JP2002195912A - 光学特性計測方法及び装置、露光装置、並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明条件の如何にかかわらず、投影光学系の
ベストフォーカス位置を精度良く算出する。 【解決手段】 照明光ＩＬにより投影光学系ＰＬの像面
近傍に形成されたパターンＰＭの空間像に対して、スリ
ット２２を相対走査するとともに、スリットを介した照
明光の強度に応じた信号をスリット板９０の光軸方向の
複数位置毎に得る。そして、これらの信号のコントラス
ト値に基づく第１のコントラストカーブから算出される
仮のベストフォーカス位置を中心とし、かつ照明条件に
応じた重みパラメータを含む重み付け関数を用いてコン
トラスト値を重み付けして第２のコントラストカーブを
得、これに基づき真のベストフォーカス位置を算出す
る。従って、それぞれの照明条件下において計測精度が
低下しないような重みパラメータが予め定められるの
で、照明条件によらずベストフォーカス位置を精度良く
算出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学特性計測方法
及び装置、露光装置、並びにデバイス製造方法に係り、
更に詳しくは、投影光学系の光学特性を計測する光学特
性計測方法及び装置、マスクに形成された回路パターン
を投影光学系を介して基板に転写する露光装置、並びに
該露光装置を用いて露光を行うデバイス製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子又は液晶表示素子
等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマ
スク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）の
パターンを、投影光学系を介して表面にフォトレジスト
等の感光剤が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の
基板上に転写する投影露光装置、例えばステップ・アン
ド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッ
パ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影
露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が用い
られている。

【０００３】しかるに、投影露光装置を用いて半導体素
子等を製造する際には、デフォーカスに起因する露光不
良の発生を極力抑制するために、基板上の露光領域（照
明光が照射される領域）を投影光学系の最良結像面の焦
点深度の範囲内に一致させる必要がある。このために
は、投影光学系の最良結像面ないしはベストフォーカス
位置を精度良く計測するとともに、その計測結果に基づ
いて焦点位置検出系（フォーカス検出系）をキャリブレ
ーションすることが重要である。

【０００４】投影光学系のベストフォーカス位置の計測
方法の一つとして、レチクル上に形成された計測マー
ク、例えばラインアンドスペースマークを照明光により
照明し投影光学系によって形成された計測マークの空間
像（投影像）を空間像計測装置を用いて計測し、この計
測結果に基づいてベストフォーカス位置を算出する方法
がある。

【０００５】従来の空間像計測によるベストフォーカス
位置の算出は、概ね次のようにして行われていた。すな
わち、投影光学系の像面近傍に形成された計測マークの
空間像に対して投影光学系の像面側に配置された矩形開
口パターン又はスリット状の開口パターン（以下、「計
測用パターン」と総称する）を相対的に走査し、計測用
パターンを介した照明光を光電変換素子によって受光し
て光電変換することにより、計測マークの空間像を計測
する。このような計測マークの空間像計測を、投影光学
系の光軸方向に関する計測用パターンの位置を、ベスト
フォーカス位置と推定される位置（例えば前回計測時の
ベストフォーカス位置）を中心として、所定ステップピ
ッチ、例えば０．１５μｍ間隔で、１５ステップ程度変
化させながら繰り返し行う。そして、計測用パターンの
光軸方向に関する位置毎に得られた各光電変換信号の例
えば基本周波数成分についてのコントラスト値をそれぞ
れ求め、これらのコントラスト値を所定の高次関数（例
えば６次関数）でフィッティングし、その得られたコン
トラストカーブのピーク点に対応する計測用パターンの
光軸方向位置をベストフォーカス位置として算出してい
た。

【０００６】また、ノイズ等による影響を除去して更に
高精度にベストフォーカス位置を算出する方法として、
最近では、上述の如くして得られたベストフォーカス位
置（仮のベストフォーカス位置）を中心とする適当な重
み付け関数（例えば、ガウス関数など）を用いてコント
ラスト値に重み付けを行って再度高次関数（例えば４次
関数）でフィッティングし、その得られたコントラスト
カーブのピーク点に対応する計測用パターンの光軸方向
位置をベストフォーカス位置として算出することも行わ
れている。

【０００７】ところで、装置が初期化されて投影光学系
のベストフォーカス位置を喪失した場合、又は外的な要
因により装置の状態が大きく変動してベストフォーカス
位置が大きく変動した場合には、前述したように前回計
測時のベストフォーカス位置を中心として、上述したベ
ストフォーカス位置の計測を行ってもベストフォーカス
位置を検出できないことがある。このような場合には、
通常の計測時のステップピッチの２倍（例えば０．３μ
ｍ）程度の比較的大きな間隔で、投影光学系の光軸方向
に計測用パターンをステップしながら前述と同様の１５
ステップの空間像計測を行い、大きな計測レンジ（通常
の２倍の計測レンジ）をカバーすることで、ベストフォ
ーカス位置を大まかに探索する計測（「ラフ計測」とも
呼ばれる）を行った後に、得られたそのベストフォーカ
ス位置を中心に、前述した通常の計測（以下、適宜「フ
ァイン計測」と呼ぶ）を行うことで、ベストフォーカス
位置を精度良く検出することがなされていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年のステ
ッパ等の投影露光装置では、パターンの微細化に対応し
て解像力を向上することが要請されており、そのための
種々の高解像技術が採用されている。その１つとして、
対象パターンに対応した照明条件の変更がある。露光装
置における照明条件は、照明光学系の開口数（Ｎ．
Ａ．）と投影光学系の開口数との比であるコヒーレンス
ファクタ（σ値）を変更することによって変更される。
これは、照明光学系内の照明系開口絞りを変更すること
により、瞳面における照明光の分布が変更されるからで
ある。現状の露光装置では、通常照明（大σ照明）、小
σ照明、輪帯照明、変形照明（例えば、四重極照明な
ど）の照明条件が、対象パターンに応じて選択的に設定
されるようになっている。

【０００９】ところで、発明者等が、いろいろな実験
（シミュレーションを含む）を行った結果、前述したベ
ストフォーカス位置の計測に際してその精度向上を目的
として行われる重み付け関数による重み付けが、照明条
件によっては、却ってその計測精度を低下させる場合の
あることが判明した。

【００１０】具体的に説明すると、例えば、通常照明
や、輪帯照明、変形照明の場合には、ベストフォーカス
位置から離れるにつれて空間像計測により得られる光電
変換信号の基本周波数のコントラスト値が減少するので
あるが、小σ照明の場合には、ベストフォーカス位置を
中心とするある一定の範囲では、ベストフォーカス位置
から離れるにつれてコントラスト値が徐々に減少する
が、その一定の範囲外ではコントラストが再び増加す
る。このため、コントラスト値を関数フィッティングし
て得られるコントラストカーブに中央のピークの他、両
端部にサブピークが表れる。この場合において、投影光
学系に収差が存在しないのであれば、両端部のサブピー
クがベストフォーカス位置に関して対称となるので大き
な問題はない。しかし、現実の投影光学系には少なから
ず収差が存在（残存）するため、その収差の影響によ
り、図１４中に、点線で示されるように、左右のサブピ
ークがベストフォーカス位置に関して非対称となる。こ
のため、コントラスト値を重み付けし、最小自乗法を用
いて関数フィッティングすると、図１４中に実線で示さ
れる近似曲線Ｐｕが導き出され、実際のベストフォーカ
ス位置ＢＦからずれた位置ＢＦ’をベストフォーカス位
置として算出することとなる。

【００１１】また、前述した従来のラフ計測を行う場合
には、ファイン計測の際の中心位置を見つけ出すためだ
けの目的で、ファイン計測に加えて、ファイン計測と同
等あるいはそれ以上の余計な計測時間が掛かってしま
う。しかるに、空間像計測によるベストフォーカス位置
の計測は、通常の露光の合間に行われるものであるか
ら、その計測に要する時間はスループット低下の要因と
なる。従って、ベストフォーカス位置の計測に要する時
間を可能な限り削減することが要請されている。

【００１２】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その第１の目的は、投影光学系のベストフォーカス
位置の計測に際して、精度面及び時間的な面の少なくと
も一方の面で計測能力の向上に寄与する新たな光学特性
計測方法及び光学特性計測装置を提供することにある。

【００１３】また、本発明の第２の目的は、高精度な露
光を実現することが可能な露光装置を提供することにあ
る。

【００１４】また、本発明の第３の目的は、高集積度の
マイクロデバイスの生産性の向上に寄与するデバイス製
造方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光学特
性計測方法は、投影光学系（ＰＬ）の光学特性を計測す
る光学特性計測方法であって、照明光（ＩＬ）により所
定のパターン（ＰＭ）を照明し、該パターンの空間像
（ＰＭ’）を前記投影光学系を介して像面近傍に形成す
る工程と；前記投影光学系の像面側に配置された計測用
パターン（２２）を前記空間像に対して相対的に走査す
るとともに、前記計測用パターンを介した前記照明光の
強度に応じた光電変換信号を前記計測用パターンの前記
光軸方向の複数の位置毎に得る工程と；前記複数の位置
毎に得られた光電変換信号のコントラスト値をカーブフ
ィットして得られる第１のコントラストカーブに基づい
て前記投影光学系の仮のベストフォーカス位置を求める
工程と；前記投影光学系を照明する照明条件に応じて定
まる重みパラメータを含み、前記仮のベストフォーカス
位置を中心とする重み付け関数を用いて前記コントラス
ト値を重み付けして第２のコントラストカーブを算出
し、該第２のコントラストカーブに基づいて前記投影光
学系の真のベストフォーカス位置を算出する工程と；を
含む。

【００１６】これによれば、照明光により所定のパター
ンを照明し、投影光学系を介して像面近傍に形成された
該パターンの空間像に対して、投影光学系の像面側に配
置された計測用パターンを相対的に走査するとともに、
計測用パターンを介した照明光の強度に応じた光電変換
信号を計測用パターンの光軸方向の複数の位置毎に得
る。そして、得られた複数の光電変換信号のコントラス
ト値をカーブフィットして得られる第１のコントラスト
カーブに基づいて投影光学系の仮のベストフォーカス位
置を求め、この仮のベストフォーカス位置を中心とし、
かつ投影光学系を照明する照明条件に応じて定まる重み
パラメータを含む重み付け関数を用いてコントラスト値
を重み付けして第２のコントラストカーブを算出し、こ
の第２のコントラストカーブに基づいて投影光学系の真
のベストフォーカス位置を算出する。このように、仮の
ベストフォーカス位置を中心とし、照明条件に応じて定
まる重みパラメータを含む重み付け関数を用いてコント
ラスト値を重み付けして、真のベストフォーカス位置を
算出するための第２のコントラストカーブを算出するの
で、照明条件毎に、それぞれの照明条件下での計測精度
が低下しないような重みパラメータを予め定めることが
でき、これにより照明条件の如何にかかわらず、投影光
学系のベストフォーカス位置を精度良く算出することが
可能となる。特に小σ照明条件下でのベストフォーカス
位置の計測精度の向上が可能である。

【００１７】この場合において、重み付け関数としては
種々のものが考えられる。例えば請求項２に記載の光学
特性計測方法の如く、前記重み付け関数は、前記重みパ
ラメータとして標準偏差を含むガウス関数であることと
しても良いし、あるいは、例えば請求項３に記載の光学
特性計測方法の如く、前記重み付け関数は、重みの値
が、前記照明条件に応じて定まる所定幅の中央部では
１、その両側では０となるステップ関数であることとし
ても良い。

【００１８】上記請求項１〜３に記載の各光学特性計測
方法において、請求項４に記載の光学特性計測方法の如
く、前記照明条件は、前記パターンを照明する照明光学
系（１２）の開口数を前記投影光学系の開口数で除した
コヒーレンスファクタに対応する条件であることとする
ことができる。

【００１９】請求項５に記載の光学特性計測方法は、投
影光学系（ＰＬ）の光学特性を計測する光学特性計測方
法であって、照明光（ＩＬ）により所定のパターン（Ｐ
Ｍ）を照明し、該パターンの空間像（ＰＭ’）を前記投
影光学系を介して像面近傍に形成する工程と；前記投影
光学系の像面側に配置された計測用パターン（２２）を
前記空間像に対して相対的に走査するとともに、前記計
測用パターンを介した前記照明光の強度に応じた光電変
換信号を前記計測用パターンの前記光軸方向の少なくと
も２つの位置でそれぞれ得る工程と；前記得られた光電
変換信号にそれぞれ対応する少なくとも２点のコントラ
スト値を、予め用意した基準コントラストカーブと比較
して、前記少なくとも２点のコントラスト値をカーブフ
ィットして得られる第１のコントラストカーブ上のピー
ク点を算出し、そのピーク点に対応する前記計測用パタ
ーンの光軸方向の位置を前記投影光学系の第１のベスト
フォーカス位置として算出する工程と；を含む。

【００２０】これによれば、照明光により所定のパター
ンを照明し、投影光学系を介して像面近傍に形成される
パターンの空間像に対して、投影光学系の像面側に配置
された計測用パターンを相対的に走査するとともに、計
測用パターンを介した前記照明光の強度に応じた光電変
換信号を前記計測用パターンの前記光軸方向の少なくと
も２つの位置でそれぞれ得る。そして、得られた光電変
換信号にそれぞれ対応する少なくとも２点のコントラス
ト値を、予め用意した基準コントラストカーブと比較し
て、少なくとも２点のコントラスト値をカーブフィット
して得られる第１のコントラストカーブ上のピーク点を
算出するとともに、そのピーク点に対応する前記計測用
パターンの光軸方向の位置を投影光学系の第１のベスト
フォーカス位置として算出する。

【００２１】すなわち、計測用パターンの光軸方向の位
置を少なくとも２つの位置に順次設定して、それぞれの
位置でパターンの空間像計測を行い、計測用パターンの
光軸方向の少なくとも２つの位置で計測した空間像に対
応する光電変換信号をそれぞれ得、各光電変換信号のコ
ントラスト値（最少２点におけるコントラスト値）と基
準コントラストカーブとを比較することで、その最少２
点におけるコントラスト値を含む基準コントラストカー
ブと同一形状の第１のコントラストカーブをフィッティ
ングにより得て、その第１のコントラストカーブ上のピ
ーク点に基づいて投影光学系の第１のベストフォーカス
位置を算出する。従って、２回の空間像計測により第１
のベストフォーカス位置を従来のラフ計測に比べて極め
て短時間で算出することが可能である。特に、ベストフ
ォーカス位置が大きく変動した場合等のベストフォーカ
ス位置の計測時間の短縮に貢献する。

【００２２】この場合において、請求項６に記載の光学
特性計測方法の如く、前記計測用パターンを前記空間像
に対して相対的に走査するとともに、前記計測用パター
ンを介した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を前
記第１のベストフォーカス位置を含む所定幅の範囲内の
前記計測用パターンの前記光軸方向の複数位置毎に得る
工程と；前記得られた複数位置毎の光電変換信号のコン
トラスト値をカーブフィットして得られる第２のコント
ラストカーブのピーク点に対応する前記計測用パターン
の光軸方向の位置を前記投影光学系の第２のベストフォ
ーカス位置として算出する工程と；を更に含むこととす
ることができる。

【００２３】請求項７に記載の光学特性計測装置は、投
影光学系（ＰＬ）の光学特性を計測する光学特性計測装
置であって、所定のパターン（ＰＭ）の空間像（Ｐ
Ｍ’）を前記投影光学系を介して像面上に形成するた
め、前記パターンを照明する照明装置（１２，１４）
と；前記投影光学系の像面側に配置され、計測用パター
ンが形成されたパターン形成部材（９０）と；前記計測
用パターンを介した前記照明光を光電変換して、前記計
測用パターンを介した前記照明光の強度に応じた光電変
換信号を出力する光電変換素子（２４）と；前記照明装
置により前記所定のパターンが照明され、前記像面上に
前記空間像が形成された状態で、前記パターン形成部材
を、前記空間像に対して相対的に走査するとともに、前
記空間像に対応する前記光電変換素子からの光電変換信
号を前記投影光学系の光軸方向に関する前記パターン形
成部材の複数の位置毎に計測する計測処理装置（５０）
と；前記複数の位置毎に得られた光電変換信号のコント
ラスト値をカーブフィットして得られる第１のコントラ
ストカーブに基づいて前記投影光学系の仮のベストフォ
ーカス位置を算出し、前記照明装置の照明条件に応じて
定まる重みパラメータを含み、前記仮のベストフォーカ
ス位置を中心とする重み付け関数を用いて前記コントラ
スト値を重み付けして第２のコントラストカーブを算出
し、該第２のコントラストカーブに基づいて前記投影光
学系の真のベストフォーカス位置を算出する算出装置
（５０）と；を備える。

【００２４】これによれば、計測処理装置では、照明装
置により所定のパターンが照明され、投影光学系の像面
上に所定のパターンの空間像が形成された状態で、パタ
ーン形成部材（計測用パターン）を、空間像に対して相
対的に走査するとともに、空間像に対応する光電変換素
子からの光電変換信号を投影光学系の光軸方向に関する
パターン形成部材の複数の位置毎に計測する。そして、
算出装置では、前記複数の位置毎に得られた光電変換信
号のコントラスト値をカーブフィットして得られる第１
のコントラストカーブに基づいて投影光学系の仮のベス
トフォーカス位置を算出し、照明装置の照明条件に応じ
て定まる重みパラメータを含み、仮のベストフォーカス
位置を中心とする重み付け関数を用いてコントラスト値
を重み付けして第２のコントラストカーブを算出し、該
第２のコントラストカーブに基づいて投影光学系の真の
ベストフォーカス位置を算出する。このように、仮のベ
ストフォーカス位置を中心とし、照明条件に応じて定ま
る重みパラメータを含む重み付け関数を用いてコントラ
スト値を重み付けして、真のベストフォーカス位置を算
出するための第２のコントラストカーブを算出するの
で、照明条件毎に、それぞれの照明条件下での計測精度
が低下しないような重みパラメータを予め定めることに
より照明条件の如何にかかわらず、ベストフォーカス位
置を精度良く算出することが可能となる。特に小σ照明
条件下でのベストフォーカス位置の計測精度の向上が可
能である。

【００２５】この場合において、算出装置による重み付
けは種々の重み付け関数を用いて行うことができるが、
例えば請求項８に記載の光学特性計測装置の如く、前記
算出装置は、前記重み付け関数として、前記重みパラメ
ータとして標準偏差を含むガウス関数を用いて前記重み
付けを行うこととしても良いし、あるいは、請求項９に
記載の光学特性計測装置の如く、前記算出装置は、前記
重み付け関数として、重みの値が、前記照明条件に応じ
て定まる所定幅の中央部では１、その両側では０となる
ステップ関数を用いて前記重み付けを行うこととしても
良い。

【００２６】請求項１０に記載の露光装置は、マスク
（Ｒ）に形成された回路パターンを投影光学系（ＰＬ）
を介して基板（Ｗ）に転写する露光装置であって、前記
基板を保持して移動する基板ステージ（ＷＳＴ）と；前
記パターン形成部材が前記基板ステージの一部に設けら
れた請求項７〜９のいずれか一項に記載の光学特性計測
装置と；を備える。

【００２７】これによれば、パターン形成部材が基板ス
テージの一部に設けられた請求項７〜９に記載の各光学
特性計測装置を備えているので、特別な駆動装置を用い
ることなく、基板ステージを介して、所定のパターンの
空間像に対して計測用パターンを走査して、投影光学系
のベストフォーカス位置を、照明条件に影響されること
なく、精度良く計測することができる。そして、その計
測結果を考慮して露光の際、基板表面を投影光学系の最
良結像面に実質的に合致させることが可能である。従っ
て、デフォーカスに起因する露光不良の発生が極力抑制
された高精度な露光が可能となる。

【００２８】請求項１１に記載のデバイス製造方法は、
リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、前
記リソグラフィ工程では、請求項１０に記載の露光装置
を用いて露光を行うことを特徴とする。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
〜図９に基づいて説明する。

【００３０】図１には、一実施形態に係る露光装置１０
の概略的な構成が示されている。この露光装置１０は、
ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装
置、すなわちいわゆるスキャニング・ステッパである。

【００３１】この露光装置１０は、光源１４及び照明光
学系１２を含む照明装置としての照明系、マスクとして
のレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、投影
光学系ＰＬ、基板としてのウエハＷを保持してＸＹ平面
内を自在に移動可能な基板ステージとしてのウエハステ
ージＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を備えてい
る。

【００３２】前記光源１４としては、ここでは、一例と
して、ＫｒＦエキシマレーザ（出力波長２４８ｎｍ）又
はＡｒＦエキシマレーザ（出力波長１９３ｎｍ）等のエ
キシマレーザ光源が用いられるものとする。この光源１
４は、主制御装置５０によってそのレーザ発光のオン・
オフや、中心波長、スペクトル半値幅、繰り返し周波数
などが制御される。

【００３３】前記照明光学系１２は、ビーム整形光学系
１８、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）と
してのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、
第１リレーレンズ２８Ａ、第２リレーレンズ２８Ｂ、固
定レチクルブラインド３０Ａ、可動レチクルブラインド
３０Ｂ、光路折り曲げ用のミラーＭ、及びコンデンサレ
ンズ３２等を備えている。

【００３４】前記ビーム整形光学系１８内には、光源１
４でパルス発光されたレーザビームＬＢの断面形状を、
該レーザビームＬＢの光路後方に設けられたフライアイ
レンズ２２に効率良く入射するように整形するための、
例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ（いずれも
図示省略）等が含まれている。また、このビーム整形光
学系１８内には、後述する照明系開口絞り板２４による
照明開口絞りの設定に応じて、レーザビームの断面積を
連続的に変更可能なズーム光学系も含まれている。

【００３５】前記フライアイレンズ２２は、ビーム整形
光学系１８から出たレーザビームＬＢの光路上に配置さ
れ、レチクルＲを均一な照度分布で照明するためにその
射出側焦点面に多数の点光源（光源像）から成る面光
源、即ち２次光源を形成する。この２次光源から射出さ
れるレーザビームを本明細書においては、「照明光Ｉ
Ｌ」とも呼ぶものとする。

【００３６】フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近
傍には、照明系開口絞り板２４が配置されている。この
照明系開口絞り板２４は、図２に示されるように、例え
ば通常の円形開口より成る通常照明用の大σ開口絞り２
３ａ、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタで
あるσ値を小さくするための小σ開口絞り２３ｂ、輪帯
照明用の輪帯状の開口絞り２３ｃ、及び変形光源法用に
複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り（四
重極絞り）２３ｄ等が、ほぼ等角度間隔で配置された円
板状部材によって構成される。この照明系開口絞り板２
４は、図１に示されるように、主制御装置５０により制
御されるモータ等の駆動装置４０により回転されるよう
になっており、これによりいずれかの開口絞りが照明光
ＩＬの光路上に選択的に設定される。なお、図１では、
上記の４種類の開口絞りのうちの２種類の開口絞りのみ
が図示されている。

【００３７】照明系開口絞り板２４から出た照明光ＩＬ
の光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプ
リッタ２６が配置され、更にこの後方の光路上に、固定
レチクルブラインド３０Ａ及び可動レチクルブラインド
３０Ｂを介在させて第１リレーレンズ２８Ａ及び第２リ
レーレンズ２８Ｂから成るリレー光学系が配置されてい
る。

【００３８】固定レチクルブラインド３０Ａは、レチク
ルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカ
スした面に配置され、レチクルＲ上の照明領域ＩＡＲを
規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レ
チクルブラインド３０Ａの近傍に走査方向（ここではＸ
軸方向とする）及び非走査方向（Ｙ軸方向）にそれぞれ
対応する方向の位置及び幅が可変の開口部を有する可動
レチクルブラインド３０Ｂが配置され、走査露光の開始
時及び終了時にその可動レチクルブラインド３０Ｂを介
して照明領域ＩＡＲを更に制限することによって、不要
な部分の露光が防止されるようになっている。また、本
実施形態では、可動レチクルブラインド３０Ｂは、後述
する空間像計測の際の照明領域の設定にも用いられる。

【００３９】リレー光学系を構成する第２リレーレンズ
２８Ｂ後方の照明光ＩＬの光路上には、当該第２リレー
レンズ２８Ｂを通過した照明光ＩＬをレチクルＲに向け
て反射する折り曲げミラーＭが配置され、このミラーＭ
後方の照明光ＩＬの光路上にコンデンサレンズ３２が配
置されている。

【００４０】一方、照明光学系１２内のビームスプリッ
タ２６で反射された照明光ＩＬの光路上には、集光レン
ズ４４、及び遠紫外域で感度が良く、且つ光源１４のパ
ルス発光を検出するために高い応答周波数を有するＰＩ
Ｎ型フォトダイオード等の受光素子から成るインテグレ
ータセンサ４６が配置されている。

【００４１】このようにして構成された照明系の作用を
簡単に説明すると、光源１４からパルス発光されたレー
ザビームＬＢは、ビーム整形光学系１８に入射して、こ
こで後方のフライアイレンズ２２に効率よく入射するよ
うにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ２
２に入射する。これにより、フライアイレンズ２２の射
出側焦点面（照明光学系１２の瞳面）に前述した２次光
源が形成される。この２次光源から射出された照明光Ｉ
Ｌは、照明系開口絞り板２４上のいずれかの開口絞りを
通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプ
リッタ２６に至る。このビームスプリッタ２６を透過し
た照明光ＩＬは、第１リレーレンズ２８Ａを経て固定レ
チクルブラインド３０Ａの矩形の開口部及び可動レチク
ルブラインド３０Ｂを通過した後、第２リレーレンズ２
８Ｂを通過してミラーＭによって光路が垂直下方に折り
曲げられた後、コンデンサレンズ３２を経て、レチクル
ステージＲＳＴ上に保持されたレチクルＲ上の照明領域
ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。

【００４２】一方、ビームスプリッタ２６で反射された
照明光ＩＬは、集光レンズ４４を介してインテグレータ
センサ４６で受光され、インテグレータセンサ４６の光
電変換信号が、不図示のピークホールド回路及びＡ／Ｄ
変換器を有する信号処理装置８０を介して主制御装置５
０に供給される。

【００４３】前記レチクルステージＲＳＴ上には、レチ
クルＲが、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定
されている。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リ
ニアモータ等を含む不図示のレチクルステージ駆動系に
より、後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ
平面内で２次元的に（Ｘ軸方向及びこれに直交するＹ軸
方向及びＸＹ平面に直交するＺ軸回りの回転方向（θｚ
方向）に）微少駆動可能であるとともに、不図示のレチ
クルベース上をＸ軸方向に指定された走査速度で移動可
能となっている。このレチクルステージＲＳＴは、レチ
クルＲの全面が少なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを
横切ることができるだけのＸ軸方向の移動ストロークを
有している。

【００４４】レチクルステージＲＳＴ上には、レチクル
レーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）５４
Ｒからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｒが固定さ
れており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置は
レチクル干渉計５４Ｒによって、例えば０．５〜１ｎｍ
程度の分解能で常時検出される。ここで、実際には、レ
チクルステージＲＳＴ上には走査露光時の走査方向（Ｘ
軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向
（Ｙ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設け
られ、レチクル干渉計５４ＲはＸ軸方向に少なくとも２
軸、Ｙ軸方向に少なくとも１軸設けられているが、図１
ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｒ、レチクル干渉計５
４Ｒとして示されている。

【００４５】レチクル干渉計５４Ｒからのレチクルステ
ージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置７０及びこ
れを介して、ワークステーション（又はマイクロコンピ
ュータ）から成る主制御装置５０に送られ、主制御装置
５０の指示の下、ステージ制御装置７０は、不図示のレ
チクルステージ駆動系を介してレチクルステージＲＳＴ
の移動を制御する。

【００４６】前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージ
ＲＳＴの図１における下方に配置され、その光軸ＡＸの
方向がＺ軸方向とされ、ここでは両側テレセントリック
な縮小系であり、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置
された複数枚のレンズエレメントから成る屈折光学系が
使用されている。この投影光学系ＰＬの投影倍率は、こ
こでは、一例として１／４となっている。このため、照
明光学系１２からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上の
スリット状照明領域ＩＡＲが照明されると、このレチク
ルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介
してそのスリット状照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回
路パターンの縮小像（部分倒立像）が表面にフォトレジ
ストが塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲに共
役な露光領域ＩＡに形成される。

【００４７】前記ウエハステージＷＳＴは、ステージベ
ース１６上面に沿って例えば磁気浮上型２次元リニアア
クチュエータから成る不図示のウエハステージ駆動系に
より、ＸＹ２次元面内（θｚ回転を含む）で自在に駆動
されるようになっている。ここで、２次元リニアアクチ
ュエータは、Ｘ駆動コイル、Ｙ駆動コイルの他、Ｚ駆動
コイルをも有しているため、ウエハステージＷＳＴは、
Ｚ、Ｘ軸回りの回転方向（θｘ）、Ｙ軸回りの回転方向
（θｙ）の３自由度方向にも微少駆動が可能な構成とな
っている。

【００４８】ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホル
ダ２５が載置され、このウエハホルダ２５によってウエ
ハＷが真空吸着（又は静電吸着）によって保持されてい
る。

【００４９】なお、ウエハステージＷＳＴに代えて、リ
ニアモータあるいは平面モータ等の駆動系によってＸＹ
２次元面内でのみ駆動される２次元移動ステージを用い
る場合には、ウエハホルダ２５を、Ｚ、θｘ、θｙの３
自由度方向にボイスコイルモータ等によって微少駆動さ
れるＺ・レベリングテーブルを介してその２次元移動ス
テージ上に搭載すれば良い。

【００５０】前記ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハ
レーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）５４Ｗ
からのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｗが固定さ
れ、外部に配置されたウエハ干渉計５４Ｗにより、ウエ
ハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置が例えば０．５〜１
ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。

【００５１】ここで、実際には、ウエハステージＷＳＴ
上には、走査露光時の走査方向であるＸ軸方向に直交す
る反射面を有する移動鏡と非走査方向であるＹ軸方向に
直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、ウエハ干
渉計５４ＷはＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ複数軸設
けられ、ウエハステージＷＳＴのＺ軸方向を除く、残り
の５自由度方向（Ｘ，Ｙ，θｘ，θｙ，θｚ）の位置を
計測できるようになっているが、図１ではこれらが代表
的に移動鏡５２Ｗ、ウエハ干渉計５４Ｗとして示されて
いる。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情
報）は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制
御装置５０に送られ、主制御装置５０の指示の下、ステ
ージ制御装置７０は、不図示のウエハステージ駆動系を
介してウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御す
る。

【００５２】また、ウエハステージＷＳＴの内部には、
投影光学系ＰＬの光学特性の計測に用いられる空間像計
測装置５９を構成する光学系の一部が配置されている。
ここで、空間像計測装置５９の構成について詳述する。
この空間像計測装置５９は、図３に示されるように、ウ
エハステージＷＳＴに設けられたステージ側構成部分、
すなわちパターン形成部材としてのスリット板９０、レ
ンズ８４、８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用
のミラー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳ
Ｔ外部に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラ
ー９６、受光レンズ８９、光電変換素子としての光セン
サ２４等とを備えている。

【００５３】これを更に詳述すると、スリット板９０
は、図３に示されるように、ウエハステージＷＳＴの一
端部上面に設けられた上部が開口した突設部５８に対
し、その開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれている。
このスリット板９０は、平面視長方形の受光ガラス８２
の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３が形成され、その反
射膜８３の一部に計測用パターンとしての所定幅２Ｄの
スリット状の開口パターン(以下、「スリット」と呼
ぶ）２２がパターンニングされて形成されている。

【００５４】前記受光ガラス８２の素材としては、ここ
では、ＫｒＦエキシマレーザ光、あるいはＡｒＦエキシ
マレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル
石などが用いられる。

【００５５】スリット２２下方のウエハステージＷＳＴ
内部には、スリット２２を介して鉛直下向きに入射した
照明光束（像光束）の光路を水平に折り曲げるミラー８
８を介在させてレンズ８４，８６から成るリレー光学系
（８４、８６）が配置され、このリレー光学系（８４、
８６）の光路後方のウエハステージＷＳＴの＋Ｘ側の側
壁に、リレー光学系（８４、８６）によって所定光路長
分だけリレーされた照明光束をウエハステージＷＳＴの
外部に送光する送光レンズ８７が固定されている。

【００５６】送光レンズ８７によってウエハステージＷ
ＳＴの外部に送り出される照明光束の光路上には、Ｙ軸
方向に所定長さを有するミラー９６が傾斜角４５°で斜
設されている。このミラー９６によって、ウエハステー
ジＷＳＴの外部に送り出された照明光束の光路が鉛直上
方に向けて９０°折り曲げられるようになっている。こ
の折り曲げられた光路上に送光レンズ８７に比べて大径
の受光レンズ８９が配置されている。この受光レンズ８
９の上方には、光センサ２４が配置されている。これら
受光レンズ８９及び光センサ２４は、所定の位置関係を
保ってケース９２内に収納され、該ケース９２は取付け
部材９３を介してベース１６の上面に植設された支柱９
７の上端部近傍に固定されている。

【００５７】前記光センサ２４としては、微弱な光を精
度良く検出することが可能な光電変換素子（受光素
子）、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭ
Ｔ、光電子増倍管）などが用いられる。光センサ２４か
らの光電変換信号Ｐは、図１の信号処理装置８０を介し
て主制御装置５０に送られるようになっている。なお、
信号処理装置８０は、例えば増幅器、サンプルホルダ、
Ａ／Ｄコンバータ（通常１６ビットの分解能のものが用
いられる）などを含んで構成することができる。

【００５８】なお、前述の如く、スリット２２は反射膜
８３に形成されているが、以下においては、便宜上スリ
ット板９０にスリット２２が形成されているものとして
説明を行う。

【００５９】上述のようにして構成された空間像計測装
置５９によると、後述する、レチクルＲに形成された計
測マークの投影光学系ＰＬを介しての投影像（空間像）
の計測の際に、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光Ｉ
Ｌによって空間像計測装置５９を構成するスリット板９
０が照明されると、そのスリット板９０上のスリット２
２を透過した照明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及び
レンズ８６、送光レンズ８７を介してウエハステージＷ
ＳＴの外部に導き出される。そして、そのウエハステー
ジＷＳＴの外部に導き出された光は、ミラー９６によっ
て光路が鉛直上方に折り曲げられ、受光レンズ８９を介
して光センサ２４によって受光され、該光センサ２４か
らその受光量に応じた光電変換信号（光量信号）Ｐが信
号処理装置８０を介して主制御装置５０に出力される。

【００６０】本実施形態の場合、計測マークの投影像
（空間像）の計測はスリットスキャン方式により行われ
るので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８
９及び光センサ２４に対して移動することになる。そこ
で、空間像計測装置５９では、所定の範囲内で移動する
送光レンズ８７を介した光がすべて受光レンズ８９に入
射するように、各レンズ、及びミラー９６の大きさが設
定されている。

【００６１】このように、空間像計測装置５９では、ス
リット板９０、レンズ８４、８６、ミラー８８、及び送
光レンズ８７により、スリット２２を介した光をウエハ
ステージＷＳＴ外に導出する光導出部が構成され、受光
レンズ８９及び光センサ２４によって、ウエハステージ
ＷＳＴ外へ導出された光を受光する受光部が構成されて
いる。この場合、これら光導出部と受光部とは、機械的
に分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、
光導出部と受光部とは、ミラー９６を介して光学的に接
続される。

【００６２】すなわち、空間像計測装置５９では、光セ
ンサ２４がウエハステージＷＳＴの外部の所定位置に設
けられているため、光センサ２４の発熱に起因してレー
ザ干渉計５４Ｗの計測精度等に悪影響を与えたりするこ
とがない。また、ウエハステージＷＳＴの外部と内部と
をライトガイド等により接続していないので、ウエハス
テージＷＳＴの外部と内部とがライトガイドにより接続
された場合のようにウエハステージＷＳＴの駆動精度が
悪影響を受けることもない。

【００６３】勿論、熱の影響を排除できるような場合に
は、光センサ２４をウエハステージＷＳＴの内部に設け
ても良い。なお、空間像計測装置５９を用いて行われる
空間像計測方法及び光学特性計測方法などについては、
後に詳述する。

【００６４】図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、
ウエハＷ上のアライメントマーク（位置合わせマーク）
を検出するマーク検出系としてのオフアクシス・アライ
メント系ＡＬＧが設けられている。本実施形態では、こ
のアライメント系ＡＬＧとして、画像処理方式のアライ
メントセンサ、いわゆるＦＩＡ（ Field Image Alignme
nt）系が用いられている。このアライメント系ＡＬＧの
検出信号は、主制御装置５０に供給されるようになって
いる。

【００６５】更に、本実施形態の露光装置１０では、図
１に示されるように、主制御装置５０によってオンオフ
が制御される光源を有し、投影光学系ＰＬの結像面に向
けて多数のピンホール又はスリットの像を形成するため
の結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向より照射する
照射系６０ａと、それらの結像光束のウエハＷ表面での
反射光束を受光する受光系６０ｂとから成る斜入射光式
の多点焦点位置検出系が設けられている。なお、本実施
形態の焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）と同様の多点
焦点位置検出系の詳細な構成は、例えば特開平６−２８
３４０３号公報等に開示されている。

【００６６】主制御装置５０では、後述する走査露光時
等に、受光系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス
信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて焦点ずれが零と
なるように、不図示のウエハステージ駆動系を介してウ
エハステージＷＳＴのＺ軸方向への移動、及び２次元的
に傾斜（すなわち、θｘ，θｙ方向の回転）を制御す
る、すなわち多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を
用いてウエハステージＷＳＴの移動を制御することによ
り、照明光ＩＬの照射領域（照明領域ＩＡＲと結像関
係）内で投影光学系ＰＬの結像面とウエハＷの表面とを
実質的に合致させるオートフォーカス（自動焦点合わ
せ）及びオートレベリングを実行する。

【００６７】次に、本実施形態の露光装置１０における
露光工程の動作について簡単に説明する。

【００６８】まず、不図示のレチクル搬送系によりレチ
クルＲが搬送され、ローディングポジションにあるレチ
クルステージＲＳＴに吸着保持される。次いで、主制御
装置５０の指示の下、ステージ制御装置７０によりウエ
ハステージＷＳＴ及びレチクルステージＲＳＴの位置が
制御され、レチクルＲ上に形成された不図示のレチクル
アライメントマークの投影像（空間像）が空間像計測装
置５９を用いて後述するようにして計測され、レチクル
パターン像の投影位置が求められる。すなわち、レチク
ルアライメントが行われる。

【００６９】次に、主制御装置５０の指示の下、ステー
ジ制御装置７０により、スリット板９０がアライメント
系ＡＬＧの直下へ位置するように、ウエハステージＷＳ
Ｔが移動され、アライメント系ＡＬＧによって空間像計
測装置５９の位置基準となるスリット２２が検出され
る。主制御装置５０では、このアライメント系ＡＬＧの
検出信号及びそのときのウエハ干渉計５４Ｗの計測値、
並びに先に求めたレチクルパターン像の投影位置に基づ
いて、レチクルＲのパターン像の投影位置とアライメン
ト系ＡＬＧとの相対位置、すなわちアライメント系ＡＬ
Ｇのベースライン量を求める。

【００７０】かかるベースライン計測が終了すると、主
制御装置５０により、例えば特開昭６１−４４４２９号
公報などに詳細に開示されるＥＧＡ（エンハンスト・グ
ローバル・アライメント）等のウエハアライメントが行
われ、ウエハＷ上の全てのショット領域の位置が求めら
れる。なお、このウエハアライメントに際して、ウエハ
Ｗ上の複数のショット領域のうちの予め定められた所定
のサンプルショットのウエハアライメントマークがアラ
イメント系ＡＬＧを用いて計測される。

【００７１】次いで、主制御装置５０では、上で求めた
ウエハＷ上の各ショット領域の位置情報及びベースライ
ン量に基づいて、ステージ制御装置７０を介して干渉計
５４Ｗ、５４Ｒから送られる位置情報をモニタしつつ、
ステージ制御装置７０を介してウエハステージＷＳＴを
第１ショット領域の走査開始位置に位置決めするととも
に、レチクルステージＲＳＴを走査開始位置に位置決め
して、その第１ショット領域の走査露光を行う。

【００７２】すなわち、主制御装置５０では、レチクル
ステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとのＸ軸方向逆
向きの相対走査を開始する。両ステージＲＳＴ、ＷＳＴ
がそれぞれの目標走査速度に達すると、照明光ＩＬによ
ってレチクルＲのパターン領域が照明され始め、走査露
光が開始される。

【００７３】主制御装置５０では、特に上記の走査露光
時にレチクルステージＲＳＴのＸ軸方向の移動速度Ｖｒ
とウエハステージＷＳＴのＸ軸方向の移動速度Ｖｗとが
投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比に維持される
ように、ステージ制御装置７０に指示を出し、レチクル
ステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを同期制御す
る。

【００７４】そして、レチクルＲのパターン領域の異な
る領域が照明光ＩＬで逐次照明され、パターン領域全面
に対する照明が完了することにより、ウエハＷ上の第１
ショット領域の走査露光が終了する。これにより、レチ
クルＲの回路パターンが投影光学系ＰＬを介して第１シ
ョット領域に縮小転写される。

【００７５】こうして第１ショット領域の走査露光が終
了すると、ウエハステージＷＳＴを第２ショット領域の
走査開始位置へ移動させるショット間のステッピング動
作を行う。そして、その第２ショット領域の走査露光を
上述と同様にして行う。以後、第３ショット領域以降も
同様の動作を行う。

【００７６】このようにして、ショット間のステッピン
グ動作とショットの走査露光動作とが繰り返され、ステ
ップアンドスキャン方式でウエハＷ上の全てのショット
領域にレチクルＲのパターンが転写される。

【００７７】ここで、上記の走査露光中に、前述した多
点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力に基づくオ
ートフォーカス、オートレベリングが主制御装置５０に
より実行される。

【００７８】ところで、上記の走査露光中に、レチクル
ＲのパターンがウエハＷ上のショット領域に精度良く転
写されるためには、上記のオートフォーカス、オートレ
ベリングが精度良く行われ、ウエハＷの露光領域が投影
光学系ＰＬの結像面に実質的に一致した状態で露光が行
われる必要がある。そのためには、投影光学系ＰＬのベ
ストフォーカス位置（最良結像面位置）が精度良く計測
されていること、及びその計測結果に基づいて多点焦点
位置検出系（６０ａ、６０ｂ）のキャリブレーションが
行われていることが必要となる。本実施形態では、主制
御装置５０が、ベストフォーカス位置（最良結像面位
置）の計測結果に基づいて、例えば多点焦点位置検出系
（６０ａ、６０ｂ）の検出オフセットを設定するか、受
光系６０ｂ内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に
対する傾きを制御して多点焦点位置検出系（６０ａ、６
０ｂ）の原点（検出基準点）の再設定を行うことによ
り、キャリブレーションを行うようになっている。これ
に限らず、検出信号に電気的オフセットを与えることに
より、キャリブレーションを行なうことも可能である。

【００７９】本実施形態では、上記の投影光学系のベス
トフォーカス位置の計測に、空間像計測装置５９が用い
られる。以下、このベストフォーカス位置の計測につい
て説明するが、それに先立って、空間像計測装置５９を
用いた空間像計測について説明する。

【００８０】図３には、空間像計測装置５９を用いて、
レチクルＲに形成された計測マークＰＭの空間像が計測
されている最中の状態が示されている。レチクルＲとし
ては、空間像計測専用のもの、あるいはデバイスの製造
に用いられるデバイスレチクルに専用の計測用マークを
形成したものなどが用いられる。これらのレチクルの代
わりに、レチクルステージＲＳＴにレチクルと同材質の
ガラス素材から成る固定のマーク板（レチクルフィデュ
ーシャルマーク板とも呼ばれる）を設け、このマーク板
に計測用マーク（計測マーク）を形成したものを用いて
も良い。

【００８１】ここで、レチクルＲには、所定の箇所にＸ
軸方向に周期性を有するライン部の幅とスペース部の幅
の比（デューティ比）が１：１のラインアンドスペース
（Ｌ／Ｓ）マークから成る計測マークＰＭが形成されて
いるものとする。また、空間像計測装置５９を構成する
スリット板９０には、図４（Ａ）に示されるように、Ｙ
軸方向に伸びる所定幅２Ｄのスリット２２が形成されて
いるものとする。

【００８２】空間像の計測にあたり、主制御装置５０に
より、図１に示される可動レチクルブラインド３０Ｂが
不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、照明光
ＩＬの照明領域が計測マークＰＭ部分を含む所定領域に
制限される（図３参照）。この状態で、主制御装置５０
により光源１４の発光が開始され、照明光ＩＬが計測マ
ークＰＭに照射されると、計測マークＰＭによって回
折、散乱した光（照明光ＩＬ）は投影光学系ＰＬにより
屈折され、該投影光学系ＰＬの像面に計測マークＰＭの
空間像（投影像）が形成される。このとき、ウエハステ
ージＷＳＴは、図４（Ａ）に示されるように、スリット
板９０上のスリット２２の＋Ｘ側（又は−Ｘ側）に計測
マークＰＭの空間像ＰＭ’が形成される位置に設定され
ているものとする。

【００８３】そして、主制御装置５０の指示の下、ステ
ージ制御装置７０により、ウエハステージＷＳＴが図４
（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｘ方向に駆動され
ると、スリット２２が空間像ＰＭ’に対してＸ軸方向に
走査される。この走査中に、スリット２２を通過する光
（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の受光光学
系、ウエハステージＷＳＴ外部の反射ミラー９６及び受
光レンズ８９を介して光センサ２４で受光され、その光
電変換信号Ｐが図１に示される信号処理装置８０に供給
される。信号処理装置８０では、その光電変換信号に所
定の処理を施して、空間像ＰＭ’に対応する光強度信号
を主制御装置５０に供給する。なお、この際、信号処理
装置８０では、光源１４からの照明光ＩＬの発光強度の
ばらつきを抑えるために、図１に示されるインテグレー
タセンサ４６の信号により光センサ２４からの信号を規
格化した信号を主制御装置５０に供給するようになって
いる。

【００８４】図４（Ｂ）には、上記の空間像計測の際に
得られる光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例が示され
ている。

【００８５】以下、本実施形態の露光装置１０における
空間像計測装置５９を用いたベストフォーカス位置の検
出について、図５のフローチャートに従って説明する。
この図５は、主制御装置５０の制御の流れを簡略化して
示すものである。また、前提として、主制御装置５０の
メモリ内には、図７（Ａ）（又は図７（Ｂ））に示され
るσ値に応じた重み減衰率のテーブルデータが予め格納
されているものとする。また、レチクルＲには計測パタ
ーンとして、例えば０．８μｍＬ/Ｓパターンが形成さ
れ、スリット２２の幅２Ｄは例えば０．３μｍであるも
のとする。また、投影光学系ＰＬの投影倍率が前述の如
く１／４であるのでレチクルＲ上の計測パターンはスリ
ット板９０上で０．２μｍＬ／Ｓパターン像となる。

【００８６】まず、主制御装置５０は、ステップ１０２
において、メモリ内に記憶してあるベストフォーカス位
置をファイン計測の計測中心として設定する。このファ
イン計測の計測中心として設定されるベストフォーカス
位置は、通常の場合は、前回の計測値が用いられる。但
し、前回の計測が行われていない場合、あるいはその計
測値が失われた場合には、露光装置１０の調整段階にて
設定された設計値が用いられる。但し、前回の計測値が
失われていない場合であっても設計値を用いても構わな
い。

【００８７】次のステップ１０４では、主制御装置５０
は、ステップ１０２で設定されたファイン計測中心を中
心として、ファイン計測を行う。具体的には、主制御装
置５０では、投影光学系ＰＬの視野内でベストフォーカ
ス位置を計測すべき所定点、例えば光軸上にレチクルＲ
上の計測マークＰＭが位置決めされるように、レチクル
ステージＲＳＴを移動する。次に、主制御装置５０で
は、照明光ＩＬが計測マークＰＭ部分のみに照射される
ように可動レチクルブラインド３０Ｂを駆動制御して照
明領域を規定する。この状態で、主制御装置５０では、
照明光ＩＬをレチクルＲに照射して、ウエハステージＷ
ＳＴをＸ軸方向に走査しながら空間像計測装置５９を用
いて、計測マークＰＭの空間像計測を前述と同様にスリ
ットスキャン方式により行う。この際、主制御装置５０
では、スリット板９０のＺ軸方向の位置（すなわち、ウ
エハステージＷＳＴのＺ位置）をステップ１０２で設定
されたファイン計測中心を中心とする所定幅の範囲で例
えば０．１５μｍピッチで１５ステップ程度変化させつ
つ、複数回繰り返し、各回の光強度信号（光電変換信
号）を内部のメモリに記憶する。

【００８８】次のステップ１０６では、主制御装置５０
は、投影光学系ＰＬの仮のベストフォーカス位置（第１
のベストフォーカス位置）を次のようにして算出する。

【００８９】まず、ステップ１０４の計測でスリット板
９０のＺ軸方向の各位置毎に得られた光電変換信号のコ
ントラスト値を、各信号波形をフーリエ変換し、その係
数からそれぞれ算出する。以下、これを更に詳述する。

【００９０】計測により得られた光電変換信号をＩ
（ｘ）とし、それを基本周波数成分と高次の周波数成分
として表すと、次式（１）のように表せる。

【００９１】

【数１】

【００９２】ここで、ａ₀、ａ_n、ｂ_nは、それぞれ以下
の（２）〜（４）式のようになる。

【００９３】

【数２】

【００９４】また、Ｐは信号の周期であり、ω₀＝２π
／Ｐである。

【００９５】また、コントラスト値（Ｃｏｎｔ）は、次
式（５）で表される。 Ｃｏｎｔ＝（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）／（Ｍａｘ＋Ｍｉｎ） …（５）

【００９６】ここで、波形がフーリエ級数展開の０次成
分と１次成分だけで形成されているとすると、波形の直
流成分の振幅ｃ₀と、基本周波数成分の振幅ｃ₁は、次式
（６），（７）にて表すことができる。 ｃ₀＝ａ₀ …（６）

【００９７】

【数３】

【００９８】この場合、 Ｍａｘ＝ｃ₀＋ｃ₁／２ …（８） Ｍｉｎ＝ｃ₀−ｃ₁／２ …（９） と表せるので、（５）式は、上式（８）、（９）より、
次式（５）’として表される。 Ｃｏｎｔ＝ｃ₁／（２ｃ₀） …（５）’

【００９９】ここでベストフォーカス位置を求めるに際
し、（１次／０次）の振幅比が含まれたコントラスト値
を用いるのは、コントラスト値はフォーカス位置（Ｚ位
置）に応じて敏感に変化するため、これを利用して、コ
ントラスト値が最大となるフォーカス位置（Ｚ位置）を
ベストフォーカス位置として容易にかつ確実に求めるこ
とができるからである。

【０１００】図６（Ａ）には、上記のようにして、スリ
ット板９０の各Ｚ位置について得られた光電変換それぞ
れのコントラスト値を求め、その求めたコントラスト値
を、横軸をＺ位置、縦軸をコントラスト値とする直交座
標系上にプロットしたデータの一例（大σ照明絞りによ
る通常照明条件下での例）が示されている。

【０１０１】主制御装置５０は、各プロット点に基づい
て最小自乗法により関数フィッティングを行い図６
（Ｂ）に示されるような６次近似曲線から成る第１のコ
ントラストカーブＰ１を求め、該第１のコントラストカ
ーブＰ１上でのコントラスト値を、計測レンジの間で例
えば０．０５μｍ刻みで比較し、その最大値を仮の最大
値Ｍａと設定する。次に、主制御装置５０は、図６
（Ｃ）に示されるように、仮の最大値Ｍａから所定量Ｓ
だけ下がったところに、Ｃｏｎｔ＝ａの直線（スライス
ライン）ＳＬを設定するとともに、前述の６次近似曲線
Ｐ１との２つの交点座標Ｊａ，Ｋａを求める。更に、主
制御装置５０では、求められた２点Ｊａ，Ｋａの直線Ｓ
Ｌ上の中点Ｏａを算出するとともに、この中点Ｏａに対
応するＺ位置を投影光学系ＰＬの仮のベストフォーカス
位置（Ｚ’）として決定する。

【０１０２】図５に戻り、次のステップ１０８におい
て、主制御装置５０は、ステップ１０６で仮のベストフ
ォーカス位置Ｚ’が算出できたかどうかを判断する。こ
の判断が肯定されると、次のステップ１１０に移行し
て、主制御装置５０では、設定されている照明条件を確
認する。この照明条件の確認は、照明光学系１２内の照
明系開口絞り板２４の絞りの設定状態、すなわち、図２
に示されるいずれの開口絞りが使用中であるか（照明光
の光路上に設定されているか）に基づいて行われる。

【０１０３】次いで、主制御装置５０では、ステップ１
１２において、ステップ１１０の確認結果に基づいて、
レチクルＲ上のパターンを照明する照明光学系１２の開
口数を投影光学系の開口数で除した値である照明のコヒ
ーレンスファクタσ（＝照明光学系の開口数／投影光学
系の開口数）を求めるとともに、このコヒーレンスファ
クタσと、メモリ内に記憶しているテーブルデータ（図
７（Ａ）参照）とに基づいて、重み減衰率γを決定す
る。なお、本実施形態では、コヒーレンスファクタσ
は、開口絞り毎に予め計算され、開口絞りの情報と対応
付けてメモリ内に記憶されている。従って、ステップ１
１２においてコヒーレンスファクタσを計算することは
ないが、計算することも可能である。例えば、大σ開口
絞りの場合は、コヒーレンスファクタσ＝０．８、小σ
開口絞りの場合は、コヒーレンスファクタσ＝０．３な
どとなっている。

【０１０４】ここで、重み減衰率γとは、次式（１０）
で示される重み付け関数の重みパラメータを意味する。

【０１０５】 η＝exp｛−０．５｛（Ｚ−Ｚ’）／γ｝²｝ …（１０）

【０１０６】この式（１０）において、Ｚは計測が行わ
れたＺ位置、Ｚ’は重み付けの中心（前述した仮のベス
トフォーカス位置）、γが重み減衰率（Weight Dumping
Rate）である。この式（１０）の重み付け関数ηは、
式（１０）中のγを標準偏差ｓに置き換えると明らかな
ように、ガウス関数に他ならない。

【０１０７】ここで、例えば照明系開口絞り板２４の大
σ開口絞り２３ａが使用中である場合には、投影光学系
ＰＬの開口数にもよるが、通常σ値＝０．８であるた
め、図７（Ａ）のテーブルデータに基づいて、重み減衰
率γ＝１．０に決定される。また、輪帯開口絞り２３
ｃ、変形開口絞り２３ｄ等が使用中である場合も、σ値
が０．６以上となるため、重み減衰率γ＝１．０に決定
される。

【０１０８】一方、例えば照明系開口絞り板２４の大σ
開口絞り２３ｂが使用中である場合には、σ値＝０．３
であるため、図７（Ａ）のテーブルデータに基づいて、
重み減衰率γ＝０．３に決定される。

【０１０９】なお、σ値に応じた重み減衰率のテーブル
データは、上述した２段階の分類が可能なものに限ら
ず、図７（Ｂ）に示されるような３段階の分類が可能な
テーブルデータを採用しても良く、あるいは、照明条件
毎に予め定めた重み減衰率の値がそれぞれ設定された多
段階の分類が可能なテーブルデータを採用しても良い。
要は、照明条件に応じて重み減衰率（重みパラメータ）
が設定されたテーブルデータを用いれば良い。

【０１１０】次のステップ１１４では、上式（１０）の
γにステップ１１２で決定した値を代入した重み付け関
数ηを用いて、仮のベストフォーカス位置Ｚ’を中心と
して各コントラスト値を重み付けし、その重み付け後の
各コントラスト値に対して最小自乗法によるフィッティ
ングを行い、例えば４次近似曲線から成る第２のコント
ラストカーブを算出する。

【０１１１】次のステップ１１６では、主制御装置５０
は、上記ステップ１１４で求められた第２のコントラス
トカーブに基づいて、投影光学系ＰＬの真のベストフォ
ーカス位置（第２のベストフォーカス位置）Ｚ_bestを算
出する。具体的には、第２のコントラストカーブ上のコ
ントラスト値を例えば０．０５μｍ刻みで比較し、その
最大値（第２のコントラストカーブのピーク点）を求
め、この最大値に対応するＺ位置を真のベストフォーカ
ス位置Ｚ_bestとして算出し、メモリ内に記憶する。これ
により、ベストフォーカス位置の検出が終了する。

【０１１２】ここで、一例として、大σ開口絞り２３ａ
が使用中である場合について説明する。この場合、前述
の如く、上記ステップ１１２において、重み減衰率γが
１．０と決定されるので、重み付け関数ηとしては、次
式（１１）で表されるものが用いられる。 η＝exp｛−０．５×（Ｚ−Ｚ’）²｝ …（１１）

【０１１３】そして、上記ステップ１１４では、上式
（１１）の重み付け関数を用いて、前述の如く、仮のベ
ストフォーカス位置Ｚ’を中心として各コントラスト値
を重み付けし、その重み付け後の各コントラスト値に対
して最小自乗法によるフィッティングが行われ、図６
（Ｄ）に示されるような４次近似曲線から成る第２のコ
ントラストカーブＰ２が算出される。そして、ステップ
１１６で、図６（Ｄ）に示される真のベストフォーカス
位置（第２のベストフォーカス位置）Ｚ_bestが算出され
る。

【０１１４】また、例えば輪帯開口絞り２３ｃあるいは
変形開口絞り２３ｄ等が使用中である場合には、ステッ
プ１０４のファイン計測の結果、図６（Ｂ）に示される
第１のコントラストカーブＰ１よりもピークが緩やかな
第１のコントラストカーブが得られるので、大σ開口絞
り２３ａの場合と全く同様にして真のベストフォーカス
位置が算出される。

【０１１５】また、小σ開口絞り２３ｂが使用中である
場合には、ステップ１０４のファイン計測の結果、例え
ば図８（Ａ）に示されるような、メインピークの両側に
サブピークのある第１のコントラストカーブＰ３が得ら
れる。この図８（Ａ）における、両側のサブピークの偏
り（非対称性）は、投影光学系ＰＬの収差の影響による
ものである。

【０１１６】この場合、上記ステップ１１２において、
重み減衰率γが０．３と決定されるので、重み付け関数
ηとしては、次式（１２）で表されるものが用いられ
る。 η＝exp〔−０．５×｛（Ｚ−Ｚ’）／０．３｝²〕 …（１２）

【０１１７】上式（１２）で表される重み付け関数によ
ると、前述の式（１１）で表される大σ開口絞りのとき
の重み付け関数と比べ、重み付け中心付近の重み（重み
付け関数の値）が大きく中心からある程度離れた位置の
重みが非常に小さくなる。従って、上記（１２）式の重
み付け関数を用いることにより、真のベストフォーカス
位置算出の際のピークから離れた位置のコントラスト値
による影響を低減することができる。

【０１１８】この結果、ステップ１１６において算出さ
れる第２のコントラストカーブは、例えば図８（Ｂ）に
示されるようなコントラストカーブＰ４となり、結果的
に実際のベストフォーカス位置Ｚ₀とほぼ一致する位置
Ｚ_bestが真のベストフォーカス位置として算出されるこ
ととなる。この図８（Ｂ）と前述した図１４とを比較す
ると明らかなように、本実施形態では、小σ照明条件下
における投影光学系ＰＬの真のベストフォーカス位置の
計測精度が格段向上していることがわかる。

【０１１９】この一方、上記ステップ１０８において、
仮のベストフォーカス位置Ｚ’が算出できなかったと判
断された場合には、主制御装置５０は、ステップ１１８
の処理を行う。ここで、仮のベストフォーカス位置Ｚ’
が算出できない場合とは、算出した１５点のコントラス
トが図９（Ａ）に示されるように、単調増加（あるいは
単調減少）を示す場合が挙げられる。このような現象が
生じるのは、１つは、前回計測時からのフォーカス変動
が異常に大きい場合、あるいは、装置が初期化され、調
整時にメモリ内に記憶していたベストフォーカス位置と
真のベストフォーカス位置とが大きく相違していた場合
などが考えられる。装置が初期化された場合であって
も、調整時にメモリ内に記憶していたベストフォーカス
位置と真のベストフォーカス位置との差が小さい場合に
は、ステップ１０４において、ファイン計測中心を調整
時にメモリ内に記憶していたベストフォーカス位置とす
ることにより、仮のベストフォーカス位置は、容易に算
出されるからである。

【０１２０】ステップ１１８では、主制御装置５０は、
上記ステップ１０４で計測した１５点の計測結果のうち
の、例えば２点、例えば図９（Ａ）中のＺ_１，Ｚ_２を選
択し、その２点とメモリ内に記憶してあるコントラスト
カーブ（例えば前回のベストフォーカス位置を計測した
際のコントラストカーブや、調整時にメモリ内に記憶し
ていたコントラストカーブ、あるいは設計上のコントラ
ストカーブ）とを比較する。そして、主制御装置５０で
は、この比較結果に基づいて、次のようにして、図９
（Ｂ）中に点線で示されるようなコントラストカーブＰ
（Ｚ）のピーク位置を推測し、ファイン計測中心
（Ｚ₀’）を求める。

【０１２１】すなわち、メモリに記憶してあるコントラ
ストカーブの関数（Ｐ（Ｚ）とする）は、最小自乗近似
の結果求められているものであるから、例えばフォーカ
ス方向の位置Ｚの関数Ｐ（Ｚ）＝ｆ（Ｚ−Ｚ₀’）とし
て表すことができるものとすると、主制御装置５０で
は、上記の計測の結果得られたコントラストの計測値Ｃ
（Ｚ₁）、Ｃ（Ｚ₂）が、 Ｃ（Ｚ₁）＝ｆ（Ｚ₁−Ｚ₀’） …（１３） Ｃ（Ｚ₂）＝ｆ（Ｚ₂−Ｚ₀’） …（１４） をともに満たすような値Ｚ₀’（ファイン計測中心）を
最小自乗法によって決定する。これにより、メモリ内に
記憶してあるコントラストカーブをどれだけフォーカス
方向に変化させれば、ｆ（Ｚ−Ｚ₀）をｆ（Ｚ−Ｚ₀’）
にできるか、すなわち、メモリ内に記憶してあるコント
ラストカーブが先に選択した２点（例えば図９（Ａ）中
のＺ_１，Ｚ_２）を含むコントラストカーブと重なるかが
わかる。

【０１２２】なお、上記のほか、１５点の内の２点の大
小を比較することで、単調増加、単調減少の判断を行う
とともに、いずれか１点に基づいて記憶してあるコント
ラストカーブがどれだけシフトしているかを判断するこ
とも可能である。

【０１２３】上述のようにしてファイン計測中心Ｚ₀’
が推定されると、ステップ１０４に戻り、上記ステップ
１１８で計測されたファイン計測中心（Ｚ₀’）を中心
としてファイン計測を行い、以降、前述と同様にして仮
のベストフォーカス位置Ｚ’、真のベストフォーカス位
置Ｚ_bestを求める。

【０１２４】なお、推定されたファイン計測中心Ｚ₀’
を中心としてファイン計測を行う際に、前回の計測で計
測した１５点（図９（Ａ）、（Ｂ）に示される点）と同
じＺ位置、又はその近傍のＺ位置が計測予定位置である
場合、例えばファイン計測の計測予定Ｚ位置と前回の計
測Ｚ位置の差の絶対値が計測間隔の１／２未満となる場
合は、その最近傍のＺ位置でのファイン計測を省略する
ことで、計測の回数を削減することができ、ひいては、
スループットを向上することが可能となる。

【０１２５】なお、上記の説明では、前回の計測点のう
ちの２点を選択し、記憶してあるコントラストカーブと
比較するものとしたが、これに限らず、３点以上を選択
することで、その計測精度を向上させることも可能であ
る。

【０１２６】なお、コントラストカーブがサブピークを
有する小σ開口絞りを用いる場合には、上記ステップ１
１８では、計測点（１５点）から選択する点数を多くす
ることが望ましい。

【０１２７】なお、露光装置が初期化され、記憶してい
る前回計測時のベストフォーカス位置（及びコントラス
トカーブ）が失われた場合には、前述の如く、上記ステ
ップ１０４において調整時に記憶しているベストフォー
カス位置を中心としてファイン計測を行うのに先立っ
て、図１０（Ａ）に示されるように、その調整段階での
ベストフォーカス位置Ｚ_fを中心として、例えば光軸方
向に０．６μｍ離れた２点（Ｚ_s，Ｚ_t）で空間像計測
（以下「ラフ計測」と呼ぶ）を行い、このラフ計測の計
測結果に基づいて該２点（Ｚ_s，Ｚ_t）のコントラスト値
を算出することとしても良い（図１０（Ｂ）参照）。そ
して、このとき得られた２つのコントラスト値と、図１
０（Ｂ）中に２点鎖線で示される調整時にメモリに記憶
しているコントラストカーブＰｉとを比較し、コントラ
ストカーブＰｉがＺ軸方向に平行移動した１点鎖線で示
されるコントラストカーブＰｉ’のピーク位置をファイ
ン計測中心Ｚ₀として推定することとしても良い。

【０１２８】そして、その後ステップ１０４において、
そのＺ₀をファイン計測中心として、ファイン計測を行
うこととすれば良い。

【０１２９】このようにすると、装置が初期化された場
合において、例えば、詳細な計測（例えば０．１５μｍ
間隔）の１／２の精度（０．３０μｍ間隔）で計測を広
い範囲で行うような、通常のラフ計測を行わずに、ファ
イン計測中心を得ることが可能となっているので、スル
ープットの向上が期待される。

【０１３０】なお、この場合においても前述と同様に、
ファイン計測中心を求める際に計測した位置と同じ位
置、またはその近傍の位置、例えばファイン計測の計測
予定位置とファイン計測中心を求める際に計測した位置
との差の絶対値が計測間隔の１／２未満となる場合は、
その最近傍のフォーカス位置でのファイン計測を省略す
れば、ファイン計測の回数自体も削減することができ
る。

【０１３１】以上のようにして、本実施形態では、照明
条件の如何にかかわらず、また、装置が初期化された場
合、あるいはフォーカスの大きな変動があった場合な
ど、いずれの場合であっても、投影光学系ＰＬのベスト
フォーカス位置を精度良く求めることができる。従っ
て、主制御装置では、このようにして求められた、ベス
トフォーカス位置に基づいて、多点焦点位置検出系（６
０ａ，６０ｂ）のキャリブレーションを行い、このキャ
リブレーション後の多点焦点位置検出系（６０ａ，６０
ｂ）を用いて、走査露光中に前述したオートフォーカ
ス、オートレベリングを実行することにより、デフォー
カスの殆どない高精度な露光を実現することができる。

【０１３２】また、本実施形態では、特に装置が初期化
された場合など、少なくとも２点のＺ位置で空間像計測
を行うラフ計測が採用されているので、ラフ計測に要す
る時間、ひいてはベストフォーカス位置の計測に要する
時間が短縮できるので、その分スループットの向上が可
能となっている。

【０１３３】これまでの説明から明らかなように、本実
施形態では主制御装置５０により、計測処理装置及び算
出装置が構成されている。

【０１３４】なお、上記実施形態では、重み付け関数と
して、標準偏差を重みパラメータに置換したガウス関数
を用いる場合について説明したが、本発明が、これに限
定されるものではない。すなわち、重み付け関数として
は、例えば図１１に示されるような、０と１の値を有す
るステップ関数を用い、仮のベストフォーカス位置（第
１のベストフォーカス位置）近傍の計測値については
１、仮のベストフォーカス位置から所定量離れた位置の
計測値については０とし、その照明条件に応じて１（重
みパラメータ）の範囲Ｒｇを広げたり狭めたりすること
としても良い。これにより、小σ照明の場合に投影光学
系ＰＬに収差が存在していても、そのサブピークの影響
を受けることなく、真のベストフォーカス位置を算出す
ることが可能となる。

【０１３５】なお、上記実施形態では、０次、１次の周
波数成分の振幅を用いるものとしたが、２次以上の高次
の次数の周波数成分の振幅は一般に小さく、電気的なノ
イズ、光学的なノイズに対する振幅が十分に取れない場
合もあるが、Ｓ／Ｎ（シグナル／ノイズ）比の点で問題
がない場合には高次の周波数成分の振幅比の変化を観測
してもベストフォーカス位置を求めることは可能であ
る。

【０１３６】また、上記実施形態では、照明系開口絞り
板の状態に基づいて、重み付けパラメータである重み減
衰率を決定することとしていたが、投影光学系ＰＬの開
口数が変更可能とされた場合、あるいは更に高Ｎ．Ａ．
化した場合等についても、同様に、投影光学系ＰＬの開
口数と照明光学系の開口数とに基づいて、コヒーレンス
ファクタσを算出し、これに応じて最適な重み減衰率を
設定できるようにすることも可能である。

【０１３７】なお、上記実施形態ではＺ方向の１５点で
計測するものとしたが、これに限らず、計測にかかる時
間と、計測精度とを考慮した上で、任意に決定すること
が可能である。

【０１３８】なお、投影光学系ＰＬの像面、すなわち、
最良結像面は、光軸からの距離が異なる無数の点（すな
わち、いわゆる像の高さが異なる無数の点）におけるベ
ストフォーカス点の集合から成る面であるから、上述の
手法を用いることで、像面形状をも容易にかつ正確に求
めることができる。

【０１３９】なお、上記各実施形態では、本発明がステ
ップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用され
た場合について説明したが、これに限らず、マスクと基
板とを静止した状態でマスクのパターンを基板に転写す
るとともに、基板を順次ステップ移動させるステップ・
アンド・リピート型の露光装置にも本発明は適用するこ
とができる。

【０１４０】また、上記各実施形態では、本発明が半導
体製造用の露光装置に適用された場合について説明した
が、これに限らず、例えば、角型のガラスプレートに液
晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光装置や、薄
膜磁気へッド、撮像素子、マイクロマシン、ＤＮＡチッ
プ、及びレチクルやマスクなどを製造するための露光装
置などにも本発明は広く適用できる。

【０１４１】また、上記各実施形態では、露光用照明光
としてＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ
エキシマレーザ光（１９３ｎｍ）などを用いる場合につ
いて説明したが、これに限らず、ｇ線（４３６ｎｍ）、
ｉ線（３６５ｎｍ）、Ｆ₂レーザ光（１５７ｎｍ）、銅
蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高調波等を露光用照明光と
して用いることができる。

【０１４２】また、上記各実施形態では、投影光学系と
して縮小系かつ屈折系を用いる場合について説明した
が、これに限らず、投影光学系として等倍あるいは拡大
系を用いても良いし、屈折系、反射屈折系、あるいは反
射系のいずれを用いても良い。

【０１４３】複数のレンズから構成される照明光学系、
投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると
ともに、多数の機械部品からなるレチクルステージやウ
エハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を
接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をする
ことにより本実施形態の露光装置を製造することができ
る。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が
管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

【０１４４】《デバイス製造方法》次に上述した露光装
置をリソグラフィ工程で使用したデバイスの製造方法の
実施形態について説明する。

【０１４５】図１２には、デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の
半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、
マイクロマシン等）の製造例のフローチャートが示され
ている。図１２に示されるように、まず、ステップ２０
１（設計ステップ）において、デバイスの機能・性能設
計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、そ
の機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続
き、ステップ２０２（マスク製作ステップ）において、
設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一
方、ステップ２０３（ウエハ製造ステップ）において、
シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。

【０１４６】次に、ステップ２０４（ウエハ処理ステッ
プ）において、ステップ２０１〜ステップ２０３で用意
したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソ
グラフィ技術等によってウエハ上に実際の回路等を形成
する。次いで、ステップ２０５（デバイス組立てステッ
プ）において、ステップ２０４で処理されたウエハを用
いてデバイス組立てを行う。このステップ２０５には、
ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージン
グ工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれ
る。

【０１４７】最後に、ステップ２０６（検査ステップ）
において、ステップ２０５で作成されたデバイスの動作
確認テスト、耐久テスト等の検査を行う。こうした工程
を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。

【０１４８】図１３には、半導体デバイスにおける、上
記ステップ２０４の詳細なフロー例が示されている。図
１３において、ステップ２１１（酸化ステップ）におい
てはウエハの表面を酸化させる。ステップ２１２（ＣＶ
Ｄステップ）においてはウエハ表面に絶縁膜を形成す
る。ステップ２１３（電極形成ステップ）においてはウ
エハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ２１４
（イオン打ち込みステップ）においてはウエハにイオン
を打ち込む。以上のステップ２１１〜ステップ２１４そ
れぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成して
おり、各段階において必要な処理に応じて選択されて実
行される。

【０１４９】ウエハプロセスの各段階において、上述の
前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程
が実行される。この後処理工程では、まず、ステップ２
１５（レジスト形成ステップ）において、ウエハに感光
剤を塗布する。引き続き、ステップ２１６（露光ステッ
プ）において、上で説明したリソグラフィシステム（露
光装置）及び露光方法によってマスクの回路パターンを
ウエハに転写する。次に、ステップ２１８（エッチング
ステップ）において、レジストが残存している部分以外
の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そし
て、ステップ２１９（レジスト除去ステップ）におい
て、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除
く。

【０１５０】これらの前処理工程と後処理工程とを繰り
返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターン
が形成される。

【０１５１】以上説明した本実施形態のデバイス製造方
法を用いれば、露光工程（ステップ２１６）において上
記実施形態の露光装置が用いられるので、精度良くレチ
クルのパターンをウエハ上に転写することができる。こ
の結果、高集積度のデバイスの生産性（歩留まりを含
む）を向上させることが可能になる。

【０１５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光学
特性計測方法及び装置によれば、投影光学系のベストフ
ォーカス位置の計測に際して、精度面及び時間的な面の
少なくとも一方の面で計測能力の向上に寄与するという
効果がある。

【０１５３】また、本発明に係る露光装置によれば、高
精度な露光を実現することができるという効果がある。

【０１５４】また、本発明に係るデバイス製造方法は、
高集積度のマイクロデバイスの生産性の向上に寄与する
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態に係る露光装置の概略的な構成を示
す図である。

【図２】照明光学系を構成する照明系開口絞り板の構成
を示す図である。

【図３】図１の空間像計測装置の内部構成を示す図であ
る。

【図４】図４（Ａ）は、空間像の計測に際してスリット
板上に空間像ＰＭ’が形成された状態を示す平面図、図
４（Ｂ）はその空間像計測の際に得られる光電変換信号
（光強度信号）Ｐの一例を示す線図である。

【図５】空間像計測装置を用いた投影光学系のベストフ
ォーカス位置の検出方法を示すフローチャートである。

【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、大σ開口絞りを用
いた場合の、投影光学系の真のベストフォーカスの算出
を説明するための図である。

【図７】図７（Ａ）は、本実施形態に係る重み付け分類
表を示す図であり、図７（Ｂ）は、重み付け分類表の変
形例である。

【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）は、小σ開口絞りを用
いた場合の、投影光学系の真のベストフォーカス位置の
算出を説明するための図である。

【図９】図９（Ａ），図９（Ｂ）は、図５のステップ１
１８の処理を説明するための図である。

【図１０】図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、装置が初期
化された場合のラフ計測を表す図である。

【図１１】重み付け関数としてステップ関数を用いたベ
ストフォーカス位置計測を示す図である。

【図１２】本発明に係るデバイス製造方法の実施形態を
説明するためのフローチャートである。

【図１３】図１２のステップ２０４の詳細を示すフロー
チャートである。

【図１４】従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

１２…照明光学系（照明装置の一部）、１４…光源（照
明装置の一部）、２２…スリット（計測マーク）、２４
…光センサ（光電変換素子）、５０…主制御装置（計測
処理装置、算出装置）、５９…空間像計測装置（光学特
性計測装置）、９０…スリット板（パターン形成部
材）、１００…露光装置、ＩＬ…照明光、ＰＬ…投影光
学系、ＰＭ…パターン、ＰＭ’…空間像、Ｒ…レチクル
（マスク）、Ｗ…ウエハ（基板）、ＷＳＴ…ウエハステ
ージ（基板ステージ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 齋藤 浩司 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 (72)発明者 萩原 恒幸 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 Ｆターム(参考） 2G086 HH01 5F046 AA25 BA04 BA05 CB17 CC01 CC03 CC05 DA14 DB01 DB05 DC10 DC12

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投影光学系の光学特性を計測する光学特
   性計測方法であって、 照明光により所定のパターンを照明し、該パターンの空
   間像を前記投影光学系を介して像面近傍に形成する工程
   と；前記投影光学系の像面側に配置された計測用パター
   ンを前記空間像に対して相対的に走査するとともに、前
   記計測用パターンを介した前記照明光の強度に応じた光
   電変換信号を前記計測用パターンの前記光軸方向の複数
   の位置毎に得る工程と；前記複数の位置毎に得られた光
   電変換信号のコントラスト値をカーブフィットして得ら
   れる第１のコントラストカーブに基づいて前記投影光学
   系の仮のベストフォーカス位置を求める工程と；前記投
   影光学系を照明する照明条件に応じて定まる重みパラメ
   ータを含み、前記仮のベストフォーカス位置を中心とす
   る重み付け関数を用いて前記コントラスト値を重み付け
   して第２のコントラストカーブを算出し、該第２のコン
   トラストカーブに基づいて前記投影光学系の真のベスト
   フォーカス位置を算出する工程と；を含む光学特性計測
   方法。
2. 【請求項２】 前記重み付け関数は、前記重みパラメー
   タとして標準偏差を含むガウス関数であることを特徴と
   する請求項１に記載の光学特性計測方法。
3. 【請求項３】 前記重み付け関数は、重みの値が、前記
   照明条件に応じて定まる所定幅の中央部では１、その両
   側では０となるステップ関数であることを特徴とする請
   求項１に記載の光学特性計測方法。
4. 【請求項４】 前記照明条件は、前記パターンを照明す
   る照明光学系の開口数を前記投影光学系の開口数で除し
   たコヒーレンスファクタに対応する条件であることを特
   徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学特性
   計測方法。
5. 【請求項５】 投影光学系の光学特性を計測する光学特
   性計測方法であって、 照明光により所定のパターンを照明し、該パターンの空
   間像を前記投影光学系を介して像面近傍に形成する工程
   と；前記投影光学系の像面側に配置された計測用パター
   ンを前記空間像に対して相対的に走査するとともに、前
   記計測用パターンを介した前記照明光の強度に応じた光
   電変換信号を前記計測用パターンの前記光軸方向の少な
   くとも２つの位置でそれぞれ得る工程と；前記得られた
   光電変換信号にそれぞれ対応する少なくとも２点のコン
   トラスト値を、予め用意した基準コントラストカーブと
   比較して、前記少なくとも２点のコントラスト値をカー
   ブフィットして得られる第１のコントラストカーブ上の
   ピーク点を算出し、そのピーク点に対応する前記計測用
   パターンの光軸方向の位置を前記投影光学系の第１のベ
   ストフォーカス位置として算出する工程と；を含む光学
   特性計測方法。
6. 【請求項６】 前記計測用パターンを前記空間像に対し
   て相対的に走査するとともに、前記計測用パターンを介
   した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を前記第１
   のベストフォーカス位置を含む所定幅の範囲内の前記計
   測用パターンの前記光軸方向の複数位置毎に得る工程
   と；前記得られた複数位置毎の光電変換信号のコントラ
   スト値をカーブフィットして得られる第２のコントラス
   トカーブのピーク点に対応する前記計測用パターンの光
   軸方向の位置を前記投影光学系の第２のベストフォーカ
   ス位置として算出する工程と；を更に含むことを特徴と
   する請求項５に記載の光学特性計測方法。
7. 【請求項７】 投影光学系の光学特性を計測する光学特
   性計測装置であって、 所定のパターンの空間像を前記投影光学系を介して像面
   上に形成するため、前記パターンを照明する照明装置
   と；前記投影光学系の像面側に配置され、計測用パター
   ンが形成されたパターン形成部材と；前記計測用パター
   ンを介した前記照明光を光電変換して、前記計測用パタ
   ーンを介した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を
   出力する光電変換素子と；前記照明装置により前記所定
   のパターンが照明され、前記像面上に前記空間像が形成
   された状態で、前記パターン形成部材を、前記空間像に
   対して相対的に走査するとともに、前記空間像に対応す
   る前記光電変換素子からの光電変換信号を前記投影光学
   系の光軸方向に関する前記パターン形成部材の複数の位
   置毎に計測する計測処理装置と；前記複数の位置毎に得
   られた光電変換信号のコントラスト値をカーブフィット
   して得られる第１のコントラストカーブに基づいて前記
   投影光学系の仮のベストフォーカス位置を算出し、前記
   照明装置の照明条件に応じて定まる重みパラメータを含
   み、前記仮のベストフォーカス位置を中心とする重み付
   け関数を用いて前記コントラスト値を重み付けして第２
   のコントラストカーブを算出し、該第２のコントラスト
   カーブに基づいて前記投影光学系の真のベストフォーカ
   ス位置を算出する算出装置と；を備える光学特性計測装
   置。
8. 【請求項８】 前記算出装置は、前記重み付け関数とし
   て、前記重みパラメータとして標準偏差を含むガウス関
   数を用いて前記重み付けを行うことを特徴とする請求項
   ７に記載の光学特性計測装置。
9. 【請求項９】 前記算出装置は、前記重み付け関数とし
   て、重みの値が、前記照明条件に応じて定まる所定幅の
   中央部では１、その両側では０となるステップ関数を用
   いて前記重み付けを行うことを特徴とする請求項７に記
   載の光学特性計測装置。
10. 【請求項１０】 マスクに形成された回路パターンを投
    影光学系を介して基板に転写する露光装置であって、 前記基板を保持して移動する基板ステージと；前記パタ
    ーン形成部材が前記基板ステージの一部に設けられた請
    求項７〜９のいずれか一項に記載の光学特性計測装置
    と；を備える露光装置。
11. 【請求項１１】 リソグラフィ工程を含むデバイス製造
    方法であって、 前記リソグラフィ工程では、請求項１０に記載の露光装
    置を用いて露光を行うことを特徴とするデバイス製造方
    法。