JP2005337912A - 位置計測装置、露光装置、及びデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マークの位置情報を高い精度で計測することができる位置計測装置等を提供することを目的とする。
【解決手段】 投影光学系ＰＬの側方に設けられたウェハ・アライメントセンサ１６を用いてウェハＷ上に形成されたマークの位置情報を計測する際に、１つのマークを複数回に亘り撮像する。主制御系１５は、撮像して得られた複数の画像信号の各々、又は複数の画像信号を組み合わせた複数の画像信号の各々からマークの位置情報の候補であるマーク候補を算出し、このマーク候補を選別する選別処理又はマーク候補に対して所定の演算を行う演算処理を行ってそのマークの位置情報を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板又はレチクル等の物体に形成されたパターン（マーク）の位置情報を計測する位置計測装置、及び、当該位置計測装置によって計測された位置情報に基づいて基板とレチクルとの位置合わせ（アライメント）を行い、レチクルに形成されたパターンの像を基板上に転写する露光装置、並びに、当該露光装置を用いてデバイスを製造するデバイスの製造方法に関する。

半導体素子、液晶表示素子、その他のデバイスの製造においては、露光装置を用いてマスク又はレチクル（以下、これらをレチクルと総称する）に形成された微細なパターンを、フォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウェハ又はガラスプレート等の基板上に転写する処理が繰り返し行われる。特に、半導体素子の製造においては、露光装置としてステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型の露光装置（所謂、ステッパー）が用いられることが多い。上記パターンの転写を行う際には、レチクルに形成されたパターンの像が投影される位置と基板の位置とを精密に合わせる必要がある。近年、特に半導体素子の製造においては、形成されるパターンが微細になっており、所望の性能を有する半導体素子を製造するために位置合わせの精度向上が要求されている。基板及びレチクルにはその位置を計測するためのマーク（アライメントマーク）が形成されており、露光装置は、これらのマークの位置情報を計測することによってレチクル又は基板の位置情報を計測する位置計測装置を備えている。

位置計測装置の内、レチクルの位置情報を計測するレチクル位置情報計測装置は、レチクルに形成されたマークを照明する照明光として基板を露光するための露光光を用いるものが一般的である。このレチクル位置情報計測装置の計測方式には、例えばＶＲＡ（Visual Reticle Alignment）方式がある。ＶＲＡ方式は、基板がステージ上に搬送される前に、露光光をレチクル上に形成されたマークに照射して得られる光学像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子で画像信号に変換し、この画像信号の画像処理を行ってレチクルに形成されたマークの位置情報を計測するものである。

また、位置計測装置の内、基板の位置情報を計測する基板位置情報計測装置は、半導体素子又は液晶表示素子等の製造過程において測定対象である基板の表面状態（荒れ程度）が変化するため、単一種類の装置によって基板の位置情報を正確に計測することは困難であり、一般的には基板の表面状態に合わせて異なる方式の装置が使用される。これらの装置の主なものとしては、ＬＳＡ（Laser Step Alignment）方式、ＦＩＡ（Field Image Alignment）方式、ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignment）方式のものがある。

以下、これらの方式の基板位置情報計測装置を概説すると以下の通りである。つまり、ＬＳＡ方式の基板位置情報計測装置は、レーザ光を基板に形成されたマークに照射し、回折・散乱された光を利用してそのマークの位置情報を計測する基板位置情報計測装置であり、従来から種々の製造工程を経た半導体ウェハに形成されているマークの位置情報を計測するために幅広く使用されている。ＦＩＡ方式の基板位置情報計測装置は、ハロゲンランプ等の波長帯域幅の広い光源を用いてマークを照明し、その結果得られたマークの像を画像信号に変換した後、画像処理して位置計測を行う基板位置情報計測装置であり、アルミニウム層又は基板表面に形成された非対称なマークの計測に効果的である。ＬＩＡ方式の基板位置情報計測装置は、基板表面に形成された回折格子状のマークに、僅かに波長が異なるレーザ光を２方向から照射し、その結果生ずる２つの回折光を干渉させ、この干渉光の位相からマークの位置情報を計測する基板位置情報計測装置である。このＬＩＡ方式の基板位置情報計測装置は、低段差のマークや基板表面の荒れが大きい基板に用いると効果的である。

また、上記の位置情報計測装置としては、投影光学系を介して基板上のマークの位置情報を計測するＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式、投影光学系を介することなく直接基板上のマークの位置情報を計測するオフ・アクシス方式、及び投影光学系を介して基板とレチクルとを同時に観察し、両者の相対位置関係を計測するＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式等がある。ＴＴＲ方式の位置計測においては、一般に、基板上に設定された各ショット領域毎にマーク位置を計測して位置合わせを行うため、計測再現性が良好な場合は、重ね合わせ精度は高くなるものの、一枚の基板に対する露光時間は長くなる。他方、オフ・アクシス方式の位置計測においては、一旦基板上のショット領域の配列の計測が完了したら、ショット領域の配列に従って基板をステッピング移動させるだけであるため露光時間は短縮される。

更に、所謂ＥＧＡ（Enhancement Global Alignment）方式を採用することもできる。ここで、ＥＧＡ方式は、基板上に設定されたショット領域に付随したマークの内の適宜選択された複数のマーク（例えば、３〜９個のマーク）について位置計測を行い、この計測結果とそれらのマークの設計値とに基づいて基板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し、算出されたショット領域の配列に従って基板をステッピングする方式である。このＥＧＡ方式においては、多マーク計測による平均的効果で計測再現性を向上させることができる。尚、従来の位置計測装置の詳細については、例えば以下の特許文献１，２を参照されたい。
特開平１０−２２３５２１号公報 特開平１０−２８１７２９号公報

ところで、上述した位置計測装置、特に、ＦＩＡ方式、ＥＧＡ方式、及びＶＲＡ方式等の画像処理を行ってマークの位置情報を計測する装置においては、一般にマークの画像信号を複数回に亘って取り込み、取り込んだ画像信号を積算した上で画像処理を行ってマークの位置情報を計測している。ここで、画像信号を積算するのは、画像信号のＳＮＲ（信号対ノイズ比）を向上させるためである。

しかしながら、基板上に形成されたマークの画像信号を取り込んでいる最中に、マークが形成されている基板を載置した基板ステージに微動が生じることがある。これは、基板上に形成されたマークの位置情報計測に要する時間を短縮すべく、基板上のあるマークが位置計測装置の計測視野内に配置された状態において、基板ステージが完全に停止する前にマークの画像信号を取り込む処理が行われることに起因する。マークの位置情報計測においては、マークの画像信号を一度取り込んでしまえば、次のマークを位置計測装置の計測視野内に配置する間に取り込んだ画像信号の画像処理を完了することができるため、マークの位置情報計測に要する時間を短縮するにはマークの画像信号を取り込む時間を短縮する必要がある。かかる理由により基板ステージが完全に停止する前にマークの画像信号を取り込む処理が行われる。

基板ステージに微動が生じている時にマークの画像信号を取り込む処理を行うと、得られた画像信号がぶれてしまうことがある。従来は、複数回に亘って取り込んだ画像信号を積算しているため、画像処理を行う際にぶれの影響が小さくなってその当時必要とされている計測精度は得られていた。しかしながら、近年においては、より高い精度の計測精度が要求されるようになったため、ぶれの影響を排除してより精密にマークの位置情報を計測する必要性が生じてきた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、マークの位置情報を高い精度で計測することができる位置計測装置を提供するとともに、当該位置計測装置を備えることによって高い精度で所定のパターンと基板との位置合わせを可能とすることにより、微細なパターンを基板上の所定位置に精確に転写することができる露光装置を提供し、更に当該露光装置を用いたデバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の位置計測装置は、物体（Ｗ）上に形成された所定パターン（Ｍｘｉ、Ｍｙｉ）の位置に関する位置情報を計測する位置計測装置であって、前記所定パターンを含む前記物体上の被検知領域に対して連続光を照射する照射手段（４１〜４６）と、前記連続光の照射により、前記被検知領域から発生した反射光を複数回受光して、前記被検知領域に対応する複数の被検知領域信号（ＶＳ２、Ｑ１〜Ｑ４）を出力する受光手段（４５〜５０）と、前記複数の被検知領域信号に基づいて、前記位置情報の候補を複数計測する計測手段（６３）と、前記計測手段で計測された複数個の前記候補に基づいて、前記位置情報を決定する決定手段（６６）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、所定パターンが含まれる物体上の被検知領域に対して連続光が照射され、連続光の照射により被検知領域から発生した反射光が受光手段に受光されて複数の被検知領域信号が出力され、この被検知領域信号に基づいて位置情報の候補が複数計測され、この候補に基づいてパターンの位置情報が決定される。
本発明の露光装置は、所定パターンを基板（Ｗ）上に転写する露光装置であって、上記の位置計測装置により計測された位置情報に基づいて、前記基板の位置決めを行う位置決め手段（９、１３）と、前記位置決めされた前記基板上に前記所定パターンを転写する露光手段（１、Ｍ１、Ｍ２、ＬＳ、ＩＳ１、ＩＳ２、ＰＬ）と、前記位置決め手段及び前記露光手段を制御する制御手段（１５）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、位置計測装置により計測された位置情報に基づいて基板の位置決めが行われ、位置決めされた基板上に所定パターンが転写される。
本発明のデバイスの製造方法は、上記の露光装置を用いてデバイスを製造することを特徴としている。

本発明によれば、複数の被検領域信号の各々について位置情報の候補が複数計測され、この候補に基づいてパターンの位置情報が決定されるため、被検領域信号の何れかにぶれがあって位置情報の何れかが誤差を含んでいるものであっても、その影響が排除されてパターンの位置情報を高い精度で計測することができる。
また、本発明によれば、高い精度で計測されたパターンの位置情報に基づいて基板の位置決めが精確に行われた状態で基板上に所定パターンが転写されるため、微細なパターンを高い露光精度（解像度、転写忠実度、重ね合わせ精度等）で基板上に転写することができる。
また、本発明によれば、微細なパターンが高い露光精度で基板上に転写されるため、所期の性能を有するデバイスを高い歩留まりで効率よく製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による位置計測装置、露光装置、及びデバイスの製造方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。尚、以下の説明においては、必要であれば図中にＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＺ軸が紙面に対して平行となるよう設定され、Ｙ軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。また、本実施形態においては、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置を例に挙げて説明する。

図１において、露光光源ＬＳは、例えばＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、又はＦ_２レーザ（１５７ｎｍ）であり、露光光ＥＬを射出する。露光光源ＬＳの発光の開始及び停止、並びに出力は、後述する主制御系１５が制御する。露光光源ＬＳから射出された露光光ＥＬは第１照明光学系ＩＳ１に入射する、第１照明光学系ＩＳ１は、光アッテネータとしての可変減光器、ビーム成形系、及びオプティカルインテグレータとしての第１フライアイレンズ（何れも図示省略）等から構成される。第１照明光学系ＩＳ１に設けられる不図示の可変減衰器は減光率（透過率）を段階的又は連続的に調整するものであり、その減光率は後述する主制御系１５が制御する。

第１照明光学系ＩＳ１から射出された露光光ＥＬはスペックルを低減又は防止するための振動ミラーＭ１で反射された後、第２照明光学系ＩＳ２に入射する。第２照明光学系ＩＳ２は、オプティカルインテグレータとしての第２フライアイレンズ、開口絞り、リレーレンズ、インテグレータセンサ、及び視野絞りとしてのレチクルブラインド（何れも図示省略）等から構成されている。第２照明光学系ＩＳ２に含まれる不図示のインテグレータセンサは、その受光面が例えばレチクルＲのパターン形成面及びウェハＷの表面と光学的にほぼ共役となるように配置されており、その検出信号（光電変換信号）は主制御系１５に供給されてウェハＷ上における露光光ＥＬの照射量を求めるために用いられる。第２照明光学系ＩＳ２から射出された露光光ＥＬは、折り曲げミラーＭ２で反射された後、コンデンサレンズ１を介してマスクとしてのレチクルＲに形成されたパターン領域ＰＡを均一な照度分布で照射する。

レチクルＲは、モータ２によって投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向に微動可能で、且つその光軸ＡＸに垂直な面内で２次元移動及び微小回転可能なレチクルステージ３上に吸着保持されている。尚、レチクルＲは不図示のレチクル交換器により適宜交換されて使用される。レチクルステージ３の端部にはレーザ干渉計４からのレーザビームを反射する移動鏡５が固定されており、レチクルステージ３の２次元的な位置はレーザ干渉計４によって、例えば数ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。レチクルＲの上方にはレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが配置されている。

レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、レチクルＲの外周付近に形成された位置検出用のレチクルマークＲＭと投影光学系ＰＬを介して後述するウェハステージ９上に形成された基準部材１０又はウェハステージ９上に載置されたウェハＷに形成されたマークとを同時に観察し、レチクルＲとウェハステージ９との相対的な位置関係又はレチクルＲとウェハＷとのＸ方向又はＹ方向における相対的な位置関係を直接的に計測（観察）する。

レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂの計測結果は後述する主制御系１５へ出力され、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理が施されてレチクルＲとウェハステージ９又はウェハＷとの相対的な位置ずれ量が求められる。そして、この位置ずれ量に応じて主制御系１５がモータ２を駆動してレチクルステージ３を微動させることで、レチクルＲに形成されたパターン領域ＰＡの中心が光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。このレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは、ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のアライメントセンサの一種であるＴＴＲ（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメントセンサであって、レチクルマークＲＭ等の画像信号から位置情報を計測するＶＲＡ方式のアライメントセンサである。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂの詳細については後述する。

上記レチクルＲのパターン領域ＰＡを透過した露光光ＥＬは、例えば両側（片側でも良い。）テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射して基板としてのウェハＷ上の各ショット領域に投影される。ここで、投影光学系ＰＬは、露光光ＥＬの波長に関して最良に収差補正されており、その波長のもとでレチクルＲとウェハＷとは互いに光学的に共役になっている。また、露光光ＥＬはケラー照明であり、投影光学系ＰＬの瞳（図示省略）の中心に光源像として結像されている。尚、投影光学系ＰＬは複数のレンズ等の光学素子を有し、その光学素子の硝材としては露光光ＥＬの波長に応じて石英、蛍石等の光学材料から選択され、その投影倍率は、例えば１／４又は１／５に設定されている。このため、露光光ＥＬによりレチクルＲ上の照明領域が照明されると、そのレチクルＲのパターン面に形成されたパターンの像が投影光学系ＰＬによってウェハＷ上に縮小投影され、表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウェハＷ上の一つのショット領域にレチクルＲのパターンの縮小像が転写される。

ウェハＷはウェハホルダ８を介してウェハステージ９上に吸着保持されている。ウェハホルダ８上には、レチクルＲの位置計測及びベースライン計測等で使用する基準部材１０が設けられている。ここで、ベースラインとは、例えばレチクルＲのパターン領域ＰＡに形成されたパターンの投影光学系ＰＬによる投影像の中心位置と後述するウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心との距離をいう。基準部材１０には基準マークとして、例えば光透過性の５組のＬ字状パターンから成るスリットパターンと、光反射性のクロムで形成された２組の基準パターン（デューティ比は１：１）とが設けられている。一方の組の基準パターンは、例えばＹ方向に配列された７個のドットマークをＸ軸方向に３列配列してなる回折格子マークと、３本の直線パターンをＸ軸方向に配列してなる回折格子マークと、Ｙ方向に延びた１２本のバーマークとを、Ｘ軸方向に配列したものである。他方の組の基準パターンは、例えばその一方の組の基準パターンを９０°回転したものである。

ウェハステージ９は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内でウェハＷを２次元的に位置決めするＸＹステージ、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）にウェハＷを位置決めするＺステージ、ウェハＷを微小回転させるステージ、及びＺ軸に対する角度を変化させてＸＹ平面に対するウェハＷの傾きを調整するステージ等より構成されている。ウェハステージ９の上面の一端にはＬ字型の移動鏡１１が取り付けられ、移動鏡１１の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計１２が配置されている。

図１では簡略化して図示しているが、移動鏡１１はＸ軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な反射面を有する平面鏡より構成されている。また、レーザ干渉計１２は、Ｘ軸に沿って移動鏡１１にレーザビームを照射する２個のＸ軸用のレーザ干渉計及びＹ軸に沿って移動鏡１１にレーザビームを照射するＹ軸用のレーザ干渉計より構成され、Ｘ軸用の１個のレーザ干渉計及びＹ軸用の１個のレーザ干渉計により、ウェハステージ９のＸ座標及びＹ座標が計測される。また、Ｘ軸用の２個のレーザ干渉計の計測値の差により、ウェハステージ９のＸＹ平面内における回転角が計測される。

ウェハステージ９の２次元的な座標は、レーザ干渉計１２によって例えば数ｎｍ程度の分解能で常時検出されており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の座標によりウェハステージ９のステージ座標系（静止座標系）（Ｘ，Ｙ）が定められる。即ち、レーザ干渉計１２により計測されるウェハステージ９の座標値が、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上の座標値である。レーザ干渉計１２により計測されたＸ座標、Ｙ座標、及び回転角を示す位置計測信号ＰＤＳは主制御系１５に出力される。

主制御系１５は、供給された位置計測信号ＰＤＳをモニタしつつ、ウェハステージ９の位置を制御する制御信号をモータ１３へ出力する。このような閉ループの制御系により、例えばウェハステージ９はウェハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光が終了すると、次のショット位置までステッピングされる。また、主制御系１５は露光光源ＬＳから露光光ＥＬを射出するか否か、露光光ＥＬを射出する場合の露光光ＥＬの強度等の制御を行う。尚、主制御系１５の構成についての詳細な説明は後述する。

また、本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬの結像特性を調整するための結像特性補正部１４が設けられている。この結像特性補正部１４は、投影光学系ＰＬを構成する一部のレンズエレメント、特にレチクルＲに近い複数のレンズエレメントの各々を、ピエゾ素子等の圧電素子を用いて独立に駆動（光軸ＡＸに対して平行な方向の移動又は傾斜）することで、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば投影倍率やディストーションを補正するものである。

また、本実施形態の露光装置は、オフ・アクシス方式のウェハ・アライメントセンサ１６を投影光学系ＰＬの側方に備える。このウェハ・アライメントセンサは１６、ＦＩＡ（Field Image Alignment）方式のアライメントセンサである。ウェハ・アライメントセンサは１６、例えばハロゲンランプから射出される広帯域波長の光束を検知ビームとしてウェハＷ上に照射し、ウェハＷから得られる反射光をＣＣＤ等の撮像素子で撮像し、得られた画像信号を画像処理することでウェハＷに形成されたマークのＸ方向及びＹ方向（所定の計測方向）における位置情報を計測する。ウェハ・アライメントセンサ１６の計測結果を上述したベースラインの計測結果で補正することにより、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）におけるマークの位置情報を得ることができる。尚、このウェハ・アライメントセンサ１６の構成についての詳細な説明は後述する。

更に、本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬの上部側方にＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式のアライメントセンサ１７を備える。このアライメントセンサ１７からの位置検出用の光は、ミラーｍ１，ｍ２を介して投影光学系ＰＬに導かれている。その位置検出用の光は投影光学系ＰＬを介してウェハステージ９上に形成された基準部材１０又はウェハステージ９上に載置されたウェハＷに形成されたマークに照射され、このマークからの反射光が投影光学系ＰＬ、ミラーｍ２，ｍ１を介してアライメントセンサ１７に戻される。アライメントセンサ１７は戻された反射光を光電変換して得られた信号から、ウェハＷ上のマークの位置を求める。このアライメントセンサ１７は、２光束干渉方式のアライメント系、つまりＬＩＡ方式のアライメントセンサと、ＬＳＡ方式のアライメントセンサとをその光学部材を最大限共有させて組み合わせたものである。尚、アライメントセンサ１７の詳細については、例えば特開平２−２７２３０５号公報に開示されているため、ここでは説明を省略する。

また更に、本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬの側面にウェハＷのＺ軸方向の位置及びＸＹ平面に対する傾斜量を計測するための斜入射方式の多点のメインフォーカスセンサ１８が設置されている。このメインフォーカスセンサ１８は、ウェハＷ上においてレチクルＲの像が投影される露光領域内の予め設定された複数の計測点にスリット像を投影する照射光学系１８ａと、それらスリット像からの反射光を受光してそれらスリット像を再結像し、これら再結像されたスリット像の横ずれ量に対応する複数のフォーカス信号を生成する集光光学系１８ｂとから構成され、それら複数のフォーカス信号が主制御系１５に供給されている。そして、主制御系１５が集光光学系１８ｂから出力されるフォーカス信号に基づいて常に投影光学系ＰＬの最良結像面にウェハＷの表面が位置するようにモータ１３を介してウェハステージ９を制御する。

以上、本発明の露光装置の全体構成について概説したが、次に前述したレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂについて説明する。図２は、レチクル・アライメントセンサ６Ａの構成例を示す構成図である。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂは同様の構成であるため、以下では主にレチクル・アライメントセンサ６Ａについて詳細に説明する。

レチクル・アライメントセンサ６Ａは、プリズム２０Ａ、ハーフミラー２１Ａ、及び観察光学系２２Ａを含んで構成される。レチクル・アライメントセンサ６Ａはケースにより一体化され、不図示の駆動装置によって図１中の符号Ａ，Ａ′を付した方向に移動自在に構成されている。レチクルＲのアライメントを行なう際には、主制御系１５は不図示の駆動装置を介してレチクル・アライメントセンサ６Ａを符号Ａを付した方向に駆動して図１に示した位置に位置決めし、レチクルアライメントが終了すると、露光の際に邪魔にならないように、符号Ａ′を付した方向に駆動して所定の退避位置に退避させる。

レチクル・アライメントセンサ６Ｂは、同様に、プリズム２０Ｂ、ハーフミラー２１Ｂ、及び不図示の観察光学系を含んでケースにより一体化され、不図示の駆動装置によって図１中の符号Ｂ，Ｂ′を付した方向に移動自在に構成されている。そして、このレチクル・アライメントセンサ６Ｂも、同様に主制御系１５により、後述するレチクルアライメントを行なう際に、図１に示される位置に位置決めされ、レチクルアライメントが終了すると、所定の退避位置に退避されるように構成されている。

図２に示す通り、プリズム２０Ａは、露光光ＥＬをレチクルＲ上のレチクルマークＲＭ上に導くためのものである。レチクルマークＲＭはパターン領域ＰＡの外側に設けられており、この部分は通常は照明する必要の無い部分であるため、照明光学系の負荷、照度の無駄を無くすため、通常照明領域より露光光ＥＬの一部の光束（以下、この光束を便宜上、露光光ＥＬ１という）を導くようにしたものである。

露光光ＥＬ１の光路上にハーフミラー２１Ａが配置されており、プリズム２０Ａにより導かれた露光光ＥＬ１はハーフミラー２１Ａを介してレチクルマークＲＭを照明するとともに、レチクルＲ及び投影光学系ＰＬを介して、例えば基準部材１０に形成された基準マークを照明する。レチクルマークＲＭからの反射光又は基準部材１０からの反射光は、ハーフミラー２１Ａで反射されて観察光学系２２Ａに入射する。観察光学系２２Ａは、結像光学系２３、ハーフミラー２４、ＣＣＤセンサ２５、焦点位置検出用の光として露光光源から分岐された露光光を導く光ファイバ２６、スリット板２７、ハーフミラー２８、瞳遮光板３０、及びＣＣＤセンサ３１を含んで構成されている。

これらの部材のうち、結像光学系２３、ハーフミラー２４、及びＣＣＤセンサ２５により、レチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マーク等の像を検出するための検出光学系が構成されている。つまり、前述した通り、ハーフミラー２１Ａでそれぞれ反射されたレチクルマークＲＭ、基準部材１０からの反射光は、ハーフミラー２４を透過して結像光学系２３の最良結像面（焦点位置）にそれぞれ結像される。この場合、レチクルＲのパターン形成面と基準部材１０の上面とは光学的に共役関係となるよう設定されている。

このため、レチクルＲのパターン形成面とＣＣＤセンサ２５の受光面とが光学的に共役であれば、ＣＣＤセンサ２５の受光面にレチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マークの像が最良の結像状態でそれぞれ結像し、ＣＣＤセンサ２５からはレチクルマークＲＭ及び基準部材１０に形成された基準マークの画像信号ＶＳ１が出力される。主制御系１５がＣＣＤセンサ２５から出力される画像信号ＶＳ１に対して画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行うことで、レチクルマークＲＭと基準部材１０に形成された基準マークとの相対位置を求めることができる。尚、本実施形態では、上記結像光学系２３として、焦点距離を可変とできる光学系、即ち所謂内焦式の光学系が用いられている。

また、観察光学系２２Ａを構成する部材のうち、焦点位置検出用の光ファイバ２６、スリット板２７、ハーフミラー２８、瞳遮光板３０、及びＣＣＤセンサ３１によって、結像光学系２３の焦点ずれを検出する焦点位置検出系が構成されている。スリット板２７には、所定形状の開口（スリット）が形成されている。光ファイバ２６から射出された検出光ＩＬがスリット板２７を照明すると、スリット板２７のスリットを透過した検出光ＩＬは、ハーフミラー２８，２４で順次反射され、結像光学系２３を通過した後、ハーフミラー２１ＡによりレチクルＲのパターン面を落射照明する。これにより、レチクルＲのパターン形成面にスリット板２７のスリット像が結像される。

このスリット像の反射光は検出光ＩＬと同じ光路を逆向きに戻り、ハーフミラー２４で反射された後、ハーフミラー２８を透過し、瞳遮光板３０に至る。この瞳遮光板３０は、例えば焦点位置検出系の瞳面に配置され、瞳面の図２における左半分を遮光する半円状のものである。この瞳遮光板３０を通過したスリット像の反射光は強制的に傾斜させられた後、ＣＣＤセンサ３１上にスリット像を再結像する。

以上のように、ＣＣＤセンサ３１の受光面には、その光軸が傾斜した光束が入射するため、例えばレチクルＲの厚さ変化等の要因により結像光学系２３の焦点位置がずれて、レチクルＲのパターン形成面とＣＣＤセンサ２５の受光面との共役関係が維持できなくなると、ＣＣＤセンサ３１上におけるスリット像の結像位置がずれる。従って、ＣＣＤセンサ３１からの合焦用信号ＦＳ１に基づいて主制御系１５が結像光学系２３の焦点ずれを測定し、結像光学系２３内部の不図示のレンズ群を駆動することで結像光学系２３の焦点をレチクルパターン面とＣＣＤセンサ２５の受光面とに合わせることができることができるようになっている。

この場合、主制御系１５は、ＣＣＤセンサ３１上でのスリット像の結像位置が常に一定になるように、結像光学系２３内部のレンズ群を駆動することにより、常にＣＣＤセンサ２５に焦点位置を一致させる。ＣＣＤセンサ２５上でのスリット像結像位置の目標値は、ＣＣＤセンサ２５から出力される画像信号が最もシャープ（例えば、コントラストが最大となる）状態において、ＣＣＤセンサ３１で検出されるスリット像結像位置を予め求めて設定しておく。

次に、前述したウェハ・アライメントセンサ１６について詳細に説明する。図３は、ウェハ・アライメントセンサ１６の構成例を示す構成図である。尚、図３に示すウェハ・アライメントセンサ１６は、ＦＩＡ（Field Image Alignment）方式のアライメントセンサである。ウェハ・アライメントセンサ１６は、所定の広帯域波長の連続光を検知ビームＤＬとして射出する光源４１を備える。尚、この光源４１は、例えば不図示のハロゲンランプから射出される光（連続光）を導く光ファイバの射出端により実現される。

光源４１の光路上にはコンデンサレンズ４２、視野絞り４３、照明リレーレンズ４４、及びビームスプリッタ４５が順に配置されている。視野絞り４３は、図３中に示す通り、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を有する。主開口Ｋ１は略正方形状に形成され、視野絞り４３の中央部に配置されており、その中心がコンデンサレンズ４２及び照明リレーレンズ４４の光軸とほぼ一致するように光路中に挿入されている。

副開口Ｋ２，Ｋ３は細長い矩形スリット状に形成され、その長手方向の辺が主開口Ｋ１の対向する２つの辺に対して所定の角度（例えば５°）傾いた状態で主開口Ｋ１の近傍位置に配置されている。そして、主開口Ｋ１の辺と直交し、且つ副開口Ｋ２，Ｋ３の長手方向と略直交する方向（傾いていない状態で直交する方向）が、後述するフォーカスの計測方向となる。以下の説明中では、副開口Ｋ２，Ｋ３の略長手方向を非計測方向と呼ぶ。また、フォーカスの計測方向は、種々の方向に設定することが可能であるが、本実施形態ではウェハＷの表面のパターンの基準線の方向（Ｘ方向又はＹ方向）に合わせているものとする。尚、このフォーカス計測のために用いられる副開口Ｋ２，Ｋ３の構成としては、これに限られるものではなく、例えば特開２００１−２５７１５７号公報に開示されているような主開口Ｋ１に対して互いに直交する方向に延びた副開口を用いるようにしても良い。

照明リレーレンズ４４を介した光源４１からの検知ビームＤＬがビームスプリッタ４５において反射される方向、図３ではビームスプリッタ４５から−Ｚ方向に進む光路上には、第１対物レンズ４６が配置されている。この光路の先にはウェハＷを載置するためのウェハステージ９が配置されることになる。ウェハＷの表面が基準面Ｆ１に一致するように位置決めされた状態では、ウェハＷの表面は、視野絞り４３と光学的に共役の関係となる。ウェハＷ上には位置検出用のマークＡＭが形成されており、このマークＡＭが図３に示すようにウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置されると、マークＡＭは検知ビームＤＬにより落射照明される。ここで、ウェハＷ上の被照射領域を照明す検知ビームＤＬを、部分的なインコヒーレント照明光に設定する。このためには、ウェハ・アライメントセンサ１６の照明σを０．８以上に設定する。これは、ウェハ・アライメントセンサ１６を線形光学系とみなして、ウェハＷ等からの反射光の位相情報を得るためである。

また、第１対物レンズ４６の光軸に沿って、ビームスプリッタ４５の反射面を透過する方向、図３では＋Ｚ方向への光路上には、第２対物レンズ４８、ビームスプリッタ４９、遮光板５１、第１リレーレンズ５２、及び瞳分割用反射型プリズム５３が順に配置されている。遮光板５１は基準面Ｆ１と光学的に共役な面Ｆ２に配置されており、ウェハＷの表面で反射され、第１対物レズ４６、ビームスプリッタ４５、第２対物レンズ４８、及びビームスプリッタ４９を順に通過した光の一部を遮光する。尚、遮光板５１の詳細については後述する。

瞳分割用反射型プリズム５３は、第１リレーレンズ５２を介して入射する光束を複数の光束に分割（本実施形態では２本の光束に分割）する光束分割部材であって、光源４１と共役な位置又はその近傍に配置される。ここで、瞳分割用反射型プリズム５３は、２面が１８０度に近い鈍角で山型に形成されたプリズムの、その２面を反射面に仕上げた光学部材である。本実施形態では、この２面の交線（山の稜線）が第１リレーレンズ５２の光軸と交差し、その光軸をほぼ９０度折り曲げるように傾けて配置されている。

第１リレーレンズ５２を介して瞳分割用反射型プリズム５３に入射した検知ビームＤＬは、ここで図中＋Ｘ方向へ分割反射される。この＋Ｘ方向への光路上には、瞳分割用反射型プリズム５３に続いて第２リレーレンズ５４、円柱光学系である円柱レンズ（シリンドリカルレンズ）５５、及びＡＦ（オートフォーカス）センサ５６が順次配置される。ここで円柱光学系とは、前後の面が、互いに平行な母線を有する円柱面であるレンズである。前後の面の一方が平面であってもよい。この場合、具体的には円柱面の母線と直角の方向には屈折力があるが母線方向の屈折力はゼロである。本実施形態では、円柱レンズ５５はその母線がフォーカスの計測方向にほぼ一致するように配置される。また、本明細書では、直交する２方向で屈折力が異なるレンズ、トーリックレンズを含む概念とする。

ＡＦセンサ５６は、面Ｆ２と光学的に共役又はその近傍の位置である第１撮像面Ｖ１に配置され、第１撮像面Ｖ１上に結像される像の位置関係を検出して合焦用信号ＦＳ２を出力する。また、第１対物レンズ４６、ビームスプリッタ４５、及び第２対物レンズ４８を順に介した光束がビームスプリッタ４９によって反射される方向、図３中では−Ｘ方向の光路上には基準面Ｆ１と光学的に設定された第２撮像面Ｖ２にＣＣＤ等の撮像素子５０の受光面が配置される。撮像素子５０は第２撮像面Ｖ２上に結像される像を画像信号ＶＳ２に変換して出力する。上記ＡＦセンサ５６からの合焦用信号ＦＳ２及び撮像素子５０からの画像信号ＶＳ２は主制御系１５に出力される。

次に、以上の構成におけるウェハ・アライメントセンサ１６の動作について簡単に説明する。光源４１から検知ビームＤＬが射出されるとコンデンサレンズ４２によって集光され、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を有する視野絞り４３を均一に照明する。視野絞り４３の主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３を通過した光束は、照明リレーレンズ４４によってコリメートされ、ビームスプリッタ４５で反射される。この反射された光束は、第１対物レンズ４６によって集光され、ウェハステージ９上に載置されたウェハＷの表面に垂直に照射される。ウェハＷの表面が基準面Ｆ１に配置されているときには、ウェハＷの表面と視野絞り４３とは光学的に共役の関係となるため、主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３の像は照明リレーレンズ４４及び第１対物レンズ４６を介してウェハＷの表面に結像される。

ここで、ウェハＷの表面に結像された主開口Ｋ１の像からの反射光束をＬ１、副開口Ｋ２の像からの光束をＬ２、副開口Ｋ３の像からの光束をＬ３とする。これらの光束Ｌ１〜Ｌ３は第１対物レンズ４６によってコリメートされ、ビームスプリッタ４５を透過し、第２対物レンズ４８によって再び集光され、ビームスプリッタ４９によって透過及び反射分岐される。反射分岐された光束のうち、光束Ｌ１は集束されて撮像素子５０の受光面にマークＡＭの像が結像される。撮像素子５０は受光面に結像したマークＡＭの像を光電変換して画像信号ＶＳ２を出力する。一方、ビームスプリッタ４９において透過分岐された光束Ｌ１〜Ｌ３は、第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８の結像作用によって、ウェハＷ表面と共役又はその近傍の面Ｆ２の位置に設けられた遮光板５１にＫ１〜Ｋ３の像を再結像する。即ち、遮光板５１上には、第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８によってウェハＷの表面上に形成された主開口Ｋ１及び副開口Ｋ２，Ｋ３の中間像が形成される。

図３中に光軸方向から見た遮光板５１の構成例を示す。遮光板５１には光軸に対して対称な位置に２個のスリット状の光束通過部Ｋ１２，Ｋ１３が副開口Ｋ２，Ｋ３に対応するように設けられており、ウェハ表面において結像反射された光束Ｌ１〜Ｌ３のうち光束Ｌ１は遮光され、光束Ｌ２，Ｌ３のみがＫ１２及びＫ１３をそれぞれ介して通過できるように構成されている。また、遮光板５１の他の構成例も図３中に示してある。即ち、光束Ｌ１が遮光板５１に入射する（図中斜線で示す）範囲のみが遮光され、その周囲の部分全ての領域Ｋ１４が光束通過部として構成されていてもよい。

遮光板５１を通過した光束Ｌ２，Ｌ３は第１リレーレンズ５２によってコリメートされた後、瞳分割用反射型プリズム５３上に光源４１の像を結像する。更に、光束Ｌ２，Ｌ３は瞳分割用反射型プリズム５３によってそれぞれ２つの光束に分割されるとともに、図中＋Ｘ方向へ反射されて第２リレーレンズ５４により再び集光される。そして、円柱レンズ５５を介して、ＡＦセンサ５６上に光束Ｌ２及びＬ３による副開口Ｋ２，Ｋ３のスリット像をそれぞれ２分割して結像する。

ＡＦセンサ５６の受光面上における２分割光束の結像位置はウェハＷの表面のＺ方向の位置に応じて変化する。このため、予めウェハＷが基準面Ｆ１に配置されている状態において検出される２分割光束の結像位置の距離を基準距離として主制御系１５に設定しておき、主制御系１５において基準距離とＡＦセンサ５６で検出された２分割光束の結像位置の距離との大小関係を比較することで、ウェハＷの表面がウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置されているか否か（合焦しているか否か）を判断する。

合焦していない場合には基準距離と算出した距離との大小関係からウェハＷのずれ方向を求めて、ずれ方向と反対方向にウェハステージ９を駆動する。ウェハステージ９をＺ方向に駆動している最中においてもＡＦセンサ５６による上述した検出及び各種処理を行い、２分割光束の結像位置間の距離と基準距離とが等しくなったときにウェハステージ９の駆動を停止する。ウェハＷがウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置に配置されている状態で撮像素子５０から出力される画像信号ＶＳ２を主制御系１５で画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行うことにより、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置されているマークＡＭの位置情報が計測される。

以上、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂ及びウェハ・アライメントセンサ１６の構成及び動作について説明したが、次に主制御系１５について詳細に説明する。図４は、主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。尚、図４においては、図１〜図３中に示した部材と同一の部材には同一の符号を付してある。図４に示すように、主制御系１５は、フォーカス検出ユニット６０、画像処理ユニット６１、フォーカス検出ユニット６２、ＦＩＡ演算ユニット６３、アライメントデータ記憶部６４、ＥＧＡ演算ユニット６５、記憶部６６、ショットマップデータ部６７、システムコントローラ６８、ウェハステージコントローラ６９、及びレチクルステージコントローラ７０から構成されている。

次に、主制御系１５について詳細に説明する。図３は、主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。尚、図３においては、図１，図２中に示した部材と同一の部材には同一の符号を付してある。図３に示す通り、主制御系１５は、フォーカス検出ユニット６０、画像処理ユニット６１、フォーカス検出ユニット６２、ＦＩＡ演算ユニット６３、ＬＳＡ・ＬＩＡ演算ユニット６４、ＥＧＡ演算ユニット６５、システムコントローラ６６、ウェハステージコントローラ６７、レチクルステージコントローラ６８、及び露光制御部６９を含んで構成されている。

フォーカス検出ユニット６０は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂから出力される合焦用信号ＦＳ１を用いて、図２に示すレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂが備える結像光学系２３の焦点ずれを検出し、その検出結果をシステムコントローラ６６へ出力する。画像処理ユニット６１は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂから出力される画像信号ＶＳ１に対して、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行い、レチクルマークＲＭと基準部材１０に形成された基準マークとの相対位置を求め、その処理結果をシステムコントローラ６６へ出力する。

フォーカス検出ユニット６２は、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される合焦用信号ＦＳ２を用いて、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置からのウェハＷの表面のずれ量を検出し、その検出結果をシステムコントローラ６６へ出力する。ＦＩＡ演算ユニット６３は、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２に対して、画像処理、演算処理、フィルタリング処理等の処理を行い、計測視野内におけるマークの位置情報を算出するとともに、得られた位置情報とレーザ干渉計１２の位置計測信号ＰＤＳとからステージ座標系（Ｘ，Ｙ）内における位置情報を求めてシステムコントローラ６６へ出力する。

上記画像処理ユニット６１及びＦＩＡ演算ユニット６３で行われる画像処理等の具体例としては、マークの輪郭を求める処理、得られた輪郭からマークをなすマーク要素各々のエッジ位置を検出する処理、検出したエッジ位置からマーク中心を求める処理等がある。また、ＦＩＡ演算ユニット６３は、マークの位置情報の計測精度を高めるために、ウェハ・アライメントセンサ１６から複数回に亘って出力される画像信号ＶＳ２を一時的に記憶し、一時的に記憶された画像信号を組み合わせを変えて積算し、積算して得られた各々の画像信号に対して画像処理を行い、組み合わせ毎のマークの位置情報を算出する。尚、この処理の詳細については後述する。

ＬＳＡ・ＬＩＡ演算ユニット６４は、アライメントセンサ１７から出力される検出信号とレーザ干渉計１２の位置計測信号ＰＤＳとからステージ座標系（Ｘ，Ｙ）内における位置情報を求めてシステムコントローラ６６へ出力する。ＥＧＡ演算ユニット６５は、ウェハＷ上に予め設定された代表的な数個（３〜９個）のショット領域の各々に付随して形成されたマークの、ウェハ・アライメントセンサ１６により計測された位置情報と、その設計上の位置情報とに基づいてＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）演算を行い、ウェハＷ上に設定された全てのショット領域の配列の規則性を統計的な手法で決定する。尚、ウェハ・アライメントセンサ１６により計測された位置情報はシステムコントローラ６６を介して入力され、ＥＧＡ演算ユニット６５で決定されたショット領域の配列を示す情報はシステムコントローラ６６へ出力される。

システムコントローラ６６は、ＥＧＡ演算ユニット６５の演算結果に基づいて、ウェハステージコントローラ６７を介してレーザ干渉計１２の計測値をモニタしつつモータ１３を介して図１に示したウェハステージ９を駆動してウェハＷ上の各ショット領域の位置決めを行い、露光光制御部４８に制御信号を出力して各ショット領域に対する露光制御を行う。また、システムコントローラ６６は、レチクルステージコントローラ６８を介してレーザ干渉計４の計測値をモニタしつつ、モータ２を介して図１に示したレチクルステージ３を駆動して、レチクルＲの位置調整を行う。

更に、システムコントローラ６６は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂの焦点位置と図２に示すＣＣＤセンサ２５の受光面とが一致していない場合には、フォーカス検出ユニット６０の検出結果に応じてレチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂに設けられた結像光学系２３が備えるレンズ群を駆動し、結像光学系２３の焦点位置を可変させる。また更に、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷの表面が配置されていない場合には、フォーカス検出ユニット６２の検出結果に応じてモータ１３を介して図１に示したウェハステージ９を駆動して、ウェハＷをＺ方向に移動させる。また、システムコントローラ６６は、ＦＩＡ演算ユニット６３で求められるマークの位置情報の候補を示す複数のマーク候補からマークの位置情報を決定する処理を行う。尚、この処理の詳細については後述する。

露光量制御部４８は、システムコントローラ６６から出力される制御信号に基づいて、第２照明光学系ＩＳ２に含まれる不図示のインテグレータセンサの検出結果をモニタしつつ、露光光源ＬＳの露光光源ＬＳの発光の開始及び停止、並びに出力を制御する。また、同様にインテグレータセンサの検出結果をモニタしつつ、第１照明光学系ＩＳ１に設けられる不図示の可変減衰器の減光率（透過率）を段階的又は連続的に調整する。

以上、本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置について説明したが、次に露光時の動作について説明する。露光動作が開始されると、まず主制御系１５が不図示のレチクルローダに対して制御信号を出力し、レチクルＲを搬出させてレチクルステージ３上に吸着保持させる。また、レチクルＲの配置が完了する前に、主制御系１５は、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂを図１中の符号Ａ，Ｂを付した方向にそれぞれ駆動して図１に示した位置に位置決めする。これと同時に主制御系１５はモータ１３を制御してウェハステージ９をＸＹ面内で移動させて、投影光学系ＰＬを介してレチクルマークＲＭの像が投影されるであろう位置又はその近傍に基準部材１０を配置する。尚、ここでは、レチクル・アライメントセンサ６Ａの計測視野内に基準部材１０が配置されるものとする。

以上の処理が終了すると、主制御系１５は露光光源ＬＳに制御信号を出力して、露光光源ＬＳから露光光ＥＬを射出させ、照度が均一にされた露光光ＥＬ１をレチクルマークＲＭを含む領域に照射する。この領域に照射された露光光ＥＬ１の一部は投影光学系ＰＬを透過し、ウェハステージ９上の基準部材１０を照射する。レチクルマークＲＭ及び基準部材１０で反射された露光光ＥＬ１はレチクル・アライメントセンサ６Ａが備えるＣＣＤセンサ２５で受光され、ＣＣＤセンサ２５から主制御系１５へ画像信号ＶＳ１が出力される。尚、レチクル・アライメントセンサ６Ａから主制御系１５には合焦用信号ＦＳ１も出力されており、主制御系１５が結像光学系２３内部の不図示のレンズ群を駆動することで、結像光学系２３の焦点をレチクルパターン面とＣＣＤセンサ２５の受光面とに合わせている。同様の方法でレチクル・アライメントセンサ６Ｂを用いた位置計測が行われる。但し、レチクル・アライメントセンサ６Ｂで位置計測を行う場合には、ウェハステージ９を移動させて基準部材１０をレチクル・アライメントセンサ６Ｂの計測視野に配置された状態で行う。

主制御系１５に入力された画像信号ＶＳ１は、画像処理ユニット６１で画像処理が施されてレチクルマーク及び基準マークの位置情報並びにその位置ずれ量が算出される。算出された情報は、主制御系１５に設けられたシステムコントローラ６６へ出力され、システムコントローラ６６がレチクルステージコントローラ６８を介してモータ２を制御してレチクルステージ３のＸＹ面内の位置を微調し、又はモータ１３を制御してウェハステージ９のＸＹ面内の位置を微調すれば、ウェハステージ９に対するレチクルＲの位置合わせを行うことができる。このようにしてウェハステージ９に対するレチクルＲの位置決めが完了すると、ウェハＷ上に形成されたマークの位置情報を検出してウェハＷ上のショット領域の配列を算出した上で、レチクルＲに形成されたパターンをウェハＷ上のショット領域に転写する処理が行われる。以下、これらの処理の詳細を順に説明する。

ウェハＷ上のショット領域の配列及びアライメントマークとしてのマークの形状等は、図５に示す通りである。図５は、ウェハＷ上のショット領域の配列及びマークの形状を説明するための図である。図５において、ウェハＷ上にはウェハＷ上に設定された座標系（Ｘ，Ｙ）に沿って規則的にショット領域ＥＳ１，ＥＳ２，……，ＥＳＮが形成され、各ショット領域ＥＳｉにはそれまでの工程によりそれぞれデバイスパターンが形成されている。

また、各ショット領域ＥＳｉはＸ方向及びＹ方向に所定幅のストリートラインで区切られており、各ショット領域ＥＳｉに近接するＸ方向に伸びたストリートラインの中央部にマークとしてのＸ軸方向のマークＭｘｉが形成され、各ショット領域ＥＳｉに近接するＹ方向に伸びたストリートラインの中央部にＹ方向のマークＭｙｉが形成されている。マークＭｘｉ，ＭｙｉはそれぞれＸ方向及びＹ方向に所定ピッチで３本の直線パターンを並べたものであり、これらのパターンはウェハＷの下部に凹部又は凸部のパターンとして形成したものである。

ウェハＷへの露光を行うに先だって、それらショット領域ＥＳｉの内から例えば斜線を施して示す９個のショット領域が選択される。このように選択されたショット領域をサンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９という。各サンプルショットＳＡｉにはそれぞれマークＭｘｉ，Ｍｙｉが近接して形成されている。本例ではこれらマークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置を計測することにより、各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での位置情報を計測する。

ここで、サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９の位置情報を計測する際の動作について説明する。まず、露光装置内にウェハＷが搬入されてウェハステージ９上に吸着保持されると、主制御系１５がモータ１３を駆動してウェハステージ９をＸＹ面内で移動させ、例えばサンプルショットＳＡ１に隣接して設けられたマークＭｘ１をウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内に配置し、検知ビームＤＬを配置したマークＭｘ１に照射する。この照射によってウェハＷの表面で反射又は回折された光は、ウェハ・アライメントセンサ１６が備える撮像素子５０で受光され、計測視野内に配置されたマークＭｘ１が撮像される。尚、ウェハ・アライメントセンサ１６から主制御系１５には合焦用信号ＦＳ２も出力されており、主制御系１５がウェハステージ９を駆動してウェハＷをＺ方向に移動させることにより、ウェハ・アライメントセンサ１６の焦点位置にウェハＷの表面を配置している。

本実施形態では、ウェハＷ上に形成されたマークの各々を複数回に亘って撮像しているため、計測視野内に配置されたマークＭｘ１を撮像するときにも複数の画像信号ＶＳ２（複数の被検知領域信号）がウェハ・アライメントセンサ１６から主制御系１５に出力される。ここで、マークの撮像に要する時間を短縮するために、ウェハステージ９が完全に停止する前にマークＭｘ１の撮像が行われる。このため、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内においてマークＭｘ１が本来配置されるべき位置（例えば、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野中心）からずれた位置でマークＭｘ１が撮像される場合がある。

図６は、マークの撮像時におけるマーク位置の変化の一例を示す図である。図６においては、横軸には時間をとり、縦軸にはマーク計測時におけるウェハステージ９のステージ位置をとっている。図６中の位置Ｐ０は、マークＭｘ１の計測時においてマークＭｘ１が本来配置されるべき位置を示している。マークＭｘ１の撮像は、時刻ｔ１〜ｔ２の間、時刻ｔ２〜ｔ３の間、時刻ｔ３〜ｔ４の間、及び時刻ｔ４〜ｔ５の間の計４回に亘って行われる。尚、ここでは１つのマークを４回撮像する場合を例に挙げて説明するが撮像回数は任意である。

マークＭｘ１の撮像時においてウェハステージ９を駆動してマークＭｘ１を位置Ｐ０に配置しようとすると、図６に示す通り、時刻ｔ１〜ｔ２の間においてマークＭｘ１は位置Ｐ０に徐々に近づくが位置Ｐ０を大きく通り過ぎてしまい、時刻ｔ２〜ｔ３の間に逆方向に移動して再び位置Ｐ０に近づいて再度位置Ｐ０を通り過ぎる挙動を示す。但し、時刻ｔ２〜ｔ３の間における位置Ｐ０に対するマークＭｘ１の位置ずれ量は、時刻ｔ１〜ｔ２の間における位置Ｐ０に対するマークＭｘ１の位置ずれ量よりも小さくなる。そして、再度逆方向に移動して時刻ｔ３〜ｔ４の間において再びマークＭｘ１が位置Ｐ０に近づく。このようにして、マークＭｘ１は振動しながら徐々に位置Ｐ０に近づく挙動を示す。

ウェハステージ９の位置情報は常時レーザ干渉計１２で計測されているため、撮像時のマークＭｘ１の位置が位置Ｐ０からずれていたとしても、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内におけるマークＭｘ１の位置情報を求めることで、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）におけるマークＭｘ１の位置情報を求めることはできる。しかしながら、ウェハステージ９の移動によって撮像された画像信号ＶＳ２そのものがぶれてしまうと、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野内におけるマークＭｘ１の位置情報が誤って計測される。このため、レーザ干渉計１２がウェハステージ９の位置情報を正確に計測していても、ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）におけるマークＭｘ１の位置情報が誤差を含んだものとなる。

画像信号ＶＳ２のぶれはウェハステージ９の移動速度の変化が大きいとき（図６に示す例では、時刻ｔ１〜ｔ３の間）に生じやすく、ウェハステージ９が等速運動しているとき（図６に示す例では、時刻ｔ１〜ｔ２の間、又は時刻ｔ２〜ｔ３の間）には生じにくい。また、図６に示す時刻ｔ３以降の通り、ウェハステージ９の移動量がウェハ・アライメントセンサ１６に設けられた撮像素子５０の画素サイズに比べて小さければぶれは殆ど生じない。

前述した通り、本実施形態では、時刻ｔ１〜ｔ２の間、時刻ｔ２〜ｔ３の間、時刻ｔ３〜ｔ４の間、及び時刻ｔ４〜ｔ５の間の計４回に亘ってマークＭｘ１の撮像を行っているため、撮像した全ての画像信号ＶＳ２を単純に積算して画像処理を行うと、得られるマークＭｘ１の位置情報は位置誤差が大きなものとなってしまう。このため、本実施形態では、ウェハ・アライメントセンサ１６から得られる画像信号ＶＳ２の各々を一時的にＦＩＡ演算ユニット６３に記憶し、この画像信号を組み合わせを変えて積算し、積算して得られた各々の画像信号に対して画像処理を行い、組み合わせ毎のマークの位置情報を算出している。一時的に記憶された画像信号を積算する際に、積算する画像信号に重み付けを行った上で画像信号を積算している。

いま、時刻ｔ１〜ｔ２の間に撮像して得られる画像信号をＱ１、時刻ｔ２〜ｔ３の間に撮像して得られる画像信号をＱ２、時刻ｔ３〜ｔ４の間に撮像して得られる画像信号をＦＱ３、時刻ｔ４〜ｔ５の間に撮像して得られる画像信号をＱ４とすると、ＦＩＡ演算ユニット６３は、画像信号Ｑ１〜Ｑ４から例えば以下に示す７通りの組み合わせＣ１〜Ｃ７を作成して画像信号の積算を行う。
Ｃ１：Ｑ１
Ｃ２：Ｑ２
Ｃ３：Ｑ３
Ｃ４：Ｑ４
Ｃ５：Ｑ１，Ｑ２
Ｃ６：Ｑ３，Ｑ４
Ｃ７：Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４

上記の組み合わせＣ１〜Ｃ４は、画像信号Ｑ１〜Ｑ４から単に画像信号Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４をそれぞれ選択したものである。組み合わせＣ５は画像信号Ｑ１〜Ｑ４から画像信号Ｑ１と画像信号Ｑ２との２つの画像信号を選択したものであり、組み合わせＣ６は画像信号Ｑ１〜Ｑ４から画像信号Ｑ３と画像信号Ｑ４との２つの画像信号を選択したものである。組み合わせＣ７は画像信号Ｑ１〜Ｑ４の４つの画像信号の全てを選択したものである。尚、組み合わせＣ７は、得られた画像信号を全て選択して積算するものであるため従来の積算方法と同じである

ＦＩＡ演算ユニット６３は、以上の組み合わせＣ１〜Ｃ７に対する積算処理を終えると、各々の積算処理結果を平均化した上で画像処理を行い、組み合わせＣ１〜Ｃ７各々の位置情報を算出する。ここで行われる画像処理は、積算処理及び平均処理を行った各々の画像信号に対してマーク位置計測処理（例えば、折り返し自己相関処理や、テンプレートマッチング処理や、エッジ位置計測処理（マークＭｘ１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）が行われ、レーザ干渉計１２の位置計測信号ＰＤＳを用いてステージ座標系（Ｘ，Ｙ）におけるマークＭｘ１の位置情報が求められる。

図７は、本発明の一実施形態による位置計測装置を用いて求められた位置計測結果の一例を示す図である。図７においては、横軸には時間をとり、縦軸には位置計測結果をとっている。ここで、横軸に時間をとるのは、組み合わせＣ１〜Ｃ７が画像信号Ｑ１〜Ｑ４の何れを組み合わせたものであるかの理解を容易にするためである。図７中の位置Ｐ１は、マークＭｘ１の計測されるべきマーク位置を示している。図７において、符号Ｒ１〜Ｒ４を付した丸印は、上記の組み合わせＣ１〜Ｃ４の各々から得られる位置計測結果を示している。図７においては、組み合わせＣ１（画像信号Ｑ１）〜組み合わせＣ４（画像信号Ｑ４）の各々から位置計測結果Ｒ１〜Ｒ４のそれぞれが得られることを示すために、位置計測結果Ｒ１〜Ｒ４を横軸に沿って等間隔に記している。

また、符号Ｒ５、Ｒ６を付した三角印は、上記の組み合わせＣ５，Ｃ６の各々から得られる位置計測結果を示している。図７においては、画像信号Ｑ１と画像信号Ｑ２との組み合わせＣ５から位置計測結果Ｒ５が得られることを示すために、位置計測結果Ｒ５の横軸の位置を位置計測結果Ｒ１と位置計測結果Ｒ２との間にしている。同様に、画像信号Ｑ３と画像信号Ｑ４との組み合わせＣ６から位置計測結果Ｒ６が得られることを示すために、位置計測結果Ｒ６の横軸の位置を位置計測結果Ｒ３と位置計測結果Ｒ４との間にしている。更に、符号Ｒ７を示した四角印は、上記の組み合わせＣ７から得られる位置計測結果を示している。図７においては、画像信号Ｑ１〜Ｑ４の全ての組み合わせＣ７から位置計測結果Ｒ７が得られることを示すために、位置計測結果Ｒ５の横軸の位置を時刻ｔ１〜時刻ｔ５の期間の中間の位置にしている。

図７を参照すると、位置計測結果Ｒ１〜Ｒ４は、ウェハステージ９が等速運動しているとき、又はウェハステージ９の移動量が小さいときに得られた画像信号から得られたものであるため、画像信号のぶれの影響が小さく位置計測結果はさほど大きな誤差を含んだものとはならない。これに対し、位置計測結果Ｒ５は、ウェハステージ９の移動速度の変化が大きな時刻ｔ１〜ｔ３に亘る期間の画像信号Ｑ１，Ｑ２を積算した画像信号から求められたものであるため、画像信号のぶれが大きく位置計測結果も大きな誤差を含んだものとなる。

他方、位置計測結果Ｒ６は、位置計測結Ｒ５と同様に２つの画像信号を積算したものから求められたものであるが、ウェハステージ９の移動量が少ない時刻ｔ３〜ｔ５に亘る期間の画像信号Ｑ３，Ｑ４を積算した画像信号から求められたものであるため、画像信号のぶれが小さく位置計測結果は殆ど誤差を含んでいない。位置計測結果Ｒ７は、ウェハステージ９の移動速度の変化が大きな時刻ｔ１〜ｔ３に亘る期間の画像信号Ｑ１，Ｑ２を含む画像信号Ｑ１〜Ｑ４を積算した画像信号から求められたものであるため、やはり位置誤差は大きくなる。

以上の処理によってＦＩＡ演算ユニット６３により求められたマークＭｘ１の７つのマーク候補は、システムコントローラ６６に出力される。システムコントローラ６６は、ＦＩＡ演算ユニット６３からのマーク候補からマークＭｘ１の位置情報を決定する。ここで、マークＭｘ１の位置情報を決定する処理には、最終的なマークＭｘ１の位置情報を決定する上で計測精度を低下させる可能性のあるマーク候補を除外して最終的なマークＭｘ１の位置情報を求める選別処理と、マーク候補に対して所定の演算（例えば、重み付け平均演算）を行って最終的なマークＭｘ１の位置情報を求める演算処理とがある。以下、これらの処理について順に説明する。

計測精度を低下させる可能性のあるマーク候補を除外する選別処理を行うために、システムコントローラ６６は、マークＭｘ１の撮像期間中におけるウェハステージ９の位置の時間変化をモニタしており、マークＭｘ１の撮像を終えた後でモニタ結果を１次関数で近似し、この１次関数と計測時間に対応した各マーク候補とのずれ量を算出し、このずれ量を選別を行う上での評価量とする。そして、この評価量が所定の閾値よりも大きいマーク候補を除外する処理を行う。ここで、上記の閾値は、予め実験又はシミュレーションを行って、必要となる計測精度が得られる値を求めておくのが望ましい。この閾値は、撮像素子５０の画素サイズに相当する値になるものと考えられる。尚、ウェハ・アライメントセンサ１６は第１対物レンズ４６と第２対物レンズ４８とによってマークＭｘ１を拡大しているため、ここにいう画素サイズは撮像素子５０の実際の大きさそのものではなく、撮像素子５０の画素の大きさを第１対物レンズ４６及び第２対物レンズ４８の倍率で縮小した大きさである。

ここで、計測精度を低下させる可能性のあるマーク候補を除外するために、上記の処理以外にマーク候補を統計的な手法により処理し、値が大幅に異なるものを除外する処理を行っても良い。図７に示す位置計測結果Ｒ１〜Ｒ７が得られた場合には、上記処理を行うことにより、例えば位置計測結果Ｒ５，Ｒ７が除外される。更に、上記の閾値をより厳しい値（小さな値）に設定することにより、更に位置計測結果Ｒ１，Ｒ３も除外されると考えられる。以上の処理によって除外されなかったマーク候補が複数ある場合には、更に閾値を厳しくして、マーク候補が１つになるまでマーク候補を除外し、又はそれらのマーク候補を平均化する処理を行って最終的なマークＭｘ１の位置情報を決定する。尚、全てのマーク候補についての評価量が閾値よりも小さい場合には、マーク候補を除外する処理が行われないため単にマーク候補を平均化する処理が行われる。

マーク候補に対して重み付け平均演算を行って最終的なマークＭｘ１の位置情報を求める演算処理を行う場合には、マークＭｘ１の撮像期間中におけるウェハステージ９の移動量に応じた重み付けを行う。このため、システムコントローラ６６は、まず上記の選別処理と同様に、システムコントローラ６６がマークＭｘ１の撮像期間中におけるウェハステージ９のモニタ結果を１次関数で近似する。次に、この１次関数に対する各マーク候補の残差（マーク候補の各々から近似直線までの距離）の二乗の平均を算出し、算出した値を撮像素子５０の画素サイズで除算して残差の二乗平均を撮像素子５０の画素サイズで正規化したものを重み付けを行う上での評価量とする。次いで、この評価量を重み関数Ｗ（ｘ）に代入し、マーク候補の各々に対して重み付けを行う。ここで、上記の重み関数Ｗ（ｘ）としては、例えば以下の（１）式に示す関数を用いることができる。尚、以下の（１）式において、変数ｘが評価量であり、ｃ，ｄは定数である。

図８は、（１）式の重み関数Ｗ（ｘ）を示す図である。尚、図８に示す重み関数Ｗ（ｘ）は、定数ｃの値を「１．０５」に設定し、定数ｄの値を「０．１」に設定したものである。図８に示す通り、重み関数Ｗ（ｘ）は、評価量ｘの値が撮像素子５０の画素サイズ以下であることを示す０〜１未満である場合には値がほぼ「１」であるが、評価量ｘの値が撮像素子５０の画素サイズを示す１の近傍で急激に値が小さくなり、評価量ｘの値が１．５以上になると値がほぼ「０」になる。各マーク候補について求めた評価量を上記の重み関数Ｗ（ｘ）に代入すれば各マーク候補に対する重みが求められ、この重みを用いてマーク候補の重み付け平均演算することにより最終的なマークＭｘ１の位置情報が求められる。

図９は、各マーク候補に対する評価量及び重みの一例を示す図表である。図９に示す通り、前述した組み合わせＣ１〜Ｃ９から求められるマーク候補の計測結果がそれぞれ「４．３」、「−２．６」、「−０．９」、「０．５」、「−１９．０」、「０．９」、「−４８．７」であるとする。尚、このときのマークＭｘ１の真値は「０」である。この結果から、組み合わせＣ９については極めて誤差が大きいことが分かる。上述した重み付け平均演算を行わずに、単純にこれらの計測結果を時間区分で平均化して最終的なマークＭｘ１の位置情報を求めると−９．４［ｎｍ］になる。

これらの計測結果に対する評価量を求めると、図９の図表に示す通り、それぞれ「０．３」、「０．６」、「０．２」、「０．２」、「１．４」、「０．４」、「８．９」となり、組み合わせＣ９に対する評価量が極めて大きくなることが分かる。これらの評価量を上記の（１）式に示す重み関数Ｗ（ｘ）に代入して各マーク候補に対する重みを算出すると、それぞれ「０．９９９」、「０．９９２」、「１．０００」、「１．０００」、「０．０２７」、「０．９９８」、「０．０００」となる。これから、組み合わせＣ１〜Ｃ４，Ｃ６に対する重みが「１」に近い値であるのに対し、組み合わせＣ５，Ｃ７に対する重みは「０」に近い値となり、重み付け平均演算を行うときに組み合わせＣ５，Ｃ７から得られたマーク候補の位置情報は値が極めて小さくなることが分かる。以上の重み付け平均演算を行って最終的なマークＭｘ１の位置情報を求めると０．３［ｎｍ］になる。以上から、位置情報の計測結果を単純に平均化する場合に比べて、誤差が大幅に低減されることが分かる。

尚、上記の例では、残差の二乗平均を撮像素子５０の画素サイズで正規化したものを重み付けを行う上での評価量としていたが、これ以外の評価量を用いて重みを求めることも可能である。例えば、マークＭｘ１の撮像期間中におけるウェハステージ９の移動距離を評価量にすることができる。この評価量を用いるときには、ウェハステージ９の移動距離が長いものほど重みを下げる重み付けを行う。また、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号ＶＳ２の非対称性を評価量にすることもできる。この評価量を用いるときには画像信号が非対称である場合にはぶれが生じているため、非対称な画像信号から得られる計測結果ほど重みを下げる重み付けを行う。尚、異なる評価量を用いる場合には、その評価量にあった重み関数を設定する必要がある。

以上説明した処理と同様の処理を残りのサンプルショットＳＡ２〜ＳＡ９に対して行い、各サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９のステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での位置情報を計測する。次に、これらの位置情報と主制御系１５に予め記憶されているショット領域の設計上の配列情報を示すショットマップデータを用いてＥＧＡ演算ユニット６５においてＥＧＡ演算が行われ、ウェハＷ上に設定された全てのショット領域の配列の規則性が決定される。

システムコントローラ６６は決定されたショット領域の配列を用いて、露光すべきショット領域が投影光学系ＰＬの投影領域（レチクルＲに形成されたパターンが投影される領域）に配置されるように、ウェハステージ９を移動させて位置決めする。ウェハＷの位置決めが完了すると露光光ＥＬがレチクルＲに照射され、そのショット領域が露光される。以後同様に、決定されたショット領域の配列を用いてウェハステージ９がステップ移動により位置決めされて、順次ショット領域が露光される。ウェハステージ９上のウェハＷに設定された全てのショット領域の露光処理を終えると、システムコントローラ６６は不図示のウェハローダに制御信号を出力し、ウェハステージ９上のウェハＷを搬出させるとともに、新たなウェハＷの搬入を行う。新たに搬入されたウェハＷに対しても上述した処理と同様の処理が行われる。

尚、複数のウェハＷがロットを単位として管理されている場合であって、露光装置がロットをなす各ウェハＷの各々に対してウェハステージ９を同様に移動させてウェハＷに形成されたマークの位置情報を計測するときには、先のウェハＷの計測結果を次のウェハＷの位置計測に反映させることができる。例えば、ロット先頭のウェハＷに形成されたマークの位置情報を計測して図７に示す位置計測結果が得られたとすると、この位置計測結果から時刻ｔ３〜ｔ５の間にマークを撮像すれば高い精度で位置情報が得られることが分かる。そこで、２枚目以降のウェハＷに形成されたマークの位置計測を行う場合には、時刻ｔ３〜ｔ５の間にマークの撮像を行えば複雑な演算を行うことなく高い精度でマークの位置情報が求められる。

また、例えばロット先頭のウェハＷのマークに対しては複数のマーク候補に対して重み付け平均演算を行って位置情報を求め、この位置情報と各マーク候補との差からウェハ・アライメントセンサ１６から出力される複数の画像信号（上述の例では画像信号Ｑ１〜Ｑ４）のうちの何れを用いれば精度良くマークの位置情報を計測することができるかの判定を行うことができる。例えば、図９に示す計測結果からは最終的なマークの位置情報として０．３［ｎｍ］が得られるが、これに対して例えば２「ｎｍ」以上離れたマーク候補が得られる組み合わせＣ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ７を除外すれば、高い精度の位置計測するための組み合わせとしてＣ３，Ｃ４，Ｃ６を用いればよいと判定することができる。そして、ロットの２枚目以降のウェハＷに形成されたマークの位置計測を行う場合には、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される複数の画像信号の組み合わせＣ３，Ｃ４，Ｃ６のみを作成して行う。

ウェハＷに形成されたマークを撮像するときのウェハステージ９の移動は、ウェハ・アライメントセンサ１６の計測視野に対するマークの接近方向及び速度等によって決定される。このため、ウェハＷに複数のマークが形成されている場合には、各々のマークを撮像するときのウェハステージ９の挙動は異なる。このため、先のウェハＷの計測結果を次のウェハＷの位置計測に反映させる場合、及び上記の判定を行う場合には、各々のマーク毎に行うことが望ましい。

また、ウェハ・アライメントセンサ１６から出力される画像信号のＳＮＲ（信号対ノイズ比）が小さい場合、又は画像信号の積算数が少ない場合には、計測再現性が悪化し、更には位置情報の計測自体が不可能になる場合がある。かかる場合には、計測不能と判断するＳＮＲを予め定めておき、これを下回る積算数のものについては位置情報を計測するための画像処理を禁止することが望ましい。また、計測自体が可能である場合には、画像信号のＳＮＲを重み係数を算出するための評価量に使用しても良い。

以上、本発明の一実施形態による位置計測装置及び露光装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、ウェハ・アライメントセンサ１６から得られる画像信号ＶＳ２の１つ、２つ、又は４つを選択して組み合わせＣ１〜Ｃ７を作成していたが、画像信号ＶＳ２の組み合わせ方、及び組み合わせに用いる画像信号の数は任意である。また、組み合わせを作成する際に同一の画像信号を複数回用いても良く、また、組み合わせ毎に画像信号の数が異なっていても良い。

また、上述した実施形態においては作成された組み合わせＣ１〜Ｃ７が複数の異なる画像信号を含む場合には、それらを積算していた。また、組み合わせＣ１〜Ｃ７の各々から求められた位置情報に対して重み付け平均演算を行って最終的なマークの位置情報を求めていた。しかしながら、これらの処理は必ずしも必須な処理ではなく、例えば複数の異なる画像信号（前述の例では画像信号Ｑ１〜Ｑ４）が得られた後で、組み合わせを作成せずに各々の画像信号に対して画像処理を行ってマークの位置情報（マーク候補）を求め、これらを単純に平均化して最終的なマークの位置情報を算出しても良い。図９に示す計測結果に対してこの処理を行うと、得られるマークの位置情報は０．３［ｎｍ］となり充分高い計測精度が得られる。

また、上記実施形態では、ウェハＷ上に形成されたアライメント用のマークＭｘｉ，Ｍｙｉの位置情報を求める場合について説明したが、ウェハＷ上に形成されたパターン（回路パターン）の一部をアライメントマークの代わりに用いてウェハＷの位置情報を計測する場合にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、主としてウェハＷに形成されたマークの位置情報をウェハ・アライメントセンサ１６で計測する場合について説明したが、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６ＢでレチクルＲに形成されたレチクルマークＲＭの位置情報を計測する場合にも適用することができる。更には、ウェハＷ及びレチクルＲのみならず物体に形成されたパターンを撮像して物体の位置情報を計測する場合一般について本発明を適用可能である。

また、図４に示した各ブロックは、電子回路によりハードウェア的に構成されていても良く、ソフトウェア的に構成されていても良い。各ブロックをソフトウェア的に構成する場合には、各ブロックの機能を規定するプログラムをＣＰＵ（中央処理装置）が実行することにより、各ブロックが実現される。また、図４に示す各ブロックをハードウェア的又はソフトウェア的に構成する場合には、図示した全てのブロックが１つにまとまって構成されていなくとも良く、分散されて構成されていても良い。

更に、上記実施形態では、連続光をマーク照射してマークを撮像する場合について説明したが、パルス光をマークに照射してマークの撮像を行うこともできる。パルス光を用いることで、実質的に計測時間内におけるウェハステージ９の移動量を少なくすることができる。

尚、本発明の露光装置は、図１に示したステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置に限定されず、例えばステップ・アンド・スキャン方式の露光装置、ミラープロジェクション方式、プロキシミティ方式、コンタクト方式等の露光装置に適用することが可能である。また、半導体素子、液晶表示素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、プラズマディスプレイ、薄膜磁気ヘッド、及び撮像素子（ＣＣＤなど）の製造にも用いられる露光装置、及びレチクル、又はマスクを製造するために、ガラス基板、又はシリコンウェハなどにパターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。即ち本発明は、露光装置の露光方式や用途等に関係なく適用可能である。光源は、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ_２レーザ（１５７ｎｍ）のみならず、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、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（ＬａＢ_６）、タンタル（Ｔａ）を用いることができる。

投影光学系の倍率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、Ｆ_２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（マスク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ればいい。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。

ウェハステージやマスクステージにリニアモータ（USP5、623,853又はUSP5、528、118参照）を用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁気浮上型のどちらを用いてもいい。また、ステージは、ガイドに沿って移動するタイプでもいいし、ガイドを設けないガイドレスタイプでもいい。ステージの駆動装置としては、２次元に磁石を配置した磁石ユニットと、２次元にコイルを配置した電機子ユニットとを対向させ電磁力によりステージを駆動する平面モ−タを用いてもいい。この場合、磁石ユニットと電機子ユニットとのいずれか一方をステージに接続し、磁石ユニットと電機子ユニットとの他方をステージの移動面側に設ければよい。

ウェハステージの移動により発生する反力は、特開平８−１６６４７５号公報（USP5、528、118）に記載されているように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもいい。マスクステージの移動により発生する反力は、特開平８−３３０２２４号公報（US S／N 08/416,558）に記載されているように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。

尚、前述した本発明の一実施形態による露光装置（図１）は、ウェハＷを精度よく高速に位置制御することができ、スループットを向上しつつ高い露光精度で露光が可能となるように、第１照明光学系ＩＳ１、第２照明光学系ＩＳ２、モータ２、レチクルステージ３、レーザ干渉計４、移動鏡５、レチクル・アライメントセンサ６Ａ，６Ｂを含むレチクルアライメント系、ウェハホルダ８、ウェハステージ９、基準部材１０、移動鏡１１、レーザ干渉計１２、及びモータ１３を含むウェハアライメント系、投影光学系ＰＬ等の図１に示された各要素が電気的、機械的、又は光学的に連結して組み上げられた後、総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造される。尚、露光装置の製造は、温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

次に、本発明の一実施形態による露光装置を用いたマイクロデバイスの製造方法の実施形態について簡単に説明する。図１０は、マイクロデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造工程の一例を示すフローチャートである。図１０に示すように、まず、ステップＳ１０（設計ステップ）において、マイクロデバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップＳ１１（マスク製作ステップ）において、設計したパターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップＳ１２（ウェハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウェハを製造する。

次に、ステップＳ１３（ウェハ処理ステップ）において、ステップＳ１０〜ステップＳ１２で用意したマスクとウェハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によってウェハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ１４（デバイス組立ステップ）において、ステップＳ１３で処理されたウェハを用いてデバイス組立を行う。このステップＳ１４には、ダイシング工程、ボンティング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。最後に、ステップＳ１５（検査ステップ）において、ステップＳ１４で作製されたマイクロデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にマイクロデバイスが完成し、これが出荷される。

図１１は、半導体デバイスの場合における、図１０のステップＳ１３の詳細なフローの一例を示す図である。図１１において、ステップＳ２１（酸化ステップ）においてはウェハの表面を酸化させる。ステップＳ２２（ＣＶＤステップ）においてはウェハ表面に絶縁膜を形成する。ステップＳ２３（電極形成ステップ）においてはウェハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップＳ２４（イオン打込みステップ）においてはウェハにイオンを打ち込む。以上のステップＳ２１〜ステップＳ２４のそれぞれは、ウェハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。

ウェハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップＳ２５（レジスト形成ステップ）において、ウェハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップＳ２６（露光ステップ）において、上で説明したリソグラフィシステム（露光装置）及び露光方法によってマスクのパターンをウェハに転写する。次に、ステップＳ２７（現像ステップ）においては露光されたウェハを現像し、ステップＳ２８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップＳ２９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウェハ上に多重にパターンが形成される。

本発明の一実施形態による位置計測装置を備える本発明の一実施形態による露光装置の概略構成を示す図である。 レチクル・アライメントセンサ６Ａの構成例を示す構成図である。 ウェハ・アライメントセンサ１６の構成例を示す構成図である。 主制御系１５の内部構成を示すブロック図である。 ウェハＷ上のショット領域の配列及びマークの形状を説明するための図である。 マークの撮像時におけるマーク位置の変化の一例を示す図である。 本発明の一実施形態による位置計測装置を用いて求められた位置計測結果の一例を示す図である。 （１）式の重み関数Ｗ（ｘ）を示す図である。 各マーク候補に対する評価量及び重みの一例を示す図表である。 マイクロデバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。 半導体デバイスの場合における、図１０のステップＳ１３の詳細なフローの一例を示す図である。

符号の説明

１ コンデンサレンズ（露光手段）
９ ウェハステージ（ステージ、位置決め手段）
１３ モータ（位置決め手段）
１５ 主制御系（制御手段）
４１ 光源（照射手段）
４２ コンデンサレンズ（照射手段）
４３ 視野絞り（照射手段）
４４ 照明リレーレンズ（照射手段）
４５ ビームスプリッタ（照射手段、受光手段）
４６ 第１対物レンズ（照射手段、受光手段）
４８ 第２対物レンズ（受光手段）
４９ ビームスプリッタ（受光手段）
５０ 撮像素子（受光手段）
６３ ＦＩＡ演算ユニット（計測手段）
６６ システムコントローラ（決定手段）
ＩＳ１ 第１照明光学系（露光手段）
ＩＳ２ 第２照明光学系（露光手段）
ＬＳ 露光光源（露光手段）
Ｍ１ 振動ミラー（露光手段）
Ｍ２ 折り曲げミラー（露光手段）
Ｍｘｉ，Ｍｙｉ マーク（所定パターン）
ＰＬ 投影光学系（露光手段）
ＶＳ２ 画像信号（被検知領域信号）
Ｗ ウェハ（物体、基板）

Claims (13)

1. 物体上に形成された所定パターンの位置に関する位置情報を計測する位置計測装置であって、
   前記所定パターンを含む前記物体上の被検知領域に対して連続光を照射する照射手段と、
   前記連続光の照射により、前記被検知領域から発生した反射光を複数回受光して、前記被検知領域に対応する複数の被検知領域信号を出力する受光手段と、
   前記複数の被検知領域信号に基づいて、前記位置情報の候補を複数計測する計測手段と、
   前記計測手段で計測された複数個の前記候補に基づいて、前記位置情報を決定する決定手段と
   を備えることを特徴とする位置計測装置。
2. 前記計測手段は、前記複数の被検知領域信号毎に前記候補を計測することを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
3. 前記計測手段は、前記複数の被検知領域信号を合成した合成信号を複数形成し、該合成信号毎に前記候補を計測することを特徴とする請求項１記載の位置計測装置。
4. 前記決定手段は、前記複数の候補を平均演算して前記位置情報を決定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の位置計測装置。
5. 前記決定手段は、所定の評価量に基づいて前記複数の候補に対して重み付けをし、該重みを用いて該複数の候補を重み付け平均演算して前記位置情報を決定することを特徴とする請求項４記載の位置計測装置。
6. 前記決定手段は、所定の評価量に基づいて前記複数の候補から何れか１つの候補を選択することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の位置計測装置。
7. 前記物体を載置した状態で二次元平面内を移動可能なステージを有し、
   前記評価量は、計測時間に対する前記ステージの移動量に基づいて特定されることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の位置計測装置。
8. 前記受光手段を構成する撮像素子を有し、
   前記評価量は、前記撮像素子の視野中心に対する前記所定パターンのぶれに起因した、前記被検知領域信号の非対称性に基づいて特定されることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の位置計測装置。
9. 前記物体を載置した状態で二次元平面内を移動可能なステージを有し、
   前記決定手段は、前記ステージの移動量を計測時間の１次関数として近似し、該１次関数と、前記計測時間に対応した前記候補とのズレ量を算出し、該ズレ量が所定の閾値よりも大きい場合には前記候補を除外して前記位置情報を決定することを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の位置計測装置。
10. 前記閾値は、前記受光手段を構成する撮像素子の画素幅であることを特徴とする請求項９記載の位置計測装置。
11. 前記物体を載置した状態で二次元平面内を移動可能なステージを有し、
    前記物体が複数個連続して前記ステージ上に載置される際に、前記ステージが前記複数の物体の何れを載置しても同様の移動を行う場合において、
    前記決定手段は、第１の物体に関して前記位置情報を決定した際に使用した前記候補に基づいて、前記第１の物体の次に前記ステージ上に載置される第２の物体上の所定パターンに関する位置情報を決定する際に使用する候補を選択することを特徴とする請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の位置計測装置。
12. 所定パターンを基板上に転写する露光装置であって、
    請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の位置計測装置により計測された位置情報に基づいて、前記基板の位置決めを行う位置決め手段と、
    前記位置決めされた前記基板上に前記所定パターンを転写する露光手段と、
    前記位置決め手段及び前記露光手段を制御する制御手段と
    を備えることを特徴とする露光装置。
13. 請求項１２記載の露光装置を用いてデバイスを製造することを特徴とするデバイスの製造方法。
    

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