JP3632241B2 - 位置検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体素子等を製造する際にマスクパターンを感光性の基板上に露光するフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置に適用されるマスクパターンと感光性基板の相対的な位置合わせ技術に関し、特に感光基板上のマークパターンの検出技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）、又は光磁気ディスク等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、転写用のパターンが形成されたフォトマスク又はレチクル（以下、まとめて「レチクル」という）の像を、投影光学系を介した投影露光法、あるいはプロキシミティ露光法により、フォトレジストが塗布されたウエハ、又はガラスプレート等の感光基板上に転写する露光装置が使用されている。
【０００３】
このような露光装置においては、露光に先立ってレチクルとウエハとの位置合わせ（アライメント）を高精度に行う必要がある。このアライメントを行うために、ウエハ上には以前の工程で形成（露光転写）された位置検出マーク（アライメントマ−ク）が形成されており、このアライメントマ−クの位置を検出することで、ウエハ（ウエハ上の回路パターン）の正確な位置を検出することができる。
【０００４】
アライメントマークの検出方法としては、例えばレーザビームスキャン方式、レーザ干渉式等のレーザ光の散乱、回折光を検出するものがある。しかしながら、レーザ光は単色性が強く、フォトレジスト表面とマーク表面との多重干渉等の悪影響により、位置検出精度が悪化する恐れがある。
これに対して、ランプ等を光源としてアライメントマークをブロードバンドな光束で照明し、その像を結像光学系を介して撮像し、その画像信号に基づいて位置検出を行なう方式（以後「結像式位置検出」と称す）は、フォトレジスト等の悪影響を受けにくいというメリットがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体集積回路等の微細化に伴い、成膜工程後であってフォトリソグラフィ工程前に、ウエハ表面を平坦化する工程が導入されるようになった。これには、回路パターンが形成される生成膜の厚さを均一化して素子特性を改善する効果と、フォトリソグラフィ工程においてウエハ表面の凹凸が転写パターンの線幅誤差に与える悪影響を改善する効果がある。
【０００６】
しかしながら、ウエハ表面のアライメントマーク部での凹凸変化や反射率変化を基に位置検出を行なう方式においては、平坦化工程によりアライメントマーク部での凹凸変化が著しく減少するため、アライメントマークを検出できなくなる恐れがある。特に不透明な生成膜（金属や半導体膜）に対する工程では、アライメントマークは一様な反射率の不透明膜で被われる。このため、位置検出はマークの凹凸変化のみに頼ることになり、不透明な生成膜は平坦化が最も問題となる工程である。
【０００７】
本発明は上述の問題点を鑑みてなされたもので、凹凸変化（段差）の極めて小さい位置検出マークであっても精度良く確実にその位置を検出できる位置検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の波長域の照明光（例えば広帯域光、又は多波長光）で基板上の位置検出マークを照射する照明光学系と、その位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上にその位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、撮像素子から出力される画像信号に基づいてその位置検出マークの位置を検出する装置に適用されるものである。
【０００９】
そして本発明では、位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる照明光学系中の第１面（瞳面）上での照明光を、照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に制限する光束制限部材と、位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる結像光学系中の第２面（瞳面）上の、第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを設ける。
【００１０】
または、照明光学系中の第１面上での照明光を、その光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に制限する光束制限部材と、結像光学系中の第２面上に分布する、位置検出マークからの０次光とそれ以外の光の位相を異ならせる位相差部材とを設けるようにしてもよい。
あるいは、照明光学系中の第１面上での照明光、又は２次光源（面光源）の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高める光学部材と、結像光学系中の第２面上の、第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを設けるようにしてもよい。
【００１１】
もしくは、照明光学系の実質的な瞳面上の、輪帯状の第１領域内に分布する照明光束を透過せしめる絞り部材と、結像光学系中の第２面上の、第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを設けるようにしてもよい。
または、照明光学系の実質的な瞳面上に、その光軸を中心とするほぼ輪帯状の２次光源（もしくは、その瞳面上の光軸を中心とするほぼ輪帯状の領域内に複数の光源像）を形成する部材と、結像光学系の実質的な瞳面上の、その２次光源と結像関係となるほぼ輪帯状の領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを設けるようにしてもよい。
【００１２】
あるいは、照明光学系の実質的な瞳面上での光強度分布を、照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の領域でその内側の領域よりも高める光学部材と、結像光学系の実質的な瞳面上の、その内側領域と結像関係となるほぼ円形の領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを設けるようにしてもよい。
【００１３】
また、結像光学系中の第２面上の輪帯状の領域内に分布する結像光束、即ちその第２面上に分布する０次光を減光する部材を有することが望ましい。この減光部材は、位相差部材と一体に形成してもよいし、位相差部材に近接して配置しても、あるいは位相差部材とほぼ共役な面（瞳共役面）内に配置してもよい。
さらに位相差部材は、第２領域内に分布する結像光束とそれ以外の領域内に分布する結像光束との間に、ほぼ（２ｍ＋１）π／２±π／４ ［ｒａｄ］（ｍは整数）の位相差を与えることが望ましい。このとき、第２領域内に分布する結像光束の位相とそれ以外の領域内に分布する結像光束の位相のどちらをシフトさせてもよい。また、両光束の位相シフト量をそれぞれ異ならせて前述の位相差を与えるようにしてもよい。
【００１４】
また、照明光のうち画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ２、位置検出マークの周期をＰとすると、輪帯状の第１領域の外半径ｒｏ 、及び内半径ｒｉ は、
ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）
ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ
の関係を満たすことが望ましい。また、結像光学系の開口数ＮＡｏは、
ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐ
の関係を満たすことが望ましい。
【００１５】
さらに、結像光学系の光路に対して位相差部材を挿脱可能に保持する部材を設けると良い。さらにこのとき、照明光学系の光路に対して光束制限部材（又は光学部材、絞り部材、２次光源（光源像）形成部材）を挿脱可能に保持する部材も設けると良い。
また、撮像素子上に指標マークの像を形成する像形成手段を設け、撮像素子から出力される画像信号に基づいて位置検出マークの像と指標マークの像との位置ずれを検出するようにしても良い。この像形成手段は、指標マークを有する指標板と、基板上に照射される照明光とは異なる光ビームで指標板を照射する照明系と、指標マークから発生した光を入射してその像を撮像素子上に形成する結像系とを有することが望ましい。特に指標板を、結像光学系中の基板と実質的に共役な面に配置し、結像光学系によって、位置検出マークの像を指標板上に形成するとともに、この位置検出マークの像と指標マークの像とを撮像素子上に形成するようにしても良い。
【００１６】
さらに、例えば照明光学系の光路に対する光束制限部材（又は光学部材等）の挿脱、又は交換に伴う、撮像素子に入射する位置検出マークからの結像光束の光量変化に応じて、指標マークを照明する光ビームの強度の調整する部材を設けることが望ましい。一例としては、照明光路からの光束制限部材の退出に連動して、その光ビームの強度を高くする。この調整部材は、光ビームを射出する光源に供給する電力（電流、電圧）を変化させるもの、あるいは透過率が異なる複数の減光フィルターをそれぞれ交換してビーム光路に配置するもの等でよい。
【００１７】
また、照明光学系中の第１面上での照明光（又は２次光源）の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高める光学部材は、他の領域での光強度をほぼ零にするように、他の領域をほぼ覆う遮光部を持つ絞り部材でも良い。
さらに光学部材は、輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方を変化させる強度分布変更部材を有することが望ましい。この強度分布変更部材は、輪帯状の開口の外半径と内半径の少なくとも一方が異なる複数の絞り部材と、この複数の絞り部材の１つを照明光学系の光路中に配置するように複数の絞り部材を保持する部材とを持つようにしても良い。さらに位相差部材は、第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方の変化に応じて、輪帯状の第２領域の半径方向の幅と位置との少なくとも一方を変化させることが望ましい。
【００１８】
また、前述した輪帯状の第１領域（２次光源）の外半径や内半径（即ち半径方向の幅や位置）、照明光の強度分布の変更は、例えば液晶素子、又はエレクトロクロミック素子で作られた開口絞りを瞳面に配置する、あるいは開口部の外半径と内半径の少なくとも一方が異なる複数の絞り部材をそれぞれ交換して光路中に配置可能に構成することで実現できる。あるいは、可変開口絞りを瞳面に配置してその開口径を任意に変更可能（又は開口径が異なる複数の開口絞りをそれぞれ交換して光路中に配置可能）として外半径を変更するようにし、かつ互いに直径が異なる複数の円形の遮光板をそれぞれ交換して光路中に配置可能に構成して内半径を変更するようにしてもよい。
【００１９】
さらに、前述した輪帯状の第２領域の外半径や内半径（即ち半径方向の位置や幅）の変更は、例えば輪帯状の位相シフター（誘電体膜等）、あるいは輪帯状の凹部（又は凸部）の半径方向の位置と幅の少なくとも一方が異なる複数の透明基板をそれぞれ交換して光路中に配置可能に構成することで実現できる。尚、輪帯状の位相シフターを設ける代わりに、輪帯状の第２領域以外に位相シフターを設けるようにしてもよい。または、光学的な厚さはほぼ同一で、直径が異なる複数の円形透明板をそれぞれ交換して光路中に配置可能に構成するだけでもよい。但し、前述した第１領域の外半径を変更するときは、その変更された第１領域と結像関係となる第２領域内の結像光束とその外側の結像光束との間に位相差を付与できないが、その変更により像コントラストや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化しなければ何ら問題ない。尚、像コントラストや忠実性の劣化が問題になるときは、例えば可変開口絞りによって第２領域の外側に分布する結像光束を遮光するようにしてもよい。
【００２０】
【作用】
ほぼ平坦な被検物上の「段差」部のみを検出する光学系としては、「暗視野顕微鏡」や「位相差顕微鏡」が知られている。暗視野顕微鏡は、結像光学系の瞳面（被検物に対するフーリエ変換面）に遮光領域を設け、被検物（例えばウエハ上の位置検出マーク）への照明光の照射によってその被検物から発生する反射回折光のうち、０次回折光（正反射光）を遮光し、高次回折光（及び散乱光）のみによる像を形成するものである。このうち０次回折光は、被検物の凹凸や反射率変化に関する情報をほとんど含まないが、高次（１次以上）の回折光はこれらの情報を含んでいる。従って暗視野顕微鏡では、０次回折光が遮光され、高次回折光のみにより像が形成されるため、通常の（明視野の）顕微鏡よりも明瞭に（高コントラストで）段差を可視化することが可能となる。
【００２１】
これに対して位相差顕微鏡は、結像光学系の瞳面に、０次回折光と他の次数の回折光（及び散乱光）との間に位相差を与えて透過せしめる位相差フィルターを設けたものである。低段差のマークパターンから発生する高次（１次以上）回折光の光量は極めて僅かであるが、位相差顕微鏡では光量の多い０次回折光も像形成に寄与させることができるため、暗視野顕微鏡よりも明るい（強度の大きい）像を得ることができる。尚、０次回折光と他の次数の回折光との強度比が極端に大きいと像コントラストが低下するため、０次回折光を減光することもある。
【００２２】
しかしながら、従来の位相差顕微鏡をウエハ上の位置検出マークの検出に用いると、像形成に不要な０次回折光だけでなく、他の次数の回折光（像形成に寄与する有益な回折光）に対しても位相差の付加や減光効果が及んでしまい、像のコントラストや忠実性が劣化するという問題がある。
そこで本発明では、ウエハ等の基板上の位置検出マークには通常、その位置検出方向にある一定の周期性（周期Ｐ）があることに着目し、その周期性により生じる０次以外の回折光が極力、位相差部材の影響を受けないように、その位相差部材、及び照明光学系の２次光源（照明光学系の瞳面での照明光束分布、又は照明光の強度分布）の形状を設定したので、０次回折光のみに対して重点的に位相差を付加する、さらには減光することができる。
【００２３】
即ち本発明では、位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる照明光学系中の第１面（瞳面）での照明光束を、光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に制限し、かつ位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる結像光学系中の第２面（瞳面）上の、第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる、換言すればその第２面上に分布する位置検出マークからの０次光とそれ以外の光とでその位相を異ならせるようにした。
【００２４】
または、照明光学系中の第１面上での照明光（又は２次光源、面光源）の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高める、あるいは照明光学系の実質的な瞳面上の、輪帯状の第１領域内に分布する照明光束を透過せしめる、もしくは照明光学系の実質的な瞳面上に、その光軸を中心とするほぼ輪帯状の２次光源（面光源）を形成する、または照明光学系の実質的な瞳面上の、その光軸を中心とするほぼ輪帯状の領域内に複数の光源像を形成するようにしてもよい。また、照明光学系の実質的な瞳面上での光強度分布を、照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の領域でその内側の領域よりも高め、かつ結像光学系の実質的な瞳面上の、その内側領域と結像関係となるほぼ円形の領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせるようにしてもよい。
【００２５】
このため、凹凸変化（段差）の極めて小さい位置検出マークに対しても、確実に（高コントラストな像で）位置検出を行なうことが可能となる。尚、前述の第１及び第２領域や２次光源（面光源）の形状は輪帯（円環）状であるとしたが、例えば矩形、正方形、又は多角形（特に正多角形）としても良い。さらに、照明光学系中の第１面（瞳面）上の第１領域を部分的に遮光（又は減光）する、即ち第１領域を複数の部分領域（その形状は任意で良く、例えば円弧、円形、又は直線状等として構わない）から構成しても良い。これに対応して結像光学系中の第２面（瞳面）上の第２領域を、その第１領域と同一の形状としても良いし、あるいはその第１領域と結像関係となる複数の部分領域をほぼ含む輪帯、矩形、又は多角形状等としても良い。
【００２６】
また、結像光学系中の第２面上の輪帯状の領域内に分布する結像光束、即ちその第２面上に分布する０次回折光を減光する部材を設ける。これにより、位置検出マークからの０次回折光と他の次数の回折光との強度比を小さくすることができ、位置検出マークの像をより高いコントラストで検出することができる。
さらに、照明光のうち画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ２、位置検出マークの周期をＰとすると、輪帯状の第１領域の外半径ｒｏ 、及び内半径ｒｉ を、
ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）
ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ
なる関係を満足するように設定する。また、結像光学系の開口数ＮＡｏを、
ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐ
なる関係を満足するように設定する。このため、低段差の位置検出マークの像をより高いコントラストで検出することができる。
【００２７】
さらに、結像光学系内の第２面（瞳面）、又はその共役面に、結像光学系の開口数ＮＡｏを変化させるための可変開口絞り（ＮＡ絞り）を、位相差部材と機械的に干渉しないように設けると良い。これにより、位置検出マークの周期が変化しても、前述の条件を満足するように、結像光学系の開口数をその周期に対応した値に設定することができ、常にそのマーク像を高いコントラストで検出できる。尚、可変開口絞りは結像光学系の瞳面、又はその共役面から光軸方向にずらして配置しても構わない。
【００２８】
また、結像光学系の光路に対して位相差部材を挿脱可能に保持する部材を設ける。このため、明視野検出との切り替えを行うことができ、位置検出マークの段差量に応じて位相差部材の有無を選択してそのマーク像を検出できる。従って、位置検出マークの段差量に依らず、常に高いコントラストのマーク像を得ることができ、位置検出精度を向上させることができる。
【００２９】
さらに、照明光学系の光路に対して光束制限部材（又は光学部材、絞り部材、２次光源形成部材）を挿脱可能に保持する部材も設ける。このため、輪帯照明と通常照明とを切り替えることができ、位置検出マークが低段差でない場合にはその反射率が低くても、通常照明によってそのマーク像を確実に検出することができる。
【００３０】
また、照明光学系中の第１面上での照明光（２次光源、面光源）の強度分布を、輪帯状の第１領域で他の領域よりも高める光学部材は、輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方を変化させる強度分布変更部材を有する。このため、位置検出マークの周期が変化しても、前述の条件式を満足するように、輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方をその周期に対応した値に設定することができる。従って、位置検出マークの周期に依らず、常に高いコントラストのマーク像を得ることができる。尚、輪帯状の第１領域の外半径や内半径は、位置検出マークの周期の変化に連動して変更する必要はなく、その変化により像コントラストや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化したときのみ、その外半径や内半径を変更するようにしても良い。
【００３１】
さらに位相差部材は、第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方の変化に応じて、輪帯状の第２領域の半径方向の幅と位置の少なくとも一方を変化させる。このため、位置検出マークの周期に応じて輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方が変化しても、常に０次回折光のみに対して位相差を付与して撮像素子に入射させることができる。尚、結像光学系の輪帯状の第２領域の幅や位置は、輪帯状の第１領域の外半径や内半径（位置検出マークの周期）の変化に連動して変更する必要はなく、その変化により像コントラストや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化したときのみ、その位相シフト部の幅や位置を変更するだけでも良い。また、第１領域の外半径及び内半径の変化に連動して第２領域の外半径と内半径の両方を変更する必要はなく、例えば第２領域の内半径のみを変更するだけでもよい。
【００３２】
【実施例】
図１〜図６を参照して本発明の実施例について説明する。図１は、本実施例の位置検出装置の概略的な全体構成を示す。図１において、ハロゲンランプ等の光源１を発したブロードバンドな照明光束（広帯域光）はコンデンサーレンズ２、及び波長選択素子（シャープカットフィルター、又は干渉フィルター等）３を経て照明視野絞り４に入射する。
【００３３】
波長選択素子３は、後述するウエハ１０上に塗布されたフォトレジスト（露光波長は例えば３６５ｎｍ、又は２４８ｎｍ）に対して、非感光な波長域（例えば波長５５０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の光束のみを透過させる。ただし本発明を、フォトレジストで覆われていない基板の位置検出装置、例えば露光、現像処理後のウエハ上の、回路パターンと転写したレジストパターンとの重ね合わせ位置検出装置に適用するのであれば、フォトレジストの感光を防ぐ必要はないので、より短波長の（露光波長に近い）光束も使用することができる。
【００３４】
照明視野絞り４を透過した光束は、リレーレンズ５を経て本発明の照明光束制限部材（開口絞り）６に入射する。さらに照明光は、ビームスプリッター８、及び対物レンズ群９を介して、位置検出マーク１１が形成されたウエハ１０に入射する。照明光束制限部材６は、ウエハ１０の表面（位置検出マーク１１）に対して、対物レンズ群９とビームスプリッター８を介して、光学的にフーリエ変換の関係となっている面（以後「照明系瞳面」と略す）に配置されている。すなわち、照明光束制限部材６内の所定点の、照明光学系（１〜５、８、９）の光軸ＡＸＩからの位置ずれ量は、その所定点を通過する照明光束の、ウエハ１０の表面に対する入射角の正弦に比例する。
【００３５】
ここで、照明光束制限部材６は輪帯開口を有し、その輪帯開口の中心が照明光学系の光軸ＡＸＩと一致するように可動部材７に保持されている。この可動部材７は、例えばターレット板、又はスライダーであり、照明光学系の光路に対して照明光束制限部材６を挿脱可能としている。従って、本実施例では可動部材７によって輪帯照明と通常照明とを切り替えることができ、位置検出マーク１１の段差量（及び／又は微細度（周期、線幅等））に応じていずれか一方を選択できるようになっている。例えば、低段差の位置検出マーク、及び高段差の微細な位置検出マークでは輪帯照明が選択されて照明光束制限部材６が光路中に挿入され、高段差の粗い位置検出マークでは通常照明が選択されて照明光束制限部材６が光路外に待避される。
【００３６】
また、照明視野絞り４は一連の光学系５〜９を介して、ウエハ１０の表面（位置検出マーク１１）と実質的に共役（結像関係）となっており、照明視野絞り４の透過部の形状、大きさに応じて、ウエハ１０上での照明範囲を制限することができる。照明視野絞り４は、例えば複数の可動ブレードからなり、位置検出マーク１１の大きさや形状に応じて、その複数の可動ブレードによって規定される開口部の大きさや形状を変化させることでウエハ１０上での照明範囲を変更することができる。
【００３７】
ウエハ１０は、２次元移動可能なウエハステージ１２に載置され、このウエハステージ１２の端部にはレーザ干渉計１５からのレーザビームを反射するミラー１４が固定されている。ウエハステージ１２（ウエハ１０）のＸ、Ｙ方向の位置はレーザ干渉計１５によって、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出される。さらにウエハステージ１２には、ベースライン計測等に用いられる基準マークが形成された基準板１３が設けられている。
【００３８】
さて、ウエハ１０（位置検出マーク１１）で反射した光束は、対物レンズ群９、及びビームスプリッター８を介して、本発明の位相差部材（位相差フィルター）１６に至る。位相差フィルター１６は、ウエハ１０の表面（位置検出マーク１１）に対して、対物レンズ群９とビームスプリッター８を介して、光学的にフーリエ変換の関係となっている面（以後「結像系瞳面」と略す）に配置されている。即ち、位相差フィルター１６内の所定点の、結像光学系の光軸ＡＸからの位置ずれ量は、その所定点を通過する光束（結像光束）の、ウエハ１０の表面に対する射出角の正弦に比例する。
【００３９】
位相差フィルター１６の具体的な構成については後で詳しく説明するが、位相差フィルター１６はその中心が結像光学系の光軸ＡＸと一致するように可動部材１７に保持されている。この可動部材１７は、例えばターレット板、又はスライダーであり、結像光学系の光路に対して位相差フィルター１６を挿脱可能としている。従って、本実施例では可動部材１７によって明視野検出との切り替えを行うことができ、位置検出マーク１１の段差量に応じていずれか一方を選択できるようになっている。例えば、低段差の位置検出マークでは位相差フィルター１６が光路中に挿入され、高段差の位置検出マークでは明視野検出が選択されて位相差フィルター１６が光路外に待避される。
【００４０】
ここで、光学的なフーリエ変換の関係を図２を用いて説明するが、図２では１枚のレンズ９’で表される対物レンズ群９（焦点距離をｆとする）の一方の焦点面に、ウエハ１０を配置すれば、他方の焦点面が「光学的なフーリエ変換面（瞳面）」ＦＰとなる。そして、ウエハ１０上での入射、及び射出角度がθである光束はそれぞれフーリエ変換面（瞳面）ＦＰ上の、光軸ＡＸからｆ・ ｓｉｎθだけ離れた位置を通ることになる。
【００４１】
図２では、対物レンズ群９を１枚のレンズ９’で表しているが、これが複数枚から成るレンズ系であっても本質的には何ら変わりはなく、複数枚のレンズの合成焦点面にウエハ１０を配置すれば、他方の焦点面がフーリエ変換面（瞳面）となる。そして、対物レンズ群９と瞳面との間にビームスプリッター８を配することで、送光側（照明系）瞳面と受光側（結像系）瞳面とを分離することが可能となる。また、この分離された２つの瞳面は共にウエハ１０に対するフーリエ変換面である、即ち照明系瞳面と結像系瞳面とはウエハ１０、対物レンズ群９、及びビームスプリッター８を介して実質的に共役（結像関係）となっている。
【００４２】
位相差フィルター１６を通過した結像光束は、レンズ系１８、及びビームスプリッター１９を経て、指標板２４上に位置検出マーク１１の像を形成する。一方、指標板２４は、指標板照明用光学系２０〜２３によっても照明される。この指標板照明用光学系は、発光ダイオード等の光源２０、コンデンサーレンズ２１、指標板照明視野絞り２２、及びリレーレンズ２３からなる。指標板照明視野絞り２２は、リレーレンズ２３、及びビームスプリッター１９を介して指標板２４と共役、ひいてはウエハ１０の表面と共役になっている。さらに指標板２４には、後述するように位置検出マーク１１の検出に際して使用される基準指標（指標マーク）が形成されている。指標板照明視野絞り２２は、指標板２４上の基準指標のみが光源２０からの照明光で照射されるように、その基準指標と結像関係になる領域に開口を有する。
【００４３】
指標板照明用光学系２０〜２３はこの基準指標を照明するためのものであるので、光源２０からの照明光は、位置検出マーク１１を照射する光源１からの照明光と異なり、単色光でもよい。また、光源２０からの照明光はウエハ１０上に照射されないため、その波長がフォトレジストの感光波長であっても構わない。そこで、本実施例では発光ダイオードである光源２０の波長を５００ｎｍ程度とし、ビームスプリッター１９の反射面をダイクロイックミラーとすることで、ウエハ１０からの結像光束及び指標用照明光の利用効率を高める（即ち光量損失を抑える）ことができる。尚、本実施例では照明視野絞り４によってウエハ１０上での照明範囲が制限されるので、位置検出マーク１１の像が基準指標に重畳して形成されることはない。
【００４４】
指標板２４上に形成される位置検出マーク１１の像と基準指標の像はそれぞれリレーレンズ２５、２７によってＣＣＤ等の撮像素子２８上に結像される。画像処理系２９は、撮像素子２８からの出力信号を基に、前述の基準指標像と位置検出マーク１１の像との位置関係（位置ずれ量）を算出する。位置検出マーク１１の像位置は、当然ながらレーザ干渉計１５によって規定される直交座標系ＸＹ上での位置検出マーク１１の位置を反映したものであるから、これにより位置検出マーク１１の位置検出が可能となる。即ち、画像処理系２９で算出される位置ずれ量と干渉計１５から出力される座標位置とによって位置検出マーク１１の位置が求められる。
【００４５】
ここで、例えば可動部材７による照明光束制限部材６の挿脱、又は交換に伴い、撮像素子２８に入射する、位置検出マーク１１からの結像光束の光量が変化する。このため、撮像素子２８上でそのマーク像と基準指標像の各強度（明るさ）が異なることになり、その強度差が大きくなると、画像処理系２９での位置ずれ検出精度が悪化する恐れがある。そこで本実施例では、撮像素子２８上に結像される位置検出マーク１１の像と基準指標の像の各強度が常にほぼ等しくなるように、その結像光束の光量変化に応じて、基準指標を照明する、光源２０からの照明光の強度を調整可能に構成する。本実施例では、光源（発光ダイオード）２０への注入電流を調節してその発光強度を調整するものとし、例えば照明光学系の光路から照明光束制限部材６を退出させたときは、光源２０の発光強度を高くする。尚、光源２０と指標板２４との間に、透過率が異なる複数の減光フィルターを保持する部材（ターレット板、スライダー等）に設け、この保持部材を駆動して、複数の減光フィルターをそれぞれ交換してその光路中に配置するように構成してもよい。図示していないが、照明光束制限部材６や位相差フィルター１６の挿脱、又は交換は、入力装置（キーボード等）からの情報（位置検出マーク１１の周期や段差量等）に基づいて、図１の装置全体を統括制御するコントローラが自動的に行うようになっている。さらにコントローラは、照明光束制限部材６や位相差フィルター１６の種類や有無に応じて光源２０の発光強度を調整する。
【００４６】
ところで、開口絞り２６はウエハ１０に対して実質的に光学的なフーリエ変換の関係となる結像光学系（９〜２７）中の面（位相差フィルター１６と共役（結像関係）の面）に配置され、結像光学系の開口数を制限するものである。本実施例では、開口絞り２６によって結像光学系の開口数を任意に変更できるものとする。また、図１では指標板２４を結像光学系の光路中に配置したが、指標板２４をその光路外に配置し、結像系を介して撮像素子２８上に基準指標の像を形成するように構成してもよい。例えば、指標板２４の代わりに撮像素子２８を配置し、かつ指標板照明視野絞り２２の代わりに指標板２４を配置すれば、リレーレンズ２５、２７が不要となって装置全体を小型化できる。このとき、基準指標以外からの光が撮像素子２８に入射しないように、指標板２４上の、基準指標以外の領域は遮光しておくと良い。また、開口絞り２６は位相差フィルター１６と機械的に干渉しないようにそれに近接して配置すれば良い。
【００４７】
ここで、位置検出マーク１１の形状、指標板２４、指標板照明視野絞り２２、及び照明視野絞り４の各透過部の形状、及び撮像素子２８上に形成される像の強度分布の一例を、図３、図４を用いて説明する。図４（Ａ）は位置検出マーク１１の上面図を示し、図４（Ｂ）はその位置計測方向（図４（Ａ）中のＸ方向）の断面図を示す。即ち、本実施例ではウエハ１０の表面に、Ｘ方向に周期Ｐで配列される３本の帯状凹部からなる位置検出マーク１１を形成している。また、ウエハ１０の表面には図４（Ｂ）に示すようにフォトレジスト１０’が塗布されている。
【００４８】
照明視野絞り４は、図３（Ａ）に示すように、ウエハ１０上での照明領域を制限する四角形の透過部４Ｍ以外は、全て遮光部（斜線部）となっている。そして、この透過部４Ｍがウエハ１０上に投影され、位置検出マーク１１を含む部分領域のみを照明する。この照明領域は、図４（Ｂ）中のマーク領域Ｍ（Ｘ方向の幅Ｗ）に相当し、図３（Ｃ）に示す指標板２４上のマーク像領域ＭＩにも相当する。すなわち、指標板２４上のマーク像領域ＭＩ内に位置検出マーク１１の像が形成される。
【００４９】
一方、指標板照明視野絞り２２も図３（Ｂ）に示すように、２つの四角形の透過部４Ｌ、４Ｒ以外は、全て遮光部（斜線部）となっている。この透過部４Ｌ、４Ｒからの透過光は、図３（Ｃ）に示す指標板２４上の矩形領域（透過部）ＬＩ、ＲＩを照明する。そしてこの矩形領域ＬＩ、ＲＩ内にはそれぞれ遮光部である前述の基準指標（バーマーク）２４Ｌ、２４Ｒが形成されている。
【００５０】
以上のことから、撮像素子２８上に形成される像強度分布は図４（Ｃ）のようになる。即ち、光源（ハロゲンランプ）１からの照明光で照射された位置検出マーク１１の像ＩＭを中心として、その左右に光源（発光ダイオード）２０からの照明光で照射された基準指標２４Ｌ、２４Ｒの像（暗像）ＩＬ、ＩＲが形成される。前述したように、位置検出マーク１１の像ＩＭと基準指標２４Ｌ、２４Ｒの像ＩＬ、ＩＲ上との明るさがあまり異なると、両像の位置ずれの検出精度が悪化する恐れがあるので、光源（発光ダイオード）２０への注入電流を調節して、両像がほぼ等しい強度となるように調整する機構（不図示）が設けられている。
【００５１】
また、図４（Ｂ）の断面図において、位置検出マーク１１の左右の領域Ｌ、Ｒを平坦な領域としたが、この領域Ｌ、Ｒの状態は位置検出マーク１１の位置検出には全く影響を与えない（照明光で照明されていない）ので、ここに回路パターン等が存在しても全く問題はない。
画像処理系２９は、撮像素子２８からの出力される図４（Ｃ）の如き光量信号を基に、位置検出マーク１１の像ＩＭと基準指標２４Ｌ、２４Ｒの像ＩＬ、ＩＲとの位置関係を算出する。この算出過程は、従来の結像式位置検出で一般に行なわれている処理と全く同様である。例えば、所定のスライスレベルＳＬでの光量信号のスライス位置（Ｌｏ、Ｌｉ、Ｍ_１ 〜Ｍｎ 、Ｒｉ、Ｒｏ）に基づいて位置検出を行なってもよいし、あるテンプレート信号とマーク部の光量信号の相関を基に位置検出を行なってもよい。
【００５２】
また、これらの位置検出に先立ち、検出位置の基準となる基準指標２４Ｌ、２４Ｒの、ウエハ１０（ウエハステージ１２）に対する位置関係を計測しておく必要がある。これも従来から知られているベースラインチェックと呼ばれる処理であり、本実施例に於ても従来と基本的に同様である。即ち、ウエハステージ１２上に固設される基準板１３の表面に、位置検出マーク１１と同一形状の基準マークを形成しておき、位置検出マーク１１の検出に先立ち、ウエハステージ１２を駆動してこの基準マークを対物レンズ群９の下に移動し、この基準マークと基準指標２４Ｌ、２４Ｒとの位置関係を検出する。同時に、このときのウエハステージ１２の位置（ウエハステージ１２上のミラー１４の位置）をレーザ干渉計１５で計測する。この干渉計１５の出力値と上記検出値（画像処理系２９で検出される位置関係）の和を「ベースライン量」として記憶する。そして、位置検出マーク１１の計測時の干渉計１５の出力値と、前述の光量信号から求めた位置検出マーク１１と基準指標２４Ｌ、２４Ｒとの位置関係との和から「ベースライン量」を差し引いた値が、位置検出マーク１１の基準マークに対する位置となるわけである。
【００５３】
また、本発明を投影露光装置の位置検出系（アライメント系）に適用する場合には、以上の位置検出値と、投影露光装置内に記憶された露光ショットの配列データとを基に、ウエハ上の各ショット領域を不図示の投影光学系の下に移動し、重ね合わせ露光を行なう。
次に、本実施例の照明光束制限部材６、及び位相差フィルター１６について、周期８μｍの位置検出マーク１１を波長域５５０〜７５０ｎｍの照明光束で照射してその位置検出することを前提として説明する。
【００５４】
図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれこの条件に適した照明光束制限部材６、位相差フィルター１６の構成の一例を示す。各図中のＵ軸、Ｖ軸方向は、それぞれ図４（Ａ）に示した位置検出マーク１１のＸ軸、Ｙ軸方向に等しいが、照明光束制限部材６、及び位相差フィルター１６はそれぞれ位置検出マーク１１に対する光学的なフーリエ変換面（瞳面）に配置されるので、慣例に従ってＵ軸、Ｖ軸と表す。
【００５５】
図５（Ａ）に示すように照明光束制限部材６は、遮光性基板上に、照明光学系（１〜９）の光軸（Ｕ軸とＶ軸の交点）を中心として内半径ｒｉが０．１６（単位は開口数、即ち半径ｒｉの円上の所定点を通過した光束の位置検出マーク１１への入射角の正弦、以下も同様）、外半径ｒｏが０．２０である円環（輪帯）状の透過部Ｉが形成されたものである。照明光束制限部材６としては、金属遮光板上の特定個所に輪帯開口を開けたもの、又はガラス等の透明基板上に金属等で遮光膜を形成し、特定個所の遮光膜を除去したものを使用する。
【００５６】
一方、位相差フィルター１６は、照明光束制限部材６上の輪帯透光部Ｉと共役な位置に、その輪帯透光部Ｉと結像関係となる輪帯形状の位相差付加部Ｓ（図中斜線部）が形成されたものとなっている。図６は、図５（Ｂ）のＵ軸での断面図である。図６に示すように位相差フィルター１６は、ガラス等の透明基板１６Ａの表面に、金属薄膜Ｓｏ及び誘電体膜Ｓ１を積層して形成したものであり、金属薄膜Ｓｏによって透過光を減光し、かつ誘電体膜Ｓ１によってその透過光の位相をシフトさせる。従って、位相差付加部Ｓとそれ以外の領域とにそれぞれ分布する位置検出マーク１１からの結像光束の位相が互いに異なる、即ち両光束の間に所定の位相差が与えられることになる。このような構成は、従来の位相差顕微鏡での位相差フィルター、あるいは最近フォトリソグラフィ工程で使用され始めた「ハーフトーン位相シフトレチクル」と同様であり、それらの各種製法を用いて製造することができる。
【００５７】
また、金属薄膜Ｓｏ及び誘電体膜Ｓ１により透過光に与えられる位相差（他の部分の透過光との位相差）はπ／２［ｒａｄ］（即ち１／４波長）程度が最適であるので、誘電体膜Ｓ１の厚さはその屈折率をｎとしてλ／（４（ｎ−１））程度とする。このとき、λは照明光のうち結像に寄与する光束の中心波長（図６の例では６５０ｎｍ）である。但し、位相差付加部Ｓの位相差量（位相シフト量）に多少の誤差があっても位置検出マーク１１の像コントラストは急激には低下しないので、位相差付加部Ｓの透過光に与えるべき位相差はπ／２±π／４［ｒａｄ］ の範囲であれば、精度良く位置検出可能な、比較的良好なコントラストの像を得ることができる。また、特にこの位相差がπ／２±π／６［ｒａｄ］ 程度に抑えられれば、より良好なコントラストの像を得ることができる。
【００５８】
ここで、結像に寄与する光束の波長域が狭い（即ち照明光が実質的に単色に近い）場合には、誘電体膜Ｓ１の厚さは（２ｋ＋１）λ／（４（ｎ−１））（位相差は（２ｋ＋１）π／４［ｒａｄ］）（但しｋは自然数）であってもよい。これに対して結像に寄与する光束の波長域が広い場合、中心波長以外の波長に対しては、ｋが大きいほど位相差が（２ｋ＋１）π／４［ｒａｄ］（最適条件）からずれるので、誘電体膜Ｓ１の厚さはλ／（４（ｎ−１））とするのが良い。このような条件の位相差フィルター１６を使用すると、位置検出マーク１１の凹部が明るく凸部が暗い、明瞭なコントラストを持ったマーク像を得ることができる。
【００５９】
また、位相差フィルターとして、位相差付加部Ｓに金属薄膜Ｓｏのみを形成し、他の部分に誘電体膜Ｓ１を形成する構成としてもしても良い。この場合、０次光の位相は他の次数の回折光に対してπ／２［ｒａｄ］ 進んだものとなるので、位置検出マーク１１の像は図６の位相差フィルター１６の使用時とは異なり、位置検出マーク１１の凹部が暗く凸部が明るい像となる。但し、像のコントラストはいずれの場合にも同等で、かつ高いことは勿論である。
【００６０】
さらに、位相差付加部Ｓは必ずしも減光作用を有している必要はなく、この場合には金属薄膜Ｓｏを付加しなくてもよい。また、位相差を付加するために誘電体膜Ｓ１を形成する代わりに、透明基板１６Ａをエッチングにより掘り込んでも良い。
また、位相差付加部Ｓの大きさは、照明光束制限部材６上の輪帯透過部Ｉよりも多少大きくなるように、内半径ｒｉ’を０．１５、外半径ｒｏ’を０．２１とした。これは、位置検出マーク１１からの０次回折光が位相差フィルター１６上で若干広がることを考慮して、より確実に０次回折光に前述の位相差を付加するためである。また、結像光学系の開口数ＮＡｏ（結像系瞳面の半径）は０．３０であるものとした。尚、図１では実際の開口数を規定する開口絞り２６が、位相差フィルター１６と同一位置ではなく、その共役位置に配置されているが、ここでの開口数ＮＡｏは、開口絞り２６の開口数が対物レンズ群９の開口数よりも小さく絞られている場合には、開口絞り２６の開口数（実効的な開口数）を表すことになる。また、照明光束制限部材６の外周の半径は照明光学系の開口数（照明系瞳面の半径）に比べて十分に大きく、輪帯透光部Ｉの外側に分布する透過光は当然ながら位置検出マーク１１には達しない。
【００６１】
図５（Ｂ）に、図５（Ａ）の照明光束制限部材６上の輪帯透光部Ｉを透過した照明光の照射により、位置検出マーク１１から発生した１つの１次回折光の、位相差フィルター１６上での分布（図中の２つの破線円で囲まれた領域Ｄ）を示す。尚、位置検出マーク１１からの回折光のうち０次回折光は、輪帯透光部Ｉと共役な（かつそれよりも一回り大きい）位相差付加部Ｓ上に分布し、金属薄膜Ｓｏによって減光され、かつ誘電体膜Ｓ１によって位相差が付加される。もちろん実際には、これ以外の次数の回折光も分布しているが、ここでは位置検出マーク１１の像の形成に支配的な０次及び１次の回折光についてのみ考察する。
【００６２】
ところで、図５（Ｂ）に示すように１次回折光の一部は位相差付加部Ｓで減光されることになるが、本実施例では図５（Ａ）に示したように輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉ、及び外半径ｒｏが適切に定められているので、位相差付加部Ｓによる１次回折光の減光、及び位相差の付加は最小限に抑えられている。以下、この理由を説明する。
【００６３】
まず、位相差付加部Ｓの内周及び外周とＵ軸との交点のＵ座標はそれぞれｒｉ’、ｒｏ’（及び−ｒｉ’、−ｒｏ’）となる。一方、１次回折光が分布する領域Ｄの境界（２つの破線円）とＵ軸との交点のＵ座標をＤｐｉ、Ｄｐｏ，Ｄｍｉ、Ｄｍｏと定めると、これらの値は、
Ｄｐｉ＝λ／Ｐ＋ｒｉ 、 Ｄｐｏ＝λ／Ｐ＋ｒｏ
Ｄｍｉ＝λ／Ｐ−ｒｉ 、 Ｄｍｏ＝λ／Ｐ−ｒｏ
となる。
【００６４】
このとき、特にＤｐｉの値がｒｏ’よりも小さい、あるいはＤｍｏの値が−ｒｉ’よりも小さいと、位相差付加部Ｓによる１次回折光の減光の度合いが大きくなることは図５（Ｂ）から明らかである。また、Ｄｍｉの値がｒｉ’よりも大きくても、同様に減光の度合いが大きくなる。
図５（Ａ）の例においては、位置検出マーク１１の周期Ｐは８μｍ、輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉが０．１６、外半径ｒｏが０．２０であり、照明光の波長λの範囲は最短波長λ１が５５０ｎｍ、最長波長λ２が７５０ｎｍであるので、Ｄｐｉの最小値はλ＝λ１のときに、
Ｄｐｉ＝λ１／Ｐ＋ｒｉ＝０．２３ （１）
となってｒｏ’（＝０．２１）より大きく、Ｄｍｏの最小値はλ＝λ１のときに、
Ｄｍｏ＝λ１／Ｐ−ｒｏ＝−０．１３ （２）
となって−ｒｉ’（＝−０．１５）より大きい。
【００６５】
さらに、Ｄｍｉの最大値はλ＝λ２のときに、
Ｄｍｉ＝λ２／Ｐ−ｒｉ＝−０．０７ （３）
となってｒｉ’（＝０．１５）より小さい。
従って、位相差付加部Ｓによる１次回折光の減光の度合いは小さくなるが、このための条件を一般化すると、
Ｄｐｉ＝λ１／Ｐ＋ｒｉ≧ｒｏ’ （４）
Ｄｍｏ＝λ１／Ｐ−ｒｏ≧−ｒｉ’ （５）
Ｄｍｉ＝λ２／Ｐ−ｒｉ≦ｒｉ’ （６）
となる。
【００６６】
また、位相差付加部Ｓの外半径ｒｏ’は輪帯透過部Ｉの外半径ｒｏよりも大きく、位相差付加部Ｓの内半径ｒｉ’は輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉよりも小さいので、上記不等式（４）〜（６）は、
Ｄｐｉ＝λ１／Ｐ＋ｒｉ≧ｒｏ （７）
Ｄｍｏ＝λ１／Ｐ−ｒｏ≧−ｒｉ （８）
Ｄｍｉ＝λ２／Ｐ−ｒｉ≦ｒｉ （９）
としても良い。特に不等式（７）、（８）は共に、
ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ （１０）
と等価であり、不等式（９）は、
ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ） （１１）
と等価である。
【００６７】
従って、一般に輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉ 及び外半径ｒｏ が不等式（１０）、（１１）を満たすとき、位相差付加部Ｓによる１次回折光の減光の度合いを極めて小さくできることになる。
ところで、結像光学系の開口数ＮＡｏの値によっては、位相差付加部Ｓによる減光のみでなく、開口数ＮＡｏによる制限によって１次回折光が遮光されてしまう恐れもある。これを避けるためには、Ｄｐｏ＝λ／Ｐ＋ｒｏの値が前述した開口数ＮＡｏ以下であることが望ましい。Ｄｐｏの最大値は、λ＝λ２のときにλ２／Ｐ＋ｒｏとなるので、開口数ＮＡｏは、
ＮＡｏ≧λ２／Ｐ＋ｒｏ （１２）
の関係を満たすことが望ましい。
【００６８】
以上の説明では、０次回折光に対して片側（＋Ｕ方向）に発生する１次回折光のみに着目して説明したが、反対方向（−Ｕ方向）に発生する１次回折光についても全く同様であり、上記条件（不等式）に変わりはない。また、位置検出マーク１１の周期Ｐや照明光束の波長域（λ１、λ２）も、上記の値に限らず、他の条件であってもこれらの条件（不等式）が成立する。
【００６９】
次に、本実施例の位置検出装置の効果について、凹凸変化（段差）が極めて小さい位置検出マークの像のシミュレーション結果を基に説明する。
図７は、本実施例の位置検出装置により得られる、段差５ｎｍの位置検出マーク像のシミュレーション結果を示す。マーク形成条件は、周期が１２μｍで、凹部幅と凸部幅が等しく、マーク表面の材質は一様で（屈折率は３．５５）、その上に屈折率が１．６８であるフォトレジストが厚さ１μｍで塗布されているものとした。尚、照明光の波長域は５５０ｎｍ（＝λ１）から７５０ｎｍ（＝λ２）であり、照明光束制限部材６上の輪帯透過部Ｉの内半径、外半径はそれぞれ前述の条件（不等式）に従い、
ｒｉ＝０．１０≧λ２／（２×Ｐ）＝０．７５０／２４＝０．０３１
ｒｏ＝０．１４
（ｒｏ−ｒｉ＝０．０４≦λ１／Ｐ＝０．５５０／１２＝０．０４６）
とした。
【００７０】
また、位相差フィルター１６の構成は図６の通りであり、その位相差付加部Ｓの内半径、外半径はそれぞれ輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉ、外半径ｒｏと等しくし、結像光学系の開口数ＮＡｏは前述の条件（不等式）に従い、
ＮＡｏ＝０．２２≧λ２／Ｐ＋ｒｏ＝０．７５０／１２＋０．１４＝０．２０３とした。
【００７１】
さらに、位相差付加部Ｓの透過率は１％とし、誘電体膜Ｓ１は、照明光の中心波長６５０ｎｍに対してπ／２［ｒａｄ］ の位相差を付加するように、屈折率を１．５、厚さを３２５ｎｍとした。
図７に示した像強度分布は、位置検出マーク１１の１周期分であり、横軸の位置０はマーク（凹部）の中心を示し、±Ｐ／４の破線はマークのエッジ（凹部と凸部の境界）を示す。また、縦軸の強度分布は一周期の像強度の最大値が１となるように規格化してある。
【００７２】
さらに図８には、図７とほぼ同一の条件で、開口数ＮＡｏのみを０．１８とし、前述した開口数ＮＡｏの条件式（１２）を満たさない場合のシミュレーション結果を示す。この図８のマーク像は、図７に示した像に比べてやや暗部（マークのエッジ部分）のシャープさが劣るものの、エッジ位置、即ちマーク位置を検出するのに十分なコントラストを有している。従って、本実施例による前述の条件式（１０）〜（１２）のうち、開口数ＮＡｏの条件式（１２）については必ずしもこれを厳密に満たす必要はないことが分かる。
【００７３】
同様に図９には、図７の条件とほぼ同一の条件で、輪帯透過部Ｉの外半径ｒｏのみを０．１８とし、前述した外半径ｒｏの条件式（１０）を満たさない場合のシミュレーション結果を示す。この場合、図７、図８に示した像に比べて像コントラストの劣化が顕著であり、従ってこのような像に基づいた位置検出では良好な検出精度を得ることができないことが分かる。
【００７４】
さらに図１０には、図７の条件とほぼ同一の条件で、輪帯透過部Ｉの内半径ｒｉを０．０２、外半径ｒｏを０．０６とし、前述した外半径ｒｏの条件式（１０）は満たすものの、内半径ｒｉの条件式（１１）は満たさない場合のシミュレーション結果を示す。この場合、像のコントラストは高いものの、マークエッジだけでなく凹部の中心にも若干の暗部が生じて像の忠実度が低下し、これが位置検出に悪影響を及ぼす恐れがあるので、位置検出に使用することは難しい。
【００７５】
図１１には、図７〜図１０と異なり、照明光束制限部材６上の輪帯透過部Ｉが光軸を中心とする円形（通常のσ絞り）であり、位相差フィルター１６上の位相差付加部Ｓも光軸を中心とする円形である場合のシミュレーション結果を示す。尚、このときの透過部Ｉ、位相差付加部Ｓの半径は共に０．６６（σ値としては０．３）とした。波長域、開口数、その他の条件は、図７の条件と同一である。この場合の像も、図１０と同様に像の忠実度が低下したものとなり、位置検出に使用することは難しい。
【００７６】
図１２には、比較のために、照明光束制限部材６の輪帯透過部Ｉ、及び位相差フィルター１６上の位相差付加部Ｓの形状が、本発明の条件を満たす図７の例と同一であるが、位相差付加部Ｓの透過率が０％（位相差付加部Ｓが遮光部）である、即ち暗視野顕微鏡によるマーク像を示す。尚、図１２だけは比較が容易なように、縦軸のスケールを図７と同一に設定してある。このような暗視野顕微鏡によっても、低段差の位置検出マークの像に明暗変化（コントラスト）が生じるものの、その強度は本発明の位置検出装置での像強度（図７）の１／５程度であってそのマーク像は暗く、従って撮像素子２８から出力される画像信号もＳ／Ｎ比の悪いものとなる。
【００７７】
さらに図１３には、通常（明視野）の顕微鏡による像を示す。σ絞りの半径は０．１７６（σ値としては０．８）であり、当然ながら位相差付加部Ｓは設けない。その他の条件は図７の条件と同一である。図１３から明らかなように、低段差（５ｎｍ）の位置検出マークに対して明視野顕微鏡を使用すると、像に明暗変化（コントラスト）が殆どなく、位置検出は不可能なことがわかる。
【００７８】
以上のように、図９〜図１３に示した各像に比べて図７、図８に示した本発明の位置検出装置による像は、コントラストが十分であるばかりでなく、その明暗部がそれぞれマークの凹部、凸部と一致しているため、このようなマーク像を用いて確実な位置検出を行なうことができる。
尚、前述の実施例における照明光束制限部材６及び位相差フィルター１６は、段差の小さな位置検出マークの検出に極めて有効であることは前述の通りであるが、段差の大きな（例えば１００ｎｍ以上）の位置検出マークに対しては、従来の位置検出装置でも十分な検出精度が得られるので、段差の大きなマークを検出する際には、照明光束制限部材６及び位相差フィルター１６を、交換機構（可動部材）７及び１７を用いて光路外へ待避させるようにしてもよい。また、ガラス基板からなる位相差フィルター１６（又は照明光束制限部材６）の待避により、光学系の収差状態が変動する恐れがある場合は、その待避時に、位相差フィルター１６（又は照明光束制限部材６）の代わりにそれと同等な光学的厚さを有する透明部材を挿入する必要がある。これは、交換機構７、１７にそれぞれその透明部材を保持させておけば、簡単に交換を行なうことができる。
【００７９】
また、前述のシミュレーションでは段差５ｎｍの位置検出マークを想定したが、これ程には低段差でないマーク、例えば数十ｎｍ程度の段差を持つマークに対しては、図６に示した、減光及び位相差の付加を行う位相差フィルター以外にも、位相差のみを付加して減光を行わない位相差フィルターを用いることができる。図１４は、段差４０ｎｍの位置検出マークに対してこのような位相差フィルターを用いた場合のシミュレーション結果を示す。なおこのときの、照明光束制限部材６上の輪帯透過部Ｉ、及び位相差フィルター１６上の位相差付加部Ｓの形状は、図７の例と同一である。図１４から明らかなように、段差がある程度大きい位置検出マークに対しては、位相差付加部Ｓの透過率が高くとも（さほど減光しなくても）十分にコントラストの高い像が得られる。
【００８０】
従って、図６の位相差フィルター１６と位相差の付加のみを行なう位相差フィルター（ないしは比較的高い透過率を有する位相差フィルター）とを交換機構１７に保持させておき、位置検出マークの段差量に応じて、その２つの位相差フィルターを交換して結像光路中に配置するようにしてもよい。尚、より低段差のマークに対しては、透過率の低い位相差フィルターを選択して装填する。
【００８１】
図１５には、比較のために、図１３と同一条件の明視野顕微鏡を用いて段差４０ｎｍの位置検出マークを検出した場合のシミュレーション結果を示す。図１５から明らかなように、段差が４０ｎｍであっても明視野顕微鏡ではまだ十分なコントラストを得ることができず、図１４に示した本発明による像とのコントラストの差は明らかである。
【００８２】
ところで、前述の実施例では、照明光束制限部材６が形成する輪帯状の２次光源、即ち輪帯透過部Ｉの内半径や外半径、その輪帯透過部Ｉと共役な位相差フィルター１６上の位相差付加部Ｓの内半径や外半径、及び結像光学系の開口数は、照明光束の波長域（λ１〜λ２）により決定されるとしたが、例えば位置検出マーク１１と撮像素子２８との間にシャープカットフィルター等の波長選択素子を挿入する場合、または撮像素子２８の分光感度が照明光束の波長域よりも狭い場合などは、これらを考慮して、すなわち位置検出マーク１１の画像信号の形成に実際に寄与する波長域に基づいて、各値を決定することになる。
【００８３】
また、前述の実施例で用いた照明光束制限部材６は、照明系瞳面上に分布する光束のうち輪帯透過部Ｉ内の光束のみを透過し、それ以外は遮光して輪帯状の２次光源を形成するものであったが、照明系瞳面上の輪帯領域に、例えば光ファイバー、又は凹型円錐プリズムと凸型円錐プリズムとを組み合わせたもの等を用いて照明光束を集光させて２次光源を形成するようにしても良い。この場合、光量損失が大幅に低減されるという利点が得られる。
【００８４】
さらに、光源１からの光を入射して、照明系瞳面上に複数の光源像を形成するオプチカルインテグレータ（例えばフライアイレンズ）を設けるようにしてもよい。この場合、位置検出マーク１１上での照明光の照度均一性が大幅に向上するという利点が得られる。但し、照明系瞳面上に輪帯状の２次光源を形成するために、例えばフライアイレンズの射出側面、又は入射側面近傍に、輪帯開口を持つ開口絞り（図５（Ａ））を配置することになる。また、光量損失を最小限に抑えるために、光源１とフライアイレンズとの間に、前述の凹型及び凸型円錐プリズム、又は輪帯状の射出端を持つ光ファイバーを配置する、あるいは光源１とフライアイレンズとの間に配置されるインプットレンズの収差を利用することにより、フライアイレンズの入射面上での照明光の強度分布を、光軸を中心とする輪帯領域で他の領域よりも高くすることが好ましい。
【００８５】
さらに、輪帯透過部Ｉの外半径と内半径の少なくとも一方が異なる、換言すれば輪帯透過部Ｉの半径方向の幅（輪帯比）と位置の少なくとも一方が異なる複数の開口絞りを交換機構７に設け、この複数の開口絞りをそれぞれ交換して照明光路中に配置するように構成しても良い。この場合、位置検出マーク１１の微細度（周期Ｐ）の変化に応じて、前述の条件式（１０）、（１１）を満足する、その周期に最適な開口絞りを選択して照明光路に配置することができる。従って、位置検出マーク１１の周期に依らず、常に高いコントラストのマーク像を得ることができる。また、直径が異なる複数の円形遮光板、及び円形開口の直径が異なる複数の絞り部材（σ絞り）を交換機構７に設け、円形遮光板によって輪帯透過部Ｉの内半径を、σ絞りによってその外半径を規定するように構成し、円形遮光板とσ絞りとの組み合わせによって照明系瞳面上での輪帯状の２次光源（照明光束分布、又は光強度分布）の半径方向の幅や位置を変更するようにしてもよい。ここで、複数のσ絞りを交換機構７に設ける代わりに、光源１と交換機構７との間にズームレンズ系を配置する、または円形遮光板に近接して可変開口絞り（虹彩絞り）を配置し、このズームレンズ系、または虹彩絞りによって照明光の光束径（大きさ）、即ち輪帯透過部Ｉの外半径を任意に変更するように構成してもよい。
【００８６】
また、複数の開口絞りを有する交換機構７の代わりに、例えば液晶素子、又はエレクトロクロミック素子で作られた開口絞りを照明系瞳面に配置するようにしても良い。この場合、照明系瞳面上の透過部Ｉの形状、大きさ、及び位置を任意に変更することが可能となる。さらに、凹状円錐プリズムと凸型円錐プリズムとを組み合わせて、照明系瞳面上に前述の条件式（１０）、（１１）を満足する輪帯状の照明光束分布（又は光強度分布）を形成するようにしても良い。このとき、この２つのプリズムを光軸方向に相対移動可能に構成して、その輪帯状の照明光束分布（光強度分布）の半径方向の位置を変更するようにしてもよい。また、光源１とこの２つのプリズムとの間にズームレンズ系を配置して、光源側の円錐プリズムに入射する照明光束の径（大きさ）を変化させるようにし、その輪帯状の照明光束分布（光強度分布）の半径方向の幅を変更するようにしても良い。
【００８７】
尚、輪帯透過部Ｉ（２次光源）の外半径や内半径は、位置検出マーク１１の周期の変化に連動して変更する必要はなく、その変化により像コントラストや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化したときのみ、その外半径や内半径を変更するようにしても良い。
また、像コントラストや忠実性を多少劣化させても所望の位置検出精度が得られるのであれば、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｉ以外の領域に分布する照明光束を完全に遮光しなくてもよい。即ち、照明系瞳面上での輪帯領域以外の領域を減光部としてもよく、要は照明系瞳面上の照明光（２次光源）の強度分布を、光軸を中心とする輪帯領域で他の領域よりも高くすればよい。一例としては、照明系瞳面上での光強度分布が輪帯領域で他の領域よりも高くなるように、光源１と照明系瞳面との間に配置される少なくとも１つのレンズ系、例えば図１のリレーレンズ５の収差を調整すればよい。このとき、収差の補正量が異なる複数のリレーレンズをそれぞれ交換して照明光路中に配置して、照明系瞳面上での光強度分布を変更するようにしてもよい。
【００８８】
さらに照明光源１として、半導体レーザ等のレーザを用いてもよい。この場合も照明光束としてはある程度の波長域を有することが望ましいので、多波長で発振するレーザ、例えば色素レーザを使用するか、異なる波長で発振する複数個のレーザを使用すると良い。
また、位相差フィルター１６はその位相差付加部Ｓに、結像光束（０次光）を減光する部材（金属薄膜Ｓｏ）が一体に形成されるものとしたが、例えば輪帯状の金属薄膜（減光部）を持つ透明基板を、位相差フィルター１６に近接して配置する、あるいは位相差フィルター１６とほぼ共役な面（瞳共役面）に配置するようにしてもよい。
【００８９】
さらに、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｉの外半径と内半径の少なくとも一方の変化に連動して、結像系瞳面上の位相差付加部Ｓの外半径と内半径の少なくとも一方を変化させるように構成してもよい。例えば、位相差付加部Ｓの外半径と内半径の少なくとも一方が異なる、換言すれば位相差付加部Ｓの半径方向の幅（輪帯比）と位置の少なくとも一方が異なる複数の位相差フィルターを交換機構１７に設け、この複数の位相差フィルターをそれぞれ交換して結像光路中に配置するように構成すればよい。この場合、前述の如く位置検出マーク１１の周期に応じて輪帯透過部Ｉの外半径と内半径の少なくとも一方が変化しても、この変化後の輪帯透過部Ｉに最適な位相差フィルターを選択して結像光路に配置することができる。従って、常に０次回折光のみに位相差を付加して撮像素子２８に入射させることができる。尚、結像系瞳面上の位相差付加部Ｓの幅や位置は、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｉの外半径や内半径の変化に連動して変更する必要はなく、その変化により像コントラストや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化したときのみ、その遮光幅や位置を変更するだけでも良い。
【００９０】
また、前述の如く外半径及び／又は内半径が異なる位相差付加部を持つ、複数の位相差フィルターの代わりに、例えば光学的な厚さはほぼ同一で、直径が異なる複数の円形透明板を交換機構１７に設け、この複数の円形透明板をそれぞれ交換して結像光路中に配置可能に構成するだけでもよい。但し、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｉの外半径を変更するときは、その変更された輪帯透過部と結像関係となる輪帯領域内の結像光束とその外側の結像光束との間に位相差を付加できないが、その変更により像コントラストや忠実性が、所望の位置検出精度を得られない程度に劣化しなければ何ら問題ない。尚、像コントラストや忠実性の劣化が問題になるときは、例えば開口絞り２６によってその輪帯領域の外側に分布する結像光束の少なくとも一部を遮光するようにしてもよい。このとき、前述の不等式（１２）をほぼ満足する（結像光学系の開口数ＮＡｏの変更に伴う像コントラストや忠実性の劣化が実用上問題とならない）範囲内で開口絞り２６の開口径を変更することが望ましい。
【００９１】
また、前述の輪帯透過部Ｉ及び位相差付加部Ｓは共にその形状が輪帯（円環）状であるとしたが、例えば矩形、正方形、又は多角形（特に正多角形）としても良い。さらに、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｓを部分的に遮光（又は減光）する、即ち輪帯透過部Ｉを複数の部分透光部（その形状は任意で良く、例えば円弧、円形、又は直線状等として構わない）から構成しても良い。これに対応して結像系瞳面上の位相差付加部Ｓを、その輪帯透過部Ｉと同一の形状としても良いし、あるいはその部分透光部と結像関係となる複数の部分領域をほぼ含む輪帯、矩形、又は多角形状等としても良い。尚、照明系瞳面上の輪帯透過部Ｉを正方形とする場合は、その正方形透過部の内側エッジと光軸との距離を前述の内半径ｒｉ、その外側エッジと光軸との距離を前述の外半径ｒｏと見做して、前述の条件式（１０）、（１１）を満足するように各値を決定すれば良い。但し、結像光学系の開口数ＮＡｏについては前述の条件式（１２）から決定される開口数よりも大きくしておくことが望ましい。
【００９２】
尚、以上の実施例では半導体基板上のマークの位置を検出する装置を前提に説明を行ったが、本発明はフォトリソグラフィ工程で使用される各種装置（露光装置等）以外に、他の用途の光学装置に対しても応用することが可能である。例えば、目視検査、観察に使用される一般の光学顕微鏡に対して本発明を適用すれば、上記と同様に低段差パターンに対して高コントラストな像を得ることができる。さらには、生物顕微鏡のように透過照明を使用する顕微鏡に対しても本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、平坦化工程等により凹凸変化（段差）が極めて小さくなる位置検出マークであっても、十分にコントラストの高いマーク像を得ることができる。従って、高いコントラストの像強度分布を用いてそのマーク位置の検出を高精度に行なうことができる。
【００９４】
また、表面段差、又は光束の位相変化が少ない各種パターンの像を従来よりも高いコントラストで検出可能な光学装置（光学顕微鏡等）を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による位置検出装置の概略的な全体構成を示す図。
【図２】本発明における光学的なフーリエ変換の関係の説明に供する図。
【図３】（Ａ）は照明視野絞りの構成を示す図、（Ｂ）は指標板用照明視野絞りの構成を示す図、（Ｃ）は指標板の構成を示す図。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は位置検出マークの具体的な構成を示す図、（Ｃ）は撮像素子上に形成される像強度分布を示す図。
【図５】（Ａ）は照明光束制限部材の具体的な構成を示す図、（Ｂ）は位相差フィルターの具体的な構成を示す図。
【図６】本発明の一実施例による位相差フィルターの断面図。
【図７】本発明の実施例による位置検出装置で得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図８】図７のシミュレーション条件のうち結像光学系の開口数のみを変更して得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図９】図７のシミュレーション条件のうち照明系瞳面上の輪帯透過部の外半径のみを変更して得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図１０】図７のシミュレーション条件のうち照明系瞳面上の輪帯透過部の内半径のみを変更して得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図１１】照明系瞳面上の透過部、及び結像系瞳面上の位相差付加部をそれぞれ円形としたときに得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図１２】図７のシミュレーション条件のうち結像系瞳面上の位相差付加部の透過率のみを変更して０％とした、所謂暗視野顕微鏡で得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図１３】明視野顕微鏡で得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図１４】結像系瞳面上の位相差付加部の透過率が１００％であるときに得られる低段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【図１５】明視野顕微鏡で得られる比較的高段差の位置検出マークの像のシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
４ 照明視野絞り
６ 照明光束制限部材
１６ 位相差フィルター
２２ 指標板照明視野絞り
２４ 指標板
２８ 撮像素子
２９ 画像処理系

Claims (29)

1. 所定の波長域の照明光で基板上の位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位置を検出する装置において、
   前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる前記照明光学系中の第１面での照明光束を、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に制限する光束制限部材と；
   前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる前記結像光学系中の第２面上の、前記第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
2. 前記第２領域内に分布する結像光束を減光する部材を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記位相差部材は、前記結像光学系中の第２面に配置され、前記第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の間にほぼ（２ｍ＋１）π／２±π／４ ［ｒａｄ］（ｍは整数）の位相差を与える光学フィルターであることを特徴とする請求項１、又は２に記載の装置。
4. 前記照明光のうち前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ２、前記位置検出マークの周期をＰとすると、前記輪帯状の第１領域の外半径ｒｏ 、及び内半径ｒｉ は、
   ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）
   ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 前記輪帯状の第１領域の外半径をｒｏ 、前記位置検出マークの周期をＰ、前記照明光のうち前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最長波長をλ２とすると、前記結像光学系の開口数ＮＡｏは、
   ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐ
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 前記結像光学系の光路に対して前記位相差部材を挿脱可能に保持する部材を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 前記照明光学系の光路に対して前記光束制限部材を挿脱可能に保持する部材を有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記撮像素子上に指標マークの像を形成する像形成手段を有し、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの像と前記指標マークの像との位置ずれを検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 前記像形成手段は、前記指標マークを有する指標板と、該指標板を前記照明光と異なる光ビームで照射する照明系と、前記指標マークから発生した光を入射してその像を前記撮像素子上に形成する結像系とを含むことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記指標板は、前記結像光学系中の前記基板と実質的に共役な面に配置され、前記結像光学系は、前記位置検出マークの像を前記指標板上に形成するとともに、該位置検出マークの像と前記指標マークの像とを前記撮像素子上に形成することを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記照明系は、前記撮像素子に入射する、前記位置検出マークからの結像光束の光量変化に応じて、前記指標マークを照明する光ビームの強度を調整する部材を有することを特徴とする請求項９、又は１０に記載の装置。
12. 所定の波長域の照明光で基板上の周期性を持つ位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位置を検出する装置において、
    前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる前記照明光学系中の第１面での照明光束を、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の領域内に制限する光束制限部材と；
    前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる前記結像光学系中の第２面上に分布する前記位置検出マークからの０次光とそれ以外の光の位相を異ならせる位相差部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
13. 前記位置検出マークからの０次光を減光する部材を有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記位相差部材は、前記結像光学系中の第２面に配置され、前記位置検出マークからの０次光とそれ以外の光との間にほぼ（２ｍ＋１）π／２±π／４ ［ｒａｄ］（ｍは整数）の位相差を与える光学フィルターであることを特徴とする請求項１２、又は１３に記載の装置。
15. 前記照明光のうち前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ２、前記位置検出マークの周期をＰとすると、前記輪帯状の領域の外半径ｒｏ 、及び内半径ｒｉ は、
    ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）
    ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ
    の関係を満たすことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記輪帯状の領域の外半径をｒｏ 、前記位置検出マークの周期をＰ、前記照明光のうち前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最長波長をλ２とすると、前記結像光学系の開口数ＮＡｏは、
    ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐ
    の関係を満たすことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の装置。
17. 所定の波長域の照明光で基板上の位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位置を検出する装置において、
    前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる前記照明光学系中の第１面上での前記照明光の強度分布を、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域で他の領域よりも高める光学部材と；
    前記位置検出マークに対して実質的に光学的フーリエ変換の関係となる前記結像光学系中の第２面上の、前記第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
18. 前記第２領域内に分布する結像光束を減光する部材を有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記位相差部材は、前記結像光学系中の第２面に配置され、前記第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の間にほぼ（２ｍ＋１）π／２±π／４ ［ｒａｄ］（ｍは整数）の位相差を与える光学フィルターであることを特徴とする請求項１７、又は１８に記載の装置。
20. 前記照明光のうち前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最短波長をλ１、最長波長をλ２、前記位置検出マークの周期をＰとすると、前記輪帯状の第１領域の外半径ｒｏ 、及び内半径ｒｉ は、
    ｒｉ≧λ２／（２×Ｐ）
    ｒｏ−ｒｉ≦λ１／Ｐ
    の関係を満たすことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれかに記載の装置。
21. 前記輪帯状の第１領域の外半径をｒｏ 、前記位置検出マークの周期をＰ、前記照明光のうち前記画像信号の形成に寄与する光束の波長域中の最長波長をλ２とすると、前記結像光学系の開口数ＮＡｏは、
    ＮＡｏ≧ｒｏ＋λ２／Ｐ
    の関係を満たすことを特徴とする請求項１７〜２０のいずれかに記載の装置。
22. 前記光学部材は、前記第１面上の前記他の領域での光強度をほぼ零にするように、前記他の領域をほぼ覆う遮光部を持つ絞り部材を有することを特徴とする請求項１７〜２１のいずれかに記載の装置。
23. 前記光学部材は、前記輪帯状の第１領域の外半径と内半径の少なくとも一方を変化させる強度分布変更部材を有することを特徴とする請求項１７〜２２のいずれかに記載の装置。
24. 前記強度分布変更部材は、輪帯状の開口の外半径と内半径の少なくとも一方が異なる複数の絞り部材と、該複数の絞り部材の１つを前記照明光学系の光路中に配置するように該複数の絞り部材を保持する部材とを有することを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記位相差部材は、前記第１領域の外半径と内半径との少なくとも一方の変化に応じて、前記輪帯状の第２領域の半径方向の幅と位置との少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項１７〜２４のいずれかに記載の装置。
26. 所定の波長域の照明光で基板上の位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位置を検出する装置において、
    前記照明光学系の実質的な瞳面上の、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の第１領域内に分布する照明光束を透過せしめる絞り部材と；
    前記結像光学系の実質的な瞳面上の、前記第１領域と結像関係となるほぼ輪帯状の第２領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
27. 所定の波長域の照明光で基板上の位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位置を検出する装置において、
    前記照明光学系の実質的な瞳面上に、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の２次光源を形成する２次光源形成部材と；
    前記結像光学系の実質的な瞳面上の、前記２次光源と結像関係となるほぼ輪帯状の領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
28. 所定の波長域の照明光で基板上の位置検出マークを照射する照明光学系と、該位置検出マークから発生する光を入射して撮像素子上に該位置検出マークの像を形成する結像光学系とを備え、前記撮像素子から出力される画像信号に基づいて前記位置検出マークの位置を検出する装置において、
    前記照明光学系の実質的な瞳面上での光強度分布を、前記照明光学系の光軸を中心とするほぼ輪帯状の領域でその内側の領域よりも高める光学部材と；
    前記結像光学系の実質的な瞳面上の、前記内側領域と結像関係となるほぼ円形の領域とそれ以外の領域とにそれぞれ分布する結像光束の位相を異ならせる位相差部材とを備えたことを特徴とする位置検出装置。
29. 前記照明光学系は、前記照明光として広帯域光、又は多波長光を射出する光源を含むことを特徴とする請求項１〜２８のいずれかに記載の装置。

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