JP3622249B2

JP3622249B2 - Position detection method and apparatus

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Publication number: JP3622249B2
Application number: JP01487095A
Authority: JP
Inventors: 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1995-02-01
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JPH08213300A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体素子等を製造する際にマスクパターンを感光性の基板上に露光するフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置に適用されるマスクパターンと感光性基板の相対的な位置合わせ技術に関し、特に感光基板上のマークパターンの検出技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、転写用のパターンが形成されたフォトマスク又はレチクル（以下、まとめて「レチクル」という）の像を、投影光学系を介した投影露光法あるいはプロキシミティ露光法により、フォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等の感光基板）上に転写する露光装置が使用されている。
【０００３】
このような露光装置においては、露光に先立ってレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメント）を高精度に行う必要がある。このアライメントを行うために、ウエハ上には以前の工程で形成（露光転写）された位置検出マーク（アライメントマ−ク）が形成されており、このアライメントマ−クの位置を検出することで、ウエハ（ウエハ上の回路パターン）の正確な位置を検出することができる。
【０００４】
近年、ウェハ（又はレチクル）上のアライメントマークを１次元、又は２次元の格子状にし、その格子マーク上にピッチ方向に対称的に傾斜した２つのコヒーレントビームを投射し、格子マークから同一方向に発生する２つの回折光成分を干渉させて格子マークのピッチ方向の位置や位置ずれを検出する方法が、例えば（Ａ）特開昭６１−２０８２２０号公報、（Ｂ）特開昭６１−２１５９０５号公報等で提案された。このうち公報（Ａ）は２つの対称的なコヒーレントビームの周波数を同一にしたホモダイン方式を開示し、公報（Ｂ）は２つの対称的なコヒーレントビームの間に一定の周波数差を持たせたヘテロダイン方式を開示している。
【０００５】
さらにヘテロダイン方式の位置検出装置を縮小投影露光装置内のＴＴＲ（スルーザレチクル）アライメント系やＴＴＬ（スルーザレンズ）アライメント系に適用したものが、（Ｃ）特開平２−２２７６０２号公報、（Ｄ）特開平３−２５０４号公報等で提案されている。これら公報（Ｃ）、（Ｄ）に開示されたヘテロダイン方式では、２つの音響光学変調素子（ＡＯＭ）にＨｅ−Ｎｅレーザビームを同時に入射させ、各ＡＯＭを例えば２５ＫＨｚ程度の周波数差を持つ高周波駆動信号（一方が８０ＭＨｚ、他方が７９．９７５ＭＨｚ）で駆動し、各ＡＯＭから射出される回折ビームの間に２５ＫＨｚの周波数差を与えている。そしてそれら２つの回折ビームを、ウェハ上、又はレチクル上の格子マークに所定の交差角で照射するための一対の送光ビームとしている。
【０００６】
またヘテロダイン方式では、２つの送光ビーム間の周波数差（２５ＫＨｚ）を基準交流信号とし、格子マークから発生した２つの回折光成分の干渉光（ビート光）を光電検出した信号と基準交流信号との位相差を計測し、それを格子マークのピッチ方向に関する基準点からの位置ずれ量として検出している。
以上のようなヘテロダイン方式では、格子マークを照明する２つの送光ビームの単色性が良好な程、位置ずれの検出精度、分解能が向上し、ナノ・メータオーダの位置検出、位置合わせが可能となる。しかしながら２つの送光ビームの単色性が良好ということは、格子マークから発生する各種回折光間の波長オーダの位相が格子マークの非対称性やレジスト層等に応じて敏感に変化し易いことを意味する。
【０００７】
このうちレジスト層による影響は、露光装置におけるウェハアライメント時の宿命的な問題であり、マーク部分のレジストを局所的に除去するという特別な手法を併用しない限り、又は光学的なマーク検出手法を断念しない限り避けては通れない問題である。
そこで、レジスト層による影響、あるいはマークの断面形状の非対称性による影響を低減してより正確な位置検出を可能としたヘテロダイン方式が（Ｅ）特開平６−８２２１５号公報によって提案された。その公報（Ｅ）には、波長が異なる複数のビーム、又は白色ビームを用い、このビームを固定の回折格子に照射して得られる２つの回折ビームを１段目のＡＯＭに入射し、このＡＯＭで回折された０次ビーム、＋１次回折ビーム、−１次回折ビームを２段目のＡＯＭ内で交差するようにリレーすることによって、例えば第１の波長による一対の送光ビームと第２の波長による一対の送光ビームとを作り、それら２組の送光ビームを同時にウェハ上の格子マークに投射する手法が開示されている。
【０００８】
この際、格子マークから発生して光電検出される干渉ビート光には第１の波長成分と第２の波長成分とが含まれるが、それらは光電素子の受光面上で光量として加算された形で光電検出される。このため、レジスト層の薄膜干渉の影響またはマーク断面形状の非対称性の影響による各波長成分毎の干渉ビート光の相互位相差が強度的に平均化され、より正確な位置検出が可能になるのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のように、位置検出に使用する照明光束を複数の波長、又は所定の波長帯域幅を有するビームにし、格子マークから発生する複数の波長成分を含む干渉光を同一の光電素子で同時に受光する場合、照明光束の中に強度の高い波長成分があると、格子マークからの干渉光もその波長成分のところで強められ、平均化効果を得る上で問題となることがある。さらに、照明光束中の各波長成分が仮に同じ強度であったとしても、ウェハ等の感光基板の表面状態（レジストの厚みむら、格子マークの非対称性の程度等）によっては、格子マークからの干渉光の各波長成分毎の強度に大きな差が生じることも起こり得る。
【００１０】
このため、格子マークから発生した複数の波長成分を含む干渉光を単一の光電素子で受光しても、基板の表面状態によっては必ずしも良好な位置検出精度を得られない場合が生じ得る。
そこで本発明は上述の問題を解決し、ウェハ等の基板の表面状態に影響され難い位置検出方法、又は装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、複数の波長成分を含む照明光束で格子パターン（マーク）を照明した場合でも、波長成分毎の光強度の差に影響され難い位置検出方法、又は装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、複数の波長成分を含む照明光束を基板上の格子パターンに照射して格子パターンの位置を計測する際、基板表面の状態に依存した格子パターンの位置計測誤差を低減した高精度な位置合わせ（アライメント）装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、位置検出すべき基板（ウエハＷ、又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）上に形成された回折格子（ＭＧ）に照明光を投射し、回折格子（ＭＧ）からの回折光を光電検出することによって基板の位置を検出する方法に適用される。そこで図１を参照して本発明の構成を概略的に説明すると、まず、（ａ）回折格子（ＭＧ）に互いに異なる波長成分（λ１、λ２）を含む照明ビーム（基準格子ＲＧで回折されたビーム±Ｄ１１、±Ｄ２２）を投射し、回折格子（ＭＧ）から各波長成分を含む複数の回折ビームを発生させ、（ｂ）発生した複数の回折ビームのうち第１の波長成分（λ１）から成る互いに次数差（＋１次と−１次、又は０次と２次）を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第１の干渉ビーム（Ｂｍ１）を第１の光電素子（ＤＴ３）で受光するとともに、複数の回折ビームのうち第２の波長成分（λ２）から成る互いに次数差（＋１次と−１次、又は０次と２次）を有する２つの回折ビームの干渉によって作られる第２の干渉ビーム（Ｂｍ２）を第２の光電素子（ＤＴ４）で受光する。そして次に、（ｃ）第１の光電素子（ＤＴ３）からの光電信号（Ｉｍ１）に基づいて回折格子（ＭＧ）の周期方向に関する第１の位置情報（ΔＸ１）を回路ユニットＣＵ３で算出し、第２の光電素子（ＤＴ４）からの光電信号（Ｉｍ２）に基づいて回折格子（ＭＧ）の周期方向に関する第２の位置情報（ΔＸ２）を回路ユニットＣＵ４でを算出する。そして最後に、（ｄ）第１の光電素子（ＤＴ３）からの光電信号の振幅値（図１では照明ビームＬＢ１の一部を光電検出する素子ＤＴ１の信号を利用）と第２の光電素子（ＤＴ４）からの光電信号の振幅値（図１では照明ビームＬＢ２の一部を光電検出する素子ＤＴ２の信号を利用）とに応じて重み（Ｃ１、Ｃ２）を変化させて第１の位置情報と第２の位置情報とを回路ユニットＣＵ５により加重平均演算することによって回折格子が形成された基板の位置を確定するようにした。
【００１２】
【作用】
一般にウエハ等の表面に形成される位置合わせ、位置計測用のマークは、その表面に微少な段差を持って作られるが、半導体加工工程上のエッチングやスパッター等のウエハプロセス、あるいはフォトレジスト層の塗布ムラによって、多少の非対称性を有している。その非対称性はマーク位置検出時の精度低下を招く。
【００１３】
格子マークから発生した２つの回折光の相互干渉光を光電検出し、その光電信号を利用する干渉式アライメント法においては、格子マークの非対称性はマーク自体の振幅反射率の非対称性となって位置検出精度の劣化に作用する。すなわち、格子マークを構成するラインの溝底部の深さ等が格子ピッチ方向に差を持ったり、レジスト層の厚みに部分的な差があった場合、マーク自体の振幅反射率の絶対値と位相とは、溝底部の深さやレジスト厚の変化に応じて非対称になる。この結果、格子マークから発生する回折光も例えば０次光に対して右方向に発生する正の次数と左方向に発生する負の次数とで強度や位相が異なったものになってしまう。このうち強度の差は位置検出精度の劣化にほとんど寄与しないが、位相の変化は位置検出精度に大きな影響を与える。
【００１４】
ところで格子マーク自体の振幅反射率は、マークの深さやレジスト厚だけでなく、照明光（検出光）の波長によっても大きく変動する。検出光の波長を複数（又はブロードバンド）にすると、各波長成分毎にマーク自体の振幅反射率が異なり、位置検出結果も異なったものとなる。そこで、種々のマーク条件のもとでマーク自体の振幅反射率を想定することにより位置検出精度をシミュレーションすることができる。
【００１５】
本願発明は、特定の波長のみを含む照明光によって格子マークを照射し、その格子マークから発生する回折光を光電検出する場合、光電信号の強度（照明光束と格子マークの相対走査に伴う信号変化の振幅）が極端に小さくなると、総じて位置検出精度も悪化するというシミュレーション上の結果に基づいて着想されたものである。そのシミュレーション結果から、本発明では、単一波長の照明光を用いたときに光電信号の振幅が極端に小さくなるような格子マーク条件であっても、別の波長の照明光を併用した波長毎の位置検出結果を加重平均することで位置検出精度の極端な悪化を防止するようにしたのである。
【００１６】
そこで、従来のように単一波長の照明光を用いたヘテロダイン方式での位置検出精度のシミュレーション結果を図１８、図１９を参照して説明する。このシミュレーションは、レジスト層で被覆されたウエハ上の格子マークに対称的な２方向から一定の周波数差をもつコヒーレントな送光ビームを照射する場合を想定し、格子マークから垂直に発生した±１次回折光の相互干渉光、すなわち干渉ビート光の状態（振幅、位相等）を波長を変化させて観察することで得られたものである。
【００１７】
図１８は、シミュレーションで想定したウエハ等の１次元格子ＭＧとその表面に塗布されたレジスト層ＰＲとの部分拡大断面を模式的に表したものである。ここで、格子ＭＧのピッチＰｍｇは８μｍ、デューティは１：１、溝の段差（又は深さ）Ｔ２は０．７μｍに設定され、格子ＭＧのボトム部にはピッチ方向のテーパー（傾き）ΔＳとして０．１％の非対称性を設定した。このような格子ＭＧを覆うレジスト層ＰＲは、格子ＭＧのトップ部の表面からの厚さＴ１を０．９μｍとし、格子ＭＧの各ボトム部の位置に対応したレジスト層表面でのへこみ量ΔＴがΔＴ≒０．３Ｔ２（０．２１μｍ）となるように仮定した。このような図１８の格子構造のことを振幅反射率が非対称な格子と呼ぶ。
【００１８】
図１９は、横軸に照明光または±１次回折光を合成した干渉光の波長λ（μｍ）を取り、縦軸にその干渉光の光量変化に応じた信号の変化分（交流成分）の相対的な振幅と位置検出の誤差量（μｍ）とを取ったものである。この図１９のシミュレーション結果では、ヘテロダイン方式で受光した干渉光に応じた光電信号の交流成分が丁度零、すなわち直流成分のみになる波長λをＨｅ−Ｎｅレーザの波長０．６６３μｍに合わせるように、図１８の格子マーク構造とレジスト層の条件を設定した。
【００１９】
これから明らかなように、波長０．６６３μｍのレーザ光を使うと、その波長近傍（±２０ｎｍ程度）ではマーク位置の検出誤差が非常に大きくなることがわかる。これはヘテロダイン方式では当然のことで、位相差計測すべき光電信号にビート周波数に応じた交流成分がまったく含まれていなければ、位相差計測自体が不能になるからである。このことは、同じ条件の格子マーク構造とレジスト層のもとで、ホモダイン方式で位置検出する場合も全く同じである。
【００２０】
そこで、図１９のような条件下でも、波長λが０．６７０μｍ又は０．７２５μｍ程度の半導体レーザを照明ビームにすると、マーク位置の検出誤差を十分に小さく押さえることができる。このことから、Ｈｅ−Ｎｅレーザと半導体レーザ等のように波長が異なる２色の照明ビームを用い、信号の変化分（交流成分）の振幅が大きい方の波長のビーム照射のもとで検出されたマーク位置（又は位置ずれ量）を重視（選択、又は重み付け）することが有効となる。
【００２１】
あるいは、特定の一方向に進む２つの１次回折光の干渉光のみを検出するのではなく、別な方向に進む０次光と２次回折光との干渉光を光電検出し、その信号に基づいて決定されたマーク位置も考慮するという方法もある。図２０は、回折格子マークＭＧに波長λ１の２つの照射ビーム±Ｌ１と波長λ２の２つの照射ビーム±Ｌ２とを入射し、格子マークＭＧ上に波長λ１とλ２とで同一の強度分布のピッチＰｉｆを持つ干渉縞が生成されるビーム入射条件とした上で、格子マークＭＧのピッチＰｍｇをＰｍｇ＝２Ｐｉｆの関係にしたときの０次光、±１次、±２次の各回折光の発生を示したものである。
【００２２】
図２０で格子マークＭＧと垂直に進む１次回折光±Ｄ１ｎの干渉ビームＢＭには波長λ１、λ２の両方の成分が含まれている。そして０次光（正規反射光）は、ビーム±Ｌ１と±Ｌ２とで入射角がわずかに異なるために、それぞれのビーム±Ｌ１、±Ｌ２に対応して±Ｄ０１、±Ｄ０２の４本が互いに異なる方向に進む。ここでＤ０１、Ｄ０２の添字の１項目は回折次数を表し、２項目は波長（λ１、λ２）を表す。
【００２３】
さて、ビーム＋Ｌ１の照射によって発生した２次光−Ｄ２１はビーム＋Ｌ１の光路を逆進する方向に進み、ビーム−Ｌ１の０次光＋Ｄ０１と干渉する。同様に、他の２次光＋Ｄ２１、−Ｄ２２、＋Ｄ２２もそれぞれ対応する０次光−Ｄ０１、＋Ｄ０２、−Ｄ０２と同一方向に進む。これら０次光と２次光との干渉光も、±１次光の干渉ビームＢＭと同様に、格子ＭＧと干渉縞との相対変位に応じて強度変化する。
【００２４】
そこで、波長λ１のみに着目して考えてみると、１次成分（１次光±Ｄ１１の干渉ビームＢＭ）を光電検出してマークの位置（又は位置ずれ）を求めるとともに、２つの２次成分（０次光＋Ｄ０１と２次光−Ｄ２１の干渉光と０次光−Ｄ０１と２次光＋Ｄ２１の干渉光）の夫々を光電検出し、２つの２次成分の夫々の信号を使って個別に求められたマーク位置を平均した値をマークの位置として求める。そして１次成分の信号の振幅値と２次成分の各信号の振幅の平均値との大小関係に応じて、１次成分を使って検出されたマーク位置と２次成分を使って検出されたマーク位置とのいずれか一方を選択する、又は重み付け平均を行う等の方法が有効となる。
【００２５】
このように、マーク検出に使う回折光の次数を変えるのは、次数に応じて格子ＭＧから発生する回折光の方向が異なるため、ある方向に進む次数成分の干渉光の強度変化の振幅が小さくなって検出精度が悪化する場合でも、別の方向に進む次数成分の干渉光の強度変化の振幅はそれ程小さくならず、検出精度を悪化させないことがあるからである。
【００２６】
このことは図２１に示したシュミレーション結果からも確かめられる。図２１は、波長０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザを照射ビームとし、図１９中の格子ＭＧの段差Ｔ２をパラメータとした信号の変化分（交流成分）の振幅と位置検出誤差との関係のシミュレーショングラフであり、ピッチＰｍｇ＝８μｍ、デューティ１：１、テーパー量ΔＳ＝０．１％はそのままでレジスト層ＰＲの格子のトップ面での厚さＴ１を１．１５μｍとしたものである。そして、図２１（Ａ）は１次成分（１次光±Ｄ１１）の干渉ビームＢＭの場合のシミュレーションであり、図２１（Ｂ）は２次成分（０次光±Ｄ０１と２次回折光±Ｄ２１）の干渉光の場合のシミュレーションである。
【００２７】
この図２１（Ａ）、（Ｂ）から理解されるように、１次成分、２次成分の各干渉光を光電検出して得られた信号の振幅成分は、格子マークの形状（段差Ｔ２）の微妙な変化に応じて大きく変化する。例えば図２１（Ａ）中で、格子の段差Ｔ２が０．８６μｍのとき、１次成分の干渉光の強度変化の振幅は極めて小さくなり、その結果位置検出誤差も急激に大きくなっている。しかしながら、図２１（Ｂ）中で段差Ｔ２が０．８６μｍのところを見てみると、２次成分の干渉光の強度変化は比較的大きく、位置検出誤差の悪化は少ない。尚、図２１（Ａ）、（Ｂ）中の信号の変化分の振幅はいずれも相対値として表してあるが、そのスケールは図２１（Ａ）と（Ｂ）とで合わせてある。
【００２８】
このように、１次成分の干渉光を使った格子マークの位置検出と２次成分の干渉光を使った格子マークの位置検出とを併用し、そのいずれかの一方の結果を採用するようなアルゴリズムを用いる場合も、先の図２０のシミュレーションから明らかなように、波長依存性を利用して複数の波長成分の照明光で得られた検出位置（又は位置ずれ）を加重平均することが良い。
【００２９】
以上のように、検出光の波長を複数とし、各波長成分毎に得られるマーク位置情報を平均化することによって、従来よりも高精度な位置検出が可能となる。また図２０に示した通り、ある波長の回折光（干渉光）の光量信号の変化分（交流成分）の振幅が小さいと、その波長の回折光を用いた位置検出精度が劣化する確率が高いというシミュレーション結果も得られている。そこで複数の波長成分の回折光（干渉光）を検出する際、各波長成分毎に検出されたマーク位置を、信号の変化分の振幅が小さいものには小さい重みを、そして振幅が大きいものには大きい重みを掛けて平均化する。このようにすると、大きな誤差を含んでいる確率の高い波長成分の回折光を用いたマーク位置の検出結果には、自動的に小さな重みしかかからず、最終的なマーク位置検出結果もそれなりに精度が維持される。
【００３０】
また２次成分（０次光と２次回折光の干渉光）の信号を検出する場合も、各波長成分毎に光電検出して得られた信号を使ってマーク位置を個別に求めるために、回折光（干渉光）の受光時に後述するような各波長の相殺効果によってマーク位置が検出できなくなるおそれが全くない。
【００３１】
【実施例】
図１は、本発明の第１の実施例による位置検出装置の構成を示し、ここでは２つの回折格子ＲＧ、ＭＧの間のピッチ方向（Ｘ方向とする）の相対的な位置ずれ量をホモダイン方式で計測する場合を例示する。照明光束としてのビームＬＢ１、ＬＢ２は、それぞれ異なるレーザ光源から互いに異なる波長λ１、λ２で射出され、同軸に合成された上でビームスプリッタＢＳ、ミラーＭＲ１を介して格子ＲＧに垂直に照射される。ビームスプリッタＢＳはビームＬＢ１、ＬＢ２の一部分（数％程度）を振幅分割し、ダイクロイックミラーＤＣＭ１を介して光電素子ＤＴ１、ＤＴ２に導く。ダイクロイックミラーＤＣＭ１は波長λ１のビームＬＢ１を９０％以上透過して光電素子ＤＴ１へ送り、波長λ２のビームＬＢ２を９０％以上反射して光電素子ＤＴ２へ送る。各光電素子ＤＴ１、ＤＴ２は、受光した波長λ１のビームの強度値を表す信号Ｉｒ１と波長λ２のビームの強度値を表す信号Ｉｒ２とを出力する。
【００３２】
さて、格子ＲＧからはビームＬＢ１、ＬＢ２（平行光束）の照射によって、複数の回折光束が発生するが、格子ＲＧを透過型のデューティ１：１の１次元格子とし、そのピッチ方向が図１の紙面内の左右方向だとすると、それら回折光束（回折ビーム）の夫々は図１の紙面内で所定の回折角をもって曲げられる。
図１では、それら回折ビームとして波長λ１のビームＬＢ１から生成された１次回折ビーム＋Ｄ１１、−Ｄ１１、波長λ２のビームＬＢ２から生成された１次回折ビーム＋Ｄ１２、−Ｄ１２、及び０次ビームＤ０を示してある。もちろん、各波長のビームＬＢ１、ＬＢ２毎に、それ以上の高次回折光も発生するが、ここでは説明を簡略化するために１次回折ビームのみを図示した。
【００３３】
さて、各回折ビームは前群レンズ系Ｇ１と後群レンズ系Ｇ２に分かれた結像光学系に入射する。格子ＲＧが前群レンズ系Ｇ１の前側焦点距離ｆ１ａの位置に配置され、前群レンズ系Ｇ１の後側焦点距離ｆ１ｂの位置と後群レンズ系Ｇ２の前側焦点距離ｆ２ｂの位置とがほぼ一致してフーリエ変換面ＥＰが形成されていると、各１次回折ビームは後群レンズ系Ｇ２の後側焦点距離ｆ２ａの位置で交差（結像）する。ただし、レンズ系Ｇ１、Ｇ２は２つの波長λ１、λ２に対して色収差が補正されているものとする。
【００３４】
図１に示すように、フーリエ変換面（瞳面）ＥＰの中央には小さなミラーＭＲ２が固定され、このミラーＭＲ２によって格子ＲＧからの０次ビームＤ０は遮光され、後群レンズ系Ｇ２へ入射することが阻止される。また各１次回折ビームは格子ＲＧから射出するときは、ビームＬＢ１、ＬＢ２と同様に平行光束になっているが、前群レンズ系Ｇ１の作用でフーリエ変換面ＥＰの位置でビームウエストとなって収れんする。
【００３５】
ここで、格子ＲＧのピッチをＰｒｇとすると、波長λ１のビームＬＢ１によって発生した１次回折ビーム±Ｄ１１の回折角（０次ビームＤ０に対する角度）θ１と波長λ２のビームＬＢ２によって発生した１次回折ビーム±Ｄ１２の回折角θ２はそれぞれ以下の式で表される。
ｓｉｎ θ１＝λ１／Ｐｒｇ（１）
ｓｉｎ θ２＝λ２／Ｐｒｇ（２）
ここでλ１＜λ２とするとθ１＜θ２になり、図１に示したようにフーリエ変換面ＥＰにおいて、１次回折ビーム±Ｄ１１の方が１次回折ビーム±Ｄ１２の内側（０次ビームＤ０側）を通る。
【００３６】
さて各１次回折ビームは、後群レンズＧ２を介して物体側に凹凸形状で形成された被計測用の反射型格子ＭＧ上でそれぞれ平行光束となって重畳する。このとき、格子ＭＧのピッチ方向もＸ方向に一致しており、格子ＭＧ上には１次回折ビーム±Ｄ１１の２光束干渉によって波長λ１の１次元干渉縞（ピッチ方向はＸ方向）が生成され、１次回折ビーム±Ｄ１２の２光束干渉によって波長λ２の１次元干渉縞（ピッチ方向はＸ方向）が生成される。このとき、波長λ１の光と波長λ２の光が異なる波長であるため、１次回折ビーム±Ｄ１１と±Ｄ１２の間では干渉がおこらない。そして重要なことは、１次回折ビーム±Ｄ１１によって生成された波長λ１の干渉縞と１次回折ビーム±Ｄ１２によって生成された波長λ２の干渉縞とは、そのピッチがまったく同一であたかも単一の干渉縞として現れることである。
【００３７】
その干渉縞の強度分布のピッチＰｉｆは格子ＲＧのピッチＰｒｇと結像光学系（Ｇ１、Ｇ２）の倍率Ｍによって決まり、Ｐｉｆ＝Ｍ・Ｐｒｇ／２で表される。例えばピッチＰｒｇを４μｍ、倍率Ｍを１／４（格子ＲＧのパターンサイズが格子ＭＧ側で１／４に縮小される）にすると、干渉縞のピッチＰｉｆは０．５μｍとなる。ここで被計測用の格子ＭＧのピッチＰｍｇをＰｍｇ＝２Ｐｉｆの関係、すなわちＰｍｇ＝Ｍ・Ｐｒｇの関係に定めると、格子ＭＧからは１次回折ビーム±Ｄ１１を送光ビームとした再回折光が発生する。例えば、１次回折ビーム＋Ｄ１１を送光ビームとして格子ＭＧから発生する１つの再回折光は、格子ＭＧから垂直に進む−１次回折光（波長λ１）であり、１次回折ビーム−Ｄ１１を送光ビームとして格子ＭＧから発生する１つの再回折光は格子ＭＧから垂直に進む＋１次回折光（波長λ１）である。これら垂直に進む波長λ１の±１次回折光は相互の位相状態に応じた干渉強度をもち、干渉ビームＢＭとなってミラーＭＲ２へ達する。
【００３８】
一方、格子ＭＧからは１次回折ビーム±Ｄ１２を送光ビームとした再回折光も発生するが、１次回折ビーム＋Ｄ１２の照射により格子ＭＧから発生する−１次回折光（波長λ２）は格子ＭＧと垂直に進み、１次回折ビーム−Ｄ１２の照射により格子ＭＧから発生する＋１次回折光（波長λ２）も格子ＭＧと垂直に進む。これら垂直に進む波長λ２の±１次回折光も相互の位相状態に応じた干渉強度をもち、干渉ビームＢＭとなってミラーＭＲ２へ達する。すなわち、干渉ビームＢＭには波長λ１の干渉ビームＢｍ１と波長λ２の干渉ビームＢｍ２とが同軸に含まれている。
【００３９】
その干渉ビームＢＭは、ミラーＭＲ２で反射されて光電検出系を構成するレンズ系Ｇ３、ダイクロイックミラーＤＣＭ２を介して光電素子ＤＴ３、ＤＴ４に達する。そのダイクロイックミラーＤＣＭ２は波長λ１とλ２を分割するものであり、実質的にダイクロイックミラーＤＣＭ１と同じものが使われる。従って、干渉ビームＢＭ中の波長λ１の干渉ビームＢｍ１は光電素子ＤＴ３で受光され、波長λ２の干渉ビームＢｍ２は光電素子ＤＴ４で受光される。
【００４０】
光電素子ＤＴ３は干渉ビームＢｍ１の強度に応じたレベルの光電信号Ｉｍ１を回路ユニットＣＵ１とＣＵ３に出力し、光電素子ＤＴ４は干渉ビームＢｍ２の強度に応じたレベルの光電信号Ｉｍ２を回路ユニットＣＵ２とＣＵ４に出力する。回路ユニットＣＵ１は光電素子ＤＴ１からの信号Ｉｒ１と光電信号Ｉｍ１の振幅値との比Ｃ１をＩｍ１／Ｉｒ１の演算によって求め、回路ユニットＣＵ２は光電素子ＤＴ２からの信号Ｉｒ２と光電信号Ｉｍ２の振幅値との比Ｃ２をＩｍ２／Ｉｒ２の演算によって求める。これらの比Ｃ１、Ｃ２のデータは後で述べる加重平均を計算する回路ユニットＣＵ５に出力される。
【００４１】
さて本実施例ではホモダイン方式を採用したので、干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２の強度は格子ＲＧとＭＧのＸ方向の相対位置変化に応じて変化し、仮に格子ＲＧ、ＭＧがある状態で静止していると信号Ｉｍ１、Ｉｍ２のレベルはそれぞれある一定値を取り続ける。そこで格子ＲＧによって生成された格子ＭＧ上の干渉縞と格子ＭＧとをＸ方向に一定量（干渉縞のピッチＰｉｆ分以上）だけ相対走査させ、その間に生じる信号Ｉｍ１、Ｉｍ２の正弦波状のレベル変化におけるピーク値とボトム値をサンプリングし、その差値を振幅値としてそれぞれ回路ユニットＣＵ１、ＣＵ２の演算に使うようにする。
【００４２】
そこで、図２を参照して干渉縞と格子ＭＧとの位置関係の変化に応じた信号Ｉｍ１（Ｉｍ２も同様）の変化を説明する。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）でピッチＰｉｆの干渉縞は２光束干渉であるためきれいな正弦波状の強度分布を有し、格子ＭＧのピッチＰｍｇに対してＰｍｇ＝２Ｐｉｆに設定されている。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順に干渉縞が格子ＭＧに対して右方向に移動していくと、図２（Ｄ）のように信号Ｉｍ１のレベルは正弦波状に変化する。図２（Ｂ）のように干渉縞の各ピークが格子ＭＧの段差エッジと重なる位置で信号Ｉｍ１は点Ｂのようにボトムレベルとなる。ここで図２（Ｄ）中の点Ａのレベルは図２（Ａ）の位置関係の場合を表し、点Ｃのレベルは図２（Ｃ）の位置関係の場合を表す。
【００４３】
このように信号Ｉｍ１は干渉縞と格子ＭＧとがＸ方向にＰｍｇ／２だけ移動する毎に周期的にレベル変化する。このため、予備的に干渉縞と格子ＭＧとを微動させない限り、検出した信号Ｉｍ１のピークレベルやボトムレベルを求めることはできない。以上のことは信号Ｉｍ２についても同様である。信号Ｉｍ２は±１次回折光の干渉ビームＢｍ２の強度を表すから、図２（Ｄ）中に想像線で示したように、信号Ｉｍ１のレベルと大きく異なることはあっても、信号Ｉｍ１に対する位相は極端にずれることはない（ただし、レジストの干渉やマークの非対称性によって数％程度ずれることはある）。このため干渉縞と格子ＭＧとが静止している任意の位置関係のところで信号Ｉｍ１とＩｍ２の各レベルをサンプリングしても、理論上は回路ユニットＣＵ１、ＣＵ２による比Ｃ１、Ｃ２の演算は可能である。しかしながら、図２（Ｄ）から明らかなように、信号Ｉｍ１、Ｉｍ２がピークとなる点で各レベルをサンプリングした方が各種ノイズの問題や検出精度の点で有利となる。
【００４４】
一方、回路ユニットＣＵ３、ＣＵ４はそれぞれ信号Ｉｍ１、Ｉｍ２の振幅値と予め設定された関数または変換演算式Ｆ（Ｉｍ１）、Ｆ（Ｉｍ２）とに基づいて、干渉縞と格子ＭＧのＸ方向の位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２を演算する。この位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２は例えば図２（Ｄ）中の各信号Ｉｍ１、Ｉｍ２のピーク点又はボトム点を基準（原点）として、そこから±Ｐｍｇ／４の範囲内の値として求められる。
【００４５】
関数（または式）Ｆ（Ｉｍ１）、Ｆ（Ｉｍ２）は各信号がＩｍ１、Ｉｍ２が正弦波状であることから、正弦関数または余弦関数を使う。一例として、先に述べた信号Ｉｍ１のピークレベルをＥｐ１、ボトムレベルをＥｂ１とし、検出すべき位置における信号Ｉｍ１のレベルをｅ１とすると、
（Ｅｐ１＋Ｅｂ１）／２＋｛（Ｅｐ１−Ｅｂ１）ｓｉｎψ１｝／２＝ｅ１
を満たすラジアンψ１を求め、これをピッチＰｍｇの値を使った以下の変換式に代入すれば、基準点からのずれ量ΔＸ１がわかる。
【００４６】
ΔＸ＝Ｐｍｇ・ψ／４π （３）
こうして算出されたずれ量ΔＸ１、ΔＸ２のデータは加重平均演算を行う回路ユニットＣＵ５に送られ、先に求めた比Ｃ１、Ｃ２を重み係数として以下の演算を行う。
ΔＸ＝（Ｃ１・ΔＸ１＋Ｃ２・ΔＸ２）／（Ｃ１＋Ｃ２）（４）
この演算で求められたずれ量ΔＸが最終的に求めるべき格子ＭＧの格子ＲＧに対する位置ずれ量である。
【００４７】
この演算式から明らかなように、ずれ量ΔＸは干渉ビームＢＭ中の強度が高い方の波長成分の干渉ビームを使った位置ずれ量の計測結果の方により多くの重みをかけるようにして決定される。以上のように本実施例では２つの異なる波長成分のビームＬＢ１、ＬＢ２を使って各格子ＲＧ、ＭＧを照射し、受光すべき干渉ビームＢＭも波長別に光電検出し、各波長毎の干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２を使って個別に位置ずれ検出した結果を、波長毎の受光光の振幅に応じて加重平均するようにしたので、より信頼性の高い位置検出結果が得られる。
【００４８】
以上の図１に示した信号処理系（回路ユニットＣＵ１〜ＣＵ５）のアルゴリズムは、以降で説明する他の実施例においても共通したものであり、各回路ユニットの機能を実現するにあたって格別に変更、改良があるときは、その都度説明する。また図１に示した光学配置で、格子ＲＧをマスク上の格子マークとし、格子ＭＧをウエハ上のマークとし、結像系Ｇ１、Ｇ２をマスクパターンのウエハへの投影レンズとすれば、投影露光装置でのアライメント装置が実現できる。
【００４９】
図３は第２の実施例による概略的な構成を示し、図１中の部材やビーム等と同一機能のものには同じ符号を付けてある。この第２の実施例では、照明用の２つのビームＬＢ１、ＬＢ２をレンズ系Ｇ４を介して結像光学系（Ｇ１、Ｇ２）の瞳面の中央に配置されたミラーＭＲ２に入射させ、このミラーＭＲ２で下へ曲げられたビームＬＢ１、ＬＢ２を後群レンズ系Ｇ２を介して平行光束にして格子ＭＧに垂直に照射する。そして格子ＭＧで回折した波長λ１の１次回折ビーム±Ｄ１１と、波長λ２の１次回折ビーム±Ｄ１２とをレンズ系Ｇ１、Ｇ２を通して格子ＲＧ上で交差（結像）させる。格子ＲＧは透過型なので、１次回折ビーム±Ｄ１１の照射によって格子ＲＧから発生した再回折光のうちの±１次回折光は格子ＲＧと垂直に結像光学系と反対方向に進み、ミラーＭＲ３とダイクロイックミラーＤＣＭ３を介して干渉ビームＢｍ１となって光電素子ＤＴ３で受光される。１次回折ビーム±Ｄ１２の照射によって発生した±１次再回折光も干渉ビームＢｍ２となって干渉ビームＢｍ１と同じ光路を通り、ダイクロイックミラーＤＣＭ３で選択されて光電素子ＤＴ４に達する。その他の構成は図１と同じである。
【００５０】
本実施例はビームの送光と受光との関係を図１のものと逆にした構成であるが、この構成は格子ＭＧを半導体ウエハに形成し、格子ＲＧをレチクル（マスク）に形成し、そしてレンズ系Ｇ１、Ｇ２をレチクルパターンの投影露光用の縮小投影レンズにした（Ｆ）特開平３−３２２４号公報の装置に適用できる。ただし、公報（Ｆ）に開示された装置では、投影レンズの瞳面ＥＰに１次回折ビームを微少量だけ屈折させる小レンズを設け、投影レンズで発生する色収差を補正しているが、図３の実施例を適用するときは、互いにわずかに波長の異なる２組の１次回折ビーム±Ｄ１１、±Ｄ１２の夫々に対して最適な補正が成されるような小レンズ（例えば色分散の大きいフリント系の硝材）を設ける必要がある。
【００５１】
以上、第２の実施例では照明用のビームＬＢ１、ＬＢ２を例えばウエハ上の格子ＭＧに直接入射するように構成したので、格子ＭＧから発生する１次回折ビーム±Ｄ１１、±Ｄ２１の各強度を、図１中の格子ＭＧから発生する回折ビーム（干渉ビームＢＭ）の強度よりも総じて高めることができる。
次に本発明の第３の実施例を図４、図５、図６を参照して説明するが、ここではホモダイン方式に代わってヘテロダイン方式を用いる。図４において、３つのレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３はそれぞれ異なる波長λ１、λ２、λ３のレーザビームＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３を射出する。一例として、レーザ光源ＬＳ１はλ１＝０．６３３μｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光源、光源ＬＳ２はλ２＝０．６９０μｍの半導体レーザ光源、光源ＬＳ３はλ３＝０．７６０μｍの半導体レーザ光源に設定され、波長の関係はλ１＜λ２＜λ３に選ばれるものとする。
【００５２】
これら３本のビームＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３はミラーＭＲ、ダイクロイックミラーＤＣＭ４、ＤＣＭ５を介して１本の同軸のビームＬＢ０に合成され、ミラーＭＲで反射されて回転ラジアル格子板ＲＲＧに入射する。この格子板ＲＲＧは一方向に等角速度で回転軸Ｃ０の回りに高速回転しており、この格子板ＲＲＧによって回折された各次数の回折光の周波数を、角速度に応じた分だけ増減させる作用を有する。
【００５３】
図５は回転ラジアル格子板ＲＲＧの拡大斜視図であり、ここでは回転軸Ｃ０をＸＹＺ座標系のＺ軸と平行に設定し、円形の格子板ＲＲＧには円周上に透過型の位相回折格子ＲＧが３６０度に渡って形成されている。ビームＬＢ０が格子板ＲＲＧの格子ＲＧに垂直に入射すると、０次光Ｄ０以外に各種の回折光が発生する。本実施例では±１次回折光を用いてヘテロダイン方式を実現するので、図４、図５では格子板ＲＲＧからの±１次回折光のみを示してある。
【００５４】
さて、先の図１で示したのと同様に格子板ＲＲＧの格子ＲＧからは、波長λ１のビームＬＢ１から作られた１次回折ビーム±Ｄ１１と、波長λ２のビームＬＢ２から作られた１次回折ビーム±Ｄ１２と、そして波長λ３のビームＬＢ３から作られた１次回折ビーム±Ｄ１３が発生する。各波長毎に１次回折ビームの回折角θは以下のように表される。
【００５５】
ｓｉｎ θｎ＝λｎ／Ｐｒｇ
ここでｎは波長を表し、Ｐｒｇは格子ＲＧのピッチを表す。
一方、１次回折ビームは波長によらず一定の周波数偏移Δｆを受け、格子板ＲＲＧの格子ＲＧがビームＬＢ０を横切る速度をＶとすると、Δｆ＝Ｖ／Ｐｒｇで表され、＋１次回折ビームは０次光Ｄ０の周波数に対してΔｆだけ高くなり、−１次回折ビームは０次光Ｄ０の周波数に対してΔｆだけ低くなる。このため回転ラジアル格子板ＲＲＧは周波数シフターとして作用する。
【００５６】
さて、３つの波長成分の１次回折ビーム±Ｄ１ｎ（ｎ＝１、２、３）からなる送光ビーム±ＬＦと０次光Ｄ０は図４に示すようにコリメータレンズ１０により主光線が互いに平行になるように変換され、光束選択部材１２に達する。この光束選択部材１２は、いわゆるフーリエ変換面に置かれる空間フィルターとして機能し、ここでは０次光Ｄ０が遮断され、１次回折光±Ｄ１ｎによる送光ビーム±ＬＦが通過する。
【００５７】
その後、送光ビーム±ＬＦは傾斜量が可変な平行平板ガラスで構成された調整光学系１４、１６、１８を介してビームスプリッタ（ハーフミラー）２０に達する。調整光学系１４は送光ビーム＋ＬＦと送光ビーム−ＬＦとのフーリエ空間での間隔を変えることなく、レンズ１０の光軸に対して偏心させる機能を有し、調整光学系１６、１８は送光ビーム＋ＬＦと送光ビーム−ＬＦとの夫々の光軸に対する位置を個別に調整する機能を有する。
【００５８】
その送光ビーム±ＬＦはビームスプリッタ２０で２つに分割され、一方は対物レンズ２２に入射し、他方は波長選択フィルター２４を介して送光ビーム±ＬＦ中の特定の波長の１次ビーム、ここではλ２の１次ビーム±Ｄ１２のみが選択されて集光レンズ（フーリエ変換レンズ）２６に入射する。
一方対物レンズ２２に入射した送光ビーム±ＬＦは、それぞれ平行光束となって互いに異なる角度でウエハＷ上の格子ＭＧを同時に照射する。これによって格子ＭＧ上には、波長λ１の送光ビーム±Ｄ１１の干渉によって作られた干渉縞、波長λ２の送光ビーム±Ｄ１２の干渉によって作られた干渉縞、及び波長λ３の送光ビーム±Ｄ１３によって作られた干渉縞の３つが、同一ピッチ、同一位相で重畳して現れる。さらに送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの間の周波数差２・Δｆのため、その干渉縞は格子ＭＧ上を一方向に等速度で移動しているように観測される。その移動速度は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの速度Ｖに比例している。なお、図４から明らかなように、ウエハＷ表面（格子ＭＧ）とラジアル格子板ＲＲＧとは、コリメータレンズ１０と対物レンズ２２との合成系によって互いに共役（結像関係）になるように配置されている。そのためラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの±１次回折光による回折像が、ウエハＷの格子ＭＧ上に形成されるが、０次光Ｄ０が遮へいされているため格子ＲＧのピッチの１／２の回折像（干渉縞強度分布）が形成される。そして、その干渉縞のウエハＷ上でのピッチＰｉｆは先の実施例と同様に格子ＭＧのピッチＰｍｇの１／２に設定されている。
【００５９】
以上のような関係を満たすとき、送光ビーム±ＬＦの照射によって格子ＭＧから１次回折光が垂直に発生する。すなわち送光ビーム＋ＬＦの照射によって垂直に発生した１次回折光と、送光ビーム−ＬＦの照射によって垂直に発生した１次回折光とが干渉した干渉ビームＢＭが発生する。この干渉ビームＢＭは周波数２・Δｆで強度変調されたビート光となっている。このように、±１次回折光（干渉ビームＢＭ）を同一方向に発生させるために、別の見方をすれば対物レンズ２２の焦点距離をＦ０として各波長毎の送光ビーム±ＬＦのフーリエ変換面上での光軸からの間隔ＤＬｎを、
ＤＬｎ＝Ｆ０・ｓｉｎ θｎ＝±Ｆ０・λｎ／Ｐｍｇ（ｎ＝１、２、３）
に設定すればよい。このような各波長毎の間隔ＤＬｎの設定は、回転ラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧのピッチやコリメータレンズ１０の焦点距離を適当に定めることで調整可能である。
【００６０】
またウエハＷ上に形成される干渉縞はラジアル格子板ＲＲＧの格子ＲＧの回折像として結像されているため、原理的には３つの波長λ１、λ２、λ３のうちの１つの波長成分による干渉縞のピッチとウエハＷの格子マークＭＧのピッチとが整数倍の関係になっていれば、他の波長成分による干渉縞のピッチも自ずとその関係になっている筈であり、さらに各波長成分毎の干渉縞も完全に合致して相互に位相ずれ、位置ずれを起こしていない筈である。しかしながら、実際には対物レンズ２２、コリメータレンズ１０等の光学系の色収差の程度に応じて、各波長成分毎の干渉縞は相互に位置ずれ、位相ずれ、及びピッチずれを起こしてしまう。
【００６１】
そこでこのようなずれを補正するために、図４中の調整光学系１４、１６、１８を用いる。これらの光学系１４、１６、１８は平行平板ガラスで構成され、その材料として色分散の大きいものを用いると、各波長成分毎にウエハＷ上に形成される干渉縞の相互の位置ずれや位相ずれを微小に変化させることができる。あるいは調整光学系１４、１６、１８として、色分散の小さい平行平板ガラスと色分散の大きい平行平板ガラスとを組み合わせ、色分散の大きい平行平板ガラスの傾き調整で各波長成分毎の干渉縞の相互の関係を補正し、その補正によって生じる送光ビーム±ＬＦのウエハ上での全体的な傾き誤差に関しては、色分散の小さい平行平板ガラスの傾き調整で補正することができる。
【００６２】
さて、以上のような干渉縞によって照明された格子ＭＧから垂直に発生した干渉ビームＢＭは、対物レンズ２２、ビームスプリッタ２０を通過して空間フィルター２８に達する。この空間フィルター２８は対物レンズ２２に関するフーリエ変換面、またはその近傍に配置され、本実施例では干渉ビームＢＭ（±１次回折光）のみを透過させる開口を有している。そして空間フィルター２８を透過した干渉ビームＢＭはレンズ系（逆フーリエ変換レンズ）３０で平行光束に変換された後、第１のダイクロイックミラー３２、第２のダイクロイックミラー３４の夫々によって波長選択される。
【００６３】
まず干渉ビームＢＭのうち波長λ１の成分のビームＢｍ１はダイクロイックミラー３２で９０％以上が反射されて光電素子３６Ａに受光される。干渉ビームＢＭのうち波長λ２の成分のビームＢｍ２は、ダイクロイックミラー３２を透過した後ダイクロイックミラー３４で９０％以上が反射されて光電素子３６Ｂに受光され、干渉ビームＢＭのうち波長λ３の成分のビームＢｍ３はダイクロイックミラー３２、３４を透過して光電素子３６Ｃに受光される。これら光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃは、先の図１中の光電素子ＤＴ３、ＤＴ４と同じ機能を有し、ただ、受光すべき干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２、Ｂｍ３の夫々がビート周波数２・Δｆで強度変調されている点で異なるだけである。なお、使用する波長λ１、λ２、λ３の間隔によっては、ダイクロイックミラー３２、３４による波長分割が不十分なこともあるので、各受光素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの直前に干渉フィルター（狭帯バンドパスフィルター）を配置してもよい。またダイクロイックミラー３２、３４はそれぞれ送光系側のダイクロイックミラーＤＣＭ５、ＤＣＭ４と同じものであることはいうまでもない。
【００６４】
各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃの光電信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３は、格子マークＭＧからの干渉ビームＢＭが存在する間、いずれもビート周波数２・Δｆと同じ周波数で正弦波状にレベル変化する波形となる。
一方、波長選択フィルター２４で選択され、集光レンズ２６に入射した１次ビーム±Ｄ１２は、透過型の参照格子ＳＧ上に重畳して照射される。ここでも参照格子ＳＧはコリメータレンズ１０と集光レンズ２６との合成系に関して回転ラジアル格子板ＲＲＧと共役に配置されている。このため参照格子ＳＧ上にも１次ビーム±Ｄ１２の２光束干渉による１次元の干渉縞が形成され、それはビート周波数２・Δｆに対応した速度で移動する。
【００６５】
そこで参照格子ＳＧのピッチとその干渉縞のピッチとを適当に定めると、参照格子ＳＧから発生した±１次回折光が同一方向に干渉ビームＢｍｓとなって進み、それは空間フィルター３８を透過して光電素子４０に受光される。この光電素子４０の光電信号Ｉｍｓは、ビート周波数２・Δｆと同じ周波数で正弦波状にレベル変化する波形となり、その信号Ｉｍｓがヘテロダイン方式の基準信号となる。
【００６６】
以上の構成で参照格子ＳＧは、ガラス板上にクロム層を蒸着し、そのクロム層を透明ラインと遮光ラインとが交互に形成されるようにエッチングして作られているため、少なくともウエハＷ上の格子マークＭＧのような非対称性、レジスト層の問題がないほぼ理想的な格子、すなわち振幅透過率が対称的な格子として作られる。このため参照格子ＳＧに照射される一対の送光ビームは３つの波長λ１、λ２、λ３のうちいずれか１つの波長に対応した１次ビームだけでも十分な精度が得られる。もちろん、送光ビーム±ＬＦに含まれる３つの１次ビーム±Ｄ１１、±Ｄ１２、±Ｄ１３の全てを同時に参照格子ＳＧに照射して、ウエハ上の格子マークＭＧと同様に多色干渉縞を形成するようにしてもよい。
【００６７】
このように参照格子ＳＧ上に多色干渉縞を形成し、この参照格子ＳＧから発生する干渉ビームＢＭｓを各波長毎に分離して光電検出するように構成すると、波長λ１に応じた基準信号、波長λ２に応じた基準信号、及び波長λ３に応じた基準信号が個別に得られるため、波長毎に格子マークＭＧの位置計測が可能となる。さらにウエハＷ上に形成される３つの波長成分毎の干渉縞が相互に一定の位置ずれ（位相ずれ）を起こしていても、それを予めオフセット量として計測しておくことも可能となる。そのことについては後で詳しく述べる。
【００６８】
ところで、図４に示したウエハＷは対物レンズ２２の光軸と垂直な面（ＸＹ平面）内で２次元移動するウエハステージＷＳＴ上に載置される。このステージＷＳＴ上の２次元移動は駆動モータを含む駆動源４２によって行われ、モータによって送りネジを回転させる方式、又はリニアモータによってステージ本体を直接運動させる方式のいずれでもよい。さらにステージＷＳＴの座標位置はレーザ干渉計４４によって逐次計測される。このレーザ干渉計４４の計測値は駆動源４２のフィードバック制御に使われる。さらにウエハステージＷＳＴの一部には、フィデューシャルマーク板ＦＧが設けられている。このマーク板ＦＧには石英ガラスの表面にクロム層でライン・アンド・スペースをパターニングした反射型の強度格子（ピッチはウエハ上の格子ＭＧと同一）が形成されている。このため強度格子は、ウエハＷ上に凹凸で形成された格子マークＭＧのような位相格子と異なり、非対称性がなく回折効率が照明光（又は検出光）の波長に依存しないという特徴、すなわち振幅反射率に非対称性がないという特徴を有する。さらにクロム層の反射率も位置検出用の照明光の波長帯（一般には０．５〜０．８μｍ）では殆ど変化しない。このため、フィデューシャルマーク板ＦＧ上の強度格子を用いると、各波長毎に得られた光電信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の各振幅の変化や相互の比を正確に求めることができる。
【００６９】
以上の図４の構成において、光源として半導体レーザを用いるが、この場合半導体レーザ（ＬＳ２、ＬＳ３）と各ダイクロイックミラーＤＣＭ４、ＤＣＭ５との間に非点収差除去用の整形光学系（傾斜した複数枚の平行平板ガラス等）を設け、１本に合成されたビームＬＢ０の各波長成分毎の光束成分をほぼ等しい径にするのが好ましい。またそれ以外の場合にも、合成後のビームＬＢ０の径を各波長成分毎に揃えるようなビーム整形光学系を設けるのが望ましい。
【００７０】
また図４では説明を簡単にするために周波数シフターとして回転ラジアル格子板ＲＲＧを用いたが、その他に２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いたり、中心波長λ１で発振する第１のゼーマンレーザ光源と中心波長λ２で発振する第２のゼーマンレーザ光源とを光源として用いてもよい。ただし、ゼーマンレーザの場合、一般的には偏光方向が相補的な２つのレーザビームを発振し、そのビーム間に数百キロＨｚ〜数メガＨｚの周波数差を与えているため、光電検出する干渉ビームのビート周波数もそれなりに高くなり、光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、４０等は応答性の高いＰＩＮダイオードやフォトマル等を使うことになる。
【００７１】
また図４に示した各種ダイクロイックミラーはプリズム等の分散素子に置き換えてもよい。この場合、１個のプリズムは、例えば２つのダイクロイックミラーＤＣＭ４、ＤＣＭ５の組、あるいはダイクロイックミラー３２、３４の組と同じ機能を有する。
次に図４の装置に好適な位置検出、位置制御回路の一例を図６を参照して説明する。図４のヘテロダイン方式の場合、ウエハＷ上の格子マークＭＧ、又はフィデューシャルマーク板ＦＧから干渉ビームＢＭが発生している間、各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、４０からの信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３、Ｉｍｓは図７に示すような正弦波状の交流波形となる。
【００７２】
図７（Ｄ）は基準信号となる信号Ｉｍｓの時間的な強度変化を表し、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれウエハＷ上の格子マークＭＧからの干渉ビームＢＭを受光したときの信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の時間的な強度変化の一例を示す。ここで信号Ｉｍｓの位相を基準にすると、信号Ｉｍ１の位相は信号Ｉｍｓに対して−Δψ１だけずれ、信号Ｉｍ２の位相は信号Ｉｍｓに対して−Δψ２だけずれ、そして信号Ｉｍ３は信号Ｉｍｓに対して＋Δψ３だけずれているものとする。また、信号Ｉｍ１の振幅（交流成分のピークｔｏピーク）はＥ１、信号Ｉｍ２の振幅はＥ２、信号Ｉｍ３の振幅はＥ３であるものとする。
【００７３】
さて、図６に示された回路ブロックにおいて、各信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３、Ｉｍｓはアナログ−デジタル変換（Ａ／Ｄコンバータ）回路ユニット５０に入力され、ここでサンプリングクロック発生回路５２からのクロック信号（パルス）Ｃｐｓに応答して各信号のその瞬間の強度レベルがデジタル値に変換される。クロック信号Ｃｐｓの周波数は信号Ｉｍｎ（ｎ＝１、２、３）、Ｉｍｓのビート周波数よりも十分に高く定められ、そのクロック信号Ｃｐｓは波形メモリ回路ユニット５４にも送られ、Ａ／Ｄコンバータ５０からのデジタル値（データ）を記憶する際のメモリアドレスの更新に使われる。従って、波形メモリ回路ユニット５４には、図７に示した４つの波形データが、各信号Ｉｍｎ、Ｉｍｓの所定周期分（例えば、１０周期分以上）に渡ってデジタルサンプリングされる。このとき、４つの信号Ｉｍｎ、Ｉｍｓは共通のクロック信号Ｃｐｓによって同時にサンプリングされるので、波形メモリ回路ユニット５４内の各波形データには時間軸上でのずれがないものとする。なお、回転ラジアル格子板ＲＲＧを用いた場合、ビート周波数は数ＫＨｚ程度が上限であるため、クロック信号Ｃｐｓも十数ＫＨｚ程度でよい。また、（Ｆ）特開平６−８２２１５号公報のように２個のＡＯＭをタンデムに配置した周波数シフターを用いる場合、ビート周波数は各ＡＯＭに加える高周波数変調信号の周波数の差の２倍で決まるので比較的自由に定めることができる。
【００７４】
さて、メモリ回路ユニット５４内の各波形データは位相差Δψｎ（ｎ＝１、２、３）、位置ずれΔＸｎ（ｎ＝１、２、３）の検出回路ユニット５６に読み込まれ、ここで図７に示したような各位相差Δψ１、Δψ２、Δψ３がデジタル演算（フーリエ積分法）により算出される。先に仮定したようにウエハＷの格子マークＭＧのピッチＰｍｇと、この上に照射される干渉縞のピッチＰｉｆとがＰｍｇ＝２Ｐｉｆに設定されていると、図７の各波形の１周期はＰｍｇ／２に対応している。また一般に位相差計測は±１８０度の範囲で行われるので、検出回路５６は演算された位相差Δψ１、Δψ２、Δψ３を、先の式（３）に従って±Ｐｍｇ／４の範囲内の位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３に変換する。このずれ量ΔＸｎは参照格子ＳＧに対する格子マークＭＧの±Ｐｍｇ／４内でのずれを表す。
【００７５】
ここで位相差計測の分解能として０．２度程度が得られるものとすると、ずれ量の分解能はほぼ（０．２／１８０）Ｐｍｇ／４となり、ピッチＰｍｇを４μｍにすると実用的な範囲として０．００２μｍ（２ｎｍ）程度が得られる。
一方、信号振幅、及び振幅比検出回路ユニット５８は、波形メモリ回路ユニット５４に記憶された図７のような各波形データを読み出し、各波形毎の振幅値Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３をデジタル演算によって検出する。この検出回路ユニット５８には、予めフィデューシャルマーク板ＦＧの格子から発生した干渉ビームＢＭを各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃで受光したときに得られる光電信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の各々の振幅値Ａ１、Ａ２、Ａ３が記憶されている。
【００７６】
すなわち、ウエハＷ上の格子マークＭＧを計測する前にフィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークを対物レンズ２２の下に移動させ、各光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃから図７のような信号を発生させ、それを波形メモリ回路ユニット５４に記憶させた後、振幅検出回路５８で振幅値Ａ１、Ａ２、Ａ３を検出して記憶させておく。この際、マーク板ＦＧが検出されるステージＷＳＴの静止位置をレーザ干渉計４４から読み取って記憶するとともに、ずれ量検出回路ユニット５６で各波長毎の位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３も求めておけば、それをベースライン決定時のデータとして利用することができる。
【００７７】
尚、ここで言うベースラインとは、各波長毎に計測されたマーク板ＦＧ上の格子マークの位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３が極めて微少量だけ相互に異なっているときに、その相互の微少誤差分を意味する。本来、図４に示した送光系では波長λ１、λ２、λ３の各ビームによってフィデューシャルマーク板ＦＧ上に生成される各波長毎の干渉縞が厳密に一致し、各波長毎の光電検出系の電気的な応答性、歪み特性が十分に揃っていれば、マーク板ＦＧの位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３の各値は完全に一致するはずである。
【００７８】
しかしながら現実問題として、分解能が２ｎｍ程度にもなると、その分解能程度に位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３が揃うように送光系や検出系を調整しておくことは難しい。そのため、マーク板ＦＧで計測された位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３の相互差が図４に示したアライメント系固有のオフセット（ベースライン誤差）として残存することになる。
【００７９】
そのベースライン誤差は、ウエハＷ上の格子マークＭＧを検出して検出回路５６で求められる各波長毎の位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３の夫々を、先に求めた位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３の夫々で補正計算することでされる。一例として、図４の装置では参照格子ＳＧから得られる干渉ビームＢｍｓを波長λ１に制限したため、計測されたフィデューシャルマーク板ＦＧの位置ずれ量ΔＸｂ１を基準として、ΔＸｂ２−ΔＸｂ１＝ΔＸｂ２１、ΔＸｂ３−ΔＸｂ１＝ΔＸｂ３１を計算して記憶しておく。そしてウエハＷ上の格子マークＭＧについて計測された位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３に対して、ΔＸ２ −ΔＸ１＝ΔＸｂ２１になるようにΔＸ２の値を補正計算し、ΔＸ３ −ΔＸ１＝ΔＸｂ３１になるようにΔＸ３の値を補正計算すればよい。
【００８０】
もちろん、参照格子ＳＧから得られる干渉ビームＢｍｓに各波長λ１、λ２、λ３が含まれるように構成し、その各波長毎の干渉ビームを別々に光電検出して基準信号を作る場合は、各基準信号（各波長）毎にフィデューシャルマーク板ＦＧの位置ずれ量ΔＸｂ１、ΔＸｂ２、ΔＸｂ３が求まるので、計測されたウエハ上の格子マークＭＧの位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３を、ΔＸ１ −ΔＸｂ１、ΔＸ２ −ΔＸｂ２、ΔＸ３ −ΔＸｂ３のように補正計算すればよい。
【００８１】
さらに振幅比検出回路ユニット５８は、予め記憶してある振幅値Ａ１、Ａ２、Ａ３とウエハＷ上の格子マークＭＧを検出したときに得られる振幅値Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３との各比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を、Ｃ１＝Ｅ１／Ａ１、Ｃ２＝Ｅ２／Ａ２、
Ｃ３＝Ｅ３／Ａ３として算出する。この比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、先の図１の実施例で説明した重み係数に相当する。
【００８２】
以上のようにして求められた位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３と比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３のデータは、加重平均化演算回路ユニット６０に送られ、ここで重みを加えた格子マークＭＧのずれ量ΔＸを算出する。その演算は次式によって行われる。
ΔＸ＝（Ｃ１・ΔＸ１＋Ｃ２・ΔＸ２＋Ｃ３・ΔＸ３）／（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３）
こうして求められたずれ量ΔＸは、参照格子ＳＧに対する格子マークＭＧのピッチ方向のずれであり、そのデータは位置制御、表示器６２に送られるとともに、ウエハＷをリアルタイムにアライメント（位置決め）する場合にはサーボ制御回路ユニット６４にも送られる。
【００８３】
このサーボ制御回路ユニット６４は２つの機能を有しており、その１つはずれ量ΔＸが所定の値になるまで駆動源４２をフィードバック制御する機能（ダイレクトサーボモード）である。この機能の場合は、Ａ／Ｄコンバータ回路５０、メモリ回路ユニット５４、ずれ量検出回路ユニット５６、及び平均化回路ユニット６０の動作が逐次繰り返され、極めて短い時間（例えば数ｍｓｅｃ．）毎にずれ量ΔＸの値が算出される。なお、振幅比検出回路ユニット５８による比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の算出は初めの１回だけでもよいし、ずれ量ΔＸの算出の度に毎回行ってもよい。比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の算出を毎回行う場合は、加重平均化回路ユニット６０によるずれ量ΔＸの算出毎に比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の値が若干変化することがあることは言うまでもない。また比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の算出を初めの１回又は複数回だけにする場合は、それ以降同じ格子マークＭＧを検出する間は同じ比の値が使われる。
【００８４】
一方サーボ制御回路ユニット６４のもう１つの機能は、ウエハステージＷＳＴをレーザ干渉計４４の計測値に基づいて移動させる機能（干渉計サーボモード）である。この機能は、例えばステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧの格子やウエハＷ上の格子マークＭＧを対物レンズ２２の直下に位置決めしたり、検出された格子マークＭＧの位置を基準としてウエハＷ上の任意の点を対物レンズ２２の直下に位置決めしたりするときに使われる。この干渉計サーボモードの場合、位置制御器６２からウエハステージＷＳＴの目標位置情報がサーボ制御回路ユニット６４に出力され、制御回路ユニット６４はレーザ干渉計４４から読み取ったステージＷＳＴの現在位置と目標位置との偏差が所定の許容範囲（例えば±０．０４μｍ）に入るように駆動源４２をフィードバック制御する。
【００８５】
なお、干渉計サーボモードに続いてダイレクトサーボモードを実行する場合、ダイレクトモードによるサーボ可能範囲は格子マークＭＧのピッチＰｍｇに対して±Ｐｍｇ／４である。もしそれ以上にずれていると、格子マークＭＧの１ピッチの半分のオフセットが生じたまま位置決めされてしまうからである。そこで、干渉計サーボモードのときのステージＷＳＴの位置決め許容範囲を定常的に±０．０４μｍにするのではなく、格子マークＭＧ（又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）を検出するときだけ、許容範囲を±〔（Ｐｍｇ／４）−α〕に切り換えるようにしてもよい。例えばピッチＰｍｇが４μｍのとき、その許容範囲を±０．５μｍ程度にすると、通常の許容範囲（±０．０４μｍ）よりもはるかにゆるい精度で位置決めサーボが可能なので、追い込み時間が短縮されることになる。そして、そのゆるい許容範囲（±０．５μｍ）に入ったらただちにダイレクトサーボモードに切り換えることで、高速で高精度な位置決め（位置合わせ）が可能となる。
【００８６】
さて、位置制御、表示器６２は上述のサーボモードの切り換え指示の他に、格子マークＭＧの座標位置や求められたずれ量ΔＸを表示する機能も有する。また場合によっては、格子マークＭＧを検出したときの重み係数となる比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の値も記憶、保存する。この場合、ウエハＷ上の多数の位置に同一の格子マークＭＧが形成され、それらマークＭＧの位置を順次検出するときに、比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３も順次記憶しておくと、ウエハＷ上のどの部分のマークＭＧに非対称性やレジスト層のむらに起因した問題があったのかを検証することができる。そして、ウエハＷ上で重み係数（比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）が大きく変化した部分をグラフィック表示するようにしてもよい。この際、拡散工程やエッチング工程等の化学プロセスを経て、レジスト層を塗布する前のウエハを図４の装置に装着して重み係数の変化を求めれば、その化学プロセスによるウエハ面上の影響を間接的に調べることもできる。さらにそのウエハにレジスト層を塗布して同様に重み係数の変化を求めて塗布前の重み係数の変化と比較すれば、レジスト層による影響を間接的に調べることもできる。
【００８７】
以上の第３の実施例ではステージＷＳＴ上にフィデューシャルマーク板ＦＧを設け、これを使って各波長毎の信号振幅の変化率、すなわち比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を求めるようにしたので、第１の実施例（図１）のように送光ビームＬＢ１、ＬＢ２の光強度を直接検出する光電素子ＤＴ１、ＤＴ２を設ける必要がない。このことは逆に、第１（又は第２）の実施例においても基準となるフィデューシャルマーク板ＦＧを格子ＭＧと並置すれば、光電素子ＤＴ１、ＤＴ２を設けることなく比Ｃ１、Ｃ２を検出できることを意味する。
【００８８】
図８は第４の実施例による信号処理回路の構成を示し、ここでは図４に示した波長選択フィルター２４を省略し、参照格子ＳＧからの干渉ビームＢｍｓをダイクロイックミラー等で３つの波長λ１、λ２、λ３毎のビームＢｍｓ１、Ｂｍｓ２、Ｂｍｓ３に分離し、それらを個別に光電検出する３個の光電素子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃを用いるものとする。この場合、計測用の光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃからの各信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３はそれぞれ光電素子４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃからの参照信号Ｉｍｓ１、Ｉｍｓ２、Ｉｍｓ３との間で位相差検出が行われる。すなわち、計測信号Ｉｍ１に関しては参照信号Ｉｍｓ１との位相差Δψ１を求めることによって、波長λ１の送光ビームを使ったときの格子マークＭＧの位置ずれ（ΔＸ１）が求められる。
【００８９】
このような構成の場合、波形データを取り込むべき信号の数が多いので、図８に示すように各波長に対応して３組の波形サンプリング回路（図６中のＡ／Ｄコンバータ５０、クロック発生回路５２、メモリ回路５４の機能を有する）８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃを設ける。この回路８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの内部構成はいずれも同一なので、図８では回路８０Ａのみについて詳細な構成を示し、他の回路８０Ｂ、８０Ｃでは詳細説明を省略する。
【００９０】
さて本実施例では、回路８０Ａに示したように、計測用の干渉ビームＢｍ１を受光する光電素子３６Ａからの信号Ｉｍ１と、参照用の干渉ビームＢｍｓ１を受光する光電素子４０Ａからの信号Ｉｍｓ１とを、それぞれサンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路８００、８０２に入力し、そのＳ／Ｈ回路８００、８０２からの信号レベルをアナログ・マルチプレクサ８０４を介してアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）８０６に入力する。
【００９１】
ＡＤＣ８０６で変換されたデジタル値は、書き換え自在のメモリ（ＲＡＭ）８０８のアクセスされたアドレスに書き込まれる。このＲＡＭ８０８はアドレスカウンタ８１０によってアドレス値が作成され、アドレス値はクロック信号Ｃｐｓに応答してインクリメンタル（又はデクリメント）される。ただしここでは、アドレスカウンタ８１０に特別な機能を持たせ、クロック信号Ｃｐｓをアドレスカウンタの特定の上位ビットの１つにフラグとして供給するように構成されている。これによってＲＡＭ８０８のアドレス空間は２つのページに分けられ、クロック信号Ｃｐｓが論理「０」の間は１ページ目のアドレス空間がアクセスされ、クロック信号Ｃｐｓが論理「１」の間は２ページ目のアドレス空間がアクセスされる。
【００９２】
そのクロック信号ＣｐｓはＳ／Ｈ回路８０２にも供給される。さらにクロック信号Ｃｐｓはタイミング回路８１４にも供給され、ＡＤＣ８０６のデジタル変換のタイミングとＲＡＭ８０８のデータ書き込みタイミングのための信号（パルス）ノ作成に使われる。
従ってクロック信号Ｃｐｓが「１」のときは、Ｓ／Ｈ回路８０２がホールド状態となり、光電素子３６Ａの信号Ｉｍ１のその時のレベルがアナログマルチプレクサ８０４を介してＡＤＣ８０６に供給され、そのレベルに応じたデジタル値がＲＡＭ８０８の２ページ目のアドレス空間内の１つのアドレス位置に記憶される。逆にクロック信号Ｃｐｓが「０」のときはＳ／Ｈ回路８０２がホールド状態となり、光電素子４０Ａの信号Ｉｍｓ１のその時のレベルがマルチプレクサ８０４を介してＡＤＣ８０６に供給され、そのレベルに応じたデジタル値がＲＡＭ８０８の１ページ目のアドレス空間内の１つのアドレス位置に記憶される。
【００９３】
以上の動作が信号Ｉｍ１（又はＩｍｓ１）の所定周期分（例えば１０周期以上）だけ高速に繰り返され、ＲＡＭ８０８の１ページ目には参照信号Ｉｍｓ１の波形データが記憶され、２ページ目には計測信号Ｉｍ１の波形データが記憶される。こうしてＲＡＭ８０８に記憶された１組の波形データは、マイクロプロセッサ等のアドレスバスＡＢＳからアドレスカウンタ８１０に設定されたアドレス値に応答して、マイクロプロセッサのデータバスＤＢＳに読みだされる。そのマイクロプロセッサは図６に示した各検出回路５６、５８と同じ機能を達成するプログラムによって各波形データを処理し、位置ずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３を求める。
【００９４】
以上のサンプリング回路８０Ａの構成、動作はサンプリング回路８０Ｂ、８０Ｃでも全く同じであり、回路８０Ｂは計測信号Ｉｍ２と参照信号Ｉｍｓ２との各波形データを一時的に記憶し、回路８０Ｃは計測信号Ｉｍ３と参照信号Ｉｍｓ３の各波形データを一時的に記憶する。
この第４の実施例では計測信号Ｉｍｎと参照信号Ｉｍｓｎとの夫々に対してＡ／Ｄコンバータを設けていないので、マイクロ秒オーダー内で同時にサンプリングすることは難しいが、現実問題として干渉ビームのビート周波数が数十ＫＨｚ以下であれば、マイクロ秒オーダーの同時性は余り必要ではない。むしろＡ／Ｄコンバータ等の個数を半分にして回路構成を簡素化することによって信号処理回路のハードウエアコストを低減させた方が有利である。
【００９５】
ところでウエハステージＷＳＴ上に既知の反射率のクロム表面をもったフィデューシャルマーク板ＦＧを固定した場合は、先にも触れたようにそのマーク板ＦＧを各種ベースライン量の計測やフォーカス状態の計測に利用することができる。ベースライン量とは、基本的には投影露光装置に装着されたマスク（レチクル）の中心の投影点と各種ウエハアライメント系の検出中心点との相対的な位置関係を決定するための計測動作を意味する。
【００９６】
図９は本発明の第５の実施例として、ベースライン量の計測が必要な投影露光装置の概略的なアライメント系の配置を示し、レチクルＲはレチクルステージＲＳＴ上に吸着され、そのレチクルＲのパターン像は等倍、又は縮小の投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の所定のショット領域に投影露光されるように構成されている。
【００９７】
図９において、ウエハステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧの表面には、スルーザレチクル（ＴＴＲ）方式のアライメント系ＴＴＲＡによって検出可能なマーク群と、レチクルアライメント系ＲＡによって検出可能なマーク群と、スルーザレンズ（ＴＴＬ）方式のアライメント系ＴＴＬＡによって検出可能なマーク群と、そして投影光学系ＰＬの外部に固定されたオフ・アクシス方式のアライメント系ＯＦＡによって検出可能なマーク群とが形成されている。これらのマーク群は一部共通に使われるものもある。また各アライメント系ＲＡ、ＴＴＲＡ、ＴＴＬＡ、ＯＦＡは、マーク検出時の基準となる直接的、または間接的な検出中心点Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４を備えている。
【００９８】
先の図４のような位置検出装置を各アライメント系に適用した場合、検出中心点Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４は参照格子ＳＧによって規定される。ただしレチクルアライメント系ＲＡにおいて、レチクルＲの周辺のレチクルアライメント用のマーク（格子パターン）ＲＭとフィデューシャルマーク板ＦＧ上の対応した格子マークとを、パターンＰＲの投影露光用の照明光と同じ波長の照明光で照射し、両マークが所定の位置関係になるようにレチクルステージＲＳＴを微動させるような構成になっている場合は、検出中心点Ｒｆ１を必要としない。
【００９９】
このことはアライメント系ＴＴＲＡにおいても同様であって、フィデューシャルマーク板ＦＧ上の対応したマークあるいはウエハＷ上のマークと、レチクルＲのパターンＰＲの周辺部に形成されたダイ・バイ・ダイ（Ｄ／Ｄ）アライメント用のマークとを画像として撮像し、両マーク像の位置ずれを検出する方式である場合は、格別に検出中心点Ｒｆ２を規定しておく必要もない。
【０１００】
ここで、ベースライン量とは、レチクルＲの中心ＣＣｒのウエハ側への投影点（ほぼ光軸ＡＸ上に一致している）と、各検出中心点Ｒｆ１、Ｒｆ２、Ｒｆ３、Ｒｆ４のウエハ側への投影点との間のＸ、Ｙ方向の位置関係に他ならない。その位置関係は、フィデューシャルマーク板ＦＧの対応したマーク群と、各検出中心点Ｒｆ１〜Ｒｆ４の投影点との位置ずれ量を各アライメント系ＲＡ、ＴＴＲＡ、ＴＴＬＡ、ＯＦＡ自体で検出するとともに、そのときのウエハステージＷＳＴの座標位置をレーザ干渉計４４（図４参照）によって検出することで求めることができる。
【０１０１】
そこで各アライメント系に図４のようなヘテロダイン方式の位置検出装置が組み込まれているときは、そのようなベースライン計測動作時にフィデューシャルマーク板ＦＧの格子を検出することになるので、図４中の光電素子３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃからの信号Ｉｍ１、Ｉｍ２、Ｉｍ３の各振幅レベルＡ１、Ａ２、Ａ３を図６中の回路ユニット５８内に記憶しておくことができる。なお、図９に示した投影光学系ＰＬ内の瞳面ＥＰは、先の図１に示したフーリエ変換面ＥＰと同等のものである。そして投影光学系ＰＬを介してウエハステージＷＳＴ上の物体（ウエハＷのマーク、又はフィデューシャルマーク板ＦＧのマーク）を検出するアライメント系ＲＡ、ＴＴＲＡ、ＴＴＬＡの夫々に設けられた対物レンズの光軸は、ウエハステージＷＳＴ側では全て光軸ＡＸとほぼ平行になるように設定される。また、投影光学系ＰＬのウエハ側のみならずレチクル側もテレセントリック系になっているとき（図９の場合）は、各アライメント系の対物レンズの光軸はレチクル側でも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行になっている。そして、それら対物レンズの光軸の延長は、投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰの中央（光軸ＡＸが通る部分）を通ることになる。
【０１０２】
その瞳面ＥＰの実効的な半径は、投影レンズＰＬの解像力（最小解像線幅）を左右する開口数（Ｎ．Ａ．）に対応し、現在Ｎ．Ａ．＝０．５〜０．７程度の投影レンズが開発されている。
図１０は、図９に示したアライメント系のうちアライメント系ＴＴＬＡの主要部の一例を示し、ウエハ上の格子マークＭＧ、又はフィデューシャルマーク板ＦＧを検出するための２本の送光ビーム±ＬＦ（図４中のビーム＋ＬＦとビーム−ＬＦに相当）は補正光学系ＣＧ、ビームスプリッタ２０（図４中のハーフミラー２０に相当）、対物レンズＯＢＪ（図４中の対物レンズ２２に相当）、２枚のミラーＭＲを介して投影レンズＰＬに入射する。この際、２枚のミラーＭＲの間にはウエハＷの表面と共役な面ＦＣが形成され、この面ＦＣ内で２本のビーム±ＬＦは交差する。そのビーム±ＬＦは投影レンズＰＬによってリレーされ、ウエハ上でも交差して格子マークＭＧを照射する。
【０１０３】
そして格子マークＭＧからの干渉ビームＢＭは、投影レンズＰＬの瞳面ＥＰのほぼ中央を通り、ミラーＭＲ、対物レンズＯＢＪ、及びビームスプリッタ２０を介してダイクロイックミラーＤＣＭ（図４中のダイクロイックミラー３２に相当）に入射し、ここで波長分割される。仮に送光ビーム±ＬＦが２つの波長λ１、λ２であるとすると、ダイクロイックミラーＤＣＭは波長λ１の干渉ビームＢｍ１を光電素子３６Ａへ導き、波長λ２の干渉ビームＢｍ２を光電素子３６Ｂに導く。
【０１０４】
このようなアライメント系ＴＴＬＡにおいて、送光ビーム±ＬＦが複数の波長成分（互いに３０〜４０ｎｍ程度離れる）を含むと、投影レンズＰＬの色収差（軸上と倍率）の影響、又は対物レンズＯＢＪの色収差の影響によって、ウエハ上に照射されるビーム±ＬＦの交差領域が各波長成分毎にＺ方向、あるいはＸＹ方向に微妙にずれるてくることがある。そこで図１０のように送光ビーム±ＬＦの光路中に色収差に応じて発生する誤差を補正する補正光学系ＣＧを設ける。この補正光学系ＣＧは凸レンズ、凹レンズ、あるいはそれらの組み合わせレンズ、または平行平板ガラス等で構成され、図４に示した調整光学系１４、１６、１８を使用してもよい。
【０１０５】
また、図９中のアライメント系ＴＴＲＡの場合、レチクルＲ上のＤ／Ｄアライメント用のマークＤＤＭを回折格子とし、そのマークＤＤＭと対応するウエハＷ上の格子マークＭＧとの相対位置ずれを、図４のようなヘテロダイン方式で検出するときには、（Ｇ）特開平６−３０２５０４号公報に開示されているように、投影レンズＰＬの瞳面ＥＰに透明な平行平板状の補正板ＰＧＰを設け、この補正板ＰＧＰ上で送光ビーム（±ＬＦ）や干渉ビーム（ＢＭ）が通る位置のみに位相型回折格子（補正板ＰＧＰの表面に所定ピッチで凹凸のラインをエッチングしたもの）を配置して、軸上色収差と倍率色収差の影響を低減する必要がある。
【０１０６】
図１１は、アライメント系ＴＴＲＡの一部の構成と補正板ＰＧＰとの配置関係を示し、図１１（Ａ）はＸ方向（計測方向）にピッチを有する格子マークＭＧを検出する場合の送光ビーム±ＬＦと干渉ビームＢＭとの光路をＸ−Ｚ平面でみたものであり、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の光路をそれと直交したＹ−Ｚ平面でみたものである。
【０１０７】
アライメント系ＴＴＲＡの対物レンズＯＢＪ（図４の対物レンズ２２に相当する）からは２本の送光ビーム±ＬＦが光軸ＡＸａからわずかに偏心して射出され、ミラーＭＲで反射してレチクルＲのパターン領域の周辺の窓ＲＷを介して投影レンズＰＬに入射する。２本の送光ビーム±ＬＦは多波長化されており、Ｘ−Ｚ平面内でみると図１１（Ａ）のように対称的な傾きで窓ＲＷを透過し、Ｙ−Ｚ平面内でみると図１１（Ｂ）のように、対物レンズＯＢＪの光軸ＡＸａに対して傾いて窓ＲＷを透過する。
【０１０８】
その２本の送光ビーム±ＬＦは、それぞれ投影レンズＰＬの瞳面ＥＰに配置された補正板ＰＧＰ上の２ヶ所の位相型回折格子（以下、位相格子とする）ＰＧ１、ＰＧ２を通る。このとき位相格子ＰＧ１、ＰＧ２の作用によって送光ビーム±ＬＦの夫々は同図中の破線から実線のように所定方向に所定量だけ傾きを変えられて投影レンズＰＬから射出する。そして送光ビーム±ＬＦは、Ｘ−Ｚ平面内でみると図１１（Ａ）のようにウエハＷ上の格子マークＭＧを対称的な入射角で照射し、Ｙ−Ｚ平面内では図１１（Ｂ）のように格子マークＭＧに対してＹ方向に若干傾いて入射する。
【０１０９】
これによって格子マークＭＧから発生した干渉ビームＢＭは再び投影レンズＰＬに入射し、瞳面ＥＰ上では位相格子ＰＧ１、ＰＧ２と異なる位置を通る。その位置には干渉ビームＢＭを図１１（Ｂ）中の破線から実線のように所定方向に所定量だけ傾けるための位相格子ＰＧ３が形成され、それによって干渉ビームＢＭの光路は投影レンズＰＬを透過してレチクルＲの窓ＲＷへ向かうように補正される。そしてＲＷを通った干渉ビームＢＭはミラーＭＲ、対物レンズＯＢＪを介して図４のような受光系へ向かう。このとき干渉ビームＢＭは窓ＲＷを、対物レンズＯＢＪの光軸ＡＸａに対してわずかに傾いて透過する。
【０１１０】
このような補正板ＰＧＰを用いる場合、送光ビーム±ＬＦが多波長化されていると、送光ビーム±ＬＦの各波長成分毎に補正板ＰＧＰ上でＸ方向にわずかにずれて位置する。このため、位相格子ＰＧ１、ＰＧ２もそれに対応してＸ方向に大きめに形成されている。
また、このような補正板ＰＧＰの使用は、図１０に示したアライメント系ＴＴＬＡに対しても当然に可能である。例えば石英やホタル石を屈折レンズの硝材とし、波長１８０〜３００ｎｍの間の紫外線（エキシマレーザ光等）を露光光とするような投影レンズ（反射鏡と屈折レンズの組み合わせでもよい）を用いた露光装置の場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザや半導体レーザからのビームの波長に対する色収差は極めて大きなものとなり、図１０中に示したウエハ共役面ＦＣは投影レンズから数十ｃｍ以上離れてしまう。そこで補正板ＰＧＰを使って、送光ビーム±ＬＦが交差するウエハ共役面ＦＣが投影レンズに近づくように補正するのである。
【０１１１】
以上の如く、補正板ＰＧＰ上の送光用位相格子ＰＧ１、ＰＧ２には多波長化されたビーム＋ＬＦ、−ＬＦが通るが、この際、位相格子ＰＧ１、ＰＧ２の格子構造を使用する波長成分の全てに対して最適化することは難しい。このため位相格子ＰＧ１、ＰＧ２の格子構造はある特定の波長成分で最適化されるように設定し、送光ビーム±ＬＦの送光路（一般的には対物レンズＯＢＪよりも光源側）中には、各波長成分毎の送光ビームが位相格子ＰＧ１、ＰＧ２で受ける回折作用の違いで生じる方向差分や位置差分だけ予め補償されるように、調整光学部材を設けておくのがよい。要するに、２本の送光ビーム±ＬＦの干渉によってウエハＷ（又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）の格子マークＭＧ上に作られる干渉縞が波長成分毎に位置ずれやピッチずれを生じないように、図４中の調整光学系１４、１６、１８、又は図１０中の補正レンズＣＧを設け、これらを調整するのである。
次に本発明の第６の実施例を以下に説明する。本実施例では図４に示した構成をベースとして、先の図２０、図２１で説明したように、格子マークからの±１次回折光の干渉ビームの他に、格子マークからの０次光と２次回折光の干渉ビームも検出する構成を付加した。０次光と２次回折光との干渉ビームを単一の光電素子で光電変換し、その光電信号を用いて格子マークの位置ずれを検出する方式は試みられているが、格子マーク照明用の送光ビームを多波長化した上で０次光と２次光の干渉ビーム（多波長化されている）を単一の光電素子で受光すると、そのままでは良好な位置ずれ検出が難しかった。その大きな理由は、図１２に示すように０次光と２次光の干渉ビームを例えば３つの波長成分λ１、λ２、λ３毎に光電検出して得られた光電信号ＩＫ０２１、ＩＫ０２２、ＩＫ０２３の波形を観察すると容易に理解できる。すなわち、３つの光電信号ＩＫ０２ｎ（ｎ＝１、２、３）の相互の位相差が、±１次回折光の干渉ビームの場合の光電信号Ｉｍｎ（図７参照）の位相差に比べて総じて大きくなるためである。このため、元来大きな位相差をもつ各波長毎の光強度の変化を単一の光電素子で受光してしまうと、各波長の強度の相殺効果によって光電信号の振幅（交流の振幅分）が極めて小さくなってしまうのである。尚、０次光と２次光の干渉ビームは、先の図２０で説明したように１次回折光±Ｄ１ｎの干渉ビームＢＭの両側に対称的な角度で発生する。
【０１１２】
ところで図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図２０に示された０次−２次光の干渉ビームのうち、例えば±１次光の干渉ビームＢＭの左側に現れる干渉ビームを３つの波長λ１、λ２、λ３毎に個別に光電検出したときの各光電信号ＩＫ０２１、ＩＫ０２２、ＩＫ０２３のヘテロダイン方式での波形を表し、図１２（Ｄ）は図７（Ｄ）と同じ参照信号となる光電信号Ｉｍｓの波形を表す。
【０１１３】
一方、図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図２０に示された０次−２次光の干渉ビームのうち、±１次光の干渉ビームＢＭの右側に現れる干渉ビームを３つの波長λ１、λ２、λ３毎に個別に光電検出したときの各光電信号ＩＫ２０１、ＩＫ２０２、ＩＫ２０３のヘテロダイン方式での波形を表し、図１３（Ｄ）は図１２（Ｄ）と同じ光電信号Ｉｍｓの波形を表す。以上の図１２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）と図１３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、各信号ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）の位相ずれΔβ０１、Δβ０２、Δβ０３、Δβ２１、Δβ２２、Δβ２３は波長依存性が強く、大きくばらつくとともに、同一波長については信号ＩＫ０２ｎとＩＫ２０ｎとで逆方向の傾向をもつ。
【０１１４】
そこで本実施例の構成を図１４を参照して説明する。図１４は図４の構成の一部、具体的には格子マークＭＧからの各種干渉ビームの光電検出系を変更したものであり、従って図４中の部材と同じ機能の部材には同一の符号を付けてある。図１４中の送光系１００は、図４に示した光源ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３、ミラーＭＲ、ダイクロイックミラーＤＣＭ４、ＤＣＭ５、周波数シフターとしてのラジアル格子板ＲＲＧ、レンズ１０、空間フィルター１２、及び調整光学系１４、１６、１８等で構成され、１対の送光ビーム＋ＬＦ、−ＬＦを射出する。波長λ１、λ２、λ３の各成分を含む送光ビーム±ＬＦは、ハーフミラー２０で一部が反射されて対物レンズ２２に入射し、一部は参照光受光系１１０に入射する。参照光受光系１１０は図４中の波長選択フィルター２４、レンズ２６、参照格子ＳＧ、及び空間フィルター３８で構成され、参照光Ｂｍｓを光電素子４０へ導く。
【０１１５】
さて、対物レンズ２２を介してウエハＷ上の格子ＭＧが送光ビーム±ＬＦによって照射されると、±１次回折光の干渉ビームＢＭが垂直に発生するとともに、各送光ビームの進行方向と逆方向に０次−２次光の各種干渉ビームが発生する。その０次−２次光の干渉ビームは対物レンズ２２、ハーフミラー２０を介してダイクロイックミラー３２、３４に向かい、ここで各波長成分毎に分離される。まずダイクロイックミラー３２では波長λ１の０次−２次光の干渉ビーム（２つ）がほとんど反射され、その干渉ビームはそれぞれ３６Ａ１、３６Ａ２で受光される。もちろん、波長λ１の±１次光の干渉ビームＢｍ１はダイクロイックミラー３２で反射されて光電素子３６Ａで受光される。
【０１１６】
またダイクロイックミラー３２を透過した波長λ２、λ３の０次−２次光の干渉ビームと±１次光の干渉ビームＢｍ２、Ｂｍ３とは、ダイクロイックミラー３４で波長成分毎に分離され、波長λ２の０次−２次光の干渉ビーム（２つ）はそれぞれ光電素子３６Ｂ１、３６Ｂ２で受光され、±１次光の干渉ビームＢｍ２は光電素子３６Ｂで受光される。さらにダイクロイックミラー３４を透過した波長λ３の０次−２次光の干渉ビーム（２つ）は光電素子３６Ｃ１、３６Ｃ２で受光され、±１次光の干渉ビームＢｍ３は光電素子３６Ｃで受光される。
【０１１７】
以上の構成から明らかなように、本実施例では光電素子４０からの光電信号Ｉｍｓを参照信号として、各光電素子３６Ａ、３６Ａ１、３６Ａ２、３６Ｂ、３６Ｂ１、３６Ｂ２、３６Ｃ、３６Ｃ１、３６Ｃ２からの光電信号の位相差を求める信号処理回路が必要となる。そのため最も簡便な回路構成の一例を図１５に示す。図１５は、先の図６に示された処理回路の一部を改良したものであり、ハードウエア上では図６中のＡ／Ｄコンバータ回路５０に入力する参照信号Ｉｍｓ以外の各光電信号を時系列的に選択するアナログマルチプレクサ１２０を付加したことが異なる。このアナログマルチプレクサ１２０は３入力１出力の切り替えスイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３を含み、各スイッチＳＳ１、ＳＳ２、ＳＳ３は外部切り替え信号ＳＮに応答して連動して切り替えられる。
【０１１８】
スイッチＳＳ１は、波長λ１の干渉ビームを受光して得られる３つの光電信号Ｉｍ１、ＩＫ０２１、ＩＫ２０１のうちの１つを選択し、スイッチＳＳ２は波長λ２の干渉ビームを受光して得られる３つ光電信号Ｉｍ２、ＩＫ０２２、ＩＫ２０２のうち１つを選択し、スイッチＳＳ３は波長λ３の干渉ビームを受光して得られる３つの光電信号Ｉｍ３、ＩＫ０２３、ＩＫ２０３のうちの１つを選択するように接続される。ただし本実施例では、スイッチＳＳ１〜ＳＳ３を連動しておくので、同時にＡ／Ｄコンバータ回路５０に入力される３つの計測信号（光電信号）は、同じ回折状態のもとで検出された信号とする。すなわち、スイッチＳＳ１〜ＳＳ３を中間位置に切り換えると、先の図６の状態と全く同じになって、±１次光の干渉ビームＢＭを各波長成分毎に光電検出した信号Ｉｍ１〜Ｉｍ３がＡ／Ｄコンバータ回路５０に供給され、３つのスイッチＳＳ１〜ＳＳ３を図１５の図示の位置に切り換えると、±１次光の干渉ビームＢＭの左側に発生した０次−２次光の干渉ビームを各波長毎に光電検出した信号ＩＫ０２１、ＩＫ０２２、ＩＫ０２３がＡ／Ｄコンバータ回路５０に供給される。もちろん３つのスイッチＳＳ１〜ＳＳ３が最も右側の位置に切り換えられると、光電信号ＩＫ２０１、ＩＫ２０２、ＩＫ２０３がＡ／Ｄコンバータ回路５０に供給される。
【０１１９】
さらに図６で示した振幅検出、振幅比検出の回路５８は、図１５では回折状態の異なる干渉ビーム毎にグループ化された比のデータＣｎ１、Ｃｎ２、Ｃｎ３（ｎは波長に対応してｎ＝１、２、３）を出力するように変更される。この比のデータのうちＣｎ１（ｎ＝１、２、３）は図６中の比Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と同じものであり、Ｃｎ２（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ０２ｎ（ｎ＝１、２、３）から得られた各波長毎の比であり、Ｃｎ３（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）から得られた各波長毎の比である。
【０１２０】
また、図６で示した位相差、位置ずれ検出回路５６は、図１５では回折状態の異なる干渉ビーム毎にグループ化されたずれ量ΔＸｎ１、ΔＸｎ２、ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）を出力するように変更される。このずれ量のうちΔＸｎ１（ｎ＝１、２、３）は図６中のずれ量ΔＸ１、ΔＸ２、ΔＸ３と同じものであり、ΔＸｎ２（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ０２ｎ（ｎ＝１、２、３）から求められた各波長成分毎のずれ量であり、ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）は光電信号ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）から得られた各波長成分毎のずれ量である。なお、この検出回路５６は先の図１２、１３で説明したような位相差Δβ０ｎ、Δβ２ｎ（ｎ＝１、２、３）に応じた値を中間的に算出している。
【０１２１】
さらに図６中の加重平均化回路６０は、図１５では選択的な加重平均化回路に変更され、±１次光の干渉ビームＢＭの光電検出結果のみに基づいて最終的な位置ずれ量をΔＸを算出する図６と同じ第１の演算モード、０次−２次光の干渉ビームの光電検出結果のみに基づいて最終的なずれ量ΔＸを算出する第２の演算モード、及び全ての干渉ビーム光電検出結果に基づいて最終的なずれ量ΔＸを算出する第３の演算モードを備えている。これら３つの演算モードはオペレータによって適宜選択可能であるが、第３の演算モードを指定したときは、さらに２〜３の演算アルゴリズムを選ぶことができる。このようなモード指定、アルゴリズム選択については後で詳しく述べる。
【０１２２】
さて、本実施例の場合も、まず初めにウエハステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークが、対物レンズ２２からの送光ビーム±ＬＦで照射されるようにステージＷＳＴの位置決めが行われる。そして切り換え信号ＳＮをアナログマルチプレクサ１２０に与えて、スイッチＳＳ１〜ＳＳ３を例えば図１５に示した位置に設定し、フィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークから発生した０次−２次光の干渉ビームを光電検出して得られた光電信号のうちの信号ＩＫ０２ｎ（ｎ＝１、２、３）をＡ／Ｄコンバータ回路５０でデジタルサンプリングし、その信号ＩＫ０２ｎの各波形をメモリ回路５４内に一時的に記憶する。
【０１２３】
そして振幅検出回路５８によってメモリ回路５４内の波形データを解析して、各信号ＩＫ０２ｎの振幅値（ピークｔｏピーク）をＪ０２ｎ（ｎ＝１、２、３）として算出して記憶する。
次にスイッチＳＳ１〜ＳＳ３を図１５中の最も右側に切り換えて、フィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークから発生した０次−２次光の干渉ビームを光電検出して得られる光電信号のうちの信号ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）をＡ／Ｄコンバータ回路５０でデジタルサンプリングし、その信号ＩＫ２０ｎの各波形をメモリ回路５４に一時的に記憶する。この際、メモリ回路５４の記憶容量が十分に大きくない場合は、先に記憶した信号ＩＫ０２ｎの各波形データを消去して信号ＩＫ２０ｎの各波形データを上書きする。その後、振幅検出回路５８によってメモリ回路５４内の波形データを解析して、各信号ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）の振幅値（ピークｔｏピーク）をＪ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）として算出して記憶する。
【０１２４】
最後に、スイッチＳＳ１〜ＳＳ２を中間位置に切り換えて、フィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークから発生した±１次光の干渉ビームを光電検出して得られる信号Ｉｍｎ（ｎ＝１、２、３）の各波形データを同様にメモリ回路５４に記憶し、振幅検出回路５８によって各信号Ｉｍｎの振幅値Ｊ１１ｎ（ｎ＝１、２、３）を求めて記憶する。
【０１２５】
以上によって予備動作が終了するので、次に実際に位置決め、位置合わせすべきウエハＷをステージＷＳＴ上に載置し、ウエハＷ上の格子マークＭＧが対物レンズ２２からの送光ビーム±ＬＦによって照射されるようにステージＷＳＴを位置決めする。
そして、先のフィデューシャルマーク板ＦＧの格子マークの検出時と同様にして、マルチプレクサ１２０のスイッチＳＳ１〜ＳＳ３を順次切り換えては各信号の波形データをメモリ回路５４に取り込み、ウエハ上の格子マークＭＧから発生した各干渉ビームを光電検出して得られる信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）の各振幅値を検出回路５８によって、それぞれＥｎ（図７参照）、Ｅ０２ｎ、Ｅ２０ｎ（図１２、１３参照）として算出する。
【０１２６】
また、スイッチＳＳ１〜ＳＳ３を切り換えてメモリ回路５４に信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎのうちの１組を記憶させる際、参照信号Ｉｍｓの波形も同じ時間軸のもとでメモリ回路５４に記憶する。そしてスイッチＳＳ１〜ＳＳ３を切り換える前に、位相差、位相ずれ検出回路５６によって、信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎのうちの記憶した信号の波形データを解析し、位相Δψｎ、Δβ０ｎ、Δβ２ｎのうちの対応した１つと、位置ずれ量ΔＸｎ１、ΔＸｎ２、ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）のうちの対応した１つとを順次算出しておく。
【０１２７】
こうして、各波長毎の振幅値や位置ずれ量が回折状態の異なる検出光（干渉ビーム）ごとに求まると、振幅比検出回路５８は以下の演算を行う。
【０１２８】
【数１】

【０１２９】
【数２】

【０１３０】
【数３】

次に平均化回路６０によって最も確からしいずれ量ΔＸが算出されるが、±１次光の干渉ビームＢＭのみを使った第１の演算モードでは、先の図６の場合と同様であり、
ΔＸ＝（Ｃ１１・ΔＸ１１＋Ｃ２１・ΔＸ２１＋Ｃ３１・ΔＸ３１）／（Ｃ１１＋Ｃ２１＋Ｃ３１）によって算出される。
【０１３１】
一方、０次−２次光の干渉ビームのみを使った第２の演算モードでは、±１次光の干渉ビームＢＭの左側に発生する０次−２次光の干渉ビームの検出によって得られた位相差Δβ０ｎと、干渉ビームＢＭの右側に発生する０次−２次光の干渉ビームの検出によって得られた位相差Δβ２ｎとの平均位相差から、各波長毎の位置ずれ量を算出するアルゴリズムが採用される。その位相差の平均とは、いわゆるランダム成分を低減させて精度向上を図る目的での平均化とは異なり、０次光と±２次光との干渉ビームを使って位置検出する場合に原理的に実施しなければならない平均化である。
【０１３２】
そこで本実施例ではそのアルゴリズムをベースとして、平均化回路６０はまず信号ＩＫ０２ｎから求められた各位置ずれ量ΔＸｎ２（ｎ＝１、２、３）と信号ＩＫ２０ｎから求められた各位置ずれ量ΔＸｎ３（ｎ＝１、２、３）との各波長毎の平均値ΔＸＡｎ（ｎ＝１、２、３）を以下のように算出する。
ΔＸＡ１＝（ΔＸ１２＋ΔＸ１３）／２
ΔＸＡ２＝（ΔＸ２２＋ΔＸ２３）／２
ΔＸＡ３＝（ΔＸ３２＋ΔＸ３３）／２
さらに平均化回路６０は、振幅比検出回路５８で求められた０次−２次光の干渉ビームの振幅比Ｃｎ２、Ｃｎ３の各波長成分毎の平均値ＣＡｎ（ｎ＝１、２、３）を以下のように算出する。
【０１３３】
ＣＡ１＝（Ｃ１２＋Ｃ１３）／２
ＣＡ２＝（Ｃ２２＋Ｃ２３）／２
ＣＡ３＝（Ｃ３２＋Ｃ３３）／２
その後、平均化回路６０は、各波長成分毎の平均的な比ＣＡｎを重み係数として、各波長成分毎の平均的な位置ずれ量ΔＸＡｎを以下のように加重平均して、最も確からしいずれ量ΔＸを算出する。
【０１３４】
ΔＸ＝（ＣＡ１・ΔＸＡ１＋ＣＡ２・ΔＸＡ２＋ＣＡ３・ΔＸＡ３）／（ＣＡ１＋ＣＡ２＋ＣＡ３）
以上により、第２の演算モードによる格子マークＭＧの位置又は位置ずれ検出が達成される。
また第３の演算モードでは、第１の演算モードで算出された位置ずれ量と第２の演算モードで算出された位置ずれ量とを単純平均する第１のアルゴリズムと、それら２つの位置ずれ量を加重平均する第２のアルゴリズムとのいずれか一方を、オペレータによって予め設定可能となっている。そこで第１の演算モード（±１次光の干渉ビームの検出結果を使うモード）で最終的に算出された位置ずれ量をΔＸＭ１とし、第２の演算モードで最終的に算出された位置ずれ量をΔＸＭ２とすると、第１のアルゴリズムで決定される位置ずれ量は（ΔＸＭ１＋ΔＸＭ２）／２で算出される。
【０１３５】
一方、第２のアルゴリズムでは、第１の演算モードで算出されるずれ量ΔＸＭ１と第２の演算モードで算出されるΔＸＭ２とを、所定の重み係数Ｑ１、Ｑ２を使って加重平均する。一例として、重み係数Ｑ１は、±１次光の干渉ビームＢＭを光電検出して得られた信号Ｉｍｎ（ｎ＝１、２、３）の夫々の振幅値Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３（図７参照）の和に対応させ、重み係数Ｑ２は０次−２次光の干渉ビームを光電検出して得られた信号ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎ（ｎ＝１、２、３）の各波長毎の平均振幅値（Ｅ０２１＋Ｅ２０１）／２、（Ｅ０２２＋Ｅ２０２）／２、（Ｅ０２３＋Ｅ２０３）／２の和に対応させる。従って、第２のアルゴリズムは以下の演算により格子マークＭＧのずれ量ΔＸが決定される。
【０１３６】
ΔＸ＝（Ｑ１・ΔＸＭ１＋Ｑ２・ΔＸＭ２）／（Ｑ１＋Ｑ２）
なお、原理的に言って高次の回折光ほど、その光強度が小さいので、±１次光の干渉ビームＢＭの光強度振幅（Ｅｎに対応）にくらべて０次−２次光の干渉ビームの光強度振幅（Ｅ０２ｎ、Ｅ２０ｎに対応）はかなり小さくなる。従って単純に信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎの振幅のみの和で重み係数Ｑ１、Ｑ２を決定してしまうと、ほとんどの場合重み係数Ｑ１の方が係数Ｑ２よりも大きくなってしまう。そこで係数Ｑ２のほうは算出された値を、例えば予め定めた割合（一例として１０〜３０％）だけ増大させるように補正しておくのがよい。
【０１３７】
次に本発明の第７の実施例を図１６を参照して説明する。この実施例では、先の図４中に示したウエハステージＷＳＴ上のフィデューシャルマーク板ＦＧＮの構造を透過型の格子（振幅透過率に非対称性がない格子）に変更し、その格子から透過して発生する干渉ビームを光電検出することによって、各光電信号Ｉｍｎ、ＩＫ０２ｎ、ＩＫ２０ｎの振幅比を検出回路５８で算出する際に使う分母（基準値）を求めるようにした。
【０１３８】
図１６はウエハステージＷＳＴの部分断面を表し、送光ビーム±ＬＦ（ここでは波長λ１、λ２の２波長とする）がフィデューシャルマーク板ＦＧ上の格子を照射すると、その格子からステージ内部に向けて０次光、±１次光、±２次光が発生する。これらの回折光はミラーＭＲで直角に曲げられてフーリエ変換機能を有するレンズ系Ｇ５に入射し、自動変換機能を有する波長選択フィルタ２４で波長λ１とλ２のいずれか一方の成分が選択され、それぞれ干渉ビームＢｍｒｎ、±Ｂ１ｒ、±Ｂ２ｒとなって光電素子群ＤＴＲに入射する。波長選択フィルタ２４は、波長λ１を透過して波長λ２を遮断するフィルタと、その逆の特性を持つフィルタとを択一的に光路に挿脱できるように構成される。従って、波長λ１を選択するフィルタが使われるときは、波長λ１による０次−２次光の干渉ビーム±Ｂ１ｒと波長λ１による±１次光の干渉ビームＢｍｒ１とが光電素子群ＤＴＲに達し、波長λ２を選択するフィルタが使われるときは、波長λ２による０次−２次光の干渉ビーム±Ｂ１ｒと波長λ２による±１次光の干渉ビームＢｍｒ２とが光電素子群ＤＴＲに達する。このため波長λ１選択用フィルタの使用時には光電信号Ｉｍｒ１、光電信号ＩＲ０２１、ＩＲ２０１が得られ、波長λ２選択用フィルタの使用時には光電信号Ｉｍｒ２、光電信号ＩＲ０２２、ＩＲ２０２が得られる。
【０１３９】
ヘテロダイン方式の場合、これらの光電信号はビート周波数と等しい周波数の正弦波状の波形となって現れ、先の図１５に示した処理回路のアナログマルチプレクサ１２０の３つのスイッチＳＳ１〜ＳＳ３によって選択的にＡ／Ｄコンバータ５０へ入力されるように接続される。具体的には図１５中の３つのスイッチＳＳ１〜ＳＳ３を５入力１出力のものに変更し、そのうち２入力分をフィデューシャルマーク板ＦＧの検出時に得られる光電信号Ｉｍｒ１、ＩＲ０２１、ＩＲ２０１の組と光電信号Ｉｍｒ２、ＩＲ０２２、ＩＲ２０２の組との入力切換に使用する。
【０１４０】
これらの光電信号の各振幅値は図１５中の振幅検出回路５８で求められ、記憶される。そして振幅比を求める際には、例えば以下の演算を行う。
Ｃ１１＝Ｉｍ１／Ｉｍｒ１
Ｃ２１＝Ｉｍ２／Ｉｍｒ２
Ｃ１２＝ＩＫ０２１／ＩＲ０２１
Ｃ２２＝ＩＫ０２２／ＩＲ０２２
Ｃ１３＝ＩＫ２０１／ＩＲ２０１
Ｃ２３＝ＩＫ２０２／ＩＲ２０２
このように本実施例ではフィデューシャルマーク板を透過した回折光の干渉ビームを光電素子群ＤＴＲで光電検出するようにしたので、その素子群ＤＴＲから得られる各光電信号の位相情報と参照信号としての光電信号Ｉｍｓの位相情報とを比べると、フィデューシャルマーク板ＦＧの位置ずれ、又は位置の計測、すなわちベースライン計測の一部分の動作を兼用させることができる。
【０１４１】
次に本発明の第８の実施例を図１７を参照して説明する。本実施例では、対物レンズ２２を介してウエハＷ（又はフィデューシャルマーク板ＦＧ）上の計測用（アライメント用）の格子マークＭＧを照射する１対の送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの偏光方向を相補的な関係にする。すなわち直線偏光であれば送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとの偏光方向を直交させ、円偏光であれば送光ビーム＋ＬＦと−ＬＦとを互いに逆回りの偏光に設定する。このため２つの送光ビーム±ＬＦは互いに干渉することがなく、格子マークＭＧから垂直に発生する各波長λ１、λ２、λ３の±１次回折光ＢＭも互いに干渉しない。
【０１４２】
そのため、±１次回折光ＢＭを対物レンズ２２、小ミラーＭＲ２を介して光電検出する際、検光子（アナライザー）としての偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いる。このようにすると、偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過した±１次光ＢＭは互いに干渉して第１の干渉ビームＢＰ１となり、偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射された±１次光ＢＭは互いに干渉して第２の干渉ビームＢＰ２となる。これら干渉ビームＢＰ１、ＢＰ２は互いに相補的ではあるが、それぞれの干渉ビームはヘテロダイン方式であればビート周波数に応じて正弦波状に強度変調されたものとなる。さらに干渉ビームＢＰ１とＢＰ２の強度変調の位相は丁度１８０度だけ異なったものとなっている。
【０１４３】
尚、同図中に示した１／２波長板ＨＷは、送光ビーム±ＬＦと±１次回折光ＢＭの互いに直交する直線偏光方向が、偏光ビームスプリッタＰＢＳの偏光分離方向と異なる（回転している）場合に、±１次回折光ＢＭ間の直線偏光方向を修正する目的で設けられたものである。このため、±１次回折光ＢＭの間の互いに直交した直線偏光方向が最初から偏光ビームスプリッタＰＢＳの偏光分離方向と一致しているか、あるいは送光ビーム＋ＬＦ、−ＬＦが逆回りの円偏光になっているときは１／２波長板ＨＷを用いなくてもよい。
【０１４４】
そこで本実施例では、干渉ビームＢＰ１をダイクロイックミラー３３２、３４を介して各波長毎に弁別し、干渉ビームＢＰ１の波長λ１の成分を光電素子３６Ａ１で受光し、波長λ２の成分を光電素子３６Ｂ１で受光し、波長λ３の成分を光電素子３６Ｃ１で受光する。同様に干渉ビームＢＰ２についてもダイクロイックミラー３２、３４で波長弁別し、波長λ１、λ２、λ３の各成分毎に光電素子３６Ａ２、３６Ｂ２、３６Ｃ２で受光する。
【０１４５】
さらに光電素子３６Ａ１と３６Ａ２の両出力信号は、差動アンプによって減算されて光電信号Ｉｍ１となり、光電素子３６Ｂ１と３６Ｂ２の両出力信号は差動アンプによって減算されて光電信号Ｉｍ２となり、そして光電信号３６Ｃ１と３６Ｃ２の両出力信号は差動アンプによって減算されて光電信号Ｉｍ３となる。
このように差動アンプを用いたのは、例えば光電素子３６Ａ１の出力信号と光電素子３６Ａ２の出力信号とが互いに逆位相（１８０°の差）になっているからであり、両出力に共通に含まれる同相ノイズ成分が減算によってキャンセルされ、信号Ｉｍ１の実質的なＳ／Ｎ比が改善されることになる。なお、先の図４、１４、１７に示した対物レンズ２２は、使用する波長域（λ１〜λ３）において発生する各種の色収差のうち、少なくとも軸上色収差についてある程度補正されているのが望ましい。仮に使用する波長λ１〜λ３の帯域が１００ｎｍ以下であれば、そのような軸上の色収差は対物レンズ２２を構成する複数のレンズ素子の硝材を選択したり、異なる屈折率、分散比のレンズ素子を組み合わせることによってある程度補正可能である。もちろん、そのような色収差は対物レンズ２２で完全に補正しておく必要もなく、図４に示した調整光学系１４、１６、１８により補正することも可能である。
【０１４６】
以上、本発明の各実施例を説明したが、ウエハＷやフィデューシャルマーク板ＦＧ上の格子マークＭＧをホモダイン方式で検出する場合、その格子マークＭＧをピッチ方向にプリスキャンして各光電信号のレベル変化をサンプリングする必要がある。その場合、最も簡単な手法は、図６又は図１５に示した信号波形サンプリング用のクロック信号Ｃｐｓを、ステージＷＳＴの位置計測用のレーザ干渉計４４からの計測パルス（例えば０．０２μｍ毎に１パルス）に変更することである。このようにすると、格子マークＭＧを数ピッチ分に渡ってプリスキャンする間に発生する各光電信号の波形データが格子マークＭＧの格子位置に対応してメモリ回路５４に記憶されることになる。
【０１４７】
また、格子マークＭＧに２つの送光ビーム±ＬＦを照射する方式では、その２つの送光ビーム±ＬＦは格子マークＭＧの少なくともピッチ方向に関して対称的な入射角にするのが望ましく、また先の図３のように格子マークＭＧに１本の送光ビームを投射する方式では、その入射角は格子マークＭＧのピッチ方向に関して零（垂直入射）にするのが望ましい。
【０１４８】
さらに本発明の各実施例では、多波長化した送光ビームを同時に格子マークＭＧへ照射するようにしたが、先の図４中の各光源ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３の後に高速シャッターを設け、波長λ１、λ２、λ３の各送光ビームのいずれか１つを時系列的に切り換えて射出させるようにしてもよい。この場合、受光系のいくつかの光電素子は波長毎に予め分離して用意することなく共通のものにすることができる。このように、各波長成分毎に時系列的に送光ビームを射出するようにすると、装置上高速シャッター機構は設けなければならないが、光電素子の数や信号処理回路内の部品点数（特にＡ／Ｄコンバータやメモリチップの数）を大幅に少なくすることができるばかりでなく、図１６中に示したステージＷＳＴ内の波長選択フィルタ２４も省略できる。
【０１４９】
ところで、多波長化された照明光束を計測用の格子マークＭＧ（またはフィデューシャルマーク）に投射する際、図１、３、４のように各波長毎の複数のレーザビームを一度同軸に合成せずに、格子マークＭＧのフーリエ変換面において、マーク位置の計測方向（ピッチ方向）と直交した非計測方向に分離して送光するように構成してもよい。すなわち複数の照明ビームの波長毎に格子マークＭＧへの入射角を非計測方向に異ならせることもできる。
【０１５０】
図２２は投影レンズの後群レンズ系Ｇ２または対物レンズ２２に入射する２つの波長のビーム±ＬＦλ１、±ＬＦλ２の送光の様子を示し、それらビーム±ＬＦλ１、±ＬＦλ２は格子マークＭＧに対するフーリエ変換面（瞳面）ＥＰ上で光軸ＡＸから偏心した位置を通る。また各ビーム±ＬＦλ１、±ＬＦλ２は同図中の紙面と垂直な方向に分離した２本のビームで構成される。さらに同図中の格子マークＭＧのピッチ方向も紙面と垂直な方向であり、波長λ１のビーム±ＬＦλ１と波長λ２のビーム±ＬＦλ２とをフーリエ変換面ＥＰ上で非計測方向（同図の紙面内の左右方向）にずらしておく。
【０１５１】
これによって格子マークＭＧから発生してフーリエ変換面ＥＰまで戻ってくる±１次回折光の干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２も、波長毎にフーリエ変換面ＥＰ上で非計測方向に分離した位置を通る。干渉ビームＢｍ１は送光ビーム±ＬＦλ１の照射によりマークＭＧから発生したものであり、干渉ビームＢｍ２は送光ビーム±ＬＦλ２の照射によりマークＭＧから発生したものであり、それら送光ビームと干渉ビームとはフーリエ変換面ＥＰ上では、例えば図２３のように分布する。
【０１５２】
図２３において、フーリエ変換面ＥＰの中心を原点とする直交軸（計測軸と非計測軸）を設定したとき、２組の送光ビーム±ＬＦλ１、±ＬＦλ２の非計測軸の方向のずれ量Ｄｈは、１次回折光による干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２の非計測方向のずれ量に対応したものとなる。このように、格子マークＭＧを照射するビームを各波長成分毎に非計測方向に傾けておくと、干渉ビームＢｍ１、Ｂｍ２もフーリエ変換面ＥＰ内で分離して分布することになるので、各光電検出器の受光面をフーリエ変換面ＥＰ上またはその面ＥＰと共役な面上に配置するだけで、同様に光電検出が可能となる。
【０１５３】
すなわち、光電検出すべき複数の干渉ビーム（±１次回折光の干渉、０−２次回折光の干渉）が各波長毎にフーリエ変換面ＥＰ上で分離していれば、それらは先の各実施例のようなダイクロイックミラーを用いなくとも個別に光電検出可能である。従って検出すべき干渉ビームを各波長毎に分離する手法として、ダイクロイックミラー、バンドパスフィルター等の波長選択素子を用いることは必ずしも必須のことではない。
【０１５４】
また、送光ビームの多波長化はレーザ光源に限らず、ハロゲンランプからの光、高輝度ＬＥＤからの光を利用しても実現できる。ハロゲンランプからの光を利用するときは、所定のバンド幅を有する波長選択フィルタを設け、このフィルタで選択された２０〜１００ｎｍ程度の波長幅の光（ブロードバンド光）を、例えば光ファイバー等で導光して使うことになる。この場合、ウエハ上の格子マークＭＧを照射する送光ビームは、選択された波長バンド幅内で連続した強度分布を有するため、受光系内の各光電素子の前に特定の波長成分のみを取り出す干渉フィルタ（バンド幅は３〜１０ｎｍ）を固定的または交換可能に配置してもよい。
【０１５５】
【発明の効果】
以上、本発明によれば位置検出用の照明光を多波長化、又はブロードバンド化し、基板上の位置検出用の格子状マークから発生する回折光を波長成分毎に独立して光電検出し、それによって得られる各光電信号毎にマーク位置情報を検出して計算上で平均化するようにしたので、マークの非対称性やレジスト層の厚みむらによる影響を低減させた高精度な位置検出が可能となる。また、マークからの回折光を光電検出する際に、波長成分毎に独立した光電信号を得るようにしたので、照明光の各波長成分毎の強度が異なっていても、従来のように多波長化による平均化効果を損なうことがないといった利点もある。
【０１５６】
さらに本発明によれば、光電検出すべき回折光がより高次の成分からなる場合であっても、従来のように単一の光電素子で多波長化された高次回折光（０次、２次光の干渉ビーム等）を同時に受光する際に生じる相殺現象がなくなり、従来に比べて各段に高精度な位置検出、アライメントが可能となる。
しかも本発明では、光電検出された各波長成分毎の回折光の強度レベルの減衰率（振幅比）を求め、その減衰率が小さく信号振幅が相対的に大きくなっている回折光に対しては、大きな重みを加えた平均化演算により位置検出を行うようにしたので、単純な平均化に比べて格段に位置検出の精度が高いといった効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図２】干渉縞と格子との相対的な位置関係の変化と検出信号のレベル変化を表す図
【図３】本発明の第２の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図４】本発明の第３の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図５】回転ラジアル格子板による回折ビームの発生の様子を示す斜視図
【図６】第３の実施例による装置に適用される信号処理回路を示すブロック図
【図７】図６の処理回路のメモリ中に取り込まれる各信号の波形の一例を示す図
【図８】図４に示された装置に適用される信号処理回路の変形例を第４の実施例として示すブロック図
【図９】本発明が適用し得る投影露光装置の概略構成を第５の実施例として示す図
【図１０】図９に示した装置のＴＴＬアライメント系の部分拡大図
【図１１】図９に示した装置の変形例を説明する図
【図１２】回折格子からの０次光と２次光との各干渉により得られた各波長毎の光電信号の波形の一例を示す図
【図１３】回折格子からの０次光と２次光との各干渉により得られた各波長毎の光電信号の波形の一例を示す図
【図１４】本発明の第６の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図１５】図１４の装置に適用される信号処理回路の構成を示すブロック図
【図１６】本発明の第７の実施例による装置の部分構成を示す断面図
【図１７】本発明の第８の実施例による位置検出装置の構成を示す図
【図１８】格子マークとレジスト層の構造の一例を示す断面図
【図１９】図１８の格子マークを検出したときの検出誤差と信号変化の振幅分との関係をシミュレーションしたグラフ
【図２０】複数の波長の光の照射によって格子マークから発生する各次数の回折光の様子を示す図
【図２１】１次回折光を使って図１８のような構造のマークを検出したときの検出誤差と、０次−２次回折光を使ってマークを検出したときの検出誤差とをシミュレーションしたグラフ
【図２２】本発明の各実施例で示された照明ビームの投射方式の変形例を示す図
【図２３】図２２の照明ビームの投射方式の際のフーリエ変換面上での各ビームの配置例を示す図
【符号の説明】
ＲＧ・・・基準格子
ＭＧ・・・格子マーク
Ｇ１・・・投影レンズの前群レンズ系
Ｇ２・・・投影レンズの後群レンズ系
ＬＳ１、ＬＳ２、ＬＳ３・・・レーザ光源
ＲＲＧ・・・回転ラジアル格子板（周波数シフター）
Ｗ・・・ウエハ
ＦＧ・・・フィデューシャルマーク板
ＤＴ１、ＤＴ２、ＤＴ３、ＤＴ４・・・光電素子
２２・・・対物レンズ
３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ・・・光電素子
ＣＵ５、６０・・・加重平均化回路[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a relative alignment technique between a mask pattern and a photosensitive substrate applied to an exposure apparatus used in a photolithography process for exposing the mask pattern onto a photosensitive substrate, for example, when manufacturing a semiconductor element or the like. In particular, the present invention relates to a technique for detecting a mark pattern on a photosensitive substrate.
[0002]
[Prior art]
For example, in a photolithography process for manufacturing a semiconductor element, a liquid crystal display element, a thin film magnetic head, or the like, an image of a photomask or reticle (hereinafter collectively referred to as “reticle”) on which a transfer pattern is formed is projected optically. 2. Description of the Related Art An exposure apparatus is used that transfers onto a wafer (or a photosensitive substrate such as a glass plate) coated with a photoresist by a projection exposure method or a proximity exposure method via a system.
[0003]
In such an exposure apparatus, it is necessary to perform alignment (alignment) between the reticle and the wafer with high accuracy prior to exposure. In order to perform this alignment, a position detection mark (alignment mark) formed in the previous process (exposure transfer) is formed on the wafer, and by detecting the position of this alignment mark, An accurate position of the wafer (circuit pattern on the wafer) can be detected.
[0004]
In recent years, an alignment mark on a wafer (or reticle) is made into a one-dimensional or two-dimensional lattice shape, and two coherent beams inclined symmetrically in the pitch direction are projected onto the lattice mark in the same direction from the lattice mark. For example, (A) Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-208220 and (B) Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-215905 are methods for detecting the position and displacement of a grating mark in the pitch direction by interfering two generated diffracted light components. Proposed in publications. Among them, the publication (A) discloses a homodyne system in which the frequencies of two symmetric coherent beams are the same, and the publication (B) is a heterodyne with a certain frequency difference between the two symmetric coherent beams. The method is disclosed.
[0005]
Further, a heterodyne type position detection apparatus applied to a TTR (through-the-reticle) alignment system or a TTL (through-the-lens) alignment system in a reduction projection exposure apparatus is disclosed in (C) JP-A-2-227602, (D This is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-2504. In the heterodyne system disclosed in these publications (C) and (D), a He-Ne laser beam is simultaneously incident on two acousto-optic modulators (AOM), and each AOM is driven at a high frequency with a frequency difference of about 25 KHz, for example. It is driven by a signal (one is 80 MHz and the other is 79.975 MHz), and a frequency difference of 25 KHz is given between the diffracted beams emitted from each AOM. The two diffracted beams are used as a pair of light transmission beams for irradiating the grating marks on the wafer or the reticle at a predetermined crossing angle.
[0006]
In the heterodyne method, a frequency difference (25 KHz) between two light transmission beams is used as a reference AC signal, and a signal obtained by photoelectrically detecting interference light (beat light) of two diffracted light components generated from a grating mark, a reference AC signal, The phase difference is measured and detected as a positional deviation amount from the reference point in the pitch direction of the lattice mark.
In the heterodyne method as described above, the better the monochromaticity of the two transmitted beams that illuminate the lattice mark, the better the detection accuracy and resolution of misalignment, and the position detection and alignment of the nanometer order becomes possible. . However, the good monochromaticity of the two transmitted beams means that the phase of the wavelength order between the various diffracted lights generated from the grating mark is likely to change sensitively depending on the asymmetry of the grating mark and the resist layer. To do.
[0007]
Of these, the effect of the resist layer is a fatal problem during wafer alignment in the exposure equipment, and unless the special technique of locally removing the resist in the mark portion is used in combination, or the optical mark detection method is abandoned. It is a problem that cannot be avoided unless it is done.
In view of this, a heterodyne system capable of more accurate position detection by reducing the influence of the resist layer or the asymmetry of the cross-sectional shape of the mark has been proposed by (E) JP-A-6-82215. In the publication (E), a plurality of beams having different wavelengths or white beams are used, and two diffracted beams obtained by irradiating a fixed diffraction grating with the beams are incident on the first stage AOM. By relaying the 0th-order beam, the + 1st-order diffracted beam, and the −1st-order diffracted beam diffracted in step 2 so as to intersect within the second-stage AOM, for example, a pair of light transmission beams having the first wavelength and the second A method is disclosed in which a pair of light transmission beams according to wavelength is formed and the two sets of light transmission beams are simultaneously projected onto a lattice mark on the wafer.
[0008]
At this time, the interference beat light generated from the lattice mark and photoelectrically detected includes the first wavelength component and the second wavelength component, which are added as light amounts on the light receiving surface of the photoelectric element. And photoelectric detection. For this reason, the mutual phase difference of the interference beat light for each wavelength component due to the influence of the thin film interference of the resist layer or the asymmetry of the cross-sectional shape of the mark is intensity-averaged, thereby enabling more accurate position detection. is there.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, as in the prior art, the illumination light beam used for position detection is converted into a beam having a plurality of wavelengths or a predetermined wavelength bandwidth, and interference light including a plurality of wavelength components generated from the lattice mark is simultaneously received by the same photoelectric element. In the case of receiving light, if there is a high-intensity wavelength component in the illumination light beam, interference light from the grating mark is also strengthened at the wavelength component, which may cause a problem in obtaining an averaging effect. Further, even if each wavelength component in the illumination light beam has the same intensity, depending on the surface state of the photosensitive substrate such as a wafer (unevenness of resist thickness, degree of asymmetry of the lattice mark, etc.), interference from the lattice mark may occur. A large difference may occur in the intensity of each wavelength component of light.
[0010]
For this reason, even if interference light including a plurality of wavelength components generated from the lattice mark is received by a single photoelectric element, there may be a case where good position detection accuracy cannot always be obtained depending on the surface state of the substrate.
Therefore, an object of the present invention is to provide a position detection method or apparatus that solves the above-described problems and is hardly affected by the surface state of a substrate such as a wafer. A further object of the present invention is to provide a position detection method or apparatus that is hardly affected by the difference in light intensity for each wavelength component even when the grating pattern (mark) is illuminated with an illumination light beam including a plurality of wavelength components. To do. In addition, the present invention provides high accuracy with reduced measurement error of the grating pattern depending on the state of the substrate surface when measuring the position of the grating pattern by irradiating the grating pattern on the substrate with an illumination beam including a plurality of wavelength components. An object of the present invention is to provide a simple alignment device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, illumination light is projected onto the diffraction grating (MG) formed on the substrate (wafer W or fiducial mark plate FG) to be position-detected, and the diffracted light from the diffraction grating (MG) is photoelectrically converted. This is applied to a method for detecting the position of a substrate by detecting. Therefore, the configuration of the present invention will be schematically described with reference to FIG. 1. First, (a) a diffraction grating (MG) is diffracted by an illumination beam (λ 1, λ 2) including different wavelength components (λ 1, λ 2). (± D11, ± D22) are projected to generate a plurality of diffraction beams including each wavelength component from the diffraction grating (MG), and (b) from the first wavelength component (λ1) among the generated plurality of diffraction beams. The first photoelectric element (DT3) receives the first interference beam (Bm1) formed by the interference of two diffracted beams having a difference in order (+ 1st order and -1st order, or 0th order and 2nd order). In addition, a second generated by interference of two diffracted beams having a difference in order (+ 1st order and −1st order, or 0th order and second order) composed of the second wavelength component (λ2) among the plurality of diffracted beams. 2nd interference beam (Bm2) Received by the photoelectric element (DT4). Then, (c) first position information (ΔX1) related to the periodic direction of the diffraction grating (MG) is calculated by the circuit unit CU3 based on the photoelectric signal (Im1) from the first photoelectric element (DT3). Based on the photoelectric signal (Im2) from the second photoelectric element (DT4), the circuit unit CU4 calculates the second position information (ΔX2) related to the periodic direction of the diffraction grating (MG). Finally, (d) the amplitude value of the photoelectric signal from the first photoelectric element (DT3) (in FIG. 1, the signal of the element DT1 that photoelectrically detects a part of the illumination beam LB1 is used) and the second photoelectric element ( DT4) and the first position information by changing the weights (C1, C2) according to the amplitude value of the photoelectric signal from DT4) (using the signal of the element DT2 that photoelectrically detects a part of the illumination beam LB2 in FIG. 1). The position of the substrate on which the diffraction grating is formed is determined by performing a weighted average calculation with the second position information by the circuit unit CU5.
[0012]
[Action]
In general, alignment and position measurement marks formed on the surface of a wafer or the like are formed with a slight step on the surface, but a wafer process such as etching or sputtering in a semiconductor processing process, or a photoresist layer There is some asymmetry due to uneven coating. The asymmetry causes a decrease in accuracy when detecting the mark position.
[0013]
In the interferometric alignment method that detects the mutual interference light of two diffracted lights generated from the grating mark and uses the photoelectric signal, the asymmetry of the grating mark becomes the asymmetry of the amplitude reflectivity of the mark itself. It affects the degradation of detection accuracy. That is, if the depth of the groove bottom of the line constituting the lattice mark has a difference in the lattice pitch direction, or if there is a partial difference in the thickness of the resist layer, the absolute value and phase of the amplitude reflectivity of the mark itself Is asymmetric according to changes in the depth of the groove bottom and the resist thickness. As a result, the diffracted light generated from the grating mark also has different intensities and phases, for example, in the positive order generated in the right direction with respect to the 0th order light and in the negative order generated in the left direction. Among these, the difference in intensity hardly contributes to the deterioration of the position detection accuracy, but the phase change has a great influence on the position detection accuracy.
[0014]
By the way, the amplitude reflectance of the lattice mark itself varies greatly depending not only on the mark depth and resist thickness but also on the wavelength of illumination light (detection light). When the wavelength of the detection light is plural (or broadband), the amplitude reflectance of the mark itself is different for each wavelength component, and the position detection result is also different. Therefore, the position detection accuracy can be simulated by assuming the amplitude reflectance of the mark itself under various mark conditions.
[0015]
In the present invention, when the grating mark is irradiated with illumination light including only a specific wavelength and the diffracted light generated from the grating mark is photoelectrically detected, the intensity of the photoelectric signal (the signal change accompanying the relative scanning of the illumination beam and the grating mark) This was conceived on the basis of a simulation result that the position detection accuracy generally deteriorates when the amplitude of () is extremely small. From the simulation results, in the present invention, even when the grating mark condition is such that the amplitude of the photoelectric signal becomes extremely small when single wavelength illumination light is used, for each wavelength using illumination light of another wavelength in combination. The position detection results are weighted averaged to prevent extreme deterioration in position detection accuracy.
[0016]
Therefore, a simulation result of position detection accuracy in the heterodyne method using single-wavelength illumination light as in the prior art will be described with reference to FIGS. This simulation assumes a case where a lattice mark on a wafer coated with a resist layer is irradiated with a coherent light beam having a certain frequency difference from two symmetrical directions, and ± 1 generated vertically from the lattice mark. It is obtained by observing the mutual interference light of the next diffracted light, that is, the state (amplitude, phase, etc.) of the interference beat light while changing the wavelength.
[0017]
FIG. 18 schematically shows a partially enlarged cross section of the one-dimensional lattice MG such as a wafer assumed in the simulation and the resist layer PR applied on the surface thereof. Here, the pitch Pmg of the grid MG is set to 8 μm, the duty is set to 1: 1, the step (or depth) T2 of the groove is set to 0.7 μm, and the taper (slope) ΔS in the pitch direction is set at the bottom of the grid MG. An asymmetry of 0.1% was set. In the resist layer PR covering such a lattice MG, the thickness T1 from the surface of the top portion of the lattice MG is 0.9 μm, and the dent amount ΔT on the resist layer surface corresponding to the position of each bottom portion of the lattice MG is It was assumed that ΔT≈0.3T2 (0.21 μm). Such a grating structure in FIG. 18 is called a grating having an asymmetric amplitude reflectance.
[0018]
In FIG. 19, the horizontal axis represents the wavelength λ (μm) of the interference light synthesized from the illumination light or ± first-order diffracted light, and the vertical axis represents the relative change in signal (alternating current component) corresponding to the change in the amount of interference light A typical amplitude and an error amount (μm) of position detection are taken. In the simulation result of FIG. 19, the AC component of the photoelectric signal corresponding to the interference light received by the heterodyne method is just zero, that is, the wavelength λ where only the DC component is adjusted to the wavelength of 0.663 μm of the He-Ne laser. The conditions of the lattice mark structure and resist layer in FIG. 18 were set.
[0019]
As is apparent from this, when a laser beam having a wavelength of 0.663 μm is used, the mark position detection error becomes very large in the vicinity of the wavelength (about ± 20 nm). This is natural in the heterodyne method, because the phase difference measurement itself becomes impossible if the photoelectric signal to be measured for the phase difference does not contain any AC component corresponding to the beat frequency. This is exactly the same when the position is detected by the homodyne method under the lattice mark structure and the resist layer under the same conditions.
[0020]
Therefore, even under the conditions shown in FIG. 19, if a semiconductor laser having a wavelength λ of about 0.670 μm or 0.725 μm is used as an illumination beam, the mark position detection error can be suppressed sufficiently small. For this reason, two-color illumination beams with different wavelengths, such as a He-Ne laser and a semiconductor laser, are used, and detection is performed under irradiation of a beam having a wavelength with the larger amplitude of the signal change (AC component). It is effective to place importance (selection or weighting) on the mark position (or displacement amount).
[0021]
Alternatively, instead of detecting only the interference light of the two first-order diffracted lights traveling in one specific direction, the interference light of the zero-order light and the second-order diffracted light traveling in different directions is detected photoelectrically, and based on the signal There is also a method of taking into account the determined mark position. In FIG. 20, two irradiation beams ± L1 of wavelength λ1 and two irradiation beams ± L2 of wavelength λ2 are incident on the diffraction grating mark MG, and the pitches of the same intensity distribution at the wavelengths λ1 and λ2 on the grating mark MG. Generation of 0th-order light, ± 1st-order, and ± 2nd-order diffracted light when the pitch Pmg of the grating mark MG is set to a relationship of Pmg = 2Pif under the condition that the interference fringes having Pif are generated. Is shown.
[0022]
In FIG. 20, the interference beam BM of the first-order diffracted light ± D1n traveling perpendicular to the grating mark MG includes both components of wavelengths λ1 and λ2. Since the 0th-order light (regular reflection light) has slightly different incident angles between the beams ± L1 and ± L2, the four beams ± D01 and ± D02 correspond to each of the beams ± L1 and ± L2. Go in a different direction. Here, one item of the subscripts D01 and D02 represents the diffraction order, and two items represent the wavelengths (λ1, λ2).
[0023]
Now, the secondary light −D21 generated by the irradiation of the beam + L1 proceeds in the backward direction along the optical path of the beam + L1, and interferes with the zero-order light + D01 of the beam −L1. Similarly, the other secondary lights + D21, -D22, + D22 travel in the same direction as the corresponding zero-order lights -D01, + D02, -D02, respectively. The interference light between the zero-order light and the secondary light also changes in intensity according to the relative displacement between the grating MG and the interference fringes, like the interference beam BM of ± first-order light.
[0024]
Therefore, considering only the wavelength λ1, the primary component (interference beam BM of the primary light ± D11) is photoelectrically detected to obtain the position (or displacement) of the mark and two secondary components. Each of (the interference light of 0th order light + D01 and secondary light-D21 and the interference light of 0th order light-D01 and secondary light + D21) is detected photoelectrically and individually using the signals of the two secondary components. A value obtained by averaging the obtained mark positions is obtained as the mark position. Then, in accordance with the magnitude relationship between the amplitude value of the signal of the primary component and the average value of the amplitude of each signal of the secondary component, the mark position detected using the primary component and the detection using the secondary component are performed. A method such as selecting one of the mark positions or performing weighted averaging is effective.
[0025]
As described above, the order of the diffracted light used for mark detection is changed because the direction of the diffracted light generated from the grating MG differs depending on the order, so the amplitude of the intensity change of the interference light of the order component traveling in a certain direction is small. This is because even if the detection accuracy deteriorates, the amplitude of the intensity change of the interference light of the order component traveling in another direction is not so small, and the detection accuracy may not be deteriorated.
[0026]
This can also be confirmed from the simulation results shown in FIG. FIG. 21 shows a simulation of the relationship between the amplitude of a signal change (AC component) and a position detection error using a He—Ne laser with a wavelength of 0.633 μm as an irradiation beam and the step T2 of the grating MG in FIG. 19 as a parameter. In this graph, the pitch Tmg = 8 μm, duty 1: 1, taper amount ΔS = 0.1%, and the thickness T1 on the top surface of the lattice of the resist layer PR is 1.15 μm. FIG. 21A is a simulation in the case of the interference beam BM of the first order component (first order light ± D11), and FIG. 21B is a second order component (0th order light ± D01 and second order diffracted light ± D21). ) In the case of interference light.
[0027]
As can be understood from FIGS. 21A and 21B, the amplitude component of the signal obtained by photoelectrically detecting the primary component and the secondary component interference light is the shape of the lattice mark (step T2). It changes greatly according to subtle changes. For example, in FIG. 21A, when the step T2 of the grating is 0.86 μm, the amplitude of the intensity change of the interference light of the primary component becomes extremely small, and as a result, the position detection error also increases rapidly. However, looking at the position where the step T2 is 0.86 μm in FIG. 21B, the intensity change of the interference light of the secondary component is relatively large, and the deterioration of the position detection error is small. Note that the amplitudes of the changes in the signals in FIGS. 21A and 21B are both expressed as relative values, but the scales are shown in FIGS. 21A and 21B.
[0028]
As described above, the position detection of the lattice mark using the interference light of the primary component and the position detection of the lattice mark using the interference light of the secondary component are used together, and one of the results is adopted. Also in the case of using an algorithm, as is apparent from the simulation of FIG. 20, it is preferable to perform weighted averaging of detection positions (or positional deviations) obtained with illumination light having a plurality of wavelength components using wavelength dependency. .
[0029]
As described above, a plurality of detection light wavelengths are used, and the mark position information obtained for each wavelength component is averaged, thereby enabling position detection with higher accuracy than in the past. As shown in FIG. 20, when the amplitude of the change in the light amount signal (alternating current component) of the diffracted light (interference light) of a certain wavelength is small, the probability that the position detection accuracy using the diffracted light of that wavelength deteriorates is high. The simulation results are also obtained. Therefore, when detecting diffracted light (interference light) of multiple wavelength components, the mark position detected for each wavelength component is assigned a small weight for a signal with a small amplitude and a large amplitude. Averages with a large weight. In this way, the mark position detection result using the diffracted light of the wavelength component with a high probability of containing a large error automatically takes a small weight, and the final mark position detection result is accordingly. Accuracy is maintained.
[0030]
Also, when detecting the signal of the second order component (interference light of the 0th order light and the second order diffracted light), the diffraction is performed in order to obtain the mark position individually using the signal obtained by photoelectric detection for each wavelength component. When receiving light (interference light), there is no possibility that the mark position cannot be detected due to the canceling effect of each wavelength as described later.
[0031]
【Example】
FIG. 1 shows the configuration of a position detection apparatus according to a first embodiment of the present invention. Here, a relative position shift amount in the pitch direction (X direction) between two diffraction gratings RG and MG is homodyne. The case where it measures by a system is illustrated. Beams LB1 and LB2 as illumination light beams are emitted from different laser light sources with different wavelengths λ1 and λ2, respectively, are synthesized coaxially, and are irradiated perpendicularly to the grating RG via the beam splitter BS and the mirror MR1. The beam splitter BS amplitude-divides a part (about several percent) of the beams LB1 and LB2 and guides them to the photoelectric elements DT1 and DT2 via the dichroic mirror DCM1. The dichroic mirror DCM1 transmits 90% or more of the beam LB1 having the wavelength λ1 and sends it to the photoelectric element DT1, and reflects 90% or more of the beam LB2 having the wavelength λ2 and sends it to the photoelectric element DT2. Each photoelectric element DT1, DT2 outputs a signal Ir1 representing the intensity value of the received beam of wavelength λ1 and a signal Ir2 representing the intensity value of the beam of wavelength λ2.
[0032]
A plurality of diffracted light beams are generated by irradiation of beams LB1 and LB2 (parallel light beams) from the grating RG. The grating RG is a one-dimensional grating having a transmission duty of 1: 1, and the pitch direction is as shown in FIG. Assuming that the direction is the left-right direction in the drawing, each of these diffracted light beams (diffraction beams) is bent with a predetermined diffraction angle in the drawing in FIG.
In FIG. 1, the first-order diffracted beams + D11 and −D11 generated from the beam LB1 having the wavelength λ1 and the first-order diffracted beams + D12 and −D12 generated from the beam LB2 having the wavelength λ2 are used as the diffracted beams. It is shown. Of course, higher-order diffracted light is generated for each of the beams LB1 and LB2 of each wavelength, but only the first-order diffracted beam is shown here for the sake of simplicity.
[0033]
Now, each diffracted beam is incident on an imaging optical system divided into a front group lens system G1 and a rear group lens system G2. The grating RG is disposed at the position of the front focal length f1a of the front group lens system G1, and the position of the rear focal length f1b of the front group lens system G1 and the position of the front focal length f2b of the rear group lens system G2 substantially coincide with each other. When the Fourier transform surface EP is formed, the first-order diffracted beams intersect (image) at the position of the rear focal length f2a of the rear group lens system G2. However, it is assumed that the chromatic aberration is corrected for the two wavelengths λ1 and λ2 in the lens systems G1 and G2.
[0034]
As shown in FIG. 1, a small mirror MR2 is fixed at the center of the Fourier transform plane (pupil plane) EP, and the zero-order beam D0 from the grating RG is shielded by this mirror MR2 and enters the rear group lens system G2. That is blocked. Each first-order diffracted beam, when exiting from the grating RG, becomes a parallel light beam like the beams LB1 and LB2, but becomes a beam waist at the position of the Fourier transform plane EP by the action of the front lens group G1. Astringent.
[0035]
Here, if the pitch of the grating RG is Prg, the first-order diffraction generated by the diffraction angle (angle with respect to the zero-order beam D0) θ1 and the beam LB2 of the wavelength λ2 of the first-order diffraction beam ± D11 generated by the beam LB1 of wavelength λ1. The diffraction angles θ2 of the beams ± D12 are expressed by the following equations, respectively.
sin θ1 = λ1 / Prg (1)
sin θ2 = λ2 / Prg (2)
Here, if λ1 <λ2, θ1 <θ2 is established, and as shown in FIG. 1, the first-order diffracted beam ± D11 is on the inner side of the first-order diffracted beam ± D12 (0th-order beam D0 side) on the Fourier transform plane EP. Pass through.
[0036]
Each first-order diffracted beam is superimposed as a parallel light beam on a reflection type grating MG for measurement formed in a concavo-convex shape on the object side via the rear lens group G2. At this time, the pitch direction of the grating MG also coincides with the X direction, and a one-dimensional interference fringe having a wavelength λ1 (the pitch direction is the X direction) is generated on the grating MG by the two-beam interference of the first-order diffracted beam ± D11. One-dimensional interference fringes having a wavelength λ2 (the pitch direction is the X direction) are generated by the two-beam interference of the first-order diffracted beams ± D12. At this time, since the light of wavelength λ1 and the light of wavelength λ2 have different wavelengths, no interference occurs between the first-order diffracted beams ± D11 and ± D12. What is important is that the interference fringe having the wavelength λ1 generated by the first-order diffracted beam ± D11 and the interference fringe having the wavelength λ2 generated by the first-order diffracted beam ± D12 have the same pitch as if they were a single It appears as interference fringes.
[0037]
The pitch Pif of the intensity distribution of the interference fringes is determined by the pitch Prg of the grating RG and the magnification M of the imaging optical system (G1, G2), and is expressed by Pif = M · Prg / 2. For example, when the pitch Prg is 4 μm and the magnification M is 1/4 (the pattern size of the grating RG is reduced to ¼ on the grating MG side), the pitch Pif of the interference fringes is 0.5 μm. Here, when the pitch Pmg of the grating MG to be measured is defined as Pmg = 2Pif, that is, Pmg = M · Prg, the re-diffracted light having the first-order diffracted beam ± D11 as the transmitted beam is emitted from the grating MG. Occur. For example, one re-diffracted light generated from the grating MG using the first-order diffracted beam + D11 as a transmitted beam is −1st-order diffracted light (wavelength λ1) traveling vertically from the grating MG, and the first-order diffracted beam −D11 is transmitted. One re-diffracted light generated from the grating MG as a beam is + 1st order diffracted light (wavelength λ1) traveling vertically from the grating MG. The ± 1st-order diffracted light beams having the wavelength λ1 traveling in the vertical direction have an interference intensity corresponding to the mutual phase state, and reach the mirror MR2 as an interference beam BM.
[0038]
On the other hand, re-diffracted light using the first-order diffracted beam ± D12 as a transmission beam is also generated from the grating MG, but the −1st-order diffracted light (wavelength λ2) generated from the grating MG by irradiation with the first-order diffracted beam + D12 is + 1st order diffracted light (wavelength λ2) generated from the grating MG by irradiation with the first order diffraction beam -D12 also proceeds perpendicularly to the grating MG. These ± 1st-order diffracted light beams having the wavelength λ2 traveling in the vertical direction also have an interference intensity corresponding to the mutual phase state, and reach the mirror MR2 as an interference beam BM. That is, the interference beam BM includes the interference beam Bm1 having the wavelength λ1 and the interference beam Bm2 having the wavelength λ2 coaxially.
[0039]
The interference beam BM is reflected by the mirror MR2 and reaches the photoelectric elements DT3 and DT4 via the lens system G3 and the dichroic mirror DCM2 constituting the photoelectric detection system. The dichroic mirror DCM2 divides the wavelengths λ1 and λ2, and substantially the same as the dichroic mirror DCM1 is used. Therefore, the interference beam Bm1 of wavelength λ1 in the interference beam BM is received by the photoelectric element DT3, and the interference beam Bm2 of wavelength λ2 is received by the photoelectric element DT4.
[0040]
The photoelectric element DT3 outputs a photoelectric signal Im1 having a level corresponding to the intensity of the interference beam Bm1 to the circuit units CU1 and CU3. The photoelectric element DT4 outputs the photoelectric signal Im2 having a level corresponding to the intensity of the interference beam Bm2 to the circuit units CU2 and CU4. Output to. The circuit unit CU1 obtains the ratio C1 between the signal Ir1 from the photoelectric element DT1 and the amplitude value of the photoelectric signal Im1 by calculation of Im1 / Ir1, and the circuit unit CU2 calculates the amplitude value of the signal Ir2 from the photoelectric element DT2 and the amplitude value of the photoelectric signal Im2. Ratio C2 is obtained by calculation of Im2 / Ir2. Data of these ratios C1 and C2 is output to a circuit unit CU5 that calculates a weighted average described later.
[0041]
Now, since the homodyne method is adopted in this embodiment, the intensity of the interference beams Bm1 and Bm2 changes according to the relative position change of the gratings RG and MG in the X direction, and is temporarily stationary with the gratings RG and MG. The levels of the signals Im1 and Im2 continue to take a certain fixed value. Accordingly, the interference fringes on the grating MG generated by the grating RG and the grating MG are relatively scanned in the X direction by a certain amount (more than the pitch Pif of the interference fringes), and the level changes of the signals Im1 and Im2 occurring during that time The peak value and the bottom value at are sampled, and the difference value is used as the amplitude value for the calculation of the circuit units CU1 and CU2, respectively.
[0042]
Therefore, with reference to FIG. 2, a change in the signal Im1 (also in Im2) corresponding to a change in the positional relationship between the interference fringes and the grating MG will be described. In FIGS. 2A, 2B, and 2C, the interference fringes with the pitch Pif are two-beam interference, and therefore have a clean sinusoidal intensity distribution, and Pmg = 2Pif is set with respect to the pitch Pmg of the grating MG. ing. When the interference fringes move rightward with respect to the grating MG in the order of FIGS. 2A, 2B, and 2C, the level of the signal Im1 changes in a sine wave shape as shown in FIG. . As shown in FIG. 2B, the signal Im1 is at the bottom level as point B at the position where each peak of the interference fringes overlaps the step edge of the grating MG. Here, the level of the point A in FIG. 2D represents the case of the positional relationship of FIG. 2A, and the level of the point C represents the case of the positional relationship of FIG.
[0043]
As described above, the level of the signal Im1 periodically changes every time the interference fringes and the grating MG move by Pmg / 2 in the X direction. For this reason, the peak level and the bottom level of the detected signal Im1 cannot be obtained unless the interference fringes and the grating MG are finely moved in advance. The same applies to the signal Im2. Since the signal Im2 represents the intensity of the interference beam Bm2 of ± first-order diffracted light, the phase with respect to the signal Im1 may be greatly different from the level of the signal Im1, as indicated by an imaginary line in FIG. There is no extreme shift (however, it may shift by several percent due to resist interference or mark asymmetry). For this reason, even if each level of the signals Im1 and Im2 is sampled at an arbitrary positional relationship where the interference fringes and the grating MG are stationary, the calculation of the ratios C1 and C2 by the circuit units CU1 and CU2 is theoretically possible. is there. However, as is clear from FIG. 2D, sampling each level at the point where the signals Im1 and Im2 reach a peak is advantageous in terms of various noise problems and detection accuracy.
[0044]
On the other hand, the circuit units CU3 and CU4 are the positions of the interference fringes and the grating MG in the X direction based on the amplitude values of the signals Im1 and Im2, respectively, and a preset function or conversion calculation formulas F (Im1) and F (Im2). The shift amounts ΔX1 and ΔX2 are calculated. The positional deviation amounts ΔX1 and ΔX2 are obtained, for example, as values within a range of ± Pmg / 4 using the peak or bottom point of each signal Im1 and Im2 in FIG. 2D as a reference (origin).
[0045]
The functions (or formulas) F (Im1) and F (Im2) use a sine function or a cosine function because Im1 and Im2 are sine waves. As an example, if the peak level of the signal Im1 described above is Ep1, the bottom level is Eb1, and the level of the signal Im1 at the position to be detected is e1,
(Ep1 + Eb1) / 2 + {(Ep1-Eb1) sinψ1} / 2 = e1
Is obtained, and is substituted into the following conversion formula using the value of the pitch Pmg, the amount of deviation ΔX1 from the reference point can be obtained.
[0046]
ΔX = Pmg · ψ / 4π (3)
The data of the deviation amounts ΔX1 and ΔX2 calculated in this way is sent to the circuit unit CU5 that performs the weighted average calculation, and the following calculation is performed using the previously determined ratios C1 and C2 as weighting factors.
ΔX = (C1 · ΔX1 + C2 · ΔX2) / (C1 + C2) (4)
The deviation amount ΔX obtained by this calculation is the positional deviation amount of the grating MG to be finally obtained with respect to the grating RG.
[0047]
As is apparent from this calculation formula, the deviation amount ΔX is determined by applying more weight to the measurement result of the positional deviation amount using the interference beam having the higher intensity component in the interference beam BM. The As described above, in this embodiment, the beams LB1 and LB2 having two different wavelength components are used to irradiate the gratings RG and MG, and the interference beam BM to be received is also photoelectrically detected for each wavelength, and the interference beam Bm1 for each wavelength. , Bm2 is used for weighted averaging of the results of individual positional deviation detection according to the amplitude of received light for each wavelength, so that a more reliable position detection result can be obtained.
[0048]
The algorithm of the signal processing system (circuit units CU1 to CU5) shown in FIG. 1 is common to the other embodiments described below, and is changed specially in realizing the function of each circuit unit. Whenever improvements are made, they will be explained. Further, in the optical arrangement shown in FIG. 1, if the grating RG is a grating mark on the mask, the grating MG is a mark on the wafer, and the imaging systems G1 and G2 are projection lenses for the mask pattern on the wafer, projection exposure is performed. An alignment apparatus in the apparatus can be realized.
[0049]
FIG. 3 shows a schematic configuration according to the second embodiment. Components having the same functions as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In this second embodiment, the two illumination beams LB1 and LB2 are made incident on the mirror MR2 disposed at the center of the pupil plane of the imaging optical system (G1, G2) via the lens system G4. Beams LB1 and LB2 bent downward by MR2 are converted into parallel luminous fluxes via the rear lens group system G2 and irradiated perpendicularly to the grating MG. Then, the first-order diffracted beam ± D11 having the wavelength λ1 diffracted by the grating MG and the first-order diffracted beam ± D12 having the wavelength λ2 are crossed (imaged) on the grating RG through the lens systems G1 and G2. Since the grating RG is a transmission type, the ± 1st-order diffracted light out of the re-diffracted light generated from the grating RG by irradiation with the 1st-order diffracted beam ± D11 travels in the direction opposite to the imaging optical system perpendicular to the grating RG, The interference beam Bm1 is received by the photoelectric element DT3 via the dichroic mirror DCM3. The ± 1st order rediffracted light generated by the irradiation of the 1st order diffracted beam ± D12 also becomes the interference beam Bm2, passes through the same optical path as the interference beam Bm1, is selected by the dichroic mirror DCM3, and reaches the photoelectric element DT4. Other configurations are the same as those in FIG.
[0050]
In this embodiment, the relationship between beam transmission and reception is reversed from that shown in FIG. 1. In this configuration, a grating MG is formed on a semiconductor wafer, a grating RG is formed on a reticle (mask), The lens systems G1 and G2 can be applied to an apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-3224 (F) in which a reduction projection lens for projection exposure of a reticle pattern is used. However, in the apparatus disclosed in the publication (F), a small lens that refracts the first-order diffracted beam by a minute amount is provided on the pupil plane EP of the projection lens to correct chromatic aberration generated in the projection lens. Is applied to each of the two sets of first-order diffracted beams ± D11 and ± D12 having slightly different wavelengths (for example, a flint having a large chromatic dispersion). System glass material) must be provided.
[0051]
As described above, in the second embodiment, since the illumination beams LB1 and LB2 are directly incident on the grating MG on the wafer, for example, the intensities of the primary diffraction beams ± D11 and ± D21 generated from the grating MG are set. The intensity of the diffracted beam (interference beam BM) generated from the grating MG in FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4, 5, and 6. Here, a heterodyne system is used instead of the homodyne system. In FIG. 4, three laser light sources LS1, LS2, and LS3 emit laser beams LB1, LB2, and LB3 having different wavelengths λ1, λ2, and λ3, respectively. As an example, the laser light source LS1 is set as a He—Ne laser light source with λ1 = 0.633 μm, the light source LS2 is set as a semiconductor laser light source with λ2 = 0.690 μm, and the light source LS3 is set as a semiconductor laser light source with λ3 = 0.760 μm. It is assumed that the relationship is selected as λ1 <λ2 <λ3.
[0052]
These three beams LB1, LB2, and LB3 are combined into one coaxial beam LB0 through the mirror MR and dichroic mirrors DCM4 and DCM5, reflected by the mirror MR, and incident on the rotating radial grating plate RRG. The grating plate RRG rotates at high speed around the rotation axis C0 at a constant angular velocity in one direction, and has an effect of increasing or decreasing the frequency of each order of diffracted light diffracted by the grating plate RRG by an amount corresponding to the angular velocity. Have.
[0053]
FIG. 5 is an enlarged perspective view of the rotating radial grating plate RRG. Here, the rotation axis C0 is set parallel to the Z axis of the XYZ coordinate system, and the circular grating plate RRG has a transmission phase diffraction grating on the circumference. RG is formed over 360 degrees. When the beam LB0 is perpendicularly incident on the grating RG of the grating plate RRG, various diffracted lights other than the zero-order light D0 are generated. In this embodiment, since the heterodyne system is realized using ± 1st order diffracted light, only ± 1st order diffracted light from the grating plate RRG is shown in FIGS.
[0054]
In the same manner as shown in FIG. 1, the first order diffracted beam ± D11 produced from the beam LB1 having the wavelength λ1 and the primary beam produced from the beam LB2 having the wavelength λ2 are obtained from the grating RG of the grating plate RRG. A folded beam ± D12 and a first-order diffracted beam ± D13 generated from the beam LB3 having the wavelength λ3 are generated. The diffraction angle θ of the first-order diffraction beam for each wavelength is expressed as follows.
[0055]
sin θn = λn / Prg
Here, n represents the wavelength, and Prg represents the pitch of the grating RG.
On the other hand, the first-order diffracted beam undergoes a constant frequency shift Δf regardless of the wavelength, and when the velocity of the grating RG of the grating plate RRG crossing the beam LB0 is V, Δf = V / Prg is expressed as Increases by Δf with respect to the frequency of the 0th-order light D0, and the −1st-order diffraction beam decreases by Δf with respect to the frequency of the 0th-order light D0. For this reason, the rotating radial grid plate RRG acts as a frequency shifter.
[0056]
Now, as shown in FIG. 4, the principal beam is parallel to each other by the collimator lens 10 between the light beam ± LF and the zero-order light D0 composed of the first-order diffracted beams ± D1n (n = 1, 2, 3) of the three wavelength components. To reach the light beam selection member 12. The light beam selection member 12 functions as a spatial filter placed on a so-called Fourier transform plane, where the zero-order light D0 is blocked and the light transmission beam ± LF by the first-order diffracted light ± D1n passes therethrough.
[0057]
Thereafter, the transmitted light beam ± LF reaches the beam splitter (half mirror) 20 via the adjusting

optical systems

14, 16, 18 made of parallel flat glass having a variable tilt amount. The adjustment optical system 14 has a function of decentering with respect to the optical axis of the lens 10 without changing the distance between the light transmission beam + LF and the light transmission beam -LF in the Fourier space. It has a function of individually adjusting the positions of the light beam + LF and the light transmission beam -LF with respect to the respective optical axes.
[0058]
The light transmission beam ± LF is divided into two by the beam splitter 20, one of which is incident on the objective lens 22, and the other is a primary beam of a specific wavelength in the light transmission beam ± LF through the wavelength selection filter 24, Here, only the primary beam ± D12 of λ2 is selected and enters the condenser lens (Fourier transform lens) 26.
On the other hand, the light transmission beams ± LF incident on the objective lens 22 become parallel luminous fluxes and simultaneously irradiate the grating MG on the wafer W at different angles. As a result, on the grating MG, interference fringes created by interference of the transmission beam ± D11 of wavelength λ1, interference fringes created by interference of the transmission beam ± D12 of wavelength λ2, and transmission beam ± of wavelength λ3. Three of the interference fringes created by D13 appear with the same pitch and the same phase. Further, due to the frequency difference 2 · Δf between the light transmission beams + LF and −LF, the interference fringes are observed to move on the grating MG at a constant speed in one direction. The moving speed is proportional to the speed V of the lattice RG of the rotating radial lattice plate RRG. As is clear from FIG. 4, the surface of the wafer W (lattice MG) and the radial grating plate RRG are arranged so as to be conjugated (imaging relationship) to each other by the synthesis system of the collimator lens 10 and the objective lens 22. ing. Therefore, a diffraction image of ± 1st order diffracted light of the grating RG of the radial grating plate RRG is formed on the grating MG of the wafer W. However, since the 0th order light D0 is shielded, the diffraction is ½ of the pitch of the grating RG. An image (interference fringe intensity distribution) is formed. The pitch Pif of the interference fringes on the wafer W is set to ½ of the pitch Pmg of the grating MG as in the previous embodiment.
[0059]
When the above relationship is satisfied, the first-order diffracted light is vertically generated from the grating MG by irradiation with the light transmission beam ± LF. That is, an interference beam BM is generated in which the first-order diffracted light generated vertically by the irradiation with the light transmission beam + LF interferes with the first-order diffracted light generated vertically by the irradiation with the light transmission beam -LF. The interference beam BM is beat light whose intensity is modulated at a frequency of 2 · Δf. Thus, in order to generate ± first-order diffracted light (interference beam BM) in the same direction, if viewed from another viewpoint, the focal length of the objective lens 22 is F0, and the Fourier transform surface of the transmitted light beam ± LF for each wavelength. The distance DLn from the optical axis above is
DLn = F0 · sin θn = ± F0 · λn / Pmg (n = 1, 2, 3)
Should be set. The setting of the interval DLn for each wavelength can be adjusted by appropriately determining the pitch of the grating RG of the rotating radial grating plate RRG and the focal length of the collimator lens 10.
[0060]
Further, since the interference fringes formed on the wafer W are formed as diffraction images of the grating RG of the radial grating plate RRG, in principle, interference caused by one wavelength component of the three wavelengths λ1, λ2, and λ3. If the pitch of the fringes and the pitch of the grating marks MG on the wafer W are in an integral multiple relationship, the pitch of the interference fringes due to other wavelength components should naturally be in that relationship. The interference fringes in FIG. 5 are perfectly matched, and the phase shift and the position shift should not occur. However, in actuality, the interference fringes for each wavelength component cause mutual positional shift, phase shift, and pitch shift depending on the degree of chromatic aberration of the optical system such as the objective lens 22 and the collimator lens 10.
[0061]
Therefore, in order to correct such a deviation, the adjusting

optical systems

14, 16, and 18 in FIG. 4 are used. These

optical systems

14, 16, and 18 are made of parallel flat glass, and when a material having a large chromatic dispersion is used as the material, the mutual displacement and phase of interference fringes formed on the wafer W for each wavelength component. The shift can be changed minutely. Alternatively, as the adjustment

optical systems

14, 16, and 18, a combination of parallel flat glass with low chromatic dispersion and parallel flat glass with high chromatic dispersion is used, and the interference fringes for each wavelength component are mutually adjusted by adjusting the inclination of the parallel flat glass with high chromatic dispersion. The overall tilt error on the wafer of the transmitted light beam ± LF caused by the correction can be corrected by adjusting the tilt of the parallel flat glass with small chromatic dispersion.
[0062]
The interference beam BM generated perpendicularly from the grating MG illuminated by the interference fringes as described above passes through the objective lens 22 and the beam splitter 20 and reaches the spatial filter 28. The spatial filter 28 is disposed at or near the Fourier transform plane of the objective lens 22 and has an aperture that transmits only the interference beam BM (± first-order diffracted light) in this embodiment. The interference beam BM transmitted through the spatial filter 28 is converted into a parallel light beam by a lens system (inverse Fourier transform lens) 30, and then wavelength-selected by the first dichroic mirror 32 and the second dichroic mirror 34.
[0063]
First, 90% or more of the beam Bm1 having the wavelength λ1 of the interference beam BM is reflected by the dichroic mirror 32 and received by the photoelectric element 36A. Of the interference beam BM, the beam Bm2 having the component of wavelength λ2 is transmitted through the dichroic mirror 32, then 90% or more is reflected by the dichroic mirror 34 and received by the photoelectric element 36B, and the beam of component λ3 of the interference beam BM is received. Bm3 passes through the

dichroic mirrors

32 and 34 and is received by the photoelectric element 36C. These

photoelectric elements

36A, 36B, and 36C have the same functions as the photoelectric elements DT3 and DT4 in FIG. 1, except that the interference beams Bm1, Bm2, and Bm3 to be received have an intensity at the beat frequency 2 · Δf. The only difference is that it is modulated. Depending on the intervals of the wavelengths λ1, λ2, and λ3 used, wavelength division by the dichroic mirrors 32 and 34 may be insufficient. Therefore, an interference filter (narrowband bandpass) is provided immediately before each of the

light receiving elements

36A, 36B, and 36C. A filter) may be arranged. Needless to say, the dichroic mirrors 32 and 34 are the same as the dichroic mirrors DCM5 and DCM4 on the light transmission system side, respectively.
[0064]
The photoelectric signals Im1, Im2, and Im3 of the

photoelectric elements

36A, 36B, and 36C each have a waveform that changes in level in a sinusoidal manner at the same frequency as the beat frequency 2 · Δf while the interference beam BM from the lattice mark MG exists. Become.
On the other hand, the primary beam ± D12 selected by the wavelength selection filter 24 and incident on the condenser lens 26 is irradiated with being superimposed on the transmission type reference grating SG. Here again, the reference grating SG is arranged conjugate to the rotating radial grating plate RRG with respect to the synthesis system of the collimator lens 10 and the condenser lens 26. For this reason, a one-dimensional interference fringe is also formed on the reference grating SG due to two-beam interference of the primary beam ± D12, which moves at a speed corresponding to the beat frequency 2 · Δf.
[0065]
Therefore, if the pitch of the reference grating SG and the pitch of the interference fringes are appropriately determined, the ± first-order diffracted light generated from the reference grating SG proceeds in the same direction as the interference beam Bms, which is transmitted through the spatial filter 38 and photoelectrically Light is received by the element 40. The photoelectric signal Ims of the photoelectric element 40 has a waveform whose level changes in a sine wave shape at the same frequency as the beat frequency 2 · Δf, and the signal Ims becomes a heterodyne reference signal.
[0066]
In the above configuration, the reference lattice SG is formed by vapor-depositing a chromium layer on a glass plate and etching the chromium layer so that transparent lines and light shielding lines are alternately formed. The grating mark MG is almost ideal without any asymmetry and resist layer problem, that is, a grating having a symmetrical amplitude transmittance. For this reason, sufficient accuracy can be obtained with only a primary beam corresponding to any one of the three wavelengths λ1, λ2, and λ3 as the pair of light transmission beams irradiated on the reference grating SG. Of course, all three primary beams ± D11, ± D12, and ± D13 included in the transmitted light beam ± LF are simultaneously irradiated onto the reference grating SG to form multicolor interference fringes in the same manner as the grating mark MG on the wafer. You may make it do.
[0067]
When the multicolor interference fringes are thus formed on the reference grating SG, and the interference beam BMs generated from the reference grating SG is separated for each wavelength and photoelectrically detected, a reference signal corresponding to the wavelength λ1 is obtained. Since the reference signal corresponding to the wavelength λ2 and the reference signal corresponding to the wavelength λ3 are individually obtained, the position of the grating mark MG can be measured for each wavelength. Further, even if the interference fringes for each of the three wavelength components formed on the wafer W cause a certain positional shift (phase shift), it is possible to measure this as an offset amount in advance. This will be described in detail later.
[0068]
Incidentally, the wafer W shown in FIG. 4 is placed on a wafer stage WST that moves two-dimensionally in a plane (XY plane) perpendicular to the optical axis of the objective lens 22. This two-dimensional movement on the stage WST is performed by a drive source 42 including a drive motor, and either a method of rotating a feed screw by a motor or a method of directly moving a stage main body by a linear motor may be used. Further, the coordinate position of the stage WST is sequentially measured by the laser interferometer 44. The measurement value of the laser interferometer 44 is used for feedback control of the drive source 42. Further, a fiducial mark plate FG is provided in a part of wafer stage WST. On this mark plate FG, a reflection type intensity grating (pitch is the same as the grating MG on the wafer) is formed on the surface of quartz glass by patterning line and space with a chromium layer. For this reason, the intensity grating is different from the phase grating such as the grating mark MG formed with unevenness on the wafer W, and has a feature that there is no asymmetry and the diffraction efficiency does not depend on the wavelength of the illumination light (or detection light), that is, the amplitude. It has the characteristic that there is no asymmetry in reflectance. Further, the reflectance of the chrome layer hardly changes in the wavelength band of illumination light for position detection (generally 0.5 to 0.8 μm). For this reason, if the intensity grating on the fiducial mark plate FG is used, it is possible to accurately obtain changes in the amplitudes of the photoelectric signals Im1, Im2, and Im3 obtained for each wavelength and the ratio between them.
[0069]
In the configuration of FIG. 4 described above, a semiconductor laser is used as a light source. In this case, a shaping optical system for removing astigmatism (a plurality of inclined sheets) is provided between the semiconductor laser (LS2, LS3) and each dichroic mirror DCM4, DCM5. It is preferable that the light beam components for each wavelength component of the combined beam LB0 have substantially the same diameter. In other cases, it is desirable to provide a beam shaping optical system that aligns the diameter of the combined beam LB0 for each wavelength component.
[0070]
In FIG. 4, a rotating radial grating plate RRG is used as a frequency shifter for the sake of simplicity. In addition, two acousto-optic modulators (AOM) are used, or the first Zeeman laser that oscillates at the center wavelength λ1. A light source and a second Zeeman laser light source that oscillates at the center wavelength λ2 may be used as the light source. However, in the case of a Zeeman laser, generally, two laser beams having complementary polarization directions are oscillated, and a frequency difference of several hundred kiloHz to several megaHz is given between the beams. The beat frequency of the beam increases accordingly, and the

photoelectric elements

36A, 36B, 36C, 40, etc. use PIN diodes, photomultipliers, etc. with high responsiveness.
[0071]
Further, the various dichroic mirrors shown in FIG. 4 may be replaced with a dispersing element such as a prism. In this case, one prism has the same function as, for example, a set of two dichroic mirrors DCM4 and DCM5 or a set of

dichroic mirrors

32 and 34.
Next, an example of a position detection / position control circuit suitable for the apparatus of FIG. 4 will be described with reference to FIG. In the case of the heterodyne system of FIG. 4, while the interference beam BM is generated from the lattice mark MG or the fiducial mark plate FG on the wafer W, the signals Im1 and Im2 from the

photoelectric elements

36A, 36B, 36C and 40, respectively. , Im3 and Ims are sinusoidal AC waveforms as shown in FIG.
[0072]
FIG. 7D shows the temporal intensity change of the signal Ims as a reference signal, and FIGS. 7A, 7B, and 7C each receive the interference beam BM from the lattice mark MG on the wafer W. An example of temporal change in intensity of the signals Im1, Im2, and Im3 is shown. Here, based on the phase of the signal Ims, the phase of the signal Im1 is shifted by −Δψ1 with respect to the signal Ims, the phase of the signal Im2 is shifted by −Δψ2 with respect to the signal Ims, and the signal Im3 is shifted with respect to the signal Ims. Assume that it is shifted by + Δψ3. The amplitude of the signal Im1 (AC component peak-to-peak) is E1, the amplitude of the signal Im2 is E2, and the amplitude of the signal Im3 is E3.
[0073]
In the circuit block shown in FIG. 6, the signals Im1, Im2, Im3, and Ims are input to an analog-digital conversion (A / D converter) circuit unit 50, where a clock signal from the sampling clock generation circuit 52 is input. In response to (pulse) Cps, the instantaneous intensity level of each signal is converted to a digital value. The frequency of the clock signal Cps is determined to be sufficiently higher than the beat frequency of the signal Imn (n = 1, 2, 3) and Ims. The clock signal Cps is also sent to the waveform memory circuit unit 54, and the A / D converter 50 Used to update the memory address when storing the digital value (data) from. Therefore, the waveform memory circuit unit 54 digitally samples the four waveform data shown in FIG. 7 over a predetermined period (for example, 10 periods or more) of the signals Imn and Ims. At this time, since the four signals Imn and Ims are simultaneously sampled by the common clock signal Cps, it is assumed that each waveform data in the waveform memory circuit unit 54 is not shifted on the time axis. Note that when the rotating radial lattice plate RRG is used, the upper limit of the beat frequency is about several KHz, so the clock signal Cps may be about several tens of KHz. Also, when using a frequency shifter in which two AOMs are arranged in tandem as in (F) Japanese Patent Laid-Open No. 6-82215, the beat frequency is determined by twice the frequency difference of the high frequency modulation signal applied to each AOM. So it can be determined relatively freely.
[0074]
Each waveform data in the memory circuit unit 54 is read into the detection circuit unit 56 of the phase difference Δψn (n = 1, 2, 3) and the positional deviation ΔXn (n = 1, 2, 3). Each phase difference Δψ1, Δψ2, Δψ3 as shown in Fig. 5 is calculated by digital calculation (Fourier integration method). As previously assumed, if the pitch Pmg of the lattice mark MG of the wafer W and the pitch Pif of the interference fringes irradiated thereon are set to Pmg = 2Pif, one period of each waveform in FIG. It corresponds to / 2. In general, since the phase difference measurement is performed in a range of ± 180 degrees, the detection circuit 56 uses the calculated phase differences Δψ1, Δψ2, and Δψ3 as the amount of positional deviation within the range of ± Pmg / 4 according to the above equation (3). Convert to ΔX1, ΔX2, and ΔX3. This deviation amount ΔXn represents a deviation within ± Pmg / 4 of the lattice mark MG with respect to the reference lattice SG.
[0075]
Here, assuming that about 0.2 degree is obtained as the resolution of the phase difference measurement, the resolution of the deviation amount is approximately (0.2 / 180) Pmg / 4, and when the pitch Pmg is 4 μm, the practical range is 0. About 0.002 μm (2 nm) is obtained.
On the other hand, the signal amplitude and amplitude ratio detection circuit unit 58 reads each waveform data as shown in FIG. 7 stored in the waveform memory circuit unit 54 and detects the amplitude values E1, E2, and E3 for each waveform by digital calculation. To do. In the detection circuit unit 58, the amplitude of each of the photoelectric signals Im1, Im2, and Im3 obtained when the interference beam BM generated from the grating of the fiducial mark plate FG is received by the

photoelectric elements

36A, 36B, and 36C in advance. Values A1, A2, and A3 are stored.
[0076]
That is, before measuring the lattice mark MG on the wafer W, the lattice mark on the fiducial mark plate FG is moved below the objective lens 22 to generate signals as shown in FIG. 7 from the

photoelectric elements

36A, 36B, and 36C. After being stored in the waveform memory circuit unit 54, the amplitude detection circuit 58 detects and stores the amplitude values A1, A2, and A3. At this time, the stationary position of the stage WST at which the mark plate FG is detected is read from the laser interferometer 44 and stored, and the positional deviation amounts ΔXb1, ΔXb2, and ΔXb3 for each wavelength can be obtained by the deviation amount detection circuit unit 56. For example, it can be used as data for determining the baseline.
[0077]
Note that the base line referred to here is a minute value when the displacement amounts ΔXb1, ΔXb2, and ΔXb3 of the lattice marks on the mark plate FG measured for each wavelength are very small. Means error. Originally, in the light transmission system shown in FIG. 4, the interference fringes for each wavelength generated on the fiducial mark plate FG by the beams of wavelengths λ1, λ2, and λ3 exactly match each other, and photoelectric detection for each wavelength is performed. If the electrical responsiveness and distortion characteristics of the system are sufficient, the values of the positional deviation amounts ΔXb1, ΔXb2, and ΔXb3 of the mark plate FG should be completely coincident.
[0078]
However, as a practical problem, when the resolution is about 2 nm, it is difficult to adjust the light transmission system and the detection system so that the positional deviation amounts ΔXb1, ΔXb2, and ΔXb3 are aligned to the resolution. Therefore, the mutual difference between the positional deviation amounts ΔXb1, ΔXb2, and ΔXb3 measured by the mark plate FG remains as an offset (baseline error) unique to the alignment system shown in FIG.
[0079]
The baseline error is determined by detecting the lattice mark MG on the wafer W and detecting the positional deviation amounts ΔX1, ΔX2, and ΔX3 for each wavelength obtained by the detection circuit 56, using the positional deviation amounts ΔXb1, ΔXb2, This is done by performing correction calculation for each of ΔXb3. As an example, since the interference beam Bms obtained from the reference grating SG is limited to the wavelength λ1 in the apparatus of FIG. 4, ΔXb2−ΔXb1 = ΔXb21, ΔXb3−, based on the measured displacement amount ΔXb1 of the fiducial mark plate FG. ΔXb1 = ΔXb31 is calculated and stored. Then, with respect to the positional deviation amounts ΔX1, ΔX2, and ΔX3 measured for the lattice mark MG on the wafer W, the value of ΔX2 is corrected and calculated so that ΔX2−ΔX1 = ΔXb21, and ΔX3−ΔX1 = ΔXb31. The value of ΔX3 may be corrected and calculated.
[0080]
Of course, when the interference beam Bms obtained from the reference grating SG is configured to include each wavelength λ1, λ2, and λ3, and the reference signal is generated by separately detecting the interference beam for each wavelength separately, Since the positional deviation amounts ΔXb1, ΔXb2, and ΔXb3 of the fiducial mark plate FG are obtained for each signal (each wavelength), the measured positional deviation amounts ΔX1, ΔX2, and ΔX3 of the lattice mark MG on the wafer are expressed as ΔX1−ΔXb1, Correction calculation may be performed as ΔX2−ΔXb2 and ΔX3−ΔXb3.
[0081]
Further, the amplitude ratio detection circuit unit 58 has ratios C1, C2 of amplitude values A1, A2, A3 stored in advance and amplitude values E1, E2, E3 obtained when the lattice mark MG on the wafer W is detected. , C3, C1 = E1 / A1, C2 = E2 / A2,
Calculate as C3 = E3 / A3. The ratios C1, C2, and C3 correspond to the weighting factors described in the previous embodiment of FIG.
[0082]
The positional deviation amounts ΔX1, ΔX2, ΔX3 and the ratios C1, C2, C3 obtained as described above are sent to the weighted averaging arithmetic circuit unit 60, where the deviation amounts of the grid marks MG to which weights are added. ΔX is calculated. The calculation is performed by the following equation.
ΔX = (C1 · ΔX1 + C2 · ΔX2 + C3 · ΔX3) / (C1 + C2 + C3)
The deviation amount ΔX thus obtained is a deviation in the pitch direction of the grating mark MG with respect to the reference grating SG, and the data is sent to the position control and display device 62 and when the wafer W is aligned (positioned) in real time. Is also sent to the servo control circuit unit 64.
[0083]
This servo control circuit unit 64 has two functions, one of which is a function (direct servo mode) for feedback control of the drive source 42 until the deviation amount ΔX reaches a predetermined value. In the case of this function, the operations of the A / D converter circuit 50, the memory circuit unit 54, the deviation amount detection circuit unit 56, and the averaging circuit unit 60 are sequentially repeated, and the deviation occurs every extremely short time (for example, several msec.). The value of the amount ΔX is calculated. The calculation of the ratios C1, C2, and C3 by the amplitude ratio detection circuit unit 58 may be performed only once, or may be performed every time the deviation amount ΔX is calculated. When the ratios C1, C2, and C3 are calculated every time, it goes without saying that the values of the ratios C1, C2, and C3 may slightly change every time the deviation amount ΔX is calculated by the weighted averaging circuit unit 60. When the ratios C1, C2 and C3 are calculated only once or a plurality of times, the same ratio value is used during the subsequent detection of the same lattice mark MG.
[0084]
On the other hand, another function of the servo control circuit unit 64 is a function (interferometer servo mode) for moving the wafer stage WST based on the measurement value of the laser interferometer 44. This function is achieved, for example, by positioning the grid of the fiducial mark plate FG on the stage WST or the grid mark MG on the wafer W directly below the objective lens 22 or on the wafer W with reference to the position of the detected grid mark MG. This is used when positioning an arbitrary point directly under the objective lens 22. In this interferometer servo mode, target position information of wafer stage WST is output from servo controller circuit 64 from position controller 62, and control circuit unit 64 reads the current position and target position of stage WST read from laser interferometer 44. The drive source 42 is feedback-controlled so that the deviation from the above is within a predetermined allowable range (for example, ± 0.04 μm).
[0085]
When the direct servo mode is executed following the interferometer servo mode, the servoable range in the direct mode is ± Pmg / 4 with respect to the pitch Pmg of the lattice mark MG. If it deviates more than that, it will be positioned with an offset of half the pitch of the lattice mark MG. Therefore, the allowable range of the stage WST in the interferometer servo mode is not limited to ± 0.04 μm constantly, but only when the lattice mark MG (or the fiducial mark plate FG) is detected. You may make it switch to +/- [(Pmg / 4)-(alpha)]. For example, when the pitch Pmg is 4 μm, if the allowable range is about ± 0.5 μm, the positioning servo can be performed with a much looser accuracy than the normal allowable range (± 0.04 μm), so the follow-up time can be shortened. become. As soon as the loose tolerance (± 0.5 μm) is entered, switching to the direct servo mode enables high-speed and high-precision positioning (positioning).
[0086]
The position control / display unit 62 has a function of displaying the coordinate position of the lattice mark MG and the obtained shift amount ΔX in addition to the servo mode switching instruction. In some cases, the values of ratios C1, C2, and C3 that are weighting factors when the lattice mark MG is detected are also stored and saved. In this case, the same lattice mark MG is formed at a number of positions on the wafer W, and when the positions of the marks MG are sequentially detected, the ratios C1, C2, and C3 are also stored in sequence, so that It can be verified which part of the mark MG has a problem due to asymmetry or unevenness of the resist layer. Then, a portion on the wafer W where the weighting factors (ratio C1, C2, C3) have changed greatly may be displayed graphically. At this time, if the wafer before application of the resist layer is mounted on the apparatus shown in FIG. 4 through a chemical process such as a diffusion process or an etching process and the change of the weighting coefficient is obtained, the influence on the wafer surface due to the chemical process is affected. It can also be examined indirectly. Furthermore, if a resist layer is applied to the wafer and the change in the weighting coefficient is similarly obtained and compared with the change in the weighting coefficient before the application, the influence of the resist layer can be indirectly examined.
[0087]
In the third embodiment described above, the fiducial mark plate FG is provided on the stage WST, and the change rate of the signal amplitude for each wavelength, that is, the ratios C1, C2, and C3 are obtained using this. As in the first embodiment (FIG. 1), it is not necessary to provide the photoelectric elements DT1 and DT2 that directly detect the light intensities of the light transmission beams LB1 and LB2. Conversely, in the first (or second) embodiment, if the fiducial mark plate FG serving as a reference is juxtaposed with the grating MG, the ratios C1 and C2 can be detected without providing the photoelectric elements DT1 and DT2. Means you can.
[0088]
FIG. 8 shows the configuration of the signal processing circuit according to the fourth embodiment. Here, the wavelength selection filter 24 shown in FIG. 4 is omitted, and the interference beam Bms from the reference grating SG is divided into three wavelengths λ1 by a dichroic mirror or the like. It is assumed that three

photoelectric elements

40A, 40B, and 40C that separate the beams Bms1, Bms2, and Bms3 for each of λ2 and λ3 and photoelectrically detect them individually are used. In this case, phase difference detection is performed between the signals Im1, Im2, and Im3 from the measurement

photoelectric elements

36A, 36B, and 36C and the reference signals Ims1, Ims2, and Ims3 from the

photoelectric elements

40A, 40B, and 40C, respectively. . That is, with respect to the measurement signal Im1, by obtaining the phase difference Δψ1 from the reference signal Ims1, the positional deviation (ΔX1) of the grating mark MG when using the light transmission beam having the wavelength λ1 is obtained.
[0089]
In the case of such a configuration, since there are a large number of signals from which waveform data should be captured, three sets of waveform sampling circuits (A / D converter 50 in FIG. 6, clock generation) corresponding to each wavelength as shown in FIG. 80A, 80B, and 80C having functions of the circuit 52 and the memory circuit 54 are provided. Since the internal configurations of the

circuits

80A, 80B, and 80C are all the same, FIG. 8 shows the detailed configuration of only the circuit 80A, and the detailed description of the other circuits 80B and 80C is omitted.
[0090]
In this embodiment, as shown in the circuit 80A, a signal Im1 from the photoelectric element 36A that receives the measurement interference beam Bm1 and a signal Ims1 from the photoelectric element 40A that receives the reference interference beam Bms1 are obtained. Are input to sample hold (S / H)

circuits

800 and 802, and signal levels from the S /

H circuits

800 and 802 are input to an analog-to-digital converter (ADC) 806 via an analog multiplexer 804. .
[0091]
The digital value converted by the ADC 806 is written to the accessed address of a rewritable memory (RAM) 808. In the RAM 808, an address value is created by an address counter 810, and the address value is incremented (or decremented) in response to the clock signal Cps. Here, however, the address counter 810 has a special function and is configured to supply the clock signal Cps as a flag to one of the specific upper bits of the address counter. As a result, the address space of the RAM 808 is divided into two pages. When the clock signal Cps is logic “0”, the address space of the first page is accessed, and when the clock signal Cps is logic “1”, the second page is accessed. The address space is accessed.
[0092]
The clock signal Cps is also supplied to the S / H circuit 802. Further, the clock signal Cps is also supplied to the timing circuit 814, and is used to create a signal (pulse) signal for the digital conversion timing of the ADC 806 and the data write timing of the RAM 808.
Therefore, when the clock signal Cps is “1”, the S / H circuit 802 is in the hold state, and the current level of the signal Im1 of the photoelectric element 36A is supplied to the ADC 806 via the analog multiplexer 804, and the digital signal corresponding to the level is supplied. The value is stored in one address position in the address space of the second page of the RAM 808. Conversely, when the clock signal Cps is “0”, the S / H circuit 802 is in the hold state, and the current level of the signal Ims1 of the photoelectric element 40A is supplied to the ADC 806 via the multiplexer 804, and a digital value corresponding to the level is obtained. Is stored in one address position in the address space of the first page of the RAM 808.
[0093]
The above operation is repeated at a high speed for a predetermined period (for example, 10 periods or more) of the signal Im1 (or Ims1), the waveform data of the reference signal Ims1 is stored in the first page of the RAM 808, and the measurement signal is displayed on the second page. Im1 waveform data is stored. The set of waveform data stored in the RAM 808 is read out from the address bus ABS of the microprocessor or the like to the data bus DBS of the microprocessor in response to the address value set in the address counter 810. The microprocessor processes each waveform data by a program that achieves the same function as each of the

detection circuits

56 and 58 shown in FIG. 6, and obtains the positional deviation amounts ΔX1, ΔX2, and ΔX3.
[0094]
The configuration and operation of the sampling circuit 80A described above are exactly the same in the sampling circuits 80B and 80C. The circuit 80B temporarily stores the waveform data of the measurement signal Im2 and the reference signal Ims2, and the circuit 80C and the measurement signal Im3. Each waveform data of the reference signal Ims3 is temporarily stored.
In the fourth embodiment, since no A / D converter is provided for each of the measurement signal Imn and the reference signal Imsn, it is difficult to sample at the same time within the order of microseconds. If the frequency is several tens of KHz or less, microsecond order simultaneity is not so necessary. Rather, it is advantageous to reduce the hardware cost of the signal processing circuit by simplifying the circuit configuration by halving the number of A / D converters and the like.
[0095]
By the way, when a fiducial mark plate FG having a chrome surface with a known reflectivity is fixed on the wafer stage WST, as described above, the mark plate FG is subjected to measurement of various baseline amounts and in a focused state. It can be used for measurement. The baseline amount is basically a measurement operation for determining the relative positional relationship between the projection point at the center of the mask (reticle) mounted on the projection exposure apparatus and the detection center point of various wafer alignment systems. means.
[0096]
FIG. 9 shows a schematic alignment system arrangement of a projection exposure apparatus that requires measurement of a baseline amount as a fifth embodiment of the present invention. A reticle R is adsorbed on a reticle stage RST, and the reticle R The pattern image is configured to be projected and exposed to a predetermined shot area on the wafer W via the projection optical system PL of equal magnification or reduction.
[0097]
In FIG. 9, on the surface of fiducial mark plate FG on wafer stage WST, there are a mark group that can be detected by through-the-reticle (TTR) type alignment system TTRA, and a mark group that can be detected by reticle alignment system RA. And a mark group detectable by a through-the-lens (TTL) type alignment system TTLA and a mark group detectable by an off-axis type alignment system OFA fixed outside the projection optical system PL. Yes. Some of these marks are commonly used. Each alignment system RA, TTRA, TTLA, and OFA includes direct or indirect detection center points Rf1, Rf2, Rf3, and Rf4 that serve as a reference for mark detection.
[0098]
When the position detection apparatus as shown in FIG. 4 is applied to each alignment system, the detection center points Rf1, Rf2, Rf3, and Rf4 are defined by the reference lattice SG. However, in the reticle alignment system RA, the reticle alignment mark (grating pattern) RM around the reticle R and the corresponding grating mark on the fiducial mark plate FG have the same wavelength as the illumination light for projection exposure of the pattern PR. When the reticle stage RST is finely moved so that both marks are in a predetermined positional relationship, the detection center point Rf1 is not necessary.
[0099]
The same applies to the alignment system TTRA, and the corresponding mark on the fiducial mark plate FG or the mark on the wafer W and the die-by-die ( D / D) In the case of a system in which an alignment mark is taken as an image and the positional deviation between both mark images is detected, it is not necessary to prescribe the detection center point Rf2.
[0100]
Here, the baseline amount is a projection point of the center CCr of the reticle R on the wafer side (which substantially coincides with the optical axis AX) and the detection center points Rf1, Rf2, Rf3, Rf4 to the wafer side. This is nothing but the positional relationship in the X and Y directions between the projected points. The positional relationship is that each alignment system RA, TTRA, TTLA, OFA itself detects the amount of positional deviation between the corresponding mark group of the fiducial mark plate FG and the projection point of each detection center point Rf1 to Rf4, The coordinate position of wafer stage WST at that time can be obtained by detecting with laser interferometer 44 (see FIG. 4).
[0101]
Therefore, when a heterodyne type position detector as shown in FIG. 4 is incorporated in each alignment system, the grid of the fiducial mark plate FG is detected during such a baseline measurement operation. The amplitude levels A1, A2, and A3 of the signals Im1, Im2, and Im3 from the

photoelectric elements

36A, 36B, and 36C therein can be stored in the circuit unit 58 in FIG. Note that the pupil plane EP in the projection optical system PL shown in FIG. 9 is equivalent to the Fourier transform plane EP shown in FIG. The light of the objective lens provided in each of the alignment systems RA, TTRA, and TTLA for detecting an object (a mark on the wafer W or a mark on the fiducial mark plate FG) on the wafer stage WST via the projection optical system PL. The axes are all set to be substantially parallel to the optical axis AX on the wafer stage WST side. When the reticle side as well as the wafer side of the projection optical system PL is a telecentric system (in the case of FIG. 9), the optical axis of the objective lens of each alignment system is the optical axis of the projection optical system PL even on the reticle side. It is parallel to AX. The extension of the optical axes of these objective lenses passes through the center of the pupil plane EP of the projection optical system PL (the portion through which the optical axis AX passes).
[0102]
The effective radius of the pupil plane EP corresponds to the numerical aperture (NA) that affects the resolution (minimum resolution line width) of the projection lens PL. A. Projection lenses of about 0.5 to 0.7 have been developed.
FIG. 10 shows an example of the main part of the alignment system TTLA in the alignment system shown in FIG. 9, and two light transmission beams ± for detecting the lattice mark MG or the fiducial mark plate FG on the wafer. LF (corresponding to beam + LF and beam -LF in FIG. 4) is a correction optical system CG, beam splitter 20 (corresponding to half mirror 20 in FIG. 4), objective lens OBJ (corresponding to objective lens 22 in FIG. 4). The light enters the projection lens PL through the two mirrors MR. At this time, a plane FC conjugate with the surface of the wafer W is formed between the two mirrors MR, and the two beams ± LF intersect within the plane FC. The beam ± LF is relayed by the projection lens PL and crosses the wafer to irradiate the lattice mark MG.
[0103]
Then, the interference beam BM from the grating mark MG passes through almost the center of the pupil plane EP of the projection lens PL, passes through the mirror MR, the objective lens OBJ, and the beam splitter 20 to the dichroic mirror DCM (to the dichroic mirror 32 in FIG. 4). Equivalent) and is wavelength-divided here. If the light transmission beam ± LF has two wavelengths λ1 and λ2, the dichroic mirror DCM guides the interference beam Bm1 of wavelength λ1 to the photoelectric element 36A and guides the interference beam Bm2 of wavelength λ2 to the photoelectric element 36B.
[0104]
In such an alignment system TTLA, if the light transmission beam ± LF includes a plurality of wavelength components (separated from each other by about 30 to 40 nm), the influence of the chromatic aberration (on the axis and the magnification) of the projection lens PL or the chromatic aberration of the objective lens OBJ. As a result, the crossing region of the beams ± LF irradiated onto the wafer may slightly shift in the Z direction or the XY direction for each wavelength component. Therefore, as shown in FIG. 10, a correction optical system CG for correcting an error generated according to chromatic aberration is provided in the optical path of the light transmission beam ± LF. The correction optical system CG is composed of a convex lens, a concave lens, or a combination lens thereof, or a parallel plate glass, and the adjustment

optical systems

14, 16, and 18 shown in FIG. 4 may be used.
[0105]
Further, in the case of the alignment system TTRA in FIG. 9, the D / D alignment mark DDM on the reticle R is a diffraction grating, and the relative positional deviation between the mark DDM and the corresponding lattice mark MG on the wafer W is shown in FIG. When detecting with a heterodyne system such as 4 (G), as disclosed in JP-A-6-302504, a transparent parallel plate-shaped correction plate PGP is provided on the pupil plane EP of the projection lens PL. Arranging the phase type diffraction grating (the surface of the correction plate PGP with an uneven line etched at a predetermined pitch) only at the position where the light transmission beam (± LF) or the interference beam (BM) passes on the correction plate PGP, It is necessary to reduce the effects of axial chromatic aberration and lateral chromatic aberration.
[0106]
FIG. 11 shows an arrangement relationship between a part of the alignment system TTRA and the correction plate PGP, and FIG. 11A shows a light transmission beam when a lattice mark MG having a pitch in the X direction (measurement direction) is detected. The optical path between ± LF and the interference beam BM is viewed in the XZ plane, and FIG. 11B is the optical path in FIG. 11A viewed in the YZ plane orthogonal thereto.
[0107]
From the objective lens OBJ (corresponding to the objective lens 22 in FIG. 4) of the alignment system TTRA, two light transmission beams ± LF are emitted with a slight eccentricity from the optical axis AXa, reflected by the mirror MR, and the pattern of the reticle R. The light enters the projection lens PL through a window RW around the area. The two light transmission beams ± LF are multi-wavelength, and when viewed in the XZ plane, they pass through the window RW with a symmetrical inclination as seen in FIG. 11A, and are viewed in the YZ plane. 11B, the light passes through the window RW while being inclined with respect to the optical axis AXa of the objective lens OBJ.
[0108]
The two light transmission beams ± LF pass through two phase type diffraction gratings (hereinafter referred to as phase gratings) PG1 and PG2 on the correction plate PGP disposed on the pupil plane EP of the projection lens PL. At this time, by the action of the phase gratings PG1 and PG2, each of the light transmission beams ± LF is changed in inclination by a predetermined amount in a predetermined direction from the broken line to the solid line in the same figure, and is emitted from the projection lens PL. Then, when viewed in the XZ plane, the light transmission beam ± LF irradiates the lattice mark MG on the wafer W with a symmetric incident angle as shown in FIG. 11A, and in the YZ plane, FIG. As shown in B), the light is incident on the grating mark MG with a slight inclination in the Y direction.
[0109]
As a result, the interference beam BM generated from the grating mark MG again enters the projection lens PL, and passes through a position different from the phase gratings PG1 and PG2 on the pupil plane EP. At that position, a phase grating PG3 for tilting the interference beam BM by a predetermined amount in a predetermined direction from the broken line to the solid line in FIG. 11B is formed, whereby the optical path of the interference beam BM is transmitted through the projection lens PL. Then, the correction is made so as to go to the window RW of the reticle R. Then, the interference beam BM passing through the RW travels to the light receiving system as shown in FIG. 4 via the mirror MR and the objective lens OBJ. At this time, the interference beam BM passes through the window RW with a slight inclination with respect to the optical axis AXa of the objective lens OBJ.
[0110]
When such a correction plate PGP is used, if the light transmission beam ± LF is multi-wavelength, each wavelength component of the light transmission beam ± LF is slightly shifted in the X direction on the correction plate PGP. For this reason, the phase gratings PG1 and PG2 are also formed correspondingly larger in the X direction.
Further, such a correction plate PGP can be used for the alignment system TTLA shown in FIG. For example, exposure using a projection lens (which may be a combination of a reflecting mirror and a refractive lens) that uses quartz or fluorite as a glass material for a refractive lens and ultraviolet light (excimer laser light, etc.) having a wavelength of 180 to 300 nm as exposure light. In the case of the apparatus, the chromatic aberration with respect to the wavelength of the beam from the He—Ne laser or the semiconductor laser becomes extremely large, and the wafer conjugate plane FC shown in FIG. 10 is separated from the projection lens by several tens of centimeters or more. Therefore, the correction plate PGP is used to correct the wafer conjugate plane FC where the light transmission beams ± LF intersect so as to approach the projection lens.
[0111]
As described above, the multi-wavelength beams + LF and −LF pass through the light transmission phase gratings PG1 and PG2 on the correction plate PGP. At this time, the wavelength components using the grating structures of the phase gratings PG1 and PG2 are used. It is difficult to optimize for everything. For this reason, the grating structures of the phase gratings PG1 and PG2 are set so as to be optimized with a specific wavelength component, and in the light transmission path of the light transmission beam ± LF (generally, on the light source side relative to the objective lens OBJ). It is preferable to provide an adjusting optical member so that the transmitted light beam for each wavelength component is compensated in advance only for the direction difference and the position difference caused by the difference in diffraction action received by the phase gratings PG1 and PG2. In short, the interference fringes formed on the lattice mark MG of the wafer W (or fiducial mark plate FG) due to the interference of the two light transmission beams ± LF do not cause positional deviation or pitch deviation for each wavelength component. The adjustment

optical systems

14, 16, and 18 in FIG. 4 or the correction lens CG in FIG. 10 are provided, and these are adjusted.
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described below. In the present embodiment, on the basis of the configuration shown in FIG. 4, in addition to the interference beam of ± first-order diffracted light from the grating mark, as described with reference to FIGS. A configuration for detecting an interference beam of second-order diffracted light was added. Although an attempt has been made to photoelectrically convert an interference beam of zero-order light and second-order diffracted light with a single photoelectric element and detect the positional deviation of the grating mark using the photoelectric signal, transmission for grating mark illumination is attempted. If the interference beam of 0th-order light and secondary light (multi-wavelength) is received by a single photoelectric element after the light beam is made multi-wavelength, it is difficult to detect a good misalignment as it is. The major reason is that the waveforms of the photoelectric signals IK021, IK022, and IK023 obtained by photoelectrically detecting the interference beams of the 0th order light and the secondary light for each of, for example, three wavelength components λ1, λ2, and λ3 as shown in FIG. Can be easily understood. That is, the phase difference between the three photoelectric signals IK02n (n = 1, 2, 3) is generally larger than the phase difference of the photoelectric signal Imn (see FIG. 7) in the case of the interference beam of ± first-order diffracted light. Because. For this reason, if the change in light intensity for each wavelength having a large phase difference is received by a single photoelectric element, the amplitude of the photoelectric signal (the amplitude of the alternating current) is increased by the canceling effect of the intensity of each wavelength. It becomes very small. Note that the interference beams of the zero-order light and the secondary light are generated at symmetrical angles on both sides of the interference beam BM of the first-order diffracted light ± D1n as described above with reference to FIG.
[0112]
12A, 12B, and 12C show the interference beam that appears on the left side of the interference beam BM of the ± first-order light, for example, among the interference beams of the 0th-secondary light shown in FIG. The waveforms of the photoelectric signals IK021, IK022, and IK023 in the heterodyne method when photoelectrically detected for each of the three wavelengths λ1, λ2, and λ3 are shown, and FIG. 12D is the same reference signal as FIG. Represents the waveform of the photoelectric signal Ims.
[0113]
On the other hand, FIGS. 13A, 13B, and 13C show interference beams appearing on the right side of the ± first-order interference beam BM among the zero-order and second-order light interference beams shown in FIG. The photoelectric signals IK201, IK202, and IK203 of the photoelectric signals IK201, IK202, and IK203 when photoelectrically detected for each of the three wavelengths λ1, λ2, and λ3 are shown in FIG. 13D. FIG. Represents the waveform. As shown in FIGS. 12 (A), (B), (C) and FIGS. 13 (A), (B), (C), the phase of each signal IK02n, IK20n (n = 1, 2, 3). The shifts Δβ01, Δβ02, Δβ03, Δβ21, Δβ22, and Δβ23 are strongly wavelength dependent and greatly vary, and the signals IK02n and IK20n have a tendency to be reversed in the same wavelength.
[0114]
Therefore, the configuration of the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows a part of the configuration of FIG. 4, specifically, a photoelectric detection system for various interference beams from the lattice mark MG, and therefore members having the same functions as those in FIG. Is attached. 14 includes a light source LS1, LS2, LS3, a mirror MR, a dichroic mirror DCM4, DCM5, a radial grating plate RRG as a frequency shifter, a lens 10, a spatial filter 12, and adjustment optics. It consists of

systems

14, 16, 18, etc., and emits a pair of light transmission beams + LF and -LF. A light transmission beam ± LF including components of wavelengths λ 1, λ 2, and λ 3 is partially reflected by the half mirror 20 and is incident on the objective lens 22, and a part is incident on the reference light receiving system 110. The reference light receiving system 110 includes the wavelength selection filter 24, the lens 26, the reference grating SG, and the spatial filter 38 in FIG. 4, and guides the reference light Bms to the photoelectric element 40.
[0115]
When the grating MG on the wafer W is irradiated with the light transmission beam ± LF through the objective lens 22, an interference beam BM of ± first-order diffracted light is generated vertically and is opposite to the traveling direction of each light transmission beam. Various interference beams of 0th-secondary light are generated in the direction. The interference beam of the 0th-secondary light passes through the objective lens 22 and the half mirror 20 to the

dichroic mirrors

32 and 34, where it is separated for each wavelength component. First, the dichroic mirror 32 almost reflects the two 0th-secondary interference beams having the wavelength λ1, and the interference beams are received by 36A1 and 36A2, respectively. Of course, the ± 1st order interference beam Bm1 of wavelength λ1 is reflected by the dichroic mirror 32 and received by the photoelectric element 36A.
[0116]
Also, the interference beams of 0th-secondary light of wavelengths λ2 and λ3 and ± 1st-order interference beams Bm2 and Bm3 transmitted through the dichroic mirror 32 are separated for each wavelength component by the

dichroic mirror

34, and 0 of wavelength λ2 The interference beams (two) of the secondary-secondary light are respectively received by the photoelectric elements 36B1 and 36B2, and the interference beam Bm2 of ± primary light is received by the photoelectric element 36B. Further, the interference beams (two) of the 0th-order and second-order light having the wavelength λ3 transmitted through the dichroic mirror 34 are received by the photoelectric elements 36C1 and 36C2, and the ± 1st-order interference beam Bm3 is received by the photoelectric element 36C.
[0117]
As apparent from the above configuration, in this embodiment, the photoelectric signal Ims from the photoelectric element 40 is used as a reference signal, and the photoelectric signal from each photoelectric element 36A, 36A1, 36A2, 36B, 36B1, 36B2, 36C, 36C1, 36C2 A signal processing circuit for obtaining the phase difference is required. Therefore, an example of the simplest circuit configuration is shown in FIG. FIG. 15 is an improvement of a part of the processing circuit shown in FIG. 6. In the hardware, each photoelectric signal other than the reference signal Ims input to the A / D converter circuit 50 in FIG. The difference is that an analog multiplexer 120 is selected in time series. The analog multiplexer 120 includes three-input one-output change-over switches SS1, SS2, and SS3. The switches SS1, SS2, and SS3 are switched in response to an external switch signal SN.
[0118]
The switch SS1 selects one of the three photoelectric signals Im1, IK021, and IK201 obtained by receiving the interference beam having the wavelength λ1, and the switch SS2 receives the three photoelectric signals obtained by receiving the interference beam having the wavelength λ2. One of the signals Im2, IK022, and IK202 is selected, and the switch SS3 is connected to select one of the three photoelectric signals Im3, IK023, and IK203 obtained by receiving the interference beam having the wavelength λ3. . However, in this embodiment, since the switches SS1 to SS3 are interlocked, the three measurement signals (photoelectric signals) input to the A / D converter circuit 50 at the same time are the signals detected under the same diffraction state. To do. That is, when the switches SS1 to SS3 are switched to the intermediate positions, the signals Im1 to Im3 obtained by photoelectrically detecting the ± first-order interference beam BM for each wavelength component become exactly the same as the state of FIG. When the three switches SS1 to SS3 are supplied to the D converter circuit 50 and switched to the positions shown in FIG. 15, the interference beam of the 0th-secondary light generated on the left side of the interference beam BM of the ± first-order light is changed to each wavelength. Signals IK021, IK022, and IK023 photoelectrically detected every time are supplied to the A / D converter circuit 50. Of course, when the three switches SS1 to SS3 are switched to the rightmost position, the photoelectric signals IK201, IK202, and IK203 are supplied to the A / D converter circuit 50.
[0119]
Further, the amplitude detection / amplitude ratio detection circuit 58 shown in FIG. 6 includes ratio data Cn1, Cn2, Cn3 (n = n = corresponding to the wavelength) grouped for each interference beam having a different diffraction state in FIG. 1, 2, 3) is output. Among the data of this ratio, Cn1 (n = 1, 2, 3) is the same as the ratios C1, C2, C3 in FIG. 6, and Cn2 (n = 1, 2, 3) is the photoelectric signal IK02n (n = 1, 2 and 3) for each wavelength, and Cn3 (n = 1, 2, 3) is the ratio for each wavelength obtained from the photoelectric signal IK20n (n = 1, 2, 3). It is.
[0120]
Further, the phase difference / position deviation detection circuit 56 shown in FIG. 6 outputs deviation amounts ΔXn1, ΔXn2, ΔXn3 (n = 1, 2, 3) grouped for each interference beam having a different diffraction state in FIG. To be changed. Of these deviation amounts, ΔXn1 (n = 1, 2, 3) is the same as the deviation amounts ΔX1, ΔX2, ΔX3 in FIG. 6, and ΔXn2 (n = 1, 2, 3) is the photoelectric signal IK02n (n = 1, 2, 3) is a shift amount for each wavelength component, and ΔXn3 (n = 1, 2, 3) is each wavelength component obtained from the photoelectric signal IK20 n (n = 1, 2, 3). The amount of deviation for each. The detection circuit 56 intermediately calculates values corresponding to the phase differences Δβ0n and Δβ2n (n = 1, 2, 3) as described with reference to FIGS.
[0121]
Further, the weighted averaging circuit 60 in FIG. 6 is changed to a selective weighted averaging circuit in FIG. 15, and the final positional deviation amount is set to ΔX based only on the photoelectric detection result of the interference beam BM of ± first-order light. The same first calculation mode as in FIG. 6, the second calculation mode for calculating the final shift amount ΔX based only on the photoelectric detection result of the interference beam of 0th-secondary light, and all the interference beams A third calculation mode for calculating a final shift amount ΔX based on the photoelectric detection result is provided. These three calculation modes can be selected as appropriate by the operator. However, when the third calculation mode is designated, two to three calculation algorithms can be selected. Such mode designation and algorithm selection will be described in detail later.
[0122]
In the case of the present embodiment, the stage WST is first positioned so that the lattice mark of the fiducial mark plate FG on the wafer stage WST is irradiated with the light transmission beam ± LF from the objective lens 22 first. Is called. Then, the switching signal SN is given to the analog multiplexer 120, the switches SS1 to SS3 are set to the positions shown in FIG. 15, for example, and the interference beam of the 0th order and the secondary light generated from the lattice mark of the fiducial mark plate FG is obtained. Of the photoelectric signals obtained by photoelectric detection, the signal IK02n (n = 1, 2, 3) is digitally sampled by the A / D converter circuit 50, and each waveform of the signal IK02n is temporarily stored in the memory circuit 54. Remember.
[0123]
The waveform data in the memory circuit 54 is analyzed by the amplitude detection circuit 58, and the amplitude value (peak to peak) of each signal IK02n is calculated and stored as J02n (n = 1, 2, 3).
Next, the switches SS1 to SS3 are switched to the rightmost side in FIG. 15, and the photoelectric signal obtained by photoelectrically detecting the interference beam of the 0th-secondary light generated from the lattice mark of the fiducial mark plate FG is obtained. The signal IK20n (n = 1, 2, 3) is digitally sampled by the A / D converter circuit 50, and each waveform of the signal IK20n is temporarily stored in the memory circuit. At this time, if the storage capacity of the memory circuit 54 is not sufficiently large, each waveform data of the signal IK02n stored previously is erased and each waveform data of the signal IK20n is overwritten. Thereafter, the waveform data in the memory circuit 54 is analyzed by the amplitude detection circuit 58, and the amplitude value (peak to peak) of each signal IK20n (n = 1, 2, 3) is set to J20n (n = 1, 2, 3). Is calculated and stored.
[0124]
Finally, the signal Imn (n = 1, 2, 3) obtained by photoelectrically detecting the interference beam of ± first-order light generated from the lattice mark of the fiducial mark plate FG by switching the switches SS1 to SS2 to the intermediate position. ) Is similarly stored in the memory circuit 54, and the amplitude detection circuit 58 obtains and stores the amplitude value J11n (n = 1, 2, 3) of each signal Imn.
[0125]
Since the preliminary operation is thus completed, the wafer W to be actually positioned and aligned next is placed on the stage WST, and the lattice mark MG on the wafer W is irradiated with the light transmission beam ± LF from the objective lens 22. The stage WST is positioned as described.
Then, in the same manner as when detecting the lattice mark on the fiducial mark plate FG, the switches SS1 to SS3 of the multiplexer 120 are sequentially switched, and the waveform data of each signal is taken into the memory circuit 54, and the lattice mark on the wafer is obtained. Each amplitude value of the signals Imn, IK02n, IK20n (n = 1, 2, 3) obtained by photoelectrically detecting each interference beam generated from the MG is converted into En (see FIG. 7), E02n, E20n by the detection circuit 58, respectively. (See FIGS. 12 and 13).
[0126]
When the switches SS1 to SS3 are switched to store one set of the signals Imn, IK02n, and IK20n in the memory circuit 54, the waveform of the reference signal Ims is also stored in the memory circuit 54 under the same time axis. Before switching the switches SS1 to SS3, the phase difference / phase shift detection circuit 56 analyzes the waveform data of the signal stored in the signals Imn, IK02n, and IK20n, and the corresponding one of the phases Δψn, Δβ0n, Δβ2n is analyzed. One and a corresponding one of the positional deviation amounts ΔXn1, ΔXn2, and ΔXn3 (n = 1, 2, 3) are sequentially calculated.
[0127]
Thus, when the amplitude value and the amount of positional deviation for each wavelength are obtained for each detection light (interference beam) having a different diffraction state, the amplitude ratio detection circuit 58 performs the following calculation.
[0128]
[Expression 1]

[0129]
[Expression 2]

[0130]
[Equation 3]

Next, the amount ΔX is most surely calculated by the averaging circuit 60, but in the first calculation mode using only the interference beam BM of ± first-order light, it is the same as in the case of FIG.
ΔX = (C11 · ΔX11 + C21 · ΔX21 + C31 · ΔX31) / (C11 + C21 + C31)
[0131]
On the other hand, in the second calculation mode using only the interference beam of the 0th-secondary light, it was obtained by detecting the interference beam of the 0th-secondary light generated on the left side of the interference beam BM of ± first-order light. An algorithm for calculating a positional deviation amount for each wavelength from the average phase difference between the phase difference Δβ0n and the phase difference Δβ2n obtained by detecting the interference beam of the 0th-secondary light generated on the right side of the interference beam BM. Adopted. The average of the phase difference is different from averaging for the purpose of reducing the so-called random component and improving accuracy, and is fundamental in the case of position detection using an interference beam of zero-order light and ± second-order light. Is the averaging that must be performed.
[0132]
Therefore, in the present embodiment, based on the algorithm, the averaging circuit 60 firstly calculates each positional deviation amount ΔXn2 (n = 1, 2, 3) obtained from the signal IK02n and each positional deviation amount ΔXn3 (n obtained from the signal IK20n. The average value ΔXAn (n = 1, 2, 3) for each wavelength with n = 1, 2, 3) is calculated as follows.
ΔXA1 = (ΔX12 + ΔX13) / 2
ΔXA2 = (ΔX22 + ΔX23) / 2
ΔXA3 = (ΔX32 + ΔX33) / 2
Further, the averaging circuit 60 calculates the average value CAn (n = 1, 2, 3) for each wavelength component of the amplitude ratios Cn2 and Cn3 of the interference beam of 0th-secondary light obtained by the amplitude ratio detection circuit 58. Calculate as follows.
[0133]
CA1 = (C12 + C13) / 2
CA2 = (C22 + C23) / 2
CA3 = (C32 + C33) / 2
After that, the averaging circuit 60 uses the average ratio CAn for each wavelength component as a weighting factor and performs a weighted average of the average positional deviation amount ΔXAn for each wavelength component as follows, and determines the most likely amount. ΔX is calculated.
[0134]
ΔX = (CA1 • ΔXA1 + CA2 • ΔXA2 + CA3 • ΔXA3) / (CA1 + CA2 + CA3)
As described above, the position or displacement detection of the lattice mark MG in the second calculation mode is achieved.
Further, in the third calculation mode, a first algorithm that simply averages the positional deviation amount calculated in the first arithmetic mode and the positional deviation amount calculated in the second arithmetic mode, and the two positional deviation amounts. Either one of the second algorithm for weighted averaging the values can be set in advance by the operator. Therefore, the positional deviation amount finally calculated in the first calculation mode (mode using the detection result of the interference beam of ± 1st order light) is ΔXM1, and the positional deviation amount finally calculated in the second calculation mode. Is ΔXM2, the amount of displacement determined by the first algorithm is calculated as (ΔXM1 + ΔXM2) / 2.
[0135]
On the other hand, in the second algorithm, the deviation amount ΔXM1 calculated in the first calculation mode and ΔXM2 calculated in the second calculation mode are weighted and averaged using predetermined weighting factors Q1 and Q2. As an example, the weighting factor Q1 is the amplitude value E1, E2, E3 of the signal Imn (n = 1, 2, 3) obtained by photoelectrically detecting the interference beam BM of ± first-order light (see FIG. 7). The weight coefficient Q2 is an average amplitude value (E021) for each wavelength of the signals IK02n and IK20n (n = 1, 2, 3) obtained by photoelectrically detecting the interference beam of 0th-secondary light. + E201) / 2, (E022 + E202) / 2, and (E023 + E203) / 2. Therefore, in the second algorithm, the shift amount ΔX of the lattice mark MG is determined by the following calculation.
[0136]
ΔX = (Q1 · ΔXM1 + Q2 · ΔXM2) / (Q1 + Q2)
In principle, since the higher-order diffracted light has lower light intensity, the interference beam of 0th-secondary light compared to the light intensity amplitude of the interference beam BM of ± first-order light (corresponding to En). The light intensity amplitude (corresponding to E02n and E20n) is considerably small. Therefore, if the weighting factors Q1 and Q2 are simply determined by the sum of only the amplitudes of the signals Imn, IK02n, and IK20n, the weighting factor Q1 is almost larger than the factor Q2. Therefore, the coefficient Q2 is preferably corrected so as to increase the calculated value by, for example, a predetermined ratio (10 to 30% as an example).
[0137]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the structure of the fiducial mark plate FGN on the wafer stage WST shown in FIG. 4 is changed to a transmission type grating (a grating having no asymmetry in the amplitude transmittance) and transmitted from the grating. By detecting the interference beam generated in this manner, the denominator (reference value) used when the detection circuit 58 calculates the amplitude ratio of each photoelectric signal Imn, IK02n, IK20n is obtained.
[0138]
FIG. 16 shows a partial cross section of wafer stage WST. When a light transmission beam ± LF (here, two wavelengths λ1 and λ2) irradiates a grating on fiducial mark plate FG, the grating enters the stage. A 0th order light, ± 1st order light, and ± 2nd order light are generated. These diffracted lights are bent at a right angle by the mirror MR and incident on a lens system G5 having a Fourier transform function, and either one of the wavelengths λ1 and λ2 is selected by the wavelength selection filter 24 having an automatic conversion function. The interference beams Bmrn, ± B1r, and ± B2r are incident on the photoelectric element group DTR. The wavelength selection filter 24 is configured such that a filter that transmits the wavelength λ1 and blocks the wavelength λ2 and a filter having the opposite characteristics can be selectively inserted into and removed from the optical path. Therefore, when a filter for selecting the wavelength λ1 is used, the interference beam ± B1r of the 0th-second order light with the wavelength λ1 and the interference beam Bmr1 of the ± 1st order light with the wavelength λ1 reach the photoelectric element group DTR. When a filter for selecting λ2 is used, an interference beam ± B1r of 0th-order / secondary light having a wavelength λ2 and an interference beam Bmr2 of ± first-order light having a wavelength λ2 reach the photoelectric element group DTR. Therefore, the photoelectric signal Imr1 and the photoelectric signals IR021 and IR201 are obtained when the wavelength λ1 selection filter is used, and the photoelectric signal Imr2 and the photoelectric signals IR022 and IR202 are obtained when the wavelength λ2 selection filter is used.
[0139]
In the case of the heterodyne system, these photoelectric signals appear as sinusoidal waveforms having a frequency equal to the beat frequency, and are selectively A by the three switches SS1 to SS3 of the analog multiplexer 120 of the processing circuit shown in FIG. / D converter 50 is connected to be input. Specifically, the three switches SS1 to SS3 in FIG. 15 are changed to ones with five inputs and one output, and two of them are a set of photoelectric signals Imr1, IR021, and IR201 obtained when the fiducial mark plate FG is detected. Is used for input switching between a pair of photoelectric signals Imr2, IR022, and IR202.
[0140]
The amplitude values of these photoelectric signals are obtained and stored by the amplitude detection circuit 58 in FIG. And when calculating | requiring an amplitude ratio, the following calculations are performed, for example.
C11 = Im1 / Imr1
C21 = Im2 / Imr2
C12 = IK021 / IR021
C22 = IK022 / IR022
C13 = IK201 / IR201
C23 = IK202 / IR202
As described above, in this embodiment, since the interference beam of the diffracted light transmitted through the fiducial mark plate is photoelectrically detected by the photoelectric element group DTR, phase information and reference signal of each photoelectric signal obtained from the element group DTR. As compared with the phase information of the photoelectric signal Ims, the positional deviation of the fiducial mark plate FG or the position measurement, that is, the operation of a part of the baseline measurement can be combined.
[0141]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a pair of light transmission beams + LF and −LF polarized to irradiate a measurement (alignment) lattice mark MG on the wafer W (or fiducial mark plate FG) via the objective lens 22. Make the directions complementary. In other words, the polarization directions of the light transmission beams + LF and -LF are orthogonal to each other if the polarization is linear, and the light transmission beams + LF and -LF are set to polarizations opposite to each other in the case of circular polarization. Therefore, the two light transmission beams ± LF do not interfere with each other, and the ± first-order diffracted lights BM having the wavelengths λ1, λ2, and λ3 generated perpendicularly from the grating mark MG do not interfere with each other.
[0142]
For this reason, when the ± first-order diffracted light BM is photoelectrically detected via the objective lens 22 and the small mirror MR2, a polarization beam splitter PBS as an analyzer is used. In this way, the ± primary light BM transmitted through the polarization beam splitter PBS interferes with each other to become the first interference beam BP1, and the ± primary light BM reflected by the polarization beam splitter PBS interferes with each other to generate the second interference beam BP1. Interference beam BP2. These interference beams BP1 and BP2 are complementary to each other. However, if the interference beams are of a heterodyne type, the intensity is modulated in a sine wave shape according to the beat frequency. Further, the phases of intensity modulation of the interference beams BP1 and BP2 are different by exactly 180 degrees.
[0143]
In the half-wave plate HW shown in the figure, the linear polarization directions of the transmitted light beam ± LF and the ± first-order diffracted light beam BM that are orthogonal to each other are different from the polarization separation direction of the polarization beam splitter PBS. In this case, it is provided for the purpose of correcting the linear polarization direction between the ± first-order diffracted beams BM. For this reason, the linear polarization directions orthogonal to each other between the ± first-order diffracted beams BM coincide with the polarization separation direction of the polarization beam splitter PBS from the beginning, or the transmitted beams + LF and −LF are reversely polarized circularly. The half-wave plate HW may not be used.
[0144]
Therefore, in this embodiment, the interference beam BP1 is discriminated for each wavelength via the dichroic mirrors 332 and 34, the component of the wavelength λ1 of the interference beam BP1 is received by the photoelectric element 36A1, and the component of the wavelength λ2 is received by the photoelectric element 36B1. Light is received and the component of wavelength λ3 is received by the photoelectric element 36C1. Similarly, the interference beam BP2 is also subjected to wavelength discrimination by the dichroic mirrors 32 and 34, and received by the photoelectric elements 36A2, 36B2, and 36C2 for each of the wavelengths λ1, λ2, and λ3.
[0145]
Further, both output signals of the photoelectric elements 36A1 and 36A2 are subtracted by the differential amplifier to become the photoelectric signal Im1, both output signals of the photoelectric elements 36B1 and 36B2 are subtracted by the differential amplifier to become the photoelectric signal Im2, and the photoelectric signal 36C1. And 36C2 are subtracted by a differential amplifier to become a photoelectric signal Im3.
The reason why the differential amplifier is used in this way is that, for example, the output signal of the photoelectric element 36A1 and the output signal of the photoelectric element 36A2 are in opposite phases (180 ° difference). The included common-mode noise component is canceled by subtraction, and the substantial S / N ratio of the signal Im1 is improved. The objective lens 22 shown in FIGS. 4, 14, and 17 is preferably corrected to some extent for at least axial chromatic aberration among various chromatic aberrations occurring in the wavelength range (λ1 to λ3) to be used. If the band of wavelengths λ1 to λ3 to be used is 100 nm or less, such axial chromatic aberration can be selected by selecting a glass material of a plurality of lens elements constituting the objective lens 22, or lens elements having different refractive indexes and dispersion ratios. It can be corrected to some extent by combining. Of course, such chromatic aberration does not need to be completely corrected by the objective lens 22, and can be corrected by the adjusting

optical systems

14, 16, and 18 shown in FIG.
[0146]
Although the embodiments of the present invention have been described above, when the lattice mark MG on the wafer W or the fiducial mark plate FG is detected by the homodyne method, the lattice mark MG is pre-scanned in the pitch direction and each photoelectric signal is detected. It is necessary to sample the level change. In this case, the simplest technique is to use the signal waveform sampling clock signal Cps shown in FIG. 6 or FIG. 15 as a measurement pulse from the laser interferometer 44 for measuring the position of the stage WST (for example, 1 every 0.02 μm). Pulse). In this way, the waveform data of each photoelectric signal generated while pre-scanning the lattice mark MG for several pitches is stored in the memory circuit 54 corresponding to the lattice position of the lattice mark MG.
[0147]
Further, in the method of irradiating the grating mark MG with two light transmission beams ± LF, it is desirable that the two light transmission beams ± LF have an incident angle that is symmetric with respect to at least the pitch direction of the grating mark MG. In the method of projecting one light transmission beam onto the grating mark MG as shown in FIG. 3, the incident angle is preferably zero (perpendicular incidence) with respect to the pitch direction of the grating mark MG.
[0148]
Furthermore, in each of the embodiments of the present invention, the multi-wavelength transmission beam is simultaneously irradiated onto the lattice mark MG. However, a high-speed shutter is provided after each of the light sources LS1, LS2, and LS3 in FIG. Any one of the light transmission beams λ1, λ2, and λ3 may be switched in time series and emitted. In this case, some photoelectric elements of the light receiving system can be made common without being prepared separately for each wavelength. As described above, when the light transmission beam is emitted in time series for each wavelength component, the high-speed shutter mechanism on the apparatus must be provided. However, the number of photoelectric elements and the number of parts in the signal processing circuit (particularly A The number of / D converters and memory chips) can be significantly reduced, and the wavelength selection filter 24 in the stage WST shown in FIG. 16 can be omitted.
[0149]
By the way, when a multi-wavelength illumination light beam is projected onto a measurement grating mark MG (or fiducial mark), a plurality of laser beams for each wavelength are combined coaxially as shown in FIGS. Instead, on the Fourier transform plane of the lattice mark MG, the light may be separated and transmitted in a non-measurement direction orthogonal to the measurement direction (pitch direction) of the mark position. That is, the incident angle on the grating mark MG can be varied in the non-measurement direction for each wavelength of the plurality of illumination beams.
[0150]
FIG. 22 shows the state of light beams of two wavelengths ± LFλ1 and ± LFλ2 incident on the rear lens group G2 of the projection lens or the objective lens 22, and these beams ± LFλ1 and ± LFλ2 are Fourier transformed with respect to the grating mark MG. It passes through a position decentered from the optical axis AX on the plane (pupil plane) EP. Each beam ± LFλ1 and ± LFλ2 is composed of two beams separated in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. Further, the pitch direction of the lattice mark MG in the figure is also a direction perpendicular to the paper surface, and the beam ± LFλ1 of wavelength λ1 and the beam ± LFλ2 of wavelength λ2 are not measured in the Fourier transform plane EP (in the paper surface of the figure). Left and right).
[0151]
As a result, the interference beams Bm1 and Bm2 of ± first-order diffracted light generated from the grating mark MG and returning to the Fourier transform plane EP also pass through positions separated in the non-measurement direction on the Fourier transform plane EP for each wavelength. The interference beam Bm1 is generated from the mark MG by irradiation with the light transmission beam ± LFλ1, and the interference beam Bm2 is generated from the mark MG by irradiation with the light transmission beam ± LFλ2, and the light transmission beam, the interference beam, Are distributed on the Fourier transform plane EP as shown in FIG.
[0152]
In FIG. 23, when an orthogonal axis (measurement axis and non-measurement axis) having the center of the Fourier transform plane EP as an origin is set, a deviation amount Dh in the direction of the non-measurement axes of the two sets of light transmission beams ± LFλ1 and ± LFλ2 Corresponds to the amount of deviation of the interference beams Bm1 and Bm2 due to the first-order diffracted light in the non-measurement direction. Thus, if the beam irradiating the grating mark MG is tilted in the non-measurement direction for each wavelength component, the interference beams Bm1 and Bm2 are also distributed separately in the Fourier transform plane EP. Photoelectric detection can be similarly performed only by arranging the light receiving surface of the detector on the Fourier transform plane EP or on a plane conjugate with the plane EP.
[0153]
That is, if a plurality of interference beams to be detected photoelectrically (± 1st order diffracted light interference, 0−2nd order diffracted light interference) are separated on the Fourier transform plane EP for each wavelength, they are the same as in the previous embodiments. Even if a dichroic mirror such as that described above is not used, photoelectric detection can be performed individually. Accordingly, it is not always essential to use a wavelength selection element such as a dichroic mirror or a band pass filter as a method for separating the interference beam to be detected for each wavelength.
[0154]
Further, the multi-wavelength of the light transmission beam is not limited to the laser light source, but can be realized using light from a halogen lamp or light from a high-intensity LED. When using light from a halogen lamp, a wavelength selection filter having a predetermined bandwidth is provided, and light having a wavelength width of about 20 to 100 nm (broadband light) selected by this filter is guided by, for example, an optical fiber. Will be used. In this case, since the light transmission beam that irradiates the lattice mark MG on the wafer has a continuous intensity distribution within the selected wavelength bandwidth, only a specific wavelength component is extracted before each photoelectric element in the light receiving system. You may arrange | position an interference filter (bandwidth is 3-10 nm) fixedly or replaceable.
[0155]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the illumination light for position detection is multi-wavelengthed or broadbanded, and the diffracted light generated from the grid mark for position detection on the substrate is photoelectrically detected independently for each wavelength component. Because the mark position information is detected and averaged for each photoelectric signal obtained by the above, it is possible to detect the position with high accuracy while reducing the effects of mark asymmetry and resist layer thickness unevenness. Become. In addition, when photoelectrically detecting the diffracted light from the mark, an independent photoelectric signal is obtained for each wavelength component, so even if the intensity of each wavelength component of the illumination light is different, multiple wavelengths are used as in the past. There is also an advantage that the averaging effect by the conversion is not impaired.
[0156]
Furthermore, according to the present invention, even when the diffracted light to be photoelectrically detected is composed of higher-order components, the higher-order diffracted light (0th order, 2nd order) that is multi-wavelength with a single photoelectric element as in the prior art The canceling phenomenon that occurs when the next interference beam or the like is simultaneously received is eliminated, and position detection and alignment can be performed with higher accuracy in each stage than in the prior art.
Moreover, in the present invention, the attenuation rate (amplitude ratio) of the intensity level of the diffracted light for each wavelength component detected photoelectrically is obtained, and for the diffracted light whose attenuation factor is small and the signal amplitude is relatively large. Since position detection is performed by averaging calculation with a large weight added, an effect that position detection accuracy is significantly higher than that of simple averaging can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a position detection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a change in the relative positional relationship between interference fringes and a grating and a change in the level of a detection signal.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a position detection apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a position detection apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing how a diffracted beam is generated by a rotating radial grating plate.
FIG. 6 is a block diagram showing a signal processing circuit applied to the apparatus according to the third embodiment.
7 is a diagram showing an example of the waveform of each signal captured in the memory of the processing circuit of FIG. 6;
FIG. 8 is a block diagram showing a modified example of the signal processing circuit applied to the apparatus shown in FIG. 4 as a fourth embodiment;
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a projection exposure apparatus to which the present invention can be applied as a fifth embodiment;
10 is a partially enlarged view of the TTL alignment system of the apparatus shown in FIG.
11 is a diagram for explaining a modification of the apparatus shown in FIG. 9;
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a waveform of a photoelectric signal for each wavelength obtained by interference between zeroth-order light and second-order light from a diffraction grating;
FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a waveform of a photoelectric signal for each wavelength obtained by interference between zeroth-order light and second-order light from a diffraction grating;
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of a position detection apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
15 is a block diagram showing a configuration of a signal processing circuit applied to the apparatus of FIG.
FIG. 16 is a sectional view showing a partial configuration of an apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing the configuration of a position detection apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a sectional view showing an example of the structure of a lattice mark and a resist layer.
FIG. 19 is a graph simulating the relationship between the detection error and the amplitude of signal change when the lattice mark of FIG. 18 is detected.
FIG. 20 is a diagram showing a state of diffracted light of each order generated from a lattice mark by irradiation with light of a plurality of wavelengths.
21 is a graph simulating a detection error when a mark having a structure as shown in FIG. 18 is detected using first-order diffracted light and a detection error when a mark is detected using zero-order and second-order diffracted light.
FIG. 22 is a diagram showing a modification of the illumination beam projection method shown in each embodiment of the present invention.
23 is a diagram showing an example of arrangement of each beam on the Fourier transform plane in the illumination beam projection method of FIG.
[Explanation of symbols]
RG: Reference grid
MG ... Lattice mark
G1: Front lens group system of the projection lens
G2: Rear lens system of projection lens
LS1, LS2, LS3 ... Laser light source
RRG: Rotating radial lattice plate (frequency shifter)
W ... wafer
FG ... Fiducial mark board
DT1, DT2, DT3, DT4 ... photoelectric elements
22 ... Objective lens
36A, 36B, 36C ... photoelectric elements
CU5, 60 ... weighted averaging circuit

Claims

A method for detecting the position of the substrate by projecting illumination light perpendicularly to a diffraction grating formed on a substrate to be position-detected and photoelectrically detecting the diffracted light from the diffraction grating,
a. A plurality of illumination beams including different wavelength components supplied from a plurality of laser light sources that output laser beams having different center wavelengths are projected onto one of the diffraction gratings, and a plurality of wavelength components including the respective wavelength components from the one diffraction grating. Generating a diffracted beam of ;
b. The first photoelectric element receives a first interference beam generated by the interference of two diffraction beams that are generated from the one diffraction grating and have an order difference from each other, and the first diffraction element. Receiving by a second photoelectric element a second interference beam generated by the interference of two diffracted beams that are of a second wavelength component and that are of a second wavelength component and are generated from the grating ;
c. First position information relating to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on a photoelectric signal from the first photoelectric element, and first positional information relating to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on the photoelectric signal from the second photoelectric element. Calculating the position information of 2 ;
d. The first position information and the second position information are changed by changing the weight according to the amplitude value of the photoelectric signal from the first photoelectric element and the amplitude value of the photoelectric signal from the second photoelectric element. And determining the position of the substrate on which the diffraction grating is formed by performing a weighted average calculation .

Projecting the illumination light vertically against the diffraction grating formed on a substrate to be detected position, a method of detecting the position of the substrate by detecting photoelectric diffracted light from the diffraction grating,
a. A plurality of illumination beams including different wavelength components supplied from a plurality of laser light sources that output laser beams having different center wavelengths are projected onto one of the diffraction gratings, and a plurality of wavelength components including the respective wavelength components from the one diffraction grating. Generating a diffracted beam of;
b. While receiving the first interference beam produced by the interference of two diffracted beams having mutually degree difference consisting generated and the first wavelength component from said one diffraction grating in the first photoelectric element, wherein the one diffraction Receiving by a second photoelectric element a second interference beam generated by the interference of two diffracted beams that are of a second wavelength component and that are of a second wavelength component and are generated from the grating ;
c. First position information relating to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on a photoelectric signal from the first photoelectric element, and first positional information relating to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on the photoelectric signal from the second photoelectric element. Calculating the position information of 2;
d. Weighted average and the by changing the weights in accordance with the intensity of the photoelectric signal a first position information and second position information between the intensity of the photoelectric signal from said second photoelement from said first photoelectric elements And a step of determining the position of the substrate on which the diffraction grating is formed by calculating.

The position detection method according to claim 2, wherein more weight is applied to a higher intensity of the photoelectric signal .

The two diffracted beams composed of the first wavelength component and having a difference in order are a + 1st order diffracted beam and a −1st order diffracted beam,
4. The two diffracted beams having a difference in order from each other of the second wavelength component are a + 1st order diffracted beam and a −1st order diffracted beam, respectively. position detecting method.

The first photoelectric element receives an interference beam of a re-diffracted beam generated by irradiating two diffraction beams having the first wavelength component on a diffraction grating different from the diffraction grating on the substrate. The position detection method according to any one of claims 1 to 4, wherein the position detection method is characterized.

6. The position detection method according to claim 5, wherein the illumination beam is directly incident on the diffraction grating on the substrate without passing through a diffraction grating different from the diffraction grating on the substrate .

An apparatus for projecting illumination light perpendicularly to a diffraction grating formed on a substrate to be position-detected, and detecting the position of the substrate by photoelectrically detecting the diffracted light from the diffraction grating,
A plurality of laser light sources that output laser beams having different center wavelengths;
A first photoelectric element for receiving a first interference beam generated by the interference of two diffraction beams having an order difference generated from one diffraction grating irradiated with an illumination beam including a first wavelength component; ,
A second photoelectric element for receiving a second interference beam generated by the interference of two diffraction beams having an order difference from each other, which is generated from the one diffraction grating irradiated with an illumination beam including a second wavelength component When,
First position information related to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on a photoelectric signal from the first photoelectric element, and first positional information related to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on the photoelectric signal from the second photoelectric element. Means for calculating position information of 2;
The first position information and the second position information are changed by changing the weight according to the amplitude value of the photoelectric signal from the first photoelectric element and the amplitude value of the photoelectric signal from the second photoelectric element. Means for determining the position of the substrate on which the diffraction grating is formed by performing a weighted average calculation .

An apparatus for projecting illumination light perpendicularly to a diffraction grating formed on a substrate to be position-detected, and detecting the position of the substrate by photoelectrically detecting the diffracted light from the diffraction grating,
A plurality of laser light sources that output laser beams having different center wavelengths;
A first photoelectric element for receiving a first interference beam generated by the interference of two diffraction beams having an order difference generated from one diffraction grating irradiated with an illumination beam including a first wavelength component; ,
A second photoelectric element for receiving a second interference beam generated by the interference of two diffraction beams having an order difference from each other, which is generated from the one diffraction grating irradiated with an illumination beam including a second wavelength component When,
First position information related to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on a photoelectric signal from the first photoelectric element, and first positional information related to the periodic direction of the diffraction grating is calculated based on the photoelectric signal from the second photoelectric element. Means for calculating position information of 2;
The weighted average of the first position information and the second position information by changing the weight according to the intensity of the photoelectric signal from the first photoelectric element and the intensity of the photoelectric signal from the second photoelectric element. Means for determining the position of the substrate on which the diffraction grating is formed by calculation .