JP3617710B2 - 投影露光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、又は液晶表示素子等を製造する際に使用され、所謂斜入射方式の焦点位置検出系（ＡＦセンサ）の検出結果を用いてオートフォーカス方式で感光基板を投影光学系の結像面に合わせ込んで露光を行う投影露光装置に関し、特にその斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーション機能を備えた投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体集積回路あるいは液晶パネル等を製造する際に用いられる投影露光装置では、投影光学系の結像面（合焦位置）に厳密に感光基板を合わせる必要性がある。このため従来より投影露光装置には、所謂斜入射方式の焦点位置検出系（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）を用いて、感光基板の投影光学系の光軸方向の位置（投影光学系の像面に垂直な方向での位置）を検出し、ウエハステージの高さを調整して感光基板を投影光学系の結像面に合せ込むオートフォーカス機構が備えられている。
【０００３】
その斜入射方式のＡＦセンサは、例えば、感光基板上の所定の計測点に投影光学系の光軸に対して斜めにスリットパターン等の像を投影する送光系と、感光基板からの反射光を受光してそのスリットパターン等の像を再結像し、その再結像位置と再結像すべき基準位置とのずれ量を検出する受光系とから構成されている。この場合、感光基板が結像面に合致しているときの再結像される像の位置を基準位置として予め求めておき、感光基板を結像面に合せ込むときにはその再結像される像の位置がその基準位置と一致するように感光基板の高さを調整することにより、感光基板のオートフォーカスが行われる。
【０００４】
また、従来より、投影光学系の結像面の位置（合焦位置）を直接計測する手段として、所謂ステージ発光方式の焦点位置検出系が知られている。このステージ発光方式の焦点位置検出系では、例えば、投影露光装置自体の照明系とは別個の照明系からの光によりウエハステージ上に設けられた所定の基準パターンの像を投影光学系を介してマスクとしてのレチクルの下面（パターン面）に投影する。そして、そのレチクルからの反射光を投影光学系を介してウエハステージ側に戻し、戻された反射光をその基準パターンを介して受光する。そしてウエハステージを上下させたときに得られる検出信号が極値を取る位置を結像面の位置として検出している。
【０００５】
更に、マスクとしてのレチクルを投影露光装置の照明光学系からの光ににより照明し、そのレチクル内に設けられた所定の開口パターンの像を投影光学系を介してウエハステージ側に投影し、ウエハステージ側に投影された像を開口パターンを介して受光し、ウエハステージを上下させたときに得られる検出信号が極値を取る位置を結像面の位置として検出する、所謂ステージスリット方式の焦点位置検出系も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、斜入射方式のＡＦセンサを使用すれば、投影光学系の結像面の位置が固定されている場合には、感光基板上の計測点の結像面の位置からのずれ量を正確に検出できる。しかしながら、露光を継続して行うような場合には、露光光による熱エネルギーが投影光学系内に蓄積されて投影光学系の結像特性が変化するため、その結像面の位置が変化することがある。このように結像面の位置が変化しても、斜入射方式のＡＦセンサでは変化する前の結像面を基準として感光基板の焦点位置のずれ量を検出するため、その斜入射方式のＡＦセンサの検出結果を用いてオートフォーカスを行うと、変化後の結像面に感光基板を合わせ込むことができないという不都合がある。
【０００７】
また、ステージ発光方式の焦点位置検出系によれば、例えば露光光の吸収による熱変形により投影光学系の結像面の位置が変化したような場合にも、正確にその投影光学系の結像面の位置を検出できる。しかしながら、そのステージ発光方式の焦点位置検出系は、投影露光装置の照明光学系とは独立の照明系を使用することから、実際に投影露光装置自体の照明光学系からの露光光を用いてレチクルを照明する場合の投影光学系の結像面と、ステージ発光方式の焦点位置検出系で計測される合焦位置との間に所定のオフセットがある場合がある。
【０００８】
特に、照明光学系に関しては、解像度を高めるために例えば特開平４−２２５５１４号公報に開示されている変形光源法や、輪帯照明法等が切り換えて使用されることがある。このように照明光学系の切り換えが行われると、投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）での露光光の照度分布が変化して、結像面の位置の変化量も変化するため、ステージ発光方式の焦点位置検出系で計測される合焦位置と実際の結像面との間のオフセットも変化する。
【０００９】
これに関して、ステージスリット方式の焦点位置検出系を使用すれば、実際の照明光学系を用いているため、実際の露光光による投影光学系の結像面の位置を検出することができる。しかしながら、ステージスリット方式では、特に所定の検出用のパターンが形成されたレチクルを使用する必要があるため、実際の露光対象とするレチクルを使用できない場合もある。また、実際の露光対象とするレチクルのパターン領域に検出用のパターンを設けるとしても、それを設ける領域が限定されるために、所望の計測点での結像面の位置を計測することは困難である。
【００１０】
更に、上述のステージ発光方式とステージスリット方式とに共通に、感光基板が投影光学系の露光フィールドに設定されているときには使用できないため、オートフォーカスを行う際のＡＦセンサとしては使用できないという不都合がある。
本発明は斯かる点に鑑み、露光光の吸収等によって投影光学系の結像面の位置が変化した場合でも正確に、感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１１】
更に本発明は、照明光学系が切り換えられた場合でも正確に、感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による投影露光装置は、例えば図１〜図３に示すように、露光光で転写用のパターンが形成されたマスク（１０）を照明する照明光学系（１，２，５〜９）と、その露光光のもとでマスク（１０）のパターンの像を感光基板（１４）上に投影する投影光学系（１３）と、感光基板（１４）を投影光学系（１３）の光軸に垂直な平面内で移動させると共に、感光基板（１４）をその光軸方向に位置決めする基板ステージ（１５，１６）と、その投影光学系の露光フィールド内の感光基板（１４）の所定の計測点上に、投影光学系（１３）の光軸に対して斜めに焦点検出用のパターン像を投影する送光系（２４）と、感光基板（１４）からの反射光を受光してその焦点検出用のパターン像を再結像し、このように再結像された像の横ずれ量に対応する焦点信号を生成する受光系（２８，３１，３２）とからなる斜入射方式の焦点位置検出系と、を有し、その焦点信号に基づいて感光基板（１４）の表面を投影光学系（１３）に対して合焦させる投影露光装置に関する。
【００１３】
そして、本発明は、その露光光と同じ波長域の照明光で所定の計測用パターン（５８）の像を基板ステージ（１５，１６）上、又はマスク（１０）上に投影する送光系（３５〜４０）と、その所定の計測用パターン像からの光を投影光学系（１３）、及び基板ステージ（１５，１６）上に設けられた第１の開口パターン（５８）を介して受光し、この受光された光量に対応する第１の焦点検出信号を生成する受光系（３７〜４０，４１，４２）とを有する独立照明方式の焦点位置検出系（例えばステージ発光方式の焦点位置検出系）と、照明光学系（１，２，５〜９）により照明されたマスク（１０）上の所定のパターン（５６）からの露光光を、投影光学系（１３）、及び基板ステージ（１５，１６）上に設けられた第２の開口パターン（５８）を介して受光し、この受光された光量に対応する第２の焦点検出信号を生成するステージスリット方式の焦点位置検出系と、を備え、その独立照明方式の焦点位置検出系により求められる投影光学系（１３）に対する第１の合焦位置ＺBFと、そのステージスリット方式の焦点位置検出系により求められる投影光学系（１３）に対する第２の合焦位置ＺCF との差分である第１の差分と、その独立照明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位置と、その斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分である第２の差分とに基づいて、その斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置ＺAFの補正を行うものである。
【００１４】
この場合、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系（３７〜４０，４１，４２）と、そのステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系とが共通であることが望ましい。
また、その独立照明方式の焦点位置検出系の送光系の一例は、基板ステージ（１５，１６）上の第１の開口パターン（５８）を投影光学系（１３）側に照明する送光系（３５〜４０）であり、この場合、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系（３７〜４０，４１，４２）は、投影光学系（１３）を往復する照明光を受光することになる。
【００１５】
また、投影光学系（１３）の露光フィールド内の少なくとも１点において、その独立照明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位置ＺBFと、その少なくとも１点において、そのステージスリット方式の焦点位置検出系により求めたその第２の合焦位置ＺCFとの差分であるその第１の差分ΔBCを記憶する第１の差分記憶手段（３４ａ）と、その第２の差分Δ AB と、その第１の差分記憶手段に記憶されているその第１の差分ΔBCとを用いてその斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置ＺAFの補正を行う演算手段（３３）と、を有することが望ましい。
【００１６】
更に、その斜入射方式の焦点位置検出系が、例えば図５に示すように、投影光学系（１３）の露光フィールド内の複数の計測点（６３Ａ〜６３Ｅ）にそれぞれ焦点検出用のパターン像を投影し、それら複数の計測点での投影光学系（１３）に対する合焦位置を検出する多点の焦点位置検出系である場合、それら複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、その独立照明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位置ＺＢＦと、それら複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、その斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置ＺＡＦとの差分ΔＡＢを記憶する第２の差分記憶手段（３４ｂ）を設け、演算手段（３３）は、第１、及び第２の差分記憶手段（３４ａ，３４ｂ）にそれぞれ記憶されている差分を用いて、その斜入射方式の焦点位置検出系により求められる複数の計測点（６３Ａ〜６３Ｅ）での最終的な合焦位置の補正を行うようにしてもよい。
【００１７】
斯かる本発明の投影露光装置によれば、例えば先ず所定のパターンが形成されたマスクを載置し、ステージスリット方式の焦点位置検出系により第２の合焦位置ＺＣＦ、即ち投影露光装置自体の照明光学系からの露光光の下での合焦位置を求める。その後、独立照明方式の焦点位置検出系により、投影光学系に対する第１の合焦位置ＺＢＦを求め、これと第２の合焦位置ＺＣＦとの差分ΔＢＣ（＝ＺＣＦ−ＺＢＦ）を求め、この差分を独立照明方式のオフセットとして記憶する。
【００１８】
その後露光を行う際には、独立照明方式の焦点位置検出系で第１の合焦位置ＺＢＦを求めるのと並行して斜入射方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置ＺＡＦを求め、これと第１の合焦位置ＺＢＦのオフセット補正後の値（ＺＢＦ＋ΔＢＣ）との差分ΔＡＣ（＝ＺＢＦ＋ΔＢＣ−ＺＡＦ）を求める。すなわち、斜入射方式の焦点位置検出系で検出される合焦位置ＺＡＦとステージスリット方式の焦点位置検出系で検出される第２の合焦位置ＺＣＦとの差分ΔＡＣを求める。そして、図１に示す斜入射方式の焦点位置検出系において、例えば平行平面板（４３）の角度を変えて、その差分ΔＡＣよりなるオフセット分だけ焦点検出用のパターン像の再結位置をずらす（言い換えれば、再結像すべき基準位置をずらす）ことにより、合焦位置の補正（キャリブレーション）を行う。この結果、斜め入射方式の焦点位置検出系を用いてオートフォーカス方式で正確に投影光学系の結像面に感光基板を合焦させることができる。
【００１９】
更に、露光を継続して行って、投影光学系（１３）で露光光吸収による熱変形等の影響が現れると予想されるときには、再び独立照明方式の焦点位置検出系により第１の合焦位置ＺＢＦ’を求めるのと並行して、斜入射方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置ＺＡＦ’を求め、これとその第１の合焦位置ＺＢＦ’のオフセット補正後の値（ＺＢＦ’＋ΔＢＣ）との差分ΔＡＣ’（＝ＺＢＦ’＋ΔＢＣ−ＺＡＦ’）を求める。その後、斜入射方式の焦点位置検出系において、例えば平行平面板（４３）の角度を変えて、その差分ΔＡＣ’の分だけ焦点検出用のパターン像の再結像位置をずらすことにより、露光光吸収等により結像位置が変化しても、斜め入射方式の焦点位置検出系を用いてオートフォーカス方式で正確に投影光学系の結像面に感光基板を合焦させることができる。
【００２０】
これは、投影光学系の露光光吸収等があっても、ステージスリット方式と独立照明方式はどちらも投影光学系を介して合焦位置が検出されるので、両者の合焦位置のオフセットΔＢＣがほとんど変化しないためである。
また、照明光学系を例えば通常照明から変形光源法に切り換えたような場合には、ステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置を求め直すことにより、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーションを正確に行うことができる。
【００２１】
また更に、ステージスリット方式の焦点位置検出系では、投影光学系の露光フィールド内の任意の位置での合焦位置を検出するには、任意の位置に計測用のパターンが形成されたマスクを使用する必要があるため、そのように任意の位置での合焦位置を検出するのは困難である。それに対して、独立照明方式では、例えば所定の計測用パターン、及び第１の開口パターンの位置を調整することにより、比較的容易に露光フィールド内の任意の位置での合焦位置を検出できる。そこで、例えばステージスリット方式の焦点位置検出系での計測点において、ステージスリット方式での第２の合焦位置ＺＣＦ、及び独立照明方式での第１の合焦位置ＺＢＦを求め、両者の差分ΔＢＣを第１の差分記憶手段に記憶する。そして、露光フィールドの全面でその差分ΔＢＣは一定であるとみなして、その計測点以外の点では、独立照明方式で検出した合焦位置ＺＢＦ’と、その差分ΔＢＣとを用いて、その演算手段により斜入射方式で検出した合焦位置ＺＡＦの補正を行う。これにより、露光フィールドの全面でそれぞれ真の合焦位置を近似的に求めることができる。
【００２２】
更に、斜入射方式の焦点位置検出系が露光フィールド内の複数の計測点での合焦位置を検出する多点のＡＦセンサである場合には、それら複数の計測点中の例えば１つの計測点において、独立照明方式で検出した合焦位置ＺＢＦと、斜入射方式で検出した合焦位置ＺＡＦとの差分ΔＡＢを求めて、第２の記憶手段に記憶する。そして、露光フィールド内でその独立照明方式で検出した合焦位置と、斜入射方式で検出した合焦位置との差分は一定であるとみなして、他の計測点では、第１の記憶手段、及び第２の記憶手段で記憶した差分に基づいて斜入射方式の焦点位置検出系の検出結果を補正することにより、それら複数の計測点でほぼ正確に真の合焦位置を求めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による投影露光装置の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
図１は本例の投影露光装置の構成を示し、この図１において、露光用の光源である水銀ランプ、楕円鏡、コリメータレンズ、干渉フィルタ等からなる光源系１から射出された露光光はフライアイレンズ２に入射する。フライアイレンズ２の射出面には、回転板３が駆動モータ４により回転されるように配置され、回転板３上には、図２に示すようにほぼ９０°間隔で、通常照明用の円形開口絞り５１、輪帯照明用の輪帯状開口絞り５２、小さな円形開口絞り５３、及び偏心して４個の円形開口が形成された変形光源絞り５４が形成されている。
【００２４】
図１に戻り、本例では露光対象とするレチクルの最小線幅等に応じて、装置全体を統轄制御する主制御系１９内の制御手段２０が、モータ４を駆動して回転板３中の最適な開口絞りをフライアイレンズ２の射出面に設定する。その射出面の開口絞りを通過した露光光ＩＬ１は、第１リレーレンズ５、可変視野絞り（レチクルブラインド）６、第２リレーレンズ７、コンデンサーレンズ８、及び光路折り曲げ用のミラー９を介して、レチクル１０を均一な照度分布で照明する。そして、露光時にはその露光光ＩＬ１のもとで、レチクル１０のパターンが投影光学系１３を介してウエハ１４の各ショット領域に結像投影される。但し、図１において、説明の都合上ウエハ１４は露光位置にはない。
【００２５】
なお、露光用ＩＬ１としては、水銀ランプ等の輝線の他、例えばエキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等）等のレーザ光、あるいは金属蒸気レーザ等やＹＡＧレーザの高調波等を使用することができる。また、投影光学系１３の光軸ＡＸに平行な方向（投影光学系１３の結像面に垂直な方向）にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。
【００２６】
レチクル１０は、光軸ＡＸに垂直な平面（ＸＹ平面）内で２次元移動及び微小回転自在なレチクルステージ１２上に真空吸着により保持されている。レチクルステージ１２の位置は、レチクルステージ１２の周辺に配置されたレーザ干渉計（不図示）により例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され、検出結果が制御手段２０に供給されている。また、レチクル１０の下面（パターン面）の中央部に開口パターン１１Ａが形成されている。
【００２７】
図３（ａ）は本例のレチクル１０の右端部を示す拡大図であり、この図３（ａ）において、レチクル１０のパターン領域５５内の端部に、開口パターン１１Ｂが形成されている。開口パターン１１Ｂは、遮光膜中にＸ方向に所定ピッチで形成された複数の透過部よりなる開口パターン５６、及び遮光膜中にＹ方向に所定ピッチで形成された複数の透過部よりなる開口パターン５７より構成され、図１の開口パターン１１Ａも開口パターン１１Ｂと同じ構成である。これらの開口パターン１１Ａ，１１Ｂは、後述のステージスリット方式の焦点位置検出系で投影光学系１３の結像面の位置（合焦位置）を検出する際に使用される。
【００２８】
図１に戻り、ウエハ１４はＺステージ１５上に真空吸着により保持され、Ｚステージ１５はＸＹステージ１６上に載置されている。また、Ｚステージ１５上でウエハ１４の近傍に基準パターン板２３が固定されている。基準パターン板２３は、透過性のガラス基板よりなり、その上の遮光膜中に図３（ｂ）に示すように、Ｘ方向に所定ピッチで配置された複数の透過部よりなる基準開口パターン５８、及びＹ方向に所定ピッチで配置された複数の透過部よりなる基準開口パターン５９が形成されている。これら基準開口パターン５８，５９はそれぞれ図３（ａ）のレチクル１０上の開口パターン５６，５７の共役像と同じ形状、及び同じ大きさである。
【００２９】
図１に戻り、Ｚステージ１５は、投影光学系１３の光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）へのウエハ１４及び基準パターン板２３の位置を調整する。更に、本例のＺステージ１５には、ウエハ１４及び基準パターン板２３の傾斜角の制御を行うレベリングステージも含まれている。また、Ｚステージ１５には、Ｚステージ１５のＺ方向への変位量を高精度に検出するための変位センサも設けられ、この変位センサの検出結果が主制御系１９の制御手段２０に供給されている。この変位センサは、複数種の焦点位置検出系で検出される合焦位置のずれ量を計測するためのセンサであるため、かなり狭い範囲（例えば１ｍｍ以内）で高い分解能（例えば０．０１μｍ）で変位を検出できればよいので、例えばポテンショメータ等が使用できるが、レーザ干渉計を使用してもよい。但し、そのＺステージ１５のＺ方向への変位は、後述の斜入射方式のＡＦセンサ（焦点位置検出系）でも検出できる。
【００３０】
一方、ＸＹステージ１６はＸ方向、及びＹ方向にそれぞれウエハ１４及び基準パターン板２３の位置決めを行う。ウエハ１４上の或るショット領域への露光が終了すると、ＸＹステージ１６のステッピング動作により次に露光するショット領域が露光フィールド内に位置決めされ、その後、オートフォーカス方式でＺステージ１５によりウエハ１４の表面の焦点位置が投影光学系１３の結像面の位置に合わせ込まれ、その状態で露光が行われる。
【００３１】
また、Ｚステージ１５上にＸ軸用の移動鏡１７が固定され、外部のレーザ干渉計１８からのレーザビームを移動鏡１７で反射することにより、レーザ干渉計１８でＺステージ１５のＸ座標が計測される。同様に不図示のＹ軸用の移動鏡、及びレーザ干渉計によりＺステージ１５のＹ座標が計測され、計測された座標は制御手段２０に供給され、制御手段２０は、供給された座標に基づいてＸＹステージ駆動系２１を介してＸＹステージ１６の動作を制御する。更に、制御手段２０は、Ｚθ駆動系２２を介してＺステージ１５、及びＺステージ１５に含まれるレベリングステージ等の動作を制御する。
【００３２】
ここで、本例の斜入射方式のＡＦセンサ（焦点位置検出系）につき説明する。本例の斜入射方式のＡＦセンサは、投影光学系１３の側面部に配置された送光系２４、及び集光光学系２８等からなり、その送光系２４において、ハロゲンランプ、又は発光ダイオード等の光源２５からの照明光ＡＬがスリット板２６を照明し、スリット板２６中のスリットを通過した照明光ＡＬが、対物レンズ２７を介して投影光学系１３の光軸ＡＸに対して斜めに、投影光学系１３の露光フィールド内の計測点上に集光され、その計測点にスリット像が投影される。図１の例ではその計測点は基準パターン板２３上に設定されている。照明光ＡＬとしては、ウエハ１４上のフォトレジストに対して感光性の弱い波長帯で、且つ薄膜干渉の影響等を低減させるために所定の波長幅を有する光が使用される。
【００３３】
その計測点からの反射光は、集光光学系２８内の集光レンズ２９を介して集光されてミラー３０により反射された後、平行平面板（プレーンパラレル）４３を透過し、振動スリット板３１を経て受光器３２に入射する。振動スリット板３１上にスリット像の像が再結像される。受光器３２は、受光素子と、この受光素子の光電変換信号を振動スリット板３１の駆動信号で同期整流する同期整流回路とからなる。また、例えば基準パターン板２３がＺ方向に変位すると、振動スリット板３１上のスリット像が結像すべき基準位置から横ずれするため、受光器３２から出力される信号（これを「焦点信号」と呼ぶ）Ｓ１は、基準パターン板２３（又はウエハ１４）の表面のＺ方向の位置に対して所定範囲でほぼ線形に変化する信号となり、焦点信号Ｓ１は主制御系１９内の演算手段３３に供給される。
【００３４】
また、その振動スリット板３１の振動中心と再結像されるスリット像の中心とが合致すると、焦点信号Ｓ１が０となるため、本例では基準パターン板２３（又はウエハ１４）の表面の計測点の焦点位置が投影光学系１３の結像面の位置（合焦位置）に合致したときにその焦点信号Ｓ１が０となるように調整を行う。従って、焦点信号Ｓ１の値が０になるときの基準パターン板２３（又はウエハ１４）のＺ方向の位置が、斜入射方式のＡＦセンサで検出される合焦位置である。この際に、平行平面板４３の回転角を変えると、再結像されるスリット像の位置が横ずれすることから、予め求めた投影光学系の結像面に例えば基準パターン板２３の表面を合致させた状態で、焦点信号Ｓ１が０になるように平行平面板４３の回転角を設定すればよい。
【００３５】
但し、その結像面の位置は変化するため、本例では予め平行平面板４３の回転角の変化量と、それに応じた基準パターン板２３（又はウエハ１４）のＺ方向の位置の変化量との関係を求めてメモリ３４に記憶しておく。そして、後述のように結像面の位置が変化したときには、演算手段３３はその結像面に位置に追従させて平行平面板４３の回転角を調整する。これにより、変化した後の結像面の位置に例えばウエハ１４のＺ方向位置が合致したときに、焦点信号Ｓ１が０となる。なお、本例では、集光光学系２８、平行平面板４３、振動スリット板３１、及び受光器３２よりなる系を「斜入射方式のＡＦセンサの受光系」と呼ぶ。また、再結像されたスリット像の位置を検出するためには、例えば１次元のイメージセンサ等を使用してもよい。
【００３６】
次に、本例のステージスリット方式の焦点位置検出系につき説明する。ステージスリット方式の焦点位置検出系は、投影露光装置の照明光学系そのものを送光系として使用する。即ち、図１において、光源系１〜コンデンサーレンズ８、及びミラー９からなる照明光学系から射出された露光光ＩＬ１が、レチクル１０のパターン面の開口パターン１１Ａ（又は図３（ａ）の開口パターン１１Ｂ）を照明する。そして、開口パターン１１Ａを通過した露光光ＩＬ１は、投影光学系１３を介して基準パターン板２３上の基準開口パターン５８，５９（図３（ｂ）参照）上に開口パターン１１Ａの像を形成し、基準開口パターン５８，５９を通過した露光光ＩＬ１が、Ｚステージ１５内部でミラー４０、及び集光レンズ３９を介して光ガイド３８の一端に集光される。光ガイド３８の他端はＺステージ１５の外部に設置され、その他端から射出された露光光ＩＬ１は、ビームスプリッター３７、及び集光レンズ４１を経て光電検出器４２に入射し、光電検出器４２で検出信号Ｓ２に光電変換される。その検出信号Ｓ２は、主制御系１９内の演算手段３３に供給される。従って、ミラー４０〜光電検出器４２までの部材がステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系を構成している。
【００３７】
なお、図１の開口パターン１１Ａは、図３（ａ）の開口パターン１１Ｂと同様に開口パターン５６，５７よりなるため、開口パターン１１Ａ内の開口パターン５６及び５７の共役像の投影位置にそれぞれ図３（ｂ）の基準開口パターン５８及び５９が来るように、ＸＹステージ１６を介して基準パターン板２３のＸＹ平面内での位置決めが行われる。更に、基準パターン板２３の底部には、基準開口パターン５８又は５９の一方を覆うシャッター機構が設けられ、基準開口パターン５８又は５９の一方を通過した露光光ＩＬ１のみが光電検出器４２に導かれる。
【００３８】
そして合焦位置を求める際には、光電検出器４２で基準開口パターン５８又は５９を通過した露光光ＩＬ１を受光した状態で、Ｚステージ１５を介して基準パターン板２３をＺ方向に移動させる。このとき斜入射方式のＡＦセンサを用いてＺ方向への変位量をモニタするものとすると、基準開口パターン５８又は５９上に斜入射方式のＡＦセンサからスリット像を投影し、受光器３２からの焦点信号Ｓ１を演算手段３３でモニターする。
【００３９】
図４は、そのように基準パターン板２３をＺ方向に移動させた場合のＺ座標に対する焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２の関係を示し、この図４において、Ｓ字状の曲線６０が焦点信号Ｓ１であり、焦点信号Ｓ１が０を横切るときのＺ座標ＺＡＦが斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置である。また、山型に変化する曲線６１が検出信号Ｓ２であり、検出信号Ｓ２が最大値となるときのＺ座標ＺＣＦがステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置である。この合焦位置ＺＣＦが照明光学系からの露光光の下での投影光学系の真の合焦位置である。この場合、予め焦点信号Ｓ１の直線部分で焦点信号Ｓ１の変化量とＺ座標の変化量との関係が求められており、演算手段３３では、合焦位置ＺＡＦの真の合焦位置ＺＣＦからの差分を求めることができる。
【００４０】
なお、例えば図３（ａ）のレチクル１０の外周部に近い開口パターン１１Ｂを使用してステージスリット方式で合焦位置を検出するときに、一方の基準開口パターン５８を使用するとメリジオナル方向の合焦位置が検出され、他方の基準開口パターン５９を使用するとサジタル方向の合焦位置が検出される。
また、開口パターン１１Ａ，１１Ｂが形成されたレチクルとしては、パターンの露光は行わないテストレチクルを使用することができる。更に、実際に露光対象とするレチクルでも、回路パターンの構成によってはそれら開口パターン１１Ａ，１１Ｂを形成する余地があるときには、それら開口パターン１１Ａ，１１Ｂを形成しておいて、ステージスリット方式の焦点位置検出系により合焦位置を検出するようにしてもよい。
【００４１】
上述のように、ステージスリット方式の焦点位置検出系では、実際の照明光学系からの露光光ＩＬ１でレチクル１０上の開口パターンを照明しているため、例えば変形光源法等を使用する場合でも、正確にそれに応じて投影光学系１３に対する合焦位置を求めることができる。但し、このステージスリット方式では、所定の開口パターンが形成されているレチクルが必要であるため、実際の露光に使用されるレチクルでは検出できない場合もあり、且つ露光フィールド内で合焦位置を計測できる位置が固定されてしまう。
【００４２】
これに関して、図１の斜入射方式のＡＦセンサは、露光フィールド内の例えば中央部の１点での合焦位置を検出するものであるが、例えばその露光フィールド内の複数の計測点上にそれぞれスリット像を斜めに投影することにより、斜入射方式の多点のＡＦセンサを構成できる。
図５は、その複数の計測点の一例を示し、この図５において、投影光学系１３の露光フィールド６２内に斜めに５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅが設定され、これら計測点６３Ａ〜６３Ｅ上にそれぞれスリット像が投影される。また、それらの計測点６３Ａ〜６３Ｅからの反射光を集光することによりスリット像が再結像され、これらスリット像の再結像位置からそれら計測点６３Ａ〜６３Ｅでの合焦位置が求められる。ところが、それら複数の計測点での合焦位置のキャリブレーションをステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて行うものとすると、レチクル上にはそれら複数の計測点と共役な位置に開口パターンが形成されている必要がある。そのように複数の開口パターンを形成するのは、特に実際の露光用のレチクルでは困難であるため、斜入射方式のＡＦセンサの通常のキャリブレーションは、次に説明するステージ発光方式の焦点位置検出系を使用するのが便利である。
【００４３】
図６（ａ）は、本例のステージ発光方式の焦点位置検出系の構成を示し、この図６（ａ）において、送光系は、露光光ＩＬ１と同じ波長の照明光ＩＬ２を発生する光源３５と、この光源３５からの照明光を集光してハーフミラー３７を介して光ガイド３８の一端に導く集光レンズ３６と、光ガイド３８の他端から射出される照明光を集光する集光レンズ３９と、その集光された照明光を基準パターン板２３の底部に導くミラー４０とから構成されている。光源３５としては、例えば光源系１内で露光光ＩＬ１から分岐された光を、光ガイドを介して伝達する光学系等が使用される。
【００４４】
更に、図３（ｂ）に示すように、基準パターン板２３には方向性の異なる基準開口パターン５８，５９が形成されているため、図１において、ミラー４０からの照明光を不図示のシャッター機構によりそれら基準開口パターン５８，５９の何れか一方に照射する。それらの切り換えにより、投影光学系１３のメリジオナル方向での合焦位置と、サジタル方向での合焦位置とを独立に求めることができる。図６（ａ）では説明の便宜上、一方の基準開口パターン５８が選択され、且つＸＹステージ１６を駆動することにより、その基準開口パターン５８が露光フィールド内の所望の計測点上に設定されている。
【００４５】
底面側から基準開口パターン５８を通過した照明光は、投影光学系１３を介してレチクル１０の下面にその基準開口パターン像を形成し、レチクル１０の下面からの反射光が、投影光学系１３を介して再び基準開口パターン５８に戻る。そして、基準開口パターン５８を通って戻された照明光が、ステージ発光方式の焦点位置検出系の受光系において、ミラー４０、集光レンズ３９、光ガイド３８、ビームスプリッター３７、及び集光レンズ４１を経て光電検出器４２で受光される。光電検出器４２で入射光を光電変換して得られた検出信号Ｓ２も演算手段３３に供給される。この際に、Ｚステージ１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に変位させると、基準パターン板２３の表面が結像面に合致したときに、検出信号Ｓ２が最大となることから、合焦位置を求めることができる。また、この際のＺ座標の計測センサとしても斜入射方式のＡＦセンサを使用できる。
【００４６】
図６（ｂ）は、そのように基準パターン板２３をＺ方向に移動させた場合の斜入射方式ＡＦセンサのＺ座標に対する焦点信号Ｓ１、及びステージ発光方式の焦点位置検出系からの検出信号Ｓ２の関係を示し、この図６（ｂ）において、曲線６０が焦点信号Ｓ１であり、山型に変化する曲線６４が検出信号Ｓ２であり、検出信号Ｓ２が最大値となるときのＺ座標ＺＢＦがステージ発光型の焦点位置検出系で求めた合焦位置である。この場合も、演算手段３３では、斜入射方式の焦点位置検出系で検出される合焦位置ＺＡＦとステージ発光型の焦点位置検出系で検出される合焦位置ＺＢＦとの差分を求めることができる。
【００４７】
このようにステージ発光方式の焦点位置検出系は、露光フィールド内の任意の計測点での投影光学系１３の合焦位置をその投影光学系１３を介して直接検出できるが、基準開口パターン５８，５９の照明系は露光時の照明光学系とは異なっている。そのため、例えば変形光源法や輪帯照明法等を使用する際には、投影光学系１３の瞳面（フーリエ変換面）での光量の照度分布が異なって、結像位置がステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置からずれることがある。そのため、ステージ発光型の焦点位置検出系で求めた合焦位置だけを考慮するだけでは斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを正確に行うことができない場合がある。したがって、より正確に斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置のキャリブレーションを行うには、ステージスリット方式の焦点位置検出系の検出結果も加味する必要がある。
【００４８】
そして、演算手段３３は、検出信号Ｓ２、及びＳ１を用いて斜入射方式のＡＦセンサで検出した合焦位置のキャリブレーションを行い、補正後の焦点信号Ｓ１を制御手段２０に供給する。制御手段２０は、その焦点信号Ｓ１が０になるようにＺθ駆動系２２を介してＺステージ１５のＺ方向の位置を制御する。これによりオートフォーカス方式でウエハ１４の表面のＺ方向の位置が結像面に合わせ込まれる。
【００４９】
以下、本例の投影光学系の露光動作の一例につき図７のフローチャートを参照して説明する。ここでは、例えば露光フィールド内の中央の１つの計測点でのＺ方向の位置を制御してオートフォーカスを行うものとする。先ず、図７のステップ１０１において、斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検出系でそれぞれの合焦点のＺ座標ＺＡＦ、及びＺＢＦを求める。このためには、既に説明したように図１において、基準パターン板２３の一方の基準開口パターン５８（図３（ｂ）参照）を投影光学系１３の露光フィールド内の中央部に設定し、光源３５から照明光を射出させると共に、斜入射方式のＡＦセンサでもその基準開口パターン５８上スリット像を投影する。そして、Ｚステージ１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、焦点信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込む。
【００５０】
これにより、図６（ｂ）に示すような焦点信号Ｓ１の曲線６０及び検出信号Ｓ２の曲線６４が得られる。但し、このときの横軸は時間ｔである。この場合、曲線６０が０を横切るときのＺ座標は斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置ＺＡＦであり、曲線６４が最大となるときのＺ座標はステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＢＦである。但し、このステップ１０１では、Ｚ座標自体を計測するのではなく、焦点信号Ｓ１を基準として座標ＺＢＦと座標ＺＡＦとの差分ΔＡＢ（＝ＺＢＦ−ＺＡＦ）を求める。即ち、演算手段３３では、曲線６４が最大となるときの焦点信号Ｓ１のレベル（これが曲線６０が０を横切るときの焦点信号Ｓ１との差分となる）と、予め求められているＺ方向の変位と焦点信号Ｓ１の変化との関係とを用いて、そのレベルを差分ΔＡＢに換算する。この差分ΔＡＢはメモリ３４内の第１記憶部３４ａ内に記憶される。
【００５１】
次に、ステップ１０２において、斜入射方式のＡＦセンサ及びステージスリット方式の焦点位置検出系でそれぞれの合焦点のＺ座標ＺＡＦ及びＺＣＦを求める。このためには、図１に示すように、レチクルとして中央に開口パターン１１Ａの形成されているレチクル１０を載置し、その開口パターン１１Ａ内の開口パターン５６（図３（ａ）参照）と共役な位置に基準パターン板２３の基準開口パターン５８（図３（ｂ）参照）を位置決めする。そして、光源系１から露光光ＩＬ１をフライアイレンズ２、及びリレーレンズ５側に供給すると共に、斜入射方式のＡＦセンサで開口パターン５８上にスリット像を投影した状態で、Ｚステージ１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、演算手段３３で焦点信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２を入力する。
【００５２】
これにより、図４に示すような焦点信号Ｓ１の曲線６０及び検出信号Ｓ２の曲線６１が得られる。但し、このときの横軸は時間ｔである。この場合、斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置はＺＡＦであり、曲線６１が最大となるときのＺ座標がステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＣＦである。このステップ１０２でも、Ｚ座標自体を計測するのではなく、焦点信号Ｓ１を基準として座標ＺＣＦと座標ＺＡＦとの差分ΔＡＣ（＝ＺＣＦ−ＺＡＦ）を求める。即ち、演算手段３３では、曲線６１が最大となるときの焦点信号Ｓ１のレベルを差分ΔＡＢに換算し、その差分ΔＡＣをモメリ３４内の第２記憶部３４ｂに格納する。
【００５３】
次に、ステップ１０３において、演算手段３３は、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＣＦとステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＢＦとの差分ΔＢＣ（＝ＺＣＦ−ＺＢＦ）を算出する。このために、演算手段３３は第２記憶部３４ｂ内の差分ΔＡＣから第１記憶部３４ａ内の差分ΔＡＢを減算する。そして、ステップ１０４において、その差分ΔＢＣをステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置のオフセットΔＢ として第１記憶部３４ａに格納する。
【００５４】
その後ステップ１０５に移行して、ステップ１０１と同様に斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検出系でそれぞれ合焦位置のＺ座標ＺＡＦ’及びＺＢＦ’を求める。但し、この場合も求められるのは、合焦位置の差分ΔＡＢ’（＝ＺＢＦ’−ＺＡＦ’）である。その後、ステップ１０６で斜入射方式のＡＦセンサで求められる合焦位置ＺＡＦ’から真の合焦位置（投影露光装置自体の照明光学系からの露光光の下での投影光学系１３の合焦位置）までのオフセットΔＡ’を求める。演算手段３３では第１記憶部３４ａからオフセットΔＢ を読み出して、次式からオフセットΔＡ’を算出する。
【００５５】
この式から分かるように、本例では、例えば露光が継続的に行われて投影光学系１３の結像面の位置が変化した場合でも、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置とステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置との差分であるオフセットΔＢ は一定であると見なしている。その後、演算手段３３は図１の平行平面板４３を回転させて、斜入射方式のＡＦセンサで検出される合焦位置をＺ方向にオフセットΔＡ’分だけ移動させる。
【００５６】
そして、ステップ１０７で露光対象のウエハがあるかどうかを調べ、露光対象のウエハがあるときには、ステップ１０８に移行してそのウエハをＺステージ１５上に載置する。その後、ステップ１０９において、斜入射方式のＡＦセンサの焦点信号Ｓ１が０になるようにＺステージ１５を駆動するというオートフォーカスを開始させ、ステップ１１０においてウエハの各ショット領域にレチクルのパターン像を露光する。その後、ステップ１１１に移行して、斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行う必要がないときには、ステップ１０７に移行して露光を継続し、ステップ１１１で斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行うと判定したときには、ステップ１０５に移行してキャリブレーションを行う。その後、ステップ１０７で露光すべきウエハが尽きた時点で露光工程が終了する。
【００５７】
また、その後照明光学系内で回転板３を回転させて、照明法を例えば通常の照明法から変形光源法等へ切り換えた場合には、再びステップ１０１に移行して斜入射方式のＡＦセンサのより正確なキャリブレーションを行う。
以上のように本例によれば、照明光学系の照明法を切り換えたような場合には、ステージスリット方式の焦点位置検出系及びステージ発光方式の焦点位置検出系を用いて、正確に斜入射方式のＡＦセンサで求められる合焦位置のキャリブレーションが行われる。その後、露光光の照射による熱変形等により投影光学系１３の結像面の位置が変化する恐れがあるときには、ステージ発光方式の焦点位置検出系を用いて斜入射方式のＡＦセンサで求められる合焦位置のキャリブレーションが行われるため、結像面の位置が経時変化するようなときにも正確にオートフォーカスを行うことができる。
【００５８】
次に、露光動作の他の例につき図８のフローチャートを参照して説明する。先ず図８のステップ１２１において、ステージ発光方式の焦点位置検出系、及びステージスリット方式の焦点位置検出系でそれぞれ合焦位置のＺ座標ＺＢＦ、及びＺＣＦを求める。このためには、先ず図１において光源系１の発光を停止させ、光源３５からの照明光を基準パターン板２３に照射した状態で、基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込み、図６（ｂ）の曲線６４のようにＺ座標に対して変化するデータを得る。この場合の曲線６４のピーク点のＺ座標ＺＢＦは、例えばポテンショメータ、レーザ干渉計等の不図示のＺ方向用の変位センサにより検出する。
【００５９】
その後、光源３５の発光を停止させ、光源系１から露光光ＩＬ１をレチクル１０に照射した状態で、基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込み、図４の曲線６１のようにＺ座標に対して変化するデータを得る。そして、その曲線６１がピークとなるときのＺ座標として、ステージスリット方式の焦点位置検出系での合焦位置のＺ座標ＺＣＦを求める。次に、ステップ１２２において、Ｚ座標ＺＣＦからＺ座標ＺＢＦを差し引いて得られる差分ΔＢＣ（＝ＺＣＦ−ＺＢＦ）を、ステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置に対するオフセットΔＢ としてメモリ３４の第１記憶部３４ａに格納する。これにより、図７のステップ１０４と同じくオフセットΔＢ が求められたことになる。
【００６０】
その後、ステップ１２３〜１２９においては、図７のステップ１０５〜１１１と同様に斜入射方式のＡＦセンサで求める合焦位置のキャリブレーションを行いながら、オートフォーカス方式でウエハに対して露光を行う。図８の例によれば、斜入射方式のＡＦセンサとは別のＺ方向用の変位センサを使用しているため、動作が簡略化されている。
【００６１】
なお、上述の実施の形態では、斜入射方式のＡＦセンサのオフセットΔＡ’分だけ図１の平行平面板４３の回転角を調整しているが、その調整を行うことなく、焦点信号Ｓ１がそのオフセットΔＡ’に対応するレベルになるようにオートフォーカスをかけてもよいことは明かである。
また、上述の実施の形態では、露光フィールド内の１点での焦点位置を制御しているが、図５に示すように露光フィールド６２内の例えば５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅにおいて斜入射方式のＡＦセンサで焦点位置を計測し、例えばそれら５点での焦点位置の平均値を結像面の位置（合焦位置）に合わせ込むようにしてもよい。この場合のキャリブレーションの一例としては、先ず露光フィールド内の１点で図７のステップ１０１〜１０４で示すように、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＣＦに基づいてステージ発光方式の焦点位置検出系の検出結果のオフセットΔＢ を求めて、メモリ３４内の第１記憶部３４ａに記憶する。そして、そのオフセットΔＢ は、露光フィールド６２内で一定であると仮定する。
【００６２】
その後、それら５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅの全てで図７のステップ１０５及び１０６に示すように、オフセットΔＢ 、及びステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置と斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置との差分より、斜入射方式のＡＦセンサで求めた検出結果のオフセットΔＡＡ’〜ΔＡＥ’を求め、これらのオフセットΔＡＡ’〜ΔＡＥ’をメモリ３４内の第２記憶部３４ｂに格納する。その後、オートフォーカスを行う際には、それら５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅで斜入射方式のＡＦセンサにより合焦位置の座標Ｚ１Ａ〜Ｚ１Ｅを求めた後、これらの座標Ｚ１Ａ〜Ｚ１Ｅと第２記憶部３４ｂから読み出されたオフセットΔＡＡ’〜ΔＡＥ’との差分の自乗和｛＝（Ｚ１Ａ−ΔＡＡ’）２＋…＋（Ｚ１Ｅ−ΔＡＥ’）２｝が最小値を取るようにＺステージ１５のＺ座標を調整する。
【００６３】
なお、この際に、５個の計測点内の１つの計測点（例えば６３Ｃ）で、ステージ発光方式の焦点位置検出系を用いて斜入射方式のＡＦセンサの検出結果のオフセットΔＡ’を求めて第２記憶部３４ｂに格納してもよい。そして、他の計測点でもそのオフセットΔＡ’は等しいとみなして、例えば５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅで斜入射方式のＡＦセンサにより求めた焦点位置の座標Ｚ１Ａ〜Ｚ１Ｅが、それぞれそのオフセットΔＡ’となるようにＺステージ１５の位置を制御することによりオートフォーカスを行う。これにより、近似的に効率的に斜入射方式の多点のＡＦセンサのキャリブレーションが行われる。
【００６４】
また、図５では露光フィールド６２内の対角線に沿って計測点が配置されているが、それら計測点を露光フィールド６２内に２次元的に分布させてもよい。この場合には、多点での合焦位置の計測によりその露光フィールド内の平均的な面の合焦位置の他に傾斜角も算出できるため、その傾斜角を結像面の傾斜角に合わせ込むことによりオートレベリングが行われる。
【００６５】
また、上述の例では、照明光学系の照明法、及び投影光学系１３の熱変形等を考慮して斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行っているが、更にレジスト像での合焦位置を考慮することが望ましい。即ち、ウエハ１４には所定の厚さ（例えば１μｍ程度）のフォトレジストが塗布され、斜入射方式のＡＦセンサで求める合焦位置はそのフォトレジストの例えば表面での合焦位置であるため、斜入射方式のＡＦセンサを用いてオートフォーカスを行っても、実際にフォトレジストを現像して得られたレジスト像が最も高い解像度になるとは限らない。
【００６６】
図９は、各方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置のＺ座標ＺＦ と、レジスト像が最も鮮明になるときのＺ座標（レジスト像基準の合焦点の座標）ＺＦ との関係を示し、この図９において、横軸は露光フィールド内の１断面のＸ座標であり、縦軸はそのＸ座標での合焦点のＺ座標ＺＦ である。また、図９では、キャリブレーションを行う前の斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦点の座標を０として、Ｚ方向への変位を斜入射方式のＡＦセンサで検出した例を示している。
【００６７】
図９において、一点鎖線の曲線６６は、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置の座標ＺＦ 、実線の曲線６５はステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置の座標ＺＦ（即ち、空間像を基準とした合焦位置の座標）である。また、点線の曲線６７は、斜入射方式のＡＦセンサで計測したＺ座標に基づいて、ウエハのＺ座標を変えながらテストプリントを繰り返して得られた、レジスト像を基準とした合焦位置の座標ＺＦ を示す。例えば位置Ｘ１ では、ステージスリット方式の焦点位置検出系により求められる合焦位置の座標ＺＣＦとレジスト像を基準として求められる合焦位置の座標ＺＤＦとは異なっている。
【００６８】
そこで、予め例えば露光フィールド内の１点で、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置の座標ＺＣＦとレジスト像を基準とした合焦位置の座標ＺＤＦとの差分ΔＣＤ（＝ＺＤＦ−ＺＣＦ）を求めておき、図１のメモリ３４内に記憶しておく。そして、例えば図７のステップ１０４でステージ発光方式の焦点位置検出系のオフセットΔＢ を求める際に、その差分ΔＣＤを加算するようにしてもよい。更に、露光フィールド内の位置に応じてその差分ΔＣＤを個別に補正してもよい。
【００６９】
また、上述の例では独立照明方式の焦点位置検出系として、ステージ発光方式の焦点位置検出系が使用されているが、独立照明方式の焦点位置検出系の送光系として例えば、図１において投影光学系１３とレチクル１０との間からレチクル１０の下面に基準パターンの像を投影し、その反射光を投影光学系を介して基準パターン板２３上に導くような照明系を使用してもよい。
【００７０】
また、本発明のステージスリット方式は図１のものに限定されず、例えばＺステージ１５上に基準反射面を形成しておき（又は基準パターン板２３の一部を反射面としておき）、露光用照明系でレチクル１０上のマークを照明して、投影光学系１３を経てその基準反射面で反射して再度投影光学系、及びレチクルを通った光を光電検出するような構成であってもよい。
【００７１】
更に、本発明は、ステッパ型の投影露光装置ばかりでなく、レチクルとウエハとを相対的に走査して露光するステップ・アンド・スキャン型の投影露光装置にも適用することができる。
このように本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の投影露光装置によれば、独立照明方式の焦点位置検出系により随時、斜入射方式の焦点位置検出系（ＡＦセンサ）のキャリブレーションができるため、露光光の吸収等によって投影光学系の結像面の位置が変化した場合でも、正確に感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる。この際に、最初にステージスリット方式の焦点位置検出系によりその独立照明方式の焦点位置検出系のオフセットを求めておくことにより、実際の照明状態に応じて正確にオートフォーカスを行うことができる。
【００７３】
更に、照明光学系が切り換えられた場合には、再びそのステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて独立照明方式の焦点位置検出系のオフセットを求め直すことにより、正確に感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる。
また、独立照明方式の焦点位置検出系の受光系と、ステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系とが共通である場合には、光学系の構成が簡略である。
【００７４】
更に、独立照明方式の焦点位置検出系の送光系が、基板ステージ上の第１の開口パターンを投影光学系側に照明する送光系であり、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系が、その投影光学系を往復する照明光を受光する場合には、所謂ステージ発光方式で迅速に投影光学系を介して結像面の位置を検出できる。
また、投影光学系の露光フィールド内の少なくとも１点において、独立照明方式の焦点位置検出系により求めた第１の合焦位置と、その少なくとも１点において、ステージスリット方式の焦点位置検出系により求めた第２の合焦位置との差分である第１の差分を記憶する第１の差分記憶手段を設け、その第１の合焦位置と斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分である第２の差分と、その第１の差分記憶手段に記憶されている第１の差分とを用いて斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置の補正を演算手段によって行うときには、露光フィールド内でのその差分がほぼ一定であるとみなして、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーションを効率的に行うことができる。
【００７５】
更に、斜入射方式の焦点位置検出系が、多点の焦点位置検出系であるときに、複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、独立照明方式の焦点位置検出系により求めた第１の合焦位置と、斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分を記憶する第２の差分記憶手段を設け、その演算手段が、それら第１、及び第２の差分記憶手段にそれぞれ記憶されている差分を用いて斜入射方式の焦点位置検出系により求められるそれら複数の計測点での最終的な合焦位置の補正を行うときには、露光フィールド内で斜入射方式の焦点位置検出系で求める合焦位置と独立照明方式の焦点位置検出系で求める合焦位置との差分がほぼ一定であるとみなして、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーションを効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す一部を断面とした構成図である。
【図２】図１の回転板３における開口絞りの配置を示す正面図である。
【図３】（ａ）はレチクル１０上の開口パターンの一例を示す要部の平面図、（ｂ）は基準パターン板２３上の基準開口パターンの一例を示す拡大平面図である。
【図４】斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージスリット方式の焦点位置検出系で並行に合焦位置を求める際に得られる焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２を示す波形図である。
【図５】斜入射方式のＡＦセンサが多点の場合の計測点の配列の一例を示す平面図である。
【図６】（ａ）は図１においてステージ発光方式の焦点位置検出系で合焦位置を求める際の要部を示す構成図、（ｂ）は斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検出系で並行に合焦位置を求める際に得られる焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２を示す波形図である。
【図７】図１の投影露光装置で斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行いながら露光を行う場合の動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】図１の投影露光装置で斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行いながら露光を行う場合の動作の他の例を示すフローチャートである。
【図９】レジスト像を基準とした合焦点と、実施例の焦点位置検出系で求めた合焦点との相違の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源系
３ 回転板
８ コンデンサーレンズ
１０ レチクル
１２ レチクルステージ
１３ 投影光学系
１４ ウエハ
１５ Ｚステージ
１６ ＸＹステージ
１８ レーザ干渉計
１９ 主制御系
２３ 基準パターン板
２４ 斜入射方式のＡＦセンサの送光系
２８ 斜入射方式のＡＦセンサの集光光学系
３２ 受光器
３３ 演算手段
３４ メモリ
３５ 光源
３８ 光ガイド
４２ 光電検出器
１１Ａ，１１Ｂ 開口パターン
５８，５９ 基準開口パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、又は液晶表示素子等を製造する際に使用され、所謂斜入射方式の焦点位置検出系（ＡＦセンサ）の検出結果を用いてオートフォーカス方式で感光基板を投影光学系の結像面に合わせ込んで露光を行う投影露光装置に関し、特にその斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーション機能を備えた投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体集積回路あるいは液晶パネル等を製造する際に用いられる投影露光装置では、投影光学系の結像面（合焦位置）に厳密に感光基板を合わせる必要性がある。このため従来より投影露光装置には、所謂斜入射方式の焦点位置検出系（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）を用いて、感光基板の投影光学系の光軸方向の位置（投影光学系の像面に垂直な方向での位置）を検出し、ウエハステージの高さを調整して感光基板を投影光学系の結像面に合せ込むオートフォーカス機構が備えられている。
【０００３】
その斜入射方式のＡＦセンサは、例えば、感光基板上の所定の計測点に投影光学系の光軸に対して斜めにスリットパターン等の像を投影する送光系と、感光基板からの反射光を受光してそのスリットパターン等の像を再結像し、その再結像位置と再結像すべき基準位置とのずれ量を検出する受光系とから構成されている。この場合、感光基板が結像面に合致しているときの再結像される像の位置を基準位置として予め求めておき、感光基板を結像面に合せ込むときにはその再結像される像の位置がその基準位置と一致するように感光基板の高さを調整することにより、感光基板のオートフォーカスが行われる。
【０００４】
また、従来より、投影光学系の結像面の位置（合焦位置）を直接計測する手段として、所謂ステージ発光方式の焦点位置検出系が知られている。このステージ発光方式の焦点位置検出系では、例えば、投影露光装置自体の照明系とは別個の照明系からの光によりウエハステージ上に設けられた所定の基準パターンの像を投影光学系を介してマスクとしてのレチクルの下面（パターン面）に投影する。そして、そのレチクルからの反射光を投影光学系を介してウエハステージ側に戻し、戻された反射光をその基準パターンを介して受光する。そしてウエハステージを上下させたときに得られる検出信号が極値を取る位置を結像面の位置として検出している。
【０００５】
更に、マスクとしてのレチクルを投影露光装置の照明光学系からの光ににより照明し、そのレチクル内に設けられた所定の開口パターンの像を投影光学系を介してウエハステージ側に投影し、ウエハステージ側に投影された像を開口パターンを介して受光し、ウエハステージを上下させたときに得られる検出信号が極値を取る位置を結像面の位置として検出する、所謂ステージスリット方式の焦点位置検出系も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、斜入射方式のＡＦセンサを使用すれば、投影光学系の結像面の位置が固定されている場合には、感光基板上の計測点の結像面の位置からのずれ量を正確に検出できる。しかしながら、露光を継続して行うような場合には、露光光による熱エネルギーが投影光学系内に蓄積されて投影光学系の結像特性が変化するため、その結像面の位置が変化することがある。このように結像面の位置が変化しても、斜入射方式のＡＦセンサでは変化する前の結像面を基準として感光基板の焦点位置のずれ量を検出するため、その斜入射方式のＡＦセンサの検出結果を用いてオートフォーカスを行うと、変化後の結像面に感光基板を合わせ込むことができないという不都合がある。
【０００７】
また、ステージ発光方式の焦点位置検出系によれば、例えば露光光の吸収による熱変形により投影光学系の結像面の位置が変化したような場合にも、正確にその投影光学系の結像面の位置を検出できる。しかしながら、そのステージ発光方式の焦点位置検出系は、投影露光装置の照明光学系とは独立の照明系を使用することから、実際に投影露光装置自体の照明光学系からの露光光を用いてレチクルを照明する場合の投影光学系の結像面と、ステージ発光方式の焦点位置検出系で計測される合焦位置との間に所定のオフセットがある場合がある。
【０００８】
特に、照明光学系に関しては、解像度を高めるために例えば特開平４−２２５５１４号公報に開示されている変形光源法や、輪帯照明法等が切り換えて使用されることがある。このように照明光学系の切り換えが行われると、投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）での露光光の照度分布が変化して、結像面の位置の変化量も変化するため、ステージ発光方式の焦点位置検出系で計測される合焦位置と実際の結像面との間のオフセットも変化する。
【０００９】
これに関して、ステージスリット方式の焦点位置検出系を使用すれば、実際の照明光学系を用いているため、実際の露光光による投影光学系の結像面の位置を検出することができる。しかしながら、ステージスリット方式では、特に所定の検出用のパターンが形成されたレチクルを使用する必要があるため、実際の露光対象とするレチクルを使用できない場合もある。また、実際の露光対象とするレチクルのパターン領域に検出用のパターンを設けるとしても、それを設ける領域が限定されるために、所望の計測点での結像面の位置を計測することは困難である。
【００１０】
更に、上述のステージ発光方式とステージスリット方式とに共通に、感光基板が投影光学系の露光フィールドに設定されているときには使用できないため、オートフォーカスを行う際のＡＦセンサとしては使用できないという不都合がある。
本発明は斯かる点に鑑み、露光光の吸収等によって投影光学系の結像面の位置が変化した場合でも正確に、感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１１】
更に本発明は、照明光学系が切り換えられた場合でも正確に、感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による投影露光装置は、例えば図１〜図３に示すように、露光光で転写用のパターンが形成されたマスク（１０）を照明する照明光学系（１，２，５〜９）と、その露光光のもとでマスク（１０）のパターンの像を感光基板（１４）上に投影する投影光学系（１３）と、感光基板（１４）を投影光学系（１３）の光軸に垂直な平面内で移動させると共に、感光基板（１４）をその光軸方向に位置決めする基板ステージ（１５，１６）と、その投影光学系の露光フィールド内の感光基板（１４）の所定の計測点上に、投影光学系（１３）の光軸に対して斜めに焦点検出用のパターン像を投影する送光系（２４）と、感光基板（１４）からの反射光を受光してその焦点検出用のパターン像を再結像し、このように再結像された像の横ずれ量に対応する焦点信号を生成する受光系（２８，３１，３２）とからなる斜入射方式の焦点位置検出系と、を有し、その焦点信号に基づいて感光基板（１４）の表面を投影光学系（１３）に対して合焦させる投影露光装置に関する。
【００１３】
そして、本発明は、その露光光と同じ波長域の照明光で所定の計測用パターン（５８）の像を基板ステージ（１５，１６）上、又はマスク（１０）上に投影する送光系（３５〜４０）と、その所定の計測用パターン像からの光を投影光学系（１３）、及び基板ステージ（１５，１６）上に設けられた第１の開口パターン（５８）を介して受光し、この受光された光量に対応する第１の焦点検出信号を生成する受光系（３７〜４０，４１，４２）とを有する独立照明方式の焦点位置検出系（例えばステージ発光方式の焦点位置検出系）と、照明光学系（１，２，５〜９）により照明されたマスク（１０）上の所定のパターン（５６）からの露光光を、投影光学系（１３）、及び基板ステージ（１５，１６）上に設けられた第２の開口パターン（５８）を介して受光し、この受光された光量に対応する第２の焦点検出信号を生成するステージスリット方式の焦点位置検出系と、を備え、その独立照明方式の焦点位置検出系により求められる投影光学系（１３）に対する第１の合焦位置ＺBFと、そのステージスリット方式の焦点位置検出系により求められる投影光学系（１３）に対する第２の合焦位置ＺCF との差分である第１の差分と、その独立照明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位置と、その斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分である第２の差分とに基づいて、その斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置ＺAFの補正を行うものである。
【００１４】
この場合、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系（３７〜４０，４１，４２）と、そのステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系とが共通であることが望ましい。
また、その独立照明方式の焦点位置検出系の送光系の一例は、基板ステージ（１５，１６）上の第１の開口パターン（５８）を投影光学系（１３）側に照明する送光系（３５〜４０）であり、この場合、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系（３７〜４０，４１，４２）は、投影光学系（１３）を往復する照明光を受光することになる。
【００１５】
また、投影光学系（１３）の露光フィールド内の少なくとも１点において、その独立照明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位置ＺBFと、その少なくとも１点において、そのステージスリット方式の焦点位置検出系により求めたその第２の合焦位置ＺCFとの差分であるその第１の差分ΔBCを記憶する第１の差分記憶手段（３４ａ）と、その第２の差分Δ AB と、その第１の差分記憶手段に記憶されているその第１の差分ΔBCとを用いてその斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置ＺAFの補正を行う演算手段（３３）と、を有することが望ましい。
【００１６】
更に、その斜入射方式の焦点位置検出系が、例えば図５に示すように、投影光学系（１３）の露光フィールド内の複数の計測点（６３Ａ〜６３Ｅ）にそれぞれ焦点検出用のパターン像を投影し、それら複数の計測点での投影光学系（１３）に対する合焦位置を検出する多点の焦点位置検出系である場合、それら複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、その独立照明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位置ＺＢＦと、それら複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、その斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置ＺＡＦとの差分ΔＡＢを記憶する第２の差分記憶手段（３４ｂ）を設け、演算手段（３３）は、第１、及び第２の差分記憶手段（３４ａ，３４ｂ）にそれぞれ記憶されている差分を用いて、その斜入射方式の焦点位置検出系により求められる複数の計測点（６３Ａ〜６３Ｅ）での最終的な合焦位置の補正を行うようにしてもよい。
【００１７】
斯かる本発明の投影露光装置によれば、例えば先ず所定のパターンが形成されたマスクを載置し、ステージスリット方式の焦点位置検出系により第２の合焦位置ＺＣＦ、即ち投影露光装置自体の照明光学系からの露光光の下での合焦位置を求める。その後、独立照明方式の焦点位置検出系により、投影光学系に対する第１の合焦位置ＺＢＦを求め、これと第２の合焦位置ＺＣＦとの差分ΔＢＣ（＝ＺＣＦ−ＺＢＦ）を求め、この差分を独立照明方式のオフセットとして記憶する。
【００１８】
その後露光を行う際には、独立照明方式の焦点位置検出系で第１の合焦位置ＺＢＦを求めるのと並行して斜入射方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置ＺＡＦを求め、これと第１の合焦位置ＺＢＦのオフセット補正後の値（ＺＢＦ＋ΔＢＣ）との差分ΔＡＣ（＝ＺＢＦ＋ΔＢＣ−ＺＡＦ）を求める。すなわち、斜入射方式の焦点位置検出系で検出される合焦位置ＺＡＦとステージスリット方式の焦点位置検出系で検出される第２の合焦位置ＺＣＦとの差分ΔＡＣを求める。そして、図１に示す斜入射方式の焦点位置検出系において、例えば平行平面板（４３）の角度を変えて、その差分ΔＡＣよりなるオフセット分だけ焦点検出用のパターン像の再結位置をずらす（言い換えれば、再結像すべき基準位置をずらす）ことにより、合焦位置の補正（キャリブレーション）を行う。この結果、斜め入射方式の焦点位置検出系を用いてオートフォーカス方式で正確に投影光学系の結像面に感光基板を合焦させることができる。
【００１９】
更に、露光を継続して行って、投影光学系（１３）で露光光吸収による熱変形等の影響が現れると予想されるときには、再び独立照明方式の焦点位置検出系により第１の合焦位置ＺＢＦ’を求めるのと並行して、斜入射方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置ＺＡＦ’を求め、これとその第１の合焦位置ＺＢＦ’のオフセット補正後の値（ＺＢＦ’＋ΔＢＣ）との差分ΔＡＣ’（＝ＺＢＦ’＋ΔＢＣ−ＺＡＦ’）を求める。その後、斜入射方式の焦点位置検出系において、例えば平行平面板（４３）の角度を変えて、その差分ΔＡＣ’の分だけ焦点検出用のパターン像の再結像位置をずらすことにより、露光光吸収等により結像位置が変化しても、斜め入射方式の焦点位置検出系を用いてオートフォーカス方式で正確に投影光学系の結像面に感光基板を合焦させることができる。
【００２０】
これは、投影光学系の露光光吸収等があっても、ステージスリット方式と独立照明方式はどちらも投影光学系を介して合焦位置が検出されるので、両者の合焦位置のオフセットΔＢＣがほとんど変化しないためである。
また、照明光学系を例えば通常照明から変形光源法に切り換えたような場合には、ステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置を求め直すことにより、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーションを正確に行うことができる。
【００２１】
また更に、ステージスリット方式の焦点位置検出系では、投影光学系の露光フィールド内の任意の位置での合焦位置を検出するには、任意の位置に計測用のパターンが形成されたマスクを使用する必要があるため、そのように任意の位置での合焦位置を検出するのは困難である。それに対して、独立照明方式では、例えば所定の計測用パターン、及び第１の開口パターンの位置を調整することにより、比較的容易に露光フィールド内の任意の位置での合焦位置を検出できる。そこで、例えばステージスリット方式の焦点位置検出系での計測点において、ステージスリット方式での第２の合焦位置ＺＣＦ、及び独立照明方式での第１の合焦位置ＺＢＦを求め、両者の差分ΔＢＣを第１の差分記憶手段に記憶する。そして、露光フィールドの全面でその差分ΔＢＣは一定であるとみなして、その計測点以外の点では、独立照明方式で検出した合焦位置ＺＢＦ’と、その差分ΔＢＣとを用いて、その演算手段により斜入射方式で検出した合焦位置ＺＡＦの補正を行う。これにより、露光フィールドの全面でそれぞれ真の合焦位置を近似的に求めることができる。
【００２２】
更に、斜入射方式の焦点位置検出系が露光フィールド内の複数の計測点での合焦位置を検出する多点のＡＦセンサである場合には、それら複数の計測点中の例えば１つの計測点において、独立照明方式で検出した合焦位置ＺＢＦと、斜入射方式で検出した合焦位置ＺＡＦとの差分ΔＡＢを求めて、第２の記憶手段に記憶する。そして、露光フィールド内でその独立照明方式で検出した合焦位置と、斜入射方式で検出した合焦位置との差分は一定であるとみなして、他の計測点では、第１の記憶手段、及び第２の記憶手段で記憶した差分に基づいて斜入射方式の焦点位置検出系の検出結果を補正することにより、それら複数の計測点でほぼ正確に真の合焦位置を求めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による投影露光装置の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
図１は本例の投影露光装置の構成を示し、この図１において、露光用の光源である水銀ランプ、楕円鏡、コリメータレンズ、干渉フィルタ等からなる光源系１から射出された露光光はフライアイレンズ２に入射する。フライアイレンズ２の射出面には、回転板３が駆動モータ４により回転されるように配置され、回転板３上には、図２に示すようにほぼ９０°間隔で、通常照明用の円形開口絞り５１、輪帯照明用の輪帯状開口絞り５２、小さな円形開口絞り５３、及び偏心して４個の円形開口が形成された変形光源絞り５４が形成されている。
【００２４】
図１に戻り、本例では露光対象とするレチクルの最小線幅等に応じて、装置全体を統轄制御する主制御系１９内の制御手段２０が、モータ４を駆動して回転板３中の最適な開口絞りをフライアイレンズ２の射出面に設定する。その射出面の開口絞りを通過した露光光ＩＬ１は、第１リレーレンズ５、可変視野絞り（レチクルブラインド）６、第２リレーレンズ７、コンデンサーレンズ８、及び光路折り曲げ用のミラー９を介して、レチクル１０を均一な照度分布で照明する。そして、露光時にはその露光光ＩＬ１のもとで、レチクル１０のパターンが投影光学系１３を介してウエハ１４の各ショット領域に結像投影される。但し、図１において、説明の都合上ウエハ１４は露光位置にはない。
【００２５】
なお、露光用ＩＬ１としては、水銀ランプ等の輝線の他、例えばエキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等）等のレーザ光、あるいは金属蒸気レーザ等やＹＡＧレーザの高調波等を使用することができる。また、投影光学系１３の光軸ＡＸに平行な方向（投影光学系１３の結像面に垂直な方向）にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。
【００２６】
レチクル１０は、光軸ＡＸに垂直な平面（ＸＹ平面）内で２次元移動及び微小回転自在なレチクルステージ１２上に真空吸着により保持されている。レチクルステージ１２の位置は、レチクルステージ１２の周辺に配置されたレーザ干渉計（不図示）により例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され、検出結果が制御手段２０に供給されている。また、レチクル１０の下面（パターン面）の中央部に開口パターン１１Ａが形成されている。
【００２７】
図３（ａ）は本例のレチクル１０の右端部を示す拡大図であり、この図３（ａ）において、レチクル１０のパターン領域５５内の端部に、開口パターン１１Ｂが形成されている。開口パターン１１Ｂは、遮光膜中にＸ方向に所定ピッチで形成された複数の透過部よりなる開口パターン５６、及び遮光膜中にＹ方向に所定ピッチで形成された複数の透過部よりなる開口パターン５７より構成され、図１の開口パターン１１Ａも開口パターン１１Ｂと同じ構成である。これらの開口パターン１１Ａ，１１Ｂは、後述のステージスリット方式の焦点位置検出系で投影光学系１３の結像面の位置（合焦位置）を検出する際に使用される。
【００２８】
図１に戻り、ウエハ１４はＺステージ１５上に真空吸着により保持され、Ｚステージ１５はＸＹステージ１６上に載置されている。また、Ｚステージ１５上でウエハ１４の近傍に基準パターン板２３が固定されている。基準パターン板２３は、透過性のガラス基板よりなり、その上の遮光膜中に図３（ｂ）に示すように、Ｘ方向に所定ピッチで配置された複数の透過部よりなる基準開口パターン５８、及びＹ方向に所定ピッチで配置された複数の透過部よりなる基準開口パターン５９が形成されている。これら基準開口パターン５８，５９はそれぞれ図３（ａ）のレチクル１０上の開口パターン５６，５７の共役像と同じ形状、及び同じ大きさである。
【００２９】
図１に戻り、Ｚステージ１５は、投影光学系１３の光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）へのウエハ１４及び基準パターン板２３の位置を調整する。更に、本例のＺステージ１５には、ウエハ１４及び基準パターン板２３の傾斜角の制御を行うレベリングステージも含まれている。また、Ｚステージ１５には、Ｚステージ１５のＺ方向への変位量を高精度に検出するための変位センサも設けられ、この変位センサの検出結果が主制御系１９の制御手段２０に供給されている。この変位センサは、複数種の焦点位置検出系で検出される合焦位置のずれ量を計測するためのセンサであるため、かなり狭い範囲（例えば１ｍｍ以内）で高い分解能（例えば０．０１μｍ）で変位を検出できればよいので、例えばポテンショメータ等が使用できるが、レーザ干渉計を使用してもよい。但し、そのＺステージ１５のＺ方向への変位は、後述の斜入射方式のＡＦセンサ（焦点位置検出系）でも検出できる。
【００３０】
一方、ＸＹステージ１６はＸ方向、及びＹ方向にそれぞれウエハ１４及び基準パターン板２３の位置決めを行う。ウエハ１４上の或るショット領域への露光が終了すると、ＸＹステージ１６のステッピング動作により次に露光するショット領域が露光フィールド内に位置決めされ、その後、オートフォーカス方式でＺステージ１５によりウエハ１４の表面の焦点位置が投影光学系１３の結像面の位置に合わせ込まれ、その状態で露光が行われる。
【００３１】
また、Ｚステージ１５上にＸ軸用の移動鏡１７が固定され、外部のレーザ干渉計１８からのレーザビームを移動鏡１７で反射することにより、レーザ干渉計１８でＺステージ１５のＸ座標が計測される。同様に不図示のＹ軸用の移動鏡、及びレーザ干渉計によりＺステージ１５のＹ座標が計測され、計測された座標は制御手段２０に供給され、制御手段２０は、供給された座標に基づいてＸＹステージ駆動系２１を介してＸＹステージ１６の動作を制御する。更に、制御手段２０は、Ｚθ駆動系２２を介してＺステージ１５、及びＺステージ１５に含まれるレベリングステージ等の動作を制御する。
【００３２】
ここで、本例の斜入射方式のＡＦセンサ（焦点位置検出系）につき説明する。本例の斜入射方式のＡＦセンサは、投影光学系１３の側面部に配置された送光系２４、及び集光光学系２８等からなり、その送光系２４において、ハロゲンランプ、又は発光ダイオード等の光源２５からの照明光ＡＬがスリット板２６を照明し、スリット板２６中のスリットを通過した照明光ＡＬが、対物レンズ２７を介して投影光学系１３の光軸ＡＸに対して斜めに、投影光学系１３の露光フィールド内の計測点上に集光され、その計測点にスリット像が投影される。図１の例ではその計測点は基準パターン板２３上に設定されている。照明光ＡＬとしては、ウエハ１４上のフォトレジストに対して感光性の弱い波長帯で、且つ薄膜干渉の影響等を低減させるために所定の波長幅を有する光が使用される。
【００３３】
その計測点からの反射光は、集光光学系２８内の集光レンズ２９を介して集光されてミラー３０により反射された後、平行平面板（プレーンパラレル）４３を透過し、振動スリット板３１を経て受光器３２に入射する。振動スリット板３１上にスリット像の像が再結像される。受光器３２は、受光素子と、この受光素子の光電変換信号を振動スリット板３１の駆動信号で同期整流する同期整流回路とからなる。また、例えば基準パターン板２３がＺ方向に変位すると、振動スリット板３１上のスリット像が結像すべき基準位置から横ずれするため、受光器３２から出力される信号（これを「焦点信号」と呼ぶ）Ｓ１は、基準パターン板２３（又はウエハ１４）の表面のＺ方向の位置に対して所定範囲でほぼ線形に変化する信号となり、焦点信号Ｓ１は主制御系１９内の演算手段３３に供給される。
【００３４】
また、その振動スリット板３１の振動中心と再結像されるスリット像の中心とが合致すると、焦点信号Ｓ１が０となるため、本例では基準パターン板２３（又はウエハ１４）の表面の計測点の焦点位置が投影光学系１３の結像面の位置（合焦位置）に合致したときにその焦点信号Ｓ１が０となるように調整を行う。従って、焦点信号Ｓ１の値が０になるときの基準パターン板２３（又はウエハ１４）のＺ方向の位置が、斜入射方式のＡＦセンサで検出される合焦位置である。この際に、平行平面板４３の回転角を変えると、再結像されるスリット像の位置が横ずれすることから、予め求めた投影光学系の結像面に例えば基準パターン板２３の表面を合致させた状態で、焦点信号Ｓ１が０になるように平行平面板４３の回転角を設定すればよい。
【００３５】
但し、その結像面の位置は変化するため、本例では予め平行平面板４３の回転角の変化量と、それに応じた基準パターン板２３（又はウエハ１４）のＺ方向の位置の変化量との関係を求めてメモリ３４に記憶しておく。そして、後述のように結像面の位置が変化したときには、演算手段３３はその結像面に位置に追従させて平行平面板４３の回転角を調整する。これにより、変化した後の結像面の位置に例えばウエハ１４のＺ方向位置が合致したときに、焦点信号Ｓ１が０となる。なお、本例では、集光光学系２８、平行平面板４３、振動スリット板３１、及び受光器３２よりなる系を「斜入射方式のＡＦセンサの受光系」と呼ぶ。また、再結像されたスリット像の位置を検出するためには、例えば１次元のイメージセンサ等を使用してもよい。
【００３６】
次に、本例のステージスリット方式の焦点位置検出系につき説明する。ステージスリット方式の焦点位置検出系は、投影露光装置の照明光学系そのものを送光系として使用する。即ち、図１において、光源系１〜コンデンサーレンズ８、及びミラー９からなる照明光学系から射出された露光光ＩＬ１が、レチクル１０のパターン面の開口パターン１１Ａ（又は図３（ａ）の開口パターン１１Ｂ）を照明する。そして、開口パターン１１Ａを通過した露光光ＩＬ１は、投影光学系１３を介して基準パターン板２３上の基準開口パターン５８，５９（図３（ｂ）参照）上に開口パターン１１Ａの像を形成し、基準開口パターン５８，５９を通過した露光光ＩＬ１が、Ｚステージ１５内部でミラー４０、及び集光レンズ３９を介して光ガイド３８の一端に集光される。光ガイド３８の他端はＺステージ１５の外部に設置され、その他端から射出された露光光ＩＬ１は、ビームスプリッター３７、及び集光レンズ４１を経て光電検出器４２に入射し、光電検出器４２で検出信号Ｓ２に光電変換される。その検出信号Ｓ２は、主制御系１９内の演算手段３３に供給される。従って、ミラー４０〜光電検出器４２までの部材がステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系を構成している。
【００３７】
なお、図１の開口パターン１１Ａは、図３（ａ）の開口パターン１１Ｂと同様に開口パターン５６，５７よりなるため、開口パターン１１Ａ内の開口パターン５６及び５７の共役像の投影位置にそれぞれ図３（ｂ）の基準開口パターン５８及び５９が来るように、ＸＹステージ１６を介して基準パターン板２３のＸＹ平面内での位置決めが行われる。更に、基準パターン板２３の底部には、基準開口パターン５８又は５９の一方を覆うシャッター機構が設けられ、基準開口パターン５８又は５９の一方を通過した露光光ＩＬ１のみが光電検出器４２に導かれる。
【００３８】
そして合焦位置を求める際には、光電検出器４２で基準開口パターン５８又は５９を通過した露光光ＩＬ１を受光した状態で、Ｚステージ１５を介して基準パターン板２３をＺ方向に移動させる。このとき斜入射方式のＡＦセンサを用いてＺ方向への変位量をモニタするものとすると、基準開口パターン５８又は５９上に斜入射方式のＡＦセンサからスリット像を投影し、受光器３２からの焦点信号Ｓ１を演算手段３３でモニターする。
【００３９】
図４は、そのように基準パターン板２３をＺ方向に移動させた場合のＺ座標に対する焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２の関係を示し、この図４において、Ｓ字状の曲線６０が焦点信号Ｓ１であり、焦点信号Ｓ１が０を横切るときのＺ座標ＺＡＦが斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置である。また、山型に変化する曲線６１が検出信号Ｓ２であり、検出信号Ｓ２が最大値となるときのＺ座標ＺＣＦがステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置である。この合焦位置ＺＣＦが照明光学系からの露光光の下での投影光学系の真の合焦位置である。この場合、予め焦点信号Ｓ１の直線部分で焦点信号Ｓ１の変化量とＺ座標の変化量との関係が求められており、演算手段３３では、合焦位置ＺＡＦの真の合焦位置ＺＣＦからの差分を求めることができる。
【００４０】
なお、例えば図３（ａ）のレチクル１０の外周部に近い開口パターン１１Ｂを使用してステージスリット方式で合焦位置を検出するときに、一方の基準開口パターン５８を使用するとメリジオナル方向の合焦位置が検出され、他方の基準開口パターン５９を使用するとサジタル方向の合焦位置が検出される。
また、開口パターン１１Ａ，１１Ｂが形成されたレチクルとしては、パターンの露光は行わないテストレチクルを使用することができる。更に、実際に露光対象とするレチクルでも、回路パターンの構成によってはそれら開口パターン１１Ａ，１１Ｂを形成する余地があるときには、それら開口パターン１１Ａ，１１Ｂを形成しておいて、ステージスリット方式の焦点位置検出系により合焦位置を検出するようにしてもよい。
【００４１】
上述のように、ステージスリット方式の焦点位置検出系では、実際の照明光学系からの露光光ＩＬ１でレチクル１０上の開口パターンを照明しているため、例えば変形光源法等を使用する場合でも、正確にそれに応じて投影光学系１３に対する合焦位置を求めることができる。但し、このステージスリット方式では、所定の開口パターンが形成されているレチクルが必要であるため、実際の露光に使用されるレチクルでは検出できない場合もあり、且つ露光フィールド内で合焦位置を計測できる位置が固定されてしまう。
【００４２】
これに関して、図１の斜入射方式のＡＦセンサは、露光フィールド内の例えば中央部の１点での合焦位置を検出するものであるが、例えばその露光フィールド内の複数の計測点上にそれぞれスリット像を斜めに投影することにより、斜入射方式の多点のＡＦセンサを構成できる。
図５は、その複数の計測点の一例を示し、この図５において、投影光学系１３の露光フィールド６２内に斜めに５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅが設定され、これら計測点６３Ａ〜６３Ｅ上にそれぞれスリット像が投影される。また、それらの計測点６３Ａ〜６３Ｅからの反射光を集光することによりスリット像が再結像され、これらスリット像の再結像位置からそれら計測点６３Ａ〜６３Ｅでの合焦位置が求められる。ところが、それら複数の計測点での合焦位置のキャリブレーションをステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて行うものとすると、レチクル上にはそれら複数の計測点と共役な位置に開口パターンが形成されている必要がある。そのように複数の開口パターンを形成するのは、特に実際の露光用のレチクルでは困難であるため、斜入射方式のＡＦセンサの通常のキャリブレーションは、次に説明するステージ発光方式の焦点位置検出系を使用するのが便利である。
【００４３】
図６（ａ）は、本例のステージ発光方式の焦点位置検出系の構成を示し、この図６（ａ）において、送光系は、露光光ＩＬ１と同じ波長の照明光ＩＬ２を発生する光源３５と、この光源３５からの照明光を集光してハーフミラー３７を介して光ガイド３８の一端に導く集光レンズ３６と、光ガイド３８の他端から射出される照明光を集光する集光レンズ３９と、その集光された照明光を基準パターン板２３の底部に導くミラー４０とから構成されている。光源３５としては、例えば光源系１内で露光光ＩＬ１から分岐された光を、光ガイドを介して伝達する光学系等が使用される。
【００４４】
更に、図３（ｂ）に示すように、基準パターン板２３には方向性の異なる基準開口パターン５８，５９が形成されているため、図１において、ミラー４０からの照明光を不図示のシャッター機構によりそれら基準開口パターン５８，５９の何れか一方に照射する。それらの切り換えにより、投影光学系１３のメリジオナル方向での合焦位置と、サジタル方向での合焦位置とを独立に求めることができる。図６（ａ）では説明の便宜上、一方の基準開口パターン５８が選択され、且つＸＹステージ１６を駆動することにより、その基準開口パターン５８が露光フィールド内の所望の計測点上に設定されている。
【００４５】
底面側から基準開口パターン５８を通過した照明光は、投影光学系１３を介してレチクル１０の下面にその基準開口パターン像を形成し、レチクル１０の下面からの反射光が、投影光学系１３を介して再び基準開口パターン５８に戻る。そして、基準開口パターン５８を通って戻された照明光が、ステージ発光方式の焦点位置検出系の受光系において、ミラー４０、集光レンズ３９、光ガイド３８、ビームスプリッター３７、及び集光レンズ４１を経て光電検出器４２で受光される。光電検出器４２で入射光を光電変換して得られた検出信号Ｓ２も演算手段３３に供給される。この際に、Ｚステージ１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に変位させると、基準パターン板２３の表面が結像面に合致したときに、検出信号Ｓ２が最大となることから、合焦位置を求めることができる。また、この際のＺ座標の計測センサとしても斜入射方式のＡＦセンサを使用できる。
【００４６】
図６（ｂ）は、そのように基準パターン板２３をＺ方向に移動させた場合の斜入射方式ＡＦセンサのＺ座標に対する焦点信号Ｓ１、及びステージ発光方式の焦点位置検出系からの検出信号Ｓ２の関係を示し、この図６（ｂ）において、曲線６０が焦点信号Ｓ１であり、山型に変化する曲線６４が検出信号Ｓ２であり、検出信号Ｓ２が最大値となるときのＺ座標ＺＢＦがステージ発光型の焦点位置検出系で求めた合焦位置である。この場合も、演算手段３３では、斜入射方式の焦点位置検出系で検出される合焦位置ＺＡＦとステージ発光型の焦点位置検出系で検出される合焦位置ＺＢＦとの差分を求めることができる。
【００４７】
このようにステージ発光方式の焦点位置検出系は、露光フィールド内の任意の計測点での投影光学系１３の合焦位置をその投影光学系１３を介して直接検出できるが、基準開口パターン５８，５９の照明系は露光時の照明光学系とは異なっている。そのため、例えば変形光源法や輪帯照明法等を使用する際には、投影光学系１３の瞳面（フーリエ変換面）での光量の照度分布が異なって、結像位置がステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置からずれることがある。そのため、ステージ発光型の焦点位置検出系で求めた合焦位置だけを考慮するだけでは斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを正確に行うことができない場合がある。したがって、より正確に斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置のキャリブレーションを行うには、ステージスリット方式の焦点位置検出系の検出結果も加味する必要がある。
【００４８】
そして、演算手段３３は、検出信号Ｓ２、及びＳ１を用いて斜入射方式のＡＦセンサで検出した合焦位置のキャリブレーションを行い、補正後の焦点信号Ｓ１を制御手段２０に供給する。制御手段２０は、その焦点信号Ｓ１が０になるようにＺθ駆動系２２を介してＺステージ１５のＺ方向の位置を制御する。これによりオートフォーカス方式でウエハ１４の表面のＺ方向の位置が結像面に合わせ込まれる。
【００４９】
以下、本例の投影光学系の露光動作の一例につき図７のフローチャートを参照して説明する。ここでは、例えば露光フィールド内の中央の１つの計測点でのＺ方向の位置を制御してオートフォーカスを行うものとする。先ず、図７のステップ１０１において、斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検出系でそれぞれの合焦点のＺ座標ＺＡＦ、及びＺＢＦを求める。このためには、既に説明したように図１において、基準パターン板２３の一方の基準開口パターン５８（図３（ｂ）参照）を投影光学系１３の露光フィールド内の中央部に設定し、光源３５から照明光を射出させると共に、斜入射方式のＡＦセンサでもその基準開口パターン５８上スリット像を投影する。そして、Ｚステージ１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、焦点信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込む。
【００５０】
これにより、図６（ｂ）に示すような焦点信号Ｓ１の曲線６０及び検出信号Ｓ２の曲線６４が得られる。但し、このときの横軸は時間ｔである。この場合、曲線６０が０を横切るときのＺ座標は斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置ＺＡＦであり、曲線６４が最大となるときのＺ座標はステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＢＦである。但し、このステップ１０１では、Ｚ座標自体を計測するのではなく、焦点信号Ｓ１を基準として座標ＺＢＦと座標ＺＡＦとの差分ΔＡＢ（＝ＺＢＦ−ＺＡＦ）を求める。即ち、演算手段３３では、曲線６４が最大となるときの焦点信号Ｓ１のレベル（これが曲線６０が０を横切るときの焦点信号Ｓ１との差分となる）と、予め求められているＺ方向の変位と焦点信号Ｓ１の変化との関係とを用いて、そのレベルを差分ΔＡＢに換算する。この差分ΔＡＢはメモリ３４内の第１記憶部３４ａ内に記憶される。
【００５１】
次に、ステップ１０２において、斜入射方式のＡＦセンサ及びステージスリット方式の焦点位置検出系でそれぞれの合焦点のＺ座標ＺＡＦ及びＺＣＦを求める。このためには、図１に示すように、レチクルとして中央に開口パターン１１Ａの形成されているレチクル１０を載置し、その開口パターン１１Ａ内の開口パターン５６（図３（ａ）参照）と共役な位置に基準パターン板２３の基準開口パターン５８（図３（ｂ）参照）を位置決めする。そして、光源系１から露光光ＩＬ１をフライアイレンズ２、及びリレーレンズ５側に供給すると共に、斜入射方式のＡＦセンサで開口パターン５８上にスリット像を投影した状態で、Ｚステージ１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、演算手段３３で焦点信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２を入力する。
【００５２】
これにより、図４に示すような焦点信号Ｓ１の曲線６０及び検出信号Ｓ２の曲線６１が得られる。但し、このときの横軸は時間ｔである。この場合、斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置はＺＡＦであり、曲線６１が最大となるときのＺ座標がステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＣＦである。このステップ１０２でも、Ｚ座標自体を計測するのではなく、焦点信号Ｓ１を基準として座標ＺＣＦと座標ＺＡＦとの差分ΔＡＣ（＝ＺＣＦ−ＺＡＦ）を求める。即ち、演算手段３３では、曲線６１が最大となるときの焦点信号Ｓ１のレベルを差分ΔＡＢに換算し、その差分ΔＡＣをモメリ３４内の第２記憶部３４ｂに格納する。
【００５３】
次に、ステップ１０３において、演算手段３３は、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＣＦとステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＢＦとの差分ΔＢＣ（＝ＺＣＦ−ＺＢＦ）を算出する。このために、演算手段３３は第２記憶部３４ｂ内の差分ΔＡＣから第１記憶部３４ａ内の差分ΔＡＢを減算する。そして、ステップ１０４において、その差分ΔＢＣをステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置のオフセットΔＢ として第１記憶部３４ａに格納する。
【００５４】
その後ステップ１０５に移行して、ステップ１０１と同様に斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検出系でそれぞれ合焦位置のＺ座標ＺＡＦ’及びＺＢＦ’を求める。但し、この場合も求められるのは、合焦位置の差分ΔＡＢ’（＝ＺＢＦ’−ＺＡＦ’）である。その後、ステップ１０６で斜入射方式のＡＦセンサで求められる合焦位置ＺＡＦ’から真の合焦位置（投影露光装置自体の照明光学系からの露光光の下での投影光学系１３の合焦位置）までのオフセットΔＡ’を求める。演算手段３３では第１記憶部３４ａからオフセットΔＢ を読み出して、次式からオフセットΔＡ’を算出する。
【００５５】
【００５６】
そして、ステップ１０７で露光対象のウエハがあるかどうかを調べ、露光対象のウエハがあるときには、ステップ１０８に移行してそのウエハをＺステージ１５上に載置する。その後、ステップ１０９において、斜入射方式のＡＦセンサの焦点信号Ｓ１が０になるようにＺステージ１５を駆動するというオートフォーカスを開始させ、ステップ１１０においてウエハの各ショット領域にレチクルのパターン像を露光する。その後、ステップ１１１に移行して、斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行う必要がないときには、ステップ１０７に移行して露光を継続し、ステップ１１１で斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行うと判定したときには、ステップ１０５に移行してキャリブレーションを行う。その後、ステップ１０７で露光すべきウエハが尽きた時点で露光工程が終了する。
【００５７】
また、その後照明光学系内で回転板３を回転させて、照明法を例えば通常の照明法から変形光源法等へ切り換えた場合には、再びステップ１０１に移行して斜入射方式のＡＦセンサのより正確なキャリブレーションを行う。
以上のように本例によれば、照明光学系の照明法を切り換えたような場合には、ステージスリット方式の焦点位置検出系及びステージ発光方式の焦点位置検出系を用いて、正確に斜入射方式のＡＦセンサで求められる合焦位置のキャリブレーションが行われる。その後、露光光の照射による熱変形等により投影光学系１３の結像面の位置が変化する恐れがあるときには、ステージ発光方式の焦点位置検出系を用いて斜入射方式のＡＦセンサで求められる合焦位置のキャリブレーションが行われるため、結像面の位置が経時変化するようなときにも正確にオートフォーカスを行うことができる。
【００５８】
次に、露光動作の他の例につき図８のフローチャートを参照して説明する。先ず図８のステップ１２１において、ステージ発光方式の焦点位置検出系、及びステージスリット方式の焦点位置検出系でそれぞれ合焦位置のＺ座標ＺＢＦ、及びＺＣＦを求める。このためには、先ず図１において光源系１の発光を停止させ、光源３５からの照明光を基準パターン板２３に照射した状態で、基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込み、図６（ｂ）の曲線６４のようにＺ座標に対して変化するデータを得る。この場合の曲線６４のピーク点のＺ座標ＺＢＦは、例えばポテンショメータ、レーザ干渉計等の不図示のＺ方向用の変位センサにより検出する。
【００５９】
その後、光源３５の発光を停止させ、光源系１から露光光ＩＬ１をレチクル１０に照射した状態で、基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込み、図４の曲線６１のようにＺ座標に対して変化するデータを得る。そして、その曲線６１がピークとなるときのＺ座標として、ステージスリット方式の焦点位置検出系での合焦位置のＺ座標ＺＣＦを求める。次に、ステップ１２２において、Ｚ座標ＺＣＦからＺ座標ＺＢＦを差し引いて得られる差分ΔＢＣ（＝ＺＣＦ−ＺＢＦ）を、ステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置に対するオフセットΔＢ としてメモリ３４の第１記憶部３４ａに格納する。これにより、図７のステップ１０４と同じくオフセットΔＢ が求められたことになる。
【００６０】
その後、ステップ１２３〜１２９においては、図７のステップ１０５〜１１１と同様に斜入射方式のＡＦセンサで求める合焦位置のキャリブレーションを行いながら、オートフォーカス方式でウエハに対して露光を行う。図８の例によれば、斜入射方式のＡＦセンサとは別のＺ方向用の変位センサを使用しているため、動作が簡略化されている。
【００６１】
なお、上述の実施の形態では、斜入射方式のＡＦセンサのオフセットΔＡ’分だけ図１の平行平面板４３の回転角を調整しているが、その調整を行うことなく、焦点信号Ｓ１がそのオフセットΔＡ’に対応するレベルになるようにオートフォーカスをかけてもよいことは明かである。
また、上述の実施の形態では、露光フィールド内の１点での焦点位置を制御しているが、図５に示すように露光フィールド６２内の例えば５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅにおいて斜入射方式のＡＦセンサで焦点位置を計測し、例えばそれら５点での焦点位置の平均値を結像面の位置（合焦位置）に合わせ込むようにしてもよい。この場合のキャリブレーションの一例としては、先ず露光フィールド内の１点で図７のステップ１０１〜１０４で示すように、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置ＺＣＦに基づいてステージ発光方式の焦点位置検出系の検出結果のオフセットΔＢ を求めて、メモリ３４内の第１記憶部３４ａに記憶する。そして、そのオフセットΔＢ は、露光フィールド６２内で一定であると仮定する。
【００６２】
その後、それら５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅの全てで図７のステップ１０５及び１０６に示すように、オフセットΔＢ 、及びステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置と斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置との差分より、斜入射方式のＡＦセンサで求めた検出結果のオフセットΔＡＡ’〜ΔＡＥ’を求め、これらのオフセットΔＡＡ’〜ΔＡＥ’をメモリ３４内の第２記憶部３４ｂに格納する。その後、オートフォーカスを行う際には、それら５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅで斜入射方式のＡＦセンサにより合焦位置の座標Ｚ１Ａ〜Ｚ１Ｅを求めた後、これらの座標Ｚ１Ａ〜Ｚ１Ｅと第２記憶部３４ｂから読み出されたオフセットΔＡＡ’〜ΔＡＥ’との差分の自乗和｛＝（Ｚ１Ａ−ΔＡＡ’）２＋…＋（Ｚ１Ｅ−ΔＡＥ’）２｝が最小値を取るようにＺステージ１５のＺ座標を調整する。
【００６３】
なお、この際に、５個の計測点内の１つの計測点（例えば６３Ｃ）で、ステージ発光方式の焦点位置検出系を用いて斜入射方式のＡＦセンサの検出結果のオフセットΔＡ’を求めて第２記憶部３４ｂに格納してもよい。そして、他の計測点でもそのオフセットΔＡ’は等しいとみなして、例えば５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅで斜入射方式のＡＦセンサにより求めた焦点位置の座標Ｚ１Ａ〜Ｚ１Ｅが、それぞれそのオフセットΔＡ’となるようにＺステージ１５の位置を制御することによりオートフォーカスを行う。これにより、近似的に効率的に斜入射方式の多点のＡＦセンサのキャリブレーションが行われる。
【００６４】
また、図５では露光フィールド６２内の対角線に沿って計測点が配置されているが、それら計測点を露光フィールド６２内に２次元的に分布させてもよい。この場合には、多点での合焦位置の計測によりその露光フィールド内の平均的な面の合焦位置の他に傾斜角も算出できるため、その傾斜角を結像面の傾斜角に合わせ込むことによりオートレベリングが行われる。
【００６５】
また、上述の例では、照明光学系の照明法、及び投影光学系１３の熱変形等を考慮して斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行っているが、更にレジスト像での合焦位置を考慮することが望ましい。即ち、ウエハ１４には所定の厚さ（例えば１μｍ程度）のフォトレジストが塗布され、斜入射方式のＡＦセンサで求める合焦位置はそのフォトレジストの例えば表面での合焦位置であるため、斜入射方式のＡＦセンサを用いてオートフォーカスを行っても、実際にフォトレジストを現像して得られたレジスト像が最も高い解像度になるとは限らない。
【００６６】
図９は、各方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置のＺ座標ＺＦ と、レジスト像が最も鮮明になるときのＺ座標（レジスト像基準の合焦点の座標）ＺＦ との関係を示し、この図９において、横軸は露光フィールド内の１断面のＸ座標であり、縦軸はそのＸ座標での合焦点のＺ座標ＺＦ である。また、図９では、キャリブレーションを行う前の斜入射方式のＡＦセンサで求めた合焦点の座標を０として、Ｚ方向への変位を斜入射方式のＡＦセンサで検出した例を示している。
【００６７】
図９において、一点鎖線の曲線６６は、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置の座標ＺＦ 、実線の曲線６５はステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置の座標ＺＦ（即ち、空間像を基準とした合焦位置の座標）である。また、点線の曲線６７は、斜入射方式のＡＦセンサで計測したＺ座標に基づいて、ウエハのＺ座標を変えながらテストプリントを繰り返して得られた、レジスト像を基準とした合焦位置の座標ＺＦ を示す。例えば位置Ｘ１ では、ステージスリット方式の焦点位置検出系により求められる合焦位置の座標ＺＣＦとレジスト像を基準として求められる合焦位置の座標ＺＤＦとは異なっている。
【００６８】
そこで、予め例えば露光フィールド内の１点で、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置の座標ＺＣＦとレジスト像を基準とした合焦位置の座標ＺＤＦとの差分ΔＣＤ（＝ＺＤＦ−ＺＣＦ）を求めておき、図１のメモリ３４内に記憶しておく。そして、例えば図７のステップ１０４でステージ発光方式の焦点位置検出系のオフセットΔＢ を求める際に、その差分ΔＣＤを加算するようにしてもよい。更に、露光フィールド内の位置に応じてその差分ΔＣＤを個別に補正してもよい。
【００６９】
また、上述の例では独立照明方式の焦点位置検出系として、ステージ発光方式の焦点位置検出系が使用されているが、独立照明方式の焦点位置検出系の送光系として例えば、図１において投影光学系１３とレチクル１０との間からレチクル１０の下面に基準パターンの像を投影し、その反射光を投影光学系を介して基準パターン板２３上に導くような照明系を使用してもよい。
【００７０】
また、本発明のステージスリット方式は図１のものに限定されず、例えばＺステージ１５上に基準反射面を形成しておき（又は基準パターン板２３の一部を反射面としておき）、露光用照明系でレチクル１０上のマークを照明して、投影光学系１３を経てその基準反射面で反射して再度投影光学系、及びレチクルを通った光を光電検出するような構成であってもよい。
【００７１】
更に、本発明は、ステッパ型の投影露光装置ばかりでなく、レチクルとウエハとを相対的に走査して露光するステップ・アンド・スキャン型の投影露光装置にも適用することができる。
このように本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の投影露光装置によれば、独立照明方式の焦点位置検出系により随時、斜入射方式の焦点位置検出系（ＡＦセンサ）のキャリブレーションができるため、露光光の吸収等によって投影光学系の結像面の位置が変化した場合でも、正確に感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる。この際に、最初にステージスリット方式の焦点位置検出系によりその独立照明方式の焦点位置検出系のオフセットを求めておくことにより、実際の照明状態に応じて正確にオートフォーカスを行うことができる。
【００７３】
更に、照明光学系が切り換えられた場合には、再びそのステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて独立照明方式の焦点位置検出系のオフセットを求め直すことにより、正確に感光基板上の所望の計測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができる。
また、独立照明方式の焦点位置検出系の受光系と、ステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系とが共通である場合には、光学系の構成が簡略である。
【００７４】
更に、独立照明方式の焦点位置検出系の送光系が、基板ステージ上の第１の開口パターンを投影光学系側に照明する送光系であり、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系が、その投影光学系を往復する照明光を受光する場合には、所謂ステージ発光方式で迅速に投影光学系を介して結像面の位置を検出できる。
また、投影光学系の露光フィールド内の少なくとも１点において、独立照明方式の焦点位置検出系により求めた第１の合焦位置と、その少なくとも１点において、ステージスリット方式の焦点位置検出系により求めた第２の合焦位置との差分である第１の差分を記憶する第１の差分記憶手段を設け、その第１の合焦位置と斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分である第２の差分と、その第１の差分記憶手段に記憶されている第１の差分とを用いて斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置の補正を演算手段によって行うときには、露光フィールド内でのその差分がほぼ一定であるとみなして、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーションを効率的に行うことができる。
【００７５】
更に、斜入射方式の焦点位置検出系が、多点の焦点位置検出系であるときに、複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、独立照明方式の焦点位置検出系により求めた第１の合焦位置と、斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分を記憶する第２の差分記憶手段を設け、その演算手段が、それら第１、及び第２の差分記憶手段にそれぞれ記憶されている差分を用いて斜入射方式の焦点位置検出系により求められるそれら複数の計測点での最終的な合焦位置の補正を行うときには、露光フィールド内で斜入射方式の焦点位置検出系で求める合焦位置と独立照明方式の焦点位置検出系で求める合焦位置との差分がほぼ一定であるとみなして、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーションを効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す一部を断面とした構成図である。
【図２】図１の回転板３における開口絞りの配置を示す正面図である。
【図３】（ａ）はレチクル１０上の開口パターンの一例を示す要部の平面図、（ｂ）は基準パターン板２３上の基準開口パターンの一例を示す拡大平面図である。
【図４】斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージスリット方式の焦点位置検出系で並行に合焦位置を求める際に得られる焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２を示す波形図である。
【図５】斜入射方式のＡＦセンサが多点の場合の計測点の配列の一例を示す平面図である。
【図６】（ａ）は図１においてステージ発光方式の焦点位置検出系で合焦位置を求める際の要部を示す構成図、（ｂ）は斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検出系で並行に合焦位置を求める際に得られる焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２を示す波形図である。
【図７】図１の投影露光装置で斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行いながら露光を行う場合の動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】図１の投影露光装置で斜入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行いながら露光を行う場合の動作の他の例を示すフローチャートである。
【図９】レジスト像を基準とした合焦点と、実施例の焦点位置検出系で求めた合焦点との相違の一例を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源系
３ 回転板
８ コンデンサーレンズ
１０ レチクル
１２ レチクルステージ
１３ 投影光学系
１４ ウエハ
１５ Ｚステージ
１６ ＸＹステージ
１８ レーザ干渉計
１９ 主制御系
２３ 基準パターン板
２４ 斜入射方式のＡＦセンサの送光系
２８ 斜入射方式のＡＦセンサの集光光学系
３２ 受光器
３３ 演算手段
３４ メモリ
３５ 光源
３８ 光ガイド
４２ 光電検出器
１１Ａ，１１Ｂ 開口パターン
５８，５９ 基準開口パターン
Claims (5)
- 露光光で転写用のパターンが形成されたマスクを照明する照明光学系と；
前記露光光のもとで前記マスクのパターンの像を感光基板上に投影する投影光学系と；
前記感光基板を前記投影光学系の光軸に垂直な平面内で移動させると共に、前記感光基板を前記光軸方向に位置決めする基板ステージと；
前記投影光学系の露光フィールド内の前記感光基板の所定の計測点上に、前記投影光学系の光軸に対して斜めに焦点検出用のパターン像を投影する送光系と、前記感光基板からの反射光を受光して前記焦点検出用のパターン像を再結像し、該再結像された像の横ずれ量に対応する焦点信号を生成する受光系とからなる斜入射方式の焦点位置検出系と；を有し、
前記焦点信号に基づいて前記感光基板の表面を前記投影光学系に対して合焦させる投影露光装置において、
前記露光光と同じ波長域の照明光で所定の計測用パターン像を前記基板ステージ上、又は前記マスク上に投影する送光系と、前記所定の計測用パターン像からの光を前記投影光学系、及び前記基板ステージ上に設けられた第１の開口パターンを介して受光し、該受光された光量に対応する第１の焦点検出信号を生成する受光系とを有する独立照明方式の焦点位置検出系と；
前記照明光学系により照明された前記マスク上の所定のパターンからの露光光を、前記投影光学系、及び前記基板ステージ上に設けられた第２の開口パターンを介して受光し、該受光された光量に対応する第２の焦点検出信号を生成するステージスリット方式の焦点位置検出系と；を備え、
前記独立照明方式の焦点位置検出系により求められる前記投影光学系に対する第１の合焦位置と、前記ステージスリット方式の焦点位置検出系により求められる前記投影光学系に対する第２の合焦位置との差分である第１の差分と、
前記独立照明方式の焦点位置検出系により求めた前記第１の合焦位置と、前記斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分である第２の差分とに基づいて、前記斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置の補正を行うことを特徴とする投影露光装置。 - 前記独立照明方式の焦点位置検出系の受光系と、前記ステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系とが共通であることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
- 前記独立照明方式の焦点位置検出系の送光系は、前記基板ステージ上の前記第１の開口パターンを前記投影光学系側に照明する送光系であり、前記独立照明方式の焦点位置検出系の受光系は、前記投影光学系を往復する照明光を受光することを特徴とする請求項１又は２記載の投影露光装置。
- 前記投影光学系の露光フィールド内の少なくとも１点において、前記独立照明方式の焦点位置検出系により求めた前記第１の合焦位置と、前記少なくとも１点において、前記ステージスリット方式の焦点位置検出系により求めた前記第２の合焦位置との差分である前記第１の差分を記憶する第１の差分記憶手段と、
前記第２の差分と、前記第１の差分記憶手段に記憶されている前記第１の差分とを用いて前記斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置の補正を行う演算手段と、を有することを特徴とする請求項１、２、又は３記載の投影露光装置。 - 前記斜入射方式の焦点位置検出系は、前記投影光学系の露光フィールド内の複数の計測点にそれぞれ焦点検出用のパターン像を投影し、前記複数の計測点での前記投影光学系に対する合焦位置を検出する多点の焦点位置検出系であり、
前記複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、前記独立照明方式の焦点位置検出系により求めた前記第１の合焦位置と、前記複数の計測点中の少なくとも１つの計測点において、前記斜入射方式の焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分である前記 第２の差分を記憶する第２の差分記憶手段を設け、
前記演算手段は、前記第１及び第２の差分記憶手段にそれぞれ記憶されている差分を用いて前記斜入射方式の焦点位置検出系により求められる前記複数の計測点での最終的な合焦位置の補正を行うことを特徴とする請求項４記載の投影露光装置。
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