(57)【要約】【課題】  暗視野照明による位相パターンの像から観察光学系のコマ収差またはケラレを正確に検出することができる観察光学系の検査装置を提供する。【解決手段】  被検物Ｗを暗視野照明する照明光学系と、前記被検物Ｗからの光束を集光して前記被検物の像を形成する結像光学系とを有する観察光学系の検査装置において、前記被検物Ｗに形成された位相パターンＷＭを前記照明光学系により暗視野照明し、前記結像光学系を介して形成された前記位相パターンＷＭの像を光電検出する光電検出手段１６，１７と、前記光電検出手段１６，１７から得られる出力の非対称性からコマ収差または前記観察光学系のケラレを検出する検出手段３５とを備える。【選択図】  図１
2007042965.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物を暗視野照明する照明光学系と、前記被検物からの光束を集光して前記被検物の像を形成する結像光学系とを有する観察光学系の検査装置において、
前記被検物に形成された位相パターンを前記照明光学系により暗視野照明し、前記結像光学系を介して形成された前記位相パターンの像を光電検出する光電検出手段と、
前記光電検出手段から得られる出力の非対称性からコマ収差または前記観察光学系のケラレを検出する検出手段と
を備えることを特徴とする観察光学系の検査装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記光電検出手段から得られる前記位相パターンの端部の像情報に基づき、前記観察光学系のケラレを検出することを特徴とする請求項１記載の観察光学系の検査装置。
【請求項３】
前記検出手段は、前記位相パターンのデフォーカス情報と前記光電検出手段から得られる出力との相関関係より、前記コマ収差または前記観察光学系のケラレを検出することを特徴とする請求項１または請求項２記載の観察光学系の検査装置。
【請求項４】
被検物を暗視野照明する照明光学系と、前記被検物からの光束を集光して前記被検物の像を形成する結像光学系とを有する観察光学系の検査方法において、
前記照明光学系及び前記結像光学系を用いて前記被検物に形成された位相パターンの像を光電検出する光電検出工程と、
前記光電検出工程から得られる出力の非対称性からコマ収差または前記観察光学系のケラレを検出する検出工程と
を含むことを特徴とする観察光学系の検査方法。
【請求項５】
前記検出工程は、前記光電検出工程にて得られる前記位相パターンの端部の像情報に基づき、前記観察光学系のケラレを検出することを特徴とする請求項４記載の観察光学系の検査方法。
【請求項６】
前記検出工程は、前記位相パターンのデフォーカス情報と前記光電検出工程から得られる出力との相関関係より、前記コマ収差または前記観察光学系のケラレを検出することを特徴とする請求項４または請求項５記載の観察光学系の検査方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の観察光学系の検査装置を備え、前記被検物に形成された位置検出マークの位置を検出する位置検出装置において、
前記照明光学系は、前記位置検出マークを暗視野照明し、前記結像光学系は、前記位置検出マークからの光束を集光して前記位置検出マークの像を形成し、
前記光電検出手段は、前記位置検出マークの像を光電検出し、
前記光電検出手段から得られる前記位置検出マークの像に関する出力に基づき、前記位置検出マークの位置を検出する位置検出手段を更に備えることを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
基板上に設けられた位置検出マークを暗視野照明するための照明光学系と、前記位置検出マークにより反射された光束を集光して結像させるための結像光学系とを有する観察光学系を備え、前記基板の位置検出を行うための位置検出装置において、
前記観察光学系は、請求項４乃至請求項６の何れか一項に記載の観察光学系の検査方法により検査されることを特徴とする位置検出装置。
【請求項９】
光源から射出される照明光により照明された所定のパターンを感光性基板上に露光する露光装置において、
請求項７または請求項８記載の位置検出装置を備え、
前記位置検出装置は、前記感光性基板に形成される位置検出マークを検出することを特徴とする露光装置。
【請求項１０】
請求項９記載の露光装置を用いて所定のパターンを感光性基板上に露光する露光工程と、
前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程と、
を含むことを特徴とするマイクロデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体素子や液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程で用いられる観察光学系の検査装置、観察光学系の検査方法、該観察光学系の検査装置を備えた位置検出装置、該位置検出装置を備えた露光装置及び該露光装置を用いたマイクロデバイスの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等のデバイスの製造に際して、感光材料が塗布されたウエハ（またはガラスプレート等の基板）上に複数層のパターンを重ねて形成する。このため、パターンをウエハ上に露光するための露光装置には、マスクのパターンと既にパターンが形成されているウエハの各露光領域との相対位置合わせ（アライメント）を行うためのアライメント装置が備えられている。近年、パターンの線幅の微細化に伴い、高精度のアライメントが必要になっている。
【０００３】
アライメント装置としては、オフアクシス方式のアライメント装置が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。このアライメント装置の検出系は、ＦＩＡ（Field Image Alignment）系とも呼ばれている。ＦＩＡ系では、ハロゲンランプ等の光源から射出される波長帯域幅の広い光でウエハ上に形成されているアライメントマークを照明する。そして、結像光学系を介してアライメントマークの拡大像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理することによりアライメントマークの位置検出を行う。
【０００４】
ＦＩＡ系では広帯域照明を用いているため、ウエハ上のフォトレジスト層での薄膜干渉の影響が低減される利点がある。しかしながら、ＦＩＡ系の結像光学系では、加工、組立、調整等の製造過程において誤差が生じるため、僅かながら収差が残存する。結像光学系に収差が残存すると、撮像面上でのアライメントマークの像のコントラストの低下、アライメントマークの像の歪みの発生等によりマーク位置の検出誤差が発生する。
【０００５】
また、アライメントマークの特性（材質、段差、ピッチ、デューティ比等）が変化した場合、環境（温度、湿度、気圧等）が変化した場合には、ＦＩＡ系の照明光学系や結像光学系の光学特性が変化するため、アライメントマーク位置の計測に誤差が生じる。一般に、半導体素子の製造工程では工程毎にアライメントマークの特性や環境が異なるため、収差の残存した光学系でウエハのアライメントを行うと、いわゆるプロセスオフセットが発生する。従って、ＦＩＡ系の照明光学系及び結像光学系の光学特性を検査する検査装置を備え、この検査装置により照明光学系や結像光学系の収差を検査し、検査結果に基づいてこれら光学系の光学特性の調整を行っている（例えば、特許文献３，４参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平４−６５６０３号公報
【特許文献２】特開平４−２７３２４６号公報
【特許文献３】特開２０００−７７２９５号公報
【特許文献４】特開２００３−１９７５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献３に記載されているＦＩＡ系の位置検出装置においては、ウエハ上に形成されている位相パターンを照明光学系により明視野照明し、結像光学系を介して形成された位相パターンの像を検出し、その検出結果に基づいてＦＩＡ系の収差の有無を検査している。
【０００８】
ここで、ＦＩＡ系の位置検出装置において暗視野照明によりアライメントマークを照明し、アライメントマーク位置の検出を行う場合にあっては、コマ収差の残存したＦＩＡ系でウエハのアライメントを行うと、プロセスオフセットが発生する。従って、ＦＩＡ系の光学特性を検査する検査装置を備える必要があり、このＦＩＡ系の検査装置においても位相パターンを照明光学系により暗視野照明し、結像光学系を介して形成された位相パターンの像を検出し、その検出結果に基づいてＦＩＡ系のコマ収差の有無を検査する必要がある。しかしながら、特許文献３に記載されているＦＩＡ系の検査装置及び検査方法は位相パターンを明視野照明することによりＦＩＡ系を検査するための構成及び方法にすぎず、位相パターンを暗視野照明することによりＦＩＡ系を検査するための構成及び方法に対応していない。
【０００９】
この発明の課題は、暗視野照明による位相パターンの像から観察光学系のコマ収差またはケラレを正確に検出することができる観察光学系の検査装置、観察光学系の検査方法、該観察光学系を備えた位置検出装置、該位置検出装置を備えた露光装置及び該露光装置を用いたマイクロデバイスの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明の観察光学系の検査装置は、被検物を暗視野照明する照明光学系と、前記被検物からの光束を集光して前記被検物の像を形成する結像光学系とを有する観察光学系の検査装置において、前記被検物に形成された位相パターンを前記照明光学系により暗視野照明し、前記結像光学系を介して形成された前記位相パターンの像を光電検出する光電検出手段と、前記光電検出手段から得られる出力の非対称性からコマ収差または前記観察光学系のケラレを検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明の観察光学系の検査装置によれば、光電検出手段により光電検出された位相パターンの像の非対称性に基づいて、暗視野照明を行う観察光学系のコマ収差またはケラレを高精度に検出することができる。
【００１２】
また、この発明の観察光学系の検査方法は、被検物を暗視野照明する照明光学系と、前記被検物からの光束を集光して前記被検物の像を形成する結像光学系とを有する観察光学系の検査方法において、前記照明光学系及び前記結像光学系を用いて前記被検物に形成された位相パターンの像を光電検出する光電検出工程と、前記光電検出工程から得られる出力の非対称性からコマ収差または前記観察光学系のケラレを検出する検出工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
この発明の観察光学系の検査方法によれば、光電検出工程において光電検出された位相パターンの像の非対称性に基づいて、暗視野照明を行う観察光学系のコマ収差またはケラレを高精度に検出することができる。
【００１４】
また、この発明の位置検出装置は、この発明の観察光学系の検査装置を備え、前記被検物に形成された位置検出マークの位置を検出する位置検出装置において、前記照明光学系は、前記位置検出マークを暗視野照明し、前記結像光学系は、前記位置検出マークからの光束を集光して前記位置検出マークの像を形成し、前記光電検出手段は、前記位置検出マークの像を光電検出し、前記光電検出手段から得られる前記位置検出マークの像に関する出力に基づき、前記位置検出マークの位置を検出する位置検出手段を更に備えることを特徴とする。
【００１５】
また、この発明の位置検出装置は、基板上に設けられた位置検出マークを暗視野照明するための照明光学系と、前記位置検出マークにより反射された光束を集光して結像させるための結像光学系とを有する観察光学系を備え、前記基板の位置検出を行うための位置検出装置において、前記観察光学系は、この発明の観察光学系の検査方法により検査されることを特徴とする。
【００１６】
この発明の位置検出装置によれば、この発明の観察光学系の検査装置またはこの発明の観察光学系の検査方法により検査された観察光学系を備えているため、暗視野照明により、基板上に設けられた位置検出マークの位置を高精度に検出することができる。
【００１７】
また、この発明の露光装置は、光源から射出される照明光により照明された所定のパターンを感光性基板上に露光する露光装置において、この発明の位置検出装置を備え、前記位置検出装置は、前記感光性基板に形成される位置検出マークを検出することを特徴とする。
【００１８】
この発明の露光装置によれば、暗視野照明により位置検出マークを高精度に検出することができる位置検出装置を備えているため、感光性基板の位置検出を正確に行うことができる。従って、感光性基板上への重ね合せ露光を高精度に行うことができる。
【００１９】
また、この発明のマイクロデバイスの製造方法は、この発明の露光装置を用いて所定のパターンを感光性基板上に露光する露光工程と、前記露光工程により露光された前記感光性基板を現像する現像工程とを含むことを特徴とする。
【００２０】
この発明のマイクロデバイスの製造方法によれば、感光性基板上への重ね合せ露光を高精度に行うことができる露光装置を用いて露光を行うため、良好なマイクロデバイスを得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明の観察光学系の検査装置によれば、光電検出手段により光電検出された位相パターンの像の非対称性に基づいて、暗視野照明を行う観察光学系のコマ収差またはケラレを高精度に検出することができる。
【００２２】
また、この発明の観察光学系の検査方法によれば、光電検出工程において光電検出された位相パターンの像の非対称性に基づいて、暗視野照明を行う観察光学系のコマ収差またはケラレを高精度に検出することができる。
【００２３】
また、この発明の位置検出装置によれば、この発明の観察光学系の検査装置またはこの発明の観察光学系の検査方法により検査された観察光学系を備えているため、暗視野照明により、基板上に設けられた位置検出マークの位置を高精度に検出することができる。
【００２４】
また、この発明の露光装置によれば、暗視野照明により位置検出マークを高精度に検出することができる位置検出装置を備えているため、感光性基板の位置検出を正確に行うことができる。従って、感光性基板上への重ね合せ露光を高精度に行うことができる。
【００２５】
また、この発明のマイクロデバイスの製造方法によれば、感光性基板上への重ね合せ露光を高精度に行うことができる露光装置を用いて露光を行うため、良好なマイクロデバイスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる投影露光装置について説明する。図１は、この実施の形態にかかる投影露光装置の概略構成を示す図である。この実施の形態にかかる投影露光装置は、感光性基板の位置を検出するためのＦＩＡ（Field Image Alignment）方式の位置検出装置を備えている。なお、この実施の形態においては、この位置検出装置がＦＩＡ方式の位置検出装置が備える照明光学系及び結像光学系（観察光学系）を検査する観察光学系の検査装置として機能する。また、この実施の形態においては、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に対して平行にＺ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に平行な方向にＸ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ設定されている。
【００２７】
図１に示すように、この投影露光装置は、露光光でマスクとしてのレチクルＲを照明するための露光用照明光学系ＩＬを備えている。レチクルＲはレチクルステージ３０上においてＸＹ平面と略平行に支持されており、そのパターン領域ＰＡには転写すべき回路パターンが形成されている。レチクルＲを透過した光は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板としてのウエハＷに到達し、ウエハＷ上にはレチクルＲのパターン像が形成される。
【００２８】
なお、ウエハＷは、ウエハホルダ３１を介して、Ｚステージ３２上においてＸＹ平面と略平行に支持されている。Ｚステージ３２は、ステージ制御系３４によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に沿ってＺ方向に駆動するように構成されている。Ｚステージ３２は更に、ＸＹステージ３３上に支持されている。ＸＹステージ３３は、同じくステージ制御系３４によって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ０に対して垂直なＸＹ平面内において二次元的に駆動するように構成されている。
【００２９】
この投影露光装置においては、露光に先立って、レチクルＲ上のパターン領域ＰＡとウエハＷ上の各露光領域とを光学的に位置合わせ（アライメント）する必要がある。ウエハＷ上には、ウエハマーク（位置検出マーク）ＷＭが形成されている。ウエハマークＷＭの位置を検出し、ひいてはウエハＷの位置を検出するために、この実施の形態にかかるウエハマークＷＭを明視野照明または暗視野照明するための照明光学系とウエハマークＷＭにより反射された光束を集光して結像させるための結像光学系とを有する位置検出装置が用いられる。
【００３０】
この実施の形態にかかる位置検出装置は、図１に示すように、波長帯域幅の広い照明光を射出するための光源１を備えている。光源１として、ハロゲンランプのような光源を使用することができる。光源１から射出された照明光は、リレー光学系（図示せず）を介して、ライトガイドファイバ２の入射端に入射し、ライトガイドファイバ２の内部を伝播して、ライトガイドファイバ２の射出端から射出される。図２はライトガイドファイバ２の入射端２ａの端面の図、図３はライトガイドファイバ２の射出端２ｂの端面の図である。
【００３１】
ライトガイドファイバ２は、ライトガイドファイバ２の入射端２ａの図２に示す領域２ａａに入射した照明光がライトガイドファイバ２の内部を伝播した後ライトガイドファイバ２の射出端２ｂの図３（ａ）に示す円形状の領域２ｂａから射出されるように、即ちウエハマークＷＭを明視野照明するように、構成されている。また、ライトガイドファイバ２は、ライトガイドファイバ２の入射端２ａの図２に示す領域２ａｂに入射した照明光がライトガイドファイバ２の内部を伝播した後ライトガイドファイバ２の射出端２ｂの図３（ｂ）に示すリング状の領域２ｂｂから射出されるように、即ちウエハマークＷＭを暗視野照明するように、構成されている。
【００３２】
ライトガイドファイバ２の入射端２ａの領域２ａａまたは２ａｂに入射する照明光は、主制御系３５により制御されている。具体的には、主制御系３５の制御信号に基づいて、ライトガイドファイバ２の入射端２ａの近傍に設置されているブラインド（図示せず）等の切換えを行うことにより、ライトガイド２の入射端２ａの領域２ａａまたは２ａｂのみに照明光が入射するように制御されている。即ち、主制御系３５は、照明光学系による照明を明視野照明に設定する場合には、ブラインド等でライトガイド２の入射端２ａの領域２ａｂをブラインドして、領域２ａａのみに照明光が入射するように設定する。また、照明光学系による照明を暗視野照明に設定する場合には、ブラインド等でライトガイド２の入射端２ａの領域２ａａをブラインドして、領域２ａｂのみに照明光が入射するように設定する。
【００３３】
ライトガイドファイバ２の射出端２ｂから射出した照明光は、例えば円形状の開口部（光透過部）を有する照明開口絞り３を介して制限された後、コンデンサレンズ４に入射する。コンデンサレンズ４を介した照明光は、被検物であるウエハＷの露光面と光学的に共役に配置された照明視野絞り５を介して、照明リレーレンズ６に入射する。照明リレーレンズ６を介した照明光は、ハーフプリズム７を透過した後、第１対物レンズ８に入射する。第１対物レンズ８を介した照明光は、反射プリズム９の反射面で図中下方に（−Ｚ方向に）反射された後、ウエハＷ上に形成されたウエハマークＷＭを照明する。
【００３４】
なお、光源１、ライトガイド２、照明開口絞り３、コンデンサレンズ４、照明視野絞り５、照明リレーレンズ６、ハーフプリズム７、第１対物レンズ８及び反射プリズム９は、ウエハマークＷＭを照明するための照明光学系を構成している。ウエハマークＷＭにより反射された反射光は、反射プリズム９及び第１対物レンズ８を介して、ハーフプリズム７に入射する。ハーフプリズム７で図中上方に（＋Ｚ方向に）反射された光は、第２対物レンズ１０を介して、指標板１１上にウエハマークＷＭの像を形成する。
【００３５】
指標板１１を介した光は、リレーレンズ系（１２，１３）を介して、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４に入射する。そして、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４で反射された光は、Ｙ方向用ＣＣＤ１５に、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４を透過した光は、Ｘ方向用ＣＣＤ１６に入射する。なお、リレーレンズ系（１２，１３）の平行光路中には、結像開口絞り１７が配置されている。なお、反射プリズム９、第１対物レンズ８、ハーフプリズム７、第２対物レンズ１０、指標板１１、リレーレンズ系（１２，１３）、結像開口絞り１７及びハーフプリズム１４は、ウエハマークＷＭにより反射された反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。
【００３６】
Ｙ方向用ＣＣＤ１５及びＸ方向用ＣＣＤ１６の撮像面には、マーク像が指標板１１の指標パターン像とともに形成される。Ｙ方向用ＣＣＤ１５及びＸ方向用ＣＣＤ１６により光電検出された検出信号は信号処理系１８に対して出力され、信号処理系１８はウエハマークＷＭの像を信号処理（波形処理）する。信号処理系１８により信号処理（波形処理）されたウエハマークＷＭの計測情報は、主制御系（検出手段）３５に対して出力される。
【００３７】
この実施の形態においては、光学系の共役点である第２対物レンズ１０とリレーレンズ１２との間に指標板１１を設置しているが、例えば特開平９−２１９３５４号の図１に示すように、第１対物レンズ８と反射プリズム９との間に赤外光用の指標板（先願図１の３４）を設置すると共に、反射プリズム９の下に赤外域用の反射板（先願図１の３７）を設置する。さらに、撮像素子は撮像素子１５の手前にて光路を分岐し赤外用の撮像素子を追加し（先願図１の４０、４２）、赤外光源とコンデンサレンズからなる光学系（先願図１の２６、２７、２８）をコンデンサレンズ４と照野絞り５の間の照明系に追加することにより、赤外光用の撮像素子にて赤外光用の指標板を観察可能とし、指標を光学系変動モニタとして用いてもよい。また、光学系の設置状態、撮像素子（ＣＣＤ）１５及び信号処理系１８を含め、計測が安定して行える場合には、指標板１１を用いなくてもよい。
【００３８】
ウエハマークＷＭは、ウエハマークＷＭを形成する物質の均質性やウエハマークＷＭの製造過程における製造誤差により反射率誤差、線幅誤差、段差誤差、ピッチ誤差等が発生する。また、ウエハマークの反射率、線幅、段差、ピッチ等はウエハマーク毎に異なる。主制御系３５は、信号処理系１８からの計測情報に基づいてウエハマークＷＭのパターン構造、ウエハマークＷＭのパターンピッチを判別する。主制御系３５は、判別結果に基づいて、ライトガイドファイバ２の入射短２ａに入射する照明光を制御することにより、位置検出装置の照明光学系による照明を暗視野照明または明視野照明に切り換える。
【００３９】
具体的には、主制御系３５は、明視野照明によるウエハマークＷＭの照明と比較して、暗視野照明によりウエハマークＷＭの照明を行うほうがより良好にウエハマークＷＭの位置を計測することができる場合には、照明光学系による照明が明視野照明に設定されている場合においては暗視野照明に切り換え、照明光学系による照明が暗視野照明に設定されている場合においては照明を切り換えることなく暗視野照明を維持する。
【００４０】
また、主制御系３５は、暗視野照明によるウエハマークＷＭの照明と比較して、明視野照明によりウエハマークＷＭの照明を行うほうがより良好にウエハマークＷＭの位置を計測することができる場合には、照明光学系による照明が暗視野照明に設定されている場合においては明視野照明に切り換え、照明光学系による照明が明視野照明に設定されている場合においては照明を切り換えることなく明視野照明を維持する。
【００４１】
主制御系（位置検出手段）３５は、信号処理系１８からのウエハマークＷＭの計測情報（ウエハマークＷＭの像に関する出力）に基づいて、ウエハマークＷＭの位置を検出する。主制御系３５はステージ制御系３４に対してステージ制御信号を出力し、ステージ制御系３４は主制御系３５から出力されたステージ制御信号に基づいてＸＹステージ３３を適宜駆動し、ウエハＷのアライメントを行う。
【００４２】
また、主制御系３５には、駆動系２０が接続されている。駆動系２０は、主制御系３５の制御信号に基づいて結像開口絞り１７を駆動する。また、主制御系３５には、駆動系２１が接続されている。駆動系２１は、主制御系３５の制御信号に基づいて第２対物レンズ１０を駆動する。また、主制御系３５には、駆動系２２が接続されている。駆動系２２は、主制御系３５の制御信号に基づいてリレーレンズ１２を駆動する。
【００４３】
主制御系３５は、後述する観察光学系の検査装置により検出された結像光学系のコマ収差を調整する必要がある場合、駆動系２１または駆動系２２に対して制御信号を出力する。また、主制御系３５は、観察光学系の検査装置により検出された結像光学系のケラレ（光源と開口絞りとの光軸ずれ）を調整する必要がある場合、駆動系２０に対して制御信号を出力する。
【００４４】
ここで、ケラレ（光束ケラレ）について説明する。光軸ずれ要因には、光束ケラレ及び照明テレセントリシティずれの２つがある。落射照明系の場合、２次光源（ライトガイド端面）５０、照明系、観察面（ウェハ面）５２、結像系、結像開口絞り５４、撮像面５６は図４に示すように構成される。なお、図５は、２次光源５０の光束断面形状を示す図であり、輪帯発光部５０ａを有している。また、図６は、結像開口絞り５４の開口を示す図であり、円形開口部５４ａを有している。
【００４５】
２次光源（輪帯）５０の中心は、理想的な光軸上に配置され、図７に示すように、物体面（ウェハ面）５２に対して垂直に輪帯照明するように調整されることが望ましい。このような状態を照明テレセントリシティ（照明の傾き）が良いという。このように設置されていると、物体面５２が上下した際にも、撮像面５６での像の位置ずれを抑制することができ、計測誤差低減につながる。また、暗視野照明の場合、物体で反射した照明光（０次光：非回折光）は、図８に示すように、結像光学系の開口絞り中心と合致していることが望ましい。開口絞り５４内には、物体にて回折した光が、開口絞り５４の中心に対して点対称に分布する。このように設置されていると、物体面５２が上下した際にも、撮像面５６での像の位置ずれを抑制することができ、また、像の非対称を抑制し、装置起因の誤差要因（ＴＩＳ）も低減できる。このような状態を、光束ケラレがない状態と呼んでいる。この２つの光軸ずれ要因に対して、たとえば図４に示す平行平板５８，６０をチルトさせることにより誤差を小さくすることができる。照明系内の平行平板５８をチルトさせると、照明テレセントリシティを調整でき、開口絞り５４近傍の平行平板６０をチルトさせると、光束ケラレ（光源と開口絞りの光軸ずれ）を調整することができる。
【００４６】
位置検出装置において暗視野照明によりウエハマークＷＭの照明を行い、ウエハマークＷＭの位置を計測することによりウエハＷのアライメントを行う場合には、位置検出装置を構成する結像光学系にコマ収差が残存した状態でウエハＷのアライメントを行うと、プロセスオフセットが発生する。従って、結像光学系の光学特性を検査する検査装置により検査する必要があり、検査する場合においては照明光学系による照明を暗視野照明にして光学特性を検査する必要がある。
【００４７】
上述したように、ウエハＷ上には位置検出マークとしてウエハマークＷＭが形成されている。このウエハマークＷＭは例えばＣＣＤ１６の計測方向またはＣＣＤ１７の計測方向に沿って周期的な位相変化を繰り返すデューティ比が１対１の位相パターンであり、この実施の形態において位相パターンは有限位相パターンを形成している。こうした位相パターンは、例えば投影露光装置で露光処理したシリコンウエハをエッチング処理することにより、所望の精度で正確な形状に形成することができる。
【００４８】
このウエハ（被検物）Ｗ上のウエハマーク（位相パターン）ＷＭを、位置検出装置を用いて照明光学系により暗視野照明し、結像光学系を介して形成された位相パターンの像を光電検出し、光電検出結果から得られる出力の非対称性から観察光学系（結像光学系）に残存しているコマ収差または観察光学系のケラレを検出することができる。即ち、この実施の形態にかかる投影露光装置が備える位置検出装置を、観察光学系の検査装置として用いることができる。
【００４９】
なお、結像光学系にケラレがある状態でウエハＷのアライメントを暗視野照明により行った場合、プロセスオフセットは発生しない。しかしながら、この実施の形態にかかる位置検出装置においては暗視野照明に限らず明視野照明によるアライメントも可能であるため、結像光学系のケラレの検査を行い、検査結果に基づいてケラレの調整も行っておくことが望ましい。
【００５０】
具体的には、主制御系３５は、照明光学系による照明が明視野照明に設定されている場合においては暗視野照明に切り換え、照明光学系による照明が暗視野照明に設定されている場合においては照明を切り換えることなく暗視野照明を維持する。照明光学系により暗視野照明され、結像光学系を介して形成された位相パターンの像は、Ｙ方向用ＣＣＤ（光電検出手段）１５及びＸ方向用ＣＣＤ（光電検出手段）１６の撮像面に形成される。Ｙ方向用ＣＣＤ１５及びＸ方向用ＣＣＤ１６により光電検出された検出信号は、信号処理系１８に対して出力される。更に、信号処理系１８において信号処理（波形処理）により得られた位相パターンの像情報は、主制御系３５に対して出力される。
【００５１】
主制御系（検出手段）３５は、信号処理系１８から得られた位相パターンの像情報から得られる位相パターン像の非対称性に基づいてコマ収差またはケラレを検出する。図９は、位置検出装置を構成する結像光学系がコマ収差及びケラレを有さない状態で、ウエハマークＷＭの位相パターンＰＰを計測した場合における信号処理系１８から出力される信号波形Ｓ１を示す図である。図９に示すように、信号波形Ｓ１は、左右対称となる。図１０は、位置検出装置を構成する結像光学系がコマ収差のみを有する状態で、ウエハマークＷＭの位相パターンＰＰを計測した場合おける信号処理系１８から出力される信号波形Ｓ２を示す図である。
【００５２】
図１０に示すように、信号波形Ｓ２は、エッジ部において左右非対称となる。なお、ウエハＷは結像光学系に対してベストフォーカス位置、即ちコントラストが最大となる位置に設定されている。なお、コントラストが最大となる位置に設定されている場合にあっては、位置検出装置を構成する結像光学系がケラレを有する場合であっても、出力される信号波形Ｓ２によりコマ収差のみを検出することができる。また、この実施の形態にかかる位相パターンＰＰは有限位相パターンであるが、位相パターンが無限位相パターンであっても、コマ収差のみを有する場合の位相パターンの信号波形はエッジ部において左右非対称となる。
【００５３】
図１１は、図１０に示す位相パターンＰＰの隣り合うエッジ部における位相パターン像の信号強度を示す図である。左側エッジ部の信号強度をＩＬ、右側の信号強度をＩＲ、最大信号強度をＩｍａｘ、最小信号強度をＩｍｉｎとしたとき、数式（１）に示すように、Ｑ値を定義する。
Ｑ＝（ＩＬ−ＩＲ）／（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）    （１）
図１２は、主制御系３５の制御信号に基づいて、ステージ制御系３４がＺステージ３２を適宜駆動することによるデフォーカス量Ｚに対するＱ値の変化と収差との関係を示す図である。結像光学系に収差がなく且つ光軸ずれも存在しない理想的な光学特性を有している状態では、図１２において直線Ｌ１に示すように、デフォーカス量Ｚに依存することなくＱ値は０である。
【００５４】
図１３は、デフォーカス量Ｚに対するＱ値の変化とコマ収差との関係を示す図である。結像光学系にコマ収差のみがある状態では、図１３において曲線Ｌ２に示すように、デフォーカス量Ｚの変化に伴い、Ｑ値は変化する。
【００５５】
図１４は、位置検出装置を構成する結像光学系がケラレのみを有する状態で、ウエハマークＷＭの位相パターンＰＰを計測した場合おける信号処理系１８から出力される信号波形Ｓ３を示す図である。図１４に示すように、位相パターンＰＰの端部に位置するエッジ部における信号強度は、位相パターンＰＰの端部以外のエッジ部における信号強度と非対称となる。なお、ウエハＷは結像光学系に対してデフォーカスされた位置に設定されている。主制御系３５は、ウエハＷをデフォーカスされた位置に設定した状態で、信号処理系１８から得られる位相パターンの端部の像情報に基づいて結像光学系のケラレを検出する。
【００５６】
図１５は、主制御系３５の制御信号に基づいて、ステージ制御系３４がＺステージ３２を適宜駆動することによるデフォーカス量Ｚに対するＱ値の変化とケラレとの関係を示す図である。結像光学系がケラレのみを有する状態では、図１５において直線Ｌ３に示すように、デフォーカス量Ｚの変化に伴い、Ｑ値は比例変化する。
【００５７】
即ち、Ｑ値はデフォーカス量Ｚに依存して変化することになる。そこで、Ｑ値をデフォーカス量Ｚに関する４次関数Ｑ（Ｚ）に近似したとき、４次関数Ｑ（Ｚ）は数式（２）で表すことができる。
Ｑ（Ｚ）＝ｂ４Ｚ４＋ｂ３Ｚ３＋ｂ２Ｚ２＋ｂ１Ｚ＋ｂ０    （２）
ここで、ｂ４は４次の係数、ｂ３３次の係数、ｂ２は２次の係数、ｂ１は１次の係数、ｂ０は定数項の値を示している。暗視野照明下においては、ｂ２がコマ収差と相関を有し、ｂ１がケラレと相関を有する。主制御系３５は、位相パターン像をデフォーカスさせて得られるＱ値とデフォーカス量Ｚとの関係から、２次の係数ｂ２の値よりコマ収差を、１次の係数ｂ１の値によりケラレをそれぞれ求める。なお、コマ収差に関しては、位相パターン像がベストフォーカスに位置しているときのＱ値から求めることも可能である。
【００５８】
主制御系３５は、求めた結像光学系のコマ収差に基づいて、第２対物レンズ１０及びリレーレンズ１２の少なくとも１つの調整量を算出する。主制御系３５は、算出された調整量に基づいて、駆動系２１及び駆動系２２の少なくとも１つに対して制御信号を出力する。駆動系２１及び駆動系２２の少なくとも１つは、主制御系３５からの制御信号に基づいて、第２対物レンズ１０及びリレーレンズ１２の少なくとも１つを結像光学系の光軸に対して垂直に偏心駆動する。
【００５９】
また、主制御系３５は、求めた結像光学系のケラレに基づいて、結像開口絞り１７の調整量を算出する。主制御系３５は、算出された調整量に基づいて、駆動系２０に対して制御信号を出力する。駆動系２０は、主制御系３５からの制御信号に基づいて、結像開口絞り１７を結像光学系の光軸と直交する方向または並進方向に駆動する。
【００６０】
また、位置検出装置を用いて明視野照明でウエハマークＷＭを照明することによりウエハＷのアライメントを行う場合には、位置検出装置を構成する結像光学系に収差やケラレ等が残存した状態でウエハＷのアライメントを行うと、プロセスオフセットが発生する。従って、照明光学系及び結像光学系の光学特性を検査する検査装置により検査する場合においては、照明光学系による照明を明視野照明にして光学特性を検査する。
【００６１】
次に、この実施の形態にかかる観察光学系の検査装置を用いた観察光学系の検査方法について説明する。図１６は、この実施の形態にかかる暗視野照明を行う観察光学系の検査方法について説明するためのフローチャートである。
【００６２】
まず、主制御系３５は、検査装置の照明光学系による照明を暗視野照明に設定する（ステップＳ１０）。具体的には、主制御系３５は、照明光学系による照明が明視野照明に設定されている場合においては、ライトガイドファイバ２の入射端２ａに設けられているブラインド等を用いて暗視野照明に切り換え、照明光学系による照明が暗視野照明に設定されている場合においては照明を切り換えることなく暗視野照明を維持する。
【００６３】
次に、主制御系３５は、照明光学系によりウエハマーク（位相パターン）ＷＭを暗視野照明する（ステップＳ１１）。次に、ステップＳ１１において暗視野照明され、結像光学系を介して形成されたウエハマークＷＭの位相パターンの像を光電検出する（ステップＳ１２、光電検出工程）。具体的には、主制御系３５は、Ｙ方向用ＣＣＤ１５及びＸ方向用ＣＣＤ１６により光電検出された検出信号に基づいて信号処理系１８により信号処理（波形処理）された位相パターンの像情報を取得する。
【００６４】
次に、主制御系３５は、ステップＳ１２において光電検出された検出結果から得られる出力の非対称性からコマ収差または結像光学系のケラレを検出する（ステップＳ１３、検出工程）。即ち、主制御系３５は、ステージ制御系３４を介してＺステージ３２を適宜駆動させることによるデフォーカス量Ｚ（デフォーカス情報）と、信号処理系１８から出力される位相パターンの像情報との相関関係より、コマ収差またはケラレを求める。具体的には、主制御系３５は、結像位置をデフォーカスさせて得られるＱ値とデフォーカス量Ｚとの関係から、コマ収差またはケラレを求める。なお、ケラレは、信号処理系１８から出力される位相パターンの端部の像情報に基づいて求められる。また、コマ収差に関しては、位相パターン像がベストフォーカスに位置しているときのＱ値から求めることも可能である。
【００６５】
次に、主制御系３５は、ステップＳ１３において検出されたコマ収差及びケラレに基づいて、位置検出装置を構成する結像光学系の光学特性の調整を行う（ステップＳ１４）。即ち、結像開口絞り１７、第２対物レンズ１０及びリレーレンズ１２の少なくとも１つの調整量を算出し、駆動系２０、駆動系２１及び駆動系２２の少なくとも１つに対して制御信号を出力することにより、結像開口絞り１７、第２対物レンズ１０及びリレーレンズ１２の少なくとも１つを駆動させる。
【００６６】
この実施の形態にかかる観察光学系（位置検出装置を構成する結像光学系）の検査装置及び検査方法によれば、位相パターンの像の非対称性に基づいて、暗視野照明下において位置計測誤差の発生要因となる観察光学系のコマ収差またはケラレを高精度に検出することができる。
【００６７】
また、この実施の形態にかかる位置検出装置によれば、暗視野照明による検査を行うことができる検査装置によりコマ収差またはケラレを検査された観察光学系（結像光学系）により構成されているため、暗視野照明によりウエハ上に設けられたウエハマークの位置を高精度に検出することができる。
【００６８】
また、この実施の形態にかかる投影露光装置によれば、暗視野照明によりウエハマークを高精度に検出することができる位置検出装置を備えているため、ウエハの位置検出を正確に行うことができる。従って、ウエハ上への重ね合せ露光を高精度に行うことができる。
【００６９】
なお、この実施の形態にかかる観察光学系（位置検出装置を構成する結像光学系）の検査装置及び位置検出装置においては、ライトガイドファイバ２及びブライド等を用いて明視野照明または暗視野照明への切り換えを行っているが、ライトガイドファイバ２の射出端２ｂの近傍に設置されている照明開口絞り３を切り換えることにより明視野照明または暗視野照明への切り換えを行うようにしてもよい。この場合には、円形状の明視野照明用開口絞り及びリング状の暗視野照明用開口絞りを備え、適宜開口絞りの切換えを行うことにより、明視野照明または暗視野照明の切換えを行う。また、明視野照明用及び暗視野照明用の照明光学系をそれぞれ備えるようにしてもよい。この場合には、暗視野照明用の照明光学系としては、より高輝度な光源として例えば、高輝度ＬＥＤ等をもちいてもよい。
【００７０】
また、この実施の形態にかかる位置検出装置においては、明視野照明及び暗視野照明によるウエハのアライメントが可能であるため、位置検出マークの構造やピッチに基づいて明視野照明によりウエハのサーチアライメント（粗のアライメント）を行い、暗視野照明によりウエハのファインアライメント（微細なアライメント）を行うように設定してもよい。また、位置検出マークの構造やピッチに基づいて暗視野照明によりサーチアライメントを行い、明視野照明によりファインアライメントを行ってもよい。何れの場合においても、暗視野照明によりアライメントを行う前に暗視野照明により観察光学系（位置検出装置を構成する結像光学系）の検査を行い、明視野照明によりアライメントを行う前に明視野照明により観察光学系の検査を行う。
【００７１】
また、この実施の形態にかかる観察光学系の検査装置及び検査方法おいては、位置検出装置を構成する結像光学系の検査を行っているが、位置検出装置を構成する結像光学系以外の観察光学系の検査を行ってもよいことは言うまでもない。
【００７２】
上述の実施の形態にかかる投影露光装置では、照明光学装置によってレチクル（マスク）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板（ウエハ）に転写する（転写工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の実施の形態にかかる投影露光装置を用いて感光性基板としてのウエハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図１７のフローチャートを参照して説明する。
【００７３】
先ず、図１７のステップＳ３０１において、１ロットのウエハ上に金属膜が蒸着される。次のステップＳ３０２において、そのｌロットのウエハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップＳ３０３において、上述の実施の形態にかかる投影露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウエハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップＳ３０４において、その１ロットのウエハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップＳ３０５において、その１ロットのウエハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウエハ上の各ショット領域に形成される。
【００７４】
その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、上述の実施の形態にかかる投影露光装置を用いて露光を行っているため、高精度に重ね合わせ露光された回路パターンを有する半導体デバイスを得ることができる。なお、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０５では、ウエハ上に金属を蒸着し、その金属膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチングの各工程を行っているが、これらの工程に先立って、ウエハ上にシリコンの酸化膜を形成後、そのシリコンの酸化膜上にレジストを塗布、そして露光、現像、エッチング等の各工程を行っても良いことはいうまでもない。
【００７５】
また、上述の実施の形態にかかる投影露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図１８のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図１８において、パターン形成工程Ｓ４０１では、上述の実施の形態にかかる投影露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィ工程が実行される。この光リソグラフィ工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルタ形成工程Ｓ４０２へ移行する。
【００７６】
次に、カラーフィルタ形成工程Ｓ４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルタの組を複数水平走査線方向に配列されたりしたカラーフィルタを形成する。そして、カラーフィルタ形成工程Ｓ４０２の後に、セル組み立て工程Ｓ４０３が実行される。セル組み立て工程Ｓ４０３では、パターン形成工程Ｓ４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルタ形成工程Ｓ４０２にて得られたカラーフィルタ等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。セル組み立て工程Ｓ４０３では、例えば、パターン形成工程Ｓ４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルタ形成工程Ｓ４０２にて得られたカラーフィルタとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。
【００７７】
その後、モジュール組み立て工程Ｓ４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、上述の実施の形態にかかる投影露光装置を用いて露光を行っているため、高精度に重ね合わせ露光された回路パターンを有するマイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１の実施の形態にかかる投影露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態にかかるライトガイドファイバの入射端の端面の構成を示す図である。
【図３】第１の実施の形態にかかるライトガイドファイバの射出端の端面の構成を示す図である。
【図４】光束ケラレについて説明するための光学系の構成を示す図である。
【図５】光束ケラレについて説明するための２次光源の光束断面を示す図である。
【図６】光束ケラレについて説明するための結像開口絞りの開口部を示す図である。
【図７】照明テレセントリシティが良好な場合の物体面に対する照明条件を示す図である。
【図８】光束ケラレがない状態での結像開口絞りに対する回折光の分布を示す図である。
【図９】第１の実施の形態にかかる位置検出装置を構成する照明光学系及び結像光学系にコマ収差及びケラレがない状態での位相パターンの信号波形を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態にかかる位置検出装置を構成する照明光学系及び結像光学系にコマ収差のみがある状態での位相パターンの信号波形を示す図である。
【図１１】第１の実施の形態にかかる位置検出装置を構成する照明光学系及び結像光学系にコマ収差のみがある状態での位相パターンの隣り合うエッジ部における位相パターン像の信号強度を示す図である。
【図１２】デフォーカス量に対するＱ値の変化と収差との関係を示す図である。
【図１３】デフォーカス量に対するＱ値の変化とコマ収差との関係を示す図である。
【図１４】第１の実施の形態にかかる位置検出装置を構成する照明光学系及び結像光学系にケラレのみがある状態での位相パターンの信号波形を示す図である。
【図１５】デフォーカス量に対するＱ値の変化とケラレとの関係を示す図である。
【図１６】この実施の形態にかかる位置検出装置を構成する結像光学系の検査方法について説明するためのフローチャートである。
【図１７】この発明の実施の形態にかかるマイクロデバイスとしての半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。
【図１８】この発明の実施の形態にかかるマイクロデバイスとしての液晶表示素子の製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７９】
１…光源、２…ライトガイドファイバ、３…照明開口絞り、４…コンデンサレンズ、５…照明視野絞り、６…照明リレーレンズ、７…ハーフプリズム、８…第１対物レンズ、９…反射プリズム、１０…第２対物レンズ、１１…指標板、１２，１３…リレーレンズ系、１４…ＸＹ分岐ハーフプリズム、１５…Ｙ方向用ＣＣＤ、１６…Ｘ方向用ＣＣＤ、１７…結像開口絞り、１８…信号処理系、３０…レチクルステージ、３１…ウエハホルダ、３２…Ｚステージ、３３…ＸＹステージ、３４…ステージ制御系、３５…主制御系、ＩＬ…露光用照明光学系、Ｒ…レチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＭ…ウエハマーク。
【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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【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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