JP7468630B2 - 計測装置、露光装置、および計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、計測装置、露光装置、および計測方法に関する。

感光性基板上に明暗パターンを露光する露光技術においては、明暗パターンの露光に先立って感光性基板上に予め形成されている既存パターンの位置を計測し、既存パターンに位置整合させて、感光性基板上に明暗パターンを露光する。既存パターンの位置の計測には、既存パターンの中のアライメントマークの像を位置計測光学系により撮像することにより、既存パターンの位置を計測する方法が用いられている（特許文献１参照）。

米国特許第１０１２０２９４号

第１の態様によると、計測装置は、物体面に位置する被計測物に対して光を照射する照明系と、前記物体面と光学的に共役な共役面を形成する結像系と、前記被計測物からの複数の回折光のうちの少なくとも一部を制限し、且つ前記複数の回折光のうち第１回折光と前記第１回折光とは異なる第２回折光とを通過させる回折光制限部と、前記共役面に配置され、前記第１回折光と前記第２回折光とによって形成される周期的な明暗パターンを撮像する撮像部と、を備え、前記照明系が前記被計測物に照射する前記光の、前記結像系に対するコヒーレンスファクタが、０以上、かつ１／３以下である。
第２の態様によると、計測装置は、物体面に位置する被計測物に対して複数の波長の光を照射する照明系と、前記物体面と光学的に共役な共役面を形成する結像系と、前記被計測物からの複数の回折光のうちの少なくとも一部を制限し、且つ前記複数の回折光のうち第１回折光と前記第１回折光とは異なる第２回折光とを通過させる回折光制限部と、前記共役面に配置され、前記第１回折光と前記第２回折光とによって形成される周期的な明暗パターンを撮像する撮像部と、を備える。
第３の態様によると、露光装置は、第１または第２の態様の計測装置と、前記被計測物
を含む物体に露光光を照射する露光光学系と、を備える。
第４の態様によると、露光装置は、第１または第２の態様の計測装置を用いて、周期構
造を有するマークの位置を計測する。

第１実施形態の計測装置の構成を概略的に示す図。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、第１実施形態の計測装置に適した位置計測マークの一例を示す図。図２（ｃ）は、図２（ａ）のマークの、計測装置の撮像部の撮像面に形成される像を示す図。 第１実施形態の計測装置に適した位置計測マークの他の例を示す図。 図４（ａ）は、照明系内の照明開口変更部の一例を示す図。図４（ｂ）は、回折光制限部の一例を示す図。 光源の一例を示す図。 図６（ａ）は、照明開口変更部に設けられた透過開口の大きさの一例を示す図。図６（ｂ）は、回折光制限部に設けられた選択開口の大きさの一例を示す図。 図７（ａ）は、計測装置の変形例１の照明開口絞りの例を示す図。図７（ｂ）は、計測装置の変形例１の回折光制限絞りの例を示す図。 計測装置の変形例２の構成の一部を概略的に示す図。 第２実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図。 変形例にかかる位置計測マークの一例を示す図。

本明細書において、「光学的に共役」とは、１つの面と他の１つの面とが光学系を介して結像関係になっていることをいう。
以下で参照する各図に矢印で示したＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向はそれぞれ直交する方向であるとともに、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向のそれぞれは各図において同一の方向を示している。
以下では、各矢印の示す方向を、それぞれ＋Ｘ方向、＋Ｙ方向および＋Ｚ方向と呼ぶ。
また、Ｘ方向の位置をＸ位置、Ｙ方向の位置をＹ位置、Ｚ方向の位置をＺ位置と呼ぶ。

（第１実施形態の計測装置）
図１は、第１実施形態の計測装置１の構成を概略的に示す図である。試料台７０は、計測対象であるシリコンウエハ等の被計測物Ｗの＋Ｚ側の面である表面ＷＳが、結像系１０の物体面ＯＰと概ね一致するように被計測物Ｗを載置する。試料台７０は、ガイド７１によりＸ方向およびＹ方向に移動可能に支持されており、被計測物ＷもＸ方向およびＹ方向に移動可能である、被計測物ＷのＸ位置、Ｙ位置は、試料台７０に設けられているスケール板７２の位置を介してエンコーダ６１により計測され、位置信号Ｓ２として制御部６０に伝達される。

結像系１０は、対物レンズ１１、第１リレーレンズ１２、第２リレーレンズ１３、第３リレーレンズ１４を有し、物体面ＯＰに対して光学的に共役な共役面ＣＰを形成する。共役面ＣＰには、ＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像部１９が、その撮像面１９ｓが共役面ＣＰと一致するように配置されている。
被計測物Ｗの表面ＷＳには、位置計測の対象となる計測マークＷＭが形成されており、結像系１０は、計測マークＷＭを含む被計測物Ｗの像を撮像部１９の撮像面１９ｓに結像する。

結像系１０は、第１リレーレンズ１２と第２リレーレンズ１３との間、すなわち被計測物Ｗが配置される物体面ＯＰと共役面ＣＰの間にも、被計測物Ｗの中間像が形成される中間結像面ＭＰを有している。中間結像面ＭＰには、透明基板から成る指標板１５が設けられており、指標板１５の一部には位置指標１６が設けられている。

位置指標１６は、一例として長方形状の遮光膜が指標板１５上に周期的に配置されたものである。結像系１０の光路の中心に対してＸ方向の両側には遮光膜がＸ方向に周期的に配置された位置指標１６が配置され、Ｙ方向の両側には遮光膜がＹ方向に周期的に配置された位置指標１６が配置されている。

位置指標１６は、結像系１０内に設けられている不図示の指標照明系からの光で照明され、第２リレーレンズ１３および第３リレーレンズ１４により、位置指標１６の像が共役面ＣＰに形成される。撮像部１９は、共役面ＣＰに形成された計測マークＷＭの像とともに、位置指標１６の像も撮像する。

照明系２０は、リレーレンズ２１、２２、２４、照明開口変更部４０、ミラー２３、分岐ミラー２５、および対物レンズ１１を含み、光源部５０から供給される照明光ＩＬを、物体面ＯＰに配置された、計測マークＷＭを含む被計測物Ｗの表面ＷＳに照射する。このうち、対物レンズ１１は、結像系１０と照明系２０との両方に含まれている。

光源部５０から供給される照明光ＩＬは、照明系２０を構成するリレーレンズ２１を透過し、照明開口変更部４０に含まれている照明開口絞り４１ａにより、その開口数が規定される。照明開口変更部４０の詳細については後述する。
照明開口変更部４０を通過した照明光ＩＬは、リレーレンズ２１、ミラー２３およびリレーレンズ２４を経た後、分岐ミラー２５に至る。

分岐ミラー２５は、一例として、その面内の一部において光を反射し、他の部分において光を透過するミラーであり、例えば透明板の一部に反射膜が形成されているミラーである。
リレーレンズ２４を透過した照明光は、分岐ミラー２５により反射され、対物レンズ１１を透過して計測マークＷＭを含む被計測物Ｗに照射される。
なお、図１においては、対物レンズ１１等の各レンズは１枚のみのレンズから成るように図示しているが、各レンズは複数のレンズから構成されてもよい。

図２（ａ）は、被計測物Ｗの表面ＷＳに形成されている、Ｘ方向の位置の計測に適した計測マークＷＭの一例を、＋Ｚ方向から見た図を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した計測マークＷＭを－Ｙ方向から見た断面図を示している。
なお、Ｙ方向の位置の計測に適した計測マークの一例は、この計測マークＷＭをＸＹ面内で９０°回転させたものである。

計測マークＷＭは、一例として被計測物Ｗの表面ＷＳに、段差を有する凹部ＭＢと凸部ＭＴとが、Ｘ方向に交互に周期的に形成されているマークである。１つの凹部ＭＢは、各辺がＸ方向またはＹ方向に平行であってＹ方向に長い長方形であり、複数の凹部ＭＢが、Ｘ方向に周期ＰＸで周期的に形成されている。このため、計測マークＷＭは、Ｘ方向に周期構造を持った反射型の回折格子として機能する。なお、Ｘ方向に周期的に配置される凹部ＭＢの個数は、２個以上の任意の個数で良い。

図２（ｂ）に示したように、計測マークＷＭを含む被計測物Ｗの表面ＷＳは、フォトレジスト等を含む、透光性または半透光性の膜ＲＳで覆われている。
凹部ＭＢおよび凸部ＭＴのＸ方向の幅は、一例として１～３μｍ程度であり、Ｘ方向の配列の周期ＰＸは、一例として２～４μｍ程度である。

計測マークＷＭは、設計上は被計測物Ｗ上の所定の位置に形成されている。しかしながら、半導体プロセス等により、シリコンウエハ等の被計測物Ｗは等方的あるいは非等方的な変形を受けるため、実際の計測マークＷＭの位置は、設計上の位置とは異なっている。
位置計測に際し、始めに制御部６０は、エンコーダ６１からの位置信号Ｓ２に基づいて制御信号Ｓ３を送信して試料台７０を移動させ、計測マークＷＭの設計上の位置を、結像系１０の計測基準位置に一致させる。

これにより、照明光ＩＬが被計測物Ｗに照射され、計測マークＷＭのＸ方向の周期構造により、図１に示したように、計測マークＷＭから＋１次回折光Ｄｐ１、－１次回折光Ｄｍ１、＋２次回折光Ｄｐ２、－２次回折光Ｄｍ２等の複数の回折光が発生する。発生した回折光は、対物レンズ１１に入射し、分岐ミラー２５に導かれる。

そして、複数の回折光（Ｄｍ２、Ｄｍ１、Ｄｐ１、Ｄｐ２）は、分岐ミラー２５を透過して、結像系１０内のいわゆる瞳面またはその近傍に設けられている回折光制限絞り３１ａに至る。従って、物体面ＯＰに配置されている計測マークＷＭから異なる回折角度で発生した異なる次数の回折光は、回折光制限絞り３１ａにおいてそれぞれ異なる位置に集光する。なお、図１に示した例では、計測マークＷＭから正反射光である０次回折光は、分岐ミラー２５により遮光されるため、回折光制限絞り３１ａには到達しない。

回折光制限絞り３１ａには、光を減衰させる減衰領域内の所定の次数の回折光が集光する位置に選択開口３５ａが設けられており、所定の次数の回折光を通過させ、他の次数の回折光を減衰する。ここで、他の次数の回折光は遮光されてもよい。また、選択開口３５ａの光通過率（光透過率）は１００％でなくてもよい。選択開口３５ａの光通過率は減衰領域の光透過率より高ければよい。図１に示した状態においては、選択開口３５ａは、Ｘ方向への＋１次回折光Ｄｐ１、および－１次回折光Ｄｍ１を選択的に通過させ、他の次数の回折光（＋１次回折光Ｄｐ２および－２次回折光Ｄｍ２等）を遮光する。回折光制限絞り３１ａを含む回折光制限部３０の詳細については後述する。

回折光制限絞り３１ａにより選択的に通過された＋１次回折光Ｄｐ１、および－１次回折光Ｄｍ１は、第１リレーレンズ１２により集光され、中間結像面ＭＰに配置されている指標板１５の近傍に、干渉縞としての計測マークＷＭの中間像を形成する。そして、＋１次回折光Ｄｐ１、および－１次回折光Ｄｍ１は、第２リレーレンズ１３および第３リレーレンズ１４により集光され、撮像部１９の撮像面に、干渉縞としての計測マークＷＭの像を形成する。

図２（ｃ）は、撮像面１９ｓに形成された計測マークＷＭの像ＩＭの強度分布の一例を示す図である。図２（ｃ）の示した強度分布のグラフの横軸は、撮像面１９ｓにおけるＸ方向の位置を示し、縦軸は像ＩＭの強度を示している。
また、計測マークＷＭの像ＩＭの－Ｘ側および＋Ｘ側には、指標板１５上の位置指標１６の像ＩＩＬ、ＩＩＲの強度分布が示されている。

図２（ｃ）に示した計測マークＷＭの像ＩＭは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示した計測マークＷＭに対して、結像系１０の結像倍率（横倍率）だけＸ方向に拡大されたものである。ただし、以下では、理解を容易にするために、結像系１０の横倍率が１倍であるものとして説明する。
なお、図２（ｃ）のＸ方向のスケールは、図２（ａ）および図２（ｂ）のＸ方向のスケールとは一致していない点に留意されたい。

計測マークＷＭの像ＩＭは、計測マークＷＭからの＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１が干渉することにより形成される干渉縞である。従って、Ｘ方向に周期的な明暗パターンが１周期以上に渡って形成されるとともに、そのＸ方向の明暗の周期は計測マークＷＭのＸ方向の周期ＰＸの１／２となる。尚、この明暗パターンを明暗像と称してもよい。

撮像部１９は、Ｘ方向に沿って計測マークＷＭの像ＩＭの明暗の１周期以上の撮像範囲ＤＡに渡って像ＩＭを撮像し、撮像信号Ｓ１を制御部６０に送信する。撮像範囲ＤＡのＸ方向の範囲は、周期ＰＸの１／２の整数倍、すなわち、ｎ×ＰＸ／２（ｎは自然数）であっても良い。

撮像部１９または制御部６０は、撮像範囲ＤＡ内において、像ＩＭの撮像信号Ｓ１をＹ方向に積算しても良い。また、後述するように、計測マークＷＭ等のＹ方向の位置を計測する場合には、撮像部１９または制御部６０は、撮像範囲ＤＡ内において、像ＩＭの撮像信号Ｓ１をＸ方向に積算しても良い。

撮像範囲ＤＡのＸ方向の幅およびＹ方向の幅は、撮像部１９または制御部６０により可変に設定できるものであっても良い。撮像範囲ＤＡのＸ方向の幅およびＹ方向の幅を変更することにより、種々の形状の計測マークＷＭ、ＷＭａ、ＷＭｂの計測が可能になるとともに、計測マークＷＭ、ＷＭａ、ＷＭｂの周囲に配置されている回路パターン等による悪影響を低減することができる。

撮像部１９は、同様に、位置指標１６の像ＩＩＬ、ＩＩＲについても撮像し、撮像信号Ｓ１を制御部６０に送信する。
制御部６０は、送信された撮像信号Ｓ１に基づいて、計測マークＷＭの実際の位置を計測する。

上述したように、計測に際して計測マークＷＭは、その設計上の位置が結像系１０の計測基準位置と一致するように配置されている。従って、計測マークＷＭの結像系１０の計測基準位置からの位置ずれ量を計測し、計測マークＷＭの設計上の位置に、その位置ずれ量を加算することにより、計測マークＷＭの実際の位置を計測することができる。

結像系１０の計測基準位置とは、例えば、計測基準位置に配置された計測マークＷＭ等の像が、撮像面１９ｓにおいて、２つの位置指標１６の像ＩＩＬ、ＩＩＲの中間に形成される位置である。
制御部６０は、２つの位置指標１６の像ＩＩＬ、ＩＩＲの例えば明暗変化のＸ方向の位相に基づいて、像ＩＩＬ、ＩＩＲのＸ方向の位置をそれぞれ決定し、それらの中間位置である結像系１０のＸ方向の計測基準位置を決定する。

制御部６０は、計測マークＷＭの像ＩＭの例えば明暗変化のＸ方向の位相に基づいて、像ＩＭのＸ方向の位置を決定し、上述の結像系１０のＸ方向の計測基準位置からの位置ずれ量を算出する。そして、既知である計測マークＷＭの設計上のＸ位置に、その位置ずれ量を加算することにより、計測マークＷＭの実際のＸ位置を算出（計測）する。

以上においては、計測マークＷＭのＸ位置の計測について説明したが、Ｙ位置の計測についても同様に行うことができる。Ｙ位置の計測に際しては、上述したように被計測物Ｗ上の、図２（ａ）に示した計測マークＷＭがＸＹ面内で９０°回転された計測マークＷＭを計測する。この場合、撮像面１９ｓにはＹ方向に沿って周期的に明暗変化する像が形成され、制御部６０は、その像と位置指標１６の像との位置関係、および計測マークＷＭの設計上のＹ位置に基づいて、計測マークＷＭの実際のＹ位置を算出（計測）する。

なお、以上においては、計測マークＷＭの位置計測に際し、計測マークＷＭの設計上の位置を結像系１０の計測基準位置に一致させて計測を行うとしたが、計測マークＷＭの設計上の位置を、結像系１０の計測基準位置に完全には一致させなくても良い。この場合、 制御部６０は、計測時における計測マークＷＭの設計上の位置の結像系１０の計測基準位置からの位置ずれ量を、エンコーダ６１からの位置信号Ｓ２により計測し、その位置ずれ量をさらに加算して計測マークＷＭの実際の位置を算出（計測）すれば良い。

図３は、計測マークＷＭの他の例を示す図である。
図３（ａ）に示した計測マークＷＭａは、図２（ａ）に示した計測マークＷＭに対し、Ｘ方向の中心近傍の数本の凹部ＭＢをＸＹ面内で９０°回転したものに相当している。計測マークＷＭａのうちの－Ｘ側端部ＬＸおよび＋Ｘ側端部ＲＸは、Ｘ方向の位置計測に適したＸ方向に延びる凹部ＭＢａおよび凸部ＭＴａを有している。一方、計測マークＷＭａのうちのＸ方向の中央部ＣＹは、Ｙ方向の位置計測に適したＹ方向に延びる凹部ＭＢｂおよび凸部ＭＴｂを有している。

従って、計測装置１は、計測マークＷＭａのＸ方向の位置の計測、およびＹ方向の位置の計測を、共に行うことができる。
なお、中央部ＣＹの凹部ＭＢｂおよび凸部ＭＴｂのＹ方向の配置の周期ＰＹは、－Ｘ側端部ＬＸおよび＋Ｘ側端部ＲＸの凹部ＭＢａおよび凸部ＭＴａのＸ方向の配置の周期ＰＸと同一であっても良く、あるいは異なっていても良い。
中央部ＣＹに含まれる凹部ＭＢａの個数、－Ｘ側端部ＬＸおよび＋Ｘ側端部ＲＸに含まれる凹部ＭＢの個数は、それぞれ２個以上の任意の個数で良い。

図３（ｂ）に示した計測マークＷＭｂは、２次元の格子状に形成された凹部ＭＢｃとそれに囲まれた凸部ＭＴｃとを含むマークである。凹部ＭＢｃが形成する２次元の格子はＸ方向の周期性とＹ方向の周期性とを共に含むため、計測装置１は、計測マークＷＭｂのＸ方向の位置の計測、およびＹ方向の位置の計測を、共に行うことができる。

なお、上述の各計測マークＷＭ、ＷＭａ、ＷＭｂにおいて、１つの凹部ＭＢ、ＭＢａ、ＭＢｂが、例えば被計測方向に細分化されていても良い。
図３（ｃ）は、細分化された１つの凹部ＭＢの一例を示す図である。図３（ｃ）に示した１つの凹部ＭＢは、その内部がＸ方向に細分化された複数の微小凹部ＭＢＳＢと複数の微小凸部ＭＢＳＴとで構成されている。

Ｙ方向の計測に適した凹部ＭＢａを細分化する場合には、その内部はＹ方向に細分化されれば良い。
Ｘ方向、Ｙ方向の両方に計測に適した凹部ＭＢｂを細分化する場合には、その内部はＸ方向に細分化されても良く、Ｙ方向に細分化されても良く、あるいはＸ方向およびＹ方向に２次元的に細分化されても良い。
これらの場合、１つの微小凹部ＭＢｂのＸ方向（またはＹ方向）の幅は例えば、０．０５～０．３μｍ程度であり、１つの凹部ＭＢを構成する複数の微小凹部ＭＢＢのＸ方向（またはＹ方向）の配列の周期は０．１～０．５μｍ程度である。

なお、１つの凹部ＭＢではなく、１つの凸部ＭＴ、ＭＴａ、ＭＴｂが上述のように細分化されているマークであっても良い。
なお、計測マークＷＭ、ＷＭａ、ＷＭｂは、上述の段差を有する形状に限られるわけではなく、凹部ＭＢ、ＭＢａ、ＭＢｂと凸部ＭＴ、ＭＴａ、ＭＴｂとの振幅反射率に違いがあるマークであれば良い。

第１実施形態の計測装置１においては、以上で説明したような種々の計測マークＷＭ、ＷＭａ、ＷＭｂ（以下では総称して単に「計測マークＷＭ」とも呼ぶ）の位置の計測に際し、それぞれの計測に適した回折光による像を撮像して位置計測を行う。
このために、第１実施形態の計測装置１は、計測マークＷＭから発生する複数の回折光のうちの少なくとも一部を減衰し、第１回折光（例えば＋１次回折光Ｄｐ１）と第１回折光とは異なる第２回折光（例えば－１次回折光Ｄｍ１）とを通過させる、回折光制限部３０を備えている。

以下、図１および図４を参照して、回折光制限部３０および照明系２０に含まれる照明開口変更部４０について説明する。
図４（ｂ）は、回折光制限部３０を＋Ｚ方向から見た図である。図１および図４（ｂ）に示したように、回折光制限部３０は、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄ、結像絞り保持部３２、および選択切換部３３を有している。結像絞り保持部３２は、選択切換部３３により回転中心ＣＬ２を中心として回動可能に保持されている。

結像絞り保持部３２は、一例として４個の回折光制限絞り３１ａ～３１ｄを保持し、それらの１つを結像系１０の結像光路１０Ｐ内に挿入する。
回折光制限絞り３１ａ～３１ｄには、それぞれ異なる形状を有する選択開口３５ａ～３５ｄが形成されている。回折光制限部３０は、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄのいずれかを結像光路１０Ｐ内に挿入することにより、選択開口３５ａ～３５ｄを通過する回折光を選択することができる。

図４（ａ）は、照明開口変更部４０を＋Ｚ方向から見た図である。図１および図４（ａ）に示したように、照明開口変更部４０は、照明開口絞り４１ａ～４１ｄ、照明絞り保持部４２、および照明切換部４３を有している。照明絞り保持部４２は、照明切換部４３により回転中心ＣＬ１を中心として回動可能に保持されている。

照明絞り保持部４２は、一例として４個の照明開口絞り４１ａ～４１ｄを保持し、それらの１つを照明系２０の照明光路２０Ｐ内に挿入する。
照明開口絞り４１ａ～４１ｄには、それぞれ異なる形状を有する透過開口４５ａ～４５ｄが設けられている。照明開口変更部４０は、照明開口絞り４１ａ～４１ｄのいずれかを照明光路２０Ｐ内に挿入することにより、透過開口４５ａ～４５ｄを通過して被計測物Ｗに照射される照明光の開口数等の照明条件を選択することができる。

なお、照明光の開口数とは、被計測物Ｗに照射される照明光の入射角度範囲の半角の正弦（ｓｉｎ）である。照明光の開口数を、対物レンズ１１の開口数（ＮＡ）で割った値が、一般的にコヒーレンスファクタと呼ばれる値である。

なお、照明開口絞り４１ａ～４１ｄは、物体面ＯＰに対して、レンズ２２、２４、および対物レンズ１１等による、いわゆる瞳面またはその近傍に配置されている。従って、照明開口絞り４１ａ～４１ｄの中のそれぞれの透過開口４５ａ～４５ｄを透過した照明光は、透過開口４５ａ～４５ｄの位置に応じた入射角度で物体面ＯＰに配置されている計測マークＷＭに入射する。

また、上述したとおり回折光制限絞り３１ａ～３１ｄは、結像系１０内のいわゆる瞳面またはその近傍に設けられている。従って、照明光路２０Ｐに挿入された照明開口絞り４１ａ～４１ｄと結像光路１０Ｐに挿入された回折光制限絞り３１ａ～３１ｄとは、レンズ２２、２４、対物レンズ１１、および物体面ＯＰに配置された反射面としての被計測物Ｗを介して結像関係になっている。

なお、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄと照明開口絞り４１ａ～４１ｄとのＸ方向およびＹ方向の位置関係は、照明系２０の中のレンズ２２、２４の結像作用により反転している。そこで、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄと照明開口絞り４１ａ～４１ｄとの結像関係が理解し易いように、図４(ａ)のＸ方向およびＹ方向を、図（ｂ）に対して反転して（すなわち１８０°回転して）表示している。

例えば、図２（ａ）に示したＸ方向に周期性を有する計測マークＷＭを計測する場合、照明開口変更部４０は、照明開口絞り４１ａを照明光路２０Ｐに挿入し、回折光制限部３０は回折光制限絞り３１ａを結像光路１０Ｐ内に挿入する。この状態は図４（ａ）および図４（ｂ）に示されている状態であり、照明開口絞り４１ａの中心４１ａｃが照明光路２０Ｐの中心と一致するように配置され、回折光制限絞り３１ａの中心３１ａｃが結像光路１０Ｐの中心と一致するように配置されている。

照明開口絞り４１ａに設けられている透過開口４５ａは、Ｘ方向の幅が狭く、Ｙ方向の幅がＸ方向の幅よりも広い。従って、計測マークＷＭに照射される照明光ＩＬは、Ｘ方向には狭い入射角度度範囲で、Ｙ方向には広い入射角度度範囲で入射される。
透過開口４５ａを透過した照明光ＩＬの計測マークＷＭへのＸ方向の入射角度の範囲は、一例として、上述のコヒーレンスファクタとして０以上、かつ１／３以下である。

照明光ＩＬの照射により、計測マークＷＭからは、図１に示したように、複数の回折光（Ｄｍ２、Ｄｍ１、Ｄｐ１、Ｄｐ２）が発生する。回折光制限部３０の回折光制限絞り３１ａの選択開口３５ａは、そのうち＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１を通過させ、それ以外の回折光（Ｄｍ２、Ｄｐ２等）を遮光する。従って、撮像部１９の撮像面１９ｓには、計測マークＷＭのＸ方向の検出に適した＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１のみが到達し、計測マークＷＭの像ＩＭを形成する。

なお、２つの選択開口３５ａの回折光制限絞り３１ａの中心３１ａｃからのＸ方向の距離は、選択開口３５ａが計測マークＷＭからの＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１を通過させる位置となるように設定しておく。また、２つの選択開口３５ａのそれぞれのＸ方向の幅は、計測マークＷＭからの＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１が通過可能な幅に設定しておく。

選択開口３５ａの回折光制限絞り３１ａの中心３１ａｃからの位置および幅についての上記の関係は、他の選択開口３５ｂ～３５ｄの回折光制限絞り３１ｂ～３１ｄの中心３１ｂｃ～３１ｄｃからの距離および幅についても同様である。

また、照明開口絞り４１ａの透過開口４５ａのＸ方向の幅に応じて、各次数の回折光は回折光制限絞り３１ａにおいてＸ方向に広がって分布する。従って、照明開口絞り４１ａの透過開口４５ａのＸ方向の幅は、回折光制限絞り３１ａにおいて＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１を他の次数の回折光から分離できる程度の幅に設定すると良い。

なお、従来の計測装置では、＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１のみでなく、他の次数の回折光も含む像に基づいて計測マークの位置を計測している。そして各次数の回折光は結像系内の異なる位置を通るため、それぞれ異なる量の波面収差を結像系から受けることになる。この場合、例えば計測マークＷＭの形状が変動し、それにより各次数の回折光の強度の比が変動すると、結像系の波面収差の影響により計測マークＷＭの像ＩＭが変形または変位し、位置計測結果に誤差が生じてしまう。

第１実施形態の計測装置１では、回折光制限絞り３１ａにより複数の回折光のうち第１回折光（＋１次回折光Ｄｐ１等）と第２回折光（－１次回折光Ｄｍ１等）とを選択的に通過させて計測マークＷＭの像ＩＭを形成するため、結像系１０の波面収差の影響を受けにくく、高精度な位置計測を行うことができる。

また、計測マークＷＭの像ＩＭが第１回折光と第２回折光とにより形成されるため、計測マークＷＭのＺ方向の位置の変動（デフォーカス）が生じても像ＩＭのコントラストが低下しにくく、深い焦点深度で計測マークＷＭを計測することができる。

なお、図２（ａ）に示した計測マークＷＭをＸＹ面内で９０°回転させた、Ｙ方向の計測に適した計測マークＷＭを計測する場合には、照明開口絞り４１ｃをその中心４１ｃｃが照明光路２０Ｐの中心と一致するように照明光路２０Ｐに挿入する。そして、回折光制限絞り３１ｃをその中心３１ｃｃが結像光路１０Ｐの中心と一致するように結像光路１０Ｐに挿入する。

照明開口絞り４１ｃには、上述の照明開口絞り４１ａに設けられている透過開口４５ａをＸＹ面内で９０°回転した形状の透過開口４５ｃが設けられている。また、回折光制限絞り３１ｃには、上述の回折光制限絞り３１ａに設けられている選択開口３５ａをＸＹ面内で９０°回転した形状の選択開口３５ｃが設けられている。

よって、回折光制限絞り３１ｃの選択開口３５ｃは、Ｙ方向の計測に適した計測マークＷＭからの＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１を通過させ、それ以外の回折光（Ｄｍ２、Ｄｐ２等）を遮光する。従って、撮像部１９の撮像面１９ｓには、計測マークＷＭのＹ方向の検出に適した＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１のみが到達し、計測マークＷＭの像ＩＭを形成することになる。

上記においては、Ｘ方向の計測に際してはＹ方向の幅が広い透過開口４５ａを有する照明開口絞り４１ａを使用し、Ｙ方向の計測に際してはＸ方向の幅が広い透過開口４５ｃを有する照明開口絞り４１ｃを使用している。
ただし、Ｘ方向の計測およびＹ方向の計測のいずれにおいても、照明開口絞り４１ａおよび照明開口絞り４１ｃに代えて、Ｘ方向の幅およびＹ方向の幅が共に狭い、後述する透過開口４５ｂを有する照明開口絞り４１ｂを使用しても良い。

なお、上記のように照明開口絞り４１ａまたは照明開口絞り４１ｃを使用することにより、照明光ＩＬの光量を増大させることができ、像ＩＭのＳ／Ｎが改善され、計測精度の向上が期待できる。

図３（ａ）に示した計測マークＷＭａを計測する場合には、上述したＸ方向の計測とＹ方向の計測とを順次行っても良い。あるいは、照明開口絞り４１ｂをその中心４１ｂｃが照明光路２０Ｐの中心と一致するように照明光路２０Ｐに挿入し、回折光制限絞り３１ｂをその中心３１ｂｃが結像光路１０Ｐの中心と一致するように結像光路１０Ｐに挿入した状態で、Ｘ方向とＹ方向の計測とを同時に行っても良い。

照明開口絞り４１ｂの中心４１ｂｃの近傍には、Ｘ方向およびＹ方向の幅がいずれも狭い透過開口４５ｂが設けられている。従って、計測マークＷＭａに照射される照明光ＩＬは、Ｘ方向およびＹ方向に狭い入射角度度範囲で入射される。
透過開口４５ｂを透過した照明光ＩＬの計測マークＷＭへのＸ方向およびＹ方向の入射角度の範囲は、一例として、上述のコヒーレンスファクタとして０以上、かつ１／３以下である。

回折光制限絞り３１ｂには、その中心３１ｂｃから±Ｘ方向、および±Ｙ方向に離れた位置に選択開口３５ｂが設けられている。
この選択開口３５ｂのうち、中心３１ｂｃから±Ｘ方向に離れた部分は、照明光ＩＬの照射により計測マークＷＭａの－Ｘ側端部ＬＸおよび＋Ｘ側端部ＲＸから発生する±Ｘ方向への＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１を通過させる。そして選択開口３５ｂのうち、中心３１ｂｃから±Ｙ方向に離れた部分は、照明光ＩＬの照射により計測マークＷＭａの中央部ＣＹから発生する±Ｙ方向への＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１を通過させる。

計測マークＷＭａから発生する回折光のうち、これらの回折光以外は、回折光制限絞り３１ｂにより遮光される。
従って、照明開口絞り４１ｂおよび回折光制限絞り３１ｂを用いることにより、図３（ａ）に示した計測マークＷＭａのＸ方向およびＹ方向の位置を高精度に計測することができる。

なお、図３（ａ）に示した計測マークＷＭａのＸ方向およびＹ方向を同時に計測する場合、照明開口絞り４１ｄと回折光制限絞り３１ｄとを用いて計測を行っても良い。すなわち、照明開口絞り４１ｄをその中心４１ｄｃが照明光路２０Ｐの中心と一致するように照明光路２０Ｐに挿入し、回折光制限絞り３１ｄをその中心３１ｄｃが結像光路１０Ｐの中心と一致するように結像光路１０Ｐに挿入した状態で、計測を行っても良い。

この場合について、始めに、照明開口絞り４１ｄに形成されている十字状の透過開口４５ｄのうち、±Ｙ方向の端部の近傍を透過した照明光ＩＬについて説明する。この照明光ＩＬが計測マークＷＭａの－Ｘ側端部ＬＸおよび＋Ｘ側端部ＲＸに照射されることにより生じるＸ方向への＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１は、回折光制限絞り３１ｄに設けられた４つの選択開口３５ｄのいずれかを通過する。そして、Ｘ方向への他の次数の回折光、および計測マークＷＭａの中央部ＣＹに照射された光により生じるＹ方向への回折光は、回折光制限絞り３１ｄにより遮光される。

次に、照明開口絞り４１ｄに形成されている十字状の透過開口４５ｄのうち、±Ｘ方向の端部の近傍を透過した照明光ＩＬについて説明する。この照明光ＩＬが計測マークＷＭａの中央部ＣＹに照射されることにより生じるＹ方向への＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１は、回折光制限絞り３１ｄに設けられた４つの選択開口３５ｄのいずれかを通過する。そして、Ｙ方向への他の次数の回折光、および計測マークＷＭａの－Ｘ側端部ＬＸおよび＋Ｘ側端部ＲＸに照射された光により生じるＹ方向への回折光は、回折光制限絞り３１ｄにより遮光される。

従って、照明開口絞り４１ｄと回折光制限絞り３１ｄとを用いても、図３（ａ）に示した計測マークＷＭａのＸ方向およびＹ方向の位置を高精度に計測することができる。

図３（ｂ）に示した計測マークＷＭｂについても、上記と同様に、照明開口絞り４１ｂおよび回折光制限絞り３１ｂを用いて、または照明開口絞り４１ｄと回折光制限絞り３１ｄとを用いて、Ｘ方向およびＹ方向の位置を高精度に計測することができる。
なお、図３（ｂ）に示した計測マークＷＭｂについても、上述したＸ方向の計測とＹ方向の計測とを順次行っても良い。

なお、以上においては、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄは、計測マークからの＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１とを選択的に通過させ、他の次数の回折光は遮光するものとしている。ただし、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄが選択的に通過させる回折光は、例えば＋２次回折光Ｄｐ２と－２次回折光Ｄｍ２や＋３次回折光と－３次回折光（不図示）であっても良い。

また、複数の回折光制限絞り３１ａ～３１ｄの中には、＋１次回折光Ｄｐ１と－１次回折光Ｄｍ１とを選択的に通過させる絞りと、＋２次回折光Ｄｐ２と－２次回折光Ｄｍ２とを選択的に通過させる絞りとが設けられており、これらを選択切換部３３により切換えて結像光路１０Ｐに挿入可能としても良い。

また、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄが通過させる２つの回折光は、自然数ｍに対して＋ｍ次回折光と－ｍ次回折光のように次数の絶対値が等しい回折光のペアに限られるわけでなく、例えば＋１次回折光Ｄｐ１と－２次回折光Ｄｍ２のように次数の絶対値が異なる回折光のペアであっても良い。また、そのうちの一方は０次回折光（正反射光）であっても良い。

被計測物ＷがＺ方向に上下しても計測マークＷＭの位置計測結果が変動しないという、いわゆるテレセン性の観点からは、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄは計測方向と直交する面に対して対称に射出される２つの回折光を通過させてもよい。言い換えると、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄは、それぞれの中心を通過し且つ計測方向と直交する軸に関して、それぞれの選択開口が線対称に設けられてもよい。
従って、照明光ＩＬが被計測物Ｗに対して概ね垂直に入射される限りにおいては、いわゆるテレセン性の観点で、次数の絶対値が等しい回折光のペアを通過させ、撮像部１９に結像させてもよい。

一方、照明光ＩＬが被計測物Ｗに対して垂直方向から所定の角度、例えば－１次回折光の回折角度の半分に相当する角度だけ傾けて入射される場合には、例えば、０次回折光（正反射光）と＋１次回折光を選択的に通過させることが、テレセン性の観点では好ましい。
なお、上述の照明開口変更部４０に含まれる照明切換部４３は、照明絞り保持部４２および照明開口絞り４１ａ～４１ｄの全体をＸ方向およびＹ方向に位置シフトすることにより、照明光ＩＬの被計測物Ｗへの入射角度を変更することが可能であっても良い。

図５は、計測装置１の光源部５０の構成の一例を示す図である。一例の光源部５０は、第１波長の第１光Ｌａを発する第１発光部５１ａと、第２波長の第２光Ｌｂを発する第２発光部５１ｂとを有している。第１発光部５１ａおよび第２発光部５１ｂは、レーザやＬＥＤ等の自ら光を発する部材であっても良く、光ファイバーの射出端の外部から導入された光を射出する部材であっても良い。例えば、第１発光部５１ａをレーザとし、第２発光部５１ｂをＬＥＤとしても良い。

第１光Ｌａと第２光Ｌｂとは、偏光ビームスプリッタ５２により混合および分離される。第１光ＬａのうちのＳ偏光成分は偏光ビームスプリッタ５２により反射され、また第２光ＬｂのうちのＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ５２を透過して、照明光Ｌ１となる。第１光ＬａのうちのＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ５２を透過して、また第２光ＬｂのうちのＳ偏光成分は偏光ビームスプリッタ５２により反射され、照明光Ｌ２となる。

照明光Ｌ１は、ミラー５３により反射され、位相変調素子５４ａに入射する。照明光Ｌ２は、そのまま位相変調素子５４ｂに入射する。
位相変調素子５４ａ、５４ｂは、例えば液晶素子であって、電圧制御部５５ａ、５５ｂから印加される電圧に応じて、いわゆる波長板として機能する素子である。すなわち、電圧制御部５５ａ、５５ｂから第１の電圧が印加されると０波長板（平板）として機能し、第２の電圧が印加されると１／２波長板として機能する。

照明光Ｌ１およびＬ２は、それぞれ位相変調素子５４ａ、５４ｂにより、その偏光状態が制御され、照明光Ｌ３およびＬ４に変換される。
位相変調素子５４ａを通過した照明光Ｌ３は、偏光型のビームスプリッタ５７に入射する。位相変調素子５４ｂを通過した照明光Ｌ４は、ミラー５６により反射されビームスプリッタ５７に入射する。そして、照明光Ｌ３、Ｌ４は、ビームスプリッタ５７により合成されて、照明光Ｌ５として光源部５０から射出される。

上述の一例の光源部５０においては、複数の異なる波長の光を、同時に、あるいは別々に射出できるとともに、位相変調素子５４ａ、５４ｂの状態を変更することにより、射出される照明光Ｌ５の偏光状態を切り替えることができる。
第１発光部５１ａをレーザとする場合、上述した回折光制限絞りを用いるときには、第１照明光Ｌ１で計測マークＷＭを照射しても良い。回折光制限絞りによって結像光束のエタンデュが小さくなったとしても、結像光束の輝度が高いため、撮像面１９ｓには十分な光量を確保することができる。一方、第２発光部５１ｂをＬＥＤとして第２照明光Ｌ２で計測マークＷＭを照射する場合、上述した回折光制限絞りを用いなくてもよい。この場合、照明ＮＡが０．４程度で結像ＮＡが０．５程度としても良い。

なお、計測装置１の光源部５０は、図５に示した上述の光源に限られるものではなく、１つまたは複数の発光部と、必要に応じてそれらの発光部から射出される光を合成する合成部を有する光源であれば、どのような光源を使用しても良い。
光源部５０は、３つ以上の異なる波長の光を発するものであっても良い。

複数の波長の光を発する光源部５０を用いる場合、計測マークＷＭからの各次数の回折光の回折角は、照明光ＩＬの波長毎に異なった角度になる。従って、回折光制限絞り３１ａ～３１ｄ上における各次数の回折光（Ｄｍ２、Ｄｍ１、Ｄｐ１、Ｄｐ２等）の位置も照明光ＩＬの波長毎に異なる。このため、選択開口３５ａ～３５ｄにより複数の波長の光の所定の次数の回折光を選択的に通過させるためには、選択開口３５ａ～３５ｄの計測方向の幅を使用する複数の波長の波長幅に応じて拡大する必要がある。

図６（ａ）は、複数の波長の光を発する光源部５０を用いる場合の照明開口絞り４１ａに設けられた透過開口４５ａの大きさの一例を示す図であり、図６（ｂ）は、回折光制限絞り３１ａに設けられた選択開口３５ａの大きさの一例を示す図である。
ここで、光源部５０は、波長がλ１である最小波長から波長がλ２である最大波長までの波長の光を発するものとし、また、図２（ａ）に示したようにＸ方向の周期ＰＸを有する計測マークＷＭを計測するものとする。

なお、照明開口絞り４１ａは照明系２０の瞳面またはその近傍に設けられ、回折光制限絞り３１ａは結像系１０の瞳面またはその近傍に設けられている。そこで、図６（ａ）、図６（ｂ）では、各図中のＸＹ座標を、照明光ＩＬの被計測物Ｗへの入射角の正弦、または回折光（Ｄｍ２、Ｄｍ１、Ｄｐ１、Ｄｐ２等）の被計測物Ｗからの射出角の正弦に相当するものとして説明する。

図６（ａ）に示したとおり、透過開口４５ａのＸ方向の片幅をｉＮＡとし、透過開口４５ａのＸ方向の全幅を２×ｉＮＡとしている。なお、透過開口４５ａのＸ方向の中心位置は、照明開口絞り４１ａの中心４１ａｃと一致している。

図６（ｂ）に示したとおり、回折光制限絞り３１ａには、回折光制限絞り３１ａのＸ方向の中心３１ａｃから＋Ｘ方向および－Ｘ方向にそれぞれＤＸだけ離れた位置に選択開口３５ａが配置されている。ここで、ＤＸの値は（λ１＋λ２）／（２×ＰＸ）であり、周期ＰＸを有する計測マークＷＭに、上述の最小波長（λ１）と最大波長（λ２）の概ね中間の波長を有する光が照射された際に生じる±１次回折光の回折角の正弦に相当する。

そして、選択開口３５ａのそれぞれのＸ方向の幅をＳＸとし、ＳＸは、式（１）を満たすものとしても良い。
ＳＸ ＜ （３×λ１－λ２）／ＰＸ－２×ｉＮＡ ・・・（１）
これにより、選択開口３５ａは、最小波長（λ１）から最大波長（λ２）までの照明光ＩＬの＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１を通過させ、撮像部１９に導くことができる。一方、回折光制限絞り３１ａは、他の次数の回折光（Ｄｍ２、Ｄｐ２等）を遮光する。

なお、この場合においても、選択開口３５ａは、＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１を選択的に通過させる代わりに、＋ｍ次回折光および－ｍ次回折光等の他の次数の２つの回折光を選択的に通過させても良い。この場合には、ＳＸは、式（１）に代えて、式（２）の条件を満たせばよい。
ＳＸ ＜ （ｍ＋２）×λ１ー－ｍ×λ２）／ＰＸ－２×ｉＮＡ ・・・（２）

なお、最小波長（λ１）と最大波長（λ２）が大きく異なる場合には、上述の方法では、選択開口３５ａが＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１のみを選択的に通過させることは難しくなる。
ただし、λ１＜λ２≦２×λ１程度の範囲であれば、上述のＸ方向に拡張した選択開口３５ａにより＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１のみを選択的に通過させることができる。

なお、例えば偶数次の回折光の強度が奇数次の回折光に比べて十分に小さくなるように計測マークＷＭの形状を設定している場合には、上述のＸ方向に拡張した選択開口３５ａにより、λ１＜λ２≦３×λ１程度の範囲まで所望の２つの次数の回折光を選択的に通過させることができる。

なお、Ｙ方向の計測を行う場合には、図６（ａ）および図６（ｂ）に示した照明開口絞り４１ａおよび回折光制限絞り３１ａを、それぞれＸＹ面内で９０°回転したものを使用すればよい。

なお、以上の例においては、回折光制限部３０は、それぞれ異なる形状の選択開口３５ａ～３５ｄを有する複数の回折光制限絞り３１ａ～３１ｄを備え、選択切換部３３によりこれらを選択して結像光路１０Ｐに挿入するものとしている。しかし、回折光制限部３０の構成はこれに限られるものではなく、例えば、複数の可動ブレードを有し、選択切換部３３がそれぞれの可動ブレードの位置を移動させることにより、選択開口の位置および形状を変更可能な構成であっても良い。

照明開口変更部４０についても同様に、例えば、複数の可動ブレードを有し、照明切換部４３がそれぞれの可動ブレードの位置を移動させることにより、透過開口の位置および形状が変更可能な構成であっても良い。
また、照明開口絞り４１ａ～４１ｄを用いて照明光ＩＬの一部を遮光する代わりに、透過開口４５ａ～４５ｄに相当する位置に照明光ＩＬを集光させるような光学部材を用いても良い。
なお、照明開口変更部４０を、回折光通過部ということもできる。

なお、上記においては、結像系１０は中間結像面ＭＰを有し、中間結像面ＭＰには指標板１５が配置されているものとした。しかし、結像系１０の機械的な剛性や温度安定性が良好である場合には、上述の結像系１０の計測基準位置として、例えば撮像部１９の所定の撮像画素を使用することができるので、指標板１５は必ずしも配置されなくても良い。従って、指標板１５を配置するための中間結像面ＭＰも形成されなくても良い。

なお、中間結像面ＭＰに、位置指標１６を設けた指標板１５を配置することにより、結像系１０に機械的または温度的な変形が生じた場合であっても、高精度に計測マークＷＭの位置を計測できるという効果がある。

（第１実施形態の計測装置の効果）
（１）以上の第１実施形態の計測装置は、物体面ＯＰに位置する被計測物Ｗに対して光（照明光ＩＬ）を照射する照明系２０と、物体面ＯＰと光学的に共役な共役面ＣＰを形成する結像系１０、１０ａ、１０ｂと、被計測物Ｗからの複数の回折光（Ｄｍ２、Ｄｍ１、Ｄｐ１、Ｄｐ２等）のうちの少なくとも一部を制限し、且つ複数の回折光のうち第１回折光＋１次回折光Ｄｐ１等）と第１回折光とは異なる第２回折光（－１次回折光Ｄｍ１等）とを通過させる回折光制限部３０と、共役面ＣＰに配置され、第１回折光と前記第２回折光とによって形成される周期的な明暗パターン（像ＩＭ）を撮像する撮像部１９と、を備える。
この構成により、結像系１０、１０ａ、１０ｂの波面収差の影響を受けにくく、高精度な位置計測を行うことができる。

（計測装置の変形例１）
計測装置の変形例１においては、複数の波長の光を発する光源部５０を用いるとともに、図４（ｂ）に示した回折光制限絞り３１ａ～３１ｄの少なくとも一部に代えて、図７（ｂ）に示した回折光制限絞り３１ｅを用いる。また、図４（ａ）に示した照明開口絞り４１ａ～４１ｄの少なくとも一部に代えて、図７（ａ）に示した照明開口絞り４１ｅを用いる。

計測装置の変形例１においても、回折光制限絞りｅおよび照明開口絞り４１ｅ以外の構成については、上述の第１実施形態の計測装置１と同様であるので、同様な構成についての説明は省略する。

図７（ａ）に示した照明開口絞り４１ｅには、中心４５ｅｃの近傍に透過開口４５ｆ、中心４５ｅｃから－Ｙ方向に離れた位置に透過開口４５ｅ、および中心４５ｅｃから＋Ｙ方向に離れた位置に透過開口４５ｇが、それぞれ設けられている。

透過開口４５ｆは、照明光ＩＬに含まれる光のうちの第１波長の光を透過させる。透過開口４５ｅは、照明光ＩＬに含まれる光のうちの第１波長より波長の短い第２波長の光を透過させる。そして、透過開口４５ｇは、照明光ＩＬに含まれる光のうちの第１波長より波長の長い第３波長の光を透過させる。

透過開口４５ｅ、４５ｆ、４５ｇのいずれかを透過した照明光ＩＬは、レンズ２２、２４、ミラー２３、および分岐ミラー２５に導かれて、計測マークＷＭに照射される。透過開口４５ｆを透過した第１波長の光は概ね垂直上方から計測マークＷＭに入射する。上述したレンズ２２、２４の結像作用により、透過開口４５ｅを透過した第２波長の光は、垂直上方に対して－Ｙ方向に傾いた方向から計測マークＷＭに入射する。また、透過開口４５ｇを透過した第２波長の光は、垂直上方に対して＋Ｙ方向に傾いた方向から計測マークＷＭに入射する。

異なる波長を有する複数の照明光ＩＬの計測マークＷＭへのＹ方向の入射角度をそれぞれずらすことにより、計測マークＷＭから発生する回折光の射出角度も波長に応じてずれたものとなる。これにより、回折光制限絞り３１ｅにおいて各次数の回折光が集光する位置を、波長毎にＹ方向にずらすことができる。

そこで、図７（ｂ）に示した回折光制限絞り３１ｅでは、Ｙ方向のそれぞれ異なる位置に、それぞれＸ方向に対となって配置される選択開口３５ｅ、３５ｆ、３５ｇが設けられている。２つの選択開口３５ｅのＸ方向の間隔は２つの選択開口３５ｆのＸ方向の間隔より短く、２つの選択開口３５ｇのＸ方向の間隔は２つの選択開口３５ｆのＸ方向の間隔より長い。

図２（ａ）に示した計測マークＷＭを計測する場合、透過開口４５ｆを透過した第１波長の照明光ＩＬは計測マークＷＭに概ね垂直に入射し、その＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１は回折光制限絞り３１ｅの選択開口３５ｆを通過して撮像部１９に至る。

透過開口４５ｅを透過した第２波長の照明光ＩＬは－Ｙ方向に傾いた方向から計測マークＷＭに入射し、その＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１は回折光制限絞り３１ｅの選択開口３５ｅを通過して撮像部１９に至る。
透過開口４５ｇを透過した第３波長の照明光ＩＬは＋Ｙ方向に傾いた方向から計測マークＷＭに入射し、その＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１は回折光制限絞り３１ｅの選択開口３５ｇを通過して撮像部１９に至る。

従って、計測装置の変形例１においては、回折光制限絞り３１ｅおよび照明開口絞り４１ｅを用いることにより、複数の波長の光を発する光源部５０を用いた場合にも、計測マークＷＭからの＋１次回折光Ｄｐ１と-－１次回折光Ｄｍ１を選択的に通過させることができる。これにより、撮像部１９に計測マークＷＭの良好な像を形成させることができる。光源部５０は、上述の複数の異なる波長の光（第１波長の光～第３波長の光）を同時に射出しても良い。

あるいは、所定時間毎に射出する光の波長を異ならせても良い。すなわち、第１期間には第１波長の光を照射し、第１期間とは異なる第２期間に第２波長の光を照射しても良い。この場合には、撮像部１９は、上述の第１期間と第２期間とにそれぞれ撮像を行うことにより、計測マークＷＭの像を異なる波長毎に別々に撮像することができる。従って、計測マークＷＭの位置を異なる波長毎に別々に計測し、それらの計測結果に平均化等の統計処理を施すことにより、より高精度な計測を行うことができる。
また、中間結像面ＭＰの位置で、非計測方向に分光しても良い。

なお、図２（ａ）に示した計測マークＷＭをＸＹ面内で９０°回転させたＹ方向の計測に適したマークのＹ位置を計測する場合には、上述の回折光制限絞り３１ｅおよび照明開口絞り４１ｅをそれぞれ９０°回転した形状の回折光制限絞りおよび照明開口絞りを使用すれば良い。

（計測装置の変形例１の効果）
（２）以上の計測装置の変形例１は、物体面ＯＰに位置する被計測物Ｗに対して複数の波長の光を照射する照明系２０と、物体面ＯＰと光学的に共役な共役面ＣＰを形成する結像系１０と、被計測物Ｗからの複数の回折光（Ｄｍ２、Ｄｍ１、Ｄｐ１、Ｄｐ２等）のうち、第１回折光（＋１次回折光Ｄｐ１等）と第１回折光とは異なる第２回折光（－１次回折光Ｄｍ１等）とを通過させる回折光通過部（回折光制限部３０）と、共役面ＣＰに配置され、回折光通過部を通過した複数の波長の光によって形成される被計測物Ｗの明暗パターン（像ＩＭ）を撮像する撮像部１９とを備えている。
この構成により、上述の第１実施形態の計測装置１と同様な効果を有するとともに、複数の波長の光を用いることにより、より高精度な計測ができるという効果を有している。例えば、計測マークの凹凸の段差に起因して、ある波長では計測マークの像コントラストが良好であるが別の波長では計測マークの像コントラストが弱くなるような場合に有効である。

（計測装置の変形例２）
以下、計測装置１の変形例２について説明する。計測装置１の変形例２の構成は、上述の第１実施形態の計測装置１または変形例１の構成とほとんど共通するので、以下では第１実施形態の計測装置１または変形例１との相違点についてのみ説明し、共通部分については同一の符号を付して適宜説明を省略する。

図８は、変形例２の計測装置１のうち、上述の第１実施形態の計測装置１の指標板１５以降の結像系１０に対応する部分を概略的に示す図である。変形例２においては、第２リレーレンズ１３と第３リレーレンズ１４ａとの間に、ビームスプリッタ１７が配置されている。従って、＋１次回折光Ｄｐ１および－１次回折光Ｄｍ１等の回折光は、ビームスプリッタ１７によりそれぞれ２つに分割される。

分割された回折光の一方（Ｄｐ１ａ、Ｄｍ１ａ）はビームスプリッタ１７を直進して、第３リレーレンズ１４ａにより集光されて、第１撮像部１９ａの撮像面１９ａｓ上に、計測マークＷＭの像ＩＭを形成する。分割された回折光の他方（Ｄｐ１ｂ、Ｄｍ１ｂ）はビームスプリッタ１７により反射され、第３リレーレンズ１４ｂにより集光されて、第２撮像部１９ｂの撮像面１９ｂｓ上に、計測マークＷＭの像ＩＭを形成する。

対物レンズ１１（図１参照）から指標板１５およびビームスプリッタ１７等を経て第３リレーレンズ１４ａに至る光学系は１つの結像系１０ａを構成している。同様に、対物レンズ１１から指標板１５およびビームスプリッタ１７を経て第３リレーレンズ１４ｂに至る光学系は別の結像系１０ｂを構成している。すなわち、変形例２の計測装置１は、複数の結像系１０ａ、１０ｂを有している。

第１撮像部１９ａの撮像面１９ａｓは、結像系１０ａの物体面ＯＰに対する共役面ＣＰａの近傍に配置されている。第２撮像部１９ｂの撮像面１９ｂｓは、結像系１０ｂの物体面ＯＰに対する共役面ＣＰｂの近傍に配置されている。

ただし、撮像面１９ａｓの共役面ＣＰａに対するＺ方向の位置ずれ量は、撮像面１９ｂｓの共役面ＣＰｂに対するＸ方向の位置ずれ量とは、異なっている。
換言すれば、共役面ＣＰａに対する第１撮像部１９ａの撮像面１９ａｓの共役面ＣＰａと交差する方向の相対位置は、共役面ＣＰｂに対する第２撮像部１９ｂの撮像面１９ｂｓの共役面ＣＰｂと交差する方向の相対位置とは異なっている。

従って、変形例２の計測装置１においては、一例として、撮像面１９ａｓに形成される像は、物体面ＯＰおよび物体面ＯＰから－Ｚ方向にずれた位置に配置される計測マークＷＭに対して良好なコントラストとなる。一方、撮像面１９ｂｓに形成される像は、物体面ＯＰおよび物体面ＯＰから＋Ｚ方向にずれた位置に配置される計測マークＷＭに対して良好なコントラストとなる。

この結果、計測マークＷＭが物体面ＯＰから±Ｚ方向にずれて配置されていても、複数の結像系１０ａ、１０ｂのいずれかにより計測マークＷＭの良好な像を検出し、その結果、計測マークＷＭを精度良く計測することが可能となる。

以上では、２つの結像系１０ａ、１０ｂを備える例を説明したが、複数のビームスプリッタ１７を直列に配置するなどにより、３つの結像系を備えていても良い。
また、複数の結像系１０ａ、１０ｂの光路を分岐させるビームスプリッタ１７が配置される位置は、上述の第２リレーレンズ１３と第３リレーレンズ１４との間に限られるわけではない。光路を分岐させるビームスプリッタ１７は、例えば指標板１５よりも対物レンズ１１側に配置されていても良く、回折光制限部３０よりも対物レンズ１１側に配置されていても良い。これらの場合には、指標板１５または回折光制限部３０を、複数の結像系１０ａ、１０ｂのそれぞれに配置すれば良い。

（第２実施形態の露光装置）
図９は、第２実施形態の露光装置２の概略を示す図である。第２実施形態の露光装置２は、半導体ウエハまたは表示デバイス用の基板（以下、合わせて「基板」と呼ぶ）ＷＦの表面（＋Ｚ側面）上に形成されたフォトレジスト（不図示）に、明暗パターンを露光転写するための露光装置である。

露光装置２は、上述の第１実施形態または変形例の計測装置１の一部を計測装置１ａとして備えている。計測装置１ａは、第１実施形態または変形例の計測装置１のうち、結像系１０、照明系２０、回折光制限部３０、撮像部１９および光源部５０を含む部分である。なお、露光装置２のうち、制御部６０、試料台７０、ガイド７１、スケール板７２、エンコーダ６１の構成および機能は、第１実施形態または変形例の計測装置１に含まれているそれらの構成および機能と同様であるので、説明を適宜省略する。
計測装置１は、基板ＷＦを上述の被計測物Ｗとして扱い、基板ＷＦの表面に形成されている計測マークＷＭ（図１参照。図９には不図示）の位置を計測する。

露光装置２に搬入された基板ＷＦは、ガイド７１上で可動な試料台７０上に載置され、試料台７０の移動により計測装置１ａの下方に配置される。制御部６０は、制御信号Ｓ３を送り試料台７０をＸＹ面内で移動させ、基板ＷＦの表面の複数箇所に配置されている計測マークＷＭを、順次、計測装置１ａの結像系１０の直下に配置し、上述した手法により計測マークＷＭの位置を計測する。

制御部６０は、既知である計測マークＷＭと既存回路パターンとの位置関係、および計測装置１ａにより計測された計測マークＷＭの位置に関する情報に基づいて、基板ＷＦ上の既存回路パターンのＸ位置およびＹ位置に関するマップデータを作成する。

続いて、制御部６０は、基板ＷＦが露光光学系８０の下に配置されるように、試料台７０をＸＹ面内で移動させ、基板ＷＦの表面に形成されているフォトレジスト（不図示）への露光を行う。露光は、いわゆるステップ露光であっても良く、スキャン露光であっても良い。

露光中の試料台７０のＸ位置およびＹ位置は、試料台７０に設けられているスケール板７２の位置を介して、露光光学系８０と一体的に保持されているエンコーダ６１ａにより計測され、位置信号Ｓ２ａとして制御部６０に伝達される。制御部６０は、位置信号Ｓ２ａおよび上述のマップデータに基づいて、試料台７０のＸ位置およびＹ位置を制御する。

上述の露光動作においては、マスク８３上に描画されている原版（マスクパターン）に露光光源８１からの照明光が、露光照明系８２を介して照射される。その結果、露光光路ＡＸＰ上に配置されている露光光学系８０を介して、原版の像が基板ＷＦ上のフォトレジスト（不図示）に投影され、フォトレジストに明暗パターンが露光される。

露光動作がスキャン露光の場合には、露光動作中に、マスク８３と基板ＷＦは同期して露光光学系８０に対して相対走査する。この走査のために、マスク８３はマスクステージ８４上に載置され、マスクステージ８４はマスク定盤８５上をＸ方向に移動可能となっている。マスクステージ８４の位置は、基準ミラー８６の位置を介して、干渉計８７により計測される。
露光動作がステップ露光の場合には、１ショットの露光中には試料台７０は静止され、各ショットの間に試料台７０はＸ方向またはＹ方向に所定距離だけ移動する。

露光光学系８０は、露光光学系８０と基板ＷＦの間に液体が配置される、いわゆる液浸用の光学系であっても良い。または、露光装置２は、光または紫外線により露光を行う装置に限らず、電子線またはＸ線により露光を行う装置であっても良い。
露光装置２は、計測装置１ａを複数備え、基板ＷＦ上の複数の計測マークＷＭを同時に計測可能であっても良い。

（第２実施形態の露光装置の効果）
（３）第２実施形態の露光装置２は、上述の第１実施形態、変形例１または変形例２の計測装置と、被計測物Ｗ（基板ＷＦ）を含む物体に露光光を照射する露光光学系８０と、を備えている。
この構成により、基板ＷＦ上に形成されている計測マークＷＭの位置を高精度に計測することができ、従って、基板ＷＦ上に形成されている既存の回路パターンに対して、高精度に位置を整合させて、明暗パターンを露光することができる。

（その他変型例）
上述した説明では、図２（ｂ）に示したように、被計測物Ｗの表面ＷＳが膜ＲＳで直接覆われている。しかしながら、図１０に示すように、被計測物Ｗの計測マークＷＭの凹部ＭＢに第１の種類の媒質ＭＬ１が埋め込まれており、その上を第１の種類とは異なる第２の種類の媒質ＭＬ２が覆っており、その第２の種類の媒質ＭＬ２の上に膜ＲＳが形成されている構成であっても良い。ここで、第２の種類の媒質ＭＬ２の膜厚がプロセスによって変化する可能性がある。撮像面１９ｓ上に形成される計測マークＷＭの像のコントラストは、この媒質ＭＬ２の膜厚の変化によって変わってくる。この場合、計測マークＷＭの像のコントラストが良好となる波長域の照明光を用いて、マーク計測を行えば良い。

本発明は以上の内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。本実施形態は、上記した態様の全て又は一部を組み合わせてもよい。

１，１ａ：計測装置、１０，１０ａ，１０ｂ：結像系、１１：対物レンズ、１５：指標板、１６：位置指標、１９：撮像部、ＯＰ：物体面、ＣＰ：共役面、ＭＰ：中間結像面、２０：照明系、４０：照明開口変更部、４１ａ～４１ｅ：照明開口絞り、３０：回折光制限部、３１ａ～３１ｅ：回折光制限絞り、３３：選択切換部、５０：光源部、６０：制御部、Ｗ：被計測物Ｗ、ＷＭ，ＷＭａ，ＷＭｂ：計測マーク、２：露光装置、８０：露光光学系、８１：露光光源、８２：露光照明系

Claims (17)

1. 物体面に位置する被計測物に対して光を照射する照明系と、
   前記物体面と光学的に共役な共役面を形成する結像系と、
   前記被計測物からの複数の回折光のうちの少なくとも一部を制限し、且つ前記複数の回折光のうち第１回折光と前記第１回折光とは異なる第２回折光とを通過させる回折光制限部と、
   前記共役面に配置され、前記第１回折光と前記第２回折光とによって形成される周期的な明暗パターンを撮像する撮像部と、
   を備え、
   前記照明系が前記被計測物に照射する前記光の、前記結像系に対するコヒーレンスファクタが、０以上、かつ１／３以下である、計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置において、
   前記照明系は、複数の波長の光を照射する、計測装置。
3. 物体面に位置する被計測物に対して複数の波長の光を照射する照明系と、
   前記物体面と光学的に共役な共役面を形成する結像系と、
   前記被計測物からの複数の回折光のうちの少なくとも一部を制限し、且つ前記複数の回折光のうち第１回折光と前記第１回折光とは異なる第２回折光とを通過させる回折光制限部と、
   前記共役面に配置され、前記第１回折光と前記第２回折光とによって形成される周期的な明暗パターンを撮像する撮像部と、
   を備える、計測装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の計測装置において、
   前記回折光制限部は、前記被計測物からの複数の回折光の中から通過させる前記第１回折光および前記第２回折光を切り換える選択切換部を有する、計測装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の計測装置において、
   前記第１回折光は＋ｍ次（ｍは自然数）の回折光であり、
   前記第２回折光は－ｍ次の回折光である、計測装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の計測装置において、
   前記第１回折光と前記第２回折光とは、前記被計測物を計測する方向と直交する面に対して対称に射出される回折光である、計測装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の計測装置において、
   前記照明系は、前記被計測物に照射する前記光の、前記結像系に対するコヒーレンスファクタを変更する照明開口変更部を有する、計測装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の計測装置において、
   前記照明系は、前記光の前記被計測物に対する入射角度を変更する偏向部材を有する、計測装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の計測装置において、
   前記結像系は、前記被計測物と前記共役面との間に中間結像面を有し、前記中間結像面に位置指標を有し、
   前記撮像部は、前記明暗パターンとともに、前記共役面に形成された前記位置指標の像を撮像する、計測装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の計測装置において、
    基板表面に形成されている前記被計測物を検出するとともに、前記結像系および前記撮像部を複数有し、
    複数の前記結像系のそれぞれにおける前記共役面に対する前記撮像部の相対位置が、前記共役面と交差する方向に異なっている、計測装置。
11. 物体面に位置する被計測物に対して複数の波長の光を照射する照明系と、
    前記物体面と光学的に共役な共役面を形成する結像系と、
    前記被計測物からの複数の回折光のうち、第１回折光と前記第１回折光とは異なる第２回折光とを通過させる回折光通過部と、
    前記共役面に配置され、前記回折光通過部を通過した前記複数の波長の前記光によって形成される明暗パターンを撮像する撮像部と、
    を備える、計測装置。
12. 請求項１１に記載の計測装置において、
    前記回折光通過部は、前記被計測物からの複数の回折光のうち少なくとも一部を制限する、計測装置。
13. 請求項１１又は１２に記載の計測装置において、
    前記回折光通過部は、前記複数の波長のうち第１波長の光によって前記被計測物から発生する前記第１及び第２回折光を通過させ、且つ前記複数の波長のうち前記第１波長とは異なる第２波長の光によって前記被計測物から発生する前記第１及び第２回折光を通過させる、計測装置。
14. 請求項１１から請求項１３までのいずれか一項に記載の計測装置において、
    前記複数の波長の光のうち第１波長の光を照射する第１期間と、前記複数の波長の光のうち第２波長の光を照射する第２期間とが異なる、計測装置。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の計測装置と、
    前記被計測物を含む物体に露光光を照射する露光光学系と、
    を備える、露光装置。
16. 請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載の計測装置を用いて、
    周期構造を有するマークの位置を計測する、計測方法。
17. 請求項１６に記載の計測方法において、
    前記マークとして、周期構造の周期の５０％の凹部と５０％の凸部から成るマークに比べて所定の次数の回折光の強度が増強されるマークを用いる、計測方法。

Images