JP2010098143A - 露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
アライメント検出系により計測された基板上に設けられたアライメントマークの投影光学系の光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置と整合性を有する基板の表面の高さの計測を行う露光装置を提供する。
【解決手段】
投影光学系の光軸外に配置されるアライメント検出系と、フォーカス検出系と、を備え、基板ステージは、アライメント検出系用計測マークと、そのアライメント検出系用計測マークとの相対的位置関係が既知であるフォーカス検出系用計測マークと、を有し、制御手段は、アライメント検出系用計測マークの位置をアライメント検出系で計測し、フォーカス検出系に設けられている指標マークの像をフォーカス検出系用計測マークの上に投影することにより、その指標マークの像の位置をフォーカス検出系で計測し、その計測された前記指標マークの像の位置の設計値からの差分を補正し、基板の表面の高さをフォーカス検出系で計測するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は露光装置およびデバイス製造方法に関する。

デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）を製造する際に、ステッパーのような一括露光型の露光装置と、ステップ・アンド・スキャン方式のような走査型の露光装置が用いられている。
図１４は、従来の露光装置の概略構成図である。照明光学系ＩＬは、原版であるレチクルＲＴを露光光源ＬＳからの光で照明する。レチクルＲＴには転写すべき微細回路パターンが形成されている。そのパターンの像は、投影光学系ＰＯでウェハＷ上に投影される。

投影光学系ＰＯには、限界に近い解像力が求められている。このため、解像力に影響する大気圧、環境温度等の要因を測定して、測定結果に応じて投影光学系ＰＯの結像特性を補正する機構が、投影光学系ＰＯに備えられている。また、解像力を高めるべく投影光学系の開口数が大きく設定されるために、結果として焦点深度がかなり浅くなっている。そのため、斜入射検出方式のフォーカス検出系ＦＳにより、ウェハＷの表面の高さを計測し、投影光学系の焦点にウェハＷの表面が一致するようにウェハＷを移動している（特許文献１）。

また、解像力向上に伴い、高い重ね合わせ精度も要求されている。このため、投影光学系ＰＯの光軸外に配置されたアライメント検出系ＯＡにより、ウェハＷ上に設けられたアライメントマークを複数点観察し、投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面における位置を計測している。このとき投影光学系ＰＯの光軸と、アライメント検出系ＯＡの光軸は隔たりがあり、その距離をベースライン量と呼ぶ。このベースライン量が変化すると、アライメント検出系ＯＡでのアライメントマークの計測後、投影光学系ＰＯの下へウェハＷを移動すると誤差が発生してしまう。そこで、図示されないＴＴＬキャリブレーション系によりベースライン量の変化を計測し補正することで、より高精度で安定したアライメントを実現する。
特開２０００−２１７６８号公報

フォーカス検出系ＦＳは、フォーカス検出系ＦＳの内部に設けられた指標マークの像をウェハＷ上へ投影し、ウェハＷで反射された像を受光センサー上に再結像し、受光センサー上における結像位置の変化によりウェハＷの表面の高さの計測を行う。このフォーカス検出系ＦＳの性質上、フォーカス検出系ＦＳの光学性能やフォーカス検出系ＦＳに用いる検出光の波長による結像位置のずれなどによりウェハＷ上での結像状態や結像位置を確認することはできない。

しかし、近年、投影光学系ＰＯの解像力向上のため、開口数（ＮＡ）の増加や露光光の短波長化により、投影光学系ＰＯの焦点深度が浅くなっている。このため、フォーカス検出系ＦＳの計測精度向上が必要となっており、ウェハＷの表面の高さの微小な誤差や経時変化も無視できなくなっている。

また、フォーカス検出系ＦＳでは光源に複数の波長を用いているため、光学系に用いているレンズ等の波長毎の屈折率の違いにより、波長毎の結像位置ずれといった色ずれが発生する。特に、ウェハＷの面上に投影する指標マークの投影位置は重要である。この位置が変化すると、アライメント検出系ＯＡにより算出されるウェハＷ上に設けられたアライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置と、フォーカス検出系ＦＳで測定したウェハＷの表面の高さのｘｙ方向の位置に乖離が生じる。

このため、アライメント検出系ＯＡによるこのｘｙ方向の位置を元に、ウェハＷを投影光学系ＰＯの直下へ駆動し、ウェハＷの表面の高さを元に投影光学系ＰＯにとって最適なフォーカス位置へウェハＷの表面の高さをｚ方向へ駆動するはずである。しかし、投影光学系ＰＯにとって最適なフォーカス位置ではなく、デフォーカスしたウェハＷの表面の高さで露光することになり、露光性能低下の一因となる。

また、指標マークは下地の状態によりオフセットが発生する。指標マークは、光のほとんどがレジスト表面で反射されるが、一部はレジスト下へ透過し、その下地で反射する。下地に何もないか、スクライブラインがあるか、プロセスパターンがあるか等により計測結果に違いが出る。このため、プロセスパターン上の同じ位置を計測することが重要である。
そこで、本発明は、アライメント検出系により計測された基板上に設けられたアライメントマークの投影光学系の光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置と整合性を有する基板の表面の高さの計測を行う露光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の露光装置は、基板を移動させる基板ステージと、原版のパターンの像を前記基板に投影する投影光学系と、前記投影光学系の光軸外に配置され、前記基板の位置を計測するアライメント検出系と、前記基板の表面の高さを計測するフォーカス検出系と、前記基板ステージ、前記アライメント検出系および前記フォーカス検出系を制御する制御手段と、を備え、前記基板ステージは、アライメント検出系用計測マークと、そのアライメント検出系用計測マークとの相対的位置関係が既知であるフォーカス検出系用計測マークと、を有し、前記制御手段は、前記アライメント検出系用計測マークの位置を前記アライメント検出系で計測し、前記フォーカス検出系に設けられている指標マークの像を前記フォーカス検出系用計測マークの上に投影することにより、その指標マークの像の位置を前記フォーカス検出系で計測し、その計測された前記指標マークの像の位置の設計値からの差分を補正し、前記基板の表面の高さを前記フォーカス検出系で計測するように制御することを特徴とする。

さらに、本発明の露光装置は、基板を移動させる基板ステージと、原版のパターンの像を前記基板に投影する投影光学系と、前記投影光学系の光軸外に配置され、前記基板の位置を計測するアライメント検出系と、前記基板の表面の高さを計測するフォーカス検出系と、前記基板ステージ、前記アライメント検出系および前記フォーカス検出系を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記フォーカス検出系に設けられている指標マークの像を前記アライメント検出系で観察することにより、前記指標マークの像の位置を前記アライメント検出系で計測し、その計測された前記指標マークの像の位置の設計値からの差分を補正し、前記基板の表面の高さを前記フォーカス検出系で計測するように制御することを特徴とする。

本発明によれば、アライメント検出系により計測された基板上に設けられたアライメントマークの投影光学系の光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置と整合性を有する基板の表面の高さの計測を行う。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
図1を参照して、本発明の実施例１の露光装置を説明する。
本実施例１は、図１４に示される従来例の露光装置と大部分構成を共通にする。本実施例１は、投影光学系ＰＯを介してレチクルＲＴの回路パターンをウェハステージＷＳに搭載されるウェハＷに露光する露光装置で、一括露光型の露光装置（ステッパー）のみならず、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置にも適用される。

光源ＬＳは、ＫｒＦエキシマレーザーなどの紫外光を照射し、原版ステージであるレチクルステージＲＳは、原版であるレチクルＲＴを移動させるステージで、基板ステージであるウェハステージＷＳは、基板であるウェハＷを移動させるステージである。照明光学系ＩＬは、光源ＬＳから照射される紫外光によりレチクルＲＴを照明する光学系で、投影光学系ＰＯは、レチクルＲＴのパターンの像をウェハＷに投影する光学系である。

アライメント検出系ＯＡは、投影光学系ＰＯの光軸外に配置され、ウェハステージＷＳに設けられるアライメント検出系用計測マークＭ１を光学的に検出し、ウェハＷの位置を計測する検出系である。フォーカス検出系ＦＳは、斜入射検出方式で、ウェハステージＷＳに設けられるフォーカス検出系用計測マークＭ２を光学的に検出し、ウェハＷの表面の高さを計測する検出系である。ここで、ウェハステージＷＳは、アライメント検出系用計測マークＭ１と、そのアライメント検出系用計測マークＭ１との相対的位置関係が既知であるフォーカス検出系用計測マークＭ２とを有する。

アライメント検出系ＯＡは、投影光学系ＰＯを介さず、フォーカス検出系ＦＳとは別に設けられ、ウェハＷ上の計測マークを光学的に検出する検出光学系である。また、アライメント検出系ＯＡは、投影光学系ＰＯを通さないでウェハアライメントを行うため光学的な制約が少なく、一般的に投影光学系ＰＯを介した検出より高精度な検出を行うことが出来る。ウェハステージＷＳは、投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面を移動することができ、ウェハステージＷＳの位置を検出する位置検出干渉系ＩＦを用いて位置を計測される。この計測されたウェハステージＷＳの位置に基づいてアライメント検出系ＯＡにより検出できる範囲内に、図２に示されるウェハＷ上に設けられるアライメントマークＭが位置するように駆動し、ウェハＷの位置を計測する。フォーカス検出系ＦＳ、アライメント検出系ＯＡおよび位置検出干渉系ＩＦは、信号処理系８に接続される。

次に、図２を参照して、本発明の実施例１を構成するアライメント検出系ＯＡを詳しく説明する。
制御手段である信号処理系８は、ウェハステージＷＳ、アライメント検出系ＯＡおよびフォーカス検出系ＦＳを制御する手段である。この信号処理系８は、アライメント検出系用計測マークＭ１の位置をアライメント検出系ＯＡで計測するように制御する。信号処理系８は、フォーカス検出系ＦＳに設けられている図３に示されるマーク部材６２が有する指標マークＭ３の像をフォーカス検出系用計測マークＭ２の上に投影することにより、その指標マークＭ３の像の位置をフォーカス検出系ＦＳで計測するように制御する。次に、信号処理系８は、その計測された指標マークＭ３の像の位置の設計値からの差分を補正し、ウェハＷの表面の高さをフォーカス検出系ＦＳで計測するように制御する。このウェハＷの表面の高さの計測は、行う。すなわち、信号処理系８は、フォーカス検出系ＦＳを調整することにより差分を補正するように制御する。また、信号処理系８は、ウェハステージＷＳを移動することにより差分を補正するように制御する。

ウェハステージＷＳに設けられたウェハステージＷＳに設けられたフォーカス検出系用計測マークＭ２を、アライメント検出系ＯＡで観察し、指標マークＭ３の位置を求める。このアライメント検出系ＯＡは、ハロゲンランプなどから照射される広帯域波長の光や、Ｈｅ−Ｎｅレーザーなどの単色光を照射する照明光源２０を備えている。照明光源２０から照射された照明光２０ａは、照明系レンズ２１を介し、ハーフミラー２２で反射され結像レンズ前群２３へ入射する。照明光２０ａはリレーレンズ２４を介し、反射ミラー２５で反射され対物レンズ２６へ入射する。位置検出干渉計ＩＦの検出結果により駆動し、観察可能範囲内に移動されたウェハＷ上にあるアライメントマークＭを、対物レンズ２６で集光された照明光２０ａは照明する。

アライメントマークＭからの反射散乱光２０ｂは、対物レンズ２６を介し反射ミラー２５で反射された後、リレーレンズ２４へ入射する。その後、結像レンズ前群２３を介し、ハーフミラー２２を透過した後、結像レンズ後群２７で集光されＣＣＤ等の撮像素子２８上でアライメントマークＭの像を結像する。撮像素子２８上に形成されたアライメントマークＭの像の撮像信号は信号処理系８へ送られ、信号処理することによりウェハＷ上のアライメントマークＭの位置を検出する。さらに、位置検出干渉系ＩＦからの情報に基づき、ライメント検出系ＯＡにより、ウェハＷ上に設けられたアライメントマークＭの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置を算出する。この算出されたｘｙ方向の位置に基づいて、投影光学系ＰＯの露光領域にウェハステージＷＳを駆動し、順次、ウェハＷを露光する。

次に、図１、図３を参照して、本実施例１を構成するフォーカス検出系ＦＳを説明する。フォーカス検出系ＦＳは、ウェハＷの表面の凹凸の投影光学系ＰＯのｚ方向の高さを検出し、フォーカス位置であるウェハＷのｚ方向の表面の高さを計測する検出光学系である。フォーカス検出系ＦＳは、レチクルＲＴのパターンが転写されるウェハＷの表面に対して斜め方向からフォーカス検出系ＦＳに設けられたマーク部材６２が有する図３に示される指標マークＭ３を投影する。さらに、この反射光を検出し結像位置の変化よりウェハＷのｚ方向の表面の高さの情報を計測する。

図３に示されるようにフォーカス検出系ＦＳは、ＬＥＤなどを複数個用いた波長選択可能な照明光源６１を有する。フォーカス検出系ＦＳでは、ウェハＷの状態により最適な検出光波長が異なるため、最適な波長帯域を選択し、用いる必要がある。照明光源６１を射出した光６１ａは、フォーカス検出系ＦＳを構成するマーク部材６２に設けられる指標マークＭ３を照明する。この指標マークＭ３はウェハＷと共役な位置に設けられ、ウェハＷ上で結像する。マーク部材６２の指標マークＭ３を透過した光６２ａは色収差補正光学部材４２ａへ入射する。色収差補正光学部材４２ａは、楔形をした複数の光学部材から成り、波長毎の屈折率の違いを利用し、色ずれを補正する。その後、結像光学系６３（６３ａ，６３ｂ）、６４（６４ａ，６４ｂ）を透過した光６２ａはウェハＷ上へ投影される。

先に述べたように指標マークＭ３とウェハＷは共役の位置にあるため、指標マークＭ３が結像光学系６３、６４により所定倍率でウェハＷ上に結像される。指標マークＭ３を透過した光６２ａは、ウェハＷの表面で反射し、結像光学系６５（６５ａ，６５ｂ）、６６（６６ａ，６６ｂ）へ入射する。その後、指標マークＭ３を透過した光６２ａは、色収差補正光学部材４２ｂへ入射し、受光素子６７で再び結像する。

フォーカス検出系ＦＳの検出部は、反射光６２ａに対応した位置検出用の受光素子６７を有し、位置検出用の受光素子６７の受光面とウェハＷの光束の反射面がほぼ共役になるように配置される。そのためウェハＷあるいはウェハＷ側基準プレートの投影光学系ＰＯのｚ方向の位置ずれは、フォーカス検出系ＦＳの検出部内の位置検出用の受光素子６７上でｘｙ方向の位置ずれとして計測され、信号処理系８で処理される。特に、フォーカスのみならずレベリング（傾き）検出として、複数の光束とそれに応じた複数個の位置検出用の受光素子６７が設けられ、各位置検出用の受光素子６７の受光面とウェハＷの各光束の反射点がほぼ共役になるように配置される。複数の各計測点のフォーカス計測結果から、ウェハＷあるいはウェハＷ側基準プレートの傾きを計測する。

図２に示されるウェハステージＷＳの周辺の拡大図が図４に示される。アライメント検出系用計測マークＭ１との相対的な位置関係が既知であるフォーカス検出系用計測マークＭ２が、ウェハステージＷＳ上に設けられる。フォーカス検出系用計測マークＭ２は、図５（ａ）に示されるように反射率の高い部分７２と、反射率の低い部分７３とを有する。フォーカス検出系ＦＳは、フォーカス検出系用計測マークＭ２で反射した指標マークＭ３の像の光強度に基づいて指標マークＭ３の影の位置を計測する。このフォーカス検出系用計測マークＭ２はライン状のマークで、フォーカス検出系ＦＳより投影された指標マークＭ３の長手方向とフォーカス検出系用計測マークＭ２のライン状のマークの長手方向が平行であることが好適である。図４では、フォーカス検出系用計測マークＭ２として、計測方向が互いに直交する２種類のマークを示している。また、その２種類のマークのそれぞれは３本のラインで構成されている。図５（ａ）では、その２種類のマークのうち１種類のマークのみをラインを１本に簡略化して示している。以下では、簡略化したマークを使って説明する。

まず、図５（ａ）（ｂ）に示されるようにアライメント検出系用計測マークＭ１をアライメント検出系ＯＡで測定し、アライメント検出系ＯＡに対してウェハステージＷＳ上のアライメント検出系用計測マークＭ１の位置合わせを行う。これにより、ウェハステージＷＳの原点位置７０合わせが行われる。
次に、指標マークＭ３の投影像が結像している最適なｚ方向の高さを計測により求める。この理由は、フォーカス検出系ＦＳに設けられるマーク部材６２が有する指標マークＭ３は斜入射により投影されているため、ｚ方向の高さのずれがｘｙ方向への位置ずれ７１となって表れるためである。

ウェハステージＷＳ上のフォーカス検出系用計測マークＭ２の無い部分に指標マークＭ３を投影し、ｚ方向へ駆動しながら指標マークＭ３の検出光強度を測定する。検出光強度が最大になったｚ方向の高さが、指標マークＭ３がウェハステージＷＳ上にて結像状態が最良の位置である。ウェハステージＷＳ上のフォーカス検出系用計測マークＭ２のある部分で指標マークＭ３のｚ方向の高さを計測する場合は、フォーカス検出系ＦＳが斜入射で計測しているため、ｚ方向の高さによってｘｙ方向の位置も誤差が出る。このため、ｚ方向へ駆動しながら検出光強度を測定する場合、同時にx(もしくはy)駆動を行い、フォーカス検出系ＦＳの投影光軸に平行に斜めスキャンして計測する。

すなわち、本実施例１では、ウェハステージＷＳに設けられたフォーカス検出系用計測マークＭ２を用いて、指標マークＭ３の投影されるｚ方向の高さの計測をする際に、指標マークＭ３の投影光軸に沿って斜めスキャンすることにより計測する。
そして、前記測定したｚ方向の高さを保持したまま、フォーカス検出系用計測マークＭ２をウェハステージＷＳ上のフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３の投影位置へx(もしくはy)駆動する。この動作はアライメント検出系計測マークＭ１とフォーカス検出系用計測マークＭ２の位置は図４に示されるように既知である為、図５（ａ）に示されるように位置検出干渉計ＩＦを基準として駆動できる。

この駆動が終了後、図５（ｂ）に示されるようにフォーカス検出系用計測マークＭ２へフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３を投影する。ウェハステージＷＳを位置検出干渉計ＩＦでx(もしくはy)位置を計測しながら駆動し、指標マークＭ３がフォーカス検出系用計測マークＭ２を横切りながら反射光の光量を測定する。反射率が高い部分であるフォーカス検出系用計測マークＭ２へ指標マークＭ３が投影されると、検出信号強度は強くなり、フォーカス検出系用計測マークＭ２の周囲の反射率が低い部分へ指標マークＭ３が投影されると検出信号強度は弱くなる。

図５（ｂ）に示されるようにウェハステージＷＳのx(もしくはy)位置と信号強度の関係がわかれば、信号強度のピーク位置が投影している指標マークＭ３の投影位置となる。本実施例１では、フォーカス検出系用計測マークＭ２の反射率を高くする。しかし、逆に、フォーカス検出系用計測マークＭ２の反射率を低くしてもよくこの場合、信号強度のピーク位置とは逆のボトム位置が投影している指標マークＭ３の投影位置となる。

次に、上記手法をｘｙ方向に対して行い、設計値の指標マークＭ３の投影位置と現在の指標マークＭ３の投影位置のxｙ方向の位置の差分がわかる。この結果を基に指標マークＭ３を前記測定したxｙ方向の位置の差分量だけずらした位置に投影し、設計値の指標マークＭ３の投影位置に投影することが可能である。
または、フォーカス検出系ＦＳによるウェハＷの表面の高さの測定結果のｘｙ方向の位置の座標に前記計測結果を反映させる。そこで、アライメント検出系ＯＡにより算出されたウェハＷ上のアライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置と整合性を取った位置に補正しても良い。また、特開平１１−１３５４１１号公報に記載の手法にて、指標マークＭ３の投影位置を調整しても良い。

次に、図１１のフロー図を参照して、本実施例１により露光する場合を説明する。上記補正を用いてフォーカス検出系ＦＳで計測するウェハＷの表面の高さと、アライメント検出系ＯＡにより算出されたウェハＷ上のアライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置との相対的位置合わせを行い露光する。
図1に示される本実施例の露光装置内に搬入されたウェハＷは、ウェハステージＷＳに搭載される。（ステップ１０１）ウェハＷはウェハステージＷＳに保持されたまま移動し、上記計測方法により、フォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３の投影位置の差分を計測する。（ステップ１０２）

次に、第２の露光のプロセスウェハＷであれば、アライメント検出系ＯＡによりウェハＷ上のライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置を計測する。（ステップ１０３）これはウェハＷ上の素子に設けられるアライメントマークＭを、計測し、このｘｙ方向の位置を読み取って露光時のxy方向の位置ずれやθ回転などを無くすための計測である。
アライメント検出系ＯＡによる計測が終了すると、ステップ１０２の結果に基づいてフォーカス検出系ＦＳによるウェハＷの表面の高さの計測を行う。（ステップ１０４）

このウェハＷの表面の高さの計測前には、指標マークＭ３の投影位置補正が必要である。フォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３の投影位置補正、あるいはウェハＷの表面の高さの計測時の送り込み位置補正であれば、指標マークＭ３の投影位置計測から、ウェハＷの表面の高さの計測の開始までであればいつでも良い。これによりアライメント検出系ＯＡにより算出されたウェハＷ上のライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置の座標と整合性を有する座標系にて計測することができる。
すなわち、ステップ１０３，１０４の結果による情報を基に露光するために位置補正を行う。（ステップ１０５）
そして、露光を開始する。（ステップ１０６）

本実施例１では、フォーカス検出系用計測マークＭ２は、図５（ａ）（ｂ）に示されるように反射率の高い部分７２、反射率の低い部分７３を有するが、図６（ａ）（ｂ）に示されるように平面７４と段差構造７５を有するマークでもよい。ウェハステージＷＳに設けられたフォーカス検出系用計測マークＭ２が、反射率の高い部分７２、反射率の低い部分７３を有し、フォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３の反射光強度により指標マークＭ３の投影位置を計測する。あるいは、ウェハステージＷＳに設けられたフォーカス検出系用計測マークＭ２が、段差構造７５を有し、フォーカス検出系ＦＳにより、フォーカス検出系用計測マークＭ２の高さの変化を計測することにより、指標マークＭ３の投影位置を計測する。

図６（ａ）に示されるようにフォーカス検出系用計測マークＭ２は凸状に設けられるが、逆に凹状に設けられてもよい。図５（ａ）（ｂ）に示される反射率の高い部分７２、反射率の低い部分７３を有するフォーカス検出系用計測マークＭ２を用いた前記計測方法と同様の手法を用いる。すなわち、図６（ａ）（ｂ）に示されるフォーカス検出系用計測マークＭ２へフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３を投影し、位置検出干渉計ＩＦで位置を計測しながらフォーカス検出系ＦＳにて計測を行う。

フォーカス検出系ＦＳは、ウェハＷのｚ方向の高さを計測する検出系であるため、図６（ｂ）に示されるようにフォーカス検出系用計測マークＭ２の凸部(もしくは凹部)ではマークの無い部分と違うピーク(もしくはボトム)を検出することができる。このピーク(もしくはボトム)位置が、指標マークＭ３の投影位置となる。すなわち、フォーカス検出系用計測マークＭ２を用いて指標マークＭ３の投影位置計測をする際に、ｘ方向の位置若しくはｙ方向の位置と、ｚ方向の高さと、検出光強度とによる分布を計測し、最も強度の高い位置を指標マークＭ３の投影位置とする。

次に、図７（ａ）（ｂ）を参照して、本発明の実施例２を説明する。
前記実施例１において、計測時には、まず、ｚ方向の高さを計測してから、最適なｘｙ方向の位置を求めるが、本実施例２では、別の手法にてｘｙｚ方向の最適位置を求める点が異なる。実施例1と同じ構成の露光装置により計測を行う場合、所定のz方向の高さでx方向へ(もしくはy方向)駆動しながら検出光強度を取得する。

本実施例２は、ウェハステージＷＳに設けられたフォーカス検出系用計測マークＭ２を計測する際に、x方向の位置若しくはy方向の位置と、z方向の高さと、投影光の高さ分布とを計測し、最も高い若しくは最も低い位置を指標マーク３の投影位置とする。
次に、アライメント検出系用計測マークＭ１およびフォーカス検出系用計測マークＭ２をz方向に少し駆動させ、再びx方向へ(もしくはy方向)駆動しながら検出光強度を取得する。これを繰り返すことにより、x方向 (もしくはy方向) の位置とz方向の高さ、検出光強度の分布を描くことができる。

図７（ａ）のグラフに、 x方向(もしくはy方向)の位置とz方向の高さでの検出光強度の計測結果が示され、「強」から「弱」へ信号強度の分布が変化する。これにより、最も検出光強度の高い位置がｘｙｚ方向の最適位置となる。実施例1と同様の手法により設計値の位置に指標マークＭ３を投影する。このため、誤差が少なく、アライメント検出系ＯＡ により算出されたウェハＷ上のライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置とも整合性を有するウェハＷの表面の高さの計測をすることができる。

なお、計測時間を短縮するため、予め図７（ａ）に示されるような検出光強度分布を有し、数点の位置で計測し、検出光強度分布と適応させて、ｘｙz方向の位置の最適値を類推しても良い。この計測時間を短縮する実施例２が図７（ｂ）に示され、「強」から「弱」へ信号強度の分布が変化する。所定のｚ方向の高さでの３点７６，７７，７８のｘ位置での検出光強度分布を測定し、これらの関係と予め有しておいた検出光強度分布より最も信号強度の高い位置７９を類推する。

次に、本発明の実施例３を説明する。
複数波長を用いた場合、フォーカス検出系ＦＳの光学系要因により色ずれが発生し、指標マークＭ３の投影位置にずれが生じ、このずれ補正するために以下の手法を用いる。
実施例１、２と、同じ構成の露光装置により同じの計測方法を照明波長毎において行い、その波長間の差分を見ることで、波長による色ずれを計測することができる。

本実施例３においては、制御手段である信号処理系８は、フォーカス検出系ＦＳに用いる検出光の波長を切換えることにより前記差分を補正するように制御する。すなわち、フォーカス検出系ＦＳに用いる複数の検出光波長を切換えて、指標マークＭ３の投影位置のずれを計測する。計測した色ずれ量は光学系内に設けられる色差補正光学部材４２ａ，４２ｂを用いて補正しても良いし、この結果をもとに指標マークＭ３を前記測定した差分量だけずらした位置に投影することで、色ずれを補正した位置に投影することが可能である。または、フォーカス検出系ＦＳによるウェハＷの表面の高さ結果のｘｙ方向の位置の座標に前記計測結果を反映させ、座標を補正しても良い。
本実施例３の測定により、高精度に指標マークＭ３の投影位置を測定できるため、組立調整時や定期的な相対位置計測に有効である。

次に、図８を参照して、本発明の実施例４を説明する。
アライメント検出系ＯＡなどの検出系の視野内にフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３が投影される場合、直接、ウェハＷの位置に結像した指標マークＭ３を観察し結像状態、結像位置の測定を行うことが可能である。アライメント検出系ＯＡなどの検出系の視野内にフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３が投影される実施例として、以下に、本発明のツーステージの露光装置の実施例４を説明する。

近年、生産性を向上させるために一つの露光装置内に、図８に示されるように二つのウェハステージＷＳ１，ＷＳ２を有し、位置合わせと露光とをそれぞれのウェハステージＷＳ１，ＷＳ２にて行う露光装置が存在している。露光側には投影光学系ＰＯ用の照明光源ＬＳ、照明光をレチクルＲＴへ均一に照射するための照明光学系ＩＬ、レチクルＲＴのパターン像をウェハＷ２上へ投影するための投影光学系ＰＯが設けられる。

一方、位置あわせ側にはウェハＷ１の位置を検出するためのアライメント検出系ＯＡ、ウェハＷ１のｚ方向の高さである表面の高さを計測するためのフォーカス検出系ＦＳが設けられる。また、それぞれのウェハステージＷＳ１，ＷＳ２には位置を計測するための位置検出干渉計ＩＦ１、ＩＦ２が設けられる。
本実施例４においては、位置合わせを行うウェハステージＷＳ１側において、フォーカス検出系ＦＳは、投影光学系ＰＯのフォーカス測定を行うと同時に、アライメント検出系ＯＡに対するウェハＷ１のフォーカス位置である表面の高さを計測する機能を備えている。アライメント検出系ＯＡに対する表面の高さを計測するために、アライメント検出系ＯＡの観察視野内にフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３が投影されている。投影されている指標マークＭ３の反射光の結像位置を測定することでアライメント検出系ＯＡに対するウェハＷ１の表面の高さを求める。

以上説明した本実施例４により、下記のようにフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３の投影位置を測定する。図９を参照して、この計測方法を説明する。なお、図９に示される光学部材は、図１および図３と参照番号は共通する。
本実施例４においては、制御手段である図１に示される信号処理系８は、フォーカス検出系ＦＳに設けられている指標マークＭ３の像をアライメント検出系ＯＡで観察することにより、指標マークＭ３の像の位置をアライメント検出系ＯＡで計測するように制御する。さらに、信号処理系８は、その計測された指標マークＭ３の像の位置の設計値からの差分を補正し、ウェハＷ１の表面の高さをフォーカス検出系ＦＳで計測するように制御する。本実施例４においては、アライメント検出系ＯＡを用いてウェハステージＷＳ１の指標マーク３の像を観察する際に、基板ステージ上であるウェハステージＷＳ上に設けられた拡散面８０を用いて観察する。

まず、位置合わせ側のウェハステージＷＳ上に光が乱反射する拡散面８０を用意する。
この光が乱反射する拡散面８０がアライメント検出系ＯＡの観察視野８１内へ来るように移動させる。アライメント検出系用計測マークＭ１をアライメント検出系ＯＡで測定し、既知の距離をウェハステージ位置検出干渉計ＩＦの基準で移動させても良いし、座標基準のみで移動しても良い。光が乱反射する拡散面８０は指標マークＭ３の投影位置に送り込めれば良いので精細な位置精度は必要ない。

次に、この光が乱反射する拡散面８０へフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３を投影する。通常のウェハＷや基準プレートでは、そのほとんどが全反射されるが、光が乱反射する拡散面８０へ入射しているため、一部は散乱光となる。このため、ウェハステージＷＳ上に結像された指標マークＭ３を、アライメント検出系ＯＡで直接観察することができる。

まず、アライメント検出系ＯＡでウェハステージＷＳのz方向への駆動をしながら投影された指標マークＭ３のコントラストを測定し、最もコントラストの高い位置と、フォーカス検出系ＯＡのフォーカス測定値を求める。この測定値により指標マークＭ３の結像ｚ位置、そのときのウェハステージＷＳのｚ方向の高さ、そのときのフォーカス検出系ＯＡの計測値を求めることができる。

次に、図９に示されるアライメント検出系観察視野８１内の実線の十字８２が本来照射されるべき指標マークＭ３の投影位置である。これに対して、上記手法で計測した場合、破線の十字８３が指標マークＭ３の投影位置となり、Δx、Δyのずれを求めることができる。この結果を基に指標マークＭ３を前記測定したｘｙ方向の位置の差分量だけずらした位置にウェハＷを送り込んで指標マークＭ３を投影することで、位置に投影することが可能である。また、特開平１１−１３５４１１号公報に記載の手法にて、指標マークＭ３の投影位置を調整しても良い。

本実施例４の結果をもちいて、指標マークＭ３の結像位置を求めることができる。このため、設計値の位置に指標マークＭ３を投影し、アライメント検出系ＯＡにより算出されたウェハＷ上のライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置と整合性を有するウェハＷの表面の高さの計測をすることができる。なお、本実施例４では投影された指標マークＭ３を観察するため、光が乱反射する拡散面８０をウェハステージＷＳに用意する実施例を示した。しかし、図１２に示される本実施例４の変形例のように回折格子８０ａ、あるいは、図１３に示される本実施例４の変形例のように指標マークＭ３をアライメント検出系ＯＡに入射するような傾斜を有するミラーのような反射面８０ｂを有しても同様の計測ができる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例５を説明する。
本実施例５を用いて波長による色ずれを計測することが可能である。
図１０に本実施例５の露光装置を用いた計測法が示され、なお、図１０に示される光学部材は、図１および図３において参照番号は共通する。図９の実施例４と共通の手法部分の詳細な説明は省略する。ウェハステージＷＳ上に光が乱反射するような拡散面８０を有し、この拡散面８０上へフォーカス検出系ＦＳで使用している各照明波長を使って指標マークＭ３を投影する。ウェハステージＷＳ上に結像された指標マークＭ３をアライメント検出系ＯＡで直接観察することで、波長毎のｘｙｚ方向のずれを測定することができる。

図１０に示されるアライメント観察視野８１内にある二つの破線の十字８４，８５は、照明波長毎の指標マークＭ３を示している。これら指標マークＭ３の波長毎の投影位置差をなるべく小さくすることで、指標マークＭ３の投影位置の波長による差を低減できる。指標マークＭ３を測定したｘｙ方向の位置の差分量だけずらした位置に投影することで、予定している投影位置に投影することが可能である。または、フォーカス検出系ＦＳによる表面の高さ結果のｘｙ方向の位置の座標に計測結果を反映させ、本来の座標に補正しても良い。また、光学系の調整をし、色差補正光学部材４２ａ，４２ｂの調整によって指標マークＭ３の投影位置を再調整しても良い。
本実施例５による結果を用いて、指標マークＭ３の結像位置を求めることができる。このため、設計値の位置に指標マークＭ３を投影し、アライメント検出系ＯＡにより算出されたウェハＷ上のライメントマークの投影光学系ＰＯの光軸と垂直な平面におけるｘｙ方向の位置とも整合性を有するウェハＷの表面の高さの計測をすることができる。

以上説明した本実施例では、オフアクシスアライメント検出系ＯＡをアライメント検出系の例としたが、限定するものではなく図示されないＴＴＲやＴＴＬアライメント検出系を用いても良い。
また、投影光学系ＰＯとアライメント検出ＯＡの位置関係であるベースライン量を測定するための図示されないＴＴＬキャリブレーション検出系を介して相対位置合わせを行っても良い。この場合、ＴＴＬキャリブレーション検出系とアライメント検出系ＯＡとの相対位置、ＴＴＬキャリブレーション検出系とフォーカス検出系ＦＳに設けられる指標マークＭ３の投影位置との相対位置という２段階の計測により求めることができる。

（デバイス製造方法の実施例）
デバイスは、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（ウェハ、ガラスプレート等）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、を経ることにより形成、製造される。他の周知の工程には、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等を含む。

本発明の実施例１の露光装置の概略構成図である。 本発明の実施例１のアライメント検出系の構成図である。 本発明の実施例１のフォーカス検出系の構成図である。 本発明の実施例１のフォーカス検出系に設けられる指標マークおよびウェハステージに設けられた計測マークの構成図である。 本発明の実施例１のフォーカス検出系の経時変化の計測説明図である。 本発明の実施例１のフォーカス検出系の経時変化の計測説明図である。 本発明の実施例２におけるx方向(もしくはy方向)の位置とｚ方向の高さと検出光強度の計測結果のグラフである。 本発明の実施例４のツーステージの半導体露光装置の概略構成図である 本発明の実施例４のツーステージの半導体露光装置のフォーカス検出系の経時変化の計測説明図である。 本発明の実施例５のツーステージの半導体露光装置のフォーカス検出系の経時変化の計測説明図である。 本発明の実施例１によるフロー図である。 本発明の実施例４の変形例の構成図である。 本発明の実施例４の変形例の構成図である。 従来例の露光装置の概略構成図である。

符号の説明

ＬＳ：光源
ＩＬ：照明光学系
ＲＴ：レチクル
ＲＳ：レチクルステージ
ＰＯ：投影光学系
Ｗ：ウェハ
ＷＳ：ウェハステージ
ＦＳ：フォーカス検出系
ＯＡ：アライメント検出系
ＩＦ：ウェハステージ位置検出干渉計
Ｍ：アライメントマーク
Ｍ１：アライメント検出系用計測マーク
Ｍ２：フォーカス検出系用計測マーク
Ｍ３：指標マーク
８：信号処理系
２０：照明光源
２１：照明系レンズ
２２：ハーフミラー
２３：結像レンズ前群
２４：リレーレンズ
２５：反射ミラー
２６：対物レンズ
２７：結像レンズ後群
２８：撮像素子
４２ａ，４２ｂ：色収差補正光学部材
６１：照明光源
６２：マーク部材
６３：結像光学系
６４：結像光学系
６５：結像光学系
６６：結像光学系
６７：受光素子

Claims (7)

1. 基板を移動させる基板ステージと、
   原版のパターンの像を前記基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系の光軸外に配置され、前記基板の位置を計測するアライメント検出系と、
   前記基板の表面の高さを計測するフォーカス検出系と、
   前記基板ステージ、前記アライメント検出系および前記フォーカス検出系を制御する制御手段と、を備え、
   前記基板ステージは、アライメント検出系用計測マークと、そのアライメント検出系用計測マークとの相対的位置関係が既知であるフォーカス検出系用計測マークと、を有し、
   前記制御手段は、前記アライメント検出系用計測マークの位置を前記アライメント検出系で計測し、
   前記フォーカス検出系に設けられている指標マークの像を前記フォーカス検出系用計測マークの上に投影することにより、その指標マークの像の位置を前記フォーカス検出系で計測し、
   その計測された前記指標マークの像の位置の設計値からの差分を補正し、前記基板の表面の高さを前記フォーカス検出系で計測するように制御することを特徴とする露光装置。
2. 基板を移動させる基板ステージと、
   原版のパターンの像を前記基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系の光軸外に配置され、前記基板の位置を計測するアライメント検出系と、
   前記基板の表面の高さを計測するフォーカス検出系と、
   前記基板ステージ、前記アライメント検出系および前記フォーカス検出系を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記フォーカス検出系に設けられている指標マークの像を前記アライメント検出系で観察することにより、前記指標マークの像の位置を前記アライメント検出系で計測し、
   その計測された前記指標マークの像の位置の設計値からの差分を補正し、前記基板の表面の高さを前記フォーカス検出系で計測するように制御することを特徴とする露光装置。
3. 前記制御手段は、前記フォーカス検出系を調整することにより前記差分を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記制御手段は、前記基板ステージを移動することにより前記差分を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
5. 前記制御手段は、前記フォーカス検出系に用いる検出光の波長を切換えることにより前記差分を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
6. 前記フォーカス検出系用計測マークは、反射率の高い部分と反射率の低い部分とを有し、
   前記フォーカス検出系は、前記フォーカス検出系用計測マークで反射した前記指標マークの像の光強度に基づいて前記指標マークの影の位置を計測することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
7. 請求項１から６のいずれか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、
   該現像された基板を用いて、デバイスを形成する工程と、を備えることを特徴とするデバイス製造方法。

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