(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイと、
前記光変調素子アレイによる露光エリアを、被描画体に対し主走査方向に沿って相対移動させる走査部と、
前記露光エリアの相対位置に応じたパターンデータに基づいて、前記複数の光変調素子を制御する露光制御部と、
前記光変調素子アレイからのパターン光を、前記被描画体の被描画面に結像させる結像光学系と、
前記被描画面に沿って少なくとも１つのスリットを形成した遮光部と、
前記スリットを透過する光を受光する測光部と、
前記測光部の出力に基づいて、合焦状態を検出する合焦検出部とを備え、
前記露光制御部が、前記遮光部を前記露光エリアが相対移動する間、ライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターン光を投影させ、
前記合焦検出部が、Ｌ／Ｓパターン光の投影によって検出される波形状光量の振幅と、合焦範囲にあるときの基準振幅とに基づいて、前記被描画面が合焦範囲にあるか否かを検出することを特徴とする露光装置。
【請求項２】
前記合焦検出部が、光量振幅と基準振幅との比である振幅比に基づいて、合焦範囲にあるか否かを判断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】
前記合焦検出部が、前記振幅比と前記結像光学系の焦点位置との対応関係に基づいて、合焦範囲にあるか否かを判断することを特徴とする請求項２に記載の露光装置。
【請求項４】
前記合焦検出部が、Ｌ／Ｓパターン光の平均光量と、Ｌ／Ｓパターン光が投影されていないときのベース光量とに基づいて、基準振幅を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の露光装置。
【請求項５】
前記遮光部が、平均光量測定用の開口部を有し、
前記測光部が、前記平均光量測定用開口部を通るＬ／Ｓパターン光を受光する平均光量用受光部を有することを特徴とする請求項４に記載の露光装置。
【請求項６】
前記合焦範囲が、感光材料の感度特性、要求されるパターン精度の少なくともいずれか一つに基づいて定められることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の露光装置。
【請求項７】
合焦範囲から外れる場合、合焦範囲から外れていることを報知する報知部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の露光装置。
【請求項８】
前記遮光部を前記露光エリアが相対移動する間、露光位置検出用のＬ／Ｓパターン光を投影させることによって前記測光部から出力される光量に基づいて、露光位置を検出する露光位置検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の露光装置。
【請求項９】
バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターン光を、被描画体の被描画面に沿って形成されたスリットに対して順に通過させたときに受光する測光部と、
前記測光部の出力に基づいて検出される波形状光量の振幅と、合焦範囲に応じた基準振幅とに基づいて、前記被描画面が合焦範囲にあるか否かを検出する合焦検出部と
を備えたことを特徴とする露光装置の焦点検出装置。
【請求項１０】
バー状パターンを複数並べたパターン列の光であるライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターン光を、被描画体の被描画面に沿って形成されたスリットに対して順に通過させ、
前記スリットを順に通過する前記Ｌ／Ｓパターン光を測光部において受光し、
前記測光部の出力に基づいて検出される波形状光量の振幅と、合焦範囲に応じた基準振幅とに基づいて、前記被描画面が合焦範囲にあるか否かを検出することを特徴とする露光装置の焦点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光変調素子アレイなどを用いてパターンを形成する露光装置に関し、特に、焦点検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
マスクレス露光装置では、基板が搭載されるステージを走査方向に沿って移動させながら、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの光変調素子アレイによってパターン光を基板に投影する。そこでは、ステージに載せられた基板上における投影エリア（露光エリア）の位置に応じてパターン光を投影するように、２次元状に配列された光変調素子（マイクロミラーなど）を制御する。
【０００３】
感光材料を塗布あるいは貼り付けた基板上面にパターン光の焦点位置を合わせるため、露光前に焦点調整が行われる。例えば、焦点調整時において、フォーカスレンズを光軸方向に移動させながら、投影光学系の解像限界に近い周期によるライン＆スペースパターン（Ｌ／Ｓパターン）の光を、ＤＭＤによって投影する。投影光学系の下方にはＣＣＤカメラが設けられており、ＣＣＤカメラがパターン光を受光すると、画像処理によってＬ／Ｓパターンのコントラスト関連値を算出する。そして、ピーク検出位置を合焦位置と定め、基板位置を調整する（特許文献１参照）。
【０００４】
露光装置の光学系の焦点位置は経時変化する場合がある。そのため、一度焦点調整を行っても、焦点位置が合焦位置から外れる恐れがある。特に、近年では、パターンの微細化に伴って焦点深度が浅くなる傾向にあるため、合焦位置から外れやすい。そこで、観察用カメラによって、ダミー基板上に投影されたビームを観察し、コントラストが最大となるフォーカシングレンズの位置を設定するとともに、その位置での基板と光学系との距離（基準距離）を経時変化に合わせて調整するキャリブレーション動作を行う（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４６１６５号公報
【特許文献２】特開２０１３−７７６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
露光装置のステージ機構、あるいは投影光学系の配置構造などに何らかの支障（変化）が生じると、露光面の位置が合焦（ピント）範囲から外れてしまう。特に、パターンが微細になるほど焦点深度が浅くなるため、露光装置を長期間使用すると、ピントずれが生じる可能性が高くなる。
【０００７】
そのため、露光の開始前などのタイミングで、基板の位置が合焦範囲にあることを確認することが望ましい。例えば、試験用の基板にパターンを形成して目視し、あるいはカメラで撮像してパターン精度を確認することが可能である。
【０００８】
しかしながら、光源出力の変動によって光量変化が生じると、パターン像の見え方は変わる。そのため、単に合焦状態から外れていないか確認する作業においても、基板の光軸（ｚ軸）方向の移動あるいは光学系の駆動など、焦点調整と同様の作業を行う必要がある。これは、合焦確認に長い作業時間を伴うことになり、基板製造のスループット向上を妨げる。
【０００９】
したがって、露光装置において、簡易かつ精度よく合焦状態を検出あるいはモニタリングできることが求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の露光装置は、複数の光変調素子をマトリクス状に配列した光変調素子アレイと、光変調素子アレイによる露光エリアを、被描画体に対し主走査方向に沿って相対移動させる走査部と、露光エリアの相対位置に応じたパターンデータに基づいて、複数の光変調素子を制御する露光制御部と、光変調素子アレイからのパターン光を、被描画体の描画面に結像させる結像光学系と、描画面に沿って少なくとも１つのスリットを形成した遮光部とスリットを透過する光を受光する測光部と、測光部の出力に基づいて、合焦状態を検出する合焦検出部とを備える。
【００１１】
本発明の露光制御部は、遮光部を露光エリアが相対移動する間、ライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターン光を投影させる。Ｌ／Ｓパターン光が相対移動しながらスリットを通過することによって、波形状光量が測光部の出力に基づいて検出される。ここで、「波形状光量」とは、走査方向に沿った光量変化が周期的で波形状になっている空間的な光量分布を表す。測光部の出力は時系列的に周期性をもった波形出力（時系列的波形状光量という）となるが、時系列的波形状光量と光量変化の特性が相応する空間的な光量分布が得られる。
【００１２】
そして合焦検出部は、Ｌ／Ｓパターン光の投影によって検出される波形状光量の振幅（つまり光量変位の幅）と、合焦範囲にあるときの基準振幅とに基づいて、被描画面が合焦範囲にあるか否かを検出する。ここで、「合焦範囲にあるときの基準振幅」とは、焦点深度を踏まえて合焦と判断される状態で検出される波形状光量の振幅を表す。振幅に基づいた合焦判断検出により、基板や光学系を駆動させることなく、合焦状態を確認することができる。また、コントラストではなく、基準振幅に対する振幅の変化を見ることで、より簡易な演算処理で合焦判断することができる。
【００１３】
例えば合焦検出部は、光量振幅と基準振幅との比である振幅比に基づいて、合焦範囲にあるか否かを判断する。振幅比という容易な演算処理によって、合焦判断することが可能となる。特に、合焦状態と非合焦状態において波形状光量の中心光量（平均光量）が等しい場合、合焦検出部は、Ｌ／Ｓパターン光の平均光量と、Ｌ／Ｓパターン光が投影されていないときのベース光量とに基づいて、基準振幅を算出することができる。波形状光量振幅については、最大光量と最小光量（Peak to Peak）を検出すればよい。
【００１４】
合焦検出部は、あらかじめ光学系や基板を駆動する焦点調整時において、各焦点位置の振幅比を計測し、焦点検出用データとしてメモリに保存することができる。この場合、データに定められる合焦範囲に基づき、合焦検出部が、合焦範囲にあるか否かを判断することが可能である。合焦範囲は、感光材料の感度特性、要求されるパターン精度の少なくともいずれか一つに基づいて定めればよい。
【００１５】
平均光量を算出する場合、専用の開口部および受光部を設けてもよい。例えば、遮光部は、平均光量測定用開口部を有し、測光部は、平均光量測定用開口部を通るＬ／Ｓパターン光を受光する平均光量用受光部を有する。
【００１６】
オペレータに合焦範囲でないことを迅速に知らせることを考慮すると、合焦範囲から外れる場合、合焦範囲から外れていることを報知する報知部を設けるのがよい。
【００１７】
露光装置は、遮光部を露光エリアが相対移動する間、露光位置検出用のＬ／Ｓパターン光を投影させることによって測光部から出力される光量に基づいて、露光位置を検出する露光位置検出部を設けることが可能である。この場合、露光位置検出と焦点検出の両方を同じ機構によって行うことが可能となる。
【００１８】
本発明の他の態様における露光装置の焦点検出装置は、ライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターン光を受光する測光部と、Ｌ／Ｓパターン光の投影によって検出される波形状光量の振幅と、合焦範囲に応じた基準振幅とに基づいて、被描画面が合焦範囲にあるか否かを検出する合焦検出部とを備える。また、本発明の他の態様における露光装置の焦点検出方法は、ライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターン光を受光し、Ｌ／Ｓパターン光の投影によって検出される波形状光量の振幅と、合焦範囲に応じた基準振幅とに基づいて、被描画面が合焦範囲にあるか否かを検出する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、露光装置において、簡易かつ精度よく合焦状態を検出あるいは確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態である露光装置のブロック図である。
【図２】遮光部と、焦点調整および焦点検出用のパターン列を示した図である。
【図３】フォトセンサと遮光部の配置を示した概略的側面図である。
【図４】１つのスリットを１つのバー状パターンの光が通過したときの空間的光量分布および時系列的光量分布を示したグラフを示した図である。
【図５】１つのスリットを１つのバー状パターンの光が通過したときの空間的光量分布を示したグラフを示した図である。
【図６】バー状パターン列に応じた空間的光量分布を示した図である。
【図７】異なる振幅比をもつ空間的光量分布のグラフを示した図である。
【図８】焦点移動量と振幅比との相関関係を表すグラフを示した図である。
【図９】合焦状態モニタリング処理のフローを示した図である。
【図１０】解像性能を維持した場合の光量分布と解像性能が低下した場合の光量分布とを示した図である。
【図１１】解像力と振幅比との関係を表すグラフを示した図である。
【図１２】基準となる振幅をもつ空間的光量分布を示した図である。
【図１３】解像性能のモニタリング処理のフローを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
図１は、第１の実施形態である露光装置のブロック図である。
【００２３】
露光装置１０は、フォトレジストなどの感光材料を塗布、あるいは貼り付けた基板Ｗへ光を照射することによってパターンを形成するマスクレス露光装置であり、基板Ｗを搭載するステージ１２が走査方向に沿って移動可能に設置されている。ステージ駆動機構１５は、主走査方向Ｘ、副走査方向Ｙに沿ってステージ１２を移動させることができる。
【００２４】
露光装置１０は、パターン光を投影する複数の露光ヘッドを備えており（ここでは１つの露光ヘッド１８のみ図示）、露光ヘッド１８は、ＤＭＤ２２、照明光学系（図示せず）、結像光学系２３を備える。光源２０は、例えば放電ランプ（図示せず）によって構成され、光源駆動部２１によって駆動される。
【００２５】
ベクタデータなどで構成されるＣＡＤ／ＣＡＭデータが露光装置１０へ入力されると、ベクタデータがラスタ変換回路２６に送られ、ベクタデータがラスタデータに変換される。生成されたラスタデータは、バッファメモリ（図示せず）に一時的に格納された後、ＤＭＤ駆動回路２４へ送られる。
【００２６】
ＤＭＤ２２は、微小マイクロミラーを２次元配列させた光変調素子アレイ（光変調器）であり、各マイクロミラーは、姿勢を変化させることによって光の反射方向を選択的に切り替える。ＤＭＤ駆動回路２４によって各ミラーが姿勢制御されることにより、パターンに応じた光が、結像光学系２３を介して基板Ｗの表面に投影（結像）される。これによって、パターン像が基板Ｗに形成される。
【００２７】
ステージ駆動機構１５は、コントローラ３０からの制御信号に従い、ステージ１２を移動させる。ステージ駆動機構１５には不図示のリニアエンコーダが備わっており、ステージ１２の位置を測定し、コントローラ３０にフィードバックする。コントローラ３０は、露光装置１０の動作を制御し、ステージ駆動機構１５、ＤＭＤ駆動回路２４へ制御信号を出力する。また、図示しないモニタへメニュー画面などを表示するための表示制御処理を実行する。露光動作に関するプログラムは、あらかじめメモリ３２に格納されている。
【００２８】
光検出部２８は、ステージ１２の端部付近に設置されており、フォトセンサＰＤ、およびパルス信号発生部２９を備えている。光検出部２８の上方には、部分的に光を通す遮光部４０が設けられている。光検出部２８は、焦点調整およびアライメント調整時に使用される。演算部２７は、光検出部２８から送られてくる信号に基づき、合焦状態をモニタリングするためのパラメータとなる光量振幅比を算出する。また演算部２７は、露光位置、すなわち露光ヘッドに対する基板Ｗ（ステージ１２）の位置を算出可能である。
【００２９】
結像光学系２３と遮光部４０との間の光路上に設けられた焦点調整用プリズム２５は、２つの楔型プリズムを互いに斜面で接するように対向配置させた光学系であり、プリズム駆動部３３は、光軸方向厚さが変化するように２つのプリズムを互いに相対移動させる。結像光学系２３の焦点位置は、プリズム２５を駆動することにより、基板鉛直方向（ｚ軸方向）に沿って移動する。
【００３０】
露光動作中、ステージ１２は、走査方向Ｘに沿って一定速度で移動する。ＤＭＤ２２全体による投影エリア（以下、露光エリアという）は、基板Ｗの移動に伴って基板Ｗ上を相対的に移動する。露光動作は所定の露光ピッチに従って行なわれ、露光ピッチに合わせてマイクロミラーがパターン光を投影するように制御される。
【００３１】
ＤＭＤ２２の各マイクロミラーの制御タイミングを露光エリアの相対位置に従って調整することにより、露光エリアの位置に描くべきパターンの光が順次投影される。そして、露光ヘッド１８を含めた複数の露光ヘッドにより基板Ｗ全体を描画することによって、基板Ｗ全体にパターンが形成される。
【００３２】
なお、露光方式としては、一定速度で移動する連続移動方式だけでなく、間欠的に移動するステップ＆リピートも可能である。また、マイクロミラーの像を部分的に重ねて露光する多重露光（オーバーラップ露光）も可能である。
【００３３】
基板の種類変更などを行った場合、露光前に焦点調整用プリズム２５を用いて焦点調整が行われる。具体的には、基板Ｗやフォトレジストの厚みの変更に応じて焦点調整量を計算し、焦点調整量に応じて焦点調整用プリズム２５を駆動し、結像光学系２３の焦点位置を基板Ｗの描画面と一致させる。
【００３４】
焦点調整が行われると、各基板に対する露光動作の開始前、あるいは露光作業時間が所定時間経過する度に、合焦状態が維持されているか否かを検出／モニタリングする。具体的には、ステージ１２を一定速度で移動させながら、焦点検出用のパターン光を投影する。コントローラ３０は、光検出部２８からの出力信号に基づいて、合焦状態にあるか否かを判断する。
【００３５】
また、パターンを正確な位置に形成するため、露光開始位置に関する補正処理が露光動作開始前に行われる。具体的には、ステージ１２を一定速度で移動させながら、位置検出用のパターンの光を投影する。ここでの位置検出用パターン光は、焦点検出用パターン光とは別のパターン列である。コントローラ３０は、演算部２７から送られてくる位置情報に基づき、露光開始位置を補正する。
【００３６】
以下、図２〜６を用いて、合焦状態の検出、モニタリングについて説明する。
【００３７】
図２は、遮光部と、焦点調整および焦点検出用のパターン列を示した図である。図３は、フォトセンサと遮光部の配置を示した概略的側面図である。
【００３８】
遮光部４０は、フォトセンサＰＤの光源側上方に配置されており、スリットエリアＳＴが主走査方向Ｘに沿って形成されている。ここでは、主走査方向Ｘに垂直、すなわち副走査方向Ｙに平行な６つのバー状スリットＳＴ１〜ＳＴ６が、スリットピッチＳＰで等間隔に形成されている。遮光部４０のサイズは、フォトセンサＰＤ全体のサイズよりも大きく、遮光部４０の真下に配置されたフォトセンサＰＤは、スリットＳＴを通った光のみ受光する。
【００３９】
図３に示すように、光強度／光量を検知するフォトセンサＰＤは支持機構６０によって保持されており、支持機構６０は、ステージ１２に取り付けられている。支持機構５０は、フォトセンサの受光面ＰＳと基板Ｗの描画面に平行な遮光部４０の両端を支持し、支持機構６０によって保持されている。
【００４０】
焦点調整および合焦状態を検出するとき、ステージ１２の移動に伴って露光エリアが遮光部４０を通過する。このとき、図２に示すパターン列ＰＴの光を遮光部４０に向けて投影させる。パターン列ＰＴは、いわゆるライン＆スペース（Ｌ／Ｓ）パターンであって、主走査方向Ｘに垂直、すなわち副走査方向Ｙに平行なバー状パターンを複数並べたパターン列である。ここでは、パターンピッチＰＰで等間隔に並ぶ４つのバー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４によって構成される。ここでは、パターン列ＰＴのライン幅Ｋとライン間スペースの幅が等しい。すなわちパターンピッチＰＰが、ライン幅Ｋの２倍となる。
【００４１】
バー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４の各パターン幅Ｋは、遮光部４０に形成されたスリットＳＴ１〜ＳＴ６各々のスリット幅Ｚよりも広い。また、パターンピッチＰＰも、スリット幅Ｚよりも広い。したがって、１つのバー状パターンが所定速度で１つのスリットを完全に通過した後、次のバー状パターンがスリット通過を開始する。また、バー状パターンＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４の各パターン幅Ｋは、結像光学系２３の解像性能の上限に近い幅に定められている。例えば、パターン列ＰＴのパターン幅Ｋは、２つの隣接する２つのマイクロミラーの像（２セル）の幅に定められる。
【００４２】
図２に示すように、パターン列ＰＴの主走査方向Ｘに沿った全体幅ＰＷは、スリットピッチＳＰよりも小さい。このため、パターン列ＰＴの最後尾バー状パターンＰＬ４が１つのスリットを一定速度で通過終了すると、先頭のバー状パターンＰＬ１が次のスリット通過を開始する。
【００４３】
パターン列ＰＴの光が遮光部４０を一定速度で通過するとき、バー状パターンＰＬ１がスリットＳＴ６を透過したときにフォトセンサＰＤから出力される信号（以下、光量信号という）は、時系列的に連続変化する。これは、上述したように、スリット幅Ｚがバー状パターンＰＬ１のパターン幅Ｋよりも短いことに起因する。したがって、他のバー状パターンＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４が順次スリットＳＬ６を通過するときも時系列的に連続変化する。
【００４４】
図４、図５は、１つのスリットを１つのバー状パターンの光が通過したときの空間的光量分布および時系列的光量分布を、合焦状態、ピント外れの状態に分けて示したグラフである。ただし、ここでの「空間的光量分布」は、Ｘ方向に沿った光量の変化の様子を表しており、Ｙ方向に沿った光量は含まれない。
【００４５】
結像光学系２３の解像限界に近いバー状パターンＰＬ１の主走査方向Ｘに沿った光強度分布／光量分布は、略ガウス分布になっており、ピーク値を中心にして光量が前後に減少していく。その結果、フォトセンサＰＤによって検出される光量の時系列的分布（以下、光量信号分布という）ＡＬも略ガウス分布となり、時系列的な光量信号分布ＡＬと空間的な光量分布ＧＤが、互いに相似的な相関関係をもつ（図４参照）。ただし、ここでの光量信号分布ＡＬは、スリット幅Ｚに従って検出される光量信号値をステージ１２の移動に対して連続的にプロットした軌跡を表す。
【００４６】
光量信号分布ＡＬと光量分布ＧＤとが相似的関係をもつには、スリット幅Ｚがバー状パターン幅Ｋよりも短ければよく、十分短くすることによって光量信号分布ＡＬの山形形状が光量分布ＧＤの山形形状に一層近くなる。ここでは、スリット幅Ｚが、バー状パターン幅Ｋに対して０．１〜０．５倍に定められる。このような比率となるように、バー状パターンＰＬ１の光を投影するマイクロミラーの領域設定あるいはスリット幅Ｚの調整いずれかを調整し、あるいは両方を行う。
【００４７】
一方、図５には、ピントが外れている状態における空間的光量分布を示している。この場合でも、光量分布は、徐々に増加しながら光量ピークＰ’を経て徐々に減少する分布形状になっているが、光量ピークＰ’は合焦状態の光量ピークＰと比べて小さい。これは、焦点位置が遮光部４０の表面、すなわち基板Ｗの表面と一致していないため、光量分布の範囲が拡大し、中心付近の光強度が低下するためである。
【００４８】
図６は、バー状パターン列ＰＴに応じた空間的光量分布を示した図である。
【００４９】
図６では、４つのバー状パターンＰＴ１〜ＰＴ４のスリット通過後の空間的光量分布を連ねた光量分布を表している。ただし、この分布は、各バー状パターンの位置に合わせてスリットを形成した場合に得られる光量分布であり、実際には、各バー状パターン通過に合わせて順番に空間的光量分布が得られる。
【００５０】
このように表された一連の光量分布は、周期的な波形（なみがた）によって表されており、中心からの振幅Ｓをもつ。ピント位置において得られる振幅Ｓは、ピントが外れているときの振幅Ｓ’よりも大きい。しかしながら、上述したように、パターン列ＰＴのライン／スペースの幅が同じ（＝Ｋ）であることから、ピント位置とピントから外れた位置両方とも、波形の中心が一致する。したがって、空間的光量分布の振幅の大きさが、ピント位置、すなわち合焦位置にあるか否かを表すバロメータとなる。
【００５１】
図７は、異なる振幅比をもつ空間的光量分布のグラフを示した図である。
【００５２】
図７に示すように、合焦状態にある場合と合焦状態から外れている場合では、波形の振幅に差が生じる。また、焦点深度の範囲に応じて、合焦状態の中でも異なる振幅が得られる。一方、上述したように、振幅が異なっても波形中心位置Ｃは実質的に変化しない。これは、光量ピーク付近（波形の山部分）の光量減少分が生じると同時に、光量ボトム付近（波形の他に部分）に相補的な光量増加部分が生じるためである。
【００５３】
したがって、合焦状態における振幅を基準として設定し、基準となる振幅と、検出される空間的光量分布の振幅とを比較することによって、焦点位置の変動を伴う焦点調整作業を行わなくても、合焦状態にあるか否かをモニタリングすることができる。例えば、基準振幅と検出される振幅との比を求め、合焦状態、すなわち焦点深度の範囲に収まる振幅比を定めることで、合焦状態をモニタリングすることができる。
【００５４】
ところで、図４に示したように、空間的光量分布と時系列的光量分布は相似関係にあることから、ステージ１２を移動させながら位置検出用のパターン列ＰＴの光を遮光部４０に投影することにより、図７と同様の時系列光量分布を得ることができる。また、フォトセンサＰＤによって検出される時系列的光量分布の振幅の大きさが、空間的光量分布の振幅の大きさに対応していることから、時系列的光量分布の振幅比は、空間的光量分布の振幅比に相当する。したがって、時系列的光量分布における振幅比に基づいて、合焦状態を判断することが可能となる。
【００５５】
位置検出用のパターン列ＰＴの光量が一定であるとき、空間的光量分布の中心位置Ｃは合焦状態、非合焦状態にかかわらず一定であることから、中心位置と最小もしくは最大光量を検出することによって振幅Ａを算出することが可能である。中心位置Ｃは、例えば、空間的光量分布のピーク光量（最大光量）とボトム光量（最小光量）とから算出することができる。
【００５６】
あるいは、中心位置Ｃがパターン列ＰＴの１周期（１つのラインと１つのスペースのペア）の平均光量に等しいから、中心位置Ｃを、フォトセンサなどの測光部を設けて光量を測定し、測定されたパターン列ＰＴの光量の平均値を求めてもよい。ここでは、各スリットを透過した光によって得られる時系列的光量値を周期に合わせて積分あるいは平均化することによって、中心位置Ｃを求める。
【００５７】
一方、結像光学系２３の焦点位置が基板Ｗの表面と一致するときの振幅（基準振幅）Ｂについては、パターンを投影していないとき検出される光量信号レベル（ベース光量）を検出することにより、中心位置Ｃと検出された光量信号レベルとの間の振幅Ｂを、基準振幅として得ることができる。
【００５８】
なお、平均光量算出のため測光部を設ける場合、上記遮光部やフォトセンサとは異なる独立した測光部を設けてもよく、あるいは、上記遮光部および／またはフォトセンサによって測光部を兼用する構成してもよい。その場合、遮光部に上述したスリットとは異なる位置に開口部を別途設け、開口部を通過した光の光量を測定するようにするとよい。開口部としては、少なくともパターン列ＰＴのライン幅Ｋより広く、好ましくはパターン列ＰＴ全体の幅ＰＷよりも広い幅の透光部分をもつ開口部をもうければよい。また、光量を測定するためのフォトセンサを別途配置してもよく、あるいは、上述したフォトセンサによって測光してもよい。
【００５９】
図８は、焦点移動量と振幅比との相関関係を表すグラフを示した図である。
【００６０】
図８では、焦点位置を変えながら検出される光量分布に基づいて算出した振幅比をプロットしたグラフを示している。振幅比Ａ／Ｂが大きいほど、すなわち検出される振幅Ａが最大振幅Ｂに近いほど合焦位置に近く、焦点位置が結像光学系２３の焦点深度が離れていくにつれて、振幅比Ａ／Ｂが小さくなっていく。
【００６１】
そこで、出荷時などにおいて、あらかじめ焦点移動可能な全範囲における振幅比を算出し、振幅比とその時の結像光学系２３の焦点位置とを対応付けたデータ（マスタデータ）を、メモリ３２に記憶する。具体的には、ステージ１２を一定速度で移動させながら、焦点調整用パターンの光を投影する。そして、焦点調整用プリズム２５を駆動して焦点位置を移動可能な距離範囲で変えながら、これを繰り返し行う。
【００６２】
コントローラ３０は、光検出部２８から出力される信号に基づき振幅比を算出し、マスタデータを作成する。また、基板Ｗの合焦位置ＦＰがメモリ３２に記憶される。そして、合焦位置ＦＰを中心とした合焦範囲ＡＲが定められる。
【００６３】
合焦位置ＦＰは、振幅比が最も大きい合焦範囲ＡＲ０からオフセットした位置に定められる。これは、遮光部４０の位置と基板Ｗの描画面の位置は、基板Ｗの厚さＴ（図１参照）だけ差があり、また、遮光部４０の光入射面が基板Ｗの搭載面（ステージ表面）より僅かに低い位置に設置されていることに起因する。合焦範囲ＡＲの幅（上限、下限）は、結像光学系２３の焦点深度とともに、基板Ｗの厚さＴ、基板Ｗの表面に形成された感光材料の種類、要求されるパターンオーダーなどに基づいて定められる。
【００６４】
図９は、合焦状態モニタリング処理のフローを示した図である。ここでは、使用される基板Ｗなどに合わせて算出される焦点位置に焦点調整用プリズム２５が調整された後、各基板の露光動作開始前、あるいは所定時間経過する度に処理が行われる。
【００６５】
コントローラ３０は、ステージ１２を移動させながら、バー状パターン列ＰＴを遮光部４０に向けて照射するように、ＤＭＤ駆動回路２４を制御する（Ｓ１０１）。そして、フォトセンサＰＤから出力される光量信号に基づいて、振幅比Ｍが算出されると（Ｓ１０２）、メモリ３２に記憶されたマスタデータの中から振幅比Ｍに応じた焦点位置が、合焦範囲Ｒに含まれるか否かが判断される（Ｓ１０３）。なお、振幅比の演算については、コントローラ３０で実行してもよい。
【００６６】
検出される振幅比Ｍに応じた焦点位置が合焦範囲Ｒから外れる場合、コントローラ３０は、モニタへ警告表示するための表示制御処理を実行する（Ｓ１０４）。これによって、ユーザは、焦点位置が合焦範囲Ｒから外れていることを認識することができる。なお、警告表示以外のブザー音発生など、他の報知手段によってオペレータに知らせることも可能である。
【００６７】
このように第１の実施形態によれば、ステージ１２を移動させながら、バー状パターンＰＬ１〜ＰＬ４から構成されるパターン列ＰＴを、スリットＳＴ１〜ＳＴ６の形成された遮光部４０に投影することにより、フォトセンサＰＤから光量信号が出力される。そして、光量信号から求められる振幅比Ｍに基づき、合焦状態が維持されているか否かを判断する。
【００６８】
画素サイズなどによって分解能が制限されるＣＣＤを使用せず、焦点検出用のパターン光を基板Ｗに対して走査させることによって結像光学系２３の合焦あるいはピンボケを判断しているため、合焦状態を精度よく検出することができる。さらに、メモリに記憶されたマスタデータに対して定められる合焦範囲Ｒは、振幅比の変化率は単調減少していることから、ピンボケが生じた場合、焦点位置が合焦範囲Ｒから外れている方向を確実に検出することができる。一方、光検出部２８は露光位置検出と兼用して使用されるため、焦点検出のため専用ＣＣＤを設置する必要がなく、コストを抑えることができる。
【００６９】
また、複数のスリットをパターン光が通過し、その相対的移動量に基づいて平均中心値を算出することにより、光源の揺らぎやフォトセンサの感度ムラなどが生じた場合においても、その影響を抑えることができる。さらに、複数のバー状パターンが複数のスリットを通過することにより、平均値の母数が拡大し、振幅比が精度よく計測される。
【００７０】
焦点検出用パターン列のバー状パターンは、主走査方向に垂直でなくてもよく、スリット形成方向に合わせてパターン形状を定め、上述した連続的光量分布が得られるようにスリットの主走査方向幅、パターン光の主走査方向幅を定めてもよい。フォトセンサについては、各走査バンドに対してフォトセンサを設置することも可能である。
【００７１】
次に、図１０〜１３を用いて、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、結像光学系の解像性能をモニタリングする。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。
【００７２】
図１０は、解像性能を維持した場合の光量分布と解像性能が低下した場合の光量分布とを示した図である。
【００７３】
結像光学系２３の解像性能が高い（問題ない）場合、第１の実施形態で説明したように、解像性能限界に近いバー状パターンの光を１つのスリットが通過させることで得られる空間的光量分布ＧＤは、そのピークを中心としたガウス分布となり、バー状パターンのエッジ部において光量変化（傾き）が比較的大きい。しかしながら、解像性能が低下すると、空間的光量分布ＧＤ１は、バー状パターンのエッジ部における光量変化が緩やかとなり、また、ピーク光量が低下し、平坦な波形状光量分布になる。
【００７４】
その結果、パターン列ＰＴによる連続した空間的光量分布では、波形の山（ピーク光量）と谷（ボトム光量）両方の中心位置からの距離は小さくなる。すなわち、空間的光量分布の振幅が小さくなる。したがって、要求される最低限の解像性能に応じた振幅を基準となる振幅と定め、第１の実施形態と同様、空間的光量分布の振幅を検出して振幅比を演算することによって、解像性能をモニタリングすることができる。
【００７５】
図１１は、解像力と振幅比との関係を表すグラフを示した図である。図１２は、基準となる振幅をもつ空間的光量分布を示した図である。
【００７６】
図１１には、解像力と振幅比との対応関係を示す曲線ＣＧが描かれている。ただし、図１１のグラフ横軸を表す解像力は、結像光学系２３に対する単位長さ（１ｍｍ）当たりイメージングすることができる直線本数を表す。解像性能が低下すると振幅が減少することから、振幅比の値が小さくなるにつれて解像力は低下する。したがって、測定される振幅比が限度（下限）となる振幅比Ｄ０よりも大きければ、要求される解像性能は維持される。
【００７７】
図１２に示す空間的光量分布ＧＤ’は、要求される解像性能の限度に応じた１つのバー状パターンに対する空間的光量分布ＧＤ１、ＧＤ２を隣接させたときに得られる光量分布を示している。解像性能限度に応じた空間的光量分布ＧＤ１、ＧＤ２の波形は、露光装置の仕様、結像光学系２３などの光学性能に従って定められる。
【００７８】
空間的光量分布ＧＤ’の振幅Ａ０と解像性能が最も高い場合の最大振幅Ｂとの比（Ａ０／Ｂ）を限度振幅比Ｄ０と定めると、検出される振幅Ａと基準振幅Ｂとの比Ａ／ＢがＤ０以上であれば、必要な解像性能を満たしていると判断することができる。限度振幅比Ｄ０および曲線ＣＧに関するデータは、メモリ３２にあらかじめ記憶される。
【００７９】
図１３は、解像性能のモニタリング処理のフローを示した図である。第１の実施形態と同様、任意のタイミング（ロット生産の開始時、あるいは所定時間経過する度等）に処理が行われる。
【００８０】
コントローラ３０は、ステージ１２を移動させながら、バー状パターン列ＰＴを遮光部４０に向けて照射するように、ＤＭＤ駆動回路２４を制御する（Ｓ２０１）。そして、フォトセンサＰＤから出力される光量信号に基づいて振幅比Ｍが算出されると（Ｓ２０２）、振幅比Ｍが限度振幅比Ｄ０以上であるか否かが判断される（Ｓ２０３）。振幅比Ｍが限度振幅比Ｄ０未満である場合、警告音ブザーなどによって解像性能低下をオペレータに知らせる（Ｓ２０４）。
【００８１】
このように第２の実施形態によれば、ステージ１２を移動させながら、バー状パターンＰＬ１〜ＰＬ４から構成されるパターン列ＰＴを、スリットＳＴ１〜ＳＴ６の形成された遮光部４０に投影することにより、フォトセンサＰＤから光量信号が出力される。そして、光量信号から求められる振幅比Ｍに基づき、解像力が限度となる解像力より低下しているか否かを判断する。
【００８２】
第１、第２の実施形態では、パターン列のライン／スペース幅が等しいことによって光量振幅の中心位置（平均光量）が一定であるとみなし、合焦状態における基準振幅を平均光量とパターン非投影状態の光量から算出しているが、それ以外の方法で基準振幅を算出してもよく、また、パターン列のライン／スペース幅が等しくない場合においても、振幅比を求めることは可能である。例えば、光学系あるいは基板を移動させながら行う焦点調整において、合焦状態あるいは解像力のある状態における波形状光量の振幅を算出し、光源出力変動などを踏まえながら焦点検出時に基準振幅を定めてもよい。
【００８３】
なお、ステージを移動させながらバー状パターン列を投影せず、ＣＣＤなどのイメージセンサに対してＬ／Ｓパターン光を投影し、その空間的光量分布から合焦状態、あるいは解像性能の状態を判断してもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１０  露光装置
２２  ＤＭＤ（光変調素子アレイ）
２７  演算部
２８  光検出部（測光部）
３０  コントローラ（露光制御部）
４０  遮光部
ＰＤ  フォトセンサ
【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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【図１３】
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