JP4683232B2 - 像面計測方法、露光方法及びデバイス製造方法、並びに露光装置 - Google Patents

像面計測方法、露光方法及びデバイス製造方法、並びに露光装置 Download PDF

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Description

本発明は、像面計測方法、露光方法及びデバイス製造方法、並びに露光装置に係り、更に詳しくは、所定の走査方向に移動可能なマスクステージ上に搭載されたマスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面を計測する像面計測方法、該像面計測方法を含む露光方法及び該露光方法を用いるデバイス製造方法、並びに前記露光方法の実施に好適な露光装置に関する。
半導体素子(集積回路)、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するリソグラフィ工程では、従来、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置(いわゆるステッパ)などの一括露光型の投影露光装置が主として用いられていたが、半導体素子の高集積化に伴い、近年では、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置(いわゆるスキャニング・ステッパ(スキャナとも呼ばれる))などの、走査型露光装置が、比較的に多く用いられるようになってきた。
これまでのステッパやスキャナでは、レチクルホルダ(プラテン)に吸着された際の回路パターンが形成されたマスク又はレチクル(以下、「レチクル」と総称する)の変形はレチクルによらず同様であるという前提で、装置の設計が行われていた。
しかるに、この種の投影露光装置の投影光学系においては、限界に近い解像力が求められているため、その解像力を高めるべく投影光学系の開口数(NA)が大きく設定され、その結果として焦点深度(DOF)がかなり浅くなっている。すなわち、近年の投影光学系の高NA化に伴う狭DOF化により、レチクルの変形による結像誤差も次第に無視できなくなってきた。
すなわち、仮にレチクルのパターン面がほぼ一様に投影光学系側に撓むと、像面の平均的な位置も低下するため、投影光学系の光軸方向に関するウエハの目標位置がレチクルのパターン面が撓まないときと同じではデフォーカスが発生する。また、レチクルのパターン面が変形すると、そのパターン面上のパターンの投影光学系の光軸に垂直な方向の位置も変化することがあり、このようなパターンの横ずれはディストーション誤差の要因にもなる。このため、レチクル平坦度のより精密な管理が求められるようになってきている。
レチクルの変形としては、(a)自重による撓み、(b)レチクルのガラス基板自体の研磨時の変形、(c)レチクルをレチクルホルダ(プラテン)に強引に吸着保持する際に両者の接触面の平面度の相違により発生する変形等が考えられる。このようなレチクルの変形の状態は、レチクル毎に、更には露光装置のレチクルホルダ毎に異なってくるため、レチクルの変形量を正確に測定するには、レチクルを実際に露光装置のレチクルホルダに吸着保持した状態で測定する必要がある。
そこで、迅速にレチクルの面形状を計測するために、投影光学系の光軸方向に関するウエハの位置を検出するための斜入射方式の焦点位置検出系(AFセンサ)と同様の位置センサをレチクルステージ側にも配置することが考えられる。
この場合、レチクルのパターン面は下面、すなわち投影光学系側の面であることから、その斜入射方式の位置センサは、レチクルステージと投影光学系との間の空間、又はその近傍に配置することとなるが、特に走査型露光装置では、レチクルステージは同期走査のための加減速時に応力を受けても変形しないように、十分な剛性を保つ必要がある。このため、レチクルステージは例えば投影光学系に殆ど接触する限界まで十分な厚さを備えた構成を取る場合が多い。更に、レチクルと投影光学系との間の空間が狭い方が投影光学系の設計は容易であるため、投影光学系が高精度化するにつれて、ますます投影光学系とレチクルとの間の空間は少なくなる傾向にある。従って、レチクル用の位置センサを投影光学系とレチクルとの間に配置するのは困難になっていた。
かかる点に鑑み、レチクル側のステージと投影光学系との間の空間が狭く、その空間にレチクルのパターン面の形状を計測するためのセンサを設置することが困難な場合でも、そのパターン面の形状を計測でき、ひいては良好な結像特性が得られる走査型露光方法及び走査型露光装置が、提案されている(特許文献1、2、3等参照)。
しかるに、特許文献1ないし3に記載の走査型露光方法及び走査型露光装置では、レチクル側の位置センサ(レチクルAFセンサ)が必須であり、投影光学系の真上ではないとは言え、投影光学系の近傍に、そのAFセンサを配置するための空間が必要であり、これにより投影光学系やレチクルステージの設計自由度が必ずしも十分ではないものとなっている。
特開平11−45846号公報 特開平11−26345号公報 米国特許第6,549,271号明細書
本発明は、上述した事情の下でなされたもので、第1の観点からすると、所定の走査方向に移動可能なマスクステージに搭載されたマスクパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面を計測する像面計測方法であって、少なくとも1つのマークを有するマーク領域が前記走査方向に沿って複数形成されたマスクを前記マスクステージに搭載し、前記マスクステージを前記走査方向に移させる移動工程と;前記マスクを照明する照明光に対して前記マスクが前記走査方向に移動した位置毎に、前記照明光で照明された前記マーク領域少なくとも1つのマークの空間像を前記投影光学系を介して形成し、該空間像を空間像計測装置を用いて計測する、空間像計測工程と;前記移動位置毎の前記マークの空間像の計測結果に基づいて、前記走査像面を算出する算出工程と;を含む像面計測方法である。
ここで、「走査像面」は、所定の走査方向に移動可能なマスクステージ上に搭載されたマスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される像面を意味する。従って、投影光学系自体の設計残差及び製造誤差による像面湾曲のみでなく、マスクの平坦度誤差(変形による凹凸誤差を含む)や、マスクステージの走査方向位置変化に伴うマスク上下動、並びにピッチング及びローリングにより生じる像面位置の変動をも含む。
これによれば、マスクステージを走査方向に関して移動し、マスク上の、所定のマークが形成されたマーク領域を含む領域を照明光で照明して、前記マーク領域少なくとも1つのマークの空間像を投影光学系を介して形成し、該空間像を空間像計測装置を用いて計測する。このような空間像の計測を、マスクステージを走査方向に移動して繰り返し行う。そして、移動位置毎の各マークの空間像の計測結果に基づいて、走査像面を算出する。すなわち、マスクのパターン面ではなく、それが投影された走査像面を計測するので、マスク位置計測用のセンサが不要であると共に、マスクと投影光学系との間に、マスク位置計測用のセンサを設置するスペースを確保する必要もない。従って、投影光学系の設計自由度が増大し、高性能な投影光学系が実現可能となる。
この場合において、前記空間像計測工程は、前記マークの前記空間像の前記投影光学系の光軸方向に関する位置情報を計測する工程と、前記マークの前記空間像の前記投影光学系の光軸に垂直な面内の方向に関する位置情報を計測する工程と、を含むこととすることができる。
本発明は、第2の観点からすると、マスクが載置されたマスクステージと物体とを同期して照明光に対して移動し、前記マスクに形成されたパターンを前記物体上に転写する露光方法であって、本発明の像面計測方法により、前記マスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面を計測する工程と;前記パターンの転写時に、前記走査像面の計測結果に基づいて、前記走査像面と前記物体の表面とを近づけるように補正する工程と;を含む露光方法である。
これによれば、本発明の像面計測方法により、マスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面が計測され、マスクに形成されたパターンの転写時に、前記走査像面の計測結果に基づいて、走査像面と物体の表面とを近づけるように補正がなされる。従って、デフォーカスのない状態で前記パターンが投影光学系を介して物体上に転写される。従って、微細なパターンを物体上に精度良く転写することが可能となる。
本発明は、第3の観点からすると、マスクと物体とを所定の走査方向に同期移動し、前記マスクに形成されたパターンを前記物体上に転写する露光装置であって、少なくとも1つのマークを有するマーク領域が前記走査方向に沿って複数形成されたマスクを保持して少なくとも前記走査方向に移動可能なマスクステージと;前記マスクステージを照明光で照明する照明系と;前記マスクに形成されたパターンを投影する投影光学系と;前記投影光学系により形成される投影像を計測する空間像計測装置と;前記物体を保持して移動する物体ステージと;前記照明系からの照明光に対して前記マスクが前記走査方向に移した位置毎に、前記照明光で照明された前記マーク領域少なくとも1つのマークの空間像を前記投影光学系を介して形成し、該空間像を前記空間像計測装置を用いて計測する、計測制御装置と;前記移動位置毎の前記マークの空間像の計測結果に基づいて、前記マスクに形成されたパターンの像が前記投影光学系によって形成される走査像面を算出する算出装置と;を備える露光装置である。
これによれば、計測制御装置は、マスクステージを走査方向に移動し、マスク上の、所定のマークが形成されたマーク領域を含む領域を照明系からの照明光で照明して、前記マーク領域内少なくとも1つのマークの空間像を投影光学系を介して形成し、該空間像を空間像計測装置を用いて計測する。このような空間像の計測が、計測制御装置により、マスクステージを走査方向に関して移動しながら繰り返し行われる。そして、算出装置により、移動位置毎の各マークの空間像の計測結果に基づいて、マスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面が算出される。すなわち、マスクのパターン面ではなく走査像面を計測するので、マスク位置計測用のセンサなどが不要になるとともに、マスクと投影光学系との間、及びマスクステージの近傍に、マスク位置計測用のセンサの設置スペースを確保する必要がなくなる。従って、投影光学系の設計自由度が増大し、高性能な投影光学系が実現可能となり、結果的に、高性能な投影光学系により、高精度なパターンの転写を実現することが可能となる。
また、リソグラフィ工程において、本発明の露光方法を用いて、物体上にパターンを転写することにより、より高集積度のマイクロデバイスを歩留まり良く製造することができる。従って、本発明は、更に別の観点からすると、本発明の露光方法を用いるデバイス製造方法であるとも言える。
本発明の一実施形態に係る露光装置10の概略的な構成を示す図である。 図1のレチクルマーク板を示す平面図である。 図1のウエハステージ近傍を拡大し、Zチルトステージの駆動装置とともに示す図である。 図1の空間像計測装置の内部構成を示す図である。 空間像の計測に際してスリット板上に空間像PMy’が形成された状態を示す図である。 上記の空間像計測の際に得られる光電変換信号(光強度信号)の一例を示す線図である。 一実施形態の露光装置でレチクルRのパターン面の走査像面の計測動作を含む、露光動作に関する主制御装置50内部のCPUの処理アルゴリズムを示すフローチャートである。 図6のサブルーチン210の具体例を示すフローチャートである。 図6のサブルーチン212の具体例を示すフローチャートである。 レチクルRを示す平面図である。 図9のレチクル上のマーク領域を拡大して示す図である。 一実施形態に係る走査像面の算出方法を説明するための図である。 走査像面の別の算出方法を説明するための図である。 本発明に係るデバイス製造方法の実施形態を説明するためのフローチャートである。 図13のステップ504の詳細を示すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態を図1〜図11に基づいて説明する。図1には、一実施形態に係る露光装置10の概略的な構成が示されている。この露光装置10は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置、すなわちいわゆるスキャニング・ステッパ(スキャナとも呼ばれる。)である。
この露光装置10は、光源14及び照明光学系12を含む照明系、マスクとしてのレチクルRを保持するマスクステージとしてのレチクルステージRST、投影光学系PL、物体としてのウエハWを保持してXY平面内を自在に移動可能な物体ステージとしてのウエハステージWST、及びこれらを制御する制御系等を備えている。また、図示は省略されているが、上記各構成部分のうち、光源及び制御系以外の部分は、実際には、内部の温度、圧力等の環境条件が高精度に維持された不図示の環境制御チャンバ(エンバイロンメンタル・チャンバ)内に収容されている。
前記光源14としては、ここでは、一例として、KrFエキシマレーザ光(波長248nm)又はArFエキシマレーザ光(波長193nm)などのレーザ光をパルス発光するエキシマレーザ光源が用いられているものとする。この光源14は、実際には、上記環境制御チャンバが設置されるクリーンルームとは別のクリーン度の低いサービスルーム等に設置され、不図示の送光光学系を介して環境制御チャンバ内部の照明光学系12に接続されている。光源14は、ワークステーション(又はマイクロコンピュータ)から成る主制御装置50によってそのレーザ発光のオンオフや、中心波長、スペクトル半値幅、繰り返し周波数などが制御される。
前記照明光学系12は、ビーム整形光学系18、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ22、照明系開口絞り板24、リレー光学系28A,28B、固定レチクルブラインド30A、可動レチクルブラインド30B、ミラーM及びコンデンサレンズ32等を備えている。なお、オプティカルインテグレータとしては、ロッド型(内面反射型)インテグレータや、回折光学素子などを用いることもできる。
前記ビーム整形光学系18内には、光源14でパルス発光されたレーザビームLBの断面形状を、該レーザビームLBの光路後方に設けられたフライアイレンズ22に効率良く入射するように整形するための、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ(いずれも図示省略)等が含まれている。
前記フライアイレンズ22は、ビーム整形光学系18から出たレーザビームLBの光路上に配置され、レチクルRを均一な照度分布で照明するために多数の点光源(光源像)からなる面光源、即ち2次光源を形成する。この2次光源から射出されるレーザビームLBを本明細書においては、「照明光IL」とも呼ぶものとする。
フライアイレンズ22の射出側焦点面の近傍には、円板状部材から成る照明系開口絞り板24が配置されている。この照明系開口絞り板24には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り、輪帯照明用の開口絞り及び変形光源法用の開口絞り等が配置されている。この照明系開口絞り板24は、主制御装置50により制御されるモータ等の駆動装置40により回転されるようになっており、これによりいずれかの開口絞りが照明光ILの光路上に選択的に設定される。このようにして、本実施形態では、輪帯照明、変形照明等、各種照明条件を実現できる。
照明系開口絞り板24から出た照明光ILの光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ26が配置され、更にこの後方の光路上に、レチクルブラインド30A,30Bを介在させてリレー光学系(28A,28B)が配置されている。
固定レチクルブラインド30Aは、レチクルRのパターン面に対する共役面又はその近傍に配置され、レチクルR上でX軸方向(図1における紙面直交方向)に細長く伸びるスリット状の照明領域IAR(図1参照)を規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド30Aの近傍に走査露光時の走査方向(ここでは図1における紙面内左右方向であるY軸方向とする)及び非走査方向(X軸方向)にそれぞれ対応する方向の位置及び幅が可変な開口部を有する可動レチクルブラインド30Bが配置されている。この可動レチクルブラインド30Bは、例えば一対のL字型ブレードを有し、この一対のL字型ブレードによって前記開口が形成される。走査露光の開始時及び終了時にその可動レチクルブラインド30Bを介して照明領域IARを更に制限することによって、不要な部分の露光が防止されるようになっている。また、本実施形態では、可動レチクルブラインド30Bは、後述する空間像計測の際の照明領域の設定にも用いられる。
一方、照明光学系12内のビームスプリッタ26で反射された照明光ILの光路上には、集光レンズ44、及び遠紫外域で感度が良く、かつ光源14のパルス発光を検出するために高い応答周波数を有するPIN型フォトダイオード等の受光素子から成るインテグレータセンサ46が配置されている。
このようにして構成された照明系の作用を簡単に説明すると、光源14からパルス発光されたレーザビームLBは、ビーム整形光学系18に入射し、ここで後方のフライアイレンズ22に効率よく入射するようにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ22に入射する。これにより、フライアイレンズ22の射出側焦点面(本実施形態では、照明光学系12の瞳面にほぼ一致)に2次光源が形成される。この2次光源から射出された照明光ILは、照明系開口絞り板24上のいずれかの開口絞りを通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプリッタ26に至る。このビームスプリッタ26を透過した照明光ILは、第1リレーレンズ28Aを経て固定レチクルブラインド30Aの矩形の開口部及び可動レチクルブラインド30Bの開口を通過した後、第2リレーレンズ28Bを通過してミラーMによって光路が垂直下方に折り曲げられた後、コンデンサレンズ32を経て、レチクルステージRST上に保持されたレチクルR上における、前述のスリット状の照明領域IARを均一な照度分布で照明する。
一方、ビームスプリッタ26で反射された照明光ILは、集光レンズ44を介してインテグレータセンサ46で受光され、インテグレータセンサ46の光電変換信号が、不図示のホールド回路、例えばピークホールド回路及びA/D変換器を有する信号処理装置80を介して主制御装置50に供給される。
前記レチクルステージRST上には、不図示のプラテン部が設けられ、該プラテン部にレチクルRが、例えば真空吸着(又は静電吸着)により固定されている。レチクルステージRSTは、ここでは、リニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系56Rにより、投影光学系PLの光軸AXに垂直なXY平面内で2次元的に(X軸方向及びこれに直交するY軸方向及びXY平面に直交するZ軸回りの回転方向(θz方向)に)微少駆動可能であるとともに、レチクルベースRBS上をY軸方向に指定された走査速度で駆動可能となっている。なお、レチクルRのプラテン部への固定に際しては、レチクルステージRSTの走査に際し加わる加速度によるレチクルRの位置ずれを防止するために、レチクルRをレチクルステージRSTに押し付ける機械的なクランプ機構を併用することも可能である。
レチクルステージRSTのレチクルRの+Y側には、下面(以下、「基準面」と呼ぶ)の平面度の良好なガラス基板よりなる基準部材としてのレチクルフィデューシャルマーク板(以下、「レチクルマーク板」と略述する)RFMがX軸方向に延設されている。このレチクルマーク板RFMは、レチクルRと同材質のガラス素材、例えば合成石英やホタル石、フッ化リチウムその他のフッ化物結晶などから成り、レチクルステージRSTに固定されている。レチクルマーク板RFMの基準面は、設計上でレチクルRのパターン面と同じ高さに設定され、かつ前述のスリット状の照明領域IARとほぼ同一の大きさであり、その基準面には投影光学系PLのディストーション、像面湾曲等の結像特性を計測するための結像特性評価マーク(以下、単に「評価マーク」と記述する。)が形成されている。
図2は、レチクルマーク板RFMを示す平面図であり、この図2において、レチクルマーク板RFMの基準面(下面、図2における紙面奥側の面)には例えばX軸方向に所定間隔で2列の評価マークFRM1,1,…,FRM1,5,FRM2,1,…,FRM2,5が形成されている。これらの評価マークFRM1,1,…,FRM1,5,FRM2,1,…,FRM2,5のそれぞれとしては、ここでは十字マークが用いられているが、これに限らず、例えば配列方向が直交する2つのライン・アンド・スペースパターンにより形成されていても良い。また、配列についても、基準面の全体にほぼ均等に分布していれば良い。
本実施形態では、レチクルマーク板RFMを使用することによって、実露光用のレチクルRをテストレチクルに変えることなく効率的に投影光学系PLの結像特性が評価できるように構成されている。本実施形態では、更にそのレチクルマーク板RFMの基準面の投影光学系PLによる投影像面を後述のレチクルRのパターン面の走査像面の基準として使用する。
図1に戻り、レチクルステージRSTには、レチクルR及びレチクルマーク板RFMの下方に、照明光ILの通路となる開口がそれぞれ形成されている。また、レチクルベースRBSの投影光学系PLのほぼ真上の部分には、照明光ILの通路となる、照明領域IARより大きな長方形の開口が形成されている。
レチクルステージRST上には、レチクルレーザ干渉計(以下、「レチクル干渉計」という)54Rからのレーザビームを反射する移動鏡52Rが固定されており、レチクルステージRSTのXY面内の位置はレチクル干渉計54Rによって、例えば0.5〜1nm程度の分解能で常時検出される。ここで、実際には、レチクルステージRST上には走査露光時の走査方向(Y軸方向)に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向(X軸方向)に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これらの移動鏡に対応してレチクルY干渉計とレチクルX干渉計とが設けられているが、図1ではこれらが代表的に移動鏡52R、レチクル干渉計54Rとして示されている。なお、例えば、レチクルステージRSTの端面を鏡面加工して反射面(移動鏡52Rの反射面に相当)を形成しても良い。また、レチクルステージRSTの走査方向(本実施形態ではY軸方向)の位置検出に用いられるX軸方向に伸びた反射面の代わりに、少なくとも1つのコーナーキューブ型ミラー(例えばレトロリフレクタなど)を用いても良い。ここで、レチクルX干渉計とレチクルY干渉計の一方、例えばレチクルY干渉計は、測長軸を2軸有する2軸干渉計であり、このレチクルY干渉計の計測値に基づきレチクルステージRSTのY位置に加え、Z軸回りの回転(θz回転)も計測できるようになっている。
レチクル干渉計54RからのレチクルステージRSTの位置情報は、ステージ制御装置70及びこれを介して主制御装置50に送られるようになっている。ステージ制御装置70は、主制御装置50の指示に応じてレチクルステージ駆動系56Rを介してレチクルステージRSTの移動を制御する。
前記投影光学系PLは、レチクルステージRSTの図1における下方に配置され、その光軸AXの方向がZ軸方向とされ、ここでは両側テレセントリックな縮小系であり、光軸AX方向に沿って所定間隔で配置された複数枚のレンズエレメントを含む屈折光学系が使用されている。この投影光学系PLの投影倍率は、例えば1/4、1/5等となっている。このため、照明光学系12からの照明光ILによってレチクルR上のスリット状照明領域IARが照明されると、このレチクルRを通過した照明光ILにより、投影光学系PLを介してそのスリット状照明領域IAR内のレチクルRの回路パターンの縮小像(部分縮小像)が表面にレジスト(感光剤)が塗布されたウエハW上の前記照明領域IARと共役な露光領域IAに形成される。
投影光学系PLの複数のレンズエレメントのうち、その一部の複数枚のレンズエレメント(以下、「可動レンズ」と呼ぶ。)は、不図示の駆動素子(例えばピエゾ素子など)によって光軸AX方向及びXY面に対する傾斜方向に微小駆動可能に構成されている。各駆動素子の駆動電圧(駆動素子の駆動量)が主制御装置50からの指令に応じて結像特性補正コントローラ78により制御され、これによって、投影光学系PLの結像特性、例えば、像面湾曲、ディストーション、倍率、球面収差、非点収差及びコマ収差などが補正されるようになっている。
前記ウエハステージWSTは、XYステージ42と、該XYステージ42上に搭載されたZチルトステージ38とを含んで構成されている。
前記XYステージ42は、ウエハベース16の上面の上方に不図示のエアベアリングによって例えば数μm程度のクリアランスを介して浮上支持され、ウエハステージ駆動系56Wを構成する不図示のリニアモータ等によって走査方向であるY軸方向及びこれに直交するX軸方向に2次元駆動可能に構成されている。このXYステージ42上にZチルトステージ38が搭載され、該Zチルトステージ38上にウエハホルダ25が載置されている。このウエハホルダ25によって、ウエハWが真空吸着(又は静電吸着)などによって保持されている。
Zチルトステージ38は、図3に示されように、3つのZ位置駆動系27(但し、紙面奥側のZ位置駆動系27は不図示)によってXYステージ42上に3点で支持されている。各Z位置駆動系27は、Zチルトステージ38下面のそれぞれの支持点を投影光学系PLの光軸方向(Z軸方向)に独立して駆動する3つのアクチュエータ(例えばボイスコイルモータなど)21と、Zチルトステージ38のZ位置駆動系27による各支持点のアクチュエータ21によるZ軸方向の駆動量(基準位置からの変位)を検出するエンコーダ23とを含んで構成されている。ここで各エンコーダ23としては、例えば光学式又は静電容量式等のリニアエンコーダが使用されている。本実施形態では、上記3つのZ位置駆動系27をそれぞれ構成する3つのアクチュエータ21によってZチルトステージ38を、光軸AX方向(Z軸方向)及び光軸に直交する面(XY面)に対する傾斜方向、すなわちX軸回りの回転方向であるθx方向、Y軸回りの回転方向であるθy方向に駆動する駆動装置が構成されている。また、各エンコーダ23で計測されるZチルトステージ38のそれぞれのZ位置駆動系27による各支持点のZ軸方向の駆動量(基準点からの変位量)は、ステージ制御装置70及びこれを介して主制御装置50に供給され、主制御装置50では、Zチルトステージ38のZ軸方向の位置及びレベリング量(θx回転量、θy回転量)を算出するようになっている。なお、図1では、XYステージ42を駆動するリニアモータ等、及び3つのZ位置駆動系27を含めてウエハステージ駆動系56Wとして示されている。
前記Zチルトステージ38上には、ウエハレーザ干渉計(以下、「ウエハ干渉計」という)54Wからのレーザビームを反射する移動鏡52Wが固定され、外部に配置されたウエハ干渉計54Wにより、Zチルトステージ38(ウエハステージWST)のXY面内の位置が例えば0.5〜1nm程度の分解能で常時検出されている。
ここで、実際には、Zチルトステージ38上には、走査露光時の走査方向であるY軸方向に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向であるX軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これに対応してウエハ干渉計もXレーザ干渉計とYレーザ干渉計とが設けられているが、図1ではこれらが代表的に移動鏡52W、ウエハ干渉計54Wとして示されている。なお、例えば、Zチルトステージ38の端面を鏡面加工して反射面(移動鏡52Wの反射面に相当)を形成しても良い。また、Xレーザ干渉計及びYレーザ干渉計は測長軸を複数有する多軸干渉計であり、Zチルトステージ38のX、Y位置の他、回転(ヨーイング(Z軸回りの回転であるθz回転)、ピッチング(X軸回りの回転であるθx回転)、ローリング(Y軸回りの回転であるθy回転))も計測可能となっている。従って、以下の説明ではウエハ干渉計54Wによって、Zチルトステージ38のX、Y、θz、θy、θxの5自由度方向の位置が計測されるものとする。また、多軸干渉計は45°傾いてZチルトステージ38に設置される反射面を介して、投影光学系PLが載置される架台(不図示)に設置される反射面にレーザビームを照射し、投影光学系PLの光軸方向(Z軸方向)に関する相対位置情報を検出するようにしても良い。
Zチルトステージ38(ウエハステージWST)の位置情報(又は速度情報)は、ステージ制御装置70、及びこれを介して主制御装置50に供給されるようになっている。ステージ制御装置70は、主制御装置50の指示に応じてウエハステージ駆動系56Wを介してZチルトステージ38(ウエハステージWST)のXY面内の位置を制御する。
また、Zチルトステージ38の内部には、投影光学系PLの光学特性の計測に用いられる空間像計測装置59(図1参照)の一部を構成する光学系の一部が配置されている。この空間像計測装置59は、図4に示されるように、Zチルトステージ38に設けられたステージ内構成部分、すなわちスリット板90、レンズ84、86から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラー88及び送光レンズ87と、ウエハステージWST外部に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラー96、受光レンズ89及び光センサ124等とを備えている。
これを更に詳述すると、スリット板90は、図4に示されるように、ウエハステージWSTの一端部上面に設けられた上部が開口した突設部58に対し、その開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれている。このスリット板90は、平面視(上方から見て)長方形の受光ガラス82の上面に遮光膜を兼ねる反射膜83が形成され、その反射膜83の一部にスリット状の開口パターン(以下、「スリット」と呼ぶ)122がパターンニングにより形成されている。なお、実際には、スリット板90には、図5(A)に示されるように、Y軸方向に伸びる所定幅2D(2Dは例えば0.15μm(150nm))のスリット122yと、X軸方向に伸びる所定幅2Dのスリット122xとが、その図4(A)に示されるような位置関係で形成されているが、図3ではこれらのスリット122x,122yが代表的にスリット122として示されている。スリット122x、122yの長さは、ともに、例えば16μm〜25μm程度である。以下では、スリット122x、122yを適宜スリット122と総称する。ここで、スリット板90は、後述するアライメント系のベースライン計測に用いられる基準マークその他の基準マークが形成される基準マーク板及び後述する多点焦点位置検出系のセンサ間キャリブレーションを行うための基準反射板の少なくとも一方を兼ねても良い。勿論、スリット板90とは、別に基準マーク板を設けても良いことは勿論である。
前記受光ガラス82の素材としては、ここでは、KrFエキシマレーザ光、あるいはArFエキシマレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル石などが用いられる。
スリット122下方のZチルトステージ38内部には、スリット122を介して鉛直下向きに入射した照明光ILの光路を水平に折り曲げるミラー88を介在させてレンズ84,86から成るリレー光学系(84、86)が配置され、このリレー光学系(84、86)の光路後方のウエハステージWSTの+Y側の側壁に、リレー光学系(84、86)によって所定光路長分だけリレーされた照明光束をウエハステージWSTの外部に送光する送光レンズ87が固定されている。
送光レンズ87によってウエハステージWSTの外部に送り出される照明光ILの光路上には、X軸方向に所定長さを有するミラー96が傾斜角45°で斜設されている。このミラー96によって、ウエハステージWSTの外部に送り出された照明光ILの光路が鉛直上方に向けて90°折り曲げられる。この折り曲げられた光路上に送光レンズ87に比べて大径の受光レンズ89が配置されている。この受光レンズ89の上方には、光センサ124が配置されている。これら受光レンズ89及び光センサ124は、所定の位置関係を保ってケース92内に収納され、該ケース92は取付け部材93を介してベース16の上面に植設された支柱97の上端部近傍に固定されている。
前記光センサ124としては、微弱な光を精度良く検出することが可能な光電変換素子(受光素子)、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ(PMT、光電子増倍管)などが用いられる。光センサ124からの光電変換信号Pは、図1の信号処理装置80を介して主制御装置50に送られるようになっている。なお、信号処理装置80は、例えば増幅器、サンプルホルダ、A/Dコンバータ(通常16ビットの分解能のものが用いられる)などを含んで構成することができる。
なお、前述の如く、スリット122は反射膜83に形成されているが、以下においては、便宜上スリット板90にスリット122が形成されているものとして説明を行う。
上述のようにして構成された空間像計測装置59によると、後述する、投影光学系PLを介してのレチクルR上又はレチクルマーク板RFM上の各種マークの投影像(空間像)の計測の際に、投影光学系PLを透過してきた照明光ILによって空間像計測装置59のスリット板90が照明されると、そのスリット板90上のスリット122を透過した照明光ILがレンズ84、ミラー88、レンズ86及び送光レンズ87を介してウエハステージWSTの外部に導き出される。そして、そのウエハステージWSTの外部に導き出された照明光ILは、ミラー96によって光路が鉛直上方に折り曲げられ、受光レンズ89を介して光センサ124によって受光され、該光センサ124からその受光量に応じた光電変換信号(光量信号)Pが信号処理装置80を介して主制御装置50に出力される。
本実施形態の場合、評価マーク又は計測マークの投影像(空間像)の計測はスリットスキャン方式により行われるので、その際には、送光レンズ87が、受光レンズ89及び光センサ124に対して移動することになる。そこで、空間像計測装置59では、所定の範囲内で移動する送光レンズ87を介した光がすべて受光レンズ89に入射するように、各レンズ、及びミラー96の大きさが設定されている。
このように、空間像計測装置59では、スリット板90、レンズ84、86、ミラー88、及び送光レンズ87により、スリット122を介した照明光ILをウエハステージWST外に導出する光導出部が構成され、受光レンズ89及び光センサ124によって、ウエハステージWST外へ導出された光を受光する受光部が構成されている。この場合、これら光導出部と受光部とは、機械的に分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、光導出部と受光部とは、ミラー96を介して光学的に接続される。
すなわち、空間像計測装置59では、光センサ124がウエハステージWSTの外部の所定位置に設けられているため、光センサ124の発熱がウエハ干渉計54Wの計測精度等に与える悪影響を可能な範囲で抑制するようにしている。また、ウエハステージWSTの外部と内部とをライトガイド等により接続していないので、ウエハステージWSTの外部と内部とがライトガイドにより接続された場合のようにウエハステージWSTの駆動精度が悪影響を受けることがない。
勿論、熱の影響等を無視、あるいは排除できるような場合には、光センサ124をウエハステージWSTの内部に設けても良い。なお、空間像計測装置59を用いて行われる空間像計測方法などについては、後に詳述する。
図1に戻り、投影光学系PLの側面には、ウエハW上のアライメントマーク(位置合わせマーク)を検出するオフアクシス・アライメント系ALGが設けられている。本実施形態では、このアライメント系ALGとして、画像処理方式のアライメントセンサ、いわゆるFIA(Field Image Alignment)系が用いられている。このアライメント系ALGの検出信号は、主制御装置50に供給されるようになっている。
更に、本実施形態の露光装置10では、図1に示されるように、主制御装置50によってオンオフが制御される光源を有し、投影光学系PLの結像面に向けて多数のピンホール又はスリットの像を形成するための結像光束を、光軸AXに対して斜め方向より照射する照射系60aと、それらの結像光束のウエハW表面での反射光束を受光する受光系60bとから成る物体位置計測機構としての斜入射方式の多点焦点位置検出系が設けられている。なお、本実施形態の多点焦点位置検出系(60a、60b)と同様の多点焦点位置検出系の詳細な構成は、例えば特開平6−283403号公報及びこれに対応する米国特許第5,448,332号等に開示されている。本国際出願で指定した指定国(又は選択した選択国)の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
主制御装置50では、走査露光時等に、受光系60bからの焦点ずれ信号(デフォーカス信号)、例えばSカーブ信号に基づいて焦点ずれが零となるように、ウエハステージ駆動系56Wを介してZチルトステージ38のZ軸方向への移動、及び2次元的な傾斜(すなわち、θx,θy方向の回転)を制御する、すなわち多点焦点位置検出系(60a、60b)の出力に基づいてステージ制御装置70及びウエハステージ駆動系56Wを介してZチルトステージ38を制御することにより、照明領域IARと共役な露光領域(照明光ILの照射領域)IA内で投影光学系PLの結像面とウエハWの表面とを実質的に合致させるフォーカス・レベリング制御を実行する。
さらに、図1では図示が省略されているが、本実施形態の露光装置10では、レチクルRの上方に、投影光学系PLを介してレチクルR上のレチクルマークとこれに対応する基準マーク板上の基準マークとを同時に観察するための露光波長の光を用いたTTR(Through The Reticle)アライメント系から成る一対のレチクルアライメント検出系がX軸方向に所定距離隔てて設けられている。これらのレチクルアライメント検出系としては、例えば特開平7−176468号公報及びこれに対応する米国特許第5,646,413号などに開示されるものと同様の構成のものが用いられる。本国際出願で指定した指定国(又は選択した選択国)の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
また、さらに、図示は省略されているが、Zチルトステージ38には、例えば国際公開第2003/065428号パンフレットなどに開示される、シャック−ハルトマン(Shack-Hartman)方式の波面収差計測器が、設置可能である。
次に、空間像計測装置59を用いた、水平方向のスリットスキャン(以下、適宜「水平スキャン」と呼ぶ)による空間像計測について簡単に説明する。
図4には、空間像計測装置59を用いて、レチクルR1に形成された計測マークPMyの空間像が計測されている最中の状態が示されている。この図4におけるレチクルR1は、空間像計測専用のテストレチクル、デバイスの製造に用いられるデバイスレチクルであって、専用の計測マークが形成されたレチクル、あるいは、前述のレチクルマーク板RFMなどの空間像計測に用いられるマークが形成された部材を、代表的に示すものである。
ここで、レチクルR1には、所定の箇所に、X軸方向を長手方向とする計測マークPMyと、Y軸方向を長手方向とする計測マークPMxとが形成されているものとする。ここで、計測マークPMy及び計測マークPMxは、それぞれX軸方向又はY軸方向に周期性を有するマークであっても良く、例えばデューティ比が1:1のラインアンドスペース(L/S)マークであっても良い。また、計測マークPMyと計測マークPMxとは、近接して配置されていても良い。
例えば、計測マークPMyの空間像の計測にあたり、主制御装置50により、図1に示される可動レチクルブラインド30Bが不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、照明光ILの照明領域が計測マークPMy部分を含む所定領域に制限される(図4参照)。この状態で、主制御装置50により光源14の発光が開始され、照明光ILが計測マークPMyに照射されると、計測マークPMyによって回折、散乱した光(照明光IL)は投影光学系PLにより屈折され、該投影光学系PLの像面に計測マークPMyの空間像(投影像)が形成される。このとき、ウエハステージWSTは、図5(A)に示されるように、スリット板90上のスリット122yの+Y側(又は−Y側)に計測マークPMyの空間像PMy’が形成される位置に設定されているものとする。
そして、主制御装置50の指示の下、ステージ制御装置70により、ウエハステージWSTが図5(A)中に矢印Fyで示されるように+Y方向に駆動されると、スリット122yが空間像PMy’に対してY軸方向に走査される。この走査中に、スリット122yを通過する光(照明光IL)がウエハステージWST内の受光光学系、ウエハステージWST外部の反射ミラー96及び受光レンズ89を介して光センサ124で受光され、その光電変換信号Pが図1に示される信号処理装置80に供給される。信号処理装置80では、その光電変換信号に所定の処理を施して、空間像PMy’に対応する光強度信号を主制御装置50に供給する。なお、この際、信号処理装置80では、光源14からの照明光ILの発光強度のばらつきによる影響を抑えるために、図1に示されるインテグレータセンサ46の信号により光センサ124からの信号を、例えば除算処理により規格化した信号を主制御装置50に供給するようになっている。主制御装置50では、前記走査駆動中に信号処理装置80を介して入力される光センサ124からの出力信号と、ステージ制御装置70を介して入力されるZチルトステージ38のY軸方向の位置(Y位置)の情報とを、所定のサンプリング間隔で、同時に取り込むことで、投影像(空間像)の強度信号(空間像プロファイル)を取得する。
図5(B)には、上記の空間像計測の際に得られる投影像(空間像)の強度信号Pの一例が示されている。
計測マークPMxの空間像を計測する場合には、ウエハステージWSTを、スリット板90上のスリット122xの+X側(又は−X側)に計測マークPMxの空間像が形成される位置に設定して、ウエハステージWSTを図5(A)中に矢印Fxで示されるように+X方向に駆動して上記と同様のスリットスキャン方式による計測を行うことにより、計測マークPMxの空間像に対応する強度信号を得ることができる。
次に、本実施形態の露光装置10で上述したレチクルRのパターン面の走査像面の計測動作を含む、露光動作の一例を、主制御装置50内部のCPUの処理アルゴリズムを示す図6のフローチャートに基づいて説明する。
前提として、多点焦点位置検出系(60a、60b)の各検出点における面位置情報を検出する複数のセンサ(フォトディテクタ)相互間の出力のキャリブレーションは終了しており、各センサが出力する面位置情報は、それぞれ正確であるものとする。また、Zチルトステージ38には、前述のシャック−ハルトマン(Shack-Hartman)方式の波面収差計測器が設置されているものとする。
まず、図6のステップ202で、RAM内の所定領域に格納されているデータに基づいて、投影光学系PLの結像特性のキャリブレーション(いわゆるレンズキャリブレーション)を行うかどうか判断する。ここで、オペレータが、レンズキャリブレーションを実行する旨の命令を不図示の入力装置を介して入力していた場合には、上記のRAM内の所定の領域にレンズキャリブレーション実行命令のデータが格納されており、上記命令を入力していない場合には、そのレンズキャリブレーション実行命令のデータは格納されていない。オペレータは、通常、投影光学系PLの結像特性の安定性により、必要に応じてレンズキャリブレーションの実行を指示する。
そして、このステップ202における判断が肯定された場合には、ステップ204の投影光学系の波面収差計測処理のサブルーチンに移行する。このステップ204のサブルーチンでは、例えば国際公開第2003/065428号パンフレットなどに詳細に開示されるような手順で、波面収差計測用のピンホールレチクル及び前述の波面収差計測器を用いて、投影光学系PLの波面収差の計測を、投影光学系PLの視野内の有効領域(ここでは、照明領域IARとほぼ対応する領域であるものとする)内の所定数の計測点(評価点)について行う。このステップ204の処理により、評価点毎の波面を展開したフリンジツェルニケ多項式の各項の係数(例えば第1項から第37項までの係数)が得られる。
次のステップ206では、上記ステップ204で取得したフリンジツェルニケ多項式の各項の係数に基づいて、投影光学系PLの波面収差が、全ての評価点で最小となるような前述の各可動レンズの各自由度方向の駆動量の指令値を算出して結像特性補正コントローラ78に与える。これにより、結像特性補正コントローラ78によって上記指令値に対応する各駆動素子の駆動電圧が算出され、その算出された駆動電圧で各駆動素子が駆動されることで、投影光学系の結像特性の較正(レンズキャリブレーション)が行われる。
一方、上記ステップ202における判断が否定された場合、又は上述のレンズキャリブレーションが終了した場合には、ステップ208に移行して、レチクル交換(レチクルがレチクルステージRST上に搭載されていない場合は、レチクルを単にロード)する。ここでは、実際に回路パターンの露光に用いられるレチクル(レチクルRとする)を図1のレチクルステージRST上のバキュームチャックが設けられた不図示のプラテン上に吸着保持する。
ここで、レチクルRについて説明する。図9には、このレチクルRの平面図が示されている。このレチクルRには、パターン領域PAを区画するクロムなどの金属膜からなる矩形枠状の遮光帯ESBが形成されている。そして、遮光帯ESBの周囲全体に渡って、100〜500μm角(ウエハ上換算値で25〜125μm角)程度のマーク領域MR1〜MR9、ML1〜ML9、MU1〜MU5、MD1〜MD5が形成されている。遮光帯ESBは、レチクル上で1〜6mm、例えば1.4mm(ウエハ上換算値で350μm)の幅を有し、該遮光帯ESBで区画されるパターン領域PAのサイズは、レチクルRの外形が150mm角程度である場合には、最大で100mm×132mm(ウエハ上換算値で25mm×33mm)程度である。
また、このレチクルR上の中心(レチクルセンタ)を通る非走査方向の直線状のレチクルセンタに関して左右対称となる位置には、一対のレチクルアライメントマークRM1,RM2がそれぞれ形成されている。
図9に示されるように、前記遮光帯ESBの走査方向(Y軸方向)に平行な一対の第1の対向辺にそれぞれ沿ってかつ遮光帯ESBの外側に9対のマーク領域MR1,ML1、MR2,ML2、……、MR9,ML9が、前記パターン領域PAの中心を通る走査方向の軸に関して対称に配置されている。各マーク領域は、パターン領域PAから所定距離、例えば遮光帯の幅程度(例えばレチクル上で1〜6mm程度)以上離れていることが望ましい。これは、露光の際に、遮光帯のY軸方向に平行な一対の対向辺に、各ブレードのエッジが掛かるように、可動レチクルブラインド30Bの開口の非走査方向の幅を調整することで、マーク領域に照明光ILを照射することなく、パターン領域PAに照明光ILを照射できるようにするためである。
また、遮光帯ESBの非走査方向(X軸方向)に平行な一対の第2の対向辺にそれぞれ沿ってかつ遮光帯ESBの外側に5対のマーク領域MD1,MU1、MD2,MU2、……、MD5,MU5が、パターン領域PAの中心を通る非走査方向の軸(及び走査方向の軸)に関して対称に配置されている。各マーク領域は、パターン領域PAから所定距離、例えば遮光帯ESBの幅程度(例えばレチクル上で1〜6mm程度)以上離れていることが望ましい。この場合、マーク領域MD1,MU1、MD2,MU2、……、MD5,MU5は、レチクルRにペリクルを取り付けたときに、そのペリクルフレームから2mm以上離れた位置に配置されるようにすることが望ましい。
前記マーク領域、MR1〜MR9、ML1〜ML9、MD1〜MD5、MU1〜MU5のそれぞれには、図10に示されるように、X軸方向を周期方向とするフォーカス計測マークMx1及び像位置計測マークMx2、並びにY軸方向を周期方向とするフォーカス計測マークMy1及び像位置計測マークMy2が、それぞれ形成されている。
また、上述の各マーク領域の周辺は、計測時の迷光防止のためレチクル上で1〜6mm程度、例えば1.4mm(ウエハ上換算で350μm)の幅のクロムなどの遮光パターン(遮光膜)で囲まれていることが好ましい。
本実施形態では、各フォーカス計測マークMx1,My1としては、一例として、29ラインの線幅0.8μm(ウエハ上換算値で0.2μm)のデューティ比1:1のL/Sマークが用いられ、各像位置計測マークMx2、My2としては、5ラインの線幅4.0μm(ウエハ上の換算値で1.0μm)のデューティ比1:1のL/Sマークが用いられている。本実施形態では、像位置計測マークは線幅の太いL/Sマークになっているが、フォーカス計測マークを像位置計測マークとして兼用することも可能である。
図6の説明に戻り、上記ステップ208のレチクル交換後、ステップ210の基準像面の計測処理を行うサブルーチンに移行する。
ここで、前提として評価マークFRM1,1、FRM1,2、…、FRM1,5、FRM2,5、FRM2,4、…、FRM2,1の順番で、レチクルマーク板RFM上の10個の評価マークそれぞれの空間像計測が行われるように、予め計測順序が定められているものとする。
このサブルーチン210では、まず、図7のステップ301において、評価マークの計測の順番を示す第1カウンタのカウント値kを1に初期化する(k←1)。
次のステップ302では、レチクルステージ駆動系56Rを介してレチクルステージRSTを駆動し、レチクルマーク板RFMを投影光学系PLの有効視野(前述した照明領域IARとほぼ一致)内に位置決めする。
次のステップ304では、可動レチクルブラインド30Bを不図示のブラインド駆動装置を介して駆動し、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)を含む一部領域に照明光ILの照射領域を制限する。
次のステップ306では、スリット板90表面の高さ位置、すなわちZ軸方向の位置(以下、「Z位置」と略述する)が所定の初期位置になるように、Zチルトステージ38のZ位置をステージ制御装置70を介して調整する。この場合の「初期位置」としては、例えば、露光装置の立ち上げ時や、以前検出したベストフォーカス位置が装置の初期化等により消去された場合などには、デフォルト設定のZ位置(高さ位置)、例えば前述のエンコーダ23の中立位置(原点位置)を採用し、前回行われたベストフォーカス位置の検出結果のデータ(多点焦点位置検出系の計測値)が、消去されることなく、主制御装置50内のメモリ等に記憶されている場合には、その検出結果のデータであるベストフォーカス位置を採用するものとする。
次のステップ308では、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)について、先に計測マークPMxに関して説明したのと同様のX軸方向の水平スキャンによる空間像計測を行い、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)の投影像(空間像)の横軸をX位置とする強度信号(空間像プロファイル)を取得する。
次のステップ310では、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)について、先に計測マークPMyに関して説明したのと同様のY軸方向の水平方向スキャンによる空間像計測を行い、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)の投影像(空間像)の横軸をY位置とする強度信号(空間像プロファイル)を取得する。
次のステップ312では、所定数(ここでは、15とする)のステップについて、スリット板90のZ位置を変更して、空間像計測を行ったか否かを判断する。ここでは、スリット板90の初期位置について空間像計測を行ったのみなので、このステップ312における判断は否定され、ステップ314に移行して、スリット板90のZ位置を所定の手順に従って変更した後、ステップ308に戻る。
ここで、上記ステップ314におけるスリット板90のZ位置の設定及び変更は、多点焦点位置検出系(60a,60b)によってそのk番目(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)の像の近傍の検出点での出力に基づいて行われる。そして、スリット板90のZ位置の設定及び変更の順序は、任意で良い。
なお、高NAの投影光学系を使用する露光装置においては、例えばウエハ上換算値で線幅0.2μm以下の細い線幅の評価マーク(又は計測マーク)を用いる計測に際しては、焦点深度が狭いため、上記Δz(ステップ・ピッチ)の値をあまり大きくとると、例えば第1回目の変更の段階で、スリット板90(スリット122x、122y)のZ位置が、焦点深度の範囲外になる(ベストフォーカス位置を通り越してしまう)ことも考えられるので、ある程度小さい値、例えば0.01μm〜0.05μm程度の値とすることが望ましい。
その後、ステップ312における判断が肯定されるまで、ステップ308→310→312→314→308のループの処理を繰り返す。
このようにして、ステップ312における判断が肯定されると、ステップ316に移行するが、このとき、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)について、15ステップのZ位置について、Z位置毎に、X軸方向水平スキャンによる空間像の強度信号(空間像プロファイル)、Y軸方向スキャンによる空間像の強度信号(空間像プロファイル)が得られている。
ステップ316では、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)についての合計30個の空間像の強度信号に基づいて、その第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)のベストフォーカス位置を、次のa.〜c.のようにして算出する。
a.スリット板90のZ位置(光軸方向位置)毎に得た15個のX軸方向の水平スキャンによる強度信号のコントラスト値をそれぞれ算出し、それらのコントラスト値を最小自乗法により関数フィッティングしてコントラストカーブ(コントラストとフォーカス位置との関係)を得、そのコントラストカーブのピーク点に基づいて、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)をXマークとして扱った場合のベストフォーカス位置Zkx(コントラストを最大とするフォーカス位置)を算出する。
b.同様に、スリット板90のZ位置(光軸方向位置)毎に得た15個のY軸方向の水平スキャンによる強度信号のコントラスト値をそれぞれ算出し、それらのコントラスト値を最小自乗法により関数フィッティングしてコントラストカーブを得、そのコントラストカーブのピーク点に基づいて、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)をYマークとして扱った場合のベストフォーカス位置Zkyを算出する。
c.次に、上記のベストフォーカス位置Zkx、Zkyの平均値(Zkx+Zky)/2を、第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)が形成されたレチクルマーク板RFMの基準面上の点のベストフォーカス位置(最良結像面位置)Zbestkとする。勿論、このZbestkは、その第k番目の評価マーク(ここでは第1番目の評価マークFRM1,1)の像の最近傍の検出点における検出対象物表面のZ位置を検出する多点焦点位置検出系(60a,60b)のセンサの計測値(すなわち設定されている検出原点からのオフセット値)である。
ところで、Z軸方向の計測位置が上記の15位置に限られるわけではなく、他の任意の数であっても良いことは言うまでもない。
なお、露光装置が使用される露光工程によっては、長手方向がX軸方向及びY軸方向のいずれかと平行であるパターンが特に重要となる場合もある。従って、上記のベストフォーカス位置Zbestkの算出のための、ZkxとZkyの上記平均化処理に際しては、重要な方向のパターンにおけるベストフォーカス位置に重みを付けて平均化処理を行うこともできる。
次のステップ318では、全ての評価マークについて処理が終了したか否かを判断する。ここでは、第1番目の評価マークFRM1,1についての処理が終了したのみなので、ここでの判断は否定され、ステップ320に移行して、第1カウンタのカウント値kを1インクリメント(k←k+1)した後、ステップ304に戻り、以降、ステップ318における判断が肯定されるまで、上述のステップ304以下の処理を繰り返す。
これにより、第2番目〜第10番目の評価マークFRM1,2、FRM1,3、…、FRM1,5、FRM2,5、FRM2,4、…、FRM2,1のそれぞれについて、15段階のZ位置について、X軸方向の水平スキャン及びY軸方向の水平スキャンよる空間像の計測(投影像(空間像)の強度信号(空間像プロファイル)の取得)、並びに各評価マークが形成されたレチクルマーク板RFMの基準面上の点(評価点)のベストフォーカス位置Zbest2〜Zbest10の算出が行われる。
そして、ステップ318における判断が肯定されると、ステップ322に進んで、最小自乗法による近似曲面(又は近似平面)を算出することで、基準像面、すなわちレチクルマーク板RFMの基準面の投影光学系PLによる投影像面を算出した後、このサブルーチンの処理を終了してメインルーチンのステップ212にリターンする。
ステップ212では、レチクルRのパターンの像が投影光学系PLによって形成される走査像面を計測するサブルーチンの処理を行う。ここで、走査像面とは、スキャンに伴って順次移動するレチクルパターン面内の「局所領域」が投影光学系PLを介してウエハW側に投影された像面の軌跡の如き面に相当し、レチクルRの平坦度誤差(変形による凹凸を含む)や、レチクルステージRSTの走査方向位置変化に伴うレチクルR上下動並びにピッチング及びローリングにより生じる像面位置の変動をも含む。
このステップ212のサブルーチンの一例が、図8に示されている。
ここで、前提としてマーク領域MU3、MR1、ML1、ML2、MR2、MR3、ML3、……、MR9、ML9、MD3の順番で、レチクルR上の20個のマーク領域それぞれの計測マークの空間像計測が行われるように、予め計測順序が定められているものとする。
このサブルーチン212では、まず、図8のステップ402で、空間像計測の対象となるマーク領域の番号を示す第2カウンタのカウント値mを1に初期化する(m←1)。
次のステップ404では、前述の第2カウンタのカウント値mに基づいて、第m番目のマーク領域(ここでは第1番目のマーク領域MU3)が、投影光学系PLの視野内の走査方向の中央に位置するように、レチクルステージRSTを駆動する。なお、このステップ404におけるレチクルステージRSTの位置調整は、例えば、前述した一対のレチクルアライメントマークRM1,RM2を、前述の一対のレチクルアライメント検出系を用いて、同時に検出し、この検出結果に基づいて行うこととすることができる。
次のステップ406では、不図示のブラインド駆動装置を介して可動レチクルブラインド30Bを駆動し、その第m番目のマーク領域(ここでは第1番目のマーク領域MU3)近傍にのみ照明光ILの照射領域が制限されるように、可動レチクルブラインド30Bの開口を設定する。
次のステップ408では、前述したステップ306と同様にして、スリット板90表面のZ位置が所定の初期位置になるように、Zチルトステージ38のZ位置をステージ制御装置70を介して調整する。
次のステップ410では、前述したステップ308と同様のX軸方向の水平スキャンにより、第m番目のマーク領域(ここでは第1番目のマーク領域MU3)内のフォーカス計測マークMx1、像位置計測マークMx2の空間像計測を行い、フォーカス計測マークMx1、像位置計測マークMx2の投影像(空間像)の強度信号(空間像プロファイル)を取得する。
次のステップ412では、前述したステップ310と同様のY軸方向の水平スキャンにより、第m番目のマーク領域(ここでは第1番目のマーク領域MU3)内のフォーカス計測マークMy1、像位置計測マークMy2の空間像計測を行い、フォーカス計測マークMy1、像位置計測マークMy2の投影像(空間像)の強度信号(空間像プロファイル)を取得する。
次のステップ414では、上記ステップ410、412でそれぞれ取得した像位置計測マークMx2、My2の投影像(空間像)の強度信号(空間像プロファイル)に基づいて、像位置計測マークMx2の投影位置(X位置)、像位置計測マークMy2の投影位置(Y位置)をそれぞれ検出する。この場合、例えば、像位置計測マークMx2の空間像プロファイル(この空間像プロファイルは、山形になる)と、所定のスライスレベルとの2交点の中点の計測方向の座標位置(X位置)を、像位置計測マークMx2の投影位置とすることができる。像位置計測マークMy2についても同様である。
次のステップ416では、予め定めたステップ数(ここでは、15とする)、スリット板90のZ位置を変更して空間像計測を行ったか否かを判断する。ここでは、スリット板90の初期位置について空間像計測を行ったのみなので、このステップ416における判断は否定され、ステップ418に移行して、前述したステップ314と同様にして、スリット板190のZ位置を所定の手順に従って変更した後、ステップ410に戻り、以降、ステップ416における判断が肯定されるまで、ステップ410→412→414→416→418→410のループの処理を繰り返す。
これにより、第m番目のマーク領域(ここでは第1番目のマーク領域MU3)について、15ステップのZ位置について、Z位置毎に、フォーカス計測マークMx1及び像位置計測マークMx2の空間像の強度信号(空間像プロファイル)、並びにフォーカス計測マークMy1及び像位置計測マークMy2の空間像の強度信号(空間像プロファイル)が得られるとともに、像位置計測マークMx2の投影位置、像位置計測マークMy2の投影位置が算出される。
一方、ステップ416の判断が肯定された場合には、ステップ420に進んで、前述のステップ316と同様の手順で、フォーカス計測マークMx1、My1についてのベストフォーカス位置をそれぞれ算出し、その2つのベストフォーカス位置の算出結果の平均値を、そのm番目のマーク領域が形成されたレチクルRのパターン面上の点のベストフォーカス位置(最良結像面位置)としてメモリに記憶する。
また、ステップ420において、フォーカス計測マークMx1、My1それぞれのベストフォーカス位置と同一のZ位置における像位置計測マークMx2、My2の投影位置を、そのm番目のマーク領域内の像位置計測マークMx2、My2の投影位置として、メモリに記憶する。
次のステップ422では、予定数(ここでは20個)のマーク領域について処理が終了したか否か判断する。ここでは、第1番目のマーク領域MU3の処理が終了したのみなので、このステップ422における判断は否定され、ステップ424に移行して、カウント値mを1インクリメント(m←m+1)した後、ステップ404に戻り、以降ステップ422における判断が肯定されるまで、上記ステップ404以下の処理を繰り返す。
これにより、第2番目〜第20番目のマーク領域MR1、ML1、ML2、MR2、MR3、ML3、……、MR9、ML9、MD3それぞれの内部の、各4つの計測マークの空間像の計測が行われ、投影像(空間像)の強度信号(空間像プロファイル)が取得されるとともに、それぞれのマーク領域が形成されたレチクルRのパターン面上の点のベストフォーカス位置(最良結像面位置)と、像位置計測マークMx2の投影位置(X位置)及び像位置計測マークMy2の投影位置(Y位置)が、メモリ内に記憶される。
一方、ステップ422における判断が肯定されると、ステップ426に進み、次のようにしてレチクルRのパターン面の走査像面を算出する(推定する)。
ステップ422における判断が肯定された段階では、レチクルステージRST上に搭載されたレチクルRに形成されたパターンの像が投影光学系PLによって形成される走査像面上の20箇所の評価点、すなわち、図11に示される、評価点U3、L1〜L9、R1〜R9、及びD3のZ位置情報、すなわち、マーク領域MU3、ML1〜ML9、MR1〜MR9及びMD3に対応するパターン面上の点のベストフォーカス位置の計測結果Z(U3)、Z(L1)〜Z(L9)、Z(R1)〜Z(R9)及びZ(D3)がメモリ内に記憶されている。
そこで、これらの計測結果Z(U3)、Z(L1)〜Z(L9)、Z(R1)〜Z(R9)及びZ(D3)を用いて、以下のようにして、走査像面全体の形状を関数を用いて表す。
図11では、Y軸方向に9組の評価点(計測点)(L1,U3,R1)、(L2,R2)、……、(L9,D3,R9)がある。9組の評価点のうち、相互に対を成す評価点のY座標は同一であり、これらのY座標をY1〜Y9とする。
第1組目のベストフォーカス位置の計測結果Z(L1)、Z(U3)、Z(R1)を通る2次曲線はZ=a1・X2+b1・X+c1で表される。ここで、マーク領域MU3は、厳密に言うと、マーク領域MR1、ML1とはY座標値は異なるが、マーク領域MU3のベストフォーカス位置Z(U3)は、マーク領域MR1、ML1を結ぶ線分の中点のベストフォーカス位置とほぼ一致するとみなしても特に支障は無いと思われるので、第1組目に含めている。
第2組目のベストフォーカス位置計測結果Z(L2)、Z(R2)を通る2次曲線はZ=a2・X2+b2・X+c2で表される。
同様に、第j組目(j=3〜8)について、ベストフォーカス位置の計測結果Z(Lj)、Z(Rj)を通る2次曲線はZ=aj・X2+bj・X+cjで表される。
また、第9組目のベストフォーカス位置の計測結果Z(L9)、Z(D3)、Z(R9)を通る2次曲線はZ=a9・X2+b9・X+c9で表される。ここで、Z(D3)は、前述のZ(U3)と同様の理由により第9組目に含めている。
このように9つの2次曲線を計算する。このとき2次の係数はY1,Y9でのみ計測可能なので、その間はY座標に応じた重み付けを行い、補完する。このようにすると、例えばY2における曲線は次式(1)で表される。
すなわち、2次の係数は補完で求めb2、c2は計測値Z(L2)、Z(R2)を通ることから計算する。
さらに、計測した評価点の間のY座標の2次曲線はY座標に応じて係数a、b、cを補完する。例えば、Y1とY2の間では曲線は次式(2)のように表される。
このようにY座標に応じて補間曲線を計算することにより、走査像面全体の形状をレチクルR内のX,Y座標位置、すなわちレチクルステージRSTのX,Y座標位置に対する関数として、表現することができる。
なお、このステップ426において、マーク領域マーク領域MU3、ML1〜ML9、MR1〜MR9及びMD3それぞれの像位置計測マークMx2、My2の投影位置と、各像位置計測マークの設計値とに基づいて、ディストーション分布を算出することもできる。
ステップ426において、上述のようにして、走査像面を算出した後、ステップ212のサブルーチンの処理を終了して、図6のメインルーチンのステップ214にリターンする。
ステップ214では、ステップ210で計測した基準像面に対するステップ212で求めた走査像面の差分を算出するとともに、その算出結果に基づいてレチクルRのパターン面のレチクルマーク板RFMの基準面に対する差分に起因して生じる結像特性、例えば像面湾曲のレチクルRのY軸方向位置(Y座標)に応じた補正量を計算する。走査露光方式では照明領域IAR(露光領域IA)がスリット状であるため、レチクルステージRSTの走査方向の位置(Y座標)に応じて補正量を変えることにより、より細かい補正が可能となる。
次のステップ216では、上記ステップ214で算出した補正量が所定の閾値より大きいか否かを判断する。このステップ216における判断が肯定される場合とは、結像特性を可能な限り補正しても残留誤差が大きすぎる場合(すなわちエラー状態)であり、その原因としては、異物がレチクルステージRSTのプラテンとレチクルとの間に挟まれた場合やレチクルの製造誤差が大きい場合等が考えられる。従って、このステップ216における判断が肯定された場合には、ステップ224に移行して異物挟み込みなどのエラーメッセージを不図示のディスプレイの画面上に表示するとともにアラーム音を発するなどしてオペレータに警報を発した後、ステップ226で運転を停止する(本ルーチンの一連の処理を強制終了する)。
一方、ステップ216における判断が否定された場合には、レチクルRのパターン面のレチクルマーク板RFMの基準面に対する差分に起因して生じる、走査像面を基準像面に近づける補正を含む結像特性の補正後に露光が可能なのでステップ218に進み、半導体素子の回路パターンをウエハ上に焼き付けるための露光動作に入る。すなわち、例えば1ロットのウエハを順次Zチルトステージ38上にロードして、各ウエハのショット領域に対して走査露光を行う。この走査露光中に、上記ステップ214で求めておいた結像特性の補正量に基づいて、レチクルステージRSTのY座標に応じて結像特性補正コントローラ78を介して可動レンズを駆動して走査像面を基準像面に近づける補正を行うとともに、多点焦点位置検出系(60a、60b)の出力に基づいてステージ制御装置70及びウエハステージ駆動系56Wを介してZチルトステージ38を駆動して、その補正後の走査像面にウエハWの表面を近づけるように、理想的には一致するように補正する(すなわち、前述のフォーカス・レベリング制御を実行する)。
なお、上述の可動レンズを駆動して走査像面を基準平面に近づける補正、例えば像面湾曲の補正は、走査露光中に常時行うことは必須ではなく、例えば走査露光に先立って行うものとすることもできる。この場合、可動レンズの駆動によりフォーカス位置が変化する場合には、主制御装置50は、発生するフォーカス位置の変化量ΔZ’を走査露光前に算出しておき、走査露光中は、−ΔZ’だけ変化させたフォーカス位置の目標値に基づいて、前述のフォーカス・レベリング制御を実行することとしても良い。これによって、レチクルRのパターン面の撓みによる像面湾曲、及びデフォーカスが補正されて、ウエハWの表面が高精度にレチクルRのパターン面に対する実際の像面に合わせ込まれる。
すなわち、上記ステップ218では、非スキャン方向(X軸方向)の像面変化の一次成分は、Zチルトステージ38のローリング(X方向チルト)制御で補正され、2次以上の成分は可動レンズの駆動により補正され、スキャン方向(Y軸方向)の像面変化は、Zチルトステージ38のピッチング(Y方向チルト)制御で補正され、像面のオフセット成分は、Zチルトステージ38のZ軸方向位置の制御(フォーカス制御)によって補正される。
そして、例えば1ロットのウエハへの露光動作が終了すると、ステップ220に進み、露光を継続するか否かを判断する。そして、このステップ220における判断が肯定された場合には、ステップ222に移行して、レチクルを交換するかどうか判断する。
ここで、同一レチクルで続けて露光を行う場合は、走査像面を再び測定する必要はないので、ステップ218に戻り、上述と同様の露光動作を行う。一方、レチクルを交換する場合は、ステップ202に戻り、以降、上述したステップ202以下の処理を繰り返す。
この一方、ステップ220における判断が否定された場合には、本ルーチンの一連の処理を終了する。
これまでの説明から明らかなように、本実施形態では、主制御装置50、より具体的にはCPUとソフトウェアプログラムとによって、計測制御装置、算出装置、物体位置設定機構、非常時警報装置が実現されている。すなわち、CPUが行う、ステップ402〜424及びステップ301〜320の処理によって計測制御装置が実現され、CPUが行う、ステップ322、426の処理によって算出装置が実現されている。また、CPUが行う、ステップ218の処理によって物体位置設定機構が実現され、CPUが行う、ステップ216、224、226の処理によって非常時警報装置が実現されている。また、結像特性補正コントローラ78と、主制御装置50のCPUが行うステップ218の処理により補正装置が実現されている。
以上説明したように、本実施形態の露光装置10によると、計測制御装置としての主制御装置50は、図8のステップ402〜424において、レチクルステージRSTを走査方向に関して移動し、レチクルR上の、マーク領域を含む領域を照明系(12,14)からの照明光ILで照明して、前記マーク領域内に存在するフォーカスマーク、像位置計測マークの空間像を投影光学系PLを介して形成し、該空間像を空間像計測装置59を用いて計測する。このような空間像の計測が、主制御装置50により、レチクルステージRSTを走査方向に関して移動しながら繰り返し行われる。そして、算出装置としての主制御装置50によって、図8のステップ426において、前記移動位置毎の前記マークの空間像の計測結果に基づいて、レチクルRに形成されたパターンの像が投影光学系PLによって形成される走査像面が算出される。本実施形態の場合、レチクルのパターン面そのものではなく、上記の走査像面を検出するので、レチクル(マスク)位置計測用のセンサなどが不要である。従って、レチクルRと投影光学系PLとの間に、レチクル(マスク)位置計測用のセンサの設置スペースを確保する必要がなくなり、投影光学系PLの設計自由度が増大し、高性能な投影光学系PLが実現可能となる。結果的に、高性能な投影光学系PLにより、高精度なパターンの転写が実現される。
なお、本実施形態の露光装置10のようなスキャナの場合には、レチクルステージRSTの位置に依存して生じる静的変形(レチクルステージRSTの走査方向位置変化に伴うZ位置、傾きの変動であって、動的変動ではなく、レチクルステージRSTの走査方向位置に応じて決まりかつ再現される静的な変形)も、実質的に走査像面の変形となる。本実施形態では、吸着面起因のみでなく、このようなレチクルステージ起因の走査像面の変形をも補正する。
なお、上記実施形態では、説明の簡略化のため、基準像面に対する走査像面の補正、すなわち投影光学系PLの光軸方向に関する結像特性の補正を行うものとし、そのような補正についてのみ説明したが、本発明がこれに限定されないことは勿論である。前述した如く、図8のステップ420において、フォーカス計測マークMx1、My1それぞれのベストフォーカス位置と同一のZ位置における像位置計測マークMx2、My2の投影位置を、計測対象であるm番目のマーク領域内の像位置計測マークMx2、My2の投影位置として、メモリに記憶しているので、主制御装置50は、レチクルRが交換される度に、その直前のレチクルRについて計測された対応するマーク領域内の対応するマーク同士の投影位置の差に基づいて、直前に露光に用いられたレチクルと露光に用いられるレチクルとの変形状態の差などに起因するディストーション誤差及びディストーション誤差分布を求め、これを補正するようにしても良い。
この場合において、主制御装置50は、前述した結像特性補正コントローラ78を介して投影光学系PLの一部の可動レンズを駆動することで、非スキャン方向(X軸方向)に関するディストーション成分、並びにX軸方向及びY軸方向の倍率成分を補正する。また、主制御装置50は、スキャン同期制御時のY軸方向に関するレチクルステージRSTとウエハステージWSTの相対速度の調整と、両ステージ間のヨーイングの相対角速度調整などにより、スキャン方向(Y軸方向)に関するディストーション成分を補正する。
なお、上記実施形態では、結像特性補正コントローラ78により、投影光学系PLの一部の複数枚の可動レンズのZ位置及び傾斜が調整される場合について説明したが、これに限らず、結像特性補正コントローラ78は、一部のレンズエレメント相互間に形成される気密室内部の気体の圧力を調整する、あるいは光源14から出力される照明光ILの中心波長をシフトさせるようにしても良い。
また、上記実施形態では、走査像面を基準像面に近づける補正に加え、その補正後の走査像面にウエハWの表面を近づける補正を行う場合について説明したが、これに限らず、主制御装置50が、前述のステップ212の処理で計測した走査像面に、ウエハWの表面を近づける補正、すなわちウエハWのフォーカス・レベリング制御のみを行うようにしても良い。
また、上記実施形態では、投影光学系の結像特性の較正(レンズキャリブレーション)を、波面収差の計測結果に基づいて行う場合について説明したが、これに限らず、例えば特開2002−198303号公報及びこれに対応する米国特許出願公開第2002/0041377号明細書などに開示されるように、レチクルマーク板RFM上に複数種類の結像特性(収差)計測用のマークを形成しておき、これらのマークの空間像を空間像計測装置59を用いて、上記公報などに開示される手法でそれぞれ計測し、この計測結果に基づいて投影光学系の結像特性の較正(レンズキャリブレーション)を行うようにしても良い。あるいは、投影光学系の結像特性の較正は、テストレチクルを用いて、ウエハ上に焼き付けを行い、その焼付け結果に基づいて行っても良い。本国際出願で指定した指定国(又は選択した選択国)の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び米国特許出願公開明細書における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
また、上記実施形態において、図6のステップ210において基準像面を計測したときに、その基準像面上での多点焦点位置検出系(60a,60b)の各検出点での検出オフセットを求め、これらのオフセットを考慮して、前述のウエハWのフォーカス・レベリング制御を行っても良いし、あるいは照射系60aからの検出光の入射角、又は受光系60b内で再結像されるスリット像の位置をそのオフセットを相殺するようにずらしても良い。
また、上記実施形態では、基準像面が、レチクルマーク板RFMの基準面が投影光学系PLによって投影される面である場合について説明したが、これに限らず、基準像面は、水平面であっても良い。かかる場合には、上述のステップ210は省略することができる。
なお、レチクルとして前に使用されたことがあり走査像面の計測データが記憶されているレチクルが使用される場合で、且つその露光プロセスの必要精度があまり高くないような場合には、前述のステップ212の走査像面の計測工程を省略してスループットを高めるようにすることも可能である。
また、上記実施形態において、評価マークや計測マークの空間像を計測してベストフォーカス位置を求める際に、複数のZ位置での水平方向スリットスキャンを行う場合について説明したが、次のようなZスキャンによる空間像計測を行っても良い。
すなわち、主制御装置50は、前述の水平スキャンによりそのフォーカス計測用マーク(孤立線)の投影位置を検出し、そのマークの投影像(空間像)の投影中心と、スリット板90のスリット122x(又は122y)の中心とのX位置(又はY位置)が一致するようにZチルトステージ38をXY面内で位置決めした状態で、照明系(12,14)からの照明光ILによりレチクルステージRST上に載置されたレチクルRのマーク領域を照明しつつ、ステージ制御装置70及びウエハステージ駆動系56Wを介してZチルトステージ38を光軸AX方向(Z軸方向)に所定移動範囲内で移動(Zスキャン)し、そのZスキャン中に多点焦点位置検出系(60a、60b)の出力に基づいて得られるZチルトステージ38のZ軸方向に関する位置データ及び信号処理装置80を介して入力される光センサ124の出力信号の強度データを所定のサンプリング間隔で取得する。このとき、主制御装置50では、前述した初期位置を移動中心として、多点焦点位置検出系(60a、60b)の出力をモニタしつつ、前記移動中心を中心とした所定幅の範囲内で移動する。
そして、1又は複数のスライスレベルを用いたスライス法により、投影光学系PLのベストフォーカス位置を算出する。ここで、スライス法とは、Zスキャン中に得られるスリット透過光強度の変化曲線とスライスレベルとの2つの交点の中点を求め、その中点のZ位置をベストフォーカス位置とする方法である。なお、例えば、複数のスライスレベルを用いる場合には、スリット透過光強度の変化曲線と各スライスレベルとの各2つの交点間の中点(各2つの交点によって定まる線分の中点)を、それぞれ算出し、その複数の中点の平均値をベストフォーカス位置とすれば良い。なお、Zスキャンによりベストフォーカス位置を求める場合は、上述の移動中心の近傍で、センサゲインが適切に調整されていることが必要である。
なお、上記実施形態では、走査像面を複数の2次関数を利用して表現し、その関数を用いて走査像面の形状を算出する場合について説明したが、本発明がこれに限定されないことは勿論である。例えば、図12に示されるように、走査像面を複数の1次関数を利用して表現し、その関数を用いて走査像面の形状を算出しても良い。
図12では、Y軸方向に9組(対)の計測点(L1,R1)〜(L9,R9)がある。これらのY座標をY1〜Y9とする。第1組目のベストフォーカス位置の計測結果Z(L1)、Z(R1)を通る直線はZ=a1・X+b1で表される。第2組目のベストフォーカス位置の計測結果Z(L2)、Z(R2)を通る直線はZ=a2・X+b2で表される。このようにして9つの直線を計算する。その間の直線は、例えばZ=a1・X+b1とZ=a2・X+b2との間ではY座標に応じて係数a1、b1を補完すれば良い。
すなわち、Y1とY2の間では直線は次式(3)のように表される。
このようにY座標に応じて補完直線を計算することにより、走査像面全体の形状を関数で表すことができる。この方法は、レチクルRがねじれるような変形を起こしているときなどには、好適である。
さらに、走査像面を複数の3次以上の高次の関数で表現する場合には、パターン領域PAの走査方向両側に位置するマーク領域のうちの、計測対象とするマーク領域の数(計測点数)を増加させれば良い。
この他、走査像面を、所定個のパラメータを含む任意の関数z=f(X,Y)を想定し、上記各(X,Y)位置でのZ計測結果に基づいて、例えば最小自乗法などの統計的手法を用いて関数f中の上記各パラメータをフィッティングし、走査像面形状をこの関数fにより表わすことも可能である。
例えば、レチクルパターン面内の吸着部分が、レチクル上のX軸方向の両端部に配置される場合には、レチクルパターン面自体が、レチクルのX軸方向の中心部に沿ってY軸方向の伸びる部分を鞍部とする鞍型形状に変形し易いため、関数fはこのような鞍型形状を表現し易い関数及びパラメータよりなるものとすることが望ましい。
レチクルパターン面内の吸着部分が、他の形状を有する部分であっても、その吸着面形状に応じた変形の生じ易い形状を表現し易い関数及びパラメータよりなるものを使用することが好ましい。
いずれにしても、走査像面の形状を決定するための関数は、例えば上記の吸着部分形状を想定して、FEM(Finite Element Method)シミュレーションにより求めた変形形状を参考にして決定すると良い。あるいは、レチクル平坦度計測結果などを参考にして決定しても良い。
なお、上記実施形態では、基準部材としてレチクルマーク板RFMを用いる場合について説明したが、これに限らず、吸着面の平坦度が良好なテストレチクルを使用しても良い。かかる場合には、基準像面がそのテストレチクルのパターン面の走査像面となるので、吸着状態をも考慮したより適切な基準像面となる。
なお、上記実施形態において、レチクルR上のX軸方向両端に形成されたマーク領域を使用して走査像面を計測する時には、可動レチクルブラインド30Bの開口の非走査方向の幅が最大となるように各ブレードを全開にしてこれらのマーク領域に照明光を照射する。一方、ウエハへの回路パターンの露光時には可動レチクルブラインド30Bの開口の非走査方向の幅が遮光帯の幅とほぼ一致するように各ブレードを閉め、マーク領域(計測マーク)への照明光の照射(ウエハへの誤転写)を防止する。
なお、上記実施形態において、レチクルR上の計測パターン(計測マーク)は、空間周波数変調型の位相シフトパターン(位相シフトレチクル)であっても良く、ハーフトーン型又はシフター遮光型の位相シフトパターンであっても良い。
また、上記実施形態では、レチクルRのパターン面上の中心部に回路パターン領域PAが存在し、その周囲にのみ、マーク領域が存在するものとしたが、例えば、レチクル上の回路パターンが複数チップに相当するパターンからなる場合には、各チップに相当する領域の境界部分に、回路パターン以外のパターンを配置することも可能となる場合がある。その場合には、上記境界部分にも前述と同様のマーク領域を配置し、当該マーク領域内の計測マークについてもその像位置(Z位置)の計測を行なうとともに、この結果をも用いて走査像面の推定を行なうこととしても良い。かかる場合には、走査像面の推定の確度を一層向上することができる。
なお、上記境界部分の幅が、前述したマーク領域の大きさ(ウエハ上で60μm角)より小さい場合には、当該境界部分に配置するマーク領域については、その形状を小型化しても良い。なお、小型化の一例として、図10に示されるマーク領域内の計測マークに代えてX軸方向に長手方向を有するパターンのみを有するマーク、Y軸方向に長手方向を有するパターンのみを有するマークのいずれか一方のみを使用することもできる。また、このようなマークが、ウエハ上に転写されても良い場合には、すなわち半導体集積回路上の一部に形成されても良い場合には、計測マークを回路パターン中に配置し、走査像面の推定にこのマークを使用することもできることは言うまでもない。
なお、上記実施形態の露光装置における投影光学系の倍率は縮小系のみならず等倍および拡大系のいずれでも良いし、投影光学系PLは屈折系のみならず、反射系及び反射屈折系のいずれでも良いし、その投影像は倒立像及び正立像のいずれでも良い。
また、上記実施形態では、照明光ILとしてKrFエキシマレーザ光やArFエキシマレーザ光を用いる場合について説明したが、これに限らず、波長が170nm以下の光、例えばF2レーザ光(波長157nm)、Kr2レーザ光(波長146nm)等の他の真空紫外光を用いても良い。
また、例えば、真空紫外光として上記各光源から出力されるレーザ光に限らず、DFB半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム(Er)(又はエルビウムとイッテルビウム(Yb)の両方)がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。
また、上記実施形態では、露光装置の照明光ILとしては波長100nm以上の光に限らず、波長100nm未満の光を用いても良いことはいうまでもない。例えば、近年、70nm以下のパターンを露光するために、SORやプラズマレーザを光源として、軟X線領域(例えば5〜15nmの波長域)のEUV(Extreme Ultraviolet)光を発生させるとともに、その露光波長(例えば13.5nm)の下で設計されたオール反射縮小光学系、及び反射型マスクを用いたEUV露光装置の開発が行われている。この装置においては、円弧照明を用いてマスクとウエハを同期走査してスキャン露光する構成が考えられるので、かかる装置にも本発明を好適に適用できる。さらに、例えば国際公開第99/49504号パンフレット及び国際公開第2004/053955号パンフレットなどに開示される、投影光学系PLとウエハとの間に液体(例えば純水など)が満たされる液浸型露光装置にも本発明を適用することができる。この場合、投影光学系とウエハ(及び空間像計測装置のスリット板)の間に、水等の液体を満たす機能を装備する。液浸型の露光装置では、投影光学系の開口数NA(=結像光束の開き角の正弦×液体の屈折率)が1を超える場合があるため、必要に応じて、空間像計測装置についてもその一部を液体で満たす等により、1以上のNAの光束を受光可能な構成とすることが望ましい。また、本発明を液浸型の露光装置に適用する場合、そのウエハ側ワーキングディスタンスが短く、斜入射方式の焦点位置検出系を配置できない場合も生じうる。この場合、焦点位置検出系として、静電容量センサや水圧感知式の位置センサを使用することもできる。
なお、上記実施形態においては、空間像計測装置59の少なくとも一部は、ウエハWを載置するZチルトステージ38に設けられるものとしたが、空間像計測装置が配置される位置はこれに限られるものではない。
例えば、ウエハWを載置するZチルトステージ38及びウエハステージWSTとは別にウエハベース16上をXY方向に移動可能な計測用ステージを設け、この計測用ステージに、空間像計測装置の全部又は一部を設けることもできる。この場合には、空間像計測装置59を省くことによりウエハステージWSTを小型、軽量化でき、ウエハステージWSTの制御性を一層向上させることができるメリットがある。
計測用ステージは、ウエハステージWSTと同様にレーザ干渉計により位置計測され、その計測結果に基づいてX軸方向、Y軸方向に高精度に位置制御される。また、Z軸方向についても多点焦点位置検出系(60a,60b)の出力に基づいて高精度に位置制御される。従って、この場合においても、上記実施形態と同様に高精度に走査像面を計測可能であることに変わりはない。
なお、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み、光学調整をするとともに、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整(電気調整、動作確認等)をすることにより、上記実施形態の露光装置を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
なお、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子(CCDなど)、マイクロマシン、有機EL、DNAチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、EUV露光装置、X線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、DUV(遠紫外)光やVUV(真空紫外)光などを用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶などが用いられる。また、プロキシミティ方式のX線露光装置、又は電子線露光装置などでは透過型マスク(ステンシルマスク、メンブレンマスク)が用いられ、マスク基板としてはシリコンウエハなどが用いられる。
《デバイス製造方法》
図13には、デバイス(ICやLSI等の半導体チップ、液晶パネル、CCD、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等)の製造例のフローチャートが示されている。図13に示されるように、まず、ステップ501(設計ステップ)において、デバイスの機能・性能設計(例えば、半導体デバイスの回路設計等)を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップ502(マスク製作ステップ)において、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ503(ウエハ製造ステップ)において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
次に、ステップ504(ウエハ処理ステップ)において、ステップ501〜ステップ503で用意したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップ505(デバイス組立てステップ)において、ステップ504で処理されたウエハを用いてデバイス組立てを行う。このステップ505には、ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージング工程(チップ封入)等の工程が必要に応じて含まれる。
最後に、ステップ506(検査ステップ)において、ステップ505で作成されたデバイスの動作確認テスト、耐久テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。
図14には、半導体デバイスにおける、上記ステップ504の詳細なフロー例が示されている。図14において、ステップ511(酸化ステップ)においてはウエハの表面を酸化させる。ステップ512(CVDステップ)においてはウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ513(電極形成ステップ)においてはウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ514(イオン打ち込みステップ)においてはウエハにイオンを打ち込む。以上のステップ511〜ステップ514それぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
ウエハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップ515(レジスト形成ステップ)において、ウエハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップ516(露光ステップ)において、上で説明した露光装置及びその露光方法によってマスクの回路パターンをウエハに転写する。次に、ステップ517(現像ステップ)においては露光されたウエハを現像し、ステッ518(エッチングステップ)において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップ519(レジスト除去ステップ)において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
以上説明した本実施形態のデバイス製造方法を用いれば、露光工程(ステップ516)において上記実施形態の露光装置及びその露光方法が用いられるので、ウエハ上にレチクルのパターンを高精度に転写することができ、結果的に高集積度のマイクロデバイスの生産性(歩留まりを含む)を向上させることが可能となる。
本発明の像面計測方法は、所定の走査方向に移動可能なマスクステージ上に搭載されたマスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面を計測するのに適している。また、本発明の露光方法及び露光装置は物体上にパターンを転写するのに適している。また、本発明のデバイス製造方法は、マイクロデバイスの製造に適している。

Claims (30)

  1. 所定の走査方向に移動可能なマスクステージに搭載されたマスクパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面を計測する像面計測方法であって、
    少なくとも1つのマークを有するマーク領域が前記走査方向に沿って複数形成されたマスクを前記マスクステージに搭載し、前記マスクステージを前記走査方向に移させる移動工程と;
    前記マスクを照明する照明光に対して前記マスクが前記走査方向に移動した位置毎に、前記照明光で照明された前記マーク領域少なくとも1つのマークの空間像を前記投影光学系を介して形成し、該空間像を空間像計測装置を用いて計測する、空間像計測工程と;
    前記移動位置毎の前記マークの空間像の計測結果に基づいて、前記走査像面を算出する算出工程と;を含む像面計測方法。
  2. 請求項1に記載の像面計測方法において、
    前記空間像計測工程は、前記マークの前記空間像の前記投影光学系の光軸方向に関する位置情報を計測する工程と、前記マークの前記空間像の前記投影光学系の光軸に垂直な面内の方向に関する位置情報を計測する工程と、を含むことを特徴とする像面計測方法。
  3. 請求項1に記載の像面計測方法において、
    前記マスクには、前記マーク領域が、前記パターンが形成されたパターン領域を区画する矩形枠状の遮光帯の内部及び外部の少なくとも一方に、複数設けられていることを特徴とする像面計測方法。
  4. 請求項3に記載の像面計測方法において、
    前記マスクには、前記矩形枠状の遮光帯の前記走査方向に平行な一対の対向辺にそれぞれ沿って複数対の前記マーク領域が配置されていることを特徴とする像面計測方法。
  5. 請求項4に記載の像面計測方法において、
    前記マスクには、前記矩形枠状の遮光帯の残りの一対の対向辺のそれぞれの近傍に、前記マーク領域が少なくとも各1つ配置されていることを特徴とする像面計測方法。
  6. マスクが載置されたマスクステージと物体とを同期して照明光に対して移動し、前記マスクに形成されたパターンを前記物体上に転写する露光方法であって、
    請求項1〜5のいずれか一項に記載の像面計測方法により、前記マスクに形成されたパターンの像が投影光学系によって形成される走査像面を計測する工程と;
    前記パターンの転写時に、前記走査像面の計測結果に基づいて、前記走査像面と前記物体の表面とを近づけるように補正する工程と;を含む露光方法。
  7. 請求項6に記載の露光方法において、
    前記マスクには、前記マスク上の前記物体上に転写すべきパターン領域の周囲の前記パターン領域から所定距離以上離れた複数の位置に、前記マーク領域がそれぞれ設けられることを特徴とする露光方法。
  8. 請求項7に記載の露光方法において、
    前記パターン領域は、前記走査方向にほぼ平行な一対の第1の対向辺により規定されると共に、前記マーク領域が、前記一対の第1の対向辺の近傍で、かつ前記パターン領域から所定距離以上離れた複数の位置に、それぞれ設けられることを特徴とする露光方法。
  9. 請求項8に記載の露光方法において、
    前記パターン領域は、さらに前記走査方向にほぼ直交するする平行な一対の第2の対向辺により規定されると共に、前記マーク領域が、さらに前記第2の対向辺の近傍であって、前記パターン領域から所定距離以上離れた少なくとも1つの位置に、設けられることを特徴とする露光方法。
  10. 請求項7に記載の露光方法において、
    前記マスク上の、前記パターン領域と前記マーク領域との間の少なくとも一部に、遮光帯が設けられていることを特徴とする露光方法。
  11. 請求項6に記載の露光方法において、
    前記マーク領域は、前記パターン領域中の、前記走査方向に平行な、又は直交する所定の帯状領域上に形成されていることを特徴とする露光方法。
  12. 請求項6に記載の露光方法において、
    前記パターンを転写する前記物体の前記表面の位置及び形状の少なくとも一方を、前記転写時に、又は前記転写に先立って計測する物体位置計測工程を、さらに含む露光方法。
  13. 請求項6に記載の露光方法において、
    前記パターンの転写時に、前記走査像面の計測結果に基づいて、前記走査像面を既知の基準像面に近づけるように前記走査像面を補正する工程を、さらに含む露光方法。
  14. 請求項13に記載の露光方法において、
    前記基準像面は、平面であることを特徴とする露光方法。
  15. 請求項13に記載の露光方法において、
    前記基準像面は、前記マスクステージ上に存在する基準部材の基準面に形成された複数のマークの前記投影光学系による投影像の形成面であることを特徴とする露光方法。
  16. 請求項15に記載の露光方法において、
    前記補正する工程に先立って、前記マスクステージ上の前記基準部材を照明光で照明して、前記基準部材上の複数のマークの空間像を前記投影光学系を介して形成し、該空間像を空間像計測装置を用いて計測し、該計測結果に基づいて前記基準像面を算出する工程を、更に含む露光方法。
  17. 請求項13〜16のいずれか一項に記載の露光方法において、
    前記走査像面の計測結果と前記基準像面とに基づいて、前記補正する工程の処理を行うか否かを判定する工程を更に含む露光方法。
  18. 請求項6〜16のいずれか一項に記載の露光方法を用いて、物体上に前記パターンを転写するリソグラフィ工程を、含むデバイス製造方法。
  19. 請求項17に記載の露光方法を用いて、物体上に前記パターンを転写するリソグラフィ工程を、含むデバイス製造方法。
  20. マスクと物体とを所定の走査方向に同期移動し、前記マスクに形成されたパターンを前記物体上に転写する露光装置であって、
    少なくとも1つのマークを有するマーク領域が前記走査方向に沿って複数形成されたマスクを保持して少なくとも前記走査方向に移動可能なマスクステージと;
    前記マスクステージを照明光で照明する照明系と;
    前記マスクに形成されたパターンを投影する投影光学系と;
    前記投影光学系により形成される投影像を計測する空間像計測装置と;
    前記物体を保持して移動する物体ステージと;
    前記照明系からの照明光に対して前記マスクが前記走査方向に移した位置毎に、前記照明光で照明された前記マーク領域少なくとも1つのマークの空間像を前記投影光学系を介して形成し、該空間像を前記空間像計測装置を用いて計測する、計測制御装置と;
    前記移動位置毎の前記マークの空間像の計測結果に基づいて、前記マスクに形成されたパターンの像が前記投影光学系によって形成される走査像面を算出する算出装置と;を備える露光装置。
  21. 請求項20に記載の露光装置において、
    前記走査像面の算出は、前記マスクに形成された前記パターンの内部あるいは外部の少なくとも一方に設けられた複数かつ離散的なマークの空間像の前記計測制御装置による計測結果を、統計処理することにより行うことを特徴とする露光装置。
  22. 請求項20に記載の露光装置において、
    前記走査像面の前記算出結果に基づいて、前記走査像面と前記物体の表面とを近づけるように設定する物体位置設定機構を更に備える露光装置。
  23. 請求項20に記載の露光装置において、
    前記物体の表面の位置情報又は形状情報を計測する物体位置計測機構を更に備える露光装置。
  24. 請求項20に記載の露光装置において、
    前記計測制御装置は、前記マークの投影像の前記投影光学系の光軸方向に関する位置情報を計測する機構と、前記マークの投影像の前記光軸に垂直な面内方向に関する位置情報を計測する機構とを有すると共に、
    前記算出装置は、前記移動位置毎の前記マークの投影像の前記光軸方向に関する位置情報に基づいて像面を算出する機能と、前記移動位置毎の前記マークの投影像の前記光軸に垂直な面内方向に関する位置情報に基づいてディストーション分布を算出する機能と、を有することを特徴とする露光装置。
  25. 請求項20に記載の露光装置において、
    前記パターンの転写の際に、前記算出装置による前記走査像面の算出結果に基づいて、前記走査像面を既知の基準像面に近づけるように前記走査像面を補正する補正装置を更に備える露光装置。
  26. 請求項25に記載の露光装置において、
    前記基準像面は、平面であることを特徴とする露光装置。
  27. 請求項25に記載の露光装置において、
    前記基準像面は、前記マスクステージ上に存在する基準部材の基準面に形成された複数のマークの前記投影光学系による投影像の形成面であることを特徴とする露光装置。
  28. 請求項25〜27のいずれか一項に記載の露光装置において、
    前記計測制御装置は、前記補正装置による補正に先立って、前記マスクステージ上の前記基準部材を前記照明系からの前記照明光で照明して、前記複数のマークの空間像を前記投影光学系を介して形成し、該空間像を前記空間像計測装置を用いて計測し、
    前記算出装置は、前記計測結果に基づいて前記基準像面を算出することを特徴とする露光装置。
  29. 請求項25〜27のいずれか一項に記載の露光装置において、
    前記算出装置による前記走査像面の算出結果と前記基準像面とに基づいて、エラー状態が発生したか否かを判定し、エラー状態が発生していた場合、そのエラー状態の発生を外部に通知するとともに、装置の運転を停止する非常時警報装置を更に備える露光装置。
  30. 請求項20〜27のいずれか一項に記載の露光装置において、
    前記空間像計測装置の少なくとも一部が設けられるとともに、前記物体ステージとは異なる、移動可能なステージを更に備える露光装置。
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