JP2002203763A

JP2002203763A - 光学特性計測方法及び装置、信号感度設定方法、露光装置、並びにデバイス製造方法

Info

Publication number: JP2002203763A
Application number: JP2000398902A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyuki Hagiwara; 恒幸萩原; Shunichi Tohata; 俊一東畑; Naohito Kondo; 尚人近藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-19

Abstract

(57)【要約】【課題】計測マークの種類によらず、投影光学系のベ
ストフォーカス位置を高精度に計測する。【解決手段】照明光によって所定の計測マークを照明
し、該計測マークの空間像を投影光学系を介して像面上
に形成し、該空間像に対して計測用パターンを相対的に
走査するとともに、計測用パターンを介した照明光の強
度に応じた光電変換信号を計測用パターンの光軸方向の
複数の位置毎に得る。そして、計測用パターンの光軸方
向の位置毎に得られた光電変換信号、例えば信号Ｐ₁，
Ｐ₂の波形と計測用パターンの走査軸とが囲む領域を、
投影光学系のベストフォーカス位置に近いことを示す第
１の領域Ａ（面積Ａ）と、ベストフォーカス位置に遠い
ことを示す第２の領域Ｂ（面積Ｂ）とに分け、第１の領
域と第２の領域との面積比Ａ／Ｂを評価量としてベスト
フォーカス位置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学特性計測方法
及び装置、信号感度設定方法、露光装置、並びにデバイ
ス製造方法に係り、更に詳しくは、像面に所定パターン
の空間像を形成する投影光学系の光学特性計測方法及び
該光学特性計測方法を実行するための光学特性計測装
置、前記光学特性計測方法で空間像の計測に用いられる
信号処理系の信号感度設定方法、前記光学特性計測装置
を備える露光装置、並びに該露光装置を用いるデバイス
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子又は液晶表示素子
等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマ
スク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）の
パターンを、投影光学系を介して表面にフォトレジスト
等の感光剤が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の
基板上に転写する投影露光装置、例えばステップ・アン
ド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッ
パ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影
露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が用い
られている。

【０００３】ところで、半導体素子等を製造する場合に
は、異なる回路パターンを基板上に幾層にも積み重ねて
形成する必要があるため、回路パターンが描画されたレ
チクルと、基板上の各ショット領域に既に形成されたパ
ターンとを正確に重ね合わせることが重要である。かか
る重ね合せを精度良く行うためには、投影光学系の光学
特性（結像特性を含む）が所望の状態に調整されること
が必要不可欠である。

【０００４】この投影光学系の光学特性の調整の前提と
して、光学特性を正確に計測する必要がある。この光学
特性の計測方法の一つとして、実際に露光を行うことな
く、計測マークが形成された計測用マスクを照明光によ
り照明し投影光学系によって形成された計測マークの空
間像（投影像）に対して矩形状又はスリット状の開口パ
ターンを走査して、その開口パターンを透過した光を光
電変換して空間像を計測し、この計測結果に基づいて光
学特性を算出する方法（以下、「空間像計測法」と呼
ぶ）も行われている。

【０００５】空間像計測法では、投影光学系のディスト
ーション（倍率を含む）、コマ収差等の横の収差は勿
論、ベストフォーカス位置、像面湾曲、球面収差等の縦
の収差も計測することが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の空間像計測方法
では、投影光学系のベストフォーカス位置の計測に際
し、空間像に対応する光強度信号をフーリエ変換し、例
えばその１次周波数成分の振幅と０次周波数成分の振幅
との比であるコントラストなどの基本波成分の振幅に基
づく評価量を用いていた。このため、ベストフォーカス
位置計測用のマークとしては、基本波成分の検出に好適
な比較的ピッチの狭いくり返しマーク、例えばライン部
の幅とスペース部の幅の比であるデューティ比が１：１
のラインアンドスペースマークなどが用いられていた。
かかるラインアンドスペースマークを用いたベストフォ
ーカス位置の計測は、ＤＲＡＭ等のメモリを製造する場
合には好適に使用することができる。

【０００７】しかしながら、半導体露光装置はメモリの
他、ＣＰＵ、システムＬＳＩ等の製造に際しても用いら
れており、例えばＣＰＵメーカーからは、孤立線や比較
的くり返しピッチの広いくり返しマークに照準を合わせ
て投影光学系のベストフォーカス位置の計測が可能な新
技術の出現が期待されている。

【０００８】これは、投影光学系のベストフォーカス位
置は、計測マークとして、比較的ピッチの狭いくり返し
マークを用いた場合と、孤立線や比較的くり返しピッチ
の広いくり返しマーク（擬似孤立線）を用いた場合とで
は、ベストフォーカス位置が異なるが、前述した基本波
成分の振幅に基づく評価量を用いる手法では後者の場合
に計測が困難となるためである。

【０００９】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その第１の目的は、計測マークの種類によらず、投
影光学系のベストフォーカス位置を高精度に計測するこ
とができる光学特性計測方法及び装置を提供することに
ある。

【００１０】また、本発明の第２の目的は、信号処理系
の分解能を最大限有効に利用して精度良く光強度分布を
計測することを可能にする信号感度設定方法を提供する
ことにある。

【００１１】本発明の第３の目的は、デフォーカスに起
因する露光不良の発生を抑制して高精度な露光を実現す
る露光装置を提供することにある。

【００１２】本発明の第４の目的は、デバイスの生産性
を向上させることができるデバイス製造方法を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光学特
性計測方法は、投影光学系（ＰＬ）の光学特性を計測す
る光学特性計測方法であって、照明光（ＩＬ）によって
所定の計測マーク（ＰＭ）を照明し、該計測マークの空
間像（ＰＭ’）を前記投影光学系を介して像面上に形成
する工程と；前記投影光学系の像面側に配置された計測
用パターン（２２）を前記空間像に対して相対的に走査
するとともに、前記計測用パターンを介した前記照明光
の強度に応じた光電変換信号を前記計測用パターンの前
記光軸方向の複数の位置毎に得る工程と；前記計測用パ
ターンの光軸方向の位置毎に得られた前記光電変換信号
の波形と前記計測用パターンの前記走査軸とが囲む領域
を、前記投影光学系のベストフォーカス位置に近いこと
を示す第１の領域と、前記ベストフォーカス位置に遠い
ことを示す第２の領域とに分け、前記第１の領域と前記
第２の領域との面積比を評価量として前記ベストフォー
カス位置を検出する工程と；を含む光学特性計測方法で
ある。

【００１４】これによれば、照明光によって所定の計測
マークを照明し、該計測マークの空間像を投影光学系を
介して像面上に形成し、該空間像に対して計測用パター
ンを相対的に走査するとともに、計測用パターンを介し
た照明光の強度に応じた光電変換信号を計測用パターン
の光軸方向の複数の位置毎に得る。そして、計測用パタ
ーンの光軸方向の位置毎に得られた光電変換信号の波形
と計測用パターンの走査軸とが囲む領域を、投影光学系
のベストフォーカス位置に近いことを示す第１の領域
と、ベストフォーカス位置に遠いことを示す第２の領域
とに分け、第１の領域と第２の領域との面積比を評価量
としてベストフォーカス位置を検出する。このため、空
間像の強度信号（光電変換信号）をフーリエ変換等を行
うことなく、得られた各光電変換信号の波形と計測用パ
ターンの走査軸とが囲む領域を所定の基準で２つに分け
るだけで、それら２つの領域の面積比により、計測マー
クの種類によらず、投影光学系のベストフォーカス位置
を高精度に計測することが可能となる。

【００１５】この場合において、第１の領域、第２の領
域の設定方法は種々考えられる。例えば、請求項２に記
載の光学特性計測方法の如く、前記光電変換信号は前記
計測用パターンの各位置に対応する空間像の強度を表す
像強度信号である場合に、前記第１の領域は、前記像強
度信号に対応する領域を前記位置方向に沿って分割した
際の設計上のベストフォーカス位置を含む所定幅の領域
であり、前記第２の領域は、前記分割された残りの領域
であることとすることができる。あるいは、請求項３に
記載の光学特性計測方法の如く、前記光電変換信号は前
記計測用パターンの各位置に対応する空間像の強度を表
す像強度信号である場合に、前記第１の領域は、前記像
強度信号に対応する領域を所定の像強度の閾値を境に強
度方向に沿って分割した最大像強度に近い側の領域であ
り、前記第２の領域は、前記分割された残りの領域であ
ることとすることができる。

【００１６】上記１〜３に記載の各光学特性計測方法に
おいて、請求項４に記載の光学特性計測方法の如く、前
記ベストフォーカス位置の検出を、前記投影光学系の光
軸からの距離が異なる複数点に関して繰り返し行うこと
により、前記投影光学系の像面形状を検出する工程を更
に含むこととすることができる。

【００１７】上記請求項１〜４に記載の各光学特性計測
方法において、前記計測マークは、繰り返し周期の短い
ラインアンドスペースマーク等であることとすることも
勿論できるが、請求項５に記載の光学特性計測方法の如
く、前記計測マークは、前記走査方向に直交する方向に
伸びる少なくとも１本のラインパターンから成る孤立線
状のパターンであることとすることもできる。ここで、
「孤立線状のパターン」とは、孤立ラインパターンの
他、ライン部の幅とスペース部の幅との比であるデュー
ティ比が１：（９以上）となるラインアンドスペースマ
ークであるいわゆる擬似孤立線パターンなども含む。本
明細書では、他の部分においてもこのような意味で「孤
立線状のパターン」なる用語を用いている。

【００１８】上記請求項１〜５に記載の各光学特性計測
方法において、計測用パターンは矩形の開口パターンな
どとすることもできるが、例えば請求項６に記載の光学
特性計測方法の如く、前記計測用パターンは、前記光軸
に垂直な２次元平面内で前記走査方向に直交する方向に
伸びる所定幅のスリット状の開口パターンであることと
することができる。

【００１９】上記請求項１〜６に記載の各光学特性計測
方法において、請求項７に記載の光学特性計測方法の如
く、前記光電変換信号の取得に際して、受光した信号光
の強度に応じた光電変換信号を出力する光電変換素子と
該光電変換素子から前記光電変換信号が入力される処理
回路とを含む信号処理系を用いるとともに、前記光電変
換信号の１山分の積分値を、前記計測マークの線幅と前
記計測用パターンの幅のうちの大きい方の寸法で除した
値に基づいて、前記信号処理系のダイナミックレンジを
最大限有効に活用できるように前記信号処理系の信号感
度を設定していることとすることができる。

【００２０】請求項８に記載の信号感度設定方法は、受
光した信号光の強度に応じた光電変換信号を出力する光
電変換素子（２４）と、該光電変換素子からの前記光電
変換信号が入力される信号処理回路（４２）とを含む信
号処理系（５０）の信号感度を設定する信号感度設定方
法であって、第1面上で第１方向に伸びる所定線幅の線
状パターンを介して照明光を第２面上に照射する工程
と；前記第２面上で、前記第１方向に伸びる所定幅の計
測用パターンを、前記第１方向に直交する第２方向に沿
って前記照明光に対して走査するとともに、前記計測用
パターンを介した前記照明光を前記光電変換素子で受光
し該受光した光の強度に応じた光電変換信号に変換する
工程と；前記光電変換信号の積分値に基づいて、前記信
号処理系のダイナミックレンジを最大限有効に活用でき
るように前記信号処理系の信号感度を設定する工程と；
を含む信号感度設定方法である。

【００２１】これによれば、第1面上で第１方向に伸び
る所定線幅の線状パターンを介して照明光を第２面上に
照射し、第２面上で第１方向に伸びる所定幅の計測用パ
ターンを、第１方向に直交する第２方向に沿って照明光
に対して走査するとともに、前記計測用パターンを介し
た前記照明光を前記光電変換素子で受光し該受光した光
の強度に応じた光電変換信号に変換する。そして、光電
変換信号の積分値に基づいて、信号処理系のダイナミッ
クレンジを最大限有効に活用できるように信号処理系の
信号感度を設定する。このように、信号処理系のダイナ
ミックレンジが最大限有効に活用できるように信号感度
が設定される結果、高い分解能での照明光の強度分布の
計測が可能となる。ここで、線状パターンから射出され
た照明光を第２面上に投射する投影光学系を備える場合
には、計測用パターンを第２方向に沿って照明光に対し
て走査することにより、光電変換素子により線状パター
ンの空間像の強度に応じた光電変換信号が出力されるの
で、空間像を高い分解能で精度良く計測することが可能
になる。

【００２２】この場合において、請求項９に記載の信号
感度設定方法の如く、前記設定する工程では、前記光電
変換信号波形の１山分の積分値を、前記線状パターンの
線幅と前記計測用パターンの幅のうちの大きい方の寸法
で除した値に基づいて前記信号感度を設定することとす
ることができる。ここで、光電変換信号波形の１山分
は、例えば１本の線状パターンから得られる信号に対応
する。

【００２３】上記請求項８及び９に記載の各信号感度設
定方法において、請求項１０に記載の信号感度設定方法
の如く、前記光電変換素子は、光電子増倍管であり、前
記光電子増倍管に印加する印加電圧の設定により、前記
信号感度の設定を行うこととすることができる。

【００２４】請求項１１に記載の光学特性計測装置は、
投影光学系（ＰＬ）の光学特性を計測する光学特性計測
装置であって、所定の計測マーク（ＰＭ）の空間像（Ｐ
Ｍ’）を前記投影光学系を介して像面上に形成するた
め、前記計測マークを照明する照明装置（１０）と；前
記投影光学系の像面側に配置され、計測用パターン（２
２）が形成されたパターン形成部材（９０）と；前記計
測用パターンを介した前記照明光の強度に応じた光電変
換信号を出力する光電変換素子（２４）と；前記照明装
置により前記計測マークが照明され、前記像面上に前記
空間像が形成された状態で、前記空間像に対して前記計
測用パターンが相対的に走査されるよう前記パターン形
成部材を走査するとともに、前記光電変換素子からの光
電変換信号に基づいて前記空間像に対応する光強度分布
を前記パターン形成部材の前記光軸方向の複数の位置毎
に計測する計測処理装置（２０）と；前記計測処理装置
の計測結果として前記パターン形成部材の光軸方向の位
置毎に得られた前記光電変換信号の波形と前記パターン
形成部材の走査軸とで囲まれる領域を、前記投影光学系
のベストフォーカス位置に近いことを示す第１の領域
と、前記ベストフォーカス位置に遠いことを示す第２の
領域とに分け、前記第１の領域と前記第２の領域との面
積比を評価量として前記ベストフォーカス位置を算出す
る算出装置（２０）と；を備える光学特性計測装置であ
る。

【００２５】これによれば、照明装置により計測マーク
が照明され、投影光学系を介してその像面上に計測マー
クの空間像が形成される。この状態で、計測処理装置
は、前記空間像に対して計測用パターンが相対的に走査
されるようパターン形成部材を走査するとともに、光電
変換素子からの光電変換信号に基づいて前記空間像に対
応する光強度分布をパターン形成部材の光軸方向の複数
の位置毎に計測する。そして、算出装置では、計測処理
装置の計測結果としてパターン形成部材の光軸方向の位
置毎に得られた前記光電変換信号の波形とパターン形成
部材の走査軸とで囲まれる領域を、投影光学系のベスト
フォーカス位置に近いことを示す第１の領域と、前記ベ
ストフォーカス位置に遠いことを示す第２の領域とに分
け、第１の領域と第２の領域との面積比を評価量として
ベストフォーカス位置を算出する。このため、空間像の
強度信号（光電変換信号）をフーリエ変換等を行うこと
なく、得られた各光電変換信号の波形とパターン形成部
材（計測用パターン）の走査軸とが囲む領域を所定の基
準で２つに分けるだけで、それら２つの領域の面積比に
より、計測マークの種類によらず、投影光学系のベスト
フォーカス位置を高精度に計測することが可能となる。

【００２６】この場合おいて、請求項１２に記載の光学
特性計測装置の如く、前記計測マークは、前記走査方向
に直交する方向に伸びる少なくとも１本のラインパター
ンから成る孤立線状のパターンであることとすることが
できる。

【００２７】請求項１１及び１２に記載の各光学特性計
測装置において、請求項１３に記載の光学特性計測装置
の如く、前記計測用パターンは、前記光軸に垂直な２次
元平面内で前記走査方向に直交する方向に伸びる所定幅
のスリット状の開口パターンであることとすることがで
きる。

【００２８】上記請求項１１〜１３に記載の各光学特性
計測装置において、請求項１４に記載の光学特性計測装
置の如く、前記光電変換素子とともに所定のダイナミッ
クレンジを有する信号処理系（５０）を構成する前記光
電変換信号が入力される信号処理回路（４２）を更に備
え、前記計測処理装置は、前記信号処理系の信号感度を
設定する信号感度設定装置（２０）を含み、該信号感度
設定装置は、光電変換信号に基づいて前記空間像に対応
する光強度分布を計測する際に、前記光電変換信号の積
分値に基づいて、前記信号処理系のダイナミックレンジ
を最大限有効に活用できるように前記信号処理系の信号
感度を設定することとすることができる。

【００２９】この場合において、請求項１５に記載の光
学特性計測装置の如く、前記信号感度設定装置は、前記
光電変換信号の１山分の積分値を前記計測マークの線幅
と前記計測用パターンの幅のうちの大きい方の寸法で除
した値に基づいて前記信号感度を設定することとするこ
とができる。

【００３０】上記請求項１４及び１５に記載の光学特性
計測装置において、請求項１６に記載の発明の如く、前
記光電変換素子は、光電子増倍管である場合、前記信号
感度設定装置は、前記光電子増倍管に印加する印加電圧
の設定により、前記信号感度の設定を行うこととするこ
とができる。

【００３１】請求項１７に記載の露光装置は、マスク
（Ｒ）に形成された回路パターンを投影光学系（ＰＬ）
を介して基板（Ｗ）に転写する露光装置であって、前記
基板を保持して移動する基板ステージ（ＷＳＴ）と；前
記パターン形成部材（９０）が前記基板ステージに一体
的に設けられた請求項１１〜１６のいずれか一項に記載
の光学特性計測装置と；備える露光装置である。

【００３２】これによれば、パターン形成部材が基板ス
テージに一体的に設けられた請求項１１〜１６に記載の
各光学特性計測装置を備えているので、該光学特性計測
装置により投影光学系のベストフォーカス位置を高精度
に計測することができる。このベストフォーカス位置の
計測結果に基づいてマスクと基板との光学的な位置関係
を所望の位置関係に調整することができるので、デフォ
ーカスに起因する露光不良の発生を抑制して高精度な露
光を実現することが可能となる。

【００３３】請求項１８に記載のデバイス製造方法は、
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、前
記リソグラフィ工程で、請求項１７に記載の露光装置を
用いて露光を行うことを特徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
〜図１１に基づいて説明する。図１には、一実施形態に
係る露光装置１００の概略的な構成が示されている。こ
の露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式
の走査型投影露光装置、すなわちいわゆるスキャニング
・ステッパである。

【００３５】この露光装置１００は、光源及び照明光学
系を含む照明装置としての照明系１０、マスクとしての
レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、投影光
学系ＰＬ、基板としてのウエハＷを保持してＸＹ平面内
を自在に移動可能な基板ステージとしてのウエハステー
ジＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を備えてい
る。

【００３６】前記照明系１０は、光源、照度均一化光学
系（コリメータレンズ、フライアイレンズ等から成
る）、リレーレンズ系、照明視野絞りとしてのレチクル
ブラインド及びコンデンサレンズ系等（いずれも図１で
は図示省略）を含んで構成されている。

【００３７】前記光源としては、ここでは、一例とし
て、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）又はＡ
ｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を出力するエ
キシマレーザ光源が用いられるものとする。

【００３８】前記レチクルブラインドは、開口形状が固
定の不図示の固定レチクルブラインドと開口形状が可変
の可動レチクルブラインド１２（図１では図示省略、図
２参照）とから構成されている。固定レチクルブライン
ドは、レチクルＲのパターン面の近傍又はその共役面か
ら僅かにデフォーカスした面に配置され、レチクルＲ上
の長方形スリット状の照明領域（図１における紙面直交
方向であるＸ軸方向に細長く伸び図１における紙面内左
右方向であるＹ軸方向の幅が所定幅の長方形スリット状
の照明領域）ＩＡＲを規定する長方形開口が形成されて
いる。また、可動レチクルブラインド１２は、レチクル
Ｒのパターン面に対する共役面に配置され、走査露光時
の走査方向（ここでは、Ｙ軸方向とする）及び非走査方
向（Ｘ軸方向とする）にそれぞれ対応する方向の位置及
び幅が可変の開口部を有する。但し、図２では説明を簡
単にするために、可動レチクルブラインド１２がレチク
ルＲに対して照明系側近傍に配置されているように示さ
れている。

【００３９】照明系１０によると、光源で発生した露光
光としての照明光（以下、「照明光ＩＬ」と呼ぶ）は不
図示のシャッターを通過した後、照度均一化光学系によ
り照度分布がほぼ均一な光束に変換される。照度均一化
光学系から射出された照明光ＩＬは、リレーレンズ系を
介して前記レチクルブラインドに達する。このレチクル
ブラインドを通過した光束は、リレーレンズ系、コンデ
ンサレンズ系を通過して回路パターン等が描かれたレチ
クルＲの照明領域ＩＡＲを均一な照度で照明する。

【００４０】なお、可動レチクルブラインド１２は、走
査露光の開始時及び終了時に主制御装置２０によって制
御され、照明領域ＩＡＲを更に制限することによって、
不要な部分の露光が防止されるようになっている。ま
た、本実施形態では、可動レチクルブラインド１２が、
後述する空間像計測器による空間像の計測の際の照明領
域の設定にも用いられる。

【００４１】前記レチクルステージＲＳＴ上には、レチ
クルＲが、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定
されている。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リ
ニアモータ等を含む不図示のレチクルステージ駆動系に
より、後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ
平面内で２次元的に（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＸＹ平面
に直交するＺ軸回りの回転方向（θｚ方向）に）微少駆
動可能であるとともに、不図示のレチクルベース上をＹ
軸方向に指定された走査速度で移動可能となっている。
このレチクルステージＲＳＴは、レチクルＲの全面が少
なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを横切ることができ
るだけのＹ軸方向の移動ストロークを有している。

【００４２】レチクルステージＲＳＴ上には、レチクル
レーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）１３
からのレーザビームを反射する移動鏡１５が固定されて
おり、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置（Ｚ軸
回りの回転方向であるθｚ方向の回転を含む）はレチク
ル干渉計１３によって、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分
解能で常時検出される。ここで、実際には、レチクルス
テージＲＳＴ上には走査露光時の走査方向（Ｙ軸方向）
に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向（Ｘ軸方
向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、レ
チクル干渉計１３はＹ軸方向に少なくとも２軸、Ｘ軸方
向に少なくとも１軸設けられているが、図１ではこれら
が代表的に移動鏡１５、レチクル干渉計１３として示さ
れている。

【００４３】レチクル干渉計１３からのレチクルステー
ジＲＳＴの位置情報は、ワークステーション（又はマイ
クロコンピュータ）から成る主制御装置２０に送られ、
主制御装置２０ではレチクルステージＲＳＴの位置情報
に基づいてレチクルステージ駆動系を介してレチクルス
テージＲＳＴを駆動制御する。

【００４４】前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージ
ＲＳＴの図１における下方に配置され、その光軸ＡＸの
方向がＺ軸方向とされ、ここでは両側テレセントリック
な縮小系であり、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置
された複数枚のレンズエレメントから成る屈折光学系が
使用されている。この投影光学系ＰＬの投影倍率は、こ
こでは、一例として１／５となっている。このため、照
明系１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上のスリ
ット状照明領域ＩＡＲが照明されると、このレチクルＲ
を通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して
そのスリット状照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パ
ターンの縮小像（部分倒立像）が表面にフォトレジスト
が塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲに共役な
露光領域ＩＡに形成される。

【００４５】前記ウエハステージＷＳＴは、ステージベ
ース１６上面に沿って例えば磁気浮上型２次元リニアア
クチュエータから成る不図示のウエハステージ駆動系に
より、ＸＹ２次元面内（θｚ回転を含む）で自在に駆動
されるようになっている。ここで、２次元リニアアクチ
ュエータは、Ｘ駆動コイル、Ｙ駆動コイルの他、Ｚ駆動
コイルをも有しているため、ウエハステージＷＳＴは、
Ｚ、θｘ（Ｘ軸回りの回転方向）、θｙ（Ｙ軸回りの回
転方向）の３自由度方向にも微少駆動が可能な構成とな
っている。

【００４６】ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホル
ダ２５が載置され、このウエハホルダ２５によってウエ
ハＷが真空吸着（又は静電吸着）によって保持されてい
る。

【００４７】なお、ウエハステージＷＳＴに代えて、リ
ニアモータあるいは平面モータ等の駆動系によってＸＹ
２次元面内でのみ駆動される２次元移動ステージを用い
る場合には、ウエハホルダ２５を、Ｚ、θｘ、θｙの３
自由度方向に例えばボイスコイルモータ等によって微少
駆動されるＺ・レベリングテーブルを介してその２次元
移動ステージ上に搭載すれば良い。

【００４８】前記ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハ
レーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）３１か
らのレーザビームを反射する移動鏡２７が固定され、外
部に配置されたウエハ干渉計３１により、ウエハステー
ジＷＳＴのＺ方向の除く５自由度方向（Ｘ、Ｙ、θｚ、
θｘ、及びθｚ方向）の位置が例えば０．５〜１ｎｍ程
度の分解能で常時検出されている。

【００４９】ここで、実際には、ウエハステージＷＳＴ
上には、走査露光時の走査方向であるＹ軸方向に直交す
る反射面を有する移動鏡と非走査方向であるＸ軸方向に
直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、ウエハ干
渉計３１はＹ軸方向及びＸ軸方向にそれぞれ複数軸設け
られているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡２７、
ウエハ干渉計３１として示されている。ウエハステージ
ＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は主制御装置２０に
送られ、主制御装置２０では前記位置情報（又は速度情
報）に基づいて不図示のウエハステージ駆動系を介して
ウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御する。

【００５０】また、ウエハステージＷＳＴの内部には、
投影光学系ＰＬの光学特性の計測に用いられる空間像計
測器５９を構成する光学系の一部が配置されている。こ
こで、空間像計測器５９の構成について詳述する。この
空間像計測器５９は、図２に示されるように、ウエハス
テージＷＳＴに設けられたステージ側構成部分、すなわ
ちパターン形成部材としてのスリット板９０、レンズ８
４、８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラ
ー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳＴ外部
に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラーＭ、
受光レンズ８９、光電変換素子としての光センサ２４、
及び該光センサ２４からの光電変換信号の信号処理回路
４２等とを備えている。

【００５１】これを更に詳述すると、スリット板９０
は、図２に示されるように、ウエハステージＷＳＴの一
端部上面に設けられた上部が開口した突設部５８ａに対
し、その開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれている。
このスリット板９０は、平面視長方形の受光ガラス８２
の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３が形成され、その反
射膜８３の一部に計測用パターンとしての所定幅（２
Ｄ）のスリット状の開口パターン(以下、「スリット」
と呼ぶ）２２がパターンニングされて形成されている。

【００５２】前記受光ガラス８２の素材としては、ここ
では、ＫｒＦエキシマレーザ光、あるいはＡｒＦエキシ
マレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル
石などが用いられる。

【００５３】スリット２２下方のウエハステージＷＳＴ
内部には、スリット２２を介して鉛直下向きに入射した
照明光束（像光束）の光路を水平に折り曲げるミラー８
８を介在させてレンズ８４，８６から成るリレー光学系
（８４、８６）が配置され、このリレー光学系（８４、
８６）の光路後方のウエハステージＷＳＴの＋Ｙ側の側
壁に、リレー光学系（８４、８６）によって所定光路長
分だけリレーされた照明光束をウエハステージＷＳＴの
外部に送光する送光レンズ８７が固定されている。

【００５４】送光レンズ８７によってウエハステージＷ
ＳＴの外部に送り出される照明光束の光路上には、Ｘ軸
方向に所定長さを有するミラーＭが傾斜角４５°で斜設
されている。このミラーＭによって、ウエハステージＷ
ＳＴの外部に送り出された照明光束の光路が鉛直上方に
向けて９０°折り曲げられるようになっている。この折
り曲げられた光路上に送光レンズ８７に比べて大径の受
光レンズ８９が配置されている。この受光レンズ８９の
上方には、光センサ２４が配置されている。これら受光
レンズ８９及び光センサ２４は、所定の位置関係を保っ
てケース９２内に収納され、該ケース９２は取付け部材
９３を介してベース１６の上面に植設された支柱９４の
上端部近傍に固定されている。

【００５５】前記光センサ２４としては、微弱な光を精
度良く検出することが可能な光電変換素子（受光素
子）、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭ
Ｔ、光電子増倍管）などが用いられる。光センサ２４の
出力信号の信号処理回路４２は、増幅器、サンプルホル
ダ、Ａ／Ｄコンバータ（通常１６ビットの分解能のもの
が用いられる）などを含んで構成される（図８参照）。
本実施形態では、この光センサ２４の陰極−陽極間の印
加電圧の設定により、その信号感度（検出感度）の設定
が行われるようになっている。なお、これについては後
述する。

【００５６】なお、前述の如く、スリット２２は反射膜
８３に形成されているが、以下においては、便宜上スリ
ット板９０にスリット２２が形成されているものとして
説明を行う。

【００５７】上述のようにして構成された空間像計測器
５９によると、後述する、レチクルＲに形成された計測
マークの投影光学系ＰＬを介しての投影像（空間像）の
計測の際に、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬ
によって空間像計測器５９を構成するスリット板９０が
照明されると、そのスリット板９０上のスリット２２を
透過した照明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及びレン
ズ８６、送光レンズ８７を介してウエハステージＷＳＴ
の外部に導き出される。そして、そのウエハステージＷ
ＳＴの外部に導き出された光は、ミラーＭによって光路
が鉛直上方に折り曲げられ、受光レンズ８９を介して光
センサ２４によって受光され、該光センサ２４からその
受光量に応じた光電変換信号（光量信号）Ｐが信号処理
回路４２を介して主制御装置２０に出力される。

【００５８】本実施形態の場合、計測マークの投影像
（空間像）の計測はスリットスキャン方式により行われ
るので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８
９及び光センサ２４に対して移動することになる。そこ
で、空間像計測器５９では、所定の範囲内で移動する送
光レンズ８７を介した光がすべて受光レンズ８９に入射
するように、各レンズ、及びミラーＭの大きさが設定さ
れている。

【００５９】このように、空間像計測器５９では、スリ
ット板９０、レンズ８４、８６、ミラー８８、及び送光
レンズ８７により、スリット２２を介した光をウエハス
テージＷＳＴ外に導出する光導出部が構成され、受光レ
ンズ８９及び光センサ２４によって、ウエハステージＷ
ＳＴ外へ導出された光を受光する受光部が構成されてい
る。この場合、これら光導出部と受光部とは、機械的に
分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、光
導出部と受光部とは、ミラーＭを介して光学的に接続さ
れる。

【００６０】すなわち、空間像計測器５９では、光セン
サ２４がウエハステージＷＳＴの外部の所定位置に設け
られているため、光センサ２４の発熱に起因してレーザ
干渉計３１の計測精度等に悪影響を与えたりすることが
ない。また、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とをラ
イトガイド等により接続していないので、ウエハステー
ジＷＳＴの外部と内部とがライトガイドにより接続され
た場合のようにウエハステージＷＳＴの駆動精度が悪影
響を受けることもない。

【００６１】勿論、熱の影響を排除できるような場合に
は、光センサ２４をウエハステージＷＳＴの内部に設け
ても良い。なお、空間像計測器５９を構成するスリット
板９０上のスリット２２の形状、寸法等、及び空間像計
測器５９を用いて行われる空間像計測方法、光学特性計
測方法などについては、後に詳述する。

【００６２】図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、
ウエハＷ上のアライメントマーク（位置合わせマーク）
を検出するマーク検出系としてのオフアクシス・アライ
メント系ＡＬＧが設けられている。本実施形態では、こ
のアライメント系ＡＬＧとして、画像処理方式のアライ
メントセンサ、いわゆるＦＩＡ（ Field Image Alignme
nt）系が用いられている。このアライメント系ＡＬＧ
は、図２に示されるように、アライメント用光源３２、
ハーフミラー３４、第１対物レンズ３６、第２対物レン
ズ３８、撮像素子（ＣＣＤ）４０等を含んで構成されて
いる。ここで、光源３２としては、ブロードバンドの照
明光を出射するハロゲンランプ等が用いられる。このア
ライメント系ＡＬＧでは、図３に示されるように、光源
３２からの照明光により、ハーフミラー３４、第１対物
レンズ３６を介してウエハＷ上のアライメントマークＭ
ｗを照明し、そのアライメントマーク部分からの反射光
を第１対物レンズ３６、ハーフミラー３４、第２対物レ
ンズ３８を介して撮像素子４０で受光する。これによ
り、撮像素子の受光面にアライメントマークＭｗの明視
野像が結像される。そして、この明視野像に対応する光
電変換信号、すなわちアライメン卜マークＭｗの反射像
に対応する光強度信号が撮像素子４０から主制御装置２
０に供給される。主制御装置２０では、この光強度信号
に基づき、アライメント顕微鏡ＡＬＧの検出中心を基準
とするアライメントマークＭｗの位置を算出するととも
に、その算出結果とそのときのウエハ干渉計３１の出力
であるウエハステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、
ウエハ干渉計３１の光軸で規定されるステージ座標系に
おけるアライメン卜マークＭｗの座標位置を算出するよ
うになっている。

【００６３】更に、本実施形態の露光装置１００では、
図１に示されるように、主制御装置２０によってオンオ
フが制御される光源を有し、投影光学系ＰＬの結像面に
向けて多数のピンホール又はスリットの像を形成するた
めの結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向より照射す
る照射系６０ａと、それらの結像光束のウエハＷ表面で
の反射光束を受光する受光系６０ｂとから成る斜入射光
式の多点焦点位置検出系（フォーカスセンサ）が設けら
れている。主制御装置２０では、投影光学系ＰＬにフォ
ーカス変動が生じた場合には、受光系６０ｂ内の図示し
ない平行平板の反射光束の光軸に対する傾きを制御する
ことにより、投影光学系ＰＬのフォーカス変動に応じて
多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）にオフセットを
与えてそのキャリブレーションを行うようになってい
る。なお、本実施形態の焦点位置検出系（６０ａ、６０
ｂ）と同様の多点焦点位置検出系（フォーカスセンサ）
の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報
等に開示されている。

【００６４】主制御装置２０では、後述する走査露光時
等に、受光系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス
信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて焦点ずれが零と
なるように、不図示のウエハステージ駆動系を介してウ
エハステージＷＳＴのＺ軸方向への移動、及び２次元点
に傾斜（すなわち、θｘ，θｙ方向の回転）を制御す
る、すなわち多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を
用いてウエハステージＷＳＴの移動を制御することによ
り、照明光ＩＬの照射領域（照明領域ＩＡＲと結像関
係）内で投影光学系ＰＬの結像面とウエハＷの表面とを
実質的に合致させるオートフォーカス（自動焦点合わ
せ）及びオートレベリングを実行する。

【００６５】次に、本実施形態の露光装置１００におけ
る露光工程の動作について簡単に説明する。

【００６６】まず、不図示のレチクル搬送系によりレチ
クルＲが搬送され、ローディングポジションにあるレチ
クルステージＲＳＴに吸着保持される。次いで、主制御
装置２０により、ウエハステージＷＳＴ及びレチクルス
テージＲＳＴの位置が制御され、レチクルＲ上に形成さ
れた不図示のレチクルアライメントマークの投影像（空
間像）が空間像計測器５９を用いて後述するようにして
計測され（図２参照）、レチクルパターン像の投影位置
が求められる。すなわち、レチクルアライメントが行わ
れる。

【００６７】次に、主制御装置２０により、空間像計測
器５９がアライメント系ＡＬＧの直下へ位置するよう
に、ウエハステージＷＳＴが移動され、アライメント系
ＡＬＧによって空間像計測器５９の位置基準となるスリ
ット２２が検出される。主制御装置２０では、このアラ
イメント系ＡＬＧの検出信号及びそのときのウエハ干渉
計３１の計測値、並びに先に求めたレチクルパターン像
の投影位置に基づいて、レチクルＲのパターン像の投影
位置とアライメント系ＡＬＧとの相対位置、すなわちア
ライメント系ＡＬＧのベースライン量を求める。

【００６８】かかるベースライン計測が終了すると、主
制御装置２０により、例えば特開昭６１−４４４２９号
公報などに詳細に開示されるＥＧＡ（エンハンスト・グ
ローバル・アライメント）等のウエハアライメントが行
われ、ウエハＷ上の全てのショット領域の位置が求めら
れる。なお、このウエハアライメントに際して、ウエハ
Ｗ上の複数のショット領域のうちの予め定められた所定
のサンプルショットのウエハアライメントマークＭｗが
アライメント系ＡＬＧを用いて、前述した如くして計測
される（図２参照）。

【００６９】次いで、主制御装置２０では、上で求めた
ウエハＷ上の各ショット領域の位置情報及びベースライ
ン量に基づいて、干渉計３１、１３からの位置情報をモ
ニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを第１ショット領域
の走査開始位置に位置決めするとともに、レチクルステ
ージＲＳＴを走査開始位置に位置決めして、その第１シ
ョット領域の走査露光を行う。

【００７０】すなわち、主制御装置２０では、レチクル
ステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとのＹ軸方向逆
向きの相対走査を開始し、両ステージＲＳＴ、ＷＳＴが
それぞれの目標走査速度に達すると、露光光ＥＬによっ
てレチクルＲのパターン領域が照明され始め、走査露光
が開始される。この走査露光の開始に先立って、光源の
発光は開始されているが、主制御装置２０によってレチ
クルブラインドを構成する可動ブラインドの各ブレード
の移動がレチクルステージＲＳＴの移動と同期制御され
ているため、レチクルＲ上のパターン領域外への露光光
ＥＬの照射が遮光されることは、通常のスキャニング・
ステッパと同様である。

【００７１】主制御装置２０では、特に上記の走査露光
時にレチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度Ｖｒ
とウエハステージＷＳＴのＸ軸方向の移動速度Ｖｗとが
投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比に維持される
ようにレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳ
Ｔを同期制御する。

【００７２】そして、レチクルＲのパターン領域の異な
る領域が紫外パルス光で逐次照明され、パターン領域全
面に対する照明が完了することにより、ウエハＷ上の第
１ショット領域の走査露光が終了する。これにより、レ
チクルＲの回路パターンが投影光学系ＰＬを介して第１
ショット領域に縮小転写される。

【００７３】こうして第１ショット領域の走査露光が終
了すると、ウエハステージＷＳＴを第２ショット領域の
走査開始位置へ移動させるショット間のステッピング動
作を行う。そして、その第２ショット領域の走査露光を
上述と同様にして行う。以後、第３ショット領域以降も
同様の動作を行う。

【００７４】このようにして、ショット間のステッピン
グ動作とショットの走査露光動作とが繰り返され、ステ
ップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全てのショ
ット領域にレチクルＲのパターンが転写される。

【００７５】ここで、上記の走査露光中には、投影光学
系ＰＬに一体的に取付けられたフォーカスセンサ（６０
ａ、６０ｂ）を用いて、前述したオートフォーカス・オ
ートレベリングが行われる。

【００７６】ところで、上記の走査露光中に、レチクル
ＲのパターンとウエハＷ上のショット領域に既に形成さ
れたパターンとが正確に重ね合わせられるためには、投
影光学系ＰＬの光学特性やベースライン量が正確に計測
されていること、及び投影光学系ＰＬの光学特性が所望
の状態に調整されていることなどが重要である。

【００７７】本実施形態では、上記の結像特性の計測
に、空間像計測器５９が用いられる。以下、この空間像
計測器５９による空間像計測、及び投影光学系ＰＬの光
学特性の計測等について詳述する。

【００７８】図２には、空間像計測器５９を用いて、レ
チクルＲに形成された計測マークの空間像が計測されて
いる最中の状態が示されている。レチクルＲとしては、
空間像計測専用のもの、あるいはデバイスの製造に用い
られるデバイスレチクルに専用の計測マークを形成した
ものなどが用いられる。これらのレチクルの代わりに、
レチクルステージＲＳＴにレチクルと同材質のガラス素
材から成る固定のマーク板（レチクルフィデューシャル
マーク板とも呼ばれる）を設け、このマーク板に計測マ
ークを形成したものを用いても良い。

【００７９】ここで、レチクルＲには、図２に示される
ように、所定の箇所にＹ軸方向に周期性を有するライン
アンドスペースマークから成る計測マークＰＭが形成さ
れているものとする。また、空間像計測器５９のスリッ
ト板９０には、図４（Ａ）に示されるように、Ｘ軸方向
に伸びる所定幅２Ｄのスリット２２が形成されているも
のとする。所定幅２Ｄは、ここでは、解像限界のデュー
ティ比１：１のラインアンドスペースパターンのハーフ
ピッチ程度、例えば２Ｄ＝０．２μｍとされているもの
とする。なお、以下では、ラインアンドスペースを適宜
「Ｌ／Ｓ」と略述する。

【００８０】空間像の計測に当たり、主制御装置２０に
より、可動レチクルブラインド１２が不図示のブライン
ド駆動装置を介して駆動され、レチクルＲの照明光ＩＬ
の照明領域が計測マークＰＭ部分のみに規定される（図
２参照）。この状態で、照明光ＩＬがレチクルＲに照射
されると、図２に示されるように、計測マークＰＭによ
って回折、散乱した光（照明光ＩＬ）は投影光学系ＰＬ
により屈折され、該投影光学系ＰＬの像面に計測マーク
ＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。このと
き、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測器５９のスリ
ット板９０上のスリット２２の＋Ｙ側（又は−Ｙ側）に
前記空間像ＰＭ’が形成される位置に設定されているも
のとする。このときの空間像計測器５９の平面図が図４
（Ａ）に示されている。

【００８１】そして、主制御装置２０により、ウエハス
テージ駆動系を介してウエハステージＷＳＴが図４
（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｙ方向に駆動され
ると、スリット２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に
沿って走査される。この走査中に、スリット２２を通過
する光（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の光導
出部、及び受光レンズ８９を介して光センサ２４で受光
され、その光電変換信号が信号処理回路４２を介して主
制御装置２０に供給される。主制御装置２０では、その
光電変換信号に基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度
分布を計測する。

【００８２】図４（Ｂ）には、上記の空間像計測の際に
得られる光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例が示され
ている。

【００８３】この場合、空間像ＰＭ’はスリット２２の
走査方向（Ｙ軸方向）の幅（２Ｄ）の影響で像が平均化
する。

【００８４】従って、スリットをｐ（ｙ）、空間像の強
度分布をｉ（ｙ）、観測される光強度信号をｍ（ｙ）と
すると、空間像の強度分布ｉ（ｙ）と観測される強度信
号ｍ（ｙ）の関係は次の（１）式で表すことができる。
この（１）式において、強度分布ｉ（ｙ）、強度信号ｍ
（ｙ）の単位は単位長さ当たりの強度とする。

【００８５】

【数１】

【００８６】

【数２】

【００８７】すなわち、観測される強度信号ｍ（ｙ）は
スリッ卜ｐ（ｙ）と空間像の強度分布ｉ（ｙ）のコンボ
リューションになる。

【００８８】従って、計測精度の面からは、スリット幅
２Ｄは、小さいほど良く、本実施形態のようにＰＭＴを
光センサ２４として用いる場合には、スリット幅が非常
に小さくなっても走査速度を遅くして計測に時間を掛け
れば光量（光強度）の検出は可能である。しかしなが
ら、現実には、スループットの面から空間像計測時の走
査速度には、一定の制約があるため、スリット幅２Ｄが
あまりにも小さいと、スリット２２を透過する光量が小
さくなり過ぎて、計測が困難となってしまう。

【００８９】発明者がシミュレーション及び実験等によ
り得た知見によれば、スリット幅２Ｄの最適値は、露光
装置の解像限界ピッチ（デューティ比１：１のＬ／Ｓパ
ターンのピッチ）の半分程度となることが確認されたの
で、本実施形態では、そのように設定したものである。

【００９０】上述した空間像計測器５９及びそれを用い
た空間像計測方法は、ａ．ベストフォーカス位置の検
出、ｂ．ＸＹ面内でのパターン像の結像位置の検出、
ｃ．アライメント系ＡＬＧのベースライン計測等に用い
られる。

【００９１】本実施形態の露光装置１００におけるｃ．
ベースライン計測については既に説明した。また、ｂ．
ＸＹ面内でのパターン像の結像位置の検出では、比較的
ピッチの狭い繰り返しパターンと、孤立線や比較的ピッ
チの広い繰り返しパターンとで、特に計測方法を変更す
る必要がなく、また、本発明との関連が薄いため、以
下、上記ａ．ベストフォーカス位置の検出について、説
明する。

【００９２】このベストフォーカス位置の検出は、例え
ば投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出及び最
良結像面（像面）の検出などの目的に用いられる。

【００９３】本実施形態では、一例として次のようにし
て投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出を行
う。

【００９４】このベストフォーカス位置の検出には、例
えば、ウエハ上でライン幅０．１５μｍ（レチクル上で
０．７５μｍ）、ピッチ１．５μｍ（デューティ比１：
９）のＬ／Ｓマークが、計測マークＰＭとして形成され
たレチクルＲが用いられる。

【００９５】まず、不図示のレチクルローダにより、レ
チクルステージＲＳＴ上にレチクルＲがロードされる。
次に、主制御装置２０では、投影光学系ＰＬの視野内で
ベストフォーカス位置を計測すべき所定点（ここでは投
影光学系ＰＬの光軸上）にレチクルＲ上の計測マークＰ
Ｍが位置決めされるように、レチクルステージＲＳＴを
移動する。

【００９６】次に、主制御装置２０では、照明光ＩＬが
計測マークＰＭ部分のみに照射されるように可動レチク
ルブラインド１２を駆動制御して照明領域を規定する。
この状態で、主制御装置２０では、照明光ＩＬをレチク
ルＲに照射して、前述と同様にして、ウエハステージＷ
ＳＴをＹ軸方向に走査しながら空間像計測器５９を用い
て、計測マークＰＭの空間像計測を前述と同様にスリッ
トスキャン方式により行う。この際、主制御装置２０で
は、スリット板９０のＺ軸方向の位置（すなわち、ウエ
ハステージＷＳＴのＺ位置）を例えば０．１μｍピッチ
で１５ステップ程度）変化させつつ、複数回繰り返し、
各回の光強度信号（光電変換信号）を内部メモリに記憶
する。ステップ範囲は、例えば設計上のベストフォーカ
ス位置をほぼ中心とする範囲で行われる。

【００９７】ここで、上述した空間像計測に際して、最
初のＺ位置でスリット板９０が走査され、計測マークＰ
Ｍの空間像に対応する光強度信号を取り込んだ時点で、
光センサ２４の後段の信号処理回路４２のダイナミック
レンジを最大限有効に生かすような検出感度の設定（較
正）を行うが、この点については後述する。

【００９８】この場合において、例えば、計測マークが
デューティー比１：１のＬ／Ｓマーク（Ｌ／Ｓパター
ン）の場合、上記の光強度信号をそれぞれフーリエ変換
し、それぞれの１次周波数成分と０次周波数成分の振幅
比であるコントラストを求める。このコントラストはフ
ォーカス位置によって敏感に変化するので強度信号から
ベストフォーカス位置を決定するのに便利である。しか
し、デューティー比１：９のＬ／Ｓパターン（疑似孤立
線）から成る計測マークＰＭの場合はパターンの繰り返
しピッチが大きいため１次周波数成分を用いるフォーカ
ス検出は精度が悪い。これは鈍いパターンのＤＯＦが大
きいためである。しかしながら、高い次数の周波数成分
の振幅は十分に大きくはないので高い次数の単一周波数
成分の振幅のみでフォーカス検出を行ってもやはり精度
が悪い。

【００９９】そこで、本実施形態では、主制御装置２０
は、前記繰り返しにより得られた複数の光強度信号（光
電変換信号）に基づいて、以下の第１、第２の方法によ
りベストフォーカス位置を算出する。

【０１００】ａ．第１の方法この第１の方法は、孤立線（又は擬似孤立線の１本のラ
インパターン）の空間像に対応する光強度信号に対応す
る領域を、設計上のパターンのＸＹ面内での結像位置
（中心位置）を中心とする設計線幅の中心部領域（第１
の領域）と、その両側の周辺部領域（第２の領域）に分
割し、両者の面積比を評価量として、ベストフォーカス
位置を求める方法である。以下、この第１の方法の検出
原理について、図５及び図６に基づいて説明する。

【０１０１】図５（Ａ）には、上記の計測マークＰＭと
同一サイズの計測マーク及びスリット幅を設定したシミ
ュレーションの結果得られたベストフォーカス状態にお
けるスリット透過光強度が横軸をスリット２２のＹ位置
（又はウエハステージＷＳＴのＹ位置）として示され、
図５（Ｂ）には１μｍデフォーカスした状態におけるス
リット透過光強度が横軸をスリット２２のＹ位置（又は
ウエハステージＷＳＴのＹ位置）として示されている。

【０１０２】図５（Ａ）において、光強度信号Ｐ₁と横
軸とで囲まれる計測マークＰＭの１本のラインパターン
の設計上のＸＹ面内での結像位置（中心位置）を中心と
する設計線幅の領域の面積Ａ＝Ａ₁と、その両側の領域
の面積Ｂ＝Ｂ₁（＝ｂ₁＋ｂ₂）の面積比をα₁とすると、
α₁は、次式（３）で表わされる。 α₁＝Ａ₁／Ｂ₁ ………（３）

【０１０３】一方、図５（Ｂ）において、光強度信号Ｐ
₂と横軸とで囲まれる計測マークＰＭの１本のラインパ
ターンの設計上のＸＹ面内での結像位置（中心位置）を
中心とする設計線幅の領域の面積Ａ＝Ａ₂と、その両側
の領域の面積Ｂ＝Ｂ₂（＝ｂ₃＋ｂ₄）の面積比をα₂とす
ると、α₂は、次式（４）で表わされる。 α₂＝Ａ₂／Ｂ₂ ………（４）

【０１０４】図５（Ａ）と図５（Ｂ）とを比較すると明
らかなように、α₁＞α₂である。

【０１０５】従って、次式（５）で表わされる面積比α
を評価量として用いれば、ベストフォーカス位置を精度
良く検出することが可能となる。面積比α＝Ａ／Ｂ ………（５）

【０１０６】上述した面積比αを評価量として、ベスト
フォーカス位置を求める方法は、種々考えられるが、一
例として、図６に示されるように、スリット板９０の光
軸方向位置（Ｚ位置）毎に得られた光強度信号に基づい
て算出された面積比αを、横軸をＺ位置とする直交座標
系上にプロットする（図６における×印参照）。そし
て、この各プロット点を曲線近似（カーブフィット）す
る。例えば４次程度の近似曲線を最小二乗法よって求め
る。そして、その近似曲線を適当な閾値レベル（スライ
スレベル）ＳＬでスライスし、そのスライスレベルＳＬ
と近似曲線との交点Ｊ、Ｋを求め、それらの交点Ｊ，Ｋ
の中点（点Ｊ，Ｋのそれぞれから距離Ｌ／２の点）Ｏを
通る縦軸（評価量αの軸）と平行な軸との交点Ｇを近似
曲線のピーク点とし、該ピーク点Ｇに対応する横軸の座
標Ｚ₀をベストフォーカス位置とする。

【０１０７】前述の如く、ベストフォーカス位置の計測
に際しては、通常約０．１μｍのピッチで１５ステップ
程度、Ｚ位置を変化させてスリットスキャン方式で空間
像計測が行われる。この場合、計測再現性を良好にする
ためには、なるべく多くの計測点（Ｚ位置）における情
報からピーク位置を求めることが重要である。図６で
は、１３点における面積比αからベストフォーカス位置
を求める場合が一例として図示されている。

【０１０８】ｂ．第２の方法この第２の方法は、孤立線（又は擬似孤立線の１本のラ
インパターン）の空間像に対応する光強度信号に対応す
る領域を、所定の閾値レベルを境として２分割し、閾値
レベルの上側の領域（第１の領域）と下側の領域（第２
の領域）の面積比を評価量として、ベストフォーカス位
置を求める方法である。以下、この第２の方法の検出原
理について、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に基づいて説明す
る。

【０１０９】図７（Ａ）、図７（Ｂ）には、図５
（Ａ）、図５（Ｂ）とそれぞれ全く同一のシミュレーシ
ョンの結果得られたスリット透過光強度が横軸をスリッ
ト２２のＹ位置（又はウエハステージＷＳＴのＹ位置）
として示されている。

【０１１０】図７（Ａ）において、光強度信号Ｐ₁と横
軸とで囲まれる領域のうち、所定のスライスレベル（閾
値レベル）ＳＬ’を境として２分割した上側の領域の面
積Ｃ＝Ｃ₁と、下側の領域の面積Ｅ＝Ｅ₁との面積比をγ
₁とすると、γ₁は、次式（６）で表わされる。 γ₁＝Ｃ₁／Ｅ₁ ………（６）

【０１１１】ここで、スライスレベルＳＬ’は、例えば
ベストフォーカス状態におけるピーク点における光強度
を予め実験等で求め、例えばその５０％程度のレベルに
設定される。

【０１１２】一方、図７（Ｂ）において、光強度信号Ｐ
₄と横軸とで囲まれる領域のうち、所定のスライスレベ
ル（閾値レベル）ＳＬ’の上側の領域の面積Ｃ＝０であ
るから、それとスライスレベル（閾値レベル）ＳＬ’の
下側の面積Ｅ＝Ｅ₂との面積比をγ₂とすると、γ₂は、
次式（７）で表わされる。 γ₂＝０／Ｅ₂＝０ ………（７）この場合、明らかに、γ₁＞γ₂である。

【０１１３】従って、次式（８）で表わされる面積比γ
を評価量として用いれば、ベストフォーカス位置を精度
良く検出することが可能となる。面積比γ＝Ｃ／Ｅ ………（８）

【０１１４】この場合も、面積比γを評価量として、ベ
ストフォーカス位置を求める際には、前述したスリット
板９０の光軸方向位置（Ｚ位置）毎に得られた光強度信
号に基づいて算出された面積比γを、横軸をＺ位置とす
る直交座標系上にプロットし、各プロット点を曲線近似
し、その近似曲線のピーク点を前述したスライス中点法
に基づいて求め、そのピーク点に対応する横軸の座標を
ベストフォーカス位置とする方法を、そのまま採用する
ことができる。

【０１１５】また、投影光学系ＰＬの像面形状の検出
は、次のようにして行うことができる。

【０１１６】まず、不図示のレチクルローダにより、レ
チクルステージＲＳＴ上にレチクルＲがロードされる。
次に、主制御装置２０では、投影光学系ＰＬの視野内の
第１の検出点（ここでは、投影光学系ＰＬの光軸上）に
計測マークＰＭが位置決めされるように、レチクルステ
ージＲＳＴを移動する。次に、主制御装置２０では、照
明光ＩＬが計測マークＰＭ部分のみに照射されるように
可動レチクルブラインド１２を駆動制御して照明領域を
規定する。この状態で、主制御装置２０では、照明光Ｉ
ＬをレチクルＲに照射して、前述と同様にして、スリッ
トスキャン方式により空間像計測器５９を用いて計測マ
ークＰＭの空間像計測及び投影光学系ＰＬのベストフォ
ーカス位置Ｚ₁の検出を行い、その結果を内部メモリに
記憶する。

【０１１７】投影光学系ＰＬの視野内の第１の検出点で
のベストフォーカス位置の検出が終了すると、主制御装
置２０では、投影光学系ＰＬの視野内の第２の検出点に
計測マークＰＭが位置決めされるように、レチクルステ
ージＲＳＴを移動する。次に、主制御装置２０では、照
明光ＩＬが計測マークＰＭ部分のみに照射されるように
可動レチクルブラインド１２を駆動制御して照明領域を
規定する。この状態で、上記と同様に、スリットスキャ
ン方式で計測マークＰＭの空間像計測及び投影光学系Ｐ
Ｌのベストフォーカス位置Ｚ₂の検出を行い、その結果
を内部メモリに記憶する。

【０１１８】以後、主制御装置２０では、上記と同様
に、投影光学系ＰＬの視野内の検出点を変更しつつ、計
測マークＰＭについて空間像の計測及び投影光学系ＰＬ
のベストフォーカス位置の検出を繰り返し行う。

【０１１９】これにより得られた各ベストフォーカス位
置Ｚ₁、Ｚ₂、……、Ｚ_nに基づいて、所定の統計的処理
を行うことにより、投影光学系ＰＬの像面形状を算出す
る。このとき、像面形状とは別に像面湾曲をも算出して
も良い。なお、ここではレチクルＲを移動してベストフ
ォーカス位置を計測すべき複数点にそれぞれ計測マーク
ＰＭを配置するものとしたが、レチクルＲに複数の計測
マークＰＭを形成しておき、可動レチクルブラインド１
２によって各計測マークＰＭに照明光ＩＬを順次照射し
て上記各点でのベストフォーカス位置を検出するように
しても良い。

【０１２０】投影光学系ＰＬの像面、すなわち、最良結
像面は、光軸からの距離が異なる無数の点（すなわち、
いわゆる像の高さが異なる無数の点）におけるベストフ
ォーカス点の集合から成る面であるから、このような手
法により、像面形状を容易にかつ正確に求めることがで
きる。

【０１２１】ところで、本実施形態のように、フォト・
マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ、光電子増倍管）を
光センサ２４として用いる場合、空間像計測に際して
は、計測マークとして例えばデューティ比１：１のＬ／
Ｓパターンを用いるような場合であっても、光センサ２
４及びその信号処理回路を含む信号処理系の信号感度
（検出感度）をダイナミックレンジを有効に生かせるよ
うに設定することが望ましい。特に、本実施形態のよう
に、計測マークとしてデューティ比１：９の擬似孤立線
を用いる場合には、上記のデューティ比１：１のＬ／Ｓ
パターンの場合に比べて基本波の振幅が小さくなる傾向
があり、計測精度が劣るため、上記の信号感度の調整が
重要である。

【０１２２】次に、本実施形態の露光装置１００で行わ
れる、信号光（スリット透過光）を処理する信号処理系
の信号感度の設定方法（較正方法）について説明する。

【０１２３】一般に、ＰＭＴの感度は印加電圧によって
設定される。すなわち、電子増倍部（ダイノード部）の
ダイノードの段数をｎ、陽極−陰極間の印加電圧をＶと
すると、感度に対応する電流増倍率μは、印加電圧Ｖの
ｎ乗にほぼ比例する。そして、ＰＭＴの感度設定は後段
の信号処理回路のダイナミックレンジを無駄無く使える
ような陽極感度となるように設定される。

【０１２４】しかしながら、本実施形態の場合、空間像
計測がベストフォーカス位置の検出を目的とするため、
計測時には、ベストフォーカス位置が不明でる。このた
め、その感度設定には工夫が必要になる。すなわち、強
度信号のピークレベルは、ベストフォーカス時に最大と
なるが、ベストフォーカス位置が不明のため、そのピー
クレベルを高めに見込んで印加電圧を設定すると、ダイ
ナミックレンジを最大限有効に利用してＡ／Ｄコンバー
タの分解能（通常は１６ビット）最大限利用することが
困難である。一方、ピークレベルを低めに見込んで印加
電圧を設定すると、ダイナミックレンジを超えてしまう
可能性が高いからである。

【０１２５】そこで、本実施形態の露光装置１００で
は、主制御装置２０が、デフォーカス状態（あるいはベ
ストフォーカス位置が不明な状態）で得た光強度信号
（光電変換信号）に基づいてベストフォーカス時の最大
ピーク値が、信号処理回路４２のダイナミックレンジ内
にほぼ収まるように印加電圧Ｖを設定することとしてい
る。以下、これについて具体的に説明する。

【０１２６】図８には、信号光（スリット透過光）を処
理する信号処理系５０の構成がブロック図にて簡略化し
て示されている。

【０１２７】この信号処理系５０は、光センサ（ＰＭ
Ｔ）２４と、オペアンプ回路から成る増幅回路４４、サ
ンプルホルダ４６、Ａ／Ｄコンバータ４８等を含む信号
処理回路４２とを備えている。光センサ２４の陽極−陰
極間には、高電圧電源５２から高電圧が印加されてい
る。そして、主制御装置２０により、Ａ／Ｄコンバータ
４８の出力に基づいて以下の原理に従って高電圧電源５
２の印加電圧が設定され、これによってこの信号処理系
５０の信号感度が設定されるようになっている。

【０１２８】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）には、擬似孤立線
パターンの空間像の強度信号が、フォーカス位置に応じ
て変化する様子が模式的に示されている。これらの図
は、スリット幅（２Ｄ）が十分に小さい（ほぼ無限小）
である場合の例を示す。図９（Ａ）は、ベストフォーカ
ス状態であり、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）の順にデフォー
カス量が増加している。デフォーカス量によらず、信号
光（スリット透過光）の総量（積算光量）は一定である
筈であるから、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）において、各山
の面積ｓ並びに総面積Ｓは、いずれも同一値となる筈で
ある。ここでは、山が５つあるので、積算光量Ｓ＝５×
ｓである。また、信号取り込み幅は、５ピッチ分なの
で、ピッチをｐとして、５ｐである。図９（Ａ）〜図９
（Ｃ）において、信号強度の平均値ａｖｅはいずれも等
しく一定値（５ｓ／５ｐ＝ｓ／ｐ）となる（図９（Ｄ）
参照）。そこで、不明のフォーカス位置で得られる信号
の平均値が目標値になるまで印加電圧Ｖを調整する。

【０１２９】図９（Ａ）より、設計上の線幅をｗとし
て、ＰＥＡＫ＝ｓ／ｗ ……（９）一方、ｓ＝ａｖｅ×ｐ ……（１０）である。

【０１３０】従って、次式が成立する。ＰＥＡＫ＝ｓ／ｗ＝ａｖｅ×ｐ／ｗ ……（１１）

【０１３１】すなわち、目標とする平均値ａｖｅにより
擬似孤立線の場合のベストフォーカスにおけるピーク値
ＰＥＡＫは上式（１１）で換算される。従って、上式
（１１）によって算出されるピーク値ＰＥＡＫが、信号
処理回路４２のダイナミックレンジ内にほぼ収まるよう
に印加電圧Ｖを決定することにより、ダイナミックレン
ジを最大限有効に活用した信号感度の設定が可能とな
る。

【０１３２】しかるに、スリットは現実には有限の幅を
有するので、現実には、上記のような設定は、特別の場
合（例えばスリット幅（０．２μｍ）とライン幅とが一
致したような場合）以外は、適用はできないものと考え
られる。スリットが有限の幅を有する場合、スリットの
幅で信号は鈍る。ダイナミックレンジを有功活用するに
は、鈍る前のピークに鈍った信号のピーク値を合わせる
必要がある。そこで、以下では、スリット幅が十分小の
ときの信号ピーク値に信号が鈍った時の信号ピークを一
致させるための方法について説明する。

【０１３３】まず、図１０（Ａ）に示されるように、対
象マークの空間像ＰＭ’の走査方向の幅ＭＡＲＫがスリ
ット２２の幅２Ｄよりも大きい場合について説明する。

【０１３４】図１０（Ｂ）には、スリット幅が十分小さ
い（無限小）の空間像ＰＭ’の強度信号が示され、図１
０（Ｃ）には、スリット幅が２Ｄが有限の場合の空間像
ＰＭ’の強度信号が示されている。これらの図におい
て、ピーク値をともにＰＥＡＫとすると、面積ＳＡ＝面
積ＳＢと近似することができる。従って、次式（１２）
が成立する。ＰＥＡＫ＝ＳＡ／ＭＡＲＫ＝ＳＢ /ＭＡＲＫ ……（１２）

【０１３５】上式（１２）により、有限の幅を有するス
リット２２の走査により得られた光電変換信号の１山分
の積分値と計測マークの空間像ＰＭ’の走査方向の幅
（設計値）とに基づいて、スリット２２の幅が十分小の
時（ベストフォーカス状態にほぼ近いとき）の信号ピー
ク値を算出することができる。この式（１２）は、上記
式（１１）のｓ、ｗをそれぞれＳＢ，ＭＡＲＫに置き換
えたものとみることができ、実質的には等価である。す
なわち、光電変換信号の１山分の積分値（面積）をマー
ク幅で割ることにより、スリット幅が十分小の時のピー
ク値ＰＥＡＫを算出することができる。従って、式（１
２）に基づいて算出したピーク値ＰＥＡＫが信号処理回
路４２のダイナミックレンジ内にほぼ収まるように印加
電圧Ｖを決定することにより、ダイナミックレンジを最
大限有効に活用した信号感度の設定が可能となる。

【０１３６】次に、図１１（Ａ）に示されるように、対
象マークの空間像ＰＭ’の走査方向の幅がスリットの幅
２Ｄよりも小さい場合について説明する。

【０１３７】図１１（Ｂ）には、スリット幅が十分小さ
い（無限小）の空間像ＰＭ’の強度信号が示され、図１
１（Ｃ）には、スリット幅２Ｄが有限の場合の空間像Ｐ
Ｍ’の強度信号が示されている。これらの図において、
ピーク値をともにＰＥＡＫとすると、次式（１３）が成
立する。ＰＥＡＫ＝ＳＣ／ＭＡＲＫ＝ＳＤ／２Ｄ ……（１３）

【０１３８】上式（１３）により、有限の幅を有するス
リット２２の走査により得られた光電変換信号の１山分
の積分値とスリット幅２Ｄとに基づいて、スリット２２
の幅が十分小の時（ベストフォーカス状態にほぼ近いと
き）の信号ピーク値を算出することができる。すなわ
ち、光電変換信号の１山分の積分値（面積）をスリット
幅２Ｄで割ることにより、スリット幅が十分小の時のピ
ーク値ＰＥＡＫを算出することができる。従って、式
（１３）に基づいて算出したＰＥＡＫが信号処理回路４
２のダイナミックレンジ内にほぼ収まるように印加電圧
Ｖを決定することにより、ダイナミックレンジを最大限
有効に活用した信号感度の設定が可能となる。

【０１３９】以上の関係から明らかなように、有限の幅
を有するスリット２２の走査により得られた光電変換信
号の１山分の積分値を、計測マークの空間像ＰＭ’の線
幅（設計値：計測マークの線幅×投影倍率）とスリット
幅２Ｄのうちの大きい方の寸法で除した値に基づいて、
信号処理系５０のダイナミックレンジを最大限有効に活
用できるように信号処理系５０の信号感度を設定するこ
とが可能となる。

【０１４０】なお、上で説明した信号感度（検出感度）
の設定手法は、ＰＭＴを光センサとして用いる場合に限
らず、他の光電変換素子の検出感度の設定、例えばその
光電変換素子の出力増幅部を構成するアンプのゲインを
設定する場合にも適用することが可能である。

【０１４１】これまでの説明から明らかなように、本実
施形態では、主制御装置２０によって、計測処理装置、
信号感度設定装置、及び算出装置が構成され、この主制
御装置２０と空間像計測装置５９とによって光学特性計
測装置が構成されている。

【０１４２】以上詳細に説明したように、本実施形態の
露光装置１００によると、照明系１０により計測マーク
ＰＭが照明され、投影光学系ＰＬを介してその像面上に
計測マークＰＭの空間像ＰＭ’が形成される。この状態
で、主制御装置２０では、空間像計測器５９を用いて、
スリット板９０のＺ位置を所定ピッチで変化させて、各
Ｚ位置についてスリットスキャン方式の空間像計測を実
行する。すなわち、主制御装置２０では、空間像ＰＭ’
に対してスリット２２が相対的に走査されるようスリッ
ト板９０を走査するとともに、光センサ２４からの光電
変換信号に基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布
を計測する、そして、主制御装置２０では、上記の計測
によりスリット板９０のＺ位置毎に得られた光電変換信
号の波形とスリット板９０の走査軸とで囲まれる領域
を、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置に近いこと
を示す第１の領域（Ａ又はＣ）と、ベストフォーカス位
置に遠いことを示す第２の領域（Ｂ又はＥ）とに分け、
第１の領域と第２の領域との面積比（α又はγ）を評価
量としてベストフォーカス位置を算出する。

【０１４３】このため、空間像の強度信号（光電変換信
号）をフーリエ変換等を行うことなく、得られた各光電
変換信号の波形とスリット板９０（スリット２２）の走
査軸とが囲む領域を前述した基準で２つに分けるだけ
で、それら２つの領域の面積比により、計測マークの種
類によらず、すなわち比較的小さな繰り返し周期のＬ／
Ｓマークは勿論、孤立線や擬似孤立線から成る計測マー
クを用いても、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置
を高精度に計測することが可能となる。

【０１４４】また、本実施形態の露光装置１００で行わ
れる信号処理系５０の信号感度設定方法によると、投影
光学系ＰＬの物体面上で例えばＸ軸方向に伸びる所定線
幅の線状パターン（計測マーク）ＰＭを介して照明光Ｉ
Ｌを投影光学系ＰＬを介して像面上に照射し、像面上で
例えばＸ軸方向に伸びる所定幅のスリット２２を、例え
ばＹ軸方向に沿って照明光ＩＬに対して走査するととも
に、スリット２２を介した照明光ＩＬを光センサ２４で
受光し該受光した光の強度に応じた光電変換信号に変換
する。そして、光電変換信号の積分値に基づいて、前述
したようにな方向により、信号処理系５０のダイナミッ
クレンジを最大限有効に活用できるように信号処理系５
０の信号感度を設定する。このように、信号処理系のダ
イナミックレンジが最大限有効に活用できるように信号
感度が設定される結果、高い分解能での照明光ＩＬの強
度分布、上記実施形態の場合は、計測マークＰＭの空間
像ＰＭ’に対応する光強度分布の計測が可能となる。

【０１４５】また、本実施形態の露光装置１００による
と、スリット板９０がウエハステージＷＳＴに一体的に
設けられた空間像計測装置５９を備えているので、主制
御装置２０では、該空間像計測装置５９を用いて投影光
学系ＰＬのベストフォーカス位置を高精度に計測するこ
とができる。そして、このベストフォーカス位置の計測
結果に基づいて、例えば多点焦点位置検出系（６０ａ，
６０ｂ）の出力の較正情報の設定（フォーカスオフセッ
トの設定や、いわゆるフォーカスキャリブレーション）
を行い、結果的に走査露光時のレチクルＲとウエハＷと
の光学的な位置関係を所望の位置関係に調整することが
できるので、デフォーカスに起因する露光不良の発生を
抑制して高精度な露光を実現することが可能となる。

【０１４６】なお、上記各実施形態では、本発明がステ
ップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用され
た場合について説明したが、これに限らず、マスクと基
板とを静止した状態でマスクのパターンを基板に転写す
るとともに、基板を順次ステップ移動させるステップ・
アンド・リピート型の露光装置にも本発明は適用するこ
とができる。

【０１４７】また、上記各実施形態では、本発明が半導
体製造用の露光装置に適用された場合について説明した
が、これに限らず、例えば、角型のガラスプレートに液
晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光装置や、薄
膜磁気へッド、撮像素子、マイクロマシン、ＤＮＡチッ
プ、及びレチクルやマスクなどを製造するための露光装
置などにも本発明は広く適用できる。

【０１４８】また、上記各実施形態では、露光用照明光
としてＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ
エキシマレーザ光（１９３ｎｍ）などを用いる場合につ
いて説明したが、これに限らず、ｇ線（４３６ｎｍ）、
ｉ線（３６５ｎｍ）、Ｆ₂レーザ光（１５７ｎｍ）、銅
蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高調波等を露光用照明光と
して用いることができる。

【０１４９】また、上記各実施形態では、投影光学系と
して縮小系かつ屈折系を用いる場合について説明した
が、これに限らず、投影光学系として等倍あるいは拡大
系を用いても良いし、屈折系、反射屈折系、あるいは反
射系のいずれを用いても良い。

【０１５０】なお、複数のレンズから構成される照明光
学系、投影光学系ＰＬを露光装置本体に組み込み光学調
整をするとともに、多数の機械部品からなるレチクルス
テージＲＳＴやウエハステージＷＳＴを露光装置本体に
取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調
整、動作確認等）をすることにより本実施形態の露光装
置１００を製造することができる。なお、露光装置の製
造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルーム
で行うことが望ましい。

【０１５１】《デバイス製造方法》次に上述した露光装
置１００をリソグラフィ工程で使用したデバイスの製造
方法の実施形態について説明する。

【０１５２】図１２には、デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の
半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、
マイクロマシン等）の製造例のフローチャートが示され
ている。図１２に示されるように、まず、ステップ２０
１（設計ステップ）において、デバイスの機能・性能設
計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、そ
の機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続
き、ステップ２０２（マスク製作ステップ）において、
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一
方、ステップ２０３（ウエハ製造ステップ）において、
シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。

【０１５３】次に、ステップ２０４（ウエハ処理ステッ
プ）において、ステップ２０１〜ステップ２０３で用意
したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソ
グラフィ技術等によってウエハ上に実際の回路等を形成
する。次いで、ステップ２０５（デバイス組立てステッ
プ）において、ステップ２０４で処理されたウエハを用
いてデバイス組立てを行う。このステップ２０５には、
ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージン
グ工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれ
る。

【０１５４】最後に、ステップ２０６（検査ステップ）
において、ステップ２０５で作成されたデバイスの動作
確認テスト、耐久テスト等の検査を行う。こうした工程
を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。

【０１５５】図１３には、半導体デバイスにおける、上
記ステップ２０４の詳細なフロー例が示されている。図
１３において、ステップ２１１（酸化ステップ）におい
てはウエハの表面を酸化させる。ステップ２１２（ＣＶ
Ｄステップ）においてはウエハ表面に絶縁膜を形成す
る。ステップ２１３（電極形成ステップ）においてはウ
エハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ２１４
（イオン打ち込みステップ）においてはウエハにイオン
を打ち込む。以上のステップ２１１〜ステップ２１４そ
れぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成して
おり、各段階において必要な処理に応じて選択されて実
行される。

【０１５６】ウエハプロセスの各段階において、上述の
前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程
が実行される。この後処理工程では、まず、ステップ２
１５（レジスト形成ステップ）において、ウエハに感光
剤を塗布する。引き続き、ステップ２１６（露光ステッ
プ）において、上で説明したリソグラフィシステム（露
光装置）及び露光方法によってマスクの回路パターンを
ウエハに転写する。次に、ステップ２１８（エッチング
ステップ）において、レジストが残存している部分以外
の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そし
て、ステップ２１９（レジスト除去ステップ）におい
て、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除
く。

【０１５７】これらの前処理工程と後処理工程とを繰り
返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターン
が形成される。

【０１５８】以上説明した本実施形態のデバイス製造方
法を用いれば、露光工程（ステップ２１６）において上
記実施形態の露光装置が用いられるので、デフォーカス
に起因する露光不良の発生を防止して、精度良くレチク
ルのパターンをウエハ上に転写することができる。この
結果、高集積度のデバイスの生産性（歩留まりを含む）
を向上させることが可能になる。

【０１５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学特性
計測方法及び本発明の光学特性計測装置によれば、計測
マークの種類によらず、投影光学系のベストフォーカス
位置を高精度に計測することができるという効果があ
る。

【０１６０】また、本発明の信号感度設定方法によれ
ば、信号処理系の分解能を最大限有効に利用して精度良
く光強度分布を計測することを可能にするという効果が
ある。

【０１６１】また、本発明の露光装置によれば、デフォ
ーカスに起因する露光不良の発生を抑制して高精度な露
光を実現することができるという効果がある。

【０１６２】また、本発明のデバイス製造方法によれ
ば、デバイスの生産性を向上させることができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を概
略的に示す図である。

【図２】図１の空間像計測器及びアライメント顕微鏡の
内部構成を示す図である。

【図３】アライメント顕微鏡によりウエハ上のアライメ
ントマークを検出している様子を示す図である。

【図４】図４（Ａ）は、空間像の計測に際してスリット
板上に空間像ＰＭ’が形成された状態の空間像計測器を
示す平面図、図４（Ｂ）はその空間像計測の際に得られ
る光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例を示す線図であ
る。

【図５】ベストフォーカス位置の検出のための第１の方
法を説明するための図であって、図５（Ａ）は、シミュ
レーションの結果得られたベストフォーカス状態におけ
るスリット透過光強度を横軸をスリットのＹ位置として
示す図、図５（Ｂ）は１μｍデフォーカスした状態にお
けるスリット透過光強度を横軸をスリットのＹ位置とし
て示す図である。

【図６】面積比を評価量として、ベストフォーカス位置
を求める方法を説明するための図である。

【図７】ベストフォーカス位置の検出のための第２の方
法を説明するための図であって、図７（Ａ）は、シミュ
レーションの結果得られたベストフォーカス状態におけ
るスリット透過光強度を横軸をスリットのＹ位置として
示す図、図７（Ｂ）は１μｍデフォーカスした状態にお
けるスリット透過光強度を横軸をスリットのＹ位置とし
て示す図である。

【図８】信号光（スリット透過光）を処理する信号処理
系の構成を簡略化して示すブロック図である。

【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｄ）は、スリット幅（２
Ｄ）が十分に小さい（ほぼ無限小）場合に信号感度を設
定する方法を説明するための図である。

【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、スリット幅
（２Ｄ）が有限であり、マークの空間像の幅がスリット
幅より広い場合に、信号感度を設定する方法を説明する
ための図である。

【図１１】図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、スリット幅
（２Ｄ）が有限であり、マークの空間像の幅がスリット
幅より狭い場合に、信号感度を設定する方法を説明する
ための図である。

【図１２】本発明に係るデバイス製造方法の実施形態を
説明するためのフローチャートである。

【図１３】図１２のステップ２０４の詳細を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

１０…照明系（照明装置）、２０…主制御装置（計測処
理装置、算出装置、信号感度設定装置、光学特性計測装
置の一部）、２２…スリット（計測用パターン）、２４
…光センサ（光電変換素子）、４２…信号処理回路、５
０…信号処理系、５９…空間像計測器（光学特性計測装
置の一部）、９０…スリット板（パターン形成部材）、
１００…露光装置、ＰＬ…投影光学系、ＩＬ…照明光、
ＰＭ…計測マーク、ＰＭ’…空間像、Ｗ…ウエハ（基
板）、Ｒ…レチクル（マスク）、ＷＳＴ…ウエハステー
ジ（基板ステージ）。

フロントページの続き (72)発明者近藤尚人東京都千代田区丸の内３丁目２番３号株式会社ニコン内Ｆターム(参考） 5F046 BA04 BA05 DA14 DB05 EA03 EA12 EA13 EB03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投影光学系の光学特性を計測する光学特
性計測方法であって、照明光によって所定の計測マークを照明し、該計測マー
クの空間像を前記投影光学系を介して像面上に形成する
工程と；前記投影光学系の像面側に配置された計測用パ
ターンを前記空間像に対して相対的に走査するととも
に、前記計測用パターンを介した前記照明光の強度に応
じた光電変換信号を前記計測用パターンの前記光軸方向
の複数の位置毎に得る工程と；前記計測用パターンの光
軸方向の位置毎に得られた前記光電変換信号の波形と前
記計測用パターンの前記走査軸とが囲む領域を、前記投
影光学系のベストフォーカス位置に近いことを示す第１
の領域と、前記ベストフォーカス位置に遠いことを示す
第２の領域とに分け、前記第１の領域と前記第２の領域
との面積比を評価量として前記ベストフォーカス位置を
検出する工程と；を含む光学特性計測方法。
【請求項２】前記光電変換信号は前記計測用パターン
の各位置に対応する空間像の強度を表す像強度信号であ
り、前記第１の領域は、前記像強度信号に対応する領域を前
記位置方向に沿って分割した際の設計上のベストフォー
カス位置を含む所定幅の領域であり、前記第２の領域は、前記分割された残りの領域であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
【請求項３】前記光電変換信号は前記計測用パターン
の各位置に対応する空間像の強度を表す像強度信号であ
り、前記第１の領域は、前記像強度信号に対応する領域を所
定の像強度の閾値を境に強度方向に沿って分割した最大
像強度に近い側の領域であり、前記第２の領域は、前記分割された残りの領域であるこ
とを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
【請求項４】前記ベストフォーカス位置の検出を、前
記投影光学系の光軸からの距離が異なる複数点に関して
繰り返し行うことにより、前記投影光学系の像面形状を
検出する工程を更に含むことを特徴とする請求項１〜３
のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
【請求項５】前記計測マークは、前記走査方向に直交
する方向に伸びる少なくとも１本のラインパターンから
成る孤立線状のパターンであることを特徴とする請求項
１〜４のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
【請求項６】前記計測用パターンは、前記光軸に垂直
な２次元平面内で前記走査方向に直交する方向に伸びる
所定幅のスリット状の開口パターンであることを特徴と
する請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学特性計測
方法。
【請求項７】前記光電変換信号の取得に際して、受光
した信号光の強度に応じた光電変換信号を出力する光電
変換素子と該光電変換素子から前記光電変換信号が入力
される処理回路とを含む信号処理系を用いるとともに、
前記光電変換信号の１山分の積分値を、前記計測マーク
の線幅と前記計測用パターンの幅のうちの大きい方の寸
法で除した値に基づいて、前記信号処理系のダイナミッ
クレンジを最大限有効に活用できるように前記信号処理
系の信号感度を設定していることを特徴とする請求項１
〜６のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
【請求項８】受光した信号光の強度に応じた光電変換
信号を出力する光電変換素子と、該光電変換素子からの
前記光電変換信号が入力される信号処理回路とを含む信
号処理系の信号感度を設定する信号感度設定方法であっ
て、第1面上で第１方向に伸びる所定線幅の線状パターンを
介して照明光を第２面上に照射する工程と；前記第２面
上で、前記第１方向に伸びる所定幅の計測用パターン
を、前記第１方向に直交する第２方向に沿って前記照明
光に対して走査するとともに、前記計測用パターンを介
した前記照明光を前記光電変換素子で受光し該受光した
光の強度に応じた光電変換信号に変換する工程と；前記
光電変換信号の積分値に基づいて、前記信号処理系のダ
イナミックレンジを最大限有効に活用できるように前記
信号処理系の信号感度を設定する工程と；を含む信号感
度設定方法。
【請求項９】前記設定する工程では、前記光電変換信
号波形の１山分の積分値を、前記線状パターンの線幅と
前記計測用パターンの幅のうちの大きい方の寸法で除し
た値に基づいて前記信号感度を設定することを特徴とす
る請求項８に記載の信号感度設定方法。
【請求項１０】前記光電変換素子は、光電子増倍管で
あり、前記光電子増倍管に印加する印加電圧の設定により、前
記信号感度の設定を行うことを特徴とする請求項８又は
９に記載の信号感度設定方法。
【請求項１１】投影光学系の光学特性を計測する光学
特性計測装置であって、所定の計測マークの空間像を前記投影光学系を介して像
面上に形成するため、前記計測マークを照明する照明装
置と；前記投影光学系の像面側に配置され、計測用パタ
ーンが形成されたパターン形成部材と；前記計測用パタ
ーンを介した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を
出力する光電変換素子と；前記照明装置により前記計測
マークが照明され、前記像面上に前記空間像が形成され
た状態で、前記空間像に対して前記計測用パターンが相
対的に走査されるよう前記パターン形成部材を走査する
とともに、前記光電変換素子からの光電変換信号に基づ
いて前記空間像に対応する光強度分布を前記パターン形
成部材の前記光軸方向の複数の位置毎に計測する計測処
理装置と；前記計測処理装置の計測結果として前記パタ
ーン形成部材の光軸方向の位置毎に得られた前記光電変
換信号の波形と前記パターン形成部材の走査軸とで囲ま
れる領域を、前記投影光学系のベストフォーカス位置に
近いことを示す第１の領域と、前記ベストフォーカス位
置に遠いことを示す第２の領域とに分け、前記第１の領
域と前記第２の領域との面積比を評価量として前記ベス
トフォーカス位置を算出する算出装置と；を備える光学
特性計測装置。
【請求項１２】前記計測マークは、前記走査方向に直
交する方向に伸びる少なくとも１本のラインパターンか
ら成る孤立線状のパターンであることを特徴とする請求
項１１に記載の光学特性計測装置。
【請求項１３】前記計測用パターンは、前記光軸に垂
直な２次元平面内で前記走査方向に直交する方向に伸び
る所定幅のスリット状の開口パターンであることを特徴
とする請求項１１又は１２に記載の光学特性計測装置。
【請求項１４】前記光電変換素子とともに所定のダイ
ナミックレンジを有する信号処理系を構成する前記光電
変換信号が入力される信号処理回路を更に備え、前記計測処理装置は、前記信号処理系の信号感度を設定
する信号感度設定装置を含み、該信号感度設定装置は、光電変換信号に基づいて前記空
間像に対応する光強度分布を計測する際に、前記光電変
換信号の積分値に基づいて、前記信号処理系のダイナミ
ックレンジを最大限有効に活用できるように前記信号処
理系の信号感度を設定することを特徴とする請求項１１
〜１３のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
【請求項１５】前記信号感度設定装置は、前記光電変
換信号の１山分の積分値を前記計測マークの線幅と前記
計測用パターンの幅のうちの大きい方の寸法で除した値
に基づいて前記信号感度を設定することを特徴とする請
求項１４に記載の光学特性計測装置。
【請求項１６】前記光電変換素子は、光電子増倍管で
あり、前記信号感度設定装置は、前記光電子増倍管に印加する
印加電圧の設定により、前記信号感度の設定を行うこと
を特徴とする請求項１４又は１５に記載の光学特性計測
装置。
【請求項１７】マスクに形成された回路パターンを投
影光学系を介して基板に転写する露光装置であって、前記基板を保持して移動する基板ステージと；前記パタ
ーン形成部材が前記基板ステージに一体的に設けられた
請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の光学特性計測
装置と；備える露光装置。
【請求項１８】リソグラフィ工程を含むデバイス製造
方法であって、前記リソグラフィ工程で、請求項１７に記載の露光装置
を用いて露光を行うことを特徴とするデバイス製造方
法。