JP2006078321A - 位置計測装置、該位置計測装置を装備した露光装置及び該位置計測装置を使用する露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度を向上させることが可能な位置計測装置等を提供すること。
【解決手段】ＲＡ光学系３０ＡをレチクルＲの下面にピントを合わせるためのＲＡ−ＡＦ系３７では、レチクルＲと光学的に共役な位置からファイン計測系３６中の屈折力のある光学部材に至る光路、例えば第２対物レンズ６１と第３対物レンズ６５との間の光路上に、光学的に２枚以上の正負のレンズで構成され、全体でほぼ無屈折力（焦点距離無限大）となるレンズ系であるアフォーカル系レンズ３８を配置して、このアフォーカル系レンズ３８を光軸上に沿って駆動させてピント調整を行う。第２対物レンズ６１と第３対物レンズ６５との間の光路は、第１対物レンズ５０とレチクルＲとの間の光路に比してスペース的に余裕があり、焦点距離が長く、アフォーカル系レンズ３８の移動ストロークを十分確保できる。このため分解能を向上させることができ、高精度で合焦動作（ピント合わせ）を行うことが出来る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、位置計測用パターンなどを撮像して該位置計測用パターンなどの位置を計測する際のピント調整が精度良く行え、計測精度を向上させることが可能な位置計測装置、該位置計測装置を装備した露光装置及び該位置計測装置を使用する露光方法に関する。

一般に、半導体製造のためのリソグラフィ工程においては、被露光基板としてのウエハ上に各種のマスクパターンとしてのレチクルパターンが繰り返し露光され、現像、エッチング、化学的処理等を行ないながら複雑な回路が形成されていく。

従来、ステッパおよびスキャナのレチクルアライメント系においては、露光光を用いた画像処理アライメント光学系が用いられてきた。このような装置においては、明視野型の顕微鏡であるレチクルアライメント（ＲＡ）光学系を用いて、レチクル上のレチクルアライメントマーク（ＲＭ）と、投影レンズを介してウエハステージ上のアライメント基板上にあるフィデューシャルマーク（基準マークＦＭ）とを同時に観察・撮像し、得られた波形信号を画像処理して、ＲＭとＦＭの相対マーク位置を検出する。計測のための照明光は、露光に使用するエキシマレーザ光源等をメイン照明系光路より切り換え分岐し、ライトガイド及びリレーレンズ等によりＲＡ光学系に導き、ＲＡ光学系内の照明系と、第１対物レンズを経てＲＭひいてはＦＭを落射照明している。

レチクルアライメント（ＲＡ）は、レチクルを交換するたびにレチクル上の左右２箇所にあるＲＭをウエハステージ上のＦＭと同時に合わせて計測することで、レチクルの中心座標と回転を計測し、ウエハステージ座標に換算する機能を有する。結果として、正しいレチクル座標系情報をウエハ座標系で得ることにより、投影レンズを介して、ウエハ上の正しい位置へレチクルパターンを焼付け可能にする。

レチクルアライメント（ＲＡ）の後は、ウエハアライメント系(例えばＦＩＡ系)を用いて、レジストが塗布されたウエハ上の任意のショット内に形成されたアライメントマークを、複数ショットで検出し画像処理により各位置を求めると共に、統計処理によりウエハ全体の位置と回転量を算出する（ＥＧＡ計測）。その結果を受け、ステッパは、ウエハステージを正確に位置決めしながらステッピング露光動作を行ない、レチクルパターンをウエハ上の各ショットに重ねて所望の位置に形成することができる。きわめて細い線幅の露光パターンを露光するため、この重ね合せは、数ｎｍ（ナノメートル）の精度で行われる必要がある。よって、アライメント精度には更なる精度が要求されている。

また、ステッパにおいては、半導体を効率良く大量生産するために、１時間に何枚のウエハを露光できるか（スループット）の性能が非常に重要である。よって、レチクルアライメント（ＲＡ）においても、高いアライメント精度をもつことに加え、いかに高速にアライメント（ＲＡ）計測を行えるかが重要である。

さらに、近年、数枚のレチクルを交換して一つの露光領域に重ね露光する２重露光を行うことが増えている。この際には１回目の露光の後、レチクルを交換しレチクルアライメント（ＲＡ）計測を行ないレチクル位置・回転情報を得て、露光動作に移るという工程を繰り返している。

上述した投影レンズは、その主光線が両側テレセントリックなレンズであるが、レチクル側の主光線には若干の傾きが残存する場合がある。これはレチクルパターンをウエハ上に投影するための結像においては、何ら問題がないものの、ＲＡ光学系では以下のような問題がある。

すなわち、レチクルアライメント光学系においては、レチクル下面に対するピントを厳密に合わせないと、ＲＭとＦＭの合成像においてその相対位置がずれて計測誤差となることを意味している。ＲＭの像は落射照明光による反射像とＦＭ反射光による透過像とが合成された像である。ＲＡ光学系のピントがずれていたり、レチクルの厚みが変わったりして、レチクルへの焦点がずれると、ＲＭ反射成分の像とＦＭ反射成分の像（ＲＭ透過像含め）が、投影レンズのレチクル側主光線の傾き分だけ横シフトしてしまう。この様な誤差を防ぐため、レチクルアライメント光学系にはオートフォーカス機構（ＲＡ−ＡＦと呼ぶ：レチクル・アライメント−オート・フォーカス）が搭載されているが、これまでのＲＡ−ＡＦ機構では、ＲＡ光学系の第１対物レンズの先に（レチクル寄り位置）、アフォーカル系レンズ（光学的に２枚以上の正負のレンズで構成され、全体でほぼ無屈折力（焦点距離無限大）となるレンズ系）を設置しているので、このアフォーカル系レンズを光軸方向に沿って駆動させるための、物理的に余裕のあるスペース（分解能を上げるためのストローク）を十分確保することができず、このため更なるアライメント精度要求に応じることが難しい問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、計測精度を向上させることが可能な位置計測装置、該位置計測装置を装備して高精度の露光が行える露光装置及び該位置計測装置を使用して高精度の露光が行える露光方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する、本発明の請求項１に記載の位置計測装置は、第１物体（レチクルＲ）上に形成された位置計測用パターン（レチクルアライメントマークＲＭ）及び第２物体（ウエハＷ）を載置するステージ（ウエハステージＷＳＴ）の所定面（基準部材又はウエハＷ）上に位置する基準マークを、光源からの照明光を用いて照明し、前記位置計測用パターンの像及び前記基準マークの像を撮像手段（ファイン計測用ＣＣＤカメラ、サーチ計測用カメラ）により撮像して計測信号を得て、該計測信号に基づいて前記位置計測用パターンと前記基準マークとの相対位置を計測する計測装置であって、前記位置計測パターンの像と前記基準マークの像とを形成する結像光学系（サーチ計測系３３、ファイン計測系３６）を備え、該結像光学系は、前記第１物体（レチクルＲ）と光学的に共役な位置から前記結像光学系中のパワー（屈折力）を有する光学部材（凸レンズ、凹レンズ、反射ミラーなどの屈折力を有する光学部材：例えば図２に示す第３対物レンズ）に至る光路中（例えば図２の第２対物レンズと第３対物レンズとの間の光路中）に配置されて、前記結像光学系の結像位置を調整する調整光学系（ＲＡ−ＡＦ系３７、アフォーカル系レンズ３８）を備えていることを特徴とする。

請求項１に記載の位置計測装置において、前記光源と前記位置計測用パターンとの間の照明光路及び／又は前記前記位置計測パターンと前記撮像手段との間の結像光路中に配置されて、該光路を分割する光路分割部材（ハーフミラー４５，４８，６６）と、前記光路分割部材の近傍に配置された絞り（開口絞り６０又は視野絞り５３）と、を備え、前記光路分割部材の厚みを、該光路分割部材で発生し且つ前記照明光路及び／又は前記結像光路を進行する光と干渉し得る光を前記絞りの遮光部に導く厚みに設定することが好ましい（請求項２）。

請求項１又は２に記載の位置計測装置において、前記結像光学系の波面収差をＰＶ（Peak to Valley）値で０．２λ以下に設定することが好ましい（請求項３）。

請求項１乃至３の何れか一項に記載の位置計測装置において、前記基準マークは、前記ステージ上に設けられた基準部材上に形成される（請求項４）。

上記目的を達成する、本発明の請求項５に記載の露光装置は、マスクパターン（レチクルパターン）を照明して、該マスクパターンの像をステージ（ウエハステージＷＳＴ）に載置された被露光基板（ウエハＷ）に転写する露光装置であって、請求項１乃至４の何れか一項に記載の位置計測装置と、前記マスクに形成された位置計測用パターンと前記ステージ上の所定面に位置する基準マークとを前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて、前記マスクと前記被露光基板との相対位置を調整する制御手段（主制御系）と；を備えることを特徴とする。

上記目的を達成する、本発明の請求項６に記載の露光方法は、マスクパターン（レチクルパターン）を照明して、該マスクパターンの像をステージ（ウエハステージＷＳＴ）に載置された被露光基板（ウエハＷ）に転写する露光方法であって、前記マスクに形成された位置計測用パターン（レチクルアライメントマークＲＭ）と前記ステージ上の所定面（基準部材又はウエハＷ）に位置する基準マークとを請求項１乃至４の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測する計測工程と、この計測工程による計測結果に基づいて、前記マスクと前記被露光基板との相対位置を調整する調整工程と、この相対位置を調整した後に、前記マスクパターンの像を前記被露光基板に転写する転写工程と；を備えることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の位置計測装置によれば、結像光学系が、第１物体（レチクルＲ）と光学的に共役な位置から結像光学系中のパワー（屈折力）を有する光学部材に至る光路中に配置されて、結像光学系の結像位置を調整する調整光学系（ＲＡ−ＡＦ系３７、アフォーカル系レンズ３８）を備えているので、すなわちスペース的に余裕のある箇所に調整光学系が設置されているので、ピント調整（合焦）のために調整光学系をその光軸に沿って移動させる移動ストロークを大きくとることが可能となり、分解能を上げて高精度のピント調整が行え、またスペース的に余裕があることから、振動などに対して安定した構造のものが構築でき、これらの結果、位置計測用パターンと基準マークの計測精度（第１物体と第２物体との相対位置の計測精度）を向上させることができる。

請求項２に記載の位置計測装置によれば、照明光路及び／又は結像光路に配置された光路分割部材（ハーフミラー）とこの近傍に配置された絞り（開口絞り又は視野絞り）を備え、光路分割部材の厚みを、該光路分割部材で発生し且つ照明光路及び／又は結像光路を進行する光と干渉し得る光を絞りの遮光部に導く厚みに設定してあるので、請求項１に記載の効果を奏する上に、ＲＡ光学系において発生する干渉縞を可及的に低減することができ、計測精度をさらに向上させることが可能となる。

請求項３に記載の位置計測装置によれば、結像光学系の波面収差をＰＶ（Peak to Valley）値で０．２λ以下に設定してあるので、請求項１に記載の効果を奏する上に、結像した像の波形信号のエッジの劣化を抑え、計測精度をさらに向上させることが可能となる。

請求項４に記載の位置計測装置によれば、基準マークをステージ上に設けられた基準部材上に形成してあるので、位置計測用パターンの像と共に撮像される基準マークの像の撮像が容易になり、計測がスムーズに行える。

請求項５に記載の露光装置、請求項６に記載の露光方法によれば、請求項１乃至４に記載の何れか一項に記載の位置計測装置を使用しているので、位置計測用パターンと基準マークの計測精度、すなわちマスクと被露光基板との相対位置の計測精度を向上させることができ、この結果、露光精度を向上させることが可能となる。

以下本発明の位置計測装置、該位置計測露光方法及び該露光方法を実施する露光装置の実施形態について図１乃至図６を参照して説明する。

図１は本発明の位置計測装置を備えた露光装置の一実施形態を示す全体構成図、図２は本発明の位置計測装置を詳細に示す平面図、図３は図２に示す位置計測装置に装備されたサーチ計測用ＣＣＤカメラ、ファインＸ軸、Ｙ軸計測用ラインセンサの近傍に配置した温調機構の説明図、図４は図２に示す位置計測装置の計測照明光学系の構成図、図５（Ａ）は図４の計測照明光学系のライトガイドを示す一部省略した説明図、（Ｂ）は同ライトガイドの密封構造の一部切欠した説明図、図６（Ａ）、（Ｂ）は図２に示す位置計測装置に配置されたハーフミラー及びこのハーフミラーの近傍に設置された開口絞り、視野絞りによる干渉縞低減対策を説明する説明図、図７（Ａ）図２に示す位置計測装置に装備されたファインＸ軸、Ｙ軸計測用ラインセンサの側面図、（Ｂ）は同平面図、図８は図２に示す位置計測装置の光学系（レチクルアライメント（ＲＡ）光学系）のコマ収差と像エッジ劣化との関係を示すグラフ、図９は図２に示す位置計測装置の光学系（レチクルアライメント（ＲＡ）光学系）の球面収差と像エッジ劣化との関係を示すグラフ、図１０はファイン計測系とサーチ計測系における、レチクルアライメントマークＲＭ、基準マークＦＭ及びこれらの検出像を示す説明図である。

先ず、本実施形態の露光装置１０の全体構成について、図１を参照して説明する。

本実施形態においては、露光装置１０は、マスクとしてのレチクルＲ上に形成された回路パターン等のレチクルパターンを、ステップ・アンド・リピート方式により投影光学系ＰＬを介して被露光基板としてのウエハＷの各ショット領域上に順次露光転写する、縮小投影型の露光装置である。図１中、Ｘ軸及びＺ軸は紙面に並行に設定され、Ｙ軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。

露光装置１０は、エキシマレーザ１１，ビームマッチングユニット１２（図４参照）などを備えた照明光学系１４と、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳと、レチクルＲに形成されたパターンの像をウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷを保持する可動ステージとしてのウエハステージＷＳＴと、レチクルアライメントの際に使用される、位置計測装置である、結像光学系としてのレチクルアライメント（ＲＡ）光学系（レチル顕微鏡）３０Ａ、３０Ｂと、不図示のウエハライメント光学系、フォーカス検出系及び装置全体を統括制御する主制御系１５（主制御部１６、位置演算部１７）等を備えている。

レチクルＲは、照明光学系１４の下方に配置されたレチクルステージＲＳ上に載置されて、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持される。レチクルステージＲＳは、水平面（ＸＹ平面）内で２次元移動可能に構成されており、レチクルＲが載置された後、レチクルＲのパターンが形成された領域の中心点が光軸と一致するように位置決めが行われる。このレチクルＲの位置決めのために、前述したＲＡ光学系３０Ａ、３０Ｂを使用してレチクルアライメントが行われる。

レチクルＲには、図１０に示すように、回路パターンなどが形成された領域の左右外側に位置計測用パターンであるレチクルアライメントマークＲＭが形成されている。このレチクルアライメントマークＲＭは、レチクルアライメント（ＲＡ）光学系３０Ａ、３０Ｂを使用してレチクルアライメントを行う際に使用するもので、例えばクロムなどの金属薄膜により形成される。図１０では、十字状のパターンと正方形状のパターンをそれらの中心が互いに一致するように重ね合わせ且つ正方形状のパターンの外側に適宜間隔をあけて各辺にそれぞれ平行に１本の直線状のパターン（合計４本の直線状のパターン）を配置して形成した場合を示している。

レチクルステージＲＳには、不図示のレチクル干渉計からのレーザビームを反射する不図示の移動鏡が固定され、レチクルステージＲＳの移動面内での位置が、所定の分解能で常時検出される。レチクル干渉計からのレチクルステージＲＳについての位置情報は、主制御系１５に送られる。主制御系１５は、この位置情報に基づいてレチクルステージ駆動系１９を介してレチクルステージＲＳを駆動する。

投影光学系ＰＬは、複数のレンズエレメントから構成され、これらレンズエレメントが両側テレセントリックな光学配置になるように共通のＺ軸方向の光軸を有する。投影光学系ＰＬとしては、投影倍率が例えば１／４、１／５又は１／６のものが使用されており、照明光によりレチクルＲのパターンが形成された領域が照明されると、レチクルＲのパターンの像が投影光学系ＰＬによって縮小された状態で感光剤としてのレジストが塗布されたウエハＷ上に縮小投影され、ウエハＷ上のあるショット領域にレチクルＲのパターンの縮小像が転写される。

ウエハＷは、ウエハステージＷＳＴ上に、ウエハホルダ２１を介して真空吸着等により固定されている。ウエハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの下方に配置され、水平面（ＸＹ面）内を２次元移動可能なＸＹステージ２２と、このＸＹステージ２２下に搭載された光軸方向（Ｚ軸方向）に微動可能なＺステージ２３等から構成される。

ウエハステージＷＳＴの２次元的な位置は、ウエハステージＷＳＴ上に固定された移動鏡２４を介して干渉計１８により所定の分解能（例えば１ｎｍ程度）で常時検出される。干渉計１８の出力は主制御系１５に送られ、該主制御系１５の制御部１６からウエハステージ駆動系２０を介してウエハステージＷＳＴが制御され、例えばウエハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターンの転写露光が終了すると、次のショット位置までウエハＷをステッピングさせるようにウエハステージＷＳＴが制御される。

ウエハＷの面のＺ軸方向の位置は、前述したフォーカス検出系（図示せず）により測定される。このフォーカス検出系は、例えば投影光学系ＰＬの結像面に向けて結像光束若しくは平行光束を光軸ＡＸに対して斜め方向より照射する照射光学系と、この結像光束若しくは平行光束のウエハＷの表面（基準板ＦＭの表面）での反射光束を受光する受光光学系とを有する。受光光学系からの信号は、主制御系１５に供給され、主制御系１５は、この信号に基づき、投影光学系ＰＬの最良結像面にウエハＷの面が位置するように、ウエハＷのＺ軸方向の位置を制御する。

ウエハステージＷＳＴ上には、レチクルアライメント及びベースライン計測のための基準マークＦＭ（図１０参照）が形成された基準部材２５が固定される。この基準マークＦＭは、例えば、図１０に示すように、３本の直線状パターンをＸ軸方向に所定の間隔をあけて２組配列すると共に、３本の直線状パターンをＹ軸方向に所定の間隔をあけて２組配列して形成される。

主制御系１５は、制御部１６と位置演算部１７とを備えており、ＲＡ光学系（レチクル顕微鏡）３０Ａ、３０Ｂやウエハライメント光学系から撮像信号（計測信号）を入力し、この計測信号に基づいて位置演算部１７でレチクルＲとウエハＷの位置を演算し、この演算結果や干渉計１８、レチクル干渉計からの信号等に基づいて制御部１６を介してレチクルステージ駆動系１９、ウエハステージ駆動系２０等に制御信号を出力するように構成されている。これによりレチクルＲとウエハＷとの相対位置が調整される。

ＲＡ光学系３０Ａ、３０Ｂは、ＶＲＡ(画像検出方式のレチクルアライメント：Video Reticle Alignment)センサから構成されており、ＲＡ光学系３０Ａは、図１は露光装置１０に向かって右側に配置され、またＲＡ光学系３０Ｂは、投影光学系ＰＬの光軸を挟んだＸ方向反対側の対称位置である左側に配置される。

ＲＡ光学系３０Ａについての説明を行い、ＲＡ光学系３０Ｂについては、ＲＡ光学系３０Ａと同一構成部分に同一符号を付してその説明を省略する。

ＲＡ光学系３０Ａは、図２に示すように、露光用の照明光を照明光学系１４から分岐してＲＡ光学系３０Ａに導く計測照明光学系３１と、図１０に示すようなサーチ系の検出像を撮像するサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２を備えた、結像光学系としてのサーチ計測系３３と、図１０に示すようなファイン系の検出像を撮像する、同じく結像光学系としてのファイン計測用ラインセンサ３４，３５を備えたファイン計測（ファイン結像）系３６と、ＲＡ光学系３０ＡをレチクルＲの下面にピントを合わせるためのレチクル・アライメント・オート・フォーカス（ＲＡ−ＡＦ）３７と、を具備する。

なお、ファイン計測系３６では、図１０に示すように、基準マークＦＭ上にレチクルアライメントマークＲＭが重なった状態の検出像が撮像されるが、サーチ計測系３３では、基準部材２５のクロム（Ｃｒ）反射面、または場合によってはガラス面が下地となり、この反射面上にレチクルアライメントマークＲＭが重なった状態の検出像が撮像される。

先ず、計測照明光学系３１について図４を参照して説明すると、計測照明光学系３１は、ビームマッチングユニット１２及びミラー２６を介してメイン照明系である照明光学系１４へ導かれるエキシマレーザ１１からの露光光を分岐するための分岐ミラー４１を備えている。この切換ミラー４１は、エキシマレーザ１１からの露光光の光路に挿脱可能に設けられており、露光光の光路に挿入されたときには、切換ミラー４１で反射された露光光を計測用照明光としてライトガイド４１ａの金属ターミナル部８２の入射端に導く。ライトガイド４１ａに導かれた計測用照明光は、中継レンズ８４を経た後に２分岐ライトガイド４６ｂに導かれ、その金属ターミナル部８６の射出端から射出され、計測照明光学系３１の照明テレセントリシティを調整するためのテレセンハービング（平行平板）４２、コンデンサレンズ４３、照野絞り４４、ハーフミラー４５、サーチ計測用第２対物レンズ４６、ミラー４７、ハーフミラー４８を介して偏向ミラー４９に至り、この偏向ミラー４９で光路がレチクルＲ側に向けられ、第１対物レンズ５０、クランクミラー５１（図１参照）を介してレチクルＲ下面のレチクルアライメントマークＲＭを均一且つ照野絞りで決められた照明エリア（照野）でケーラー照明する。クランクミラー５１は、レチクルアライメント時にのみ図１に示すように照明光学系１４とレチクルＲとの間の空間に導入され、露光処理時にはこの空間の外側に移動される。レチクルアライメントマークＲＭは図１０に示すように形成されており、刻線部以外の大部分の領域は照明光が透過する。透過した計測用照明光は投影光学系ＰＬを介して基準部材２５に導かれて基準マークＦＭを照明する。

基準部材２５の表面は、Ｃｒ膜等の金属膜に基準マークＦＭの部分のみがエッチングされたガラス基板面となっている。基準部材２５を反射した光は、再度投影光学系ＰＬによりレチクルＲの下面へと導かれ、基準マークＦＭの像がレチクルアライメントマークＲＭ下面に形成される。レチクルアライメントマークＲＭは再度基準部材２５の反射領域にて下から照明される。このようにしてレチクルアライメントマークＲＭと基準マークＦＭは照明されて、その反射光は、クランクミラー５１、第１対物レンズ５０及び偏向ミラー４９を介してハーフミラー４８に導かれる。ハーフミラー４８を透過した反射光は、サーチ計測系３３に導かれ、またハーフミラー４８で反射した反射光（レチクルアライメントマークＲＭの反射光と基準マークＦＭの反射光）は、ファイン計測系３６に導かれる。

次に、サーチ計測系３３について説明する。サーチ計測系３３は、ファイン計測系３６に比して計測倍率が低く、基準マークＦＭの代わりに基準部材２５の反射面（Ｃｒまたはガラス面）からの反射光を使用し、レチクルアライメントマークＲＭのみの２次元信号波形を得て、レチクルＲ上の広いエリアを計測する。レチクルＲが投入された直後に、レチクルアライメントマークＲＭを観察し位置計測し、ラフアライメントを行なう際に使用される。

ハーフミラー４８を透過した反射光は、ミラー４７、サーチ計測用第２対物レンズ４６を介してハーフミラー４５に導かれ、このハーフミラー４５を反射してサーチ視野絞り５３位置で中間結像する。サーチ視野絞り５３を通過した反射光はミラー５４で反射され、サーチ第１リレーレンズ５５、サーチ開口絞り５６、サーチ第２リレーレンズ５７などを介して偏向ミラー５８（図３参照）に至り、この偏向ミラー５８により光軸が偏向されてサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２に入射し、このサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２の受光素子上に結像する。

次に、ファイン計測系３６について説明する。ファイン計測系３６は、サーチ計測系３３に比して計測倍率が高く、基準マークＦＭに対するレチクルアライメントマークＲＭの位置を高精度に計測するものである。

ハーフミラー４８を反射した反射光は、開口絞り６０、ファイン第２対物レンズ６１、光軸ハービング（平行平板）６２を介してミラー６３に導かれ、このミラー６３を反射して視野絞り６４位置で中間結像する。視野絞り６４を通過した反射光は、ファイン第３対物レンズ６５を介してハーフミラー６６に導かれる。このハーフミラー６６を反射した反射光は、アス調整用レンズ６７ａを含むＸ軸第４対物レンズ６７、光軸ハービング７０を介して偏向ミラー７２（図３参照）に至り、この偏向ミラー７２により光軸が偏向され、ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４に入射し、結像する。ハーフミラー６６を透過した反射光はミラー６９で反射され、Ｙ軸第４対物レンズ６８、光軸ハービング７１を介して偏向ミラー７３（図３参照）に至り、この偏向ミラー７３により光軸が偏向され、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５に入射し、結像する。

ファイン計測系（結像系）では、図１０の検出像、すなわちレチクルアライメントマークＲＭと基準マークＦＭの合成像が得られる。ここで、レチクルアライメントマークＲＭはレチクルＲ上への落射照明光による反射像と基準マークからの反射光による透過像が合成された像になっている。ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５で撮像された信号波形は、位置演算部１７で画像処理され、基準マークＦＭとレチクルアライメントマークＲＭとの相対位置が計測される。この際、基準マークＦＭのウエハステージ座標系における位置は、干渉計１８にて正確に計測され、レチクルアライメントマークＲＭのレチクルステージ座標系における位置は同様に、不図示のレチクルステージ干渉計（ステージＸＹ座標計測）にて正確に計測されており、信号波形から求められた基準マークＦＭとレチクルアライメントマークＲＭの相対位置ずれから、レチクルアライメントマークＲＭのウエハステージ座標系換算値のＸＹ座標を求めることができる。

上述したサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、Ｘ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５の付近には、図３に示すように、温調機構７４がそれぞれ装備されていて、これらサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、Ｘ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５から発生する熱がレチクルＲ側の光学系に伝わらないようにしている（レチクルステージＲＳを含むレチクルＲ周辺の雰囲気が変動しないように熱を遮断している）。

ＲＡ光学系３０ＡとＲＡ光学系３０Ｂは、レチクルＲ中心に対し線対称に左右に設置されており、左右２つのレチクルアライメントマークＲＭマークを同時に計測することができる。これにより、レチクルＲの回転も計測できるため、レチクルＲの位置・回転を正確に求めることができる。

次に、レチクル・アライメント・オート・フォーカス（ＲＡ−ＡＦ）系３７について説明する。ＲＡ−ＡＦ系３７では、レチクルＲと光学的に共役な位置からファイン計測系３６中の屈折力のある光学部材に至る光路、例えば第２対物レンズ６１と第３対物レンズ６５との間の光路上に、光学的に２枚以上の凸凹のレンズで構成され、全体でノンパワー（焦点距離無限大）となるレンズであるアフォーカル系レンズ３８を配置して、このアフォーカル系レンズ３８を光軸上に沿って駆動させてピント調整を行っている。第２対物レンズ６１と第３対物レンズ６５との間の光路は、第１対物レンズ５０とレチクルＲとの間の光路に比してスペース的に余裕があり、焦点距離が長く、アフォーカル系レンズ３８の移動ストロークを十分確保できる。このため分解能を向上させることができ、高精度で合焦動作（ピント合わせ）を行うことが出来る。また、スペース的に余裕があることから、アフォーカル系レンズ３８を光軸に沿って移動させる機構として機械的に安定した高強度構造のものを構築することができる。

なお、この第２対物レンズ６１と第３対物レンズ６５との間の光路と、従来例の第１対物とレチクル間の光路以外では、倍率が変化すること、波面収差が変化するなどのデメリットがある。

ＲＡ−ＡＦ３７の信号処理は主制御系１６の位置演算部１７で行われ、この信号処理としては、アフォーカル系レンズ３８を駆動させた際のレチクルアライメントマークＲＭの像の信号波形を取り込み、各波形信号に対し微分信号の最大値（通常、像の左右エッジにある）を求め、その微分最大値がフォーカス変化（つまりアフォーカル系レンズ駆動）によって、さらに最大となる位置を求める。微分最大値とフォーカスの関係は、山型の正規分布のような曲線となり、例えば２次フィッティングし最大値を取るなど、各種アルゴリズムにてその最大値を求めることができる。

本発明では、アフォーカル系レンズ３８を上述のように第２対物レンズ６１と第３対物レンズ６５との間の光路に設置する他に、次のような工夫が施されている。

ＲＡ光学系３０Ａ（ＲＡ光学系３０Ｂについても同様）に配置される、光路分割部材としての各ハーフミラー４５，４８，６６には、図６（Ａ）、（Ｂ）の説明図に示すように干渉縞を低減する対策が施されている。図６（Ａ）は同図の下側から光がハーフミラーに入射した場合の干渉縞低減対策を示し、同（Ｂ）は同図の上側から光がハーフミラーに入射した場合の干渉縞低減対策を示している。なお、ハーフミラー４８の場合にあっては、計測照明光をレチクルＲに導くときには図６（Ｂ）に示すように上側から光が入射し、反射光をサーチ計測系３３やファイン計測系３６に導くときには図６（Ａ）に示すように下側から光が入射する。

ハーフミラー４５，４８，６６では、入射する光の一部がミラー面ＨＭで反射する一方、残りの光がミラー面ＨＭを透過するが、この透過した光のうちの一部がミラー面ＨＭと反対側にある裏面で反射してしまい、この裏面での反射光がミラー面ＨＭでの反射光や透過光と干渉して干渉縞を発生させる。この干渉縞がＲＡ光学系３０Ａで発生すると、計測精度を向上させることができなくなる。

そこで、本発明では、干渉縞を低減させるために、各ハーフミラー４５，４８，６６の近傍にサーチ視野絞り５３、ファイン開口絞り６０などを配置すると共に、ハーフミラー４５，４８，６６の厚さを、ハーフミラー４５，４８，６６内で発生し且つ照明光路及び／又は結像光路（レチクルアライメントマークＲＭなどから反射してサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４などに導く光路）を進行する光と干渉し得る光（例えばハーフミラー４５，４８，６６の裏面で反射する光）をサーチ視野絞り５３、開口絞り６０などの遮光部へ導く厚さに設定している。

なお、ハーフミラー６６の近傍には視野絞り、開口絞りが配置されていないが、図２に示すように遮光部６６ａがファイン開口絞りと共役位置近傍に配置されている。

したがって、ハーフミラー４５，４８，６６の裏面で反射した光は、ハーフミラー４５，４８，６６を反射、透過して照明光路や結像光路に進行する光と干渉する前にカットされ、干渉縞を低減して計測精度を向上させることが可能となる。

各ハーフミラー４５，４８，６６は、光束が絞られる瞳面近傍やレチクルＲの共役面近傍の位置にそれぞれ配置されており、上述したミラー面ＨＭと反対側の裏面での反射光をカットしやすい配置となっている。この瞳面近傍やレチクルＲの共役面近傍以外の箇所では、ハーフミラー４５，４８，６６をさらに厚くしなければ光を反射光と透過光に分離するのが困難となる。

なお、各ハーフミラー４５，４８，６６の裏面には、通常、反射防止効果のあるコーティングがなされているが、それでも微小な干渉縞が受光センサ上で発生してしまうことがある。この対策のために、ハーフミラー４５，４８，６６の裏面の形状を曲率半径の鈍いレンズ面にする手法や、楔をつける手法がある（例えば特開２００３−３４４０１０号公報参照）。これらの効果により、ハーフミラー４５，４８，６６の裏面の反射光が、サーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４などに届かなくなるか、受光面上で発生する干渉縞のピッチがサーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４のピクセルの大きさよりも小さくなれば、干渉縞の影響を排除することが出来る。

結像光学系である、サーチ計測系３３とファイン計測系３６の光学系に（コマ収差成分や球面収差成分）が残存していると、結像した波形信号のエッジが鈍くなり計測精度に影響する。

そこで、本発明では、結像光学系である、サーチ計測系３３とファイン計測系３６の光学系の波面収差をＰＶ（Peak to Valley）値で０．２λ（λ＝１９３ｎｍまたは２４８ｎｍ等の露光光波長）以下に設定してある。これにより、サーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５で撮像した像のエッジの劣化が抑えられて、サーチ計測用ＣＣＤカメラ３２、ファインＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５からの信号波形を主制御系１５の位置演算部１７で画像処理して、基準マークＦＭとレチクルアライメントマークＲＭとの相対位置を計測する際の計測精度を向上させることが可能となる。

図８はコマ収差と像エッジ微分値との関係を示し、また図９は球面収差と像エッジ微分値との関係を示しており、いずれの場合にあっても波面収差（コマ収差、球面収差）のＰＶ値を０．２λ以下に設定することによって、像エッジの微分値が１程度に維持されることが（像のエッジでの傾きがシャープに維持され、計測精度を向上させることが）裏付けられた。

本実施形態では、図４に示すように、切換ミラー４０から分岐した露光光の一部である計測照明光の光路上に変倍リレーレンズ８０，回転拡散板８１，ライトガイド４１ａ、中継レンズ８４，２分岐ライトガイド４１ｂを配置して計測照明光学系３１内で発生する干渉縞を低減する工夫が施してある。すなわち、２本のライトガイド４１ａ、４１ｂ間に中継レンズ８４を配置し、ライトガイド４１ａの金属ターミナル部８３にある射出端とライトガイド４１ｂの金属ターミナル部８５にある入射端をそれぞれ中継レンズ８４の前側焦点位置と後側焦点位置に設置する構成とし、ライトガイド４１ａからの光束に基づいてライトガイド４１ｂの入射端をケーラー照明して、計測照明光学系３１内で発生する干渉縞を低減している。

なお、図４では中継レンズ８４を１枚のレンズで図示してあるが、中継レンズ８４の枚数は１枚に限定されない。また、中継レンズ８４に加えて、リレー光学系や、光路を偏向するための光路偏向プリズムなどを配置してもよい。同様に、変倍リレーレンズ８０の前後の光路にも、変倍リレーレンズ８０に加えて、別のリレー光学系や、光路を偏向するための光路偏向プリズムなどを配置しても良い。

なお、変倍リレーレンズ８０は、計測照明光の光束の断面をライトガイド４１ａの入射端面に合わせた大きさに調整するものである。また、回転拡散板８１を設置し、これに対向するライトガイド４１ａの入射端を傾斜設置することにより、角度（発散角）を有し且つ面積を有する二次光源をライトガイド４１ａの射出端に形成している。

また、ライトガイド４ａ、４１ｂ内部には、光ファイバ素線の被服物質や、端面の充填剤（多数のライトガイド間の隙間を埋めるもの）等があり、このような材料から発生する曇り物質（レンズ等に付着しエキシマ波長域での透過率を劣化させる）が外部に漏れることを防止するために、密封構造にすることが望ましい。すなわち、図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ライトガイド４１ａ、４１ｂは、そのフレキシブル管８７を空気の漏れない密封タイプとし（フレキシブルなガス管のようなもの）、両端の金属ターミナル部８２（８３，８５，８６）はガラス８９で密封した構造とする。すなわち、ケミカルクリーン対応のため、周辺の環境に不要なガス成分を発散しないような構造とする。ガラス８９による密封手法は特に問わない。ただし、内部の材料から曇りを発生させる物質が発生しない場合にはこの限りではない。

また、本実施態様では、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、Ｘ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５のカバーガラス３４ａ、３５ａを５度程度傾けて設置し、またカバーガラス３４ａ、３５ａには使用波長で有効な反射防止コートを蒸着する。これにより、Ｘ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５の受光面とカバーガラス３４ａ、３５ａ等で発生する干渉縞を低減かつ縞の周期をＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５のピクセルサイズよりも小さくすることで影響を無視できるようにしている。

また、本実施態様では、図２に示すファイン計測系３６内にアス（ピントのＸＹ差）調整機構を設置している。すなわち、Ｘ軸第４対物レンズ６７内にアス調整用レンズ６７ａを設置してピントのＸＹ差を調整できるようにしている。装置組立時においてピントのＸＹ差を調整するのにＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５を光軸に沿って移動させようとすると、例えば倍率が３０倍乃至４０倍の場合には長距離移動させる必要があるが、アス調整用レンズ６７ａを設置し、このアス調整用レンズ６７ａで調整する場合には、Ｘ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５を光軸に沿って移動させる必要が全くなく、アス調整用レンズ６７ａを光軸に沿って僅かに移動調整させるだけで済む。

また、本実施態様では、アフォーカル系レンズ３８と視野絞り６４の間、およびＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５の近傍に、光軸ハービング（傾け可能な平行平板）６２，７０，７１をそれぞれ設置し、光学調整後に残存するレチクルアライメントマークＲＭ上の光軸ズレ（Ｘ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５上にレチクルアライメントマークＲＭがずれて投影される）を容易に調整可能としてある。これまでは、危険防止のために、エキシマレーザの照射を中断して、この中断時にＸ軸計測用ラインセンサ３４、ファインＹ軸計測用ラインセンサ３５自体を移動させる、非常に手間がかかる調整作業が必要であったが、これを省略することが出来る。

また、本実施態様では、各光学部品をホールドする金物・鏡筒の継ぎ目の隙間をなくし、外から光路が見えないように密封構造とする。また、センサ周りに関しては密封カバーを取り付ける等の遮光対策をとっている。これにより、エキシマレーザ光等を使用しているＤＵＶ（遠紫外）光を導光した際の漏れ光を防止した。これにより、調整作業時においてもＤＵＶ（遠紫外）光が漏れることが無くより安全となる。

また、本実施態様では、計測用照明光学系３１の照野内に亘っての照明テレセントリック性の向上、ファイン計測系３４，３５の視野内に亘っての結像テレセントリック性の向上、ファイン計測系３４，３５のディストーションの低減を図っている。

例えば、照野内に亘るテレセントリック性に関しては、コンデンサレンズ４３，サーチ第２対物レンズ４６及び第１対物レンズ５０を介してレチクルＲにいたる計測照明光学系３１において、レチクルＲ側の主光線のテレセントリシティが十分によくなるように設計されている。また、視野内に亘っての結像テレセントリック性に関しては、第１対物レンズ５０、第２対物レンズ６１、第３対物レンズ６５、第４対物レンズ６７，６８で形成されるファイン計測系３６においては、レチクル側のテレセントリシティ（主光線が光軸に平行）が十分によくなるように設計されている。

また、ディストーション低減では、ファイン計測系３６において、ディストーションが残存していると、レチクルアライメントマークＲＭの位置が若干ずれて設定された際や、レチクルアライメントマークＲＭのデザインが異なる場合（本数や大きさ）にレチクルアライメント計測誤差となるので、光学系のディストーションがレチクルアライメントの精度に影響を与えないよう十分小さくしてある。

サーチ計測系３１においては、レチクルＲの挿入時にはレチクルアライメントマークＲＭが視野内の中心からずれた位置に設置されている。サーチ計測は、撮像素子のピクセル座標を光学系倍率で換算してレチクル座標に置き換え位置計測を行っているので、光学系のディストーションがあると、そのレチクルアライメントマークＲＭの場所に応じて光学系の倍率誤差が生じ計測結果がだまされるので、これが生じないように光学系のディストーションが十分小さくしてある。

いずれにしても光学系のディストーションを抑え、計測誤差要因として問題ない大きさとするか、または前記ピクセル座標をレチクル座標に換算する過程で、ディストーションによる誤差分をソフト的に補正する手段が必要となる。

なお、本実施態様では、上述したように種々の干渉縞低減対策を施しているが、暗視野により干渉縞を低減するようにしてもよい。

ＲＡ光学系３０Ａ、３０Ｂにおいては、明視野の結像系を使っているが、暗視野の結像系を用いれば前記各種干渉縞を低減できる可能性が高い。しかし、本例のような通常のレチクルアライメントマークＲＭの場合、金属膜部とガラス部の反射強度差により像として結像している（強度パターン）。この強度パターンでは、暗視野では像コントラストが得られないので、暗視野系で良好な観察像を得るためには、強度パターンに代えて、段差パターンのようなパターンの位相差部分が結像に寄与するパターンにするようにしてもよい。

本実施態様ではエキシマレーザを露光光源とする装置を例に説明したが、本技術は、ＤＵＶ（遠紫外）、水銀ランプ（波長ｇ線、ｉ線、ｈ線）等を光源とした露光装置にも容易に適用できる。

本発明の位置計測装置を備えた露光装置の一実施形態を示す全体構成図である。 本発明の位置計測装置を詳細に示す平面図である。 図２に示す位置計測装置に装備されたファイン計測用ＣＣＤカメラの近傍に配置した温調機構の説明図である。 図２に示す位置計測装置の照明光学系の構成図である。 図５（Ａ）は図４の照明光学系のライトガイドを示す一部省略した説明図である。

図５（Ｂ）は同ライトガイドの密封構造の一部切欠した説明図である。
図６（Ａ）は図２に示す位置計測装置に配置されたハーフミラー及びこのハーフミラーの近傍に設置された開口絞り、視野絞りによる干渉縞低減対策を説明する説明図である。

図６（Ｂ）は図２に示す位置計測装置に配置されたハーフミラー及びこのハーフミラーの近傍に設置された開口絞り、視野絞りによる干渉縞低減対策を説明する説明図である。
図７（Ａ）は図２に示す位置計測装置に装備されたファイン計測用ＣＣＤカメラの側面図である。

図７（Ｂ）は同平面図である。
図２に示す位置計測装置の光学系（レチクルアライメント（ＲＡ）光学系）のコマ収差と像エッジ劣化との関係を示すグラフである。 図２に示す位置計測装置の光学系（レチクルアライメント（ＲＡ）光学系）の球面収差と像エッジ劣化との関係を示すグラフである。 ファイン計測系とサーチ計測系における、レチクルアライメントマークＲＭ、フィデューシャルマーク（基準マークＦＭ）及びこれらの検出像を示す説明図である。

符号の説明

１０ 露光装置
１５ 主制御系
２５ 基準部材
３０Ａ、３０Ｂ ＲＡ光学系
３１ 計測照明光学系
３２ サーチ計測用ＣＣＤカメラ
３３ サーチ計測系
３４ ファインＸ軸計測用ラインセンサ
３５ ファインＹ軸計測用ラインセンサ
３６ ファイン計測系（結像光学系）
３７ ＲＡ−ＡＦ系
３８ アフォーカル系レンズ
４５，４８，６６ ハーフミラー
５３ サーチ視野絞り
６０ 開口絞り
Ｒ レチクル（マスク）
ＲＳ レチクルステージ
Ｗ ウエハ（被露光基板）
ＷＳＴ ウエハステージ（可動ステージ）
ＲＭ レチクルアライメントマーク（位置計測用パターン）
ＦＭ 基準マーク

Claims (6)

1. 第１物体上に形成された位置計測用パターン及び第２物体を載置するステージの所定面上に位置する基準マークを、光源からの照明光を用いて照明し、前記位置計測用パターンの像及び前記基準マークの像を撮像手段により撮像して計測信号を得て、該計測信号に基づいて前記位置計測用パターンと前記基準マークとの相対位置を計測する計測装置であって、
   前記位置計測パターンの像と前記基準マークの像とを形成する結像光学系を備え、
   前記結像光学系は、前記第１物体と光学的に共役な位置から前記結像光学系中のパワーを有する光学部材に至る光路中に配置されて、前記結像光学系の結像位置を調整する調整光学系を備えていることを特徴とする位置計測装置。
2. 請求項１に記載の位置計測装置において、
   前記光源と前記位置計測用パターンとの間の照明光路及び／又は前記前記位置計測パターンと前記撮像手段との間の結像光路中に配置されて、該光路を分割する光路分割部材と、
   前記光路分割部材の近傍に配置された絞りと、を備え、
   前記光路分割部材の厚みは、該光路分割部材で発生し且つ前記照明光路及び／又は前記結像光路を進行する光と干渉し得る光を前記絞りの遮光部に導く厚みに設定されていることを特徴とする位置計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の位置計測装置において、
   前記結像光学系の波面収差をＰＶ値で０．２λ以下に設定してなることを特徴とする位置計測装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の位置計測装置において、
   前記基準マークは、前記ステージ上に設けられた基準部材上に形成されることを特徴とする位置計測装置。
5. マスクに形成されたマスクパターンを照明して、該マスクパターンの像をステージに載置された被露光基板に転写する露光装置であって、
   請求項１乃至４の何れか一項に記載の位置計測装置と、
   前記マスクに形成された位置計測用パターンと前記ステージ上の所定面に位置する基準マークとを前記位置計測装置を用いて計測した結果に基づいて、前記マスクと前記被露光基板との相対位置を調整する制御手段と；を備えることを特徴とする露光装置。
6. マスクに形成されたマスクパターンを照明して、該マスクパターンの像をステージに載置された被露光基板に転写する露光方法であって、
   前記マスクに形成された位置計測用パターンと前記ステージ上の所定面に位置する基準マークとを請求項１乃至４の何れか一項に記載の位置計測装置を用いて計測する計測工程と、
   前記計測工程による計測結果に基づいて、前記マスクと前記被露光基板との相対位置を調整する調整工程と、
   前記相対位置を調整した後に、前記マスクパターンの像を前記被露光基板に転写する転写工程と；を備えることを特徴とする露光方法。

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