JP4882384B2 - 面位置検出装置、面位置検出方法、露光装置及びデバイスの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子や液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程で用いられる面位置検出装置、面位置検出方法、該面位置検出装置を備えた露光装置及び該露光装置を用いたデバイスの製造方法に関するものである。

マスク上に形成されたパターンを投影光学系を介して基板上に投影露光する投影露光装置においては、投影光学系の焦点深度が比較的浅く、かつ、基板面が平坦でない場合もあるため、スループットを低下させることなく、基板上の露光領域における投影光学系に対するフォーカス位置の調整を正確に行なう必要がある。

投影光学系の光軸方向における基板位置の検出装置としては、例えば、被検面としての基板に対して斜め方向からスリットの像を投影し、このスリットの像を斜め方向から検出する斜入射型オートフォーカスセンサ（面位置検出装置）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１２９１８２号公報

上述の斜入射型オートフォーカスセンサにおいては、基板に入射する検出光の入射角度を大きく（例えば、８４度）することにより、基板面上に塗布されているレジスト表面を検出光が反射するようにしている。しかしながら、図６に示すように、検出光の一部の光Ａ２は、レジスト２０の内部に入射し、レジスト２０内部を通過し、基板Ｗ表面により反射される。ここで、スリットの大きさは有限であるため、基板表面の状態、構造に起因して、計測誤差が発生し、投影光学系に対する基板のフォーカス位置を正確に計測することができないという問題があった。

また、検出光の波長域を広く設定することにより、レジストの厚さや金属膜等で多層化された基板表面の状態、構造による干渉の影響を平均化することができるが、波長域ごとに異なる計測誤差が発生するという問題があった。

この発明の課題は、被検面の面位置を正確に検出することができる面位置検出装置、面位置検出方法、該面位置検出装置を備えた露光装置及び該露光装置を用いたデバイスの製造方法を提供することである。

この発明の第１の態様にかかる面位置検出装置は、所定のパターンが形成されたパターン部材の前記所定のパターンを介した光を被検面に斜め方向から照射する送光光学系、および前記被検面によって反射された前記光をもとに前記所定のパターンの空間像を形成する受光光学系を含む結像光学系と、前記空間像が形成される位置に配置され、前記光が通過可能な受光スリットを有する受光スリット部材と、前記空間像と前記受光スリットとを所定方向に相対的に走査させる走査手段と、前記受光スリットを通過した前記光を光電変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の変換結果に基づき、前記受光スリット上に形成された前記空間像の光強度分布を取得し、該光強度分布に基づいて前記被検面の面位置を検出する検出手段と、を備え、前記所定方向に関する前記受光スリットの幅は、前記所定方向に関する前記空間像の幅より細いことを特徴とする。

また、この発明の第２の態様にかかる面位置検出方法は、 所定のパターンを介した光を被検面に斜め方向から照射し、該被検面によって反射された前記光をもとに前記所定のパターンの空間像を形成する空間像形成工程と、前記空間像が形成される位置に配置され前記光が通過可能な受光スリットと、前記空間像とを所定方向に相対的に走査させる走査工程と、前記受光スリットを通過した前記光を光電変換する光電変換工程と、前記光電変換工程の変換結果に基づき、前記受光スリット上に形成された前記空間像の光強度分布を取得し、該光強度分布に基づいて前記被検面の面位置を検出する検出工程と、を含み、前記所定方向に関する前記受光スリットの幅は、前記所定方向に関する前記空間像の幅より細いことを特徴とする。

また、この発明の第３の態様にかかる露光装置は、投影光学系を介して感光性基板に露光光を照射する露光装置であって、前記投影光学系に対する前記感光性基板の面位置を検出する第１の態様にかかる面位置検出装置を備えることを特徴とする。

また、この発明の第４の態様にかかるデバイスの製造方法は、第３の態様にかかる露光装置を用いて感光性基板を露光する露光工程と、前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程と、を含むことを特徴とする。

この発明の第１の態様にかかる面位置検出装置及び第２の態様にかかる面位置検出方法によれば、被検面上の構造に影響されることなく、被検面の面位置を正確に検出することができる。

また、この発明の第３の態様にかかる露光装置によれば、この発明の第１の態様にかかる面位置検出装置を備えているため、感光性基板上の構造、例えば感光性基板上に塗布されているレジスト内部の構造の影響を受けることなく、感光性基板の面位置を正確に検出することができる。したがって、感光性基板の面位置を正確に調整することができ、高精度な露光を行うことができる。

また、この発明の第４の態様にかかるデバイスの製造方法によれば、この発明の第３の態様にかかる露光装置を用いて露光を行うため、感光性基板の面位置を正確に検出することができ、感光性基板の面位置を正確に調整することができる。したがって、高精度な露光を行うことができ、良好なデバイスを得ることができる。

以下、図面を参照して、この発明の第１の実施の形態にかかる投影露光装置について説明する。図１は、この発明の第１の実施の形態にかかる投影露光装置の概略構成を示す図である。以下の説明においては、図１中に示すＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸がウエハＷに対して平行となるよう設定され、Ｚ軸がウエハＷに対して直交する方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。

図１に示すように、光源を含む照明光学系ＩＬから射出された露光光は、レチクルステージＲＳＴに載置されているレチクルＲを照明する。レチクルステージＲＳＴの位置は、図示しないレチクルステージ干渉計によって計測され且つ位置制御されている。レチクルＲに形成されている露光パターンを通過した露光光は、投影光学系ＰＬを介して、ウエハホルダＷＨを介してウエハテーブルＷＴに載置されているウエハＷ上に、レチクルＲのパターン像を投影する。ウエハテーブルＷＴは、ウエハステージとしてのＺステージＺＳ、ＸステージＸＳ及びＹステージＹＳ上に載置されている。ＺステージＺＳは投影光学系ＰＬの光軸に沿ったフォーカシング方向（Ｚ方向）へ移動可能に構成されており、ＸステージＸＳ及びＹステージＹＳはウエハＷを投影光学系ＰＬの光軸に垂直な平面（ＸＹ平面）内で平行移動、微小回転可能に構成されている。また、ウエハステージの位置は、図示しないウエハステージ干渉計によって計測され且つ位置制御されている。

この投影露光装置は、面位置検出装置２を備えている。この面位置検出装置２は、投影光学系ＰＬによる結像面に対する焦点深度の幅内にウエハＷの露光領域を収めるために、投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ方向）におけるウエハＷの位置を検出する。

面位置検出装置２は、図１に示すように、送光光学系ＳＬ及び受光光学系ＲＬを備えている。送光光学系ＳＬは図示しない光源から供給される検出光を被検面であるウエハＷ上に斜め方向から送光してウエハＷ上に後述する送光スリット（所定のパターン）Ｓ１〜Ｓ２５を投射する。受光光学系ＲＬは、ウエハＷにより反射された検出光を集光して後述する受光スリットＲ１〜Ｒ２５上に送光スリットＳ１〜Ｓ２５の空間像を形成する。

送光光学系ＳＬに検出光を供給する光源（図示せず）から射出した検出光は、コリメートレンズ等（図示せず）を介して、ライトガイドファイバ１０の入射端（図示せず）に入射する。ライトガイドファイバ１０の内部を伝播した検出光は、図１に示すように、ライトガイドファイバ１０の射出端１０ａから射出し、コンデンサレンズ１１を通過して、送光スリットプリズム１２に入射する。

図２は、送光スリットプリズム１２の射出面１２ａの構成を示す図である。送光スリットプリズム１２の射出面１２ａは、ウエハＷと光学的にほぼ共役な位置に配置されている。また、射出面１２ａには、図２に示すように、複数の送光スリットＳ１〜Ｓ２５が配列されている。射出面１２ａの複数の送光スリットＳ１〜Ｓ２５を通過した検出光は、折り曲げミラー１６により反射され、第２対物レンズ１７を通過し、折り曲げミラー１８により反射される。折り曲げミラー１８により反射された検出光は、後述する第１対物レンズ２３の瞳側の焦点面近傍に位置するように配置されている振動ミラー２１により反射される。振動ミラー２１は、図中矢印方向に振動可能に構成されており、後述する受光スリットＲ１〜Ｒ２５と、受光スリットＲ１〜Ｒ２５上に形成される送光スリットＳ１〜Ｓ２５の空間像とを相対的に走査させる走査手段として機能する。

振動ミラー２１により反射された検出光は、第１対物レンズ２３を通過して、菱形断面を有する四角柱状の菱形プリズム２４に入射する。菱形プリズム２４の入射面を透過した検出光は、互いに平行な一対の反射面で順次反射され、入射面に平行な射出面から射出する。菱形プリズム２４を通過することにより送光光学系ＳＬを通過した検出光は、ウエハＷ上に斜め方向から入射する。

図３は、射出面１２ａの複数の送光スリットＳ１〜Ｓ２５を通過した検出光がウエハＷ上を照射することにより形成される送光スリットＳ１〜Ｓ２５の像Ｔ１〜Ｔ２５を示す図である。なお、図中破線部で示す領域Ａは露光領域である。

ウエハＷにより反射された検出光は、受光光学系ＲＬを構成する菱形プリズム２５に入射する。菱形プリズム２５は、菱形プリズム２４と同様に、菱形断面を有する四角柱状のプリズムである。従って、菱形プリズム２５の入射面を通過した検出光は、互いに平行な一対の反射面で順次反射された後、入射面に平行な射出面を通過し、菱形プリズム２５から射出する。

菱形プリズム２５から射出した検出光は、第１対物レンズ２６、第２対物レンズ３１を通過して、折り曲げミラー３３により反射され、受光スリットプリズム３５に入射する。図４は、受光スリットプリズム３５の入射面３５ａの構成を示す図である。受光スリットプリズム３５の入射面３５ａは、ウエハＷと光学的にほぼ共役な位置に配置されている。また、入射面３５ａには、図４に示すように、送光スリットプリズム１２の射出面１２ａに形成されている複数の送光スリットＳ１〜Ｓ２５に対応する受光スリットＲ１〜Ｒ２５が配列されている。受光スリットＲ１〜Ｒ２５上には、対応する送光スリットＳ１〜Ｓ２５の空間像が形成される。また、送光スリットＳ１〜Ｓ２５間の光量のバラツキを抑制するために、受光スリットＲ１〜Ｒ２５の長手方向の長さは、送光スリットＳ１〜Ｓ２５の長手方向の長さより短く設定されている。また、受光スリットＲ１〜Ｒ２５の短手方向の幅は、送光スリットＳ１〜Ｓ２５の短手方向の幅より細い。即ち、受光スリットＲ１〜Ｒ２５上に形成される送光スリットＳ１〜Ｓ２５の空間像の短手方向の幅より細い。

受光スリットプリズム３５を通過した検出光は、リレーレンズ３６ａ，３６ｂを通過することにより受光光学系ＲＬを通過して、受光センサ（光電変換手段）３８に入射する。受光センサ３８は、受光スリットＲ１〜Ｒ２５を介した検出光を光電変換する。図５は、受光センサ３８の構成を示す図である。図５に示すように、受光センサ３８の受光面には受光スリットＲ１〜Ｒ２５のそれぞれに対応して受光素子ＲＳ１〜ＲＳ２５が配置されており、各受光素子ＲＳ１〜ＲＳ２５は各受光スリットＲ１〜Ｒ２５を通過した検出光を受光する。受光センサ３８の受光素子ＲＳ１〜ＲＳ２５からの光電変換出力は振動ミラー２１の振動に伴って変化する。図示しない制御部（光強度分布算出手段）は、受光素子ＲＳ１〜ＲＳ２５からの光電変換出力に基づいて、送光スリットＳ１〜Ｓ２５の空間像の光強度分布を求め、この光強度分布に基づいてウエハＷの少なくとも一点の位置を検出する。制御部は、検出結果に基づいてＺステージＺＳのＺ方向における補正量を算出し、算出結果に基づいてＺステージＺＳをベストフォーカス位置となるように駆動する。

第１の実施の形態にかかる面位置検出装置２によれば、送光スリットＳ１〜Ｓ２５の空間像の光強度分布に基づいてウエハＷの少なくとも一点の位置を検出するため、ウエハＷ上の構造に影響されることなく、ウエハＷの面位置を正確に検出することができる。即ち、検出光がウエハＷ面上に塗布されているレジストの表面を反射せずにレジスト内部に入射した場合においても、計測誤差が発生することなく、ウエハＷのＺ方向における位置を正確に検出することができる。

斜入射型の面位置検出装置においては、ウエハに入射する検出光の入射角度を大きく（例えば、８４度）することにより、図６の矢印Ａ１に示すように、ウエハＷ面上に塗布されているレジスト２０表面を検出光が反射するようにしている。しかしながら、検出光の一部の光は、図６の矢印Ａ２に示すように、レジスト２０の内部に入射し、レジスト２０内部を通過し、ウエハＷ表面により反射される。したがって、従来の面位置検出装置においては、送光スリットの大きさが有限であるため、ウエハＷ表面の状態、構造に起因して、計測誤差が発生する場合があった。

即ち、従来の面位置検出装置においては、送光スリット及び受光スリットの形状、特にスリットの幅がほぼ同一であり、送光スリット及び受光スリットを通過する検出光の光量のみを検波していた。従来の面位置検出装置における送光スリットＳの像及び受光スリットＲの位置関係（ウエハＷのＺ方向における位置ずれが−Ｚ、−Ｚ／２、０、＋Ｚ／２、＋Ｚの場合）を図７に示す。図７に示す受光スリットＲに対する送光スリットＳの像の位置を中心として、送光スリットＳの像が振動ミラーの振動に伴って図中矢印方向に振動する。図８は、各位置ずれ−Ｚ、−Ｚ／２、０、＋Ｚ／２、＋Ｚが生じている場合において、振動ミラーの振動に伴う検出光の光量変化を示すグラフである。図９は、ウエハＷのＺ方向における位置ずれを横軸に、図８に示す検波ポイントＰ１における光量Ｉ１と検波ポイントＰ２における光量Ｉ２の差Ｉを縦軸にしたときの変化を示すグラフである。ここで、レジスト２０の表面により反射された検出光、及び上述のようにレジスト２０の内部に入射し、ウエハＷ表面により反射された検出光を同時に検出した場合、図８に示す波形が変化し、図９に示すグラフも変化する。したがって、従来の面位置検出装置においては、計測誤差が発生し、ウエハＷのＺ方向における位置を正確に計測することができないという問題があった。

この実施の形態にかかる面位置検出装置２においては、受光スリットの短手方向の幅を送光スリットの短手方向の幅より細く、即ち受光スリットの短手方向の幅を極細とすることにより、送光スリットの空間像の光強度分布を検出する。この実施の形態にかかる面位置検出装置２における送光スリットＳ１の空間像及び受光スリットＲ１の位置関係（ウエハＷのＺ方向における位置ずれが−Ｚ、−Ｚ／２、０、＋Ｚ／２、＋Ｚの場合）を図１０に示す。図１０に示す受光スリットＲ１に対する送光スリットＳ１の空間像の位置を中心として、送光スリットＳ１の空間像が振動ミラー２１の振動に伴って図中矢印方向に振動する。図１１は、各位置ずれ−Ｚ、−Ｚ／２、０、＋Ｚ／２、＋Ｚが生じている場合において、振動ミラー２１が一方向に走査（往路走査）したときの送光スリットＳ１の空間像の光強度分布を示すグラフであり、図１１中のＰ１、Ｐ２は振動ミラー２１の走査方向が切り替わる点（以下、方向転換点と呼ぶ）を表している。図１２は、ウエハＷのＺ方向における位置ずれを横軸に、図１１に示す方向転換点Ｐ１と方向転換点Ｐ２との間の受光スリットに対する送光スリットの像の位置Ｐを縦軸にしたときの変化を示すグラフである。

ここで、振動ミラー２１の振幅は約±２Ｚとし、振動ミラー２１の振動に同期させて往路走査時の受光センサ３８による光電変換出力を時系列でサンプリングし、光電変換出力の信号波形に対して所定のアルゴリズム処理を行なうことによりウエハＷの面位置を検出する。復路走査時にて得られる信号波形に対しても所定のアルゴリズム処理を行ない、平均化処理を行なうことによりウエハＷの面位置を検出してもよい。

次に、この実施の形態にかかる面位置検出装置２を用いた他の光電検出方法を示す。図１３は、各位置ずれ−Ｚ、−Ｚ／２、０、＋Ｚ／２、＋Ｚが生じている場合において、振動ミラー２１が往復走査したときの送光スリットＳ１の空間像の光強度分布を示すグラフである。図１４は、ウエハＷのＺ方向における位置ずれを横軸に、図１３に示す方向転換点Ｐ１を中心とした最大光量の方向転換点間の間隔Ｄ１と、方向転換点Ｐ２を中心とした最大光量の方向転換点間の間隔Ｄ２との差Ｄ（Ｄ１−Ｄ２）を縦軸にしたときの変化を示すグラフである。ここで、振動ミラー２１の振幅を約±２Ｚとし、振動ミラー２１の振動に同期させて受光センサ３８による光電変換出力を時系列でサンプリングし、光電変換出力の信号波形に対して所定のアルゴリズム処理を行なうことによりウエハＷの面位置を検出する。

このような処理を行なうことにより、レジストの表面により反射された検出光、及びレジストの内部に入射し、ウエハＷ表面により反射された検出光を同時に検出した場合においても、計測誤差が発生することなく、ウエハＷのＺ方向における位置を正確に検出することができる。以下に、具体例を述べる。

例えば、レジストが塗布されているウエハ面に送光スリットＳ１の像が形成された場合についての光電検出の方法について説明する。図１５は、送光スリットＳ１を通過した検出光がレジストが塗布されているウエハＷ面に到達した場合における送光スリットＳ１の空間像の光強度分布を示すグラフである。レジストが塗布されているウエハＷ面により反射された検出光が形成する送光スリットＳ１の空間像の光強度分布は、図１６のグラフに示すようなレジストが塗布されていないウエハＷ面により反射された検出光が形成する空間像の光強度分布に対して変化する。即ち、レジスト表面により反射された検出光が形成する空間像の光強度分布に、レジスト内部に入射しレジスト裏面（ウエハＷ表面）による反射された検出光が形成する空間像の光強度分布が重なり、全体で非対称となり、特にエッジ部分が変形する。図１７のグラフに示すように、検出された信号成分Ｂ１を信号波形アルゴリズムを用いて位相の異なる２つの信号成分Ｂ２，Ｂ３に分離することにより、レジスト表面により反射された検出光が形成する空間像の光強度分布を示す信号成分Ｂ２の位置を計測し、ウエハＷの面位置を検出する。即ち、信号成分Ｂ２の形状を元信号波形形状として、一般にブラインドデコンボリューションと呼ばれているアルゴリズム処理を行なうことにより、例えば信号強度の大きな信号成分Ｂ２の位置を求め、信号成分Ｂ２の位置に基づいてウエハＷの面位置を検出する（以下、アルゴリズム処理１という。）。

また、例えば、レジスト層の下層であるウエハＷ面の反射率の高い領域（以下、高反射率領域と呼ぶ）と反射率の低い領域（以下、低反射率領域と呼ぶ）とに送光スリットＳ１の像が形成された場合についての光電検出の方法について説明する。この実施の形態にかかる面位置検出装置２は送光光学系ＳＬが振動ミラー２１を備えているため、図１８に示すように、受光スリットＲ１とウエハＷ面（高反射領域Ｃ１及び低反射領域Ｃ２）との相対位置は固定である。よって、受光スリットＲ１とウエハＷ面との相対位置は、振動ミラー２１の振動による送光スリットＳ１の走査によって変化しない。図１９に示すように、検出される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布Ｆは、低反射領域Ｃ２で反射される検出光の反射率のみ変化するため、高反射領域Ｃ１を計測した場合と比較すると、送光スリットＳ１の空間像の光強度分布Ｅの光量のみが小さくなるだけで、光強度分布形状の変化はないため、計測誤差は発生しない。

また、例えば、図２０に示すように、レジスト層の下層のウエハＷ面に高反射領域Ｃ３と低反射領域Ｃ４が混在している場合、受光スリットＲ１とウエハＷ面との相対位置は上述の通り変化せず、ウエハＷ面により反射される検出光の反射率のみ変化する。しかしながら、ウエハＷの面位置がデフォーカスしている場合、ウエハＷ面により反射される検出光が回折する影響を受けることにより、送光スリットＳ１の空間像の光強度分布に影響を及ぼす可能性がある。即ち、図２１に示すように、検出される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布Ｈは、レジストが塗布されていないウエハＷ面により反射された検出光により形成される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布Ｇと異なり、ノイズを持つ可能性がある。

この場合には、信号波形処理アルゴリズムを用いて、ノイズや凹みの影響を排して計測できれば、計測誤差成分を排除することができる。例えば、レジストが塗布されていない基準となるウエハＷ面により反射された検出光により形成される理想的な信号波形の形状を元信号波形形状としてノイズ分を排除する処理を行なうことによりウエハＷの面位置を正確に検出することができる（ブラインドデコンボリューションの一種である。以下、アルゴリズム処理２という。）。

また、例えば、図２２に示すように、ウエハＷ面に細い暗線（ウエハＷ面の細い低反射領域Ｃ５）がある場合、受光スリットＲ１とウエハＷ面との相対位置は上述の通り変化せず、ウエハＷ面により反射される検出光の反射率のみ変化する。よって、図２３に示すように、検出される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布Ｋは、高反射率のウエハＷ面により反射された検出光により形成される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布Ｊと比較して光量のみが小さくなり、光強度分布形状の変形は発生しないので、計測誤差は生じない。

なお、この実施の形態にかかる面位置検出装置２においては、送光光学系ＳＬが振動ミラー２１を備えているが、受光光学系ＲＬが第１対物レンズ２６と第２対物レンズ３１との間の光路中に振動ミラー（以下、振動ミラー２１´という。）を備えるようにしてもよい。この場合、振動ミラー２１´を第１対物レンズ２６の瞳側の焦点面近傍に配置することが好ましい。この場合においては、送光スリットＳ１とウエハＷ面との相対位置は、振動ミラー２１´の振動による受光スリットＲ１に対する送光スリットＳ１の走査によって変化しない。送光スリットＳ１とウエハＷ面（高反射領域Ｃ１及び低反射領域Ｃ２）との相対位置が図２４に示すような場合における送光スリットＳ１の空間像の光強度分布のグラフを図２５に示す。図２５に示すように、送光スリットＳ１の空間像の光強度分布は、図１６のグラフに示すようなレジストが塗布されていない基準となるウエハＷ面により反射された検出光が形成する理想的な空間像の光強度分布に対して、上部の形状が斜めとなり、中心非対称となる。この場合には、例えば、一般的なアルゴリズム処理手法として、ハイパスフィルタ処理を行なうことにより、計測誤差を抑制でき、ウエハＷの面位置を正確に検出することができる。また、アルゴリズム処理１を使用することにより、さらに計測誤差を抑制することも可能である。

また、受光光学系ＲＬが振動ミラー２１´を備え、例えば図２６に示すように高反射領域Ｃ３と低反射領域Ｃ４が混在したウエハＷ面に送光スリットＳ１の像が形成された場合についての光電検出の方法について説明する。図２７に示すように、送光スリットＳ１の空間像の光強度分布は、図１６のグラフに示すようなレジストが塗布されていない基準となるウエハＷ面により反射された検出光が形成する理想的な空間像の光強度分布に対して、ノイズを持ったような形状となり、全体で非対称となり、計測誤差が生じていた。しかし、この実施の形態にかかる面位置検出装置では、アルゴリズム処理２を行なうことによりウエハＷの面位置を正確に検出することができる。

また、受光光学系ＲＬが振動ミラー２１´を備え、例えば図２８に示すようにウエハＷ面に細い暗線（低反射領域Ｃ５）がある場合についての光電検出方法について説明する。図２９に示すように、送光スリットＳ１の空間像の光強度分布は、図１６のグラフに示すようなレジストが塗布されていない基準となるウエハＷ面により反射された検出光が形成する理想的な空間像の光強度分布に対して、一部が凹んだような形状となる。この場合においては、アルゴリズム処理２を行なうことによりウエハＷの面位置を正確に検出することができる。

以上、受光スリットＲ１に送光スリットＳ１の空間像が形成される場合について説明したが、受光スリットＲ２〜Ｒ２５に送光スリットＳ２〜Ｓ２５の空間像が形成される場合についても同様の方法でウエハＷの面位置を検出することができる。

なお、この場合においては、送光スリットＳ１〜Ｓ２５とウエハＷ面とが送光光学系ＳＬ中の第１及び第２対物レンズ２３、１７の合成光学系に関してシャインプルーフの関係を満足すると共に、ウエハＷ面と受光スリットＲ１〜Ｒ２５とが受光光学系ＲＬ中の第１及び第２対物レンズ２６、３１の合成光学系に関してシャインプルーフの関係を満足することが好ましい。

この実施の形態にかかる投影露光装置によれば、上述の光電検出の方法によりウエハＷのＺ方向における位置を正確に検出することができるため、レチクルＲのパターンをウエハＷ面上に高精度に露光することができる。

上述の実施の形態にかかる投影露光装置では、走査手段として振動ミラーを用いているが、振動ミラーと同様の性能を有する走査手段であれば振動ミラーには限定されない。

以下、上述の実施の形態において、振動ミラーの駆動に同期させて光電変換出力を時系列でサンプリングして空間像を得る際の処理についての補足説明をする。

振動ミラー２１を用いた送光スリットＳ１〜Ｓ２５の走査が時間に対して等速である場合には、サンプリングを等時間隔で行い、時間をスリット走査の位置に換算すれば良い。振動ミラー２１として、回転運動を並進運動に変換するものを用いる場合には、時間に対して非等速であり、送光スリットの走査が単振動の場合と同様な周期運動となる。

このような場合には、十分に細かい等時間隔でサンプリング信号を得た後、以下に示すような計算処理で時間をスリット位置座標系に変換すれば良い。
Ｐ＝Ａ・ｓｉｎ［２π／Ｔ（ｔ−ｔ０）］
但し、
Ｐ：走査位置
Ａ：換算係数
Ｔ：走査周期
ｔ：時間
ｔ０：基準となる振動中心の時間
である。

その後、例えば信号処理系で補間処理を行えば、サンプリング間隔が不等間隔なデータを等間隔なデータに高精度に変換することができ、このデータを用いて本実施の形態の処理を行うことができる。

また、時系列でサンプリングする際に、実際の走査位置に対して等間隔となるように、不等時間隔で信号を検出することも可能である。

以上の通り、本実施の形態では、スリット走査が周期運動であってもその影響を受けずに計測が可能である。

また、上述の実施の形態では、受光スリットの幅を極細としているため、受光素子として一般的なＳＰＤ（シリコンフォトダイオード）などを用いると、受光光量が足りなくなる可能性がある。このような場合には、受光センサ３８の受光素子ＲＳ１〜ＲＳ２５として、高感度ディテクタである、光電子倍増管、ハイブリッドフォトディテクタ、チャンネル型光電子倍増管などを必要な個数だけアレイ状に束ねて用いれば良い。

次に、図面を参照して、この発明の第２の実施の形態にかかる投影露光装置について説明する。なお、第２の実施の形態にかかる投影露光装置は、第１の実施の形態にかかる投影露光装置が備える面位置検出装置２を構成する受光スリットＲ１〜Ｒ２５及び受光センサ３８（受光素子ＲＳ１〜ＲＳ２５）を備えておらず、後述する受光センサ４０（図３１参照）を備えている。また、第２の実施の形態にかかる投影露光装置が備える面位置検出装置は、検出光を分光する直視プリズム４２（図３０参照）を備えている。

上述の点以外の第２の実施の形態にかかる投影露光装置の構成は、第１の実施の形態にかかる投影露光装置の構成と同一である。したがって、第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態にかかる投影露光装置の構成と同一の構成の詳細な説明は省略する。また、第２の実施の形態にかかる投影露光装置の説明においては、第１の実施の形態にかかる投影露光装置と同一の構成には第１の実施の形態で用いたものと同一の符号を付して説明を行なう。

この実施の形態にかかる面位置検出装置は、短波長域から長波長域が含まれる白色光を供給する光源（図示せず）を備えている。また、この実施の形態にかかる面位置検出装置には、図３０に示すように、リレーレンズ３６ａと３６ｂとの間の光路中に分光手段としての直視プリズム４２が配置されている。直視プリズム４２はリレーレンズ３６ａと３６ｂを構成するリレー光学系の瞳位置に配置されるのが望ましい。直視プリズム４２は、入射した検出光（白色光）を短波長傾向の光（第１の波長域の検出光）Ｌ１と長波長傾向の光（第２の波長域の検出光）Ｌ２とに分光する。また、直視プリズム４２は、受光スリットＲ１〜Ｒ２５（受光光学系ＲＬの結像面の所定の領域）を通過した検出光の光束断面に対して２倍以上の光束断面を有する検出光を形成する。

図３１は、受光センサ（検出手段）４０の構成を示す図である。図３１に示すように、受光素子５１ａ，５１ｂ〜７５ａ，７５ｂを備えている。受光素子５１ａ，５１ｂは、受光スリットプリズム３５の入射面（スリット部材）３５ａ上の受光スリットＲ１に対応して配置されており、受光スリットＲ１を通過した検出光を受光し、光電変換する。受光スリット（光透過部）Ｒ１を通過し、直視プリズム４２により分光された検出光のうちの短波長傾向の光Ｌ１は受光素子５１ａに入射し、受光素子（第１光電変換器、第１検出手段）５１ａは短波長傾向の光Ｌ１を受光し、検出する。また、受光スリット（光透過部）Ｒ１を通過し、直視プリズム４２により分光された検出光のうちの長波長傾向の光Ｌ２は受光素子５１ｂに入射し、受光素子（第２光電変換器、第２検出手段）５１ｂは長波長傾向の光Ｌ２を受光し、検出する。即ち、受光素子５１ａ，５１ｂは、受光スリットＲ１を通過し、直視プリズム４２により分光された短波長傾向の光Ｌ１と長波長傾向の光Ｌ２とを同時に検出する。

図示しない制御部は、受光素子５１ａ，５１ｂからの光電変換出力に基づいて、送光スリットＳ１の空間像の光強度分布を求め、この光強度分布に基づいてウエハＷの位置を検出する。例えば、図３２に示すように、短波長傾向の光により形成される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布及び長波長傾向の光により形成される送光スリットＳ１の空間像の光強度分布で計測誤差が生じている場合、波長域の違いによる計測誤差が生じている。したがって、各光強度分布の平均をとることにより計測精度を向上させることができる。また、ウエハＷ表面の状態等により波長に比例して計測ずれが発生する場合には、計測結果の差分から全体にオフセット処理を加えるようにしてもよい。

同様に、受光素子５２ａ，５２ｂ〜７５ａ，７５ｂは、受光スリットＲ２〜Ｒ２５のそれぞれに対応して配置されており、受光スリットＲ２〜Ｒ２５を通過した検出光を受光し、光電変換する。受光素子（第１光電変換器、第１検出手段）５２ａ〜７５ａは、受光スリット（光透過部）Ｒ２〜Ｒ２５を通過し、直視プリズム４２により分光された検出光のうちの短波長傾向の光Ｌ１を受光し、検出する。また、受光素子（第２光電変換器、第２検出手段）５２ｂ〜７５ｂは、受光スリット（光透過部）Ｒ２〜Ｒ２５を通過し、直視プリズム４２により分光された検出光のうちの長波長傾向の光Ｌ２を受光し、検出する。図示しない制御部は、受光素子５１ａ，５１ｂからの光電変換出力と同様に、受光素子５２ａ〜７５ａ，５２ｂ〜７５ｂからの光電変換出力を処理する。

第２の実施の形態にかかる面位置検出装置によれば、直視プリズム４２により分光された短波長傾向の光Ｌ１を検出する受光素子５１ａ〜７５ａと、長波長傾向の光Ｌ２を検出する受光素子５１ｂ〜７５ｂとによる検出結果に基づいて被検面としてのウエハＷの少なくとも一点の位置を検出するため、波長域の違いによる検出誤差の発生を防止することができ、ウエハＷの面位置を正確に検出することができる。

また、直視プリズム４２により受光スリットＲ１〜Ｒ２５を通過した検出光の光束断面に対して２倍以上の光束断面を有する検出光を形成し、分光することができるため、受光スリットＲ１〜Ｒ２５を通過した短波長傾向の光Ｌ１と長波長傾向の光Ｌ２とを隣り合う受光素子５１ａ〜７５ａ，５１ｂ〜７５ｂによりそれぞれ同時に検出することができる。

なお、第２の実施の形態にかかる面位置検出装置においては、分光手段として直視プリズム４２を備えているが、分光手段として回折格子やプリズム等を備えてもよい。また、リレーレンズ３６ａと３６ｂとの間の光路中に直視プリズム４２が配置されているが、受光スリットプリズム３５の入射面３５ａ（受光スリットＲ１〜Ｒ２５）と受光センサ４０との間の光路中に配置されていればよい。

上述の各実施の形態にかかる投影露光装置では、投影光学系を用いてレチクル（マスク）により形成された転写用のパターンを感光性基板（プレート）に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の各実施の形態にかかる投影露光装置を用いて感光性基板としてのプレート等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図３３のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図３３のステップＳ３０１において、１ロットのプレート上に金属膜が蒸着される。次のステップＳ３０２において、１ロットのプレート上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップＳ３０３において、上述の各実施の形態にかかる投影露光装置を用いて、投影露光装置が備える面位置検出装置によりプレート上のフォーカス位置の調整を行ないつつ、マスクのパターンの像が投影光学系を介して、その１ロットのプレート上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップＳ３０４において、１ロットのプレート上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップＳ３０５において、その１ロットのプレート上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスクのパターンに対応する回路パターンが、各プレート上の各ショット領域に形成される。

その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行ない、プレートから複数のデバイスに切断され、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、上述の各実施の形態にかかる走査型投影露光装置を用いて露光を行なっているため、高精度に露光を行なうことができ、良好な半導体デバイスを得ることができる。なお、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０５では、プレート上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、プレート上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。

また、上述の各実施の形態にかかる投影露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図３４のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。まず、図３４において、パターン形成工程Ｓ４０１では、上述の各実施の形態にかかる投影露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィ工程が実行される。この光リソグラフィ工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルタ形成工程Ｓ４０２へ移行する。

次に、カラーフィルタ形成工程Ｓ４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を複数水平走査線方向に配列されたりしたカラーフィルタを形成する。そして、カラーフィルタ形成工程Ｓ４０２の後に、セル組み立て工程Ｓ４０３が実行される。セル組み立て工程Ｓ４０３では、パターン形成工程Ｓ４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルタ形成工程Ｓ４０２にて得られたカラーフィルタ等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。セル組み立て工程Ｓ４０３では、例えば、パターン形成工程Ｓ４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルタ形成工程Ｓ４０２にて得られたカラーフィルタとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。

その後、モジュール組み立て工程Ｓ４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、上述の各実施の形態にかかる投影露光装置を用いて露光を行なっているため、高精度に露光を行なうことができ、良好な液晶表示素子を得ることができる。

第１の実施の形態にかかる露光装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態にかかる送光スリットプリズムの射出面の構成を示す図である。 第１の実施の形態にかかるウエハ面上に形成される送光スリットの像を説明するための図である。 第１の実施の形態にかかる受光スリットプリズムの入射面の構成を示す図である。 第１の実施の形態にかかる受光センサの構成を示す図である。 計測誤差の要因を説明するための図である。 従来の送光スリットと受光スリットの相対位置関係を示す図である。 従来の面位置検出装置において振動ミラーの振動に伴う検出光の光量変化を示すグラフである。 ウエハのフォーカス位置と光量変化との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる送光スリットと受光スリットの相対位置関係を示す図である。 第１の実施の形態にかかる面位置検出装置において振動ミラーの振動に伴う空間像の光強度分布を示すグラフである。 ウエハのフォーカス位置と送光スリットの位置との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる面位置検出装置において振動ミラーの振動に伴う空間像の光強度分布を示すグラフである。 ウエハのフォーカス位置と方向転換点間の間隔の差との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態にかかる面位置検出装置において振動ミラーの振動に伴う空間像の光強度分布を示すグラフである。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 受光スリットとウエハの相対位置関係を示す図である。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 受光スリットとウエハの相対位置関係を示す図である。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 受光スリットとウエハの相対位置関係を示す図である。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 送光スリットとウエハの相対位置関係を示す図である。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 送光スリットとウエハの相対位置関係を示す図である。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 送光スリットとウエハの相対位置関係を示す図である。 空間像の光強度分布を示すグラフである。 第２の実施の形態にかかる直視プリズムの構成を示す図である。 第２の実施の形態にかかる受光センサの構成を示す図である。 第２の実施の形態にかかる面位置検出装置において振動ミラーの振動に伴う空間像の光強度分布を示すグラフである。 この発明の実施の形態にかかるマイクロデバイスとしての半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態にかかるマイクロデバイスとしての液晶表示素子の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

ＩＬ…照明光学系、ＰＬ…投影光学系、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、ＲＳＴ…レチクルステージ、ＷＨ…ウエハホルダ、ＷＴ…ウエハテーブル、ＺＳ…Ｚステージ、ＸＳ…Ｘステージ、ＹＳ…Ｙステージ、２…面位置検出装置、ＳＬ…送光光学系、ＲＬ…受光光学系、１２…送光スリットプリズム、１６，１８，３３…折り曲げミラー、２３，２６…第１対物レンズ、１７，３１…第２対物レンズ、２１…振動ミラー、２４，２５…菱形プリズム、３５…受光スリットプリズム、３６ａ，３６ｂ…リレーレンズ、３８，４０…受光センサ、４２…直視プリズム。

Claims (8)

1. 所定のパターンが形成されたパターン部材の前記所定のパターンを介した光を被検面に斜め方向から照射する送光光学系、および前記被検面によって反射された前記光をもとに前記所定のパターンの空間像を形成する受光光学系を含む結像光学系と、
   前記空間像が形成される位置に配置され、前記光が通過可能な受光スリットを有する受光スリット部材と、
   前記空間像と前記受光スリットとを所定方向に相対的に走査させる走査手段と、
   前記受光スリットを通過した前記光を光電変換する光電変換手段と、
   前記光電変換手段の変換結果に基づき、前記受光スリット上に形成された前記空間像の光強度分布を取得し、該光強度分布に基づいて前記被検面の面位置を検出する検出手段と、を備え、
   前記所定方向に関する前記受光スリットの幅は、前記所定方向に関する前記空間像の幅より細いことを特徴とする面位置検出装置。
2. 前記結像光学系は、スリット状の前記空間像を形成し、
   前記受光スリットの短手方向の幅は、前記空間像の短手方向の幅より細く設定され、
   前記走査手段は、前記空間像と前記受光スリットとを、前記空間像および前記受光スリットの長手方向と異なる方向に相対的に走査させることを特徴とする請求項１に記載の面位置検出装置。
3. 前記走査手段は、前記送光光学系または前記受光光学系内に設けられ、前記所定方向に対応する方向に振動しつつ前記光を反射するミラー素子を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の面位置検出装置。
4. 前記送光光学系は、前記パターン部材のうち前記送光パターンが形成された面と前記被検面とがシャインプルーフの関係を満足するように設けられ、
   前記受光光学系は、前記受光スリット部材のうち前記受光スリットが設けられた面と前記被検面とがシャインプルーフの関係を満足するように設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置検出装置。
5. 所定のパターンを介した光を被検面に斜め方向から照射し、該被検面によって反射された前記光をもとに前記所定のパターンの空間像を形成する空間像形成工程と、
   前記空間像が形成される位置に配置され前記光が通過可能な受光スリットと、前記空間像とを所定方向に相対的に走査させる走査工程と、
   前記受光スリットを通過した前記光を光電変換する光電変換工程と、
   前記光電変換工程の変換結果に基づき、前記受光スリット上に形成された前記空間像の光強度分布を取得し、該光強度分布に基づいて前記被検面の面位置を検出する検出工程と、
   を含み、
   前記所定方向に関する前記受光スリットの幅は、前記所定方向に関する前記空間像の幅より細いことを特徴とする面位置検出方法。
6. 前記空間像形成工程は、スリット状の前記空間像を形成し、
   前記受光スリットの短手方向の幅は、前記空間像の短手方向の幅より細く設定され、
   前記走査工程は、前記空間像と前記受光スリットとを、前記空間像および前記受光スリットの長手方向と異なる方向に相対的に走査させることを特徴とする請求項５に記載の面位置検出方法。
7. 投影光学系を介して感光性基板に露光光を照射する露光装置であって、
   前記投影光学系に対する前記感光性基板の面位置を検出する請求項１〜４のいずれか一項に記載の面位置検出装置を備えることを特徴とする露光装置。
8. 請求項７に記載の露光装置を用いて感光性基板を露光する露光工程と、
   前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

Images