は、復元した光学像ｆ（λ）を合成して、複数の波長（λ）を含む光に対する被測定パターンＴＰの光学像を生成すると共に、かかる被測定パターンＴＰの光学像に基づいて、被測定物Ｔ（被測定パターンＴＰ）の位置を決定する。このように、算出部１８は、被測定パターンＴＰの光学像を復元する復元部、任意の波長の光に対する被測定パターンの光学像を生成する生成部、及び、被測定パターンＴＰ（被測定物Ｔ）の位置を決定する決定部としても機能する。
【００３４】
出力部１９は、算出部１８によって生成（算出）された被測定パターンＴＰの光学像を出力又は表示する。
【００３５】
ステージ２０は、被測定物Ｔ及び結像特性取得用パターン２１を保持して、かかる被測定物Ｔ（被測定パターンＴＰ）又は結像特性取得用パターン２１を結像光学系１４の下に駆動する。
【００３６】
結像特性取得用パターン２１は、結像光学系１４の結像特性（結像光学系１４の点像分布関数ＰＳＦ（λ）又は線像分布関数ＬＳＦ（λ））を取得するためのパターンであって、スリットパターンやピンホールパターンなどを含む。例えば、被測定パターンＴＰが２次元のパターンである場合には、結像光学系１４の結像特性として点像分布関数ＰＳＦ（λ）を取得するために、結像特性取得用パターン２１は、ピンホールパターンを使用する。また、被測定パターンＴＰが１次元のパターン（ｘ軸に関して変化し、ｙ軸に関して一様なパターン）である場合には、結像光学系１４の結像特性として線像分布関数ＬＳＦ（λ）を取得するために、スリット幅方向がｘ軸方向であるスリットパターンを使用する。
【００３７】
結像光学系１４の点像分布関数ＰＳＦ（λ）や線像分布関数ＬＳＦ（λ）は、当業界で周知の方法で取得（測定）することができる。点像分布関数ＰＳＦ（λ）を取得する場合には、結像特性取得用パターン２１としてのピンホールパターンで反射した光又はピンホールパターンを透過した光を結像光学系１４を介して撮像素子１５に結像させて、光学像（光強度分布）を撮像すればよい。線像分布関数ＬＳＦ（λ）を取得する場合には、結像特性取得用パターン２１としてのスリットパターンで反射した光又はスリットパターンを透過した光を結像光学系１４を介して撮像素子１５に結像させて、光学像（光強度分布）を撮像すればよい。なお、結像特性取得用パターン２１として使用するピンホールパターンの直径ｄやスリットパターンのスリット幅ｄは、結像光学系１４の開口数をＮＡとして、以下の式３で示す関係を満たしている。
【００３８】
ｄ  ＜  １／２・λ／ＮＡ      ・・・（式３）
なお、本実施形態では、説明を容易にするために、被測定パターンＴＰを１次元のパターンとし、結像光学系１４の結像特性として線像分布関数ＬＳＦ（λ）を使用する場合について説明する。被測定パターンＴＰが２次元のパターンである場合には、点像分布関数ＰＳＦ（λ）を用いて、以下の説明をｙ軸に関して拡張すればよい。
【００３９】
ここで、位置検出装置１の動作、即ち、位置検出装置１における位置検出方法について説明する。図４は、本発明の一側面としての位置検出方法を説明するためのフローチャートである。
【００４０】
位置検出装置１における位置検出方法は、図４（ａ）に示すように、結像特性取得ステップ（Ｓ６００）、光学像取得ステップ（Ｓ７００）及び光学像復元ステップ（Ｓ８００）の３つのステップに大別される。第１の取得ステップとしての結像特性取得ステップ（Ｓ６００）では、結像光学系１４の結像特性（本実施形態では、線像分布関数ＬＳＦ（λ））を取得（測定）する。第２の取得ステップとしての光学像取得ステップ（Ｓ７００）では、被測定物Ｔの被測定パターンＴＧの光学像を取得（測定）する。光学像復元ステップ（Ｓ８００）では、被測定パターンの光学像の結像光学系１４に起因する劣化を補正して、被測定パターンＴＧの光学像を復元する。
【００４１】
以下、図４（ｂ）を参照して、上述した３つのステップ（結像特性取得ステップ（Ｓ６００）、光学像取得ステップ（Ｓ７００）及び光学像復元ステップ（Ｓ８００））の詳細について説明する。
【００４２】
結像特性取得ステップ（Ｓ６００）では、結像光学系１４の線像分布関数ＬＳＦ（λ）を取得（測定）するために、ステージ２０を介して、結像特性取得用パターン２１としての反射型のスリットパターンが結像光学系１４の真下に配置される。従って、光源１１、波長選択部１２、ビームスプリッタ１３、結像光学系１４、撮像素子１５及び結像特性取得用パターン２１は、結像光学系１４の結像特性を取得するための第１の取得部として機能する。
【００４３】
ステップＳ６０２では、波長選択部１２で結像特性取得用パターン２１としてのスリットパターンを照明する光（照明光）の波長λ１を選択する。
【００４４】
ステップＳ６０４では、ステップＳ６０２で選択された波長λ１の光でスリットパターンを照明し、かかるスリットパターンの光学像を撮像素子１５で撮像して線像分布関数ＬＳＦ（λ１）を取得する。
【００４５】
ステップＳ６０６では、ステップＳ６０４で取得した線像分布関数ＬＳＦ（λ１）を第１の記憶部１６に記憶させる。
【００４６】
ステップＳ６０８では、波長選択部１２で選択可能な全ての波長の光（本実施形態では、バンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊのそれぞれを通過する光）に対する線像分布関数ＬＳＦを取得したかどうかを判定する。波長選択部１２で選択可能な全ての波長の光に対する線像分布関数ＬＳＦを取得したと判定された場合には、光学像取得ステップ（Ｓ７００）に移る。一方、波長選択部１２で選択可能な全ての波長の光に対する線像分布関数ＬＳＦを取得していないと判定された場合には、ステップＳ６０２に戻り、波長選択部１２で次の波長λ２を選択して、ステップＳ６０４及びＳ６０６を行う。
【００４７】
このようにして、結像特性取得ステップ（Ｓ６００）で取得される結像光学系１４の線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）の一例を図５に示す。図５では、波長λ１乃至λ３までの光に対する線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）を示しているが、第１の記憶部１６には、波長λ１乃至λｎ（本実施形態では、ｎは１０）の光のそれぞれに対する線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）が記憶される。図５を参照するに、ｘ軸に関する線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）が波長ごとに変化していることがわかる。
【００４８】
光学像取得ステップ（Ｓ７００）では、被測定パターンＴＰの光学像を取得（測定）するために、ステージ２０を介して、被測定パターンＴＰが結像光学系１４の真下に配置される。従って、光源１１、波長選択部１２、ビームスプリッタ１３、結像光学系１４、撮像素子１５及び被測定パターンＴＰは、被測定パターンＴＰの光学像を取得するための第２の取得部として機能する。
【００４９】
ステップＳ７０２では、波長選択部１２で被測定パターンＴＰを照明する光（照明光）の波長λ１を選択する。
【００５０】
ステップＳ７０４では、ステップＳ７０２で選択された波長λ１の光で被測定パターンＴＰを照明し、被測定パターンＴＰの光学像を撮像素子１５で撮像して、被測定パターンＴＰの光学像ｇ（λ１）を取得する。
【００５１】
ステップＳ７０６では、ステップＳ７０４で取得した被測定パターンＴＰの光学像ｇ（λ１）を第２の記憶部１７に記憶させる。
【００５２】
ステップＳ７０８では、波長選択部１２で選択可能な全ての波長の光（本実施形態では、バンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊのそれぞれを通過する光）に対する被測定パターンＴＰの光学像を取得したかどうかを判定する。波長選択部１２で選択可能な全ての波長の光に対する被測定パターンＴＰの光学像を取得したと判定された場合には、復元ステップ（Ｓ８００）に移る。一方、波長選択部１２で選択可能な全ての波長の光に対する被測定パターンＴＰの光学像を取得していないと判定された場合には、ステップＳ７０２に戻り、波長選択部１２で次の波長λ２を選択して、ステップＳ７０４及びＳ７０６を行う。
【００５３】
このようにして、光学像取得ステップ（Ｓ７００）で取得される被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）の一例を図６に示す。図６では、波長λ１乃至λ３までの光に対する被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）を示しているが、第２の記憶部１７には、波長λ１乃至λｎ（本実施形態では、ｎは１０）の光のそれぞれに対する被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）が記憶される。図６を参照するに、ｘ軸に関する被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）が波長ごとに変化していることがわかる。
【００５４】
光学像復元ステップ（Ｓ８００）は、主に、算出部１８によって実行される。
【００５５】
ステップＳ８０２では、第１の記憶部１６に記憶された線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）を用いて、第２の記憶部１７に記憶された被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）の結像光学系１４に起因する劣化を補正し、被測定パターンＴＧの光学像ｆ（λ）を復元する。なお、ステップＳ８０２では、複数の波長λ（本実施形態では、λ１乃至λ１０）の光のそれぞれに対する被測定パターンＴＧの光学像ｆ（λ）を復元する。具体的には、算出部１８は、以下の演算処理を実行する。
【００５６】
まず、以下の式４に示すように、第１の記憶部１６に記憶された線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）をフーリエ変換する。
【００５７】
【数２】
2009239077.tif 000003
【００５８】
また、以下の式５に示すように、第２の記憶部１７に記憶された被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）をフーリエ変換する。
【００５９】
【数３】
2009239077.tif 000004
【００６０】
次に、逆フィルタＨ（ω、λ）−１を用いて、複数の波長の光λの光のそれぞれに対して、以下の式６で示される演算を行う。
【００６１】
Ｆ（ω、λ）＝Ｇ（ω、λ）×Ｈ（ω、λ）−１      ・・・（式６）
そして、以下の式７に示すように、式６を逆フーリエ変換することによって、複数の波長の光λの光のそれぞれに対する被測定パターンＴＰの光学像ｆ（ｘ、λ）を復元する。
【００６２】
【数４】
2009239077.tif 000005
【００６３】
ステップＳ８０４では、ステップＳ８０２で復元された被測定パターンＴＰの光学像ｆ（ｘ、λ）を合成して、複数の波長λを含む光に対する被測定パターンＴＰの光学像を生成する。このようにして生成された被測定パターンＴＰの光学像は、出力部１９で出力又は表示される。
【００６４】
ステップＳ８０４では、例えば、複数の波長λの光のそれぞれに対する被測定パターンＴＰの光学像ｆ（ｘ、λ）を用いて、カラー画像に対応する被測定パターンＴＰの光学像を生成することが可能である。具体的には、式７から求められる各点（撮像素子１５の画素）ごとに、カラーフィルタの各波長帯域（例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青））に属する波長の光強度値（輝度）を積算して被測定パターンＴＰの光学像を生成すればよい。かかる被測定パターンＴＰの光学像を出力部１９としての液晶デバイスに送ることで、カラー画像として表示することができる。
【００６５】
また、グレー画像に対応する被測定パターンＴＰの光学像を生成する場合には、以下の式８に示すように、複数の波長λ（本実施形態では、λ１乃至λ１０）の光に対する平均的な被測定パターンＴＰの光学像ｆｆ（ｘ）を生成することができる。
【００６６】
【数５】
2009239077.tif 000006
【００６７】
ステップＳ９０２では、ステップＳ８０４で生成された被測定パターンＴＰの光学像（例えば、式８）から当業界で周知の方法を用いて、被測定パターンＴＰ（被測定物Ｔ）の位置を決定する。
【００６８】
ステップＳ９０４では、他に測定対象があるかどうかを判定する。他に測定対象があると判定された場合には、ステップＳ７０２に戻って、ステップＳ７０２乃至Ｓ８０４を繰り返す。一方、他に測定対象がないと判定された場合には、位置検出装置１における位置検出方法を終了する。
【００６９】
なお、撮像素子１５の分光感度特性は波長ごとに異なるため、撮像素子１５の感度を予め較正しておくことが好ましい。同様に、波長選択部１２に使用しているバンドパスフィルタ１２２ａ乃至１２２ｊの透過率の波長間差も較正しておくことが好ましい。
【００７０】
また、光学的伝達関数Ｈ（ω）は高周波数側でゼロに近づくために、１／Ｈ（ω）の高周波数側のパワーが相対的に上がる。その結果、復元した被測定パターンＴＰの光学像（画像）に高周波のリップルが発生する場合がある。このような場合には、光学的伝達関数Ｈ（ω）の値がゼロに近い周波数において、１／Ｈ（ω）＝０にすると共に、ゼロ周波数に対して対称な窓関数を用いて高周波側の振幅成分を相対的に落とすようにしてもよい。なお、窓関数としては、例えば、方形窓、ハニング窓、ガウス窓などを使用することができる。
【００７１】
本実施形態では、フーリエ変換を用いて複数の波長の光のそれぞれに対する被測定パターンＴＧの光学像ｆ（λ）を復元しているが、フーリエ変換を用いずに被測定パターンＴＧの光学像ｆ（λ）を復元することもできる。式１の右辺は、周波数領域での掛け算である。従って、フーリエ変換の性質から、式１は、以下の式９に示すような実空間領域でのコンボリューション（畳み込み）の式と等価である。
【００７２】
【数６】
2009239077.tif 000007
【００７３】
式９において、＊は畳み込み演算記号を示す。また、ｈ（ｘ）は、結像光学系１４の光学的伝達関数の逆フーリエ変換、即ち、点像分布関数ＰＳＦ又は線像分布関数ＬＳＦである。
【００７４】
従って、式９において、ステップＳ６０４で取得した線像分布関数ＬＳＦ（ｘ、λ）をｈ（ｘ）とし、ステップＳ７０４で取得した被測定パターンＴＰの光学像ｇ（ｘ、λ）を用いてデコンボリューションを行えばよい。これにより、結像光学系１４に起因する劣化が補正された被測定パターンＴＧの光学像ｆ（λ）を復元することができる。
【００７５】
本実施形態の位置検出装置１は、被測定パターンＴＧの光学像の結像光学系１４に起因する劣化を波長ごとに補正することができる。換言すれば、位置検出装置１は、被測定パターンＴＧの反射率が波長ごとに変化した場合であっても、複数の波長の光のそれぞれに対する被測定パターンＴＧの光学像を高精度に復元することができる。従って、位置検出装置１は、高精度に復元された被測定パターンＴＧの光学像を合成して複数の波長を含む光に対する被測定パターンＴＧの光学像を生成し、被測定パターンＴＧ（被測定物Ｔ）の位置を高精度に検出することができる。
【００７６】
次に、上述した位置検出装置１を適用した露光装置について説明する。露光装置において、位置検出装置１は、ウエハなどの基板に形成されているアライメントマークの位置を検出するアライメント検出系（位置検出系）などに適用される。
【００７７】
図７は、本発明の一側面としての露光装置３００の構成を示す概略図である。露光装置３００は、ステップ・アンド・スキャン方式やステップ・アンド・リピート方式でレチクルのパターンをウエハに露光する投影露光装置である。但し、露光装置３００は、ナノインプリント装置にも適用することができる。
【００７８】
露光装置３００は、図７に示すように、照明装置３１０と、レチクル３２０を支持するレチクルステージ（不図示）と、投影光学系３３０と、ウエハ３４０を支持するウエハステージ３５０と、制御部３６０と、アライメント検出系４００とを備える。
【００７９】
照明装置３１０は、ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザー、Ｆ２レーザー、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）光などの光源と、かかる光源からの光を用いてレチクル３２０を照明する照明光学系とを含む。
【００８０】
レチクル３２０は、回路パターンを有し、図示しないレチクルステージに支持及び駆動される。
【００８１】
投影光学系３３０は、レチクル３２０のパターンをウエハ３４０に投影する光学系である。
【００８２】
ウエハ３４０は、レチクル３２０のパターンが投影（転写）される基板である。ウエハ３４０には、前工程において、下地パターンやアライメントマークが形成される。また、ウエハ３４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。
【００８３】
ウエハステージ３５０は、ウエハチャック３５５を介して、ウエハ３４０を支持し、ウエハ３４０を駆動して所定の位置に位置決めする。
【００８４】
制御部３６０は、ＣＰＵやメモリなどを含み、露光装置３００の全体（動作）を制御する。また、制御部３６０は、本実施形態では、アライメント検出系４００の検出結果（ウエハ３４０又はアライメントマークＡＭの位置）に基づいて、ウエハステージ３５０を介してウエハ３４０の位置を調整する調整部としても機能する。
【００８５】
アライメント検出系４００は、ウエハ３４０上のアライメントマークを検出する。また、アライメント検出系４００は、アライメントマークの検出結果に基づいて、ウエハ３４０の位置を検出（決定）する。
【００８６】
ここで、アライメント検出系４００の構成や原理について詳細に説明する。図８は、アライメント検出系４００の構成を示す概略図である。アライメント検出系４００は、図８に示すように、照明系４００Ａ及び結像系４００Ｂで構成される。なお、図８では、ｘ軸方向の位置を検出するアライメント検出系４００の例を示している。ｙ軸方向の位置を検出する場合には、図８に示すアライメント検出系４００をｚ軸周りに９０度回転させたアライメント検出系及びｘ軸方向用マークをｚ軸周りに９０度回転させたアライメントマークを用いればよい。
【００８７】
ハロゲンランプなどの光源４０２からの光は、レンズ４０４で拡大されて平行光となり、任意の波長を選択的に通過させる波長選択部１２を介して、開口絞り４０６に入射する。開口絞り４０６は、光源４０２からの光のコヒーレンシー（σ）を調整する機能を有し、通常、光源４０２からの光のσを０．９に調整する。
【００８８】
開口絞り４０６を通過した光は、レンズ４０８で集光され、ウエハ３４０と光学的に共役な位置に配置されたアパーチャー４１０に入射する。アパーチャー４１０は、ウエハ３４０上のアライメントマークＡＭの周辺領域に不要な光が照明されることを防止する視野絞りとして機能する。
【００８９】
アパーチャー４１０を通過した光は、レンズ４１２で拡大されて平行光となり、ビームスプリッタ４１４で反射される。ビームスプリッタ４１４で反射された光は、レンズ４１６を介して、ウエハ３４０上のアライメントマークＡＭを照明する。
【００９０】
アライメントマークＡＭで反射された光は、レンズ４１６、ビームスプリッタ４１４、レンズ４１８及び４２０を介して、結像系４００Ｂの開口数（ＮＡ）を調整する開口絞り４２２に入射する。開口絞り４２２を通過した光は、レンズ４２４で集光され、ラインセンサ４２６で撮像（受光）される。なお、アライメントマークＡＭは、結像系４００Ｂにおいて１００倍程度の結像倍率で拡大されてラインセンサ４２６上に結像する。
【００９１】
アライメントマークＡＭは、図９（ａ）に示すように、位置検出方向であるｘ軸方向に４μｍの長さを有し、非位置検出方向であるｙ軸方向に２０μｍの長さを有する４つの矩形形状のマークＡＭ１乃至ＡＭ４で構成される。アライメントマークＡＭを構成するマークＡＭ１乃至ＡＭ４は、図９（ｂ）に示すように、エッチングによって凹形状の断面構造を有する。なお、実際には、アライメントマークＡＭ上にレジストが塗布されているが、図９では図示を省略している。図９は、アライメントマークＡＭの構成の一例を示す図であって、図９（ａ）は上視図、図９（ｂ）は断面図である。
【００９２】
図９に示すアライメントマークＡＭを用いた場合、アライメント検出系４００のレンズのＮＡに入らない大きな角度の散乱光がエッジ部で発生したり、エッチ部で発生した散乱光が干渉したりして、ラインセンサ４２６では図１０に示すような光学像が撮像される。図１０は、図９に示すアライメントマークＡＭを用いた場合に、ラインセンサ４２６で撮像されるアライメントマークＡＭの光学像（検出結果）を示す図である。図１０に示されるように、ラインセンサ４２６で撮像されるアライメントマークＡＭの光学像は非対称性を有し、アライメントマークＡＭの光学像においては、アライメントマークＡＭを照明する光の波長ごとに異なる非対称性が現れることが知られている。
【００９３】
そこで、図４に示した位置検出方法に基づいて、波長選択部１２で選択可能な複数の波長の光のそれぞれに対する線像分布関数及びアライメントマークＡＭの光学像を取得する。ｘ軸方向に関する線像分布関数を取得する際には、ウエハ３４０の表面と同じ高さになるようにウエハステージ３５０に配置された基準プレート上のｘ軸方向にスリット幅を有するスリットパターンをアライメント検出系４００で撮像すればよい。同様に、ｙ軸方向に関する線像分布関数を取得する際には、ウエハ３４０の表面と同じ高さになるようにウエハステージ３５０に配置された基準プレート上のｙ軸方向にスリット幅を有するスリットパターンをアライメント検出系４００で撮像すればよい。ｘ軸方向に関するアライメントマークの光学像の処理にはｘ軸方向に関する線像分布関数を使用し、ｙ軸方向に関するアライメントマークの光学像の処理にはｙ軸方向に関する線像分布関数を使用するようにする。
【００９４】
このようにして取得された線像分布関数及びアライメントマークＡＭの光学像のそれぞれは、第１の記憶部１６及び第２の記憶部１７に記憶される。算出部１８は、第１の記憶部１６及び第２の記憶部１７にそれぞれ記憶された線像分布関数及びアライメントマークＡＭの光学像を用いて、式４乃至式８（又は式９）で示される演算処理を実行する。これにより、複数の波長の光のそれぞれに対するアライメントマークＡＭの光学像が復元され、非対称性が低減されたアライメントマークＡＭの光学像（式８参照）が生成される。なお、かかる処理は、ウエハ３４０の各ショットに形成されているアライメントマークに対して行われる。
【００９５】
算出部１８で生成されたアライメントマークＡＭの光学像は制御部３６０に送られ、制御部３６０においてアライメントマークＡＭの位置を検出する処理が実行される。制御部３６０は、本実施形態では、テンプレートマッチング法を用いて、アライメントマークＡＭの位置を検出する。但し、アライメントマークＡＭの位置を検出する処理は、算出部１８で実行することも可能である。また、制御部３６０が算出部１８の機能を備えていてもよい。
【００９６】
テンプレートマッチング法は、図１１（ｂ）に示すアライメントマークの光学像に対応する信号Ｓと、図１１（ａ）に示す予め装置で持っているモデル信号（テンプレート）Ｔとの相関演算で、最も相関が高い位置をアライメントマークの中心として検出する。図１１（ｃ）に示す相関値の関数Ｅにおいて、ピークから左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０画素乃至１／５０画素の分解能を達成できる。ここで、図１１は、テンプレートマッチング法を説明するための図である。
【００９７】
テンプレートマッチング法は、以下の式１０で表される。
【００９８】
【数７】
2009239077.tif 000008
【００９９】
式１０において、Ｓは算出部１８で生成されたアライメントマークＡＭの光学像に相当する信号、Ｔはモデル信号、Ｅは相関値である。信号Ｓ、モデル信号Ｔ、相関値Ｅの関係を図示すると、図１１のようになる。図１１では、アライメントマークＡＭを構成する４つのマークＡＭ１乃至ＡＭ４のうち１つのマークについての処理方法を示している。同様に、他の３つのマークについても、テンプレートマッチング法を用いて、各マークのラインセンサ４２６上での位置を検出する。
【０１００】
このようにして、テンプレートマッチング法を用いて、アライメントマークＡＭを構成する４つのマークＡＭ１乃至ＡＭ４のそれぞれの中心位置Ｘ１（ｎ）、Ｘ２（ｎ）、Ｘ３（ｎ）及びＸ４（ｎ）を求める（単位は画素）。ここで、ｎは、テンプレート番号である。４つのマークＡＭ１乃至ＡＭ４の中心位置Ｘ１（ｎ）乃至Ｘ４（ｎ）を平均化することで、以下の式１１で示すアライメントマークＡＭ全体の中心位置Ｘａ（ｎ）が求まる。
【０１０１】
Ｘａ（ｎ）＝｛Ｘ１（ｎ）＋Ｘ２（ｎ）＋Ｘ３（ｎ）＋Ｘ４（ｎ）｝／４      ・・・（式１１）
その結果、ウエハ３４０上のアライメントマークＡＭの位置ずれＸｗ（ｎ）は、アライメント検出系４００の結像倍率をＭ、ラインセンサ４２６の位置検出方向の画素ピッチをＰｘとすれば、以下の式１２で表される。
【０１０２】
Ｘｗ（ｎ）＝Ｘａ（ｎ）／（Ｐｘ・Ｍ）      ・・・（式１２）
次いで、アライメントマークの検出結果（位置ずれ）に基づいて、ウエハ３４０のアライメントを行う方法について説明する。本実施形態では、グローバルアライメント（ＡＧＡ：Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｇｌｏｂａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を適用する。グローバルアライメントは、ウエハ３４０の全ショット（チップ）の内、数ショットを選択し、選択したショット内のアライメントマークの位置を検出して行われる。なお、以下では、選択したショットを「サンプルショット」と称する。
【０１０３】
図１２は、露光装置３００のウエハステージ３５０のｘｙ座標系に対して、ウエハ３４０のショット配列がずれている様子を示す図である。ウエハ３４０のずれは、図１２に示すように、ｘ軸方向のシフトＳｘ、ｙ軸方向のシフトＳｙ、ｘ軸に対する傾きθｘ、ｙ軸に対する傾きθｙ、ｘ軸方向の倍率Ｂｘ及びｙ軸方向の倍率Ｂｙの６つのパラメータで表すことができる。なお、ｘ軸方向の倍率Ｂｘ及びｙ軸方向の倍率Ｂｙは、露光装置３００におけるウエハステージ送りを基準として、ウエハ３４０の伸縮を表し、半導体プロセスの成膜やエッチング等でウエハ３４０に熱を加えることによって発生する。
【０１０４】
ここで、ＡＧＡの各サンプルショットの検出値をＡｉ、サンプルショットのアライメントマークＡＭの設計位置座標をＤｉとして、以下の式１３及び１４で定義する。但し、ｉは、検出ショット番号である。
【０１０５】
【数８】
2009239077.tif 000009
【０１０６】
【数９】
2009239077.tif 000010
【０１０７】
ＡＧＡでは、ウエハ３４０の位置ずれを表す６つのパラメータ（Ｓｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ及びＢｙ）を用いて、以下の式１５で示される１次の座標変換Ｄ’ｉを行う。
【０１０８】
【数１０】
2009239077.tif 000011
【０１０９】
なお、式１５では、θｘ及びθｙは微少量（≒０）、Ｂｘ及びＢｙはＢｘ＝Ｂｙ≒１であるため、ｃｏｓθ＝１、ｓｉｎθ＝０、θｘ×Ｂｘ＝θｘ、θｙ×Ｂｙ≒θｙ等の近似を用いている。
【０１１０】
図１３は、式１５に示す１次の座標変換Ｄ’ｉを行う様子を模式的にベクトルで示した図である。図１３において、Ｗで示す位置にウエハ３４０上のアライメントマークがあり、かかるアライメントマークは設計上の位置を示すＭからＡｉだけずれているものとする。この場合、１次の座標変換Ｄ’ｉを行うと、ウエハ３４０上のアライメントマークの位置ずれ（残差）Ｒｉは、以下の式１６で表される。
【０１１１】
Ｒｉ＝（Ｄｉ＋Ａｉ）−Ｄ’ｉ      ・・・（式１６）
ＡＧＡでは、各サンプルショットでの残差Ｒｉが最小になるように最小２乗法を適用している。具体的には、以下に示す式１７及び１８から、残差Ｒｉの平均２乗和を最小とする６つのパラメータＳｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ及びＢｙを算出する。
【０１１２】
【数１１】
2009239077.tif 000012
【０１１３】
【数１２】
2009239077.tif 000013
【０１１４】
式１７及び１８に、各サンプルショットでの検出値（ｘｉ、ｙｉ）及びアライメントマークの設計位置（Ｘｉ、Ｙｉ）を代入して、６つのパラメータＳｘ、Ｓｙ、θｘ、θｙ、Ｂｘ及びＢｙを求める。そして、かかる６つのパラメータに基づいてウエハ３４０の各ショットのアライメントを行った後で露光が実施される。
【０１１５】
なお、本実施形態では、アライメントマークの光学像を生成する際に、複数の波長の光のそれぞれに対するアライメントマークの光学像を復元して合成している（式８参照）。但し、以下の式１９に示すように、復元したアライメントマークの光学像のコントラストＣ（λ）を用いて、かかるコントラストが大きい光学像ほど重み付けをして合成し、アライメントマークの光学像ｆｆ（ｘ）を生成してもよい。これにより、コントラストの高い光学像（に相当する信号）が強調されるため、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
【０１１６】
【数１３】
2009239077.tif 000014
【０１１７】
本実施形態では、コントラストの二乗の重み付けをしているが、重み付けの方法はこれに限定されるものではなく、他の方法であってもよい。
【０１１８】
このように、本実施形態のアライメント検出系４００は、アライメントマークの光学像における非対称性を低減することが可能であるため、アライメントマークの位置を高精度に検出することができる。従って、露光装置３００は、アライメント精度を向上させて、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体デバイス、液晶表示デバイス等）を提供することができる。かかるデバイスは、露光装置３００を用いてレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることで製造される。
【０１１９】
また、本実施形態では、照明系４００Ａにおいて、アライメントマークを照明する光の波長を波長選択部１２で時系列的に選択している。但し、照明系４００Ａにおいては、複数の波長の光でアライメントマークを照明し、結像系４００Ｂにおいて、アライメントマークで反射された光から異なる波長の光を分離してもよい。この場合、結像系４００Ｂは、アライメントマーク（被測定物又は被測定パターン）で反射された光から複数の波長の光を分割する光分割部を含む。
【０１２０】
図１４は、アライメント検出系４００の別の構成を示す概略図である。図１４を参照するに、光源４０２からの光は、レンズ４０４で拡大されて平行光となり、開口絞り４０６に入射する。開口絞り４０６を通過した光は、レンズ４０８で集光され、アパーチャー４１０に入射する。
【０１２１】
アパーチャー４１０を通過した光は、レンズ４１２で拡大されて平行光となり、ビームスプリッタ４１４で反射される。ビームスプリッタ４１４で反射された光は、レンズ４１６を介して、ウエハ３４０上のアライメントマークＡＭを照明する。アライメントマークＡＭで反射された光は、レンズ４１６、ビームスプリッタ４１４、レンズ４１８及び４２０を介して、開口絞り４２２に入射する。
【０１２２】
開口絞り４２２の後段の結像系４００Ｂの光路上には、ダイクロイックミラー４３２及び４３４が配置されている。従って、ダイクロイックミラー４３２で反射した光は、レンズ４３６で集光され、ラインセンサ４３８で撮像（受光）される。同様に、ダイクロイックミラー４３４で反射した光は、レンズ４４０で集光され、ラインセンサ４４２で撮像（受光）される。
【０１２３】
ダイクロイックミラー４３２は、図１５のＲＬで示される反射率特性を有し、中心波長λｃ１＝０．５μｍで波長幅５０ｎｍの光を効果的に反射し、それより長波長側の光を効果的に透過する。従って、ラインセンサ４３８で撮像されるアライメントマークＡＭの光学像は、中心波長λｃ１＝０．５μｍで波長幅５０ｎｍの光によって形成されたものとなる。
【０１２４】
また、ダイクロイックミラー４３４は、図１５のＲＬで示される反射率特性を有し、中心波長λｃ３＝０．６１μｍで波長幅５０ｎｍの光を効果的に反射し、それより長波長側の光を効果的に透過する。従って、ラインセンサ４４２で撮像されるアライメントマークＡＭの光学像は、中心波長λｃ３＝０．６１μｍで波長幅５０ｎｍの光によって形成されたものとなる。
【０１２５】
ダイクロイックミラー４３２及び４３４を透過し、レンズ４２４を介して、ラインセンサ４２６に入射する光は、図１５のＭＬで示すように、中心波長λｃ２＝０．５５５μｍで波長幅５０ｎｍの光となる。
【０１２６】
このように、図１４に示すアライメント検出系４００においては、３つのラインセンサ４２６、４３８及び４４２のそれぞれで、０．５５５μｍの波長を有する光、０．５μｍの波長を有する光及び０．６１μｍの波長を有する光を受光することができる。従って、複数の波長の光（本実施形態では、０．５５５μｍの波長を有する光、０．５μｍの波長を有する光及び０．６１μｍの波長を有する光）のそれぞれに対するアライメントマークの光学像や線像分布関数（点像分布関数）を同時に取得することが可能である。
【０１２７】
図１４に示すアライメント検出系４００は、図８に示すアライメント検出系４００に比べて、結像系４００Ｂの構成が複雑になる。但し、図１４に示すアライメント検出系４００は、複数の波長の光に対するアライメントマークＡＭの光学像や線像分布関数（点像分布関数）を同時に取得することができるため、スループットに優れている。また、図１４に示すアライメント検出系４００は、ダイクロイックミラーを用いて分離する光の波長幅を限定しているため、分離した後の光路上に、限定された波長幅のみに対応した色収差補正部を配置することが可能となり、色収差の補正が容易になる。なお、本実施形態では、３つのダイクロイックミラーを使用しているが、ダイクロイックミラーの数を増やすことで、アライメントマークＡＭで反射された光から細かい波長ピッチで更に多くの波長の光を分離することができる。
【０１２８】
図１６は、アライメント検出系４００の更に別の構成を示す概略図である。図１６に示すアライメント検出系４００は、２次元のエリアセンサ及びバンドパスフィルタを用いて、アライメントマークＡＭで反射された光を位置検出方向に垂直な方向に分離する。
【０１２９】
図１６を参照するに、光源４０２からの光は、レンズ４０４で拡大されて平行光となり、開口絞り４０６に入射する。開口絞り４０６を通過した光は、レンズ４０８で集光され、アパーチャー４１０に入射する。アパーチャー４１０を通過した光は、レンズ４１２で拡大されて平行光となり、ビームスプリッタ４１４で反射される。
【０１３０】
ビームスプリッタ４１４で反射された光は、レンズ４１６を介して、ウエハ３４０上のアライメントマークＡＭを照明する。アライメントマークＡＭで反射された光は、レンズ４１６、ビームスプリッタ４１４及びレンズ４１８を介して、レンズ４１８の後段の結像系４００Ｂの光路上に配置されたバンドパスフィルタ４５０に入射する。
【０１３１】
図１７は、バンドパスフィルタ４５０の構造を示す概略図である。バンドパスフィルタ４５０は、図１７に示すように、透明基板上に、アライメントマークＡＭの位置検出方向に垂直な方向に沿って帯状の３種類の多層膜４５０ａ、４５０ｂ及び４５０ｃを形成することで構成されている。本実施形態では、多層膜４５０ａ、４５０ｂ及び４５０ｃのそれぞれの透過帯域は、４８０ｎｍ乃至５２０ｎｍ、５２０ｎｍ乃至５６０ｎｍ、５６０ｎｍ乃至６００ｎｍである。バンドパスフィルタ４５０は、アライメントマークＡＭと光学的に共役な位置に配置されているため、バンドパスフィルタ４５０の上にアライメントマークＡＭの光学像ＡＭ’が形成される。
【０１３２】
また、エリアセンサ４５２もアライメントマークＡＭ及びバンドパスフィルタ４５０と光学的に共役な位置に配置されているため、図１８に示すように、アライメントマークＡＭの光学像ＡＭ’’がエリアセンサ４５２の上に形成される。従って、エリアセンサ４５２において、アライメントマークＡＭの位置検出方向に垂直な方向に対して異なる波長の光でアライメントマークＡＭを照明した場合のアライメントマークＡＭの光学像ＡＭ’’を得ることができる。その結果、エリアセンサ４５２の読み出しラインを選択することにより、複数の波長の光のそれぞれに対するアライメントマークＡＭの光学像を得ることができる。図１８は、エリアセンサ４５２の上に形成されるアライメントマークＡＭの光学像ＡＭ’’を示す図である。
【０１３３】
なお、本実施形態では、３つの多層膜でバンドパスフィルタを構成しているが、バンドパスフィルタを構成する多層膜の数を増やすことで、アライメントマークＡＭで反射された光から細かい波長ピッチで更に多くの波長の光を分離することができる。
【０１３４】
また、バンドパスフィルタ４５０は、照明系４００Ａに配置してもよく、例えば、アライメントマークＡＭと光学的に共役な位置であるアパーチャー４１０の位置に配置することが可能である。この場合、アパーチャー４１０の透過部（即ち、開口部）にバンドパスフィルタ４５０を配置して、視野絞りの機能と兼用する構成としてもよい。
【０１３５】
図１９は、アライメント検出系４００の更に別の構成を示す概略図である。図１９に示すアライメント検出系４００は、２次元のエリアセンサ及び回折格子を用いて、アライメントマークＡＭで反射された光を位置検出方向に垂直な方向に分離する。
【０１３６】
図１９を参照するに、光源４０２からの光は、レンズ４０４で拡大されて平行光となり、開口絞り４０６に入射する。開口絞り４０６を通過した光は、レンズ４０８で集光され、アパーチャー４１０に入射する。アパーチャー４１０を通過した光は、レンズ４１２で拡大されて平行光となり、ビームスプリッタ４１４で反射される。
【０１３７】
ビームスプリッタ４１４で反射された光は、レンズ４１６を介して、ウエハ３４０上のアライメントマークＡＭを照明する。アライメントマークＡＭで反射された光は、レンズ４１６、ビームスプリッタ４１４、レンズ４１８、４２０及び４２４を介して、レンズ４２４の後段の結像系４００Ｂの光路上に配置された回折格子４６０に入射する。
【０１３８】
回折格子４６０は、本実施形態では、レンズ４２４とエリアセンサ４５２との間に配置される。回折格子４６０は、アライメントマークＡＭの位置検出方向に垂直な方向に格子を有し、図２０に示すように、回折格子４６０で回折された回折光（０次回折光や１次回折光）がエリアセンサ４５２で受光されるように構成されている。従って、エリアセンサ４５２の上には、回折格子４６０の回折（分離）作用によって、アライメントマークＡＭの位置検出方向に垂直な方向において連続的に波長が異なる光でアライメントマークＡＭの光学像が形成される。これにより、エリアセンサ４５２におけるアライメントマークＡＭの位置検出方向に垂直な方向の読み出しラインを任意に選択して平均化することで、任意の波長及び波長幅の光に対するアライメントマークＡＭの光学像を取得することができる。なお、図１９に示すアライメント検出系４００では、エリアセンサ４５２の読み出しラインの数を適当に選択することで、互いに異なる波長及び波長幅の光を自由に選択することができる。図２０は、図１９に示すアライメント検出系４００の回折格子４６０の回折（分離）作用を示す図である。
【０１３９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の一側面としての位置検出装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す位置検出装置における波長選択部の具体的な構成を示す概略図である。
【図３】図２に示す波長選択部の複数のバンドパスフィルタの分光特性を示すグラフである。
【図４】本発明の一側面としての位置検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】結像特性取得ステップで取得される結像光学系の線像分布関数の一例を示す図である。
【図６】光学像取得ステップで取得される被測定パターンの光学像の一例を示す図である。
【図７】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。
【図８】図１に示す露光装置におけるアライメント検出系の構成を示す概略図である。
【図９】ウエハ上のアライメントマークの構成の一例を示す図である。
【図１０】図９に示すアライメントマークを用いた場合に、ラインセンサで撮像されるアライメントマークの像（検出結果）を示す図である。
【図１１】テンプレートマッチング法を説明するための図である。
【図１２】図１に示す露光装置のウエハステージのｘｙ座標系に対して、ウエハのショット配列がずれている様子を示す図である。
【図１３】式１５に示す１次の座標変換を行う様子を模式的にベクトルで示した図である。
【図１４】図１に示す露光装置におけるアライメント検出系の別の構成を示す概略図である。
【図１５】図１４に示すアライメント検出系のダイクロイックミラーの反射特性を示す図である。
【図１６】図１に示す露光装置におけるアライメント検出系の更に別の構成を示す概略図である。
【図１７】図１６に示すアライメント検出系のバンドパスフィルタの構造を示す概略図である。
【図１８】図１６に示すアライメント検出系のエリアセンサの上に形成されるアライメントマークの光学像を示す図である。
【図１９】図１に示す露光装置におけるアライメント検出系の更に別の構成を示す概略図である。
【図２０】図１９に示すアライメント検出系の回折格子の回折（分離）作用を示す図である。
【図２１】従来の位置検出装置の構成を示す概略図である。
【図２２】被測定物としてのウエハ（アライメントマーク）の反射率の波長依存性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１４１】
１                              位置検出装置
１１                            光源
１２                            波長選択部
１２２ａ乃至１２２ｊ            バンドパスフィルタ
１２４                          ターレット
１３                            ビームスプリッタ
１４                            結像光学系
１５                            撮像素子
１６                            第１の記憶部
１７                            第２の記憶部
１８                            算出部
１９                            出力部
２０                            ステージ
２１                            結像特性取得用パターン
Ｔ                              被測定物
ＴＰ                            被測定パターン
３００                          露光装置
３１０                          照明装置
３２０                          レチクル
３３０                          投影光学系
３４０                          ウエハ
３５０                          ウエハステージ
３５５                          ウエハチャック
３６０                          制御部
４００                          アライメント検出系
４００Ａ                        照明系
４００Ｂ                        結像系
４０２                          光源
４０４                          レンズ
４０６                          開口絞り
４０８                          レンズ
４１０                          アパーチャー
４１２                          レンズ
４１４                          ビームスプリッタ
４１６、４１８及び４２０        レンズ
４２２                          開口絞り
４２４                          レンズ
４２６                          ラインセンサ
４３２及び４３４                ダイクロイックミラー
４２６、４３８及び４４２        ラインセンサ
４５０                          バンドパスフィルタ
４５２                          エリアセンサ
４６０                          回折格子
ＡＭ                            アライメントマーク
【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】
2009239077.tif 000029
【図１５】
2009239077.tif 000030
【図１６】
2009239077.tif 000031
【図１７】
2009239077.tif 000032
【図１８】
2009239077.tif 000033
【図１９】
2009239077.tif 000034
【図２０】
2009239077.tif 000035
【図２１】
2009239077.tif 000036
【図２２】
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