JP2022074800A - 露光装置、露光方法、及び物品の製造方法 - Google Patents

露光装置、露光方法、及び物品の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】キャリブレーション動作に因る生産性の低下を小さくすること。【解決手段】マスクのパターンを基板に投影する投影光学系と、投影光学系の物体面に配置された第１計測マークと、投影光学系と、投影光学系の像面に配置された第２計測マークと、を通過した照明光の光量分布を検出する検出光学系と、マスクと基板との相対位置を制御する制御部と、を有する露光装置において、制御部は、第１タイミングで検出光学系により検出される第１計測マーク及び第２計測マークをそれぞれ通過した照明光の第１光量分布と、第１タイミングより後の第２タイミングで検出光学系により検出される第１計測マーク及び第２計測マークをそれぞれ通過した照明光の第２光量分布とに基づいて、第２タイミングより後の第３タイミングにおいて、投影光学系の光軸方向における相対位置、及び光軸方向に対して垂直な方向における相対位置を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、露光装置、露光方法、及び物品の製造方法に関する。
半導体デバイスや、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）などのデバイスを製造する際のフォトリソグラフィ工程において、マスクのパターンを基板に転写する露光装置が用いられている。露光装置では、マスクのパターンを基板へと正確に転写するために、アライメント（投影光学系の光軸と垂直方向におけるマスクと基板との相対位置合わせ）及びフォーカス（基板に照射される光の焦点）調整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調整の方式の１つとして、投影光学系を介するＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式によるキャリブレーションが提案されている。特許文献１では、ＴＴＬ方式によるフォーカスのキャリブレーションを行う内容が開示されている。フォーカスのキャリブレーションでは、一般的に、基板ステージを投影光学系の光軸方向に駆動させながら投影光学系とステージ側マーク等を介して得られる光量を検出する。基板ステージを投影光学系の光軸方向に駆動させたときの光量変化から最適なフォーカスが表面（レジスト層）で得られる基板の位置を求めている。
特開平４－３４８０１９号公報
露光処理時の熱の影響等により投影光学系内部の空気揺らぎや投影光学系を構成する部材の位置ずれに起因して、経過時間とともに最適なマスクと基板の相対位置（ベストフォーカス位置）が変化することが知られている。ベストフォーカス位置がずれた状態で露光処理を実行した場合、露光精度が低下してしまうおそれがある。したがって、一度フォーカスのキャリブレーションを行っている場合でも、ベストフォーカス位置が変化した場合には、再度フォーカスのキャリブレーションを行う必要がある。しかしながら、フォーカスのキャリブレーション動作には時間を要するため、基板を処理する生産性が低下してしまう。
そこで、本発明は、キャリブレーション動作に因る生産性の低下を小さくするために有利な露光装置を提供することを目的とする。
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た第１計測マークと、前記投影光学系と、前記投影光学系の像面に配置された第２計測マークと、を通過した照明光の光量分布を検出する検出光学系と、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タイミングで前記検出光学系により検出される前記第１計測マーク及び前記第２計測マークをそれぞれ通過した照明光の第１光量分布と、前記第１タイミングより後の第２タイミングで前記検出光学系により検出される前記第１計測マーク及び前記第２計測マークをそれぞれ通過した照明光の第２光量分布とに基づいて、前記第２タイミングより後の第３タイミングにおいて、前記投影光学系の光軸方向における前記相対位置、及び前記光軸方向に対して垂直な方向における前記相対位置を制御することを特徴とする。
本発明によれば、キャリブレーション動作に因る生産性の低下を小さくするために有利な露光装置を提供することができる。
第１実施形態における露光装置の構成を示す概略図である。 計測処理時における露光装置を示す図である。 像面湾曲を示す縦収差図である。 基準フォーカス位置を示す図である。 基準フォーカス位置からずれた状態を示す図である。 光量分布と基板ステージのフォーカス位置の対応を示すグラフである。 ベストフォーカス位置を算出する１つ目の方法を示す図である。 ベストフォーカス位置を算出する２つ目の方法を示す図である。 光量分布の包絡線が極大値を持たない場合の像面湾曲を示す縦収差図である。 基準アライメント位置における光量分布を示す図である。 基準アライメント位置からずれた状態を示す図である。 像面湾曲と光量分布の対応を示す図である。 アライメント計測系とフォーカス計測系の構成を示す図である。 第２実施形態における計測マークと検出される光量分布を示す図である。 第３実施形態における露光装置の構成を示す概略図である。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。尚、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態
（露光装置の構成）
本実施形態における露光装置の構成について説明する。本実施形態における露光装置は、半導体デバイスやＦＰＤ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。本実施形態における露光装置は、ステップ・アンド・スキャン方式を採用し、パターンが形成された面を有するマスクを介して基板を露光し、マスクのパターンを基板に転写する露光処理を行う。本実施形態における露光方式は、ステップ・アンド・スキャン方式であるが、これに限らず、ステップアンドリピート方式等他の露光方式で露光処理を行なう形態としても良い。
図１は、本実施形態における露光装置１００の構成を示す図である。図１（ａ）は、露光装置１００の全体の構成を示す概略図である。本実施形態では、投影光学系の光軸に平行な方向をＺ軸方向、このＺ軸方向に垂直な任意の平面をＸＹ平面として座標系を定義する。
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を保持する基板ステージ６を有する。また、露光装置１００は、露光装置１００の各部を制御する制御部７と、入力部１３と、決定部１４を有する。
更に、露光装置１００は、照明光学系１を利用して照明光により第１計測マークを照明する手段と、照明された第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を含むマーク部と投影光学系４を通過した照明光の光量分布を検出する検出光学系２０を有する。検出光学系２０は、レンズ２３とレンズ２４を含む系で構成される結像系２１と検出部２２を有する。照明光の波長は、マスク２のパターンを基板５に投影する露光光の波長と同一である。
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、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。制御部７は、例えば、露光処理を行う際に、投影光学系４の光軸方向（Ｚ軸方向）におけるマスク２と基板５との相対位置や、投影光学系４の光軸に対して垂直な方向（互いに直交するＸ軸方向とＹ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。
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、後述するキャリブレーションに必要となる計測条件（計測回数、検出部の蓄積時間など）を決定する。
検出光学系２０は、基板ステージ６に設けられ、基板ステージ６の上面に形成された第２計測マーク１０９を通過した後の照明光が検出部２２に入射されるように構成される。図１（ａ）では検出光学系は便宜的に基板ステージ６の下方に拡大して描いているが、実際は、基板ステージ６の内部に構成される。検出部２２は、例えば、複数の画素が所定の方向に並んだラインセンサ等の撮像素子である。尚、検出部２２は、第１計測マーク１１５と第２計測マーク１０９とを含むマーク部を透過した光ではなく、第１計測マーク１１５や第２計測マーク１０９で反射した光を検出しても良い。
結像系２１は、投影光学系４と検出部２２との間に配置され、第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９の像を検出部２２側に形成する光学系である。本実施形態において、結像系２１は所定の結像倍率を有し、第１計測マーク１１５の像及び第２計測マーク１０９に対してこの倍率をかけて検出部２２側に結像して照明光を導光する光学系である。上記の倍率は、検出部２２の分解能に応じて適切に設定することが可能である。検出部２２は、複数の画素を含み、結像系２１によって形成された第１計測マーク１１５および第２計測マーク１０９の像を検出（撮像）する。結像系２１は、後述するように、収差（像面湾曲）を適量有する系となっている。また、結像系２１は、３つ以上のレンズやその他の光学素子を含む構成であっても良い。
照明光学系１からの照明光（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の表面（レジスト層）は、投影光学系４を介して共役な位置関係に配置されている。したがって、マスク２のパターンは、投影光学系４を介して基板５上に転写される。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軸方向に同期走査しながら露光処理が行われる。
図１（ｂ）は、マスクステージ３の構成を示す平面図である。マスクステージ３に保持されたマスク２には、基板５へ転写するためのパターンとは別に、第１計測マーク１１５が形成され得る。第１計測マーク１１５は、マスク２のＸ軸方向及びＹ軸方向に間隔を空けて複数設けられている。マスク２に設けられる第１計測マーク１１５は１つでも良いが、投影光学系４の特性を詳細に計測するためには、複数の第１計測マーク１１５が設けられていることが好ましい。投影光学系４の特性とは、例えば、焦点位置やディストーションなどの特性を含む。
第１計測マーク１１５の詳細を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）は、第１計測マーク１１５を示す平面図である。第１計測マーク１１５は、遮光領域１１５ａと、所定の線幅及びピッチを有する複数のパターンである透過領域１１５ｂと、透過領域１１５ｃを含む。透過領域１１５ｂは、Ｘ軸方向に沿って配列され、ラインアンドスペースパターンが形成されている。本実施形態において、第１計測マーク１１５がマスク２に形成されていることを想定しているが、これに限らず、投影光学系４の物体面に相当する位置に設けられていれば良い。例えば、第１計測マーク１１５がマスクステージ３に設けられていても良く、その場合には、マスクステージ３上にマスク２が載置されていない場合でも、投影光学系４のキャリブレーションを行うことができる。
また、透過領域１１５ｂのラインアンドスペースパターンは、線幅、ピッチ、方向などが互いに異なる種々のパターン（またはパターン群）でも良い。また、透過領域１１５ｃは、後述する第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｃを照明するために設けられている。また、本実施形態では、透過領域１１５ｃを設けることで透過領域１０９ｃを照明する例について説明するが、透過領域１１５ｃを設ける代わりに、遮光領域１１５ａの範囲外に照明光を照射させることにより透過領域１０９ｃを照射しても良い。
次に、第２計測マーク１０９の詳細を図１（ｄ）に示す。図１（ｄ）は、第２計測マーク１０９を示す平面図である。第２計測マーク１０９は、遮光領域１０９ａと、透過領域１０９ｂと、透過領域１０９ｃを含む。本実施形態における説明では、第２計測マーク１０９が基板ステージ６に形成されていることを想定しているが、これに限らず、投影光学系４の像面に相当する位置にマーク１０９を位置決めできれば、ステージ６以外の場所にマーク１０９を形成しても良い。また、透過領域１０９ｂは、第１計測マーク１１５の透過領域１１５ｂを透過した照射光を透過させるために設けられている。
図２は、第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を計測位置に位置決めした状態、即ち、アライメント及びフォーカス調整のための計測処理時における露光装置１００を示す概略図である。アライメントとは、投影光学系の光軸と垂直方向におけるマスクと基板との相対位置合わせであり、フォーカスとは、基板に照射される光の焦点（投影光学系におけるピント）である。以下の説明では、アライメントのための計測及びそれに基づく補正をアライメントのキャリブレーションと呼び、フォーカス調整のための計測及びそれに基づく補正をフォーカスのキャリブレーションと呼ぶ。
本実施形態では、アライメントとフォーカスのキャリブレーション動作において、計測位置に位置決めしたマスクステージ３や基板ステージ６を、さらにＺ軸方向に移動させずに計測処理を行う。制御部７は、計測処理をする際に、決定部１４で決定した第１計測マーク１１５の計測位置に位置決めされるように、マスクステージ３を駆動する。同様に、制御部７は、上記のキャリブレーション動作を実行する際に、決定部１４で決定した第２計測マーク１０９の計測位置に位置決めされるように、基板ステージ６を駆動する。
（結像系２１における収差）
図３を参照して、本実施形態における検出光学系２０の収差と結像位置の関係について説明する。以下では、検出光学系２０の光学特性として所定の像面湾曲を有する例について説明する。図３は、結像系２１における像面湾曲を示す縦収差図である。グラフの縦軸は結像系の像高（Ｘ座標）、横軸は光軸方向の結像位置（Ｚ座標）であり、曲線２１１は、検出光学系２０における像面湾曲を示す曲線（即ち、像高ごとの結像位置を示した曲線）である。
曲線２１１において、点２１１ａ付近に対して点２１１ｂ付近では、像高のわずかな変化により光軸方向の結像位置が大きく変化してしまうことが特徴的である。例えば、点２１１ｂ付近において検出部２２の受光面に結像系２１の光軸が垂直に交わるように配置した場合、結像系２１の物体面にあるパターンは検出部２２の受光面全面では焦点が合わずに受光面の一部でしか焦点が合わなくなる。本実施形態において、点２１１ａは検出光学系２０の結像系２１の光軸の位置に相当し、点２１２ｂは第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を計測する計測像高に相当する。
本実施形態では、上述したように、例えば図３に示す像面湾曲が発生するように結像系２１を構成し、結像系２１の光軸からずれた位置に検出部２２の受光面の中心を配置する。そして、照明光学系１からの照明光により第１計測マーク１１５を照明し、第１計測マーク１１５の透過領域１１５ｂを通過した光を、投影光学系４及び第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｂを介して検出部２２で検出することで、フォーカス計測を行う。これにより、計測位置に位置決めしたマスクステージ３や基板ステージ６をＺ軸方向に移動させることなく、後述する方法により、フォーカスのキャリブレーションを行うことができる。
また、本実施形態では、照明光学系１からの光で第１計測マーク１１５を照明し、第１計測マーク１１５の透過領域１１５ｃを通過した光を、投影光学系４及び１０９の透過領域１０９ｃを介して検出部２２で検出する。これにより、後述する方法により、フォーカスのキャリブレーション動作と同時に、アライメントのキャリブレーション動作をすることができる。
（フォーカスのキャリブレーション）
次に、本実施形態におけるフォーカスの変化量を求める変化量計測処理について図４と図５を参照して説明する。図４（ａ）と図５（ａ）は、フォーカスの変化量計測処理における露光装置１００の状態を示す説明図であり、第１計測マーク１１５が投影光学系４、第２計測マーク１０９、結像系２１を通過して検出部２２に投影されたマーク像を示している。また、図４（ａ）の状態は第１タイミングにおける状態（投影光学系によるフォーカス位置が基準フォーカス位置にある状態）である。図５（ａ）の状態は、第１のタイミングの後に行われた露光処理の後の第２のタイミングの状態（投影光学系によるフォーカス位置が基準フォーカス位置からずれた状態）である。
投影光学系４は、マスク２のパターン像を基板５の表面にフォーカスを合わせて投影することが目的の光学系である。そのため、第１計測マーク１１５は、それを投影する投影光学系４のフォーカスが合った、基板５の表面が位置すべき平面に結像されることが求められる。
ここで、図４（ａ）の状態（第１タイミング）において、基板５の表面が位置すべき平面に結像した第１計測マーク１１５の像を結像パターン１１５Ｐとする。また、結像パターン１１５Ｐが結像系２１を通過して検出部２２上に結像したパターン像を結像パターン１１５Ｓとする。
このとき、結像系２１の像面湾曲により、結像パターン１１５Ｓは、結像系２１の光軸に対して垂直な、検出部２２の受光面に対して傾いた面に結像される。したがって、本実施形態においては、結像系２１による第１計測マーク１１５の結像面（結像パターン１１５Ｓ）は、検出部２２の受光面に対して一部のみ重なる。結像系２１による第２計測マーク１０９の結像面も、検出部２２の受光面に対して一部のみ重なる。
図４（ｂ）は、第１タイミングにおいて、第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を通過して検出部２２により検出された照明光の光量分布（第１光量分布）を示す図である。グラフの縦軸は検出部２２の受光面で得られる光量を表し、横軸はＸ軸方向における検出部２２の受光面の位置を表している。第１光量分布には、第１計測マーク１１５の透過領域１１５ｂに対応する分布Ｍ１～Ｍ７と、第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｂに対応する分布Ｐ１、Ｐ２が含まれる。また、第１計測マーク１１５の遮光領域１１５ａに対応する分布Ｖ１～Ｖ１０と、第２計測マーク１０９の遮光領域１０９ａに対応する分布Ｖ１、Ｖ２、Ｖ９、Ｖ１０が含まれる。
ここで、本実施形態における結像系２１は像面湾曲を有するため、検出光学系２０の像面と検出部２２の受光面にはずれが生じる。光量分布のうち、このずれが無いか最も小さい部分で最も光量が大きくなり、この部分よりもずれが大きい部分でずれ量に応じて光量が小さくなる。図４（ｂ）の光量分布では、分布Ｍ１～Ｍ７の中では、分布Ｍ４が最も光量が大きくなっていることが分かる。これは、分布Ｍ４に対応する検出部２２の受光面上の位置で、ピントが合っていることを示している。ピントがずれているにもかかわらず、分布Ｐ１、Ｐ２の光量が大きくなっているのは、第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｃの幅が広く、デフォーカスに対する光量変化の敏感度が低いためである。
図４（ｂ）の光量分布から、ピントが合っている検出部２２の受光面上の位置を決定する方法を説明する。ここでの決定では、第１計測マークの透過領域１１５ｂに対応する分布Ｍ１～Ｍ７にのみ着目する。まず、分布Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３は、検出部２２に対して結像位置が－Ｚ方向（又は＋Ｚ方向）にずれていることを示している。また、分布Ｍ５、Ｍ６、Ｍ７では、検出部に対して結像位置が＋Ｚ方向（又は－Ｚ方向）にずれていることを示している。したがって、分布Ｍ４に対応する検出部２２の受光面上の位置を求めることができれば、以下の式（１）から、ピントが合っている検出部２２の受光面上の位置Ａを求めることが可能である。
Ａ＝Ｐ×ＰｉｘｅｌＳｉｚｅ×ｔａｎθ／Ｍａｇ・・・（１）
式（１）において、Ｐは最も光量が大きい検出部２２の受光面上の位置を示しており、ＰｉｘｅｌＳｉｚｅは検出部２２の画素の大きさを示している。また、θは、像面湾曲を有する結像系２１の結像面と検出部２２の受光面とがなす角度を示しており、Ｍａｇは結像系２１の倍率を示している。
また、ピントが合っている検出部２２の受光面上の位置を求める方法は、式（１）により受光面状の位置を求める方法に限らない。例えば、最も光量が大きくなる分布Ｍ４と、他の分布Ｍ１～Ｍ３、Ｍ５～Ｍ７とからなる包絡線２６を求め、包絡線２６からより正確に求めることも可能である。その場合には、分布Ｍ４の近傍（例えば、分布Ｍ４と分布Ｍ３の中間位置）にピントが合っている検出部２２の受光面上の位置があったとしても、包絡線２６からピントが合っている検出部２２の受光面上の位置を求めることが可能である。図４（ｂ）では、分布Ｍ１～Ｍ７から得られる包絡線２６の極大値２７（ピーク位置）に対応する検出部２２の受光面上の位置を位置ＭＩ１として示している。
図５（ａ）は、図４（ａ）で示した状態から、基板ステージ６の位置がＺ軸方向にずれた状態（第１タイミングより後の第２タイミングにおける状態）を示している。露光処理時の熱の影響等により、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５（ａ）に示すように、第１計測マークの像が１１５Ｐから１１５ＱへとＺ軸方向にずれる場合がある。このとき、検出部２２付近でも同様に、第１計測マークの像が１１５Ｓから１１５ＴへとＺ軸方向にずれる。
図５（ｂ）は、第１タイミングの後の第２タイミングにおいて、第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を通過して検出部２２で検出した照明光の光量分布（第２光量分布）を示す図である。グラフの縦軸は検出部２２の受光面で得られる光量を表し、横軸はＸ軸方向における検出部２２の受光面上の位置を表している。第２光量分布では、分布Ｍ１～Ｍ７の中で分布Ｍ３が最大光量となり、分布Ｍ３に対応する位置（又は、その近傍の位置）が、ピントが合っている検出部２２の受光面上の位置となる。また、分布Ｍ１～Ｍ７から得られる包絡線３０の極大値３１に対応する検出部２２の受光面上の位置を位置ＭＩ２として示しており、第１光量分布における位置ＭＩ１と同様に、第２光量分布においては位置ＭＩ２をピントが合っている位置としても良い。
位置ＭＩ１及びＭＩ２を求めることで、フォーカスの変化量を求める変化量計測処理を行うことができる。即ち、第１タイミングにおいてピントが合っている検出部２２の受光面上の位置と、第１タイミングより後の第２タイミング（例えば、所定時間経過後や基板を所定回数露光した後）においてピントが合っている検出部２２の受光面上の位置を比較する。その結果フォーカスの変化量を求めることができる。
図６は、検出部２２の受光面上のＸ軸方向に関する位置を示す位置ＭＩ１及びＭＩ２と、投影光学系４によるベストフォーカス位置との関係とを示す図である。図６より、包絡線の極大値に対応する位置が位置ＭＩ１から位置ＭＩ２に変化すると、それに応じて、投影光学系４によるベストフォーカス位置もＺ１からＺ２に変化することが分かる。
また、収差の影響やその他の外乱の影響が大きい場合には、予め投影光学系４によるベストフォーカスの位置と、包絡線の極大値に対応する検出部２２の受光面上の位置の計測点を複数用意しても良い。例えば、計測点を近似式でフィッティングした結果をテーブルデータとして制御部７に記憶させても良い。制御部７は、検出部２２により検出される光量分布と、光軸方向（Ｚ軸方向）におけるマスク２と基板５との相対位置の対応関係を示すテーブルデータを用いて、ベストフォーカス位置を求めることができる。したがって、相異なるタイミングでのベストフォーカス位置（例えばＺ１、Ｚ２）を求め、ベストフォーカス位置の変化量（例えばＺ１－Ｚ２）を求めることができる。以上が、本実施形態におけるフォーカスの変化量を求める変化量計測処理の説明である。
ここで、ベストフォーカス位置の決定方法について２つ説明する。どちらの方法も基板ステージ６をＺ軸方向に駆動したときの、検出部２２における第１計測マーク１５の光量変化から算出するものである。本実施形態では、基準フォーカス位置を第１タイミングにおいて決定したベストフォーカス位置とすることで、２回目以降のキャリブレーションにおいて、計測位置に位置決めした基板ステージ６をＺ軸方向に駆動する必要がなくなる。これにより、キャリブレーションによる生産性の低下を抑制することができる。
１つ目の方法は、第１計測マーク１１５においてあるパターンを指定し、その指定パターンに対応する分布（例えば、図７における分布Ｍ１～Ｍ７のいずれかの分布）の光量の変化量からベストフォーカス位置となる基板ステージ６の位置を決定する方法である。図７は、ベストフォーカス位置を決定する１つ目の方法を説明するための図である。図７（ａ）は、基板ステージ６がＺ軸方向のある位置のときに、第１計測マーク１１５のパターンが検出部２２で検出された光量分布である。また、図７（ｂ）は、基板ステージ６が図７（ａ）とは別のＺ軸方向の位置のときに、第１計測マーク１１５のパターンが検出部２２で検出された光量分布である。ここで、例えば、分布Ｍ４のパターンに着目した場合、基板ステージのＺ軸方向の位置に応じて分布Ｍ４における光量が変化する。
図７（ｃ）は、分布Ｍ４に着目したときの検出部２２で検出される光量の変化を示すグラフである。グラフの縦軸は図７（ａ）及び図７（ｂ）における分布Ｍ４の光量であり、横軸は基板ステージのＺ軸方向の位置である。図７（ｃ）に示すように、基板ステージのＺ軸方向の位置に対応して光量が変化する。基板ステージ６のベストフォーカス位置では、検出部２２で検出される光量が最大となるため、図７（ｃ）において光量が極大値Ｚ０となる基板ステージ６の位置を求めることで基準フォーカス位置を決定することができる。
また、分布Ｍ４以外の分布に着目した場合には、分布Ｍ４に対応する像高での像面シフト量を予め把握しておいた像面シフト量を考慮することで、基準フォーカス位置を決定することができる。
２つ目の方法は、結像系２１の像面湾曲が微小な像高、例えば、図３の縦収差図における点２１１（ａ）付近で第１計測マーク１１５を通過した照明光の光量分布を取得し、この照明光の光量の変化量からベストフォーカス位置を決定する方法である。像面湾曲が微小とは、フォーカス算出精度（例えば３σ）の１／４以下であり、計測に影響しない程度の収差（デフォーカス量）であるという事である。
図８は、ベストフォーカス位置を決定する２つ目の方法を説明するための図である。図８（ａ）は、基板ステージ６がＺ軸方向のある位置にあるときに、第１計測マーク１１５のパターン像を検出部２２により検出した結果である光量分布（照明光の光光量分布）である。また、図８（ｂ）は、基板ステージ６が図８（ａ）とは別のＺ軸方向の位置にあるときに、第１計測マーク１１５のパターン像を検出部２２により検出した結果である光量分布である。図８（ａ）や図８（ｂ）では、像面湾曲が微小となる位置で検出部２２による光量の測定を行うため、図７（ａ）や図７（ｂ）と異なり、分布Ｍ１～Ｍ７における光量のバラつきが少ない。
ここで、Ｍ１～Ｍ７のパターンに着目した場合、基板ステージのＺ軸方向の位置に応じて検出部２２で検出される光量が変わる。図８（ｃ）は、分布Ｍ１～Ｍ７に着目したときに検出部２２で検出される光量の変化を示すグラフである。グラフの縦軸は図８（ａ）及び図８（ｂ）における分布Ｍ１～Ｍ７の光量の平均値であり、横軸は基板ステージのＺ軸方向の位置である。図８（ｃ）に示すように、基板ステージのＺ軸方向の位置に対応して光量が変化する。基板ステージ６のベストフォーカス位置では、検出部２２で検出される光量が最大となるため、図８（ｃ）において光量が極大値Ｚ０となる基板ステージ６の位置を求めることで基準フォーカス位置を決定することができる。
上記の方法で基準フォーカス位置を算出した後に、検出部２２を像面湾曲が十分に大きな像高（例えば、図３における点２１１ｂ付近）となるＸ軸方向に移動し、第１計測マーク１１５に対応する光量分布を取得する。これにより、フォーカスのキャリブレーションをすることができる。
尚、像面湾曲の形状によっては、像面湾曲が微小な像高から十分大きな像高に基板ステージ６をＸ方向に移動したとき、包絡線が極値を持たない場合がある。図９は、検出部２２で検出される光量分布の包絡線が極値を持たない場合における像面湾曲を示す縦収差図である。グラフの縦軸は結像系の像高（Ｘ座標）であり、横軸は光軸方向の結像位置（Ｚ座標）であり、曲線２３１は、検出光学系２０における像面湾曲を示した曲線（即ち、像高ごとの結像位置を示した曲線）である。
曲線２３１において、点２３１ａ付近に対して検出部２２の受光面と結像位置が大きく乖離する。これにより、光量が最大となるパターンが分布Ｍ１となり、包絡線が極大値を有さない場合がある。そのような場合には、包絡線が極大値を有するように基板ステージ６をＺ軸方向に移動し、その移動量分だけベストフォーカスと差分があるという前提でフォーカス値を管理することで、ベストフォーカス位置の変化量を求めることができる。
以上より、基準フォーカス位置を適切なフォーカス位置とすることで、２回目以降のフォーカスのキャリブレーションにおいて、計測位置に位置決めした基板ステージ６をＺ軸方向に駆動する必要がなくなる。そのため、キャリブレーションによる生産性の低下を抑制することができる。
（アライメントのキャリブレーション）
次に、本実施形態におけるアライメントの変化量を求める変化量計測処理について図１０と図１１を参照して説明する。図４（ａ）の露光装置１００の状態において、第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を通過して検出部２２により検出された照明光の光量分布を示す図である。グラフの縦軸は検出部２２で得られる光量を表し、横軸は検出部２２の受光面上のＸ軸方向の位置を表している。図１０の光量分布には、第１計測マーク１１５の透過領域１１５ｂに対応する分布Ｍ１～Ｍ７と、第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｂに対応する分布Ｐ１、Ｐ２が含まれる。また、第１計測マーク１１５の遮光領域１１５ｂに対応する分布Ｖ１～Ｖ１０と、第２計測マーク１０９の遮光領域１０９ｂに対応する分布Ｖ１、Ｖ２、Ｖ９、Ｖ１０が含まれる。
図１０で示した照明光の光量分布から、ＸＹ平面におけるマスク２と基板ステージ６との適切な相対位置（基準アライメント位置）を決定する方法を説明する。まず、第１計測マーク１１５に対応する分布Ｍ１～７の各パターンの検出部２２の受光面の位置を算出する（例えば、重心計算により算出する）。各パターンの位置を平均した位置９２をＭＡ１とする。また、分布Ｐ１、Ｐ２の各パターンの検出部２２の受光面の位置を算出する（例えば、重心計算により算出する）。各パターンの位置を平均した位置９３をＰＡ１とする。ＭＡ１とＰＡ１の差分は、第１計測マーク１１５と第２計測マーク１０９の相対位置、すなわちマスク２と基板ステージ６の相対位置を表している。
図１１（ａ）は、図４（ａ）に示す状態からアライメント位置（ＸＹ平面に平行な方向におけるマスク２と基板ステージ６の相対位置）がずれた状態を示している。露光処理時に生じる熱等により、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が生じるおそれがある。これにより、図４（ａ）と図１１（ａ）に示すように第１計測マーク１１５の像が結像パターン１１５Ｐから結像パターン１１５ＯへとＸ軸方向にずれる場合がある。このような場合、図１０で示した光量分布から、図１１（ｂ）に示す光量分布へと変化する。
図１１（ｂ）では、図１０と同様に、Ｍ１～Ｍ７の位置を平均した位置９５をＭＡ２、Ｐ１、Ｐ２の位置を平均した位置９６をＰＡ２としている。このとき、ＭＡ２の位置はＭＡ１と比較して変化している。ＰＡ１及びＰＡ２は投影光学系４を通過した後の第２計測マーク１０９に対応するものであるため、投影光学系４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の影響を受けない。そのため、上記の空気揺らぎや部材の位置ずれを原因として第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｂの位置は変化せず、１０９ｂに対応する分布ＰＡ２の位置はＰＡ１の位置から変化しない。ここで、ＭＡ１とＰＡ１の差分ＡＡ１をアライメントの基準とし、ＭＡ２とＰＡ２の差分をＡＡ２としたとき、ＡＡ１とＡＡ２の変化量が、本実施形態におけるアライメントの変化量として算出される。
以上説明した通り、本実施形態では、アライメントの変化量を算出することができる。また、本実施形態では、フォーカスのキャリブレーションで用いた検出部２２による検出結果をアライメントのキャリブレーションでも用いることができる。
（キャリブレーション動作の具体的な方法）
上記では、フォーカス及びアライメントの変化量を算出する方法について、それぞれ具体的に示した。しかしながら、図４（ｂ）と図５（ｂ）や図１０と図１１（ｂ）のグラフの変化が、投影光学系４のフォーカス及びアライメントのどちらの影響により生じているのかを切り分けなければ、フォーカス及びアライメントの変化量を正しく算出できないおそれがある。下記では、フォーカス及びアライメントの変化量を切り分けるための具体的な処理方法について示す。
本実施形態において、投影光学系４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の影響を受けて、ＸＹ平面における第１計測マーク１１５が結像する像面の位置が変化した場合、結像系２１での計測像高も変化することになる。本実施形態における結像系２１は像面湾曲を有するため、像高の変化に応じて結像系２１の焦点位置も変化する。これにより、ＸＹ平面における第１計測マーク１１５の結像位置だけが変化したにもかかわらず、あたかもフォーカスも変化しているような光量分布となってしまう。
そこで、熱等により投影光学系の状態が変化することで影響を受ける変化量を切り分ける（フォーカスの変化量のみを算出する）ために、検出部２２の受光面上の位置に対応するフォーカスの変化量に関する情報を予め制御部７に保有しておく。その上で、検出部２２の受光面の位置に対応した特徴のフォーカス変化を示す情報において、その分のフォーカス変化量を差し引くことで、投影光学系４におけるフォーカスの変化量を正しく計測することができる。
投影光学系４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の影響を受けて、ＸＹ平面における第１計測マーク１１５が結像する像面の位置が変化した場合、検出部２２の受光面上で検出される光量分布の包絡線の極大値もずれることになる。つまり、アライメント位置だけが変化したにもかかわらず、包絡線の極大値の位置がずれて、あたかもフォーカスが変化しているような光量分布となってしまう。
そこで、熱等により投影光学系の状態が変化することで影響を受ける変化量を切り分ける（アライメントの変化量のみを算出する）ために、ＭＡ１とＰＡ１の差分をΔＡ、ＭＡ２とＰＡ２の差分をΔＢとし、ＭＩ１－ΔＡやＭＩ２－ΔＢの変化量を算出する。アライメント位置の変化量はＭＡ１－ＰＡ１とＭＡ２－ＰＡ２の差分、フォーカス位置の変化量はＭＩ１－ΔＡとＭＩ２－ΔＢの差分により算出する。これにより、フォーカスとアライメントの位置ずれを正しく切り分けることができる。
次に、本実施形態における像面湾曲量について、図１２を参照して説明する。
検出部２２が光量分布を検出できる範囲における像面湾曲量が大きい場合、光量分布は像高の変化に対して急峻になる（光量が急激に変化する）。また、フォーカスが変化したときの光量分布の包絡線のずれ量は大きくなる。一方で、像面湾曲量が小さい場合は、それらの特徴は逆になる。
図１２（ａ）は、像面湾曲量が大きいときの照明光の光量分布を示しており、破線で示す光量分布１９１と実線で示す光量分布１９３はそれぞれ別のフォーカス位置での光量分布を示している。破線で示す光量分布１９１の包絡線１９２の重心位置をＭＩ１９１、実線で示す光量分布１９３による包絡線１９４の重心位置をＭＩ１９３とする。
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）よりも像面湾曲量が小さいときの照明光の光量分布を示しており、破線で示す光量分布１９５と実線で示す光量分布１９７はそれぞれ別のフォーカス位置での光量分布を示している。破線で示す光量分布１９５の包絡線１９６の重心位置をＭＩ１９５、実線で示す光量分布１９７による包絡線１９８の重心位置をＭＩ１９７とする。
図１２（ａ）と図１２（ｂ）の光量分布は、検出光学系２０の結像系２１の像面湾曲量だけが異なり、実線と破線が示す２つの光量分布が示すフォーカス変化量やその他の条件は同じである、として描いたものである。図１２（ａ）と図１２（ｂ）を比較した場合、実線と破線が示す２つの包絡線の重心位置の変化量が異なる。具体的には、図１２（ａ）の２つの重心位置ＭＩ１９１とＭＩ１９３の差分と、図１２（ｂ）の２つの重心位置ＭＩ１９５とＭＩ１９７の差分を比較した場合、像面湾曲が大きい図１１（ａ）におけるＭＩ１９１とＭＩ１９３の差分の方が小さい。したがって、像面湾曲が大きい場合には、検出部２２で包絡線の極値を有するフォーカス変化量が小さくなる分、広い計測範囲を有することができる。一方で、フォーカス変化量に鈍感になることから、計測精度は低下する。
上記の計測範囲と計測精度は、要求される計測系の精度に応じて調整すればよい。また、結像系２１の光学条件（設計波長、開口数、倍率など）や、第１計測マークのラインアンドスペースの線幅やピッチや、検出部２２の仕様（Ｓ／Ｎ比、画素サイズ）などにはトレードオフの関係がある。
像面湾曲量の一つの目安としては、ベストフォーカスでのパターン強度（例えば図４（ｂ）の分布Ｍ４）を１として、周辺の同じ線幅のパターン強度（例えば図４（ｂ）の一番端の分布Ｍ１、Ｍ７）が０．２以上となる像面湾曲量が良い。理由としては、パターン強度が０．２以上ならば、十分に計測可能なコントラストを得ることができるためである。
次に、具体的な露光方法について説明する。上述したように検出部２２で検出した光量分布に基づき、フォーカスとアライメントのキャリブレーション動作を実行することができる。また、マスク２と基板ステージ６の相対位置関係を把握しておくことで、後述するようにアライメント計測系とフォーカス計測系を用いて、第２タイミングより後の第３タイミングでマスク２と基板ステージ６の相対位置を制御することができる。即ち、制御部７は、マスク２と基板５の相対位置関係を適切に管理しながら、マスク２のパターンを基板５に露光することができる。
図１３は、アライメント計測系とフォーカス計測系を示す図である。図１３（ａ）に示すアライメント計測系５０（オフアクシスアライメントスコープとも呼ばれる）は、ＬＥＤ等の光源５１と、レンズ５２、５３、５４、５５、ハーフミラー５６、撮像部５７とを含む。光源５１から照射される光がレンズ５２、レンズ５３を通過し、ハーフミラー５６で反射され、レンズ５４を通過し、基板５へと垂直に入射する。基板５に入射した光は基板５のショット領域のアライメントマーク等で反射して散乱し、反射散乱光がレンズ５４、ハーフミラー５６、レンズ５５を通過し、撮像部５７上にアライメントマークの像を形成しでアライメントマーク像が撮像される。アライメント計測系５０は、ＸＹ平面に平行なＸ軸方向とＹ軸方向における基板５の位置計測を行う。
図１３（ｂ）に示すフォーカス計測系６０（面位置計測系とも呼ばれる）は、ＬＥＤ等の光源６１と、レンズ６２、６３、６４、撮像部６５とを含む。光源６１から照射される光がレンズ６２を通過し、基板５へと斜めに入射する。入射した光は基板５で反射され、レンズ６３、レンズ６４を通過し、撮像部６５で撮像される。フォーカス計測系６０は、基板ステージ６に形成されている第２計測マーク１０９や基板ステージ６のＺ軸方向における位置計測（Ｚ軸方向の表面高さの計測）を行う。このＸ軸とＹ軸の各方向、Ｚ軸方向に関する計測結果と、上記のフォーカスおよびアライメントのキャリブレーションに関する情報により、マスク２と基板５の位置関係を把握することができる。
上記のキャリブレーションを実行する頻度は、投影光学系４の安定性と露光装置に要求される精度に応じて適切に設定すれば良い。本実施形態におけるキャリブレーションでは、基板ステージ６を駆動させずに実行できるため、高頻度でキャリブレーションを実行しても、生産性への影響は小さい。したがって、キャリブレーション頻度を多くすることで、マスク２と基板５の相対位置を高精度にキャリブレーションすることを可能にする。
このように、本実施形態における変化量計測処理では、フォーカス変化量を求める際に、基板ステージ６をＺ軸方向に駆動させる必要がない。したがって、本実施形態では、キャリブレーションにおいて、基板ステージ６をＺ軸方向に移動させる動作（フォーカスのキャリブレーション動作）に要する時間が削減され、露光装置１００の生産性の低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、第３タイミングにおいて制御部７がマスク２と基板５の相対位置を制御するために基板ステージ６を駆動させる説明をしているが、これに限らず、マスクステージ６を駆動させても良い。また、マスクステージ３と基板ステージ６の両方を駆動させても良い。本実施形態では、第１計測マーク１１５、及び第２計測マーク１０９それぞれの複数のパターン（透過領域）はＸ方向に並べて配置しているが、これらのパターンと同じ複数のパターンをＹ方向にも並べて配置した第１計測マーク、第２計測マークを用いても良い。この場合には、検出部２２を複数用意し、Ｘ方向に並んだ複数のパターンの像を検出する第１検出部とＹ方向に並んだ複数のパターンの像を検出する第２検出部として設ける。
＜第２実施形態＞
第１実施形態では、一方向（Ｘ軸方向）にパターンが並べられた第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を通過した照明光の光量分布を計測し、キャリブレーションを実行する例について説明した。本実施形態では、複数の方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向）にパターンが並べられた第１計測マーク１１５、及び第２計測マーク１０９の光量分布を計測し、キャリブレーションを実行する例について説明する。露光装置１００の基本的な構成については、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。また、本実施形態で言及しない事項については、第１実施形態に従う。
図１４（ａ）は、本実施形態における第１計測マーク１１５を示す図である。本実施形態における第１計測マーク１１５には、遮光領域１１５ｄと、所定の線幅及びピッチを有する複数のパターンである透過領域１１５ｅ、１１５ｆと、透過領域１１５ｇ、１１５ｈ、１１５ｉを含む。透過領域１１５ｅは、Ｘ軸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している。透過領域１１５ｆは、Ｙ軸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している。本実施形態における説明では、第１計測マーク１１５がマスク２に形成されていることを想定しているが、これに限らず、投影光学系４の物体面に相当する位置に設けられていれば良い。例えば、第１計測マーク１１５がマスクステージ３に設けられていても良く、その場合には、マスクステージ３上にマスク２が載置されていない場合でも、投影光学系４のキャリブレーションを行うことができる。
また、第１実施形態と同様に、透過領域１１５ｅ、１１５ｆのラインアンドスペースパターンは、線幅、ピッチ、方向などが互いに異なる種々のパターン（またはパターン群）でも良い。また、透過領域１１５ｇ、１１５ｈ、１１５ｉは、後述する第２計測マーク１０９の透過領域１０９ｅ、１０９ｆ、１０９ｇを照明するために設けられている。
図１４（ｂ）は、本実施形態における第２計測マーク１０９を示す図である。本実施形態における第２計測マーク１０９には、遮光領域１０９ｄと、透過領域１０９ｅ、１０９ｆ、１０９ｇと、透過領域１０９ｈ、１０９ｉを含む。Ｘ軸方向のパターンとして透過領域１０９ｅ、１０９ｆが形成され、Ｙ軸方向のパターンとして透過領域１０９ｆ、１０９ｇが形成されている。
本実施形態における説明では、第２計測マーク１０９が基板ステージ６に設けられているが、これに限らず、投影光学系４の像面に相当する位置であって計測マーク１１５のパターンが投影される場所にマーク１０９を位置させることができれば良い。例えば、基板ステージ６とは異なるユニットや要素にマーク１０９を設けても良い。
また、透過領域１０９ｈ、１０９ｉは、第１計測マーク１１５の透過領域１１５ｅ、１１５ｆのパターン像を透過させるために設けられている。
図１４（ｃ）は、検出部２２によって検出される光量分布である。尚、領域３２２は検出部２２の受光面に照明光が到達している様子を表している。領域３２２ａ～３２２ｅは、第１計測マーク１１５及び第２計測マーク１０９を透過した照明光であり、各マークのパターンの像である。
また、交線３２２ｈは、検出部２２の受光面と結像面とが一致する線を表している。結像系２１がＸ軸方向とＹ軸方向の両方で像面湾曲を有しているため、両方向に関して、検出部２２の受光面と結像面は完全に一致せず一部のみ一致するので交線３２２ｈを有することになる。
光量分布３２３は、検出部２２のＸ軸方向に延びた領域３２２ｆにおいて検出部２２の受光面に受光された光量の分布である。図１４（ｃ）に示すように、領域３２２ａの光量は光量分布３２３における分布３２３ａであり、領域３２２ｂの光量は光量分布３２３における分布３２３ｂであり、領域３２２ｄの光量は光量分布３２３における分布３２３ｄである。
光量分布３２４は、検出部２２のＹ軸方向に延びた領域３２２ｇにおいて検出部２２の受光面に受光された照明光の光量の分布である。図１４（ｃ）に示すように、領域３２２ａの光量は光量分布３２４における分布３２４ａであり、領域３２２ｃの光量は光量分布３２４における分布３２４ｃであり、領域３２２ｅの光量は光量分布３２３における分布３２４ｅである。
本実施形態では、第１、第２計測マークを通過した照明光の光量分布をＸ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれで得ることができ、それぞれの方向における光量分布に基づいてＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれのアライメントのキャリブレーションを行うことができる。また、第１実施形態と同様に、フォーカスのキャリブレーションも行うことができる。
本実施形態では、エリアセンサ等２次元の検出部２２を使用し、１つの検出部２２でＸ軸方向とＹ軸方向の計測を行うことができるため、検出部２２をＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに用意するよりも省スペース化、低コスト化を実現することができる。
本実施形態における変化量計測処理においても、フォーカス変化量を求める際に、基板ステージ６をＺ軸方向に駆動させる必要がない。したがって、本実施形態でも、キャリブレーションにおいて、基板ステージ６をＺ軸方向に移動させる動作（フォーカスのキャリブレーション動作）に要する時間が削減され、露光装置１００の生産性の低下を抑制することができる。
＜第３実施形態＞
第１実施形態では、第１計測マーク１１５がマスク２に形成され、第２計測マーク１０９が基板ステージ６に形成され、検出部２２が基板ステージ６に配置されている例について説明した。本実施形態では、第１計測マーク１１５がマスク２以外に配置されている例や、第２計測マーク１０９が基板ステージ６以外に配置されている例、或いは、検出部２２が基板ステージ６以外に配置されている例について説明する。
第１計測マーク１１５が投影光学系４の物体面に配置され、第２計測マーク１０９が投影光学系４の像面に配置される点は、第１実施形態と同様である。また、露光装置１００の基本的な構成については、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。本実施形態で言及しない事項については、第１実施形態に従う。
第１実施形態では、ベストフォーカス位置を求めるための２つの方法を説明したが、本実施形態では、基板ステージ６をＺ軸方向に駆動させても検出部２２で得られる光量分布に変化が現れない。そのため、第１実施形態で説明した方法ではベストフォーカス位置を決定することができない。本実施形態でベストフォーカス位置を決定するためには、検出部２２を設置する際に、検出部２２を光軸方向に駆動させることで変化する光量分布に基づいてベストフォーカス位置を決定する必要がある。そのため、検出部２２は、光軸方向に駆動する機構を有している必要がある。或いは、第１実施形態のように基板ステージ６の下部に設置された検出光学系を併存させることで、ベストフォーカス位置を決定できるようにしても良い。
図１５を参照して、本実施形態の露光装置１００について説明する。図１５（ａ）は、検出光学系２０が投影光学系４の側部（鏡筒側面）に固定されて配置されている図である。検出光学系２０には、図１（ａ）と同様に、検出部２２と、レンズ２３とレンズ２４を含む系で構成される結像系２１に加えて、照明光を結像系２１に導光するためのミラー３２、３３が配置されている。また、第２計測マーク１０９は、基板ステージ６に形成するのではなく、光学系２０内の、ミラー３２とミラー３３の間の、投影光学系４の像面に相当する位置に配置している。
第１実施形態の説明で述べたように、検出部２２は基板ステージ６を駆動させずにフォーカス及びアライメントの変化量を計測することができる。本実施形態では、検出部２０を含む検出光学系２０は投影光学系４に固定した状態でその光軸方向に動かさなくても、フォーカス及びアライメントの計測が可能となる。この特長を活かして、露光処理時に基板５に照射する照明光（露光光）のわずかに外側の光路を有する照明光を検出光学系２０の検出部２２に導光することで、露光しながら投影光学系４のフォーカスとアライメントそれぞれの変化量を常時計測することができる。これにより、計測のための待ち時間が発生することなくキャリブレーション動作を実行できるため、生産性の低下を小さくすることができる。
図１５（ｂ）は、第１計測マーク１１５が、マスク２やマスクステージ３ではなく、投影光学系４の上部の光学系４０中に配置されている図である。光学系４０は、第１計測マーク１１５を照明するために、光源４１、レンズ４２、ミラー４３などの要素を備え、露光処理用の照明光とは別の照明光を供給する。
本実施形態の利点としては、部分毎に切り分けてキャリブレーションできることが挙げられる。例えば、第１実施形態に対して図１５（ｂ）の構成の露光装置１００では、投影光学系４だけの結像性能や変形などが分かる。また、第１実施形態に対して図１５（ａ）の構成の露光装置１００では、計測値の差分を評価することで、基板ステージ６の駆動性能や変形などが分かる。このように、部分毎に切り分けて性能を把握することができるようになる点で第１実施形態と比較して有利である。
また、本実施形態における変化量計測処理においても、フォーカス変化量を求める際に、基板ステージ６をＺ軸方向に駆動させる動作が必要ない。また、検出部２２を含む光学系２０もその光軸方向に移動しない。したがって、本実施形態でも、キャリブレーションにおいて、基板ステージ６をＺ軸方向に移動させる動作（フォーカスのキャリブレーション動作）等に要する時間が削減され、露光装置１００の生産性の低下を抑制することができる。
＜物品の製造方法の実施形態＞
本発明の実施形態にかかる物品の製造方法は、例えば、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）を製造するのに好適である。本実施形態の物品の製造方法は、基板上に塗布された感光剤に上記の露光装置を用いて潜像パターンを形成する工程（基板を露光する工程）と、かかる工程で潜像パターンが形成された基板を現像する工程とを含む。更に、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、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。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
２ マスク
４ 投影光学系
５ 基板
７ 制御部
２２ 検出部
１００ 露光装置
１０９ 第２計測マーク
１１５ 第１計測マーク

Claims (23)

  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た第１計測マークと、前記投影光学系と、前記投影光学系の像面に配置された第２計測マークと、を通過した照明光の光量分布を検出する検出光学系と、
    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タイミングで前記検出光学系により検出される前記第１計測マーク及び前記第２計測マークをそれぞれ通過した照明光の第１光量分布と、前記第１タイミングより後の第２タイミングで前記検出光学系により検出される前記第１計測マーク及び前記第２計測マークをそれぞれ通過した照明光の第２光量分布とに基づいて、前記第２タイミングより後の第３タイミングにおいて、前記投影光学系の光軸方向における前記相対位置、及び前記光軸方向に対して垂直な方向における前記相対位置を制御することを特徴とする露光装置。
  2. 前記制御部は、前記第１光量分布の包絡線のピーク位置と前記第２光量分布の包絡線のピーク位置との差分に基づいて、前記光軸方向における前記相対位置、及び前記光軸方向に対して垂直な方向における前記相対位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
  3. 前記第２タイミングは、前記第１タイミングの後に所定回数又は所定時間の露光処理を行った後のタイミングであ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. 前記第１タイミングの前記光軸方向における前記相対位置は、前記投影光学系のベストフォーカス位置であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光装置。
  5. 前記制御部は、前記第２計測マークを前記光軸方向に移動させながら、前記検出光学系により検出される光量分布に基づいて前記ベストフォーカス位置を決定することを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
  6. 前記第１計測マークは、少なくとも２つの計測マークを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光装置。
  7. 前記物体面は、前記マスクのパターンが形成されている面であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の露光装置。
  8. 前記第１計測マークは、前記マスクに形成されてい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. 前記マスクを保持するマスクステージを更に有し、
    前記第１計測マークは、前記マスクステージに形成されてい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。
  10. 前記第１計測マークは、前記マスクのパターンが形成されている面とは異なる面に配置され、前記露光処理時に用いられる照明光とは別の照明光により照明されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の露光装置。
  11. 前記像面は、前記基板が配置されたときの前記基板上の面であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置。
  12. 前記基板を保持する基板ステージを更に有し、
    前記第２計測マークは、前記基板ステージに形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の露光装置。
  13. 前記第２計測マークは、前記基板ステージの上面とは異なる面に配置され、前記露光処理時に用いられる照明光とは別の照明光により照明されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の露光装置。
  14. 前記制御部は、前記検出部により検出される光量分布と、前記光軸方向における前記相対位置との対応関係を示すテーブルデータを記憶し、前記テーブルデータを用いて前記光軸方向における前記相対位置を補正することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の露光装置。
  15. 前記検出光学系は、前記基板を保持する基板ステージに配置されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の露光装置。
  16. 前記検出光学系は、前記投影光学系に配置されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の露光装置。
  17. 前記検出光学系は、前記照明光を受光するラインセンサを有することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の露光装置。
  18. 前記検出光学系は、前記検出光学系を介した前記第１計測マーク及び前記第２計測マークの像が結像される像面が前記検出光学系の受光面に対して、一部のみ重複する光学特性を有する光学系であることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の露光装置。
  19. 前記検出光学系は、像面湾曲を有する光学系であることを特徴とする請求項１８に記載の露光装置。
  20. 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た計測マークと前記投影光学系とを通過した照明光の光量分布を検出する検出光学系と、
    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、
    前記検出光学系は、像面湾曲を有する結像系と受光面を有し、
    前記照明光の光量分布は前記結像系を介して前記受光面上に形成される光量分布であり、
    前記制御部は、第１タイミングで前記検出光学系が検出する前記照明光の光量分布としての第１光量分布と、前記第１タイミングより後の第２タイミングで前記検出光学系が検出する前記照明光の光量分布としての第２光量分布との前記受光面上での位置関係に基づいて、前記投影光学系のフォーカス変化量を求め、前記フォーカス変化量を用いて前記投影光学系の光軸方向における前記相対位置を制御することを特徴とする露光装置。
  21. 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方法であって、
    第１タイミングで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の物体面に配置された第１計測マーク、及び前記投影光学系の像面に配置された第２計測マークを通過する照明光を検出光学系により検出する第１検出工程と、
    前記第１タイミングより後の第２タイミングで前記第１計測マーク、及び前記第２計測マークを通過する前記照明光を前記検出光学系により検出する第２検出工程と、
    前記第２タイミングより後の第３タイミングで前記マスクと前記基板との相対位置を制御する制御工程と、
    前記露光処理を実行する露光工程と、を含み、
    前記制御工程は、前記第１検出工程により検出される前記第１計測マーク及び前記第２計測マークをそれぞれ通過した光の光量を示す第１光量分布と、前記第２検出工程により検出される前記第１計測マーク及び前記第２計測マークをそれぞれ通過した光の光量を示す第２光量分布とに基づいて、前記投影光学系の光軸方向における前記相対位置、及び前記光軸方向に対して垂直な方向における前記相対位置を制御することを特徴とする露光方法。
  22. 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方法であって、
    第１タイミングで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の物体面に配置された第１計測マークを通過する照明光を検出光学系により検出する第１検出工程と、
    前記第１タイミングより後の第２タイミングで前記第１計測マークを通過する前記照明光を前記検出光学系により検出する第２検出工程と、
    前記第２タイミングより後の第３タイミングで前記マスクと前記基板との相対位置を制御する制御工程と、
    前記露光処理を実行する露光工程と、を含み、
    前記検出光学系は、像面湾曲を有する結像系と受光面を有し、
    前記制御工程は、前記第１検出工程により検出される前記照明光の光量分布としての第１光量分布と、前記第２検出工程により検出される前記照明光の光量分布としての第２光量分布との前記受光面上での位置関係に基づいて、前記投影光学系のフォーカス変化量を求め、前記フォーカス変化量を用いて前記投影光学系の光軸方向における前記相対位置を制御することを特徴とする露光方法。
  23. 請求項１乃至２０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、
    露光され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、を含むことを特徴とする物品の製造方法。
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