JP2012019141A - 像面位置計測方法、露光方法、及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系の像面位置を精度高く計測すること。
【解決手段】基板の露光量をラインパターンのレジスト像が解像する露光量以上になる大きさ、換言すれば、ラインパターンのレジスト像のコントラスト値が所定値以上になる大きさに制御する。また、フォーカス位置を変化させた際にパターン倒れが発生しない大きさ以上の線幅を有するラインパターンを使用してベストフォーカス位置を算出する。これにより、デフォーカスによってパターン倒れが発生することを抑制しつつ、算出されるベストフォーカス位置の露光量依存性を無視することができるので、投影光学系の像面位置を精度高く計測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検光学系の像面位置を計測する像面位置計測方法、この像面位置計測方法による計測結果に基づいて露光条件が調整された露光装置を利用して基板上にレチクルのパターンを転写露光する露光方法、及びこの露光方法を利用してデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。

半導体素子等のデバイスの製造工程の１つであるリソグラフィ工程では、投影光学系を介してフォトマスク又はレチクル（以下、レチクルと総称する）のパターンの像を、感光剤が塗布された基板（感光基板とも呼ぶ）上に転写露光する露光装置が使用される。この露光装置では、照明光の吸収，設置環境の大気圧の変化等の要因によって、投影光学系の光軸方向に関する像面の位置だけでなく形状や傾斜状態も経時的に変化することが知られている。像面の形状や傾斜状態が変化した場合、基板上にレチクルのパターンを忠実に転写することができなくなる。このため、露光装置では、定期的に若しくは不具合が発生した際、投影光学系の像面位置を計測し、計測結果に基づいて投影光学系の光学特性等の露光条件を調整することが行われる。

投影光学系の視野内でレチクルのパターン像が形成される投影領域（照明光の照射領域とも呼ばれ、以下ではまとめて露光領域と呼ぶ）内での像面位置、特に像面形状は、露光領域の複数点でそれぞれベストフォーカス位置を計測してその分布状態（相対位置）を求めることによって得られる。投影領域内の複数点におけるベストフォーカス位置を計測する方法としては、コントラスト・フォーカス法（以下、ＣＦ法と表記）が知られている（特許文献１参照）。

このＣＦ法では、照明光が照射されるレチクル上の照明領域内の複数位置にそれぞれ配置されるライン・アンド・スペースパターン（以下、Ｌ／Ｓパターンと表記）の投影像を、投影光学系に関して照明領域と共役な前述の露光領域内に形成するとともに、投影光学系の光軸方向における基板の位置（以下、フォーカス位置と表記）を変化させながら基板上の複数の区画領域に順次Ｌ／Ｓパターンを静止露光方式で露光する。そして、基板を現像した後、各区画領域に形成された複数のパターン像（すなわち、Ｌ／Ｓパターンのレジスト像）を撮像し、その撮像結果に基づいて、露光領域内の複数点（Ｌ／Ｓパターンの投影位置）でそれぞれ、パターン像のコントラスト値が最も高くなるフォーカス位置をベストフォーカス位置として算出する。

ところで、単一波長の照明光を用いて露光を行う場合、基板に入射する露光光と基板表面において反射された露光光とが干渉することによって、感光層の高さ方向に定在波が発生する。このような定在波は、パターン像の線幅の変動や形状の崩れ等を引き起こす。特に線幅が４０ｎｍ程度の微細なラインパターン像を形成する場合、定在波によってラインパターン像の高さ方向の線幅が変動することによって、隣り合うラインパターン像が互いにもたれ掛かるようにして倒れる、いわゆるパターン倒れが発生しやすい。このため、近年では、露光処理前に、コーターディベロッパー等によって露光光の反射を抑制する反射防止膜を基板表面上に形成している。

さらに、ＣＦ法を用いてベストフォーカス位置を計測する際には、露光時のＬ／Ｓパターンの照明光量、すなわち基板の露光量（露光ドーズ）を、ラインパターン像が解像する露光量よりも小さい露光量に設定している。この場合、基板の露光量をラインパターン像が解像する露光量未満にすることによって、ラインパターン像が解像していない状態になるので、定在波の影響によってパターン倒れが発生することを抑制できる。

国際公開第２００７／０４３５３５号

本願発明の発明者らは、鋭意研究を重ねてきた結果、基板の露光量をラインパターン像が解像する露光量未満にした場合には、投影光学系に球面収差が存在する際、ＣＦ法によって計測されるベストフォーカス位置が露光量に応じて変化することを知見した。一般に、露光領域の面内方向には照明光の照度むらが数％の範囲内で存在する。このため、基板の露光量をラインパターン像が解像する露光量未満にした場合には、実際には照明光の照度むらに起因して露光領域の面内方向でベストフォーカス位置が変化しているのにも係わらず、投影光学系の像面の形状や傾斜状態に起因してベストフォーカス位置が変化していると誤認する可能性がある。従って、ＣＦ法によって計測されるベストフォーカス位置の露光量依存性を考慮して、投影光学系の像面位置を精度高く計測可能な像面位置計測方法を提供することが急務である。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、投影光学系の像面位置を精度よく計測可能な像面位置計測方法、基板上にレチクルのパターンを忠実に転写可能な露光方法、及びデバイスを高精度に製造可能なデバイス製造方法を提供することにある。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る像面位置計測方法は、被検光学系の像面位置を計測する像面位置計測方法であって、照明光によって所定のパターンを照明し、表面上に感光剤が塗布された基板の被検光学系の光軸方向に関する位置を変化させながら、被検光学系を介して基板表面上の複数の区画領域に所定のパターンの像を露光することによって、異なるフォーカス位置で露光された複数の転写像を形成することと、複数の転写像の明暗情報を取得することと、取得された明暗情報を用いて区画領域内における被検光学系の像面位置を算出することと、を含み、所定のパターンは、線状のラインパターンを少なくとも１つ備え、ラインパターンの線幅は、ＮＡを被検光学系の物体面側の開口数、λを照明光の波長とした場合、λ／ＮＡ以上の大きさを有し、基板の露光量を適正露光量以上の大きさに制御する。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第２の態様に係る像面位置計測方法は、被検光学系の像面位置を計測する像面位置計測方法であって、照明光によって所定のパターンを照明し、表面上に感光剤が塗布された基板の被検光学系の光軸方向に関する位置を変化させながら、被検光学系を介して基板表面上の複数の区画領域に所定のパターンの像を露光することによって、異なるフォーカス位置で露光された複数の転写像を形成することと、基板を現像することによって複数の転写像のレジスト像を形成することと、複数のレジスト像の明暗情報を取得することと、取得された明暗情報を用いて区画領域内における被検光学系の像面位置を算出することと、を含み、所定のパターンは、線状のラインパターンを少なくとも１つ備え、ラインパターンの線幅は、被検光学系の光軸方向に関する基板の位置を変化させた際にラインパターンのレジスト像のパターン倒れが発生する線幅以上の大きさであり、基板の露光量を適正露光量以上の大きさに制御する。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る露光方法は、本発明の第１又は第２の態様に係る像面位置計測方法を用いて計測された区画領域内における被検光学系の像面位置に基づいて露光装置の露光条件を調整することと、露光条件が調整された露光装置を利用して基板上にレチクルのパターンを転写露光することと、を含むことを特徴とする露光方法。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るデバイス製造方法は、本発明に係る露光方法を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、パターンが形成された基板を処理することと、を含む。

図１は、投影光学系の球面収差量の変化に伴う、ＣＦ法によって計測されるベストフォーカス位置と相対露光量との関係の変化を示す図である。 図２は、本発明の一実施形態である露光装置の構成を示す模式図である。 図３は、投影光学系の光学特性を計測するために用いられるテストパターンの一例を示す模式図である。 図４は、投影光学系の光学特性を計測するために用いられるテストパターンの一例を示す模式図である。 図５は、本発明の一実施形態である光学特性計測処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、各区画領域に形成されたテストパターンのレジスト像を示す模式図である。 図７は、本発明の一実施形態である光学特性算出処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、コントラスト値に基づくベストフォーカス位置の算出方法を説明するための図である。 図９は、電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態である像面位置計測方法、露光方法、及びデバイス製造方法について説明する。
〔本発明の概念〕
始めに、図１を参照して、本発明の概念について説明する。図１は、投影光学系の球面収差量（２５，４０，５０［ｍλ］）の変化に伴う、ＣＦ法によって計測されるベストフォーカス位置と相対露光量との関係の変化を示す図である。なお、相対露光量とは、Ｌ／Ｓパターンを露光した際にラインパターンの線幅とスペースパターン像の線幅とが１対１に解像する露光量を１とした時の照明光の積算光量、すなわち表面に感光層が形成された基板（感光基板とも呼び、以下では単に基板とも呼ぶ）の露光量を示す。

図１に示すように、ＣＦ法によって計測されるベストフォーカス位置は、投影光学系の球面収差の大きさにほぼ比例して大きくなる。また、相対露光量が１未満である場合、すなわち、基板の露光量がラインパターンの線幅とスペースパターン像の線幅とが１対１に解像する露光量未満である場合、ベストフォーカス位置は相対露光量に応じて大きく変動する。また、ベストフォーカス位置が変動する範囲Ａは球面収差量に関係なくほぼ一定である。

このため、基板の露光量をラインパターン像が解像する露光量未満にする従来までのベストフォーカス位置計測方法によれば、投影光学系に球面収差が存在する際、計測されるベストフォーカス位置が露光量に応じて変化する。一般に、露光領域の面内方向には照明光の照度むらが数％の範囲内で存在する。従って、従来までのベストフォーカス位置計測方法によれば、実際には照明光の照度むらに起因して露光領域の面内方向でベストフォーカス位置が変化しているのにも係わらず、投影光学系の像面の形状や傾斜状態に起因してベストフォーカス位置が変化していると誤認する可能性がある。

そこで、本発明では、第１に、基板の露光量をラインパターン像が解像する露光量（適正露光量）以上になる大きさ、換言すれば、ラインパターンの転写像のコントラスト値が所定値以上になる大きさに制御する。図１に示すように、相対露光量が１以上である場合、すなわち、ラインパターンの線幅とスペースパターン像の線幅とが１対１に解像する露光量以上である場合には、ベストフォーカス位置は相対露光量に応じて大きく変化していない。従って、基板の露光量をラインパターン像が解像する露光量以上の大きさに制御することによって、ベストフォーカス位置の露光量依存性を無視することができる。

しかしながら、上述のように露光量を大きくした場合には、フォーカス位置を変化させた際にパターン倒れが発生する可能性がある。具体的には、フォーカス位置がベストフォーカス位置に対しマイナス側にずれた場合、ラインパターン像の上方側の線幅は所望の寸法通りに形成されるが、下側の線幅は所望の値より細くなる。このため、ラインパターン像の断面形状は逆テーパ状を呈するようになり、パターン倒れが生じやすくなる。

そこで、本発明では、第２に、Ｌ／Ｓパターンとして、フォーカス位置を変化させた際にパターン倒れが発生しない大きさ以上の線幅を有するＬ／Ｓパターンを使用する。具体的には、ＮＡを被検光学系の物体面側の開口数、λを照明光の波長とした時、被検光学系の解像限界はパラメータλ／ＮＡに比例する。従って、Ｌ／Ｓパターンの線幅を被検光学系の解像限界λ／ＮＡ以上の大きさにする。例えば、被検光学系の物体面側の開口数が１．３、照明光の波長λが０．１９３ｎｍである場合、Ｌ／Ｓの線幅は１．４８（≒０．１９３／１．３）ｎｍ以上の大きさにする。これにより、フォーカス位置を変化させた際にパターン倒れが発生することを抑制しつつ、投影光学系の像面位置を精度高く計測することができる。

以下、図面を参照して、上記の概念に基づいた本発明の一実施形態である露光装置の構成及びその投影光学系の光学特性計測方法について説明する。
〔露光装置の構成〕
始めに、図２を参照して、本発明の一実施形態である露光装置の構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態である露光装置の構成を示す模式図である。図２に示すように、本発明の一実施形態である露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置、いわゆるスキャニングステッパである。露光装置１００は、照明系ＩＯＰ、レチクルステージＲＳＴ、投影ユニットＰＵ、ウエハステージＷＳＴ、駆動系２２、及びこれらの制御系を備える。制御系は装置全体を統括制御するマイクロコンピュータ等からなる主制御装置２８を中心として構成されている。なお、以下では、露光装置１００の底面の法線方向をＺ方向と定義し、Ｚ方向に対し垂直な平面内であって図１の紙面に垂直及び平行な方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向と定義する。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸周りの回転方向をそれぞれθｘ方向、θｙ方向、及びθｚ方向と表現する。

照明系ＩＯＰは、ＡｒＦエキシマレーザやＫｒＦエキシマレーザ等の光源、光源に送光光学系を介して接続された照明系ハウジング、及び照明系ハウジング内部の照明光学系を含む。照明光学系は、オプティカルインテグレータ等を含む照度均一化光学系、ビームスプリッタ、リレーレンズ、レチクルブラインド（マスキングシステム）等を含む。照明光学系は、光源から出力されたレーザビームを整形し、整形されたレーザビーム（以下、照明光と表記）ＩＬによって、レチクルＲ上でＸ軸方向に細長く伸びるスリット状の照明領域をほぼ均一な照度で照明する。

レチクルステージＲＳＴは、照明系ＩＯＰの一部の下方に配置されている。レチクルステージＲＳＴは、バキュームチャック等によってレチクルＲを吸着保持する。レチクルステージＲＳＴは、レチクルステージ駆動系によって少なくともＸＹ平面内で微小駆動可能であると共に、Ｙ軸方向に所定ストローク範囲内で走査されるようになっている。レチクルステージＲＳＴの位置情報は、例えば移動鏡１２を介してレーザ干渉計１４によって計測される。レーザ干渉計１４の計測値は主制御装置２８に供給される。

投影ユニットＰＵは、レチクルステージＲＳＴの下方に配置され、鏡筒４０と、鏡筒４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子からなる投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬとしては、両側テレセントリックな縮小系であって、例えばＺ軸方向と平行な光軸ＡＸｐに沿って配置される複数枚のレンズエレメントからなる屈折光学系が用いられている。複数枚のレンズエレメントのうち少なくとも２枚（本例では６枚以上）は互いに独立して可動に設けられ、主制御装置２８からの指令に基づいて結像特性補正コントローラによってその移動が制御される。これにより、倍率、ディストーション、コマ収差、及び像面湾曲等の投影光学系ＰＬの光学特性が調整される。投影光学系ＰＬの投影倍率は、一例として１／４とされている。このため、照明光ＩＬによってレチクルＲが均一な照度で照明されると、その照明領域内のレチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬによって縮小されて照明領域と共役な露光領域内に投影され、この投影像（レチクルパターンの縮小像）が、表面に感光層が形成されたウエハ（以下、単にウエハと呼ぶ）Ｗ上の区画領域に露光される。なお、本実施形態では投影光学系ＰＬが屈折光学系であるので、照明領域、及び露光領域はそれぞれ投影光学系ＰＬの視野内で光軸を中心とし、Ｘ軸方向を長手方向とする矩形領域に設定される。

ウエハステージＷＳＴは、例えばリニアモータ等を含む駆動系２２によって駆動され、ＸＹ平面内を移動するＸＹステージ２０と、ＸＹステージ２０上に搭載されたウエハテーブル１８とを備える。ウエハテーブル１８上にはウエハホルダを介してウエハＷが真空吸着等によって保持される。ウエハテーブル１８は、ウエハＷを保持するウエハホルダを少なくともＺ軸方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動する。ウエハテーブル１８の少なくともＸ、Ｙ、及びθｚ方向の位置情報は、例えばウエハテーブル１８の端部に設けられる移動鏡２４を介してレーザ干渉計２６によって計測される。

レーザ干渉計２６の計測値は主制御装置２８に供給される。主制御装置２８は、レーザ干渉計２６の計測値に基づいて、駆動系２２を介してウエハステージＷＳＴのＸＹステージ２０を制御することによって、ウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置（θｚ回転を含む）を制御する。ウエハＷ表面のＺ軸方向の位置及び傾斜量（θｘ及びθｙ方向の位置情報）は、例えば送光系５０ａ及び受光系５０ｂを有する斜入射方式の多点焦点位置検出系から成るフォーカスセンサＡＦＳによって計測される。フォーカスセンサＡＦＳの計測値は主制御装置２８に供給される。

ウエハテーブル１８上には、その表面がウエハＷの表面と同じ高さになるような基準板ＦＰが固定されている。この基準板ＦＰの表面には、アライメント検出系ＡＳのいわゆるベースライン計測等に用いられる基準マーク等が形成されている。投影ユニットＰＵの鏡筒４０の側面には、ウエハＷに形成されたアライメントマークを検出するアライメント検出系ＡＳが設けられている。アライメント検出系ＡＳの検出信号ＤＳは、アライメント制御装置１６に供給される。アライメント制御装置１６は、検出信号ＤＳをＡ／Ｄ変換し、デジタル化された波形信号を演算処理してマーク位置を検出する。この結果は、アライメント制御装置１６から主制御装置２８に供給される。
〔テストパターンの構成〕
次に、図３及び図４を参照して、投影光学系ＰＬの光学特性を計測するために用いられるレチクルの一例について説明する。

図３及び図４は、投影光学系ＰＬの光学特性を計測するために用いられるテストパターンの一例を示す模式図である。図３及び図４は、レチクルＲをパターン面側（図１における下面側）から見た平面図である。図３及び図４に示すように、レチクルＲは、矩形形状のガラス基板６０からなる。図３に示すレチクルＲには、長さＬ及び線幅Ｄ１の線状のラインパターンＬＰがその短手方向に間隔Ｄ１周期で複数配列されたＬ／Ｓパターンがテストパターンとして形成されている。一方、図４に示すレチクルＲには、長さＬ及び線幅Ｄ２の線状のラインパターンＬＰからなる孤立線パターンがテストパターンとして形成されている。図３及び図４に示す例では、レチクルＲ内でテストパターンを誇張して大きく示しているが、実際にはレチクルＲの一面に設けられる遮光帯に囲まれたパターン領域内の少なくとも１箇所にテストパターンが形成される。本実施形態では、例えばパターン領域の中心のみにテストパターンが形成されている。また、レチクルＲのパターン領域のうちテストパターンの形成位置（中心）を含む局所領域を少なくとも遮光部とし、かつラインパターンＬＰを光透過部としてテストパターンを形成している。なお、光透過部内に、ラインパターンＬＰを遮光部として形成したテストパターンを用いても良い。

既に述べた通り、ラインパターンＬＰの線幅Ｄ１，Ｄ２は、フォーカス位置を変化させた際にパターン倒れが発生しない大きさ以上の線幅に設定されている。具体的には、ラインパターンＬＰの線幅Ｄ１，Ｄ２は、投影光学系ＰＬの解像限界λ／ＮＡ以上の大きさにする。例えば、投影光学系ＰＬの物体面側の開口数が１．３、照明光の波長λが０．１９３ｎｍである場合、ラインパターンＬＰの線幅Ｄ１，Ｄ２は１．４８（≒０．１９３／１．３）ｎｍ以上の大きさにする。これにより、フォーカス位置を変化させた際にパターン倒れが発生することを抑制することができる。
〔光学特性計測処理〕
次に、図５に示すフローチャートを参照して、投影光学系ＰＬの光学特性計測方法について説明する。

図５は、本発明の一実施形態である光学特性計測処理の流れを示すフローチャートである。図５に示すフローチャートは、オペレータが主制御装置２８に対し光学特性計測処理の開始を指示したタイミングで開始となり、光学特性計測処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この光学特性計測処理は、主制御装置２８内のＣＰＵが、ＲＯＭ内に記憶されたコンピュータプログラムをＲＡＭ内へとロードし、ロードされたコンピュータプログラムを実行することによって、実現される。

ステップＳ１の処理では、主制御装置２８が、図示しないレチクルローダを制御することによってレチクルステージＲＳＴ上に図３又は図４に示すテストパターンが形成されたレチクルＲをロードすると共に、図示しないウエハローダを制御することによってウエハＷをウエハテーブル１８上にロードする。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、主制御装置２８が、投影光学系ＰＬに対するレチクルＲの位置合わせ等の所定の準備作業を行う。具体的には、主制御装置２８は、図示しないレチクルアライメント検出系によってウエハテーブル１８に設けられた基準板ＦＰの基準マークとレチクルＲのレチクルアライメントマークとが検出されるように、レーザ干渉計１４、２６の計測値に基づいてレチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴを移動する。そして、主制御装置２８は、レチクルアライメント検出系の検出結果に基づいてレチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置（回転を含む）を調整する。この結果、レチクルＲのテストパターンは照明領域の中心に配置されるとともに、その投影像が露光領域の中心に形成され、以下では露光領域の中心（本実施形態では投影光学系ＰＬの光軸位置）における像面位置（ベストフォーカス位置）が計測されることになる。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、主制御装置２８が、ラインパターンＬＰの転写像（例えば、レジスト像）のコントラスト値が所定値以上になる適正露光量でウエハＷを露光するための照明光ＩＬの照射条件、すなわち露光条件を設定する。なお、露光条件としては、照明光ＩＬの１パルス当たりのエネルギー量（パルス強度）、及び露光時にウエハに照射するパルス数などを含む。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、主制御装置２８が、ウエハＷのＺ軸方向位置Ｚ_iをカウントするためのプログラムカウンタｉの値を１にリセットする。なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬに関する既知のベストフォーカス位置を中心として、ウエハＷのフォーカス位置をＺ₁からΔＺ刻みでＺ_nまで変化させる。従って、本実施形態では後述のステップＳ５〜Ｓ７によって、投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に関するウエハＷの位置を変更しながら、テストパターンをウエハＷ上に順次転写するためのｎ回の露光が行われる。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、主制御装置２８が、フォーカスセンサＡＦＳからの計測値をモニタしながら、ウエハテーブル１８をＺ軸方向に駆動してウエハＷをＺ軸方向の目標位置Ｚ_iに移動するとともに、ＸＹ面内で移動してウエハＷ上の区画領域ＤＡ_iにテストパターンの像を転写する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、主制御装置２８が、プログラムカウンタｉの値がｎ以上であるか否かを判別することによって、所定のＺ範囲での露光が終了したか否かを判定する。判定の結果、所定のＺ範囲での露光が終了していない場合、主制御装置２８は、ステップＳ７の処理としてプログラムカウンタｉの値を１増数した後、光学特性計測処理をステップＳ５の処理に戻す。一方、所定のＺ範囲での露光が終了した場合には、主制御装置２８は、光学特性計測処理をステップＳ８の処理に進める。所定のＺ範囲での露光が終了した段階では、ウエハＷはｎ個の区画領域にそれぞれ異なるフォーカス位置にてテストパターンが露光され、区画領域毎に１個のテストパターンの転写像（潜像）が形成される。

ステップＳ８の処理では、主制御装置２８が、図示しないウエハアンローダを制御することによってウエハＷをウエハテーブル１８上からアンロードすると共に、図示しないウエハ搬送系を用いてウエハＷを露光装置１００にインライン接続されている図示しないコーターディベロッパーに搬送する。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、主制御装置２８が、図示しないコーターディベロッパーによるウエハＷの現像が終了したか否かを判別する。そして、主制御装置２８は、ウエハＷの現像が終了したタイミングで光学特性計測処理をステップＳ１０の処理に進める。これにより、ステップＳ９の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ１０の処理では、主制御装置２８が、図示しないウエハローダを制御することによってウエハＷをウエハテーブル１８上にロードする。この段階では、図６に示すように、ｎ個（本例では１５個）の各区画領域ＤＡｉ（ｉ＝１〜１５）に異なるフォーカス位置で露光されたテストパターンのレジスト像が形成されている。なお、図６では区画領域をほぼ正方形状に図示しているが、実際にはＸ方向を長手方向とする矩形領域である。また、図６に示す例は、ステップＳ５の処理においてウエハＷをＸ方向に順次移動してテストパターンの像を転写したものであるが、同様にしてウエハＷをＹ方向に順次移動してテストパターンの像を転写してもよい。この場合、図６に比べて、１５個の区画領域はＹ軸方向の幅が大きくなるものの、Ｘ軸方向の幅は１つの区画領域の幅と同じになる。従って、アライメント検出系ＡＳの検出領域内に複数の区画領域を設定して１度に撮像できるので、アライメント検出系ＡＳによる１５個の区画領域の検出回数を減らす、すなわち計測時間を短縮することが可能となる。これにより、ステップＳ１０の処理は完了し、光学特性計測処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、主制御装置２８が、ウエハＷ上に形成されたｎ個のテストパターンのレジスト像を用いて投影光学系ＰＬの光学特性を算出する（光学特性算出処理）。この光学特性算出処理の詳細については図７に示すフローチャートを参照して後述する。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、一連の光学特性計測処理は終了する。
〔光学特性算出処理〕
次に、図７に示すフローチャートを参照して、光学特性算出処理の流れについて説明する。図７は、本発明の一実施形態である光学特性算出処理の流れを示すフローチャートである。図７に示すフローチャートは、図５に示すステップＳ１０の処理が完了したタイミングで開始となり、光学特性算出処理はステップＳ２１の処理に進む。

ステップＳ２１の処理では、主制御装置２８が、処理対象とする区画領域ＤＡｉをカウントするためのプログラムカウントｉの値を１にリセットする。これにより、ステップＳ２１の処理は完了し、光学特性算出処理はステップＳ２２の処理に進む。

ステップＳ２２の処理では、主制御装置２８が、プログラムカウンタｉの値を参照して、ウエハＷ上の区画領域ＤＡ_iに形成されているレジスト像がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置にウエハＷを移動する。これにより、ステップＳ２２の処理は完了し、光学特性算出処理はステップＳ２３の処理に進む。

ステップＳ２３の処理では、主制御装置２８が、アライメント検出系ＡＳを用いてウエハＷ上の区画領域ＤＡ_iのレジスト像を撮像し、撮像されたレジスト像の画像データを取り込む。アライメント検出系ＡＳは、レジスト像を自身が有する撮像素子のピクセル単位に分割し、ピクセル毎に対応するレジスト像の濃淡を、例えば８ビットのデジタルデータ（ピクセルデータ）として主制御装置２８に供給する。すなわち、撮像データは、複数のピクセルデータで構成されている。この場合、レジスト像の濃度の増加に応じてピクセルデータの値は大きくなるものとする。これにより、ステップＳ２３の処理は完了し、光学特性算出処理はステップＳ２４の処理に進む。

ステップＳ２４の処理では、主制御装置２８が、区画領域ＤＡ_iのコントラスト値を算出する。コントラスト値とは、以下の数式（１）で表される統計量Ｃ_A、すなわち各画素の輝度値の分散を指す。数式（１）中、パラメータｘ_kは区画領域内部のｋ番目の画素の輝度値を示し、パラメータｘ^*は所定の基準値を示す。所定の基準値ｘ^*としては、ラインパターンＬＰのレジスト像が存在しない領域における複数画素の輝度値の平均値が用いられる。パラメータＮは区画領域内の画素の総数を示す。なお、通常の分散と同様に、所定の基準値ｘ^*を区画領域内の全画素の輝度値の平均値としてもよい。また、コントラスト値として以下の数式（２）で表される各画素の輝度値の標準偏差Ｃ_Bを用いてもよい。区画領域ＤＡ_iのコントラスト値を算出することによって、区画領域ＤＡ_i内の各点における像面位置を計測することができる。コントラスト値は、本発明に係る明暗情報に対応する。これにより、ステップＳ２４の処理は完了し、光学特性算出処理はステップＳ２５の処理に進む。

ステップＳ２５の処理では、主制御装置２８が、プログラムカウンタｉの値がｎ以上であるか否かを判別することによって、全ての区画領域ＤＡ_iについて処理が終了したか否かを判定する。判定の結果、全ての区画領域ＤＡ_iについて処理が終了していない場合、主制御装置２８は、ステップＳ２６の処理としてプログラムカウンタｉの値を１増数した後、光学特性算出処理をステップＳ２２の処理に戻す。一方、全ての区画領域ＤＡ_iについて処理が終了した場合には、主制御装置２８は、光学特性算出処理をステップＳ２７の処理に進める。

ステップＳ２７の処理では、主制御装置２８が、各区画領域ＤＡ_iについて算出されたコントラスト値に基づいて、投影光学系ＰＬの露光領域内の所定点（本例では中心）におけるベストフォーカス位置を算出する。すなわち、主制御装置２８は、例えば区画領域毎のコントラスト値について、図８に示すように、横軸をフォーカス値Ｚとするグラフ上にプロットし、そのｎ点（ここでは１５点）のプロット点のうち、コントラスト値が最大となる点Ｃ_i（ここではＣ₈）に対応するＺ方向位置Ｚ_i（ここではＺ₈）をベストフォーカス位置とする。この結果、前述の露光領域の中心における投影光学系ＰＬの像面位置（ベストフォーカス位置）が算出される。なお、各プロット点を例えば最小二乗近似した近似曲線を描き、その近似曲線と所定のスライスレベルとの２交点の平均値をベストフォーカス位置としてもよい。これにより、ステップＳ２７の処理は完了し、一連の光学特性算出処理は終了する。

なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬの視野、特に露光領域内の１つの計測点のみにテストパターンの投影像を形成し、異なるフォーカス位置でウエハＷの複数の区画領域をそれぞれ露光するものとしたが、例えば露光領域内の複数の計測点（一例としては、中心と４隅の計５点）に対応する照明領域内の複数点にそれぞれテストパターンを配置し、フォーカス位置Ｚ_i毎に複数の計測点にそれぞれテストパターンの投影像を形成して区画領域に露光しても良い。これにより、露光領域内の複数の計測点における像面位置（ベストフォーカス位置）を計測でき、投影光学系ＰＬの像面形状（像面湾曲及び／又は像面傾斜を含む）を算出することができる。

この場合、露光領域内での複数の計測点の配置に対応して複数のテストパターンをレチクルＲのパターン領域の一部、例えば照明領域と同一形状、大きさの所定領域内の異なる位置に形成し、その複数のテストパターンを照明領域内の複数点にそれぞれ配置してウエハＷを露光すれば良い。あるいは、露光領域内の複数の計測点よりも少ない数、例えば１つのテストパターンが形成されたレチクルを用い、露光動作時に照明領域内でテストパターンを移動して、複数の計測点に対応する照明領域内の複数点にテストパターンを順次位置決めしてウエハＷを露光しても良い。この場合、レチクルに形成するテストパターンの数と露光領域内の計測点の数とを異ならせることができる。

また、本実施形態では、Ｘ方向に周期的に配列される一次元のＬ＆Ｓパターンをテストパターンとして用いて投影光学系ＰＬの光学特性を計測するものとしたが、テストパターンはその周期方向がＸ方向と異なっていても良いし、あるいは周期方向が異なる複数のＬ／Ｓパターンを含んでも良い。例えば、周期方向がＸ、Ｙ方向となる２つのＬ／Ｓパターン、及び周期方向がＸ軸（又はＹ軸）方向に対してそれぞれ±４５°傾いた２つのＬ／Ｓパターンの計４つでテストパターンを構成しても良い。周期方向が異なる複数のＬ／Ｓパターンを含むテストパターンを用いることによって、ベストフォーカス位置や像面湾曲と異なる投影光学系ＰＬの他の光学特性として非点収差等も計測可能となる。

さらに、本実施形態では、テストパターンのみが形成された計測専用のレチクルを用いるものとしたが、これに限らず、例えば電子デバイス製造のための回路パターンと一緒にテストパターンが形成されたデバイス用レチクルを用いても良い。あるいは、テストパターンを設けることなく、デバイス用レチクルに形成される他のパターン（例えば、アライメントマークあるいは回路パターンの一部等）を用いて光学特性計測を行っても良い。さらに、レチクルを用いることなく、レチクルステージに設けられる基準マークをテストパターンとして用いて光学特性計測を行っても良い。
〔露光方法〕
次に、デバイス製造の場合における露光装置１００による露光方法について説明する。

光学特性算出処理によって投影光学系ＰＬの光学特性、例えば像面湾曲が算出されている場合、始めに、主制御装置２８は、像面湾曲のデータに基づいて図示しない結像特性補正コントローラに指示し、例えば投影光学系ＰＬの少なくとも１つの光学素子の位置や傾斜等を変更することによって、像面湾曲が補正されるように投影光学系ＰＬの結像特性を可能な範囲で補正する。次に、主制御装置２８は、図示しないレチクルローダを用いて転写対象となる所定の回路パターンが形成されたレチクルＲをレチクルステージＲＳＴ上にロードし、図示しないウエハローダを用いてウエハＷをウエハテーブル１８上にロードする。

次に、主制御装置２８は、図示しないレチクルアライメント検出系、ウエハテーブル１８上の基準板ＦＰ、アライメント検出系ＡＳ等を用いてレチクルアライメント、ベースライン計測等の準備作業を所定の手順で行った後、ＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）方式等のウエハアライメントを実行する。ウエハアライメントが終了すると、主制御装置２８は、露光装置１００の各部を制御し、ウエハＷ上の区画領域の走査露光と区画領域間のステッピング動作とを繰り返し実行し、ウエハＷ上の露光対象区画領域の全てにレチクルＲのパターンを順次転写する。

上記の走査露光中に、主制御装置２８は、フォーカスセンサＡＦＳによって検出されたウエハＷのＺ軸方向の位置情報に基づいて光学特性補正後の投影光学系ＰＬの露光領域内でその焦点深度の範囲内にウエハＷの表面が設定されるように、駆動系２２を介してウエハテーブル１８をＺ軸方向及び傾斜方向（θｘ，θｙ方向）に駆動し、ウエハＷのフォーカス・レベリング制御を行う。本実施形態では、ウエハＷの露光動作に先立って、投影光学系ＰＬの像面位置の算出結果に基づいてフォーカスセンサＡＦＳの光学的なキャリブレーションが行われている。これに限らず、投影光学系ＰＬの像面位置とフォーカスセンサＡＦＳの検出基準との偏差に応じたオフセットを考慮して、フォーカス動作を行うようにしてもよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である光学特性計測処理では、露光時の照明光ＩＬの積算光量（ウエハの露光量）を、ラインパターンＬＰのレジスト像が解像する露光量以上になる大きさ、換言すれば、ラインパターンＬＰのレジスト像のコントラスト値が所定値以上になる大きさに制御する。また、本発明の一実施形態である光学特性計測処理では、デフォーカスによってパターン倒れが発生しない大きさ以上の線幅を有するラインパターンを使用してベストフォーカス位置を算出する。従って、本発明の一実施形態である光学特性計測処理によれば、デフォーカスによってパターン倒れが発生することを抑制しつつ、算出されるベストフォーカス位置の露光量依存性を無視することができるので、投影光学系ＰＬの光学特性（像面位置等）を精度高く計測することができる。

また、本発明の一実施形態である露光方法では、光学特性計測処理により精度良く計測された投影光学系ＰＬの光学特性を考慮して最適な転写が行えるように、投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投影されるパターン像の結像状態の調整に関連する動作が行われた後、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲに形成されたパターンがウエハＷ上に転写される。従って、本実施形態の一実施形態である露光方法によれば、上述の光学特性計測処理を用いて投影光学系ＰＬの光学特性が高精度に計測され、その光学特性の計測結果を考慮して投影光学系ＰＬの露光領域内に高精度なパターン像が生成され、基板上にレチクルのパターンを忠実に転写することができる。

また、本発明の一実施形態である露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図９に示すように、電子デバイスの機能、性能、パターンを設計するステップＳ３１、設計結果に基づいてマスク（レチクル）を製作するステップＳ３２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップＳ３３、露光装置によってマスクのパターンを基板（感応基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程等を含む基板処理ステップＳ３４、ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程等の加工プロセスを含むデバイス組立ステップＳ３５，及び検査ステップＳ３６等を経て製造される。つまり、このデバイス製造方法は、上記の露光装置又は露光方法を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、そのパターンが形成された基板を処理することとを含む。そして、上記の露光装置又は露光方法によれば、基板上にレチクルのパターンを忠実に転写することができるので、このデバイス製造方法によれば、電子デバイスを高精度に製造することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、上記実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、撮像対象は、露光の際にレジストに形成された潜像や、潜像が形成されたウエハを現像し、さらにそのウエハをエッチング処理して得られるエッチング像等であってもよい。また、ウエハ等の物体上における像が形成される感光層は、フォトレジストに限らず、照明光の照射によって像（潜像及び顕像）が形成されるものであればよい、例えば光記録層や光磁気記録層等であってもよい。また、本実施形態では、テストパターンが形成された透過型のレチクルを用いたが、テストパターンが形成された反射型のレチクルを用いてもよい。

また、上記実施形態ではレーザ干渉計を用いてレチクルステージ及びウエハステージの位置計測を行うものとしたが、これに限らず、例えば米国特許出願公開第２００７／０２８８１２１号、米国特許第７,１６１,６５９号などに開示されるエンコーダシステムを用いてステージの位置計測を行っても良い。また、上記実施形態の露光装置では、例えば米国特許第６,３４１,００７号、米国特許第６,２６２,７９６号などに開示されているように、２つのウエハステージを用いて露光動作と計測動作（例えば、アライメント検出系によるマーク検出やフォーカスセンサＡＦＳによるウエハのＺ位置計測など）とをほぼ並行して実行可能なツインウエハステージ方式を採用しても良い。この場合、フォーカスセンサＡＦＳは露光動作が行われる露光ステーションではなく計測動作が行われる計測ステーションに配置される。このため、露光動作においては前述のレーザ干渉計あるいはエンコーダシステムによってウエハテーブルのＺ方向、θｘ、及びθｙ方向の位置情報を計測しながら、事前計測されたＺ位置情報に基づいてウエハのフォーカス・レベリング制御が行われる。

また、投影光学系ＰＬの光学特性としてベストフォーカス位置、像面湾曲、非点収差を求めるものとしたが、算出する光学特性はこれらに限られるものでなく他の収差等でもよい。さらに、露光装置は半導体デバイスの製造用に限られるものでなく、例えば液晶表示素子、撮像素子、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン、ＤＮＡチップ等、その他のデバイスの製造に用いる露光装置等であってもよい。このように、上記実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、実施形態の組み合わせ、及び運用技術等は、全て本発明の範疇に含まれる。

１２ 移動鏡
１４，２６ レーザ干渉計
１６ アライメント制御装置
１８ ウエハテーブル
２０ ＸＹステージ
２２ 駆動系
２４ 移動鏡
２８ 主制御装置
４０ 鏡筒
５０ａ 送光系
５０ｂ 受光系
１００ 露光装置
ＡＦＳ フォーカスセンサ
ＡＳ アライメント検出系
ＦＰ 基準板
ＩＬ 照明光
ＩＯＰ 照明系
ＬＰ ラインパターン
ＰＬ 投影光学系
ＰＵ 投影ユニット
Ｒ レチクル
ＲＳＴ レチクルステージ
Ｗ ウエハ
ＷＳＴ ウエハステージ

Claims (7)

1. 被検光学系の像面位置を計測する像面位置計測方法であって、
   照明光によって所定のパターンを照明し、表面上に感光剤が塗布された基板の前記被検光学系の光軸方向に関する位置を変化させながら、前記被検光学系を介して基板表面上の複数の区画領域に所定のパターンの像を露光することによって、異なるフォーカス位置で露光された複数の転写像を形成することと、
   前記複数の転写像の明暗情報を取得することと、
   取得された明暗情報を用いて前記区画領域内における前記被検光学系の像面位置を算出することと、
   を含み、
   前記所定のパターンは、線状のラインパターンを少なくとも１つ備え、
   前記ラインパターンの線幅は、ＮＡを前記被検光学系の物体面側の開口数、λを前記照明光の波長とした場合、λ／ＮＡ以上の大きさを有し、
   前記基板の露光量を適正露光量以上の大きさに制御することを特徴とする像面位置計測方法。
2. 前記転写像は、前記基板を現像することによって得られたレジスト像であることを特徴とする請求項１に記載の像面位置計測方法。
3. 被検光学系の像面位置を計測する像面位置計測方法であって、
   照明光によって所定のパターンを照明し、表面上に感光剤が塗布された基板の前記被検光学系の光軸方向に関する位置を変化させながら、前記被検光学系を介して基板表面上の複数の区画領域に所定のパターンの像を露光することによって、異なるフォーカス位置で露光された複数の転写像を形成することと、
   前記基板を現像することによって前記複数の転写像のレジスト像を形成することと、
   前記複数のレジスト像の明暗情報を取得することと、
   取得された明暗情報を用いて前記区画領域内における前記被検光学系の像面位置を算出することと、
   を含み、
   前記所定のパターンは、線状のラインパターンを少なくとも１つ備え、
   前記ラインパターンの線幅は、前記被検光学系の光軸方向に関する前記基板の位置を変化させた際に該ラインパターンのレジスト像のパターン倒れが発生する線幅以上の大きさであり、
   前記基板の露光量を適正露光量以上の大きさに制御することを特徴とする像面位置計測方法。
4. 前記所定のパターンは、複数のラインパターンがパターンの短手方向に所定ピッチで配列されたパターンであることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１つに記載の像面位置計測方法。
5. 前記所定のパターンは、前記ラインパターンを１つ備えるパターンであることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１つに記載の像面位置計測方法。
6. 請求項１〜５のうち、いずれか１つに記載の像面位置計測方法を用いて計測された前記区画領域内における前記被検光学系の像面位置に基づいて露光装置の露光条件を調整することと、
   前記露光条件が調整された前記露光装置を利用して基板上にレチクルのパターンを転写露光することと、
   を含むことを特徴とする露光方法。
7. 請求項６に記載の露光方法を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、
   前記パターンが形成された基板を処理することと、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。