JPH09190965A

JPH09190965A - 位置検出装置

Info

Publication number: JPH09190965A
Application number: JP8003859A
Authority: JP
Inventors: Naomasa Shiraishi; 直正白石
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1996-01-12
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】凹凸変化量（段差）の極めて小さい位置検出
マークに対しても確実に位置検出を行う。【解決手段】照明系瞳面（位置検出マークに対するフ
ーリエ変換面）に、光軸に関して対称に複数の透光部３
２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉが形成された照明光束制
限部材６を配置し、結像系瞳面にそれら透光部と共役な
領域及びその周辺を含む領域が位相差付加部３４Ａ〜３
４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉとされた位相差フィルタ１６を配
置する。例えば１つの透光部３２Ｅからの照明光の位置
検出マークによる回折光の内で、０次回折光に対して位
相差付加部３４Ｅでπ／２の位相差を付加して、他の回
折光３６Ａ〜３６Ｃ，３７Ａ〜３７Ｄをそのまま透過さ
せることにより、１次以上の回折光の位相差に影響を与
えることなく、その位置検出マークの像を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
た位置検出マークの位置を検出するための位置検出装置
に関し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、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マスクパターンを感光性の基板
上に転写するために使用される露光装置に備えられ、感
光性の基板上の位置検出マークの位置を検出するための
アライメントセンサに使用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体素子等を製造するための
フォトリソグラフィ工程では、フォトマスク又はレチク
ル等（以下、一例として「レチクル」を用いる）に形成
された転写用のパターンを、投影光学系を介してフォト
レジストが塗布されたウエハ又はガラスプレート等（以
下、一例として「ウエハ」を用いる）上に転写する投影
露光装置、又はレチクルのパターンを近接して配置され
たウエハ上に直接転写するプロキシミティ方式の露光装
置等の露光装置が使用されている。

【０００３】一般に、半導体素子等はウエハ上に多数層
の回路パターンを所定の位置関係で積み重ねて形成され
るため、斯かる露光装置においてウエハ上に２層目以降
の回路パターンを転写する際には、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
エハ上にはそれまでの工程によって回路パターンと共
に、位置検出マークとしてのアライメントマークが形成
されており、露光装置に装着されたアライメントセンサ
でそのアライメントマークの位置を検出することで、ウ
エハ上の各ショット領域内の回路パターンの正確な位置
を検出できるようになっている。

【０００４】従来のアライメントセンサとしては、例え
ばスポット状又はシート状のレーザビームとアライメン
トマークとを計測方向に相対走査し、発生する散乱光や
回折光を検出し、その強度変化に基づいてマーク位置を
検出する方式（以下、「レーザビームスキャン方式」と
呼ぶ）や、回折格子状のアライメントマークに対して例
えば対称に可干渉なレーザビームを照射し、そのアライ
メントマークから発生する１対の回折光よりなる干渉光
の位相に基づいてマーク位置を検出する２光束干渉方式
等のように、レーザビームの散乱や回折を利用して位置
検出を行う方式がある。しかしながら、レーザビームを
使用する場合には、その可干渉性によって、ウエハ表面
とその上に塗布されたフォトレジスト表面との間で多重
干渉が生じ、マークの検出位置に大きな誤差が生じる恐
れがある。

【０００５】これに対して、ハロゲンランプ等を光源と
してアライメントマークを含む所定範囲の領域をブロー
ドバンドな光束で照明し、そのマークの結像光学系によ
る像を撮像し、その画像信号に基づいて位置検出を行う
方式（以下、「結像式位置検出方式」と呼ぶ）のアライ
メントセンサも使用されている。この結像式位置検出方
式はＦＩＡ（Field Image Alignment)方式と呼ばれるこ
ともある。この結像式位置検出方式では、一般に照明光
束としてブロードバンドな光束が使用されるので、上記
のような多重干渉が生じる恐れはない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、半導体集積回路
等の微細化に伴い、成膜工程後で、フォトリソグラフィ
工程前に、ウエハ表面を平坦化する工程が導入されるよ
うになってきた。この工程には、形成する回路パターン
の元となる生成膜の厚さを均一化して素子特性を改善す
る効果と、フォトリソグラフィ工程においてウエハ表面
の凹凸が転写パターンに与える線幅の誤差等の悪影響を
改善する効果とがある。

【０００７】しかしながら、従来の結像式位置検出方式
のアライメントセンサように、ウエハ表面のアライメン
トマーク部での凹凸変化や反射率変化に基づいて位置検
出を行う方式においては、平坦化工程によりアライメン
トマーク部での凹凸変化量が著しく減少するため、アラ
イメントマークを検出できなくなる恐れがある。特に、
不透明な生成膜（金属や半導体膜）に対する露光工程で
は、アライメントマーク部は一様な反射率の不透明膜で
被われるため、位置検出はアライメントマークの凹凸変
化のみに頼ることになり、平坦化を行うことによってア
ライメントマークの検出が極めて困難になるという不都
合があった。

【０００８】これに関して、ほぼ平坦な被検物上の低段
差のパターンを検出する光学系としては、（イ）暗視野
顕微鏡や（ロ）位相差顕微鏡が周知である。（イ）の暗
視野顕微鏡は、被検物に対するフーリエ変換面である結
像系瞳面に遮光領域を設けて、被検物からの０次回折光
（直進光）を遮光し、高次回折光（散乱光）のみを用い
る方式で像を形成させるものである。この際に、０次回
折光は、被検物の凹凸や反射率変化に関する情報を殆ど
含まない回折光であり、これらの情報は１次以上の高次
回折光に含まれている。この暗視野顕微鏡では、０次回
折光が遮光されて高次回折光のみにより像が形成される
ため、通常の明視野の顕微鏡よりも明瞭に（高いコント
ラストで）段差を可視化することが可能となる。

【０００９】一方、（ロ）の位相差顕微鏡は、結像系瞳
面上で０次回折光と他の次数の回折光（及び散乱光）と
の間に位相差を付加して透過せしめる位相差フィルタを
設けたものである。一般に、低段差パターンより発生す
る１次以上の高次回折光の光量は極めて僅かであるが、
その位相差顕微鏡により光量の多い０次回折光も像コン
トラストの形成に寄与させることができるため、暗視野
顕微鏡よりも明るい（光強度の大きい）像を得ることが
できるという利点がある。また、０次回折光と他の次数
の回折光との強度比があまりに大きいと像コントラスト
が低下するため、位相差顕微鏡では０次回折光を減光す
る場合もある。

【００１０】また、（イ）の暗視野顕微鏡で結像系瞳面
での遮光部の形状、及び（ロ）の位相差顕微鏡で結像系
瞳面において位相差を付加する部分の形状は、それぞれ
光軸を中心とする円形領域や円環領域であり、これに対
して照明光の２次光源の形状、即ち被検物に対するフー
リエ変換面（照明系瞳面）での光束分布はそれらと共役
な形状としたものであることが多い。

【００１１】しかしながら、先ず、従来の暗視野顕微鏡
をウエハ上のアライメントマークの位置検出に用いる
と、不要な０次回折光のみでなく比較的低次の有益な回
折光も遮光されてしまい、像の光強度の忠実度が劣化す
るという不都合があった。同様に、従来の位相差顕微鏡
をウエハ上のアライメントマークの位置検出に用いる
と、０次回折光のみでなく他の次数の回折光に対しても
位相差の付加や減光効果が及んでしまい、像のコントラ
ストや忠実性が劣化するという不都合があった。

【００１２】本発明は斯かる点に鑑み、凹凸変化量（段
差）の極めて小さい位置検出マークに対しても、確実に
位置検出を行うことができる結像式位置検出方式の位置
検出装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、処理対象の基板（１０）上に形成された位置検出
マーク（１１）を照明する照明光学系（１〜５，８，
９）と、その位置検出マークからの照明光よりその位置
検出マークの像を形成する結像光学系（９，８，１８，
２５，２７）と、その位置検出マークの像を撮像する撮
像素子（２８）と、を備え、この撮像素子から出力され
る画像信号に基づいてその位置検出マークの位置を検出
する位置検出装置において、その照明光学系中の、その
位置検出マークの形成面に対する光学的フーリエ変換面
である照明系瞳面上に離散的に分布する複数個の２次光
源（３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ；３８Ａ〜３８
Ｇ）を形成する照明光束制限部材（６；６Ａ）と、その
結像光学系中の、その位置検出マークの形成面に対する
光学的フーリエ変換面である結像系瞳面に配置され、且
つその照明系瞳面でそれら離散的に分布する複数個の２
次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領域を含む
複数個の位相差付加部（３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５
Ｉ；３９Ａ〜３９Ｇ）を透過する光束と、それ以外の領
域を通過する光束との間に実質的にπ／２［ｒａｄ］の
位相差を付加する位相差フィルタ（１６；１６Ａ）と、
を有するものである。

【００１４】この場合、そのπ／２［ｒａｄ］の位相差
は１／４波長に相当する。更に、そのπ／２［ｒａｄ］
の位相差の符号は正（進む）、又は負（遅れる）の何れ
でもよく、更に自然数ｋを用いて（２ｋ＋１）π／２
［ｒａｄ］であってもよい。斯かる本発明においては、
従来の位相差顕微鏡のように大きな２次光源からの照明
光で被検物を照明すると、結像系瞳面では０次回折光と
例えば１次回折光とが部分的に重なってしまうため、０
次回折光以外の回折光も位相差フィルタの影響を受けて
しまうことに鑑みて、照明光束制限部材（６；６Ａ）に
よる複数個の小さい２次光源からの照明光で位置検出マ
ーク（１１）を照明する。この結果、１つの２次光源か
らの照明光による位置検出マーク（１１）からの結像系
瞳面での回折光を考えると、例えば図５（Ｂ）に示すよ
うに、その分布は位相差付加部（３４Ｅ）に０次回折光
が入射し、その両側をｎ次回折光（ｎ＝±１，±２，
…）（３６Ａ，３７Ａ，３６Ｂ，３７Ｂ，…）が通過す
るような分布となる。即ち、０次回折光と１次以上の回
折光とがそれぞれ異なる領域を通過して分離し易くなる
ために、位相差フィルタ（１６；１６Ａ）によって容易
にほぼ０次回折光のみに位相差を付加することができ、
他の有益な回折光をそのまま利用することができる。そ
の結果、凹凸変化量（段差）の極めて小さい位置検出マ
ークに対しても、確実に高コントラストな像を形成で
き、この像に基づいて高精度に位置検出を行うことが可
能となる。

【００１５】この場合、位相差フィルタ（１６；１６
Ａ）による複数個の位相差付加部（３４Ａ〜３４Ｊ，３
５Ａ〜３５Ｉ；３９Ａ〜３９Ｇ）に、透過光束を減光す
る減光手段を設けてもよい。これによって、更に高コン
トラストの像を形成できる場合がある。次に、位置検出
マーク（１１）が、計測方向の幅がＷで計測方向に周期
Ｐの周期性を有するマークであるとき、照明光束制限部
材（６；６Ａ）により形成される複数個の２次光源（３
２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ；３８Ａ〜３８Ｇ）のそ
れぞれの、その位置検出マークの計測方向に対応する方
向の幅Ｄは、照明光の最短波長をλ₁、最長波長をλ₂
として、開口数を単位として次式で定まる幅ｄ１以下に
設定されることが望ましい。開口数を単位とした場合、
開口角をθとして幅Ｄはsin θに相当するため、光学系
の焦点距離をｆとして、その光学系のフーリエ変換面
（瞳面）上での実際の幅Ｄ’はｆ・Ｄで表される。

【００１６】ｄ１＝（λ₁／Ｐ−２λ₂／Ｗ）（１）これによって、結像系瞳面上で０次回折光と１次回折光
とがほぼ完全に分離されるため、０次回折光のみに位相
差を付与するのが容易となる。また、位相差フィルタ
（１６；１６Ａ）による複数個の位相差付加部（３４Ａ
〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉ；３９Ａ〜３９Ｇ）のそれぞ
れの、位置検出マーク（１１）の計測方向に対応する方
向の幅Ｄ１は、開口数を単位として照明光束制限部材
（６；６Ａ）により形成される複数個の各２次光源（３
２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ；３８Ａ〜３８Ｇ）の幅
Ｄに対して次式で定まる値ｄ２以上に設定されることが
望ましい。

【００１７】ｄ２＝（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）（２）これによって、位置検出マーク（１１）の計測方向の幅
Ｗが有限でその０次回折光が±λ₂／Ｗ程度計測方向に
広がっていても、位相差フィルタ（１６；１６Ａ）によ
ってほぼその０次回折光の全部に位相差を付与できる。
更に、照明光束制限部材（６；６Ａ）により形成される
それら複数個の２次光源のそれぞれの、その位置検出マ
ークの計測方向に対応する方向の幅Ｄを、開口数を単位
として０．０６以下に設定するようにしてもよい。これ
は、上述の（１）式で波長λ₁,λ₂をそれぞれ５５０ｎ
ｍ，７５０ｎｍ、その位置検出マークの周期Ｐを６μ
ｍ、その位置検出マークの計測方向の幅Ｗを５０μｍと
して幅ｄ１を０．０６とした場合に相当する。即ち、通
常の使用条件では、その幅Ｄを０．０６以下とすること
によって、結像系瞳面上で０次回折光と１次回折光とが
ほぼ完全に分離されるようになる。

【００１８】同様に、位相差フィルタ（１６；１６Ａ）
によるそれら複数個の位相差付加部のそれぞれの、その
位置検出マークの計測方向に対応する方向の幅Ｄ１を、
開口数を単位として照明光束制限部材（６；６Ａ）によ
り形成されるそれら複数個の各２次光源の幅Ｄに対して
（Ｄ＋０．０３）以上に設定してもよい。これも、上述
の（２）式で波長λ₂を７５０ｎｍ、その位置検出マー
クの計測方向の幅Ｗを５０μｍとした場合に相当する。
即ち、通常の使用条件では、それら位相差付加部の幅Ｄ
１を（Ｄ＋０．０３）以上とすることによって、結像系
瞳面上で０次回折光のほぼ全部に位相差を付加できる。

【００１９】次に、上述の発明において、その照明光束
制限部材によりその照明系瞳面上に形成されるそれら複
数個の２次光源の一例は、例えば図６に示すように、そ
の照明光学系の光軸に関して点対称に分布すると共に、
その位置検出マークの非計測方向に対応する方向で同じ
位置に分布する２つの２次光源（３８Ａ，３８Ｂ）を有
し、これら２つの２次光源のその位置検出マークの計測
方向に対応する方向の中心間隔Ｄ２は、照明光の中心波
長をλとして、λ／Ｐの整数倍とならないように設定さ
れるものである。

【００２０】この場合、それら２つの２次光源（３８
Ａ，３８Ｂ）の一方からの照明光の回折光の結像系瞳面
上での計測方向の間隔は、λ／Ｐとなるため、２次光源
（３８Ａ，３８Ｂ）の間隔をλ／Ｐからずらしておくこ
とによって、２次光源（３８Ａ，３８Ｂ）に対応する結
像系瞳面での位相差付加部（３９Ａ，３９Ｂ）によって
その位置検出マークからの１次回折光が影響されること
がなく、確実にその位置検出マークの像が形成される。
また、それら２次光源の分布を光軸に関して点対称とす
ることによって、得られる像の対称性が確保される。

【００２１】更に、その間隔Ｄ２はλ／Ｐの半整数倍、
即ち整数ｎを用いて（ｎ＋１／２）λ／Ｐに設定される
ことが望ましい。これによって、１次回折光が位相差付
加部の間を通過し易くなる。また、上述の発明におい
て、その照明光束制限部材によりその照明系瞳面上に形
成されるそれら複数個の２次光源の他の例（３２Ａ〜３
２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ）は、例えば図５に示すように、
その照明光学系の光軸に関して点対称に分布すると共
に、その位置検出マークの非計測方向に対応する方向で
同じ位置に複数個の２次光源が存在しないように分布す
るものである。

【００２２】これによって、例えば１つの２次光源（３
２Ｅ）によってその位置検出マークから発生する１次以
上の回折光（３６Ａ，３７Ａ，３６Ｂ，３７Ｂ，…）は
位相差付加部を通過しないため、その位置検出マークの
像が確実に形成される。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による位置検出装置
の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
本例は、投影露光装置に備えられるオフ・アクシス方式
で、且つ結像式位置検出方式のアライメントセンサに本
発明を適用したものである。先ず、図１２は本例のアラ
イメントセンサを備えたステッパー型の投影露光装置の
一例を示し、この図１２において、照明光学系５１から
の露光用の照明光（水銀ランプの波長３６５ｎｍのｉ線
等の輝線、又は波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ
光等）ＩＬはレチクル５２の下面（パターン形成面）の
パターンを均一な照度分布で照明し、そのパターンが投
影光学系５４により投影倍率β（βは例えば１／５）で
縮小されて、フォトレジストが塗布された半導体ウエハ
（以下、単に「ウエハ」という）１０上の各ショット領
域に投影される。以下では、投影光学系５４の光軸ＡＸ
Ｐに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１４の
紙面に平行にＸ軸を取り、図１４の紙面に垂直にＹ軸を
取って説明する。

【００２４】レチクル５２は、このレチクル５２をＸ方
向、Ｙ方向に位置決めすると共に、所望の角度だけ回転
して固定するレチクルステージ５３上に保持されてい
る。一方、ウエハ１０は不図示のウエハホルダを介して
ウエハステージ１２に保持されている。ウエハステージ
１２は、Ｘ方向及びＹ方向にウエハ１０の位置決めを行
い、ウエハ１０のＺ方向の位置（フォーカス位置）を制
御すると共に、ウエハ１０の傾斜角の補正を行う。ま
た、ウエハステージ１２の上面にその表面がウエハ１０
の表面と同じ高さになるように基準板１３が固定され、
基準板１３の表面にベースライン計測（投影光学系５４
の光軸ＡＸＰとアライメントセンサの検出中心との間隔
の計測）等に用いられる基準マークが形成されている。

【００２５】更に、ウエハステージ１２上に固定された
移動鏡１４と、対向するように配置されたレーザ干渉計
１５とによりウエハステージ１２（ウエハ１０）のＸ座
標、及びＹ座標が常時０．０１μｍ程度の分解能で計測
されている。このようにレーザ干渉計１５により計測さ
れる座標に基づいて定まる座標系を、ステージ座標系
（Ｘ，Ｙ）と呼ぶ。レーザ干渉計１５により計測された
座標は装置全体の動作を統轄制御する主制御系５５、及
び後述の画像処理系２９に供給され、その供給された座
標に基づいて主制御系５５は、ウエハステージ駆動系５
６を介してウエハステージ１２の位置決め動作を制御す
る。具体的に、ウエハ１０上の或るショット領域への露
光が終了すると、ウエハステージ１２のステッピング動
作によって次のショット領域を投影光学系５４の露光フ
ィールド内に位置決めして露光を行うという、ステップ
・アンド・リピート方式で露光が行われる。

【００２６】また、図１４の投影露光装置には、ウエハ
１０上の各ショット領域に付設された位置検出マークと
してのアライメントマーク（ウエハマーク）の座標を検
出するための、オフ・アクシス方式で且つ結像式位置検
出方式のアライメント光学系５７、及び画像処理系２９
よりなるアライメントセンサが設けられている。このア
ライメントセンサのアライメント光学系５７の詳細な構
成については後述する。

【００２７】アライメント光学系５７で光電変換して出
力される撮像信号ＤＳが画像処理系２９に供給され、画
像処理系２９にはレーザ干渉計１５で計測されるウエハ
ステージ１２の座標も供給されている。画像処理系２９
では、その撮像信号ＤＳを処理して得られるアライメン
トマークのアライメント光学系５７内の指標マークに対
する相対位置に、レーザ干渉計１５で計測される座標を
加算することによって、検出対象のアライメントマーク
のステージ座標系での座標値を検出し、この座標値を主
制御系５７に供給する。主制御系５７では、例えばウエ
ハ上の所定個数のショット領域（サンプルショット）に
付設されたアライメントマークの座標の計測値、及びウ
エハ上の全部のショット領域の設計上の配列座標より所
謂エンハンスト・グローバル・アライメント（ＥＧＡ）
方式でそれら全部のショット領域のステージ座標系での
配列座標を算出する。

【００２８】また、アライメント光学系５７の検出中心
（例えば指標マークの中心）から投影光学系５４の光軸
ＡＸＰ（露光中心）までの距離であるベースライン量
は、予め基準板１３を用いて求められて主制御系５５内
の記憶装置に記憶されている。従って、主制御系５５
は、算出された配列座標をそのベースライン量で補正し
て得られた座標に基づいてウエハステージ１２を駆動す
ることにより、ウエハ上の各ショット領域に高い重ね合
わせ精度でレチクルのパターン像を転写できる。

【００２９】次に、本例の結像式位置検出方式のアライ
メントセンサの構成につき詳細に説明する。以下では計
測方向がＸ方向（Ｘ軸に平行な方向）のアライメントマ
ークを検出する機構につき説明するが、計測方向をＹ方
向とするアライメントマークについても同様の機構で検
出される。図１は、本例のアライメント光学系５７の概
略構成、及び画像処理系２９を示し、この図１のアライ
メント光学系５７において、ハロゲンランプ等の光源１
から射出された広帯域の照明光束は、コンデンサレンズ
２、及びシャープカットフィルタ又は干渉フィルタ等か
らなる波長選択素子３を経て、照明視野絞り４に入射す
る。波長選択素子３は、ウエハ１０上に塗布されたフォ
トレジストに対して非感光性の波長域（本例では波長５
５０ｎｍ〜７５０ｎｍの波長域）の光束のみを透過させ
る光学フィルタである。但し、本例のアライメントセン
サを、例えば露光、及び現像後のウエハ上の回路パター
ンと転写されたレジストパターンとの重ね合わせ誤差の
検出装置として使用するのであれば、フォトレジストの
感光を防ぐ必要はないため、波長選択素子３を設けるこ
となく、より短い露光波長に近い波長の照明光を使用し
てもよい。

【００３０】照明視野絞り４を透過した照明光束は、リ
レーレンズ系５を経て、照明光束制限部材６に入射す
る。そして、照明光束はビームスプリッタ８、及び対物
レンズ群９を介して、ウエハ１０の表面のアライメント
マーク１１を含む照明領域（観察視野）に入射する。本
例では、照明光束制限部材６は、ウエハ１０の表面（ア
ライメントマーク１１の形成面）に対して、対物レンズ
群９とビームスプリッタ８とを介して光学的にフーリエ
変換の関係となっている面（以下、「照明系瞳面」と呼
ぶ）に配置されている。即ち、照明光束制限部材６内で
照明系光軸ＡＸＩから位置ずれ量ΔＲＩの位置を通過し
た照明光束が、ウエハ１０の表面に入射する際の入射角
をθ_inとすると、その位置ずれ量ΔＲＩはその入射角θ
_inの正弦に比例する。

【００３１】また、光源１の発光部は照明光束制限部材
６の配置面と光学的にほぼ共役となっており、ウエハ１
０の表面は光源１からの照明光によってほぼケーラー照
明されている。但し、本例では照明光束制限部材６内の
後述の複数の透光部（２次光源）は２次元的に分布して
いるため、それらの透光部をほぼ均一に照明するため
に、照明光束制限部材６を光源１の発光部との共役面か
ら或る程度デフォーカスさせてもよい。また、光源１か
らの照明光の代わりに、所定の大きさの断面形状を有す
る光ファイバ束で導いた照明光等を使用してもよい。

【００３２】本例の照明光束制限部材６は、照明系瞳面
内の離散的な複数箇所のみに２次光源を形成するもので
あり、その詳細は後述する。また、照明光束制限部材６
は、その中心が照明光学系の光軸ＡＸ１と一致するよう
にスライダよりなる可動部材７に保持されている。そし
て、可動部材７を介して照明光学系の光路に対して照明
光束制限部材６が挿脱自在となっている。従って、本例
では、可動部材７によって後述する本例の照明条件と通
常の照明条件とを切り換えることができ、アライメント
マーク１１の段差量（及び／又は微細度や周期、線幅
等）に応じて何れか一方を選択できるようになってい
る。例えば、低段差のアライメントマークに対しては本
例の照明条件が選択されて照明光束制限部材６が光路中
に挿入され、高段差のアライメントマークに対しては通
常照明が選択されて照明光束制限部材６が光路外に退避
される。なお、可動部材７の代わりに、例えばターレッ
ト板等を使用してもよい。

【００３３】また、照明視野絞り４は、リレーレンズ系
５〜対物レンズ群９までの一連の光学系を介して、ウエ
ハ１０の表面（アライメントマーク１１）と共役（結像
関係）となっており、照明視野絞り４の光透過部の形状
に応じてウエハ１０上での照明領域を制限することがで
きる。照明視野絞り４は、例えば複数枚の可動ブレード
からなり、アライメントマーク１１の大きさや形状に応
じてその複数枚の可動ブレードによって規定される開口
部の大きさや形状を変化させることで、ウエハ１０上で
の照明範囲を変更することができる。

【００３４】ウエハ１０上のアライメントマーク１１を
含む照明領域で反射、回折、又は散乱された光束は、対
物レンズ群９、ビームスプリッタ８を経て位相差フィル
タ１６に至る。位相差フィルタ１６は、ウエハ１０の表
面（アライメントマーク１１の形成面）に対して、対物
レンズ群９とビームスプリッタ８とを介して光学的にフ
ーリエ変換の関係となっている面（以下、「結像系瞳
面」と呼ぶ）に配置されている。即ち、ウエハ１０の表
面から射出角θ_outで射出された光束が、位相差フィル
タ１６内で結像系光軸ＡＸから位置ずれ量ΔＲＪの位置
を通過するものとすると、その位置ずれ量ΔＲＪはその
射出角θ_outの正弦に比例する。

【００３５】ここで、位相差フィルタ１６は、結像系瞳
面内において、照明光束制限部材６の形成する離散的な
複数の２次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領
域を透過する光束と、それ以外の領域を透過する光束と
に、ほぼπ／２［ｒａｄ］の位相差を生じさせるもので
あり、その詳細は後述する。そして、位相差フィルタ１
６は、上記の位置関係を満たしつつスライダよりなる可
動部材１７に保持されている。この可動部材１７によっ
て、結像光学系の光路に対して位相差フィルタ１６が挿
脱自在に支持されている。従って、本例では可動部材１
７によって、後述する本例の位相差検出と通常の（従来
の）状態での検出とを切り換えることができ、アライメ
ントマーク１１の段差量に応じて何れか一方を選択でき
るようになっている。例えば、低段差のアライメントマ
ークに対しては本例の位相差検出が選択されて位相差フ
ィルタ１６が光路中に挿入され、高段差のアライメント
マークに対しては通常の状態が選択されて位相差フィル
タ１６が光路外に退避される。なお、可動部材１７の代
わりに、ターレット板等を使用してもよい。

【００３６】ここで、光学的なフーリエ変換の関係を図
２を用いて説明するが、図２中では簡単のために図１の
対物レンズ群９を１枚のレンズで表している。図２にお
いて、対物レンズ群９の一方の焦点面（焦点距離をｆと
する）上にウエハ１０の表面を配置すれば、他方の焦点
面が光学的なフーリエ変換面（瞳面）ＦＰとなる。そし
て、ウエハ１０上での入射角、及び射出角がθである光
束は、それぞれフーリエ変換面（瞳面）ＦＰ上で光軸Ａ
Ｘからｆ・sin θだけ離れた位置を通ることになる。

【００３７】図２では、対物レンズ群９を１枚のレンズ
で表しているが、これが複数枚からなるレンズ系であっ
ても本質的には何ら変わりはなく、複数枚のレンズの合
成焦点面にウエハ１０の表面を配置すれば他方の焦点面
がフーリエ変換面（瞳面）となる。そして、対物レンズ
群９と瞳面との間に図１に示すようにビームスプリッタ
８を配することにより、送光側である照明系瞳面と受光
側である結像系瞳面とを分離することが可能となる。ま
た、分離された両瞳面は共にウエハ１０の表面に対する
フーリエ変換面であり、即ち両瞳面は、ウエハ１０、対
物レンズ群９、及びビームスプリッタ８を介して共役
（結像関係）となっている。

【００３８】なお、照明光束制限部材６、及び位相差フ
ィルタ１６の形状等の詳細については後述する。位相差
フィルタ１６を通過した光束（結像光束）は、レンズ系
１８、ビームスプリッタ１９を経て、指標板２４上にア
ライメントマーク１１の像を形成する。一方、指標板２
４は指標板照明用光学系から射出されてビームスプリッ
タ１９で反射された照明光によっても照明されている。
この指標板照明用光学系は、発光ダイオード等の光源２
０、コンデンサレンズ２１、指標板照明視野絞り２２、
及びリレーレンズ系２３より構成され、指標板照明視野
絞り２２は、リレーレンズ系２３、及びビームスプリッ
タ１９を介して指標板２４と共役、ひいてはウエハ１０
の表面と共役になっている。また、指標板２４には後述
するようにアライメントマーク１１の位置検出に際して
の基準となる指標マークが形成されている。指標板照明
視野絞り２２は、指標板２４上の指標マークのみが光源
２０からの照明光で照射されるように、その指標マーク
と結像関係になる領域に開口を有する。

【００３９】指標板照明用光学系（以下、「２０〜２
３」で表す）は、この指標マークを照明するためのもの
であり、光源２０からの照明光は、アライメントマーク
１１への照明光と異なり単色光でもよい。また、光源２
０からの照明光はウエハ１０への照射も行われないた
め、その波長がフォトレジストの感光波長であっても構
わない。そこで、光源２０として波長５００ｎｍ程度の
照明光を発光する発光ダイオードを使用して、ビームス
プリッタ１９の反射面を、波長選択素子３で選択された
照明光を透過させて光源２０からの照明光を反射するダ
イクロイックミラー面とすることで、ウエハ１０からの
結像光束、及び指標マークの照明光の利用効率を高め
て、光量損失を抑えることができる。なお、本例では照
明視野絞り４によってウエハ１０上での照明範囲が制限
されるので、アライメントマーク１１の像が指標マーク
に重畳して形成されることはない。

【００４０】指標板２４上のアライメントマーク１１の
像及び指標マークは、それぞれリレーレンズ系２５、開
口絞り２６、及びリレーレンズ系２７によりＣＣＤ等の
撮像素子２８上の撮像面にリレーして結像される。画像
処理系２９は、撮像素子２８からの撮像信号ＤＳに基づ
いて、前述の指標マークの像とアライメントマーク１１
の像との位置関係を算出する。この位置関係とレーザ干
渉計１５から供給される座標値とからアライメントマー
ク１１のステージ座標系での位置が求められる。なお、
開口絞り２６は、対物レンズ群９〜リレーレンズ系２７
よりなる結像光学系中で、ウエハ１０の表面に対して実
質的にフーリエ変換の関係となる面（位相差フィルタ１
６の配置面と結像関係にある面）に配置され、この開口
絞り２６によってその結像光学系の開口数が制限され
る。本実施例では、開口絞り２６によって結像光学系の
開口数を任意に変更できるように構成されている。

【００４１】また、図１では指標板２４を結像光学系の
光路中に配置したが、指標板２４をその光路外に配置
し、結像系を介して撮像素子２８上に指標マークの像を
形成するように構成してもよい。即ち、例えば、指標板
２４の代わりに撮像素子２８を配置し、且つ指標板照明
視野絞り２２の代わりに指標板２４を配置すれば、リレ
ーレンズ系２５，２７が不要となって装置全体を小型化
できる。このとき、指標マーク以外からの光が撮像素子
２８に入射しないように、指標板２４上の指標マーク以
外の領域は遮光しておくとよい。また、開口絞り２６は
位相差フィルタ１６と機械的に干渉しないように、その
位相差フィルタ１６に近接して配置すればよい。

【００４２】ここで、本例のアライメントマーク１１の
形状、指標板２４、指標板照明視野絞り２２、及び照明
視野絞り４の透過部の形状、並びに撮像素子２８上に形
成される像の光強度分布の一例につき、図３、及び図４
を用いて説明する。先ず、図４（Ａ）はアライメントマ
ーク１１の拡大平面図を示し、図４（Ｂ）は図４（Ａ）
の計測方向（Ｘ方向）に沿った断面図を示す。即ち、ア
ライメントマーク１１はウエハ１０の表面において、他
の部分に比べて凹部となった３本の帯状のパターンをＸ
方向に周期（ピッチ）Ｐで配列した周期的マークよりな
る。そして、アライメントマーク１１上に図４（Ｂ）に
示すように、フォトレジスト３１が塗布され、計測方向
にアライメントマーク１１を含み照明光で照明されてい
る幅Ｗの領域をマーク領域ＭＡと呼ぶ。本例ではその幅
Ｗをアライメントマーク１１の計測方向の幅とみなす。

【００４３】また、図３（Ａ）は照明視野絞り４を示す
図、図３（Ｃ）は指標板２４を示す図であり、図３
（Ａ）に示す通り、照明視野絞り４上では中央の矩形の
透過部４Ｍ以外は全て斜線を施した遮光部となってい
る。その透過部４Ｍがウエハ１０の表面に投影され、透
過部４Ｍの明るい共役像がアライメントマーク１１の照
明領域となる。この照明領域は、図４（Ｂ）中の幅Ｗの
マーク領域ＭＡに相当し、この照明領域を図３（Ｃ）に
示す指標板２４上に投影した像が、マーク像領域ＭＩと
なっている。即ち、指標板２４上のマーク像領域ＭＩ内
にアライメントマーク１１の像が形成される。

【００４４】一方、図３（Ｂ）は指標板照明視野絞り２
２を示し、この図３（Ｂ）において、指標板照明視野絞
り２２内の２箇所の矩形の透過部２２Ｌ，２２Ｒ以外は
全て斜線を施して示す遮光部となっている。これらの透
過部２２Ｌ，２２Ｒからの透過光は、図３（Ｃ）に示す
指標板２４上においてそれぞれ照明領域ＬＩ，ＲＩを照
明する。そして、左右の照明領域ＬＩ，ＲＩ内には、そ
れぞれ遮光部（バーマーク）である前述の指標マーク２
４Ｌ，２４Ｒが形成されている。

【００４５】これらの結果、撮像素子２８上に形成され
る像の光強度（像強度）の分布は図４（Ｃ）の如くな
る。なお、図４（Ｃ）では撮像素子２８から出力される
撮像信号ＤＳでその像強度を表している。図４（Ｃ）に
おいて、図１の光源１からの照明光で照明されたアライ
メントマーク１１の像１１Ｐを中心として、その左右に
光源２０からの照明光で照明された指標マーク２４Ｌ，
２４Ｒの像（暗像）２４ＬＰ，２４ＲＰが形成されてい
る。

【００４６】また、図４（Ｂ）の断面図において、アラ
イメントマーク１１の計測方向の左右の領域ＬＡ，ＲＡ
は平坦な領域とされているが、これらの領域ＬＡ，ＲＡ
の状態はアライメントマーク１１の位置検出には全く影
響しない（照明光で照明されていない）ので、ここに回
路パターン等が存在しても全く問題はない。図１の画像
処理系２９では、撮像素子２８からの出力される図４
（Ｃ）に示す撮像信号ＤＳに基づいて、アライメントマ
ーク１１と指標マーク２４Ｌ，２４Ｒとの位置関係の算
出を行う。この算出過程は、従来の結像式位置検出方式
のアライメントセンサで一般に行われている処理と全く
同様である。例えば、或るスライスレベルＳＬでの撮像
信号ＤＳのスライス位置Ｌ₂,Ｌ₁,Ｍ₁〜Ｍ_n,Ｒ₁,Ｒ₂を
求め、これらのスライス位置に基づいて位置検出を行う
ことができる。それ以外に、或るテンプレート信号とア
ライメントマークの像１１Ｐに対応する撮像信号ＤＳと
の相関に基づいて位置検出を行ってもよい。

【００４７】また、撮像素子２８上の像の形成、従って
撮像素子２８から出力される撮像信号の形成には、照明
光に含まれる波長域の光束が寄与するが、アライメント
マーク１１と撮像素子２８との間に干渉フィルタ、シャ
ープカットフィルタ等の波長選択素子を設ける場合や、
撮像素子２８の感度スペクトルが照明光の波長域より狭
い場合には、像形成に寄与する光束は、勿論照明光の波
長域よりスペクトル幅の狭いものとなる。

【００４８】これらの位置検出に先立ち、検出位置の基
準となる指標マーク２４Ｌ，２４Ｒのウエハステージ１
２（ウエハ１０）に対する位置関係の計測、即ちベース
ラインチェックを行う必要がある。このため、図１４に
おいて例えばウエハステージ１２を駆動して、基準部材
１３上の基準マークを投影光学系５４の露光フィールド
内に移動して、不図示のレチクル用のアライメントセン
サでその基準マークとレチクル５２上のアライメントマ
ークとを所定の関係に合わせ込み、そのときのウエハス
テージ１２の座標値（レーザ干渉計１５により計測され
るステージ座標系での座標値）を第１の計測値として記
憶する。

【００４９】その後、図１において、ウエハステージ１
２を駆動して基準部材１３上に形成された基準マークを
対物レンズ群９の下の観察視野内に移動し、その基準マ
ークと指標マーク２４Ｌ，２４Ｒとの位置関係を検出す
る。同時に、このときのウエハステージ１２の座標値
（ステージ座標系での座標値）を計測し、この計測値と
上記の基準マークに対する検出値との和を第２の計測値
として記憶し、この第２の計測値から先の第１の計測値
を差し引いて得られる量をベースライン量として記憶す
る。この場合、アライメントマーク１１の計測時のレー
ザ干渉計１５による計測値と、前述の撮像信号ＤＳから
求めたアライメントマーク１１と指標マーク２４Ｌ，２
４Ｒとの位置関係との和から、そのベースライン量を差
し引いたものが、アライメントマーク１１の露光中心に
対する相対位置となる。

【００５０】次に、本例の照明光束制限部材６、及び位
相差フィルタ１６とそれらの変形例とについて、それぞ
れ図５と図６とを参照して説明する。図５（Ａ）は図１
中の照明光束制限部材６を示し、図５（Ｂ）は図１中の
位相差フィルタ１６を示し、これら図５（Ａ）及び
（Ｂ）において横軸であるＵ軸は図４（Ａ）に示したア
ライメントマーク１１のＸ軸に対応し、縦軸であるＶ軸
はそのアライメントマーク１１のＹ軸に対応する。照明
光束制限部材６、及び位相差フィルタ１６は、それぞれ
アライメントマーク１１に対する瞳面に配置されるの
で、慣例に従ってＵ軸、及びＶ軸を使用している。

【００５１】図５（Ａ）に示すように、本例の照明光束
制限部材６は、斜線を施して示す遮光部上に複数個の微
小な矩形（正方形も可）の透光部３２Ａ〜３２Ｉ，３２
Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉを形成したものである。このような
照明光束制限部材６としては、金属遮光板上の特定箇所
に透過開口を設けたものや、ガラス等の透明基板上に金
属等で遮光膜を形成し特定箇所の遮光膜を除去したもの
が使用できる。この場合、照明光束制限部材６の上半分
の領域（Ｖ＞０となる領域）内の透光部３２Ａ〜３２Ｉ
と光軸（Ｕ軸及びＶ軸の原点）に対して対称に、下半分
の領域に透光部３３Ａ〜３３Ｉが設けられていると共
に、光軸上に透光部３２Ｊが設けられている。なお、必
ずしも光軸上に透光部３２Ｊを設ける必要はない。ま
た、透光部の個数及び分布位置は図５（Ａ）に限定され
ない。

【００５２】このように各透光部を光軸に関して対称に
配置することによって、照明光束制限部材６上の各透光
部の配置は各透光部の照明光量分布の重心位置が光軸と
一致する。これによって、撮像素子２８上に得られる像
の対称性が確保される。なお、検出対象とするアライメ
ントマークの形状等によって必ずしも像の対称性を確保
する必要のないときには、照明光束制限部材６上で透光
部を光軸に対して対称に配置する必要はない。

【００５３】一方、図５（Ｂ）に示すように、位相差フ
ィルタ１６は、照明光束制限部材６上の各透光部３２Ａ
〜３２Ｉ，３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉと共役な位置に、そ
れぞれそれよりやや大きい位相差付加部３４Ａ〜３４
Ｉ，３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉが形成され、それ以外の領
域が光透過部となっている。そして、位相差付加部３４
Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉには、この位相差付加部を
通過する光束とそれ以外の領域を通過する光束との間に
π／２［ｒａｄ］の位相差を付加するような位相シフタ
が被着されている。位相差フィルタ１６としては、ガラ
ス等の透明基板上の各位相差付加部に誘電体膜よりなる
位相シフタを形成したものが使用できる。

【００５４】そして、アライメントマーク１１が図４
（Ａ）に示すような周期的なパターンであるとき、図５
（Ａ）の照明光束制限部材６上の１つの透光部３２Ｅを
透過した照明光によりアライメントマーク１１から発生
した回折光は、位相差フィルタ１６上で（結像系瞳面内
で）図５（Ｂ）に示すような分布となる。即ち、発生す
る回折光の内、０次回折光３６は透光部３２Ｅと共役な
位相差付加部３４Ｅ上に分布し、＋１次，＋２次，＋３
次の回折光３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ、及び−１次〜−４
次の回折光３７Ａ〜３７Ｄはそれ以外の領域を透過す
る。従って、アライメントマーク１１から発生する回折
光の内、０次回折光３６のみに位相差が付加されて、他
の次数の回折光には何ら影響が与えられない。

【００５５】ところで、照明光束制限部材６上の各透光
部３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３ＩのＵ方向（計測方
向）の幅をＤとして、幅Ｄが仮に０であったとしても、
アライメントマーク１１からの０次回折光は位相差フィ
ルタ１６上でＵ方向に幅を持ったものとなる。これは、
アライメントマーク１１の計測方向（Ｘ方向）の幅Ｗが
有限であるために生じるものであり、その広がりは照明
光の波長をλとして、２λ／Ｗ（単位は開口数）程度と
なり、実際の広がりの幅は、図２に示すような焦点距離
ｆの対物レンズ群９では、ｆ・２λ／Ｗ程度となる。即
ち、アライメントマーク１１の幅Ｗが大きい程（例え
ば、マーク１本当たりの線幅が大きく、マーク本数が多
い程）位相差フィルタ１６上での結像光束の広がりは小
さくなるわけである。また、照明光が所定の波長幅を有
する場合、最長の波長をλ₂とすると、その０次回折光
の最大の広がりの幅は開口数単位で２λ₂／Ｗとなる。

【００５６】そこで、本例では、位相差フィルタ１６上
での各位相差付加部３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉの
Ｕ方向の幅Ｄ１を、照明光束制限部材６上の透光部（３
２Ｅ等）のＵ方向の幅Ｄと、上記の２λ₂／Ｗとの和程
度以上と設定する（単位は開口数、以下、特に断らない
限り瞳面上の単位は開口数とする）。即ち、開口数を単
位としてほぼ次式が成立する。

【００５７】Ｄ１≧Ｄ＋２λ₂／Ｗ（３）これにより、アライメントマーク１１からの０次回折光
を位相差フィルタ１６で完全に位相シフトさせることが
できる。なお、位相差フィルタ１６上の各位相差付加部
のＵ方向の幅Ｄ１が余りに大きくなると、１次以上の回
折光にも位相差が付加されてしまうため、当然のことな
がら、その各位相差付加部の幅Ｄ１は（３）式の右辺の
（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）以上で、且つ１次以上の回折光にか
からない範囲に設定される。

【００５８】他の次数、例えばｍ次（ｍは０以外の整
数）の回折光は、位相差フィルタ１６上で０次回折光の
中心からＵ方向に、ｍ・λ／Ｐ（Ｐはアライメントマー
ク１１の周期）だけ離れた所を通り、その広がり幅は０
次回折光と同様となる。更に、照明光束がブロードバン
ドであると各光束の波長λの差によりそれぞれの中心位
置も変化するため、各回折光の幅はより広がったものと
なる。そして、各次数の回折光の間隔は最も短い波長λ
₁において最も狭くなり、各波長での各次数の回折光の
広がりは最も長い波長λ₂において最大となる。

【００５９】０次回折光と１次回折光との位置関係に着
目すると、照明光束制限部材６上の透光部３２ＥのＵ方
向の幅Ｄがあまり広いと、それに伴って０次回折光の位
相差付加用の位相差付加部３４ＥのＵ方向の幅Ｄ１と、
１次回折光自身の広がり幅とが共に大きくなり、その結
果、±１次回折光３６Ａ，３７Ａの一部も位相差付加部
３４Ｅによって遮光されることになる。

【００６０】これを避けるためには、照明光束制限部材
６上の各透光部のＵ方向の幅Ｄを、０次回折光と１次回
折光との最小間隔λ₁／Ｐから、幅Ｄが０の場合の各回
折光の広がり幅の最大値２λ₂／Ｗを差し引いた値以下
として、０次回折光と１次回折光とが位相差フィルタ６
上で重なり合わないようにすればよい。即ち、次式が成
立するようにすればよい。なお、幅Ｄは（４）式を満た
し、且つ０より大きければ良い。

【００６１】Ｄ≦λ₁／Ｐ−２λ₂／Ｗ（４）なお、実際のアライメントマークではその周期Ｐは６μ
ｍ〜１６μｍ程度であり、アライメントマークの計測方
向の幅Ｗは５０μｍ程度であることが多い。例えば、照
明光がブロードバンドで、波長域が５５０ｎｍ（λ₁)か
ら７５０ｎｍ（λ₂）であるとき、周期Ｐが６μｍ（一
般的なマークの中で最も細かい、即ち０次光と１次光が
最も離れる）のアライメントマークを検出するなら、
（４）式より照明光束制限部材６上の各透光部の幅Ｄ
を、０．０６（≒０．５５／６−２・０．７５／５０）
以下とすればよいことになる。このとき、照明光束制限
部材６上での０次回折光の広がり（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）
は、約（Ｄ＋０．０３１）となるので、（３）式より位
相差フィルタ１６の各位相差付加部の幅Ｄ１は（Ｄ＋
０．０３）程度以上とすればよい。

【００６２】同様に、周期Ｐが８μｍのアライメントマ
ークに対しては、照明光束制限部材６の各透光部の幅Ｄ
を０．０３８以下とし、周期Ｐが１２μｍのアライメン
トマークに対しては、その各透光部の幅Ｄを０．０１５
以下とすればよい。また、本例では図５に示したよう
に、或る値のＶ座標上には、位相差フィルタ１６上の各
位相差付加部（３４Ｅ等）及びそれに対応する照明光束
制限部材６上の透光部（３２Ｅ等）を１つしか配置しな
いものとしてある。図５（Ｂ）中のＵ軸に平行な破線群
はこのことを明示するための補助線であり、各破線の間
には位相差付加部３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉが１
つしかないことになる。このような配列にすると、任意
の１つの透光部（３２Ｅ等）の透過光のアライメントマ
ークによる計測方向（周期方向）への０次以外の回折光
は、位相差フィルタ１６により全く影響を受けることが
ない。このため、撮像素子２８上に形成される像として
極めて忠実度の高いものを得ることができる。

【００６３】なお、位相差フィルタ１６の位相差付加部
３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉには、位相差の付加作
用のみならず、減光作用を併せ持つ膜を形成しても良
い。このためには、例えばその位相差付加部に誘電体膜
だけでなく金属薄膜を併せて形成すれば良い。このよう
な構成は、従来の位相差顕微鏡での位相差フィルタや、
あるいは最近フォトリソグラフィ技術で使用され始め
た、所謂ハーフトーン位相シフトレチクルと同様であ
り、それらの各種製法を用いて製造することができる。

【００６４】一般的に、検出すべきマークの段差が小さ
い（低段差）程、得られる像のコントラストが低下する
ので、０次光を減光して像のコントラストの向上を図る
とよい。また、マーク段差が比較的大きいとき（数１０
ｎｍ程度）は０次光を減光しなくとも十分な像コントラ
ストが得られ、同時に明るい像が得られることになる。

【００６５】なお、誘電体膜及び金属薄膜により透過光
に与えられる位相差（他の部分の透過光との位相差）
は、一般の位相差顕微鏡と同様にπ／２［ｒａｄ］（１
／４波長）程度が最適であるので、誘電体膜の厚さはそ
の屈折率をｎとして、λ／｛４（ｎ−１）｝程度とす
る。このとき、λは結像に寄与する光束の中心波長（本
例では６５０ｎｍ）である。但し、位相差付加部（３４
Ｅ等）の位相差付加量に多少の誤差があってもアライメ
ントマーク１１の像コントラストは急激には低下しない
ので、（π／２±π／６）［ｒａｄ］の範囲内であれ
ば、精度良く位置検出可能な良好なコントラストの像を
得ることができる。

【００６６】また、結像に寄与する光束の波長域が狭く
単色に近い場合には、誘電体膜の厚さは（２ｋ＋１）λ
／｛４（ｎ−１）｝（位相差は（２ｋ＋１）π／２［ｒ
ａｄ］）（ｋは自然数）であってもよいが、広帯域光の
場合、中心波長でない波長に対してはｋが大きい程位相
差が（２ｋ＋１）π／２［ｒａｄ］（最適条件）からず
れるので、誘電体膜の厚さはλ／｛４（ｎ−１）｝とす
るのがよい。これらの条件の位相差フィルタ６を使用す
ると、マークの凹部が明るく、凸部が暗い、明瞭なコン
トラストを持ったアライメントマーク１１の像を得るこ
とができる。

【００６７】また、位相差フィルタ１６の代わりに、位
相差付加部（３４Ｅ等）に金属薄膜のみを形成し、他の
部分に誘電体膜を形成する構成としたフィルタを使用し
てもよい。この場合、０次光の位相は他の次数に対して
π／２［ｒａｄ］進んだものとなるので、アライメント
マーク１１の像は図５の如き位相差フィルタ１６の使用
時とは異なり、マークの凹部が暗く、凸部が明るい像と
なる。但し、像のコントラストは何れの場合にも同等
で、且つ高いことは勿論である。この場合にも、位相差
付加部（３４Ｅ等）は必ずしも減光作用を有する物でな
くてもよく、即ち金属薄膜を付加しなくてもよい。ま
た、位相差を付加するために誘電体膜を形成する代わり
に、透明基板自体をエッチングにより堀り込んでもよ
い。

【００６８】次に、図６を参照して照明光束制限部材及
び位相差フィルタの他の例につき説明する。図６（Ａ）
は照明光束制限部材の他の例を示し、図６（Ｂ）は位相
差フィルタの他の例を示し、図５と同様に、これら図６
（Ａ）及び（Ｂ）のＵ軸及びＶ軸は、それぞれ図４
（Ａ）に示したアライメントマーク１１のＸ軸及びＹ軸
に対応している。

【００６９】図６（Ａ）に示すように、この照明光束制
限部材６Ａ上には遮光部中にそれぞれＵ方向には細く、
Ｖ方向には長い長方形の透光部３８Ａ〜３８Ｇが形成さ
れている。また、同一のＶ座標上に複数個の（２ないし
３個の）透過部が形成され、本例でも透光部３８Ａ〜３
８Ｇは光軸に関して対称に配置されている。なお、図６
（Ａ）では透光部３８Ａ〜３８Ｇの個数は６個である
が、透光部の個数は複数個であれば任意であり、配置も
図６（Ａ）には限定されない。本例では、それらの複数
の透光部（２次光源）の計測方向（Ｕ方向）の間隔は、
照明光束の中心波長をλとして開口数を単位として、透
光部３８Ｄと３８Ｅとの間隔Ｄ３、及び透光部３８Ｄと
３８Ｃとの間隔Ｄ３では２．５・λ／Ｐに、透光部３８
Ａと３８Ｂとの間隔Ｄ２、及び透光部３８Ｆと３８Ｇと
の間隔Ｄ２では３．５・λ／Ｐに、それぞれ設定してあ
る。

【００７０】また、図６（Ｂ）に示す位相差フィルタ１
６Ａにおいて、図６（Ａ）中の照明光束制限部材６Ａ上
の透過部３８Ａ〜３８Ｇに共役な領域、及びその周辺が
位相差付加部３９Ａ〜３９Ｇとなっていることは、図５
の例と同様である。このとき、例えば透光部３８Ｄより
アライメントマーク１１に照射される照明光束による回
折光の内で、図６（Ｂ）の位相差フィルタ１６Ａ上で０
次回折光４２は位相差付加部３９Ｄ上に分布し、＋１次
〜＋４次の回折光４２Ａ〜４２Ｄ、及び−１次〜−４次
の回折光４３Ａ〜４３Ｄは位相差付加部の間を透過して
いる。本例では、上述のように、透光部３８Ｄと透光部
３８Ｃ，３８Ｅとの間隔、及び位相差付加部３９Ｄと位
相差付加部３９Ｃ，３９Ｅとの間隔が、２．５・λ／Ｐ
に設定されているために、上記の回折光４３Ｄ〜４２Ｄ
は位相差付加部３９Ｃ，３９Ｅによる位相変化を受ける
ことなく位相差フィルタ１６を透過することができる。

【００７１】また、別の透光部３８Ｂからの照明光によ
り生じる−５次の回折光４１Ｄ〜＋２次の回折光４０Ｂ
までの回折光も、透光部３８Ａと透光部３８Ｂとの間
隔、及び位相差付加部３９Ａと位相差付加部３９Ｂとの
間隔が、それぞれ３．５・λ／Ｐに設定されているため
に、位相差付加部３９Ａに影響されることなく位相差フ
ィルタ１６を透過することができる。そして、０次回折
光４０が位相差付加部３９Ｂを透過する。なお、これら
の透光部３８Ａ〜３８Ｇ、及び位相差付加部３９Ａ〜３
９Ｇの計測方向（Ｕ方向）の間隔は、上記の２．５・λ
／Ｐ、３．５・λ／Ｐに限定されるわけではなく、λ／
Ｐの半整数倍であれば如何なる値であってもよい。

【００７２】更に、或る程度回折光が位相差付加部にか
かってもよければ、それらの間隔は、λ／Ｐの整数倍に
ならないように設定すればよい。ところで、図６（Ａ）
中の透光部３８Ｃ，３８Ｅの照明光により発生する回折
光については、それぞれ−５次及び＋５次の回折光が互
いに他の透光部に対応する位相差付加部３９Ｅ，３９Ｃ
により位相差を付加されてしまう。しかし、このような
高次（５次以上）の回折光が像形成に及ぼす影響は、実
用上無視できる程度に小さく問題となることは殆どな
い。但し、照明光の波長域が広い場合、図６のような構
成では、例えば透光部３８Ｄからの照明光による＋２次
回折光４２Ｂの内、最も波長の長いものはより大きく回
折し、位相差付加部３９Ｅにより位相差を付加され、ま
た＋３次回折光４２Ｃの内最も波長の短いものもあまり
回折せずに位相差付加部３９Ｅにより位相差を付加され
る恐れがある。従って、透光部３８Ａ〜３８Ｇ及び位相
差付加部３９Ａ〜３９Ｇの各幅は図５の例の場合よりも
細くすることが望ましい。

【００７３】勿論、照明光の波長域がそれ程広くない場
合には、透光部及び位相差付加部の各幅は図５の例と同
様でよい。このとき、更に透光部の総面積を同一のＶ座
標について複数の透光部が存在する分だけ大きくするこ
とができるため、照明光量を大きく、即ち像を明るくで
きるという利点がある。なお、図６（Ｂ）に示した如き
位相差フィルタ１６Ａにおいても、前述の如く、位相差
付加部３９Ａ〜３９Ｇに更に減光部材を設けてもよく、
付加する位相量を０次回折光が遅れる方向、又は進む方
向の何れとしてもよいことは言うまでもない。

【００７４】ここで、上述の実施の形態と比較するため
に、図７（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ従来の位相差顕微
鏡での照明系瞳面及び結像系瞳面での光量分布を示す。
図７でも、計測方向に対応する方向をＵ軸、計測方向に
直交する非計測方向に対応する方向をＶ軸としている。
図７では、照明系瞳面での光量分布が光軸ＡＸを中心と
する円形領域４４に制限され、結像系瞳面での位相差付
加部がその円形領域４４とほぼ共役な円形の位相差付加
部４５とされているタイプを表している。このとき、図
７（Ａ）の円形領域４４からの照明光によりアライメン
トマークから発生する回折光は、図７（Ｂ）に示すよう
にそれぞれ円形の０次回折光４６、＋１次〜＋４次の回
折光４６Ａ〜４６Ｄ、及び−１次〜−４次の回折光４７
Ａ〜４７Ｄとなる。しかしながら、例えば±１次回折光
４６Ａ，４７Ａは大部分が円形の位相差付加部４５によ
り位相差を付加されてしまう。この結果、得られる像は
忠実度の極めて低いものとなってしまうことになり、当
然ながらその像を用いた位置検出精度も劣化することと
なる。それに対して本発明の実施の形態によれば、図５
及び図６に示すように、１次以上の回折光が位相差付加
部によって殆ど影響されないため、得られる像の忠実度
は極めて高くなっている。

【００７５】次に、上述の実施の形態のアライメントセ
ンサを用いて、凹凸変化量（段差）の極めて小さいアラ
イメントマークの像を形成した場合の計算機によるシミ
ュレーション結果につき説明する。図８は、図１のアラ
イメントセンサにより得られる段差５ｎｍのアライメン
トマークの像強度分布のシミュレーション結果を示し、
図８において横軸はウエハ上での計測方向（Ｘ方向）の
位置を示したものであり、縦軸はそのアライメントマー
クの像の光強度を示している。また、アライメントマー
クの詳細な構成は、周期が１２μｍ、凹部の本数が５本
であり、凹部の幅と凸部の幅とが等しく、マーク表面の
材質は屈折率が３．５５の一様な材質であり、その上に
屈折率が１．６８のフォトレジストが厚さ１μｍで塗布
されているものとした。なお、照明光の波長域を５５０
ｎｍ（λ₁)から７５０ｎｍ（λ₂)として、照明光束制限
部材６上の透光部は図５に示すように分布しているもの
として、結像光学系の開口数は０．２とした。

【００７６】このとき、アライメントマークの計測方向
の幅Ｗは６０（＝１２×５）μｍとなるので、照明光束
制限部材６の各透過部のＵ方向の幅Ｄは、（４）式の条
件に従って０．０２とした。また、位相差フィルタ１６
上の各位相差付加部の幅Ｄ１は、（３）式の条件に従っ
て、０．０４５とした。更に、位相差付加部は０次回折
光の位相をπ／２［ｒａｄ］遅らせる位相差を付加する
のみでなく、更に０次回折光を５％に減光する減光部材
（エネルギー透過率５％）をも含むものとした。

【００７７】図８の像強度分布はアライメントマークの
１周期分であり、横軸（位置）の原点はアライメントマ
ークの中央の凹部の中心を示し、±Ｐ／４の位置に表示
した破線はアライメントマークの凹部のエッジ（凹部と
凸部との境界）を示す。また、縦軸の光強度は、１周期
内でのマーク像の光強度の最大値が１となるように規格
化してある。

【００７８】一方、図９及び図１０はそれぞれ通常（明
視野）の顕微鏡、及び位相差顕微鏡により得られるアラ
イメントマークの像のシミュレーション結果を示す。明
視野顕微鏡の照明光のコヒーレンスファクタであるσ値
は０．８とし、位相差顕微鏡のσ値は０．３とした。ま
た、位相差顕微鏡の結像系瞳面での位相差付加部の半径
はそのσ値（０．３）よりやや大きい０．３３ＮＡ（開
口数としては０．０６６）とした。また、位相差付加部
による付加位相差量は上記の本発明の実施の形態と同様
にπ／２［ｒａｄ］（位相差付加部の円内の位相が遅れ
る）とし、エネルギー透過率も同じく５％とした。他の
条件（アライメントマークの形状、照明光の波長、開口
数、横軸の位置、縦軸の光強度の規格化）は、図８に示
す本発明の実施の形態でのシミュレーション条件と同様
である。

【００７９】図９に示すように、明視野顕微鏡の像は明
暗変化（コントラスト）が殆どなく、このような像から
のマーク位置検出は殆ど不可能なことが分かる。一方、
図１０に示した従来の位相差顕微鏡の像では明視野顕微
鏡の像に比べてコントラストは大きいが、前述の如くか
なりの１次回折光に不要な位相差が付加されているため
に像の忠実度が劣化し、マークの周期に対して高次の周
期成分の像（歪み）も形成されている。そして、位置検
出において重要となるマークエッジ部分（図１０中に破
線で示した位置）においてもこの歪みは悪影響を及ぼす
ので、このような像を用いると位置検出精度が極めて低
下してしまう恐れがある。

【００８０】これに対して、図８に示した本発明の実施
の形態のアライメントセンサによる像では、コントラス
トが十分であるばかりでなく、不要な（実際には存在し
ない）高次成分の歪みを全く含まないため、これを用い
て正確な位置検出を行うことができる。また、図１１に
従来の位相差顕微鏡でありながら照明光束のσ値を０．
０５（開口数としては０．０１）とし、結像系瞳面での
位相差付加部（上記と同様に位相差π／２［ｒａｄ］を
付加して、透過率５％であるとする）の半径を０．１２
ＮＡ（開口数としては０．０２４）とした場合の像のシ
ミュレーション結果を示す。これは、照明系瞳面の透過
部及び結像系瞳面の位相差付加部の各全幅（０．０２及
び０．０４８）については、上述の実施の形態の条件を
満たすものではある。従って、アライメントマークから
の回折光の内の０次光のみが遮光され、１次以上の回折
光は透過することになるが、その像は図１１に示す通り
やはり不要な高次成分を含むものとなっている。これ
は、このように照明光束のσ値の小さい照明条件（コヒ
ーレント照明）では、マーク上の照明光のコヒーレンス
が高くなり過ぎるために発生するものである。

【００８１】一方、本発明の実施の形態においては、照
明系瞳面の２次光源の１個当たりの大きさは小さいもの
の、それが複数個配置され、２次光源群全体としてはσ
値の大きな照明系となっており、上記の如き像質の劣化
の恐れは全くない。なお、以上の本発明の実施の形態で
は、計測方向に周期的なアライメントマークを検出対象
として説明したが、本発明の位置検出装置により周期的
でないマークを検出することも勿論可能である。この場
合、検出対象のマークから発生する回折光は上記のよう
に離散的なものとはならないが、本発明の位置検出装置
ではこの場合にも位相差を付加する回折光をより低次
（０次に近い）のものに限定することができ、より多く
の有益な回折光を結像に寄与させることができ、より正
確な位置検出が可能となる。

【００８２】また、本発明の実施の形態の照明光束制限
部材６，６Ａ及び位相差フィルタ１６，１６Ａは、段差
の小さなマークの検出に極めて有効であることは前述の
通りであるが、段差の大きな（例えば１００ｎｍ以上）
のマークに対しては従来の検出光学系においても十分な
検出精度を有しているので、段差の大きなマークを検出
する際には、照明光束制限部材６，６Ａ及び位相差フィ
ルタ１６，１６Ａをそれぞれ図１に示す可動部材７及び
１７を用いて光路外へ退避させるようにしてもよい。な
お、ガラス基板よりなる位相差フィルタ１６，１６Ａ
（あるいは照明光束制限部材６，６Ａ）の退避により、
光学系の収差状態が変動してしまう恐れのある場合に
は、これらの部材の退避時に同等な光学的厚さを有する
透明部材を挿入する必要がある。

【００８３】また、上述のシミュレーションで想定した
５ｎｍ程には低段差でないマーク、例えば数１０ｎｍ程
度の段差のマークに対しては、位相差フィルタとして前
述の如き位相差のみを付加し減光を行わないフィルタを
用いることもできる。図１２に、段差が４０ｎｍのマー
クに対しこのような位相差のみを付加する位相差フィル
タを用いた場合のシミュレーション結果を示す。なお、
このときの照明光束制限部材６上の透光部、位相差フィ
ルタ１６上の位相差付加部の形状は、図８に示すシミュ
レーションの場合と同一である。また、比較のために図
１２に同一マークでの明視野顕微鏡像のシミュレーショ
ン結果を示す。これらのシミュレーションの諸条件は、
マーク段差、位相差付加部の透過率以外はそれぞれ図
８、及び図９に関して示したものと同一である。

【００８４】このように段差の或る程度大きいマークに
対しては、位相差付加部の透過率が高くとも（あまり減
光しなくても）十分にコントラストの高い像が得られ
る。従って、上記の可動部材７及び１７により照明光束
制限部材６及び位相差フィルタ１６を単に挿脱するのみ
でなく、マークの段差量に応じて位相差フィルタ１６を
交換するようにしてもよい。そして、より低段差のマー
クに対しては、位相差付加部の透過率の低い位相差フィ
ルタを使用するようにするとよい。

【００８５】ところで、上記実施の形態中で照明光束制
限部材６，６Ａが形成する離散的な複数個の各２次光源
（透光部）の幅Ｄ、及びそれと共役な位相差フィルタ１
６，１６Ａ上の位相差付加部の幅Ｄ１は、照明光束の波
長域（λ₁〜λ₂）により決定されるとしたが、アライ
メントマーク１１と撮像素子２８との間にシャープカッ
トフィルター等の波長選択素子が加わる場合や、撮像素
子２８自体の分光感度が照明光束の波長域より狭い場合
等は、上記２次光源の幅Ｄや位相差付加部の幅Ｄ１は、
これらを考慮して、即ちアライメントマーク１１の撮像
信号の形成に実際に寄与する波長域に基づいて、各幅を
決定することは言うまでもない。

【００８６】また、実施の形態中で用いた照明光束制限
部材６，６Ａは、特定部分の光束のみを透過し、他は遮
光するというものであったが、照明光束を照明系瞳面上
の特定の複数箇所に集光するような部材、例えばフライ
アイレンズのような光学系を用いてもよい。また、図１
の照明用の光源１として半導体レーザ素子等のレーザ光
源を用いてもよい。この場合も、照明光束としては或る
程度の波長域を有することが望ましいので、多波長（マ
ルチモード）で発振する半導体レーザ素子、色素レーザ
光源、又はその他の複数個の異なる波長で発振するレー
ザ光源を使用するとよい。

【００８７】なお、以上の実施の形態は、半導体ウエハ
上のアライメントマークの位置検出を行うアライメント
センサに本発明を適用したものであるが、本発明による
位置検出装置は他の用途の光学装置に対しても適用する
ことが可能である。例えば、目視検査や観察に使用する
ような一般の光学顕微鏡に対して本発明を適用すれば、
上述の実施の形態と同様に低段差パターンに対して高コ
ントラストな像を得ることができる。更には、生物顕微
鏡のように透過照明を使用する顕微鏡に対しても本発明
を適用することができる。

【００８８】このように、本発明は上述の実施の形態に
限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構
成を取り得る。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば、照明系瞳面上に離散的
に分布する複数個の２次光源を形成し、対応する結像系
瞳面上の複数個の位相差付加部で照明光に位相差を付加
しているため、位置検出マークからのほぼ０次回折光の
みに位相差を付加して１次以上の回折光をほぼそのまま
透過させることができる。従って、凹凸変化量（段差）
の極めて小さい位置検出マークに対しても高い忠実度で
像を形成でき、確実に位置検出を行うことができる利点
がある。そのため、例えば平坦化工程等により凹凸変化
（段差）が極めて小さくなったアライメントマークに対
しても十分にコントラストの高いマーク像を得ることが
でき、そのマーク像の光強度分布を用いてマーク位置の
検出を高精度に行うことができる。

【００９０】また、表面段差等が小さく、あるいは光束
の位相変化の少ない各種パターンを従来例より高いコン
トラストで検出できる光学系を実現することができる。
この場合、位相差フィルタによる複数個の位相差付加部
に、透過光束を減光する減光手段を設けた場合には、特
に凹凸変化量（段差）の小さい位置検出マークに対して
も十分にコントラストの高い像を得ることができる利点
がある。

【００９１】そして、その位置検出マークが、計測方向
の幅がＷで計測方向に周期Ｐの周期性を有するマークで
あり、照明光束制限部材により形成される複数個の２次
光源のそれぞれの、その位置検出マークの計測方向に対
応する方向の幅Ｄが、照明光の最短波長をλ₁、最長波
長をλ₂として、開口数を単位として（λ₁／Ｐ−２λ
₂／Ｗ）以下に設定される場合には、結像系瞳面上で０
次回折光と１次回折光とがほぼ完全に分離されるため、
０次回折光のみに位相差を付加し易くなる。

【００９２】また、位相差フィルタによる複数個の位相
差付加部のそれぞれの、その位置検出マークの計測方向
に対応する方向の幅が、開口数を単位としてその照明光
束制限部材により形成される複数個の各２次光源の幅Ｄ
に対して（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）以上に設定されるときに
は、その位置検出マークの計測方向の幅Ｗによって０次
回折光が広がりを有しても、その位相差フィルタによっ
てその０次回折光のほぼ全部に位相差を付加できる。

【００９３】次に、その照明光束制限部材により形成さ
れる複数個の２次光源のそれぞれの、その位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の幅Ｄが、開口数を単位と
して０．０６以下に設定されるときには、通常の使用条
件（照明光の波長λ₁,λ₂がそれぞれ５５０ｎｍ，７５
０ｎｍ、位置検出マークの周期Ｐが６μｍ、位置検出マ
ークの計測方向の幅Ｗが５０μｍ程度）下では、（１）
式の幅ｄ１に対して、Ｄ≦ｄ１が成立するため、結像系
瞳面上で０次回折光と１次回折光とがほぼ完全に分離さ
れるようになる。

【００９４】同様に、位相差フィルタによる複数個の位
相差付加部のそれぞれの、その位置検出マークの計測方
向に対応する方向の幅Ｄ１を、開口数を単位としてその
照明光束制限部材により形成される複数個の各２次光源
の幅Ｄに対して（Ｄ＋０．０３）以上に設定される場合
には、その通常の使用条件下で、（２）式の幅ｄ２に対
して、Ｄ１≧ｄ２が成立するため、結像系瞳面上で０次
回折光のほぼ全部に位相差を付加できる。

【００９５】また、照明光束制限部材によりその照明系
瞳面上に形成される複数個の２次光源が、照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、位置検出マーク
の非計測方向に対応する方向で同じ位置に分布する２つ
の２次光源を有し、これら２つの２次光源の位置検出マ
ークの計測方向に対応する方向の中心間隔が、照明光の
中心波長をλとして、λ／Ｐの整数倍とならないように
設定されるときには、その結像系瞳面での位相差付加部
によってその位置検出マークからの１次以上の回折光が
殆ど影響されることがなく、高い忠実度でその位置検出
マークの像が形成される。また、それら２次光源の分布
を光軸に関して点対称とすることによって、得られる像
の対称性が確保される。更に、計測方向に複数の２次光
源があるため、得られる像が明るくなる。

【００９６】また、照明光束制限部材によりその照明系
瞳面上に形成される複数個の２次光源が、照明光学系の
光軸に関して点対称に分布すると共に、位置検出マーク
の非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の２次
光源が存在しないように分布するときには、その結像系
瞳面でその位置検出マークからの１次以上の回折光が殆
ど影響されることなく、高い忠実度でその位置検出マー
クの像が形成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の実施の形態の一例
のアライメントセンサを示す構成図である。

【図２】図１中の対物レンズ群９の瞳面の説明図であ
る。

【図３】（Ａ）は図１中の照明視野絞り４のパターンを
示す図、（Ｂ）は図１中の指標板照明視野絞り２２のパ
ターンを示す図、（Ｃ）は図１中の指標板２４のパター
ンを示す図である。

【図４】（Ａ）は図１中のアライメントマーク１１の一
例を示す拡大平面図、（Ｂ）は図４（Ａ）の断面図、
（Ｃ）はそのアライメントマーク１１の像の撮像信号
（光強度分布）を示す波形図である。

【図５】（Ａ）は図１中の照明光束制限部材６の透光部
の配置を示す図、（Ｂ）は図１中の位相差フィルタ１６
の位相差付加部の配置を示す図である。

【図６】（Ａ）は照明光束制限部材の他の例６Ａの透光
部の配置を示す図、（Ｂ）は位相差フィルタの他の例１
６Ａの位相差付加部の配置を示す図である。

【図７】従来の位相差顕微鏡における照明系瞳面及び結
像系瞳面での光量分布を示す図である。

【図８】本発明の実施の形態で得られるアライメントマ
ークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す図
である。

【図９】通常の明視野の顕微鏡で得られるアライメント
マークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す
図である。

【図１０】従来の位相差顕微鏡で得られるアライメント
マークの像の光強度分布のシミュレーション結果を示す
図である。

【図１１】従来の位相差顕微鏡でコヒーレント照明とし
た場合に得られるアライメントマークの像の光強度分布
のシミュレーション結果を示す図である。

【図１２】本発明の実施の形態で得られる低段差でない
アライメントマークの像の光強度分布のシミュレーショ
ン結果を示す図である。

【図１３】通常の明視野の顕微鏡で得られる低段差でな
いアライメントマークの像の光強度分布のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。

【図１４】本発明の実施の形態のアライメントセンサを
備えた投影露光装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１光源４照明視野絞り６，６Ａ照明光束制限部材７，１７可動部材９対物レンズ群１０ウエハ１１アライメントマーク１２ウエハステージ１６，１６Ａ位相差フィルタ２２指標板照明視野絞り２４指標板２６開口絞り２８撮像素子２９画像処理系３２Ａ〜３２Ｊ，３３Ａ〜３３Ｉ透光部３４Ａ〜３４Ｊ，３５Ａ〜３５Ｉ位相差付加部３８Ａ〜３８Ｇ透光部３９Ａ〜３９Ｇ位相差付加部５７アライメント光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理対象の基板上に形成された位置検出
マークを照明する照明光学系と、前記位置検出マークか
らの照明光より前記位置検出マークの像を形成する結像
光学系と、前記位置検出マークの像を撮像する撮像素子
と、を備え、該撮像素子から出力される画像信号に基づ
いて前記位置検出マークの位置を検出する位置検出装置
において、前記照明光学系中の、前記位置検出マークの形成面に対
する光学的フーリエ変換面である照明系瞳面上に離散的
に分布する複数個の２次光源を形成する照明光束制限部
材と、前記結像光学系中の、前記位置検出マークの形成面に対
する光学的フーリエ変換面である結像系瞳面に配置さ
れ、且つ前記照明系瞳面で前記離散的に分布する複数個
の２次光源と結像関係となる領域及びその近傍の領域を
含む複数個の位相差付加部を透過する光束と、それ以外
の領域を通過する光束との間に、実質的にπ／２［ｒａ
ｄ］の位相差を付加する位相差フィルタと、を有するこ
とを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の位置検出装置であって、前記位相差フィルタによる前記複数個の位相差付加部
に、透過光束を減光する減光手段を設けたことを特徴と
する位置検出装置。
【請求項３】請求項１、又は２記載の位置検出装置で
あって、前記位置検出マークは、計測方向の幅がＷで計測方向に
周期Ｐの周期性を有するマークであり、前記照明光束制限部材により形成される前記複数個の２
次光源のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向に
対応する方向の幅Ｄは、照明光の最短波長をλ ₁、最長
波長をλ₂として、開口数を単位として（λ₁／Ｐ−２
λ₂／Ｗ）以下に設定されることを特徴とする位置検出
装置。
【請求項４】請求項３記載の位置検出装置であって、前記位相差フィルタによる前記複数個の位相差付加部の
それぞれの、前記位置検出マークの計測方向に対応する
方向の幅は、開口数を単位として前記照明光束制限部材
により形成される前記複数個の各２次光源の幅Ｄに対し
て（Ｄ＋２λ₂／Ｗ）以上に設定されることを特徴とす
る位置検出装置。
【請求項５】請求項１、又は２記載の位置検出装置で
あって、前記照明光束制限部材により形成される前記複数個の２
次光源のそれぞれの、前記位置検出マークの計測方向に
対応する方向の幅Ｄは、開口数を単位として０．０６以
下に設定されることを特徴とする位置検出装置。
【請求項６】請求項５記載の位置検出装置であって、前記位相差フィルタによる前記複数個の位相差付加部の
それぞれの、前記位置検出マークの計測方向に対応する
方向の幅は、開口数を単位として前記照明光束制限部材
により形成される前記複数個の各２次光源の幅Ｄに対し
て（Ｄ＋０．０３）以上に設定されることを特徴とする
位置検出装置。
【請求項７】請求項２又は３記載の位置検出装置であ
って、前記照明光束制限部材により前記照明系瞳面上に形成さ
れる前記複数個の２次光源は、前記照明光学系の光軸に
関して点対称に分布すると共に、前記位置検出マークの
非計測方向に対応する方向で同じ位置に分布する２つの
２次光源を有し、該２つの２次光源の前記位置検出マー
クの計測方向に対応する方向の中心間隔は、照明光の中
心波長をλとして、λ／Ｐの整数倍とならないように設
定されることを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】請求項１〜６の何れか一項記載の位置検
出装置であって、前記照明光束制限部材により前記照明系瞳面上に形成さ
れる前記複数個の２次光源は、前記照明光学系の光軸に
関して点対称に分布すると共に、前記位置検出マークの
非計測方向に対応する方向で同じ位置に複数個の２次光
源が存在しないように分布することを特徴とする位置検
出装置。