JP2000252201A - 面位置検出方法および装置、これらを用いた投影露光方法および装置、半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 面位置検出方法および装置、これらを用いた
投影露光方法および装置、半導体デバイス製造方法にお
いて、段差を有する場合でも面位置を正確に検出して適
切なオフセット等を求めること、また段差位置を認識し
て段差と傾斜を正確に区別すること。 【解決手段】 計測点１〜９のグループ分けにおけるグ
ループの組み合わせを変えて位置検出を繰り返し、グル
ープ毎の位置情報に基づいて基板Ｗ上の段差Ｄに関する
情報を得るので、グループの組み合わせを変えていった
際に、グループ内の計測点間に段差が存在しない場合、
段差が存在する場合に比べて位置情報の傾向が顕著に相
違し、段差位置等の情報を得ることができる。例えば、
グループ内の計測点間に段差が存在しない場合、一つの
グループ内の計測点の高さ位置が各グループでほぼ同じ
になりグループ間に段差が位置していることが認識でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体製
造における露光工程で用いられる面位置検出方法および
装置、これらを用いた投影露光方法および装置、半導体
デバイス製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被検査物の面位置を検出して
焦点位置を求める装置、例えば露光装置に使用される焦
点位置検出装置としては、例えば、特開昭５８−１１３
７０６号公報に開示されているように、投影光学系によ
ってマスクパターンが転写される位置に位置決めされた
半導体ウエハに対し、斜め方向から検出光を照射する、
いわゆる斜入射方式の焦点位置検出装置が用いられてい
る。

【０００３】この焦点位置検出装置は、半導体ウエハの
表面を被検査面とし、この被検査面にスリット状のパタ
ーンを、スリットの長手方向が入射光と反射光で張る平
面、すなわち入射面と垂直となるような方向で投射し、
その反射光を光電変換素子でなる検出手段上で再結像さ
せ、検出手段上の反射光の入射位置を検知し得るように
なされている。

【０００４】ところで、近年においてはＬＳＩの高集積
化に伴い、半導体ウエハ上の露光領域（ショット領域）
に対して微細なパターンを転写することが望まれてお
り、これに対応するために投影光学系の開口数ＮＡ(Num
erical Aperture)は大きく構成されている。しかし、こ
の開口数ＮＡを大きくすることにより投影光学系の焦点
深度が浅くなるので、露光領域をより正確かつ確実に投
影光学系の焦点位置（焦点深度内）に位置づけることが
望まれている。

【０００５】また、露光装置による露光領域の大型化が
進んでおり、１回の露光でＬＳＩチップ自体の露光面積
の大型化を図った焼き付けを行ったり、あるいは１回の
露光で複数のＬＳＩチップの焼き付けを行っている。こ
のため、大型化等が進む露光領域全体をより正確かつ確
実に投影光学系の焦点位置（焦点深度内）に位置づける
ことが望まれている。このような要求に伴って、近年に
おいては、ウエハ上の露光領域内に複数の計測点を配置
した多点の焦点検出装置が使われるようになってきてい
る。多点の焦点検出装置としては、例えば、特開平５−
２７５３１３号公報や特開平２−１９８１３０号公報等
に開示されている。

【０００６】ところが、最近の半導体素子製造では半導
体ウエハ上に多くの複雑な構造のパターンを積み重ねて
製造されるため、半導体ウエハ上の露光面の平坦性は悪
くなる傾向にある。そのため、焦点位置のプロセスオフ
セットは、実際にテスト露光を行い、露光した半導体ウ
エハをＳＥＭ等で観察することにより、最適なオフセッ
ト値を算出していた。また、レベリング調整は、２次元
ＡＦセンサにより、複数の計測点における各センサの出
力値から最小二乗近似平面に合わせ込みを行う方法を採
用している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の焦点位置検
出手段では、同一製品を大量に生産する場合はあまり問
題とならないが、近年主流となってきたＡＳＩＣ等の多
品種少量生産を行う場合には、プロセスのそれぞれのレ
イヤーにおいてこのような方法でオフセットを求めるこ
とは、多大な労力と時間を要してしまうという不都合が
あった。また、２次元ＡＦセンサでのレベリング動作で
は、図８の（ａ）に示すように、半導体ウエハＷ上の複
数の計測点における各センサの出力値から最小二乗近似
平面Ｌへの合わせ込みを行うため、段差Ｄによって高さ
位置の異なる面では、その各面位置を求められずに傾斜
と段差Ｄの区別ができず、傾斜成分がない場合でも、図
８の（ｂ）に示すように、傾斜させてしまって、ショッ
トの周辺部分がデフォーカスしてしまうという問題が生
じていた。

【０００８】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、段差を有する場合でも面位置を正確に検出して適
切なオフセット等を求めることを可能とし、また段差位
置を認識して段差と傾斜を正確に区別することができる
面位置検出方法および装置、これらを用いた投影露光方
法および装置、半導体デバイス製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成を採用した。すなわち、図１か
ら図７とに対応づけて説明すると、請求項１記載の面位
置検出方法では、投影光学系（ＰＬ）を介してマスクパ
ターンが転写される基板（Ｗ）面における投影光学系の
光軸方向の位置を検出する面位置検出方法において、前
記基板上の少なくとも３つの計測点を少なくとも２つの
グループに分けるグループ分け工程と、各計測点の計測
結果に基づいて、前記各グループにおける前記光軸方向
の位置情報を検出する検出工程とを備え、前記グループ
分け工程のグループの組み合わせを変えて前記検出工程
を繰り返し、該検出工程で得られたグループ毎の位置情
報に基づいて前記基板上の段差（Ｄ）に関する情報を得
る技術が採用される。

【００１０】また、請求項６記載の面位置検出装置で
は、投影光学系（ＰＬ）を介してマスクパターンが転写
される基板（Ｗ）面における投影光学系の光軸方向の位
置を検出する面位置検出装置において、前記基板上の少
なくとも３つの計測点を少なくとも２つのグループに分
ける演算部（７０ａ）と、各計測点の計測結果に基づい
て前記各グループにおける前記光軸方向の位置情報を検
出する検出部（１０）と、前記演算部と前記検出部とを
制御する制御部（７０ｂ）とを備え、前記制御部は、前
記演算部によるグループの組み合わせを変えて前記検出
部による位置情報の検出を繰り返し、該検出部で得られ
たグループ毎の位置情報に基づいて前記基板上の段差
（Ｄ）に関する情報を得る技術が採用される。

【００１１】これらの面位置検出方法および装置では、
計測点のグループ分けにおけるグループの組み合わせを
変えて位置検出を繰り返し、該位置検出で得られたグル
ープ毎の位置情報に基づいて基板（Ｗ）上の段差（Ｄ）
に関する情報を得るので、グループの組み合わせを変え
ていった際に、段差の形状（配置）に合わせてグループ
分けが成された時、各グループ間の位置情報の傾向が顕
著に相違し、これによって段差位置等の情報を得ること
ができる。例えば、各グループ内の計測点間に段差が存
在しない場合、一つのグループ内における計測点の高さ
位置が各グループでほぼ同じになり、このときのグルー
プ間に段差が位置していることが認識される。

【００１２】請求項４記載の投影露光方法では、基板
（Ｗ）表面にマスク（Ｒ）上のパターンを投影光学系
（ＰＬ）を介して投影し露光する投影露光方法であっ
て、請求項１から３のいずれかに記載の面位置検出方法
によって得られた段差（Ｄ）情報に基づいて、前記基板
を前記投影光学系の焦点位置に対して位置決めし前記露
光を行う技術が採用される。

【００１３】また、請求項７記載の投影露光装置では、
基板（Ｗ）表面にマスク（Ｒ）上のパターンを投影光学
系（ＰＬ）を介して投影し露光する投影露光装置であっ
て、前記投影光学系の焦点位置に対する前記基板の面位
置を検出する請求項６記載の面位置検出装置（１０）を
備えている技術が採用される。さらに、請求項８記載の
半導体デバイス製造方法では、マスク（Ｒ）のパターン
を基板（Ｗ）上に転写する工程を有する半導体デバイス
製造方法において、請求項７に記載の投影露光装置を用
いて前記パターンを転写する技術が採用される。

【００１４】これらの投影露光方法および装置、半導体
デバイス製造方法では、上記の面位置検出方法または装
置（１０）よって得られた段差（Ｄ）情報に基づいて、
基板（Ｗ）を投影光学系（ＰＬ）の焦点位置に対して位
置決めし露光を行うので、段差（Ｄ）を有する基板面に
対してもデフォーカスせずに高精度な露光を行うことが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る面位置検出方
法および装置を用いた投影露光方法および装置、半導体
デバイス製造方法の一実施形態を、図１から図７を参照
しながら説明する。

【００１６】図１は、本実施形態に係る斜入射方式の多
点焦点位置検出装置（面位置検出装置）１０を備えた投
影露光装置４０を示し、該投影露光装置４０は、ステッ
プ・アンド・スキャン方式でマスクとしてレチクルＲの
パターンを半導体ウエハＷ上に転写するものである。こ
の投影露光装置４０は、露光光源を含む照明系６０、レ
チクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、投影光学
系ＰＬ、半導体ウエハＷが搭載されるウエハステージＷ
ＳＴ等を備えている。

【００１７】前記照明系６０は、露光光源と照明光学系
（いずれも図示せず）とから構成される。照明光学系
は、コリメータレンズ、フライアイレンズ又はロッド型
インテグレータ等のオプティカルインテグレータ等から
なる照度均一化光学系、リレーレンズ、可変ＮＤフィル
タ、レチクルブラインド、リレーレンズ等を含んで構成
され、レチクルＲ上のスリット状照明領域ＩＡＲを照明
光ＩＬにより均一な照度で照明する。ここで、照明系内
の上記各駆動部、すなわち、可変ＮＤフィルタ、レチク
ルブラインド等は、主制御装置７０からの指示に応じ照
明制御装置６２によって制御される。

【００１８】前記レチクルステージＲＳＴは、レチクル
ベース盤６４上に配置され、その上面にはレチクルＲ
が、例えば真空吸着により固定される。レチクルステー
ジＲＳＴは、ここでは、磁気浮上型の２次元リニアアク
チュエータからなる不図示のレチクルステージ駆動部に
よって、レチクルＲの位置決めのため、照明光学系の光
軸に垂直な平面内（ＸＹ平面内）で２次元的に微小駆動
可能であるとともに、所定の走査方向に指定された走査
速度で駆動可能となっている。

【００１９】レチクルステージＲＳＴの位置は、レチク
ルレーザ干渉計６６によって、例えば０．５〜１ｎｍ程
度の分解能で常時検出される。この干渉計６６からのレ
チクルステージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置
６９およびこれを介して主制御装置７０に送られ、ステ
ージ制御装置６９では主制御装置７０からの指示に応
じ、レチクルステージＲＳＴの位置情報に基づいてレチ
クルステージ駆動部（図示略）を介してレチクルステー
ジＲＳＴを駆動する。

【００２０】前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージ
ＲＳＴの下方に配置され、その光軸ＡＸの方向がＺ軸方
向とされ、ここでは両側テレセントリックな所定の投影
倍率、例えば１／５（あるいは１／４）を有する縮小光
学系が用いられている。このため、照明系６０からの照
明光ＩＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明さ
れると、このレチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、
投影光学系ＰＬを介して照明領域ＩＡＲ部分のレチクル
Ｒの回路パターンの縮小像が表面にレジストが塗布され
た半導体ウエハＷ上の露光領域ＩＡに形成される。

【００２１】前記ウエハステージＷＳＴは、投影光学系
ＰＬの下方に配置されたウエハベース盤６７上に配置さ
れ、このウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホルダ６
８が載置されている。このウエハホルダ６８上には半導
体ウエハＷが不図示のバキュームチャックを介して真空
吸着されている。ウエハホルダ６８は不図示の駆動部に
より、投影光学系ＰＬの最良結像面に対し、任意方向に
傾斜可能で、かつ投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方
向）に微動できるように構成されている。また、このウ
エハホルダ６８はＺ軸回りの回転動作も可能になってい
る。

【００２２】ウエハステージＷＳＴは、ここでは、磁気
浮上型の２次元リニアアクチュエータからなるウエハ駆
動装置７２によりＸ軸およびＹ軸の２次元方向に駆動さ
れる。すなわち、ウエハステージＷＳＴは走査方向の移
動のみならず、半導体ウエハＷ上の複数のショット領域
を照明領域ＩＡＲと共役な露光領域ＩＡに位置させるこ
とができるように、走査方向に垂直な非走査方向にも移
動可能に構成されており、半導体ウエハＷ上の各ショッ
ト領域を走査（スキャン）露光する動作と、次のショッ
トの露光のための走査開始位置まで移動する動作とを繰
り返すステップ・アンド・スキャン動作を行う。

【００２３】このウエハステージＷＳＴの位置は、ウエ
ハレーザ干渉計７４によって、例えば０．５〜１ｎｍ程
度の分解能で常時検出される。干渉計７４の計測値は、
ステージ制御装置６９及びこれを介して主制御装置７０
に送られており、ステージ制御装置６９では、主制御装
置７０からの指示に応じ、ウエハステージＷＳＴの位置
情報に基づいてウエハ駆動装置７２を介してウエハステ
ージＷＳＴを駆動する。また、ウエハステージＷＳＴ上
には、ベースライン計測用基準マークその他の基準マー
クが形成された基準プレートＦＰが配置されている。

【００２４】なお、走査露光の際の照明系６０、レチク
ルステージＲＳＴ、ウエハステージＷＳＴ等の各部の動
作は、主制御装置７０によって照明制御装置６２、ステ
ージ制御装置６９等を介して管理される。さらに、投影
露光装置４０では、投影光学系ＰＬの側面に、半導体ウ
エハＷ上の各ショット領域に付設されたアライメントマ
ーク（ウエハマーク）の位置を検出するためのオフ・ア
クシス方式のアライメント顕微鏡ＡＬＧが設けられ、そ
のアライメント顕微鏡ＡＬＧの計測結果が主制御装置７
０に供給されるようになっている。

【００２５】上述した投影露光装置４０を構成するレチ
クルベース盤６４、ウエハベース盤６７、投影光学系Ｐ
Ｌ等の主要構成部分は、同一の本体フレームに保持さ
れ、該本体フレームが不図示の防振パッドを介して水平
に保持されている。

【００２６】この投影露光装置４０では、複数のスリッ
ト像またはピンホール像を形成するための結像光束（検
出ビームＦＢ）を光軸ＡＸ方向に対して斜め方向より供
給する照射光学系ＡＦ１と、その結像光束の半導体ウエ
ハＷの表面での各反射光束をそれぞれスリットを介して
受光する受光光学系ＡＦ２とを備える斜入射方式の多点
焦点位置検出装置（焦点位置検出センサ、検出部）１０
が、投影光学系ＰＬを支える不図示の保持部材に固定さ
れている。この多点焦点位置検出装置１０からのウエハ
に関する位置情報は、主制御装置７０を介してステージ
制御装置６９に送られる。ステージ制御装置６９はこの
位置情報に基づいてウエハホルダ６８をＺ方向および傾
斜方向に駆動する。

【００２７】前記多点焦点位置検出装置１０は、投影光
学系ＰＬの投影視野内の複数箇所に、投影光学系ＰＬの
光軸方向に関する半導体ウエハＷの高さ位置あるいは焦
点ずれを計測するための計測点を設け、これらの計測点
により焦点位置を検出するものである。この多点焦点位
置検出装置１０の照射光学系ＡＦ１では、図２に示すよ
うに、半導体ウエハＷ上に塗布されたレジストに対して
非感光性の検出ビームＦＢでスリット板１１を照射す
る。そして、スリット板１１のスリットを通過した光
は、レンズ系１２、ミラー１３、絞り１４、投光用対物
レンズ１５およびミラー１６を介して半導体ウエハＷを
斜めに照射する。このとき、半導体ウエハＷの表面が最
良結像面にあると、スリット板１１のスリットの像がレ
ンズ系１２、対物レンズ１５によって半導体ウエハＷの
表面に結像される。また、対物レンズ１５の光軸と半導
体ウエハ表面との角度は、５〜１２程度に設定される。

【００２８】半導体ウエハＷで反射した複数のスリット
像の光束は、受光光学系ＡＦ２におけるミラー１７、受
光用対物レンズ１８、レンズ系１９、振動ミラー２０お
よび平行平板（プレーンパラレル）２１を介して受光用
スリット板２２上に再結像される。振動ミラー２０は、
受光用スリット板２２にできるスリット像を、その長手
方向と直交する方向に微小振動させるものである。平行
平板２１は、スリット板２２上のスリットと、半導体ウ
エハＷからの反射スリット像の振動中心との相対関係
を、スリット長手方向と直交する方向にシフトさせるも
のである。そして、振動ミラー２０は、発振器（ＯＳ
Ｃ）２３からの駆動信号で駆動されるミラー駆動部２４
により振動される。

【００２９】このようにして、スリット像が受光用スリ
ット板２２上で振動すると、スリット板２２のスリット
を透過した光束は、センサ２５で受光される。このセン
サ２５は、スリット板２２上の複数のスリットのそれぞ
れに対応して設けられた複数の受光素子（光電変換素
子）により構成されたものである。つまり、半導体ウエ
ハＷ上の複数の計測点に対応して、複数のスリットおよ
び受光素子が形成されている。なお、受光素子は、シリ
コンフォトダイオード又はフォトトランジスタが使用さ
れる。

【００３０】図２におけるセレクター回路２６は、複数
の受光素子で構成されるセンサ２５からの高さ位置に関
する信号（フォーカス信号）を選択し、同期検波回路
（ＰＳＤ）２７に入力する。この同期検波回路２７に
は、発振器２３からの駆動信号と同じ移送の交流信号が
入力し、この交流信号の移送を基準として同期整流が行
われる。

【００３１】同期検波回路２７は、セレクター回路２６
によりセンサ２５の中から選ばれた計測点における出力
信号を個別に同期検波する複数の検波回路を備え、その
各検波出力は主制御装置７０に出力される。検波出力信
号は、いわゆるＳカーブ信号と呼ばれ、受光用スリット
板２２のスリット中心と半導体ウエハＷからの反射スリ
ット像の振動中心とが一致したときに零レベルとなり、
半導体ウエハＷがその状態から上方に変位しているとき
は正のレベル、半導体ウエハＷが下方に変位していると
きは、負のレベルになる。したがって、検波出力信号が
零レベルになる半導体ウエハＷの高さ位置が合焦点とし
て検出される。

【００３２】図３は、半導体ウエハＷのショット領域Ｓ
Ａ上に分布する計測点１〜９を図示したものであり、こ
れらの計測点のそれぞれは、スリット板２２を透過した
光のスリット像である。ショット領域ＳＡ内では、デバ
イス製造のプロセスを経る度に凹凸の状態（プロセス構
造）の変化量が増すことが知られており、例えば、図４
および図５中の領域Ａ１と領域Ａ２とは、プロセス構造
の異なる領域を示している。そして、このプロセス構造
の異なる領域Ａ１と領域Ａ２との境界部分では、段差Ｄ
が生じている。

【００３３】また、主制御装置７０は、上記計測点１〜
９を２つのグループにグループ分けする演算部７０ａ
と、該演算部７０ａと多点焦点位置検出装置１０とを制
御する制御部７０ｂとを備えている。

【００３４】次に、本実施形態における焦点位置検出方
法および投影露光方法について、説明する。

【００３５】〔位置決め工程〕まず、主制御装置７０に
よってウエハ駆動装置７２を介してウエハステージＷＳ
Ｔを駆動し、光軸方向の位置ずれを検出しようとするシ
ョット領域ＳＡを、投影光学系ＰＬの投影領域（露光領
域ＩＡ）内に入る所定位置に位置決めする。位置決め終
了後、主制御装置７０の制御部７０ｂで制御される多点
焦点位置検出装置１０において、各計測点１〜９での光
軸方向の高さ位置を計測する。ここで、図４および図５
に示すように、各計測点１〜９の位置は、矩形状のショ
ット領域ＳＡの対角線上に互いに離間して配される。な
お、計測点を、他の配置に設定しても構わないが、矩形
状のショット領域ＳＡに平行な格子状に配置すること
は、スクライブラインにかかるおそれがあるため好まし
くない。

【００３６】〔グループ分け工程〕次に、主制御装置７
０内の演算部７０ａによって多点焦点位置検出装置１０
による計測点１〜９のグループ分けを行う。このグルー
プ分けは、半導体ウエハＷ上の少なくとも３つの計測点
を少なくとも２つのグループに分けるもので、本実施形
態では、図４および図５に示すように、半導体ウエハＷ
上の段差Ｄが１つであり、これに応じて９つの計測点を
２つのグループに分ける。

【００３７】グループ分け工程におけるグループの組み
合わせは、２つのグループをＧ１，Ｇ２とすると、表１
に示すように、計測点が１〜９まである場合、１つの計
測点と他の計測点とのグループ分けが９通り、２つの計
測点と他の計測点とのグループ分けが３６通り、３つの
計測点と他の計測点とのグループ分けが８４通り、さら
に４つの計測点と他の計測点とのグループ分けが１２６
通り考えられる。

【００３８】

【表１】

【００３９】〔第１の検出工程〕そして、制御部７０ｂ
で制御される多点焦点位置検出装置１０によって、２つ
のグループのうちの１つのグループの各計測点につい
て、光軸方向の高さ位置を検出する。 〔調整工程〕さらに、主制御装置７０によってウエハ駆
動装置７２を介してウエハステージＷＳＴを駆動し、第
１の検出工程での検査結果に基づいて前記１つのグルー
プで、半導体ウエハＷの面位置の調整、すなわちＡＦ／
ＡＬ（オートフォーカス／オートレベリング）を行う。
このことによって、ショット領域内の段差とは別に、傾
斜成分の影響を除去する。

【００４０】〔第２の検出工程〕調整工程後に、２つの
グループの各計測点における光軸方向の高さ位置をそれ
ぞれ多点焦点位置検出装置１０で検出し、その出力値を
主制御装置７０に入力する。そして、各グループの計測
点における検出値が該グループ内でそれぞれほぼ同じ位
置になったか否かを主制御装置７０の制御部７０ｂで判
断し、同じ位置になっていなければ同じ位置になるま
で、主制御装置７０の演算部７０ａによって、グループ
分け工程でのグループの組み合わせを変更し、第１の検
出工程および調整工程を繰り返し行う。

【００４１】本実施形態では、制御部７０ｂによって演
算部７０ａおよび多点焦点位置検出装置１０を制御し
て、グループ内の計測点がほぼ同じ高さ位置になるま
で、表１に示すように、１つの計測点と他の計測点との
グループ分けから順次組み合わせを変えていくが、他の
組み合わせ順序で繰り返しても構わない。例えば、過去
の検出傾向や段差情報等を考慮して、特定の組み合わせ
から行っても構わない。

【００４２】さらに、１つの計測点と他の計測点とのグ
ループ分けで得た検出結果に基づいて、２つ又は３つの
計測点と他の計測点とのグループ分けをいくつかに絞っ
て行ってもよい。これらの場合、グループの組み合わせ
を単に計測点の番号順に行う場合に比べ、適切なグルー
プを見つける時間を短縮することが可能である。なお、
計測点の数は少なくとも３つ必要であり、多いほど検出
精度が高くなるが、処理時間も長くなるため、これらを
考慮して適切な数が決定される。

【００４３】このように、計測点の高さ位置がグループ
内で全てほぼ同じ位置になった場合、傾斜成分の影響が
除去され、光軸方向に対して直交状態に半導体ウエハＷ
表面がレベリングされていることを意味し、逆に、計測
点の高さ位置がグループ内で一つでも明らかに異なった
位置になった場合、半導体ウエハＷ表面が傾斜しており
レベリングが正常に行われなかったことを意味する。

【００４４】例えば、半導体ウエハＷ表面の段差Ｄが、
図４に示すように形成されている場合、グループ分けが
適切でないときは、図６の（ａ）に示すように、調整工
程の後は半導体ウエハＷが傾斜状態となる。これに対
し、２つの計測点７，９と他の７つの計測点とのグルー
プ分けまで追い込まれ、計測点７，９の光軸方向におけ
る位置情報に基づいてＡＦ／ＡＬが行われたとき、図６
の（ｂ）に示すように、適正に調整され、計測点７，９
の高さ位置はほぼ同じになる。このとき、計測点７，９
の２点と他の計測点との間に段差Ｄが位置していること
が識別できる。

【００４５】また、別の例としては、半導体ウエハＷ表
面の段差Ｄが、図５に示すように形成されている場合、
グループ分けが適切でないときは、図７の（ａ）に示す
ように、調整後は半導体ウエハＷが傾斜状態となる。こ
れに対し、１つの計測点９と他の８つの計測点とのグル
ープ分けまで追い込まれ、計測点９以外の他の計測点の
光軸方向における位置情報に基づいてＡＦ／ＡＬが行わ
れたとき、図７の（ｂ）に示すように、適正に調整さ
れ、計測点９以外の他の計測点の高さ位置はほぼ同じに
なる。このとき、計測点９の１点と他の計測点との間に
段差Ｄが位置していることが識別できる。

【００４６】したがって、計測点の高さ位置が各グルー
プ内でほぼ同じ位置になる状態を探し出すまでグループ
分けを繰り返すことにより、図４および図５に示すよう
に、互いのグループの間に段差Ｄが位置していることを
識別することができる。なお、計測点の高さ位置が各グ
ループ内でほぼ同じ位置になったか否かを判別すること
によって段差を検出する以外にも、互いのグループ間の
高さ位置の平均値の差が最大値になった場合、または予
め段差Ｄの高さｄが分かっているときは、その平均値の
差が段差高さｄとほぼ同じ値となった場合で判断しても
同様に検出可能である。

【００４７】上記のように適切なＡＦ／ＡＬが行われ各
計測点１〜９での光軸方向における高さ位置および段差
位置（段差情報）を検出した後、これらの情報および段
差高さに基づいて、各計測点１〜９における焦点位置の
オフセットを設定するとともに半導体ウエハＷの焦点位
置に対する位置決めを行って露光を行う。これらの工程
を半導体ウエハＷ内の１つまたは複数のショットについ
て行うことで、そのウエハまたはこのウエハがロット先
頭のウエハであればそのロットにおけるショット領域内
の段差形状の傾向を知ることができ、計測精度および露
光精度の向上を図ることができる。

【００４８】なお、段差が無い半導体ウエハの場合、上
記のようにグループ分けの組み合わせを変えても結果に
差が生じることがないため、この場合は、オフセットを
与えないで露光を行えばよい。

【００４９】また、ショット領域内の傾斜成分が予め除
去されていれば、前述の調整工程は必ずしも必要ではな
い。傾斜成分の除去は、例えばコリメータ式のレベリン
グ検出系をさらに備え、これによって傾斜を制御してお
くことが考えられる。

【００５０】なお、本発明は、次のような実施形態をも
含むものである。 （１）上記実施形態では、１つの段差Ｄを有する半導体
ウエハＷについて、計測点を２つのグループに分けて焦
点位置および段差情報の検出を行ったが、２以上の段差
を有する半導体ウエハに対しても同様に検出を行うこと
ができる。この場合、上記グループを３以上に分けて上
記と同様に検出を行っても構わず、また、２以上の段差
のうち特定の段差の位置を検出してから、この検出結果
に基づいて他の段差位置を検出するように段階的に行っ
てもよい。

【００５１】（２）露光装置の用途としては半導体製造
用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガ
ラスプレートに液晶表示素子パターンを露光する液晶用
の露光装置や、薄膜磁気ヘッドを製造するための露光装
置にも広く適用できる。

【００５２】（３）本実施形態の露光装置の光源は、ｇ
線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシ
マレーザ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９
３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（１５７ｎｍ）のみならず、Ｘ線
や電子線などの荷電粒子線を用いることができる。例え
ば、電子線を用いる場合には電子銃として、熱電子放射
型のランタンヘキサボライト（LaB６）、タンタル（T
a）を用いることができる。（４）投影光学系の倍率は
縮小系のみならず等倍および拡大系のいずれでもいい。

【００５３】（５）投影光学系としては、エキシマレー
ザなどの遠紫外線を用いる場合は硝材として石英や蛍石
などの遠紫外線を透過する材料を用い、Ｆ２レーザやＸ
線を用いる場合は反射屈折系または屈折系の光学系にし
（レチクルも反射型タイプのものを用いる）、また、電
子線を用いる場合には光学系として電子レンズおよび偏
向器からなる電子光学系を用いればいい。なお、電子線
が通過する光路は真空状態にすることはいうまでもな
い。

【００５４】（６）ウエハステージやレチクルステージ
にリニアモータ（USP5,623,853またはUSP5,528,118参
照）を用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上
型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁
気浮上型のどちらを用いてもいい。また、ステージは、
ガイドに沿って移動するタイプでもいいし、ガイドを設
けないガイドレスタイプでもいい。

【００５５】（７）ウエハステージの移動により発生す
る反力は、（USP5,528,118に記載されているように、）
フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしても
いい。 （８）レチクルステージの移動により発生する反力は、
（US S/N 416558に記載されているように、）フレーム
部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもいい。

【００５６】（９）複数のレンズから構成される照明光
学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整を
するとともに、多数の機械部品からなるレチクルステー
ジやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や
配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）
をすることにより本実施形態の露光装置を製造すること
ができる。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン
度等が管理されたクリーンルームで行うことが望まし
い。

【００５７】（１０）半導体デバイスは、デバイスの機
能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づ
いたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウ
エハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置
によりレチクルのパターンをウエハに露光するステッ
プ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボン
ディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ
等を経て製造される。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。 （１）請求項１記載の面位置検出方法および請求項６記
載の面位置検出装置によれば、計測点のグループ分けに
おけるグループの組み合わせを変えて位置検出を繰り返
し、該位置検出で得られたグループ毎の位置情報に基づ
いて基板上の段差に関する情報を得るので、グループ内
の計測点間に段差が存在しない場合、段差が存在する場
合に比べて位置情報の傾向が顕著に相違し、これによっ
て段差位置等の情報を得ることができ、段差位置の正確
な認識および段差と傾斜成分との区別を行って適切なオ
ートフォーカスやオートレベリングを行うことが可能と
なる。

【００５９】（２）請求項２記載の面位置検出方法によ
れば、検出工程が、グループのうちの一グループの各計
測点の光軸方向における位置を検出する第１の検出工程
と、該第１の検出工程での検査結果に基づいて基板の面
位置を調整する調整工程と、該調整工程後に各グループ
の計測点の光軸方向における位置を検出する第２の検出
工程とを備え、第２の検出工程で得られた各グループの
計測点が該グループ内でそれぞれほぼ同じ位置になると
きのグループの組み合わせに基づいて段差に関する情報
を検出するので、適切なレベリング後に段差位置等の情
報を正確に検出することができる。

【００６０】（３）請求項３記載の面位置検出方法によ
れば、投影光学系の焦点位置を検出する焦点位置検出セ
ンサにより少なくとも３つの計測点における光軸方向に
おける位置を検出するので、計測点における面位置を焦
点位置の情報として検出することができる。

【００６１】（４）請求項４記載の投影露光方法、請求
項７記載の投影露光装置および請求項８記載の半導体デ
バイス製造方法によれば、上記の面位置検出方法または
装置によって得られた段差情報に基づいて、基板を投影
光学系の焦点位置に対して位置決めし露光を行うので、
段差を有する基板面に対してもデフォーカスせずに高精
度な露光を行うことができ、露光工程における歩留まり
を向上させることができる。

【００６２】（５）請求項５記載の投影露光方法によれ
ば、検出した段差情報に基づいて各計測点における投影
光学系の焦点位置をオフセットするので、最適なプロセ
スオフセットを自動的に求めることが可能となり、事前
にテスト露光を行ってＳＥＭ等により観察する必要が無
くなって、労力の軽減および時間の短縮を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態を示す全体構成図である。

【図２】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態を示す要部構成図である。

【図３】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態におけるショット領域内の計測点を
示す平面図である。

【図４】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態におけるショット領域内の段差位置
と計測点を示す平面図である。

【図５】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態におけるショット領域内の段差位置
と計測点を示す平面図である。

【図６】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態において、図４のショット領域で不
適切なグループ分けおよび適切なグループ分けによって
調整工程を行った場合の位置状態を示す説明図である。

【図７】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の一実施形態において、図５のショット領域で不
適切なグループ分けおよび適切なグループ分けによって
調整工程を行った場合の位置状態を示す説明図である。

【図８】 本発明に係る面位置検出装置を備えた投影露
光装置の従来例において、レベリング調整を行った場合
の位置状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１〜９ 計測点 １０ 多点焦点位置検出装置（焦点位置検出センサ、検
出部） ４０ 投影露光装置 ７０ 主制御装置 ７０ａ 演算部 ７０ｂ 制御部 ７２ ウエハ駆動装置 ＡＦ１ 照射光学系 ＡＦ２ 受光光学系 ＡＸ 光軸 Ｄ 段差 ＰＬ 投影光学系 Ｒ レチクル Ｗ 半導体ウエハ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投影光学系を介してマスクパターンが転
   写される基板面における投影光学系の光軸方向の位置を
   検出する面位置検出方法において、 前記基板上の少なくとも３つの計測点を少なくとも２つ
   のグループに分けるグループ分け工程と、 各計測点の計測結果に基づいて、前記各グループにおけ
   る前記光軸方向の位置情報を検出する検出工程とを備
   え、 前記グループ分け工程のグループの組み合わせを変えて
   前記検出工程を繰り返し、該検出工程で得られたグルー
   プ毎の位置情報に基づいて前記基板上の段差に関する情
   報を得ることを特徴とする面位置検出方法。
2. 【請求項２】 前記検出工程は、前記グループのうちの
   一グループの各計測点の前記光軸方向における位置を検
   出する第１の検出工程と、 該第１の検出工程での検査結果に基づいて前記基板の面
   位置を調整する調整工程と、 該調整工程後に前記各グループの計測点の前記光軸方向
   における位置を検出する第２の検出工程とを備え、 前記第２の検出工程で得られた前記各グループの計測点
   が該グループ内でそれぞれほぼ同じ位置になるときの前
   記グループの組み合わせに基づいて前記段差に関する情
   報を検出することを特徴とする請求項１記載の面位置検
   出方法。
3. 【請求項３】 前記投影光学系の焦点位置を検出する焦
   点位置検出センサにより前記少なくとも３つの計測点に
   おける前記光軸方向における位置を検出することを特徴
   とする請求項１または２記載の面位置検出方法。
4. 【請求項４】 基板表面にマスク上のパターンを投影光
   学系を介して投影し露光する投影露光方法であって、 請求項１から３のいずれかに記載の面位置検出方法によ
   って得られた段差情報に基づいて、前記基板を前記投影
   光学系の焦点位置に対して位置決めし前記露光を行うこ
   とを特徴とする投影露光方法。
5. 【請求項５】 検出した前記段差情報に基づいて前記各
   計測点における前記投影光学系の焦点位置をオフセット
   することを特徴とする請求項４記載の投影露光方法。
6. 【請求項６】 投影光学系を介してマスクパターンが転
   写される基板面における投影光学系の光軸方向の位置を
   検出する面位置検出装置において、 前記基板上の少なくとも３つの計測点を少なくとも２つ
   のグループに分ける演算部と、 各計測点の計測結果に基づいて前記各グループにおける
   前記光軸方向の位置情報を検出する検出部と、 前記演算部と前記検出部とを制御する制御部とを備え、 前記制御部は、前記演算部によるグループの組み合わせ
   を変えて前記検出部による位置情報の検出を繰り返し、
   該検出部で得られたグループ毎の位置情報に基づいて前
   記基板上の段差に関する情報を得ることを特徴とする面
   位置検出装置。
7. 【請求項７】 基板表面にマスク上のパターンを投影光
   学系を介して投影し露光する投影露光装置であって、 前記投影光学系の焦点位置に対する前記基板の面位置を
   検出する請求項６記載の面位置検出装置を備えているこ
   とを特徴とする投影露光装置。
8. 【請求項８】 マスクのパターンを基板上に転写する工
   程を有する半導体デバイス製造方法において、 請求項７に記載の投影露光装置を用いて前記パターンを
   転写することを特徴とする半導体デバイス製造方法。