(57)【要約】  【課題】投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくした場合であっても、ＴＴＲアライメント検出系を用いて、高精度に投影光学系のフォーカキャリブレーションを行うことのできる露光装置を提供すること。【解決手段】この露光装置２００は、レチクル１とウエハ８とのアライメントを行って、露光光を用いてレチクル１を照明することによりレチクル１上のパターンを投影光学系５を介してウエハ８に投影露光するものであって、投影光学系５の光軸に直交するＸＹ平面内におけるアライメントを行う画像検出ＴＴＲ系１４ａと、投影光学系５のＺ方向におけるアライメントを行う光量検出ＴＴＲ系１４ｂとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光原版と基板とのアライメントを行って、露光光を用いて前記露光原版を照明することにより該露光原版上のパターンを投影光学系を介して前記基板に投影露光する露光装置であって、
前記投影光学系の光軸に直交する平面内におけるアライメントを行う第１の光学系と、
前記投影光学系の光軸方向におけるアライメントを行う前記第１の光学系とは異なる第２の光学系とを有することを特徴とする露光装置。
【請求項２】
前記第１の光学系が、画像を撮像する撮像素子を有して構成され、
前記第２の光学系が、受光光量を検出する光量センサーを有して構成され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】
前記第１の光学系によるアライメント及び前記第２の光学系によるアライメントが、前記露光原版用のアライメントマーク及び前記基板用のアライメントマークを用いて行われ、かつ、前記第１の光学系によるアライメントに用いられる前記露光原版用のアライメントマークと前記第２の光学系によるアライメントに用いられる前記露光原版用のアライメントマークとが異なることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項４】
前記露光原版用のアライメントマークが、前記露光原版、前記露光原版を保持するための保持部材、前記露光原版又は前記保持部材に固着された前記露光原版とは異なる基準板のうち少なくともいずれか１つに形成されてい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】
前記第１の光学系によるアライメント及び前記第２の光学系によるアライメントが、前記露光原版用のアライメントマーク及び前記基板用のアライメントマークを用いて行われ、かつ、前記第１の光学系によるアライメントに用いられる前記基板用のアライメントマークと前記第２の光学系によるアライメントに用いられる前記基板用のアライメントマークとが異なることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項６】
前記基板用のアライメントマークが、前記基板、前記基板を保持するための保持部材、前記基板又は前記保持部材に固着された前記基板とは異なる基準板のうち少なくともいずれか１つに形成されていることを特徴とする請求項５に記載の露光装置。
【請求項７】
前記第１の光学系によるアライメントに用いられる光の波長と、前記第２の光学系によるアライメントに用いられる光の波長とが異なることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項８】
前記第１の光学系によるアライメントに用いられる光の波長が、前記露光光の波長と同一波長であることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項９】
前記第２の光学系によるアライメントに用いられる光の波長が、１５０ｎｍから３７０ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項１０】
前記露光光が、ＥＵＶ光であることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項１１】
前記第１の光学系を複数有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１２】
前記投影露光において、前記露光原版と前記基板とを同期走査させることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のうちいずれか１項に記載の露光装置によって基板にパターンを投影露光する工程と、投影露光された前記基板に所定のプロセスを行う工程とを有するデバイスの製造方法。
【請求項１４】
露光光を用いて露光原版を照明することにより該露光原版上のパターンを投影光学系を介して基板に投影露光する露光装置において前記露光原版と前記基板とのアライメントを行う方法であって、
前記投影光学系の光軸に直交する平面内におけるアライメントを第１の光学系を用いて行うステップと、
前記投影光学系の光軸方向におけるアライメントを前記第１の光学系とは異なる第２の光学系を用いて行うステップとを有することを特徴とするアライメント方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には露光装置、アライメント方法、及び、デバイスの製造方法に係り、特にレチクル等の露光原版のパターンを半導体ウエハの単結晶基板等の被処理体に露光する露光装置、その露光装置において使用される両者のアライメント方法に関する。本発明は、例えばＥＵＶ光を用いたフォトグラフィ工程において、半導体ウエハ用の単結晶基板をステップアンドスキャン方式（走査方式）によって露光する露光装置に好適である。
【背景技術】
【０００２】
半導体露光装置は、露光原版としてのレチクル又はフォトマスク（以下、レチクル）上のパターンをレジストなどの感光剤が塗布された半導体ウエハやガラスプレートなどの被処理体としての基板（以下ウエハ）上に投影光学系を介して結像投影させるものである。最近は、このような露光装置として、レチクルとウエハとを投影光学系に対して同時に走査して露光する走査型露光装置（いわゆるステップアンドスキャン方式の露光装置）が主流となってきている。
【０００３】
図６は従来の走査型露光装置１００の概略を示す概略斜視図であり、図７はその概略構成を示すブロック図である。レチクル１とウエハ８とが投影光学系５を介して光学的にほぼ共役な位置に配置され、照明光学系６によりＸ方向に長いスリット状あるいは円弧状の露光領域が、レチクル１上に形成されている。そして、露光光軸に対してレチクルステージ２とウエハステージ９との双方を投影光学系５の光学倍率に応じた速度比で駆動させることによって、レチクル１上のパターンがウエハステージ９に保持されたウエハ８上に結像露光される。以下に、走査露光装置の構成に関し、さらに詳しく説明する。
【０００４】
レチクル１は、レチクルステージ２に保持されている。そのレチクルステージ２は、不図示のレチクルステージ用のレ−ザ干渉計と駆動制御手段によって、図６中Ｙ方向に駆動制御される。レチクル１近傍にはレチクル側（Ｒ側）基準板４がレチクルステージ２の所定の範囲に固設されており、さらにＲ側基準板４のパターン面の高さはレチクル１のパターン面の高さと略一致している。また、Ｒ側基準板４のパターン面には、ＣｒやＡｌ等の金属面で形成された複数の位置計測用マークが構成されている。レチクルステージ２は図中Ｚ方向の位置を投影光学系５に対して一定に保った状態で駆動される。レチクルステージ２には、レーザ干渉計からのビームを反射する不図示の移動鏡が固定されており、そのレーザ干渉計により、レチクルステージ２の位置、移動量は逐次計測されている。
【０００５】
一方、ウエハ８の近傍にはウエハ側（Ｗ側）基準板１０がウエハステージ９の所定の範囲に固設されている。Ｗ側基準板１０のパターン面は、ウエハ８の上面とその高さが略一致しており、さらにＣｒやＡｌ等の金属面で形成された複数の位置合わせマークが構成されている。ウエハステージ９は、投影光学系５の光軸方向（Ｚ方向）及び光軸方向と直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）内を移動することが可能とされており、さらに光軸と平行な軸の周り（θ方向）に回転することができるように駆動制御手段が設けられている。さらに、ウエハステージ９にも、不図示のウエハステージ用のレーザ干渉計からのビームを反射する移動鏡が固定されており、そのレーザ干渉計により、ウエハステージ９の位置、移動量は逐次計測されている。
【０００６】
次に焦点面位置検出手段に関して説明する。この露光装置１００には、焦点位置検出手段として斜入射方式のフォーカス位置検出系１３が構成されている。フォーカス位置検出系１３は投影光学系５によってレチクル１のパターンが転写されるウエハ８面（あるいはＷ側基準板のパターン面）に対して斜め方向から非露光光を照射し、ウエハ８表面（あるいはＷ側基準板１０のパターン面）から斜めに反射する反射光を検出する。フォーカス位置検出系１３の検出部には各反射光に対応した複数個の位置検出用の受光素子が構成されており、各位置検出受光素子の受光面とウエハ８の各光束の反射点が略共役になるように配置されている。そのため投影光学系５の光軸方向によるウエハ８（あるいはＷ側基準板１０）の位置ずれは、検出部内の位置検出用受光素子上で位置ずれとして計測される。
【０００７】
しかし、投影光学系５が露光熱を吸収したり、周囲の環境が変動したりすると、斜入射方式のフォーカス位置検出系１３の計測原点と投影光学系５の焦点面とに誤差が発生する。そのため、この誤差を計測して補正する必要がある。この補正動作をフォーカスキャリブレーションという。この誤差を計測するために、画像検出方式のＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｈｅ  Ｒｅｔｉｃｌｅ）検出系（画像検出ＴＴＲ系）１４が構成されている。
【０００８】
図６、図７に示されるように、画像検出ＴＴＲ系１４は２つの拡大光学系を有しており、それぞれの光学系は、対物レンズ２１、リレーレンズ２２、照明部２３、撮像素子２４等を有して構成されている。この画像検出ＴＴＲ系１４により、レチクル１又はＲ側基準板４上の位置合わせマークを拡大して撮像素子２４に結像させることが可能となっている。また、投影光学系５と拡大光学系とを介して、ウエハ８上又はＷ側基準板１０上の位置合わせマークを、レチクルの場合と同様に撮像素子２４上に結像させることも可能である。
【０００９】
次に、画像検出ＴＴＲ系１４を用いて、斜入射方式のフォーカス位置検出系１３の計測原点と投影光学系５の焦点面との誤差を測定する方法に関して詳述する。まず、露光光と実質的に同波長の光源からの光を、ファイバや不図示の光学系等を用いて画像検出ＴＴＲ系１４の照明部に導光し、対物レンズ２１を介してＲ側基準板４上のフォーカス計測用マーク（位置合わせマーク）を照明する。位置合わせマーク３としては、例えば、図１０に示したようなＸＹ方向それぞれに複数の直線からなるもの等がある。
【００１０】
次に画像検出ＴＴＲ系１４に構成されているリレーレンズ２２又は対物レンズ２１等を拡大光学系の光軸方向に駆動して、撮像素子２４とＲ側基準板４とが共役になるようにする。続いて、ウエハステージ９を駆動することにより、投影光学系５を介してＷ側基準板１０上のフォーカス計測用マークを画像検出ＴＴＲ系１４で照明、観察できる状態にする。そして、斜入射方式のフォーカス位置検出系１３でＷ側基準板１０の投影光学系５の光軸方向の位置を計測しながらウエハステージ９を光軸方向（Ｚ方向）に上下駆動し、画像検出ＴＴＲ系１４の撮像素子２４とＷ側基準板１０とが共役の関係となる位置を検出する。
【００１１】
この時、撮像素子２４とＲ側基準板４とは共役の関係となっているので、Ｗ側基準板１０とＲ側基準板４も共役の関係、すなわち投影光学系の合焦状態となる。合焦状態のフォーカス位置検出系１３の計測値を読み取ることで、フォーカス位置検出系１３の計測原点と投影光学系５の焦点面との誤差を補正することが可能となる。すなわちこの補正動作が上述したようにフォーカスキャリブレーションであり、Ｚ方向検出ともいう。ＴＴＲのフォーカス検出に関しては、他に例えば特許文献１に開示がある。
【００１２】
一方、画像検出ＴＴＲ系１４は、Ｒ側基準板４とＷ側基準板１０の投影光学系の光軸に垂直な面内での相互位置検出を行うことも可能である。この位置検出は、オフアクシスアライメント光学系１５のベースラインの算出やウエハステージの走査方向とレチクルステージの走査方向とのズレの算出等、すなわちＸＹ方向のキャリブレーション（ＸＹ方向検出）に用いられる。ここで、ベースラインとはウエハを位置合わせする時のショット中心位置と露光時のショット中心位置（投影光学系の光軸位置）とのＸＹ平面内における距離のことである。従来の走査型露光装置におけるオフアクシスアライメント光学系１５のベースライン計測の概要を以下に示す。
【００１３】
従来の走査型露光装置のベースライン計測は、レチクルステージ２とウエハステージ９を所定の位置に駆動させ、画像検出ＴＴＲ系１４によりＲ側基準板４とＷ側基準板１０の相対位置を検出する（第１工程）。Ｗ側基準板１０をウエハステージ９の駆動によりオフアクシスアライメント光学系１５の検出範囲に移動させ、オフアクシスアライメント光学系１５に構成されている基準マークとＷ側基準板１０上の位置合わせマーク（以下、Ｗ側位置合わせマークという。）との相対位置を検出する（第２工程）。第１工程と第２工程の検出結果によりオフアクシスアライメント光学系１５のベースラインを計測することが可能である。
【００１４】
画像検出ＴＴＲ系１４としては、Ｗ側位置合わせマークをＷ側基準板１０の裏面側（投影光学系５に対向する面の反対面側、すなわち図７中の下面側）から照明し、投影光学系５を介してＲ側基準板４上に結像させるとともにＲ側基準板４上の位置合わせマーク（以下、Ｒ側位置合わせマークという。）を照明し、Ｒ側基準板４を透過した光を拡大光学系により撮像素子上に結像させるものもある。
【００１５】
また、Ｒ側位置合わせマーク及びＷ側位置合わせマークを図８に示したような遮光部（網掛け部）３ａと透過部３ｂとの繰り返しパターンとし、さらに、両マークの大きさを投影光学系５の拡大倍率に基づいて相違させて、レチクル１の裏面側（投影光学系に対向する面の反対面側、すなわち図７中の上面側）からこのＲ側位置合わせマークを照明することにより投影光学系５を介してＲ側位置合わせマークをＷ側位置合わせマーク上に投影し、ウエハステージ又はレチクルステージを移動させながら、Ｗ側基準板を透過した光を検出するＴＴＲ検出系もある。そのようなＴＴＲ検出系を光量検出ＴＴＲ系という。
【特許文献１】特開平０５−０４５８８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
半導体集積回路等のパターンはますます高集積及び微細化されてきており、この微細化要求に応えるために、従来は、露光波長を短くすることで対応してきた。しかし近年は露光波長の短波長化に加えて、投影光学系のＮＡ（開口数）を従来の０．６程度から０．８〜０．９を超える程度に高めることにより、パターン微細化の要求に応えようとしている。このため焦点深度が従来に比べ極めて小さくなってきており、露光装置には焦点位置検出精度の大幅な向上、特にフォーカスキャリブレーション精度の大幅な向上が求められている。
【００１７】
画像検出ＴＴＲ系を使用したフォーカスキャリブレーションの場合、投影光学系の高ＮＡ化に伴って拡大光学系（図７における対物レンズ２１、リレーレンズ２２）のＮＡも大きくする必要がある。投影光学系のＮＡよりも拡大光学系のＮＡを小さいものとした場合、投影光学系の焦点深度よりも画像検出ＴＴＲ系内の拡大光学系の焦点深度が大きくなってしまうため、投影光学系の環境変動などによる焦点の変動を正確に捉えることができなくなってしまう。
【００１８】
しかしながら、拡大光学系の高ＮＡ化により、拡大光学系の設計は困難となる。また、高ＮＡ化により拡大光学系自体も大きくなってしまい、画像検出ＴＴＲ系の露光装置への実装を考えた場合に極めて不利になるという問題がある。
【００１９】
一方、ベースライン計測などの投影光学系のＸＹ方向におけるキャリブレーションに関しては、レチクル上やウエハ上での撮像素子の１画素の大きさ（画素分解能）が計測精度を決定する主要因であり、拡大光学系の倍率が重要な要素となるが、そのＮＡの影響は殆どない。また、フォーカスキャリブレーションに使用する位置合わせマーク３は、例えば図１０に示したように複数の線（位置合わせマークの透過部３ｂに相当する）からなるマークであり、線幅は投影光学系及び画像検出ＴＴＲ系の限界解像にできるだけ近い方が望ましい。
【００２０】
しかしながら、ＸＹ方向における計測の高精度化を目的として画像検出ＴＴＲ系内の拡大光学系の倍率を高めたり、Ｚ方向計測の高精度化を目的としてマーク線幅を細くすると、計測精度が拡大光学系内の対物レンズ等の光学素子の振動の影響を受けやすくなる。特に、フォーカスキャリブレーションの際に、例えば対物レンズに振動が生じると、振動の分だけ実効的な線幅が太ってしまい、線幅の細いマークを使用してもその効果を発揮することができなくなってしまう。
【００２１】
ＸＹ方向のキャリブレーションに関しては、拡大光学系内の光学素子に振動があったとしても図９（ａ）に示すＲ側位置合わせマーク７ａと図９（ｂ）に示すＷ側位置合わせマーク７ｂとを同時に計測することにより、振動の影響を低減することが可能である。なぜなら、Ｒ側位置合わせマーク７ａとＷ側位置合わせマーク７ｂとを同時に撮像するとその撮像画像は図９（ｃ）のようになり、振動があったとしてもＲ側位置合わせマーク７ａ、Ｗ側位置合わせマーク７ｂとも同様に振動し、両マークの相対位置関係が振動の影響を殆ど受けないためである。
【００２２】
一方、光量検出方式のＴＴＲ検出系を用いる場合には拡大光学系が不要となるので、光学系の高ＮＡ化の必要性や振動の問題は生じない。しかし、この方法ではＺ方向の計測を行う場合に事前にＸＹ方向にレチクル側マークの光透過部とウエハ側マークの光透過部とを位置合わせしておく必要がある。ＸＹ方向の両マークの位置合わせがずれた状態でＺ方向の計測を行った場合には、オフセットが発生してしまって正しく計測することができない。逆に、Ｚ方向のフォーカス位置がずれた状態でＸＹ方向の計測を行うと、ＸＹの計測値にもオフセットが発生してしまって正しく計測することができない。このため、ステージの移動をＸＹ方向、Ｚ方向と繰り返して何度も行う必要があり、計測に時間がかかってしまうという問題がある。さらに、光量変化のみを計測しているため、ＸＹ方向計測においてはマークが例え１本ずれても検出できなくなるという問題もある。
【００２３】
また、画像検出ＴＴＲ系、光量検出ＴＴＲ系とも、フォーカスキャリブレーションやＸＹ方向のキャリブレーションには従来露光光を用いているが、位置合わせに求められる精度が厳しくなるため、最近ではキャリブレーションの頻度が多くなる傾向にある。一方、ＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２のように露光光が短波長化されるに伴って露光光源のランニングコストが高くなってきており、キャリブレーションの回数を減らしてコストを低減したいという相反する要求も出てきている。
【００２４】
本発明は上記の事情に鑑みて為されたもので、投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくした場合であっても、ＴＴＲアライメント検出系を用いて、高精度に投影光学系のフォーカキャリブレーションを行うことのできる露光装置を提供することを例示的目的とする。また、露光光源のランニングコストの影響を低減しつつキャリブレーションを可能にすることを他の例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成するために、本発明の例示的側面としての露光装置は、露光原版と基板とのアライメントを行って、露光光を用いて露光原版を照明することにより露光原版上のパターンを投影光学系を介して基板に投影露光する露光装置であって、投影光学系の光軸に直交する平面内におけるアライメントを行う第１の光学系と、投影光学系の光軸方向におけるアライメントを行う第１の光学系とは異なる第２の光学系とを有することを特徴とする。その露光装置において、第１の光学系が画像を撮像する撮像素子を有して構成され、第２の光学系が受光光量を検出する光量センサーを有して構成されていてもよい。
【００２６】
第１の光学系によるアライメント及び第２の光学系によるアライメントが、露光原版用のアライメントマーク及び基板用のアライメントマークを用いて行われ、かつ、第１の光学系によるアライメントに用いられる露光原版用のアライメントマークと第２の光学系によるアライメントに用いられる露光原版用のアライメントマークとが異なっていてもよい。露光原版用のアライメントマークが、露光原版、露光原版を保持するための保持部材、露光原版又は保持部材に固着された露光原版とは異なる基準板のうち少なくともいずれか１つに形成されていてもよい。
【００２７】
第１の光学系によるアライメント及び第２の光学系によるアライメントが、露光原版用のアライメントマーク及び基板用のアライメントマークを用いて行われ、かつ、第１の光学系によるアライメントに用いられる基板用のアライメントマークと第２の光学系によるアライメントに用いられる基板用のアライメントマークとが異なっていてもよい。基板用のアライメントマークが、基板、基板を保持するための保持部材、基板又は保持部材に固着された基板とは異なる基準板のうち少なくともいずれか１つに形成されていてもよい。      
【００２８】
また、第１の光学系によるアライメントに用いられる光の波長と、第２の光学系によるアライメントに用いられる光の波長とが異なっていてもよい。第１の光学系によるアライメントに用いられる光の波長が、露光光の波長と同一波長であってもよいし、第２の光学系によるアライメントに用いられる光の波長が、１５０ｎｍから３７０ｎｍの範囲内であってもよい。さらに、露光光が、ＥＵＶ光であってもよい。第１の光学系を複数有していればさらに望ましい。露光装置が、投影露光において露光原版と基板とを同期走査させるいわゆる走査型露光装置であってもよい。
【００２９】
本発明の他の側面としてのデバイスの製造方法は、上記の露光装置によって基板にパターンを投影露光する工程と、投影露光された基板に所定のプロセスを行う工程とを有することを特徴とする。
【００３０】
本発明の他の側面としてのアライメント方法は、露光光を用いて露光原版を照明することにより露光原版上のパターンを投影光学系を介して基板に投影露光する露光装置において露光原版と基板とのアライメントを行う方法であって、投影光学系の光軸に直交する平面内におけるアライメントを第１の光学系を用いて行うステップと、投影光学系の光軸方向におけるアライメントを第１の光学系とは異なる第２の光学系を用いて行うステップとを有することを特徴とする。
【００３１】
本発明の他の目的及び更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施形態により明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、投影露光装置においてＴＴＲ検出系として検出方式の異なる２種類の方式を設け、ＸＹ方向の検出に画像検出ＴＴＲ系を、Ｚ方向の検出に光量検出ＴＴＲ系を用いるため、画像検出ＴＴＲ系に用いる拡大光学系のＮＡを投影光学系のＮＡよりも小さくすることが可能となる。それにより、拡大光学系の設計が容易になり、また拡大光学系全体をコンパクトにすることができるので露光装置への実装が容易になる。
【００３３】
拡大光学系内の光学素子が振動した場合にも、振動の影響を比較的大きく受けるＺ検出には拡大光学系を使用しない光量検出ＴＴＲ系を用い、振動の影響が比較的小さいＸＹ計測にのみ画像検出ＴＴＲ系を用いることができる。そのため、実質的に拡大光学系の振動による悪影響をきわめて小さく抑えることが可能となる。
さらに、従来の光量検出ＴＴＲ系で問題となったマーク１本ズレの問題も、画像検出ＴＴＲ系でＸＹ方向の検出を行ってから光量検出ＴＴＲ系でＺ方向検出を行うことにより防止することが可能となる。また、画像検出ＴＴＲ系を複数設け、投影光学系の露光領域内の複数点でＸＹ方向の検出を行うことにより、レチクルやウエハの投影光学系の光軸と平行な軸周りの回転量を計測したり、複数点での平均化効果による精度向上を図ることも可能となる。さらに、画像検出ＴＴＲ系の波長を露光に用いる露光光とは別の非露光光とすることにより、キャリブレーションに必要な露光光の発光頻度を減少させ、露光装置のランニングコストを大幅に低減することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係る露光装置について図面を用いて説明する。図１は、この露光装置２００の概略構成を示すブロック図である。図７に示した従来の露光装置１００との相違は、ＴＴＲ検出系として検出方法の異なる２種類のＴＴＲ検出系が備えられている点にある。すなわち、ＸＹ方向の位置検出にそのうちの１種類の検出系として撮像素子をセンサーに用いた第１の光学系としての画像検出系（画像検出ＴＴＲ系）１４ａを、Ｚ方向検出に別の検出系として光量センサーを用いた第２の光学系としての光量検出系（光量検出ＴＴＲ系）１４ｂを使用している。
【００３５】
ＸＹ方向キャリブレーション用の画像検出ＴＴＲ系１４ａは、図１に示すように、対物レンズ２１ａ、リレーレンズ２２ａ、照明部２３ａ、ファイバ２５ａ、撮像素子２４ａを有して構成される。画像検出ＴＴＲ系１４ａの光源には、本実施の形態１においては、露光光源をそのまま用いる。
【００３６】
不図示の露光光源からの光をファイバ２５等により画像検出ＴＴＲ系１４ａの照明部２３ａに導光し、Ｒ側基準板４上のＲ側位置合わせマーク（ＸＹ方向計測用のＲ側アライメントマーク）４ａを照明する。照明されたＲ側アライメントマーク４ａを対物レンズ２１ａ、リレーレンズ２２ａにより拡大して、ＣＣＤなどの撮像素子２４ａ上に結像させる。
【００３７】
また、Ｒ側基準板４及び投影光学系５を通過したその光によってウエハステージ９上に設けられたＷ側基準板１０上のＷ側位置合わせマーク（ＸＹ方向計測用のＷ側アライメントマーク）１０ａを照明する。照明されたＷ側アライメントマーク１０ａを投影光学系５によってＲ側基準板４上に結像させ、さらに画像検出ＴＴＲ系１４ａの対物レンズ２１ａ、リレーレンズ２２ａ等を介して撮像素子２４ａ上に拡大結像させる。
【００３８】
露光光を用いているので、Ｒ側アライメントマーク４ａとＷ側アライメントマーク１０ａとは露光時と同様に結像関係であり、Ｒ側アライメントマーク４ａとＷ側アライメントマーク１０ａとを同一の光学系すなわち投影光学系５で撮像素子２４ａ上に結像させることができる。Ｒ側アライメントマーク４ａの撮像素子２４ａ上での位置とＷ側アライメントマーク１０ａの撮像素子２４ａ上での位置とを算出することにより、レチクル１とウエハ８とのＸＹ方向の位置関係を計測することが可能である。
【００３９】
なお、本実施の形態においては、Ｒ側アライメントマーク４ａがＲ側基準板４上に形成されているものとして説明しているが、もちろんレチクル１上に形成されていてもよい。同様にＷ側アライメントマーク１０ａもＷ側基準板１０上に限られず、ウエハ８上に形成されていてもよい。また、画像検出ＴＴＲ系１４ａ内の拡大光学系として、対物レンズ２１ａやリレーレンズ２２ａに加え、別の光学系を付加して拡大倍率を向上させてもよい。
【００４０】
次に光量検出ＴＴＲ系１４ｂを用いたＺ方向検出に関して説明する。光量検出ＴＴＲ系１４ｂは、露光波長の光を透過する透明基板上に図８に示すような遮光部３ａと透過部３ｂとの繰り返しパターンからなるアライメントマーク３（図１０も参照）が描画されたＷ側基準板１０と、Ｗ側基準板１０の下面に近接して設置したフォトダイオードなどの光量センサー３１を有して構成される。さらに、投影光学系５、露光用の照明光学系６、ウエハ側と同様のアライメントマーク３’が描画されたレチクル１を使用する。もちろんこのＷ側基準板１０上のアライメントマーク３（以下、Ｚ方向計測用のＷ側アライメントマーク３という）がウエハ８上に描画されていてもかまわないし、レチクル１上のアライメントマーク３’（以下、Ｚ方向計測用のＲ側アライメントマーク３’という）がＲ側基準板４上に描画されていてもかまわない。上述したように、Ｗ側アライメントマーク３の大きさとＲ側アライメントマーク３’の大きさとは投影光学系５の拡大倍率に基づいて調整される。
【００４１】
照明光学系６からの露光光によりＲ側アライメントマーク３’を照明し、投影光学系５を介してＷ側アライメントマーク３上にＲ側アライメントマーク３’の像を投影する。投影されたＲ側アライメントマーク３’の像を形成した光のうち、Ｗアライメントマーク３の透過部３ｂを通った光が光量センサー３１に到達する。このとき、ウエハステージ９を投影光学系５の光軸方向（Ｚ方向）に動かすことにより光量が変化することになり、光量センサー３１で検出される光量が最大となるＺ方向位置が投影光学系５のベストフォーカス位置と算出することが可能である。
【００４２】
従来のように光量検出系のみであると、ウエハ側のアライメントマークとレチクル側のアライメントマークとがＸＹ方向にずれている状態でＺ方向計測をしてしまう懸念があったため、ＸＹ方向の位置も変えつつＺ方向の計測を複数回行う必要が生じていた。しかし、この実施の形態において説明したごとく、画像検出ＴＴＲ系１４ａでＸＹ方向の位置検出を行うことにより、１回のＺ方向計測を行うだけでベストフォーカスを精度よく算出することが可能となる。その結果、計測時間を短縮することが可能となる。
【００４３】
また、ＸＹ検出を行う画像検出ＴＴＲ系１４ａは、アライメントマーク４ａ，１０ａを何倍に拡大して撮像素子に結像させるかが計測分解能を決定する主要因であり、画像検出ＴＴＲ系１４ａ内の拡大光学系のＮＡには基本的に依存しない。そのため、投影光学系５のＮＡが大きい場合であっても拡大光学系のＮＡは小さくて済み、拡大光学系の設計が容易となる。さらにＮＡ拡大による拡大光学系のサイズアップといった問題もないため装置への実装上のメリットも生じる。また、画像検出ＴＴＲ系を使ってＺ方向の計測を行う際には拡大光学系内の光学素子の振動が問題となるが、本実施の形態においてはＺ方向の計測を光量検出ＴＴＲ系１４ｂを用いて行うため、そのような振動の問題が生じない。ＸＹ計測に関しても、Ｒ側アライメントマーク４ａとＷ側アライメントマーク１０ａとを同時に計測することによって、従来同様振動の影響を殆ど受けずに計測することが可能である。
【００４４】
次に、図２及び図３を参照して、上述の露光装置２００を利用したデバイスの製造方法の実施例を説明する。図２は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１０１（回路設計）ではデバイスの回路設計を行う。ステップ１０２（レチクル製作）では、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。ステップ１０３（ウェハ製造）ではシリコンなどの材料を用いてウェハ（基板）を製造する。ステップ１０４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、レチクルとウェハを用いてリソグラフィ技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ１０５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ１０４によって作成されたウェ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。ステップ１０６（検査）では、ステップ１０５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。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１０７）される。
【００４５】
図３は、ステップ１０４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１１（酸化）ではウェハの表面を酸化させる。ステップ１１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１１４（イオン打ち込み）ではウェハにイオンを打ち込む。ステップ１１５（レジスト処理）ではウェハに感光剤を塗布する。ステップ１１６（露光）では、露光装置２００によってレチクルの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１１９（レジスト剥離）では、エッチングが済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うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施の形態の製造方法によれば従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。
【００４６】
[実施の形態２]
本発明の実施の形態２に係る露光装置について図４を用いて説明する。この実施の形態２においては、露光装置が画像検出ＴＴＲ系を２つ有することにより、投影光学系５の光軸と平行な軸周り（θ方向）のレチクル１やウエハ８の回転を計測することが可能となっている。２つの画像検出ＴＴＲ系１４ｂは、図４に示すように、投影光学系５の露光領域内の異なる２つの位置でＸＹ計測が可能となるように配置されている。また、２つの画像検出ＴＴＲ系１４ｂは同時測定が可能とされている。
【００４７】
このように異なる２点でＸＹ方向の計測を行うことで、レチクル１やウエハ８の投影光学系の光軸と平行な軸周り（θ方向）の回転量を瞬時に計測することが可能となる。また、２点で同時にＸＹ計測を行うことにより、計測精度を向上させることも可能である。この結果、計測時間を長時間とすることなくＸＹ方向の位置合わせ精度が上記実施の形態１の場合よりもさらに向上する。したがって、Ｚ方向検出に用いるＲ側アライメントマーク３’とＷ側アライメントマーク３とをＸＹ方向に精度よくアライメントした状態で、光量検出方式によるＺ方向検出を行うことが可能となり、Ｚ方向のキャリブレーション精度も向上する。
【００４８】
[実施の形態３]
本発明の実施の形態３に係る露光装置について図５を用いて説明する。この実施の形態においては、ＸＹ方向の検出を行う画像検出ＴＴＲ系の光源として露光光と波長の異なる光を発光する第２の光源２８を設けている。露光装置では、露光光源は、ＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、Ｆ２レーザ、さらにはＥＵＶ光（極端紫外光）と波長が短くなるに従い、露光光源のランニングコストは大幅にアップする。一方で、従来のように画像検出ＴＴＲ系のみ、あるいは光量検出ＴＴＲ系のみによってＸＹＺのキャリブレーションを行う場合にはキャリブレーションに用いる光として露光光と同一波長の光を用いる必要がある。なぜなら、露光光よりも低コストの長波長の光を用いると、Ｚ方向検出の敏感度が波長の比に応じて低下してしまうためである。
【００４９】
しかしながら、上記実施の形態１のように、Ｚ方向検出に光量検出ＴＴＲ系、ＸＹ方向検出に画像検出ＴＴＲ系とそれぞれ別の検出系を用いると、ＸＹ方向検出（画像検出系）にはランニングコストの低い非露光光を用いることが可能となる。なぜなら、ＸＹ方向検出の精度は、主に画像検出ＴＴＲ系に用いる拡大光学系の倍率と撮像素子の画素の大きさ、つまり画素分解能に依存するため、露光波長は殆ど影響しないためである。
【００５０】
そこで、本実施の形態３においては、高い敏感度が必要なＺ方向検出、すなわち光量検出ＴＴＲ系１４ｂには従来通り露光光を用い、ＸＹ方向の検出である画像検出ＴＴＲ系１４ａには低コストの非露光光を用いている。これにより、Ｚ方向のキャリブレーションにのみコストの高い露光光を用いればよいため、キャリブレーションに必要なコストを約半分に低減することが可能となる。画像検出ＴＴＲ系１４ａの光源として非露光光を使用することにより投影光学系５の色収差が発生した場合は、例えば、Ｒ側基準板４と投影光学系５との間に色収差補正系２９を構成することにより問題を解消することが可能である。
【００５１】
投影光学系５のＮＡ全域で色収差補正を構成することは困難である。また、上述のように画像検出ＴＴＲ系１４ａによるＸＹ検出の精度は画素分解能に依存する。そこで、画像検出ＴＴＲ系１４ａのＮＡを投影光学系５のＮＡよりも小さくし、小さくしたＮＡによって色収差を補正することで、収差補正も大幅に容易化することが可能となる。また、例えば露光光としてＥＵＶ光を用いた露光装置においては、投影光学系が全てミラーで構成されるため色収差自体が発生せず、上述のような色収差補正系２９も不要となる。そこで、波長敏感度の高いＺ検出のみ露光光で行い、ＸＹ検出には非露光光を用いるという本実施の形態３による方法が有効となる。
【００５２】
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る露光装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す露光装置によるデバイス製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示すステップ１０４の詳細なフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２に係る露光装置の概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る露光装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】従来の走査型露光装置の概略を示す概略斜視図である。
【図７】図６に示す露光装置の概略構成を示すブロック図である。
【図８】Ｚ方向計測用のアライメントマークの一例を示す平面図である。
【図９】ＸＹ方向計測用の位置合わせマークの一例を示す平面図であって、（ａ）はＲ側位置合わせマークを示し、（ｂ）はＷ側位置合わせマークを示し、（ｃ）はＲ側位置合わせマークとＷ側位置合わせマークとがともに撮像素子に撮像された場合の撮像画像を示す。
【図１０】Ｚ方向計測用のアライメントマークのパターンを説明するパターン図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…レチクル
２…レチクルステージ（保持部材）
３…位置合わせマーク（Ｚ方向計測用Ｗ側アライメントマーク）
３’…Ｚ方向計測用Ｒ側アライメントマーク
３ａ…遮光部（網掛け部）
３ｂ…透過部
４…レチクル側（Ｒ側）基準板
４ａ…ＸＹ方向計測用Ｒ側アライメントマーク（Ｒ側位置合わせマーク）
５…投影光学系
６…照明光学系
７ａ…Ｒ側位置合わせマーク
７ｂ…Ｗ側位置合わせマーク
８…ウエハ
９…ウエハステージ（保持部材）
１０…ウエハ側（Ｗ側）基準板
１０ａ…ＸＹ方向計測用Ｗ側アライメントマーク
１３…フォーカス位置検出系
１４，１４ａ…画像検出系（画像検出ＴＴＲ系、第１の光学系）
１４ｂ…光量検出系（光量検出ＴＴＲ系、第２の光学系）
１５…オフアクシスアライメント光学系
２１，２１ａ…対物レンズ
２２，２２ａ…リレーレンズ
２３，２３ａ…照明部
２４，２４ａ…撮像素子
２５…ファイバ
２８…第２の光源
２９…色収差補正系
３１…光量センサー
１００，２００…露光装置
【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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