WO2010143652A1 - 露光方法及び装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

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WO2010143652A1
WO2010143652A1 PCT/JP2010/059755 JP2010059755W WO2010143652A1 WO 2010143652 A1 WO2010143652 A1 WO 2010143652A1 JP 2010059755 W JP2010059755 W JP 2010059755W WO 2010143652 A1 WO2010143652 A1 WO 2010143652A1
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stage
wafer
projection system
frame member
reference surface
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PCT/JP2010/059755
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徹 木内
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株式会社ニコン
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/708—Construction of apparatus, e.g. environment aspects, hygiene aspects or materials
    • G03F7/70858—Environment aspects, e.g. pressure of beam-path gas, temperature
    • G03F7/70866—Environment aspects, e.g. pressure of beam-path gas, temperature of mask or workpiece
    • G03F7/70875—Temperature, e.g. temperature control of masks or workpieces via control of stage temperature
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    • G03F7/70775—Position control, e.g. interferometers or encoders for determining the stage position
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    • G03F7/7085—Detection arrangement, e.g. detectors of apparatus alignment possibly mounted on wafers, exposure dose, photo-cleaning flux, stray light, thermal load

Definitions

  • the present invention relates to an exposure technique for exposing a pattern on an object via a projection system, and a device manufacturing technique for manufacturing a device using this exposure technique.
  • the depth of focus of the projection optical system is narrow and the exposure target Since there is a step (unevenness) on the surface of the substrate, the height (surface position) of the substrate surface is measured by an autofocus sensor (hereinafter referred to as an AF system), and the substrate surface of the projection optical system is measured based on the measurement result.
  • the stage holding the substrate is controlled so as to be adjusted (focused) on the image plane.
  • the detection light reflected on the surface to be measured For example, an oblique incidence AF system that receives reference light reflected by a reference surface formed on one surface of a predetermined prism and detects the surface position of the test surface with reference to the reference surface is used. (For example, refer to Patent Document 1).
  • the position of the stage that moves the substrate is conventionally measured by a laser interferometer.
  • a laser interferometer short-term fluctuations in measured values due to temperature fluctuations in the atmosphere on the optical path of the measurement beam are observed. It can no longer be ignored. Therefore, as a measurement device that is superior in short-term stability of measurement values compared to laser interferometers and has a resolution close to that of laser interferometers, the diffraction grating scale is irradiated with detection light from the detection head, and the scale
  • An encoder-type measuring device that detects the position of the scale in the periodic direction by detecting diffracted light from the light source is proposed (for example, Patent Document 2 and US Pat. No. 5,610,715 corresponding thereto) Refer to the book).
  • a measuring device that uses the scale to detect the position of the scale in the normal direction (see, for example, Patent Document 3).
  • the influence of the temperature fluctuation of the atmosphere can be reduced by using an AF system and an encoder type measuring device using a reference surface formed on a prism.
  • the AF system for example, if the height of the prism, and hence the reference surface, varies slightly due to disturbance or the like, the measurement result of the surface position of the surface to be measured changes accordingly, and the focusing accuracy may be reduced. There is.
  • One of the methods for reducing the influence of such slight variations in the height of the reference plane is to increase the frequency of calibration of measurement values of the AF system by, for example, test prints. In this case, exposure is performed. The process throughput is reduced.
  • the aspect of the present invention reduces the influence of the temperature fluctuation of the atmosphere when exposing an object, and measures the position of the moving body that moves the object and the surface position of the object with high accuracy. The purpose is to do.
  • An exposure apparatus is an exposure apparatus that exposes a pattern onto an object via a projection system, a stage that holds the object and moves relative to the projection system, and the projection system
  • a frame member that is supported in a stationary state and has a diffraction grating-like scale formed so as to face the stage, and is arranged on the stage, and each stage is irradiated with detection light, and the stage and the frame member
  • a plurality of detection heads for detecting relative position information, a reference surface formed on the frame member, a first light flux on the reference surface, a second light flux on the surface of the object,
  • a surface position detecting device that measures position information of the surface of the object in the direction along the optical axis of the projection system with reference to the reference surface.
  • An exposure apparatus in an exposure apparatus that exposes a pattern on an object via a projection system, holds the object and moves relative to the projection system.
  • An exposure method is an exposure method in which a pattern is exposed on an object via a projection system, the object is held on a stage that moves relative to the projection system, and the projection system
  • the frame member supported in a stationary state is irradiated with detection light from the stage on the diffraction grating scale formed so as to face the stage, and the relative position between the stage and the frame member Information is detected, a first light beam is irradiated on a reference surface formed on the frame member, a second light beam is irradiated on the surface of the object, and the projection system of the surface of the object is used with reference to the reference surface.
  • the position information in the direction along the optical axis is measured.
  • An exposure method is an exposure method in which a pattern is exposed on an object via a projection system.
  • the exposure method moves to the projection system and has a stage on which a diffraction grating scale is formed.
  • the object is held, and the scale member is irradiated with detection light from a frame member supported in a stationary state with respect to the projection system to detect relative position information between the stage and the frame member.
  • the formed reference surface is irradiated with the first light beam, the surface of the object is irradiated with the second light beam, and the position of the surface of the object in the direction along the optical axis of the projection system with reference to the reference surface Information is measured.
  • a device manufacturing method uses the exposure apparatus according to the first or second aspect of the present invention, or the exposure method according to the third or fourth aspect of the present invention. Exposing a pattern to a substrate and processing the substrate on which the pattern has been exposed.
  • the surface position of the object surface (position in the optical axis direction of the projection system) is measured with reference to the reference surface formed on the frame member provided with the scale or the detection head. Further, the position information of the stage holding the object is measured by the encoder method through the frame member. Since the measurement is performed based on the frame member in common as described above, the surface position of the object with respect to the stage is highly accurate even if the position of the frame member fluctuates by using the difference between the measured values of the two, for example. Can be measured. Therefore, when the object is exposed, the influence of the temperature fluctuation of the atmosphere can be reduced, and the position of the stage and the surface position of the object can be measured with high accuracy.
  • FIG. 1 is a partially cutaway view showing a schematic configuration of an exposure apparatus according to a first embodiment. It is a bottom view which shows the flame
  • (A) is a bottom view showing the frame 24 below the wafer alignment system ALG in FIG. 1
  • (B) is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 4 (A), and (C) is wafer stage WSB in FIG.
  • (A) is sectional drawing which shows the principal part of the AF type
  • (B) is sectional drawing which shows the state which moved the wafer stage WSA in the Y direction from the state of FIG. 7 (A). . It is the figure which notched some showing the schematic structure of the exposure apparatus which concerns on 2nd Embodiment. It is a flowchart which shows an example of the manufacturing process of an electronic device.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an exposure apparatus 10 according to the present embodiment.
  • the exposure apparatus 10 is a scanning exposure apparatus composed of a scanning stepper (scanner), and is a twin wafer stage type including two wafer stages WSA and WSB.
  • the exposure apparatus 10 is installed in a box-shaped chamber (not shown) in which a temperature-controlled and highly dust-proof gas (for example, dry air) is supplied by a downflow method.
  • a projection system (projection optical system) PL is provided.
  • the Z-axis is taken in parallel with the optical axis AX of the projection system PL
  • the X-axis is taken in the direction in which the reticle and the wafer are relatively scanned in a plane perpendicular to the optical axis AX (direction parallel to the paper surface of FIG. 1).
  • the Y axis is taken in the direction perpendicular to the Z axis and the X axis (the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1), and the rotation (tilt) directions around the X axis, Y axis, and Z axis are respectively ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ z.
  • the direction is described.
  • the XY plane is substantially parallel to the horizontal plane.
  • an exposure apparatus 10 includes an illumination system ILS similar to that disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2003/0025890, and an ArF excimer laser (wavelength 193 nm) from the illumination system ILS.
  • first wafer stage WSA that moves while holding wafer W1, second wafer stage WSB that moves while holding wafer W2, and position measurement of wafer stages WSA and WSB System, wafer stage WSA, WSB drive mechanism (not shown), wafer stage WSA
  • a first control system 6A (see FIG. 3) for controlling the operation
  • a second control system 6B for controlling the operation of the wafer stage WSB
  • a main control system 4 (see FIG. 3) for comprehensively controlling the operation of the entire apparatus, etc. It has.
  • the exposure apparatus 10 includes, for example, a wafer alignment system ALG made up of, for example, an image processing type FIA (Field Image ⁇ Alignment) system arranged at a predetermined distance from the projection system PL in the X direction, and the projection system PL and the wafer alignment system ALG. And an AF system that measures a focus position or a Z position that is a position (plane position) in a direction parallel to the optical axis AX of the projection system PL on the surfaces of the wafers W1 and W2 on the wafer stages WSA and WSB. An AF system (autofocus sensor) including the unit 36 is provided.
  • FIA Field Image ⁇ Alignment
  • reticle R having a circuit pattern or the like formed on its pattern surface (lower surface) is fixed, for example, by vacuum suction.
  • the reticle stage RST can be driven minutely in the XY plane by a drive system (not shown) including a linear motor, for example, and can be driven at a scanning speed specified in the scanning direction (X direction).
  • Position information including the X- and Y-direction positions in the moving plane of the reticle stage RST and the rotation angle in the ⁇ z direction is always detected by a laser interferometer (not shown) with a resolution of about 0.5 to 0.1 nm, for example.
  • the A reticle stage control system (not shown) connected to a main control system (not shown) controls the operation of reticle stage RST via the drive system based on the position information.
  • the projection magnification ⁇ of the projection system PL of the present embodiment is a reduction magnification of, for example, 1/4, 1/5, and the measurement error of the position information of the reticle stage RST is the projection magnification ⁇ on the image plane side of the projection system PL. Therefore, the influence is reduced.
  • the position information of reticle stage RST may also be measured by an encoder-type measuring device described later.
  • a thick plate-like optical system frame 18 is disposed below the reticle stage RST in parallel to the XY plane.
  • the optical system frame 18 covers the chain 21 on the upper body column 11 with a dust-proof bellows 22, respectively.
  • a first opening and a second opening are formed in the optical system frame 18 at a predetermined interval in the X direction, and a projection system PL and a wafer alignment system ALG are installed in the first opening and the second opening, respectively.
  • the flange portion of the wafer alignment system ALG is fixed to the upper surface of the optical system frame 18.
  • a scale plate fixing frame 24 having a flat plate-like opening through which the projection system PL and the wafer alignment system ALG are passed is stably supported on the bottom surface of the optical system frame 18 via a plurality of link mechanisms 32. . Accordingly, the frame 24 is supported in a stationary state relative to the projection system PL and the wafer alignment system ALG.
  • the optical system frame 18, the link mechanism 32, and the frame 24 are each formed of a material (for example, Invar) having a very small linear expansion coefficient.
  • the frame 24 can also be formed from low expansion glass, low expansion glass ceramic (for example, ZERODUR (trade name) of Shot Co.), low expansion ceramic, or Super Invar, which has a smaller linear expansion coefficient. It is.
  • 24a is formed.
  • a region between the optical axis AX and the concave portion 24a on the bottom surface of the frame 24, a region between the concave portion 24a and the optical axis of the wafer alignment system ALG, and a region on the ⁇ X direction side from the optical axis of the wafer alignment system ALG, Scale plates 26B, 26C, and 26D on which X scale and Y scale similar to the scale plate 26A are formed are fixed.
  • the scale plates 26A to 26D are, for example, thin flat glass plates, and the pitch (cycle) of the X scale and Y scale formed on the surface thereof is, for example, in the range of 138 nm to 4 ⁇ m, for example, about 1 ⁇ m.
  • An encoder-type measuring device (hereinafter referred to as an encoder system, which will be described later in detail) that measures positional information of the wafer stages WSA and WSB from the scale plates 26A to 26D and the detection heads 28A and 28B on the wafer stages WSA and WSB. Is configured.
  • FIG. 2 which is a bottom view of a part of the frame 24 in FIG. 1, the scale plates 26B and 26C in FIG. It is divided into two scale plates 26C1 and 26C2. Similarly, the other scale plates 26A and 26D in FIG. 1 are also divided into two scale plates having a symmetrical shape in the Y direction. The number of divisions of each of the scale plates 26A to 26D is arbitrary, and each of the scale plates 26A to 26D may be formed from one scale plate.
  • the detection area ALW of the wafer alignment system ALG is shown, but the mechanism around the wafer alignment system ALG is shown in a simplified manner.
  • a double-sided telecentric refractive optical system including a plurality of lens elements arranged along the optical axis AX is used.
  • the illumination area of the reticle R is illuminated by the illumination light IL from the illumination system ILS
  • the image of the circuit pattern in the illumination area is passed through the projection system PL by the illumination light IL that has passed through the reticle R.
  • it is formed in an exposure region ILW (region conjugate to the illumination region) (see FIG. 2) elongated in the Y direction on W2.
  • Wafers W1 and W2 are obtained by applying a photoresist (photosensitive agent) to the surface of a disk-shaped substrate having a diameter of, for example, 200 mm to 450 mm, such as silicon or SOI (silicon ion insulator).
  • a photoresist photosensitive agent
  • SOI silicon ion insulator
  • a catadioptric system can also be used as the projection system PL.
  • a liquid that transmits the illumination light IL between the projection system PL and the wafers W1 and W2 by a local liquid immersion mechanism (not shown).
  • Water As the local immersion mechanism, an immersion mechanism disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2007/242247 or European Patent Application Publication No. 1420298 can be used.
  • the exposure apparatus 10 is a dry type, it is not necessary to provide the local liquid immersion mechanism.
  • Wafer stages WSA and WSB are supported in a non-contact manner on an upper surface parallel to the XY plane of base member 12 through a clearance of about several ⁇ m, for example, via an air pad that constitutes a vacuum preload type aerostatic bearing.
  • Wafer tables 14A and 14B for holding wafers W1 and W2 by vacuum suction or the like via a wafer holder (not shown) are stacked on XY stages 16A and 16B.
  • the shape of wafer tables 14A and 14B viewed from above is substantially square.
  • the XY stages 16A and 16B are driven on the base member 12 in the X direction, the Y direction, and the ⁇ z direction by a planar motor 44A or the like (see FIG. 3).
  • the wafer tables 14A and 14B include a focus leveling mechanism 46A and the like (see FIG. 3) for controlling the Z position of the wafers W1 and W2 and the inclination angles in the ⁇ x direction and the ⁇ y direction, respectively. Further, the wafer tables 14A and 14B are provided with an aerial image measurement system (not shown) that detects an image such as an alignment mark of the reticle R or an evaluation line and space pattern through a predetermined slit pattern.
  • reference mark plates 48B1, 48B2, and 48B3 on which reference marks (not shown) are formed, for example, at three positions on the wafer table 14B of the wafer stage WSB are fixed.
  • three reference mark plates (not shown) are also fixed on the wafer table 14A of the wafer stage WSA.
  • the reference marks are detected by the wafer alignment system ALG, and the relationship between the reference marks and the corresponding slit pattern of the aerial image measurement system is stored in the storage device of the main control system 4.
  • detection heads 28A, 29A, 30A and 31A for detecting the scales and scale forming surfaces of the scale plates 26A to 26D are fixed to four corners on the wafer table 14A.
  • detection heads 28B, 29B, 30B, and 31B (see FIG. 4C) for detecting scales and scale forming surfaces of the scale plates 26A to 26D are fixed to four corners on the wafer table 14B.
  • the detection heads 28A and 28B respectively detect the X-direction position of the X scale in the scale plates 26A to 26D, and detect the Y-direction position of the Y scale in the scale plates 26A to 26D.
  • the heads 28AY and 28BY and Z heads 28AZ and 28BZ for detecting the position (Z position) in the Z direction of the scale forming surfaces of the scale plates 26A to 26D are configured.
  • the other three detection heads 29A to 31A and 29B to 31B on the wafer tables 14A and 14B are respectively provided with an X head, a Y head, and a Z head.
  • FIG. 1 only the Z heads 30AZ, 28BZ, and 30BZ in the detection heads 30A, 28B, and 30B are shown.
  • the X head 28AX and the Y head 28AY respectively irradiate the X scale and Y scale in the scale plates 26A to 26D with detection light made of laser light, and detect interference light due to diffracted light generated at the corresponding scale.
  • the position in the X direction and the Y direction of the wafer table 14A (wafer stage WSA), which is the relative displacement (relative position) in the X direction and the Y direction of the scale, is detected with a resolution of about 0.5 to 0.1 nm, for example. .
  • Detailed configurations of the X head 28AX and the Y head 28AY are disclosed in, for example, US Pat. No. 5,610,715 (and corresponding JP-A-7-270122).
  • the detection heads 28A to 31A (or 28B to 31B) on the wafer stage WSA (or WSB) on the wafer stage WSA (or WSB) at least two X heads and two Y heads irradiate one of the scale plates 26A to 26D with detection light.
  • the positions of the wafer stage WSA (WSB) in the X direction and the Y direction are measured. Therefore, the rotation angle in the ⁇ z direction of wafer stage WSA (WSB) can be obtained from the two positions in the X direction or Y direction.
  • the Z head 28AZ irradiates the scale forming surfaces of the scale plates 26A to 26D with the detection light and detects the reflected light as in the case of the optical pickup, thereby detecting the relative Z position of the scale forming surface.
  • the Z position of the wafer table 14A is detected with a resolution of about 0.1 ⁇ m.
  • a detailed configuration of the Z head 28AZ is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-54734.
  • the encoder system including the scale plates 26A to 26D and the detection heads 28A to 31A, the positions of the first wafer stage WSA (wafer table 14A) in the X, Y, and Z directions, and the ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ z directions. It is possible to measure position information of 6 degrees of freedom consisting of the rotation angle of the direction. Similarly, position information of six degrees of freedom of the second wafer stage WSB (wafer table 14B) can be measured by an encoder system including the scale plates 26A to 26D and the detection heads 28B to 31B.
  • detection signals of the detection heads 28A to 31A on the wafer stage WSA (an X measurement signal SX that is a detection signal of the X head, a Y measurement signal SY that is a detection signal of the Y head, and a Z measurement signal that is a detection signal of the Z head) SZ) is supplied to the stage control system 40A of FIG. 3.
  • the stage control system 40A obtains position information of the six degrees of freedom of the wafer stage WSA, and based on these position information and control information from the control system 6A.
  • the operations of the planar motor 44A and the focus leveling mechanism 46A are controlled.
  • Detection signals from the detection heads 28B to 31B of the wafer stage WSB are also processed by a similar stage control system (not shown).
  • an AF-based reference surface 34 made of, for example, a highly reflective metal film is formed on the surface of the recess 24a of the frame 24. As shown in FIG. 2, the reference surface 34 is formed at the center in the Y direction of the recess 24 a of the frame 24. Further, an AF light transmission system 36A that irradiates the reference surface 34 with the reference beam DLR and irradiates the measurement beam DL to the test surface facing the reference surface 34, and the reference beam DLR and measurement from the reference surface 34 and the test surface.
  • An AF system unit 36 is composed of an AF light receiving system 36B that receives the beam DL.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the reference plane 34 of the frame 24 of FIG. 2, and the Z position of the surface W1a (test surface) of the wafer W1 on the wafer stage WSA (wafer table 14A) is measured by the AF system.
  • the AF light transmission system 36A includes, for example, a beam generation unit (not shown) that generates a reference beam DLR and a measurement beam DL in a wavelength range that does not expose the photoresist on the wafer W1, and the reference beam DLR and the measurement beam.
  • a light transmission lens 36Aa that condenses the DL and a first rhomboid prism 36Ab that shifts the optical paths of the reference beam DLR and the measurement beam DL in the ⁇ Z direction.
  • the measurement beam DL projected obliquely downward from the AF light transmission system 36A forms, for example, slit images at a plurality of measurement points arranged at predetermined intervals in the Y direction on the surface W1a of the wafer W1, and is reflected by the surface W1a.
  • the measured beam DL is directed to the AF light receiving system 36B.
  • the reference beam DLR projected obliquely upward from the AF light transmission system 36A forms, for example, a slit image on the reference surface 34, and the reference beam DLR reflected by the reference surface 34 travels to the AF light receiving system 36B.
  • the AF light transmission system 36A is provided with a vibrating mirror (not shown) that vibrates these slit images within a predetermined range in the Y direction and a herbing (not shown) that adjusts the positions of the slit images. .
  • the AF light receiving system 36B condenses the second rhomboid prism 36Bb that shifts the optical paths of the reference beam DLR and the measurement beam DL reflected by the surface W1a in the + Z direction, and the reference beam DLR and the measurement beam DL, respectively, and forms a slit image.
  • a light-receiving lens 36Ba that re-forms and a photoelectric sensor 36Bc that detects the slit image thereof.
  • the light receiving surface of the photoelectric sensor 36Bc, the reference surface 34, and the surface W1a are substantially conjugate.
  • As the photoelectric sensor 36Bc an array of a plurality of light receiving elements that detect the light amount of those slit images through a predetermined opening can be used.
  • a plurality of detection signals of the photoelectric sensor 36Bc are supplied to the signal processing unit 36C.
  • the signal processing unit 36C synchronously rectifies the plurality of detection signals using a driving signal of a vibrating mirror (not shown) in the AF light transmission system 36A, thereby corresponding to the Z positions of the slit images. Generate a measurement signal. Furthermore, the signal processing unit 36C subtracts the measurement signal corresponding to the Z position of the slit image on the reference surface 34 from the measurement signal corresponding to the Z position of the plurality of slit images projected to the plurality of measurement points on the surface W1a.
  • the actually measured Z position Z1j is, for example, a value obtained by subtracting a predetermined offset from the Z-direction interval between the reference surface 34 and the test surface.
  • the AF system includes the oblique incidence AF system unit 36 and the signal processing unit 36C.
  • a more detailed configuration of the AF system unit 36 is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-042183.
  • the wafer stage WSA is driven in the X direction and the Y direction, and the surface W1a of the wafer W1 is scanned over the measurement region on which a plurality of slit images are projected by the measurement beam DL.
  • the detection head 31A of the wafer stage WSA (wafer table 14A) irradiates the scale plate 26C2 with detection light, and the X head and the Y head in the detection head 31A move the wafer table 14A to the scale plate 26C2.
  • An X measurement signal SX and a Y measurement signal SY indicating positions in the X direction and the Y direction are supplied to the stage control system 40A.
  • a Z measurement signal SZ indicating the Z position of the wafer table 14A relative to the scale plate 26C2 is supplied from the Z head 31AZ in the detection head 31A to the arithmetic unit 38A and the stage control system 40A.
  • the X measurement signal and the Y measurement signal are supplied to the stage control system 40A from the other detection heads 28A to 30A on the wafer stage WSA, respectively, and the Z measurement signal is supplied to the arithmetic unit 38A and the stage control system 40A. Yes.
  • the calculation unit 38A performs an operation including the following difference calculation as an example,
  • the Z position ⁇ ZSWi at the i-th evaluation point on the surface W1a with respect to the stage surface of the wafer table 14A is calculated.
  • the calculation result of the Z position ⁇ ZSWi at all the evaluation points on the surface W1a is stored in the storage unit 42A.
  • the offset ZAof may use an actual measurement value, for example.
  • ⁇ ZSWi Z1i ⁇ (Z2i + ZAof) (1)
  • the AF system measures the Z position of the surface W1a with reference to the reference surface 34 of the frame 24, and the detection heads 28A to 31A (Z heads) are also provided on the scale plates 26A to 26A. Since the Z position of the wafer table 14A with respect to 26D is measured, even if the Z position of the frame 24 slightly fluctuates due to disturbance or the like, the measured value of the Z position of the surface W1a with respect to the stage surface of the wafer table 14A does not change. . Therefore, the relative Z position ( ⁇ ZSWi) of the surface W1a with respect to the wafer table 14A can always be measured with high accuracy.
  • the Z head Z of the detection heads 28A to 31A, etc. is used as a reference for the scale plates 26A to 26D, and the Z position Z3i of the wafer table 14A (the position corresponding to the i th evaluation point on the wafer W1).
  • the Z position is measured, and the measurement result is supplied to the stage control system 40A.
  • the stage control system 40A is also supplied with the Z position ⁇ ZSWi of equation (1) measured for all evaluation points on the wafer W1 from the storage unit 42A. Further, information on the Z position ZPL of the image plane of the projection system PL with reference to the scale plates 26A to 26D is supplied in advance from the control system 6A to the stage control system 40A.
  • the stage control system 40A subtracts the Z position ZPL of the image plane from the sum of the Z position Z3i measured by the encoder system and the Z position ⁇ ZSWi of the evaluation point on the wafer W1 as follows, thereby evaluating the wafer W1. A defocus amount ⁇ Fi from the image plane at the Z position of the point is obtained.
  • ⁇ Fi (Z3i + ⁇ ZSWi) ⁇ ZPL (2)
  • the Z position ZPL of the image plane of the projection system PL in Expression (2) is actually the contrast of the image of a predetermined evaluation pattern measured by, for example, an aerial image measurement system (not shown) in the wafer stage WSA. It can be obtained from the Z position (Z position measured by the detection heads 28A to 31A) Z30 of the stage surface of the wafer table 14A at the maximum.
  • the stage control system 40A drives the focus leveling mechanism 46A in the wafer table 14A so that the defocus amount ⁇ Fi of each evaluation point on the wafer W1 in the exposure area of the projection system PL is minimized as a whole.
  • the surface of the wafer W1 during scanning exposure is accurately focused on the image plane of the projection system PL, and the pattern image of the reticle R is exposed to each shot area of the wafer W1 with high accuracy.
  • FIG. 4A is a bottom view showing the wafer alignment system ALG in FIG. 1
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 4A
  • FIG. 4C is the wafer stage in FIG. It is a top view which shows WSB.
  • a pair of elongated recesses 24b and 24c are formed on the bottom surface of the frame 24 so as to sandwich the wafer alignment system ALG in a direction intersecting the X axis at 45 °, and the centers of the recesses 24b and 24c are formed.
  • Reference surfaces 34A1 and 34A2 made of a highly reflective metal film are formed in the portion.
  • the rhomboid prisms 50Ab, 50Ac and 50Bb, 50Bc for light transmission and reception are fixed to a pair of through holes of the frame 24 formed so as to sandwich the reference surfaces 34A1, 34A2 in the recesses 24b, 24c. Yes.
  • an optical system 50Aa including a light transmitting lens and the like, a rhombus prism 50Ab, a rhombus prism 50Ac, and an optical system 50Ad including a light receiving lens and the like are similar to the AF system unit 36 in FIG. 1 is an oblique incidence AF system unit 50A.
  • the reference beam DLRA and the measurement beam DLA projected from the rhomboid prism 50Ab of the AF system unit 50A form a slit image on the reference surface 34A1 of the frame 24 and the surface of the wafer W2 (region facing the reference surface 34A1), respectively.
  • Reflected light from the surfaces of the 34A1 and the wafer W2 is received through the rhombus prism 50Ac. Then, the detection signal output from the optical system 50Ad is processed by a signal processing unit (not shown) similar to the signal processing unit 36C of FIG. 3, thereby tilting the Z position of the surface of the wafer W2 with reference to the reference surface 34A1. Can be measured by the incident method.
  • a second oblique incidence AF system unit 50B similar to the AF system unit 50A is configured including the rhomboid prisms 50Bb and 50Bc.
  • the AF system unit 50B projects the reference beam and the measurement beam onto the reference surface 34A2 of the frame 24 and the surface of the wafer W2 corresponding to the reference surface 34A2, and the Z position on the surface of the wafer W2 is obliquely incident on the basis of the reference surface 34A2. measure.
  • Two AF systems for the wafer alignment system ALG are configured including the AF system units 50A and 50B and a signal processing unit (not shown).
  • the Z position ZAL1 on the center (optical axis) of the detection area ALW of the wafer alignment system ALG can be obtained by averaging the Z positions obtained at the two positions corresponding to the reference surfaces 34A1 and 34A2. .
  • the Z heads 28BZ and the like of the detection heads 28B to 31B in FIG. 4C irradiate the scale plates 26C and 26D on the bottom surface of the frame 24 around the wafer alignment system ALG with the detection light, thereby
  • the Z position of wafer stage WSB (wafer table 14B) is measured with reference to 26C and 26D.
  • An average surface passing through these Z positions is referred to as a stage surface of the wafer table 14B. Therefore, the measurement values of the detection heads 28B to 31B are calculated from the Z position ZAL1 obtained by the AF system units 50A and 50B by the calculation unit (not shown) similar to the calculation unit 38A of FIG.
  • the wafer table at the center of the detection area ALW is subtracted by subtracting the sum of the Z position ZAL2 at the center of the detection area ALW on the surface defined by (1) and the steps at the Z position from the scale plates 26C, 26D to the reference planes 34A1, 34A2.
  • the Z position ⁇ ZB of the surface of the wafer W2 with respect to the stage surface 14B can be obtained.
  • the Z position ⁇ ZB is also maintained at the same value even if the Z position of the frame 24 fluctuates, and therefore always represents the Z position of the surface of the wafer W2 with respect to the stage surface with high accuracy.
  • the defocus amount for the wafer alignment system ALG on the surface of the wafer W2 is obtained by subtracting the value ZAL2' from the sum of the Z position ⁇ ZB and the Z position ZLA2.
  • the alignment control system (not shown) in the main control system 4 is on the wafer W2 on the coordinate system determined by the reference marks of the reference mark plates 48B1 to 48B3 on the wafer table 14B by, for example, the EGA method.
  • the array coordinates of each shot area can be obtained.
  • Such alignment can be similarly performed on the wafer W1 on the wafer stage WSA.
  • step 102 in FIG. 5 the first wafer stage WSA is moved to the loading position in the ⁇ X direction in FIG. 1, and a wafer (referred to as W1) is loaded on the wafer stage WSA.
  • the X and Y heads of the detection heads 28A to 31A continuously measure the positions of the wafer stage WSA in the X and Y directions.
  • the second wafer stage WSB is retracted in the + Y direction, for example.
  • the wafer stage WSA is driven in the X direction and the Y direction, and the position of a predetermined reference mark on the reference mark plates (members corresponding to the reference mark plates 48B1 to 48B3 in FIG. 4C) on the wafer table 14A. Is measured by the wafer alignment system ALG, and based on the measurement result, the rotation angle of the wafer table 14A in the ⁇ z direction is reset, and the origin of the coordinate system above it is set.
  • the wafer stage WSA is driven in the X direction and the Y direction, and the first measurement target wafer mark on the wafer W1 is moved into the detection area of the wafer alignment system ALG, as shown in FIG.
  • the alignment AF system including the AF system units 50A and 50B measures the Z position (focus position) of the wafer W1 on the wafer stage WSA with reference to the AF system reference surfaces 34A1 and 34A2 provided on the frame 24.
  • the Z position of the detection heads 28A to 31A is also measured based on the scale plates 26C and 26D, and the Z position of the wafer W1 with respect to the stage surface of the wafer table 14A is obtained based on the difference between the Z positions. .
  • step 106 the wafer alignment system ALG is passed through the wafer table 14A so that the difference (defocus amount) between the Z position obtained in step 104 and the best focus position of the wafer alignment system ALG becomes zero.
  • the surface of the wafer W1 is focused by the autofocus method, and the wafer mark on the wafer W1 is detected by the wafer alignment system ALG.
  • steps 104 and 106 are executed for each wafer mark to be measured on the wafer W1. Based on the measured positions of all the wafer marks, the arrangement coordinates of all shot areas of the wafer W1 are calculated (alignment of the wafer W1).
  • the wafer stage WSA is moved in the + X direction, and the Z position (focus) of the surface of the wafer W1 with reference to the reference plane 34 of the AF system of the frame 24 by the AF system including the AF system unit 36 in the middle. Position) distribution.
  • the Z position of the wafer table 14A (wafer stage WSA) with respect to the scale plates 26B and 26C is measured by the Z heads of the detection heads 28A to 31A of the encoder system of the wafer stage WSA.
  • the Z position ⁇ ZSWi at all evaluation points on the surface of the wafer W1 with respect to the stage surface of 14A is calculated.
  • the calculation result is stored in the storage unit 42A.
  • the wafer stage WSA is moved below the projection system PL.
  • the wafer stage WSA is moved stepwise in the X and Y directions based on the alignment result of the wafer W1, and one shot area on the wafer W1 is moved to the scanning start position.
  • the stage control system 40A continues to measure the Z position with respect to the scale plates 26A and 26B by the Z heads of the detection heads 28A to 31A, and the stage control system 40A stores the measured value of the Z position and the wafer W1 stored in step 108.
  • the defocus amount ⁇ Fi from the image plane of the surface of the wafer W1 in the exposure area of the projection system PL is obtained from the equation (2) using the Z positions (focus positions) of a large number of evaluation points on the surface. Further, the stage control system 40A drives the focus leveling mechanism 46A according to the defocus amount ⁇ Fi to focus the surface of the shot area of the wafer W1 on the image plane.
  • step 112 with the shot area of the wafer W1 in focus, the reticle stage RST and the wafer stage WSA are exposed while exposing the shot area with an image of the projection system PL of a part of the pattern of the reticle R. Are scanned in the Y direction in synchronization with the projection system PL, so that the image of the pattern of the reticle R is scanned and exposed in the shot area. Thereafter, the operations of steps 112 and 114 are repeated by the step-and-scan method for each shot area to be exposed on the wafer W1. When the exposure of all the shot areas on the wafer W1 is completed, the operation moves to step 116, the wafer stage WSA moves to the + X direction unloading position, and the wafer W1 is unloaded.
  • next step 118 if the wafer to be exposed remains, the operation returns to step 102, and steps 102 to 116 are repeated in the wafer stage WSA to perform alignment and exposure for the next wafer. Further, almost in parallel with the operations of steps 110 to 116 of the first wafer stage WSA, on the second wafer stage WSB side, steps 102B (loading of wafer W2) and steps 104B similar to the operations of steps 102 to 108 are performed.
  • step 106B alignment of the wafer W2 while focusing the wafer W2 on the wafer alignment system ALG
  • step 108B AF system and detection
  • step 110B As the operation of steps 110 to 116 (projection system PL side of the wafer stage WSB).
  • Step 112B measurement of the Z position of the wafer W2 and focusing of the shot area
  • step 114B scan exposure of the shot area
  • step 116B unload of the wafer W2
  • An exposure apparatus 10 of the present embodiment is a wafer that holds the wafer W1 and moves relative to the projection system PL in an exposure apparatus that exposes an image of the pattern of the reticle R on the wafer W1 via the projection system PL.
  • a plurality of detection heads 28A to 31A that are disposed and irradiate the scale with detection light to detect relative position information between the wafer stage WSA and the frame 24, a reference surface 34 formed on the frame 24, and a reference surface 34 Is irradiated with the reference beam DLR (first light beam), the surface of the wafer W1 is irradiated with the measurement beam DL (second light beam), and the reference surface 34 is used as a reference.
  • AF system including AF system unit 36 for measuring the position along the optical axis of the projection system PL of the surface of the wafer W1 (surface position or Z position) and (surface position detecting device), and a.
  • the wafer W1 is held on the wafer stage WSA moving with respect to the projection system PL (step 102) and fixed to the frame 24 supported in a stationary state with respect to the projection system PL.
  • the diffraction grating scale formed on the scale plates 26A to 26D so as to face the wafer stage WSA is irradiated with detection light from the detection heads 28A to 31A of the wafer stage WSA, so that the relative relationship between the wafer stage WSA and the frame 24 is reached.
  • Position information is detected (step 102, part of step 108, and step 112), the reference beam DLR is irradiated onto the reference surface 34 formed on the frame 24 by the AF system, and the measurement beam DL is irradiated onto the surface of the wafer W1. Then, the surface position (Z position) of the surface of the wafer W1 is measured using the reference surface 34 as a reference. (Part of step 108).
  • the AF system measures the surface position (Z position) of the wafer W1 with reference to the reference surface 34 formed on the frame 24 provided with the scale.
  • the encoder system including the detection heads 28A to 31A determines the position of the wafer stage WSA (wafer table 14A) in the X direction, the Y direction, and the Z position with reference to the scale plates 26A to 26D (scale forming surface) of the frame 24. measure.
  • the AF system and the encoder system commonly perform position measurement based on the frame 24, even if the Z position of the frame 24 varies by using the difference between the two measurement values, for example, the wafer stage WSA.
  • the surface position of the wafer W1 can be measured with high accuracy.
  • the influence of the temperature fluctuation of the atmosphere of the exposure apparatus 10 can be reduced, and the position of the wafer stage WSA and the surface position of the wafer W1 can be measured with high accuracy. Therefore, based on the measured value, the surface of the wafer W1 can be focused on the image plane of the projection system PL with high accuracy.
  • the detection heads 28A to 31A have Z heads 28AZ and 30AZ, respectively.
  • the Z heads 28AZ and the like are wafers that are relative positions of the wafer table 14A and the scale forming surface of the frame 24 in the optical axis AX direction.
  • the Z position of the table 14A (wafer stage WSA) is measured. Accordingly, in step 108, when the Z position of the wafer W1 is measured by the AF system with reference to the reference surface 34 of the frame 24, the Z head of the wafer table 14A is referenced with the Z head 28AZ or the like and the scale surface of the frame 24 as a reference.
  • the Z position of the surface of the wafer W1 relative to the wafer table 14A can be measured with high accuracy even if the Z position of the reference surface 34 changes.
  • the number of detection heads 28A to 31A is such that at least one X head 28AX and the like and at least two Y heads 28AY or the like, or at least two X heads and at least one Y head are scale plates 26A to 26D, respectively. It is arbitrary as long as the corresponding scale can be detected.
  • the number of Z heads 28AZ and the like in the detection heads 28A to 31A is preferably at least three. Thereby, the Z position of the wafer table 14A and the inclination angles in the ⁇ x direction and the ⁇ y direction can be measured. Note that there may be at least one Z head.
  • the reference surface 34 is formed on the surface of the recess 24 a that is a recess with respect to the wafer stage WSA of the frame 24. Accordingly, the optical system of the AF system unit 36 that projects the reference beam DLR onto the reference surface 34 can be easily arranged. If there is a sufficient space between the bottom surface of the frame 24 and the wafer stage WSA, the reference surface is formed on the bottom surface of the frame 24 (the same surface as the scale plates 26A to 26D) or the convex portion provided on the bottom surface of the frame 24. 34 may be formed.
  • the exposure apparatus 10 moves independently while holding the wafer alignment system ALG (mark detection system) for detecting the position of the wafer mark on the wafers W1 and W2 and the wafers W1 and W2 to be exposed.
  • a first wafer stage WSA and a second wafer stage WSB are provided, and an AF system unit 36 (optical system) of the AF system is disposed between the projection system PL and the wafer alignment system ALG.
  • Wafer stage WSB also includes detection heads 28B-31B that measure the position of wafer stage WSB (wafer table 14B) using scale plates 26A-26D provided on frame 24.
  • the position of the wafer mark on the wafer W2 on the wafer stage WSB can be measured by the wafer alignment system ALG while exposing the wafer W1 on the wafer stage WSA via the projection system PL.
  • the throughput of the exposure process can be improved.
  • the surface position distribution of the wafer W2 on the wafer stage WSB can be measured by the AF system while the wafer stage WSB is being moved from below the wafer alignment system ALG to below the projection system PL, the throughput is not reduced.
  • the surface position distribution of the wafer W2 (same for the wafer W1) can be measured.
  • the exposure apparatus 10 irradiates the reference surface 34A1 for the wafer alignment system ALG formed on the frame 24 and the reference beam DLRA (third light beam) to the reference surface 34A1, and the measurement beam is applied to the surface of the wafer W2.
  • An alignment AF system unit 50A that irradiates DLA (fourth light beam) and measures the position (Z position) along the optical axis of the wafer alignment system ALG on the surface of the wafer W2 with reference to the reference surface 34A1.
  • Including an AF system a mark detection system surface position detection device. Accordingly, the wafer W2 can be focused on the wafer alignment system ALG with high accuracy using the AF system measurement result.
  • the reference beam DLR from the AF system unit 36 is directly projected on the reference surface 34 of the frame 24.
  • the reference surface 34 formed in the recess 24a of the frame 24 has a trapezoidal cross-sectional shape with a long reference surface, and the surface on the reference surface side. May be provided with a prism 52 fixed to the reference surface 34.
  • the rhomboid prism 36Ab (first deflecting member) in the AF light transmission system 36A and the rhombus prism 36Bb (second deflecting member) in the AF light receiving system 36B are respectively fixed in through holes provided in the frame 24. ing.
  • the reference beam DLR emitted from the rhomboid prism 36Ab is projected onto the reference surface 34 through the first inclined surface of the prism 52, and the reference beam DLR reflected by the reference surface 34 is converted into the prism 52. And enters the rhomboid prism 36Bb through the second inclined surface.
  • Other configurations and operations are the same as those in the embodiment of FIG.
  • the angle of the reference beam DLR emitted from the rhomboid prism 36Ab and incident on the rhombus prism 36Bb can be reduced, so that the configuration of the optical system of the AF system unit 36 is easy.
  • a reflecting surface 52R may be formed on the surface of the prism 52 that is fixed so as to cover the reference surface 34 and that faces the reference surface 34. .
  • the Z position of the surface of the wafer W1 with respect to the reference surface 34 is measured using the AF system unit 36, for example, the Z of the detection head 28A provided on the wafer table 14A of the wafer stage WSA.
  • the head 28AZ irradiates the scale plate 26B1 with the detection light DA and measures the Z position of the wafer table 14A with respect to the scale plate 26B1.
  • the wafer stage WSA is moved in the + Y direction, and the detection light DA of the Z head 28AZ is applied to the reflecting surface 52R of the prism 52, and the Z head 28AZ is used for the Z position.
  • the Z position of the upper surface of the Z head 28AZ may be measured by the AF system.
  • the Z-direction distance Z7B between the reflecting surface 52R and the reference surface 34 can be measured with high accuracy
  • the difference between the Z position measured by the Z head 28AZ and the Z position measured by the AF system is the distance Z7B.
  • the Z head 28AZ can be easily calibrated by adjusting the offset of the measured value of the Z head 28AZ.
  • the AF system signal processing unit 36C of the above embodiment performs synchronous rectification. Instead, without providing a vibrating mirror in the AF light transmission system 36A, for example, a line sensor is used as the photoelectric sensor 36Bc, and the Z position of each measurement point is obtained from the position of the slit image formed on the line sensor. You may do it.
  • a magnetic linear including a periodic magnetic scale in which a magnetic body whose polarity is reversed is formed at a minute pitch, and a magnetic head that reads the magnetic scale is used. It is also possible to use an encoder or the like.
  • a laser interferometer for measuring the positions of the wafer stages WSA and WSB may be provided in parallel with the encoder system including the detection heads 28A to 31A.
  • the present invention is applied to a twin wafer stage type exposure apparatus.
  • the present invention can be similarly applied to an exposure apparatus having only one wafer stage.
  • the AF system for the wafer may be disposed in the vicinity of the projection system PL, for example.
  • the reference plane 34 for the AF system may be formed on the bottom surface of the frame 24 near the projection system PL.
  • a detection head is provided on the frame side, and a scale is provided on the wafer stage WSA, WSB side.
  • a scale is provided on the wafer stage WSA, WSB side.
  • FIG. 8 shows an exposure apparatus 10A of the present embodiment.
  • a flat frame 54 is stably supported via a plurality of link mechanisms 32 on the bottom surface of the optical system frame 18 that supports the projection system PL.
  • the optical system frame 18 is supported on the base member 12 through an anti-vibration mechanism (not shown) as an example.
  • a plurality of detection heads 28C and 30C similar to the detection head 28A of FIG. 1 are fixed to the frame 54 so as to sandwich the projection system PL in the X direction, and the same as the detection head 28C so as to sandwich the projection system PL in the Y direction.
  • a plurality of detection heads (not shown) are fixed.
  • a plurality of detection heads 28D and 30D similar to the detection head 28C are fixed to the frame 54 so as to sandwich the wafer alignment system ALG in the X direction, and the same as the detection head 28C so as to sandwich the wafer alignment system ALG in the Y direction.
  • a plurality of detection heads (not shown) are fixed.
  • a reference surface 34 is formed in a recess on the bottom surface of the frame 54 between the projection system PL and the wafer alignment system ALG, and an AF system unit 36 is disposed so as to sandwich the reference surface in the Y direction. Includes an AF system.
  • scale plates 26E1, 26E2 and the like having X scales and Y scales formed on the surfaces thereof, like the scale plates 26A, 26B of FIG. 1, so as to surround the wafer W1 on the wafer table 14A of the first wafer stage WSA.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the exposure method according to this embodiment is an exposure method in which a pattern is exposed on the wafer W1 via the projection system PL.
  • the wafer W1 moves on the wafer stage WSA that moves relative to the projection system PL and has a diffraction grating scale formed thereon.
  • the first light beam is irradiated to the reference surface 34 formed on the frame 24 by the AF system
  • the second light beam is irradiated to the surface of the wafer W1
  • the reference surface 34 is used as a reference.
  • the position (surface position) in the direction along the optical axis of the projection system PL on the surface of the wafer W1 is measured.
  • the formation of the scale on the wafer stage WSA includes, for example, that the scale plates 26E1 and 26E2 on which the scale is formed are fixed to the wafer stage WSA.
  • the surface position (Z position) of the wafer W1 is measured with reference to the reference surface 34 formed on the frame 54 provided with the detection head 28C and the like. Further, the position information of the wafer stage WSA holding the wafer W1 is measured by the encoder method with the detection head 28C and the like provided on the frame 54. Since the measurement is performed based on the frame 54 in common as described above, the wafer with respect to the wafer stage WSA (wafer table 14A) can be used even if the Z position of the frame 54 fluctuates by using the difference between the measurement values of the two. The surface position of W1 can be measured with high accuracy.
  • the influence of the temperature fluctuation of the atmosphere can be reduced, and the position of the wafer stage WSA and the surface position of the wafer W1 can be measured with high accuracy. Therefore, based on the measurement result, the surface of the wafer W1 can be focused on the image plane of the projection system PL with high accuracy.
  • step 221 for performing function / performance design of the electronic device as shown in FIG.
  • a step 222 of manufacturing a mask (reticle) based on this design step a step 223 of manufacturing a substrate which is a base material of the device, a step of exposing the pattern of the reticle onto the substrate by the exposure apparatuses 10 and 10A of the above-described embodiment, Development process of exposed substrate, substrate processing step 224 including heating (curing) and etching process of the developed substrate, device assembly step (including processing processes such as dicing process, bonding process, and packaging process) 225, and inspection It is manufactured through step 226 and the like.
  • the device manufacturing method includes exposing a pattern to the substrate using the exposure apparatus (or exposure method) of the above-described embodiment, and processing the substrate on which the pattern is exposed. Yes.
  • processing the substrate includes developing, heating, etching, dicing, bonding, and the like on the substrate on which the pattern is exposed.
  • the present invention can be applied to a step-and-repeat type projection exposure apparatus (stepper or the like) in addition to the above-described step-and-scan type exposure apparatus (scanner).
  • the present invention is not limited to an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device, but is used for manufacturing a display including a liquid crystal display element and a plasma display. Applicable to exposure equipment that transfers device patterns used in ceramics onto ceramic wafers, as well as exposure equipment used to manufacture image sensors (CCDs, etc.), organic EL, micromachines, MEMS (Microelectromechanical Systems), and DNA chips. can do. Further, the present invention is applied not only to a micro device such as a semiconductor element but also to an exposure apparatus that transfers a circuit pattern to a glass substrate or a silicon wafer in order to manufacture a mask used in an optical exposure apparatus and an EUV exposure apparatus. Applicable.
  • the illumination optical system and projection optical system of the above embodiment are incorporated in the exposure apparatus main body, optical adjustment is performed, and a reticle stage or wafer stage comprising a large number of mechanical parts is attached to the exposure apparatus main body to connect wiring and piping.
  • the exposure apparatus (projection exposure apparatus) of the above-described embodiment can be manufactured by further comprehensive adjustment (electrical adjustment, operation check, etc.).
  • the exposure apparatus is preferably manufactured in a clean room where the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
  • R reticle, PL ... projection system, W1, W2 ... wafer, WSA, WSB ... wafer stage, ALG ... wafer alignment system, 10, 10A ... exposure apparatus, 18 ... optical system frame, 24 ... scale plate fixing frame, 26A to 26D ... scale plate, 28A, 28B, 30A, 30B ... detection head, 28AZ, 28BZ, 30AZ, 30BZ ... Z head, 34 ... reference plane of AF system, 36 ... AF system unit

Landscapes

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Abstract

　物体の露光に際して、雰囲気の温度揺らぎの影響等を低減して、その物体を移動する移動体の位置及びその物体の面位置を高精度に計測することを課題とする。投影系（ＰＬ）を介してウエハステージ（ＷＳＡ）上のウエハ（Ｗ１）上にパターンを露光する露光装置は、投影系（ＰＬ）に対して静止状態で支持され、スケール板（２６Ｂ，２６Ｃ）が固定されたフレーム（２４）と、ウエハステージ（ＷＳＡ）に配置されスケール板（２６Ｂ，２６Ｃ）のスケールの位置を検出する検出ヘッド（２８Ａ，３０Ａ）と、フレーム（２４）に形成された基準面（３４）を基準としてウエハ（Ｗ１）の面位置を計測する斜入射方式のＡＦ系ユニット（３６）とを備える。

Description

露光方法及び装置、並びにデバイス製造方法
　本発明は、投影系を介して物体上にパターンを露光する露光技術、及びこの露光技術を用いてデバイスを製造するデバイス製造技術に関する。
　半導体素子又は液晶表示素子等のマイクロデバイス（電子デバイス）を生産するためのフォトリソグラフィ工程で用いられる、いわゆるステッパー又はスキャニングステッパーなどの露光装置においては、投影光学系の焦点深度が狭いとともに、露光対象の基板の表面に段差（凹凸）があるため、オートフォーカスセンサ（以下、ＡＦ系という）によって基板表面の高さ（面位置）を計測し、この計測結果に基づいて基板表面が投影光学系の像面に合わせ込まれる（合焦される）ように、基板を保持するステージの制御を行っている。従来のＡＦ系としては、例えば外乱による光学部材の僅かな位置変動又は検出光の光路上の雰囲気の温度揺らぎによる光路の変動等の影響を抑制するために、被検面で反射された検出光と例えば所定のプリズムの一面に形成された基準面で反射された基準光とを受光し、その基準面を基準としてその被検面の面位置を検出する斜入射方式のＡＦ系が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
　また、基板を移動するステージの位置計測は従来はレーザ干渉計によって行われていたが、レーザ干渉計では、計測用ビームの光路上の雰囲気の温度揺らぎに起因する計測値の短期的な変動が無視できなくなりつつある。そこで、レーザ干渉計に比べて計測値の短期的安定性に優れるとともに、レーザ干渉計に近い分解能を持ちつつある計測装置として、回折格子状のスケールに検出ヘッドから検出光を照射し、そのスケールからの回折光を検出して、そのスケールの周期方向の位置を検出するエンコーダ方式の計測装置が提案されている（例えば、特許文献２及びこれに対応する米国特許第５，６１０，７１５号明細書参照）。また、そのスケールを用いてそのスケールの法線方向の位置を検出する計測装置も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００８－０４２１８３号公報 特開平７－２７０１２２号公報 特開２００９－０５４７３４号公報
　上述の如く、例えばプリズムに形成された基準面を用いるＡＦ系及びエンコーダ方式の計測装置を用いることによって、雰囲気の温度揺らぎの影響等を低減できる。しかしながら、そのＡＦ系において、例えば外乱等によってそのプリズム、ひいては基準面の高さが僅かに変動すると、それに応じて被検面の面位置の計測結果が変化するため、合焦精度が低下する恐れがある。
　そのような基準面の高さの僅かな変動の影響を低減する方法の一つは、例えばテストプリント等によるＡＦ系の計測値のキャリブレーションの頻度を高めることであるが、この場合には露光工程のスループットが低下する。
　本発明の態様は、このような事情に鑑み、物体の露光に際して、雰囲気の温度揺らぎの影響等を低減して、その物体を移動する移動体の位置及びその物体の面位置を高精度に計測することを目的とする。
　本発明の第１の態様による露光装置は、投影系を介して物体上にパターンを露光する露光装置において、その物体を保持してその投影系に対して移動するステージと、その投影系に対して静止状態で支持され、そのステージに対向するように回折格子状のスケールが形成されたフレーム部材と、そのステージに配置され、それぞれそのスケールに検出光を照射して、そのステージとそのフレーム部材との相対位置情報を検出する複数の検出ヘッドと、そのフレーム部材に形成された基準面と、その基準面に第１光束を照射し、その物体の表面に第２光束を照射して、その基準面を基準として、その物体の表面のその投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測する面位置検出装置と、を備えるものである。
　また、本発明の第２の態様による露光装置は、投影系を介して物体上にパターンを露光する露光装置において、その物体を保持してその投影系に対して移動するとともに、その投影系に対向する側に回折格子状のスケールが形成されたステージと、その投影系に対して静止状態で支持されたフレーム部材と、そのフレーム部材にそのステージに対向するように配置され、それぞれそのスケールに検出光を照射して、そのステージとそのフレーム部材との相対位置情報を検出する複数の検出ヘッドと、そのフレーム部材に形成された基準面と、その基準面に第１光束を照射し、その物体の表面に第２光束を照射して、その基準面を基準として、その物体の表面のその投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測する面位置検出装置と、を備えるものである。
　また、本発明の第３の態様による露光方法は、投影系を介して物体上にパターンを露光する露光方法において、その投影系に対して移動するステージにその物体を保持し、その投影系に対して静止状態で支持されたフレーム部材に、そのステージと対向するように形成された回折格子状のスケールに対し、そのステージから検出光を照射して、そのステージとそのフレーム部材との相対位置情報を検出し、そのフレーム部材に形成された基準面に第１光束を照射し、その物体の表面に第２光束を照射して、その基準面を基準として、その物体の表面のその投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測するものである。
　また、本発明の第４の態様による露光方法は、投影系を介して物体上にパターンを露光する露光方法において、その投影系に対して移動するとともに回折格子状のスケールが形成されたステージにその物体を保持し、その投影系に対して静止状態で支持されたフレーム部材からそのスケールに検出光を照射して、そのステージとそのフレーム部材との相対位置情報を検出し、そのフレーム部材に形成された基準面に第１光束を照射し、その物体の表面に第２光束を照射して、その基準面を基準として、その物体の表面のその投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測するものである。
　また、本発明の第５の態様によるデバイス製造方法は、本発明の第１の態様若しくは第２の態様の露光装置、又は本発明の第３の態様若しくは第４の態様の露光方法を用いて基板にパターンを露光することと、そのパターンが露光された前記基板を処理することと、を含むものである。
　本発明の態様によれば、スケール又は検出ヘッドが設けられたフレーム部材に形成された基準面を基準として物体表面の面位置（投影系の光軸方向の位置）が計測される。また、物体を保持するステージの位置情報が、フレーム部材を介してエンコーダ方式で計測される。このように共通にフレーム部材を基準として計測を行っているため、例えば両者の計測値の差分を用いることによって、そのフレーム部材の位置が変動しても、そのステージに対する物体の面位置を高精度に計測できる。従って、物体の露光に際して、雰囲気の温度揺らぎの影響等を低減して、そのステージの位置及びその物体の面位置を高精度に計測することができる。
第１の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図である。 図１中のスケール板固定用のフレーム２４を示す底面図である。 図２の計測ビーム及び基準ビームの光路に沿った断面図である。 （Ａ）は図１中のウエハアライメント系ＡＬＧの下方のフレーム２４を示す底面図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＢＢ線に沿う断面図、（Ｃ）は図１中のウエハステージＷＳＢを示す平面図である。 実施形態の露光動作の一例を示すフローチャートである。 第１変形例のＡＦ系ユニットの要部を示す断面図である。 （Ａ）は、第２変形例に係るＡＦ系ユニットの要部を示す断面図、（Ｂ）は図７（Ａ）の状態からウエハステージＷＳＡをＹ方向に移動した状態を示す断面図である。 第２の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
　［第１の実施形態］
　以下、本発明の第１の実施形態につき図１～図５を参照して説明する。
　図１は、本実施形態に係る露光装置１０の概略構成を示す。露光装置１０は、スキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査型露光装置であり、かつ２台のウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢを備えたツイン・ウエハステージ型である。露光装置１０は、温度制御されるとともに高度に防塵された気体（例えばドライエアー）がダウンフロー方式で供給されている箱状のチャンバー（不図示）内に設置されている。本実施形態では、投影系（投影光学系）ＰＬが設けられている。以下、投影系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面内でレチクルとウエハとが相対走査される方向（図１の紙面に平行な方向）にＸ軸を取り、Ｚ軸及びＸ軸に直交する方向（図１の紙面に垂直な方向）にＹ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。本実施形態では、ＸＹ面はほぼ水平面に平行である。
　図１において、露光装置１０は、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されているものと同様の照明系ＩＬＳ、この照明系ＩＬＳからの例えばＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、又は放電ランプの輝線等の露光用の照明光（露光光）ＩＬにより照明されるレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ１（又はＷ２）上に投射する投影系ＰＬ、ウエハＷ１を保持して移動する第１のウエハステージＷＳＡ、ウエハＷ２を保持して移動する第２のウエハステージＷＳＢ、ウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢの位置計測システム、ウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢの駆動機構（不図示）、ウエハステージＷＳＡの動作を制御する第１制御系６Ａ（図３参照）、ウエハステージＷＳＢの動作を制御する第２制御系６Ｂ、及び装置全体の動作を統括的に制御する主制御系４（図３参照）等を備えている。さらに、露光装置１０は、投影系ＰＬからＸ方向に所定間隔だけ離れて配置された例えば画像処理型のＦＩＡ（Field Image Alignment）系よりなるウエハアライメント系ＡＬＧ、及び投影系ＰＬとウエハアライメント系ＡＬＧとの間に配置され、ウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢ上のウエハＷ１，Ｗ２の表面の投影系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向の位置（面位置）であるフォーカス位置又はＺ位置を計測するＡＦ系ユニット３６を含むＡＦ系（オートフォーカスセンサ）を備えている。
　図１のレチクルステージＲＳＴ上には、回路パターンなどがそのパターン面（下面）に形成されたレチクルＲが、例えば真空吸着により固定されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含む駆動系（不図示）によって、ＸＹ面内で微少駆動可能であるとともに、走査方向（Ｘ方向）に指定された走査速度で駆動可能となっている。レチクルステージＲＳＴの移動面内のＸ方向、Ｙ方向の位置及びθｚ方向の回転角を含む位置情報は、レーザ干渉計（不図示）によって例えば０．５～０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。主制御系（不図示）に接続されたレチクルステージ制御系（不図示）がその位置情報に基づいてその駆動系を介してレチクルステージＲＳＴの動作を制御する。
　なお、本実施形態の投影系ＰＬの投影倍率βは例えば１／４，１／５等の縮小倍率であり、レチクルステージＲＳＴの位置情報の計測誤差は投影系ＰＬの像面側では投影倍率βで縮小されるため、その影響は低減される。ただし、レチクルステージＲＳＴの位置情報も後述のエンコーダ方式の計測装置で計測してもよい。
　図１において、レチクルステージＲＳＴの下方にＸＹ面に平行に厚い平板状の光学系フレーム１８が配置され、光学系フレーム１８はその上方の本体コラム１１に、それぞれチェーン２１を防塵ベローズ２２で覆って形成されている複数の吊り下げ機構２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ等を介して吊り下げて支持されている。この構成によって、光学系フレーム１８は外乱の影響を殆ど受けることなく安定に支持される。光学系フレーム１８にはＸ方向に所定間隔で第１開口及び第２開口が形成され、これらの第１開口及び第２開口内にそれぞれ投影系ＰＬ及びウエハアライメント系ＡＬＧが設置され、投影系ＰＬ及びウエハアライメント系ＡＬＧのフランジ部が光学系フレーム１８の上面に固定されている。
　また、光学系フレーム１８の底面に複数のリンク機構３２を介して、平板状で投影系ＰＬ及びウエハアライメント系ＡＬＧを通す開口が形成されたスケール板固定用のフレーム２４が安定に支持されている。従って、フレーム２４は、投影系ＰＬ及びウエハアライメント系ＡＬＧに対して相対的に静止状態で支持されている。光学系フレーム１８、リンク機構３２、及びフレーム２４はそれぞれ線膨張係数の極めて小さい材料（例えばインバー）から形成されている。なお、フレーム２４については、さらに線膨張率が小さい低膨張ガラス、低膨張ガラスセラミックス（例えばショット社のゼロデュア（ZERODUR）（商品名））、低膨張セラミックス、又はスーパーインバーなどから形成することも可能である。
　フレーム２４の底面の光軸ＡＸから＋Ｘ方向側の領域に、Ｘ方向に所定ピッチを持つ反射型の回折格子状のＸスケールとＹ方向に所定ピッチを持つ反射型の回折格子状のＹスケールとが所定配列で形成されたスケール板２６Ａが固定され、フレーム２４の底面の投影系ＰＬとウエハアライメント系ＡＬＧとの間のほぼ中間位置にＹ軸に沿ってＸ方向に所定幅でスリット状の凹部２４ａが形成されている。フレーム２４の底面の光軸ＡＸと凹部２４ａとの間の領域、凹部２４ａとウエハアライメント系ＡＬＧの光軸との間の領域、及びウエハアライメント系ＡＬＧの光軸から－Ｘ方向側の領域に、それぞれスケール板２６Ａと同様のＸスケール及びＹスケールが形成されたスケール板２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄが固定されている。
　スケール板２６Ａ～２６Ｄは例えば薄い平板状のガラス板であり、その表面に形成されているＸスケール及びＹスケールのピッチ（周期）は、例えば１３８ｎｍ～４μｍの範囲で、例えば１μｍ程度である。これらのスケール板２６Ａ～２６ＤとウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢ上の検出ヘッド２８Ａ，２８Ｂ等とから、ウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢの位置情報を計測するエンコーダ方式の計測装置（以下、エンコーダシステムという。詳細後述）が構成される。
　また、図１中のスケール板２６Ｂ及び２６Ｃは、図１のフレーム２４の一部の底面図である図２に示すように、それぞれＹ方向に対称な形状の２つのスケール板２６Ｂ１，２６Ｂ２、及び２つのスケール板２６Ｃ１，２６Ｃ２に分かれている。同様に、図１の他のスケール板２６Ａ及び２６ＤもＹ方向に対称な形状の２つのスケール板に分かれている。なお、各スケール板２６Ａ～２６Ｄの分割数は任意であり、スケール板２６Ａ～２６Ｄをそれぞれ１枚のスケール板から形成してもよい。また、図２では、ウエハアライメント系ＡＬＧの検出領域ＡＬＷが示されているが、ウエハアライメント系ＡＬＧの周辺の機構は簡略化して示されている。
　図１の投影系ＰＬとしては、例えば光軸ＡＸに沿って配列される複数のレンズエレメントを含む両側テレセントリックの屈折光学系が用いられている。照明系ＩＬＳからの照明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域が照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影系ＰＬを介してその照明領域内の回路パターンの像が、ウエハＷ１（又はＷ２）上のＹ方向に細長い露光領域ＩＬＷ（照明領域に共役な領域）（図２参照）に形成される。ウエハＷ１，Ｗ２は、シリコン又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が例えば２００ｍｍ～４５０ｍｍの円板状の基材の表面にフォトレジスト（感光剤）を塗布したものである。なお、投影系ＰＬとしては反射屈折系も使用できる。
　なお、露光装置１０が液浸法を適用して露光を行う場合には、局所液浸機構（不図示）によって投影系ＰＬとウエハＷ１，Ｗ２との間に照明光ＩＬを透過する液体（純水等）が供給される。その局所液浸機構としては、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている液浸機構を使用できる。なお、露光装置１０がドライ型である場合には、その局所液浸機構を設ける必要はない。
　また、ウエハステージＷＳＡ及びＷＳＢは、それぞれベース部材１２のＸＹ面に平行な上面に例えば真空予圧型空気静圧軸受を構成するエアパッドを介して数μｍ程度のクリアランスを介して非接触で支持されているＸＹステージ１６Ａ及び１６Ｂ上に、ウエハＷ１及びＷ２をウエハホルダ（不図示）を介して真空吸着等で保持するウエハテーブル１４Ａ及び１４Ｂを積み重ねて構成されている。ウエハテーブル１４Ａ，１４Ｂを上方から見た形状はほぼ正方形である。ＸＹステージ１６Ａ，１６Ｂは、一例として平面モータ４４Ａ等（図３参照）によってベース部材１２上をＸ方向、Ｙ方向、及びθｚ方向に駆動される。また、ウエハテーブル１４Ａ，１４Ｂは、それぞれウエハＷ１，Ｗ２のＺ位置とθｘ方向及びθｙ方向の傾斜角とを制御するフォーカスレベリング機構４６Ａ等（図３参照）を備えている。さらに、ウエハテーブル１４Ａ，１４ＢにはレチクルＲのアライメントマーク又は評価用のラインアンドスペースパターン等の像を所定のスリットパターンを介して検出する空間像計測系（不図示）が備えられている。
　また、図４（Ｃ）に示すように、ウエハステージＷＳＢのウエハテーブル１４Ｂ上の例えば３箇所に基準マーク（不図示）が形成された基準マーク板４８Ｂ１，４８Ｂ２，４８Ｂ３が固定されている。同様にウエハステージＷＳＡのウエハテーブル１４Ａ上にも３つの基準マーク板（不図示）が固定されている。それらの基準マークはウエハアライメント系ＡＬＧで検出されるとともに、それらの基準マークと対応する空間像計測系のスリットパターンとの関係は主制御系４の記憶装置に記憶されている。
　また、図１において、ウエハテーブル１４Ａ上の４箇所の角部にスケール板２６Ａ～２６Ｄのスケール及びスケール形成面を検出する検出ヘッド２８Ａ，２９Ａ，３０Ａ，３１Ａが固定されている。同様に、ウエハテーブル１４Ｂ上の４箇所の角部にスケール板２６Ａ～２６Ｄのスケール及びスケール形成面を検出する検出ヘッド２８Ｂ，２９Ｂ，３０Ｂ，３１Ｂ（図４（Ｃ）参照）が固定されている。検出ヘッド２８Ａ及び２８Ｂは、それぞれスケール板２６Ａ～２６Ｄ中のＸスケールのＸ方向の位置を検出するＸヘッド２８ＡＸ及び２８ＢＸと、スケール板２６Ａ～２６Ｄ中のＹスケールのＹ方向の位置を検出するＹヘッド２８ＡＹ及び２８ＢＹと、スケール板２６Ａ～２６Ｄのスケール形成面のＺ方向の位置（Ｚ位置）を検出するＺヘッド２８ＡＺ及び２８ＢＺとから構成されている。同様にウエハテーブル１４Ａ及び１４Ｂ上の他の３つの検出ヘッド２９Ａ～３１Ａ及び２９Ｂ～３１ＢもそれぞれＸヘッド、Ｙヘッド、及びＺヘッドを備えている。なお、図１では、検出ヘッド３０Ａ，２８Ｂ，３０Ｂ中のＺヘッド３０ＡＺ，２８ＢＺ，３０ＢＺのみが示されている。
　この場合、Ｘヘッド２８ＡＸ及びＹヘッド２８ＡＹは、それぞれスケール板２６Ａ～２６Ｄ中のＸスケール及びＹスケールにレーザ光よりなる検出光を照射し、対応するスケールで発生する回折光による干渉光を検出して、当該スケールのＸ方向及びＹ方向の相対変位（相対位置）であるウエハテーブル１４Ａ（ウエハステージＷＳＡ）のＸ方向及びＹ方向の位置を例えば０．５～０．１ｎｍ程度の分解能で検出する。Ｘヘッド２８ＡＸ及びＹヘッド２８ＡＹの詳細な構成は、例えば米国特許第５，６１０，７１５号明細書（及びこれに対応する特開平７－２７０１２２号公報）に開示されている。
　さらに、ウエハステージＷＳＡ（又はＷＳＢ）上の検出ヘッド２８Ａ～３１Ａ（又は２８Ｂ～３１Ｂ）のうち、少なくとも２つのＸヘッド及び２つのＹヘッドはスケール板２６Ａ～２６Ｄのいずれかに検出光を照射して、ウエハステージＷＳＡ（ＷＳＢ）のＸ方向及びＹ方向の位置を計測している。従って、その２箇所のＸ方向又はＹ方向の位置からウエハステージＷＳＡ（ＷＳＢ）のθｚ方向の回転角を求めることができる。
　また、Ｚヘッド２８ＡＺは、一例として光学式ピックアップと同様に、スケール板２６Ａ～２６Ｄのスケール形成面に検出光を照射し、反射光を検出することによって、そのスケール形成面の相対的なＺ位置（ひいてはウエハテーブル１４ＡのＺ位置）を例えば０．１μｍ程度の分解能で検出する。Ｚヘッド２８ＡＺの詳細な構成は、例えば特開２００９－５４７３４号公報に開示されている。
　さらに、ウエハステージＷＳＡ（又はＷＳＢ）上の検出ヘッド２８Ａ～３１Ａ（又は２８Ｂ～３１Ｂ）の全部のＺヘッドが、常時スケール板２６Ａ～２６Ｄのいずれかに検出光を照射して、ウエハステージＷＳＡ（ＷＳＢ）のＺ位置を計測している。従って、その４箇所のＺ位置からウエハテーブル１４Ａ（１４Ｂ）のθｘ方向及びθｙ方向の回転角をも求めることができる。
　従って、スケール板２６Ａ～２６Ｄ及び検出ヘッド２８Ａ～３１Ａを含むエンコーダシステムによって、第１のウエハステージＷＳＡ（ウエハテーブル１４Ａ）のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置、及びθｘ方向、θｙ方向、θｚ方向の回転角よりなる６自由度の位置情報を計測することができる。同様に、スケール板２６Ａ～２６Ｄ及び検出ヘッド２８Ｂ～３１Ｂを含むエンコーダシステムによって、第２のウエハステージＷＳＢ（ウエハテーブル１４Ｂ）の６自由度の位置情報を計測することができる。
　また、ウエハステージＷＳＡ上の検出ヘッド２８Ａ～３１Ａの検出信号（Ｘヘッドの検出信号であるＸ計測信号ＳＸ、Ｙヘッドの検出信号であるＹ計測信号ＳＹ、Ｚヘッドの検出信号であるＺ計測信号ＳＺ）は図３のステージ制御系４０Ａに供給され、ステージ制御系４０Ａは、上記のウエハステージＷＳＡの６自由度の位置情報を求め、これらの位置情報及び制御系６Ａからの制御情報に基づいて平面モータ４４Ａ及びフォーカスレベリング機構４６Ａの動作を制御する。ウエハステージＷＳＢの検出ヘッド２８Ｂ～３１Ｂの検出信号も同様のステージ制御系（不図示）によって処理されている。
　次に、ＡＦ系ユニット３６を含むＡＦ系につき説明する。先ず、図１において、フレーム２４の凹部２４ａの表面に、例えば高反射率の金属膜よりなるＡＦ系の基準面３４が形成されている。図２に示すように、基準面３４はフレーム２４の凹部２４ａのＹ方向の中央部に形成されている。また、基準面３４に基準ビームＤＬＲを照射し、基準面３４に対向する被検面に計測ビームＤＬを照射するＡＦ送光系３６Ａと、基準面３４及び被検面からの基準ビームＤＬＲ及び計測ビームＤＬを受光するＡＦ受光系３６ＢとからＡＦ系ユニット３６が構成されている。
　図３は、図２のフレーム２４の基準面３４に沿った断面図であり、かつＡＦ系によってウエハステージＷＳＡ（ウエハテーブル１４Ａ）上のウエハＷ１の表面Ｗ１ａ（被検面）のＺ位置を計測している状態を示す。図３において、ＡＦ送光系３６Ａは、例えばウエハＷ１上のフォトレジストを感光させない波長域の基準ビームＤＬＲ及び計測ビームＤＬを発生するビーム発生部（不図示）と、その基準ビームＤＬＲ及び計測ビームＤＬを集光する送光レンズ３６Ａａと、基準ビームＤＬＲ及び計測ビームＤＬの光路を－Ｚ方向にシフトする第１の菱形プリズム(rhomboid prism)３６Ａｂとを有する。ＡＦ送光系３６Ａから斜め下方に投射される計測ビームＤＬは、ウエハＷ１の表面Ｗ１ａにＹ方向に所定間隔で配列される複数の計測点にそれぞれ例えばスリット像を形成し、表面Ｗ１ａで反射された計測ビームＤＬはＡＦ受光系３６Ｂに向かう。また、ＡＦ送光系３６Ａから斜め上方に投射される基準ビームＤＬＲは、基準面３４上に例えばスリット像を形成し、基準面３４で反射された基準ビームＤＬＲはＡＦ受光系３６Ｂに向かう。ＡＦ送光系３６Ａには、それらのスリット像をＹ方向に所定範囲内で振動させる振動ミラー（不図示）と、それらのスリット像の位置を調整するハービング（不図示）とが設けられている。
　ＡＦ受光系３６Ｂは、表面Ｗ１ａで反射された基準ビームＤＬＲ及び計測ビームＤＬの光路を＋Ｚ方向にシフトする第２の菱形プリズム３６Ｂｂと、基準ビームＤＬＲ及び計測ビームＤＬを集光してそれぞれスリット像を再形成する受光レンズ３６Ｂａと、それらのスリット像を検出する光電センサ３６Ｂｃとを有する。光電センサ３６Ｂｃの受光面と基準面３４及び表面Ｗ１ａとはほぼ共役である。光電センサ３６Ｂｃとしては、それらのスリット像の光量を所定の開口を介して検出する複数の受光素子のアレイが使用できる。光電センサ３６Ｂｃの複数の検出信号は信号処理部３６Ｃに供給される。
　信号処理部３６Ｃは、一例としてＡＦ送光系３６Ａ内の振動ミラー（不図示）の駆動信号を用いてそれらの複数の検出信号を同期整流することにより、それらのスリット像のＺ位置に対応する計測信号を生成する。さらに、信号処理部３６Ｃは、表面Ｗ１ａの複数の計測点に投射される複数のスリット像のＺ位置に対応する計測信号から基準面３４のスリット像のＺ位置に対応する計測信号を差し引いて、基準面３４のＺ位置を基準として表面Ｗ１ａの複数の計測点のＺ位置Ｚ１ｊ（ｊ＝１～Ｊ：Ｊは２以上の整数）を示す被検面のＺ位置計測信号ＡＦＷを生成する。なお、実際に計測されるＺ位置Ｚ１ｊは、例えば基準面３４と被検面とのＺ方向の間隔から所定のオフセットを差し引いた値である。このように基準面３４を基準としているため、外乱又は雰囲気の温度揺らぎ等で計測ビームＤＬ及び基準ビームＤＬＲの光路が同じように変化した場合には、計測値のドリフトはなく、被検面のＺ位置を高精度に計測できる。Ｚ位置計測信号ＡＦＷは演算部３８Ａ及び記憶部４２Ａに供給される。
　斜入射方式のＡＦ系ユニット３６及び信号処理部３６Ｃを含んでＡＦ系が構成されている。ＡＦ系ユニット３６のより詳細な構成は、例えば特開２００８－０４２１８３号公報に開示されている。
　また、ウエハステージＷＳＡをＸ方向、Ｙ方向に駆動して、計測ビームＤＬにより複数のスリット像が投射される計測領域に対して、ウエハＷ１の表面Ｗ１ａを走査することで、表面Ｗ１ａ上にＸ方向、Ｙ方向に所定間隔で格子状に配置される多数の評価点において、それぞれＡＦ系によってＺ位置Ｚ１ｉ（ｉ＝１～Ｉ：Ｉは２×Ｊ以上の整数）が計測される。
　さらに、図３において、ウエハステージＷＳＡ（ウエハテーブル１４Ａ）の検出ヘッド３１Ａがスケール板２６Ｃ２に検出光を照射しており、検出ヘッド３１Ａ中のＸヘッド及びＹヘッドからスケール板２６Ｃ２に対するウエハテーブル１４ＡのＸ方向及びＹ方向の位置を示すＸ計測信号ＳＸ及びＹ計測信号ＳＹがステージ制御系４０Ａに供給されている。また、検出ヘッド３１Ａ中のＺヘッド３１ＡＺからスケール板２６Ｃ２に対するウエハテーブル１４ＡのＺ位置を示すＺ計測信号ＳＺが演算部３８Ａ及びステージ制御系４０Ａに供給されている。同様に、ウエハステージＷＳＡ上の他の検出ヘッド２８Ａ～３０ＡからもそれぞれＸ計測信号及びＹ計測信号がステージ制御系４０Ａに供給され、Ｚ計測信号が演算部３８Ａ及びステージ制御系４０Ａに供給されている。
　この場合、検出ヘッド２８Ａ～３１ＡのＺセンサで計測されるＺ位置を通る平均的な面（以下、ウエハテーブル１４Ａのステージ面という。）上で、表面Ｗ１ａ上のｉ番目の評価点に対応する点のＺ位置をＺ２ｉ、フレーム２４のスケール板２６Ａ～２６Ｄの表面と基準面３４とのＺ位置の既知のオフセットをＺＡｏｆとすると、演算部３８Ａは、一例として次の差分演算を含む演算によって、ウエハテーブル１４Ａのステージ面に対する表面Ｗ１ａ上のｉ番目の評価点におけるＺ位置ΔＺＳＷｉを計算する。表面Ｗ１ａ上の全部の評価点におけるＺ位置ΔＺＳＷｉの計算結果は記憶部４２Ａに記憶される。なお、オフセットＺＡｏｆは、例えば実測値を使用してもよい。
　ΔＺＳＷｉ＝Ｚ１ｉ－（Ｚ２ｉ＋ＺＡｏｆ）　…（１）
　この式（１）から分かるように、ＡＦ系はフレーム２４の基準面３４を基準として表面Ｗ１ａのＺ位置を計測し、検出ヘッド２８Ａ～３１Ａ（Ｚヘッド）もフレーム２４に設けたスケール板２６Ａ～２６Ｄに対するウエハテーブル１４ＡのＺ位置を計測しているため、仮に外乱等でフレーム２４のＺ位置が僅かに変動しても、ウエハテーブル１４Ａのステージ面に対する表面Ｗ１ａのＺ位置の計測値は変化しない。従って、常にウエハテーブル１４Ａに対する表面Ｗ１ａの相対的なＺ位置（ΔＺＳＷｉ）を高精度に計測できる。
　その後の露光時には、図１において、検出ヘッド２８Ａ～３１ＡのＺヘッド２８ＡＺ等によってスケール板２６Ａ～２６Ｄを基準としてウエハテーブル１４ＡのＺ位置Ｚ３ｉ（ウエハＷ１上のｉ番目の評価点に対応する位置でのＺ位置）が計測され、計測結果はステージ制御系４０Ａに供給される。ステージ制御系４０Ａには、記憶部４２ＡからウエハＷ１上の全部の評価点について計測された式（１）のＺ位置ΔＺＳＷｉも供給される。さらに、ステージ制御系４０Ａには、スケール板２６Ａ～２６Ｄを基準とした投影系ＰＬの像面のＺ位置ＺＰＬの情報が制御系６Ａから予め供給されている。ステージ制御系４０Ａは、次のようにエンコーダシステムで計測されたＺ位置Ｚ３ｉとウエハＷ１上の評価点のＺ位置ΔＺＳＷｉとの和から像面のＺ位置ＺＰＬを差し引くことで、ウエハＷ１上の評価点のＺ位置の像面からのデフォーカス量ΔＦｉを求める。
　ΔＦｉ＝（Ｚ３ｉ＋ΔＺＳＷｉ）－ＺＰＬ　…（２）
　なお、式（２）における投影系ＰＬの像面のＺ位置ＺＰＬは、実際には例えばウエハステージＷＳＡ内の空間像計測系（不図示）で計測される所定の評価用パターンの像のコントラストが最大になるときのウエハテーブル１４Ａのステージ面のＺ位置（検出ヘッド２８Ａ～３１Ａで計測されるＺ位置）Ｚ３０から求めることができる。
　そして、ステージ制御系４０Ａは、投影系ＰＬの露光領域内のウエハＷ１上の各評価点のデフォーカス量ΔＦｉが全体として最小になるようにウエハテーブル１４Ａ内のフォーカスレベリング機構４６Ａを駆動する。これによって、走査露光中のウエハＷ１の表面が投影系ＰＬの像面に正確に合焦され、レチクルＲのパターンの像が高精度にウエハＷ１の各ショット領域に露光される。
　なお、以上のＡＦ系によるウエハＷ１の表面のＺ位置の計測、及び露光時に検出ヘッド２８Ａ～３１Ａの計測結果に基づいてウエハＷ１の表面を投影系ＰＬの像面に合焦させる動作は、第２のウエハステージＷＳＢ上のウエハＷ２にも同様に適用できる。
　また、図４（Ａ）は図１のウエハアライメント系ＡＬＧを示す底面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＢＢ線に沿う断面図、図４（Ｃ）は図１のウエハステージＷＳＢを示す平面図である。
　図４（Ａ）において、ウエハアライメント系ＡＬＧをＸ軸に４５°で交差する方向に挟むように、フレーム２４の底面に１対の細長い凹部２４ｂ及び凹部２４ｃが形成され、凹部２４ｂ，２４ｃの中央部に高反射率の金属膜よりなる基準面３４Ａ１，３４Ａ２が形成されている。また、凹部２４ｂ，２４ｃ内の基準面３４Ａ１，３４Ａ２を挟むように形成されたフレーム２４のそれぞれ１対の貫通穴に送光用及び受光用の菱形プリズム５０Ａｂ，５０Ａｃ及び５０Ｂｂ，５０Ｂｃが固定されている。
　図４（Ｂ）に示すように、送光レンズ等を含む光学系５０Ａａ、菱形プリズム５０Ａｂ、菱形プリズム５０Ａｃ、及び受光レンズ等を含む光学系５０Ａｄから、図３のＡＦ系ユニット３６と同様の第１の斜入射方式のＡＦ系ユニット５０Ａが構成されている。ＡＦ系ユニット５０Ａの菱形プリズム５０Ａｂから投射される基準ビームＤＬＲＡ及び計測ビームＤＬＡはそれぞれフレーム２４の基準面３４Ａ１及びウエハＷ２の表面（基準面３４Ａ１に対向する領域）にスリット像を形成し、基準面３４Ａ１及びウエハＷ２の表面からの反射光が菱形プリズム５０Ａｃを介して受光される。そして、光学系５０Ａｄから出力される検出信号を図３の信号処理部３６Ｃと同様の信号処理部（不図示）で処理することによって、基準面３４Ａ１を基準としてウエハＷ２の表面のＺ位置を斜入射方式で計測できる。
　同様に、菱形プリズム５０Ｂｂ及び５０Ｂｃを含んで、ＡＦ系ユニット５０Ａと同様の第２の斜入射方式のＡＦ系ユニット５０Ｂが構成されている。ＡＦ系ユニット５０Ｂは、フレーム２４の基準面３４Ａ２及びこれに対応するウエハＷ２の表面に基準ビーム及び計測ビームを投射して、基準面３４Ａ２を基準としてウエハＷ２の表面のＺ位置を斜入射方式で計測する。ＡＦ系ユニット５０Ａ，５０Ｂ及び信号処理部（不図示）を含んでウエハアライメント系ＡＬＧ用の２つのＡＦ系が構成されている。基準面３４Ａ１，３４Ａ２に対応する２箇所の位置で求められるＺ位置を例えば平均化することで、ウエハアライメント系ＡＬＧの検出領域ＡＬＷの中心（光軸）上でのＺ位置ＺＡＬ１を求めることができる。
　この場合にも、図４（Ｃ）の検出ヘッド２８Ｂ～３１ＢのＺヘッド２８ＢＺ等は、ウエハアライメント系ＡＬＧの周囲のフレーム２４の底面のスケール板２６Ｃ，２６Ｄに検出光を照射して、スケール板２６Ｃ，２６Ｄを基準としてウエハステージＷＳＢ（ウエハテーブル１４Ｂ）のＺ位置を計測している。これらのＺ位置を通る平均的な面をウエハテーブル１４Ｂのステージ面と呼ぶ。従って、図３の演算部３８Ａと同様の演算部（不図示）によって、式（１）と同様に、そのＡＦ系ユニット５０Ａ，５０Ｂによって求められるＺ位置ＺＡＬ１から、検出ヘッド２８Ｂ～３１Ｂの計測値で定められる面上の検出領域ＡＬＷの中心でのＺ位置ＺＡＬ２とスケール板２６Ｃ，２６Ｄから基準面３４Ａ１，３４Ａ２までのＺ位置の段差との和を差し引くことで、検出領域ＡＬＷの中心におけるウエハテーブル１４Ｂのステージ面に対するウエハＷ２の表面のＺ位置ΔＺＢを求めることができる。そのＺ位置ΔＺＢも、仮にフレーム２４のＺ位置が変動しても同じ値に維持されるため、常に高精度にそのステージ面に対するウエハＷ２の表面のＺ位置を表している。
　従って、予めウエハテーブル１４Ｂのステージ面がウエハアライメント系ＡＬＧのベストフォーカス位置（例えばウエハアライメント系ＡＬＧで撮像されるマークの像のコントラストが最大になる位置）に合致するときのＺ位置ＺＡＬ２の値ＺＡＬ２’を求めておき、そのＺ位置ΔＺＢとそのＺ位置ＺＬＡ２との和からその値ＺＡＬ２’を差し引くことによって、ウエハＷ２の表面のウエハアライメント系ＡＬＧに対するデフォーカス量が求められる。このデフォーカス量が０になるようにウエハテーブル１４Ｂのフォーカスレベリング機構を駆動することで、常にベストフォーカス状態でウエハアライメント系ＡＬＧによってウエハＷ２上の計測対象のアライメントマーク（以下、ウエハマークという）の位置を計測できる。従って、この計測結果から主制御系４内のアライメント制御系（不図示）は、例えばＥＧＡ方式で、ウエハテーブル１４Ｂ上の基準マーク板４８Ｂ１～４８Ｂ３の基準マークで定まる座標系上でのウエハＷ２上の各ショット領域の配列座標を求めることができる。このようなアライメントは、ウエハステージＷＳＡ上のウエハＷ１に対しても同様に行うことができる。
　次に本実施形態の露光装置１０の露光動作の一例につき図５のフローチャートを参照して説明する。この露光動作は主制御系４によって制御される。先ず、図５のステップ１０２において、第１のウエハステージＷＳＡを図１の－Ｘ方向のローディング位置に移動し、ウエハステージＷＳＡ上にウエハ（Ｗ１とする）をロードし、ウエハステージＷＳＡのエンコーダシステムの検出ヘッド２８Ａ～３１ＡのＸヘッド、Ｙヘッドで継続してウエハステージＷＳＡのＸ方向、Ｙ方向の位置を計測する。この際に、第２のウエハステージＷＳＢは例えば＋Ｙ方向に待避している。さらに、ウエハステージＷＳＡをＸ方向及びＹ方向に駆動して、ウエハテーブル１４Ａ上の基準マーク板（図４（Ｃ）の基準マーク板４８Ｂ１～４８Ｂ３に対応する部材）上の所定の基準マークの位置をウエハアライメント系ＡＬＧで計測し、この計測結果に基づいて、ウエハテーブル１４Ａのθｚ方向の回転角をリセットし、その上の座標系の原点を設定する。
　次のステップ１０４において、ウエハステージＷＳＡをＸ方向及びＹ方向に駆動し、ウエハＷ１上の１番目の計測対象のウエハマークをウエハアライメント系ＡＬＧの検出領域内に移動し、図４（Ａ）のＡＦ系ユニット５０Ａ，５０Ｂを含むアライメント用ＡＦ系によって、ウエハステージＷＳＡ上のウエハＷ１のＺ位置（フォーカス位置）をフレーム２４に設けたＡＦ系の基準面３４Ａ１，３４Ａ２を基準として計測する。この際に、検出ヘッド２８Ａ～３１ＡのＺヘッドでもスケール板２６Ｃ，２６Ｄを基準としてＺ位置を計測し、それらのＺ位置の差分に基づいてウエハテーブル１４Ａのステージ面に対するウエハＷ１のＺ位置を求める。
　次のステップ１０６において、ステップ１０４で求めたＺ位置とウエハアライメント系ＡＬＧのベストフォーカス位置との差分（デフォーカス量）が０になるように、ウエハテーブル１４Ａを介してウエハアライメント系ＡＬＧに対してウエハＷ１の表面をオートフォーカス方式で合焦し、ウエハＷ１のウエハマークをウエハアライメント系ＡＬＧで検出する。実際には、ウエハＷ１上の計測対象のウエハマーク毎にステップ１０４及び１０６が実行される。そして、計測された全部のウエハマークの位置に基づいてウエハＷ１の全部のショット領域の配列座標の算出（ウエハＷ１のアライメント）が行われる。
　次のステップ１０８において、ウエハステージＷＳＡを＋Ｘ方向に移動し、その途中でＡＦ系ユニット３６を含むＡＦ系によって、フレーム２４のＡＦ系の基準面３４を基準としてウエハＷ１の表面のＺ位置（フォーカス位置）の分布を計測する。この動作と並行してウエハステージＷＳＡのエンコーダシステムの検出ヘッド２８Ａ～３１ＡのＺヘッドでスケール板２６Ｂ，２６Ｃに対するウエハテーブル１４Ａ（ウエハステージＷＳＡ）のＺ位置を計測し、式（１）からウエハテーブル１４Ａのステージ面に対するウエハＷ１の表面上の全部の評価点におけるＺ位置ΔＺＳＷｉを計算する。計算結果は記憶部４２Ａに記憶される。
　次のステップ１１０において、ウエハステージＷＳＡを投影系ＰＬの下方に移動する。次のステップ１１２において、ウエハＷ１のアライメント結果に基づいてウエハステージＷＳＡをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動し、ウエハＷ１上の一つのショット領域を走査開始位置に移動する。この後は、検出ヘッド２８Ａ～３１ＡのＺヘッドによるスケール板２６Ａ，２６Ｂに対するＺ位置の計測を継続して行いつつ、ステージ制御系４０Ａは、そのＺ位置の計測値及びステップ１０８で記憶したウエハＷ１の表面の多数の評価点のＺ位置（フォーカス位置）を用いて式（２）から投影系ＰＬの露光領域内でのウエハＷ１の表面の像面からのデフォーカス量ΔＦｉを求める。さらに、ステージ制御系４０Ａは、そのデフォーカス量ΔＦｉに応じてフォーカスレベリング機構４６Ａを駆動して、ウエハＷ１のショット領域の表面を像面に合焦させる。
　そして、ステップ１１２において、そのようにウエハＷ１のショット領域を合焦した状態で、レチクルＲのパターンの一部の投影系ＰＬによる像で当該ショット領域を露光しつつ、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＡとを投影系ＰＬに対して同期してＹ方向に走査することで、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。その後、ウエハＷ１上の露光対象のショット領域毎に、ステップ１１２及び１１４の動作がステップ・アンド・スキャン方式で繰り返される。ウエハＷ１上の全部のショット領域の露光が終わったときに、動作はステップ１１６に移行し、ウエハステージＷＳＡは＋Ｘ方向のアンローディング位置に移動して、ウエハＷ１のアンロードが行われる。
　次のステップ１１８において、露光対象のウエハが残っている場合には、動作はステップ１０２に戻り、ウエハステージＷＳＡにおいてステップ１０２～１１６が繰り返されて、次のウエハに対するアライメント及び露光が行われる。また、第１のウエハステージＷＳＡのステップ１１０～１１６までの動作とほぼ並列に、第２のウエハステージＷＳＢ側では、ステップ１０２～１０８の動作と同様のステップ１０２Ｂ（ウエハＷ２のロード）、ステップ１０４Ｂ（アライメント用のＡＦ系によるウエハＷ２のＺ位置の計測等）、ステップ１０６Ｂ（ウエハＷ２をウエハアライメント系ＡＬＧに合焦させながら、ウエハＷ２のアライメントを行うこと）、及びステップ１０８Ｂ（ＡＦ系及び検出ヘッド２８Ｂ～３１ＢのＺヘッドによるウエハＷ２上の多数の評価点のＺ位置の計測及び記憶）の動作が実行される。
　さらに、第１のウエハステージＷＳＡ側のステップ１０２～１０８の動作とほぼ並列に、第２のウエハステージＷＳＢ側では、ステップ１１０～１１６の動作と同様のステップ１１０Ｂ（ウエハステージＷＳＢの投影系ＰＬ側への移動）、ステップ１１２Ｂ（ウエハＷ２のＺ位置の計測及びショット領域の合焦）、ステップ１１４Ｂ（当該ショット領域の走査露光）、及びステップ１１６Ｂ（ウエハＷ２のアンロード）の動作が実行される。次のステップ１１８Ｂで露光対象のウエハが残っている場合には、ウエハステージＷＳＢ側ではステップ１０２Ｂ～１１６Ｂまでの動作が繰り返される。このようにツイン・ウエハステージ方式でウエハアライメント系ＡＬＧによるアライメント（ステップ１０６又は１０６Ｂ）と投影系ＰＬによる露光（ステップ１１４Ｂ又は１１４）とをほぼ並列に実行することで、例えば１ロットのウエハを高いスループットで露光できる。
　本実施形態の作用効果等は以下の通りである。
　（１）本実施形態の露光装置１０は、投影系ＰＬを介してウエハＷ１上にレチクルＲのパターンの像を露光する露光装置において、ウエハＷ１を保持して投影系ＰＬに対して移動するウエハステージＷＳＡと、投影系ＰＬに対して静止状態で支持され、ウエハステージＷＳＡに対向するように回折格子状のスケールが形成されたスケール板２６Ａ～２６Ｄが固定されたフレーム２４と、ウエハステージＷＳＡに配置され、そのスケールに検出光を照射して、ウエハステージＷＳＡとフレーム２４との相対位置情報を検出する複数の検出ヘッド２８Ａ～３１Ａと、フレーム２４に形成された基準面３４と、基準面３４に基準ビームＤＬＲ（第１光束）を照射し、ウエハＷ１の表面に計測ビームＤＬ（第２光束）を照射し、基準面３４を基準としてウエハＷ１の表面の投影系ＰＬの光軸に沿った方向の位置（面位置又はＺ位置）を計測するＡＦ系ユニット３６を含むＡＦ系（面位置検出装置）と、を備えている。
　また、露光装置１０による露光方法は、投影系ＰＬに対して移動するウエハステージＷＳＡにウエハＷ１を保持し（ステップ１０２）、投影系ＰＬに対して静止状態で支持されたフレーム２４に固定されたスケール板２６Ａ～２６ＤにウエハステージＷＳＡに対向するように形成された回折格子状のスケールに、ウエハステージＷＳＡの検出ヘッド２８Ａ～３１Ａから検出光を照射して、ウエハステージＷＳＡとフレーム２４との相対位置情報を検出し（ステップ１０２、ステップ１０８の一部、及びステップ１１２）、ＡＦ系によってフレーム２４に形成された基準面３４に基準ビームＤＬＲを照射し、ウエハＷ１の表面に計測ビームＤＬを照射して、基準面３４を基準として、ウエハＷ１の表面の面位置（Ｚ位置）を計測するものである（ステップ１０８の一部）。
　本実施形態によれば、ＡＦ系は、スケールが設けられたフレーム２４に形成された基準面３４を基準としてウエハＷ１の面位置（Ｚ位置）を計測する。また、検出ヘッド２８Ａ～３１Ａを含むエンコーダシステムが、フレーム２４のスケール板２６Ａ～２６Ｄ（スケール形成面）を基準としてウエハステージＷＳＡ（ウエハテーブル１４Ａ）のＸ方向、Ｙ方向の位置、及びＺ位置を計測する。このようにＡＦ系及びエンコーダシステムが共通にフレーム２４を基準として位置計測を行っているため、例えば両者の計測値の差分を用いることによって、フレーム２４のＺ位置が変動しても、ウエハステージＷＳＡに対するウエハＷ１の面位置を高精度に計測できる。従って、ウエハＷ１の露光に際して、露光装置１０の雰囲気の温度揺らぎの影響等を低減して、ウエハステージＷＳＡの位置及びウエハＷ１の面位置を高精度に計測することができる。従って、その計測値に基づいて、ウエハＷ１の表面を投影系ＰＬの像面に高精度に合焦させることが可能となる。
　（２）また、検出ヘッド２８Ａ～３１ＡはそれぞれＺヘッド２８ＡＺ，３０ＡＺ等を有し、Ｚヘッド２８ＡＺ等は、ウエハテーブル１４Ａとフレーム２４のスケール形成面との光軸ＡＸ方向の相対位置であるウエハテーブル１４Ａ（ウエハステージＷＳＡ）のＺ位置を計測する。従って、ステップ１０８において、ＡＦ系によってフレーム２４の基準面３４を基準としてウエハＷ１のＺ位置を計測するときに、並行してＺヘッド２８ＡＺ等でフレーム２４のスケール面を基準としてウエハテーブル１４ＡのＺ位置を計測し、その２つのＺ位置の差分を求めることによって、基準面３４のＺ位置が変化しても、ウエハテーブル１４Ａに対するウエハＷ１の表面のＺ位置を高精度に計測できる。
　なお、検出ヘッド２８Ａ～３１Ａの個数は、それらのうちの少なくとも一つのＸヘッド２８ＡＸ等及び少なくとも２つのＹヘッド２８ＡＹ等、又は少なくとも２つのＸヘッド及び少なくとも一つのＹヘッドがそれぞれスケール板２６Ａ～２６Ｄの対応するスケールを検出できる範囲で任意である。
　また、検出ヘッド２８Ａ～３１Ａ中のＺヘッド２８ＡＺ等の個数は少なくとも３つであることが好ましい。これによって、ウエハテーブル１４ＡのＺ位置、及びθｘ方向、θｙ方向の傾斜角を計測できる。なお、そのＺヘッドは少なくとも一つでもよい。
　（３）また、基準面３４は、フレーム２４のウエハステージＷＳＡに対して凹部となる凹部２４ａの表面に形成されている。従って、基準面３４に基準ビームＤＬＲを投射するＡＦ系ユニット３６の光学系を容易に配置できる。
　なお、フレーム２４の底面とウエハステージＷＳＡとの間のスペースに余裕がある場合には、フレーム２４の底面（スケール板２６Ａ～２６Ｄと同じ面）又はフレーム２４の底面に設けた凸部に基準面３４を形成してもよい。
　（４）また、露光装置１０は、ウエハＷ１，Ｗ２上のウエハマークの位置を検出するウエハアライメント系ＡＬＧ（マーク検出系）と、それぞれ露光対象のウエハＷ１，Ｗ２を保持して独立に移動する第１のウエハステージＷＳＡ及び第２のウエハステージＷＳＢとを備え、そのＡＦ系のＡＦ系ユニット３６（光学系）は、投影系ＰＬとウエハアライメント系ＡＬＧとの間に配置されている。また、ウエハステージＷＳＢもフレーム２４に設けられたスケール板２６Ａ～２６Ｄを用いてウエハステージＷＳＢ（ウエハテーブル１４Ｂ）の位置を計測する検出ヘッド２８Ｂ～３１Ｂを備えている。
　従って、投影系ＰＬを介してウエハステージＷＳＡ上のウエハＷ１を露光中に、ウエハアライメント系ＡＬＧでウエハステージＷＳＢ上のウエハＷ２のウエハマークの位置を計測することができる。これによって露光工程のスループットを向上できる。さらに、ウエハステージＷＳＢをウエハアライメント系ＡＬＧの下方から投影系ＰＬの下方に移動する途中で、ＡＦ系によってウエハステージＷＳＢ上のウエハＷ２の面位置分布を計測できるため、スループットを低下させることなく、ウエハＷ２（ウエハＷ１も同様）の面位置分布を計測できる。
　（５）また、露光装置１０は、フレーム２４に形成されたウエハアライメント系ＡＬＧ用の基準面３４Ａ１と、基準面３４Ａ１に基準ビームＤＬＲＡ（第３光束）を照射し、ウエハＷ２の表面に計測ビームＤＬＡ（第４光束）を照射して、基準面３４Ａ１を基準として、ウエハＷ２の表面のウエハアライメント系ＡＬＧの光軸に沿った方向の位置（Ｚ位置）を計測するアライメント用ＡＦ系ユニット５０Ａを含むＡＦ系（マーク検出系用面位置検出装置）と、を備えている。従って、そのそのＡＦ系の計測結果を用いてウエハアライメント系ＡＬＧに対するウエハＷ２の合焦を高精度に行うことができる。
　なお、上記の実施形態では以下のような変形が可能である。
　（１）上記の実施形態では、ＡＦ系ユニット３６からの基準ビームＤＬＲはフレーム２４の基準面３４に直接投射されている。これに対して第１変形例として、図６に示すように、フレーム２４の凹部２４ａに形成された基準面３４に、この基準面側が長い台形型の断面形状を持ち、その基準面側の面が基準面３４に固定されたプリズム５２を設けてもよい。図６において、さらにＡＦ送光系３６Ａ内の菱形プリズム３６Ａｂ（第１偏向部材）及びＡＦ受光系３６Ｂ内の菱形プリズム３６Ｂｂ（第２偏向部材）はそれぞれフレーム２４に設けられた貫通穴内に固定されている。
　この第１変形例において、菱形プリズム３６Ａｂから射出される基準ビームＤＬＲは、プリズム５２の第１の斜面を介して基準面３４に投射され、基準面３４で反射された基準ビームＤＬＲは、プリズム５２の第２の斜面を介して菱形プリズム３６Ｂｂに入射する。この他の構成及び動作は図３の実施形態と同様である。
　この第１変形例によれば、菱形プリズム３６Ａｂから射出され、菱形プリズム３６Ｂｂに入射する基準ビームＤＬＲのＹ軸に対する角度を小さくできるため、ＡＦ系ユニット３６の光学系の構成が容易である。
　（２）また、菱形プリズム３６Ａｂ，３６Ｂｂがフレーム２４に支持されているため、ＡＦ系ユニット３６の光学系の配置が容易である。なお、菱形プリズム３６Ａｂ，３６Ｂｂの一方をフレーム２４に支持してもよい。また、菱形プリズム３６Ａｂ，３６Ｂｂを用いることなくＡＦ系ユニット３６を構成してもよい。
　（３）また、図７（Ａ）の第２変形例で示すように、基準面３４を覆うように固定されたプリズム５２の基準面３４に対向する表面に反射面５２Ｒを形成してもよい。図７（Ａ）において、ＡＦ系ユニット３６を用いて基準面３４に対するウエハＷ１の表面のＺ位置を計測しているときに、例えばウエハステージＷＳＡのウエハテーブル１４Ａに設けられた検出ヘッド２８ＡのＺヘッド２８ＡＺは、スケール板２６Ｂ１に検出光ＤＡを照射して、スケール板２６Ｂ１に対するウエハテーブル１４ＡのＺ位置を計測している。これに続いて、図７（Ｂ）に示すように、ウエハステージＷＳＡを＋Ｙ方向に移動して、Ｚヘッド２８ＡＺの検出光ＤＡをプリズム５２の反射面５２Ｒに照射し、Ｚヘッド２８ＡＺでＺ位置を計測するとともに、ＡＦ系でＺヘッド２８ＡＺの上面のＺ位置を計測してもよい。この場合、反射面５２Ｒと基準面３４とのＺ方向の間隔Ｚ７Ｂは高精度に計測できるため、Ｚヘッド２８ＡＺで計測されるＺ位置とＡＦ系で計測されるＺ位置との差がその間隔Ｚ７Ｂとなるように、例えばＺヘッド２８ＡＺの計測値のオフセットを調整することで、Ｚヘッド２８ＡＺのキャリブレーションを容易に行うことができる。
　（４）また、上記の実施形態のＡＦ系の信号処理部３６Ｃは同期整流を行っている。その代わりに、ＡＦ送光系３６Ａ内に振動ミラーを設けることなく、光電センサ３６Ｂｃとして例えばラインセンサを用いて、このラインセンサ上に形成されるスリット像の位置から各計測点のＺ位置を求めるようにしてもよい。
　（５）なお、スケール板２６Ａ～２６Ｄを用いるエンコーダシステムとしては、極性が反転する発磁体を微小ピッチで形成した周期的な磁気スケールと、この磁気スケールを読み取る磁気ヘッドとを含む磁気式のリニアエンコーダ等を使用することも可能である。
　（６）また、検出ヘッド２８Ａ～３１Ａを含むエンコーダシステムと並列にウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢの位置を計測するレーザ干渉計を設けてもよい。
　（７）上記の実施形態は、ツイン・ウエハステージ方式の露光装置に本発明を適用したものであるが、本発明は、１つのウエハステージのみを備える露光装置にも同様に適用可能である。この場合には、ウエハ用のＡＦ系は、例えば投影系ＰＬの近傍に配置してもよい。この際に、ＡＦ系用の基準面３４は、投影系ＰＬの近傍のフレーム２４の底面に形成してもよい。
　［第２の実施形態］
　以下、本発明の第２の実施形態につき図８を参照して説明する。本実施形態は、フレーム側に検出ヘッドを設け、ウエハステージＷＳＡ，ＷＳＢ側にスケールを設けたものであし、図８において、図１に対応する部分には同一又は類似の符号を付してその詳細な説明を省略又は簡略化する。
　図８は、本実施形態の露光装置１０Ａを示す。図８において、投影系ＰＬを支持する光学系フレーム１８の底面に複数のリンク機構３２を介して、平板状のフレーム５４が安定に支持されている。光学系フレーム１８は、一例として防振機構（不図示）を介してベース部材１２上に支持されている。また、フレーム５４に投影系ＰＬをＸ方向に挟むように図１の検出ヘッド２８Ａと同様の複数の検出ヘッド２８Ｃ及び３０Ｃが固定され、投影系ＰＬをＹ方向に挟むように検出ヘッド２８Ｃと同様の複数の検出ヘッド（不図示）が固定されている。さらに、フレーム５４にウエハアライメント系ＡＬＧをＸ方向に挟むように検出ヘッド２８Ｃと同様の複数の検出ヘッド２８Ｄ及び３０Ｄが固定され、ウエハアライメント系ＡＬＧをＹ方向に挟むように検出ヘッド２８Ｃと同様の複数の検出ヘッド（不図示）が固定されている。さらに、投影系ＰＬとウエハアライメント系ＡＬＧとの間のフレーム５４の底面の凹部に基準面３４が形成され、この基準面をＹ方向に挟むようにＡＦ系ユニット３６が配置され、ＡＦ系ユニット３６を含んでＡＦ系が構成されている。
　また、第１のウエハステージＷＳＡのウエハテーブル１４Ａ上にウエハＷ１を囲むように、図１のスケール板２６Ａ，２６Ｂと同様に表面にＸスケール及びＹスケールが形成されたスケール板２６Ｅ１，２６Ｅ２等が固定され、第２のウエハステージＷＳＢのウエハテーブル１４Ｂ上にウエハＷ２を囲むように、図１のスケール板２６Ｃ，２６Ｄと同様に表面にＸスケール及びＹスケールが形成されたスケール板２６Ｇ１，２６Ｇ２等が固定されている。この他の構成は第１の実施形態と同様である。
　この実施形態による露光方法は、投影系ＰＬを介してウエハＷ１上にパターンを露光する露光方法において、投影系ＰＬに対して移動するとともに回折格子状のスケールが形成されたウエハステージＷＳＡにウエハＷ１を保持し、投影系ＰＬに対して静止状態で支持されたフレーム５４の検出ヘッド２８Ｃ～３０ＤからウエハステージＷＳＡのスケールに検出光を照射して、ウエハステージＷＳＡとフレーム２４とのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の相対位置情報を検出し、ＡＦ系によってフレーム２４に形成された基準面３４に第１光束を照射し、ウエハＷ１の表面に第２光束を照射して、基準面３４を基準としてウエハＷ１の表面の投影系ＰＬの光軸に沿った方向の位置（面位置）を計測する。ここで、ウエハステージＷＳＡにスケールが形成されるとは、一例として、そのスケールが形成されたスケール板２６Ｅ１，２６Ｅ２がウエハステージＷＳＡに固定されることを含んでいる。
　この実施態様によれば、検出ヘッド２８Ｃ等が設けられたフレーム５４に形成された基準面３４を基準としてウエハＷ１の面位置（Ｚ位置）が計測される。また、ウエハＷ１を保持するウエハステージＷＳＡの位置情報が、検出ヘッド２８Ｃ等がフレーム５４に設けられた状態でエンコーダ方式で計測される。このように共通にフレーム５４を基準として計測を行っているため、例えば両者の計測値の差分を用いることによって、フレーム５４のＺ位置が変動しても、ウエハステージＷＳＡ（ウエハテーブル１４Ａ）に対するウエハＷ１の面位置を高精度に計測できる。従って、ウエハＷ１の露光に際して、雰囲気の温度揺らぎの影響等を低減して、ウエハステージＷＳＡの位置及びウエハＷ１の面位置を高精度に計測することができる。従って、その計測結果に基づいて、ウエハＷ１の表面を投影系ＰＬの像面に高精度に合焦させることが可能となる。
　なお、上記の実施形態の露光装置を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図９に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板を製造するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置１０，１０Ａによりレチクルのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
　言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置（又は露光方法）を用いて基板にパターンを露光することと、そのパターンが露光された基板を処理することと、を含んでいる。この際に、その露光装置又は露光方法では、基板の投影系ＰＬに対する合焦精度を向上できるため、デバイスを高精度に製造できる。ここで、基板を処理することには、パターンが露光された基板を現像すること、加熱すること、エッチングすること、ダイシングすること、ボンディングすること等が含まれる。
　なお、本発明は、上述のステップ・アンド・スキャン方式の走査露光型の露光装置（スキャナ）の他に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置（ステッパー等）にも適用できる。
　また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子やプラズマディスプレイ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スウエハ上に転写する露光装置、並びに撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及び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、光露光装置及びＥＵＶ露光装置などで使用される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。
　また、上記の実施形態の照明光学系及び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共に、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の実施形態の露光装置（投影露光装置）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、本願に記載した上記公報、各国際公開パンフレット、米国特許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、明細書、特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む２００９年６月１０日付け提出の日本国特許出願第２００９－１３９６８７の全ての開示内容はそっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
　なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
　Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影系、Ｗ１，Ｗ２…ウエハ、ＷＳＡ，ＷＳＢ…ウエハステージ、ＡＬＧ…ウエハアライメント系、１０，１０Ａ…露光装置、１８…光学系フレーム、２４…スケール板固定用のフレーム、２６Ａ～２６Ｄ…スケール板、２８Ａ，２８Ｂ，３０Ａ，３０Ｂ…検出ヘッド、２８ＡＺ，２８ＢＺ，３０ＡＺ，３０ＢＺ…Ｚヘッド、３４…ＡＦ系の基準面、３６…ＡＦ系ユニット

Claims (15)

  1. 　投影系を介して物体上にパターンを露光する露光装置において、
    　前記物体を保持して前記投影系に対して移動するステージと、
    　前記投影系に対して静止状態で支持され、前記ステージに対向するように回折格子状のスケールが形成されたフレーム部材と、
    　前記ステージに配置され、それぞれ前記スケールに検出光を照射して、前記ステージと前記フレーム部材との相対位置情報を検出する複数の検出ヘッドと、
    　前記フレーム部材に形成された基準面と、
    　前記基準面に第１光束を照射し、前記物体の表面に第２光束を照射して、前記基準面を基準として、前記物体の表面の前記投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測する面位置検出装置と、
    を備えることを特徴とする露光装置。
  2. 　投影系を介して物体上にパターンを露光する露光装置において、
    　前記物体を保持して前記投影系に対して移動するとともに、前記投影系に対向する側に回折格子状のスケールが形成されたステージと、
    　前記投影系に対して静止状態で支持されたフレーム部材と、
    　前記フレーム部材に前記ステージに対向するように配置され、それぞれ前記スケールに検出光を照射して、前記ステージと前記フレーム部材との相対位置情報を検出する複数の検出ヘッドと、
    　前記フレーム部材に形成された基準面と、
    　前記基準面に第１光束を照射し、前記物体の表面に第２光束を照射して、前記基準面を基準として、前記物体の表面の前記投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測する面位置検出装置と、
    を備えることを特徴とする露光装置。
  3. 　前記複数の検出ヘッドのうち少なくとも一つは、前記ステージと前記フレーム部材との前記光軸方向の相対位置情報を検出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. 　前記基準面側が長い台形型の断面形状を持ち、前記基準面側の面が前記基準面に固定されたプリズム部材を備え、
    　前記プリズム部材の前記基準面に対向する表面に、前記検出ヘッドが前記ステージと前記フレーム部材との前記光軸方向の相対位置情報を検出するときの位置基準となる反射面が形成されたことを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
  5. 　前記面位置検出装置は、前記第１光束を前記基準面に向けて偏向する第１偏向部材と、前記基準面で反射された前記第１光束を偏向する第２偏向部材とを有し、
    　前記第１及び第２偏向部材の少なくとも一方が前記フレーム部材に支持されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の露光装置。
  6. 　前記基準面は、前記フレーム部材の前記ステージに対して凹部に形成されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の露光装置。
  7. 　前記物体の位置合わせ用マークを検出するマーク検出系を備え、
    　前記ステージは、それぞれ露光対象の物体を保持して独立に移動する第１ステージ及び第２ステージを有し、
    　前記面位置検出装置の光学系は、前記投影系と前記マーク検出系との間に配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の露光装置。
  8. 　前記フレーム部材に形成されたマーク検出系用基準面と、
    　前記マーク検出系用基準面に第３光束を照射し、前記物体の表面に第４光束を照射して、前記基準面を基準として、前記物体の表面の前記マーク検出系の光軸に沿った方向の位置情報を計測するマーク検出系用面位置検出装置と、
    を備えることを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
  9. 　請求項１から８のいずれか一項に記載の露光装置を用いて基板にパターンを露光することと、
    　前記パターンが露光された前記基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。
  10. 　投影系を介して物体上にパターンを露光する露光方法において、
    　前記投影系に対して移動するステージに前記物体を保持し、
    　前記投影系に対して静止状態で支持されたフレーム部材に前記ステージと対向するように形成された回折格子状のスケールに対し、前記ステージから検出光を照射して、前記ステージと前記フレーム部材との相対位置情報を検出し、
    　前記フレーム部材に形成された基準面に第１光束を照射し、前記物体の表面に第２光束を照射して、前記基準面を基準として、前記物体の表面の前記投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測する、
    ことを特徴とする露光方法。
  11. 　投影系を介して物体上にパターンを露光する露光方法において、
    　前記投影系に対して移動するとともに回折格子状のスケールが形成されたステージに前記物体を保持し、
    　前記投影系に対して静止状態で支持されたフレーム部材から前記スケールに検出光を照射して、前記ステージと前記フレーム部材との相対位置情報を検出し、
    　前記フレーム部材に形成された基準面に第１光束を照射し、前記物体の表面に第２光束を照射して、前記基準面を基準として、前記物体の表面の前記投影系の光軸に沿った方向の位置情報を計測する、
    ことを特徴とする露光方法。
  12. 　前記相対位置情報は、前記ステージと前記フレーム部材との前記光軸方向の相対位置情報を含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の露光方法。
  13. 　前記基準面側が長い台形型の断面形状を持ち、その裏面が前記基準面に固定されたプリズム部材を使用し、
    　前記プリズム部材の前記基準面に対向する表面に形成された反射面を前記光軸方向の相対位置情報の位置基準とすることを特徴とする請求項１２に記載の露光方法。
  14. 　前記ステージは、それぞれ前記物体の位置合わせ用マークが設けられて独立に移動する第１ステージ及び第２ステージを有し、
    　前記第１及び前記第２ステージの一方のステージ上の前記位置合わせ用マークを検出した後、
    　前記基準面を基準として、前記一方のステージが保持する前記物体の表面の前記光軸に沿った方向の位置情報を計測し、
    　該計測結果に基づいて、前記一方のステージ上の前記物体に前記パターンを露光する際に、前記物体の前記光軸方向の位置を制御する
    ことを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の露光方法。
  15. 　請求項１０から１４のいずれか一項に記載の露光方法を用いて基板にパターンを露光することと、
    　前記パターンが露光された前記基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。
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