(57)【要約】【課題】フォーカス検出に要する時間の短縮に有利な露光装置を提供する。【解決手段】物体面に配置されたレチクルのパターンを像面に配置された基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、前記基板を保持するステージに配置された位相シフト型のマークと、前記物体面又は前記物体面と光学的に共役な位置に配置され、前記投影光学系を介して前記マークの像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で撮像された前記マークの像のうち一対のエッジ部によって形成されるエッジ像の間隔に基づいて、前記マークの前記投影光学系の光軸方向の位置を算出する算出部と、を有することを特徴とする露光装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体面に配置されたレチクルのパターンを像面に配置された基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、
前記基板を保持するステージに配置された位相シフト型のマークと、
前記物体面又は前記物体面と光学的に共役な位置に配置され、前記投影光学系を介して前記マークの像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で撮像された前記マークの像のうち一対のエッジ部によって形成されるエッジ像の間隔に基づいて、前記マークの前記投影光学系の光軸方向の位置を算出する算出部と、
を有することを特徴とする露光装置。
【請求項２】
前記算出部は、前記撮像素子で撮像された前記マークの像の光強度の極小の位置を前記エッジ像の位置とすることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項３】
前記レチクルを保持するステージに配置された物体面側マークを更に有し、
前記算出部は、前記撮像素子で撮像された前記マークの像と前記物体面側マークの像との相対的な位置情報に基づいて、前記マーク及び前記物体面側マークの前記投影光学系の光軸に直交する方向の位置を算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。
【請求項４】
前記投影光学系と前記撮像素子との間に配置され、前記マークの像を前記撮像素子に結像する結像光学系を更に有し、
前記物体面側マークは、位相シフト型のマークであり、
前記算出部は、前記撮像素子で撮像された前記物体面側マークの像のうち一対のエッジ部によって形成されるエッジ像の間隔に基づいて、前記物体面側マークの前記結像光学系の光軸方向の位置を算出することを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
【請求項５】
前記マークは、第１の領域と、第２の領域とを含み、前記第１の領域を通過する光束と前記第２の領域を通過する光束との間に９０度の奇数倍の位相差を発生させることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項６】
前記マークは、透過基板に形成された段差構造で構成され、
前記マークを照明する光束の波長をλ、前記透過基板の屈折率をｎ、自然数をｍとすると、
前記段差構造の段差ｄは、
ｄ＝（２ｍ−１）・λ／｛４（ｎ−１）｝
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項７】
前記マークは、反射基板に形成された段差構造で構成され、
前記マークを照明する光束の波長をλ、自然数をｍとすると、
前記段差構造の段差ｄは、
ｄ＝（２ｍ−１）・λ／４
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項８】
ＥＵＶ光を用いて物体面に配置されたレチクルのパターンを像面に配置された基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、
前記基板を保持するステージに配置された位相シフト型のマークと、
前記ＥＵＶ光の波長とは異なる波長の光束で前記マークを照明する照明系と、
前記物体面又は前記物体面と光学的に共役な位置に配置され、前記投影光学系を介して前記マークの像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で撮像された前記マークの像のうち一対のエッジ部によって形成されるエッジ像の間隔に基づいて、前記マークの前記投影光学系の光軸方向の位置を算出する算出部と、
を有することを特徴とする露光装置。
【請求項９】
前記照明系は、１５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長を有する光束で前記マークを照明することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１０】
前記ステージに配置された回折格子を更に有し、
前記撮像素子には、前記回折格子によって前記投影光学系の光軸とは異なる方向に回折した光束が入射することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１１】
前記投影光学系の光路に挿脱可能なミラーを更に有し、
前記撮像素子には、前記ミラーが前記投影光学系の光路に挿入された際に、前記ミラーによって反射された光束が入射することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１２】
前記マークは、透過基板に形成された段差構造で構成され、
前記マークを照明する光束の波長をλ、前記透過基板の屈折率をｎ、自然数をｍとすると、
前記段差構造の段差ｄは、
ｄ＝（２ｍ−１）・λ／｛４（ｎ−１）｝
を満たすことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップと、
を有することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路などの微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に形成されたパターン（回路パターン）を投影光学系によってウエハ等の基板に投影してパターンを転写する。
【０００３】
投影露光装置においては、半導体デバイスの微細化（高集積化）に伴い、より高い解像力でレチクルのパターンをウエハに転写することが要求されている。投影露光装置で転写できる最小の寸法（解像度）は、露光に用いる光（露光光）の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。従って、露光光の波長を短くすればするほど解像力はよくなる。このため、近年では、ＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）が露光光として用いられ、Ｆ２レーザー（波長約１９７ｎｍ）や極端紫外線（ＥＵＶ）光の実用化も進んでいる。
【０００４】
また、投影露光装置には、露光領域の拡大も要求されている。このため、近年では、略正方形形状の露光領域をウエハに縮小して一括露光する露光装置（ステッパー）から、露光領域を矩形スリット形状としてレチクルとウエハを相対的に走査する露光装置（スキャナー）が主流となっている。
【０００５】
このような露光装置を用いて露光を行う際には、レチクルとウエハとを位置合わせ（アライメント）する必要があり、露光装置には複数のアライメント光学系が構成されている。アライメント光学系は、例えば、オフアクシスアライメント光学系と、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｈｅ  Ｌｅｎｓ）アライメント光学系とを含む。オフアクシスアライメント光学系は、投影光学系を介さずに、ウエハ上のアライメントマークを検出する。また、ＴＴＬアライメント光学系は、ＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｈｅ  Ｒｅｔｉｃｌｅ）光学系とも呼ばれ、投影光学系を介して、レチクル上のアライメントマークに対するウエハ上のアライメントマークの位置を検出する。
【０００６】
また、露光装置には、ウエハ面位置検出手段として、斜入射方式のフォーカス−レベリング検出系が構成されている。フォーカス−レベリング検出系は、レチクルのパターンが転写されるウエハ面（又はウエハステージ上の基準プレート面）に対して斜め方向から光を照射し、ウエハ面（又は基準プレート面）から斜めに反射する反射光を検出する。フォーカス−レベリング検出系では、ウエハ面（又は基準プレート面）からの反射光を撮像する撮像素子（撮像面）が反射光の反射点と略共役になるように配置されている。従って、ウエハ（又は基準プレート）の投影光学系の光軸方向の位置ずれ（デフォーカス）は、フォーカス−レベリング検出系の撮像素子上で位置ずれとして計測される。
【０００７】
なお、投影光学系が露光熱を吸収したり、周囲の環境が変動したりすると、フォーカス−レベリング検出系の計測原点と投影光学系の焦点面とに誤差が発生してしまう。そこで、ＴＴＬアライメント光学系は、かかる誤差を計測する（フォーカスキャリブレーション）機能も有している。
【０００８】
図２６及び図２７を参照して、ＴＴＬアライメント光学系を用いた従来のアライメント検出及びフォーカス検出について説明する。
【０００９】
図２６に示すように、レチクル１１００は、投影光学系１２００の物体面側に配置される。また、ＴＴＬアライメント光学系１３００は、レチクル１１００の開口１１１０を介して、ウエハステージ１４００（即ち、ウエハステージ１４００に設けられた基準プレート１５００）を観察することができるように配置される。基準プレート１５００には格子状パターン１５１０が形成され、レチクル１１００の開口１１１０にも格子状パターン１１１２が形成されている。また、ＴＴＬアライメント光学系１３００は、照明用ファイバー１３１０、視野絞り１３２０、ハーフミラー１３３０、結像レンズ１３４０及び撮像素子１３５０で構成されている。
【００１０】
基準プレート１５００が所定の位置に位置決めされると、ＴＴＬアライメント光学系１３００は、図２７に示すように、基準プレート１５００の格子状パターン１５１０と、レチクル１１００の開口１１１０の格子状パターン１１１２とを並んで撮像する。そして、図２７に示す格子状パターン１５１０と格子状パターン１１１２の縦方向の相対ズレ量を計測することで基準プレート１５００とレチクル１１００とのアライメント検出が行われる。
【００１１】
一方、基準プレート１５００とレチクル１１００とのフォーカス検出は、以下のように行われる。
【００１２】
まず、レチクル１１００の開口１１１０の格子状パターン１１１２を撮像素子１３５０で撮像し、かかる撮像信号から波形のコントラストが最良となるように結像レンズ１３４０の光軸方向の位置を調整する。これにより、レチクル１１００と撮像素子１３５０（の撮像面）とのフォーカス合わせが行われることになる。
【００１３】
次に、同様に、基準プレート１５００の格子状マーク１５１０を撮像素子１３５０で撮像し、基準プレート１５００を光軸方向に移動させてフォーカス合わせを行う。これにより、レチクル１１００と、基準プレート１５００と、撮像素子１３５０（の撮像面）とのフォーカス合わせが行われることになる。
【００１４】
このような、ＴＴＬアライメント光学系を用いたアライメント検出及びフォーカス検出に関する技術については、特許文献１乃至５に開示されている。また、ＴＴＬアライメント光学系を用いるのではなく、レチクル上の非対称格子パターンをウエハに転写し、かかるレジストパターンの位置を計測することでフォーカス検出を行う技術も特許文献６に開示されている。
【特許文献１】特開昭６２−０５８６２４号公報
【特許文献２】特開昭６３−２２０５２１号公報
【特許文献３】特開平０４−３４８０１９号公報
【特許文献４】特開平０６−３２４４７２号公報
【特許文献５】特開２００４−２６６２７３号公報
【特許文献６】特開２００２−０５５４３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年では、露光光の短波長化や投影光学系の高ＮＡ化などによって、焦点深度が極めて小さくなり、露光すべきウエハ面を最良結像面に合わせ込む精度、所謂、フォーカス精度もますます厳しくなってきている。また、半導体デバイスの微細化によって、オーバーレイ（重ね合わせ）精度も厳しくなってきている。そこで、装置の性能を維持するために、フォーカスやアライメントのキャリブレーションの頻度を多くする必要がでてきている。なお、キャリブレーションの間は、半導体デバイスの製造を停止しなければならないため、キャリブレーションに要する時間を低減することが半導体デバイスのコストダウン（スループットの向上）につながる。
【００１６】
しかしながら、特許文献１、３及び４に開示された技術は、ウエハステージを投影光学系の光軸方向に走査して波形のコントラスト又は光量が最大となる位置を求めているため、ウエハステージの走査に長時間を要してしまう。また、特許文献２に開示された技術は、偏心絞りを用いることでウエハステージの走査をなくしているが、アライメント検出を同時に行うことができないため、スループットの低下を招いてしまう。また、特許文献５には、アライメント検出は開示されているが、フォーカス検出が開示されていない。
【００１７】
一方、特許文献６に開示された技術は、ベストフォーカス位置を高精度に検出することができるが、ウエハにレジストパターンを形成しなければならないため、ＴＴＬアライメント光学系を用いた他の技術に比べて、スループットの点で劣っている。
【００１８】
なお、露光光としてＥＵＶ光を用いる露光装置（ＥＵＶ露光装置）におけるＴＴＬアライメント光学系には、ＥＵＶ露光装置に固有の問題も存在する。例えば、ＥＵＶ露光装置では反射型レチクルを使用しているため、従来のＴＴＬアライメント光学系を用いることができない。また、ＥＵＶ露光装置では多層膜ミラーを用いているため、光の反射率が低く、投影光学系を往復する、所謂、ダブルパスの検出方式では光量が不足してしまう。
【００１９】
そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて、フォーカス検出に要する時間の短縮に有利な露光装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の第１の側面としての露光装置は、物体面に配置されたレチクルのパターンを像面に配置された基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、前記基板を保持するステージに配置された位相シフト型のマークと、前記物体面又は前記物体面と光学的に共役な位置に配置され、前記投影光学系を介して前記マークの像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で撮像された前記マークの像のうち一対のエッジ部によって形成されるエッジ像の間隔に基づいて、前記マークの前記投影光学系の光軸方向の位置を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第２の側面としての露光装置は、ＥＵＶ光を用いて物体面に配置されたレチクルのパターンを像面に配置された基板に投影する投影光学系を備える露光装置であって、前記基板を保持するステージに配置された位相シフト型のマークと、前記ＥＵＶ光の波長とは異なる波長の光束で前記マークを照明する照明系と、前記物体面又は前記物体面と光学的に共役な位置に配置され、前記投影光学系を介して前記マークの像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子で撮像された前記マークの像のうち一対のエッジ部によって形成されるエッジ像の間隔に基づいて、前記マークの前記投影光学系の光軸方向の位置を算出する算出部と、を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第３の側面としてのデバイスの製造方法は、上述の露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップと、を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、例えば、フォーカス検出に要する時間の短縮に有利な露光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す図である。露光装置１は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２０のパターンをウエハ５０に転写する投影露光装置（スキャナー）である。但し、露光装置１は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
【００２６】
露光装置１は、図１に示すように、照明装置１０と、レチクル２０及び基準プレート１７０を保持するレチクルステージ３０と、投影光学系４０と、ウエハ５０及び基準プレート１８０を保持するウエハステージ６０とを備える。また、露光装置１は、レチクル面位置検出系７０と、算出部７５と、ウエハ面位置検出系８０と、算出部８５と、オフアクシスアライメント光学系９０と、算出部９５とを備える。更に、露光装置１は、ＴＴＬアライメント光学系１００と、算出部１６０と、主制御部１９０とを備える。
【００２７】
照明装置１０は、転写用のパターンが形成されたレチクル２０を照明し、光源１２と、照明光学系１４とを有する。
【００２８】
光源１２は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどのレーザーを使用する。
【００２９】
照明光学系１４は、光源１２からの光束を用いて被照明面を照明する光学系である。照明光学系１４は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞りなどを含み、本実施形態では、光束を露光に最適な形状のスリットに成形し、レチクル２０を照明する。
【００３０】
レチクル２０は、回路パターンを有し、レチクルステージ３０に支持及び駆動される。レチクル２０から発せされた回折光は、投影光学系４０を介して、ウエハ５０に投影される。レチクル２０とウエハ５０とは、光学的に共役の関係に配置される。露光装置１は、スキャナーであるため、レチクル２０とウエハ５０とを縮小倍率の速度比で走査（スキャン）することによって、レチクル２０のパターンをウエハ５０に転写する。なお、レチクル２０は、レチクル面位置検出系７０及び算出部７５によって位置が検出され、所定の位置に配置される。
【００３１】
レチクルステージ３０は、レチクル２０及び基準プレート１７０を支持する。レチクルステージ３０は、リニアモーターなどを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクル２０及び基準プレート１７０を移動させる。
【００３２】
投影光学系４０は、物体面からの光束を像面に結像する機能を有する。投影光学系４０は、本実施形態では、１／４倍の縮小倍率を有し、レチクル２０のパターンからの回折光をウエハ５０に結像する。投影光学系４０は、屈折系、反射屈折系、或いは、反射系を使用することができる。
【００３３】
ウエハ５０は、レジスト（感光剤）が塗布され、レチクル２０のパターンが投影（転写）される基板である。また、ウエハ５０は、ウエハ面位置検出系８０やオフアクシスアライメント光学系９０が位置を検出する被検出体でもある。なお、ウエハ５０は、ガラスプレートやその他の基板に置換することも可能である。
【００３４】
ウエハステージ６０は、ウエハ５０及び基準プレート１８０を支持する。ウエハステージ６０は、レチクルステージ３０と同様に、リニアモーターなどを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ５０及び基準プレート１８０を移動させる。
【００３５】
また、ウエハステージ６０には、光源１２からの光束の一部をウエハステージ６０に導くための光ファイバ６２が接続されている。更に、ウエハステージ６０には、光ファイバ６２から射出する光束を整形するためのレンズ６４と、レンズ６４を通過した光束を基準プレート１８０に入射させるための折り返しミラー６６とが配置されている。
【００３６】
また、レチクルステージ３０の位置とウエハステージ６０の位置は、例えば、レーザー干渉計などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。
【００３７】
レチクル面位置検出系７０は、光斜入射系の光学系で構成される。レチクル面位置検出系７０は、レチクル２０に対して斜め方向から光を照射し、レチクル２０から斜めに反射する反射光を検出する。
【００３８】
算出部７５は、レチクル面位置検出系７０の検出結果に基づいて、レチクル２０のＺ軸方向（投影光学系４０の光軸方向）の位置を算出する。
【００３９】
ウエハ面位置検出系８０は、レチクル面位置検出系７０と同様に、ウエハ５０に対して斜め方向から光を照射し、ウエハ５０から斜めに反射する反射光を検出する。
【００４０】
算出部８５は、ウエハ面位置検出系８０の検出結果に基づいて、ウエハ５０のＺ軸方向（投影光学系４０の光軸方向）の位置を算出する。
【００４１】
オフアクシスアライメント光学系９０及び算出部９５は、協同して、ウエハ５０のアライメント検出を行う。
【００４２】
ＴＴＬアライメント光学系１００及び算出部１６０は、協同して、基準プレート１７０に形成された物体面側マーク１７２と基準プレート１８０に形成された像面側マーク１８２との相対的な位置関係を検出する。また、ＴＴＬアライメント光学系１００及び算出部１６０は、レチクルステージ３０を移動させることで、レチクル２０とウエハステージ６０上の基準プレート１８０との相対的な位置関係を検出することもできる。
【００４３】
主制御部１９０は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置１０、レチクルステージ３０、ウエハステージ６０と電気的に接続されている。更に、主制御部１９０は、算出部７５、８５、９５及び１６０とも電気的に接続されている。主制御部１９０は、上述した各部を介して、露光装置１の動作を制御する。主制御部１９０は、本実施形態では、アライメント検出（投影光学系４０の光軸に直交する方向の位置検出）及びフォーカス検出（投影光学系４０の光軸方向の位置検出）に関する動作（算出処理なども含む）を制御する。
【００４４】
以下、ＴＴＬアライメント光学系１００を用いたアライメント検出及びフォーカス検出について説明する。
【００４５】
ＴＴＬアライメント光学系１００は、図２に示すように、結像レンズ（結像光学系）１０１、１０２及び１０３と、開口絞り１０４と、反射ミラー１０５と、視野絞り１０６と、撮像素子１０７とを含む。本実施形態では、結像レンズ１０１及び１０２は等倍の結像倍率を有し、結像レンズ１０３は５０倍の結像倍率を有する。図２は、ＴＴＬアライメント光学系１００の構成を示す図である。
【００４６】
レチクルステージ３０上の基準プレート１７０に形成されたアライメント用の物体面側マーク１７２は、結像レンズ１０１及び１０２を介して、視野絞り１０６に結像される。また、視野絞り１０６に結像された物体面側マーク１７２は、結像レンズ１０３を介して、撮像素子１０７上に結像される。そして、撮像素子１０７で撮像された物体面側マーク１７２の像は、算出部１６０に送られる。
【００４７】
一方、ウエハステージ６０上の基準プレート１８０に形成されたアライメント用の像面側マーク１８２は、光ファイバ６２から射出した光束（露光光の波長と同じ波長の光束）によって下方から照明される。上述したように、光ファイバ６２と基準プレート１８０との間には、レンズ６４及び折り返しミラー６６が配置されており、基準プレート１８０は所定の照明形状及び角度分布で照明される。像面側マーク１８２からの散乱光（回折光）は、投影光学系４０を介して、レチクルステージ３０上の基準プレート１７０の位置に４倍の倍率で拡大されて結像する。従って、ウエハ側の基準プレート１８０の像面側マーク１８２とレチクル側の基準プレート１７０の物体面側マーク１７２とが、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７に結像されることになる。
【００４８】
ここで、物体面側マーク１７２及び像面側マーク１８２について詳細に説明する。
【００４９】
図３は、物体面側マーク１７２の構成の一例を示す図である。なお、図３（ａ）は、物体面側マーク１７２の上面図、図３（ｂ）は、物体面側マーク１７２のＡ−Ａ’面における断面図である。物体面側マーク１７２は、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート１７０に形成される。物体面側マーク１７２は、クロムや酸化クロムなどの遮光膜で構成され、光ファイバ６２からの光束を遮光する機能を有する。換言すれば、物体面側マーク１７２は、光束を十分に遮光（吸収）することができる厚さ（１００ｎｍ程度）のクロム又は酸化クロムで構成される。物体面側マーク１７２は、本実施形態では、２つの矩形形状のパターンからなるマーク１７２ｘと、マーク１７２ｘを９０度回転させたマーク１７２ｙとを含む。
【００５０】
物体面側マーク１７２の外形の大きさは、投影光学系４０の縮小倍率に応じて決定される。本実施形態では、投影光学系４０の縮小倍率が１／４であるため、物体面側マーク１７２の外形を１／４に縮小し、縮小した物体面側マーク１７２の外形の寸法が像面側マーク１８２の約２倍になるようにする。
【００５１】
図４は、像面側マーク１８２の構成の一例を示す図である。なお、図４（ａ）は、像面側マーク１８２の上面図、図４（ｂ）は、像面側マーク１８２のＢ−Ｂ’面における断面図である。像面側マーク１８２は、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート１８０に形成される。像面側マーク１８２は、基準プレート１８０にエッチング処理を施すことで形成され、本実施形態では、四角形形状の段差構造で構成される。このように、像面側マーク１８２は、遮光膜ではなく、段差構造、所謂、位相シフト型のマークで構成される。
【００５２】
像面側マーク１８２としての段差構造の段差ｄは、光ファイバ６２からの光束（像面側マーク１８２を照明する光束）の波長をλ、基準プレート１８０（透過基板）の屈折率をｎ、自然数をｍとすると、以下の式１を満たす。
【００５３】
ｄ＝（２ｍ−１）・λ／｛４（ｎ−１）｝  ・・・（式１）
これにより、像面側マーク１８２を通過する光束の段差構造（エッジ部）での位相シフト量（段差構造において低い領域（第１の領域）と高い領域（第２の領域）を通過する光束の位相差）が９０度の奇数倍となる。なお、式１は最も好ましい段差構造の段差ｄを示している。従って、位相シフト量は厳密に９０度の奇数倍にする必要はなく、９０度の奇数倍に対して約±２０度の範囲であればよい。
【００５４】
図５を参照して、位相シフト型の像面側マーク１８２を通過する光束の配光特性について説明する。図５（ａ）は、像面側マーク１８２の拡大断面図であって、１８２Ｌ及び１８２Ｒのそれぞれは、段差構造の左側及び右側のエッジ部（一対のエッジ部）を示す。また、図５（ｂ）乃至図５（ｄ）は、像面側マーク１８２を構成する段差構造の段差ｄ（即ち、位相シフト量）を変更して配光特性をシミュレーションした結果を示す図である。詳細には、図５（ｂ）は、位相シフト量（位相差）が９０度である場合、図５（ｃ）は、位相シフト量が１８０度である場合、図５（ｄ）は位相シフト量が２７０度である場合を示している。
【００５５】
図５（ｂ）及び図５（ｄ）に示すように、位相シフト量が９０度の奇数倍となる９０度や２７０度の像面側マーク１８２では、段差構造のエッジ部近傍の散乱特性がＺ軸方向に関して非対称な配光分布となる。Ｚ軸方向に関して非対称な配光分布を発生させる像面側マーク１８２を結像光学系によって結像させた場合、かかる像面側マーク１８２がＺ軸方向に移動するとＸＹ面内の光強度の重心が移動することになる。これは、像面と光学的に共役な位置の光強度の重心が移動するためである。
【００５６】
一方、図５（ｃ）に示すように、位相シフト量が９０度の奇数倍から著しく離れた１８０度の像面側マーク１８２では、段差構造のエッジ部近傍の散乱特性がＺ軸方向に関してほぼ対称な配光分布となる。このような像面側マーク１８２を結像光学系によって結像させた場合、かかる像面側マーク１８２がＺ軸方向に移動してもＸＹ面内の光強度の重心移動は少なく、Ｚ軸方向の移動に対して感度が低い。
【００５７】
図３に示す物体面側マーク１７２及び図４に示す像面側マーク１８２をＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像した際の物体面側マーク像１７２’及び像面側マーク像１８２’を図６に示す。図６（ａ）は、撮像素子１０７によって撮像された物体面側マーク像１７２’及び像面側マーク像１８２’の上面図、図６（ｂ）は、物体面側マーク像１７２’及び像面側マーク像１８２’のＣ−Ｃ’面における光強度分布を示す図である。
【００５８】
ＴＴＬアライメント光学系１００（撮像素子１０７）は、物体面側マーク像１７２’と像面側マーク像１８２’とを同時に撮像する。なお、像面側マーク像１８２’は、物体面側マーク像１７２’の内側に位置する。また、図６（ｂ）に示すように、物体面側マーク像１７２’は、遮光膜で構成された物体面側マーク１７２によって光束が遮光されているため、光強度が低下する。像面側マーク像１８２’（エッジ像１８２Ｌ’及び１８２Ｒ’）は、像面側マーク１８２を構成する段差構造のエッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒで光強度が低下する。なお、段差構造のエッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒでの光強度の低下は、光の散乱現象及びエッジ部の上面／下面の干渉の影響である。
【００５９】
図７を参照して、位相シフト型の像面側マーク１８２の結像状態を説明する。図７に示すように、光ファイバ６２からの光束で照明された基準プレート１８０の像面側マーク１８２からの光束（散乱光）は、投影光学系４０に入射して、基準プレート１７０に結像される。更に、像面側マーク１８２からの光束は、結像レンズ１０１乃至１０３で構成される結像光学系を介して、撮像素子１０７に結像される。
【００６０】
なお、図７（ｃ）に示すように、像面側マーク１８２を構成する段差構造のエッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒのそれぞれにおける散乱光の分布は、等方的ではなく、非対称な分布となる。具体的には、エッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒのそれぞれにおける散乱光の分布は、像面側マーク１８２（段差構造）の中心部から遠ざかる方向の光強度が強く、他の方向の光強度が弱くなっている。また、エッジ部１８２Ｌとエッジ部１８２Ｒとは光軸に対して対称な構造を有するため、エッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒにおける散乱光の分布は、像面側マーク１８２の中心部に対して折り返し対称となる。このように、本実施形態では、非対称な配光分布の散乱光を発生するために、位相シフト型の像面側マーク１８２を用いる。特に、位相シフト量（位相差）は、上述したように、９０度の奇数倍であると撮像素子１０７における像面側マーク像１８２’の変位が大きい。
【００６１】
図７（ａ）を参照するに、エッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒのそれぞれで散乱した光は、光路ＯＰＬａ及びＯＰＲａを通って撮像素子１０７に到達し、エッジ像１８２Ｌａ’及び１８２Ｒａ’を形成する。
【００６２】
ここで、図７（ｂ）に示すように、基準プレート１８０がデフォーカスした場合を考える。この場合、エッジ部１８２Ｌ及び１８２Ｒのそれぞれで散乱した光は、光路ＯＰＬｂ及びＯＰＲｂを通って撮像素子１０７に到達し、エッジ像１８２Ｌｂ’及び１８２Ｒｂ’を形成する。
【００６３】
基準プレート１８０のデフォーカスによって、フォーカス（ピント）が合った状態のエッジ像１８２Ｌａ’及び１８２Ｒａ’に対して、エッジ像１８２Ｌｂ’及び１８２Ｒｂ’が光軸方向に変位する。従って、エッジ像１８２Ｌａ’又は１８２Ｌｂ’とエッジ像１８２Ｒａ’又はエッジ像１８２Ｒｂ’との間隔を計測することで、像面側マーク１８２（即ち、基準プレート１８０）のデフォーカス状態を検出することができる。換言すれば、フォーカス検出を行うことができる。
【００６４】
一方、エッジ像１８２Ｌａ’又は１８２Ｌｂ’とエッジ像１８２Ｒａ’又はエッジ像１８２Ｒｂ’との中心位置を計測することで、フォーカスに依存するこなく、像面側マーク１８２のＸＹ平面内での位置を検出することができる。換言すれば、アライメント検出を行うことができる。
【００６５】
図８を参照して、本実施形態におけるフォーカス検出及びアライメント検出について詳細に説明する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像された物体面側マーク像１７２’及び像面側マーク像１８２’の光強度分布（図６（ｂ）に相当）を示す図である。
【００６６】
まず、アライメント検出について説明する。図８（ａ）において、物体面側マーク像１７２’の撮像素子１０７上の位置Ｘｒは、物体面側マーク１７２を構成する２つの矩形形状のマークの像の中心位置（又は重心位置）として検出される。一方、像面側マーク像１８２’の撮像素子１０７上の位置Ｘｗは、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との中心位置として検出される。
【００６７】
従って、物体面側マーク１７２に対する像面側マーク１８２の相対的な位置ズレ量ΔＸは、以下の式２で表すことができる。
【００６８】
ΔＸ＝（Ｘｒ−Ｘｗ）／（ｍ１・ｍ２）  ・・・（式２）
ここで、ｍ１は、投影光学系４０の像面側からの結像倍率（即ち、縮小倍率の逆数、本実施形態では、４倍）、ｍ２は、ＴＴＬアライメント光学系１００の結像倍率である。
【００６９】
次に、フォーカス検出について説明する。フォーカス検出は、図８（ｂ）に示すように、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間の距離（間隔Ｄ）を計測することで行われる。
【００７０】
なお、アライメント検出におけるマーク像の位置の計測やフォーカス検出におけるマーク像の間隔の計測には、当業界で周知の信号処理方法を用いることができる。かかる信号処理方法は、例えば、重心処理法、テンプレートマッチング法、折り返し対称処理法、信号ピーク（又はボトム位置）の高次の関数で近似する方法、信号を微分して最大傾斜位置から求める方法などを含む。
【００７１】
本実施形態におけるフォーカス検出の分解能について説明する。具体的な数値例として、光ファイバ６２からの光束の波長を２４８ｎｍ、基準プレート１８０の屈折率を１．５、像面側マーク１８２を構成する段差構造の段差を１２４ｎｍ（位相差９０度相当）とする。また、投影光学系４０の像面側からの結像倍率を４倍、ＴＴＬアライメント光学系１００の結像倍率を１００倍とする。ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７としてはＣＣＤを使用し、その画素ピッチを５μｍとする。なお、投影光学系４０の像面側の開口数（ＮＡ）を０．７とし、ＴＴＬアライメント光学系１００は、投影光学系４０からの光束の全てを取り込める開口数（ＮＡ）を有する。光ファイバ６２からの光束は、レンズ６４を介して、０．５のコヒーレンスファクターσを有する。レンズ６４は、物体面側マーク１７２を基準プレート１８０に逆投影した大きさよりも広い範囲を照明することができるように構成する。また、物体面側マーク１７２を構成する矩形形状のマークの線幅を１．２μｍとする。
【００７２】
上述した数値例における撮像素子１０７からの信号波形を図９（ａ）、デフォーカスによる信号波形の変化を図９（ｂ）、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間隔のフォーカス依存性を図９（ｃ）に示す。図９（ａ）は、物体面側マーク像１７２’及び像面側マーク像１８２’の光強度分布に相当し、物体面側マーク像１７２’の内側に像面側マーク像１８２’が形成されていることがわかる。
【００７３】
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す像面側マーク像１８２’の左側のエッジ像１８２Ｌ’（四角形で囲った領域）のデフォーカスによる変化を示している。図９（ｂ）を参照するに、像面側マーク１８２’の光強度のボトム位置がデフォーカスによって変化している。
【００７４】
また、像面側マーク像１８２’における２つのエッジ像１８２Ｌ’及び１８２Ｒ’で発生するボトム間の距離（ボトム位置）を算出した。かかるボトム位置の算出には、以下のように、高次関数近似の手法を用いた。まず、光強度が極小となるＣＣＤの画素を求め、その画素と、その画素の近傍の±４画素との合計９画素の光強度データに基づいて、二次関数近似を行う。そして、かかる近似曲線の極小位置を算出して、ボトム位置とする。エッジ像ごとにボトム位置を求め、その距離を間隔Ｄとした。
【００７５】
図９（ｃ）は、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間隔Ｄのフォーカス依存性を示している。図９（ｃ）に示すように、間隔Ｄのフォーカス依存性は線形性に優れ、デフォーカス１μｍ当たりの間隔Ｄの変化は３．９４画素であった。高次関数近似の手法による画素分解能は、１／２０画素程度あるため、フォーカス検出において、１０００／３．９４／２０＝１２．７ｎｍ程度の分解能が得られる。なお、デフォーカス量Ｆｚは、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間隔Ｄを用いて、以下の式３で算出することができる。
【００７６】
Ｆｚ＝（Ｄ−Ｄ０）／ｍ３  ・・・（式３）
式３において、Ｄ０は、オフセットであり、図９（ｃ）における間隔Ｄのフォーカス依存性を示す式の切片（本実施形態では、２６１．７３）に相当する。また、ｍ３は、図９（ｃ）における間隔Ｄのフォーカス依存性を示す式の傾き（本実施形態では、３．９３９７）に相当する。ｍ３は、露光装置１の組み立て時において取得して（即ち、図９（ｃ）に示すようなフォーカス依存性を取得して）システムパラメータとして露光装置１に保存しておく。Ｄ０についても、図９（ｃ）に示すようなフォーカス依存性を取得し、特許文献６における露光評価との付き合わせによって求めてシステムパラメータとして露光装置１に保存しておく。また、特許文献２のように、基準プレート１８０の像面側マーク１８２の近傍に格子状のマークを配置し、かかるマークのコントラストが最大となる位置を求め、その時の間隔をＤ０としてもよい。
【００７７】
このように、システムパラメータとして露光装置１に保存されたｍ３及びＤ０、及び、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間隔Ｄを式３に代入することで、デフォーカス量Ｆｚを短時間で算出することができる。
【００７８】
これまでは、Ｘ軸方向のアライメント検出及びフォーカス検出について説明したが、Ｙ軸方向のアライメント検出及びフォーカス検出も同様に行うことができる。
【００７９】
また、本実施形態では、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７としてＣＣＤ（２次元センサ）を用いている。但し、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７としてラインセンサを用いてもよい。この場合、ビームスプリッタを配置して光路を２つに分割し、それぞれの計測方向に画素が配列されたラインセンサを用いる。
【００８０】
また、本実施形態では、基準プレート１７０に物体面側マーク１７２を形成し、アライメント光学系１００を用いた基準プレート１７０と基準プレート１８０とのアライメント検出及びフォーカス検出について説明した。但し、像面側マーク１７２は基準プレート１７０に形成する必要はなく、レチクル２０に形成してもよい。
【００８１】
露光装置１において、ＴＴＬアライメント光学系１００を用いたアライメント検出及びフォーカス検出が終了すると、露光処理が行われる。具体的には、図１０に示すように、ＴＴＬアライメント光学系１００がレチクル２０を照明する光束（露光光）を遮らない位置まで退避し、光ファイバ６２による基準プレート１８０の照明を停止する。そして、ウエハ５０がウエハステージ６０によって投影光学系４０の結像位置に位置決めされると共に、レチクル２０がレチクルステージ３０によって位置決めされ、露光処理が行われる。ここで、図１０は、露光処理を行う際の露光装置１の構成を示す図である。
【００８２】
なお、本実施形態では、ＴＴＬアライメント光学系１００を移動させているが、光学系の一部を移動させる、或いは、ミラーの挿脱によって、ＴＴＬアライメント光学系１００が露光光を遮らないようにすることも可能である。
【００８３】
このように、本実施形態の露光装置１では、位相シフト型の像面側マーク１８２の位置情報に基づいて、フォーカス検出を行う。従って、露光装置１では、ウエハステージ６０を投影光学系４０の光軸方向（Ｚ軸方向）に走査する必要がなく、フォーカス検出及びアライメント検出を同時に短時間で行うことができる。
＜第２の実施形態＞
図３に示す物体面側マーク１７２は、図１１に示す物体面側マーク１７２Ａに置換することもできる。図１１は、物体面側マーク１７２Ａの構成を示す図である。なお、図１１（ａ）は、物体面側マーク１７２Ａの上面図、図１１（ｂ）は、物体面側マーク１７２ＡのＡ−Ａ’面における断面図である。
【００８４】
物体面側マーク１７２Ａは、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート１７０に形成される。物体面側マーク１７２Ａは、基準プレート１７０にエッチング処理を施すことで形成され、本実施形態では、四角形形状の段差構造で構成される。このように、物体面側マーク１７２Ａは、遮光膜ではなく、段差構造、所謂、位相シフト型のマークで構成される。なお、物体面側マーク１７２Ａの段差構造の左側及び右側のエッジ部のそれぞれを１７２ＬＡ及び１７２ＲＢとする。
【００８５】
物体面側マーク１７２Ａの外形の大きさは、投影光学系４０の縮小倍率に応じて決定される。本実施形態では、投影光学系４０の縮小倍率が１／４であるため、物体面側マーク１７２Ａの外形を１／４に縮小し、縮小した物体面側マーク１７２Ａの外形の寸法が像面側マーク１８２の約２倍になるようにする。
【００８６】
物体面側マーク１７２Ａとしての段差構造の段差ｄは、光ファイバ６２からの光束（物体面側マーク１７２Ａを照明する光束）の波長をλ、基準プレート１７０（透過基板）の屈折率をｎ、自然数をｍとすると、式１を満たす。
【００８７】
図１１に示す物体面側マーク１７２Ａ及び図４に示す像面側マーク１８２をＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像した際の物体面側マーク像１７２Ａ’及び像面側マーク像１８２’を図１２に示す。図１２（ａ）は、撮像素子１０７によって撮像された物体面側マーク像１７２Ａ’及び像面側マーク像１８２’の上面図である。また、図１２（ｂ）は、物体面側マーク像１７２Ａ’及び像面側マーク像１８２’のＣ−Ｃ’面における光強度分布を示す図である。
【００８８】
ＴＴＬアライメント光学系１００（撮像素子１０７）は、物体面側マーク像１７２Ａ’と像面側マーク像１８２’とを同時に撮像する。なお、像面側マーク像１８２’は、物体面側マーク像１７２Ａ’の内側に位置する。物体面側マーク像１７２Ａ’（エッジ像１７２ＬＡ’及び１７２ＲＡ’）は、像面側マーク像１８２’と同様に、物体面側マーク１７２Ａを構成する段差構造のエッジ部１７２Ｌ及び１７２Ｒで光強度が低下する。なお、段差構造のエッジ部１７２ＬＡ及び１７２ＲＡでの光強度の低下は、上述したように、光の散乱現象及びエッジ部の上面／下面の干渉の影響である。
【００８９】
図１３を参照して、本実施形態におけるフォーカス検出及びアライメント検出について詳細に説明する。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像された物体面側マーク像１７２Ａ’及び像面側マーク像１８２’の光強度分布（図１２（ｂ）に相当）を示す図である。
【００９０】
まず、アライメント検出について説明する。図１２（ａ）において、物体面側マーク像１７２Ａ’の撮像素子１０７上の位置Ｘｒは、エッジ像１７２ＬＡ’とエッジ像１７２ＲＡ’との中心位置として検出される。また、上述したように、像面側マーク像１８２’の撮像素子１０７上の位置Ｘｗは、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との中心位置として検出される。
【００９１】
従って、物体面側マーク１７２Ａに対する像面側マーク１８２の相対的な位置ズレ量ΔＸは、式２で表すことができる。
【００９２】
次に、フォーカス検出について説明する。図１３（ｂ）に示すように、エッジ像１７２ＬＡ’とエッジ像１７２ＲＡ’との間の距離（間隔）ＤＲに基づいて、物体面側マーク１７２Ａのデフォーカス量を求めることができる。一方、像面側マーク１８２のデフォーカス量は、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間の距離（間隔）Ｄから求めることができる。
【００９３】
具体的には、像面側マーク１８２のデフォーカス量Ｆｚは、上述した式３から算出することができる。システムパラメータとして露光装置１に保存されたｍ３及びＤ０、及び、エッジ像１８２Ｌ’とエッジ像１８２Ｒ’との間隔Ｄを式３に代入することで、デフォーカス量Ｆｚを短時間で算出することができる。
【００９４】
また、物体面側マーク１７２Ａ’のデフォーカス量Ｆｒｚは、以下の式４から算出することができる。
【００９５】
Ｆｒｚ＝（ＤＲ−ＤＲ０）／ｍ４  ・・・式４
式４において、ＤＲ０は、オフセットである。また、ｍ４は、倍率である。ｍ４は、露光装置１の組み立て時において、レチクルステージ３０を投影光学系４０の光軸方向（Ｚ軸方向）に駆動させながら求めてシステムパラメータとして露光装置１に保存しておく。また、ＤＲ０についても同様に、システムパラメータとして露光装置１に保存しておく。
【００９６】
このように、システムパラメータとして露光装置１に保存されたｍ４及びＤＲ０、及び、エッジ像１７２ＬＡ’とエッジ像１７２ＲＡ’との間隔ＤＲを式４に代入することで、デフォーカス量Ｆｒｚを短時間で算出することができる。
＜第３の実施形態＞
図３に示す物体面側マーク１７２は図１４に示す物体面側マーク１７２Ｂに、図４に示す像面側マーク１８２は図１５に示す像面側マーク１８２Ｂに置換することもできる。図１４は、物体面側マーク１７２Ｂの構成を示す図である。なお、図１４（ａ）は、物体面側マーク１７２Ｂの上面図、図１４（ｂ）は、物体面側マーク１７２ＢのＡ−Ａ’面における断面図である。また、図１４（ｃ）は、物体面側マーク１７２Ｂを構成するマーク１７２Ｂｘのマーク像１７２Ｂｘ’のＡ−Ａ’面における光強度分布を示す図である。図１５は、像面側マーク１８２Ｂの構成を示す図である。なお、図１５（ａ）は、像面側マーク１８２Ｂの上面図、図１５（ｂ）は、像面側マーク１８２ＢのＢ−Ｂ’面における断面図である。また、図１５（ｃ）は、像面側マーク１８２Ｂを構成するマーク１８２Ｂｘのマーク像１８２Ｂｘ’のＢ−Ｂ’面における光強度分布を示す図である。
【００９７】
物体面側マーク１７２Ｂは、図１４（ａ）に示すように、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート１７０に形成される。物体面側マーク１７２Ｂは、クロムや酸化クロムなどの遮光膜で構成され、光ファイバ６２からの光束を遮光する機能を有する。換言すれば、物体面側マーク１７２Ｂは、光束を十分に遮光（吸収）することができる厚さ（１００ｎｍ程度）のクロム又は酸化クロムで構成される。物体面側マーク１７２Ｂは、矩形形状のパターンをＸ軸方向に配列したマーク１７２Ｂｘと、矩形形状のパターンをＹ軸方向に配列したマーク１７２Ｂｙとを含む。
【００９８】
像面側マーク１８２Ｂは、図１５（ａ）に示すように、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート１８０に形成される。像面側マーク１８２Ｂは、基準プレート１８０にエッチング処理を施すことで形成され、矩形形状の段差構造をＸ軸方向に配列したマーク１８２Ｂｘと、矩形形状の段差構造をＹ軸方向に配列したマーク１８２Ｂｙとを含む。なお、マーク１８２Ｂｘ及び１８２Ｂｙを構成する段差構造の段差ｄは、式１を満たす。このように、像面側マーク１８２Ｂは、遮光膜ではなく、段差構造、所謂、位相シフト型のマークで構成される。
【００９９】
本実施形態におけるフォーカス検出及びアライメント検出について詳細に説明する。Ｘ軸方向の位置を検出するためのマーク１７２Ｂｘ及び１８２ＢｘとＹ軸方向の位置を検出するためのマーク１７２Ｂｙ及び１８２Ｂｙとは互いに９０度回転させたものである。そこで、以下では、マーク１７２Ｂｘ及び１８２Ｂｘを用いたフォーカス検出及びアライメント検出についてのみ説明する。
【０１００】
図１４（ｂ）及び図１４（ｃ）に示すように、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像されたマーク像１７２Ｂｘ’は、遮光膜で構成されたマーク１７２Ｂｘに対応して光強度が低下する。また、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）に示すように、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像されたマーク像１８２Ｂｘ’は、マーク１８２ｘを構成する段差構造のエッジ部に対応して光強度が低下する。
【０１０１】
マーク１７２ＢｘのＸ軸方向の位置に関しては、撮像素子１０７上の矩形形状のパターンの位置に相当する複数のボトム位置を算出し、それらを平均することでマーク１７２ＢｘのＸ軸方向の位置を求めることができる。マーク１８２ＢｘのＸ軸方向の位置も同様に、段差構造の位置に相当する複数のボトム位置を算出し、それらを平均することでマーク１８２ＢｘのＸ軸方向の位置を求めることができる。そして、式２を用いて、物体面側マーク１７２Ｂに対する像面側マーク１８２Ｂの相対な位置ズレ量を算出し、アライメント検出を行う。
【０１０２】
マーク１８２Ｂｘのデフォーカス量に関しては、図１５（ｃ）に示すように、対となる段差構造に相当するボトム位置の間隔Ｄ１、Ｄ２及びＤ３の平均値を求め、かかる平均値を式３のＤに代入することで求めることができる。このように、ＴＴＬアライメント光学系１００を用いてフォーカス検出を行うことができる。
【０１０３】
図１４に示す物体面側マーク１７２Ｂ及び図１５に示す像面側マーク１８２Ｂを用いた場合には、平均化効果によって、アライメント検出及びフォーカス検出の精度向上を図ることができる。
＜第４の実施形態＞
図３に示す物体面側マーク１７２は図１６に示す物体面側マーク１７２Ｃに、図４に示す像面側マーク１８２は図１７に示す像面側マーク１８２Ｃに置換することもできる。図１６は、物体面側マーク１７２Ｃの構成を示す図である。なお、図１６（ａ）は、物体面側マーク１７２Ｃの上面図、図１６（ｂ）は、物体面側マーク１７２ＣのＡ−Ａ’面における断面図である。また、図１６（ｃ）は、物体面側マーク１７２Ｃを構成するマーク１７２Ｃｘのマーク像１７２Ｃｘ’のＡ−Ａ’面における光強度分布を示す図である。図１７は、像面側マーク１８２Ｃの構成を示す図である。なお、図１７（ａ）は、像面側マーク１８２Ｃの上面図、図１７（ｂ）は、像面側マーク１８２ＣのＢ−Ｂ’面における断面図である。また、図１７（ｃ）は、像面側マーク１８２Ｃを構成するマーク１８２Ｃｘのマーク像１８２Ｃｘ’のＢ−Ｂ’面における光強度分布を示す図である。
【０１０４】
物体面側マーク１７２Ｃは、図１６（ａ）に示すように、マーク１７２Ｃｘと、マーク１７２Ｃｙとを含む。マーク１７２Ｃｘは、遮光部と、光束を透過する矩形形状のパターンをＸ軸方向に配列した透過部とで構成される。また、マーク１７２Ｃｙは、遮光部と、光束を透過する矩形形状のパターンをＹ軸方向に配列した透過部とで構成される。なお、マーク１７２Ｃを構成する遮光部は、１００ｎｍ程度の厚さのクロム膜や酸化クロム膜で形成される。
【０１０５】
像面側マーク１８２Ｃは、図１７（ａ）に示すように、マーク１８２Ｃｘと、マーク１８２Ｃｙとを含む。マーク１８２Ｃｘは、遮光部と、光束を透過する矩形形状のパターンをＸ軸方向に配列した透過部とで構成される。マーク１８２Ｃｘの透過部は、基準プレート１８０を掘り込んで形成された式１を満たす段差ｄの段差構造と、基準プレート１８０を掘り込んでいない非掘り込み部とを含む。なお、段差構造及び非掘り込み部は、段差構造の幅をＷ１、非掘り込み部の幅をＷ２、遮光部の幅をＷ３とすると、Ｗ１：Ｗ２：Ｗ３＝１：１：２の関係を満たす。また、マーク１８２Ｃｘは、マーク１８２ＣｘＬと、マーク１８２ＣｘＲとからなり、マーク１８２ＣｘＬとマーク１８２ＣｘＲとは、Ｙ軸に対して折り返し対称な構造を有する。マーク１８２Ｃｙは、遮光部と、光束を透過する矩形形状のパターンをＹ軸方向に配列した透過部とで構成される。マーク１８２Ｃｙは、マーク１８２Ｃｘと同様な構成を有するため、ここでの詳細な説明は省略する。
【０１０６】
本実施形態におけるフォーカス検出及びアライメント検出について詳細に説明する。Ｘ軸方向の位置を検出するためのマーク１７２Ｃｘ及び１８２ＣｘとＹ軸方向の位置を検出するためのマーク１７２Ｃｙ及び１８２Ｃｙとは互いに９０度回転させたものである。そこで、以下では、マーク１７２Ｃｘ及び１８２Ｃｘを用いたフォーカス検出及びアライメント検出についてのみ説明する。
【０１０７】
図１６（ｂ）及び図１６（ｃ）に示すように、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像されたマーク像１７２Ｃｘ’は、マーク１７２Ｃｘの透過部に対応して光強度が強くなる。また、図１７（ｂ）及び図１７（ｃ）に示すように、ＴＴＬアライメント光学系１００の撮像素子１０７で撮像されたマーク像１８２Ｃｘ’は、マーク１８２Ｃｘを構成する遮光部のない領域に対応して光強度が強くなる。
【０１０８】
なお、本実施形態では、特許文献６で詳細に説明されているように、マーク１７２Ｃｘ及び１８２Ｃｘからの±１次回折光の強度が非対称となる。従って、マーク１７２Ｃｘとマーク１８２Ｃｘとでは、回折光の配光分布が非対称となるため、デフォーカスによって反対方向に位置シフトが発生する。
【０１０９】
マーク１７２ＣｘのＸ軸方向の位置に関しては、撮像素子１０７上の透過部の位置に相当する複数のピーク位置を算出し、それらを平均することでマーク１７２ＣｘのＸ軸方向の位置を求めることができる。マーク１８２ＣｘのＸ軸方向の位置も同様に、透過部の位置に相当する複数のピーク位置を算出し、それらを平均することでマーク１８２ＣｘのＸ軸方向の位置を求めることができる。そして、式２を用いて、物体面側マーク１７２Ｃに対する像面側マーク１８２Ｃの相対な位置ズレ量を算出し、アライメント検出を行う。
【０１１０】
マーク１８２Ｃｘのデフォーカス量に関しては、まず、図１７（ｃ）に示すように、マーク１５２ＣＬｘのピーク位置Ｌ１、Ｌ２及びＬ３を求め、その平均値を算出する。同様に、マーク１５２ＣＲｘのピーク位置Ｒ１、Ｒ２及びＲ３を求め、その平均値を算出する。そして、マーク１５２ＣＬｘの平均ピーク位置とマーク１５２ＣＲｘの平均ピーク位置との間隔を求め、かかる間隔を式３に代入することで、マーク１８２Ｃｘのデフォーカス量を求めることができる。このように、ＴＴＬアライメント光学系１００を用いてフォーカス検出を行うことができる。
＜第５の実施形態＞
図１８は、本発明の一側面としての露光装置１Ａの構成を示す図である。露光装置１Ａは、露光装置１と同様な構成を有するが、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａの構成が異なる。露光装置１Ａにおいて、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａは、物体面側から光束を入射させて、投影光学系４０を介して、ウエハ５０又は基準プレート１８０で反射した光束を受光する（所謂、ダブルパス）光学系である。なお、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａには、光源部１２からの光束の一部が光ファイバ６２を介して供給される。
【０１１１】
ＴＴＬアライメント光学系１００Ａは、図１９に示すように、結像レンズ１０１、１０２及び１０３と、開口絞り１０４と、反射ミラー１０５と、視野絞り１０６と、撮像素子１０７とを含む。更に、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａは、コリメータレンズ１０８と、ビームスプリッタ１０９とを含む。本実施形態では、結像レンズ１０１及び１０２は等倍の結像倍率を有し、結像レンズ１０３は５０倍の結像倍率を有する。図１９は、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａの構成を示す図である。
【０１１２】
レチクルステージ３０上の基準プレート１７０に形成された物体面側マーク１７２は、結像レンズ１０１及び１０２を介して、視野絞り１０６に結像される。また、視野絞り１０６に結像された物体面側マーク１７２は、結像レンズ１０３を介して、撮像素子１０７上に結像される。そして、撮像素子１０７で撮像された物体面側マーク１７２の像は、算出部１６０に送られる。
【０１１３】
一方、ウエハステージ６０上の基準プレート１８０に形成された像面側マーク１８２は、投影光学系４０を介して、レチクルステージ３０上の基準プレート１７０を透過した光束で照明される。基準プレート１８０で反射した光束は、投影光学系４０に入射し、レチクルステージ３０上の基準プレート１７０、レンズ１０１乃至１０３を介して、撮像素子１０７に結像する。従って、ウエハ側の基準プレート１８０の像面側マーク１８２とレチクル側の基準プレート１７０の物体面側マーク１７２とが、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａの撮像素子１０７に結像されることになる。
【０１１４】
なお、像面側マーク１８２は、基準プレート１８０にエッチング処理を施して段差構造を形成した後、クロムや酸化クロムなどの遮光膜を形成して構成される。但し、像面側マーク１８２は、反射基板で構成される基準プレート１８０に形成してもよい。換言すれば、像面側マーク１８２は、位相シフト型の反射マークとして構成される。
【０１１５】
像面側マーク１８２としての段差構造の段差ｄは、光ファイバ６２からの光束（像面側マーク１８２を照明する光束）の波長をλ、自然数をｍとすると、以下の式５を満たす。
【０１１６】
ｄ＝（２ｍ−１）・λ／４  ・・・（式５）
これにより、像面側マーク１８２で反射される光束の段差構造（エッジ部）での位相シフト量（段差構造において低い領域と高い領域を通過する光束の位相差）が９０度の奇数倍となる。なお、式５は最も好ましい段差構造の段差ｄを示している。従って、位相シフト量は厳密に９０度の奇数倍にする必要はなく、９０度の奇数倍に対して約±２０度の範囲であればよい。
【０１１７】
ＴＴＬアライメント光学系１００Ａの撮像素子１０７によって撮像される物体面側マーク１７２の物体面側マーク像及び像面側マーク１８２の像面側マーク像は、第１の実施形態と同様（図６参照）である。従って、第１の実施形態と同様な処理によって、ＴＴＬアライメント光学系１００Ａを用いたアライメント検出及びフォーカス検出が可能となる。
【０１１８】
また、本実施形態では、基準プレート１７０に像面側マーク１７２を形成し、アライメント光学系１００を用いた基準プレート１７０と基準プレート１８０とのアライメント検出及びフォーカス検出を行っている。但し、同様にして、基準プレート１７０（又は物体面側マーク１７２を形成したレチクル２０）と像面側マーク１８２が形成されたウエハ５０とのアライメント検出及びフォーカス検出を行うことも可能である。この場合、ウエハ５０は、シリコン（Ｓｉ）をエッチングして作製され、レジストが塗布されていない基準ウエハを使用する。
＜第６の実施形態＞
図２０は、本発明の一側面としての露光装置１Ｃの構成を示す図である。露光装置１Ｃは、露光光としてＥＵＶ光（例えば、波長１３．４ｎｍ）を用いて、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル３２０のパターンをウエハ５０に転写する投影露光装置（スキャナー）である。但し、露光装置１Ｃは、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
【０１１９】
露光装置１Ｃは、２つの真空チャンバーＶＣ１及びＶＣ２と、真空チャンバーＶＣ１と真空チャンバーＶＣ２とを接続する接続部ＣＮとを備える。また、露光装置１Ｃは、ＥＵＶ光源３１２と、照明光学系３１４と、レチクル３２０及び基準プレート３７０を保持するレチクルステージ３０と、投影光学系３４０と、ウエハ５０及び基準プレート３８０を保持するウエハステージ６０とを備える。更に、露光装置１Ｃは、アライメント用光源３６０と、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃと、算出部１６０と、主制御部１９０とを備える。
【０１２０】
真空チャンバーＶＣ１、ＶＣ２及び接続部ＣＮは、ＥＵＶ光源３１２からのＥＵＶ光の減衰を防止するために内部を真空に維持する。真空チャンバーＶＣ１は、ＥＵＶ光源部３１２を収納する。真空チャンバーＶＣ２は、照明光学系３１４、レチクルステージ３０、投影光学系４０、ウエハステージ６０及びＴＴＬアライメント光学系１００Ｃを収納する。また、真空チャンバーＶＣ１は、照明光学系３１４、投影光学系３４０、レチクルステージ３０及びウエハステージ６０のそれぞれを区画して、それらを別々に収納してもよい。真空チャンバーＶＣ２は、多層膜ミラーの表面が不純物により汚染されて反射率が低下することを防止するために、１×１０−４Ｐａ程度の非常に高い真空度に維持する。なお、真空チャンバーＶＣ１及びＶＣ２には、図示しない排気装置が接続されている。
【０１２１】
ＥＵＶ光源３１２は、本実施形態では、レーザープラズマ光源を使用する。但し、ＥＵＶ光源３１２は、レーザープラズマ光源に限定されるものではなく、当業界で周知のいかなる技術も適用することができる。例えば、ＥＵＶ光源３１２は、Ｚピンチ方式、プラズマ・フォーカス、キャピラリー・ディスチャージなどのディスチャージ方式によるプラズマ光源を使用してもよい。
【０１２２】
照明光学系３１４は、ＥＵＶ光源３１２からのＥＵＶ光をレチクル３２０に導く光学系であって、複数の多層膜ミラー、斜入射ミラー（集光ミラー）、オプティカルインテグレーターなどを含む。集光ミラーは、ＥＵＶ光源３１２からほぼ等方的に放射されるＥＵＶ光を集める機能を有する。オプティカルインテグレーターは、レチクル３２０を均一に所定の開口数で照明する機能を有する。また、照明光学系３１４には、レチクル３２０と共役な位置に、レチクル３２０の照明領域を円弧状に限定するためのアパーチャ（画角制限アパーチャ）が配置されている。
【０１２３】
レチクル３２０は、反射型のレチクルであって、回路パターンを有し、レチクルステージ３０に支持及び駆動される。レチクル３２０から発せられた回折光は、投影光学系３４０で反射されてウエハ５０に投影される。
【０１２４】
投影光学系３４０は、複数の多層膜ミラーを含み、レチクル３２０のパターンをウエハ５０に縮小投影する。投影光学系３４０を構成する複数の多層膜ミラーの枚数は少ない方がＥＵＶ光の利用効率を高めることができるが、収差補正が難しくなるため、投影光学系３４０は、４枚乃至６枚程度の多層膜ミラーで構成される。少ない枚数のミラーで広い露光領域を実現するには、光軸から一定の距離だけ離れた細い円弧状の領域（リングフィールド）だけを用いて、レチクル３２０とウエハ５０を同時に走査して広い面積を転写する。投影光学系３４０のウエハ５０側の開口数（ＮＡ）は、０．２乃至０．５程度である。
【０１２５】
アライメント光源３６０は、真空チャンバーＶＣ１及びＶＣ２の外部に配置され、基準プレート３８０の像面側マーク３８２を照明する照明系を構成する。アライメント光源３６０は、光ファイバ６２を介して、ＥＵＶ光とは異なる波長の光束（例えば、１５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の波長を有する光束）をウエハステージ６０に導光する。具体的には、アライメント光源３６０は、Ａｒレーザーの２倍高調波（波長２４８ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの４倍高調波（波長２６６ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザーなどを使用する。アライメント光源３６０からの光束は、光ファイバ６２、レンズ６４及び折り返しミラー６６を介して、基準プレート３８０の像面側マーク３８２を照明する。
【０１２６】
ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃ及び算出部１６０は、協同して、基準プレート３７０に形成された物体面側マーク３７２と基準プレート３８０に形成された像面側マーク３８２との相対的な位置関係を検出する。ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃは、ＥＵＶ光源３１２からのＥＵＶ光ではなく、投影光学系３４０の少なくとも１つの像高においてＥＵＶ光と同一の光路となるように導光されたアライメント用光源３６０からの光束を用いる。
【０１２７】
ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃは、図２１に示すように、結像レンズ１０１、１０２及び１０３と、開口絞り１０４と、反射ミラー１０５と、視野絞り１０６と、撮像素子１０７とを含む。本実施形態では、結像レンズ１０１及び１０２は等倍の結像倍率を有し、結像レンズ１０３は５０倍の結像倍率を有する。図２１は、ＴＴＬアライメント光学系１００の構成を示す図である。
【０１２８】
レチクルステージ３０上の基準プレート３７０に形成されたアライメント用の物体面側マーク３７２は、結像レンズ１０１及び１０２を介して、視野絞り１０６に結像される。また、視野絞り１０６に結像された物体面側マーク３７２は、結像レンズ１０３を介して、撮像素子１０７上に結像される。そして、撮像素子１０７で撮像された物体面側マーク３７２の像は、算出部１６０に送られる。
【０１２９】
一方、ウエハステージ６０上の基準プレート３８０に形成されたアライメント用の像面側マーク３８２は、光ファイバ６２から射出した光束によって下方から照明される。光ファイバ６２と基準プレート３８０との間には、レンズ６４及び折り返しミラー６６が配置されており、基準プレート３８０は所定の照明形状及び角度分布で照明される。像面側マーク３８２からの散乱光（回折光）は、投影光学系３４０を介して、レチクルステージ３０上の基準プレート３７０の位置に４倍の倍率で拡大されて結像する。従って、ウエハ側の基準プレート３８０の像面側マーク３８２とレチクル側の基準プレート３７０の物体面側マーク３７２とが、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃの撮像素子１０７に結像されることになる。
【０１３０】
物体面側マーク３７２及び像面側マーク３８２について詳細に説明する。
【０１３１】
図２２は、物体面側マーク３７２の構成の一例を示す図である。なお、図２２（ａ）は、物体面側マーク３７２の上面図、図２２（ｂ）は、物体面側マーク３７２のＡ−Ａ’面における断面図である。物体面側マーク３７２は、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート３７０に形成される。物体面側マーク３７２は、格子状パターン（回折格子）ＧＬと、２つの矩形形状のパターンからなるマーク３７２ｘと、マーク３７２ｘを９０度回転させたマーク３７２ｙとを含む。格子状パターンＧＬは、クロムや酸化クロムで構成され、光ファイバ６２からの光束を偏向する機能を有する。なお、マーク３７２ｘ及びマーク３７２ｙには、格子状パターンＧＬはなく、回折光は発生しない。
【０１３２】
物体面側マーク３７２の外形の大きさは、投影光学系３４０の縮小倍率に応じて決定される。本実施形態では、投影光学系３４０の縮小倍率が１／４であるため、物体面側マーク３７２の外形を１／４に縮小し、縮小した物体面側マーク３７２の外形の寸法が像面側マーク３８２の約２倍になるようにする。
【０１３３】
図２３は、像面側マーク３８２の構成の一例を示す図である。なお、図２３（ａ）は、像面側マーク３８２の上面図、図２３（ｂ）は、像面側マーク３８２のＢ−Ｂ’面における断面図である。像面側マーク３８２は、透過基板（例えば、ガラス基板や石英基板）で構成される基準プレート３８０に形成される。像面側マーク３８２は、基準プレート３８０にエッチング処理を施すことで形成され、本実施形態では、四角形形状の段差構造で構成される。このように、像面側マーク３８２は、遮光膜ではなく、段差構造、所謂、位相シフト型のマークで構成される。なお、像面側マーク３８２としての段差構造の段差ｄは、式１を満たす。また、３８２Ｌ及び３８２Ｒのそれぞれは、段差構造の左側及び右側（一対）のエッジ部を示す。
【０１３４】
ここで、物体面側マーク３７２における格子状パターンＧＬについて説明する。格子状パターンＧＬは、光ファイバ６２からの光束を、露光光であるＥＵＶ光とは異なる方向に偏向して、照明光学系３１４の光路と干渉しない位置に導光する機能を有する。このように、光ファイバ６２からの光束が照明光学系３１４の光路と干渉しないため、露光処理時にＴＴＬアライメント光学系１００Ｃを駆動させる必要がない。
【０１３５】
図２４を参照して、格子状パターンＧＬにおける光束の入射角と回折角との関係を説明する。格子状パターンＧＬは、Ｘ軸方向に、ピッチＰで配列された１次元の回折格子である。図２４において、格子状パターンＧＬに入射する光束Ｂ０の入射角をθｉｎ、１次回折光Ｂ１の回折角をθ１、２次回折光Ｂ２の回折角をθ２とする。また、投影光学系３４０の光軸とＺ軸とのなす角をθｐとする。なお、θｐは、露光光であるＥＵＶ光がレチクル３２０に入射する際の入射角に等しい。
【０１３６】
格子状パターンＧＬに入射する光束Ｂ０の入射角θｉｎとｍ次回折光の回折角θｍとの間には、以下の式６が成り立つ。
【０１３７】
Ｐ（ｓｉｎθｍ−ｓｉｎθｉｎ）＝ｍλ  ・・・（式６）
式６において、ｍは、回折次数である。また、λは、アライメント用光源３６０からの光束の波長である。
【０１３８】
例えば、ＥＵＶ光のレチクル３２０への入射角θｐを７度とすると、アライメント用光源３６０からの光束の格子状パターンＧＬ（基準プレート３７０）への入射角も７度となる。また、アライメント用光源３６０からの光束の波長を２６６ｎｍとし、１次回折光Ｂ１をＴＴＬアライメント光学系１００Ｃに導光するものとし、その回折角を２０度とする。この場合、格子状パターンＧＬのピッチＰは、１．２０８μｍとなる。また、２次回折光Ｂ２の回折角は、３４．２度となる。
【０１３９】
なお、格子状パターンＧＬからの不要な回折光（例えば、０次回折光）は、１次回折光の回折角と大きく異なるため、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃの開口絞り１０４を通過しない。従って、格子状パターンＧＬは、撮像素子１０７上で結像しないことになる。
【０１４０】
このように、格子状パターンＧＬは、投影光学系３４０の光軸を避けながらアライメント用光源３６０からの光束をＴＴＬアライメント光学系１００Ｃに導くと共に、撮像素子１０７では解像しないピッチとすることが重要である。格子状パターンＧＬが解像したり、撮像素子１０７上に若干の光強度分布が発生したりすると、それがノイズとなり、アライメント検出及びフォーカス検出の精度を低下させてしまうからである。
【０１４１】
本実施形態では、格子状パターンＧＬによって、物体面側パターン３７２からの光束を投影光学系３４０の光軸とは異なる方向に導光している。但し、図２５（ａ）に示すように、投影光学系３４０の光路に挿脱可能なミラー３９０を配置してもよい。これにより、ミラー３９０を投影光学系３４０の光路に挿入することで、物体面側パターン３７２からの光束をＴＴＬアライメント光学系１００Ｃに導光することができる。なお、ミラー３９０は、露光処理時には、ＥＵＶ光を遮らない位置に退避する。また、ミラー３９２は、図２５（ｂ）に示すように、基準プレート３７０の上に配置してもよい。ここで、図２５は、物体面側パターン３７２からの光束のＴＴＬアライメント光学系１００Ｃへの導光を説明するための図である。
【０１４２】
投影光学系３４０は、多層膜ミラーで構成されているため色収差が存在せず、投影光学系３４０に露光光（ＥＵＶ光）の波長以外の波長の光束を入射させても、レチクル３２０とウエハ５０とは結像関係となる。従って、アライメント用光源３６０からの光束で照明された像面側マーク３８２は、投影光学系３４０を介して、レチクルステージ３０上の基準プレート３７０に結像する。更に、基準プレート３７０に結像された像面側マーク３８２は、基準プレート３７０で反射され、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃの撮像素子１０７に結像する。
【０１４３】
ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃの撮像素子１０７によって撮像される物体面側マーク３７２の物体面側マーク像及び像面側マーク３８２の像面側マーク像は、第１の実施形態と同様（図６参照）である。従って、第１の実施形態と同様な処理によって、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃを用いたアライメント検出及びフォーカス検出が可能となる。
【０１４４】
本実施形態では、基準プレート３７０に格子状パターンＧＬを含む物体面側マーク３７２を形成し、アライメント光学系１００Ｃを用いた基準プレート３７０と基準プレート３８０とのアライメント検出及びフォーカス検出について説明した。但し、格子状パターンＧＬを含む物体面側マーク３７２は、レチクル３２０に形成してもよい。この場合、格子状パターンＧＬは、ＥＵＶ光を吸収する吸収体で構成することが好ましい。
【０１４５】
露光装置１Ｃは、ＥＵＶ光とは異なる波長の光束を発するアライメント用光源３６０を有することで、ＥＵＶ光を露光光としながらも、レンズなどを用いてＴＴＬアライメント光学系１００Ｃを構成することができる。なお、ＥＵＶ光をアライメント光として用いると、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃをミラーで構成しなければならず、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃにおける光量の減衰が大きくなってしまう。一方、本実施形態では、アライメント用光源３６０からの光束をアライメント光として用いることで、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃをレンズなどで構成している。従って、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃにおける光量の減衰の問題を回避することができる。また、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃは、ランニングコストの高いＥＵＶ光を用いていないため、従来と同様のコストでアライメント検出を行うことができる。
【０１４６】
ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃは、５０倍程度の光学倍率でＣＣＤなどの撮像素子１０７に物体面側マーク３７２及び像面側マーク３８２を結像させることが可能である。従って、アライメント検出及びフォーカス検出を高精度に行うことができる。
【０１４７】
また、本実施形態では、投影光学系３４０は反射型光学系であるため、投影光学系３４０において色収差が発生しない。従って、非露光光を用いるＴＴＬアライメント光学系を屈折型の投影光学系に適用する場合に必要となる色収差補正光学系が必要ない。
【０１４８】
なお、１３ｎｍ付近の波長の光束を使用した場合、フォーカス検出及びアライメント検出を高精度に行うことができない。以下、その理由を説明する。１３ｎｍ付近の波長の光束に対する位相シフト型のマークの材質の屈折率は１に近い。例えば、屈折率（ｎ、ｋ）については、ＳｉＯ２が（０．９９７、３．１５ｅ−５）、Ｍｏが（０．９９９、２．６ｅ−４）、Ｓｉが（０．９９７、１．６ｅ−５）である。１３ｎｍの波長の光束に対して、９０度の位相差を付加するためには、式１から、例えば、ＳｉＯ２及びＳｉでは約１１．２μｍ、Ｍｏでは３．４μｍの段差を形成する必要がある。この際、消光係数ｋから位相シフト型のマークでの吸収量を計算すると、ＳｉＯ２が９３％、Ｓｉが１５％、Ｍｏが５６％となる。このように、段差が大きくなると、位相シフト型のマークでの吸収が大きくなり、吸収により発生した熱によって形状が変化し、その結果フォーカス検出及びアライメント検出に誤差を生じさせる。従って、ＥＵＶ光を露光光とする露光装置においては、露光光を使用せず、波長１５０ｎｍ以上の光束を使用する必要がある。１５０ｎｍ以上の波長の光束を使用することで、吸収のない材料、例えば、石英、フッ素ドープ石英を選択することが可能となり、位相シフト型のマークでの吸収をなくして、形状の変化を防止することができる。
【０１４９】
アライメント用光源３６０が発する光束の波長は、１５０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下が好ましく、２４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下が更に好ましい。これは、３７０ｎｍ以下の波長の光束は多層膜ミラーでの反射率が５０％を超え、１５０ｎｍよりも短い波長の光束を透過できる硝材が存在しないからである。なお、２４０ｎｍ以上２８０ｎｍ以下の波長の光束では、多層膜ミラーでの反射率が６５〜７０％以上と、投影光学系の効率（反射率）が最も高くなる。
【０１５０】
また、本実施形態では、投影光学系３４０が縮小系であるので、位相シフト型のマークを像面側に配置して像面側から光束を投影光学系３４０に入射させる方が、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃの倍率を考えると有利である。例えば、総合倍率を２００倍とし、投影光学系３４０の倍率を1／４とした場合を考える。この場合、ＴＴＬアライメント光学系１００Ｃに必要な倍率は、像面側から光束を入射する場合が５０倍であるのに対して、物体面側から光束を入射する場合は８００倍となる。
＜第７の実施形態＞
上述したように、露光装置１、１Ａ及び１Ｃは、フォーカス検出及びアライメント検出を同時に短時間で行うことができる。従って、露光装置１、１Ａ及び１Ｃは、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。かかるデバイスは、露光装置１、１Ａ及び１Ｃを用いてフォトレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることによって製造される。
【０１５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す露光装置のＴＴＬアライメント光学系の構成を示す図である。
【図３】図１に示す露光装置における物体面側マークの構成の一例を示す図である。
【図４】図１に示す露光装置における像面側マークの構成の一例を示す図である。
【図５】図１に示す露光装置における像面側マークを構成する段差構造の段差（即ち、位相シフト量）を変更して配光特性をシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】図３に示す物体面側マーク及び図４に示す像面側マークをＴＴＬアライメント光学系の撮像素子で撮像した際の物体面側マーク像及び像面側マーク像を示す図である。
【図７】位相シフト型の像面側マークの結像状態を説明するための図である。
【図８】フォーカス検出及びアライメント検出を詳細に説明するための図である。
【図９】フォーカス検出の分解能を説明するための図である。
【図１０】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す図である。
【図１１】図１に示す露光装置における物体面側マークの構成の別の例を示す図である。
【図１２】図１１に示す物体面側マーク及び図４に示す像面側マークをＴＴＬアライメント光学系の撮像素子で撮像した際の物体面側マーク像及び像面側マーク像を示す図である。
【図１３】フォーカス検出及びアライメント検出を詳細に説明するための図である。
【図１４】図１に示す露光装置における物体面側マークの構成の別の例を示す図である。
【図１５】図１に示す露光装置における像面側マークの構成の別の例を示す図である。
【図１６】図１に示す露光装置における物体面側マークの構成の別の例を示す図である。
【図１７】図１に示す露光装置における像面側マークの構成の別の例を示す図である。
【図１８】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す図である。
【図１９】図１８に示す露光装置のＴＴＬアライメント光学系の構成を示す図である。
【図２０】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す図である。
【図２１】図２０に示す露光装置のＴＴＬアライメント光学系の構成を示す図である。
【図２２】図２０に示す露光装置における物体面側マークの構成の一例を示す図である。
【図２３】図２０に示す露光装置における像面側マークの構成の一例を示す図である。
【図２４】図２２に示す物体面側マークを構成する格子状パターンにおける光束の入射角と回折角との関係を説明するための図である。
【図２５】物体面側パターンからの光束のＴＴＬアライメント光学系への導光を説明するための図である。
【図２６】従来のアライメント検出及びフォーカス検出を説明するための図である。
【図２７】従来のアライメント検出及びフォーカス検出を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１５３】
１                            露光装置
１０                          照明装置
２０                          レチクル
３０                          レチクルステージ
４０                          投影光学系
５０                          ウエハ
６０                          ウエハステージ
６２                          光ファイバ
６４                          レンズ
６６                          折り返しミラー
７０                          レチクル面位置検出系
７５                      算出部
８０                      ウエハ面位置検出系
８５                      算出部
９０                      オフアクシスアライメント光学系
９５                      算出部
１００                    ＴＴＬアライメント光学系
１０１、１０２及び１０３  結像レンズ
１０４                    開口絞り
１０５                    反射ミラー
１０６                    視野絞り
１０７                    撮像素子
１６０                    算出部
１７０                        基準プレート
１７２                        物体面側マーク
１８０                        基準プレート
１８２                        像面側マーク
１９０                        主制御部
１Ａ                          露光装置
１００Ａ                      ＴＴＬアライメント光学系
１０８                        コリメータレンズ
１０９                        ビームスプリッタ
１Ｃ                          露光装置
３１２                        ＥＵＶ光源
３１４                        照明光学系
３２０                        レチクル
３４０                        投影光学系
３６０                        アライメント用光源
３７０                        基準プレート
３７２                        物体面側マーク
３８０                        基準プレート
３８２                        像面側マーク
１００Ｃ                      ＴＴＬアライメント光学系
ＧＬ                          格子状パターン
３９２                        ミラー
【図１】
2010098008.tif 000003
【図２】
2010098008.tif 000004
【図３】
2010098008.tif 000005
【図４】
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【図６】
2010098008.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図５】
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