表面形状計測装置、表面形状計測方法、露光装置及びデバイス製造方法
【課題】
被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置を提供する。
【解決手段】
表面形状計測装置は、ウエハ４に塗布されたレジスト５の表面に接触してこの表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子１を有する高さ検出器ＡＢＰと、非光学的検出素子１に向けて測定光１０ａを発する光源１０と、非光学的検出素子１からの測定光１０ａの反射光を受光することにより非光学的検出素子１の位置を検出する光検出器９とを有し、高さ検出器ＡＢＰは、非光学的検出素子１を保持するための開口２０が形成された保持部２を備え、非光学的検出素子１は、保持部２の開口２０に固定されずに配列され、レジスト５の表面に接触することにより位置が変化する。
被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置を提供する。
【解決手段】
表面形状計測装置は、ウエハ４に塗布されたレジスト５の表面に接触してこの表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子１を有する高さ検出器ＡＢＰと、非光学的検出素子１に向けて測定光１０ａを発する光源１０と、非光学的検出素子１からの測定光１０ａの反射光を受光することにより非光学的検出素子１の位置を検出する光検出器９とを有し、高さ検出器ＡＢＰは、非光学的検出素子１を保持するための開口２０が形成された保持部２を備え、非光学的検出素子１は、保持部２の開口２０に固定されずに配列され、レジスト５の表面に接触することにより位置が変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状計測装置、表面形状計測方法、露光装置及びデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影露光装置においては、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、より高い解像力でレチクルの回路パターンをウエハに投影露光することが要求されている。
【０００３】
このような要求を達成するため、露光装置の方式として、ステッパーからスキャナーが主流になりつつある。ステッパーとは、略正方形状の露光領域をウエハに縮小して一括投影露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置である。一方、スキャナーとは、露光領域を矩形のスリット形状としてレチクルとウエハを相対的に高速走査し大画面を精度よく露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置である。
【０００４】
スキャナーは、露光中において、ウエハの所定の位置が露光スリット領域に差し掛かる前に、光斜入射系の表面位置検出手段によってそのウエハの所定位置における表面位置を計測する。そして、その所定位置を露光する際に、ウエハ表面を最適な露光像面位置に合わせる補正を行うことにより、ウエハの平面性の影響を低減することができる。
【０００５】
特に、露光スリットの長手方向（すなわち、走査方向と直交する方向）には、ウエハの表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく表面の傾き（チルト）を計測するため、露光スリット領域の前段及び後段に複数の計測点が設けられている。このようなスキャナーにおけるウエハの表面位置計測方法として、例えば、特許文献１に開示された方法がある。
【０００６】
以下、従来の表面形状計測装置を備えた露光装置の構成について、簡単に説明する。図１３は、従来の露光装置の概略構成図である。
【０００７】
エキシマレーザ等を用いた光源８００から射出された光（露光光）は、照明光学系８０１によって露光に適した所定形状の露光スリットに整形され、レチクル１０１上のパターン面を照明する。そのパターン面には露光すべき回路パターンが形成されており、回路パターンを通過した光が投影露光レンズ１０２を介して結像面に相当するウエハ１０３面上近傍に像形成する。
【０００８】
レチクル１０１は、Ｙ方向に走査駆動可能なレチクルステージＲＳ上に保持されている。ウエハ１０３は、ＸＹＺ方向に走査駆動可能で、かつ、ＸＹＺ角軸周りに傾斜（チルト）補正可能なウエハステージＷＳ上に保持されている。
【０００９】
レチクルステージＲＳとウエハステージＷＳとを露光倍率に対応する速度比でＹ方向に走査させることにより、レチクル１０１上の回路パターンをウエハ１０３上のショット領域へと露光する。１つのショット領域への露光（ワンショット露光）が終了した後、ウエハステージＷＳは露光領域が次のショット領域となるようにウエハ１０３をステップ移動させる。そして、−Ｙ方向への（すなわち、直前の走査方向と逆方向への）走査露光を行う。これら一連の動作はステップ・アンド・スキャンと呼ばれ、スキャナー特有の露光方法である。このステップ・アンド・スキャン動作によってウエハ１０３上のすべてのショット領域が露光される。
【００１０】
ワンショット露光内での走査中には、フォーカス及びチルト検出系１３３によりウエハ１０３表面の面位置情報が取得され、露光像面からのずれ量が算出される。そして、Ｚ方向及びチルト方向へのステージ動作によって略露光スリット単位でウエハ１０３表面の位置補正が行われる。図１４は、フォーカス及びチルト検出系１３３の概略構成図である。ただし、この構成については特許文献１に詳しいため、具体的な説明は省略する。
【００１１】
フォーカス及びチルト検出系１３３は、光学的にウエハ１０３の表面高さを計測している。ウエハ１０３の表面、さらに詳細にはウエハ１０３上に塗布されたレジストの表面に対し、光源ＬＥＤからマスク及び投光系を介して高入射角度で光を入射させる。そして、ウエハ１０３からの反射光の像ずれを、受光系を介して、ＣＣＤ等の位置検出素子で検出する。ウエハ１０３上の複数の計測点に光を入射させ、それぞれの反射光を別個の位置検出素子に導き、異なる位置におけるウエハ１０３表面の高さ計測結果に基づいてウエハ１０３のチルト補正を行っている。
【００１２】
しかしながら、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、露光光学系の焦点深度が極めて小さくなっている。これに従い、露光対象としてのウエハ表面を最良結像位置（ベストフォーカス位置）に制御する際の許容範囲、すなわちフォーカス精度に対する要求もますます厳しくなっている。その結果、ウエハ上のパターンによる影響や、レジスト厚さムラに起因する面位置検出系の計測誤差も無視できない。
【００１３】
図１５は、ウエハ上のパターン段差に伴うレジスト厚変化による反射率変化を説明する図である。レジストの塗布されたウエハの反射率は、レジスト表面の反射光とレジスト裏面（ウエハパターン表面）の反射光との干渉により決まる。ウエハに段差が無い領域Ａのレジスト厚Ｒｔに比べて、段差部Ｂのレジスト厚Ｒｔ’は厚い。このため、Ａ領域に照射された光のレジスト表面の反射光ｋａ１とレジスト表面の反射光ｋａ２の光路長差ｄＡとＢ領域に照射された光のレジスト表面の反射光ｋｂ１とレジスト表面の反射光ｋｂ２の光路長差ｄＢが異なる。その結果、Ａ領域とＢ領域の反射率に差が生じる。このように、光が反射率変化のある領域に照射された場合、非対称な信号波形が生じることになる。
【００１４】
図１６は、パターンの無い領域Ｃ（またはパターン密度が粗な領域）とパターン密度が大きい領域Ｄの反射率差を説明する図である。領域ＣとＤのレジスト厚は同等で、領域ＣとＤのレジスト表面での反射光ｋｃ１，ｋｄ１の反射率はほぼ同等であるが、領域ＣとＤはウエハ上のパターンの粗密度が異なるため、レジスト裏面での反射光ｋｃ２，ｋｄ２の反射率が異なる。また更にウエハパターンが照明光の波長以下になると、構造複屈折と呼ばれる反射での位相飛びの現象が発生し、レジスト裏面での反射光ｋｃ２，ｋｄ２の間の位相差に差が生じることにより、領域ＣとＤの反射率に差が生じることになる。
【００１５】
このように、ウエハパターンによって反射角度や反射強度が変化する。このため、反射光を受光した際の検出波形が非対称となることにより、検出誤差が生じ、また、検出波形のコントラストが著しく低下して正確な面位置検出が困難となる場合がある。特に、ウエハパターンのパターン寸法が６５ｎｍ以下である場合、フォーカス計測精度を数ｎｍ以下に管理する必要があり、現在の光学的計測のみでは充分なフォーカス精度を確保することは困難である。
【００１６】
このため、この問題を解決する方法として、特許文献２に開示されている方法がある。特許文献２には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で使用するカンチレバーと同じ形状のものを複数配列したマルチカンチレバーを用いることが開示されている。また、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）と呼ばれる構造を利用してマルチカンチレバーが作製される。このようなマルチカンチレバーを用いることにより、光計測系による問題点を解消している。
【００１７】
また特許文献２では、複数のカンチレバー等の高さバラツキを校正する場合のキャリブレーションに関しても、平面度が予め判明している治具としてのサンプルウエハ等を使用する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平６−２６０３９１号公報
【特許文献２】特開２００６−１１２７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、特許文献２の方法では、光計測系による問題点を解消しているが、柔らかいレジストの接触時に、レジストを変形させるおそれがある。このため、接触部のバネ常数をさらに小さくし、よりソフトに接触する必要がある。
【００２０】
また、キャリブレーションに使用するサンプルウエハ等は、平面度が予め判明している必要がある。このため、その計測精度や手間等により、高価なキャリブレーション方式となっている。
【００２１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置及び表面形状計測方法を提供する。また、本発明は、そのような表面形状計測装置を備えた露光装置、及び、そのような露光装置を用いたデバイス製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての表面形状計測装置は、被測定物の表面に接触して該表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子を有する高さ検出器と、前記非光学的検出素子に向けて測定光を発する光源と、前記非光学的検出素子からの前記測定光の反射光を受光することにより前記非光学的検出素子の前記位置を検出する光検出器とを有し、前記高さ検出器は、前記非光学的検出素子を保持するための開口が形成された保持部を備え、前記非光学的検出素子は、前記保持部の前記開口に固定されずに配列され、前記被測定物の表面に接触することにより前記位置が変化する。
【００２３】
本発明の他の側面や他の目的及び更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施例により明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置及び表面形状計測方法を提供することができる。また、本発明によれば、そのような表面形状計測装置を備えた露光装置、及び、そのような露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２】実施例１における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図３】実施例１において、複数の非光学的検出素子が配列した構造の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図４】実施例１において、複数の非光学的検出素子が配列した構造の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図５】実施例１において、複数の非光学的検出素子を格子状に配置した高さ検出器の概略構成図である。
【図６】実施例１における光計測系で非光学的検出素子の高さ位置を測定する状態を示す拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図７】実施例１における光計測系で非光学的検出素子の高さ位置を測定する状態を示す拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図８】実施例１において、表面形状計測装置をツインステージの半導体露光装置に適用した場合の概略構成図である。
【図９】実施例１における光計測系の概略構成図である。
【図１０】実施例２における表面形状計測装置の側面図である。
【図１１】高さ検出器を用いてキャリブレーション計測を行う状態を示す図である。
【図１２】高さ検出器を用いずにキャリブレーション計測を行う状態を示す図である。
【図１３】従来の露光装置の概略構成図である。
【図１４】図１３に示される露光装置のフォーカス及びチルト検出系の概略構成図である。
【図１５】光学的なオフセットの説明図である。
【図１６】光学的なオフセットの説明図である。
【図１７】実施例１における表面形状計測方法のフローチャートである。
【図１８】実施例１における非光学的検出素子の高さバラツキのキャリブレーションを示すフローチャートである。
【図１９】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２０】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図２１】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２２】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図２３】実施例６における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２４】実施例６における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
本実施例の表面形状計測装置は、特に、半導体ウエハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板等の被処理体の表面形状を計測する表面形状計測装置である。本発明は、例えば、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程によって製造する投影露光装置や投影露光方法に好適である。また、化学気相成長法（ＣＶＤ）や化学機械研磨（ＣＭＰ）後の薄膜の形状検査を行う装置にも適して用いられる。
［実施例１］
まず、本発明の実施例１について説明する。図８は、本実施例に係る露光装置Ｓの要部を概略的に示す構成図である。本図は、本実施例の表面形状計測装置をツインステージの半導体露光装置に適用した場合の概略構成図である。なお、この露光装置Ｓは、例えば米国特許４，８６１，１６２に開示される露光装置に本実施例の表面形状計測装置を適用して構成される。
【００２８】
露光装置Ｓにおいて、ウエハ２１（基板）は、計測ステージ２２と露光ステージ２３との２つのウエハ駆動ステージ間を、チャック２４に吸着された状態で搬送される。露光ステージ２３上では、露光光源からの露光光をレチクル上に導く照明光学系（不図示）を介して、投影光学系２６によってレチクルのパターンをウエハ２１上に投影される。ウエハ２１（露光ステージ２３）は基板駆動系（不図示）により駆動され、また、レチクルはレチクル駆動系（不図示）により駆動される。
【００２９】
チャック２４の上には、ウエハ２１の位置計測のためのチャックマーク２４ａが設けられている。計測ステージ２２において、このチャックマーク２４ａとウエハ２１との間の３次元的な位置関係がアライメント検出系２７を用いて計測される。その後、ウエハ２１を吸着したままチャック２４が露光ステージ２３に移動する。露光ステージ２３では、チャックマーク２４ａの３次元的な位置がアライメント検出系２７によって計測される。その計測結果及びウエハ２１とチャックマーク２４ａとの位置関係情報とを用いることにより、露光ステージ２３におけるウエハ２１の３次元的な位置（ＸＹＺ方向の位置）が把握される。
【００３０】
露光装置Ｓには、基板の表面形状を計測するためのフォーカス検出系ＭＰ（表面形状計測装置）が設けられている。フォーカス検出系ＭＰの内部には、後述のとおり、複数の球形状の非光学的検出素子１が格子状に配置された高さ検出器ＡＢＰが配置されている。非光学的検出素子１の材料としては、例えばシリコンが用いられる。
【００３１】
図５は、本実施例において、複数の非光学的検出素子１を格子状に配置して構成された高さ検出器ＡＢＰの概略構成図である。図５に示されるように、本実施例の高さ検出器ＡＢＰには、１辺が３０ｍｍの正方形領域内に各々の非光学的検出素子１が２ｍｍ間隔で縦横に各１６個（合計２５６個）配置されている。このように、本実施例において、非光学的検出素子１を格子状に複数配列した素子を、高さ検出器ＡＢＰ（複数球形状の非光学的検出素子）と呼ぶ。高さ検出器ＡＢＰは、複数の非光学的検出素子１を二次元的に配列することにより測定領域を構成する。この測定領域の大きさは、被測定物（ウエハ）を露光する際のショット領域の大きさ以上であることが望ましい。
【００３２】
なお、本実施例の高さ検出ＡＢＰは、図５に示される非光学的検出素子１の数及び配置に限定されるものではない。図５に示される構成の代わりに、基板の表面形状を計測するのに適した他の構成を採用してもよい。
【００３３】
図１及び図２は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子１の周辺構造を示している。図１は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００３４】
図１に示されるように、非光学的検出素子１は球形状である。保持部２には開口２０が形成されており、球形状の非光学的検出素子１はこの開口２０に収まり保持されている。非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない場合、非光学的検出素子１は、その表面が開口２０の外周部２０ａに接することにより、所定位置に保持される。このとき、非光学的検出素子１の一部（下端部）は、開口２０から保持部２の下側に突出している。
【００３５】
本実施例の保持部２は、例えばＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて作製することができる。ただしこれに限定されるものではなく、他の方法を用いて作製してもよい。
【００３６】
また、本実施例の高さ検出器ＡＢＰは蓋部３を有する。蓋部３は、非光学的検出素子１の位置の変化（移動領域）を所定範囲に制限する、保持部２に固定されている。
【００３７】
図２に示されるように、本実施例における被測定物は、レジスト５が塗布されたウエハ４（シリコンウエハ）である。ただし、これに限定されるものではなく、本実施例における高さ検出器ＡＢＰは、他の被測定物の高さを測定することもできる。本実施例の計測時には、高さ検出器ＡＢＰをウエハ４（シリコンウエハ）の表面近傍に配置する。非光学的検出素子１は、その下端部が保持部２の下側に突出しているため、高さ検出器ＡＢＰとウエハ４上に塗布されたレジスト５との間の距離が所定距離より小さくなると、非光学的検出素子１はレジスト５の表面に接触する。
【００３８】
非光学的検出素子１は、開口２０の外周部２０ａに接することにより保持部２に保持されているが、機械的拘束を受けていない。すなわち、非光学的検出素子１は、保持部２の開口２０に固定されずに配列され、被測定物の表面に接触することにより位置が変化する。
【００３９】
このように、非光学的検出素子１は、保持部２に置かれているだけで、下側から上側に外力が加えられることにより、自由にその位置を変化させる。このため、図２に示されるように、非光学的検出素子１が被測定物であるレジスト５（ウエハ４）に接すると、非光学的検出素子１は、保持部２に対して上側に移動する。すなわち、非光学的検出素子１は、被測定物の表面に接触することにより、保持部２の開口２０の内部において位置が変化する。
【００４０】
高さ検出器ＡＢＰは、計測時において、レジスト５（ウエハ４）の表面近傍に配置され、この表面に接触して表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子１を配列して構成される。そして、非光学的検出素子１は、レジスト５の表面に接触することにより、機械的拘束を受けることなく位置が変化する。
【００４１】
非光学的検出素子１は、被測定物であるウエハ４上のレジスト５の表面を傷つけないように、ウエハ４上のレジスト５の表面に接した状態で支持される。非光学的検出素子１の位置（非光学的検出素子１の高さ）は、レジスト５の表面の凹凸（高さ変化）に従って変化する。このとき、非光学的検出素子１の移動可能な領域は、蓋部３により所定範囲に制限される。このため、非光学的検出素子１は、上側に移動しても開口２０の外側に排出されることはなく、開口２０の内部に収まっている状態を維持する。
【００４２】
高さ検出器ＡＢＰを以上のように構成し、非光学的検出素子１の位置（高さ）を後述のように光学的に検出することにより、ウエハ４上に塗布されたレジスト５の表面等の被測定物のＺ方向位置（紙面垂直方向位置）を計測することができる。
【００４３】
また、非光学的検出素子１をレジスト５の表面に配置して非光学的検出素子１の高さを計測することにより、図１５及び図１６に示されるような光学的なオフセットの発生を防止することができる。このため、ウエハ４に塗布されたレジスト５の表面形状（表面高さの変化）をより正確に計測することが可能になる。
【００４４】
図３及び図４は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大側面図であり、それぞれ、複数の非光学的検出素子１が配列している構造を示している。図３は、複数の非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図４は、複数の非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００４５】
図３に示されるように、複数の非光学的検出素子１は、格子状に形成された保持部２の開口２０に収まるように配置されている。非計測時には、複数の非光学的検出素子１は、開口２０の外周部２０ａに接して、保持部２に保持されている。このとき、複数の非光学的検出素子１の下端部は、いずれも同じように、保持部２の下方に突出している。
【００４６】
一方、図４に示されるように、計測時には、複数の非光学的検出素子１の下端部は、ウエハ４上のレジスト５の表面等の被測定物の最上面に接触する。このとき、各々の非光学的検出素子１の位置は、レジスト５の表面の凹凸に従って異なる。すなわち、測定領域における複数の非光学的検出素子１の位置は、測定領域の二次元的な表面形状を反映することになる。
【００４７】
ここで、非光学的検出素子１の位置は、蓋部３の存在により、その高さ方向において移動可能な領域が制限される。このため、非光学的検出素子１が開口２０の外に排出されて計測ができないという状況にはならない。後述のとおり、複数の非光学的検出素子１の上部の部分を光計測系で計測することにより、それぞれの非光学的検出素子１の高さが計測可能となる。
【００４８】
次に、非光学的検出素子１の高さを計測する計測方法について説明する。非光学的検出素子１の高さを計測する計測方式に関しては、光計測系を用いることができ、具体的な計測方法として種々の原理のものが用いられる。
【００４９】
例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に頻繁に用いられる光テコ方式と呼ばれる方法を使用してもよい。非光学的検出素子１は、計測プローブとウエハに塗布されたレジスト表面上に配置されるため、ウエハ表面の高さ位置に応じて上下移動する。
【００５０】
非光学的検出素子１の上面に斜入射光を入射させ、その背面からの反射光を電荷結合素子（ＣＣＤ）等の光検出器によって検出する。このようにして、非光学的検出素子１の高さ、すなわちウエハの表面形状を計測することができる。
【００５１】
図９は、実施例１におけるフォーカス検出系（表面形状計測装置）の概略構成図である。本図は、複数の非光学的検出素子１による高さ計測を１つの光学系によって行う光テコ方式のフォーカス検出系ＭＰを示している。
【００５２】
また、図６及び図７は、実施例１における光計測系６で非光学的検出素子１の高さ位置を測定する状態を示す拡大断面図である。図６は、非光学的検出素子１が被測定物（レジスト５を塗布したウエハ４）に接触していない状態であり、図７は非光学的検出素子１が被測定物に接触した状態である。光計測系６と高さ検出器ＡＢＰとにより、フォーカス検出系ＭＰが構成される。
【００５３】
図９に示されるように、レーザー光源１０（光源）は、高さ検出器ＡＢＰ（複数の非光学的検出素子１）に向けて測定光１０ａを発する。レーザー光源１０（光源）から発せられた測定光１０ａは、複数のスポット発生部１１によって分割され、投光光学系１２によって複数の非光学的検出素子１それぞれの背面１ｂに斜入射光８として入射される。複数の非光学的検出素子１の背面１ｂそれぞれからの反射光は、受光光学系１３により光検出器９の受光面へ導かれる。このように、光検出器９は、非光学的検出素子１からの測定光の反射光を受光することにより非光学的検出素子１の位置を検出する。
【００５４】
市販のＡＦＭにおける光テコ方式では、光検出器として四分割センサが用いられるが、本実施例では二次元撮像素子（例えば、エリア型ＣＣＤ等）が用いられる。光検出器９による受光位置は、非光学的検出素子１の背面１ｂの高さ位置（Ｚ方向位置）に応じて変化する。このため、光検出器９で受光した光を光電変換することにより、複数の非光学的検出素子１のＺ方向位置を正確に計測することができる。
【００５５】
本実施例の表面計測方法は、図８に示されるように、ウエハ２１を計測ステージ２２上に搭載し、露光ステージ２３上におけるウエハ２１の露光前に、以下の計測シーケンスに基づいて行われる。
【００５６】
図１７は、本実施例における表面形状計測方法のフローチャートである。本図に示されるように、本実施例の表面形状計測方法は、近接ステップＳ１０１、光入射ステップＳ１０２、受光ステップＳ１０３、及び、位置算出ステップＳ１０４からなる。まず、近接ステップＳ１０１において、高さ検出器ＡＢＰを被測定物であるウエハ２１に近接させ、保持部２の開口２０に固定されずに配列された複数の非光学的検出素子１をウエハ２１の表面に接触させる。これにより、ウエハ２１の表面高さに応じて複数の非光学的検出素子１の位置を変化させる。
【００５７】
この動作が完了した後、光入射ステップＳ１０２において、非光学的検出素子１に測定光１０ａを入射する。また、受光ステップＳ１０３において、非光学的検出素子１からの測定光１０ａの反射光を光検出器９により受光する。最後に、位置算出ステップＳ１０４において、光検出器９による受光位置に基づいて、非光学的検出素子１の位置を算出する。
【００５８】
このように、まず、ウエハ２１上で最初に露光されるショット領域の表面形状を複数の非光学的検出素子１により計測する。次に、計測ステージ２２を駆動して、その他の各ショット領域における表面形状を、複数の非光学的検出素子１にて計測する。
【００５９】
全てのショット領域の表面形状計測の終了後、ウエハ２１のＸＹ方向位置情報を得るため、アライメント検出系２７（オフアクシススコープ）によってウエハアライメントを行う。多くの場合、グローバルアライメントによるウエハアライメントが行われる。このウエハアライメント時には、チャック２４上に設けられたチャックマーク２４ａのＸＹＺ位置をアライメント検出系２７により計測する。
【００６０】
ウエハアライメント終了後、ウエハ２１を吸着した状態でチャック２４が露光ステージ２３へ移動する。そして、ウエハ２１の露光を開始するとともに、計測ステージ２２に未計測の新たなウエハ１を移動する。なお、露光シーケンスについては公知の方法と同様である。このため、露光シーケンスの説明は省略する。
【００６１】
図２に示されるように、非光学的検出素子１とウエハ４との間の距離を設定するに際しては、ウエハ４の表面形状の高さバラツキを考慮する必要がある。ウエハ４の表面形状の高さバラツキの値よりも非光学的検出素子１とウエハ４と間の距離を近接させると、非光学的検出素子１の保持部２に被測定物であるウエハ４（レジスト５）の表面が接触する可能性がある。保持部２がレジスト５に接触すると、レジスト５の表面（被測定物の表面）を傷つけてしまう恐れがある。従って、非光学的検出素子１と被測定物との間の位置関係は、これらが接触するものの、被測定物に影響しない条件に設定する必要がある。
【００６２】
例えば、最新の液浸レジストの硬さを計測し、それを変形させないように考慮した、非光学的検出素子１の重さ、大きさ、材質を選んで使用する。また、被測定物の絶対値の形状を計測するのではなく相対値を計測する場合、複数の非光学的検出素子１を被測定物の表面に配置することで、一様に下がっても、被測定物に塑性変形を起こさなければよい。このため、その条件で非光学的検出素子の仕様を決めることも可能である。
【００６３】
また、非光学的検出素子１の材料に関して、リソグラフィ時のウエハ上のレジスト表面を計測する表面計測方法を実行する場合には、半導体プロセスの歩留まりを低下させる汚染対策を考慮する必要がある。具体的には、非光学的検出素子１を任意の金属材料で作製すると、半導体プロセスにおいて望ましくない金属汚染（メタルコンタミ）の発生源となる。このため、非光学的検出素子１の材料としては、汚染源とならない材料であるシリコン等を用いることが望ましい。
【００６４】
また、非光学的検出素子１を例えば１０００個以上配列して高さ検出器ＡＢＰを構成する際には、ナノメートルオーダーでの高さバラツキが発生する可能性がある。このため、ウエハ４の表面計測を行う前に、サンプルミラー工具（いわゆる治具、ウエハでも可）を用いて、複数の非光学的検出素子１それぞれの高さバラツキを校正するキャリブレーション作業が必要となる。本実施例によれば、このサンプルミラー工具は、予め平面度が判明している必要が無い。以下、非光学的検出素子１の高さバラツキを校正する場合のキャリブレーションの手順について説明する。
【００６５】
図１８は、本実施例における非光学的検出素子１の高さバラツキのキャリブレーションを示すフローチャートである。このキャリブレーションは、平面度が予め判明している治具としてのサンプルウエハ等を使用しない方法を提案するものである。また、このキャリブレーションは、高さ検出器ＡＢＰを使用した計測と使用しない計測の二つの計測結果を利用する。
【００６６】
図１１は、高さ検出器ＡＢＰを用いてサンプルウエハ３１の平面高さを計測している状態を示したものである。まず、ステップＳ２０１において、高さ検出器ＡＢＰを用いてサンプルウエハ３１（平面サンプル）の表面形状を計測する（第一計測ステップ）。サンプルウエハ３１は、その平面度が予め判明している必要の無い治具である。
【００６７】
図１１に示されるように、サンプルウエハ３１は、その表面計測範囲が高さ検出器ＡＢＰの下方に位置するように設定される。その後、サンプルウエハ３１を＋Ｚ方向（高さ方向）、すなわち高さ検出器ＡＢＰに近接する方向）に移動させる。全ての非光学的検出素子１がサンプルウエハ３１に接触するようにして、そのときの各非光学的検出素子１のＺ方向位置を光学的に計測する。この計測値を、各非光学的検出素子１ｉｊ(ｉｊはそれぞれ整数)において、Ｚｉｊ１とする。ステップＳ２０１が終了後、高さ検出器ＡＢＰを取り除く。
【００６８】
次に、ステップＳ２０２において、高さ検出器ＡＢＰを用いることなく、サンプルウエハ３１の表面形状を光計測系で計測する（第二計測ステップ）。図１２は、高さ検出器ＡＢＰを用いずにサンプルウエハ３１の平面高さを計測している状態を示したものである。このとき、サンプルウエハ３１の表面の高さ位置（Ｚ方向位置）は光学的に計測される。この計測値を、各非光学的検出素子１ｉｊ(ｉｊはそれぞれ整数)において、Ｚｉｊ２とする。
【００６９】
次に、ステップＳ２０３において、非光学的検出素子１の高さバラツキを算出する。すなわち、高さ検出器ＡＢＰを使用して得られた第一計測値Ｚｉｊ１と使用しないで得られた第二計測値Ｚｉｊ２の差分Ｚｉｊ１−Ｚｉｊ２をオフセットとして、各非光学的検出素子１ｉｊに設定する。このように、ステップＳ２０３は、第一計測ステップで計測した第一計測値と第二計測ステップで計測した第二計測値との差から、非光学的検出素子１の高さバラツキを算出する補正値算出ステップである。
【００７０】
図１７に示される位置算出ステップＳ１０４において、ステップＳ２０３で算出した高さバラツキ（Ｚｉｊ１−Ｚｉｊ２）を用い、複数の非光学的検出素子１の位置を補正する（ステップＳ２０４）。このように、位置算出ステップＳ１０４は、補正値算出ステップで算出された非光学的検出素子１の高さバラツキに基づいて、非光学的検出素子１の位置を補正する位置補正ステップを含む。このため、本実施例の校正方法によれば、サンプルウエハ３１の表面のバラツキに関係なく、各複数の非光学的検出素子１の大きさのバラツキも補正することができる。
【００７１】
なお、高さ検出器ＡＢＰを使用する計測と使用しない計測のいずれを先に計測するかは、限定されるものではない。本実施例では、高さ検出器ＡＢＰを使用する計測を先に行ったが、これに代えて、高さ検出器ＡＢＰを使用する計測を後に行ってもよい。すなわち、ステップＳ２０１とステップＳ２０２の順番を入れ替えることもできる。
【００７２】
上述のとおり、本実施例によれば、複数の非光学的検出素子１を備えた高さ検出器ＡＢＰを用いた非光学的な計測と、光学的な計測とを組み合わせている。このため、ウエハ上に塗布されたレジストの表面形状を光学的な方法のみによって計測する際に生じるオフセットが発生しない。また、キャリブレーションを行うことにより、複数の非光学的検出素子１の高さバラツキやサンプルウエハの平面度の影響を殆ど受けることなく、ナノメートルオーダーでの計測を高精度に行うことができる。
【００７３】
また、本実施例では、表面形状計測方法の適用対象をリソグラフィ時のウエハ上のレジスト表面を計測する場合に関して説明した。ただし、本実施例はこれに限定されるものではない。
【００７４】
本実施例は、特に、表面上に１μｍ以下の薄膜を形成した場合に効果的である。また、化学気相成長法（ＣＶＤ）で膜を成膜した後や化学機械研磨（ＣＭＰ）を行った後の表面形状を計測する際にも効果的である。
【００７５】
このように、本実施例では、シリコン等の材料で形成した球形状の非光学的検出素子を保持部に格子状に複数乗せ、その複数の非光学的検出素子の位置について光計測する。本実施例によれば、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測することが可能となる。
［実施例２］
次に、本発明の実施例２について説明する。図１０は、本実施例における表面形状計測装置の側面図である。計測ステージ２２（Ｚステージ）上には、チャック２４を介してウエハ２１が搭載されている。ウエハ２１の上には高さ検出器ＡＢＰが配置され、光計測系６（Ｚセンサ）を用いて非光学的検出素子の位置が検出される。
【００７６】
図１９及び図２０は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子５１の周辺構造を示している。図１９は、非光学的検出素子５１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２０は、非光学的検出素子５１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。この複数の非光学的検出素子５１の形状は、実施例１のような球形状ではなく、球の上部、下部を平面とした形状となっている。
【００７７】
市販のＡＦＭでは、先端寸法が数１０ｎｍのプローブを用いて、ＸＹ面内での水平分解能を獲得している。しかし、本実施例の表面形状計測装置では、水平分解能は数１００μｍ程度で足りる。スキャナー露光方式の半導体露光装置では、数ｍｍの露光スリットが用いられている。このため、本実施例の水平分解能は数１００μｍ程度で充分である。
【００７８】
従って、複数の非光学的検出素子５１の下部（レジスト接触部）の形状が１辺２００μｍの略正方形状でも問題はない。接触部を大きくすることで、却ってＸＹ面内におけるレジスト５表面形状の微小なノイズ成分を低減して平均化効果を得ることができる。また、レジスト５上へのキズ付けの防止や複数の非光学的検出素子５１の長期使用に伴う変形を防止する効果も得ることができる。このような効果を得るためには、複数の非光学的検出素子５１の下部は少なくとも３０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００７９】
本実施例では、非光学的検出素子５１の上部も平坦面に形成し、その平坦面の部分について光計測系で高さ計測を行う。このため、非光学的検出素子５１によれば、球形状の非光学的検出素子１と比較して、計測面積を向上させることができ、より高精度な計測が可能となる。
【００８０】
このように、非光学的検出素子は球形状だけに限定されるものでなく、他の形状でもよい。例えば、上述のように、上部及び下部を平面状に形成することができる。また、非光学的検出素子を楕円形状や多角形としてもよい。また、検出する光計測系の光源の出力を低くして安価にするため、非光学的検出素子の少なくとも上部をメタルコート等により高反射にすることも有効である。
【００８１】
なお、図２０では、理解を容易にするためデフォルメされており、非光学的検出素子５１と蓋部３との間が実際より広く示されている。実際には、非光学的検出素子５１と蓋部３との間の距離は、非光学的検出素子５１がレジスト５に接触して上に上がる分だけのクリアランスがあればよい。この距離は、少なくとも、非光学的検出素子５１が保持部５２の開口２０から排出されないように構成されている必要がある。
【００８２】
図２１及び図２２は、本実施例における他の高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子６１の周辺構造を示している。図２１は、非光学的検出素子６１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２２は、非光学的検出素子６１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００８３】
図２１及び図２２に示されるように、それぞれの非光学的検出素子６１の形状を、上部を大きく、及び、下部を小さくしてもよい。このとき、下部の被測定物に接触する部分を球面形状とし、上部を保持部６２の上に置く。非光学的検出素子６１の上部を光計測系で高さ計測することにより、被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測することができる。
［実施例３］
次に、本発明の実施例３について説明する。図８に示されるように、実施例１においては、ウエハ駆動ステージとして、計測ステージ２２及び露光ステージ２３の複数のステージを構成している。一方、本実施例では、実施例１とは異なり、一つのウエハ駆動ステージによって表面形状計測及び露光の両方を行う。
【００８４】
本実施例では、複数のウエハ駆動ステージを使用する場合に比較して計測及び露光のスループットは低下するものの、装置全体の小型化及びコスト低減を実現することができる。また、ウエハ２１を保持するチャック２４を計測と露光とで異なるウエハ駆動ステージに載せ替える必要がない。このため、チャックマーク２４ａを基準としてウエハ２１の３次元的位置を測定する必要がなく、チャックマーク２４ａが不要となる。
［実施例４］
次に、本発明の実施例４について説明する。実施例１〜３においては、複数の非光学的検出素子１によってショット領域全体を一度に計測している。つまり、複数の非光学的検出素子１が一度で表面形状を計測できる範囲（測定領域）が、一つのショット領域よりも広い領域となっている。
【００８５】
しかしながら、例えばショット領域よりも小さい面積に配列された非光学的検出素子１を用いて複数回計測することにより、一つのショット領域の表面形状を計測することも可能である。非光学的検出素子１によってショット領域の一部の表面形状を計測し、測定領域が隣接するようにウエハ２１を移動して再び表面形状を計測する。これを繰り返し複数回の計測によってショット領域全体の表面形状計測を行う。得られた複数個の計測データは、後の演算処理によって連結される。
【００８６】
計測回数が増加して計測のスループットが低減するが、多数の非光学的検出素子１を配列してショット領域よりも大きな範囲を計測できる非光学的検出素子１の製作が計測精度の観点から困難である場合に、本実施例による計測が効果的である。もちろん光学的計測のみによる場合のようなオフセットが発生することはない。
［実施例５］
実施例１の複数の非光学的検出素子の上部の高さ計測の光計測系として、光てこ方式を使用していたが、本実施例はそれに限定されるものではない。光計測により高さ計測する方法であれば、計測方式に限定されるものではなく、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置を提供することができる。光計測により高さ計測する方法としては、例えば、白色干渉方式やフーリエ変換モアレ法、位相シフト干渉法、波長走査干渉法等、多々存在する。
【００８７】
上述のとおり、本実施例における光計測系は、非光学的検出素子の上部の高さ計測、及び、キャリブレーション用のサンプルウエハの高さ計測を行うだけであり、その計測物体の材質等は限定されている。このため、使用する波長は、レーザー等の単波長でも検出率の低下要因にはならない。
【００８８】
特に、本実施例の計測を高速に行う場合、フーリエ変換モアレ法のように何も駆動しない計測方法や、半導体レーザーの発振波長を変えるだけでメカニカルに駆動がない波長走査干渉法が適して用いられる。
［実施例６］
次に、本発明の実施例６について説明する。図２３及び図２４は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子１の周辺構造を示している。図２３は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２４は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００８９】
図２３及び図２４では、説明を簡単にするため、球形状の非光学的検出素子１を表しているが、本実施例の非光学的検出素子は球形状に限定されるものではない。例えば図１９又は図２１に示されるような他の形状でもよい。
【００９０】
本実施例では、特に、非光学的検出素子１を保持する保持部７２の構成について説明する。実施例１では、複数の開口２０を二次元的に配列した保持部２を構成し、各々の開口２０に非光学的検出素子１を配置する。そして、非光学的検出素子１の高さを光学的に計測することで、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能とするものである。
【００９１】
一方、本実施例において、保持部７２は、非光学的検出素子１の高さを計測する光計測系（不図示）の計測光に対して透明な材質で構成されている。同様に、非光学的検出素子１の上部に設けられる蓋部７３も、計測光に対して透明な材質で構成されている。
【００９２】
例えば、計測光として、波長６００ｎｍ程度の光を使用する場合、保持部７２及び蓋部７３の材質としては、硝子部材やアクリル等の部材を使用し、図２３及び図２４のような保持部７２の加工も可能となる。このように、本実施例の計測光は、保持部７２及び蓋部７３に対して透明となっている。このため、不図示の光計測系は、非光学的検出素子１の上部を計測するだけでなく、非光学的検出素子１の無い部分の保持部７２を透して、被測定物すなわちウエハ４上のレジスト５の表面形状を検出することができる。
【００９３】
光計測時には、薄膜の多重反射や反射率の差で計測値の誤差が生じるが、これを解決することが本実施例の目的である。この場合の非光学的検出素子１の無い部分の保持部７２を透してのレジスト５の表面計測も同様に計測誤差を生じる。ただし、この場合、その計測値はそのままレジスト５の表面の計測値とされるのではなく、非光学的検出素子１にレジスト５の表面に接触させるための姿勢制御に用いられる。このため、上記計測誤差が１ミクロン程度あるとしても問題は生じない。
【００９４】
このように、本実施例では、非光学的検出素子１の高さを計測する光計測系の計測光に対して、保持部７２及び蓋部７３を透明な材質で構成する。このため、非光学的検出素子１にレジスト５の表面に接触させるための姿勢制御に光計測系を使用することも可能となる。
【００９５】
デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、前述のいずれかの実施例の露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。
【００９６】
本実施例によれば、ウエハ表面形状の高さバラツキやウエハパターンの粗密によって影響されることなく、ウエハ等の被処理体の表面形状を高精度に計測することができる。その表面形状計測結果は光学的計測の場合に発生するオフセットによる悪影響を受けることがない。結果的に、高精度なウエハパターンの露光が可能となり、ウエハ製造のスループットや歩留まり向上、ウエハの高性能化に寄与することができる。
【００９７】
従って、本実施例によれば、被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置及び表面形状計測方法を提供することができる。また、本実施例によれば、そのような表面形状計測装置を備えた露光装置、及び、そのような露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することができる。
【００９８】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００９９】
ＡＢＰ：高さ検出器
ＭＰ：フォーカス検出系（表面計測装置）
ＲＳ：レチクルステージ
Ｓ：露光装置
ＷＳ：ウエハステージ
１：非光学的検出素子
２：フォルダ
３：蓋部
４：ウエハ
５：レジスト
６：光計測系
１０：レーザー光源
１０ａ：測定光
２２：計測ステージ
２３：露光ステージ
２４：チャック
２４ａ：チャックマーク
２６：投影光学系
２７：アライメント検出系
２９：光検出器
１０１：レチクル
１０２：投影露光レンズ
１０３：ウエハ
１３３：フォーカス及びチルト検出系
８００：光源
８０１：照明光学系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状計測装置、表面形状計測方法、露光装置及びデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
投影露光装置においては、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、より高い解像力でレチクルの回路パターンをウエハに投影露光することが要求されている。
【０００３】
このような要求を達成するため、露光装置の方式として、ステッパーからスキャナーが主流になりつつある。ステッパーとは、略正方形状の露光領域をウエハに縮小して一括投影露光するステップ・アンド・リピート方式の露光装置である。一方、スキャナーとは、露光領域を矩形のスリット形状としてレチクルとウエハを相対的に高速走査し大画面を精度よく露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置である。
【０００４】
スキャナーは、露光中において、ウエハの所定の位置が露光スリット領域に差し掛かる前に、光斜入射系の表面位置検出手段によってそのウエハの所定位置における表面位置を計測する。そして、その所定位置を露光する際に、ウエハ表面を最適な露光像面位置に合わせる補正を行うことにより、ウエハの平面性の影響を低減することができる。
【０００５】
特に、露光スリットの長手方向（すなわち、走査方向と直交する方向）には、ウエハの表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく表面の傾き（チルト）を計測するため、露光スリット領域の前段及び後段に複数の計測点が設けられている。このようなスキャナーにおけるウエハの表面位置計測方法として、例えば、特許文献１に開示された方法がある。
【０００６】
以下、従来の表面形状計測装置を備えた露光装置の構成について、簡単に説明する。図１３は、従来の露光装置の概略構成図である。
【０００７】
エキシマレーザ等を用いた光源８００から射出された光（露光光）は、照明光学系８０１によって露光に適した所定形状の露光スリットに整形され、レチクル１０１上のパターン面を照明する。そのパターン面には露光すべき回路パターンが形成されており、回路パターンを通過した光が投影露光レンズ１０２を介して結像面に相当するウエハ１０３面上近傍に像形成する。
【０００８】
レチクル１０１は、Ｙ方向に走査駆動可能なレチクルステージＲＳ上に保持されている。ウエハ１０３は、ＸＹＺ方向に走査駆動可能で、かつ、ＸＹＺ角軸周りに傾斜（チルト）補正可能なウエハステージＷＳ上に保持されている。
【０００９】
レチクルステージＲＳとウエハステージＷＳとを露光倍率に対応する速度比でＹ方向に走査させることにより、レチクル１０１上の回路パターンをウエハ１０３上のショット領域へと露光する。１つのショット領域への露光（ワンショット露光）が終了した後、ウエハステージＷＳは露光領域が次のショット領域となるようにウエハ１０３をステップ移動させる。そして、−Ｙ方向への（すなわち、直前の走査方向と逆方向への）走査露光を行う。これら一連の動作はステップ・アンド・スキャンと呼ばれ、スキャナー特有の露光方法である。このステップ・アンド・スキャン動作によってウエハ１０３上のすべてのショット領域が露光される。
【００１０】
ワンショット露光内での走査中には、フォーカス及びチルト検出系１３３によりウエハ１０３表面の面位置情報が取得され、露光像面からのずれ量が算出される。そして、Ｚ方向及びチルト方向へのステージ動作によって略露光スリット単位でウエハ１０３表面の位置補正が行われる。図１４は、フォーカス及びチルト検出系１３３の概略構成図である。ただし、この構成については特許文献１に詳しいため、具体的な説明は省略する。
【００１１】
フォーカス及びチルト検出系１３３は、光学的にウエハ１０３の表面高さを計測している。ウエハ１０３の表面、さらに詳細にはウエハ１０３上に塗布されたレジストの表面に対し、光源ＬＥＤからマスク及び投光系を介して高入射角度で光を入射させる。そして、ウエハ１０３からの反射光の像ずれを、受光系を介して、ＣＣＤ等の位置検出素子で検出する。ウエハ１０３上の複数の計測点に光を入射させ、それぞれの反射光を別個の位置検出素子に導き、異なる位置におけるウエハ１０３表面の高さ計測結果に基づいてウエハ１０３のチルト補正を行っている。
【００１２】
しかしながら、集積回路の微細化及び高密度化に伴い、露光光学系の焦点深度が極めて小さくなっている。これに従い、露光対象としてのウエハ表面を最良結像位置（ベストフォーカス位置）に制御する際の許容範囲、すなわちフォーカス精度に対する要求もますます厳しくなっている。その結果、ウエハ上のパターンによる影響や、レジスト厚さムラに起因する面位置検出系の計測誤差も無視できない。
【００１３】
図１５は、ウエハ上のパターン段差に伴うレジスト厚変化による反射率変化を説明する図である。レジストの塗布されたウエハの反射率は、レジスト表面の反射光とレジスト裏面（ウエハパターン表面）の反射光との干渉により決まる。ウエハに段差が無い領域Ａのレジスト厚Ｒｔに比べて、段差部Ｂのレジスト厚Ｒｔ’は厚い。このため、Ａ領域に照射された光のレジスト表面の反射光ｋａ１とレジスト表面の反射光ｋａ２の光路長差ｄＡとＢ領域に照射された光のレジスト表面の反射光ｋｂ１とレジスト表面の反射光ｋｂ２の光路長差ｄＢが異なる。その結果、Ａ領域とＢ領域の反射率に差が生じる。このように、光が反射率変化のある領域に照射された場合、非対称な信号波形が生じることになる。
【００１４】
図１６は、パターンの無い領域Ｃ（またはパターン密度が粗な領域）とパターン密度が大きい領域Ｄの反射率差を説明する図である。領域ＣとＤのレジスト厚は同等で、領域ＣとＤのレジスト表面での反射光ｋｃ１，ｋｄ１の反射率はほぼ同等であるが、領域ＣとＤはウエハ上のパターンの粗密度が異なるため、レジスト裏面での反射光ｋｃ２，ｋｄ２の反射率が異なる。また更にウエハパターンが照明光の波長以下になると、構造複屈折と呼ばれる反射での位相飛びの現象が発生し、レジスト裏面での反射光ｋｃ２，ｋｄ２の間の位相差に差が生じることにより、領域ＣとＤの反射率に差が生じることになる。
【００１５】
このように、ウエハパターンによって反射角度や反射強度が変化する。このため、反射光を受光した際の検出波形が非対称となることにより、検出誤差が生じ、また、検出波形のコントラストが著しく低下して正確な面位置検出が困難となる場合がある。特に、ウエハパターンのパターン寸法が６５ｎｍ以下である場合、フォーカス計測精度を数ｎｍ以下に管理する必要があり、現在の光学的計測のみでは充分なフォーカス精度を確保することは困難である。
【００１６】
このため、この問題を解決する方法として、特許文献２に開示されている方法がある。特許文献２には、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で使用するカンチレバーと同じ形状のものを複数配列したマルチカンチレバーを用いることが開示されている。また、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）と呼ばれる構造を利用してマルチカンチレバーが作製される。このようなマルチカンチレバーを用いることにより、光計測系による問題点を解消している。
【００１７】
また特許文献２では、複数のカンチレバー等の高さバラツキを校正する場合のキャリブレーションに関しても、平面度が予め判明している治具としてのサンプルウエハ等を使用する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平６−２６０３９１号公報
【特許文献２】特開２００６−１１２７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、特許文献２の方法では、光計測系による問題点を解消しているが、柔らかいレジストの接触時に、レジストを変形させるおそれがある。このため、接触部のバネ常数をさらに小さくし、よりソフトに接触する必要がある。
【００２０】
また、キャリブレーションに使用するサンプルウエハ等は、平面度が予め判明している必要がある。このため、その計測精度や手間等により、高価なキャリブレーション方式となっている。
【００２１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置及び表面形状計測方法を提供する。また、本発明は、そのような表面形状計測装置を備えた露光装置、及び、そのような露光装置を用いたデバイス製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記の目的を達成するために、本発明の一側面としての表面形状計測装置は、被測定物の表面に接触して該表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子を有する高さ検出器と、前記非光学的検出素子に向けて測定光を発する光源と、前記非光学的検出素子からの前記測定光の反射光を受光することにより前記非光学的検出素子の前記位置を検出する光検出器とを有し、前記高さ検出器は、前記非光学的検出素子を保持するための開口が形成された保持部を備え、前記非光学的検出素子は、前記保持部の前記開口に固定されずに配列され、前記被測定物の表面に接触することにより前記位置が変化する。
【００２３】
本発明の他の側面や他の目的及び更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施例により明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置及び表面形状計測方法を提供することができる。また、本発明によれば、そのような表面形状計測装置を備えた露光装置、及び、そのような露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】実施例１における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２】実施例１における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図３】実施例１において、複数の非光学的検出素子が配列した構造の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図４】実施例１において、複数の非光学的検出素子が配列した構造の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図５】実施例１において、複数の非光学的検出素子を格子状に配置した高さ検出器の概略構成図である。
【図６】実施例１における光計測系で非光学的検出素子の高さ位置を測定する状態を示す拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図７】実施例１における光計測系で非光学的検出素子の高さ位置を測定する状態を示す拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図８】実施例１において、表面形状計測装置をツインステージの半導体露光装置に適用した場合の概略構成図である。
【図９】実施例１における光計測系の概略構成図である。
【図１０】実施例２における表面形状計測装置の側面図である。
【図１１】高さ検出器を用いてキャリブレーション計測を行う状態を示す図である。
【図１２】高さ検出器を用いずにキャリブレーション計測を行う状態を示す図である。
【図１３】従来の露光装置の概略構成図である。
【図１４】図１３に示される露光装置のフォーカス及びチルト検出系の概略構成図である。
【図１５】光学的なオフセットの説明図である。
【図１６】光学的なオフセットの説明図である。
【図１７】実施例１における表面形状計測方法のフローチャートである。
【図１８】実施例１における非光学的検出素子の高さバラツキのキャリブレーションを示すフローチャートである。
【図１９】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２０】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図２１】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２２】実施例２における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【図２３】実施例６における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触していない状態である。
【図２４】実施例６における高さ検出器の拡大断面図であり、非光学的検出素子が被測定物に接触している状態である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
本実施例の表面形状計測装置は、特に、半導体ウエハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板等の被処理体の表面形状を計測する表面形状計測装置である。本発明は、例えば、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程によって製造する投影露光装置や投影露光方法に好適である。また、化学気相成長法（ＣＶＤ）や化学機械研磨（ＣＭＰ）後の薄膜の形状検査を行う装置にも適して用いられる。
［実施例１］
まず、本発明の実施例１について説明する。図８は、本実施例に係る露光装置Ｓの要部を概略的に示す構成図である。本図は、本実施例の表面形状計測装置をツインステージの半導体露光装置に適用した場合の概略構成図である。なお、この露光装置Ｓは、例えば米国特許４，８６１，１６２に開示される露光装置に本実施例の表面形状計測装置を適用して構成される。
【００２８】
露光装置Ｓにおいて、ウエハ２１（基板）は、計測ステージ２２と露光ステージ２３との２つのウエハ駆動ステージ間を、チャック２４に吸着された状態で搬送される。露光ステージ２３上では、露光光源からの露光光をレチクル上に導く照明光学系（不図示）を介して、投影光学系２６によってレチクルのパターンをウエハ２１上に投影される。ウエハ２１（露光ステージ２３）は基板駆動系（不図示）により駆動され、また、レチクルはレチクル駆動系（不図示）により駆動される。
【００２９】
チャック２４の上には、ウエハ２１の位置計測のためのチャックマーク２４ａが設けられている。計測ステージ２２において、このチャックマーク２４ａとウエハ２１との間の３次元的な位置関係がアライメント検出系２７を用いて計測される。その後、ウエハ２１を吸着したままチャック２４が露光ステージ２３に移動する。露光ステージ２３では、チャックマーク２４ａの３次元的な位置がアライメント検出系２７によって計測される。その計測結果及びウエハ２１とチャックマーク２４ａとの位置関係情報とを用いることにより、露光ステージ２３におけるウエハ２１の３次元的な位置（ＸＹＺ方向の位置）が把握される。
【００３０】
露光装置Ｓには、基板の表面形状を計測するためのフォーカス検出系ＭＰ（表面形状計測装置）が設けられている。フォーカス検出系ＭＰの内部には、後述のとおり、複数の球形状の非光学的検出素子１が格子状に配置された高さ検出器ＡＢＰが配置されている。非光学的検出素子１の材料としては、例えばシリコンが用いられる。
【００３１】
図５は、本実施例において、複数の非光学的検出素子１を格子状に配置して構成された高さ検出器ＡＢＰの概略構成図である。図５に示されるように、本実施例の高さ検出器ＡＢＰには、１辺が３０ｍｍの正方形領域内に各々の非光学的検出素子１が２ｍｍ間隔で縦横に各１６個（合計２５６個）配置されている。このように、本実施例において、非光学的検出素子１を格子状に複数配列した素子を、高さ検出器ＡＢＰ（複数球形状の非光学的検出素子）と呼ぶ。高さ検出器ＡＢＰは、複数の非光学的検出素子１を二次元的に配列することにより測定領域を構成する。この測定領域の大きさは、被測定物（ウエハ）を露光する際のショット領域の大きさ以上であることが望ましい。
【００３２】
なお、本実施例の高さ検出ＡＢＰは、図５に示される非光学的検出素子１の数及び配置に限定されるものではない。図５に示される構成の代わりに、基板の表面形状を計測するのに適した他の構成を採用してもよい。
【００３３】
図１及び図２は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子１の周辺構造を示している。図１は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００３４】
図１に示されるように、非光学的検出素子１は球形状である。保持部２には開口２０が形成されており、球形状の非光学的検出素子１はこの開口２０に収まり保持されている。非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない場合、非光学的検出素子１は、その表面が開口２０の外周部２０ａに接することにより、所定位置に保持される。このとき、非光学的検出素子１の一部（下端部）は、開口２０から保持部２の下側に突出している。
【００３５】
本実施例の保持部２は、例えばＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて作製することができる。ただしこれに限定されるものではなく、他の方法を用いて作製してもよい。
【００３６】
また、本実施例の高さ検出器ＡＢＰは蓋部３を有する。蓋部３は、非光学的検出素子１の位置の変化（移動領域）を所定範囲に制限する、保持部２に固定されている。
【００３７】
図２に示されるように、本実施例における被測定物は、レジスト５が塗布されたウエハ４（シリコンウエハ）である。ただし、これに限定されるものではなく、本実施例における高さ検出器ＡＢＰは、他の被測定物の高さを測定することもできる。本実施例の計測時には、高さ検出器ＡＢＰをウエハ４（シリコンウエハ）の表面近傍に配置する。非光学的検出素子１は、その下端部が保持部２の下側に突出しているため、高さ検出器ＡＢＰとウエハ４上に塗布されたレジスト５との間の距離が所定距離より小さくなると、非光学的検出素子１はレジスト５の表面に接触する。
【００３８】
非光学的検出素子１は、開口２０の外周部２０ａに接することにより保持部２に保持されているが、機械的拘束を受けていない。すなわち、非光学的検出素子１は、保持部２の開口２０に固定されずに配列され、被測定物の表面に接触することにより位置が変化する。
【００３９】
このように、非光学的検出素子１は、保持部２に置かれているだけで、下側から上側に外力が加えられることにより、自由にその位置を変化させる。このため、図２に示されるように、非光学的検出素子１が被測定物であるレジスト５（ウエハ４）に接すると、非光学的検出素子１は、保持部２に対して上側に移動する。すなわち、非光学的検出素子１は、被測定物の表面に接触することにより、保持部２の開口２０の内部において位置が変化する。
【００４０】
高さ検出器ＡＢＰは、計測時において、レジスト５（ウエハ４）の表面近傍に配置され、この表面に接触して表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子１を配列して構成される。そして、非光学的検出素子１は、レジスト５の表面に接触することにより、機械的拘束を受けることなく位置が変化する。
【００４１】
非光学的検出素子１は、被測定物であるウエハ４上のレジスト５の表面を傷つけないように、ウエハ４上のレジスト５の表面に接した状態で支持される。非光学的検出素子１の位置（非光学的検出素子１の高さ）は、レジスト５の表面の凹凸（高さ変化）に従って変化する。このとき、非光学的検出素子１の移動可能な領域は、蓋部３により所定範囲に制限される。このため、非光学的検出素子１は、上側に移動しても開口２０の外側に排出されることはなく、開口２０の内部に収まっている状態を維持する。
【００４２】
高さ検出器ＡＢＰを以上のように構成し、非光学的検出素子１の位置（高さ）を後述のように光学的に検出することにより、ウエハ４上に塗布されたレジスト５の表面等の被測定物のＺ方向位置（紙面垂直方向位置）を計測することができる。
【００４３】
また、非光学的検出素子１をレジスト５の表面に配置して非光学的検出素子１の高さを計測することにより、図１５及び図１６に示されるような光学的なオフセットの発生を防止することができる。このため、ウエハ４に塗布されたレジスト５の表面形状（表面高さの変化）をより正確に計測することが可能になる。
【００４４】
図３及び図４は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大側面図であり、それぞれ、複数の非光学的検出素子１が配列している構造を示している。図３は、複数の非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図４は、複数の非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００４５】
図３に示されるように、複数の非光学的検出素子１は、格子状に形成された保持部２の開口２０に収まるように配置されている。非計測時には、複数の非光学的検出素子１は、開口２０の外周部２０ａに接して、保持部２に保持されている。このとき、複数の非光学的検出素子１の下端部は、いずれも同じように、保持部２の下方に突出している。
【００４６】
一方、図４に示されるように、計測時には、複数の非光学的検出素子１の下端部は、ウエハ４上のレジスト５の表面等の被測定物の最上面に接触する。このとき、各々の非光学的検出素子１の位置は、レジスト５の表面の凹凸に従って異なる。すなわち、測定領域における複数の非光学的検出素子１の位置は、測定領域の二次元的な表面形状を反映することになる。
【００４７】
ここで、非光学的検出素子１の位置は、蓋部３の存在により、その高さ方向において移動可能な領域が制限される。このため、非光学的検出素子１が開口２０の外に排出されて計測ができないという状況にはならない。後述のとおり、複数の非光学的検出素子１の上部の部分を光計測系で計測することにより、それぞれの非光学的検出素子１の高さが計測可能となる。
【００４８】
次に、非光学的検出素子１の高さを計測する計測方法について説明する。非光学的検出素子１の高さを計測する計測方式に関しては、光計測系を用いることができ、具体的な計測方法として種々の原理のものが用いられる。
【００４９】
例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に頻繁に用いられる光テコ方式と呼ばれる方法を使用してもよい。非光学的検出素子１は、計測プローブとウエハに塗布されたレジスト表面上に配置されるため、ウエハ表面の高さ位置に応じて上下移動する。
【００５０】
非光学的検出素子１の上面に斜入射光を入射させ、その背面からの反射光を電荷結合素子（ＣＣＤ）等の光検出器によって検出する。このようにして、非光学的検出素子１の高さ、すなわちウエハの表面形状を計測することができる。
【００５１】
図９は、実施例１におけるフォーカス検出系（表面形状計測装置）の概略構成図である。本図は、複数の非光学的検出素子１による高さ計測を１つの光学系によって行う光テコ方式のフォーカス検出系ＭＰを示している。
【００５２】
また、図６及び図７は、実施例１における光計測系６で非光学的検出素子１の高さ位置を測定する状態を示す拡大断面図である。図６は、非光学的検出素子１が被測定物（レジスト５を塗布したウエハ４）に接触していない状態であり、図７は非光学的検出素子１が被測定物に接触した状態である。光計測系６と高さ検出器ＡＢＰとにより、フォーカス検出系ＭＰが構成される。
【００５３】
図９に示されるように、レーザー光源１０（光源）は、高さ検出器ＡＢＰ（複数の非光学的検出素子１）に向けて測定光１０ａを発する。レーザー光源１０（光源）から発せられた測定光１０ａは、複数のスポット発生部１１によって分割され、投光光学系１２によって複数の非光学的検出素子１それぞれの背面１ｂに斜入射光８として入射される。複数の非光学的検出素子１の背面１ｂそれぞれからの反射光は、受光光学系１３により光検出器９の受光面へ導かれる。このように、光検出器９は、非光学的検出素子１からの測定光の反射光を受光することにより非光学的検出素子１の位置を検出する。
【００５４】
市販のＡＦＭにおける光テコ方式では、光検出器として四分割センサが用いられるが、本実施例では二次元撮像素子（例えば、エリア型ＣＣＤ等）が用いられる。光検出器９による受光位置は、非光学的検出素子１の背面１ｂの高さ位置（Ｚ方向位置）に応じて変化する。このため、光検出器９で受光した光を光電変換することにより、複数の非光学的検出素子１のＺ方向位置を正確に計測することができる。
【００５５】
本実施例の表面計測方法は、図８に示されるように、ウエハ２１を計測ステージ２２上に搭載し、露光ステージ２３上におけるウエハ２１の露光前に、以下の計測シーケンスに基づいて行われる。
【００５６】
図１７は、本実施例における表面形状計測方法のフローチャートである。本図に示されるように、本実施例の表面形状計測方法は、近接ステップＳ１０１、光入射ステップＳ１０２、受光ステップＳ１０３、及び、位置算出ステップＳ１０４からなる。まず、近接ステップＳ１０１において、高さ検出器ＡＢＰを被測定物であるウエハ２１に近接させ、保持部２の開口２０に固定されずに配列された複数の非光学的検出素子１をウエハ２１の表面に接触させる。これにより、ウエハ２１の表面高さに応じて複数の非光学的検出素子１の位置を変化させる。
【００５７】
この動作が完了した後、光入射ステップＳ１０２において、非光学的検出素子１に測定光１０ａを入射する。また、受光ステップＳ１０３において、非光学的検出素子１からの測定光１０ａの反射光を光検出器９により受光する。最後に、位置算出ステップＳ１０４において、光検出器９による受光位置に基づいて、非光学的検出素子１の位置を算出する。
【００５８】
このように、まず、ウエハ２１上で最初に露光されるショット領域の表面形状を複数の非光学的検出素子１により計測する。次に、計測ステージ２２を駆動して、その他の各ショット領域における表面形状を、複数の非光学的検出素子１にて計測する。
【００５９】
全てのショット領域の表面形状計測の終了後、ウエハ２１のＸＹ方向位置情報を得るため、アライメント検出系２７（オフアクシススコープ）によってウエハアライメントを行う。多くの場合、グローバルアライメントによるウエハアライメントが行われる。このウエハアライメント時には、チャック２４上に設けられたチャックマーク２４ａのＸＹＺ位置をアライメント検出系２７により計測する。
【００６０】
ウエハアライメント終了後、ウエハ２１を吸着した状態でチャック２４が露光ステージ２３へ移動する。そして、ウエハ２１の露光を開始するとともに、計測ステージ２２に未計測の新たなウエハ１を移動する。なお、露光シーケンスについては公知の方法と同様である。このため、露光シーケンスの説明は省略する。
【００６１】
図２に示されるように、非光学的検出素子１とウエハ４との間の距離を設定するに際しては、ウエハ４の表面形状の高さバラツキを考慮する必要がある。ウエハ４の表面形状の高さバラツキの値よりも非光学的検出素子１とウエハ４と間の距離を近接させると、非光学的検出素子１の保持部２に被測定物であるウエハ４（レジスト５）の表面が接触する可能性がある。保持部２がレジスト５に接触すると、レジスト５の表面（被測定物の表面）を傷つけてしまう恐れがある。従って、非光学的検出素子１と被測定物との間の位置関係は、これらが接触するものの、被測定物に影響しない条件に設定する必要がある。
【００６２】
例えば、最新の液浸レジストの硬さを計測し、それを変形させないように考慮した、非光学的検出素子１の重さ、大きさ、材質を選んで使用する。また、被測定物の絶対値の形状を計測するのではなく相対値を計測する場合、複数の非光学的検出素子１を被測定物の表面に配置することで、一様に下がっても、被測定物に塑性変形を起こさなければよい。このため、その条件で非光学的検出素子の仕様を決めることも可能である。
【００６３】
また、非光学的検出素子１の材料に関して、リソグラフィ時のウエハ上のレジスト表面を計測する表面計測方法を実行する場合には、半導体プロセスの歩留まりを低下させる汚染対策を考慮する必要がある。具体的には、非光学的検出素子１を任意の金属材料で作製すると、半導体プロセスにおいて望ましくない金属汚染（メタルコンタミ）の発生源となる。このため、非光学的検出素子１の材料としては、汚染源とならない材料であるシリコン等を用いることが望ましい。
【００６４】
また、非光学的検出素子１を例えば１０００個以上配列して高さ検出器ＡＢＰを構成する際には、ナノメートルオーダーでの高さバラツキが発生する可能性がある。このため、ウエハ４の表面計測を行う前に、サンプルミラー工具（いわゆる治具、ウエハでも可）を用いて、複数の非光学的検出素子１それぞれの高さバラツキを校正するキャリブレーション作業が必要となる。本実施例によれば、このサンプルミラー工具は、予め平面度が判明している必要が無い。以下、非光学的検出素子１の高さバラツキを校正する場合のキャリブレーションの手順について説明する。
【００６５】
図１８は、本実施例における非光学的検出素子１の高さバラツキのキャリブレーションを示すフローチャートである。このキャリブレーションは、平面度が予め判明している治具としてのサンプルウエハ等を使用しない方法を提案するものである。また、このキャリブレーションは、高さ検出器ＡＢＰを使用した計測と使用しない計測の二つの計測結果を利用する。
【００６６】
図１１は、高さ検出器ＡＢＰを用いてサンプルウエハ３１の平面高さを計測している状態を示したものである。まず、ステップＳ２０１において、高さ検出器ＡＢＰを用いてサンプルウエハ３１（平面サンプル）の表面形状を計測する（第一計測ステップ）。サンプルウエハ３１は、その平面度が予め判明している必要の無い治具である。
【００６７】
図１１に示されるように、サンプルウエハ３１は、その表面計測範囲が高さ検出器ＡＢＰの下方に位置するように設定される。その後、サンプルウエハ３１を＋Ｚ方向（高さ方向）、すなわち高さ検出器ＡＢＰに近接する方向）に移動させる。全ての非光学的検出素子１がサンプルウエハ３１に接触するようにして、そのときの各非光学的検出素子１のＺ方向位置を光学的に計測する。この計測値を、各非光学的検出素子１ｉｊ(ｉｊはそれぞれ整数)において、Ｚｉｊ１とする。ステップＳ２０１が終了後、高さ検出器ＡＢＰを取り除く。
【００６８】
次に、ステップＳ２０２において、高さ検出器ＡＢＰを用いることなく、サンプルウエハ３１の表面形状を光計測系で計測する（第二計測ステップ）。図１２は、高さ検出器ＡＢＰを用いずにサンプルウエハ３１の平面高さを計測している状態を示したものである。このとき、サンプルウエハ３１の表面の高さ位置（Ｚ方向位置）は光学的に計測される。この計測値を、各非光学的検出素子１ｉｊ(ｉｊはそれぞれ整数)において、Ｚｉｊ２とする。
【００６９】
次に、ステップＳ２０３において、非光学的検出素子１の高さバラツキを算出する。すなわち、高さ検出器ＡＢＰを使用して得られた第一計測値Ｚｉｊ１と使用しないで得られた第二計測値Ｚｉｊ２の差分Ｚｉｊ１−Ｚｉｊ２をオフセットとして、各非光学的検出素子１ｉｊに設定する。このように、ステップＳ２０３は、第一計測ステップで計測した第一計測値と第二計測ステップで計測した第二計測値との差から、非光学的検出素子１の高さバラツキを算出する補正値算出ステップである。
【００７０】
図１７に示される位置算出ステップＳ１０４において、ステップＳ２０３で算出した高さバラツキ（Ｚｉｊ１−Ｚｉｊ２）を用い、複数の非光学的検出素子１の位置を補正する（ステップＳ２０４）。このように、位置算出ステップＳ１０４は、補正値算出ステップで算出された非光学的検出素子１の高さバラツキに基づいて、非光学的検出素子１の位置を補正する位置補正ステップを含む。このため、本実施例の校正方法によれば、サンプルウエハ３１の表面のバラツキに関係なく、各複数の非光学的検出素子１の大きさのバラツキも補正することができる。
【００７１】
なお、高さ検出器ＡＢＰを使用する計測と使用しない計測のいずれを先に計測するかは、限定されるものではない。本実施例では、高さ検出器ＡＢＰを使用する計測を先に行ったが、これに代えて、高さ検出器ＡＢＰを使用する計測を後に行ってもよい。すなわち、ステップＳ２０１とステップＳ２０２の順番を入れ替えることもできる。
【００７２】
上述のとおり、本実施例によれば、複数の非光学的検出素子１を備えた高さ検出器ＡＢＰを用いた非光学的な計測と、光学的な計測とを組み合わせている。このため、ウエハ上に塗布されたレジストの表面形状を光学的な方法のみによって計測する際に生じるオフセットが発生しない。また、キャリブレーションを行うことにより、複数の非光学的検出素子１の高さバラツキやサンプルウエハの平面度の影響を殆ど受けることなく、ナノメートルオーダーでの計測を高精度に行うことができる。
【００７３】
また、本実施例では、表面形状計測方法の適用対象をリソグラフィ時のウエハ上のレジスト表面を計測する場合に関して説明した。ただし、本実施例はこれに限定されるものではない。
【００７４】
本実施例は、特に、表面上に１μｍ以下の薄膜を形成した場合に効果的である。また、化学気相成長法（ＣＶＤ）で膜を成膜した後や化学機械研磨（ＣＭＰ）を行った後の表面形状を計測する際にも効果的である。
【００７５】
このように、本実施例では、シリコン等の材料で形成した球形状の非光学的検出素子を保持部に格子状に複数乗せ、その複数の非光学的検出素子の位置について光計測する。本実施例によれば、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測することが可能となる。
［実施例２］
次に、本発明の実施例２について説明する。図１０は、本実施例における表面形状計測装置の側面図である。計測ステージ２２（Ｚステージ）上には、チャック２４を介してウエハ２１が搭載されている。ウエハ２１の上には高さ検出器ＡＢＰが配置され、光計測系６（Ｚセンサ）を用いて非光学的検出素子の位置が検出される。
【００７６】
図１９及び図２０は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子５１の周辺構造を示している。図１９は、非光学的検出素子５１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２０は、非光学的検出素子５１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。この複数の非光学的検出素子５１の形状は、実施例１のような球形状ではなく、球の上部、下部を平面とした形状となっている。
【００７７】
市販のＡＦＭでは、先端寸法が数１０ｎｍのプローブを用いて、ＸＹ面内での水平分解能を獲得している。しかし、本実施例の表面形状計測装置では、水平分解能は数１００μｍ程度で足りる。スキャナー露光方式の半導体露光装置では、数ｍｍの露光スリットが用いられている。このため、本実施例の水平分解能は数１００μｍ程度で充分である。
【００７８】
従って、複数の非光学的検出素子５１の下部（レジスト接触部）の形状が１辺２００μｍの略正方形状でも問題はない。接触部を大きくすることで、却ってＸＹ面内におけるレジスト５表面形状の微小なノイズ成分を低減して平均化効果を得ることができる。また、レジスト５上へのキズ付けの防止や複数の非光学的検出素子５１の長期使用に伴う変形を防止する効果も得ることができる。このような効果を得るためには、複数の非光学的検出素子５１の下部は少なくとも３０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００７９】
本実施例では、非光学的検出素子５１の上部も平坦面に形成し、その平坦面の部分について光計測系で高さ計測を行う。このため、非光学的検出素子５１によれば、球形状の非光学的検出素子１と比較して、計測面積を向上させることができ、より高精度な計測が可能となる。
【００８０】
このように、非光学的検出素子は球形状だけに限定されるものでなく、他の形状でもよい。例えば、上述のように、上部及び下部を平面状に形成することができる。また、非光学的検出素子を楕円形状や多角形としてもよい。また、検出する光計測系の光源の出力を低くして安価にするため、非光学的検出素子の少なくとも上部をメタルコート等により高反射にすることも有効である。
【００８１】
なお、図２０では、理解を容易にするためデフォルメされており、非光学的検出素子５１と蓋部３との間が実際より広く示されている。実際には、非光学的検出素子５１と蓋部３との間の距離は、非光学的検出素子５１がレジスト５に接触して上に上がる分だけのクリアランスがあればよい。この距離は、少なくとも、非光学的検出素子５１が保持部５２の開口２０から排出されないように構成されている必要がある。
【００８２】
図２１及び図２２は、本実施例における他の高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子６１の周辺構造を示している。図２１は、非光学的検出素子６１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２２は、非光学的検出素子６１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００８３】
図２１及び図２２に示されるように、それぞれの非光学的検出素子６１の形状を、上部を大きく、及び、下部を小さくしてもよい。このとき、下部の被測定物に接触する部分を球面形状とし、上部を保持部６２の上に置く。非光学的検出素子６１の上部を光計測系で高さ計測することにより、被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測することができる。
［実施例３］
次に、本発明の実施例３について説明する。図８に示されるように、実施例１においては、ウエハ駆動ステージとして、計測ステージ２２及び露光ステージ２３の複数のステージを構成している。一方、本実施例では、実施例１とは異なり、一つのウエハ駆動ステージによって表面形状計測及び露光の両方を行う。
【００８４】
本実施例では、複数のウエハ駆動ステージを使用する場合に比較して計測及び露光のスループットは低下するものの、装置全体の小型化及びコスト低減を実現することができる。また、ウエハ２１を保持するチャック２４を計測と露光とで異なるウエハ駆動ステージに載せ替える必要がない。このため、チャックマーク２４ａを基準としてウエハ２１の３次元的位置を測定する必要がなく、チャックマーク２４ａが不要となる。
［実施例４］
次に、本発明の実施例４について説明する。実施例１〜３においては、複数の非光学的検出素子１によってショット領域全体を一度に計測している。つまり、複数の非光学的検出素子１が一度で表面形状を計測できる範囲（測定領域）が、一つのショット領域よりも広い領域となっている。
【００８５】
しかしながら、例えばショット領域よりも小さい面積に配列された非光学的検出素子１を用いて複数回計測することにより、一つのショット領域の表面形状を計測することも可能である。非光学的検出素子１によってショット領域の一部の表面形状を計測し、測定領域が隣接するようにウエハ２１を移動して再び表面形状を計測する。これを繰り返し複数回の計測によってショット領域全体の表面形状計測を行う。得られた複数個の計測データは、後の演算処理によって連結される。
【００８６】
計測回数が増加して計測のスループットが低減するが、多数の非光学的検出素子１を配列してショット領域よりも大きな範囲を計測できる非光学的検出素子１の製作が計測精度の観点から困難である場合に、本実施例による計測が効果的である。もちろん光学的計測のみによる場合のようなオフセットが発生することはない。
［実施例５］
実施例１の複数の非光学的検出素子の上部の高さ計測の光計測系として、光てこ方式を使用していたが、本実施例はそれに限定されるものではない。光計測により高さ計測する方法であれば、計測方式に限定されるものではなく、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置を提供することができる。光計測により高さ計測する方法としては、例えば、白色干渉方式やフーリエ変換モアレ法、位相シフト干渉法、波長走査干渉法等、多々存在する。
【００８７】
上述のとおり、本実施例における光計測系は、非光学的検出素子の上部の高さ計測、及び、キャリブレーション用のサンプルウエハの高さ計測を行うだけであり、その計測物体の材質等は限定されている。このため、使用する波長は、レーザー等の単波長でも検出率の低下要因にはならない。
【００８８】
特に、本実施例の計測を高速に行う場合、フーリエ変換モアレ法のように何も駆動しない計測方法や、半導体レーザーの発振波長を変えるだけでメカニカルに駆動がない波長走査干渉法が適して用いられる。
［実施例６］
次に、本発明の実施例６について説明する。図２３及び図２４は、本実施例における高さ検出器ＡＢＰの拡大断面図であり、それぞれ、一つの非光学的検出素子１の周辺構造を示している。図２３は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触していない状態であり、図２４は、非光学的検出素子１が被測定物の表面に接触している状態（計測時）である。
【００８９】
図２３及び図２４では、説明を簡単にするため、球形状の非光学的検出素子１を表しているが、本実施例の非光学的検出素子は球形状に限定されるものではない。例えば図１９又は図２１に示されるような他の形状でもよい。
【００９０】
本実施例では、特に、非光学的検出素子１を保持する保持部７２の構成について説明する。実施例１では、複数の開口２０を二次元的に配列した保持部２を構成し、各々の開口２０に非光学的検出素子１を配置する。そして、非光学的検出素子１の高さを光学的に計測することで、基板の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能とするものである。
【００９１】
一方、本実施例において、保持部７２は、非光学的検出素子１の高さを計測する光計測系（不図示）の計測光に対して透明な材質で構成されている。同様に、非光学的検出素子１の上部に設けられる蓋部７３も、計測光に対して透明な材質で構成されている。
【００９２】
例えば、計測光として、波長６００ｎｍ程度の光を使用する場合、保持部７２及び蓋部７３の材質としては、硝子部材やアクリル等の部材を使用し、図２３及び図２４のような保持部７２の加工も可能となる。このように、本実施例の計測光は、保持部７２及び蓋部７３に対して透明となっている。このため、不図示の光計測系は、非光学的検出素子１の上部を計測するだけでなく、非光学的検出素子１の無い部分の保持部７２を透して、被測定物すなわちウエハ４上のレジスト５の表面形状を検出することができる。
【００９３】
光計測時には、薄膜の多重反射や反射率の差で計測値の誤差が生じるが、これを解決することが本実施例の目的である。この場合の非光学的検出素子１の無い部分の保持部７２を透してのレジスト５の表面計測も同様に計測誤差を生じる。ただし、この場合、その計測値はそのままレジスト５の表面の計測値とされるのではなく、非光学的検出素子１にレジスト５の表面に接触させるための姿勢制御に用いられる。このため、上記計測誤差が１ミクロン程度あるとしても問題は生じない。
【００９４】
このように、本実施例では、非光学的検出素子１の高さを計測する光計測系の計測光に対して、保持部７２及び蓋部７３を透明な材質で構成する。このため、非光学的検出素子１にレジスト５の表面に接触させるための姿勢制御に光計測系を使用することも可能となる。
【００９５】
デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、前述のいずれかの実施例の露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。
【００９６】
本実施例によれば、ウエハ表面形状の高さバラツキやウエハパターンの粗密によって影響されることなく、ウエハ等の被処理体の表面形状を高精度に計測することができる。その表面形状計測結果は光学的計測の場合に発生するオフセットによる悪影響を受けることがない。結果的に、高精度なウエハパターンの露光が可能となり、ウエハ製造のスループットや歩留まり向上、ウエハの高性能化に寄与することができる。
【００９７】
従って、本実施例によれば、被測定物の表面形状を簡便かつ高精度に計測可能な表面形状計測装置及び表面形状計測方法を提供することができる。また、本実施例によれば、そのような表面形状計測装置を備えた露光装置、及び、そのような露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することができる。
【００９８】
以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００９９】
ＡＢＰ：高さ検出器
ＭＰ：フォーカス検出系（表面計測装置）
ＲＳ：レチクルステージ
Ｓ：露光装置
ＷＳ：ウエハステージ
１：非光学的検出素子
２：フォルダ
３：蓋部
４：ウエハ
５：レジスト
６：光計測系
１０：レーザー光源
１０ａ：測定光
２２：計測ステージ
２３：露光ステージ
２４：チャック
２４ａ：チャックマーク
２６：投影光学系
２７：アライメント検出系
２９：光検出器
１０１：レチクル
１０２：投影露光レンズ
１０３：ウエハ
１３３：フォーカス及びチルト検出系
８００：光源
８０１：照明光学系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面に接触して該表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子を有する高さ検出器と、
前記非光学的検出素子に向けて測定光を発する光源と、
前記非光学的検出素子からの前記測定光の反射光を受光することにより前記非光学的検出素子の前記位置を検出する光検出器とを有し、
前記高さ検出器は、前記非光学的検出素子を保持するための開口が形成された保持部を備え、
前記非光学的検出素子は、前記保持部の前記開口に固定されずに配列され、前記被測定物の表面に接触することにより前記位置が変化することを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
前記非光学的検出素子は、球形状であり、
前記保持部は、前記非光学的検出素子が前記被測定物の表面に接触していない場合、該非光学的検出素子が前記保持部の前記開口の外周部に接することにより、該非光学的検出素子を所定位置に保持することを特徴とする請求項１記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記高さ検出器は、前記複数の非光学的検出素子を二次元的に配列することにより測定領域を構成し、
前記測定領域の大きさは、前記被測定物を露光する際のショット領域の大きさ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記高さ検出器は、前記非光学的検出素子の前記位置の変化を所定範囲に制限する蓋部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の表面形状計測装置。
【請求項５】
前記保持部及び前記蓋部は、前記光源からの前記測定光に対して透明な材質から構成されていることを特徴とする請求項４記載の表面形状計測装置。
【請求項６】
高さ検出器を被測定物に近接させ、保持部の開口に固定されずに配列された複数の非光学的検出素子を該被測定物の表面に接触させることにより、該被測定物の表面高さに応じて該複数の非光学的検出素子の位置を変化させる近接ステップと、
前記非光学的検出素子に測定光を入射する光入射ステップと、
前記非光学的検出素子からの前記測定光の反射光を光検出器により受光する受光ステップと、
前記光検出器による受光位置に基づいて、前記非光学的検出素子の位置を算出する位置算出ステップとを有することを特徴とする表面形状計測方法。
【請求項７】
さらに、前記高さ検出器を用いて、平面サンプルの表面形状を計測する第一計測ステップと、
前記高さ検出器を用いることなく、前記平面サンプルの表面形状を光計測系で計測する第二計測ステップと、
前記第一計測ステップで計測した第一計測値と前記第二計測ステップで計測した第二計測値との差から、前記非光学的検出素子の高さバラツキを算出する補正値算出ステップとを有し、
前記位置算出ステップは、前記補正値算出ステップで算出された前記非光学的検出素子の高さバラツキに基づいて、該非光学的検出素子の前記位置を補正する位置補正ステップを含むことを特徴とする請求項６記載の表面形状計測方法。
【請求項８】
露光光源からの露光光をレチクル上に導く照明光学系と、
前記レチクルを駆動するレチクル駆動系と、
前記レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系と、
前記基板を駆動する基板駆動系と、
請求項１乃至５のいずれか一に記載の表面形状計測装置とを有することを特徴とする露光装置。
【請求項９】
請求項８記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項１】
被測定物の表面に接触して該表面の高さ変化に応じて位置が変化する複数の非光学的検出素子を有する高さ検出器と、
前記非光学的検出素子に向けて測定光を発する光源と、
前記非光学的検出素子からの前記測定光の反射光を受光することにより前記非光学的検出素子の前記位置を検出する光検出器とを有し、
前記高さ検出器は、前記非光学的検出素子を保持するための開口が形成された保持部を備え、
前記非光学的検出素子は、前記保持部の前記開口に固定されずに配列され、前記被測定物の表面に接触することにより前記位置が変化することを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
前記非光学的検出素子は、球形状であり、
前記保持部は、前記非光学的検出素子が前記被測定物の表面に接触していない場合、該非光学的検出素子が前記保持部の前記開口の外周部に接することにより、該非光学的検出素子を所定位置に保持することを特徴とする請求項１記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記高さ検出器は、前記複数の非光学的検出素子を二次元的に配列することにより測定領域を構成し、
前記測定領域の大きさは、前記被測定物を露光する際のショット領域の大きさ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記高さ検出器は、前記非光学的検出素子の前記位置の変化を所定範囲に制限する蓋部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の表面形状計測装置。
【請求項５】
前記保持部及び前記蓋部は、前記光源からの前記測定光に対して透明な材質から構成されていることを特徴とする請求項４記載の表面形状計測装置。
【請求項６】
高さ検出器を被測定物に近接させ、保持部の開口に固定されずに配列された複数の非光学的検出素子を該被測定物の表面に接触させることにより、該被測定物の表面高さに応じて該複数の非光学的検出素子の位置を変化させる近接ステップと、
前記非光学的検出素子に測定光を入射する光入射ステップと、
前記非光学的検出素子からの前記測定光の反射光を光検出器により受光する受光ステップと、
前記光検出器による受光位置に基づいて、前記非光学的検出素子の位置を算出する位置算出ステップとを有することを特徴とする表面形状計測方法。
【請求項７】
さらに、前記高さ検出器を用いて、平面サンプルの表面形状を計測する第一計測ステップと、
前記高さ検出器を用いることなく、前記平面サンプルの表面形状を光計測系で計測する第二計測ステップと、
前記第一計測ステップで計測した第一計測値と前記第二計測ステップで計測した第二計測値との差から、前記非光学的検出素子の高さバラツキを算出する補正値算出ステップとを有し、
前記位置算出ステップは、前記補正値算出ステップで算出された前記非光学的検出素子の高さバラツキに基づいて、該非光学的検出素子の前記位置を補正する位置補正ステップを含むことを特徴とする請求項６記載の表面形状計測方法。
【請求項８】
露光光源からの露光光をレチクル上に導く照明光学系と、
前記レチクルを駆動するレチクル駆動系と、
前記レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系と、
前記基板を駆動する基板駆動系と、
請求項１乃至５のいずれか一に記載の表面形状計測装置とを有することを特徴とする露光装置。
【請求項９】
請求項８記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
露光された前記基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２０１０−１８５８０７（Ｐ２０１０−１８５８０７Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３０７０７（Ｐ２００９−３０７０７）
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１３日（２００９．２．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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