JP5137526B2 - 形状測定装置、形状測定方法、および露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物の表面形状を測定する形状測定装置、被測定物の表面形状を測定する形状測定方法、およびその形状測定装置を有する露光装置に関する。

形状測定装置とその形状測定装置を有する露光装置の背景技術として、特に、面形状の測定精度が厳しい半導体露光装置の例を用いて説明する。

フォトリソグラフィー技術を用いて半導体素子または液晶表示素子を製造する際に、レチクルに描画された回路パターンを投影光学系によってウエハに投影して露光する投影露光装置が使用されている。

投影露光装置においては、半導体素子の高集積化に伴い、より高い解像力でレチクルの回路パターンをウエハに投影露光することが要求されている。投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、波長を短くすればするほど解像力は良くなる。このため、近年の光源は、波長の短いＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）になり、液浸露光の実用化検討も進んでいる。更に、露光領域の一層の拡大も要求されている。

これらの要求を達成するために、略正方形形状の露光領域をウエハに縮小して一括露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置（「ステッパー」とも呼ばれる。）から、スキャナーが主流になりつつある。スキャナーは、露光領域を矩形のスリット形状としてレチクルとウエハを相対的に高速走査し、大画面を精度よく露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置である。

スキャナーでは、ウエハの所定の位置が露光スリット領域に差し掛かる前に、光斜入射系の表面位置測定装置（フォーカス制御用センサ）で、そのウエハの所定の位置における表面位置を測定する。そして、ウエハのその所定の位置を露光する際に、ウエハ表面を最良結像面に合わせ込む補正を行っている。

特に、露光スリットの長手方向（即ち、走査方向と垂直方向）には、ウエハの表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく、表面の傾き（チルト）を測定するために、露光スリット領域に複数点の測定点を有している。かかるフォーカスおよびチルトの測定方法としては、光学式のセンサを使用する方法（特許文献１および特許文献２）や、ガスゲージセンサを使用する方法（特許文献３）や、静電容量センサを使用する方法などが提案されている。
特開平６−２６０３９１号公報 米国特許第６２４９３５１号明細書 特表２００６−５１４７４４号公報

しかし、近年では露光光の短波長化および投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなり、露光すべきウエハ表面を最良結像面に合わせ込む精度、所謂、フォーカス精度もますます厳しくなってきている。特に、ウエハ上のパターンの影響やウエハに塗布されたレジストの厚さむらに起因する表面位置測定装置の測定誤差が無視することができなくなってきている。

例えば、レジストの厚さむらによって、周辺回路パターンやスクライブライン近傍には、焦点深度と比べれば小さいものの、フォーカス測定にとっては大きな段差が発生している。このため、レジスト表面の傾斜角度が大きくなり、表面位置測定装置の検出する反射光が反射や屈折によって正反射角度からずれを生じてしまう。また、ウエハ上パターンの粗密の違いによって、パターンが密な領域と粗な領域とでは、反射率に差が生じてしまう。このように、表面位置測定装置が検出する反射光の反射角や反射強度が変化するため、かかる反射光を検出した検出波形に非対称性が発生して測定誤差を生じてしまうことになる。

図１８には、特許文献１の光学式センサの場合に、反射率に差のあるウエハＳＢ上に測定光ＭＭが照射されている模式図を示している。測定光は、角度Ａだけ反射率の境界線に対して傾いている場合を示しており、測定方向はα’方向になる。ここで反射光の強度分布に関して、β’方向の３つの断面、すなわち、ＡＡ’断面、ＢＢ’断面、ＣＣ’断面における反射光の強度分布を図１９に示す。同図のように、反射率が一様な領域である、ＡＡ’面とＣＣ’面においては、反射光の対称性は良いものの、反射率に分布のある領域ＢＢ’面は、非対称な反射光のプロファイルとなり、その重心がずれることにより、測定誤差を生じることになる。これにより、ウエハ表面を正確に測定できないので、大きなデフォーカスを生じてしまい。チップ不良を発生させてしまうことになる。

特許文献２記載の、斜めから基板に光を照射して、その干渉信号に基づいて基板の形状を測定する形状測定装置の構成図を図１５に示す。この形状測定装置は、光源１０１、レンズ１０３、ビームスプリッタ１０５、参照ミラー１３０、駆動機構３９７、回折格子型ビームコンバイナ１７０、レンズ１７１，１７３および撮像素子１９０を有する。光源１０１からの広帯域光（白色光）をレンズ１０３によりビームスプリッタ１０５へと導き、ビームスプリッタ１０５で参照光と測定光に分割する。参照光は参照ミラー１３０で反射され、測定光はサンプルとしてのウエハ３６０で反射され、それらの光が回折格子型ビームコンバイナ１７０で結合される。参照光と測定光は干渉し、その干渉光は、レンズ１７１およびレンズ１７３によって、撮像素子１９０上へと導かれる。

この形状測定装置においても、ウエハ３６０の回路パターンの影響で、形状を誤測定する課題がある。図１６、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）を用いて、この課題を詳細に説明する。

図１６は、図１５の形状測定装置で、駆動機構３９７により、ウエハ表面に垂直方向にウエハ３６０を移動した場合に得られる所謂「白色干渉信号」を示したものである。図１６のケース１の信号は、図１７（Ａ）のようにウエハ３６０上にパターンが無く、レジストのみ塗布された構造のウエハ３６０を測定した場合である。一方、ケース２の信号は、図１７（Ｂ）のようにウエハ３６０上にパターンがあり、その上にレジストが塗布された、より一般的な構造のウエハ３６０を測定した場合である。

図１６を見ると、ケース１の信号に比べて、ケース２の信号は、一部にウエハ３６０上のパターンの影響で、干渉信号に歪みが発生している。この干渉信号に歪みは、図１７（Ｂ）に示すように、図１５の形状測定装置がウエハ３６０の表面に対して斜めに光を照射して、その反射光を受光する方式であるために発生する。ウエハ３６０をウエハ３６０の表面に対して垂直に走査すると、ウエハ３６０上の測定光の照射位置がずれ、ウエハ３６０上の測定ポイントが変化する。そのために、ウエハ上の回路パターンの影響で反射光の強度が変化し、正確な干渉信号を得られない。図１７で示す光線は、レジスト表面を透過してウエハ表面で反射する光のみを図示している。図１６のケース２の場合は、反射率が部分的に高くなっており、白色干渉信号のピーク位置が変化している様子を示し、結局、ウエハの形状プロファイル測定値に誤差を発生させることになる。

また、特許文献３のようなガスゲージセンサを使用する場合、ガスに混入している微小なパーティクルをウエハ上に吹き付けてしまうという課題がある。更に、ＥＵＶ露光装置など真空中で動作する露光装置においては真空度を落とすため使用出来ないという課題もある。

そこで、本発明は、被測定物の表面の反射率分布の影響を低減して、高精度に表面形状を測定できる形状測定方法を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての形状測定方法は、被測定物の表面形状を測定する形状測定方法において、光源からの光を測定光と参照光とに分割し、前記測定光を前記被測定物の表面に斜めに入射させ、前記参照光を参照ミラーに入射させるステップと、前記被測定物で反射した前記測定光と前記参照ミラーで反射した前記参照光とを光電変換素子へ導くステップと、前記被測定物を移動して前記測定光と前記参照光との光路長差を変えながら、前記被測定物の表面上の同じ位置で反射した前記測定光と、前記参照光と、で形成される干渉光を前記光電変換素子で検知するステップと、前記干渉光を前記光源変換素子で検知して得られた干渉信号に基づいて、前記被測定物の表面形状を求めるステップと、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的またはその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされる。

本発明によれば、被測定物の表面の反射率分布の影響を低減して、高精度に表面形状を測定できる形状測定方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の第１の実施形態の形状測定装置２００の構成を示す概略図である。形状測定装置２００は、被測定物である基板６の表面形状、すなわちＸＹ面内の各点での高さ情報（Ｚ位置）を計測する。また、ＸＹ面内の所定領域の平均的な高さ、平均的な傾き情報（ωｘ、ωｙ）を計測する。更に、基板６上に複数の薄膜が形成されている場合は、最上面の薄膜表面、各薄膜の界面、あるいは、基板そのものの表面の高さ情報のいずれかを計測する。

形状測定装置２００は、送光光学系、ステージ系、受光光学系、データ処理系で構成される。

送光光学系は、光源１と、光源１で発生した光を集光するコンデンサーレンズ２と、基板６に平行光を照射させるためのピンホール３およびレンズ４と、光を分岐させるためのビームスプリッタ５ａを含む。光源１は、広帯域な波長幅の広帯域光を発するＬＥＤ（所謂白色ＬＥＤを含む）またはハロゲンランプである。ビームスプリッタ５ａは、光源１からの広帯域光を複数の光束に分割する。

ステージ系は、被測定物６を保持する基板チャックＣＫと、被測定物の位置を位置合わせする駆動機構とから構成される。駆動機構は、Ｚステージ８、Ｙステージ９、Ｘステージ１０を含む。

受光光学系は、ビームスプリッタ５ｂと、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１４と、基板６の表面を撮像素子（光電変換素子）１４に結像させるためのレンズ１１およびレンズ１３から構成される結像光学系と、開口絞り１２とから構成される。ビームスプリッタ５ｂは、参照ミラー７で反射した光と基板６で反射した光を合波させる。

データ処置系は、演算処理装置５０、データ保存用の記憶装置５１、測定結果、測定条件を表示する表示装置５２から構成される。

以下、詳細に各構成要素の機能ならびに好ましい実施形態について詳細に説明を行う。図１において、光源１を発した光は、コンデンサーレンズ２でピンホール３上に集光され、レンズ４で平行光になる。平行光に整形された光束は、基板６に入射角度θで基板６に入射する。その光路の途中には、ビームスプリッタ５ａが配置されているための、ほぼ半分の光量の光は、ビームスプリッタ５ａで反射し、参照ミラー７に、基板６と同じ入射角度θで入射する。

ここで、光源１の波長の帯域としては、４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長が好ましい。但し、波長帯域は、この範囲に限られず、１００ｎｍ以上の帯域が好ましい。但し、基板６上にレジストが塗布さている場合は、レジストの感光を防ぐ目的で、紫外線（３５０ｎｍ）以下の波長の光を、基板６上には照射しない方が好ましい。光の偏光状態は、無偏光または円偏光の状態にしている。入射角度θに関しては、基板への入射角度θが大きくなると、基板６上の薄膜表面からの反射率が、薄膜の裏面からの反射率に対して、相対的に強くなるので、薄膜表面の形状を測定する場合は、入射角度が大きいほど好ましい。一方、入射角度が９０度に近くなると、光学系の組立てが難しくなるため、７０度から８５度の入射角度が好ましい実施形態と言える。

ビームスプリッタ５ａとしては、金属膜や、誘電体多層膜など膜をスプリット膜としたキューブ型のブームスプリッタを使用することができる。１μｍ以上５μｍ以下の厚さの薄い膜（材質はＳｉＣやＳｉＮなど）で構成されるペリクル型ビームスプリッタをビームスプリッタ５ａとして使用することも出来る。

ビームスプリッタ５ａを透過した光は、基板６上に照射され、基板６で反射した後（基板６で反射した光を測定光と呼ぶことにする）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。一方、ビームスプリッタ５ａで反射した光は、参照ミラー７上に照射され、参照ミラー７で反射した後（参照ミラー７で反射した光を参照光と呼ぶ）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。参照ミラー７としては、面精度が１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下のアルミ平面ミラーや、同様の面精度を持つ、ガラス平面ミラーなどが使用できる。

基板６で反射した測定光と参照ミラー７で反射した参照光は、ビームスプリッタ５ｂで合成され、共に干渉光として撮像素子１４で検知される。ビームスプリッタ５ｂは、ビームスプリッタ５ａと同じものを使用することができる。光路の途中には、レンズ１１、１３および開口絞り１２が配置されており、以下の機能を担う。すなわち、レンズ１１とレンズ１３により、両側テレセントリックな結像光学系１６を成し、この結像光学系１６に関して、基板６と撮像素子１４の受光面がシャインプルーフの関係を成すように構成している。これにより、基板６の表面が、撮像素子の受光面に結像することになる。結像光学系１６の瞳位置に配置した開口絞り１２は、結像光学系１６の開口数（ＮＡ）を規定するために設けて有り、ＮＡとしてはｓｉｎ（０．５度）以上ｓｉｎ（５度）以下の非常に小さなＮＡに絞っている。撮像素子１４の受光面上では、測定光と参照光が重なり、光の干渉が生じて干渉光が形成される。

続いて、本実施形態の重要なポイントとなる干渉信号の取得方法について説明する。図１において、基板６は基板チャックＣＫで保持され、Ｚステージ８、Ｙステージ９、Ｘステージ１０上に設置されている。図６のような白色干渉信号を撮像素子１４で得るために、Ｚステージ８およびＹステージ９を駆動させる。この時、基板６での反射光の進む方向（入射角度θに等しい方向）に、ＺステージとＹステージを同時に駆動させるようにしている。すなわち、Ｚステージ駆動量ＺｓとＹステージ駆動量Ｙｓの関係が、常にＹｓ／Ｚｓ＝ｔａｎθの関係を保つように駆動させ、基板６上の反射点に対応する撮像素子１４の各画素の光強度を記憶装置５１に記憶するようにしている。なお、基板６の測定領域を変更させる場合には、Ｘステージまたは、Ｙステージを使用して、所望の領域が撮像素子１４の受光領域に位置するように位置合わせした後に、上述の測定を行うようにしている。なお、Ｘステージ、Ｙステージ、Ｚステージの位置を正確に制御するために、レーザー干渉計をＸ、Ｙ、Ｚ軸および、ωｘ、ωｙのチルト軸の５軸分設けて、そのレーザー干渉計の出力を元にクローズドループ制御を行えば、より形状測定の精度を上げることが出来る。特に、基板６を、複数領域に分けて測定し、基板６全体の形状測定を必要とする場合、レーザー干渉計を使った方が、より正確に形状データのつなぎ合わせ（ステッチィング）が出来るため、好ましい構成と言える。

続いて、撮像素子１４で取得され、記憶装置に記憶された白色干渉信号を信号処理して、基板６の形状を求める方法について説明する。撮像素子１４におけるある画素での白色干渉信号を図６に示す。

この白色干渉信号はインターフェログラムとも呼ばれている。横軸がＺステージおよびＹステージ駆動後のＺ軸測長干渉計による測定値、縦軸が撮像素子１４の出力である。なお、測長センサとしては、干渉計ではなく、静電容量センサを用いても良い。白色干渉信号の信号ピークの位置を算出し、それに対応したＺ軸測長干渉計による測定値がその画素での高さ測定値となる。撮像素子１４の全画素で高さを測定することで、基板６の三次元形状測定が可能となる。信号ピークの位置を算出するには、信号ピークの位置および、その前後の数点のデータを元に曲線（例えば２次関数）近似すると良い。そうすることで、図６の横軸であるＺ軸のサンプリングピッチＺｐの１／１０以上１／５０以下の分解能でピーク位置の算出が可能である。サンプリングピッチＺｐは、実際にＺｐの等ピッチでＺステージをステップ的に駆動させる（同時にＹステージもステップ的に駆動させる）方法でも良い。また、高速性を考えて、Ｚステージの速度をＺｓｐ、Ｙステージの駆動速度をＹｓｐとし、Ｙｓｐ／Ｚｓｐ＝ｔａｎθ（θは入射角度）の関係を保ちながら等速度で駆動することが好ましい。その際、撮像素子１４の取り込みタイミングに同期して、Ｚ軸測長干渉計の出力（Ｚ位置）を取り込む。

ピークの位置を測定する方法として、公知の技術であるＦＤＡ（参照：米国特許第５３９８１１３号明細書）を使用することも出来る。ＦＤＡ法では、フーリエスペクトルの位相勾配を用いてコントラストのピーク位置を求めている。

この様に白色干渉方式においては、その分解能と精度を決める鍵は，参照光と測定光の光路長差が０（ゼロ）となる位置をいかに正確に求めるかにある。そのため、ＦＤＡ法以外にも、位相シフト法やフーリエ変換法により白色干渉縞の包絡線を求めて縞コントラストの最大位置から光路差のゼロ点を求める方法や、位相クロス法等が提案されている。

この信号処理の演算を、演算処理装置５０により行い形状を求め、記憶装置５１にその形状データを保存し、形状データを表示装置５２で表示するようにしている。

続いて、本実施形態の効果を、図２を用いて説明する。図２は、図１の構成の一部を拡大表示したものである。図２において、Ｚ軸干渉計の基板６の表面に測定点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の３点があり、その測定点に対応する測定点の像Ａ、Ｂ、Ｃが撮像素子１４上にある様子を示している。また、ＺステージのＺ座標がＺ１にある場合から、Ｚ２の位置に駆動された場合の基板上の測定点Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の位置も合わせて図示している。このように、基板６で反射する方向に平行な方向にＺステージ、Ｙステージを駆動させることにより、基板上の測定ポイントと撮像素子１４上で測定ポイントの像の位置関係がずれないと特徴がある。この特徴により、Ｚステージ駆動した場合の基板上のパターン分布（すなわち、反射率分布）の影響を受けない測定が可能となる。

〔実施形態２〕
続いて、本発明の第２の実施形態としての形状測定装置２００について詳細に説明を行う。図３は、本発明の一側面としての形状測定装置２００の構成を示す概略図である。

本実施形態における形状測定装置２００は、送光光学系、ステージ系、受光光学系、データ処理系で構成される。送光光学系は、光源１と、コンデンサーレンズ２とを含む。さらに、送光光学系は、透過スリット板３０と、レンズ４およびレンズ２３から構成される結像光学系２４と、開口絞り２２と、ビームスプリッタ５ａを含む。

ステージ系は、被測定物としての基板６を保持する基板チャックＣＫと、Ｚステージ８、Ｙステージ９、Ｘステージ１０とから構成される。

受光光学系は、ビームスプリッタ５ｂと、撮像素子１４と、基板６の表面を撮像素子１４に結像させるためのレンズ１１とレンズ１３から構成される結像光学系と開口絞り１２とから構成される。

データ処置系は、演算処理装置５０、データ保存用の記憶装置５１、測定結果、測定条件を表示する表示装置５２から構成される。

以下、詳細に各構成要素の機能ならびに好ましい実施形態について詳細に説明を行う。図３において、光源１を発した光は、コンデンサーレンズ２で透過スリット板３０上に集光される。スリット板３０には、５０μｍのスリット幅でＸ軸方向に長さ７００μｍの矩形状の透過領域があり、結像光学系２４により基板６および参照ミラー７上に矩形上の像を結像させるようにしている。結像光学系２４を通った光の主光線は、基板６に入射角度θで基板６に入射する。その光路の途中には、ビームスプリッタ５ａが配置されているため、ほぼ半分の光量の光は、ビームスプリッタ５ａで反射し、参照ミラー７に、基板６と同じ入射角度θで入射する。

ビームスプリッタ５ａを透過した光は、基板６上に照射され、基板６で反射した後（基板６で反射した光を測定光と呼ぶことにする）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。一方、ビームスプリッタ５ａで反射した光は、参照ミラー７上に照射され、参照ミラー７で反射した後（参照ミラー７で反射した光を参照光と呼ぶ）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。ここで、光源１や、光の偏光状態、入射角度θ、ビームスプリッタ、参照ミラーなどは実施形態１と同様なので詳細な説明は省略する。

基板６で反射した測定光と参照ミラー７で反射した参照光は、ビームスプリッタ５ｂで合成され、共に撮像素子１４で受光される。ビームスプリッタ５ｂは、ビームスプリッタ５ａと同じものを使用することができる。光路の途中には、レンズ１１、１３および開口絞り１２が配置されており、以下の機能を担う。レンズ１１とレンズ１３により、両側テレセントリックな結像光学系１６を構成し、基板６の表面が、撮像素子の受光面に結像することになる。従って、本実施形態では、スリット板３０に形成されたスリットが、結像光学系２４により基板６および参照ミラー７上にスリット像３０ｉとして結像し、更に、結像光学系１６により、撮像素子１４の受光面に再結像する構成となっている。

結像光学系１６の瞳位置に配置した開口絞り１２は、結像光学系１６の開口数（ＮＡ）を規定するために設けて有り、ＮＡとしてはｓｉｎ（０．５度）以上ｓｉｎ（５度）以下の非常に小さなＮＡに絞っている。撮像素子１４の受光面上では、測定光と参照光が重なり、光の干渉が生じる。

以下、干渉信号の取得方法や、干渉信号の処理方法に関しては、実施形態１に記載の方法が、そのまま適用できるので説明は省略する。

さて、本実施形態では、第１の実施形態に比べて、スリット板３０のスリットの領域に光を集中させており、光強度密度が高く、Ｓ／Ｎの高い形状測定が可能となる。実施形態１に比べて、１回当りの測定領域が、スリット領域に限られるため狭いというデメリットがあるが、基板６上の測定ポイントが小面積で、かつ離散的に配置されている場合には、効果的である。基板６上の複数測定領域の形状を測定する場合には、先の実施形態と同様に、Ｘステージ、Ｙステージを駆動して、所定の領域に位置合わせした後に、干渉信号の取得、および処理を行うようにしている。

〔実施形態３〕
続いて、本発明の第３の実施形態の形状測定装置２００について説明を行う。図４は、本発明の一側面としての形状測定装置２００の構成を示す概略図である。

形状測定装置２００の装置構成は、実施形態２と同じなので、説明は省略する。先の２つの実施形態では、干渉信号取得時に、基板６での光の反射方向と平行な方向にＺステージ、Ｙステージを駆動する方法を示した。一方、本実施形態では、干渉信号取得時には、Ｚステージのみを駆動（すなわち、基板６の表面に対して垂直方法に駆動）する。

図５（Ａ）は、図４の装置構成図の部分拡大図である。基板６への入射角度がθで、仮に基板６上の測定点Ｐに着目した場合、ＺステージをＺ１駆動させた場合の測定点Ｐ（初期位置をＰ１とし、Ｚ駆動後をＰ２としている）からの反射光は、Ｚ１ｓｉｎθシフトすることになる。撮像素子１４の受光面上（初期位置における測定点Ｐ１の像位置をＰ１’とし、Ｚ駆動後の測定点Ｐ２の像位置をＰ２’としている）では、結像光学系１６の倍率Ｍを掛けたＭ・Ｚ１ｓｉｎθシフトする。このように、入射角度θと結像光学系の倍率Ｍを用いることにより、Ｚステージ駆動に伴って撮像素子１４上での測定ポイント像の軌跡を求めることができる。すなわち、Ｚステージ駆動Ｚ１に従い、白色干渉信号を生成する際に使用する画素を順次シフトさせることより、あたかも基板６の表面上の同一測定ポイントＰの白色干渉信号を取得することが出来ることになる。図７（Ｂ）は撮像素子１４の受光面内の様子を示したものである。図７（Ｂ）のように、撮像素子１４上には、参照光のスリット３０の像３０ｒと、測定光のスリット像３０ｍが概略重なった状態であり、スリット像３０ｍの中に測定点Ｐの像Ｐ’が存在する。測定点Ｐの像Ｐ’は図７（Ｂ）で示すように、基板６がＺ方向に移動することにより、スリット像３０ｍと同時にβ方向に移動する。一方、参照光のスリット３０の像３０ｒは不動である。

図７（Ａ）は、本実施形態で得られる白色干渉信号を示す図である。本実施形態では、図７（Ｂ）に示したような像Ｐ’が存在する複数の画素からの信号を、基板６のＺ方向への移動に同期させて順次取り込むことにより、図７（Ａ）のような白色干渉信号を取得している。具体的には、Ｚ軸のサンプリングピッチＺｐに対して、Ｍ・Ｚｐｓｉｎθだけβ方向にシフトした位置の画素の強度を順次取り込む。そうすることにより、被測定物である基板６の表面に対して斜めに測定光を入射させる構成でありながら、基板６上の同一ポイントからの白色干渉信号を所得することが出来る。本実施形態では、Ｚ軸のサンプリングピッチＺｐに伴う測定ポイントの撮像素子１４上での変位量を、撮像素子のβ方向の画素ピッチＧｐに合わせるような工夫をしている。すなわち、Ｇｐ＝｜Ｍ｜・Ｚｐｓｉｎθの関係を満たすように、画素ピッチＧｐ、結像光学系１６の結像倍率Ｍ、入射角度θ、Ｚ軸のサンプリングピッチＺｐを決定している。数値例で説明すると、画素ピッチＧｐ＝４μｍの撮像素子を使用し、入射角度θを８０度、結像光学系１６の結像倍率Ｍを−４０倍とし、Ｚ軸のサンプリングピッチＺｐ＝を１０２ｎｍとしている。先の実施形態でも説明したように、Ｚステージを等速度で駆動させ、撮像素子１４の画像取り込みのサンプリングに同期して、Ｚ軸測長干渉計の測定値を取り込む方が、スループット的に有利である。撮像素子１４の画像取り込みのサンプリングの周期を１０ｍｓｅｃとした場合、１０２ｎｍ／１０ｍｓｅｃ＝１０μｍ／ｓｅｃのスピードでＺステージを等速駆動しながら画像を取り込むことになる。更に、サンプリング毎に１画素β方向にシフトした画素の輝度（強度）をＺ軸測長干渉計読み値と対応づけて記憶装置に記憶させるようにしている。白色干渉信号の取得後の処理方法に関しては、実施形態１に記載の方法が、そのまま適用できるので説明は省略する。

更に、本実施形態においては、ステージの走査方向はＺ方向に限定されるものでは無く、Ｚ軸からφ傾いた方向に走査する構成でも良い。この構成例を図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照しながら説明する。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の基板６の部分の拡大図を示すものである。基板６から反射する方向をθとし（基板６の入射角に等しい）、Ｚステージ、Ｙステージを使用して、図５（Ｂ）で示す方向に、基板６を走査する場合を考える。仮に、基板６上の測定点Ｐに着目した場合、ＺステージをＺ１駆動させた場合の、基板６上における同じ測定点Ｐからの反射光は、初期の位置から、Ｚ１・ｓｉｎ（θ−φ）／ｃｏｓφシフトすることになる。撮像素子１４の受光面上では、結像光学系１６の倍率Ｍを掛けたＭ・Ｚ１・ｓｉｎ（θ−φ）／ｃｏｓφシフトする。このように、入射角度θと結像光学系の倍率Ｍと、走査方向φを用いることにより、Ｚステージ／Ｙステージの駆動に伴って移動する撮像素子１４上での測定ポイント像の軌跡を求めることができる。すなわち、Ｚステージ駆動Ｚ１に従い、白色干渉信号を生成する際に使用する画素を順次シフトさせることより、あたかも同一測定ポイントＰの白色干渉信号を取得することが出来ることになる。

〔実施形態４〕
図８は、本発明の第４の実施形態の形状測定装置を具備した露光装置のブロック図を示す図である。本実施形態の露光装置は、照明装置８００と、レチクル（マスク）３１を載置するレチクルステージＲＳと、投影光学系３２と、ウエハ６を載置するウエハステージＷＳと、フォーカス制御用センサ３３と、形状測定装置２００とを有する。また、ウエハステージＷＳ上には、基準プレート３９が配置されている。更に、フォーカス制御用センサ３３の演算処理部４００と、形状測定装置２００の演算処理部４１０とを有する。

形状測定装置２００は、第１から第３の実施形態のいずれかを用いることが出来る。なお、フォーカス制御用センサ３３と形状測定装置２００は、共に基板６の形状を測定する機能を有するが、以下の特徴を有する。フォーカス制御用センサ３３は、応答性が速いが、ウエハパターンによる騙されがあるセンサであり、形状計測装置２００と、応答性が遅いが、ウエハパターンによる騙されが少ないセンサである。

制御部１１００は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置８００、レチクルステージＲＳ、ウエハステージＷＳ、フォーカス制御用センサ３３、形状測定装置２００と電気的に接続され、露光装置の動作を制御する。制御部１１００は、本実施形態では、フォーカス制御用センサ３３がウエハ６の表面位置を検出する際の測定値の補正演算および制御も行う。１０００はＷＳステージ制御部であり、制御部１１００の指令を元に、ウエハステージＷＳの駆動プロファイルの制御を行う機能を有する。

照明装置８００は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル３１を照明し、光源部８００と、照明光学系８０１とを有する。

光源部８００は、例えば、レーザーを使用する。レーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用することができる。光源の種類は、エキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーや波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を使用してもよい。

照明光学系８０１は、光源部８００から射出した光束を用いて被照明面を照明する光学系であり、本実施形態では、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、レチクル３１を照明する。

レチクル３１は、原版であり、転写されるべき回路パターンが形成されており、レチクルステージＲＳに支持および駆動されている。レチクル３１から発せられた回折光は、投影光学系３２を通り、ウエハ６上に投影される。レチクル３１とウエハ６とは、光学的に共役の関係に配置される。レチクル３１とウエハ６を縮小倍率比の速度比で走査することによりレチクル３１のパターンをウエハ６上に転写する。なお、露光装置には、不図示の光斜入射系のレチクル検出手段が設けられており、レチクル３１は、レチクル検出手段によって位置が検出され、所定の位置に配置される。

レチクルステージＲＳは、図示しないレチクルチャックを介してレチクル３１を支持し、図示しない駆動機構に接続されている。駆動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向および各軸の回転方向にレチクルステージＲＳを駆動することでレチクル３１を移動させることができる。

投影光学系３２は、物体面からの光束を像面に結像する機能を有し、本実施形態では、レチクル３１に形成されたパターンをウエハ６上に結像する。投影光学系３２は、屈折系、反射屈折系、または反射系である。

ウエハ６には、感光剤としてのレジストが塗布されている。なお、本実施形態では、ウエハ６は、フォーカス制御用センサ３３および形状測定装置２００の被測定物でもある。本実施形態では、基板としてウエハ６を用いたが、ガラスプレートを用いることもできる。

ウエハステージＷＳは、図示しないウエハチャックによってウエハ６を支持する。ウエハステージＷＳは、レチクルステージＲＳと同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向および各軸の回転方向にウエハ６を移動させる。また、レチクルステージＲＳの位置とウエハステージＷＳの位置は、例えば、６軸のレーザー干渉計８１などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。

続いて、ウエハ６の表面位置（フォーカス）の測定点について説明する。本実施形態では、ウエハ６の全域に渡って、スキャン方向（Ｙ方向）にウエハステージＷＳをスキャンしながら、フォーカス制御用センサ３３でウエハ面形状と測定する。一方、スキャン方向と垂直な方向（Ｘ方向）には、ＷＳステージをΔＸだけステップして、続いて、スキャン方向にウエハの表面位置を測定する動作を繰り返し行うことにより、ウエハ６全面のプロファイル測定を行うようにしている。なお、高スループット化のためには、フォーカス制御用センサ３３を複数用いて、ウエハ６上の異なるポイントの面位置を同時に測定するようにしても良い。

このフォーカス制御用センサ３３は光学的な高さ測定システムを使用している。ウエハ表面に対して高入射角度で光束を入射させ、反射光の像ズレをＣＣＤなどの位置検出素子で検出する方法をとっている。特に、ウエハ上の複数の測定すべき点に光束を入射させ、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の高さ測定情報から露光すべき面のチルトを算出している。

以下に、フォーカスおよびチルト検出の詳細を説明する。はじめに、フォーカス制御用センサ３３の構成および動作について述べる。図９において、１０５は光源、１０６はコンデンサーレンズ、１０７は複数の長方形の透過スリットが並んだパターン板、１０８，１１１はレンズ、６がウエハ、１０４がウエハステージ、１０９，１１０はミラー、１１２はＣＣＤなどの受光素子である。なお、３２は不図示のレチクルをウエハ上に投影露光するための縮小投影レンズである。光源１０５から出射した光は、コンデンサーレンズ１０６により、集光され、パターン板１０７を照明する。パターン板１０７のスリットを透過した光はレンズ１０８、ミラー１０９を介してウエハ６上に所定角度で照射される。パターン板１０７とウエハ６はレンズ１０８に関して結像関係をなし、パターン板１０７のスリットの空中像がウエハ上に形成される。ウエハ６で反射した光は、ミラー１１０、レンズ１１１を介して、ＣＣＤ１１２で受光される。ウエハ６上結像されたスリット像は、レンズ１１１によりＣＣＤ１１２上に再結像され、１０７ｉのようなパターン板１０７の各スリットに対応したスリット像からなる信号が得られる。この信号のＣＣＤ上での位置ずれを検出することにより、ウエハ６のＺ方向の位置を測定するようにしている。ウエハ表面がＺ方向の位置ｗ１から、ｗ２の位置にｄＺ変化した場合のウエハ６上の光軸シフト量ｍ１は、入射角度をθｉｎとして、以下の式で表すことができる。
ｍ１＝２・ｄＺ・ｔａｎθｉｎ （１）
例えば、入射角θｉｎを８４度とすると、ｍ１＝１９×ｄＺとなり、ウエハの変位を１９倍に拡大された変位量になる。受光素子上での変位量は（１）式に、光学系の倍率（レンズ１１１によるの結像倍率）が掛け合わされる。

このようにして構成される本実施形態の露光装置を用いた露光方法について、詳細に説明する。図１１は本実施形態の露光装置を使用する場合の露光方法の全体のシーケンスを示すフォローチャートである。まず、ステップＳ１でウエハ６を装置に搬入し、ステップＳ１０で、このウエハに対して、フォーカス制御用センサ３３のフォーカス較正を行うかを判断する。ユーザーが予め、露光装置に登録しておいた「ロットの先頭ウエハか、複数ロットの先頭ロットのウエハか、フォーカス精度が厳しく求められる工程のウエハであるか」などの情報を元に自動的に判断するようにしている。ステップＳ１０でフォーカス較正が不要と判断されたウエハはステップＳ１０００に進み、通常の露光シーケンスが行われる。一方、ステップＳ１０で、フォーカス較正が必要と判断された場合、ステップＳ１００のフォーカス較正シーケンスに進む。

ステップＳ１００では、図１２に示すフローチャートが実施される。まず、ウエハステージＷＳを駆動させて、フォーカス制御用センサ３３の下の基準プレート３９が位置するように位置決めする。基準プレート３９は、オプティカルフラットと呼ばれる面精度の良いガラス板などが使用される。基準プレート３９の表面はフォーカス制御センサ３３の測定誤差が発生しないように、反射率分布のない均一な領域が設けられており、この領域を測定するようにしている。なお、露光装置の他のキャリブレーション用（例えばアライメント検出計用や、投影光学系の評価用）に必要な各種較正用マークを設けたプレートの一部を基準プレート３９として使用するようにしても良い。ステップＳ１０１で、フォーカス制御用センサ３３により基準プレート３９のＺ方向の位置を検出し、ステップ１０２でその測定値Ｏｍを装置上に格納する。次に、ステップＳ１０３で、ウエハステージＷＳを駆動させて、形状測定装置２００の下に基準プレート３９を位置決めする。その後、フォーカス制御用センサ３３の測定領域（ＸＹ面に関して）と同じ場所を形状測定装置２００にて形状測定する。ステップＳ１０４では、その形状測定データＰｍを装置上に格納する。ステップＳ１０５で第１のオフセット１を算出する。図１４に示すように、形状測定装置２００の測定値Ｐｍとフォーカス制御用センサ３３の測定値Ｏｍの差として、オフセット１を求める。このオフセット１は、基準プレート３９の光学的に均一な面を測定しているためフォーカス制御用センサ３３の測定誤差が発生しないため、本来ゼロになるべきものである。しかしながら、ＷＳの走査方向のシステム的なオフセットや、フォーカス制御用センサ３３または、形状測定装置２００の長期的なドリフトなどのエラー要因によって生じ得るものである。従って、定期的にオフセット１を取得する方が好ましいと言える。ただし、上記エラー要因が発生しない、あるは、別に管理出来る場合は、１度オフセット１を取得するだけで良い。これで、基準プレート３９を用いたフォーカス較正シーケンスＳ１００を終了する。

Ｓ１００に続いて、ウエハ６のフォーカス較正シーケンスＳ２００を行う。図１２のステップＳ２０１で、ウエハステージＷＳを駆動させて、フォーカス制御用センサ３３の測定位置にウエハ６が位置するように位置決めする。ウエハ６上の測定位置Ｗｐ（ウエハ面内）は、後述する露光シーケンスの測定位置と一致させて行うこととする。ステップＳ２０１で、フォーカス制御用センサ３３によりウエハ６上の測定位置ＷｐのＺ方向の位置を検出し、ステップ２０２でその測定値Ｏｗを装置上に格納する。次に、ステップＳ２０３では、ウエハステージＷＳを駆動させて、形状測定装置２００の下に位置決めした後、ウエハ６上の測定位置Ｗｐを形状測定装置２００にて形状測定する。ステップＳ２０４では、その形状測定データＰｗを装置上に格納する。なお、ウエハ６上の測定点であるＷｐは、ウエハ内１点、ショット内１点、ショット内全点、複数ショット内全点、ウエハ内全点などの各種モードから選択できるようになっている。

ステップＳ２０５では、第２のオフセット２を算出する。図１４に示すように、形状測定装置２００の測定値Ｐｗとフォーカス制御用センサ３３の測定値Ｏｗの差として、オフセット２を、ウエハ６上の測定点Ｗｐ毎に求める。
更にステップＳ２０６で、ウエハ上の測定ポイント毎に、オフセット２とオフセット１の差分を取りデータを装置に格納する。ウエハ６上の各測定ポイントにおけるオフセット量Ｏｐは、下記の式により求めることが出来る。
Ｏｐ（ｉ）＝［Ｏｗ（ｉ）−Ｐｗ（ｉ）］−（Ｏｍ−Ｐｍ） （２）
ここで、ｉはウエハ６上の測定位置を表すポイント番号である。

オフセット量Ｏｐとしては、露光ショット単位（ステッパーの場合は、ショット、スキャナーの場合は露光スリット単位）で、平均的高さオフセット（Ｚ）、平均傾きオフセット（ωｚ、ωｙ）を保存するようにしても良い。更には、ウエハ上の回路パターンは、ショット（ダイ）で繰り返されるので、ウエハ上の各ショットの平均値として、オフセット量Ｏｐを求めて保存するようにしても良い。

これで、ウエハ６のフォーカス較正シーケンスＳ２００を終了する。

続いて、較正シーケンスＳ１００、Ｓ２００が終了して行われる露光シーケンスＳ１０００の説明を行う。図１３は、露光シーケンスＳ１０００の詳細を示したものである。図１３において、ステップＳ１０１０で、ウエハアライメントを行う。ウエハアライメントは、アライメントスコープ（不図示）により、ウエハ上のマークの位置を検出して、露光装置に対して、ウエハのＸＹ平面の位置合わせを行うものである。その後ステップＳ１０１１で、フォーカス制御用センサ３３により、ウエハ６上の所定箇所の面位置を測定する。この所定箇所は、先のウエハ６の較正シーケンスで測定した箇所を含むものになっている。従って、（２）式に従ったオフセット量Ｏｐ（ｉ）で、測定値を補正してウエハ全面の形状が測定する。露光装置には、この補正後のウエハ面形状データが保存される。ステップＳ１０１２では、ウエハ６はウエハステージＷＳにより、フォーカス制御用センサ３３の下の位置から、投影レンズ３２の下の露光位置に第１露光ショットが位置するように移動される。同時に、露光装置の処理手段により、ウエハ６の面形状データを元に第１露光ショットの面形状データを作成し、露光像面に対するウエハ６表面のずれ量が最小になるように、Ｚ方向および傾き方向へのステージ駆動により補正する。このように、ほぼ露光スリット単位で露光像面合わせこむ動作を行う。ステップＳ１０１３では、露光およびウエハステージＷＳのＹ方向スキャンが行われる。こうして、第１ショットが露光終了するとステップＳ１０１４で未露光ショットの有無を判断する。未露光ショットが有る場合には、ステップＳ１０１２に戻り、次の露光ショットの面形状データを作成し、Ｚ方向および傾き方向へのステージ駆動により、露光スリット単位で露光像面合わせこむ動作を行いながら露光を行う。ステップＳ１０１４で、露光すべきショット（即ち、未露光ショット）がないかどうかを判断し、未露光ショットがなくなるまで、上述の動作を繰り返す。全ての露光ショットの露光が終了したら、ステップＳ１０１５でウエハ６を回収し、終了する。

本実施形態では、各ショットの露光直前に、露光ショットの面形状データを作成、露光像面からのずれ量を算出、ウエハステージの駆動量の算出を行っている。他の方法として、第１ショットの露光前に、全ての露光ショットに関して、面形状データを作成、露光像面からのずれ量を算出、ウエハステージの駆動量の算出を行うようにしても良い。

また、ウエハステージＷＳは、シングルステージに限らず、露光時に使用する露光ステージとウエハのアライメントや面形状を測定するための測定ステージの２つを持つ、所謂、ツインステージの構成としても良い。この場合、フォーカス制御用センサ３３および形状測定装置２００は、測定ステージ側に配置することになる。

半導体露光装置の測定・加工対象であるウエハ上には、複雑な回路パターンやスクライブラインなどが存在するので、反射率分布やローカルチルトなどの発生率が高い。そのため、反射率分布やローカルチルトによる測定誤差を低減できる本実施形態の効果は大きい。ウエハ表面の面位置が正確に測定できるようになると、最適露光面とウエハ表面のフォーカス合わせの精度が向上することになり、半導体素子の性能向上や、製造歩止まりの向上にも繋がるという効果もある。

〔実施形態５〕
続いて、本発明の第５の実施形態を説明する。図２０は、第５の実施形態の露光装置を示す図である。

図２０に示すように、本実施形態の露光装置は、照明装置８００と、照明光学系８０１と、レチクルステージＲＳと、投影光学系３２と、ウエハステージＷＳと、基準プレート３９と、形状測定装置２００とその演算処理部４１０とを有する。レチクルステージＲＳは、レチクルを載置する。ウエハステージＷＳは、ウエハ６を載置する。基準プレート３９は、ウエハステージＷＳ上に配置されている。

形状測定装置２００は、第１の実施形態、または、第２の実施形態のいずれかを用いることが出来る。なお、先の実施形態では、フォーカス制御用センサ３３を別途設けて、形状測定装置２００をフォーカス制御用センサ３３の較正用センサとしての使用方法を説明した。一方、本実施形態では、フォーカス制御用センサ３３を省き、形状測定装置２００で基板６の表面位置を計測する構成としている点が特徴である。制御部１１００は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置８００、レチクルステージＲＳ、ウエハステージＷＳ、フォーカス較正用装置２００と電気的に接続され、露光装置の動作を制御する。特に、１０００はＷＳステージ制御部であり、制御部１１００の指令を元に、ウエハステージＷＳの駆動プロファイルの制御を行う機能を有する。装置の構成および各機能の働きは、フォーカス制御用センサ３３が無いということ以外は、第４の実施形態とほぼ同等なので、説明は省略し、形状測定装置２００を用いたフォーカス測定方法について、詳細に説明する。

形状測定装置２００を使用して、ウエハ６のレジスト表面位置を測定する方法について、図２１を用いて説明する。図２１は、ウエハステージＷＳによるウエハ６の駆動プロファイルと形状測定装置２００の干渉縞取り込みタイミングの関係を示した図である。

図２１では、横軸にＹステージの位置を示し、縦軸に、Ｚステージ位置を示している。なお、Ｙステージは、基板６をＹ方向、すなわち形状測定装置２００の測定光の入射面および反射面（基板６の表面）に平行な方向に移動する。Ｚステージは、基板６をＺ方向、すなわち基板６の表面に垂直な方向に移動する。ここで、入射面とは、反射面と垂直の関係にあり入射光線と反射光線を含む面のことである。

Ｙステージは等速で駆動させ、Ｚステージは、所定の範囲を周期的に駆動させる。この時、Ｚステージを、図２１中に示すように、等速で駆動させる範囲を設けている。Ｙステージ速度ＶｙとＺステージ速度Ｖｚの関係を、θを形状測定装置２００のウエハ６への入射角度として、Ｖｙ／Ｖｚ＝ｔａｎθの相対速度比になるように設定している。更に、このＺステージが等速で駆動しているタイミングで、形状測定装置２００は、白色干渉信号を取得するようにしている。すなわち、制御部１１００が、ステージ制御部１０００による駆動プロファイル情報に基づいて、演算処理部４１０の光信号を取り込むタイミングを、基板６の駆動方向と基板６での反射方向とが一致するタイミングと一致させるようにしている。駆動プロファイル情報は、レーザー干渉計８１により、正確に管理され、レーザー干渉計８１の情報から、干渉信号を取り込む際の基板６の位置情報も正確に管理する事が出来る。なお、図２０では、簡単のため、Ｙ軸測長干渉計として図示しているが、その他に、Ｘ軸、Ｚ軸、ωｘ、ωｙ、ωｚの合計６軸の測長干渉計を有する構成としている。

さて、Ｖｙ／Ｖｚ＝ｔａｎθの相対速度比で走査している範囲においては、図２２に示すように、形状測定装置２００がウエハ６に入射した光の反射光と、ウエハ走査方向が一致する。したがって、前述した通り、ウエハ６上の同じ点で反射した光を使用して白色干渉信号を取得できるので、ウエハ６上の回路パターンによる反射率分布を受けずに、精度良くウエハの表面位置を計測することが出来る。

続いて、図２１に戻り、形状測定装置２００を使用して計測出来るＹ方向の計測ピッチについて説明する。

Ｙ方向には等速で駆動し、Ｚ方向には周期駆動をしているので、１周期毎に、Ｙステージ速度ＶｙとＺステージ速度Ｖｚの関係が、Ｖｙ／Ｖｚ＝ｔａｎθを満たすことになる。この１周期に相当する時間に、ウエハ６がＹ方向に移動した距離がＹ方向の計測ピッチとなる。

以下、具体的な数値例を挙げて説明する。形状測定装置２００のウエハ６への入射角度θを７５度とし、Ｚステージの等速時の速度をＶｚ＝１０ｍｍ／ｓｅｃとすると、Ｙステージの速度は、Ｖｙ＝１０×ｔａｎ７５度＝３７．３ｍｍ／ｓｅｃとなる。Ｚステージの周期を５０ｍｓｅｃとし場合、Ｙ方向の計測ピッチは、３７．３ｍｍ／ｓｅｃ×５０ｍｓｅｃ＝１．９ｍｍと計算される。

次に、この条件における干渉信号について説明する。ウエハの高さ位置をＺｗとし、入射角度をθとした場合、光の光路長変化は、２Ｚｗ×ｃｏｓθと表すことができる。これを用いて、白色干渉信号のＺ軸に関数する基本周期Ｚｐは、形状測定装置２００に使用する広帯域光源の中心波長λｃを用いて、Ｚｐ＝λｃ／（２ｃｏｓθ）と近似できる。ここで、λｃ＝６００ｎｍとすると、Ｚｐ＝１．１６μｍと計算される。さて、干渉信号の取り込み時間を１ｍｓｅｃとすると、Ｚ方向に１０μｍ移動した範囲の干渉信号が取得できる。干渉信号の基本周期Ｚｐが１．１６μｍなので８本程の干渉縞が所得できる。更に、形状測定装置２００に使用する光電変換素子として、フォトダイオードまたは、フォトダイオードアレイを使用すれば、応答速度が速いため、０．０１ｍｓｅｃ程度のサンプリング時間で干渉信号の強度を計測できる。これをＺ方向に換算すると、０．０１ｍｓｅｃ×１０ｍｍ／ｓｅｃ＝１００ｎｍとなる。すなわち、干渉縞の本数が８本あるので、白色干渉信号と十分に認識できると共に、そのＺ方向のサンプリングピッチは、１００ｎｍとなる。前述の実施形態でも説明したように、信号処理を実施することでにより、干渉信号のピーク位置をＺ方向のサンプリングピッチ１００ｎｍの１／５０すなわち、２ｎｍ程度の分解能で計測出来ることになる。ピーク位置の検出を２ｎｍの分解能で測定可能なので、形状計測の分解能も２ｎｍを達成出来る。

続いて、図２４を用いて、ウエハ６上の高さ方向の計測点とウエハステージＷＳのＸＹ方向の駆動方法について説明する。図２４では、形状測定装置２００と、その測定箇所と、ウエハステージＷＳのＸＹ方向への駆動パターンの関係を示したものである。図２４では、仮にウエハ６上のＡ点から計測が始まり、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点を経由し、現在Ｆ点の計測を行っている様子を示している。図２４のＹ方向の計測ピッチは、先の数値例では１．９ｍｍである。さて、Ａ点を形状測定装置２００で測定後、Ｙステージにそのまま等速度ＶｙでＹプラス方向に走査し、ウエハ６の下部エッジ付近のＢ点まで、順次測定する。ウエハのエッジを通過すると、図２４で示すように、Ｘ方向にステップすると同時に、Ｙステージを減速、Ｙマイナス方向に加速する。エッジ付近の測定点Ｃ点が、形状測定装置２００の測定位置に来るまでに、加速を終了し、Ｙマイナス方向に等速度Ｖｙで駆動させるようにする。Ｃ点からウエハ６上部のエッジ付近の測定点であるＤ点まで測定が終わると、同様にＸにステップして、次の測定点であるＥ点に到達するまでに、Ｙプラス方向に等速度Ｖｙで駆動させるようにする。なお、Ｙステージがプラス方向、マイナス方向に等速（Ｖｙ）駆動している際、Ｚステージの速度ＶＺも同様に、Ｖｙ／Ｖｚ＝ｔａｎθを満たすように、それぞれ、プラス方向、マイナス方向に駆動させる必要がある。

この動作をウエハ全面に対して繰り返すことで、ウエハ６上全面の高さ情報が、Ｘ、Ｙに関して所定ピッチで得られることになる。

以上の説明のようにウエハ６の高さ情報を得た後、そのウエハ形状を元に、図２０の投影レンズ３２の最良結像面にウエハ６の高さが位置するように位置決めしながら、露光を行う。具体的には、一回に露光できるエリア（ステッパー：約２２ｍｍ□、スキャナー：露光スリット幅の８ｍｍ×２５ｍｍ程度）、の領域で、形状測定装置２００で測定された高さ情報を元に、近似平面を最小二乗法で算出する。その後、その近似平面が投影レンズ３２の最適像面に一致するようにＺ、チルト方向（ωｘ，ωｙ）に位置決めしながら露光する。

なお、露光時のステージ走査速度は、ウエハ６の形状計測時の走査速度に合わせる必要は無く、可能な限り走査速度を早くすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態の形状計測装置によれば、Ｙ方向、Ｚ方向に走査しながら、基板６の形状計測が可能となる。したがって、各測定ポイント毎にＸＹＺの位置決めを行って、Ｙ方向、Ｚ方向に走査する方法に比べて、スループットが格段に向上するという効果がある。

〔実施形態６〕
続いて、本発明の第６の実施形態を説明する。本実施形態は、実施形態５の改良であり、実施形態５の形状測定装置である干渉計２００Ａ（図２２）と、その形状測定装置の測定光の入射方向を逆向きにした干渉計２００Ｂ（図２３）の２つで、形状測定装置を構成している点が特徴である。すなわち、図２６に示すように、干渉計２００Ａと干渉計２００ＢをＸ方向に交互に並べて配置している。干渉計２００Ａおよび２００Ｂは、第１の実施形態、または、第２の実施形態のいずれかを用いることが出来る。

以下、図２５を用いて、実施形態である形状測定装置の測定方法を説明する。図２５は、ウエハステージＷＳによるウエハ６の駆動プロファイルと干渉計２００Ａおよび干渉計Ｂの干渉縞取り込みタイミングの関係を示した図である。図２５では、横軸にＹステージの位置を示し、縦軸に、Ｚステージ位置を示している。Ｙステージは等速で駆動させ、Ｚステージは、所定の範囲を周期的に駆動させる。この時、Ｚステージを、図中に示すように、等速で駆動させる範囲を設けている。Ｙステージ速度ＶｙとＺステージ速度Ｖｚの関係を、θを形状測定装置２００のウエハ６への入射角度として、Ｖｙ／Ｖｚ＝ｔａｎθの相対速度比になるように設定している。更に、このＺステージが等速で駆動しているタイミングで、干渉計２００Ａと干渉計２００Ｂは、白色干渉信号を取得するようにしている。加えて、干渉計２００Ａと干渉計２００Ｂは、ウエハ６での反射方向とステージ走査方向が一致する際に白色干渉信号を取得するようにしている。すなわち、干渉計２００Ａは、Ｙステージがプラス方向でＺステージがプラス方向に等速駆動している時に、干渉信号を取得する。一方、干渉計２００Ｂは、Ｙステージがプラス方向でＺステージがマイナス方向に等速駆動している時に、干渉信号を取得する。また、Ｙステージがマイナス方向でＺステージがマイナス方向に等速駆動している時に、干渉計２００Ａで干渉信号を取得する。Ｙステージがマイナス方向でＺステージがプラス方向に等速駆動している時に、干渉計２００Ｂで、干渉信号を取得する。

さて、このように測定光の入射方向が逆の干渉計を合わせて使用することにより、図２５で示すように、Ｙ方向の計測ピッチを細かくすることが出来る。図２７は、図２６のように干渉計Ａと干渉計Ｂを組み合わせた構成の場合の、ウエハ６上の測定点を示す図である。このように、実施形態５に比べて、半分のＹ方向サンプリングピッチで、ウエハ６面上の高さ情報を細かく測定できることになる。

なお、ウエハ６面上全体の測定方法は、先の実施形態と同じなので説明は省略する。また、実施形態５のように、露光装置のフォーカス検出系として、本実施形態の形状測定装置として用いることも出来る。
更に、図２６に示した干渉計Ａと干渉計Ｂの組合せは、一例であり、他の配列であっても良いし、Ｙ方向に複数の干渉計を配置すれば、更に細かいＹ方向の測定ピッチで、基板６の形状を得ることが出来る。

〔実施形態７〕
続いて、本発明の第７の実施形態の形状計測装置について、図２８を用いて説明する。形状測定装置２００は、測定対象物である基板６の表面のＺ方向位置を検出する装置であり、以下の部材を有する。

すなわち、まず、光源１Ａ、１Ｂと、コンデンサーレンズ２Ａ，２Ｂと、透過スリット板３０Ａ、３０Ｂと、結像光学系２４Ａと、結像光学系２４Ｂと、光を分割・合成させるためのビームスプリッタ５ａ、５ｂと、を有する。光源１Ａ、１Ｂとしては、広帯域な波長幅の光を発するＬＥＤ（所謂白色ＬＥＤを含む）または、ハロゲンランプを使用する。

そして、測定対象物６を保持する基板チャックＣＫと測定対象物の位置を位置合わせするＺステージ８、Ｙステージ９、Ｘステージ１０と、参照ミラー７と、検出器１４Ａ，１４Ｂと、を有する。検出器１４Ａ，１４Ｂは、光電変換素子であり、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子、または、フォトダイオードを使用することができる。

更に、基板６の表面を検出器１４Ａに結像させるためのレンズ２９Ａとレンズ１３Ａで構成される結像光学系２９Ａと、検出器１４Ｂに結像させるためのレンズ２３とレンズ１３Ｂから構成される結像光学系２９Ｂとを有する。

以下、詳細に各構成要素の機能ならびに好ましい実施形態について詳細に説明を行う。図２８において、光源１Ａを発した光は、コンデンサーレンズ２Ａで透過スリット板３０Ａ上に集光される。スリット板３０Ａには、５０μｍのスリット幅で長さ７００μｍ（Ｘ軸方向）の矩形状の透過領域があり、結像光学系２４Ａにより基板６および参照ミラー７上に矩形上の像を結像させるようにしている。結像光学系２４Ａを通った光の主光線は、基板６に入射角度θで基板６に入射する。その光路の途中には、ビームスプリッタ５ａが配置されているため、ほぼ半分の光量の光は、ビームスプリッタ５ａで反射し、参照ミラー７に、基板６と同じ入射角度θで入射する。

ビームスプリッタ５ａを透過した光は、基板６上に照射され、基板６で反射した後（基板６で反射した光を測定光と呼ぶことにする）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。一方、ビームスプリッタ５ａで反射した光は、参照ミラー７上に照射され、参照ミラー７で反射した後（参照ミラー７で反射した光を参照光と呼ぶ）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。ここで、光源１Ａ，１Ｂや、光の偏光状態、入射角度θ、ビームスプリッタ、参照ミラーなどは実施形態１と同様なので詳細な説明は省略する。

基板６で反射した測定光と参照ミラー７で反射した参照光は、ビームスプリッタ５ｂで合成され、ビームスプリッタ２７Ａで反射し、共に撮像素子１４Ａで受光される。この時、本実施形態では、スリット板３０Ａが、結像光学系２４Ａにより基板６および参照ミラー７上に結像し、更に、結像光学系２９Ａにより、撮像素子１４Ａの受光面に再結像する構成となっている。

結像光学系２９Ａの瞳位置付近に配置した不図示の開口絞りにより、結像光学系２９Ａの開口数（ＮＡ）をｓｉｎ（０．５度）からｓｉｎ（５度）程度の非常に小さなＮＡに絞っている。撮像素子１４Ａの受光面上では、測定光と参照光が重なり、光の干渉が生じる。以上が、図２８の左側から入射させた光を用いた干渉計の構成の説明である。

一方、図２８の右側から入射させた光を用いた干渉計の構成について説明する。図２７において、光源１Ｂを発した光は、コンデンサーレンズ２Ｂで透過スリット板３０Ｂ上に集光される。スリット板３０Ｂには、５０μｍのスリット幅で長さ７００μｍ（Ｘ軸方向）の矩形状の透過領域があり、結像光学系２４Ｂにより基板６および参照ミラー７上に矩形上の像を結像させるようにしている。結像光学系２４Ｂを通った光の主光線は、基板６に入射角度θで基板６に入射する。その光路の途中には、ビームスプリッタ５ｂが配置されているため、ほぼ半分の光量の光は、ビームスプリッタ５ｂで反射し、参照ミラー７に、基板６と同じ入射角度θで入射する。

ビームスプリッタ５ｂを透過した光は、基板６上に照射され、基板６で反射した後（基板６で反射した光を測定光と呼ぶことにする）、ビームスプリッタ５ａに入射する。一方、ビームスプリッタ５ｂで反射した光は、参照ミラー７上に照射され、参照ミラー７で反射した後（参照ミラー７で反射した光を参照光と呼ぶ）、ビームスプリッタ５ａに入射する。ここで、光源１や、光の偏光状態、入射角度θ、ビームスプリッタ、参照ミラーなどは実施形態１と同様なので詳細な説明は省略する。

基板６で反射した測定光と参照ミラー７で反射した参照光は、ビームスプリッタ５ａで合成され、ビームスプリッタ２７Ｂで反射し、共に撮像素子１４Ｂで受光される。この時、スリット板３０Ｂが、結像光学系２４Ｂにより基板６および参照ミラー７上に結像し、更に、結像光学系２９Ｂにより、撮像素子１４Ｂの受光面に再結像する構成となっている。

結像光学系２９Ｂの瞳位置付近に配置した不図示の開口絞りにより、結像光学系２９Ｂの開口数（ＮＡ）をｓｉｎ（０．５度）以上ｓｉｎ（５度）以下の非常に小さなＮＡに絞っている。撮像素子１４Ｂの受光面上では、測定光と参照光が重なり、光の干渉が生じる。

以下、干渉信号の取得方法や、白色干渉信号の処理方法に関しては、左側入射の干渉計Ａと右側入射の干渉計Ｂ別に、実施形態５に記載の方法がそのまま適用できるので説明は省略する。

さて、本実施形態で示した面形状計測装置は、実施形態６の干渉計Ａと干渉計Ｂを組み合わせた構成となっている。すなわち、実施形態６の干渉計Ａと干渉計ＢがＸ方向にシフトした点を計測していたのに対し、Ｘ方向の同じ位置を計測することが可能である。更に、部材の一部を共有できるので、装置のコンパクト化やコスト的な効果もある構成例である。

なお、基板６がウエハである場合におけるウエハ面上全体の測定方法は、実施形態５と同じなので説明は省略する。また、実施形態５や実施形態６のように、露光装置のフォーカス検出系として、本実施形態の形状測定装置を用いることも出来る。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

本発明の第１の実施形態としての形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態としての形状測定の検出原理を説明する図である。 本発明の第２の実施形態としての形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態としての形状測定装置の構成を示す図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施形態としての形状測定装置の部分拡大図である。（Ｂ）は本発明の第３の実施形態の変形例としての形状測定装置の部分拡大図である。 本発明の第１の実施形態および第２の実施形態で得られる干渉信号を示す図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施形態で得られる干渉信号を示す図である。（Ｂ）は撮像素子の受光面の様子を示した図である。 本発明の第４の実施形態としての露光装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態における表面位置測定装置（フォーカス制御用センサ）の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態における較正方法を説明する図である。 本発明の第４の実施形態における露光シーケンスのフローチャート図である。 本発明の第４の実施形態における較正方法のフローチャート図である。 本発明の第４の実施形態における露光方法のフローチャート図である。 本発明の第４の実施形態における較正方法を説明する図である。 従来の形状測定装置の構成を示す図である。 従来の形状測定装置の課題を説明するための図である。 （Ａ）は従来の形状測定装置のウエハ上にパターンが無い場合（ケース１）の測定位置を示す図である。（Ｂ）は従来の形状測定装置の測定位置を示す図である。 従来の表面位置測定装置の課題を説明するための図である。 従来の表面位置測定装置で測定される信号プロファイルの例を示す図である。 本発明の第５の実施形態として露光装置の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態での、ステージ駆動プロファイルと干渉信号の取り込みの関係を示す図である。 本発明の第５の実施形態での、形状測定装置とステージ走査方向を示す図である。 形状測定装置の光の入射方向を逆にした場合のステージの走査方向を示す図である。 図２２の第５の実施形態での、ＸＹステージ駆動方法と測定点の関係を示す図である。 本発明の第６の実施形態での、ステージ駆動プロファイルと干渉信号の取り込みの関係を示す図である。 本発明の第６の実施形態での、形状計測装置の配置を説明する図である。 本発明の第６の実施形態での、計測点を説明する図である。 本発明の第７の実施形態としての形状計測装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ コンデンサーレンズ
３ ピンホール
４、１１、１３ レンズ
５ａ、５ｂ ビームスプリッタ
６ 基板（被測定物）
７ 参照ミラー
８ Ｚステージ（駆動機構）
９ Ｙステージ（駆動機構）
１０ Ｘステージ（駆動機構）
１２ 開口絞り
１４ 撮像素子（光電変換素子）
５０ 演算処理装置
５１ 保存装置
５２ 表示装置
２００ 形状測定装置
ＣＫ チャック

Claims (10)

1. 被測定物の表面形状を測定する形状測定方法において、
   光源からの光を測定光と参照光とに分割し、前記測定光を前記被測定物の表面に斜めに入射させ、前記参照光を参照ミラーに入射させるステップと、
   前記被測定物で反射した前記測定光と前記参照ミラーで反射した前記参照光とを光電変換素子へ導くステップと、
   前記被測定物を移動して前記測定光と前記参照光との光路長差を変えながら、前記被測定物の表面上の同じ位置で反射した前記測定光と、前記参照光と、で形成される干渉光を前記光電変換素子で検知するステップと、
   前記干渉光を前記光源変換素子で検知して得られた干渉信号に基づいて、前記被測定物の表面形状を求めるステップと、を有することを特徴とする形状測定方法。
2. 被測定物の表面形状を測定する形状測定方法において、
   光源からの光を測定光と参照光とに分割し、前記測定光を前記被測定物の表面に斜めに入射させ、前記参照光を参照ミラーに入射させるステップと、
   前記被測定物で反射した前記測定光と前記参照ミラーで反射した前記参照光とを光電変換素子へ導くステップと、
   前記被測定物を前記測定光が反射する方向に移動して前記測定光と前記参照光との光路長差を変えながら、前記測定光と前記参照光とで形成される干渉光を前記光電変換素子で検知する検知ステップと、
   前記干渉光を前記光源変換素子で検知して得られた干渉信号に基づいて、前記被測定物の表面形状を求めるステップと、を有する
   ことを特徴とする形状測定方法。
3. 前記被測定物を、前記測定光の入射面および前記被測定物の表面に平行な方向における移動速度が等速となるように移動しながら、前記被測定物の表面と垂直な方向における移動速度が等速となる期間が繰り返し含むように移動するステップを有し、
   前記期間において、前記測定光が反射する方向と平行な方向に前記被測定物が移動するように、前記平行な方向における移動速度と前記垂直な方向における移動速度とを設定し、
   前記検知ステップにおいて、前記期間に、前記被測定物を前記測定光が反射する方向に移動して前記光路長差を変えながら、前記干渉光を前記光電変換素子で検知することを特徴とする請求項２記載の形状測定方法。
4. 前記干渉信号は、前記光電変換素子のその干渉信号を取得するための画素を前記被測定物の移動に同期させて変更することにより取得されることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
5. 被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、
   光源からの光を測定光と参照光とに分割し、前記測定光を前記被測定物の表面に斜めに入射させ、前記参照光を参照ミラーに入射させる送光光学系と、
   前記被測定物で反射した前記測定光と前記参照ミラーで反射した前記参照光とを光電変換素子へ導く受光光学系と、を備え、前記被測定物を移動して前記測定光と前記参照光との光路長差を変えながら、前記被測定物の表面上の同じ位置で反射した前記測定光と前記参照光とで形成される干渉光を前記光源変換素子で検知し、
   前記干渉光を前記光源変換素子で検知して得られた干渉信号に基づいて、前記被測定物の表面形状を求めることを特徴とする形状測定装置。
6. 被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、
   光源からの光を測定光と参照光とに分割し、前記測定光を前記被測定物の表面に斜めに入射させ、前記参照光を参照ミラーに入射させる送光光学系と、
   前記被測定物で反射した前記測定光と前記参照ミラーで反射した前記参照光とを光電変換素子へ導く受光光学系と、を備え、前記被測定物を前記測定光が反射する方向に移動して前記測定光と前記参照光との光路長差を変えながら、前記測定光と前記参照光とで形成される干渉光を前記光源変換素子で検知し、
   前記干渉光を前記光源変換素子で検知して得られた干渉信号に基づいて、前記被測定物の表面形状を求めることを特徴とする形状測定装置。
7. 前記被測定物を、前記測定光の入射面および前記被測定物の表面に平行な方向における移動速度が等速となるように移動しながら、前記被測定物の表面と垂直な方向における移動速度が等速となる期間が繰り返し含むように移動し、
   前記期間において、前記測定光が反射する方向と平行な方向に前記被測定物が移動するように、前記平行な方向における移動速度と前記垂直な方向における移動速度とを設定し、
   前記期間に、前記被測定物を前記測定光が反射する方向に移動して前記光路長差を変えながら、前記干渉光を前記光電変換素子で検知することを特徴とする請求項６記載の形状測定装置。
8. 前記光電変換素子の前記干渉信号を取得するための画素を前記被測定物の移動に応じて変更することにより前記干渉信号を取得することを特徴とする請求項５記載の形状測定装置。
9. 被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、
   第１の干渉計および第２の干渉計を備え、
   前記第１の干渉計および前記第２の干渉計は、いずれも請求項７記載の形状測定装置であり、
   前記第１の干渉計の測定光の入射方向と前記第２の干渉計の測定光の入射方向とが逆であることを特徴とする形状測定装置。
10. 基板を露光する露光装置において、
    請求項５乃至９のいずれか１項に記載の形状測定装置を備え、
    前記基板の表面にはレジストが塗布されており、
    前記形状測定装置は、前記基板または前記レジストの表面形状を測定することを特徴とする露光装置。

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