(57)【要約】【課題】検出信号のコントラストを落とすことなく正確に基板表面の面位置を測定できる位置測定装置、位置測定方法および前記位置測定装置を具備した投影露光装置を実現する。【解決手段】光源からの光を参照光と測定光に分離する第１のビームスプリッタと、参照光が入射する参照ミラーと、参照ミラーで反射した参照光と、被測定物に入射して反射した測定光とを合成する第２のビームスプリッタと、合成された参照光と測定光とが干渉することにより生じる干渉パターンを検出する光電変換素子と、被測定物を駆動する駆動機構と、を備え、干渉光により形成される干渉パターンを、被測定物を駆動しながら、光電変換素子により検出し、干渉パターンから得られる検出信号の変化に基いて、被測定物の表面位置を求める位置測定装置において、反射した測定光と反射した参照光が干渉する領域の信号を選択する選択手段を設けたことを特徴とする。【選択図】図４
2009210466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を参照光と測定光に分離する第１のビームスプリッタと、
前記参照光が入射する参照ミラーと、
前記参照ミラーで反射した参照光と、被測定物に入射して反射した前記測定光とを合成する第２のビームスプリッタと、
前記合成された前記参照光と前記測定光とが干渉することにより生じる干渉パターンを検出する光電変換素子と、
前記被測定物を駆動する駆動機構と、を備え、
前記干渉光により形成される干渉パターンを、前記被測定物を駆動しながら、前記光電変換素子により検出し、
前記干渉パターンから得られる検出信号の変化に基いて、前記被測定物の表面位置を求める位置測定装置において、
前記反射した測定光と前記反射した参照光が干渉する領域の信号を選択する選択手段を設けたことを特徴とする位置測定装置。
【請求項２】
前記選択手段は、前記光電変換素子の受光する領域を制限するスリット板であることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項３】
前記スリット板は、開口の幅が可変であることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
【請求項４】
前記選択手段は、前記光電変換素子の内の検出有効領域を選択することを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項５】
前記光電変換素子は、１次元撮像素子であることを特徴とする請求項１記載の位置測定装置。
【請求項６】
前記光の波長は、４００ｎｍ乃至８００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の位置測定装置。
【請求項７】
前記光電変換素子によって得られる信号から前記干渉領域を検出し、前記干渉領域の検出結果に基づいて前記選択手段による選択を制御する制御部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれか一項に記載の位置測定装置を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項９】
光源からの光を参照光と測定光に分離する工程と、
前記参照光を参照ミラーに入射させる工程と、
前記測定光を被測定物に入射させる工程と、
前記参照ミラーで反射した参照光と、前記被測定物で反射した前記測定光とを合成する工程と、
前記合成された前記参照光と前記測定光とが干渉することにより生じる干渉パターンを、前記被測定物を駆動しながら光電変換素子により検出する工程と、
前記干渉パターンから得られる検出信号の変化に基いて、前記被測定物の表面位置を求める位置測定方法において、
前記反射した測定光と前記反射した参照光が干渉する領域の信号を選択する選択工程を有することを特徴とする位置測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置測定装置、位置測定方法及び位置測定装置を有する露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レチクル（マスク）のパターンを投影光学系を介して基板に露光する投影露光装置が使用されており、より微細な露光をするため、ウエハ表面を露光結像位置に高精度に位置合わせすることが益々要求されている。ウエハ表面を高精度に位置合わせするためには、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）においては、ウエハ面の走査方向と垂直方向の高さ（フォーカス）だけではなく、表面の傾き（チルト）も制御する必要がある。露光スリット領域に複数点の測定点を有してウエハ表面位置のフォーカス及びチルトを測定し、制御する方法は、数々提案されている。ウエハ表面位置の測定方法として、特許文献１及び２には、光学式のセンサを使用する方法が提案されている。
【０００３】
その他には、特許文献３や、静電容量センサを使用する方法などが提案されている。
【特許文献１】特開平６−２６０３９１号公報
【特許文献２】米国特許第６２４９３５１号公報
【特許文献３】特表２００６−５１４７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、近年では露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなり、露光すべきウエハ表面を最良結像面に合わせ込む精度、所謂、フォーカス精度もますます厳しくなってきている。例えば、従来技術にある特許文献１の方法では、ウエハのレジストの中で薄膜干渉が起きてしまい、高精度にウエハ表面の位置を検出することができない。そこで、特許文献２にあるような、斜入射方式の干渉信号に基づく面位置検出方法が注目されている。この検出方法は図１にあるように、光源１からの広帯域光をビームスプリッタ５ａにより参照光Ｒと測定光Ｍに分離し、参照光Ｒを参照ミラー７へ、測定光Ｍを被測定物の表面６に斜入射させる。そして各々の反射光をビームスプリッタ５ｂにより再度合成し、その干渉パターンを検出する。その際、被測定物の駆動毎の検出信号の変化より表面形状を求める仕組みである。
【０００５】
この方式は広帯域光を用いることで可干渉距離を短くすることができ、単色光と比べて計測レンジを広く設定することができる。また、レジスト膜による検出光の干渉による誤差も低減できる利点がある。
【０００６】
しかし、本検出方式で被測定物の表面位置を検出する際に、参照光Ｒは参照ミラー面７に反射した後、検出部１４で受光されるので位置変化はないが、測定光Ｍは駆動により被測定物の表面位置が変わるので検出部１４で受光される位置が変化する。その結果、検出部受光素子上の参照光Ｒと測定光Ｍによる領域は、干渉領域Ｉと非干渉領域Ｎに分離することになる（図２）。図２においてＤは、被検面Ｚ駆動時の測定光Ｍシフト方向である。
【０００７】
検出部１４の受光素子に上記のような非干渉領域Ｎが含まれる割合が高くなると、被測定物を駆動させながら得られる位置検出信号のコントラストが低下する性質がある。このコントラストが低下することにより計測精度が低下してしまう。具体的に説明すると図１で被測定物位置がＺ＝Ｚ０、Ｚ＝Ｚ１のときのセンサ上の参照光Ｒと測定光Ｍの様子を図２に示す。Ｚ＝Ｚ０においては参照光Ｒと測定光Ｍの位置が一致しており干渉信号のみが得られる。被測定物の位置を変化させ前記干渉信号のみを受光素子で受光したときのインターフェログラムを示したのが図３のグラフ内の曲線ａである。曲線ａはＺ＝Ｚ０の位置に包絡線ピークをもつインターフェログラムとなっている。しかし、斜入射方式の干渉計において被測定面位置を変化させたとき、測定光Ｍが参照光Ｒに対して位置ズレを起こすため、受光素子内では干渉領域Ｉが縮小し、非干渉領域Ｎが拡大する。そのときの検出部受光素子内で検知されたインターフェログラムを示したのが図３のグラフ内の曲線ｂである。
【０００８】
曲線ａ，ｂを比較すると、干渉領域Ｉの光に限定することによりノイズ成分となる非干渉領域Ｎの光が除去され、曲線ａの方がコントラストが向上している。コントラストの向上は位置計測精度の向上につながるため、検出時は非干渉領域Ｎの成分が含まれないように工夫する必要がある。
【０００９】
そこで、本発明は、検出信号のコントラストを落とすことなく高精度に面位置を測定できる位置測定装置及びそれを具備した露光装置を提供することに関する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての形状測定装置は、光源からの光を参照光と測定光に分離する第１のビームスプリッタと、前記参照光が入射する参照ミラーと、前記参照ミラーで反射した参照光と、被測定物に入射して反射した前記測定光とを合成する第２のビームスプリッタと、前記合成された前記参照光と前記測定光とが干渉することにより生じる干渉パターンを検出する光電変換素子と、前記被測定物を駆動する駆動機構と、を備え、前記干渉光により形成される干渉パターンを、前記被測定物を駆動しながら、前記光電変換素子により検出し、前記干渉パターンから得られる検出信号の変化に基づいて、前記被測定物の表面位置を求める位置測定装置において、前記反射した測定光と前記反射した参照光が干渉する領域の信号を選択する選択手段を設けたことを特徴としている。
【００１１】
本発明の別の側面としての形状測定方法は、光源からの光を参照光と測定光に分離する工程と、前記参照光を参照ミラーに入射させる工程と、前記測定光を被測定物に入射させる工程と、前記参照ミラーで反射した参照光と、前記被測定物で反射した前記測定光とを合成する工程と、前記合成された前記参照光と前記測定光とが干渉することにより生じる干渉パターンを、前記被測定物を駆動しながら光電変換素子により検出する工程と、前記干渉パターンから得られる検出信号の変化に基いて、前記被測定物の表面位置を求める位置測定方法において、前記反射した測定光と前記反射した参照光が干渉する領域の信号を選択する選択工程を有することを特徴としている。
【００１２】
本発明の別の側面としての露光装置は、上述した位置測定装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、検出信号のコントラストを落とすことなく正確に基板表面の面位置を測定できる位置測定装置を提供することができる。また、本発明によれば、小さな焦点深度に対して高いフォーカス精度を実現し、歩留まりの向上を達成する露光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１６】
図４は、本発明の一側面としての位置測定装置２００の構成を示す概略図である。 位置測定装置２００は、測定対象物である基板６の表面のＺ方向位置を検出する装置であり、以下のように構成される。すなわち、広帯域な波長幅の光を発するＬＥＤ（所謂白色ＬＥＤを含む）または、ハロゲンランプからの光源１を有する。また、発生した光を集光するコンデンサレンズ２と、スリット板３０と、レンズ４およびレンズ２３から構成される結像光学系２４と、開口絞り２２と、光を分岐させるためのビームスプリッタ５ａ（第１のビームスプリッタ）を有する。また、測定対象物である基板６を保持する基板チャックＣＫと測定対象物の位置を位置合わせする駆動機構（Ｚステージ８、Ｙステージ９、Ｘステージ１０）と、参照ミラー７を有する。また、参照ミラー７で反射した光と基板６で反射した光を合波させるためのビームスプリッタ５ｂ（第２のビームスプリッタ）と、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子（光電変換素子）１４を有する。また、基板６の表面を撮像素子１４に結像させるためのレンズ１１とレンズ１３から構成される結像光学系１６と開口絞り１２、スリット板３４とを有する。
【００１７】
以下、詳細に各構成要素の機能ならびに好ましい実施形態について詳細に説明を行う。図４において、光源１を発した光は、コンデンサレンズ２でスリット板３０上に集光される。スリット板３０には、矩形状（または丸でも良い）の透過領域またはメカ絞りがあり、結像光学系２４により基板６および参照ミラー７上に矩形状（または丸）の像を結像させるようにしている。結像光学系２４を通った光の主光線は、基板６に入射角度θで基板６に入射する。その光路の途中には、ビームスプリッタ５ａが配置されているため、ほぼ半分の光量の光は、ビームスプリッタ５ａで反射し、参照ミラー７に、基板６と同じ入射角度θで入射する。
【００１８】
ここで、光源１の波長の帯域としては、４００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長が好ましい。但し、波長帯域は、この範囲に限られず、１００ｎｍ以上の帯域が好ましく、基板６上にレジストが構成さている場合は、レジストの感光を防ぐ目的で、紫外線（３５０ｎｍ）以下の波長の光を、基板６上には照射しない方が好ましい。光の偏光状態は、無偏光または円偏光の状態にしている。入射角度θに関しては、基板への入射角度θが大きくなると、基板６上の薄膜（例えばレジスト）表面からの反射率が、レジストの裏面（すなわちレジストと基板との界面）からの反射率に対して、相対的に強くなる。そのため、薄膜表面の位置を測定する場合は、入射角度θが大きいほど好ましい。一方、入射角度θが９０度に近くなると、光学系の組立てが難しくなるため、７０度から８５度の入射角度が好ましい実施形態と言える。
【００１９】
ビームスプリッタ５ａとしては、金属膜や、誘電体多層膜など膜をスプリット膜としたキューブ型のビームスプリッタや、１ｕｍから５ｕｍ程度の厚さの薄い膜（材質はＳｉＣやＳｉＮなど）で構成されるペリクル型ビームスプリッタを使用することも出来る。
【００２０】
ビームスプリッタ５ａを透過した光は、基板６上に照射され、基板６で反射した後（基板６で反射した光を測定光Ｍと呼ぶことにする）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。一方、ビームスプリッタ５ａで反射した光は、参照ミラー７上に照射され、参照ミラー７で反射した後（参照ミラー７で反射した光を参照光Ｒと呼ぶ）、ビームスプリッタ５ｂに入射する。参照ミラー７としては、面精度が１０ｎｍから２０ｎｍ程度のアルミ平面ミラーや、同様の面精度を持つ、ガラス平面ミラーなどが使用できる。
【００２１】
基板６で反射した測定光Ｍと参照ミラー７で反射した参照光Ｒは、ビームスプリッタ５ｂで合成され、共に撮像素子１４（または受光素子でも良い）で受光される。ビームスプリッタ５ｂは、ビームスプリッタ５ａと同じものを使用することができる。光路の途中には、レンズ１１、１３および開口絞り１２が配置されており、以下の機能を担う。すなわち、レンズ１１とレンズ１３により、両側テレセントリックな結像光学系１６を成し、基板６の表面が、撮像素子１４の受光面に結像することになる。従って、本実施例では、スリット板３０が、結像光学系２４により基板６および参照ミラー７上に結像し、更に、結像光学系１６により、撮像素子１４の受光面に再結像する構成となっている。結像光学系１６の瞳位置に配置した開口絞り１２は、結像光学系１６の開口数（ＮＡ）を規定するために設けて有り、ＮＡとしてはｓｉｎ(０．５度)からｓｉｎ（５度）程度の非常に小さなＮＡに絞っている。撮像素子１４の前にはスリット開口幅が可変に構成されたスリット板３４とそのスリット部サイズを調整する制御部３４ｃと駆動部３４ｄが構成されている。撮像素子１４の受光面上では、測定光Ｍと参照光Ｒが重なり、光の干渉（干渉光）が生じる。スリット板３４は、センサに入射する光の領域を変化、制限することが可能である。続いて、本発明の重要なポイントとなる干渉信号の取得方法について説明する。図４において、基板６は基板チャックＣＫで保持され、Ｚステージ８、Ｙステージ９、Ｘステージ１０上に設置されている。図５のような白色干渉信号を撮像素子１４で得るために、Ｚステージ８を駆動させる。基板６上の反射点に対応する撮像素子１４の各画素の光強度を不図示の記憶装置に記憶するようにしている。なお、基板６の測定領域を変更させる場合には、Ｘステージ１０または、Ｙステージ９を使用して、所望の領域が撮像素子１４の受光領域に位置するように位置合わせした後に、上述の測定を行うようにしている。なお、図４には図示しなかったが、Ｘステージ１０、Ｙステージ９、Ｚステージ８の位置を正確に制御するために、レーザー干渉計をＸ、Ｙ、Ｚ軸および、ωｙ、ωｙのチルト軸の５軸分設ける。そして、そのレーザー干渉計の出力を元にクローズドループ制御を行うようにすれば、より位置測定の精度を上げることが出来る。また、基板６を、複数領域に分けて測定し、基板６全体のグローバルな位置測定を必要とする場合、レーザー干渉計を使った方が、より正確に形状データのつなぎ合わせ（ステッチィング）が出来るため、好ましい構成と言える。
【００２２】
続いて、撮像素子１４で取得され、記憶装置に記憶された白色干渉信号を信号処理して、基板６の位置を求める方法について説明する。撮像素子１４におけるある画素での白色干渉信号を図５に示す。ここでは、撮像素子１４として２次元の撮像素子を使用した例を示す。この白色干渉信号はインターフェログラムとも呼ばれており、横軸がＺ軸ステージ駆動後のＺ軸測長干渉計（測長センサとしては、静電容量センサでも良い）による測定値、縦軸が撮像素子１４の出力である。白色干渉信号の包絡線ピークの位置を算出し、それに対応したＺ軸測長干渉計による測定値がその画素での高さ測定値となる。撮像素子１４の面内の各画素で高さを測定することで、基板６の三次元形状測定が可能となる。包絡線ピーク位置の算出方法としては、包絡線ピーク位置および、その前後の数点のデータを元に曲線（例えば２次関数）近似することで、図５の横軸であるＺ軸のサンプリングピッチＺｐの１／１０から１／５０程度の分解能でピーク位置の算出が可能である。サンプリングピッチＺｐは、実際にＺｐの等ピッチでステップ的に駆動させる方法でも良いが、高速性を考えて、撮像素子１４の取り込みのタイミングに同期して、Ｚ軸測長干渉計の出力（Ｚ位置）を取り込むほうが好ましい。
【００２３】
ピークの位置を測定する方法として、公知の技術であるＦＤＡ（米国特許第５３９８１１３号公報）を使用することも出来る。ＦＤＡ法では、フーリエスペクトルの位相勾配を用いてコントラストのピーク位置を求めている。
【００２４】
この様に白色干渉方式においては、その分解能と精度を決める鍵は、参照光Ｒと測定光Ｍの光路長差が０となる位置をいかに正確に求めるかにある。そのためＦＤＡ法以外で、位相シフト法やフーリエ変換法により白色干渉縞の包絡線を求め、縞コントラストの最大位置から光路差のゼロ点を求め方法、位相クロス法等、いくつかの縞解析法が公知の技術として提案されている。
【００２５】
本発明の効果を、図６を用いて説明する。
【００２６】
通常の斜入射方式の干渉計において、被測定面の位置がＺ＝Ｚ０、Ｚ１、Ｚ２のとき撮像素子１４（センサ）上での測定光Ｍと参照光Ｒの位置関係は図７のようになる。Ｚ＝Ｚ０では測定光Ｍと参照光Ｒの位置が同じであり、Ｚ＝Ｚ１、Ｚ２では被測定物の位置が変わることにより参照光Ｒと測定光Ｍの光軸がずれ、測定光Ｍの位置がシフトする。
【００２７】
結果として撮像素子１４上での参照光Ｒと測定光Ｍの干渉領域ＩはＺ＝Ｚ０の位置で最大となり、Ｚ＝Ｚ１、Ｚ２へと位置が変化するにつれて上記干渉領域Ｉが縮小し、非干渉領域Ｎが拡大する。
【００２８】
そのとき各Ｚ位置毎の干渉領域Ｉ内のある画素位置Ａにおける強度変化（インターフェログラム）を図８のグラフ内の曲線ａに示す。この曲線の包絡線ピークの位置を算出し、それに応じたＺ軸測長干渉計による測定値がその画素での高さ測定値となる。これを撮像素子１４面内の各画素で行うことにより３次元形状測定が可能となる。
【００２９】
しかし、図７のようにＺ＝Ｚ２→Ｚ０→Ｚ１と被測定物の位置を変化させたときに、撮像素子内の２次元信号内に干渉領域Ｉと非干渉領域Ｎが混在する。そのため画素位置Ａでは被測定物のＺ位置によって干渉領域Ｉと非干渉領域Ｎの信号が混在するインターフェログラムが得られる。その場合、非干渉領域Ｎの信号がノイズとなりインターフェログラムのコントラストが低下してしまう。インターフェログラムのコントラストが低下すると前述のようにＦＤＡ法や、位相シフト法、フーリエ変換法により包絡線を求め信号ピークを求める精度が低下し、結果として位置計測精度が低下する。
【００３０】
そこで、撮像素子１４内のノイズとなる非干渉領域Ｎを除去するために図９（ａ）のスリット板３４を撮像素子１４の前に配置する。このスリット板３４は制御部３４ｃと駆動部３４ｄに連結され、撮像素子１４に入射する光の領域を変化、限定することが可能である。例えば、斜入射角度をθ、スリット板３４のスリット幅をｔとする。また、スリット板３４から検出部（撮像素子１４）までの光学倍率をβ、被測定物（基板６）の駆動範囲（計測範囲）をＺ１〜Ｚ２までのΔＺとする（ただし、検出部１４でのスリット幅方向とΔＺによる測定光Ｍの位置ズレ方向は同じである）。被測定物の駆動範囲内において常に検出部１４で干渉領域Ｉとなる領域Ｌは、
【００３１】
【数１】
2009210466.tif 000003
【００３２】
で表せる。（図９（ｂ））
スリット板３４スリットの幅を上式の領域Ｌよりも小さく設定することにより(図９（ｂ）及び（ｃ）)、被測定物の駆動範囲において常に干渉領域Ｉの信号のみを受光できる（図１０）。
この状態で干渉領域Ｉ内の画素位置Ｂにおけるインターフェログラムは図８のグラフ内の曲線ｂになる。これと曲線ａとｂを比較するとノイズ成分が減少し、コントラストが向上していることが分かる。ここで用いるスリット板３４は、スリット開口が固定のスリットで、透過スリット、メカスリットでも良い。また、検出部１４は２次元に並べた受光素子を用いても良い。そして、上式によってその幅が決められるスリット板３４のスリット中心位置は、参照光Ｒの中心位置と一致させるように配置する。
【実施例２】
【００３３】
続いて、本発明の第２の実施形態として、第１の実施形態に対して異なる点について説明を行う。
【００３４】
第２の実施形態における非干渉領域Ｎを除去する方法に関して、図１１において説明する。ここでは撮像素子１４上の参照光Ｒと測定光Ｍによる干渉領域Ｉと非干渉領域Ｎを電気的に検知し（図１１（ａ））、検出有効領域を決定する（干渉領域Ｉサーチ機能）。（図１１（ｂ））。
【００３５】
具体的には撮像素子１４上で２次元の参照光Ｒと測定光Ｍの信号を検知した際、Ａ−Ａ’断面の強度は図１１（ｃ）になる。
【００３６】
そこで撮像素子１４の検出結果から後述する制御部１１００により干渉、非干渉画素領域を求め、撮像素子１４の読み出し開始と終了位置を選択することにより、非干渉領域Ｎがカットされ、干渉領域Ｉのみの強度信号が得られる。または、このとき撮像素子１４で検知した干渉領域Ｉのみ光が透過するように、撮像素子１４からスリット板３４の形状制御部３４ｃへ情報を送り、透過スリットの形状を駆動させてもよい。このように干渉領域Ｉを選択する選択手段を設けることにより撮像素子１４上には干渉領域Ｉの光が受光され、ノイズとなる非干渉領域Ｎの光が除去される。さらに高速化に主眼をおき、第１の実施形態内の数式で示した参照光Ｒと測定光Ｍによる干渉領域Ｉを事前に計算し、その領域内の画素のみを電気的に選択する、またはスリット板３４で限定してもよい。
【実施例３】
【００３７】
第１、第２の実施形態に続き、検出部１４の非干渉領域Ｎを除去する方法として被測定物の計測レンジ内において常に干渉領域Ｉのみの光を受光する程度、小さいサイズの撮像素子、受光素子を使用してもよい。
【００３８】
例えば図１２と、第１の実施形態内の数式から、被測定物の計測レンジ内において常に
干渉領域Ｉのみの光を受光するようにその干渉領域Ｉよりも小さい１次元撮像素子１５を用いてもよい。この場合被測定物のＺ位置が変化し（Ｚ＝Ｚ０→Ｚ１，Ｚ２）、測定光Ｍの位置が変化することにより干渉領域Ｉが変化しても常に１次元撮像素子１５上には干渉領域Ｉの光が受光され、ノイズとなる非干渉領域Ｎの光は除去される。そのときの前記１次元撮像素子１５の配置中心は参照光Ｒ中心が望ましい。
【実施例４】
【００３９】
図１３は、本発明の位置測定装置を具備した半導体露光装置２０００のブロック図を示す図である。本発明の露光装置２０００は、照明装置９００と、レチクル（原版）３１を載置するレチクルステージＲＳと、投影光学系３２と、ウエハ（基板）６を載置するウエハステージＷＳと、フォーカス制御用センサ３３と、位置測定装置２００とを有する。また、ウエハステージＷＳ上には、基準プレート３９が配置されている。更に、フォーカス制御用センサ３３の演算処理部４００と、位置測定装置２００の演算処理部４１０とを有する。本実施例においては、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（「スキャナー」とも呼ばれる。）を使用しているが、本発明はこれに限定されず、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（「ステッパー」とも呼ばれる。）を使用することもできる。
【００４０】
位置測定装置２００は、第１乃至第３の実施例のいずれかを用いることが出来る。なお、フォーカス制御用センサ３３と位置測定装置２００は、共に基板６の位置を測定する機能を有するが、以下の特徴を有する。フォーカス制御用センサ３３は、応答性が速いが、ウエハパターンによる騙されがあるセンサであり、位置測定装置２００と、応答性が遅いが、ウエハパターンによる騙されが少ないセンサである。
【００４１】
制御部１１００及び１０００は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置９００、レチクルステージＲＳ、ウエハステージＷＳ、フォーカス制御用センサ３３、位置測定装置２００、レーザー干渉計８１と電気的に接続され、露光装置２０００の動作を制御する。制御部１１００は、本実施形態では、フォーカス制御用センサ３３がウエハ６の表面位置を検出する際の測定値の補正演算及び制御も行う。
【００４２】
照明装置９００は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル３１を照明し、光源部８００と、照明光学系８０１とを有する。
【００４３】
光源部８００は、例えば、レーザーを使用する。レーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用することができる。光源の種類は、エキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーや波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を使用してもよい。
【００４４】
照明光学系８０１は、光源部８００から射出した光束を用いて被照明面を照明する光学系であり、本実施形態では、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、レチクル３１を照明する。照明光学系８０１は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含み、例えば、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系の順で配置する。照明光学系８０１は、軸上光、軸外光を問わずに使用することができる。オプティカルインテグレーターは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）を重ねることによって構成されるインテグレーターを含むが、光学ロッドや回折素子でも良い。
【００４５】
レチクル３１は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターンが形成され、レチクルステージＲＳに支持及び駆動されている。レチクル３１から発せられた回折光は、投影光学系３２を通り、ウエハ６上に投影される。レチクル３１とウエハ６とは、光学的に共役の関係に配置される。レチクル３１とウエハ６を縮小倍率比の速度比で走査することによりレチクル３１のパターンをウエハ６上に転写する。なお、露光装置には、不図示の光斜入射系のレチクル検出手段が設けられており、レチクル３１は、レチクル検出手段によって位置が検出され、所定の位置に配置される。
【００４６】
レチクルステージＲＳは、図示しないレチクルチャックを介してレチクル３１を支持し、図示しない移動機構に接続されている。移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクルステージＲＳを駆動することでレチクル３１を移動させることができる。
【００４７】
投影光学系３２は、物体面からの光束を像面に結像する機能を有し、本実施形態では、レチクル３１に形成されたパターンを経た回折光をウエハ６上に結像する。投影光学系３２は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）で構成される。あるいは、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系等を使用することもできる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。
【００４８】
被処理体としての基板６は、本実施形態ではウエハであり、その表面にはフォトレジストが塗布されている。なお、本実施形態では、ウエハ６は、フォーカス制御用センサ３３および位置測定装置２００が面位置を検出する被検出体でもある。ウエハ６は、別の実施形態では、液晶基板やその他の被処理体に置換される。
【００４９】
ウエハステージＷＳは、図示しないウエハチャックによってウエハ６を支持する。ウエハステージＷＳは、レチクルステージＲＳと同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ６を移動させる。また、レチクルステージＲＳの位置とウエハステージＷＳの位置は、例えば、６軸のレーザー干渉計８１などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。ウエハステージＷＳは、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられる。また、レチクルステージＲＳ及び投影光学系２２は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパを介して支持される図示しない鏡筒定盤上に設けられる。
【００５０】
続いて、ウエハ６の表面位置（フォーカス）の測定点について説明する。本実施形態では、ウエハ６の全域に渡って、スキャン方向（Ｙ方向）にウエハステージＷＳをスキャンしながら、フォーカス制御用センサ３３でウエハ面位置を測定する。一方、スキャン方向と垂直な方向（Ｘ方向）には、ＷＳステージをΔＸだけステップして、続いて、スキャン方向にウエハの表面位置を測定する動作を繰り返し行うことにより、ウエハ６全面のプロファイル測定を行うようにしている。なお、高スループット化のためには、フォーカス制御用センサ３３を複数用いて、ウエハ６上の異なるポイントの面位置を同時に測定するようにしても良い。
【００５１】
このフォーカス制御用センサ３３は光学的な高さ測定システムを使用している。ウエハ６の表面に対して高入射角度で光束を入射させ、反射光の像ズレをＣＣＤなどの位置検出素子で検出する方法をとっている。特に、ウエハ６上の複数の測定すべき点に光束を入射させ、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の高さ測定情報から露光すべき面のチルトを算出している。
【００５２】
以下に、フォーカス、チルト検出系（フォーカス制御用センサ３３）の詳細を説明する。はじめに、フォーカス制御用センサ３３の構成および動作について述べる。図１４において、１０５は光源、１０６はコンデンサーレンズ、１０７は複数の長方形の透過スリットが並んだパターン板、１０８，１１１はレンズ、６がウエハ、ＷＳがウエハステージ、１０９，１１０はミラー、１１２はＣＣＤなどの受光素子である。なお、３２は不図示のレチクルをウエハ６上に投影露光するための縮小投影光学系である。光源１０５から出射した光は、コンデンサーレンズ１０６により、集光され、パターン板１０７を照明する。パターン板１０７のスリットを透過した光はレンズ１０８、ミラー１０９を介してウエハ６上に所定角度で照射される。パターン板１０７とウエハ６はレンズ１０８に関して結像関係をなし、パターン板１０７のスリットの空中像がウエハ６上に形成される。ウエハ６で反射した光は、ミラー１１０、レンズ１１１を介して、ＣＣＤ１１２で受光される。ウエハ６のスリット像は、レンズ１１１によりＣＣＤ１１２上に再結像され、１０７ｉのようなパターン板１０７の各スリットに対応したスリット像からなる信号が得られる。この信号のＣＣＤ１１２上での位置ずれを検出することにより、ウエハ６のＺ方向の位置を測定するようにしている。ウエハ６の表面がＺ方向の位置ｗ１から、ｗ２の位置にｄＺ変化した場合のウエハ６上の光軸シフト量ｍ１は、入射角度をθｉｎとして、以下の式で表すことができる。
【００５３】
【数２】
2009210466.tif 000004
【００５４】
例えば、入射角θｉｎを８４度とすると、ｍ１＝１９＊ｄＺとなり、ウエハの変位を１９倍に拡大された変位量になる。ＣＣＤ１１２の受光素子上での変位量は（２）式に、光学系の倍率（レンズ１１１によるの結像倍率）が掛け合わされる。
【００５５】
上述した実施例１乃至３における位置測定装置２００は、基板６の位置を測定するのに使用されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図１５にあるように、位置測定装置２００は、ウエハステージＷＳ上にある基準プレート３９のステージ基準マークのフォーカスを合わせるのに使用されても良い。
【００５６】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一側面としての位置測定原理を示す図である。
【図２】本発明の撮像素子にて検出される２次元干渉信号を示す図である。
【図３】本発明のインターフェログラムを示す図である。
【図４】本発明の第１乃至３の実施形態としての位置測定装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例で得られるインターフェログラムを示す図である。
【図６】本発明の実施形態としての位置測定装置の部分拡大図である。
【図７】本発明の実施形態として撮像素子内の参照光Ｒと測定光Ｍの干渉信号を示す図である。
【図８】本発明のインターフェログラムを示す図である。
【図９】図９（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第１の実施形態として撮像素子前に透過スリット板を構成したときの様子を示す図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態として非干渉信号を除去した後の信号を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の第２の実施形態として撮像素子内で干渉信号のみを電気信号より検知することを示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態として１次元撮像素子１５により干渉信号のみ検知することを示す図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態としての露光装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態における表面位置測定装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態における較正方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００５８】
１                   光源
２                    コンデンサレンズ
４、１１、１３、２３、  レンズ
５ａ、５ｂ           ビームスプリッタ
６                   基板（測定対象物）
７                   参照ミラー  
８                   Ｚステージ
９                    Ｙステージ
１０                    Ｘステージ
１２、２２           開口絞り
１４                 撮像素子
１６、２４           結像光学系
３０                 スリット板
３１                 レチクル
３２                 投影光学系
３３                 フォーカス制御用センサ
３４                 スリット板
３４ｃ               スリット板開口制御部
３４ｄ               スリット板開口駆動部
３９                 基準プレート
８１                 ６軸レーザー干渉計
１０７               マルチスリット板
１０９、１１０              ミラー
１１２               ＣＣＤ
２００               位置測定装置
４００、４１０              信号処理装置
８００               露光用光源
８０１               照明光学系
ＲＳ                 レチクルステージ
ＷＳ                 ウエハステージ
ＣＫ                 基板チャック                            
【図１】
2009210466.tif 000005
【図２】
2009210466.tif 000006
【図３】
2009210466.tif 000007
【図４】
2009210466.tif 000008
【図５】
2009210466.tif 000009
【図６】
2009210466.tif 000010
【図７】
2009210466.tif 000011
【図８】
2009210466.tif 000012
【図９】
2009210466.tif 000013
【図１０】
2009210466.tif 000014
【図１１】
2009210466.tif 000015
【図１２】
2009210466.tif 000016
【図１３】
2009210466.tif 000017
【図１４】
2009210466.tif 000018
【図１５】
2009210466.tif 000019