JP2009105414A - 露光方法、及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＦ検出系の検出光の光路上の屈折率が変化しても精度良く基板面位置情報を検出してデバイスを製造できる露光方法を提供する。
【解決手段】マスクのパターンの像を投影光学系により基板上に投影して、基板を露光する露光方法であって、基板表面に複数の検出光を異なる入射角で投射するとともに、基板表面からの反射光を受光することによって、検出光及び反射光の光路の屈折率情報を検出することと、マスクのパターンの像を投影光学系により基板上に投影することを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、マスクのパターンの像を基板上に露光する露光方法、及びデバイス製造方法に関するものである。

半導体デバイスや液晶表示デバイスは、マスク上に形成されたパターンを感光性の基板上に転写する、いわゆるフォトリソグラフィの手法により製造される。このフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置は、マスクを支持するマスクステージと基板を支持する基板ステージとを有し、マスクステージ及び基板ステージを逐次移動しながらマスクのパターンを投影光学系を介して基板に転写するものである。露光装置には、投影光学系の像面に対して基板表面を合わせ込むために、基板表面の面位置情報を検出するオートフォーカス検出系が設けられている。オートフォーカス検出系（ＡＦ検出系）には、例えば特開平６−６６５４３号公報に開示されているような斜入射方式がある。これは、基板表面に対して斜め方向からフォーカス用検出光を照射し、基板表面での反射光により基板表面の位置情報を検出するものである。斜入射方式のＡＦ検出系では、図１０（ａ）の模式図に示すように、被検面である基板Ｐの表面が例えば符号Ｐ’のように上下方向に移動すると、照射したＡＦ用検出光Ｌの基板表面での反射光がＡＦ検出系を構成する光学系の光軸と垂直方向にずれるので、このずれ量Ｄａを検出することで基板表面の投影光学系の光軸方向における面位置情報を検出することができる。

ところで、デバイスパターンのより一層の高集積化に対応するために投影光学系の更なる高解像度化が望まれている。投影光学系の解像度は、使用する露光波長が短くなるほど、また投影光学系の開口数が大きいほど高くなる。そのため、露光装置で使用される露光波長は年々短波長化しており、投影光学系の開口数も増大している。そして、現在主流の露光波長は、ＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍであるが、更に短波長のＡｒＦエキシマレーザの１９３ｎｍも実用化されつつある。また、露光を行う際には、解像度と同様に焦点深度（ＤＯＦ）も重要となる。解像度Ｒ、及び焦点深度δはそれぞれ以下の式で表される。
Ｒ＝ｋ_１・λ／ＮＡ … （１）
δ＝±ｋ_２・λ／ＮＡ^２ … （２）
ここで、λは露光波長、ＮＡは投影光学系の開口数、ｋ_１、ｋ_２はプロセス係数である。（１）式、（２）式より、解像度Ｒを高めるために、露光波長λを短くして、開口数ＮＡを大きくすると、焦点深度δが狭くなることが分かる。

焦点深度δが狭くなり過ぎると、投影光学系の像面に対して基板表面を合致させることが困難となり、露光動作時のフォーカスマージンが不足する恐れがある。そこで、実質的に露光波長を短くして、且つ焦点深度を広くする方法として、例えば国際公開第９９／４９５０４号公報に開示されている液浸法が提案されている。この液浸法は、投影光学系の下面と基板表面との間を水や有機溶媒等の液体で満たし、液体中での露光光の波長が、空気中の１／ｎ（ｎは液体の屈折率で通常１．２〜１．６程度）になることを利用して解像度を向上するとともに、焦点深度を約ｎ倍に拡大するというものである。
特開平６−６６５４３号公報 国際公開第９９／４９５０４号パンフレット

ところで、投影光学系の下面と基板表面との間に液体を満たした状態において上述したような斜入射方式のＡＦ検出系で基板表面の面位置情報を求めようとする場合、例えば温度変化等に起因して液体の屈折率が変化すると、図１０（ｂ）の模式図に示すように、屈折率変化前では基板Ｐの表面に対する検出光Ｌの入射角がθであったものが、屈折率変化後ではθ’のように変化するという不都合が生じる。入射角が変化すると検出光Ｌ及び基板Ｐでの反射光の光路は屈折率変化前の光路に対してずれるため、基板表面の位置が変化していないにもかかわらず、ＡＦ検出系の受光面に入射する検出光Ｌ（基板表面での反射光）の位置がずれてしまい、ＡＦ検出系は、基板の位置が変動したと誤った判断をしてしまうことになる。この結果、基板表面の面位置を精度良く測定することができなくなるおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、ＡＦ検出系の検出光の光路上の屈折率が変化しても基板表面の面位置情報を精度良く検出できる面位置検出装置を提供することを第１の目的とする。また、ＡＦ検出系の検出光の光路上の屈折率が変化しても精度良く基板面位置情報を検出してデバイスを製造できる露光方法及びデバイス製造方法を提供することを第２の目的とする。また、投影光学系と基板との間の液体を介してパターン像を基板上に投影する液浸露光法を用いても、パターン像を精度よく基板上に形成することのできる露光方法の提供を第３の目的とする。特にその液体の温度が変化した場合にも、パターン像を精度よく基板上に形成することのできる露光方法の提供を第４の目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は実施の形態に示す図１〜図９に対応付けした以下の構成を採用している。但し、各要素に付した括弧付き符号はその要素の例示に過ぎず、各要素を限定する意図は無い。

本発明の第１の態様に従えば、検出光を被検面（Ｓ）に投射するとともに、その被検面（Ｓ）からの反射光を受光することによって得られる情報に基づいて、被検面（Ｓ）の面位置を検出する面位置検出装置であって、検出光として、複数の光（Ｌ１、Ｌ２）を異なる入射角（θ_１、θ_２）で被検面（Ｓ）に投射する送光系（８）と；被検面（Ｓ）からの反射光を受光する受光系（９）と；を備える面位置検出装置（１００）が提供される。

また、本発明の第２の態様に従えば、マスク（Ｍ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）により基板（Ｐ）上に投影して、基板（Ｐ）を露光する露光方法であって：基板表面（Ｓ）に複数の検出光（Ｌ１、Ｌ２）を異なる入射角（θ_１、θ_２）で投射するとともに、基板表面（Ｓ）からの反射光（Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ）を受光することによって、検出光（Ｌ１、Ｌ２）及び反射光（Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒ）の光路の屈折率情報を検出することと；マスク（Ｍ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）により基板（Ｐ）上に投影すること；を含む露光方法が提供される。

本発明によれば、検出光の光路上の屈折率が変化しても、検出光として複数の光を異なる入射角で被検面に投射することにより、これら各検出光に基づく面位置情報のそれぞれは互いに異なる測定誤差（誤差量）を示すので、これら誤差量の違い（差）に基づいて光路上の屈折率変化量を求めることができる。そして、求めた屈折率情報である屈折率変化量に基づいて検出した面位置情報を補正することができるので、被検面の面位置情報を精度良く求めることができる。なお、複数の光を異なる入射角で被検面に投射するには、例えば、複数の光源及び光学系を用いてもよい。あるいは、波長可変レーザや複数の波長を有する光源を、波長選択フィルタ、エタロン、分光器、プリズムなどとともに用いて、被検面への入射角が異なるように光の波長の毎に光路を変更してもよい。あるいは、瞳分割板やガルバノミラーを用いて光路を分割または偏向してもよい。

本発明の第３の態様に従えば、検出光を被検面（Ｓ）に投射するとともに、その被検面（Ｓ）からの反射光を受光することによって得られる情報に基づいて、被検面（Ｓ）の面位置を検出する面位置検出装置であって：検出光として、波長の異なる複数の光を被検面（Ｓ）に投射する送光系（８）と；被検面（Ｓ）からの反射光を受光する受光系（９）と；を備える面位置検出装置（１００）が提供される。

また、本発明の第４の態様に従えば、マスク（Ｍ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）により基板（Ｐ）上に投影して、基板（Ｐ）を露光する露光方法であって：基板表面（Ｓ）に波長の異なる複数の検出光を投射するとともに、基板表面（Ｓ）からの反射光を受光することによって、検出光及び反射光の光路の屈折率情報を検出することと；マスク（Ｍ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して基板（Ｐ）上に投影することと；を含む露光方法が提供される。

本発明によれば、互いに異なる波長を有する光を物体に入射した際の屈折角のそれぞれは異なる値を示すことを利用し、波長の異なる複数の検出光を投射することで、被検面に対して互いに異なる入射角で検出光を照射できる。

この場合において、検出光は、光透過部材を介して被検面に投射されることを特徴とする。光透過部材としては、投影光学系を構成する光学素子、投影光学系と被検面との間に配置される光透過性を有する平行平面板が挙げられる。特に、液浸法による露光処理を行う場合にも、液体を介して高精度な基板表面の面位置検出を実現できるので、高解像度でパターン転写を行うことができる。

また、本発明の第５の態様に従えば、投影光学系（ＰＬ）により液体（５０）を介してパターンの像を基板（Ｐ）上に投影して、基板（Ｐ）を液浸露光する露光方法であって：投影光学系（ＰＬ）と基板（Ｐ）との間の少なくとも一部を液体（５０）で満たすことと；投影光学系（ＰＬ）と基板（Ｐ）との間の液体（５０）の温度情報を光学的に検出することと；投影光学系（ＰＬ）により液体（５０）を介してパターンの像を基板（Ｐ）上に投影することとを含む露光方法が提供される。

本発明によれば、投影光学系と基板との間の液体の温度情報（温度変化）を検出することによって、その液体を介して行われる基板表面の面位置の検出やその液体を介して形成されるパターン像への影響を把握することができ、例えばその検出された温度情報に基づいて像調整を行うこともできる。

検出光の光路上の屈折率が変化しても、検出光として複数の光を異なる入射角で被検面に投射することにより、これら各検出光に基づく面位置情報のそれぞれは互いに異なる測定誤差を示すので、これら測定誤差の差に基づいて光路上の屈折率情報を求めることができる。したがって、求めた屈折率情報で検出した面位置情報を補正することができるので、被検面の面位置情報を精度良く求めることができる。

以下、本発明の面位置検出装置及び露光方法について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。図１は本発明の面位置検出装置としてのオートフォーカス検出装置が搭載された露光装置の一実施形態を示す概略構成図である。

図１において、露光装置ＥＸは、マスクＭを支持するマスクステージＭＳＴと、基板Ｐを支持する基板ステージＰＳＴと、マスクステージＭＳＴに支持されているマスクＭを露光光ＥＬで照明する照明光学系ＩＬと、露光光ＥＬで照明されたマスクＭのパターンの像を基板ステージＰＳＴに支持されている基板Ｐに投影露光する投影光学系ＰＬと、被検面としての基板Ｐの表面Ｓの面位置情報を検出する面位置検出装置としてのオートフォーカス検出装置１００と、露光装置ＥＸ全体の動作を統括制御する制御装置ＣＯＮＴとを備えている。

ここで、本実施形態では、露光装置ＥＸとしてマスクＭと基板Ｐとを走査方向における互いに異なる向き（逆方向）に同期移動しつつマスクＭに形成されたパターンを基板Ｐに露光する走査型露光装置（所謂スキャニングステッパ）を使用する場合を例にして説明する。以下の説明において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと一致する方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直な平面内でマスクＭと基板Ｐとの同期移動方向（走査方向）をＸ軸方向、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直な方向（非走査方向）をＹ軸方向とする。また、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸まわり方向をそれぞれ、θＸ、θＹ、及びθＺ方向とする。なお、ここでいう「基板」は半導体ウエハ上にレジストを塗布したものを含み、「マスク」は基板上に縮小投影されるデバイスパターンを形成されたレチクルを含む。

照明光学系ＩＬは、マスクステージＭＳＴに支持されているマスクＭを露光光ＥＬで照明するものであり、露光用光源、露光用光源から射出された光束の照度を均一化するオプティカルインテグレータ、オプティカルインテグレータからの露光光ＥＬを集光するコンデンサレンズ、リレーレンズ系、露光光ＥＬによるマスクＭ上の照明領域をスリット状に設定する可変視野絞り等を有している。マスクＭ上の所定の照明領域は照明光学系ＩＬにより均一な照度分布の露光光ＥＬで照明される。照明光学系ＩＬから射出される露光光ＥＬとしては、例えば水銀ランプから射出される紫外域の輝線（ｇ線、ｈ線、ｉ線）及びＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）等の遠紫外光（ＤＵＶ光）や、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）及びＦ_２レーザ光（波長１５７ｎｍ）等の真空紫外光（ＶＵＶ光）などが用いられる。本実施形態においては、ＡｒＦエキシマレーザ光を用いる。

マスクステージＭＳＴは、マスクＭを支持するものであって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な平面内、すなわちＸＹ平面内で２次元移動可能及びθＺ方向に微小回転可能である。マスクステージＭＳＴはリニアモータ等のマスクステージ駆動装置ＭＳＴＤにより駆動される。マスクステージ駆動装置ＭＳＴＤは制御装置ＣＯＮＴにより制御される。マスクステージＭＳＴ上のマスクＭの２次元方向の位置、及び回転角はレーザ干渉計によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御装置ＣＯＮＴに出力される。制御装置ＣＯＮＴはレーザ干渉計の計測結果に基づいてマスクステージ駆動装置ＭＳＴＤを駆動することでマスクステージＭＳＴに支持されているマスクＭの位置決めを行う。

投影光学系ＰＬは、マスクＭのパターンを所定の投影倍率βで基板Ｐに投影露光するものであって、複数の光学素子（レンズ）で構成されており、これら光学素子は金属部材としての鏡筒ＰＫで支持されている。本実施形態において、投影光学系ＰＬは、投影倍率βが例えば１／４あるいは１／５の縮小系である。なお、投影光学系ＰＬは等倍系及び拡大系のいずれでもよい。また、投影光学系ＰＬは光学特性（結像特性）の補正を行う結像特性調整装置ＰＬＣを有している。この結像特性調整装置ＰＬＣは、例えば投影光学系ＰＬを構成する一部のレンズ群の間隔調整機構や一部のレンズ群のレンズ室内の気体圧力調整機構を有しており、これら調整を行うことにより、投影光学系ＰＬの投影倍率、歪曲収差等の光学特性の補正を行う。結像特性調整装置ＰＬＣは制御装置ＣＯＮＴにより制御される。

基板ステージＰＳＴは、基板Ｐを支持するものであって、基板Ｐを基板ホルダを介して保持するＺステージ５１と、Ｚステージ５１を支持するＸＹステージ５２と、ＸＹステージ５２を支持するベース５３とを備えている。基板ステージＰＳＴはリニアモータ等の基板ステージ駆動装置ＰＳＴＤにより駆動される。基板ステージ駆動装置ＰＳＴＤは制御装置ＣＯＮＴにより制御される。Ｚステージ５１を駆動することにより、Ｚステージ５１に保持されている基板ＰのＺ軸方向における位置（フォーカス位置）、及びθＸ、θＹ方向における位置が制御される。また、ＸＹステージ５２を駆動することにより、基板ＰのＸＹ方向における位置（投影光学系ＰＬの像面と実質的に平行な方向の位置）が制御される。すなわち、Ｚステージ５１は、基板Ｐのフォーカス位置及び傾斜角を制御して基板Ｐの表面をオートフォーカス方式、及びオートレベリング方式で投影光学系ＰＬの像面に合わせ込み、ＸＹステージ５２は基板ＰのＸ軸方向及びＹ軸方向における位置決めを行う。なお、ＺステージとＸＹステージとを一体的に設けてよいことは言うまでもない。

基板ステージＰＳＴ（Ｚステージ５１）上には、基板ステージＰＳＴとともに投影光学系ＰＬに対して移動する移動鏡５４が設けられている。また、移動鏡５４に対向する位置にはレーザ干渉計５５が設けられている。基板ステージＰＳＴ上の基板Ｐの２次元方向の位置、及び回転角はレーザ干渉計５５によりリアルタイムで計測され、計測結果は制御装置ＣＯＮＴに出力される。制御装置ＣＯＮＴはレーザ干渉計５５の計測結果に基づいて基板ステージ駆動装置ＰＳＴＤを駆動することで基板ステージＰＳＴに支持されている基板Ｐの位置決めを行う。

本実施形態では、露光波長を実質的に短くして解像度を向上するとともに、焦点深度を実質的に広くするために、液浸法を適用する。そのため、少なくともマスクＭのパターンの像を基板Ｐ上に転写（投影）している間は、基板Ｐの表面と投影光学系ＰＬの基板Ｐ側の光学素子の先端面（下面）７との間に所定の液体５０が満たされる。本実施形態において、液体５０には純水が用いられる。純水は、ＡｒＦエキシマレーザ光のみならず、露光光ＥＬを例えば水銀ランプから射出される紫外域の輝線（ｇ線、ｈ線、ｉ線）及びＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）等の遠紫外光（ＤＵＶ光）とした場合、この露光光ＥＬを透過可能である。また、投影光学系ＰＬの先端面７には露光光ＥＬを透過可能な平行平面板が設けられている。この平行平面板は投影光学系ＰＬの一部を構成する。

露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬの先端面７と基板Ｐとの間の空間５６に所定の液体５０を供給する液体供給装置１と、空間５６の液体５０を回収する液体回収装置２とを備えている。液体供給装置１は、液体５０を収容するタンク、加圧ポンプ、及び空間５６に対して供給する液体５０を所定の温度に調整する温度調整装置などを備えている。液体供給装置１には供給管３の一端部が接続され、供給管３の他端部には供給ノズル４が接続されている。液体供給装置１は供給管３及び供給ノズル４を介して空間５６に液体５０を供給する。ここで、液体供給装置１に設けられている温度調整装置は、空間５６に供給する液体５０の温度を、例えば露光装置ＥＸが収容されているチャンバ内の温度と同程度に設定する。

液体回収装置２は、吸引ポンプ、回収した液体５０を収容するタンクなどを備えている。液体回収装置２には回収管６の一端部が接続され、回収管６の他端部には回収ノズル５が接続されている。液体回収装置２は回収ノズル５及び回収管６を介して空間５６の液体５０を回収する。空間５６に液体５０を満たす際、制御装置ＣＯＮＴは液体供給装置１を駆動し、供給管３及び供給ノズル４を介して空間５６に対して単位時間当たり所定量の液体５０を供給するとともに、液体回収装置２を駆動し、回収ノズル５及び回収管６を介して単位時間当たり所定量の液体５０を空間５６より回収する。これにより、投影光学系ＰＬの先端面７と基板Ｐとの間の空間５６に所定量の液体５０が配置される。

次に、基板Ｐの表面ＳのＺ軸方向における位置（フォーカス位置）を検出する面位置検出装置としてのオートフォーカス検出装置１００について説明する。

オートフォーカス検出装置（ＡＦ検出装置）１００は、ＡＦ検出用の検出光Ｌ（Ｌ１、Ｌ２）を基板Ｐの表面（被検面）Ｓに投射する送光系８と、基板Ｐの表面Ｓで反射した検出光Ｌの反射光を受光する受光系９とを備えている。図１に示すように、送光系８は、基板Ｐの表面に対して第１の検出光Ｌ１及び第２の検出光Ｌ２の２つの検出光を異なる入射角で斜め方向から基板Ｐの表面Ｓに投射する。送光系８からの検出光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれは、光透過部材としての投影光学系ＰＬの一部（一部の光学素子）、及び空間５６に満たされている液体５０を介して基板Ｐの表面Ｓに投射される。ここで、検出光Ｌ１、Ｌ２を投影光学系ＰＬの一部を介して基板Ｐの表面Ｓに投射するのは、以下のような理由による。すなわち、空間５６に液体５０を安定して配置するためには、液体５０の表面張力を維持できるように距離ｄは所定量（例えば２〜３ｍｍ程度）に設定される必要がある。しかし、このような距離ｄでは送光系８からの検出光Ｌ１、Ｌ２を基板Ｐの表面Ｓに斜入射方式で直接投射することは困難であり、一方、直接投射しようとして距離ｄを大きくすると空間５６に液体５０が安定して配置されない。本発明では、検出光Ｌ１、Ｌ２を投影光学系ＰＬの一部を介して基板Ｐの表面Ｓに投射するようにしたので、空間５６に液体５０を安定して配置するための所望の距離ｄを維持しつつ、検出光Ｌ１、Ｌ２を基板Ｐの表面Ｓに投射することができる。この結果、投影光学系ＰＬの先端面７と基板Ｐの表面Ｓとの距離ｄ（ワーキングディスタンス）の設定の自由度を増すことができる。更に、基板Ｐの表面Ｓに対する検出光Ｌ１、Ｌ２の入射角を、投影光学系ＰＬの位置に拘束されることなく、自由に変更することも可能となる。

ＡＦ検出装置１００は、基板Ｐの表面Ｓでの反射光から得られる受光系９の検出信号に基づいて、投影光学系ＰＬ及び液体５０を介して形成される像面（結像面）に対する基板Ｐ表面のＺ軸方向における高さ位置（フォーカス位置）を求める。また、基板Ｐ表面における複数の各点での各フォーカス位置を求めることにより、ＡＦ検出装置１００は基板Ｐの傾斜方向の姿勢を求めることもできる。ＡＦ検出装置１００の検出結果は制御装置ＣＯＮＴに出力され、制御装置ＣＯＮＴはＡＦ検出装置１００の検出結果に基づいて、投影光学系ＰＬの結像面と基板Ｐ表面との位置関係を調整し、基板Ｐ表面を投影光学系ＰＬの焦点深度内に合わせ込む焦点合わせ動作を行う。

図２はＡＦ検出装置１００の第１実施形態を示す構成図である。なお、図２ではＡＦ検出装置１００以外の構成要素についての図示を一部省略している。図２において、ＡＦ検出装置１００の送光系８は、基板Ｐの表面Ｓに対して第１の入射角θ_１で第１の検出光Ｌ１を投射する第１送光系８Ａと、基板Ｐの表面に対して第１の入射角θ_１とは異なる第２の入射角θ_２で第２の検出光Ｌ２を投射する第２送光系８Ｂとを備えている。また、ＡＦ検出装置１００の受光系９は、第１送光系８Ａに対応して設けられ、基板Ｐの表面Ｓで反射した第１の検出光Ｌ１の反射光を受光する第１受光系９Ａと、第２送光系８Ｂに対応して設けられ、基板Ｐの表面Ｓで反射した第２の検出光Ｌ２の反射光を受光する第２受光系９Ｂとを備えている。

第１送光系８Ａは、基板Ｐのフォトレジストに対して非感光性の光束（波長４００ｎｍ〜９００ｎｍ程度）を射出するＡＦ用光源１０と、光源１０から射出された光束をスリット光に整形するスリット状の開口部を有する送光スリット１１と、非点収差補正用シリンドリカルレンズ１２と、リレーレンズ１３と、光路折り曲げミラー１４と、収差補正用平面板１５と、対物レンズ１６とを備えている。送光スリット１１で整形されたスリット光は第１の検出光Ｌ１として、シリンドリカルレンズ１２、リレーレンズ１３、光路折り曲げミラー１４、収差補正用平面板１５、及び対物レンズ１６を介して投影光学系ＰＬに入射する。なお、鏡筒ＰＫは開口部を有しており、スリット光はこの開口部を介して投影光学系ＰＬに入射する。投影光学系ＰＬに入射した第１の検出光Ｌ１は液体５０を介して基板Ｐの表面Ｓに第１の入射角θ_１で投射される。

基板Ｐの表面Ｓで反射した第１の検出光Ｌ１の反射光Ｌ１ｒは液体５０及び投影光学系ＰＬの一部を介して第１受光系９Ａに受光される。ここで、鏡筒ＰＫは開口部を有しており、反射光Ｌ１ｒはこの開口部を介して第１受光系９Ａに受光される。第１受光系９Ａは、投影光学系ＰＬを介した反射光Ｌ１ｒが入射される対物レンズ１７と、収差補正用平面板１８と、所定の周期で振動する振動ミラー１９と、リレーレンズ２０と、非点収差補正用シリンドリカルレンズ２１と、スリット状の開口部を有する受光スリット２２と、例えばシリコン・フォト・ダイオードからなる受光センサ２３とを備えている。第１の検出光Ｌ１の基板Ｐの表面Ｓでの反射光Ｌ１ｒは、対物レンズ１７、収差補正量平面板１８、振動ミラー１９、リレーレンズ２０、シリンドリカルレンズ２１、及び受光スリット２２を介して受光センサ２３に受光される。振動ミラー１９は所定の周期で矢印ｙで示すようにθＹ方向に振動する。この振動ミラー１９の振動に伴って、受光スリット２２に形成されるスリットパターンの像（送光スリット１１で整形され基板Ｐの表面Ｓで反射したスリット状の反射光Ｌ１ｒ）も振動する。このスリットパターンの像の振動に伴って、受光スリット２２の開口部を通過する光の光量が変化する。受光スリット２２の開口部を通過した光は受光センサ２３に達する。ここで、受光スリット２２の開口部の位置は、被検面である基板Ｐの表面Ｓと投影光学系ＰＬの結像面とが一致しているときに、受光スリット２２の開口部の中心がスリットパターンの像の振動中心に一致するように設けられている。したがって、受光センサ２３で受光されるスリットパターンの像が一定周期で検出されれば投影光学系ＰＬの結像面と基板Ｐの表面Ｓとが合致していることになる。一方、投影光学系ＰＬの結像面と基板Ｐの表面Ｓとが合致していない場合には、第１の検出光Ｌ１に基づく反射光Ｌ１ｒは第１受光系９Ａの光軸と垂直方向にずれ、受光スリット２２の開口部の中心に対してスリットパターンの像の振動中心がずれることになるので、受光センサ２３で受光されるスリットパターンの像は一定周期で検出されない。受光センサ２３の検出結果は制御装置ＣＯＮＴに出力され、制御装置ＣＯＮＴは、受光センサ２３の受光結果に基づいて基板Ｐの表面Ｓのフォーカス位置を求める。

第２送光系８Ｂは、後述する本発明に従うフォーカス位置の調整方法または温度測定法（屈折率変化測定法）に基づいて第１送光系８Ａに追加して設けられているが、第２の検出光Ｌ２の基板Ｐの表面に対する入射角をθ_２に設定している点以外は、第１送光系８Ａと同等の構成を有しているため、その説明を省略する。同様に、第２の検出光Ｌ２の基板Ｐ表面での反射光Ｌ２ｒを受光する第２受光系９Ｂも第１受光系９Ａと同等の構成を有しているためその説明を省略する。ここで、第１送光系８Ａ及び第２送光系８Ｂのそれぞれで投射される検出光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれは同じ波長を有する。なお、投影光学系ＰＬの先端面７と基板Ｐの表面Ｓとの距離が確保できる場合には、ＡＦ検出装置１００の検出光を、投影光学系ＰＬの一部を介さずに、基板Ｐ表面に投射するようにしてもよい。

次に、上述したＡＦ検出装置１００を用いて基板Ｐの表面Ｓの面位置情報を検出する方法について説明する。

図３は、第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２が投射されている基板Ｐの表面Ｓ近傍の拡大図である。制御装置ＣＯＮＴは、第１、第２送光系８Ａ、８Ｂのそれぞれから第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２を基板Ｐの表面Ｓに対して同時に投射する。第１の検出光Ｌ１は液体５０を介して入射角θ_１で基板Ｐの表面Ｓに投射され、第２の検出光Ｌ２は液体５０を介して入射角θ_２で基板Ｐの表面Ｓに投射される。第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２に基づく基板Ｐの表面Ｓでの反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒのそれぞれは、第１、第２受光系９Ａ、９Ｂに受光される。このとき、液体５０は所定の温度Ｔ_１に設定されており、このときの液体５０の屈折率はｎである。また、このときの第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれは基板Ｐの表面Ｓ上において同じ位置に投射される。したがって、液体５０に屈折率変化（温度変化）がない状態では、基板ＰがＺ軸方向に移動した場合、反射光Ｌ１ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量と反射光Ｌ２ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量とは同じである。

基板ＰがＺ軸方向に移動せずに、液体５０の温度がＴ_１からＴ_２に変化し、液体５０の屈折率ｎがΔｎだけ変化した場合について考える。温度変化により、第１、第２送光系８Ａ、８Ｂからの第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２は、投影光学系ＰＬから液体５０への界面での屈折角を変化させる。この屈折角の変化に伴って、第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２の光路が符号Ｌ１’、Ｌ２’に示すように変動し、これにより第１の検出光Ｌ１の基板Ｐの表面Ｓに対する入射角がθ_１からθ_１’に変化し、第２の検出光Ｌ２の基板Ｐの表面Ｓに対する入射角がθ_２からθ_２’に変化する。すると、第１の検出光Ｌ１の反射光Ｌ１ｒの光路は受光系９Ａの光軸と垂直な方向に距離Ｄ１ずれて反射光Ｌ１ｒ’となる。同様に、第２の検出光Ｌ２の反射光Ｌ２ｒの光路は受光系９Ｂの光軸と垂直な方向に距離Ｄ２ずれて反射光Ｌ２ｒ’となる。

ここで、液体の厚さがｄであり、温度変化に伴って液体５０の屈折率がｎからΔｎだけ変化した場合を考える。この場合、検出光の基板表面への入射角が変化し、その変化量Δθは、
Δθ＝ａｒｃｓｉｎ〔ｎ／（ｎ＋Δｎ）〕・ｓｉｎθ … （３）
である。基板Ｐの表面ＳのＺ軸方向への移動がないとすると、基板Ｐの表面のフォーカス位置の検出誤差量Δｄは、
Δｄ＝ｄ・〔ｔａｎ（θ＋Δθ）−ｔａｎθ〕／（２ｔａｎθ） …（４）
となる。すなわち、検出誤差量Δｄは、液体の屈折率変化前における検出光Ｌに基づき検出した基板Ｐ表面のフォーカス位置と、液体の屈折率変化後における検出光Ｌ’に基づき検出した基板Ｐ表面のフォーカス位置との誤差である。

ここで、式（３）から分るように、Δθはθの値に依存する。θ_１≠θ_２であるので、第１の検出光Ｌ１の入射角の変化量Δθ_１（＝θ_１’−θ_１）と、第２の検出光Ｌ２の入射角の変化量Δθ_２（＝θ_２’−θ_２）とは異なる値になることが分る。それゆえ、第１の検出光Ｌ１に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_１と、第２の検出光Ｌ２に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_２は異なる値を示す。

図４は、基板Ｐの表面Ｓに対する検出光Ｌの入射角θと、液体の温度変化に伴って生じる基板Ｐ表面のフォーカス位置の検出誤差量Δｄとの関係の一例を示すものである。図４には、液体５０が純水（水）であり、投影光学系ＰＬのワーキングディスタンスに相当する水の厚さｄが１ｍｍである場合において、温度が０．０１℃変化した場合の検出光Ｌの入射角θとフォーカス検出誤差量Δｄとの関係を示している。

例えば、第１の検出光Ｌ１の入射角θ_１が８０度、第２の検出光Ｌ２の入射角θ_２が８５度に設定されている場合、液体５０としての純水の温度がＴ_１から０．０１℃変化してＴ_２になった場合、図４より、第１の検出光Ｌ１に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_１は約２０ｎｍであり、第２の検出光Ｌ２に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_２は約８０ｎｍである。すなわち、図４の例によれば、厚さ１ｍｍの液体（水）５０の温度が０．０１℃変化した場合、２つの検出光Ｌ１、Ｌ２に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_１、Δｄ_２には６０ｎｍの差が生じている。

上述の式（３）、（４）から明らかなように、検出光に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄは、液体の温度変化による屈折率の変化にほぼ比例する。したがって、第１の検出光Ｌ１に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_１と、第２の検出光Ｌ２に基づくフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_２との差（Δｄ_１−Δｄ_２）も液体の温度変化による屈折率変化にほぼ比例する。例えば、図４の関係において、液体温度の０．０１℃の変化によって液体の屈折率がΔｎ変化したとすると、ある温度変化における検出誤差量の差（Δｄ_１−Δｄ_２）が３０ｎｍ（＝６０ｎｍ／２）の場合には、その温度変化により起こる液体の屈折率の変化はΔｎ／２となる。

すなわち、第１の検出光Ｌ１により検出される基板Ｐ表面のフォーカス位置Ｚ_１と、第２の検出光Ｌ２により検出される基板Ｐ表面のフォーカス位置Ｚ_２との差（Ｚ_１−Ｚ_２）は、基板Ｐ表面のほぼ同じ位置を検出しているので、液体の温度変化（屈折率変化）がなければ変化しないが、液体の温度変化により屈折率が変化すると、そのフォーカス位置の検出差（Ｚ_１−Ｚ_２）が屈折率変化に比例して変化する。逆に言えば、そのフォーカス位置の検出差（Ｚ_１−Ｚ_２）から液体の屈折率変化量を検出することができるのである。本実施形態において、制御装置ＣＯＮＴは、予め実験やシミュレーションによって求められた、そのフォーカス位置の検出差（Ｚ_１−Ｚ_２）と屈折率変化量との関係を記憶しており、ＡＦ検出装置１００を使って検出されたフォーカス位置Ｚ_１、Ｚ_２に基づいて屈折率の変化量を求めることができる。

なお、液体の温度変化と屈折率変化とは比例関係にあるので、そのフォーカス位置の検出差（Ｚ_１−Ｚ_２）が液体の温度変化に比例して変化する。したがって、そのフォーカス位置の検出差（Ｚ_１−Ｚ_２）と屈折率変化量との関係、あるいは液体の温度変化量と液体の屈折率変化量との関係も合わせて制御装置ＣＯＮＴに記憶しておくと、ＡＦ検出装置１００を使って検出されたフォーカス位置Ｚ_１、Ｚ_２に基づいて液体温度の変化量も求めることができる。

次に、図５のフローチャート図を参照しながら基板Ｐ表面の検出手順について説明する。なお、ＡＦ検出装置１００は、初期状態において、検出光Ｌ１に基づいて検出されるフォーカス位置Ｚ_１と、検出光Ｌ２に基づいて検出されるフォーカス位置Ｚ_２とは同一になるように調整されている。また、フォーカス位置Ｚ_１、Ｚ_２はそれぞれ像面に対するずれとして検出される。また、説明を簡単にするために、図５の説明では、基板Ｐ表面のＺ軸方向の位置が変化しない場合について説明する。

ＡＦ検出装置１００は、制御装置ＣＯＮＴの指令に基づき、基板Ｐ表面に向けて第１の検出光Ｌ１と第２の検出光Ｌ２とを投射するとともに、検出光Ｌ１、Ｌ２に対応する基板Ｐ表面からの反射光Ｌ１ｒ、Ｌ２ｒを受光センサ２３でそれぞれ受光し、第１の検出光Ｌ１に基づき基板Ｐ表面のフォーカス位置Ｚ_１と、第２の検出光Ｌ２に基づき基板Ｐ表面のフォーカス位置Ｚ_２とをそれぞれ検出する（ステップＳ１）。

制御装置ＣＯＮＴは、検出されたフォーカス位置Ｚ_１とＺ_２との差（Ｚ_１−Ｚ_２）を求め、予め記憶されているフォーカス位置の検出差（Ｚ_１−Ｚ_２）と液体５０の屈折率変化量Δｎとの関係情報に基づいて、液体５０の屈折率変化量Δｎを求める（ステップＳ２）。

さらに制御装置ＣＯＮＴは、ステップＳ２で求めた屈折率変化量Δｎに基づいて、ステップＳ１で求めた第１の検出光Ｌ１によるフォーカス位置Ｚ_１を補正する。具体的には、予め記憶している上記式（３）、（４）を使って、ステップＳ２で求めた屈折率変化量Δｎによって生じる入射角変化量Δθ_１を求め、そのΔθ_１に基づいて第１の検出光Ｌ１によるフォーカス位置の検出誤差量Δｄ_１を求める。そして、その検出誤差量Δｄ_１に基づいて、第１の検出光Ｌ１を用いて検出された基板Ｐ表面のフォーカス位置Ｚ_１を補正し、基板Ｐ表面の実際のフォーカス位置（面位置情報）を求める（ステップＳ３）。

そして、制御装置ＣＯＮＴは、補正した基板Ｐ表面の面位置情報に基づいて、この補正により求めた基板Ｐの表面と像面とが合致するように、基板ステージＰＳＴを駆動して像面と基板Ｐの表面Ｓとの位置関係を調整する（ステップＳ４）。

なお、ここでは、液体５０の厚さｄが１ｍｍである場合について説明したが、制御装置ＣＯＮＴには、複数の厚さｄに対応した前記関係が予め記憶されている。また、ここでは液体５０は純水であるが、用いる液体に応じた前記関係が予め記憶されている。また、第１の検出光Ｌ１を使って検出されたフォーカス位置Ｚ_１ではなく、第２の検出光Ｌ２を使って検出されたフォーカス位置Ｚ_２を補正して使ってもよい。ただし、入射角度が大きい方が検出感度や検出分解能が高いので、第２の検出光Ｌ２をメインの検出光とし、第１の検出光Ｌ１を補正用の検出光として用いるのが望ましい。

ところで、精度良く屈折率情報を求めるために、入射角θ_１と入射角θ_２との差は可能な限り大きいことが望ましい。一方、基板Ｐの表面Ｓに対する入射角が小さくなると、基板ＰのＺ軸方向における位置検出精度が低下する。したがって、検出光Ｌ１、Ｌ２の基板Ｐ表面に対する入射角はそれぞれ３０°≦θ＜９０°の条件を満たしていることが好ましい。そして、基板Ｐの表面Ｓで十分な光量を有する反射光を得られるように、更に好ましくは、検出光Ｌ１、Ｌ２の基板Ｐ表面に対する入射角はそれぞれ７０°≦θ＜９０°の条件を満たしていることが好ましい。つまり、図４のグラフに示されるように、入射角が７０°以上であれば、入射角の変動に対して誤差量が大きく変化するため、液体５０の温度変化（屈折率変化）を敏感に検出することができる。

さらに、本実施形態のように、液体（水）を介して、基板Ｐ表面の面位置を検出する場合には、検出光Ｌ１、Ｌ２に対する液体（水）の屈折率と基板Ｐ表面の感光材（レジスト）の屈折率との差が小さくなり、照射された検出光が感光材の表面で十分に反射せず、受光センサで受光される光の光量（光強度）が低下する虞があるばかりでなく、照射された検出光の一部が感光材を通過して感光材の下地面まで到達し、その下地面からの反射光がノイズ成分として受光センサで受光されてしまう可能性がある。したがって、検出光Ｌ１、Ｌ２に対する液体（水）の屈折率と基板Ｐ表面の感光材（レジスト）の屈折率との差、感光材表面での反射率、感光材の下地面からのノイズ光の影響などを考慮すると、検出光Ｌ１、Ｌ２の入射角はそれぞれ８４°＜θ＜９０°が望ましい。

こうして、像面と基板Ｐの表面Ｓとを合致させたら、制御装置ＣＯＮＴはマスクＭを露光光ＥＬで照明し、マスクＭのパターンを投影光学系ＰＬを介して基板Ｐに転写する。

露光処理を行うに際し、温度変化により液体５０の屈折率が変動すると、マスクＭのパターンを投影光学系ＰＬ及び液体５０を介して基板Ｐに転写する際、基板Ｐに転写されるパターンの像に誤差が生じることが考えられる。例えば、液体５０の屈折率変化に伴い、屈折率変化前に比べて基板Ｐに転写されるパターン像のスケーリングなどの各種収差が変動したり、あるいは像面位置が変動する場合が考えられる。制御装置ＣＯＮＴは、前記ＡＦ検出装置１００を使って求めた液体５０の屈折率変化量（または温度変化量）に基づいて、基板Ｐに転写されるパターンの像に誤差が生じないように、結像特性調整装置ＰＬＣを用いてパターン像の像調整を行う。例えば、液体５０の屈折率変化に伴って、投影光学系ＰＬの像面位置がＺ軸方向にシフトした場合には、投影光学系ＰＬ内の一部の光学素子を駆動したり、マスクを動かしたり、露光光ＥＬの波長を調整することで、投影光学系ＰＬ及び液体５０を介したパターンの像面と、基板Ｐの表面Ｓとを合致させる。あるいは、液体５０の屈折率変化（温度変化）に伴って、パターンの像のスケーリングやディストーションなどの各種収差が変動した場合にも、同様に、マスクＭをＺ軸方向あるいは傾斜方向へ移動したり、投影光学系ＰＬ内の一部の光学素子を駆動したり、あるいは露光光ＥＬの波長を調整することによって、液体５０の屈折率変化（温度変化）によってパターンの像に誤差が生じないように像調整を行う。

以上説明したように、検出光の光路上の屈折率が変化しても、２つの検出光Ｌ１、Ｌ２を異なる入射角θ_１、θ_２で基板Ｐの表面Ｓに投射することで、これら各検出光Ｌ１、Ｌ２に基づく面位置情報の測定誤差を用いて検出光の光路上に存在する液体の屈折率情報を求めることができる。したがって、求めた屈折率情報により検出した面位置情報を補正することできるので、基板Ｐの表面Ｓの面位置情報を精度良く検出することができる。

なお、上述の実施形態においては、２つの検出光Ｌ１、Ｌ２の入射角θ_１、θ_２が８０°を超えているため、説明を簡単にするために、液体５０に屈折率変化（温度変化）がない状態で基板ＰがＺ軸方向に移動した場合、反射光Ｌ１ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量と反射光Ｌ２ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量とは同じであるとして説明したが、厳密には、２つの検出光Ｌ１、Ｌ２の入射角θ_１、θ_２が異なっているので、液体５０に屈折率変化（温度変化）がない状態で、基板ＰがＺ軸方向に移動した場合、反射光Ｌ１ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量と反射光Ｌ２ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量とが異なる。そのような場合には、基板ＰのＺ方向へのずれ量に伴う反射光Ｌ１ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量と反射光Ｌ２ｒの受光系の光軸と垂直な方向のずれ量との関係を予め求めておき、実際の両反射光に基づく測定結果が、予め求めておいた関係と異なっていた場合に、液体５０の温度変化（屈折率変化）が起きたと判断すればよい。

上述したように、本実施形態における液体５０は純水を用いた。純水は、半導体製造工場等で容易に大量に入手できるとともに、基板Ｐ上のフォトレジストや光学素子（レンズ）等に対する悪影響がない利点がある。また、純水は環境に対する悪影響がないとともに、不純物の含有量が極めて低いため、基板Ｐの表面、及び投影光学系ＰＬの先端面に設けられている光学素子の表面を洗浄する作用も期待できる。

そして、波長が１９３ｎｍ程度の露光光ＥＬに対する純水（水）の屈折率ｎは１．４４〜１．４７程度と言われておりであるため、露光光ＥＬの光源としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を用いた場合、基板Ｐ上では１／ｎ、すなわち１３１〜１３４ｎｍ程度に短波長化されて高い解像度が得られる。更に、焦点深度は空気中に比べて約ｎ倍、すなわち１．４４〜１．４７倍程度に拡大されるため、空気中で使用する場合と同程度の焦点深度が確保できればよい場合には、投影光学系ＰＬの開口数をより増加させることができ、この点でも解像度が向上する。

本実施形態では、投影光学系ＰＬの先端面７には、上述したように、露光光ＥＬを透過可能な平行平面板が設けられている。この平行平面板は投影光学系ＰＬの先端面に着脱（交換）自在に取り付けられている。液体５０と接触する光学素子を、レンズより安価な平行平面板とすることにより、露光装置ＥＸの運搬、組立、調整時等において投影光学系ＰＬの透過率、基板Ｐ上での露光光ＥＬの照度、及び照度分布の均一性を低下させる物質（例えばシリコン系有機物等）がその平行平面板に付着しても、液体５０を供給する直前にその平行平面板を交換するだけでよく、液体５０と接触する光学素子をレンズとする場合に比べてその交換コストが低くなるという利点がある。すなわち、露光光ＥＬの照射によりレジストから発生する飛散粒子、または液体５０中の不純物の付着などに起因して液体５０に接触する光学素子の表面が汚れるため、その光学素子を定期的に交換する必要があるが、この光学素子を安価な平行平面板とすることにより、レンズに比べて交換部品のコストが低く、且つ交換に要する時間を短くすることができ、メンテナンスコスト（ランニングコスト）の上昇やスループットの低下を抑えることができる。もちろん、投影光学系ＰＬの先端面に取り付ける光学素子がレンズであってもよい。また、投影光学系ＰＬの先端面に取り付ける光学素子としては、投影光学系ＰＬの光学特性、例えば収差（球面収差、コマ収差等）の調整に用いる光学プレートであってもよい。また、投影光学系ＰＬの先端部において、光学素子（平行平面板やレンズ）のみを液体５０に接触させ、鏡筒ＰＫを接触させない構成とすることにより、金属からなる鏡筒ＰＫの腐蝕等が防止される。

また、液体５０の流れによって生じる投影光学系ＰＬの先端の光学素子と基板Ｐとの間の圧力が大きい場合には、その光学素子を交換可能とするのではなく、その圧力によって光学素子が動かないように堅固に固定してもよい。

なお、本実施形態では、２つの検出光Ｌ１、Ｌ２を異なる入射角θ_１、θ_２で基板Ｐの表面Ｓに投射する例について説明したが、互いに異なる入射角で投射される検出光の数は２つに限らず３つ以上の任意の複数の光束を投射することができる。また、投影光学系の一部に検出光Ｌ１、Ｌ２を通過させる際には、投影光学系ＰＬを構成する複数の光学素子のうち最も基板Ｐに近い１つの光学素子のみを通過させてもよいし、複数の光学素子を通過させるようにしてもよい。

なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬの先端面７と基板Ｐの表面Ｓとの間は液体５０で満たされている構成であるが、例えば基板Ｐの表面Ｓに平行平面板からなるカバーガラスを取り付けた状態で液体５０を満たす構成であってもよい。この場合、送光系８からの検出光Ｌ１、Ｌ２は、投影光学系ＰＬの一部及び液体５０の他に、光透過部材としてのカバーガラスを介して基板Ｐの表面Ｓに投射されることになる。

なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬの先端面７と基板Ｐの表面Ｓとの間の空間５６に液体５０が満たされている場合を例にして説明したが、空間５６に液体５０がなく、例えば空間５６は空気等の気体で満たされている場合についても、本発明を適用することはもちろん可能である。この場合、複数の異なる入射角で基板Ｐの表面Ｓに投射された検出光に基づき、空間５６の気体の屈折率情報を検出することができる。そして、この検出光に基づき、空間５６の気体の温度変化を検出することが可能である。また、空間５６を含む検出光の光路上には、液体（水）５０や空気以外の物質が存在していてもよい。例えば、光を透過可能な光学素子（ガラス、レンズ）や水以外の例えばフッ素系（フッ素系の液体）や過フッ化ポリエーテル（ＰＦＰＥ）オイル等の液体が存在していてもよい。特に、露光光としてＦ_２レーザ光等の真空紫外光を用いる場合には、液体として前記真空紫外光を透過可能なフッ素系オイルを用いることが好適である。そして、この場合においても、基板Ｐの表面Ｓに投射した検出光に基づき、光路上に存在する例えば光学素子やフッ素系オイルの温度変化を含む屈折率情報を検出することができる。本発明の原理を用いると、物質の温度変化を屈折率変化を通じて求めることができるので、本発明は、光透過性のある気体、液体などの流体及び固体の温度変化測定方法に使用することができる。特に、通常の温度センサで温度測定が困難な微小なエリア、高温雰囲気、高圧雰囲気、腐食性の高い雰囲気などで本発明の方法は有効となる。

また、本実施形態では、検出光Ｌ１、Ｌ２は投影光学系ＰＬを通過が、この投影光学系ＰＬの屈折率も温度変化に伴ってわずかに変化する。この場合も、複数の異なる入射角の検出光のそれぞれに基づく誤差量を求めることで、投影光学系ＰＬの温度変化（屈折率変化）を求めることができる。

次に、図６を参照しながら、ＡＦ検出装置１００の第２実施形態について説明する。ここで、以下の説明において、図２を用いて説明した第１実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略もしくは省略する。

図６に示すＡＦ検出装置１００において、送光系８及び受光系９はそれぞれ１つずつ設けられている。そして、本実施形態の特徴部分は、送光系８に波長選択フィルタ２４が設けられている点である。送光系８は、光源１０と、光源１０から射出される光束の光路下流側に設けられた波長選択フィルタ２４と、送光スリット１１と、非点収差補正用シリンドリカルレンズ１２と、リレーレンズ１３と、光路折り曲げミラー１４と、収差補正用平面板１５と、対物レンズ１６とを備えている。受光系９は、投影光学系ＰＬを介した反射光が入射される対物レンズ１７と、収差補正用平面板１８と、所定の周期で振動する振動ミラー１９と、リレーレンズ２０と、非点収差補正用シリンドリカルレンズ２１と、ダイクロイックミラー２６と、スリット状の開口部を有する受光スリット２２ａ、２２ｂと、例えばシリコン・フォト・ダイオードからなる受光センサ２３ａ、２３ｂとを備えている。

波長選択フィルタ２４は、液体５０及び基板Ｐに投射する検出光の波長を設定することができる。すなわち、送光系８は、波長選択フィルタ２４により、波長の異なる複数の検出光を基板Ｐの表面Ｓに対して投射することができる。例えば、第１の波長を有する第１の検出光Ｌ１と、第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の検出光Ｌ２とでは、投影光学系ＰＬから液体５０に入射する際の屈折角が異なる。したがって、互いに異なる波長を有する第１、第２の検出光Ｌ１、Ｌ２のそれぞれの液体５０を通過して基板Ｐに投射される際の入射角は互いに異なる。

例えば、液体５０を水とし、第１の検出光Ｌ１としてＣ線（波長６５６．３ｎｍ）が投射され、第２の検出光Ｌ２としてｄ線（波長５８７．６ｎｍ）が投射される場合について考える。ｄ線の基板Ｐの表面Ｓに対する入射角が８０度である場合、ｄ線とＣ線との基板Ｐの表面Ｓに対する入射角の差は０．１４度となる。

基板Ｐ表面で反射した反射光Ｌ１ｒとＬ２ｒとはそれぞれ受光系９に入射する。そして、受光系９内のダイクロイックミラー２６を透過した反射光Ｌ１ｒは受光センサ２３ａに入射し、ダイクロイックミラー２６で反射した反射光Ｌ２ｒは受光センサ２３ｂに入射する。受光センサ２３ａ、２３ｂの検出結果はそれぞれ制御装置ＣＯＮＴに出力され、第１実施形態同様に、液体５０の屈折率情報を求めることができる。なお、受光系９内にダイクロイックミラー２６がなく、受光センサ２３が１つしか配置されていない場合には、波長選択フィルタ２４により第１の波長の検出光Ｌ１と第２の波長の検出光Ｌ２とをそれぞれ交互に基板Ｐ表面に入射させるようにすればよい。

次に、図７を参照しながらＡＦ検出装置１００の第３実施形態について説明する。図７に示すＡＦ検出装置１００において、送光系８及び受光系９はそれぞれ１つずつ設けられている。そして、本実施形態の特徴部分は、送光系８に瞳分割板２５が設けられている点である。送光系８は、光源１０と、送光スリット１１と、非点収差補正用シリンドリカルレンズ１２と、リレーレンズ１３と、光路折り曲げミラー１４と、収差補正用平面板１５と、対物レンズ１６と、対物レンズ１６の光路下流側近傍に設けられた瞳分割板２５とを備えている。受光系９は、投影光学系ＰＬを介した反射光が入射される対物レンズ１７と、収差補正用平面板１８と、所定の周期で振動する振動ミラー１９と、リレーレンズ２０と、非点収差補正用シリンドリカルレンズ２１と、スリット状の開口部を有する受光スリット２２と、例えばシリコン・フォト・ダイオードからなる受光センサ２３とを備えている。

瞳分割板２５は所定の開口部２５Ａを有するものであって、瞳分割板２５に照射される光束の一部を開口部２５Ａを介して通過させる。すなわち、図８（ａ）、（ｂ）に簡易的に示すように、瞳分割板２５を送光系の光軸と垂直方向に移動して光束を瞳分割することで、基板Ｐの表面Ｓに対する検出光の入射角を互いに異なる入射角θ_１、θ_２に設定し、それぞれに対応する反射光Ｌ１ｒとＬ２ｒとを受光センサ２３で検出することによって、第１実施形態同様に、液体５０の屈折率情報を求めることができる。また、図８（ａ）と図８（ｂ）との状態を交互に繰り返すことによって、ほぼリアルタイムに液体５０の屈折率情報を求めることができる。第３実施形態においても、瞳分割板２５を配置することで、第２実施形態同様に、１つの送光系８及び受光系９であっても、複数の検出光を異なる入射角で基板Ｐに投射することができる。なお、瞳分割板を受光系９の基板Ｐと対物レンズ１７との間に設けて、迷光などの外乱を防止するようにしてもよい。

なお、上述の実施形態においては、ＡＦ検出装置１００を用いて光学的に検出された液体５０の温度情報（屈折率情報）に基づいて、パターンの像の最適像面と基板Ｐの表面Ｓとの関係を調整したり、基板Ｐ上に投影されるパターン像の調整を行ったりしているが、その検出された温度情報に基づいて、液体供給装置１から供給される液体の温度を制御するようにしてもよい。これにより投影光学系ＰＬと基板Ｐとの間の液体５０の温度（屈折率）最適化することが可能となる。

また、上述の実施形態においては、被検面として基板Ｐの表面に検出光を投射するようにしているが、基板Ｐの表面に限らず、例えば基板ステージＰＳＴ上に形成されている基準平面やセンサの上面を被検面として検出光を投射するようにしてもよい。

また、上述の実施形態においては、マスクＭのパターンの像が投影される投影領域の中央付近に検出光を投射するようにしているが、投影領域の外側に検出光を投射するようにしてもよい。

また、上述の実施形態においては、ＡＦ検出装置１００は、２つの検出光を被検面上に投射しているが、２つに限らず、３つ以上でよいことは言うまでもない。この場合は、複数の屈折率変化情報（温度変化情報）を得ることができるので、これらの平均値などを算出することで、より正確な屈折率変化情報（温度変化情報）を得ることが可能となる。

なお、上述の実施形態の基板Ｐとしては、半導体デバイス製造用の半導体ウエハのみならず、ディスプレイデバイス用のガラス基板や、薄膜磁気ヘッド用のセラミックウエハ、あるいは露光装置で用いられるマスクまたはレチクルの原版（合成石英、シリコンウエハ）等が適用される。

露光装置ＥＸとして、マスクＭと基板Ｐとを同期移動してマスクＭのパターンを走査露光するステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置（スキャニングステッパ）の他に、マスクＭと基板Ｐとを静止した状態でマスクＭのパターンを一括露光し、基板Ｐを順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパ）にも適用することができる。また、本発明は基板Ｐ上で少なくとも２つのパターンを部分的に重ねて転写するステップ・アンド・スティッチ方式の露光装置にも適用できる。

また、本発明は、ツインステージ型の露光装置にも適用できる。ツインステージ型の露光装置の構造及び露光動作は、例えば特開平１０−１６３０９９号及び特開平１０−２１４７８３号（対応米国特許６，３４１，００７号、６，４００，４４１号、６，５４９，２６９号及び６，５９０,６３４号）、特表２０００−５０５９５８号（対応米国特許５，９６９，４４１号）あるいは米国特許６，２０８，４０７号に開示されている。

また、上述の実施形態では、投影光学系ＰＬと基板Ｐとの間に局所的に液体を満たす露光装置を採用しているが、露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光装置や、ステージ上に所定深さの液体槽を形成しその中に基板を保持する液浸露光装置にも本発明を適用可能である。露光対象の基板を保持したステージを液槽の中で移動させる液浸露光装置の構造及び露光動作については、例えば特開平６−１２４８７３号公報に、ステージ上に所定深さの液体槽を形成してその中に基板を保持する液浸露光装置については、例えば特開平１０−３０３１１４号公報や米国特許第５，８２５，０４３号にそれぞれ開示されている。

露光装置ＥＸの種類としては、基板Ｐに半導体素子パターンを露光する半導体素子製造用の露光装置に限られず、液晶表示素子製造用又はディスプレイ製造用の露光装置や、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）あるいはレチクル又はマスクなどを製造するための露光装置などにも広く適用できる。

基板ステージＰＳＴやマスクステージＭＳＴにリニアモータを用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁気浮上型のどちらを用いてもよい。また、各ステージＰＳＴ、ＭＳＴは、ガイドに沿って移動するタイプでもよく、ガイドを設けないガイドレスタイプであってもよい。ステージにリニアモータを用いた例は、米国特許５，６２３，８５３及び５，５２８，１１８に開示されている。

各ステージＰＳＴ、ＭＳＴの駆動機構としては、二次元に磁石を配置した磁石ユニットと、二次元にコイルを配置した電機子ユニットとを対向させ電磁力により各ステージＰＳＴ、ＭＳＴを駆動する平面モータを用いてもよい。この場合、磁石ユニットと電機子ユニットとのいずれか一方をステージＰＳＴ、ＭＳＴに接続し、磁石ユニットと電機子ユニットとの他方をステージＰＳＴ、ＭＳＴの移動面側に設ければよい。

基板ステージＰＳＴの移動により発生する反力は、投影光学系ＰＬに伝わらないように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。この反力の処理方法は、例えば特開平８−１６６４７５号公報（米国特許５，５２８，１１８）に詳細に開示されている。

マスクステージＭＳＴの移動により発生する反力は、投影光学系ＰＬに伝わらないように、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもよい。この反力の処理方法は、例えば特開平８−３３０２２４号公報（米国特許第５,８７４,８２０号）に詳細に開示されている。

以上のように、本願実施形態の露光装置ＥＸは、本願特許請求の範囲に挙げられた各構成要素を含む各種サブシステムを、所定の機械的精度、電気的精度、光学的精度を保つように、組み立てることで製造される。これら各種精度を確保するために、この組み立ての前後には、各種光学系については光学的精度を達成するための調整、各種機械系については機械的精度を達成するための調整、各種電気系については電気的精度を達成するための調整が行われる。各種サブシステムから露光装置への組み立て工程は、各種サブシステム相互の、機械的接続、電気回路の配線接続、気圧回路の配管接続等が含まれる。この各種サブシステムから露光装置への組み立て工程の前に、各サブシステム個々の組み立て工程があることはいうまでもない。各種サブシステムの露光装置への組み立て工程が終了したら、総合調整が行われ、露光装置全体としての各種精度が確保される。なお、露光装置の製造は温度およ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。

半導体デバイス等のマイクロデバイスは、図９に示すように、マイクロデバイスの機能・性能設計を行うステップ２０１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２０２、デバイスの基材である基板を製造するステップ２０３、前述した実施形態の露光装置ＥＸによりマスクのパターンを基板に露光する露光処理ステップ２０４、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）２０５、検査ステップ２０６等を経て製造される。

本発明の面位置検出装置を備えた露光装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明の面位置検出装置の第１実施形態を示す概略構成図である。 検出光が投射される基板を示す要部拡大図である。 基板に対する検出光の入射角と誤差量との関係を示す図である。 本発明の面位置検出方法の一例を示すフローチャート図である。 本発明の面位置検出装置の第２実施形態を示す概略構成図である。 本発明の面位置検出装置の第３実施形態を示す概略構成図である。 瞳分割板を示す模式図である。 半導体デバイスの製造工程の一例を示すフローチャート図である。 従来の課題を説明するための模式図である。

符号の説明

２４…波長選択フィルタ、５０…液体（水、光透過部材）、１００…ＡＦ検出装置（面位置検出装置）、ＥＸ…露光装置、Ｌ１…第１の検出光、Ｌ２…第２の検出光、Ｍ…マスク、Ｐ…基板、ＰＬ…投影光学系（光透過部材）、ＰＬＣ…結像特性調整装置、Ｓ…基板の表面（被検面）、θ_１…第１の入射角、θ_２…第２の入射角

Claims (19)

1. マスクのパターンの像を投影光学系により基板上に投影して、基板を露光する露光方法であって：
   基板表面に複数の検出光を異なる入射角で投射するとともに、基板表面からの反射光を受光することによって、検出光及び反射光の光路の屈折率情報を検出することと；
   マスクのパターンの像を投影光学系により基板上に投影すること；を含む露光方法。
2. 前記複数の検出光の入射角θはそれぞれ３０°≦θ＜９０°の条件を満たす請求項１に記載の露光方法。
3. 前記複数の検出光の入射角θはそれぞれ７０°≦θ＜９０°の条件を満たす請求項２に記載の露光方法。
4. マスクのパターンの像を投影光学系により基板上に投影して、基板を露光する露光方法であって：基板表面に波長の異なる複数の検出光を投射するとともに、基板表面からの反射光を受光することによって、検出光及び反射光の光路の屈折率情報を検出することと；マスクのパターンの像を投影光学系を介して基板上に投影することと；を含む露光方法。
5. 前記基板からの反射光を波長毎に検出する請求項４に記載の露光方法。
6. 前記屈折率情報は前記光路の温度変化を含む請求項１〜５のいずれか一項記載の露光方法。
7. 前記検出光は、前記投影光学系の一部の光学素子を介して前記基板表面に投射される請求項１〜６のいずれか一項記載の露光方法。
8. 前記屈折率情報に基づいて、前記投影光学系の像面と前記基板表面との位置関係を調整する請求項１〜７のいずれか一項記載の露光方法。
9. 前記複数の検出光のうちの少なくとも１つで前記基板表面の面位置を検出し、前記複数の検出光を使って得られる屈折率情報に基づいて前記検出された面位置を補正する請求項８に記載の露光方法。
10. 前記投影光学系と前記基板表面との間には液体が存在し、前記屈折率情報は前記液体の屈折率情報を含む請求項１〜９のいずれか一項記載の露光方法。
11. 前記液体は水である請求項１０に記載の露光方法。
12. 前記反射光を受光することによって前記液体の屈折率変化を検出し、該液体の屈折率変化によって前記パターンの像に誤差が生じないように像調整を行う請求項１０又は１１に記載の露光方法。
13. 投影光学系により液体を介してパターンの像を基板上に投影して、基板を液浸露光する露光方法であって：
    投影光学系と基板との間の少なくとも一部を液体で満たすことと；
    投影光学系と基板との間の液体の温度情報を光学的に検出することと；
    投影光学系により液体を介してパターンの像を基板上に投影すること；とを含む露光方法。
14. 前記液体を介して前記基板表面に検出光を投射するとともに、前記基板表面からの反射光を前記液体を介して受光することによって、前記液体の温度情報を検出する請求項１３に記載の露光方法。
15. 前記反射光を受光することによって前記基板表面の面位置情報を検出する請求項１３又は１４に記載の露光方法。
16. 前記温度情報に基づいて、前記基板上に投影されるパターンの像の結像状態を調整する請求項１３〜１５に記載の露光方法。
17. 前記温度情報に基づいて、前記投影光学系と前記基板との間に供給される液体の温度を制御する請求項１３〜１６に記載の露光方法。
18. 前記受光した反射光から液体の屈折率の変化を求め、屈折率の変化に基づいて液体の温度変化を求める請求項１４に記載の露光方法。
19. 請求項１〜請求項１８のいずれか一項記載の露光方法を用いるデバイス製造方法。

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