JP2005005329A - Stage apparatus, aligner, and method for manufacturing device - Google Patents

Stage apparatus, aligner, and method for manufacturing device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a variation in height of a stage by an interferometer system and to hold flexibility in disposing a moving mirror, etc. for other interferometer high. <P>SOLUTION: A method for manufacturing a device includes a step of placing a wafer stage 12 movably on a wafer base 14, installing a wafer table 11 for holding a wafer W on the wafer stage 12 via Z-axis actuators 13A, 13B, 13C, and transferring of a pattern of a reticle R on the wafer W via a projection optical system PL. The method also includes a step of installing a prism 20A with its back surface as a reflecting surface at the side face of the wafer table 11, and installing a moving mirror 21X on the prism 20A. The position of an X direction of the wafer table 11 is measured by an X-axis laser interferometer 23X and the moving mirror 21X. A displacement of the prism 20A in a Z direction is measured by a Z-axis laser interferometer 22A, the prism 20A and a fixed mirror 24A for reflecting the laser beam LA reflected upward by the prism 20A in an incident direction and returning the laser beam LA. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高さ方向の変位を計測する機構を備えたステージ装置に関し、例えば半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのリソグラフィ工程で使用される露光装置において、マスク又は基板の移動を行うためのオートフォーカス機構付きのステージ系に使用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等を製造するためのリソグラフィ工程は、感光材料の塗布工程、露光工程、現像工程、及びパターン形成工程等を含み、その露光工程において、マスクとしてのレチクルのパターンを基板としてのレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上の各ショット領域に転写するために、ステッパー等の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、高解像度を得るために投影光学系の開口数が次第に大きくなり、それに応じて焦点深度は次第に狭くなっている。そこで、ウエハ面（ウエハの表面）を予めテストプリント等によって求められている投影光学系の像面に対して焦点深度の幅内で合わせ込んで露光を行うために、投影露光装置にはオートフォーカス機構が備えられている。従来のオートフォーカス機構は、ウエハ面の像面に対する変位、即ちウエハ面の投影光学系の光軸方向（以下、「Ｚ方向」とも言う）の変位を計測するための斜入射方式のオートフォーカスセンサと、ＸＹステージ上でウエハを保持するウエハテーブルのＺ方向の位置を制御する高さ制御機構とから構成されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
最近は、投影光学系に対する負荷をあまり大きくすることなく、大面積の回路パターンをウエハ上に転写するために、スキャニング・ステッパー等の走査露光型の投影露光装置も使用されている。この走査露光型では、走査露光中に連続してサーボ方式でウエハ面を像面に合わせ込むことが望ましい。ところが、斜入射方式のオートフォーカスセンサは計測周期が１０ｍｓｅｃ（周波数で１００Ｈｚ）程度で応答速度が遅いため、走査露光型の投影露光装置に適用した場合には、高さ制御機構によるウエハの位置の変化に対してＺ方向の変位の計測値が十分に追従できてはいなかった。
【０００４】
そこで、ウエハテーブルのＺ方向の変位を高い応答速度で計測するために、ＸＹステージのガイド面に平行にレーザ光を照射し、そのウエハテーブルに設けた傾斜角が４５°のミラーでそのレーザ光を真上に反射し、その上のミラー（固定ミラー）で反射されたレーザ光を参照光と干渉させてＺ方向の変位を計測するようにしたレーザ干渉計方式の計測装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、同じくレーザ干渉計方式の計測装置として、そのウエハテーブルに設けるミラーの傾斜角を０°から４５°の範囲として、そのテーブルから斜め方向にレーザ光を反射し、そのレーザ光を斜めに配置された固定ミラーで反射するようにした計測装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−２５３６０３号公報
【特許文献２】
特表２００１−５１０５７７号公報
【特許文献３】
特開２０００−４９０６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く、レーザ干渉計方式のＺ方向の変位の計測装置は、斜入射方式のオートフォーカスセンサに比べて応答速度を速くすることができる。
しかしながら、従来の計測装置のうち、傾斜角が４５°のミラーを用いる方式では、投影光学系の先端部とその真上に反射されたレーザ光を反射して戻す固定ミラーとの機械的な干渉を避けるために、傾斜角が４５°のミラーを常時できるだけ投影光学系の光軸から離れた位置に配置する必要がある。そのため、ウエハテーブルを大型化する必要があり、ひいてはウエハステージが大型化するという不都合があった。
【０００７】
また、傾斜角が０°から４５°のミラーを用いる方式では、その固定ミラーは投影光学系から離れた位置に配置できるため、ウエハテーブルは小型化することができる。これに関して、ウエハステージには通常、そのウエハステージ（ウエハ）のガイド面上の直交する２方向の位置を計測するためのＸ軸及びＹ軸のレーザ干渉計も設けられており、ウエハを保持するウエハテーブルにはそのＸ軸及びＹ軸のレーザ干渉計用の移動鏡も固定されている。ところが、そのＺ方向の変位計測用の傾斜したミラーを更に設ける場合、その傾斜したミラーはＸ軸又はＹ軸の移動鏡の上に積み重ねることになるか、Ｘ軸又はＹ軸の移動鏡の下に配置するかのいずれかとなる。傾斜したミラーを移動鏡の上に積み重ねた場合、その移動鏡は従来よりも下方に配置する必要がある。この結果、その移動鏡の高さはウエハ面から大きく外れるため、いわゆるアッベ誤差が大きくなり、Ｘ軸又はＹ軸の計測精度が低下する恐れがあった。一方、傾斜したミラーを移動鏡の下に配置した場合、反射したレーザ光がケラれるのを避けるため、傾斜したミラーを移動鏡の反射面より張り出して配置する必要がある。その結果、ウエハテーブルの外形がその傾斜したミラーが張り出した分だけ大型化し、傾斜角が０°から４５°の傾斜ミラーを用いてウエハテーブルを小型化した利点が減殺されてしまう。
【０００８】
本発明は斯かる点に鑑み、干渉計方式でステージの高さの変化を計測できると共に、他の干渉計用の移動鏡等の配置の自由度を高くできるステージ技術を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、投影光学系の光軸に沿った方向のステージの変位を干渉計方式で計測できると共に、他の干渉計用の移動鏡等の配置の自由度を高くでき、そのステージを高精度に移動又は位置決めできる露光技術を提供することを第２の目的とする。
更に本発明は、その露光技術を用いて、高精度にデバイスを製造できるデバイス製造技術を提供することをも目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるステージ装置は、物体（Ｗ）を移動するためのステージ装置において、その物体を保持してガイド面（１４ａ）上を少なくとも一方向に移動するステージ（１１，１２）と、そのステージに計測ビーム（ＬＡ）を照射する第１干渉計（２２Ａ）と、そのステージに設けられ、屈折と反射とを用いてその計測ビームの方向を入射方向に交差する方向に変える屈折光学部材（２０Ａ）と、その屈折光学部材によって方向が変えられた計測ビームをその屈折光学部材に向けて反射する反射部材（２４Ａ）とを有するものである。
【００１０】
斯かる本発明によれば、例えばその反射部材によって反射されて、その屈折光学部材を経てその第１干渉計に戻される計測ビーム（計測用の光ビーム）と所定の参照ビーム（参照用の光ビーム）との干渉光を検出することによって、そのステージのその計測ビームの入射方向に直交する方向（高さ方向）の変位を干渉計方式で計測できる。この場合、その屈折光学部材からその入射方向に対して例えば斜め上方にその計測ビームを射出できるため、その屈折光学部材上に他の干渉計用の移動鏡等の光学部材が配置されていても、その計測ビームはその光学部材によってけられる恐れがなく、その光学部材の配置の自由度を高くできる。
【００１１】
この場合、一例として、その第１干渉計はそのステージにその計測ビームとは異なる参照ビームを照射し、そのステージは、照射されたその参照ビームをその第１干渉計に向けて反射する参照部材（２１Ｘ）を備え、その第１干渉計の検出結果に基づいて、そのステージのその計測ビームの入射方向に交差する方向の変位を求める演算装置（３７）が更に備えられる。この構成によれば、その第１干渉計によって、そのステージの計測ビームの入射方向に直交する方向の変位（高さの変化）のみを計測できる。
【００１２】
また、別の例として、そのステージのその第１干渉計からの計測ビームの光路に沿った方向の位置を検出する第２干渉計（２３Ｘ）と、その第１干渉計の検出結果と、その第２干渉計の検出結果とに基づいて、そのステージのその計測ビームの入射方向に交差する方向の変位を求める演算装置（３７）とを備えてもよい。例えば参照部材（２７）がその第１干渉計内に配置される場合には、そのステージ（屈折光学部材）がその第１干渉計からの計測ビームの光路に沿った方向に変位しても、その第１干渉計で計測される変位が変化する。そこで、その第１干渉計の計測値をその第２干渉計の計測値で補正することによって、そのステージの高さ方向の変位のみを高精度に計測できる。この場合、例えばその第２干渉計用の移動鏡（２１Ｘ）をその第１干渉計用の屈折光学部材（２０Ａ）上に容易に積み重ねることができると共に、この状態でその第１干渉計の計測ビームがけられることもなく、そのステージが大型化することもない。
【００１３】
また、その屈折光学部材は、その計測ビームを屈折させる屈折部（２０Ａ）と、この屈折部によって屈折したその計測ビームを反射する反射面（２０Ａｂ）とを備え、その反射面はそのガイド面に対して実質的に垂直であることが望ましい。これによって、そのガイド面に垂直な方向の変位を高感度に検出できる。
また、その屈折光学部材は、その屈折部の対向する第１面（２０Ａａ）及び第２面（２０Ａｂ）が非平行であると共に、その第１面がその計測ビームの入射面であり、その第２面がその計測ビームのその反射面となるプリズム（２０Ａ）であることが望ましい。プリズムは屈折光学部材として最も構成が簡単であると共に、上辺の幅が底辺の幅よりも広くなるため、そのプリズム上に他の干渉計用の移動鏡等を安定に設置することができ、そのプリズムがその移動鏡の反射面から外側に張り出すこともない。
【００１４】
また、本発明による露光装置は、第１物体（Ｒ）のパターンを投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）上に投影する露光装置において、その第１物体又はその第２物体を保持してガイド面（１４ａ）上を少なくとも一方向に移動するステージ（１１，１２）と、そのステージに計測ビームを照射する第１干渉計（２２Ａ）と、そのステージに設けられ、屈折と反射とを用いてその計測ビームの方向を入射方向と交差する方向に変える屈折光学部材（２０Ａ）と、その屈折光学部材によって方向が変えられた計測ビームをその屈折光学部材に向けて反射する反射部材（２４Ａ）とを有するものである。
【００１５】
斯かる本発明によれば、例えばその第１干渉計に戻される計測ビームと所定の参照ビームとの干渉光を検出することによって、そのステージのその投影光学系の光軸に沿った方向の変位を干渉計方式で計測できる。この場合、その屈折光学部材からその入射方向に対して例えば斜め上方にその計測ビームを射出できるため、そのステージを大型化することなく、その反射部材をその投影光学系から離れた位置に容易に配置することができる。また、その屈折光学部材上に他の干渉計用の移動鏡等の光学部材を配置できるため、その光学部材の配置の自由度を高くできる。
【００１６】
この場合、一例として、その第１干渉計はそのステージにその計測ビームとは異なる参照ビームを照射し、そのステージは、照射されたその参照ビームをその第１干渉計に向けて反射する参照部材（２１Ｘ）を備え、その第１干渉計の検出結果に基づいて、そのステージの投影光学系の光軸に沿った方向の変位を求める演算装置（３７）が更に備えられる。この構成によれば、その第１干渉計によって、そのステージの投影光学系の光軸に沿った方向の変位のみを計測できる。
【００１７】
また、別の例として、そのステージのその第１干渉計からの計測ビームの光路に沿った方向の位置を検出する第２干渉計（２３Ｘ）と、その第１干渉計の検出結果と、その第２干渉計の検出結果とに基づいて、そのステージのその投影光学系の光軸に沿った方向の変位を求める演算装置（３７）とが備えられる。例えば参照部材がその第１干渉計内に配置されるときには、そのステージ（屈折光学部材）がその第１干渉計からの計測ビームの光路に沿った方向（投影光学系の光軸に交差する方向）に変位しても、その第１干渉計で計測される変位が変化する。そこで、その第１干渉計の計測値をその第２干渉計の計測値で補正することによって、そのステージのその投影光学系の光軸に沿った方向の変位のみを高精度に計測できる。この場合、その第２干渉計は、例えばそのステージのガイド面に沿った方向の位置を計測するための干渉計で兼用できると共に、その第２干渉計用の移動鏡（２１Ｘ）をその屈折光学部材上に容易に配置できる。この状態でも、そのステージが大型化することはなく、その第２干渉計の計測精度も高く維持できる。
【００１８】
また、そのステージに関してその第１干渉計（２２Ａ）、その屈折光学部材（２０Ａ）及びその反射部材（２４Ａ）にそれぞれ実質的に対称に配置された第３干渉計（２２Ｂ）、第２屈折光学部材（２０Ｂ）及び第２反射部材（２４Ｂ）を更に有し、その演算装置は、その第１干渉計及びその第３干渉計の検出結果に基づいてそのステージのその投影光学系の光軸に沿った方向の変位を求めることが望ましい。この場合、その第１及び第３干渉計の計測値から求めた光軸に沿った方向の変位の加重平均を求めることによって、そのステージの露光中心での光軸に沿った方向の変位を求めることができる。
【００１９】
また、その露光装置が走査露光型である場合、その第１干渉計及びその第３干渉計は、走査露光時のその第１物体又はその第２物体の走査方向に直交する方向（Ｘ方向）に沿ってそのステージを挟むように配置されることが望ましい。この構成によれば、走査露光中に露光中心とその第１及び第２干渉計との間隔が変化しないため、その露光中心の光軸に沿った方向の変位を高速かつ高精度に計測することができ、例えばオートフォーカス方式で第２物体の表面を投影光学系の像面に安定して合わせ込むことができる。
【００２０】
また、そのステージは、そのガイド面上を移動する可動ステージ（１２）と、その第１物体又はその第２物体を保持すると共にその屈折光学部材が設けられたテーブル（１１）と、その可動ステージに対してそのテーブルをその投影光学系の光軸に沿った方向に駆動する光軸方向駆動装置（１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ）とを備え、その演算装置で求められたそのテーブルのその投影光学系の光軸に沿った方向の変位に基づいて、その光軸方向駆動装置を介してそのテーブルを駆動することが望ましい。
【００２１】
この構成によれば、そのステージがガイド面を移動する可動ステージと、投影光学系の光軸に沿った方向に変位するテーブルとに分離されているため、例えばオートフォーカス方式で容易にそのテーブルを駆動することができる。
また、その第１干渉計を含んでそのステージ（又はテーブル）の６自由度の変位を検出する６軸の干渉計（２２Ａ，２２Ｂ（又は２３Ｃ），２３Ｘ，２３Ａ，２３Ｙ，２３Ｂ）を有することが望ましい。これによって、そのステージ（又はテーブル）の全自由度の変位を干渉計方式で高精度に計測できる。
【００２２】
また、本発明のデバイス製造方法は、本発明の露光装置を用いてデバイスのパターン（Ｒ）を基板（Ｗ）上に転写する工程を含むものである。本発明の適用によって、デバイスを高精度に製造することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例につき図１〜図７を参照して説明する。本例は、ステップ・アンド・スキャン方式よりなる走査露光型の投影露光装置のオートフォーカス機構を備えたウエハステージ系に本発明を適用したものである。
図１は、本例の走査露光型の投影露光装置の概略構成を示し、この図１において、不図示の露光光源として例えばＫｒＦ（波長２４７ｎｍ）又はＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）などのエキシマレーザ光源が使用されている。なお、露光光源としては、Ｆ２ レーザ光源（波長１５７ｎｍ）、Ｋｒ２ レーザ光源（波長１４６ｎｍ）、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波発生装置、又は水銀ランプ（ｉ線等）なども使用することができる。
【００２４】
露光時に不図示の露光光源から発光された露光ビームとしての露光光ＩＬは、コンデンサレンズ１を含む照明光学系を介してマスクとしてのレチクルＲのパターン領域（下面）上の照明領域２Ｒを均一な照度分布で照明する。その照明光学系には、ビーム整形光学系、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ又はホモジナイザ）、開口絞り、固定視野絞り、及び可動視野絞り等も含まれている。照明領域２Ｒは、レチクルＲの走査方向に直交する非走査方向に細長いスリット状の領域である。また、その照明光学系は更に気密室としてのサブチャンバ（不図示）に覆われている。露光光ＩＬに対する透過率を高く維持するために、そのサブチャンバ内には、不純物を高度に除去したドライエアー（露光光がＡｒＦエキシマレーザの場合には窒素ガス、ヘリウムガス等も使用される）よりなるパージガスが供給されている。
【００２５】
露光光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域２Ｒ内のパターンは、両側テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは１／４，１／５等）で、フォトレジストが塗布されたウエハＷ上の一つのショット領域ＳＡ上の露光領域２Ｗに投影される。露光領域２Ｗは、照明領域２Ｒと共役なウエハＷの走査方向に直交する非走査方向に細長い形状である。レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれ本発明の第１物体及び第２物体に対応している。ウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等の直径が２００〜３００ｍｍ程度の円板状の基板である。露光光ＩＬに対する透過率を高く維持するために、投影光学系ＰＬの鏡筒内にも上記のパージガスが供給されている。また、必要に応じて、レチクルＲを含む空間、及び投影光学系ＰＬとウエハＷとの間の局所的な空間にもそのパージガスが供給されている。また、本例の投影露光装置の機構部（露光光源を除く部分）は、箱状の環境チャンバ（不図示）内に収納され、その環境チャンバ内には不純物を除去して温度及び湿度が制御された空気が供給されている。以下、図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面（ＸＹ平面）内で走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向に沿ってＹ軸を取り、非走査方向に沿ってＸ軸を取って説明する。本例ではＸＹ平面はほぼ水平面となっている。
【００２６】
先ず、レチクルＲはレチクルステージ３上に吸着保持され、レチクルステージ３はレチクルベース４上でＹ方向に一定速度で移動すると共に、同期誤差を補正するようにＸ方向、Ｙ方向、Ｚ軸の回りの回転方向に微動して、レチクルＲの走査を行う。レチクルステージ３のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び回転角は、この上に設けられた移動鏡（不図示）及びレチクルステージ駆動系５の一部であるレーザ干渉計によって計測されている。この計測値及び装置全体の動作を統轄制御する主制御系６（図３参照）からの制御情報に基づいて、レチクルステージ駆動系５はレチクルステージ３の位置及び速度を制御する。レチクルＲの周辺部の上方には、レチクルアライメント用のレチクルアライメント顕微鏡（不図示）が配置されている。
【００２７】
一方、ウエハＷは、ウエハホルダ（不図示）を介してウエハテーブル１１上に吸着保持され、ウエハテーブル１１はそれぞれＺ方向に変位可能な３個のＺ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ（図３参照）を介してウエハステージ１２上に保持されている。Ｚ軸アクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃ（光軸方向駆動装置）は、それぞれ例えばウエハテーブル１１に連結された支点を支持する板ばねと、その支点をＺ方向に駆動するボイスコイルモータ（ＶＣＭ）とを含んで構成されている。そして、Ｚ軸アクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃは、図３に示すように、ほぼ正三角形の頂点の位置に配置されており、Ｚ軸アクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃを独立に駆動することで、ウエハステージ１２に対するウエハテーブル１１（ウエハＷ）のＺ方向の位置、Ｘ軸の回りの回転角ωＸ（ピッチング）、及びＹ軸の回りの回転角ωＹ（ローリング）よりなる３自由度の相対変位を制御できるように構成されている。本例において、ウエハテーブル１１及びウエハステージ１２（又は更にＺ軸アクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃを含む部分）が本発明のステージに対応し、ウエハテーブル１１及びウエハステージ１２がそれぞれ本発明のテーブル及び可動ステージ（又はＸＹステージ）に対応する。
【００２８】
ウエハステージ１２は、定盤よりなるウエハベース１４上の平面度の高いガイド面１４ａ（本例ではほぼ水平面である）上に、例えば真空予圧型気体静圧軸受け装置を介して非接触状態で浮上支持されている。そして、ウエハステージ１２は、ウエハベース１４上にＹ方向に一定速度で移動できると共に、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動できるように支持されている。具体的に、ウエハベース１４のガイド面上にＹ軸に平行にＹ軸ガイド部材１５が配置され、ウエハステージ１２の底面の凹部がＹ軸ガイド部材１５に沿ってＹ方向に移動できるように載置されている。そして、Ｙ軸ガイド部材１５の両端部は、それぞれウエハベース１４をＹ方向に挟むようにＸ軸に平行に配置された１対のＸ軸ガイド部材１７Ａ及び１７Ｂに沿って、Ｘ方向に移動自在に支持されている。Ｘ軸ガイド部材１７Ａ及び１７Ｂの両端部は、それぞれウエハベース１４に対して支持部材１８Ａ，１９Ａ及び支持部材１８Ｂ等を介して固定されている。
【００２９】
図２は、本例の投影露光装置の一部を切り欠いた正面図であり、この図２において、ウエハベース１４は、３箇所又は４箇所のアクティブ方式の防振台（図２では防振台３４Ａ，３４Ｂのみが表れている）を介して床上に設置されている。また、ウエハベース１４及びこの上のウエハステージ１２、ウエハテーブル１１を覆うように、門型の基準フレーム３１が配置され、基準フレーム３１は３箇所又は４箇所のアクティブ方式の防振台（図２では防振台３２Ａ，３２Ｂのみが表れている）を介して床上に設置されている。そして、基準フレーム３１の中央部の開口にフランジ部３３を介して投影光学系ＰＬが設置されている。そして、図１のレチクルベース４は、基準フレーム３１上に不図示のコラムを介して設置されている。本例では、ウエハステージ１２のＸ方向、Ｙ方向へのステップ移動によって振動が発生し易いウエハベース１４と、投影光学系ＰＬを支持する基準フレーム３１とが互いに独立に支持されているため、投影光学系ＰＬを常に安定に保持することができる。
【００３０】
図１に戻り、ウエハステージ１２の底面に設けられた可動子と、Ｙ軸ガイド部材１５に設けられた固定子とから、Ｙ軸ガイド部材１５に対してウエハステージ１２をＹ方向に駆動するＹ軸リニアモータ１６Ｙが構成されている。そして、Ｙ軸ガイド部材１５の一端に設けられた可動子と、一方のＸ軸ガイド部材１７Ａに設けられた固定子とから、Ｘ軸ガイド部材１７Ａに対してＹ軸ガイド部材１５をＸ方向に駆動する第１のＸ軸リニアモータ１６ＸＡが構成され、Ｙ軸ガイド部材１５の他端に設けられた可動子と、他方のＸ軸ガイド部材１７Ｂに設けられた固定子とから、Ｘ軸ガイド部材１７Ｂに対してＹ軸ガイド部材１５をＸ方向に駆動する第２のＸ軸リニアモータ１６ＸＢが構成されている。Ｙ軸リニアモータ１６Ｙ及び２軸のＸ軸リニアモータ１６ＸＡ，１６ＸＢによって、ウエハベース１４に対するウエハステージ１２のＸ方向の位置、Ｙ方向の位置、及びＺ軸の回りの回転角ωＺ（ヨーイング）よりなる３自由度の相対変位を制御できる。この結果、本例のウエハテーブル１１（ウエハＷ）は、ウエハベース１４に対して、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及び回転角ωＸ，ωＹ，ωＺよりなる６自由度で駆動することができる。但し、通常は、２軸のＸ軸リニアモータ１６ＸＡ及び１６ＸＢは、Ｙ軸ガイド部材１５がＹ軸に平行な状態でＸ方向に移動するように駆動される。
【００３１】
ウエハステージ１２、Ｚ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、ウエハテーブル１１、Ｙ軸リニアモータ１６Ｙ、及びＸ軸リニアモータ１６ＸＡ，１６ＸＢ等を含んでウエハステージ系が構成されている。そして、本例の３個のＺ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、及び３軸のリニアモータ１６Ｙ，１６ＸＡ，１６ＸＢは、図３のウエハステージ駆動系７によって駆動される。このようにウエハステージ駆動系７が６軸の駆動機構の動作を制御するために、本例の投影露光装置には、ウエハテーブル１１（ウエハＷ）のウエハベース１４に対する６自由度の変位（位置及び回転角の変化）を計測するための計測機構が備えられている。
【００３２】
即ち、図１において、ウエハテーブル１１の−Ｘ方向及び＋Ｘ方向の側面の下方に、それぞれ断面形状が上辺の幅が広い台形状でＹ方向に細長いロッド状のプリズム２０Ａ及び２０Ｂ（屈折光学部材）が同じ高さで固定されている。プリズム２０Ａ及び２０Ｂは、ウエハテーブル１１をＸ方向（ウエハＷの非走査方向）に挟むように対称に固定されている。プリズム２０Ａ及び２０Ｂのウエハテーブル１１に対向する面（背面）は、それぞれ例えばクロム等の高反射率の金属膜が蒸着された反射面とされている。また、ウエハテーブル１１の−Ｘ方向の側面に、プリズム２０Ａの上面に接するようにＹ方向に細長いロッド状のＸ軸の移動鏡２１Ｘが固定され、プリズム２０Ａ，２０Ｂの背面の反射面及び移動鏡２１Ｘの表面の反射面はそれぞれＸ軸にほぼ垂直である。また、プリズム２０Ａ，２０Ｂの背面の反射面は投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行でもあると共に、ガイド面１４ａに対して実質的に垂直でもある。更に、ウエハテーブル１１の＋Ｙ方向の側面に、Ｘ軸の移動鏡２１Ｘと同じ高さでＸ方向に細長いロッド状のＹ軸の移動鏡２１Ｙが固定され、移動鏡２１Ｙの表面の反射面はＹ軸にほぼ垂直である。
【００３３】
また、ウエハテーブル１１のプリズム２０Ａ及び２０Ｂに対向するようにそれぞれ第１及び第２のＺ軸レーザ干渉計２２Ａ及び２２Ｂ（第１及び第３干渉計）が配置され、Ｘ軸の移動鏡２１Ｘに対向するようにＸ軸のレーザ干渉計２３Ｘ（第２干渉計）及びヨーイング計測用のレーザ干渉計２３ＡがＹ方向に所定間隔で配置されている。また、Ｙ軸の移動鏡２１Ｙに対向するように、Ｙ軸レーザ干渉計２３Ｙ及びピッチング計測用のレーザ干渉計２３ＢがＺ方向に所定間隔で配置されている。これらの６軸のレーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂ，２３Ｘ，２３Ａ，２３Ｙ，２３Ｂは全て、図２に示すように投影光学系ＰＬを保持する基準フレーム３１に固定されている。
【００３４】
図１において、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａ及び２２Ｂから射出された計測ビームとしてのレーザビームＬＡ及びＬＢが、それぞれＸ軸に平行に対称にプリズム２０Ａ及び２０Ｂに入射し、プリズム２０Ａ及び２０Ｂの背面の反射面で反射されたレーザビームＬＡ及びＬＢが、それぞれ入射方向に対してほぼ１０°〜５０°程度の角度で斜め上方に向かって固定ミラー２４Ａ及び２４Ｂに垂直に入射する。固定ミラー２４Ａ及び２４Ｂも、図２に示すように投影光学系ＰＬをＸ方向に挟むように基準フレーム３１に固定されている。固定ミラー２４Ａ及び２４Ｂでそれぞれ垂直に入射方向に反射されたレーザビームＬＡ及びＬＢは、プリズム２０Ａ及び２０Ｂに戻り、プリズム２０Ａ及び２０Ｂの背面の反射面で再び反射されたレーザビームＬＡ及びＬＢは、それぞれＸ軸に平行にＺ軸レーザ干渉計２２Ａ及び２２Ｂに戻される。
【００３５】
図２に示すように、第１のＺ軸レーザ干渉計２２Ａは、一例として平均波長が６３３ｎｍ程度（Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合）で互いに異なる周波数の偏光方向が直交する第１及び第２レーザビームを発生するレーザ光源２５と、そのうちの第１レーザビームをレーザビームＬＡ（計測ビーム）として透過して第２レーザビーム（参照ビーム）を反射する偏光ビームスプリッタ２６と、その第２レーザビームを反射するレトロリフレクタ２７（参照部材）と、反射によって戻されて偏光ビームスプリッタ２６で合成された２つのレーザビームの干渉光を受光する光電センサ２８とを備えている。なお、偏光ビームスプリッタ２６の２つのレーザビームの入射出面にはそれぞれ１／４波長板（不図示）が設けられている。その光電センサ２８の出力信号を不図示のカウンタで計数し、その計数値から不図示の参照用のカウンタの計数値を差し引いて、波長に応じた係数を乗ずることで、一方のプリズム２０Ａ（ウエハテーブル１１の−Ｘ方向の端部）のＺ方向及びＸ方向の変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測することができる（詳細後述）。第２のＺ軸レーザ干渉計２２Ｂも同様に構成されており、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ｂによって他方のプリズム２０Ｂ（ウエハテーブル１１の＋Ｘ方向の端部）のＺ方向及びＸ方向の変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測することができる。また、２軸のＺ軸レーザ干渉計２２Ａ及び２２ＢによるＺ方向の変位の計測値の差分を２つのプリズム２０Ａ及び２０Ｂの間隔で除算することにより、ウエハテーブル１１のＹ軸の回りの回転角ωＹ（ローリング）を求めることができる。
【００３６】
なお、本例ではＺ軸レーザ干渉計２２Ａの参照部材としてのレトロリフレクタ２７は、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａ内に設けられているが、その参照部材としてウエハテーブル１１に設けられたＸ軸の移動鏡２１Ｘを用いてもよい。この場合には、プリズム２０ＡがＸ方向に変位してもＺ軸レーザ干渉計２２Ａの計測値が変化しない利点がある。
【００３７】
なお、ウエハテーブル１１がＸ方向に移動すると、プリズム２０Ａ，２０Ｂで反射されるレーザビームＬＡ，ＬＢの位置が斜め方向に変化するため、固定ミラー２４Ａ，２４Ｂの長さは、常にレーザビームＬＡ，ＬＢを反射できる長さに設定されている。この際に、本例ではプリズム２０Ａ，２０ＢからレーザビームＬＡ，ＬＢを斜め上方に反射しているため、ウエハテーブル１１を大型化することなく、投影光学系ＰＬに対して固定ミラー２４Ａ，２４ＢをＸ方向に余裕をもって離して配置することができる。更に、投影光学系ＰＬの先端部によってレーザビームＬＡ，ＬＢが遮光される恐れもない。また、本例の第１のＺ軸レーザ干渉計２２Ａのレーザ光源２５で発生する２つのレーザビームの周波数差は、分解能が０．１ｎｍ程度の場合で１７ＧＨｚ程度である。この結果、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａによって例えば１０ｋＨｚ程度以上の高い応答周波数で、ウエハテーブル１１のＺ方向の変位を計測することができる。これは、第２のＺ軸レーザ干渉計２２Ｂでも同様である。
【００３８】
図１に戻り、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘ及びヨーイング計測用のレーザ干渉計２３Ａからの計測用のレーザビームがＹ方向の間隔δ１でＸ軸に平行に移動鏡２１Ｘに照射され、レーザ干渉計２３Ｘ及び２３Ａはそれぞれ投影光学系ＰＬの側面近傍に固定された参照鏡（不図示）を基準として移動鏡２１ＸのＸ方向の変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測する。そして、レーザ干渉計２３Ｘ及び２３Ａの計測値の差分を間隔δ１で除算することによって、ウエハテーブル１１のＺ軸の回りの回転角ωＺ（ヨーイング）を求めることができる。これと並行して、Ｙ軸レーザ干渉計２３Ｙ及びピッチング計測用のレーザ干渉計２３Ｂからの計測用のレーザビームがＺ方向の間隔δ２でＹ軸に平行に移動鏡２１Ｙに照射され、レーザ干渉計２３Ｙ及び２３Ｂはそれぞれ投影光学系ＰＬの側面近傍に固定された参照鏡（不図示）を基準として移動鏡２１ＹのＹ方向の変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測する。そして、レーザ干渉計２３Ｙ及び２３Ｂの計測値の差分を間隔δ２で除算することによって、ウエハテーブル１１のＸ軸の回りの回転角ωＸ（ピッチング）を求めることができる。この結果、本例の６軸のレーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂ，２３Ｘ，２３Ａ，２３Ｙ，２３Ｂによって、ウエハベース１４に対するウエハテーブル１１のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及び回転角ωＸ，ωＹ，ωＺよりなる６自由度の変位を計測することができる。
【００３９】
この場合、図１において、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘ及びＹ軸レーザ干渉計２３Ｙからのレーザビームは、それぞれ投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ（露光中心）を通過しており、ウエハテーブル１１のヨーイングが発生しても殆どアッベ誤差が発生することがなく、ウエハテーブル１１（ウエハＷ）のＸ方向、Ｙ方向の位置を常に高精度に計測することができる。
【００４０】
また、図２において、最近の投影光学系ＰＬの開口数（ＮＡ）はかなり大きいため、投影光学系ＰＬとウエハＷとの間隔（ワーキングディスタンス）は狭くなっている。そのため、ウエハテーブル１１の側面に固定する移動鏡等の上面の高さは、ほぼウエハＷの表面と同程度か又は僅かに高い程度にする必要がある。
これに関して、本例ではプリズム２０Ａの上部の幅が底部の幅よりも広いため、その上に安定に、かつレーザビームＬＡのケラレの恐れなく、移動鏡２１Ｘを積み重ねることができる。従って、移動鏡２１Ｘの上面を例えばウエハＷの表面よりも僅かに高く設定して、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘからのレーザビームの高さをほぼウエハＷの表面の高さに合わせることができる。更に、プリズム２０Ａが移動鏡２１Ｘの反射面から外側に張り出すこともない。また、移動鏡２１Ｙに関しては、プリズム等を積み重ねる必要がないため、その上面の高さはウエハＷの表面よりも僅かに高い程度、即ち本例では移動鏡２１Ｘと同じ高さに設定されている。このため、ウエハテーブル１１のローリング及びピッチングが生じても殆どアッベ誤差が発生することがなく、ウエハテーブル１１（ウエハＷ）のＸ方向、Ｙ方向の位置を常に高精度に計測することができる。なお、本例において、移動鏡２１Ｘ及び２１Ｙの上面をウエハＷの表面と同じ高さに設定することも可能である。この場合でも発生するアッベ誤差は僅かであるが、そのアッベ誤差をより完全に補正するためには、レーザ干渉計２３Ｘ，２３Ｙからのレーザビームの高さとウエハＷの表面との高さのずれ（Ｚ方向のずれ）ΔＨを求めておき、ウエハテーブル１１の回転角ωＸ及びωＹ（ｒａｄ）の計測値とその高さのずれΔＨとの積を用いて、レーザ干渉計２３Ｘ及び２３Ｙの計測値を補正すればよい。
【００４１】
また、図１の投影露光装置では、ウエハＷの表面（ウエハ面）の投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を計測するために、投影光学系ＰＬの下部側面にそのウエハ面上の露光領域２Ｗを含む計測領域に３個以上の複数のスリット像を斜めに投影する投射光学系２９Ａと、そのウエハ面からの反射光を受光してそれらのスリット像を再結像して、それらの横ずれ量に応じた検出信号を生成する受光光学系２９Ｂとを含む斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（２９Ａ，２９Ｂ）が配置されている。なお、斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサのより詳細な構成については、例えば特開平１−２５３６０３号公報に開示されている。受光光学系２９Ｂの検出信号は、図３のウエハステージ駆動系７中のデフォーカス量演算部４０に供給される。この場合、例えばウエハＷのＺ方向の位置を種々に変えてテストプリントを行って、露光領域２Ｗ内の３点以上の点でそれぞれベストフォーカス位置を求めることによって、予め上記の複数のスリット像の投影点がそれぞれベストフォーカス位置（像面）にあるときに、対応する検出信号が所定レベル（例えば０）となるように、オフセット調整が行われている。そして、デフォーカス量演算部４０では、その供給された検出信号を用いて、ウエハ面の露光領域２Ｗにおける平均的な面のＺ方向の位置ΔＦＺと、Ｘ軸及びＹ軸の回りの傾斜角ΔωＸ，ΔωＹとを算出する。これらの値ΔＦＺ，ΔωＸ，ΔωＹが、その露光領域２Ｗにおけるウエハ面の像面に対する位置及び傾斜角のデフォーカス量となる。
【００４２】
従って、走査露光中に、オートフォーカス（ここではオートレベリングを含む）方式でウエハ面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込むためには、原理的にはその像面に対するデフォーカス量（ΔＦＺ，ΔωＸ，ΔωＹ）がそれぞれ０になるようにＺ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを駆動すればよい。しかしながら、オートフォーカスセンサ（２９Ａ，２９Ｂ）の計測値のサンプリング周期は１０ｍｓｅｃ（周波数で１００Ｈｚ）程度と遅いため、ウエハＷの走査速度をあまり高めることができない。そこで、本例では、オートフォーカスセンサ（２９Ａ，２９Ｂ）の計測値は、像面に対するデフォーカス量を定期的にモニタするために使用して、そのモニタ間の期間中では、応答周波数が１０ｋＨｚ程度以上とほぼ１００倍の上記のＺ軸レーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂの計測値を用いてサーボ方式でＺ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを駆動するものとする。これによって、ウエハＷの走査速度を速くしても、ウエハ面を像面に高精度に合わせ込むことができ、常に高い解像度でレチクルＲのパターン像をウエハＷ上に露光することができる。
【００４３】
図３は、ウエハステージ駆動系７の構成例を示している。なお、ウエハステージ駆動系７の大部分の要素は、コンピュータのソフトウェア上で実行される機能である。図３において、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘ及びＹ軸レーザ干渉計２３Ｙの計測値Ｘ及びＹは、主制御系６及びリニアモータ駆動部３６に供給されている。また、レーザ干渉計２３Ｘ及び２３Ａの計測値は回転角演算部３５Ａに供給され、回転角演算部３５Ａで求められるウエハテーブル１１の回転角ωＺ（ヨーイング）は主制御系６及びリニアモータ駆動部３６に供給される。リニアモータ駆動部３６は、計測値Ｘ，Ｙ及び回転角ωＺ、並びに主制御系６からの制御情報（ウエハステージ１２の目標速度等）に基づいて、図１のＹ軸リニアモータ１６Ｙ及びＸ軸リニアモータ１６ＸＡ，１６ＸＢを駆動する。
【００４４】
また、レーザ干渉計２３Ｙ及び２３Ｂの計測値は回転角演算部３５Ｂに供給され、回転角演算部３５Ｂで求められるウエハテーブル１１の回転角ωＸ（ピッチング）は第１サーボデータ部３９Ａに供給される。更に、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘの計測値Ｘ、及び２軸のＺ軸レーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂの計測値（図２のプリズム２０Ａ，２０ＢのＸ方向及びＺ方向への変位の関数）は、Ｚ位置演算部３７に供給され、Ｚ位置演算部３７は、それらの計測値に基づいてプリズム２０Ａ及び２０ＢのＺ方向への変位Ｚ１，Ｚ２を求める（詳細後述）。これらの変位Ｚ１，Ｚ２は、加重平均部３８Ａ及び回転角演算部３８Ｂに供給され、加重平均部３８Ａでは、それらの変位Ｚ１及びＺ２の加重平均によってウエハＷの露光中心（光軸ＡＸ）でのＺ方向への変位（これもＺで表す）を算出する。Ｚ位置演算部３７、加重平均部３８Ａ、及び回転角演算部３８Ｂが光軸に沿った方向の変位を求めるための演算装置に対応している。
【００４５】
図２において、プリズム２０Ａ及び２０ＢのＸ方向の間隔ＬＸは予め知られており、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘの計測値から図３の加重平均部３８Ａは、一方のプリズム２０Ａと光軸ＡＸとのＸ方向の間隔ＬＸ１及び他方のプリズム２０Ｂと光軸ＡＸとのＸ方向の間隔ＬＸ２を求める（ＬＸ＝ＬＸ１＋ＬＸ２）。そして、加重平均部３８Ａは、次のような加重平均によってウエハテーブル１１の露光中心でのＺ方向への変位（Ｚ）を算出する。
【００４６】

Figure 2005005329
また、回転角演算部３８Ｂは、次のように変位Ｚ１，Ｚ２の差分を間隔ＬＸで除算して、ウエハテーブル１１のＹ軸の回りの回転角ωＹ（ローリング）（ｒａｄ）を算出する。
【００４７】
ωＹ＝（Ｚ２−Ｚ１）／ＬＸ …（Ａ２）
このように算出された変位Ｚ及び回転角ωＹはそれぞれ図３の第２及び第３サーボデータ部３９Ｂ及び３９Ｃに供給される。更に、デフォーカス量演算部４０で求められた上記のデフォーカス量（ΔＦＺ，ΔωＸ，ΔωＹ）がそれぞれサーボデータ部３９Ｂ，３９Ａ，３９Ｃのプリセット部に供給され、この供給のタイミングでサーボデータ部３９Ｂ〜３９Ｃの出力データは、それぞれウエハ面のＺ方向へのデフォーカス量ΔＦＺ、Ｘ軸の回りの回転角のデフォーカス量ΔωＸ、及びＹ軸の回りの回転角のデフォーカス量ΔωＹにプリセットされる。その後、サーボデータ部３９Ｂ，３９Ａ，３９Ｃの出力データは、入力される（Ａ１）式の変位Ｚ、回転角ωＸ、及び（Ａ２）式の回転角ωＹの増減に応じて増減する。サーボデータ部３９Ａ〜３９Ｃの出力データはＺ軸アクチュエータ駆動部４１に供給され、Ｚ軸アクチュエータ駆動部４１は、サーボデータ部３９Ａ〜３９Ｃの出力データがそれぞれ０になるようにＺ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを駆動する。本例では、図１のオートフォーカスセンサ（２９Ａ，２９Ｂ）、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂ、レーザ干渉計２３Ｘ，２３Ｙ，２３Ｂ、プリズム２０Ａ，２０Ｂ、移動鏡２１Ｘ，２１Ｙ、固定ミラー２４Ａ，２４Ｂ、図２のＺ軸アクチュエータ１３Ａ〜１３Ｃ、及び図３のウエハステージ駆動系７より、ウエハステージ系用のオートフォーカス機構が構成されている。
【００４８】
本例の投影露光装置の走査露光時には、図１のスリット状の照明領域２Ｒに露光光ＩＬを照射した状態で、レチクルステージ３及びウエハステージ１２を駆動して、レチクルＲとウエハＷ上の一つのショット領域ＳＡとをＹ方向に同期走査する動作と、ウエハステージ１２を駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。この動作によって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。そして、レチクルＲとウエハＷとをＹ方向に同期走査している期間には、上記のようにオートフォーカスセンサ（２９Ａ，２９Ｂ）の計測値と、レーザ干渉計２３Ｙ，２３Ｂ及びＺ軸レーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂの計測値とに基づいて、Ｚ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃをサーボ方式で駆動することによって、ウエハ面が投影光学系ＰＬの像面にオートフォーカス方式で連続して合わせ込まれている。従って、ウエハ面にそれまでのプロセスによって段差等が形成されている場合にも、ウエハ面にレチクルＲのパターン像を常に高い解像度で転写することができる。
【００４９】
この際に、オートフォーカスセンサ（２９Ａ，２９Ｂ）の検出信号を処理する図３のデフォーカス量演算部４０によるデフォーカス量（ΔＦＺ，ΔωＸ，ΔωＹ）の更新は、例えば１００Ｈｚ程度の遅い周波数で行われるのに対して、レーザ干渉計２３Ｙ，２３Ｂ及びＺ軸レーザ干渉計２２Ａ，２２Ｂの計測値に基づく変位Ｚ、及び回転角ωＸ，ωＹ（サーボデータ部３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃの出力データ）の更新は１０ｋＨｚ程度の高い周波数で行われる。従って、Ｚ軸アクチュエータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの動作によるウエハテーブル１１（ウエハＷ）のＺ方向の位置及び回転角ωＸ，ωＹの変化が高い追従速度でフィードバックされるため、オートフォーカス方式で高精度にウエハ面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込んだ状態で、走査露光を行うことができる。
【００５０】
また、本例では、図１に示すように、２台のＺ軸レーザ干渉計２２Ａ及び２２Ｂがウエハテーブル１１（ウエハＷ）を走査露光時の走査方向（Ｙ方向）に直交する非走査方向に挟むように配置されている。従って、走査露光中には、プリズム２０Ａ，２０Ｂが殆どＸ方向に変位することがなく、図２のプリズム２０Ａ及び２０Ｂと露光中心（光軸ＡＸ）との間隔ＬＸ１，ＬＸ２が実質的に変化しないため、（Ａ１）式に基づいて高速かつ高精度にウエハテーブル１１の露光中心でのＺ方向の変位を計測することができる。
【００５１】
次に、図２の第１のＺ軸レーザ干渉計２２Ａによるプリズム２０Ａ（ウエハテーブル１１の端部）のＺ方向の変位の計測原理につき、図４〜図７を参照して説明する。
図４は、図２のプリズム２０Ａを示す拡大図であり、この図４において、プリズム２０Ａの屈折率をｎＧ 、その周囲の気体（本例では空気）の屈折率をｎＡ とする。また、屈折部としてのプリズム２０Ａの入射面（屈折面）２０Ａａと、その背面の反射面２０Ａｂとがなす角度をプリズムの屈折面の倒れ角θＰ と呼ぶと、プリズム２０Ａに入射するレーザビームＬＡの入射面２０Ａａでの入射角はθＰ となる。また、プリズム２０Ａ内でのレーザビームＬＡの入射方向（Ｘ軸）に対する傾き角をｋＰ として、反射面２０Ａｂで反射されて入射面２０Ａａで再び屈折して外部に射出されるレーザビームＬＡの入射方向に対する傾き角（仰角）をｋとする。このとき、入射面２０ＡａにおけるレーザビームＬＡの入射点Ｐ１及び射出点Ｐ２においてスネルの法則を適用することよって、次の関係が得られる。
【００５２】
ｎＡ ｓｉｎ θＰ ＝ｎＧ ｓｉｎ（θＰ −ｋＰ ） …（１）
ｎＡ ｓｉｎ（θＰ ＋ｋ）＝ｎＧ ｓｉｎ（θＰ ＋ｋＰ ） …（２）
従って、プリズム２０Ａから屈折、反射、及び屈折によって射出されるレーザビームＬＡの傾き角ｋは、次のように表すことができる。
【００５３】
【数１】
Figure 2005005329
【００５４】
レーザビームＬＡの波長を６３３ｎｍ、プリズム２０Ａの光学材料をＢＫ７とすると、プリズム２０Ａの空気に対する相対屈折率ｎＧ ／ｎＡ は次のようになる。
ｎＧ ／ｎＡ ＝１．５１４
このとき、（１）式から求めた傾き角ｋＰ を（３）式に代入することによって、射出されるレーザビームＬＡの傾き角ｋは、プリズム２０Ａの屈折面の倒れ角θＰ の関数として図６のようになる。図６において、横軸は倒れ角θＰ （ｄｅｇ）、縦軸は傾き角（仰角）ｋ（ｄｅｇ）である。図６の場合、プリズム２０ＡにおけるレーザビームＬＡの臨界角は約６０°であり、プリズム２０Ａの倒れ角θＰ の調整によるレーザビームＬＡの傾き角ｋの調整可能範囲は０〜６０°程度である。この場合、傾き角ｋが小さい方が、図２から分かるように固定ミラー２４Ａ，２４Ｂを投影光学系ＰＬから離して配置することが可能である。その一方で、傾き角ｋが大きい方が、次に説明するようにプリズム２０ＡのＺ方向の変位に対するレーザビームＬＡの光路長の変化が大きくなって、Ｚ方向の変位の検出感度が向上する。そこで、本例では、一例としてレーザビームＬＡの傾き角ｋをその調整可能範囲の中央である３０°程度に設定する。図６の場合、このときのプリズム２０Ａの倒れ角θＰ は約２３°である。これによって、固定ミラー２４Ａ，２４Ｂを投影光学系ＰＬから比較的離して配置できると共に、Ｚ方向の変位の検出感度も比較的高く維持される。なお、特に検出感度を高めたい場合には、傾き角ｋを３０〜５０°程度にしてもよく、固定ミラー２４Ａ，２４Ｂを更に投影光学系ＰＬから離したい場合には、傾き角ｋを１０〜３０°程度に設定してもよい。
【００５５】
次に、本例の検出感度について説明する。先ず、図５（Ａ）の位置Ｐ３で示すように、図２のプリズム２０Ａ（屈折面の倒れ角をθＰ とする）がＺ方向にΔｚだけ変位した場合の、レーザビームＬＡの往路（固定ミラー２４Ａに入射するまでの光路）の光路長の変化ΔＬを計算する。この場合、レーザビームＬＡの光路は２点鎖線で示す光路ＬＡ１に変化する。そして、レーザビームＬＡがプリズム２０Ａに入射する前の光路の長さの変化（Δｚと同じ符号）をΔＬ１とすると、その変化ΔＬ１に基づく光路長の変化ΔＬＭ１は次のようになる。但し、図４と同様に、プリズム２０Ａの屈折率をｎＧ 、その周囲の空気の屈折率をｎＡ 、プリズム２０Ａ内でのレーザビームＬＡの入射方向（Ｘ軸）に対する傾き角をｋＰ 、入射面で再び屈折して外部に射出されるレーザビームＬＡの入射方向に対する傾き角（仰角）をｋとする。
【００５６】
ΔＬＭ１＝ｎＡ ΔＬ１＝ｎＡ Δｚ ｔａｎθＰ …（４）
次に、プリズム２０Ａ内部でのレーザビームＬＡの光路の長さの変化を−ΔＬ２（Δｚと逆符号）とすると、その変化−ΔＬ２に基づく光路長の変化ΔＬＭ２は次のようになる。
【００５７】
【数２】
Figure 2005005329
【００５８】
次に、プリズム２０Ａから射出された後のレーザビームＬＡの光路の変化をΔＬ３（Δｚと同じ符号）とすると、その変化ΔＬ３に基づく光路長の変化ΔＬＭ３は次のようになる。
【００５９】
【数３】
Figure 2005005329
【００６０】
上記の光路長の変化ΔＬＭ１，ΔＬＭ２，ΔＬＭ３の和が次のように往路の全光路長の変化ΔＬとなる。
ΔＬ＝ΔＬＭ１＋ΔＬＭ２＋ΔＬＭ３
また、その全光路長の変化ΔＬをＺ方向の変位Δｚで除算した値ΔＬ／Δｚが、図２のＺ軸レーザ干渉計２２Ａのプリズム２０Ａ（ウエハテーブル１１）のＺ方向の変位に対する検出感度となる。その検出感度は（４）〜（６）式を用いると次のように表される。
【００６１】
【数４】
Figure 2005005329
【００６２】
実際には、図５（Ａ）の固定ミラー２４Ａで反射された復路のレーザビームＬＡの光路長も同じ量だけ変化するため、検出感度は（７）式の２倍になる。そして、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａによって計測される長さの変化を（７）式の検出感度ΔＬ／Δｚで除算することによって、プリズム２０ＡのＺ方向への変位Ｚ１が求められる。なお、ここではプリズム２０ＡのＸ方向への変位は０であるとしている。この演算は、図３のＺ位置演算部３７において実行される。
【００６３】
図７の曲線は、（７）式、（１）式及び（３）式に基づいて、射出されるレーザビームＬＡの傾き角ｋ（ｄｅｇ）と検出感度ΔＬ／Δｚの絶対値との関係を表している。この場合にも、プリズム２０Ａの空気に対する相対屈折率ｎＧ ／ｎＡ を１．５１４としている。図７から分かるように、検出感度ΔＬ／Δｚの絶対値は、傾き角ｋが９０°のときに最大値（＝１）となり、傾き角ｋが小さくなるに従って次第に小さくなる。また、本例のように傾き角ｋを約３０°にしたときの検出感度の絶対値はほぼ０．５となり、Ｚ方向の変位Δｚに対してレーザビームＬＡの往路の光路長の変化がほぼ０．５Δｚとなる。
【００６４】
なお、図２において、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａの参照部材としてＸ軸の移動鏡２１Ｘを用いる場合には、プリズム２０ＡがＸ方向に変位しても、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａの計測値のみを用いて、プリズム２２ＡのＺ方向の変位を正確に計測できる。
これに対して、図２から分かるように、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａ内に参照部材としてのレトロリフレクタ２７を設けた場合には、プリズム２０ＡのＺ方向の変位のみならず、プリズム２０Ａ（ウエハテーブル１１）のＸ方向の変位によっても光路長が変化するため、プリズム２０ＡのＸ方向の変位による光路長の変化分を、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘによって計測される移動鏡２１Ｘ（ウエハテーブル１１）のＸ方向の変位で補正する必要がある。
【００６５】
図５（Ｂ）は、図２のプリズム２０Ａ（屈折面の倒れ角θＰ ）がＸ方向にΔｘだけ変位して位置Ｐ４に達した場合に、レーザビームＬＡの光路が２点鎖線で示す光路ＬＡ２に変化した状態を示し、この図５（Ｂ）において、レーザビームＬＡがプリズム２０Ａに入射する前の光路の長さの変化ΔＬ４はΔｘそのものである。また、レーザビームＬＡのプリズム２０Ａ内での光路長は同じであり、プリズム２０Ａから射出されるレーザビームＬＡの光路の長さの変化ΔＬ５は、レーザビームＬＡの傾き角ｋを用いて次のように表すことができる。
【００６６】
ΔＬ５＝Δｘ ｃｏｓｋ …（８）
従って、プリズム２０Ａの変位Δｘに伴う、レーザビームＬＡの往路での光路長の変化ΔＬ（Δｘ）は次のようになる。
Figure 2005005329
本例では、プリズム２０Ａ（ウエハテーブル１１）のＸ方向への変位Δｘは、図２のＸ軸レーザ干渉計２３Ｘによって常時計測されているため、この計測値（Δｘ）も図３のＺ位置演算部３７に供給されている。そこで、Ｚ位置演算部３７では、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａの計測値から、（９）式に基づいてＸ軸レーザ干渉計２３Ｘの計測値の（１＋ ｃｏｓｋ）倍を差し引いた後の計測値を（７）式の検出感度ΔＬ／Δｚで除算することによって、プリズム２０ＡのＺ方向への変位Ｚ１を求める。これによって、プリズム２０ＡがＸ方向に変位している場合でも、プリズム２０ＡのＺ方向への変位Ｚ１のみを高精度に検出することができる。
【００６７】
また、図２の第２のＺ軸レーザ干渉計２２Ｂにおいても、同様にその計測値から（７）式に基づいてプリズム２０ＢのＺ方向への変位Ｚ２を求めることができる。但し、Ｘ軸レーザ干渉計２３ＸとＺ軸レーザ干渉計２２Ｂとは、レーザビームの光路長の増減が逆であるため、プリズム２０ＢのＸ方向への変位Δｘを補正するためには、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ｂの計測値に、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘの計測値の（１＋ ｃｏｓｋ）倍を加算した後の計測値を（７）式の検出感度ΔＬ／Δｚで除算する必要がある。
【００６８】
次に、本発明の実施形態の他の例につき図８を参照して説明する。本例は、Ｚ軸レーザ干渉計を１台としたものであり、図８において図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
図８は、本例の投影露光装置の概略構成を示し、この図８において、ウエハテーブル１１の−Ｘ方向の端部にはプリズム２０Ａが固定され、その上にＸ軸の移動鏡２１Ｘが積み重ねるように固定され、ウエハテーブル１１の＋Ｙ方向の端部には移動鏡２１Ｘと同じ高さでＹ軸の移動鏡２１Ｙが固定されている。そして、プリズム２０Ａに対向するようにＺ軸レーザ干渉計２２Ａが配置され、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａから射出された後、プリズム２０Ａで屈折、反射、及び屈折されて斜め上方に射出されたレーザビームＬＡが垂直に入射するように、固定ミラー２４Ａが投影光学系ＰＬから離れて配置されている。固定ミラー２４Ａで反射されたレーザビームＬＡは、入射時の光路を逆に進んでＺ軸レーザ干渉計２２Ａに戻る。
【００６９】
また、Ｘ軸の移動鏡２１Ｘに対向するようにＸ軸レーザ干渉計２３Ｘ、ヨーイング計測用のレーザ干渉計２３Ａ、及びローリング計測用のレーザ干渉計２３Ｃが配置され、レーザ干渉計２３Ｘ及び２３ＡからはＹ方向に間隔δ１でレーザビームが移動鏡２１Ｘに照射され、レーザ干渉計２３ＣからはＸ軸レーザ干渉計２３Ｘから射出されるレーザビームに対してＺ方向に間隔δ３で、Ｘ軸に平行に計測用のレーザビームが移動鏡２１Ｘに照射されている。レーザ干渉計２３Ｃは、移動鏡２１Ｘで反射されたレーザビームを不図示の投影光学系ＰＬの側面の参照鏡で反射されたレーザビームと干渉させることによって、移動鏡２１ＸのＸ方向への変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測する。レーザ干渉計２３Ｘ及び２３Ａも同様に移動鏡２１ＸのＸ方向への変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測し、それらの計測値の差分を間隔δ１で除算することによって、ウエハテーブル１１のＺ軸の回りの回転角ωＺ（ヨーイング）が求められる。更に本例では、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘの計測値とレーザ干渉計２３Ｃの計測値との差分を間隔δ３で除算することによって、ウエハテーブル１１（ウエハＷ）のＹ軸の回りの回転角ωＹ（ローリング）を求める。
【００７０】
また、Ｙ軸の移動鏡２１Ｙに対向するようにＹ軸レーザ干渉計２３Ｙ及びピッチング計測用のレーザ干渉計２３Ｂが配置され、レーザ干渉計２３Ｙ及び２３ＢからはＺ方向に間隔δ２でレーザビームが移動鏡２１Ｙに照射される。レーザ干渉計２３Ｙ及び２３Ｂは移動鏡２１ＹのＹ方向への変位を１〜０．１ｎｍ程度の分解能で計測する。それらの計測値の差分を間隔δ２で除算することによって、ウエハテーブル１１のＸ軸の回りの回転角ωＸ（ピッチング）が求められる。本例では、図１の実施形態で設けられていた第２のＺ軸レーザ干渉計２２Ｂ及びこれに付随するプリズムや固定ミラーは設けられていない。これ以外の構成は、第１の実施形態と同様である。
【００７１】
本例においては、５軸のレーザ干渉計２３Ｘ，２３Ｙ，２３Ａ，２３Ｂ，及び２３Ｃによって、ウエハベース１４に対するウエハテーブル１１（ウエハＷ）のＸ方向、Ｙ方向の位置、及び回転角ωＸ，ωＹ，ωＺよりなる５自由度の変位が計測されている。また、Ｚ軸レーザ干渉計２２Ａの計測値から、Ｘ軸レーザ干渉計２３Ｘで計測されるプリズム２０ＡのＸ方向への変位に基づく計測値を差し引いた計測値を、上記の（７）式の検出感度で除算することによって、プリズム２０Ａ（ウエハテーブル１１）のＺ方向への変位Ｚ１を求めることができる。この場合、より正確に露光中心（光軸ＡＸ）におけるウエハテーブル１１のＺ方向への変位（これもＺとする）を求めるには、上記の回転角ωＹと図２のプリズム２０Ａと光軸ＡＸとのＸ方向の間隔ＬＸ１とを用いて、次のような補正計算を行えばよい。
【００７２】
Ｚ＝Ｚ１＋ＬＸ１・ωＹ …（１０）
このように本例においても、ウエハテーブル１１の６自由度の変位を計測することができる。
また、本例のＺ軸レーザ干渉計２２Ａも、ウエハテーブル１１（ウエハＷ）に対して非走査方向（Ｘ方向）からＺ方向の変位を計測している。そのため、走査露光中にはプリズム２０ＡはＸ方向には殆ど変位しないため、（１０）式中の間隔ＬＸ１もほぼ一定である。従って、高速かつ高精度にウエハテーブル１１の露光中心でのＺ方向の変位を計測できる。
【００７３】
なお、上記の実施形態では、反射光学部材としてプリズム２０Ａ，２０Ｂが使用されているが、反射光学部材としては、プリズム（屈折部材）とミラー（反射部材）とを組み合わせた光学系なども使用することができる。
また、上記の実施形態では、ウエハステージ１２（ウエハテーブル１１）の投影光学系ＰＬの光軸に沿った方向（Ｚ方向）の変位を計測するために本発明を適用しているが、本発明は、例えば図１のレチクルステージ３（レチクルＲ）の投影光学系ＰＬの光軸に沿った方向の変位を計測する場合にも適用することができる。
【００７４】
なお、上記の実施の形態の投影露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージ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）をすることにより製造することができる。なお、その投影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。
【００７５】
また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。
【００７６】
なお、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、一括露光型の投影露光装置において、ウエハステージ（ウエハ）やレチクルステージ（レチクル）の投影光学系の光軸に沿った方向への変位を計測する場合にも同様に適用することができる。また、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【００７７】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、光ビームの入射方向に交差する方向（高さ方向）、又は投影光学系の光軸に沿った方向のステージの変位を干渉計方式で計測することができる。また、屈折光学部材の上に他の移動鏡等の光学部材を配置しても、その光学部材による屈折光学部材からの光ビームのケラレの恐れがないため、その光学部材の配置の自由度を高くすることができる。
【００７９】
また、投影光学系を備えた場合には、ステージを大型化することなく、光ビームを反射するための反射部材をその投影光学系から容易に離して配置することができる。
また、本発明の露光装置において、光軸方向駆動装置を有する場合には、干渉計方式で計測されるテーブルの投影光学系の光軸に沿った方向の変位に基づいて、例えばオートフォーカス方式でそのテーブルの位置を制御することによって、第１物体のパターン像を高精度に第２物体上に転写できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例の投影露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の投影露光装置を示す一部を切り欠いた正面図である。
【図３】図１の投影露光装置のステージ駆動系の構成を示すブロック図である。
【図４】図２のプリズム２０Ａを示す拡大図である。
【図５】（Ａ）はプリズム２０ＡをＺ方向に変位させた場合を示す図、（Ｂ）はプリズム２０ＡをＸ方向に変位させた場合を示す図である。
【図６】図４におけるプリズム２０Ａの屈折面の倒れ角とプリズム２０Ａから射出されるレーザビームの傾き角との関係の一例を示す図である。
【図７】図５（Ａ）におけるレーザビームの傾き角とＺ方向への変位の検出感度との関係の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態の他の例の投影露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、６…主制御系、７…ウエハステージ駆動系、１１…ウエハテーブル、１２…ウエハステージ、１３Ａ〜１３Ｃ…Ｚ軸アクチュエータ、１４…ウエハベース、２０Ａ，２０Ｂ…プリズム、２１Ｘ，２１Ｙ…移動鏡、２２Ａ，２２Ｂ…Ｚ軸レーザ干渉計、２３Ｘ…Ｘ軸レーザ干渉計、２３Ｙ…Ｙ軸レーザ干渉計、２４Ａ，２４Ｂ…固定ミラー、３１…基準フレーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stage apparatus having a mechanism for measuring a displacement in a height direction, and is used in a lithography process for manufacturing various devices such as a semiconductor element, an imaging element, a liquid crystal display element, or a thin film magnetic head. The exposure apparatus is suitable for use in a stage system with an autofocus mechanism for moving a mask or a substrate.
[0002]
[Prior art]
The lithography process for manufacturing a semiconductor element and the like includes a photosensitive material coating process, an exposure process, a development process, a pattern formation process, and the like. In the exposure process, a resist pattern as a mask is coated with a resist pattern as a mask. A projection exposure apparatus such as a stepper is used to transfer each shot area on a wafer (or glass plate or the like). In the projection exposure apparatus, the numerical aperture of the projection optical system is gradually increased in order to obtain a high resolution, and the depth of focus is gradually decreased accordingly. Therefore, in order to perform exposure by aligning the wafer surface (wafer surface) within the range of the depth of focus with the image plane of the projection optical system that has been obtained in advance by a test print or the like, the projection exposure apparatus has autofocus. A mechanism is provided. A conventional autofocus mechanism is a grazing incidence type autofocus sensor for measuring a displacement of a wafer surface relative to an image plane, that is, a displacement of a wafer surface in an optical axis direction (hereinafter also referred to as “Z direction”). And a height control mechanism for controlling the position in the Z direction of the wafer table holding the wafer on the XY stage (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
Recently, a scanning exposure type projection exposure apparatus such as a scanning stepper has been used to transfer a circuit pattern having a large area onto a wafer without increasing the load on the projection optical system. In this scanning exposure type, it is desirable to continuously align the wafer surface with the image surface by a servo system during scanning exposure. However, since the oblique-incidence type autofocus sensor has a measurement cycle of about 10 msec (frequency is 100 Hz) and a slow response speed, when applied to a scanning exposure type projection exposure apparatus, the height control mechanism determines the position of the wafer. The measured value of displacement in the Z direction could not sufficiently follow the change.
[0004]
Therefore, in order to measure the displacement of the wafer table in the Z direction at a high response speed, a laser beam is irradiated in parallel to the guide surface of the XY stage, and the laser beam is reflected by a mirror having an inclination angle of 45 ° provided on the wafer table. A laser interferometer-type measuring device has been proposed in which the laser beam reflected directly above is reflected and the laser beam reflected by the mirror (fixed mirror) is interfered with the reference light to measure the displacement in the Z direction. (For example, refer to Patent Document 2). Similarly, as a laser interferometer-type measuring device, the angle of inclination of the mirror provided on the wafer table is in the range of 0 ° to 45 °, the laser beam is reflected obliquely from the table, and the laser beam is arranged obliquely. There has also been proposed a measuring apparatus that reflects light from a fixed mirror (for example, see Patent Document 3).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-1-253603
[Patent Document 2]
JP-T-2001-510577
[Patent Document 3]
JP 2000-49066 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the laser interferometer-type displacement measuring device in the Z direction can increase the response speed as compared with the oblique incidence type autofocus sensor.
However, in the conventional measuring apparatus using a mirror having an inclination angle of 45 °, mechanical interference between the front end of the projection optical system and the fixed mirror that reflects and returns the laser beam reflected immediately above the projection optical system. In order to avoid this, it is necessary to always arrange a mirror having an inclination angle of 45 ° as far as possible from the optical axis of the projection optical system. Therefore, it is necessary to increase the size of the wafer table, and as a result, there is a disadvantage that the wafer stage is increased in size.
[0007]
Further, in the system using a mirror having an inclination angle of 0 ° to 45 °, the fixed mirror can be arranged at a position away from the projection optical system, so that the wafer table can be reduced in size. In this regard, the wafer stage is usually provided with X-axis and Y-axis laser interferometers for measuring positions in two orthogonal directions on the guide surface of the wafer stage (wafer), and holds the wafer. The moving mirror for the X-axis and Y-axis laser interferometers is also fixed to the wafer table. However, when an inclined mirror for measuring the displacement in the Z direction is further provided, the inclined mirror is stacked on the X-axis or Y-axis movable mirror, or under the X-axis or Y-axis movable mirror. Either one of them. When tilted mirrors are stacked on a movable mirror, the movable mirror needs to be disposed below the conventional mirror. As a result, the height of the movable mirror greatly deviates from the wafer surface, so that the so-called Abbe error becomes large, and the measurement accuracy of the X axis or the Y axis may be lowered. On the other hand, when the inclined mirror is arranged under the moving mirror, it is necessary to arrange the inclined mirror so as to protrude from the reflecting surface of the moving mirror in order to avoid the reflected laser beam from being vignetted. As a result, the outer shape of the wafer table is increased by the amount of protrusion of the inclined mirror, and the advantage of downsizing the wafer table using an inclined mirror having an inclination angle of 0 ° to 45 ° is diminished.
[0008]
In view of such a point, the present invention provides a stage technology that can measure the change in the height of the stage by an interferometer method and can increase the degree of freedom of arrangement of other interferometer moving mirrors and the like. The purpose.
Furthermore, the present invention can measure the displacement of the stage in the direction along the optical axis of the projection optical system by an interferometer method, and can increase the degree of freedom of arrangement of other interferometer moving mirrors, etc. A second object is to provide an exposure technique that can be moved or positioned with high accuracy.
A further object of the present invention is to provide a device manufacturing technique that can manufacture a device with high accuracy using the exposure technique.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The stage apparatus according to the present invention includes a stage apparatus for moving an object (W), a stage (11, 12) that holds the object and moves in at least one direction on a guide surface (14a), and the stage. A first interferometer (22A) that irradiates a measurement beam (LA) and a refractive optical member (20A) that is provided on the stage and changes the direction of the measurement beam to a direction that intersects the incident direction using refraction and reflection. And a reflecting member (24A) for reflecting the measurement beam whose direction is changed by the refractive optical member toward the refractive optical member.
[0010]
According to the present invention, for example, a measurement beam (measurement light beam) reflected by the reflecting member and returned to the first interferometer through the refractive optical member and a predetermined reference beam (reference light) By detecting the interference light with the beam), the displacement of the stage in the direction (height direction) perpendicular to the incident direction of the measurement beam can be measured by the interferometer method. In this case, since the measurement beam can be emitted from the refractive optical member obliquely upward, for example, with respect to the incident direction, even if an optical member such as a moving mirror for another interferometer is arranged on the refractive optical member. The measurement beam can be prevented from being broken by the optical member, and the degree of freedom of arrangement of the optical member can be increased.
[0011]
In this case, as an example, the first interferometer irradiates the stage with a reference beam different from the measurement beam, and the stage reflects the irradiated reference beam toward the first interferometer. (21X), and further includes an arithmetic unit (37) for obtaining a displacement of the stage in a direction crossing the incident direction of the measurement beam based on the detection result of the first interferometer. According to this configuration, only the displacement (change in height) in the direction orthogonal to the incident direction of the measurement beam of the stage can be measured by the first interferometer.
[0012]
As another example, the second interferometer (23X) for detecting the position of the stage in the direction along the optical path of the measurement beam from the first interferometer, the detection result of the first interferometer, An arithmetic unit (37) for obtaining a displacement of the stage in a direction intersecting the incident direction of the measurement beam based on the detection result of the second interferometer may be provided. For example, when the reference member (27) is disposed in the first interferometer, even if the stage (refractive optical member) is displaced in the direction along the optical path of the measurement beam from the first interferometer, The displacement measured by the first interferometer changes. Therefore, by correcting the measurement value of the first interferometer with the measurement value of the second interferometer, only the displacement in the height direction of the stage can be measured with high accuracy. In this case, for example, the movable mirror (21X) for the second interferometer can be easily stacked on the refractive optical member (20A) for the first interferometer, and the measurement of the first interferometer is performed in this state. The beam will not be blown, and the stage will not be enlarged.
[0013]
The refractive optical member includes a refracting portion (20A) that refracts the measurement beam and a reflecting surface (20Ab) that reflects the measuring beam refracted by the refracting portion, and the reflecting surface is provided on the guide surface. It is desirable that it be substantially perpendicular to it. Thereby, a displacement in a direction perpendicular to the guide surface can be detected with high sensitivity.
In addition, the refractive optical member has a first surface (20Aa) and a second surface (20Ab) opposite to each other of the refracting portion that are not parallel to each other, and the first surface is an incident surface for the measurement beam. It is desirable that the two surfaces be prisms (20A) that serve as the reflecting surfaces of the measurement beam. The prism has the simplest configuration as a refractive optical member, and the width of the upper side is wider than the width of the bottom side, so that a movable mirror for other interferometers can be stably installed on the prism. The prism does not protrude outward from the reflecting surface of the movable mirror.
[0014]
An exposure apparatus according to the present invention is an exposure apparatus that projects a pattern of a first object (R) onto a second object (W) via a projection optical system (PL), and the first object or the second object. , A stage (11, 12) that moves in at least one direction on the guide surface (14a), a first interferometer (22A) that irradiates the stage with a measurement beam, and a refraction provided on the stage. A refractive optical member (20A) that changes the direction of the measurement beam to a direction intersecting the incident direction using reflection, and a reflection that reflects the measurement beam whose direction is changed by the refractive optical member toward the refractive optical member And a member (24A).
[0015]
According to the present invention, for example, by detecting the interference light between the measurement beam returned to the first interferometer and the predetermined reference beam, the stage is displaced in the direction along the optical axis of the projection optical system. Can be measured by the interferometer method. In this case, since the measuring beam can be emitted from the refractive optical member obliquely upward, for example, with respect to the incident direction, the reflecting member can be easily moved away from the projection optical system without increasing the size of the stage. Can be arranged. In addition, since an optical member such as a moving mirror for another interferometer can be arranged on the refractive optical member, the degree of freedom in arranging the optical member can be increased.
[0016]
In this case, as an example, the first interferometer irradiates the stage with a reference beam different from the measurement beam, and the stage reflects the irradiated reference beam toward the first interferometer. (21X), and further includes an arithmetic unit (37) for obtaining a displacement in the direction along the optical axis of the projection optical system of the stage based on the detection result of the first interferometer. According to this configuration, only the displacement in the direction along the optical axis of the projection optical system of the stage can be measured by the first interferometer.
[0017]
As another example, the second interferometer (23X) for detecting the position of the stage in the direction along the optical path of the measurement beam from the first interferometer, the detection result of the first interferometer, An arithmetic unit (37) is provided for obtaining a displacement of the stage in the direction along the optical axis of the projection optical system based on the detection result of the second interferometer. For example, when the reference member is disposed in the first interferometer, the stage (refractive optical member) is in a direction along the optical path of the measurement beam from the first interferometer (direction intersecting the optical axis of the projection optical system). ), The displacement measured by the first interferometer changes. Therefore, by correcting the measurement value of the first interferometer with the measurement value of the second interferometer, only the displacement of the stage in the direction along the optical axis of the projection optical system can be measured with high accuracy. In this case, the second interferometer can be used, for example, as an interferometer for measuring the position in the direction along the guide surface of the stage, and the movable mirror (21X) for the second interferometer is used as the refractive optical system. It can be easily placed on the member. Even in this state, the stage does not increase in size, and the measurement accuracy of the second interferometer can be maintained high.
[0018]
The third interferometer (22B) and the second refracting optics are arranged substantially symmetrically with respect to the first interferometer (22A), the refractive optical member (20A) and the reflecting member (24A), respectively. A member (20B) and a second reflecting member (24B), and the arithmetic unit is arranged on the optical axis of the projection optical system of the stage based on the detection results of the first interferometer and the third interferometer. It is desirable to determine the displacement along the direction. In this case, the displacement in the direction along the optical axis at the exposure center of the stage is obtained by obtaining a weighted average of the displacement in the direction along the optical axis obtained from the measurement values of the first and third interferometers. be able to.
[0019]
When the exposure apparatus is a scanning exposure type, the first interferometer and the third interferometer are in a direction (X direction) orthogonal to the scanning direction of the first object or the second object at the time of scanning exposure. It is desirable to arrange the stage along the line. According to this configuration, since the distance between the exposure center and the first and second interferometers does not change during scanning exposure, the displacement in the direction along the optical axis of the exposure center can be measured at high speed and with high accuracy. For example, the surface of the second object can be stably adjusted to the image plane of the projection optical system by an autofocus method.
[0020]
The stage includes a movable stage (12) that moves on the guide surface, a table (11) that holds the first object or the second object and is provided with the refractive optical member, and the movable stage. And an optical axis direction driving device (13A, 13B, 13C) for driving the table in a direction along the optical axis of the projection optical system, and the projection optical system of the table obtained by the arithmetic unit It is desirable to drive the table via the optical axis direction driving device based on the displacement in the direction along the optical axis.
[0021]
According to this configuration, the stage is separated into the movable stage that moves on the guide surface and the table that is displaced in the direction along the optical axis of the projection optical system. Can be driven.
In addition, including the first interferometer, a 6-axis interferometer (22A, 22B (or 23C), 23X, 23A, 23Y, 23B) that detects the displacement of 6 degrees of freedom of the stage (or table) is provided. Is desirable. Thereby, the displacement of all the degrees of freedom of the stage (or table) can be measured with high accuracy by the interferometer method.
[0022]
The device manufacturing method of the present invention includes a step of transferring the device pattern (R) onto the substrate (W) using the exposure apparatus of the present invention. By applying the present invention, a device can be manufactured with high accuracy.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this example, the present invention is applied to a wafer stage system provided with an autofocus mechanism of a scanning exposure type projection exposure apparatus having a step-and-scan method.
FIG. 1 shows a schematic configuration of a scanning exposure type projection exposure apparatus of this example. In FIG. 1, an excimer laser light source such as KrF (wavelength 247 nm) or ArF (wavelength 193 nm) is used as an unillustrated exposure light source. Has been. As an exposure light source, F 2 Laser light source (wavelength 157 nm), Kr 2 A laser light source (wavelength 146 nm), a harmonic generation light source of a YAG laser, a harmonic generation device of a solid-state laser (semiconductor laser or the like), a mercury lamp (i-line or the like), or the like can also be used.
[0024]
Exposure light IL as an exposure beam emitted from an exposure light source (not shown) at the time of exposure passes through the illumination optical system including the condenser lens 1 and uniformly illuminates the illumination area 2R on the pattern area (lower surface) of the reticle R as a mask. Illuminate with illumination distribution. The illumination optical system includes a beam shaping optical system, an optical integrator (a homogenizer or a homogenizer), an aperture stop, a fixed field stop, a movable field stop, and the like. The illumination area 2R is a slit-like area elongated in the non-scanning direction orthogonal to the scanning direction of the reticle R. The illumination optical system is further covered with a sub-chamber (not shown) as an airtight chamber. In order to maintain a high transmittance with respect to the exposure light IL, dry air from which impurities are highly removed is contained in the subchamber (when exposure light is an ArF excimer laser, nitrogen gas, helium gas, etc. are also used). The purge gas consisting of is supplied.
[0025]
Under the exposure light IL, the pattern in the illumination area 2R of the reticle R is coated with a photoresist at a projection magnification β (β is 1/4, 1/5, etc.) via a telecentric projection optical system PL. The projected image is projected onto an exposure area 2W on one shot area SA on the wafer W. The exposure area 2W has an elongated shape in the non-scanning direction orthogonal to the scanning direction of the wafer W conjugate with the illumination area 2R. Reticle R and wafer W correspond to the first object and the second object of the present invention, respectively. The wafer W is a disk-shaped substrate having a diameter of about 200 to 300 mm, such as a semiconductor (silicon or the like) or SOI (silicon on insulator). In order to maintain a high transmittance for the exposure light IL, the purge gas is also supplied into the lens barrel of the projection optical system PL. In addition, the purge gas is supplied to the space including the reticle R and the local space between the projection optical system PL and the wafer W as necessary. In addition, the mechanism (the part excluding the exposure light source) of the projection exposure apparatus of this example is housed in a box-shaped environmental chamber (not shown), and impurities and impurities are removed from the environmental chamber to control the temperature and humidity. Supplied air is supplied. Hereinafter, in FIG. 1, the Z axis is taken in parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL, and Y along the scanning direction of the reticle R and the wafer W at the time of scanning exposure in a plane (XY plane) perpendicular to the Z axis. A description will be given by taking the axis and taking the X axis along the non-scanning direction. In this example, the XY plane is a substantially horizontal plane.
[0026]
First, the reticle R is sucked and held on the reticle stage 3, and the reticle stage 3 moves on the reticle base 4 in the Y direction at a constant speed and rotates around the X, Y, and Z axes so as to correct the synchronization error. The reticle R is scanned by slightly moving in the rotation direction. The position in the X and Y directions and the rotation angle of the reticle stage 3 are measured by a movable mirror (not shown) provided thereon and a laser interferometer that is a part of the reticle stage drive system 5. Based on this measurement value and control information from the main control system 6 (see FIG. 3) that controls the overall operation of the apparatus, the reticle stage drive system 5 controls the position and speed of the reticle stage 3. Above the periphery of the reticle R, a reticle alignment microscope (not shown) for reticle alignment is arranged.
[0027]
On the other hand, the wafer W is sucked and held on the wafer table 11 via a wafer holder (not shown), and the wafer table 11 is displaceable in three Z-axis actuators 13A, 13B, and 13C (see FIG. 3). Is held on the wafer stage 12. The Z-axis actuators 13A to 13C (optical axis direction driving devices) each include, for example, a leaf spring that supports a fulcrum connected to the wafer table 11, and a voice coil motor (VCM) that drives the fulcrum in the Z direction. It is configured. As shown in FIG. 3, the Z-axis actuators 13 </ b> A to 13 </ b> C are arranged at substantially vertex positions of a regular triangle, and the Z-axis actuators 13 </ b> A to 13 </ b> C are independently driven to 11 (wafer W) is configured so as to be able to control a relative displacement of three degrees of freedom comprising a position in the Z direction, a rotation angle ωX (pitching) about the X axis, and a rotation angle ωY (rolling) about the Y axis. ing. In this example, the wafer table 11 and the wafer stage 12 (or further including the Z-axis actuators 13A to 13C) correspond to the stage of the present invention, and the wafer table 11 and the wafer stage 12 respectively correspond to the table and movable stage ( Or XY stage).
[0028]
The wafer stage 12 floats in a non-contact state on, for example, a vacuum preload type hydrostatic bearing device on a guide surface 14a (which is substantially horizontal in this example) on the wafer base 14 formed of a surface plate. It is supported. The wafer stage 12 is supported on the wafer base 14 so that it can move at a constant speed in the Y direction and can move stepwise in the X and Y directions. Specifically, a Y-axis guide member 15 is disposed on the guide surface of the wafer base 14 in parallel with the Y-axis, and the concave portion on the bottom surface of the wafer stage 12 is mounted so as to move along the Y-axis guide member 15 in the Y direction. Is placed. Both end portions of the Y-axis guide member 15 are movable in the X direction along a pair of X-axis guide members 17A and 17B arranged in parallel to the X axis so as to sandwich the wafer base 14 in the Y direction. It is supported by. Both end portions of the X-axis guide members 17A and 17B are fixed to the wafer base 14 via support members 18A and 19A and a support member 18B, respectively.
[0029]
FIG. 2 is a front view in which a part of the projection exposure apparatus of the present example is cut out. In FIG. 2, the wafer base 14 has three or four active type vibration isolation tables (in FIG. It is installed on the floor via only the stands 34A and 34B). A portal-type reference frame 31 is disposed so as to cover the wafer base 14, the wafer stage 12 and the wafer table 11 on the wafer base 14, and the reference frame 31 has three or four active type vibration isolation tables (FIG. 2). In this case, only the anti-vibration bases 32A and 32B appear). The projection optical system PL is installed in the opening at the center of the reference frame 31 via the flange portion 33. The reticle base 4 in FIG. 1 is installed on a reference frame 31 via a column (not shown). In this example, since the wafer base 14 that is likely to generate vibration due to the step movement of the wafer stage 12 in the X and Y directions and the reference frame 31 that supports the projection optical system PL are supported independently of each other, the projection is performed. The optical system PL can always be kept stable.
[0030]
1, the wafer stage 12 is driven in the Y direction with respect to the Y-axis guide member 15 from the mover provided on the bottom surface of the wafer stage 12 and the stator provided on the Y-axis guide member 15. A shaft linear motor 16Y is configured. The Y-axis guide member 15 is moved in the X direction with respect to the X-axis guide member 17A from the mover provided at one end of the Y-axis guide member 15 and the stator provided on one X-axis guide member 17A. A first X-axis linear motor 16XA to be driven is configured, and an X-axis guide member is composed of a mover provided at the other end of the Y-axis guide member 15 and a stator provided at the other X-axis guide member 17B. A second X-axis linear motor 16XB is configured to drive the Y-axis guide member 15 in the X direction with respect to 17B. By the Y-axis linear motor 16Y and the two-axis X-axis linear motors 16XA and 16XB, the position of the wafer stage 12 with respect to the wafer base 14 in the X direction, the position in the Y direction, and the rotation angle ωZ (yawing) about the Z axis. The relative displacement with 3 degrees of freedom can be controlled. As a result, the wafer table 11 (wafer W) of this example is driven with respect to the wafer base 14 with six degrees of freedom including positions in the X direction, Y direction, and Z direction, and rotation angles ωX, ωY, and ωZ. Can do. However, normally, the two-axis X-axis linear motors 16XA and 16XB are driven so that the Y-axis guide member 15 moves in the X direction in a state parallel to the Y-axis.
[0031]
A wafer stage system is configured including the wafer stage 12, the Z-axis actuators 13A, 13B, and 13C, the wafer table 11, the Y-axis linear motor 16Y, and the X-axis linear motors 16XA and 16XB. The three Z-axis actuators 13A, 13B, and 13C and the three-axis linear motors 16Y, 16XA, and 16XB in this example are driven by the wafer stage drive system 7 in FIG. In this way, since the wafer stage drive system 7 controls the operation of the 6-axis drive mechanism, the projection exposure apparatus of this example has a 6-degree-of-freedom displacement (position) relative to the wafer base 14 of the wafer table 11 (wafer W). And a change mechanism of the rotation angle).
[0032]
That is, in FIG. 1, rod-shaped prisms 20A and 20B (refractive optical members) below the side surfaces of the wafer table 11 in the −X direction and the + X direction, each having a trapezoidal shape with a wide upper side and elongated in the Y direction. Are fixed at the same height. The prisms 20A and 20B are fixed symmetrically so as to sandwich the wafer table 11 in the X direction (non-scanning direction of the wafer W). The surfaces (rear surfaces) facing the wafer table 11 of the prisms 20A and 20B are each a reflective surface on which a highly reflective metal film such as chromium is deposited. A rod-shaped X-axis moving mirror 21X elongated in the Y direction is fixed to the side surface of the wafer table 11 in the -X direction so as to contact the upper surface of the prism 20A, and the reflecting surface and the moving mirror on the back surface of the prisms 20A and 20B. Each of the reflection surfaces on the surface of 21X is substantially perpendicular to the X axis. Further, the reflection surfaces on the back surfaces of the prisms 20A and 20B are parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL and are substantially perpendicular to the guide surface 14a. Further, on the side surface of the wafer table 11 in the + Y direction, a rod-shaped Y-axis moving mirror 21Y that is the same height as the X-axis moving mirror 21X and is elongated in the X direction is fixed. The reflecting surface of the surface of the moving mirror 21Y is Y It is almost perpendicular to the axis.
[0033]
In addition, first and second Z-axis laser interferometers 22A and 22B (first and third interferometers) are arranged so as to face the prisms 20A and 20B of the wafer table 11, respectively, and the X-axis movable mirror 21X is disposed on the X-axis movable mirror 21X. An X-axis laser interferometer 23X (second interferometer) and a yaw measurement laser interferometer 23A are arranged at predetermined intervals in the Y direction so as to face each other. In addition, a Y-axis laser interferometer 23Y and a pitching measurement laser interferometer 23B are arranged at predetermined intervals in the Z direction so as to face the Y-axis movable mirror 21Y. These six-axis laser interferometers 22A, 22B, 23X, 23A, 23Y, and 23B are all fixed to a reference frame 31 that holds the projection optical system PL as shown in FIG.
[0034]
In FIG. 1, laser beams LA and LB as measurement beams emitted from Z-axis laser interferometers 22A and 22B are incident on prisms 20A and 20B symmetrically in parallel with the X axis, respectively, and are arranged on the rear surfaces of prisms 20A and 20B. The laser beams LA and LB reflected by the reflecting surfaces are incident on the fixed mirrors 24A and 24B perpendicularly and obliquely upward at an angle of approximately 10 ° to 50 ° with respect to the incident direction, respectively. The fixed mirrors 24A and 24B are also fixed to the reference frame 31 so as to sandwich the projection optical system PL in the X direction as shown in FIG. The laser beams LA and LB vertically reflected in the incident direction by the fixed mirrors 24A and 24B return to the prisms 20A and 20B, respectively, and the laser beams LA and LB reflected again by the reflecting surfaces on the back surfaces of the prisms 20A and 20B are Each is returned to the Z-axis laser interferometers 22A and 22B in parallel with the X-axis.
[0035]
As shown in FIG. 2, the first Z-axis laser interferometer 22A includes, as an example, first and second laser beams having an average wavelength of about 633 nm (in the case of a He—Ne laser) and polarization directions having different frequencies orthogonal to each other. , A polarizing beam splitter 26 that transmits the first laser beam as a laser beam LA (measurement beam) and reflects the second laser beam (reference beam), and reflects the second laser beam. A retro-reflector 27 (reference member), and a photoelectric sensor 28 that receives interference light of two laser beams returned by reflection and synthesized by the polarization beam splitter 26. A quarter wavelength plate (not shown) is provided on each of the incident and exit surfaces of the two laser beams of the polarization beam splitter 26. The output signal of the photoelectric sensor 28 is counted by a counter (not shown), the count value of a reference counter (not shown) is subtracted from the count value, and multiplied by a coefficient corresponding to the wavelength, whereby one prism 20A (wafer) The displacement in the Z direction and the X direction of the end of the table 11 in the −X direction can be measured with a resolution of about 1 to 0.1 nm (details will be described later). The second Z-axis laser interferometer 22B has the same configuration, and the Z-axis laser interferometer 22B reduces the displacement of the other prism 20B (the end in the + X direction of the wafer table 11) in the Z direction and the X direction by 1 to 2. Measurements can be made with a resolution of about 0.1 nm. Further, by dividing the difference between the measured values of the displacement in the Z direction by the two-axis Z-axis laser interferometers 22A and 22B by the interval between the two prisms 20A and 20B, the rotation angle ωY about the Y-axis of the wafer table 11 is obtained. (Rolling) can be obtained.
[0036]
In this example, the retro-reflector 27 as a reference member of the Z-axis laser interferometer 22A is provided in the Z-axis laser interferometer 22A, but the X-axis movement provided on the wafer table 11 as the reference member. A mirror 21X may be used. In this case, there is an advantage that the measurement value of the Z-axis laser interferometer 22A does not change even when the prism 20A is displaced in the X direction.
[0037]
When the wafer table 11 is moved in the X direction, the positions of the laser beams LA and LB reflected by the prisms 20A and 20B change in an oblique direction. Therefore, the lengths of the fixed mirrors 24A and 24B are always the laser beam LA, The length is set so that LB can be reflected. At this time, since the laser beams LA and LB are reflected obliquely upward from the prisms 20A and 20B in this example, the fixed mirrors 24A and 24B are attached to the projection optical system PL without increasing the size of the wafer table 11. They can be spaced apart in the X direction with a margin. Furthermore, there is no possibility that the laser beams LA and LB are shielded from light by the tip of the projection optical system PL. Further, the frequency difference between the two laser beams generated by the laser light source 25 of the first Z-axis laser interferometer 22A of this example is about 17 GHz when the resolution is about 0.1 nm. As a result, the Z-axis displacement of the wafer table 11 can be measured by the Z-axis laser interferometer 22A with a high response frequency of, for example, about 10 kHz or more. The same applies to the second Z-axis laser interferometer 22B.
[0038]
Returning to FIG. 1, the measurement laser beam from the X-axis laser interferometer 23X and the laser interferometer 23A for yawing measurement is irradiated to the movable mirror 21X in parallel with the X-axis at an interval δ1 in the Y direction. And 23A measure the displacement in the X direction of the movable mirror 21X with a resolution of about 1 to 0.1 nm with reference to a reference mirror (not shown) fixed near the side surface of the projection optical system PL. Then, by dividing the difference between the measured values of the laser interferometers 23X and 23A by the interval δ1, the rotation angle ωZ (yawing) around the Z axis of the wafer table 11 can be obtained. In parallel with this, a laser beam for measurement from the Y-axis laser interferometer 23Y and the laser interferometer 23B for pitching measurement is irradiated to the movable mirror 21Y in parallel with the Y-axis at an interval δ2 in the Z direction. Each of 23Y and 23B measures the displacement in the Y direction of the movable mirror 21Y with a resolution of about 1 to 0.1 nm with reference to a reference mirror (not shown) fixed near the side surface of the projection optical system PL. Then, by dividing the difference between the measured values of the laser interferometers 23Y and 23B by the interval δ2, the rotation angle ωX (pitching) around the X axis of the wafer table 11 can be obtained. As a result, the six-axis laser interferometers 22A, 22B, 23X, 23A, 23Y, and 23B of the present example position the wafer table 11 with respect to the wafer base 14 in the X, Y, and Z directions, and the rotation angles ωX, ωY. , ΩZ can be measured displacement of 6 degrees of freedom.
[0039]
In this case, in FIG. 1, the laser beams from the X-axis laser interferometer 23X and the Y-axis laser interferometer 23Y pass through the optical axis AX (exposure center) of the projection optical system PL, respectively. Even if this occurs, almost no Abbe error occurs, and the position of the wafer table 11 (wafer W) in the X and Y directions can always be measured with high accuracy.
[0040]
In FIG. 2, since the numerical aperture (NA) of the recent projection optical system PL is quite large, the distance (working distance) between the projection optical system PL and the wafer W is narrow. For this reason, the height of the upper surface of the movable mirror or the like fixed to the side surface of the wafer table 11 needs to be approximately the same as or slightly higher than the surface of the wafer W.
In this regard, in this example, the width of the upper part of the prism 20A is wider than the width of the bottom part, so that the movable mirror 21X can be stacked on the prism 20A stably and without fear of vignetting of the laser beam LA. Therefore, the upper surface of the movable mirror 21X can be set slightly higher than the surface of the wafer W, for example, so that the height of the laser beam from the X-axis laser interferometer 23X can be substantially matched with the height of the surface of the wafer W. Furthermore, the prism 20A does not protrude outward from the reflecting surface of the movable mirror 21X. In addition, since there is no need to stack prisms and the like for the movable mirror 21Y, the height of the upper surface is set to be slightly higher than the surface of the wafer W, that is, the same height as the movable mirror 21X in this example. . Therefore, even if rolling and pitching of the wafer table 11 occurs, almost no Abbe error occurs, and the position of the wafer table 11 (wafer W) in the X and Y directions can always be measured with high accuracy. In this example, the upper surfaces of the movable mirrors 21X and 21Y can be set to the same height as the surface of the wafer W. Even in this case, the Abbe error generated is small, but in order to correct the Abbe error more completely, a deviation between the height of the laser beam from the laser interferometers 23X and 23Y and the surface of the wafer W ( (Z-direction deviation) ΔH is obtained, and the measured values of the laser interferometers 23X and 23Y are obtained by using the product of the measured values of the rotation angles ωX and ωY (rad) of the wafer table 11 and the height deviation ΔH. It may be corrected.
[0041]
In the projection exposure apparatus of FIG. 1, in order to measure the defocus amount of the surface (wafer surface) of the wafer W with respect to the image plane of the projection optical system PL, exposure on the wafer surface is performed on the lower side surface of the projection optical system PL. A projection optical system 29A that obliquely projects a plurality of slit images of three or more on a measurement region including the region 2W, and receives the reflected light from the wafer surface to re-image those slit images, An oblique incidence type multi-point autofocus sensor (29A, 29B) including a light receiving optical system 29B that generates a detection signal corresponding to the lateral shift amount is disposed. A more detailed configuration of the oblique incidence type multi-point autofocus sensor is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 1-253603. The detection signal of the light receiving optical system 29B is supplied to the defocus amount calculation unit 40 in the wafer stage drive system 7 of FIG. In this case, for example, by performing test printing while changing the position of the wafer W in the Z direction in various ways and obtaining the best focus position at each of three or more points in the exposure area 2W, the plurality of slit images described above are obtained in advance. Offset adjustment is performed so that the corresponding detection signal is at a predetermined level (for example, 0) when the projection point is at the best focus position (image plane). Then, in the defocus amount calculation unit 40, using the supplied detection signal, an average surface Z-direction position ΔFZ in the exposure area 2W of the wafer surface and an inclination angle ΔωX about the X-axis and the Y-axis. , ΔωY. These values [Delta] FZ, [Delta] [omega] X, [Delta] [omega] Y are the defocus amounts of the position and tilt angle of the wafer surface with respect to the image plane in the exposure region 2W.
[0042]
Therefore, in order to align the wafer surface with the image plane of the projection optical system PL during scanning exposure by an autofocus (here, including auto-leveling) method, in principle, the defocus amount (ΔFZ, The Z-axis actuators 13A, 13B, and 13C may be driven so that (ΔωX, ΔωY) becomes zero. However, since the sampling period of the measurement values of the autofocus sensors (29A, 29B) is as slow as about 10 msec (frequency: 100 Hz), the scanning speed of the wafer W cannot be increased very much. Therefore, in this example, the measurement value of the autofocus sensor (29A, 29B) is used to periodically monitor the defocus amount with respect to the image plane, and the response frequency is about 10 kHz during the period between the monitors. It is assumed that the Z-axis actuators 13A, 13B, and 13C are driven by a servo system using the measured values of the Z-axis laser interferometers 22A and 22B that are approximately 100 times as above. Accordingly, even if the scanning speed of the wafer W is increased, the wafer surface can be adjusted to the image surface with high accuracy, and the pattern image of the reticle R can be always exposed on the wafer W with high resolution.
[0043]
FIG. 3 shows a configuration example of the wafer stage drive system 7. Note that most elements of the wafer stage drive system 7 are functions executed on computer software. In FIG. 3, the measurement values X and Y of the X-axis laser interferometer 23X and the Y-axis laser interferometer 23Y are supplied to the main control system 6 and the linear motor drive unit 36. The measured values of the laser interferometers 23X and 23A are supplied to the rotation angle calculation unit 35A, and the rotation angle ωZ (yawing) of the wafer table 11 obtained by the rotation angle calculation unit 35A is the main control system 6 and the linear motor drive unit 36. To be supplied. The linear motor drive unit 36 is based on the measured values X and Y, the rotation angle ωZ, and control information (such as the target speed of the wafer stage 12) from the main control system 6, and the Y-axis linear motor 16Y and X-axis in FIG. The linear motors 16XA and 16XB are driven.
[0044]
The measured values of the laser interferometers 23Y and 23B are supplied to the rotation angle calculation unit 35B, and the rotation angle ωX (pitching) of the wafer table 11 obtained by the rotation angle calculation unit 35B is supplied to the first servo data unit 39A. . Furthermore, the measurement value X of the X-axis laser interferometer 23X and the measurement values of the two-axis Z-axis laser interferometers 22A and 22B (functions of displacement of the prisms 20A and 20B in FIG. 2 in the X direction and Z direction) are: The Z position calculation unit 37 calculates the displacements Z1 and Z2 of the prisms 20A and 20B in the Z direction based on the measured values (details will be described later). These displacements Z1 and Z2 are supplied to the weighted average unit 38A and the rotation angle calculation unit 38B. In the weighted average unit 38A, the weighted average of these displacements Z1 and Z2 is used at the exposure center (optical axis AX) of the wafer W. A displacement in the Z direction (also represented by Z) is calculated. The Z position calculation unit 37, the weighted average unit 38A, and the rotation angle calculation unit 38B correspond to a calculation device for obtaining a displacement in the direction along the optical axis.
[0045]
2, the distance LX in the X direction between the prisms 20A and 20B is known in advance, and the weighted average unit 38A in FIG. 3 determines the distance between the one prism 20A and the optical axis AX from the measurement value of the X-axis laser interferometer 23X. The distance LX1 in the X direction and the distance LX2 in the X direction between the other prism 20B and the optical axis AX are obtained (LX = LX1 + LX2). Then, the weighted average unit 38A calculates the displacement (Z) in the Z direction at the exposure center of the wafer table 11 by the following weighted average.
[0046]
Figure 2005005329
Further, the rotation angle calculation unit 38B calculates the rotation angle ωY (rolling) (rad) about the Y axis of the wafer table 11 by dividing the difference between the displacements Z1 and Z2 by the interval LX as follows.
[0047]
ωY = (Z2−Z1) / LX (A2)
The displacement Z and the rotation angle ωY calculated in this way are supplied to the second and third servo data sections 39B and 39C in FIG. 3, respectively. Further, the defocus amounts (ΔFZ, ΔωX, ΔωY) obtained by the defocus amount calculation unit 40 are supplied to the preset portions of the servo data portions 39B, 39A, 39C, respectively, and the servo data portion 39B is supplied at this supply timing. To 39C are preset to the defocus amount ΔFZ in the Z direction of the wafer surface, the defocus amount ΔωX of the rotation angle around the X axis, and the defocus amount ΔωY of the rotation angle around the Y axis, respectively. . Thereafter, the output data of the servo data portions 39B, 39A, and 39C increase / decrease in accordance with the increase / decrease of the displacement Z, the rotation angle ωX, and the rotation angle ωY of equation (A2). The output data of the servo data sections 39A to 39C is supplied to the Z-axis actuator drive section 41, and the Z-axis actuator drive section 41 sets the Z-axis actuators 13A and 13B so that the output data of the servo data sections 39A to 39C becomes 0, respectively. , 13C. In this example, the autofocus sensors (29A, 29B), Z-axis laser interferometers 22A, 22B, laser interferometers 23X, 23Y, 23B, prisms 20A, 20B, movable mirrors 21X, 21Y, fixed mirrors 24A, 24B in FIG. The Z-axis actuators 13A to 13C in FIG. 2 and the wafer stage drive system 7 in FIG. 3 constitute an autofocus mechanism for the wafer stage system.
[0048]
At the time of scanning exposure of the projection exposure apparatus of this example, the reticle stage 3 and the wafer stage 12 are driven in a state where the exposure light IL is irradiated to the slit-shaped illumination area 2R of FIG. The operation of synchronously scanning the two shot areas SA in the Y direction and the operation of driving the wafer stage 12 to move the wafer W stepwise in the X and Y directions are repeated. By this operation, the pattern image of the reticle R is exposed to each shot area on the wafer W by the step-and-scan method. During the period in which the reticle R and the wafer W are synchronously scanned in the Y direction, the measurement values of the autofocus sensors (29A, 29B), the laser interferometers 23Y, 23B, and the Z-axis laser interferometer are used as described above. The Z-axis actuators 13A, 13B, and 13C are driven by the servo method based on the measurement values of 22A and 22B, so that the wafer surface is continuously aligned with the image surface of the projection optical system PL by the autofocus method. Yes. Therefore, even when a step or the like is formed on the wafer surface by the process so far, the pattern image of the reticle R can always be transferred to the wafer surface with high resolution.
[0049]
At this time, the defocus amount (ΔFZ, ΔωX, ΔωY) is updated at a slow frequency of about 100 Hz, for example, by the defocus amount calculation unit 40 of FIG. 3 that processes the detection signals of the autofocus sensors (29A, 29B). In contrast, the displacement Z based on the measurement values of the laser interferometers 23Y and 23B and the Z-axis laser interferometers 22A and 22B, and the rotation angles ωX and ωY (output data of the servo data sections 39A, 39B and 39C) are updated. Is performed at a high frequency of about 10 kHz. Therefore, since the change of the position in the Z direction and the rotation angles ωX, ωY of the wafer table 11 (wafer W) due to the operation of the Z-axis actuators 13A, 13B, 13C is fed back at a high follow-up speed, the autofocus method is highly accurate. Scanning exposure can be performed with the wafer surface aligned with the image plane of the projection optical system PL.
[0050]
In this example, as shown in FIG. 1, the two Z-axis laser interferometers 22A and 22B move the wafer table 11 (wafer W) in a non-scanning direction orthogonal to the scanning direction (Y direction) during scanning exposure. It is arranged so as to sandwich it. Accordingly, during scanning exposure, the prisms 20A and 20B are hardly displaced in the X direction, and the distances LX1 and LX2 between the prisms 20A and 20B of FIG. 2 and the exposure center (optical axis AX) do not substantially change. Therefore, the displacement in the Z direction at the exposure center of the wafer table 11 can be measured at high speed and with high accuracy based on the equation (A1).
[0051]
Next, the principle of measuring the displacement in the Z direction of the prism 20A (end portion of the wafer table 11) by the first Z-axis laser interferometer 22A of FIG. 2 will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is an enlarged view showing the prism 20A of FIG. 2. In FIG. 4, the refractive index of the prism 20A is expressed as n. G , The refractive index of the surrounding gas (air in this example) is n A And In addition, the angle formed by the incident surface (refractive surface) 20Aa of the prism 20A as a refracting portion and the reflecting surface 20Ab on the back surface thereof is the tilt angle θ of the refractive surface of the prism. P In other words, the incident angle of the laser beam LA incident on the prism 20A at the incident surface 20Aa is θ P It becomes. Further, the inclination angle with respect to the incident direction (X axis) of the laser beam LA in the prism 20A is represented by k. P The inclination angle (elevation angle) with respect to the incident direction of the laser beam LA reflected by the reflecting surface 20Ab, refracted again by the incident surface 20Aa and emitted to the outside is denoted by k. At this time, the following relationship is obtained by applying Snell's law at the incident point P1 and the emission point P2 of the laser beam LA on the incident surface 20Aa.
[0052]
n A sin θ P = N G sin (θ P -K P (1)
n A sin (θ P + K) = n G sin (θ P + K P (2)
Therefore, the tilt angle k of the laser beam LA emitted from the prism 20A by refraction, reflection, and refraction can be expressed as follows.
[0053]
[Expression 1]
Figure 2005005329
[0054]
When the wavelength of the laser beam LA is 633 nm and the optical material of the prism 20A is BK7, the relative refractive index n of the prism 20A with respect to the air is n. G / N A Is as follows.
n G / N A = 1.514
At this time, the inclination angle k obtained from the equation (1) P Is substituted into the equation (3), the tilt angle k of the emitted laser beam LA is changed to the tilt angle θ of the refractive surface of the prism 20A. P As a function of In FIG. 6, the horizontal axis represents the tilt angle θ. P (Deg), the vertical axis represents the tilt angle (elevation angle) k (deg). In the case of FIG. 6, the critical angle of the laser beam LA in the prism 20A is about 60 °, and the tilt angle θ of the prism 20A is P The adjustable range of the tilt angle k of the laser beam LA by this adjustment is about 0 to 60 °. In this case, as the inclination angle k is smaller, the fixed mirrors 24A and 24B can be arranged away from the projection optical system PL as can be seen from FIG. On the other hand, as the inclination angle k is larger, as will be described below, the change in the optical path length of the laser beam LA with respect to the displacement of the prism 20A in the Z direction becomes larger, and the detection sensitivity of the displacement in the Z direction is improved. Therefore, in this example, as an example, the tilt angle k of the laser beam LA is set to about 30 °, which is the center of the adjustable range. In the case of FIG. 6, the tilt angle θ of the prism 20A at this time P Is about 23 °. Accordingly, the fixed mirrors 24A and 24B can be disposed relatively apart from the projection optical system PL, and the detection sensitivity of the displacement in the Z direction is maintained relatively high. In particular, when it is desired to increase the detection sensitivity, the tilt angle k may be set to about 30 to 50 °. When the fixed mirrors 24A and 24B are further separated from the projection optical system PL, the tilt angle k is set to 10 to 10. You may set to about 30 degrees.
[0055]
Next, the detection sensitivity of this example will be described. First, as shown by a position P3 in FIG. 5A, the inclination angle of the prism 20A in FIG. P ) Is displaced by Δz in the Z direction, the change ΔL in the optical path length of the forward path of the laser beam LA (the optical path until it enters the fixed mirror 24A) is calculated. In this case, the optical path of the laser beam LA changes to an optical path LA1 indicated by a two-dot chain line. If the change in the optical path length before the laser beam LA enters the prism 20A (same as Δz) is ΔL1, the optical path length change ΔLM1 based on the change ΔL1 is as follows. However, as in FIG. 4, the refractive index of the prism 20A is n G , The refractive index of the surrounding air n A The angle of inclination with respect to the incident direction (X axis) of the laser beam LA in the prism 20A is k. P An inclination angle (elevation angle) with respect to the incident direction of the laser beam LA which is refracted again on the incident surface and is emitted to the outside is represented by k.
[0056]
ΔLM1 = n A ΔL1 = n A Δz tanθ P ... (4)
Next, assuming that the change in the optical path length of the laser beam LA inside the prism 20A is −ΔL2 (the opposite sign to Δz), the change ΔLM2 in the optical path length based on the change −ΔL2 is as follows.
[0057]
[Expression 2]
Figure 2005005329
[0058]
Next, assuming that the change in the optical path of the laser beam LA after being emitted from the prism 20A is ΔL3 (same sign as Δz), the change ΔLM3 in the optical path length based on the change ΔL3 is as follows.
[0059]
[Equation 3]
Figure 2005005329
[0060]
The sum of the optical path length changes ΔLM1, ΔLM2, and ΔLM3 is the change ΔL in the total optical path length of the forward path as follows.
ΔL = ΔLM1 + ΔLM2 + ΔLM3
Further, the value ΔL / Δz obtained by dividing the change ΔL of the total optical path length by the displacement Δz in the Z direction is the detection sensitivity to the displacement in the Z direction of the prism 20A (wafer table 11) of the Z-axis laser interferometer 22A in FIG. Become. The detection sensitivity is expressed as follows using equations (4) to (6).
[0061]
[Expression 4]
Figure 2005005329
[0062]
Actually, since the optical path length of the return laser beam LA reflected by the fixed mirror 24A in FIG. 5A also changes by the same amount, the detection sensitivity is double that of the equation (7). Then, the displacement Z1 of the prism 20A in the Z direction is obtained by dividing the change in length measured by the Z-axis laser interferometer 22A by the detection sensitivity ΔL / Δz in equation (7). Here, it is assumed that the displacement of the prism 20A in the X direction is zero. This calculation is executed in the Z position calculation unit 37 of FIG.
[0063]
The curve in FIG. 7 shows the relationship between the tilt angle k (deg) of the emitted laser beam LA and the absolute value of the detection sensitivity ΔL / Δz based on the equations (7), (1), and (3). Represents. Also in this case, the relative refractive index n of the prism 20A with respect to air. G / N A Is 1.514. As can be seen from FIG. 7, the absolute value of the detection sensitivity ΔL / Δz becomes the maximum value (= 1) when the inclination angle k is 90 °, and gradually decreases as the inclination angle k decreases. Further, as in this example, the absolute value of the detection sensitivity when the inclination angle k is about 30 ° is approximately 0.5, and the change in the optical path length of the forward path of the laser beam LA with respect to the displacement Δz in the Z direction is approximately. 0.5Δz.
[0064]
In FIG. 2, when the X-axis moving mirror 21X is used as the reference member of the Z-axis laser interferometer 22A, only the measurement value of the Z-axis laser interferometer 22A is obtained even if the prism 20A is displaced in the X direction. It is possible to accurately measure the displacement of the prism 22A in the Z direction.
In contrast, as can be seen from FIG. 2, when the retroreflector 27 as a reference member is provided in the Z-axis laser interferometer 22A, not only the displacement of the prism 20A in the Z direction but also the prism 20A (wafer table). 11) Since the optical path length also changes due to the displacement in the X direction of 11), the change in the optical path length due to the displacement of the prism 20A in the X direction is measured by the movable mirror 21X (wafer table 11) measured by the X-axis laser interferometer 23X. It is necessary to correct by the displacement in the X direction.
[0065]
FIG. 5B shows the prism 20A of FIG. P ) Is displaced by Δx in the X direction and reaches the position P4, the state where the optical path of the laser beam LA is changed to the optical path LA2 indicated by a two-dot chain line. In FIG. 5B, the laser beam LA is The change ΔL4 in the length of the optical path before entering the prism 20A is Δx itself. The optical path length of the laser beam LA in the prism 20A is the same, and the change ΔL5 in the optical path length of the laser beam LA emitted from the prism 20A is as follows using the tilt angle k of the laser beam LA. Can be expressed as
[0066]
ΔL5 = Δx cosk (8)
Therefore, the change ΔL (Δx) in the optical path length of the laser beam LA along with the displacement Δx of the prism 20A is as follows.
Figure 2005005329
In this example, since the displacement Δx in the X direction of the prism 20A (wafer table 11) is constantly measured by the X-axis laser interferometer 23X in FIG. 2, this measured value (Δx) is also calculated as the Z position in FIG. Supplied to the unit 37. Therefore, in the Z position calculation unit 37, the measurement value after subtracting (1 + cosk) times the measurement value of the X-axis laser interferometer 23X from the measurement value of the Z-axis laser interferometer 22A based on the equation (9). The displacement Z1 of the prism 20A in the Z direction is obtained by dividing by the detection sensitivity ΔL / Δz in the equation (7). Thereby, even when the prism 20A is displaced in the X direction, only the displacement Z1 of the prism 20A in the Z direction can be detected with high accuracy.
[0067]
Also in the second Z-axis laser interferometer 22B of FIG. 2, similarly, the displacement Z2 of the prism 20B in the Z direction can be obtained from the measured value based on the equation (7). However, the X-axis laser interferometer 23X and the Z-axis laser interferometer 22B have the opposite increases and decreases in the optical path length of the laser beam. Therefore, in order to correct the displacement Δx of the prism 20B in the X direction, It is necessary to divide the measurement value after adding (1 + cosk) times the measurement value of the X-axis laser interferometer 23X to the measurement value of the interferometer 22B by the detection sensitivity ΔL / Δz of the equation (7).
[0068]
Next, another example of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this example, one Z-axis laser interferometer is used. In FIG. 8, the same reference numerals are given to the portions corresponding to FIG. 1, and the detailed description thereof is omitted.
FIG. 8 shows a schematic configuration of the projection exposure apparatus of this example. In FIG. 8, a prism 20A is fixed to an end portion of the wafer table 11 in the −X direction, and an X-axis movable mirror 21X is stacked thereon. The Y-axis moving mirror 21Y is fixed to the + Y direction end of the wafer table 11 at the same height as the moving mirror 21X. A Z-axis laser interferometer 22A is arranged so as to face the prism 20A. After being emitted from the Z-axis laser interferometer 22A, the laser beam refracted, reflected, and refracted by the prism 20A and emitted obliquely upward. The fixed mirror 24A is disposed away from the projection optical system PL so that LA is incident vertically. The laser beam LA reflected by the fixed mirror 24A travels backward in the optical path at the time of incidence and returns to the Z-axis laser interferometer 22A.
[0069]
Also, an X-axis laser interferometer 23X, a yaw measurement laser interferometer 23A, and a rolling measurement laser interferometer 23C are arranged so as to face the X-axis moving mirror 21X. From the laser interferometers 23X and 23A, A laser beam is irradiated onto the movable mirror 21X at an interval δ1 in the Y direction, and measured from the laser interferometer 23C in parallel with the X axis at an interval δ3 in the Z direction with respect to the laser beam emitted from the X axis laser interferometer 23X. The laser beam for use is irradiated on the movable mirror 21X. The laser interferometer 23C causes displacement of the movable mirror 21X in the X direction by causing the laser beam reflected by the movable mirror 21X to interfere with the laser beam reflected by the reference mirror on the side surface of the projection optical system PL (not shown). Measurement is performed with a resolution of about 1 to 0.1 nm. Similarly, the laser interferometers 23X and 23A measure the displacement of the movable mirror 21X in the X direction with a resolution of about 1 to 0.1 nm, and divide the difference between these measured values by the interval δ1 to A rotation angle ωZ (yawing) about the Z axis is obtained. Further, in this example, by dividing the difference between the measurement value of the X-axis laser interferometer 23X and the measurement value of the laser interferometer 23C by the interval δ3, the rotation angle ωY around the Y-axis of the wafer table 11 (wafer W) Ask for (rolling).
[0070]
Also, a Y-axis laser interferometer 23Y and a pitching measurement laser interferometer 23B are arranged so as to face the Y-axis moving mirror 21Y, and the laser beam moves from the laser interferometers 23Y and 23B at an interval δ2 in the Z direction. The mirror 21Y is irradiated. Laser interferometers 23Y and 23B measure the displacement of movable mirror 21Y in the Y direction with a resolution of about 1 to 0.1 nm. A rotation angle ωX (pitching) around the X axis of the wafer table 11 is obtained by dividing the difference between these measured values by the interval δ2. In this example, the second Z-axis laser interferometer 22B provided in the embodiment of FIG. 1 and the prism and fixed mirror associated therewith are not provided. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
[0071]
In this example, the 5-axis laser interferometers 23X, 23Y, 23A, 23B, and 23C are used to position the wafer table 11 (wafer W) relative to the wafer base 14 in the X and Y directions, and the rotation angles ωX, ωY, A displacement of 5 degrees of freedom consisting of ωZ is measured. Further, the measurement value obtained by subtracting the measurement value based on the displacement in the X direction of the prism 20A measured by the X-axis laser interferometer 23X from the measurement value of the Z-axis laser interferometer 22A is detected by the above equation (7). By dividing by the sensitivity, the displacement Z1 of the prism 20A (wafer table 11) in the Z direction can be obtained. In this case, in order to more accurately determine the displacement of the wafer table 11 in the Z direction (also referred to as Z) at the exposure center (optical axis AX), the rotation angle ωY, the prism 20A of FIG. The following correction calculation may be performed using the distance LX1 in the X direction.
[0072]
Z = Z1 + LX1 · ωY (10)
Thus, also in this example, the 6-degree-of-freedom displacement of the wafer table 11 can be measured.
The Z-axis laser interferometer 22A of this example also measures the displacement in the Z direction from the non-scanning direction (X direction) with respect to the wafer table 11 (wafer W). Therefore, since the prism 20A is hardly displaced in the X direction during scanning exposure, the interval LX1 in the equation (10) is also substantially constant. Accordingly, the displacement in the Z direction at the exposure center of the wafer table 11 can be measured at high speed and with high accuracy.
[0073]
In the above embodiment, the prisms 20A and 20B are used as the reflecting optical member. However, as the reflecting optical member, an optical system in which a prism (refractive member) and a mirror (reflecting member) are combined is also used. be able to.
In the above embodiment, the present invention is applied to measure the displacement in the direction (Z direction) along the optical axis of the projection optical system PL of the wafer stage 12 (wafer table 11). Can also be applied, for example, when measuring the displacement of the reticle stage 3 (reticle R) of FIG. 1 in the direction along the optical axis of the projection optical system PL.
[0074]
The projection exposure apparatus of the above embodiment includes an illumination optical system composed of a plurality of lenses, a projection optical system incorporated in the exposure apparatus main body, and optical adjustment, and a reticle stage and wafer stage composed of a large number of mechanical parts. Is attached to the exposure apparatus main body, wiring and piping are connected, and further comprehensive adjustment (electrical adjustment, operation check, etc.) is performed. The projection exposure apparatus is preferably manufactured in a clean room in which the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
[0075]
Further, when a semiconductor device is manufactured using the projection exposure apparatus of the above-described embodiment, the semiconductor device includes a step of designing a function / performance of the device, a step of manufacturing a reticle based on this step, and a silicon material. A step of forming a wafer, a step of performing alignment with the projection exposure apparatus of the above-described embodiment and exposing a reticle pattern onto the wafer, a step of forming a circuit pattern such as etching, a device assembly step (dicing process, bonding process, (Including a packaging process) and an inspection step.
[0076]
The present invention applies not only to a scanning exposure type projection exposure apparatus but also to a batch exposure type projection exposure apparatus in a direction along the optical axis of a projection optical system of a wafer stage (wafer) or a reticle stage (reticle). The same applies to the measurement of displacement. Further, the use of the exposure apparatus of the present invention is not limited to the exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device, but for example, exposure for a display apparatus such as a liquid crystal display element formed on a square glass plate or a plasma display. The present invention can also be widely applied to an exposure apparatus for manufacturing various devices such as an apparatus, an image sensor (CCD, etc.), a micromachine, a thin film magnetic head, and a DNA chip. Furthermore, the present invention can also be applied to an exposure process (exposure apparatus) when manufacturing a mask (photomask, reticle, etc.) on which mask patterns of various devices are formed using a photolithographic process.
[0077]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, Of course, a various structure can be taken in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0078]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to measure the displacement of the stage in the direction (height direction) intersecting the incident direction of the light beam or in the direction along the optical axis of the projection optical system by an interferometer method. In addition, even if an optical member such as another moving mirror is arranged on the refractive optical member, there is no fear of vignetting of the light beam from the refractive optical member by the optical member. Can be high.
[0079]
Further, when the projection optical system is provided, the reflecting member for reflecting the light beam can be easily separated from the projection optical system without increasing the size of the stage.
Further, when the exposure apparatus of the present invention has an optical axis direction driving device, based on the displacement in the direction along the optical axis of the projection optical system of the table measured by the interferometer method, for example, by the autofocus method By controlling the position of the table, the pattern image of the first object can be transferred onto the second object with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a projection exposure apparatus as an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of the projection exposure apparatus of FIG. 1 with a part cut away.
3 is a block diagram showing a configuration of a stage drive system of the projection exposure apparatus in FIG. 1. FIG.
4 is an enlarged view showing the prism 20A of FIG. 2. FIG.
5A is a diagram illustrating a case where the prism 20A is displaced in the Z direction, and FIG. 5B is a diagram illustrating a case where the prism 20A is displaced in the X direction.
6 is a diagram showing an example of the relationship between the tilt angle of the refracting surface of the prism 20A in FIG. 4 and the tilt angle of the laser beam emitted from the prism 20A.
7 is a diagram showing an example of the relationship between the tilt angle of the laser beam and the detection sensitivity of displacement in the Z direction in FIG.
FIG. 8 is a perspective view showing a schematic configuration of a projection exposure apparatus according to another example of the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
R ... reticle, PL ... projection optical system, W ... wafer, 6 ... main control system, 7 ... wafer stage drive system, 11 ... wafer table, 12 ... wafer stage, 13A-13C ... Z axis actuator, 14 ... wafer base, 20A, 20B ... Prism, 21X, 21Y ... Moving mirror, 22A, 22B ... Z-axis laser interferometer, 23X ... X-axis laser interferometer, 23Y ... Y-axis laser interferometer, 24A, 24B ... Fixed mirror, 31 ... Reference frame

Claims (13)

物体を移動するためのステージ装置において、
前記物体を保持してガイド面上を少なくとも一方向に移動するステージと、
前記ステージに計測ビームを照射する第１干渉計と、
前記ステージに設けられ、屈折と反射とを用いて前記計測ビームの方向を入射方向と交差する方向に変える屈折光学部材と、
前記屈折光学部材によって方向が変えられた計測ビームを前記屈折光学部材に向けて反射する反射部材とを有することを特徴とするステージ装置。In a stage device for moving an object,
A stage that holds the object and moves on the guide surface in at least one direction;
A first interferometer for irradiating the stage with a measurement beam;
A refractive optical member that is provided on the stage and changes the direction of the measurement beam to a direction intersecting the incident direction by using refraction and reflection;
A stage apparatus comprising: a reflecting member that reflects a measurement beam whose direction is changed by the refractive optical member toward the refractive optical member. 前記第１干渉計は前記ステージに前記計測ビームとは異なる参照ビームを照射し、
前記ステージは、照射された前記参照ビームを前記第１干渉計に向けて反射する参照部材を備え、
前記第１干渉計の検出結果に基づいて、前記ステージの前記計測ビームの入射方向に交差する方向の変位を求める演算装置を更に有することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。The first interferometer irradiates the stage with a reference beam different from the measurement beam,
The stage includes a reference member that reflects the irradiated reference beam toward the first interferometer,
The stage apparatus according to claim 1, further comprising an arithmetic unit that obtains a displacement of the stage in a direction intersecting an incident direction of the measurement beam based on a detection result of the first interferometer. 前記ステージの前記第１干渉計からの計測ビームの光路に沿った方向の位置を検出する第２干渉計と、
前記第１干渉計の検出結果と、前記第２干渉計の検出結果とに基づいて、前記ステージの前記計測ビームの入射方向に交差する方向の変位を求める演算装置とを有することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。A second interferometer for detecting the position of the stage along the optical path of the measurement beam from the first interferometer;
And an arithmetic unit that obtains a displacement of the stage in a direction intersecting an incident direction of the measurement beam based on a detection result of the first interferometer and a detection result of the second interferometer. The stage apparatus according to claim 1. 前記屈折光学部材は、前記計測ビームを屈折させる屈折部と、該屈折部によって屈折した前記計測ビームを反射する反射面とを備え、
前記反射面は前記ガイド面に対して実質的に垂直であ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ステージ装置。The refractive optical member includes a refracting unit that refracts the measurement beam, and a reflecting surface that reflects the measurement beam refracted by the refracting unit,
The stage apparatus according to claim 1, wherein the reflecting surface is substantially perpendicular to the guide surface. 前記屈折光学部材は、前記屈折部の対向する第１面及び第２面が非平行であると共に、前記第１面が前記計測ビームの入射面であり、前記第２面が前記計測ビームの前記反射面となるプリズムであることを特徴とする請求項４に記載のステージ装置。In the refractive optical member, the first surface and the second surface of the refracting portion facing each other are non-parallel, the first surface is an incident surface of the measurement beam, and the second surface is the measurement beam. The stage device according to claim 4, wherein the stage device is a prism serving as a reflecting surface. 第１物体のパターンを投影光学系を介して第２物体上に投影する露光装置において、
前記第１物体又は前記第２物体を保持してガイド面上を少なくとも一方向に移動するステージと、
前記ステージに計測ビームを照射する第１干渉計と、
前記ステージに設けられ、屈折と反射とを用いて前記計測ビームの方向を入射方向と交差する方向に変える屈折光学部材と、
前記屈折光学部材によって方向が変えられた計測ビームを前記屈折光学部材に向けて反射する反射部材とを有することを特徴とする露光装置。In an exposure apparatus that projects a pattern of a first object onto a second object via a projection optical system,
A stage that holds the first object or the second object and moves in at least one direction on a guide surface;
A first interferometer for irradiating the stage with a measurement beam;
A refractive optical member that is provided on the stage and changes the direction of the measurement beam to a direction intersecting the incident direction by using refraction and reflection;
An exposure apparatus comprising: a reflection member that reflects a measurement beam whose direction is changed by the refractive optical member toward the refractive optical member. 前記第１干渉計は前記ステージに前記計測ビームとは異なる参照ビームを照射し、
前記ステージは、照射された前記参照ビームを前記第１干渉計に向けて反射する参照部材を備え、
前記第１干渉計の検出結果に基づいて、前記ステージの前記投影光学系の光軸に沿った方向の変位を求める演算装置を更に有することを特徴とする請求項６に記載の露光装置。The first interferometer irradiates the stage with a reference beam different from the measurement beam,
The stage includes a reference member that reflects the irradiated reference beam toward the first interferometer,
The exposure apparatus according to claim 6, further comprising an arithmetic unit that obtains a displacement of the stage in a direction along an optical axis of the projection optical system based on a detection result of the first interferometer. 前記ステージの前記第１干渉計からの計測ビームの光路に沿った方向の位置を検出する第２干渉計と、
前記第１干渉計の検出結果と、前記第２干渉計の検出結果とに基づいて、前記ステージの前記投影光学系の光軸に沿った方向の変位を求める演算装置とを有することを特徴とする請求項６に記載の露光装置。A second interferometer for detecting the position of the stage along the optical path of the measurement beam from the first interferometer;
An arithmetic unit that obtains a displacement of the stage in the direction along the optical axis of the projection optical system based on a detection result of the first interferometer and a detection result of the second interferometer; An exposure apparatus according to claim 6. 前記ステージに関して前記第１干渉計、前記屈折光学部材及び前記反射部材にそれぞれ実質的に対称に配置された第３干渉計、第２屈折光学部材及び第２反射部材を更に有し、
前記演算装置は、前記第１干渉計及び前記第３干渉計の検出結果に基づいて、前記ステージの前記投影光学系の光軸に沿った方向の変位を求めることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の露光装置。A third interferometer, a second refractive optical member, and a second reflecting member disposed substantially symmetrically with respect to the first interferometer, the refractive optical member, and the reflecting member, respectively, with respect to the stage;
The arithmetic unit obtains a displacement of the stage in a direction along an optical axis of the projection optical system based on detection results of the first interferometer and the third interferometer. The exposure apparatus according to claim 8. 前記露光装置は走査露光型であり、
前記第１干渉計及び前記第３干渉計は、走査露光時の前記第１物体又は前記第２物体の走査方向に直交する方向に沿って前記ステージを挟むように配置されることを特徴とする請求項９に記載の露光装置。The exposure apparatus is a scanning exposure type,
The first interferometer and the third interferometer are arranged so as to sandwich the stage along a direction orthogonal to a scanning direction of the first object or the second object at the time of scanning exposure. The exposure apparatus according to claim 9. 前記ステージは、
前記ガイド面上を移動する可動ステージと、
前記第１物体又は前記第２物体を保持すると共に前記屈折光学部材が設けられたテーブルと、
前記可動ステージに対して前記テーブルを前記投影光学系の光軸に沿った方向に駆動する光軸方向駆動装置とを有し、
前記演算装置で求められた前記テーブルの前記投影光学系の光軸に沿った方向の変位に基づいて、前記光軸方向駆動装置を介して前記テーブルを駆動することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載の露光装置。The stage is
A movable stage that moves on the guide surface;
A table that holds the first object or the second object and is provided with the refractive optical member;
An optical axis direction driving device that drives the table in a direction along the optical axis of the projection optical system with respect to the movable stage;
8. The table is driven via the optical axis direction driving device based on a displacement of the table in the direction along the optical axis of the projection optical system obtained by the arithmetic unit. The exposure apparatus according to any one of 10. 前記第１干渉計を含んで前記ステージの６自由度の変位を検出する６軸の干渉計を有することを特徴とする請求項６〜１１のいずれか一項に記載の露光装置。The exposure apparatus according to any one of claims 6 to 11, further comprising a six-axis interferometer that includes the first interferometer and detects a displacement of six degrees of freedom of the stage. 請求項６〜１２のいずれか一項に記載の露光装置を用いてデバイスのパターンを基板上に転写する工程を含むデバイス製造方法。A device manufacturing method including a step of transferring a device pattern onto a substrate using the exposure apparatus according to claim 6.
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