JP2008042036A - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高いＮＡを有する露光装置又は液浸露光装置等に好適な面位置計測手段を有する露光装置を提供する。
【解決手段】露光装置は、原版ステージＲＳと、原版Ｒを照明する照明光学系ＩＬと、基板ステージＷと、投影光学系ＵＬと、ＴＴＲ検出器１０４とを備える。ＴＴＲ検出器１０４が、計測光学系１２０と、受光器１０８とを含む。計測光学系１２０は、計測光を投影光学系ＵＬに斜入射させ、投影光学系ＵＬから戻ってくる計測光を受光する。受光器１０８は、投影光学系ＵＬに斜入射して投影光学系ＵＬを通過し、基板ステージＷＳ上の基板Ｗに入射して基板Ｗで反射され、投影光学系ＵＬを更に通過した計測光を受光する。受光器１０８の出力に基づいて基板Ｗの面位置情報が導出される。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイス等のデバイスの製造に好適な露光装置及びこれを用いたデバイス製造方法に関する。

半導体デバイスの製造のために使用される露光装置は、原版のパターンを感光剤が塗布された基板上に投影光学系を介して投影することによって該感光剤を露光する。露光装置としては、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置やステップ・アンド・スキャン方式の露光装置がある。

図１は、露光装置の概略構成を示す図である。以下では、図１内に示したＸＹＺ直交座標系に従って説明する。露光装置では、原版（レチクル）Ｒと基板（ウエハ）Ｗとが投影光学系ＵＬを介して光学的にほぼ共役な位置に配置されている。照明光学系ＩＬにより、原版Ｒ全体のうちＸ方向に長いスリット状又は円弧状の領域が照明される。投影光学系ＵＬの光軸（Ｚ軸）に対して垂直に原版ステージＲＳ及び基板ステージＷＳを投影光学系ＵＬの光学倍率に応じた速度比でＹ方向に駆動することによって、光源ＬＳから提供される露光光により、原版Ｒのパターンが基板Ｗ上に転写される。

原版ステージＲＳは、原版ステージＲＳの位置を計測するレーザ干渉計１０１と原版ステージＲＳを駆動するアクチュエータとを含んで構成される制御系によってＹ方向の位置が制御される。原版ステージＲＳには、原版Ｒの他に原版側基準プレートＲＰが配置されている。原版側基準プレートＲＰのパターン面の高さは、原版Ｒのパターン面の高さとほぼ一致する。原版側基準プレートＲＰのパターン面には、Ｃｒ等の金属で構成される複数の位置計測用マークが形成されている。原版ステージＲＳは、Ｚ方向の位置を投影光学系ＵＬに対して一定に保った状態で駆動される。原版ステージＲＳには、レーザ干渉計１０１から出射されたビームを反射する移動鏡１０２が固定されていて、レーザ干渉計１０１により原版ステージＲＳの位置や移動量は逐次計測される。原版ステージＲＳは、Ｙ方向のみならず、Ｘ方向、Ｚ方向にも駆動可能なものであってもよい。この場合は、原版ステージＲＳは、レーザ干渉計とアクチュエータとを含んで構成される制御系によってＸ方向及びＺ方向の位置が制御される。

一方、基板ステージＷＳ上には、基板側基準プレートＷＰが配置されている。基板側基準プレートＷＰのパターン面は、基板Ｗの上面とその高さがほぼ一致しており、Ｃｒ等の金属で構成された複数の位置計測用マークが形成されている。基板ステージＷＳは、Ｚ方向及びＸＹ平面内を移動することが可能であり、更にθＸ、θＹ、θＺに微小回転も可能であるように制御系が構成される。更に、原版ステージＲＳと同様に、基板ステージＷＳにも、レーザ干渉計１０１からのビームを反射する移動鏡１０２が固定されていて、そのレーザ干渉計１０１により基板ステージＷＳのＸＹＺ方向における位置及び移動量が逐次計測される。

次に、面位置検出器に関して説明する。露光装置は、基板Ｗ上の面位置を検出するために斜入射方式の面位置検出器１０３を備えている。面位置検出器１０３は、投影光学系ＵＬによって原版Ｒのパターンが転写される基板Ｗの表面に対して複数の光ビームを斜入射照射する照明部１０３ａと、基板Ｗの表面で反射された複数の光ビームを検出する検出部１０３ｂとを含む。面位置検出器１０３の検出部１０３ａには複数の光ビームにそれぞれ対応して複数の受光素子が配置されている。この受光素子の受光面は、基板Ｗの表面上の各光ビームの反射点と略共役になるように配置されている。面位置検出器１０３は、基板ＷのＺ方向の位置ずれを検出部１０３ｂの受光素子に入射する光ビームの位置ずれとして検知する。

基板ステージＷＳを水平方向に駆動させることにより、面位置検出器１０３は、面位置検出器１０３の計測原点からの基板Ｗ（又は、基板側基準プレートＷＰ）表面の位置ずれを計測する。この位置ずれは、基板Ｗ（又は、基板側基準プレートＷＰ）が有する"うねり"や"反り"などに起因する。

理想的には、投影光学系ＵＬの焦平面と面位置検出系１０３の計測原点は一致している。露光の際には、面位置検出器１０３の計測原点からの基板Ｗの表面の位置ずれ、つまり、投影光学系ＵＬの焦平面からの基板Ｗの表面の位置ずれを補正するために基板ステージＷＳの位置をＺ方向に駆動する。この補正駆動を行うことで、投影光学系ＵＬの焦平面ＦＰに基板Ｗの表面を合わせた状態で露光を行うことができる。

しかし、投影光学系ＵＬが露光熱を吸収したり、周囲の環境が変動したりすると、斜入射方式の面位置検出器１０３の計測原点と投影光学系ＵＬの焦平面との間にずれが発生する。そのため、投影光学系ＵＬを介して当該ずれを計測して当該ずれを補正する必要がある。この補正は、フォーカスキャリブレーションと呼ばれる。フォーカスキャリブレーションには、画像検出方式のＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｒｅｔｉｃｌｅ）検出器が用いられうる。

ＴＴＲ検出器１０４は、拡大光学系であり、１台の露光装置には、１台又は複数台のＴＴＲ検出器１０４が搭載されうる。

ＴＴＲ検出器１０４は、照明部１０５、対物レンズ１０６、リレーレンズ１０７、撮像素子１０８、照明部１０５へ露光光を導光する引き廻し系１０９等を含みうる。ＴＴＲ検出器１０４の光源としては、露光光に限らず、非露光光でもよい。ＴＴＲ検出器１０４は、原版側基準マークＲＭ及び基板側基準マークＷＭを撮像することが可能であり、それぞれの基準マークの相互位置の検出を行う位置検出手段の機能も有する。この相互位置の検出は、原版ステージＲＳの駆動方向と基板ステージＷＳの駆動方向のずれの算出（ＸＹキャリブレーション）等に用いられる。また、ＴＴＲ検出器１０４は、ＸＹ方向に駆動可能あり、投影光学系ＵＬの各像高において基準マークの検出が可能である。

ところで、基板ステージＷＳは、Ｚ方向については非常に高精度で加工された基板ステージ定盤の上をエアーベアリング等によって非接触に支持された状態で移動する。ところが、基板Ｗの大型化による基板ステージＷＳの駆動領域が大きくなる一方で、転写すべきパターンの微細化にともなってフォーカス深度が浅くなってきている。このために、基板ステージＷＳの駆動領域の全域においてフォーカス深度を満たすように基板ステージ定盤を高精度に加工をすることは非常に困難になってきている。

また、基板ステージＷＳの駆動による荷重変動によっても基板ステージ定盤が変形する。基板ステージＷＳの位置を制御するためにレーザ干渉計１０１が参照する移動鏡１０２も、反射面を完全な平面に加工することは困難であり、露光装置に搭載されている多くの移動鏡１０２は、反射面が凹凸を有する。更に、長期的には、移動鏡１０２は、露光装置内の環境変化、更には、移動鏡１０２の保持形式によっても反射面の形状変化を起す。これらの理由から、基板ステージＷＳを水平方向へ駆動したとしても、基板ステージＷＳがＺ方向に変動し、これにともなって基板Ｗの表面もＺ方向に変動してしまう。

例えば、面位置検出器１０３で基板Ｗの表面位置Ｚｐを検出し、露光時に基板ステージＷＳをＺｐだけ補正駆動した場合を考える。この場合であっても、基板ステージＷＳの変動による変動Ｚｄが発生すると、Ｚｄだけ基板Ｗの面位置が投影光学系ＵＬのベストフォーカス位置ＦＰからずれてしまう。そのため、基板ステージＷＳの変動をあらかじめ計測しておき、基板ステージＷＳを駆動する際に、この変動分を補正してフォーカス誤差を低減させる必要がある。

これらの問題を解決するために、従来の露光装置では、基板ステージＷＳの駆動方向に対して面位置検出器１０３の検出領域を２箇所配置することで基板ステージＷＳのＺ方向変動を計測する。図２を用いて、この計測方法について説明する。面位置検出器１０３は、基板ステージＷＳの駆動方向に沿って２つの検出領域における面位置をそれぞれ計測する第１、第２検出器を含むものとする。ここで、２つの検出領域の間隔をＬｙとする。第１、第２検出器は、それぞれ、第１、第２光ビーム１０３−１、１０３−２を使う。

通常、基板Ｗは、表面に凹凸を有する。まず、基板ＷがＹ＝ｙ０の位置にあるときに、第１検出器により光ビーム１０３−１を使って基板Ｗ上のＡ点の面位置を計測する。この計測値がＺｐ（ｙ０）であるとする。次に、基板ステージＷＳをＹ方向へＬｙだけ駆動し、基板ステージＷＳの座標がＹ＝ｙ０からＹ＝ｙ１となったとする。このとき、第２検出器が光ビーム１０３−２を使って基板Ｗ上のＡ点の面位置を計測する。この計測値がＺｐ（ｙ１）であるとする。ここで、光ビーム１０３−１を使う第１検出器と、光ビーム１０３−２を使う第２検出器とは基板Ｗ上で同じ位置Ａ点を計測している。よって、基板Ｗの表面の凹凸に関わらず同じ計測値となるはずである。ところが、基板ステージＷＳを駆動する際に、基板Ｗの表面がフォーカス方向（Ｚ方向）にＺｄだけ変動したと仮定すると、Ｚｐ（ｙ１）は、Ｚｐ（ｙ０）に対してＺｄだけ変動して検出される。つまり、
Ｚｐ（ｙ１）＝Ｚｐ（ｙ０）＋Ｚｄ
となる。ここで、Ｚｐ（ｙ０）、Ｚｐ（ｙ１）とは、第１検出器、第２検出器によって得られる計測値であるので、上記関係式からＺｄを算出することができる。

以上の原理にしたがって、基板ステージＷＳを駆動しながら基板Ｗの全面にわたって第１、第２検出器で基板Ｗの面位置を検出することで、基板ステージＷＳの可動範囲の全域における基板ステージＷＳのＺ方向変動を計測することができる。

このようにして求められた計測データは、基板ステージＷＳの座標と対応づけて、補正テーブルとしてメモリに保存されうる。そして、露光処理を行うときは、該メモリ内の補正テーブルを用いて基板ステージＷＳを補正駆動する。この補正駆動によって、Ａ点が露光スリット位置にきたときに、基板Ｗの表面を投影光学系ＵＬの焦平面ＦＰに正確に合わせ込むことができる。
特開２００１−０１５４２２号公報 特開２００１−３３２４９０号公報

半導体デバイスの高集積化に対応して、基板に転写されるパターンの微細化、即ち、高解像度化への要求が一層高まっている。かかる要求に応えるためには、露光波長の短波長化では限界にきており、近年では、短波長化とあわせて投影光学系ＵＬの開口数（ＮＡ）を従来の０．６程度から０．９を越えるような高い開口数とすることで高解像度化への要求に応えようとしている。更に、投影光学系ＵＬと基板Ｗとの間の少なくとも一部を屈折率が１よりも大きい液体で満たして開口数の増大を図ることにより、露光パターンの微細化を図る液浸型の露光装置が提案されている。

液浸露光装置においては、基板Ｗと投影光学系ＵＬの投影端側（像面側）を構成する光学要素との間の空間に、レジスト層の屈折率に近い屈折率を有する液体が充填される。これにより、基板Ｗ側から見た投影光学系ＵＬの有効開口数が増加し、解像度を改善することができる。液浸投影方法は、使用する液体を選択することによって良好な結像性能を獲得することができると期待されている。

高ＮＡ型の露光装置では、投影光学系ＵＬの最も基板Ｗ側のレンズ（最終レンズ）の大型化を抑えるために、投影光学系ＵＬの最終レンズと基板Ｗとを近接して配置する必要がある。液浸露光装置では、投影光学系ＵＬと基板Ｗとの間の液体を安定して保持するという観点においても、投影光学系ＵＬの最終レンズと基板Ｗとを近接して配置する必要がある。このような構成においては、基板Ｗ上の露光領域と面位置検出器１０３の計測領域とが一致するように面位置検出器１０３を投影光学系ＵＬの周辺に配置することができない。

ここで、面位置検出器１０３の検出光を基板Ｗの面に入射させる角度を大きくするか、検出光のＮＡを小さくするといった光学設計上の工夫が考えられる。しかしながら、この場合には、面位置検出系１０３の小型化や光量不足が検出精度を大きく悪化させてしまう。

このような問題を解決するために、必要精度を維持可能な位置、つまり投影光学系ＵＬから離れた位置に面位置検出器１０３を配置し、基板Ｗ上の露光領域とは異なる位置を面位置検出器１０３の計測領域とすることが考えられる。しかし、この方法で基板ステージの変動の補正テーブルを作成したとしても、補正テーブル作成時にレーザ干渉計が参照する移動鏡１０２の位置と、露光時に基板ステージの制御のためにレーザ干渉計が参照する移動鏡１０２の位置とは異なってしまう。更に、基板ステージ定盤上における基板ステージＷＳの位置も、補正テーブル作成時と露光時とでは異なってしまう。このため、面位置検出器１０３の計測領域が露光領域にない状態で得られた補正テーブルに基づき基板ステージＷＳを補正駆動しても、基板Ｗを投影光学系ＵＬの焦平面ＦＰへ正確に合わせ込むことはできない。

本発明は、上記の課題認識を基礎としてなされたものであり、例えば、高いＮＡを有する露光装置又は液浸露光装置等に好適な面位置計測手段を有する露光装置を提供することを目的とする。

本発明は、原版ステージと、前記原版ステージによって保持される原版を照明する照明光学系と、基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板ステージ上の基板に投影する投影光学系とを備える露光装置に関する。前記露光装置は、計測光学系と受光器とを備える。計測光学系は、計測光を前記投影光学系に斜入射させ、前記投影光学系から戻ってくる計測光を受光する。受光器は、前記投影光学系に斜入射して前記投影光学系を通過し、前記基板ステージ上の基板に入射して前記基板で反射され、前記投影光学系を更に通過した計測光を受光する。前記受光器の出力に基づいて前記基板の面位置情報が導出される。

本発明の好適な実施形態によれば、前記計測光学系は、前記計測光学系の光軸からシフトした位置に開口部を有する絞りを含むことができ、前記絞りによって前記投影光学系に斜入射させる計測光が規定されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記計測光学系は、前記原版ステージに配置されたマークを計測光で斜入射照明するように構成されうる。前記受光器は、前記投影光学系から戻ってくる計測光で形成される前記マークの像を撮像する撮像素子を含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記計測光学系は、マークを含み、前記マークの情報を含む計測光を前記投影光学系に斜入射させるように構成されうる。前記受光器は、前記投影光学系から戻ってくる計測光で形成される前記マークの像を撮像する撮像素子を含みうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記基板ステージを移動させながら前記受光器の出力に基づいて前記基板の面位置情報を導出することによって前記基板の面形状が計測されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記投影光学系の第１位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状を計測し、前記投影光学系の第２位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状を計測し、両計測結果に基づいて前記投影光学系の光軸方向における前記基板ステージの駆動誤差が計測されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記露光装置は、前記計測光学系及び前記受光器を含んで構成されるＴＴＲ検出器を少なくとも２台備えることができる。ここで、第１ＴＴＲ検出器によって前記第１位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状が計測され、第２ＴＴＲ検出器によって前記第２位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状が計測されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記露光装置は、前記投影光学系を介することなく前記基板に計測光を入射させ、前記基板からの反射光を受光することによって前記基板の面位置情報を検出する面位置検出器を更に備えうる。

本発明によれば、例えば、高いＮＡを有する露光装置又は液浸露光装置等に好適な面位置計測手段を有する露光装置が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。図３に示す露光装置は、投影光学系ＵＬと基板（ウエハ）Ｗとの間に液体を介在させずに基板を露光する露光装置にも、投影光学系ＵＬと基板Ｗとの間に液体を介在させて基板を露光する露光装置にも適用可能である。ここでは、一適用例として、半導体デバイスの回路パターンが形成された原版（レチクル）Ｒを用いて、ステップ・アンド・リピート方式により、回路パターンを基板Ｗに転写する走査型露光装置について説明する。

露光装置は、原版ステージＲＳと、原版ステージＲＳによって保持される原版Ｒを照明する照明光学系ＩＬと、基板ステージＷＳと、原版Ｒのパターンを基板ステージＷＳ上の基板Ｗに投影する投影光学系ＵＬとを備える。

以下では、図３中に示したＸＹＺ直交座標系に従って説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ方向及びＹ方向で規定される面が基板Ｗの面に平行になり、Ｚ方向が基板Ｗの面に対して直交するように方向に決定されている。ここで、図１と同様の構成要素には図１と同様の符号を付して説明を省略乃至簡略化する。

図３に示す露光装置は、光源ＬＳを備えている。光源ＬＳとしては、例えば、１９３ｎｍの波長の光を発生するＡｒＦエキシマレーザが好適であるが、例えば、水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）、ＥＵＶ光源などを採用しうる。露光光源ＬＳから射出された光束は、照明光学系ＩＬに入射し、設定された形状、干渉性、偏光状態に整形された後に、原版Ｒを透過照明する。原版Ｒの下面に形成された微細な回路パターンで回折された光は、投影光学系ＵＬにより、基板ステージＷＳ上に配置された基板Ｗ上に結像する。

ＴＴＲ検出器１０４による基板の面位置検出について説明する。図３に示すように、この実施形態で示す露光装置にはＴＴＲ検出器１０４は１台のみ構成されている。ここで、基板は、露光対象のウエハ等の基板でもよいし、例えば、計測用の基板であってもよい。

ＴＴＲ検出器１０４による基板Ｗの面位置検出には、図４に例示するような面位置計測用マーク３０１を使用する。面位置計測用マーク３０１は、原版基準プレートＲＰ上に形成されており、計測光を透過する透過部３０１ａと、Ｃｒ等の金属膜からなり計測光を反射する反射部３０１ｂとを含む。図４に示す例では、面位置計測用マーク３０１は、Ｘ方向に長い複数本のライン状の反射部３０１ｂを含む。原版側基準プレートＲＰ上には、面位置計測用マーク３０１の他にも、例えば、原版側基準マークＲＭが形成されうる。原版側基準マークＲＭは、面位置計測用の機能を兼ねていてもよい。面位置計測用マーク３０１は、図４で示した形態に限られず、例えば、ライン状の透過部を含んでいてもよい。

ＴＴＲ検出器１０４は、計測光学系１２０と、受光器としての撮像素子１０８とを含む。計測光学系１２０は、計測光を投影光学系ＵＬに斜入射させ、投影光学系ＵＬから戻ってくる計測光を受光するように構成される。撮像素子１０８は、投影光学ＵＬに斜入射して投影光学系ＵＬを通過し、基板ステージＷＳ上の基板Ｗに入射して基板Ｗで反射され、投影光学系ＵＬを更に通過した計測光を撮像面で受光する。

計測光学系は、例えば、照明部１０５、対物レンズ１０６、リレーレンズ１０７、引き廻し系１０９等を含みうる。引き廻し系１０９は、例えば、光ファイバー、レンズ、ミラー等を含んで構成され、光源ＬＳから出射される光の一部は、引き回し系１０９によりＴＴＲ検出器１０４の照明部１０５に導光される。

斜入射開口絞り４０１は、照明部１０５から出射された光を制限することによって、投影光学系ＵＬに斜入射させるべき計測光を規定する。斜入射開口絞り４０１は、投影光学系ＵＬの開口絞り面、いわゆる瞳面とほぼ共役な位置に配置されることが好ましい。図５は、斜入射開口絞り４０１の構成例を模式的に示す図である。斜入射開口絞り４０１は、図５に例示するように、ＴＴＲ検出器１０４の光軸上には開口部４０１ａを持たず、光軸からＹ方向へシフトした位置にスリット状の開口部４０１ａを有している。このため、対物レンズ１０６を通過した計測光は、開口部４０１ａの位置ａｄに応じた入射角度で面位置計測用マーク３０１を斜入射照明する。開口部４０１ａは、光軸からＹ方向へシフトした位置に配置されていれば、スリット状に限らず、円形状、又は矩形状のものでもよい。なお、図５内の点線は、開口絞り位置における光線有効径を示している。

ＴＴＲ検出器１０４は、図３には示されていないが、例えば、原版側基準マークＲＭ及び基板側基準マークＷＭのＸＹ方向の位置を計測するための円形開口絞り等も、斜入射開口絞り４０１と同じ位置に配置されうる。当該円形開口絞りと斜入射開口絞り４０１とを切り替えることで、基板側基準マークＷＭのＸＹ平面内における位置計測機能と、基板Ｗの面位置計測機能とを切り替えることが可能である。斜入射開口絞り４０１と円形開口絞りとは、アクチュエータによって切り替えが可能である。斜入射開口絞り４０１と円形開口絞りとは、同一プレートに構成されていてもよいし、別々のプレートに構成されていてもよい。

制御部２００は、基板Ｗの面位置検出を行う前に、例えばＴＴＲ検出器１０４のリレーレンズ１０７等を移動させることで、原版側基準プレートＲＰのパターン面とＴＴＲ検出器１０４内の撮像素子１０８の撮像面を合焦状態とする。これを原版側フォーカスキャリブレーションと呼ぶ。原版側フォーカスキャリブレーションの際には、円形開口絞りを使用してもよいし、斜入射開口絞り４０１を使用してもよい。また、原版側フォーカスキャリブレーションの際には、原版側基準マークＲＭを使用してもよいし、面位置計測用マーク３０１を使用してもよい。

原版側フォーカスキャリブレーション後、制御部２００は、計測光の光路に斜入射開口絞り４０１を移動させ、ＴＴＲ検出器１０４で面位置計測用マーク３０１を観察することができるように原版ステージＲＳ及びＴＴＲ検出器１０４を移動させる。

図６に例示するように、制御部２００は、基板Ｗを投影光学系ＵＬの焦平面ＦＰからデフォーカスさせるために、基板ステージＷＳをＺ方向に駆動する。基板ステージＷＳの駆動方向は、＋Ｚ方向でも−Ｚ方向でもよく、駆動量は数μｍ〜数十μｍ程度であり、駆動後の基板ステージＷＳの基準面位置が面位置検出の計測原点ＳＰとなる。

基板ステージＷＳの基準面が投影光学系ＵＬの焦平面ＦＰ上にあった場合を考える。この場合、面位置計測用マーク３０１のラインパターンを透過した計測光は投影光学系ＵＬを介して基板Ｗに照射され基板Ｗで反射され、再び投影光学系ＵＬを介し、面位置計測用マーク３０１のラインパターン上に結像される。ここで、基板ステージＷＳの基準面は、基板ステージＷＳ上の基板Ｗの表面を意味する。

しかし、基板ステージＷＳの基準面を投影光学系ＵＬの焦平面ＦＰからＺ方向に駆動し、かつ斜入射開口絞り４０１を用いて面位置計測用マーク３０１を斜入射照明している場合には、上記の場合と異なる。この場合、図７に例示するように、基板Ｗで反射された計測光（以下、基板反射光ＷＲ）は、面位置計測用マーク３０１のラインパターン上には戻らず、Ｚ方向の駆動量及び開口位置ａｄに応じてＹ方向へシフトした位置に結像する。図７は、基板ステージＷＳを−Ｚ方向へ駆動した場合について示している。

上記駆動が終了すると、制御部２００は、ＴＴＲ検出器１０４に面位置計測用マーク３０１を照明させ、面位置計測用マーク３０１で反射された光束（以下、原版反射光ＲＲ）と基板反射光ＷＲとを撮像素子１０８に撮像させる。撮像素子１０８の撮像面上には、原版反射光ＲＲと基板反射光ＷＲとでラインパターン（マーク３０１の像）が形成されるる。得られるＹ方向の強度プロファイルを図８に例示する。図８において、"６０１ａ"が原版反射光ＲＲの強度プロファイルであり、"６０１ｂ"が基板反射光ＷＲの強度プロファイルである。ここで、ΔＹは、斜入射開口絞り４０１の開口位置ａｄ及び基板ステージＷＳの−Ｚ方向の駆動量に依存する値である。また、原版反射光ＲＲと基板反射光ＷＲとの光量差が大きい場合、ラインパターン像のコントラストに差が生じるため、計測精度が低下する可能性がある。そこで、２つの反射光の光量がほぼ等しくなるように面位置計測用マーク３０１の金属部の反射率を調整することが好ましい。

次いで、制御部２００は、ＴＴＲ検出器１０４に面位置計測用マーク３０１を照明させながら、基板ステージＷＳをＹ方向へスキャン移動させ、一定間隔ごとに原版反射光ＲＲと基板反射光ＷＲとを撮像素子１０８に撮像させる。或いは、基板ステージＷＳをＹ方向へステップ駆動させ、各ステップごとに原版反射光ＲＲと基板反射光ＷＲとを撮像素子１０８に撮像させてもよい。

基板Ｗの表面は完全な平面ではなく凹凸となっているため、基板ステージＷＳをＹ方向に駆動させると、ＴＴＲ検出器１０４の計測点における基板Ｗの表面位置が当該凹凸に応じてＺ方向にΔＺだけ微小変化する。面位置計測用マーク３０１を斜入射照明しているので、基板Ｗの表面位置のＺ方向の変化は、図９に示すように撮像素子１０８の撮像面において基板反射光ＷＲの微小シフトΔＹｄとして検出される。このとき、原版ステージＲＳは移動していないので、撮像素子１０８の撮像面上での原版反射光ＲＲのシフトは発生しない。したがって、撮像素子１０８の出力から、原版反射光ＲＲを基準にしてΔＹｄを計測することができる。制御部２００は、ΔＹｄに基づいて、基板Ｗの面位置情報として、ＴＴＲ検出器１０４の計測原点ＳＰからの基板Ｗの面位置の微小変化ΔＺを導出する。

更に、このような計測を基板Ｗの全面について実施することにより、基板Ｗの表面形状を計測することができる。

この実施形態では、斜入射開口絞り４０１は、光軸からＹ方向へシフトした位置に開口部４０１ａを有している。これに代えて、光軸からＸ方向へシフトした位置にスリット状の開口部を配置してもよい。

また、面位置計測は、露光スリット内でＴＴＲ検出器１０４を移動させることにより、投影光学系ＵＬの各像高において可能である。

［第２実施形態］
この実施形態では、第１実施形態で説明したＴＴＲ検出器１０４による面位置計測を応用して基板ステージＷＳのＺ方向変動を補正するための補正テーブルを作成する。なお、ここで特に言及しない事項については、第１実施形態に従いうる。

ＴＴＲ検出器１０４を使って基板ステージＷＳのＺ方向変動を計測する際には、基板ステージＷＳには、露光対象の基板を配置してもよいし、計測用の基板を配置してもよい。計測用の基板としては、例えば、計測光に対する高い反射率及び／又は高い平面度を有する金属等の反射基板が好適である。

図１０に示すように、ＴＴＲ検出器１０４が投影光学系ＵＬのある像高（第１位置：Ｙｓ＝０）にあり、基板ステージＷＳがＹｗ＝０にあるとき、第１実施形態で説明した方法で基板Ｗ上のＡ点における面位置を計測し、この値をＺｐ（ｙ０）と計測する。

次に、ＴＴＲ検出器１０４を投影光学系ＵＬのＹｓ＝０とは異なる像高（第２位置：Ｙｓ＝ｙｓ１）へ移動させ、更に基板ステージＷＳをＹｗ＝ｙｗ１へ移動させる。ここで、ＴＴＲ検出器１０４と基板ステージＷＳの駆動量は投影光学系ＵＬの倍率Ｍに基づいており、ｙｗ１＝Ｍ×ｙｓ１である。

よって、駆動後におけるＴＴＲ検出器１０４の計測位置も基板Ｗ上のＡ点となり、駆動後におけるＴＴＲ検出器１０４の計測値をＺｐ（ｙ１）とすると、基板Ｗの表面の凹凸に関わらずＺｐ（ｙ１）とＺｐ（ｙ０）とは同じ計測値となるはずである。ところが、基板ステージＷＳのＺ方向変動により基板ステージＷＳのＹ＝０からＹ＝ｙｗ１への駆動後に、基板Ｗｂの表面のＺ方向位置がＺｄだけ変動したとすると、
Ｚｐ（ｙ１）＝Ｚｐ（ｙ０）＋Ｚｄ
となる。

ここで、Ｚｐ（ｙ０）とＺｐ（ｙ１）とはＴＴＲ検出器１０４により得られる計測値であるから、上記関係式からＺｄを算出することができる。なお、面位置計測用マーク３０１は、原版側基準プレートＲＰ上の露光スリット内におけるＹ＝０及びＹ＝ｙｓ１に１つずつ設置することができる。或いは、原版側基準プレートＲＰ上には１つのみ配置し、ＴＴＲ検出器１０４位置がＹ＝０及びＹ＝ｙｓ１において面位置計測用マーク３０１を観察できるように原版ステージＲＳも移動させてもよい。

制御部２００は、上記計測を基板Ｗの全面にわたって実行し、基板ステージＷＳの可動範囲全域におけるＹ方向駆動時の基板ステージＷＳのＺ方向変動を計測し、その計測結果に基づいて該Ｚ方向変動を補正するための補正テーブルを作成する。補正テーブルは、基板ステージＷＳのＺ方向変動を相殺するように基板ステージＷＳをＸＹ位置に応じてＺ方向に駆動するための情報を含む。

また、同様の方法で、基板ステージＷＳのＸ方向駆動時の基板ステージＷＳのＺ方向変動を補正するための補正テーブルを作成することができる。具体的には、ＴＴＲ検出器１０４が投影光学系ＵＬのある像高（Ｘ＝０）にあり、基板ステージＷＳがＸ＝０にある状態で計測した面位置をＺｐ（ｘ０）とする。また、ＴＴＲ検出器１０４が投影光学系ＵＬのＸ＝０とは異なる像高（Ｘ＝ｘｓ１）にあり、基板ステージＷＳがＸ＝ｘｗ１にある状態で計測した面位置をＺｐ（ｘ１）とする。制御部２００は、Ｚｐ（ｘ０）とＺｐ（ｘ１）の両計測結果に基づいて基板ステージＷＳのＺ方向変動を導出することができる。Ｙ方向の場合と同様にｘｓ１＝Ｍ×ｘｗ１である。

先の例では、基板ステージＷＳがＹ＝０からＹ＝ｙｗ１（ｙｗ１＞０）に移動するとき、つまり基板ステージＷＳが＋Ｙ方向へ駆動する際の計測方法を述べた。基板ステージＷＳが逆方向に移動するときには、先で求めたＺｄの値を符号反転して用いてもよいし、基板ステージＷＳがＹ＝０にある状態とＹ＝−ｙｗ１とにある状態で新たに計測し直してもよい。このように基板ステージＷＳを−Ｙ方向へ駆動させ補正テーブルを作成した場合には、走査方向に依存してＺ方向への変動量が変化する場合にも対応することが可能となる。

本発明の好適な実施形態では、面位置計測は、撮像素子１０８面上における原版反射光ＲＲの位置を基準として、基板Ｗの面位置計測がなされる。補正テーブル作成のため、ＴＴＲ検出器１０４及び面位置計測用マーク３０１を水平方向へ移動させた場合、ＴＴＲ検出器１０４及び面位置計測用マーク３０１が光軸方向に変動していると、撮像素子面上の原版反射光ＲＲの位置が変化する。したがって、このような場合には、正確に基板Ｗの面位置計測を行うことができない。これを防ぐためには、ＴＴＲ検出器１０４及び面位置計測用マーク３０１の駆動後に再び原版Ｒ側フォーカスキャリブレーションを行い、面位置計測用マーク３０１と撮像素子１０８を正確に合焦状態となるように調整すればよい。或いは、ＴＴＲ検出器１０４及び面位置計測用マーク３０１を水平方向へ移動させた際に発生するＺ方向の変動を別途計測し、面位置計測の際に補正を行ってもよい。

［第３実施形態］
この実施形態では、面位置検出系１０３とＴＴＲ検出器１０４とを使用することによって基板ステージＷＳの変動を補正するための補正テーブルを作成する。なお、ここで特に言及しない事項については、第１、第２実施形態に従いうる。

面位置検出器１０３は、投影光学系ＵＬを介することなく基板Ｗに計測光を斜入射させ、基板Ｗからの反射光を受光することによって基板Ｗの面位置情報を検出する。面位置検出器１０３は、典型的には、露光領域とは異なる領域を計測領域とする。

まず、制御部２００は、基板ステージＷＳが保持している基板（好適には、計測用の反射基板）Ｗが面位置計測器１０３の計測範囲にある状態において、基板ステージＷＳを水平方向へ駆動させ、面位置検出器１０３により基板Ｗの面位置計測を行う。更に、制御部２００は、この計測結果から前述した方法により基板ステージＷＳの変動を計測し、基板Ｗの面位置計測値から基板ステージＷＳの変動分を減ずることで基板Ｗの面形状を算出する。

次に、制御部２００は、基板ステージＷＳを露光位置に駆動させ、投影光学系ＵＬのある像高の位置にＴＴＲ検出器１０４が配置された状態で、第１実施形態として説明した手順に基づき基板Ｗの面位置計測を行う。ここで、この面位置計測結果は、基板Ｗの面形状、及び、基板ステージＷＳの変動に起因する基板Ｗの面位置の変動を含んだものである。ＴＴＲ検出器１０４による面位置計測結果から、先に算出した基板Ｗの面形状を示す値を減ずることで、基板ステージＷＳの変動分を算出することができる。

第３実施形態では、予め面位置検出器１０３によって基板Ｗの面形状を計測しておくことで、基板ステージＷＳの変動を計測する際に、ＴＴＲ検出器１０４を水平方向に駆動する必要がない。そのため、露光装置内におけるＴＴＲ検出器１０４の荷重重心が変化することもないので、ＴＴＲ検出器１０４の水平方向及びＺ方向の駆動誤差により面位置計測精度を低下することがない。

また、第３実施形態は、例えば、ツインステージ型の露光装置への適用にも有利である。ツインステージ型の露光装置は、基板Ｗを保持するための２つの基板ステージＷＳを有し、基板Ｗの面形状及び基板ステージＷＳにおける基板Ｗの位置を計測するための計測ステーションと、投影光学系ＵＬを有し、基板Ｗを露光する露光ステーションとを備える。

計測ステーションには、面位置検出系１０３が配置され、基板ステージＷＳを露光の際と同じように駆動することで、面位置検出系１０３によって基板Ｗの面位置計測を行う。この計測結果から、前述した方法により計測ステーションにおける基板ステージＷＳの変動を計測し、基板Ｗの面位置計測値から基板ステージＷＳの変動分を減ずることで、基板Ｗの面形状を算出する。

以上の処理が終了すると、制御部２００は、基板ステージＷＳを露光ステーションへ移動させ、投影光学系ＵＬのある像高にＴＴＲ検出器１０４が配置された状態で、第１実施形態として説明した手順に基づいて基板Ｗの面位置計測を行う。この面位置計測結果は、基板Ｗの面形状及び露光ステーションでの基板ステージＷＳの変動による基板Ｗの表面位置の変動を含む。

ＴＴＲ検出器１０４による面位置計測結果から、計測ステーションにおいて算出した基板Ｗの面形状値を減ずることで、露光ステーションでの基板ステージＷＳの変動分を算出することができる。ＴＴＲ検出器１０４と面位置検出器１０３とにおいて、面位置計測値が異なる場合には、形状が既知である基板Ｗを用意してこれを２つの検出器１０４、１０３で計測する。そして、これらの計測値に基づいて検出器１０４、１０３との面位置計測値が一致するようにキャリブレーションを行えばよい。

ツインステージ型の露光装置においても、予め面位置検出系１０３によって基板Ｗの面形状を計測しておくことで、基板ステージＷＳの変動を計測する際にはＴＴＲ検出器１０４を水平方向へ駆動させる必要がない。そのため、露光装置内におけるＴＴＲ検出器１０４の荷重重心が変化することもないので、出ＴＴＲ検出器１０４の水平方向及びＺ方向の駆動誤差により面位置計測精度が低下することがない。

［第４実施形態］
この実施形態は、露光装置にＴＴＲ検出器１０４を少なくとも２台備えて、２台のＴＴＲ検出器１０４を用いて基板ステージＷＳの変動を補正するための補正テーブルを作成する技術を提供する。

図１１は、本発明の第４実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。ここで、図１と同様の構成要素には図１と同様の符号を付して説明を省略乃至簡略化する。図１２は、２台のＴＴＲ検出器１０４ａ、１０４ｂの計測領域Ｒ１０４ａ、Ｒ１０４ｂの配置を模式的に示す図である。

ＴＴＲ検出器１０４ａ、１０４ｂの計測領域Ｒ１０４ａ、Ｒ１０４ｂは、スキャン露光のための露光スリット１００１内において、例えばＹ軸対称に２台構成されている。

この実施形態の露光装置では、２台のＴＴＲ検出器１０４ａ、１０４ｂにより投影光学系ＵＬの異なる像高位置で原版側基準マークＲＭ及び基板側基準マークＷＭを検出することが可能であり、また、基板の面位置の検出も可能である。

図１２に例示するように、Ｘ＝−ｄ／２（第１位置）にＴＴＲ検出器１０４ａの計測領域Ｒ１０４ａが配置され、Ｘ＝ｄ／２（第２位置）にＴＴＲ検出器１０４ｂの計測領域Ｒ１０４ｂが配置されているとする（ｄ＞０）。この場合、２台のＴＴＲ検出器１０４ａ、１０４ｂの計測領域の間隔はｄである。ＴＴＲ検出器１０４ｂで基板Ｗ上のＡ点を計測した後、間隔ｄに投影光学系ＵＬの倍率Ｍを乗じた量（つまりｄ×Ｍ）だけ基板ステージＷＳを＋Ｘ方向に駆動させるとする。この場合、基板ステージＷＳの駆動前にＴＴＲ検出器１０４ｂで計測したＡ点を基板ステージＷＳの駆動後にはＴＴＲ検出器１０４ａで計測することができる。つまり、ＴＴＲ検出器１０４ａ、１０４ｂのＸ方向の駆動を行わずに、第１実施形態で説明した計測方法と同様に、Ｘ方向における基板ステージＷＳの変動を補正するための補正テーブルを作成することができる。また、Ｙ方向における基板ステージＷＳの変動を補正するための補正テープルを作成するためには、２台のＴＴＲ検出器１０４ａ、１０４ｂをＹ方向に並べて配置すればよい。

以上のように、この実施形態によると、ＴＴＲ検出器１０４を水平方向へ駆動する必要がない。したがって、基板ステージＷＳの変動を補正するための補正テーブルを作成する時間を短縮することができる。また、露光装置内におけるＴＴＲ検出器１０４の荷重重心が変化することもないので、ＴＴＲ検出器１０４の水平方向及びＺ方向の駆動誤差により面位置計測精度を低下させることがない。

［第５実施形態］
この実施形態では、ＴＴＲ検出器１０４の照明部内で原版側基準マークＲＭと共役関係にある照明視野絞り１１２に、図４に例示するような面位置計測用マーク３０１を設ける構成を提供する。照明視野絞り１１２は、リレーレンズ１１０と１１１の間に配置されうる。図１３は、本発明の第５実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。面位置計測用マーク３０１は、計測光に対し透過性又は吸収性をもつ複数本のラインパターンで構成されうる。照明視野絞り１１２に面位置計測用マーク３０１を設けることによって、原版基準プレートＲＰに面位置計測用マーク３０１を設ける必要がなくなる。

第５実施形態における面位置計測用マーク３０１の配置においても、基板Ｗの面位置計測、及び基板ステージＷＳの変動を補正するための補正テーブルを作成することができる。また、第５実施形態によると、基板ステージＷＳを固定し原版ステージＲＳを水平方向へ移動させることで、原版側基準プレートＲＰの面位置計測及び原版ステージＲＳの変動を補正するための補正テーブルを作成することができる。

［応用例］
次に上記の露光装置を利用したデバイス製造方法を説明する。図１４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。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル作製）では設計した回路パターンに基づいてレチクル（原版またはマスクともいう）を作製する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハ（基板ともいう）を製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のレチクルとウエハを用いて、リソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作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）等の組み立て工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５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、これを出荷（ステップ７）する。

図１５は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記の露光装置を用いて、回路パターンが形成されたマスクを介し感光剤が塗布されたウエハを露光してレジストに潜像パターンを形成する。ステップ１７（現像）ではウエハに転写されたレジストを現像してレジストパターンを形成する。ステップ１８（エッチング）ではレジストパターンが開口した部分を通してレジストパターンの下にある層又は基板をエッチングする。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

露光装置の概略構成を示す図である。 面位置検出器によって基板ステージの変動を計測する様子を示す図図である。 本発明の第１実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 ＴＴＲ検出器による面位置計測時に使用する面位置計測用マークを例示する図である。 ＴＴＲ検出器による面位置計測時に使用する斜入射開口絞りを例示する図である。 ＴＴＲ検出器による面位置計測時の光路を例示する図である。 ＴＴＲ検出器による面位置計測時の光路を例示する図である。 ＴＴＲ検出器による面位置計測時の撮像素子面上での強度プロファイルを例示する図である。 ＴＴＲ検出器による面位置計測時の撮像素子面上での強度プロファイルを例示する図である。 ＴＴＲ検出器により基板ステージの変動を計測する様子を例示す図である。 本発明の第４実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 ＴＴＲ検出器の配置を例示する図である。 本発明の第５実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 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。 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。

符号の説明

１０１ レーザ干渉計
１０２ 移動鏡
１０３ 面位置検出器
１０４ ＴＴＲ検出器
１０５ 照明部
１０６ 対物レンズ
１０７ リレーレンズ
１０８ 撮像素子
１０９ 引き廻し系
１１０、１１１ リレーレンズ
１１２ 照明視野絞り
１２０ 計測光学系
２００ 制御部
３０１ 面位置計測用マーク
３０１ａ 透過部
３０１ｂ 遮光部
４０１ 斜入射開口絞り
４０１ａ 開口部
１０４ａ、１０４ｂ ＴＴＲ検出器
１００１ 露光スリット
ＵＬ 投影光学系
ＩＬ 照明光学系
ＬＳ 光源
Ｒ 原版（レチクル）
Ｗ 基板（ウエハ）
ＲＳ 原版ステージ
ＷＳ 基板ステージ
ＲＰ 原版側基準プレート
ＷＰ 基板側基準プレート
ＲＲ 原版反射光
ＷＲ 基板反射光
ＦＰ 投影光学系の焦平面
ＳＰ ＴＴＲ検出器の計測原点

Claims (9)

1. 原版ステージと、前記原版ステージによって保持される原版を照明する照明光学系と、基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板ステージ上の基板に投影する投影光学系とを備える露光装置であって、
   計測光を前記投影光学系に斜入射させ、前記投影光学系から戻ってくる計測光を受光する計測光学系と、
   前記投影光学系に斜入射して前記投影光学系を通過し、前記基板ステージ上の基板に入射して前記基板で反射され、前記投影光学系を更に通過した計測光を受光する受光器とを備え、
   前記受光器の出力に基づいて前記基板の面位置情報が導出されることを特徴とする露光装置。
2. 前記計測光学系は、前記計測光学系の光軸からシフトした位置に開口部を有する絞りを含み、前記絞りによって前記投影光学系に斜入射させる計測光が規定されることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記計測光学系は、前記原版ステージに配置されたマークを計測光で斜入射照明し、前記受光器は、前記投影光学系から戻ってくる計測光で形成される前記マークの像を撮像する撮像素子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
4. 前記計測光学系は、マークを含み、前記マークの情報を含む計測光を前記投影光学系に斜入射させ、前記受光器は、前記投影光学系から戻ってくる計測光で形成される前記マークの像を撮像する撮像素子を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
5. 前記基板ステージを移動させながら前記受光器の出力に基づいて前記基板の面位置情報を導出することによって前記基板の面形状が計測されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の露光装置。
6. 前記投影光学系の第１位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状を計測し、前記投影光学系の第２位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状を計測し、両計測結果に基づいて前記投影光学系の光軸方向における前記基板ステージの駆動誤差が計測されることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
7. 前記計測光学系及び前記受光器を含んで構成されるＴＴＲ検出器を少なくとも２台備え、第１ＴＴＲ検出器によって前記第１位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状が計測され、第２ＴＴＲ検出器によって前記第２位置に計測光を入射させた状態で前記基板の面形状が計測されることを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
8. 前記投影光学系を介することなく前記基板に計測光を入射させ、前記基板からの反射光を受光することによって前記基板の面位置情報を検出する面位置検出器を更に備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の露光装置。
9. デバイス製造方法であって、
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   前記基板を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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