JP4603814B2 - 露光装置、合焦位置検出装置及びそれらの方法、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置、合焦位置検出装置及びそれらの方法、並びにデバイス製造方法に係り、特に、反射型原板のパターンを基板に投影し転写する露光装置、該装置に適用される合焦位置検出装置及びそれらの方法、並びにデバイス製造方法に関する。

近年、ＤＲＡＭに代表される半導体デバイスの集積度はますます高くなっており、半導体デバイス上に形成するパターン寸法はさらに微細なものへと進んでいる。このような背景から半導体露光装置においても投影光学系の高ＮＡ（開口数）化が進んでおり、それに伴って焦点深度が浅くなるためにレチクル（原板）及びウエハ（基板）を投影光学系に対して共役な各位置に精度良く位置決めする技術が重要になっている。

ウエハを投影光学系の焦点（合焦位置）に一致させることは、ウエハを支持するウエハステージに設けられた基準部材と投影光学系との位置関係を調整することによりなされる。レチクルを投影光学系の焦点に一致させることは、レチクルを保持するレチクルステージ上の基準部材と投影光学系との位置関係を調整することによりなされる。

以下に、ウエハステージ上の基準部材についての投影光学系の合焦位置を検出する方法の第１従来例を説明する。

図７において、透過型レチクル１は、照明光学系４によって照明され、そのパターンは、投影光学系３によって、レジストが塗布されたウエハ２上に投影される。評価器５は、レチクル１、更には投影光学系３を介してウエハステージ１２上の基準部材１３に設けられたフォーカスマークを計測光で照明し評価する。評価器５は、照明器６、リレーレンズ等により評価器５の合焦位置を変更する合焦位置変更器７、イメージセンサ等の受光器８等を有する。

レチクルステージ１０は、レチクル１を保持して３次元方向に移動可能に構成され、反射面を有する基準部材１１を備えている。ウエハステージ１２は、ウエハ２を保持して３次元方向に移動可能に構成され、フォーカスマークを有する基準部材１３を備えている。レチクルステージ高さ検出器１４は、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０の位置（すなわち高さ）を計測する。ウエハステージ高さ検出器１５は、投影光学系３の光軸方向におけるウエハステージ１２の位置（すなわち高さ）を計測する。制御器９は、レチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置を制御したり、レチクルステージ１０、ウエハステージ１２、評価器５を制御しながら投影光学系３の合焦位置を検出したりするなど、露光装置の動作を制御する。

図７に示す露光装置の動作を概略的に説明すると、露光装置は、まず、後述の手順に従ってウエハステージ１２上の基準部材１３についての投影光学系３の合焦位置を検出することによりウエハステージ１２を投影光学系３の合焦位置に移動させる。次に、露光装置は、レチクルステージ高さ検出器１４を用いて事前に計測又は調整された照明光学系４の合焦位置にレチクルステージ基準部材１１を移動させ、照明光学系４からの照明光でレチクル１のパターンを照明し、そのパターンを投影光学系３を介してウエハ１上に投影し転写する。露光装置は、不示図のアライメント計測器を有しており、ウエハ２を露光する前に、投影光学系３の光軸と垂直な方向に関しても、レチクル１とウエハ２の相対的な位置合わせを行なう。

ここで、図８を参照しながらウエハステージ１２上の基準部材１３の合焦位置を検出する手順について説明する。

まず、投影光学系３の焦点付近でレチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に移動させながら、ウエハステージ１２上のフォーカスマークの光量分布を示すコントラストを複数個所で計測し、図４に示すようなレチクルステージ位置（横軸）とその時のコントラスト（縦軸）を得る。そして、コントラストが最大となるレチクルステージ１０の位置に基づいてウエハステージ１２についての投影光学系３の合焦位置を算出する。ここで、レチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に移動させるとレチクルステージ１０が評価器５の合焦位置からずれてしまうため、評価器５内の合焦位置変更器７を用いて評価器５の合焦位置を変更することによりレチクルステージ１０の位置に評価器５の合焦位置を合わせる。

図９にウエハステージ１２上のフォーカスマークの一例を示す。フォーカスマークが投影光学系３の合焦位置（焦点位置）にある場合は、図９のマーク像のコントラストが最大となり、投影光学系３の合焦位置から離れるにつれてコントラストが低下する。例えば、受光器８をイメージセンサで構成した場合、受光器８で撮像したマーク像における各矩形の短手方向（図９の破線Ａ及びＢ）の光量変化量を隣接画素の差分値の総和として算出することによりコントラストを計測することができる。

ウエハステージ１２上の基準部材１３について、具体的には図８に示す手順で投影光学系３の焦点位置を検出することができる。まず、原板駆動工程Ｓ２０１において、レチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に沿って移動させる。次に、計測合焦位置変更工程Ｓ２０２において、評価器５内の合焦位置変更器７を用いて評価器５の合焦位置をレチクルステージ１０に設けられた基準部材１１に合わせる。次に、光量計測工程Ｓ２０３において、評価器５を用いてウエハステージ１２上のフォーカスマークの像を撮像し、演算器において、その撮像したマーク像のコントラストを算出する。制御器９による制御の下で、以上のような一連の工程をレチクルステージ１０の位置を変えながら繰り返し行い、最後に合焦位置算出工程２０４において、図４を参照して既述した方法で投影光学系３の合焦位置を算出する。

また、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置は、レチクルステージ高さ検出器１４及びウエハステージ高さ検出器１５を用いて計測し、その結果に基づいて制御器９によって制御することができる。

以上の方法は、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０の位置を変えながらウエハステージ基準部材１３についての合焦位置を算出するものであるが、投影光学系３の光軸方向におけるウエハステージ１０の位置を変えながらマーク像のコントラストを計測してウエハステージ基準部材１３についての合焦位置を算出することも可能である。しかし、レチクルステージ１０の位置を変えた時のコントラスト変化は、ウエハステージ１２の位置を変えた時のコントラスト変化に比べて、投影光学系３の縮小率の二乗だけ緩やかであるため、計測時の投影光学系３の光軸方向におけるステージの位置誤差の影響を受けにくいという利点がある。一般的に露光装置で用いる投影光学系の縮小率は１／４もしくは１／５であるため、ステージの位置誤差の影響が１／１６もしくは１／２５となる。

次に、ウエハステージ上の基準部材についての投影光学系の合焦位置を検出する方法の第２従来例を説明する。

図１０において、透過型レチクル１は、照明光学系４によって照明され、そのパターンは、投影光学系３によって、レジストが塗布されたウエハ２上に投影される。計測用照明ユニット１６は、レチクルステージ１０に設けられたフォーカスマーク、更には投影光学系３を介してウエハステージ１２に設けられたフォーカスマークを計測光で照明する。計測用照明ユニット５は、照明器６、リレーレンズ等により計測用照明ユニット５の合焦位置を変更する合焦位置変更器７を有する。

レチクルステージ１０は、レチクル１を保持して３次元方向に移動可能に構成され、スリット形状のフォーカスマークを有する基準部材１１を備えている。ウエハステージ１２は、ウエハを保持して３次元方向に移動可能に構成され、スリット形状のマークを有する基準部材１３と、基準部材の下部に配置された光量センサ等の受光器８を備えている。制御器９は、レチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置を制御したり、レチクルステージ１０、ウエハステージ１２、計測用照明ユニット５を制御しながら投影光学系３の合焦位置を検出したりするなど、露光装置の動作を制御する。

この構成例では、計測用照明ユニット１６とウエハステージ１２上の受光器８とで評価器が構成されている。レチクルステージ高さ検出器１４は、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０の位置（すなわち高さ）を計測する。ウエハステージ高さ検出器１５は、投影光学系３の光軸方向におけるウエハステージ１２の位置（すなわち位置）を計測する。

レチクルステージ１０及びウエハステージ１２の基準部材１１、１３上のフォーカスマークは、図１１に示す形状をしている。これらのフォーカスマークは、投影光学系３の光軸に垂直な方向において両マークの相対的な位置がアライメントされた後に、投影光学系３の合焦位置の検出のために使用される。両基準部材１１、１３が投影光学系３に対し共役位置となった場合に、受光器８が受光する計測用照明ユニット１６からの計測光の光量が最大となる。図１０に示す露光装置の動作概要は、第１従来例と同様なので説明を省略する。

次に、図６を参照してウエハステージ１２上の基準部材１３の合焦位置を検出する手順について説明する。

まず、投影光学系３の焦点付近でレチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に沿って複数回移動させながら、レチクルステージ１０及びウエハステージ１２のフォーカスマークを通過した計測光を受光器８で受光して光量を計測し、図６に示すようなレチクルステージ位置（横軸）と光量（縦軸）を得る。そして、光量が最大となるレチクルステージ１０の位置に基づいてウエハステージ１２についての投影光学系３の合焦位置を算出する。ここで、レチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に沿って移動させるとレチクルステージ１０が計測用照明ユニット１６の合焦位置からずれてしまうため、計測用照明ユニット１６内の計測合焦位置変更器７を用いて計測用照明ユニット１６の合焦位置を変更することによりレチクルステージ１０の位置に計測用照明ユニット１６の合焦位置を合わせることができる。

具体的には、第１従来例と同様に、図８に示す手順で投影光学系３の焦点位置を検出することができる。まず、原板駆動工程Ｓ２０１において、レチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に沿って移動させる。次に、計測合焦位置変更工程Ｓ２０２において、計測用照明ユニット１６の合焦位置変更器７を用いて計測用照明ユニット１６の合焦位置をレチクルステージ１０に設けられた基準部材１１に合わせる。次に、光量計測工程Ｓ２０３において、ウエハステージ１２に設けられた受光器８を用いて計測用照明ユニット１６からの照明光量を計測する。制御器９による制御の下で、以上の一連の工程をレチクルステージ１０の位置を変えながら繰り返し行い、最後に合焦位置算出工程Ｓ２０４において、図６を参照して既述した方法で投影光学系３の合焦位置を算出する。

また、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０の及びウエハステージ１２の位置は、レチクルステージ高さ検出器１４及びウエハステージ高さ検出器１５を用いて計測し、その結果に基づいて制御器９によって制御することができる。

第１従来例と同様に、第２従来例は、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０の位置を変えながらウエハステージ基準部材１３についての合焦位置を算出するものであるが、第１従来例と同様に、投影光学系３の光軸方向におけるウエハステージ１２の位置を変えながら照明光量を計測しウエハステージ基準部材１３についての合焦位置を算出することも可能である。しかし、第１従来例と同じ理由で、レチクルステージ１０の位置を変えた方が計測時の投影光学系の光軸方向におけるステージの位置誤差の影響を受けにくい利点がある。

上記の従来例では、ウエハステージに設けられた基準部材についての投影光学系の合焦位置を検出することにより、焦点深度が狭い高ＮＡの投影露光装置においても微細な回路パターンを露光することが可能である。

従来、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造するためのパターン露光方法として、紫外線を使用した縮小投影露光が行われていた。縮小投影露光で転写できる最小の寸法は転写に用いる光の波長に比例し、投影光学系のＮＡに反比例する。このため微細な回路パターンを転写するために用いる照明光の短波長化が進でおり、水銀ランプｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）へと、照明光として用いられる紫外光の波長は短くなってきた。半導体デバイスは、更に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィではいずれ限界に達してしまう。

より微細な回路パターンを効率よく転写するために、紫外線よりも更に波長が短い波長１０〜１５ｎｍ程度の極紫外光（ＥＵＶ光）を用いた縮小投影露光装置への要望が高まっており開発が進んでいる。ＥＵＶ光は、物質による吸収が大きいため、可視光や紫外光で用いているような光の屈折を利用したレンズ光学系を用いる事が難しい。したがって、ＥＵＶ光を用いた露光装置では反射光学系が用いられる。この場合、原版としてのレチクルは、ミラー上に吸収体によって転写すべきパターンを形成した反射型レチクルが用いられる。

図１２にＥＵＶ光を用いた縮小投影露光装置の概略図を示す。図１２において、反射型レチクル１は、照明光学系４によって照明され、そのパターンは、投影光学系３によって、レジストが塗布されたウエハ２上に投影される。計測器５は、ウエハステージ１２上のフォーカスマークを非露光光で照明し計測する。或いは、計測用照明ユニット１６は、レチクルステージ１０上のフォーカスマーク、更には投影光学系３を介してウエハステージ上のフォーカスマークを非露光光で照明する。

レチクルステージ１０は、レチクル１を保持して３次元方向に移動可能に構成され、基準部材１１を備えている。ウエハステージ１２は、ウエハ２を保持して３次元方向に移動可能に構成され、基準部材１３を備えている。レチクルステージ高さ検出１４は、投影光学系３の光軸方向におけるレチクルステージ１０の位置（すなわち高さ）を計測する。ウエハステージ高さ検出器１５は、投影光学系３の光軸方向におけるウエハステージ１２の位置（すなわち高さ）を計測する。制御器９は、レチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置を制御する。

このようなＥＵＶ光を利用する縮小投影露光装置は、反射型レチクルを用いるため、第１従来例及び第２従来例と異なり、評価器５又は計測用照明ユニット１６の光軸と投影光学系３の光軸とが平行ではない。このため、図１３に示すように、レチクルステージ１０の位置を変更した時に、計測光の光路から基準部材１３上のフォーカスマークが外れてしまい、評価器５又は受光器８で評価することができなくなる。なお、このような現象は、レチクルステージ１０の移動方向に関係なく、起こりうる。フォーカスマークの評価ができないことは、投影光学系３の焦点検出ができなくなることを意味する。

本発明は、上記の課題認識を基礎としてなされたものであり、例えば、反射型原板のパターンを基板に投影し転写する露光装置において、投影光学系の焦点位置の検出を可能にすることを目的とする。

本発明の第１の側面は、原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置に係り、前記原版は反射型原版であり、前記露光装置は、前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた反射面を介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光を受光器によって受光する手段と、前記第１マークからの光を受光した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する手段とを備え、前記受光器によって前記第１マークからの光を受光する際に、前記反射面に入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージが、移動するとともに、前記反射面で反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージが移動する。

本発明の好適な実施形態によれば、前記投影光学系の合焦位置は、前記第１マークからの受光を複数回行なった結果に基づいて検出されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記投影光学系の合焦位置は、前記第１マークからの光を受光した結果に基づいて前記第１マークの像のコントラストが算出されて、そのコントラストに基づいて検出されうる。

本発明の好適な実施形態によれば、前記受光器は、前記第１マークで反射された光が受光されうる。或いは、前記受光器は、前記第１マークを通過した光が受光されうる。

本発明の第２の側面は、原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置に係り、前記原版は反射型原版であり、前記露光装置は、前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた第２マークを介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光の光量を受光器によって計測する手段と、前記第１マークからの光の光量を計測した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する手段とを備え、受光器によって前記第１マークからの光の光量を計測する際に、前記第２マークに入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージが移動するとともに、前記第２マークで反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージが移動する。

本発明の第３の側面は、原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置において前記投影光学系の合焦位置を検出する合焦位置検出方法に係り、前記原版は反射型原版であり、前記露光装置は、前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた反射面を介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光を受光器によって受光する手段を備え、前記合焦位置検出方法は、前記反射面に入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージを移動させるとともに、前記反射面で反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージを移動させて、前記受光器によって前記第１マークからの光を受光する工程と、前記受光器によって前記第１マークからの光を受光した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する工程とを含む。

本発明の第４の側面は、原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置において前記投影光学系の合焦位置を検出する合焦位置検出方法に係り、前記原版は反射型原版であり、前記露光装置は、前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた第２マークを介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光の光量を受光器によって計測する手段を備え、前記合焦位置検出方法は、前記第２マークに入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージを移動させるとともに、前記第２マークで反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージを移動させて、前記受光器によって前記第１マークからの光の光量を計測する工程と、前記受光器によって前記第１マークからの光の光量を計測した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する工程とを含む。

本発明の第５の側面は、デバイス製造方法に係り、該デバイス製造方法は、感光剤が塗布された基板に上記の露光方法に従って原板のパターンを転写する工程と、前記基板を現像する工程とを含む。

本発明によれば、例えば、反射型原板のパターンを基板に投影し転写する露光装置において、投影光学系の焦点位置の検出が可能になる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

図２は、本発明を適用した露光装置の概略構成を示す図である。本発明では、ウエハ（又は、ウエハステージ上の基準部材）側についての投影光学系３の合焦位置（焦点位置）を検出する際に、レチクルステージ１０を投影光学系３の光軸方向に移動させながらフォーカスマークの評価するのではなく、図２に示すようにレチクルステージ１０を計測光の光軸ＡＸＭ方向に移動させながらフォーカスマークを評価する。これにより、レチクルステージ１０に設けられた基準部材１１に対する計測用照明光の入射位置を一定に維持することができる。ここで、レチクルステージ１０の移動に伴って、計測光の光路が変化するため、レチクルステージ１０の位置に応じてウエハステージ１２を投影光学系３の光軸と垂直な方向に駆動する。この方法では、計測時にウエハステージ１２を駆動しなければならないが、駆動方向が投影光学系３の光軸（例えば、ｚ軸方向）と垂直な方向（例えば、ｘｙ平面に平行な方向）であるため、ウエハステージ１２の駆動誤差が合焦検出結果に与える影響は、投影光学系３の光軸方向にウエハステージ１２を駆動する場合に比べて小さい。

以下、本発明の具体的な実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。反射型レチクル（反射型原板）１は、照明光学系４によって照明され、そのパターンは、投影光学系３によって、レジストが塗布されたウエハ（基板）２に投影され転写される。評価器５は、レチクル（原板）１、更には投影光学系３を介してウエハステージ（基板ステージ）１２に設けられた基準部材１３に形成されたフォーカスマーク（第１光学要素）を非露光光（計測光）で照明し評価する。評価器５は、投影光学系３の側方に配置され、レチクルステージ（原板ステージ）１０に設けられた基準部材１１に形成された反射面（第２光学要素）に向けて所定の光路上に計測光を出射し、基準部材１１を介して基準部材１３に形成されたフォーカスマークを照明する照明器６、リレーレンズ等により評価器５の合焦位置を変更する合焦位置変更器７、イメージセンサ等の受光器８等を有する。

レチクルステージ１０は、レチクル１を保持して３次元方向に移動可能に構成され、反射面を有する基準部材１１を備えている。ウエハステージ１２は、ウエハ２を保持して３次元方向に移動可能に構成され、フォーカスマークを有する基準部材１３を備えている。レチクルステージ高さ検出器１４は、投影光学系３の光軸方向（ｚ方向）におけるレチクルステージ１０の位置（すなわち高さ）を計測する。ウエハステージ高さ検出器１５は、投影光学系３の光軸方向におけるウエハステージ１２の位置（すなわち高さ）を計測する。制御器９は、レチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置を制御したり、レチクルステージ１０、ウエハステージ１２、評価器５を制御しながら投影光学系３の合焦位置を検出したりするなど、露光装置の動作を制御する。図３に示す露光装置の動作は、以下で言及する事項を除いて第１従来例に従いうる。

次に、図１を参照してウエハステージ１２上の基準部材１３についての投影光学系３の合焦位置を検出する手順を説明する。以下の焦点位置検出手順では、マーク像のコントラストを投影光学系３の焦点付近でレチクルステージ１０を計測光の光軸ＡＸＭ方向に沿って移動させながら複数回にわたって計測し、図４に示すようなレチクルステージ位置（横軸）とコントラスト（縦軸）を得る。そして、コントラストが最大となるレチクルステージ１０の位置に基づいてウエハステージ１２についての投影光学系３の合焦位置を算出する。

ここで、ウエハステージ１０の合焦位置を算出する際のレチクルステージ１０の位置は、投影光学系３のレチクル側光軸ＡＸＲに沿ったレチクル１の位置を用いる。また、レチクルステージ１０を計測光の光軸ＡＸＭ方向に移動させるために、レチクルステージ１０が評価器５の合焦位置からずれてしまうため、評価器５内の合焦位置変更器７を用いて評価器５の合焦位置を変更することによってレチクルステージ１０の位置に評価器５の合焦位置を合わせる。更に、レチクルステージ１０の移動に伴って、計測光の光路が変化するため、レチクルステージ１０の位置に応じてウエハステージ１２を投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷ（例えば、ｚ軸に平行）と垂直な方向（例えば、ｘｙ平面に平行な方向）に駆動する。

ウエハステージ１２の駆動方向が投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷと垂直な方向であるため、ウエハステージ１２の駆動誤差が合焦検出結果に与える影響は、投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷ方向にウエハステージ１２を駆動する場合に比べて小さい。更に、レチクルステージ１０に設けられた基準部材１１の反射面及びウエハステージ１２に設けられた基準部材１３のフォーカスマークを、レチクルステージ１０又はウエハステージ１２に駆動誤差が生じても計測に影響を与えない大きさにすることにより、つまりステージ１０、１２の駆動誤差があっても評価器５の視野内に反射面及びフォーカスマーク以外の部分が入らない大きさにすることにより、ステージ駆動誤差の影響を最小限に低減することができる。

具体的には、この実施形態では、図１に示す手順で投影光学系３の焦点位置を検出する。まず、原板駆動工程Ｓ１０１において、レチクルステージ１０を計測光の光軸ＡＸＭ方向に移動させる。次に、計測合焦位置変更工程Ｓ１０２において、評価器５内の合焦位置変更器７を用いて評価器５の合焦位置をレチクルステージ１０に設けられた基準部材１１に合わせる。次に、基板駆動工程Ｓ１０３において、ウエハステージ１２を投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷと垂直な方向（例えば、ｘｙ方向）に駆動して評価器５の光路にウエハステージ１２に設けられた基準部材１３の位置を合わせる。

次に、マーク像計測工程Ｓ１０４において、評価器５でウエハステージ１２の基準部材１３に設けられたフォーカスマークの像を撮像し、演算器５ａにおいて、その撮像したマーク像のコントラストを算出する。制御器９による制御の下で、以上のような一連の工程をレチクルステージ１の位置を変えながら繰り返し行い、最後に合焦位置算出工程Ｓ１０５において、図４を参照して既述した方法で合焦位置を算出する。

また、投影光学系３の光軸方向ＡＸにおけるレチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置は、レチクルステージ高さ検出器１４及びウエハステージ高さ検出器１５によって計測し、その結果に基づいて制御器９によって制御することができる。

［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。反射型レチクル１は、照明光学系４によって照明され、そのパターンは、投影光学系３によって、レジストが塗布されたウエハ２上に投影され転写される。レチクルステージ１０は、レチクル１を保持して３次元方向に移動可能に構成され、スリット形状のフォーカスマーク（第２光学要素）を有する基準部材１１を備えている。ウエハステージ１２は、ウエハ２を保持して３次元方向に移動可能に構成され、スリット形状のフォーカスマーク（第１光学要素）を有する基準部材１３と、基準部材１３の下部に配置された光量センサ等の受光器８を備えている。

計測用照明ユニット１６は、基準部材１１に形成されたフォーカスマーク、更には投影光学系３を介して基準部材１３上のフォーカスマークを非露光光（計測光）で照明する。計測用照明ユニット１６は、投影光学系３の側方に配置されている。計測用照明ユニット１６は、基準部材１１に向けて所定の光路上に計測光を出射し、基準部材１１を介して基準部材１３を照明する照明器６、リレーレンズ等の合焦位置変更器７等を有する。この実施形態では、計測用照明ユニット１６とウエハステージ１２に設けられた受光器８で評価器が構成されている。

レチクルステージ高さ検出器１４は、投影光学系３の光軸ＡＸ方向（ｚ軸方向）におけるレチクルステージ１０の位置（すなわち高さ）を計測する。ウエハステージ高さ検出器１５は、投影光学系３の光軸ＡＸ方向におけるウエハステージ１２の位置（すなわち高さ）を計測する。制御器９は、レチクルステージ１０及びウエハステージ１２の位置を制御したり、レチクルステージ１０、ウエハステージ１２、計測用照明ユニット５を制御しながら投影光学系３の合焦位置を検出したりするなど、露光装置の動作を制御する。

レチクルステージ１０及びウエハステージ１２に設けられた基準部材１１、１３上のフォーカスマークの形状及び使用方法は第２従来例と同様である。図５に示す露光装置の動作は、以下で言及する事項を除いて第２従来例に従いうる。

次に、図１を参照してウエハステージ１２上の基準部材１３についての投影光学系３の合焦位置を検出する手順について説明する。以下の焦点位置検出手順では、投影光学系３の焦点付近でレチクルステージ１０を計測用照明ユニット１６の光軸ＡＸＭ方向に複数回にわたって移動しながら基準部材１１で反射され基準部材１３のフォーカスマークを通過した計測光の光量を受光器８で計測し、図６に示すようなレチクルステージ位置（横軸）と光量（縦軸）を得る。そして、光量が最大となるレチクルステージ１０の位置に基づいてウエハステージ１２についての投影光学系３の合焦位置を算出する。

ここで、ウエハステージ１２についての合焦位置を算出する際のレチクルステージ１０の位置は、投影光学系３のレチクル側光軸ＡＸＲに沿ったレチクル位置を用いる。また、レチクルステージ１０を計測光の光軸ＡＸＭ方向に移動させるために、レチクルステージ１０が計測用照明ユニット１６の合焦位置からずれてしまうため、レチクルステージ１０を移動する度に計測用照明ユニット１６もレチクルステージ１０と同様に移動させる必要があるが、計測用照明ユニット１６内の合焦位置変更器７を用いて計測用照明ユニット１６の合焦位置を変更することによってレチクルステージ１０の位置に計測用照明ユニット１６の合焦位置を合わせることができる。更に、レチクルステージ１０の移動に伴って、計測光の光路が変化するため、レチクルステージ１０の位置に応じてウエハステージ１２を投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷ（例えば、ｚ軸方向）と垂直な方向（例えば、ｘｙ平面に平行な方向）に駆動する。

ウエハステージ１２の駆動方向が投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷと垂直な方向であるため、ウエハステージ１２の駆動誤差が合焦検出結果に与える影響は、投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷ方向にウエハステージ１２を駆動する場合に比べて小さい。更に、レチクルステージ１０を計測用照明ユニット１６の光軸ＡＸＭ方向に複数回にわたって移動させる都度、ウエハステージ１２、又はレチクルステージ１０及びウエハステージ１２の両方を、投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷと垂直な面内でスキャン駆動しながら光量を計測して最大となる光量（レチクルステージ１０とウエハステージ１２がアライメントされた位置での光量）を計測することにより、ウエハステージ１２の駆動誤差の影響を低減する事ができる。

具体的には、第１実施形態と同様に図１に示す手順で投影光学系３の焦点位置を検出する。まず、原板駆動工程Ｓ１０１において、レチクルステージ１０を計測用照明ユニット１６の光軸方向ＡＸＭに移動させる。次に、計測合焦位置変更工程Ｓ１０２において、計測用照明ユニット１６の合焦位置変更器７を用いて計測用照明ユニット１６の合焦位置をレチクルステージ１０に設けられた基準部材１１に合わせる。次に、基板駆動工程Ｓ１０３において、ウエハステージ１２を投影光学系３のウエハ側光軸ＡＸＷと垂直な方向（例えば、ｘｙ方向）に駆動して計測用照明ユニット１６の光路とウエハステージ１２上の基準部材１３の位置を合わせる。

次に、光量計測工程Ｓ１０４において、ウエハステージ５に設けられた受光器８で計測用照明ユニット１６からの計測光の光量を計測する。制御器９による制御の下で、以上のような一連の工程をレチクルステージ１の位置を変えながら繰り返し行い、最後に合焦位置算出工程Ｓ１０５において、図６を参照して既述した方法で合焦位置を算出する。

また、投影光学系３の光軸方向ＡＸにおけるレチクルステージ１０の及びウエハステージ１２の位置は、レチクルステージ高さ検出器１４及びウエハステージ高さ検出器１５を用いて計測し、その結果に基づいて制御器９によって制御することができる。

[変形例]
第１及び第２実施形態では、レチクルステージ１０の基準部材１１及びウエハステージ１２の基準部材１３に設けられた反射面又はフォーカスマークを使用して合焦位置を検出したが、必ずしも各基準部材を使用する必要は無い。例えば、レチクル１及びウエハ２の反射面又はフォーカスマークを用いて合焦位置を検出しても構わない。

［適用例］
次に上記の露光装置を利用した半導体デバイスの製造プロセスを説明する。図１４は、半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。ステップ1（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ2（マスク作製）では設計した回路パターンに基づいてマスクを作製する。一方、ステップ3（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ4（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記のマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ5（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ4によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の組立て工程を含む。ステップ6（検査）ではステップ5で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これを出荷（ステップ7）する。

図１５は、上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。ステップ11（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ12（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を成膜する。ステップ13（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ14（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ15（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ16（露光）では上記の露光装置によって回路パターンをウエハに転写する。ステップ17（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ18（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ19（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンを形成する。

本発明の好適な実施形態の投影光学系の焦点位置の検出方法を示すフローチャートである。 本発明を適用した露光装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 本発明の第１実施形態における合焦位置算出方法を説明するための図である。 本発明の第２実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態例における合焦位置算出方法を説明するための図である。 第１従来例の露光装置の概略構成を示す図である。 投影光学系の焦点位置の検出方法を示すフローチャートである。 フォーカスマークの一例を示す図である。 第２従来例の露光装置の概略構成を示す図である。 フォーカスマークの一例を示す図である。 ＥＵＶ光を利用する露光装置の概略構成を示す図である。 ＥＵＶ光を利用する露光装置における課題を説明する図である。 半導体デバイスの全体的な製造プロセスのフローを示す図である。 ウエハプロセスの詳細なフローを示す図である。

符号の説明

１ レチクル（原板）
２ ウエハ（基板）
３ 投影光学系
４ 照明光学系
５ 評価器
６ 照明器
７ 合焦位置変更器
８ 受光器
９ 制御器
１０ レチクルステージ（原板ステージ）
１１ 基準部材
１２ ウエハステージ（基板ステージ）
１３ 基準部材
１４ レチクルステージ高さ検出器
１５ ウエハステージ高さ検出器
１６ 計測用照明ユニット

Claims (13)

1. 原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置であって、
   前記原版は反射型原版であり、
   前記露光装置は、
   前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、
   前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた反射面を介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光を受光器によって受光する手段と、
   前記第１マークからの光を受光した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する手段と、
   を備え、
   前記受光器によって前記第１マークからの光を受光する際に、前記反射面に入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージが移動するとともに、前記反射面で反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージが移動することを特徴とする露光装置。
2. 前記投影光学系の合焦位置は、前記第１マークからの受光を複数回行なった結果に基づいて、検出されることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記投影光学系の合焦位置は、前記第１マークからの光を受光した結果に基づいて前記第１マークの像のコントラストが算出されて、そのコントラストに基づいて検出されることを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。
4. 前記受光器は、前記第１マークで反射された光を受光することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の露光装置。
5. 前記受光器は、前記第１マークを通過した光を受光することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の露光装置。
6. 原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置であって、
   前記原版は反射型原版であり、
   前記露光装置は、
   前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、
   前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた第２マークを介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光の光量を受光器によって計測する手段と、
   前記第１マークからの光の光量を計測した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する手段と、
   を備え、
   前記受光器によって前記第１マークからの光の光量を計測する際に、前記第２マークに入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージが移動するとともに、前記第２マークで反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージが移動することを特徴とする露光装置。
7. 前記投影光学系の合焦位置は、前記第１マークからの光の光量の計測を複数回行なった結果に基づいて、検出されることを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
8. 前記受光器は、前記第１マークで反射された光の光量を計測することを特徴とする請求項６または７に記載の露光装置。
9. 前記受光器は、前記第１マークを通過した光の光量を計測することを特徴とする請求項６または７に記載の露光装置。
10. 露光光にＥＵＶ光を用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の露光装置。
11. 原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置において前記投影光学系の合焦位置を検出する合焦位置検出方法であって、
    前記原版は反射型原版であり、
    前記露光装置は、
    前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、
    前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた反射面を介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光を受光器によって受光する手段を備え、
    前記合焦位置検出方法は、
    前記反射面に入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージを移動させるとともに、前記反射面で反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージを移動させて、前記受光器によって前記第１マークからの光を受光する工程と、
    前記受光器によって前記第１マークからの光を受光した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する工程と、
    を含むことを特徴とする合焦位置検出方法。
12. 原版を保持して移動する原版ステージと、基板を保持して移動する基板ステージと、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系とを有する露光装置において前記投影光学系の合焦位置を検出する合焦位置検出方法であって、
    前記原版は反射型原版であり、
    前記露光装置は、
    前記投影光学系の側方に配置され計測光を出射する照明手段と、
    前記基板ステージ又は前記基板に設けられた第１マークを、前記原版ステージ又は前記反射型原版に設けられた第２マークを介して前記照明手段からの計測光により照明し、前記第１マークからの光の光量を受光器によって計測する手段を備え、
    前記合焦位置検出方法は、
    前記第２マークに入射する前記照明手段からの計測光の光軸に沿って前記原版ステージを移動させるとともに、前記第２マークで反射されて前記投影光学系を介して前記第１マークに入射する光の光軸と垂直な方向に沿って前記基板ステージを移動させて、前記受光器によって前記第１マークからの光の光量を計測する工程と、
    前記受光器によって前記第１マークからの光の光量を計測した結果に基づいて、前記投影光学系の合焦位置を検出する工程と、
    を含むことを特徴とする合焦位置検出方法。
13. 感光剤が塗布された基板に請求項１〜１０のいずれか１つに記載の露光装置を使って原版のパターンを転写する工程と、
    前記基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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