JP4497988B2 - 露光装置及び方法、並びに、波長選択方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、露光装置及び方法に係り、特に、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を投影露光する露光装置及び方法に関する。本発明は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式によって露光する露光装置及び方法に好適である。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子又は液晶表示素子を製造する際に、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が使用されている。

投影露光装置においては、半導体素子の高集積化に伴い、より高い解像力でレチクルの回路パターンをウェハに投影露光することが要求されている。投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど解像力はよくなる。このため、近年の光源は、超高圧水銀ランプ（ｇ線（波長約４３６ｎｍ）、ｉ線（波長約３６５ｎｍ））から波長の短いＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）になり、Ｆ_２レーザー（波長約１５７ｎｍ）の実用化も進んでいる。更に、露光領域の一層の拡大も要求されている。

これらの要求を達成するために、略正方形形状の露光領域をウェハに縮小して一括露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置（「ステッパー」とも呼ばれる。）から、露光領域を矩形のスリット形状としてレチクルとウェハを相対的に高速走査し、大画面を精度よく露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）が主流になりつつある。

スキャナーでは、露光中において、ウェハの所定の位置が露光スリット領域に差し掛かる前に、光斜入射系の表面位置検出手段によってそのウェハの所定の位置における表面位置を計測し、その所定の位置を露光する際にウェハ表面を最適な露光結像位置に合わせ込む補正を行っている。

特に、露光スリットの長手方向（即ち、走査方向と垂直方向）には、ウェハの表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく、表面の傾き（チルト）を計測するために、露光スリット領域に複数点の計測点を有している。かかるフォーカス及チルトの計測方法は、数々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２６０３９１号公報

しかし、近年では露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなり、露光すべきウェハ表面を最良結像面に合わせ込む精度、所謂、フォーカス精度もますます厳しくなってきている。特に、ウェハ上のパターンの影響やウェハに塗布されたレジストの厚さむらに起因する表面位置検出手段の計測誤差が無視することができなくなってきている。

例えば、レジストの厚さむらによって、周辺回路パターンやスクライブライン近傍には、焦点深度と比べれば小さいものの、フォーカス計測にとっては大きな段差が発生している。このため、レジスト表面の傾斜角度が大きくなり、表面位置検出手段の検出する反射光が反射や屈折によって正反射角度からずれを生じてしまう。また、ウェハ上のパターンの粗密の違いによって、パターンが密な領域と粗な領域とでは、反射率に差が生じてしまう。このように、表面位置検出手段が検出する反射光の反射角や反射強度が変化するため、かかる反射光を検出した検出波形に非対称性が発生して計測誤差を生じたり、検出波形のコントラストが著しく低下することでウェハの表面位置を検出できない場合を生じてしまうことになる。

なお、一般に、ウェハプロセスによってウェハ面内でのパターン段差の不均一性やレジストの厚さむらが生じるため、ウェハ内又はウェハ間での再現性も乏しく、オフセット処理も困難である。従って、露光中にウェハの表面位置を計測できずに露光がストップしたり、大きなデフォーカスを生じ、その結果、チップ不良を発生させてしまったりして、歩留まりを低下させることになる。

そこで、本発明は、小さな焦点深度に対して高いフォーカス精度を実現し、歩留まりの向上を達成する露光装置及び方法を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての露光装置は、レチクルに形成されたパターンを投影光学系を介して被処理体上の複数のショットに露光する露光装置であって、前記複数のショットの各々において同じ位置にある第１計測点のそれぞれに対して複数の波長の光を照射し、前記複数のショットの各々において同じ位置にあり、前記第１計測点とは異なる第２計測点のそれぞれに対して前記複数の波長の光を照射する照射手段と、前記第１及び第２計測点からの反射光を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果を基に、前記複数の波長から、複数の第１計測点に共通である最適波長と、複数の第２計測点に共通である最適波長と、をそれぞれ選択する選択手段と、前記選択手段が選択した最適波長の光を用いて各計測点の光軸方向の位置を計測する計測手段とを有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、小さな焦点深度に対して高いフォーカス精度を実現し、歩留まりの向上を達成する露光装置及び方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略ブロック図である。

露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２０に形成された回路パターンをウェハ４０に露光する投影露光装置である。かかる露光装置は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィー工程に好適である。露光装置１は、図１に示すように、照明装置１０と、レチクル２０を載置するレチクルステージ２５と、投影光学系３０と、ウェハ４０を載置するウェハステージ４５と、フォーカスチルト検出系５０と、制御部６０とを有する。制御部６０は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置１０、レチクルステージ２５、ウェハステージ４５、フォーカスチルト検出系５０と電気的に接続され、露光装置１の動作を制御する。制御部６０は、本実施形態では、後述するフォーカスチルト検出系５０がウェハ４０の表面位置を検出する際に用いる光の波長を最適に設定するための演算及び制御も行う。

照明装置１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル２０を照明し、光源部１２と、照明光学系１４とを有する。

光源部１２は、例えば、レーザーを使用する。レーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用することができるが、光源の種類はエキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約１５７ｎｍのＦ_２レーザーや波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を使用してもよい。

照明光学系１４は、光源部１２から射出した光束を用いて被照明面を照明する光学系であり、本実施形態では、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、レチクル２０を照明する。照明光学系１４は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含み、例えば、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系の順で配置する。照明光学系１４は、軸上光、軸外光を問わずに使用することができる。オプティカルインテグレーターは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）板を重ねることによって構成されるインテグレーターを含むが、光学ロッドや回折素子に置換される場合もある。

レチクル２０は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターンが形成され、レチクルステージ２５に支持及び駆動されている。レチクル２０から発せられた回折光は、投影光学系３０を通り、ウェハ４０上に投影される。レチクル２０とウェハ４０とは、光学的に共役の関係に配置される。レチクル２０とウェハ４０を縮小倍率比の速度比で走査することによりレチクル２０のパターンをウェハ４０上に転写する。なお、露光装置１には、光斜入射系のレチクル検出手段７０が設けられており、レチクル２０は、レチクル検出手段７０によって位置が検出され、所定の位置に配置される。

レチクルステージ２５は、図示しないレチクルチャックを介してレチクル２０を支持し、図示しない移動機構に接続されている。図示しない移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクルステージ２５を駆動することでレチクル２０を移動させることができる。

投影光学系３０は、物体面からの光束を像面に結像する機能を有し、本実施形態では、レチクル２０に形成されたパターンを経た回折光をウェハ４０上に結像する。投影光学系３０は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系等を使用することができる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。

ウェハ４０は、被処理体であり、フォトレジストが基板上に塗布されている。なお、本実施形態では、ウェハ４０は、フォーカスチルト検出系５０が位置を検出する被検出体でもある。ウェハ４０は、別の実施形態では、液晶基板やその他の被処理体に置換される。

ウェハステージ４５は、図示しないウェハチャックによってウェハ４０を支持する。ウェハステージ４５は、レチクルステージ２５と同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウェハ４０を移動させる。また、レチクルステージ２５の位置とウェハステージ４５の位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ウェハステージ４５は、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられ、レチクルステージ２５及び投影光学系３０は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパを介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。

フォーカスチルト検出系５０は、本実施形態では、光学的な計測システムを用いて、露光中のウェハ４０の表面位置（Ｚ軸方向）の位置情報を検出する。フォーカスチルト検出系５０は、ウェハ４０上の複数の計測すべき計測点に光束を入射し、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の位置情報（計測結果）から露光する面のチルトを検出する。

フォーカスチルト検出系５０は、図２に示すように、ウェハ４０の表面に対して高入射角度で光束を入射させる照明部５２と、ウェハ４０の表面で反射した反射光の像ずれを検出する検出部５４と、演算部５６とを有する。照明部５２は、光源５２１と、光合成手段５２２と、パターン板５２３と、結像レンズ５２４と、ミラー５２５とを有する。検出部５４は、ミラー５４１と、レンズ５４２と、光分波手段５４３と、受光器５４４とを有する。ここで、図２は、フォーカスチルト検出系５０の構成を示す拡大ブロック図である。なお、図２では、照明部５２において、パターン板５２３を均一な照度分布で照明するために必要なレンズ類や、検出部５４において、色収差を補正するレンズ類は図示を省略している。

図２を参照するに、ＬＥＤやハロゲンランプ等の光源５２１ａ、５２１ｂ及び５２１ｃから射出された波長λ１、λ２及びλ３の光は、ミラー５２２ａやダイクロイックミラー５２２ｂ及び５２２ｃから構成される光合成手段５２２を通過して、スリット等のパターンが形成されたパターン板５２３を照明する。パターン板１５を経た光は、結像レンズ５２４及びミラー５２５を介してウェハ４０上に投影結像する。

更に、ウェハ４０で反射した光は、ミラー５４１及びレンズ５４２を介して、ＣＣＤ素子やラインセンサ等の受光素子５４４ａ、５４４ｂ及び５４４ｃで構成する受光器５４４で受光される。なお、受光器５４４の前段には、ミラー５４３ａ、ダイクロイックミラー５４３ｂ及び５４３ｃで構成される光分波手段５４３が配置される。光分波手段５４３は、光源５２１ａからの光を受光素子５４４ａで、光源５２１ｂからの光を受光素子５４４ｂで、光源５２１ｃからの光を受光素子５４４ｃで受光するように、各々異なる波長の光を分割する機能を有する。パターン板５２３のウェハ４０面上へのパターン像は、レンズ５４２により、受光素子５４４ａ乃至５４４ｃ上に再結像する。

ウェハステージ４５を介してウェハ４０が上下方向（即ち、Ｚ軸方向）に移動すると、パターン板５２３のパターン像は、受光器５４４上で左右方向（即ち、Ｘ軸方向）に移動する。従って、フォーカスチルト検出系５０は、かかるパターン像の位置を演算部５６で算出することにより、ウェハ４０の表面位置を計測点毎に検出している。

ここで、パターン板５２３上のパターンと検出部５４で検出される信号波形について説明する。図３は、パターン板５２３の一例を示す平面図である。図３を参照するに、パターン板５２３は、透過領域５２３ａに４つの矩形形状の遮光パターン５２３ｃが等間隔で配列された格子パターン５２３ｂを有する。パターン板５２３（の格子パターン５２３ｂ）を用いた際に、検出部５４で検出される信号波形を図４に示す。なお、受光素子５４４ａ乃至５４４ｃとして２次元センサを用いる場合には、遮光パターン５２３ｃの配列方向と垂直な方向に光量を積分（又は平均化）して信号波形を得る。また、受光素子５４４ａ乃至５４４ｃとして１次元ラインセンサを用いる場合には、遮光パターン５２３ｃの配列方向と垂直な方向にパワーを有するシリンドリカルレンズを用いて光学的に積分して信号波形を得る方が、信号波形のＳ／Ｎ（信号雑音比）を向上させるため有利である。

図４を参照するに、図４（ａ）は、波長λ１の光から得られる信号波形の例を、図４（ｂ）は、波長λ３の光から得られる信号波形の例を示している。図４（ａ）に示す波形信号は、格子パターン５２３ｂの像の対称性がよいのに対して、図４（ｂ）に示す波形信号は、一部に非対称性が生じており、同一計測点における波形信号であっても照明する光の波長に対して依存性を有することがわかる。

図５乃至図７を参照して、照明する光の波長に対する検出部５４で検出される波形信号の依存性について説明する。図５は、ウェハ４０上のパターン段差４１によるレジスト４２の膜厚不均一性に起因する反射率の差を説明するための図である。レジスト４２の塗布されたウェハ４０の反射率は、レジスト表面４２ａの反射光とレジスト裏面（即ち、ウェハ４０とレジスト４２との界面）４２ｂの反射光との干渉によって決まる。ウェハ４０上において、パターン段差４１が無い領域Ｅ１のレジスト４２の膜厚Ｒｔに比べて、パターン段差４１がある領域Ｅ２のレジスト４２の膜厚Ｒｔ’は厚くなるため、領域Ｅ１に照射された光のレジスト表面４２ａの反射光ｋａ１とレジスト裏面４２ｂの反射光ｋａ２の光路長差ｄＡと、領域Ｅ２に照射された光のレジスト表面４２ａの反射光ｋｂ１とレジスト裏面４２ｂの反射光ｋｂ２の光路長差ｄＢが異なる。この結果、領域Ｅ１と領域Ｅ２の反射率に差が生じる。このような反射率の差がある領域に光が照射された場合、図４（ｂ）に示すように、非対称な信号波形が生じることになる。

ウェハ４０上に生じる反射率の差は、図５に示したような単純なレジスト４２の膜厚の不均一性に限らず、他の原因でも生じる。図６は、ウェハ４０上のパターン段差４１の密度が小さい領域（又は無い領域）Ｅ３とパターン段差４１の密度が大きい領域Ｅ４との反射率の差を説明するための図である。

図６を参照するに、領域Ｅ３と領域Ｅ４とのレジスト４２の膜厚は等しく、レジスト表面４２ａでの反射光ｋｃ１及びｋｄ１の反射率は略等しい。しかし、領域Ｅ３と領域Ｅ４では、ウェハ４０上のパターン段差４１の密度が異なるため、レジスト裏面（即ち、ウェハ４０とレジスト４２との界面）４２ｂでの反射光ｋｃ２及びｋｄ２の反射率が異なる。更に、ウェハ４０上のパターン段差４１が照明する光の波長以下になると、構造複屈折と呼ばれる反射で位相飛びの現象が発生し、レジスト裏面４２ｂでの反射光ｋｃ２及びｋｄ２の間の位相差が生じるために反射率に差がでてしまう。

このように、ウェハ４０上のパターン段差４１（レジスト４２の膜厚）により反射率に差が生じるが、照明する光の波長の違いによっても反射率に差が生じる。
図７は、レジスト４２の膜厚に対するウェハ４０の反射率の波長依存性を示すグラフである。レジスト４２の膜厚がＲｔ１から±ｄＲだけ変化する際を考えると、照明する光の波長がλ１の場合、反射率はｄ１しか変化しないが、照明する光の波長がλ３の場合、反射率はｄ３だけ変化する。つまり、レジスト４２の膜厚が等しく変化した場合にも、波長λ３の反射率の変化に比べて、波長λ１の反射率の変化の方が少ないため、信号波形の変形量も少なくなり、その結果、計測精度が向上する。換言すれば、照明する光の波長により、フォーカスチルト検出系５０の計測精度に差が生じることになる。

ウェハ４０の表面位置（フォーカス）の計測点について説明する。本実施形態では、図８に示すように、１ショットの露光領域ＥＥ１に対して、スキャン方向に７点、スキャン方向と垂直な方向（スリット長手方向）に３点の合計２１点の計測点ＫＰを有している。図２に示すフォーカスチルト検出系５０をスリット長手方向（Ｘ軸方向）に３つ配置してスリット長手方向の３点の計測点ＫＰの計測を行い、ウェハステージ４５をＹ軸方向にスキャンしてスキャン方向（Ｙ軸方向）の７点の計測点の計測を行えるように構成する。ここで、図８は、ウェハ４０上の計測点ＫＰの配置の一例を示す平面図である。

また、図９に示すように、ウェハ４０上に複数のショットを露光するため、ショット毎にウェハステージ４５をステップ又はスキャンして、図８に示した２１点の計測点ＫＰについて計測を行う。図１０に示すように、スリット長手方向の計測点ＫＰは、スリット長手方向のウェハ４０のチルト量ωｙを求めることが最低限必要であるため、２点以上の計測点ＫＰが必要となる。更に、スリット内でスキャン方向のウェハ４０のチルト量ωｘの計測が必要な場合には、図１１に示すように、スリット内でスキャン方向に異なる位置の計測点ＫＰと、対応するフォーカスチルト検出系５０を設ける必要がある。ここで、図９は、ウェハ４０上のショットレイアウトを示す平面図である。図１０及び図１１は、ウェハ４０上のスリット内における計測点ＫＰの配置の一例を示す平面図である。

以下、フォーカスチルト検出系５０が計測点ＫＰを照明する光の最適な波長の選択方法について説明する。図１２は、フォーカスチルト検出系５０が照射する光の最適な波長の選択方法を説明するためのフローチャートである。

図１２を参照するに、まず、図９に示すウェハ４０上のショットレイアウトにおいて、１４ショットのサンプルショットの表面位置を、フォーカスチルト検出系５０の有する全ての波長の光に対して計測を行う（ステップＳ６０２）。次に、フォーカスチルト検出系５０で計測された信号波形を基に、パターン板５２３の４つの遮光パターン５２３ｃの像の位置ｘ１、ｘ２、ｘ３及びｘ４（図４（ａ）参照。）を求め（ステップＳ６０４）、更に、遮光パターン５２３ｃの格子間隔Ｌ１、Ｌ２及びＬ３（図４（ａ）参照。）を求める（ステップＳ６０６）。なお、格子間隔Ｌｓｅｉｊ（λ）は、全ての波長の光及び全ての計測点ＫＰについて算出する。ここで、添え字のｓはサンプルショット番号でｓ＝１乃至１４、ｅは遮光パターン５２３ｃの間隔番号でｅ＝１乃至３、ｉはスリット長手方向のショット内計測位置番号でｉ＝１乃至３、ｊはスキャン方向のショット内計測位置番号でｊ＝１乃至７、λは照明する光の波長でλ＝λ１乃至λ３である。

次に、格子間隔Ｌｓｅｉｊ（λ）を基に、ショット内の計測位置（ｉ、ｊ）における格子間隔の標準偏差σＬｉｊ（λ）を算出する（ステップＳ６０８）。算出した標準偏差σＬｉｊ（λ）が最も小さい波長λを求め、かかる波長λをショット内での各計測位置（ｉ、ｊ）の最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）とする（ステップＳ６１０）。

ショット内の計測位置（ｉ、ｊ）における格子間隔Ｌｓｅｉｊ（λ）の標準偏差σＬｉｊ（λ）が最も小さくなる波長λを最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）とするのは、ウェハ４０のショット間では、パターン段差４１やレジスト４２の塗布むらによって、レジスト４２の膜厚変化が発生するため、ショット間で格子間隔Ｌｓｅｉｊ（λ）の再現性がよいほど計測の「確からしさ」が優れているからである。

最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）を選択した後は、最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）で照明されたパターン板５２３の信号波形から４つの遮光パターン５２３ｃの像の位置ｘ１乃至ｘ４の平均値Ｘａ（ｉ、ｊ）を求めて、ウェハ４０の表面位置を計測する。

なお、最適波長を選択するために用いるサンプルショットの数は１４ショットに限らず、例えば、ウェハ上の全てのショットを計測してもよい。更には、計測するウェハについても１枚に限らず、数枚のウェハを計測して格子間隔Ｌｓｅｉｊ（λ）の分母を増やすことにより、波長の最適化の精度を向上させることが可能である。また、本実施形態では、パターン板５２３は、格子パターン５２３ｂを光が透過しないように構成しているが、パターン板５２３の全面を遮光部として格子パターン５２３ｂのみを光が透過する構成としてもよい。

次に、スキャン露光時のフォーカス及びチルトの計測によるウェハ４０の表面位置補正の概略について説明する。図１３に示すように、スキャン方向に凹凸形状を有したウェハ４０が露光位置ＥＰに差し掛かる前に露光スリット前方に平面を形成するように複数点配置された計測点ＫＰ（計測位置ＦＰ）でウェハ４０の表面位置のフォーカス、露光スリット領域長手方向（即ち、スキャン方向に垂直な方向）のチルト（以下、「チルトＸ」と称する。）の計測を行う。そして、フォーカスチルト検出系５０で検出された位置情報に基づいて、ウェハステージ４５を駆動させ露光位置ＥＰへの補正駆動を行う。例えば、図２において、ウェハ４０上のｊ＝６の位置を露光中に、ｊ＝７の位置の表面位置の計測を行う。そして、ｊ＝６の位置の露光が終了した後に、ｊ＝７の位置の表面位置の計測結果を基にしてフォーカス及びチルトＸの補正駆動を行いながらｊ＝７の位置の露光を行う。ここで、図１３は、露光位置ＥＰとウェハ４０上のフォーカス及びチルトの計測位置ＦＰを示す概略斜視図である。

図１４は、露光装置１を用いた露光方法を説明するためのフローチャートである。図１４を参照するに、まず、露光装置１にウェハ４０を搬入し（ステップＳ１００２）、フォーカスチルト検出系５０が計測点ＫＰを照明する光の波長の最適化を行うかどうかを判断する（ステップＳ１００４）。なお、波長の最適化を行うかどうかは、予め露光装置１に登録しておく。

波長の最適化が必要な場合には、図９に示すようなサンプルショットで、フォーカスチルト検出系５０が用いることができる光の波長の全てに対して、表面位置の計測を行い（ステップＳ１００６）、かかる表面位置情報を格納する（ステップＳ１００８）。そして、計測していないサンプルショット（未計測サンプルショット）があるかどうかを判断し（ステップＳ１０１０）、未計測サンプルショットがある場合には、かかる未計測ショットの表面位置の計測及び表面位置情報の格納を、未計測サンプルショットが無くなるまで繰り返す。

サンプルショットの表面位置の計測及び表面位置情報の格納が終了すると（即ち、未測定サンプルショットが無くなると）、ステップＳ１００８で格納した各サンプルショットの表面位置情報を基に、ショット内の計測点ＫＰ毎に最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）を算出する（ステップＳ１０１２）。

一方、波長の最適化が不要の場合には、フォーカスチルト検出系５０が計測点ＫＰを照明する光の最適な波長が算出されているかどうかを判断する（ステップＳ）。ここでは、例えば、先行ウェハによって最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）が算出されているかどうかで判断する。最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）が算出されている場合には、ステップＳ１０１８に進む。最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）が算出されていない場合には、全ての計測点ＫＰに対して同一のデフォルト波長（例えば、λ１）を選択し（ステップＳ１０１６）、ステップＳ１０１８に進む。

ステップＳ１０１８では、フォーカスチルト検出系５０が計測点ＫＰを照明する光の波長を最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）又はデフォルト波長に設定する。その後、ウェハステージ４５を駆動して露光ショットを露光位置にセットし（ステップＳ１０２０）、露光ショットに対して、最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）又はデフォルト波長の光を用いてフォーカスチルト検出系５０による表面位置の計測を行う（ステップＳ１０２２）。

次いで、ステップＳ１０２２で計測した表面位置を基に、ウェハ４０を駆動してフォーカス及びチルトの補正を行い（ステップＳ１０２４）、レチクル２０上のパターンをウェハ４０に露光する（ステップＳ１０２６）。そして、露光すべきショット（即ち、未露光ショット）がないかどうかを判断し（ステップＳ１０２８）、未露光ショットがなくなるまでステップＳ１０２０以下を繰り返す。全ての露光ショットの露光が終了したら、ウェハ４０を回収し（ステップＳ１０３０）、終了する。

露光装置１及び露光装置１を用いた露光方法によれば、縮小される焦点深度に対して高いフォーカス補正精度を達成し、優れた解像度及び歩留まりを実現することができる。

なお、フォーカスチルト検出系５０が計測点ＫＰを照明する光の波長の最適化に関して、フォーカスチルト検出系５０が検出した信号波形の対称性のよい波長を最適波長としても効果がある場合がある。例えば、図３に示すパターン板５２３の格子パターン５２３ｂと同様なパターンがウェハ４０上に繰り返して存在するデバイスパターンを照射する場合には、全ての格子パターン５２３ｂの信号波形が同じ様に歪んでしまうため、格子間隔Ｌ１、Ｌ２及びＬ３が何れの波長に対してもばらつかないことになる。このような場合に、信号波形の対称性のよい波長を最適波長に選択することで本発明の効果を得ることができる。

また、図１５に示すように、光源５２１をハロゲンランプなどのブロードバンド光源５２１Ａに置換することもできる。ブロードバンド光源５２１Ａを用いる場合には、検出部５４のダイクロイックミラー５４３ｂ及び５４３ｃによって、中心波長がλ１、λ２及びλ３の光を受光素子５４４ａ、５４４ｂ及び５４４ｃに受光させることで、各波長の波形信号を検出することができる。ここで、図１５は、フォーカスチルト検出系５０の変形例の構成を示すブロック図である。

次に、フォーカスチルト検出系５０のパターン板５２３の代わりに、図１６に示すような、パターン板５２３Ａを用いた際に、計測点ＫＰを照明する光の最適な波長の選択方法について説明する。図１６は、パターン板５２３の変形例であるパターン板５２３Ａを示す平面図である。

図１６を参照するに、パターン板５２３Ａは、光透過部としての透過領域５２３Ａａに光不透過部である１つの矩形パターン５２３Ａｂを有する。パターン板５２３Ａは、パターン板５２３に比べて、ウェハ４０上への投影像の面積が小さくなるため、より細かいピッチでウェハ４０の表面位置を計測することが可能である。一方、矩形パターン５２３Ａｂの格子間隔を求めることはできないため、計測点ＫＰを照明する光の最適な波長の選択方法としては、上述した方法とは別の方法が必要となる。

図１７は、パターン板５２３Ａを用いた場合において、フォーカスチルト検出系５０が照射する光の最適な波長の選択方法を説明するためのフローチャートである。まず、図９に示すウェハ４０上のショットレイアウトにおいて、１４ショットのサンプルショットの表面位置を、フォーカスチルト検出系５０の有する全ての波長の光に対して計測を行い、信号波形を得る（ステップＳ７０２）。なお、パターン板５２３Ａ（の矩形パターン５２３Ａｂ）を用いた際に、検出部５４で検出される信号波形の一例を図１８に示す。

次に、フォーカスチルト検出系５０で計測された信号波形を基に、パターン板５２３Ａの透過領域５２３Ａａの光強度Ｉｔと矩形パターン５２３Ａｂの信号強度から信号コントラストＣ＝（Ｉｔ−Ｉｅ）／（Ｉｔ＋Ｉｅ）を求める（ステップＳ７０４）。なお、信号コントラストＣｓｉｊ（λ）は、全ての光の波長及び全ての計測点ＫＰについて算出する。ここで、添え字のｓはサンプルショット番号でｓ＝１乃至１４、ｉはスリット長手方向のショット内計測位置番号でｉ＝１乃至３、ｊはスキャン方向のショット内計測位置番号でｊ＝１乃至７、λは照明する光の波長でλ＝λ１乃至λ３である。

次に、信号コントラストＣｓｉｊ（λ）を基に、全てのサンプルショットの信号コントラストの平均を求めて、ショット内の計測位置（ｉ、ｊ）における信号コントラストが最大となる波長λをショット内での各計測位置（ｉ、ｊ）の最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）とする（ステップＳ７０６）。パターン板５２３Ａの透過領域５２３Ａａに相当する光強度Ｉｔは、ウェハ４０面での反射率に依存するため、反射率が高いほど信号コントラストＣが大きくなる。図７に示したように、ウェハ４０での反射率が高い信号波形ほど、レジスト４２の膜厚変化に対する反射率の変動が少なく、信号波形の歪みの影響が低減されて計測再現性がよいと判断できる。

最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）を選択した後は、最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）で照明されたパターン板５２３Ａの信号波形から、矩形パターン５２３Ａｂの像の位置Ｘ１を求めて、ウェハ４０の表面位置を計測する。

なお、信号コントラストの比の最大値を最適波長とする代わりに、パターン板５２３Ａの透過領域５２３Ａａを通過した光の反射率が最大となる波長を最適波長としてもよい。かかる場合には、反射率を求めるために、照明する光の波長の入射強度が必要となる。従って、照明する光の波長に対する分光反射率Ｒｒｅｆ（λ）が既知の基準マーク台をウェハステージ上に設置し、かかる基準マーク台のパターンの無い領域をフォーカスチルト検出系５０で計測し、パターン板５２３Ａの透過領域５２３Ａａの信号強度Ｉｒｅｆ（λ）を予め計測しておく。

各計測点ＫＰにおける反射率Ｒ（λ）は、ウェハ４０の表面位置の計測時の透過領域５２３Ａａの信号強度をＩｓｉｇ（λ）とすると、Ｒ（λ）＝Ｉｓｉｎ（λ）×Ｒｒｅｆ（λ）／Ｉｒｅｆ（λ）から求めることができる。

そして、反射率Ｒｓｉｊ（λ）を全ての光の波長及び全ての計測点ＫＰについて算出する。ここで、添え字のｓはサンプルショット番号でｓ＝１乃至１４、ｉはスリット長手方向のショット内計測位置番号でｉ＝１乃至３、ｊはスキャン方向のショット内計測位置番号でｊ＝１乃至７、λは照明する光の波長でλ＝λ１乃至λ３である。

反射率Ｒｓｉｊ（λ）を基に、全てのサンプルショットの平均を求め、ショット内の計測位置（ｉ、ｊ）における最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）を算出すればよい。

また、パターン板５２３Ａを、図１９に示すような、光を遮光する遮光領域５２３Ｂａに円形の開口部５２３Ｂｂを有するパターン板５２３Ｂとしてもよい。パターン板５２３Ｂ（の開口部５２３Ｂｂ）を用いた際に、フォーカスチルト検出系５０の検出部５４で検出される信号波形を図２０に示す。なお、図２０（ａ）は、対称性がよい信号波形の例を、図２０（ｂ）は、非対称性が生じた信号波形の例を示している。ここで、図１９は、パターン板５２３Ａの変形例であるパターン板５２３Ｂを示す平面図である。

更に、パターン板５２３Ａ又は５２３Ｂを用いる代わりに、ウェハ４０と共役な位置にＬＥＤの射出部を配置し、かかるＬＥＤの射出部から射出される光をウェハ４０に投影すると共に、投影像をセンサで受光する構成としてもよい。

次に、図２１を参照して、図１２に示した最適な波長の選択方法とは異なる選択方法について説明する。図２１は、フォーカスチルト検出系５０が照射する光の最適な波長の選択方法を説明するためのフローチャートである。

まず、図９に示すウェハ４０上のショットレイアウトにおいて、１４ショットのサンプルショットの表面位置を、フォーカスチルト検出系５０の有する全ての波長の光に対して計測を行い（ステップＳ８０２）、各サンプルショット、ショット内の計測位置及び計測に用いた光の波長毎に表面位置計測値Ｚｓｉｊ（λ）を得る（ステップＳ８０４）。ここで、添え字のｓはサンプルショット番号でｓ＝１乃至１４、ｉはスリット長手方向のショット内計測位置番号でｉ＝１乃至３、ｊはスキャン方向のショット内計測位置番号でｊ＝１乃至７、λは照明する光の波長でλ＝λ１乃至λ３である。

次に、表面位置計測値Ｚｓｉｊ（λ）の波長間の平均値Ｚａｓｉｊを求める（ステップＳ８０６）。そして、平均値Ｚａｓｉｊを用いて、曲面フィッティングによりウェハ４０の表面形状（即ち、表面形状の近似曲面）を求める（ステップＳ８０８）。図２２に、図９に示すウェハ４０のＡ−Ａ’面の表面形状の近似曲線と、サンプルショットＬ、Ｄ及びＲに対する各波長の表面位置計測値をプロットしたグラフを示す。

次いで、ステップＳ８０８で求めたウェハ４０の近似曲面からの表面位置計測値Ｚｓｉｊ（λ）のずれ量ｄｚｓｉｊ（λ）を算出し（ステップＳ８１０）、ショット内の各計測点ＫＰについて、サンプルショット間のばらつき量（標準偏差値）σｄＺｉｊ（λ）を算出する（ステップＳ８１２）。そして、ばらつき量σｄＺｉｊ（λ）が最も小さくなる波長λをショット内での各計測位置（ｉ、ｊ）の最適波長λｏｐｔ（ｉ、ｊ）とする（ステップＳ８１４）。即ち、信号波形の特徴からではなく、各波長でのウェハ４０の表面位置の計測値そのものを用いて最適な波長の選択も可能である。

以上、してきたように、露光装置１は、露光において、フォーカスチルト検出系５０などによって、露光すべきウェハ４０の表面を最良結像面に合わせ込むことができるため、高いスループットで経済性よくデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

以下、図２３及び図２４を参照して、上述の露光装置１を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図２３は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する行程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図２４は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、本発明は、レチクルの位置を検出するレチクル検出手段にも適用可能である。

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略ブロック図である。 図１に示すフォーカスチルト検出系の構成を示す拡大ブロック図である。 図２に示すパターン板の一例を示す平面図である。 図３に示すパターン板を用いた際に、図２に示す検出部で検出される信号波形を示す図である。 ウェハ上のパターン段差によるレジストの膜厚不均一性に起因する反射率の差を説明するための図である。 ウェハ上の段差パターンの密度が小さい領域とパターン段差の密度が大きい領域との反射率の差を説明するための図である。 レジストの膜厚に対するウェハの反射率の波長依存性を示すグラフである。 ウェハ上の計測点の配置の一例を示す平面図である。 ウェハ上のショットレイアウトを示す平面図である。 ウェハ上のスリット内における計測点の配置の一例を示す平面図である。 ウェハ上のスリット内における計測点の配置の一例を示す平面図である。 フォーカスチルト検出系が照射する光の最適な波長の選択方法を説明するためのフローチャートである。 露光領域とウェハ上のフォーカス及びチルトの計測位置を示す概略斜視図である。 図１に示す露光装置を用いた露光方法を説明するためのフローチャートである。 図２に示すフォーカスチルト検出系の変形例の構成を示すブロック図である。 図３に示すパターン板の変形例であるパターン板を示す平面図である。 図１６に示すパターン板を用いた場合において、フォーカスチルト検出系が照射する光の最適な波長の選択方法を説明するためのフローチャートである。 図１６に示すパターン板を用いた際に、図２に示す検出部で検出される信号波形を示す図である。 図１６に示すパターン板の変形例であるパターン板を示す平面図である。 図１９に示すパターン板を用いた際に、図２に示す検出部で検出される信号波形を示す図である。 フォーカスチルト検出系が照射する光の最適な波長の選択方法を説明するためのフローチャートである。 図９に示すウェハのＡ−Ａ’面の表面形状の近似曲線と、サンプルショットに対する各波長の表面位置計測値をプロットしたグラフを示す図である。 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。 図２３に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１ 露光装置
１０ 照明装置
２０ レチクル
３０ 投影光学系
４０ ウェハ
５０ フォーカスチルト検出系
５２ 照明部
５２１ 光源
５２２ 光合成手段
５２２ａ ミラー
５２２ｂ及び５２２ｃ ダイクロイックミラー
５２３ パターン板
５２３ａ 透過領域
５２３ｂ 格子パターン
５２３ｃ 遮光パターン
５２４ 結像レンズ
５２５ ミラー
５４ 検出部
５４１ ミラー
５４２ レンズ
５４３ 光分波手段
５４３ａ ミラー
５４３ｂ及び５４３ｃ ダイクロイックミラー
５４４ 受光器
５４４ａ乃至５４４ｃ 受光素子
５６ 演算部
６０ 制御部
７０ レチクル検出手段

Claims (10)

1. レチクルに形成されたパターンを投影光学系を介して被処理体上の複数のショットに露光する露光装置であって、
   前記複数のショットの各々において同じ位置にある第１計測点のそれぞれに対して複数の波長の光を照射し、前記複数のショットの各々において同じ位置にあり、前記第１計測点とは異なる第２計測点のそれぞれに対して前記複数の波長の光を照射する照射手段と、
   前記第１及び第２計測点からの反射光を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果を基に、前記複数の波長から、複数の第１計測点に共通である最適波長と、複数の第２計測点に共通である最適波長と、をそれぞれ選択する選択手段と、
   前記選択手段が選択した最適波長の光を用いて各計測点の光軸方向の位置を計測する計測手段とを有することを特徴とする露光装置。
2. 前記照射手段は、複数のエレメントから構成される格子パターンを有するパターン板と、
   前記格子パターンの像を各計測点に投影する投影手段とを有し、
   前記選択手段は、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記格子パターンの像の前記複数のエレメントの間隔の標準偏差が最小となる波長と、前記複数の第２計測点における前記格子パターンの像の前記複数のエレメントの間隔の標準偏差が最小となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
3. 前記照射手段は、所定のパターンの像を各計測点に投影する投影手段を有し、
   前記選択手段は、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記所定のパターンの像の信号コントラストの平均が最大となる波長と、前記複数の第２計測点における前記所定のパターンの像の信号コントラストの平均が最大となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
4. 前記照射手段は、光を透過する透過部と、前記光を遮光する遮光部とから構成される格子パターンを有するパターン板と、
   前記格子パターンの像を各計測点に投影する投影手段を有し、
   前記選択手段は、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記格子パターンの前記透過部を通過した光の反射率の平均が最大となる波長と、前記複数の第２計測点における前記格子パターンの前記透過部を通過した光の反射率の平均が最大となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
5. 前記計測手段は、前記複数の波長毎に各計測点の光軸方向の位置を計測し、前記複数の第１計測点のそれぞれにおいて前記複数の波長の光で計測した光軸方向の位置の計測値を平均し、前記複数の第２計測点のそれぞれにおいて前記複数の波長の光で計測した光軸方向の位置の計測値を平均し、それらの平均値を用いて、前記被処理体の表面形状の近似曲線を求め、前記近似曲線からの前記計測値のずれ量を算出し、
   前記選択手段は、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記近似曲線からの前記計測値のずれ量の標準偏差が最小となる波長と、前記複数の第２計測点における前記近似曲線からの前記計測値のずれ量の標準偏差が最小となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
6. レチクルに形成されたパターンを投影光学系を介して被処理体上の複数のショットに露光する露光方法であって、
   前記複数のショットの各々において同じ位置にある第１計測点のそれぞれに対して複数の波長の光を照射し、前記複数のショットの各々において同じ位置にあり、前記第１計測点とは異なる第２計測点のそれぞれに対して前記複数の波長の光を照射する照射ステップと、
   前記第１及び第２計測点からの反射光を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップの検出結果を基に、前記複数の波長から、複数の第１計測点に共通である最適波長と、複数の第２計測点に共通である最適波長と、をそれぞれ選択する選択ステップと、
   前記選択ステップで選択した最適波長の光を用いて各計測点の光軸方向の位置を計測する計測ステップと、
   前記計測ステップで計測した各計測点の光軸方向の位置に基づいて、前記被処理体を前記レチクルと同期させて走査するステップと、を有することを特徴とする露光方法。
7. 前記照射ステップは、前記複数の波長の光を用いて複数のエレメントから構成されるパターンの像を各計測点に投影し、
   前記検出ステップは、該各計測点からの信号波形を検出し、
   前記検出ステップで検出した前記信号波形を基に、前記複数の波長毎に前記複数のエレメントの間隔を求めるステップと、
   前記複数のエレメントの間隔を基に、前記複数の第１計測点における前記複数のエレメントの間隔の標準偏差と、前記複数の第２計測点における前記複数のエレメントの間隔の標準偏差を算出するステップと、を更に有し、
   前記選択ステップは、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記算出ステップで算出された前記標準偏差が最小となる波長と、前記複数の第２計測点における前記算出ステップで算出された前記標準偏差が最小となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項６記載の露光方法。
8. 前記照射ステップは、前記複数の波長の光を用いて一のエレメントから構成されるパターンの像を各計測点に投影し、
   前記検出ステップは、該各計測点からの信号波形を検出し、
   前記検出ステップで検出した前記信号波形を基に、前記複数の波長毎に前記信号波形の信号コントラストを求めるステップを更に有し、
   前記選択ステップは、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記信号コントラストの平均が最大となる波長と、前記複数の第２計測点における前記信号コントラストの平均が最大となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項６記載の露光方法。
9. 前記照射ステップは、前記複数の波長の光を用いて一のエレメントから構成されるパターンの像を各計測点に投影し、
   前記検出ステップは、該各計測点からの信号波形を検出し、
   前記検出ステップで検出した前記信号波形を基に、前記複数の波長毎に前記エレメントを通過した光の各計測点での反射率を算出するステップを更に有し、
   前記選択ステップは、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記反射率の平均が最大となる波長と、前記第２計測点における前記反射率の平均が最大となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項６記載の露光方法。
10. 前記検出ステップにおいて、前記照射ステップによって照射された前記複数の波長毎に各計測点の光軸方向の位置を計測し、
    前記複数の第１計測点のそれぞれにおいて前記検出ステップで計測した光軸方向の位置の計測値を平均し、前記複数の第２計測点のそれぞれにおいて前記検出ステップで計測した光軸方向の位置の計測値を平均し、それらの平均値を用いて、前記被処理体の表面形状の近似曲線を求めるステップと、
    前記近似曲線からの前記計測値のずれ量を算出するステップと、を更に有し、
    前記選択ステップは、前記複数の波長から、前記複数の第１計測点における前記近似曲線からの前記計測値のずれ量の標準偏差が最小となる波長と、前記複数の第２計測点における前記近似曲線からの前記計測値のずれ量の標準偏差が最小となる波長と、を前記最適波長としてそれぞれ選択することを特徴とする請求項６記載の露光方法。