JP2006108305A - ベストフォーカス位置検出方法とその装置、露光方法とその装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学系のベストフォーカス位置を高精度に検出する方法を提供する。
【解決手段】所定のパターンの像を投影光学系を介して像面近傍に形成し（ステップＳ１０）と、そのパターン像を計測してフォーカスカーブを得る（ステップＳ２０）。そのフォーカスカーブに４次近似関数によりラインフィッティングし（ステップＳ３１）、極大点の両側で隣接する極小点を求め（ステップＳ３２）、極小点の外側にデータ点が存在する場合（近似対象のデータ範囲内に極小点が存在する場合）には（ステップＳ３３）、極小点の外側のデータ点を近似対象から削除し（ステップＳ３４）、残ったデータ点を用いてラインフィッティング以下の処理を繰り返す。近似対象のデータ範囲内に極小点が無くなった場合の最後の近似曲線を用いて、その極大点をベストフォーカス位置として検出する（ステップＳ４０）。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば半導体素子等の電子デバイスを製造する際に用いる露光装置が備える光学系のベストフォーカス位置を検出するためのベストフォーカス位置検出方法とその装置、そのベストフォーカス位置検出方法によりベストフォーカス位置を検出して露光処理を行なう露光方法とその装置、及び、その露光方法により露光処理を行ないデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。

半導体素子、液晶表示素子、ＣＣＤ等の撮像素子、プラズマディスプレイ素子、薄膜磁気ヘッド等の電子デバイス（以下、電子デバイスと総称する）を製造する際のフォトリソグラフィ工程においては、投影光学系を有する投影露光装置により、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、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。その投影露光装置としては、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。

投影露光装置により基板上にパターンを転写する際には、投影光学系のデフォーカスに起因する露光不良の発生を抑制するために、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配置する必要がある。そのためには、投影光学系のベストフォーカス位置を精度良く計測するとともに、そのベストフォーカス位置に基板上の露光領域が配置されるように基板の位置を精密に制御しなければならない。近年の露光パターンの微細化に伴い、このフォーカス合わせの精度に対する要求も高いものになっている。

ベストフォーカス位置の検出には、フォーカス位置の変化に対応してデータ値（マークの長さや処理された信号値）が変化し、ベストフォーカス位置においてその信号値が最大となるような一連の計測データであるフォーカスカーブが従来より利用されている。
フォーカスカーブを得る方法としては、半導体露光装置において、レチクル等に形成されたライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）、孤立線、ボックス・イン・ボックス等のマークパターンを、フォーカス位置を変更しながら露光して現像し、得られるフォーカス位置毎のマークパターンの長さや位置シフトを計測する方法がある。また、例えば楔形マークをフォーカス位置をステップさせながら露光し、現像して得られるそのマークの長さを計測する方法や、あるいはまた、異なる角度の付いた２本の孤立線を重ねて露光して、得られる楔形マークを計測する方法等がある。

フォーカスカーブが得られたら、これを高次関数により近似し（ラインフィッティングし）、得られた近似曲線のピーク点に対応するフォーカス位置をベストフォーカス位置として算出する。近年では、ノイズ等による影響を除去してさらに高精度にベストフォーカス位置を検出する方法として、そのような近似曲線から得られたベストフォーカス位置を仮のベストフォーカス位置とし、その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を用いて再度高次関数でラインフィッティングし、得られた近似曲線のピーク点をベストフォーカス位置として算出することも行なわれている。

重み付け近似としては、例えば、仮のベストフォーカス位置から離れているデータ点ほど近似の重みが減るように、データ点への重みをガウス関数により与える方法がある。
この場合のガウス関数型の重みは次式（１）にて表すことができる。式（１）において、σは重み減衰率であり、ｘは計測データ点のフォーカス位置であり、Ｘは仮のベストフォーカス位置である。

フォーカス重み付け係数 ＝ Exp.[−０．５×{（ｘ−Ｘ_０）／σ}^２] …（１）

また、コントラスト値に基づくフォーカスカーブを用いてベストフォーカス位置を検出する方法としては、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、この重み付けされたコントラストカーブを用いて再度高次関数近似することにより、照明条件に関わらず適切なベストフォーカス位置を検出する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１９５９１２号公報

ところで、フォーカスカーブを用いてベストフォーカス位置を検出する際には、従来、値が大きくずれている等の明らかに異常なデータ点を除いて、フォーカスカーブ内の全てのデータ点を用いてラインフィッティング（関数近似）を行ない、ベストフォーカス位置を検出している。
しかしながら、例えばフォーカスカーブを得る際に、計測するフォーカス方向の範囲を大きくとった場合（計測レンジを広げた場合）やフォーカス位置の変化が大きい場合（計測レンジ内におけるベストフォーカス位置の変動が大きい場合）には、フォーカスカーブ内にベストフォーカス位置を検出する上で有効ではないデータが含まれる可能性が高くなる。そのような有効でないデータ点が多くなると、フォーカスカーブの近似関数はそれらのデータ点の影響を受け、近似関数のピーク位置が真のベストフォーカス位置からずれてくるという問題が生じる。

また、ベストフォーカス位置付近の計測値の変化が緩やかなフォーカスカーブの場合にも、ベストフォーカス位置から離れたデータ点のデータ値の変化がベストフォーカス位置付近の計測値の変化に対して相対的に大きな変化となる場合がある。このような場合には、上述した場合と同様に、ベストフォーカス位置から離れたデータ点の影響を受けて、結果的に近似曲線がベストフォーカス位置においてピークを持たない波形となってしまう場合がある。
このように近似関数のピーク位置が真のベストフォーカス位置からずれてくると、投影光学系のフォーカス位置を高精度にベストフォーカス位置に合わせることができず、レチクルパターンの基板への転写性能が低下することとなる。
上述したように、近年、転写パターンの微細化によるフォーカス合わせの高精度化が要求されており、このようなベストフォーカス位置のずれの影響も無視できない状況となっている。

このような問題に対応するために、上述したようにガウス関数を重みとして重み付け近似を行なう方法がある。しかしながら、このような方法をとったとしても、有効ではないデータ点もそのフォーカス位置に応じた重みにて近似に使われることに変わりはなく、ベストフォーカス位置の算出精度に影響を与えていることに変わりはない。
また、重み付け近似を行なう方法においては、計測するマークの線幅、光学系に応じてフォーカスカーブは変化するため、得られたフォーカスカーブから重み減衰率を推測して重み付けを行なうという処理を行なわなければならず、処理が複雑になるという問題もある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、光学系のベストフォーカス位置を高精度に検出することのできるベストフォーカス位置検出方法及びベストフォーカス位置検出装置を提供することにある。
また、ベストフォーカス位置を高精度に検出することにより、所望のパターンを適切に露光転写することのできる露光方法及び露光装置を提供することにある。
さらに、所望のパターンを適切に転写することにより所望のデバイスを適切に製造することのできるデバイス製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明に係りベストフォーカス位置検出方法は、投影光学系のベストフォーカス位置を検出する方法であって、照明光（ＩＬ）により所定のパターン（ＰＭ）を照明し、そのパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して像面近傍に形成する工程（ステップＳ１０）と、投影光学系（ＰＬ）の像面側で、前記投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）方向の複数の位置毎に、前記所定パターン像を計測して計測データを得る工程（ステップＳ２０）と、前記複数の位置毎に計測された計測データの中から、第１計測データが計測された位置を基準として、所定の範囲内にある位置で計測された第１の複数の計測データを選択する工程（ステップＳ３１〜Ｓ３４）と、前記第１の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、前記光学系のベストフォーカス位置を算出する工程（ステップＳ４０）とを有することを特徴とする（図２及び図４参照）（請求項１）。

このようなベストフォーカス位置検出方法においては、計測データの中から、所定の範囲内にある位置で計測された計測データを選択し（ステップＳ３１〜Ｓ３４）、選択されたデータ（第１の複数の計測データ）のみを用いてラインフィッティングを行ない近似関数を求め、得られた近似関数に基づいて光学系のベストフォーカス位置を算出している。従って、ベストフォーカス位置の算出に有効ではない計測データは除外して、有効なデータのみを用いて近似関数を求めることができ、その結果、近似関数から、真のベストフォーカス位置に近い適切なベストフォーカス位置を検出することができる。

好適には、前記選択する工程は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて近似関数を求める工程（ステップＳ３１）と、前記近似関数に基づいて、前記第１計測データが計測された位置を基準の位置として選択する工程（ステップＳ３２〜Ｓ３４）とを含むことを特徴とする（図４参照）（請求項２）。

好適には、前記第１計測データが得られた位置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて得られた近似関数のピーク位置近傍にあり、前記所定の範囲は、前記ピーク位置からのフォーカス方向の正方向又は負方向に関して設定されることを特徴とする（請求項３）。

また好適には、前記第１計測データが得られた位置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて得られた近似関数のピーク位置近傍にあり、前記所定の範囲は、前記ピーク位置近傍に前記所定の範囲を中心として、フォーカス方向の正負両方向に設定されることを特徴とする（請求項４）。

また好適には、前記所定の範囲は、前記近似関数に関して、前記近似関数のピーク位置近傍に対する前記フォーカス方向の正負両方向に現れる所定の特徴点の間に設定されることを特徴とする（請求項５）。

また好適には、前記所定の特徴点は、前記近似関数のピーク位置近傍に対して、符号が反転する極値点、又は、前記近似関数における変曲点であることを特徴とする（請求項７）。

また好適には、前記ベストフォーカス位置を算出する工程は、前記第１の複数の計測データの中から、第２計測データが計測された位置を基準として、前記所定の範囲内の中に、特定範囲を設定する工程と、前記特定範囲内にある位置で計測された第２の複数の計測データを選択する工程とを含み、前記第２の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、前記ベストフォーカス位置を検出することを特徴とする（請求項６）。

また、本発明に係るベストフォーカス位置検出装置は、投影光学系のベストフォーカス位置を検出する装置であって、照明光により照明される所定のパターンが形成されたパターン形成部材と、前記投影光学系の像面側で、前記投影光学系の光軸方向の複数の位置毎に、前記所定パターン像を計測する計測処理装置と、前記計測処理装置の計測結果として、前記複数の位置毎に計測された計測データの中から、第１計測データが計測された位置を基準として、所定の範囲内にある位置で計測された第１の複数の計測データを選択し、前記第１の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、前記光学系のベストフォーカス位置を算出する算出装置とを有することを特徴とする（請求項８）。

また、本発明に係る露光方法は、パターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンの像を投影光学系を介して基板に転写する露光方法であって、上述のいずれかのベストフォーカス位置検出方法により、前記投影光学系のベストフォーカス位置を検出し、検出された前記ベストフォーカス位置に基づいて、前記パターンの像と前記基板との相対的な位置関係を調整し、前記パターンの像を前記基板に転写することを特徴とする（請求項１５）。

また、本発明に係る露光装置は、パターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンの像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、上述のいずれかに記載のベストフォーカス位置検出装置を具備することを特徴とする（請求項１６）。

また、本発明に係る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は、上述の露光方法を用いて行なうことを特徴とする（請求項１７）。

なお、本欄においては、各構成に対して、添付図面に示されている対応する構成の符号を記載したが、これはあくまでも理解を容易にするためのものであって、何ら本発明に係る手段が添付図面を参照して後述する実施形態の態様に限定されることを示すものではない。

本発明によれば、光学系のベストフォーカス位置を高精度に検出できるベストフォーカス位置検出方法及びベストフォーカス位置検出装置を提供することができる。
また、ベストフォーカス位置を高精度に検出することにより、所望のパターンを適切に露光転写することのできる露光方法及び露光装置を提供することができる。
さらに、所望のパターンを適切に転写することにより所望のデバイスを適切に製造することのできるデバイス製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１〜図１８を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る露光装置の概略構成及び基本動作について、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、その露光装置１００の構成を示す図である。
図２は、図１に示す露光装置１００の空間像計測器５９及びアライメント系ＡＬＧの構成を詳細に示す図である。

図１及び図２に示す露光装置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・ステッパである。
露光装置１００は、光源及び照明光学系を含む照明装置としての照明系１０、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有する。

照明系１０は、図示省略するが、光源、照度均一化光学系（コリメータレンズ、フライアイレンズ等から成る）、リレーレンズ系、照明視野絞りとしてのレチクルブラインド及びコンデンサレンズ系等を有する。

光源としては、ここでは、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）又はＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を出力するエキシマレーザ光源を用いる。

レチクルブラインドは、開口形状が固定の不図示の固定レチクルブラインドと、開口形状が可変の可動レチクルブラインド１２（図２参照）とを有する。
固定レチクルブラインドは、レチクルＲのパターン面の近傍又はその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上の長方形スリット状の照明領域ＩＡＲを規定する長方形開口が形成されている。なお、照明領域ＩＡＲは、図１において紙面直交方向であるＸ軸方向に細長く伸び、図１において紙面内左右方向であるＹ軸方向の幅が所定幅の長方形スリット状の照明領域である。
また、可動レチクルブラインド１２は、レチクルＲのパターン面に対する共役面に配置され、走査露光時の走査方向（ここでは、Ｙ軸方向とする）及び非走査方向（同Ｘ軸方向とする）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。但し、図２においては、説明を簡単にするために、可動レチクルブラインド１２がレチクルＲに対して照明系側の近傍に配置されているように示す。

このような照明系１０によれば、光源で発生した露光光としての照明光（以下、照明光ＩＬと称する）は、不図示のシャッターを通過した後、照度均一化光学系により照度分布がほぼ均一な光束に変換される。照度均一化光学系から射出された照明光ＩＬは、リレーレンズ系を介して前記レチクルブラインドに達する。レチクルブラインドを通過した光束は、リレーレンズ系、コンデンサレンズ系を通過して回路パターン等が描かれたレチクルＲの照明領域ＩＡＲを均一な照度で照明する。
なお、可動レチクルブラインド１２は、走査露光の開始時及び終了時に主制御装置２０によって制御され、照明領域ＩＡＲをさら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１２が、後述する空間像計測器による空間像の計測の際の照明領域の設定にも用いられる。

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、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Ｙ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Ｙ軸方向の移動ストロークを有している。

レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルレーザ干渉計（以下、レチクル干渉計と称する）１３からのレーザビームを反射する移動鏡１５が固定されており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置（Ｚ軸回りの回転方向であるθｚ方向の回転を含む）はレチクル干渉計１３によって、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。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移動鏡とが設けられる。また、レチクル干渉計１３は、Ｙ軸方向に少なくとも２軸、Ｘ軸方向に少なくとも１軸設けられる。但し、図１においては、それらの中から代表的に移動鏡１５及びレチクル干渉計１３のみを示す。

レチクル干渉計１３からのレチクルステージＲＳＴの位置情報は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）等から成る主制御装置２０に送られる。主制御装置２０ではレチクルステージＲＳＴの位置情報に基づいて、レチクルステージ駆動系を介してレチクルステージＲＳＴを駆動制御する。

投影光学系ＰＬは、レチクルステージＲＳＴの鉛直方向下方に配置された両側テレセントリックな縮小系である。投影光学系ＰＬには、照明光ＩＬの光軸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有する屈折光学系が使用されている。本実施形態において、投影光学系ＰＬの投影倍率は１／４であり、これにより、照明系１０からの照明光ＩＬによって照明されたレチクルＲ上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。

ウエハステージＷＳＴは、ステージベース１６上に配置され、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、ステージペース１６上面に沿ったＸＹ２次元面内（θｚ回転を含む）で自在に駆動される。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おり、ウエハステージＷＳＴは、Ｚ、θｘ（Ｘ軸回りの回転方向）、θｙ（Ｙ軸回りの回転方向）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。

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にウエハＷが真空吸着（又は静電吸着）されることによって、ウエハＷがウエハステージＷＳＴ上に保持される。
なお、ウエハステージＷＳＴに代えて、リニアモータ又は平面モータ等の駆動系によってＸＹ２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、２次元移動ステージ上に、Ｚ、θｘ、θｙの３自由度方向に例えば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搭載すれば良い。

ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハレーザ干渉計（以下、ウエハ干渉計と称する）３１からのレーザビームを反射する移動鏡２７が固定されている。ウエハ干渉計３１により、ウエハステージＷＳＴのＺ方向を除く５自由度方向（Ｘ、Ｙ、θｚ、θｘ、及びθｚ方向）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。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Ｙ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Ｘ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられている。また、ウエハ干渉計３１は、Ｙ軸方向及びＸ軸方向にそれぞれ設けられている。但し、図１においては、代表的に移動鏡２７及びウエハ干渉計３１のみを示す。
ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は、主制御装置２０に送られ、主制御装置２０では前記位置情報（又は速度情報）に基づいて、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。

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器５９を構成する光学系の一部が配置されている。
ここで、空間像計測器５９の構成について、図２を参照して詳述する。
空間像計測器５９は、図２に示すように、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ＷＳＴ外部に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラーＭ、受光レンズ８９、光電変換素子としての光センサ２４、及び光センサ２４からの光電変換信号の信号処理回路４２等とを備えている。

これをさらに詳述すると、スリット板９０は、図２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５８ａ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、スリットと称する）２２がパターンニングされて形成されている。

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８８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＋Ｙ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。

送光レンズ８７によってウエハステージＷＳＴの外部に送り出される照明光束の光路上には、Ｘ軸方向に所定長さを有するミラーＭが傾斜角４５°で斜設されている。このミラーＭ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８９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、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９４の上端部近傍に固定されている。

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）等が用いられる。光センサ２４の出力信号の信号処理回路４２は、増幅器、サンプルホルダ、Ａ／Ｄコンバータ等により構成される。本実施形態では、光センサ２４の陰極−陽極間の印加電圧の設定により、その信号感度（検出感度）の設定が行なわれるようになっている。

なお、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なう。

このようにして構成された空間像計測器５９によると、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ＩＬによって空間像計測器５９を構成するスリット板９０が照明されると、そのスリット板９０上のスリット２２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ＷＳＴ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Ｍ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、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が信号処理回路４２を介して主制御装置２０に出力される。

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なわれるので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８９及び光センサ２４に対して移動することになる。そこで、空間像計測器５９では、所定の範囲内で移動する送光レンズ８７を介した光が全て受光レンズ８９に入射するように、各レンズ、及びミラーＭの大きさが設定されている。

このような構成の空間像計測器５９においては、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。すなわち、光導出部と受光部とは機械的に分離されており、空間像計測の時のみ、これらはミラーＭを介して光学的に接続される。従って、空間像計測器５９では、光センサ２４の発熱に起因してレーザ干渉計３１の計測精度等が悪影響を受けることがない。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。もちろん、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。

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 Alignment）系が用いられている。
アライメント系ＡＬＧは、図２に示すように、アライメント用光源３２、ハーフミラー３４、第１対物レンズ３６、第２対物レンズ３８、撮像素子（ＣＣＤ）４０を有し、アライメント系ＡＬＧの検出信号は、主制御装置２０に供給される。

さらに、露光装置１００には、図１に示すように、主制御装置２０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（フォーカスセンサ）が設けられている。主制御装置２０では、投影光学系ＰＬにフォーカス変動が生じた場合には、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することにより、投影光学系ＰＬのフォーカス変動に応じて多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）にオフセットを与えてそのキャリブレーションを行なうようになっている。
なお、本実施形態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（フォーカス センサ）の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報等に開示されている。

主制御装置２０では、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０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次元点に傾斜（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。

このオートフォーカス及びオートレベリングを精度良く行なうためには、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に設定する必要がある。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精度良く行なわれていることが必要となる。

多点焦点位置検出系６０ａ，６０ｂのキャリブレーションは、上述したように、主制御装置２０が、多点焦点位置検出系６０ａ，６０ｂの受光系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，６０ｂの原点(検出基準点）の再設定を行なうことにより行なう。但し、検出し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６０ａ，６０ｂにオフセットを設定することにより、あるいは、検出信号に電気的オフセットを与えることにより行なうようにしてもよい。

以下、そのキャリブレーションを行なうための投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出方法について、図２〜図１８を参照して説明する。
露光装置１００においては、レチクルＲに形成された計測マークの空間像を空間像計測器５９を用いて計測し、その計測データから所定の範囲内にある計測データを選択し、その選択されたデータに対して近似関数を適用してベストフォーカス位置を検出する。

まず最初に、空間像計測器５９を用いた空間像計測の方法について図２及び図３を参照して説明する。
図２は、露光装置１００において、空間像計測器５９を用いてレチクルＲに形成された計測マークの空間像を計測している状態を示す図である。
本実施形態において、レチクルＲには、所定の箇所にＹ軸方向に周期性を有するライン・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。本実施形態においては、例えば０．８μｍＬ＆Ｓパターンが形成されているものとする。

なお、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マークを形成したもの等が用いられる。また、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マークを形成したものを用いても良い。

空間像計測器５９のスリット板９０には、図３（Ａ）に示すように、Ｘ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。所定幅２Ｄは、ここでは、解像限界のデューティ比１：１のライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）パターンのハーフピッチ程度、例えば２Ｄ＝０．３μｍとされているものとする。

露光装置１００においては、図２に示すように、主制御装置２０により、可動レチクルブラインド１２が不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、レチクルＲの照明光ＩＬの照明領域が計測マークＰＭ部分のみに規定される。この状態で、照明光ＩＬがレチクルＲ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、投影光学系ＰＬの像面に計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。このとき、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測器５９のスリット板９０上のスリット２２の＋Ｙ側（又は−Ｙ側）に前記空間像ＰＭ’が形成される位置に設定されているものとする。このときの空間像計測器５９の平面図を、図３（Ａ）に示す。なお、投影光学系ＰＬの投影倍率が上述の如く１／４であるので、レチクルＲ上の０．８μｍＬ＆Ｓパターンは、スリット板９０上で０．２μｍＬ＆Ｓパターン像となる。

そして、主制御装置２０により、ウエハステージ駆動系を介してウエハステージＷＳＴが図３（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｙ方向に駆動されると、スリット２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に沿って走査される。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内の光導出部、及び受光レンズ８９を介して光センサ２４で受光され、その光電変換信号が信号処理回路４２を介して主制御装置２０に供給される。主制御装置２０では、その光電変換信号に基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を計測する。
図３（Ｂ）は、その光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例である。

次に、本発明に係るベストフォーカス位置の検出方法について、図４〜図１８を参照して説明する。
図４は、その投影光学系ＰＬ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。

まず、露光装置１００においては、計測マークの像を投影光学系ＰＬを介して像面近傍に形成する（ステップＳ１０）。
そのために、まず主制御装置２０は、主制御装置２０の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位置として設定し、その計測位置を中心としてファイン計測を行なう。具体的には、主制御装置２０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。

ファイン計測の計測位置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、前回の計測が行なわれていない場合、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。

そして、主制御装置２０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し、この状態で照明光ＩＬをレチクルＲに照射する。その結果、投影光学系ＰＬの像面近傍に配置されたスリット板９０上に、計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。

計測マークの像が像面近傍に形成されたら、その計測マークのパターン像を計測して計測データを得る（Ｓ２０）。
主制御装置２０は、ウエハステージＷＳＴをＹ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の空間像計測を上述したスリットスキャン方式により行なう。
この際、主制御装置２０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、所定範囲で変化させつつ、具体的には例えば０．１５μｍピッチで１５ステップ程度変化させつつ、各Ｚ軸方向の位置毎の光強度信号（光電変換信号）を内部のメモリに記憶する。

スリット板９０のＺ方向の各位置に応じた光強度信号を得たら、主制御装置２０は、その光強度信号のコントラスト値を求め、投影光学系ＰＬのフォーカス特性を示す計測データとして記憶する。このコントラスト値の算出は、光強度信号たる光電変換信号の信号波形をフーリエ変換することによりその係数から算出する。このコントラスト値の詳細な算出方法は、例えば特開２００２−１９５９１２号公報等に開示されている。
このようにして得られたスリット板９０の各Ｚ位置に対する計測データのコントラスト値を、横軸をＺ位置、縦軸をコントラスト値（計測値）とする直交座標系上にプロットしたフォーカスカーブの一例を図５（Ａ）に示す。

なお、投影光学系ＰＬのフォーカス特性を示す計測データとしては、コントラスト値以外の任意のデータを用いてよい。例えば、計測マークの像を露光して現像し、得られたマークの長さや位置シフトの計測結果等を用いても良い。また、現像をせずに潜像状態で転写されたマークを計測してもよい。
なお、以下の説明においては、コントラスト値以外のデータをも含めて総称的に、フォーカスカーブを形成する各データを単に計測値あるいは計測データと称する。

次に、得られた計測データより、ベストフォーカス位置を決定するための近似関数を適用する計測データを選択する。
そのために、まず、計測データの全てを近似対象のデータ点として設定し、これに対して、式（２）に示すような４次近似関数又は一定の重み減衰率による重み付け近似、あるいはガウス関数型重みによる重み付け４次近似関数による近似を行ない（カーブフィッティング）、近似曲線を求める（ステップＳ３１）。その結果、図５（Ｂ）に示すような、ファイン計測の計測位置付近（ベストフォーカス位置の設計値）近傍で極大値を示すような近似曲線が得られる。

ｆ（ｚ）＝ａ４・ｚ^４＋ａ３・ｚ^３＋ａ２・ｚ^２＋ａ１・ｚ＋ａ０ …（２）

次に、得られた近似曲線において、ベストフォーカス位置近傍の極大点に対してフォーカス位置の両方向に存在する極小点を検出する（ステップＳ３２）。極小点は、図５（Ｃ）に示すように、式（３）に示す４次近似関数（式（２））の１次導関数において、｜ｆ’（ｚ）｜＝０となる点を検出することにより求められる。その結果、図５（Ｂ）に矢印で示すように、データ点Ａ１とＡ２の間、及び、データ点Ａ１２とＡ１３の間に、各々極小点が検出される。

ｆ’（ｚ）＝４・ａ４・ｚ^３＋３・ａ３・ｚ^２＋２・ａ２・ｚ＋ａ１ …（３）

極小点を検出したら、ステップＳ３１におけるカーブフィッティングで使用した近似対象のデータ点の中に、極小点よりも外側のデータ点があるか否か、すなわち、極大点からの距離が極小点よりもさらに遠くなる位置にデータ点があるか否かを判断する（ステップＳ３３）。
そして、そのようなデータ点が存在した場合には、それらのデータ点はベストフォーカス位置を検出するためのカーブフィッティングには有効でないデータ点であるとして、近似対象のデータ点から除外する（ステップＳ３４）。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示す例においては、データ点Ａ１及びＡ１３が、近似対象のデータから除外される。

このようにして近似対象のデータ点の選択を行なったら、残ったデータ点（選択されたデータ点）を近似対象のデータ点として、ステップＳ３１からの処理を繰り返す。
すなわち、図６（Ａ）に示すように、データ点Ａ２〜Ａ１２に対して前回と同様に４次近似（カーブフィッティング）を行ない近似曲線を求める（ステップＳ３１）。次に、図６（Ｂ）に示すように近似関数の１次導関数の値が０となる点を検出することにより極小点を検出し（ステップＳ３２）、２つの極小点の外側の位置となるデータ点の有無を検出する（ステップＳ３３）。図６（Ａ）に示したデータ点においては、極小点は、データ点Ａ２とＡ３の間、及び、データ点Ａ１１とＡ１２の間に配置されることとなり、データ点Ａ２及びＡ１２は極小点の外側のデータ点となる。そのため、これらのデータ点Ａ２及びＡ１２がステップＳ３４において除外され、残りのデータ点Ａ３〜Ａ１１が近似対象のデータ点とされて、再度、ステップＳ３１からの処理が繰り返される。

以後同様に、ステップＳ３１〜ステップＳ３４の処理を、ステップＳ３３及びＳ３４において除外するデータ点が存在しなくなるまで、すなわち、２つの極小点の外側の位置にデータ点が存在しなくなるまで繰り返し行なう。
図６（Ａ）に示した場合において、データ点Ａ３〜Ａ１１に対して前回と同様に４次近似（カーブフィッティング）を行ない近似曲線を求めると（ステップＳ３１）、図６（Ｃ）に示すような近似曲線となる。
そして、図６（Ｄ）に示すように近似関数の１次導関数の値が０となる点を検出して極小点を検出し（ステップＳ３２）、２つの極小点の外側の位置となるデータ点の有無を検出すると、これら２つの極小点の外側には近似対象のデータ点が存在しないことが判定される（ステップＳ３３）。

このような状態となったら、データ点の選択及びカーブフィッティングの処理を終了し、最後に得られた近似曲線に基づいて、ベストフォーカス位置を検出する（ステップＳ４０）。すなわち、図６（Ｃ）に示す近似曲線において、データ範囲内（近似対象のデータ点が存在する範囲）での最大値を求め、その最大値を示すフォーカス位置を、ベストフォーカス位置として検出する。
近似曲線の極小点の外側に近似対象のデータ点が存在しない状態、換言すればデータ範囲内に極小点が存在しない状態は、カーブフィッティングに使用した全てのデータ点が、ベストフォーカス位置（極大点）を検出するための近似曲線の形成に有効に使用されたものと考えられ、このような条件下で得られた近似曲線に基づいてベストフォーカス位置を検出することにより、精度良くベストフォーカス位置を検出することができる。

なお、ベストフォーカス位置は、近似曲線の最大値の位置としているが、この方式に限られるものではない。例えば、近似曲線の最大値から所定量下がったところにスライスレべるを設定し、近似曲線とスライスレベルとの２つの交点を求め、この２つの交点を結ぶ直線の中点を算出する。そして、この中点に対するＺ位置をベストフォーカス位置としてもよい。

なお、ベストフォーカス位置が検出されたら、上述したように、露光装置１００の主制御装置２０は、これ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を行なう。

このようなベストフォーカス位置の検出方法を種々の計測データに対して適用した場合について、さらに説明する。
まず、明らかにベストフォーカス算出には有効でないデータ点を有するフォーカスカーブを、４次関数にて近似する場合について、図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８に示すようなフォーカスカーブは、楔形マークを、フォーカス位置をステップさせながら露光していき、現像後のマークの長さを各フォーカス位置において計測することにより得られる。

図７（Ａ）に示すようなデータ点を全て用いて４次関数にて近似すると、図７（Ｂ）に示すような近似曲線が得られる。図７（Ｂ）に示す近似曲線の極大点付近（ベストフォーカス位置近傍）を拡大すると図７（Ｃ）のようになり、近似曲線の極大点であるデータ範囲内の最大値はベストフォーカス位置を表しているように見えるが、近似曲線とデータ点とは合致していない。

このようなデータ点に対して、上述したベストフォーカス位置の検出処理を順に施していくことにより、すなわち、近似対象のデータ点に対して近似曲線を求め、得られた近似曲線において極小点（図７（Ｂ）、図７（Ｄ）及び図８（Ａ）において各々矢印で示す）間にないデータ点は有効ではないとして除外し、極小点間のデータ点のみを用いて再度４次近似を行なうという処理を繰り返すことにより、順に図７（Ｄ）及び図８（Ａ）のような近似曲線が得られ、最終的には図８（Ｂ）に示すような、データ点間に極小点を持たない近似曲線が得られる。
図８（Ｂ）に示す近似曲線の極大点付近を拡大すると図８（Ｃ）のようになるが、この最終的に得られた近似曲線はデータ点と良く合致しており、検出された近似曲線の極大点は、ベストフォーカス位置を適切に検出していると言える。

次に、ベストフォーカス位置がファイン計測の計測中心（設計上のベストフォーカス位置）から変化している場合について、図９を参照して説明する。
図９（Ａ）に示すように、ベストフォーカス位置が変化しているデータ点を用いて４次関数にて近似すると、同じく図９（Ａ）に示すような近似曲線が得られる。この近似曲線の極大点であるデータ範囲内の最大値は、明らかにベストフォーカス位置とは異なる位置となっており、この近似曲線からベストフォーカス位置を求めることはできない。

そこで、上述した方法と同じ方法により、この近似曲線の極小点を求め、その範囲外（極大点から遠い方向）のデータ点を有効なデータ点ではないとして除外する。図９（Ａ）に示す近似曲線においては、極大点の紙面右側においてはデータ範囲内に極小点は存在せず、極大点の紙面左側にのみデータ範囲内に極小点が存在する。そこで、この極小点より紙面左側のデータ点を除外し、極大点の右側のデータ点については全てを使用し、残ったデータ点を近似対象のデータ点として再度４次関数にて近似すると、図９（Ｂ）に示すような近似関数が得られる。

図９（Ｂ）に示す近似曲線においても、極小点は極大点の紙面左側にのみ存在するため、その極小点より左側のデータ点を除外し、極大点の右側のデータ点は全てを使用して、残ったデータ点を近似対象のデータ点として４次関数にて近似すると、図９（Ｃ）に示すような近似曲線が得られる。

図９（Ｃ）に示す近似曲線においては、極小点は極大点の両側に存在するため、それらの極小点より外側のデータ点を除外し、残ったデータ点を近似対象のデータ点として４次関数にて近似すると、図９（Ｄ）に示すような近似曲線が得られる。この近似曲線は、データ点間に極小点を持っておらず、また、近似曲線はデータ点と良く合致しており、検出された近似曲線の極大点はベストフォーカス位置を適切に検出していると言える。

次に、式（１）を参照して上述したガウス関数型重みによる重み付け４次近似による従来のベストフォーカス位置の検出方法と、上述した本実施形態に係るベストフォーカス位置の検出方法との比較例として、図１０（Ａ）に示すようなデータ点を有するフォーカスカーブからベストフォーカス位置を検出する方法について、図１０及び図１１を参照して説明する。

図１０（Ａ）に示すようなデータ点の全てを用いた４次近似曲線は、図１０（Ｂ）のような曲線となる。一方で、上述した式（１）においてＸ_０ ＝０．０、σ＝０．２とした全データ点のガウス関数型重みによる重み付け４次近似の近似曲線は、図１０（Ｃ）のようになる。図１０（Ｄ）は、図１０（Ｃ）のベストフォーカス位置近傍を拡大した図であり、この図１０（Ｄ）をみると、重み付け４次近似の結果から得られる極大値は、ベストフォーカス位置に近い位置に検出されていると言える。

一方で、図１０（Ｂ）に示したような近似曲線に対して、上述したベストフォーカス位置の検出処理を順に施していくことにより、すなわち、得られた近似曲線において極小点（図１０（Ｂ）、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）において各々矢印で示す）間にないデータ点は有効ではないとして除外し、極小点間のデータ点のみを用いて再度４次近似を行なうという処理を繰り返すことにより、順に図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）のような近似曲線が得られ、最終的には図１１（Ｃ）に示すような、データ点間に極小点を持たない近似曲線が得られる。

図１１（Ｃ）に示す近似曲線の極大点付近を拡大すると図１１（Ｄ）のようになる。図１１（Ｄ）においては、実線が本実施形態の方法による近似曲線であって下向き矢印がその極大値（すなわち、本実施形態の方法によるベストフォーカス位置）、破線が重み付け４次近似曲線であって上向き矢印がその極大値（すなわち、重み付け４次近似曲線によるベストフォーカス位置）である。図１１（Ｄ）から明らかなように、近似曲線の極小点間のみのデータ点により再度近似することを繰り返していく本実施形態に係る方法によるベストフォーカス位置検出結果の方が、ベストフォーカス位置に対して有効ではないデータ点を取り込んでしまう重み付け４次近似による方法よりも、精度良くベストフォーカス位置を算出しており、近似精度が良いことがわかる。

次に、極小点ではなく、変曲点を用いて近似対象のデータ点を選択する方法について図１２〜図１４を参照して説明する。この方法は、基本的に上述した極小点を用いてデータ点を削除する方法と同じであり、極小点の代わりに変曲点を用いて、近似関数の変曲点間にはないデータ点を削除し、変曲点間のデータ点のみにより近似を繰り返す方法である。

例えば、図１２（Ａ）に示すデータ点からなるフォーカスカーブにおいて、全データ点を用いて４次近似を行なうと、図１２（Ｂ）に示すような近似曲線が得られる。
このようなフォーカスカーブの場合、ベストフォーカス位置を中心にデータ点がないと、１回の４次近似では、図９を参照して上述した場合と同様に、正しくベストフォーカス位置を算出できない可能性がある。
このような場合には、図１２（Ｂ）に示す近似曲線の変曲点を求めるのが有効である。変曲点は、図１２（Ｃ）に示すような２回微分の導関数が０となる位置を求めれば良く、極小点の場合と同様に、極大値からフォーカス方向の両側において隣接する変曲点を求める。その結果、図１２（Ｃ）に示すような変曲点が検出され、変曲点間の計測データを検出すると、図１２（Ｄ）のような計測データが残る。

変曲点間のデータ点のみに対して、再度４次近似を行なうと、図１２（Ｄ）に示すような近似曲線が得られ、以後同様にして、近似曲線から極大点の両隣にある変曲点を探索し、変曲点間のデータ点のみにて近似を行なう。その結果、図１３（Ａ）及び図１３（Ｃ）に示すような変曲点が検出され、各々図１３（Ｂ）及び図１３（Ｄ）に示すような計測データが選択され、また、それに対する近似曲線が検出される。
そして、図１４（Ａ）に示すような２回微分の導関数が検出され、計測データ内の近似曲線に変曲点が存在しなくなった場合には、その最終的に得られた近似曲線の極大値よりベストフォーカス位置を検出する。

図１４（Ｂ）は、近似曲線のベストフォーカス位置近傍を拡大した図である。また、図１４（Ｃ）は、図１２（Ａ）に示すデータ点に対して、式の重み減衰率を０．１５とした重み付け４次近似曲線である。図１４（Ｂ）に示すように、変曲点を用いて有効でないデータを削除していった場合においても、最終的に得られた近似曲線はデータ点と良く合致しており、検出された近似曲線の極大点は、ベストフォーカス位置を適切に検出していると言える。

また、図１４（Ｃ）と比較して明らかなように、近似曲線の変曲点間のみのデータ点により再度近似することを繰り返していく本実施形態に係る方法によるベストフォーカス位置検出結果の方が、重み付け４次近似による方法よりも、精度良くベストフォーカス位置を算出しており、近似精度が良いことがわかる。
このような変曲点を用いる方法は、データ点の絞込みが極小点よりも早く行なえ、図１２（Ａ）に示すように、近似に用いるデータ点が多い場合に有効である。

以上説明したように、極小点又は変曲点を探索して有効ではないデータ点を除外していくことにより、ベストフォーカスを表す有効なデータ点のみを用いて近似を行なうことができ、近似を正確に行なうことができる。
また、ベストフォーカス近傍のデータ点のみ有効であるとわかっているフォーカスカーブを高次関数にて近似を行ないたい場合にも有効となる方法である。
この方法は、４次近似のみではなく、さらに高次の近似、すなわち５次又は６次の近似においても同様に用いることができる。

次に、ベストフォーカス位置近傍において、フォーカス変化の少ないフォーカスカーブに対してベストフォーカス位置を求める方法について、図１５〜図１８を参照して説明する。このようなフォーカスカーブは、レチクルパターンの孤立線を細かいフォーカスステップピッチにて露光し現像した後のマーク長を計測した場合に得られる場合がある。

例えば、図１５（Ａ）に示すようなベストフォーカス位置近傍においてデータ変化の少ないデータ点に対して、カーブフィッティングを行なって得られた４次近似曲線は、図１５（Ｂ）のような曲線となり、−側（紙面左側）の最大デフォーカス位置にあるデータ点に引きずられた近似曲線となっている。その結果、ファイン計測の計測位置付近（０付近）にあるはずのベストフォーカス位置が大きく−側にデフォーカスしている。また、その近似曲線は、極大値を２つ有する曲線となっており、ベストフォーカス位置においてピークを示すというフォーカスカーブの特性に従った近似曲線とはなっていない。

このような場合においても、上述した各ケースと同様に、ベストフォーカス位置近傍における近似曲線のカーブフィッティングに有効ではないデータ点を削除して適切なデータ点のみを選択することにより、適切な近似曲線を検出できるようにする。但し、このように適切な近似曲線が検出されない場合には、上述した各ケースのように極小点や変曲点を検出して有効なデータ範囲を検出する前に、まず、データ範囲内において極大値が唯一存在するような近似曲線が検出されるようにするためのデータの選択を行なう。

ここで、通常、４次関数には、図１６に示すような６個のタイプがある。
フォーカスカーブを近似した場合に即して考えると、近似範囲の中心付近に極大値がくる図１６（Ａ）及び図１６（Ｆ）のタイプ、まさに図１５（Ａ）を近似した際に得られるような極大値が２つできるような図１６（Ｂ）のタイプ、近似範囲内にてベストフォーカス位置が片方によって極小点の１つが近似に用いたデータ範囲内に現れない図１６（Ｃ）及び図１６（Ｄ）のタイプが考えられる。なお、図１６(Ｅ）のタイプは、ベストフォーカス位置が計測データ点内にないフォーカスカーブを近似した際に現れるものなので、ここではこの場合は考慮しない。

このような図１６（Ａ）〜図１６（Ｄ）及び図１６（Ｆ）の各タイプにおいて問題となるのは、図１６（Ｂ）のように極大値が２つ存在するようなタイプである。そこで、得られた４次近似曲線が図１６（Ｂ）のようなタイプとなった場合は、近似曲線が、図１６（Ａ）、図１６（Ｃ）、図１６（Ｄ）又は図１６（Ｆ）のいずれかのタイプとなるように、近似に不要と考えられるデータを削除することとする。

そのためには、まず、得られた近似曲線が図１６（Ｂ）に示すタイプの近似曲線であるか否かを見分ける必要がある。
図１６（Ｂ）に示すタイプの曲線は、２つの極大値とその間の１つの極小値を有する曲線である。これは、図１５（Ｃ）に示すような１回微分の導関数＝０である３次関数が、３個の実数解を持ち、＋及び−の各無限大において−無限大の値を示す関数である。さらに言えば、このような曲線は、図１５（Ｄ）に示すような２回微分である２次導関数（式（５）に示す）＝０の判別式Ｄ（式（６）に示す）が正であり、４次関数（式（４）に示す）の４次の係数が負であることを意味している。

ｆ（ｚ） ＝ａ４・ｚ^４＋ａ３・ｚ^３＋ａ２・ｚ^２＋ａ１・ｚ＋ａ０ …（４）

ｆ”（ｚ）＝１２・ａ４・ｚ^２＋６・ａ３・ｚ＋２・ａ２ …（５）

Ｄ＝１２（３・ａ３^２−８・ａ４・ａ２） …（６）

すなわち、一般的に式（４）で示されるような４次近似曲線が、図１６（Ｂ）のようなベストフォーカス位置の検出に不適切なタイプであるか否かは、その近似関数の２次導関数＝０の判別式Ｄの値が正（Ｄ＞０）であり、その近似関数の４次の係数ａ４が負（ａ４＜０）であることが条件となる。

そして、このような場合に、近似関数の特性がベストフォーカス位置の検出に適切な関数となるまで、有効でないデータ点を削除する。ここでは、ベストフォーカス位置近傍における関数近似に有効でないデータ点として、データ範囲の両端のデータ点のうち、隣接するデータ点とのデータ値の変化が大きい方のデータ点を、近似対象のデータ点から削除する。本来、ベストフォーカス近傍にて変化の少ないフォーカスカーブに対して、急激に値が変化するデータ点が混入しているため、そのデータに引きずられて図１６（Ｂ）に示すようなタイプの近似曲線が得られる可能性が高いからである。
図１５（Ａ）に示す例においては、−側最大デフォーカス位置にあるデータ点を、近似に用いないように削除する。

図１５（Ａ）に示すフォーカスカーブに対して、−側最大デフォーカス位置にあるデータ点を削除した残りのデータ点及びそのデータ点に対して４次近似を行なった場合の近似曲線を図１７（Ａ）に、この近似関数のファイン計測の計測位置（０付近）の拡大図を図１７（Ｂ）に示す。図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）に示すように、このような近似曲線であれば、データ範囲内のその近似曲線の極大値からベストフォーカス位置を検出することができる。

なお、その近似関数の１次導関数を図１７（Ｃ）に、その近似関数の第２次導関数を図１７（Ｄ）に示す。ベストフォーカス位置を検出するのに適切な４次近似関数においては、図１７（Ｃ）に示すように、１次導関数＝０である３次関数は１つしか実数解を持たず、２次導関数は実数解を持たず、２次導関数＝０の判別式もＤ＜０となっている。すなわち、上述したように急激に値が変化している最大デフォーカス位置のデータ点を除外したフォーカスカーブに対して得られた近似関数は、上述した図１６（Ｂ）のタイプの関数ではなくなている。

このように、ベストフォーカス位置近傍において変化の少ないフォーカスカーブを４次近似することによりベストフォーカス位置を検出する場合には、４次関数の２回微分である２次導関数＝０の判別式Ｄと、４次関数の４次の係数の符号から、図１６（Ｂ）に示すような不適切な近似曲線か否かを判別し、不適切な近似曲線である場合には、急激に変化しているデフォーカスデータ点を削除することにより、適切な近似曲線を検出するようにすればよい。
なお、このようにして得られた近似曲線から、直接ベストフォーカス位置を検出してもよいし、さらに、上述したような極小点や変曲点を用いてデータ点を選択してベストフォーカス位置を検出するようにしてもよい。

最後に、本実施形態に係る露光装置１００をリソグラフィ工程において使用したデバイスの製造方法について図１８を参照して説明する。
図１８は、例えば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電子デバイスの製造工程を示すフローチャートである。
図１８に示すように、電子デバイスの製造工程においては、まず、電子デバイスの回路設計等のデバイスの機能・性能設計を行ない、その機能を実現するためのパターン設計を行ない（工程Ｓ８１０）、次に、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する（工程Ｓ８２０）。
一方、シリコン等の材料を用いてウエハ（シリコン基板）を製造する（工程Ｓ８３０）。

次に、工程Ｓ８２０で製作したレチクル及び工程Ｓ８３０で製造したウエハを使用して、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（工程Ｓ８４０）。
具体的には、まず、ウエハ表面に、絶縁膜、電極配線膜あるいは半導体膜との薄膜を成膜し（工程Ｓ８４１）、次に、この薄膜の全面にレジスト塗布装置（コータ）を用いて感光剤（レジスト）を塗布する（工程Ｓ８４２）。
次に、このレジスト塗布後の基板をウエハホルダ上にロードするとともに、工程Ｓ８３０において製造したレチクルをレチクルステージ上にロードして、そのレチクルに形成されたパターンをウエハ上に縮小転写する（工程Ｓ８４３）。この時、露光装置においては、上述した本発明に係る位置合わせ方法によりウエハの各ショット領域を順次位置合わせし、各ショット領域にレチクルのパターンを順次転写する。

露光が終了したら、ウエハをウエハホルダからアンロードし、現像装置（デベロッパ）を用いて現像する（工程Ｓ８４４）。これにより、ウエハ表面にレチクルパターンのレジスト像が形成される。
そして、現像処理が終了したウエハに、エッチング装置を用いてエッチング処理を施し（工程Ｓ８４５）、ウエハ表面に残存するレジストを、例えばプラズマアッシング装置等を用いて除去する（工程Ｓ８４６）。
これにより、ウエハの各ショット領域に、絶縁層や電極配線等のパターンが形成される。そして、この処理をレチクルを変えて順次繰り返すことにより、ウエハ上に実際の回路等が形成される。

ウエハ上に回路等が形成されたら、次に、デバイスとしての組み立てを行なう（工程Ｓ８５０）。具体的には、ウエハをダイシングして個々のチップに分割し、各チップをリードフレームやパッケージに装着し電極を接続するボンディングを行ない、樹脂封止等パッケージング処理を行なう。
そして、製造したデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行ない（工程Ｓ８６０）、デバイス完成品として出荷する。

なお、本実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、極小点あるいは変曲点を検出して計測データ点を選択する方法、及び、急激にデータ値が変化しているデータ点を削除することにより計測データを選択する方法を別個に説明したが、これらを組み合わせてデータ点を選別するようにしても良い。

また、上述した実施形態においては、フォーカスカーブを得るためのパターンの像の計測は、投影光学系ＰＬの像面側に配置される空間像計測器（空間像計測センサ）５９で計測して行なった。しかし、パターンを実際に感光基板に焼き付けて現像を行なった後に、得られたパターンを計測して計測データを得ても良いし、現像は行なわずに潜像状態で計測を行なっても良い。フォーカスカーブを得るための方法は、任意の方法で良い。

また、露光システムの全体構成は、図１に示した構成に限られるものではない。
例えば、別のコンピュータをイントラネットに接続して処理を分散して行なうようなシステムであっても良いし、他の通信ネットワークを介して構築されるようなシステムや、あるいはまた、いわゆるサーバークライアント型のシステムとして構築されるようなシステムであっても良い。露光システムの各装置における計算、制御のための演算等の処理の分担の形態、換言すれば分散処理システムとしての機能の分散形態、あるいはネットワークシステムとしてのこれら各装置の接続形態は、任意の形態としてよい。

また、本発明は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置に限らず、ステップ・アンド・リピート方式、又はプロキシミティ方式の露光装置（Ｘ線露光装置等）を始めとする各種方式の露光装置にも全く同様に適用が可能である。
また、露光装置で用いる露光用照明光（エネルギビーム）は紫外光に限られるものではなく、Ｘ線（ＥＵＶ光を含む）、電子線やイオンビーム等の荷電粒子線等でも良い。また、ＤＮＡチップ、マスク又はレチクル等の製造用に用いられる露光装置でも良い。

図１は、本発明の一実施形態の露光装置の全体構成を示す図である。 図２は、図１に示した露光装置の空間像計測器及びアライメント系の構成を示す図である。 図３は、図２に示した空間像計測器のスリット板、そのスリット板上に形成されたパターン空間像、及びその光電変換信号を示す図である。 図４は、本実施形態に係るベストフォーカス位置検出方法の処理の流れを説明するためのフローチャートである。 図５は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第１の例の第１の図である。 図６は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第１の例の第２の図である。 図７は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第２の例の第１の図である。 図８は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第２の例の第２の図である。 図９は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第３の例を示す図である。 図１０は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第４の例の第１の図である。 図１１は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第４の例の第２の図である。 図１２は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第５の例の第１の図である。 図１３は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第５の例の第２の図である。 図１４は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第５の例の第３の図である。 図１５は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第６の例の第１の図である。 図１６は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第６の例の第２の図である。 図１７は、図４に示したベストフォーカス位置検出方法を説明するための第６の例の第３の図である。 図１８は、本発明に係るデバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１００…露光システム
１０…照明系
１３，３１…レーザ干渉計
１５，２７…移動鏡
１６…ステージベース
２０…主制御装置
２２…スリット
２５…ウエハホルダ
２４…光腺さ
４２…信号処理化色
５９…空間像計測器
６０…多点焦点位置検出系
９０…スリット板
ＩＬ…照明光
ＡＸ…光軸
ＰＬ…投影光学系
ＡＬＧ…アライメント系
ＩＡ，ＩＡＲ…照明領域
Ｒ…レチクル
Ｗ…ウエハ
ＲＳＴ…レチクルステージ
ＷＳＴ…ウエハステージ

Claims (17)

1. 投影光学系のベストフォーカス位置を検出する方法であって、
   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で、前記投影光学系の光軸方向の複数の位置毎に、前記所定パターン像を計測して計測データを得る工程と、
   前記複数の位置毎に計測された計測データの中から、第１計測データが計測された位置を基準として、所定の範囲内にある位置で計測された第１の複数の計測データを選択する工程と、
   前記第１の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、前記光学系のベストフォーカス位置を算出する工程とを有することを特徴とするベストフォーカス位置検出方法。
2. 前記選択する工程は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて近似関数を求める工程と、前記近似関数に基づいて、前記第１計測データが計測された位置を基準の位置として選択する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載のベストフォーカス位置検出方法。
3. 前記第１計測データが得られた位置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて得られた近似関数のピーク位置近傍にあり、
   前記所定の範囲は、前記ピーク位置からのフォーカス方向の正方向又は負方向に関して設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のベストフォーカス位置検出方法。
4. 前記第１計測データが得られた位置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて得られた近似関数のピーク位置近傍にあり、
   前記所定の範囲は、前記ピーク位置近傍に前記所定の範囲を中心として、フォーカス方向の正負両方向に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載のベストフォーカス位置検出方法。
5. 前記所定の範囲は、前記近似関数に関して、前記近似関数のピーク位置近傍に対する前記フォーカス方向の正負両方向に現れる所定の特徴点の間に設定されることを特徴とする請求項４に記載のベストフォーカス位置検出方法。
6. 前記ベストフォーカス位置を算出する工程は、
   前記第１の複数の計測データの中から、第２計測データが計測された位置を基準として、前記所定の範囲内の中に、特定範囲を設定する工程と、
   前記特定範囲内にある位置で計測された第２の複数の計測データを選択する工程とを含み、
   前記第２の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、前記ベストフォーカス位置を検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のベストフォーカス位置検出方法。
7. 前記所定の特徴点は、前記近似関数のピーク位置近傍に対して、符号が反転する極値点、又は、前記近似関数における変曲点であることを特徴とする請求項５に記載のベストフォーカス位置検出方法。
8. 投影光学系のベストフォーカス位置を検出する装置であって、
   照明光により照明される所定のパターンが形成されたパターン形成部材と、
   前記投影光学系の像面側で、前記投影光学系の光軸方向の複数の位置毎に、前記所定パターン像を計測する計測処理装置と、
   前記計測処理装置の計測結果として、前記複数の位置毎に計測された計測データの中から、第１計測データが計測された位置を基準として、所定の範囲内にある位置で計測された第１の複数の計測データを選択し、前記第１の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、前記光学系のベストフォーカス位置を算出する算出装置とを有することを特徴とするベストフォーカス位置検出装置。
9. 前記算出装置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて近似関数を求めるとともに、当該求められた前記近似関数に基づいて、前記第１計測データが計測された位置を基準の位置として選択することを特徴とする請求項８に記載のベストフォーカス位置検出装置。
10. 前記第１計測データが得られた位置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて得られた近似関数のピーク位置近傍にあり、
    前記算出装置は、前記ピーク位置からのフォーカス方向の正方向又は負方向に関して、前記所定の範囲を設定することを特徴とする請求項８又は９に記載のベストフォーカス位置検出装置。
11. 前記第１計測データが得られた位置は、前記複数の位置毎に計測された計測データを用いて得られた近似関数のピーク位置近傍にあり、
    前記算出装置は、前記ピーク位置近傍を前記所定の範囲を中心として、フォーカス方向の正負両方向に、前記所定の範囲を設定することを特徴とする請求項８又は９に記載のベストフォーカス位置検出装置。
12. 前記所定の範囲は、前記近似関数に関して、前記近似関数のピーク位置近傍に対する前記フォーカス方向の正負両方向に現れる所定の特徴点の間に設定されることを特徴とする請求項１１に記載のベストフォーカス位置検出装置。
13. 前記算出装置は、前記第１の複数の計測データの中から、第２計測データが計測された位置を基準として、前記所定の範囲内の中に、特定範囲を設定するとともに、当該特定範囲内にある位置で計測された第２の複数の計測データを選択し、前記第２の複数の計測データを用いて得られた近似関数に基づいて、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請求項８〜１２のいずれか一項に記載のベストフォーカス位置検出装置。
14. 前記所定の特徴点は、前記近似関数のピーク位置近傍に対して、符号が反転する極値点又は、前記近似関数における変曲点であることを特徴とする請求項１３に記載のベストフォーカス位置検出装置。
15. パターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンの像を投影光学系を介して基板に転写する露光方法であって、
    請求項１〜のいずれか一項に記載のベストフォーカス位置検出方法により、前記投影光学系のベストフォーカス位置を検出し、
    検出された前記ベストフォーカス位置に基づいて、前記パターンの像と前記基板との相対的な位置関係を調整し、
    前記パターンの像を前記基板に転写することを特徴とする露光方法。
16. パターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンの像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、
    請求項９から１４のいずれか一項に記載のベストフォーカス位置検出装置を具備することを特徴とする露光装置。
17. 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は、請求項１５に記載の露光方法を用いて行なうことを特徴とするデバイス製造方法。

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