JP2008004638A

JP2008004638A - 面位置計測装置、露光装置、並びにデバイス製造方法

Info

Publication number: JP2008004638A
Application number: JP2006170577A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Matsumoto; 隆宏松本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】計測再現性が良く且つウエハのローカルチルト等の誤計測を低減できる面位置計測技術の実現。
【解決手段】複数のスリットに光を照射する光源１１と、前記スリットを通過した光を第１の回折格子に結像させるリレー光学系１４と、前記第１の回折格子からの回折光を前記基板に対して斜め方向から照射して、スリット像を前記基板上に結像させる照明光学系１６と、前記基板３からの反射光を第２の回折格子に結像させる集光光学系１７と、前記第２の回折格子で回折した光を受光素子２０に結像させる拡大光学系１９と、前記受光素子２０で受光した光から前記スリット像の位置を演算する演算処理部と、を有し、前記第１の回折格子と前記基板３とが前記照明光学系１６に関してシャインプルーフの関係を満たし、前記基板３と前記第２の回折格子とが前記集光光学系１７に関してシャインプルーフの関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板上に光を照射して当該基板上からの反射光を受光することにより基板の面位置を計測する技術に関するものである。

半導体メモリや論理回路等の微細な半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等に投影して転写する投影露光装置が使用されている。

近年、半導体素子の高集積化に伴う加工線幅の微細化によって、投影光学系の高ＮＡ化、露光光の短波長化、大画面化が進んでいる。特に線幅要求精度が厳しい半導体製造プロセスにおいて、略正方形状の露光領域をウエハ上に縮小して一括露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）から、露光領域を矩形スリット形状としてレチクルとウエハを相対的に高速走査（スキャン）し、大画面を精度よく露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（スキャナー）が主流になりつつある。

スキャナーでは、露光スリット単位でウエハ表面を最適な結像位置に合わせ込むことができるため、ウエハ平面度の影響を低減できる効果を有している。スキャナーにおいて、スキャン露光中に露光スリット毎にウエハ表面を結像位置にリアルタイムで合わせ込むためには、露光スリットに差し掛かる前にウエハ表面位置を光斜入射系の検出系で計測し補正を行うことができる。

特に露光スリットの長手方向（走査方向）や走査方向と直交する方向の計測においては、高さ位置のみならず表面の傾きを計測すべく複数の計測点で計測を行っている。上記スキャン露光におけるフォーカスチルト計測方法に関しては特許文献１に記載されている。

さて、ステッパーやスキャナー等の投影露光装置において、ウエハやレチクルの面位置を計測する技術は、特許文献２に記載されている。特許文献２は、複数のスリットパターンをウエハ上に斜め方向から投影し、ウエハから反射光をＣＣＤで受光し、ＣＣＤ上に再結像して、そのスリット像の位置ずれを計測することでウエハの面位置を計測している。

図１４は上記特許文献２の面位置計測方法を説明する図である。

図１４において、105は光源、106はコンデンサレンズ、107は複数の長方形の透過スリットが並んだパターン板、108,111はレンズ、103がウエハ、104がウエハステージ、109,110はミラー、112はCCD等の受光素子である。尚、102は不図示のレチクルをウエハ上に投影露光するための縮小投影レンズである。光源105から出射した光は、コンデンサレンズ106により、集光され、パターン板107を照明する。パターン板107のスリットを透過した光はレンズ108、ミラー109を介してウエハ103上に所定角度で照射される。パターン板107とウエハ103はレンズ108に関して結像関係をなし、パターン板107のスリットの空中像がウエハ上に形成される。ウエハ103で反射した光は、ミラー110、レンズ111を介して、CCD112で受光される。ウエハ103のスリット像は、レンズ111によりＣＣＤ112上に再結像され、107iのようなパターン板107の各スリットに対応したスリット像からなる信号が得られる。この信号のＣＣＤ上での位置ずれを検出することにより、ウエハ103のＺ方向の位置を計測する。尚、図１４では、スリット板107及びＣＣＤ112を光軸に関して傾けることにより、光軸外のスリット像のボケによる波形の崩れを防止している。

更に、光軸外のスリット像のボケを防止する別の面位置計測方法が特許文献３に記載されている。図１３は上記特許文献３の面位置計測方法を説明する図である。

図１３において、115は光源、116はレンズ、117は回折格子、118は投影光学系、119は集光光学系、120はブレーズド格子、122は結像光学系、121はミラー、123は受光素子である。光源115から出射した光はレンズ116で略平行光となり、回折格子117に入射する。回折格子117で回折した光はレンズ118により、回折格子117の中間像をウエハ103上に形成する。ウエハ103の反射光は、レンズ119を介して、ブレーズド格子120に入射する。ブレーズド格子120で回折した光は、レンズ122、ミラー122を介して、受光素子123に導光される。ここで、投影光学系118の主平面に関して、回折格子117とウエハ103がシャインプルーフの条件を満たし、更に集光光学系119の主平面に関して、ウエハ103とブレーズド格子120がシャインプルーフの条件を満たす。従って、特許文献２と同様に、光軸外の回折格子117の像のボケによる波形の崩れを防止することができる。このようなシャインプルーフの構成は、波形の崩れを防止するだけでなく、ウエハのローカルなチルトや、レジストの厚さムラ等による誤計測を低減できる効果がある。
特開平06-260391号公報特開昭61-128522号公報特開平05-129182号公報

しかしながら、上記従来技術では、シャインプルーフの構成にしない場合に比べて、光量の低下による計測精度の低下が懸念される。ウエハへの入射角度は、ウエハ上に塗布されているレジストへの潜り込みを極力避けるために、80度程度の大きな入射角度を使用する。このため、スリット板、受光センサや、回折格子への入射角度も大きくなり、その結果として、受光センサへの入射効率（透過率）の減少や回折効率の低下が起きる。この光量の低下により、測定信号のS/Nが減少して、計測再現性の悪化を引き起こすという問題が発生する。特許文献２では、入射角度を85度とすると、スリット及び受光素子への入射角度も85度となり、スリット透過率の減少や、受光素子表面を保護しているパッシベーション膜や、素子表面での反射率が増大し、受光できる光の効率が垂直入射に比べて1/10以下となる。特許文献３は、このような問題に鑑み、ウエハへの入射角度が85度の場合においても、受光素子への入射角度が略ゼロになる方式であるが、シャインプルーフの条件を満たすために使用しているブレーズド格子120の回折効率に問題があることが判っている。

図１２はブレーズド格子120の回折格子率の入射角度依存性を示したものであり、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analyzes）法を用いたシミュレーション結果である。各入射角度に対して-1次回折光が回折格子面に垂直な方向に回折するように、回折格子のピッチ、ブレーズ角を決定している。特許文献３での回折格子への入射角度は約80度であり、その時の回折効率は図１２から20%以下となる。即ち、特許文献３においても、センサ部にはほぼ垂直に入射するので、入射効率が改善するものの、回折格子の効率の悪さから、やはり、光量は20%以下となり、信号のS/Nが悪くなり、計測再現性が悪化するという問題が残る。従来の方法では満足するものが無い。尚、光量の低下を光源の強度アップで対応しても、光学系から発生する光学ノイズ（散乱光等）も同じ割合で増加するので、根本的な解決にはならない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、受光部で検出される光量を極力落とさずに、シャインプルーフの構成を実現して、計測再現性が良く且つウエハのローカルチルト等の誤計測を低減できる面位置計測技術を実現することである。

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の面位置計測装置は、基板上に光を照射して当該基板上からの反射光を受光することにより前記基板の面位置を計測する装置であって、複数のスリットに光を照射する光源と、前記スリットを通過した光を第１の回折格子に結像させるリレー光学系と、前記第１の回折格子からの回折光を前記基板に対して斜め方向から照射して、スリット像を前記基板上に結像させる照明光学系と、前記基板からの反射光を第２の回折格子に結像させる集光光学系と、前記第２の回折格子で回折した光を受光素子に結像させる拡大光学系と、前記受光素子で受光した光から前記スリット像の位置を演算する演算処理部と、を有し、前記第１の回折格子と前記基板とが前記照明光学系に関してシャインプルーフの関係を満たし、前記基板と前記第２の回折格子とが前記集光光学系に関してシャインプルーフの関係を満たす。

また、本発明の面位置計測装置は、基板上に光を照射して当該基板上からの反射光を受光することにより前記基板の面位置を計測する装置であって、複数の反射型スリットに光を照射する光源と、前記反射型スリットからの光を前記基板に対して斜め方向から照射して、スリット像を前記基板上に結像させる照明光学系と、前記基板からの反射光を回折格子に結像させる集光光学系と、前記回折格子で回折した光を受光素子に結像させる拡大光学系と、前記受光素子で受光した光から前記スリット像の位置を演算する演算処理部と、を有し、前記反射型スリットと前記基板とが前記照明光学系に関してシャインプルーフの関係を満たし、前記基板と回折格子とが前記集光光学系に関してシャインプルーフの関係を満たす。

また、本発明の露光装置は、レチクルのパターン像を投影光学系を介して基板に露光する露光装置であって、前記レチクルを照明して前記パターン像を形成する照明部と、前記レチクルを移動可能に保持するレチクルステージと、前記基板を移動可能に保持する基板ステージと、上記面位置計測装置と、を有する。

また、本発明のデバイス製造方法は、上記露光装置を用いてレチクルを介して基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップと、現像された前記基板を加工してデバイスを製造するステップと、を備える。

本発明によれば、受光部で検出される光量を極力落とさずに、シャインプルーフの構成を実現して、計測再現性が良く且つウエハのローカルチルト等の誤計測を低減できる。

また、ウエハの面位置を高精度に計測することが可能となり、レチクルのパターン像を正確にウエハ表面位置に合わせることが可能となる。その結果、縮小される焦点深度に対し高いフォーカス補正精度を達成し、１枚のウエハあたりの歩留まりを向上することができる。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

尚、以下に説明する実施の形態は、本発明の実現手段としての一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものである。

また、本発明は、後述する実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記憶した記憶媒体を露光装置に供給し、そのコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても達成される。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る実施形態の露光装置の構成を示す図である。

図１において、エキシマレーザー等の光源4から出た光は、照明光学系5で露光に最適なスリット形状の露光光に成形されて、レチクル1下面に形成されたパターンを照明する。レチクル1のパターン面には露光すべきＩＣ回路等のパターンが形成されており、上記パターンを透過した光は投影光学系2を通過して、ウエハ3の上面近傍に結像されてパターン像を形成する。

上記レチクル1は一方向（Ｙ方向）に往復走査可能なレチクルステージRS上に載置されている。

ウエハ3はＸ，Ｙ及びＺ方向に駆動可能且つ傾き（チルト）を補正可能なウエハステージWS上に載置されている。

上記レチクルステージRSとウエハステージWSを露光倍率の比率の速度で相対的にＹ方向に走査させることでレチクル1上のショット領域の露光を行う。ワンショット露光の終了後に、ウエハステージWSは次のショット領域へステップ移動し、先程とは逆方向に走査露光を行い次のショット領域が露光される。このような動作をステップ・アンド・スキャンと呼び、これを繰り返すことでウエハ全域についてショット露光する。

ワンショット露光中には、フォーカスチルト検出系6によりウエハの面位置情報を取得し、露光像面からのずれ量を算出し、Ｚ方向及び傾き（チルト）方向へのステージ駆動により略露光スリット単位でウエハ表面の高さ方向の形状に合わせ込む動作が行われる。本実施形態では、ウエハ表面とは、ウエハ上にレジスト（感光剤）が塗布されている状態では、このレジスト表面を表わすものとする。

フォーカスチルト検出系6は光学的な高さ計測システムを使用している。ウエハ表面に対して高入射角度で光束を入射させ、反射光の像ずれをＣＣＤ等の受光素子で検出する方法をとっている。特に、ウエハ上の複数の計測すべき点に光束を入射させ、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の高さ計測情報から露光すべき面のチルトを算出している。

7はウエハステージWSの位置を検出するレーザー干渉計である。8はレーザー干渉計7の検出結果に基づいてレチクルステージRS及びウエハステージWSを位置決めするリニアモータ等からなるステージ駆動系である。9はフォーカスチルト検出系6の入射光の最適波長や受光素子で検出された信号の信号処理等を行う演算処理器である。10は露光装置全体を統括して制御する制御系である。

以下に、本発明の特徴の１つであるフォーカスチルト検出系３３について詳細に説明する。

図２は本実施形態のフォーカスチルト検出系6の詳細を示す図である。

図２において、光源11（例えば半導体レーザ、LED）から出射された光は、レンズ12を介して、スリット等のパターン13tが形成されたパターン板13を均一に照明する。パターン板はガラス上にクロム等の遮光膜を成膜し、スリット部のみをエッチングにより除去したものを使用している。パターン板13は、結像レンズ14によりブレーズド格子15上に結像される(13t1)。ブレーズド格子15の1次回折光は、レンズ16を通り、ウエハ3上にパターン板13のスリット像が再結像(13t2)する。ウエハ3で反射した光は、レンズ17を通り、ブレーズド格子18上に再結像(13t3)する。ブレーズド格子18へ入射した光は、1次回折され、レンズ19に入射し、ラインセンサ（又はリニアセンサ）等の受光素子20に入射し、最終的にパターン板13のパターン像が受光素子20上に結像される。

ウエハ3が上下方向（Ｚ方向）に移動すると、パターン像20iは、受光素子20上で一方向に移動することになり、このパターン像の位置情報を演算処理器9で算出することにより、ウエハ3の面位置を各計測点毎に計測している。パターン像20iの位置検出には、重心位置検出法や、ピーク位置検出法、最大傾斜位置検出法等の公知の信号処理技術を用いることができる。

図７に示すように、ウエハ表面がＺ方向の位置W1から、W2の位置にdZ変化した場合のウエハ3上の光軸シフト量m1は、入射角度をθinとして式１で表すことができる。

m1=2・dZ・tanθin・・・（１）
例えば、入射角θinを84度とすると、m1=19*dZとなり、ウエハの変位を19倍に拡大した変位量になる。受光素子上での変位量は式１に、光学系の倍率等（後述する。）が掛け合わされる。

続いて、図３乃至図６を用いて、本実施形態のフォーカスチルト検出系6による光学条件について詳細に説明する。

図３は、図２におけるパターン板13とリレー光学系（結像レンズ）１４とブレーズド格子１５の相互の関係を示す図である。

図３において、リレー光学系14は、同じ焦点距離f1の２つのレンズ14a、14bから構成され、レンズ14aの前側焦点位置にパターン板13を配置し、レンズ14aの後側焦点位置にＮＡを規定する絞り22を配置している。更にレンズ14bは、その前側焦点位置が絞り22に一致し、後側焦点位置にブレーズド格子15が配置されている。このようにリレー光学系14は横倍率β0=-1の両側テレセントリック光学系となっている。

図４は、図２のブレーズド格子15での回折後からウエハ3に入射するまでの照明光学系を示している。照明光学系16は、焦点距離f2のレンズ16aと焦点距離f3のレンズ16bから構成され、レンズ16aの前側焦点位置にブレーズド格子15を配置し、レンズ16aの後側焦点位置とレンズ16bの前側焦点位置を一致させ、更にレンズ16bの後側焦点位置にウエハ3を配置し、両側テレセントリック光学系を構成している。焦点距離f2とf3の関係を、f3=4*f2としており、光学系の横倍率β1は-4倍である。この照明光学系16により、パターン板のスリット13tのブレーズド格子15上での光学像13t1がウエハ3上に投影され、13t2の像を形成する。

図５は、ウエハ3での反射光が第２のブレーズド格子18に入射するまでの集光光学系を示している。集光光学系17は、焦点距離f4のレンズ17aと焦点距離f5のレンズ17bから構成され、レンズ17aの前側焦点位置にウエハ3を配置し、レンズ17aの後側焦点位置とレンズ17bの前側焦点位置を一致させ、更にレンズ17bの後側焦点位置にブレーズド格子18を配置し、両側テレセントリック光学系を構成している。焦点距離f2とf3の関係を、f4=1/4*f5としており、光学系の横倍率β2は-1/4倍である。即ち、集光光学系17は、照明光学系16と同じものを使用し、Ｚ軸に関して反転して配置した構成となっている。この集光光学系17により、ブレーズド格子18上に投影され、13t3の像を形成することができる。

図６は、ブレーズド格子18での回折光が受光素子20に入射するまでの拡大結像光学系を示し、横倍率β3=47の拡大結像レンズ19により受光素子20上に再結像される。

続いて、本実施形態における各光学エレメントへの入射角や回折角度について具体的な数値を例に詳細に説明する。

先ず、ブレーズド格子15,18について説明する。

図１１はブレーズド格子の形状及び、入射角、回折角の関係を示した図であり、格子ピッチをP、入射角度をθi、m次の回折角をθoとした場合に式２で表すことができる。

P(sinθi+sinθo)=mλ・・・（２）
ここでλは、使用する波長である。

また、ブレーズ角θbは、θb=(θi+θo)/2・・・（３）
となる。

続いて、光学系の光軸に対して、物体面及び像面を傾けたシャインプルーフ構成の像面上での光学倍率について、図８を用いて説明する。

図８において、横倍率βの結像光学系の光軸OAXに対して、物体面の法線がθa傾き、像面の法線がθb傾いている場合を示している。このようなシャインプルーフの構成で、横倍率β、縦倍率βの二乗を用いて、像面法線の光軸OAXに対する傾き角θbは、物体面法線の光軸OAXに対する傾き角θbを用いて式４で表すことができる。

また、像面に沿った方向の倍率m1は式５で表すことができる。

尚、上記式４，５は、物体への主光線の入射角θinoは、物体面の傾き角θaに等しく、像面への主光線の入射角θiniは像面の傾き角θbに等しくなるので、
それぞれ、入射角を用いた式６，７と等価である。

tanθino=βtanθini・・・（６）

さて、以下、本実施形態における具体的な数値の例について説明する。

ウエハ3への入射角θ3を84度とし、照明光学系16の横倍率β1は-4倍であるので、式６から、ブレーズド格子15の回折角θ2は、67.2度となる。同様に、集光光学系17の横倍率β2は-1/4倍であるので、式６からブレーズド格子18への入射角度θ3は67.2度となる。ブレーズド格子18の回折光を垂直方向に回折した光を使用するようにした場合、ブレーズド格子18はブレーズド格子15と同じ形状のものを使用し、Ｚ軸に対してミラー反転して配置することができる。ブレーズド格子15への入射角θ1は0度としているので、パターン板13への入射角θ0も0度であり、リレー光学系14の光軸に対して、パターン板13及びブレーズド格子15は垂直に配置している。同様に、ブレーズド格子18の回折角θ5を0度としているので、受光素子20への入射角θ6も0度であり、拡大結像レンズ19の光軸に対して、ブレーズド格子15及び受光素子20の面は垂直に配置している。これにより、受光素子20の表面反射による光量ロスが低減できる。拡大レンズ19の横倍率βは47倍としている。この場合、ウエハ3のＺ方向の変位量dZに対して、受光素子20上での変位量Dは、前述の倍率に関する式１，７を用いて、以下のように計算される。

即ち、D=19×0.067×47dZ=60dZとなり、ウエハ3のＺ方向に変位量dZが、受光素子20上では約60倍に拡大されることになる。受光素子20の画素ピッチを8umのものを使用した場合、前述の信号処理方法を用いることにより、約1/20画素の分解能で像の横ずれを検出することができるため、8000/60/20=6.7nmの分解能で面位置の検出ができることになる。一方、パターン板13は、受光素子20上に47倍に拡大されており、パターン板13のスリット幅を10umとした場合に、受光素子20上では470umであり、470/8=59画素で１つのスリットの信号が形成され、十分な画素数である。

次に、ブレーズド格子の形状について説明する。

本実施形態では、入射角θi=0、回折角θo=67.2度であるから、λ=0.8um、回折次数m=-1次を使用するとして、回折格子のピッチPは、式２より、P=0.868umとなる。またブレーズ角θbは、式３より、θb=33.6度となる。

最後に、本実施形態の効果について、特許文献３と比較しながら説明する。

本実施形態では、ブレーズド格子の回折角（又は入射角）を、従来の80度から67.2度への小さくしているため、回折格子１つあたりの回折効率が特許文献３の0.27（無偏光）に対して、0.49（無偏光）と約1.8倍向上している。入射側と受光側の２つの回折格子を使用する場合は、その二乗の効果があり、約3.3倍の光量となり、大幅に光量が増加することになる。尚、ブレーズド格子の入射方向と回折方向を逆にしても、回折効率はほぼ同等である。また、入射側のブレーズド格子の回折角度と、受光側のブレーズド格子の入射角度とは、ブレーズド格子の回折効率（角度が小さいほど効率が良い）と、ウエハ3のＺ方向の変位に対する反射光の光軸シフト量（角度が大きいほど感度が高い）の双方を考慮すると、60度から70度の範囲が好ましい。また、照明光学系16の倍率は10倍から2倍まで、集光光学系17の倍率は0.1倍から0.5倍までの範囲が好ましい。

本実施形態では、ウエハへは高入射角度で入射し、集光光学系17の倍率を1/4と縮小結像倍率として、ブレーズド格子15への入射角（あるいは回折角）を70度以下とすることで回折効率を上げている。また、集光光学系17の倍率を下げたことによる倍率低下を、受光側ブレーズド格子18の後段に配置した拡大結像光学系17の倍率を上げている。これにより、光の利用効率を上げて、必要な計測再現性が得られるシャインプルーフの構成を実現している。

また、本実施形態では、リレー光学系14と照明光学系16と集光光学系17は、全て両側テレセントリック光学系として説明している。ところが、ウエハに入射する光束の入射角が各スリット毎に異なると、式１から判るように、スリット毎の信号でＺ位置の変化に対する受光素子上での変化率が変化して不都合が生じる。そこで、リレー光学系14と照明光学系16は、両側テレセントリック光学系が好ましいが、集光光学系17に関しては、両側テレセントリック光学系である必然性はない。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。

第２の実施形態は、回折格子への入射角度を小さくしないで、即ち、集光光学系の倍率を下げることなく、回折効率を向上させる例である。他の構成については、第１の実施形態と同様なので、説明は省略する。本実施形態では、ブレーズド格子への入射角度を-20度（格子法線に対し回折方向と同じ側から入射）として、ブレーズド格子への入射偏光をP偏光としている点がポイントである。

即ち、図２の光源11の偏光方向をブレーズド格子15にP偏光に入射するように調整する。例えば半導体レーザーやガスレーザーは、略直線偏光で出射されるものが多いので光量損失が起こらない。

更に、図３において、パターン板13の法線方向が、リレー光学系14の光軸に対して20度の角度になるように、また、ブレーズド格子15の法線方向とリレー光学系14の光軸が-20度となるように配置する。これにより、ブレーズド格子15に入射する光の入射角θ2は-20度となり、パターン板13のスリットがブレーズド格子15に結像される。ブレーズド格子は、式２に基づいて設計され、回折角θ2は-84度である。

図４の照明光学系16のレンズ16aと16bの焦点距離f2,f3は等しくし、横倍率β=-1倍の光学系を使用する。これにより、ブレーズド格子15での回折角である84度と同じ角度で、ウエハ3に入射する。ウエハ3で反射した光を受ける集光光学系17は、レンズ17aと17bの焦点距離f4,f5は等しくし、横倍率β=-1倍の光学系を使用する。ブレーズド格子18は、ブレーズド格子15と同じものをＺ軸に関して反転して用い、ブレーズド格子18への入射角度が-20度であり、回折角は-84度となる。ウエハのＺ方向の変位dZに対する受光素子上での変位量の拡大率を上記実施形態と同じにするには、式１，７から、拡大レンズ19の倍率は3.1倍となる。また、受光素子20への入射角度θ6は、式６から約48度となる。

図９は、ガラス（n=1.55の場合）の透過率の入射角度依存性を示したものであるが、パターン板13の入射角度は20度であり、光量ロスは略ゼロである。また受光素子表面のパッシベーション膜（SiO2とする）でのロスも、P偏光の光の入射角度48度では、略ゼロである。

ここで、本実施形態の効果について説明する。

入射角-20度、回折角-84度の条件で、ブレーズド格子の回折効率をＲＣＷＡを用いて計算すると、S偏光が0.24に対して、P偏光が0.56とP偏光の回折効率が良好であることが判明した。即ち、第１の実施形態の回折効率0.49（無偏光）と同等の回折効率を得ることができることになる。本実施形態において、回折効率が向上した理由は、回折効率の高いP偏光の光を使用する他にもう１つ理由がある。それは、ブレーズド格子で発生する回折光の内、計測に使用する-1次回折光と、正反射光（0次回折光）以外の回折次数の光（例えば、+1次、-2次等）を発生させないようにした点である。即ち、ブレーズド格子15,18の入射角と回折角の内、絶対値の小さい方の角度をθ1、絶対値の大きい方の角度をθ2とした場合に式８を満たすように、入射角、回折角、格子ピッチを決定している点である。

|2sinθ１＋sinθ2|＞1・・・（８）
これにより、不必要な回折次数の回折光が減り、その結果として-1次回折光の効率が向上している。

尚、ウエハ3への入射偏光を円偏光として入射する場合は、照明光学系16の瞳付近に波長板（λ/4板）を設置し、円偏光でウエハに照射し、集光光学系17の瞳付近に波長板（λ/4板）を設置し、円偏光からP偏光に戻してブレーズド格子18に入射させれば良い。

本実施形態では、ウエハへの入射角度が84度の構成においても、ブレーズド格子の回折効率を向上させる方法を示しており、第１の実施形態に比べて、拡大結像レンズ19の倍率を下げることができきるため、設計、組立て上の困難さを低減できる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。

図１０は第３の実施形態を説明する図である。

第１、第２の実施形態と異なる点は、照明波長が複数である点である。ウエハ3上のレジスト塗布の影響による誤計測を軽減するために複数の照明波長を使用している点である。他の構成については、第１の実施形態と同様なので説明は省略する。本実施形態では、複数個の波長の異なる半導体レーザー(LD)を用いることができるが、簡単のため２つのLDを用いている。複数の波長を用いる場合の課題は、ブレーズド格子15での回折角が波長により異なる点である。ブレーズド格子15での回折角が異なるとウエハ3への入射角度が変わり、式１で示すように、ウエハのＺ方向へのずれ量dZに対する光軸シフト量の倍率が異なることになり不具合が生じる。

そこで、本実施形態では、図１０のように、反射型のパターン板13（矩形パターン部のみが反射する）を使用して、照明波長λ1のＬＤ11aと照明波長λ2のＬＤ11bから出射した光の入射角度を異ならせて、ブレーズド格子15への入射角θin（λ）を変えている。
波長毎の入射角θin（λ）は、回折角θoを波長に寄らず共通な値とし、式２を用いて計算される。例えば、第１の光学系（-1倍リレー光学系14、-4倍照明光学系16、-1/4倍集光光学系17）と同じものを使用し、回折角θoを67.2度、ブレーズド格子15のピッチＰを0.868umと第１の実施形態と同じとした場合、波長λ1を630nm、波長λ2を730nmとすると、波長λ1の入射角θin(λ1)は、11.3度、入射角θin(λ2)は、4.6度となる。リレー光学系14が等倍であるので、パターン板13への入射角度も同じ入射角でよい、即ち、λ1の光の入射角は11.3度、λ2の光の入射角は4.6度である。

これにより、ブレーズド格子15で回折する光は、波長によらず、同一方向に回折し、ウエハ3上に同じ入射角度で入射するために、波長による倍率変化が起こらない。尚、受光側のブレーズド格子18の回折角についても、波長毎に変わることになるが倍率変化には影響しない。

以上、３つの実施形態について説明したが、上記各実施形態の少なくとも２つを組み合わせて構成してもよい。

上記各実施形態によれば、受光素子で検出される光量を極力落とさずに、シャインプルーフの構成を実現して、計測再現性が良く、かつ、ウエハのローカルチルト等の誤計測を低減する面位置計測装置を実現することができる。

また、本実施形態の面位置計測装置を露光装置に搭載することにより、ウエハの面位置を高精度に計測することが可能となる。これにより、レチクルの像を正確にウエハ表面位置に合わせることが可能となり、縮小される焦点深度に対し高いフォーカス補正精度を達成し、１枚のウエハあたりの歩留まりを向上することができる。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について説明する。

図１５は第４の実施形態のフォーカスチルト検出系6の詳細を示す図である。

図１５において、光源11（例えば半導体レーザ、LED）から出射された光は、不図示のレンズを介して、スリットパターン13tが形成されたパターン板13Rを均一に照明する。パターン板13Rは、スリット部のみが反射するように構成されている。パターン板13Rのスリット13tは、レンズ16により、ウエハ3上にパターン板13Rのスリット像が結像(13t2)する。ウエハ3で反射した光は、レンズ17を通り、ブレーズド格子18上に再結像(13t3)する。ブレーズド格子18へ入射した光は、1次回折され、レンズ19に入射し、ラインセンサ（又はリニアセンサ）等の受光素子20に入射し、最終的にパターン板13Rのパターン像が受光素子20上に結像される。

この構成により、反射型スリットとウエハとが照明光学系16に関してシャインプルーフの関係を満たし、ウエハと回折格子18とが集光光学系17に関してシャインプルーフの関係を満たすようにしている。

尚、照明光学系16、集光光学系17、ブレーズド格子18、拡大結像レンズ19の機能及び構成は、第１の実施形態と同じなので、詳細な説明は省略する。
さて、以下、本実施形態における具体的な数値の例について説明する。

ウエハ3への入射角θ3を84度とし、集光光学系17の横倍率β2を-1/4倍とすると、式６からブレーズド格子18への入射角度θ3は67.2度となる。ブレーズド格子18の回折角θ5を0度としているので、受光素子20への入射角θ6も0度であり、拡大結像レンズ19の光軸に対して、ブレーズド格子18及び受光素子20の面は垂直に配置している。これにより、受光素子20の表面反射による光量ロスが低減できる。拡大レンズ19の横倍率βは47倍としている。この場合、ウエハ3のＺ方向の変位量dZに対して、受光素子20上での変位量Dは、前述の倍率に関する式１，７を用いて、以下のように計算される。

即ち、D=19×0.067×47dZ=60dZとなり、ウエハ3のＺ方向に変位量dZが、受光素子20上では約60倍に拡大されることになる。受光素子20の画素ピッチを8umのものを使用した場合、前述の信号処理方法を用いることにより、約1/20画素の分解能で像の横ずれを検出することができるため、8000/60/20=6.7nmの分解能で面位置の検出ができることになる。一方、パターン板13Rは、受光素子20上に47倍に拡大されており、パターン板13Rのスリット幅を10umとした場合に、受光素子20上では470umであり、470/8=59画素で１つのスリットの信号が形成され、十分な画素数である。

また、本実施形態においては、照明側に回折格子を使用していないため、照明光学系16の結像倍率は拡大系である必要は無い。

最後に、本実施形態の効果について説明する。

ブレーズド格子の回折角（又は入射角）を、従来の80度から67.2度への小さくしているため、回折格子１つあたりの回折効率が特許文献３の0.27（無偏光）に対して、0.49（無偏光）と約1.8倍向上している。

更に、照明側のブレーズド格子を使用する代わりに、反射型スリットで構成されるパターン板13Rを使用しているので、第１実施形態の（パターン板13の透過率）×（ブレーズト格子の回折効率）と、本実施形態のパターン板13Rの反射率を比べた場合に、本実施形態の方が、光の利用効率が高いという効果もある。

［デバイス製造方法］
次に、この露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１６は半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。Ｓ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。Ｓ２（レチクル製作）では設計した回路パターンに基づいてレチクルを作製する。

一方、Ｓ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。Ｓ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記レチクルとウエハを用いて、上記の露光装置によりリソグラフィー技術を利用してウエハ上に実際の回路を形成する。次のＳ５（組立）は後工程と呼ばれ、Ｓ５によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立工程を含む。Ｓ６（検査）ではＳ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、Ｓ７でこれを出荷する。

上記Ｓ４のウエハプロセスは以下のステップを有する（図１７）。ウエハの表面を酸化させる酸化ステップ。ウエハ表面に絶縁膜を成膜するＣＶＤステップ。ウエハ上に電極を蒸着によって形成する電極形成ステップ。ウエハにイオンを打ち込むイオン打ち込みステップ。ウエハに感光剤を塗布するレジスト処理ステップ。上記の露光装置を用い、レチクルに形成された回路パターンを介してレジスト処理ステップ後のウエハを露光する露光ステップ。露光ステップで露光したウエハを現像する現像ステップ。現像ステップで現像したレジスト像以外の部分を削り取るエッチングステップ。エッチングが済んで不要となったレジストを取り除くレジスト剥離ステップ。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

本発明に係る実施形態の露光装置の構成を示す概略図である。第１の実施形態のフォーカスチルト検出系の詳細を示す図である。本実施形態の面位置計測装置のリレー光学系を示す図である。本実施形態の面位置計測装置の照明光学系を示す図である。本実施形態の面位置計測装置の集光光学系を示す図である。本実施形態の面位置計測装置の拡大光学系を示す図である。本実施形態の面位置変化による反射位置シフト量を説明する図である。本実施形態のシャインプルーフ構成の入射角度と倍率を説明する図である。ガラスの透過率の入射角度依存性を説明する図である。第３の実施形態である面位置計測装置を説明する図。本実施形態で使用するブレーズド格子と回折角を説明する図である。従来のブレーズド格子の回折格子率の入射角度依存性を示す図である。従来の面位置計測方法を説明する図である。従来の面位置計測方法を説明する図である。第４の実施形態のフォーカスチルト検出系の詳細を示す図である。デバイス製造方法を示す図である。ウエハプロセスを示す図である。

符号の説明

1 レチクル
2 投影光学系
3 ウエハ
4 露光用レーザー光源
5 露光用照明光学系
6 フォーカスチルト検出系
7 レーザー干渉計
8 演算処理器
9 ステージ駆動系
10 制御系
11,11a,11b 光源
12 コンデンサーレンズ
13 パターン板
14 リレー光学系
15,18 ブレーズド格子
16 照明光学系
17 集光光学系
19 拡大結像系
20 受光素子
22 絞り
RS レチクルステージ
WS ウエハステージ

Claims

基板上に光を照射して当該基板上からの反射光を受光することにより前記基板の面位置を計測する装置であって、
複数のスリットに光を照射する光源と、
前記スリットを通過した光を第１の回折格子に結像させるリレー光学系と、
前記第１の回折格子からの回折光を前記基板に対して斜め方向から照射して、スリット像を前記基板上に結像させる照明光学系と、
前記基板からの反射光を第２の回折格子に結像させる集光光学系と、
前記第２の回折格子で回折した光を受光素子に結像させる拡大光学系と、
前記受光素子で受光した光から前記スリット像の位置を演算する演算処理部と、を有し、
前記第１の回折格子と前記基板とが前記照明光学系に関してシャインプルーフの関係を満たし、前記基板と前記第２の回折格子とが前記集光光学系に関してシャインプルーフの関係を満たすことを特徴とする面位置計測装置。
前記スリットの法線と前記第１の回折格子の法線とが前記リレー光学系の光軸に対して傾きを持ち、前記スリットと前記第１の回折格子とが前記リレー光学系に関してシャインプルーフの関係を満たすことを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
前記第２の回折格子の法線と前記受光素子の受光面の法線とが前記拡大光学系の光軸に対して傾きを持ち、前記第２の回折格子と前記受光素子の受光面が前記拡大光学系に関してシャインプルーフの関係を満たすことを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子はブレーズド格子であることを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
前記回折光の前記基板への入射角度が８０度以上、前記第１の回折格子での回折角と前記第２の回折格子への入射角が６０度から７０度の範囲、前記照明光学系の倍率が１０倍から２倍の範囲、前記集光光学系が０．１倍から０．５倍の範囲であることを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子へ入射する光はＰ偏光状態であることを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子で回折する光が計測用の−１次回折光の他に０次回折光しか発生しないように、回折格子の形状、回折格子への入射角、−１次回折光の回折角が決定されることを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、前記入射角と前記−１次回折光の回折角の各絶対値のうち、小さい方をθ１、大きい方をθ２としたときに、|２sinθ１＋sinθ２|＞１を満たすことを特徴とする請求項７の面位置計測装置。
前記光源が異なる波長の複数の光源を含み、前記第１の回折格子からの−１次回折光が同一方向に出射されるように、前記スリットへの入射角度が光源毎に設定されていることを特徴とする請求項１の面位置計測装置。
基板上に光を照射して当該基板上からの反射光を受光することにより前記基板の面位置を計測する装置であって、
複数の反射型スリットに光を照射する光源と、
前記反射型スリットからの光を前記基板に対して斜め方向から照射して、スリット像を前記基板上に結像させる照明光学系と、
前記基板からの反射光を回折格子に結像させる集光光学系と、
前記回折格子で回折した光を受光素子に結像させる拡大光学系と、
前記受光素子で受光した光から前記スリット像の位置を演算する演算処理部と、を有し、
前記反射型スリットと前記基板とが前記照明光学系に関してシャインプルーフの関係を満たし、
前記基板と回折格子とが前記集光光学系に関してシャインプルーフの関係を満たすことを特徴とする面位置計測装置。
前記回折格子はブレーズド格子であることを特徴とする請求項１０の面位置計測装置。
前記基板への入射角度が８０度以上、前記回折格子への入射角が６０度から７０度の範囲であり、
前記集光光学系が０．１倍から０．５倍の範囲であることを特徴とする請求項１０の面位置計測装置。
前記回折格子へ入射する光はＰ偏光状態であることを特徴とする請求項１０の面位置計測装置。
前記回折格子で回折する光が計測用の−１次回折光の他に０次回折光しか発生しないように、回折格子の形状、回折格子への入射角、−１次回折光の回折角が決定されることを特徴とする請求項１０の面位置計測装置。
前記回折格子は、前記入射角と前記−１次回折光の回折角の各絶対値のうち、小さい方をθ１、大きい方をθ２としたときに、|２sinθ１＋sinθ２|＞１を満たすことを特徴とする請求項１４の面位置計測装置。
レチクルのパターン像を投影光学系を介して基板に露光する露光装置であって、
前記レチクルを照明して前記パターン像を形成する照明部と、
前記レチクルを移動可能に保持するレチクルステージと、
前記基板を移動可能に保持する基板ステージと、
請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の面位置計測装置と、を有することを特徴とする露光装置。
請求項１６に記載の露光装置を用いてレチクルを介して基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップと、
現像された前記基板を加工してデバイスを製造するステップと、を備えることを特徴とするデバイス製造方法。