TWI487001B - A surface position detecting device, a surface position detecting method, an exposure apparatus, and an element manufacturing method - Google Patents

A surface position detecting device, a surface position detecting method, an exposure apparatus, and an element manufacturing method Download PDF

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Description

面位置檢測裝置、面位置檢測方法、曝光裝置、及元件製造方法
本發明係關於用以檢測物體之既定面之面位置資訊的面位置檢測裝置、具備該面位置檢測裝置之曝光裝置、使用該曝光裝置以製造半導體元件或液晶顯示元件等微型元件(電子元件)之元件製造方法、以及面位置檢測方法。
在用以製造半導體元件等之微影步驟中，係使用一種曝光裝置，以將形成於標線片(光罩)之圖案透過投影光學系統轉印於表面塗布有光阻(感光劑)之晶圓(或玻璃板等)上。曝光裝置係使用步進重複方式之縮小投影型曝光裝置(所謂步進器)、或同步掃描標線片及晶圓之步進掃描方式之掃描型投影曝光裝置(所謂掃描步進器)等。
隨著半導體元件之高度積體化及圖案之微細化，對曝光裝置亦要求以高解像力(高解像度)來轉印圖案。因此，在曝光裝置中，為了防止因散焦所造成之像模糊等，必須使晶圓面位於投影光學系統之像面(圖案之最佳成像面)之焦點深度(DOF)的範圍內以進行曝光。因此，曝光裝置中具備用以測量晶圓面在投影光學系統之光軸方向之位置(面位置)的自動焦點感測器(以下，稱為AF感測器)，並根據該AF感測器之測量值來進行晶圓載台之高度及傾斜角的控制。
以往，晶圓面用之AF感測器係使用一種斜入射方式之感測器(例如，參照專利文獻1)，其係從斜向方向將狹縫像等投影於晶圓面，並測量在晶圓面反射之光所形成之狹縫像等的位置，再根據三角測量原理從該測量結果求出面位置資訊。
[專利文獻1]美國專利第5633721號說明書
在習知AF感測器之測量對象的晶圓上，通常係藉由至此之步驟形成電路圖案等，再於其上塗布光阻。此時，AF感測器之測量對象即為光阻表面之面位置。接著，若從AF感測器將測量光照射於晶圓上之光阻表面時，測量光則分成在光阻表面反射之光(測量所須之光)、及深入光阻內部並在形成於基底之電路圖案等反射之光(造成測量誤差要因之光)。
然而，由於該2種光係沿大致相同之光路行進，因此以通常之光闌等係難以僅除去造成測量誤差要因之光。
本發明有鑑於此種課題，目的在於提供一種面位置檢測技術、使用該面位置檢測技術之曝光技術、及使用該曝光技術之元件製造方法，其中該面位置檢測技術係在檢測物體之既定面的面位置資訊時，即使於該既定面之附近存在物體之其他面而成為非檢測對象之面，亦可高精度檢測出該既定面之面位置資訊。
本發明之面位置檢測裝置，用以檢測物體之既定面的位置資訊，其具備：第1光學系統，係從相對於該既定面傾斜之方向投射光；第2光學系統，係接收來自該物體之該光；檢測系統，係接收來自該第2光學系統之該光並根據該光來檢測該既定面在與該既定面交叉之方向的位置資訊；以及相位差賦予系統，係設於該第1及第2光學系統之至少一者之光路中，對來自該第2光學系統之該光中、經由該物體之既定面以外之面之光中之不同部分之間賦予相位差。
本發明之面位置檢測裝置，用以檢測位於橫越檢測方向之面之被檢面在該檢測方向的位置資訊，其具備：送光系統，係將既定圖案之像從斜向方向投射於該被檢面上；受光系統，係接收透過該被檢面之光以形成該圖案之像；檢測部，係從藉由該受光系統所形成之該圖案之像檢測出該被檢面在該檢測方向的位置資訊；以及相位差賦予系統，係對從該送光系統投射並透過該被檢面以外之面射入該受光系統之光賦予相位差。
本發明之面位置檢測方法，用以檢測物體之既定面的位置資訊，其包含：從相對於該既定面傾斜之方向投射光的動作；進行來自該物體之該光的接收，並根據該光檢測出該既定面在與該既定面交叉之方向的位置資訊的動作：以及對進行該接收之該光中透過該物體之既定面以外之面之光中之不同部分之間，進行相位差之賦予的動作。
本發明之曝光裝置，係將既定圖案曝光於感光性基板上，其特徵在於：為了檢測該感光性基板之面位置資訊，具備申請專利範圍第1至21項中任一項之面位置檢測裝置。
本發明之元件製造方法，包含：曝光步驟，係使用本發明之曝光裝置，將既定圖案曝光於感光性基板上；顯影步驟，係使在上述步驟曝光後之感光性基板顯影，以將對應該圖案之形狀的光罩層形成在該感光性基板之表面；以及加工步驟，係透過該光罩層對該感光性基板之表面進行加工。
根據本發明，在檢測物體之既定面的面位置資訊時，即使於該既定面之附近存在該既定面以外之面的情況下，亦可對來自第2光學系統之光中、經由該既定面以外之面之光中之不同部分之間賦予相位差。因此，根據透過該既定面以外之面之光藉由第2光學系統所形成之像(所聚集之光)的強度即降低。如此，由於來自物體之既定面以外之面之光的強度會降低，因此即使於既定面之附近存在既定面以外之面的情況下，亦可高精度檢測出該既定面的面位置資訊。
[第1實施形態]
本實施形態係將本發明應用於例如曝光裝置所具備之用以檢測塗布於晶圓表面之光阻(感光劑)之表面之面位置資訊的自動焦點感測器(以下，稱為AF感測器)。
圖8係表示本實施形態之AF感測器的構成，圖8中，晶圓W係透過未圖示之晶圓保持具並藉由真空吸附等保持於晶圓載台WST上。晶圓W係將厚度為100～300nm左右之光阻14塗布於例如半導體(矽等)或SOI(silicon on insulator：絕緣層上覆矽)等直徑為200～450mm左右之圓板狀基板之表面者。此外，圖8等中，為方便說明，光阻14係將其厚度描繪成遠較實際為厚。於光阻14與晶圓W之間，有時會進一步形成抗反射膜等。又，於晶圓W之基板表面之基底面Wa(光阻14之背面)，以截至目前之步驟形成有電路圖案及對準標記等的圖案15。以下，在與晶圓W之裝載面大致平行之晶圓載台WST之導引面(未圖示)的法線方向取Z軸，在垂直於Z軸之面內平行於圖8之紙面之方向取X軸，在垂直於圖8之紙面之方向取Y軸，以進行說明。
本實施形態中，基底面Wa之圖案15雖可看成延伸於Y方向之孤立線的圖案，不過此亦可看成延伸於X方向之孤立線的圖案、或沿X、Y方向之週期性圖案。從圖案15除了正反射光(0次繞射光)以外，雖亦產生1次以上之繞射光，不過以下係將1次以上之繞射光僅稱為繞射光。又，作為由晶圓W與光阻14所構成之物體的既定面，藉由AF感測器所要檢測面位置資訊之面(被檢面)之光阻14的表面(以下，稱為光阻面)14a，雖大致垂直(大致平行於XY平面)於Z軸，不過會因晶圓W基板之厚度的偏差或基底圖案之段差等，使Z方向之位置(Z位置或焦點位置)會依X方向、Y方向之位置而異。
又，晶圓載台WST係沿X方向、Y方向驅動晶圓W，並根據作為以AF感測器所測量之面位置資訊之光阻面14a之Z位置的分布，控制晶圓W之Z位置、及繞X軸、Y軸之傾斜角，以將曝光用照明光(曝光用光)所照射之曝光區域內之光阻面14a之平均面，相對於投影光學系統(未圖示)之最佳成像面BF(使用AF感測器之被檢面之對準的目標位置)，設定於投影光學系統之焦點深度的範圍內。
本實施形態之AF感測器具備送光系統(第1光學系統)51E、受光系統(第2光學系統)52E、及檢測系統，其中該送光系統51E係將作為既定圖案之狹縫像從斜向方向投射於光阻面14a(被檢面)，該受光系統52E係接收來自光阻面14a及其附近之面的反射光(包含正反射光、繞射光)，並再次形成該狹縫之像，而檢測系統則包含將受光系統52E所形成之狹縫像予以光電轉換的受光感測器12及將該光電轉換所獲得之檢測訊號加以處理的訊號處理系統13。送光系統51E中，來自鹵素燈或發光二極體等光源1之檢測光DL(測量光)，係一種不會使晶圓W之光阻感光並具有寬頻帶波長之光，透過聚光透鏡2照明形成於送光狹縫板3之沿Y方向(或沿相對於Y方向之斜向方向)延伸之細長狹縫3a。從狹縫3a所射出之檢測光DL，係透過第2物鏡4、第1孔徑光闌(第1相位板)150、及第1物鏡6，斜向射入晶圓W上之光阻面14a。包含沿檢測光DL之光路的光源1～第1物鏡6而構成送光系統51E。亦即，第1光學系統之送光系統51E係從相對於物體之既定面之光阻面呈傾斜之方向來投射光。
第2物鏡4及第1物鏡6係將狹縫3a之像形成於最佳成像面BF與送光系統51E之光軸所交叉之點上或其附近。由於光阻面14a係位於最佳成像面BF或其附近，因此狹縫3a之像即從斜向方向投影於光阻面14a上。
射入光阻面14a之檢測光DL，係大致分成在光阻面14a正反射並朝向受光系統52E之光、及透過光阻14朝向晶圓W之基底面Wa並在基底面Wa反射(正反射及繞射)後朝向受光系統52E之光。
在光阻面14a及基底面Wa反射之檢測光DL，係射入受光系統52E，並透過第1物鏡7、第2孔徑光闌(第2相位板)180、及第2物鏡9，將狹縫像形成於形成有狹縫10a之受光狹縫板10上。亦即，第2光學系統之受光系統52E係接收來自表面塗布有光阻14之晶圓W的光。通過狹縫10a之檢測光DL，係透過中繼透鏡11聚光於光電二極體等受光感測器12之受光面。受光感測器12之檢測訊號DS係供應於訊號處理系統13。訊號處理系統13則從檢測訊號DS求出從最佳成像面BF之往Z方向之位置偏移量(散焦量)的資訊，作為光阻面14a之面位置資訊。亦即，受光感測器12係接收來自受光系統52E之光，而訊號處理系統13則根據該光從受光感測器12所產生之檢測訊號DS，檢測出光阻面14a之Z方向的位置資訊。包含沿檢測光DL之光路的第1物鏡7～中繼透鏡11而構成受光系統52E。
在第1物鏡7及第2物鏡9，最佳成像面BF與受光系統52E之光軸所交叉之點與狹縫10a之中心係共軛。狹縫10a之形狀與狹縫3a之共軛像大致為相同形狀。在無來自基底面Wa之反射光且光阻面14a之Z位置與最佳成像面BF之Z位置ZBF一致時，藉由物鏡7及9使狹縫3a之像形成於與狹縫10a大致相同之位置，而使通過狹縫10a在受光感測器12所接收之光量(光強度)為最大。
又，藉由光阻面14a從最佳成像面BF往Z方向之位置偏移，狹縫像之光量分布的中心係在受光狹縫板10上從狹縫10a之中心橫向偏移至與Y方向正交之方向。因此，如後述圖1D所示，來自受光感測器12之檢測訊號DS係在光阻面14a之Z位置與ZBF一致時呈最大，而在Z位置從ZBF偏移時則減少。因此，可利用此關係在訊號處理系統13將檢測訊號DS加以處理以求出焦點資訊，該焦點資訊作為與光阻面14a上之狹縫像之投影位置(測量點)之光阻面14a的焦點位置、或來自最佳成像面BF之散焦量之資訊的面位置資訊。此外，實際上為了除去例如外部干擾光之影響等並檢測出光阻面14a究竟係從最佳成像面BF位移至+Z方向或-Z方向之哪一方向，例如亦可使送光狹縫板3振動於狹縫3a之寬度方向，在訊號處理系統13則與該振動同步對檢測訊號DS進行同步檢波以求出焦點資訊。針對該同步檢波之方法，已揭示於例如美國專利第5633721號說明書、及日本特開2007-48819號公報。
圖9A之第1孔徑光闌150，係設置於圖8之送光系統51E之瞳面或其附近之位置，並與送光系統51E之光軸交叉，具備以圖8之Y方向為長邊方向的矩形第1區域150a、位於第1區域150a之短邊方向兩側的一對第2區域150b、及位在圍繞第1及第2區域150a,150b的遮光部150c。此外，第1孔徑光闌150則對通過第1區域150a之檢測光DL與通過其外側之第2區域150b之檢測光DL之間，賦予大致為180°之相位差(以檢測光DL之中心波長為λ，大致為λ/2之相位差)。例如，第1區域150a係具有使透射此之光之相位相較於透射第2區域150b之光的相位變化大致180°之移相部的功能，而第2區域150b則具有不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)使射入之光透射之透射部的功能。
又，圖9B之第2孔徑光闌180，係配置於受光系統52E之瞳面或其附近之位置，藉此配置於與第1孔徑光闌150之配置面大致共軛之受光系統52E內的位置，並與第1孔徑光闌150之第1及第2區域150a,150b、及遮光部150c呈大致共軛之形狀。第2孔徑光闌180係與受光系統52E之光軸交叉，具備以圖8之Y方向為長邊方向的矩形第3區域180a、位於第3區域180a之短邊方向兩側的一對第4區域180b、及位在圍繞第3及第4區域180a,180b的透射部180c。此外，第2孔徑光闌180係對通過中心之第3區域180a之檢測光DL與通過其外側之第4區域180b之檢測光DL之間，賦予大致為180°之相位差(大致為λ/2之相位差)。例如，第3區域180a具有不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)使射入之光透射之透射部的功能，第4區域180b具有使透射此之光的相位相較於透射第2區域180a之光的相位變化大致180°之移相部的功能，而透射部180c則具有不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)使射入之光透射之透射部的功能。
亦即，第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180，係設於送光系統51E及受光系統52E之光路中，整體而言具有相位差賦予系統的功能，以對來自受光系統52E之檢測光DL中、經由作為被檢面以外之面的基底面Wa之光中之相異部分之間賦予相位差。
第1孔徑光闌150之第1區域150a之面積與一對第2區域150b之合計面積最好係相等。第2孔徑光闌180之第3區域180a之面積與一對第4區域180b之合計面積最好係相等。
此處，送光系統51E/受光系統52E之瞳面可以下述2種方法(a)(b)來定義。此外，其瞳面附近之位置意指至少容許一般製造/組裝上之定位誤差。
(a)通過被檢面之對準之目標位置(最佳成像面BF)與送光系統51E/受光系統52E之光軸所交叉之點，大致相當於對垂直於該光軸之面為光學傅立葉轉換面的面。
(b)第1物鏡6之前側焦點面或其共軛面/第1物鏡7之後側焦點面或其共軛面。
本實施形態中，實際上形成於受光狹縫板10上之狹縫像，係包含來自基底面Wa之反射光的光量分布。為了減輕來自該基底面Wa之反射光的影響，第2孔徑光闌180係配置於受光系統52E內與送光系統51E內之第1孔徑光闌150之配置面大致共軛的位置。此外，大致共軛的位置係指如後述般只要在來自晶圓W之基底面Wa的正反射光與繞射光會在第2孔徑光闌180內通過相位特性(藉由透射所被賦予之相位量)不同之其他區域的範圍內，則第2孔徑光闌180之位置亦可從與第1孔徑光闌150之共軛面偏移之意。此處，由於第1孔徑光闌150係配置於送光系統51E之瞳面或其附近之位置，因此可將第2孔徑光闌180配置於受光系統52E之瞳面或其附近之位置。
從第1區域150a朝向光阻面14a並分別在光阻面14a及基底面Wa正反射之光，係通過第2孔徑光闌180之第3區域180a。從第2區域150b朝向光阻面14a並分別在光阻面14a及基底面Wa正反射之光，係通過第2孔徑光闌180之第4區域180b。
若設檢測光DL之中心波長為λ時，對通過第1區域150a之檢測光係賦予λ/2之相位，對通過第2區域150b之檢測光則不賦予相位。因此，通過第1區域150a之檢測光與通過第2區域150b之檢測光的相位差δ1便大致為λ/2(180°)。另一方面，對通過第3區域180a之檢測光並不賦予相位，而對通過第4區域180b之檢測光則賦予λ/2之相位。因此，通過第3區域180a之檢測光與通過第4區域180b之檢測光的相位差δ2亦設定成大致為λ/2(180°)。又，由於通過第1區域150a及第3區域180a之檢測光與通過第2區域150b及第4區域180b之檢測光係賦予相同量之相位，因此在通過第2孔徑光闌180後即成為同相位，整體而言係具有與射入第1孔徑光闌150前大致相等之相位分布。
亦即，作為相位差賦予系統之第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180，整體而言係對來自受光系統52E之檢測光DL中、經由作為被檢面以外之面(物體之另一面)之基底面Wa之光中之相異部分之間賦予相位差，並使在作為被檢面之光阻面14a反射之光的相位分布與未射入第1孔徑光闌150之檢測光DL的相位分布大致相等。
此外，由於通過第1區域150a及第4區域180b之2個光之干涉光的強度、及通過第2區域150b及第3區域180a之2個光之干涉光的強度只要降低即可，因此其相位差δ 1,δ 2只要大於λ/4(90°)而小於3λ/4(270°)即可。
圖8中，從送光系統51E照射於光阻面14a之檢測光DL中，在光阻面14a正反射(此處幾乎全部正反射)之光(測量光)24，在通過送光系統51E內之第1區域150a時，係大致通過受光系統52E內之第3區域180a，而將狹縫像形成於受光狹縫板10上之位置A1上，在通過送光系統51E內之第2區域150b時，係大致通過受光系統52E內之第4區域180b，而將狹縫像形成於受光狹縫板10上之位置A1上。在光阻面14a正反射之光24會如此動作其原因係在於第1孔徑光闌150之第1及第2區域150a，150b與第2孔徑光闌180之第3及第4區域180a，180b分別大致為共軛。若光阻面14a從最佳成像面BF偏移至Z方向，則光24之狹縫像的位置即經受光狹縫板10上沿正交於Y軸之方向相對於受光系統52E之光軸偏移至上下。
另一方面，照射於光阻面14a之檢測光DL中透射光阻14後到達基底面Wa(圖案15)之光，其一部分係被正反射而以實線所示之正反射光21(0次繞射光)射出，其餘部分則藉由圖案15繞射而以虛線所示之繞射光(±1次、±2次等繞射光)22射出。
又，相對於檢測光DL所照射之光阻面14a上之點，透射光阻14後之檢測光DL所射入之基底面Wa上之點，由於相對於受光系統52E之光軸係位置偏移至下方，因此來自基底面Wa之正反射光21及繞射光22即透過物鏡7及9聚光於在受光狹縫板10上從位置A1偏移至上方的位置B1。從送光系統51E照射於基底面Wa之檢測光DL中在基底面Wa正反射之光21，在通過送光系統51E內之第1區域150a時，係大致通過受光系統52E內之第3區域180a，而將狹縫像形成於受光狹縫板10上之位置B1上，在通過送光系統51E內之第2區域150b時，係大致通過受光系統52E內之第4區域180b，而將狹縫像形成於受光狹縫板10上之位置B1上。另一方面，從送光系統51E照射於基底面Wa之檢測光DL中在基底面Wa繞射之光22，在通過送光系統51E內之第1及第2區域150a,150b其中之任一者時，一部分亦通過第3區域180a，其餘部分則通過第4區域180b，而將狹縫像形成於受光狹縫板10上之位置B1上。
因此，由於此時在聚光於位置B1之光中包含相位大致差180°之成分，因此聚光於位置B1之光的強度會因干涉效應而降低。
亦即，在受光感測器12所接收之光中，對屬來自光阻面14a之反射光以外之光之來自基底面Wa之正反射光及繞射光之至少一部分與另一部分之間賦予相位差，藉此降低來自表面塗布有光阻14之晶圓W之光中之來自基底面Wa之光的強度。
相對於此，如圖2所示，在送光系統內未設第1孔徑光闌150，且受光系統內未設第2孔徑光闌180之情況下，來自基底面Wa之正反射光21及繞射光22即以相同相位聚光於受光狹縫板10上之位置B1。因此，聚光於位置B1之光的強度便不會降低，受光狹縫板10上之狹縫像之光量分布的重心，會因聚光於位置B1之光而位置偏移至上方，而在光阻面14a之Z位置的測量結果產生誤差。
本實施形態之作用效果等係如以下所述。
(1)本實施形態之圖8之AF感測器係一種面位置檢測裝置，用以檢測位於橫越Z方向(檢測方向)之面之光阻面14a(被檢面)之Z方向的位置資訊(面位置資訊)，具備：送光系統51E、受光系統52E、及受光感測器12及訊號處理系統13，其中該送光系統51E係將狹縫3a(既定圖案)之像從斜向方向投射於光阻面14a上；受光系統52E係接收透過光阻面14a之光以形成狹縫之像；該受光感測器12及訊號處理系統13則根據藉由受光系統52E所形成之狹縫像，檢測出屬光阻面14a之Z方向之位置資訊的焦點資訊。再者，該AF感測器具備第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180(相位差賦予系統)，用以在從送光系統51E投射後透過在Z方向與光阻面14a位於不同位置之基底面Wa而射入受光系統52E，並對從受光系統52E朝向受光狹縫板10之光中之第1部分與第2部分之間賦予相位差。透過基底面Wa射入受光系統52E之光係指包含在基底面Wa之正反射光21及繞射光22。再者，透過基底面Wa射入受光系統52E之光之第1及第2部分，亦可分別包含正反射光21之一部分及繞射光22之一部分。
因此，由於從基底面Wa所產生之正反射光21及繞射光22中存在相位差，因此藉由受光系統52E正反射光21及繞射光22所照射之位置B1的光強度，相較於未設置第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180之情況，會因干涉效應而降低。因此，由於來自基底面Wa之光的強度會降低，因此即使在被檢面附近存在非檢測對象之基底面Wa的情況下，亦可高精度檢測出被檢面(光阻面14a)之Z位置(面位置資訊)。
(2)本實施形態中，對來自受光系統52E之檢測光中透過基底面Wa之光(正反射光21及繞射光22)中之不同部分(第1及第2部分)之間所賦予之相位差δ，較佳為大於90°而小於270°，亦即若以照射於光阻面14a之檢測光DL的中心波長為λ時，較佳為大於λ/4而小於3λ/4。藉此，相較於無相位差賦予系統之情況，由於照射於位置B1之光其強度會降低，因此可提升被檢面之Z位置的測量精度。
又，更佳為其相位差δ係設定成大致為180°(λ/2)。藉此，照射於位置B1之光的強度大致為最小，而可以最高精度測量被檢面之Z位置。
(3)又，用以賦予該相位差δ之光學系統係包含配置於送光系統51E之瞳面或其附近之位置的第1孔徑光闌150、及配置於受光系統52E之瞳面或其附近之位置的第2孔徑光闌180，亦即配置於受光系統52E內與第1孔徑光闌150之配置面大致共軛之位置的第2孔徑光闌180。
由於第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180係兼作通常之孔徑光闌而分別配置於光學系統之瞳面或其附近，因此不會使光學系統複雜化。
此外，在晶圓W之基底面Wa所產生之繞射光22的發散角(繞射角)及方向，係取決於基底面Wa之圖案15的圖案間距及週期方向。因此，較佳為從例如由晶圓W之前步驟之曝光資料，自可辨識之圖案15之間距及方向的分布來選擇最有效之第1孔徑光闌150之第1及第2區域150a,150b、及第2孔徑光闌180之第3及第4區域180a,180b的大小(孔徑)。因此，亦可預先準備複數種不同孔徑之第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180，再根據晶圓W之前陣列之圖案15的資訊，來選擇設置最佳之第1及第2孔徑光闌150,180。
(4)又，本實施形態中，被檢面係塗布於晶圓W(基板)上面之光阻(被膜)的表面，具有具相位差之第1及第2部分的光，係透過形成於晶圓W上面(基底面Wa)之圖案15的光。因此，本實施形態在對晶圓W上之第2層以後之陣列進行曝光時的面位置測量係特別有效。
(5)此外，圖8之送光系統51E具備由光源1及聚光透鏡2所構成之照明系統。然而，例如藉由使用狹縫3a之部分為會發光之自發光型圖案產生器以取代狹縫板3，則可省略該照明系統。
本實施形態中，相位差賦予系統係包含配置於送光系統51E內之第1孔徑光闌150與配置於受光系統52E內之第2孔徑光闌180。此外，第1孔徑光闌150具有對透射之光賦予既定量之相位的第1區域150a，而第2孔徑光闌180則具有對透射之光賦予既定量之相位的第4區域180b。
此外，本實施形態中，第1孔徑光闌150及第2孔徑光闌180雖為使射入之光透射之透射型元件，不過構成相位差賦予系統之元件之至少1個，亦可為使射入之光反射的反射型元件。此時，例如對應第1區域150a及第4區域180b之區域，亦可設為相對於對應第2區域150b及第3區域180a之區域分別具有既定量之相位差(亦即段差)之反射面。此外，在以此方式使用反射型元件時，第1物鏡6,7及第2物鏡4,9等亦可對應反射之光的光路予以適當配置。
圖10係表示相對於本實施形態之AF感測器，晶圓W為傾斜配置時之例。圖11A係表示第1孔徑光闌150與在AF感測器之各位置之光之波面之關係的圖。圖11A中，波面WF1係表示第2物鏡4與第1孔徑光闌150間之波面，波面WF2係表示第1孔徑光闌150與第1物鏡6間之波面，波面WF3係表示第1物鏡7與第2孔徑光闌180間之波面，而波面WF4則表示第2孔徑光闌180與第2物鏡9間之波面。經過第1孔徑光闌150之波面WF2中，係在通過第1區域150a之部分賦予既定相位。如圖11A所示，在晶圓W為傾斜時，在基底面Wa反射之光的波面係如波面WF3般中心位置會偏移。其結果，經過第2孔徑光闌180之波面WF4即在相當於第1及第2區域150a,150b之邊界的部位具有對應波面WF2,WF3之相位差的凹凸。藉此，形成於受光狹縫板10上之狹縫像的對比會降低，進而檢測訊號DS之對比亦會降低。
相對於此，如圖11B所示，例如可使用在第1區域150a及第2區域150b之邊界部150ab設有遮光部之第1孔徑光闌150A。圖11B係表示第1孔徑光闌150A與在AF感測器之各位置之光之波面之關係的圖。圖11B中，波面WF1A係表示第2物鏡4與第1孔徑光闌150間之波面，波面WF2A係表示第1孔徑光闌150與第1物鏡6間之波面，波面WF3A係表示第1物鏡7與第2孔徑光闌180間之波面，波面WF4A係表示第2孔徑光闌180與第2物鏡9間之波面。此時，晶圓W即使傾斜，在相當於第1及第2區域150a,150b之邊界的部位，並未形成對應波面WF2A,WF3A之相位差的凹凸，經過第2孔徑光闌180之波面WF4A係與波面WF1A同樣地大致為平坦。其結果，在使用第1孔徑光闌150A之AF感測器中，即可抑制在受光狹縫板10上使狹縫像之對比降低。
[第2實施形態]
本實施形態係將本發明應用在例如曝光裝置所具備並用以檢測塗布於晶圓表面之光阻(感光劑)之表面的面位置資訊。
圖1A係表示本實施形態之AF感測器之構成，圖1A中，對與第1實施形態相同之構成部分係賦予相同符號。晶圓W係透過未圖示之晶圓保持具並藉由真空吸附等保持於晶圓載台WST上。晶圓W係將厚度為100～300nm左右之光阻14塗布於例如半導體(矽等)或SOI(silicon on insulator：絕緣層上覆矽)等直徑為200～300mm左右之圓板狀基板的表面。此外，圖1A等中，為方便說明，光阻14係將其厚度描繪成遠較實際為厚。於光阻14之表面，有時會進一步形成抗反射膜等。又，於晶圓W之基板表面之基底面Wa(光阻14之背面)，以截至目前之步驟形成有電路圖案及對準標記等具週期性的圖案15。以下，將Z軸取為與晶圓W之裝載面大致平行之晶圓載台WST之導引面(未圖示)的法線方向，將X軸取為在垂直於Z軸之面內平行於圖1A之紙面，將Y軸取為垂直於圖1A之紙面以進行說明。
本實施形態中，基底面Wa之圖案15雖可看成延伸至Y方向之孤立線的圖案，不過此亦可看成延伸至X方向之孤立線的圖案、或沿X、Y方向之週期性圖案。從圖案15除了正反射光(0次繞射光)以外，雖亦產生1次以上之繞射光，不過以下係將1次以上之繞射光僅稱為繞射光。又，屬被檢面之晶圓W之光阻14的表面(以下，稱為光阻面)14a，雖大致垂直(大致平行於XY平面)於Z軸，不過因晶圓W基板之厚度的偏差或基底圖案之段差等，Z方向之位置(Z位置或焦點位置)會依X方向、Y方向之位置而異。
又，晶圓載台WST係沿X方向、Y方向驅動晶圓W，並根據以該AF感測器所測量之晶圓W之光阻面14a之Z位置的分布(面位置資訊)，控制晶圓W之Z位置、及繞X軸、Y軸之傾斜角，以將曝光用照明光所照射之曝光區域內之光阻面14a之平均之面，相對於投影光學系統(未圖示)之最佳成像面BF(AF感測器之被檢面的目標位置)，設定於焦點深度的範圍內。
本實施形態之AF感測器具備送光系統51A、受光系統52A、及訊號處理系統13，其中該送光系統51A係將既定圖案之狹縫之像從斜向方向投射於光阻面14a(被檢面)，該受光系統52A係接收來自光阻面14a及其附近之面的反射光(包含正反射光、繞射光)，並再次形成該狹縫之像，而該訊號處理系統13則處理藉由將受光系統52A所形成之狹縫像予以光電轉換之受光感測器12及該光電轉換所獲得之檢測訊號。送光系統51A中，來自鹵素燈或發光二極體等光源1之檢測光DL(測量光)，係一種不會使晶圓W之光阻感光並具有寬頻帶波長之光，透過聚光透鏡2沿Y方向(或沿相對於Y方向斜向方向)照明形成於送光狹縫板3之細長狹縫3a。從狹縫3a所射出之檢測光DL係透過第2物鏡4、送光側光闌5(孔徑光闌)、及第1物鏡6斜向射入光阻面14a。沿檢測光DL之光路包含光源1～第1物鏡6而構成送光系統51A。
第2物鏡4及第1物鏡6係將狹縫3a之像形成於最佳成像面BF(被檢面之對準的目標位置)與送光系統51A之光軸所交叉之點上。由於光阻面14a係位於最佳成像面BF或其附近，因此狹縫3a之像係從斜向方向投影於光阻面14a上。在送光側光闌5，如圖1B所示，於遮光部5b之中央形成有用以使光透射之矩形開口部5a。送光側光闌5係配置於送光系統51A之瞳面或其附近之位置。開口部5a具有不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而使射入之光透過之透射部的功能，遮光部5b則具有將射入之光予以遮蔽之遮光部的功能。
此處，送光系統51A/受光系統52A之瞳面可以下述2種方法(a),(b)來定義。此外，其瞳面附近之位置係意指至少容許通常製造/組裝上之定位誤差。
(a)通過被檢面之對準的目標位置(最佳成像面BF)與送光系統51A/受光系統52A之光軸所交叉之點，大致相當於對垂直於該光軸之面之光學傅立葉轉換面的面。
(b)第1物鏡6之前側焦點面或其共軛面/第1物鏡7之後側焦點面或其共軛面。
射入光阻面14a之檢測光DL係大致分成在光阻面14a正反射並朝向受光系統52A之光、及透射過光阻14朝向晶圓W之基底面Wa，並在基底面Wa反射(正反射及繞射)後朝向受光系統52A之光。
在光阻面14a及基底面Wa反射之檢測光DL，係射入受光系統52A並透過第1物鏡7、相位差板8(相位板或孔徑光闌)、及第2物鏡9，將狹縫像形成於形成有狹縫10a之受光狹縫板10上。通過狹縫10a之光，係透過中繼透鏡11聚光於光電二極體等受光感測器12之受光面。受光感測器12之檢測訊號DS係供應於訊號處理系統13。訊號處理系統13則從檢測訊號DS求出從最佳成像面BF往Z方向之位置偏移量(散焦量)的資訊作為光阻面14a之面位置資訊。亦即，受光感測器12係接收來自受光系統52A之光，而訊號處理系統13則根據該光從受光感測器12所產生之檢測訊號DS，檢測出光阻面14a之Z方向的位置資訊。包含沿檢測光DL之光路的第1物鏡7～中繼透鏡11而構成受光系統52A。
在第1物鏡7及第2物鏡9，最佳成像面BF與受光系統52A之光軸所交叉之點與狹縫10a之中心係共軛。狹縫10a之形狀與狹縫3a之共軛像大致為相同形狀。在無來自基底面Wa之反射光且光阻面14a之Z位置與最佳成像面BF之Z位置ZBF一致時，藉由物鏡7及9使狹縫3a之像形成於與狹縫10a大致相同之位置，而使通過狹縫10a在受光感測器12所接收之光量(光強度)為最大。
又，藉由光阻面14a從最佳成像面BF往Z方向之位置偏移，狹縫像之光量分布的中心係在受光狹縫板10上從狹縫10a之中心橫向偏移至與Y方向正交之方向。因此，如圖1D所示，來自受光感測器12之檢測訊號DS係在光阻面14a之Z位置與ZBF一致時呈最大，而在Z位置從ZBF偏移時則減少。因此，可利用此關係在訊號處理系統13處理檢測訊號DS以求出焦點資訊，作為對應光阻面14a上狹縫像之投影位置(測量點)之光阻面14a之焦點位置、或來自最佳成像面BF之散焦量之資訊的面位置資訊。此外，實際上為了除去例如外部干擾光之影響等並檢測出究竟光阻面14a係從最佳成像面BF位移至+Z方向或-Z方向之哪一方向，例如亦可使送光狹縫板3振動於狹縫3a之寬度方向，在訊號處理系統13則與該振動同步對檢測訊號DS進行同步檢波以求出焦點資訊。針對該同步檢波之方法，已揭示於例如美國專利第5633721號說明書、及日本特開2007-48819號公報。
本實施形態中，實際上形成於受光狹縫板10上之狹縫像，係包含來自基底面Wa之反射光的光量分布。為了減輕來自該基底面Wa之反射光的影響，相位差板8係配置於受光系統52A內與送光系統51A內之送光側光闌5之配置面大致共軛的位置。此外，大致共軛的位置意指如後述般只要在來自晶圓W之基底面Wa的正反射光與繞射光會在相位差板8內通過相位特性(藉由透射所被賦予之相位量)不同之其他區域的範圍內，則相位差板8之位置亦可從與送光側光闌5之共軛面偏移。此處，由於送光側光闌5係配置於送光系統51A之瞳面或其附近之位置，因此可將相位差板8配置於受光系統52A之瞳面或其附近之位置。
圖1C係表示圖1A內之相位差板8的俯視圖。圖1C中，相位差板8具備與圖1B之送光側光闌5之開口部5a之共軛像大致相同形狀且相同位置之矩形透射部8a、及該透射部8a周圍之框狀相位差部8b。以一例而言，相位差部8b之外形係形成為透射部8a之高度及寬度之3倍左右的形狀，其周圍則為遮光部。例如，透射部8a具有不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而使射入之光透過之透射部的功能，相位差部8b則具有使透射過此之光之相位相較於透射透射部8a之光之相位大致變化180°之相位移位部的功能。
若以檢測光DL之中心波長為λ時，通過透射部8a之檢測光與通過之相位差部8b檢測光的相位差δ係設定成大致為λ/2(180°)。此種相位差板可藉由對例如平板狀玻璃基板於對應透射部8a之部分藉由蝕刻等形成深度d之凹部來製造。若以該玻璃基板之折射率為na，以檢測光DL所通過之光路之氣體的折射率為nb，並使用既定整數k(k=0,1,2,…)時，深度d之條件如下：
(na-nb)d=(1/2＋k)λ　…(1)
此外，如後述般，由於只要通過透射部8a及相位差部8b之2個光之干涉光的強度降低即可，因此如以下所示其相位差δ只要大於λ/4(90°)而小於3λ/4(270°)即可。
λ/4＜δ＜3λ/4　…(2)
圖1A中，從送光系統51A照射於光阻面14a之檢測光DL中，在光阻面14a正反射(此處幾乎全部被正反射)之光(測量光)24，係大致通過受光系統52A內之相位差板8的透射部8a，而將狹縫像形成於受光狹縫板10上之位置A1上。在光阻面14a正反射之光24會通過透射部8a其原因係在於送光側光闌5之開口部5a與相位差板8之透射部8a大致為共軛。若光阻面14a從最佳成像面BF偏移至Z方向，則光24之狹縫像的位置即經受光狹縫板10上沿正交於Y軸之方向相對於受光系統52A之光軸位置偏移至上下。
另一方面，照射於光阻面14a之檢測光DL中，透射光阻14後到達基底面Wa(圖案15)之光，其一部分被正反射而以實線所示之反射光21(0次繞射光)射出，其餘部分則藉由圖案15繞射而以虛線所示之繞射光(±1次、±2次等繞射光)22射出。
此外，由於圖案15係可看成延伸至Y方向之孤立線的圖案，因此實際上如圖1C所示，繞射光22係呈與正反射光(0次繞射光)21重疊之狀態。
又，相對於檢測光DL所照射之光阻面14a上之點，透射過光阻14之檢測光DL所照射之基底面Wa上之點，由於相對於受光系統52A之光軸係位位偏移至下方，因此來自基底面Wa之正反射光21及繞射光22即透過物鏡7及9聚光於在受光狹縫板10上從位置A1位置偏移至上方之位置B1。此時，由於聚光於位置B1之光中係包含相位大致差180°之成分，因此聚光於位置B1之光的強度會因干涉效應而降低。
相對於此，如圖2所示，在受光系統52A內未設相位差板8之情況下，來自基底面Wa之正反射光21及繞射光22即以相同相位聚光於受光狹縫板10上之位置B1。因此，聚光於位置B1之光的強度便不會降低，受光狹縫板10上之狹縫像之光量分布的重心，會因聚光於位置B1之光而位置偏移至上方，而在光阻面14a之Z位置的測量結果產生誤差。
本實施形態之作用效果等係如以下所述。
(1)本實施形態之圖1A之AF感測器係一種面位置檢測裝置，用以檢測位於橫切Z方向(檢測方向)之面之光阻面14a(被檢面)之Z方向的位置資訊(面位置資訊)，具備：送光系統51A、受光系統52A、以及受光感測器12及訊號處理系統13，其中該送光系統51A係將狹縫3a(既定圖案)之像從斜向方向投射於光阻面14a上；受光系統52A係接收透過光阻面14a之光以形成狹縫之像；該受光感測器12及訊號處理系統13則根據藉由受光系統52A所形成之狹縫像，以檢測出屬光阻面14a之Z方向之位置資訊的焦點資訊。再者，該AF感測器具備送光側光闌5及相位差板8(相位差賦予系統)，用以在從送光系統51A投射，且透過屬被檢面以外之面之基底面Wa而射入受光系統52A，並對從受光系統52A朝向受光狹縫板10之光中之不同部分(第1部分與第2部分)之間賦予相位差。透過基底面Wa射入受光系統52A之光係指包含在基底面Wa之正反射光21及繞射光22。此外，透過基底面Wa射入受光系統52A之光之第1及第2部分，亦可分別包含正反射光21之一部分1及繞射光22之一部分。
因此，由於對從基底面Wa所產生之正反射光21及繞射光22之中賦予相位差，因此藉由受光系統52A內正反射光21及繞射光22所照射之位置B1的光強度，相較於未設置相位差板8之情況，會因干涉效應而降低。因此，由於來自被檢面以外之面之光的強度會降低，因此即使在被檢面附近存在非檢測對象之面的情況下，亦可高精度檢測出被檢面(光阻面14a)之Z位置(面位置資訊)。
(2)本實施形態中，對來自受光系統52A之檢測光中、經由基底面Wa之光(正反射光21及繞射光22)中之不同部分(第1及第2部分)之間所賦予之相位差δ，較佳為大於90°而小於270°，亦即以照射於光阻面14a之檢測光DL的中心波長為λ，較佳為大於λ/4而小於3λ/4。藉此，相較於無相位差板8之情況，由於照射於位置B1之光其強度會降低，因此可提升被檢面之Z位置的測量精度。
又，更佳為該相位差δ係設定成大致為180°(λ/2)。藉此，照射於位置B1之光的強度大致為最小，而可以最高精度測量被檢面之Z位置。
(3)又，用以賦予該相位差δ之光學系統係包含配置於送光系統51A之瞳面或其附近之位置的送光側光闌5(孔徑光闌)、及配置於受光系統52A之瞳面或其附近之位置的相位差板8，亦即配置於受光系統52A內與送光側光闌5之配置面大致共軛之位置的相位差板8(相位板)。
由於送光側光闌5及相位差板8係兼作通常之孔徑光闌而分別配置於光學系統之瞳面或其附近，因此不會使光學系統複雜化。
此外，在晶圓W之基底面Wa所產生之繞射光22的發散角(繞射角)及方向，係取決於基底面Wa之圖案15的圖案間距及週期方向。因此，較佳為例如從晶圓W之前步驟之曝光資料自可辨識之圖案15之間距及方向的分布，來選擇最有效之送光側光闌5之開口部5a及相位差板8之透射部8a的大小(孔徑)。因此，亦可預先準備複數種孔徑不同之送光側光闌5及相位差板8，再根據晶圓W之前陣列之圖案15的資訊，來選擇設置最佳之送光側光闌5及相位差板8。
(4)又，本實施形態中，被檢面係塗布於晶圓W(基板)上面之光阻(被膜)的表面，構成相位差賦予對象之光係透過形成於晶圓W上面(基底面Wa)之圖案15的光。因此，本實施形態在對晶圓W上之第2層以後之陣列進行曝光時的面位置測量係特別有效。
(5)此外，在來自基底面Wa之圖案15之繞射光的發散角較小時，亦可分別配置圖3A之送光側光闌5A(第1相位板)及圖3B之相位差板8A(或圖8D之相位差板8B)(第2相位板)，以取代上述實施形態之圖A之送光側光闌5及相位差板8。
圖3A之送光側光闌5A係配置於圖1A之送光系統51A之瞳面或其附近之位置，並具備與送光系統51A之光軸交叉的第1區域5Ac、其外側之至少一個框狀之第2區域5Aa、及與圖1B之遮光部5b相同形狀的遮光部5Ab。此外，通過中心之第1區域5Ac及其外側之第2區域5Aa之檢測光DL的相位，其相位係各變化大致180°(λ/2)。亦即，第1區域5Ac係具有使透射此之光的相位相較於透射第2區域5Aa之光的相位變化大致180°之移相部的功能，第2區域5Aa係具有對射入之光不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而透射之透射部的功能，遮光部5Ab則具有將射入之光予以遮蔽之遮光部的功能。
又，圖3B之相位差板8A，具備配置於與送光側光闌5A之配置面大致共軛之受光系統52A內之位置，與送光側光闌5A之區域5Ac,5Aa大致為共軛之形狀，且賦予大致相同相位差的第1區域8Ac、及其外側之至少一個第2區域8Aa。又，圍繞該等區域8Ac,8Aa之區域8Ab係對其內側之區域賦予大致相差180°之相位差。圖3B中，若以通過中間之區域8Aa之光的相位為0°時，通過中心之區域8Ac及外側之區域8Ab之光的相位則大致為180°。亦即，區域8Ac具有使透射此之光的相位相較於透射區域8Aa之光的相位變化大致180°之移相部的功能，區域8Aa係具有對射入之光不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而透射之透射部的功能，區域8Ab則具有使透射此之光的相位相較於透射區域8Aa之光的相位變化大致180°之進一步移相部(追加移相部)的功能。
此外，如圖3C所示，亦可使用相位差板8B來取代圖3B之相位差板8A，以通過中心之區域8Bc之光的相位為0°，而使通過其外側之區域8Ba並進一步使通過其外側之區域8Bb之光的相位逐漸各變化180°。亦即，區域8Bc係具有對射入之光不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而透射之透射部的功能，區域8Ba係具有使透射此之光的相位相較於透射區域8Bc之光的相位變化大致180°之移相部的功能，而區域8Bb則具有對射入之光不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而透射之透射部的功能。
或者，如圖3D所示，亦可使用相位差板8C來取代圖3B之相位差板8A，以通過中心之區域8Cc之光的相位為0°，而使通過其外側之區域8Ca之光的相位變化大致180°，且區域8Ca之外側的區域8Cb為遮光部。亦即，區域8Cc係具有對射入之光不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而透射之透射部的功能，區域8Ca係具有使透射此之光的相位相較於透射過區域8Cc之光之相位變化大致180°之移相部的功能，而區域8Cb則具有將射入之光予以遮蔽之遮光部的功能。
(7)此外，圖1A之送光系統51A具備由光源1及聚光透鏡2所構成之照明系統。然而，例如藉由使用狹縫3a之部分為會發光之自發光型圖案產生器以取代狹縫板3，則可省略該照明系統。
其次，針對本實施形態之變形例參照圖4A及圖4B作說明。對與圖1A對應之部分賦予相同符號的圖4A中，係由送光系統51B、受光系統52B、受光感測器12、及訊號處理系統13構成AF感測器。相對於圖1A之送光系統51A，送光系統51B係設置送光側光闌5B(孔徑光闌或相位板)以取代送光側光闌5，相對於圖1A之受光系統52A，受光系統52B係在設置受光側光闌16(孔徑光闌)以取代相位差板8之點相異。其他構成則與圖1A之AF感測器相同。
如圖4B所示，圖4A之送光側光闌5B係將與圖1B之送光側光闌5之開口部5a相同形狀的第1開口部5Ba、及其上方(＋Z方向)附近之既定面積的矩形第2開口部5Bc設於遮光部5Bb內，並對通過第1開口部5Ba之檢測光DL與通過第2開口部5Bc之檢測光DL之間，賦予大致180°(λ/2)之相位差。又，受光側光闌16係配置於與送光側光闌5B大致共軛之位置，且將通過與送光側光闌5B之第2開口部5Bc共軛之區域的光、及通過將與第1開口部5Ba共軛之區域之長寬放大大致3倍之區域之外側的光予以遮蔽。亦即，第1開口部5Ba具有對射入之光不賦予相位變化(或賦予既定量之相位變化)而透射之透射部的功能，第2開口部5Bc具有使透射此之光之相位相較於透射第1開口部5Ba之光之相位變化大致180°之移相部的功能，而遮光部5Bb則具有將射入之光予以遮蔽之遮光部的功能。
此時，圖4A中，在通過送光側光闌5B之第2開口部5Bc而射入光阻面14a之光25中，在光阻面14a正反射之正反射光25a及透射光阻14後在基底面Wa(圖案15)正反射之正反射光25b即平行射入受光系統52B，並在受光系統52B之瞳面附近藉由受光側光闌16予以遮蔽。又，在通過送光側光闌5B之第1開口部5Ba而射入光阻面14a之檢測光DL中，透射光阻14而在基底面Wa(圖案15)正反射之正反射光21、及在通過第2開口部5Bc射入光阻面14a之光25中，在基底面Wa(圖案15)繞射之以虛線表示的繞射光25c，係藉由受光系統52B聚光於受光狹縫板10上之位置B1。此時，由於正反射光21與繞射光25c之相位大致相差180°，因此位置B1之光強度會變小，而可與第1實施形態同樣地以高精度進行光阻面14a之Z位置的測量。
圖4A所示之變形例的作用效果係如以下所述。
(1)在圖4A之AF感測器中，係由送光側光闌5B及受光側光闌16所構成一種光學系統，以對從受光系統52朝向受光狹縫板10之光中之不同部分(例如，正反射光21及繞射光25c)之間賦予相位差，其中該送光側光闌5B係配置於圖4A之送光系統51B之瞳面或其附近之位置，並包含使通過之光之相位大致相差180°的第1及第2開口部5Ba,5Bc；該受光側光闌16則藉由配置於受光系統52B之瞳面或其附近之位置，而在受光系統52B內配置於與送光側光闌5B之配置面大致共軛的位置，並將從第2開口部5Bc射出後，在光阻面14a及基底面Wa正反射之光25a,25b予以遮蔽。
因此，當在基底面Wa(圖案15)正反射光較強而繞射光較弱之通常情況下，藉由將圖4B之送光側光闌5B之2個開口部5Ba,5Bc的面積比調整成使圖4A之正反射光21及繞射光25c的強度比為大致1：1，即可使受光狹縫板10上之位置B1的光強度大致為0。因此，可高精度測量光阻面14a之Z位置。
(2)又，此變形例中，係對在形成於晶圓W之基底面Wa上之圖案15的正反射光21賦予相位，賦予該相位之光學系統係包含配置於送光系統51內且對朝向受光系統52B之正反射光21及繞射光25c賦予相位的送光側光闌5B(相位板)。藉此，可簡化受光系統52B之構成。
圖4B中，係將第2開口部5Bc設置在相對於第1開口部5Ba之+Z方向，亦即遠離光阻面14a之側。藉由以此方式來配置第2開口部5Bc，即可使通過第2開口部5Bc而射入光阻面14a之光，以相對於光阻面14a更接近垂直之角度射入。其結果，可使更多光到達基底面Wa，而可增加供抵消之在基底面Wa之繞射光的光量。然而，第1開口部5Ba相對於第2開口部5Bc之位置並不限於本變形例之位置，只要使受光側光闌16之位置相對應，則亦可設置在例如相對於第1開口部5Ba接近光阻面14a之側。
此外，本實施形態中，送光側光闌5,5A,5B及相位板8,8A,8B,8C雖屬使射入之光透射之透射型元件，但構成相位差賦予系統之元件的至少1個，亦可為使射入之光反射之反射型元件。此時，例如具有移相部功能之區域，可設為相對於具有透射部功能之區域具既定量之相位差(亦即段差)的反射面。
[第3實施形態]
以下，針對本發明之第3實施形態參照圖5作說明。
圖5係表示由本實施形態之掃描步進器所構成之掃描型曝光裝置(投影曝光裝置)之概略構成的圖。圖5中，曝光裝置具備曝光光源(未圖示)、以來自曝光光源之照明光照明標線片R(光罩)之照明光學系統ILS、在未圖示之標線片基座上保持移動標線片R之標線片載台RST、將標線片之圖案之像投影於塗布有光阻之晶圓W上的投影光學系統PL、保持晶圓W並在以正交之X軸及Y軸所界定之導引面上移動的晶圓載台WST、及由控制裝置整體之動作之電腦所構成的主控制系統50。晶圓載台WST具備沿X方向、Y方向移動在導引面上之XY載台55、及透過可控制往垂直於導引面之Z方向之驅動量之3個Z軸致動器53A,53B,53C(音圈馬達等)裝載於XY載台55上的Z調平載台54。
本實施形態之曝光裝置，為了在投影光學系統PL之曝光區域或該曝光區域附近之測量區域內的複數個測量點，測量晶圓W上之光阻面的Z位置(焦點位置)，具備包含送光系統51C、受光系統52C、及訊號處理系統79之晶圓用AF感測器。
圖5之送光系統51C中，來自未圖示之鹵素燈或發光二極體(LED)等光源之檢測光DL，係透過導光體60導引。該檢測光DL係透過聚光透鏡61來照明形成於送光狹縫稜鏡63之射出面63a的複數個狹縫。從相對於送光狹縫稜鏡63之光軸傾斜之射出面63a射出的檢測光DL，係透過用以調整狹縫像之位置的電動半分板(halving)(可旋轉平行平面板)64、第2物鏡65、大致位於瞳面之位置兼作孔徑光闌AS之振動鏡67、及第1物鏡68，而射入側面形狀為平行四邊形之第1稜鏡69。從導光體60起藉由第1稜鏡69構成送光系統51C。射入第1稜鏡69之檢測光DL，係在2個傾斜面依序反射後，沿偏移至較入射時更下方之光路，從斜向方向照射於晶圓W上之測量區域，而將狹縫像形成於測量區域之複數個測量點。
此時，藉由物鏡65及68，射出面63a之狹縫之像即投影於測量區域。此外，藉由亦對應圖1A之送光側光闌5(孔徑光闌)之振動鏡67的振動，測量區域上之狹縫像即以既定周期振動於例如與長邊方向正交之方向。電動半分板64及振動鏡67之動作係藉由在主控制系統50之指示下動作之訊號處理系統79來控制。
另一方面，圖5之受光系統52C中，從晶圓W斜向反射之檢測光DL，在射入與第1稜鏡69為對稱形狀之第2稜鏡70後，在2個傾斜面反射並以光路偏移至上方之狀態射出。射出後之檢測光DL即透過第1物鏡71、平面鏡72、與圖1A相同之相位差板8、第2物鏡74、及用以調整狹縫像之位置的電動半分板(可旋轉平行平面板)75，射入對受光狹縫稜鏡76之光軸傾斜之入射面76a而形成複數個狹縫像。於入射面76a係形成有對應形成於送光狹縫稜鏡63之複數個狹縫的複數個狹縫(受光狹縫)。
從受光狹縫稜鏡76射出之檢測光DL，係透過中繼透鏡77而射入受光感測器78。於受光感測器78係配置有與形成在送光狹縫稜鏡63(受光狹縫稜鏡76)之複數個狹縫相同個數的受光元件(光電二極體等)，通過受光狹縫稜鏡76所對應之受光狹縫之光則聚光於各受光元件上。藉由第2稜鏡70～中繼透鏡77構成受光系統52C，受光感測器78之複數個受光元件的檢測訊號係供應於訊號處理系統79。訊號處理系統79係分別與振動鏡67之驅動訊號同步以對各受光元件之檢測訊號進行同步檢波，而產生對應晶圓W上之各測量點之Z位置(例如對應投影光學系統PL之最佳成像面的散焦量)的焦點訊號。根據該焦點訊號，主控制系統50即驅動Z調平載台54，以使晶圓W上之曝光區域對焦於最佳成像面。
本實施形態中，藉由使用第1稜鏡69及第2稜鏡70，即可在分別將送光系統51C及受光系統52C之大部分光學系統配置於上方之狀態下，以對測量區域較大之入射角來照射檢測光DL。本實施形態之作用效果等係如以下所述。
本實施形態之圖5之曝光裝置，係用以將標線片R之圖案(既定圖案)曝光於晶圓W(感光性基板)上，為了檢測晶圓W之光阻面的Z位置(面位置資訊)，具備基本上包含與圖1A之AF感測器相同構成之送光系統51C及受光系統52C的AF感測器。
又，圖5之振動鏡67係與圖1A之送光側光闌5同樣地用來設定照射於晶圓W之檢測光DL的入射角，並藉由圖5之相位差板8，在來自形成於晶圓W之光阻層底面之基底面之圖案的正反射光及繞射光之間賦予大致180°之相位差。因此，由於係藉由來自晶圓W之基底面之反射光，使形成於受光狹縫稜鏡76之入射面76a之像的強度減少，因此可高精度測量晶圓W之Z位置。因此，可將晶圓W之曝光區域高精度對焦於最佳成像面，並將標線片R之圖案以高解像度轉印於晶圓W之各照射區域。
此外，如圖6所示，作為圖5之實施形態的變形例，亦可在AF感測器之送光系統51D形成與孔徑光闌之配置面大致共軛之面。此與將投射於晶圓W(被檢面)之圖案的中間成像面設於送光系統51D內實質上為等效。
對與圖5對應之部分賦予相同符號的圖6中，在送光系統51D內來自射出面63a之狹縫的檢測光DL，係透過第4物鏡65A、振動鏡67、及第3物鏡68A，而將狹縫像形成於中間像面IM1。此外，來自中間像面IM1之檢測光DL，係透過第2物鏡65B、與圖1A相同之送光側光闌5、第1物鏡68B、及第1稜鏡69，而將狹縫像從斜向方向投射於晶圓W上。送光側光闌5係配置於送光系統51D之瞳面或其附近之位置，振動鏡67與送光側光闌5則配置於大致共軛之位置。
另一方面，圖6之受光系統52D中，來自晶圓W之檢測光DL，係透過第2稜鏡70、第1物鏡71A、相位差板8、第2物鏡74A，而將狹縫像成像於中間像面IM2上。來自中間像面IM2之檢測光，則透過第3物鏡71B、平面鏡72、及第4物鏡74B，而將複數個狹縫像形成於受光狹縫稜鏡76之入射面76a。
圖6所示之變形例之作用效果等係如以下所述。
(1)圖6之AF感測器之送光系統51D，具備由形成與送光側光闌5(孔徑光闌)之配置面大致共軛之面之物鏡68A,65B所構成的中繼光學系統、及配置於其大致共軛之面的振動鏡67。因此，可無機械干涉將送光側光闌5與振動鏡67配置於送光系統51D內。藉此，可在降低來自晶圓W之基底面之反射光的強度下，進行同步檢波以進一步提升測量精度。此外，換言之，由物鏡68A,65B所構成的中繼光學系統，係形成與由作為送光側光闌5(孔徑光闌)之配置面之物鏡65A,68B所構成之光學系統之瞳面大致共軛之面，並將振動鏡67配置於該大致共軛之面。
(2)此外，圖6中，在晶圓W之基底面之圖案的間距較大，而繞射光之發散角較小的情況下，亦可分別配置圖3A之送光側光闌5及圖3B之相位差板8A(或圖3C之相位差板8B)，以取代送光側光闌5及相位差板8。
此外，上述實施形態中，雖舉步進掃描方式之投影曝光裝置為例作了說明，但本發明亦可應用於步進重複方式之投影曝光裝置的AF感測器。又，本發明亦可應用於例如國際公開第99/49504號手冊等所揭示之液浸型曝光裝置的AF感測器。
再者，上述實施形態亦可與例如國際專利公開第2007/058151號手冊或國際專利公開第2006/007549號手冊等所揭示之可降低因反射面所造成之誤差的AF感測器組合使用。
又，上述實施形態之面位置檢測裝置及曝光裝置，係藉由將包含本申請專利範圍所舉出之各構成元件的各種次系統，以能保持既定之機械精度、電氣精度、光學精度之方式，加以組裝所製造。為確保此等各種精度，於此組裝前後，係進行對各種光學系統進行用以達成光學精度之調整、對各種機械系統進行用以達成機械精度之調整、對各種電氣系統進行用以達成電氣精度之調整。將各種次系統組裝於曝光裝置之步驟，係包含各種次系統彼此之機械連接、電氣電路之配線連接、氣壓迴路之配管連接等。當然，將各種次系統組裝於曝光裝置之步驟之前，係有各次系統個別之組裝步驟。在將各種次系統組裝於曝光裝置之步驟完成後，即進行綜合調整以確保曝光裝置整體之各種精度。此外，曝光裝置之製造最好是在溫度及清潔度等皆受到管理之潔淨室進行。
又，在使用上述實施形態之曝光裝置來製造半導體元件等之微型元件時，如圖7所示，微型元件係經由下述步驟所製造，亦即：進行微型元件之功能、性能設計的步驟221、製作根據此設計步驟之光罩(標線片)之步驟222、製造屬元件基材之基板(晶圓)的步驟223、包含藉由前述實施形態之曝光裝置(投影曝光裝置)將標線片之圖案曝光於基板之步驟、使曝光後之基板顯影的步驟、及顯影後之基板之加熱(CURE)及蝕刻步驟等的基板處理步驟224、元件組裝步驟(包含切割步驟、接合步驟、及封裝步驟等加工製程)225、以及檢查步驟226等。
亦即，本元件製造方法係包含使用上述實施形態之曝光裝置使感光性基板(晶圓)曝光、及使該曝光後之感光性基板顯影。此時，由於感光性基板(晶圓)用之AF感測器的測量精度已提升，因此能以高解像度進行曝光。因此，可高精度製造具有微細圖案之元件。
又，本發明並不限於應用在半導體元件之製程，亦可廣泛應用於例如液晶顯示元件、電漿顯示器等之製程、或攝影元件(CMOS型、及CCD等)、微型機器、MEMS(Microelectromechanical System：微機電系統)、薄膜磁頭、及DNA晶片等各種元件之製程。如此，本發明並不限於上述實施形態，在不超出本發明之要旨之範圍可選擇各種構成。
3．．．送光狹縫板
4,6．．．物鏡
5,5A．．．送光側光闌
7,9．．．物鏡
8,8A．．．相位差板
10．．．受光狹縫板
12．．．受光感測器
13．．．訊號處理系統
14．．．光阻
14a．．．光阻面
15．．．圖案
16．．．受光側光闌
21．．．正反射光
22．．．繞射光
51A～51E．．．送光系統
52A～52E．．．受光系統
67．．．振動鏡
150．．．第1孔徑光闌
180．．．第2孔徑光闌
PL．．．投影光學系統
W．．．晶圓
圖1A係表示第2實施形態之AF感測器之構成的圖。
圖1B係表示圖1A內之送光側光闌5的圖。
圖1C係表示圖1A內之相位差板8的圖。
圖1D係表示從圖1A之受光感測器12所得到之檢測訊號之一例的圖。
圖2係表示從圖1A之AF感測器除去相位差板8後之狀態的圖。
圖3A係表示另一送光側光闌5A的圖。
圖3B係表示另一相位差板8A的圖。
圖3C係表示相位與相位差板8A相反之相位差板8B的圖。
圖3D係表示相位差板8A之變形例之相位差板8C的圖。
圖4A係表示第2實施形態之變形例之AF感測器之構成的圖。
圖4B係表示圖4A內之送光側光闌5B的圖。
圖5係表示具備第3實施形態之AF感測器之曝光裝置之概略構成的圖。
圖6係表示圖5之實施形態之變形例的圖。
圖7係表示微型元件之製程之一例的流程圖。
圖8係表示第1實施形態之AF感測器之構成的圖。
圖9A係表示圖8內之第1孔徑光闌150的圖。
圖9B係表示圖8內之第2孔徑光闌180的圖。
圖10係概略表示晶圓W為傾斜配置時之第1實施形態之AF感測器之構成的圖。
圖11A係表示第1孔徑光闌150與在AF感測器之各位置之光之波面之關係的圖。
圖11B係表示第1孔徑光闌150A與在AF感測器之各位置之光之波面之關係的圖。
1．．．光源
2．．．聚光透鏡
3．．．送光狹縫板
3a．．．狹縫
4．．．第2物鏡
6．．．第1物鏡
7．．．第1物鏡
9．．．第2物鏡
10．．．受光狹縫板
10a．．．狹縫
11．．．中繼透鏡
12．．．受光感測器
13．．．訊號處理系統
14．．．光阻
14a．．．光阻面
15．．．圖案
21．．．反射光
22．．．繞射光
24．．．測量光
51E．．．送光系統
52E．．．受光系統
150．．．第1孔徑光闌
180．．．第2孔徑光闌
A1,B1．．．位置
DL．．．檢測光
W．．．晶圓
Wa．．．基底面
WST．．．晶圓載台

Claims (24)

  1. 一種面位置檢測裝置，用以檢測物體之既定面的位置資訊，其具備：第1光學系統，係從相對於該既定面傾斜之方向投射光；第2光學系統，係接收來自該物體之該光；檢測系統，係接收來自該第2光學系統之該光，並根據該光來檢測該既定面在與該既定面交叉之方向的位置資訊；以及相位差賦予系統，係設於將該第1光學系統之光路橫切之面，在朝向該物體之既定面之光中於該橫切之面通過彼此不同部分之第1光與第2光之間賦予相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統具備設於該第1光學系統之光路中的第1光闌、及設於該第2光學系統之光路中的第2光闌；該第1光闌具有對射入之光改變其相位的移相部、使射入之光透射的透射部、及將射入之光予以遮蔽的遮光部；該第2光闌具有使射入之光透射的透射部、及對射入之光改變其相位的移相部；該第2光闌之該透射部，與該第1光闌之該移相部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置；該第2光闌之該移相部，與該第1光闌之該透射部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  3. 如申請專利範圍第2項之面位置檢測裝置，其中， 該第2光闌進一步具有使射入之光透射之追加透射部；該第2光闌之該追加透射部，與該第1光闌之該遮光部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  4. 如申請專利範圍第2項之面位置檢測裝置，其中，該第2光闌進一步具有將射入之光予以遮蔽的遮光部；該第2光闌之該遮光部，與該第1光闌之該遮光部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  5. 一種面位置檢測裝置，用以檢測物體之既定面的位置資訊，其具備：第1光學系統，係從相對於該既定面傾斜之方向投射光；第2光學系統，係接收來自該物體之該光；檢測系統，係接收來自該第2光學系統之該光，並根據該光來檢測該既定面在與該既定面交叉之方向的位置資訊；以及相位差賦予系統，係設於將該第2光學系統之光路橫切之面，在來自該第2光學系統之該光中於該橫切之面通過彼此不同部分之第1光與第2光之間賦予相位差。
  6. 如申請專利範圍第5項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統具備設於該第1光學系統之光路中的第1光闌、及設於該第2光學系統之光路中的第2光闌；該第1光闌具有使射入之光透射的透射部、及將射入之光予以遮蔽的遮光部；該第2光闌具有使射入之光透射的透射部、及對射入 之光改變其相位的移相部；該第2光闌之該透射部與該第1光闌之該透射部的共軛像為相同形狀，且配置於與該共軛像相同之位置；該第2光闌之該移相部，與該第1光闌之該遮光部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  7. 如申請專利範圍第5項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統具備設於該第1光學系統之光路中的第1光闌、及設於該第2光學系統之光路中的第2光闌；該第1光闌具有使射入之光透射的透射部、及將射入之光予以遮蔽的遮光部；該第2光闌具有使射入之光透射的透射部、及對射入之光改變其相位的移相部；該第2光闌之該透射部，與該第1光闌之該遮光部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置；該第2光闌之該移相部，與該第1光闌之該透射部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  8. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該第1光學系統，將該光投射於具備基板及塗布於其上面之被膜之該物體；該第1光及該第2光經由該基板之該上面。
  9. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統係使來自該第2光學系統之該光中在該既定面反射之光的相位分布，與未射入該相位差賦予系統之該光的相位分布大致相等。
  10. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統具有第1區域及第2區域，其係分別使第1光及該第2光透射後於第1光及該第2光之間賦予該相位差。
  11. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統具備設於該第1光學系統之光路中的第1光闌、及設於該第2光學系統之光路中的第2光闌；該第1光闌具有對射入之光改變其相位的移相部、使射入之光透射的透射部、及將射入之光予以遮蔽的遮光部；該第2光闌具有使射入之光透射的透射部、及對射入之光改變其相位的移相部；該第2光闌之該透射部，與該第1光闌之該透射部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置；該第2光闌之該移相部，與該第1光闌之該移相部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  12. 如申請專利範圍第11項之面位置檢測裝置，其中，該第2光闌進一步具有對射入之光改變其相位的追加移相部；該第2光闌之該追加移相部，與該第1光闌之該遮光部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  13. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統具備設於該第1光學系統之光路中的第1光闌、及設於該第2光學系統之光路中 的第2光闌；該第1光闌具有使射入之光透射的透射部、及對射入之光改變其相位的移相部；該第2光闌具有使射入之光透射的透射部、及將射入之光予以遮蔽的遮光部；該第2光闌之該透射部，與該第1光闌之該透射部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置；該第2光闌之該遮光部，與該第1光闌之該移相部的共軛像為相同形狀且配置於與該共軛像相同之位置。
  14. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統所賦予之該相位差大於90°而小於270°。
  15. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統包含：配置於該第1光學系統之瞳面或其附近之位置的孔徑光闌；以及配置於與該第2光學系統內之該孔徑光闌之配置面為大致共軛之位置，以對射入之光改變其相位的相位板。
  16. 如申請專利範圍第15項之面位置檢測裝置，其中，該第1光學系統具備形成與該孔徑光闌之配置面大致為共軛之面的中繼光學系統、及配置於該大致共軛之面的振動鏡。
  17. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統包含： 配置於該第1光學系統之瞳面或其附近之位置且包含含有該第1光學系統之光軸之中心區域、及其外側之框狀之框狀區域的第1相位板；以及配置於與該第2光學系統內之該第1相位板之配置面大致共軛之位置的第2相位板；該第1相位板係對射入之光之至少一部分改變其相位，以使通過該中心區域之光與通過該框狀區域之光之間的相位差大致呈180°；該第2相位板係與該第1相位為同相或反相之相位。
  18. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統包含：配置於該第1光學系統之瞳面或其附近之位置且包含通過之光之相位差為大致差180°之第1及第2區域的第1孔徑光闌；以及在該第2光學系統內且配置於與該第1孔徑光闌之配置面大致共軛之位置，將從該第2區域朝向該既定面在該既定面及該物體之該既定面以外之面分別正反射之光予以遮蔽的第2孔徑光闌。
  19. 如申請專利範圍第1至7項中任一項之面位置檢測裝置，其中，該相位差賦予系統係對該既定面以外之面正反射及繞射後射入該第2光學系統之光的第1部分與第2部分之間賦予相位差。
  20. 如申請專利範圍第19項之面位置檢測裝置，其中，該物體具備基板及塗布於其上面之被膜； 該既定面係該被膜之表面；射入該第2光學系統之光的該第1及第2部分包含形成於該基板上面之圖案所產生的繞射光。
  21. 如申請專利範圍第20項之面位置檢測裝置，其中，射入該第2光學系統之光的該第1及第2部分包含在形成於該基板上面之圖案的正反射光；該相位差賦予系統包含配置於該第2光學系統內並對該第1部分與該第2部分賦予相位差的相位板。
  22. 如申請專利範圍第20項之面位置檢測裝置，其中，射入該第2光學系統之光的該第1部分包含在形成於該基板上面之圖案的正反射光；該相位差賦予系統包含配置於該第1光學系統內並對朝向該第2光學系統之該第1及第2部分之間賦予相位差的相位板。
  23. 一種曝光裝置，係將既定圖案曝光於感光性基板上，其特徵在於：為了檢測該感光性基板之面位置資訊，具備申請專利範圍第1至22項中任一項之面位置檢測裝置。
  24. 一種元件製造方法，包含：曝光步驟，係使用申請專利範圍第23項之曝光裝置，將既定圖案曝光於感光性基板上；顯影步驟，係使在上述步驟曝光後之感光性基板顯影，以將對應該圖案之形狀的光罩層形成在該感光性基板之表面；以及 加工步驟，係透過該光罩層對該感光性基板之表面進行加工。
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