JP3991241B2 - 面位置調整装置及びその方法並びに露光装置及びその方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面位置調整装置及びその方法並びに露光装置及びその方法に係り、更に詳しくは、第１物体に形成されたパターンを第２物体の面上に投影する投影光学系の像面に第２物体表面を一致させる面位置調整装置及びその方法、並びにこれらの装置等により露光時の前記感応基板の面位置調整を行なう露光装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線等の露光光を用いてマスクパターンを投影光学系を介してステージ上の感応基板に転写する投影露光装置は、半導体集積回路の製造を始めとする種々の精密加工の分野で実用化されている。これらの投影露光装置では、投影光学系の結像面の焦点深度の幅内に感応基板の現在の露光ショット領域を設定する機構である合焦機構、即ちオートフォーカス機構が必要である。
【０００３】
そのような合焦機構は一般的には、▲１▼直接方式と▲２▼間接方式とに分類される。
▲１▼の直接方式では、ステージ上に設けた基準面におけるマスクパターンの像の合焦点が露光光を用いて直接に検出される。具体的には、例えば特開平１−２８６４１８号公報に開示されているように、マスクパターン面に形成された特殊なマークの像がその基準面上に投影される。そして、その基準面に形成されたマークの投影像を投影光学系及びマークを介して観察し、マークにより絞られた投影像の光量のピークを検出することにより合焦点が判別される。
【０００４】
一方、▲２▼の間接方式においては、投影光学系に対するステージの高さを計測する計測手段を別途設け、上述の直接方式を用いて予め求めた合焦点にその計測手段の原点を合わせ、その計測手段を用いて感応基板の露光面の高さを検出して、間接的にその露光面を合焦点まで誘導するようにしている。例えば特開平１−４１９６２号公報または特開昭６０−１６８１１２号公報には、そのステージの高さの計測手段の例として、投影光学系の外側に固定された斜入射光方式の光学系を用いてその投影光学系の直下の露光面の高さを計測する機構（以下、「斜入射光式の焦点検出機構」という）が開示されている。この斜入射光式の焦点検出機構には、検出点が１点のものと、検出点を複数有する多点焦点検出機構とがある。
【０００５】
ところで、近時は、加工精度が特に高い半導体メモリデバイスの製造に際しては、波長３６５ｎｍのｉ線を用い、焦点深度１μｍ以下の投影光学系（投影レンズ）が用いられている。この場合には、合焦点の位置決め精度として通常でも０．１μｍ以下の精度が要求され、例えば特公昭６２−５０８１１号公報に開示されている露光光の干渉現象を利用した特殊な投影露光方式では０．０５μｍ以下の極めて高い精度が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の合焦機構では、投影光学系の像面は投影光学系の光軸に垂直な理想的な平面であり、基板表面も理想的な平面であるという仮定の下に、ある限定された位置（検出位置、通常は投影光学系の光軸位置）の合焦点を目標位置に定め、その目標位置を中心とする所定の許容範囲内に基板の面位置を設定する合焦動作が行われていたことから、複雑な段差構造をした基板を合焦させようとした場合、上記検出位置以外の位置に段差がある場合には、デフォーカス（焦点ずれ）が発生し易くなるという不都合があった。
【０００７】
また、最近では、露光エリアの拡大に伴い、複数チップを１度に露光する１ショット４チップ取り、１ショット６チップ取り等の形態の露光処理がなされており、かかる場合に投影光学系の露光可能領域の内の一部領域のみを露光したい場合がある。また、ウエハ上の一部領域に検査のためのパターン（ＴＥＧパターン）を形成する必要がある場合もある。この他、同一の投影露光装置で異なるチップサイズのウエハを露光したい場合や、複数種類のパターンが形成されたレチクルを用いて同一の感応基板の異なるショット領域にそれぞれのパターンを露光したい場合もある。このような場合には、照明光学系内の可変視野絞り（可動ブラインド）によりマスキング処理をしてマスクパターンの一部のみを照明し、基板上にその一部のパターンのみを転写させる必要があるが、かかる場合マスクパターンの照明エリア中心と投影光学系の光軸中心とが一致しないため、目標位置が限定された従来の合焦機構では、正しい合焦動作が出来ないという不都合もあった。
【０００８】
更に、投影光学系の任意の像面座標位置でのフォーカス位置及びフォカスマージンに差があるため、上記従来の合焦方法では、像高によっては、フォーカスマージンが無く、転写後の基板上でデフォーカス像になってしまうという不都合もあった。
【０００９】
本発明は、かかる事情の下になされたもので、請求項１に記載の発明の目的は、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができる面位置調整装置を提供することにある。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明の目的は、上記目的に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できる面位置調整装置を提供することにある。
【００１１】
また、請求項３及び４に記載の発明は、上記各発明の目的に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる面位置調整装置を提供することにある。
【００１２】
また、請求項５ないし７に記載の発明の目的は、上記各発明の目的に加え、面位置の調整に使用する全ての検出点で、一層容易且つ確実に面位置調整の対象物体の表面を投影光学系の最良結像面の焦点深度内に合焦させることができる面位置調整装置を提供することにある。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明の目的は、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる露光装置を提供することにある。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明の目的は、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができる面位置調整方法を提供することにある。
【００１５】
また、請求項１０に記載の発明の目的は、請求項９に記載の発明の目的に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できる面位置調整方法を提供することにある。
【００１６】
また、請求項１１及び１２に記載の発明の目的は、請求項９、１０に記載の発明の目的に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる面位置調整方法を提供することにある。
【００１７】
また、請求項１３に記載の発明の目的は、上記請求項９ないし１２に記載の発明の目的に加え、面位置の調整に使用する全ての検出点で、一層容易且つ確実に面位置調整の対象物体の表面を投影光学系の最良結像面の焦点深度内に合焦させることができる面位置調整方法を提供することにある。
【００１８】
請求項１４に記載の発明の目的は、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる露光方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、第１物体（Ｒ）に形成されたパターンを第２物体（Ｗ）の面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の像面に前記第２物体（Ｗ）表面を一致させる面位置調整装置であって、所定の基準面に直交する第１軸方向の前記第２物体（Ｗ）の前記基準面に対する相対位置を複数の検出点（Ｓ）で検出する面位置検出手段（４０、４２）と；前記面位置検出手段（４０、４２）の複数の検出点（Ｓ）のそれぞれにおける前記投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶された記憶手段（９６）と；前記第２物体（Ｗ）を前記第１軸方向及び前記基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段（２１）と；前記記憶手段（９６）の記憶内容と前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とに基づいて前記第２物体（Ｗ）表面の前記投影光学系（ＰＬ）によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段（２１）を制御する際に、前記各検出点における前記面位置検出手段の検出結果とこれに対応する前記最良結像面位置データとの差分量を用いて最小自乗近似により近似面を算出して、その近似面に前記第２物体（Ｗ）表面が近づくように制御する制御手段（４４）とを有する。
【００２０】
これによれば、記憶手段（９６）内には、面位置検出手段（４０、４２）の複数の検出点（Ｓ）のそれぞれにおける投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶されており、制御手段（４４）では、記憶手段（９６）の記憶内容と面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とに基づいて第２物体（Ｗ）表面の投影光学系（ＰＬ）によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が最良結像面の焦点深度内に入るように駆動手段（２１）を制御する。この結果、従来のように、投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定して第２物体の面位置の調整が行われる場合と異なり、投影光学系の像面湾曲に応じ、各検出点毎の最良結像面位置及びフォーカスマージンデータに基づいて第２物体の面位置の調整が行われるので、全ての検出点について第２物体表面がその検出点のフォーカスマージンの範囲内に入るように第２物体の面位置が調整される。従って、第２物体表面に凹凸がある場合であっても、いずれの検出点位置でも高精度な合焦動作が行われる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、第１物体（Ｒ）に形成されたパターンを第２物体（Ｗ）の面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の像面に前記第２物体（Ｗ）表面を一致させる面位置調整装置であって、所定の基準面に直交する第１軸方向の前記第２物体（Ｗ）の前記基準面に対する相対位置を複数の検出点（Ｓ）で検出する面位置検出手段（４０、４２）と；前記面位置検出手段（４０、４２）の複数の検出点（Ｓ）のそれぞれにおける前記投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶された記憶手段（９６）と；前記第２物体を前記第１軸方向及び前記基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段と；前記記憶手段（９６）の記憶内容と前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とに基づいて前記第２物体（Ｗ）表面の前記投影光学系（ＰＬ）によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段（２１）を制御する際に、前記各検出点（Ｓ）における前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とこれに対応する前記最良結像面位置データとの差分量を算出し、前記駆動手段（２１）の制御に用いられる全ての検出点（Ｓ）に対するフォーカスマージンの１／２と前記差分量との差のうちの最大値と最小値との平均値を求め、前記全ての検出点（Ｓ）におけるフォーカスマージンの１／２と前記差分量との差が前記平均値に近づくように制御する制御手段（４４）とを有する。
【００２２】
これによれば、請求項１記載の発明と同様に、投影光学系の像面湾曲に応じ、各検出点毎の最良結像面位置及びフォーカスマージンデータに基づいて第２物体の面位置の調整が行われるので、全ての検出点について第２物体表面がその検出点のフォーカスマージンの範囲内に入るように第２物体の面位置が最適に調整される。
【００２３】
これらの場合において、検出点の配置は、特に限定されるものではないが、請求項３に記載の発明の如く、前記複数の検出点（Ｓ ) が、前記投影光学系 ( ＰＬ）による前記パターンの投影領域（Ｅｆ）内に２次元方向にほぼ等間隔で配置されていることが望ましい。この場合には、投影領域（Ｅｆ）内の段差情報を均等に検出することができるので、例えばパターンの投影領域（Ｅｆ）が変更された場合であっても容易に対応が可能である。
【００２４】
これらの場合において、請求項４に記載の発明の如く、前記第１物体（Ｒ）のパターンの照明領域を設定する照明領域設定手段（４５Ａ、４５Ｂ）と；前記照明領域設定手段（４５Ａ、４５Ｂ）により設定されたパターン照明領域に対応する前記第２物体（Ｗ）上でのパターン投影領域（Ｅｆ’）を算出する算出手段（４４）とを更に有する場合には、前記制御手段（４４）が、前記算出手段（４４）により算出された前記パターン投影領域（Ｅｆ’）内に位置する検出点（Ｓ）における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記パターン投影領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体（Ｗ）表面の前記パターン投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段（２１）を制御するようにしても良い。このようにした場合、照明領域設定手段（４５Ａ、４５Ｂ）により第１物体（Ｒ）のパターンの照明領域が設定されると、算出手段（４４）では設定されたパターン照明領域に対応する第２物体（Ｗ）上でのパターン投影領域（Ｅｆ’）を算出し、制御手段（４４）では算出手段（４４）により算出されたパターン投影領域（Ｅｆ’）内に位置する検出点（Ｓ）における最良結像面位置及びフォーカスマージンデータとパターン投影領域内に位置する検出点での面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とのみに基づいて、第２物体（Ｗ）表面の前記パターン投影領域が最良結像面の焦点深度内に入るように駆動手段（２１）を制御する。このため、投影光学系の最良結像面に像面湾曲が存在し、従来のように投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定した場合に、全体のフォーカスマージンが殆ど確保できず合焦が困難な場合であっても、十分なフォーカスマージンを確保することができ（図１４斜線部参照）、これにより面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる。
【００２５】
あるいは、請求項５に記載の発明の如く、前記第２物体（Ｗ）上に複数の分割領域（例えばショット領域）が形成されている場合に、前記制御手段（４４）は、分割領域毎に、前記各分割領域を指定するマップ（例えば露光マップ）に基づき、各分割領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記分割領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記分割領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段を制御するようにしても良い。このようにした場合には、第２物体上の各分割領域の形状（大きさを含む）に応じて、当該各分割領域について十分なフォーカスマージンを確保して面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができる。
【００２６】
請求項６に記載の発明は、マスク（Ｒ）に形成されたパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感応基板（Ｗ）上に転写する露光装置であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面位置調整装置を前記感応基板の面位置調整用として具備することを特徴とする。これによれば、上記の如く面位置調整装置により高精度な合わせ面設定が行われ、この合わせ面設定とともにマスク（Ｒ）と感応基板（Ｗ）のアライメントとが行われた状態で、露光が行われると高精度、特にデフォーカス像の発生しない重ねあわせ露光が実現される。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、第１物体（Ｒ）に形成されたパターンを第２物体（Ｗ）の面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の像面に前記第２物体（Ｗ）表面を一致させる面位置調整方法であって、前記投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面の所定の基準面に直交する第１軸方向の前記基準面に対する相対位置及びフォーカスマージンを複数の検出点（Ｓ）について検出し記憶する第１工程と；前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置を前記各検出点について検出する第２工程と；前記第１工程で記憶された複数の検出点のそれぞれにおける前記最良結像面位置のデータと前記第２工程における各検出点での検出結果との差分量を用いて最小自乗近似により近似面を算出して、その近似面に前記第２物体表面が近づくように制御して前記第２物体表面の前記投影光学系によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整する第３工程とを含む。
【００２８】
これによれば、第１工程において、投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面の所定の基準面に直交する第１軸方向の前記基準面に対する相対位置及びフォーカスマージンが複数の検出点（Ｓ）について検出され記憶される。次いで、第２工程において、第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置が各検出点について検出される。そして、第３工程において、第１工程で記憶された複数の検出点のそれぞれにおけるデータと第２工程における各検出点での検出結果とに基づいて第２物体表面の投影光学系によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が最良結像面の焦点深度内に入るように第２物体表面の面位置が調整される。この結果、従来のように、投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定して第２物体の面位置の調整が行われる場合と異なり、投影光学系の像面湾曲に応じ、各検出点毎の最良結像面位置及びフォーカスマージンデータに基づいて第２物体の面位置の調整が行われるので、全ての検出点について第２物体表面がその検出点のフォーカスマージンの範囲内に入るように第２物体の面位置が調整される。従って、第２物体表面に凹凸がある場合であっても、いずれの検出点位置でも高精度な合焦動作が行われる。
【００２９】
この場合において、請求項８に記載の発明の如く、前記第２工程における前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置の検出は、前記投影光学系（ＰＬ）による前記パターンの投影領域（Ｅｆ）内に２次元方向にほぼ等間隔で配置された複数の検出点（Ｓ）について行われることが望ましい。この場合には、投影領域（Ｅｆ）内の段差情報を均等に検出することができるので、例えばパターンの投影領域（Ｅｆ）が変更された場合であっても容易に対応が可能である。
【００３０】
これらの場合において、請求項９に記載の発明の如く、前記第２工程に先立って、前記第１物体（Ｒ）のパターンの照明領域を設定するとともに、当該設定されたパターン照明領域に対応する前記第２物体上でのパターン投影領域（Ｅｆ’）を算出し、前記第２工程において、算出されたパターン投影領域（Ｅｆ’）内に位置する検出点（Ｓ）について前記第２物体（Ｗ）の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置の検出を実行し、前記第３工程において、前記算出されたパターン投影領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記パターン投影領域内に位置する検出点での前記第２工程の検出結果とのみに基づいて前記第２物体表面の前記パターン投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整するようにしても良い。これによれば、投影光学系の最良結像面に像面湾曲が存在し、従来のように投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定した場合に、全体のフォーカスマージンが殆ど確保できず合焦が困難な場合であっても、十分なフォーカスマージンを確保することができ（図１４斜線部参照）、これにより面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる。
【００３１】
あるいは、請求項１０に記載の発明の如く、前記第３工程において、前記第２物体（Ｗ）上に形成された複数の分割領域（例えばショット領域）毎に、前記各分割領域を指定するマップ（例えば露光マップ）に基づき、各分割領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記分割領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記分割領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整するようにしても良い。
【００３２】
このようにした場合には、第２物体上の各分割領域の形状（大きさを含む）に応じて、当該各分割領域について十分なフォーカスマージンを確保して面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができる。
【００３３】
請求項１１に記載の発明は、マスク（Ｒ）に形成されたパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感応基板（Ｗ）上に転写する露光方法であって、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の面位置調整方法を用いて露光時の前記感応基板（Ｗ）の面位置調整を行なうことを特徴とする。これによれば、請求項９ないし１３のいずれか一項に記載の面位置調整方法を用いて露光時の前記感応基板（Ｗ）の面位置調整（合わせ面設定）が行われ、この合わせ面設定とともにマスク（Ｒ）と感応基板（Ｗ）のアライメントとが行われた状態で、露光が行われると高精度、特にデフォーカス像の発生しない重ねあわせ露光が実現される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図１４に基づいて説明する。
【００３５】
図１には、本発明に係る面位置調整装置が適用された一実施形態に係る露光装置１０の概略構成が示されている。この露光装置１０は、いわゆるステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置である。
【００３６】
この露光装置１０は、ウエハＷを保持してＸＹ平面内をＸＹ２次元方向に移動する基板テーブル１８を備えたＸＹステージ装置１４と、前記ＸＹ平面に直交するＺ方向をその光軸ＡＸの方向としてＸＹステージ装置１４の上方に配置された投影光学系ＰＬと、この投影光学系ＰＬの上方でその光軸ＡＸに直交して配置された第１物体としてのマスク（縮小投影露光装置の場合、このマスクをレチクルと呼ぶので以下「レチクル」という）Ｒを保持するレチクルホルダ３６とを備えている。
【００３７】
この内、ＸＹステージ装置１４は、ベース１１と、このベース１１上を図１におけるＹ方向に往復移動可能なＹステージ１６と、このＹステージ１６上をＹ方向と直交するＸ方向に往復移動可能なＸステージ１２と、このＸステージ１２上に設けられた基板テーブル１８とを有している。また、基板テーブル１８上に、ウエハホルダ２５が載置され、このウエハホルダ２５によって第２物体としての感応基板、ここではウエハＷが真空吸着によって保持されている。
【００３８】
基板テーブル１８は、Ｘステージ１２上にＸＹ方向に位置決めされかつＺ軸方向の移動及び傾斜が許容された状態で取り付けられている。そして、この基板テーブル１８は、異なる３点の支持点で不図示の３本の軸によって支持されており、これら３本の軸がウエハ駆動装置２１によって独立してＺ軸方向に駆動され、これによって基板テーブル１８上に保持されたウエハＷの面位置（Ｚ軸方向位置及びＸＹ平面に対する傾斜）が所望の状態に設定されるようになっている。
【００３９】
この基板テーブル１８上には移動鏡２７が固定され、外部に配置された干渉計３１により、基板テーブル１８のＸ方向、Ｙ方向及びθ方向（Ｚ軸回りの回転方向）の位置がモニタされ、干渉計３１により得られた位置情報が主制御装置４４に供給されている。主制御装置４４は、ウエハ駆動装置２１（これは、Ｘステージ１２、Ｙステージ１６の駆動系及び基板テーブル１８の駆動系の全てを含む）を介してＹステージ１６、Ｘステージ１２及び基板テーブル１８の位置決め動作を制御すると共に、装置全体の動作を統括制御する。
【００４０】
また、基板テーブル１８上の一端部には、不図示のオフアクシス方式のアライメント検出系の検出中心から投影光学系ＰＬの光軸までの距離を計測するベースライン計測等のための各種基準マークが形成された基準マーク板ＦＭが固定されている。この基準マーク板ＦＭ上のマークには、投影光学系の最良結像面の検出に用いられる基準パターンが含まれる。なお、この投影光学系ＰＬの最良結像面を検出する第２の焦点検出系の構成等については、後に詳述する。
【００４１】
前記レチクルホルダ３６はその上面の４つのコーナー部分に真空吸着部３４を有し、この真空吸着部３４を介してレチクルＲがレチクルホルダ３６上に保持されている。このレチクルホルダ３６は、レチクルＲ上の回路パターンが形成された領域であるパターン領域ＰＡに対応した開口（図示省略）を有し、不図示の駆動機構によりＸ方向、Ｙ方向、θ方向（Ｚ軸回りの回転方向）に微動可能となっており、これによって、パターン領域ＰＡの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを通るようにレチクルＲの位置決めが可能な構成となっている。
【００４２】
この露光装置１０では、不図示のアライメント検出系の検出信号に基づいて主制御装置４４によりレチクルＲとウエハＷとの位置合わせ（アライメント）が行なわれ、後述する焦点検出系の検出信号に基づいて、レチクルＲのパターン面とウエハＷ表面とが投影光学系ＰＬに関して共役となるように、かつ投影光学系の結像面とウエハＷ表面とが一致する（ウエハ表面が投影光学系の最良結像面の焦点深度の範囲内に入る）ように、主制御装置４４により駆動装置２１を介して基板テーブル１８がＺ軸方向及び傾斜方向に駆動制御されて面位置の調整が行なわれる。このようにして位置決め及び合焦がなされた状態で、ミラー９７、メインコンデンサレンズ９９を含む照明光学系から射出された露光光によりレチクルＲのパターン領域ＰＡがほぼ均一な照度で照明されると、レチクルＲのパターンの縮小像が投影光学系ＰＬを介して表面にフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に結像される。
【００４３】
ここで、図示は省略したが、照明光学系は、例えば水銀ランプ等の光源と、この光源から射出された露光光を集光する楕円鏡と、この集光された露光光をほぼ平行な光束に変換するインプットレンズと、このインプットレンズから出力された光束が入射して後側（レチクル側）焦点面に多数の二次光源を形成するフライアイレンズと、これら二次光源から射出された露光光を集光してレチクルＲを均一な照度で照明するコンデンサーレンズ系等を含んで構成することができる。また、本実施形態では、照明光学系内には、照明領域設定手段としての２枚の可動ブレード４５Ａ、４５Ｂを有する可動ブラインド（以下、この可動ブラインドを適宜「可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂ」と呼ぶ）が設けられており、この可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂの配置面はレチクルＲのパターン面と共役となっている。また、この可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂの近傍に、開口形状が固定された固定ブラインド４６が配置されている。固定ブラインド４６は、例えば４個のナイフエッジにより矩形の開口を囲んだ視野絞りであり、その矩形開口の上下方向の幅が可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂによって規定されるようになっている。可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂは、可動ブラインド駆動機構４３Ａ、４３Ｂによって開閉方向に駆動されるようになっており、この駆動機構４３Ａ、４３Ｂの動作が後述するマスキング情報に応じて主制御装置４４によって制御されるようになっている。
【００４４】
更に、本実施形態では、投影光学系ＰＬによるパターンの投影領域（この投影領域に対応するウエハＷ上の領域を以下「露光領域」と呼ぶ）内にウエハＷが位置したときＸＹ平面に平行な基準となる仮想的な面（基準面）に対するウエハＷ表面のＺ方向（光軸ＡＸ方向）の位置を検出するための面位置検出手段として、斜入射光式の焦点検出系の一つであるの多点フォーカス位置検出系が設けられている。この多点フォーカス位置検出系は、光ファイバ束８１、集光レンズ８２、パターン形成板８３、レンズ８４、ミラー８５及び照射対物レンズ８６から成る照射光学系４０と、集光対物レンズ８７、回転方向振動板８８、結像レンズ８９、受光用スリット板９８及び多数のフォトセンサを有する受光器９０（これについては後述する）から成る受光光学系４２とから構成されている。
【００４５】
ここで、この多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の構成各部の作用を説明すると、露光光とは異なるウエハＷ上のフォトレジストを感光させない波長の照明光が、図示しない照明光源から光ファイバ束８１を介して導かれている。光ファイバ束８１から射出された照明光は、集光レンズ８２を経てパターン形成板８３を照明する。パターン形成板８３を透過した照明光は、レンズ８４、ミラー８５及び照射対物レンズ８６を経てウエハＷの露光面に投影され、ウエハＷの露光面にはパターン形成板８３上のパターンの像が投影結像される。ウエハＷで反射された照明光（パターン像の光束）は、集光対物レンズ８７、回転方向振動板８８及び結像レンズ８９を経て受光器９０の手前側に配置された受光用スリット板９８上に再結像される。
【００４６】
ここで、主制御装置４４には発振器（ＯＳＣ．）が内蔵されており、主制御装置４４は、ＯＳＣ．からの駆動信号でドライブされる加振装置９２を介して回転方向振動板８８に後述するような振動を与え、受光器９０の多数のフォトセンサからの検出信号（光電変換信号）がセンサ選択回路９３を介して信号処理装置９１に供給され、信号処理装置９１は、各検出信号を加振装置９２の駆動信号で同期検波して得た多数のフォーカス信号を主制御装置４４に供給する。なお、センサ選択回路９３及び信号処理装置９１についても後述する。
【００４７】
ここで、図２に基づいてパターン形成板８３上のパターン、ウエハＷの露光面上に形成されるこのパターンの像、及びこの像が再結像されるフォトセンサが配置された受光器９０について更に詳述する。
【００４８】
図２（Ａ）には、パターン形成板８３が示されている。この図２（Ａ）に示されるように、パターン形成板８３には、上下左右方向に当間隔で７×７、合計４９個のパターン形成板８３の４辺の方向（Ｘ，Ｙ方向）に対して４５度傾斜したスリット状の開口パターンＰ11〜Ｐ77が形成されており、これらのスリット状の開口パターンＰの像がウエハＷの露光面上に投影される。ここで、本実施形態では、照射光学系４０からの像光束は、ＹＺ平面内で光軸ＡＸに対して所定角度α傾斜した方向からウエハＷ面（又は基準マーク板ＦＭ表面）に照射され、この像光束のウエハＷ面からの反射光束は、ＹＺ平面内で光軸ＡＸに対して前記照射光学系４０からの像光束と対称に所定角度α傾斜した方向に進んで受光光学系４２によって前記の如く受光される。すなわち、平面視で見ると、照射光学系４０からの像光束及びその反射光束は、Ｙ軸に沿って一方から他方へ進む。
【００４９】
このため、ウエハＷ表面の露光領域Ｅｆ内には、図２（Ｂ）に示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸に対して４５度傾斜した７行７列のマトリクス状配置で７×７、合計４９個のスリット状の開口パターンの像（以下、「スリット像」という）Ｓ11〜Ｓ77が、Ｘ軸、Ｙ軸方向に沿って当間隔ｌで形成される。なお、本実施形態では、７×７（＝４９個）のスリット像が露光領域Ｅｆ内に配置されるが、等間隔でスリット像Ｓが配置されるのであれば、スリット像Ｓの数はいくつでも良い。
【００５０】
本実施形態の場合、露光領域Ｅｆを１辺が２２ｍｍの正方形とした場合、スリット像の間隔ｌ＝約３ｍｍとなり、ほぼ露光領域Ｅｆ内の段差情報を把握することが可能になる。
【００５１】
図２（Ｃ）には、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の受光器９０が示されている。この受光器９０上にスリット像Ｓ11〜Ｓ77に対応して７行７列のマトリクス状にフォトセンサＤ11〜Ｄ77が配置されている。各フォトセンサＤは、それぞれＸ軸、Ｙ軸に４５度傾斜して配置されている。
【００５２】
前記の如く、受光器９０には、合計で４９個のＸ軸、Ｙ軸に対し４５度傾斜したフォトセンサＤ11〜Ｄ77が配列されており、各フォトセンサＤの前面（図１における下面）側には当該各フォトセンサＤに対向してＸ軸、Ｙ軸に対し４５度傾斜したスリットがそれぞれ設けられた受光用スリット板９８が配置されている。また、フォトセンサＤ11〜Ｄ77に対向する受光用スリット板９８のスリット上にそれぞれ図２（Ｂ）のスリット像Ｓ11〜Ｓ77が再結像される。そして、ウエハＷの露光面で反射された光を、回転方向振動板８８で回転振動することで、受光用スリット板９８上では再結像された各像の位置が図２（Ｃ）における矢印ＲＤ方向に振動する。従って、各フォトセンサＤ11〜Ｄ77の検出信号がセンサ選択回路９３を介して後述する信号処理装置９１により、回転振動周波数の信号で同期検波される。なお、結像レンズ８９とスリット板９８との間に、スリット板９８上のスリットとウエハＷからの反射スリット像の振動中心との相対関係を、矢印ＲＤ方向にシフトさせるための、プレーンパラレルを配置しても良い。
【００５３】
次に、センサ選択回路９３及び信号処理装置９１の構成について、図３に基づいて説明する。この図３には、センサ選択回路９３と信号処理装置９１とが受光器９０とともに概略的に示されている。この内、センサ選択回路９３は、スイッチ部ＡS と、レジスタ部ＲS とから成り、スイッチ部ＡS 内には逆バイアス電圧が印加されたフォトセンサ（ここではフォトダイオード）Ｄ11、Ｄ12、……Ｄ77のＰ側に一方の固定接点がそれぞれ接続された切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49と、各切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49の可動接点（共通接点）とｎ本の出力線Ｏ1 〜Ｏn との間に設けられた（４９×ｎ）個の開閉スイッチＳＢ1-1 、ＳＢ1-2 、ＳＢ1-3 、……、ＳＢ49-nとが配置されている。各切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49の他方の固定接点は接地されている。また、フォトセンサＤ11〜Ｄ77のＮ側は不図示の電源回路に接続されている。また、ｎ本の光電変換信号の出力線Ｏ1 〜Ｏn のそれぞれは、これらの出力線に対応して設けられた信号処理回路９４1 〜９４n にそれぞれ接続されている。
【００５４】
このため、例えば、切替スイッチＳＡ1 をフォトセンサＤ11側に切り替え、開閉スイッチＳＢ1-1 をオンにすると、フォトセンサＤ11が受光する光の強さに比例した強さの逆電流（光電流、すなわち光電変換信号）が、フォトセンサＤ11→スイッチＳＡ1 →スイッチＳＢ1-1 の順に閉回路内を流れ、この電流が信号処理回路９４1 によって検出され、デジタル信号に変換されて信号出力回路９５に送出される。また、例えば、切替スイッチＳＡ49をフォトセンサＤ77側に切り替え、開閉スイッチＳＢ49-nをオンにすると、フォトセンサＤ77が受光する光の強さに比例した強さの逆電流（光電流）が、フォトセンサＤ77→スイッチＳＡ49→スイッチＳＢ49-nの順に閉回路内を流れ、この電流が信号処理回路９４n によって検出され、デジタル信号に変換されて、信号出力回路９５に送出される。このように、本実施例では、切替スイッチＳＡと開閉スイッチＳＢとの任意の組み合わせをオンにすることにより、任意のフォトセンサＤの受光する光の強さに応じた光電流を所望の出力線Ｏを介して取り出すことが可能になっている。
【００５５】
レジスタ部Ｒｓ内には、切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49にそれぞれ対応して設けられた４９個の第１レジスタＲＳ1 〜ＲＳ49と、開閉スイッチＳＢ1-1 〜ＳＢ49-nに対応してｎ個ずつ４９組設けられた第２レジスタＲＳＳ1-1 〜ＲＳＳ49-nとが配置されている。第１レジスタＲＳ1 〜ＲＳ49は、同一のラインＬ1 に共通に接続され、第２レジスタＲＳＳ1-1 〜ＲＳＳ49-nは、同一のラインＬ2 に共通に接続されている。従って、例えば、フォトセンサＤ11の出力を出力線Ｏ1 に出力させるには、ラインＬ1 にデータ（Ｄａｔａ）１（「１，０，０，………，０」）を入力し、ラインＬ2 にデータ（Ｄａｔａ）２（「１，０，０，０，０，０，０、０，０，０，０，０，０，０、………、０，０，０，０，０，０，０」）を入力すれば良い。これにより、第１レジスタＲＳ1 と第２レジスタＲＳＳ1-1 とが「１」で、その他のレジスタは０となり、切替スイッチＳＡ1 がフォトセンサＤ11側に切り替えられ、開閉スイッチＳＢ1-1 がオンとなって、フォトセンサＤ11の出力が出力線Ｏ1 に出力される。このように、本実施例では、主制御装置４４からラインＬ1 、ラインＬ2 を介してレジスタ部Ｒｓ内に入力されるデータ１，データ２の内容によって、所望のフォトセンサＤの出力を所望の出力線Ｏ、すなわちこれに対応する信号処理回路９４に出力させることができる。従って、例えばｎ＝４９である場合には、各フォトセンサＤを各別に信号処理回路９４1 〜９４n にそれぞれ独立して接続することにより主制御装置４４では露光領域内の個々のスリット像位置の光軸方向位置を演算することができる。
【００５６】
信号処理装置９１は、出力線Ｏ1 〜Ｏn にそれぞれ接続されたｎ個の信号処理回路９４1 〜９４n を備えている。各信号処理回路９４には同期検波回路（ＰＳＤ）が内蔵されており、このＰＳＤにはＯＳＣ．からの駆動信号と同じ位相の交流信号が入力されている。そして、各信号処理回路９４では、各出力線からの信号を上記の交流信号の位相を基準としてそれぞれ同期整流（同期検波）を行ない、ウエハＷ上の各スリット像Ｓ11〜Ｓ77の場所のＺ軸方向位置（フォーカス位置）に対応する焦点位置検出信号（フォーカス信号）ＦＳを生成する。そして、信号処理回路９４1 〜９４n からのフォーカス信号ＦＳは、出力回路９５によりデジタル変換され、シリアルデータとして主制御装置４４に出力されるようになっている。
【００５７】
ところで、各フォーカス信号ＦＳは、いわゆるＳカーブ信号と呼ばれ、受光用スリット板９８のスリット中心とウエハＷからの反射スリット像の振動中心とが一致したときに零レベルとなり、ウエハＷがその状態から上方に変位しているときは正のレベル、ウエハＷが下方に変位しているときは負のレベルになる信号である。従って、各フォーカス信号ＦＳにオフセットが加えられていない状態では、主制御装置４４によって、各フォーカス信号ＦＳが零レベルになるウエハＷの高さ位置（光軸方向位置）が合焦点としてそれぞれ検出されることになる。
【００５８】
前述したように、本実施形態においては、所望のフォトセンサＤの出力を所望の出力線Ｏ、すなわちこれに対応する信号処理回路９４に出力させることができ、例えば、複数のフォトセンサＤが同一出力先に設定された場合には、その出力先として指定された（選択された）信号処理回路９４ではフォトセンサ出力の合成信号を回転振動周波数の信号で同期検波し、その複数のフォトセンサの出力の合成信号に対応するフォーカス信号のデジタル変換データが主制御装置４４に出力されるようになっている。但し、以下においては、説明の便宜上、ｎ＝４９であり、フォトセンサＤ11〜Ｄ77の出力を各別に信号処理回路９４1 〜９４n に出力させることができるようになっているものとする。
【００５９】
ところで、本実施形態のような斜入射光方式の多点フォーカス位置検出系（４０、４２）では合焦点（信号ＦＳが零レベル）となったウェハＷの高さ位置が、いつでも最良結像面と必ず一致しているという保証はない。すなわち、フォーカス信号ＦＳは、基準マーク板ＦＭ又はウエハＷの投影光学系ＰＬの光軸方向の位置を示す信号であり、間接方式で焦点位置を示す信号だからである。従って、そのフォーカス信号ＦＳを使用して合焦点を検出するには、予め直接方式で基準マーク板ＦＭ又はウエハＷの投影光学系ＰＬに対する合焦状態を調べておき、真の合焦点又はその近傍の位置でのフォーカス信号ＦＳのレベルが予め定められたレベル（これを「擬似的な合焦レベル」という）になるようにオフセットの調整（多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーション）を行い、以後は信号ＦＳがその擬似的な合焦レベルになるように基板テーブル１８のＺ軸方向の動きを制御すればよい。その擬似的な合焦レベルとしては、例えば０が使用される。
【００６０】
しかしながら、投影光学系ＰＬの最良結像面は理想的な平面ではなく、殆どの場合、像面湾曲等が存在し、投影光学系ＰＬの像面座標位置によって最良結像面の光軸方向位置（ベストフォーカス位置）は異なる。従って、各スリット像Ｓ（以下、適宜「検出点」という）に対応するフォトセンサＤの擬似的な合焦レベル（オートフォーカスの目標値）を同一レベル（例えば０）にすることは、先にも述べたように却ってフォーカス合わせの精度を劣化させることにつながる場合がある。同様に、投影光学系ＰＬの像面位置によって焦点深度が異なる場合もある。従って、フォーカスマージンを一律にすることは、却ってフォーカス合わせの精度を劣化させることにつながる場合がある。
【００６１】
そこで、本実施形態では、以下に詳述するように、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーションを予め行なう際に、各検出点毎に対応する投影光学系ＰＬの最良結像面位置（像面湾曲）と焦点深度を計測し、これらの計測結果が最良結像面位置データ、フォーカスマージンデータとして記憶された記憶手段としてのメモリ９６が主制御装置４４に併設されている。
【００６２】
本実施形態の場合、合焦点等でそのフォーカス信号ＦＳのレベルに所定のオフセットを設定して多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーションを行うには、光学的及び電気的な手法があるが、光学的に設定するには、要は基準マーク板ＦＭ等がＺ軸方向の所定の位置に在る状態で受光器９０のフォトセンサＤの受光面での光量の分布を、所定の位置に変化させてやれば良い。例えば、前述したように、スリット板９８の前面にプレーンパラレルを配置してこのプレーンパラレルの角度を変えると、フォトセンサＤの受光面での光量の分布が変化するので、これによりキャリブレーションを行うことができる。また、信号ＦＳの値がその合焦レベルになるように電気的にオフセットを加えるようにしてもよい。
【００６３】
このように、フォーカス信号ＦＳは間接方式で合焦点を示す信号であるため、露光光吸収等で投影光学系ＰＬの結像面（焦点）の位置が変化したような場合には、信号ＦＳが擬似的な合焦レベルになる合焦点と実際の合焦点との間にずれが生じている虞がある。そこで、本実施形態では、キャリブレーション信号ＫＳを用いてそのフォーカス信号ＦＳのオフセット設定（多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーション）を行う。このため、本実施形態では、投影光学系ＰＬの最良結像面を検出してキャリブレーション信号ＫＳを主制御装置４４に出力する第２の焦点検出系が設けられている。
【００６４】
次に、この投影光学系ＰＬの最良結像面を検出する第２の焦点検出系３０について、図４に基づいて説明する。
【００６５】
図４には、本実施形態に係る露光装置１０を構成する投影光学系ＰＬのベストフォーカス面を検出するＴＴＬ方式の第２の焦点検出系３０の構成が示されている。
【００６６】
この第２の焦点検出系３０は、基板テーブル１８上にウエハＷの表面とほぼ等しい高さ位置で固定された基準マーク板ＦＭ（より正確には、この上の基準パターン）と、基準マーク板ＦＭの下方（基板テーブル１８の内部）に設けられたミラーＭ１、照明用対物レンズ５０及び光ファイバ５１と、この光ファイバ５１の入射端側に設けられたビームスプリッタ５２と、レンズ系５３、５４及び光電センサ５５とを含んで構成されている。
【００６７】
図４において、絞り面（瞳面）ＥＰを挾んで前群、後群に分けて模式的に表わした投影光学系ＰＬの光軸ＡＸはレチクルＲの中心、すなわちパターン領域ＰＡの中心を、レチクルパターン面に対して垂直に通る。
【００６８】
前記基準マーク板ＦＭの上面には、図５に示されるように、一定ピッチのライン／スペースよりなる振幅型の回折格子マーク２８Ａ並びにこの回折格子マーク２８Ａを反時計方向にそれぞれ４５°、９０°及び１３５°回転させて得られる格子よりなる回折格子マーク２８Ｂ、２８Ｃ及び２８Ｄが形成されている。これら４種類の回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄにより基準パターン２８が構成される。このように種々の方向の回折格子マークを形成するのは、レチクルＲ上のパターンの影響を除くため、及び投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の任意の点におけるサジタル（Ｓ）方向及びメリディオナル（Ｍ）方向の焦点位置（非点収差）を計測可能とするためである。基準マーク板ＦＭの回折格子マーク形成面とウエハＷの露光面とは投影光学系ＰＬの光軸方向に同じ高さになるようにしておく。なお、基準マーク板ＦＭ上に形成するパターンは、位相型の回折格子マークであってもよい。
【００６９】
さて、図４において、露光用照明光ＥＬがレンズ系５３及び光ファイバ５１の入射端側に配置されたビームスプリッタ５２を介して、光ファイバ５１に導入される。この照明光は、光ファイバ５１の射出端から射出され対物レンズ５０によって集光されて、ミラーＭ１を介して基準マーク板ＦＭの回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄをともに裏側から照射する。ここで、照明光ＥＬはレチクルＲ照明用の光源（水銀ランプ、エキシマレーザ等）から得るのが望ましいが、別に専用の光源を用意しても良い。ただし、別光源にするときは、露光用照明光と同一波長、又はそれに極めて近似した波長の照明光にする必要がある。
【００７０】
また、対物レンズ５０による基準マーク板ＦＭの照明条件は、パターン投影時の投影光学系ＰＬでの照明条件と極力合わせる、すなわち、投影光学系ＰＬの像側の照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）と対物レンズ５０から基準マーク板ＦＭへの照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）とをほぼ一致させることが望ましい。
【００７１】
照明光ＥＬにより照射された基準マーク板ＦＭ上の回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄからは投影光学系ＰＬへ送進する像光束が発生する。図４において、基板テーブル１８は投影光学系ＰＬの最良結像面（レチクル共役面）Ｆｏから僅かに下方に基準マーク板ＦＭが位置するようにセットされていものとする。このとき基準マーク板ＦＭ上の一点から発生した像光束Ｌ１は投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰの中心を通り、レチクルＲのパターン面からわずかに下方へずれた面Ｆｒ内で集光した後に発散し、レチクルＲのパターン面で反射してから元の光路を戻る。ここで、面Ｆｒは、投影光学系ＰＬに関して基準マーク板ＦＭと共役な位置にある。投影光学系ＰＬが両側テレセントリック系であると、基準マーク板ＦＭ上の回折格子マーク（発光マーク）２８Ａ〜２８Ｄからの像光束は、レチクルＲの下面（パターン面）で正規反射して再び回折格子マーク（発光マーク）２８Ａ〜２８Ｄと重畳するように戻ってくる。但し、図４のように基準マーク板ＦＭが結像面Ｆｏからずれていると、基準マーク板ＦＭ上には各マーク２８Ａ〜２８Ｄのぼけた反射像が形成され、基準マーク板ＦＭが結像面Ｆｏと一致しているときは、面ＦｒもレチクルＲのパターン面と一致することになり、基準マーク板ＦＭ上には各マーク２８Ａ〜２８Ｄのシャープな反射像がそれぞれのマークに重畳して形成されることになる。両側テレセントリックな投影光学系ＰＬでは、レチクルＲのパターン面からの反射像は自身の源である発光マーク２８Ａ〜２８Ｄ上に投射される。そして基準マーク板ＦＭがデフォーカスしていると、反射像は、マーク２８Ａ〜２８Ｄの形状寸法よりも大きくなり、かつ単位面積あたりの照度も低下する。
【００７２】
そこで、基準マーク板ＦＭ上にできる反射像のうち、元のマーク２８Ａ〜２８Ｄで遮光されなかった像部分の光束をミラーＭ１、対物レンズ５０を介して光ファイバ５１で受光し、ビームスプリッタ５２、レンズ系５４を介して光電センサ５５で受光するようにする。光電センサ５５の受光面は投影光学系ＰＬの瞳面（フーリエ変換面）ＥＰとほぼ共役に配置される。
【００７３】
図４の構成においては、基板テーブル１８を上下方向（Ｚ方向）に移動させるだけでコントラスト信号を得ることができる。
【００７４】
図６には、光電センサ５５の出力信号、すなわちキャリブレーション信号ＫＳの信号レベル特性が示されている。この図６において、横軸は基板テーブル１８のＺ方向の位置、すなわち基準マーク板ＦＭの光軸ＡＸ方向の高さ位置を表わす。ここで、図６（Ａ）は発光マーク２８Ａ〜２８ＤがレチクルＲのパターン面内のクロム部分に逆投影されたときの信号レベルを示し、図６（Ｂ）はパターン面内のガラス部分（透明部分）に逆投影されたときの信号レベルを示す。通常、レチクルのクロム部分は0.３〜0.５μｍ程度の厚みでガラス（石英）板に蒸着されており、クロム部分の反射率は当然のことながらガラス部分の反射率よりは格段に大きい。しかしながら、ガラス部分での反射率は完全に零ということはないので、図６（Ｂ）のようにレベルとしてはかなり小さくなるが、検出は可能である。また一般に実デバイス製造用のレチクルは、パターン密度が高いために、発光マーク２８Ａ〜２８Ｄの全ての逆投影像がレチクルパターン中のガラス部分（透明部分）に同時にかかる確率は極めて少ないと考えられる。
【００７５】
いずれの場合にしろ、基準マーク板ＦＭの表面が最良結像面Ｆｏを横切るように光軸方向に移動されると、Ｚ方向の位置Ｚｏで信号レベルが極大値となる。従って、基板テーブル１８のＺ方向位置と出力信号ＫＳとを同時に計測し、信号レベルが極大となったときのＺ方向位置を検出することで、最良結像面Ｆｏの位置が求まり、しかもこの検出方式ではレチクルＲ内の任意の位置で結像面Ｆｏの検出が可能となる。すなわち、レチクルＲが投影光学系ＰＬの物体側にセットされてさえいれば、いつでも投影視野（イメージフィールド）内の任意の位置で絶対フォーカス位置（最良結像面Ｆｏ）が計測できる。また先に述べたようにレチクルＲのクロム層は0.３〜0.５μｍ厚であり、この厚みによって生じる最良結像面Ｆｏの検出誤差は、投影光学系ＰＬの投影倍率を例えば１／５縮小とすると、（０.３〜０.５）×（１／５）2 ＝０.０１２〜０.０２μｍとなり、これはほとんど無視できる値である。
【００７６】
次に、図７を参照して、本実施形態に係る露光装置１０で任意の検出点におけるフォーカス信号ＦＳのキャリブレーションを行う場合の全体の動作の一例を説明する。この場合、前回のキャリブレーション等により、基板テーブルのＺ軸座標がＺB の位置が合焦点として設定されているものとする。
【００７７】
まず、図７のステップ１０１において、主制御装置４４は駆動装置２１を介してＸステージ１２、Ｙステージ１６を動作させることにより、基準マーク板ＦＭを投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の所望の計測点（ここでは、この計測点はいずれかのスリット像Ｓの位置である検出点を意味する）に移動させる。次のステップ１０２において、主制御装置４４は、駆動装置２１を介して基板テーブルのＺ軸座標を現在の合焦点であるＺB からΔＺだけ下方に移動させる。間隔ΔＺは、投影光学系ＰＬの結像面のＺ軸方向の変動の予想される最大の絶対値をＺMAX とすると、ΔＺ＞ＺMAX となるように選ばれている。
【００７８】
そして、主制御装置４４は、ステップ１０３において、駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸座標を（ＺB −ΔＺ）から上方にほぼ一定速度で走査させる。この走査が開始されると、ステップ１０４において、主制御装置４４は、所定のサンプリングパルスに同期して、キャリブレーション信号ＫＳ及びフォーカス信号ＦＳを並行して取り込んでそれぞれ内部メモリに書き込む。そして、ステップ１０５において、主制御装置４４では基板テーブル１８のＺ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）に達したか否かを調べ、Ｚ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）に達していない場合には、ステップ１０３に戻ってＺ軸方向への走査を続ける。また、ステップ１０５でＺ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）に達した場合には、ステップ１０６に移行する。
【００７９】
上記ステップ１０２〜ステップ１０５において、例えば、主制御装置４４の内部メモリ内の第１記憶領域内の一連のアドレス領域には、図８（Ａ）中に実線の曲線３８で示されるようなキャリブレーション信号ＫＳが記憶され、内部メモリ内の第２記憶領域内の一連のアドレス領域には図８（Ｂ）に示されるような０を中心としてＳ字状に変化するフォーカス信号ＦＳが記憶される。図８（Ａ）及び（Ｂ）の横軸はアドレスであるが、本実施形態のサンプリングパルスは一定時間間隔毎にハイレベル“１”となるパルス列であるため、そのアドレスは時間ｔとみなすことができる。更に、基板テーブル１８はほぼ等速度で上昇しているため、時間ｔ（又はアドレスの値）に１次変換を施すことにより基板テーブル１８のＺ軸座標の近似値を求めることができる。
【００８０】
図７に戻り、ステップ１０６において、主制御装置４４では、キャリブレーション信号ＫＳから求めた真の合焦点又はこの近傍の位置のＺ軸座標とフォーカス信号ＦＳから求められる擬似的な合焦点のＺ軸座標との偏差量δＺを算出する。
【００８１】
例えば、図８の例では、キャリブレーション信号ＫＳが最大になるときのアドレスが真の合焦点ＺC に対応するアドレスであり、フォーカス信号ＦＳがＳカーブ特性の中で０になるときのアドレスが前回のキャリブレーションで設定した合焦点ＺB に対応するアドレスである。なお、基準マーク板ＦＭに形成されている格子マークが位相格子であるときには、信号ＫＳは図８（Ａ）中の一点鎖線の曲線３９で示されるように真の合焦点ＺC で値が最小になる。従って、何れの場合でもその信号ＫＳの凸又は凹のピークのアドレスから信号ＦＳのゼロクロス点のアドレスを差し引いて得られる偏差アドレス量に所定の１次演算を施すことによりＺ軸座標上の偏差量δＺが求められる。
【００８２】
この場合、図７中のステップ１０７に示されるように、ステップ１０２〜１０６までの動作をｎ回（ｎは２以上の整数）繰り返すことで偏差量の計測精度を上げることができる。更に、ステップ１０８に示されるように、１個の偏差量を算出する度に、駆動装置２１を介してＸステージ１２、Ｙステージ１６及び基板テーブル１８を動作させて、基準マーク板ＦＭの投影光学系ＰＬの光軸に垂直な面内での位置を微小量だけ変位させる。これにより基準マーク板ＦＭの回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄの像が投影されるレチクルＲのパターン領域ＰＡでの位置も微小量だけ変位するので、そのパターン領域ＰＡのパターンの影響が除去され、計測精度の低下が防止される。
【００８３】
なお、ステップ１０７で計測がｎ回行われていないと判断された場合に直ちにステップ１０２に戻るようなシーケンスとしても良いことは勿論である。
【００８４】
その後、ステップ１０９において、主制御装置４４では真の合焦点又はこの近傍の位置のＺ軸座標とフォーカス信号ＦＳから求められる擬似的な合焦点のＺ軸座標との偏差量δＺを平均化して得られた偏差量〈δＺ〉を内部メモリに格納する。これ以後、主制御装置４４は前回のキャリブレーションにより設定されたＺ軸座標の値ＺB に〈δＺ〉を加算して得た値（ＺB ＋〈δＺ〉）を合焦点とみなして、この合焦点でのフォーカス信号ＦＳが所定の擬似的な合焦レベルになるようにオフセットの調整を、ここでは電気的に行うものとする。
【００８５】
ところで、本実施形態に係る第２の焦点検出系３０によると、レチクルＲが投影光学系ＰＬの物体側にセットされてさえいれば、いつでもイメージフィールド内の任意の位置で絶対フォーカス位置（最良結像面Ｆｏ）を計測できることは前述した通りであり、従ってこの第２の焦点検出系３０と多点フォーカス位置検出系（４０、４２）とを用いて、上記ステップ１０２〜１０７の処理を基板テーブル１８の位置を各計測点（スリット像位置）に移動させながら行なって、各計測点におけるキャリブレーション信号ＫＳから求めた真の合焦点又はこの近傍の位置のＺ軸座標と焦点位置検出信号ＦＳから求められる擬似的な合焦点のＺ軸座標との偏差（ベストフォーカス値との偏差量）を求める。この各計測点における偏差量が像面湾曲データに他ならない。
【００８６】
そこで、本実施形態では、基板テーブル１８をＸＹ２次元面内で移動させながら、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）と第２の焦点検出系３０とを用いて計測された投影光学系ＰＬの像面湾曲データが各検出点のＸＹ座標位置データと対応づけてメモリ９６に記憶されている。
【００８７】
また、投影光学系ＰＬの像面座標位置毎（ここでは各検出点位置毎）の焦点深度は、次のようにして計測する。すなわち、上述した像面湾曲データの計測の際に、図８（Ａ）に符号３８で示されるようなキャリブレーション信号ＫＳが、各検出点毎に得られるので、各キャリブレーション信号ＫＳの波形と所定のスレッショルドレベルライン（例えば、キャリブレーション信号ＫＳのピーク値の所定％レベルのライン、該所定％は像ぼけが生じない程度に定められる）との２つの交点をそれぞれのキャリブレーション信号波形についてそれぞれ求め、各交点の偏差アドレス量に所定の１次演算を施すことによりＺ軸座標上で焦点深度が各検出点毎に求められる。そして、計測されたそれぞれの焦点深度がフォーカスマージンデータとして各検出点のＸＹ座標位置データと対応づけてメモリ９６に記憶されている。
【００８８】
このメモリ９６内に記憶されているデータの具体的利用法については、後に詳述する。
【００８９】
次に、上述のようにして構成された本実施形態の露光装置１０の面位置調整時の動作について説明する。ここでは、一例として、主制御装置４４によって、センサ選択回路９３を介して検出点（スリット像）Ｓ11，Ｓ14，Ｓ17，Ｓ22，Ｓ24，Ｓ26，Ｓ33，Ｓ34，Ｓ35，Ｓ41，Ｓ42，Ｓ43，Ｓ44，Ｓ45，Ｓ46，Ｓ47，Ｓ53，Ｓ54，Ｓ55，Ｓ62，Ｓ64，Ｓ66，Ｓ71，Ｓ74，Ｓ77に対応するフォトセンサＤ11，Ｄ14，Ｄ17，Ｄ22，Ｄ24，Ｄ26，Ｄ33，Ｄ34，Ｄ35，Ｄ41，Ｄ42，Ｄ43，Ｄ44，Ｄ45，Ｄ46，Ｄ47，Ｄ53，Ｄ54，Ｄ55，Ｄ62，Ｄ64，Ｄ66，Ｄ71，Ｄ74，Ｄ77が選択されている場合について説明する。以下の説明中では、上記の付加符号（11，14，17，22，………，74，77）等を代表して付加符号（ij）で適宜表すものとする。
【００９０】
図９には、この場合の投影光学系ＰＬの最良結像面の平面図が示されており、この図９において上記各検出点Ｓijにそれぞれ対応する合焦点のＺ座標位置（最良結像面位置）がＺijとして示されている。また、図１０（Ａ）〜（Ｄ）には、この場合の各軸（ａ）〜（ｄ）方向の最良結像面（合焦点のＺ座標Ｚijを結んだ面）とフォーカスマージンΔＺijとの関係が示されている。
【００９１】
この場合、図１０（Ａ）〜（Ｄ）に示されるような最良結像面位置データＺijとフォーカスマージンデータΔＺijとが、メモリ内に記憶されている。
【００９２】
ウエハＷ面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させる（焦点深度の範囲内に入れる）ように面位置の調整を行なうには、各検出点Ｓijに対応するフォトセンサＤijの出力がフォーカスマージンΔＺij内に入るように駆動装置２１を介して基板テーブルのＺ軸位置、及び傾斜を調整する必要がある。
【００９３】
説明を分り易くするために、（ｄ）方向を例に取って説明する（図１１参照）。（ｄ）方向のように像面が傾斜している場合は、Ｚ方向にウエハＷを上下動させるだけでは、各フォトセンサ（Ｄ77，Ｄ66，Ｄ55，Ｄ44，Ｄ33，Ｄ22，Ｄ11）の出力がすべて合焦範囲に入る条件は存在しない。
【００９４】
この場合は、主制御装置４４では、各センサの出力値が例えば図１１中のＺ’77，Ｚ’66，Ｚ’55，Ｚ’44，Ｚ’33，Ｚ’22，Ｚ’11のようになるように駆動装置２１のサーボ制御を行い基板テーブル１８をＺ軸方向及び傾斜方向に駆動して合焦動作を行なう。この時の全体のフォーカスマージンは図１１中に示されるΔＺd である。ウエハＷ表面が平面である場合は、この全体のフォーカスマージンΔＺd の振分け中心にウエハＷ表面が一致するように制御するのが最も良く、ウエハＷ表面に凹凸がある場合は、その凹凸の中心面が全体のフォーカスマージンΔＺd の振分け中心に一致するように制御するのが最も良い。
【００９５】
主制御装置４４ではこのような動作を、選択された全ての検出点Ｓに対して行なうことにより、ウエハ面の面位置調整を行なう。
【００９６】
ここで、主制御装置４４によるオートフォーカス・オートレベリング時の上記サーボ制御について詳述する。
【００９７】
すなわち、主制御装置４４は、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の各検出点Ｓでの検出結果が、メモリ９６に記憶されているそれぞれの検出点における最良結像面位置データＺijに一致するように駆動装置２１を制御するが、その際に各検出点ＳijにおけるフォトセンサＤijの検出結果とこれに対応する最良結像面位置データＺijとの差分量（ΔＺＮij）をそれぞれ算出する。そして、すべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくように駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸方向及び傾斜方向のサーボ制御を行い、この際に、次式（１）に基づいて各検出点の差分量（ΔＺＮij）とそれぞれの検出点におけるフォーカスマージンの１／２とを比較する。
【００９８】
（ΔＺＮij）≦１／２・ΔＺij ………（１）
そして、すべての検出点Ｓijについて（１）式が成立した時点で、主制御装置４４では合焦状態と判断する。この合焦状態の判断がなされた後は、露光を開始しても良いが、この露光中もすべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくようにサーボ制御を続行することが望ましい。
【００９９】
この場合、主制御装置４４では、すべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくように駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸方向及び傾斜方向のサーボ制御する際に、例えば常時前記差分量（ΔＺＮij）を用いた最小自乗近時により近似面を算出し、その近似面にウエハＷ表面が近づくように制御しても良い。
【０１００】
このようなサーボ制御により、ウエハＷ表面は、全体のフォーカスマージンΔｄの範囲内に含まれるように面位置が調整され、ウエハＷ表面の凹凸があってもこの凹凸の形状が例えば投影光学系ＰＬの像面湾曲形状に近い場合には、ウエハＷ表面が投影光学系ＰＬの結像面にほぼ一致するように面位置の調整が行われる。
【０１０１】
すなわち、例えば、図１２（Ａ）に示されるような凹凸形状のあるウエハＷの場合、投影光学系ＰＬの最良結像面Ｆｏが図１２（Ｂ）に示されるような像面湾曲を有しているものとすると、最終的に図１２（Ｂ）中に実線で示されるような面位置の調整が行われる。なお、この図１２（Ｂ）において、仮想線は従来のフォーカス調整方法により設定された面位置を示す。これより明らかなように、本実施形態の場合の方が、より高精度な合焦が行われていることがわかる。また、ウエハＷ表面が平面である場合には、全体のフォーカスマージンΔＺd の振分け中心にウエハ表面が一致するように面位置が調整される。
【０１０２】
あるいは、主制御装置４４では、すべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくように駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸方向及び傾斜方向のサーボ制御を行なう際に、駆動装置２１の制御に用いられる全ての検出点に対するフォーカスマージンΔＺijの１／２と前記差分量（ΔＺＮij）との差ＤＺＮijの内の最大値ＤＺmaxと最小値ＤＺminとの平均値ΔＤを次式（２）に基づいて求め、
（ＤＺmax＋ＤＺmin ）／２＝ΔＤ ………（２）
全ての検出点におけるフォーカスマージンΔＺijの１／２と前記差分量（ΔＺＮij）との差ＤＺＮijが上記平均値ΔＤに近づくように制御しても良い。
【０１０３】
この場合には、前述したようにフォーカスマージンΔＺd の振分け中心にウエハ表面、又は凹凸の中心面が一致するように面位置が調整される。
【０１０４】
次に、上述のようにして構成された本実施形態に係る露光装置１０における、投影光学系ＰＬによる露光可能領域の全域を露光領域Ｅｆとして露光を行なう際の動作について、説明する。ここでは、例えば特開昭６１−４４４２９号等に開示されているような、ウエハＷ上のアライメントマーク位置の計測値とショット配列の設計値とに基づいて、最小自乗法を用いた統計演算によりウエハ上の全ショット配列座標を求め、これに基づいて各ショット領域を露光位置に位置決めするいわゆるエンハンスト・グローバル・アライメント（以下、「ＥＧＡ」という）方式により、ステップ・アンド・リピート方式の露光が行われる場合について説明する。
【０１０５】
この場合、前提として不図示のレチクル顕微鏡によるレチクルアライメントは終了しているものとする。
【０１０６】
始めに、主制御装置４４では、基準マーク板ＦＭが投影光学系ＰＬの下に位置するように駆動装置２１を介してＹステージ１６、Ｘステージ１２を駆動して、基板テーブル１８を移動させ、このときのレーザ干渉計３１の出力を不図示の内部メモリに記憶する。次に、主制御装置４４では基準マーク板ＦＭが不図示のアライメントセンサの下に位置するように、駆動装置２１を介してＸステージ１２及びＹステージ１６の一方又は両方を駆動して基板テーブル１８を移動し、このときのアライメントセンサの出力とレーザ干渉計３１の出力とを内部メモリに記憶する。すなわち、このようにしてベースライン計測を行う。なお、ベースライン計測のシーケンスは本実施形態においても従来の露光装置と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【０１０７】
続いて、主制御装置４４では、ウエハＷ上のアライメント用マークが不図示のアライメントセンサの下に位置するように駆動装置２１を介して基板テーブル１８を移動させ、アライメントセンサの出力とレーザ干渉計３１の出力とに基づいてアライメントマーク位置を検出する。このようにして、所定のサンプルショットに付設されたアライメントマークの位置計測を実行し、この計測結果を用いていわゆるＥＧＡ演算によりウエハＷ上の全てのショット配列座標を求める。なお、このＥＧＡ演算については、上記特開昭６１−４４４２９号等に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。
【０１０８】
しかる後、主制御装置４４では上記のアライメント用マーク位置の検出結果と前述したベースライン計測結果とに基づいて、各ショット領域（例えば，１ショット１チップ取りの場合は各半導体チップに相当）が投影光学系ＰＬの下に順次位置決めされるように基板テーブル１８を位置制御すると同時に信号処理装置９１からのフォーカス信号（焦点位置検出信号）ＦＳに基づいて前述したようにしてオートフォーカス・オートレベリング動作を実行しつつ、照明系内の不図示のシャッタの開閉を制御して、基板テーブル１８のステッピングと露光を繰り返す。このようにして、ステップ・アンド・リピート方式でウエハＷ上の各ショット領域へ順次重ね合わせ露光が行われる。
【０１０９】
次に、図１３に基づいて、照明光学系内の可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂ等で露光領域Ｅｆの一部の領域Ｅｍがマスキングされた場合について説明する。
【０１１０】
メモリ９６内に予め記憶された露光条件等を設定するプロセスプログラムと呼ばれる条件ファイルからマスキング処理の情報（例えば、ブラインド情報）が得られたときは、主制御装置４４ではブラインド情報に基づいて可動ブラインド駆動機構４３Ａ、４３Ｂを介して可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂを駆動制御するとともに実露光領域Ｅｆ’（図１３参照）を算出し、この算出結果に基づいてセンサ選択回路９３を介して実露光領域Ｅｆ’内に配置されているスリット像Ｓ14、Ｓ15、Ｓ16、Ｓ17、Ｓ24、Ｓ25、Ｓ26、Ｓ27、Ｓ34、Ｓ35、Ｓ36、Ｓ37、Ｓ44、Ｓ45、Ｓ46、Ｓ47、Ｓ54、Ｓ55、Ｓ56、Ｓ57、Ｓ64、Ｓ65、Ｓ66、Ｓ67、Ｓ74、Ｓ75、Ｓ76、Ｓ77に対応するフォトセンサＤ14、Ｄ15、Ｄ16、Ｄ17、Ｄ24、Ｄ25、Ｄ26、Ｄ27、Ｄ34、Ｄ35、Ｄ36、Ｄ37、Ｄ44、Ｄ45、Ｄ46、Ｄ47、Ｄ54、Ｄ55、Ｄ56、Ｄ57、Ｄ64、Ｄ65、Ｄ66、Ｄ67、Ｄ74、Ｄ75、Ｄ76、Ｄ77の選択を行ない、当該変化後の実露光領域Ｅｆ’についてもその領域内に存在するスリット像（検出点）Ｓの反射光の光電変換信号に基づいて当該各検出点Ｓのフォーカス位置の情報を得、これに基づいて前述と同様にして、オートフォーカス・オートレベリングを行い面位置を調整する。
【０１１１】
なお、プロセスプログラムに直接ブラインド設定とセンサの設定を指定しても良い。
【０１１２】
ウエハ上の一部領域に検査のためのパターン（ＴＥＧパターン）を形成する必要がある場合があり、このような場合には、一部の露光ショットでのみ、マスキング処理をして露光領域を変更する必要がある。このような場合に、上記の実露光領域の変更に応じた面位置調整は、特に好適である。
【０１１３】
上述のようにして、変更後の実露光領域Ｅｆ’内の検出点Ｓの検出結果のみを用いて、面位置調整を行なう場合であっても、本実施形態では、各検出点毎にメモリ９６内に記憶された最良結像面位置データＺとフォーカスマージンデータΔＺとを用いて面位置の調整が行われるので、従来に比べて焦点深度（フォーカスマージン）を非常に大きく設定できる場合がある。
【０１１４】
例えば、投影光学系ＰＬの最良結像面Ｆｏが図１４に示されるような形状である場合に、仮にウエハ表面が平面であったとしても、当該投影光学系ＰＬの焦点深度ΔＺ１、ΔＺ２の間の範囲のみを使用してオートフォーカスを行なう場合、従来の最良結像面が光軸に直交する理想平面であるとの仮定のもとでは、図中に仮想線で示される面ｍ−ｍに確実にウエハＷ表面を一致させない限り、像がデフォーカスするのに対し、本実施形態の場合には、斜線で示す範囲内にウエハ表面を合わせ込めば、像がデフォーカスしないので、明らかにフォーカスマージンを大きく設定することができる。
【０１１５】
なお、上記の説明では、マスキングにより露光領域が変化する場合について説明したが、例えば、レチクルＲ上のパターンのサイズ又はウエハＷ上のチップサイズが変更された場合も、主制御装置４４ではこれらの変更情報に基づいて検出対象となる領域を算出し、各領域に配置されたスリット像の反射光束をそれぞれ受光するフォトセンサの出力のみを取り出して、上記と同様に面位置調整を行なうようにしてもよい。
【０１１６】
例えば、主制御装置４４では、露光マップ基づいてウエハＷ上に形成された各ショット領域（分割領域）毎に、指定されたショット領域内の検出点Ｓに対応するフォトセンサＤのみを選択し、当該各検出点Ｓにおける最良結像面位置データ及びフォーカスマージンデータと該ショット領域内に位置する検出点ＳでのフォトセンサＤの検出結果とのみに基づいて、ウエハＷ表面のショット領域が投影光学系ＰＬの最良結像面の焦点深度内に入るように、駆動装置２１を制御するようにしても良い。これは、特にウエハ周辺部の欠けショットの面位置調整の際に、効果を発揮する。
【０１１７】
これまでの説明から明らかなように、本実施形態の露光装置１０では、基板テーブル１８と駆動装置２１とによって、第２物体としてのウエハＷを所定の基準面に直交する第１軸方向（Ｚ軸方向）及び基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段が構成され、主制御装置４４によって制御手段及び算出手段が構成されている。
【０１１８】
以上説明したように、本実施形態の露光装置１０によると、主制御装置４４では、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の各検出点Ｓに対応するフォトセンサＤの出力とメモリ９６に記憶された各検出点毎の最良結像面位置データ、フォーカスマージンデータとに基づいて、全ての検出点Ｓに対応するフォトセンサＤの出力値がそれぞれのフォーカスマージンデータの範囲内となるように駆動装置２１及び基板テーブル１８を介してウエハＷの面位置を調整するので、結果的にウエハＷ表面の露光領域Ｅｆ部分の全体が最良結像面の焦点深度内に入るような面位置の調整が行われ、ウエハＷ表面に凹凸がある場合であっても、いずれの検出点位置でも高精度な合焦動作が行われる。
【０１１９】
また、複数の検出点Ｓが、前記投影光学系ＰＬによるパターンの投影領域（露光領域Ｅｆ）内に２次元方向にほぼ等間隔で配置されていることから、露光領域Ｅｆ内の段差情報を均等に検出することができるので、例えば露光領域Ｅｆが変更された場合であっても容易に対応が可能である。
【０１２０】
また、露光領域の変更は、可動ブラインド（４５Ａ、４５Ｂ）によって行われるようになっており、この可動ブラインドによって露光領域Ｅｆの変更が行われた場合に、主制御装置４４では例えばマスキング情報に基づいて変更後の実露光領域Ｅｆ’内に位置する検出点に対応するフォトセンサＤをセンサ選択回路９３を介して選択し、実露光領域Ｅｆ’内の検出点における最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと上記の選択されたフォトセンサの検出結果とのみに基づいてウエハＷ表面の実露光領域Ｅｆ’部分が最良結像面の焦点深度内に入るように駆動装置２１及び基板テーブル１８を介してウエハＷの面位置調整を行なうので、投影光学系ＰＬの最良結像面に像面湾曲が存在し、従来であれば全体のフォーカスマージンが殆ど確保できず合焦が困難な場合であっても、十分なフォーカスマージンを確保することができ、これにより面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことが可能である。
【０１２１】
また、本実施形態の露光装置１０では、上記のようにして高精度な合わせ面設定が行われ、この合わせ面設定とともにレチクルＲとウエハＷのアライメントとが行われた状態で露光が行われることから、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる。
【０１２２】
なお、本実施形態のように、フォトセンサの組合わせ、出力先の設定が任意に出来る場合は、基準マーク板ＦＭ等の基準面を用いてフォトセンサ間の感度、出力先である信号処理回路９４間のゲイン、オフセット等の微妙なバラツキをキャリブレーション（較正）しておくことが重要である。このキャリブレーション結果は、主制御装置４４内のメモリ（図示省略）に格納しておき、フォトセンサと出力先の選択に応じて補正することが望ましい。また、キャリブレーションのタイミングは一般的には、装置組立時で良いが、装置変動等を考慮する場合は露光動作開始時に定期的に行っても良い。
【０１２３】
なお、上記実施形態では、投影露光装置に本発明に係る面位置調整装置が適用された場合について説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。例えば電子線露光装置等の他の露光装置であってもマスク（第１物体）のパターンが投影される試料（第２物体）の面位置調整が行われるので、本発明に係る面位置調整方法及びその装置は好適に適用できるものである。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２に記載の各発明によれば、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができるという従来にない優れた効果がある。
【０１２５】
また、請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できるという効果がある。
【０１２６】
また、請求項４及び５に記載の各発明によれば、上記各発明の効果に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができるという効果がある。
【０１２７】
また、請求項６に記載の発明によれば、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができるという効果がある。
【０１２８】
また、請求項７に記載の発明によれば、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができる面位置調整方法が提供される。
【０１２９】
また、請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載の発明の効果に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できる面位置調整方法が提供される。
【０１３０】
また、請求項９及び１０に記載の発明によれば、請求項７、８に記載の各発明の効果に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができる面位置調整方法が提供される。
【０１３１】
また、請求項１１に記載の発明によれば、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる露光方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】（Ａ）は図１のパターン形成板を示す平面図、（Ｂ）はウエハの露光面上に形成されるパターン像の配置を示す図、（Ｃ）は受光器の受光面上のフォトセンサの配置を示す図である。
【図３】センサ選択回路及び信号処理装置の構成を受光器とともに概略的に示すブロック図である。
【図４】図１の露光装置を構成する投影光学系のベストフォーカス面を検出するＴＴＬ方式の第２の焦点検出系の構成を示す図である。
【図５】図１の基準マーク板ＦＭ上面に形成された回折格子マークを示す図である。
【図６】キャリブレーション信号の信号レベル特性を示す図であって、（Ａ）は発光マークがレチクルのパターン面内のクロム部分に逆投影されたときの信号レベルを示す図、（Ｂ）はパターン面内のガラス部分（透明部分）に逆投影されたときの信号レベルを示す図である。
【図７】図１の露光装置で焦点位置検出信号のキャリブレーションを行う場合の、主制御装置の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】上記キャリブレーションの際に、主制御装置の内部メモリ内に記憶される信号を示す図であって、（Ａ）はキャリブレーション信号を示す波形図、（Ｂ）は焦点位置検出信号を示す波形図である。
【図９】投影光学系の最良結像面の一例を説明するための図であって、投影光学系の最良結像面の平面図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｄ）は、図９の各軸（ａ）〜（ｄ）方向の最良結像面とフォーカスマージンとの関係をそれぞれ示す図である。
【図１１】合焦動作時の合焦位置とフォーカスマージンの関係を示す図である。
【図１２】第１の実施形態の効果を説明するための図であって、（Ａ）は凹凸形状のあるウエハＷの一例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のウエハの面位置調整の様子を示す図である。
【図１３】露光領域の一部がマスキングされ、実露光領域が変化した場合のスリット像の配置を示す図である。
【図１４】露光領域の一部がマスキングされた場合の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 露光装置
１８ 基板テーブル（駆動手段の一部）
２１ 駆動装置（駆動手段の一部）
４０ 照射光学系（面位置検出手段の一部）
４２ 受光光学系（面位置検出手段の一部）
４４ 主制御装置（制御手段、算出手段）
４５Ａ、４５Ｂ 可動ブラインド（照明領域設定手段）
９６ メモリ（記憶手段）
Ｒ レチクル（第１物体、マスク）
Ｗ ウエハ（第２物体、感応基板）
ＰＬ 投影光学系
Ｓ スリット像（検出点）
【発明の属する技術分野】
本発明は、面位置調整装置及びその方法並びに露光装置及びその方法に係り、更に詳しくは、第１物体に形成されたパターンを第２物体の面上に投影する投影光学系の像面に第２物体表面を一致させる面位置調整装置及びその方法、並びにこれらの装置等により露光時の前記感応基板の面位置調整を行なう露光装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外線等の露光光を用いてマスクパターンを投影光学系を介してステージ上の感応基板に転写する投影露光装置は、半導体集積回路の製造を始めとする種々の精密加工の分野で実用化されている。これらの投影露光装置では、投影光学系の結像面の焦点深度の幅内に感応基板の現在の露光ショット領域を設定する機構である合焦機構、即ちオートフォーカス機構が必要である。
【０００３】
そのような合焦機構は一般的には、▲１▼直接方式と▲２▼間接方式とに分類される。
▲１▼の直接方式では、ステージ上に設けた基準面におけるマスクパターンの像の合焦点が露光光を用いて直接に検出される。具体的には、例えば特開平１−２８６４１８号公報に開示されているように、マスクパターン面に形成された特殊なマークの像がその基準面上に投影される。そして、その基準面に形成されたマークの投影像を投影光学系及びマークを介して観察し、マークにより絞られた投影像の光量のピークを検出することにより合焦点が判別される。
【０００４】
一方、▲２▼の間接方式においては、投影光学系に対するステージの高さを計測する計測手段を別途設け、上述の直接方式を用いて予め求めた合焦点にその計測手段の原点を合わせ、その計測手段を用いて感応基板の露光面の高さを検出して、間接的にその露光面を合焦点まで誘導するようにしている。例えば特開平１−４１９６２号公報または特開昭６０−１６８１１２号公報には、そのステージの高さの計測手段の例として、投影光学系の外側に固定された斜入射光方式の光学系を用いてその投影光学系の直下の露光面の高さを計測する機構（以下、「斜入射光式の焦点検出機構」という）が開示されている。この斜入射光式の焦点検出機構には、検出点が１点のものと、検出点を複数有する多点焦点検出機構とがある。
【０００５】
ところで、近時は、加工精度が特に高い半導体メモリデバイスの製造に際しては、波長３６５ｎｍのｉ線を用い、焦点深度１μｍ以下の投影光学系（投影レンズ）が用いられている。この場合には、合焦点の位置決め精度として通常でも０．１μｍ以下の精度が要求され、例えば特公昭６２−５０８１１号公報に開示されている露光光の干渉現象を利用した特殊な投影露光方式では０．０５μｍ以下の極めて高い精度が求められている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の合焦機構では、投影光学系の像面は投影光学系の光軸に垂直な理想的な平面であり、基板表面も理想的な平面であるという仮定の下に、ある限定された位置（検出位置、通常は投影光学系の光軸位置）の合焦点を目標位置に定め、その目標位置を中心とする所定の許容範囲内に基板の面位置を設定する合焦動作が行われていたことから、複雑な段差構造をした基板を合焦させようとした場合、上記検出位置以外の位置に段差がある場合には、デフォーカス（焦点ずれ）が発生し易くなるという不都合があった。
【０００７】
また、最近では、露光エリアの拡大に伴い、複数チップを１度に露光する１ショット４チップ取り、１ショット６チップ取り等の形態の露光処理がなされており、かかる場合に投影光学系の露光可能領域の内の一部領域のみを露光したい場合がある。また、ウエハ上の一部領域に検査のためのパターン（ＴＥＧパターン）を形成する必要がある場合もある。この他、同一の投影露光装置で異なるチップサイズのウエハを露光したい場合や、複数種類のパターンが形成されたレチクルを用いて同一の感応基板の異なるショット領域にそれぞれのパターンを露光したい場合もある。このような場合には、照明光学系内の可変視野絞り（可動ブラインド）によりマスキング処理をしてマスクパターンの一部のみを照明し、基板上にその一部のパターンのみを転写させる必要があるが、かかる場合マスクパターンの照明エリア中心と投影光学系の光軸中心とが一致しないため、目標位置が限定された従来の合焦機構では、正しい合焦動作が出来ないという不都合もあった。
【０００８】
更に、投影光学系の任意の像面座標位置でのフォーカス位置及びフォカスマージンに差があるため、上記従来の合焦方法では、像高によっては、フォーカスマージンが無く、転写後の基板上でデフォーカス像になってしまうという不都合もあった。
【０００９】
本発明は、かかる事情の下になされたもので、請求項１に記載の発明の目的は、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができる面位置調整装置を提供することにある。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明の目的は、上記目的に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できる面位置調整装置を提供することにある。
【００１１】
また、請求項３及び４に記載の発明は、上記各発明の目的に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる面位置調整装置を提供することにある。
【００１２】
また、請求項５ないし７に記載の発明の目的は、上記各発明の目的に加え、面位置の調整に使用する全ての検出点で、一層容易且つ確実に面位置調整の対象物体の表面を投影光学系の最良結像面の焦点深度内に合焦させることができる面位置調整装置を提供することにある。
【００１３】
また、請求項８に記載の発明の目的は、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる露光装置を提供することにある。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明の目的は、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができる面位置調整方法を提供することにある。
【００１５】
また、請求項１０に記載の発明の目的は、請求項９に記載の発明の目的に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できる面位置調整方法を提供することにある。
【００１６】
また、請求項１１及び１２に記載の発明の目的は、請求項９、１０に記載の発明の目的に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる面位置調整方法を提供することにある。
【００１７】
また、請求項１３に記載の発明の目的は、上記請求項９ないし１２に記載の発明の目的に加え、面位置の調整に使用する全ての検出点で、一層容易且つ確実に面位置調整の対象物体の表面を投影光学系の最良結像面の焦点深度内に合焦させることができる面位置調整方法を提供することにある。
【００１８】
請求項１４に記載の発明の目的は、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる露光方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、第１物体（Ｒ）に形成されたパターンを第２物体（Ｗ）の面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の像面に前記第２物体（Ｗ）表面を一致させる面位置調整装置であって、所定の基準面に直交する第１軸方向の前記第２物体（Ｗ）の前記基準面に対する相対位置を複数の検出点（Ｓ）で検出する面位置検出手段（４０、４２）と；前記面位置検出手段（４０、４２）の複数の検出点（Ｓ）のそれぞれにおける前記投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶された記憶手段（９６）と；前記第２物体（Ｗ）を前記第１軸方向及び前記基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段（２１）と；前記記憶手段（９６）の記憶内容と前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とに基づいて前記第２物体（Ｗ）表面の前記投影光学系（ＰＬ）によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段（２１）を制御する際に、前記各検出点における前記面位置検出手段の検出結果とこれに対応する前記最良結像面位置データとの差分量を用いて最小自乗近似により近似面を算出して、その近似面に前記第２物体（Ｗ）表面が近づくように制御する制御手段（４４）とを有する。
【００２０】
これによれば、記憶手段（９６）内には、面位置検出手段（４０、４２）の複数の検出点（Ｓ）のそれぞれにおける投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶されており、制御手段（４４）では、記憶手段（９６）の記憶内容と面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とに基づいて第２物体（Ｗ）表面の投影光学系（ＰＬ）によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が最良結像面の焦点深度内に入るように駆動手段（２１）を制御する。この結果、従来のように、投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定して第２物体の面位置の調整が行われる場合と異なり、投影光学系の像面湾曲に応じ、各検出点毎の最良結像面位置及びフォーカスマージンデータに基づいて第２物体の面位置の調整が行われるので、全ての検出点について第２物体表面がその検出点のフォーカスマージンの範囲内に入るように第２物体の面位置が調整される。従って、第２物体表面に凹凸がある場合であっても、いずれの検出点位置でも高精度な合焦動作が行われる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、第１物体（Ｒ）に形成されたパターンを第２物体（Ｗ）の面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の像面に前記第２物体（Ｗ）表面を一致させる面位置調整装置であって、所定の基準面に直交する第１軸方向の前記第２物体（Ｗ）の前記基準面に対する相対位置を複数の検出点（Ｓ）で検出する面位置検出手段（４０、４２）と；前記面位置検出手段（４０、４２）の複数の検出点（Ｓ）のそれぞれにおける前記投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶された記憶手段（９６）と；前記第２物体を前記第１軸方向及び前記基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段と；前記記憶手段（９６）の記憶内容と前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とに基づいて前記第２物体（Ｗ）表面の前記投影光学系（ＰＬ）によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段（２１）を制御する際に、前記各検出点（Ｓ）における前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とこれに対応する前記最良結像面位置データとの差分量を算出し、前記駆動手段（２１）の制御に用いられる全ての検出点（Ｓ）に対するフォーカスマージンの１／２と前記差分量との差のうちの最大値と最小値との平均値を求め、前記全ての検出点（Ｓ）におけるフォーカスマージンの１／２と前記差分量との差が前記平均値に近づくように制御する制御手段（４４）とを有する。
【００２２】
これによれば、請求項１記載の発明と同様に、投影光学系の像面湾曲に応じ、各検出点毎の最良結像面位置及びフォーカスマージンデータに基づいて第２物体の面位置の調整が行われるので、全ての検出点について第２物体表面がその検出点のフォーカスマージンの範囲内に入るように第２物体の面位置が最適に調整される。
【００２３】
これらの場合において、検出点の配置は、特に限定されるものではないが、請求項３に記載の発明の如く、前記複数の検出点（Ｓ ) が、前記投影光学系 ( ＰＬ）による前記パターンの投影領域（Ｅｆ）内に２次元方向にほぼ等間隔で配置されていることが望ましい。この場合には、投影領域（Ｅｆ）内の段差情報を均等に検出することができるので、例えばパターンの投影領域（Ｅｆ）が変更された場合であっても容易に対応が可能である。
【００２４】
これらの場合において、請求項４に記載の発明の如く、前記第１物体（Ｒ）のパターンの照明領域を設定する照明領域設定手段（４５Ａ、４５Ｂ）と；前記照明領域設定手段（４５Ａ、４５Ｂ）により設定されたパターン照明領域に対応する前記第２物体（Ｗ）上でのパターン投影領域（Ｅｆ’）を算出する算出手段（４４）とを更に有する場合には、前記制御手段（４４）が、前記算出手段（４４）により算出された前記パターン投影領域（Ｅｆ’）内に位置する検出点（Ｓ）における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記パターン投影領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体（Ｗ）表面の前記パターン投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段（２１）を制御するようにしても良い。このようにした場合、照明領域設定手段（４５Ａ、４５Ｂ）により第１物体（Ｒ）のパターンの照明領域が設定されると、算出手段（４４）では設定されたパターン照明領域に対応する第２物体（Ｗ）上でのパターン投影領域（Ｅｆ’）を算出し、制御手段（４４）では算出手段（４４）により算出されたパターン投影領域（Ｅｆ’）内に位置する検出点（Ｓ）における最良結像面位置及びフォーカスマージンデータとパターン投影領域内に位置する検出点での面位置検出手段（４０、４２）の検出結果とのみに基づいて、第２物体（Ｗ）表面の前記パターン投影領域が最良結像面の焦点深度内に入るように駆動手段（２１）を制御する。このため、投影光学系の最良結像面に像面湾曲が存在し、従来のように投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定した場合に、全体のフォーカスマージンが殆ど確保できず合焦が困難な場合であっても、十分なフォーカスマージンを確保することができ（図１４斜線部参照）、これにより面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる。
【００２５】
あるいは、請求項５に記載の発明の如く、前記第２物体（Ｗ）上に複数の分割領域（例えばショット領域）が形成されている場合に、前記制御手段（４４）は、分割領域毎に、前記各分割領域を指定するマップ（例えば露光マップ）に基づき、各分割領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記分割領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記分割領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段を制御するようにしても良い。このようにした場合には、第２物体上の各分割領域の形状（大きさを含む）に応じて、当該各分割領域について十分なフォーカスマージンを確保して面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができる。
【００２６】
請求項６に記載の発明は、マスク（Ｒ）に形成されたパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感応基板（Ｗ）上に転写する露光装置であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の面位置調整装置を前記感応基板の面位置調整用として具備することを特徴とする。これによれば、上記の如く面位置調整装置により高精度な合わせ面設定が行われ、この合わせ面設定とともにマスク（Ｒ）と感応基板（Ｗ）のアライメントとが行われた状態で、露光が行われると高精度、特にデフォーカス像の発生しない重ねあわせ露光が実現される。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、第１物体（Ｒ）に形成されたパターンを第２物体（Ｗ）の面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の像面に前記第２物体（Ｗ）表面を一致させる面位置調整方法であって、前記投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面の所定の基準面に直交する第１軸方向の前記基準面に対する相対位置及びフォーカスマージンを複数の検出点（Ｓ）について検出し記憶する第１工程と；前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置を前記各検出点について検出する第２工程と；前記第１工程で記憶された複数の検出点のそれぞれにおける前記最良結像面位置のデータと前記第２工程における各検出点での検出結果との差分量を用いて最小自乗近似により近似面を算出して、その近似面に前記第２物体表面が近づくように制御して前記第２物体表面の前記投影光学系によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整する第３工程とを含む。
【００２８】
これによれば、第１工程において、投影光学系（ＰＬ）を介した最良結像面の所定の基準面に直交する第１軸方向の前記基準面に対する相対位置及びフォーカスマージンが複数の検出点（Ｓ）について検出され記憶される。次いで、第２工程において、第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置が各検出点について検出される。そして、第３工程において、第１工程で記憶された複数の検出点のそれぞれにおけるデータと第２工程における各検出点での検出結果とに基づいて第２物体表面の投影光学系によるパターンの投影領域（Ｅｆ）が最良結像面の焦点深度内に入るように第２物体表面の面位置が調整される。この結果、従来のように、投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定して第２物体の面位置の調整が行われる場合と異なり、投影光学系の像面湾曲に応じ、各検出点毎の最良結像面位置及びフォーカスマージンデータに基づいて第２物体の面位置の調整が行われるので、全ての検出点について第２物体表面がその検出点のフォーカスマージンの範囲内に入るように第２物体の面位置が調整される。従って、第２物体表面に凹凸がある場合であっても、いずれの検出点位置でも高精度な合焦動作が行われる。
【００２９】
この場合において、請求項８に記載の発明の如く、前記第２工程における前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置の検出は、前記投影光学系（ＰＬ）による前記パターンの投影領域（Ｅｆ）内に２次元方向にほぼ等間隔で配置された複数の検出点（Ｓ）について行われることが望ましい。この場合には、投影領域（Ｅｆ）内の段差情報を均等に検出することができるので、例えばパターンの投影領域（Ｅｆ）が変更された場合であっても容易に対応が可能である。
【００３０】
これらの場合において、請求項９に記載の発明の如く、前記第２工程に先立って、前記第１物体（Ｒ）のパターンの照明領域を設定するとともに、当該設定されたパターン照明領域に対応する前記第２物体上でのパターン投影領域（Ｅｆ’）を算出し、前記第２工程において、算出されたパターン投影領域（Ｅｆ’）内に位置する検出点（Ｓ）について前記第２物体（Ｗ）の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置の検出を実行し、前記第３工程において、前記算出されたパターン投影領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記パターン投影領域内に位置する検出点での前記第２工程の検出結果とのみに基づいて前記第２物体表面の前記パターン投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整するようにしても良い。これによれば、投影光学系の最良結像面に像面湾曲が存在し、従来のように投影光学系の最良結像面が投影光学系の光軸に直交する理想平面であって、焦点深度も一律であるものと仮定した場合に、全体のフォーカスマージンが殆ど確保できず合焦が困難な場合であっても、十分なフォーカスマージンを確保することができ（図１４斜線部参照）、これにより面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことができる。
【００３１】
あるいは、請求項１０に記載の発明の如く、前記第３工程において、前記第２物体（Ｗ）上に形成された複数の分割領域（例えばショット領域）毎に、前記各分割領域を指定するマップ（例えば露光マップ）に基づき、各分割領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記分割領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記分割領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整するようにしても良い。
【００３２】
このようにした場合には、第２物体上の各分割領域の形状（大きさを含む）に応じて、当該各分割領域について十分なフォーカスマージンを確保して面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができる。
【００３３】
請求項１１に記載の発明は、マスク（Ｒ）に形成されたパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感応基板（Ｗ）上に転写する露光方法であって、請求項７ないし１０のいずれか一項に記載の面位置調整方法を用いて露光時の前記感応基板（Ｗ）の面位置調整を行なうことを特徴とする。これによれば、請求項９ないし１３のいずれか一項に記載の面位置調整方法を用いて露光時の前記感応基板（Ｗ）の面位置調整（合わせ面設定）が行われ、この合わせ面設定とともにマスク（Ｒ）と感応基板（Ｗ）のアライメントとが行われた状態で、露光が行われると高精度、特にデフォーカス像の発生しない重ねあわせ露光が実現される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図１４に基づいて説明する。
【００３５】
図１には、本発明に係る面位置調整装置が適用された一実施形態に係る露光装置１０の概略構成が示されている。この露光装置１０は、いわゆるステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置である。
【００３６】
この露光装置１０は、ウエハＷを保持してＸＹ平面内をＸＹ２次元方向に移動する基板テーブル１８を備えたＸＹステージ装置１４と、前記ＸＹ平面に直交するＺ方向をその光軸ＡＸの方向としてＸＹステージ装置１４の上方に配置された投影光学系ＰＬと、この投影光学系ＰＬの上方でその光軸ＡＸに直交して配置された第１物体としてのマスク（縮小投影露光装置の場合、このマスクをレチクルと呼ぶので以下「レチクル」という）Ｒを保持するレチクルホルダ３６とを備えている。
【００３７】
この内、ＸＹステージ装置１４は、ベース１１と、このベース１１上を図１におけるＹ方向に往復移動可能なＹステージ１６と、このＹステージ１６上をＹ方向と直交するＸ方向に往復移動可能なＸステージ１２と、このＸステージ１２上に設けられた基板テーブル１８とを有している。また、基板テーブル１８上に、ウエハホルダ２５が載置され、このウエハホルダ２５によって第２物体としての感応基板、ここではウエハＷが真空吸着によって保持されている。
【００３８】
基板テーブル１８は、Ｘステージ１２上にＸＹ方向に位置決めされかつＺ軸方向の移動及び傾斜が許容された状態で取り付けられている。そして、この基板テーブル１８は、異なる３点の支持点で不図示の３本の軸によって支持されており、これら３本の軸がウエハ駆動装置２１によって独立してＺ軸方向に駆動され、これによって基板テーブル１８上に保持されたウエハＷの面位置（Ｚ軸方向位置及びＸＹ平面に対する傾斜）が所望の状態に設定されるようになっている。
【００３９】
この基板テーブル１８上には移動鏡２７が固定され、外部に配置された干渉計３１により、基板テーブル１８のＸ方向、Ｙ方向及びθ方向（Ｚ軸回りの回転方向）の位置がモニタされ、干渉計３１により得られた位置情報が主制御装置４４に供給されている。主制御装置４４は、ウエハ駆動装置２１（これは、Ｘステージ１２、Ｙステージ１６の駆動系及び基板テーブル１８の駆動系の全てを含む）を介してＹステージ１６、Ｘステージ１２及び基板テーブル１８の位置決め動作を制御すると共に、装置全体の動作を統括制御する。
【００４０】
また、基板テーブル１８上の一端部には、不図示のオフアクシス方式のアライメント検出系の検出中心から投影光学系ＰＬの光軸までの距離を計測するベースライン計測等のための各種基準マークが形成された基準マーク板ＦＭが固定されている。この基準マーク板ＦＭ上のマークには、投影光学系の最良結像面の検出に用いられる基準パターンが含まれる。なお、この投影光学系ＰＬの最良結像面を検出する第２の焦点検出系の構成等については、後に詳述する。
【００４１】
前記レチクルホルダ３６はその上面の４つのコーナー部分に真空吸着部３４を有し、この真空吸着部３４を介してレチクルＲがレチクルホルダ３６上に保持されている。このレチクルホルダ３６は、レチクルＲ上の回路パターンが形成された領域であるパターン領域ＰＡに対応した開口（図示省略）を有し、不図示の駆動機構によりＸ方向、Ｙ方向、θ方向（Ｚ軸回りの回転方向）に微動可能となっており、これによって、パターン領域ＰＡの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを通るようにレチクルＲの位置決めが可能な構成となっている。
【００４２】
この露光装置１０では、不図示のアライメント検出系の検出信号に基づいて主制御装置４４によりレチクルＲとウエハＷとの位置合わせ（アライメント）が行なわれ、後述する焦点検出系の検出信号に基づいて、レチクルＲのパターン面とウエハＷ表面とが投影光学系ＰＬに関して共役となるように、かつ投影光学系の結像面とウエハＷ表面とが一致する（ウエハ表面が投影光学系の最良結像面の焦点深度の範囲内に入る）ように、主制御装置４４により駆動装置２１を介して基板テーブル１８がＺ軸方向及び傾斜方向に駆動制御されて面位置の調整が行なわれる。このようにして位置決め及び合焦がなされた状態で、ミラー９７、メインコンデンサレンズ９９を含む照明光学系から射出された露光光によりレチクルＲのパターン領域ＰＡがほぼ均一な照度で照明されると、レチクルＲのパターンの縮小像が投影光学系ＰＬを介して表面にフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に結像される。
【００４３】
ここで、図示は省略したが、照明光学系は、例えば水銀ランプ等の光源と、この光源から射出された露光光を集光する楕円鏡と、この集光された露光光をほぼ平行な光束に変換するインプットレンズと、このインプットレンズから出力された光束が入射して後側（レチクル側）焦点面に多数の二次光源を形成するフライアイレンズと、これら二次光源から射出された露光光を集光してレチクルＲを均一な照度で照明するコンデンサーレンズ系等を含んで構成することができる。また、本実施形態では、照明光学系内には、照明領域設定手段としての２枚の可動ブレード４５Ａ、４５Ｂを有する可動ブラインド（以下、この可動ブラインドを適宜「可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂ」と呼ぶ）が設けられており、この可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂの配置面はレチクルＲのパターン面と共役となっている。また、この可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂの近傍に、開口形状が固定された固定ブラインド４６が配置されている。固定ブラインド４６は、例えば４個のナイフエッジにより矩形の開口を囲んだ視野絞りであり、その矩形開口の上下方向の幅が可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂによって規定されるようになっている。可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂは、可動ブラインド駆動機構４３Ａ、４３Ｂによって開閉方向に駆動されるようになっており、この駆動機構４３Ａ、４３Ｂの動作が後述するマスキング情報に応じて主制御装置４４によって制御されるようになっている。
【００４４】
更に、本実施形態では、投影光学系ＰＬによるパターンの投影領域（この投影領域に対応するウエハＷ上の領域を以下「露光領域」と呼ぶ）内にウエハＷが位置したときＸＹ平面に平行な基準となる仮想的な面（基準面）に対するウエハＷ表面のＺ方向（光軸ＡＸ方向）の位置を検出するための面位置検出手段として、斜入射光式の焦点検出系の一つであるの多点フォーカス位置検出系が設けられている。この多点フォーカス位置検出系は、光ファイバ束８１、集光レンズ８２、パターン形成板８３、レンズ８４、ミラー８５及び照射対物レンズ８６から成る照射光学系４０と、集光対物レンズ８７、回転方向振動板８８、結像レンズ８９、受光用スリット板９８及び多数のフォトセンサを有する受光器９０（これについては後述する）から成る受光光学系４２とから構成されている。
【００４５】
ここで、この多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の構成各部の作用を説明すると、露光光とは異なるウエハＷ上のフォトレジストを感光させない波長の照明光が、図示しない照明光源から光ファイバ束８１を介して導かれている。光ファイバ束８１から射出された照明光は、集光レンズ８２を経てパターン形成板８３を照明する。パターン形成板８３を透過した照明光は、レンズ８４、ミラー８５及び照射対物レンズ８６を経てウエハＷの露光面に投影され、ウエハＷの露光面にはパターン形成板８３上のパターンの像が投影結像される。ウエハＷで反射された照明光（パターン像の光束）は、集光対物レンズ８７、回転方向振動板８８及び結像レンズ８９を経て受光器９０の手前側に配置された受光用スリット板９８上に再結像される。
【００４６】
ここで、主制御装置４４には発振器（ＯＳＣ．）が内蔵されており、主制御装置４４は、ＯＳＣ．からの駆動信号でドライブされる加振装置９２を介して回転方向振動板８８に後述するような振動を与え、受光器９０の多数のフォトセンサからの検出信号（光電変換信号）がセンサ選択回路９３を介して信号処理装置９１に供給され、信号処理装置９１は、各検出信号を加振装置９２の駆動信号で同期検波して得た多数のフォーカス信号を主制御装置４４に供給する。なお、センサ選択回路９３及び信号処理装置９１についても後述する。
【００４７】
ここで、図２に基づいてパターン形成板８３上のパターン、ウエハＷの露光面上に形成されるこのパターンの像、及びこの像が再結像されるフォトセンサが配置された受光器９０について更に詳述する。
【００４８】
図２（Ａ）には、パターン形成板８３が示されている。この図２（Ａ）に示されるように、パターン形成板８３には、上下左右方向に当間隔で７×７、合計４９個のパターン形成板８３の４辺の方向（Ｘ，Ｙ方向）に対して４５度傾斜したスリット状の開口パターンＰ11〜Ｐ77が形成されており、これらのスリット状の開口パターンＰの像がウエハＷの露光面上に投影される。ここで、本実施形態では、照射光学系４０からの像光束は、ＹＺ平面内で光軸ＡＸに対して所定角度α傾斜した方向からウエハＷ面（又は基準マーク板ＦＭ表面）に照射され、この像光束のウエハＷ面からの反射光束は、ＹＺ平面内で光軸ＡＸに対して前記照射光学系４０からの像光束と対称に所定角度α傾斜した方向に進んで受光光学系４２によって前記の如く受光される。すなわち、平面視で見ると、照射光学系４０からの像光束及びその反射光束は、Ｙ軸に沿って一方から他方へ進む。
【００４９】
このため、ウエハＷ表面の露光領域Ｅｆ内には、図２（Ｂ）に示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸に対して４５度傾斜した７行７列のマトリクス状配置で７×７、合計４９個のスリット状の開口パターンの像（以下、「スリット像」という）Ｓ11〜Ｓ77が、Ｘ軸、Ｙ軸方向に沿って当間隔ｌで形成される。なお、本実施形態では、７×７（＝４９個）のスリット像が露光領域Ｅｆ内に配置されるが、等間隔でスリット像Ｓが配置されるのであれば、スリット像Ｓの数はいくつでも良い。
【００５０】
本実施形態の場合、露光領域Ｅｆを１辺が２２ｍｍの正方形とした場合、スリット像の間隔ｌ＝約３ｍｍとなり、ほぼ露光領域Ｅｆ内の段差情報を把握することが可能になる。
【００５１】
図２（Ｃ）には、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の受光器９０が示されている。この受光器９０上にスリット像Ｓ11〜Ｓ77に対応して７行７列のマトリクス状にフォトセンサＤ11〜Ｄ77が配置されている。各フォトセンサＤは、それぞれＸ軸、Ｙ軸に４５度傾斜して配置されている。
【００５２】
前記の如く、受光器９０には、合計で４９個のＸ軸、Ｙ軸に対し４５度傾斜したフォトセンサＤ11〜Ｄ77が配列されており、各フォトセンサＤの前面（図１における下面）側には当該各フォトセンサＤに対向してＸ軸、Ｙ軸に対し４５度傾斜したスリットがそれぞれ設けられた受光用スリット板９８が配置されている。また、フォトセンサＤ11〜Ｄ77に対向する受光用スリット板９８のスリット上にそれぞれ図２（Ｂ）のスリット像Ｓ11〜Ｓ77が再結像される。そして、ウエハＷの露光面で反射された光を、回転方向振動板８８で回転振動することで、受光用スリット板９８上では再結像された各像の位置が図２（Ｃ）における矢印ＲＤ方向に振動する。従って、各フォトセンサＤ11〜Ｄ77の検出信号がセンサ選択回路９３を介して後述する信号処理装置９１により、回転振動周波数の信号で同期検波される。なお、結像レンズ８９とスリット板９８との間に、スリット板９８上のスリットとウエハＷからの反射スリット像の振動中心との相対関係を、矢印ＲＤ方向にシフトさせるための、プレーンパラレルを配置しても良い。
【００５３】
次に、センサ選択回路９３及び信号処理装置９１の構成について、図３に基づいて説明する。この図３には、センサ選択回路９３と信号処理装置９１とが受光器９０とともに概略的に示されている。この内、センサ選択回路９３は、スイッチ部ＡS と、レジスタ部ＲS とから成り、スイッチ部ＡS 内には逆バイアス電圧が印加されたフォトセンサ（ここではフォトダイオード）Ｄ11、Ｄ12、……Ｄ77のＰ側に一方の固定接点がそれぞれ接続された切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49と、各切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49の可動接点（共通接点）とｎ本の出力線Ｏ1 〜Ｏn との間に設けられた（４９×ｎ）個の開閉スイッチＳＢ1-1 、ＳＢ1-2 、ＳＢ1-3 、……、ＳＢ49-nとが配置されている。各切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49の他方の固定接点は接地されている。また、フォトセンサＤ11〜Ｄ77のＮ側は不図示の電源回路に接続されている。また、ｎ本の光電変換信号の出力線Ｏ1 〜Ｏn のそれぞれは、これらの出力線に対応して設けられた信号処理回路９４1 〜９４n にそれぞれ接続されている。
【００５４】
このため、例えば、切替スイッチＳＡ1 をフォトセンサＤ11側に切り替え、開閉スイッチＳＢ1-1 をオンにすると、フォトセンサＤ11が受光する光の強さに比例した強さの逆電流（光電流、すなわち光電変換信号）が、フォトセンサＤ11→スイッチＳＡ1 →スイッチＳＢ1-1 の順に閉回路内を流れ、この電流が信号処理回路９４1 によって検出され、デジタル信号に変換されて信号出力回路９５に送出される。また、例えば、切替スイッチＳＡ49をフォトセンサＤ77側に切り替え、開閉スイッチＳＢ49-nをオンにすると、フォトセンサＤ77が受光する光の強さに比例した強さの逆電流（光電流）が、フォトセンサＤ77→スイッチＳＡ49→スイッチＳＢ49-nの順に閉回路内を流れ、この電流が信号処理回路９４n によって検出され、デジタル信号に変換されて、信号出力回路９５に送出される。このように、本実施例では、切替スイッチＳＡと開閉スイッチＳＢとの任意の組み合わせをオンにすることにより、任意のフォトセンサＤの受光する光の強さに応じた光電流を所望の出力線Ｏを介して取り出すことが可能になっている。
【００５５】
レジスタ部Ｒｓ内には、切替スイッチＳＡ1 〜ＳＡ49にそれぞれ対応して設けられた４９個の第１レジスタＲＳ1 〜ＲＳ49と、開閉スイッチＳＢ1-1 〜ＳＢ49-nに対応してｎ個ずつ４９組設けられた第２レジスタＲＳＳ1-1 〜ＲＳＳ49-nとが配置されている。第１レジスタＲＳ1 〜ＲＳ49は、同一のラインＬ1 に共通に接続され、第２レジスタＲＳＳ1-1 〜ＲＳＳ49-nは、同一のラインＬ2 に共通に接続されている。従って、例えば、フォトセンサＤ11の出力を出力線Ｏ1 に出力させるには、ラインＬ1 にデータ（Ｄａｔａ）１（「１，０，０，………，０」）を入力し、ラインＬ2 にデータ（Ｄａｔａ）２（「１，０，０，０，０，０，０、０，０，０，０，０，０，０、………、０，０，０，０，０，０，０」）を入力すれば良い。これにより、第１レジスタＲＳ1 と第２レジスタＲＳＳ1-1 とが「１」で、その他のレジスタは０となり、切替スイッチＳＡ1 がフォトセンサＤ11側に切り替えられ、開閉スイッチＳＢ1-1 がオンとなって、フォトセンサＤ11の出力が出力線Ｏ1 に出力される。このように、本実施例では、主制御装置４４からラインＬ1 、ラインＬ2 を介してレジスタ部Ｒｓ内に入力されるデータ１，データ２の内容によって、所望のフォトセンサＤの出力を所望の出力線Ｏ、すなわちこれに対応する信号処理回路９４に出力させることができる。従って、例えばｎ＝４９である場合には、各フォトセンサＤを各別に信号処理回路９４1 〜９４n にそれぞれ独立して接続することにより主制御装置４４では露光領域内の個々のスリット像位置の光軸方向位置を演算することができる。
【００５６】
信号処理装置９１は、出力線Ｏ1 〜Ｏn にそれぞれ接続されたｎ個の信号処理回路９４1 〜９４n を備えている。各信号処理回路９４には同期検波回路（ＰＳＤ）が内蔵されており、このＰＳＤにはＯＳＣ．からの駆動信号と同じ位相の交流信号が入力されている。そして、各信号処理回路９４では、各出力線からの信号を上記の交流信号の位相を基準としてそれぞれ同期整流（同期検波）を行ない、ウエハＷ上の各スリット像Ｓ11〜Ｓ77の場所のＺ軸方向位置（フォーカス位置）に対応する焦点位置検出信号（フォーカス信号）ＦＳを生成する。そして、信号処理回路９４1 〜９４n からのフォーカス信号ＦＳは、出力回路９５によりデジタル変換され、シリアルデータとして主制御装置４４に出力されるようになっている。
【００５７】
ところで、各フォーカス信号ＦＳは、いわゆるＳカーブ信号と呼ばれ、受光用スリット板９８のスリット中心とウエハＷからの反射スリット像の振動中心とが一致したときに零レベルとなり、ウエハＷがその状態から上方に変位しているときは正のレベル、ウエハＷが下方に変位しているときは負のレベルになる信号である。従って、各フォーカス信号ＦＳにオフセットが加えられていない状態では、主制御装置４４によって、各フォーカス信号ＦＳが零レベルになるウエハＷの高さ位置（光軸方向位置）が合焦点としてそれぞれ検出されることになる。
【００５８】
前述したように、本実施形態においては、所望のフォトセンサＤの出力を所望の出力線Ｏ、すなわちこれに対応する信号処理回路９４に出力させることができ、例えば、複数のフォトセンサＤが同一出力先に設定された場合には、その出力先として指定された（選択された）信号処理回路９４ではフォトセンサ出力の合成信号を回転振動周波数の信号で同期検波し、その複数のフォトセンサの出力の合成信号に対応するフォーカス信号のデジタル変換データが主制御装置４４に出力されるようになっている。但し、以下においては、説明の便宜上、ｎ＝４９であり、フォトセンサＤ11〜Ｄ77の出力を各別に信号処理回路９４1 〜９４n に出力させることができるようになっているものとする。
【００５９】
ところで、本実施形態のような斜入射光方式の多点フォーカス位置検出系（４０、４２）では合焦点（信号ＦＳが零レベル）となったウェハＷの高さ位置が、いつでも最良結像面と必ず一致しているという保証はない。すなわち、フォーカス信号ＦＳは、基準マーク板ＦＭ又はウエハＷの投影光学系ＰＬの光軸方向の位置を示す信号であり、間接方式で焦点位置を示す信号だからである。従って、そのフォーカス信号ＦＳを使用して合焦点を検出するには、予め直接方式で基準マーク板ＦＭ又はウエハＷの投影光学系ＰＬに対する合焦状態を調べておき、真の合焦点又はその近傍の位置でのフォーカス信号ＦＳのレベルが予め定められたレベル（これを「擬似的な合焦レベル」という）になるようにオフセットの調整（多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーション）を行い、以後は信号ＦＳがその擬似的な合焦レベルになるように基板テーブル１８のＺ軸方向の動きを制御すればよい。その擬似的な合焦レベルとしては、例えば０が使用される。
【００６０】
しかしながら、投影光学系ＰＬの最良結像面は理想的な平面ではなく、殆どの場合、像面湾曲等が存在し、投影光学系ＰＬの像面座標位置によって最良結像面の光軸方向位置（ベストフォーカス位置）は異なる。従って、各スリット像Ｓ（以下、適宜「検出点」という）に対応するフォトセンサＤの擬似的な合焦レベル（オートフォーカスの目標値）を同一レベル（例えば０）にすることは、先にも述べたように却ってフォーカス合わせの精度を劣化させることにつながる場合がある。同様に、投影光学系ＰＬの像面位置によって焦点深度が異なる場合もある。従って、フォーカスマージンを一律にすることは、却ってフォーカス合わせの精度を劣化させることにつながる場合がある。
【００６１】
そこで、本実施形態では、以下に詳述するように、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーションを予め行なう際に、各検出点毎に対応する投影光学系ＰＬの最良結像面位置（像面湾曲）と焦点深度を計測し、これらの計測結果が最良結像面位置データ、フォーカスマージンデータとして記憶された記憶手段としてのメモリ９６が主制御装置４４に併設されている。
【００６２】
本実施形態の場合、合焦点等でそのフォーカス信号ＦＳのレベルに所定のオフセットを設定して多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーションを行うには、光学的及び電気的な手法があるが、光学的に設定するには、要は基準マーク板ＦＭ等がＺ軸方向の所定の位置に在る状態で受光器９０のフォトセンサＤの受光面での光量の分布を、所定の位置に変化させてやれば良い。例えば、前述したように、スリット板９８の前面にプレーンパラレルを配置してこのプレーンパラレルの角度を変えると、フォトセンサＤの受光面での光量の分布が変化するので、これによりキャリブレーションを行うことができる。また、信号ＦＳの値がその合焦レベルになるように電気的にオフセットを加えるようにしてもよい。
【００６３】
このように、フォーカス信号ＦＳは間接方式で合焦点を示す信号であるため、露光光吸収等で投影光学系ＰＬの結像面（焦点）の位置が変化したような場合には、信号ＦＳが擬似的な合焦レベルになる合焦点と実際の合焦点との間にずれが生じている虞がある。そこで、本実施形態では、キャリブレーション信号ＫＳを用いてそのフォーカス信号ＦＳのオフセット設定（多点フォーカス位置検出系（４０、４２）のキャリブレーション）を行う。このため、本実施形態では、投影光学系ＰＬの最良結像面を検出してキャリブレーション信号ＫＳを主制御装置４４に出力する第２の焦点検出系が設けられている。
【００６４】
次に、この投影光学系ＰＬの最良結像面を検出する第２の焦点検出系３０について、図４に基づいて説明する。
【００６５】
図４には、本実施形態に係る露光装置１０を構成する投影光学系ＰＬのベストフォーカス面を検出するＴＴＬ方式の第２の焦点検出系３０の構成が示されている。
【００６６】
この第２の焦点検出系３０は、基板テーブル１８上にウエハＷの表面とほぼ等しい高さ位置で固定された基準マーク板ＦＭ（より正確には、この上の基準パターン）と、基準マーク板ＦＭの下方（基板テーブル１８の内部）に設けられたミラーＭ１、照明用対物レンズ５０及び光ファイバ５１と、この光ファイバ５１の入射端側に設けられたビームスプリッタ５２と、レンズ系５３、５４及び光電センサ５５とを含んで構成されている。
【００６７】
図４において、絞り面（瞳面）ＥＰを挾んで前群、後群に分けて模式的に表わした投影光学系ＰＬの光軸ＡＸはレチクルＲの中心、すなわちパターン領域ＰＡの中心を、レチクルパターン面に対して垂直に通る。
【００６８】
前記基準マーク板ＦＭの上面には、図５に示されるように、一定ピッチのライン／スペースよりなる振幅型の回折格子マーク２８Ａ並びにこの回折格子マーク２８Ａを反時計方向にそれぞれ４５°、９０°及び１３５°回転させて得られる格子よりなる回折格子マーク２８Ｂ、２８Ｃ及び２８Ｄが形成されている。これら４種類の回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄにより基準パターン２８が構成される。このように種々の方向の回折格子マークを形成するのは、レチクルＲ上のパターンの影響を除くため、及び投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の任意の点におけるサジタル（Ｓ）方向及びメリディオナル（Ｍ）方向の焦点位置（非点収差）を計測可能とするためである。基準マーク板ＦＭの回折格子マーク形成面とウエハＷの露光面とは投影光学系ＰＬの光軸方向に同じ高さになるようにしておく。なお、基準マーク板ＦＭ上に形成するパターンは、位相型の回折格子マークであってもよい。
【００６９】
さて、図４において、露光用照明光ＥＬがレンズ系５３及び光ファイバ５１の入射端側に配置されたビームスプリッタ５２を介して、光ファイバ５１に導入される。この照明光は、光ファイバ５１の射出端から射出され対物レンズ５０によって集光されて、ミラーＭ１を介して基準マーク板ＦＭの回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄをともに裏側から照射する。ここで、照明光ＥＬはレチクルＲ照明用の光源（水銀ランプ、エキシマレーザ等）から得るのが望ましいが、別に専用の光源を用意しても良い。ただし、別光源にするときは、露光用照明光と同一波長、又はそれに極めて近似した波長の照明光にする必要がある。
【００７０】
また、対物レンズ５０による基準マーク板ＦＭの照明条件は、パターン投影時の投影光学系ＰＬでの照明条件と極力合わせる、すなわち、投影光学系ＰＬの像側の照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）と対物レンズ５０から基準マーク板ＦＭへの照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）とをほぼ一致させることが望ましい。
【００７１】
照明光ＥＬにより照射された基準マーク板ＦＭ上の回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄからは投影光学系ＰＬへ送進する像光束が発生する。図４において、基板テーブル１８は投影光学系ＰＬの最良結像面（レチクル共役面）Ｆｏから僅かに下方に基準マーク板ＦＭが位置するようにセットされていものとする。このとき基準マーク板ＦＭ上の一点から発生した像光束Ｌ１は投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰの中心を通り、レチクルＲのパターン面からわずかに下方へずれた面Ｆｒ内で集光した後に発散し、レチクルＲのパターン面で反射してから元の光路を戻る。ここで、面Ｆｒは、投影光学系ＰＬに関して基準マーク板ＦＭと共役な位置にある。投影光学系ＰＬが両側テレセントリック系であると、基準マーク板ＦＭ上の回折格子マーク（発光マーク）２８Ａ〜２８Ｄからの像光束は、レチクルＲの下面（パターン面）で正規反射して再び回折格子マーク（発光マーク）２８Ａ〜２８Ｄと重畳するように戻ってくる。但し、図４のように基準マーク板ＦＭが結像面Ｆｏからずれていると、基準マーク板ＦＭ上には各マーク２８Ａ〜２８Ｄのぼけた反射像が形成され、基準マーク板ＦＭが結像面Ｆｏと一致しているときは、面ＦｒもレチクルＲのパターン面と一致することになり、基準マーク板ＦＭ上には各マーク２８Ａ〜２８Ｄのシャープな反射像がそれぞれのマークに重畳して形成されることになる。両側テレセントリックな投影光学系ＰＬでは、レチクルＲのパターン面からの反射像は自身の源である発光マーク２８Ａ〜２８Ｄ上に投射される。そして基準マーク板ＦＭがデフォーカスしていると、反射像は、マーク２８Ａ〜２８Ｄの形状寸法よりも大きくなり、かつ単位面積あたりの照度も低下する。
【００７２】
そこで、基準マーク板ＦＭ上にできる反射像のうち、元のマーク２８Ａ〜２８Ｄで遮光されなかった像部分の光束をミラーＭ１、対物レンズ５０を介して光ファイバ５１で受光し、ビームスプリッタ５２、レンズ系５４を介して光電センサ５５で受光するようにする。光電センサ５５の受光面は投影光学系ＰＬの瞳面（フーリエ変換面）ＥＰとほぼ共役に配置される。
【００７３】
図４の構成においては、基板テーブル１８を上下方向（Ｚ方向）に移動させるだけでコントラスト信号を得ることができる。
【００７４】
図６には、光電センサ５５の出力信号、すなわちキャリブレーション信号ＫＳの信号レベル特性が示されている。この図６において、横軸は基板テーブル１８のＺ方向の位置、すなわち基準マーク板ＦＭの光軸ＡＸ方向の高さ位置を表わす。ここで、図６（Ａ）は発光マーク２８Ａ〜２８ＤがレチクルＲのパターン面内のクロム部分に逆投影されたときの信号レベルを示し、図６（Ｂ）はパターン面内のガラス部分（透明部分）に逆投影されたときの信号レベルを示す。通常、レチクルのクロム部分は0.３〜0.５μｍ程度の厚みでガラス（石英）板に蒸着されており、クロム部分の反射率は当然のことながらガラス部分の反射率よりは格段に大きい。しかしながら、ガラス部分での反射率は完全に零ということはないので、図６（Ｂ）のようにレベルとしてはかなり小さくなるが、検出は可能である。また一般に実デバイス製造用のレチクルは、パターン密度が高いために、発光マーク２８Ａ〜２８Ｄの全ての逆投影像がレチクルパターン中のガラス部分（透明部分）に同時にかかる確率は極めて少ないと考えられる。
【００７５】
いずれの場合にしろ、基準マーク板ＦＭの表面が最良結像面Ｆｏを横切るように光軸方向に移動されると、Ｚ方向の位置Ｚｏで信号レベルが極大値となる。従って、基板テーブル１８のＺ方向位置と出力信号ＫＳとを同時に計測し、信号レベルが極大となったときのＺ方向位置を検出することで、最良結像面Ｆｏの位置が求まり、しかもこの検出方式ではレチクルＲ内の任意の位置で結像面Ｆｏの検出が可能となる。すなわち、レチクルＲが投影光学系ＰＬの物体側にセットされてさえいれば、いつでも投影視野（イメージフィールド）内の任意の位置で絶対フォーカス位置（最良結像面Ｆｏ）が計測できる。また先に述べたようにレチクルＲのクロム層は0.３〜0.５μｍ厚であり、この厚みによって生じる最良結像面Ｆｏの検出誤差は、投影光学系ＰＬの投影倍率を例えば１／５縮小とすると、（０.３〜０.５）×（１／５）2 ＝０.０１２〜０.０２μｍとなり、これはほとんど無視できる値である。
【００７６】
次に、図７を参照して、本実施形態に係る露光装置１０で任意の検出点におけるフォーカス信号ＦＳのキャリブレーションを行う場合の全体の動作の一例を説明する。この場合、前回のキャリブレーション等により、基板テーブルのＺ軸座標がＺB の位置が合焦点として設定されているものとする。
【００７７】
まず、図７のステップ１０１において、主制御装置４４は駆動装置２１を介してＸステージ１２、Ｙステージ１６を動作させることにより、基準マーク板ＦＭを投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の所望の計測点（ここでは、この計測点はいずれかのスリット像Ｓの位置である検出点を意味する）に移動させる。次のステップ１０２において、主制御装置４４は、駆動装置２１を介して基板テーブルのＺ軸座標を現在の合焦点であるＺB からΔＺだけ下方に移動させる。間隔ΔＺは、投影光学系ＰＬの結像面のＺ軸方向の変動の予想される最大の絶対値をＺMAX とすると、ΔＺ＞ＺMAX となるように選ばれている。
【００７８】
そして、主制御装置４４は、ステップ１０３において、駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸座標を（ＺB −ΔＺ）から上方にほぼ一定速度で走査させる。この走査が開始されると、ステップ１０４において、主制御装置４４は、所定のサンプリングパルスに同期して、キャリブレーション信号ＫＳ及びフォーカス信号ＦＳを並行して取り込んでそれぞれ内部メモリに書き込む。そして、ステップ１０５において、主制御装置４４では基板テーブル１８のＺ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）に達したか否かを調べ、Ｚ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）に達していない場合には、ステップ１０３に戻ってＺ軸方向への走査を続ける。また、ステップ１０５でＺ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）に達した場合には、ステップ１０６に移行する。
【００７９】
上記ステップ１０２〜ステップ１０５において、例えば、主制御装置４４の内部メモリ内の第１記憶領域内の一連のアドレス領域には、図８（Ａ）中に実線の曲線３８で示されるようなキャリブレーション信号ＫＳが記憶され、内部メモリ内の第２記憶領域内の一連のアドレス領域には図８（Ｂ）に示されるような０を中心としてＳ字状に変化するフォーカス信号ＦＳが記憶される。図８（Ａ）及び（Ｂ）の横軸はアドレスであるが、本実施形態のサンプリングパルスは一定時間間隔毎にハイレベル“１”となるパルス列であるため、そのアドレスは時間ｔとみなすことができる。更に、基板テーブル１８はほぼ等速度で上昇しているため、時間ｔ（又はアドレスの値）に１次変換を施すことにより基板テーブル１８のＺ軸座標の近似値を求めることができる。
【００８０】
図７に戻り、ステップ１０６において、主制御装置４４では、キャリブレーション信号ＫＳから求めた真の合焦点又はこの近傍の位置のＺ軸座標とフォーカス信号ＦＳから求められる擬似的な合焦点のＺ軸座標との偏差量δＺを算出する。
【００８１】
例えば、図８の例では、キャリブレーション信号ＫＳが最大になるときのアドレスが真の合焦点ＺC に対応するアドレスであり、フォーカス信号ＦＳがＳカーブ特性の中で０になるときのアドレスが前回のキャリブレーションで設定した合焦点ＺB に対応するアドレスである。なお、基準マーク板ＦＭに形成されている格子マークが位相格子であるときには、信号ＫＳは図８（Ａ）中の一点鎖線の曲線３９で示されるように真の合焦点ＺC で値が最小になる。従って、何れの場合でもその信号ＫＳの凸又は凹のピークのアドレスから信号ＦＳのゼロクロス点のアドレスを差し引いて得られる偏差アドレス量に所定の１次演算を施すことによりＺ軸座標上の偏差量δＺが求められる。
【００８２】
この場合、図７中のステップ１０７に示されるように、ステップ１０２〜１０６までの動作をｎ回（ｎは２以上の整数）繰り返すことで偏差量の計測精度を上げることができる。更に、ステップ１０８に示されるように、１個の偏差量を算出する度に、駆動装置２１を介してＸステージ１２、Ｙステージ１６及び基板テーブル１８を動作させて、基準マーク板ＦＭの投影光学系ＰＬの光軸に垂直な面内での位置を微小量だけ変位させる。これにより基準マーク板ＦＭの回折格子マーク２８Ａ〜２８Ｄの像が投影されるレチクルＲのパターン領域ＰＡでの位置も微小量だけ変位するので、そのパターン領域ＰＡのパターンの影響が除去され、計測精度の低下が防止される。
【００８３】
なお、ステップ１０７で計測がｎ回行われていないと判断された場合に直ちにステップ１０２に戻るようなシーケンスとしても良いことは勿論である。
【００８４】
その後、ステップ１０９において、主制御装置４４では真の合焦点又はこの近傍の位置のＺ軸座標とフォーカス信号ＦＳから求められる擬似的な合焦点のＺ軸座標との偏差量δＺを平均化して得られた偏差量〈δＺ〉を内部メモリに格納する。これ以後、主制御装置４４は前回のキャリブレーションにより設定されたＺ軸座標の値ＺB に〈δＺ〉を加算して得た値（ＺB ＋〈δＺ〉）を合焦点とみなして、この合焦点でのフォーカス信号ＦＳが所定の擬似的な合焦レベルになるようにオフセットの調整を、ここでは電気的に行うものとする。
【００８５】
ところで、本実施形態に係る第２の焦点検出系３０によると、レチクルＲが投影光学系ＰＬの物体側にセットされてさえいれば、いつでもイメージフィールド内の任意の位置で絶対フォーカス位置（最良結像面Ｆｏ）を計測できることは前述した通りであり、従ってこの第２の焦点検出系３０と多点フォーカス位置検出系（４０、４２）とを用いて、上記ステップ１０２〜１０７の処理を基板テーブル１８の位置を各計測点（スリット像位置）に移動させながら行なって、各計測点におけるキャリブレーション信号ＫＳから求めた真の合焦点又はこの近傍の位置のＺ軸座標と焦点位置検出信号ＦＳから求められる擬似的な合焦点のＺ軸座標との偏差（ベストフォーカス値との偏差量）を求める。この各計測点における偏差量が像面湾曲データに他ならない。
【００８６】
そこで、本実施形態では、基板テーブル１８をＸＹ２次元面内で移動させながら、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）と第２の焦点検出系３０とを用いて計測された投影光学系ＰＬの像面湾曲データが各検出点のＸＹ座標位置データと対応づけてメモリ９６に記憶されている。
【００８７】
また、投影光学系ＰＬの像面座標位置毎（ここでは各検出点位置毎）の焦点深度は、次のようにして計測する。すなわち、上述した像面湾曲データの計測の際に、図８（Ａ）に符号３８で示されるようなキャリブレーション信号ＫＳが、各検出点毎に得られるので、各キャリブレーション信号ＫＳの波形と所定のスレッショルドレベルライン（例えば、キャリブレーション信号ＫＳのピーク値の所定％レベルのライン、該所定％は像ぼけが生じない程度に定められる）との２つの交点をそれぞれのキャリブレーション信号波形についてそれぞれ求め、各交点の偏差アドレス量に所定の１次演算を施すことによりＺ軸座標上で焦点深度が各検出点毎に求められる。そして、計測されたそれぞれの焦点深度がフォーカスマージンデータとして各検出点のＸＹ座標位置データと対応づけてメモリ９６に記憶されている。
【００８８】
このメモリ９６内に記憶されているデータの具体的利用法については、後に詳述する。
【００８９】
次に、上述のようにして構成された本実施形態の露光装置１０の面位置調整時の動作について説明する。ここでは、一例として、主制御装置４４によって、センサ選択回路９３を介して検出点（スリット像）Ｓ11，Ｓ14，Ｓ17，Ｓ22，Ｓ24，Ｓ26，Ｓ33，Ｓ34，Ｓ35，Ｓ41，Ｓ42，Ｓ43，Ｓ44，Ｓ45，Ｓ46，Ｓ47，Ｓ53，Ｓ54，Ｓ55，Ｓ62，Ｓ64，Ｓ66，Ｓ71，Ｓ74，Ｓ77に対応するフォトセンサＤ11，Ｄ14，Ｄ17，Ｄ22，Ｄ24，Ｄ26，Ｄ33，Ｄ34，Ｄ35，Ｄ41，Ｄ42，Ｄ43，Ｄ44，Ｄ45，Ｄ46，Ｄ47，Ｄ53，Ｄ54，Ｄ55，Ｄ62，Ｄ64，Ｄ66，Ｄ71，Ｄ74，Ｄ77が選択されている場合について説明する。以下の説明中では、上記の付加符号（11，14，17，22，………，74，77）等を代表して付加符号（ij）で適宜表すものとする。
【００９０】
図９には、この場合の投影光学系ＰＬの最良結像面の平面図が示されており、この図９において上記各検出点Ｓijにそれぞれ対応する合焦点のＺ座標位置（最良結像面位置）がＺijとして示されている。また、図１０（Ａ）〜（Ｄ）には、この場合の各軸（ａ）〜（ｄ）方向の最良結像面（合焦点のＺ座標Ｚijを結んだ面）とフォーカスマージンΔＺijとの関係が示されている。
【００９１】
この場合、図１０（Ａ）〜（Ｄ）に示されるような最良結像面位置データＺijとフォーカスマージンデータΔＺijとが、メモリ内に記憶されている。
【００９２】
ウエハＷ面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させる（焦点深度の範囲内に入れる）ように面位置の調整を行なうには、各検出点Ｓijに対応するフォトセンサＤijの出力がフォーカスマージンΔＺij内に入るように駆動装置２１を介して基板テーブルのＺ軸位置、及び傾斜を調整する必要がある。
【００９３】
説明を分り易くするために、（ｄ）方向を例に取って説明する（図１１参照）。（ｄ）方向のように像面が傾斜している場合は、Ｚ方向にウエハＷを上下動させるだけでは、各フォトセンサ（Ｄ77，Ｄ66，Ｄ55，Ｄ44，Ｄ33，Ｄ22，Ｄ11）の出力がすべて合焦範囲に入る条件は存在しない。
【００９４】
この場合は、主制御装置４４では、各センサの出力値が例えば図１１中のＺ’77，Ｚ’66，Ｚ’55，Ｚ’44，Ｚ’33，Ｚ’22，Ｚ’11のようになるように駆動装置２１のサーボ制御を行い基板テーブル１８をＺ軸方向及び傾斜方向に駆動して合焦動作を行なう。この時の全体のフォーカスマージンは図１１中に示されるΔＺd である。ウエハＷ表面が平面である場合は、この全体のフォーカスマージンΔＺd の振分け中心にウエハＷ表面が一致するように制御するのが最も良く、ウエハＷ表面に凹凸がある場合は、その凹凸の中心面が全体のフォーカスマージンΔＺd の振分け中心に一致するように制御するのが最も良い。
【００９５】
主制御装置４４ではこのような動作を、選択された全ての検出点Ｓに対して行なうことにより、ウエハ面の面位置調整を行なう。
【００９６】
ここで、主制御装置４４によるオートフォーカス・オートレベリング時の上記サーボ制御について詳述する。
【００９７】
すなわち、主制御装置４４は、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の各検出点Ｓでの検出結果が、メモリ９６に記憶されているそれぞれの検出点における最良結像面位置データＺijに一致するように駆動装置２１を制御するが、その際に各検出点ＳijにおけるフォトセンサＤijの検出結果とこれに対応する最良結像面位置データＺijとの差分量（ΔＺＮij）をそれぞれ算出する。そして、すべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくように駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸方向及び傾斜方向のサーボ制御を行い、この際に、次式（１）に基づいて各検出点の差分量（ΔＺＮij）とそれぞれの検出点におけるフォーカスマージンの１／２とを比較する。
【００９８】
（ΔＺＮij）≦１／２・ΔＺij ………（１）
そして、すべての検出点Ｓijについて（１）式が成立した時点で、主制御装置４４では合焦状態と判断する。この合焦状態の判断がなされた後は、露光を開始しても良いが、この露光中もすべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくようにサーボ制御を続行することが望ましい。
【００９９】
この場合、主制御装置４４では、すべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくように駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸方向及び傾斜方向のサーボ制御する際に、例えば常時前記差分量（ΔＺＮij）を用いた最小自乗近時により近似面を算出し、その近似面にウエハＷ表面が近づくように制御しても良い。
【０１００】
このようなサーボ制御により、ウエハＷ表面は、全体のフォーカスマージンΔｄの範囲内に含まれるように面位置が調整され、ウエハＷ表面の凹凸があってもこの凹凸の形状が例えば投影光学系ＰＬの像面湾曲形状に近い場合には、ウエハＷ表面が投影光学系ＰＬの結像面にほぼ一致するように面位置の調整が行われる。
【０１０１】
すなわち、例えば、図１２（Ａ）に示されるような凹凸形状のあるウエハＷの場合、投影光学系ＰＬの最良結像面Ｆｏが図１２（Ｂ）に示されるような像面湾曲を有しているものとすると、最終的に図１２（Ｂ）中に実線で示されるような面位置の調整が行われる。なお、この図１２（Ｂ）において、仮想線は従来のフォーカス調整方法により設定された面位置を示す。これより明らかなように、本実施形態の場合の方が、より高精度な合焦が行われていることがわかる。また、ウエハＷ表面が平面である場合には、全体のフォーカスマージンΔＺd の振分け中心にウエハ表面が一致するように面位置が調整される。
【０１０２】
あるいは、主制御装置４４では、すべての検出点における差分量（ΔＺＮij）が零に近づくように駆動装置２１を介して基板テーブル１８のＺ軸方向及び傾斜方向のサーボ制御を行なう際に、駆動装置２１の制御に用いられる全ての検出点に対するフォーカスマージンΔＺijの１／２と前記差分量（ΔＺＮij）との差ＤＺＮijの内の最大値ＤＺmaxと最小値ＤＺminとの平均値ΔＤを次式（２）に基づいて求め、
（ＤＺmax＋ＤＺmin ）／２＝ΔＤ ………（２）
全ての検出点におけるフォーカスマージンΔＺijの１／２と前記差分量（ΔＺＮij）との差ＤＺＮijが上記平均値ΔＤに近づくように制御しても良い。
【０１０３】
この場合には、前述したようにフォーカスマージンΔＺd の振分け中心にウエハ表面、又は凹凸の中心面が一致するように面位置が調整される。
【０１０４】
次に、上述のようにして構成された本実施形態に係る露光装置１０における、投影光学系ＰＬによる露光可能領域の全域を露光領域Ｅｆとして露光を行なう際の動作について、説明する。ここでは、例えば特開昭６１−４４４２９号等に開示されているような、ウエハＷ上のアライメントマーク位置の計測値とショット配列の設計値とに基づいて、最小自乗法を用いた統計演算によりウエハ上の全ショット配列座標を求め、これに基づいて各ショット領域を露光位置に位置決めするいわゆるエンハンスト・グローバル・アライメント（以下、「ＥＧＡ」という）方式により、ステップ・アンド・リピート方式の露光が行われる場合について説明する。
【０１０５】
この場合、前提として不図示のレチクル顕微鏡によるレチクルアライメントは終了しているものとする。
【０１０６】
始めに、主制御装置４４では、基準マーク板ＦＭが投影光学系ＰＬの下に位置するように駆動装置２１を介してＹステージ１６、Ｘステージ１２を駆動して、基板テーブル１８を移動させ、このときのレーザ干渉計３１の出力を不図示の内部メモリに記憶する。次に、主制御装置４４では基準マーク板ＦＭが不図示のアライメントセンサの下に位置するように、駆動装置２１を介してＸステージ１２及びＹステージ１６の一方又は両方を駆動して基板テーブル１８を移動し、このときのアライメントセンサの出力とレーザ干渉計３１の出力とを内部メモリに記憶する。すなわち、このようにしてベースライン計測を行う。なお、ベースライン計測のシーケンスは本実施形態においても従来の露光装置と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
【０１０７】
続いて、主制御装置４４では、ウエハＷ上のアライメント用マークが不図示のアライメントセンサの下に位置するように駆動装置２１を介して基板テーブル１８を移動させ、アライメントセンサの出力とレーザ干渉計３１の出力とに基づいてアライメントマーク位置を検出する。このようにして、所定のサンプルショットに付設されたアライメントマークの位置計測を実行し、この計測結果を用いていわゆるＥＧＡ演算によりウエハＷ上の全てのショット配列座標を求める。なお、このＥＧＡ演算については、上記特開昭６１−４４４２９号等に詳細に開示されているので、ここではその説明を省略する。
【０１０８】
しかる後、主制御装置４４では上記のアライメント用マーク位置の検出結果と前述したベースライン計測結果とに基づいて、各ショット領域（例えば，１ショット１チップ取りの場合は各半導体チップに相当）が投影光学系ＰＬの下に順次位置決めされるように基板テーブル１８を位置制御すると同時に信号処理装置９１からのフォーカス信号（焦点位置検出信号）ＦＳに基づいて前述したようにしてオートフォーカス・オートレベリング動作を実行しつつ、照明系内の不図示のシャッタの開閉を制御して、基板テーブル１８のステッピングと露光を繰り返す。このようにして、ステップ・アンド・リピート方式でウエハＷ上の各ショット領域へ順次重ね合わせ露光が行われる。
【０１０９】
次に、図１３に基づいて、照明光学系内の可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂ等で露光領域Ｅｆの一部の領域Ｅｍがマスキングされた場合について説明する。
【０１１０】
メモリ９６内に予め記憶された露光条件等を設定するプロセスプログラムと呼ばれる条件ファイルからマスキング処理の情報（例えば、ブラインド情報）が得られたときは、主制御装置４４ではブラインド情報に基づいて可動ブラインド駆動機構４３Ａ、４３Ｂを介して可動ブラインド４５Ａ、４５Ｂを駆動制御するとともに実露光領域Ｅｆ’（図１３参照）を算出し、この算出結果に基づいてセンサ選択回路９３を介して実露光領域Ｅｆ’内に配置されているスリット像Ｓ14、Ｓ15、Ｓ16、Ｓ17、Ｓ24、Ｓ25、Ｓ26、Ｓ27、Ｓ34、Ｓ35、Ｓ36、Ｓ37、Ｓ44、Ｓ45、Ｓ46、Ｓ47、Ｓ54、Ｓ55、Ｓ56、Ｓ57、Ｓ64、Ｓ65、Ｓ66、Ｓ67、Ｓ74、Ｓ75、Ｓ76、Ｓ77に対応するフォトセンサＤ14、Ｄ15、Ｄ16、Ｄ17、Ｄ24、Ｄ25、Ｄ26、Ｄ27、Ｄ34、Ｄ35、Ｄ36、Ｄ37、Ｄ44、Ｄ45、Ｄ46、Ｄ47、Ｄ54、Ｄ55、Ｄ56、Ｄ57、Ｄ64、Ｄ65、Ｄ66、Ｄ67、Ｄ74、Ｄ75、Ｄ76、Ｄ77の選択を行ない、当該変化後の実露光領域Ｅｆ’についてもその領域内に存在するスリット像（検出点）Ｓの反射光の光電変換信号に基づいて当該各検出点Ｓのフォーカス位置の情報を得、これに基づいて前述と同様にして、オートフォーカス・オートレベリングを行い面位置を調整する。
【０１１１】
なお、プロセスプログラムに直接ブラインド設定とセンサの設定を指定しても良い。
【０１１２】
ウエハ上の一部領域に検査のためのパターン（ＴＥＧパターン）を形成する必要がある場合があり、このような場合には、一部の露光ショットでのみ、マスキング処理をして露光領域を変更する必要がある。このような場合に、上記の実露光領域の変更に応じた面位置調整は、特に好適である。
【０１１３】
上述のようにして、変更後の実露光領域Ｅｆ’内の検出点Ｓの検出結果のみを用いて、面位置調整を行なう場合であっても、本実施形態では、各検出点毎にメモリ９６内に記憶された最良結像面位置データＺとフォーカスマージンデータΔＺとを用いて面位置の調整が行われるので、従来に比べて焦点深度（フォーカスマージン）を非常に大きく設定できる場合がある。
【０１１４】
例えば、投影光学系ＰＬの最良結像面Ｆｏが図１４に示されるような形状である場合に、仮にウエハ表面が平面であったとしても、当該投影光学系ＰＬの焦点深度ΔＺ１、ΔＺ２の間の範囲のみを使用してオートフォーカスを行なう場合、従来の最良結像面が光軸に直交する理想平面であるとの仮定のもとでは、図中に仮想線で示される面ｍ−ｍに確実にウエハＷ表面を一致させない限り、像がデフォーカスするのに対し、本実施形態の場合には、斜線で示す範囲内にウエハ表面を合わせ込めば、像がデフォーカスしないので、明らかにフォーカスマージンを大きく設定することができる。
【０１１５】
なお、上記の説明では、マスキングにより露光領域が変化する場合について説明したが、例えば、レチクルＲ上のパターンのサイズ又はウエハＷ上のチップサイズが変更された場合も、主制御装置４４ではこれらの変更情報に基づいて検出対象となる領域を算出し、各領域に配置されたスリット像の反射光束をそれぞれ受光するフォトセンサの出力のみを取り出して、上記と同様に面位置調整を行なうようにしてもよい。
【０１１６】
例えば、主制御装置４４では、露光マップ基づいてウエハＷ上に形成された各ショット領域（分割領域）毎に、指定されたショット領域内の検出点Ｓに対応するフォトセンサＤのみを選択し、当該各検出点Ｓにおける最良結像面位置データ及びフォーカスマージンデータと該ショット領域内に位置する検出点ＳでのフォトセンサＤの検出結果とのみに基づいて、ウエハＷ表面のショット領域が投影光学系ＰＬの最良結像面の焦点深度内に入るように、駆動装置２１を制御するようにしても良い。これは、特にウエハ周辺部の欠けショットの面位置調整の際に、効果を発揮する。
【０１１７】
これまでの説明から明らかなように、本実施形態の露光装置１０では、基板テーブル１８と駆動装置２１とによって、第２物体としてのウエハＷを所定の基準面に直交する第１軸方向（Ｚ軸方向）及び基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段が構成され、主制御装置４４によって制御手段及び算出手段が構成されている。
【０１１８】
以上説明したように、本実施形態の露光装置１０によると、主制御装置４４では、多点フォーカス位置検出系（４０、４２）の各検出点Ｓに対応するフォトセンサＤの出力とメモリ９６に記憶された各検出点毎の最良結像面位置データ、フォーカスマージンデータとに基づいて、全ての検出点Ｓに対応するフォトセンサＤの出力値がそれぞれのフォーカスマージンデータの範囲内となるように駆動装置２１及び基板テーブル１８を介してウエハＷの面位置を調整するので、結果的にウエハＷ表面の露光領域Ｅｆ部分の全体が最良結像面の焦点深度内に入るような面位置の調整が行われ、ウエハＷ表面に凹凸がある場合であっても、いずれの検出点位置でも高精度な合焦動作が行われる。
【０１１９】
また、複数の検出点Ｓが、前記投影光学系ＰＬによるパターンの投影領域（露光領域Ｅｆ）内に２次元方向にほぼ等間隔で配置されていることから、露光領域Ｅｆ内の段差情報を均等に検出することができるので、例えば露光領域Ｅｆが変更された場合であっても容易に対応が可能である。
【０１２０】
また、露光領域の変更は、可動ブラインド（４５Ａ、４５Ｂ）によって行われるようになっており、この可動ブラインドによって露光領域Ｅｆの変更が行われた場合に、主制御装置４４では例えばマスキング情報に基づいて変更後の実露光領域Ｅｆ’内に位置する検出点に対応するフォトセンサＤをセンサ選択回路９３を介して選択し、実露光領域Ｅｆ’内の検出点における最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと上記の選択されたフォトセンサの検出結果とのみに基づいてウエハＷ表面の実露光領域Ｅｆ’部分が最良結像面の焦点深度内に入るように駆動装置２１及び基板テーブル１８を介してウエハＷの面位置調整を行なうので、投影光学系ＰＬの最良結像面に像面湾曲が存在し、従来であれば全体のフォーカスマージンが殆ど確保できず合焦が困難な場合であっても、十分なフォーカスマージンを確保することができ、これにより面位置の調整を容易に且つ高精度に行なうことが可能である。
【０１２１】
また、本実施形態の露光装置１０では、上記のようにして高精度な合わせ面設定が行われ、この合わせ面設定とともにレチクルＲとウエハＷのアライメントとが行われた状態で露光が行われることから、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる。
【０１２２】
なお、本実施形態のように、フォトセンサの組合わせ、出力先の設定が任意に出来る場合は、基準マーク板ＦＭ等の基準面を用いてフォトセンサ間の感度、出力先である信号処理回路９４間のゲイン、オフセット等の微妙なバラツキをキャリブレーション（較正）しておくことが重要である。このキャリブレーション結果は、主制御装置４４内のメモリ（図示省略）に格納しておき、フォトセンサと出力先の選択に応じて補正することが望ましい。また、キャリブレーションのタイミングは一般的には、装置組立時で良いが、装置変動等を考慮する場合は露光動作開始時に定期的に行っても良い。
【０１２３】
なお、上記実施形態では、投影露光装置に本発明に係る面位置調整装置が適用された場合について説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。例えば電子線露光装置等の他の露光装置であってもマスク（第１物体）のパターンが投影される試料（第２物体）の面位置調整が行われるので、本発明に係る面位置調整方法及びその装置は好適に適用できるものである。
【０１２４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２に記載の各発明によれば、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができるという従来にない優れた効果がある。
【０１２５】
また、請求項３に記載の発明によれば、上記効果に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できるという効果がある。
【０１２６】
また、請求項４及び５に記載の各発明によれば、上記各発明の効果に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができるという効果がある。
【０１２７】
また、請求項６に記載の発明によれば、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができるという効果がある。
【０１２８】
また、請求項７に記載の発明によれば、面位置調整の対象物体の表面に凹凸がある場合であっても、高精度な合焦動作を行なうことができる面位置調整方法が提供される。
【０１２９】
また、請求項８に記載の発明によれば、請求項７に記載の発明の効果に加え、パターンの投影領域が変更された場合であっても容易に対応できる面位置調整方法が提供される。
【０１３０】
また、請求項９及び１０に記載の発明によれば、請求項７、８に記載の各発明の効果に加え、像面湾曲が存在する場合であっても十分なフォーカスマージンを確保し、面位置の調整を容易且つ高精度に行なうことができる面位置調整方法が提供される。
【０１３１】
また、請求項１１に記載の発明によれば、デフォーカス像の発生しない高精度な重ねあわせ露光を実現することができる露光方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】（Ａ）は図１のパターン形成板を示す平面図、（Ｂ）はウエハの露光面上に形成されるパターン像の配置を示す図、（Ｃ）は受光器の受光面上のフォトセンサの配置を示す図である。
【図３】センサ選択回路及び信号処理装置の構成を受光器とともに概略的に示すブロック図である。
【図４】図１の露光装置を構成する投影光学系のベストフォーカス面を検出するＴＴＬ方式の第２の焦点検出系の構成を示す図である。
【図５】図１の基準マーク板ＦＭ上面に形成された回折格子マークを示す図である。
【図６】キャリブレーション信号の信号レベル特性を示す図であって、（Ａ）は発光マークがレチクルのパターン面内のクロム部分に逆投影されたときの信号レベルを示す図、（Ｂ）はパターン面内のガラス部分（透明部分）に逆投影されたときの信号レベルを示す図である。
【図７】図１の露光装置で焦点位置検出信号のキャリブレーションを行う場合の、主制御装置の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】上記キャリブレーションの際に、主制御装置の内部メモリ内に記憶される信号を示す図であって、（Ａ）はキャリブレーション信号を示す波形図、（Ｂ）は焦点位置検出信号を示す波形図である。
【図９】投影光学系の最良結像面の一例を説明するための図であって、投影光学系の最良結像面の平面図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｄ）は、図９の各軸（ａ）〜（ｄ）方向の最良結像面とフォーカスマージンとの関係をそれぞれ示す図である。
【図１１】合焦動作時の合焦位置とフォーカスマージンの関係を示す図である。
【図１２】第１の実施形態の効果を説明するための図であって、（Ａ）は凹凸形状のあるウエハＷの一例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のウエハの面位置調整の様子を示す図である。
【図１３】露光領域の一部がマスキングされ、実露光領域が変化した場合のスリット像の配置を示す図である。
【図１４】露光領域の一部がマスキングされた場合の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 露光装置
１８ 基板テーブル（駆動手段の一部）
２１ 駆動装置（駆動手段の一部）
４０ 照射光学系（面位置検出手段の一部）
４２ 受光光学系（面位置検出手段の一部）
４４ 主制御装置（制御手段、算出手段）
４５Ａ、４５Ｂ 可動ブラインド（照明領域設定手段）
９６ メモリ（記憶手段）
Ｒ レチクル（第１物体、マスク）
Ｗ ウエハ（第２物体、感応基板）
ＰＬ 投影光学系
Ｓ スリット像（検出点）
Claims (11)
- 第１物体に形成されたパターンを第２物体の面上に投影する投影光学系の像面に前記第２物体表面を一致させる面位置調整装置であって、
所定の基準面に直交する第１軸方向の前記第２物体の前記基準面に対する相対位置を複数の検出点で検出する面位置検出手段と；
前記面位置検出手段の複数の検出点のそれぞれにおける前記投影光学系を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶された記憶手段と；
前記第２物体を前記第１軸方向及び前記基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段と；
前記記憶手段の記憶内容と前記面位置検出手段の検出結果とに基づいて前記第２物体表面の前記投影光学系によるパターンの投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段を制御する際に、前記各検出点における前記面位置検出手段の検出結果とこれに対応する前記最良結像面位置データとの差分量を用いて最小自乗近似により近似面を算出して、その近似面に前記第２物体表面が近づくように制御する制御手段とを有する面位置調整装置。 - 第１物体に形成されたパターンを第２物体の面上に投影する投影光学系の像面に前記第２物体表面を一致させる面位置調整装置であって、
所定の基準面に直交する第１軸方向の前記第２物体の前記基準面に対する相対位置を複数の検出点で検出する面位置検出手段と；
前記面位置検出手段の複数の検出点のそれぞれにおける前記投影光学系を介した最良結像面位置及びフォーカスマージンデータが記憶された記憶手段と；
前記第２物体を前記第１軸方向及び前記基準面に対する傾斜方向に駆動する駆動手段と；
前記記憶手段の記憶内容と前記面位置検出手段の検出結果とに基づいて前記第２物体表面の前記投影光学系によるパターンの投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段を制御する際に、前記各検出点における前記面位置検出手段の検出結果とこれに対応する前記最良結像面位置データとの差分量を算出し、前記駆動手段の制御に用いられる全ての検出点に対するフォーカスマージンの１／２と前記差分量との差のうちの最大値と最小値との平均値を求め、前記全ての検出点におけるフォーカスマージンの１／２と前記差分量との差が前記平均値に近づくように制御する制御手段とを有する面位置調整装置。 - 前記複数の検出点が、前記投影光学系による前記パターンの投影領域内に２次元方向にほぼ等間隔で配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面位置調整装置。
- 前記第１物体のパターンの照明領域を設定する照明領域設定手段と；
前記照明領域設定手段により設定されたパターン照明領域に対応する前記第２物体上でのパターン投影領域を算出する算出手段とを更に有し、
前記制御手段が、前記算出手段により算出された前記パターン投影領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記パターン投影領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記パターン投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置調整装置。 - 前記第２物体上に複数の分割領域が形成され、
前記制御手段は、分割領域毎に、前記各分割領域を指定するマップに基づき、各分割領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記分割領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記分割領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面位置調整装置。 - マスクに形成されたパターンの像を投影光学系を介して感応基板上に転写する露光装置であって、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の面位置調整装置を前記感応基板の面位置調整用として具備することを特徴とする露光装置。 - 第１物体に形成されたパターンを第２物体の面上に投影する投影光学系の像面に前記第２物体表面を一致させる面位置調整方法であって、
前記投影光学系を介した最良結像面の所定の基準面に直交する第１軸方向の前記基準面に対する相対位置及びフォーカスマージンを複数の検出点について検出し記憶する第１工程と；
前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置を前記各検出点について検出する第２工程と；
前記第１工程で記憶された複数の検出点のそれぞれにおける前記最良結像面位置のデータと前記第２工程における各検出点での検出結果との差分量を用いて最小自乗近似により近似面を算出し、その基準面に前記第２物体表面が近づくように制御して前記第２物体表面の前記投影光学系によるパターンの投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整する第３工程とを含む面位置調整方法。 - 前記第２工程における前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置の検出は、前記投影光学系による前記パターンの投影領域内に２次元方向にほぼ等間隔で配置された複数の検出点について行われることを特徴とする請求項７に記載の面位置調整方法。
- 前記第２工程に先立って、前記第１物体のパターンの照明領域を設定するとともに、当該設定されたパターンの照明領域に対応する前記第２物体上でのパターン投影領域を算出し、
前記第２工程において、算出されたパターン投影領域内に位置する検出点について前記第２物体の前記基準面に対する前記第１軸方向の相対位置の検出を実行し、
前記第３工程において、前記算出されたパターン投影領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記パターン投影領域内に位置する検出点での前記第２工程の検出結果とのみに基づいて前記第２物体表面の前記パターン投影領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整することを特徴とする請求項７又は８に記載の面位置調整方法。 - 前記第３工程において、前記第２物体上に形成された複数の分割領域毎に、前記各分割領域を指定するマップに基づき、各分割領域内に位置する検出点における前記最良結像面位置及びフォーカスマージンデータと前記分割領域内に位置する検出点での前記面位置検出手段の検出結果とのみに基づいて、前記第２物体表面の前記分割領域が前記最良結像面の焦点深度内に入るように前記第２物体表面の面位置を調整することを特徴とする請求項７又は８に記載の面位置調整方法。
- マスクに形成されたパターンの像を投影光学系を介して感応基板上に転写する露光方法であって、
請求項７〜１０のいずれか一項に記載の面位置調整方法を用いて露光時の前記感応基板の面位置調整を行なうことを特徴とする露光方法。
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