JPH05343296A - 位置検出装置及びそれを用いた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 半導体素子製造用の投影露光装置においてレ
チクルとウエハとの相対的な位置合わせを高精度に行う
ことができる位置検出装置及びそれを用いた半導体素子
の製造方法を得ること。 【構成】 レチクルＲ面上のパターンをウエハＷ面上に
投影する投影レンズ１を介して所定面とウエハ面上のウ
エハマークＷＭとの位置合わせを行う際、ウエハマーク
は空間周波数領域において少なくとも２つの基本周波数
ピークを有しており、該所定面上に形成したウエハマー
クＷＭの像を検出した検出手段からの信号を周波数解析
手段により直交変換を行い空間周波数領域における周波
数分布を求め、該周波数解析手段からの信号を用いてウ
エハマークの有する少なくとも２つの基本周波数ピーク
における各々の位相を求めた位相検出手段８ｂ，８ｃか
らの位相を用いて該所定面と該位置合わせマークとの相
対的な位置検出を行ったこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置及びそれを
用いた半導体素子の製造方法に関し、例えば半導体素子
製造用の投影露光装置（ステッパー）においてレチクル
等の第１物体面上に形成されている電子回路パターンを
ウエハ等の第２物体面上に投影レンズにより投影し露光
転写する際のレチクル、ウエハ間の相対的な位置合わせ
（位置検出）を行う場合に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造用の投影露光装置におい
て、レチクルとウエハの相対的な位置合わせは高精度化
を図る為の重要な１要素となっている。特に最近では半
導体素子の高集積化に伴ってサブミクロン以下の位置合
わせ精度が要求されている。位置合わせ方法としては従
来より幾つもの方法が考案されている。

【０００３】図１３は従来の半導体素子製造用の投影露
光装置における位置検出装置の要部概略図である。

【０００４】同図において露光照明系（不図示）からの
光束で照射されたレチクルＲ上に形成された電子回路パ
ターンを、投影光学系１を介して２次元に移動可能なス
テージ３１０上に載置されたウエハＷに投影している。
この露光に先立ち、レチクルＲとウエハＷの相対的な位
置合わせは次のような手段により行なっている。非露光
光を照射する位置合わせ用照明手段３０２より照射され
た光束は順にビームスプリッタ３０３、レチクルＲ、及
び投影光学系１を介して、ステージ３１０に載置された
ウエハＷに形成された位置合わせ用マークＷＭ（以降ウ
エハマークと称する）を照明している。

【０００５】図１４（Ａ）はウエハマークＷＭを示した
ものであり、同一形状の矩形パターンを一定ピッチλ_P
で複数配置したものである。ウエハマークＷＭから反射
した光束は再度、投影光学系１、レチクルＲを介してビ
ームスプリッタ３０３に到達し、ここで反射して結像光
学系３０４を介して撮像装置３０５の撮像面上にウエハ
マークＷＭの像を形成する。撮像装置３０５においてウ
エハマークＷＭの像は光電変換され、Ａ／Ｄ変換装置３
０６において、２次元のデジタル信号列に変換される。
積算装置３０７は図１４（Ａ）に示す用に、Ａ／Ｄ変換
装置３０６によりデジタル信号化されたウエハマーク像
ＷＭに対して処理ウインドウＷｐを設定し、該ウインド
ウＷｐ内において図１４（Ａ）に示すＹ方向に移動平均
処理を行ない、２次元画像信号を１次元のデジタル信号
列Ｓ（ｘ）に変換する。

【０００６】図１４（Ｂ）にデジタル信号Ｓ（ｘ）の例
を示す。

【０００７】位相検出装置３０８は、積算装置３０７か
ら出力された１次元デジタル信号列Ｓ（ｘ）を高速フー
リエ変換等の直交変換を用いて空間周波数領域に変換
し、ウエハマークのピッチλ_P に相当する周波数におけ
る位相ｏを演算することにより、デジタル信号Ｓ（ｘ）
の画面領域内の基準位置に対する位置を求めている。こ
こで、レチクルＲと、撮像装置３０５の相対的な位置は
不図示の手段により予め求められている。位相検出装置
３０８の出力から、レチクルＲとウエハマークＷＭの相
対的な位置を検出している。

【０００８】レチクルＲの位置と撮像装置３０５の相対
位置は非露光光で位置合わせを行なう場合、レチクルＲ
上のアライメントマークとウエハ上のウエハマークを同
時に観察することができない為、必須である。この補正
を行なう為には図１３に図示されているのとは別途に光
学系を設けてレチクルＲ上にある別のアライメントマー
クを露光光で観察する。この時ウエハＷ上又はウエハス
テージ上に設置する基準マークＦＡがこのアライメント
マークと同時に観察できるようにしておく。

【０００９】このようにして別途設けた光学系でレチク
ルと基準マークＦＡの関係が検知される。同時にウエハ
側に基準マークＦＡと所定の関係に設けられている別の
基準マークＦＡＡが撮像装置３０５で観察される。基準
マークＦＡとＦＡＡとの関係と２つの光学系の計測値か
らレチクルＲの位置と撮像装置３０５の相対関係を計算
している。位相検出装置３０８からの出力はステージ駆
動装置３０９に送られ、これによってステージ３１０を
駆動してレチクルＲとウエハＷの位置合わせを行なって
いる。

【００１０】この他、レチクルとウエハとの相対的な位
置検出を半導体基板上に形成された回折格子状マーク
を、その格子の形状寸法により決まる特有の角度からコ
ヒーレント光で照射し、その反射回折光の特定の次数の
光束同士を干渉させる方法が提案されている。

【００１１】図１５はこの方法を用いた従来の位置検出
装置の要部概略図である。

【００１２】同図では僅かに周波数の異なる２つのコヒ
ーレント光束を回折格子に対して所定の交差角をもって
照明し、該２光束による回折光を互いに干渉させてその
強度を検出する、所謂ヘテロダイン法による位置検出装
置をステッパーに適用したときを示している。

【００１３】図１５において露光照明系（不図示）から
の露光光束で照明したレチクルＲ上に形成された電子回
路パターンを投影光学系１を介して２次元に移動可能な
ステージ４２１に載置されたウエハＷに投影している。
ウエハＷには位置合わせ用の回折格子（以下ウエハマー
クと呼ぶ）ＷＭが形成されており、位置合わせ用光学系
からの照明光束は以下に述べる方法でウエハマークＷＭ
を照明している。

【００１４】露光光とは異なる発振波長を持つレーザ発
振器４０３から照射された光束は、レンズ４０４を介
し、偏光ビームスプリッタ４０５によりＰ偏光とＳ偏光
の２つに分割している。４０７ａ，４０７ｂは音響光学
素子（以下ＡＯ素子と呼ぶ）であり、分割された各光束
の周波数をｆ₁ ，ｆ₂ に変調する。ＡＯ素子４０７ａに
より周波数ｆ₁ に変調された光束Ｌｆ₁ は、平行平面板
４０８ａ、ミラー４０９を介して偏光ビームスプリッタ
４１０に到達している。又ＡＯ素子４０７ｂにより周波
数ｆ₂ に変調された光束Ｌｆ₂ は、平行平面板４０８ｂ
を介して偏光ビームスプリッタ４１０に到達する。

【００１５】ここで偏光ビームスプリッタ４１０は位置
合わせ光学系ＡＴの瞳面近傍に位置しており、平行平面
板４０８ａ，４０８ｂの姿勢を変化させることにより、
各光束が集光されたスポットの瞳面での位置が変化す
る。偏光ビームスプリッタ４１０を通過した光束はリレ
ー光学系４１１、ビームスプリッタ４１２、レンズ４１
３を介し、レチクルＲに対して入射する。更にレチクル
Ｒ、投影光学系１を介した光束は、ステージ４２１に載
置されたウエハＷ上のウエハマークＷＭを、所定の交差
角で照明する。

【００１６】図７は、ウエハマークＷＭに対する２光束
の入射角度の説明図である。

【００１７】同図において、ｆ₁ ，ｆ₂ の周波数を持つ
各々の光束Ｌｆ₁ Ｌｆ₂ は、ウエハマークＷＭに対し、
位置合わせ光学系ＡＴの光軸ＯＳを挟んでθの角度で入
射し、±１次回折光が光軸ＯＳに沿って進行する。ここ
でウエハマークＷＭはピッチＬ_W を持った回折格子であ
り、θは

【００１８】

【数１】 なる関係を持っている。ただし、λは照明光の波長であ
る。

【００１９】光軸ＯＳに沿って進行する回折光は再び投
影光学系１、レチクルＲ、レンズ４１３を介し、ビーム
スプリッタ４１２に到達し、ここで反射して対物レンズ
４１４、空間フィルタ４２２を介して投影光学系１の瞳
と共役な位置に設けられた光電検出器４１５により光電
検出される。

【００２０】４１６は位相検出装置であり、ＡＯＭ駆動
信号（不図示）の位相と、光電検出器４１５により検出
されたビート信号の位相差を検出してウエハマークＷＭ
の位置を求めている。ここでレチクルＲの位置は予め不
図示の方法で求められている。

【００２１】制御装置４１７は、位相検出装置４１６に
より求められたウエハマークＷＭの位置から、ステージ
ドライバ４１８によりステージ４２１を駆動してウエハ
ＷとレチクルＲの相対的な位置合わせを行っている。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】図１３に示す位置検出
装置では、位置合わせ用のウエハマークＷＭの位相を検
出することで、ウエハＷの位置を求めている。これによ
ると、ウエハマークのピッチに注目した処理を行うた
め、ウエハマークに対する照明の変動等による照度分布
の変動に影響を受けにくく、しかも位置検出の分解能
は、実空間での処理と比較して向上することが知られて
いる。

【００２３】しかし一方では、ウエハＷの位置は予めウ
エハマークλ_P の１／４以下の精度で求められている必
要がある。これは検出すべきデジタル信号Ｓ（ｘ）に周
期性があることにより明らかである。この条件を満たす
ためには、ウエハがステージ３１０に載置された後に、
別の方法によってウエハＷの位置合わせを行なっておく
か、ピッチλ_P より更にピッチの大きい別のマークを用
意し、まずピッチの大きいマークへステージを移動し、
マークの像を撮像して上記の処理によりウエハＷの粗位
置検出を行った後、小ピッチマークへ移動するようにし
た、２段階の位置合わせを行なう必要がある。

【００２４】しかしながらこれらの方法によれば、別系
統の位置合わせ装置を装備することによる装置の複雑
さ、コストの増大、位置合わせに要する時間の増大等の
問題点があった。

【００２５】本発明の第１の目的は、検出された信号の
位相検出を用いた位置合わせ方法において、新たに粗検
出用の装置を設ける必要がなく、１回の位置合わせ用信
号入力により位置合わせを行なうことにより装置の複雑
化を抑え、位置合わせ用マークに要する時間をできるだ
け小さく抑えると共にレチクルとウエハとの位置合わせ
を高精度に行うことのできる位置検出装置及びそれを用
いた半導体素子の製造方法の提供にある。

【００２６】一方、図１５に示す位置検出装置において
は、周波数差を持った２つの光束Ｌｆ₁ ，Ｌｆ₂ がウエ
ハマークＷＭに入射する際の交差角度の調整を行ってい
る。このため、図１５においては次に述べる方法により
交差角度の調整を行っている。

【００２７】光電検出器４１５により検出されたビート
信号は、コントラスト検出装置４１９により、そのコン
トラストが検出される。図７において、光軸ＯＳに沿っ
て進行する回折光の強度は、入射する２光束Ｌｆ１，Ｌ
ｆ２の交差角度が適切に調整されている時に最も大きく
なり、したがってコントラスト検出装置４１９で検出さ
れるコントラストも最大となる。コントラスト検出装置
４１９は、検出したコントラストが最大となるように駆
動装置４２０により２つの平行平面板４０８ａ，４０８
ｂの姿勢を変化させ、２つの光束の交差角度が適切な角
度になるように自動的に調整している。

【００２８】しかしこの方法によると、ステージ４１２
に載置されたウエハからの信号を基にして光学系の調整
を行っているため、調整精度がウエハマークＷＭの作成
上の誤差に影響を受ける可能性がある。例えば半導体プ
ロセスにおけるメタル工程では、しばしば回折格子上の
マークはその形状が非対称的になることが知られてい
る。

【００２９】図１６は、このような非対称的な形状を持
ったウエハマークの模式図である。同図において、ウエ
ハマークＷＭは非対称的な形状を持っているため、これ
に入射する２つの光束の内周波数ｆ₁ に相当する光束Ｌ
ｆ１の回折光ｆ（−１）の強度分布の中心は光軸ＯＳに
対してある角度βを持つ。したがってこのようなウエハ
を用いて前述した方法により角度調整を行なうと、その
調整角度は誤差を含んでしまう。そのため、ウエハとし
ては対称性のよい、例えば図７に示すようなものを選択
する必要がある。

【００３０】一方、位置合わせ光学系を構成する光学部
品は、その周囲環境の影響等を受けて取り付け姿勢が経
時的に変化することがある。このような場合は適当な期
間をおいて前述したように調整に適したウエハを用いて
調整を行なう必要があるが、このような方式では稼働中
に光路中の光学部品の姿勢が何らかの原因で変化したと
してもそれを検出することができず、その結果として位
置合わせ精度が低下してくるという問題点があった。

【００３１】本発明の第２の目的は、光路調整に厳密さ
が要求されるような位置合わせ装置において、調整用の
サンプル（例えばウエハ）を必要とせず、また光路変化
を随時監視可能な調整機構を設けることによりウエハと
所定面との位置合わせを容易にしかも高精度に行なうこ
とのできる位置検出装置及びそれを用いた半導体素子の
製造方法の提供にある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明の位置検出装置
は、 （１−イ）第１物体面上のパターンを第２物体面上に投
影する投影レンズを介して所定面と該第２物体面上に設
けた位置合わせマークとの相対的な位置検出を行う際、
該位置合わせマークは空間周波数領域において少なくと
も２つの基本周波数ピークを持つ複数のマーク要素を配
列しており、該所定面上に形成した該位置合わせマーク
の像を検出手段で光電変換し、該検出手段からの信号を
周波数解折手段により直交変換を行い空間周波数領域に
おける周波数分布を求め、該周波数解折手段からの信号
を用いて位相検出手段により該位置合わせマークの有す
る少なくとも２つの基本周波数ピークにおける各々の位
相を求め、該位相検出手段からの２つの基本周波数ピー
クにおける位相を用いて該所定面と該位置合わせマーク
との相対的な位置検出を行ったことを特徴としている。

【００３３】特に、前記位相検出手段で得られた２つの
基本周波数ピークにおける位相のうち低い空間周波数に
相当する位相より該位置合わせマークのうちの第１マー
クの位置検出を行い、該第１マークの位置と高い空間周
波数に相当する位相とから該位置合わせマークの第２マ
ークの位置検出を行っていることや、前記位置合わせマ
ークの２つの基本周波数をｆ１，ｆ２、ｎとｍを任意の
正の整数としたとき ｎ×ｆ１≠ｍ×ｆ２ なる条件を満足することを特徴としている。

【００３４】（１−ロ）第１物体面上のパターンを可動
ステージに載置した第２物体面上に投影するようにした
投影レンズを介して所定面と該第２物体面に設けた回折
格子より成る位置合わせマークとの相対的な位置検出を
行う位置検出装置において位置合わせ系からの光束で該
位置合わせマークを所定の方向から照明し、該位置合わ
せマークから生じる特定次数の反射回折光の瞳面におけ
る分布を該位置合わせ系の瞳面又は該瞳面と略共役関係
な位置に設けた検出手段で検出し、該検出手段からの信
号を用いて入射角検出手段により該位置合わせ系からの
光束の該位置合わせマークへの入射角情報を検出し、該
入射角検出手段からの信号を用いて調整手段により該位
置合わせ系からの光束の該位置合わせマークへの入射角
の調整を行う際、該可動ステージに設けた回折格子より
成る基準マークに該位置合わせ系からの光束を入射した
時に該基準マークから生じる特定次数の反射回折光を該
検出手段で検出し、該検出手段からの信号を用いて該入
射角検出手段と該調整手段とにより該位置合わせ系から
の該位置合わせマークへの入射角を調整していることを
特徴としている。

【００３５】特に、前記検出手段は１次元又は２次元の
撮像素子を有しており、前記瞳面での光強度及び光強度
分布を求める機能を有していることや、前記入射角検出
手段は予め設定した瞳面における照明強度分布を記憶す
る記憶手段と該記憶手段に記憶した照明強度分布と前記
検出手段からの信号より求めた照明強度分布との比較を
する比較手段とを有していること、そして前記調整手段
は前記比較手段からの信号に基づいて前記位置合わせ系
を構成する一部の光学部材の位置又は姿勢を変化させて
前記位置合わせマークへの光束の入射角を調整している
こと等を特徴としている。

【００３６】本発明の半導体素子の製造方法は （１−ハ）レチクル面上のパターンをウエハ面上に投影
する投影レンズを介して所定面と該ウエハ面上に設けた
位置合わせマークとの相対的な位置検出を行った後、レ
チクル面上のパターンを投影レンズによりウエハ面上に
投影露光し、該ウエハを現像処理工程を介して半導体素
子を製造する際、該位置合わせマークは空間周波数領域
において少なくとも２つの基本周波数ピークを持つ複数
のマーク要素を配列しており、該所定面上に形成した該
位置合わせマークの像を検出手段で光電変換し、該検出
手段からの信号を周波数解折手段により直交変換を行い
空間周波数領域における周波数分布を求め、該周波数解
折手段からの信号を用いて位相検出手段により該位置合
わせマークの有する少なくとも２つの基本周波数ピーク
における各々の位相を求め、該位相検出手段からの２つ
の基本周波数ピークにおける位相を用いて該所定面と該
位置合わせマークとの相対的な位置検出を行う位置検出
工程を利用していることを特徴としている。

【００３７】（１−ニ）レチクル面上のパターンをウエ
ハ面上に投影する投影レンズを介して所定面と該ウエハ
面上に設けた位置合わせマークとの相対的な位置検出を
行った後、レチクル面上のパターンを投影レンズにより
ウエハ面上に投影露光し、該ウエハを現像処理工程を介
して半導体素子を製造する半導体素子の製造方法におい
て、位置合わせ系からの光束で該位置合わせマークを所
定の方向から照明し、該位置合わせマークから生じる特
定次数の反射回折光の瞳面における分布を該位置合わせ
系の瞳面又は該瞳面と略共役な位置に設けた検出手段で
検出し、該検出手段からの信号を用いて入射角検出手段
により該位置合わせ系からの光束の該位置合わせマーク
への入射角情報を検出し、該入射角検出手段からの信号
を用いて調整手段により該位置合わせ系からの光束の該
位置合わせマークへの入射角の調整を行う際、該可動ス
テージに設けた回折格子より成る基準マークに該位置合
わせ系からの光束を入射したときに該基準マークから生
じる特定次数の反射回折光を該検出手段で検出し、該検
出手段からの信号を用いて該入射角検出手段と該調整手
段とにより該位置合わせ系からの該位置合わせマークへ
の入射角を調整する調整工程を利用していることを特徴
としている。

【００３８】

【実施例】図１は本発明の位置検出装置を半導体素子製
造用の投影露光装置に適用したときの実施例１の要部概
略図である。

【００３９】図中ＩＬは露光照明系であり、該露光照明
系ＩＬから照射された露光光は、電子回路パターンが形
成された第１物体としてのレチクルＲを証明している。

【００４０】投影光学系（投影レンズ）１はレチクルＲ
面上の電子回路パターンをステージ１０に載置した第２
物体としてのウエハＷ面上に投影露光している。そして
ウエハＷを公知の現象処理工程を介して、これより半導
体素子を製造している。

【００４１】本実施例ではこのときの露光動作に先立
ち、レチクルＲとウエハＷの相対的な位置合わせを次の
ようにして行なっている。ＨｅＮｅレーザやＬＥＤ等の
位置合わせ用の照明光源２から照射される光束はレンズ
２ａ、ビームスプリッタ３、レチクルＲ、投影光学系１
を介してステージ１０に載置されたウエハＷ面上に形成
されている位置合わせ用のウエハマーク（位置合わせマ
ーク）ＷＭを照明する。

【００４２】ウエハマークＷＭは図２（Ａ）に示すよう
に線状のマーク要素ＷＭａを複数個、ピッチλ_a で一次
元方向に配列した格子マークＷＭｂを複数個、ピッチλ
_b で一次元方向に配列している。

【００４３】図２（Ａ）ではマーク要素ＷＭａを４個、
格子マークＷＭｂを４個配列した場合を示している。こ
こでピッチλ_a とピッチλ_b との関係は λ_b ＝Ｍλ_a ＋ρ₀ ・・・・・（１ａ） となるようにしている。

【００４４】ここで、Ｍは正の整数でマーク形成上適当
な値で選択されている。又、０＜ρ₀ ＜λ_a である。こ
こでウエハマークＷＭで反射した光束は再び投影光学系
１、レチクルＲを介してビームスプリッタ３に到達し、
今度はビームスプリッタ３で反射して結像光学系４を介
して撮像装置（検出手段）に入射し、その撮像面（所定
面）５ａ上にウエハマークＷＭの像（ウエハマーク像）
を形成する。

【００４５】６はＡ／Ｄ変換装置であり、撮像装置５に
より光電変換されたウエハマークＷＭの像を２次元ディ
ジタル信号列に変換する。７は積算装置であり、図２
（Ａ）において示したような処理ウインドウＷＰに含ま
れるディジタル信号化されたウエハマーク像を同図中Ｙ
方向に積算し、図２（Ｂ）に示すような１次元ディジタ
ル信号列Ｓ（ｘ）を出力する。

【００４６】８は信号処理装置である。８ａはＦＦＴ演
算装置（周波数解析手段）であり、積算装置７より入力
したデジタル信号列Ｓ（ｘ）を高速フーリエ変換の手法
を用いて空間周波数領域の信号に変換している。

【００４７】ＦＦＴ演算装置８ａは入力したデジタル信
号Ｓ（ｘ）に対し、空間周波数ｆ_kの複素フーリエ係数
Ｘ_kを

【００４８】

【数２】 で演算する。ここで、ｊは虚数単位、ＮはＦＦＴの点数
である。

【００４９】ＦＦＴ演算装置８ａは更に空間周波数ｆ_k
の強度Ｅ_kを

【００５０】

【数３】 として演算している。ここでＲｅ（Ｘ_k ）、Ｉｍ（Ｘ
_k ）は各々Ｘ_k の実部、虚部を表す。

【００５１】図２（ｃ）は入力したデジタル信号Ｓ
（ｘ）に対してＦＦＴ演算を施した結果得られた空間周
波数分布の例である。図２（ｃ）においてウエハマーク
ＷＭの持つ周期性により、ピッチλ_a に相当する空間周
波数ｆ_a およびピッチλ_b に相当する空間周波数ｆ_b に
おいて周波数分布の強度Ｐはピークを取る。式（１ａ）
より明らかなように空間周波数ｆ_a ，ｆ_b は異なった値
となり、周波数空間においては分離することが可能とな
る。

【００５２】即ち、本実施例ではｎ，ｍを正の整数とし
たとき ｎ・ｆ_a ≠ｍ・ｆ_b となるようにしている。

【００５３】８ｂ，８ｃはいずれも位相検出装置（位相
検出手段）であり、ＦＦＴ演算装置８ａにより演算され
たウエハマークの空間周波数分布Ｅ_k に対し空間周波数
ｆ_a，ｆ_b まわりの強度ピークＰ_a ，Ｐ_b を次式により
計算する。

【００５４】 Ｐ_a ＝｛Ｋ₁ ｜ｍａｘ（Ｅ_k ），ｆ_a ・Ｎ−α＜Ｋ₁ ＜ｆ_a ・Ｎ＋α｝ Ｐ_b ＝｛Ｋ₂ ｜ｍａｘ（Ｅ_k ），ｆ_b ・Ｎ−β＜Ｋ₂ ＜ｆ_b ・Ｎ＋β｝ ここでα，βは任意の正の整数で、ウエハマークのピッ
チが変動したとしても、検出すべき強度ピークＰ_a ，Ｐ
_b が有意となるよう定められている。

【００５５】次に位相検出装置８ｂ，８ｃは強度ピーク
Ｐ_a ，Ｐ_b とその近傍の周波数成分が持つ位相をφａ，
φｂを次式に従って計算する。

【００５６】

【数４】 ただしｘａ、およびｘｂは各々強度ピークＰ_a ，Ｐ_b に
相当する複素フーリエ係数である。

【００５７】ここで得られた位相φａは、図２（Ａ）に
おいてピッチλｂで配置された格子マークＷＭｂの群の
各々において、ピッチλａに対応する周波数成分の位相
の平均である。したがってｎ番目の格子マークＷＭｂの
位相φｎとすると、

【００５８】

【数５】 である。

【００５９】ここでＳは格子マークＷＭｂの数である。
したがってピッチλａを持つ最初の格子マークＷＭｂの
位相φ１は、

【００６０】

【数６】 となり、これをピッチλａを持つ周波数成分の持つ位相
を代表させることができる。

【００６１】このようにして得られた位相φ１，φｂか
ら、実空間でのずれ量ΔａおよびΔｂは、

【００６２】

【数７】 となる。

【００６３】ここでΔａ，Δｂは撮像装置５の撮像面５
ａ上の基準点ｘ_s に対する位相として求められている。
位相検出装置８ｂ，８ｃにより求められた各周波数成分
の位相Δａ，Δｂはマーク位置検出装置８ｄに出力され
る。マーク位置検出装置８ｄは検出値が±λａ／４を越
える分については位相Δｂよりその値を求め、それに対
して位相Δａを加えてウエハマークＷＭの撮像面５ａを
基準としたずれ量ｘ_wmを求めている。

【００６４】これにより、ウエハマークＷＭの位置ずれ
量がピッチλａの±１／４以上あったとしても、それが
±λｂ／４より小さければ検出範囲を広げることが可能
で、これより正確にウエハマークの位置を検出してい
る。

【００６５】ここで、撮像面５ａとレチクルＲの相対的
な位置は予め別の方法により求められている。この為、
ウエハＷと撮像装置５の撮像面５ａとの相対的な位置検
出を行い、これによりウエハＷとレチクルＲとの位置合
わせを行っている。

【００６６】本実施例ではこの時のずれ量ｘ_wmからウエ
ハマークＷＭとレチクルＲの相対的な位置ずれ量を算出
している。

【００６７】９はステージドライバーであり、マーク位
置検出装置８ｄにより求められたウエハマークＷＭの位
置を基にウエハステージ１０を駆動し、これによりウエ
ハＷとレチクルＲとの位置合わせを行っている。

【００６８】図３は本発明の位置検出装置を半導体素子
製造用の投影露光装置に適用したときの実施例２の要部
概略図である。同図において図１で示した要素と同一要
素には同符番を付している。

【００６９】本実施例ではレチクルＲとウエハＷとの相
対的な位置合わせを次のようにして行っている。

【００７０】直線偏光の光束を放射するＨｅＮｅレーザ
１１から放射された光束は、２軸方向に回転可能なミラ
ー１２で反射し、Ｆθレンズ１３を介して偏光ビームス
プリッタ１４に到達する。光束は偏光ビームスプリッタ
１４で反射し、λ／４板１５、レンズ１６、ミラー１
７、投影光学系１を介してウエハＷ上に形成された位置
合わせ用のウエハマークＷ_Mを照明する。

【００７１】ここでウエハマークは図４に示すような実
施例１と同様な形状であり、線状のマーク要素ＷＭａを
複数個、ピッチλａで配置した格子マークＷＭｂを複数
個、ピッチλｂで等間隔で配置している。ここで、ピッ
チλａとピッチλｂの関係は、 λｂ＝Ｍλａ＋ρ₀ である。

【００７２】このとき、ミラー１２は、投影光学系１、
レンズ１６、Ｆθレンズ１３で構成される光学系の瞳面
の照度が、図５に示すように Ｗ＝Ｗ₀ ・Ｌ なるピッチで離散的に分布するよう駆動制御している。

【００７３】ただし、

【００７４】

【数８】 で、λはＨｅＮｅレーザ１１からの光束の波長であり、
Ｌは位置合わせの対象となるウエハＷによって予め適当
な値に設定されている。

【００７５】ウエハマークＷ_M で反射した光束は投影光
学系１、ミラー１７、レンズ１６、λ／４板１５を介し
てビームスプリッタ１４に到達している。そしてビーム
スプリッタ１４を通過して位置ＡにウエハマークＷ_M の
空中像（ウエハマーク像）を形成する。この空中像はフ
ーリエ変換レンズ１９ａを介し、ストッパー２０により
ウエハＷ面上での角度が±sin^-1 （Ｗ₀ ）に相当する光
束のみ通過させられてフーリエ逆変換レンズ１９ｂによ
り撮像装置５の撮像面５ａにウエハマーク像を形成して
いる。撮像装置５により光電変換されたウエハマーク像
はＡ／Ｄ変換装置６により２次元ディジタル信号列に変
換する。

【００７６】７は積算装置であり、図４（Ａ）において
示したような処理ウインドウＷ_p に含まれるディジタル
信号化されたウエハマーク像を同図中Ｙ方向に積算し、
図４（Ｂ）に示すような１次元のディジタル信号列Ｓ
（ｘ）を出力する。ここでデジタル信号列Ｓ（ｘ）は周
期λ／２の正弦波が振幅変調された波形が、ピッチλｂ
で現れた形になる。

【００７７】８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄの各要素の構成は
実施例１で説明したのと同様である。すなわち、ＦＦＴ
演算装置８ａにより計算された複素フーリエ係数Ｅ_K よ
り、周波数空間におけるピークＰａ，Ｐｂおよび、その
空間周波数における位相φａ，φｂを算出する。そして
ウエハマークＷ_M の撮像面５ａを基準としたずれ量ｘ_wm
を位相Δａ，Δｂより求めている。

【００７８】これにより、ウエハマークＷ_M の位置ずれ
量ｘ_wmがピッチλａの±１／４以上あったとしても、そ
れが±λｂ／４より小さければ検出範囲を広げることが
可能で、これより正確にウエハマークの位置を検出して
いる。

【００７９】ここで、撮像面５ａとレチクルＲの相対的
な位置は予め別の方法により求められている。これより
位置ずれ量ｘ_wmからウエハマークＷ_M とレチクルＲの相
対的な位置ずれ量を算出している。ステージドライバ９
は、マーク位置検出装置８ｄにより求められたウエハマ
ークＷ_M の位置を元にウエハステージ１０を駆動し、レ
チクルＲとウエハＷとの位置合わせを行っている。

【００８０】以上のように実施例１，２によれば、位置
合わせマークとして周期性を持ち、複数の基本周波数ピ
ークを持つような波形を得ることのできるパターンを用
い、位置合わせマークの位相成分を周波数空間において
個別に検出することによって検出範囲の拡大化を計るこ
とができ、また位置合わせマークの信号検出において、
その信号を周波数空間で扱うことにより実空間処理に比
較して分解能の向上を図った位置検出装置を達成してい
る。

【００８１】図６は本発明の位置検出装置を半導体素子
製造用の投影露光装置に適用したときの実施例３の要部
概略図である。

【００８２】露光照明系（不図示）からの露光光束で照
明したレチクルＲ上に形成された電子回路パターンを投
影光学系１を介して２次元に移動可能なステージ１２１
に載置されたウエハＷに投影している。ウエハＷには位
置合わせ用の回折格子（以下ウエハマークと呼ぶ）ＷＭ
が形成されており、位置合わせ用光学系ＡＴからの照明
光束は以下に述べる方法で該ウエハマークＷＭを照明し
ている。

【００８３】露光光とは異なる発振波長を持つレーザ発
振器１０３から照射された光束は、レンズ１０４を介
し、偏光ビームスプリッタ１０５によりＰ偏光とＳ偏光
の２つに分割している。１０７ａ，１０７ｂは音響光学
素子（以下ＡＯ素子と呼ぶ）であり、分割された各光束
の周波数をｆ１，ｆ２に変調する。ＡＯ素子１０７ａに
より周波数ｆ１に変調された光束Ｌｆ１は、平行平面板
１０８ａ、ミラー１０９を介して偏光ビームスプリッタ
１１０に到達している。又ＡＯ素子１０７ｂにより周波
数ｆ２に変調された光束Ｌｆ２は、平行平面板１０８ｂ
を介して偏光ビームスプリッタ１１０に到達する。

【００８４】ここで偏光ビームスプリッタ１１０は位置
合わせ光学系のＡＴおよび投影光学系１から成る光学系
の瞳面近傍に位置しており、平行平面板１０８ａおよび
１０８ｂの姿勢を変化させることにより、各光束が集光
されたスポットの瞳面での位置が変化する。

【００８５】偏光ビームスプリッタ１１０を通過した光
束はリレー光学系１１１、ビームスプリッタ１１２、レ
ンズ１１３を介し、レチクルＲに対して入射する。さら
にレチクルＲ、投影光学系１を介した光束は、ステージ
１２１に載置されたウエハＷ上のウエハマークＷＭを、
所定の交差角で照明する。

【００８６】図７は、ウエハマークＷＭに対する２光束
Ｌｆ１，Ｌｆ２の入射角度の説明図である。同図におい
て、ｆ１，ｆ２の周波数を持つ各々の光束Ｌｆ１，Ｌｆ
２は、ウエハマークＷＭに対し、位置合わせ光学系ＡＴ
の光軸ＯＳを挟んでθの角度で入射し、±１次回折光が
光軸ＯＳに沿って進行する。

【００８７】ここでウエハマークＷＭはピッチＬｗを持
った回折格子であり、θは

【００８８】

【数９】 なる関係を持っている。ただし、λは照明光の波長であ
る。

【００８９】光軸ＯＳに沿って進行する回折光は再び投
影光学系１、レチクルＲ、レンズ１１３を介し、ビーム
スプリッタ１１２に到達し、ここで反射してビームスプ
リッタ１２３、対物レンズ１１４、空間フィルタ１２２
を介して投影光学系１の瞳と共役な位置に設けられた光
電検出器１１５により光電検出される。

【００９０】１１６は位相検出装置であり、ＡＯＭ駆動
信号（不図示）の位相と、光電検出器１１５により検出
されたビート信号の位相差を検出してウエハマークＷＭ
の位置を求めている。ここでレチクルＲの位置は予め不
図示の方法で求められている。

【００９１】制御装置１１７は、位相検出装置１１６に
より求められたウエハマークＷＭの位置から、ステージ
ドライバ１１８によりステージ１２１を駆動してウエハ
ＷとレチクルＲの相対的な位置合わせを行っている。

【００９２】本実施例ではこのときの２つの周波数の光
束Ｌｆ１，Ｌｆ２がウエハマークＷＭに入射する際の交
差角度の調整を次のようにして行い、これによりレチク
ルＲとウエハＷとの相対的な位置検出を高精度に行って
いる。

【００９３】次に２つの光束Ｌｆ１，Ｌｆ２のウエハマ
ークＷＭへの入射角度の調整方法について説明する。

【００９４】図６においてＦＭは、ウエハＷが載置され
るステージ１２１上に設けられた基準マークであり、図
８に示すようにガラス基板ＧＰ上にウエハＷ上に形成さ
れるウエハマークＷＭと同じピッチで反射部分が形成さ
れている。

【００９５】制御装置１１７は基準マークＦＭが位置合
わせ光学系ＡＴの光軸ＯＳの位置に位置するようステー
ジ１２１を駆動する。次に制御装置１１７は位置合わせ
光学系ＡＴに設けられたシャッタ１２８ｂを駆動して周
波数ｆ２に相当する光束Ｌｆ２を遮断し、シャッタ１２
８ａを解放する。周波数ｆ１に変調された光束Ｌｆ１は
前述したようにミラー１０９、偏光ビームスプリッタ１
１０、リレー光学系１１１、ビームスプリッタ１１２、
レンズ１１３、レチクルＲ、投影光学系１を介して図８
（Ｂ）に示すようにステージ１２１上の基準マークＦＭ
に対して入射角θ１で入射する。

【００９６】ここで反射回折した光束は再び投影光学系
１、レチクルＲ、レンズ１１３を介してビームスプリッ
タ１１２に到達し、ここで反射してビームスプリッタ１
２３に入射する。ここで光束は２つに分割され、その一
方の光束は対物レンズ１１４、空間フィルタ１２２を介
して光電変換器１１５に入射する。他方の光束はビーム
スプリッタ１２３で反射し、対物レンズ１２４を介して
検出手段としての撮像素子１２５に入射する。ここで撮
像素子１２５は１次元の固体撮像素子であり、位置合わ
せ光学系ＡＴの瞳面と共役の位置に設けられている。

【００９７】図９（Ａ）は、このとき撮像素子１２５に
より得られる瞳面での光束分布の例である。ここで撮像
素子１２５の中心が予め位置合わせされているものとす
る。もしこのとき、平行平面板１０８ａの位置が適切な
位置からずれていたとすると、撮像素子１２５により観
察される入射光束のスポットは本来あるべき位置Ｗ₀よ
りΔａだけ移動していることになる。撮像素子１２５に
より検出された像はＡ／Ｄ変換装置１２６により１次元
のディジタル信号Ｉ（ｗ）に変換され、強度分布検出装
置１２７に出力される。Ａ／Ｄ変換装置１２６と強度分
布検出装置１２７は入射角検出手段の一要素を構成して
いる。

【００９８】図９（Ｃ）は強度分布検出装置１２７に出
力される信号の例である。強度分布検出装置１２７は入
力したデジタル信号Ｉ（ｗ）から次式により瞳面におけ
る入射光束の位置Ｗ１を次式により算出する。

【００９９】

【数１０】 ここでδは位置合わせ光学系ＡＴの組み立て誤差、平行
平面板の誤差等から適切な値に定められている。この例
では位置Ｗ１を位置Ｗ０まわりの重心計算により求めて
いるが、他の方法、例えば最小２乗近似等によっても求
めてもよい。

【０１００】強度分布検出装置１２７は、このようにし
て求めた位置Ｗ１より瞳面での光束のズレΔａを算出し
ている。そしてこのときのズレΔａを打ち消すよう調整
手段としての駆動装置１２０により平行平面板１０８ａ
を駆動している。

【０１０１】次に制御装置１１７はシャッタ１２８ａを
閉じ、シャッタ１２８ｂを解放する。これにより、周波
数ｆ２を持つ光束Ｌｆ２が、先に述べた光束Ｌｆ２と同
様に図８（Ｂ）に示すように基準マークＦＭにて反射
し、図９（Ｂ）に示すようにその瞳面での光束分布が撮
像素子１２５により検出される。撮像素子１２５により
検出された信号Ａ／Ｄ変換装置１２６により１次元のデ
ィジタル信号Ｉ（ｗ）に変換され、強度分布検出装置１
２７に出力される。

【０１０２】このときのデジタル信号Ｉ（ｗ）の例を図
９（Ｄ）に示す。強度分布検出装置１２７は入力したデ
ジタル信号Ｉ（ｗ）から瞳面における入射光束の位置Ｗ
２を次式により算出する。

【０１０３】

【数１１】 強度分布検出装置１２７は、このようにして求めた位置
Ｗ２より瞳面での光束のズレΔｂを算出し、これを打ち
消すよう駆動装置１２０により平行平面板１０８ｂを駆
動している。

【０１０４】本実施例においては強度分布検出装置１２
７を有する入射角検出手段は予め設定した瞳面における
照明強度分布を記憶する記憶手段と、記憶手段に記憶し
た照明強度分布と検出手段からの信号より求めた照明強
度分布との比較をする比較手段とを有している。

【０１０５】又、駆動装置１２０より成る調整手段は比
較手段からの信号に基づいて位置合わせ系を構成する一
部の光学部材（平行平面板１０８ａ，１０８ｂ）の位置
又は姿勢を変化させてウエハマークへの光束の入射角を
調整している。

【０１０６】以上述べたように、本実施例ではステージ
１２１上に設けられた基準マークＦＭを用い、各光束を
個別に照明してその瞳面分布を検出することで、位置合
わせ用のウエハマークＷＭにたいする照明光束の入射角
度を自動的に、かつ随時実行調整可能としている。これ
によりレチクルＲとウエハＷとの位置合わせを高精度に
行うことができるようにしている。

【０１０７】尚、本実施例において基準マークを設ける
と共に光電変換器１１５で検出されるビート信号のコン
トラストを利用して平行平面板１０８ａ，１０８ｂの姿
勢を制御してもよい。

【０１０８】図１０は本発明の位置検出装置を半導体素
子製造用の投影露光装置に適用したときの実施例４の要
部概略図である。

【０１０９】本実施例では露光照明系ＩＬからの露光光
で照明したレチクルＲ上に形成された電子回路パターン
は、投影光学系１を介して２次元移動可能なステージ２
２９に載置されたウエハＷに投影、露光転写している。
このときのレチクルＲとウエハＷの相対的な位置合わせ
は次のようにして行っている。

【０１１０】直線偏光の光束を放射するＨｅＮｅレーザ
２０２から放射された光束は順にレンズ２０３、姿勢制
御可能なミラー２０４、シャッタ２０５、レンズ２０
６、偏光ビームスプリッタ２０７、λ／４板２０８、レ
ンズ２０９、ミラー２１０、投影光学系１を介してステ
ージ２２９に載置されたウエハＷ上に形成されているウ
エハマークＷＭを照明している。

【０１１１】ここでウエハマークＷＭは、図１１（Ａ）
に示すようにピッチＬｗを持つ回折格子より成ってい
る。

【０１１２】さらに、投影光学系１、レンズ２０６、レ
ンズ２０９で構成される光学系の瞳面での照明光束の分
布は図１１（Ｂ）のＩ₀ に示すように、該瞳面の中心に
スポット状に集光するようになっている。

【０１１３】このとき、ウエハマークＷＭからの反射回
折光は、図１１（Ｂ）のＩ_-1およびＩ₊₁に示す位置にあ
り、その位置Ｗ０は、

【０１１４】

【数１２】 となっている。ただし、ここではλはＨｅＮｅレーザ２
０２からの光束の波長である。

【０１１５】ウエハマークＷＭからの光束は、再び順に
投影光学系１、ミラー２１０、レンズ２０９、λ／４板
２０８を介し、偏光ビームスプリッタ２０７を通過して
さらにレンズ２１１を介してＦで示す位置にウエハマー
クＷＭの空中像（ウエハマーク像）を形成する。

【０１１６】この空中像はさらにフーリエ変換レンズ２
１３を介しストッパー２１４によってウエハＷ上での角
度が±ｓｉｎ^-1（λ／Ｌｗ）に相当する光束のみを通過
させ、フーリエ逆変換レンズ２１５により固体撮像素子
２１６の撮像面上にウエハマークＷＭの像を結像してい
る。

【０１１７】固体撮像素子２１６により光電変換された
ウエハマークＷＭの像は、Ａ／Ｄ変換装置２２１により
２次元ディジタル信号列に変換され、さらに積算装置２
２２により図１１（Ａ）のＹ方向に積算されて１次元の
ディジタル信号Ｓ（ｘ）としてＦＦＴ演算装置２２３に
出力される。

【０１１８】ＦＦＴ演算装置２２３はディジタル信号Ｓ
（ｘ）の空間周波数領域を光束フーリエ変換の手法によ
り演算し、周波数強度検出装置２２４に出力する。周波
数強度検出装置２２４は、ウエハマークＷＭのピッチに
相当する周波数近傍でのピーク強度を検出しており、検
出されたピーク強度に対応する周波数成分が位相検出装
置２２５に出力される。位相検出装置２２５は与えられ
た周波数からその周波数成分が持つ位相を演算し、ずれ
量検出装置２２６に出力する。ずれ量検出装置２２６
は、位相検出装置２２５により演算された位相を実空間
でのずれ量に換算し、位置合わせ制御装置２２７に出力
する。

【０１１９】ここで、あらかじめ固体撮像素子２１６と
レチクルＲとの相対的な位置関係が計測されている。こ
のときのずれ量検出装置２２６によって検出されたずれ
量から、レチクルＲとウエハＷの相対的な位置関係を検
出している。これによりステージ２２９を駆動してもレ
チクルＲとウエハＷの位置合わせを行っている。この位
置合わせ装置においても、実施例３と同様に、位置合わ
せ光学系ＡＴの瞳面での照明光束の位置を正確に調整し
ている。

【０１２０】次に本実施例における照明光束の入射角度
の調整の手順について述べる。

【０１２１】まず位置合わせ制御装置２２７は、ステー
ジ２２９を駆動して、ステージ２２９上の基準マークＦ
Ｍが位置合わせ光学系ＡＴの光軸ＯＳ上に位置するよう
にする。ここで基準マークＦＭは図８（Ａ），（Ｂ）に
示したようにガラス基板ＧＰ上にウエハＷ上に形成され
る位置合わせ用のウエハマークＷＭと同じピッチで反射
部分が形成されている。

【０１２２】ＨｅＮｅレーザ２０２から放射された照明
光束は、先に述べたのと同様の光路を通って、図１１
（Ｃ）に示すようにステージ２２９上の基準マークＦＭ
に照射される。ここで反射回折した光束は、投影光学系
１、ミラー２１０、レンズ２０９、λ／４板２０８、偏
光ビームスプリッタ２０７を介し、ビームスプリッタ２
１２で反射する。反射した光束は、光学系２１７を介し
て固体撮像素子２１８に到達する。

【０１２３】ここで固体撮像素子２１８は、位置合わせ
光学系ＡＴの瞳面と共役な面にあり、その出力はＡ／Ｄ
偏光装置２１９に入力される。Ａ／Ｄ変換装置２１９
は、該瞳面での光束分布を１次元のディジタル信号Ｉ
（ｗ）として強度分布検出装置２２０に出力する。

【０１２４】図１２はディジタル信号Ｉ（ｗ）の例であ
る。強度分布検出装置２２０は、予め決められた瞳面中
心位置まわりのディジタル信号Ｉ（ｗ）に対して次式に
より重心計算を行い、検出された入射光束Ｉ₀ の瞳面で
の位置Ｗ３を求める。

【０１２５】

【数１３】 ここでδは位置合わせ光学系ＡＴの組み立て誤差等から
予め適切な値に定められている。強度分布検出装置２２
０は位置Ｗ３から、これを打ち消すようにミラー駆動装
置２２８によりミラー２０４を駆動し、照明光束が瞳面
の中心を通るように調整している。

【０１２６】これにより位置合わせ用の照明光束のウエ
ハマークＷＭへの入射角度の調整を行い、レチクルＲと
ウエハＷとの位置合わせを高精度に行っている。

【０１２７】以上のように実施例３，４では基準マーク
ＦＭに対する照明光束を、位置合わせ光学系ＡＴの瞳面
での光束分布状態を撮像素子により検出して調整するこ
とにより、随時光路調整を行うことを可能としている。
これにより、投影露光装置が稼働中であっても光路のズ
レを検出し、調整することで必要な位置合わせ精度を確
保している。

【０１２８】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、ウエハマークと所定面（検出手段）
との相対的な位置合わせ、即ちレチクルとウエハとの相
対的な位置合わせを高精度に行うことのできる位置検出
手段及びそれを用いた半導体素子の製造方法を達成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 図１のウエハマークに関する説明図

【図３】 本発明の実施例２の要部概略図

【図４】 図３のウエハマークに関する説明図

【図５】 図３の瞳面の照度分布の説明図

【図６】 本発明の実施例３の要部概略図

【図７】 図６のウエハマークへの入射光束の説明図

【図８】 図６の基準マークの説明図

【図９】 図６の瞳面に関する説明図

【図１０】 本発明の実施例４の要部概略図

【図１１】 図１０のウエハマークに関する説明図

【図１２】 図１０の瞳面での光束分布の説明図

【図１３】 従来の位置検出装置の要部概略図

【図１４】 図１３のウエハマークに関する説明図

【図１５】 従来の位置検出装置の要部概略図

【図１６】 図１５のウエハマークの説明図

【符号の説明】 Ｒ レチクル ８ａ ＦＦＴ演算装置 Ｗ ウエハ （周波数解析手段） ＷＭ ウエハマーク ８ｂ，８ｃ 位相検出装置 ＦＭ 基準マーク ８ｄ マーク位置検出装置 １ 投影レンズ ＷＭａ マーク要素 ２ 光源 ＷＭｂ 格子マーク ３ ビームスプリッタ ＩＬ 露光照明系 ４ 結像光学系 ５ 撮像装置（検出手段） ６ Ａ／Ｄ変換装置 ７ 積算装置 ８ 信号処理手段 ９ ステージドライバー １０ ステージ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上のパターンを第２物体面上
   に投影する投影レンズを介して所定面と該第２物体面上
   に設けた位置合わせマークとの相対的な位置検出を行う
   際、該位置合わせマークは空間周波数領域において少な
   くとも２つの基本周波数ピークを持つ複数のマーク要素
   を配列しており、該所定面上に形成した該位置合わせマ
   ークの像を検出手段で光電変換し、該検出手段からの信
   号を周波数解折手段により直交変換を行い空間周波数領
   域における周波数分布を求め、該周波数解折手段からの
   信号を用いて位相検出手段により該位置合わせマークの
   有する少なくとも２つの基本周波数ピークにおける各々
   の位相を求め、該位相検出手段からの２つの基本周波数
   ピークにおける位相を用いて該所定面と該位置合わせマ
   ークとの相対的な位置検出を行ったことを特徴とする位
   置検出装置。
2. 【請求項２】 前記位相検出手段で得られた２つの基本
   周波数ピークにおける位相のうち低い空間周波数に相当
   する位相より該位置合わせマークのうちの第１マークの
   位置検出を行い、該第１マークの位置と高い空間周波数
   に相当する位相とから該位置合わせマークの第２マーク
   の位置検出を行っていることを特徴とする請求項１の位
   置検出装置。
3. 【請求項３】 前記位置合わせマークの２つの基本周波
   数をｆ１，ｆ２、ｎとｍを任意の正の整数としたとき ｎ×ｆ１≠ｍ×ｆ２ なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２の
   位置検出装置。
4. 【請求項４】 レチクル面上のパターンをウエハ面上に
   投影する投影レンズを介して所定面と該ウエハ面上に設
   けた位置合わせマークとの相対的な位置検出を行った
   後、レチクル面上のパターンを投影レンズによりウエハ
   面上に投影露光し、該ウエハを現像処理工程を介して半
   導体素子を製造する際、該位置合わせマークは空間周波
   数領域において少なくとも２つの基本周波数ピークを持
   つ複数のマーク要素を配列しており、該所定面上に形成
   した該位置合わせマークの像を検出手段で光電変換し、
   該検出手段からの信号を周波数解折手段により直交変換
   を行い空間周波数領域における周波数分布を求め、該周
   波数解折手段からの信号を用いて位相検出手段により該
   位置合わせマークの有する少なくとも２つの基本周波数
   ピークにおける各々の位相を求め、該位相検出手段から
   の２つの基本周波数ピークにおける位相を用いて該所定
   面と該位置合わせマークとの相対的な位置検出を行う位
   置検出工程を利用していることを特徴とする半導体素子
   の製造方法。
5. 【請求項５】 第１物体面上のパターンを可動ステージ
   に載置した第２物体面上に投影するようにした投影レン
   ズを介して所定面と該第２物体面に設けた回折格子より
   成る位置合わせマークとの相対的な位置検出を行う位置
   検出装置において、位置合わせ系からの光束で該位置合
   わせマークを所定の方向から照明し、該位置合わせマー
   クから生じる特定次数の反射回折光の瞳面における分布
   を該位置合わせ系の瞳面又は該瞳面と略共役関係な位置
   に設けた検出手段で検出し、該検出手段からの信号を用
   いて入射角検出手段により該位置合わせ系からの光束の
   該位置合わせマークへの入射角情報を検出し、該入射角
   検出手段からの信号を用いて調整手段により該位置合わ
   せ系からの光束の該位置合わせマークへの入射角の調整
   を行う際、該可動ステージに設けた回折格子より成る基
   準マークに該位置合わせ系からの光束を入射したときに
   該基準マークから生じる特定次数の反射回折光を該検出
   手段で検出し、該検出手段からの信号を用いて該入射角
   検出手段と該調整手段とにより該位置合わせ系からの該
   位置合わせマークへの入射角を調整していることを特徴
   とする位置検出装置。
6. 【請求項６】 前記検出手段は１次元又は２次元の撮像
   素子を有しており、前記瞳面での光強度及び光強度分布
   を求める機能を有していることを特徴とする請求項５の
   位置検出装置。
7. 【請求項７】 前記入射角検出手段は予め設定した瞳面
   における照明強度分布を記憶する記憶手段と該記憶手段
   に記憶した照明強度分布と前記検出手段からの信号より
   求めた照明強度分布との比較をする比較手段とを有して
   いることを特徴とする請求項５の位置検出装置。
8. 【請求項８】 前記調整手段は前記比較手段からの信号
   に基づいて前記位置合わせ系を構成する一部の光学部材
   の位置又は姿勢を変化させて前記位置合わせマークへの
   光束の入射角を調整していることを特徴とする請求項７
   の位置検出装置。
9. 【請求項９】 レチクル面上のパターンをウエハ面上に
   投影する投影レンズを介して所定面と該ウエハ面上に設
   けた位置合わせマークとの相対的な位置検出を行った
   後、レチクル面上のパターンを投影レンズによりウエハ
   面上に投影露光し、該ウエハを現像処理工程を介して半
   導体素子を製造する半導体素子の製造方法において、位
   置合わせ系からの光束で該位置合わせマークを所定の方
   向から照明し、該位置合わせマークから生じる特定次数
   の反射回折光の瞳面における分布を該位置合わせ系の瞳
   面又は該瞳面と略共役な位置に設けた検出手段で検出
   し、該検出手段からの信号を用いて入射角検出手段によ
   り該位置合わせ系からの光束の該位置合わせマークへの
   入射角情報を検出し、該入射角検出手段からの信号を用
   いて調整手段により該位置合わせ系からの光束の該位置
   合わせマークへの入射角の調整を行う際、該可動ステー
   ジに設けた回折格子より成る基準マークに該位置合わせ
   系からの光束を入射したときに該基準マークから生じる
   特定次数の反射回折光を該検出手段で検出し、該検出手
   段からの信号を用いて該入射角検出手段と該調整手段と
   により該位置合わせ系からの該位置合わせマークへの入
   射角を調整する調整工程を利用していることを特徴とす
   る半導体素子の製造方法。