(57)【要約】    【課題】  経時的変化にかかわらず投影光学系のフォーカス位置を精度良く検出し、レチクル面上のパターンをウエハ面上に高精度に投影露光することができる投影露光方法及びそれを用いたデバイスの製造方法を得ること。    【解決手段】  原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に双方の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像より最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第２工程と、該原板上のパターンを該感光基板上に繰り返し投影露光する途中で、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むこと。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第２工程と、該原板上のパターンを該感光基板上に繰り返し投影露光する途中で、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むことを特徴とする投影露光方法。
【請求項２】
原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第２工程と、該第２工程とは異なる時刻において、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むことを特徴とする投影露光方法。
【請求項３】
前記第３工程では該第３工程で検出した前記ステージ基準マークの最適なフォーカス位置に基づいて前記第１工程で決定したフォーカス位置を補正していることを特徴とする請求項１又は２の投影露光方法。
【請求項４】
前記第２工程では前記ステージ上に設けたステージ基準マークを前記投影光学系を１回だけ通過させて所定面上に配置した受光素子面上に結像させ、該受光素子からの信号を用いて該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出していることを特徴とする請求項１，２又は３の投影露光方法。
【請求項５】
原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投影露光する投影露光装置において、該パターンを該感光基板上に双方の該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検出して求めた最適な基板フォーカス位置を該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して受光素子面上に形成し、該受光素子からの信号を用いて該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を所定の時間間隔で求めた複数のマークフォーカス位置に基づいて制御手段により補正していることを特徴とする投影露光装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか１項記載の投影露光方法を用いてデバイスを製造していることを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項７】
請求項５の投影露光装置を用いてデバイスを製造してい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、投影露光方法及びそれを用いたデバイスの製造方法に関し、特に半導体素子（デバイス）の製造の分野において、半導体ウエハー表面にレチクルの回路パターンを繰り返し縮小投影露光する際の自動ピント調整機能、所謂オートフォーカス機能を有するステッパーと呼ばれる投影露光装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子，ＬＩＳ素子，超ＬＳＩ素子等のパターンの微細化、高集積化の要求により、投影露光装置においては高い解像力を有した結像（投影）光学系が必要とされてきている。そしてそれに伴って結像光学系の高ＮＡ化が進んで、この結果結像光学系の焦点深度がより浅くなってきている。
【０００３】
又、ウエハには、平面加工技術の点から、ある程度の厚さのばらつきと曲りがある。通常ウエハの曲りの矯正については、サブミクロンのオーダで平面度を保証する様に加工されたウエハチャック上にウエハを載せ、ウエハの背面をバキューム吸着することにより平面矯正を行っている。しかしながら、ウエハ１枚の中での厚さのばらつきや吸着手法、更にはプロセスが進む事によってウエハが変形してくる。
【０００４】
この為、レチクルパターンが縮小投影露光される画面領域内でウエハが凹凸を持つ為、実効的な光学系の焦点深度は、さらに浅くなってくる。
【０００５】
従って投影露光装置に於いては、ウエハ面を焦点面に（投影光学系の像面）に合致させる為の有効な自動焦点合わせ方法が重要なテーマとなっている。
【０００６】
従来の投影露光装置のウエハ面位置検出方法としては、エアマイクロセンサを用いる方法や、投影露光光学系を介さずにウエハ面に斜め方向から光束を入射させその反射光の位置ずれ量を検出する方法（光学方式）そして投影光学系を通してそのピント面を検出する、いわゆる、スルーザレンズオートフォーカスシステム（ＴＴＬＡＦ）という方式等がある。
【０００７】
図９は特許文献１で開示されているオートフォーカス機能を有する投影露光装置の概略図である。図９において、１０７はレチクルであり、レチクルステージ１７０に保持されている。レチクル１０７上の回路パターンが縮小投影レンズ１０８によって、ｘｙｚステージ１１０上のウエハ１０９上に１／５に縮小されて結像し、露光が行われる。図９では、ウエハ１０９に隣接する位置に、ウエハ１０９の上面とミラー面がほぼ一致する基準平面ミラー１１７が配置されている。この基準平面ミラー１１７はフォーカスやアライメント等の為に用いられている。
【０００８】
又、ｘｙｚステージ１１０は投影レンズ１０８の光軸方向（ｚ）及びこの方向に直交する面内（ｘ、ｙ）で移動可能であり、もちろん光軸のまわりに回転させることも出来る。
【０００９】
レチクル１０７は、同図の要素１０１〜１０６で示される照明光学系によって、回路パターンの転写が行われる画面領域内を照明されている。
【００１０】
露光用の光源である水銀ランプ１０１の発光部は楕円ミラー１０２の第一焦点に位置しており、水銀ランプ１０１より発光した光は、楕円ミラー１０２の第二焦点位置に集光している。楕円ミラー１０２の第二焦点位置にその光入射面を位置付けたオプティカルインテグレーター１０３が置かれており、オプティカルインテグレーター１０３の光出射面は２次光源を形成する。この２次光源をなすオプティカルインテグレーター１０３より発する光は、コンデンサーレンズ１０４を介し、ミラー１０５により光軸（光路）が９０°を折り曲げられる。
【００１１】
尚、１５５は露光波長の光を選択的にとり出す為のフィルターで、１５６は露光の制御を行う為のシャッターである。このミラー１０５により反射された露光光は、フィールドレンズ１０６を介し、レチクル１０７上の、回路パターンの転写が行われる画面領域内を照明している。ミラー１０５は露光光を例えば５〜１０％という様に部分的に透過する構成となっている。ミラー１０５を通過した光はレンズ１５２、露光波長を透過し光電検出に余分な光をカットするフィルター１５１を介して、光源１０１からの光量のゆらぎ等をモニターする為の光検出器１５０に到達する。
【００１２】
同図において要素１１１〜１１２は、公知のオフアクシスのオートフォーカス光学系を形成している。１１１は投光光学系であり、投光光学系１１１より発せられた非露光光である光束は、縮小投影レンズ１０８の光軸と交わる。基準平面ミラー１１７上の点（あるいはウエハ１０９の上面）に集光し反射されるものとする。この基準平面ミラー１１７で反射された光束は、検出光学系１１２に入射する。
【００１３】
図示は略したが、検出光学系１１２内には位置検出用受光素子が配されており、位置検出用受光素子と基準平面ミラー１１７上の光束の反射点は、共役となる様配置されており、基準平面ミラー１１７の縮小投影レンズ１０８の光軸方向の位置ズレは、検出光学系１１２内の位置検出用受光素子上での入射光束の位置ズレとして計測される。
【００１４】
この検出光学系１１２により計測された基準平面ミラー１１７の所定の基準面よりの位置ズレは、オートフォーカス制御系１１９に伝達される。オートフォーカス制御系１１９は、基準平面ミラー１１７が固設されたｘｙｚステージ１１０を駆動する処の駆動系１２０にｚ方向への移動の指令を与える。又、ＴＴＬでフォーカス位置を検知する時、オートフォーカス制御系１１９は基準ミラー１１７を所定の基準位置の近傍で投影レンズ１０８の光軸方向（ｚ方向）に上下に駆動を行うものとする。また、露光の際のウエハ１０９の位置制御（図７の基準平面ミラー１１７の位置にウエハ１０９が配置される）もオートフォーカス制御系１１９により行われる。
【００１５】
縮小投影レンズ１０８のピント位置検出光学系について説明する。
【００１６】
図１０，図１１において１０７はレチクル、１２１はレチクル１０７上に形成されたパターン部で遮光性をもつものとする。又、１２２はパターン部１２１に挟まれた遮光部である。ここで、縮小投影レンズ１０８のピント位置（像面位置）の検出を行う時は、ｘｙｚステージ１１０は縮小投影レンズ１０８の光軸方向に移動する。
【００１７】
基準平面ミラー１１７は縮小投影レンズ１０８の光軸上に位置しており、レチクル１０７は、図７の照明光学系１０１〜１０６により照明されているものとする。
【００１８】
始めに、基準平面ミラー１１７が縮小投影レンズ１０８のピント面にある場合について図１０を用いて説明する。レチクル１０７上の透過部１２２を通った露光光は、縮小投影レンズ１０８を介して、基準平面ミラー１１７上に集光し反射される。反射された露光光は、往路と同一の光路をたどり、縮小投影レンズ１０８を介しレチクル１０７に集光し、レチクル１０７上のパターン部１２１間の透光部１２２を通過する。この時、露光光は、レチクル１０７上のパターン部１２１にケラレることなく、全部の光束がパターン部１２１の透過部を通過する。
【００１９】
次に、基準平面ミラー１１７が縮小投影レンズ１０８のピント面よりズレた位置にある場合について図１１を用いて説明する。レチクル１０７上のパターン部１２１の透過部を通った露光光は、縮小投影レンズ１０８を介し、基準平面ミラー１１７上に達するが、基準平面ミラー１１７は、縮小投影レンズ１０８のピント面にないので、露光光は、広がった光束として基準平面ミラー１１７で反射される。
【００２０】
即ち、反射された露光光は往路と異なる光路をたどり、縮小投影レンズ１０８を通り、レチクル１０７上に集光することなく、基準平面ミラー１１７の縮小投影レンズ１０８のピント面からのズレ量に対応した広がりをもった光束となってレチクル１０７上に達する。この時露光光はレチクル１０７上のパターン部１２１によって一部の光束がケラレを生じ全部の光束が透光部１２２を通過することはできない。即ちピント面に合致した時とそうでない時にはレチクルを通しての反射光量に差が生じるのである。
【００２１】
図１０，図１１において説明した、基準平面ミラー１１７で反射された露光光の光束がレチクル７を通過した後の光路を、図９を用いて説明する。
【００２２】
レチクル１０７を透過した露光光は、フィールドレンズ１０６を通りミラー１０５に達する。ミラー１０５は前述の様に露光光に対して５〜１０％程度の透過率をもっているので、ミラー１０５に達した露光光の一部はミラー１０５を通過し、結像レンズ１１３を介し視野絞り１１４の面上に集光する。この時、レチクル１０７のパターンの存在する面と視野絞り１１４とは、フィールドレンズ１０６と結像レンズ１１３を介し、共役な位置にある。
【００２３】
視野絞り１１４の開口部を通過した露光光は、集光レンズ１１５によって受光素子１１６に入光する。
【００２４】
受光素子１１６の前面には、必要な場合は露光光のみを選択的に透過するフィルター１５１を配置するものとし、入射した露光光の光量に応じた電気信号を出力する。
【００２５】
以下に、この受光素子１１６の信号出力を用いて、縮小投影レンズ１０８のピント位置（像面位置）を検出する方法について説明する。
【００２６】
駆動系１２０により基準平面ミラー１１７の載ったｘｙｚステージ１１０を縮小投影レンズ１０８の光軸方向に、オフアクシスオートフォーカス検出系１１２で予め設定される計測の零点を中心に駆動させるものとする。
【００２７】
この時、各位置でのオートフォーカス検出系１１２が計測する基準平面ミラー１１７の光軸方向の位置信号（オートフォーカス計測値ｚ）と、基準平面ミラー１１７で反射された露光光を受光素子１１６で受光し、電気信号に変換することにより焦点面（像面）検出系１１８から得られる出力の関係は、図１２に示す様になる。この時、検出系１１８の信号は光源１０１のゆらぎの影響を除く為、ミラー１０５を通過した光源１０１からの光を光源光量モニター光学系（１５２，１５１）を介して光検出器１５０で検出して、基準光量検出系１５３で光源光量モニター信号を発生させる。そしてこのモニター信号によって焦点面検出系１１８の信号を規格化することによって補正している。
【００２８】
基準平面ミラー１１７が縮小投影レンズ１０８のピント面に位置した場合に焦点面検出系１１８の出力はピーク値を示す。この時のオートフォーカス計測値ｚ０ をもってして、縮小投影レンズ１０８を用いて、ウエハ１０９に露光を行う際の縮小投影レンズ１０８のピント位置とする（又は計測値ｚ０ に基づいて予め設定しておいたピント位置を補正する。）。
【００２９】
この様にして決まった縮小投影レンズ１０８のピント位置にオフアクシスオートフォーカス検出系１１０，１１２，１１９の基準位置を設定する。実際のウエハの焼付最良位置はこの基準位置からウエハの塗布厚や段差量等の値を考慮した分だけオフセットを与えた値となる。例えば多層レジストプロセスを用いてウエハを露光する場合には多層の一番上の部分だけを焼けば良いのでウエハのレジスト表面と基準位置はほぼ一致する。
【００３０】
一方、単層レジストで露光光が基板に十分到達する様な場合、ウエハのピントはレジスト表面ではなく基板面に合致するので、この場合レジスト表面と基準位置の間に１μｍ以上のオフセットが存在する事も稀ではない。こうしたオフセット量はプロセス固有のもので投影露光装置とは別のオフセットとして与えられるものである。装置自体としては上述の１方法で縮小投影レンズ１０８自体のピント位置を正確に求められれば充分であり、上記オフセット量は、必要な場合にのみオートフォーカス制御系１１９や駆動系１２０に対して投影露光装置の不図示のシステムコントローラを介して予め入力してやれば良い。
【００３１】
このピント位置ｚ０ の検出は、焦点面検出系１１８の出力のピークをもって決定してもよいが、その他にも色々な手法が考えられる。例えばより検出の敏感度を上げるために、ピーク出力に対してある割合のスライスレベルＳＬを設定し、このスライスレベルＳＬの出力を示す時のオートフォーカス計測値ｚ１ ，ｚ２  を知ることによりピント位置を
【００３２】
【数１】
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【００３３】
として決定しても良いし、又、ピーク位置を微分法を使って求める等の手法も考えられる。
【００３４】
図９に示すＴＴＬのオートフォーカスシステムの長所は、投影露光光学系の周囲の温度変化、大気圧変化、露光光線による投影光学系の温度上昇と、それに伴って生じるピントの経時変化を常時計測し補正をかけらるという点である。
【特許文献１】特開平１−２８６４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３５】
図９に示すＴＴＬのオートフォーカスシステムは前述したような長所があるが、投影光学系の持つ収差、厳密には縦収差（球面収差、像面弯曲、軸上色収差等）の影響を受けて図１２に示した焦点面検出曲線が歪みやすくなる。特にステップアンドリピートによりウエハ面の露光が進むにつれて投影レンズには熱負荷が累積し、このとき投影レンズのフォーカスは次第にウエハ面からずれていく。更に露光が進行するとピントのずれだけではなく、投影レンズに発生する熱収差の影響で、前述のような検出曲線の変形は益々顕著になり、ついには焦点面の検出が不可能となる場合がある。
【００３６】
図１３はその場合の検出曲線の１例である。つまり、前述の図１２ではスライス中心が求まったが、図１３では曲線が歪んでそのピークが２つあらわれている。その為にスライスＳＬとの交点が３つ（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）発生し、ピント面の検出エラーとなってしまう。
【００３７】
以上述べてきたように、特に露光時において、投影レンズを通してＴＴＬでレンズの焦点検出を行おうとすると、投影レンズのもつ残存収差や熱収差の影響を受けてしまい、その結果オートフォーカス精度が劣化したり、検出不能となる場合があった。
【００３８】
特に、露光が進行するとレチクルとウエハの共役関係がくずれていくが、その主な原因に投影レンズの熱による特性変化（ピントずれや熱収差の発生）やウエハ周辺部の変動がある。
【００３９】
一般に縮小露光方式の場合には、ウエハ側に比べてレチクル側での露光エネルギー密度は投影レンズの縮小率の自乗に比例して小さい。しかも同じ量だけ位置変形しても、レチクル側での変形はウエハ側での変形に比べて、ウエハ面のフォーカスへの効き率も縮小率の自乗に比例して小さい。例えば、１／５ｘの縮小率の場合、レチクルパターン面のフォーカス変動はウエハ面のそれに比べて１／２５ｘ以下である。
【００４０】
従って、レチクルのフォーカス状態、或いはレチクルとウエハとの合焦状態を常時検知しなくても、例えば投影レンズが冷却状態にあるときに一度だけレチクルパターン面とウエハ面との合焦状態を知っていれば、その後の経時変化ないしは露光中のフォーカス変化は、投影レンズを通してウエハ面のフォーカス状態だけ検出し、それを最適位置に維持しておけば良い。また以上のようなフォーカス思想はなにもウエハ露光時に限らず、投影レンズが冷却状態にあるときのピントの経時変化を補正する場合にも適用できる。
【００４１】
本発明はこれらのことを考慮して、環境変化が生じたときや繰り返し露光を行うことによって投影光学系の特性が変化して投影光学系のフォーカス位置が変動しても、被露光面を投影光学系のピント面に常に高精度に位置させることができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光方法及びそれを用いたデバイスの製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４２】
本発明の投影露光方法は、
（１−１）原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第２工程と、該原板上のパターンを該感光基板上に繰り返し投影露光する途中で、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むことを特徴としている。
【００４３】
（１−２）原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投影露光する際に、該パターンと該感光基板との該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検出して最適なフォーカス位置を決定する第１工程と、該第１工程と略同時刻において該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して所定面上に形成して該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第２工程と、該第２工程とは異なる時刻において、該第２工程と同様にして該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出する第３工程とを含むことを特徴としている。
【００４４】
特に構成要件（１−１）又は（１−２）において、
（Ａ１）前記第３工程では該第３工程で検出した前記ステージ基準マークの最適なフォーカス位置に基づいて前記第１工程で決定したフォーカス位置を補正していること、
（Ａ２）前記第２工程では前記ステージ上に設けたステージ基準マークを前記投影光学系を１回だけ通過させて所定面上に配置した受光素子面上に結像させ、該受光素子からの信号を用いて該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を検出していること等を特徴としている。
【００４５】
本発明の投影露光装置は、
（２−１）原板上のパターンを投影光学系を介して可動のステージ上に載置した感光基板上に繰り返して投影露光する投影露光装置において、該パターンを該感光基板上に双方の該投影光学系の光軸方向の相対的位置を種々と変化させて投影露光し、該感光基板に形成したパターン像の結像状態を検出して求めた最適な基板フォーカス位置を該ステージ上に設けたステージ基準マークを該投影光学系を介して受光素子面上に形成し、該受光素子からの信号を用いて該ステージ基準マークの最適なフォーカス位置を所定の時間間隔で求めた複数のマークフォーカス位置に基づいて制御手段により補正していることを特徴としている。
【００４６】
本発明のデバイスの製造方法は、構成要件（１−１）又は（１−２）の投影露光方法、又は構成要件（２−１）の投影露光装置を用いてデバイスを製造していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００４７】
本発明によれば、環境変化が生じたときや繰り返し露光を行うことによって投影光学系の特性が変化して投影光学系のフォーカス位置が変動しても、被露光面を投影光学系のピント面に常に高精度に位置させることができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
【実施例１】
【００４９】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。
本実施形態は逐次露光方式（ステッパー）において、ウエハステージ上の基準平面ミラーを用いたＴＴＬＡＦ方式の概略構成を示している。
【００５０】
同図において、６はレチクルであり、レチクルステージ７に保持されている。レチクル６上の回路パターンが投影レンズ（露光レンズ）９によって、ｘｙｚステージ（ウエハステージ）１１上のウエハ１２上に１／５又は１／１０に縮小されて結像し、露光が行われる。図では、ウエハ１２に隣接する位置に、ウエハ１２の上面とミラー面がほぼ一致する基準平面ミラー１３が配置されている。基準平面ミラー１３には図３に示すようなステージ基準マーク（フォーカス検出用マーク）１３ａが設けられている。
【００５１】
又、ｘｙｚステージ１１は投影レンズ９の光軸方向（ｚ）及びこの方向に直交する面内（ｘ、ｙ）で移動可能であり、もちろん光軸のまわりに回転させることも出来る。
【００５２】
レチクル６は、同図の要素１〜５で示される照明光学系によって、回路パターンの転写が行われる画面領域内が照明されている。
【００５３】
露光用の光源である水銀ランプ１の発光部は楕円ミラー２の第一焦点に位置しており、水銀ランプ１より発光した光は、楕円ミラー２の第二焦点位置に集光している。楕円ミラー２の第二焦点位置にその光入射面を位置付けたオプティカルインテグレーター（ハエの目レンズ）３が置かれており、オプティカルインテグレーター３の光出射面は２次光源を形成する。この２次光源をなすオプティカルインテグレーター３より発する光で照明用レンズ４とフィールドレンズ５を介してレチクル６を照明している。
【００５４】
同図において要素１０，１３，１４は図９で述べたのと同様なオフアクシスのオートフォーカス光学系を形成している。１０は投光光学系（オートフォーカス入射系）であり、投光光学系１０より発せられた非露光光である光束は、基準平面ミラー１３上の点（あるいはウエハ１２の上面）に集光し反射される。この基準平面ミラー１３で反射された光束は、検出光学系（オートフォーカス受光系）１４に入射する。
【００５５】
図示は略したが、検出光学系１４内には位置検出用受光素子が配されており、位置検出用受光素子と基準平面ミラー１３上の光束の反射点は、共役となる様配置されており、基準平面ミラー１３の縮小投影レンズ９の光軸方向の位置ズレは、検出光学系１４内の位置検出用受光素子上での入射光束の位置ズレとして計測される。
【００５６】
この検出光学系１４により計測された基準平面ミラー１３の所定の基準面よりの位置ズレは、オートフォーカス制御系３２に伝達される。オートフォーカス制御系３２は、基準平面ミラー１３が固設されたｘｙｚステージ１１を駆動する処の駆動系３３にｚ方向への移動の指令を与える。又、後述する検出光学系２７によりＴＴＬでフォーカス位置を検知する時、オートフォーカス制御系３２は基準平面ミラー１３を所定の基準位置の近傍で投影レンズ９の光軸方向（ｚ方向）に上下に駆動を行う。また、露光の際のウエハ１２の位置制御（図１の基準平面ミラー１３の位置にウエハ１２が配置される）もオートフォーカス制御系３２により行っている。
【００５７】
次に本実施形態において、ウエハ１２面のフォーカス状態を検知して、その信号に基づいてウエハステージ１１を駆動させて投影レンズ９のピント位置を検出する為の構成要件について説明する。
【００５８】
２７はＴＴＬＡＦの検出光学系であり、後述する各要素２３，２４，２６，４０，４１を有している。ファイバー４０から出射した照明光束はハーフミラー４１を通過し、対物レンズ２４とミラー２３を介してレチクル６近傍に集光する。レチクル６上には図２に示すように、実素子領域外の位置ＲＷに所定の大きさの透光部（窓抜き部）８が設けられている。
【００５９】
照明光束はこの窓抜き部８を通過した後に投影レンズ９を介して基準平面ミラー１３上に集光している。基準平面ミラー１３面上には図３に示すようなステージ基準マーク（フォーカス検知用マーク）１３ａが設けられている。そして基準平面ミラー１３からの反射光は元の光路を戻り、順に投影レンズ９、窓抜き部８、ミラー２３、対物レンズ２４を介し、ハーフミラー４１で反射して位置センサー２６に入射している。
【００６０】
この基準平面ミラー１３はウエハ１２と同じウエハステージ１１上に配置されていて、ウエハ１２とは概一致したフォーカス面上に固定されている。そしてウエハ面１２ａとステージ基準マーク１３ａ面の各々のフォーカス位置、ないしは両面間のフォーカスオフセット量はオートフォーカス検出系３２によって管理されている。これにより以降の手順にしたがって基準平面ミラー１３に対してフォーカシングして、所定のオフセット量を与えるだけで自動的に実ウエハ上のフォーカシングを行っている。
【００６１】
図３に示すように基準平面ミラー１３上のステージ基準マーク１３ａは所定の線幅の縦横方向のラインアンドスペースより成っている。基準平面ミラー１３上のステージ基準マーク１３ａから発した光束は往路を戻り（復路）、対物レンズ２４まで到達する。対物レンズ２４を通過した光束はハーフミラー４１を今度は反射し、位置センサー２６のセンサー面２６ａ上に結像する。この位置センサー２６は一次元アレーセンサーであっても、ＣＣＤに代表される二次元センサーであっても良い。ステージ基準マーク１３ａ（図３）と対応して、一方向パターンだけ（縦線又は横線）のフォーカス検出でよければ一次元アレーセンサーで十分であるし、二方向パターン（縦線と横線同時）のフォーカス検出が必要ならば二次元アレーセンサーを用いる。
【００６２】
最適フォーカス面を求める為に基準平面ミラー面１３を露光レンズ９の光軸方向に振っている。そのとき位置センサー２６上ではこれと対応して、ステージ基準マーク１３ａ（図３）のフォーカス状態が変化した情報が得られる。
【００６３】
本実施形態では、どの種のフォーカス情報を信号として利用するかは特に限定していない。例えばステージ基準マーク像の光強度コントラストがベストピント位置では最も高く、デフォーカス位置ではこれが低下することを利用しても良い。或いはステージ基準マーク像の光プロファイルの微分値（傾斜角に対応）を評価量としても良い。これらの信号処理は画像信号解析回路４７で行っている。以上の説明で明らかなように、図１に示す投影露光装置において、往路は照明光路であり、フォーカスに関する情報は復路の片道だけの光路で得ている。
【００６４】
本実施形態におけるＴＴＬオートフォーカス方法では、最初にレチクル６上のパターンを実際にウエハ１２上に露光転写することによって、投影レンズ９の最良結像面に対してウエハ面をフォーカスする第１の工程と、これと略同じ第１の時刻にＴＴＬのフォーカス検出光学系２７によってウエハ面ないしはこれと等価面の最良結像位置を検出する第２工程と、ウエハ露光中、或いは前記第１の時刻と異なる第２の時刻に、該ウエハ面ないしは前記等価面の最適フォーカス位置を該検出光学系２７によって検出する第３の工程とを有し、第３工程によって求めた該最適フォーカス位置の検出結果に基づいて該レチクル面と該ウエハ面とを常に最適なフォーカス状態に補正し得る手段とを利用している。
【００６５】
次に本実施形態のＴＴＬオートフォーカス方法の具体的な動作について説明する。
【００６６】
図４は本発明の最も特徴とするオートフォーカス検出のシーケンスを示すフローチャートである。
【００６７】
図４においては、まずレチクルパターン面６ａに検出光学系２７のフォーカスを粗調整する。この目的はあくまで計測レンジが大きくずれない為のものである。即ち、元々レチクル面６ａとウエハ面１２ａとは事前に概ねフォーカシングされているので、レチクル面６ａとセンサー面１２ａとが極端にずれていると、結果的にセンサー面２６ａとウエハ面１２ａとが大きくずれてしまい、信号のピーク位置を見失ってしまうことになる。この工程は本発明にとって必須ではない。ちなみに、もし計測レンジが大幅にずれて計測不能になった場合には、駆動手段４８を用いて対物レンズ２４のフォーカシングを行う。その必要性を判断するのはコントローラ４６の作用の一つであり、画像信号解析回路４７の出力を得て、駆動手段４８に指令を下している。
【００６８】
次いで、レチクル６とウエハ１２の焼きによるフォーカス原点合わせを行う。具体的にはウエハ面６ａのフォーカスを変えながらレチクルパターン（例えば解像力チャートや実素子パターン）をウエハ１２上の複数位置に焼き付けていく。そして、このウエハ１２を一旦現像し、ＳＥＭ等の手段で焼き付け像を測定し、最適フォーカス面を決定する。
【００６９】
一方、これと略同じ時刻（装置のフォーカス状態が変化しない十分短い時間以内を意味する）に、前述の検出光学系２７を用い、ステージ基準マーク１３ａを送り込んでそのフォーカスを変えながら、フォーカス計測を繰り返す。そして位置センサー２６で得られる信号を用いて最適フォーカス面を自動決定する。
【００７０】
最適のフォーカス面が求まったら、その情報を装置にフォーカスオフセットとして入力する。このオフセット入力は、実際の最適露光ピントとオートフォーカス検出系３２が捉える最適ピント面との原点ずれ量を補正することを意味する。このような原点だしを各プロセス毎に最初に行い、プロセスオフセットとしてファイルしておく。
【００７１】
一旦、実プロセスウエハの露光が始まったら、実ウエハの間に定期的にステージ基準マーク１３ａを送り込んで、そのフォーカスを変えながら、先と同様に検出光学系２７でそのフォーカス計測を繰り返す。そして最適フォーカス面を自動決定し、初期に求めたフォーカス原点とのオフセット変化量を算出する。その値だけウエハステージ１１をＺ方向に駆動してウエハ面１２ａを投影レンズ９の最適フォーカス面にもっていく。露光中は定期的に、又は所定のタイミングで、以上のシーケンスを実行する。
【００７２】
以上の説明では露光中のフォーカス管理を例にとりあげたが、本実施形態ではこれだけに限らず、例えば日々の定期チェック等で経時変化を補正する場合にも同様に適用できる。
【００７３】
尚、以上の構成では、ファイバー４０から発した照明光束が基準平面ミラー１３上に集光する場合としたが、これは必ずしも集光する必要性はない。最低、ステージ基準マーク１３ａの全域を十分に照明しさえすればよい。またステージ基準マーク１３ａを基準平面ミラー１３上に設けたが、これを実ウエハ上に設けてもよい。
【００７４】
このように本実施形態では投影光学系９のピント面にウエハ１２が位置したときのウエハステージ１１上の基準平面ミラー１３の位置（投影光学系９の光軸方向の位置）を基準平面ミラー１３に設けたステージ基準マーク１３ａの像を投影光学系９を介して検出光学系２７の位置センサー２６に結像させ、このときの位置センサー２６で得られる信号を投影光学系９のピント位置としている。又、このときオフアクシスオートフォーカス検出系１０，１４，３２で得られる信号を基準信号、即ちピントが合ったときの信号としている。
【００７５】
そして繰り返し露光するときにはウエハ１２面の光軸方向の位置を検出方法が容易なオフアクシスオートフォーカス検出系１０，１４，３２を用いて検出し、該検出結果に基づいて駆動系３３によりウエハステージ１１を光軸方向に駆動させてピント合わせを行っている。尚、検出光学系２７によるピント（フォーカス）位置の検出は予め定めた時間毎に行っている。
【００７６】
図５は本発明の実施形態２の要部概略図である。
【００７７】
図１の実施形態１では検出光学系２７がレチクル６の上方に配置され、レチクル６の窓抜き部８を通して、ウエハ面１２ａのフォーカスを検知していた。これに対して、本実施形態ではレチクル６を介せずに露光レンズ９だけを通して基準平面ミラー１３のステージ基準マーク１３ａのフォーカス状態を検知しており、この点が実施形態１と異なっているだけであり、その他の構成は同じである。
【００７８】
図５に示すように本実施形態では、ファイバー４０から発した照明光束はハーフミラー４１を透過し、対物レンズ２４の作用で一旦集光する。この光束は更に進んでミラー２３によって露光レンズ９に入射し、これを通過した後、基準平面ミラー１３上に到達し、ステージ基準マーク１３ａを照明する。それ以降、ステージ基準マーク１３ａからの反射光のフォーカスを検出する構成やシーケンス等は実施形態１と基本的に同じである。
【００７９】
本実施形態において、検出光学系２７でのフォーカス検出用の光の波長は露光光のそれと同じである必要はない。ＨｅＮｅレーザー（波長６３３ｎｍ）や赤外域にある半導体レーザー等の光源を用いても良い。そして、このとき実プロセスウエハ上のスクライブ線か、或いは専用領域にオートフォーカス用のマークを設けて、このマークに対してフォーカシングすれば、レジストを感光することなく、ウエハ毎、又は１ショット毎の実素子ＴＴＬオートフォーカス系を構成することができる。
【００８０】
又本実施形態によればレチクルに窓抜き部８さえも不要となり、既製のレチクル（オートフォーカス検出用マークや窓抜き部がないもの）に対しても本方式を用いることができ、高精度の合焦状態が得られる。
【００８１】
図６は本発明の実施形態３の要部概略図である。
【００８２】
図１の実施形態１や図５の実施形態２では検出光学系２７からのフォーカス検出用の照明光を投影レンズ９を介して基準平面ミラー１３に入射させていた、そして該基準平面ミラー１３の検出用マーク１３ａからの反射光を投影レンズ９を介して検出光学系２７で検出していた。これに対して本実施形態では、基準平面ミラー１３のステージ基準マーク１３ａをウエハ側に設けた照明系（４０，５１，５２）からの光束で照明し、ステージ基準マーク１３ａを通過し投影レンズ９を介した光束を利用している点が先の実施形態１，２と異なっており、その他の構成は同じである。
【００８３】
本実施形態ではファイバー４０から発した照明光束は集光レンズ５１の作用でミラー１３を介した後、基準平面ミラー１３上のステージ基準マーク１３ａを裏面側から照明する。このステージ基準マーク１３ａは例えばガラス基板上に遮光性のクロムパターンを形成した部材であって、これを透過した光束は投影レンズ９を通過後、レチクルパターン面６ａ近傍に一旦結像する。そしてレチクル６を透過して、既述した検出光学系２７に入射する。検出光学系２７内では前記光束が位置センサー２６上に再結像する。そしてウエハステージ１１を投影レンズ９の光軸方向に振ることによって、その最適フォーカス面を検出している。
【００８４】
この場合、最適フォーカス状態（ステージ基準マーク１３ａ面とレチクルパターン６ａ面とが合焦した状態）において、検出光は必ずしも位置センサー２６上に結像する必要は無い。つまりフォーカス検出光はステージ基準マーク面１３ａとレチクルパターン面６ａにおいて結像しさえすれば位置センサー面２６ａではデフォーカスしていても本発明の効果は十分に得られる。但し、この場合には、画像解析回路４７から得られる出力のピーク（最適フォーカス状態）はずれる。このずれ量は初期オフセットとして覚えていさえすれば、その後のフォーカス補正にはなんら問題はない。
【００８５】
又、本実施形態では検出光学系２７をレチクル６の上部に配置したが、これに限らず、実施形態２のようにレチクル６を透過せずに検出しても良い。
【００８６】
図７は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或いは液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローを示す。
【００８７】
ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【００８８】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【００８９】
次のステップ５（組立）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。
【００９０】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【００９１】
図８は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【００９２】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【００９３】
ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングがすんで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。      
【００９４】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【００９５】
以上のように、本実施形態によれば環境変化が生じたときや繰り返し露光を行うことによって投影光学系の特性が変化して投影光学系のフォーカス位置が変動しても、被露光面を投影光学系のピント面に常に高精度に位置させることができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光方法及びそれを用いたデバイスの製造方法を達成することができる。
【００９６】
特に、本実施形態によれば、
（Ｂ１）投影レンズを通してウエハ面のフォーカス検知を直に行うので、経時的な投影レンズのフォーカス変動や露光によって発生する投影レンズのフォーカスシフトに対し、高い合焦精度が得られる。
【００９７】
（Ｂ２）初期の原点出しのときだけパターンを焼き付けてフォーカスを確認しさえすれば、その後は焼き付ける必要がないのでスループットが向上する。
【００９８】
（Ｂ３）レチクル上にフォーカス検知用の特別なマークを必要としない。実プロセスのレチクル上に１ｍｍ以内のガラス透過部分さえあれば、そこを通して基準マーク、ないしはウエハ上マークからの信号を拾うことは十分可能である。従って、既製のレチクル（オートフォーカス用マークや窓抜き部無し。）に対しても本方式を用いることができ、高精度の合焦状態が約束される。
【００９９】
（Ｂ４）常にレチクルパターンをウエハ上に最適フォーカス状態で露光転写できるので、半導体の不良率が低減し、大幅な生産性の向上を期待できる。
等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】図１のレチクルの説明図
【図３】図２のステージ基準マークの説明図
【図４】本発明の実施形態１の動作のフローチャート
【図５】本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】本発明の実施形態３の要部概略図
【図７】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図８】本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図９】従来の投影露光装置の要部概略図
【図１０】図９の一部分の拡大説明図
【図１１】図９の一部分の拡大説明図
【図１２】オートフォーカス信号波形の説明図
【図１３】オートフォーカス信号波形の説明図
【符号の説明】
【０１０１】
６    レチクル（原板）
７    レチクルステージ
８    窓抜き部
９    撮影光学系
１０    投光光学系
１１    ウエハステージ
１２    ウエハ（感光基板）
１３    基準平面ミラー
１３ａ  ステージ基準マーク
１４    検出光学系
２７    検出光学系
３２    オートフォーカス検出系
３３    駆動系
【図１】
2004247767.tif 000004
【図２】
2004247767.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004247767.tif 000007
【図５】
2004247767.tif 000008
【図６】
2004247767.tif 000009
【図７】
2004247767.tif 000010
【図８】
2004247767.tif 000011
【図９】
2004247767.tif 000012
【図１０】
2004247767.tif 000013
【図１１】
2004247767.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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