JP4873242B2 - ベストフォーカス検出方法及び露光方法、並びに露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベストフォーカス検出方法及び露光方法、並びに露光装置に係り、更に詳しくは、投影光学系のベストフォーカス位置を検出するベストフォーカス検出方法及び該ベストフォーカス検出方法を利用する露光方法、並びに前記ベストフォーカス検出方法の実施に好適な露光装置に関する。

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物体（以下、「ウエハ」と総称する）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（スキャナとも呼ばれる））等の逐次移動型の投影露光装置が用いられている。

この種の投影露光装置を用いて露光を行う際には、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、投影光学系の光軸方向に関するウエハの位置を、焦点位置検出系（フォーカス検出系）により検出し、その検出結果に基づいて、ウエハ上の被露光領域（露光光が照射される領域）を投影光学系の最良結像面に一致させる（焦点深度の範囲内に位置させる）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検出するとともに、その検出結果に基づいて上述の焦点位置検出系（フォーカス検出系）のキャリブレーション、すなわち検出原点の調整又は検出オフセットの調整を行うことが重要である。

投影光学系のベストフォーカス位置の検出方法としては、投影光学系の光軸方向に関する異なる位置で、計測用レチクルに形成された計測用マークを投影光学系を介してウエハ上の異なる位置に転写し、そのウエハに形成されたマークの転写像の形成状態に基づいて投影光学系のベストフォーカス位置を検出する方法（焼付け法）と、実際の露光を行うことなく、投影光学系の像面側に配置されるウエハステージ上に空間像計測装置を設け、この空間像計測装置により前述の計測用マークの投影像（空間像）の光強度を検出することで、その検出結果に基づいて投影光学系のベストフォーカス位置を検出する方法（空間像計測法）とが知られている。ここで、空間像計測装置とは、ウエハが載置されるウエハステージ上に設けられ、所定形状の開口パターンが形成されたパターン板と、該パターン板を介した光を受光する受光系とを有する装置の総称である。

空間像計測法による、従来のベストフォーカス位置の検出は、大略次のａ．〜ｄ．のような手順で行われていた（特許文献１、２、３等参照）。

ａ． 計測用マーク（例えばラインアンドスペースパターンから成るマークとする）が形成され、投影光学系の物体面に配置されたレチクルなどを照明光により照明し、前記計測用マークの像を投影光学系により像面に投影した状態で、その投影像に対してパターン板が走査されるように、ウエハステージを投影光学系の光軸に直交する２次元面内で所定方向に移動し、その移動中にパターン板を介した光を受光系により受光して計測用マークの空間像を計測する。
ｂ． 上記ａ．のような空間像計測を、投影光学系の光軸方向に関する複数の位置（以下、便宜上「Ｚ位置」と呼ぶ）で繰り返す。
ｃ．そして、各Ｚ位置での空間像の光強度信号波形をそれぞれフーリエ変換し、各Ｚ位置での空間像の光強度信号波形から得られる例えばコントラスト（一次周波数成分と直流成分との振幅比）などの所定の情報をそれぞれ求める。
ｄ． そして、Ｚ位置を横軸としコントラスト値を縦軸とする直交座標系上に、上記ｃ．の結果として得られた複数点（例えば１５点）の座標位置（Ｚ位置、コントラスト値）をプロットし、これら複数点を最小自乗近似して得られる近似曲線に基づいてベストフォーカス位置を検出する。

しかしながら、上記従来の空間像計測法によるベストフォーカス検出方法にあっては、上の説明からもわかるように、投影光学系の光軸方向に関してパターン板（ウエハステージ）の位置を、多段階で変更し、かつ各位置で、ウエハステージ（パターン板）を、空間像に対して走査する動作が必要不可欠であることから、必然的に計測に長時間を要していた。かかる不都合を改善するための方法として、上述のステップ数を削減することが考えられるが、このようにすると、ベストフォーカス位置の検出精度が低下してしまう。

米国特許出願公開第２００２／４１３７７号明細書 特開２００２−１４００５号公報 特開２００２−１９８３０３号公報

本発明は、上述した事情の下になされたものであり、第１の観点からすると、第１面上に配置されたパターンの像を第２面上に形成する投影光学系のベストフォーカス位置を検出するベストフォーカス検出方法であって、所定の発振周波数でパルス発振される照明光により前記第１面上に配置されたマークを照明しつつ、前記第２面の近傍で、かつ前記投影光学系の光軸に直交する２次元面内で、前記投影光学系によって形成された前記マークの像に対して開口パターンが形成されたパターン板を所定の計測方向に走査し、該走査中に前記開口パターンを介した前記照明光を受光して、前記計測方向に関する前記マークの像の中心位置の情報を検出する第１工程と；前記マークの像の中心位置の情報に基づいて、前記パターン板を位置決めし、前記照明光により前記第１面上に配置されたマークを照明しつつ、前記パターン板を前記光軸方向に移動させ、その移動中に、前記発振周波数に基づいて設定されたサンプリング間隔で、前記パターン板の前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを取得する第２工程と；取得した位置データと、取得した強度データとに基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を算出する第３工程と；を含むベストフォーカス検出方法である。

これによれば、所定の発振周波数でパルス発振される照明光により第１面上に配置されたマークを照明しつつ、第２面の近傍の投影光学系の光軸に直交する２次元面内で投影光学系によるマークの像（空間像）に対してパターン板を所定の計測方向に走査し、該走査中にパターン板に形成された開口パターンを介した照明光を受光することにより、計測方向に関するマークの像の中心位置の情報を検出する。次いで検出されたマークの像の中心位置の情報に基づいて、パターン板を位置決めした状態で、照明光により前記マークを照明しつつ、パターン板を投影光学系の光軸方向に移動させ、その移動中に、前記発振周波数に基づいて設定されたサンプリング間隔で、パターン板の前記光軸方向に関する位置データ及び照明光の強度データを取得する。この場合、パターン板を前記光軸方向に連続移動させながら前記各データの取得が可能である。

そして、上述のようにして取得した位置データと、強度データとに基づいて、投影光学系のベストフォーカス位置を算出する。

このように、本発明のベストフォーカス検出方法では、投影光学系の光軸に直交する２次元面内でのパターン板の１回の走査と、その走査後における投影光学系の光軸方向に関するパターン板の１回の走査との組み合わせによって、投影光学系のベストフォーカス位置を算出するためのデータの取得が可能となる。従って、前述の従来例のように、パターン板を光軸方向に関して多数の位置に変化させ、しかも各位置でパターン板を走査させる必要がないので、格段に計測時間を短縮することが可能である。また、上記のサンプリング間隔を可能な範囲で細かく設定することにより、多くのデータを取得可能であることから、ベストフォーカス位置の検出精度（検出分解能）の向上も期待される。

この場合において、前記第３工程では、移動平均を用いて前記複数の位置データ及び複数の強度データの少なくとも一方の平滑化を少なくとも一回行い、平滑化後の両方のデータ、又は平滑化後の一方のデータ及び平滑化されていない他方のデータを用いて前記パターン板の前記光軸方向の位置に対する前記照明光の強度の変化曲線を算出し、その変化曲線に基づいて前記ベストフォーカス位置を算出することとすることができる。かかる場合には、上記平滑化によりノイズ成分の影響を低減することができる結果、ベストフォーカス位置の検出精度を向上させることが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、投影光学系を介して物体上に所定のパターンを形成する露光方法であって、本発明のベストフォーカス検出方法を用いて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を検出する検出工程と；前記ベストフォーカス位置の検出結果を利用して前記投影光学系の光軸方向に関する前記物体の位置を調整し、前記パターンを前記投影光学系を介して前記物体上に形成する露光工程と；を含む露光方法である。

これによれば、本発明のベストフォーカス検出方法を用いて、投影光学系のベストフォーカス位置を検出し（検出工程）、該検出工程の検出結果を利用して、投影光学系の光軸方向に関する物体の位置を調整し、パターンを投影光学系を介して光軸方向に関する位置が調整された物体上に形成する（露光工程）。従って、検出工程の処理が短時間で行われることから、検出工程及び露光工程を含む全工程のスループットの向上を図ることが可能である。また、前述の如く、投影光学系のベストフォーカス位置を検出精度の向上も可能であることから、結果的にデフォーカスによる露光不良の殆どない、パターンの物体上での高精度な形成が可能となる。

本発明は第３の観点からすると、第１面上に配置されたパターンを投影光学系を用いて、第２面上に配置された物体上に形成する露光装置であって、開口パターンが設けられた移動体と；前記移動体を前記投影光学系の光軸方向及びこれに直交する２次元面内方向に駆動する駆動系と；前記移動体に設けられた開口パターンを介し、所定の発振周波数でパルス発振される照明光を受光する受光素子を含むセンサ部と；前記第１面上に配置されたマークを前記照明光により照明する照明系と；前記マークを照明系からの前記照明光により照明しつつ、前記投影光学系によって形成された前記マークの像に対して、前記第２面の近傍の前記２次元面内で、前記開口パターンが所定の計測方向に走査されるように、前記駆動系を介して前記移動体を前記計測方向に走査駆動し、該走査駆動中に前記センサ部の前記受光素子からの出力信号に基づいて前記計測方向に関する前記マークの像の中心位置の情報を検出する第１の処理装置と；前記マークの像の中心位置の情報に基づいて前記移動体を位置決めし、前記照明系からの前記照明光により前記第１面上に配置された前記マークを照明しつつ、前記駆動系を介して前記移動体を前記光軸方向に移動し、その移動中に、前記発振周波数に基づいて設定されたサンプリング間隔で、前記移動体の前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを取得する第２の処理装置と；前記第２の処理装置が取得した前記位置データと、前記第２の処理装置が取得した前記強度データとに基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を算出する演算装置と；を備える露光装置である。

これによれば、第１の処理装置が、第１面上に配置されたマークを照明系からの所定の発振周波数でパルス発振される照明光により照明しつつ、投影光学系によるマークの像に対して、第２面の近傍で移動体に設けられた所定の開口パターンが２次元面内の所定の計測方向に走査されるように、駆動系を介して移動体を前記計測方向に走査駆動し、該走査駆動中にセンサ部の受光素子からの出力信号に基づいて計測方向に関するマークの像の中心位置の情報を検出する。そして、第２の処理装置は、第１の処理装置により検出されたマークの像の中心位置の情報に基づいて移動体を位置決めした状態で、照明系からの照明光により第１面上に配置されたマークを照明しつつ、駆動系を介して移動体を光軸方向に移動し、その移動中に、前記発振周波数に基づいて設定されたサンプリング間隔で、前記移動体の前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを取得する。この場合、第２の処理装置は、パターン板を前記光軸方向に連続移動させながら前記各データの取得が可能である。

そして、演算装置が、第２の処理装置が上述のようにして取得した位置データと、第２の処理装置が取得した強度データとに基づいて、投影光学系のベストフォーカス位置を算出する。

このように、本発明の露光装置では、第１の処理装置による、投影光学系の光軸に直交する２次元面内での移動体（パターン板）の１回の走査と、その走査後における、第２の処理装置による移動体（パターン板）の投影光学系の光軸方向に関する１回の走査との組み合わせによって、投影光学系のベストフォーカス位置を算出するためのデータの取得が可能となる。従って、前述の従来例のように、パターン板を光軸方向に関して多数の位置に変化させ、しかも各位置でパターン板を走査させる必要がないので、格段計測時間を短縮することが可能である。また、上記のサンプリング間隔を可能な範囲で細かく設定することにより、第２の処理装置は、多くのデータを取得可能であることから、この取得したデータに基づいて演算装置により算出されるベストフォーカス位置の算出精度（検出分解能）が向上することも期待される。

また、演算装置で算出された投影光学系のベストフォーカス位置に基づいて、投影光学系の光軸方向に関する物体の位置を調整し、パターンを投影光学系を介して物体上に形成するようにすることで、デフォーカスによる露光不良の殆どない、パターンの物体上での高精度な形成が可能となる。

本発明の一実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。 図１の空間像計測装置を説明するための図である 一実施形態のベストフォーカス位置の検出方法を説明するためのフローチャートである。 図３の事前計測サブルーチンを示すフローチャートである。 スリット板が異なるＺ位置にあるときに水平スキャンによる空間像計測によって得られる計測用マークの空間像プロファイルと、Ｚスキャン計測により得られるスリット透過光強度の変化曲線とを示す図である。 計測用マークＰＭの投影像の投影中心とスリット１２２の中心との計測方向（Ｘ軸方向）の位置がずれている状態と、一致している状態との、Ｚスキャン計測により得られるスリット透過光強度の変化曲線同士の関係を示す図である。 Ｚスキャン計測において得られるＺ位置とスリット透過光強度との関係を示す図である。 Ｚスキャンを行う範囲の設定が不適切な場合に生じる不都合を説明するための図である。 移動平均処理前の光センサの光電変換信号の一例を示す図である。 移動平均処理後の図８（Ａ）の光電変換信号示す図である。 移動平均処理前の多点焦点位置検出系の出力信号の一例を示す図である。 移動平均処理後の図９（Ａ）の出力信号を示す図である。 移動平均処理前のＺスキャン計測により得られたスリット透過光強度の変化曲線の一例を示す図である。 図１０（Ａ）の変化曲線に対して１回の移動平均処理を行った後に得られるスリット透過光強度の変化曲線を示す図である。 図１０（Ａ）の変化曲線に対して２回の移動平均処理を行った後に得られるスリット透過光強度の変化曲線を示す図である。 ベストフォーカス位置の検出方法について説明するための図である。 ラインアンドスペースパターンを用いてベストフォーカス位置を計測する動作を説明するための図（その１）である。 ラインアンドスペースパターンを用いてベストフォーカス位置を計測する動作を説明するための図（その２）である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１１に基づいて説明する。

図１には、一実施形態に係る露光装置１００の概略的な構成が示されている。この露光装置１００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（スキャナとも呼ばれる）である。

この露光装置１００は、光源及び照明光学系（いずれも不図示）を含む照明系１０、レチクルＲが載置されるレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、ウエハＷが載置されるウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を備えている。また、上記各構成部分のうち、光源及び制御系の一部以外の部分は、実際には、内部の温度、圧力等の環境条件がほぼ一定に維持された不図示の環境制御チャンバ（エンバイロンメンタル・チャンバ）内に収容されている。

前記照明系１０は、例えば特開２００１−３１３２５０号公報及びこれに対応する米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されるように、光源、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）等を含む照度均一化光学系、ビームスプリッタ、リレーレンズ、可変ＮＤフィルタ、レチクルブラインド等（いずれも不図示）を含む。この照明系１０では、レチクルブラインドで規定されたレチクルＲ上のスリット状の照明領域を照明光（露光光）ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。ここで、光源としては、一例として波長１９３ｎｍの真空紫外域のパルスレーザ光を出力する（発振する）ＡｒＦエキシマレーザが用いられている。また、オプティカルインテグレータとしては、フライアイレンズ、ロッドインテグレータ（内面反射型インテグレータ）あるいは回折光学素子などを用いることができる。なお、照明系を、例えば特開平６−３４９７０１号公報及びこれに対応する米国特許第５，５３４，９７０号などに開示されるような照明系と同様に構成しても良い。本国際出願で指定した指定国（又は選択した選択国）の国内法令が許す限りにおいて、上記各公報及び対応する米国特許出願公開明細書又は米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

前記レチクルステージＲＳＴ上には、回路パターンなどがそのパターン面（図１における下面）に形成されたレチクルＲが載置され、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定されている。このレチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系５６Ｒにより、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所定の走査方向（ここでは、図１における紙面直交方向であるＹ軸方向とする）に指定された走査速度で駆動可能となっている。

レチクルステージＲＳＴ上には、移動鏡５２Ｒが固定され、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置が、その移動鏡５２Ｒを介してレチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）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（Ｙ軸方向）に直交する反射面を有するＹ移動鏡と非走査方向（Ｘ軸方向）に直交する反射面を有するＸ移動鏡とが設けられ、これらの移動鏡に対応してレチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計とが設けられているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｒ、レチクル干渉計５４Ｒとして示されている。なお、例えば、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工して反射面（上述のＸ移動鏡、Ｙ移動鏡の反射面に相当）を形成しても良い。また、レチクルステージＲＳＴの走査方向（本実施形態ではＹ軸方向）の位置検出に用いられるＸ軸方向に伸びた反射面の代わりに、少なくとも１つのコーナーキューブ型ミラー（例えばレトロリフレクタ）を用いても良い。ここで、レチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計の一方、例えばレチクルＹ干渉計は、測長軸を２軸有する２軸干渉計であり、このレチクルＹ干渉計の計測値に基づきレチクルステージＲＳＴのＹ位置に加え、Ｚ軸回りの回転方向（θｚ方向）の回転も計測できる。

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（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に送られる。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に基づいて、レチクルステージ駆動系５６Ｒを介してレチクルステージＲＳＴの移動を制御する。

前記投影光学系ＰＬは、その光軸ＡＸの方向をＺ軸方向とし、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に配置されている。投影光学系ＰＬは、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を含む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、例えば１／４又は１／５等である。このため、照明系１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上でＸ軸方向に細長く伸びるスリット状又は円弧状の照明領域（前述のレチクルブラインドで規定される）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を介してその照明領域内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（感光剤）が塗布されたウエハＷ上の前記照明領域と共役な照明光ＩＬの投射領域（以下、「露光領域」とも呼ぶ）に形成される。

前記ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ４２と、該ＸＹステージ４２上に搭載された移動体の少なくとも一部を構成するＺチルトステージ３８とを含む。

前記ＸＹステージ４２は、ウエハステージベース１６の上面の上方に不図示のエアベアリングによって例えば数μｍ程度のクリアランスを介して支持され、ウエハステージ駆動系５６Ｗを構成する不図示のリニアモータ等によって走査方向であるＹ軸方向（図１における紙面直交方向）及びこれに直交するＸ軸方向（図１における紙面内左右方向）に２次元駆動が可能に構成されている。

前記Ｚチルトステージ３８は、３つのＺ位置駆動系２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ（但し、紙面奥側のＺ位置駆動系２７Ｃは不図示）によってＸＹステージ４２上で３点にて支持されている。これらのＺ位置駆動系２７Ａ〜２７Ｃは、Ｚチルトステージ３８下面のそれぞれの支持点を投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に独立して駆動する３つのアクチュエータ（例えばボイスコイルモータなど）２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ（但し、紙面奥側のアクチュエータ２１Ｃは不図示）と、これらのアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃそれぞれによる各支持点のＺ軸方向の駆動量（基準位置からの変位）をそれぞれ検出するエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ（但し、紙面奥側のエンコーダ２３Ｃは不図示）とを含む。ここでエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃとしては、例えば光学式又は静電容量式等のリニアエンコーダを使用することができる。本実施形態では、上記アクチュエータ２１Ａ〜２１ＣによってＺチルトステージ３８を、光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）及び光軸に直交する面（ＸＹ面）に対する傾斜方向、すなわちＸ軸回りの回転方向であるθｘ方向、Ｙ軸回りの回転方向であるθｙ方向に駆動する駆動装置の少なくとも一部が構成されている。また、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃで計測されるＺチルトステージ３８のＺ位置駆動系２７Ａ〜２７Ｃによる各支持点のＺ軸方向の駆動量（基準点からの変位量）は、ステージ制御装置７０及びこれを介して主制御装置５０に供給される。

Ｚチルトステージ３８上には、移動鏡５２Ｗが固定され、外部に配置されたウエハレーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）５４Ｗによって、その移動鏡を介して、Ｚチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）のＸＹ面内の位置が例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出されている。

ここで、実際には、Ｚチルトステージ３８上には、走査露光時の走査方向であるＹ軸方向に直交する反射面を有するＹ移動鏡と非走査方向であるＸ軸方向に直交する反射面を有するＸ移動鏡とが設けられ、これに対応してウエハ干渉計もＸ軸方向位置計測用のＸレーザ干渉計とＹ軸方向位置計測用のＹレーザ干渉計とが設けられているが、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。なお、例えば、Ｚチルトステージ３８の端面を鏡面加工して反射面（前述のＸ移動鏡、Ｙ移動鏡の反射面に相当）を形成しても良い。また、Ｘレーザ干渉計及びＹレーザ干渉計は測長軸を複数有する多軸干渉計であり、ウエハステージＷＳＴのＸ、Ｙ位置の他、回転（ヨーイング（Ｚ軸回りの回転であるθｚ回転）、ピッチング（Ｘ軸回りの回転であるθｘ回転）、ローリング（Ｙ軸回りの回転であるθｙ回転））も計測可能である。従って、以下の説明ではウエハ干渉計５４Ｗによって、Ｚチルトステージ３８のＸ、Ｙ、θｚ、θｙ、θｘの５自由度方向の位置が計測されるものとする。また、多軸干渉計は４５°傾いてＺチルトステージ３８に設置される反射面を介して、投影光学系ＰＬが載置される架台（不図示）に設置される反射面にレーザビームを照射し、投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に関する相対位置情報を検出するようにしても良い。

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に供給される。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に応じてウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御する。

前記Ｚチルトステージ３８上に、ウエハホルダ２５が設けられ、該ウエハホルダ２５にウエハＷが載置され、ウエハホルダ２５によって真空吸着（又は静電吸着）によって固定されている。

Ｚチルトステージ３８の内部には、図２に示されるように、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。

空間像計測装置５９は、Ｚチルトステージ３８に設けられたステージ内構成部分、すなわちスリット板１９０、レンズ８４、光路折り曲げ用のミラー８８、９０、及び送光レンズ８６と、ウエハステージＷＳＴの外部に設けられたステージ外構成部分、すなわち受光レンズ８９、光電変換素子から成る光センサ２４等とを備えている。

これを更に詳述すると、前記スリット板１９０は、図２に示されるように、Ｚチルトステージ３８の上面に突設された円筒状の凸部５８に、その上部開口を閉塞する状態で固定されている。このスリット板１９０の上面は、前述のウエハホルダ２５に吸着されたウエハＷの表面とほぼ同一面上に位置する（面一となる）ような状態とされている。スリット板１９０は、波長１９３ｎｍの照明光ＩＬの透過性の良い、合成石英、あるいはホタル石などを素材とする円形の受光ガラス８２と、該受光ガラス８２の上面の中央部の円形領域を除く部分に形成されたアルミニウムなどの金属の薄膜から成る遮光膜を兼ねる反射膜８３及び前記円形領域内に形成されたクロムの薄膜から成る遮光膜９１とを有している。

前記反射膜８３は、一例としてＹ軸方向の長さが５０ｍｍ、Ｘ軸方向の長さが３０ｍｍのほぼ長方形状で、中央の遮光膜９１は、その直径が例えば４．５ｍｍ程度となっている。この遮光膜９１に、Ｙ軸方向に細長く延びる所定幅のスリット状の開口パターン（以下、適宜「スリット」と略述する）１２２がパターンニングにより形成されている。所定幅は、例えば０．２μｍとされているものとする。

スリット板１９０下方のＺチルトステージ３８内部には、図２に示されるように、前述の開口パターン１２２の下方に、レンズ８４、折り曲げミラー８８が順次配置されている。折り曲げミラー８８は、４５°で斜設されている。このため、開口パターン１２２及び受光ガラス８２を介して鉛直下向き（−Ｚ方向）に入射した照明光ＩＬ（像光束）は、レンズ８４を透過して折り曲げミラー８８によってその光路が＋Ｘ方向に向けて９０°折り曲げられる。この折り曲げミラー８８で折り曲げられた照明光ＩＬの光路後方には更にその光路を９０°折り曲げて鉛直上向き（＋Ｚ方向）に折り曲げるミラー９０が配置され、このミラー９０によって折り曲げられた照明光ＩＬの光路後方に位置するＺチルトステージ３８の上壁部分に照明光ＩＬをＺチルトステージ３８の外部に送り出す送光レンズ８６が固定されている。

送光レンズ８６によってＺチルトステージ３８の外部に送り出される照明光ＩＬの光路上には、送光レンズ８６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８９の上方の位置には、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を介して投影光学系ＰＬの鏡筒の側面に固定されている。受光レンズ８９、光センサ２４及びケース９２を含んで、受光器９４が構成されている。

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（ＰＭＴ、光電子増倍管）などが用いられる。この光センサ２４の出力信号は、図１に示される信号処理装置８０に送られる。この信号処理装置８０は、例えば増幅器、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）などを含む。この信号処理装置８０からの出力は、主制御装置５０に送られる。

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、例えば、後述する計測用レチクルなどに形成された計測用マークの投影光学系ＰＬによる像（空間像）を計測する際には、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬによってスリット板１９０が照明されると、そのスリット板１９０上の開口パターン１２２を透過した照明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及び９０、送光レンズ８６を介してＺチルトステージ３８の外部に導き出される。そして、そのＺチルトステージ３８の外部に導き出された光は、受光器９４（より正確には光センサ２４）によって受光され、該受光器９４の光センサ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に供給される。

本実施形態では、上記の空間像の計測に際しては、スリット板１９０を空間像に対して横切るようにする必要があり、その際、送光レンズ８６が、受光器９４に対して移動することになる。従って、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８６からの照明光がすべて受光器９４へ入射するように、各レンズ、及びミラーの大きさが設定されている。

空間像計測装置５９は、上述のように構成されているため、光センサ２４の発熱に起因してウエハ干渉計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、Ｚチルトステージ３８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、Ｚチルトステージ３８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Ｚチルトステージ３８の駆動精度が悪影響を受けることもない。

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Ｚチルトステージ３８の内部に設けても良い。

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）又は位置制御の基準となる基準マークを検出するオフアクシス・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、アライメント用光源（ブロードバンドの照明光を出射するハロゲンランプ等）、光学系、指標マークが形成されている指標板及び撮像素子（ＣＣＤ）等を含む、いわゆるＦＩＡ（Field Image Alignment）系の画像処理方式のアライメントセンサが用いられている。このアライメント系ＡＬＧからの撮像信号は、不図示のアライメント制御装置に送られ、このアライメント制御装置では、アライメント系の検出中心（前述の指標マークの中心に相当する）に対するアライメントマーク（又は基準マーク）の位置情報を主制御装置５０に出力する。主制御装置５０では、その位置情報とそのときのウエハ干渉計５４Ｗの出力であるウエハステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、ウエハ干渉計５４Ｗの測長軸で規定されるステージ座標系上におけるアライメン卜マークの位置座標を算出するようになっている。

更に、本実施形態の露光装置１００では、図１に示されるように、照射系６０ａ及び受光系６０ｂを含む光軸ＡＸ方向に関するウエハＷの位置を検出する検出装置の少なくとも一部を構成する斜入射方式の多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）が設けられている。照射系６０ａは、主制御装置５０によってそのオン・オフが制御される光源を有しており、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光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向よりウエハＷの表面に照射する。受光系６０ｂは、それらの光束がウエハＷ表面で反射することによって発生する反射光束を受光し、主制御装置５０に対して焦点ずれを検出するための焦点ずれ信号（デフォーカス信号）、例えばＳカーブ信号を送信する。なお、この多点焦点位置検出系（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６−２８３４０３号公報及びこれに対応する米国特許第５，４４８，３３２号等に開示されている。本国際出願で指定した指定国（又は選択した選択国）の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び対応する米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

さらに、図１では図示が省略されているが、本実施形態の露光装置１００では、レチクルＲの上方に、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上のレチクルマークと対応する基準マーク板上の基準マークとを同時に観察するための露光波長の光を用いたＴＴＲ（Through The Reticle）アライメント系から成る一対のレチクルアライメント検出系がＸ軸方向に所定距離隔てて設けられている。これらのレチクルアライメント検出系としては、例えば特開平７−１７６４６８号公報及びこれに対応する米国特許第５，６４６，４１３号などに開示されるものと同様の構成のものが用いられる。本国際出願で指定した指定国（又は選択した選択国）の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び対応する米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

前記制御系は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）を含む主制御装置５０を中心として構成され、該主制御装置５０の制御下にあるステージ制御装置７０、信号処理装置８０などを含む。

次に、上述のようにして構成された本実施形態の露光装置１００において行われるベストフォーカス位置の検出手順について、主制御装置５０内ＣＰＵによって実行される、ベストフォーカス位置検出に関する処理アルゴリズムを示す図３（及び図４）のフローチャートに沿って、かつ適宜その他図面を参照しつつ詳細に説明する。この図３のフローチャートがスタートするのは、オペレータからベストフォーカス位置の検出指示が入力されたときであるものとする。

まず、ステップ２０２において、事前計測のサブルーチンの処理を実行する。このステップ２０２のサブルーチンでは、図４のステップ３０２において、不図示のレチクルローダを介して、レチクルステージＲＳＴ上に図２に示される計測用レチクルＲｍをロードする。ここで、この計測用レチクルＲｍのパターン面には、所定のパターン領域が形成され、そのパターン領域内部には、例えばクロム層の一部に形成された開口パターンから成る計測用マークＰＭが設けられている。この計測用マークＰＭは、Ｙ軸方向を長手方向とし、所定線幅（例えば、０．２μｍ程度）を有する孤立線から成るマークであるものとする。

次のステップ３０４では、ステージ制御装置７０を介して、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の計測点（ここでは投影光学系ＰＬの視野中心、すなわち光軸上の計測点とする）に計測用レチクルＲｍ上の計測用マークＰＭが位置決めされるように、レチクルステージＲＳＴの位置調整を行う。このレチクルステージＲＳＴの位置調整は、例えば、計測用レチクルＲｍ上のパターン領域の中心（レチクルセンタ）を通る非走査方向の直線状のレチクルセンタに関して左右対称となる位置にそれぞれ形成された一対のレチクルアライメントマークを、前述の一対のレチクルアライメント検出系を用いて、同時に検出し、この検出結果に基づいて行うこととすることができる。

次のステップ３０６では、照明光ＩＬが計測用マークＰＭの部分（その計測用マークＰＭが形成されたクロム層の部分）のみに照射されるように、照明系１０内のレチクルブラインドを駆動制御し、照明領域を規定（制限）する。

次のステップ３０８では、スリット板１９０表面の高さ位置、すなわちＺ軸方向の位置（以下、「Ｚ位置」と略述する）が所定の初期位置になるように、Ｚチルトステージ３８のＺ位置をステージ制御装置７０を介して調整する。この場合の「初期位置」としては、例えば、露光装置の立ち上げ時や、以前検出したベストフォーカス位置が装置の初期化等により消去された場合などには、デフォルト設定のＺ位置（高さ位置）を採用する。また、前回行われたベストフォーカス位置の検出結果のデータが、消去されることなく、主制御装置５０内のメモリ等に記憶されている場合には、その検出結果のデータであるベストフォーカス位置を採用するものとする。

次のステップ３１０では、水平方向スキャンによる計測用マークＰＭの空間像計測を行う。具体的には、レチクルステージＲＳＴ上に配置された計測用レチクルＲｍの計測用マークＰＭを照明系１０からの照明光ＩＬにより照明しつつ、投影光学系ＰＬによる計測用マークＰＭの像に対して、投影光学系ＰＬの像面の近傍でスリット板１９０のスリット１２２が所定の計測方向、この場合Ｘ軸方向に走査されるように、ステージ制御装置７０及びウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８をＸ軸方向に走査駆動し、該走査駆動中に信号処理装置８０を介して入力される光センサ２４からの出力信号と、ステージ制御装置７０を介して入力されるＺチルトステージ３８のＸ軸方向の位置（Ｘ位置）の情報とを、所定のサンプリング間隔で、同時に取り込むことで、計測用マークＰＭの像（空間像）の強度信号（空間像プロファイル）を取得する（すなわち、空間像の計測を行う）。

次のステップ３１２では、ステップ３１０で取得された空間像の強度信号に基づいて、光センサ２４のゲイン設定（すなわち、センサキャリブレーション）を行う。すなわち、計測用マークＰＭが孤立線から成るマークであるため、スリット板１９０のＺ位置が、ベストフォーカス位置からあまりに離れている場合には光センサ２４からの出力信号が得られない可能性があるからである。

なお、ここでの光センサ２４のゲイン調整とは、ベストフォーカス位置における空間像の強度が最大となることを考慮し、このベストフォーカス位置でも、照明光ＩＬを受光することによって出力される光センサ２４の出力信号が飽和することがないように（すなわち、照明光ＩＬの強度が光センサ２４の性能限界を超えないように）、かつ信号取り込みのＡ／Ｄコンバータなどの電気回路にてその電圧が飽和することがないように適切な回路ゲインを設定することを言う。ゲイン調整は、ベストフォーカス位置最近傍の位置で行われた前述の水平方向スキャンによる空間像計測の結果に基づいて行うことが望ましいが、ベストフォーカス位置から多少ずれたＺ位置で行われた水平方向スキャンによる空間像計測により得られた空間像計測結果に基づいて行うこととすることもできる。すなわち、ベストフォーカス位置における水平方向スキャンによる空間像計測の際に光センサ２４が受光する照明光ＩＬの光量（トータルエネルギ）もデフォーカス位置における水平方向スキャンによる空間像計測の際に光センサ２４が受光する照明光ＩＬの光量（トータルエネルギ）も不変であることに鑑みて、ベストフォーカス位置において光センサ２４が受光する照明光ＩＬの強度の最大値を、計測用マークＰＭの線幅から予測することが可能であれば、その予測した照明光ＩＬの強度の最大値において、前述の光電変換信号及び電圧の飽和が生じないように、適切な回路ゲインを設定することとすることができる。

次のステップ３１４では、上記ステップ３１２で適切なゲインが設定できたか否かを判断し、この判断が否定された場合には、ステップ３１６に移行してスリット板１９０のＺ位置を予め定められた変更手順に従って変更し、その変更後に、ステップ３１０に戻り、以降ステップ３１４における判断が肯定されるまで、ステップ３１０→３１２→３１４→３１６のループにおける処理（判断を含む）を、繰り返し行う。

なお、上記ステップ３１６におけるスリット板１９０のＺ位置の変更は、例えば次のような手順で行うこととすることができる。

すなわち、１回目の変更時には、前記初期位置から＋Ｚ方向にΔｚだけ離れた位置に移動し、２回目の変更時には、初期位置から−Ｚ方向にΔｚだけ離れた位置に移動し、３回目の変更時には、初期位置から＋Ｚ方向に２×Δｚだけ離れた位置に移動し、４回目の変更時には、初期位置から−Ｚ方向に２×Δｚだけ離れた位置に移動し、以下、＋Ｚ方向に３×Δｚ、−Ｚ方向に３×Δｚ…と移動することとすることができる。また、水平方向スキャンの結果に基づいて、ベストフォーカス位置が初期位置よりも＋Ｚ方向、又は−Ｚ方向のいずれかに存在することが判断できるような場合には、初期位置を中心として＋Ｚ方向又は−Ｚ方向のいずれか一方の方向にΔｚずつ（Δｚ、２×Δｚ、３×Δｚ…）移動することとすることもできる。

なお、高ＮＡの投影光学系を使用する露光装置においては、例えば線幅０．２μｍ以下の細い線幅の計測用マークを用いる計測に際しては、焦点深度が狭いため、上記Δｚ（ステップ・ピッチ）の値をあまり大きくとると、例えば第１回目の変更の段階で、スリット板１９０（開口パターン１２２）のＺ位置が、焦点深度の範囲外になる（ベストフォーカス位置を通り越してしまう）ことも考えられるので、ある程度小さい値、例えば０．２〜０．５μｍ程度の値とすることが望ましい。

一方、上記ステップ３１４における判断が肯定された場合、すなわち当初から光センサ２４のゲイン設定が可能であった場合、又はスリット板１９０のＺ位置の変更後に光センサ２４のゲイン設定が可能になった場合には、ステップ３１８に進み、そのゲイン設定後の状態で、かつゲイン設定に用いられた情報を取得したスリット板１９０のＺ位置で、前述のステップ３１０と同様にして、水平スキャンによる計測用マークの空間像計測を行う。

次のステップ３２０では、上記ステップ３１８で得た計測用マークＰＭの像（空間像）の強度信号（空間像プロファイル）に基づいて、計測用マークＰＭの投影位置（Ｘ位置）を検出する。この場合、例えば、計測用マークＰＭの空間像プロファイル（この空間像プロファイルは、図５の符号Ｐ１〜Ｐ７のような山形になる）と、所定のスライスレベルとの２交点の中点の計測方向の座標位置（Ｘ位置）を、計測用マークＰＭの投影位置とすることができる。

次のステップ３２２では、上記ステップ３１８の空間像計測により取得した計測用マークＰＭの像（空間像）の強度信号（空間像プロファイル）が、予め定めた閾値条件を満足するか否かを判断する。この閾値条件は、現在のスリット板１９０のＺ位置が、後述するＺスキャン計測の際の、移動中心として十分であるほど投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置に近いかどうかを確認するための条件である。

ここで、説明は多少前後するが、説明の便宜上（後の説明の理解を容易にする観点）から、Ｚスキャン計測について説明する。本実施形態におけるＺスキャンとは、主制御装置５０によって実行される計測動作であって、計測用マークＰＭの像（空間像）の投影中心と、スリット板１９０のスリット１２２の中心とのＸ位置が一致するようにＺチルトステージ３８をＸＹ面内で位置決めした状態で、照明系１０からの照明光ＩＬによりレチクルステージＲＳＴ上に載置された計測用レチクルＲｍの計測用マークＰＭを照明しつつ、ステージ制御装置７０及びウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８を光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）に所定移動範囲内で移動し、その移動中に多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力に基づいて得られるＺチルトステージ３８のＺ軸方向に関する位置データ及び信号処理装置８０を介して入力される光センサ２４の出力信号の強度データを所定のサンプリング間隔で取得する動作をいう。

図５の上半部には、スリット板１９０がそれぞれＺ１、Ｚ２、……、Ｚ７にあるときに、前述の水平スキャンによる空間像計測によって得られる計測用マークの空間像プロファイルが、符号Ｐ１〜Ｐ７でそれぞれ示され、図５の下半部には、Ｚスキャン計測により得られるスリット板１９０のＺ位置に対するスリット１２２を透過した照明光ＩＬの強度（以下、「スリット透過光強度」と略述する）の変化曲線（各Ｚ位置にあるスリット透過光強度に対応する点を、横軸をＺ位置とする座標系上にプロットした曲線）が示されている。この図５において、空間像プロファイルＰ４は、ベストフォーカス位置にスリット板１９０があるときの空間像プロファイルを示す。

この図５から明らかなように、スリット板１９０のＺ位置が、ベストフォーカス位置に近いほど、空間像プロファイルは、その像強度分布のピーク値が最も大きく、またスリット透過光強度も大きい、と言える。

このことから、ステップ３２２の閾値条件として、ステップ３１８で取得した空間像プロファイルにおける像強度の分布のピーク値が、予め定めた所定の閾値を越えているか否かという条件を設定することができる。

また、図５において、空間像プロファイルＰ１〜Ｐ７それぞれと、所定のスライスレベルとの２交点相互間の間隔を空間像（マークの像）の線幅と定義すると、この線幅は、スリット板１９０のＺ位置が、ベストフォーカス位置に近いほど、細く（小さく）なる。従って、このことから、ステップ３２２の閾値条件として、ステップ３１８で取得した空間像プロファイルから得られるマークの像の線幅が、所定の閾値より小さいか否かという条件を設定しても良い。一般に、あるパターンをウエハ上のフォトレジストに転写しそのウエハの現像後に得られるレジスト像の線幅は、そのパターンの空間像プロファイルと所定のスライスレベルとの２つの交点相互間の距離に一致することが知られており、この点からも上記の線幅の定義は、正しい定義であると言える。

本実施形態において、上記の閾値条件を満足するか否かの判断を、ステップ３２０のマーク位置検出の後に行うようにしたのは、次のような理由からである。

第１に、ベストフォーカス位置から大きく離れた（デフォーカスした）Ｚ位置における水平スキャンによる空間像計測により得た空間像プロファイルは、信号強度がなだらかに変化しているので、その空間像プロファイル（信号波形）から計測用マークＰＭの投影位置（マーク位置）を算出した場合、その計測用マークＰＭの投影位置の算出精度が不十分になる。また、投影光学系の収差が大きいと、デフォーカスしたＺ位置における水平スキャンによる空間像計測により得た空間像プロファイルほど、その収差の影響で空間像プロファイルに非対称性が生じ、その結果、その非対称性の影響でだまされた位置が、前述の計測用マークＰＭの投影位置（マーク位置）として算出されることとなる。このように、実際のマーク位置とは異なる位置をこのマーク位置（計測用マークＰＭの投影中心）として算出し、この位置にスリット板１９０のスリット中心とを一致させて、上述したＺスキャン計測を後に行った場合には、このＺスキャン計測の結果に基づいて得られるスリット透過光強度の変化曲線は、正しい変化曲線（非対称性のない空間像プロファイルに基づいて算出したマーク位置にスリット中心とを一致させて、上述したＺスキャン計測を後に行った場合の変化曲線）からずれてしまう。この点については、更に後述する。

いずれにしても、デフォーカスしたＺ位置における水平スキャンによる空間像計測により得た空間像プロファイルに基づいて算出したマーク位置は、信頼性に欠けるため、そのマーク位置の算出後に上記の閾値条件を満足するか否かの判断を行うことで、算出したマーク位置が十分な信頼性を有することを確認することとしたものである。

そして、このステップ３２２における判断が否定された場合には、ステップ３１６に戻り、前述の手順に従って、スリット板１９０のＺ位置を変更した後、ステップ３１０以下の処理（判断を含む）をステップ３２２における判断が肯定されるまで繰り返す。

一方、ステップ３２２における判断が肯定された場合、すなわち上記ステップ３２０で取得した計測用マークの空間像プロファイルが、上述の閾値条件を満足する場合には、この図４の事前計測サブルーチン２０２の処理を終了し、図３のメインルーチンのステップ２０４にリターンする。

この段階では、光センサ２４のゲイン設定が適切に行われるとともに、後に行われるＺスキャン計測の際の移動中心の検出が完了し、その移動中心に、スリット板１９０の表面のＺ位置が設定されていることになる。

ステップ２０４では、前述のステップ３２０で算出（検出）したマーク位置に基づいて、スリット板１９０をＸＹ面内で位置決めする。ここでの位置決めは、次のようにして行う。すなわち、この段階で、スリット板１９０のＹ位置は、計測用マークＰＭの像（空間像）が形成される位置にほぼ設定されているので、スリット板１９０のＸ位置のみを調整すれば足りる。そこで、計測用マークＰＭの像の投影中心のＸ位置と、スリット板１９０のスリット１２２の中心のＸ位置とがほぼ一致するように、ステージ制御装置７０及びウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御することで、結果的に計測用マークＰＭの像の投影中心とスリット１２２の中心とが少なくともＸ軸方向に関して一致する位置にスリット板１９０をＸＹ面内で位置決めする。

ここで、上記のような位置決めを行う理由について説明する。計測用マークＰＭの像の投影中心とスリット１２２の中心との計測方向（Ｘ軸方向）の位置がずれている状態で、後にＺスキャン計測を行った場合、そのＺスキャン計測により得られるスリット透過光強度の変化曲線は、図６中に実線で示される曲線のようになって、図６中に点線で示される正しいスリット透過光強度の変化曲線（計測用マークＰＭの像の中心とスリット１２２の中心との計測方向（Ｘ軸方向）の位置が一致している状態のＺスキャン計測により得られるスリット透過光強度の変化曲線）からずれてしまう（この場合、山の高さも低くなる）。この場合、実線で示される変化曲線に基づいてベストフォーカス位置を算出すれば、その算出結果に、必然的に誤差が生じてしまうから、このような不都合が発生するのを回避すべく、上述の位置決めを行う必要があるのである。

なお、上記の点線で示されるスリット透過光強度の変化曲線に対する、実線で示されるスリット透過光強度の変化曲線のずれは、投影光学系の収差が大きいほど、また、前述のマーク位置の算出の際の水平方向スキャンが行われたスリット板のＺ位置のデフォーカス量が大きいほど、大きくなる。従って、この点においても、前述のステップ３２２における判断（確認）は、重要な意味をもっているのである。

次のステップ２０６では、スリット板１９０のＸＹ面内における上記の位置決め状態を維持して、前述のＺスキャン計測を行う。すなわち、主制御装置５０は、計測用マークＰＭの像（空間像）の投影中心と、スリット板１９０のスリット１２２の中心とのＸ位置が一致するようにＺチルトステージ３８をＸＹ面内で位置決めした状態で、照明系１０からの照明光ＩＬによりレチクルステージＲＳＴ上に載置された計測用レチクルＲｍの計測用マークＰＭを照明しつつ、ステージ制御装置７０及びウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８を光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）に所定移動範囲内で移動し、その移動中に多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力に基づいて得られるＺチルトステージ３８のＺ軸方向に関する位置データ及び信号処理装置８０を介して入力される光センサ２４の出力信号の強度データを所定のサンプリング間隔で取得する。このとき、主制御装置５０では、上記ステップ２０４の位置決めの際に設定されているスリット板１９０の表面のＺ位置（すなわち、前述の事前計測が終了した段階で設定されているＺ位置）を移動中心として、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力をモニタしつつ、前記移動中心を中心とした所定幅の範囲内で移動する。

ここで、Ｚチルトステージ３８を、上記移動中心を中心とした所定幅の範囲内でＺ軸方向に移動することとした理由について説明する。

図７（Ａ）には、Ｚスキャン計測において得られるＺ位置とスリット透過光強度との関係が示されている。この図７（Ａ）に示されるように、スリット透過光強度が最大となるＺ位置を中心とする所定範囲ＡでＺスキャン計測を行うと、左右対称の山形の形状を有するスリット透過光強度の変化曲線を得ることができる。これに対し、スリット透過光強度が最大となる位置から離れた位置を中心とする所定範囲Ｂ又はＣでＺスキャン計測を行うと、左右非対称な山形の形状を有するスリット透過光強度の変化曲線を得ることとなる。

例えば、図７（Ａ）の範囲Ｂと同様にスリット透過光強度が最大となるＺ位置から大きくずれた点を中心としてＺスキャン計測を行った場合には、図７（Ｂ）に示されるようなスリット透過光強度の変化曲線が得られることとなるが、この図７（Ｂ）の変化曲線では、例えば、この変化曲線とスライスレベルとの２つの交点の中点を求め、その中点のＺ位置をベストフォーカス位置とする方法（以下、「スライス法」と呼ぶ）を採用する場合、スライスレベルの設定の仕方如何によっては、例えば図７（Ｂ）中のスライスレベルＳＬ１〜ＳＬ６のうちの、スライスレベルＳＬ１，ＳＬ２のように、変化曲線との交点が１つしか得られない事態が生じるおそれがあり、このような場合、ベストフォーカス位置を算出することが困難となる。かかる事態の発生を確実に回避するために、本実施形態では、スリット透過光強度が最大となるベストフォーカス位置の近傍の位置を、前述の事前計測の段階でスリット板１９０の移動中心とすべきＺ位置として決定し、かつこの移動中心を中心とした所定幅の範囲内でスリット板１９０がＺ軸方向に移動されるようにＺチルトステージ３８を駆動することとしたものである。

本実施形態では、上記Ｚスキャン計測に際して、上述のサンプリング間隔として、例えば照明系１０内の光源（エキシマレーザ）の発振周波数（繰り返し周波数）と同じ４ｋＨｚのサンプリング間隔を採用することができる。この場合には、例えば、８μｍ／ｓｅｃでスリット板１９０（Ｚチルトステージ３８）を移動しつつサンプリングを行っても、８０００［ｎｍ／ｓｅｃ］／４０００［Ｈｚ］＝２[ｎｍ]の分解能でスリット板のＺ軸方向に関する上記位置データを取得できる。また、前記移動中心を中心とした所定幅の範囲を、例えば４μｍの幅の範囲に設定したとしても、４[μｍ]／８[μｍ／ｓｅｃ]＝０．５[ｓｅｃ]という非常に短い時間で計測が可能となる。

次のステップ２０８では、上記ステップ２０６で、所定のサンプリング間隔で取得した複数の位置データと、前記所定のサンプリング間隔で取得した複数の強度データとに基づいて、投影光学系のベストフォーカス位置を算出する。ここでは、移動平均を用いて前記複数の位置データ及び複数の強度データの少なくとも一方の平滑化を少なくとも一回行い、平滑化後の前記位置データ、強度データの各データを用いてパターン板１９０のＺ位置に対する照明光ＩＬの強度の変化曲線を算出し、その変化曲線に基づいてベストフォーカス位置を算出する。

ここで、上記のベストフォーカス位置の算出方法について、図８（Ａ）〜図１１を参照しつつ説明する。

前述のＺスキャン計測により得られる信号波形には、信号の強度ノイズや装置自身に加わる外乱による振動や装置自身の共振によるノイズ成分が含まれているため、照明光ＩＬをスリット１２２を介して受光する受光器９４の光センサ２４の光電変換信号の出力特性は、一例として、図８（Ａ）に示されるような鋸歯状の波形となる。また、多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）によりスリット板１９０のＺ軸方向関する位置（フォーカス位置）をセンシングしている多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力信号にもノイズ成分が含まれているため、該多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力特性は、一例として、図９（Ａ）に示されるような波形となる。

そのため、Ｚスキャン計測により、受光器９４の光センサ２４から出力される強度データと、前記多点位置焦点検出系（６０ａ、６０ｂ）からの位置データとから算出されるスリット透過光強度の変化曲線は、一例として図１０（Ａ）に示されるような波形になる。この図１０（Ａ）に示されるような波形では、これに基づいてベストフォーカス位置を算出することは困難である。

従って、上記図１０（Ａ）のような波形を平滑化して、ノイズ成分を除去する必要があるが、Ｚスキャン計測においては、計測中にはスリット板１９０の位置がＺ軸方向に常に移動しているため、あるフォーカス位置における位置データ及び強度データに対し通常の平均化では、ノイズ成分の除去を行うことができない。そこで、本実施形態では、位置データと強度データの少なくとも一方にフォーカス位置の変化量に応じた所定の点数ごとの移動平均を行うこととしたものである。

この移動平均を行うことにより、光センサ２４からの光電変換信号波形は図８（Ｂ）に示されるように平滑化され、前記多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）からの出力信号波形は図９（Ｂ）のように平滑化され、結果として、スリット透過光強度の変化曲線は、図１０（Ｂ）に示されるような波形になる。この図１０（Ｂ）と図１０（Ａ）とを比較すると、図１０（Ａ）に示された波形が上記の移動平均により図１０（Ｂ）のように平滑化されていることがわかる。

また、本実施形態では、移動平均の平均化点数は、光センサ２４からの光電変換信号や、多点位置焦点検出系（６０ａ、６０ｂ）からの出力信号に含まれるノイズ成分のうちの「特徴的なノイズ」の周波数に基づいてそれぞれ決定する。例えば、前述のように光源（エキシマレーザ）を周波数４ｋＨｚでパルス発光させ、該エキシマレーザの発光タイミング毎に空間像強度をサンプリングする場合に、特徴的なノイズの周波数が１００Ｈｚである場合には、サンプリング周波数４ｋＨｚを特徴的なノイズの周波数１００Ｈｚで除した値である４０点ごとに移動平均を行うこととする。

なお、この移動平均は２回以上（複数回）繰り返し行うこととしても良いし、特徴的なノイズ成分が複数ある場合には、それぞれのノイズ成分の周波数に応じた移動平均を、ノイズ成分毎に、特徴的なノイズ成分の数と同じ回数行っても良い。図１０（Ｃ）には、移動平均を複数回繰り返した後のスリット透過光強度の変化曲線（信号波形）が示されている。この図１０（Ｃ）の波形では、移動平均を１回だけ行った図１０（Ｂ）の波形と比較してノイズ成分による影響が少なくなっていることが分かる。

そして、上記の移動平均化後に得られたスリット透過光強度の変化曲線（信号波形）に基づいて投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の算出を次のようにして行う。

すなわち、１又は複数のスライスレベルを用いた前述のスライス法により、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を算出する。例えば、複数のスライスレベルを用いる場合、スリット透過光強度の変化曲線と各スライスレベルとの各２つの交点間の中点（各２つの交点によって定まる線分の中点）を、それぞれ算出する。図１１には、６つのスライスレベルＳＬａ〜ＳＬｆそれぞれについて算出された中点ｍａ〜ｍｆが示されている。

そして、中点ｍａ〜ｍｆのＺ位置の平均値Ｚ_avgを、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置Ｚ_bestとして算出する。

ここで、スライスレベル（ＳＬａ〜ＳＬｆ）は、スリット透過光強度の変化曲線の頂点近傍（ベストフォーカス位置近傍）や裾野部分を避け、両者の中間のＺ位置変化に対するスリット透過光強度の変化の割合が大きい部分で、そのスリット透過光強度の変化曲線と交わるような範囲内で、設定することが望ましい。その理由は、スリット透過光強度の変化曲線に含まれるノイズ成分の割合はベストフォーカス位置近傍で大きくなり、この部分の強度データはノイズ成分が支配的なため、これを避けることが望ましく、また、スリット透過光強度の変化曲線の裾野部分では強度値が小さすぎるためである。

従って、例えば、図１１に示されるように、ボトムレベルＬｂを０％、ピークレベルＬｐを１００％とした場合に、ピークレベルの２０％及び８０％を示すレベル直線Ｌ_20%、Ｌ_80%の間に、スライスレベルＳＬａ〜ＳＬｆを設定することが望ましい。

上述のようにして、ステップ２０８で、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置Ｚ_bestを算出した後、その値を内部メモリ内に記憶して、本ルーチンの一連の処理を終了する。

なお、上記のベストフォーカス位置の検出が完了すると、主制御装置５０は、不図示のレチクル搬送系を介してレチクルステージＲＳＴから計測用レチクルＲｍをアンロードする。

本実施形態の露光装置１００では、主制御装置５０は、上述のようにして求めたベストフォーカス位置Ｚ_bestに基づいて、多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）の調整ないしはキャリブレーションを実行する。ここで、この多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）の調整としては、例えば特開２００２−１４００５号公報及び特開２００２−１９８３０号公報及びこれに対応する米国特許出願公開２００２／００４１３７７号明細書などに開示されるように、各センサの検出原点を調整することとすることができる。本国際出願で指定した指定国（又は選択した選択国）の国内法令が許す限りにおいて、上記米国特許出願公開明細書における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

上述のようにして構成され、上述のような機能を有する本実施形態の露光装置１００では、通常のスキャニング・ステッパと同様の手順で、主制御装置５０によって各部が制御され、レチクルロード、ウエハロード、レチクルアライメント及びアライメント系ＡＬＧのベースライン計測、並びにＥＧＡなどのウエハアライメントが行われる。

その後、主制御装置５０により、以下のようにして各部が制御され、ステップ・アンド・スキャン方式の露光が行われ、ウエハＷ上の複数のショット領域にレチクルＲのパターンがそれぞれ転写される。

すなわち、主制御装置５０は、ウエハアライメントの結果として得られたウエハＷ上の各ショット領域の配列情報及びアライメント系ＡＬＧのベースラインに基づいて、干渉計５４Ｗ、５４Ｒからの位置情報をモニタしつつ、ウエハＷの第１ショット領域の露光のための走査開始位置（加速開始位置）にＺチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）を移動するとともに、レチクルステージＲＳＴを走査開始位置（加速開始位置）に移動した後、両ステージＲＳＴ、ＷＳＴのＹ軸方向の相対走査を開始する。

そして、両ステージＲＳＴ、ＷＳＴが所定の走査速度に達し、等速同期状態に達すると、照明系１０からの照明光ＩＬによりレチクルＲのパターン領域が照明され始め、第１ショット領域の走査露光が開始される。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。

主制御装置５０は、上述の走査露光中は、レチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度ＶｒとウエハステージＷＳＴのＹ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を介してレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを同期制御する。また、上記の走査露光中に、主制御装置５０は、前述の検出されたベストフォーカス位置Ｚ_bestに基づいて、調整が行われた多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を用い、その受光系６０ｂからの焦点ずれ信号に基づいて、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に関するウエハＷの位置及びＸＹ面に対する傾斜（すなわち、θｘ，θｙ方向の回転）を調整することで、照明光ＩＬの照射領域である露光領域内で投影光学系ＰＬの結像面（最良結像面）とウエハＷの表面とを実質的に合致させるフォーカス・レベリング制御を行う。

このようにして、第１ショット領域に対する走査露光が終了すると、主制御装置５０は、次の第２ショット領域の露光のための走査開始位置（加速開始位置）へウエハステージＷＳＴを移動させるショット間のステッピング動作を行い、その第２ショット領域に対する走査露光を上述と同様にして行う。

以降、主制御装置５０により、上述のショット間のステッピング動作とショット領域に対する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。

なお、上では、先に検出された投影光学系のベストフォーカス位置に基づいて、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の調整を行い、走査露光中には、この調整後の多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を用いて、ウエハＷのフォーカス・レベリング制御を行うものとしたが、これに限らず、先に検出された投影光学系のベストフォーカス位置を用いて、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の検出オフセット値を求めておき、走査露光中には、この検出オフセット値と、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）の出力とを併せて考慮しつつ、ウエハＷのフォーカス・レベリング制御を行うこととしても良い。

以上説明したように、本実施形態の露光装置１００で実行されるベストフォーカス検出方法によると、照明光ＩＬにより計測用レチクルＲｍに形成された計測用マークＰＭを照明しつつ、投影光学系ＰＬによる計測用マークＰＭの像（空間像）に対してスリット板１９０をＸ軸方向へ走査して、該スキャン中にスリット１２２を介して照明光ＩＬを受光することにより計測用マークＰＭの像のＸ軸方向の位置情報を検出する。そして、前記検出結果に基づいて、スリット板１９０をＸＹ面内で（特にＸ軸方向に関して）位置決めした状態で、照明光ＩＬにより計測用マークＰＭを照明しつつ、スリット板１９０をＺ軸方向へ走査して位置データ及びスリット１２２を透過した照明光ＩＬ（スリット透過光）の強度データを所定のサンプリング間隔で取得し、該取得された複数の位置データと、複数のスリット透過光の強度データとに基づいて、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を算出する。この場合、スリット板１９０を光軸方向（Ｚ方向）に連続移動させながら前記各データの取得が可能である。従って、投影光学系ＰＬの光軸に直交する２次元面内でのスリット板１９０の１回のスキャンと、その走査後における投影光学系ＰＬの光軸方向に関するパターン板の１回の走査との組み合わせによって、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を算出するためのデータの取得が可能となる。従って、前述の従来例のように、スリット板１９０（パターン板）を光軸方向に関して多数の位置に変化させ、しかも各位置でスリット板１９０を走査させる必要がないので、格段に計測時間を短縮することが可能である。また、上記のサンプリング間隔を可能な範囲で細かく設定することにより、多くのデータを取得可能であることから、ベストフォーカス位置の検出精度（検出分解能）の向上も期待される。

また、本発明の露光方法及び露光装置によると、本発明のベストフォーカス検出方法を用いて、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を検出し、該検出結果を利用して、投影光学系ＰＬの光軸方向に関するウエハＷの位置を調整し、レチクルＲに形成されたパターンを投影光学系ＰＬを介して光軸方向に関する位置が調整されたウエハＷ上に転写する。従って、ベストフォーカス位置の検出が短時間で行われることから、ベストフォーカス位置の検出及び露光工程を含む全工程のスループットの向上を図ることが可能である。また、前述の如く、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出精度の向上も可能であることから、結果的にデフォーカスによる露光不良の殆どないパターンのウエハＷ上への高精度な転写も可能である。

また、スリット透過光強度からのベストフォーカス位置の算出は、スリット透過光強度の変化曲線に移動平均を施した後の変化曲線に基づいて行われるので、受光器９４の光センサ２４からの光電変換信号に含まれるノイズ成分や、多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）からの信号に含まれるノイズ成分の影響を受けずに、高精度なベストフォーカス位置の検出を行うことが可能となる。

また、スリット透過光強度の変化曲線からのベストフォーカス位置の算出は、ノイズ成分が多く含まれるスリット透過光強度の最大レベル近傍、及びスリット透過光の強度が小さい最小レベル近傍を除く領域に設定されたスライスレベルと、スリット透過光強度の変化曲線との２つの交点の中点に基づいて算出されるため、ベストフォーカス位置を精度良く検出することができる。

また、本実施形態では、複数のスライスレベルを設定し、各スライスレベルとスリット透過光強度の変化曲線との交点から導き出される複数の中点からベストフォーカス位置を決定するので、ベストフォーカス位置を精度良く検出することができる。

また、本実施形態では、ベストフォーカス位置の計測に先立って行われる事前計測サブルーチンにおいて、光センサ２４のゲイン調整を行い、適切なゲイン設定ができたと判断した後に、ベストフォーカス位置の検出を行うことから、より高精度なベストフォーカス位置の検出を行うことができる。

また、本実施形態では、ステップ３２２の判断が否定された場合に、スリット板１９０のＺ位置を変更後に再度光センサ２４のゲイン設定から行うこととしているので、結果的によりベストフォーカス位置に近い位置での空間像計測結果に基づいて高精度なゲイン設定を行うことが可能である。

なお、上記実施形態では、ベストフォーカス位置の検出結果に基づいて調整ないしはキャリブレーションされた、焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）を用いてウエハのＺ位置をすることとしたが、本発明がこれに限られるものではなく、以下の方法を採用しても良い。

すなわち、例えば上記実施形態のベストフォーカス位置の検出方法と同様の方法を用いて、投影光学系ＰＬの視野内の評価点を変更しつつ、計測用マークＰＭについてスリット透過光強度の計測、並びに投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出を繰り返し行う。なお、２つ目以降の評価点におけるベストフォーカス位置の計測に際しては、それまでに求められたベストフォーカス位置を中心としてＺ方向に走査しながらスリット透過光強度の計測を行う。

そして、各評価点におけるベストフォーカス位置に基づいて、所定の統計的処理を行うことにより、投影光学系ＰＬの像面形状（又は像面湾曲）を算出する。このとき、像面傾斜を併せて算出することとしても良い。そして、露光に際しては、その算出された像面湾曲に基づいて結像特性が調整された投影光学系ＰＬを用いて露光を行うとともに、像面傾斜を算出している場合には、その像面傾斜に合わせてウエハＷの傾斜を調整することとしても良い。なお、上記の像面形状などの計測を行なう場合には、計測用レチクルＲｍに例えば２次元的に複数の計測用マークを配置しておくか、あるいはレチクルステージＲＳＴを２次元方向に長ストロークで移動可能な構成を採用して１つ又は２つ以上のマークを投影光学系の視野内の任意の位置に移動できるようにする必要がある。

なお、上記実施形態では、図４のステップ３２２における閾値条件として、空間像計測により取得した計測用マークＰＭの像（空間像）の強度信号（空間像プロファイル）の最大値が所定の閾値を超えること、及び像（空間像）の線幅が所定の閾値より小さくなることのいずれかであることとしたが、本発明がこれに限られるものではなく、閾値条件としては、マークの像（空間像）の強度信号のコントラストが所定の閾値を越えることであるとしても良い。あるいは、閾値条件として、マークの像（空間像）の強度信号（空間像プロファイル）の最大値が所定の閾値を超えること、マークの像（空間像）の強度信号のコントラストが所定の閾値を越えること、及びマークの像（空間像）の線幅が所定の閾値より小さくなることの３つのうちの任意の２つの組み合わせ、あるいは３つの組み合わせであることとしても良い。

なお、上記実施形態では、事前計測サブルーチンにおいて、光センサ２４のゲイン設定から行うこととしたが、本発明がこれに限られるものではなく、センサゲイン設定は必ずしも行わなくても良い。

なお、上記実施形態では、ベストフォーカス位置を検出するために、図１１に示されるような複数のスライスレベルを用い、各スライスレベルとスリット透過光強度の変化曲線との交点から導き出される複数の中点の値を平均した値をベストフォーカス位置とする場合について説明したが、本発明がこれに限られるものではなく、スライスレベルを１つ設定し、そのスライスレベルを用いて計測される値をベストフォーカス位置とすることとしても良い。

なお、上記実施形態では、ベストフォーカス位置を検出する際に、マークが形成された計測用レチクルＲｍを用いたが、本発明がこれに限定されるものではなく、露光用のレチクルの一部に計測用マークＰＭを設けることとしても良い。また、レチクルステージＲＳＴ上に基準マーク板を設け、この基準マーク板上に複数の計測用マークＰＭを形成しても良い。

なお、上記実施形態では、計測用マークＰＭとして、孤立パターンを用いることとしたが、本発明がこれに限られるものではなく、ラインアンドスペースパターンを用いることとしても良い。この場合、ベストフォーカス位置の計測は、大略以下のようにして行われる。

まず、図１２（Ａ）に示されるように、ラインアンドスペースパターンの像ＩＡＩＳの周期方向（例えばＸ軸方向）の端部にスリット１２２が位置するように、スリット板１９０を移動した後、スリット板１９０を、矢印Ｆ方向に移動して、スリット１２２でラインアンドスペースパターンの像ＩＡＩＳをその周期方向に平行な計測方向に走査して光強度を計測する。そして、ラインアンドスペースパターンが奇数本であれば、パターンの像ＩＡＩＳの光強度分布のセンター位置を計測する。

次に、図１２（Ｂ）に示されるように、パターンの像ＩＡＩＳの光強度分布のピーク位置にスリット１２２を位置させた後、スリット１２２を介して検出される光強度を計測しながら、スリット板１９０（スリット１２２）を、矢印Ｈで示されるように、投影光学系の光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ軸方向）に走査しながら、前述の計測用マークＰＭの像に対するＺスキャン計測の場合と同様の計測を実行する。

孤立パターンの像又はラインアンドスペースパターンの像を投影光学系を介して像面上に投影する際、０次光、−１次回折光、＋１次回折光の３つの光束による３光束干渉によって像が形成されるように、投影光学系の開口絞りを調整し、他の回折光（＋２次以上の次数の回折光、−２次以下の次数の回折光）が投影光学系の瞳を通過するのをその開口絞りで阻止しても良い。このように、３光束干渉によってパターンの像を形成した場合、投影像（空間像）の強度信号に含まれる３次以上の高調波成分（ノイズ成分）を低減することができる。

上記実施形態では、投影光学系の像面側に１つのウエハステージＷＳＴを配置し、このウエハステージＷＳＴにウエハを載置すると共に、空間像計測装置５９の一部を構成する光学系の一部を配置する構成について説明したが、本発明がこれに限定されるものでない。例えば、ウエハステージＷＳＴに加えて、別のステージを設け、このステージに空間像計測装置５９の一部を構成する光学系の一部を配置しても良い。

また、上記実施形態では、露光用照明光としてＡｒＦエキシマレーザ光（１９３ｎｍ）を用いる場合について説明したが、これに限らずＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）、Ｆ₂レーザ光（１５７ｎｍ）、ｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、Ａｒ₂レーザ光（１２６ｎｍ）、銅蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高長波等を露光用照明光として用いることができる。また、例えば、真空紫外光として、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（Ｅｒ）（又はエルビウムとイッテルビウム（Ｙｂ）の両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いても良い。

また、上記実施形態では、露光装置の照明光ＩＬとしては波長１００ｎｍ以上の光に限らず、波長１００ｎｍ未満の光を用いても良いことはいうまでもない。例えば、近年、７０ｎｍ以下のパターンを露光するために、ＳＯＲやプラズマレーザを光源として、軟Ｘ線領域（例えば５〜１５ｎｍの波長域）のＥＵＶ（Extreme Ultraviolet）光を発生させるとともに、その露光波長（例えば１３．５ｎｍ）の下で設計されたオール反射縮小光学系、及び反射型マスクを用いたＥＵＶ露光装置の開発が行われている。さらに、例えば国際公開国際公開第２００４／０５３９５５号パンフレットなどに開示される、投影光学系ＰＬとウエハとの間に液体（例えば純水など）が満たされる液浸型露光装置などにも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、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、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシン、ＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、ＤＵＶ（遠紫外）光やＶＵＶ（真空紫外）光などを用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶などが用いられる。また、プロキシミティ方式のＸ線露光装置、又は電子線露光装置などでは透過型マスク（ステンシルマスク、メンブレンマスク）が用いられ、マスク基板としてはシリコンウエハなどが用いられる。

また、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に組み込み光学調整をするとともに、多数の部品からなるレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴ等を露光装置のボディ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）をすることにより上記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及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。

半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置によりレチクルのパターンをウエハに転写するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。

以上説明したように、本発明のベストフォーカス検出方法は第１面上に配置されたパターンの像を第２面上に形成する投影光学系のベストフォーカス位置を検出するのに適している。また、本発明の露光方法及び露光装置は、マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して物体上に転写するのに適している。

Claims (23)

1. 第１面上に配置されたパターンの像を第２面上に形成する投影光学系のベストフォーカス位置を検出するベストフォーカス検出方法であって、
   所定の発振周波数でパルス発振される照明光により前記第１面上に配置されたマークを照明しつつ、前記第２面の近傍で、かつ前記投影光学系の光軸に直交する２次元面内で、前記投影光学系によって形成された前記マークの像に対して開口パターンが形成されたパターン板を所定の計測方向に走査し、該走査中に前記開口パターンを介した前記照明光を受光して、前記計測方向に関する前記マークの像の中心位置の情報を検出する第１工程と；
   前記マークの像の中心位置の情報に基づいて、前記パターン板を位置決めし、前記照明光により前記第１面上に配置されたマークを照明しつつ、前記パターン板を前記光軸方向に移動させ、その移動中に、前記発振周波数に基づいて設定されたサンプリング間隔で、前記パターン板の前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを取得する第２工程と；
   取得した位置データと、取得した強度データとに基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を算出する第３工程と；を含むベストフォーカス検出方法。
2. 請求項１に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第２工程では、前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを前記サンプリング間隔で取得し、
   前記第３工程では、前記サンプリング間隔で取得した複数の位置データと、前記サンプリング間隔で取得した複数の強度データとに基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を算出することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
3. 請求項２に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第３工程では、移動平均を用いて前記複数の位置データ及び前記複数の強度データの一方の平滑化を少なくとも一回行い、平滑化後の一方のデータ及び平滑化されていない他方のデータを用いて前記パターン板の前記光軸方向の位置に対する前記照明光の強度の変化曲線を算出し、その変化曲線に基づいて前記ベストフォーカス位置を算出することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
4. 請求項３に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第３工程では、前記サンプリング間隔と前記複数の位置データ及び前記複数の強度データに含まれる外乱の代表的な周波数である第１の周波数とに基づいて予め設定された第１のサンプリング数での移動平均により、前記複数の位置データ及び前記複数の強度データの一方を平滑化することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
5. 請求項４に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第３工程では、前記第１のサンプリング数での移動平均による平滑化後に、前記位置データ及び強度データの少なくとも一方について、前記サンプリング間隔と前記複数の位置データ及び前記複数の強度データに含まれる外乱の周波数である前記第１の周波数とは異なる第２の周波数とに基づいて予め設定された第２のサンプリング数での移動平均による平滑化を更に行うことを特徴とするベストフォーカス検出方法。
6. 請求項２に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第３工程では、移動平均を用いて前記複数の位置データ及び前記複数の強度データの平滑化を少なくとも一回行い、平滑化後の両方のデータを用いて前記パターン板の前記光軸方向の位置に対する前記照明光の強度の変化曲線を算出し、その変化曲線に基づいて前記ベストフォーカス位置を算出することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
7. 請求項６に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第３工程では、前記サンプリング間隔と前記複数の位置データ及び前記複数の強度データに含まれる外乱の代表的な周波数である第１の周波数とに基づいて予め設定された第１のサンプリング数での移動平均により、前記複数の位置データ及び前記複数の強度データを平滑化することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
8. 請求項７に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第３工程では、前記第１のサンプリング数での移動平均による平滑化後に、前記位置データ及び強度データの少なくとも一方について、前記サンプリング間隔と前記複数の位置データ及び前記複数の強度データに含まれる外乱の周波数である前記第１の周波数とは異なる第２の周波数とに基づいて予め設定された第２のサンプリング数での移動平均による平滑化を更に行うことを特徴とするベストフォーカス検出方法。
9. 請求項１に記載のベストフォーカス検出方法において、
   前記第２工程における、前記パターン板の前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データの取得は、前記パルス照明光の発光毎に同時に行われることを特徴とするベストフォーカス検出方法。
10. 請求項１に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記第３工程では、前記パターン板の前記光軸方向の位置に対する前記照明光の強度の変化曲線と、該変化曲線の強度の最大レベル近傍及び最小レベル近傍を除く中間レベル領域に設定されたスライスレベルとの２つの交点の中点に対応する前記パターン板の光軸方向の位置を、前記ベストフォーカス位置として算出することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
11. 請求項１０に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記第３工程では、前記パターン板の前記光軸方向の位置に対する前記照明光の強度の変化曲線と、該変化曲線の前記中間レベル領域に設定された複数のスライスレベルとの各２つの交点間の中点にそれぞれ対応する前記パターン板の前記光軸方向の位置の平均値を、前記ベストフォーカス位置として算出することを特徴とするベストフォーカス検出方法。
12. 請求項１に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記マークは、孤立パターンあるいはラインアンドスペースパターンであることを特徴とするベストフォーカス検出方法。
13. 請求項１に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記第１工程に先立って、前記照明光により前記第１面上に配置されたマークを照明しつつ、前記第２面の近傍で、かつ前記投影光学系の光軸に直交する２次元面内で、前記投影光学系によって形成された前記マークの像に対して前記パターン板を所定の計測方向に走査し、該走査中に前記開口パターンを介した前記照明光を受光する受光素子の光電変換信号を取得し、該取得した前記光電変換信号に基づいて前記受光素子のゲイン調整を行う第４工程を更に含むベストフォーカス検出方法。
14. 請求項１３に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記第４工程の処理の終了後、前記第１工程に先立って、前記第４工程でなされた前記センサゲインの調整が適切か否かを判断し、この判断が否定された場合に、前記光電変換素子のゲイン調整が適切との判断がなされるまで、所定の手順で前記パターン板の前記光軸方向位置を変化させつつ、前記パターン板の前記計測方向の走査及びその走査中の前記光電変換信号の取得を行う第５工程を、更に含むベストフォーカス検出方法。
15. 請求項１に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記第１工程の処理の終了後、前記第２工程に先立って、前記第１工程における前記パターン板の前記計測方向の走査位置と、その位置毎に受光された前記照明光とから得られる前記マークの像の強度信号が、所定の閾値条件を満足するか否かを判断し、その判断が否定された場合には、その閾値条件を満足するまで、所定の手順で前記パターン板の前記光軸方向位置を変化させつつ、前記パターン板の前記計測方向の走査及びその走査中の前記光電変換信号の取得を行う第６工程を、更に含むベストフォーカス検出方法。
16. 請求項１５に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記閾値条件は、前記マークの像の強度の最大値又はコントラストが、所定の閾値を越えることであることを特徴とするベストフォーカス検出方法。
17. 請求項１５に記載のベストフォーカス検出方法において、
    前記閾値条件は、前記マークの像の線幅が所定の閾値より小さくなることであることを特徴とするベストフォーカス検出方法。
18. 投影光学系を介して物体上に所定のパターンを形成する露光方法であって、
    請求項１〜１７のいずれか一項に記載のベストフォーカス検出方法を用いて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を検出する検出工程と；
    前記ベストフォーカス位置の検出結果に基づいて、前記投影光学系の光軸方向に関する前記物体の位置を調整し、前記パターンを前記投影光学系を介して前記物体上に形成する露光工程と；を含む露光方法。
19. 請求項１８に記載の露光方法において、
    前記ベストフォーカス位置の検出結果に基づいて、前記投影光学系の光軸方向に関する前記物体の位置を検出する検出装置を調整する工程を更に含み、
    前記露光工程では、調整された前記検出装置を用いて、前記物体の位置を調整することを特徴とする露光方法。
20. 第１面上に配置されたパターンを投影光学系を用いて、第２面上に配置された物体上に形成する露光装置であって、
    開口パターンが設けられた移動体と；
    前記移動体を前記投影光学系の光軸方向及びこれに直交する２次元面内方向に駆動する駆動系と；
    前記移動体に設けられた開口パターンを介し、所定の発振周波数でパルス発振される照明光を受光する受光素子を含むセンサ部と；
    前記第１面上に配置されたマークを前記照明光により照明する照明系と；
    前記マークを照明系からの前記照明光により照明しつつ、前記投影光学系によって形成された前記マークの像に対して、前記第２面の近傍の前記２次元面内で、前記開口パターンが所定の計測方向に走査されるように、前記駆動系を介して前記移動体を前記計測方向に走査駆動し、該走査駆動中に前記センサ部の前記受光素子からの出力信号に基づいて前記計測方向に関する前記マークの像の中心位置の情報を検出する第１の処理装置と；
    前記マークの像の中心位置の情報に基づいて前記移動体を位置決めし、前記照明系からの前記照明光により前記第１面上に配置された前記マークを照明しつつ、前記駆動系を介して前記移動体を前記光軸方向に移動し、その移動中に、前記発振周波数に基づいて設定されたサンプリング間隔で、前記移動体の前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを取得する第２の処理装置と；
    前記第２の処理装置が取得した前記位置データと、前記第２の処理装置が取得した前記強度データとに基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を算出する演算装置と；を備える露光装置。
21. 請求項２０に記載の露光装置において、
    前記第２処理装置は、前記光軸方向に関する位置データ及び前記照明光の強度データを前記サンプリング間隔で取得し、
    前記演算装置は、前記サンプリング間隔で取得した複数の位置データと、前記サンプリング間隔で取得した複数の強度データとに基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を算出することを特徴とする露光装置。
22. 請求項２１に記載の露光装置において、
    前記演算装置は、前記複数の第１のデータ及び前記複数の第２のデータの少なくとも一方について、データの移動平均を少なくとも一回行い、平滑化後の両方のデータ、又は平滑化後の一方のデータ及び平滑化されていない他方のデータを用いて前記移動体の前記光軸方向の位置に対する前記光電変換信号の強度の変化曲線を算出し、その変化曲線に基づいて前記ベストフォーカス位置を算出することを特徴とする露光装置。
23. 請求項２０〜２２のいずれか一項に記載の露光装置において、
    前記光軸方向に関する前記物体の位置を検出する検出装置と；
    前記演算装置により算出された前記ベストフォーカス位置に基づいて前記検出装置を調整する調整装置と；を更に備える露光装置。

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