KR100541272B1 - 기판상의마크위치를검출하는방법과그의방법에의한위치검출장치및그의위치검출장치를이용한노광장치 - Google Patents

Abstract

평탄한 물체의 표면에 극히 작은 단차 구조를 따라서 형성된 위치 검출용의 격자 마크의 위치를 검출하는 방법에 있어서, 상기 격자 마크에 소정의 입사 각도에서 조명빔을 조사하는 단계에서 상기 조명빔은 상이한 3개 이상의 n개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_n으로 이루어진 복수의 가간섭 빔을 포함하며, 각 파장의 함수를 λ₁ < λ₂ < λ₃, ..., < λ_n으로 할 때, 상기 n개의 파장은 (1/λ₁ - 1/λ₂) = (1/λ₂ - 1/λ₃) = … = (1/λ_n-1 - /λ_n)의 관계가 약 ±10%의 범위 내에서 근사적으로 만족하게 되도록 설정되는 단계와, 상기 n개의 파장 성분으로 이루어진 조명빔의 조사시에 상기 격자 마크로부터 특정의 방향으로 발생하는 회절광의 광량 변화를 광전 검출하는 단계 및 상기 광전 검출에 따라서 얻어진 신호를 기초로 상기 격자 마크의 위치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 격자 마크의 위치 검출 방법.

Description

기판 상의 마크 위치를 검출하는 방법과 그 방법에 의한 위치 검출 장치 및 그 위치 검출 장치를 이용한 노광 장치

(발명의 분야)

본 발명은 예를 들면 반도체 소자 등을 제조할 때에 마스크 패턴을 감광성의 기판 상에 노광하는 포토리소그래피 공정에서 사용되는 노광 장치에 적용되는 마스크 패턴과 감광성 기판의 상대적인 위치를 맞춤 기술에 관한 것으로, 특히 감광성 기판 상의 마크 패턴의 검출 기술에 관한 것이다.

(관련 배경 기술)

예를 들면 반도체 소자, 액정 표시 소자 또는 박막 자기 헤드 등을 제조하기 위한 포토리소그래피 공정에서는, 전사용 패턴이 형성된 포토마스크 또는 레티클(reticle)(이하, 간단히 레티클이라 함)의 상(image)을, 투사 광학계를 통한 투사 노광법 또는 근접(proximity) 노광법에 의해, 포토레지스트가 도포된 웨이퍼(또는 유리판 등의 감광 기판) 상에 전사하는 노광 장치가 사용되고 있다.

이와 같은 노광 장치에 있어서는, 노광에 앞서 레티클과 웨이퍼의 위치 맞춤(얼라인먼트)을 고정밀도로 행할 필요가 있다. 이 얼라인먼트를 행하기 위해서, 웨이퍼 상에는 이전의 공정에서 노광 전사되어 에칭 형성된 위치 검출 마크(얼라인먼트 마크)가 형성되고, 이 얼라인먼트 마크의 위치를 검출하는 것으로 웨이퍼(웨이퍼 상의 회로 패턴)의 정확한 위치를 검출할 수 있다.

최근에, 웨이퍼(또는 레티클) 상의 격자 마크를 1차원, 또는 2차원의 격자형으로 하여, 그 격자 마크 상에 피치 방향으로 대칭적으로 경사진 2개의 가간섭 빔(coherent beam)을 투사하고, 격자 마크로부터 동일 방향으로 발생하는 2개의 회절광 성분을 간섭시켜 격자 마크의 피치 방향의 위치나 위치 오프셋을 검출하는 방법이, 예를 들면, (A) 특개소 61-208220호 공보(대응 USP 4,828,392호), (B) 특개소 61-215905호 공보(대응 USP 4,710,026호) 등에서 제안되었다. 공보(A)는 2개의 대칭적인 가간섭 빔의 주파수를 동일하게 한 호모다인 방식을 개시하고, 공보(B)는 2개의 대칭적인 가간섭 빔의 사이에 일정 주파수 차를 갖춘 헤테로다인 방식을 개시한다.

또한, 헤테로다인 방식의 위치 검출 장치를 축소 투사 노광 장치 내의 TTR(Through-The-Reticle) 얼라인먼트계 또는 TTL(Through-The-Lens) 얼라인먼트계에 적용한 것이지만, (C) 특개평 2-227602호 공보(1990년 2월 23일 출원된 대응 USSN 483,820호), (D) 특개평 3-2504호 공보(대응 USP 5,118,953호) 등에 제안되어 있다. 이들 공보(C), (D)에 개시된 헤테로다인 방식에서는, 2개의 음향 광학 변조소자(AOM)에 He-Ne 레이저 빔을 동시에 입사시켜, 각 AOM을 예를 들면 25㎑ 정도의 주파수 차를 갖고 고주파 구동 신호(한쪽은 80MHz, 다른쪽은 79.975MHz)로 구동하고, 각 AOM으로부터 사출되는 회절 빔 사이에 25㎑의 주파수 차를 준다. 그들 2개의 회절 빔을, 웨이퍼 위 또는 레티클 위의 격자 마크에 소정의 교차각으로 조사하기 위한 한 쌍의 입사광 빔으로 하고 있다.

또 헤테로다인 방식에서는, 2개의 입사광 빔간의 주파수 차(25㎑)를 기준 교류 신호로 하고, 격자 마크로부터 발생한 2개의 회절광 성분의 간섭광(비트광(beat light beam))을 광전 검출한 신호와 기준 교류 신호의 위상차를 계측하고, 그것을 격자 마크의 피치 방향에 관한 기준점으로부터의 위치 오프셋량으로서 검출한다.

이상과 같은 헤테로다인 방식에서는, 격자 마크를 조명하는 2개의 입사광 빔의 단색성이 양호할 수록, 위치 오프셋의 검출 정도, 분해능이 향상되고, 나노미터 오더의 위치 검출, 위치 맞춤이 가능해진다. 그렇지만 2개의 입사광 빔의 단색성이 양호하다고 하는 것은, 격자 마크로부터 발생하는 각종 회절광 사이의 파장 오더의 위상이 격자 마크의 비대칭성이나 레지스트층 등에 따라 민감하게 변화하기 쉬운 것을 의미한다.

이중 레지스트층에 의한 영향은 노광 장치에서의 웨이퍼 얼라인먼트 시의 숙명적인 문제이며, 마크 부분의 레지스트를 국소적으로 제거한다고 하는 특별 수법을 범용하지 않는 한, 또는 광학적인 마크 검출 수법을 단념하지 않는 한 피할 수 없는 문제이다.

거기서, 레지스트층에 의한 영향 또는 마크의 단면 형상의 비대칭성에 의한 영향을 저감하여 보다 정확한 위치 검출을 가능하게 한 헤테로다인 방식이 (E) 특개평 6-82215호 공보(l993년 7월 14일 출원된 대응 USSN 091,501호)에 의해 제안되었다. 그 공보(E)에는 파장이 다른 복수의 빔, 또는 백색 빔을 사용하고, 이 빔을 고정 회절 격자에 조사하여 얻어지는 2개의 회절 빔을 1단째의 AOM에 입사하고, 이 AOM에서 회절된 0차 빔, +1차 회절 빔, -1차 회절 빔을 2단째의 AOM 내에서 교차하도록 릴레이함으로써, 예를 들면 제 1 파장에 의한 한 쌍의 입사광 빔과 제 2 파장에 의한 한 쌍의 입사광 빔을 만들어, 그들 2쌍의 입사광 빔을 동시에 웨이퍼 상의 격자 마크에 투사하는 수법이 개시되어 있다.

이때, 격자 마크로부터 발생하여 광전 검출되는 간섭 비트광에는 제 1 파장 성분과 제 2 파장 성분이 포함되지만, 그들은 광전 소자의 수광면 상에서 광량으로서 가산된 형태로 광전 검출된다. 이 때문에, 레지스트층의 박막 간섭의 영향 또는 마크 단면 형상의 비대칭성의 영향에 의한 각 파장 성분마다의 간섭 비트광의 상호의 위상차가 강도적으로 평균화되어, 보다 정확한 위치 검출이 가능해진다.

호모다인 방식으로 하건 헤테로다인 방식으로 하건, 그 조명 빔을 다파장화하는데 적합한 광원은, 일반적으로는 기체 레이저 광원이나 반도체 레이저 광원 등과 같이, 그 자체의 가간섭성이 높고, 게다가 충분한 광 강도를 얻을 수 있는 것이 선택된다. 이와 같은 이유로, 종래의 다파장화 시에 선정된 파장은 오로지 실용에 적합한 광원(과거에 실적이 있는 레이저 광원 등) 중으로부터 발진 중심 파장이 적당한 양, 예를 들면, 20 내지 40nm만큼 떨어지도록 결정되어 있었다.

한편, 웨이퍼 상에 형성된 격자 마크의 표면에는 레지스트층이 거의 일정한 두께(예를 들면, 0.5 내지 1.5㎛ 정도)로 도포되어 있지만, 그 두께는 어떤 중심값에 대해 격차가 생긴다. 또한, 웨이퍼 상의 위치에 따라 레지스트층의 두께는 격차가 생기고, 웨이퍼 처리 프로세스에 따라 격자 마크의 단면 형상(격자 홈의 미소 단차량 등)도 웨이퍼 상의 위치에 따라 미묘하게 변화하기 때문에, 격자 마크와 그 표면의 레지스트층을 포함하는 전체적인 진폭 반사율은, 특정한 파장 성분으로 단지 다파장화하였을 뿐인 조명 빔에 대해서는 크게 변동되는 경우가 있다.

그러나, 다파장화에 의한 파장 선정에서는, 그와 같이 진폭 반사율이 크게 변동할 수 있는 격자 마크에 대해서는 반드시 고정밀도의 위치 검출이 달성되도록 최적화되어 있지 않았다.

또, 위치 검출에 사용하는 조명 빔을 복수의 파장, 또는 소정의 파장 대역폭을 갖는 빔으로 하고, 격자 마크로부터 발생하는 복수의 파장 성분을 포함하는 간섭광을 동일한 광전 소자로 동시에 수광하는 경우, 조명 빔 중에 강도가 높은 파장 성분이 있으면, 격자 마크로부터의 간섭광도 그 파장 성분의 부분에서 강하게 되어, 평균화 효율을 얻는 점에서 문제가 되는 경우가 있다. 또한, 조명 빔 중의 각 파장 성분이 가령 동일한 강도라고 하여도, 웨이퍼 등의 감광 기판의 표면 상태(레지스트의 두께 불균일, 격자 마크의 비대칭성의 정도 등)에 의해, 격자 마크로부터의 간섭광의 각 파장 성분마다의 강도에 큰 차가 생기는 경우가 일어날 수 있다.

이 때문에, 격자 마크로부터 발생한 복수의 파장 성분을 포함하는 간섭광을 단일 광전 소자에서 수광하여도, 기판의 표면 상태에 따라서는 양호한 위치 검출 정밀도를 얻지 않는 경우가 생길 수 있다.

(발명의 개요)

그래서 본 발명은 웨이퍼 등의 기판에 형성된 격자형 주기 패턴(격자 마크)의 표면 상태에 영향을 주기 어려운 위치 검출 방법, 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또 본 발명은 기판 상의 격자 마크를 검출하기 위한 조명 빔을, 복수의 광원 각각으로부터 방사되는 비교적 스펙트럼 폭이 좁은 가간섭성의 광 빔으로 다파장화할 때, 격자 마크의 단면 형상(예를 들어, 홈의 깊이 등)의 변화나 레지스트 두께의 변화를 고려하여, 다파장화한 조명 빔의 시간적 가간섭성을 그들의 변화에 적응할 수 있도록 저감한 위치 검출 방법과 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 복수의 가간섭성 광원을 사용하여 다파장화되고, 비간섭성(incoherent) 조명 빔을 만들어내고, 그것을 감광 기판 상의 격자 마크의 얼라인먼트용으로 이용하는 투사 노광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상술한 광전 검출시의 문제를 해결하고, 웨이퍼 등의 기판의 표면 상태에 영향받기 어려운 위치 검출 방법, 또는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 복수의 파장 성분을 포함하는 조명 빔으로 격자 패턴(마크)을 조명한 경우에도, 파장 성분마다의 광 강도의 차에 영향받기 어려운 위치 검출 방법, 또는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 복수의 파장 성분을 포함하는 조명 빔을 기판 상의 격자 패턴에 조사하여 격자 패턴의 위치를 계측할 때, 기판 표면의 상태에 의존한 격자 패턴의 위치 계측 오차를 저감한 고정밀도의 위치 맞춤(얼라인먼트) 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이상의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 반도체 웨이퍼나 유리판 등의 평판형 물체(W)의 표면에 미소 단차 구조를 수반하여 형성된 위치 검출용 격자 마크 MG에 한 쌍의 가간섭성 광 빔을, 격자 마크의 피치 방향에 관해 서로 대칭적인 입사각으로 조사하고, 격자 마크로부터의 특정한 방향으로 발생하는 회절광의 광량 변화를 광전 검출하여 얻어진 신호에 기초하여, 격자 마크의 주기 방향의 위치를 검출하는 방법, 또는 장치에 적용된다.

그리고 본 발명에서는 격자 마크를 대칭적으로 조사하는 가간섭성 광 빔 ±LF을 서로 다른 n(n=3 이상)개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ …, λ_n으로 이루어지는 n쌍의 광 빔(±D_1n)에 다파장화하는 동시에, 각 파장의 대소 관계를 λ₁<λ₂<λ₃ ... <λ_n으로 했을 때, (1/λ₁-1/λ₂)=(1/λ₂-1/λ₃) ... =(1/λ_n-1-1/λ_n)의 관계가 약 ±10%의 범위 내에서 근사적으로 만족되도록 n개의 각 파장, 또는 복수의 가간섭성 광원(LS1, LS2, LS3)을 선정하였다.

또 본 발명의 바람직한 구성에서는, 다파장화된 한 쌍의 가간섭 광 빔이 쌍을 이루는 2개의 광 빔간에서 소정의 주파수 차를 갖도록 헤테로다인화되고, 격자 마크 MG로부터 격자 피치 방향에 관해 수직인 방향으로 발생하는 2개의 1차 회절광의 상호 간섭광이 비트 주파수로 강도 변조된 것을 광전 검출한다.

또한 본 발명의 바람직한 응용예로서, 그와 같이 다파장화된 위치 검출 장치를 TTR 방식, TTL 방식, 또는 오프-축(off-axial) 방식의 얼라인먼트 수단(마크 검출 수단)으로서 투사 노광 장치에 일체화하도록 하였다.

또 광전 검출의 문제를 해결하기 위해 본 발명은 위치 검출해야 할 기판(웨이퍼(W), 또는 기준(fiducial) 마크판(FG)) 상에 형성된 회절 격자(MG)에 조명광을 투사하고, 회절 격자(MG)로부터의 회절광을 광전 검출함으로써 기판의 위치를 검출하는 방법에 적용된다. 먼저, (a) 회절 격자(MG)에 서로 다른 파장 성분(λ₁,λ₂)을 포함하는 조명 빔(예를 들면, 기준 격자 RG로 회절된 빔 ±D₁₁, ±D₂₂)을 투사하고, 회절 격자(MG)로부터 각 파장 성분을 포함한 복수의 회절 빔을 발생시키고, (b) 발생한 복수의 회절 빔 중 제 1 파장 성분(λ₁)으로 이루어지는 서로 차수차(order difference)(+1차와 -1차, 또는 0차와 2차)를 갖는 2개의 회절 빔의 간섭에 의해 만들어지는 제 1 간섭 빔을 제 1 광전 소자에서 수광하는 동시에, 복수의 회절 빔 중 제 2 파장 성분(λ₂)으로 이루어지는 서로 차수차(+1차와 -1차, 또는 0차와 2차)를 갖는 2개의 회절 빔의 간섭에 의해 만들어지는 제 2 간섭 빔을 제 2 광전 소자에서 수광한다. 그리고 다음에, (c) 제 1 광전 소자로부터의 광전 신호(I_m1)에 기초하여 회절 격자(MG)의 주기 방향에 관한 제 1 위치 정보(△X₁)를 회로 유닛(CU₃)에서 산출하고, 제 2 광전 소자로부터의 광전 신호(1_m2)에 기초하여 회절 격자(MG)의 주기 방향에 관한 제 2 위치 정보(△X₂)를 회로 유닛(CU₄)에서 산출한다. 그리고 마지막으로, (d) 제 1 광전 소자로부터의 광전 신호의 진폭값과 제 2 광전 소자로부터의 광전 신호의 진폭값에 따라 가중을 변화시켜 제 1 위치 정보와 제 2 위치 정보를 회로 유닛(CU₅)에 의해 가중 평균 연산함으로써 회절 격자가 형성된 기판의 위치를 확정하도록 하였다.

일반적으로 웨이퍼 등의 표면에 형성되는 위치 맞춤, 위치 계측용 마크는 그 표면에 미소한 단차를 갖고 이루어지지만, 반도체 가공 공정 상의 에칭이나 스퍼터 등의 웨이퍼 프로세스, 또는 포토레지스트층의 도포 불균일에 의해, 다소의 비대칭성을 갖고 있다. 그 비대칭성은 마크 위치 검출시의 정밀도 저하를 초래한다.

격자 마크로부터 발생한 2개의 회절광의 상호 간섭광을 광전 검출하여, 그 광전 신호를 이용하는 간섭식 얼라인먼트법에 있어서는, 격자 마크의 비대칭성은 마크 자체의 진폭 반사율의 비대칭성이 되어 위치 검출 정밀도의 열화에 작용한다. 즉, 격자 마크를 구성하는 라인의 홈 저부의 깊이 등이 격자 피치 방향으로 차를 갖거나, 레지스트층의 두께에 부분적인 차가 있는 경우, 마크 자체의 진폭 반사율의 절대값과 위상은, 홈 저부의 깊이나 레지스트 두께의 변화에 따라 비대칭이 된다. 이 결과, 0차 광에 대해 우방향으로 격자 마크로부터 발생되는 양의 차수의 회절광의 강도 및 위상은 0차 광에 대해 좌방향으로 발생되는 음의 차수의 회절광 성분의 강도 및 위상과 다른 것이 되어 버린다. 이 중 강도의 차는 위치 검출 정밀도의 열화에 거의 기여하지 않지만, 위상의 변화는 위치 검출 정밀도에 큰 영향을 미친다.

그래서 종래와 같은 단일 파장의 조명광을 이용한 헤테로다인 방식에서의 위치 검출 정밀도의 시뮬레이션 결과를 제 1 도, 제 2 도를 참조하여 설명한다. 이 시뮬레이션은 제 2 도와 같이 레지스트층 PR에서 피복된 웨이퍼 상의 격자 마크 MG에 대칭적인 2방향으로부터 일정한 주파수 차를 갖는 가간섭성 입사광 빔을 조사하는 경우를 상정하고, 격자 마크 MG로부터 수직으로 발생한 ±1차 회절광의 상호 간섭광, 즉, 간섭 비트광의 상태(진폭, 위상 등)를 파장을 변화시켜 관찰하는 것으로 얻어진 것이다.

제 2 도는 시뮬레이션에서 상정한 웨이퍼 등의 1차원 격자 MG와 그 표면에 도포된 레지스트층 PR의 부분 확대 단면을 모식적으로 표현한 것이다. 그래서, 격자 MG의 피치 Pmg는 8㎛, 듀티(duty)는 1:1, 홈의 단차(또는 깊이) T2는 0.7㎛로 설정되고, 격자 MG의 저부에는 피치 방향의 테이퍼(경사) △S로서 0.1%의 비대칭성을 설정하였다. 이와 같은 격자 MG를 덮는 레지스트층 PR은 격자 MG의 상부의 표면으로부터의 두께 T₁을 0.9㎛로 하고, 격자 MG의 각 저부의 위치에 대응한 레지스트층 표면에서의 리세스 양(recess amount) △T가 △T≒0.3T₂(0.21㎛)가 되도록 가정하였다. 이와 같은 제 2 도의 격자 구조의 것을 진폭 반사율이 비대칭인 격자라고 한다.

제 1 도는 횡축에 조명광 또는 ±1차 회절광이 합성된 간섭광의 파장 λ(㎛)을 취하고, 종축에 그 간섭광의 광량 변화에 따른 신호의 변화분(교류 성분)의 상대적인 진폭과 위치 검출의 오차량(㎛)을 취한 것이다. 제 1 도의 시뮬레이션 결과에서는, 헤테로다인 방식으로 수광한 간섭광에 따른 광전 신호의 교류 성분이 정확히 0, 즉, 직류 성분만으로 이루어지는 파장 λ을 He-Ne 레이저의 파장 0.663㎛에 일치시키도록, 제 2 도의 격자 마크 구조와 레지스트층의 조건을 설정한다.

이로부터 명백한 바와 같이, 파장 0.663㎛의 레이저광을 사용하면, 그 파장 근방(±20nm 정도)에서는 마크 위치의 검출 오차가 상당히 커지는 것을 알 수 있다. 이것은 헤테로다인 방식에서는 당연한 것으로, 위상차 계측해야 하는 광전 신호에 비트 주파수에 따른 교류 성분이 전혀 포함되어 있지 않으면, 위상차 계측 자체가 불능이 되기 때문이다. 이것은, 동일한 조건의 격자 마크 구조와 레지스트층하에, 호모다인 방식으로 위치 검출하는 경우도 전부 동일하다.

그런데 격자 마크 자체의 진폭 반사율은 마크의 깊이나 레지스트 두께뿐만이 아니라 조명 빔의 파장 성분에 의해서도 크게 변동한다. 이 때문에 격자 마크의 진폭 반사율의 변동은 조명 빔의 시간적 가간섭성에 의존한다고도 할 수 있다.

그래서 조명광 측의 문제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1 양상에서는, 실제적인 마크의 단차 구조나 레지스트층의 두께 상태에 대해 실용적인 범위로 조명 빔의 시간적 가간섭성을 저감시키고, 비간섭성화를 도모하기 위한 전제 조건으로서, 3개 이상의 서로 다른 중심 파장 λ₁, λ₂, λ₃, …, λ_n을 갖는 복수의 가간섭성 광 빔에 의해 다파장화를 행한다.

또한 제 1 발명에서는 그 비간섭성화의 기본 조건으로서, 파장이 큰 순번으로 서로 인접한 가간섭성 광 빔의 세트를 고려했을 때, 각 세트마다 얻어지는 2개의 광 빔의 파수치(wave number value)(1/파장)의 차분이 상호 약 ±10% 정도의 오차가 되도록 각 파장을 결정한다.

그래서 일례로서, 중심 파장 λ₁=0.633㎛, λ₂=0.690㎛, λ₃=0.760㎛의 3개의 가간섭성 광 빔(파장폭은 충분히 좁다)으로 다파장화했을 때의 조명 빔의 시간적 가간섭성을 시뮬레이션해 보면, 그 결과는 제 3 도와 같아진다. 제 3 도의 횡축은 실리콘 기판 상에 도포되는 레지스트층의 두께(㎛)를 표시하고, 종축은 그 다파장화된 조명 빔의 조사에 의해 실리콘 기판으로부터 발생하는 각 파장의 반사광의 강도 가산으로 구해진 반사율을 표시한다. 그리고 레지스트 두께의 변화에 따른 반사율 변동의 진폭이 조명 빔의 시간적 가간섭성을 표시한다. 또 시간적 가간섭성은 상기 조명광의 스펙트럼 분포의 푸리에 변환에 의해 구할 수 있다.

제 3 도의 시뮬레이션 결과로부터, 레지스트 두께(또는 마크 단차)가 0.5㎛ 내지 1.7㎛의 범위에서는 반사율의 변동 진폭이 작고, 시간적 가간섭성이 작은 상태, 즉, 더욱 비간섭성에 가까운 상태로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 특정한 광학적인 두께나 미소 단차의 범위(레지스트 두께로 0.5㎛ 내지 1.7㎛)로 가간섭성을 적게 할 수 있는 것은, 다파장화되는 각 파장의 관계를 나타내는 기본 조건이 ±10%의 편차 내에서 이루어져 있기 때문이다.

즉, 파장 λ₁을 He-Ne 레이저광의 0.633㎛, 파장 λ₂를 상품화되어 있는 반도체 레이저광의 0.690㎛, 그리고 파장 λ₃을 상품화되어 있는 다른 반도체 레이저광의 0.760㎛로 하면,

△λ₁₂=1/λ₁-1/λ₂=0.1305

△λ₂₃=1/λ₂-1/λ₃=0.1335

이며, 그 편차는 △λ₂₃/△λ₁₂=1.023(2.3%의 오차)으로 되어 있기 때문이다. 따라서, 이와 같은 조건에서 벗어난 3개 이상의 파장으로 다파장화된 조명 빔의 경우는, 제 3 도와 같이 특정한 범위로 반사율의 변동 진폭을 적게 하여 양호한 비간섭성 상태를 얻기에는 곤란하다.

이와 같이 제 1 발명에서 규정된 조건 △λ₁₂≒△λ₂₃ … ≒ △λ_(n-1)n(±10%)을 만족하는 것으로, 비간섭성에 가까운 상태를 실용적인 범위에서 양호하게 얻을 수 있기 때문에, 레지스트 두께 또는 마크 단차의 깊이가 비간섭성인 범위(예를 들면, 0.5 내지 1.7㎛) 내에서 다소 변화하여도, 마크로부터 발생한 ±1차 회절광의 합성으로 얻어지는 다파장화된 간섭광을 광전 검출하여 구한 마크 검출 위치는 3개 이상의 파장의 광을 사용한 다파장화에 의한 평균화에 의해 거의 변동하지 않는 것을 의미한다.

따라서, 제 1 발명에서 규정된 조건을 만족하는 3개 이상의 파장의 가간섭광으로 다파장화하는 것으로, 마크 단차의 변동이나 레지스트 두께의 변동에 기인한 비대칭성에 영향을 받는 경우가 작아져, 항상 양호한 위치 검출 정밀도를 유지할 수 있다.

또 전술한 바와 같이 격자 마크 자체의 진폭 반사율은, 마크의 깊이나 레지스트 두께뿐만 아니라, 조명광(검출광)의 파장에 의해서도 크게 변동한다. 검출광의 파장을 복수(또는 광대역)로 하면, 각 파장 성분마다 마크 자체의 진폭 반사율이 다르고, 위치 검출 결과도 다른 것이 된다. 그래서, 각각의 마크 조건하에서 마크 자체의 진폭 반사율을 상정함으로써 위치 검출 정밀도를 시뮬레이션할 수 있다.

본 발명의 제 2 양상은, 특정한 파장만을 포함하는 조명광에 의해 격자 마크를 조사하고, 그 격자 마크로부터 발생하는 회절광을 광전 검출하는 경우, 광전 신호의 강도(조명 빔과 격자 마크의 상대 주사에 수반하는 신호 변화의 진폭)가 매우 작아지면, 대체로 위치 검출 정밀도도 악화된다고 하는 시뮬레이션 상의 결과에 기초하여 착상된 것이다. 시뮬레이션 결과로부터, 본원 제 2 발명에서는, 단일 파장의 조명광을 사용했을 때에 광전 신호의 진폭이 매우 작아지는 격자 마크 조건에서도, 다른 파장의 조명광을 병용한 파장마다의 위치 검출 결과를 가중 평균하는 것으로 위치 검출 정밀도의 극단적인 악화를 방지하도록 한 것이다.

그래서, 제 1 도 또는 제 2 도와 같은 조건하에서도, 파장 λ가 0.670㎛ 또는 0.725㎛ 정도의 반도체 레이저를 조명 빔으로 하면, 마크 위치의 검출 오차를 충분히 작게 억제할 수 있다. 이로부터, He-Ne 레이저와 반도체 레이저 등과 같이 파장이 다른 2색의 조명 빔을 사용하여, 검출된 신호(교류 성분)에서 큰 진폭을 유도하는 파장의 빔 조사를 기본으로 검출된 마크 위치(또는 위치 오프셋량)를 주의(선택 또는 가중)하는 것이 유효해진다.

또는, 특정의 일방향으로 진행하는 2개의 1차 회절광의 간섭광만을 검출하는 것이 아니라, 다른 방향으로 진행하는 0차 광과 2차 회절광의 간섭광을 광전 검출하고, 그 신호에 기초하여 결정된 마크 위치도 고려하는 방법도 있다. 제 4 도는 회절 격자 마크 MG에 파장 λ₁의 2개의 조사 빔 ±L1과 파장 λ₂의 2개의 조사빔 ±L2를 입사하고, 격자 마크 MG 상에 파장 λ₁과 λ₂가 동일한 강도 분포의 피치 Pif를 갖는 간섭 프린지(interference fringe)가 생성되는 빔 입사 조건으로 한 다음, 격자 마크 MG의 피치 PmG를 Pmg=2Pif의 관계로 했을 때의 0차 광, ±1차, ±2차의 각 회절광의 발생을 도시한 것이다.

제 4 도에서 격자 마크 MG와 수직으로 진행하는 1차 회절광 ±D1n의 간섭빔 BM에는 파장 λ₁, λ₂의 양쪽의 성분이 포함되어 있다. 0차 광(정규 반사광)은 빔 ±L₁과 ±L₂로 입사각이 약간 다르기 때문에, 각각의 빔 ±L₁, L₂에 대응하여 ±D₀₁, ±D₀₂의 4개가 상이한 방향으로 진행한다. 그래서 D₀₁, D₀₂의 첫 번째 첨자는 회절차수를 나타내고, 두 번째 첨자는 파장(λ₁, λ₂)을 나타낸다.

그런데 빔 ±L₁의 조사에 의해 발생한 2차 광 -D₂₁은 빔 +L₁의 광로를 역전하는 방향으로 진행하며, 빔 -L₁의 0차 광 +D₀₁과 간섭한다. 마찬가지로, 다른 2차 광 +D₂₁, -D₂₂, +D₂₂ 도 각각 대응하는 0차 광 -D₀₁, +D₀₂, -D₀₂와 동일 방향으로 진행한다. 이들 0차 광과 2차 광의 간섭광도 ±1차 광의 간섭 빔 BM과 마찬가지로, 격자 MG와 간섭 프린지의 상대 변위에 따라 강도 변화한다.

그래서 파장 λ₁에만 착안하여 고려해 보면, 1차 성분(1차 광 ±D₁₁의 간섭 빔 BM)을 광전 검출하여 마크의 위치(또는 위치 오프셋)를 구하는 동시에, 2개의 2차 성분(0차 광 +D₀₁과 2차 광 -D₂₁의 간섭광과 0차 광 -D₀₁과 2차 광 +D₂₁의 간섭광)의 각각을 광전 검출하고, 2개의 2차 성분의 각각의 신호를 사용해 개별로 구해진 마크 위치를 평균한 값을 마크의 위치로서 구한다. 그리고 1차 성분의 신호의 진폭값과 2차 성분의 각 신호의 진폭 평균값의 대소 관계에 따라, 1차 성분을 사용해 검출된 마크 위치와 2차 성분을 사용해 검출된 마크 위치의 오프셋 중 어느 한쪽을 선택하거나, 또는 가중 평균을 행하는 등의 방법이 유효해진다.

이와 같이, 마크 검출에 사용하는 회절광의 차수를 변화시키는 것은, 차수에 따라 격자 MG로부터 발생하는 회절광의 방향이 다르기 때문에, 주어진 방향으로 진행하는 차수 성분의 간섭광의 강도 변화의 진폭이 적어져 검출 정밀도가 악화되는 경우에도, 다른 방향으로 진행하는 차수 성분의 간섭광의 강도 변화의 진폭은 그 만큼 작아지지 않고, 검출 정밀도를 악화시키지 않는 경우가 있기 때문이다.

이것은 제 5A 도, 제 5B 도에 도시한 시뮬레이션 결과로부터도 확인된다. 제 5A 도, 제 5B 도는 파장 0.633㎛의 He-Ne 레이저를 조사 빔으로 하여, 제 2 도 중의 격자 MG의 단차 T₂를 파라미터로 한 신호의 변화분(교류 성분)의 진폭과 위치 검출 오차의 관계의 시뮬레이션 그래프이며, 피치 Pmg=8㎛, 듀티 1:1, 테이퍼량(비율) △S=0.1%는 그대로 레지스트층 PR의 격자 상부면에서의 두께 T₁을 1.15㎛로 한 것이다. 그리고, 제 5A 도는 1차 성분(1차 광 ±D₁₁)의 간섭 빔 BM의 경우는 시뮬레이션이며, 제 5B 도는 2차 성분(0차 광 ±D₀₁과 2차 회절광 ±D₂₁)의 간섭광의 경우의 시뮬레이션이다.

제 5A 도, 제 5B 도로부터 이해되는 바와 같이, 1차 성분, 2차 성분의 각 간섭광을 노광 검출하여 얻어진 신호의 진폭 성분은 격자 마크의 형상(단차 T₂)의 미묘한 변화에 따라 크게 변화한다. 예를 들면, 제 5A 도 중에서, 격자의 단차 T₂가 0.86㎛일 때, 1차 성분의 간섭광의 강도 변화의 진폭은 극히 작아지고, 그 결과 위치 검출 오차도 급격하게 커진다. 그렇지만, 제 5B 도 중에서 단차 T₂가 0.86㎛인 부분을 보면, 2차 성분의 간섭광의 강도 변화는 비교적 크고, 위치 검출 오차의 악화는 적다. 또한, 제 5A 도, 제 5B 도 중의 신호 변화분의 진폭은 모두 상대값으로 표현하고 있지만, 그 스케일은 제 5A 도, 제 5B 도와 맞춘다.

이와 같이, 1차 성분의 간섭광을 사용한 격자 마크의 위치 검출과 2차 성분의 간섭광을 사용한 격자 마크의 위치 검출을 병용하여, 그 중 어느 한쪽의 결과를 채용하는 알고리즘을 이용하는 경우도, 상기 제 1 도의 시뮬레이션으로부터 명확한 바와 같이, 파장 의존성을 이용하여 복수의 파장 성분의 조명광으로 얻어진 검출 위치(또는 위치 오프셋)를 가중 평균하는 것이 좋다.

이상과 같이, 검출광의 파장을 복수로 하여, 각 파장 성분마다 얻어지는 마크 위치 정보를 평균화함으로써, 종래 보다도 고정밀도인 위치 검출이 가능해진다. 또 제 1 도에 도시한 바와 같이, 주어진 파장의 회절광(간섭광)의 광량 신호의 변화분(교류 성분)의 진폭이 작으면, 그 파장의 회절광을 사용한 위치 검출 정밀도가 열화할 확률이 높다고 하는 시뮬레이션 결과도 얻을 수 있다. 그래서 복수의 파장 성분의 회절광(간섭광)을 검출할 때, 각 파장 성분마다 검출된 마크 위치를, 신호 변화분의 진폭이 작은 것에는 작은 가중을, 그리고 진폭이 큰 것에는 큰 가중을 하여 평균화한다. 이와 같이 하면, 큰 오차를 포함하고 있을 확률이 높은 파장 성분의 회절광을 사용한 마크 위치의 검출 결과에는 자동적으로 작은 가중밖에 가해지지 않고, 최종적인 마크 위치 검출 결과도 그 나름대로 정밀도가 유지된다.

또 2차 성분(0차 광과 2차 회절광의 간섭광)의 신호를 검출하는 경우도, 각 파장 성분마다 광전 검출하여 얻어진 신호를 사용해 마크 위치를 개별적으로 구하기 위해서, 회절광(간섭광)의 수광시에 후술하는 바와 같은 각 파장의 상쇄 효과에 의해 마크 위치를 검출할 수 없게 될 우려가 전혀 없다.

또한 본 발명에서는, 격자 마크 검출시에 각 파장마다의 입사광 빔을 1파장씩 순차 전환하여 조사하도록 하였기 때문에, 1차 성분에 의한 간섭광을 광전 검출하는 광전 소자나 2차 성분에 의한 간섭광을 광전 검출하는 광전 소자를 각 파장 성분마다 복수 세트 설치해 둘 필요가 없고, 또 간섭광을 각 파장 성분마다 변별하므로 파장 선택 수단도 생략할 수 있다.

(바람직한 실시예의 상세한 설명)

다음에 본 발명의 제 1 실시예를 제 6 도, 제 7 도를 참조하여 설명하지만, 그래서는 헤테로다인 방식을 사용한 위치 검출 장치를 예시한다. 제 6 도에 있어서, 3개의 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃은 각각 다른 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 레이저 빔 LB1, LB2, LB3을 사출한다. 일례로서, 레이저 광원 LS₁은 λ₁=0.633㎛의 He-Ne 레이저 광원, 광원 LS₂는 λ₂=0.690㎛의 반도체 레이저 광원, 광원 LS₃은 λ₃=0.760㎛의 반도체 레이저 광원으로 설정되고, 파장의 관계는 λ₁<λ₂<λ₃으로 선택되는 것이다.

이들 레이저 광원은 일반적으로 시판되어 있고 것이지만, 레이저관의 발열이나 소형화의 문제 때문에, 3개의 광원 모두를 반도체 레이저 광원으로 하고자 하는 경우는 발진 파장이 1.20㎛의 반도체 레이저 광원으로부터의 빔을 제 2 고조파 발생기(SHG)에 입사시켜 파장 λ₁=0.600㎛의 빔을 만들고, 이 빔을 제 6 도 중의 He-Ne 레이저 광원 LS₁로부터의 빔 LB₁ 대신 사용해도 된다. 이 때, 제 6 도의 광원 LS₂는 파장 λ₂=0.640㎛의 반도체 레이저 광원이 되고, 광원 LS₃은 파장 λ₃=0.690㎛의 반도체 레이저 광원이 된다.

이 경우도, △λ₁₂=1/λ₁-1/λ₂=0.1042

△λ₂₃=1/λ₂-1/λ₃=0.1132

가 되고,

△λ₂₃/ △λ₁₂=1.087(8.7%의 오차)이기 때문에, 본 발명에서 규정된 조건을 ±10%의 범위 내에서 만족하게 된다.

이 경우의 시간적 가간섭성의 상태를, 상기한 도면과 마찬가지로 시뮬레이션한 결과를 제 8 도에 나타낸다. 제 8 도의 그래프로부터 판별하는 바와 같이, 3개의 파장이 제 3 도의 경우보다도 전체적으로 단파장 측으로 어긋나 있기 때문에, 비간섭성인 영역은 전체적으로 레지스트 두께(또는 마크 단차)가 커지는 범위(0.7 내지 2.0㎛)로 시프트한다. 그렇지만 그 범위(0.7 내지 0.2㎛)에서는 반사율의 변동이 극히 작고, 제 3 도의 경우와 마찬가지로 비간섭성화가 양호하게 행해지는 것을 알 수 있다.

다시 제 6 도의 설명으로 돌아가, 3개의 빔 LB₁, LB₂, LB₃은 미러 MR, 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅를 통해 1개의 동축 빔 LB0으로 합성되어, 미러 MR에서 반사되어 회전 방사형 격자판 RRG에 입사한다. 회절 격자판 PRG는 일방향으로 등각속도 회전축 C₀의 주위로 고속 회전하고 있고, 이 격자판 RRG에 의해 회절된 각 차수의 회절광 주파수를, 각 속도에 따른 분만큼 증감시키는 주파수 변조기(주파수 시프터)로서 작용한다.

제 7 도는 회전 방사형 격자판 RRG의 확대 사시도이며, 그래서는 회전축 C0을 XYZ 좌표계의 Z축과 평행하게 설정하고, 원형 격자판 RRG에는 원주상으로 투과형의 위상 회절 격자 RG가 360°에 걸쳐 형성된다. 빔 LB0이 격자판 RRG의 격자 RG에 수직으로 입사하면 0차 광 D0 이외에 각종 회절광이 발생한다. 본 실시예에서는 ±1차 회절광을 사용하여 헤테로다인 방식을 실현하는 것으로 제 6 도, 제 7 도에서는 격자판 RRG로부터의 ±1차 회절광만을 도시한다.

또한 회절 격자판 RRG의 격자 RG에서는, 파장 λ₁의 빔 LB₁로부터 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₁, 파장 λ₂의 빔 LB₂로부터 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₂, 그리고 파장 λ₃의 빔 LB₃으로 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₃이 발생한다. 각 파장마다 1차 회절 빔의 회절각 θ_n는 이하와 같이 표현된다.

sin θ_n=λ_n/Prg

그래서 n은 파장의 개수를 나타내고, Prg는 격자 RG의 피치를 나타낸다.

한편, 1차 회절 빔은 파장에 의하지 않고 일정한 주파수 편이 △f를 받고, 격자판 RRG의 격자 RG가 빔 LB0을 가로지르는 속도를 V라고 하면, △f=V/Prg로 표현되고, +1차 회절 빔은 0차 광 D0의 주파수에 대해 △f 만큼 높아지며, -1차 회절 빔은 0차 광 D₀의 주파수에 대해 △f만큼 낮아진다. 이것에 의해 회전 방사형 격자판 RRG는 주파수 시프터로서 작용한다.

제 6 도에 도시된 바와 같이, 3개의 파장 성분의 1차 회절 빔 ±D_1n(n=1, 2, 3)으로 이루어지는 입사광 빔 ±LF와 0차 광 D₀은 콜리메이터 렌즈(10)에 의해 주광선이 서로 평행해지도록 변화되어, 빔 선택 부재(12)에 도달한다. 이 빔 선택 부재(12)는 이른바 푸리에 변환면에 놓여지는 공간 필터로서 기능하고, 그래서는 0차 광 D₀이 차단되고, 1차 회절광 ±D_1n에 의한 입사광 빔 ±LF가 통과한다.

그후 입사광 빔 ±LF는 경사량이 가변인 평행 평판 유리로 구성된 조정 광학계(14, 16, 18)를 통해 빔 스플리터(하프 미러)(20)에 도달한다. 조정 광학계(14)는, 입사광 빔 +LF와 입사광 빔 -LF의 푸리에 공간에서의 간격을 변화시키지 않고, 렌즈(10)의 광축에 대해 입사광 빔 ±LF를 이동시키는 기능을 갖고, 조정 광학계(16, 18)는 광축에 대한 입사광 빔 +LF와 입사광 빔 -LF의 각각의 위치를 개별적으로 조정하는 기능을 갖는다. 그 입사광 빔 ±LF는 빔 스플리터(20)에서 2개로 분할되어, 한쪽은 조사 광학계로서의 대물렌즈(22)에 입사하고, 다른쪽은 파장 선택 필터(24)를 통해 입사광 빔 ±LF 중 특정한 파장의 1차 빔, 그래서는 파장 λ₂의 1차 빔 ±D₁₂ 만이 선택되어 필터(24)를 통해 집광 렌즈(푸리에 변환 렌즈)(26)에 입사한다.

한편 대물렌즈(22)에 입사한 입사광 빔 ±LF는 각각 평행 빔이 되어 서로 다른 각도로 웨이퍼 W 상의 격자 MG를 동시에 조사한다. 이것에 의해 격자 MG 상에는 파장 λ₁의 입사광 빔 ±D₁₁의 간섭에 의해 만들어진 간섭 프린지, 파장 λ₂의 입사광 빔 ±D₁₂의 간섭에 의해 만들어진 간섭 프린지, 및 파장 λ₃의 입사광 빔 ±D₁₃의 간섭에 의해서 만들어진 간섭 프린지의 3개가 동일 피치, 동일 위상으로 중첩되어 나타난다. 또한 입사광 빔 ±LF와 -LF의 사이의 주파수 차 2·△f 때문에, 그 간섭 프린지는 격자 MG 상을 일방향으로 등속도 이동시키도록 관측된다. 그 이동 속도는 회전 방사형 격자판 RRG 격자 RG의 속도 V에 비례한다.

또, 제 6 도로부터 명백한 바와 같이, 웨이퍼 W 표면(격자 MG)과 방사형 격자판 RRG는 콜리메이터 렌즈(10)와 대물렌즈(22)의 합성 광학계에 의해 서로 공역(결상 관계)이 되도록 배치된다. 그 때문에 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 ±1차 회절광에 의한 회절상이, 웨이퍼 W의 격자 MG 상에 합성 광학계의 배율에 따른 크로 형성된다. 0차 회절광 성분 D₀은 차폐되어 있기 때문에, 웨이퍼 W 상에 투사된 회절상(간섭 강도 분포)은 격자 RG의 피치의 1/2로 형성된다. 그 간섭 프린지의 웨이퍼 W 상에서의 피치 Pif는 격자 MG의 피치 Pmg의 1/2로 설정된다.

이상의 구성에서, 대물렌즈(22)로부터 사출되어 웨이퍼 W의 격자 마크 MG를 조사하는 각 파장 성분의 입사광 빔 ±D₁₁, ±D₁₃의 입사각 φ_n(n은 파장의 개수 1, 2, 3)은 이하의 식으로 표현되는 관계로 설정된다.

sinφ_n=±λ_n/Pmg

이상과 같은 관계를 만족할 때, 입사광 빔 ±LF의 조사에 의해 격자 MG에서의 1차 회절광이 수직으로 발생한다. 즉 입사광 빔 +LF의 조사에 의해 수직으로 발생한 1차 회절광과, 입사광 빔 -LF의 조사에 의해 수직으로 발생한 1차 회절광이 간섭한 간섭 빔 BM이 발생한다. 간섭 빔 BM은 주파수 2△f로 강도 변조된 비트광으로 되어 있다. 이와 같이, ±1차 회절광(간섭 빔 BM)을 동일 방향으로 발생시키기 위해서는 다른 견해로 보면, 대물렌즈(22)의 초점거리를 F0, 입사광 빔의 각 파장 빔의 입사각을 φ_n으로 하여 각 파장마다 입사광 빔 ±LF의 푸리에 변환면 상에서의 광축으로부터의 간격 DL_n을

DL_n=F₀·sinφn=±F₀·λ_n/Pmg(n= 1, 2, 3)

로 설정하면 좋다. 이와 같은 각 파장마다의 간격 DL_n의 설정은 회전 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 피치나 콜리메이터 렌즈(10)의 초점거리를 적당히 정하는 것으로 조정 가능하다.

또 웨이퍼 W 상에 형성되는 간섭 프린지는 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 회절상으로 결합되어 있기 대문에, 원리적으로는 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 1개의 파장 성분에 의한 간섭 프린지의 피치와 웨이퍼 W의 격자 마크 MG의 피치가 정수배의 관계로 되어 있으면, 다른 파장 성분에 의한 간섭 프린지의 피치도 저절로 그 관계로 되어 있는 것이며, 다음에 각 파장 성분마다의 간섭 프린지도 완전히 합치하여 상호의 위상 오프셋, 위치 오프셋을 일으키지 않는 것이다.

그렇지만, 실제로는 대물렌즈(22), 콜리메이터 렌즈(10) 등의 광학계의 색 수차 정도에 따라 각 파장 성분마다의 간섭 프린지는 상호로 위치 오프셋, 위치 오프셋 및 피치 오프셋을 일으킨다.

그래서 이와 같은 오프셋을 보정하기 위해 제 6 도 중의 조정 광학계(14, 16, 18)를 이용한다. 이들의 광학계(14, 16, 18)는 평행 평판 유리로 구성되고, 그 재료로서 색분산이 큰 것을 이용하면 각 파장 성분마다 웨이퍼 W 상에 형성되는 간섭 프린지의 상호의 위치 오프셋이나 위상 오프셋을 미소하게 변화시키는 것이 가능하다. 혹은 조정 광학계(14, 16, 18)로서 색분산이 작은 평행 평판 유리와 색 분산이 큰 평행 평판 유리를 조합하여, 색분산이 큰 평행 평판 유리의 경사 조정으로 각 파장 성분마다 간섭 프린지의 상호 관계를 보정하고, 그 보정에 의해 생기는 입사광 빔 ±LF의 웨이퍼 상에서의 전체적인 경사 오차에 관해서는 색분산이 작은 평행 평판이 유리의 경사 조정으로 보정하는 것이 가능하다.

이상과 같은 간섭 프린지에 의해 조명된 격자 MG로부터 수직으로 발생한 간섭 빔 BM은 대물렌즈(22), 빔 스플리터(20)를 통과하여 공간 필터(28)에 도달한다. 공간 필터(28)는 대물렌즈(22)에 관한 푸리에 변환면, 또는 그 근방에 배치되고, 본 실시예에서는 간섭 빔 BM(±1차 회절광)만을 투과시키는 개구를 갖는다. 그리고 공간 필터(28)를 통과한 간섭 빔 BM은 렌즈계(역푸리에 변환 렌즈)(30)에서 평행 빔으로 변환된 후, 미러(32)에서 반사되어 광전 소자(36A)에 수광된다.

광전 소자(36A)는 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃을 포함하는 간섭 빔 BM을 동시에 수광하고, 그 간섭 빔 BM은 비트 주파수 2△f로 강도 변조된다. 이 때문에 광전소자(36A)의 광전 신호 I_m1은 격자 마크로부터의 간섭 빔 BM이 존재하는 동안, 비트 주파수 2△f와 같은 주파수로 정현파 형상으로 레벨 변화하는 교류 파형이 된다.

한편, 파장 선택 필터(24)에서 선택되어, 집광 렌즈(26)에 입사한 1차 빔 ±D₁₂는 투과형의 기준 격자 SG 상에 가중하여 조사된다. 그래서도 기준 격자 SG는 콜리메이터 렌즈(10)와 집광 렌즈(26)와의 합성 광학계에 관해 회전 방사형 격자판 RRG과 공역으로 배치된다. 이 때문에 기준 격자 SG 상에도 1차 빔 ±D₁₂의 2빔 간섭에 의한 1차원의 간섭 프린지가 형성되고, 그것은 비트 주파수 2△f에 대응한 속도로 이동한다.

그래서 기준 격자 SG의 피치와 그 간섭 프린지의 피치를 적당히 정하면, 기준 격자 SG로부터 발생한 ±1차 회절광이 동일 방향으로 간섭 빔 B_ms가 되어 진행하며, 그것은 공간 필터(38)를 투과하여 광전 소자(40)에 수광된다. 광전 소자(40)의 광전 신호 I_ms는 비트 주파수 2△f와 같은 주파수로 정현파 형상으로 레벨 변화하는 파형이 되고, 그 신호 I_ms가 헤테로다인 방식의 기준 신호가 된다.

이상의 구성에서 기준 격자 SG는 유리판 상에 크롬층을 증착하고, 그 크롬층을 투명 라인과 차광 라인이 교대로 형성되도록 에칭하여 만들어져 있기 때문에, 적어도 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG의 비대칭성, 레지스트층의 문제가 없는 이상적인 격자, 즉 진폭 투과율이 대칭적인 격자로서 만들어진다. 이 때문에 기준 격자 SG에 조사되는 한 쌍의 입사광 빔은 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 1개의 파장에 대응한 입사광 빔만으로도 충분한 정밀도를 얻을 수 있다. 물론, 입사광 빔 ±LF에 포함되는 3개의 1차 빔 ±D₁₁, ±D₁₂, ±D₁₃ 전부를 동시에 기준 격자 SG에 조사하여, 웨이퍼상의 격자 마크 MG와 마찬가지로 다색 간섭 프린지를 형성하는 것도 좋다.

이와 같이 기준 격자 SG 상에 다색 간섭 프린지를 형성하여, 그 기준 격자 SG로부터 발생하는 간섭 빔 B_ms를 각 파장마다 분리하여 광전 검출하도록 구성하면, 파장 λ₁에 따른 기준 신호, 파장 λ₂에 따른 기준 신호 및 파장 λ₃에 따른 기준 신호가 개별적으로 얻을 수 있기 때문에, 파장마다 격자 마크 MG의 위치 계측이 가능해진다. 또 웨이퍼 W 상에 형성되는 3개의 파장 성분마다 간섭 프린지가 서로 일정한 위치 오프셋(위상 오프셋)을 일으켜도, 그것을 미리 오프셋량으로 계측하여 두는 것도 가능해진다. 그것에 대해서는 나중에 상세히 기술한다.

그런데, 제 6 도에 도시한 웨이퍼 W는 대물렌즈(22)의 광축과 수직인 면(XY 평면) 내에서 2차원 이동하는 웨이퍼 스테이지 WST 상에 위치된다. 이 스테이지 WST 상의 2차원 이동은 구동 모터를 포함한 구동원(42)에 의해 행해지며, 모터에 의한 피드 스크루(feed screw)를 회전시키는 방식 또는 리니어 모터에 의해 스테이지 본체를 직접 운동시키는 방식 중 어느 것이어도 좋다. 다음에 스테이지 WST의 극좌표 위치는 레이저 간섭계(44)에 의해 수차 계측된다. 레이저 간섭계(44)의 계측값은 구동원(42)의 피드백 제어로 사용된다.

또한 웨이퍼 스테이지 WST의 일부에는 기준 마크판 FG이 설치되어 있다. 이 마크판 FG에는 석영 유리의 표면에 크롬층으로 라인 앤드 스페이스를 패터닝한 반사형의 강도 격자(피치는 웨이퍼상의 격자 MG와 동일)가 형성된다. 이 때문에 강도 격자는 웨이퍼 W 상에 요철로 형성된 격자 마크 MG와 같은 위상 격자와 달리, 비대칭성이 없고 회절 효율이 조명광(또는 검출광)의 파장에 의존하지 않는다는 특징, 즉 진폭 반사율에 비대칭성이 없다는 특징을 갖는다. 다음에 크롬층의 반사율도 위치 검출용의 조명광의 파장대(일반으로는 0.5 내지 0.8㎛)에서는 변화하지 않는다.

이상의 제 6 도의 구성에 있어서, 광원으로서 반도체 레이저를 사용하지만, 이 경우 반도체 레이저(LS₂, LS₃)와 각 다이크로익 미러 -DCM₄, DCM₅ 사이에 비점수차 제거용 정형 광학계(경사진 복수 장의 평행 평판 유리 등)를 설치하고, 1개로 합성된 빔 LB₀의 각 파장 성분마다 빔 성분을 같은 직경으로 하는 것이 좋다. 또 그 이외의 경우에도, 합성 후의 빔 LB₀의 직경을 각 주파수 성분마다 일정한 빔 정형 광학계를 설치하는 것이 좋다.

또 제 6 도에서는 설명을 간단하게 하기 위해서 주파수 시프터로서 회전 방사형 격자판 RRG를 이용하지만, 그 다른 2개의 음향 광학 변조기(AOM)를 사용하거나, 중심 파장 λ₁로 발진하는 제 1 제만 레이저 광원과 중심 파장 λ₂로 발진하는 제 2 제만 레이저 광원을 광원으로서 이용해도 좋다. 단 제만 레이저의 경우, 일반적으로는 편광 방향이 상보적인 2개의 레이저 빔을 발진하여 2빔 사이에 수백 킬로 Hz의 주파수 차를 주고 있기 때문에 광전 검출하는 간섭 빔의 비트 주파수도 그 나름대로 높아지며, 광전 소자(36A, 40)는 응답성이 높은 PIN 포토다이오드나 포토말 등을 사용하게 된다.

또 제 6 도에 도시한 각종 다이크로익 미러는 프리즘 등의 분산 소자로 치환되어도 좋다. 이 경우 1개의 프리즘은 예를 들면, 2개의 다이크로믹 미러 DCM₄, DCM₅의 조합과 같은 기능을 갖는다.

또한 제 6 도의 장치에 적합한 위치 검출, 위치 제어 회로의 일례를 제 9 도를 참조하여 설명한다. 제 6 도의 헤테로다인 방식의 경우, 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG, 또는 기준 마크판 FG로부터의 간섭 빔 BM이 발생하고 있는 동안, 광전 소자(36A, 40)로부터의 신호 I_m1, I_ms는 제 10A 도, 10B 도와 같이 정현파 형상의 교류 파형이 된다.

제 10B 도는 기준 신호가 되는 신호 I_ms의 시간적인 강도 변화를 나타내고, 제 10A 도는 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG로부터의 간섭 빔 BM을 수광하였을 때의 신호 I_m1의 시간적인 강도 변화의 일례를 도시한다. 그래서 신호 I_ms의 위상을 기준으로 하면, 신호 I_m1의 위상은 신호 Ims에 대해 -△Ψ₁ 만큼 어긋나 있는 것으로 한다. 또, 신호 I_m1의 진폭(교류 성분의 피크 대 피크(peak to peak))은 E₁인 것으로 한다.

제 9 도에 도시된 회로 블록에 있어서, 각 신호 I_m1, I_ms는 아날로그-디지털변환(A/D 컨버터) 회로 유닛(50)에 입력되고, 그래서 샘플링 클록 발생 회로(52)로부터의 클록 신호(펄스) C_ps에 응답하여 각 신호의 그 순간의 강도 레벨이 디지털값으로 변환된다. 클록 신호 C_ps의 주파수는 신호 I_m1, I_ms의 비트 주파수보다도 충분히 높게 결정되고, 그 클록 신호 C_ps는 파형 메모리 회로 유닛(54)으로도 보내지며, A/D 컨버터(50)로부터의 디지털값(데이터)을 기억할 때의 메모리 어드레스의 갱신에 사용된다.

따라서, 파형 메모리 회로 유닛(54)에는, 제 10A 도, 10B 도에 도시한 2개의 파형 데이터가 각 신호 I_m1, I_ms의 소정 주기분(예를 들면, 10 주기분 이상)에 걸쳐 디지털 샘플링된다. 이때, 2개의 신호 I_m1, I_ms는 공통의 클록 신호 C_ps에 의해 동시에 샘플링되어 있기 때문에, 파형 메모리 회로 유닛(54) 내의 각 파형 데이터에는 시간 축 상에서의 오프셋이 없는 것으로 한다. 또, 회전 방사형 격자판 RRG를 사용한 경우, 비트 주파수는 수 ㎑ 정도가 상한이기 때문에, 클록 신호 C_ps 도 수십 ㎑ 정도로 좋다. 또, 앞서 제시한 (E) 특개평 6-82215호 공보와 같이 2개의 AOM을 직렬로 배치한 주파수 시프터를 이용하는 경우, 비트 주파수는 각 AOM에 가해진 고주파수 변조 신호의 주파수 차의 2배로 결정되기 때문에 비교적 자유롭게 결정할 수 있다.

또한 메모리 회로 유닛(54) 내의 각 파형 데이터는 위상차 △Ψ, 위치 오프셋 △X의 연산 회로 유닛(56)에 읽어들여지고, 그래서 제 10A 도, 10B 도에 도시한 바와 같은 위상차 △Ψ₁이 디지털 연산(푸리에 적분법)에 의해 산출된다. 앞서 가정한 바와 같이 웨이퍼 W의 격자 마크 MG의 피치 Pmg와, 이 위에 조사되는 간섭 프린지의 피치 Pif가 Pmg=2Pif로 설정되어 있으면, 제 10A 도, 10B 도의 각 파형의 1주기는 Pmg/2에 대응하고 있다.

또 일반적으로 위상차 계측은 ±180도의 범위에서 행해지기 때문에, 연산회로(56)는 연산된 위상차 △Ψ₁을 변환식 △X=Pmg·△Ψ1/4π에 따라 ±Pmg/4의 범위 내의 위치 오프셋량 △X로 변환된다. 이 오프셋량 △X는 기준 격자 SG에 대한 격자 마크 MG의 ±Pmg/4 내에서의 오프셋을 나타낸다. 그래서 위상차 계측의 분해능으로서 0.2°정도를 얻을 수 있는 것으로 하면, 오프셋량의 분해능은 (0.2/180)Pmg/4가 되고, 피치 Pmg를 4㎛로 하면 실용적인 범위로서 0.002㎛(2nm)정도를 얻을 수 있다.

이와 같이 하여 구해진 오프셋량 △X는 기준 격자 SG에 대한 격자 마크 MG의 피치 방향의 오프셋이고, 그 데이터는 위치 제어기(표시 제어기)(62)로 보내지는 동시에, 웨이퍼 W를 리얼타임으로 얼라인먼트(위치결정)하는 경우에는 서보 제어 회로 유닛(64)으로도 보내진다.

서보 제어 회로 유닛(64)은 2개의 기능을 갖고, 그 1개는 오프셋량 △X가 소정의 값이 될 때까지 구동원(42)을 피드백 제어하는 기능(다이렉트 서보 모드)이다. 이 기능의 경우는 A/D 컨버터 회로(50), 메모리 회로 유닛(54) 및 오프셋량 연산 회로 유닛(56)의 동작이 차례로 반복되고 극히 짧은 시간(예를 들면 msee.)마다 오프셋량 △X의 값이 산출된다.

한편, 서보 제어 회로 유닛(64) 중 1개의 기능은 웨이퍼 스테이지 WST를 레이저 간섭계(44)의 계측값에 기초하여 이동시키는 기능(간섭계 서보 모드)이다. 이 기능은 예를 들면 스테이지 WST 상의 기준 마크판 FG의 격자나 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 대물렌즈(22)의 바로 아래에 위치 결정하거나, 검출된 격자 마크 MG의 위치를 기준으로 하여 웨이퍼 W 상의 임의의 점을 대물렌즈(22)의 바로 아래 위치 결정시키거나 할 때에 사용된다.

이 간섭계 서보 모드의 경우 위치 제어기(62)로부터 웨이퍼 스테이지 WST의 목표 위치 정보가 서보 제어 회로 유닛(64)에 출력되고, 제어 회로 유닛(64)은 레이저 간섭계(44)로부터 판독한 스테이지 WST의 현재 위치와 목표 위치의 편차가 소정의 허용 범위(예를 들면 ±0.04㎛)에 들어가도록 구동원(42)을 피드백 제어한다.

또 간섭계 서보 모드에 이어 다이렉트 서보 모드를 실행하는 경우, 다이렉트 모드에 의한 서보 가능 범위는 격자 마크 MG의 피치 Pmg에 대해서 ±Pmg/4이다. 만약 이 이상으로 어긋나 있으면 격자 마크 MG의 1피치의 반의 오프셋이 생긴채로 위치 결정이 되어 버리기 때문이다. 그래서, 간섭계 서보 모드일 때의 스테이지 WST의 위치 결정 허용 범위를 정상적으로 ±0.04㎛로 하는 것이 아니고, 격자 마크 MG(또는 기준 마크판 FG)를 검출할 때만 허용 범위를 ±[(Pmg/4)-α]로 전환하도록 해도 좋다.

예를 들면 피치 Pmg가 4㎛일 때, 그 허용 범위를 ±0.5㎛ 정도로 하면 통상의 허용범위(±0.04㎛)보다도 상당히 루스 정밀도로 위치 결정 서보가 가능하기 때문에, 최종 시간이 단축되게 된다. 그리고, 그 루스 허용 범위(±0.5㎛)에 들어가면 바로 다이렉트 서보 모드로 전환됨으로써 고속으로 고정밀도의 위치 결정(정렬)이 가능해진다.

또한 위치 제어기(62)는 상술한 서보 모드의 전환 지시와 달리, 격자 마크 MG의 좌표 위치나 구해진 오프셋량 △X를 표시하는 기능도 갖는다.

이상 본 발명의 제 1 실시예에 의한 위치 검출 장치와 그 검출 방법에 대해 설명하였지만, 포토리소그래피 공정 중의 얼라인먼트로 인해 반도체 웨이퍼 상에 형성되는 격자 마크는 본 실시예와 같은 헤테로다인(또는 호모다인) 간섭식 마크 검출법을 채용하는 경우에, 격자 마크의 검출법은 비교적 작은 저단차 마크로서 만들어지는 경우가 있다.

간섭식 마크 검출법에서는, 마크 자체가 10 내지 20개 정도의 라인 및 스페이스 패턴으로 구성되고, 그들 라인 및 스페이스 패턴의 전체로부터 발생하는 회절광을 광전 검출하게 되기 때문에, 저단차의 격자 마크로도 충분한 검출광량의 마크 위치 검출이 가능하다.

제 11 도는 저단차의 격자 마크 MG'의 피치 방향의 단면 구조를 부분적으로 확대하여 도시한 것이며, 격자 마크 MG'의 단차와는 마크 표면 S_om과 격자 홈의 저면과의 사이의 고저차 T₂이다. 또 상기한 제 1 도의 시뮬레이션에서 사용한 모델은 제 2 도에 도시한 단면 구조의 격자 마크 MG이고, 거기서 상정한 단차량 T₂는 0.7㎛이었다. 한편, 저단차 마크에서는 제 11 도 중의 단차량 T₂가 0.5㎛ 이하로 되어 있으며, 웨이퍼의 가공 프로세스에 따른 비대칭성은 거의 생기지 않는다. 그 때문에, 적어도 비대칭성에 기인한 진폭 반사율의 변동은 적게 억제되기 때문에, 마크 위치 검출의 정밀도 향상에 기여하는 것으로 생각된다.

또, 제 11 도 중의 레지스트층 PR의 평균적인 두께(도포 목표가 되는 두께) T₀(또는 T1)은 0.7㎛ 내지 1.2㎛의 범위로 설정되는 것이 보통이다. 이 때문에, 저단차의 격자 마크 MG'을 사용하였을 때의 실질적인 레지스트 두께의 변화 범위 T₁ 내지 T₃은 격자의 홈부에서의 레지스트층 표면 S_or이 △T=0.3T₂ 만큼 오목하게 들어가, T₃≒T₂+(T₁-△T)=T₁+0.7T₂이기 때문에, 격자 마크 MG'의 단차 T₂를 0.5㎛로 하여, 0.7㎛ 내지 1.5㎛가 된다.

이 범위는 제 3 도나 제 8 도의 시뮬레이션 결과로부터 명백한 바와 같이, 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃으로 다파장화된 조명 빔(±LF)의 비간섭성의 영역과 잘 합치하고 있다.

이와 같이 본 실시예에서는 격자 마크를 저단차화하여 격자 마크의 구조상의 비대칭성을 거의 없애었다고 해도, 그 후의 문제로서 남는 레지스트층에 의한 영향(진폭 반사율의 변동)도 저감시킬 수 있는 것이다.

제 12 도는 제 2 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하고, 그래서는 2개의 회절 격자 마크 RG, MG의 사이의 피치 방향(X방향)의 상대적인 위치 오프셋량을 호모다인 방식으로 계측하는 경우를 예시한다. 조명 빔으로서의 빔 LB₁, LB₂, LB₃은 각각 제 6 도에 도시된 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃으로부터 서로 다른 파장 λ₁, λ₂, λ₃으로 사출되고, 평행 빔으로서 동축으로 합성된 다음 미러 MR₁을 통해 격자 마크 RG에 수직으로 조사된다.

그 격자 마크 RG로부터는 빔 LB₁, LB₂, LB₃(평행 빔)의 조사에 의해 복수의 회절광이 발생하지만, 격자 마크 RG를 투과형의 듀티 1:1의 1차원 격자로 하고, 그 피치 방향이 제 12 도의 지면 내의 좌우 방향이라고 하면, 이들 회절 빔(회절 빔)의 각각은 제 12 도의 지면 내에서 소정의 회절각으로 굴곡된다.

제 12 도에서는, 이들 회절 빔으로서 파장 λ₁의 빔 LB₁이 생성된 1차 회절 빔 +D₁₁, -D₁₁, 파장 λ₂의 빔 LB₂로부터 생성된 1차 회절 빔 +D₁₂, -D₁₂, 파장 λ₃의 빔 LB₃으로부터 생성된 1차 회절 빔 +D₁₃, -D₁₃, 및 0차 빔 D₀을 도시한다. 물론, 각 파장의 빔 LB₁, LB₂, LB₃마다 그 이상의 고차 회절광도 발생하지만, 그래서는 설명을 간략화하기 위해 1차 회절 빔만을 도시한다.

또한 각 회절 빔은 전군 렌즈계 G₁과 후군 렌즈계 G₂로 나뉘어진 결상 광학계(투사 노광용의 투사 광학계, 마크 검출용의 얼라인먼트 광학계 등)에 입사한다. 격자 마크 RG가 전군 렌즈계의 전측 초점거리 fla의 위치에 배치되고, 전군 렌즈계 G₁의 후측 초점거리 f1b의 위상과 후군 렌즈계 G₂의 전측 초점거리 f2b의 위치가 거의 일치하여 푸리에 변환면(눈동자면) EP가 형성되어 있으면, 각 1차 회절 빔은 후군 렌즈계 G₂의 후측 초점거리 f2a의 위치에서 교차(결상)한다. 단 렌즈계 G1, G2로 이루어지는 결상 광학계는 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃에 대해 색수차가 보정되는 것으로 가정한다. 제 12 도에 도시된 바와 같이, 푸리에 변환면 EP의 중앙에는 작은 미러 MR₂가 고정되고, 이 미러 MR₂에 의해 격자 MG로부터의 0차 빔 D₀은 차광되고, 후군 렌즈계 G₂로 입사하는 것이 저지된다. 또 각 1차 회절 빔 격자 마크 RG로부터 사출할 때는, 빔 LB₁, LB₂, LB₃과 마찬가지로 평행 빔으로 되어 있지만, 전군 렌즈계 G₁의 작용으로 푸리에 변환면 EP의 위치에서 빔 웨스트가 되어 수렴한다.

그래서, 격자 마크 RG의 피치 Prg와, 파장 λ₁의 빔 LB₁에 의해서 발생한 1차 회절 빔 ±D₁₁의 회절각(0차 빔 D₀에 대한 각도) θ₁, 파장 λ₂의 빔 LB₂에 의해 발생한 1차 회절 빔 ±D₁₂의 회절각 θ₂, 파장 λ₃의 빔 LB₃에 의해 발생한 1차 회절빔 ±D₁₃의 회절각 θ₃은 각각 이하의 식으로 나타난다.

sin θ₁=λ₁/Prg (1)

Sin θ₂=λ₂/Prg (2)

sin θ₃=λ₃/Prg (3)

그래서 λ₁<λ₂<λ₃으로 하면 θ₁<θ₂<θ₃이 되고, 제 12 도에 도시한 푸리에 변환면 EP에 있어서, 1차 회절 빔 ±D₁₁의 쪽이 1차 회절 빔 ±D₁₂의 내측(0차 빔 D₀ 측)을 통과하고, 1차 회절 빔 ±D₁₂의 쪽이 1차 회절 빔 ±D₁₃의 내측(1차 회절 빔 ±D₁₁ 측)을 통과한다.

또한 각 1차 회절 빔은 후군 렌즈 G₂를 통해 웨이퍼 W 상에 요철 형상으로 형성된 피계측용의 반사형 격자 마크 MG 상에서 각각 평행 빔이 되어 중첩한다. 이때 격자 마크 MG의 피치 방향도 X방향과 일치하고, 격자 마크 MG 상에는 1차 회절 빔 ±D₁₁의 2빔 간섭에 의해 파장 λ₁의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X방향)가 생성되고, 1차 회절 빔 ±D₁₂의 2빔 간섭에 의해 파장 λ₂의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X방향)가 생성되며, 1차 회절 빔 ±D₁₃의 2빔 간섭에 의해 파장 λ₃의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X방향)가 생성된다.

이때, 파장 λ₁의 광, 파장 λ₂의 광, 파장 λ₃의 광이 서로 다른 파장이기 때문에, 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂, ±D₁₃의 각각의 사이에는 간섭이 일어나지 않는다. 그리고 중요한 것은 1차 회절 빔 ±D₁₁에 의해 생성된 파장 λ₁의 간섭 프린지, 1차 회절 빔 ±D₁₂에 의해 생성된 파장 λ₂의 간섭 프린지, 1차 회절 빔 ±D₁₃에 의해 생성된 파장 λ₃의 간섭 프린지의 각각이, 그 각 강도 분포의 피치를 완전히 동일하게 하여, 마치 단일한 간섭 프린지로서 나타나는 것이다.

그 간섭 프린지의 강도 분포의 피치 Pif는 격자 마크 RG의 피치 Prg와 결상 광학계(G₁, G₂)의 배율 M에 의해 결정되고, Pif=M·Prg/2로 나타난다. 예를 들면 피치 Prg를 4㎛, 배율 M을 1/4(격자 RG의 패턴 사이즈가 격자 마크 MG 측에서 1/4로 축소된다)로 하면, 간섭 프린지의 피치 Pif는 0.5㎛가 된다. 그래서 피계측용의 격자 MG의 피치 Prg를 Prg=2Pif의 관계, 즉, Pmg=M·Prg의 관계로 결정하면, 격자 마크로부터는 1차 회절 빔 ±D_1n(n=1, 2, 3)의 각각을 입사광 빔으로 한 각 파장마다의 재회절광이 발생한다.

예를 들면, 1차 회절 빔 +D₁₁을 입사광 빔으로 하여 격자 마크 MG로부터 발생하는 1개의 재회절광은 격자 마크 MG로부터 수직으로 진행하는 -1차 회절광(파장 λ₁)이고, 1차 회절 빔 -D₁₁을 입사광 빔으로서 격자 마크 MG로부터 발생하는 1개의 재회절광은 격자 마크 MG로부터 수직으로 진행하는 +1차 회절광(파장 λ₁)이다. 이들 수직으로 진행하는 파장 λ₁의 ±1차 회절광은 상호의 위상 상태에 따른 간섭 강도를 갖고, 간섭 빔 BM이 된 미러 MR₂에 도달한다.

마찬가지로, 격자 마크 MG로부터는 1차 회절 빔 ±D₁₂, ±D₁₃의 각각을 입사광 빔으로 한 재회절광도 발생하지만, 1차 회절 빔 +D12(+D13)의 조사에 의해 격자 마크 MG로부터 발생하는 파장 λ₂(파장 λ₃)의 1차 회절광은 격자 마크 MG와 수직으로 진행하며, 1차 회절 빔 -D₁₂(-D₁₃)의 조사에 의해 격자 마크 MG로부터 발생하는 파장 λ₂(파장 λ₃)의 +1차 회절광도 격자 MG와 수직으로 진행한다. 이들 수직으로 진행하는 파장 λ₂, 파장 λ₃의 각 ±1차 회절광도 상호의 위상 상태에 따른 간섭 강도를 갖고, 간섭 빔 BM으로서 미러 MR₂에 도달한다.

즉, 간섭 빔 BM에는 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1, 파장 λ₂의 간섭 빔 B_m2 및 파장 λ₃의 간섭 빔 B_m3 이 동축에 포함되어 있다.

이 간섭 빔 BM은 미러 MR₂에서 반사되어 광전 검출계를 구성하는 렌즈계 G₃을 통해 광전 소자 DT에 도달한다. 이것에 의해, 간섭 빔 BM 중의 각 파장마다의 간섭 빔 B_m1, B_m2, B_m3은 광전 소자 DT에 동시에 수광되고, 광전 소자 DT₃은 간섭 빔 BM의 강도에 따른 레벨의 광전 신호 I_m1을 회로 유닛 CU₃으로 출력한다.

이 회로 유닛 CU₃은 상기한 제 9 도에 도시한 신호 처리 회로와 마찬가지로 구성되지만, 호모다인 방식이기 때문에, 마크 위치 검출에 있어서는 간섭 프린지에 대해 제 2 격자 마크 MG, 즉 웨이퍼 W를 재치하는 스테이지 WST를 격자 피치 방향으로 약간 이동시키고, 그때에는 광전 소자 DT로부터 출력되는 신호 I_m1의 레벨 변화(파형)를 스테이지의 이동 위치에 대응하여 계측하도록 변경한다. 간섭 프린지의 쪽이 그 피치 방향으로 이동하도록, 쌍이 되는 입사광 빔 ±D_1n의 교차각을 바꾸지 않고 입사광 빔 ±D_1n의 쪽을 이동시켜도 좋다.

따라서 본 실시예에서는 신호 처리 회로의 구성은 제 6 도에 도시한 간섭계(44)로부터 출력되는 위치 계측용의 펄스 신호를 제 9 도에 도시된 회로 블록 중의 샘플링 펄스 C_ps 대신에 A/D 컨버터 회로(50)와 파형 메모리 회로(54)에 공급하고, 광전 소자 DT의 신호 I_m1을 간섭계(44)의 펄스 신호(예를 들면 스테이지 WST의 0.02㎛의 이동에 대해 1펄스)로 파형 샘플링하도록 변경하는 것으로 실현할 수 있다. 다만 본 실시예는 호모다인 방식이기 때문에, 제 9 도의 처리 회로와 같이 참조 신호 I_ms를 취급할 필요는 없다.

제 12 도 중의 회로 유닛 CU₃은 제 9 도 중의 A/D 컨버터 회로(50), 파형 메모리 회로(54), 연산 회로(56)의 각각과 동일한 구성을 포함하지만, 연산 회로(56)에 의한 위치 오프셋량 △X의 연산 방법은 헤테로다인 방식의 경우와는 다르다. 즉, 호모다인 방식에서는 파형 메모리 회로(54)에 기억되는 정현파 형상의 샘플링 파형이 시간의 함수가 아니라 위치의 함수가 되기 때문이며, 파형 자체가 격자 마크 MG와의 상대 위치 관계를 나타내고 있다.

또 본 실시예에서는 호모다인 방식을 채용하였기 때문에, 간섭 빔 BM의 강도는 격자 마크 RG와 MG의 X방향의 상대 위치 변화에 따라 변화하고, 가령 격자 마크 RG, MG가 어떤 상태로 정지하고 있으면 신호 I_m1의 레벨은 각각 어떤 일정값을 취한다. 그래서 격자 마크 RG에 의해 생성된 격자 마크 MG 상의 간섭 프린지와 격자 마크 MG를 X방향으로 일정량(간섭 프린지의 피치 Pif분 이상의 거리)만 상대 주사시키고, 그 동안에 생기는 신호 I_m1의 정현파 형상의 레벨 변화에 있어서의 피크값과 보톰값을 회로 유닛 CU₃에서 샘플링하여, 그 차 값으로부터 진폭값을 특정한 후에 마크 위치 오프셋량 △X를 산출하도록 한다.

그래서 제 13A 도 내지 13D 도를 참조하여 간섭 프린지와 격자 마크 MG의 위치관계 변화에 따른 신호 I_m1의 변화를 설명한다. 제 13A 도, 13B 도, 13C 도에서 피치 Pif의 간섭 프린지는 2빔 간섭이기 때문에, 좋은 정현파 형상의 강도 분포를 갖고, 격자 마크 MG의 피치 Prg에 대해 Pmg=2Pif로 설정된다. 제 13A 도, 13B 도, 13C도의 순으로 간섭 프린지가 격자 MG에 대해 좌방향으로 이동하여 가면 제 13D 도와 같이 신호 I_m1의 레벨은 정현파 형상으로 변화한다. 제 13B 도와 같이 간섭 프린지의 각 피크가 격자 마크 MG의 각 단 에지와 겹치는 위치에서 신호 I_m1은 점 B와 같이 보톰 레벨이 된다. 그래서 제 13D 도 중의 점 A의 레벨은 제 13A도의 위치 관계의 경우를 나타내고, 점 C의 레벨은 제 13C 도의 위치관계의 경우를 도시한다.

이와 같이 신호 I_m1은 간섭 프린지와 격자 마크 MG가 X방향으로 Pmg/2 만큼 이동할 때마다 주기적으로 레벨 변화한다. 이 때문에, 예비적으로 간섭 프린지와 격자 마크 MG를 이동시키지 않는 한 검출한 신호 I_m1의 피크 레벨이나 보톰 레벨을 구하는 것은 불가능하다. 이 때문에 간섭 프린지와 격자 MG가 예를 들면 격자 MG의 피치의 5 내지 10배 정도의 거리에 걸쳐 상대 이동하고 있는 동안의 신호 I_m1의 레벨 변화를 회로 유닛 CU₃ 내의 파형 메모리 회로(53)에 기억시킨다.

또한 회로 유닛 CU₃은 파형 메모리 회로(54)에 기억된 신호 파형을 연산 회로(56)에서 처리함으로써, 신호 I_m1의 진폭값과 미리 설정된 함수 또는 변환 연산식 F(I_m1)에 기초하여, 간섭 프린지와 격자 마크 MG의 X방향의 위치 오프셋량 ΔX를 연산한다. 위치 오프셋량 ΔX는 예를 들면 제 13D 도 중의 신호 I_m1의 피크점 또는 보톰점을 기준(원점)으로 하여, 그로부터 ±Pmg/4의 범위 내의 값으로서 구해진다.

함수(또는 식) F(I_m1)는, 신호 I_m1가 정현파 형상이기 때문에, 정현 함수 또는 서현 함수를 사용한다. 일례로서, 먼저 서술한 신호 I_m1의 피크 레벨을 E_p1, 보톰 레벨을 E_b1로 하고, 검출 위치에 있어서 신호 I_m1의 레벨을 e₁로 하면,

(Ep1+Eb1)/2+[(Ep1-Eb1)]sinΨ1]/2=e1

을 만족한 라디안 Ψ1을 구하고, 이것을 피치 Pmg의 값을 사용한 이하의 교환식에 대입하면, 기준점으로부터의 오프셋량 λX를 구할 수 있다.

△X=Pmg·Ψ/4π (4)

이와 같이 하여 산출된 오프셋량 λX가 최종적으로 구해야 할 격자 MG의 격자 RG에 대한 위치 오프셋량이다.

이상과 같이 본 실시예에서는 3개의 다른 파장 성분의 빔 LB1, LB2, LB2를 소정의 광 강도비로 포함하는 다파장화 조명 빔에 의해 격자 마크 RG, MG를 조사할 때, 그들 3개의 빔의 각 중심 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 관계를 1/λ₁ -1/λ₂=1/λ₂ -1/λ₃(±10%)으로 설정하였기 때문에, 광전 검출해야 할 간섭 빔 BM의 다파장화와 아울러, 보다 신뢰성이 높은 위치 검출 결과가 얻어진다. 또 제 12 도에 도시한 광학 배치에서, 격자 RG를 마스크상의 격자 마크로 하며, 격자 MG를 웨이퍼상의 마크로 하여, 결상계 G₁, G₂를 마스크 패턴의 웨이퍼로의 투사렌즈로 하면 투사 노광 장치에서의 얼라언먼트 장치를 실현할 수 있다.

제 14 도는 제 3 실시예에 의한 개략적인 구성을 도시하고, 제 12 도 중의 부재나 빔 등과 같은 기능의 것에는 같은 부호를 붙였다. 제 3 실시예에서는, 조명용 3개의 빔 LB₁, LB₂, LB₃을 렌즈계 G4를 통해 결상 광학계(G₁, G₂)의 푸리에 변환면 EP의 중앙에 배치된 작은 미러 MR2에 입사시키고, 이 작은 미러 MR2에서 아래로 굴곡된 빔 LB₁, LB₂, LB₃을 후군 렌즈계 G2를 통해 평행 빔으로 하여 격자 마크 MG에 수직으로 조사한다.

그리고 격자 마크 MG에서 회절한 파장 λ₁의 1차 회절 빔 ±D₁₁, 파장 λ₂의 1차 회절 빔 ±D₁₂, 파장 λ₃의 1차 회절 빔 ±D₁₃을 렌즈계 G₁, G₂를 통해 격자 RG 상에 교차(결상)시킨다. 격자 RG는 투과형이기 때문에, 1차 회절 빔 ±D₁₁의 조사에 의해 격자 RG로부터 발생한 재회절광 중의 ±1차 회절광은 간섭 빔 B_m1(BM을 포함함)이 된 격자 RG와 수직으로 결상 광학계와 반대 방향으로 진행하며, 미러 MR₃과 렌즈계 G₅를 통해 공간 필터(28)에 도달하며, 그래서 불필요한 회절 성분이 제거되어 광전 소자 DT로 수광된다.

마찬가지로 파장 λ₂, λ₃의 각 1차 회절 빔 ±D₁₂, ±D₁₃의 조사에 의해 격자 RG로부터 발생한 재회절광 중 ±1차 회절광은 간섭 빔 B_m2, B_m3(BM을 포함함)이 되어 격자 RG로부터 수직으로 진행하며, 미러 MR₃, 렌즈계 G₅, 공간 필터(28)를 통해 광전 소자 DT에서 수광된다. 이들 간섭 빔 B_m1, B_m2, B_m3은 1개의 간섭 빔 BM으로서 동축으로 발생하지만, 각각의 빔을 만드는 광원이 개별적인 것이기 때문에, 간섭 빔 B_m1, B_m2, B_m3의 각각이 간섭하는 것은 아니다.

본 실시예는 빔의 입사광과 수광의 관계를 제 12 도의 것과 반대로 한 구성이지만, 이 구성은 격자 마크 MG를 반도체 웨이퍼에 형성하고, 격자 마크 RG를 레티클(마스크)로 형성하며, 렌즈계 G₁, G₂를 레티클 패턴의 투사 노광용의 축소 투사렌즈로 한 (F) 특개평 3-3224호 공보의 장치에 적용할 수 있다.

단 공보(F)에 개시된 장치에서는, 투사렌즈의 눈동자면 EP에 1차 회절 빔을 미소량만 굴절시키는 작은 렌즈를 설치하여, 투사렌즈에서 발생하는 색수차를 보정하고 있지만, 제 14 도의 실시예를 적용하였을 때는 서로 약간 파장이 다른 3세트의 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂, ±D₁₃(3쌍의 2빔화 조명 빔)의 각각에 대해 최적의 보정이 이루어지는 작은 렌즈(예를 들면 색분산이 큰 프린트계의 초재)를 설치할 필요가 있다. 이상 제 3 실시예에서는 조명용의 빔 LB₁, LB₂, LB₃은 예를 들면 웨이퍼상의 격자 마크 MG에 직접 입사하도록 구성한 것으로 격자 마크 MG로부터 발생하는 1차 회절 빔(간섭 빔 BM)의 강도보다도 대체로 높일 수 있다.

그런데 웨이퍼 스테이지 WST 상에 공지의 반사율의 크롬 표면을 갖는 기준 마크판 FG를 고정한 경우는 그 마크판 FG를 각종 베이스 라인량의 계측이나 포커스 상태의 계측에 이용할 수 있다. 베이스 라인량은 기본적으로는 투사 노광 장치에 장착된 마스크(레티클)의 중심의 투사점과 각종 얼라인먼트계의 검출 중심점과의 상대적 위치 관계를 결정하기 위한 실측값을 의미한다.

제 15 도는 본 발명의 제 4 실시예로서, 베이스 라인량의 계측이 필요한 투사 노광 장치의 개략적인 얼라인먼트계의 배치를 나타내고, 레티클 R은 레티클 스테이지 RST 상에 흡착되고, 노광용 조명계 ILX로부터 다이크로익 미러 DCM를 통해 방사되는 자외선(i선 또는 엑시머 레이저 빔)에 의해 균일하게 조사된다. 그리고 레티클의 패턴상은 등배, 또는 축소의 투사 광학계 PL를 통해 웨이퍼 W 상의 소정의 쇼트 영역에 투사 노광되도록 구성되어 있다.

제 15 도에 있어서, 웨이퍼 스테이지 WST 상의 기준 마크판 FG의 표면에는 스루 더 레티클(TTR) 방식의 얼라인먼트계 TTRA에 의해 검출 가능한 마크군과, 레티클 얼라인먼트계 RA에 의해 검출 가능한 마크군과 스루 더 렌즈(TTL) 방식의 얼라인먼트계 TTLA에 의해서 검출 가능한 마크군과 그리고 투사 광학계 PL의 의부에 고정된 오프 액세스 방식의 얼라인먼트계 OFA에 의해 검출 가능한 마크군이 형성된다.

이들 마크군은 일부 공통으로 사용되는 것이다. 또 각 얼라인먼트계 RA, TTRA, TTLA, OFA는 마크 검출시의 기준이 되는 직접적, 또는 간접적인 검출 중심점 R_f1, R_f2, R_f3, R_f4를 구비하고 있다.

상기한 제 6 도와 같은 위치 검출 장치를 각 얼라인먼트계에 적용한 경우, 검출 중심점 R_f1, R_f2, R_f3, R_f4는 기준 격자 SG에 의해 규정된다. 다만 레티클 얼라인먼트계 RA에 있어서, 레티클 R의 주변의 레티클 얼라인먼트용 마크(격자 마크) RM과 기준 마크판 FG 상의 대응한 격자 마크는 패턴 PR의 투사 노광용의 조명광과 같은 파장의 조명광으로 조사하고, 양 마크가 소정의 위치 관계가 되도록 레티클 스테이지 RST를 미동시키는 구성으로 되어 있는 경우는, 검출 중심점 Rf1을 필요로 하지 않는다.

이것은 얼라인먼트계 TTRA에 있어서도 마찬가지이며, 기준 마크판 FG 상의 대응한 마크 또는 웨이퍼 W 상의 마크와, 레티클 R의 패턴 PR의 주변부에 형성된 다이 바이 다이(die-by-die)(D/D) 얼라인먼트용 마크를 화상으로서 촬상하고, 양 마크상의 위치 오프셋을 검출하는 방식인 경우는 특별히 검출 중심점 Rf2를 구성할 필요도 없다.

그래서, 베이스 라인량은 레티클 R의 중심 CCr의 웨이퍼 측으로의 투사점(실질적으로 광축 AX에 일치한다)과 각 검출 중심점 R_f1, R_f2, R_f3, R_f4의 웨이퍼측으로의 투사점과의 사이의 X, Y 방향의 위치 관계와 다르지 않다. 그 위치관계는 기준 마크판 FG의 대응한 마크군과 각 검출 중심점 R_f1 내지 R_f4의 투사점과의 위치 오프셋량을 각 얼라인먼트계 RA, TTRA, TTLA, OFA 자체로 검출하는 동시에, 그때의 웨이퍼 스테이지 WST의 좌표 위치를 레이저 간섭계(44)(제 6 도 참조)에 의해 검출하는 것으로 구할 수 있다.

그런데 다파장화된 입사광 빔 ±LF를 사용하는 경우, 각 파장 성분의 입사광 빔마다 웨이퍼 W 상에 생성되는 간섭 프린지는 그 피치나 피치 방향의 상대 위상이 약간(예를 들면 0.05㎛ 정도) 다른 경우가 있다. 이와 같은 약간의 오프셋은 조정 작업에 의해 이상적으로 영까지 하는 것도 가능하지만 그와 같이 노력을 들여 조정하였다고 해도 경시적인 드리프트의 발생을 고려하면 그다지 현실적이지 않다. 그래서, 다파장화된 간섭 프린지의 각 파장 성분마다 상대위치(위상) 오프셋, 즉 간섭 프린지의 색 오프셋을 때때로 실현할 수 있는 캐리블레이션 기능을 넣어도 좋다. 이와 같은 기능에 대해서는 나중에 상세히 설명한다.

제 15 도에 도시된 투사 광학계 PL 내의 눈동자면 EP는 상기한 제 12 도에 도시한 푸리에 변환면 EP와 동등한 것이다. 그리고 투사 광학계 PL를 통해 웨이퍼 스테이지 WST 상의 물체(웨이퍼 W의 마크, 또는 기준 마크판 FG의 마크)를 검출하는 얼라인먼트계 RA, TTRA, TTLA이 각각에 설치된 대물렌즈 광축은 웨이퍼 스테이지 WST 측에서는 전부 광축 AX과 평행해지도록 설정된다.

또한, 투사 광학계(PL)의 웨이퍼측뿐만 아니라 레티클 측도 텔레센트릭(telesentric)계 로드되어 있을 때(제 15 도의 경우)는, 각 얼라인먼트계의 대물렌즈의 광축은 레티클 측에서도 투사 광학계(PL)의 광축 AX와 평행하게 되어 있다. 그리고, 상기 대물렌즈의 광축의 연장은 투사 광학계(PL)의 눈동자면(EP)의 중앙(광축 AX가 통과하는 부분)을 통과한다. 그 눈동자면 EP의 실효적인 직경은 투사렌즈 PL의 해상력(최소 해상선 폭)을 좌우하는 개구수(NA)에 대응하고, 현재 NA=0.5 내지 0.7 정도의 투사렌즈가 개발되어 있다.

제 16 도는 제 15 도에 도시된 얼라인먼트계 중 얼라인먼트계(TTLA)의 주요부의 일례를 도시하고, 웨이퍼 위의 격자 마크 MG, 또는 기준 마크판(FG)을 검출하기 위한 한 쌍의 다색화된 입사광 빔 ±LF(제 16 도의 빔 ±LF과 빔 -LF에 해당)는 보정 광학계 CG, 편광 빔 스플리터(PBS; 기능으로서는 제 4 도의 하프 미러(20)에 해당), 1/4 파장판 QW, 대물렌즈 OBJ(제 6 도 중의 대물렌즈(22)에 해당), 및 2 매의 미러 MR을 개입하여 투사렌즈PL에 입사된다.

이 때에, 2장의 미러 MR의 사이에는 웨이퍼 W의 표면과 공역의 면 FC가 형성되고, 상기 면 FC 내에서 한 쌍의 빔 ±LF가 교차된다. 그 빔 ±LF는 투사렌즈 PL에 의해 릴레이되고, 웨이퍼 위에서도 교차하여 격자 빔 MG를 조사한다.

또한 본 실시예에서는, 편광 빔 스플리터 PBS에 입사하는 빔 ±LF를 직사광선으로 하고, 편광 빔 스플리터 PBS에서 효율적으로 반사되는 입사광 빔은 1/4 파장판 QW를 투과할 때에 한쪽 방향으로 회전하는 원편광으로 변환되고, 대물렌즈 OBJ, 투사렌즈 PL를 통과하여 웨이퍼 위의 격자 마크 MG를 조사한다.

그리고, 격자 마크 MG로부터 수직으로 발생한 간섭 빔 BM은, 투사렌즈 PL의 눈동자면 EP의 실질적으로 중앙을 통과하고, 2개의 미러 MR, 대물렌즈 OBJ, 1/4 파장판 QW를 거쳐서 편광 빔 스플리터 PBS에 도달된다. 이때에, 간섭 빔 BM은 입사광 빔의 편광 방향과 직교된 직선 편광이 되어 있기 때문에, 편광 빔 스플리터 PBS는 효율적으로 투과하여 광전 소자(36A)에 도달한다.

이와 같은 얼라인먼트계(TTLA)에 있어서, 입사광 빔 ±LF은 복수의 파장 성분(서로 30 내지 40nm 정도 이격된다)을 포함하고, 투사렌즈 PL의 색수차(축상 및 배율)의 영향, 또는 대물렌즈 OBJ의 색수차에 의해, 웨이퍼 위로 조사된 빔 ±LF의 교차 영역이 각 파장 성분마다 Z방향, 또는 XY방향으로 미묘하게 어긋나는 경우가 있다. 그래서 제 16 도와 같이 입사광 빔 ±LF의 광 경로 중에 색수차에 의해 발생되는 오차를 보정하는 보정 광학계 CG를 설치한다. 상기 보정 광학계 CG는 볼록렌즈, 오목렌즈, 또는 이들 조합 렌즈, 또한 평행 평판 렌즈 등으로 구성되고, 제 6 도에 도시된 조정 광학계(14, 16, 18)를 사용하여도 좋다.

또한, 제 15 도 중의 얼라인먼트계 TTRA의 경우, 레티클 R 위의 D/D 얼라인먼트용 마크 DDM을 회절 격자로 하고, 상기 마크 DDM과 대응하는 웨이퍼W 위의 격자 마크 MG와 상대 위치 오프셋을 제 4 도와 같은 헤테로다인 방식으로 검출할 때에는, (G) 특개평-302504호 공보에 기재된 바와 같이, 투사렌즈 PL의 눈동자면 EP에 투명한 평행 평판 형상의 보정판 PGP를 설치하고, 상기 보정판 PGP 위에서 입사광 빔 ±LF나 간섭 빔 BM이 통과하는 위치에만 투과형 위상 격자(보정판 PGP의 표면에 소정 피치로 요철형의 라인을 에칭한 것)를 형성하고, 축상의 색수차와 배율의 색수차의 영향을 감소시킬 수 있다.

제 17A, 제 17B 도는 이와 같은 보정판(PGP)을 얼라인먼트계(TTRA)의 일부에 넣은 제 5 실시예에 의해 투사 노광 장치의 구성을 도시하고, 제 17A 도는 X방향(계측방향)으로 피치를 가진 격자 마크 MG를 검출하는 경우의 입사광 빔 ±LF와 간섭 빔 BM과의 광로를 X-Z 평면에서 본 것이고, 제 17B 도는 제 17A도의 광로를 그것과 교차된 Y-Z 평면에서 본 것이다.

얼라인먼트계 TTRA의 대물렌즈 OBJ(제 6 도의 대물렌즈(22)에 해당한다)로부터는 입사광 빔 ±LF이 광축 AXa로부터 약간 편심하여 사출되고, 미러 MR에서 반사하여 레티클 R의 패턴 영역의 주변 창 RW를 통해 투사렌즈 PL에 입사한다. 한 쌍의 입사광 빔 ±LF는 다파장화되어 있고, X-Z 평면 내에서 보면 제 17A 도와 같이 대칭적인 경사로 창 RW를 투과하고, Y-Z 평면 내에서 보면 제 17B 도와 같이, 대물 렌즈 OBJ의 광축 AXa에 대해 경사져 창 RW를 투과한다.

그 한 쌍의 입사광 빔 ±LF는 각각 투사렌즈 PL의 눈동자면(EP)에 배치된 보정판(PGP) 위의 2개소의 위상형 회절 격자(이하, 위상 격자로 한다; PG1, PG2)를 통과한다. 이때 위상 격자(PG1, PG2)의 작용에 의해 입사광 빔 ±LF의 각각은 도면 중에 파선으로부터 실선과 같이 소정 방향으로 소정량만큼 경사를 변화시켜 투사렌즈 PL로부터 사출된다. 그리고 입사광 빔 ±LF는 X-Z 평면 내에서 보면 제 17A 도와 같이 웨이퍼(W)와 격자 마크 MG를 대칭적인 입사각으로 조사하고, Y-2 평면 내에서는 제 17B 도와 같이 격자 마크 MG에 대하여 Y 방향으로 약간 경사지게 입사한다.

이것에 의해 격자 마크 MG로부터 Y방향으로 약간 경사져 발생한 간섭 빔 BM은 다시 투사렌즈 PL로 입사되어, 눈동자면 EP 위에서는 위상 격자 PG₁, PG₂와 다른 위치를 통과한다. 그 위치에서는 간섭 빔 BM을 제 17B 도 중의 파선으로부터 실선이 되도록 간섭 빔 BM의 광로는 투사렌즈 PL를 투과하여 레티클 R의 창 RW를 향하도록 보정된다.

그리고 창 RW를 통과한 간섭 빔 BM은 미러 R, 대물렌즈 OBJ를 거쳐서 제 4 도와 같은 수광계를 향한다. 이 때 간섭 빔 BM은 대물렌즈 OBJ의 광축 AXa에 대하여 약간 비계측계 방향으로 경사진 상태에서 레티클 R의 창 RW를 투과한다.

이와 같은 보정판 PGP를 사용하는 경우, 입사광 빔 ±LF은 다파장화되어 있으면, 입사광 빔 ±LF의 각 파장 성분마다에 보정판 PGP 위에서 X방향으로 약간 어긋나 위치된다. 이 때문에, 위상 격자 PG1, PG2도 그것에 대칭하여 X방향으로 크게 형성되어 있다. 또한, 이와 같은 보정판 PGP의 사용은 제 16 도에 도시된 얼라인먼트계 TTLA에 대해서도 당연히 가능하다. 예를 들면 석영이나 플루오라이트(fluorite)석을 굴절 렌즈의 소재로 하여, 파장 180 내지 300mm의 사이의 자외선(엑시머 레이저 광원)을 노광광으로 하는 투사렌즈(반사 소자와 굴절 렌즈를 조합시켜도 양호하다)를 이용하는 노광 장치의 경우, He-Ne 레이저나 반도체 레이저로부터의 빔의 파장에 대한 색수차는 매우 큰 것이 되고, 제 16 도 중에 도시된 웨이퍼 공역면 FC는 투사렌즈로부터 수십 cm 이상으로 이격되어 버린다. 그래서 보정판 PGP를 사용하여, 입사광 빔 ±LF는 교차하는 웨이퍼 공역면 FC가 투사렌즈에 근접하도록 보정하는 것이다.

이상과 같이, 보정판(PGP)위에 이 입사광용 위상 격자 PG₁, PG₂에는 다파장화된 빔 +LF, -LF가 통과하지만, 그때에 사용하는 파장 성분 전체에 대해서 위상 격자 PG₁, PG₂의 격자 구조를 최적화하는 것은 곤란하다. 이 때문에 위상 격자 PG₁, PG₂의 위상 격자 구조는 어떤 특정한 파장 성분으로 최적화되도록 설정하며, 입사광 빔 ±LF의 입사광로(일반적으로는 대물렌즈(OBJ)보다도 광원측) 중에서는, 각 파장 성분마다의 입사광 빔이 위상 격자 PG₁, PG₂에서 수용하는 회절 작용의 차이로 발생되는 방향 편차나 위치 편차만 미리 보상되도록, 조정 광학 부재를 설치해 두는 것이 좋다.

즉, 한 쌍의 입사광 빔 ±LF의 간섭에 의해 웨이퍼 W(또는 기준판 FG)의 격자 마크 MG 위에 만들어지는 간섭 프린지가 파장 성분마다 극단의 위치 오프셋이나 피치 오프셋을 발생시키지 않도록, 제 6 도 중의 조정 광학계(14, 16, 18) 또는 제 16 도 중의 보정 렌즈(CG)의 위치 등을 조정하여 두는 것이 매우 중요하다.

다음으로, 본 발명의 제 6 실시예를 제 18 도를 참조로 하여 설명한다. 본 실시예에서는, 대물렌즈(22)를 거쳐서 웨이퍼(W; 또는 기준 판 FG) 위의 계측용(얼라인먼트용)의 격자 마크 MG를 조사하는 한 쌍의 이송 빔 +LF와 -LF와의 편광 방향을 상보적인 관계로 한다. 즉 직선 편광이면 입사광 빔 +LF와 -LF와의 편광 방향을 교차시키고, 원편광이면 입사광 빔 +LF와 -LF를 서로 역회전의 편광으로 설정한다. 이 때문에 2개의 입사광 빔 +LF은 그대로는 서로 간섭하지 않고, 격자 마크 MG로부터 수직으로 발생하는 각 파장 λ₁, λ₂, λ₃마다의 1차 회절광(BH)도 서로 간섭하지 않는다. 그 때문에, ±1차 회절광 BM을 대물렌즈(22), 작은 미러(MR2)를 통해서 광전 검출할 때에, 검광자(애널라이저(analyzer))로서의 편광 빔 스플리터 PBS를 사용한다. 이와 같이 하면, 편광 빔 스플리터 PBS를 투과한 ±1차 광(BM)은 서로 간섭하여 제 1 간섭 빔 BP₁이 되며, 편광 빔 스플리터 PBS에서 반사된 ±1차 광(BM)은 서로 간섭하여 제 2 간섭 빔 BP2가 된다.

이러한 간섭 빔 BP₁, BP₂는 서로 상보적이지만, 각각의 간섭 빔이 헤테로다이닝 방식이면 비트 주파수에 따라 정현파 형상으로 강도 변조된 것이 된다. 또한, 간섭 빔 BP₁과 BP₂의 강도 변조의 위상은 180도만큼 다른 것으로 되어 있다.

또한 제 18도에 도시된 1/2 파장판 HW는 입사광 빔 ±LF과 ±1차 회절광 BM이 서로 직교하는 직선 편광 방향이, 편광 빔 스플리터 PBS의 편광 분리 방향과 다른(회전하고 있는) 경우에, ±1차 회절광 BM 사이의 직선 편광 방향을 수정할 목적으로 설치된 것이다. 이 때문에, ±1차 회절광 BM 사이에서 서로 직교하는 직선 편광 방향은 최초로부터 편광 빔 스플리터 PBS의 편광 분리 방향과 일치하고 있거나 혹은 입사광 빔 +LF, -LF가 역회전의 원편광으로 되어 있을 때에는 1/2 파장판 HW를 사용하지 않아도 좋다. 그래서 본 실시예에서는, 간섭 빔 BP를 미러(32)를 통해서 광전 소자 36A₁에서 수광하고, 간섭 빔 BP₂를 미러(32)를 통해서 광전 소자(36A₂)에서 수광한다. 또한 광전 소자(36A₁과 36A₂)의 각 출력 신호 I_a1, I_a2는 차동앰프에 의해 감산되어 광전 신호 I_m1이 된다.

이와 같이 차동 앰프를 사용하는 것은, 광전 소자(36A₁)의 출력 신호와 광전 소자(36A₂)의 출력 신호가 서로 역위상(180°차이)이 되어 있기 때문이고, 양 출력에 포함되는 동상 노이즈 성분(공통-모드 노이즈)이 감산에 의해 캔슬되어, 신호 I_m1의 실질적인 S/N 비가 개선되기 때문이다.

또한 본 실시예의 제 18 도나 상기 제 6 도에 도시된 대물렌즈(22), 또는 제 16 도에 도시된 대물렌즈 OBJ는 사용된 파장 영역 λ₁ 내지 λ₃에서 발생되는 각종의 색수차 중에, 적어도 축상 색수차에 대해서는 어느 정도 보상되어 있는 것이 바람직하다. 가령 사용하는 파장 λ₁ 내지 λ₃의 대역이 100nm 이하이면, 그와 같은 축상의 색수차는 대물렌즈(22)를 구성하는 복수의 렌즈 소자의 초재를 선택하거나, 다른 굴절률, 분산비의 렌즈 소자를 조합함으로써 어느 정도 보상 가능하게 된다. 물론, 그와 같은 색수차는 대물렌즈(22, OBJ)에서 완전히 보정하여 둘 필요도 없고, 제 6 도에 도시된 조정 광학계(14, 16, 18) 또는 제 16 도에 도시된 보정 광학계 CG에 의해 보정하는 것도 가능하다.

다음으로 본 발명의 제 7 실시예에 대하여 제 19 도를 참조하여 설명하지만, 여기에서는 웨이퍼(W) 또는 기준판 FG 위의 격자 마크 MG로부터 발생되는 다파장화된 간섭 빔(BM; ±1차 회절광)을 각 파장 성분마다 광전 검출함으로써, 2빔 간섭에 의해 생성된 각 파장마다의 간섭 프린지의 색에 의해 오프셋량을 자동 계속할 수 있는 기능을 부가한 위치 검출 장치를 예시한다.

제 19 도에 도시된 본 실시예의 구성은 제 6 도의 구성의 일부, 구체적으로는 격자 마크 MG로부터의 간섭 빔 BM의 광전 검출계를 변경한 것이고, 따라서 제 6 도 중의 부재와 동일 기능의 부재에는 동일 부호를 붙인다. 제 19 도 중의 입사광계(100)는 제 6 도에 도시된 광원 LS₁, LS₂, LS₃, 미러 MR, 다이크로익 미러 DCM4, DCM5, 주파수 시프터로서의 반경방향 격자판 RRG, 렌즈(10), 공간 필터(12) 및, 조정 광학계(14, 16, 18) 등으로 구성되고, 한 쌍의 입사광 빔+LF, -LF를 사출한다.

그리고 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 각 성분을 포함하는 입사광 빔 ±LF은 하프 미러(20)에서 일부가 반사되어 대물렌즈(22)로 입사되며, 일부는 참조광 수광계(110)로 입사된다. 참조광 수광계(110)는 제 6 도의 파장 선택 필터(24), 렌즈(26), 기준 격자(SG) 및, 공간 필터(38)로 구성되고, 참조광 Bms를 광전 소자(40)로 유도한다.

또한 대물렌즈(22)를 경유한 웨이퍼 W 위의 격자 MG가 입사광 빔 ±LF에 의해 조사되면, ±1차 회절광의 간섭 빔 BM은 수직으로 발생되는 동시에, 각 입사광 빔의 진행 방향과 역방향으로 0차 내지 2차 광의 각종 간섭 빔이 발생한다. 이러한 간섭 빔은 대물렌즈(22) 및 하프 미러(20)를 통해서 대물렌즈(22)의 푸리에 변환면에 배치된 공간 필터(28)에 도달하고, 여기에서 ±1차 회절광의 간섭 빔 BM만이 공간 필터(28)를 통해 선택적으로 투과되며, 빔 스플리터(29)에서 2개로 분할된다.

상기 빔 스플리터(29)에서 반사된 간섭 빔 BM은 제 6 도와 같은 렌즈계(30)를 통해서 광전 소자(36A)에 수광되고, 빔 스플리터(29)를 투과한 간섭 빔 BM은 분광 검출계(34)로 입사된다. 상기 분광 검출계(34)는 렌즈계(31)에서 수광된 간섭 빔 BM의 중앙으로부터 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1만을 반사시켜 광전 소자 DT₁에 유도된 다이크로익 미러(DCM₁)와 상기 다이크로익 미러(DCM₁)를 투과하여 간섭 빔 B_m2(파장 λ₂)와 B_m3(파장 λ₃) 중 간섭 빔 B_m2만을 반사시켜 광전 소자 DT₂로 유도하고, 간섭 빔 B_m3만을 투과시켜 광전 소자(DT)로 유도하는 다이크로익 미러(DCM₂)로 구성된다.

그리고 각 광전 소자 DT₁, DT₂, DT₃으로부터는, 피트 주파수 2·△f로 정현파 형상으로 레벨 변화하는 광전 신호 I_p1, I_p2, I_p3이 출력된다. 이러한 광전 신호 I_pn(n=1, 2, 3)은, 참조광 B_ms를 수광하는 광전 소자(40)로부터의 광전 소자 I_ms와 함께 제 20 도에 도시된 신호 처리 회로(70A, 70B, 70C, 70D) 각각에 입력된다. 이들 신호 처리 회로는 모두 상기 제 9 도에 도시된 A/D 변환기 회로(50), 파형 메모리 회로(54), 연산 회로(56)와 같은 회로 요소를 포함하고, 각 광전 신호마다의 위상 오프셋(△Ψ)이 산출된다. 이와 같이 하여 산출된 각 광전 신호의 위상 오프셋(△Ψ)의 정보는, 위치 오프셋 연산 회로(72) 내의 컴퓨터에 의해 처리되어, 각 파장 성분마다의 간섭 프린지 상호의 미소한 위치 오프셋량, 즉 각 간섭 프린지의 피치 방향에 대하여 서로 오프셋량이 구해진다.

이상의 구성에 있어서, 신호 처리 회로(70A 내지 70D) 내의 각 A/D 컨버터 회로(50)와 파형 메모리 회로(54)는 공통의 샘플링 로크 발생 회로(52)(제 6 도 참조)로부터의 클록 펄스 C_ps에 응답하여 각 광전 신호의 파형을 동일 시각에 디지털 샘플링한다. 또 신호 처리 회로(70A 내지 70D) 내의 각 연산 회로(56)는 미리 내부에 기억시킨 정현파 데이터 sinωt와 여현파 데이터 cosωt에 기초하여 푸리에 적분의 연산을 행하고, 각 광전 신호 I_p1, I_p2, I_p3, P_ms의 데이터 sinωt(또는 cosωt)를 기준으로 한 위상차 △Ψ_P1, △Ψ_p2, △Ψ_p3, △Ψ_ms의 데이터 sinωt(또는 cosωt)를 기준으로 한 위상차 △Ψ_p1, △Ψ_p2, △Ψ_p3, △Ψ_ms의 각각을 산출한다. 정현파 데이터, 서현파 데이터의 주파수 ω는 비트 주파수 2·△f와 관련하여 ω=2π(2·△f)로 정해진다.

다음에 위치 오프셋 연산 회로(72)는 위상차 △Ψ_P1, △Ψ_p2, △Ψ_p3, △Ψ_ms 의 각각에 근거하여, 격자 마크 MG의 각 파장마다의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃을 이하의 각 연산에 의해 산출한다. 단 k는 k=±Pmg/4π로 한다.

△X₁=k(△Ψ_ms-△Ψ_p1)

△X₂=k(△Ψ_ms-△Ψ_p2)

△X₃=k(△Ψ_ms-△Ψ_p3)

이렇게 산출된 각 위치 오프셋량은 제 6 도, 제 15 도에 도시한 기준판 FG 상의 격자 마크 MG를 검출한 경우에는 거의 같은 값으로 되어 있지만, 그들 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃의 사이에 편차가 있으면, 각 파장마다의 간섭 프린지간에 피치 방향의 상호 오프셋이 생긴 것을 의미한다. 따라서, 웨이퍼 W를 얼라인먼트하는 동작 전에 기준판 FG 상의 격자 마크 MG를 검출하여 각 파장마다 간섭 프린지간의 상호 오프셋을 확인하고 그 상호 오프셋이 허용 범위보다도 크게 되어 있으면, 제 6 도의 조정 광학계(14, 16, 18)나 제 16 도 중의 보정 광학계 CG의 일부를 이동시켜서 상호 오프셋을 허용범위 내에서도 조정한다.

이상의 본 실시예에 의하면, 다파장화된 2빔에 의해 생성되는 간섭 프린지를 항상 상호 오프셋하지 않는 양호한 상태로 유지할 수 있고, 웨이퍼 W의 격자 마크를 검출할 때의 오차를 적게 유지할 수 있다.

이상 제 1 내지 제 7의 각 실시예에 의하면, 원래 가간섭이 강한 복수의 광원으로부터의 3개 이상의 조명 빔을 합성하여 다파장화된 조명광을 만들고, 그 조명광의 조사에 의해 격자 마크 등의 주기성 패턴을 검출할 때, 다파장화되는 3개 이상의 조명 빔의 각 파장간의 관계를 파장 축상에서 서로 인접하는 2개의 조명 빔간의 파수(1/λn)의 차값이 어떤 것에 대해서나 거의 ±10% 정도의 허용범위를 갖도록 하였기 때문에, 가간섭이 강한 광을 사용해도 충분한 비간섭성을 달성할 수 있다.

이 때문에, 종래에 비해 고정밀도를 격자 마크 등의 위치 검출이 가능해진다. 또 본 발명의 각 실시예에 개시한 위치검출 장치는 투사 노광장치뿐만 아니라, 프록시미티 방식의 노광 장치 내의 각종 얼라인먼트계에도 용이하게 적용할 수 있다.

다음에 본원의 제 2 발명에 관하여 다파장 얼라인먼트계에서의 광전 처리에 관한 각 실시예를 설명한다.

제 21 도는 본 발명의 제 8 실시예에 의한 위치 검출장치의 구성을 도시하고, 기본적인 구성은 제 12 도와 비슷하지만, 그래서는 2개의 회절 격자 RG, MG의 사이의 피치 방향(X방향으로 한다)의 상대적인 위치 오프셋량을 호모다인방식으로 계측하는 경우를 예시한다. 조명 빔으로서의 빔 LB₁, LB₂는 각각 다른 레이저 광원으로부터 서로 다른 파장 λ₁, λ₂로 사출되며, 동축으로 합성된 위에 빔 스플리터 BS, 미러 MR₁을 통해 격자 RG에 수직으로 조사된다. 빔 스플리터 BS는 빔 LB₁, LB₂의 일부분(수 % 정도)을 진폭 분할하여 다이크로익 미러 DCM₁을 통해 광전 소자 DT₁, DT₂로 유도된다. 다이크로익 미러 DCM₁은 파장 λ₁의 빔 LB₁을 90% 이상 투과하여 광전 소자 DT₁로 보내지고, 파장 λ₂의 빔 LB₂를 90% 이상 반사하여 광전 소자 DT₂로 보낸다. 각 광전 소자 DT₁, DT₂는 수광한 파장 λ₁의 빔의 강도값을 표현하는 신호 I_r1과 파장 λ₂의 빔의 강도값을 표현하는 신호 I_r2를 출력한다.

또한 격자 RG로부터는 빔 LB₁, LB₂(평행 빔)의 조사에 의해 복수의 회절 빔이 발생하지만, 격자 RG를 투과형의 듀티 1:1의 1차원 격자로 하고, 그 피치 방향이 제 1 도의 지면 내의 좌우방향이라고 하면 그들 회절 빔의 각각은 제 1 도의 지면 내에서 소정의 회절각으로 굴곡된다.

제 21 도에서는 그들 회절 빔으로서 파장 λ₁의 빔 LB1로부터 생성된 1차 회절 비 +D₁₁, -D₁₁, 파장 λ₂의 빔 LB₂로부터 생성된 1차 회절 빔 +D₁₂, -D₁₂ 및 0차 빔 D₀을 도시한다. 물론, 각파장의 빔 LB₁, LB₂마다, 그 이상의 고차 회절광도 발생하지만, 그래서는 설명을 간략화하기 위해 1차 회절 빔만을 도시한다.

그런데 각 회절 빔은 전군 렌즈계 G₁과 후군 렌즈계 G₂로 나누어진 결상 광학계에 입사한다. 격자 RG가 전군 렌즈계 G₁의 전측 초점거리 f1a의 위치에 배치되고, 전군 렌즈계 G₁의 후측 초점거리 f1b의 위치와 후군 렌즈계 G₂의 전측 초점거리 f2b의 위치와 일치하여 푸리에 변환면 EP이 형성되면 각 1차 회절 빔은 후군 렌즈계 G2의 후측 초점거리 f2a의 위치에서 교차(결상)한다. 다만, 렌즈계 G₁, G₂는 2개의 파장 λ₁, ₂λ는 2개의 파장 λ₁, λ₂에 대해 색수차가 보정되는 것으로 한다.

제 21 도에 도시하는 바와 같이, 푸리에 변환면(눈동자면) EP의 중앙에는 작은 미러 MR₂가 고정되고, 미러 MR₂에 의해 격자 RG로부터의 0차 빔 D₀은 차광되고, 후군 렌즈계 G₂로 입사하는 것이 저지된다. 또 각 1차 회절 빔은 격자 RG로부터 사출할 때는 빔 LB₁, LB₂와 마찬가지로 평행 빔이 되지만 전군 렌즈계 G₁의 작용으로 푸리에 변환면 EP의 위치에서 빔 웨이스트가 되어 수렴한다.

그래서, 격자 RG의 피치를 Prg로 하면, 파장 λ₁의 빔 LB에 의해 발생한 1차 회절 빔 ±D₁₁의 회절각(0차 빔 D₀에 대한 각도) θ₁과 파장 λ₂의 빔 LB₂에 의해 발생한 1차 회절 빔 ±D₁₂의 회절각 θ2는 각각 이하의 식으로 표현된다.

sinθ₁=λ₁/Prg (5)

sinθ₂=λ₂/Prg (6)

그래서, λ₁<λ₂로 하면 θ₁<θ₂가 되고, 제 21 도에 도시한 바와 같이 푸리에 변환면 EP에 있어서, 1차 회절 빔 ±D11의 쪽이 1차 회절 빔 ±D₁₂의 내측(0차 빔 D₀ 군)을 통과한다.

또한 각 1차 회절 빔은 후군 렌즈 G2를 통해 물체측에 요철형상으로 형성된 피계측용의 반사형 격자 MG 상에서 각각 평행 빔이 되어 중첩한다. 이 때, 격자 MG의 피치 방향도 X방향에 일치하고 있고, 격자 MG 상에는 1차 회절 빔 ±D₁₁의 2빔 간섭에 의해 파장 λ₁의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X방향)가 생성되고, 1차 회절 빔 ±D₁₂의 2빔 간섭에 의해 파장 λ₂의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X방향)가 생성된다. 이 때, 파장 λ₁의 광과 파장 λ₂의 광이 다른 파장이기 때문에, 1차 회절 빔 ±D₁₁과 ±D₁₂의 사이에서는 간섭 프린지가 생기지 않는. 그리고 중요한 것은 1차 회절 빔 ±D₁₁에 의해 생성된 파장 λ₁의 간섭 프린지와 1차 회절 빔 ±D₁₂에 의해 생성된 파장 λ₂의 간섭 프린지와는 그 피치가 완전히 동일하고 게다가 단일 간섭 프린지로서 나타나는 것이다.

그 간섭 프린지의 강도 분포의 피치 Pif는 격자 RG의 피치 Prg와 결상 광학계(G1, G2)의 배율 M에 의해서 결정되고, Pif= M·Prg/2로 표현된다. 예를 들면 피치 Prg를 4㎛, 배율 M을 1/4(격자 RG의 패턴 사이즈가 격자 MG 측에서 1/4로 축소된다)로 하면 간섭 프린지의 피치 Pif는 0.5㎛가 된다. 그래서 피계측용의 격자 MG의 피치 Pmg=2Pif의 관계, 즉 Pmg=M.Prg의 관계로 정하면, 격자 MG로부터는 1차 회절 빔 +D₁₁을 입사광 빔으로 한 격자 MG로부터 발생하는 1개의 재회절광은 격자 MG로부터 수직으로 진행하는 -1차 회절광(파장 λ1)이고, 1차 회절 빔 -D₁₁을 입사광 빔으로 한 격자 MG로부터 발생하는 1개의 재회절광은 격자 MG로부터 수직으로 진행하는 +1차 회절광(파장 λ₁)이다. 이들 수직으로 진행하는 파장 λ₁의 ±1차 회절광은 상호의 위상 상태에 따른 간섭 강도를 갖고. 간섭 빔 BM이 되어 미러 MR₂에 도달한다.

한편, 격자 MG로부터는 1차 회절 빔 ±D₁₂를 입사광 빔으로 한 재회절광도 발생하지만, 1차 회절 빔 +D₁₂의 조사에 의해 격자 MG로부터 발생하는 -1차 회절광(파장 λ₂)은 격자 MG와 수직으로 진행하고, 1차 회절 빔 -D₁₂의 조사에 의해 격자 MG로부터 발생하는 +1차 회절광(파장 λ₂)도 격자 MG와 수직으로 진행한다. 이들 수직으로 진행하는 파장 λ₂의 ±1차 회절광도 상호의 위상 상태에 따른 간섭 강도를 갖고, 간섭 빔 BM이 되어 미러 MR₂에 도달한다. 즉, 간섭 빔 BM에는 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1과 파장 λ₂의 간섭 빔 B_m2 이 동축으로 포함되어 있다.

그 간섭 빔 BM은 미러 MR₂에서 반사되어 광전 검출계를 구성하는 렌즈계 G₃, 다이크로익 미러 DCM2를 통해서 광전 소자 DT2, DT4에 도달한다. 그 다이크로익 미러 DCM₂는 파장 λ₁과 λ₂를 분할하는 것이고, 실질적으로 다이크로익 미러 DCM1과 같은 것이 사용된다. 따라서 간섭 BM 중의 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1은 광전 소자 DT₃에서 수광되고, 파장 λ₂의 간섭 빔 Bm2는 광전 소자 DT4에서 수광된다.

광전 소자 DT₃은 간섭 빔 B_m1의 강도에 따른 레벨의 광전 신호 I_m1을 회로 유닛 CU₁과 CU₃으로 출력하고, 광전 소자 DT₄는 간섭 빔 B_m2의 강도에 따른 레벨의 광전 신호 I_m2를 회로 유닛 CU₂와 CU₄에 출력한다. 회로 유닛 CU₁은 광전 소자 DT₁로부터의 신호 I_r1과 광전 신호 I_m1의 진폭값과의 비 C₁을 I_m1/I_r1의 연산에 의해 구하며, 회로 유닛 CU₂는 광전 소자 DT₂로부터의 신호 I_r2와 광전 신호 I_m2의 진폭값과의 비 C₂를 I_m2/I_r2의 연산에 의해 구한다. 이들의 비 C₁, C₂의 데이터는 나중에 기술하는 가중 평균을 계산하는 회로 유닛 CU₅에 출력된다.

또한 본 실시예에서는 호모다인 방식을 채용한 것으로, 간섭 빔 B_m1, B_m2의 강도는 격자 RG와 MG의 X방향의 상대위치 변화에 따라 변화하고, 가령 격자 RG, MG인 상태로 정지하면 신호 I_m1, I_m2의 레벨은 각각 어떤 일정값을 취한다. 그래서 격자 RG에 의해 생성된 격자 MG 상의 간섭 프린지와 격자 MG를 X방향으로 일정량(간섭 프린지의 피치 Pif분 이상)만큼 상대 주사시키고, 그 사이에 생기는 신호 I_m1, I_m2의 정현파 형상의 레벨 변화에 있어서, 피크값과 보톰값을 샘플링하여, 그 값을 진폭값으로 각각 회로 유닛 CU₁, CU₂의 연산에 사용하도록 한다.

그래서 제 22A 도 내지 22D 도를 참조하여 간섭 프린지와 격자 MG의 위치 관계 변화에 따른 신호 I_m1(I_m2 도 마찬가지)의 레벨 변화를 설명한다. 제 22A 도, 22B 도, 22C 도는 각각 제 13A 도, 13B 도, 13C 도와 같은 것이며, 피치 Pif의 간섭 프린지는 2빔 간섭이기 때문에 좋은 정현파 형상의 강도 분포를 갖고, 격자 MG의 피치 Pmg에 대해 Pmg=2Pif로 설정되어 있다. 제 22A 도, 22B 도, 22C도의 순으로 간섭 프린지가 격자 MG에 대해서 우방향으로 이동하면 제 22D와 같이 신호 Im1의 레벨은 정현파 형상으로 변화한다. 제 22B 도와 같이 간섭 프린지의 각 피크가 격자 MG의 각 단 에지와 겹친 위치에서 신호 I_m1은 점 B와 같이 보통 레벨이 된다. 그래서 제 22D 중의 점 A의 레벨은 제 22A도의 위치 관계의 경우를 나타내고, 점 C의 레벨은 제 22C도의 위치 관계의 경우를 나타낸다.

이와 같이 신호 I_m1은 간섭 프린지와 격자 MG가 X방향으로 Pmg/2만큼 이동할 때마다 주기적으로 레벨 변화한다. 이 때문에 예비적으로 간섭 프린지와 격자 MG를 이동시키지 않는 한 검출한 신호 I_m1의 피크 레벨이나 보통 레벨을 구할 수 없다. 이상의 것은 신호 I_m2에 대해서도 마찬가지이다. 신호 Im2는 ±1차 회절광의 간섭 빔 B_m2의 강도를 나타내기 때문에, 제 22D 도 중에 상상선으로 표시한 바와 같이, 신호 I_m1의 레벨과 크게 다른 점은 있어도, 신호 I_m1에 대한 위상은 극단적으로 어긋나는 것은 아니다(다만, 레지스트의 간섭이나 마크의 비대칭성에 의해 수 % 정도 어긋나는 경우는 있다). 이 때문에 간섭 프린지와 격자 MG가 정지한 임의의 위치관계의 부분에서 I_m1과 I_m2의 각 레벨을 샘플링하여도 이론상은 회로 유닛 CU₁, CU₂에 의한 비 C₁, C₂의 연산은 가능하다. 그렇지만, 제 22D 도로부터 명백한 바와 같이 신호 I_m1, I_m2가 피크가 된 점에서 각 레벨을 샘플링한 쪽이 각종 노이즈의 문제나 검출 정밀도의 점에서 유리해진다.

도 21에 도시된 바와 같이, 회로 유닛 CU₃, CU₄는 각각 신호 I_m1, I_m2의 진폭 값과 미리 설정된 함수 또는 변환 연산식 F(I_m1), F(I_m2)에 기초하여, 간섭 프린지와 격자 MG의 X방향의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂를 연산한다. 위치 오프셋량 △X₁, △X₂는 예를 들면 제 22D 도 중의 각 신호 I_m1, I_m2의 피크점 또는 보톰점을 기준(원점)으로 하여 그로부터 ±Pmg/4의 범위 내의 값으로서 구해진다.

함수(또는 식) F(I_m1), F(I_m2)는 각 신호 I_m1, I_m2가 정현파 형상이기 때문에, 정현 함수 또는 서현 함수를 사용한다. 일례로서, 먼저 기술한 신호 I_m1의 피크 레벨은 E_p1, 보톰 레벨을 E_b1로 하고, 검출해야 할 위치에 있어서의 신호 I_m1의 레벨을 e₁로 하면(E_p1+E_b1)/2+{(E_p1-E_b1)sinΨ₁}/2=e₁을 만족하는 라디안 Ψ을 구하고, 이것을 피치 Pmg의 값을 사용한 이하의 교환식에 대입하면, 기준점으로부터의 오프셋량 △X를 알 수 있다.

△X=Pmg·Ψ/4π (7)

이렇게 산출된 오프셋량 △X₁, △X₂의 데이터는 가중 평균 연산을 행하는 회로 유닛 CU₅에 보내지고, 먼저 구한 비 C₁, C₂를 가중 계수로서 이하의 연산을 행한다.

△X=(C₁·△X₁+C₂·△X₂)/(C₁+C₂) (8)

이 연산으로 구해진 오프셋량 △X가 최종적으로 구해진 격자 MG의 격자 RG에 대한 위치 오프셋량이다.

이 연산식으로부터 명백한 바와 같이, 오프셋량 △X는 간섭 빔 BM 중의 강도가 높은 쪽의 파장 성분의 간섭 빔을 사용한 위치 오프셋량의 계측 결과보다 많은 가중을 하도록 하여 결정된다. 이상과 같이 본 실시예에서는 2개의 다른 파장 성분의 빔 LB₁, LB₂를 사용해 각 격자 RG, MG를 조사하여 수광해야 할 간섭 빔 BM도 파장별로 광전 검출하고, 각 파장마다의 간섭 빔 B_m1, B_m2를 사용해 개별적으로 위치 오프셋 검출 결과를 파장마다의 수광광의 진폭에 따라 가중 평균하도록 하였기 때문에 더욱 신뢰성이 높은 위치 검출 결과를 얻을 수 있다.

이상의 제 21 도에 도시한 신호 처리계(회로 유닛 CU₁ 내지 CU₅)의 알고리즘은 이하에서 설명하는 다른 실시예에 있어서도 공동된 것이며, 각 회로 유닛의 기능을 실현하는데 있어서 개별로 변경, 개량이 있을 때에는 그때 설명을 한다. 또 제 21 도에 도시한 광학 배치에서, 격자 RG를 마스크상의 격자 마크로 하고, 격자 MG를 웨이퍼상의 마크로 하며, 결상계 G₁, G₂를 마스크 패턴의 웨이퍼로의 투사렌즈로 하면, 투사 노광장치에서의 얼라인먼트 장치를 실현할 수 있다.

제 23 도는 제 9 실시예에 의한 개략적인 구성을 도시하고, 기본 구성은 제 14 도와 같지만, 수광부의 구성이 제 14 도와 다르다. 그리고 제 21 도 중의 부재나 빔 등과 같은 기능의 것에는 같은 부호를 붙였다. 제 9 실시예에서는 조명용 2개의 빔 LB₁, LB₂는 렌즈계 G₄를 통해 결상 광학계(G₁, G₂)의 눈동자면의 중앙에 배치된 미러 MR₂에 입사시키고, 이 미러 MR2에서 아래로 굴곡된 빔 LB₁, LB₂를 후군 렌즈계 G₂를 통해 광행 빔으로 하여 격자 MG에 수직으로 조사한다. 격자 MG에서 회절한 파장 λ₁의 1차 회절 빔 D₁₁과 파장 λ₂의 1차 회절 빔 ±D₁₂를 렌즈계 G₁, G₂를 통해 격자 RG 상에서 교차(결상)시킨다. 격자 RG는 투과형이기 때문에, 1차 회절 빔 ±D₁₁의 조사에 의해 격자 RG로부터 발생한 재회절광의 ±1차 회절광은 격자 RG와 수직으로 결상 광학계와 반대방향으로 진행하며, 미러 MR₃과 다이크로익 미러 DCM₃을 통해 간섭 빔 B_m1이 되어 광전소자 DT₃에서 수광된다. 1차 회절 빔 ±D₁₂의 조사에 의해 발생한 ±1차 재회절광도 간섭 빔 B_m2가 되어 간섭 빔 B_m1과 같은 광로를 통과하여, 다이크로익 미러 DCM₃에서 선택되어 광전 소자 DT₄에 도달한다. 그 외의 구성은 제 21 도와 같다.

본 실시예는 빔의 입사광과 수광과의 관계를 제 21 도의 것과 역으로 한 구성이지만, 이 구성은 격자 MG를 반도체 웨이퍼에 형성하고, 격자 RG를 레티클(마스크)에 형성하며, 렌즈계 G₁, G₂를 레티클 패턴의 투사 노광용의 축소 투사렌즈로 한 (F) 특개평 3-3224호 공보의 장치에 적용할 수 있다. 다만, 공보(F)에 개시된 장치에서는 투사렌즈의 눈동자면 EP에 1차 회절 빔을 미소량만 굴절시키는 작은 렌즈를 설치하고, 투사렌즈에서 발생하는 색수차를 보정하고 있지만 제 23 도의 실시예를 적용할 때는 서로 약간 파장이 다른 2세트의 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂의 각각에 대해서 최적의 보정이 이루어지도록 작은 렌즈(예를 들면 색분산이 큰 프린트계의 소재)를 설치할 필요가 있다.

이상, 제 9 실시예에서는 조명용의 빔 LB₁, LB₂를 예를 들면 웨이퍼 상의 격자 MG에 직접 입사하도록 구성한 것으로, 격자 MG로부터 발생하는 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₂₁의 각 강도를 제 21 도 중의 격자 MG로부터 발생하는 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂의 각 강도를 제 21 도 중의 격자 MG로부터 발생하는 회절 빔(간섭 빔 BM)의 통해서 높은 것이 가능하다.

다음에 본 발명의 제 10 실시예를 제 24 도, 25 도를 참조하여 설명하지만, 기본적인 구성은 상기한 제 6 도의 장치와 같고, 수광계의 구성이 약간 다르다. 그래서는 호모다인 방식 대신 헤테로다인 방식을 사용한다. 제 24 도에 있어서, 3개의 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃은 각각 다른 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 레이저 빔 LB₁, LB₂, LB₃을 사출한다. 일례로서, 레이저 광원 LS₁은 λ₁=0.633㎛의 He-Ne 레이저 광원, 광원 LS₂는 λ₂=0.690㎛의 반도체 레이저 광원, 광원 LS₃은 λ₃=0.760㎛의 반도체 레이저 광원으로 설정되어, 파장의 관계는 λ₁<λ₂<λ₃으로 선택되는 것으로 한다.

이들 3개의 빔 LB₁, LB₂, LB₃은 미러 MR, 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅를 통해 1개의 동축 빔 LB₀으로 합성되고, 미러 MR에서 반사되어 회전 방사형 격자 판 RRG에 입사한다. 이 격자판 RRG는 제 7 도에 도시한 바와 같이 일방향으로 등각속도로 회전축 C₀의 주위로 고속회전하고 있고, 이 격자판 RRG에 의해 회절된 각 차수의 회절광의 주파수를 각속도에 따른 분 만큼 증감시키는 작용을 갖는다.

본 실시예에서는 방사형 격자판 RRG로부터의 ±1차 회절광은 사용해 헤테로다인 방식을 실현하는 것으로, 제 24 도에서는 격자판 RRG로부터의 ±1차 회절광 ±LF만을 도시한다.

제 21 도에 도시한 바와 마찬가지로 격자판 RRG의 격자 RG로부터는 파장 λ₁의 빔 LB1로 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₁과 파장 λ₂의 빔 LB₂로 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₂와 그리고 파장 λ₃의 빔 LB₃으로 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₃이 발생한다. 각 파장마다 1차 회절 빔의 회절각 θ는 이하와 같이 나타난다.

sinθ_n=λ_n/Prg

여기서 n은 파장의 수를 나타내고, Prg는 회전 격자판 PRG의 격자 RG의 피치를 나타낸다.

한편, 1차 회절 빔은 파장에 의해 일정주파수 편이 △f를 갖고, 격자 판 RRG의 격자 RG가 빔 LB₀을 가로지르는 속도를 V라고 하면, △f=V/Prg로 표현되고, +1차 회절 빔은 0차 광의 주파수에 대해 △f만큼 낮아진다. 이 때문에 회전 방사형 격자판 PRG는 주파수 시프터로서 작용한다.

또, 3개의 파장 성분의 1차 회절 빔 ±D_1n(n=1, 2, 3)으로 이루어지는 입사광 빔 ±LF와 0차 광 D₀은 제 24 도에 도시한 바와 같이 콜리메이터 렌즈(10)에 의해 주광선이 서로 평행해지도록 변환되고, 빔 선택부재(12)에 도달한다. 이 빔 선택부재(12)는 이른바 푸리에 변환면에 놓이는 공간 필터로서 기능하고, 그래서는 0차 광 D₀이 차단되고, 1차 회절광 ±D_1n에 의한 입사광 빔 ±LF가 통과한다.

그 후, 입사광 빔 ±LF는 경사량이 가변인 평행 평판 유리로 구성된 조정 광학계(14, 16, 18)를 통해서 빔 스플리터(하프 미러)(20)에 도달한다. 조정 광학계(14)는 입사광 빔 +LF와 입사광 빔 -LF와의 푸리에 공간에서의 간격을 변화시키지 않고, 렌즈(10)의 광축에 대해 편심시키는 기능을 갖고, 조정 광학계(16, 18)는 입사광 빔 +LF와 입사광 빔 -LF의 각각의 광축에 대한 위치를 개별로 조정하는 기능을 갖는다.

그 입사광 빔 ±LF는 빔 스플리터(20)에서 2개로 분할되어, 한쪽은 대물렌즈(22)에 입사하고, 다른쪽은 파장 선택 필터(24)를 통해, 분할된 입사광 빔 ±LF 중의 특정한 파장의 1차 빔, 즉, λ₂의 1차 빔 ±D₁₂ 만이 선택되어 집광 렌즈(푸리에 변환 렌즈)(26)에 입사한다.

한편 대물렌즈(22)에 입사한 입사광 빔 ±LF는 각각 평행 빔이 되어 서로 다른 각도로 웨이퍼 ω상의 격자 MG를 동시에 조사한다. 이것에 의해 격자 MG 상에는 파장 λ₁의 입사광 빔 ±D₁₁의 간섭에 의해 만들어진 간섭 프린지, 파장 λ₂의 입사광 빔 ±D₁₂의 간섭에 의해 만들어진 간섭 프린지, 및 파장 λ₃의 입사광 빔 ±D₁₃에 의해 만들어진 간섭 프린지의 3개가 같은 피치, 같은 위상으로 중첩하여 나타난다. 또한 입사광 빔 +LF와 -LF와의 사이의 주파수 차 2·△f 때문에, 그 간섭 프린지는 격자 MG 상을 일방향으로 등속도 이동하고 있는 것처럼 관측된다. 그 이동속도는 회전 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 속도 V에 비례한다. 또, 제 24 도에서 명백한 바와 같이, 웨이퍼 W 표면(격자 MG)과 방사형 격자판 RRG는 콜리메이터 렌즈(10)와 대물렌즈(22)와의 합성계에 의해 서로 공역(결상 관계)이 되도록 배치된다. 그 때문에 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 ±1차 회절광에 의한 회절상이 웨이퍼 W의 격자 MG 상에 형성되지만 0차 광 D₀이 차폐되어 있기 때문에 격자 RG의 피치의 1/2의 회절상(간섭 프린지 강도 분포)이 형성된다. 그리고 그 간섭 프린지의 웨이퍼 W 상에서의 피치 Pif는 앞의 실시예와 마찬가지로 격자 MG의 피치 Pmg의 1/2로 설정된다.

이상과 같은 관계를 만족할 때, 입사광 빔 ±LF의 조사에 의해 격자 MG로부터 1차 회절광이 수직으로 발생한다. 즉 입사광 빔 +LF의 조사에 의해 수직으로 발생한 1차 회절광과, 입사광 빔 LF의 조사에 의해 수직으로 발생한 1차 회절광이 간섭한 간섭 빔 BM이 발생한다. 간섭 빔 BM은 주파수 2·△f로 강도 변조된 빔광이 된다. 이와 같이±1차 회절광(간섭 빔 BM)을 동일방향으로 발생시키기 때문에, 다른 견해로 보면 대물렌즈(22)의 초점거리를 F₀으로 하여 각 파장마다 입사광 빔 ±LF의 푸리에 변환면 상에서의 광축으로부터의 간격 DL_n을,

DLn=F₀·sinθ_n=±F₀·λ_n/Pmg(n= 1, 2, 3)

로 설정하면 좋다. 이와 같은 각 파장마다의 간격 DL_n의 설정은 회전 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 피치나 콜리메이터 렌즈(10)의 초점거리를 정당히 정하는 것으로 조정 가능하다.

또한 웨이퍼 W 상에 형성되는 간섭 프린지는 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 회절상으로서 결상되어 있기 때문에, 원리적으로 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 1개의 파장 성분에 의한 간섭 프린지의 피치와 웨이퍼 W의 격자 마크 MG의 피치가 정수배의 관계가 되면, 다른 파장 성분에 의한 간섭 프린지의 피치도 스스로 그 관계가 되어 있는 것이며, 또한 각 파장 성분마다의 간섭 프린지도 완전히 합치되어 서로 위상 오프셋, 위치 오프셋을 일으키지 않은 것이다. 그렇지만 실제로는 대물렌즈(22), 콜리메이터 렌즈(10) 등의 광학계의 색수차의 정도에 따라 각 파장 성분마다의 간섭 프린지는 서로 위치 오프셋, 위상 오프셋 및 피치 오프셋을 일으킨다.

그래서 이와 같은 오프셋을 보정하기 위해, 제 24 도 중의 조정 광학계(14, 16, 18)를 사용한다. 이들 광학계(14, 16, 18)는 평행평판 유리로 구성되고, 그 재료로서 색분산이 큰 것을 사용하면, 각 파장 성분마다 웨이퍼 W 상에 형성되는 간섭 프린지의 상호위치 오프셋이나 위상 오프셋을 미소하게 변화시킬 수 있다. 혹은 조정 광학계(14, 16, 18)로서 색분산이 작은 평행 평판 유리와 색분산이 큰 평행 평판 유리를 조합하여, 색분산이 큰 평행 평판 유리의 경사 조정으로 각 파장 성분마다의 간섭 프린지의 상호관계를 보정하고, 그 보정에 의해 생기는 입사광 빔 ±LF의 웨이퍼 상에서의 전체적인 경사 오차에 관해서는 색분산이 작은 평행평판 유리의 경사 조정으로 보정하는 것이 가능하다.

이상과 같은 간섭 프린지에 의해 조명된 격자 MG로부터 수직으로 발생한 간섭 빔 BM은 대물렌즈(22), 빔 스플리터(20)를 통과하여 공간 필터(28)에 도달한다. 이 공간 필터(28)는 대물렌즈(22)에 관한 푸리에 변환면 또는 그 근방에 배치되고, 본 실시예에서는 간섭 빔 BM(±1차 회절광)만을 투과시키는 개구를 갖는다. 그리고 공간 필터(28)를 투과한 간섭 빔 BM은 렌즈계(푸리에 변환렌즈)(30)에서 평행 빔으로 변환된 후 제 1 다이크로익 미러(32), 제 2 다이크로익 미러(34)의 각각에 의해 파장 선택된다.

또한 간섭 빔 BM 중 파장 λ₁의 성분의 빔 B_m1은 다이크로익 미러(32)에서 90% 이상이 반사되어 광전 소자(36A)에 수광된다. 간섭 빔 BM 중 파장 λ₂의 성분의 빔 B_m2는 다이크로익 미러(32)를 투과한 후 다이크로익 미러(34)에서 90% 이상이 반사되어 광전 소자(36B)에 수광되고, 간섭 빔 BM 중 파장 λ₃의 성분의 빔 B_m3은 다이크로익 미러(32, 34)를 투과하여 광전 소자(36c)에 수광된다. 이들 광전 소자(36A, 36B, 36C)는 제 21 도 중의 광전 소자 DT3, DT4와 같은 기능을 갖고, 단 수광해야 할 간섭 빔 B_m1, B_m2, B_m3의 각각이 비트 주파수 2△f로 강도 변조되어 있는 점에서 다를 뿐이다. 또한, 사용하는 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 간격에 따라서는 다이크로익 미러(32, 34)에 의한 파장 분할이 불충분한 경우도 있기 때문에, 각 수광 소자(36A, 36B, 36C)의 직전에 간섭 필터(저역 통과 필터)를 배치해도 좋다. 또 다이크로익 미러(32, 34)는 각각 입사광계측의 다이크로익 미러 DCM5, DCM4와 같은 것이라는 것은 말할 필요도 없다.

각 광전 소자(36A, 36B, 36C)의 광전 신호 I_m1, I_m2, I_m3은 격자 마크 MG로부터의 간섭 BM이 존재하는 동안, 비트 주파수 2·△f와 같은 주파수로 정현파 형상으로 레벨 변화하는 파형이 된다.

한편, 파장선택 필터(24)에서 선택되어, 집광 렌즈(26)에 입사한 1차 빔 ±D₁₂는 투과형의 기준 격자 SG 상에 중첩하여 조사된다. 그래서도 기준 격자 SG는 콜리메이터 렌즈(10)와 집광 렌즈(26)와의 합성계에 관해 회전 방사형 격자판 RRG(주파수 변조기)와 공역으로 배치된다. 이 때문에 기준 격자 SG 상에도 1차 빔 ±D12의 2빔 간섭에 의한 1차원의 간섭 프린지가 형성되고, 그것은 비트 주파수 2·△f에 대응한 속도로 이동한다.

그래서 기준 격자 SG의 피치와 그 간섭 프린지의 피치를 적당하게 결정하면, 기준 격자 SG로부터 발생한 ±1차 회절광이 동일방향으로 간섭 빔 B_ms가 되어 진행하고, 그것은 공간 필터(38)를 투과하여 광전 소자(40)에 수광된다. 이 광전 소자(40)의 광전 신호 I_ms는 비트 주파수 2△f와 같은 주파수로 정현파로 레벨 변화하는 파형이 되고, 그 신호 I_ms가 헤테로다인 방식의 기준 신호가 된다.

이상의 구성에서 기준 격자 SG는 유리판 상에 크롬층을 증착하고, 그 크롬층을 투명 라인과 차광 라인이 교대로 형성되도록 에칭하여 만들어져 있기 때문에, 적어도 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG와 같은 비대칭성, 레지스트층의 문제가 거의 없는 이상적인 격자, 즉 진폭 투과율이 대칭적인 격자로 만들어진다. 이 때문에 기준 격자 SG에 조사되는 한 쌍의 입사광 빔은 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 1개의 파장에 대응한 1차 빔만으로도 충분한 정밀도를 얻을 수 있다. 물론, 입사광 빔 ±LF에 포함되는 3개의 1차 빔 ±D₁₁, ±D₁₂, ±D₁₃의 전부를 동시에 기준 격자 SG로 조사하여, 웨이퍼상의 격자 마크 MG와 마찬가지로 다색 간섭 프린지를 형성하도록 해도 좋다.

이와 같이 기준 격자 SG 상에 다색 간섭 프린지를 형성하고, 그 기준 격자 SG로부터 발생하는 간섭 빔 Bms를 각 파장마다 분리하여 광전 검출하도록 구성하면, 파장 λ₁에 따른 기준신호, 파장 λ₂에 따른 기준신호, 및 파장 λ₃에 따른 기준신호를 개별로 얻을 수 있기 때문에 파장마다 격자 마크 MG의 위치 계측이 가능해진다. 또한 웨이퍼 W 상에 형성되는 3개의 파장 성분마다 간섭 프린지가 상호 일정 위치 오프셋(위상 오프셋)을 일으켜도 그것을 미리 오프셋량으로서 계측하여 두는 것도 가능해진다. 그것에 대해서는 나중에 상세하게 기술한다.

그런데, 제 24 도에 도시한 웨이퍼 W는 대물렌즈(22)의 광축과 수직인 면(XY 평면) 내에서 2차원 이동하는 웨이퍼 스테이지 WST 상에 위치된다. 이 스테이지 WST 상의 2차원 이동은 구동 모터를 포함한 구동원(42)에 의해 행하여지고, 모터에 의해 보내져 피드 스크루를 회전시키는 방식, 또는 리니어 모터에 의해서 스테이지 본체를 직접 운동시키는 방식 중 어떤 것이어도 좋다. 다음에 스테이지 WST의 좌표 위치는 레이저 간섭계(44)에 의해 순서대로 계측된다. 이 레이저 간섭계(44)의 계측값은 구동원(42)의 피드백 제어에 사용한다. 다음에 웨이퍼 스테이지 WST의 일부에는 기준 마크판 FG가 설치되어 있다. 마크판 FG에는 석영의 표면에 크롬층으로 라인 앤드 스페이스를 패터닝한 반사형 강도 격자(피치는 웨이퍼상의 격자 MG와 동일)가 형성된다. 이 때문에 강도격자는 웨이퍼 W 상에 요철로 형성된 격자 마크 MG와 같은 위상격자와 달리, 비대칭성이 없는 회절 효율이 조명광(또는 검출광)의 파장에 의존하지 않는다는 특징, 즉 진폭 반사율에 비대칭성이 없다는 특징을 갖는다. 다음에 크롬층의 반사율도 위치 검출용의 조명광의 파장대(일반적으로는 0.5 내지 0.8㎛)에서는 변화하지 않는다. 이 때문에, 기준 마크판 FG 상의 강도 격자를 사용하면 각 파장마다 얻어진 광전 신호 I_m1, I_m2, I_m3의 각 진폭의 변화나 상호의 비를 정확히 구할 수 있다.

이상의 제 24 도의 장치에 있어서, 광원으로서 반도체 레이저를 사용하지만, 이 경우 반도체 레이저(LS₂, LS₃)와 각 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅의 사이에 비 점수차 제거용 정형 광학계(경사진 복수장의 평행 평판 유리 등)를 설치하고, 1 장으로 합성된 빔 LB₀의 각 파장 성분마다의 빔 성분을 같은 구경으로 하는 것이 좋다. 또 그 이외의 경우에도, 합성후의 빔 LB₀의 직경을 각 파장 성분마다 빔 정형 광학계를 설치하는 것이 바람직하다.

또 제 24 도에서는 설명을 간략하게 하기 위해서 주파수 시프터로서 회전 방사형 격자판 RRG를 사용했지만, 다른 2개의 음향광학 변조기(AOM)를 사용하거나, 중심 파장 λ1로 발진하는 제 1 제만 레이저 광원과 중심파장 λ₂로 발진하는 제 2 제만 레이저 광원을 광원으로 사용해도 좋다. 다만, 제만 레이저의 경우, 일반적으로는 편광 방향이 상보적인 2개의 레이저 빔을 발진하여, 그 빔 사이에 수백킬로 Hz 내지 수메가 Hz의 주파 수차를 주기 때문에, 광전 검출하는 간섭 빔의 비트 주파수도 그 나름대로 높아지며, 광전 소자(36A, 36B, 36C, 40) 등은 높은 신뢰도를 갖는 PIN 다이오드 나 포토멀티플라이어 등을 사용하게 된다.

또 제 24 도에 도시한 각종 다이크로익 미러는 프리즘 등의 분산소자로 바꾸어도 좋다. 이 경우, 1개의 프리즘은 예를 들면 2개의 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅의 세트, 혹은 다이크로익 미러(32, 34)의 세트와 같은 기능을 갖는다.

다음에 제 24 도의 장치에 적절한 위치 검출, 위치 제어 회로의 일례를 제 25 도를 참조하여 설명한다. 제 25 도의 헤테로다인 방식의 경우, 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG, 또는 기준 마크판 FG로부터 간섭 빔 BM이 발생하는 동안, 각 광전 소자(36A, 36B, 36C, 40)로부터의 신호 I_m1, I_m2, I_m3, I_ms는 제 26A 도 내지 26D 도에 도시하는 바와 같은 정현파 형상의 교류 파형이 된다.

제 26D 도는 기준 신호가 된 신호 I_ms의 시간적인 강도 변화를 도시하고, 제 26A 도, 제 26B 도, 제 26C 도는 각 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG로부터의 간섭 빔 BM을 수광하였을 때의 신호 I_m1, I_m2, I_m3의 시간적인 강도 변화의 일례를 도시한다. 그래서 신호 I_ms의 위상을 기준으로 하면, 신호 I_m1의 위상은 신호 I_ms에 대해 -△Ψ₁만큼 어긋나고, 신호 I_m2의 위상은 신호 I_ms에 대해 -△Ψ₂큼 어긋나며, 신호 I_m3의 위상은 신호 I_ms에 대해 -△Ψ₃ 만큼 어긋나 있는 것으로 한다. 또, 신호 I_m1의 진폭(교류 성분의 피크 투 피크)은 E₁, 신호 I_m2의 진폭은 E₂, 신호 I_m3의 진폭은 E₃이 되는 것으로 한다.

제 25 도에 도시된 회로 블록에 있어서, 각 신호 I_m1, I_m2, I_m3, I_ms는 아날로그-디지털 변환(A/D 컨버터)회로 유닛(50)에 입력되고, 그래서 샘플링 클록 발생회로(52)로부터의 클록신호(펄스) C_ps에 응답하여 각 신호의 그 순간 강도 레벨이 디지털값으로 변환된다. 클록신호 C_ps의 주파수는 신호 I_mn(n=1, 2, 3), I_ms의 비트 주파수보다도 충분히 높게 정해져, 그 클록신호 C_ps는 파형 메모리 회로 유닛(54)에도 보내지며, A/D 컨버터(50)로부터의 디지털값(데이터)을 기억할 때의 메모리 어드레스의 갱신에 사용한다. 따라서, 파형 메모리 회로 유닛(54)에는 제 26A 도 내지 26D 도에 도시한 4개의 파형 데이터가 각 신호 I_mn, I_ms의 소정 주기분(예를 들면, 10주기분 이상)에 걸쳐 디지털 샘플링된다. 이 때, 4개의 신호 I_mn, I_ms는 공통의 클록 신호 C_ps에 의해 동시에 샘플링되기 때문에, 파형 메모리 회로 유닛(54) 내의 각 파형 데이터에는 시간축 상에서의 오프셋이 없는 것으로 한다. 또한 회전 방사형 격자판 RRG를 사용한 경우, 비트 주파수는 수 ㎑ 정도가 상한이기 때문에, 클록 신호 C_ps도 수십 ㎑ 정도로 좋다. 또 (E) 특개평 6-82215호 공보와 같은 2개의 AOM을 직렬로 배치한 주파수 시프터를 사용하는 경우, 비트 주파수는 각 AOM에 가하는 고주파수 변조신호의 주파수의 차의 2배로 결정되기 때문에 비교적 자유롭게 결정하는 것이 가능하다.

또한 메모리 회로 유닛(54) 내의 각 파형 데이터는 위상차 △Ψ_n(n=1, 2, 3), 위치 오프셋 △X_n(n=1, 2, 3)의 검출 회로 유닛(56)에 읽어들여지고, 그래서 제 7 도에 도시한 바와 같은 각 위상차 △Ψ₁, △Ψ₂, △Ψ₃이 디지털 연산(푸리에 적분법)에 의해 산출된다. 앞서 가정한 바와 같이 웨이퍼 W의 격자 마크 MG의 피치 Pmg와, 이 위에 조사되는 간섭 프린지의 피치 Pif가 Pmg=2Pif로 설정되면, 제 26A 도 내지 26D 도의 각 파형의 1 주기는 Pmg/2에 대응한다. 또 일반적으로 위상차 계측은 ±180도의 범위로 행해지기 때문에, 검출 회로(56)는 연산된 위상차 △Ψ₁, △Ψ₂, △Ψ₃을 앞의 식(7)에 따라 ±Pmg/4의 범위내의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃으로 변환한다. 이 오프셋량 △X_n은 기준 격자 SG에 대한 격자 마크 MG의 ±Pmg/4 내에서의 오프셋을 도시한다.

그래서 위상차 계측의 분해능으로서 0.2도 정도를 얻을 수 있는 것으로 하면, 오프셋량의 분해능은 (0.2/180)Pmg/4가 되고, 피치 Pmg를 4㎛로 하면 실용적인 범위로서 0.002(2nm) 정도를 얻을 수 있다.

한편, 신호 진폭 및 진폭비 검출 회로 유닛(58)은 파형 메모리 회로 유닛(54)에 기억된 제 26A 도 내지 26D 도와 같은 각 파형 데이터를 읽어내고, 각 파형마다의 진폭값 E₁, E₂, E₃을 디지털 연산에 의해 검출한다. 검출 회로 유닛(58)에는 미리 기준 마크판의 FG의 격자로부터 발생한 간섭 빔 BM을 각 광전 소자(36A, 36B, 36C)에서 수광하였을 때에 얻어지는 광전 신호 I_m1, I_m2, I_m3의 각각의 진폭값 A₁, A₂, A₃이 기억되어 있다.

즉, 웨이터 W 상의 격자 마크 MG를 계측하기 전에 기준 마크 판 FG의 격자 마크를 대물렌즈(22)의 아래로 이동시켜, 각 광전 소자(36A, 36B, 36C)로부터 제 26A 도 내지 26D 도와 같은 신호를 발생시키고, 그것을 파형 메모리 회로 유닛(54)에 기억시킨 후, 진폭 검출 회로(58)에서 진폭값 A₁, A₂, A₃을 검출하여 기억시킨다. 이 때, 기준 마크판 FG가 검출되는 스테이지 WST의 정지위치를 레이저 간섭계(44)로부터 판독하여 기억하는 동시에 오프셋량 검출 회로 유닛(56)에서 각 파장마다의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3도 구하여 두면, 그것을 베이스 라인 결정시의 데이터로서 이용할 수 있다.

또한 그래서 말하는 베이스 라인이라는 것은 각 파장마다 계측된 마크판 FG상의 격자 마크의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3 이 극히 미소량만 서로 다를 때에 그 상호의 미소 오차분을 의미한다. 본래, 제 24 도에 도시한 입사광계에서는 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 각 빔에 의해 기준 마크판 FG 상에 생성되는 각 파장마다의 간섭 프린지가 엄밀히 일치하여, 각 파장마다의 광전 검출계의 전기적인 응답성, 왜곡 특성이 충분히 갖추어져 있으면, 마크 판 FG의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 각 값은 완전히 일치하는 것이다.

하지만 현실적인 문제로서, 분해능이 2mm 정도가 되면, 그 분해능 정도에 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3이 일정하도록 입사광계나 검출계를 조정하는 것은 어렵다. 그 때문에 마크판 FG에서 계측된 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 상호차가 제 24 도에 도시한 얼라인먼트계 고유의 오프셋(베이스 라인 오차)으로서 잔존하게 된다.

그 베이스 라인 오차는 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 검출하여 검출 회로(56)에서 구해지는 각 파장마다의 위치 오프셋 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 각각을 먼저 구한 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 각각에서 보정 계산하는 것으로 결정된다. 일례로서, 제 24 도의 장치에서는 기준 격자 SG로부터 얻어지는 간섭 빔 B_ms를 파장 λ₁로 제한하였기 때문에, 계측된 기준 마크판 FG의 위치 오프셋량 △X_b1을 기준으로 하여 △X_b2-△X_b1=△X_b21, △X_b30-△X_b31=△X_b31을 계산하여 기억시켜 둔다. 그리고 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG에 대해 측정된 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃에 대한 △X₂-△X₁=△X_b21이 되도록 △X₂의 값을 보정 계산하고, △X₃-△X₁=△X_b31이 되도록 △X₃의 값을 보정 계산하면 좋다.

물론, 참조격자 SG로부터 얻어지는 간섭 B_ms에 각 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 이 포함되도록 구성하고, 그 각 파장마다의 간섭 빔을 별도로 광전 검출하여 기준신호를 만드는 경우는 각 기준신호(각 파장)마다 기준 마크판 FG의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3이 구해지고, 계측된 웨이퍼 상의 격자 마크 MG의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃을 △X₁ - △X_b1, △X₂ - △X_b2, △X₃ - △X_b2와 같이 보정 계산하면 좋다.

다음에 진폭 비검출 회로 유닛(58)은 미리 기억되어 있는 진폭값 A₁, A₂, A₃과 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 검출하였을 때에 얻어지는 진폭값 E₁, E₂, E₃ 의 각 비 C₁, C₂, C₃ 을, C₁=E₁/A₁, C₂=E₂/A₂, C₃=E₃/A₃으로서 산출한다. 이 비 C₁. C₂, C₃은 제 21 도의 실시예에서 설명한 가중 계수에 상당한다.

이상과 같이 하여 구해진 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃과 비 C₁, C₂, C₃의 데이터는 가중 평균화 연산 회로 유닛(60)에 보내지고, 여기서 가중한 격자 마크 MG의 오프셋량 △X를 산출한다. 그 연산은 다음 식에 의해 행해진다.

△X=(C₁·△X₁+C₂·△X₂+C₃·△X₃)/(C₁+C₂+C₃)

이렇게 하여 구해진 오프셋량 △X는 참조격자 SG에 대한 격자 마크 MG의 피치 방향의 오프셋이고, 그 데이터는 위치제어, 표시기(62)에 보내지는 동시에 웨이퍼 W를 리얼타임으로 얼라인먼트(위치결정)하는 경우에는 서보 제어 회로 유닛(64)에도 보내진다.

도 9에 도시된 바와 같이, 이 서보 제어 회로 유닛(64)은 2개의 기능을 갖고 있고, 그 하나는 오프셋량 △X가 소정의 값으로 되기까지 구동원(42)을 피드백 제어하는 기능(다이렉트 서보 모드)이다. 이 기능의 경우는 A/D 컨버터 회로(50), 메모리 회로 유닛(54), 오프셋량 검출회로 유닛(56) 및 평균화 회로 유닛(60)의 동작이 차례로 반복되고, 극히 짧은 시간(예를 들면 수 msec)마다 오프셋량 △X의 값이 산출된다. 또한, 진폭비 검출회로 유닛(58)에 의한 비 C₁, C₂ C₃의 산출은 처음의 1회만이라도 좋고, 오프셋량 △X의 산출마다 매회 행해져도 좋다. 비 C₁, C₂, C₃의 산출을 매회 행하는 경우는 가중 평균화 회로 유닛(60)에 의한 오프셋량 △X의 산출마다 비 C₁, C₂, C₃의 값이 약간 변화하는 경우가 있는 것은 물론이다. 또 비 C₁, C₂, C₃의 산출을 처음의 1 회 또는 복수회만으로 하는 경우는 그 이후 동일한 격자 마크 MG를 검출하는 동안은 동일한 비의 값이 사용된다.

한편, 서보 제어 회로 유닛(64)의 하나의 기능은 웨이퍼 스테이지 WST를 레이저 간섭계(44)의 계측값에 기초하여 이동시키는 기능(간섭계 서보 모드)이다. 이 기능은 예를 들면 스테이지 WST 상의 기준 마크판 FG의 격자나 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 대물렌즈(22)의 바로 아래에 위치결정하고, 검출된 격자 마크 MG의 위치를 기준으로 하여 웨이퍼 상의 임의의 점을 대물렌즈(22)의 바로 아래에 위치 결정할 때에 사용된다. 이 간섭계 서보 모드의 경우, 위치 제어기(62)로부터의 웨이퍼 스테이지 WST의 목표 위치 정보가 서보 제어 회로 유닛(64)에 출력되고, 제어 회로 유닛(64)은 레이저 간섭계(44)로부터 판독한 스테이지 WST의 현재 위치와 목표 위치의 편차가 소정의 허용범위(예를 들면 ±0.04㎛)에 들어가도록 구동원(42)을 피드백 제어한다.

또한, 본 실시예에서도 상기 제 9 도와 마찬가지로, 간섭계 서브 모드에 계속하여 다이렉트 서보 모드를 실행할 수 있다.

위치제어, 표시기(62)는 상술한 서보 모드의 전환 지시와는 달리 격자 마크 MG의 좌표 위치나 구해진 오프셋량 △X를 표시하는 기능도 갖는다. 또 경우에 따라서는 격자 마크 MG를 검출하였을 때의 가중 계수가 되는 비 C₁, C₂, C₃의 값도 기억, 보존한다. 이 경우, 웨이퍼 W 상의 다수의 위치에 동일한 격자 마크 MG가 형성되고, 그들 마크 MG의 위치를 순차 검출할 때에, 비 C₁, C₂, C₃ 도 순차 기억해 두면, 웨이퍼 W 상의 어느 부분의 마크 MG에 비대칭성이나 레지스트층에 기인한 문제가 있는 것을 검증할 수 있다. 그리고, 웨이퍼 W 상에서 가중 계수(비 C₁, C₂, C₃)가 크게 변화한 부분을 그래픽 표시하도록 하여도 좋다. 이 때, 확산공정이나 에칭 공정 등의 화학 프로세스를 거쳐서 레지스트층을 도포하기 전의 웨이퍼를 제 24 도의 장치에 장착하여 가중 계수의 변화를 구하면, 그 화학 프로세스에 의한 웨이퍼면 상의 영향을 간접적으로 조사할 수도 있다. 또한 그 웨이퍼에 레지스트층을 도포하여 동일하게 가중 계수의 변화를 구하여 도포전의 가중 계수의 변화와 비교하면, 레지스트층에 의한 영향을 간접적으로 조사할 수도 있다.

이상의 제 10 실시예에서는 스테이지 WST 상에 기준 마크판 FG를 설치하고, 이것을 사용하여 각 파장마다 신호 진폭의 변화율, 즉 비 C₁, C₂, C₃을 구하도록 하였으므로, 제 8 실시예(제 21 도)와 같이 입사광빔 LB₁, LB₂의 광강도를 직접 검출하는 광전 소자 DT₁, DT₂를 준비할 필요가 없다. 이 사실은 반대로 제 8(또는 제 9) 실시예에 있어서도 기준으로 되는 기준 마크판 FG를 격자 MG와 병치하면, 광전 소자 DT₁, DT₂를 설치하는 것이 아니고 비 C₁, C₂를 검출할 수 있는 것을 의미한다.

제 27 도는 제 11 실시예에 의한 신호 처리 회로의 구성을 도시하고, 여기서는 제 24 도에 도시한 파장 선택 필터(24)를 생략하고, 참조격자 SG로부터의 간섭 빔 B_ms를 다이크로익 미러 등에서 3개의 파장(λ₁, λ₂, λ₃)마다의 빔 B_ms1, B_ms2, B_ms3으로 분리하고, 이들을 개별로 광전 검출하는 3개의 광전 소자t40A, 40B, 40C)를 사용하는 것으로 한다. 이 경우, 계측용의 광전 소자(36A, 36B, 36C)로부터의 각 신호 I_m1, I_m2, I_m3은 각각 광전 소자(40A, 40B, 40C)로부터의 참조 신호 I_ms1, I_ms2, I_ms3과의 사이에서 위상차 검출이 행해진다. 즉, 계측 신호 I_m1에 관해서는 참조신호 I_ms1과의 위상차 △Ψ₁를 구함으로써 파장 λ₁의 입사광빔을 사용하였을 때의 격자 마크 MG의 위치 오프셋(△X₁)이 구해진다.

이러한 구성의 경우, 파형 데이터를 집어넣어야 할 신호의 수가 많기 때문에, 제 27 도에 도시하는 바와 같이 각 파장에 대응하여 3세트의 파형 샘플링 회로(제 25 도 중의 A/D 컨버터(50), 클록 발생회로(52), 메모리 회로(54)의 기능을 갖는다; 80A, 80B, 80C)를 설치한다. 회로(80A, 80B, 80C)의 내부 구성은 동일하므로, 제 27 도에서는 회로(80A)만에 대하여 상세한 구성을 도시하고, 다른 회로(80B, 80C)에서는 상세 설명을 생략한다.

본 실시예에서는 회로(80A)에 도시한 바와 같이, 계측용의 간섭 빔 B_m1을 수광하는 광전 소자(36A)로부터의 신호 I_m1과, 참조용의 간섭 빔 B_ms1을 수광하는 광전 소자(40A)로부터의 신호 I_ms1을 각각 샘플 홀드(S/H) 회로(800, 802)에 입력하고, 그 S/H 회로(800, 802)로부터의 신호 레벨을 아날로그 멀티플렉서(804)를 통해 아날로그 디지털 변환기(ADC)(806)에 입력한다.

ADC(806)에서 변환된 디지털값은 재기록 자유로운 메모리(RAM; 808)의 액세스된 어드레스에 기록된다. RAM(808)은 어드레스 카운터(810)에 의해 어드레스값이 작성되고, 어드레스값은 클록 신호 C_ps에 응답하여 증가(또는 감소)된다. 단, 여기서는 어드레스 카운터(810)에 특별기능을 갖게 하여, 클록 신호 C_ps를 어드레스 카운터의 특정의 상위 비트의 1개에 플래그로서 공급하도록 구성된다. 이로써 RAM(808)의 어드레스 공간은 2개의 페이지로 나누어지며, 클록 신호 C_ps가 논리「0」의 사이는 1 페이지째의 어드레스 공간이 액세스되고, 클록 신호 C_ps가 논리「1」의 사이는 2 페이지의 어드레스 공간이 액세스된다.

그 클록신호 C_ps는 S/H 회로(802)에도 공급된다. 또한 클록 신호 C_ps는 타이밍회로(814)에도 공급되고, ADC(806)의 디지털 변환의 타이밍과 RAM(808)의 데이터 기록 타이밍을 위한 신호(펄스) 작성에 사용한다.

따라서 클록신호 C_ps가 「1」일 때는 S/H 회로(802)가 홀드 상태로 되고, 광전 소자(36A)의 신호 I_m1의 그 때의 레벨이 아날로그 멀티플렉서(804)를 통해 ADC(806)에 공급되고, 그 레벨에 따른 디지털값이 RAM(808)의 2 페이지째의 어드레스 공간 내의 1개의 어드레스 위치에 기억된다. 반대로 클록 신호 C_ps가 「0」일 때는 S/H 회로(802)가 홀드 상태로 되고 광전 소자(40A)의 신호 I_ms1의 그 때의 레벨이 멀티플렉서(804)를 통해 ADC(806)에 공급되고, 그 레벨에 따른 디지털값이 RAM(808)의 1 페이지째의 어드레스 공간 내의 1개의 어드레스 위치에 기억된다.

이상의 동작이 신호 I_m1(또는 I_ms1)의 소정 주기분(예를 들면 10 주기 이상)만큼 고속으로 반복되고, RAM(808)의 1 페이지째에는 참조신호 I_ms1의 파형 데이터가 기억되고, 2 페이지에는 계측 신호 I_m1의 파형 데이터가 기억된다. 이렇게 하여 RAM(808)에 기억된 1 세트의 파형 데이터는 마이크로프로세서 등의 데이터 ABS로부터 어드레스 카운터(810)에 설정된 어드레스값에 응답하고, 마이크로프로세서의 데이터 버스 DBS에 읽혀 나온다. 마이크로프로세서는 제 6 도에 도시한 각 검출회로(56, 58)와 동일한 기능을 달성하는 프로그램에 의해 각 파형 데이터를 처리하고, 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃을 구한다.

이상의 샘플링 회로(804)의 구성, 동작은 샘플링 회로(80B, 80C)에서도 완전히 동일하고, 회로(80B)는 계측 신호 I_m2와 참조 신호 I_ms2의 각 파형 데이터를 일시적으로 기억하고, 회로(80C)는 계측 신호 I_m3과 참조 신호 I_ms3의 각 파형 데이터를 일시적으로 기억한다.

제 11 실시예에서는 계측 신호 I_mn과 참조 신호 I_msn 의 각각에 대해 A/D 컨버터를 설치하고 있지 않으므로, 마이크로초 오더 내에서 동시에 샘플링하는 것은 어렵지만, 현실 문제로서 간섭 빔의 비트 주파수가 수십 ㎑ 이하이면, 마이크로초 정도의 동시성은 그다지 필요하지 않다. A/D 컨버터 등의 개수를 반분으로 하여 회로 구성을 간략화함으로써 신호 처리 회로의 하드웨어 비용을 저감시키는 쪽이 유리하다.

그런데 웨이퍼 스테이지 WST 상에 공지의 반사율의 크롬 표면을 가진 기준 마크판 FG를 고정한 경우는 앞에서도 언급한 바와 같이 그 마크판 FG를 갖는 베이스라인량의 계측이나 포커스 상태의 계측에 이용할 수 있다. 베이스 라인량은 기본적으로는 투사 노광 장치에 장착된 마스크(레티클)의 중심의 투사점과 각종 웨이퍼 얼라인먼트계의 검출 중심점과의 상대적인 위치 관계를 결정하기 위한 계측 동작을 의미한다.

그래서 상기 제 24 도와 같은 위치 검출 장치를 제 15 도에 도시한 투사 노광 장치의 각 얼라인먼트계에 적용한 경우, 각 얼라인먼트계의 검출 중심점 R_fi, R_f2, R_f3, R_f4는 참조격자 SG에 의해 규정된다. 단 레티클 얼라인먼트계의 RA에 있어서, 레티클 R의 주변의 레티클 얼라인먼트용의 마크(격자 패턴) RM과 기준 마크판 FG 상의 대응한 격자 마크를 패턴 PR의 투사 노광용의 조명광과 동일한 파장의 조명광으로 조사하고, 양 마크가 소정의 위치 관계로 되도록 레티클 스테이지 RST를 이동시키는 구성으로 되어 있는 경우는 검출 중심점 R_f1을 필요로 하지 않는다.

이 사실은 얼라인먼트계 TTRA에 있어서도 동일하며, 기준 마크판 FG 상의 대응한 마크 혹은 웨이퍼 W 상의 마크와, 레티클 R의 패턴 PR의 주변부에 형성된 다이·바이·다이(D/D)마다 얼라인먼트용의 마크를 화상으로서 촬상하고, 양 마크상의 위치 오프셋을 검출하는 방식인 경우는 개별로 검출 중심점 Rf2를 규정할 필요도 없다.

여기서, 베이스라인량은 레티클 R의 중심 CCr의 웨이퍼 측으로의 투사점(실질적으로 광축 AX에 일치한다)과 각 검출 중심점 Rf1, Rf2, Rf3, Rf4의 웨이퍼측으로의 투사점과의 사이의 X, Y방향의 위치관계와 다르지 않다. 그 위치관계는 기준 마크 판 FG가 대응한 마크군과 각 검출 중심점 Rf1 내지 Rf4의 투사점과의 위치 오프셋량을 각 얼라인먼트계 RA, TTRA, TTLA, OFA 자체에서 검출하는 동시에, 그 때의 웨이퍼 스테이지 WST의 좌표위치를 레이저 간섭계(44; 제 24 도 참조)에 의해 검출함으로써 구해질 수 있다.

그래서 각 얼라인먼트계에 제 24 도와 같은 헤테로다인 방식의 위치 검출 장치가 장착되어 있을 때는 그러한 베이스라인 계측 동작 시에 기준 마크판 FG의 격자를 검출하게 되고, 제 24 도의 광전 소자(36A, 36B, 36C)로부터의 신호 I_m1, I_m2, I_m3의 각 진폭 레벨 A₁, A₂, A₃을 제 25 도의 회로 유닛(58)내에 기억해 둘 수 있다. 또한 제 15 도에 도시한 투사 광학계 PL 내의 눈동자면 EP는 상기 제 21 도에 도시한 푸리에 변환면 EP과 동등한 것이다. 그리고 투사 광학계 PL를 통해 웨이퍼 스테이지 WST 상의 물체(웨이퍼의 마크 또는 기준 마크판 FG의 마크)를 검출하는 얼라인먼트계 RA, TTRA, TTLA의 각각에 설치된 대물렌즈의 광축은 웨이퍼 스테이지 WST측에서는 실질적으로 광축 AX과 평행하도록 설정된다. 또, 투사 광학계 PL의 웨이퍼측뿐만 아니라 레티클측도 텔레센트릭계로 되었을 때(제 15 도의 경우)는 각 얼라인먼트계의 대물렌즈의 광축은 레티클측에서도 투사 광학계 PL의 광축 AX과 평행하게 되어 있다. 그리고, 그 대물렌즈의 광축의 연장은 투사 광학계 PL의 눈동자면 EP의 중앙(광축 AX가 통과하는 부분)을 통과하게 된다.

그 눈동자면 EP의 실효적인 반경은 투사렌즈 PL의 해상력(최소 해상선폭)을 좌우하는 개구수(N, A)에 대응하여, 현재 N. A.=0.5 내지 0.7 정도의 투사렌즈가 개발된다.

제 28 도는 제 15 도에 도시한 얼라인먼트 중 얼라인먼트계 TTLA의 주요일부의 일 예를 도시하고, 웨이퍼 상의 격자 마크 MG 또는 기준 마크판 FG를 검출하기 위한 2개의 입사광 빔 ±LF(제 24 도 중의 빔 +LF와 빔 -LF에 상당)는 보정광학계 CG, 빔 스플리터(20; 제 24 도 중의 하프 미러(20)에 상당), 대물렌즈 OBJ(제 24 도 중의 대물렌즈(22)에 상당), 2개의 미러 MR를 통해 투사렌즈 PL에 입사한다. 이 때, 2개의 미러 MR의 사이에는 웨이퍼 W의 표면과 공역인 면 FC가 형성되고, 이면 FC 내에서 2개의 빔 LF는 교차한다. 그 빔±LF는 투사렌즈 PL에 의해 릴레이되고, 웨이퍼 상에서도 교차하여 격자 마크 MG를 조사한다.

격자 마크 MG로부터의 간섭 빔 BM은 투사렌즈 PL의 눈동자 EP의 중앙을 통과하고, 미러 MR, 대물렌즈 OBJ, 및 빔스플리터(20)를 통해 다이크로익 미러 DCM(제 24 도 중의 다이크로익 미러(32)에 상당)에 입사하고, 여기서 파장 분할된다. 가령 입사광 빔 ±LF가 2개의 파장 λ₁, λ₂, 이라고 하면, 다이크로익 미러 DCM은 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1을 광전 소자(36A)로 유도하고, 파장 λ₂의 간섭 빔 B_m을 광전 소자(36B)로 유도한다.

이러한 얼라인먼트계 TTLA에 있어서, 입사광 빔 ±LF가 복수의 파장성분(30∼40nm 정도 이격된다)을 포함하면, 투사렌즈 PL의 색수차(축 상과 배율)의 영향, 또는 대물렌즈 OBJ의 색수차의 영향에 의해, 웨이퍼 상에 조사되는 빔 ±LF의 교차 영역이 각 파장 성분마다 Z방향, 혹은 XY방향으로 미소하게 어긋나고 있다. 제 28 도와 같은 입사광빔 ±LF의 광로 중에 색수차에 따라서 발생하는 오차를 보정하는 보정 광학계 CG를 설치한다. 보정 광학계 CG는 렌즈는 볼록 렌즈, 혹은 그들의 조합 렌즈, 또는 평행 평판 유리 등으로 구성되고, 제 24 도에 도시한 조정 광학계(14, 16, 18)를 사용하여도 좋다.

또, 제 15 도 중의 얼라인먼트계 TTRA의 경우, 레티클 R 상의 D/D 얼라인먼트용의 마크 DDM을 회절 격자로 하고, 그 마크 DDM과 대응하는 웨이퍼 W 상의 격자마크 MG와의 상대 위치 오프셋을 제 24 도와 같은 헤테로다인 방식으로 검출할 때에는 상기 제 17A 도, 제 17B 도에 도시한 바와 같이 투사렌즈 PL의 눈동자면 EP에 투명한 평행 평판 형상의 보정판 PGP를 설치하고, 이 보정판 PGP 상에서의 입사광 빔(±LF)이나 간섭 빔(BM)이 통과하는 위치에만 위상형 회절 격자 PG₁, PG₂, PG₃을 배치하고, 축상의 색수차와 배율의 색수차의 영향을 저감시킬 수 있다.

다음에 본 발명의 제 12 실시예를 이하에 설명한다. 본 실시예에서는 제 24 도에 도시한 구성을 베이스로 하고, 상기 제 4 도, 제 5A 도, 제 5B 도에서 설명한 바와 같이, 격자 마크로부터의 ±1차 회절광의 간섭 빔의 외에, 격자 마크로부터의 0차광과 2차 회절광의 간섭 빔도 검출하는 구성을 부가하였다. 0차 광과 2차 회절광과의 간섭 빔을 단일의 광전 소자로 광전변환하고, 그 광전 신호를 사용하여 격자 마크의 위치 오프셋을 검출하는 방식의 경우, 격자 마크 조명용의 입사광빔을 다파장화한 후에 0차 광과 2차 광의 간섭 빔(다파장화된다)을 단일의 광전 소자로 수광하면, 그대로로서는 양호한 위치 오프셋 검출이 곤란하였다. 그 커다란 이유는 제 29A 도 내지 제 29D 도에 도시하는 바와 같이 0차 광과 2차 광의 간섭 빔을 예를 들면 3개의 파장성분 λ₁, λ₂, λ₃ 마다 광전 검출하여 얻어진 광전 신호 IR02₁, IK02₂, IK02₃의 파형을 관찰하면 쉽게 이해할 수 있다. 즉, 제 29A 도 내지 제 29D 도에 도시하는 바와 같이 3개의 광전신호 IK02_n(n=1, 2, 3)의 서로 위상차가 ±1차 회절광의 간섭 빔인 경우의 광전신호 I_mn(제 7 도 참조)의 위상차에 비하여 대체로 크게 되기 때문이다. 이 때문에, 원래 큰 위상차를 갖는 각 파장마다의 광의 강도 변화를 단일 광전 소자로 수광하면, 각 파장의 강도의 상쇄 효과에 의해 광전신호의 진폭(교류의 진폭분)이 극히 작아져 버리는 것이다. 0차 광과 2차 광의 간섭 빔은 제 4 도에서 설명한 바와 같이 1차 회절광 D_ln의 간섭 빔 BM의 양측에 대칭적인 각도로 발생한다.

그런데 제 29A 도, 제 29B 도, 제 29C 도는 제 4 도에 도시한 0차 -2차 광의 간섭 빔 중, 예를 들면 1차 광의 간섭 빔 BM의 좌측에 나타나는 간섭 빔을 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃마다 개별로 광전 검출하였을 때의 각 광전신호 IK02₁, IK02₂, IK02₃의 헤테로다인 방식에서의 파장을 도시하고, 제 29D 도는 제 26D 도와 동일한 참조 신호가 되는 광전신호 I_ms의 파형을 도시한다.

한편, 제 30A 도, 제 30B 도, 제 30C 도는 제 4 도에 도시된 0차-2차 광의 간섭 빔 중, ±1차 광의 간섭 빔 BM의 우측에 나타나는 간섭 빔을 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃마다 개별로 광전 검출하였을 때의 각 광전신호 IK20₁, IK20₂, IK20₃의 헤테로다인 방식에서의 파형을 도시하고, 제 30D 도는 제 29D 도와 동일한 광전신호 I_ms 의 파형을 도시한다. 이상의 제 29A 도, 제 29B 도, 제 29C 도와 제 30A 도, 제 30B 도, 제 30C 도에 도시하는 바와 같이, 각 신호 IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3)의 위상 오프셋 △β₀₁, △β_02, △β₀₃, △β₂₁, △β₂₂, △β₂₃은 파장의 의존성이 강하고, 크게 격차가 생기는 동시에, 동일 파장에 대해서는 신호 IK02_n과 IK20_n에서 역방향인 경향을 갖는다.

그래서 본 실시예의 구성을 제 31 도를 참조하여 설명한다. 제 31 도는 제 24 도의 구성의 일부, 구체적으로는 격자 마크 MG로부터의 각종 간섭 빔의 광전 검출계를 변경한 것이며, 따라서 제 24 도 중의 부재와 동일한 기능의 부재에는 동일 부호를 붙인다. 제 31 도 중의 입사광계(100)는 제 24 도에 도시한 광원 LS₁, SL₂, SL₃, 미러 MR, 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅, 주파수 시프터로서의 방사형 격자판 RRG, 렌즈(10), 공간 필터(12) 및 조정 광학계(14, 16, 18) 등으로 구성되고, 한 쌍의 입사광빔 +LF, -LF을 사출한다. 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 각 성분을 포함한 입사광빔 ±LF는 하프 미러(20)에서 일부가 반사되어 대물렌즈(22)에 입사하고, 일부는 참조 광 수광계(110)에 입사한다. 참조광 수광계(110)는 제 24 도 중의 파형 선택 필터(24), 렌즈(26), 참조격자 SG 및 공간 필터(38)로 구성되고 참조광 B_ms를 광전 소자(40)로 유도한다.

그리고, 대물렌즈(22)를 통해 웨이퍼 W 상의 격자 MG가 입사광빔 ±LF에 의해 조사되면, ±1차 회절광의 간섭 빔 BM이 수직으로 발생하는 동시에 각 입사광빔의 진행방향과 역방향으로 0차-2차 광의 각종 간섭 빔이 발생한다. 0차-2차 광의 간섭 빔은 대물렌즈(22), 하프 미러(20)를 통해 다이크로익 미러(32, 34)를 향하고, 여기서 각 파장 성분마다 분리된다. 우선 다이크로익 미러(32)에서는 파장 λ₁의 0차-2차 광의 간섭 빔(2개)이 반사되고, 그 간섭 빔은 각각 36Al, 36A2에서 수광된다. 물론, 파장 λ₁의 ±1차 광의 간섭 빔 B_m1은 다이크로익 미러(32)에서 반사되어 광전 소자(36A)에서 수광된다.

또한 다이크로익 미러(32)를 투과한 파장 λ₂, λ₃의 0차-2차 광의 간섭 빔과 ±1차 광의 간섭 빔 B_m2, B_m3은 다이크로익 미러(34)에서 파장 성분마다 분리되고, 파장 λ₂의 0차-2차 광의 간섭 빔(2개)은 각각 광전 소자(36B₁, 36B₂)로 수광되고, ±1차 광의 간섭 빔 B_m2는 광전 소자(36B)로 수광된다. 다음에 다이크로익 미러(34)를 투과한 파장 λ₃의 0차-2차 광의 간섭 빔(2개)은 광전 소자(36C₁, 36C₂)에서 수광되고, ±1차 광의 간섭 빔 B_m3은 광전 소자(36C)에서 수광된다.

이상의 구성으로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예에서는 광전 소자(40)로부터의 광전 신호 I_ms를 참조 신호로서, 각 광전 소자(36A, 36A₁, 36A₂, 36B, 36B₁, 36B₂, 36C, 36C₁, 36C₂)로부터의 광전 신호의 위상차를 구하는 신호 처리 회로가 필요해진다. 그것을 위해 가장 간편한 회로 구성의 일 예를 제 32 도에 도시한다.

제 32 도는 제 25 도에 도시된 처리 회로의 일부를 개량한 것이고, 하드웨어 상에서는 제 25 도 중의 A/D 컨버터 회로(50)에 입력하는 참조 신호 I_ms 이외의 각 광전 신호를 시계열적으로 선택하는 아날로그 멀티플렉서(120)를 부가한 것이 다르다. 이 아날로그 멀티플렉서(120)는 3 입력 1 출력의 전환 스위치 SS₁, SS₂, SS₃을 포함하고, 각 스위치 SS₁, SS₂, SS₃은 외부의 전환 신호 SN에 응답하여 연동하여 전환된다.

스위치 SS₁은 파장 λ₁의 간섭 빔을 수광하여 얻어지는 3개의 광전신호 I_m1, IK02₁, IK20₁ 중 1개를 선택하고, 스위치 SS₂는 파장 λ₂의 간섭 빔을 수광하여 얻어진 3개 광전 신호 I_m2, IK02₂, IK20₂ 중 1개를 선택차고, 스위치 SS₃은 파장 λ₃의 간섭 빔을 수광하여 얻어지는 3개의 광전 신호 I_m3, IK02₃, IK20₃ 중 1개를 선택하도록 접속된다. 단 본 실시예에서는 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 연동해 두기 때문에, 동시에 A/D 컨버터 회로(50A)에 입력되는 3개의 계측 신호(광전 신호)는 동일한 회절 상태하에서 검출된 신호로 한다. 즉, 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 중간 위치로 전환하면, 제 25 도의 상태와 완전히 동일하게 되고, ±1차 광의 간섭 빔 BM을 각 파장 성분마다 광전 검출한 신호 I_m1 내지 I_m3이 A/D 컨버터 회로(50)에 공급되고, 3개의 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 제 32 도의 도시한 위치로 전환하면, ±1차 광의 간섭 빔 BM의 좌측에 발생한 0차-2차 광의 간섭 빔을 각 파장마다 광전 검출한 신호 IK02₁, IK02₂, IK02₃이 A/D 컨버터 회로(50)로 공급된다. 물론 3개의 스위치 SS₁ 내지 SS₃이 가장 우측의 위치로 전환되면, 광전 신호 IK20₁, IK20₂, IK20₃이 A/D 컨버터 회로(50)에 공급된다.

또한 제 25 도에 도시한 진폭 검출, 진폭비 검출 회로(58)는 제 32 도에서는 회절 상태가 다른 간섭 빔마다 그룹화된 비의 데이터 C_n1, C_n2, C_n3(n은 파장에 대응하여 n=1, 2, 3)을 출력하도록 변경된다. 이 비의 데이터 중 C_n1(n=1, 2, 3)은 제 25 도 중의 비 C₁, C₂, C₃과 동일한 것이고, C_n2(n=1, 2, 3)는 광전 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)에서 얻어진 각 파장마다의 비이고, C_n3(n=1, 2, 3)은 광전 신호 IK20_n(n=1, 2, 3)에서 얻어진 각 파장마다의 비이다.

또, 제 25 도에 도시한 위상차, 위치 오프셋 검출 회로(26)는 제 32 도에서는 회절 상태가 다른 간섭 빔마다 그룹화된 오프셋량 △Xn₁, △Xn₂, △Xn₃(n=1, 2, 3)을 출력하도록 변경된다. 이 오프셋량 중 △X_n1(n=1, 2, 3)은 제 6 도의 오프셋량 △Xn₁, △Xn₂, △Xn₃과 동일한 것이고, △Xn₂(n=1, 2, 3)는 광전 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)으로부터 구해진 각 파장 성분마다의 오프셋량이며, △Xn₃(n=1, 2, 3)은 광전 신호 IK20_n(n=1, 2, 3)으로부터 얻어진 각 파장 성분마다의 오프셋량이다. 또한 이 검출 회로(56)는 제 29A 도 내지 제 29D 도, 제 30A 도 내지 제 30D 도에서 설명한 바와 같은 위상차 △β_0n, △β_2n(n=1, 2, 3)에 따른 값을 중간적으로 산출한다.

다음에 제 25 도 중 가중 평균화 회로(60)는 제 32 도에서는 선택적인 가중 평균화 회로로 변경되며, ±1차 광의 간섭 빔 BM의 광전 검출 결과에만 기초하여 최종적인 위치 오프셋량을 △X를 산출하는 제 25 도와 동일한 제 1 도의 연산 모드, 0차-2차 광의 간섭 빔의 광전 검출 결과만에 기초하여 최종적인 오프셋량 △X를 산출하는 제 2 연산 모드 및 모두의 간섭 빔 광전 검출 결과에 기초하여 최종적인 오프셋량 △X를 산출하는 제 3 연산 모드를 구비하고 있다. 이들 3개의 연산 모드는 오퍼레이터에 의해 적절하게 선택 가능하지만, 제 3 연산 모드를 지정하였을 때는 또한 2 내지 3의 연산 알고리즘을 선택할 수 있다. 이와 같은 모드 지정, 알고리즘 선택에 대해서는 나중에 상세하게 기술한다.

그리고, 본 실시예의 경우도, 우선 맨 처음에 웨이퍼 스테이지 WST 상의 기준 마크판 FG의 격자 마크가 대물렌즈(22)로부터의 입사광빔 ±LF에서 조사되도록 스테이지 WST의 위치 결정이 행해진다. 그리고 전환 신호 SN를 아날로그 멀티플렉서(120)에 주고, 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 예를 들면 제 32 도에 도시한 위치에 설정하고, 기준 마크판 FG의 격자 마크로부터 발생한 0차-2차 광의 간섭 빔을 광전 검출하여 얻어진 광전 신호 중의 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)을 A/D 컨버터 회로(50)에서 디지털 샘플링하여, 그 신호 IK02_n의 각 파형을 메모리 회로(54)내에 일시적으로 기억한다.

그리고 진폭 검출 회로(58)에 의해서 메모리 회로(54)내의 파형 데이터를 해석하고, 각 신호 IK02_n의 진폭값(피크 to 피크)을 J02_n(n=1, 2, 3)으로서 산출하여 기억한다.

다음에 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 제 23 도 중 가장 우측으로 전환하고, 기준 마크판 FG의 격자 마크로부터 발생한 0차-2차 광의 간섭 빔을 광전 검출하여 얻어진 광전 신호 중 신호 IK20_n(n=1, 2, 3)을 A/D 컨버터 회로(50)에서 디지털 샘플링하고, 그 신호 IK20_n의 각 파형을 메모리 회로(54)에 일시적으로 기억한다. 이 때, 메모리 회로(54)의 기억 용량이 충분히 크지 않은 경우는 미리 기억한 신호 IK02_n의 각 파형 데이터를 소거하여 신호 IK20_n의 각 파형 데이터를 오버라이트한다. 그 후 진폭 검출 회로(58)에 의해 메모리 회로(54)내의 파형 데이터를 해석하고, 각 신호 IK20_n(n=1, 2, 3)의 진폭값(피크 to 피크)을 J20_n(n=1, 2, 3)으로서 산출하여 기억한다.

마지막으로, 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 중간 위치로 전환하고, 기준 마크판 FG의 격자 마크로부터 발생한 ±1차 광의 간섭 빔을 광전 검출하여 얻어지는 신호 I_mn(n=1, 2, 3)의 각 파형 데이터를 동일하게 메모리(54)에 기억하고, 진폭 검출 회로(58)에 의해 각 신호 I_mn의 진폭값 J11_n(n=1, 2, 3)을 구하여 기억한다.

이상에 의해서 예비 동작이 종료하므로, 다음에 실제로 위치 결정, 위치 맞춤해야 할 웨이퍼 W를 스테이지 WST 상에 재치하고, 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG가 대물렌즈(22)로부터의 입사광빔 ±LF에 의해 조사되도록 스테이지 WST를 위치 결정한다.

그리고, 상기 기준 마크판 FG의 격자 마크의 검출 시와 동일하게 하여, 멀티플렉서(120)의 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 차례로 전환하는 것은 각 신호 파형 데이터를 메모리 회로(54)에 집어넣고, 웨이퍼 상의 격자 마크 MG로부터 발생한 각 간섭 빔을 광전 검출하여 얻어지는 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3)의 각 진폭값을 검출 회로(58)에 의해 각각 E_n( 제 26A 도 내지 26D) 참조), E02_n, E20_n(제 29A 도 내지 제 29D도, 제 30A 도 내지 제 30D 도 참조)으로서 산출한다.

또, 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 전환하여 메모리 회로(54)에 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n 중 1 세트를 기억시킬 때, 참조 신호 I_ms의 파형도 동일한 시간축의 하에서 메모리 회로(54)에 기억한다. 그리고 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 전환하기 전에, 위상차, 오프셋 검출 회로(56)에 의해 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n 중 기억한 신호의 파형 데이터를 해석하고, 위상 △Ψ_n, △β_n, △β_2n 중 대응한 1개와 위치 오프셋량 △X_n1, △X_n2, △X_n3(n=1,2, 3) 중 대응한 1개를 순차 산출해 둔다.

이렇게 하여 각 파장마다의 진폭값이나 위치 오프셋량이 회절 상태가 다른 검출광(간섭 빔)으로 구해지면, 진폭비 검출 회로(58)는 이하의 연산을 행한다.

다음에 평균화 회로(60)에 의해 가장 정확할 것 같은 오프셋량(변위) △X가 산출되지만, ±1차 광의 간섭 빔 BM만을 사용한 제 1 연산 모드에서는 상기 제 25 도의 경우와 동일하고,

△X=(C₁₁·△X₁₁ + C₂₁·△X₂₁ + C₃₁·△X₃₁)/(C₁₁ + C₂₁ + C₃₁)에 의해 산출된다.

한편, 0차-2차 광의 간섭 빔만을 사용한 제 2 연산 모드에서는, ±1차 광의 간섭 빔 BM의 좌측에 발생하는 0차-2차 광의 간섭 빔의 검출에 의해 얻어진 위상차 △β_0n과 간섭 빔 BM의 우측에 발생하는 0차-2차 광의 간섭 빔의 검출에 의해 얻어진 위상차 △β_2n과의 평균 위상차로부터, 각 파장마다의 위치 오프셋량을 산출하는 알고리즘이 채용된다. 그 위상차의 평균은 랜덤 성분을 저감시켜 정밀도 향상을 도모하는 평균화와는 달리, 0차 광과 ±2차 광과의 간섭 빔을 사용하여 위치 검출하는 경우에 원리적으로 실시해야만 하는 평균화이다.

그래서 본 실시예에서는 그 알고리즘을 베이스로 하고, 평균화 회로(60)는 먼저 신호 IK02_n으로부터 구해진 각 위치 오프셋량 △X_n2(n=1, 2, 3)와 신호 IK20_n으로부터 구해진 각 위치 오프셋량 △X_n3(n=1, 2, 3)과의 각 파장마다의 평균값 △XA_n(n=1, 2, 3)을 이하와 같이 산출한다.

△XA₁=(△X₁₂+△X₁₃)/2

△XA₂=(△X₂₂+ △X₂₃)/2

△XA₃=(△X₃₂+ △X₃₃)/2

또한 평균화 회로(60)는 진폭비 검출 회로(58)에서 구해진 0차-2차 광의 간섭 빔의 진폭비 C_n2, C_n3의 각 파장 성분마다의 평균값 CA_n(n=1, 2, 3)을 이하와 같이 산출한다.

CA₁=(C₁₂ + C₁₃)/2

CA₂=(C₂₂ + C₂₃)/2

CA₃=(C₃₂ + C₃₃)/2

그 후, 평균화 회로(60)는 각 파장 성분마다 평균적인 비 CA_n를 중간 계수로 하고, 각 파장 성분마다의 평균적인 위치 오프셋량 △XA_n을 이하와 같이 가중 평균하고, 가장 확실할 것 같은 오프셋량 △X를 산출한다.

△X=(CA₁·△XA₁ + CA₂·△XA₂ + CA₃·△XA₃)/(CA₁ + CA₂ + CA₃)

이상에 의해, 제 2 연산 모드에 의한 격자 마크 MG의 위치 또는 위치 오프셋 검출이 달성된다.

제 3 연산 모드에서는 제 1 연산 모드에서 산출된 위치 오프셋량과 제 2 연산 모드에서 산출된 위치 오프셋량을 단순히 평균하는 제 1 알고리즘과, 그들 2개의 위치 오프셋량을 가중 평균하는 제 2 알고리즘과의 어느 한쪽을, 오퍼레이터에 의해서 미리 설정 가능하게 되어 있다. 그래서 제 1 연산 모드(±1차 광의 간섭 빔의 검출 결과를 사용하는 모드)에서 최종적으로 산출된 위치 오프셋량을 △XM₁로 하고, 제 2 연산 모드에서 최종적으로 산출된 위치 오프셋량을 △XM₂로 하면, 제 1 알고리즘으로 결정되는 위치 오프셋량은 (△XM₁ + △XM₂)/2로 산출된다.

한편, 제 2 알고리즘에서는 제 1 연산 모드에서 산출되는 오프셋량 △XM₁과 제 2 연산 모드에서 산출되는 △XM₂를 소정의 가중 계수 Q₁, Q₂를 사용해 가중 평균한다. 일 예로서, 가중 계수 Q₁은 ±1차 광의 간섭 빔 BM을 광전 검출하여 얻어진 신호 I_mn(n=1, 2, 3)의 각각의 진폭값 E₁, E₂, E₃(제 26A 도 내지 제 26D 도 참조)의 합에 대응시키고, 가중 계수 Q₂는 0차-2차 광의 간섭 빔을 광전 검출하여 얻어진 신호 IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3)의 각 파장마다의 평균 진폭값(E02₁ + E20₁)/2, (E02₂ + E20₂)/2, (E02₃ + E20₃)/2의 합에 대응시킨다. 따라서, 제 2 알고리즘은 이하의 연산에 의해 격자 마크 MG의 오프셋량 △X가 결정된다.

△X=(Q₁·△XM_I + Q₂·△XM₂)/(Q₁ + Q₂)

또한, 원리적으로 말하여 고차의 회절광과, 그의 광 강도가 작으므로, ±1차 회절광의 간섭 빔 BM의 광강도 진폭(E_n에 대응)과 비교하여 0차 및 -2차 회절광의 간섭 빔의 광강도 진폭(E02_n, E20_n에 대응)은 상당히 작아진다. 따라서 단순히 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 진폭만의 합으로 가중 계수 Q₁, Q₂를 결정하면, 대부분의 경우 가중 계수 Q₁ 쪽이 계수 Q₂ 보다도 커져버린다. 계수 Q₂의 쪽은 산출된 값을 예를 들면 미리 정해진 비율(일 예로서 10 내지 30%)만큼 증대시키도록 보정하는 것이 좋다.

다음에 본 발명의 제 13 실시예를 제 33 도를 참조하여 설명한다. 이 실시예에서는 제 24 도 중에 도시한 웨이퍼 스테이지 WST 상의 기준 마크판 FGN의 구조를 투과형의 격자(진폭 투과율에 비대칭성이 아닌 격자)로 변경하고, 그 격자로부터 투과하여 발생하는 간섭 빔을 광전 검출함으로써 각 광전 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 진폭비를 검출 회로(58)에서 산출할 때의 사용하는 분모(기준값)를 구하도록 하였다.

제 33 도는 웨이퍼 스테이지 WST의 부분 표면을 도시하고, 입사광빔 ±LF(여기서는 파장 λ₁, λ₂의 2 파장으로 한다)이 기준 마크판 FG 상의 격자를 조사하면, 그 격자로부터 스테이지 내부로 향하는 0차 광, ±1차 광, ±2차 광이 발생한다. 이들 회절광은 미러 MR에서 직각으로 굴곡되어 푸리에 변환 기능을 갖는 렌즈계 G₅에 입사하고, 자동 변환 기능을 갖는 파장 선택 필터(24)에서 파장 λ₁과 λ₂의 오프셋의 어느 한쪽 성분이 선택되고, 각각 간섭 빔 B_mrn, ±B_1r,±B_2r로 되어 광전 소자군 DTR에 입사한다. 파장 선택 필터(24)는 파장 λ₁을 투과하여 파장 λ₂를 차단하는 필터와, 그 반대의 특성을 갖는 필터를 택일적으로 광로에 삽입·이탈할 수 있도록 구성된다. 따라서, 파장 λ₁을 선택하는 필터가 사용될 때는 파장 λ₁에 의한 0차-2차 광의 간섭 빔 ±B_lr과 파장 λ₁에 의한 ±1차 광의 간섭 빔 B_mr1 이 광전 소자군 DTR에 도달하고, 파장 λ₂에 의한 ±1차 광의 간섭 빔 B_mr2 이 광전 소자군 DTR에 도달한다. 이 때문에 파장 λ₁ 선택용 필터의 사용 시에는 광전 신호 I_mr1, 광전 신호 IR02₁, IR20₁이 얻어지며, 파장 λ₂ 선택용 필터의 사용 시에는 광전 신호 I_mr2, 광전 신호 IR02₂, IR20₂가 얻어진다.

헤테로다인 방식의 경우, 이들의 광전 신호는 비트 주파수와 동일한 주파수의 정현파 형상의 파형으로 되어 나타나며, 상기 제 32 도에 도시한 처리 회로의 아날로그 멀티플렉서(120)의 3개의 스위치 SS₁ 내지 SS₃에 의해 선택적으로 A/D 컨버터(50)로 입력되도록 접속된다. 구체적으로는 제 32 도 중의 3개의 스위치 SS₁ 내지 SS₃을 5 입력 1 출력인 것으로 변경하고, 그 중 2 입력분을 기준 마크판 FG의 검출 시에 얻어지는 광전 신호 1_mr1, IR02₁, IR20₁의 세트와 광전 신호 Imr₂, IR02₂, IR20₂의 세트와의 입력 전환에 사용한다.

이들의 광전 신호의 각 진폭값은 제 32 도 중의 진폭 검출 회로(58)에서 구해져서 기억된다. 그리고 진폭비를 구할 때에는 예를 들면 이하의 연산을 행한다.

C₁₁=I_m1/I_mr1

C₂₁=I_m2/I_mr2

C₁₂=IK02₁/IR02₁

C₂₂=IK02₂/IR02₂

C₁₃=IK20₁/IR20₁

C₂₃=IK20₂/IR20₂

이렇게 본 실시예에서는 기준 마크판을 투과한 회절광의 간섭 빔을 광전 소자군 DTR에서 광전 검출하도록 한 것이며, 그 소자군 DTR로부터 얻어지는 각 광전 신호의 위상 정보와 참조 신호로서의 광전 신호 I_ms의 위상 정보를 비교하면, 기준 마크판 FG의 위치 오프셋, 또는 위치의 계측 즉, 베이스라인 계측의 일부분의 동작을 병용시킬 수 있다.

다음에 본 발명의 제 14 실시예를 제 34 도를 참조하여 설명한다. 본 실시예에서는 대물렌즈(22)를 통해 웨이퍼 W(또는 기준 마크판 FG)상의 계측용(얼라인먼트용)의 격자 마크 MG를 조사하는 한 쌍의 입사광빔 +LF와 -LF의 편광방향을 상보적인 관계로 한다. 즉 직선 편광이면 입사광빔 +LF과 -LF의 편광방향을 직교시키고, 원편광이면 빔 +LF와 -LF를 서로 역회전의 편광으로 설정한다. 이 때문에 2개의 입사광빔 ±LF는 서로 간섭하지 않고서, 격자 마크 MG로부터 수직으로 발생하는 각 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 ±1차 회절광 BM도 서로 간섭하지 않는다.

그 때문에, ±1차 회절광 BM을 대물렌즈(22), 소 미러 MR₂를 통해 광전 검출할 때, 검광자(애널라이저)로서의 편광 빔스플리터 PBS를 사용한다. 이렇게 하면, 편광 빔스플리터 PBS를 투과한 ±1차 광 BM은 서로 간섭하여 제 1 간섭 빔 BP₁로 되고, 편광 빔스플리터 PBS 에서 반사된 ±1차 광 BM은 서로 간섭하여 제 2 간섭 BPS₂로 된다. 이들 간섭 빔 B_P1, B_P2의 극성은 서로 상보적이지만, 각각의 간섭 빔은 헤테로다인 방식이면 비트 주파수에 따라 정현파 형상으로 강도 변조된 것으로 된다. 또한 간섭 빔 B_P1과 B_P2의 강도 변조의 위상은 정도 180도만큼 다른 것으로 되어 있다.

또한 상기 도면 중에 도시한 1/2 파장판 HW는 입사광빔 ±LF과 ±1차 회절광 BM의 서로 직교하는 직선 편광방향이 편광 빔스플리터 BPS의 편광 분리방향과 다른(회전하고 있는) 경우에, ±1차 회절광 BM 사이의 직선 편광방향을 수정하는 목적으로 설치한 것이다. 이 때문에, ±1차 회절광 BM 사이의 서로 직교한 직선 편광방향이 최초로부터 편광 빔스플리터 PBS의 편광 분리방향과 일치하거나, 혹은 입사광빔 +LF, -LF 이 역회전하여 원편광으로 되어 있을 때는 1/2 파장판 HW를 사용하지 않아도 좋다.

본 실시예에서는 간섭 빔 BP1을 다이크로익 미러(332, 34)를 통해 각 파장마다 변별하고, 간섭 빔 BP1의 파장 λ₁의 성분을 광전 소자(36A₁)로 수광하고, 파장 λ₂의 성분을 광전 소자(36B₁)로 수광하며, 파장 λ₃의 성분을 광전 소자(36C₁)로 수광한다. 동일하게 간섭 빔 BP₂에 대해서도 다이크로익미러(32, 34)에서 파장 변별하고, 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 각 성분마다 광전 소자(36A₂, 36B₂, 36C₂)로 수광한다.

또한 광전 소자(36A₁, 36A₂)의 양 출력 신호는 차동 앰프에 의해 감산되어 광전 신호 I_m1로 되고, 광전 소자(36B₁, 36B₂)의 양 출력 신호는 차동 앰프에 의해 감산되어 광전 신호 I_m2로 되고, 광전 신호(36C₁과 36C₂)의 양 출력 신호는 차동 앰프에 의해 감산되어 광전 신호 I_m3으로 된다.

이와 같이 차동 앰프를 사용한 것은, 예를 들면 광전 소자(36A₁)의 출력 신호와 광전 소자(36A₂)의 출력 신호가 서로 역위상(180°의 차)으로 되어 있고, 양 출력에 포함된 공통-상 노이즈 성분이 감산하여 캔슬되고, 신호 I_m1의 실질적인 S/N 비가 개선되게 된다. 또한, 상기 제 24 도, 제 31 도, 제 34 도에 도시한 대물렌즈(22)는 사용하는 파장역(λ₁ 내지 λ₃)에 있어서 발생하는 각종 색수차 중 적어도 축상 색수차에 대해서 어느 정도 보정되는 것이 바람직하다. 가령 사용하는 파장 λ₁ 내지 λ₃의 대역이 100nm 이하이면, 그와 같은 축상의 색수차는 대물렌즈(22)를 구성하는 복수의 렌즈 소자의 초재(硝材)를 선택하고, 다른 굴절율 분산비의 렌즈 소자를 조합함으로써 어느 정도 보정할 수 있다. 물론, 그와 같은 색수차는 대물렌즈(22)에서 완전히 보정할 필요는 없고, 제 24 도에 도시한 조정 광학계(14, 16, 18)에 의해 보정하는 것도 가능하다.

이상, 본 발명의 각 실시예를 설명했지만, 웨이퍼 W 나 기준 마크판 FG 상의 격자 마크 MG를 호모다인 방식으로 검출하는 경우, 그 격자 마크 MG를 피치 방향으로 프리스캔하여 각 광전 신호의 레벨 변화를 샘플링하는 필요가 있다. 그 경우, 가장 간단한 수법은 제 25 도 또는 32 도에 도시한 신호 파형 샘플링용의 클록신호 C_ps를, 스테이지 WST의 위치 계측용의 레이저 간섭계(44)로부터의 계측 펄스(예를 들면 0.02㎛ 마다 1 펄스)를 변경하는 것이다. 이렇게 하면, 격자 마크 MG를 수피치분에 걸쳐 프리스캔하는 동안에 발생하는 각 광전 신호의 파형 데이터가 격자 마크 MG의 격자 위치에 대응하여 메모리 회로(54)에 기억되게 된다.

또, 격자 마크 MG에 2개의 입사광빔 ±LF을 조사하는 방식에서는 그 2개의 입사광빔 ±LF는 격자 마크 MG의 적어도 피치 방향에 관해 대칭적인 입사각으로 하는 것이 바람직하고, 제 23 도와 같이 격자 마크 MG에 1개의 입사광빔을 투사하는 방식에서는 그 입사각은 격자 마크 MG의 피치 방향에 관하여 영(수직 입사)으로 하는 것이 바람직하다.

그런데, 다파장화된 조명 빔을 계측용의 격자 마크 MG(또는 기준 마크)로 투사할 때, 제 21 도, 제 23 도, 제 24 도와 같이 각 파장마다 복수의 레이저 빔을 한번 동축에 합성하지 않고서, 격자 마크 MG의 푸리에 변환면에 있어서 마크 위치의 계측방향(피치 방향)과 직교한 비계측 방향으로 분리하여 입사하도록 구성해도 좋다. 즉 복수의 조명 빔의 파장마다 격자 마크 MG로의 입사각을 비계측 방향과 다르게 할 수도 있다.

제 35 도는 투사 렌즈의 후군 렌즈계 G₂ 또는 대물렌즈(22)에 입사하는 2개의 파장의 빔 ±LFλ₁, ±LFλ₂의 입사광의 모양을 도시하고, 그들 빔 ±LFλ₁, ±LFλ₂는 격자 마크 MG에 대한 푸리에 변환면(눈동자면) EP 상에서 광축 2개의 빔으로 구성된다. 다음에 격자 마크 MG의 피치 방향도 지면과 수직인 방향이고, 파장 λ₁의 빔 ±LFλ₁과 파장 λ₂의 빔 ±LFλ₂를 푸리에 변환면 EP 상에서 비계측 방향(동일한 도면의 지면 내의 좌우방향)이다.

이로써 격자 마크 MG로부터 발생하여 푸리에 변환면 EP까지 되돌아오는 ±1차 회절광의 간섭 빔 B_m1, B_m2 도, 파장마다 푸리에 변환면 EP 상에서 비계측 방향으로 분리한 위치를 통과한다. 간섭 빔 B_m1은 입사광빔 ±LFλ₁의 조사에 의해 마크 MG로부터 발생한 것이고, 간섭 빔 B_m2는 입사광빔 ±LFλ₂의 조사에 의해 마크 MG로부터 발생한 것이고, 이들 입사광빔과 간섭광빔은 푸리에 변환면 EP 상에서는 예를 들면 제 36 도와 같이 분포한다.

제 36 도에 있어서, 푸리에 변환면 EP의 중심을 원점으로 하는 직교축(계측축과 비계측축)을 설정하였을 때, 2세트의 입사광빔 ±LFλ₁, ±LFλ₂의 비계측축의 방향의 오프셋량 Dh은 1차 회절광에 의한 간섭 빔 B_m1, B_m2의 비계측 방향의 오프셋량에 대응한 것으로 된다. 이와 같이, 격자 마크 MG를 조사하는 빔을 각 파장 성분마다 비계측 방향으로 경사지게 해두면, 간섭 빔 B_m1, B_m2 도 푸리에 변환면 EP 내에서 분리하여 분포하게 되므로, 각 광전 검출기의 수광면을 푸리에 변환면 EP 상 또는 그 면 EP과 공역인 면 상에 배치되고, 마찬가지로 광전 검출이 가능해진다.

즉, 광전 검출해야 할 복수의 간섭 빔(±1차 회절광의 간섭, 0-2차 회절광의 간섭)이 각 파장마다 푸리에 변환면 EP 상에서 분리되어 있으면, 그들은 상기 각 실시예와 같은 다이크로익 미러를 사용하지 않더라도 개별로 광전 검출 가능하다. 따라서 검출 간섭 빔을 각 파장마다 분리하는 수법으로서 다이크로익 미러, 대역 통과 필터 등의 파장 선택 소자를 사용하는 것은 반드시 필수인 것은 아니다.

또, 입사광빔의 다파장화는 레이저 광원에 한정되지 않으며, 할로겐 램프로부터의 광, 고휘도 LED로부터의 광을 이용하더라도 실현할 수 있다. 할로겐 램프로부터의 광을 이용할 때는 소정의 대역폭을 갖는 파장 선택 필터를 설치하고, 이 필터에서 선택된 20 내지 100nm 정도의 파장 폭의 광(광대역 광)을 예를 들면 광섬유 등으로 도광하여 사용하게 된다. 이 경우 웨이퍼 상의 격자 마크 MG를 조사하는 입사광빔은 선택된 파장 대역폭 내에서 연속된 강도 분포를 가지기 때문에, 수광계 내의 각 광전 소자 의 앞에 특정 파장 성분만을 추출하는 간섭 필터(대역폭은 3 내지 10nm)를 고정적 또는 교환 가능하게 배치하여도 좋다.

이상, 본원의 제 2 발명에 관한 제 8 내지 14의 각 실시예에 의하면, 위치 검출용의 조명광을 다파장화, 또는 광대역화하고, 기판 상의 위치 검출용의 격자형상 마크로부터 발생하는 회절광을 파장 성분마다 독립하여 광전 검출하고, 그것에 의해서 얻어지는 각 광전 신호마다 마크 위치 정보를 검출하여 계산 상에서 평균화하도록 하였으므로, 마크의 비대칭성이나 레지스트층의 두께에 의한 영향을 저감시키는 고정밀도의 위치 검출이 가능해진다. 또한, 마크로부터의 회절광을 광전 검출할 때에, 파장 성분마다 독립한 광전 신호를 얻도록 하였으므로, 조명광의 각 파장 성분마다 강도가 다르더라도, 종래와 같이 다파장화에 의한 평균화 효과를 저해하지 않는다는 이점도 있다.

다음에, 상기 제 8 내지 14의 각 실시예에 의하면, 광전 검출해야할 회절광이 보다 고차의 성분으로 이루어지는 경우에 있어서도 종래와 같이 단일 광전 소자로 다파장화된 고차 회절광(0차, 2차 광의 간섭 빔 등)을 동시에 수광할 때에 생기는 상쇄 현상이 없고, 종래에 비해 현격하게 고정밀도의 위치 검출, 얼라인먼트가 가능해진다.

게다가 본원의 제 2 발명에서는 광전 검출된 각 파장 성분마다 회절광의 강도 레벨의 감쇠율(진폭비)을 구하고, 그 감쇠율이 작은 신호 진폭이 상대적으로 커지는 회절광에 대해서는, 커다란 가중을 한 평균화 연산에 의해 위치 검출을 행하도록 하였으므로, 단순한 평균화에 비해 현격하게 위치 검출의 정밀도가 높은 효과도 얻어진다.

다음에 본 발명의 실시예에서는 다파장화한 입사광빔을 동시에 격자 마크 MG로 조사하도록 하였지만, 상기 제 6 도나 제 24 도의 각 광원 LS₁, SL₂, SL₃의 뒤에 고속 셔터를 설치하고, 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 각 입사광빔의 어느 1개를 시계열적으로 전환하여 사출시키도록 하여도 좋다. 이 경우, 수광계의 몇 개인가의 광전 소자는 파장마다 미리 분리하여 준비하지 않고서 공통인 것으로 할 수 있다. 이와 같이, 각 파장 성분마다 시계열적으로 입사광빔을 사출하도록 하면, 장치 상 고속 셔터 기능은 설정해야만 하지만, 광전 소자의 수나 신호 처리 회로 내의 부품 점수(특히 A/D 컨버터나 매모리칩의 수)를 대폭 적게 할 수 있을 뿐만 아니라, 제 33 도 중에 도시한 스테이지 WST 내의 파장 선택 필터(24)도 생략할 수 있다.

그래서, 각 파장 성분마다의 입사광빔을 시계열적으로 전환하는 경우의 일 예를 제 37 도를 참조하여 제 15 실시예로서 설명한다. 제 37 도는 앞서 설명한 제 6 도의 구성을 베이스로 한 것이고, 따라서 제 6 도 중의 각 부재와 동일한 부재 또는 유사한 부재에는 동일한 부호를 붙이고 있다.

그리고, 제 37 도에 있어서 3개의 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃은 각각 다른 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 레이저 빔 LB₁, LB₂, LB₃을 사출하지만, 여기서는 레이저 광원 LS₁은 λ₁=0.635㎛의 반도체 레이저 광원, 광원 LS₂는 λ₂=0.690㎛의 반도체 레이저 광원, 광원 LS₃은 λ₃=0.760㎛의 반도체 레이저 광원으로 설정된다.

이들의 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃의 각각에는 안정화된 구동 전류를 공급하는 구동 회로, 레이저 소자의 온도 변화에 의한 영향을 보상하는 보상 회로, 혹은 발진 중심 파장의 변동을 모니터하여 파장이 안정하도록 구동 전류를 피드백 제어하는 귀환 제어 회로 등을 포함하는 레이저 전원부가 설치되어 있다. 그리고 이들의 레이저 전원부는 각각 전환 제어 회로 TSC로부터의 시퀀셜한 신호 CS₁, CS₂, CS₃에 응답하여 각 레이저 광원 CS₁, CS₂, CS₃으로부터의 레이저빔의 방사가 On-Off 되도록 제어한다.

본 실시예에서는 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃으로부터의 레이저빔의 방사가 소정의 조사 시간씩 차례대로 바꿔지도록, 나중에 상세하게 기술하는 제 10 도 중의 제어기(62)로부터의 커맨드 신호 CQ에 응답하여 전환 제어 회로 TSC를 프로그램할 수 있도록 되어 있다. 따라서 어떤 임의의 시각에 있어서 레이저 빔을 발진하는 광원은 3개의 레이저 광 LS₁, LS₂, LS₃ 중 1개에 한정된다. 전환 제어 회로 TSC는 커맨드 신호 CQ의 내용에 따라서 각 광원 LS₁, LS₂, LS₃의 빔 발진 타이밍을 몇 가지인가로 바꿀 수 있다.

이들 3개의 빔 LB₁, LB₂, LB₃은 적절한 미러 MRa, 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅를 통해 동축의 광로를 통과하도록 얼라인먼트되고, 그 3개의 빔 중 어느 1개가 빔 LB0으로서 미러 MRb에서 반사되어 회전 방사형 격자판 RRG에 수직으로 입사한다. 이 회전 격자판 RRG는 상기 제 7 도에 도시한 것과 마찬가지로 회절되는 각 차수의 회절광의 주파수를 각속도(角速度)에 따라서 증감시키는 주파수 시프터로서 작용한다.

그리고, 격자판 RRG의 격자 RG로부터는, 파장 λ₁의 빔 LB₁의 조사시에 1차 회절 빔 ±D₁₁, 파장 λ₂의 빔 LB₂의 조사 시에 만들어진 1차 회절 빔 ±D₁₂, 또는 파장 λ₃의 빔 LB₃의 조사시에 1차 회절 빔 ±D₁₃의 1세트가 전환 제어 회로 TSC의 시퀀셜한 구동에 응답하여 발생한다. 각 파장마다의 1차 회절 빔 ±D_1n의 회절각 θ_n은 이하와 같이 나타난다.

Sinθn=λ_1n/Prg

여기서 n은 파장의 수를 나타내고, Prg는 격자 RG의 피치를 나타낸다.

다음에 1차 회절 빔 ±D_1n은 파장에 의해 일정한 주파수 편이 △f를 받아들이고, 격자판 RRG의 격자 RG가 빔 LB₀을 가로지르는 속도를 V라고 하면, △f=V/Prg로 나타난다. 그리고 +1차 회절 빔 + D_1n은 0차 광 D₀의 주파수에 대해 △f 만큼 높아지고, -1차 회절 빔 -D_1n은 0차 광 D₀의 주파수에 대해 △f 만큼 낮아진다. 이 때문에 회전 격자판 RRG은 주파수 시프터로서 작용한다.

그리고, 3개의 파장 성분의 1차 회절 빔 ±D_1n(n=1, 2, 3)중 어느 1세트로 이루어지는 입사광빔 ±LF와 0차 광 D₀은 제 37 도에 도시하는 바와 같이 콜리메이터 렌즈(10)에 의해 주광선이 서로 평행하게 되도록 변환되고 공간 필터로서의 빔 선택 부재(12)에 도달하고, 여기서는 0차 광 D₀이 차단되고, 1차 회절광 ±D_1n에 의한 입사광빔 ±LF가 통과한다. 그 후, 입사광빔 ±LF는 경사량이 가변인 평행 평판 유리로 구성된 조정 광학계(14, 16, 18)를 통해 빔 스플리터(하프 미러)(20)에 도달한다. 조정 광학계(14)는 입사광빔 +LF와 입사광빔 -LF의 푸리에 공간에서의 간격을 바꾸지 않고서, 렌즈(10)의 광축에 대해 편심시키는 기능을 갖고, 조정 광학계(16, 18)는 입사광빔 +LF과 입사광빔 -LF의 각각의 광축에 대한 위치를 개별로 조정하는 기능을 갖는다.

그 입사광빔 ±LF는 빔스플리터(20)에서 2개로 분할되고, 한쪽은 대물렌즈(32)에 입사하고, 다른쪽은 평행 평판 유리로 구성되는 조정 광학계(24A, 24B)를 통해 집광 렌즈(푸리에 변환 렌즈; 26)에 입사한다.

한편 대물렌즈(22)에 입사한 입사광빔 ±LF는 각각 평행 빔으로 되어 서로 대칭적인 입사각으로 웨이퍼 W 상의 격자 MG를 동시에 조사한다. 이로써 격자 MG 상에는 파장 λ₁의 입사광빔 ±D₁₁의 간섭에 의해 만들어진 간섭 프린지, 파장 λ₂의 입사광빔 ±D₁₂의 간섭에 의해 만들어진 간섭 프린지 및 파장 λ₃의 입사광빔 ±D₁₃에 의해 만들어진 간섭 프린지의 어느 하나가 나타난다. 이들의 각 파장마다의 간섭 프린지는 가령 3개의 빔 LB₁, LB₂, LB₃ 이 동시에 회전 격자판 RRG을 조사한 것으로 하면, 동일한 피치 동일한 위상을 중첩하여 나타난다.

또한 입사광빔 +LF와 -LF 사이의 주파수차 2·△f 때문에, 그 간섭 프린지는 격자 MG 상을 한 방향으로 등속도로 이동하고 있는 것처럼 관측된다. 이동 속도는 회전 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 속도 V에 비례한다. 또 주파수차 2·△f와 관련하여, 전환 제어 회로 TSC에 의한 3개의 광원 LS₁, LS₂, LS₃의 각각의 점등시간은 주파수차 2△f(비트 주파수의 주기보다도 충분히 길고, 예를 들면 100배 정도 이상으로 설정된다. 예를 들면 주파수차 2△f가 10㎑(주기 0.1ms)라고 하면, 3개의 광원 LS₁, LS₂, LS₃의 각각의 점등 시간은 10ms 이상이 바람직하다.

또한, 제 37 도로부터 분명한 바와 같이, 웨이퍼 W 표면(격자 MG)과 방사형 격자판 RRG는 콜리메이터 렌즈(10)와 대물렌즈(22)의 합성 광학계에 의해 서로 공역(결상 관계)으로 되도록 배치된다. 그 때문에 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 ±1차 회절광에 의한 회절상이 웨이퍼 W의 격자 MG 상에 형성되지만, 0차 광 D₀이 차단되어 격자 RG의 피치의 1/2의 회절상(간섭 프린지 강도 분포)이 형성된다. 그리고, 그 간섭 프린지의 웨이퍼 W 상에서의 피치 Pif는 앞서의 실시예와 동일하게 격자 MG의 피치 Pmg의 1/2로 설정되어 있다.

이상과 같은 관계를 만족할 때, 입사광빔 ±LF의 조사에 의해 격자 MG로부터의 1차 회절광이 수직으로 발생한다. 즉 입사광빔 +LF의 조사에 의해 수직으로 발생한 1차 회절광과, 입사광빔 -LF의 조사에 의해 수직으로 발생한 1차 회절광이 간섭한 간섭 빔 BM(파장 λ₁의 간섭 빔 S_m1, 파장 λ₂의 간섭 빔 B_m2, 파장 λ₃의 간섭 빔 B_m3의 1개)이 발생한다. 간섭 빔 BM은 주파수 2△f로 강도 변조된 비트 광으로 된다.

이와 같이, ±1차 회절광(간섭 빔 BM)을 동일 방향으로 발생시키도록, 다른 관점으로 보면 대물렌즈(22)의 초점 거리를 F0으로 하여 각 파장마다의 입사광빔 ±LF의 푸리에 변환면 상에서 광축으로부터의 간격 D_Ln 을, D_Ln=F₀·sinQn=±F₀·λ_n/Pmg(n=1, 2, 3)으로 설정하면 좋다. 이러한 각 파장마다의 간격 D_Ln의 설정은 회전 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 피치나 콜리메이터 렌즈(10)의 초점 거리를 적당하게 정하는 것으로 조정 가능하다.

또한 웨이퍼 W 상에 형성되는 간섭 프린지는 방사형 격자판 RRG의 격자 RG의 회절상으로서 결상되기 때문에, 원리적으로는 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 1개의 파장 성분에 의한 간섭 프린지의 피치와 웨이퍼 W의 격자 마크 MG의 피치가 정수배의 관계로 되면, 다른 파장 성분에 의한 간섭 프린지의 피치도 그러한 관계로 된 것이고, 각 파장 성분마다의 간섭 프린지도 광원으로부터의 빔 LB₁, LB₂, LB₃의 동시에 조사되면 완전히 합치하여 서로 위상 오프셋, 위치 오프셋을 일으키지 않을 것이다.

그렇지만, 실제로는 대물렌즈(22), 콜리메이터 렌즈(10) 등의 광학계의 색 수차의 정도에 따라서, 각 파장 성분마다의 간섭 프린지는 서로 위치 오프셋, 위상 오프셋 및 피치 오프셋을 발생한다. 그래서 이와 같은 오프셋을 보정하기 위해서 제 37 도에 상기 제 6 도, 제 24 도와 동일하게 설치된 조정 광학계(14, 16, 18)를 사용한다.

이상과 같은 간섭 프린지의 조사에 의해서 격자 MG로부터 수직으로 발생한 간섭 빔 BM은 대물렌즈(22), 빔스플리터(20)를 통과하여 공간 필터(28)에 도달한다. 공간 필터(28)는 대물렌즈(22)에 관한 푸리에 변환면, 또는 그 근방에 배치되고, 본 실시예에서는 간섭 빔 BM(±1차 회절광)만을 투과시키는 개구를 갖는다. 그리고 공간 필터(28)를 투과한 간섭 빔 BM은 렌즈계(푸리에 변환 렌즈; 30)에서 평행 빔으로 변환된 후 미러(32)에서 반사되어 광전 소자 DT₀에 수광된다.

광전 소자 DT₀은 상기 제 6 도 중의 광전 소자(36A)와 동일한 기능을 갖고, 단 수광 간섭 빔 B_m1, B_m2, B_m3의 각각이 비트 주파수 2·△f 에서 강도 변조되고 있는 점이 다를 뿐이다. 따라서 광전 소자(36A)로부터 출력되는 광전 신호 I_mn은 격자 마크 MG로부터의 간섭 빔 BM이 존재하는 동안, 즉 3개의 LS₁, LS₂, LS₃의 어떠한 것이 빔을 조사하는 동안, 모두 비트 주파수 2△f와 동일한 주파수로 정현파 형상으로 레벨 변화하는 파형으로 된다.

한편, 빔 스플리터(20)를 투과하여 평행 평판 유리 등으로 구성되는 조정 광학계(24A, 24B)를 통해 집광 렌즈(26)에 입사한 입사광빔 ±LF(1차 빔 ±D₁₁, ±D₁₂, ±D₁₃의 1 세트)는 투과형의 기준 격자 SG 상에 중첩하여 조사된다. 여기서도 기준 격자 SG는 콜리메이터 렌즈(10)와 집광 렌즈(26)의 합성 광학계에 관하여 회전 방사형 격자판 RRG과 공역으로 배치된다. 이 때문에 기준 격자 SG 상에도 입사광빔 ±LF의 그 빔 간섭에 의한 1차원의 간섭 프린지가 형성되고, 그것은 비트 주파수 2△f에 대응한 속도로 이동한다.

또한, 조정 광학계(24A, 24B)는 각 파장 성분마다 기준 격자 SG 상에 생성되는 간섭 프린지가 집광 렌즈(26)의 색수차 때문에 서로 위치 오프셋이나 피치 오프셋을 발생하지 않도록 보상하는 것이다.

여기서 참조격자 SG의 피치와 그 간섭 프린지의 피치를 적당히 설정하면, 기준 격자 SG로부터 발생한 ±1차 회절광이 동일 방향으로 간섭 빔 B_ms로 되어 진행하며, 그것은 공간 필터(38)를 투과하여 광전 소자(40)에 수광된다. 수광 소자(40)의 광전 신호 I_ms는 비트 주파수 2·△f와 동일한 주파수로 정현파 형상으로 레벨 변화하는 파형으로 되고, 그 신호 I_ms가 헤테로다인 방식의 기준 신호로 된다.

이상의 구성에서 기준 격자 SG는 유리판 상에 크롬층을 증착하고, 그 크롬층을 투명 라인과 차광 라인이 교대로 형성되도록 에칭하여 제조되기 때문에, 적어도 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG와 같은 비대칭성, 레지스트층의 문제가 없는 거의 이상적인 격자, 즉 진폭 투과율이 대칭적인 격자로서 만들어진다.

이 때문에 기준 격자 SG에 조사된 한 쌍의 입사광빔은 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 1개의 파장에 대응한 입사광빔만이라도 충분한 정밀도가 얻어진다. 이와 같이 기준 격자 SG 상에 순차 각 파장마다 간섭 프린지를 형성하고, 기준 격자 SG로 발생하는 간섭 빔 Bms를 각 파장마다 시분할하여 광전 검출하도록 구성하면, 파장 λ₁에 따른 기준 신호, 파장 λ₂에 따른 기준 신호 및 파장 λ3에 따른 기준 신호가 개별로 얻어지므로 파장마다 격자 마크 MG의 위치 계측이 가능해진다. 또한 웨이퍼 W 상에 형성되는 3개의 파장 성분마다 간섭 프린지가 서로 일정 위치 오프셋(위상 오프셋)을 발생하더라도, 그것을 미리 오프셋량으로서 계측하여도 가능해진다. 그것에 대해서는 나중에 상세하게 기술한다.

그런데, 제 37 도에 도시한 웨이퍼 W는 대물렌즈(22)의 광축과 수직인 면(XY 평면)내에서 2차원 이동하는 웨이퍼 스테이지 상에 재치된다. 스테이지 WST상의 2차원 이동은 구동 모터를 포함한 구동원(42)에 의해 행해지며, 모터에 의해 이송 나사를 회전시키는 방식 또는 리니어 모터의 전자기력에 의해 스테이지 본체를 직접 연동시키는 방식이라도 좋다. 다음에 스테이지 WST의 좌표 위치는 레이저 간섭계(44)에 의해 차례대로 계측된다. 이 레이저 간섭계(44)의 계측값은 구동원(42)의 피드백 제어에 사용된다.

다음에 웨이퍼 스테이지 WST의 일부에는 기준 마크판 FG가 준비되어 있다. 기준 마크판 FG에는 석영 유리의 표면에 크롬층으로 라인 앤드 스페이스를 패터닝한 반사형의 강도 격자(피치는 웨이퍼 상의 격자 MG와 동일)가 형성된다.

이 때문에, 강도 격자는 웨이퍼 W 상에 요철로 형성된 격자 마크 MG와 같은 위상 격자와 달리, 비대칭성이 없는 회절 효율이 조명광(또는 검출광)의 파장에 의존하지 않는 특징, 즉 진폭 반사율에 비대칭성이 없는 특징을 갖는다. 또한 크롬층의 반사율도 위치 검출용의 조명광의 파장대(일반적으로는 0.5 내지 0.8㎛)에서는 변화하지 않는다. 이 때문에, 기준 마크판 FG 상의 강도 격자를 이용하면, 각 파장마다 얻어지는 광전 소자(36A)의 광전 신호 I_m1, I_m2, I_m3의 각 진폭 변화나 상호의 비를 정확하게 구할 수 있다.

제 37 도의 구성에 있어서, 광원으로서 반도체 레이저를 사용하지만, 이 경우 반도체 레이저 LS₁, LS₂, LS₃과 각 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅의 사이에 비점수차 제거용의 정형 광학계(경사진 복수 매의 평행 평판 유리등)를 설치하고, 회전방사형 격자판 RRG에 입사하는 빔 LB₀의 각 파장마다의 빔 성분을 동일한 지름으로 하는 것이 바람직하다. 또한 그 이외의 경우에도, 공축화된 빔 LB₀의 지름을 각 파장 성분마다 빔 정형 광학계를 설치하는 것이 바람직하다.

제 37 도에서는 설명을 간략하게 하기 위해 주파수 시프터로서 회전 방사형 격자판 RRG를 사용하였지만, 그 외에 (E) 특개평6-882/5 호와 같이 2개의 음향 광학 변조기(AOM)를 사용하거나, 중심 파장 λ₁로 발진하는, 제 1 제만 레이저 광원과 중심 파장 λ₂로 발진하는 제 2 제만 레이저 광원을 광원으로서 사용해도 좋다. 다만, 제만 레이저의 경우, 일반적으로는 편광방향이 상보적인 2개의 레이저 빔을 발진하고, 빔 사이에 수백 ㎑ 내지 수 MHz의 주파수 차를 주기 때문에, 광전 검출하는 간섭 빔의 비트 주파수도 높아지고, 광전 소자(36A, 40) 등은 신뢰성이 높은 PIN 다이오드나 포토멀 등을 사용하게 된다.

또 제 37 도에 도시한 각종 다이크로익 미러는 프리즘 등의 분산 소자로 교체하여도 좋다. 이 경우 1개의 프리즘은 2개의 다이크로익 미러 DCM₄, DCM₅의 세트와 동일한 기능을 갖는다.

다음에 제 37 도의 장치에 적합한 위치 검출, 위치 제어 회로의 일예를 제 38 도를 참조하여 설명한다.

제 38 도는 앞서 설명한 제 25 도의 제어 회로의 구성을 베이스로 한 것이고, 제 25 도 중의 각 회로 블록과 동일한 기능을 갖는 회로 블록에 대해서는 동일한 부호를 붙인다.

제 37 도의 헤테로다인 방식의 경우, 웨이퍼 W 상의 격자 MG, 또는 기준 마크판 FG로부터 간섭 빔 BM이 발생하는 동안, 광전 소자(36A)로부터의 각 파장마다의 신호 I_m1, I_m2, I_m3과 광전 소자(40)로부터의 I_ms는 제 39A 도 내지 제 39D 도에 도시한 바와 같은 정현파 형상의 교류 파형으로 된다.

단, 제 39A 도 내지 제 39D 도는 신호 I_m1, I_m2, I_m3은 제 37도 중의 전환 제어 회로 TSC로부터의 신호 CS₁, CS₂, CS₃에 응답하여 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃의 각각이 점등할 때의 신호이다. 또한 참조 신호 I_ms도 레이저 광원 LS₁, LS₂, LS₃의 점등 전환에 응답하여 각 파장마다 별도로(시분할로) 출력되는 것이지만, 제 39D 도에서는 1개의 신호 파형으로 대표하여 도시한다.

제 39D 도는 기준 신호로 된 신호 I_ms의 시간적인 강도 변화를 도시하고, 제 39A 도, 제 39B 도, 제 39C 도는 각각 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG로부터의 간섭빔 BM을 각 파장마다 시분할적으로 수광하였을 때의 신호 I_m1, I_m2, I_m3의 시간적인 강도 변화의 일 예를 도시한다. 여기서 신호 I_ms의 위상을 기준으로 하면, 신호 I_m1의 위상은 신호 I_ms에 대해 -△Ψ₁ 만큼 어긋나고, 신호 I_m2의 위상은 신호 I_ms에 대하여 -△Ψ₂ 만큼 어긋나며, 그리고 신호 I_m3은 신호 I_ms에 대하여 +△Ψ₃ 만큼 어긋나는 것으로 한다. 또, 신호 I_m1의 진폭(교류 성분의 피크 to 피크)은 E₁, 신호 I_m2의 진폭은 E₂, 신호 I_m3의 진폭은 E₃으로 한다.

그리고, 제 38 도에 도시된 회로 블록에 있어서, 광전 소자(36A)로부터의 광전 신호 I_mn과 광전 소자(40)로부터의 광전 신호 I_ms는 아날로그-디지털 변환(A/D 컨버터) 회로 유닛(50)에 입력되고, 여기서 샘플링 클록 발생 회로(52)로부터의 클록 신호(펄스) C_ps에 응답하여 각 신호의 그 순간 강도 레벨이 디지털값으로 변환된다.

클록 발생 회로(52)는 나중에 설명하는 위치 제어기(62)로부터 출력되며, 제 37 도 중의 전환 제어 회로 TSC에 송신되는 지령 신호 CQ에 응답하여 클록 신호 C_ps의 송출 타이밍을 제어한다. 그 타이밍은 예를 들면 전환 제어 회로 TSC가 신호 C_sn(n=1, 2, 3)을 출력하여 3개의 광원 LSn(n=1, 2, 3)의 것을 점등시키는 동안은 항상 클록 신호 C_ps를 출력하도록 정해져 있다.

클록 신호 C_ps의 주파수는 신호 I_mn(n=1, 2, 3), I_ms의 비트 주파수(2·△f)보다도 충분히 높게 정해지며, 이 클록 신호 C_PS는 파형 메모리 회로 유닛(54)에도 보내지고, A/D 컨버터(50)로부터의 디지털값(데이터)을 기억할 때의 메모리 어드레스의 갱신에 사용된다.

이 때 파형 메모리 회로 유닛(54)은 지령 신호 CQ에 응답하여 광전 신호 I_mn, I_ms의 각 디지털 파형 데이터의 기억 영역(어드레스 영역)을 점등된 각 광원에 대응하도록 전환한다. 예를 들면, 메모리 회로 유닛(54)의 파형 데이터 기억 공간으로서 8K 바이트 단위의 6개의 RAM 영역 M1A, M1B, M2A, M2B, M3A, M3B를 확보한다. 그리고, 파장 λ₁의 광원 LS₁이 점등하고 있는 동안에 A/D 컨버터(50)로부터 출력되는 신호 I_mn(I_m1)의 디지털 파형 데이터는 클록 신호 C_PS에 응답하여 RAM 영역 M1A 내에 순차 기억시키고, 동시에 A/D 컨버터(50)로부터 출력되는 신호 I_ms의 디지털 파형 데이터는 클록 신호 C_ps에 응답하여 RAM 영역 M1B 내에 순차 기억시킨다.

또한, 지령 신호 CQ에 응답하여 광원 LS₂가 점등하고 있을 때에는 신호 I_mn(I_m2)의 디지털 파형 데이터를 RAM 영역 M2A 내에 순차 기억시키는 동시에, 동시에 신호 I_ms의 디지털 파형 데이터를 RAM 영역 M2B 내에 순차 기억시키며, 그리고 광원 LS₃이 점등하고 있을 때는 신호 I_mn(I_m3)의 디지털 파형 데이터를 RAM 영역 M3A 내에 순차 기억시키는 동시에, 동시에 신호 I_ms의 디지털 파형 데이터를 RAM 영역 M3A 내에 순차 기억시키도록 전환시킨다.

따라서, 파형 메모리 회로 유닛(54)내의 3개의 RAM 영역 MnA(n=1, 2, 3)의 각각에는 제 39A 도, 제 39B 도, 제 39C 도와 동일한 신호 I_mn(n=1, 2, 3)의 파형 데이터가 소정 주기분(예를 들면, 10 주기분 이상)에 걸쳐서 디지틸 샘플링되며, 메모리 회로 유닛(54)내의 3개의 RAM 영역 MnB(n=1, 2, 3)의 각각에는 제 39D 도와 같은 신호 I_ms의 파형 데이터가 신호 I_mn과 동일한 주기분에 걸쳐서 디지털 샘플링된다.

이 때, 파형 메모리 유닛(54)내의 3개의 계측 신호 I_mn의 각 파형 데이터는 시간축 상에서 서로 다른 타이밍인 것으로 되지만, 3개의 계측 신호 I_mn의 각각과 참조 신호 I_ms는 공통의 클록 신호 C_ps에 의해서 동시에 샘플링되므로, 참조 신호 I_ms의 파형 데이터를 기준으로 하여 3개의 계측 신호 I_mn의 각 파형 데이터의 위상차 △Ψ₁, △Ψ₂, △Ψ₃을 구하면, 각 파장 λ₁, λ₂, λ₃마다의 격자 마크 MG의 위치 오프셋량을 정확하게 알 수 있다.

또한, 회전 래디얼 격자판 RRG를 이용한 경우, 비트 주파수는 수 ㎑ 정도가 상한이기 때문에, 클록 신호 C_ps도 수십 ㎑ 정도라도 좋다. 또한, (E)특개평 6-82215호 공보와 같이 2개의 음향 광학 변조기(AOM)를 탠덤으로 배치한 주파수 시프터를 이용하는 경우, 비트 주파수는 각 AOM에 더하는 고주파 구동 신호(수십 MHz 이상)의 주파수의 차의 2 배로 결정되므로 비교적 자유롭게 정해질 수 있다.

그리고, 제 38 도에 도시한 메모리 회로 유닛(54)내의 각 파형 데이터는 위상차 △Ψ_n(n=1, 2, 3, 위치 오프셋 △X_n(n=1, 2, 3)의 검출 회로 유닛(56)에 읽어들이고, 여기서 제 39A 도, 제 39B 도, 제 39C 도에 도시한 바와 같은 각 위상차 △Ψ₁, △Ψ₂, △Ψ₃이 디지털 연산(푸리에 적분법)에 의해 산출된다. 앞서 가정한 바와 같이 웨이퍼 W의 격자 마크 MG의 피치 Pmg 와, 이 위에 조사된 간섭 프린지의 피치 Pif가 Pmg=2Pif로 설정되어 있으면, 제 39A 내지 제 39C 도의 각 파형의 1 주기는 Pmg/2에 대응한다.

또한, 일반적으로 위상차 계측은 ±80 도의 범위에서 행해지므로, 검출 회로(56)는 연산된 위상차 △Ψ₁, △Ψ₂, △Ψ₃을 상기 식(7)에 따라서 ±Pmg/4의 범위 내의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃으로 변환한다. 이 오프셋량 △X_n은 기준 격자 SG에 대한 격자 마크 MG의 ±Pmg/4 내에서의 오프셋을 나타낸다.

여기서 위상차 계측의 분해능으로서 0.2 정도가 얻어지는 것으로 하면, 오프셋량의 분해능은 거의 (0.2/180)Pmg/4로 되고, 피치 Pmg를 4㎛로 하면 실용적인 범위로서 0.002㎛(2nm) 정도가 얻어진다.

한편, 신호 진폭 및 진폭비 검출 회로 유닛(58)은 파형 메모리 회로 유닛(54)내의 3개의 RAM 영역MnA(n=1, 2, 3)에 기억된 제 39A 도 내지 제 39C 도와 같은 각 파형 데이터를 읽어내고, 각 신호 I_mn의 진폭값 E₁, E₂, E₃을 디지털 연산에 의해서 검출한다.

또한, 이 검출 회로 유닛(58)에는 미리 기준 마크판 FG의 격자로부터 발생한 간섭 빔 BM을 각 광전 소자(36A)에서 수광하였을 때에 얻어진 광전 신호 I_m1, I_m2, I_m3 각각의 진폭값 A_l, A₂, A₃이 기억되어 있다.

즉, 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 계측하기 전에 기준 마크판 FG의 격자 마크를 대물렌즈(22) 아래로 이동시키고, 광전 소자(36A)로부터 제 39A 도, 제 39B 도, 제 39C 도와 같은 신호를 발생시키고, 이것을 파형 메모리 회로 유닛(54)에 기억시킨 후, 진폭 검출 회로(50)에서 진폭값 A₁, A₂, A₃을 검출하여 기억시켜 둔다.

이 때, 마크판 FG가 검출되는 스테이지 WST의 정지 위치를 레이저 간섭계(44)로부터 판독하여 기억하는 동시에 오프셋량 검출 회로 유닛(56)에서 각 파장마다의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3 도 구해 두면 이것을 베이스 라인 결정 시의 데이터로서 이용할 수 있다.

또한, 여기서 언급한 베이스 라인이란 각 파장마다 계측된 마크판 FG 상의 격자 마크의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3이 극히 미소량만 서로 다를 때에, 그 상호의 미소 오차분을 의미한다. 본래, 제 37 도에 도시한 입사광계에서는 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 각 빔에 의해서 기준 마크판 GF 상에 생성되는 각 파장마다의 간섭 프린지가 엄밀하게 일치하고 있으면 마크판 FG의 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 각 값은 완전하게 일치할 수 있다.

그러나 현실적 문제로서 분해능이 2nm 정도로 되면, 이 분해능 정도에 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3이 일치하도록 입사광계나 검출계를 조정해 두는 것은 곤란하다. 이 때문에, 마크판 FG에서 계측된 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 상호 차가 제 37 도에 도시한 얼라인먼트계 고유의 오프셋(베이스 라인 오차)으로서 잔존하게 된다.

이 베이스 라인 오차는 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 검출하여 검출 회로(56)에서 구해지는 각 파장마다의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃ 각각을 먼저 구한 위치 오프셋량 △X_b1, △X_b2, △X_b3의 각각에서 보정 계산함으로써 보상된다. 일 예로서, 제 37 도의 장치에서는 기준 격자 SG로부터 얻어지는 간섭 빔 B_ms도 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 어느 하나로 바꾸기 때문에 어느 1개의 파장, 예를 들면 파장 λ₁ 하에서 계측된 기준 마크판 FG의 위치 오프셋량 △X_b1을 기준으로서 △X_b2 - △X_b1=△Xb₂₁, △X_b3 - △Xb₁=△Xb₃₁의 각 값을 계산하여 기억해 둔다.

그리고 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG에 대하여 계측된 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃에 대하여 △X₂ - △X₁=△X₂₁로 되도록 △X₂의 값을 보정 계산하고, △X₂ - △X₁=△X_b31로 되도록 △X₃의 값을 보정 계산하면 좋다.

또는, 보다 간결한 방법으로서 간섭 빔 B_ms의 각 파장마다의 전환에 따라서 구해지는 기준 마크판 FG의 위치 오프셋량 △Xb₁, △Xb₂, △Xb₃을 기억하고, 계측된 웨이퍼 상의 격자 마크 MG의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃을 △X₁ - △X_b1, △X₂ - △X_b2, △X₃ - △X_b3과 같이 보정 계산하여도 좋다.

또한, 진폭비 검출 회로 유닛(58)은 미리 기억하고 있는 진폭값 A₁, A₂, A₃과 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 검출하였을 때에 얻어지는 진폭값 E₁, E₂, E₃ 의 각 비 C₁, C₂, C₃을 C₁=E₁/A₁, C₂=E₂/A₂, C₃=E₃/A₃으로서 산출한다. 이 비 C₁, C₂ C₃은 제 25 도의 실시예에서 설정한 가중 계수에 상당한다.

이상과 같이 하여 구해진 위치 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃과 비 C₁, C₂, C₃의 데이터는 가중 평균화 연산 회로 유닛(60)으로 보내지며, 여기서 가중한 격자 마크 MG의 오프셋량 △X를 산출한다. 이 연산은 다음 식에 따라서 행해진다.

△X=(C₁·△X₁ + C₂·△X₂+ C₃·△X₃)/(C₁ + C₂+ C₃)

이렇게 하여 구해진 오프셋량 △X는 기준 격자 SG에 대한 격자 마크 MG의 피치 방향의 오프셋이며, 이 데이터는 위치 제어, 표시기(62)로 보내지는 동시에, 웨이퍼 W를 실시간으로 얼라인먼트(위치 결정)하는 경우에는 서보 제어 회로 유닛(64)에도 보내진다.

이 서보 제어 회로 유닛(64)은 2개의 기능을 갖고 있으며, 그 하나는 오프셋량 △X가 소정값으로 될 때까지 구동원(42)을 피드백 제어하는 기능(다이렉트 서보 모드)이다. 이 기능의 경우는 A/D 변환기 회로(50), 메모리 회로 유닛(54), 오프셋량 검출 회로 유닛(56) 및 평균화 회로 유닛(60)의 동작이 위치 제어기(62)로부터의 지령 신호 CQ에 응답하여 차례로 반복되어 극히 짧은 시간(예를 들면 수개의 msec)마다 오프셋량 △X의 값이 산출된다.

또한, 진폭비 검출 회로 유닛(58)에 의한 비 C₁, C₂, C₃의 산출은 처음의 1회만이라도 좋으며, 오프셋량 △X의 산출마다 매회 행하여도 좋다. 비 C₁, C₂, C₃의 산출을 매회 행하는 경우는 가중 평균화 회로 유닛(60)에 의한 오프셋량 △X의 산출마다 비 C₁, C₂, C₃의 값이 약간 변화하는 경우가 있는 것은 물론이다. 또한 비 C₁, C₂, C₃의 산출을 처음의 1 회 또는 복수회 만큼으로 하는 경우는 그 이후 동일한 격자 마크 MG를 검출하는 동안은 동일한 비의 값이 사용된다.

한편 서보 제어 회로 유닛(64)의 또 하나의 기능은 웨이퍼 스테이지 WST를 레이저 간섭계(44)의 계측값에 기초하여 이동시키는 기능(간섭계 서보 모드)이다. 이 기능은 예를 들면 스테이지 WST 상의 기준 마크판 FG의 격자나 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG를 대물렌즈(22) 바로 아래에 위치 결정하거나, 검출된 격자 마크 MG의 위치를 기준으로 하여 웨이퍼 W 상의 임의의 점을 대물렌즈(22)의 바로 아래에 위치 결정할 때에 사용된다.

그리고, 위치 제어, 표시기(62)는 상술한 지령 신호 CQ의 출력 서보 모드의 전환 지시 외에 격자 마크 MG의 좌표 위치나 구해진 오프셋량 △X를 표시하는 기능도 갖는다. 또한 경우에 따라서는 격자 마크 MG를 검출하였을 때의 가중 계수로 되는 비 C₁, C₂, C₃의 값도 기억, 보존한다. 이 경우, 웨이퍼 W 상의 다수의 위치에 동일의 격자 마크 MG가 형성되고, 이들 마크 MG의 위치를 순차 검출할 때에 비 C₁, C₂, C₃ 도 순차 기억하여 두면 웨이퍼 W 상의 어느 부분의 마크 MG에 비대칭성이나 레지스트층의 불균일에 기인한 문제가 있었는지를 검증할 수 있다.

그리고 웨이퍼 W 상에서 가중 계수(비 C₁, C₂, C₃)가 크게 변화한 부분을 그래픽 표시하도록 하여도 좋다. 이 때, 확산 공정이나 에칭 공정 등의 열화학 프로세스를 거쳐, 레지스트층을 도포하기 전의 웨이퍼를 제 8 도의 장치에 장착하여 가중 계수의 변화를 구하면, 이 열화학 프로세스에 의한 웨이퍼면 상의 영향을 간접적으로 조사할 수도 있다. 또한, 이 웨이퍼에 레지스트층을 도포하여 동일하게 가중 계수의 변화를 구하여 도포전의 가중 계수의 변화와 비교하면 레지스트층에 의한 영향을 간접적으로 조사할 수 있다.

이상의 제 15 실시예에서는 스테이지 WST 상에 기준 마크판 FG를 설치하고, 이것을 사용하여 각 파장마다의 신호 진폭 변화율, 즉 비 C₁, C₂, C₃을 구하였으므로, 도 21에 도시된 바와 같이, 입사광빔 LB₁, LB₂, LB₃의 일부의 빔 B_r1, B_r2의 광강도를 직접 검출하는 광전 소자를 설치할 필요가 없다.

그런데 웨이퍼 스테이지 WST 상에 주지의 반사율의 크롬 표면을 가진 기준 마크판 FG를 고정한 경우는 앞서 언급한 바와 같이 그 마크판 FG를 각종 베이스라인량의 계측이나 포커스 상태의 계측이나 포커스 상태의 계측에 이용할 수 있다. 따라서 제 37 도에 도시한 제 15 실시예에 의한 위치 검출 장치는 상기 제 15 도, 제 16 도에 도시된 바와 같이 베이스라인량의 계측이 필요한 투사 노광 장치에 완전히 동일하게 적용할 수 있다.

그런데, 상기 제 16 도에 도시한 얼라인먼트계 TTLA에 제 37 도와 같은 헤테로다인 방식의 위치 검출 장치를 장착하는 경우, 입사광빔 ±LF가 복수의 파장성분(서로 30 내지 40nm 정도 오프셋)으로 시분할적으로 전환되면, 투사 렌즈 PL의 색수차(축상 및 배율)의 영향, 또는 대물렌즈 OBJ의 색수차의 영향에 의해서 웨이퍼 상에 조사되는 빔 ±LF의 교차 영역이 각 파장 성분마다 Z방향 또는 XY방향으로 미묘하게 어긋나는 경우가 있다.

그래서 상기 제 17A 도, 제 17B 도와 같이 입사광빔 ±LF의 광로 중에 색수차에 따라서 발생하는 오차를 보정 광학계 CG를 설치하면 좋다.

제 40 도는 조명 빔을 시분할로 전환하는 본 발명의 제 16 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하며, 그 기본 구성은 상기 제 21 도와 유사하며, 따라서 제 21 도와 동일 기능의 부재에는 동일한 부호를 붙인다. 여기에서는 2개의 회절 격자 RG, MG 사이의 피치 방향(X 방향으로 한다)의 상대적인 위치 오프셋량을 호모다인 방식으로 계측하는 경우를 예시한다. 조명 빔으로서의 빔 LB₁, LB₂는 각각 다른 레이저 광원으로부터 서로 다른 파장 λ₁, λ₂로 사출되며, 동축이 되도록 광축 조정된 후 시분할로 전환되어 빔 스플리터 BS, 미러 MR₁을 통해 격자 RG에 수직으로 조사된다.

빔 스플리터 BS는 빔 LB₁, LB₂의 일부분(수% 정도)의 빔 B_r1, B_r2를 진폭 분할하여 광전 소자 DT₁로 유도한다. 이 광전 소자 DT₁은 주조명 빔 LB₁, LB₂의 조사에 의해서 파장 λ₁의 빔 B_r1을 수광하고 있을 때는 이 강도값을 나타내는 광전 신호 I_r1을 출력하며, 주조명 빔 LB₂의 조사에 의해서 파장 λ₂의 빔 B_r2를 수광하고 있을 때는 이 강도값을 나타내는 광전 신호 I_r2를 출력한다.

그리고, 격자 RG로부터는 빔 LB₁, LB₂(평행 빔)의 조사에 의해서 복수의 회절광빔이 상기 제 21 도와 마찬가지로 발생한다.

제 40 도에서는 이들 회절 빔으로서 파장 λ₁의 LB₁로부터 생성된 1차 회절빔 +D₁₁, -D₁₁, 파장 λ₂의 빔 LB₂로부터 생성된 1차 회절 빔 +D₁₂, -D₁₂ 및 0차 빔D₀을 나타내고 있다. 물론, 각 파장의 빔 LB₁, LB₂마다 그 이상의 고차 회절광도 발생하지만, 여기서는 설명을 간략화하기 위하여 1차 회절 빔만을 도시하였다.

그리고, 각 회절 빔은 상기 제 21 도와 동일하게 하여 전군 렌즈계 G₁과 후군 렌즈계 G₂로 나누어진 결상 광학계에 입사한다.

그리고, 푸리에 변환면(눈동자면) EP 중앙에 배치된 작은 미러 MR₂에 의해서 격자 RG로부터의 빔 D₀은 차광되며, 후군 렌즈계 G₂로 입사하는 것이 지지된다. 또한, 각 1차 회절 빔은 격자 RG로부터 사출할 때는 빔 LB₁, LB₂와 동일하게 평행 빔으로 되어 있지만, 전군 렌즈계 G₁의 작동에서 푸리에 변환된 EP의 위치에서 빔 웨이스트로 되어 수렴한다.

여기서, 격자 RG의 피치를 Prg로 하면, 파장 λ₁의 빔 LB₁에 의해서 발생한 1차 회절 빔 ±D₁₁과 파장 λ₂의 빔 LB₂에 의해서 발생한 1차 회절 빔 ±D₁₂ 는 상기 제 21 도와 마찬가지로 후군 렌즈 G₂를 통해 물체측에 요철 모양으로 형성된 피계측용의 반사형 격자 MG 상에서 각각 평행 빔으로 되어 중첩한다. 이 때, 격자 MG의 피치 방향도 X 방향에 일치하며, 격자 MG 상에는 1차 회절 빔 ±D₁₁의 그 광빔 간섭에 의한 파장 λ₁의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X방향), 또는 1차 회절 빔 ±D₁₂의 그 광빔 간섭에 의한 파장 λ₂의 1차원 간섭 프린지(피치 방향은 X 방향)의 어느 하나가 생성된다.

이 때, 파장 λ₁의 광과 파장 λ₂의 광은 서로 다른 파장이기 때문에, 가령 2개의 주조명 빔 LB₁, LB₂를 동시에 조사하더라도 1차 회절 빔 ±D₁₁과 D₁₂ 사이에서는 간섭이 발생하지 않는다. 그리고 중요한 것은 1차 회절 빔 ±D₁₁에 의해서 생성된 파장 λ₁의 간섭 프린지와 1차 회절 빔 ±D₁₂에 의해서 생성된 파장 λ₂의 간섭 프린지는 그 피치가 완전히 동일하여 마치 단일한 간섭 프린지로서 나타나는 것이다.

이 간섭 프린지의 강도 분포의 피치 Pif는 격자 RG의 피치 Prg와 결상 광학계(G₁, G₂)의 배율 M에 의해서 정해지며, Pif=M·Prg/2로 나타난다. 예를 들면 피치 Prg를 4㎛, 배율 M을 1/4(격자 RG의 패턴 사이즈가 격자 MG 측에서 1/4로 축소된다)로 하면, 간섭 프린지의 피치 Pif는 0.5㎛로 된다. 여기서, 피계측용의 격자 MG의 피치 Pmg를 Pmg=2Pif의 관계, 즉 Pmg=M·Prg의 관계로 정하면, 격자 MG로부터는 1차 회절 빔 ±D₁₁을 입사광빔으로서 재회절광이 발생한다.

예를 들면, 1차 회절 빔 +D₁₁을 입사광빔으로서 격자 MG로부터 발생하는 1개의 재회절광은 격자 MG로부터 수직으로 진행하는 1차 회절광(파장 λ₁)이며, 1차 회절 빔 -D₁₁을 입사광빔으로서 격자 MG로부터 발생하는 1개의 재회절광은 격자 MG로부터 수직으로 진행하는 +1차 회절광(파장 λ₁)이다. 이들 수직으로 진행하는 파장 λ₁의 ±1차 회절광은 서로 위상 상태에 따른 간섭 강도를 가지며, 간섭 빔 BM(B_m1)으로 되어 미러 MR₂에 도달한다.

또한, 격자 MG로부터는 1차 회절 빔 ±D₁₂를 입사광빔으로 한 재회절광도 발생하지만, 1차 회절 빔 +D₁₂의 조사에 의해 격자 MG로부터 발생하는 -1차 회절광(파장 λ₂)은 격자 MG로부터 수직으로 진행하며, 1차 회절 빔 -D₁₂의 조사에 의해 격자 MG로부터 발생하는 +1차 회절광(파장 λ₂)도 격자 MG로부터 수직으로 진행한다. 이들 수직으로 진행하는 파장 λ₂의 ±1차 회절광도 서로의 위상 상태에 따른 간섭 강도를 가지며, 간섭 빔 BM(B_m2)로 되어 미러 MR₂에 도달한다. 즉 간섭 빔 BM은 주조명 빔 LB₁, LB₂의 전환에 응답하여 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1 이 파장 λ₂의 간섭 빔 B_m2의 어느 하나가 된다. 이 간섭 빔 BM은 미러 MR₂에서 반사되어 광전 검출계를 구성하는 렌즈계 G₃을 통해 광전 소자 DT₀에 도달한다.

광전 소자 DT₀은 주조명 빔 LB₁이 조사되고 있는 동안에 출력된 광전 신호를 간섭 빔 B_m1의 강도에 따른 레벨의 광전 신호 I_ml로서 회로 유닛 CU₁과 CU₃으로 출력하고, 주조명 빔 LB₂가 조사되고 있는 동안에 출력되는 광전 신호를 간섭 빔 B_m2의 강도에 따른 레벨의 광전 신호 I_m2로서 회로 유닛 CU₂와 CU₄에 출력한다.

또한, 제 40 도에서는 신호 처리 회로의 기능을 설명하기 쉽게 하기 위해서, 회로 유닛 CU₁과 CU₂를 별도로 도시하며, 회로 유닛 CU₃과 CU₄를 별도로 도시하지만, 실제의 회로 구성 상에서는 주조명 빔 LB₁, LB₂가 시분할적으로 전환되므로 회로 유닛 CU₁, CU₂ 중 어느 한 쪽과 회로 유닛 CU₃, CU₄ 중 어느 한쪽이 있으면 좋다.

회로 유닛 CU₁₁은 광전 소자 DT₁로부터의 신호 I_t1과 광전 신호 I_m1의 진폭값과의 비 C₁을 I_m1/I_r1의 연산에 의해서 구하고, 회로 유닛 CU₂는 광전 소자 DT₁로부터의 신호 I_r2와 광전 신호 I_m2의 진폭값과의 비 C₂를 I_m2/I_r2의 연산에 의해서 구한다. 이들 비 C₁, C₂의 데이터는 상기 제 21 도와 마찬가지로 가중 평균을 계산하는 회로 유닛 CU₅에 출력된다.

그리고, 본 실시예에서는 호모다인 방식을 채용하였으므로, 간섭 빔 B_m1, B_m2의 강도는 격자 RG와 MG의 X 방향의 상대 위치 변화에 따라서 변화하며, 가령 격자 RG와 MG가 어떤 상태에서 정지하고 있으면 신호 I_m1, I_m2의 레벨은 각각 이런 일정값을 계속 취한다. 그래서 격자 RG에 의해서 생성된 격자 MG 상의 간섭 프린지와 격자 MG를 X 방향으로 일정량(간섭 프린지의 피치 Pif 분 이상)만큼 상대 주사시키고, 그 동안에 생기는 신호 I_m1, I_m2의 정전 파형의 레벨 변화에 있어서의 피크값과 보텀값을 샘플링하여 그 차값을 진폭값으로서 각각 회로 유닛 CU₁, CU₂의 연산에 사용하도록 한다.

여기서, 간섭 프린지와 격자 MG의 위치 관계의 변화에 따른 신호 I_m1(I_m2도 동일)의 레벨 변화는 상기 제 22A 도 내지 22D 도에서 설명한 것과 동일하므로 그 설명은 생략한다.

그리고, 회로 유닛 CU₃, CU₄는 각각 I_m1, I_m2의 진폭값과 미리 설정된 함수 또는 변환 연산식 F(I_m2), F(I_m2)를 기초로 간섭 프린지와 격자 MG의 X 방향의 위치 오프셋량 △X₁, △X₂를 연산한다. 이 위치 오프셋량 △X₁, △X₂는 예를 들면 제 22D 도 중의 각 신호 I_m1, I_m2의 특정한 1개의 피크점 또는 보텀점을 기준(원점)으로 하여, 이것으로부터 ±Pmg/4의 범위 내의 값으로서 구해진다.

본 실시예에서는 주조명 빔 LB₁, LB₂를 시분할적으로 전환하여 조사하도록 하였으므로, 주조명 빔 LB₁을 조사하여 광전 신호 I_m1의 레벨 변화를 검출할 때의 격자 마크 MG(웨이퍼)의 X 방향의 미동 개시 위치와, 주조명 빔 LB₂를 조사하여 광전신호 I_m2의 레벨 변화를 검출할 때의 격자 마크 MG(웨이퍼)의 X 방향의 미동 개시 위치를 일치시켜 두는 것으로 한다.

또한, 실제의 장치 구성 상은 격자 마크 MG를 이동시키는 가동 스테이지의 좌표 위치를 격자 피치 Pmg 보다도 충분하게 분해능이 높은 측장 장치(레이저 간섭계 등)에서 차례로 계측하도록 하고, 이 측장 장치의 계측값을 기초로 가동 스테이지를 서보 제어하여 미동 개시 위치를 실현하도록 한다. 또한 보다 바람직한 구성으로서는 그러한 측장 장치로부터의 위치 계측용의 위치 펄스(예를 들면, 0.02㎛의 이동마다 1 펄스)의 각각에 응답하여 각 광전 신호 I_m1, I_m2의 레벨 변화를 A/D 변환하며, 이 변환된 레벨의 디지털값을 어드레스와 이동 위치를 대응시킨 파형 메모리회로(RAM) 등 순차 기억시킨 파형 기억 수단을 설치하여 둔다.

이렇게 해두면, 기억된 파형 데이터를 읽어내는 것만으로, 각 신호 I_m1, I_m2의 진폭값이나 신호 파형 상의 기준점이 되는 보텀이나 피크의 좌표 위치가 즉시 구해진다. 그런데, 앞에서 설명한 함수 또는 변환 연산식 F(I_m1), F(I_m2)는 각 신호 I_m1, I_m2가 정현파 형상이므로 정현 함수 또는 여현 함수를 사용한다. 일 예로서, 상술한 신호 I_m1의 피크 레벨을 E_p1, 보텀 레벨을 E_b1로 하며, 검출한 위치에 대한 신호 I_m1의 레벨을 e₁로 하면,

(E_p1 + E_b1)/2 + {(E_p1 - ES)sinΨ₁}/2=e₁

을 만족하는 래디얼 Ψ₁을 구하고, 이것을 피치 Pmg의 값을 사용한 이하의 교환식에 대입하면 기준점으로부터의 오프셋량 △X₁을 알 수 있다.

△X₁=Pmg·Ψ₁/4π

동일하게 하여 I_m2를 사용한 기준점으로부터의 오프셋량 △X₂ 도 산출되며, 이들의 오프셋량 △X₁, △X₂의 데이터는 가중 평균 연산을 행하는 회로 유닛 CU₅로 전송되며, 앞서 구한 비 C₁, C₂를 가중 계수로서 이하의 연산을 행한다.

△X=(C₁·△X₁ + C₂·△X₂)/(C₁ + C₂)

이 연산에서 구해진 오프셋량 △X가 최종적으로 구해야 할 격자 MG의 격자 RG에 대한 위치 오프셋량이다.

이 연산식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 오프셋량 △X는 간섭 빔 BM 중의 강도가 높은 쪽의 파장 성분의 간섭 빔을 사용한 위치 오프셋량의 계측 결과의 쪽에 보다 많은 가중을 하도록 결정된다. 이상과 같이 본 실시예에서는 2개의 상이한 파장 성분의 빔 LB₁, LB₂를 사용하여 격자 Rg, MG를 조사하며, 수광해야 할 간섭 빔 BM도 파장별로 광전 검출하고, 각 파장마다의 간섭 빔 B_m1, B_m2를 사용하여 개별로 위치 오프셋 검출한 결과를 파장마다의 수광 광의 진폭에 따라서 가중 평균하도록 하였으므로, 보다 신뢰성이 높은 위치 검출 결과가 얻어진다.

또한, 제 40 도에 도시한 광학 배치로 격자 RG를 마스크상의 격자 마크로 하고, 격자 MG를 웨이퍼 상의 마크로 하고, 결상계 G₁, G₂를 마스크 패턴의 웨이퍼로의 투명 렌즈로 하면 투사 노광 장치에서의 얼라인먼트 장치를 실현할 수 있다.

제 41 도는 제 17 실시예에 의한 개략적인 구성을 도시하며, 기본 구성은 상기 제 23 도와 동일하므로 동일 부재에는 동일한 부호를 붙인다. 제 17 실시예에서는 조명용 2개의 빔 LB₁, LB₂를 렌즈계 G₄를 통해 결상 광학계(G₁, G₂)의 눈동자면의 중앙에 배치된 미러 MR₂에 입사시키고, 이 미러 MR₂에서 아래로 굴곡된 빔 LB₁, LB₂를 시분할적으로 전환하여 후군 렌즈계 G₂를 통해 평행 빔으로 하여 격자 MG에 수직으로 조사한다. 그리고, 격자 MG 에서 회절한 파장 λ₁의 1차 회절 빔 ±D₁₁, 또는 파장λ₂의 1차 회절 빔 ±D₁₂를 렌즈계 G₁, G₂를 통하여 격자 RG 상에 교차(결상)시킨다. 격자 RG는 투과형이므로, 1차 회절 빔 ±D₁₁ 또는 ±D₁₂의 조사에 의해서 격자 RG로부터 발생한 재회절광 중 ±1차 회절광은 격자 RG로부터 수직인 방향으로 결상 광학계와 반사측으로 진행하며, 미러 MR₃, 얼라인먼트 대물렌즈 G₅ 및 공간 필터(28)를 통해 간섭 빔 BM(파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1과 파장 λ₂의 간섭 빔 Bm의 어느 한쪽)으로 되어 광전 소자 DT₀으로 수광된다. 그 외 구성(광전 소자 DT₁, 회로 유닛 CU₁, CU₂, CU₃, CU₄, CU₅)은 제 40 도와 동일하다.

이렇게 하여 광전 소자 DT₀은 주조명 빔 LB₁, LB₂의 시분할적인 전환에 따라서 광전 신호 I_m1, I_m 중 어느 한 쪽을 출력한다.

본 실시예는 빔의 입사광과 수광의 관계를 제 40 도의 것과 반대로 한 구성이지만, 이 구성은 격자 MG를 웨이퍼에 형성하고, 격자 RG를 래티클(마스크)에 형성하고, 그리고 렌즈계 G₁, G₂를 래티클 패턴의 투사 노광용의 축소 투사 렌즈로 한 (F)특개평 3-3224호 공보의 장치에 적용할 수 있다. 단, 공보(F)에 개시된 장치에서는 투사 렌즈의 눈동자면 E_p에 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂를 미소량만큼 굴절시키는 작은 렌즈를 설치하고, 투사 렌즈에서 발생하는 색수차를 보정하고 있지만, 제 41 도의 실시예를 적용할 때에는 서로 파장이 다른 2세트의 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂의 각각에 대하여 최적의 보정이 이루어지도록 한 소 렌즈(예를 들면, 색분산이 큰 프린트계의 초재나 비구면 렌즈)를 설치할 필요가 있다.

이상, 제 17 도의 실시예에서는 주조명 빔 LB₁, LB₂를 예를 들면 웨이퍼 상의 격자 마크 MG에 직접 입사하도록 구성하였으므로, 격자 마크 MG로부터 발생하는 1차 회절 빔 ±D₁₁, ±D₁₂의 각 강도는 제 40 도 중의 격자 MG로부터 발생하는 회절 빔(간섭 빔 BM)의 강도보다도 높일 수 있다.

다음에 본 발명의 제 18의 실시예를 이하에 설명한다. 본 실시예에서는 제 37 도에 도시한 구성을 베이스로 하여 앞서 설명한 바와 같이 격자 마크로부터의 ±1차 회절광의 간섭 빔의 외에, 격자 마크로부터의 0차 광과 2차 회절광의 간섭 빔(차수 차 2인 회절광끼리의 간섭)도 검출하는 구성을 부가하였다. 0차 광과 2차 회절광의 간섭 빔을 단일한 광전 소자로 광전 변환하고, 그 광전 신호를 이용하여 격자 마크의 위치 오프셋을 검출하는 방식은 시도되고 있지만, 격자 마크 조명용의 입사광빔을 다파장화한 상에서 0차 광과 2차 광의 간섭 빔(다파장화되어 있다)을 단일의 광전 소자로 수광하면 그대로 양호한 위치 오프셋 검출이 어려웠다.

이 커다란 이유는 상기 제 29A 도 내지 제 29D 도, 제 30A 도 내지 제 30D 도를 참조하여 설명한 대로 3개의 광전 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)의 서로의 위상차가 ±1차 회절광의 간섭 빔인 경우의 광전 신호 I_mn(제 39 A 도 내지 제 39C 도)의 위상차에 비해 대체적으로 커지기 때문이다.

이 때문에, 원래 큰 위상차를 갖는 각 파장마다의 광강도의 변화를 단일의 광전 소자로 수광하여 버리면 각 파장의 강도의 상쇄 효과에 의해서 광전 신호의 진폭(교류의 진폭분)이 극히 작아져 버린다.

그래서, 본 실시예의 구성을 제 42 도를 참조하여 설명한다. 제 42 도는 제 37 도의 구성의 일부, 구체적으로는 격자 마크 MG로부터의 각종 간섭 빔의 광점검출계를 변경한 것이며, 따라서 제 37 도 중의 부재와 동일한 기능의 부재에는 동일 부호를 붙이고 있다. 제 42 도 중의 입사광계 (100)는 제 37 도에 도시한 광원 LS₁, LS₂, LS₃, 미러 MR, 미러 DCM₄, DCM₅, 주파수 시프터로서의 방사형 격자판 RRG, 렌즈(10), 공간 필터(12) 및 조정 광학계(14, 16, 18) 등으로 구성되고, 한 쌍의 입사광빔 +LF, -LF를 사출한다.

파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 어느 하나로 순차 전환되는 광전송빔 ±LF는 하프 미러(20)에서 일부가 반사되어 대물렌즈(22)에 입사하고, 일부는 참조 광 수광계(110)에 입사한다. 참조광 수광계(110)는 제 37 도 중의 조정 광학계(24A. 24B), 렌즈(26), 기준 격자 SG, 및 공간 필터(38)로 구성되며, 참조광 B_ms를 광전 소자(40)로 유도된다. 그리고, 대물렌즈(22)를 통해 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG가 광전송빔 ±LF에 의해서 조사되면, ±1차 회절광의 간섭 빔 BM이 수직으로 발생함과 동시에 각 광전송빔의 진행 방향과 역방향으로 0차-2차 광의 간섭 빔 BM이고, BM₂₀이 발생한다. 이 ±1차 회절광의 간섭 빔 BM과 0차-2차 광의 간섭 빔 BM₀₂, BM₂₀은 대물렌즈(22), 하프 미러(20)를 통해 미러(32)에서 반사되고, 간섭 빔 BM은 광전소자 DT₀로 수광되며 간섭 빔 BM₀₂, BM₂₀은 각각 광전 소자 DT_2a, DT_2b로 수광된다.

앞에서 설명한 대로 입사광빔 ±LF의 각 파장 성분으로의 전환에 응답하여 간섭 빔 M은 파장 λ₁의 간섭 빔 B_m1, 파장 λ₂의 간섭 빔 B_m2, 파장 λ₃의 간섭 빔 B_m3의 어느 하나로 된다. 마찬가지로 0차-2차 광의 간섭 빔 BM₀₂, BM₂₀ 도 입사광빔 ±LF의 파장 전환에 응답하여 3개의 파장 λ₁, λ₂, λ₃ 중 어느 1개의 성분으로 되어 있다.

또한 각 광전 소자 DT₀, DT_2a, DT_2b가 대물렌즈(22)의 푸리에 변환면, 또는 이 부근면에 배치되는 경우, 0차-2차 광의 간섭 빔 BM₀₂, BM₂₀은 각 파장마다 광전소자 DT_2a, DT_2b 상에서 가로로 오프셋하여 수광된다. 따라서 각 광전 소자 DT_2a, DT_2b의 수광면은 이 가로 오프셋이 예상한 크기로 된다. 또한, 각 광전 소자 DT₀, DT_2a, DT_2b의 바로 앞에 공간 필터를 설치하며 각 간섭 빔을 선택하는 경우도 이 가로 오프셋을 고려하여 빔 선택용의 개구부의 크기를 결정할 필요가 있다. 또는, 각 광전 소자 DT_2a, DT_2b의 각각의 바로 앞에 색분산이 큰 초재에 의한 프리즘(또는 평판-평행 유리)을 설치하고, 수광면 상에서의 각 파장에 의한 가로 오프셋을 저감하도록 하여도 좋다.

이상의 구성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 광전 소자(40)로부터의 광전 신호 I_ms를 참조 신호로서 각 광전 소자 DT₀, DT_2a, DT_2b로부터의 광전 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3)의 각 위상차를 구하는 신호 처리 회로가 필요하게 된다. 이를 위해 가장 간편한 회로 구성의 일 예를 제 43 도에 도시한다.

제 43 도는 상기 제 38 도에 도시된 처리 회로의 일부를 개량한 것이며, 하드웨어 상에서는 제 38 도 중 컨버터 회로 유닛(50)을 4채널분의 A/D 변환용 IC 회로 ADCa, ADCb, ADCc, ADCd로 구성하며, 각 채널에 참조 신호 Ims, 계측 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 각각을 인가함으로써, 이 4개의 신호를 거의 동시에 제 38 도 중의 샘플링 클록 발생 회로(52)로부터의 펄스 신호 C_PS에 응답하여 디지털 샘플링할 수 있도록 한 것이 다르다.

또한 파형 메모리 회로 유닛(54)은 본 실시예에서 제 44 도에 도시한 바와 같이 각 A/D 변환 IC 회로 ADCa, ADCb, ADCc, ADCd로부터의 신호 파형 데이터를 동시에 기억하는 4 채널분의 메모리 백 MM_an, MM_bn, MM_cn, MM_dn을 구비하며, 또한 각 백마다의 파장의 수(여기서는 3개)분의 메모리 영역 a₁ 내지 a₃, b₁ 내지 b₃, c₁ 내지 c₃, d₁ 내지 d₃이 준비되어 있다.

또한 파형 메모리 회로 유닛(54)은 위치 제어기(62)로부터의 지령 신호 CQ에 응답하여 입사광빔 ±LF의 파장 전환과 연동하도록 각 메모리 백 MM_an, MM_bn, MM_cn, MM_dn 내의 기록 가능하게 되는 메모리 영역을 순차 전환한다. 또한 12개의 메모리 영역 a₁ 내지 a₃, b₁ 내지 b₃, c₁ 내지 c₃, d₁ 내지 d₃의 각각의 어드레스 카운터는 펄스 신호 C_ps에 응답하여 공통적으로 갱신되지만, 동시각에 기록이 행해지는 것은 지령 신호 CQ에 응답한 4개의 메모리 영역뿐이다.

즉, 입사광빔 ±LF가 파장λ₁의 사이는 신호 I_mn의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 a₁에 신호 IK02_n의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 b₁에, 신호 IK20_n의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 c₁에, 그리고 참조 신호 I_ms(λ₁)의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 d₁에 기억된다.

마찬가지로 입사광빔 ±LF가 파장 λ₂의 사이는 신호 I_mn의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 a₂에 신호 IK02_n의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 b₂에, 신호 IK20_n의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 c₂에, 그리고 참조 신호 I_ms(λ₂)의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 d₂에 기억되며, 입사광빔 ±LF가 파장 λ₃의 사이는 신호 1_mn의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 a₃에, 신호 IK02_n의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 b₃에, 신호 IK20_n의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 c₃에, 그리고 참조 신호 I_ms(λ₃)의 디지털 파형 데이터가 메모리 영역 d₃에 기억된다.

또한, 제 38 도에서 도시한 진폭 검출, 진폭비 검출 회로(58)는 제 43 도에서 회절 상태가 상이한 간섭 빔마다 그룹화된 비의 데이터 C_n1, C_n2, C_n3(n은 파장에 대응하는 n=1, 2, 3)을 출력하도록 변경된다. 이 비의 데이터 중 Cn₁(n=1, 2, 3)은 제 38 도 중의 비 C₁, C₂, C₃과 동일한 것이며, C_n2(n=1, 2, 3)는 광전 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)으로부터 얻어지는 각 파장마다의 비이며, C_n3(n=1, 2, 3)은 광전 신호 IKL20_n(n=1, 2, 3)으로부터 얻어진 각 파장마다의 비이다.

또한 제 38 도에서 도시한 위상차, 위치 오프셋 검출 회로(56)는 제 43 도에서는 회절 상태가 다른 간섭 빔마다 그룹화된 오프셋량 △X_n1, △X_n2, △X_n3(n=1, 2, 3)을 출력하도록 변경된다. 이 오프셋량 중 △X_n1(n=1, 2, 3)은 제 38 도 중 오프셋량 △X₁, △X₂, △X₃과 동일한 것이며, △X_n1(n=1, 2, 3)은 광전 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)으로부터 구해진 각 파장 성분마다의 오프셋량이며, △X_n3(n=1, 2, 3)은 광전 신호 IK02_n(n=1, 2, 3)으로부터 얻어진 각 파장 성분마다의 오프셋량이다. 또한, 이 검출 회로(56)는 상기 제 29A 도 내지 29D 도, 제 30A 도 내지 30D 도에서 설명한 바와 같은 위상차 △β_0n, △β_1n, △β_2n( n= 1, 2, 3)에 따른 값을 중간적으로 산출하고 있다.

또한, 제 38 도 중의 가중 평균화 회로(60)는 제 43 도에서는 선택적인 가중 평균화 회로로 변경되며, ±1차 광의 간섭 빔 BM의 광전 검출 결과만에 기초하여 최종적인 위치 오프셋량을 △X를 산출하는 제 38 도와 동일한 제 1 연산 모드, 0차-2차 광의 간섭 빔의 광전 검출 경과만을 기초로 최종적인 오프셋량 △X를 산출하는 제 2 연산 모드 및 모든 간섭 빔 광전 검출 결과를 기초로 최종적인 오프셋량 △X를 산출하는 제 3 연산 모드를 구비하고 있다. 이들 3개의 연산 모드는 오퍼레이터에 의해서 적절하게 선택 가능하지만 제 3 연산 모드를 지정하였을 때에는 또 한 2 내지 3의 연산 알고리즘을 선택할 수 있다. 이와 같은 모드 지정, 알고리즘, 선택에 대해서는 상세하게 후술한다.

본 실시에의 경우도, 우선 최초에 웨이퍼 스테이지 WST 상의 마크판 FG의 격자 마크가 대물렌즈(22)로부터의 입사광빔 ±LF에서 조사되도록 간섭계(44)에 따라서 스테이지 WST의 위치 결정이 행해진다.

그 후, 위치 제어기(62; 제 38 도)로부터의 지령 신호 CQ에 응답하여 3개의 광원 LS₁, LS₂, LS₃이 일정 시간(예를 들면 비트 주사수 2△f의 주기 100배 정도)마다 순차 전환 점등되며, 기준 마크판 FG의 격자 마크가 순차 파장 전환된 입사광빔 ±LF에 의해서 조사된다. 그래서, 예를 들면, 3개의 광원 LS₁, LS₂, LS₃이 파장이 짧은 순서로 전환 점등되는 것으로 하면, 우선 광원 LS₁(파장 λ₁)이 점등하고 있는 동안에 광전 소자 DT₀로부터 출력되는 신호 I_mn(n=1)의 디지털 파형 데이터는 샘플링용 펄스 신호 C_PS에 응답하여 제 44 도 중의 메모리 영역 a₁에 기억된다.

동시에, 광전 소자 DT₂로부터의 신호 IK02_n(n=1)의 디지털 파형 데이터는 펄스 신호 C_PS에 응답하여 메모리 영역 b₁에 기억되며, 광전 소자 DT_2b로부터의 신호 IK20_n(n=1)의 디지털 파형 데이터는 펄스 신호 C_PS에 응답하여 메모리 영역 c₁에 기억되며, 그리고 광전 소자(40)로부터의 신호 I_ms(파장 λ₁)의 디지털 파형 데이터는 펄스 신호C_PS에 응답하여 메모리 영역 d₁에 기억된다.

이하 동일하게 하여, 광원 LS₂, LS₃의 각각이 점등하고 있는 동안의 각 광전 소자로부터의 신호 1_mn, IK02_n, IK20_n, I_ms(n=2, 3)가 대응하는 메모리 영역 a_n, b_n, c_n, d_n(n=2, 3)의 각각에 기억된다.

다음에, 진폭 검출 회로(58)에 의해서 메모리 회로 유닛(54)의 메모리 백(MM_bn)내의 각 파형 데이터를 해석하여 각 파장마다의 신호 IK02_n의 진폭값(피크 to 피크)을 J02_n(n=1, 2, 3)으로서 산출하여 기억한다. 동일하게 하여, 진폭 검출 회로(58)는 메모리 백 MM_cn 내의 각 파형 데이터를 해석하고, 각 파장마다의 신호 IK20_n(n=1, 2, 3)의 진폭값(피크 to 피크)을 J20_n(n=1, 2, 3)으로서 산출하여 기억하며, 메모리 백 MM_an 내의 각 파형 데이터를 해석하여 각 파장마다의 신호 I_mn의 진폭값 J11_n(n=1, 2, 3)을 구하여 기억한다.

이상에 의해서 예비 동작이 종료하므로, 다음에 실제로 위치맞춤해야 할 웨이퍼 W를 스테이지 AST 상에 재치하며, 웨이퍼 W 상의 격자 마크 MG가 대물렌즈(22)로부터의 입사광빔 ±LF에 의해서 조사되도록 스테이지 WST를 위치 결정한다.

그리고, 상기 기준 마크판 FG의 격자 마크의 검출 시와 동일하게 하여 3개의 광원 LS₁, LS₂, LS₃을 순차 전환 점등하여 각 광전 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3), I_ms의 각 파형 데이터를 메모리 회로 유닛(54)에 동시에 집어넣는다. 그 후, 메모리 회로 유닛(54)의 각 메모리 영역 a_n, b_n, c_n에 기억된 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n,(n=1, 2, 3)의 각각의 각 신호의 진폭값을 검출 회로(58)에 의해서 각각 E_n(제 39A 도 내지 제 39D 도 참조), E02_n, E20_n(제 29A 도 내지 제 29D 도, 제 30A 도 내지 제 30D 도)으로서 산출된다.

한편, 위상차, 위상 오프셋 검출 회로 유닛(56)을 메모리 회로 유닛(54)의 각 메모리 영역 a_n, b_n, c_n에 기억된 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3)을 각 파장마다 읽어내어 각 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 참조 신호 I_ms에 대한 위상 △Ψ_n, △β_0n, △β_2n(n=1, 2, 3)과, 위치 오프셋량 △X_n1, △X_n2, △X_n3(n=1, 2, 3)을 순차 산출해 둔다 .

이렇게 하여, 각 파장마다의 진폭값이나 위치 오프셋량이 회절 상태가 다른 검출광(간섭 빔)마다 구해지면, 진폭비 검출 회로(58)는 이하의 연산을 행한다.

(A1) C₁₁=E₁/J11₁

(A2) C₂₁=E₂/J11₂

(A3) C₃₁=E₃/J11₃

(B1) C₁₂=E02₁/J02₁

(B2) C₂₂=E02₂/J02₂

(B3) C₃₂=E02₃/J02₃

(C1) C₁₃=E20₁/J20₁

(C2) C₂₃=E20₂/J20₂

(C3) C₃₃=E20₃/J20₃

다음에 평균화 회로 유닛(60)에 의해서 가장 확실할 것 같은 오프셋량 △X가 산출되지만 ±1차 광의 간섭 빔 BM 만을 사용한 제 1 연산 모드에서는 상기 제 38 도의 경우와 동일하다.

△X=(C₁₁·△X₁₁ + C₂₁·△X₂₁ + C₃₁·△X₃₁)/ (C₁₁ + C₂₁ + C₃₁)에 의해서 산출된다.

한편, 0차-2차 광의 간섭 빔만을 사용한 제 2 연산 모드에서는 ±1차 광의 간섭 빔 BM의 좌측에 발생하는 0차-2차 광의 간섭 빔의 검출에 의해서 얻어지는 위상차 △β_0n과, 간섭빔 BM의 우측에 발생하는 0차-2차 광의 간섭빔의 검출에 따라서 얻어진 위상차 △β_2n과의 평균 위상차로부터 각 파장마다의 위치 오프셋량을 산출하는 알고리즘이 채용된다. 이 위상차의 평균은 소위 랜덤 성분을 저감시켜 정밀도 향상을 도모할 목적에서의 평균화와는 다르며, 0차 광과 ±2차 광의 간섭빔을 사용하여 위치 검출하는 경우에 원리적으로 실시해야만 하는 평균화이다.

그래서 본 실시예에서는 이 알고리즘을 베이스로 하고, 평균화 회로 유닛(60)은 우선 신호 IK02_n으로부터 구해진 각 위치 오프셋량 △X_n2(n=1, 2, 3)와 신호 IK20_n으로부터 구해진 각 위치 오프셋량 △X_n3(n=1, 2, 3)과의 각 파장마다의 평균값 △XA_n(n=1, 2, 3)을 이하와 같이 산출한다.

△XA₁=(△X₁₂ + △X₁₃)/2

△XA₂=(△X₂₂ + △X₂₃)/2

△XA₃=(△X₃₂ + △X₃₃)/2

또한 평균화 회로 유닛(60)은 진폭비 검출 회로 유닛(58)으로 구해진 0차-2차 광의 간섭빔의 진폭비 C_n2, C_n3,의 각 파장 성분마다의 평균값 CA_n(n=1, 2, 3)을 이하와 같이 산출한다.

CA₁=(C₁₂ + C₁₃)/2

CA₂=(C₂₂ + C₂₃)/2

CA₃=(C₃₂ + C₃₃)/2

그 후, 평균화 회로 유닛(60)은 각 파장 성분마다의 평균적인 비 CAn을 가중 계수로서 각 파장 성분마다의 평균적인 위치 오프셋량 △XA_n을 이하와 같이 가중 평균하여 가장 정확한 오프셋량 △X를 산출한다.

△X=(CA₁·△XA₁ + CA₂·△XA₂ + CA₃·△XA₃)/ (CA₁ + CA₂+ CA₃)

이상에 의해 제 2 연산 모드에 의한 격자 마크 MG의 위치 또는 위치 오프셋 검출이 달성된다.

또한 제 3 연산 모드에서는 제 1 연산 모드에서 산출된 위치 오프셋량과 제 2 연산 모드 위치 오프셋량을 단순 평균하는 제 1 알고리즘과, 이들 2개의 위치 오프셋량을 가중 평균하는 제 2 알고리즘 중의 어느 한쪽을 오퍼레이터에 의해서 미리 설정 가능하게 되어 있다. 그래서 제 1 연산 모드(±1차 광의 간섭빔의 검출 결과를 사용하는 모드)로 최종적으로 산출된 위치 오프셋량을 △XM₁로 하며, 제 2 연산 모드에서 최종적으로 산출된 위치 오프셋량을 △XM₂로 하면, 제 2 알고리즘에서 결정된 위치 오프셋량은(△XM₁ + △XM₂)/2로 산출된다.

한편, 제 2 알고리즘에서는 제 1 연산 모드로 산출된 오프셋량 △XM₁과 제 2 연산 모드에서 산출된 △XM₂를 소정의 가중 계수 Q₁, Q₂를 사용하여 가중 평균한다. 일 예로서, 가중 계수 Q1은 ±1차 광의 간섭 빔 BM을 광전 검출하여 얻어진 신호 I_mn(n=1, 2, 3)의 각각의 진폭값 E₁, E₂, E₃(제 39A 도 내지 제 39D 도)의 합에 대응시켜 가중 계수 Q₂를 0차-2차 광의 간섭빔을 광전 검출하여 얻어진 신호 IK02_n, IK20_n(n=1, 2, 3)의 각 파장마다의 평균 진폭값(E02₁ + E20₁)/2, (E02₂ + E20₂)/2, (E02₃ + E20₃)/2의 대수합에 대응시킨다. 따라서, 제 2 알고리즘은 이하의 연산에 의해 격자 마크 MG의 오프셋량 △X가 결정된다.

△X=(Q₁·△XM₁ + Q₂·△XM₂/)/(Q₁+ Q₂)

또한, 원리적으로 말하여 고차의 회절광일수록 이 광강도가 작으므로 ±1차 광의 간섭 빔 BM의 광강도 진폭(E_n에 대응)에 비하여 0차-2차 광의 간섭빔의 광강도 진폭(E02_n, E20_n에 대응)은 상당히 작아진다. 따라서, 단순히 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 진폭만의 합에서 가중 계수 Q₁, Q₂를 결정하여 버리면, 대부분의 경우 가중 계수 Q₁의 쪽이 계수 Q₂ 보다도 커져 버린다. 여기서, 계수 Q₂ 쪽은 산출된 값을 예를 들면 미리 정한 비율(일 예로서 10 내지 30%)만큼 증대시키도록 보정해 두는 것이 좋다.

다음에 본 발명의 제 19 실시예를 제 45 도를 참조하여 설명한다. 본 실시예에서는 기본적으로 상기 제 33 도와 동일하며, 상기 제 37 도 중에 도시한 웨이퍼 스테이지 WST 상에 기준 마크판 FG의 구조를 투과형의 격자 마크(진폭 투과율에 비대칭성이 없는 격자)로 변경하고, 그 격자 마크로부터 투과하여 발생하는 간섭빔을 광선 검출함으로써 각 광전 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 진폭비를 검출 회로 유닛(58)으로 산출할 때에 사용하는 분모(기준값)를 구하도록 하였다. 따라서 제 45 도 중의 각 부재에 있어서 제 33 도와 동일한 것에는 동일 부호를 붙인다.

제 45 도는 웨이퍼 스테이지 WST의 부분 단면도를 도시하고,입사광빔 ±LF(여기서는 파장 λ₁, λ₂의 그 파장으로 한다)가 기준 마크판 FG 상의 격자 마크를 각 파장 성분마다에 순차 전환하여 조사되면 이 격자 마크로부터 스테이지 내부를 향하여 0차 광, ±1차 광, ±2차 광이 발생한다.

이들의 회절광은 미러 MR에서 직각으로 굴곡되어 푸리에 변환 기능을 갖는 렌즈계 G₅에 입사되며, 기준 마크판 FG로부터 수직으로 발생하는 ±1차 회절광에 의한 간섭 빔 Bmrn(n=1, 2), 0차-2차 회절광에 의한 간섭 빔 ±B1_r(파장 λ₁), ±B2_r(파장 λ₂)로 되어 광전 소자군 DTR에 입사한다.

이 광전 소자군 DTR은 간섭 빔 B_mrn을 수광하여 비트 주파수에 따른 교류의 광전 신호 I_mrn을 출력하는 중앙 수광부와, 간섭 빔 +B1_r(파장 λ₁)과 +B_2r(파장 λ₂)을 공통으로 수광하여 비트 주파수에 따른 교류의 광전 신호 IR20_n을 출력하는 수광부와, 간섭 빔 -B_1r(파장 λ₁)와 -B_2r(파장 λ₂)을 공통으로 수광하여 비트 주파수에 따른 교류의 광전 신호 IR02_n을 출력하는 수광부로 구성된다.

따라서, 입사광빔 ±LF가 파장 λ₁인 동안은 파장 λ₁에 의한 0차-2차광의 간섭 빔 ±B_1r과 파장 λ₁에 의한 ±1차 회절광의 간섭 빔 B_mr1이 광전 소자군 DTR에 도달하고, 입사광빔 ±LF가 파장 λ₂인 동안은, 파장 λ₂에 의한 0차 및 -2차광의 간섭 빔 ±B_2r과 파장 λ₂에 의한 ±1차광의 간섭 빔 B_mr2가 광전 소자군 DTR에 도달한다. 이 때문에, 파장 λ₁일 때는 각 수광부로부터 광전 신호 I_mr1, 광전 신호 IR02₁, IR20₁ 이 얻어지며, 파장 λ₂일 때는 각 수광부로부터 광전 신호 I_mr2, 광전 신호 IR02₂, IR20₂가 얻어진다.

헤테로다인 방식의 경우, 이들의 광전 신호는 비트 주파수와 동일한 주파수의 정현파 형상의 파형으로 나타나며, 광전 신호 I_mrn, IR02_n, IR20_n은 상기 제 43 도에 도시한 A/D 컨버터 회로 유닛(50)으로 입력 신호 I_mn, IK02_n, IK20_n의 각각으로 전환되어 입력된다.

구체적으로 제 43 도의 회로 중에 신호 I_mrn과 신호 I_mn을 전환하여 A/D 컨버터 회로(50)에 입력하는 스위치, 신호 IR02_n과 신호 IK20_n을 전환하여 A/D 컨버터 회로(50)에 입력하는 스위치, 및 신호 IR02_n과 신호 IK20_n을 전환하여 A/D 컨버터 회로(50)에 입력하는 스위치를 추가하고, 이들 3개의 스위치를 연동시켜 위치 제어기(62; 제 38 도)로부터의 지령 신호에 응답하여 전환하도록 구성하면 좋다.

이들의 광전 소자군 DTR로부터의 광전 신호는 파형 메모리 회로 유닛(54)에 일시적으로 기억된 후, 이들의 광전 신호의 각 진폭값이 제 43 도 중의 진폭 검출 회로 유닛(58)으로 구해져서 기억된다. 그리고, 진폭비를 구할 때에는 예를 들면 이하의 연산을 행한다.

C₁₁=I_m1/I_mr1

C₂₁=I_m2/I_mr2

C₁₂=IK02₁/IR02₁

C₂₂=IK02₂/IR02₂

C₁₃=IK20₁/IR20₁

C₂₃=IK20₂/IR20₂

이렇게 본 실시예에서는 기준 마크판 FG를 투과한 회절광의 간섭빔을 광전 소자군 DTR로 광전 검출하도록 하였으므로, 이 소자군 DTR로부터 얻어지는 각 광전 신호의 위상 정보와 참조 신호로서의 광전 신호 I_ms의 위상 정보를 비교하도록 하면 기준 마크판 FG의 위치 오프셋 또는 위치의 계측, 즉 베이스 라인 계측의 일부분의 동작을 겸용시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 제 20 실시예를 제 46 도를 참조하여 설명한다. 본 실시예에서는 기본적으로 상기 제 18 도와 동일하며, 대물렌즈(22)를 통해 웨이퍼 W(또는 기준 마크판 FG)상의 계측용(얼라인먼트용)의 격자 마크 MG를 조사하는 한 쌍의 입사광빔 +LF와 -LF의 편광방향을 상보적인 관계로 한다. 즉, 직선 편광이면 입사광빔 +LF와 -LF의 편광방향을 직교시키고, 원편광이면 입사광빔 +LF와 -LF를 서로 역회전의 편광으로 설정한다. 이 때문에 2개의 입사광빔 ±LF를 서로 다르게 간섭하지 않고, 격자 마크 MG로부터 수직으로 발생하는 각 파장 λ₁, λ₂, λ₃의 ±1차 회절광 BM 도 서로 간섭하지 않는다.

이 때문에, ±1차 회절광 BM을 대물렌즈(22), 소 미러 MR₂를 통해 광전 검출할 때, 검광자(애널라이저)로서의 편광 빔 스플리터 PBS를 이용한다. 이렇게 하면, 편광 빔 스플리터 PBS를 투과한 ±1차 광 BM은 서로 간섭하여 제 1 간섭 빔 BP₁로 되며, 편광 빔 스플리터 PBS 에서 반사되는 ±1차 광 BM은 서로 간섭하여 제 2 간섭 빔 BP₂로 된다.

이들 간섭 빔 BP₁, BP₂는 서로 상보적이지만, 각각의 간섭빔은 헤테로다인 방식이면 비트 주파수에 따라서 정현파 형상으로 강도 변조되는 것으로 된다. 또한 간섭 빔 BP₁과 BP₂의 강도 변조의 위상은 정확하게 180°만큼 다른 것으로 된다.

또한, 상기 도면에 도시된 1/2 파장판(HW)은 입사광빔 ±LF과 ±1차 회절광 BM의 서로 직교하는 직선 편광방향이 편광 빔 스플리터 PBS의 편광 분리 방향과 다른(회전하고 있는) 경우에, ±1차 회절광 BM간의 직선 편광방향을 수정할 목적으로 설치된 것이다. 이 때문에, ±1차 회절광 BM 사이의 서로 직교하는 직선 편광방향이 최초부터 편광 빔 스플리터 PBS의 편광 분리 방향과 일치하거나, 혹은 입사광빔 +LF, -LF이 역회전의 원편광이 될 때는 1/2 파장판 HW을 사용하지 않아도 좋다.

그래서 본 실시예에서는, 간섭 빔 BP₁을 광전 소자(DT0_a: 제 18 도의 36A₁)에서 수광하고, 간섭 빔 BP₂를 광전 소자 DTO_b: 제 18 도의 36A₂에서 수광하도록 구성하고, 광전 소자 DTO_a와 DTO_b의 양 광전 신호를 차동 앰프에 의해서 감산한 광전 신호 I_mn를 얻는 구성으로 하였다. 이와 같은 차동 앰프를 사용할 때는 광전 소자 DTO_a의 광전 신호와 광전 소자 DTO_b의 광전 신호가 서로 역위상(180°의 차)이 되기 때문에, 양 신호에 포함된 공통-상 노이즈 성분이 감산에 의해 캔슬되고, 신호 I_mn의 실질적인 S/N 비가 개선되기 때문이다.

그런데, 상기 제 37 도, 제 42 도, 제 46 도에 도시한 대물렌즈(22)는 사용하는 파장역(λ₁ 내지 λ₃)에 있어서 발생하는 각종의 색수차 중에, 적어도 축상 색수차에 대하여 어느 정도 보정된 것이 바람직하다. 가령 사용하는 파장 λ₁ 내지 λ₃의 대역이 100nm 이하이면, 그러한 축상의 색수차는 대물렌즈(22)를 구성하는 복수의 렌즈 소자의 소재를 선택하고, 다른 굴절률, 분산비의 렌즈 소자를 조합함으로써 어느 정도 보정이 가능하다. 물론, 그 색수차는 대물렌즈(22)로 완전히 보정해 둘 필요도 없고, 제 37 도에 도시된 조정 광학계(14, 16, 18)에 의해 보정하는 것도 가능하다.

이상, 본 발명의 제 15 내지 20의 각 실시예를 설명하였다. 웨이퍼 W 또는 기준 마크판 FG상의 격자 마크 MG을 호모다인 방식으로 검출하는 경우, 그 격자 마크 MG를 피치 방향으로 프리스캔하여 각 광전 신호의 레벨 변화를 샘플링할 필요가 있다. 이 경우, 가장 간단한 수법은 제 38 도 또는 제 43 도에 도시한 신호 파형 샘플링용의 클록 신호 C_PS를, 스테이지 WST의 위치 계측용의 레이저 간섭계(44)로부티의 계측 펄스(예를 들면 0.02㎛마다 1 펄스)로 변경하는 것이다.

이렇게 하면, 격자 마크 MHG를 수피치분에 걸쳐서 프리스캔하는 동안에 발생하는 각 광전 신호의 파형 데이터가 격자 마크 MG의 격자 위치에 대응하는 메모리 회로(54)에 기억되는 것이다. 단, 스테이지 WST의 프리스캔은 입사광빔 ±LF의 각 파장마다의 전환되어 응답하는 회수분이 필요하다.

또, 격자 마크 MG에 2개의 입사광빔 ±LF를 조사하는 방식에서는 그 2개의 입사광빔 ±LF는 격자 마크 MG의 적어도 피치 방향에 관하여 대칭적 입사각으로 하는 것이 바람직하고, 또한 상기 제 41 도의 격자 마크 MG에 하나의 입사광빔을 투사하는 방식에서는, 그 입사각은 격자 마크 MG의 피치 방향에 관하여 영(수직 입사)으로 하는 것이 바람직하다. 즉 입사광빔을 격자 마크(MG)의 피치 방향과 직교하는 방향(비계측 방향)으로 경사져도 좋다는 것을 의미한다.

그런데, 각 파장마다 전환된 조명 빔을 계측용의 격자 마크 MG(또는 기준 마크)에 투사할 때, 제 40 도, 제 41 도, 제 37 도와 같은 각 파장마다의 복수의 레이저 빔을 한번 동축이 되도록 맞추지 않고서, 격자 마크 MG의 푸리에 변환면에 있어서, 마크 위치의 계측 방향(피치 방향)과 직교하는 비계측 방향으로 분리된 입사하는 구성이라도 좋다. 즉, 복수의 조명 빔의 파장마다에 격자 마크 MG로의 입사각을 비계측 방향으로 다르게 할 수 있다. 그것을 위한 구성은 상기 제 35 도, 제 36 도와 완전하게 동일하게 하는 것이 가능하다.

또, 입사광빔의 생성은 레이저 광원에 한정되지 않고, 할로겐 램프로부터의 광, 고휘도 LED로부터의 광을 이용하는 것도 실현할 수 있다. 할로겐 램프로부터의 광을 이용할 때는 서로 다른 파장 부분에서 좁은 대역폭을 갖는 복수의 파장 선택 필터(또는 간섭 필터)를 교환 가능하게 설치하고, 그 필터를 시분할적으로 전환 선택된 파장 폭의 광을, 예를 들어 웨이퍼 등으로 도광하여 사용하면 좋다. 이 경우, 웨이퍼 상의 격자 마크 MG를 조사하는 입사광빔은 선택이 좁은 파장 대역폭 내에서도 연속 스펙트럼 강도 분포를 갖기 때문에, 수광계 내의 각 광전 소자의 앞에 특정한 파장 성분만을 추출하는 간섭 필터(대역폭은 3 내지 10nm)를 고정적 또는 교환 가능하게 배치하여도 좋다.

이상 본 발명의 제 15 내지 제 20의 각 실시예에 의하면 위치 검출용의 조 명광을 복수의 파장 성분마다 전환하고, 기판 상의 위치 검출용의 격자형 마크로부터 발생하는 회절광을 파장 성분마다 개별로 광전 검출하고, 그것에 의해서 얻어진 각 광전 신호마다 마크 위치 정보를 검출하여 계산상으로 평균화하도록 하였으므로 마크의 비대칭성과 레지스트층의 두께에 따른 영향을 낮춘 고정도의 위치 검출이 가능하다. 또 마크로부터의 회절광은 광전 검출할 때에, 파장 성분마다 독립한 광전 신호를 얻도록 하였으므로, 조명광의 각 파장 성분마다의 강도가 달라도, 다파장화에 따른 평균화 효과를 손상시키지 않는 이점이 있다.

또한 제 15 내지 제 20의 각 실시예에 의하면, 광전 검출해야할 회절광이 보다 고차 성분으로 이루어지는 경우에도, 단일의 광전 소자로 다파장화된 고차 회절광(0차, 2차 광의 간섭 빔 등)을 동시에 수광할 때에 발생하는 상쇄 현상이 없어지고, 현격하게 고정밀도의 위치 검출, 얼라인먼트가 가능하다.

게다가 광전 검출된 각 파장 성분마다의 회절광의 강도 레벨의 감쇠율(진폭비)을 구하고, 그 감쇠율이 작고 신호 진폭이 상대적으로 큰 회절광에 대해서는 커다란 가중을 한 평균화 연산에 의해서 위치 검출을 행하도록 하였으므로, 단순한 평균화에 비해 현격하게 위치 검출의 정밀도가 높은 효과도 얻을 수 있다.

제 1 도는 종래의 단일 파장에 의한 간섭식 마크 위치 검출 장치를 사용하였을 때의 위치 검출 오차의 파장 의존성을 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프.

제 2 도는 시뮬레이션의 모델로서 사용한 격자 마크의 단면 형상을 도시하는 부분 단면도.

제 3 도는 본 발명에 의해 결정된 다(multi)파장화의 조건으로 레지스트 부착 기판의 반사율 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프.

제 4 도는 다파장의 광 조사에 의해 격자 마크로부터 발생하는 각 차수의 회절광 모양을 도시하는 도면.

제 5A 도 및 제 5B 도는 1차 회절광을 사용하여 제 2 도와 같은 구조의 마크를 검출하였을 때의 검출 오차와 0차 -2차 회절광을 사용하여 마크를 검출하였을 때의 검출 오차를 시뮬레이션한 그래프.

제 6 도는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 7 도는 제 6 도 중의 회전 방사형 격자판의 상세한 구조와 회절광의 발생의 모양을 도시하는 사시도.

제 8 도는 본 발명에 의해 결정되는 다파장화의 조건을 만족하면서, 제 3 도의 경우에 설정한 파장 값을 따로 조합하여 변경하였을 때의 레지스트 부착 기판의 반사율 변화를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 그래프.

제 9 도는 제 6 도에 도시한 장치에 적용되는 신호 처리 회로의 구성을 도시하는 블록도.

제 10A 도 및 제 10B 도는 제 9 도의 신호 처리 회로에서 처리되는 2개의 광전 신호의 파형의 일례를 도시하는 파형도.

제 11 도는 반도체 웨이퍼 상에 형성되는 저단차(small step difference) 격자 마크와 그 표면을 덮는 레지스트층의 단면 구조를 모식적으로 표현하는 부분 단면도.

제 12 도는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 13A 도 내지 제 13D 도는 제 12 도의 장치에 의한 격자 마크의 위치 검출 모양과 광전 신호의 변화를 모식적으로 도시한 도면.

제 14 도는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 15 도는 본 발명의 제 4 실시예로서, 본 발명에 의한 위치 검출 장치가 적용되는 투사 노광 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 16 도는 제 15 도 중의 TTL 얼라인먼트계의 일부 구성을 도시하는 도면.

제 17A 도 및 제 17B 도는 본 발명의 제 5 실시예로서, 본 발명에 의한 위치 검출 장치가 적용되는 투사 노광 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 18 도는 본 발명의 제 6 실시예에 의한 위치 검출 장치의 일부 구성을 도시하는 도면.

제 19 도는 본 발명의 제 7 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하고, 각 파장 성분마다 별개로 간섭 빔을 수광하는 분광 검출계를 설치한 경우의 구성을 도시하는 도면.

제 20 도는 제 19 도의 장치에 적용되는 신호 처리 회로의 구성을 도시하는 블록도.

제 21 도는 본 발명의 제 8 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 22A 도 내지 제 22D 도는 간섭 프린지와 격자의 상대적 위치 관계 변화와 각 검출 신호의 레벨 변화를 도시하는 도면.

제 23 도는 본 발명의 제 9 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 24 도는 본 발명의 제 10 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 25 도는 제 10 실시예에 의한 장치에 적용되는 신호 처리 회로를 도시하는 블록도.

제 26A 도 내지 제 26D 도는 제 25 도의 처리 회로의 메모리 중에 받아들이는 각 신호 파형의 일례를 도시하는 도면.

제 27 도는 제 24 도에 도시된 장치에 적용되는 신호 처리 회로의 변형예를 제 11 실시예로서 나타내는 블록도.

제 28 도는 제 15 도에 도시한 장치의 TTL 얼라인먼트계의 부분 확대도.

제 29A 도 내지 제 29D 도는 회절 격자로부터의 0차 광과 2차 광의 각 간섭에 의해 얻어진 각 파장마다의 광전 신호의 파형의 일례를 도시하는 도면.

제 30A 도 내지 제 30D 도는 회절 격자로부터의 0차 광과 2차 광의 각 간섭에 의해 얻어진 각 파장마다의 광전 신호의 파형의 일례를 도시하는 도면.

제 31 도는 본 발명의 제 12 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 32 도는 제 31 도의 장치에 적용되는 신호 처리 회로의 구성을 도시하는 블록도.

제 33 도는 본 발명의 제 13 실시예에 의한 장치의 부분 구성을 도시하는 단면도.

제 34 도는 본 발명의 제 14 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 35 도는 본 발명의 각 실시예에 개시된 조명 빔의 투사 방식의 변형예를 도시하는 도면.

제 36 도는 제 35 도의 조명 빔의 투사 방식시의 푸리에 변환면 상에서의 각 빔의 배치예를 도시하는 도면.

제 37 도는 본 발명의 제 15 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 38 도는 제 37 도에 나타난 장치에 적용되는 신호 처리 회로를 나타내는 블록도.

제 39A 도 내지 제 39D 도는 제 38 도의 처리 회로의 메모리 중에 복잡한 각 신호 파형의 일례를 도시하는 도면.

제 40 도는 본 발명의 제 16 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 41 도는 본 발명의 제 17 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 42 도는 본 발명의 제 18 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

제 43 도는 제 42 도의 장치에 적용되는 신호 처리 회로의 구성을 도시하는 블록도.

제 44 도는 제 43 도 중의 파형 메모리 회로 유닛 내의 메모리 뱅크 배치를 설명하는 도면.

제 45 도는 본 발명의 제 19 실시예에 의한 장치의 부분 구성을 도시하는 단면도.

제 46 도는 본 발명의 제 20 실시예에 의한 위치 검출 장치의 구성을 도시하는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 콜리메이터 렌즈 22 : 대물렌즈

38 : 공간 필터 40 : 광전 소자

50 : A/D 변환기 회로

Claims (17)

1. 평탄한 물체의 표면에 작은 단차(small step) 구조로 형성된 위치 검출 격자 마크(position detection grating mark)의 위치를 검출하는 방법에 있어서:

   (a) 소정의 입사 각도로 상기 격자 마크 상에 조명광빔을 조사하는 단계로서, 상기 조명광빔은 n(n≥3)개의 상이한 파장들(λ₁, λ₂, λ₃, ..., λ_n)을 갖는 복수의 가간섭성 빔들(coherent beams)을 포함하고, 상기 n개의 파장들은 약 ±10%의 범위 내에서 (1/λ₁ - 1/λ₂) = (1/λ₂ - 1/λ₃) = ... = (1/λ_n-1 - 1/λ_n)의 관계를 근사적으로 만족하도록 설정되고, 여기서 상기 파장들은 λ₁ < λ₂ < λ₃ ...< λ_n의 조건을 갖는, 상기 조명광빔을 조사하는 단계;

   (b) 상기 n개의 파장 성분들을 갖는 상기 조명광빔의 조사시에 특정 방향으로 상기 격자 마크로부터 발생된 회절광 성분의 광량 변화의 광전 검출(photoelectric detection)을 수행하는 단계; 및

   (c) 상기 광전 검출에서 얻어진 신호에 기초하여 상기 격자 마크의 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 위치 검출 격자 마크의 위치 검출 방법.
2. 주기적 방향으로 제 1 회절 격자와 제 2 회절 격자 사이의 상대적인 위치 관계를 계측하는 방법에 있어서:

   (a) 서로 다른 제 1 및 제 2 파장들을 포함하는 조명빔을 상기 제 1 회절 격자 상에 조사하여, 상기 제 1 파장을 갖는 복수의 제 1 회절빔들 및 상기 제 2 파장을 갖는 복수의 제 2 회절빔들을 발생하는 단계;

   (b) 상기 제 2 회절 격자로부터 복수의 재회절빔들을 발생하기 위해 상기 복수의 제 1 회절빔들 및 상기 복수의 제 2 회절빔들을 상기 제 2 회절 격자 상에 조사하는 단계;

   (c) 상기 복수의 재회절빔들 중 특정 재회절빔을 광전 검출하여, 상기 특정 재회절빔에 포함된 상기 제 1 파장의 빔 성분에 대응하는 제 1 광전 신호 및 상기 특정 재회절빔에 포함된 상기 제 2 파장의 빔 성분에 대응하는 제 2 광전 신호를 출력하기 위해 광전 검출하는 단계;

   (d) 상기 제 1 광전 신호에 기초하여 상기 위치 관계를 나타내는 제 1 위치 변위량(displacement amount)을 연산하고, 상기 제 2 광전 신호에 기초하여 상기 위치 관계를 나타내는 제 2 위치 변위량을 연산하는 단계; 및

   (e) 상기 제 1 및 제 2 광전 신호들의 강도들에 대응하는 가중 인자들로 상기 제 1 및 제 2 위치 변위량들의 가중 평균을 연산하고, 이에 의해 상기 제 1 및 제 2 회절 격자들 사이의 상대적인 위치 관계를 확인하는 단계를 포함하는, 위치 관계 계측 방법.
3. 위치 검출될 기판 상에서 피치 방향으로 소정의 피치에 형성된 회절 격자형 격자 패턴에 가간섭성 조명빔을 인가하고, 상기 격자 패턴으로부터 생성된 복수의 회절광 빔들 중 특정 회절광 빔의 강도 변화에 따라 상기 피치 방향으로 상기 격자 패턴의 위치를 검출하는 방법에 있어서:

   (a) 상기 기판 상의 상기 격자 패턴으로부터 생성된 ±n차 회절광 빔들에 의한 제 1 간섭광을 제 1 광전 소자에 의해 수광하고, 제 1 광전 신호를 발생하는 단계;

   (b) 상기 기판 상의 상기 격자 패턴으로부터 생성된 ±m(m≠n)차 회절광 빔들에 의한 제 2 간섭광을 제 2 광전 소자에 의해 수광하고, 제 2 광전 신호를 발생하는 단계;

   (c) 상기 제 1 광전 신호에 기초하여 상기 피치 방향에 대해 상기 기판 상의 상기 격자 패턴의 위치를 검출하고, 상기 제 2 광전 신호에 기초하여 상기 피치 방향에 대해 상기 기판 상의 상기 격자 패턴의 제 2 위치를 검출하는 단계; 및

   (d) 상기 제 1 및 제 2 광전 신호들의 진폭 정보에 따르는 가중치들을 부여함으로써 상기 검출된 제 1 위치 및 제 2 위치를 평균하여, 상기 기판 상의 상기 격자 패턴의 일정한 위치를 연산하는 단계를 포함하는, 격자 패턴의 위치 검출 방법.
4. 주기적 방향으로 제 1 회절 격자와 제 2 회절 격자 사이의 상대적인 위치 관계를 계측하는 방법에 있어서:

   (a) 서로 상이한 제 1 및 제 2 파장들을 포함하는 조명빔을 상기 제 1 회절 격자 상에 조사하여, 상기 제 1 파장을 갖는 복수의 제 1 회절빔들 및 상기 제 2 파장을 갖는 복수의 제 2 회절빔들을 발생하는 단계;

   (b) 상기 복수의 제 1 회절빔들 및 상기 복수의 제 2 회절빔들을 상기 제 2 회절 격자 상에 조사하여, 상기 제 2 회절 격자로부터 복수의 재회절된 빔들을 발생하는 단계;

   (c) 제 1 및 제 2 광전 신호들을 얻기 위해 상기 재회절된 빔들을 광전 검출하는 단계; 및

   (d) 그들 각각의 진폭들에 따라 가중된 상기 제 1 및 제 2 광전 신호들을 사용하여 상기 위치 관계를 결정하는 단계를 포함하는, 회절 격자간의 상대적인 위치 관계 계측 방법.
5. 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보를 계측하는 방법에 있어서:

   제 1 파장을 갖는 제 1 조명빔과, 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는 제 2 조명빔을 상기 회절 격자 패턴 상에 수직으로 조사하는 단계;

   상기 제 1 조명빔으로 조사된 상기 회절 격자 패턴으로부터 발생된 회절빔들 사이의 제 1 간섭빔을 검출하는 단계; 및

   상기 제 2 조명빔으로 조사된 상기 회절 격자 패턴으로부터 발생된 회절빔들 사이의 제 2 간섭빔을 검출하는 단계를 포함하는, 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보 계측 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 간섭빔 및 상기 제 2 간섭빔은 각각의 검출기들에 의해 검출되는, 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보 계측 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 파장 빔 및 상기 제 2 파장 빔은 실질적으로 동시에 상기 회절 격자를 조사하는, 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보 계측 방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 파장 빔 및 상기 제 2 파장 빔은 상이한 타이밍들에서 상기 회절 격자를 조사하는, 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보 계측 방법.
9. 기판을 노광하는 방법에 있어서:

   청구항 제 60 항에 따른 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보 계측 방법을 사용하여 상기 기판을 정렬하는 단계; 및

   상기 정렬된 기판 상에 패턴을 형성하는 단계를 포함하는, 기판 노광 방법.
10. 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정보를 계측하는 디바이스에 있어서:

    상기 물체에 대한 소정의 측(side)에 배치되어, 제 1 파장을 갖는 제 1 조명빔 및 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는 제 2 조명빔을 상기 회절 격자 패턴 상에 수직으로 조사하는 조명빔계; 및

    상기 물체에 대한 상기 소정의 측과 동일한 측에 배치되어, 상기 제 1 조명빔으로 조사된 상기 회절 격자 패턴으로부터 발생된 회절빔들 사이의 제 1 간섭빔을 검출하고 상기 제 2 조명빔으로 조사된 상기 회절 격자 패턴으로부터 발생된 회절빔들 사이의 제 2 간섭빔들을 검출하는 검출기를 포함하는, 회절 격자 패턴을 갖는 물체의 위치 정도 계측 디바이스.
11. 마스크 상에 형성된 패턴으로 기판을 노광하는 장치에 있어서:

    상기 마스크 상에 형성된 상기 패턴을 상기 기판 상에 투사하는 투사 광학계; 및

    상기 기판 상에 형성된 마크를 상기 투사 광학계를 통하지 않고 검출하는 위치 검출계를 포함하고,

    상기 위치 검출계는,

    상기 기판에 대해 소정의 측에 배열되어, 상기 마크의 주기적 방향에 대해 상기 마크 상에 조명빔을 수직으로 조사하는 빔조명계;

    상기 기판에 대해 상기 소정의 측과 동일한 측에 배열되는 제 1 검출계로서, 상기 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 ±n차(n은 자연수) 회절빔들이 제 1 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하는 제 1 광학 소자 및 상기 ±n차 회절빔들로 조사되는 상기 제 1 기준 격자로부터 빔을 검출하는 제 1 광전 소자를 포함하는, 상기 제 1 검출계; 및

    상기 기판에 대해 상기 소정의 측과 동일한 측에 배열되는 제 2 검출계로서, 상기 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 ±m차(m은 n 이외의 자연수) 회절빔들이 제 2 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하는 제 2 광학 소자 및 상기 ±m차 회절빔들로 조사된 상기 제 2 기준 격자로부터 빔을 검출하는 제 2 광전 소자를 포함하는, 상기 제 2 검출계를 포함하는, 기판 노광 장치.
12. 기판 상에 형성된 마크의 위치 정보를 검출하는 장지에 있어서:

    상기 기판에 대해 소정의 측에 배열되고, 상기 마크의 주기적 방향에 대해 상기 마크 상에 수직으로 조명빔을 조사하는 빔조명계;

    상기 기판에 대해 상기 소정의 측과 동일한 측에 배열되는 제 1 검출계로서, 상기 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 ±n차(n은 자연수) 회절빔들이 제 1 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하는 제 1 광학 소자 및 상기 ±n차 회절빔들로 조사된 상기 제 1 기준 격자로부터 빔을 검출하는 제 1 광전 소자를 포함하는, 상기 제 1 검출계;

    상기 기판에 대해 상기 소정의 측과 동일한 측에 배열되는 제 2 검출계로서, 상기 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 ±m차(m은 n 이외의 자연수) 회절빔들이 제 2 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하는 제 2 광학 소자 및 상기 ±m차 회절빔들로 조사된 상기 제 2 기준 격자로부터 빔을 검출하는 제 2 광전 소자를 포함하는, 상기 제 2 검출계; 및

    상기 제 1 및 제 2 광전 소자들에 전기적으로 접속되어, 상기 광전 소자들에 의한 검출에 기초하여 상기 마크의 상기 위치 정보를 연산하는 연산기를 포함하는, 마크 위치 정보 검출 장치.
13. 기판 상에 형성된 마크의 위치 정보를 검출하는 방법에 있어서:

    상기 마크의 주기적 방향에 대해 상기 마크 상에 수직으로 조명빔을 조사하는 단계;

    상기 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 ±n차(n은 자연수) 회절빔들이 제 1 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하고, 상기 ±n차 회절빔들로 조사되는 상기 제 1 기준 격자로부터 제 1 광전 소자에 의해 빔을 검출하는 단계; 및

    상기 조정빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 ±m차(m은 n 이외의 자연수) 회절빔들이 제 2 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하고, 상기 ±m차 회절빔들로 조사되는 상기 제 2 기준 격자로부터 상기 제 1 광전 소자와는 다른 제 2 광전 소자에 의해 빔을 검출하는 단계를 포함하는, 마크 위치 정보 검출 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 광전 소자들에 의한 검출 결과들에 기초하여 상기 마크의 상기 위치 정보를 연산하는 단계를 더 포함하는, 마크 위치 정보 검출 방법.
15. 투사 노광 방법에 있어서:

    청구항 제 14 항에 따른 마크 위치 정보 검출 방법을 사용하여 검출되는 위치 정보에 기초하여 기판을 정렬하는 단계; 및

    상기 정렬된 기판을 마스크 상에 형성된 패턴으로 투사 노광하는 단계를 포함하는, 투사 노광 방법.
16. 기판 상에 형성된 마크의 위치 정보를 검출하는 디바이스에 있어서:

    상기 기판에 대해 소정의 측에 배열되고, 제 1 파장을 갖는 제 1 조명빔 및 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는 제 2 조명빔을 상기 마크의 주기적 방향에 대해 상기 마크 상에 수직으로 조사하는 빔조명계;

    상기 기판에 대해 상기 소정의 측과 동일한 측에 배열되는 검출계로서, 상기 제 1 조명빔 또는 상기 제 2 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 회절빔들이 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하는 광학 소자 및 상기 회절빔들로 조사되는 상기 기준 격자로부터 빔을 검출하는 광전 소자를 포함하는, 상기 검출계; 및

    상기 광전 소자에 전기적으로 접속되고, 상기 광전 소자에 의한 검출에 기초하여 상기 마크의 상기 위치 정보를 연산하는 연산기를 포함하는, 마크 위치 정보 검출 디바이스.
17. 기판 상에 형성된 마크의 위치 정보를 검출하는 방법에 있어서:

    제 1 파장을 갖는 제 1 조명빔 및 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 갖는 제 2 조명빔을 상기 마크의 주기적 방향에 대해 상기 마크 상에 수직으로 조사하는 단계;

    상기 제 1 조명빔 또는 상기 제 2 조명빔으로 조사되는 상기 마크로부터 발생된 회절빔들이 기준 격자에 대해 소정의 각도로 각각 경사지도록 하는 단계; 및

    상기 회절빔들로 조사되는 상기 기준 격자로부터 광전 소자에 의해 빔을 검출하고, 상기 광전 소자에 의한 검출에 기초하여 상기 마크의 상기 위치 정보를 연산하는 단계를 포함하는, 마크 위치 정보 검출 방법.