JP2010016243A - 結像光学系、露光装置、及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比べ投影光学系の下方に配置されたウエハのフォーカス位置計測系の光学系をコンパクトにすることが可能な結像光学系を提供する
【解決手段】 原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置において前記投影光学系の光軸方向における計測領域の位置を検出する検出手段に用いられる結像光学系であって、前記結像光学系は、前記基板面内であって前記投影光学系の鏡筒の中心軸から離れた位置の計測領域に物体の像を斜入射により結像させる第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系で斜入射により前記基板面に結像された前記物体の像を受光手段に結像させる第２の結像光学系とを含み、前記第１の結像光学系の倍率の絶対値をβ、像距離をα×Ｌ_２、前記第２の結像光学系の倍率の絶対値をγ／β、物体距離をＬ_２としたとき（α−１）×（γ−１）＞０（但しα、γは共に正の実数）の関係を満足することを特徴とする結像光学系を提供する
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィーで製造する際に使用される投影露光装置に関する。詳しくは、より良い像性能を得るべくウエハ表面位置（＝ウエハ表面に垂直な方向の表面位置）を計測する計測装置、方法およびそれを搭載した投影露光装置に関する。

近年、半導体素子を高集積化する為の加工線幅の微細化に伴って、投影露光装置の投影レンズの高ＮＡ化、露光光の波長の短波長化、及び大画面化が進んでいる。これらを達成する手段として、かつては露光領域をウエハ上に縮小して一括投影露光をするステッパーと呼ばれる露光装置が用いられていた。現在では、露光領域を矩形、あるいは円弧状のスリット形状とし、レチクルとウエハを相対的に高速走査し、大画面を精度良く露光する走査型露光装置（以下、スキャナーと呼ぶ）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の表面形状を最適露光像面位置に合わせ込むことができる為、ウエハ平面度の影響を低減できる効果を有している。その為にスキャナーでは、ウエハ表面を走査露光中に露光像面位置にリアルタイムで合わせ込む必要があり、露光スリットに差し掛かる前に、ウエハ表面位置を斜入射光方式の表面位置検出手段で計測し表面位置の補正を行うという技術を使用している。

特に露光スリットの長手方向、所謂走査方向と直交する方向には高さのみならずウエハ表面の傾きを計測すべく複数点の計測を行っている。上記走査露光におけるフォーカス、チルト計測の方法に関しては特許文献１〜５などに提案されている。以下、ウエハの表面位置計測のことを、フォーカス位置計測と言うことにする。

この従来の露光装置におけるフォーカス位置計測系の構成例等を図１０、図１１を用いて以下に説明する。

エキシマレーザーなどの光源８００から射出された光は、露光に最適な形状を有する露光スリットからなる照明系８０１を経て、マスクまたはレチクル（以後レチクル１００と呼ぶ）の下面に形成されたパターン面を照明する。レチクル１００のパターン面には露光すべきＩＣパターンが形成されており、上記ＩＣパターンから射出された光は投影レンズ８０２を通過して結像面に相当するウエハ８０３の表面近傍に像を形成する。

レチクル１００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８０３は、図１０のＸＹおよびＺ方向に走査駆動可能で、且つ、傾け補正（チルトと呼ぶ）が可能な構成となっているウエハステージＷＳ上に載置されている。

前記レチクルステージＲＳとウエハステージＷＳをＩＣパターンの結像倍率の比率の速度比で相対的にＹ方向に走査させることでレチクル１００上の１ショット領域の露光を行う。１ショット領域の露光が終了した後にはウエハステージＷＳは次のショットへステップ移動し、先程とは逆方向に走査露光を行い、次のショットが露光される。これらの動作をステップ・アンド・スキャンと言い、スキャナー特有の露光方法である。これらの動作を繰り返すことで、ウエハ８０３全域のショットの露光を行う。

１ショット内の走査露光中には、フォーカス位置計測であるフォーカス及びチルト検出系８３３、８３４によりウエハ８０３表面の面位置情報を取得し、露光像面からのずれ量を算出する。そして、Ｚ方向および傾き（チルト）方向へのステージ駆動により、ほぼ露光スリット単位でウエハ８０３表面の高さ方向の形状に合わせこむ動作が行われている。

このフォーカス及びチルト検出系８３３、８３４の構成を図１１に示す。このフォーカス及びチルト検出系は光学的な高さ計測システムを使用している。ウエハ８０３の表面、正しくはウエハ８０３上に塗布されたレジスト表面に対して、照明光により照明された計測マーク８０７の像を、投光光学系８０５を介して斜入射で投影し、その投影像を受光光学系８０６を介して光電変換器８０４の検出面に結像させている。光電変換器８０４の検出面上の計測マーク８０７の光学像の位置は、ウエハ８０３のＺ方向の移動に伴い移動し、この移動量を算出することにより、ウエハ８０３のＺ方向移動量を検出する方法をとっている。特に、ウエハ８０３上の複数の計測すべき点に複数の光束（マルチマーク像）を入射させ、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置のフォーカス位置計測情報から露光すべき面のチルトを算出している。
特開平０６−２６０３９１号公報 特開平１１−２３８６６５号公報 特開平１１−２３８６６６号公報 特開２００６−３５２１１２号公報 特開２００３−０５９８１４号公報

露光装置では、投影光学系の下方に配置されたウエハ面のフォーカス位置を斜入射光方式の光学系で計測を行う際、この光学系は、投影光学系の鏡筒、あるいは鏡筒周辺の装置を避け、かつ計測光が鏡筒に遮光されないような位置に配置する必要がある。近年、露光装置への要求性能のレベルアップに対する装置の複雑化に伴い、鏡筒周辺での光学系配置の為のスペースが余裕を持って確保することが困難になっている状況である。特にＥＵＶ光を露光光とするＥＵＶ露光装置は、装置の一部、あるいは全体が真空チャンバ内に配置されている為、計測系もまた真空チャンバ内に配置する必要がある。チャンバ内の真空度を一定に保つ為には、真空チャンバの大きさは必要最小限であるべきであり、計測光学系の占有空間が小さくなれば、真空チャンバの縮小化にも貢献できることになる。

特許文献２、及び特許文献３には、ＥＵＶ露光装置における鏡筒周辺でのフォーカス位置計測光学系の配置に関する方法が紹介されている。また、特許文献１には、フォーカス位置計測光学系の配置の自由度を増す為に、投影光学系の鏡筒の一部を削り、鏡筒が計測光を遮らないようにする方法が紹介されている。

一方、特許文献３には、反射型投影光学系を構成する複数のミラーの間にフォーカス位置計測光学系の一部を配置し、光学系をコンパクト化する方法を紹介している。しかしこれらの特許には、光学系の光軸方向の全長を短縮する技術に関しては記載がされていない。

また、特許文献４、及び、特許文献５にも、斜入射光方式のフォーカス位置計測方法が紹介されてはいるが、これらの特許にもフォーカス位置計測光学系の光軸方向の全長を短縮する技術に関しては記載がされていない。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、従来に比べて、投影光学系の下方に配置されたウエハのフォーカス位置計測系の光学系をコンパクトに設計することを目的とする。

本発明の結象光学系は、原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置において、前記基板上であって前記投影光学系の鏡筒の中心軸から離れた位置に計測領域を有し、前記投影光学系の光軸方向における前記計測領域の位置を検出する検出手段に用いられる結像光学系であって、前記結像光学系は、物体の像を前記基板面内の前記計測領域に結像させる第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系により前記基板面に結像された像を受光手段に結像させる第２の結像光学系とを含み、前記第１の結像光学系の倍率の絶対値をβ、像距離をα×Ｌ_２、前記第２の結像光学系の倍率の絶対値をγ／β、物体距離をＬ_２としたとき、（α−１）×（γ−１）＞０（但しα、γは共に正の実数）の関係を満足することを特徴としている。

また、本発明の結象光学系は、原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置において前記投影光学系の光軸方向における計測領域の位置を検出する検出手段に用いられる結像光学系であって、前記結像光学系は、計測領域に物体の像を斜入射により結像させる第１の結像光学系と、前記第１の結像光学系で斜入射により前記基板面に結像された前記物体の像を受光手段に結像させる第２の結像光学系とを含み、前記第１の結像光学系の倍率の絶対値をβ、像距離をα×Ｌ_２、前記第２の結像光学系の倍率の絶対値をγ／β、物体距離をＬ_２としたとき、（α−１）×（γ−１）＞０（但しα、γは共に正の実数）の関係を満足することを特徴とする。

本発明によれば、ウエハのフォーカス位置計測系の光学系を従来に比べてコンパクトに構成することができる。

（実施例１）
本発明の第１の実施例を、図１、２、５、６を用いて説明する。

図６に示す露光装置は、露光用の照明光としてＥＵＶ光（例えば、波長１３．５ｎｍ）を用いている。そして、ステップ・アンド・リピート方式やステップ・アンド・スキャン方式でレチクル１７０に形成された回路パターンをウエハ１９０に縮小投影露光する。

ＥＵＶ光は大気に対する透過率が低く、残留ガス（高分子有機ガス）成分との反応により汚染物質を生成してしまう。そのため、図６に示すように、少なくともＥＵＶ光が通る光路中（すなわち、光学系全体）は真空環境となっている。図６の露光装置は、ＥＵＶ光源（発光装置）１１０と、照明光学系１３０と、レチクル１７０を載置するレチクルステージ１７４と、投影光学系１８０と、ウエハ１９０を載置するウエハステージ１９４とを有する。そして、ウエハ１９０の露光面の高さ方向（Ｚ方向）の計測は、投光光学系１９５、受光光学系１９６からなるフォーカス位置計測系（検出手段）で行っている。

図１、図２は、図６に示したＥＵＶ露光装置における、フォーカス位置計測系の配置を説明する図である。本発明は、フォーカス位置計測系の全光路長（投光光学系と受光光学系の光路長を含めた長さ）の短縮化の技術であり、説明を容易にする為、本発明を適用した場合の光学系配置を図１に示し、本発明を適用しなかった場合の例を図２に示す。

図１において、レチクルステージ１に搭載されたレチクル（原版）２に、露光光としてＥＵＶ光３を斜入射照明している。そして、レチクル２上のパターンを、鏡筒４の中に配置されている反射型の縮小投影光学系を介して、ウエハステージ５上に設置されているウエハ（基板）６に縮小投影している。ここで、フォーカス位置計測点ｃにおけるウエハ６のフォーカス位置計測を行う場合は以下のようにして行う。

ウエハ高さ計測マーク８の構成は図５に示すような形状を有している。このウエハ高さマーク８を照明光学系７により照明し、ウエハ高さ計測マーク８の像（物体像）が投光光学系９を介してウエハ６上（基板上）に斜入射し、ウエハ６面内（基板面内）にて投影結像される。そして、ウエハ６面上（基板面上）に結像された投影像を受光光学系１０を介して光電変換器１１の検出面ｅに結像し、結像された計測マークの重心位置を検出している。ウエハ６がフォーカス位置方向（＝ｚ方向）に変位すれば、光電変換器１１の検出面ｅでの計測マーク像の重心も変位し、その変位量を検出しフォーカス位置計測を行っている。図１、及び図２に示す例においては、図５に示すマーク１個をフォーカス位置計測点ｃに斜入射投影し、フォーカス位置計測点ｃでのフォーカス位置計測を行っている。このフォーカス位置計測の値は、ウエハ高さ計測マーク８が投影された範囲、所謂計測領域に対する計測値である。このような斜入射光方式による、フォーカス位置計測を行う時、露光装置とフォーカス位置計測系の関係が以下に述べる構成を有している場合、本願の第１の実施例で述べる技術を適用すれば、光学系のコンパクト化を図ることができる。
１．反射型投影光学系の、最もウエハに近い部分の光学部品を支持する鏡筒４を、斜入射光学系によるフォーカス位置計測系の投光光学系の光軸、および受光側の主光線の光軸を含む面で切断する。そして、その断面を見た時（図１、あるいは図２がその断面図に相当する）、その断面における鏡筒４の外形に対する中心線１５に対し、フォーカス位置計測点ｃが偏心している場合。つまり、ウエハ上であって投影光学系の鏡筒４の中心軸から離れた位置にフォーカス位置計測点（計測領域）を有する場合。または、反射型投影光学系の、最もウエハに近い部分の光学部品を支持する鏡筒４のウエハに相対する面を上記面で切断する。そして、その切断された面がなす線分の中心からウエハへ垂線を引き、その垂線とウエハとが交差する位置から離れた位置にフォーカス位置計測点を有する場合。
２．反射型投影光学系の、最もウエハに近い部分の光学部品を支持する鏡筒４のウエハに相対する面と、ウエハ６の間隔が狭く、その空間に光学部品を配置できない場合。

以下、フォーカス計測位置ｃに対して、フォーカス位置計測光学系の投光光学系（第１の結像光学系）９と受光光学系（第２の結像光学系）１０を、鏡筒４を挟んで左右のどちらに配置するかによって光学系の全光路長が変わることを説明する。

投光光学系９、受光光学系１０を構成する光学系を結像式で表すと以下のようになる。

先ず、式で用いる記号の定義を以下のようにする。
Ｌ_１ ：投光光学系９の物体側主点位置ｂから計測マーク８上の点ａ迄の距離
α_１×Ｌ_２：投光光学系９の像側主点位置ｂからフォーカス位置計測点ｃ迄の距離
ここでα_１は、正の符号を有する実数とする。
Ｌ_２ ：フォーカス位置計測点ｃから受光光学系１０の物体側主点位置ｄ迄の距離
Ｌ_３ ：受光光学系１０の像側主点位置ｄから光電変換器１１の検出面ｅ迄の距離
ｆ_１ ：投光光学系９の焦点距離
ｆ_２ ：受光光学系１０の焦点距離
β ：投光光学系９の結像倍率（絶対値）
γ_１／β：受光光学系１０の結像倍率（絶対値）
ここでγ_１は、正の符号を有する実数とする。
とした時、
投光光学系９に関する結像式

ここで、式（２）で表される結像倍率βの値は、以下のように考える。光学系の構成によって、図１の点ａを含む物体面上の正立像を結像位置に倒立像として結像する場合や、正立像を正立像として結像する場合がある。その場合、正立像を倒立像として結像する時は、その結像倍率はマイナス符号を有する数値で表し、正立像を正立像として結像する時の結像倍率は、プラスの符号を有する数値で表す。しかし本願の場合、後述する光学系の光路長を、β、及びγ_１／βを使って表す式、例えば、式（５）、式（１０）、式（１１）、式（１２）、及び式（１４）〜式（１６）においては、β、及びγ_１／βは絶対値として定義し使用することとする。

続けて、受光光学系１０に関する結像式は、

となる。

ここで、図１におけるフォーカス位置計測光学系の全光路長ＴＬ_１（＝図１の点ａ〜点ｂ〜点ｃ〜点ｄ〜点ｅを結んだ距離）は、式（１）〜式（４）の関係を用いて以下のようになる。

ＴＬ_１＝Ｌ_１＋（α_１×Ｌ_２）＋Ｌ_２＋Ｌ_３
＝（α_１／β）Ｌ_２＋α_１Ｌ_２＋Ｌ_２＋（γ_１／β）Ｌ_２
＝Ｌ_２（α_１／β＋α_１＋１＋γ_１／β） 式（５）
次に、本発明を適用していない図２に示す光学系配置の場合の、フォーカス位置計測光学系の全光路長ＴＬ_２を求める手順を説明する。図２に示すフォーカス位置計測系が、図１の場合に比べて異なるところは、投光光学系と受光光学系の配置が、鏡筒４を挟んで左右入れ替わって、かつ入れ替わったことにより、投光光学系の像距離、及び受光光学系の物体距離の値に増減が生じていることである。一方、投光光学系、及び受光光学系の結像倍率の値は、図１に比べて変化は無いものとしている。

図２の配置における投光光学系と受光光学系の全光路長を、図１の配置と同様に求めると以下のようになる。
Ｌ_４ ：投光光学系１６の物体側主点位置ｇから計測マーク８上の点ａ迄の距離
α_４×Ｌ_２’：投光光学系１６の像側主点位置ｇからフォーカス位置計測点ｃ迄の距離
Ｌ_２’ ：フォーカス位置計測点ｃから受光光学系１７の物体側主点位置ｈ迄の距離
ここでα_４は、正の符号を有する実数とする。
Ｌ_５ ：受光光学系１７の像側主点位置ｈから光電変換器１１の検出面ｅ迄の距離
ｆ_３ ：投光光学系１６の焦点距離
ｆ_４ ：受光光学系１７の焦点距離
β ：投光光学系１６の結像倍率（絶対値）
γ_４／β：受光光学系１７の結像倍率（絶対値）
ここでγ_４は、正の符号を有する実数とする。
とした時、
投光光学系１６に関する結像式

受光光学系１７に関する結像式

となる。

式（６）〜式（９）を用いて、図２におけるフォーカス位置計測系の全光路長ＴＬ_２を求めると以下のようになる。
ＴＬ_２＝Ｌ_４＋α_４×Ｌ_２’＋Ｌ_２’＋Ｌ_５
＝（α_４／β）Ｌ_２’＋α_４×Ｌ_２’＋Ｌ_２’＋（γ_４／β）Ｌ_２’
＝Ｌ_２’（α_４／β＋１＋α_４＋γ_４／β） 式（１０）
ここで、図１、及び図２に示す光学系において、具体的な数値を当てはめて全光路長ＴＬ_１、ＴＬ_２の長さの比較を行うと以下のようになる。

図１における鏡筒４の下の、フォーカス位置計測点ｃからの左右に伸びる光路長のうち、点ｃと点ｄを結ぶ光路長を１０ｃｍ、点ｃと点ｂを結ぶ光路長を５０ｃｍとする。一方、図１の投光光学系９の結像倍率βの絶対値を１／２とし、受光光学系１０の結像倍率γ_１／βの絶対値を１２とすると（ここで、γ_１＝６）、図１における全光路長ＴＬ_１は以下のようになる。

一方、図１と図２の物理量の関係を、α_１×Ｌ_２＝Ｌ_２’、Ｌ_２＝α_４×Ｌ_２’とし、図２において、点ｃと点ｇの距離を１０ｃｍ、点ｃと点ｈの距離を５０ｃｍとし、βとγ／βは、図１と同じとした場合、図２の全光路長ＴＬ_２は以下のようになる。

式（１１）、式（１２）に示すＴＬ_１、ＴＬ_２の具体例からも判るように、図１に示す投光光学系、受光光学系の配置にすれば、図２に示す光学系配置に比べて、光路長が約１／２．４になる。この関係は、投光光学系、受光光学系の結像倍率の比であるγと、投光光学系の像距離と受光光学系の物体距離の比であるαの数値から以下のように一般式化できる。
ＴＬ_２−ＴＬ_１＞０ 式（１３）
式（１３）に、式（５）、式（１０）を代入すると、
（Ｌ_４＋α_４×Ｌ_２’＋Ｌ_２’＋Ｌ_５）−（Ｌ_１＋（α_１×Ｌ_２）＋Ｌ_２＋Ｌ_３）＞０
ここで、α_１×Ｌ_２＝Ｌ_２’、Ｌ_２＝α_４×Ｌ_２’とすると、
Ｌ_２（１／β＋１＋α_１＋α_１γ_１／β）−Ｌ_２（α_１／β＋α_１＋１＋γ_１／β）＞０
となり、α_１＝α、γ_１＝γ_４＝γとし、式の形を整えると、式（１４）のようになる。
１／β＋αγ／β−α／β−γ／β＞０
１＋αγ−α−γ＞０
（α―１）（γ―１）＞０ α、γは正の実数 式（１４）

以上のように、図１、及び図２に示す投光光学系と受光光学系からなる結像光学系があった場合、結像倍率の比、及び特定部分の光路長の比が式（１４）を満足するような光学系配置（ここでは図１が式（１４）を満足する）にする。その場合、フォーカス位置計測光学系の光路長を短縮化することができ、鏡筒廻りに配置しなければならないその他のユニットの設計自由度が高まる。

ここで、式（１４）を満たす光学系、及び式（１４）を満たさない光学系とはどういうものかをケース毎に説明する。先ず、式（１４）を満たす光学系とは、
α−１＞０、かつγ−１＞０の場合 → ケース１
α−１＜０、かつγ−１＜０の場合 → ケース２
の２つのケースであり、式（１４）を満たさない光学系とは、
α−１＞０、かつγ−１＜０の場合 → ケース３
α−１＜０、かつγ−１＞０の場合 → ケース４
の２つのケースに場合分けできる。以下、ケース１〜ケース４の光学系とは、どのような光学配置を有する光学系であるかを各ケース毎に説明する。前述した通り、α、γは正の実数である。

ケース１：
ケース１の光学系は、図１に示す光学系のことである。α−１＞０とは、α_１＞１ということであり、投光光学系の像距離（点ｂと点ｃの距離：α_１×Ｌ_２）が、受光光学系の物体距離（点ｃと点ｄの距離：Ｌ_２）に比べて長いことを意味している。ここで、他のケースでのαの値と区別する為に、ケース１で用いるαはα_１と言う記載にした。以下、αの値を区別する為に、αの後に数値を付加する。一方γ−１＞０とは、投光光学系９の結像倍率βの絶対値の逆数と、受光光学系１０の結像倍率γ_１／βの絶対値を比べた時、γ_１＞１である為、受光光学系１０の結像倍率の絶対値の方が大きいことを示している。ここで、他のケースでのγと区別する為に、ケース１でのγをγ_１とした。以下αと同様に、ケース毎のγを区別するために、γの後に数値を付加する。

ケース４：
ケース４は、図２に示す光学系のことである。図１との違いは、投光光学系と受光光学系の配置を、図１に対して逆にしたものである。α−１＜０とは、１＞α_４＞０のことであり、これは投光光学系の像距離（点ｃと点ｇの距離：α_４×Ｌ_２’）が、受光光学系の物体距離（点ｃと点ｈの距離：Ｌ_２’）に比べて短いことを意味している。また、γ−１＞０は、γ_４＞１ということであり、ケース１と同様の意味を有している。図２においては、投光光学系１６の結像倍率βの絶対値の逆数１／βと、受光光学系１７の結像倍率γ_４／βの絶対値を比べた時、γ_４＞１である為、受光光学系１７の結像倍率の絶対値の方が大きいことを示している。

ケース１とケース４の各光路長の比較は、式（１１）と式（１２）における具体例からも判るように、式（１４）の条件を満たしているケース１の光学配置の方が短くなることが判る。このように、投光光学系の像距離に比べて受光光学系の物体距離が短く、かつ、投光光学系の結像倍率の絶対値の逆数に比べて受光光学系の結像倍率の絶対値が大きい時、ケース１に示す光学配置を選択した方が、光学系の全光路長を短くすることができる。

次に、ケース２とケース３の場合を説明する。

ケース２：
ケース２は、図３に示す光学配置を示していて、α―１＜０とは、１＞α_２＞０のことである。これは投光光学系の像距離（点ｃと点ｇの距離：α_２×Ｌ_２’）が、受光光学系の物体距離（点ｃと点ｈの距離：Ｌ_２’）に比べて短いことを意味している。また、γ−１＜０は、１＞γ_２＞０ということであり、投光光学系の結像倍率βの絶対値の逆数である１／βと、受光光学系の結像倍率γ_２／βの絶対値を比べると、１＞γ_２＞０であることから受光光学系の結像倍率の絶対値の方が小さいことを示している。

ケース３：
ケース３は、図４に示す光学配置を示していて、図３との違いは、投光光学系と受光光学系の配置を図３に対して逆にしたものである。α−１＞０とは、α_３＞１ということであり、投光光学系の像距離（点ｂと点ｃの距離：α_３×Ｌ_２）が、受光光学系の物体距離（点ｃと点ｄの距離：Ｌ_２）に比べて長いことを意味している。また、γ−１＜０は、１＞γ_３＞０ということであり、投光光学系の結像倍率βの絶対値の逆数である１／βと、受光光学系の結像倍率γ_３／βの絶対値を比べると、１＞γ_３＞０であることから受光光学系の結像倍率の絶対値の方が小さいことを示している。

ケース２とケース３の場合の光路長を具体例を上げて比較する。ここで、Ｌ_２’＝α_３×Ｌ_２、α_２×Ｌ_２’＝Ｌ_２とし、かつ、投光光学系、及び受光光学系の各結像倍率の絶対値が、図３、図４で同じである場合、図３において、
受光光学系の物体距離（点ｃと点ｈの距離）：５０ｃｍ
投光光学系の像距離（点ｃと点ｇの距離）：１０ｃｍ（この場合、α_２＝１／５）
投光光学系の結像倍率（絶対値）：１／２倍
受光光学系の結像倍率（絶対値）：１．２倍（この場合、γ_２＝０．６）
とした時、図３の投光光学系と受光光学系を合わせた全光路長ＴＬ_３（点ａ〜点ｇ〜点ｃ〜点ｈ〜点ｅ）は、
ＴＬ_３＝Ｌ_４＋α_２×Ｌ_２’＋Ｌ_２’＋Ｌ_５
＝２０＋１０＋５０＋６０
＝１４０ｃｍ 式（１５）
図４に示すケース３の場合を、
受光光学系の物体距離（点ｃと点ｄの距離）：１０ｃｍ
投光光学系の像距離（点ｃと点ｂの距離）：５０ｃｍ（この場合、α_３＝５）
投光光学系の結像倍率（絶対値）：１／２倍
受光光学系の結像倍率（絶対値）：１．２倍（この場合、γ_３＝０．６）
とした時、図４の投光光学系と受光光学系を合わせた全光路長ＴＬ_４（点ａ〜点ｂ〜点ｃ〜点ｄ〜点ｅ）は、
ＴＬ_４＝Ｌ_１＋α_３×Ｌ_２＋Ｌ_２＋Ｌ_３
＝１００＋５０＋１０＋１２
＝１７２ｃｍ 式（１６）
となり、式（１４）を満たしているケース２の方が、全光路長が短くなっていることが判る。

以上述べたように、式（１４）を満たす、ケース１の光学配置に対して、投光光学系と受光光学系を入れ替えた配置である、式（１４）を満たさないケース４の光学配置における各光路長を比較すると、式（１４）を満たすケース１での光路長の方が短いことが判る。同様に、ケース２とケース３を比較すると、式（１４）を満たしているケース２の光路長が短いことが判る。

また、投光光学系の結像倍率の絶対値の逆数（＝１／β）に比べて、受光光学系の結像倍率の絶対値γ／βが、γ＞１で、かつ、γの値が大きい程、本実施例における光路長の短縮の寄与率は高くなる。

図１〜４に示した投光光学系、受光光学系は、説明を容易にする為、薄肉の単レンズとして表し、かつ物体側主点位置、像側主点位置は各光学系で同じ位置にあるとしている。一般的に、露光装置におけるフォーカス位置計測系の投・受光光学系は複数のレンズで構成されている。図１〜４に示す光学系の主点位置は、投光光学系を構成するレンズ系全体を代表する主点位置、あるいは、投光光学系を構成する光学系の一部分のブロックを代表する主点位置が、第一の実施例での主点位置に相当する。また、物体側主点位置、像側主点位置が一致しない場合は、各主点位置から所定位置迄の間隔を、式（１）〜式（１４）に当てはめて計算するものとする。同様に、受光光学系についても同じ事が言える事とする。

このように、フォーカス位置計測系の光学系を設計することにより、よりコンパクトな光学系を提供することができる。そのため、例えば、フォーカス位置計測系を、露光装置の鏡筒周辺に配置する場合、鏡筒周辺の空間を大きく占有することを避け、露光装置全体のフットプリントの縮小化に寄与することができる。

（実施例２）
図７に示すフォーカス位置計測光学系の投光光学系（第１の結像光学系）９は、計測マーク８を、ウエハ６の表面に縮小倍率で投影している。一方、受光光学系（第２の結像光学系）１０は、ウエハ６上の計測マーク８の投影像を、拡大倍率で光電変換器１１の検出面上に結像している。

図１に示すように、例えばＥＵＶ光を露光光とするＥＵＶ露光装置においては、反射型投影光学系の鏡筒４の最もウエハ６に近い面と、ウエハ６との距離は僅かな隙間しかない。そのため、この空間にフォーカス位置計測光学系の光学部品の一部を設置することは非常に困難である。ここで、光学部品とは、光学ガラスからなるレンズ、平行平板、あるいはプリズムのことである。この場合、フォーカス測定位置ｃと、投光光学系９の最終面の光軸上の点ｂ’とを結ぶ距離をｍとする。そして、フォーカス位置計測点ｃと、受光光学系１０の第１面の光軸上の点ｄ’とを結ぶ距離をｎとする。この場合、ｍ＞ｎとした方が、ｍ＜ｎとなるような配置にするより光学系の全光路長を短くすることができる。ここで、投光光学系９の最終面とは、投光光学系９の像面に最も近い光学部品の面であり、投光光学系９の像面とは、投光光学系９の光軸に垂直で、かつフォーカス位置計測点ｃを含む面のことである。また、受光光学系１０の第１面ｄ’とは、受光光学系１０の物体面に最も近い光学部品の面であり、受光光学系１０の物体面とは、受光光学系１０の光軸に垂直で、かつフォーカス位置計測点ｃを含む面のことである。

（実施例３）
本発明の第３の実施例を、図８と図９を用いて説明する。まず、第３の実施例と第１の実施例との違いを示すために、図８を用いて第１の実施例の構成を説明する。第１の実施例では、ウエハステージ５上に設置されたウエハ６のスキャン方向ｙに対して平行方向の位置から、投光光学系によりウエハ６上の測定点ｐ_１、あるいはｐ_２に向けて測定光を照射しウエハ６からの反射光を受光光学系で受光していた。それに対して第３の実施例は、ｘ軸に平行な方向に、投光光学系２２、受光光学系２３（投光光学系２２と受光光学系２３を入れ替えても可）を配置したものである。ここで図８における投光光学系２２、受光光学系２３は、ウエハのスキャン方向に対する各光学系の配置を説明した図である為、図８においては、投光光学系２２、受光光学系２３の詳細な光学配置は説明していない。また、投光光学系、受光光学系の配置は、ｙ軸、あるいはｘ軸に平行な光軸に対して、ωｚだけ回転させて配置しても良い。

図９は、図８に示した装置概略図を＋ｙ方向から見た図である。投影光学系４の鏡筒中心とウエハ６が交わる点をｃとする時、点ｃから左に偏心した位置にフォーカス位置を計測する点ｐ_１があるとする。ｐ_１でのウエハ高さ位置を計測する場合は、以下のように行う。光源７から出た照明光は計測マーク８を照明し、計測マーク８の像は投光光学系１６により、ウエハ６上の点ｐ_１に投影される。点ｐ_１で反射した計測マーク８の投影像は、受光光学系１７によりＣＣＤ２０の受光面ｅに結像される。ここで、
α×Ｌ_２：投光光学系１６の像側主点ｂと点ｐ_１の距離
Ｌ_１ ：投光光学系１６の物体側主点ｂと点ａの距離
Ｌ_２ ：受光光学系１７の物体側主点ｄと点ｐ_１の距離
Ｌ_３ ：受光光学系１７の像側主点ｄと点ｅの距離
β ：投光光学系１６の結像倍率（絶対値）
γ／β：受光光学系１７の結像倍率（絶対値）
とすると、点ａ〜点ｂ〜点ｐ１〜点ｄ〜点ｅの光路長は、実施例１で述べた式（１４）を満たすα、γに設定すれば、フォーカス位置計測光学系の光路長をコンパクトにできる設計が可能となる。

一方、点ｃに対して右に偏心した位置にある計測点ｐ_２の計測を行う場合も同様に、
α×Ｌ_２：投光光学系１８の像側主点ｇと点ｐ_２の距離
Ｌ_１ ：投光光学系１８の物体側主点ｇと点ｆの距離
Ｌ_２ ：受光光学系１９の物体側主点ｈと点ｐ_２の距離
Ｌ_３ ：受光光学系１７の像側主点ｈと点ｋの距離
β ：投光光学系１８の結像倍率（絶対値）
γ／β：受光光学系１９の結像倍率（絶対値）
とすれば、点ｆ〜点ｇ〜点ｐ_２〜点ｈ〜点ｋの光路長は、実施例１で述べた式（１４）を満たすα、γに設定すれば、フォーカス位置計測光学系の光路長をコンパクトにできる設計が可能となる。

実施例３では、点ｐ_１、点ｐ_２の位置のフォーカス位置計測光学系の投・受光光学系を互いに逆になるように配置したが、式（１４）を満たすのであれば、両方とも同じ方向から照明光を入射させても良い。

（実施例４）
デバイス製造方法について説明する。デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、前述のいずれかの実施例の露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラス基板等）を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。

本発明の第１の実施例を説明するフォーカス位置計測光学系の配置を説明する概略図。 第１の実施例で説明する本願の技術を適用しなかった場合のフォーカス位置計測光学系の配置を説明する概略図。 本発明の第１の実施例において、ケース２の光学配置を示す図。 本発明の第１の実施例において、ケース３の光学配置を示す図。 フォーカス位置計測マークの形状を示した図。 ＥＵＶ露光装置の構成を説明する図。 本発明の第２の実施例を説明する図。 本発明の第３の実施例を説明する図。 図８に示す概略図を＋ｙ方向から見た図。 露光装置における、フォーカス位置計測光学系の配置を説明する図 フォーカス位置計測の原理を説明する図。

符号の説明

１、１７４ レチクルステージ
２、１００、１７０ レチクル
３ ＥＵＶ光
４ 鏡筒
５、１９４ ウエハステージ
６、１９０、８０３ ウエハ
７、２４、１３０ 照明光学系
８、２５、８０７ 計測マーク
９、１６、１８、２２、２３、８０５ 投光光学系
１０、１７、１９、２２、２３、８０６ 受光光学系
１１、２０、２１、８０４ 光電変換器
１１０ ＥＵＶ光源
１８０ 投影光学系
８００ 光源
８０１ 照明系
８０２ 投影レンズ
８３３、８３４ フォーカス、チルト検出系

Claims (6)

1. 原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置において前記投影光学系の光軸方向における基板の位置を検出する検出手段に用いられる結像光学系であって、
   前記結像光学系は、前記基板面内であって前記投影光学系の鏡筒の中心軸から離れた位置の計測領域に物体の像を斜入射により結像させる第１の結像光学系と、
   前記第１の結像光学系により前記基板面に結像された前記物体の像を受光手段に結像させる第２の結像光学系とを含み、
   前記第１の結像光学系の倍率の絶対値をβ、像距離をα×Ｌ_２、
   前記第２の結像光学系の倍率の絶対値をγ／β、物体距離をＬ_２としたとき、
   （α−１）×（γ−１）＞０ （但しα、γは共に正の実数）
   の関係を満足することを特徴とする結像光学系。
2. 前記第１の結像光学系を構成する光学部品の最も像側の面の光軸上の点と、前記第１の結像光学系の光軸が前記基板と交わる点を結ぶ距離をｍとし、
   前記第２の結像光学系を構成する光学部品の最も物体側の面の光軸上の点と、前記第２の結像光学系の光軸と前記基板と交わる点を結ぶ距離をｎとした時、
   ｍ＞ｎ
   であることを特徴とした請求項１記載の結像光学系。
3. 前記結像光学系は、ＥＵＶ光により原版のパターンを基板に露光する露光装置の、前記投影光学系の光軸方向における前記基板の位置を検出する検出手段に用いられる結像光学系であることを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. 原版のパターンを投影光学系を介して基板に露光する露光装置において前記投影光学系の光軸方向における計測領域の位置を検出する検出手段に用いられる結像光学系であって、
   前記結像光学系は、計測領域に物体の像を斜入射により結像させる第１の結像光学系と、
   前記第１の結像光学系で斜入射により前記基板面に結像された前記物体の像を受光手段に結像させる第２の結像光学系とを含み、
   前記第１の結像光学系の倍率の絶対値をβ、像距離をα×Ｌ_２、
   前記第２の結像光学系の倍率の絶対値をγ／β、物体距離をＬ_２としたとき、
   （α−１）×（γ−１）＞０ （但しα、γは共に正の実数）
   の関係を満足することを特徴とする結像光学系。
5. 原版のパターンを基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系の光軸方向における前記基板の位置を検出する検出手段とを有し、
   前記検出手段は請求項１〜４のいずれか１項に記載の結像光学系を含むことを特徴とする露光装置。
6. 請求項５に記載の露光装置を用いて原版のパターンを基板に露光する工程と、
   前記露光された基板を現像する工程とを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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