JP2020190654A - 露光装置及び物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォーカスキャリブレーションの点で有利な露光装置を提供する。【解決手段】マスク２のパターンを基板５に投影する投影光学系４と、投影光学系の物体面に配置され、投影光学系の光軸方向における位置が互いに異なる複数のパターン要素を含む計測パターンと、計測パターンからの光を投影光学系を介して検出する第１検出部２３と、露光処理を行う際に、光軸方向におけるマスクと基板との相対位置を制御する制御部７と、を有し、制御部は、投影光学系の基準フォーカス位置に配置された第１検出部の検出結果から得られる複数のパターン要素のそれぞれを通過した光の光量を表す第１光量分布と、その後の基準フォーカス位置に配置された第１検出部の検出結果から得られる前記複数のパターン要素のそれぞれを通過した光の光量を表す第２光量分布とに基づいて、相対位置を制御することを特徴とする露光装置１００を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、露光装置及び物品の製造方法に関する。

半導体デバイスや液晶表示素子などのデバイスをフォトリソグラフィ工程で製造する際に、マスクのパターンの像を基板に投影して、かかるパターンを基板に転写する露光装置が用いられている。露光装置には、マスクのパターンを基板に正確に転写するために、マスクと基板との位置合わせ（アライメント）及び焦点位置合わせ（フォーカスキャリブレーション）を高精度に行うことが要求される。

アライメントやフォーカスキャリブレーションの方式の１つとして、マスクに対する基板の相対位置やマスクのパターンの焦点位置を、投影光学系を介して計測するＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式が提案されている（特許文献１参照）。フォーカスキャリブレーションでは、一般的に、マスク側マークを通過した光を、基板側マーク（が設けられたステージ）を投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）に移動させながら、投影光学系及び基板側マークを介して検出し、その光量変化から焦点位置を求めている。

特開平４−３４８０１９号公報

しかしながら、従来技術では、フォーカスキャリブレーションを行うたびに、基板側マーク（ステージ）をＺ方向に移動させる必要があるが、かかる動作には時間を要するため、生産性の低下を招いてしまう。また、基板側マークをＺ方向に移動させる動作と、実際の露光動作とは並行して行うことができないため、実際の露光動作における焦点位置（フォーカス状態）を求めることができない。従って、フォーカスキャリブレーションを行ったとしても、実際の露光動作において、基板を最適な焦点位置（ベストフォーカス位置）に維持することができず、露光精度が低下する可能性がある。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、フォーカスキャリブレーションの点で有利な露光装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての露光装置は、マスクのパターンを基板に転写する露光処理を行う露光装置であって、前記マスクのパターンを前記基板に投影する投影光学系と、前記投影光学系の物体面に配置され、前記投影光学系の光軸方向における位置が互いに異なる複数のパターン要素を含む計測パターンと、前記計測パターンからの光を前記投影光学系を介して検出する第１検出部と、前記露光処理を行う際に、前記光軸方向における前記マスクと前記基板との相対位置を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、第１タイミングで前記投影光学系の基準フォーカス位置に配置された前記第１検出部の検出結果から得られる前記複数のパターン要素のそれぞれを通過した光の光量を表す第１光量分布と、前記第１タイミングの後の第２タイミングで前記基準フォーカス位置に配置された前記第１検出部の検出結果から得られる前記複数のパターン要素のそれぞれを通過した光の光量を表す第２光量分布とに基づいて、前記相対位置を制御することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、フォーカスキャリブレーションの点で有利な露光装置を提供することができる。

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。 フォーカス計測処理時における露光装置を示す概略図である。 変化量計測処理時における露光装置を示す概略図である。 第３計測パターンの構成の一例を示す図である。 フォーカス変化量を求める変化量計測処理を説明するための図である。 フォーカス変化量を求める変化量計測処理を説明するための図である。 ベストフォーカス位置と、基板ステージのＺ方向の位置との関係とを示す図である。 第３計測パターンをＸＹ平面に対して傾かせる角度の設定を説明するための図である。 第３計測パターンをＸＹ平面に対して傾かせる角度の設定を説明するための図である。 図１に示す露光装置の動作を説明するためのフローチャートである。 変化量計測処理の詳細なフローチャートである。 フォーカス計測処理を説明するための図である。 撮像素子の検出結果の一例を示す図である。 本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。 従来技術における露光装置の構成を示す概略図である。 図１５に示す露光装置の動作を説明するためのフローチャートである。 第１計測パターンの構成の一例を示す図である。 検出器で検出される光の光量と基板ステージのＺ方向の座標位置との関係の一例を示す図である。 フォーカス計測処理の詳細なフローチャートである。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。更に、添付図面においては、同一もしくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

まず、図１５乃至図１９を参照して、従来技術におけるＴＴＬ方式のフォーカスキャリブレーションについて説明する。図１５は、従来技術における露光装置の構成を示す概略図である。ここでは、水平面をＸＹ平面とし、鉛直方向をＺ軸方向とするようにＸＹＺ座標系が定義されている。

図１５を参照するに、照明光学系１からの光（露光光）は、マスクステージ３に保持されたマスク２を通過し、投影光学系４を介して、基板ステージ６に保持された基板５に到達する。マスク２（のパターン面）と基板５とは、投影光学系４によって、共役な位置関係になっている。従って、マスク２のパターン（実デバイスパターン）は、投影光学系４を介して基板上に投影されて、基板５に転写される。

図１６は、図１５に示す露光装置の動作を説明するためのフローチャートである。Ｓ１０１では、マスク２のパターンの結像位置（ベストフォーカス位置）を求めるためのフォーカス計測処理を行う。Ｓ１０２では、Ｓ１０１のフォーカス計測処理の結果から、露光に適した基板５の最適位置（ベストフォーカス位置に基板５を位置決めするために必要となる基板ステージ６の移動量）や投影光学系４の補正部材の駆動量を求める演算処理を行う。Ｓ１０３では、Ｓ１０２の演算処理で求めた基板５の最適位置や補正部材の駆動量に基づいて、基板ステージ６や補正部材を駆動する補正処理を行う。Ｓ１０４では、マスク２のパターンを基板５に転写する露光処理を行う。Ｓ１０５では、露光処理が行われた基板５の数が所定数に到達したかどうかを判定する。露光処理が行われた基板５の数が所定数に到達していなければ、Ｓ１０１に移行する。一方、露光処理が行われた基板５の数が所定数に到達していれば、動作を終了する。

ここで、フォーカス計測処理（Ｓ１０１）及び補正処理（Ｓ１０３）について具体的に説明する。フォーカス計測処理では、まず、マスク２又はマスクステージ３に設けられている第１計測パターン１５が照明光学系１の下に位置するように、マスクステージ制御部８の制御下において、干渉計等（不図示）を用いてマスクステージ３を移動させる。図１７は、第１計測パターン１５の構成の一例を示す図である。第１計測パターン１５は、照明光学系１からの光を通過（透過）させる所定の線幅及びピッチを有する複数のパターン要素１５Ａと、照明光学系１からの光を遮蔽する遮光部１５Ｂとを含み、複数のパターン要素１５Ａが形成された平板で構成されている。

次いで、基板ステージ６に設けられた第２計測パターン９が第１計測パターン１５に対応した配置になるように、基板ステージ制御部１１の制御下において、干渉計等（不図示）を用いて基板ステージ６を移動させる。第２計測パターン９は、第１計測パターン１５に対応して、複数のパターン要素と、遮光部とを含む。また、第２計測パターン９の下には、第２計測パターン９を通過した光（の光量）を検出する検出器１０が設けられている。

上述した状態において、基板ステージ６を投影光学系４の光軸方向（Ｚ方向）に微小移動させながら、検出器１０で検出される光の光量が最大となる座標位置Ｚ_０を主制御部７で求める。図１８は、検出器１０で検出される光の光量（検出光量）と基板ステージ６のＺ方向の座標位置との関係の一例を示す図であって、縦軸は検出光量を示し、横軸は基板ステージ６のＺ方向の座標位置を示している。検出光量が最大となる基板ステージ６のＺ方向の座標位置は、第１計測パターン１５と第２計測パターン９とが共役な位置関係であるときの座標位置である。従って、検出光量が最大となる基板ステージ６のＺ方向の位置座標を探索することで、第１計測パターン１５からの光の結像位置、即ち、マスク２のパターンの焦点位置（ベストフォーカス位置）を求めることができる。そして、主制御部７は、求めた焦点位置に基づいて、基板ステージ６を焦点位置のずれ分だけＺ方向に移動させることで、マスク２のパターンの焦点位置を基板５にあわせることが可能となる。

図１９は、Ｓ１０１のフォーカス計測処理の詳細なフローチャートである。Ｓ２０１では、第１計測パターン１５が照明光学系１の下に位置するように、マスクステージ３をフォーカス計測位置まで移動させる。Ｓ２０２では、第２計測パターン９が第１計測パターン１５に対応した配置になるように、基板ステージ６をフォーカス計測位置まで移動させる。Ｓ２０１の工程及びＳ２０２の工程に関しては、どちらを先に行ってもよいし、それらを並行して行ってもよい。Ｓ２０３では、照明光学系１からの光で第１計測パターン１５を照明する。Ｓ２０４では、基板ステージ６をＺ方向に移動させる。Ｓ２０５では、第２計測パターン９を通過した光を検出器１０で検出して検出光量を取得する。なお、Ｓ２０４の工程とＳ２０５の工程とは並行して（同時に）行う。Ｓ２０６では、Ｓ２０４における基板ステージ６のＺ方向の位置、及び、Ｓ２０５で取得した検出光量に基づいて、検出光量が最大となる基板ステージ６のＺ方向の位置を求める。

このように、従来技術では、フォーカスキャリブレーションを行うたびに、第２計測マーク９が設けられた基板ステージ６をＺ方向に移動させなければならないため、露光装置の生産性が低下してしまう。また、従来技術では、実際の露光処理における焦点位置を求めているのではないため、実際の露光処理において、基板５を最適な焦点位置（ベストフォーカス位置）に維持することができず、露光精度が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、フォーカスキャリブレーションの点で有利な露光装置、即ち、フォーカスキャリブレーションに起因する露光装置の生産性の低下や露光精度の低下を抑制する技術を提供する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一側面としての露光装置１００の構成を示す概略図である。図１（ａ）は、露光装置１００の全体の正面図であり、図１（ｂ）は、マスクステージ３の周辺の構成を示す平面図である。本実施形態では、水平面をＸＹ平面とし、鉛直方向をＺ軸方向とするようにＸＹＺ座標系が定義されている。

露光装置１００は、半導体デバイスや液晶表示素子などのデバイスの製造工程であるフォトリソグラフィ工程に用いられるリソグラフィ装置である。露光装置１００は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式を採用し、マスクを介して基板を露光して、マスクのパターンを基板に転写する露光処理を行う。但し、露光装置１００は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式を採用してもよい。

露光装置１００は、マスク２を照明する照明光学系１と、マスク２を保持して移動するマスクステージ３と、マスク２のパターンを基板５に投影する投影光学系４と、基板５を保持して移動する基板ステージ６とを有する。また、露光装置１００は、主制御部７と、マスクステージ制御部８と、基板ステージ制御部１１と、入力部１３と、決定部１４とを有する。更に、露光装置１００は、第１計測パターン１５（物体面側パターン）と、第２計測パターン９（像面側パターン）と、検出器１０（第２検出部）と、第３計測パターン２１（計測パターン）と、結像系２２と、撮像素子２３（第１検出部）とを有する。主制御部７は、ＣＰＵやメモリなどを含むコンピュータで構成され、記憶部に記憶されたプログラムに従って露光装置１００の各部を統括的に制御して露光装置１００を動作させる。例えば、主制御部７は、露光処理を行う際に、投影光学系４の光軸方向におけるマスク２と基板５との相対位置を制御する。

照明光学系１からの光（露光光）は、マスクステージ３に保持されたマスク２を通過し、投影光学系４を介して、基板ステージ６に保持された基板５に到達する。マスク２（のパターン面）と基板５とは、投影光学系４によって、共役な位置関係になっている。従って、マスク２のパターン（実デバイスパターン）は、投影光学系４を介して基板上に投影されて、基板５に転写される。本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式を採用しているため、マスクステージ３と基板ステージ６とをＹ方向に同期走査することで、マスク２のパターンが基板５に転写される。

露光装置１００において、フォーカスキャリブレーションに関する構成について説明する。入力部１３には、ユーザの操作によって、露光処理、即ち、マスク２のパターンを基板５に転写する際の露光条件（露光領域、照明モード、マスク２のパターンなど）が入力される。決定部１４は、入力部１３に入力された露光条件に基づいて、フォーカスキャリブレーションに必要となる計測条件（計測位置（像高位置）、計測パターンなど）を決定する。

第１計測パターン１５は、図１７に示したように、所定の線幅及びピッチを有する複数のパターン要素１５Ａを含む。複数のパターン要素１５Ａは、本実施形態では、Ｘ方向に沿って配列され、ラインアンドスペースパターンを形成する。第１計測パターン１５は、マスクステージ３（投影光学系４の物体面）に設けられ、マスクステージ３によって目標とする計測位置に位置決めされる。但し、第１計測パターン１５は、線幅、ピッチ、方向などが異なるラインアンドスペースパターンを構成する種々のパターン要素を含んでいてもよい。換言すれば、第１計測パターン１５を構成する複数のパターン要素の数、種類及び方向は限定されない。

図１（ｂ）に示すように、第１計測パターン１５は、マスクステージ３において、Ｘ方向に間隔を有して複数設けられている。マスクステージ３に設けられる第１計測パターン１５は１つでもよいが、投影光学系４の特性を計測するためには、複数の第１計測パターン１５を設けることが好ましい。投影光学系４の特性は、例えば、焦点位置やディストーションなどを含む。

主制御部７は、フォーカス計測処理を行う際に、マスクステージ制御部８を介して、第１計測パターン１５が決定部１４で決定した計測位置に位置決めされるように、マスクステージ３を移動させる。同様に、主制御部７は、フォーカス計測処理を行う際に、基板ステージ制御部１１を介して、第２計測パターン９が決定部１４で決定した計測位置に位置決めされるように、基板ステージ６を移動させる。

検出器１０は、第２計測パターン９の下に位置するように、基板ステージ６に設けられ、第２計測パターン９を通過（透過）した光、即ち、第１計測パターン１５からの光を投影光学系４及び第２計測パターン９を介して検出する。なお、検出器１０は、第１計測パターン１５や第２計測パターン９を透過した光ではなく、第１計測パターン１５や第２計測パターン９で反射した光を検出してもよい。

図２は、第１計測パターン１５及び第２計測パターン９を計測位置に位置決めした状態、即ち、フォーカス計測処理時における露光装置１００を示す概略図である。フォーカス計測処理では、照明光学系１からの光で第１計測パターン１５を照明し、第１計測パターン１５を通過した光を、投影光学系４及び第２計測パターン９を介して検出器１０で検出する。この際、基板ステージ６を投影光学系４の光軸方向（Ｚ方向）に微小移動させながら、検出器１０で検出される光の光量（検出光量）が最大となる位置Ｚ_０を主制御部７で求める。検出光量が最大となる基板ステージ６のＺ方向の座標位置は、第１計測パターン１５と第２計測パターン９とが共役な位置関係であるときの座標位置であるため、かかる座標位置が最適な焦点位置（ベストフォーカス位置）となる。なお、検出光量と基板ステージ６のＺ方向の座標位置との関係については、図１８に示した通りである。

本実施形態では、フォーカスキャリブレーションにおいて、基板ステージ６をＺ方向に移動させずに、フォーカス計測処理の後のフォーカス変化量（ベストフォーカス位置の変化量）を求める変化量計測処理を行う。そのために、マスクステージ３（投影光学系４の物体面）には、第３計測パターン２１（計測パターン）が設けられ、基板ステージ６（投影光学系４の像面）には、結像系２２及び撮像素子２３（第１検出部）が設けられている。

第３計測パターン２１は、後述するように、投影光学系４の光軸に対して斜めに傾いて配置されている。結像系２２は、投影光学系４と撮像素子２３との間に配置され、撮像素子上に第３計測パターン２１の像を形成する光学系である。結像系２２は、本実施形態では、第３計測パターン２１の像に対して倍率をかけて撮像素子上に導光する光学系であり、かかる倍率は、撮像素子２３の分解能に応じて設定することが可能である。撮像素子２３は、複数の画素を含み、結像系２２によって形成された第３計測パターン２１の像を検出（撮像）する。

主制御部７は、変化量計測処理を行う際に、マスクステージ制御部８を介して、第３計測パターン２１が決定部１４で決定した計測位置に位置決めされるように、マスクステージ３を移動させる。同様に、主制御部７は、変化量計測処理を行う際に、基板ステージ制御部１１を介して、結像系２２及び撮像素子２３が決定部１４で決定した計測位置に位置決めされるように、基板ステージ６を移動させる。

図３は、第３計測パターン２１、結像系２２及び撮像素子２３を計測位置に位置決めした状態、即ち、変化量計測処理時における露光装置１００を示す概略図である。図３に示すように、第３計測パターン２１は、照明光学系１の下に位置決めされ、照明光学系１からの光で照明される。第３計測パターン２１からの光は、投影光学系４及び結像系２２を介して、第３計測パターン２１の像として、撮像素子２３で検出される。主制御部７は、撮像素子２３で検出された計測パターン２１の像に基づいて、撮像素子２３における現在の焦点位置（ベストフォーカス位置）を決定する。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第３計測パターン２１の構成の一例を示す図である。図４（ａ）は、第３計測パターン２１の平面図であり、図４（ｂ）は、第３計測パターン２１の側面図である。第３計測パターン２１は、図４（ａ）に示すように、照明光学系１からの光を通過（透過）させる所定の線幅及びピッチを有する複数のパターン要素２１Ａと、照明光学系１からの光を遮光する遮光部２１Ｂとを含む。また、第３計測パターン２１は、複数のパターン要素２１Ａが形成された平板２１Ｃで構成される。複数のパターン要素２１Ａは、本実施形態では、Ｘ方向に沿って配列され、ラインアンドスペースパターンを形成する。また、第３計測パターン２１は、図４（ｂ）に示すように、Ｘ方向を軸として所定の角度θだけ傾いて配置されている。詳細には、複数のパターン要素２１Ａのそれぞれの光軸方向（Ｚ方向）における位置が互いに異なるように、平板２１Ｃの法線が投影光学系４の光軸に対して傾いて配置されている。また、第３計測パターン２１を傾ける方向は、複数のパターン要素２１Ａ（ラインアンドスペース）が連続している方向と同じ方向である。

なお、本実施形態では、第３計測パターン２１を傾けることで複数のパターン要素２１Ａのそれぞれの光軸方向における位置が互いに異なるようにしているが、これに限定されるものではない。第３計測パターン２１は、投影光学系４の光軸方向における位置が互いに異なる複数のパターン要素２１Ａを含んでいればよく、例えば、第３計測パターン２１を階段状の部材で構成し、かかる部材の各段にパターン要素２１Ａを形成してもよい。

図１（ｂ）に示すように、第３計測パターン２１は、マスクステージ３において、Ｘ方向に間隔を有して複数設けられている。マスクステージ３に設けられる第３計測パターン２１は１つでもよいが、投影光学系４の特性を計測するためには、複数の第３計測パターン２１を設けることが好ましい。また、第３計測パターン２１は、第１計測パターン１５に対して＋Ｙ方向に配置しているが、第１計測パターン１５に対して−Ｙ方向に配置してもよく、第１計測パターン１５に対して±Ｘ方向にずれていてもよい。但し、フォーカス計測処理における投影光学系４の影響を低減するためには、第１計測パターン１５と第３計測パターン２１とを近接して配置することが好ましい。これは、投影光学系４の像高によって、焦点位置（ベストフォーカス位置）が変化するからである。

図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、フォーカス変化量を求める変化量計測処理について説明する。図５（ａ）及び図６（ａ）には、変化量計測処理における第３計測パターン２１、投影光学系４、基板５、結像系２２及び撮像素子２３を示している。また、図５（ａ）には、第３計測パターン２１が投影光学系４によって基板上に結像した状態を像２４として示している。像２４は、結像系２２を介して、撮像素子２３で検出される。図５（ｂ）は、撮像素子２３の検出結果の一例を示す図であって、横軸に撮像素子２３の画素を採用し、縦軸に各画素で得られる光量を採用すると、光量分布２５（第１光量分布）が得られる。

図５（ｂ）を参照するに、光量分布２５では、第２計測パターン２１の各パターン要素２１Ａに対応する部分が光量の大きい部分ＰＥ１乃至ＰＥ７として現れ、遮光部２１Ｂに対応する部分が光量の小さい部分ＶＡ１乃至ＶＡ８として現れている。また、像２４が撮像素子２３に対して傾いているため、その傾きの高さ内にベストフォーカス位置が存在する場合、ベストフォーカス位置に近いパターン要素２１Ａに対応する部分で最も光量が大きくなる。また、ベストフォーカス位置から離れているパターン要素２１Ａに対応する部分では光量が小さくなる。図５（ｂ）では、ベストフォーカス位置が部分ＰＥ４に存在する場合を示している。
部分ＰＥ３、ＰＥ２及びＰＥ１は、ベストフォーカス位置から−Ｚ方向に像面がずれていることを示し、部分ＰＥ５、ＰＥ６及びＰＥ７は、ベストフォーカス位置から＋Ｚ方向に像面がずれていることを示している。従って、部分ＰＥ４に対応する撮像素子２３の画素（位置）を求めることができれば、以下の式（１）から、ベストフォーカス位置ＢＦを求めることが可能である。

ここで、Ｐは、光最も光量が大きくなる部分に対応する撮像素子２３の画素位置を示し、Ｐｉｘｅｌ Ｓｉｚｅは、撮像素子２３の画素の大きさを示している。また、θは、第３計測パターン２１と投影光学系４の光軸に直交する面（ＸＹ平面）とがなす角度を示し、Ｍａｇは、結像系２２の倍率を示している。

また、ベストフォーカス位置となるＺ方向の位置Ｚ１に関しては、上述したように、最も光量が大きくなる部分ＰＥ４から求めることが可能である。但し、最も光量が大きくなる部分ＰＥ４と、ベストフォーカス位置から離れた部分（ピーク）ＰＥ１、ＰＥ２、ＰＥ３、ＰＥ５、ＰＥ６及びＰＥ７とから包絡線２６を求め、包絡線２６からベストフォーカス位置を近似的に求めることも可能である。図５（ｂ）では、部分ＰＥ１乃至ＰＥ７から得られる包絡線２６の極大値２７に対応する撮像素子２３の画素位置をＰＩ１として示している。

図６（ａ）は、図５（ａ）に示す状態からベストフォーカス位置がずれた状態を示している。投影光学系４の内部の空気揺らぎや投影光学系４を構成する部材の位置ずれなどに起因して、図６（ｂ）に示すように、像２４が像２８にずれる場合がある。このような場合、図６（ｂ）に示すように、撮像素子２３の検出結果から得られる光量分布も光量分布２５から光量分布２９（第２光量分布）に変化する。従って、光量分布２９から得られる包絡線３０の極大値３１に対応する撮像素子２３の画素位置はＰＩ２となり、ベストフォーカス位置が変化する。

画素位置ＰＩ１及びＰＩ２のそれぞれからベストフォーカス位置を求めることで、あるタイミングにおけるベストフォーカス位置と、次のタイミングにおけるベストフォーカス位置との差、即ち、ベストフォーカス位置の変化量を求めることができる。図７は、ベストフォーカス位置と、基板ステージ６のＺ方向の位置との関係とを示す図である。図７を参照するに、包絡線の極大値に対応する画素位置がＰＩ１からＰＩ２に変化すると、式（１）からもわかるように、基板ステージ６のＺ方向の位置は、１次の関係から導くことができ、Ｚ_１からＺ_２に変化する。

最初の基準となる基準フォーカス位置は、第１計測パターン１５、第２計測パターン９及び検出器１０を用いて求めた基板ステージ６のＺ方向の位置を用いるとよい。これは、かかる位置が投影光学系４の結像位置（ベストフォーカス位置）を示しているからである。

このように、本実施形態における変化量計測処理では、フォーカス変化量（ベストフォーカス位置）を求める際に、基板ステージ６（第２計測パターン９）をＺ方向に移動させる動作が必要ない。従って、本実施形態では、基板ステージ６をＺ方向に移動させる動作に要する時間が削減され、露光装置１００の生産性（スループット）を向上させることができる。

なお、本実施形態では、第３計測パターン２１は、上述したように、ＸＹ平面に対して角度θだけ傾いて配置されているが、角度θは、フォーカス位置に対する敏感度と、フォーカス位置の計測精度（決定精度）とを考慮して設定すべきである。図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して、第３計測パターン２１をＸＹ平面に対して傾かせる角度θの設定について説明する。図８（ａ）及び図９（ｂ）には、変化量計測処理における第３計測パターン２１、投影光学系４、基板５、結像系２２及び撮像素子２３を示している。

図８（ａ）を参照するに、第３計測パターン２１は、ＸＹ平面に対して角度θ１だけ傾いて配置されている。また、あるタイミングにおけるベストフォーカス位置を位置Ｆ１１とし、この際、第３計測パターン２１が投影光学系４によって基板上に結像した状態を像４０として示している。各種要因によってベストフォーカス位置が位置Ｆ１１から位置Ｆ１２に変化した場合、第３計測パターン２１の像は、像４０から像４１に変化する。

図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す状態において、結像系２２を介して撮像素子２３で検出された像（光量分布）を示す図であって、横軸は、撮像素子２３の画素を示し、縦軸は、各画素で得られる光量を示している。図８（ｂ）を参照するに、像４０は、光量分布４２に対応し、光量分布４２から包絡線４４が得られる。また、包絡線４４から、極大値４６と、極大値４６に対応する撮像素子２３の画素位置ＰＩ１１が得られる。このように、ベストフォーカス位置が位置Ｆ１１である場合、撮像素子２３では、画素位置ＰＩ１１が位置Ｆ１１に対応している。

同様に、像４１は、光量分布４３に対応し、光量分布４３から包絡線４５が得られる。包絡線４５から、極大値４７と、極大値４７に対応する撮像素子２３の画素位置ＰＩ１２が得られる。このように、ベストフォーカス位置が位置Ｆ１２である場合、撮像素子２３では、画素位置ＰＩ１２が位置Ｆ１２に対応している。

一方、図９（ａ）を参照するに、第３計測パターン２１は、ＸＹ平面に対して角度θ２だけ傾いて配置されている。ここで、角度θ２は、角度θ１よりも大きいものとする（θ２＞θ１）。また、あるタイミングにおけるベストフォーカス位置を位置Ｆ２１とし、この際、第３計測パターン２１が投影光学系４によって基板上に結像した状態を像４８として示している。各種要因によってベストフォーカス位置が位置Ｆ２１から位置Ｆ２２に変化した場合、第３計測パターン２１の像は、像４８から像４９に変化する。なお、位置Ｆ２１から位置Ｆ２２へのフォーカス変化量は、位置Ｆ１１から位置Ｆ１２へのフォーカス変化量と等しい。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す状態において、結像系２２を介して撮像素子２３で検出された像（光量分布）を示す図であって、横軸は、撮像素子２３の画素を示し、縦軸は、各画素で得られる光量を示している。図９（ｂ）を参照するに、像４８は、光量分布５０に対応し、光量分布５０から包絡線５２が得られる。また、包絡線５２から、極大値５４と、極大値５４に対応する撮像素子２３の画素位置ＰＩ２１が得られる。このように、ベストフォーカス位置が位置Ｆ２１である場合、撮像素子２３では、画素位置ＰＩ２１が位置Ｆ２１に対応している。

同様に、像４９は、光量分布５１に対応し、光量分布５１から包絡線５３が得られる。包絡線５３から、極大値５５と、極大値５５に対応する撮像素子２３の画素位置ＰＩ２２が得られる。このように、ベストフォーカス位置が位置Ｆ２２である場合、撮像素子２３では、画素位置ＰＩ２２が位置Ｆ２２に対応している。

まず、フォーカス敏感度について説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）及び図９（ｂ）では、上述したように、フォーカス変化量（ベストフォーカス位置の変化量）を等しくしている。但し、撮像素子２３で得られる結果、即ち、画素位置ＰＩ１１から画素位置ＰＩ１２への変化量と、画素位置ＰＩ２１から画素位置ＰＩ２２への変化量とは異なっている。このように、フォーカス変化量が同じであっても、角度θが大きい方が撮像素子上での画素位置の変化量が小さくなる。これは、式（１）を、以下の式（２）に変形することで理解されるであろう。

式（２）を参照するに、倍率Ｍａｇ及び画素の大きさＰｉｘｅｌ Ｓｉｚｅは定数であるため、角度θを大きくすると、式（２）の左辺の値が小さくなる。従って、フォーカス変化量が等しい場合、角度θが大きい場合には、撮像素子２３の画素位置Ｐの変化量が小さくなる。このように、フォーカス変化量に対する撮像素子２３の画素位置Ｐの変化量の割合は、角度θに反比例する。撮像素子２３の画素位置Ｐの変化をフォーカス変化量とする本実施形態では、画素の大きさＰｉｘｅｌ Ｓｉｚｅがフォーカス変化量の計測の分解能となる。従って、角度θが小さいほど、即ち、撮像素子２３の画素位置Ｐの変化量が大きいほど、フォーカス変化量をより精細に計測することができるため、フォーカス敏感度が高いといえる。

次に、フォーカス位置の計測精度について説明する。図８（ａ）、図８（ｂ）、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、第３計測パターン２１の角度θに応じて、包絡線の尖鋭度が変化する。これは、角度θが大きいほど、第３計測パターン２１の像の端部が結像面から離れ、撮像素子２３で検出される光量が小さくなるからである。従って、角度θが大きいほど、包絡線は尖鋭となる。

包絡線の尖鋭度は、包絡線の極大値の決定精度に影響する。包絡線の極大値は、一般的に、第３計測パターン２１の像を検出して得られる光量分布のピークから、補完曲線や多項式への近似によって求める。但し、撮像素子２３の検出結果から得られる光量分布は、実際には、撮像素子２３で発生する読み出しノイズや暗ノイズの影響を受ける。従って、包絡線の尖鋭度が低い場合には、包絡線の極大値の決定精度が低下しやすくなる。一方、包絡線の尖鋭度が高い場合には、包絡線の極大値がノイズの影響を受けにくく、包絡線の決定精度の低下を抑制することができる。このように、角度θが大きいほど、フォーカス位置の計測精度がよくなる。

上述したように、第３計測パターン２１の角度θは、フォーカス敏感度とフォーカス位置の計測精度に対してトレードオフの関係にある。具体的には、角度θを大きくすると、フォーカス敏感度は低くなるが、フォーカス位置の計測精度がよくなる。一方、角度θを小さくすると、フォーカス敏感度は高くなるが、フォーカス位置の計測精度が低下する。従って、フォーカス敏感度とフォーカス位置の計測精度のどちらを優先するかに応じて、第３計測パターン２１の角度θを設定する必要がある。

図１０を参照して、本実施形態における露光装置１００の動作について説明する。Ｓ４０１、Ｓ４０３、Ｓ４０４、Ｓ４０５及びＳ４０７の工程は、図１６に示すＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０３、Ｓ１０４及びＳ１０５の工程と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

Ｓ４０２（第１タイミング）では、基準計測処理を行う。基準計測処理は、フォーカス変化量を求める際の基準となる基準フォーカス位置を計測する処理である。具体的には、まず、第３計測パターン２１、結像系２２及び撮像素子２３を計測位置に位置決めする。そして、図５（ａ）及び図５（ｂ）を参照して説明したように、計測パターン２１の像から得られる光量分布において最も光量が大きくなる部分に対応する撮像素子２３の画素位置を求める。

Ｓ４０６（第１タイミングの後の第２タイミング）では、変化量計測処理を行うかどうかを判定する。変化量計測処理を行うかどうかの基準は、ユーザが任意に設定することができる。例えば、ロットの先頭の基板であるかどうか、或いは、所定数の基板に対して露光処理を行ったかどうかを基準として設定することができる。変化量計測処理を行わない場合には、Ｓ４０７に移行する。一方、変化量計測処理を行う場合には、Ｓ４０８に移行する。

Ｓ４０８では、変化量計測処理を行う。変化量計測処理は、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して説明した通りであるが、図１１を参照して、その流れを説明する。Ｓ５０１では、第３計測パターン２１が照明光学系１の下に位置するように、マスクステージ３を変化量計測位置まで移動させる。Ｓ５０２では、結像系２２及び撮像素子２３が投影光学系４の下に位置するように、基板ステージ６を変化量計測位置まで移動させる。Ｓ５０１の工程及びＳ５０２の工程に関しては、どちらを先に行ってもよいし、それらを並行して行ってもよい。Ｓ５０３では、照明光学系１からの光で第３計測パターン２１を照明する。これにより、投影光学系４及び結像系２２を介して、第３計測パターン２１の像が撮像素子上に形成される。Ｓ５０４では、第３計測パターン２１の像を撮像素子２３で検出する。Ｓ５０５では、Ｓ５０４で検出した第３計測パターン２１の像から光量分布を求め、かかる光量分布において最も光量が大きくなる部分に対応する撮像素子２３の画素位置を求める。これにより、上述したように、Ｓ５０５で求めた撮像素子２３の画素位置とＳ４０２で求めた撮像素子２３の画素位置とから、フォーカス変動量、即ち、ベストフォーカス位置の変化量を求めることができる。換言すれば、Ｓ５０５で得られる光量分布とＳ４０２で得られる光量分布との差から、ベストフォーカス位置に基板５を位置決めするために必要となる基板ステージ６の光軸方向の移動量を求めることができる。

本実施形態では、従来技術（図１９）と比較して、基板ステージ６をＺ方向に移動させる動作（Ｓ２０４）が必要ない。このように、本実施形態では、フォーカスキャリブレーションにおいて、基板ステージ６をＺ方向に移動させることなく、フォーカス変化量を求めることができる。従って、本実施形態では、複数の基板に対して露光処理を連続して行う場合に、ある露光処理と次の露光処理との間にフォーカスキャリブレーションを行うことが可能となる。これにより、各露光処理において、基板５をベストフォーカス位置に維持することができるため、露光精度の低下を抑制することができる。

本実施形態では、第１計測パターン１５、第２計測パターン９及び検出器１０を用いてフォーカス計測処理（Ｓ４０１）を行う場合について説明した。但し、図１２に示すように、第１計測パターン１５、結像系２２及び撮像素子２３を用いてフォーカス計測処理を行ってもよい。具体的には、照明光学系１からの光で第１計測パターン１５を照明し、第１計測パターン１５からの光を、投影光学系４及び結像系２２を介して、撮像素子２３で検出する。図１３（ａ）は、撮像素子２３の検出結果の一例を示す図であって、横軸に撮像素子２３の画素を採用し、縦軸に各画素で得られる光量を採用すると、光量分布１３１が得られる。図１２（図１３（ａ））に示す状態から、基板ステージ６をＺ方向に微小移動させると、図１３（ｂ）に示すような光量分布１３２が得られる。従って、撮像素子２３で検出される光量（光量分布）が最大となる基板ステージ６のＺ方向の位置を求めることで、かかる位置をベストフォーカス位置とすることができる。

また、図１４に示すように、露光装置１００は、第３計測パターン２１を投影光学系４の光軸に直交する軸周り（Ｘ軸周り）に回転させる回転部５３２を更に有していてもよい。この場合、露光装置１００は、第１計測パターン１５を有していなくてもよい。具体的には、フォーカス計測処理を行う場合には、第３計測パターン２１がＸＹ平面と平行になるように（平板２１Ｃの法線が投影光学系４の光軸と平行になるように）、回転部５３２によって第３計測パターン２１を回転させる。かかる状態において、照明光学系１からの光で第３計測パターン２１を照明し、第３計測パターン２１からの光を、投影光学系４及び第２計測パターン９を介して、検出器１０で検出する。この際、基板ステージ６をＺ方向に微小移動させながら、検出器１０で検出される光の光量が最大となる位置を求めることで、かかる位置をベストフォーカス位置とすることができる。

また、変動量計測処理を行う場合には、第３計測パターン２１の複数のパターン要素２１Ａのそれぞれの投影光学系４の光軸方向における位置が互いに異なるように、回転部５３２によって第３計測パターン２１を回転させる。かかる状態において、照明光学系１からの光で第３計測パターン２１を照明し、第３計測パターン２１からの光を、投影光学系４及び結像系２２を介して、撮像素子２３で検出する。そして、計測パターン２１の像から得られる光量分布において最も光量が大きくなる部分に対応する撮像素子２３の画素位置を求める。

ここで、第３計測パターン２１を投影光学系４の光軸に直交する軸周りに回転させる代わりに、撮像素子２３を投影光学系４の光軸に直交する軸周りに回転させることも考えられる。但し、この場合には、結像系２２の倍率を考慮して、撮像素子２３を傾ける角度θを設定しなければならない。本実施形態では、撮像素子２３の画素位置の変化をフォーカス変化としてとらえている。この際、式（１）から明らかなように、撮像素子２３の画素位置の変化の分解能は、撮像素子２３の画素の大きさ（Ｐｉｘｅｌ Ｓｉｚｅ）と結像系２２の倍率（Ｍａｇ）によって決まる。一般的には、撮像素子２３の画素位置の変化の分解能を高くしたいため、結像系２２の倍率が正の値となるように設定される。

一方、投影光学系４の開口数ＮＡは、露光装置１００に要求される解像力によって決定されている。このときの開口数ＮＡをＮＡ１とすると、撮像素子２３における開口数ＮＡ２は、結像系２２の倍率Ｍａｇを用いて、ＮＡ１／Ｍａｇとして表すことができる。上述したように、結像系２２の倍率Ｍａｇは、正の値となるため、開口数ＮＡ２は、開口数ＮＡ１よりも小さい。

ここで、投影光学系４の焦点深度ＤＯＦは、以下の式（３）で表される。

式（３）において、ｋは、比例定数であり、λは、投影光学系４に入射する光の波長である。式（３）に示すように、開口数ＮＡが小さくなると、焦点深度ＤＯＦは、開口数ＮＡの二乗に反比例して大きくなる。上述したように、撮像素子２３における開口数ＮＡ２は開口数ＮＡ１よりも小さくなるが、焦点深度ＤＯＦは大きくなる。焦点深度ＤＯＦが大きくなると、第３計測パターン２１の像がぼけにくくなる。従って、第３計測パターン２１の像の両端における光量が中心に比べて低くなりにくくなり、包絡線の尖鋭度が小さくなってしまう。

包絡線の尖鋭度を大きくするためには、撮像素子２３を傾けなければならないが、開口数ＮＡ２がＮＡ１／Ｍａｇであるため、第３計測パターン２１を傾ける場合の角度よりも結像系２２の倍率の二乗分大きく傾けなければならない。結像系２２の倍率が数倍程度であれば、撮像素子２３を傾けることも可能であるが、結像系２２の倍率がある程度を越えると、撮像素子２３を傾ける角度が大きくなり、第３計測パターン２１の像を撮像素子上に形成することが不可能となる。例えば、本実施形態において、第３計測パターン２１の角度θを５度、結像系２２の倍率を５倍とする。この場合、撮像素子２３を傾けることで、本実施形態と同等な包絡線を得ようとすると、撮像素子２３を傾ける角度は７５度となる。このように、撮像素子２３を傾ける角度が投影光学系４の光線と略平行となるため、第３計測パターン２１の像を撮像素子上に形成することが困難となる。

本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス、液晶表示素子、フラットパネルディスプレイ、ＭＥＭＳなどの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、上述した露光装置１００を用いて感光剤が塗布された基板を露光する工程と、露光された感光剤を現像する工程とを含む。また、現像された感光剤のパターンをマスクとして基板に対してエッチング工程やイオン注入工程などを行い、基板上に回路パターンが形成される。これらの露光、現像、エッチングなどの工程を繰り返して、基板上に複数の層からなる回路パターンを形成する。後工程で、回路パターンが形成された基板に対してダイシング（加工）を行い、チップのマウンティング、ボンディング、検査工程を行う。また、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、レジスト剥離など）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００：露光装置 ２：マスク ４：投影光学系 ５：基板 ７：主制御部 ２１：第３計測パターン ２３：撮像素子

Claims (11)

1. マスクのパターンを基板に転写する露光処理を行う露光装置であって、
   前記マスクのパターンを前記基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系の物体面に配置され、前記投影光学系の光軸方向における位置が互いに異なる複数のパターン要素を含む計測パターンと、
   前記計測パターンからの光を前記投影光学系を介して検出する第１検出部と、
   前記露光処理を行う際に、前記光軸方向における前記マスクと前記基板との相対位置を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、第１タイミングで前記投影光学系の基準フォーカス位置に配置された前記第１検出部の検出結果から得られる前記複数のパターン要素のそれぞれを通過した光の光量を表す第１光量分布と、前記第１タイミングの後の第２タイミングで前記基準フォーカス位置に配置された前記第１検出部の検出結果から得られる前記複数のパターン要素のそれぞれを通過した光の光量を表す第２光量分布とに基づいて、前記相対位置を制御することを特徴とする露光装置。
2. 前記基準フォーカス位置は、前記第１タイミングにおける前記投影光学系のベストフォーカス位置を含むことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記制御部は、前記第１光量分布と前記第２光量分布との差から前記第２タイミングにおける前記投影光学系のベストフォーカス位置に前記基板を位置決めするために必要となる前記基板を保持するステージの前記光軸方向の移動量を求め、前記移動量で前記ステージを移動させることで前記相対位置を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
4. 前記計測パターンは、
   前記複数のパターン要素が形成された平板で構成され、
   前記複数のパターン要素のそれぞれの前記光軸方向における位置が互いに異なるように、前記平板の法線が前記投影光学系の光軸に対して傾いて配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の露光装置。
5. 前記投影光学系の物体面に配置される物体面側パターンと、
   前記投影光学系の像面に配置される像面側パターンと、
   前記物体面側パターンからの光を、前記投影光学系及び前記像面側パターンを介して検出する第２検出部と、
   を更に有し、
   前記制御部は、前記像面側パターンを前記光軸方向に移動させながら前記第２検出部で検出される光の光量の分布に基づいて前記基準フォーカス位置を決定することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の露光装置。
6. 前記投影光学系の物体面に配置される物体面側パターンを更に有し、
   前記第１検出部は、前記物体面側パターンからの光を前記投影光学系を介して検出し、
   前記制御部は、前記第１検出部を前記光軸方向に移動させながら前記第１検出部で検出される光の光量の変化に基づいて前記基準フォーカス位置を決定することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の露光装置。
7. 前記計測パターンを前記投影光学系の光軸に直交する軸周りに回転させる回転部を更に有し、
   前記計測パターンは、前記複数のパターン要素が形成された平板で構成され、
   前記回転部は、前記第２タイミングにおいて、前記複数のパターン要素のそれぞれの前記光軸方向における位置が互いに異なるように、前記計測パターンを回転させることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の露光装置。
8. 前記投影光学系の像面に配置される像面側パターンと、
   前記計測パターンからの光を前記投影光学系及び前記像面側パターンを介して検出する第２検出部と、
   を更に有し、
   前記制御部は、前記平板の法線が前記投影光学系の光軸と平行になるように、前記回転部が前記計測パターンを回転させた状態において、前記像面側パターンを前記光軸方向に移動させながら前記第２検出部で検出される光の光量の変化に基づいて前記基準フォーカス位置を決定することを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
9. 前記第１検出部は、前記計測パターンの像を検出する撮像素子を含むことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の露光装置。
10. 前記投影光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記撮像素子上に前記計測パターンの像を形成する結像系を更に有することを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
11. 請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    露光した前記基板を現像する工程と、
    現像された前記基板から物品を製造する工程と、
    を有することを特徴とする物品の製造方法。

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