(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のパターンの像を感光基板上に投影露光するための投影光学系の結像特性評価方法において、
前記感光基板上の複数の計測点で前記投影光学系の光軸方向の位置を検出するとともに、前記感光基板上の複数の計測点のそれぞれを評価用のパターンの像で露光する段階と、
前記複数の計測点に対応して前記感光基板上に形成された評価用のパターンの像から得られる情報と、前記複数の計測点それぞれの前記光軸方向の位置とに基づいて、前記投影光学系の結像特性を評価する段階と、
を含むことを特徴とする投影光学系の結像特性評価方法。
【請求項２】
前記感光基板上の複数の計測点に前記光軸に対して斜め方向から複数の検出光を照射し、それらの反射光を検出する焦点検出系によって、前記複数の計測点での前記光軸方向の位置を計測することを特徴とする請求項１に記載の結像特性評価方法。
【請求項３】
前記評価用のパターンの像を露光する前に、所定の基準平面板を用いて前記焦点検出系を較正することを特徴とする請求項２に記載の結像特性評価方法。
【請求項４】
前記複数の計測点は、前記投影光学系の露光領域内に配置されることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の結像特性評価方法。
【請求項５】
露光用の照明光のもとで、マスク上の転写用パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影する投影露光装置において、
前記感光基板を前記投影光学系の光軸方向に移動する高さ調整ステージと、
前記感光基板上の複数の計測点で前記投影光学系の光軸方向の位置を検出する焦点位置検出手段と、
該焦点位置検出手段で検出された前記感光基板の表面の凹凸情報を記憶する記憶手段と、を有し、
前記高さ調整ステージを介して所定の感光基板を前記投影光学系の光軸方向の複数の位置に設定したときに、それぞれ前記焦点位置検出手段で検出される前記所定の感光基板の表面の凹凸情報を前記記憶手段に記憶することを特徴とする投影露光装置。
【請求項６】
前記高さ調整ステージ上に、表面の平面度が既知の基準部材を設けたことを特徴とする請求項５に記載の投影露光装置。
【請求項７】
前記高さ調整ステージは、更に前記感光基板の傾斜角を調整することを特徴とする請求項５又は６に記載の投影露光装置。
【請求項８】
前記焦点位置検出手段は、前記基準部材によって較正されることを特徴とする請求項６に記載の投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程でマスク上のパターンを感光基板上に投影する投影光学系の結像特性評価方法及びこの結像特性評価方法を使用する投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、マスクとしてのレチクル上に形成されたパターンを投影光学系を介して感光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に高精度に転写するステッパー等の投影露光装置が使用されている。これらの投影露光装置においては、ウエハ上にレチクルのパターンの像を高解像度で転写するための投影光学系には優れた結像特性が要求される。そのため、例えば定期的に投影光学系の像面傾斜及び像面湾曲等の結像特性が測定され、この測定結果に基づいてその結像特性の補正が行われていた。
【０００３】
ところで、投影露光装置には、通常ウエハの高さ方向（Ｚ方向）の位置及び傾斜角を調整できるＺチルトステージ、及びウエハを２次元平面（ＸＹ平面）上の所望位置に位置決めするＸＹステージから構成されるウエハステージが装備されている。そして、従来はウエハを載置するウエハステージ、特にＸＹステージの案内面（走り案内面）がほぼ完全な平面であるという前提に基づいて、次のような方法により投影光学系の結像特性の測定が行われていた。
【０００４】
図１１は、従来の結像特性の測定方法を説明するための図を示し、図１２は図１１の一部の平面図を示している。これらの図１１及び図１２は、投影光学系１の露光フィールドＩＡＲの端部の位置Ａでの像面を計測している状態を示している。この図１１において、投影光学系１の左右の側面にウエハ３Ｂの焦点位置を検出するための送光光学系５０ａ及び受光光学系５０ｂからなる斜入射方式の焦点位置検出系（以下、「焦点位置検出系５０ａ，５０ｂ」という）が設置されており、送光光学系５０ａからウエハ３Ｂ上で投影光学系１の光軸ＡＸとほぼ交差する検出点Ｃに向けて、光軸ＡＸに対して斜めに検出光ＦＬが照射される。検出点Ｃには例えばスリット像が投影される。以下、投影光学系１の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、そのＺ軸に垂直な平面上にＸ軸及びＹ軸を取り説明する。
【０００５】
ウエハ３Ｂ上に照射された検出光ＦＬはウエハ３Ｂ上で反射され、その反射光は受光光学系５０ｂに入射する。受光光学系５０ｂからは検出点Ｃに対応するウエハ３Ｂ上の計測点Ｐ１  の高さ位置に対応する検出信号が出力される。図１１に示すように、ウエハ３Ｂの表面Ｓにはうねりがある。このうねりが像面計測に影響するのを回避するため、次のようなシーケンスで露光が行われる。
【０００６】
▲１▼  先ずＸＹステージ５を駆動し、フォトレジストが塗布された２点鎖線で示すウエハ３Ｂの表面Ｓの計測点Ｐ１  を焦点位置検出系５０ａ，５０ｂの検出点Ｃに移動して、Ｚチルトステージ７を駆動し、計測点Ｐ１  のＺ方向の位置を所望の位置に設定する。
▲２▼  次に、Ｚチルトステージ７をロックした状態で、計測点Ｐ１  が露光フィールドＩＡＲの端部の像面計測対象の位置Ａに位置決めされるようにＸＹステージ５を駆動する。図１１において実線で示す曲線がウエハ３Ｂの移動後の状態を示している。図１２に示すように、この動作により露光フィールドＩＡＲに対応するウエハ３Ｂ上の２点鎖線で示す領域ＡＲ１が露光フィールドＩＡＲに移動した形となる。そして、ウエハ３Ｂをその状態にしたまま、不図示の照明光学系からレチクル上の結像評価用のパターンに露光用の照明光を照射し、ウエハ３Ｂ上の計測点Ｐ１  上にそのパターンの像ＩＰＡの露光を行う。この例におけるパターンの像ＩＰＡはＸ方向に伸びた複数のスリット状のマークと、Ｙ方向に伸びた複数のスリット状のマークとから構成されたパターンの像である。
【０００７】
▲３▼  次に、Ｚチルトステージ７を駆動し、ウエハ３Ｂの高さを変化させて複数の高さで上記▲１▼▲２▼の動作を繰り返す。この場合、既に露光したパターンと新たに露光するパターンとが、ウエハ３Ｂ上で重ならないように、ウエハ３Ｂ上の露光位置をＸＹ平面内で少しずつずらしながら露光する。
▲４▼  次に、露光フィールドＩＡＲ内の位置Ａ以外の複数の位置において、上記▲１▼〜▲３▼の動作を行う。
【０００８】
▲５▼  次に、以上の動作により露光されたウエハ３Ｂを現像し、露光フィールドＩＡＲ内の各位置に対して、露光されたパターンが最もよく解像しているＺ方向の位置を検出する。
以上▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼の動作により、露光フィールドＩＡＲ内の各位置の結像面がＸＹステージ５の走り案内面を基準として、どれだけ湾曲、傾斜しているかが求められる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来の技術では、上記▲１▼の動作で計測点Ｐ１  の高さを設定（計測）してから▲２▼の動作で露光を行うまでにＸＹステージ５が移動するため、ＸＹステージ５の走り案内面の平面度が十分に高くなければ結像特性の測定誤差が生ずるという不都合がある。ＸＹステージ５の走り案内面の平面度には限界があり、完全な平面度を得ることは不可能である。また、使用される投影露光装置には使用期間の経過に伴って、ＸＹステージの走り案内面の平面度が低下したものもある。特に、最近では半導体素子等の回路の微細化に対応して、投影光学系の開口数が大きくなり、それに伴って要求される焦点深度が浅くなっている。従って、投影光学系の像面湾曲や像面傾斜等の結像特性に対する要求も厳しくなっているため、従来の方法では避けることが難しいＸＹステージの走り案内面の平面度の不足に伴う結像特性の誤差が無視できない状況となっている。
【００１０】
また、露光フィールドＩＡＲ内の複数の計測位置毎に上記▲１▼▲２▼▲３▼の動作を繰り返して行う必要があり、計測位置の数に比例して測定時間が長くなり、スループット（生産性）が低下するという不都合もある。
本発明は斯かる点に鑑み、ウエハを位置決めするステージの走り案内面の平面度の影響を受けることなく、投影光学系の像面湾曲や像面傾斜等の結像特性を迅速且つ高精度に評価できる投影光学系の結像特性評価方法を提供することを目的とする。更に、本発明はそのような投影光学系の結像特性評価方法を使用する投影露光装置を提供することをも目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による投影光学系の結像特性評価方法は、所定のパターンの像を感光基板（３）上に投影露光するための投影光学系（１）の結像特性評価方法において、その感光基板（３）上の複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）でその投影光学系（１）の光軸（ＡＸ）方向の位置を検出するとともに、その感光基板（３）上の複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）のそれぞれを評価用のパターン（ＩＰ）の像で露光する段階と、その複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）に対応してその感光基板（３）上に形成された評価用のパターンの像（ＩＰ１〜ＩＰ３）から得られる情報と、その複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）それぞれのその光軸（ＡＸ）方向の位置とに基づいて、その投影光学系（１）の結像特性を評価する段階と、を含むものである。
【００１２】
斯かる本発明の投影光学系の結像特性評価方法によれば、感光基板（３）上の複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）の光軸（ＡＸ）方向の位置の計測と、それらの複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）上への評価用のパターン（ＩＰ）の像の露光とを同時に行う。従って、計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）の光軸方向の位置の計測とその露光との間に、感光基板（３）を移動する必要がないので、例えば感光基板（３）の移動に伴って発生する光軸方向の計測誤差の原因となるステージ装置の走り案内面の平面度の影響を受けることがなく、投影光学系（１）の結像特性が高精度に評価できる。また、感光基板（３）上の複数の計測点を一度に検出するので、計測時間が短縮される。
本発明において、その感光基板上の複数の計測点にその光軸に対して斜め方向から複数の検出光を照射し、それらの反射光を検出する焦点検出系（４ａ，４ｂ）によって、その複数の計測点でのその光軸方向の位置を計測してもよい。
また、その評価用のパターンの像を露光する前に、所定の基準平面板（基準部材）（８）を用いてその焦点検出系を較正してもよい。
また、その複数の計測点は、例えばその投影光学系の露光領域内に配置される。
【００１３】
また、本発明による投影露光装置は、露光用の照明光（ＩＬ）のもとで、マスク（２）上の転写用パターンの像を投影光学系（１）を介して感光基板（３）上に投影する投影露光装置において、その感光基板（３）をその投影光学系（１）の光軸（ＡＸ）方向に移動する高さ調整ステージ（７）と、その感光基板（３）上の複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）でその投影光学系（１）の光軸（ＡＸ）方向の位置を検出する焦点位置検出手段（４ａ，４ｂ）と、この焦点位置検出手段で検出されたその感光基板（３）の表面の凹凸情報を記憶する記憶手段（９）と、を有し、その高さ調整ステージ（７）を介して所定の感光基板（３）をその投影光学系の光軸（ＡＸ）方向の複数の位置に設定したときに、それぞれその焦点位置検出手段（４ａ，４ｂ）で検出されるその所定の感光基板（３）の表面の凹凸情報をその記憶手段（９）に記憶するものである。
【００１４】
斯かる本発明の投影露光装置によれば、感光基板（３）を投影光学系（１）の光軸（ＡＸ）方向の複数の位置に設定し、それらの複数の位置において、感光基板（３）上の複数の計測点（１３Ａ〜１３Ｅ）の光軸（ＡＸ）方向の位置を同時に計測し、その計測結果に基づいて感光基板（３）の表面の凹凸情報を得るため、その光軸方向の位置における感光基板（３）の正確な凹凸情報に基づいて、投影光学系（１）の結像特性を高精度に調整することができる。
【００１５】
この場合、その高さ調整ステージ（７）上に、表面の平面度が既知の基準部材（８）を設けることが好ましい。これにより、その基準部材（８）を用いて、焦点位置検出手段（４ａ，４ｂ）を正確にキャリブレーション（較正）することができ、その正確に較正された焦点位置検出系（４ａ，４ｂ）を使用して、感光基板（３）上の複数の計測点の光軸（ＡＸ）方向の位置を正確に計測できる。
【００１６】
また、その高さ調整ステージ（７）は、更にその感光基板（３）の傾斜角を調整することが好ましい。これにより感光基板（３）の表面を計測された像面に合わせ込むことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態の一例につき図１〜図１０を参照して説明する。本例は、レチクルのパターンを投影光学系を介してウエハ上の各ショット領域に一括露光するステッパー型の投影露光装置において投影光学系の結像特性を評価する場合に本発明を適用したものである。
【００１８】
図２は、本例で使用される投影露光装置の全体の概略構成の斜視図を示し、この図２において、光源、レチクル上の照度分布を均一化するフライアイレンズ、、レチクル上での照明範囲を制限する可変の視野絞り、及びコンデンサレンズ等を含む照明光学系ＬＡから射出された露光用の照明光ＩＬはレチクル２上に均一な照度分布で照射される。照明光ＩＬとしては、例えば超高圧水銀ランプの輝線であるｉ線やｇ線、ＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光等のエキシマレーザ光、あるいは、銅蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等が用いられる。レチクル２を通過した照明光ＩＬにより、フォトレジストが塗布されたウエハ３上の各ショット領域に投影光学系１を介して、回路パターンの像が転写露光される。以下、投影光学系１の光軸ＡＸに平行な方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面上の直交座標系をＸ軸及びＹ軸として説明する。
【００１９】
このとき、レチクル２は、光軸ＡＸに垂直な２次元平面上を微動できる不図示のレチクルステージ上に載置されている。本例のレチクル２上のパターン領域の両側に、レチクル２の位置合わせ用の十字状のレチクルアライメントマークＲＭＡ，ＲＭＢが形成されている。また、レチクル２上のパターン領域内の４隅及び光軸ＡＸの近傍に投影光学系１の結像特性を計測するための５個の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｅが形成されている。以下、これらの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｅをまとめて計測用パターンＩＰとして説明する。なお、図２においては、これらの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｅは、それぞれＸ方向又はＹ方向に長いスリット状のパターンが複数個配列された状態で示されているが、実際には図８に示すように、複数の菱形の基本マークから構成されている。詳しくは後述する。
【００２０】
一方、ウエハ３は、Ｚチルトステージ７上の不図示のウエハホルダに真空吸着され、Ｚチルトステージ７は、Ｚチルトステージ７の３隅の裏面側に固定された伸縮自在のフォーカス・レベリング機構６ａ〜６ｃを介して、Ｙステージ５Ｙ上をＸ方向に移動自在なＸステージ５Ｘ上に載置されている。フォーカス・レベリング機構６ａ〜６ｃは、装置全体を統轄制御する主制御系９により制御されており、通常の露光時には主制御系９の指令に基づいてパターンの像面がウエハ３の表面に一致するように、Ｚチルトステージ７の高さ及び傾斜角を調節する。また、Ｙステージ５Ｙは、ウエハベース１０上をＹ方向に移動自在に構成されている。このＹステージ５Ｙ及びＸステージ５ＸによりＸＹステージ５が構成され、ＸＹステージ５及びＺチルトステージ７等よりウエハステージが構成されている。ＸＹステージ５は主制御系９により制御されており、主制御系９は不図示の干渉計からのＸＹステージ５の位置情報に基づいてＸＹステージ５を制御してウエハ３を２次元的に位置決めし、所謂ステップ・アンド・リピート方式で露光を行う。なお、投影光学系１の結像特性の評価時には、未露光のウエハ３上にレチクル２上の計測用パターンＩＰの像が露光転写される。
【００２１】
更に、本例の投影露光装置の投影光学系１の側面部には、露光フィールドＩＡＲ内の複数の位置にスリット像を投影する送光光学系４ａ、及び送光光学系４ａから射出された検出光ＦＬのウエハ３からの反射光を受光してそれらのスリット像を再結像する受光光学系４ｂからなる斜入射方式の多点の焦点位置検出系（以下、「焦点位置検出系４ａ，４ｂ」という）が設置されている。送光光学系４ａは、ウエハステージの上方で投影光学系１のＹ軸にたいして反時計周りに４５°回転した下部側面側に配置され、送光光学系４ａと光軸ＡＸに関して対称に受光光学系４ｂが設置されている。この焦点位置検出系４ａ，４ｂにより、ウエハ３の表面の複数点でのＺ方向の位置（焦点位置）が精密に測定される。この場合、送光光学系４ａからは、ウエハ３上のフォトレジストを感光させない波長の検出光ＦＬがウエハ３上に照射され、その検出光ＦＬのウエハ３上からの反射光を受光光学系４ｂにより受光している。ウエハ３の所定の基準平面に対するＺ方向の変位はその反射光により再結像されたスリット像の位置ずれとして検出され、その位置ずれ量に対応する複数のフォーカス信号が主制御系９に供給される。主制御系９は、それらのフォーカス信号に基づいてウエハ３の表面が投影光学系１の結像面に合致するようにフォーカス・レベリング機構６ａ〜６ｃを駆動する。
【００２２】
なお、焦点位置検出系４ａ，４ｂの検出光ＦＬは、露光フィールドＩＡＲ内の複数の計測点の焦点位置を計測できるように、それらの複数の計測点に対応する複数のスリット像を投影する。図面上では検出光ＦＬとして、各スリット像を形成する光束の主光線を示している。そして、その露光フィールドＩＡＲ内の複数の計測点における焦点位置からウエハ３の傾斜成分が検出される。通常、後述のように、投影光学系１の結像面が零点基準となるように複数のフォーカス信号のオフセット調整が行われ、受光光学系４ｂからの各フォーカス信号が０になるようにオートフォーカス及びオートレベリングが行われる。
【００２３】
また、Ｚチルトステージ７の＋Ｘ，−Ｙ方向の角部には、その多点の焦点位置検出系４ａ，４ｂをキャリブレーション（較正）するための基準平面板８が設置されている。基準平面板８は高い平面度及び反射率を有し、その表面がウエハ３の表面と同じ高さになるように設置されている。基準平面板８の中心を露光フィールドＩＡＲの中心に合致させて、且つフォーカス・レベリング機構６ａ〜６ｃの伸縮量を所定の基準値に設定した状態でのこの基準平面板８の平面の状態は、所定の測定装置により測定され、その測定値は主制御系９に記憶されている。焦点位置検出系４ａ，４ｂのキャリブレーション時には、基準平面板８を投影光学系１の露光フィールドＩＡＲ（図３参照）に配置する。以下では説明の便宜上、基準平面板８の平面はほぼ完全な平面とみなせるものとして説明する。なお、基準平面板８の材料としては、表面の変形が少なく、耐熱性に優れ、反射率がある程度以上である材料（金属、ガラス基板等）であれば何れのものでもよい。
【００２４】
次に、本例における投影光学系１の像面湾曲及び像面傾斜の評価方法について、図１のフローチャートを参照して説明する。評価手順としては、先ず多点の焦点位置検出系４ａ，４ｂをキャリブレーション（較正）し、続いて較正された焦点位置検出系４ａ，４ｂを用いて投影光学系１の像面湾曲及び像面傾斜を測定する。
【００２５】
図１は、本例における投影光学系１の像面湾曲及び像面傾斜の評価方法を説明するためのフローチャートを示し、この図１に示すように、先ずステップ１０１において、図２のＸＹステージ５を駆動して、基準平面板８の中心を投影光学系１の露光フィールドＩＡＲの中心（光軸ＡＸ）に位置決めし、フォーカス・レベリング機構６ａ〜６ｃの伸縮量を所定の基準値に設定して、焦点位置検出系４ａ，４ｂの較正を行う。
【００２６】
図３は、焦点位置検出系４ａ，４ｂの較正方法を説明するための図を示し、図１の投影光学系１をＸ軸から時計周りに１３５°回転した位置から眺めた図である。この図３に示すように、ステップ１０２において、基準平面板８の露光フィールドＩＡＲ内の複数の計測点に検出光ＦＬによるスリット像が照射されている。図３では基準平面板８の表面の計測点ｆＡ  ，ｆＣ  ，ｆＥ  付近にそれぞれスリット像が照射されている。
【００２７】
焦点位置検出系４ａ，４ｂが較正されていない状態においては、それぞれの計測点のスリット像の基準面（フォーカス信号が０になる面）が異なっている。例えば図３において計測点ｆＡ  の基準面は平面ＨＡ  上にあり、計測点ｆＡ  に対応するフォーカス信号は基準平面板８の表面と平面ＨＡ  との高さ（Ｚ方向の位置）の差（以下、「Ｚ方向変位」という）ＺＡ  に対応する出力となる。同様に、計測点ｆＣ  ，ｆＥ  についても、それぞれの基準面ＨＣ  ，ＨＥ  と基準平面板８の表面とのＺ方向変位ＺＣ  ，ＺＥ  に対応するフォーカス信号が出力される。ここでは、そのフォーカス信号の出力値をそれらのＺ方向変位ＺＡ  ，ＺＣ  ，ＺＥ  でそのまま表示するものとする。このように、焦点位置検出系４ａ，４ｂが較正前の状態においては、各計測点でのフォーカス信号の出力値ＺＡ  ，ＺＣ  ，ＺＥ  はそれぞれ任意の値となっている。この出力値ＺＡ  ，ＺＣ  ，ＺＥ  は主制御系９に供給される。同様に他の計測点でのＺ方向変位（フォーカス信号）も主制御系９に供給される。
【００２８】
次に、ステップ１０３において、焦点位置検出系４ａ，４ｂからの各計測点に対応するフォーカス信号の出力値が揃うように、ハードウエア的又はソフトウエア的に調整する。即ち、焦点位置検出系４ａ，４ｂの各計測点に対応するフォーカス信号の出力値（例えば、ＺＡ  ，ＺＣ  ，ＺＥ  ）の間に、ＺＡ  ＝ＺＣ  ＝ＺＥ  ＝０の関係が成立するように調整することで、焦点位置検出系４ａ，４ｂが較正（原点較正）される。
【００２９】
図４は、較正後の焦点位置検出系４ａ，４ｂの各フォーカス信号の出力値の状態を示し、この図４において、焦点位置検出系４ａ，４ｂの計測点ｆＡ  ，ｆＣ  ，ｆＥ  及び他の計測点での基準面と、基準平面板８の表面とは高さが一致しており、この場合の受光光学系４ｂにおける各計測点に対応するフォーカス信号の出力値は同じになる。この場合、基準平面板８を破線で示したようにＺ方向に適当な間隔で上下にずらした際の各計測点に対応するフォーカス信号の出力変化から各計測点でのフォーカス信号のＺ方向変位に対する感度の計測及び調整を行うこともできる。以上で、焦点位置検出系４ａ，４ｂの較正が完了する。次に、較正後の焦点位置検出系４ａ，４ｂを用いて投影光学系１の結像面の位置を測定する。
【００３０】
図５は、焦点位置検出系４ａ，４ｂによる投影光学系１の結像面の測定方法を説明するための図を示し、図６は図５の一部の平面図を示す。この図６に示すように焦点位置検出系４ａ，４ｂによって露光フィールドＩＡＲ内の４隅及び中心部の５つの計測点Ａ〜Ｅでの焦点位置が検出される。図５においては、５つの計測点の内の３つの計測点Ａ，Ｃ，Ｅが示されている。この計測方法では、ウエハ３の各計測点でのＺ方向の位置（高さ）を焦点位置検出系４ａ，４ｂにより計測しながら、図２のフォーカス・レベリング機構６ａ〜６ｃを介してウエハ３の表面を焦点位置検出系４ａ，４ｂのフォーカス信号が０の基準面の近傍で少しずつずらすと共に横ずれさせて、Ｚ方向の複数の位置に設定し、ウエハ３のそれぞれの高さ位置において、レチクル２上の計測用パターンＩＰの像を投影光学系１の露光フィールドＩＡＲ内の各計測点付近に露光転写して、計測用パターンＩＰの像の状態を測定する。図５では、Ｚ方向の３箇所の位置（平均位置）Ｒ１〜Ｒ３にウエハ３が配置された状態を示している。また、図５及び図６において、それぞれの位置Ｒ１〜Ｒ３におけるウエハ３の表面Ｓの露光フィールドＩＡＲ内の領域を表面領域（ショット領域）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３として示す。表面領域Ｓ１〜Ｓ３は、ウエハ３上で露光フィールドＩＡＲと同じ大きさの領域を少しずつ横ずれさせた領域である。図５及び図６においては、表面領域Ｓ２が露光フィールドＩＡＲに重なった状態を示している。
【００３１】
先ずステップ１０４において、ウエハ３の例えば表面領域Ｓ１の中心が投影光学系１の露光フィールドＩＡＲの中心にくるようにＸＹステージ５を駆動する。次に、図５に示すように、ウエハ３の表面を投影光学系１の結像面付近の位置Ｒ１に設定し、図６の計測点Ａ〜Ｅに対応するウエハ３上の計測点１３Ａ〜１３Ｅ（図７参照）の基準面（焦点位置検出系４ａ，４ｂのフォーカス信号が０になる面）ＫＳからのＺ方向の変位量をそれぞれ計測する。例えば、図５に示すように、計測点１３Ａにおいては、Ｚ方向の変位量はＺＡ１である。他の計測点１３Ｂ〜１３Ｅについても同様に基準面ＫＳからのＺ方向の変位量を計測する。これらの変位量のデータは主制御系９に供給され、主制御系９で記憶される。この状態で、図２のレチクル２上の計測用パターンＩＰに照明光ＩＬを照射し、ウエハ３上の表面領域Ｓ１の計測点１３Ａ〜１３Ｅに計測用パターンＩＰの像を露光転写する。計測用パターンＩＰは、前述のように複数の評価用パターンから構成され、露光フィールドＩＡＲ内の計測点Ａ〜Ｅ上に各評価用パターンの像が投影されるように、レチクル２の位置が設定されている。
【００３２】
次に、ウエハ３をＺ方向に少しずつずらし、予め設定されたウエハ３のＺ方向の位置Ｒ２，Ｒ３においても上記と同様に各計測点Ａ〜Ｅでのウエハ３のＺ方向の変位量を計測し、計測用パターンＩＰの露光を行う。この場合、図６に示すように、ウエハ３の表面領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が重ならないように、ＸＹステージ５を駆動してウエハ３の位置をＸ，Ｙ方向に適当量ずらし、ウエハ３上に露光された計測用パターンＩＰの像が重ならないようにする。
【００３３】
以上の動作により、例えば図５に示すように、位置Ｒ２，Ｒ３における計測点Ａに対応するウエハ３上の計測点１４Ａ，１５ＡにおけるＺ方向の変位量ＺＡ２，ＺＡ３が計測され、他の計測点についても同様にＺ方向の変位量が計測される。これらの計測値は全て主制御系９に供給され、主制御系９に記憶される。また、ウエハ３上にはウエハ３のＺ方向の各位置Ｒ１〜Ｒ３においてレチクル２上の計測用パターンＩＰの像が露光される。図６では、ほぼ正方形の露光フィールドＩＡＲと合致している表面領域Ｓ２内の４隅及び中心部に投影された計測用パターンＩＰの像１２ＡＲ〜１２ＥＲを示す。なお、実際にはウエハ３のＺ方向の位置は必要な計測分解能を単位として、４箇所以上の多数の位置に設定されて、それぞれ露光が行われる。次に、ステップ１０５において、露光後のウエハ３を現像し、計測用パターンＩＰの像の状態を測定する。
【００３４】
図７は、ウエハ３上に露光された計測用パターンＩＰの像の状態を示し。この図７において、ウエハ３上の表面領域Ｓ２内及びその近傍にＺ方向の位置Ｒ１〜Ｒ３において露光された計測用パターンＩＰの像（以下、「露光像」という）が横ずれして形成されている。例えば露光フィールドＩＡＲ内の１つの計測点Ａに対応するＺ方向の３箇所の位置Ｒ１〜Ｒ３における計測点１３Ａ〜１５Ａに露光像ＩＰ１〜ＩＰ３が形成されている。その他の計測点Ｂ〜Ｅに対応するウエハ３上の計測点１３Ｂ〜１５Ｂ，１３Ｃ〜１５Ｃ，１３Ｄ〜１５Ｄ，１３Ｅ〜１５Ｅにもそれぞれ露光像ＩＰ１〜ＩＰ３が形成されている。なお、図６及び図７では、露光像はＸ方向又はＹ方向に長いスリット状のパターンの像が複数個配列された状態で示されているが、実際には図８に示すように、複数の菱形の基本マークから構成されている。
【００３５】
図８は、図７の露光像ＩＰ１の実際の構成を示し、この図８において、露光像ＩＰ１はＸ方向に所定のピッチで形成されたＹ方向に伸びた菱形の４個の基本マーク１７ａ〜１７ｄからなるＸ軸の評価用パターン１６Ｘと、Ｙ方向に所定のピッチで形成されたＸ方向に伸びた菱形の４個の基本マーク１７ｅ〜１７ｈからなるＹ軸の評価用パターン１６Ｙとから構成されている。他の計測点における露光像についても同様である。なお、この基本マークの形状及び数は菱形及び４個に限定されず、目的に応じて適当な形状及び数を設定すればよい。
【００３６】
次に、この菱形の基本マーク１７ａ〜１７ｈの状態から投影光学系１の像面湾曲及び像面傾斜等の結像特性を計測する。以下、基本マーク１７ａ〜１７ｈの状態から投影光学系１の結像特性を算出する一例について説明する。
例えば、ウエハ３上の計測点の焦点位置（Ｚ方向の位置）が投影光学系１の結像面の位置（以下、単に「像面位置」という）に近い程高い解像度が得られ、菱形の基本マーク１７ａ〜１７ｈの長軸方向の幅が長くなる。そこで、この菱形の基本マークの状態を適当な測長装置を使用して計測する。その測長装置として、例えばスリット状のレーザビームを走査して計測対象マークからの回折光を検出する投影露光装置に付属のアライメントセンサ等が使用できる。先ず、Ｘ軸の評価用パターン１６Ｘの４個の基本マーク１７ａ〜１７ｄのそれぞれのＹ方向の平均長さ（マーク長）を計測する。同様に、Ｙ軸の評価用パターン１６Ｙの４個の基本マーク１７ｅ〜１７ｈのＸ方向の平均長さ（マーク長）を計測する。これらの測定値は、仮に外部の測長装置で測定されたときには、オペレータにより不図示の入力装置を介して主制御系９に供給される。次に、ステップ１０６において、主制御系９は供給されたデータに基づいて以下のように投影光学系１の結像特性を算出する。なお、結像特性の算出は、別のホストコンピュータにより行ってもよい。
【００３７】
先ず、図７の計測点１３Ａで計測された露光像のＸ軸の基本マーク１７ａ〜１７ｄのマーク長をＬＸＡ１とする。同様に計測点１３Ａで計測された露光像のＹ軸の評価用パターン１６Ｙの４個の基本マーク１７ｅ〜１７ｈのマーク長をＬＹＡ１とする。更に計測点１３ＡにおけるＸ軸及びＹ軸のマーク長の平均値である平均マーク長ＬＡ１（＝（ＬＸＡ１＋ＬＹＡ１）／２）を算出する。図７の計測点１４Ａ，１５Ａについても同様にＸ軸及びＹ軸のそれぞれ４個の基本マークのマーク長、及び平均マーク長を算出する。ここで、計測点１４Ａ，１５ＡにおけるそれぞれのＸ軸のマーク長をＬＸＡ２，ＬＸＡ３とし、Ｙ軸のマーク長をそれぞれＬＹＡ２，ＬＹＡ３とする。また、計測点１４Ａ，１５Ａにおける平均マーク長をそれぞれＬＡ２，ＬＡ３とする。これら計測点１３Ａ〜１５Ａにおけるマーク長は、露光フィールドＩＡＲ内の計測点ＡをＺ方向の位置ＺＡ１〜ＺＡ３（基準面ＫＳからのずれ量）に設定したときの評価用マーク像のマーク長とみなすことができる。また、実際にはＺ方向のもっと多くの位置でマーク長が求められている。
【００３８】
図９は、計測点Ａにおけるウエハ３のＺ方向の位置とその位置における平均マーク長との関係を示し、この図９において、横軸は図６の計測点Ａでのウエハ３の表面の基準面ＫＳからのＺ方向の変位量ΔＺを表し、縦軸は平均マーク長Ｌを表す。この図９において、曲線１８は計測点Ａでのウエハ３のＺ方向の位置を変位量ＺＡ１，ＺＡ２，ＺＡ３の位置を含む多数の位置に設定したときの平均マーク長をプロットして、且つ曲線近似で補間したものであり、この曲線１８上で最大の平均マーク長ＬＭ  となる変位量ΔＺＡ  を求める。即ち、基準面ＫＳからΔＺＡ  だけ変位したＺ方向の位置が計測点Ａにおける投影光学系１の像面位置（ベストフォーカス位置）として検出される。同様に、図７の計測点１３Ｂ，１４Ｂ，１５Ｂ〜１３Ｅ，１４Ｅ，１５Ｅでの平均マーク長を計測してプロットすることによって、それぞれ他の計測点Ｂ〜Ｅにおける像面位置を検出する。ここで検出された各計測点Ｂ〜Ｅでの像面位置の変位量ΔＺをそれぞれΔＺＢ  〜ΔＺＥ  とする。
【００３９】
図１０は、上述の計算により求められた露光フィールドＩＡＲ内の計測点Ａ〜Ｅでの像面位置の変位量を示し、この図１０において、計測点Ａ〜Ｅにおける像面位置の変位量ΔＺＡ  〜ΔＺＥ  を基準面ＫＳ上のＺ方向に取った点２０Ａ〜２０Ｅを適当な補間法を用いて曲面近似することにより、投影光学系１の結像面１９が求められる。これにより投影光学系１の像面湾曲及び像面傾斜の状態が判明する。この結果に基づいて例えば、結像面１９で焦点位置検出系４ａ，４ｂのフォーカス信号が０になるように各フォーカス信号のオフセットを調整し、その状態でオートフォーカス及びオートレベリングを行うことによって、ウエハ３の表面が結像面１９に合わせ込まれる。その他に、例えば投影光学系１を構成する所定のレンズの傾斜角を制御する等の方法で、その結像面１９をできるだけ平面にするような調整を行ってもよい。
【００４０】
なお、本例では、投影光学系１の露光フィールドＩＡＲ内で５箇所の計測点Ａ〜Ｅを設定し、ウエハ３のＺ方向の多くの位置で露光及び計測を行ったが、この計測点の配置はそれに限定されず、投影光学系１の像面位置の測定精度に対応して、その計測点の数及びその配置を決定すればよい。また、本例では投影光学系１の結像特性として、像面湾曲及び像面傾斜を計測する例を示したが、例えば、各計測点Ａ〜Ｅに対応するウエハ３上の計測点に形成された露光像から次のように投影光学系１の非点収差を求めることもできる。
【００４１】
即ち、計測点Ａ上のＸ軸の評価用パターン１６Ｘのマーク長ＬＸＡ１〜ＬＸＡ３から、前述の図９で説明した方法に準じて投影光学系１の像面位置（ベストフォーカス位置）を算出する。他の計測点Ｂ〜Ｅについても同様にＸ軸の基本パターンについての像面位置を求める。ここで求められた各計測点Ａ〜Ｅ上の像面位置の基準面ＫＳからの変位量をΔＬＸＡ  〜ΔＬＸＥ  とする。同様に、計測点Ａ上のＹ軸の評価用パターン１６Ｙのマーク長ＬＹＡ１〜ＬＹＡ３から投影光学系１の像面位置を算出し、他の計測点Ｂ〜Ｅについても同様にＹ軸の基本パターンの像面位置を求める。求められた像面位置の変位量をそれぞれΔＬＹＡ  〜ΔＬＹＥ  とすれば、上述の変位量ΔＬＸＡ  〜ΔＬＸＥ  と変位量ΔＬＹＡ  〜ΔＬＹＥ  との差分により投影光学系１の非点収差を求めることができる。
【００４２】
以上、本例によればＺチルトステージ７上に設置された基準平面板８により、多点の焦点位置検出系４ａ，４ｂが較正されて、焦点位置検出系４ａ，４ｂの各フォーカス信号の基準面が一致する。そして、較正後の焦点位置検出系４ａ，４ｂを用いて、計測点Ａ〜Ｅでのウエハ３のＺ方向の位置を同時に計測し、それらの複数の計測点にレチクル２上の計測用パターンＩＰの像を露光する動作が、Ｚ方向の複数の位置で繰り返され、その露光像に基づいて投影光学系１の結像特性が算出される。従って、ウエハ３上の複数の計測点のＺ方向の位置を計測する動作と、それらの計測点上にレチクル２のパターンを露光する動作との間に、ＸＹステージ５を移動する必要がなく、ＸＹステージ５の走り案内面の精度に関係なく、投影光学系１の結像特性を高精度に検出できる。また、ウエハ上の複数の計測点での焦点位置を多点の焦点位置検出系４ａ，４ｂにより同時に計測すると共に、それらの計測点に対して計測用パターンの像の露光を同時に行うので、測定時間が大幅に短縮され、それに伴ってスループット（生産性）も大幅に向上する。
【００４３】
なお、本発明はステッパー型の投影露光装置に限らず、レチクルのパターンの一部を投影光学系を介してウエハ上に投射した状態で、レチクルとウエハとを同期走査してレチクルのパターンをウエハ上の各ショット領域に露光転写するステップ・アンド・スキャン等の走査露光型の投影露光装置にも同様に適用できる。このように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、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。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の投影光学系の結像特性評価方法によれば、感光基板上の複数の計測点の光軸方向の位置を同時に計測すると共に、評価用パターンの像の露光を同時に行う。従って、計測点の光軸方向の位置計測とその露光との間に、感光基板を移動する必要がないので、例えば感光基板（ウエハ等）を位置決めするためのステージの走り案内面の平面度の影響等により感光基板の移動に伴って発生する光軸方向の計測誤差が生じない。そのため、投影光学系の結像特性を高精度に評価できる利点がある。また、複数の計測点の測定を同時に行うと共に、それらの複数の計測点に対する評価用パターンの像の露光を同時に行うので、計測時間が短縮され、スループットが向上する利点もある。
【００４５】
また、本発明の投影露光装置によれば、その結像特性の評価方法が実施できる。即ち、光軸方向の位置における感光基板の正確な凹凸情報に基づいて、投影光学系の結像特性を計測できる利点がある。
また、高さ調整ステージ上に、表面の平面度が既知の基準部材を設ける場合には、この基準部材を使用して焦点位置検出手段を正確にキャリブレーションすることができ、その焦点位置検出手段を使用して、感光基板上の複数の計測点の光軸方向の位置を正確に検出できる利点がある。
【００４６】
また、高さ調整ステージが、更に感光基板の傾斜角を調整する場合には、感光基板の表面を計測された像面に正確に合わせ込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態の一例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の実施の形態で使用される投影露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図２の焦点位置検出系の較正方法を説明するための図である。
【図４】図３の較正方法により較正された焦点位置検出系の状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態において、ウエハ３の高さを変えて複数の計測点での焦点位置を計測する動作を示す説明図である。
【図６】図５の露光フィールドＩＡＲ内での計測点の配置を示す平面図である。
【図７】本発明による実施の形態において、ウエハ３上に露光された計測用パターンの像の配置を示す拡大平面図である。
【図８】図７の１つの計測点における計測用パターンの像の拡大平面図である。
【図９】図６の１つの計測点ＡにおけるＺ方向の変位量と投影される計測用パターンの像の平均マーク長との関係を示す図である。
【図１０】図９に示す方法に基づいて求められた投影光学系の結像面の状態を示す斜視図である。
【図１１】従来の投影光学系の結像面の位置の計測方法の説明図である。
【図１２】図１１の計測点を示す平面図である。
【符号の説明】
１  投影光学系
ＡＸ  光軸
２  レチクル
ＩＰ  計測用パターン
３  ウエハ
４ａ  送光光学系（焦点位置検出系）
４ｂ  受光光学系（焦点位置検出系）
５  ＸＹステージ
５Ｘ  Ｘステージ
５Ｙ  Ｙステージ
６ａ〜６ｃ  フォーカス・レベリング機構
７  Ｚチルトステージ
８  基準平面板
９  主制御系
ＩＡＲ  露光フィールド
Ａ〜Ｅ  計測点
１３Ａ〜１３Ｅ，１４Ａ〜１４Ｅ，１５Ａ〜１５Ｅ  計測点
ＩＰ１〜ＩＰ３  露光像
１６Ｘ  評価用パターン（Ｘ軸）
１６Ｙ  評価用パターン（Ｙ軸）
１７ａ〜１７ｈ  基本マーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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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