計測装置、露光装置及びデバイスの製造方法
【課題】光源からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる技術を提供する。
【解決手段】計測面の表面形状を計測する計測装置であって、光源からの光を計測光と参照光とに分離し、計測光を被計測面の表面に入射させ、参照光を参照面に入射させる光学系と、被計測面の表面で反射した計測光の光強度と、参照面で反射した参照光の光強度と、被計測面の表面で反射した計測光と参照面で反射した参照光との干渉パターンとを検出する検出部と、検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に基づいて、被計測面の表面形状を算出する処理部と、を有し、処理部は、検出部によって検出された計測光の光強度、及び、参照光の光強度に基づいて、検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に含まれる光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減して、被計測面の表面形状を算出する。
【解決手段】計測面の表面形状を計測する計測装置であって、光源からの光を計測光と参照光とに分離し、計測光を被計測面の表面に入射させ、参照光を参照面に入射させる光学系と、被計測面の表面で反射した計測光の光強度と、参照面で反射した参照光の光強度と、被計測面の表面で反射した計測光と参照面で反射した参照光との干渉パターンとを検出する検出部と、検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に基づいて、被計測面の表面形状を算出する処理部と、を有し、処理部は、検出部によって検出された計測光の光強度、及び、参照光の光強度に基づいて、検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に含まれる光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減して、被計測面の表面形状を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー技術を用いて微細な半導体デバイスを製造する際に、レチクル（マスク）に形成されたパターンを、投影光学系を介してウエハ等の基板に投影してパターンを転写する露光装置が使用されている。
【０００３】
露光装置においては、半導体デバイスの微細化及び高集積化に伴い、より高い解像度でレチクルのパターンを基板に転写すること、及び、露光領域を拡大することが要求されている。このような要求を達成するために、近年では、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）からステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（スキャナー）が主流となってきている。
【０００４】
これらの露光装置では、露光中（又は露光前）において、光斜入射系の表面形状（表面位置）計測手段を用いて基板の所定の位置における表面位置を計測し、かかる所定の位置を露光する際に基板の表面を最適な結像位置に合わせ込む補正を行っている。特に、スキャナーでは、露光スリットの長手方向（即ち、走査方向に垂直な方向）について、基板の表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく、表面の傾き（チルト）も計測している。
【０００５】
このようなフォーカス及びチルトを計測する技術に関しては、幾つか提案されている（特許文献１乃至３参照）。例えば、特許文献１や特許文献２には、光学式のセンサを用いた技術が開示されている。また、特許文献３には、基板に空気を吹き付けて表面位置を計測するガスゲージセンサを用いた技術が開示されている。更には、静電容量センサを用いた技術も提案されている。
【０００６】
一方、近年では、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなっているため、露光すべき基板の表面を最良結像位置に合わせ込む精度、所謂、フォーカス精度もますます厳しくなってきている。そこで、基板の表面（被計測面）からの光（計測光）と参照面からの光（参照光）との干渉による干渉パターン（干渉信号）に基づいて基板の表面形状（表面位置）を計測することで、計測精度を向上させる技術が注目されている。
【０００７】
かかる技術は、光源から射出された高帯域な波長幅の光を２つの光に分離し、一方の光を被計測面に、他方の光を参照面に斜入射させる。そして、被計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光を合成して、計測光と参照光との干渉による干渉パターン（干渉信号）を検出する。干渉信号は、被計測面を所定の方向（高さ（フォーカス）方向）に駆動しながら検出され、かかる干渉信号の変化から被計測面の表面形状を求めることができる。
【０００８】
これらの技術は、広帯域な波長幅の光を用いることで可干渉距離を短くし、単色光を用いる場合と比べて、計測レンジを広く設定することができる。また、基板に塗布されたレジスト（感光剤）に起因する干渉信号誤差を低減できるという利点もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２６０３９１号公報
【特許文献２】米国特許第６２４９３５１号明細書
【特許文献３】特表２００６−５１４７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術では、光源の出力に時間的な変動がある場合に、干渉信号に加わるノイズ（光量ノイズ）が大きくなり、表現形状の計測精度や再現性が悪化してしまう。干渉信号はある有限の時間範囲で得られるため、かかる時間範囲において光源の出力に変動があると、各計測位置（被計測面の各駆動位置）における光量変動が発生し、計測点ごとに異なる光量となってしまう。従って、干渉信号のピーク位置を求める際の精度が悪化し、最終的に、表面形状の計測精度や再現性が悪化することになる。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、光源からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、計測面の表面形状を計測する計測装置であって、光源からの光を計測光と参照光とに分離して、前記計測光を前記被計測面の表面に入射させ、前記参照光を参照面に入射させる光学系と、前記被計測面の表面で反射した前記計測光の光強度と、前記参照面で反射した前記参照光の光強度と、前記被計測面の表面で反射した前記計測光と前記参照面で反射した前記参照光との干渉パターンとを検出する検出部と、前記検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に基づいて、前記被計測面の表面形状を算出する処理部と、を有し、前記処理部は、前記検出部によって検出された前記計測光の光強度、及び、前記参照光の光強度に基づいて、前記検出部によって検出された前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減して、前記被計測面の表面形状を算出することを特徴とする。
【００１３】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、例えば、光源からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の検出部において検出される干渉信号（白色干渉信号）の一例を示す図である。
【図３】図１に示す計測装置における基板の表面形状の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】図１に示す計測装置において、検出部（の検出面）における計測光と参照光との位置関係の一例を示す図である。
【図５】図１に示す計測装置において、検出部（の検出面）における計測光と参照光との位置関係の一例を示す図である。
【図６】図１に示す計測装置における基板の表面形状の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】図６に示すフローチャートのステップＳ６０８における光源の出力の変動の影響を低減した信号の算出を説明するための図である。
【図８】基板の反射率と参照ミラーの反射率とが同じである場合に、検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図９】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも低い場合に、検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１０】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも低い場合において、光源を調整した後に検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１１】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも高い場合に、検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１２】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも高い場合において、光源を調整した後に検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１３】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図１４】図１３に示す計測装置において、検出部で検出される干渉縞の干渉信号の一例を示す図である。
【図１５】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図１６】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。
【図１７】図１６に示す露光装置のフォーカス制御用センサの構成を示す概略図である。
【図１８】図１６に示す露光装置の露光動作を説明するためのフローチャートである。
【図１９】図１８に示すステップＳ１０３０及びステップＳ１０４０のフォーカス較正シーケンスの詳細なフローチャートである。
【図２０】フォーカス較正シーケンスにおける第１のオフセット及び第２のオフセットを説明するための図である。
【図２１】図１８に示すステップＳ１０５０の露光シーケンスの詳細なフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明の一側面としての計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、被計測面としての基板ＳＢの表面の位置（Ｚ軸方向の位置）、即ち、基板ＳＢの表面形状を計測する。基板ＳＢは、例えば、露光装置においてレチクルのパターンが転写されるウエハである。
【００１８】
計測装置１は、光源１０と、光源１０からの光を集光するコンデンサーレンズ１２と、スリット板１４と、レンズ１６ａ及び１６ｂを含む結像光学系１６と、開口絞り１８と、光源１０からの光を２つの光に分離するビームスプリッタ２０とを有する。また、計測装置１は、基板チャック２２ａ、Ｚステージ２２ｂ、Ｙステージ２２ｃ及びＸステージ２２ｄを含んで基板ＳＢを支持及び駆動するステージ系２２と、参照ミラー（参照面）２４とを有する。また、計測装置１は、基板ＳＢで反射した光（計測光）と参照ミラー（参照面）２２で反射した光（参照光）とを合成する（即ち、計測光と参照光との合成光を生成する）ビームスプリッタ２６と、レンズ２８ａ及び２８ｂを含む結像光学系２８とを有する。更に、計測装置１は、開口絞り３０と、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子又はフォトディテクタなどの光量検出素子で構成される検出部３２と、処理部３４とを有する。なお、処理部３４は、計測装置１における計測処理だけではなく、計測装置１の全体を制御する機能を有する。
【００１９】
以下、計測装置１の動作及び計測装置１の構成要素の機能などについて詳細に説明する。
【００２０】
光源１０は、本実施形態では、広帯域な波長幅の光を発するＬＥＤ（例えば、白色ＬＥＤ）又はハロゲンランプを使用する。光源１０からの光の波長帯域は、１００ｎｍ以上の波長帯域、具体的には、４００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長帯域であることが好ましい。但し、基板ＳＢにレジスト（感光剤）が塗布されている場合には、レジストの感光を防止するために、紫外線（３５０ｎｍ）以下の波長帯域の光を基板ＳＢに照射しないことが好ましい。光源１０からの光の偏光状態は、本実施形態では、無偏光又は円偏光の状態である。
【００２１】
光源１０からの光は、コンデンサーレンズ１２を介して、スリット板１４に集光される。スリット板１４は、矩形形状の透過領域又はメカ絞りを有し、結像光学系１６を介して、スリット板１４の透過領域の像が基板ＳＢ及び参照ミラー２４に結像される。但し、スリット板１４の透過領域は、矩形形状（スリット）に限らず、円形形状（ピンホール）であってもよい。
【００２２】
結像光学系１６を通過した光の主光線は、入射角度θで基板ＳＢに入射する。また、結像光学系１６と基板ＳＢとの間の光路にはビームスプリッタ２０が配置されているため、結像光学系１６を通過した光のうち略半分の光量の光はビームスプリッタ２０で反射され、入射角度θで参照ミラー２４に入射する。ここで、ビームスプリッタ２０としては、例えば、金属膜や誘電体多層膜などをスプリット膜としたプリズム型ビームスプリッタ、或いは、１μｍ乃至５μｍ程度の薄い厚さの膜（材質はＳｉＣやＳｉＮなど）で構成されるペリクル型ビームスプリッタを使用する。
【００２３】
基板ＳＢに入射する光の入射角度θが大きくなると、基板ＳＢに塗布された薄膜（例えば、レジスト）表面からの反射率が、かかる薄膜の裏面（即ち、薄膜と基板との界面）からの反射率に対して相対的に強くなる。従って、基板ＳＢに塗布された薄膜の表面形状を計測する場合には、入射角度θは大きいほど好ましい。但し、入射角度θが９０度に近くなると、光学系の組み立てが難しくなるため、入射角度θは７０度乃至８５度であることが好ましい。
【００２４】
ビームスプリッタ２０を透過して基板ＳＢに入射した光は、基板ＳＢで反射されてビームスプリッタ２６に入射する。一方、ビームスプリッタ２０で反射されて参照ミラー２４に入射した光は、参照ミラー２４で反射されてビームスプリッタ２６に入射する。以下では、基板ＳＢで反射した光を計測光とし、参照ミラー２４で反射した光を参照光とする。なお、参照ミラー２４としては、１０ｎｍ乃至２０ｎｍ程度の面精度を有するアルミ平面ミラー、或いは、同程度の面精度を有するガラス平面ミラーなどを使用することができる。
【００２５】
基板ＳＢで反射した計測光及び参照ミラー２４で反射した参照光は、ビームスプリッタ２６で合成され、検出部３２に入射する。ビームスプリッタ２６としては、ビームスプリッタ２０と同様に、プリズム型ビームスプリッタやペリクル型ビームスプリッタを使用する。
【００２６】
また、ビームスプリッタ２６と検出部３２との間の光路には、結像光学系２８及び開口絞り３０が配置されている。レンズ２８ａ及び２８ｂは、両側テレセントリックな結像光学系２８を構成し、基板ＳＢの表面を検出部３２の検出面に結像させる。従って、本実施形態では、スリット板１４の透過領域が、結像光学系１６によって基板ＳＢ及び参照ミラー２４に結像し、更に、結像光学系２８によって検出部３２の検出面に再結像する。検出部３２の検出面では、計測光と参照光とが重なって（即ち、干渉して）干渉縞（干渉パターン）を形成する。なお、結像光学系２８の瞳位置に配置された開口絞り３０は、結像光学系２８の開口数（ＮＡ）を規定し、本実施形態では、ｓｉｎ（０．１度）乃至ｓｉｎ（５度）程度の非常に小さなＮＡを規定している。
【００２７】
ここで、検出部３２の検出面に形成される干渉縞の干渉信号の検出（取得）方法について説明する。上述したように、基板ＳＢは、基板ＳＢを保持する基板チャック２２ａ、及び、基板ＳＢの位置合わせを行うＺステージ２２ｂ、Ｙステージ２２ｃ及びＸステージ２２ｄを含むステージ系２２に支持されている。計測光と参照光との干渉縞の干渉信号を検出部３２で検出するためには、Ｚステージ２２ｂを駆動すればよい。また、基板ＳＢの計測領域を変更する場合には、Ｙステージ２２ｃ又はＸステージ２２ｄを用いて、基板ＳＢの所望の領域が検出部３２の検出領域に位置するように位置合わせを行う。なお、Ｚステージ２２ｂ、Ｙステージ２２ｃ及びＸステージ２２ｄの位置を高精度に制御するためには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及びωｙ、ωｙのチルト軸の５軸にレーザー干渉計を配置すればよい。かかるレーザー干渉計の出力に基づいてクローズドループ制御を行うことで、基板ＳＢの表面形状をより高精度に計測することができる。特に、基板ＳＢを複数の領域に分けて計測して基板ＳＢの全体の表面形状を求める場合には、レーザー干渉計を用いることで、より正確に形状データのつなぎ合わせ（ステッチィング）を行うことが可能となる。
【００２８】
次に、検出部３２で検出（取得）された干渉縞の干渉信号に基づいて基板ＳＢの表面形状を算出する処理について説明する。かかる処理は処理部３４で実行され、処理部３４で算出された基板ＳＢの表面形状は、例えば、図示しない記憶部に記憶されたり、図示しない表示部に表示されたりする。図２は、検出部３２において検出される干渉信号（白色干渉信号）の一例を示す図である。ここでは、検出部３２として２次元の撮像素子を用いた場合に検出される干渉信号を示している。かかる干渉信号はインターフェログラムとも呼ばれる。図２では、横軸にＺステージ２２ｂの位置（具体的には、Ｚ軸測長干渉計又は静電容量センサによって測定された測定値）を採用し、縦軸に検出部３２の出力（光強度）を採用している。なお、検出部３２で検出された干渉信号は、処理部３４の記憶部に記憶されている。
【００２９】
図２に示す干渉信号から算出される信号ピーク位置に対応するＺステージ２２ｂの位置（Ｚ軸測長干渉計による測定値）が、その計測領域（即ち、撮像素子の画素）での基板ＳＢの高さである。検出部３２としての２次元の撮像素子の各画素での基板ＳＢの高を求めることで、基板ＳＢの三次元形状を計測することが可能となる。干渉信号の信号ピーク位置を算出するためには、信号ピーク位置及びかかる信号ピーク位置の前後の数点のデータに基づいて曲線（例えば、２次関数）近似すればよい。これにより、図２における横軸（Ｚステージ２２ｂの位置）のサンプリングピッチＺｐの１／１０乃至１／５０程度の分解能で信号ピーク位置を算出することができる。なお、サンプリングピッチＺｐは、実際にＺステージ２２ｂを等ピッチでステップ駆動する際のピッチで決定される。但し、基板ＳＢの表面形状計測の高速性を考慮する場合には、Ｚステージ２２ｂを等速度で駆動し、検出部３２の検出タイミングに同期してＺ軸測長干渉計の出力（Ｚステージ２２ｂの位置）を取り込むことが好ましい。
【００３０】
また、信号ピーク位置の算出精度を向上させるためには、図２に示す干渉信号のピーク強度Ｉｍａｘが検出部３２の電気ノイズに対して十分に高く、且つ、コントラスト（（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ））が０．７５以上であることが好ましい。なお、ピーク強度Ｉｍａｘが検出部３２の電気ノイズ強度に対して十分に高いとは、例えば、ピーク強度Ｉｍａｘが検出部３２の最大感度の８０％乃至９０％であることを意味する。従って、このような干渉信号が得られるように、検出部３２の最大感度の８０％乃至９０％を光量設定ターゲット（調光トレランス）として光源１０を調整することが必要である。
【００３１】
また、干渉信号の信号ピーク位置を算出する方法としては、米国特許第５３９８１１３号に開示されているＦＤＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いることも可能である。ＦＤＡ法は、フーリエスペクトルの位相勾配を用いてコントラストのピーク位置を算出する。
【００３２】
このように、白色干渉方式においては、その分解能と精度を決める要素は、計測光と参照光との光路長差が０となる位置をいかに正確に求めるかにある。従って、位相シフト法やフーリエ変換法によって干渉縞の包絡線を求め、コントラストの最大位置から光路長差が０となる位置を求める方法、位相クロス法などを干渉信号の信号ピーク位置を算出する方法として用いることも可能である。
【００３３】
計測装置１において、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）は干渉信号に対するノイズとなるため、表現形状の計測精度や再現性の悪化を招く。光源１０の出力の変動による計測精度や再現性の悪化を抑えるためには、光源１０の出力の変動を検出して補正すればよい。例えば、光源１０からの光を表面形状計測用の光と出力変動検出用の光とに分離して光源１０の出力の変動を検出することが考えられるが、この場合、出力変動検出用の光を検出する構成が必要になってしまう。また、表面形状計測用の光と出力変動検出用の光とを分離する光学素子の経時変化及び劣化、空気揺らぎなどの影響によって、光源１０の出力の変動を高精度に検出できないこともある。更には、光源１０からの光の一部を出力変動検出用の光として用いるため、表面形状計測用の光（即ち、計測光及び参照光）の光量が低下してしまう。
【００３４】
そこで、本実施形態では、検出部３２において、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度と、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを検出する。この際、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度及び計測光と参照光との干渉縞は、同時（並行的）に検出されることが好ましい。そして、処理部３４は、計測光の光強度、及び、参照光の光強度に基づいて、計測光と参照光との干渉縞の干渉信号から光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減して、基板ＳＢの表面形状を算出する。
【００３５】
以下、図３を参照して、計測装置１における計測処理について説明する。かかる計測処理は、基板ＳＢの表面形状を計測する処理であって、処理部３４が計測装置１の各部を統括的に制御することで実行される。
【００３６】
ステップＳ３０２では、検出部３２において、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度と、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出する。
【００３７】
斜入射方式の干渉計では、一般的に、光源から検出部までにおいて、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが０になるように調整されている。これは、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが０であるときの干渉信号のコントラストが最も高く、計測誤差の低減や再現性の向上に寄与するからである。
【００３８】
また、計測装置１において、基板ＳＢの表面形状計測の高速性を考慮すると、基板ＳＢは、Ｚ軸の一方向（即ち、Ｚ軸の＋方向又は−方向）のみに駆動することが好ましい。この場合、基板ＳＢの駆動開始時の干渉信号は全体の干渉信号の裾部分に相当し、検出部３２（の検出面）上の計測光と参照光との位置関係は図４に示すようになる。そして、基板ＳＢの駆動に従って干渉信号のピークが得られ、検出部３２（の検出面）上の計測光と参照光との位置関係は図５に示すようになる。なお、図５に示す位置関係は、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが０となるように計測装置１を調整した場合の検出部３２（の検出面）上の計測光と参照光との位置関係でもある。
【００３９】
基板ＳＢをＺ軸の一方向に駆動した場合、駆動開始時には、検出部３２上の計測光と参照光との位置関係がずれているため、計測光と参照光とが重なる領域Ｒ３だけではなく、計測光と参照光とが重ならない領域Ｒ１及びＲ２が存在している（図４参照）。換言すれば、基板ＳＢの駆動開始時には、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とが存在している。そして、基板ＳＢを駆動するにつれて、計測光と参照光との位置ずれがなくなり、計測光と参照光とが重なる（即ち、計測光及び参照光が入射する）領域Ｒ３だけが存在することになる（図５参照）。
【００４０】
従って、本実施形態では、処理部３４は、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とが存在するように基板ＳＢの位置を制御する。これにより、検出部３２において、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出することができる。具体的には、検出部３２は、計測光のみが入射する領域Ｒ１で計測光の光強度を、参照光のみが入射する領域Ｒ２で参照光の光強度を、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３で干渉縞を検出する。
【００４１】
なお、処理部３４は、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが生じるように参照ミラー２４の位置を制御してもよい。このように参照ミラー２４の位置を制御することで、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とを存在させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、１つの撮像素子で検出部３２を構成し、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出している。但し、検出部３２は、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出することができる構成を有していればよい。例えば、計測光の光強度を検出する光量検出素子と、参照光の光強度を検出する光量検出素子と、計測光と参照光との干渉縞のそれぞれを検出する撮像素子とで検出部３２を構成してもよい。
【００４３】
ステップＳ３０４では、ステップＳ３０２で検出した計測光の光強度、及び、参照光の光強度に基づいて、ステップＳ３０２で検出した干渉縞の干渉信号に含まれる光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減する。以下に具体的に説明するように、本実施形態では、干渉縞の干渉信号に含まれる光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出する。
【００４４】
干渉縞の干渉信号Ｉ（Ｚ）は、以下の式１で表される。但し、式１において、ｋは光源１０からの光の波数（波長）、Ｉ（ｋ）は分光強度（波長に対する強度）、Ｒｍは計測光の光強度、Ｒｒは参照光の光強度、θｉｎは入射角度、ＺはＺステージ２２ｂの位置、φｍは計測光の位相成分、φｒは参照光の位相成分である。
【００４５】
【数１】
【００４６】
式１において、光源１０の出力の変動が含まれる変数は、計測光の光強度Ｒｍ及び参照光の光強度Ｒｒであるため、式１から計測光の光強度Ｒｍ及び参照光の光強度Ｒｒを除去する。
【００４７】
式１において、Ｉ（Ｚ）から（Ｒｒ＋Ｒｍ）に係る項を減算すると、以下の式２で表される信号Ｉ’（Ｚ）が得られる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
式２において、Ｉ’（Ｚ）を√（ＲｒＲｍ）を除算すると、以下の式３で表される信号Ｉ’’（Ｚ）が得られる。
【００５０】
【数３】
【００５１】
式３で表される信号Ｉ’’（Ｚ）には計測光の光強度Ｒｍ及び参照光の光強度Ｒｒが含まれておらず、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響が低減（除去）されていることがわかる。
【００５２】
実際には、干渉パターンの干渉信号をＩｒ（Ｚ）、計測光の光強度をＭ（Ｚ）、参照光の光強度Ｒ（Ｚ）とすると、以下の式４に従って、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減した信号Ｉｒ’’（Ｚ）を算出すればよい。
【００５３】
【数４】
【００５４】
ステップＳ３０６では、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号（即ち、ステップＳ３０４で算出された信号Ｉｒ’’（Ｚ））から信号ピーク位置を算出する。なお、信号ピーク位置の算出は上述した通りであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５５】
ステップＳ３０８では、ステップＳ３０６で算出した信号ピーク位置に基づいて、基板ＳＢの表面形状を算出する。なお、基板ＳＢの表面形状を算出は上述した通りであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５６】
このように、本実施形態では、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号から信号ピーク位置を算出し、かかる信号ピーク位置から基板ＳＢの表面形状を算出している。従って、計測装置１は、光源１０からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる。
【００５７】
また、図６に示すように、検出部３２で検出された干渉パターンの干渉信号をフーリエ変換することで、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減した信号を算出することもできる。図６は、計測装置１における別の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【００５８】
ステップＳ６０２では、検出部３２において、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度と、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出する。
【００５９】
ステップＳ６０４では、ステップＳ６０２で検出された干渉縞の干渉信号をフーリエ変換して振幅成分、即ち、光源１０及びその他の光学部材による分光強度を算出する。なお、被計測面として、例えば、基準プレートなどを用いる場合には、分光器などによって、光源１０及びその他の光学部材による分光強度を予め取得していてもよい。
【００６０】
ステップＳ６０６では、ステップＳ６０２で検出された干渉縞の干渉信号をフーリエ変換して位相分布を算出する。
【００６１】
ステップＳ６０８では、ステップＳ６０２で検出した干渉縞の干渉信号に含まれる光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減する。本実施形態では、ステップＳ６０２で検出した計測光の光強度、参照光の光強度、ステップＳ６０４で算出した振幅成分、及び、ステップＳ６０６で算出した位相分布に基づいて、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出する。
【００６２】
図７は、ステップＳ６０８における光源１０の出力の変動の影響を低減した信号の算出を説明するための図である。図７（ａ）は、ステップＳ６０４で算出した振幅成分（分光強度）を示す図であって、横軸に光源１０からの光の波数ｋを、縦軸に強度Ｉを採用している。図７（ｂ）は、ステップＳ６０６で算出した位相分布を示す図であって、横軸に光源１０からの光の波数ｋを、縦軸に位相φを採用している。図７（ｃ）は、基板ＳＢをＺ軸方向に駆動した各位置において検出した計測光の光強度Ｍ及び参照光の光強度Ｒを示す図であって、横軸にＺステージ２２ｂの位置を、縦軸に強度を採用している。
【００６３】
ステップＳ６０８では、図７（ａ）乃至図７（ｃ）に示す各種情報に基づいて、式１を用いて光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出する。具体的には、式１において、Ｉ（ｋ）については図７（ａ）に示す振幅成分を、（φｍ−φｒ）については図７（ｂ）に示す位相成分を、Ｒｍについて図７（ｃ）に示す計測光の光強度Ｍを、Ｒｒについては図７（ｃ）に示す参照光の光強度Ｒを用いる。ここで、計測光の光強度Ｍ及び参照光の光強度Ｒについて、基板ＳＢをＺ軸方向に駆動した全域における平均値を用いれば、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号が算出される。また、基板ＳＢのＺ軸方向の各位置における計測光の光強度Ｍ及び参照光の光強度Ｒを用いて干渉信号の強度の変動を求め、かかる変動を干渉信号から除去してもよい。
【００６４】
ステップＳ６１０では、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号（即ち、ステップＳ６０８で算出された信号）から信号ピーク位置を算出する。
【００６５】
ステップＳ６１２では、ステップＳ６１０で算出した信号ピーク位置に基づいて、基板ＳＢの表面形状を算出する。
【００６６】
このように、検出部３２で検出された干渉パターンの干渉信号をフーリエ変換することでも光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出することが可能であり、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる。
【００６７】
なお、基板ＳＢの表面形状を計測する際、参照ミラー２４の表面反射率は一定であるため、検出部３２で検出される参照光の光量は変化しないが、基板ＳＢは材質によって表面反射率が変わるため、検出部３２で検出される計測光の光量は変化してしまう。その結果、計測光と参照光との干渉による干渉信号の光強度及びコントラストが低下し、ノイズの影響も含めて表面形状の計測精度が低下する可能性がある。
【００６８】
例えば、基板ＳＢの反射率と参照ミラー２４の反射率とが同じである場合に（検出部３２における計測光の光量：参照光の光量＝１：１）、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度を図８（ａ）に、干渉縞の干渉信号を図８（ｂ）に示す。このとき、図８（ｂ）に示す干渉信号の強度ピークは、１＋１＋２×√（１×１）＝４．０である。
【００６９】
基板ＳＢの反射率が参照ミラー２４の反射率よりも低い場合に（検出部３２における計測光の光量：参照光の光量＝０．２：１）、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度を図９（ａ）に、干渉縞の干渉信号を図９（ｂ）に示す。このとき、図９（ｂ）に示す干渉信号の強度ピークは、１＋０．２＋２×√（１×０．２）≒２．１である。なお、光源１０からの光の光量をＡとする。このように、干渉信号の強度ピークやコントラストが低い場合、空気揺らぎや検出部３２のノイズの影響で表面形状の計測精度が低下してしまう。検出部３２の電気的な出力ゲインを上げることで計測精度の低下を防止することが考えられるが、検出部３２の電気ノイズも大きくなるため好ましくない。そこで、本実施形態では、検出部３２における計測光の光強度と参照光の光強度との強度比に基づいて、光源１０からの光の光量を調整する。具体的には、光源１０からの光の光量がＡ×４．０／２．１（＝Ａ×１．９）となるように、光源１０を調整する。これにより、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度は図１０（ａ）に示すように、干渉縞の干渉信号は図１０（ｂ）に示すようになり、干渉信号の強度ピーク及びコントラストを向上させることができる。
【００７０】
一方、基板ＳＢの反射率が参照ミラー２４の反射率よりも高い場合に（検出部３２における計測光の光量：参照光の光量＝２：１）、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度を図１１（ａ）に、干渉縞の干渉信号を図１１（ｂ）に示す。このとき、図１１（ｂ）に示す干渉信号の強度ピークは、１＋２＋２×√（１×２）≒５．８となり、検出部３２の出力限界を超えて（飽和）してしまう。なお、光源１０からの光の光量をＡとする。このように、干渉信号の強度ピークが検出部３２の出力限界を超えた場合、光源１０の調整（最適化）は非常に困難であるが、本実施形態では、検出部３２における計測光の光強度と参照光の光強度との強度比に基づいて、光源１０からの光の光量を調整する。具体的には、光源１０からの光の光量がＡ×４．０／５．８（＝Ａ×０．６９）となるように、光源１０を調整する。これにより、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度は図１２（ａ）に示すように、干渉縞の干渉信号は図１２（ｂ）に示すようになる。
【００７１】
また、本実施形態では、基板ＳＢ又は参照ミラー２４の位置を制御することで、検出部３２において、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出している。但し、図１３に示すように、基板ＳＢ及び参照ミラー２４と検出部３２との間に、基板ＳＢで反射した計測光と参照ミラー２４で反射した参照光との合成光を分離（分光）する光学素子（例えば、プリズムや回折格子など）３８を配置させてもよい。この場合、検出部３２では、図１４（ａ）に示すような干渉信号が検出される。図１４（ａ）に示す干渉信号は、計測光と参照光との光路長差（ΔＺ）と光源１０からの光の波数（ｋ＝２π／λ（但し、λは、光源１０からの光の波長））に依存する。従って、図１４（ａ）に示す干渉信号をフーリエ変換することで、図１４（ｂ）に示すように、基板ＳＢを駆動した場合と同様な光路長差（ΔＺ）に依存する干渉信号を得ることができる。このような技術に関しては、例えば、米国特許出願公開第２００７／００８６０１３号に開示されている。
【００７２】
また、本実施形態では、計測装置１は、斜入射方式の干渉計の構成を有するが、図１５に示すように、垂直入射方式の干渉計の構成を有していてもよい。この場合、図４に示したように、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とが存在するように予め設定する必要がある。かかる設定は、例えば、参照ミラー２４を傾けたり、光源１０からの光を計測光と参照光とに分離するためのハーフミラー４０の後段に配置される光学部材の表面に遮光膜などをコーティングしたりすることで行われる。
【００７３】
次に、図１６を参照して、計測装置１を備えた露光装置１００について説明する。図１６は、本発明の一側面としての露光装置１００の構成を示す概略図である。
【００７４】
露光装置１００は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル１２０のパターンをウエハ１４０に露光する投影露光装置である。但し、露光装置１００は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
【００７５】
露光装置１００は、図１６に示すように、照明装置１１０と、レチクル１２０を載置するレチクルステージ１２５と、投影光学系１３０と、ウエハ１４０を載置するウエハステージ１４５と、フォーカス制御用センサ１５０と、制御部１６０とを有する。
【００７６】
照明装置１１０は、転写用のパターンが形成されたレチクル１２０を照明し、光源１１２と、照明光学系１１４とを有する。
【００７７】
光源１１２は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーや波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用する。但し、光源１１２は、エキシマレーザーに限定するものではなく、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーなどを使用してもよい。
【００７８】
照明光学系１１４は、光源１１２からの光を用いてレチクル１２０を照明する光学系である。照明光学系１１４は、本実施形態では、露光に最適な形状を有する露光スリットを形成する。照明光学系１１４は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含む。
【００７９】
レチクル１２０は、転写用のパターンを有し、レチクルステージ１２５に支持及び駆動される。レチクル１２０から発せられた回折光は、投影光学系１３０を通り、ウエハ１４０に投影される。レチクル１２０とウエハ１４０とは、光学的に共役の関係に配置される。なお、露光装置１００は図示しない光斜入射系のレチクル検出部を備えており、レチクル１２０は、レチクル検出部によって位置が検出され、所定の位置に配置される。
【００８０】
レチクルステージ１２５は、図示しないレチクルチャックを介してレチクル１２０を支持し、図示しない移動機構に接続されている。かかる移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクルステージ１２５を駆動する。
【００８１】
投影光学系１３０は、レチクル１２０のパターンをウエハ１４０に投影する光学系である。投影光学系１３０は、屈折系、反射屈折系、或いは、反射系を使用することができる。
【００８２】
ウエハ１４０は、レチクル１２０のパターンが投影（転写）される基板であり、ウエハステージ１４５に支持及び駆動される。但し、ウエハ１４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。ウエハ１４０には、レジストが塗布されている。
【００８３】
ウエハステージ１４５は、図示しないウエハチャックを介してウエハ１４０を支持する。ウエハステージ１４５は、レチクルステージ１２５と同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ１４０を移動させる。また、ウエハステージ１４５には、基準プレート１４９が配置されている。
【００８４】
フォーカス制御用センサ１５０は、計測装置１と同様に、ウエハ１４０の表面形状を計測する機能を有する。また、フォーカス制御用センサ１５０は、応答性は速いがウエハパターンによる騙されがあるセンサである。
【００８５】
計測装置１は、上述した通りのいかなる構成をも適用可能であり、ここでの詳細な説明は省略する。なお、計測装置１は、応答性は遅いがウエハパターンによる騙されが少ない。
【００８６】
制御部１６０は、ＣＰＵやメモリを有し、露光装置１００の動作を制御する。制御部１６０は、本実施形態では、フォーカス制御用センサ１５０の処理部としての機能を備える。従って、制御部１６０は、フォーカス制御用センサ１５０がウエハ１４０の表面形状を計測する際の計測値の補正演算及び制御を行う。また、制御部１６０は、計測装置１の処理部３４としての機能を備えていてもよい。
【００８７】
ここで、ウエハ１４０の表面形状（フォーカス）の計測点について説明する。本実施形態では、ウエハ１４０の全面に亘って、走査方向（Ｙ軸方向）にウエハステージ１４５を走査しながら、フォーカス制御用センサ１５０でウエハ１４０の表面形状を計測する。一方、走査方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）には、ウエハステージ１４５をΔＸだけステップさせ、走査方向にウエハ１４０の表面形状を計測する動作を繰り返してウエハ１４０の全面のプロファイルを求める。なお、複数のフォーカス制御用センサ１５０を用いてウエハ１４０上の異なる領域の表面形状を同時に計測してもよい。これにより、スループットを向上させることができる。
【００８８】
フォーカス制御用センサ１５０は、本実施形態では、光学的な高さ計測システムを使用している。具体的には、フォーカス制御用センサ１５０は、ウエハ１４０の表面に対して高入射角度で光を入射させ、ウエハ１４０の表面で反射された反射光の像ずれをＣＣＤなどで検出する。フォーカス制御用センサ１５０は、ウエハ１４０上の複数の計測点に光を入射させ、かかる計測点で反射された光のそれぞれを個別に受光し、異なる位置の高さ情報から露光すべき面のチルトを算出する。
【００８９】
図１７を参照して、フォーカス制御用センサ１５０を詳細に説明する。図１７は、フォーカス制御用センサ１５０の構成を示す概略図である。フォーカス制御用センサ１５０は、図１７に示すように、光源１５１と、コンデンサーレンズ１５２と、複数の透過スリットで構成されたパターン板１５３と、レンズ１５４と、ミラー１５５とを有する。更に、フォーカス制御用センサ１５０は、ミラー１５６と、レンズ１５７と、ＣＣＤなどの受光素子１５８とを有する。
【００９０】
光源１５１からの光は、コンデンサーレンズ１５２を介して集光され、パターン板１５３を照明する。パターン板１５３の透過スリットを通過した光は、レンズ１５４及びミラー１５５を介してウエハ１４０に所定の角度で照射される。パターン板１５３とウエハ１４０とは、レンズ１５４を介して結像関係になっているため、パターン板１５３の透過スリットの空中像がウエハ１４０上に形成される。
【００９１】
ウエハ１４０で反射された光は、ミラー１５６及びレンズ１５７を介して受光素子１５８で受光され、図１７に示すように、パターン板１５３の各透過スリットに対応したスリット像からなる信号ＳＩが得られる。信号ＳＩの受光素子１５８での位置ずれを検出することで、ウエハ１４０のＺ軸方向の位置を計測することができる。ウエハ１４０の表面がＺ軸方向の位置ｗ１から位置ｗ２に変化した場合のウエハ１４０上の光軸シフト量ｍ１は、入射角度をθｉｎとして、ｍ１＝２・ｄＺ・ｔａｎθｉｎで表すことができる。但し、位置ｗ１から位置ｗ２への変化量をｄＺとする。
【００９２】
例えば、入射角度θｉｎを８４度とすると、ｍ１＝１９・ｄＺとなり、ウエハ１４０の変位を１９倍に拡大した変位量になる。受光素子１５８での変位量は、ｍ１に光学系の倍率（即ち、レンズ１５７によるの結像倍率）が掛け合わされる。
【００９３】
以下、露光装置１００の露光動作（露光装置１００を用いた露光方法）について説明する。図１８は、露光装置１００の露光動作を説明するためのフローチャートである。
【００９４】
まず、ステップＳ１０１０において、露光装置１００にウエハ１４０を搬入する。
【００９５】
次いで、ステップＳ１０２０において、ステップＳ１０１0で搬入したウエハ１４０に対して、フォーカス制御用センサ１５０のフォーカス較正を行うかどうかを判定する。具体的には、ユーザーが露光装置１００に予め登録しておいた「ロットの先頭ウエハか」、複数のロットの先頭のウエハであるか、フォーカス精度が厳しく求められる工程のウエハであるか」などの情報に基づいて判定する。
【００９６】
ステップＳ１０２０において、フォーカス制御用センサ１５０のフォーカス較正を行わないと判定された場合には、ステップＳ１０５０に進み、後述する露光シーケンスが実行される。
【００９７】
一方、ステップＳ１０２０において、フォーカス制御用センサ１５０のフォーカス較正を行うと判定された場合には、ステップＳ１０３０に進み、基準プレート１４９によるフォーカス較正シーケンスが実行される。
【００９８】
次に、ステップＳ１０４０において、ウエハ１４０によるフォーカス較正シーケンスが実行される。
【００９９】
ここで、図１９を参照して、ステップＳ１０３０及びステップＳ１０４０で実行されるフォーカス較正シーケンスについて説明する。図１９は、ステップＳ１０３０及びステップＳ１０４０のフォーカス較正シーケンスの詳細なフローチャートである。
【０１００】
基準プレート１４９によるフォーカス較正シーケンスでは、まず、ウエハステージ１４５を駆動して、フォーカス制御用センサ１５０の下に基準プレート１４９が位置するように位置決めする。なお、基準プレート１４９は、オプティカルフラットと呼ばれる面精度のよいガラス板などを使用している。また、基準プレート１４９の表面には、フォーカス制御用センサ１５０に計測誤差が発生しないように、反射率分布のない均一な領域が設けられており、フォーカス制御用センサ１５０は、かかる領域を計測する。但し、露光装置１００のその他キャリブレーション（例えば、アライメントや投影光学系１３０の評価）に必要な各種較正用マークを設けたプレートの一部を基準プレート１４９として使用してもよい。
【０１０１】
ステップＳ１０３１において、基準プレート１４９をフォーカス制御用センサ１５０で計測し、基準プレート１４９のＺ軸方向の位置を計測する。
【０１０２】
ステップＳ１０３２において、ステップＳ１０３１で計測した基準プレート１４９のＺ軸方向の位置（計測値Ｏｍ）を露光装置１００の記憶部（例えば、制御部１６０のメモリ等）に格納する。
【０１０３】
次に、ウエハステージ１４５を駆動して、計測装置１の下に基準プレート１４９が位置するように位置決めする。
【０１０４】
ステップＳ１０３３において、基準プレート１４９を計測装置１で計測し、基準プレート１４９の表面形状を計測する。なお、計測装置１が計測する基準プレート１４９の計測領域（ＸＹ面）は、ステップＳ１０３１でフォーカス制御用センサ１５０が計測した計測領域と同じにする。
【０１０５】
ステップＳ１０３４において、ステップＳ１０３３で計測した基準プレート１４９の表面形状（計測値Ｐｍ）を記憶部に格納する。
【０１０６】
ステップＳ１０３５において、第１のオフセットを算出する。具体的には、図２０に示すように、計測装置１による計測値Ｐｍとフォーカス制御用センサ１５０による計測値Ｏｍの差分として、第１のオフセットを算出する。第１のオフセットは、基準プレート１４９の光学的に均一な面を計測しており、フォーカス制御用センサ１５０に計測誤差が発生しないため、ゼロになるべきものである。しかしながら、第１のオフセットは、実際には、ウエハステージ１４５の走査方向のシステム的なオフセット、フォーカス制御用センサ１５０、或いは、計測装置１の長期的なドリフトなどのエラー要因によってゼロにはならない。従って、第１のオフセットは、定期的に取得（算出）することが好ましい。但し、上述したエラー要因が発生しない場合や別に管理されている場合には、第１のオフセットを１回取得するだけでよい。ここで、図２０は、フォーカス較正シーケンスにおける第１のオフセット及び後述する第２のオフセットを説明するための図である。
【０１０７】
ステップＳ１０３１乃至Ｓ１０３５が基準プレート１４９によるフォーカス較正シーケンスである。
【０１０８】
ウエハ１４０によるフォーカス較正シーケンスでは、まず、ウエハステージ１４５を駆動して、フォーカス制御用センサ１５０の下にウエハ１４０が位置するように位置決めする。なお、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐ（ウエハ面内）は、後述する露光シーケンスの計測位置と一致させるものとする。
【０１０９】
ステップＳ１０４１において、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐをフォーカス制御用センサ１５０で計測し、計測位置ＷｐのＺ方向の位置を計測する。
【０１１０】
ステップＳ１０４２において、ステップＳ１０４１で計測したウエハ１４０上の計測位置ＷｐのＺ軸方向の位置（計測値Ｏｗ）を記憶部に格納する。
【０１１１】
次に、ウエハステージ１４５を駆動して、計測装置１の下にウエハ１４０上の計測位置Ｗｐが位置するように位置決めする。
【０１１２】
ステップＳ１０４３において、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐを計測装置１で計測し、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐの表面形状を計測する。
【０１１３】
ステップＳ１０４４では、ステップＳ１０４３で計測したウエハ１４０上の計測位置Ｗｐの表面形状（計測値Ｐｗ）を記憶部に格納する。なお、ウエハ１４０上の計測点としての計測位置Ｗｐは、ウエハ内の１点、ショット内の１点、ショット内の全点、複数ショット内の全点、ウエハ内の全点などの各種モードから選択できるようになっている。
【０１１４】
ステップＳ１０４５において、第２のオフセットを算出する。具体的には、図２０に示すように、計測装置１による計測値Ｐｗとフォーカス制御用センサ１５０による計測値Ｏｗの差分として、第２のオフセットをウエハ１４０上の計測位置Ｗｐ毎に算出する。
【０１１５】
ステップＳ１０４６において、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐ毎に第１のオフセットと第２のオフセットとの差分を求め、かかる差分をオフセットデータとして記憶部に格納する。ウエハ１４０上の各計測位置におけるオフセット量Ｏｐは、Ｏｐ（ｉ）＝［Ｏｗ（ｉ）−Ｐｗ（ｉ）］−（Ｏｍ−Ｐｍ）から求めることができる。但し、式２において、ｉは、ウエハ１４０上の計測位置を示すポイント番号である。
【０１１６】
オフセット量Ｏｐとしては、露光ショット単位（ステッパーの場合はショット単位、スキャナーの場合は露光スリット単位）で、平均的高さオフセット（Ｚ）、平均傾きオフセット（ωｚ、ωｙ）を格納してもよい。また、ウエハ１４０に転写するパターンは、ショット（ダイ）で繰り返されるため、ウエハ１４０上の各ショットの平均値として、オフセット量Ｏｐを求めてもよい。
【０１１７】
ステップＳ１０４１乃至Ｓ１０４６がウエハ１４０によるフォーカス較正シーケンスである。
【０１１８】
次に、図２１を参照して、フォーカス較正シーケンスＳ１０３０及びＳ１０４０が終了して実行されるステップＳ１０５０の露光シーケンスについて説明する。図２１は、ステップＳ１０５０の露光シーケンスの詳細なフローチャートである。
【０１１９】
ステップＳ１０５１において、ウエハアライメントを実行する。ウエハアライメントは、図示しないアライメントスコープでウエハ１４０上のアライメントマークの位置を検出し、露光装置１００に対して、ウエハ１４０のＸＹ平面の位置合わせを行う。
【０１２０】
ステップＳ１０５２において、フォーカス制御用センサ１５０でウエハ１４０上の所定領域の面位置を計測する。かかる所定領域は、上述したフォーカス較正シーケンスにおいて計測したウエハ１４０上の領域を含む。従って、オフセット量Ｏｐ（ｉ）で、計測値を補正してウエハ１４０の全面の表面形状を計測する。このように補正されたウエハ１４０の表面形状のデータが露光装置１００の記憶部に格納される。
【０１２１】
ステップＳ１０５３において、ウエハステージ１４５を駆動して、フォーカス制御用センサ１５０の下の計測位置から投影光学系１３０の下の露光位置に第１の露光ショットが位置するようにウエハ１４０を移動する。この際、ウエハ１４０の表面形状のデータに基づいて第１の露光ショットの表面形状のデータを作成し、露光像面に対するウエハ１４０の表面のずれ量が最小になるように、フォーカス（Ｚ方向）及びチルト（傾き方向）を補正する。このようにして、露光スリット単位で最適な露光像面位置にウエハ１４０の表面を合わせ込む。
【０１２２】
ステップＳ１０５４において、レチクル１２０のパターンをウエハ１４０に露光する。この際、露光装置１００はスキャナーであるため、レチクル１２０とウエハ１４０をＹ方向（走査方向）に走査することによりレチクル１２０のパターンをウエハ１４０上に転写する。
【０１２３】
ステップＳ１０５５において、全ての露光ショットを露光したかどうかを判定する。全ての露光ショットを露光していないと判定された場合には、ステップＳ１０５２に戻り、次の露光ショットの表面形状のデータを作成し、フォーカス及びチルトを補正して露光スリット単位で最適な露光像面に合わせ込みながら露光を行う。一方、全ての露光ショットを露光したと判定された場合には、ステップＳ１０５６において、露光装置１００からウエハ１４０を搬出する。
【０１２４】
本実施形態では、各露光ショットを露光する直前に、露光ショットの表面形状のデータの作成、露光像面からのずれ量の算出及びウエハステージ１４５の駆動量の算出を行っている。但し、第１の露光ショットを露光する前に、全ての露光ショットに関して、表面形状のデータの作成、露光像面からのずれ量の算出、ウエハステージ１４５の駆動量の算出を行ってもよい。
【０１２５】
また、ウエハステージ１４５は、シングルステージに限らず、露光時に使用する露光ステージとウエハ１４０のアライメントや表面形状を計測する際に使用する計測ステージとの２つのステージを有する、所謂、ツインステージの構成であってもよい。この場合、フォーカス制御用センサ１５０及び計測装置１は、計測ステージ側に配置することになる。
【０１２６】
露光装置１００において、計測装置１は、上述したように、ウエハの表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる。従って、露光面とウエハ表面とのフォーカス合わせの精度を向上させることが可能となり、デバイスの性能向上や製造歩止まりの向上にも繋がる。従って、露光装置１００は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。なお、かかるデバイスは、露光装置１００を使用して、感光剤が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板（感光剤）を現像する工程と、他の公知の工程と、を経ることにより製造される。
【０１２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトリソグラフィー技術を用いて微細な半導体デバイスを製造する際に、レチクル（マスク）に形成されたパターンを、投影光学系を介してウエハ等の基板に投影してパターンを転写する露光装置が使用されている。
【０００３】
露光装置においては、半導体デバイスの微細化及び高集積化に伴い、より高い解像度でレチクルのパターンを基板に転写すること、及び、露光領域を拡大することが要求されている。このような要求を達成するために、近年では、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）からステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（スキャナー）が主流となってきている。
【０００４】
これらの露光装置では、露光中（又は露光前）において、光斜入射系の表面形状（表面位置）計測手段を用いて基板の所定の位置における表面位置を計測し、かかる所定の位置を露光する際に基板の表面を最適な結像位置に合わせ込む補正を行っている。特に、スキャナーでは、露光スリットの長手方向（即ち、走査方向に垂直な方向）について、基板の表面位置の高さ（フォーカス）だけではなく、表面の傾き（チルト）も計測している。
【０００５】
このようなフォーカス及びチルトを計測する技術に関しては、幾つか提案されている（特許文献１乃至３参照）。例えば、特許文献１や特許文献２には、光学式のセンサを用いた技術が開示されている。また、特許文献３には、基板に空気を吹き付けて表面位置を計測するガスゲージセンサを用いた技術が開示されている。更には、静電容量センサを用いた技術も提案されている。
【０００６】
一方、近年では、露光光の短波長化及び投影光学系の高ＮＡ化が進み、焦点深度が極めて小さくなっているため、露光すべき基板の表面を最良結像位置に合わせ込む精度、所謂、フォーカス精度もますます厳しくなってきている。そこで、基板の表面（被計測面）からの光（計測光）と参照面からの光（参照光）との干渉による干渉パターン（干渉信号）に基づいて基板の表面形状（表面位置）を計測することで、計測精度を向上させる技術が注目されている。
【０００７】
かかる技術は、光源から射出された高帯域な波長幅の光を２つの光に分離し、一方の光を被計測面に、他方の光を参照面に斜入射させる。そして、被計測面で反射した計測光と参照面で反射した参照光を合成して、計測光と参照光との干渉による干渉パターン（干渉信号）を検出する。干渉信号は、被計測面を所定の方向（高さ（フォーカス）方向）に駆動しながら検出され、かかる干渉信号の変化から被計測面の表面形状を求めることができる。
【０００８】
これらの技術は、広帯域な波長幅の光を用いることで可干渉距離を短くし、単色光を用いる場合と比べて、計測レンジを広く設定することができる。また、基板に塗布されたレジスト（感光剤）に起因する干渉信号誤差を低減できるという利点もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−２６０３９１号公報
【特許文献２】米国特許第６２４９３５１号明細書
【特許文献３】特表２００６−５１４７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術では、光源の出力に時間的な変動がある場合に、干渉信号に加わるノイズ（光量ノイズ）が大きくなり、表現形状の計測精度や再現性が悪化してしまう。干渉信号はある有限の時間範囲で得られるため、かかる時間範囲において光源の出力に変動があると、各計測位置（被計測面の各駆動位置）における光量変動が発生し、計測点ごとに異なる光量となってしまう。従って、干渉信号のピーク位置を求める際の精度が悪化し、最終的に、表面形状の計測精度や再現性が悪化することになる。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、光源からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる技術を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、計測面の表面形状を計測する計測装置であって、光源からの光を計測光と参照光とに分離して、前記計測光を前記被計測面の表面に入射させ、前記参照光を参照面に入射させる光学系と、前記被計測面の表面で反射した前記計測光の光強度と、前記参照面で反射した前記参照光の光強度と、前記被計測面の表面で反射した前記計測光と前記参照面で反射した前記参照光との干渉パターンとを検出する検出部と、前記検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に基づいて、前記被計測面の表面形状を算出する処理部と、を有し、前記処理部は、前記検出部によって検出された前記計測光の光強度、及び、前記参照光の光強度に基づいて、前記検出部によって検出された前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減して、前記被計測面の表面形状を算出することを特徴とする。
【００１３】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、例えば、光源からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置の検出部において検出される干渉信号（白色干渉信号）の一例を示す図である。
【図３】図１に示す計測装置における基板の表面形状の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】図１に示す計測装置において、検出部（の検出面）における計測光と参照光との位置関係の一例を示す図である。
【図５】図１に示す計測装置において、検出部（の検出面）における計測光と参照光との位置関係の一例を示す図である。
【図６】図１に示す計測装置における基板の表面形状の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図７】図６に示すフローチャートのステップＳ６０８における光源の出力の変動の影響を低減した信号の算出を説明するための図である。
【図８】基板の反射率と参照ミラーの反射率とが同じである場合に、検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図９】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも低い場合に、検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１０】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも低い場合において、光源を調整した後に検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１１】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも高い場合に、検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１２】基板の反射率が参照ミラーの反射率よりも高い場合において、光源を調整した後に検出部で検出される計測光の光強度、参照光の光強度、及び、干渉縞の干渉信号を示す図である。
【図１３】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図１４】図１３に示す計測装置において、検出部で検出される干渉縞の干渉信号の一例を示す図である。
【図１５】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図１６】本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略図である。
【図１７】図１６に示す露光装置のフォーカス制御用センサの構成を示す概略図である。
【図１８】図１６に示す露光装置の露光動作を説明するためのフローチャートである。
【図１９】図１８に示すステップＳ１０３０及びステップＳ１０４０のフォーカス較正シーケンスの詳細なフローチャートである。
【図２０】フォーカス較正シーケンスにおける第１のオフセット及び第２のオフセットを説明するための図である。
【図２１】図１８に示すステップＳ１０５０の露光シーケンスの詳細なフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明の一側面としての計測装置１の構成を示す概略図である。計測装置１は、被計測面としての基板ＳＢの表面の位置（Ｚ軸方向の位置）、即ち、基板ＳＢの表面形状を計測する。基板ＳＢは、例えば、露光装置においてレチクルのパターンが転写されるウエハである。
【００１８】
計測装置１は、光源１０と、光源１０からの光を集光するコンデンサーレンズ１２と、スリット板１４と、レンズ１６ａ及び１６ｂを含む結像光学系１６と、開口絞り１８と、光源１０からの光を２つの光に分離するビームスプリッタ２０とを有する。また、計測装置１は、基板チャック２２ａ、Ｚステージ２２ｂ、Ｙステージ２２ｃ及びＸステージ２２ｄを含んで基板ＳＢを支持及び駆動するステージ系２２と、参照ミラー（参照面）２４とを有する。また、計測装置１は、基板ＳＢで反射した光（計測光）と参照ミラー（参照面）２２で反射した光（参照光）とを合成する（即ち、計測光と参照光との合成光を生成する）ビームスプリッタ２６と、レンズ２８ａ及び２８ｂを含む結像光学系２８とを有する。更に、計測装置１は、開口絞り３０と、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子又はフォトディテクタなどの光量検出素子で構成される検出部３２と、処理部３４とを有する。なお、処理部３４は、計測装置１における計測処理だけではなく、計測装置１の全体を制御する機能を有する。
【００１９】
以下、計測装置１の動作及び計測装置１の構成要素の機能などについて詳細に説明する。
【００２０】
光源１０は、本実施形態では、広帯域な波長幅の光を発するＬＥＤ（例えば、白色ＬＥＤ）又はハロゲンランプを使用する。光源１０からの光の波長帯域は、１００ｎｍ以上の波長帯域、具体的には、４００ｎｍ乃至８００ｎｍの波長帯域であることが好ましい。但し、基板ＳＢにレジスト（感光剤）が塗布されている場合には、レジストの感光を防止するために、紫外線（３５０ｎｍ）以下の波長帯域の光を基板ＳＢに照射しないことが好ましい。光源１０からの光の偏光状態は、本実施形態では、無偏光又は円偏光の状態である。
【００２１】
光源１０からの光は、コンデンサーレンズ１２を介して、スリット板１４に集光される。スリット板１４は、矩形形状の透過領域又はメカ絞りを有し、結像光学系１６を介して、スリット板１４の透過領域の像が基板ＳＢ及び参照ミラー２４に結像される。但し、スリット板１４の透過領域は、矩形形状（スリット）に限らず、円形形状（ピンホール）であってもよい。
【００２２】
結像光学系１６を通過した光の主光線は、入射角度θで基板ＳＢに入射する。また、結像光学系１６と基板ＳＢとの間の光路にはビームスプリッタ２０が配置されているため、結像光学系１６を通過した光のうち略半分の光量の光はビームスプリッタ２０で反射され、入射角度θで参照ミラー２４に入射する。ここで、ビームスプリッタ２０としては、例えば、金属膜や誘電体多層膜などをスプリット膜としたプリズム型ビームスプリッタ、或いは、１μｍ乃至５μｍ程度の薄い厚さの膜（材質はＳｉＣやＳｉＮなど）で構成されるペリクル型ビームスプリッタを使用する。
【００２３】
基板ＳＢに入射する光の入射角度θが大きくなると、基板ＳＢに塗布された薄膜（例えば、レジスト）表面からの反射率が、かかる薄膜の裏面（即ち、薄膜と基板との界面）からの反射率に対して相対的に強くなる。従って、基板ＳＢに塗布された薄膜の表面形状を計測する場合には、入射角度θは大きいほど好ましい。但し、入射角度θが９０度に近くなると、光学系の組み立てが難しくなるため、入射角度θは７０度乃至８５度であることが好ましい。
【００２４】
ビームスプリッタ２０を透過して基板ＳＢに入射した光は、基板ＳＢで反射されてビームスプリッタ２６に入射する。一方、ビームスプリッタ２０で反射されて参照ミラー２４に入射した光は、参照ミラー２４で反射されてビームスプリッタ２６に入射する。以下では、基板ＳＢで反射した光を計測光とし、参照ミラー２４で反射した光を参照光とする。なお、参照ミラー２４としては、１０ｎｍ乃至２０ｎｍ程度の面精度を有するアルミ平面ミラー、或いは、同程度の面精度を有するガラス平面ミラーなどを使用することができる。
【００２５】
基板ＳＢで反射した計測光及び参照ミラー２４で反射した参照光は、ビームスプリッタ２６で合成され、検出部３２に入射する。ビームスプリッタ２６としては、ビームスプリッタ２０と同様に、プリズム型ビームスプリッタやペリクル型ビームスプリッタを使用する。
【００２６】
また、ビームスプリッタ２６と検出部３２との間の光路には、結像光学系２８及び開口絞り３０が配置されている。レンズ２８ａ及び２８ｂは、両側テレセントリックな結像光学系２８を構成し、基板ＳＢの表面を検出部３２の検出面に結像させる。従って、本実施形態では、スリット板１４の透過領域が、結像光学系１６によって基板ＳＢ及び参照ミラー２４に結像し、更に、結像光学系２８によって検出部３２の検出面に再結像する。検出部３２の検出面では、計測光と参照光とが重なって（即ち、干渉して）干渉縞（干渉パターン）を形成する。なお、結像光学系２８の瞳位置に配置された開口絞り３０は、結像光学系２８の開口数（ＮＡ）を規定し、本実施形態では、ｓｉｎ（０．１度）乃至ｓｉｎ（５度）程度の非常に小さなＮＡを規定している。
【００２７】
ここで、検出部３２の検出面に形成される干渉縞の干渉信号の検出（取得）方法について説明する。上述したように、基板ＳＢは、基板ＳＢを保持する基板チャック２２ａ、及び、基板ＳＢの位置合わせを行うＺステージ２２ｂ、Ｙステージ２２ｃ及びＸステージ２２ｄを含むステージ系２２に支持されている。計測光と参照光との干渉縞の干渉信号を検出部３２で検出するためには、Ｚステージ２２ｂを駆動すればよい。また、基板ＳＢの計測領域を変更する場合には、Ｙステージ２２ｃ又はＸステージ２２ｄを用いて、基板ＳＢの所望の領域が検出部３２の検出領域に位置するように位置合わせを行う。なお、Ｚステージ２２ｂ、Ｙステージ２２ｃ及びＸステージ２２ｄの位置を高精度に制御するためには、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸及びωｙ、ωｙのチルト軸の５軸にレーザー干渉計を配置すればよい。かかるレーザー干渉計の出力に基づいてクローズドループ制御を行うことで、基板ＳＢの表面形状をより高精度に計測することができる。特に、基板ＳＢを複数の領域に分けて計測して基板ＳＢの全体の表面形状を求める場合には、レーザー干渉計を用いることで、より正確に形状データのつなぎ合わせ（ステッチィング）を行うことが可能となる。
【００２８】
次に、検出部３２で検出（取得）された干渉縞の干渉信号に基づいて基板ＳＢの表面形状を算出する処理について説明する。かかる処理は処理部３４で実行され、処理部３４で算出された基板ＳＢの表面形状は、例えば、図示しない記憶部に記憶されたり、図示しない表示部に表示されたりする。図２は、検出部３２において検出される干渉信号（白色干渉信号）の一例を示す図である。ここでは、検出部３２として２次元の撮像素子を用いた場合に検出される干渉信号を示している。かかる干渉信号はインターフェログラムとも呼ばれる。図２では、横軸にＺステージ２２ｂの位置（具体的には、Ｚ軸測長干渉計又は静電容量センサによって測定された測定値）を採用し、縦軸に検出部３２の出力（光強度）を採用している。なお、検出部３２で検出された干渉信号は、処理部３４の記憶部に記憶されている。
【００２９】
図２に示す干渉信号から算出される信号ピーク位置に対応するＺステージ２２ｂの位置（Ｚ軸測長干渉計による測定値）が、その計測領域（即ち、撮像素子の画素）での基板ＳＢの高さである。検出部３２としての２次元の撮像素子の各画素での基板ＳＢの高を求めることで、基板ＳＢの三次元形状を計測することが可能となる。干渉信号の信号ピーク位置を算出するためには、信号ピーク位置及びかかる信号ピーク位置の前後の数点のデータに基づいて曲線（例えば、２次関数）近似すればよい。これにより、図２における横軸（Ｚステージ２２ｂの位置）のサンプリングピッチＺｐの１／１０乃至１／５０程度の分解能で信号ピーク位置を算出することができる。なお、サンプリングピッチＺｐは、実際にＺステージ２２ｂを等ピッチでステップ駆動する際のピッチで決定される。但し、基板ＳＢの表面形状計測の高速性を考慮する場合には、Ｚステージ２２ｂを等速度で駆動し、検出部３２の検出タイミングに同期してＺ軸測長干渉計の出力（Ｚステージ２２ｂの位置）を取り込むことが好ましい。
【００３０】
また、信号ピーク位置の算出精度を向上させるためには、図２に示す干渉信号のピーク強度Ｉｍａｘが検出部３２の電気ノイズに対して十分に高く、且つ、コントラスト（（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ））が０．７５以上であることが好ましい。なお、ピーク強度Ｉｍａｘが検出部３２の電気ノイズ強度に対して十分に高いとは、例えば、ピーク強度Ｉｍａｘが検出部３２の最大感度の８０％乃至９０％であることを意味する。従って、このような干渉信号が得られるように、検出部３２の最大感度の８０％乃至９０％を光量設定ターゲット（調光トレランス）として光源１０を調整することが必要である。
【００３１】
また、干渉信号の信号ピーク位置を算出する方法としては、米国特許第５３９８１１３号に開示されているＦＤＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）法を用いることも可能である。ＦＤＡ法は、フーリエスペクトルの位相勾配を用いてコントラストのピーク位置を算出する。
【００３２】
このように、白色干渉方式においては、その分解能と精度を決める要素は、計測光と参照光との光路長差が０となる位置をいかに正確に求めるかにある。従って、位相シフト法やフーリエ変換法によって干渉縞の包絡線を求め、コントラストの最大位置から光路長差が０となる位置を求める方法、位相クロス法などを干渉信号の信号ピーク位置を算出する方法として用いることも可能である。
【００３３】
計測装置１において、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）は干渉信号に対するノイズとなるため、表現形状の計測精度や再現性の悪化を招く。光源１０の出力の変動による計測精度や再現性の悪化を抑えるためには、光源１０の出力の変動を検出して補正すればよい。例えば、光源１０からの光を表面形状計測用の光と出力変動検出用の光とに分離して光源１０の出力の変動を検出することが考えられるが、この場合、出力変動検出用の光を検出する構成が必要になってしまう。また、表面形状計測用の光と出力変動検出用の光とを分離する光学素子の経時変化及び劣化、空気揺らぎなどの影響によって、光源１０の出力の変動を高精度に検出できないこともある。更には、光源１０からの光の一部を出力変動検出用の光として用いるため、表面形状計測用の光（即ち、計測光及び参照光）の光量が低下してしまう。
【００３４】
そこで、本実施形態では、検出部３２において、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度と、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを検出する。この際、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度及び計測光と参照光との干渉縞は、同時（並行的）に検出されることが好ましい。そして、処理部３４は、計測光の光強度、及び、参照光の光強度に基づいて、計測光と参照光との干渉縞の干渉信号から光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減して、基板ＳＢの表面形状を算出する。
【００３５】
以下、図３を参照して、計測装置１における計測処理について説明する。かかる計測処理は、基板ＳＢの表面形状を計測する処理であって、処理部３４が計測装置１の各部を統括的に制御することで実行される。
【００３６】
ステップＳ３０２では、検出部３２において、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度と、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出する。
【００３７】
斜入射方式の干渉計では、一般的に、光源から検出部までにおいて、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが０になるように調整されている。これは、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが０であるときの干渉信号のコントラストが最も高く、計測誤差の低減や再現性の向上に寄与するからである。
【００３８】
また、計測装置１において、基板ＳＢの表面形状計測の高速性を考慮すると、基板ＳＢは、Ｚ軸の一方向（即ち、Ｚ軸の＋方向又は−方向）のみに駆動することが好ましい。この場合、基板ＳＢの駆動開始時の干渉信号は全体の干渉信号の裾部分に相当し、検出部３２（の検出面）上の計測光と参照光との位置関係は図４に示すようになる。そして、基板ＳＢの駆動に従って干渉信号のピークが得られ、検出部３２（の検出面）上の計測光と参照光との位置関係は図５に示すようになる。なお、図５に示す位置関係は、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが０となるように計測装置１を調整した場合の検出部３２（の検出面）上の計測光と参照光との位置関係でもある。
【００３９】
基板ＳＢをＺ軸の一方向に駆動した場合、駆動開始時には、検出部３２上の計測光と参照光との位置関係がずれているため、計測光と参照光とが重なる領域Ｒ３だけではなく、計測光と参照光とが重ならない領域Ｒ１及びＲ２が存在している（図４参照）。換言すれば、基板ＳＢの駆動開始時には、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とが存在している。そして、基板ＳＢを駆動するにつれて、計測光と参照光との位置ずれがなくなり、計測光と参照光とが重なる（即ち、計測光及び参照光が入射する）領域Ｒ３だけが存在することになる（図５参照）。
【００４０】
従って、本実施形態では、処理部３４は、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とが存在するように基板ＳＢの位置を制御する。これにより、検出部３２において、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出することができる。具体的には、検出部３２は、計測光のみが入射する領域Ｒ１で計測光の光強度を、参照光のみが入射する領域Ｒ２で参照光の光強度を、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３で干渉縞を検出する。
【００４１】
なお、処理部３４は、計測光と参照光との光路長差が０、且つ、計測光と参照光との相対位置ずれが生じるように参照ミラー２４の位置を制御してもよい。このように参照ミラー２４の位置を制御することで、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とを存在させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、１つの撮像素子で検出部３２を構成し、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出している。但し、検出部３２は、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出することができる構成を有していればよい。例えば、計測光の光強度を検出する光量検出素子と、参照光の光強度を検出する光量検出素子と、計測光と参照光との干渉縞のそれぞれを検出する撮像素子とで検出部３２を構成してもよい。
【００４３】
ステップＳ３０４では、ステップＳ３０２で検出した計測光の光強度、及び、参照光の光強度に基づいて、ステップＳ３０２で検出した干渉縞の干渉信号に含まれる光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減する。以下に具体的に説明するように、本実施形態では、干渉縞の干渉信号に含まれる光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出する。
【００４４】
干渉縞の干渉信号Ｉ（Ｚ）は、以下の式１で表される。但し、式１において、ｋは光源１０からの光の波数（波長）、Ｉ（ｋ）は分光強度（波長に対する強度）、Ｒｍは計測光の光強度、Ｒｒは参照光の光強度、θｉｎは入射角度、ＺはＺステージ２２ｂの位置、φｍは計測光の位相成分、φｒは参照光の位相成分である。
【００４５】
【数１】
【００４６】
式１において、光源１０の出力の変動が含まれる変数は、計測光の光強度Ｒｍ及び参照光の光強度Ｒｒであるため、式１から計測光の光強度Ｒｍ及び参照光の光強度Ｒｒを除去する。
【００４７】
式１において、Ｉ（Ｚ）から（Ｒｒ＋Ｒｍ）に係る項を減算すると、以下の式２で表される信号Ｉ’（Ｚ）が得られる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
式２において、Ｉ’（Ｚ）を√（ＲｒＲｍ）を除算すると、以下の式３で表される信号Ｉ’’（Ｚ）が得られる。
【００５０】
【数３】
【００５１】
式３で表される信号Ｉ’’（Ｚ）には計測光の光強度Ｒｍ及び参照光の光強度Ｒｒが含まれておらず、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響が低減（除去）されていることがわかる。
【００５２】
実際には、干渉パターンの干渉信号をＩｒ（Ｚ）、計測光の光強度をＭ（Ｚ）、参照光の光強度Ｒ（Ｚ）とすると、以下の式４に従って、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減した信号Ｉｒ’’（Ｚ）を算出すればよい。
【００５３】
【数４】
【００５４】
ステップＳ３０６では、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号（即ち、ステップＳ３０４で算出された信号Ｉｒ’’（Ｚ））から信号ピーク位置を算出する。なお、信号ピーク位置の算出は上述した通りであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５５】
ステップＳ３０８では、ステップＳ３０６で算出した信号ピーク位置に基づいて、基板ＳＢの表面形状を算出する。なお、基板ＳＢの表面形状を算出は上述した通りであるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５６】
このように、本実施形態では、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号から信号ピーク位置を算出し、かかる信号ピーク位置から基板ＳＢの表面形状を算出している。従って、計測装置１は、光源１０からの光の光量ばらつきの影響を低減して、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる。
【００５７】
また、図６に示すように、検出部３２で検出された干渉パターンの干渉信号をフーリエ変換することで、光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減した信号を算出することもできる。図６は、計測装置１における別の計測処理を説明するためのフローチャートである。
【００５８】
ステップＳ６０２では、検出部３２において、基板ＳＢの表面で反射した計測光の光強度と、参照ミラー２４で反射した参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出する。
【００５９】
ステップＳ６０４では、ステップＳ６０２で検出された干渉縞の干渉信号をフーリエ変換して振幅成分、即ち、光源１０及びその他の光学部材による分光強度を算出する。なお、被計測面として、例えば、基準プレートなどを用いる場合には、分光器などによって、光源１０及びその他の光学部材による分光強度を予め取得していてもよい。
【００６０】
ステップＳ６０６では、ステップＳ６０２で検出された干渉縞の干渉信号をフーリエ変換して位相分布を算出する。
【００６１】
ステップＳ６０８では、ステップＳ６０２で検出した干渉縞の干渉信号に含まれる光源１０の出力の変動（光源１０からの光の光量ばらつき）の影響を低減する。本実施形態では、ステップＳ６０２で検出した計測光の光強度、参照光の光強度、ステップＳ６０４で算出した振幅成分、及び、ステップＳ６０６で算出した位相分布に基づいて、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出する。
【００６２】
図７は、ステップＳ６０８における光源１０の出力の変動の影響を低減した信号の算出を説明するための図である。図７（ａ）は、ステップＳ６０４で算出した振幅成分（分光強度）を示す図であって、横軸に光源１０からの光の波数ｋを、縦軸に強度Ｉを採用している。図７（ｂ）は、ステップＳ６０６で算出した位相分布を示す図であって、横軸に光源１０からの光の波数ｋを、縦軸に位相φを採用している。図７（ｃ）は、基板ＳＢをＺ軸方向に駆動した各位置において検出した計測光の光強度Ｍ及び参照光の光強度Ｒを示す図であって、横軸にＺステージ２２ｂの位置を、縦軸に強度を採用している。
【００６３】
ステップＳ６０８では、図７（ａ）乃至図７（ｃ）に示す各種情報に基づいて、式１を用いて光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出する。具体的には、式１において、Ｉ（ｋ）については図７（ａ）に示す振幅成分を、（φｍ−φｒ）については図７（ｂ）に示す位相成分を、Ｒｍについて図７（ｃ）に示す計測光の光強度Ｍを、Ｒｒについては図７（ｃ）に示す参照光の光強度Ｒを用いる。ここで、計測光の光強度Ｍ及び参照光の光強度Ｒについて、基板ＳＢをＺ軸方向に駆動した全域における平均値を用いれば、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号が算出される。また、基板ＳＢのＺ軸方向の各位置における計測光の光強度Ｍ及び参照光の光強度Ｒを用いて干渉信号の強度の変動を求め、かかる変動を干渉信号から除去してもよい。
【００６４】
ステップＳ６１０では、光源１０の出力の変動の影響を低減した信号（即ち、ステップＳ６０８で算出された信号）から信号ピーク位置を算出する。
【００６５】
ステップＳ６１２では、ステップＳ６１０で算出した信号ピーク位置に基づいて、基板ＳＢの表面形状を算出する。
【００６６】
このように、検出部３２で検出された干渉パターンの干渉信号をフーリエ変換することでも光源１０の出力の変動の影響を低減した信号を算出することが可能であり、被計測面の表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる。
【００６７】
なお、基板ＳＢの表面形状を計測する際、参照ミラー２４の表面反射率は一定であるため、検出部３２で検出される参照光の光量は変化しないが、基板ＳＢは材質によって表面反射率が変わるため、検出部３２で検出される計測光の光量は変化してしまう。その結果、計測光と参照光との干渉による干渉信号の光強度及びコントラストが低下し、ノイズの影響も含めて表面形状の計測精度が低下する可能性がある。
【００６８】
例えば、基板ＳＢの反射率と参照ミラー２４の反射率とが同じである場合に（検出部３２における計測光の光量：参照光の光量＝１：１）、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度を図８（ａ）に、干渉縞の干渉信号を図８（ｂ）に示す。このとき、図８（ｂ）に示す干渉信号の強度ピークは、１＋１＋２×√（１×１）＝４．０である。
【００６９】
基板ＳＢの反射率が参照ミラー２４の反射率よりも低い場合に（検出部３２における計測光の光量：参照光の光量＝０．２：１）、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度を図９（ａ）に、干渉縞の干渉信号を図９（ｂ）に示す。このとき、図９（ｂ）に示す干渉信号の強度ピークは、１＋０．２＋２×√（１×０．２）≒２．１である。なお、光源１０からの光の光量をＡとする。このように、干渉信号の強度ピークやコントラストが低い場合、空気揺らぎや検出部３２のノイズの影響で表面形状の計測精度が低下してしまう。検出部３２の電気的な出力ゲインを上げることで計測精度の低下を防止することが考えられるが、検出部３２の電気ノイズも大きくなるため好ましくない。そこで、本実施形態では、検出部３２における計測光の光強度と参照光の光強度との強度比に基づいて、光源１０からの光の光量を調整する。具体的には、光源１０からの光の光量がＡ×４．０／２．１（＝Ａ×１．９）となるように、光源１０を調整する。これにより、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度は図１０（ａ）に示すように、干渉縞の干渉信号は図１０（ｂ）に示すようになり、干渉信号の強度ピーク及びコントラストを向上させることができる。
【００７０】
一方、基板ＳＢの反射率が参照ミラー２４の反射率よりも高い場合に（検出部３２における計測光の光量：参照光の光量＝２：１）、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度を図１１（ａ）に、干渉縞の干渉信号を図１１（ｂ）に示す。このとき、図１１（ｂ）に示す干渉信号の強度ピークは、１＋２＋２×√（１×２）≒５．８となり、検出部３２の出力限界を超えて（飽和）してしまう。なお、光源１０からの光の光量をＡとする。このように、干渉信号の強度ピークが検出部３２の出力限界を超えた場合、光源１０の調整（最適化）は非常に困難であるが、本実施形態では、検出部３２における計測光の光強度と参照光の光強度との強度比に基づいて、光源１０からの光の光量を調整する。具体的には、光源１０からの光の光量がＡ×４．０／５．８（＝Ａ×０．６９）となるように、光源１０を調整する。これにより、検出部３２で検出される計測光の光強度及び参照光の光強度は図１２（ａ）に示すように、干渉縞の干渉信号は図１２（ｂ）に示すようになる。
【００７１】
また、本実施形態では、基板ＳＢ又は参照ミラー２４の位置を制御することで、検出部３２において、計測光の光強度と、参照光の光強度と、計測光と参照光との干渉縞とを同時に検出している。但し、図１３に示すように、基板ＳＢ及び参照ミラー２４と検出部３２との間に、基板ＳＢで反射した計測光と参照ミラー２４で反射した参照光との合成光を分離（分光）する光学素子（例えば、プリズムや回折格子など）３８を配置させてもよい。この場合、検出部３２では、図１４（ａ）に示すような干渉信号が検出される。図１４（ａ）に示す干渉信号は、計測光と参照光との光路長差（ΔＺ）と光源１０からの光の波数（ｋ＝２π／λ（但し、λは、光源１０からの光の波長））に依存する。従って、図１４（ａ）に示す干渉信号をフーリエ変換することで、図１４（ｂ）に示すように、基板ＳＢを駆動した場合と同様な光路長差（ΔＺ）に依存する干渉信号を得ることができる。このような技術に関しては、例えば、米国特許出願公開第２００７／００８６０１３号に開示されている。
【００７２】
また、本実施形態では、計測装置１は、斜入射方式の干渉計の構成を有するが、図１５に示すように、垂直入射方式の干渉計の構成を有していてもよい。この場合、図４に示したように、検出部３２の検出面において、計測光のみが入射する領域Ｒ１と、参照光のみが入射する領域Ｒ２と、計測光及び参照光が入射する領域Ｒ３とが存在するように予め設定する必要がある。かかる設定は、例えば、参照ミラー２４を傾けたり、光源１０からの光を計測光と参照光とに分離するためのハーフミラー４０の後段に配置される光学部材の表面に遮光膜などをコーティングしたりすることで行われる。
【００７３】
次に、図１６を参照して、計測装置１を備えた露光装置１００について説明する。図１６は、本発明の一側面としての露光装置１００の構成を示す概略図である。
【００７４】
露光装置１００は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル１２０のパターンをウエハ１４０に露光する投影露光装置である。但し、露光装置１００は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。
【００７５】
露光装置１００は、図１６に示すように、照明装置１１０と、レチクル１２０を載置するレチクルステージ１２５と、投影光学系１３０と、ウエハ１４０を載置するウエハステージ１４５と、フォーカス制御用センサ１５０と、制御部１６０とを有する。
【００７６】
照明装置１１０は、転写用のパターンが形成されたレチクル１２０を照明し、光源１１２と、照明光学系１１４とを有する。
【００７７】
光源１１２は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーや波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用する。但し、光源１１２は、エキシマレーザーに限定するものではなく、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーなどを使用してもよい。
【００７８】
照明光学系１１４は、光源１１２からの光を用いてレチクル１２０を照明する光学系である。照明光学系１１４は、本実施形態では、露光に最適な形状を有する露光スリットを形成する。照明光学系１１４は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含む。
【００７９】
レチクル１２０は、転写用のパターンを有し、レチクルステージ１２５に支持及び駆動される。レチクル１２０から発せられた回折光は、投影光学系１３０を通り、ウエハ１４０に投影される。レチクル１２０とウエハ１４０とは、光学的に共役の関係に配置される。なお、露光装置１００は図示しない光斜入射系のレチクル検出部を備えており、レチクル１２０は、レチクル検出部によって位置が検出され、所定の位置に配置される。
【００８０】
レチクルステージ１２５は、図示しないレチクルチャックを介してレチクル１２０を支持し、図示しない移動機構に接続されている。かかる移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクルステージ１２５を駆動する。
【００８１】
投影光学系１３０は、レチクル１２０のパターンをウエハ１４０に投影する光学系である。投影光学系１３０は、屈折系、反射屈折系、或いは、反射系を使用することができる。
【００８２】
ウエハ１４０は、レチクル１２０のパターンが投影（転写）される基板であり、ウエハステージ１４５に支持及び駆動される。但し、ウエハ１４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。ウエハ１４０には、レジストが塗布されている。
【００８３】
ウエハステージ１４５は、図示しないウエハチャックを介してウエハ１４０を支持する。ウエハステージ１４５は、レチクルステージ１２５と同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ１４０を移動させる。また、ウエハステージ１４５には、基準プレート１４９が配置されている。
【００８４】
フォーカス制御用センサ１５０は、計測装置１と同様に、ウエハ１４０の表面形状を計測する機能を有する。また、フォーカス制御用センサ１５０は、応答性は速いがウエハパターンによる騙されがあるセンサである。
【００８５】
計測装置１は、上述した通りのいかなる構成をも適用可能であり、ここでの詳細な説明は省略する。なお、計測装置１は、応答性は遅いがウエハパターンによる騙されが少ない。
【００８６】
制御部１６０は、ＣＰＵやメモリを有し、露光装置１００の動作を制御する。制御部１６０は、本実施形態では、フォーカス制御用センサ１５０の処理部としての機能を備える。従って、制御部１６０は、フォーカス制御用センサ１５０がウエハ１４０の表面形状を計測する際の計測値の補正演算及び制御を行う。また、制御部１６０は、計測装置１の処理部３４としての機能を備えていてもよい。
【００８７】
ここで、ウエハ１４０の表面形状（フォーカス）の計測点について説明する。本実施形態では、ウエハ１４０の全面に亘って、走査方向（Ｙ軸方向）にウエハステージ１４５を走査しながら、フォーカス制御用センサ１５０でウエハ１４０の表面形状を計測する。一方、走査方向に垂直な方向（Ｘ軸方向）には、ウエハステージ１４５をΔＸだけステップさせ、走査方向にウエハ１４０の表面形状を計測する動作を繰り返してウエハ１４０の全面のプロファイルを求める。なお、複数のフォーカス制御用センサ１５０を用いてウエハ１４０上の異なる領域の表面形状を同時に計測してもよい。これにより、スループットを向上させることができる。
【００８８】
フォーカス制御用センサ１５０は、本実施形態では、光学的な高さ計測システムを使用している。具体的には、フォーカス制御用センサ１５０は、ウエハ１４０の表面に対して高入射角度で光を入射させ、ウエハ１４０の表面で反射された反射光の像ずれをＣＣＤなどで検出する。フォーカス制御用センサ１５０は、ウエハ１４０上の複数の計測点に光を入射させ、かかる計測点で反射された光のそれぞれを個別に受光し、異なる位置の高さ情報から露光すべき面のチルトを算出する。
【００８９】
図１７を参照して、フォーカス制御用センサ１５０を詳細に説明する。図１７は、フォーカス制御用センサ１５０の構成を示す概略図である。フォーカス制御用センサ１５０は、図１７に示すように、光源１５１と、コンデンサーレンズ１５２と、複数の透過スリットで構成されたパターン板１５３と、レンズ１５４と、ミラー１５５とを有する。更に、フォーカス制御用センサ１５０は、ミラー１５６と、レンズ１５７と、ＣＣＤなどの受光素子１５８とを有する。
【００９０】
光源１５１からの光は、コンデンサーレンズ１５２を介して集光され、パターン板１５３を照明する。パターン板１５３の透過スリットを通過した光は、レンズ１５４及びミラー１５５を介してウエハ１４０に所定の角度で照射される。パターン板１５３とウエハ１４０とは、レンズ１５４を介して結像関係になっているため、パターン板１５３の透過スリットの空中像がウエハ１４０上に形成される。
【００９１】
ウエハ１４０で反射された光は、ミラー１５６及びレンズ１５７を介して受光素子１５８で受光され、図１７に示すように、パターン板１５３の各透過スリットに対応したスリット像からなる信号ＳＩが得られる。信号ＳＩの受光素子１５８での位置ずれを検出することで、ウエハ１４０のＺ軸方向の位置を計測することができる。ウエハ１４０の表面がＺ軸方向の位置ｗ１から位置ｗ２に変化した場合のウエハ１４０上の光軸シフト量ｍ１は、入射角度をθｉｎとして、ｍ１＝２・ｄＺ・ｔａｎθｉｎで表すことができる。但し、位置ｗ１から位置ｗ２への変化量をｄＺとする。
【００９２】
例えば、入射角度θｉｎを８４度とすると、ｍ１＝１９・ｄＺとなり、ウエハ１４０の変位を１９倍に拡大した変位量になる。受光素子１５８での変位量は、ｍ１に光学系の倍率（即ち、レンズ１５７によるの結像倍率）が掛け合わされる。
【００９３】
以下、露光装置１００の露光動作（露光装置１００を用いた露光方法）について説明する。図１８は、露光装置１００の露光動作を説明するためのフローチャートである。
【００９４】
まず、ステップＳ１０１０において、露光装置１００にウエハ１４０を搬入する。
【００９５】
次いで、ステップＳ１０２０において、ステップＳ１０１0で搬入したウエハ１４０に対して、フォーカス制御用センサ１５０のフォーカス較正を行うかどうかを判定する。具体的には、ユーザーが露光装置１００に予め登録しておいた「ロットの先頭ウエハか」、複数のロットの先頭のウエハであるか、フォーカス精度が厳しく求められる工程のウエハであるか」などの情報に基づいて判定する。
【００９６】
ステップＳ１０２０において、フォーカス制御用センサ１５０のフォーカス較正を行わないと判定された場合には、ステップＳ１０５０に進み、後述する露光シーケンスが実行される。
【００９７】
一方、ステップＳ１０２０において、フォーカス制御用センサ１５０のフォーカス較正を行うと判定された場合には、ステップＳ１０３０に進み、基準プレート１４９によるフォーカス較正シーケンスが実行される。
【００９８】
次に、ステップＳ１０４０において、ウエハ１４０によるフォーカス較正シーケンスが実行される。
【００９９】
ここで、図１９を参照して、ステップＳ１０３０及びステップＳ１０４０で実行されるフォーカス較正シーケンスについて説明する。図１９は、ステップＳ１０３０及びステップＳ１０４０のフォーカス較正シーケンスの詳細なフローチャートである。
【０１００】
基準プレート１４９によるフォーカス較正シーケンスでは、まず、ウエハステージ１４５を駆動して、フォーカス制御用センサ１５０の下に基準プレート１４９が位置するように位置決めする。なお、基準プレート１４９は、オプティカルフラットと呼ばれる面精度のよいガラス板などを使用している。また、基準プレート１４９の表面には、フォーカス制御用センサ１５０に計測誤差が発生しないように、反射率分布のない均一な領域が設けられており、フォーカス制御用センサ１５０は、かかる領域を計測する。但し、露光装置１００のその他キャリブレーション（例えば、アライメントや投影光学系１３０の評価）に必要な各種較正用マークを設けたプレートの一部を基準プレート１４９として使用してもよい。
【０１０１】
ステップＳ１０３１において、基準プレート１４９をフォーカス制御用センサ１５０で計測し、基準プレート１４９のＺ軸方向の位置を計測する。
【０１０２】
ステップＳ１０３２において、ステップＳ１０３１で計測した基準プレート１４９のＺ軸方向の位置（計測値Ｏｍ）を露光装置１００の記憶部（例えば、制御部１６０のメモリ等）に格納する。
【０１０３】
次に、ウエハステージ１４５を駆動して、計測装置１の下に基準プレート１４９が位置するように位置決めする。
【０１０４】
ステップＳ１０３３において、基準プレート１４９を計測装置１で計測し、基準プレート１４９の表面形状を計測する。なお、計測装置１が計測する基準プレート１４９の計測領域（ＸＹ面）は、ステップＳ１０３１でフォーカス制御用センサ１５０が計測した計測領域と同じにする。
【０１０５】
ステップＳ１０３４において、ステップＳ１０３３で計測した基準プレート１４９の表面形状（計測値Ｐｍ）を記憶部に格納する。
【０１０６】
ステップＳ１０３５において、第１のオフセットを算出する。具体的には、図２０に示すように、計測装置１による計測値Ｐｍとフォーカス制御用センサ１５０による計測値Ｏｍの差分として、第１のオフセットを算出する。第１のオフセットは、基準プレート１４９の光学的に均一な面を計測しており、フォーカス制御用センサ１５０に計測誤差が発生しないため、ゼロになるべきものである。しかしながら、第１のオフセットは、実際には、ウエハステージ１４５の走査方向のシステム的なオフセット、フォーカス制御用センサ１５０、或いは、計測装置１の長期的なドリフトなどのエラー要因によってゼロにはならない。従って、第１のオフセットは、定期的に取得（算出）することが好ましい。但し、上述したエラー要因が発生しない場合や別に管理されている場合には、第１のオフセットを１回取得するだけでよい。ここで、図２０は、フォーカス較正シーケンスにおける第１のオフセット及び後述する第２のオフセットを説明するための図である。
【０１０７】
ステップＳ１０３１乃至Ｓ１０３５が基準プレート１４９によるフォーカス較正シーケンスである。
【０１０８】
ウエハ１４０によるフォーカス較正シーケンスでは、まず、ウエハステージ１４５を駆動して、フォーカス制御用センサ１５０の下にウエハ１４０が位置するように位置決めする。なお、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐ（ウエハ面内）は、後述する露光シーケンスの計測位置と一致させるものとする。
【０１０９】
ステップＳ１０４１において、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐをフォーカス制御用センサ１５０で計測し、計測位置ＷｐのＺ方向の位置を計測する。
【０１１０】
ステップＳ１０４２において、ステップＳ１０４１で計測したウエハ１４０上の計測位置ＷｐのＺ軸方向の位置（計測値Ｏｗ）を記憶部に格納する。
【０１１１】
次に、ウエハステージ１４５を駆動して、計測装置１の下にウエハ１４０上の計測位置Ｗｐが位置するように位置決めする。
【０１１２】
ステップＳ１０４３において、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐを計測装置１で計測し、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐの表面形状を計測する。
【０１１３】
ステップＳ１０４４では、ステップＳ１０４３で計測したウエハ１４０上の計測位置Ｗｐの表面形状（計測値Ｐｗ）を記憶部に格納する。なお、ウエハ１４０上の計測点としての計測位置Ｗｐは、ウエハ内の１点、ショット内の１点、ショット内の全点、複数ショット内の全点、ウエハ内の全点などの各種モードから選択できるようになっている。
【０１１４】
ステップＳ１０４５において、第２のオフセットを算出する。具体的には、図２０に示すように、計測装置１による計測値Ｐｗとフォーカス制御用センサ１５０による計測値Ｏｗの差分として、第２のオフセットをウエハ１４０上の計測位置Ｗｐ毎に算出する。
【０１１５】
ステップＳ１０４６において、ウエハ１４０上の計測位置Ｗｐ毎に第１のオフセットと第２のオフセットとの差分を求め、かかる差分をオフセットデータとして記憶部に格納する。ウエハ１４０上の各計測位置におけるオフセット量Ｏｐは、Ｏｐ（ｉ）＝［Ｏｗ（ｉ）−Ｐｗ（ｉ）］−（Ｏｍ−Ｐｍ）から求めることができる。但し、式２において、ｉは、ウエハ１４０上の計測位置を示すポイント番号である。
【０１１６】
オフセット量Ｏｐとしては、露光ショット単位（ステッパーの場合はショット単位、スキャナーの場合は露光スリット単位）で、平均的高さオフセット（Ｚ）、平均傾きオフセット（ωｚ、ωｙ）を格納してもよい。また、ウエハ１４０に転写するパターンは、ショット（ダイ）で繰り返されるため、ウエハ１４０上の各ショットの平均値として、オフセット量Ｏｐを求めてもよい。
【０１１７】
ステップＳ１０４１乃至Ｓ１０４６がウエハ１４０によるフォーカス較正シーケンスである。
【０１１８】
次に、図２１を参照して、フォーカス較正シーケンスＳ１０３０及びＳ１０４０が終了して実行されるステップＳ１０５０の露光シーケンスについて説明する。図２１は、ステップＳ１０５０の露光シーケンスの詳細なフローチャートである。
【０１１９】
ステップＳ１０５１において、ウエハアライメントを実行する。ウエハアライメントは、図示しないアライメントスコープでウエハ１４０上のアライメントマークの位置を検出し、露光装置１００に対して、ウエハ１４０のＸＹ平面の位置合わせを行う。
【０１２０】
ステップＳ１０５２において、フォーカス制御用センサ１５０でウエハ１４０上の所定領域の面位置を計測する。かかる所定領域は、上述したフォーカス較正シーケンスにおいて計測したウエハ１４０上の領域を含む。従って、オフセット量Ｏｐ（ｉ）で、計測値を補正してウエハ１４０の全面の表面形状を計測する。このように補正されたウエハ１４０の表面形状のデータが露光装置１００の記憶部に格納される。
【０１２１】
ステップＳ１０５３において、ウエハステージ１４５を駆動して、フォーカス制御用センサ１５０の下の計測位置から投影光学系１３０の下の露光位置に第１の露光ショットが位置するようにウエハ１４０を移動する。この際、ウエハ１４０の表面形状のデータに基づいて第１の露光ショットの表面形状のデータを作成し、露光像面に対するウエハ１４０の表面のずれ量が最小になるように、フォーカス（Ｚ方向）及びチルト（傾き方向）を補正する。このようにして、露光スリット単位で最適な露光像面位置にウエハ１４０の表面を合わせ込む。
【０１２２】
ステップＳ１０５４において、レチクル１２０のパターンをウエハ１４０に露光する。この際、露光装置１００はスキャナーであるため、レチクル１２０とウエハ１４０をＹ方向（走査方向）に走査することによりレチクル１２０のパターンをウエハ１４０上に転写する。
【０１２３】
ステップＳ１０５５において、全ての露光ショットを露光したかどうかを判定する。全ての露光ショットを露光していないと判定された場合には、ステップＳ１０５２に戻り、次の露光ショットの表面形状のデータを作成し、フォーカス及びチルトを補正して露光スリット単位で最適な露光像面に合わせ込みながら露光を行う。一方、全ての露光ショットを露光したと判定された場合には、ステップＳ１０５６において、露光装置１００からウエハ１４０を搬出する。
【０１２４】
本実施形態では、各露光ショットを露光する直前に、露光ショットの表面形状のデータの作成、露光像面からのずれ量の算出及びウエハステージ１４５の駆動量の算出を行っている。但し、第１の露光ショットを露光する前に、全ての露光ショットに関して、表面形状のデータの作成、露光像面からのずれ量の算出、ウエハステージ１４５の駆動量の算出を行ってもよい。
【０１２５】
また、ウエハステージ１４５は、シングルステージに限らず、露光時に使用する露光ステージとウエハ１４０のアライメントや表面形状を計測する際に使用する計測ステージとの２つのステージを有する、所謂、ツインステージの構成であってもよい。この場合、フォーカス制御用センサ１５０及び計測装置１は、計測ステージ側に配置することになる。
【０１２６】
露光装置１００において、計測装置１は、上述したように、ウエハの表面形状を高精度に、且つ、再現性よく計測することができる。従って、露光面とウエハ表面とのフォーカス合わせの精度を向上させることが可能となり、デバイスの性能向上や製造歩止まりの向上にも繋がる。従って、露光装置１００は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。なお、かかるデバイスは、露光装置１００を使用して、感光剤が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板（感光剤）を現像する工程と、他の公知の工程と、を経ることにより製造される。
【０１２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測面の表面形状を計測する計測装置であって、
光源からの光を計測光と参照光とに分離して、前記計測光を前記被計測面の表面に入射させ、前記参照光を参照面に入射させる光学系と、
前記被計測面の表面で反射した前記計測光の光強度と、前記参照面で反射した前記参照光の光強度と、前記被計測面の表面で反射した前記計測光と前記参照面で反射した前記参照光との干渉パターンとを検出する検出部と、
前記検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に基づいて、前記被計測面の表面形状を算出する処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記検出部によって検出された前記計測光の光強度、及び、前記参照光の光強度に基づいて、前記検出部によって検出された前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減して、前記被計測面の表面形状を算出することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記検出部の検出面において、前記計測光のみが入射する領域と、前記参照光のみが入射する領域と、前記計測光及び前記参照光が入射する領域とが存在するように前記被計測面又は前記参照面の位置を制御し、
前記検出部は、前記計測光のみが入射する領域で前記計測光の光強度を、前記参照光のみが入射する領域で前記参照光の光強度を、前記計測光及び前記参照光が入射する領域で前記干渉パターンを検出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記被計測面及び前記参照面と前記検出部との間に配置され、前記被計測面の表面で反射した前記計測光と前記参照面で反射した前記参照光との合成光を分離する光学素子を更に有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記干渉パターンの干渉信号をＩｒ（Ｚ）、前記計測光の光強度をＭ（Ｚ）、前記参照光の光強度Ｒ（Ｚ）とすると、
前記処理部は、前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減した信号Ｉｒ’’（Ｚ）を
の式に従って算出することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記処理部は、前記干渉パターンの干渉信号をフーリエ変換して位相成分、及び、振幅成分を算出し、前記位相成分、前記振幅成分、前記計測光の光強度、及び、前記参照光の光強度に基づいて、前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減した信号を算出することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
レチクルを照明する照明光学系と、
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、
前記基板の表面形状を計測する計測装置と、
前記計測装置によって計測された前記基板の表面形状に基づいて前記基板の位置を調整するステージとを有し、
前記計測装置は、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の計測装置であることを特徴とする露光装置。
【請求項７】
請求項６に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の製造方法。
【請求項１】
被計測面の表面形状を計測する計測装置であって、
光源からの光を計測光と参照光とに分離して、前記計測光を前記被計測面の表面に入射させ、前記参照光を参照面に入射させる光学系と、
前記被計測面の表面で反射した前記計測光の光強度と、前記参照面で反射した前記参照光の光強度と、前記被計測面の表面で反射した前記計測光と前記参照面で反射した前記参照光との干渉パターンとを検出する検出部と、
前記検出部によって検出された干渉パターンの干渉信号に基づいて、前記被計測面の表面形状を算出する処理部と、
を有し、
前記処理部は、前記検出部によって検出された前記計測光の光強度、及び、前記参照光の光強度に基づいて、前記検出部によって検出された前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減して、前記被計測面の表面形状を算出することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記処理部は、前記検出部の検出面において、前記計測光のみが入射する領域と、前記参照光のみが入射する領域と、前記計測光及び前記参照光が入射する領域とが存在するように前記被計測面又は前記参照面の位置を制御し、
前記検出部は、前記計測光のみが入射する領域で前記計測光の光強度を、前記参照光のみが入射する領域で前記参照光の光強度を、前記計測光及び前記参照光が入射する領域で前記干渉パターンを検出することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記被計測面及び前記参照面と前記検出部との間に配置され、前記被計測面の表面で反射した前記計測光と前記参照面で反射した前記参照光との合成光を分離する光学素子を更に有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項４】
前記干渉パターンの干渉信号をＩｒ（Ｚ）、前記計測光の光強度をＭ（Ｚ）、前記参照光の光強度Ｒ（Ｚ）とすると、
前記処理部は、前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減した信号Ｉｒ’’（Ｚ）を
の式に従って算出することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記処理部は、前記干渉パターンの干渉信号をフーリエ変換して位相成分、及び、振幅成分を算出し、前記位相成分、前記振幅成分、前記計測光の光強度、及び、前記参照光の光強度に基づいて、前記干渉パターンの干渉信号に含まれる前記光源からの光の光量ばらつきによる影響を低減した信号を算出することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
レチクルを照明する照明光学系と、
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、
前記基板の表面形状を計測する計測装置と、
前記計測装置によって計測された前記基板の表面形状に基づいて前記基板の位置を調整するステージとを有し、
前記計測装置は、請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の計測装置であることを特徴とする露光装置。
【請求項７】
請求項６に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の製造方法。
【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】
【公開番号】特開２０１０−１９２４７０（Ｐ２０１０−１９２４７０Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３１９６３（Ｐ２００９−３１９６３）
【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)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【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)
【Ｆターム（参考）】
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