JP5457767B2 - 露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、露光装置およびそれを使ってデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。

半導体デバイスや液晶パネル等のデバイスを製造するためのリソグラフィー工程において、ステッパーやスキャナーと呼ばれる露光装置が使用される。露光装置では、レチクル（原版）とウエハ（基板）との相対位置合わせを行う方法として、ＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｒｅｔｉｃｌｅ）計測が使用される。ＴＴＲ計測では、レチクルまたはその近傍に設けられた指標板に形成されたレチクル側計測マークと、ウエハまたはその近傍に設けられた指標板に形成されたウエハ側計測マークとの相対的な位置関係が投影光学系を介して計測される。ＴＴＲ計測では、計測光として露光光と同一の波長を含む光が用されることが一般的である。

また、ＴＴＲ計測は、投影光学系によってパターンが投影される領域内の複数の点を計測することによって、様々なパラメータを計測することが可能である。例えば、投影光学系の光軸に対して垂直な平面内の２点の相対的な位置関係を計測することで、回転成分や倍率計測を行うことができる。さらに、計測点数を増加させる事で歪曲収差を計測することが可能である。同様に、光軸方向における計測点の位置を計測することで、投影光学系の像面の傾き及び湾曲収差を計測することができる（特許文献１参照）。

露光装置の限界解像度（最小加工寸法）は、露光光の波長に比例し、また投影光学系の開口数に反比例する。したがって、露光装置の開発は、限界解像度の向上のために、露光波長の短波長化と投影光学系の大開口化によって進められてきた。しかしながら、投影光学系の焦点深度は、露光光の波長に比例し、投影光学系の開口数の２乗に反比例する。よって、露光装置の高解像度化が進むにつれて焦点深度が急速に減少しており、ＴＴＲ計測に基づいてなされる焦点合わせの精度に対する要求も厳しくなってきている。

また、限界解像度が向上するにつれてデバイスの線幅も細くなっていくために、ＴＴＲ計測に基づいてなされる光軸に対して垂直な平面内での位置合わせの精度に対する要求も厳しくなってきている。

これらの要求を満たすためには、ＴＴＲ計測において用いられるマークが投影光学系によってその像面に投影される像がデバイスの像に類似している方が望ましい。したがって、ＴＴＲ計測に用いられるマークの線幅も微細化が進んでいる。

一方、露光装置は、デバイスを短時間に大量生産するために、高いスループットも要求されている。そのため、ＴＴＲ計測に要する時間の短縮が求められている。複数点のＴＴＲ計測を行う場合、２点以上の計測点を同時に計測することで計測時間を短縮することができる。複数点の同時計測は、レチクル側計測マークとウエハ側計測マークとの対を複数設けることで可能になる（特許文献２参照）。

特開２００５−１７５４００号公報 特開２００８−５３６１８号公報

しかしながら、ＴＴＲ計測に用いるマークの微細化に伴う検出範囲の縮小化、製造誤差、投影光学系の露光に伴う像性能変化による結像位置のずれ等のために複数の対の同時計測が困難になってきている。１つの対を構成するレチクル側計測マークおよびウエハ側計測マークをＴＴＲ計測しながら他の対を構成するレチクル側計測マークおよびウエハ側計測マークをＴＴＲ計測することが困難になってきている。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、ＴＴＲ計測の高速化に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、原版のパターンを投影光学系によって基板に投影し該基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、原版または原版ステージに配置された原版側指標板と、基板ステージに配置された基板側指標板と、前記原版側指標板に設けられたマークと前記基板側指標板に設けられたマークとの相対位置を前記投影光学系を介して計測する計測器と、前記投影光学系を制御する制御部とを備え、前記原版側指標板は第１原版側マークおよび第２原版側マークを含み、前記基板側指標板は第１基板側マークおよび第２基板側マークを含み、前記制御部は、前記計測器が前記第１原版側マークと前記第１基板側マークとの相対位置の計測および前記第２原版側マークと前記第２基板側マークとの相対位置の計測を同時に行うことができるように前記投影光学系の光軸に垂直な方向の前記投影光学系の像特性を制御した後に、前記投影光学系の光軸方向に関して、前記計測器に前記第１原版側マークと前記第１基板側マークとの相対位置の計測および前記第２原版側マークと前記第２基板側マークとの相対位置の計測を同時に行わせる。

本発明によれば、ＴＴＲ計測の高速化に有利な技術が提供される。

本発明の１つの実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図である。 レチクル側計測マーク配置例を示す図である。 ウエハ側計測マーク配置例を示す図である。 ＴＴＲ計測における波形例を示す図である。 ＴＴＲ計測の原理を示す概略図である。 第２実施形態において使用されるマークを例示する図である。 第３実施形態において使用されるマークを例示する図である。 第４実施形態において使用されるマークを例示する図である。

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。なお、明細書および添付図面において同一の要素には同一の符号が与えられている。また、明細書および図面において、投影光学系の光軸に平行な方向がＺ方向、Ｚ方向に垂直な面内における互いに直交する２つの方向がそれぞれＸ方向（第１方向）、Ｙ方向（第２方向）として説明される。Ｚ方向は、フォーカス方向とも呼ばれる。

［第１実施形態］
図１は、本発明の１つの実施形態の露光装置の構成を概略的に示す図である。光源ＬＳ１から出射された光は、照明光学系ＩＬに入射し、Ｘ方向に長い帯状または円弧状の露光領域をレチクル（原版）ＲＴ上に形成する。レチクルＲＴとウエハ（基板）ＷＦは、投影光学系ＰＯを介して光学的にほぼ共役な位置（投影光学系ＰＯの物体面、像面）に配置される。レチクルＲＴは、レチクルステージ（原版ステージ）ＲＳによって保持され、ウエハＷＦは、ウエハステージ（基板ステージ）ＷＳによって保持される。投影光学系ＰＯの光軸に対してレチクルステージＲＳとウエハステージＷＳの双方を投影光学系ＰＯの光学倍率に応じた速度比で移動させることによって、レチクルＲＴのパターンがウエハＷＦに投影される。ウエハＷＦへのパターンの投影によってウエハＷＦが露光され、ウエハＷＦに塗布されている感光剤が感光する。

レチクルＲＴを保持したレチクルステージＲＳは、レーザ干渉計と駆動機構とを含む位置制御機構によってＹ方向（走査露光における走査方向）に駆動される。レチクルＲＴの近傍には、レチクル側指標板（原版側指標板）ＲＦＰがレチクルステージＲＳの所定の範囲に配置されている。レチクル側指標板ＲＦＰのパターン面は、レチクルＲＴの反射面と略同一面内に位置する。

レチクル側指標板ＲＦＰの反射面には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ等の金属で形成されたレチクル側計測マークが配置されている。具体的には、図２（ａ）に例示するように、レチクル側指標板ＲＦＰには、レチクル側計測マークとして、露光領域内のＸ方向における複数の像高の計測が可能なように、複数のレチクル側計測マーク（原版側マーク）ＲＭが形成されている。図２では、一例として、複数のレチクル側計測マークＲＭとして、５個のマークＲＭ１〜ＲＭ５が形成されているが、これに限るものではなく、少なくとも２個マーク（第１原版側マーク、第２原版側マーク）が形成されていればよい。

レチクル側計測マークＲＭは、図２（ｂ）に例示されており、例えば、レチクルＲＴ側に換算した露光解像線幅に近い幅を有する矩形開口と遮光部とを有するラインアンドスペースパターンである。ここでは、便宜的に、Ｘ方向と直交する方向のラインを有するマーク（Ｘ方向の位置を計測するためのマーク）をＲＭＸ、Ｙ方向と直交するラインを有するマーク（Ｙ方向の位置を計測するためのマーク）をＲＭＹとする。ただし、ＲＭＸおよびＲＭＹは、このようなマークに限定されるものではなく、例えば、Ｘ方向に対して所定の角度を持ったラインアンドスペースパターンであってもよい。また、ＲＭＸおよびＲＭＹは、例えば、１本のラインで構成されているマークや、ラインではなく正方形のマークであってもよい。また、図２（ｂ）では、レチクル側計測マークＲＭがＲＭＸとＲＭＹの２種類のマークを含むが、１種類又は３種類以上のマークを含んでもよい。

図１の例では、走査方向であるＹ方向に、レチクルＲＴを挟んで、２個のレチクル側指標板ＲＦＰが配置されている。しかしながら、レチクル側指標板ＲＦＰは、１個でもよいし、３個以上でもよい。また、レチクル側指標板ＲＦＰは、マークＲＭ以外のパターンを含んでもよい。他の実施形態では、マークＲＭは、レチクルＲＴに形成されていてもよい。その場合は、露光するデバイスパターンに影響を与えないようにマークＲＭが配置される。

露光装置は、レチクル側指標板ＲＦＰとレチクルＲＴとの相対位置を計測する相対位置計測器として、レチクルアライメントセンサーＲＡＳとレチクルフォーカスセンサーＲＦＳとを備えている。レチクルアライメントセンサーＲＡＳは、例えば、２次元撮像素子と光学素子とを含んで構成されうる。レチクルアライメントセンサーＲＡＳ又はレチクルステージＲＳを移動させることにより、レチクルアライメントセンサーＲＦＰとレチクルＲＴとのＸ、Ｙ方向における相対位置を計測することができる。図１では、レチクルアライメントセンサーＲＡＳの個数が１個であるが、２個以上のレチクルアライメントセンサーＲＡＳが設けられてもよい。例えば、Ｘ方向に間隔を持たせて２個のレチクルアライメントセンサーＲＡＳを配置することにより、Ｘ方向の倍率やＺ軸周りの回転などを計測することができる。

また、レチクルフォーカスセンサーＲＦＳとしては、例えば、斜入射方式のセンサーが使用されうる。レチクルフォーカスセンサーＲＦＳ又はレチクルステージＲＳを移動させることにより、レチクル側指標板ＲＦＰとレチクルステージＲＴとのＺ方向の相対位置を計測することができる。図１では、レチクルフォーカスセンサーＲＦＳの個数が１個であるが、２個以上のレチクルフォーカスセンサーＲＦＳが設けられてもよい。例えば、Ｘ方向に複数個のレチクルフォーカスセンサーＲＦＳを並べて配置し、レチクルステージＲＳをＹ方向へ移動させることで、レチクル側指標板ＲＦＰとレチクルステージＲＴとのＺ方向の相対位置をＸＹ平面上の凹凸として計測することができる。

一方、ウエハＷＦの近傍には、ウエハ側マークとして、ウエハ側指標板（基板側指標板）ＷＦＰがウエハステージＷＳの所定の範囲に配置されている。基板側指標板ＷＦＰの表面は、ウエハＷＦの上面と同一平面内に位置する。ウエハ側指標板ＷＦＰの表面には、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ等の金属で形成されたウエハ側位置計測マークＷＭが配置されている。具体的には、図３（ａ）に例示するように、ウエハ側指標板ＷＦＰには、ウエハ側計測マークとして、露光領域内のＸ方向における複数の像高の計測が可能なように、複数のウエハ側計測マーク（基板側マーク）ＷＭが形成されている。図３（ａ）では、一例として、複数のウエハ側マークＷＭとして、５個のマークＷＭ１〜ＷＭ５が形成されているが、これに限るものではなく、少なくとも２個のマーク（第１基板側マーク、第２基板側マーク）が形成されていればよい。

ウエハ側計測マークＷＭは、図３（ｂ）に例示されており、例えば、露光解像線幅に近い幅を有する矩形開口と遮光部とを有するラインアンドスペースパターンである。ここでは、便宜的に、Ｘ方向と直交するラインを有するマーク（Ｘ方向の位置を計測するためのマーク）をＷＭＸ、Ｙ方向と直交するラインを有するマーク（Ｙ方向の位置を計測するためのマーク）をＷＭＹとする。ただし、ＷＭＸ及びＷＭＹは、このようなマークに限定されるものではなく、例えば、Ｘ方向に対して所定の角度を持ったラインアンドスペースパターンであってもよい。また、図３（ｂ）では、マークＷＭがＷＭＸとＷＭＹの２種類のマークを含むが、１種類又は３種類以上のマークを含んでもよい。

ウエハステージＷＳには、ウエハ側計測マークＷＭの下方には、ウエハ側計測マークＷＭ透過した光量を検出するための光センサー（計測器或いはＴＴＲ計測器）ＩＳが配置されている。ウエハ側指標板ＷＦＰおよび光センサーＩＳからなる組は、図１では、１つのウエハステージＷＳに１つのみ示されているが、これに限るものではなく、２組以上設けられてもよい。

ウエハステージＷＳは、投影光学系ＰＯの光軸方向（Ｚ方向）及び該光軸方向と直交する平面（ＸＹ平面）内の２方向、光軸周りの回転（θ方向）、像面に対する傾き（チルト）の６軸について制御される。ウエハステージＷＳには、レーザ干渉計（位置計測器）からのビームを反射する移動鏡が固定されており、該レーザ干渉計によってウエハステージＷＳの位置が計測される。

図１に示す本発明の１つの実施形態としての露光装置は、ツインステージ露光装置として構成されていて、２つのウエハステージＷＳを有する。一方のウエハステージＷＳが露光を行うための露光ステーションＥＳＴに位置しているとき、他方のウエハステージＷＳはアライメント用の計測を行うための計測ステーションＭＳＴに位置している。ここで、計測ステーションＭＳＴで実施されるアライメント用の計測は、ウエハＷＦのショット領域とレチクルＲＴとを位置合せするために使用される情報を得るための計測を含む。

計測ステーションＭＳＴには、フォーカスセンサーＦＳとアライメントセンサーＡＳが配置されている。露光ステーションＥＳＴに位置するウエハステージＥＳは、露光ステーションＥＳＴ用のレーザ干渉計によって位置が計測される。計測ステーションＭＳＴに位置するウエハステージＷＳは、計測ステーションＭＳＴ用のレーザ干渉計によって位置が計測される。

一方のウエハステージＷＳによって保持されたウエハの露光と他方のウエハステージＷＳによって保持されたウエハの計測が終了すると、２つのウエハステージＷＳの入れ替え、即ちスワップ動作が行なわれる。スワップ動作後、ＥＳＴに移動したＷＳは露光動作を行い、ＭＳＴに移動したＷＳは、露光済みウエハの搬出を行い、必要であれば、新規ウエハの搬入及びウエハＷＦのショット領域とレチクルＲＴとを位置合せするために使用される情報を得るための計測を行う。

なお、この実施形態の露光装置は、ツインステージ構成を有するが、これに限るものではない。シングルステージ又は３個以上ステージがあっても良い。

ＥＳＴとＭＳＴはそれぞれ独立したレーザ干渉計を用いてウエハステージＷＳの制御を行っている。よって、ウエハステージＷＳがスワップする前後ではレーザ干渉計の切換えが発生する。この切換え時にＥＳＴ側のレーザ干渉計による計測値とＭＳＴ側のレーザ干渉計による計測値の中継が行なわれる。このときにレーザ干渉計の計測値に誤差なく中継を行うべきであるが、実際には非常に困難である。ここで誤差が生じるとウエハステージＷＳの位置に誤差が生じ、露光装置の主要性能であるオーバレイ精度に影響を及ぼす。この誤差は、ウエハステージＷＳがＥＳＴとＭＳＴとの間をスワップする際に発生する誤差であるため、一般的にスワップ誤差を呼ばれる。このスワップ誤差を較正するために、ＥＳＴではＴＴＲ計測と呼ばれるキャリブレーション計測が光センサー（計測器）ＩＳを使って行なわれる。

ＴＴＲ計測は、レチクルＲＴ又はレチクル側指標板ＲＦＰとウエハ側指標板ＷＦＰの相対位置関係を検出するための計測である。光源ＬＳ１を射出した光は照明光学系ＩＬで成形され、レチクルＲＴ又はレチクル側指標板ＲＦＰ上のレチクル側計測マークＲＭを照明する。レチクル側計測マークＲＭのガラス部を透過した光は、投影光学系ＰＯを介してウエハ側指標板ＷＦＰ上のウエハ側計測マークＷＭに入射し、さらにその下の光センサーＩＳに入射する。ウエハステージＷＳをＺ方向又はＸＹ平面方向に駆動する事で、光センサーＩＳに入射する光量を変化させることができる。例えば、Ｚ方向に関してＴＴＲ計測を行う場合には、ウエハＷＳをＺ方向へ駆動しながら光センサーＩＳに対する入射光量を計測することで、図４（ａ）にＰｂｅｓｔとして例示される信号を得る事ができる。この信号は、レチクル側計測マークＲＭが投影光学系ＰＯを介してウエハ側計測マークＷＭ上に投影されるコントラストを示しており、最大コントラストを示すＺ位置が焦点位置を示している。さらに、計測されたＺ位置において、Ｘ方向に関する計測の場合はＸ方向に、Ｙ方向に関する計測の場合はＹ方向にウエハステージＷＳを駆動することで、光センサーＩＳに入射する光量を変化させることができる。このときに得られる光センサーＩＳの出力を図４（ｂ）に例示する。この信号よりＸ方向又はＹ方向におけるレチクル側計測マークＲＭとウエハ側計測マークＷＭとの最も適した相対位置を求める事ができる。このように、光センサーＩＳに対する入射光量の変化を計測することで、レチクル側計測マークＲＭとウエハ側計測マークＷＭとの相対位置関係を求める事が可能である。

レチクル側計測マークＲＭ及びウエハ側計測マークＷＭの対を複数配置して、それらを使ってＴＴＲ計測を行うことで、より正確な位置情報を得ることができる。例えば、Ｚ方向について複数像高で計測を行った場合、像面湾曲や非点収差、像面傾きなどを求めることができる。また、Ｘ方向及びＹ方向における複数像高で計測した場合は、倍率や歪曲収差及び回転などを求めることができる。これらの計測結果を用いて投影光学系ＰＯの像特性を最適化したり、レチクルステージＲＳとウエハステージＷＳを最適な位置へ相対駆動させたりすることが可能となる。

しかしながら、Ｚ方向に関してＴＴＲ計測を行う場合において、レチクル側計測マークＲＭとウエハ側計測マークＷＭとのＸＹ方向における位置が予め許容範囲内で一致している必要がある。もし両者の位置が許容範囲を超えてずれている場合、光センサーＩＳで検出される信号は、図４（ａ）にＰｅｒｒとして例示されるような信号となり、正しい計測を行うことができない。ＸＹ方向における許容範囲は、ＴＴＲ計測に使用されるマークであるＲＭおよびＷＭの線幅が狭くなるにつれて厳しくなる。ＲＭとＷＭとのＸ又はＹ方向の位置を許容範囲内で一致させるために、一般的には、スワップ誤差を小さく抑えたり、ＴＴＲ計測を繰り返したりする。

高生産性に対応するために計測時間の短縮が求められている状況では、複数対のＲＭとＷＭを同時にＴＴＲ計測することが有効である。そのためには、複数対のＲＭとＷＭの相対位置関係が複数対の間で略一致している必要がある。換言すると、１つの対におけるＲＭとＷＭとの相対位置関係と他の対におけるＲＭとＷＭとの相対位置関係とが略一致している必要がある。しかし、複数のレチクル側計測マークＲＭのそれぞれに製造誤差があり、設計値と同一ではない。ウエハ側計測マークＷＭについても同様である。また、デバイス製造中の負荷状況や環境変化などにより投影光学系ＰＯの像特性（例えば、倍率、歪曲収差）などが変化する。よって、ＲＭとのＲＭとの間の距離（例えば、図２（ａ）におけるＲＭ１とＲＭ２との距離）が設計値に対して誤差を持ち、且つ、投影光学系ＰＯを介してウエハ側計測マークＷＭ上に投影されるＲＭの像の位置もデバイス製造中に変動する。また、ウエハ側計測マークＷＭについても同様であり、ＷＭとＷＭとの間の距離（例えば、図３（ａ）におけるＷＭ１とＷＭ２との距離）が設計値に対して誤差を持つ。このため、複数対のＲＭとＷＭを同時に計測するために、複数対のＲＭとＷＭの相対的な位置合わせを行うことは難しい。

この実施形態では、制御部ＣＮＴは、複数対のＲＭとＷＭを同時に計測することができるように投影光学系ＰＯの像特性（典型的には倍率および歪曲収差）の少なくとも一方を制御或いは変更する。

説明の簡略化のため、まず、図２（ａ）におけるＲＭ１と図３（ａ）におけるＷＭ１からなる対を使った計測と、図２（ａ）におけるＲＭ５と図３（ａ）におけるＷＭ５からなる対を使った計測（即ち、２像高についての計測）を同時に行う方法について説明する。

図５はＴＴＲ計測時の露光装置の概略図であり、説明に不要な箇所は省略してある。レチクル側指標板ＲＦＰ上に形成されているＲＭ１とＲＭ５の設計上の距離をｄＲとし、製造誤差などによる設計値と実際の距離の差をΔｄＲとする。同様に、ウエハ側指標板ＷＦＰ上に形成されているＷＭ１とＷＭ５の設計上の距離をｄＷとし、製造誤差などによる設計値と実際の距離の差をΔｄＷとする。まず、設計上の誤差が無い場合において、投影光学系ＰＯの定常状態の投影倍率をβ_０とすると、ＲＭ１、ＲＭ５、ＷＭ１、ＷＭ５の相対位置関係が適正な状態は式（１）で表される。ここで、相対位置関係が適正とは、ＲＭ１とＷＭ１からなる対を使ったＴＴＲ計測と、ＲＭ５とＷＭ５からなる対を使ってＴＴＲ計測とを同時に行うことができることを意味する。
ｄＲ・β_０＝ｄＷ ・・・式（１）
次に、設計上の誤差ΔｄＲとΔｄＷがある場合において、投影光学系ＰＯの投影倍率β_１に変更することによってＲＭ１、ＲＭ５、ＷＭ１、ＷＭ５との相対位置関係を適正にした状態は式（２）で表される。

（ｄＲ＋ΔｄＲ）・β_１＝ｄＷ＋ΔｄＷ ・・・式（２）
さらに、デバイス製造に伴う負荷及び環境変化に伴う影響による投影光学系ＰＯの倍率変化分をΔβとする。このとき、投影光学系ＰＯの投影倍率β_２に変更することによってＲＭ１、ＲＭ５、ＷＭ１、ＷＭ５の相対位置関係が適正にした状態式（３）で表される。

（ｄＲ＋ΔｄＲ）・（β_２＋Δβ）＝ｄＷ＋ΔｄＷ ・・・式（３）
ここで、β_２は式（４）で表される。

β_２＝β_１−Δβ ・・・式（４）
以上の原理に従って、制御部ＣＮＴは、マークの製造誤差などによるマークの実際位置の設計値からの乖離及びデバイス製造に伴う負荷や環境変化に応じて投影光学系ＰＯの投影倍率βを変化させる。この変化量は、ＲＭ１およびＷＭ１からなる対を使ったＴＴＲ計測と、ＲＭ５およびＷＭ５からなる対を使ったＴＴＲ計測とを同時に行うことができるように決定される。

上記の例において、ΔｄＲおよびΔｄＷは予め計測によって知ることができる値である。また、ΔｄＲおよびΔｄＷを相殺するために必要なβ_１についても、予め知ることができる値である。即ち、式（２）におけるｄＲ、ΔｄＲ、ｄＷ、ΔｄＷが分れば、式（２）に基づいてβ_１を決定することができる。所望のβ_１を得るための投影光学系ＰＯにおける倍率調整用の光学素子の駆動量についても予め知ることができる。Δβに関しても、予めデバイス製造負荷及び各種の環境負荷等の負荷と投影光学系ＰＯの倍率変化分Δβとの関係を予め測定又はシミュレーションによって知ることができる。よって、負荷に対応するΔβを当該関係に基づいて決定することができる。β_１とΔβの値によってβ_２が定まるので、式（３）を常に成り立たせる事が可能である。

ここで、β_２は、複数の像高（複数の位置）でＴＴＲ計測を同時に行うために最適な投影光学系ＰＯの倍率であるものの、デバイスの製造のためのウエハの露光時（以下、単に露光時）における最適な倍率値ではかもしれない。この場合においては、露光時における最適倍率とは別にβ_２を保持しておき、ＴＴＲ計測時にのみ投影光学系ＰＯの倍率をβ_２とし、露光時には該倍率を元に戻すとよい。これにより、ＴＴＲ計測時及び露光時の双方で投影光学系ＰＯの倍率を最適にすることができる。このときＴＴＲ計測によって得られた計測値から、β_２を考慮して露光装置に反映させる補正値を算出することで、製造誤差（ΔｄＲ、ΔｄＷ）や投影倍率変化分（Δβ）が発生している場合においても、正確な位置合わせを行うことが可能である。

次に、β_１を決定する他の方法として、露光装置においてβ_１を決定するための方法を説明する。ＲＭ１、ＲＭ５を使ったＴＴＲ計測とＷＭ１、ＷＭ５を使ったＴＴＲ計測とを同時に行うことが可能であれば同時に、そうでなければ順に行って、それらの結果に基づいてβ_１を求めることができる。すなわち、ＲＭ１、ＷＭ１を使ったＴＴＲ計測による計測値の設計値と、ＲＭ５、ＷＭ５を使ったＴＴＲ計測による計測値の設計値からのずれ量とに基づいてβ_１を求めることができる。このような計測において、ΔｄＲやΔｄＷなどの製造誤差のために図４（ａ）にＰｅｒｒとして例示されるような信号となってしまう場合がありうる。このような場合は、Ｘ又はＹ方向に微小にマークの位置を変更してＺ計測を繰り返すなどの模索計測を行うことで、Ｐｂｅｓｔの信号を得ることが可能である。微小位置変更は、ＷＭ又はＲＭの矩形開口幅よりも小さくなければ効果が小さく、矩形開口幅の１／２程度であることが好ましい。また、微小位置変更の繰り返し回数は、累積した位置変更量が最大でも矩形開口幅と遮光部の合算値と同等になるまでが好ましく、それ以上の繰り返しをしても周期的な繰り返しとなるため時間的に無駄である。この方法では、ΔｄＲとΔｄＷとを分離しないで計測を行っている。

一方、ΔｄＲとΔｄＷとを分離して計測したい場合は、まず、ＲＭ１、ＷＭ１を使ってＴＴＲ計測を行い、次に、ＲＭ１、ＷＭ５を使ってＴＴＲ計測を行う。これにより、ウエハステージＷＳの駆動量を基準としてＷＭ１とＷＭ５との間隔、すなわちΔｄＷを計測することができる。また、ＲＭ１、ＷＭ１を使ってＴＴＲ計測を行い、次に、ＲＭ５、ＷＭ１を使ってＴＴＲ計測を行うことで、やはりウエハステージＷＳの駆動量を基準として、ＲＭ１とＲＭ５との間隔であるΔｄＲを計測することができる。但し、この場合は、ΔｄＲには投影光学系ＰＯの投影倍率も含まれるため、投影光学系ＰＯが定常状態であるか又は既知の状態であることが望ましい。以上は、β_１を決定する方法であるが、Δβが既知であれば、β_２についても決定することができる。

また、ＴＴＲ計測して得られた結果においてΔβが変化している傾向が見られた場合、次回のＴＴＲ計測時にΔβの変化に合わせてβ_２を変更することで、常に最適な状態でＴＴＲ計測を行うことが可能である。

ここで、ＲＭやＷＭの計測順序や組み合わせについては上記に限るものではない。
上記では、簡略化のため、ＲＭ１、ＲＭ５、ＷＭ１、ＷＭ５の４つのマークの相対位置を合わせる方法について記載したが、さらに多くのマークの相対位置を合わせることも可能である。その場合のβは、投影倍率のような１次の係数（即ち、倍率）ではなく、高次の多項式とすれば良い。一般的な半導体露光装置の場合、倍率を１次の係数、歪曲収差を３次の多項式として取り扱う事が多いため、βも１次の係数もしくは３次の多項式で取り扱うのが望ましい。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。図６を参照して説明する。Ｘ方向における位置を計測するためのマークＷＭＸとしてのマークＷＭＸ１１とマークＷＭＸ１２とは、設計上のＸ座標が微小距離Δｘだけ隔てて配置されている。ＷＭＸ１ｎはＷＭＸ１１に対してｎ個目に配置されているＷＭマークであり、ＷＭＸ１１に対して距離Δｘ・（ｎ−１）だけ隔てて配置されている。ＷＭＸ５１、ＷＭＸ５２、・・・、ＷＭＸ５ｎも同様であり、Δｘの方向がＷＭＸ１１、ＷＭＸ１２、・・・、ＷＭＸ１ｎとは正反対となっている。つまり、ＷＭＸ１とＷＭＸ５の相対距離を微小に異ならせた状態で複数配置されている。

ここで、図６の紙面上で上からｍ番目に配置されているＷＭＸ１とＷＭＸ５をそれぞれＷＭＸ１ｍ、ＷＭＸ５ｍと表し、そのＸ方向の相対距離をｄＷｍとする。ＲＭ１、ＲＭ５にそれぞれＷＭＸ１ｍ、ＷＭＸ５ｍが位置合わせされた状態は、式（５）で表される。

（ｄＲ＋ΔｄＲ）・β_０≒ｄＷｍ ・・・式（５）
ｍ＝１，２，・・・ｎ
つまり、定常状態における投影光学系ＰＯの倍率β_０においては、ＲＭＸ１、ＲＭＸ５とＷＭＸ１、ＷＭＸ５の相対位置が最適となるｍ番目のマークを用いればよい。マークの選択（つまり、ｍの値の決定）は、制御部ＣＮＴによってなされる。
また、Δβが発生している状況では、
（ｄＲ＋ΔｄＲ）・（β’＋Δβ）≒ｄＷｍ’ ・・・式（６）
ｍ’＝１，２，・・・ｎ
となるため、最適なｍ’を用いればよい。

このように、微小に設計座標を相互に異ならせた複数のマークＷＭＸを配置し、制御部ＣＮＴがそれらの中から最適なマークスパンを持つマークを選択する事により、複数の像高（ここでは、２つの像高）で同時にＴＴＲ計測を行うことができる。
ここで、制御部ＣＮＴによる最適なｍの決定方法を説明する。ＴＴＲ計測によってＲＭ１とＷＭＸ１１との相対位置関係と、ＲＭＸ５とＷＭＸ５１との相対位置関係とを同時に計測することができる場合には同時に、そうでなければ順に計測する。このとき、必要であれば、第１実施形態のように模索計測を行ってもよい。それぞれ求めた相対位置関係の設計値からのずれ量より、同時計測を行うための最適なＷＭＸ１とＷＭＸ５との間隔を計算することができ、所望の間隔を持つｍ番目に配置されたＷＭＸを使ってＴＴＲ計測を行えばよい。さらに正確には、ｍ番目に配置されたＷＭＸも製造誤差を持っている場合があるため、例えば、ｍ−１、ｍ＋１などのｍ番目近傍のＷＭＸをいくつか計測し、より適するＷＭＸを選択してもよい。

前述の場合は、ΔｄＲとΔｄＷとを分離することなく計測を行っている。一方、ΔＲとΔｄＷとを分離して計測したい場合は、第１実施形態と同様に、ウエハステージＷＳの駆動量を基準としてΔｄＲとΔｄＷの計測を別個に行ってもよい。

上記ではｍの求め方の説明をしたが、ｍ’においても同様に求めることが可能である。また、１からｎの配置に至るまで、上記の方法で製造誤差を予め計測し、記憶しておくことでΔβが変化した場合においても常に最適なｍ’を求めることが可能である。また、計測して得られた結果からΔβが変化している傾向が見られた場合、次回のＴＴＲ計測時にΔβの変化に合わせてｍ’を選択し直すことで、常に最適な状態でＴＴＲ計測を行うことが可能である。

ｍおよびｍ’の求め方について説明を行ってきたが、ＲＭＸやＷＭＸの計測順序や組み合わせについては上記に限るものではない。図６では簡略化のために、ＷＭＸのみ記載してあるが、ＷＭＹを含んでもよい。ここでは、Ｘ方向の位置を計測するためのＷＭＸがＷＭＸ１とＷＭＸ５の２つのマークを含む場合について説明したが、さらに多くのマークを含んでもよい。また、ここでは、ウエハ側計測マークＷＭＸについて説明したが、ウエハ側計測マークＷＭＸではなく、レチクル側計測マークＲＭＸを同様の構成にしてもよいし、ウエハ側計測マークＷＭＸとレチクル側計測マークＲＭＸの両方を上記のような構成にしてもよい。

ｄＷ_０（ｍ＝０）及びｄｘ、ｄｙの値は、ＲＭＸやＷＭＸの製造誤差、投影光学系ＰＯの倍率βの変動量などを考慮して最適化しておくことが望ましい。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態について説明する。ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。

図７を参照して説明する。第３実施形態では、マークＷＭのうちＷＭＸは、平行四辺形であり、且つ略Ｙ方向に伸びている。ＷＭＸ１とＷＭＸ５は、Ｙ軸対称となっている。図７の紙面上でマークＷＭＸの上端におけるＷＭＸ１とＷＭＸ５の相対距離をｄＷ_０とし、上端から下方へのＹ方向の距離をΔｙ、そのときにおけるＷＭＸ１とＷＭＸ５の相対距離をｄＷｙとすると、式（７）で表される。

ｄＷｙ＝（ｄｘ／ｄｙ）・Δｙ・２＋ｄＷ_０ ・・・式（７）
つまり、Δｙを可変とすることでＷＭＸ１とＷＭＸ５との相対距離ｄＷｙを任意に決定する事が可能となる。ｄＷｙの決定は、制御部ＣＮＴによってなされる。
したがって、ΔｄＲやΔβが発生している場合においても、制御部ＣＮＴがΔｙを適切に決定して光センサーＩＳに計測を実行させる事により、複数の像高（ここでは、２つの像高）で同時にＴＴＲ計測を行うことができる。ΔｄＷはｄＷ_０に含めることができる。ここで、光センサーＩＳが２次元撮像素子を含む場合、撮像領域をΔｙに応じて決定すればよい。
ここでは、ＷＭを構成するラインアンドスペースが直線の場合について説明を行ったがこれに限るものではなく、曲線であってもよい。また、ＷＭ１とＷＭ５がＹ軸対称である場合について説明を行ったがこれに限るものではなく、Δｙに対するＷＭ１とＷＭ５の相対距離が予め分っていれば、Ｙ軸対称でなくても効果を発揮する。

Δｙの求め方及び選択の方法については、第２実施形態におけるｍ及びｍ’の求め方とほぼ同等であり、第２実施形態におけるｍが断続的なのに対して、第３実施形態におけるΔｙは連続的であることのみが違う。

ここでは、Ｘ方向の位置を計測するためのＷＭＸがＷＭＸ１とＷＭＸ５の２つのマークを含む場合について説明したが、さらに多くのマークを含んでもよい。その場合においては、各マークのΔｙにおける相対距離を予め知っておく必要がある。また、ここでは、ウエハ側計測マークＷＭＸについて説明したが、ウエハ側計測マークＷＭＸではなく、レチクル側計測マークＲＭＸを同様の構成にしてもよいし、ウエハ側計測マークＷＭＸとレチクル側計測マークＲＭＸの両方を上記のような構成にしてもよい。

ｄＷ_０（Δｙ＝０）及びΔｙの最大値、Δｘの最適値は、ＲＭやＷＭの製造誤差、投影光学系ＰＯの倍率βの変動量などを考慮して最適化しておくことが望ましい。

図７では簡略化のためＷＭＸのみ記載したが、ＷＭＹを含んでもよい。
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態について説明する。ここで言及しない事項は、第１実施形態に従いうる。

図８（ａ）を参照して説明する。第４実施形態は、Ｘ方向の位置を計測するためのマークＷＭＸおよびＹ方向の位置を計測するためのマークＷＭＹと配置が第１実施形態と異なる。なお、図示されていないが、レチクル側計測マークＲＭに関しても、ウエハ側計測マークＷＭと同様の配置を有する。

ＲＭ１およびＷＭ１を使ったＴＴＲ計測とＲＭ５およびＷＭ５を使ったＴＴＲ計測との同時に行う場合を考える。この場合、Ｘ方向における位置を計測するためのレチクル側計測マークとウエハ側計測マークとには、Ｘ方向の高い相対位置あわせ精度が求められる。一方、Ｙ方向における位置を計測するためのレチクル側計測マークとウエハ側計測マークとには、Ｘ方向の高い位置合わせ精度は必要ない。Ｙ方向における位置を計測するためのマークに対する要求は、Ｘ方向における位置を計測するためのマークに対する要求とは逆の関係となる。よって、ＲＭやＷＭの製造誤差、投影光学系ＰＯの倍率変動などの影響があった場合においても、Ｘ方向における位置を計測するためのマークとＹ方向における位置を計測するためのマークとの同時計測であれば、高い相対位置あわせ精度は必要ない。

したがって、ＷＭＸ１とそれに対応するＲＭＸ１とを使ってＸ方向に関するＴＴＲ計測を行いながら、それと同時にＷＭＹ５とそれに対応するＲＭＹ５とを使ったＹ方向に関するＴＴＲ計測とを行うことができる。また、ＷＭＹ１とそれに対応するＲＭＹ１とを使ってＹ方向に関するＴＴＲ計測を行いながら、それと同時にＷＭＸ５とそれに対応するＲＭＸ５とを使ったＸ方向に関するＴＴＲ計測とを行うことができる。この場合において、レチクル側計測マークとウエハ側計測マークとの相対的に位置関係をＸ方向およびＹ方向の双方に同時に変化させながら図４（ｂ）に例示される信号を得ることになる。
以上の説明では、ＲＭ１とＷＭ１、ＲＭ５とＷＭ５の２組のマークを使うものであるが、さらに多くのマークの組み合わせであっても本発明は有効である。例えば、図８（ｂ）に例示するような５組のマークを使ってもよい。５組のマークを使う場合、第１実施形態では、投影光学系ＰＯの像を最適化するために１次の収差成分（倍率成分）のみではなく３次の収差成分（歪曲収差成分）も補正することが必要になる場合もありうる。しかしながら、第４実施形態では、ＷＭＸ１、ＷＭＹ２、ＷＭＸ３、ＷＭＹ４、ＷＭＸ５を使って同時に計測を行う場合において、ＷＭＹ２、ＷＭＹ４はＹ方向における位置を計測するマークであるので、Ｘ方向に関する相対位置合わせに高い精度を求められていない。よって、ＷＭＸ１、ＷＭＸ３、ＷＭＸ５に関しては１次倍率のみの補正で良く、簡便にＲＭとＷＭの相対位置合わせを行うことが可能である。したがって、第４実施形態は、複数のＲＭと複数のＷＭが形成されている場合においても有用である。

以上の４つの実施形態は、相互に独立である必要は無く、組み合わせて用いた場合にも効果を発揮する。特に、第１実施形態は、第２〜第４実施形態のいずれとも組み合わせが可能である。

［デバイス製造方法］
本発明の好適な実施形態のデバイス製造方法は、例えば、半導体デバイス、液晶デバイス等のデバイスの製造に好適である。前記方法は、感光剤が塗布された基板を、上記の露光装置を用いて露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程とを含みうる。さらに、前記デバイス製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。

Claims (4)

1. 原版のパターンを投影光学系によって基板に投影し該基板を露光する露光装置であって、
   原版または原版ステージに配置された原版側指標板と、
   基板ステージに配置された基板側指標板と、
   前記原版側指標板に設けられたマークと前記基板側指標板に設けられたマークとの相対位置を前記投影光学系を介して計測する計測器と、
   前記投影光学系を制御する制御部とを備え、
   前記原版側指標板は第１原版側マークおよび第２原版側マークを含み、前記基板側指標板は第１基板側マークおよび第２基板側マークを含み、
   前記制御部は、前記計測器が前記第１原版側マークと前記第１基板側マークとの相対位置の計測および前記第２原版側マークと前記第２基板側マークとの相対位置の計測を同時に行うことができるように前記投影光学系の光軸に垂直な方向の前記投影光学系の像特性を制御した後に、前記投影光学系の光軸方向に関して、前記計測器に前記第１原版側マークと前記第１基板側マークとの相対位置の計測および前記第２原版側マークと前記第２基板側マークとの相対位置の計測を同時に行わせる、
   ことを特徴とする露光装置。
2. 前記制御部によって制御される前記像特性は、前記投影光学系の倍率および歪曲収差の少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記制御部は、前記第１原版側マークと前記第２原版側マークとの距離の製造誤差、または、前記第１基板側マークと前記第２基板側マークとの距離の製造誤差に応じて、前記計測器が前記第１原版側マークと前記第１基板側マークとの相対位置を計測すると同時に前記第２原版側マークと前記第２基板側マークとの相対位置を計測することができるように、前記投影光学系の像特性を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
4. デバイスを製造するデバイス製造方法であって、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光する工程と、
   該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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