(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャニング露光装置であって、
（ａ）マスクのパターンの像を結像視野で基板上に投影するための結像系と、
（ｂ）前記結像系に対してスキャニング方向に前記マスク及び前記基板を移動させるためのスキャニング機構と、
（ｃ）前記基板上に投影される像の焦点を調節するための調節系と、
（ｄ）第１の位置に検出領域を備えた第１の検出系とを備えており、前記第１の位置は、前記結像系の前記結像視野の外側に設けられ、前記結像視野から前記スキャニング方向に間隔をあけて設けられており、前記第１の検出系は、前記基板の表面のＺ方向の位置を検出し、
前記スキャニング露光装置は、また、
（ｅ）第２の位置に検出領域を備えた第２の検出系を備えており、前記第２の位置は、前記結像系の前記結像視野の外側に設けられ、前記第１の位置から前記スキャニング方向と交差する方向に間隔をあけて設けられており、前記第２の検出系は、前記基板の表面のＺ方向の位置を検出し、
前記スキャニング露光装置は、また、
（ｆ）第３の位置に検出領域を備えた第３の検出系を備えており、前記第３の位置は、前記結像系の前記結像視野の外側のみに設けられ、前記結像視野から前記スキャニング方向と交差する方向に間隔をあけて設けられており、また、前記第３の位置は、前記第２の位置から前記スキャニング方向に間隔をあけて設けられており、前記第３の検出系は、前記基板の表面のＺ方向の位置を検出し、
前記スキャニング露光装置は、また、
（ｇ）前記第１の検出系と前記第２の検出系とに連結され、前記第１の検出系によって検出された前記第１のＺ位置と目標Ｚ位置との間のずれを計算し、前記第１の検出系による検出のときに、前記第２の検出系によって検出された前記第２のＺ位置を記憶する計算器と、
（ｈ）前記調節系と前記計算器と前記第３の検出系とに連結されたコントローラとを備えており、前記第１の検出系の前記検出領域に対応する前記基板上の領域が、前記スキャニング機構の移動によって前記結像系の結像視野に位置したとき、前記第３の検出系は、前記基板の表面の第３のＺ位置を検出し、前記コントローラは、前記計算されたずれと、前記記憶された第２のＺ位置と、前記第３の検出系によって検出された前記第３のＺ位置と、に基づいて前記調節系を制御することを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスキャニング露光装置において、
前記スキャニング機構は、前記マスクを保持するためのマスクステージと、前記基板を保持するための基板ステージと、前記結像系の投影倍率に対応する速度比で、前記マスクステージと前記基板ステージとを移動させるための同期駆動系とを備えていることを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項３】
請求項２に記載のスキャニング露光装置において、
前記基板ステージは、前記基板の裏面を引きつけるための吸引部と、前記基板が前記吸引部に支持されたとき、前記基板の表面とほぼ等しい高さで前記基板を囲む補助プレート部とを備えていることを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項４】
請求項３に記載のスキャニング露光装置において、
前記マスクのパターンによって露光される前記基板のショット領域が、前記基板の周辺部にあるときに、前記第２の検出系と前記第３の検出系は、前記検出領域のうち少なくとも１つの検出領域によって前記補助プレート部の表面のＺ方向における位置を検出できるように配置されていることを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項５】
請求項４に記載のスキャニング露光装置において、
前記第１の検出系は、該第１の検出系に関する所定の基準Ｚ位置に対する前記基板の表面のＺ方向位置誤差値、及び、該第１の検出系に関する所定の基準Ｚ位置に対する前記補助プレート部のＺ方向位置誤差値の一方を発生し、
前記第２の検出系は、該第２の検出系に関する所定の基準Ｚ位置に対する前記基板の表面のＺ方向位置誤差値、及び、該第２の検出系に関する所定の基準Ｚ位置に対する前記補助プレート部のＺ方向位置誤差値の一方を発生し、
前記第３の検出系は、該第３の検出系に関する所定の基準Ｚ位置に対する前記基板の表面のＺ方向位置誤差値、及び、該第３の検出系に関する所定の基準Ｚ位置に対する前記補助プレート部のＺ方向位置誤差値の一方を発生することを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項６】
請求項５に記載のスキャニング露光装置において、
前記第１の検出系に関する前記所定の基準Ｚ位置と、前記第２の検出系に関する前記所定の基準Ｚ位置と、前記第３の検出系とに関する前記所定の基準Ｚ位置とが、互いに異なっている場合に、
前記所定の基準Ｚ位置の間の差異が、較正によって検出されることを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項７】
請求項４に記載のスキャニング露光装置において、
前記基板のスキャニング方向がＹ方向である場合で、また、前記Ｙ方向及び前記Ｚ方向の各々に直交する方向がＸ方向である場合に、前記第１の検出系は、複数の検出領域を有するマルチポイントタイプの第１の焦点検出器を備えており、前記複数の検出領域は、前記結像系の結像視野の前記Ｘ方向におけるサイズの範囲にわたって、前記基板上で、前記Ｘ方向に沿って一列になっていることを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項８】
請求項７に記載のスキャニング露光装置において、
前記第２の検出系は、複数の第２の焦点検出器を備えており、前記第２焦点検出器は、前記マルチポイントタイプの第１の焦点検出器の、一列となっている前記複数の検出領域のうち前記Ｘ方向における両側に検出領域を備えており、前記第２の焦点検出器の各々は、前記検出領域の各々で、前記基板及び前記補助プレート部の一方の前記表面のＺ方向位置を個々に検出することを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項９】
請求項８に記載のスキャニング露光装置において、
前記第３の検出系は、複数の第３の焦点検出器を備えており、前記第３焦点検出器は、前記投影系の前記結像視野の前記Ｘ方向における両側に設けられており、前記第３の焦点検出器の各々は、前記検出領域の各々で、前記基板及び前記補助プレート部の一方の前記表面のＺ方向位置を個々に検出することを特徴とするスキャニング露光装置。
【請求項１０】
投影露光装置であって、
（ａ）マスクパターンの像を投影視野で基板に投影するための結像系と、
（ｂ）Ｘ方向及びＹ方向に交差する方向に移動して、前記投影されたマスクパターンの像に関して前記基板を位置決めするための可動ステージ機構と、
（ｃ）前記基板上に投影されるマスクパターンの像の焦点を調節するための調節機構と、
（ｄ）第１の位置に検出領域を備えた第１の検出系とを備えており、前記第１の位置は、前記結像系の前記投影視野の外側に設けられ、前記投影視野から前記Ｙ方向に間隔をあけて設けられており、前記第１の検出系は、前記基板の表面のＺ方向の位置を検出しており、
前記投影露光装置は、また、
（ｅ）第２の位置に検出領域を備えた第２の検出系を備えており、前記第２の位置は、前記結像系の前記投影視野の外側に設けられ、前記第１の位置から前記Ｘ方向に間隔をあけて設けられており、前記第２の検出系は、前記基板の表面のＺ方向の位置を検出しており、
前記投影露光装置は、また、
（ｆ）第３の位置に検出領域を備えた第３の検出系を備えており、前記第３の位置は、前記結像系の前記投影視野の外側のみに設けられ、前記投影視野から前記Ｘ方向に間隔をあけて設けられており、また、前記第３の位置は、前記第２の位置から前記Ｙ方向に間隔をあけて設けられており、前記第３の検出系は、前記基板の表面のＺ方向の位置を検出しており、
前記投影露光装置は、また、
（ｇ）前記第１の検出系と前記第２の検出系とに連結され、前記第１の検出系によって検出された前記第１のＺ位置と目標Ｚ位置との間のずれを計算し、前記第１の検出系による検出のときに、前記第２の検出系によって検出された前記第２のＺ位置を記憶するための計算器と、
（ｈ）前記調節機構と前記計算器と前記第３の検出系とに連結されたコントローラとを備えており、前記第１の検出系の前記検出領域に対応する前記基板上の領域が、前記可動ステージ機構によって前記結像系の前記投影視野に位置するときに、前記第３の検出系は、前記基板の表面の第３のＺ位置を検出し、前記コントローラは、前記計算されたずれと、前記記憶された第２のＺ位置と、前記第３の検出系によって検出された前記第３のＺ位置と、に基づいて前記調節機構を制御することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の投影露光装置において、
前記第１の検出系は、複数の検出領域を有する複数の第１の焦点検出器を備えており、前記複数の検出領域は、前記結像系の投影視野の前記Ｘ方向におけるサイズに応じた範囲で、前記Ｘ方向に沿って一列になっており、前記第１の焦点検出器の各々は、前記検出領域の各々で、前記基板の表面のＺ位置を個々に検出することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の投影露光装置において、
前記第２の検出系は、２つの第２の焦点検出器を備えており、前記２つの第２の焦点検出器は、前記第１の検出系の、一列となっている前記複数の検出領域の両側に配置された２つの検出領域を備えており、前記第２の焦点検出器の各々は、前記２つの検出領域の各々で、前記基板の表面のＺ位置を個々に検出することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の投影露光装置において、
前記第３の検出系は、２つの第３の焦点検出器を備えており、前記２つの第３の焦点検出器は、前記結像系の前記投影視野の前記Ｘ方向における両側に配置されており、前記第３の焦点検出器の各々は、前記２つの検出領域の各々で、前記基板の表面のＺ位置を個々に検出することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の投影露光装置において、
前記可動ステージ機構は、前記基板の裏面を引きつけるための取付部と、前記基板が前記取付部に支持されたとき、前記基板の表面と実質的に等しい高さで前記基板を囲む補助プレート部とを備えており、
前記補助プレート部の表面は、前記２つの第２の焦点検出器のうちの１つと、前記２つの第３の焦点検出器のうちの１つとによって検出されることを特徴とする投影露光装置。
【請求項１５】
投影系を通してマスクのパターンの一部を感光性基板に投影し、前記投影系の投影視野に対して前記マスクと前記感光性基板とを移動させることによって、前記マスクのパターンを前記感光性基板に転写するスキャニング露光方法であって、前記方法は、
（ａ）前記感光性基板の表面の高さと実質的に等しい高さで前記感光性基板を囲む補助プレート部を有するホルダーに、前記感光性基板を取り付けるステップと、
（ｂ）前記マスクパターンの一部が投影される前記感光性基板の露光領域の焦点誤差を読み取るステップとを備えており、前記ホルダーと前記感光性基板とをスキャニング移動させる間で、前記露光領域が前記投影系の投影視野に達する前に、前記露光領域の前記焦点誤差が読み取られるようになっており、
前記焦点誤差を読み取るステップは、
（ｂ−１）第１の検出領域で焦点誤差を読み取るステップを備え、前記第１の検出領域は、前記投影系の投影視野の外側に、前記投影系の投影視野から前記スキャニング移動方向に間隔をあけて設けられ、
前記焦点誤差を読み取るステップは、また、
（ｂ−２）第２の検出領域で焦点誤差を読み取るステップを備え、前記第２の検出領域は、前記投影系の投影視野の外側に、前記第１の検出領域から前記スキャニング移動方向と交差する方向に間隔をあけて設けられ、
前記方法は、また、
（ｃ）前記感光性基板上の露光領域が前記投影視野に達するときに、前記スキャニング移動方向に直交する方向に前記投影系の投影視野から離れて配置され且つ前記第２の検出領域から前記スキャニング方向に間隔をあけて設けられた第３の検出領域のみを有する焦点検出系によって、前記第３の検出領域で焦点誤差を検出するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）によって検出された前記焦点誤差に基づいて、前記投影系と前記感光性基板との間で焦点を調節するステップとを備えており、それによって、前記感光性基板上での露光領域の焦点誤差が、前記投影系の投影視野で補正されることを特徴とするスキャニング露光方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載のスキャニング露光方法において、
前記方法は投影アライナーに適用されており、前記投影アライナーは投影系を有しており、前記投影系は、前記基板の表面に対して２０ｍｍまたはそれ以下の有効作動距離を備えていることを特徴とするスキャニング露光方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載のスキャニング露光方法において、
前記方法は、液浸式の投影露光装置に適用されており、前記液浸式の投影露光装置において、前記感光性基板と、前記投影光学系の像面側に配置された透明な光学素子との間で、投影光路を含む空間が、液体で満たされていることを特徴とするスキャニング露光方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載のスキャニング露光方法において、
前記投影光学系は、前記感光性基板と前記投影光学系の前記透明な光学素子との間の液体の厚さが２ｍｍまたはそれ以下となるような作動距離を備えていることを特徴とするスキャニング露光方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載のスキャニング露光方法において、
前記方法は、スキャニング露光装置に適用されており、前記スキャニング露光装置は、反射屈折投影系を有しており、前記反射屈折投影系は、屈折用の光学素子と反射用の光学素子とを有しており、前記スキャニング露光装置において、透明な光学素子が像面側に配置されていることを特徴とするスキャニング露光方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載のスキャニング露光方法において、
前記像面側に配置された前記透明な光学素子は、プリズムミラーとなっており、前記プリズムミラーは、前記感光性基板の表面に実質的に平行な射出表面を備えていることを特徴とするスキャニング露光方法。
【請求項２１】
被加工物の表面と対物レンズ光学系との間で焦点合わせを制御できるように、前記対物レンズ光学系を有する装置に設けられた焦点合わせ装置であって、前記焦点合わせ装置は、
（ａ）第１の位置に検出領域を備えた第１の検出系を備えており、前記第１の位置は、前記対物レンズ光学系の視野の外側に設けられており、前記対物レンズ光学系の視野から被加工物の移動方向に間隔をあけて設けられており、前記第１の検出系は、前記被加工物の表面の前記焦点合わせ方向の位置を検出しており、
前記焦点合わせ装置は、また、
（ｂ）第２の位置に検出領域を備えた第２の検出系を備えており、前記第２の位置は、前記対物レンズ光学系の視野の外側に設けられ、前記第１の位置から前記被加工物の移動方向と交差する方向に間隔をあけて設けられており、前記第２の検出系は、前記被加工物の表面の前記焦点合わせ方向の位置を検出しており、
前記焦点合わせ装置は、また、
（ｃ）第３の位置に検出領域を備えた第３の検出系を備えており、前記第３の位置は、前記対物レンズ光学系の視野の外側のみに設けられ、前記対物レンズ光学系の視野から前記被か好物の移動方向と交差する方向に間隔をあけて設けられており、また、前記第３の位置は、前記第２の位置から前記被加工物の移動方向に間隔をあけて設けられており、前記第３の検出系は、前記被加工物の表面の前記焦点合わせ方向の位置を検出しており、
前記焦点合わせ装置は、また、
（ｄ）前記第１の検出系と前記第２の検出系とに連結され、前記第１の検出系によって検出された前記第１の焦点位置と目標焦点位置との間のずれを計算し、前記第１の検出系による検出のときに、前記第２の検出系によって検出された前記第２の焦点位置を記憶するための計算器と、
（ｅ）前記計算器と前記第３の検出系とに連結されたコントローラとを備えており、前記第１の検出系の前記検出領域に対応する前記被加工物上の領域が、前記被加工物と前記対物レンズ光学系との相対移動によって前記対物レンズ光学系の視野に位置決めするとき、前記第３の検出系は、前記被加工物の表面の第３の焦点位置を検出し、前記コントローラは、前記計算されたずれと、前記記憶された第２の焦点位置と、前記第３の検出系によって検出された前記第３の焦点位置と、に基づいて、前記被加工物の前記表面上での前記対物レンズ光学系の焦点合わせを制御することを特徴とする焦点合わせ装置。
【請求項２２】
被加工物と対物レンズ光学系の視野とがＸ方向とＹ方向に互いに対して移動するとき、前記被加工物の表面での前記対物レンズ光学系の焦点合わせを制御する方法であって、前記方法は、
（ａ）前記被加工物の表面の高さと実質的に等しい高さで前記被加工物を囲む補助プレート部を有するホルダーに前記被加工物を取り付けるステップと、
（ｂ）前記ホルダーと前記被加工物とを所定の移動方向に移動させる間で、前記被加工物の所定の局部的な部分が前記対物レンズ光学系の視野に達する前に、前記被加工物の表面の前記局部的な部分の焦点誤差を読み取るステップとを備えており、
前記焦点誤差を読み取るステップは、
（ｂ−１）第１の検出領域で焦点誤差を読み取るステップを備え、前記第１の検出領域は、前記対物レンズ光学系の視野の外側に、前記対物レンズ光学系の視野から前記移動方向に間隔をあけて設けられ、
前記焦点誤差を読み取るステップは、また、
（ｂ−２）第２の検出領域で焦点誤差を読み取るステップを備え、前記第２の検出領域は、前記対物レンズ光学系の視野の外側に、前記第１の検出領域から前記移動方向と交差する方向に間隔をあけて設けられ、
前記方法は、また、
（ｃ）前記被加工物の前記局部的な部分が前記視野に達するときに、前記移動方向に直交する方向に前記対物レンズ光学系の視野から離れて配置され且つ前記第２の検出領域から前記移動方向に間隔をあけて設けられた第３の検出領域を有する焦点検出系によって、前記第３の検出領域で焦点誤差を検出するステップと、
（ｄ）前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）によって検出された前記焦点誤差に基づいて、前記対物レンズ光学系と前記被加工物との間で焦点合わせを制御し、それによって、前記被加工物の局部的な部分の焦点誤差が、前記対物レンズ光学系の視野で補正されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、
前記方法は、斜入射光タイプの焦点検出器の検出ビームが前記対物レンズ光学系の真下で前記被加工物の表面に斜めに導かれないようにわずかな有効作動距離を有する、製造用の計測器、リソグラフィー露光装置、描画装置、及び検査装置の少なくとも１つに適用されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
マスクのパターンを結像系を通して基板に転写するためのスキャニング露光方法であって、前記スキャニング露光方法は、
第１の検出領域を備えた第１の検出系を提供するステップを備えており、前記第１の検出領域は、前記結像系の結像視野の外側に設けられていると共に、前記結像視野からスキャニング方向に間隔をあけて設けられており、前記第１の検出系は、前記基板の表面の、前記結像系の光軸方向における位置を検出しており、
前記スキャニング露光方法は、また、
第２の検出領域を備えた第２の検出系を提供するステップを備えており、前記第２の検出領域は、前記結像系の結像視野の外側に設けられていると共に、前記第１の検出領域から前記スキャニング方向と交差する方向に間隔をあけて設けられており、前記第２の検出系は、前記基板の表面の前記光軸方向における位置を検出しており、
前記スキャニング露光方法は、また、
第３の検出領域を備えた第３の検出系を提供するステップを備えており、前記第３の検出領域は、前記結像系の結像視野の外側のみに設けられていると共に、前記結像視野から前記スキャニング方向と交差する方向に間隔をあけて設けられ、さらに、前記第２の検出領域から前記スキャニング方向に間隔をあけて設けられており、前記第３の検出系は、前記基板の表面の位置と目標位置との間の、前記光軸方向におけるずれを検出しており、
前記スキャニング露光方法は、また、
前記基板の露光の間に、前記第１の検出系の検出結果と前記第２の検出系の検出結果とに基づいて、前記第３の検出系の目標位置を決定するステップと、
前記基板の露光の間に、前記第１の検出系の検出結果と前記第２の検出系の検出結果とにより決定された前記目標位置、および前記第３の検出系の検出結果に基づいて、前記基板の表面と前記結像系の像面との間の位置関係を調節するステップとを備えていることを特徴とするスキャニング露光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、半導体の製造に関し、特に、回路パターンを、マスクまたはレチクルから感光基板に転写するためのリソグラフィー露光装置（アライナー）に関する。
【０００２】
本願発明は、また、被加工物、すなわちワークピース（ウェハ、基板、またはプレートなど）上の焦点を検出するための、また、前記被加工物のチルト（すなわち、傾斜）を検出するためのシステム（系）に関する。当該システムは、レーザーや電子ビームを使用して、被加工物を製造しまたは被加工物の表面に所望のパターンを結像するための装置や被加工物の表面の状態を光学的に検査するための装置のようなある種類の装置に適用できる。
【０００３】
【従来の技術】
近年、集積密度６４メガビットを有するダイナミイック・ランダム・アクセス・メモリの半導体チップ（ＤＲＡＭｓ）が、半導体製造技術によって大量生産されている。そのような半導体チップは、半導体ウェハを露光して回路パターンを結像し、これによって、例えば、１０層あるいはそれ以上の層の回路パターンを重ね合わせ形成することによって、製造されている。
【０００４】
一方、現在、そのようなチップの製造に使用されるリソグラフィー装置は、投影用のアライナーである。その投影用のアライナーにおいては、レチクル（または、マスクプレート）上のクロム層に描かれた回路パターンが、水銀灯のｉ線（波長３６５ｎｍ）やＫｒＦエキシマーレーザーからの２４８ｎｍの波長を有するパルス光で、前記レチクルを照射することによって、４分の１または５分の１に縮小する縮小光学結像系（すなわち、縮小投影光学系）を通して、ウェハ表面のレジスト層に転写される。
【０００５】
この目的のために使用される投影露光装置（投影用のアライナー）は、結像光学系のタイプに応じて、ステップアンドリピート方式を利用するもの（すなわち、いわゆるステッパー）と、最近注目を受けているステップアンドスキャン方式を利用したものとに概ねグループ分けされている。
【０００６】
ステップアンドリピート方式においては、工程が繰り返される。すなわち、その工程においては、ウェハがステッピング方法である程度移動するごとに、レチクルのパターン像が、縮小投影レンズ系または単一の倍率の投影レンズ系を使用することによって、ウェハの一部に投影される。前記縮小投影レンズ系は、屈折用の光学材料（レンズ素子）のみから形成されており、円形の像視野を備えている。単一の倍率の投影レンズ系は、屈折用の光学材料（レンズ素子）、プリズムミラー、及び凹面鏡から形成されており、非円形の像視野を備えている。前記像視野によって、ウェハやプレートのショット領域がパターン像に露出される。
【０００７】
スッテプアンドスキャン方式においては、ウェハは、（例えば、円弧状のスリットの形状の）レチクルの回路パターンの一部の像に露光される。レチクルの回路パターンの一部の像は、投影光学系を通ってウェハに投影される。同時に、レチクルとウェハは、連続的に、一定の速度で且つ投影倍率に応じた速度比で移動する。したがって、スキャニング方法では、ウェハ上の１つのショット領域が、レチクル上の全回路パターンの像に露光される。
【０００８】
例えば、「オプティカル／レーザー・マイクロリソグラフィー（Ｏｐｔｉｃａｌ／Ｌａｓｅｒ  Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）（１９８８）のＳＰＩＥＶｏｌ．９２２の２５６ページないし２６９ページに記述されているように、スッテプアンドスキャン方式は、ウェハ上の１つのショット領域がスキャンされ露光された後、ウェハは１ステップ移動し、隣のショット領域が露光されるように構成され、また、投影光学系の有効像視野が円弧状のスリットに制限されるように構成されている。また、投影光学系は、（Ｓｈａｆｅｒに付与された）米国特許第４，７４７，６７８に開示されているもののように、複数の屈折用の光学要素と、複数の反射用の光学要素との組み合わせと考えることができる。
【０００９】
（Ｎｉｓｈｉに付与された）米国特許は、アライナーの一例を開示している。このアライナーにおいては、スッテプアンドスキャン方式が、円形の像視野を有するステッパー用の縮小投影レンズを取り付けることによって、実行されている。この米国公報は、また、スキャニング露光のときに投影されるパターン像が、所定量だけウェハ上の焦点深度（ＤＯＦ）を増加させることによって、ウェハに転写される方法を開示している。
【００１０】
リソグラフィー技術の分野においては、光りによる露光により、１ギガまたは４ギガ程度の集積密度及び精度を有する半導体メモリチップを製造できることが望ましい。光りにより露光する技術は長い技術的歴史を有しており、大量に蓄積されたノウハウに基づいていることから、光りにより露光する技術を継続して使用することが便利である。また、他の代わりの電子ビームによる露光技術やＸ線技術の問題点を考慮すると、光りにより露光する技術を使用することが効果的である。
【００１１】
１ギガのメモリチップに関しては、最小のライン幅（形状幅）を、約０．１８μｍ（マイクロメートル）にする必要があると考えられている。一方、４ギガのメモリチップに関しては、最小のライン幅（形状幅）を、約０．１３μｍ（マイクロメートル）にする必要があると考えられている。そのようなライン幅を達成するためには、２００ｎｍあるいはそれより短い波長を有する遠紫外線、例えば、ＡｒＦエキシマーレーザーによって生じる遠紫外線が使用され、これにより、レチクルパターンを照射することができる。
【００１２】
（４００ｎｍまたはそれより短い波長を有する）遠紫外線に対して適当な透過度を有するガラス質の光学材料として、石英（ＳiＯ2）、蛍石（ＣaＦ2）、リチウムフルオリド（ＬiＦ2）、マグネシウムフルオリド（ＭgＦ2）などが、一般的に知られている。石英と蛍石は、遠紫外線のレンジにおいて高い解像度を有する投影光学系を形成するために必要なガラス質の光学材料となっている。
【００１３】
しかしながら、もし、視野のサイズを増加させながら、投影光学系の開口数（ＮＡ）を増加させて高解像度を達成するならば、石英または蛍石で形成されたレンズ素子の直径が大きくなり、その結果、そのようなレンズ素子の製造が困難になるという事実を考慮することが必要である。
【００１４】
また、もし、投影光学系の開口数（ＮＡ）を増加させるならば、焦点深度（ＤＯＦ）ΔＦは、必然的に減少する。レイリーの結像の理論が適用されるならば、一般的に、焦点深度ΔＦは、下記に示されているように、波長、開口数ＮＡ、及びプロセス係数Ｋｆ（０＜Ｋｆ＜１）によって定義される。
【００１５】
ΔＦ＝Ｋｆ・（λ／ＮＡ2）
したがって、もし、波長が１９３ｎｍならば、すなわち、波長がＡｒＦエキシマーレーザー光の波長に等しく、開口数ＮＡが約０．７５に設定され、プロセス係数Ｋｆが０．７であるならば、大気（空気）中の焦点深度ΔＦは、約０．２４０μｍとなる。この場合、理論上の解像度（最小ライン幅）ΔＲは、プロセス係数Ｋｒ（０＜Ｋｒ＜１）を使用する下記等式によって表現される。
【００１６】
ΔＲ＝Ｋｒ・（λ／ＮＡ）
したがって、上述した状態の下では、プロセス係数Ｋｒが０．６ならば、解像度ΔＲは約０．１５４μｍとなる。
【００１７】
上述したように、解像度を改善するために、投影光学系の開口数を増加させる必要がある一方で、もし、開口数が増加するならば、焦点深度が急激に減少することに注意することが重要である。もし、焦点深度が小さいならば、精度、再現精度、及び安定性を改善する必要がある。精度、再現精度、及び安定性に基づいて、投影光学系の最良の像面とウェハ上のレジスト層面との間を合わせるための自動焦点合わせ系が、制御される。
【００１８】
他方、デザインや製造の見地から投影光学系を考慮すると、視野のサイズを増加させることなしに、開口数を増加させる構成が可能である。しかしながら、もし、開口数を実質的に大きな値に設定するならば、レンズ素子の直径が大きくなり、その結果、ガラス質の光学材料（例えば、石英や蛍石）を形成し加工することが困難となる。
【００１９】
次いで、投影光学系の開口数を大きく増加させることなしに解像度を改善するための手段として、液浸投影方法を使用してもよい。この方法においては、ウェハと投影光学系との間のスペースに、液体が充填されている。これに関しては、（Ｔａｂａｒｅｌｌｉに付与された）米国特許第４，３４６，１６４を参照されたい。
【００２０】
この液浸投影方法においては、ウェハと、投影光学系を投影端側（像面側）で構成する光学要素との間の空間に、フォトレジスト層の屈折率に近い屈折率を有する液体が充填されている。これにより、ウェハ側からみた投影光学系の有効開口数が増加し、すなわち、解像度を改善することができる。この液浸投影方法は、使用する液体を選択することによって、良好な結像性能を獲得できると期待されている。
【００２１】
現在公知な投影アライナーには、一般的に、自動焦点合わせ（ＡＦ）系が設けられている。この自動焦点合わせ系は、ウェハと投影光学系との相対位置を正確に制御し、それによって、ウェハの表面を、投影光学系の最適な像面（レチクルの共役面）に合致させることができる。この自動焦点合わせ系は、ウェハ表面の高さ方向の位置（Ｚ方向位置）の変化を非接触で検出するための表面位置検出センサと、この検出された変化に基づいて、投影光学系とウェハとの間の間隔を調節するためのＺ方向調節機構とを備えている。
【００２２】
また、現在使用されている投影アライナーにおいては、また、光学タイプのセンサや空気マイクロメータータイプのセンサが、表面位置検出センサとして使用されている。また、ウェハを支持するためのホルダー（及びＺステージ）が、Ｚ方向調節機構として設けられている。ウェハを支持するホルダー（及びＺステージ）は、サブミクロン精度で垂直方向に移動する。
【００２３】
もし、そのような自動焦点合わせ系が、液浸投影方法が適用されるアライナーに設けられるならば、ウェハが液体に保持されることから、空気マイクロメータータイプのセンサを使用することができず、光学式のセンサが独占的に使用されるのが自然である。そのような場合、例えば、（Ｓｕｗａに付与された）米国特許第４，６５０，９８３に開示されたような焦点合わせ用の光学式センサが構成される。それによって、測定用のビーム（スリット像の結像ビーム）が、ウェハ上の投影視野に斜めに投影され、また、ウェハ表面で反射された測定用のビームが、受光用のスリットを通して、光電式の検出器によって受光される。ウェハ表面の高さの変化、すなわち、焦点誤差量が、受光用のスリットで起きる反射されたビーム（反射ビーム）の位置の変化から検出される。
【００２４】
米国特許第４，６５０，９８３に開示されたような斜入射光（斜めに光りを入射する）タイプの焦点合わせ用のセンサが、１０ないし２０ｎｍの作動距離を有する通常の投影光学系が液体に浸されている投影アライナーに直接的に取り付けられているならば、下記に述べる問題が生じる。そのような場合、下記のような投影ビームと反射ビームとが通る投影光学系を液体に設定する必要がある。すなわち、その投影ビームは、焦点合わせ用のセンサの投影用対物レンズから放射されて、ウェハ上にある投影光学系の投影視野に到達する。その反射ビームは、ウェハによって反射されて、受光用の対物レンズに到達する。
【００２５】
そのため、焦点合わせ用のセンサのビームは、液体中を長い距離にわたって進む。それによって、液体の温度分布が高精度に安定していないならば、投影ビームや受光されたビームは、温度が不均等になっているので、屈折率の変化によって変動し、その結果、焦点検出（すなわち、ウェハ表面の高さ方向の位置の検出）の精度が低下することとなる。
【００２６】
さらに、液浸投影方法によって、０．１５λｍまたはそれ以下の解像度を達成するために、上述したように、投影光学系の作動距離を十分に小さい値に設定する必要がある。そのため、斜入射光（斜めに光りを入射する）タイプの焦点合わせ用のセンサの投影ビームそれ自身を、投影光学系とウェハとの間の空間からウェハ上の投影領域に向けて斜めに投影することは、困難となる、この理由のため、液浸投影方法に適用可能な自動焦点合わせ系をどのように構成したらよいかということに関して、１つの重要な疑問が生じる。
【００２７】
他方、単一の倍率タイプの（以下、”１Ｘ”と言う）投影光学系を有するアライナー（露光装置）は、半導体装置を製造する分野と共に、液晶ディスプレイ装置（平坦なパネルディスプレイ）を製造する分野で使用されている。最近、この種のアライナーのために、１つのシステム（系）が提案されている。そのシステムには、あるタイプの複数の１Ｘ投影光学系が配置され、そして、マスク及び感光性のプレートが互いに対して一体的に移動してスキャニングを行うことができるようになっている。使用される１Ｘ投影光学系の作動距離は、理想的には極端に小さくなっていることが望ましい。各１Ｘ投影光学系は、（Ｈｅｒｓｈｅｌに付与された）米国特許第４，３９１，４９４号に開示されたようなシングル・ダイソン（ｓｉｎｇｌｅ  Ｄｙｓｏｎ）タイプ、または、（Ｓｗａｎｓｏｎなどに付与された）米国特許第５，２９８，９３９に開示されたようなダブル・ダイソン（ｄｏｕｂｌｅ  Ｄｙｓｏｎ）タイプとなっている。
【００２８】
そのようなＤｙｓｏｎ（ダイソン）タイプの投影光学系を有するアライナーにおいては、作動距離（すなわち、プリズムミラーの出口表面と像面との間の間隔）を十分に減少させることにより、投影された像の種々の収差やディストーションを小さな値に制限でき、その結果、収差やディストーションにより生じる問題が事実上なくなる。そのため、この種のアライナーにおいて、焦点合わせ用のセンサによって焦点が検出される、感光性の基板上の検出領域（例えば、光りを斜めに入射する斜入射光系における投影ビームの照射位置、または、空気マイクロメーター系における空気排出位置）は、通常、投影光学系の有効投影視野領域からそれた位置に設定される。すなわち、オフアクシス方式で設定される。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
この理由のため、回路パターンからの投影光に露光される基板の領域が最良の焦点位置または状態に正確に調節されたかどうかを実際に検出することは不可能である。
【００３０】
また、基板にパターンを描画する装置においては、または、レーザービームや電子ビームのスポットを使用することによって加工（または製造）を行う装置においては、基板と、レーザービームや電子ビームを投影するための対物レンズ系（または、電子レンズ系）と、の間の作動距離が大変小さくなる。その結果、加工位置の焦点誤差を検出でき、または、対物レンズ光学系の視野における基板表面上での描画位置の焦点誤差を検出できるＡＦセンサを取り付けることができなくなる可能性が生じる。
【００３１】
そのような場合、ＡＦセンサの検出位置は、焦点誤差を検出するために、対物レンズ系の視野の外側にのみ置かれる。そのため、対物レンズ系の視野における加工位置または描画位置で、焦点誤差が実際に起きているかどうか検出できなくなる。
【００３２】
これと同じことが、フォトリソグラフィーでレチクルやマスクに描かれたパターンやウェハに形成された微細のパターンを光学的に検査するための装置に関しても言うことができる。すなわち、この種の検査装置にも、検査のための対物レンズ系が設けられているからである。また、対物レンズ系の端部は、検査される標本（プレート）の表面に向いて、所定の作動距離だけ前記標本の表面から離れて設けられているからである。
【００３３】
したがって、比較的に大きな倍率と高解像度とを有する対物レンズ系を使用するならば、作動距離が大変小さくなり、その結果、ＡＦセンサの性質に関する同じ問題が生じる。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
関連技術の上記問題を考慮して、本願発明は、通常の投影光学系と比較して作動距離を減少させる投影光学系が組み入れられたとしても、高精度に焦点合わせの制御ができ、また、高精度にチルト制御ができる、投影アライナー（露光装置）及び露光方法を提供するものである。
【００３５】
本願発明は、ステップアンドリピート式のアライナーに関連している。ステップアンドリピート式のアライナーにおいては、感光性基板の表面が、投影系またはスキャニング露光装置（スキャニングアライナー）を通して投影されたパターン像に露光される。投影系またはスキャニング露光装置において、マスク（または、レチクル）と感光性基板とは、パターン像が投影されながら結像系に対して相対的に移動し、また、これらの種類の露光装置（アライナー）における焦点位置やチルトを検出するのに適切な系に対して相対的に移動する。
【００３６】
本願発明の露光装置及び露光方法においては、焦点合わせ制御やチルト制御は、感光性基板上の周辺位置におけるショット領域に関して実行される。
【００３７】
本願発明のスキャニング露光装置及びスキャニング露光方法によって、焦点検出領域を投影光学系の投影視野に設定することなしに、感光性基板の露光領域に関して、高精度に焦点合わせの制御ができ、また、高精度にチルト制御ができる。
【００３８】
本願発明の焦点合わせ用のセンサ及び焦点検出方法は、焦点深度を改善するために設計された液浸タイプの投影アライナーや液浸タイプのスキャニングアライナーにおいて、液体に浸された感光性基板の表面の焦点合わせまたはチルトにおける誤差を安定して検出できる。本願発明の焦点合わせ用のセンサ及び焦点検出方法は、小さな作動距離の対物レンズ光学系を有する、製造（加工）装置、描画装置、または検査装置に適している。
【００３９】
本願発明は、マスク（レチクル）のパターン像を結像視野を通して基板（ウェハ）に投影するための結像系（投影レンズ系）と、結像系に対してスキャニング方向にマスク及び基板を移動させるためのスキャニング機構（レチクルステージまたはウェハＸＹステージ）と、基板及び結像系を互いに対してＺ方向に駆動して投影される像の焦点を合わせるＺー駆動系とを有するスキャニング露光装置に適用可能である。本願発明は、また、マスクのパターン像を投影視野を通して基板に投影するための結像系と、投影されるパターン像に関して基板を位置決めするために、Ｘ方向及びＹ方向に移動する移動可能なステージ機構と、基板及び結像系を互いに対してＺ方向に駆動して投影される像の焦点を合わせるＺー駆動系とを有する投影アライナー（すなわち、ステッパー）に適用可能である。
【００４０】
露光装置すなわちアライナーのスキャニング機構または移動可能なステージは、マスクまたは基板を水平方向に維持するための機構とすることができる。あるいは、露光装置すなわちアライナーのスキャニング機構または移動可能なステージは、マスクまたは基板を水平面から、ある一定の角度に維持するための機構としてもよい。例えば、マスクまたは基板を垂直な姿勢で維持しながら、マスクまたは基板を水平または垂直方向に移動させるための垂直（縦置き）ステージ機構としてもよい。この場合、マスクまたは基板が移動する平面は、Ｘ方向とＹ方向に対向している。Ｘ方向及びＹ方向の各々に対して直交しているＺ方向も、参照される（例えば、Ｚ方向は、横方向に配置された投影光学系の光軸の方向、または、主光線の方向に一致している）。
【００４１】
本願発明によれば、アライナーには、第１の検出系と、第２の検出系と、第３の検出系とが設けられている。第１の検出系は、第１の位置に、検出領域を備えている。第１の位置は、結像系の結像視野の外側に設けられ、スキャニング方向（Ｙ方向）において前記結像系の結像視野から間隔をあけて設けられている。第１の検出系は、基板の表面（上面）のＺ方向における位置を検出する。第２の検出系は、第２の位置に、検出領域を備えている。第２の位置は、結像系の結像視野の外側に設けられ、スキャニング方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ）において前記第１の位置から間隔をあけて設けられている。第２の検出系は、基板の表面のＺ方向における位置を検出する。第３の検出系は、第３の位置に、検出領域を備えている。第３の位置は、結像系の結像視野の外側に設けられ、スキャニング方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）において前記結像系の結像視野から間隔をあけて設けられている。第３の位置は、また、スキャニング方向（Ｙ方向）において前記第２の位置からも間隔をあけて設けられている。第３の検出系は、基板の表面のＺ方向における位置を検出する。
【００４２】
本願発明によれば、アライナーには、さらに、第１の検出系によって検出された第１のＺ位置と目標Ｚ位置との間のずれを計算し、第１の検出系によって検出される時に、第２の検出系によって検出された第２のＺ位置を一時的に記憶するための計算器と；スキャニング機構または移動可能なステージ機構により引き起こされた移動によって、第１の検出系の検出領域に対応する基板上の領域が、結像系の結像視野に位置決めされたとき、計算されたずれと、記憶された第２のＺ位置と、第３の検出系によって検出された第３のＺ位置とに基づいて、Ｚー駆動系を制御するためのコントローラとが；設けられている。
【００４３】
本願発明は、スキャニング露光方法に適用可能である。このスキャニング露光方法においては、投影光学系を通してマスクパターンの一部を感光性基板に投影することによって、また、投影光学系の投影視野に対してマスクと感光性基板とを同時に移動させることによって、マスク（レチクル）のパターンの全てが、感光性基板（ウェハ）に転写される。
【００４４】
本願発明の方法は、感光性基板の表面高さと実質的に等しい高さで感光性基板を囲むように形成された補助プレート部を有するホルダーに感光性基板を取り付けるためのステップと、感光性基板上の露光領域の焦点誤差を事前に読み取るステップとを備えている。マスクのパターンの一部が前記感光性基板上の領域に投影されるようになっている。ホルダーと感光性基板とをスキャニング移動している間で、露光領域が投影光学系の投影視野に到達する前に、露光領域の焦点誤差が読み取られる。前記本願発明の方法は、さらに、感光性基板上の露光領域が投影視野に到達したときに、スキャニング移動の方向（Ｙ方向）に対して直交する方向（Ｘ方向）において投影光学系の投影視野から離れて配置された露光位置焦点検出系によって、感光性基板または補助プレート部の一部の表面の焦点誤差を検出するステップと、感光性基板上の露光領域の焦点誤差が、投影光学系の投影視野において補正されるように、検出された焦点誤差に基づいて、投影光学系と感光性基板との間の距離を調節するステップとを備えている。
【００４５】
製造（加工）装置、結像装置、及び検査装置用に適した焦点検出センサまたは焦点検出方法が、上述した露光装置（アライナー）または露光方法のための使用される投影光学系の代わりに、製造、描画、結像、または検査のための対物レンズ光学系を使用することによって、同様に達成される。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図１は、本願発明の第１の実施例における投影露光装置の全体構造を示している。第１の実施例の投影露光装置は、レンズ・スキャンタイプの投影アライナーである。その投影アライナーにおいては、レチクル上の回路パターンが、縮小投影レンズ系を通して、半導体ウェハに投影される。前記縮小投影レンズ系は、物体側でテレセントリック系に形成された円形の像視野と、像側でテレセントリック系に形成された円形の像視野とを有している。一方、レチクルとウェハは、投影レンズ系に対して移動して、スキャン（走査）されるようになっている。
【００４７】
図１に示された照明系は、１９３ｎｍの波長を有するパルス光を発するためのＡｒＦエキシマーレーザー光源と、前記光源から発するパルス光の断面を所定の形状に形成するためのビームエキスパンダーと、所定の形状に形成された前記パルス光を受けることによって２次光源像（１セットの複数の点光源）を形成するためのフライアイレンズのような光学的インテグレータと、前記２次光源像からの前記パルス光を、一様な照度分布を有するパルス照明光に集光するための集光レンズ系と、スキャニング露光のときのスキャニング方向に対して直交する方向に細長い長方形にパルス照明光を整形するためのレチクルブラインド（照明視野絞り）と、図１に示されたミラー１１と集光レンズ系１２と協働して、レチクルブラインドの長方形の開口部をレチクルＲに結像するためのリレー光学系とを備えている。
【００４８】
レチクルＲは、真空吸引力によって、レチクルステージ１４で支持されている。レチクルステージ１４は、スキャニング露光の間、大きなストロークで１次元的に、一定速度で移動することができる。レチクルステージ１４は、図１で見て横方向に、アライナー本体の柱状構造体１３上で案内されて移動し、スキャニング（走査）できるようになっている。レチクルステージ１４は、また、図１の平面に対して直交する方向に移動できるように案内される。
【００４９】
ＸＹ平面におけるレチクルステージ１４の、座標位置と微妙な回転ずれは、レーザー干渉計システム（ＩＦＭ）１７によって、連続的に測定される。レーザー干渉計システム１７は、レチクルステージ１４の一部に取り付けられた移動鏡（平面鏡またはコーナー鏡）１６にレーザービームを射出する。レーザー干渉計システム１７は、移動鏡１６によって反射されたレーザービームを受ける（すなわち、受光する）。レチクルステージコントローラー２０は、レーザー干渉計システム１７によって測定されたＸＹ−座標位置に基づいてレチクルステージ１４を駆動する（リニアモーターまたはボイスコイルのような）モーター１５を制御する。それによって、レチクルステージ１４のスキャニング移動とステッピング移動が制御される。
【００５０】
レチクルＲの回路パターン領域の一部が、集光レンズ系１２から発せられた長方形に形成されたパルス光で照らされるとき、その照らされた部分の回路パターンから出る結像光ビームが、１／４（すなわち、４分の１）縮小投影レンズ系ＰＬを通して、ウェハＷの上面（すなわち、主要面）に塗布された感光性レジスト層に投影され、そして、結像する。１／４縮小投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸは、円形の像視野の中心点を通って伸長するように、また、照明系１０の光軸と集光レンズ系１２の光軸とに同軸になるように位置決めされている。
【００５１】
１／４縮小投影レンズ系ＰＬは、複数のレンズ素子を備えている。レンズ素子は、例えば、１９３ｎｍの波長を有する紫外線に対して、高い透過率を有する石英や蛍石のような２つの異なった材料から構成されている。蛍石は、正力（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｐｏｗｅｒ）を有するレンズ素子を形成するために、主に使用される。１／４縮小投影レンズ系ＰＬのレンズ素子が固定された鏡筒の空気は、窒素ガスに置き換えられている。これによって、酸素による、１９３ｎｍの波長を有するパルス照明光の吸収を避けることができる。照明系１０の内側から集光レンズ系１２にかけての光路に関しても、同様に窒素ガスに置き換えられている。
【００５２】
ウェハＷは、ウェハホルダー（チャック）ＷＨに保持されている。ウェハホルダーＷＨは、真空吸引によって、ウェハの裏面（後側面）を引き付けている。環状の補助プレート部ＨＲＳが、ウェハＷの周囲を囲むように、ウェハホルダーＷＨの周辺部に設けられている。環状の補助プレート部ＨＲＳの表面の高さは、ウェハホルダーＷＨの上面に取り付けられたウェハＷの上面と実質的に同一平面となっている。下記で詳細に説明するように、ウェハＷ上の周辺位置にあるショット領域を走査露光するときに、もし、焦点合わせ用のセンサの検出ポイント（すなわち、検出点）が、ウェハＷの輪郭エッジの外側に位置決めされているならば、環状の補助プレート部ＨＲＳは、代わりの焦点検出面として使用される。
【００５３】
さらに、環状の補助プレート部ＨＲＳは、（Ｓｕｗａに付与された）上記米国特許第４，６５０，９８３に開示されているように、焦点合わせ用のセンサの系オフセットを較正するための平坦な基準プレート（参照プレート）として機能する。言うまでもなく、特別の基準プレートを別に設けて、焦点合わせ用のセンサを較正するようにしてもよい。
【００５４】
ウェハホルダーＷＨは、ＺＬステージ３０に取り付けられている。ＺＬステージ３０は、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸに沿ってＺ方向に並進運動できる。また、ＺＬステージ３０は、ＸＹ平面に対してチルト運動している間、光軸ＡＸに対して直交する方向にも移動できる。ＺＬステージ３０は、３つのＺ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃを介して、ＸＹステージ３４に取り付けられている。ＸＹステージ３４は、ベース上で、Ｘ方向及びＹ方向に２次元に移動可能となっている。Ｚ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃの各々は、例えば、ピエゾ伸縮素子、ボイスコイルモーター、または、ＤＣモーターとリフト・カム機構の組み合わせとなっている。
【００５５】
もし、Ｚ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃ（すなわち、Ｚー駆動モーター）の各々がＺ方向に同じ量だけ駆動されたならば、ＺＬステージ３０は、ＸＹステージ３４との間が平行に維持されながら、Ｚ方向（すなわち、焦点合わせを行う方向）に並進運動する。もし、Ｚ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃの各々が、Ｚ方向に異なる量だけ駆動されたならば、それによって、ＺＬステージ３０のチルト（傾斜）量とチルト方向が、調節される。
【００５６】
ＸＹステージ３４の２次元移動は、いくつかの駆動モーター３６によって引き起こされる。駆動モーター３６は、例えば、送りねじを回転させるＤＣモーター（すなわち、直流電動機）や非接触状態で駆動力を生成することができるリニアモーターなどとなっている。駆動モーター３６は、ウェハステージコントローラー３５によって制御されている。ウェハステージコントローラー３５には、移動鏡３１の反射面のＸ方向及びＹ方向における位置の変化を測定できるように、レーザー干渉計（ＩＦＭ）３３からの測定座標位置が供給される。
【００５７】
例えば、駆動モーター３６としてリニアモーターを使用するＸＹステージ３４の全体構造は、１９８６年９月１８日に公開された特開昭第６１−２０９８３１（立石電気株式会社）に開示されているようなものにすることができる。
【００５８】
この実施例に関して、１／４縮小投影レンズ系ＰＬのワークディスタンス（作動距離）は、非常に小さくなっており、そのため、斜入射光のタイプの焦点合わせ用のセンサの投影ビームは、像面に最も近い１／４縮小投影レンズ系ＰＬの光学素子の表面とウェハＷの上面との間のスペースを通って、ウェハの表面に導くことができないと考えられる。この実施例においては、そのため、オフアクシスタイプ（１／４縮小投影レンズ系ＰＬの投影視野の外側に焦点検出ポイントを備えている）の３つの焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＣ、及びＧＤＲが、１／４縮小投影レンズ系ＰＬのバレル（鏡筒）の下方端部周辺に配置されている。
【００５９】
これらの焦点検出系のうち、焦点検出系ＧＤＬとＧＤＲは、スキャニング露光のときのウェハＷのスキャニング移動の方向に対して、投影視野の前側及び後ろ側に位置決めされた焦点検出ポイント（焦点検出点）を備えるように設定されている。ウェハＷの１つのショット領域がスキャンされ露光されたとき、スキャニング移動の方向（プラス方向またはマイナス方向）にしたがって選択された焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲの一方が作動して、長方形の投影像が、ウェハに露光される前に、ショット領域の表面の高さ位置における変化を先読みされる。
【００６０】
したがって、焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲは、例えば、（サカキバラなどに付与された）米国特許第５，４４８，３３２に開示された焦点検出系の先読みセンサと同じように機能する。しかしながら、この実施例においては、米国特許第５，４４８，３３２の焦点調節（あるいはチルト調節）のシーケンスとは異なったシーケンスを使用しており、そのため、特別な焦点検出系が焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲに加えられている。この構造は、下記により詳細に説明されている。
【００６１】
図１に示された焦点検出系ＧＤＣは、ウェハＷの表面（すなわち、ＸＹ平面）で見たときに、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの投影視野のスキャニング方向に対して直交する非スキャニング方向にオフアクシス方式で配置された検出ポイント（検出点）を備えている。しかしながら、焦点検出系ＧＤＣは、図１で見て、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの前側の検出ポイントに加えて、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの後ろ側に他の検出ポイントを備えている。
【００６２】
本願発明にしたがった焦点検出方法は、オフアクシス焦点検出系ＧＤＣと、先読み焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲの一方とが、互いに協働して作動するようになっているという点に特徴がある。これらの焦点検出系の詳細な説明は、後述する。
【００６３】
上述した焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＲ、及びＧＤＣの各々によって検出されたウェハ表面の一部の高さ位置に関する情報（例えば、最良の焦点位置からのずれ量を表す誤差信号など）が、自動焦点合わせ（ＡＦ）コントロールユニット３８に入力される。ＡＦコントロールユニット３８は、焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＲ、及びＧＤＣから供給された検出情報に基づいて、Ｚ−アクチュエータとしてのＺ−駆動モーター３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃの各々を駆動する最適な量を決定し、Ｚ−駆動モーター３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃを駆動して、投影像が実際に結像するウェハＷの領域に対して、焦点合わせを行うと共に、チルト調節を行う。
【００６４】
この制御のために、焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲの各々は、マルチポイント（多点）焦点合わせ用のセンサとなっている。このセンサは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬによって形成されるウェハＷ上の長方形投影領域における複数位置（例えば、少なくとも２つの位置）に検出ポイントを有している。ＡＦコントロールユニット３８は、焦点合わせはもちろん、少なくとも非スキャニング方向（Ｘ方向）においてウェハＷをチルト調節できるようになっている。
【００６５】
図１に示されたアライナーは、一定速度でＹ方向にＸＹステージ３４を移動することによって、スキャニング露光を行うように構成されている。スキャニング露光の間の、レチクルＲ及びウェハＷのスキャニング移動とレチクルＲ及びウェハＷのステッピング移動との関係を、図２を参照して説明する。
【００６６】
図２を参照すると、前方グループレンズ系ＬＧａと後方グループレンズ系ＬＧｂが、図１に示された１／４縮小投影レンズ系ＰＬを表している。射出瞳Ｅｐが、前方グループレンズ系ＬＧａと後方グループレンズ系ＬＧｂとの間に存在している。回路パターン領域Ｐａは、図２に示されたレチクルＲ上で、遮蔽帯ＳＢによって画定されたフレーム（枠）に形成されている。回路パターン領域Ｐａは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの物体側上に形成される円形の像視野の直径よりも大きい対角線長さを有している。
【００６７】
スキャニング方式で、レチクルＲの回路パターン領域Ｐａの像が、ウェハＷ上の対応するショット領域ＳＡａに露光される。このスキャニング方式は、例えば、レチクルＲを一定の速度ＶｒでＹ軸に沿ったマイナス方向に移動する一方、ウェハＷを一定速度ＶｗでＹ軸に沿ったプラス方向に移動することによって行われる。このとき、レチクルＲを照明するためのパルス照明光ＩＡの形状は、図２に示すように、レチクルＲの回路パターン領域ＰａにおいてＸ方向に細長い平行ストリップまたは長方形に設定されている。Ｘ方向において互いに対向している、パルス照明光ＩＡの形状の両端は、遮蔽帯ＳＢに位置決めされている。
【００６８】
パルス照明光ＩＡで照射される、レチクルＲの回路パターン領域Ｐａの長方形領域に含まれている部分的パターンは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬ（前方グループレンズ系ＬＧａ及び後方グループレンズ系ＬＧｂ）によって、ウェハＷのショット領域ＳＡａでの対応位置に、像ＳＩとして結像する。レチクルＲ上の回路パターン領域ＰａとウェハＷ上のショット領域ＳＡａとの間での相対的なスキャニングが完了したとき、例えば、ウェハＷは、Ｙ方向に一定の距離だけ１ステップ移動する。それによって、スキャニングの開始位置は、ショット領域ＳＡａに隣接するショット領域ＳＡｂに対して設定される。このステッピング動作の間、パルス照明光ＩＡによる照明は、停止している。
【００６９】
次に、スキャニング方式で、レチクルＲの回路パターン領域Ｐａの回路パターン像を、ウェハＷ上のショット領域ＳＡｂに露光するために、レチクルＲは、パルス照明光ＩＡに対してＹ軸のプラス方向に一定速度Ｖｒで移動する。そして、ウェハＷは、同時に、投影された像ＳＩに対してＹ軸のマイナス方向に一定速度Ｖｗで移動する。速度比Ｖｗ／Ｖｒは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの縮小比１／４に設定されている。上記スケジュールにしたがって、レチクルＲの回路パターン領域Ｐａの像が、ウェハＷ上の複数のショット領域に露光される。
【００７０】
図１及び図２に示された投影アライナーは、次のような方法で、ステップアンドリピート方式のアライナーとして使用できる。すなわち、もし、レチクルＲ上の回路パターン領域Ｐａの対角線長さが、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの回路像視野の直径よりも小さいならば、照明系１０におけるレチクルブラインドの開口部の形状およびサイズが変化し、それによって、パルス照明光ＩＡの形状が回路パターン領域Ｐａに一致するようになっている。そのような場合、レチクルステージ１４とＸＹステージ３４とは、ウェハＷ上のショット領域の各々を露光する間、相対的に静止した状態に維持される。
【００７１】
しかしながら、もし、ウェハＷが露光の間にわずかに移動するならば、ウェハＷのわずかな移動は、レーザー干渉計システム３３によって測定することができる。また、レチクルステージ１４を制御下でわずかに移動して、その結果、レチクルＲ側で追従補正することにより、１／４縮小投影レンズ系ＰＬに対するウェハＷの位置の対応する小さな誤差を打ち消すことができる。例えば、そのような追従補正のためのシステムは、特開平６−２０４１１５号と特開平７−２２０９９８号に開示されている。これらの公開公報に開示された技術は、必要に応じて使用することができる。
【００７２】
もし、レチクルブラインドの開口部の形状やサイズが変化するならば、ズームレンズ系を設けることにより、光源からレチクルブラインドに到達するパルス照明光ＩＡを、開口部の形状やサイズの変化に応じて、調節された開口部に整合する範囲内に集めることができる。
【００７３】
図２に明瞭に示されているように、投影された像ＳＩの領域は、Ｘ方向に細長いストリップ形状または長方形形状に設定されることから、スキャニング露光の間のチルト調節は、Ｙ軸を中心として回転する方向、すなわち、この実施例におけるスキャニング露光方向に対するローリング方向に沿ってのみ行うことができる。言うまでもなく、もし、投影された像ＳＩ領域の、スキャニング方向における幅が、スキャニング方向に対してウェハ表面の平面度の影響を考慮する必要がある程度に大きいならば、スキャニング露光の間に、ピッチング方向におけるチルト調節が行われる。この作動は、本願発明の他の実施例に関してより詳細に説明する。
【００７４】
図１に示された焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＲ、及びＧＤＣは、例えば、図３に図示されたように配置されている。図３は、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの像側で円形の像視野ＣＰが形成される平面上での焦点検出系の検出ポイントの配置を示している斜視図である。図３は、焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＣの配置のみ示している。焦点検出系ＧＤＲは省略されている。というのは、焦点検出系ＧＤＲは、焦点検出系ＧＤＬと同じ構造だからである。
【００７５】
図３を参照すると、焦点検出系ＧＤＣは、２つの検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２を備えている。検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２は、検出ポイント（検出領域）ＦＣ１及びＦＣ２が、ストリップ状で長方形の投影された像ＳＩの軸線から伸長する延長線ＬＬｃ上に位置決めされるように設定されている。ストリップ状で長方形の投影された像ＳＩは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの円形の像視野ＣＰで、直径方向（Ｘ方向）に伸長している。これらの検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２は、ウェハＷ（または、補助プレート部ＨＲＳ）の上面の高さ位置や最良の焦点平面位置に対するＺ方向の位置誤差量を検出する。
【００７６】
一方、焦点検出系ＧＤＬは、本実施例において、５つの検出器ＧＤＡ１、ＧＤＡ２、ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３を備えている。検出器ＧＤＡ１、ＧＤＡ２、ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３は、それぞれ、検出ポイント（検出領域）ＦＡ１、ＦＡ２、ＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３を備えている。検出ポイントＦＡ１、ＦＡ２、ＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３は、延長線ＬＬｃに平行な直線ＬＬａに位置決めされている。これらの５つの検出器ＧＤＡ１、ＧＤＡ２、ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３の各々は、独立して、ウェハＷ（または、補助プレート部ＨＲＳ）の上面におけるポイントの高さ位置や最良の焦点平面位置に対するＺ方向の位置誤差量を検出する。
【００７７】
延長線ＬＬｃや直線ＬＬａは、スキャニング方向（Ｙ方向）に互いに一定距離をおいて設定されている。また、検出器ＧＤＡ１の検出ポイントＦＡ１と、検出器ＧＤＣ１の検出ポイントＦＣ１とは、Ｘ方向において、実質的に同じ座標位置に設定されている。一方、検出器ＧＤＡ２の検出ポイントＦＡ２と、検出器ＧＤＣ２の検出ポイントＦＣ２とは、Ｘ方向において、実質的に同じ座標位置に設定されている。
【００７８】
３つの検出器ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３の検出ポイントＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３は、ストリップ状のまたは長方形の投影された像ＳＩの領域をＸ方向において覆うように配置されている。すなわち、検出ポイントＦＢ２は、投影された像ＳＩの領域のＸ方向における中心（光軸ＡＸが通るポイント）に対応するＸ座標位置に配置されている。一方、検出ポイントＦＢ１及びＦＢ３は、投影された像ＳＩのＸ方向における両端付近の位置に対応するＸ座標位置に配置されている。そのため、３つの検出ポイントＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３を使用して、投影された像ＳＩ領域に対応するウェハＷの表面部での焦点誤差を先読みできるようになっている。
【００７９】
図３に図示されていない焦点検出系ＧＤＲにも、３つの先読み検出器ＧＤＥ１、ＧＤＥ２、及びＧＤＥ３と他の２つの検出器ＧＤＤ１及びＧＤＤ２とを備えている。検出器ＧＤＤ１及びＧＤＤ２は、先読み検出器ＧＤＥ１、ＧＤＥ２、及びＧＤＥ３のＸ方向の両側に配置されている。説明を簡単にするために、この実施例においては、１２個の検出器ＧＤＡ１、ＧＤＡ２；ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、ＤＢ３；ＧＤＣ１、ＧＤＣ２；ＧＤＤ１、ＧＤＤ２；ＧＤＥ１、ＧＤＥ２、ＧＤＥ３によって複数の最良の焦点位置として認められる複数の平面は、１つのＸＹ平面に調節されるものと仮定する。すなわち、システム上のオフセットが１２個の検出器の間にはない。また、検出された焦点誤差がゼロになる位置として、１２個の検出ポイントＦＡ１、ＦＡ２；ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３；ＦＣ１、ＦＣ２；ＦＤ１、ＦＤ２；ＦＥ１、ＦＥ２、ＦＥ３で検出されたウェハＷの表面高さ位置は、互いに対してほぼ接近しているものと仮定する。
【００８０】
１／４縮小投影レンズ系ＰＬの端が液体に浸されていないならば、上述した１２個の焦点検出器として、光学センサ、空気マイクロメータタイプのセンサ、静電容量タイプのギャップ（間隙）センサなどを使用できる。しかしながら、もし、液浸式の投影系が形成されているならば、もちろん、空気マイクロメータタイプのセンサを使用することはできない。
【００８１】
図４は、図１及び図３に示された焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＲ、及びＧＤＣからの検出信号（誤差信号）を処理するためのＡＦコントロールユニット３８の一例のブロック線図である。図４に示されているように、先読み焦点検出系ＧＤＬの５つの検出器ＧＤＡ１、ＧＤＡ２、ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３からの検出信号のグループと、焦点検出系ＧＤＲの５つの検出器ＧＤＤ１、ＧＤＤ２、ＧＤＥ１、ＧＤＥ２、及びＧＤＥ３からの検出信号のグループのうちの一方のグループが、切換え回路５０によって選択されて、その後の処理回路に供給される。
【００８２】
切換え回路５０は、位置監視回路（位置モニター回路）５２から供給される（方向の区別の結果を表す）切換え信号ＳＳ１に応答して、焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲのうちの一方からの信号を選択する。位置監視回路５２は、ウェハステージコントローラー３５からのステージ制御情報に基づいて、ウェハステージ３４のスキャニング移動方向の一方の移動方向を他方の移動方向から区別する。また、位置監視回路５２は、先読み位置から露光位置まで、ウェハＷの移動した位置の変化を監視している。図４に示された状態においては、切換え回路５０は、焦点検出系ＧＤＬからの５つの検出信号を選択している。
【００８３】
露光領域（投影された像ＳＩ）に関する先読み検出器ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３からの検出信号は、焦点誤差量とチルト誤差量とを計算するための第１の計算器５４に供給される。第１の計算器５４は、第２の計算及び記憶回路５６に、３つの検出ポイントＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３で事前に読取られたウェハＷの表面領域の焦点誤差量ΔＺｆとチルト誤差量ΔＴｘ（Ｙ軸を中心とした微妙な傾き）に関する誤差データＤＴ１、ＤＴ２とを供給する。
【００８４】
一方、検出器ＧＤＡ１及びＧＤＡ２は、第２の計算及び記憶回路５６に、情報ＺＡ１と情報ＺＡ２とを供給する。情報ＺＡ１は、検出ポイントＦＡ１における表面の高さ位置（すなわち、焦点ずれ）を表している。情報ＺＡ２は、検出ポイントＦＡ２における表面の高さ位置（すなわち、焦点ずれ）を表している。情報ＺＡ１及び情報ＺＡの検出は、３つの検出器ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３によるウェハ表面の検出と同時に行われている。
【００８５】
誤差データＤＴ１及びＤＴ２と、情報ＺＡ１及びＺＡ２と、検出器の間の相対位置関係とに基づいて、第２の計算及び記憶回路５６は、Ｙ方向（スキャニング方向）に関して投影露光位置に設定された検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２の検出ポイントＦＣ１及びＦＣ２で検出されるべきウェハＷの高さ位置の目標値ΔＺ１及びΔＺ２を計算する。第２の計算及び記憶回路５６は、一時的に、計算された目標値ΔＺ１及びΔＺ２を記憶する。
【００８６】
目標値ΔＺ１及びΔＺ２の意味は、次の通りである。すなわち、先読み検出ポイントＦＡ１及びＦＡ２で事前に読み取られたウェハＷ（または、環状の補助プレート部ＨＲＳ）の表面部が、対応する露光位置での検出ポイントＦＣ１及びＦＣ２に到達するときに、検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２によって検出された情報ＺＣ１と情報ＺＣ２が、目標値ΔＺ１及びΔＺ２にそれぞれ等しいならば、先読みによって決定される焦点誤差量ΔＺｆとチルト誤差量ΔＴｘは、露光位置でゼロになる。
【００８７】
さらに、先読みされたウェハ上のＹ方向に関する領域が、投影像ＳＩが露光される露光位置に到達する直前に、第２の計算及び記憶回路５６は、記憶された目標値ΔＺ１及びΔＺ２を第３の計算及び駆動回路５８に出力する。
【００８８】
したがって、位置監視回路５２から出力された信号ＳＳ２に同期して、第２の計算及び記憶回路５６は、一時的に記憶された目標値ΔＺ１及びΔＺ２を表す信号を第３の計算及び駆動回路５８に出力する。目標値ΔＺ１及びΔＺ２を表す前記信号は、Ｙ方向における直線ＬＬａと延長線ＬＬｃとの間の距離と、ウェハＷの移動速度と、によって決定される時間だけ遅延させられた後に、第３の計算及び駆動回路５８に出力される。
【００８９】
スキャニング方向における、投影像ＳＩの幅に対応する距離だけ、ウェハＷが移動してスキャンされる毎に、信号ＳＳ２が出力されるならば、図３に示された、直線ＬＬａと延長線ＬＬｃとの間のＹ方向における距離（例えば、約４０ｍｍ）を、投影像ＳＩの幅（約８ｍｍ）で除算することによって得られた数に対応する一定の数の組（例えば、５組）の目標値ΔＺ１及びΔＺ２が、第２の計算及び記憶回路５６に記憶される。したがって、第２の計算及び記憶回路５６は、先入れ先出し（ＦＩＦＯ）方法で目標値ΔＺ１及びΔＺ２を記憶するメモリとして機能する。
【００９０】
第３の計算及び駆動回路５８は、位置監視回路５２からの信号ＳＳ３に応答して、検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２によって検出されたウェハＷ（または、環状の補助プレート部ＨＲＳ）の表面の高さ位置に関する検出情報ＺＣ１及びＺＣ２を読み取る。その直後に、先読み位置で検出されたウェハＷ上の領域が、露光位置（投影された像ＳＩの位置）に到達する。
【００９１】
同時に、第３の計算及び駆動回路５８は、第２の計算及び記憶回路５６から出力された（露光位置に対応する）目標値ΔＺ１及びΔＺ２のデータを読み取る。そして、第３の計算及び駆動回路５８は、検出情報ＺＣ１及びＺＣ２と目標値ΔＺ１及びΔＺ２とに基づいて、図１に示されたＺ−駆動モーター３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃに対応する駆動量（位置調節の量や速度調節の量）を、計算によって決定する。次いで、第３の計算及び駆動回路５８は、その決定された駆動量のデータをＺ−駆動モーター３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃに出力する。
【００９２】
図４のほとんどの構成要素は、図４の観点から当業者によって書くことができる適切なプログラムを実行するプログラムされたマイクロコントローラーやマイクロプロセッサで具体化される。
【００９３】
図５は、図１に示されたようなウェハホルダーの周辺部に形成された環状の補助プレート部ＨＲＳの機能を説明する平面図である。この実施例において、焦点検出系の全ての検出ポイントは、上述したような１／４縮小投影レンズ系ＰＬの投影視野ＣＰの外側に位置決めされていることから、ウェハＷ上の複数のショット領域ＳＡｎのうち該ウェハＷの周辺部に配置されたいくつかのショット領域をスキャニング露光するときに、いくつかの焦点検出ポイントが、ウェハＷの周辺の外側に置かれる可能性がある。
【００９４】
例えば、図５に示されているように、プリアライメントされた（事前にアライメントされた）切欠きＮＴを使用してウェハホルダーＷＨ上に位置決めされたウェハＷの周辺のショット領域ＳＡ１が、走査露光されるとき、先読み焦点検出系ＧＤＬ（またはＧＤＲ）の、端にある焦点検出ポイントＦＡ１（またはＦＤ１）と、露光位置の焦点検出系ＧＤＣの検出ポイントＦＣ１とは、ウェハＷの外側に置かれる。この場合、焦点合わせ及びチルト調節を行うことは、通常は困難である。
【００９５】
環状の補助プレート部ＨＲＳの主な機能は、そのような場合に、通常の焦点合わせとチルト運動を可能にすることである。図５に示されているように、ウェハＷの外側に置かれた検出ポイントＦＡ１（またはＦＤ１）と検出ポイントＦＣ１は、環状の補助プレート部ＨＲＳの表面に位置決めされるように設定されている。したがって、環状の補助プレート部ＨＲＳの表面の高さは、ウェハＷの表面の高さに実質的に等しいことが望ましい。
【００９６】
より具体的に説明すると、ウェハＷの表面と環状の補助プレート部ＨＲＳの表面とは、検出ポイントＦＡ１（ＦＡ２）、ＦＣ１（ＦＣ２）、及びＦＤ１（ＦＤ２）に対応する検出範囲内で、互いに対し同一平面上にある。その検出範囲において、検出ポイントに対応する焦点検出器の所望の線形性が、確保されている。さらに、環状の補助プレート部ＨＲＳの表面がウェハＷの表面の代わりとして使用されていることから、その補助プレート部ＨＲＳの反射率は、標準の（シリコン）ウェハの反射率と同じ程度かあるいは同じ値となっている。例えば、環状の補助プレート部ＨＲＳとしては、鏡面仕上げされた表面が好ましい。
【００９７】
（ウェハホルダーＷＨ上の）ウェハＷが、図５に示された矢印の方向に移動してスキャンされたならば、焦点検出系ＧＤＬの検出ポイントＦＡ１、ＦＡ２；ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３は、ショット領域ＳＡ１に関する先読みセンサとして選択される。この場合、投影像ＳＩのＹ方向におけるに中心に対応する延長線ＬＬｃと、焦点検出系ＧＤＬの検出ポイントが配置される直線ＬＬａとの間の距離を、ＤＬａとし、また、延長線ＬＬｃと、他方の焦点検出系ＧＤＲの検出ポイントが配置される直線ＬＬｂとの間の距離を、ＤＬｂとすれば、この実施例においては、ＤＬａとＤＬｂは、ＤＬａがＤＬｂにほぼ等しくなるように設定される。スキャニング露光のときのウェハＷの速度Ｖｗから、ウェハＷ上の焦点先読み位置が露光位置に到達するのにかかる遅延時間Δｔは、Δｔ＝ＤＬａ／Ｖｗ（秒）となっている。したがって、図４に示された第２の計算及び記憶回路５６において、目標値ΔＺ１及びΔＺ２を一時的に記憶するための時間は、タイムラグ（時間遅れ）Δｔと実質的に等しくなっている。
【００９８】
しかしながら、距離ＤＬａと距離ＤＬｂは、アライナーの構造に関係する制約に応じて、ＤＬａがＤＬｂに等しくならないように選択するようにしてもよい。言うまでもなく、そのような場合において、目標値ΔＺ１及びΔＺ２の供給の遅延時間は、先読み焦点検出系ＧＤＬの使用と先読み焦点検出系ＧＤＲの使用とに関して、異なる長さに設定されている。
【００９９】
上述したように構成された第１の実施例の焦点合わせとチルト運動の作用を、図６Ａないし図６Ｄを参照して説明する。図６Ａは、図５に示されたようなウェハＷの周辺ショット領域ＳＡ１をスキャニング露光している間のある瞬間に先読み焦点検出系ＧＤＬによって検出された環状の補助プレート部ＨＲＳの上側表面の状態及びウェハＷの上側表面の状態を図式的に示している。
【０１００】
図６Ａないし図６Ｄにおいて、水平ラインＢＦＰは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの最適な焦点面を示している。ショット領域ＳＡ１において検出ポイントＦＢ１でウェハ表面のＺ方向における位置を検出する検出器ＧＤＢ１は、平面ＢＦＰに対するウェハ表面のＺ位置誤差量（焦点はずれの量、すなわちデフォーカス量）としてΔＺＢ１を表す検出信号を出力する。同様に、検出ポイントＦＢ２及びＦＢ３でウェハ表面のＺ方向における位置の誤差を検出する検出器ＧＤＢ２及びＧＤＢ３は、誤差ΔＺＢ２及びΔＺＢ３を表す検出信号を出力する。ウェハ表面が最適な焦点面ＢＦＰよりも下にあるならば、これらＺ位置誤差の各々は、負の値を有している。また、ウェハ表面が最適な焦点面ＢＦＰよりも上にあるならば、Ｚ位置誤差の各々は、正の値を有している。
【０１０１】
これらの誤差ΔＺＢ１、ΔＺＢ２、及びΔＺＢ３の値は、図４に示された第１の計算及び記憶回路５４に入力される。第１の計算及び記憶回路５４は、これらの誤差値に基づいて最小２乗法などにより、ショット領域ＳＡ１における先読みされた部分全体の、図６Ｂに示された近似面ＡＰＰ（実際は、近似直線）を表す数式のパラメータを決定する。それによって決定されたパラメータは、図６Ｂに示されたように、近似面ＡＰＰの焦点誤差量ΔＺｆとチルト誤差量ΔＴｘである。このようにして計算された焦点誤差量ΔＺｆとチルト誤差量ΔＴｘの値は、データＤＴ１及びデータＤＴ２として、第２の計算及び記憶回路５６に出力される。この実施例において、焦点誤差量ΔＺｆは、ショット領域ＳＡ１のＸ方向における（検出ポイントＦＢ２に対応する）中央ポイントでの実質的な誤差として計算される。
【０１０２】
検出器ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３が、上述したようにＺ位置誤差を検出したとき、検出器ＧＤＡ１及びＧＤＡ２は、検出ポイントＦＡ１及びＦＡ２での最適な焦点面に対する、ウェハ表面または環状の補助プレート部ＨＲＳの表面のＺ位置誤差ΔＺＡ１及びΔＺＡ２を同時に検出する。これらの誤差ΔＺＡ１及びΔＺＡ２は、第２の計算及び記憶回路５６に一時的に記憶される。
【０１０３】
この検出及び記憶の直後、図６Ｂに示されたような近似面ＡＰＰが、図６Ｃに示されたような最適な焦点面ＢＦＰに一致するように補正されるとすると、すなわち、ウェハホルダーＷＨが、焦点誤差量ΔＺｆ＝０となるように、また、チルト誤差量ΔＴｘ＝０となるように、Ｚ方向及びチルト運動方向に調節されるとすると、第２の計算及び記憶回路５６は、データＤＴ１及びＤＴ２（誤差量ΔＺｆ及びΔＴｘ）と、検出ポイントＦＡ１及びＦＡ２で実際に測定されたＺ位置誤差ΔＺＡ１、ΔＺＡ２と、ショット領域の中央ポイントと検出ポイントＦＡ１及びＦＡ２の各々との間のＸ方向における距離ＤＳとに基づいて、検出ポイントＦＡ１で検出されるべきＺ位置目標値ΔＺ１と、検出ポイントＦＡ２で検出されるべきＺ位置目標値ΔＺ２とを計算する。ウェハＷ上の先読みされた領域が、投影像ＳＩ（露光位置）の領域に到達するまで、計算されたＺ位置目標値ΔＺ１及びΔＺ２は、一時的に第２の計算及び記憶回路５６に記憶される。
【０１０４】
ウェハＷ上の先読みされた領域が露光位置に到達したとき、図４に示された第３の計算及び駆動回路５８が、検出ポイントＦＣ１及びＦＣ２でのＺ位置誤差を検出するために、検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２からの検出信号を読み取る。例えば、ウェハＷ上の先読みされた領域が、露光位置に到達する直前に図６Ｄに示されたような状態にあるならば、検出器ＧＤＣ１は、検出ポイントＦＣ１でのＺ位置誤差を表す検出信号ＺＣ１を出力する。一方、検出器ＧＤＣ２は、検出ポイントＦＣ２でのＺ位置誤差を表す検出信号ＺＣ２を出力する。
【０１０５】
次いで、第３の計算及び駆動回路５８は、検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２から供給される検出信号ＺＣ１及びＺＣ２の値が、それぞれ、遅延して第２の計算及び記憶回路５６から供給されるＺ位置目標値ΔＺ１及びΔＺ２に等しくなるように、ウェハホルダーＷＨをＺ方向においてチルト及び／または並進運動させるために必要な、３つのＺ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃ用の駆動量を計算する。第３の計算及び駆動回路５８は、前記計算された駆動量に対応する信号を、Ｚ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃに供給する。
【０１０６】
ウェハＷの上面のショット領域ＳＡ１は、それによって、露光位置で、最適な焦点面ＢＦＰに一致するように正確に調節される。その結果、最適の結像状態に維持されるべきレチクルＲのパターンの投影像ＳＩが、ショット領域のスキャニングモードで露光される。
【０１０７】
第１の実施例におけるこの作動の間に、先読み焦点検出系ＧＤＬにおける各検出器と、露光位置焦点検出系ＧＤＣにおける各検出器とは、ウェハＷの表面または環状の補助プレート部ＨＲＳの表面が、最適な焦点面ＢＦＰに一致したとき、焦点誤差がないといことを示す検出信号出力するように設定（較正）される。しかしながら、検出器をそのような状態に厳密に設定することは困難である。特に、先読み焦点検出系ＧＤＬ（ＧＤＲ）における検出器ＧＤＡ１及びＧＤＡ２（ＧＤＤ１及びＧＤＤ２）と、露光位置焦点検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２との間の検出オフセットが、露光のためにウェハＷに形成されたパターン像に一様に焦点はずれをおこさせる。
【０１０８】
そのため、検出器ＧＤＣ１がゼロの焦点誤差を検出するＺ方向における高さ位置と、検出器ＧＤＡ１（ＧＤＤ１）がゼロの焦点誤差を検出するＺ方向における高さ位置との間のオフセット値を、ウェハホルダーＷＨに設けられた反射ガラスプレート（すなわち、基準プレート）のきわめて平坦度の高い表面上でこれらの検出器により、焦点検出を同時に行うことによって、測定し記憶するようにしてもよい。この表面は、構造ＨＲＳまたは構造ＨＲＳとは別体の他の構造とすることができる。その結果、Ｚ−アクチュエータ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃが、露光位置焦点検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２によって検出されたＺ位置誤差に基づいて駆動されるとき、記憶されたオフセット値により補正を行うことができる。
【０１０９】
本願発明の第２の実施例に係わる焦点及びチルトセンサの構造を、次に、図７及び図８を参照して説明する。第２の実施例に関しては、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの円形の視野に含まれる投影像ＳＩが、Ｙ方向（スキャニング方向）において比較的に大きな最大幅を備えており、それによって、ウェハＷの表面のＹ方向へのチルトの影響、すなわち、ピッチング（縦揺れ）の影響を考慮に入れるべき必要があるという状況が想定されている。
【０１１０】
露光位置焦点検出器ＧＤＣ１（図示せず）が設けられており、図７に示されているように、露光位置焦点検出器ＧＤＣ１は、２つの検出ポイントＦＣ１ａ及びＦＣ１ｂを備えている。検出ポイントＦＣ１ａ及びＦＣ１ｂは、投影像ＳＩより上でＹ方向において延長線ＬＬｃを中心として対称に配置されている。そして、もう一つの露光位置焦点検出器ＧＤＣ２（図示せず）が、設けられている。露光位置焦点検出器ＧＤＣ２は、２つの検出ポイントＦＣ２ａ及びＦＣ２ｂを備えている。検出ポイントＦＣ２ａ及びＦＣ２ｂは、投影像ＳＩより下でＹ方向において延長線ＬＬｃを中心として対称に配置されている。さらに、先読み焦点検出器ＧＤＡ１と先読み焦点検出器ＧＤＡ２（図示せず）とが設けられている。先読み焦点検出器ＧＤＡ１は、２つの検出ポイントＦＡ１ａ及びＦＡ１ｂを備えている。検出ポイントＦＡ１ａ及びＦＡ１ｂは、Ｙ方向において直線ＬＬａを中心として対称に配置されている。先読み焦点検出器ＧＤＡ２は、２つの検出ポイントＦＡ２ａ及びＦＡ２ｂを備えている。検出ポイントＦＡ２ａ及びＦＡ２ｂは、Ｙ方向において直線ＬＬａを中心として対称に配置されている。同様に、先読み焦点検出器ＧＤＤ１（図示せず）と先読み焦点検出器ＧＤＤ２（図示せず）とが設けられている。先読み焦点検出器ＧＤＤ１は、２つの検出ポイントＦＤ１ａ及びＦＤ１ｂを備えている。検出ポイントＦＤ１ａ及びＦＤ１ｂは、Ｙ方向において直線ＬＬｂを中心として対称に配置されている。先読み焦点検出器ＧＤＤ２は、２つの検出ポイントＦＤ２ａ及びＦＤ２ｂを備えている。検出ポイントＦＤ２ａ及びＦＤ２ｂは、Ｙ方向において直線ＬＬｂを中心として対称に配置されている。
【０１１１】
先読み焦点検出器ＧＤＢｎ（ｎ＝１，２，３）（図示せず）と、先読み焦点検出器ＧＤＥｎ（ｎ＝１，２，３）（図示せず）とが、また、設けられている。先読み焦点検出器ＧＤＢｎは、複数対の検出ポイントＦＢ１ａ、ＦＢ１ｂ；ＦＢ２ａ、ＦＢ２ｂ；ＦＢ３ａ、ＦＢ３ｂを備えている。先読み焦点検出器ＧＤＥｎは、複数対の検出ポイントＦＥ１ａ、ＦＥ１ｂ；ＦＥ２ａ、ＦＥ２ｂ；ＦＥ３ａ、ＦＥ３ｂを備えている。各対の検出ポイントは、Ｙ方向において互いから離れて一定の間隔をあけて設けられている。
【０１１２】
図７に示された焦点検出系は、上述した第１の実施例と同様な方法で、オフアクシス検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２の検出ポイントにおいて、先読みされた各ショット領域の表面形状（すなわち、誤差量ΔＺｆとΔＴｘ）を補正するために必要な調節量（すなわち、目標値ΔＺ１及びΔＺ２）を再生する。それによって、露光領域の、Ｚ方向における焦点調節とＸ方向（ローリング方向、すなわち横揺れ方向）におけるチルト調節とが可能となっている。
【０１１３】
この実施例において、先読み焦点検出系ＧＤＬ（ＧＤＲ）と露光位置焦点検出系ＧＤＣとは、Ｙ方向において一定距離だけ間隔をあけて設けられた複数対の検出ポイント（ＦＡｎａとＦＡｎｂ；ＦＢｎａとＦＢｎｂ；ＦＣｎａとＦＣｎｂ；ＦＤｎａとＦＤｎｂ；ＦＥｎａとＦＥｎｂ）を備えていることから、ピッチング方向における先読みされたショット領域のチルト誤差量ΔＴｙは、Ｙ方向において複数対を形成する検出ポイント（．．．ｎａ、．．．ｎｂ）でのＺ位置誤差の間の差分から検出でき、また、チルト誤差量ΔＴｙを含むショット領域の表面形状を補正するのに必要な調節量（すなわち、目標値ΔＺＡ１、ΔＺＡ２）は、オフアクシス検出器ＧＤＣ１及びＧＤＣ２の検出ポイント（ＦＣｎａ及びＦＣｎｂ）で再生できる。
【０１１４】
図３に示された検出ポイントＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３で焦点位置を検出するための検出器ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３は、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの下方部に固定することによって、互いに独立した系として配置されている。しかしながら、少なくともこれら３つの検出器ＧＤＢ１、ＧＤＢ２、及びＧＤＢ３は、共通の対物レンズ系を通して、検出ポイントＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３で焦点位置を検出するように構成することができる。図５に示された検出ポイントＦＢ１、ＦＢ２、及びＦＢ３で焦点位置を検出するための３つの検出器ＧＤＥ１、ＧＤＥ２、及びＧＤＥ３のグループに関しても同じことが言える。
【０１１５】
さらに、図７に示された６つの検出ポイントＦＢｎａ及びＦＢｎｂ（ｎ＝１，２，３）で焦点位置を検出する６つの検出器のグループに関して、または、６つの検出ポイントＦＥｎａ及びＦＥｎｂ（ｎ＝１，２，３）で焦点位置を検出する６つの検出器の他のグループに関して、同じ目的のために共通の対物レンズ系を使用してもよい。そのために、複数の検出ポイントで焦点位置を検出する検出器用の共通の対物レンズ系を使用する構成を、図８を参照して簡単に説明する。
【０１１６】
図８は、図７でＹ方向で見た、投影レンズと検出器との間の位置的な関係の略側面図である。検出器は、図７に示された、６つの検出ポイントＦＢｎａ及びＦＢｎｂ（ｎ＝１，２，３）と、４つの検出ポイントＦＡ１ａ、ＦＡ１ｂ、ＦＡ２ａ及びＦＡ２ｂとに対応している。したがって、図８におけるウェハＷのスキャニング方向は、当該図８の平面に対して直交する方向である。図７のいちばん左の位置でＸ方向において一列に配置された５つの検出ポイントＦＡ１ａ、ＦＢｎａ（ｎ＝１，２，３）、及びＦＡ２ａが、図８に代表して示されている。もう１つの列の検出ポイントＦＡ１ｂ、ＦＢｎｂ（ｎ＝１，２，３）、及びＦＡ２ｂは、（図８の紙面に対して直交する方向において）５つの検出ポイントＦＡ１ａ、ＦＢｎａ（ｎ＝１，２，３）、及びＦＡ２ａに隣接している。この実施例において、これら１０個の検出ポイントでの焦点位置が、対物レンズ系によって検出される。
【０１１７】
図８に示されているように、光源（例えば、発光ダイオード、レーザーダイオード、ハロゲンランプなど）を含む照明光学系８０Ａからの照明光ＩＬＦが、マルチスリットプレート８１Ａに形成された１０個の小スリットの各々を通って発せられる。前記光源は、ウェハＷ上のレジスト層が感光しない波長領域の光りを発することができる。１０個の小スリットは、ウェハＷに設定された１０個の検出ポイントＦＢｎａ、ＦＢｎｂ（ｎ＝１，２，３）、ＦＡ１ａ、ＦＡ１ｂ、ＦＡ２ａ、及びＦＡ２ｂに対応して配置されている。小スリットの透過光は、レンズ系８２Ａと反射鏡８３Ａとを通って、投影系の対物レンズ８４Ａに入射する。そして、所望の角度だけプリズム８５Ａによって偏向させられ、各検出ポイントにスリット像が形成される。
【０１１８】
照明光学系８０Ａ、マルチスリットプレート８１Ａ、レンズ系８２Ａ、反射鏡８３Ａ、対物レンズ８４Ａ、及びプリズム８５Ａは、斜入射光タイプの焦点検出ユニットの投影系を構成している。図８に示された、マルチスリットプレート８１ＡからウェハＷにわたる光路の実線は、小スリットから伝達された光りの主光線を表しており、光路における点線は、検出ポイントＦＢ２ａ（またはＦＢ２ｂ）で結像される小スリット結像光の典型的な結像光線ＳＬｆを表している。
【０１１９】
ウェハＷ上の各検出ポイントで反射された小スリット結像光の反射光は、プリズム８５Ｂ、対物レンズ８４Ｂ、反射鏡８３Ｂ、及びレンズ系８２Ｂを通って、受光スリットプレート８１Ｂで再び結像される。プリズム８５Ｂ、対物レンズ８４Ｂ、反射鏡８３Ｂ、及びレンズ系８２Ｂは、前記投影系に対して概ね対称に配置されている。投影マルチスリットプレート８１Ａに設けられた前記小スリットに対応して配置された１０個の受光用の小スリットが、受光スリットプレート８１Ｂに形成されている。これらの受光用の小スリットを伝達した光りは、受光装置８０Ｂによって受光される。受光装置８０Ｂは、複数の光電検出素子となっている。
【０１２０】
受光装置８０Ｂの複数の光電検出素子として、１０個の光電検出素子が、ウェハ上の検出ポイントでの焦点位置を個々に検出できるように、受光スリットプレート８１Ｂの小スリットの位置に対応して設けられている。受光装置８０Ｂ、受光スリットプレート８１Ｂ、レンズ系８２Ｂ、反射鏡８３Ｂ、対物レンズ８４Ｂ、及びプリズム８５Ｂは、斜入射光タイプの焦点検出ユニットの受光系を構成している。図８に示されたウェハＷから受光スリットプレート８１Ｂに向かう光路の実線は、ウェハＷによって通常的に反射された小スリットの主光線を表している。光路における点線は、検出ポイントＦＢ２ａ（またはＦＢ２ｂ）から受光スリットプレート８１Ｂに向かう典型的な結像光線ＲＳｆを表している。
【０１２１】
図８に示された投影系と受光系は、一体的に形成された金属製の部材に取り付けられている。それによって、構成要素の位置は、互いに対して正確に維持されている。金属製の部材は、１／４縮小投影レンズ系ＰＬのレンズバレル（鏡筒）に動かないように固定されている。同じ方法で構成されたもう一つの焦点検出ユニットは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬの反対側に配置されており、図７に示された１０個の検出ポイントＦＥｎａ、ＦＥｎｂ（ｎ＝１，２，３）、ＦＤ１ａ、ＦＤ２ａ、ＦＤ１ｂ、及びＦＤ２ｂで、焦点位置を個々に検出できるようになっている。
【０１２２】
図７に示された前記一対の検出ポイントＦＣ１ａ及びＦＣ１ｂと、前記一対の検出ポイントＦＣ２ａ及びＦＣ２ｂとに関して、図７のＹ方向（図８の紙面に対して直交する方向）に配置された投影系と受光系の各々を有する斜入射光タイプの焦点検出ユニットは、１／４縮小投影レンズ系ＰＬのＸ方向における両側に設けるようにしてもよい。焦点検出ポイントが図５に示されたように配置された場合にも、図８に示された斜入射光タイプの焦点検出ユニットを、同じように適用することができる。
【０１２３】
次に、本願発明の自動焦点合わせ／チルトコントロール系が適用されるスキャニングアライナーを、図９を参照して本願発明の第３の実施例にしたがって説明する。この実施例は、大きな基板、例えば、直径３００ｍｍあるいはそれ以上の直径を有する基板用のスキャニングアライナーに適用可能である。前記スキャニングアライナーは、１Ｘ（すなわち１倍の）投影光学系を備えている。前記１Ｘの投影光学系は、第１段目のダイソン（Ｄｙｓｏｎ）タイプの（カダディオプトリック（反射屈折））投影結像系と第２段目のダイソン（Ｄｙｓｏｎ）タイプの投影結像系とのタンデム形の（縦に並んだ）組み合わせで形成されている。第１段目のダイソンタイプ（カダディオプトリック）の投影結像系は、一対のプリズムミラーＰＭ１及びＰＭ２と、レンズ系ＰＬ１と、凹面鏡ＭＲ１とを備えている。第２段目のダイソンタイプの投影結像系は、一対のプリズムミラーＰＭ３及びＰＭ４と、レンズ系ＰＬ２と、凹面鏡ＭＲ２とを備えている。そのようなアライナーは、例えば、（Ｓｗａｎｓｏｎなどに付与された）米国特許第５、２９８、９３９号に開示されている。
【０１２４】
図９に示されたアライナーにおいて、オリジナルプレートとして設けられたマスクＭと、感光性基板として設けられたプレートＰとは、キャリッジ１００に一体的に支持されている。１Ｘ（単一の倍率）の投影光学系の投影視野に対して図９で見てキャリッジ１００を左または右に移動させ、また、マスクＭ及びプレートＰをスキャン（走査）するように照明光ＩＬを移動させることによって、マスクＭに設けられたパターンは、１Ｘ（単一の倍率）の正立像としてプレートＰに転写される。
【０１２５】
このタイプのアライナー用の投影光学系の場合、プリズムミラーＰＭ１の入射面とマスクＭの表面との間隔と、プリズムミラーＰＭ４の出射面とプレートＰの上面との間隔を最小限にすることにより、結像性能（種々の収差及び像ディストーション（像歪み））の悪化を減少させることが望ましい。換言すれば、もし、これらの間隔を十分に減少させることができるならば、光軸ＡＸ１及びＡＸ２上に配置されたレンズ系ＰＬ１及びＰＬ２の設計は容易となる。そのため、所望の結像性能を達成するために、プリズムミラーＰＭ１とマスクＭとの間の間隔と、プリズムミラーＰＭ４とプレートＰとの間の間隔と、を減少することが必要である。
【０１２６】
この状態を考慮して、この投影によって投影されたパターン像の焦点合わせをし、そしてパターン像のチルト調節をするために、第１の実施例（図３）や第２の実施例（図７、図８）のような露光位置オフアクシスタイプの焦点検出系ＧＤＣと先読み焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲとが、図９に示すようにプリズムミラーＰＭ４の周囲に設けられており、これによって、プレートＰをＺ方向及びチルト方向にわずかに移動させることにより、プレートＰの表面と最適な焦点面ＢＦＰとをプリズムミラーＰＭ４の真下の露光位置で正確に一致させることができる。
【０１２７】
さらに、図９に示されたように、先読み焦点検出系ＧＤＬ’及びＧＤＲ’と、露光位置オフアクシスタイプの焦点検出系ＧＤＣ’とを、マスクＭに面するように、マスクＭ側でプリズムミラーＰＭ１の周囲に配置することができる。これらの焦点検出系によって、プリズムミラーＰＭ１に対する照明光ＩＬで照らされるマスクＭの領域の焦点誤差とチルト誤差とを検出でき、また、これと同時に、Ｚ方向におけるわずかなずれ（像面の焦点ずれ）と、プリズムミラーＰＭ４から所定のワーキングディスタンスだけ離れた箇所に形成される最適な焦点面（すなわち、レチクルＲの共役面）のチルトずれ（像面の傾き）と、を測定することができる。
【０１２８】
したがって、図９に示されたアライナーにおいて、マスクＭのパターンが投影光学系によって最適な状態で投影され結像される像面と、プレートＰの表面とが、スキャニング露光の間、高精度に互いに対して一致するように調節することができる。
【０１２９】
図９に示されたアライナーは、マスクＭとプレートＰとを垂直方向に立設するように構成することができる。図１０は、スキャニングアライナーの典型的な構造の斜視図である。このスキャニングアライナーは、垂直方向に設けられた、すなわち縦置きのキャリッジを備えている。縦置きのキャリッジは、マスクＭ及びプレートＰを垂直方向に（すなわち、縦置きに）保持し、また、投影光学系に対してマスクＭ及びプレートＰを一体的に移動させて、スキャニング（すなわち、走査）できるようにしている。この態様で垂直方向に保持されたマスクＭ及びプレートＰを有するスキャニングアライナーが、例えば、特開平８−１６２４０１に開示されている。
【０１３０】
図１０を参照すると、縦置きタイプのスキャニングアライナーの全体が、固定ベース１２０Ａ上に構成されている。固定ベース１２０Ａは、固定ベース１２０Ａの４つのコーナー部とフロアとの間に介在された防振装置を備えたフロアに配置されている。サイドフレーム部１２１Ａ及び１２１Ｂが、垂直方向（Ｘ方向）に立設するように、固定ベース１２０Ａの両側部に設けられている。マスクＭが、サイドフレーム部１２１Ａの内側に設けられている。一方、プレートＰが、サイドフレーム部１２１Ｂの内側に設けられている。そのため、開口部がサイドフレーム部１２１Ａに形成されている。サイドフレーム部１２１Ａのこの開口部には、照明ユニット１２２の端部が図示のように挿入されている。照明ユニット１２２は、露光用の照明光でマスクＭを照らしマスクとプレートとのアライメントを行う光学系を備えている。
【０１３１】
ガイドベース部１２３が、サイドフレーム部１２１Ａと１２１Ｂとの間でスキャニング方向（Ｙ方向）に伸長するように、固定ベース１２０Ａに設けられている。２つの真っすぐなガイドレール１２３Ａ及び１２３Ｂが、互いに平行なＹ方向に伸長するように、ガイドベース部１２３に形成されている。縦置きキャリッジ１２５が、Ｙ方向に往復移動できるように、ガイドレール１２３Ａ及び１２３Ｂ上で、流体ベアリングや磁気浮動式ベアリングによって支持されている。縦置きキャリッジ１２５は、平行に配置された２つリニアモーター１２４Ａ及び１２４Ｂによって非接触式にＹ方向に駆動される。リニアモーター１２４Ａ及び１２４Ｂは、ガイドベース部１２３に固定された固定子を備えている。
【０１３２】
縦置きキャリッジ１２５は、マスク側キャリッジ部１２５Ａとプレート側キャリッジ部１２５Ｂとを備えている。マスク側キャリッジ部１２５Ａは、マスクＭを保持するためにサイドフレーム部１２１Ａの内側で垂直方向に形成されている。プレート側キャリッジ部１２５Ｂは、プレートＰを保持するためにサイドフレーム部１２１Ｂの内側で垂直方向に形成されている。マスクテーブル１２６Ａが、マスク側キャリッジ部１２５Ａに設けられている。マスクテーブル１２６Ａは、マスクＭを保持しながら、ＸＹ平面でＸ方向またはＹ方向にマスクＭをわずかに動かし、あるいは、回転（θ）方向にマスクＭをわずかに動かすことができる。さらに、マスクテーブル１２６Ａは、マスクＭを保持しながら、Ｚ方向にマスクＭをわずかに動かすことができる。他方、プレートステージ１２６Ｂが、プレート側キャリッジ部１２５Ｂに設けられている。プレートステージ１２６Ｂは、プレートＰを保持しながら、ＸＹ平面でＸ方向またはＹ方向にプレートＰをわずかに動かし、あるいは、回転（θ）方向にプレートＰをわずかに動かすことができる。さらに、マスクテーブル１２６Ａは、プレートＰを保持しながら、Ｚ方向にプレートＰをわずかに動かすことができる。
【０１３３】
上述した特開平８−１６２４０１に開示されているような投影光学系ＰＬが、この実施例において使用されている。投影光学系ＰＬは、複数組の（例えば、７組の）「１Ｘ（１倍）」正立像タイプのダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系を、Ｘ方向に直交する方向に配置することによって構成されている。複数組のダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系は、ケーシング内で一体的に組合わされ且つ収容されている。ケーシングは、ＸＺ平面で見てほぼＴ字形となっている。このように構成された投影光学系ＰＬは、対向したサイドフレーム部１２１Ａ及び１２１Ｂの上側端部から垂下することによって取り付けられている。それによって、マスクＭ及びプレートＰからの所定の作動距離が維持されている。
【０１３４】
図９に示されているように、投影光学系ＰＬの全ケーシングにおいて、マスクＭ側の焦点検出系ＧＤＣ’、ＧＤＬ’、及びＧＤＲ’がマスクＭに面するようにマスクＭ側に設けられており、プレートＰ側の焦点検出系ＧＤＣ、ＧＤＬ、及びＧＤＲがプレートＰに面するようにプレートＰ側に設けられている。先読み焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＬ’、ＧＤＲ、及びＧＤＲ’によって画定された検出ポイントは、複数組のダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系の投影視野に一致するように設定することができ、または、投影視野の配置にかかわりなく所定の間隔で配置することができる。
【０１３５】
図１１は、図１０に示された投影光学系ＰＬのケーシングに設けられたマスクＭ側の焦点検出系ＧＤＣ’、ＧＤＬ’、及びＧＤＲ’の検出器のレイアウトの一例の斜視図である。複数組のダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系の有効な投影視野ＤＦ１、ＤＦ２、ＤＦ３、ＤＦ４、ＤＦ５・・・・・は、スキャニング方向に直交するＸ方向に細長い台形状の領域として設定されている。台形状の投影視野ＤＦｎ（ｎ＝１、２、３・・・）は、各隣接する対のダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系の台形状の投影視野が、Ｘ方向で見て傾斜側だけ互いに重なるように配置されている。
【０１３６】
マスクＭ側に設けられた投影視野ＤＦｎのみが、図１１に図示されているが、プレートＰ側の投影視野も同じように配置されている。例えば、図１１に示された投影視野ＤＦ２は、２つの凹面鏡ＭＲ２ａ及びＭＲ２ｂを含む、図９に示されたようなダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系によって画定されている。投影視野ＤＦ４は、２つの凹面鏡ＭＲ４ａ及びＭＲ４ｂを含むダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系によって画定されている。
【０１３７】
図１１に示されたように、先読み焦点検出系ＧＤＬ’用の検出器ＧＤＡ１’，ＧＤＢ１’ＧＤＢ２’・・・、ＧＤＡ２’（ＧＤＡ２’は図１１に示されていない）と、先読み焦点検出系ＧＤＲ’用の検出器ＧＤＤ１’，ＧＤＥ１’ＧＤＥ２’・・・、ＧＤＤ２’（ＧＤＤ２’は図１１に示されていない）とが、複数の投影視野ＤＦｎの両側（スキャニング方向に対して前側及び後ろ側）に配置されている。また、露光位置焦点検出器ＧＤＣ１’及びＧＤＣ２’（検出器ＧＤＣ２’は、図１１に図示されていない）が、スキャニング方向に対して直交するＸ方向における、複数の投影視野ＤＦｎの全体のアレイ（配列）の両端に配置されている。
【０１３８】
上述した焦点検出器の各々は、例えば、空気マイクロメータタイプの静電気ギャップセンサとなっている。上述した焦点検出器の各々は、代わりに、斜入射光タイプの焦点検出器とすることもできる。マスクＭで検出を行う焦点検出器のみが、図１１に図示されているが、複数の検出器が、プレートＰを検出できるように、同様に、焦点検出系ＧＤＣ、ＧＤＬ、及びＧＤＲに配置されている。
【０１３９】
複数組のダブルダイソン（Ｄｙｓｏｎ）系の種々の光学的な特性を調節するするための調節部ＫＤ１及びＫＤ２が、図１１に示された投影光学系ＰＬのケーシングのサイド部に設けられている。そのため、もし、マスクＭ側またはプレートＰ側における最適な焦点面の位置が、光学的な特性調節によって図１１のＺ方向において変化したならば、Ｚ方向位置を調節する機構、すなわち、各焦点検出器によって最適な焦点面として検出された機械的な（光学的な）焦点オフセットを設定する機構が設けられる。
【０１４０】
この機構は、例えば、光路の長さを光学的に変えるように、Ｚ方向における焦点検出器の位置を機械的に調節する機構とすることができる。または、この機構は、例えば、光路の長さを光学的に変えるように、最適な焦点位置として評価された位置を焦点検出器によってＺ方向に光学的に調節する機構とすることができる。代わりに、マスクまたはプレートは、焦点誤差を表す検出信号に応じてＺ方向に焦点合わせを行うことができるように、自動的に調節される。そして、オフセットが、Ｚ方向において、その移動された位置に加えられる。
【０１４１】
次に、本願発明にかかわる第４の実施例を、図１２を参照して説明する。この実施例は、投影レンズ系ＰＬの投影端部を、上述したように液体に浸しながら投影露光を行う装置に適用可能となっている。図１２は、前記装置のうち投影レンズ系ＰＬの端からウェハホルダーＷＨまでの部分の断面図である。
【０１４２】
平坦な下面Ｐｅと凸状の上面とを備えた正レンズ素子ＬＥ１が、レンズバレル（鏡筒）の内側の、投影レンズ系ＰＬの端に固定されている。この正レンズ素子ＬＥ１の下面Ｐｅは、レンズバレルのいちばん端の端面と同一平面となるように仕上げ加工されている。その結果、液体ＬＱの流れの乱れが、最小限度になっている。液体ＬＱに浸された投影レンズ系ＰＬのレンズバレル端部に、図１に示されたものと同様な、先読み焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲと露光位置焦点検出系ＧＤＣとからなる検出器が取り付けられている。その結果、それらのいちばん端の端部が、液体ＬＱに浸されている。
【０１４３】
真空吸引によってウェハＷの裏面を引きつける複数の吸引面１１３が、ウェハホルダーＷＨの中央内側底部に形成されている。より具体的に説明すれば、吸引面１１３は、複数の円形帯状のランド部を備えている。円形帯状のランド部は、高さが約１ｍｍとなっている。また、円形帯状のランド部は、ウェハＷの直径方向に所定のピッチをもって、互いに同心状に形成されている。円形のランド部の中央部分に形成された溝の各々は、ウェハホルダーＷＨの管１１２に連通している。管１１２は、真空吸引を行う真空源に接続されている。
【０１４４】
この実施例において、投影レンズ系ＰＬの端にある正レンズ素子ＬＥ１の下面Ｐｅと、最適な焦点状態におけるウェハＷの上面（または、補助プレート部ＨＲＳの上面）との間の間隔（実質的な作動距離）、すなわち、投影光路が形成される液体ＬＱの厚さは、５ｍｍまたはそれ以下に設定されている。したがって、ウェハホルダーＷＨに満たされた液体ＬＱの深さＨｑは、この厚さ（５ｍｍまたはそれ以下）よりも２倍ないし数倍大きくすることができる。そして、ウェハホルダーＷＨの周囲端に垂直に形成された壁部ＬＢの高さは、約１０ｍｍないし２５ｍｍとなっている。したがって、この実施例においては、投影レンズ系ＰＬのワーキングディスタンスに対応する結像光路における液体ＬＱの厚さが減少され、その結果、ウェハホルダーＷＨに満たされた液体ＬＱの全容積はより小さくなり、液体［ＬＱ］の温度制御がより容易となっている。
【０１４５】
投影光路が形成される液体ＬＱの領域において、露光光がその領域を通過するとき、照明エネルギーが吸収される。その結果、放射熱変動がに起こり易くなっている。もし、液体ＬＱの深さＨｑが小さいならば、そのような放射熱変動による温度上昇が容易に生じ、温度制御の安定性が減少するという悪影響が生じてしまう。そのような場合において、大量液体層における放射熱変動の影響を消失させるために、液体ＬＱの深さＨｑの値を実質的なワーキングディスタンスの数倍の値に設定することによって、良好な効果を得ることができる。
【０１４６】
焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＲ、及びＧＤＣを光学的なタイプの検出系として図１２に示されたような液浸式の投影系に設けるために、ウェハＷの表面や補助プレート部ＨＲＳの表面に斜めに入射する投影ビーム（光束）と、この表面から反射されたビームとが、液体ＬＱと空気との間の界面を交差するのを防止している。そのため、そのような液浸式の投影タイプのアライナーに適した焦点／チルト検出系の一例を、図１３を参照して説明する。
【０１４７】
図１３は、投影レンズ系ＰＬの付近に配置された焦点検出系ＧＤＬの構成を示している。他の焦点検出系ＧＤＲ及びＧＤＣは、焦点検出系ＧＤＬが構成されているのと同様に構成されている。図１３において、図１２に示された構成要素と同じ構成要素は、同じ参照符号や参照数字によって示されている。
【０１４８】
図１３を参照すると、ガラスブロックで形成されたプリズムミラー２００が、投影レンズ系ＰＬの周辺部付近に固定されている。プリズムミラー２００は下方部を備えており、その下方部は液体ＬＱに浸されている。プリズムミラー２００は、反射面２００ａ及び２００ｂを備えている。反射面２００ａ及び２００ｂの一部は、液体ＬＱに浸されている。プリズムミラー２００は、また、平坦面２００ｃ及び２００ｄを備えている。投影されるビームや反射されるビームは、平坦面２００ｃ及び２００ｄを通って、プリズムミラー２００のガラスから液体ＬＱ内に進み、あるいは、液体ＬＱからガラス内に進む。プリズムミラー２００は、また、平坦な上面を備えている。
【０１４９】
マルチスリットプレート２０５が、コンデンサーレンズまたは円筒形レンズ２０３を通して、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）のような光源２０２からの（ウェハＷ上のレジストに対して化学線作用のない波長を有する）光りＬＫで照らされている。これによって、焦点／チルト検出用の投影ビームが形成されている。焦点検出系ＧＤＬの検出ポイント（領域）ＦＡｎ及びＦＢｎに対応する複数の透過スリットが、マルチスリットプレート２０５に形成されている。各透過スリットからの光りは、ビームスプリッター２０７によって反射され、そして、対物レンズ２０９に入射して、ウェハＷの上面にスリット像を形成する結像ビームとして収束する。
【０１５０】
対物レンズ２０９から出た結像ビームは、プリズムミラー２００の上端面を通ってプリズムミラー２００に入り、反射面２００ａによって通常のように反射し、平坦面２００ｃを通って液体ＬＱに入り、ウェハＷの表面に斜めから入射し、これによって、ウェハＷを照らしている。ウェハＷによっ反射されたビームは、反対側の平坦面２００ｄを通ってプリズムミラー２００に入り、反射面２００ｂによって通常のように反射され、プリズムミラー２００の上端面を通ってプリズムミラー２００から出て進む。この反射された光ビームは、対物レンズ２１１を通過し、対物レンズ２１１の瞳孔位置に配置された反射ミラー２１３によって反射される。
【０１５１】
反射ミラー２１３によって反射されたビームは、対物レンズ２１１を通って反対方向に進み、再び、プリズムミラー２００の反射面２００ｂと平坦面２００ｄを経て進み、再びウェハＷを照らす。ウェハＷによって再び反射された光ビームは、プリズムミラー２００の平坦面２００ｃと反射面２００ａとを経て進み、ビームスプリッター２０７を通過して、光電検出器２１５に入射する。光電検出器２１５は、マルチスリットプレート２０５に対応する光を受光する複数の素子となっている。光電検出器２１５は、それぞれ、検出ポイントＦＡｎ及びＦＢｎに関する検出信号を別々に出力する。
【０１５２】
したがって、図１３に示された焦点／チルト検出系は、ウェハＷによって反射された投影ビームがウェハＷによって再反射される複光路系として配置されている。そのため、その焦点／チルト検出系は、単一光路系と比較して、Ｚ方向におけるウェハＷの表面位置の誤差検出に関して、より高い感度を備えることができる。
【０１５３】
この実施例において、ガラスブロック（プリズムミラー２００）が、焦点／チルト検出系のいちばん端に設けられており、また、そのガラスブロックは、その一部が液体ＬＱに浸されるように位置決めされている。その結果、投影ビームと反射ビームとは、液体ＬＱと空気との間のいかなる界面を通過することはない。したがって、これにより、安定したビームの光路が設けられている。さらに、投影ビームまたは反射ビームが通過する液体ＬＱの光路の有効長さは、プリズムミラー２００によって減少し、それによって、Ｚ位置を測定するとき、液体ＬＱの温度変化により精度の低下を避けることができる。
【０１５４】
図１及び図５に示したウェハホルダーＷＨの構造の変更例を、図１４及び図１５を参照して説明する。図１４は、液浸式の露光を行う投影露光装置に取り付けられるウェハホルダーＷＨの断面図である。この例においては、圧電素子のような微動調節可能なＺ−駆動ユニット２２０が設けられている。Ｚ−駆動ユニット２２０は、ウェハＷを支持する吸引面１１３を囲む補助プレート部ＨＲＳをわずかに移動させることができる。微動調節可能なＺ−駆動ユニット２２０は、約数十マイクロメートルのストークだけ、Ｚ方向に補助プレート部ＨＲＳを移動させる。
【０１５５】
もし、ウェハホルダーＷＨの吸引面１１３上に設けられたウェハＷの表面の高さと補助プレート部ＨＲＳの表面のＺ方向における高さとの間の差が、許容差よりも大きいならば、このＺ−駆動ユニット２２０を使用して、補助プレート部ＨＲＳの表面の高さを補正して、前記許容差よりも小さい値に前記差を減少させることができる。
【０１５６】
図５を参照して上述したように、補助プレート部ＨＲＳの表面は、ウェハＷの周辺部のショット領域ＳＡ１が露光されるとき、ウェハＷの外側に設けられた焦点検出ポイントＦＡ１（または、ＦＡ２）、ＦＣ１（またはＦＣ２）、及びＦＤ１（またはＦＤ２）用の代替的な検出表面として機能している。しかしながら、ウェハＷの内側のショット領域ＳＡ２（図５参照）が露光されるとき、これらの焦点検出ポイントはウェハＷ上に位置決めされる。そのため、補助プレート部ＨＲＳの表面及びウェハＷの表面の一方の上に独占的に位置決めされない検出ポイントを有する焦点検出器ＧＤＡ１、ＧＤＡ２、ＧＤＣ１、ＧＤＣ２、ＧＤＤ１、及びＧＤＤ２は、これらの表面の各々の上でＺ位置が正確に測定されなければならない。すなわち、補助プレート部ＨＲＳの表面及びウェハＷの表面のＺ方向における位置が、各焦点検出器ＧＤＡｎ、ＧＤＣｎ、及びＧＤＤｎの線形焦点測定範囲内に位置している必要がある。
【０１５７】
例えば、もし、焦点検出器の線形焦点測定範囲が±１０マイクロメートルならば、補助プレート部ＨＲＳの表面及びウェハＷの表面のＺ位置ずれは、数マイクロメートルの範囲内に制限される。しかしながら、ウェハの厚さは、ＳＥＭＩ（半導体製造装置材料協会）標準によって決定された公差で変化する。使用可能な全てのウェハの厚さを数マイクロメートルの範囲内に制限することは困難である。
【０１５８】
そのため、露光される前に、ウェハＷが図１４に示されたウェハホルダーＷＨに引きつけられたとき、ウェハＷ表面の適切な部分のＺ位置（例えば、周辺ショット領域の中央部分）と補助プレート部ＨＲＳの表面のＺ位置との間の差が、焦点検出系（ＧＤＬ、ＧＲＤ、ＧＤＣ）の１つを使用することによって測定され、その後、露光が行われる。もし、その差が許容範囲（例えば、数マイクロメートル）を越えているならば、図１４に示された微動調節可能なＺ−駆動ユニット２２０を制御することによってその差が許容範囲内に収まるように、補助プレート部ＨＲＳの高さが調節される。図１４に示されたウェハホルダーＷＨが液体ＬＱで満たされることから、微動調節可能なＺ−駆動ユニット２２０は防水処理されており、これによって、液体の当該ユニットへの入り込みが防止されている。
【０１５９】
次に、図１５に示された構成を説明する。図１５は、大気中でウェハを露光するのに適した、ウェハホルダーＷＨとＺＬステージ３０とを備えた構造の変更例の断面図である。図１４に示された構成要素に対応する構成要素が、同じ参照符号や参照数字によって示されている。図１５を参照すると、ウェハホルダーＷＨは、チャックとして構成されている。ウェハＷを支持するための吸引面１１３のみがウェハホルダーＷＨに形成されている。ウェハホルダーＷＨはＺＬステージ３０に固定されている。
【０１６０】
補助プレート部ＨＲＳが、微動調節可能なＺ−駆動ユニット２２０によってＺＬステージ３０に取り付けられている。Ｚ−駆動ユニット２２０は、補助プレート部ＨＲＳとＺＬステージ３０との間に介在されている。Ｚ方向とチルト運動方向にＺＬステージ３０を駆動する３つのＺ−アクチュエーター３２Ａ、３２Ｃ、及び３２Ｂ（３２Ｂは図１５に図示せず）の各作用ポイントＰＶが、ウェハホルダーＷＨのウェハ取付面（吸引面１１３）と実質的に同じ高さにあるＺＬステージ３０の周辺部のポイントに設定されている。
【０１６１】
また、図１５に示されているように、補助プレート部ＨＲＳの高さは、図１４に示されたのと同じ方法で、微動調節可能なＺ−駆動ユニット２２０を使用することによって、ウェハＷの上面の高さに調節される。作用ポイントＰＶの高さは、ウェハ表面と同じ高さに設定される。図１５に示されたＺＬステージ３０の構造とＺ−アクチュエーター３２Ａ、３２Ｃ、及び３２Ｂの構造は、図１に示されたアライナーにも適用可能である。また、図１４のウェハホルダーＷＨを図１５のＺＬステージ３０に取り付けることにより、液浸式の投影露光装置や液浸式の投影露光方法に適した焦点合わせ及びチルト運動ステージを形成することができる。
【０１６２】
本願発明は、露光装置への適用に関して説明した。しかしながら、上述した実施例は、本願発明の範囲を離れることなしに、種々の方法で変更することができる。例えば、大気中で投影露光を行うアライナーの場合に、焦点検出系ＧＤＬ、ＧＤＲ、及びＧＤＣは、静電容量タイプのギャップセンサや空気マイクロメータタイプのギャップセンサを備えることができる。また、本願発明は、例えば、露光光として、水銀放電ランプから放出されるｇ線（４６３ｎｍ）またはｉ線（３６５ｎｍ）やＫｒＦエキシマーレーザーから放出されるパルス光（２４８ｎｍ）を使用する、ステップアンドリピートタイプ、ステップアンドスキャンタイプ、及び「１Ｘ（１倍）」スキャニングタイプのどのタイプの投影アライナーにも適用可能である。
【０１６３】
本願発明によれば、投影アライナーに取り付けられた投影光学系のワーキングディスタンスがきわめて小さい値に設定されている一方で、露光位置での正確な焦点合わせやチルト制御を実現することができ、それによって、投影光学系の光学設計における種々の収差の補正やディストーションの補正が容易となり、像面の近くに位置決めされた透明な光学素子のサイズを特に小さくできる。
【０１６４】
本願発明の上述した実施例にかかわる焦点合わせ／チルト制御系の各々は、一定のタイプの投影露光装置に適用可能である。しかしながら、本願発明は、また、ビーム加工（製造）装置、描画装置、及び検査装置などのための焦点／チルト検出系にも適用可能であり、半導体製造に限定されるものではない。これらのビーム加工装置、描画装置、及び検査装置には、光学的または電気光学的な対物レンズ系が設けられている。本願発明は、基板、被検物、または被加工物上の焦点を検出するための焦点検出系として、前記光学的または電気光学的な対物レンズ系に適用できる。
【０１６５】
図１６は、レーザービームや電子ビームで被加工物を加工する装置あるいは被加工物上にパターンを描画する装置の対物レンズ光学系に適用された焦点検出系の構成を示している。図１７は、図１６に示された焦点検出系の検出ポイントの平坦なレイアウトを示している。
【０１６６】
図１６を参照すると、加工または描画用のビームＬＢＷが、スキャニングミラー３００によって、一次元的にまたは二次元的に偏向させられ、そして、レンズ系３０１、固定ミラー３０２、及びレンズ系３０３を通って、ビームスプリッター３０４に入射する。ビームＬＢＷは、ビームスプリッター３０４によって反射され、わずかなワーキングディスタンスを有する高解像度の対物レンズ系３０５に入射する。ビームＬＢＷは、対物レンズ系３０５によって、被加工物ＷＰ上の、所定の形状（例えば、可変長方形形状）を有する小さなスポットに集光される。
【０１６７】
被加工物ＷＰは、図１４または図１５に示されたようなものと同じウェハホルダーＷＨに引きつけられ、固定されている。補助プレート部ＨＲＳは、被加工物ＷＰの周囲でウェハホルダーＷＨに一体的に取り付けられている。ウェハホルダーＷＨは、図示されていないＸＹＺ−ステージに固定されており、このＸＹＺ−ステージは、水平方向や図１６で見て紙面に対して直交する方向に二次元的に移動可能となっている。ウェハホルダーＷＨは、また、垂直方向（Ｚ−方向）にわずかに移動して、焦点合わせができるようになっている。
【０１６８】
図１６に示された装置には、また、観測、アライメント、または照準合わせ用の照明光を発するための光ファイバー３１０と、上記ビームスプリッター３０４に照明光を案内するビームスプリッター３１１及びレンズ系３１２と、受光装置（例えば、フォトマルチプライヤー、撮像管、ＣＣＤなど）３１４とが設けられている。受光装置３１４は、被加工物ＷＰから、対物レンズ系３０５を通して得られた、反射光や散乱し回折した光などを光電的に検出できるようになっている。
【０１６９】
先読み焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲと、加工位置焦点検出系ＧＤＣとが、対物レンズ系３０５の周囲に設けられている。図１７は、対物レンズ系３０５の視野３０５Ａと、視野３０５Ａの周辺に配置された焦点検出系の検出ポイントの平坦なレイアウトを示している。便宜上、視野３０５Ａの中心は、ＸＹ座標系の原点に設定されている。視野３０５Ａの長方形領域は、スキャニングミラー３００によって引き起こされるビームＬＢＷの偏向により、該ビームＬＢＷのスポットがスキャン（すなわち、走査）する範囲を示している。
【０１７０】
焦点検出器ＧＤＡ１、ＧＤＢｎ、及びＧＤＡ２が、対物レンズ系の視野３０５Ａの左側サイド上に配置されており、その結果、検出ポイントＦＡ１、ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３、及びＦＡ２が、Ｙ軸に平行な列となるように設定されている。また、焦点検出器ＧＤＤ１、ＧＤＥｎ、及びＧＤＤ２が、視野３０５Ａの右側サイド上に配置されており、その結果、検出ポイントＦＤ１、ＦＥ１、ＦＥ２、ＦＥ３、及びＦＤ２が、Ｙ軸に平行な列となるように設定されている。
【０１７１】
一方、焦点検出器ＧＤＣ１が視野３０５Ａの上方に設けられている。そして、３つの検出ポイントＦＤ１ａ、ＦＤ１ｂ、及びＦＤ１ｃが、２つの検出ポイントＦＡ１及びＦＤ１を通りＸ軸に平行なライン上に配置されるように、焦点検出器ＧＤＣ１は設定されている。他方、焦点検出器ＧＤＣ２が視野３０５Ａの下方に設けられている。そして、３つの検出ポイントＦＤ２ａ、ＦＤ２ｂ、及びＦＤ２ｃが、２つの検出ポイントＦＡ２及びＦＤ２を通りＸ軸に平行なライン上に配置されるように、焦点検出器ＧＤＣ２は設定されている。この実施例において、被加工物ＷＰがＸ方向に移動する間、一組の焦点検出器ＧＤＡ１、ＧＤＢｎ、及びＧＤＡ２と、一組の焦点検出器ＧＤＤ１、ＧＤＥｎ、及びＧＤＤ２とが、焦点先読み機能として選択される。一方、被加工物ＷＰがＹ方向に移動する間、焦点先読み機能は、一組の焦点検出器ＧＤＡ１、ＧＤＣ１、及びＧＤＤ１と、一組の焦点検出器ＧＤＡ２、ＧＤＣ２、及びＧＤＤ２とを選択することによって達成される。この実施例は、焦点検出器ＧＤＢｎ、ＧＤＣ１、ＧＤＣ２、及びＧＤＥｎの検出ポイントを変えることにより、加工位置の焦点を検出できるように構成されている。例えば、被加工物ＷＰが、図１６の左側サイドから右側サイドにかけてＸ軸に沿って移動するとき、検出ポイントＦＡ１、ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３、及びＦＡ２を使用して先読みを行いながら、検出ポイントＦＤ１ａ及びＦＤ２ａと、検出ポイントＦＤ１ｂ及びＦＤ２ｂと、検出ポイントＦＤ１ｃ及びＦＤ２ｃとからなる３対の検出ポイントのうち一対の検出ポイントを、加工位置の焦点を検出するために選択することができる。
【０１７２】
この構成は、下記の効果を達成できるように意図されている。すなわち、加工用または描画用の光ビームＬＢＷのスポット位置が、スキャニング範囲３０５Ｂで変化する。そのため、例えば、光ビームＬＢＷのスポットが、図１７に示されるようなスキャニング範囲３０５Ｂの最も左端に位置決めされたとき、２つの検出ポイントＦＤ１ａ及びＦＤ２ａを選択して、加工位置の焦点検出を行うことができる。光ビームＬＢＷのスポットが、スキャニング範囲３０５Ｂの最も右端に位置決めされたとき、２つの検出ポイントＦＤ１ｃ及びＦＤ２ｃを選択して、加工位置の焦点検出を行うことができる。
【０１７３】
この方法において、焦点制御やチルト制御の再現性と精度とが改善される。図１６に示されたホルダーＷＨは、ＸＹステージ上で、焦点合わせ（Ｚ）方向とチルト運動方向にわずかに移動する。この移動を行うための駆動系と制御系として、実質的な変更を行うことなしに図４に示されたものを使用できる。
【０１７４】
上述したように、図１６及び図１７に示された焦点検出系は、被加工物ＷＰの二次元運動方向の各々において焦点の先読み検出ができるように、また、加工位置に関する焦点検出ポイントが、視野３０５Ａにおけるビームスポットの位置に応じて選択できるように構成されている。その結果、被加工物ＷＰの周辺部でさえも、正確に焦点合わせがなされた状態で精密に加工（結像）され、または、パターン結像が、そのような状態で被加工物ＷＰ上に行われる。
【０１７５】
本願発明の焦点／チルト検出系が適用可能な検査装置の概要を、図１８を参照して説明する。図１８は、フォトリソグラフィー用のマスクやレチクルに写されたパターンの欠陥、あるいは、基板に形成された、半導体装置や液晶ディスプレー装置の回路パターンの欠陥を光学的に検査する装置の例を示している。
【０１７６】
最近、対物レンズ光学系を通して被検査パターンを拡大することによって、また、ＣＣＤカメラなどによりその拡大された被検査パターンの拡大像を形成することによって、さらに、そのような像から得られた像信号を分析することによって、被検物（基板）に形成された被検査パターンの品質を検査したり異質の粒子などの異物や損傷の存在及び非存在を検査する技術が、この種の検査装置に積極的に導入されている。
【０１７７】
そのような場合、被検査パターンの像が正確に拡大されるように、精度を改善することが重要である。そのため、解像度が高く視野サイズの大きい、しかも、最小限の収差とディストーションで像を形成できる対物レンズ系が要求される。そのような対物レンズ系は、当然に、ワーキングディスタンスが小さくなっており、また、焦点検出が対物レンズ系を通して行われるように、通常、スルーザレンズ（ＴＴＬ）タイプとして設計される。しかしながら、ＴＴＬ光学焦点検出系は、検出感度（被検物を焦点合わせする際の誤差に対する検出信号の変化量）を制限する問題を伴ってしまう。なぜなら、対物レンズ系の開口数（ＮＡ）が制限されるからである。
【０１７８】
もし、ＴＴＬ焦点検出系が、検査用の照明光の波長と異なる波長を有する光りを使用するように形成されているならば、対物レンズ系の光学的設計を行う場合、検査用の照明光の波長帯域と焦点検出照明光の波長帯域とを考慮して、収差を補正しなければならない。そのような場合、レンズは、検査用の照明光に対して最適に設計できるとは限らない。
【０１７９】
そのとき、図１８に示されているように、複数組の焦点検出系ＧＤＣ、ＧＤＬ、及びＧＤＲが、対物レンズ３３０の周囲に設けられ、これにより、図１６及び図１７に示された焦点検出系と同じ方法で検査を行うことができるようになっている。検査すべき被検物ＷＰは、例えば、パターンＰａが下面に形成されたマスクとなっている。被検物ＷＰは、その周辺端で、二次元方向に移動可能なフレーム状のステージ３３１により、支持されている。ステージ３３１は開口部を備えている。対物レンズ３３０は、上側を向いた状態で、ステージ３３１の移動を案内するベース部材３３２に取り付けられている。パターンＰａの局部領域の拡大像は、ビームスプリッター３３４とレンズ系３３５とを通って、撮像装置３３６の像面に結像する。
【０１８０】
被検物ＷＰの反対側には、照明光学系のコンデンサーレンズ３３８が、対物レンズ３３０の軸ＡＸと同軸に配置されている。光ファイバー３４０からの照明光は、コンデンサーレンズ３４１と、照明視野絞り３４２と、レンズ系３４３とを通って進み、コンデンサーレンズ３３８に入射するようになっている。それによって、被検物ＷＰのうち対物レンズ３３０の視野に対応する領域が、一様な照度で照らされる。
【０１８１】
上述した構成において、焦点検出系ＧＤＣ、ＧＤＬ及びＧＤＲは、上側でパターンＰａに面するように、対物レンズ３３０と一緒にベース部材３３２に取り付けられている。複数の焦点検出器（複数の検出ポイント）が、先読み可能な焦点検出系ＧＤＬ及びＧＤＲに設けられている。一方、少なくとも一対の焦点検出器が、検査ポイントで検出可能な焦点検出系ＧＤＣに設けられている。
【０１８２】
また、図１８に示した焦点検出系において、ステージ３３１上の被検物ＷＰは、光軸ＡＸに沿って垂直方向に移動できるようにしてもよく、または、図４に示されたような制御回路を使用することによって焦点検出器により検出された焦点位置情報に基づいてチルトできるようにしてもよい。しかしながら、図１８に示された検査装置においては、撮像装置３３６によって結像されたパターンＰａの拡大像の品質が高くなるという効果のみが得られれば十分である。そのため、被検物ＷＰを垂直方向に移動させる手段の代わりに、対物レンズ３３０またはレンズ系３３５を光軸ＡＸに沿ってわずかに移動させるための焦点調整装置３５２Ａまたは３５２Ｂを設けることができる。
【０１８３】
被検物ＷＰとして設けられたマスクパターンＰａを下方に向くように位置決めする検査装置を、図１８の例を参照して説明する。言うまでもなく、この実施例は、パターンＰａを上に向け対物レンズを下に向けた検査装置にも直接的に適用できる。図１８に示された装置において、パターンＰａの伝達された像は、同軸に設けられた透過照明系によって検査される。
【０１８４】
しかしながら、前記透過照明系は、同軸の反射照明光がビームスプリッター３３４を通して図１８の矢印３５０の方向に導入されるように、変更することができる。そのような場合、撮像装置３３６によって受光された拡大像は、パターンＰａからの反射光を結像することによって形成される。
【０１８５】
さらに、他の方法を用いることもできる。その方法においては、所望の形状を有する透過部を備えた空間フィルターが、照明光学系の光路またはその結像光学系に形成されたフーリエ変換平面の位置に取り外し可能に設けられている。これにより、パターンＰａの明視野像または暗視野像が、撮像装置３３６に選択的に結像できるようになっている。
【０１８６】
この開示は例示されたものであり、本願発明が、この開示に限定されるものではない。さらに、この開示の観点から当業者にとって別の変更例は明らかであり、かかる変更例は、添付した請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本願発明の第１の実施例におけるスキャンニング投影露光装置（アライナー）を示す線図である。
【図２】図２は、スキャンニングシーケンスを説明するための略斜視図である。
【図３】図３は、図１に示された投影レンズ系の端の付近に設けられた焦点検出系の配置の略斜視図である。
【図４】図４は、図１に示されたＡＦコントロールユニット回路構造の回路ブロック線図である。
【図５】図５は、図１に示された装置のウェハ上における、投影視野と焦点合わせ用のセンサとの間の位置関係の平面図である。
【図６】図６Ａは、図１に示された装置の焦点合わせ作用とチルト作用との線図である。
図６Ｂは、図１に示された装置の焦点合わせ作用とチルト作用との線図である。
図６Ｃは、図１に示された装置の焦点合わせ作用とチルト作用との線図である。
図６Ｄは、図１に示された装置の焦点合わせ作用とチルト作用との線図である。
【図７】図７は、本願発明の第２実施例における焦点／チルト検出系の検出領域のレイアウトの平面図である。
【図８】図８は、図７に示された焦点／チルト検出系の変更例のレイアウトの側面図である。
【図９】図９は、本願発明がスキャニング露光装置（スキャニングアライナー）に適用される、本願発明の第３実施例の略線図である。
【図１０】図１０は、図９に示されたスキャニングアライナーに適用される縦置きキャリッジの斜示図である。
【図１１】図１１は、図９に示された投影アライナーに設けられた、投影光学系と焦点検出系との斜視図である。
【図１２】図１２は、本願発明の構成が液浸式投影露光装置に適用された場合における本願発明の第４の実施例の断面図である。
【図１３】図１３は、液浸式投影露光装置に適した焦点／チルト検出系の光路レイアウトの例を示す線図である。
【図１４】図１４は、ウェハホルダーの変更例の断面図である。
【図１５】図１５は、ウェハホルダーの変更例の断面図である。
【図１６】図１６は、本願発明の焦点検出センサが適用される、製造装置、結像装置、または描画装置の１例を示す線図である。
【図１７】図１７は、図１６に示された装置に適用される焦点検出系の典型的なレイアウトを示す平面図である。
【図１８】図１８は、本願発明の焦点／チルト検出系が適用される典型的な検査装置の構造を概略的に示している線図である。
【符号の説明】
１０  照明系                      １１  ミラー
１２  集光レンズ系                １３  柱状構造体
１４  レチクルステージ            １５  モーター
１６  移動鏡                      １７  レーザー干渉計システム
２０  レチクルステージコントローラー
２５  メインコントローラ          ３０  ＺＬステージ
３１  移動鏡                      ３２Ａ  Ｚ−アクチュエーター
３２Ｂ  Ｚ−アクチュエーター      ３２Ｃ  Ｚ−アクチュエーター
３３  レーザー干渉計              ３４  ＸＹステージ
３５  ウェハステージコントローラー
３６  駆動モーター                ５２  位置監視回路
５４  第１の計算器                ５６  第２の計算及び記憶回路
５８  第３の計算及び駆動回路      ８０Ａ  照明光学系
８０Ｂ  受光装置                ８１Ａ  マルチスリットプレート
８１Ｂ  受光スリットプレート      ８２Ａ  レンズ系
８２Ｂ  レンズ系                  ８３Ａ  反射鏡
８３Ｂ  反射鏡                    ８４Ａ  対物レンズ
８４Ｂ  対物レンズ                ８５Ａ  プリズム
８５Ｂ  プリズム                  １００  キャリッジ
１１２  管                        １１３  吸引面
１２０Ａ  固定ベース              １２１Ａ  サイドフーム部
１２１Ｂ  サイドフーム部          １２２  照明ユニット
１２３  ガイドベース部            １２３Ａ  ガイドレール
１２３Ｂ  ガイドレール            １２５Ａ  マスク側キャリッジ部
１２５Ｂ  プレート側キャリッジ部  １２６Ａ  マスクテーブルＡ
１２６Ｂ  プレートステージ        ２００  プリズムミラー
２００ａ  反射面                  ２００ｂ  反射面
２００ｃ  平坦面                  ２００ｄ  平坦面
２０２  光源                      ２０５  マルチスリットプレート
２０７  ビームスプリッター        ２０９  対物レンズ
２１１  対物レンズ                ２１３  反射ミラー
２１５  光電検出器                ２２０  Ｚ−駆動ユニット
３００  スキャニングミラー        ３０１  レンズ系
３０２  固定ミラー                ３０３  レンズ系
３０４  ビームスプリッター        ３０５  対物レンズ系
３１０  光ファイバー              ３１１  ビームスプリッター
３１２  レンズ系                  ３１４  受光装置
３３０  対物レンズ                ３３１  ステージ
３３２  ベース部材                ３３５  レンズ系
３３４  ビームスプリッター        ３３６  撮像装置
３４１  コンデンサーレンズ        ３４２  照明視野絞り
３４３  レンズ系                  ３３８  コンデンサーレンズ
３５２Ａ  調整装置                ３５２Ｂ  調整装置
ＡＸ  光軸                        Ｃｐ  像視野
Ｅｐ  射出瞳                      ＦＡ１  検出ポイント
ＦＢ１  検出ポイント              ＦＢ２  検出ポイント
ＦＢ３  検出ポイント              ＦＡ２  検出ポイント
ＦＣ１  検出ポイント              ＦＣ２  検出ポイント
ＧＤＬ  焦点検出系                ＧＤＲ  焦点検出系
ＧＤＡ１  検出器                  ＧＤＡ２  検出器
ＧＤＢ１  検出器                  ＧＤＢ２  検出器
ＧＤＢ３  検出器                  ＧＤＤ１  検出器
ＧＤＤ２  検出器                  ＧＤＥ１  検出器
ＧＤＥ２  検出器                  ＧＤＥ３  検出器
ＧＤＣ  焦点検出系                ＧＤＣ１  検出器
ＧＤＣ２  検出器                  ＨＲＳ  補助プレート部
ＩＡ  パルス照明光                ＩＬ  照明光
ＩＬＦ  照明光                    ＬＧａ  前方グループレンズ系
ＬＧｂ  後方グループレンズ系      ＬＬａ  直線
ＬＬｂ  直線                      ＬＬｃ  延長線
ＬＥ１  正レンズ素子              ＬＱ  液体
ＬＢ  壁部                        ＬＫ  光り
ＬＢＷ  ビーム                    Ｍ  マスク
ＭＲ１  凹面鏡                    ＭＲ２  凹面鏡
ＭＲ２ａ  凹面鏡                  ＭＲ２ｂ  凹面鏡
ＮＴ  切欠き                      Ｐ  プレート
Ｐａ  回路パターン領域            Ｐｅ  平坦な下面
ＰＬ  投影レンズ系                ＰＭ１  プリズムミラー
ＰＭ２  プリズムミラー            ＰＭ３  プリズムミラー
ＰＭ４  プリズムミラー            ＰＶ  作用ポイント
Ｒ  レチクル                      ＲＳｆ  結像光線
ＳＡａ  ショット領域              ＳＡｂ  ショット領域
ＳＢ  遮蔽帯                      ＳＩ  投影像
ＳＬｆ  結像光線                  Ｗ  ウェハ
ＷＨ  ウェハホルダー
【図１】
0004131341.tif 000002
【図２】
0004131341.tif 000003
【図３】
0004131341.tif 000004
【図４】
0004131341.tif 000005
【図５】
0004131341.tif 000006
【図６】
0004131341.tif 000007
【図７】
0004131341.tif 000008
【図８】
0004131341.tif 000009
【図９】
0004131341.tif 000010
【図１０】
0004131341.tif 000011
【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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