JP3303280B2

JP3303280B2 - 位置検出装置、露光装置、及び露光方法

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Publication number: JP3303280B2
Application number: JP22870693A
Authority: JP
Inventors: 敬宮地
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2002-07-15
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JPH0786135A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、位置検出装置、露光装
置、及び露光方法に関し、特に、例えば矩形又は円弧状
等のスリット状の照明領域に対してレチクル及び感光性
の基板を同期して走査することにより、レチクル上のパ
ターンをその基板上の各ショット領域に逐次露光する所
謂ステップ・アンド・スキャン露光方式の、オートフォ
ーカス機構又はオートレベリング機構に適用して好適な
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子又
は薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィー技術を用い
て製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下、
「レチクル」と総称する）のパターンを投影光学系を介
して、フォトレジスト等が塗布されたウエハ（又はガラ
スプレート等）上に露光する投影露光装置が使用されて
いる。一般に投影露光装置では高い解像度が要求され、
装着されている投影光学系の開口数は高いため、投影像
の焦点深度（フォーカスマージン）は開口数の自乗に反
比例して減少している。そこで、ウエハの各ショット領
域を投影光学系の結像面に対して焦点深度の範囲内で合
わせ込むために、従来より投影露光装置には、露光フィ
ールド内の所定の基準点でのウエハのフォーカス位置を
投影光学系による結像面に合わせ込むためのオートフォ
ーカス機構、及び露光フィールド内のウエハの露光面の
傾斜角を結像面に平行に設定するためのオートレベリン
グ機構が設けられている。

【０００３】それらの内の従来のオートフォーカス機構
は、ウエハの各ショット領域内の所定の計測点のフォー
カス位置（投影光学系の光軸方向の位置）の結像面から
のデフォーカス量を検出するための焦点位置検出センサ
ー（以下、「ＡＦセンサー」という）と、そのデフォー
カス量を許容範囲内に収めるためのサーボ系とより構成
されている。一方、オートレベリング機構は、ウエハの
各ショット領域の傾斜角の結像面の傾斜角からのずれ量
を検出するレベリングセンサーと、その傾斜角のずれ量
を許容範囲内に収めるためのサーボ系とより構成されて
いる。

【０００４】これに関して、従来一般に使用されていた
一括露光方式の投影露光装置（ステッパー等）では、フ
ォーカス位置の検出対象であるウエハが露光中静止して
いるため、投影光学系の開口数が更に大きくなった場合
でも、デフォーカス量を検出するＡＦセンサーの分解能
及び精度を向上し、サーボ系内のＺステージのメカニズ
ムを高精度化する等により、焦点深度の減少に対応する
ことが可能である。同様にオートレベリング機構につい
ても、一括露光方式では高精度化に対応できていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最近は、半導体素子等
の１個のチップパターンが大型化する傾向にあり、投影
露光装置においては、レチクル上のより大きな面積のパ
ターンをウエハ上に露光する大面積化が求められてい
る。また、半導体素子等のパターンが微細化するのに応
じて、投影光学系の解像度を向上することも求められて
いるが、投影光学系の解像度を向上するためには、投影
光学系の露光フィールドを大きくすることが設計上ある
いは製造上難しいという不都合がある。特に、投影光学
系として、反射屈折系を使用するような場合には、無収
差の露光フィールドの形状が円弧状の領域となることも
ある。

【０００６】斯かる転写対象パターンの大面積化及び投
影光学系の露光フィールドの制限に応えるために、例え
ば矩形、円弧状又は６角形等の照明領域（これを「スリ
ット状の照明領域」という）に対してレチクル及びウエ
ハを同期して走査することにより、レチクル上のそのス
リット状の照明領域より広い面積のパターンを逐次ウエ
ハ上の各ショット領域に露光する所謂ステップ・アンド
・スキャン方式の投影露光装置が開発されている。

【０００７】この種の投影露光装置においても、走査露
光中のウエハの露光面を結像面に合わせ込むためのオー
トフォーカス機構及びオートレベリング機構が必要であ
る。しかしながら、ステップ・アンド・スキャン方式の
場合には、フォーカス位置の検出対象であるウエハが露
光中に移動するため、ＡＦセンサー及びサーボ系等が所
定の応答速度を有することにより、単にＡＦセンサーや
サーボ系等のメカニズムを高精度化しただけでは、ウエ
ハの露光面を結像面に対して焦点深度の範囲内で合わせ
込むことが困難であるという不都合がある。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、ステップ・アン
ド・スキャン露光方式で露光を行うときに、移動してい
るウエハの露光面のフォーカス位置（高さ）又は平均的
な面の傾斜角を正確に検出してサーボ系にフィードバッ
クできるようにすることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、例えば図１及び図６に示すように、所定形状の照
明領域（８）に対して転写用のパターンが形成されたマ
スク（７）を所定の方向に走査するマスクステージ
（９）と、このマスクステージに同期して感光性の基板
（１５）を所定の方向に走査する基板ステージ（２０）
と、この基板ステージに設けられ基板（１５）の露光面
のそのマスク方向（Ｚ方向）の高さに応じて基板（１
５）の高さを調整する高さ調整手段（１７，１９，２
４）とを有し、基板（１５）の高さを調整しつつマスク
（７）のパターンを逐次基板（１５）上に露光する走査
型の露光装置に設けられ、高さ調整手段（１７，１９，
２４）に対して供給するための基板（１５）の露光面の
高さに対応する信号を検出する装置である。

【００１０】そして、本発明は、マスク（７）のパター
ンの露光領域（１６）内の計測点（ＰＡ２）及び露光領
域（１６）に対して走査方向に手前側の領域内の計測点
（ＰＢ２）よりなる複数の計測点で基板（１５）の露光
面の高を検出する高さ検出手段（２５Ａ２，２５Ｂ２）
と、この高さ検出手段から出力されるそれら複数の計測
点の高さに対応する計測信号（ＳＡ２，ＳＢ２）を、基
板ステージ（２０）の移動速度、そのマスクのパターン
の露光領域（１６）の走査方向の幅、及びそれら複数の
計測点の配置より定まる重み係数（Ｋ１，Ｋ２）を付け
て加算することにより、そのマスクのパターンの露光領
域（１６）内の所定の基準点での基板（１５）の露光面
の高さに対応する信号（ＳＤ２）を求める高さ演算手段
（３３）とを有し、この高さ演算手段で求められた高さ
に対応する信号（ＳＤ２）を高さ調整手段（１７，１
９，２４）に供給するものである。

【００１１】この場合、その高さ検出手段で検出される
複数の計測点を、例えば図２に示すように、その基板の
走査方向（Ｘ方向）に平行な異なる複数の直線上に分布
する３個以上の計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３，ＰＢ１〜ＰＢ
３）として、その高さ検出手段により検出されたそれら
複数の計測点の高さを最小自乗法で処理して基板（１
５）の露光面の面形状を算出する面形状演算手段（３
３）を設けることが望ましい。次に、本発明による露光
装置は、パターンが形成されたマスクを所定の方向に走
査するマスクステージと、該マスクステージに同期して
基板を所定の方向に走査する基板ステージと、そのマス
クのパターンの像をその基板上に投影する投影光学系
と、該基板の走査中にその基板の露光面とその投影光学
系の像面とを合致させるための調整手段とを備え、その
マスクとその基板とを同期して走査することによって、
そのマスクのパターンを逐次その基板上に露光する走査
型の露光装置において、その投影光学系を介してそのマ
スクのパターンの像が投影される露光領域内に配置され
た第１計測点と該第１計測点に対してその基板の走査方
向に離れた第２計測点とを有し、その第１計測点とその
第２計測点との各々でその基板の露光面のフォーカス情
報を検出する検出手段と、その第１計測点で検出された
フォーカス情報とその第２計測点で検出されたフォーカ
ス情報との各々に重み付けを行って、該重み付けを行っ
たフォーカス情報に基づいてその調整手段を制御する制
御する制御手段と、を備えたものである。また、本発明
による露光方法は、マスクのパターンの像を投影光学系
を介して基板上に投影するとともに、そのマスクとその
基板とを同期して移動することによって、そのマスクの
パターンをその基板上に露光する露光方法において、複
数の計測点の各々で、その基板の露光面のフォーカス情
報を検出し、その検出されたフォーカス情報に、そのマ
スクのパターンの像が投影される露光領域のその基板の
走査方向に関する幅に応じた重み付けを行って、該重み
付けされたフォーカス情報に基づいてその基板の露光面
とその投影光学系の像面との位置関係を調整するもので
ある。

【００１２】

【作用】斯かる本発明の原理につき説明する。先ず図３
に示すように、移動する基板（１５）上の露光領域（１
６）にマスクのパターンが露光されるものとして、基板
（１５）が露光領域（１６）に対して右方向に走査され
るものとする。例えばその露光領域（１６）内の中央の
一点（ＰＡ２）の高さを高さ検出手段（２５Ａ２）で検
出することを考える。遅延時間が無いものとして、その
高さ検出手段（２５Ａ２）からの出力信号を時系列で示
すと、図４（ｂ）の曲線（３４Ａ）で示すように基板
（１５）の表面の凹凸を表す信号となる。この信号を高
さ調整手段（１７，１９，２４）に供給して基板（１
５）の高さを調整すれば、走査中のダイナミックなオー
トフォーカスが実現できる。

【００１３】しかしながら、実際には、高さ検出手段
（２５Ａ２）からの検出信号は、図４（ｂ）の曲線（３
５Ａ）で示すように遅延すると共に、サーボループを組
んだ場合の全体の制御系には応答の制限があるため、追
従誤差を生じ、それがフォーカス残差となる。このフォ
ーカス残差は、基板（１５）の移動速度が小さい内は僅
かであるが、基板（１５）の移動速度が速くなり、観測
される出力信号の時系列の周波数と制御系の応答周波数
とが同じオーダーとなるような場合は大きなフォーカス
残差が残ることになる。

【００１４】本発明では斯かる不都合を解決するため、
図３に示すように、露光領域（１６）内の計測点（ＰＡ
２）の高さを検出する高さ検出手段（２５Ａ２）と、露
光領域（１６）内の計測点に先行する計測点（ＰＢ２）
の高さを検出する高さ検出手段（２５Ｂ２）とを設け、
これら複数の高さ検出手段からの出力信号に重み付けを
した後に加算することで、全体の制御系の応答の制限に
よる位相の遅れを改善している。以下にその原理を説明
する。

【００１５】図２（ａ）は本発明での高さ検出手段の配
置の一例を示し、この図２（ａ）において、マスクパタ
ーンの露光領域（１６）内の非走査方向への一列の計測
点（ＰＡ１〜ＰＡ３）、及びこの一列の計測点の両側の
２列の計測点（ＰＢ１〜ＰＢ３、及びＰＣ１〜ＰＣ３）
の高さ検出を行うための高さ検出手段が設けられてい
る。個々の高さ検出手段は対応する計測点での基板（１
５）の高さを検出できるものであればよく、その方式は
何でもよい。また、図２（ａ）は計測点の配置の一例で
あり、最低限３列の配置があればよく、図２（ａ）の配
置には限定されない。そして、基板（１５）がＸ方向に
走査される場合には、Ａ列の計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３）
及びＢ列の計測点（ＰＢ１〜ＰＢ３）の検出結果が使用
され、基板（１５）が−Ｘ方向に走査される場合には、
Ａ列の計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３）及びＣ列の計測点（Ｐ
Ｃ１〜ＰＣ３）の検出結果が使用される。

【００１６】図３に示すように、基板（１５）が右方向
（Ｘ方向）に走査されるものとして、例えば計測点（Ｐ
Ａ２，ＰＢ２）に対する高さ検出手段（２５Ａ２，２５
Ｂ２）の検出結果を使用する。この場合、遅延時間が無
いものとした場合の高さ検出手段（２５Ａ２，２５Ｂ
２）からの出力信号（これを「元の信号」という）は、
それぞれ図４（ｂ）及び（ａ）の実線の曲線（３４Ａ）
及び（３４Ｂ）で示すようになり、制御系の応答の制限
により位相遅れが加わった実際の高さ検出手段（２５Ａ
２，２５Ｂ２）からの出力信号は、それぞれ図４（ｂ）
及び（ａ）の点線の曲線（３５Ａ）及び（３５Ｂ）で示
すようになる。即ち、計測点（ＰＢ２）の信号は計測点
（ＰＡ２）の信号に対して位相の進みがあると共に、各
信号は全体の制御系の遅れによりそれぞれ元の信号に対
して所定の位相遅れを有する。

【００１７】図５は、高さ検出手段（２５Ａ２，２５Ｂ
２）からの出力信号をベクトル表記したものであり、実
線のベクトル〈ＳＢ２₀〉及び〈ＳＡ２₀〉はそれぞれ
計測点（ＰＢ２）及び計測点（ＰＡ２）での元の信号を
表し、点線のベクトル〈ＳＢ２〉及び〈ＳＡ２〉はそれ
ぞれ計測点（ＰＢ２）及び計測点（ＰＡ２）での実際の
位相遅れが加わった信号を表す。そして、求めるべき
は、計測点（ＰＡ２）でのベクトル〈ＳＡ２₀〉で表さ
れる元の信号である。そこで、実際に検出されるベクト
ル〈ＳＢ２〉及び〈ＳＡ２〉に対して適当な重み係数を
掛けた後、これらを加算することによりベクトル〈ＳＤ
２〉が得られるが、このベクトル〈ＳＤ２〉は元のベク
トル〈ＳＡ２₀〉に近い信号を表している。このような
ベクトル上での加算は実際には時系列上での単なる加算
で実行される。そのベクトル〈ＳＤ２〉に対応する信号
を用いて、基板（１５）の高さを制御することにより、
位相遅れが補償される。

【００１８】次に、図６に示すように、高さ検出手段
（２５Ｂ２，２５Ａ２）の出力信号に対してそれぞれ重
み係数（ゲイン）Ｋ１及びＫ２を掛けて加算して得られ
た信号（ＳＤ２）を高さ調整手段（１７，１９，２４）
に供給し、高さ調整手段（１７，１９，２４）が内部で
サーボ信号を生成して基板（１５）が載置されているス
テージ（１７）を駆動するものとする。このサーボ信号
による基板（１５）の高さ方向への駆動は、高さ検出手
段（２５Ｂ２，２５Ａ２）の出力信号に反映され、結果
として全体の制御系は閉ループの制御系を構成する。こ
の場合、重み係数Ｋ１及びＫ２の比は高さ方向への変位
の時系列信号（ＳＡ２，ＳＢ２）の周波数に依存し、こ
れは基板（１５）の移動速度に依存するパラメータとな
る。

【００１９】今、全体の系の応答制限（カットオフ周波
数）をＦ_nとすると、この系は周波数Ｆ_nの信号に対し
てπ／８の遅れを生じる。但し、ここでは系を１次遅れ
とみなしている。また、露光領域（１６）の中で１周期
となる基板（１５）の凹凸を考える。有限の面積を持つ
露光領域（１６）に対するオートフォーカス又はオート
レベリングを考えた場合には、その露光領域（１６）の
走査方向への幅より小さい周期の基板（１５）の表面の
凹凸については、原理的に追従不可能であるため、この
周波数Ｆ_nが系が追従しなければならない最も高い周波
数となる。この周波数Ｆ_nは、露光領域（１６）の走査
方向の幅をＤ、基板（１５）の移動速度をＤとすると、
次式のように表される。

【００２０】

【数１】Ｆ_n＝Ｄ／Ｖそして、図６に示すように計測点（ＰＡ２）と計測点
（ＰＢ２）との走査方向の間隔をｄとすると、その周波
数の信号における計測点（ＰＡ２）の信号と計測点（Ｐ
Ｂ２）の信号との間の位相差φ_ABは、次のようになる。

【００２１】

【数２】φ_AB＝π（ｄ／Ｄ）そして、図５に示すように、ベクトル加算により位相遅
れの補償を図るため、重み係数Ｋ１及びＫ２の比（Ｋ１
／Ｋ２）を１とした場合には、その位相差φ_ABがπ／４
であれば、加算後のベクトル〈ＳＤ２〉が元のベクトル
〈ＳＡ２₀〉と同じ位相になる。このときには、（数
２）より次の関係が導かれる。

【００２２】

【数３】π（ｄ／Ｄ）＝π／４、即ち、ｄ＝Ｄ／４基板（１５）の凹凸の空間周波数が低周波数側に寄って
いる場合には、計測点（ＰＡ２）と計測点（ＰＢ２）と
の間隔ｄを短くすれば良いのであるが、動作中に高さ検
出手段の間隔を変えることは一般に多くの困難を伴う。
そこで、本発明においては、例えば重み係数Ｋ１及びＫ
２の比Ｋ１／Ｋ２を変えることにより、間隔ｄを変える
のと同等の作用効果を得ている。実際に基板（１５）の
表面の凹凸の空間周波数分布が不明な場合には、フォー
カス残差をモニターしながら例えばその比Ｋ１／Ｋ２を
調整すればよい。

【００２３】次に、図２（ａ）において基板（１５）が
Ｘ方向に走査されるものとして、高さ検出手段で検出さ
れる複数の計測点を、例えばその基板の走査方向（Ｘ方
向）に平行な異なる複数の直線上に分布する３個以上の
計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３，ＰＢ１〜ＰＢ３）として、そ
の高さ検出手段により検出されたそれら複数の計測点の
高さを最小自乗法で処理して基板（１５）の露光面の面
形状を算出する面形状演算手段（３３）を設けた場合に
は、先読みした高さデータに基づいて基板（１５）の露
光面の平均的な面が求められる。この平均的な面を基準
面（例えば投影光学系を有する場合には、投影光学系に
よる結像面）に平行にすることにより、オートレベリン
グが実行される。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図面を参照し
て説明する。本実施例は、ステップ・アンド・スキャン
方式の投影露光装置のオートフォーカス機構及びオート
レベリング機構に本発明を適用したものである。図１は
本実施例の投影露光装置の全体構成を示し、この図１に
おいて、光源及びオプティカルインテグレータ等を含む
光源系１からの露光光ＩＬが、第１リレーレンズ２、レ
チクルブラインド（可変視野絞り）３、第２リレーレン
ズ４、ミラー５、及びメインコンデンサーレンズ６を介
して、均一な照度でレチクル７上の矩形の照明領域８を
照明する。レチクルブラインド３の配置面はレチクル７
のパターン形成面と共役であり、レチクルブラインド３
の開口の位置及び形状により、レチクル７上の照明領域
８の位置及び形状が設定される。光源系１内の光源とし
ては、超高圧水銀ランプ、エキシマレーザ光源、又はＹ
ＡＧレーザの高調波発生装置等が使用される。

【００２５】レチクル７の照明領域８内のパターンの像
が、投影光学系ＰＬを介してフォトレジストが塗布され
たウエハ１５上の矩形の露光領域１６内に投影露光され
る。投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、光
軸ＡＸに垂直な２次元平面内で図１の紙面に平行な方向
にＸ軸を、図１に紙面に垂直な方向にＹ軸を取る。本実
施例では、スキャン方式で露光する際のレチクル７及び
ウエハ１５の走査方向はＸ軸に平行である。

【００２６】レチクル７はレチクルステージ９上に保持
され、レチクルステージ９はレチクルベース１０上に例
えばリニアモータによりＸ方向に所定速度で駆動される
ように支持されている。レチクルステージ９のＸ方向の
一端に固定された移動鏡１１でレーザ干渉計１２からの
レーザビームが反射され、レーザ干渉計１２によりレチ
クル７のＸ方向の座標が常時計測されている。レーザ干
渉計１２で計測されたレチクル７の座標情報は、装置全
体の動作を制御する主制御系１３に供給され、主制御系
１３は、レチクル駆動系１４を介してレチクルステージ
９の位置及び移動速度の制御を行う。

【００２７】一方、ウエハ１５は、ウエハホルダー１７
上に保持され、ウエハホルダー１７は３個の伸縮自在な
ピエゾ素子等よりなる支点（図６の支点１８Ａ〜１８
Ｃ）を介してＺレベリングステージ１９上に載置され、
Ｚレベリングステージ１９はＸＹステージ２０上に載置
され、ＸＹステージ２０はウエハベース２１上に２次元
的に摺動自在に支持されている。Ｚレベリングステージ
１９は、３個の支点を介してウエハホルダー１７上のウ
エハ１５のＺ方向の位置（フォーカス位置）の微調整を
行うと共に、ウエハ１５の露光面の傾斜角の微調整を行
う。更にＺレベリングステージ１９は、ウエハ１５のＺ
方向への位置の粗調整をも行う。また、ＸＹステージ２
０は、Ｚレベリングステージ１９、ウエハホルダー１７
及びウエハ１５をＸ方向及びＹ方向に位置決めすると共
に、走査露光時にウエハ１５をＸ軸に平行に所定の走査
速度で走査する。

【００２８】ＸＹステージ２０に固定された移動鏡２２
で外部のレーザ干渉計２３からのレーザビームを反射す
ることにより、レーザ干渉計２３によりＸＹステージ２
３のＸＹ座標が常時モニターされ、検出されたＸＹ座標
が主制御系１３に供給されている。主制御系１３は、ウ
エハ駆動系２４を介してＸＹステージ２０及びＺレベリ
ングステージ１９の動作を制御する。スキャン方式で露
光を行う際には、投影光学系ＰＬによる投影倍率をβと
して、レチクルステージ９を介してレチクル７を照明領
域８に対して−Ｘ方向（又はＸ方向）に速度Ｖ_Rで走査
するのと同期して、ＸＹステージ２０を介してウエハ１
５を露光領域１６に対してＸ方向（又は−Ｘ方向）に速
度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査することにより、レチクル７の
パターン像が逐次ウエハ１５上に露光される。

【００２９】次に、本実施例におけるウエハ１５の露光
面のＺ方向の位置（フォーカス位置）を検出するための
ＡＦセンサー（焦点位置検出系）の構成につき説明す
る。本実施例では、９個の同じ構成のＡＦセンサーが配
置されているが、図１ではその内の３個のＡＦセンサー
２５Ａ２，２５Ｂ２，２５Ｃ２を示す。先ず中央のＡＦ
センサー２５Ａ２において、光源２６Ａ２から射出され
たフォトレジストに対して非感光性の検出光が、送光ス
リット板２７Ａ２内のスリットパターンを照明し、その
スリットパターンの像が対物レンズ２８Ａ２を介して、
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して斜めに露光領域１６
の中央に位置するウエハ１５上の計測点ＰＡ２に投影さ
れる。計測点ＰＡ２からの反射光が、集光レンズ２９Ａ
２を介して振動スリット板３０Ａ２上に集光され、振動
スリット板３０Ａ２上に計測点ＰＡ２に投影されたスリ
ットパターン像が再結像される。

【００３０】振動スリット板３０Ａ２のスリットを通過
した光が光電検出器３１Ａ２により光電変換され、この
光電変換信号が増幅器３２Ａ２に供給される。増幅器３
２Ａ２は、振動スリット板３０Ａ２の駆動信号により光
電検出器３１Ａ２からの光電変換信号を同期検波し、得
られた信号を増幅することにより、計測点ＰＡ２のフォ
ーカス位置に対して所定範囲でほぼ線形に変化するフォ
ーカス信号を生成し、このフォーカス信号を面位置算出
系３３に供給する。同様に、他のＡＦセンサー２５Ｂ２
は、計測点ＰＡ２に対して−Ｘ方向側の計測点ＰＢ２に
スリットパターン像を投影し、このスリットパターン像
からの光を光電検出器３１Ｂ２で光電変換して、増幅器
３２Ｂ２に供給する。増幅器３２Ｂ２は、計測点ＰＢ２
のフォーカス位置に対応するフォーカス信号を面位置算
出系３３に供給する。同様に、ＡＦセンサー２５Ｃ２
は、計測点ＰＡ２に対してＸ方向側の計測点ＰＣ２にス
リットパターン像を投影し、このスリットパターン像か
らの光を光電検出器３１Ｃ２で光電変換して、増幅器３
２Ｃ２に供給する。増幅器３２Ｃ２は、計測点ＰＣ２の
フォーカス位置に対応するフォーカス信号を面位置算出
系３３に供給する。

【００３１】この場合、ＡＦセンサー２５Ａ２〜２５Ｃ
２からの光電変換信号から増幅器３２Ａ２〜３２Ｃ２に
より得られたフォーカス信号は、それぞれ計測点ＰＡ２
〜ＰＣ２が投影光学系ＰＬによる結像面に合致している
ときに０になるようにキャリブレーションが行われてい
る。従って、各フォーカス信号は、それぞれ計測点ＰＡ
２〜ＰＣ２のフォーカス位置の結像面からのずれ量（デ
フォーカス量）に対応している。

【００３２】図２（ａ）は本例でのウエハ１５上の計測
点の分布を示し、この図２（ａ）において、Ｘ方向の幅
がＤの矩形の露光領域１６内の中央のＹ方向に伸びた直
線に沿って３個の計測点ＰＡ１〜ＰＡ３が配列され、計
測点ＰＡ１〜ＰＡ３からそれぞれ−Ｘ方向に間隔ｄだけ
離れた位置に計測点ＰＢ１〜ＰＢ３が配列され、計測点
ＰＡ１〜ＰＡ３からそれぞれＸ方向に間隔ｄだけ離れた
位置に計測点ＰＣ１〜ＰＣ３が配列されている。計測点
ＰＡ２が露光領域１６の中央部に位置しており、９個の
計測点のフォーカス位置がそれぞれ独立に、図１のＡＦ
センサー２５Ａ２と同じ構成のＡＦセンサーにより計測
されている。本実施例では、ウエハ１５をＸ方向に走査
するときには、露光領域１６内の計測点ＰＡ１〜ＰＡ
３、及び走査方向に手前の計測点ＰＢ１〜ＰＢ３でのフ
ォーカス信号の計測値を使用し、ウエハ１５を−Ｘ方向
に走査するときには、露光領域１６内の計測点ＰＡ１〜
ＰＡ３、及び走査方向に手前の計測点ＰＣ１〜ＰＣ３で
のフォーカス信号の計測値を使用する。

【００３３】以下では、図３に示すようにウエハ１５を
Ｘ方向に走査する、即ちレチクル７を−Ｘ方向に走査す
るものとして説明する。先ず、露光領域１６内の中央部
でのウエハ１５のフォーカス位置を結像面に合致させる
ためのオートフォーカス機構につき説明する。この場
合、図３に示すように、露光領域１６内の中央部の計測
点ＰＡ２でのフォーカス位置、及び計測点ＰＡ２に対し
て走査方向（Ｘ方向）に手前側の計測点ＰＢ２でのフォ
ーカス位置をそれぞれＡＦセンサー２５Ａ２及び２５Ｂ
２で計測し、ＡＦセンサー２５Ａ２及び２５Ｂ２からの
光電変換信号をそれぞれ増幅器３２Ａ２及び３２Ｂ２に
通してフォーカス信号ＳＡ２及びＳＢ２を得る。フォー
カス信号ＳＡ２及びＳＢ２は、それぞれ計測点ＰＡ２及
びＰＢ２のフォーカス位置（Ｚ方向の位置）の結像面か
らのずれ量に対応する信号である。

【００３４】この際に、検出系及びサーボ系に位相遅れ
が無く応答周波数の限界が無いものとすると、フォーカ
ス信号ＳＢ２及びＳＡ２は、それぞれ図４（ａ）の実線
の曲線３４Ｂ及び図４（ｂ）の実線の曲線３４Ａで示す
ように、ウエハ１５の露光面の凹凸を忠実に再現する。
しかしながら、実際には、検出系及びサーボ系の位相遅
れ及び応答周波数により、フォーカス信号ＳＢ２及びＳ
Ａ２は、それぞれ図４（ａ）の点線の曲線３５Ｂ及び図
４（ｂ）の点線の曲線３５Ａで示すように、ウエハ１５
の露光面の凹凸を所定の位相遅れで近似するものとな
る。

【００３５】図５はフォーカス信号ＳＢ２及びＳＡ２を
ベクトル表記で表したものであり、ベクトル〈ＳＢ
２₀〉及び〈ＳＢ２〉はそれぞれ図４（ａ）の曲線３４
Ｂ及び３５Ｂに対応するフォーカス信号を示し、ベクト
ル〈ＳＡ２₀〉及び〈ＳＡ２〉はそれぞれ図４（ｂ）の
曲線３４Ａ及び３５Ａに対応するフォーカス信号を示
す。求めるべきは、図３の露光領域１６の中央の計測点
ＰＡ２でのフォーカス位置に対応する位相遅れの無い元
のフォーカス信号、即ちベクトル〈ＳＡ２₀〉に対応す
るフォーカス信号である。図５より分かるように、ベク
トル〈ＳＢ２〉及び〈ＳＡ２〉にそれぞれ重み係数を付
けて加算するとベクトル〈ＳＤ２〉が得られるが、重み
係数を調整することにより、ほぼベクトル〈ＳＡ２₀〉
と合致するベクトル〈ＳＤ２〉を求めることができる。
実際には、そのベクトル加算は、時間軸上でフォーカス
信号ＳＢ２及びＳＡ２を重み付け加算することにより実
行される。

【００３６】図６は、そのようにフォーカス信号の重み
付け加算を行うための面位置算出系３３の一例を示し、
図６において、フォーカス信号ＳＡ２及びＳＢ２には、
面位置算出系３３内の乗算器３６Ａ２及び３６Ｂ２によ
りそれぞれ重み係数Ｋ１及びＫ２が掛けられる。そし
て、乗算器３６Ａ２及び３６Ｂ２の出力信号が加算器３
７Ｄ２で加算されてフォーカス信号ＳＤ２が得られ、こ
のフォーカス信号ＳＤ２が面位置算出系３３からウエハ
駆動系２４に供給される。ウエハ駆動系２４は、フォー
カス信号ＳＤ２が０になるように、Ｚレベリングステー
ジ１９の３個の支点１８Ａ〜１８ＣのＺ方向への伸縮量
を並行に調整する。これにより、ウエハ１５をＸ方向に
走査して露光を行う際でも、露光領域１６内の中央の計
測点ＰＡ２でのフォーカス位置が結像面に合致した状態
に維持される。

【００３７】この際に、重み係数Ｋ１及びＫ２の値は、
ウエハ１５のＸ方向への走査速度Ｖ _W、ウエハ１５上で
の露光領域（レチクルパターンの投影領域）１６の走査
方向の幅Ｄ、及び計測点ＰＡ２と計測点ＰＢ２との走査
方向の間隔ｄにより決定される。実際には、例えば重み
係数Ｋ１及びＫ２の値を種々に設定して、ウエハ１５の
テストプリントを行い、露光後のデフォーカス量が最も
小さくなるときの重み係数Ｋ１及びＫ２の値を使用すれ
ばよい。

【００３８】次に、本例でウエハ１５のオートフォーカ
ス及びオートレベリングを行う場合の制御系の構成及び
動作につき説明する。図７はこの場合の面位置算出系３
３及びウエハ駆動系２４の構成の一例を示し、この図７
において、露光領域１６内の計測点のフォーカス位置を
検出する３個のＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３、及び
これら計測点の走査方向に手前側の計測点のフォーカス
位置を検出する３個のＡＦセンサー２５Ｂ１〜２５Ｂ３
が使用される。ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３、２５
Ｂ１〜２５Ｂ３からの光電変換信号はそれぞれ増幅器３
２Ａ１〜３２Ａ３、３２Ｂ１〜３２Ｂ３を介してフォー
カス信号として面位置算出系３３内のマルチプレクサ３
８に供給される。増幅器３２Ａ１〜３２Ａ３、３２Ｂ１
〜３２Ｂ３では、入力された光電変換信号から外乱光等
によるノイズ成分が除去され、信号成分のコンディショ
ニングが行われている。マルチプレクサ３８には、図２
（ａ）の３個の計測点ＰＣ１〜ＰＣ３に対応するフォー
カス信号も供給されているが、この場合には使用しない
ので表示を省略している。

【００３９】マルチプレクサ３８は、増幅器３２Ａ１〜
３２Ａ３、３２Ｂ１〜３２Ｂ３からのフォーカス信号を
時分割的に順次アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３
９に供給し、Ａ／Ｄ変換器３９からのデジタル化された
フォーカス信号は順次主制御系１３内のメモリに記憶さ
れる。主制御系１３内では供給されたフォーカス信号の
内から選択されたフォーカス信号に対して、図６の回路
と同様に重み付け加算を実行して基準となるフォーカス
信号を生成すると共に、現在の露光領域１６内のウエハ
１５の露光面の各点でのフォーカス信号から、最小自乗
法によりその露光領域１６内の露光面の平均的な面を求
める。そして、主制御系１３は、基準となるフォーカス
信号、及び平均的な面の傾斜角から、露光領域１６内の
ウエハ１５の露光面を結像面に合致させるための、Ｚレ
ベリングステージ１９の３個の支点１８Ａ〜１８Ｃの伸
縮量を算出して、これら３個の伸縮量の情報をウエハ駆
動系２４内のデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４０
に供給する。

【００４０】ウエハ駆動系２４では、Ｄ／Ａ変換器４０
からの伸縮量を示す信号がデマルチプレクサ４１に供給
され、デマルチプレクサ４１から出力される３個の伸縮
量を示す信号がそれぞれサーボアンプ４２Ａ〜４２Ｃを
介してＺレベリングステージ１９の支点１８Ａ〜１８Ｃ
に供給される。そして、支点１８Ａ〜１８Ｃの伸縮量が
調整され、ウエハ１５の露光面のフォーカス位置及び傾
斜角が調整される。このウエハ１５のフォーカス位置が
ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３、２５Ｂ１〜２５Ｂ３
により検出されてフィードバックされ、図７の系の全体
が閉ループのサーボ系として機能する。これにより、露
光領域１６内のウエハ１５の露光面の平均的な面が結像
面に合致するように制御される。

【００４１】なお、上述実施例では、図２（ａ）に示す
ように、露光領域１６及びこの近傍に３列で合計９個の
計測点が設定されているが、４列以上で９個以上の計測
点を設定してもよい。また、例えば図２（ｂ）に示すよ
うに、露光領域１６内に４個の計測点ＱＡ１〜ＱＡ４を
設定し、これら一列の計測点の手前側に計測点ＱＡ１〜
ＱＡ４とは非走査方向（Ｙ方向）の位置を変えて５個の
計測点ＱＢ１〜ＱＢ５を設定してもよい。この場合、計
測点ＱＢ１〜ＱＢ５を通る直線上で、計測点ＱＡ１とＹ
方向の位置が同じ計測点ＱＢ６でのフォーカス位置が必
要な場合には、例えば両側の計測点ＱＢ１及びＱＢ２で
のフォーカス位置の平均値等でデータを内挿してもよ
い。

【００４２】なお、上記実施例においてフォーカス合わ
せのみを行うときは、走査方向に関して所定間隔だけ離
れた少なくとも２つの計測点を設定すればよく、１次元
（又は２次元）のレベリング合わせまで行うときは少な
くとも２組、即ち４つの計測点（又は少なくとも３組、
即ち６つの計測点）を設定すればよい。ただし、２次元
のレベリングを行うときは、露光領域内の少なくとも３
つの計測点が同一直線上に並ばないように設定する必要
がある。

【００４３】また、上述実施例は本発明を投影光学系を
載置した投影露光装置に適用したものであるが、それ以
外に例えば、反射式の投影露光装置、プロキシミティ方
式の露光装置、又はコンタクト方式の露光装置にも本発
明を適用することができる。更に、露光装置以外、例え
ば検査装置や加工装置であっても移動体の高さや傾きを
検出するものであれば、本発明を適用して同様の効果を
得ることができる。また、例えば図１の面位置算出系３
３はハードウエア、ソフトウエアの何れで構成してもよ
い。このように本発明は上述実施例に限定されず、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。以
上のように、上記の実施例によれば、露光領域内の計測
点及び先行する計測点で検出された高さに対応する信号
を重み係数を付けて加算して基準点での高さに対応する
信号を求めているため、ステップ・アンド・スキャン方
式を始めとする走査型の露光装置において、移動してい
る基板（ウエハ等）の露光面のその基準点でのフォーカ
ス位置（高さ）を正確に検出してサーボ系にフィードバ
ックできる利点がある。また、高さ検出手段で検出対象
となる複数の計測点を基板の走査方向に平行な異なる複
数の直線上に分布する３個以上の計測点として、その高
さ検出手段により検出されたそれら複数の計測点の高さ
に対応する信号を最小自乗法で処理してその基板の露光
面の面形状を算出するようにした場合には、移動してい
る基板の露光面の平均的な面の傾斜角を正確に検出して
サーボ系にフィードバックできる利点がある。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、ステップ・アンド・ス
キャン方式を始めとする走査型の露光装置において、移
動している基板（ウエハ等）の露光面のその基準点での
フォーカス位置（高さ）を正確に検出してサーボ系にフ
ィードバックできる利点がある。

【００４５】また、移動している基板の露光面の平均的
な面の傾斜角を正確に検出してサーボ系にフィードバッ
クできる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の投影露光装置の全体を示す
概略構成図である。

【図２】（ａ）は図１のウエハ１５上の計測点の配置の
一例を示す図、（ｂ）はその計測点の配置の他の例を示
す図である。

【図３】ウエハ１５を所定の方向に走査する場合のＡＦ
センサーによるフォーカス位置の検出動作の説明に供す
る模式図である。

【図４】（ａ）は図３のＡＦセンサー２５Ｂ２によるフ
ォーカス信号を示す波形図、（ｂ）は図３のＡＦセンサ
ー２５Ａ２によるフォーカス信号を示す波形図である。

【図５】図４のフォーカス信号をベクトル表記した状態
を示す図である。

【図６】実施例のオートフォーカス機構の一例を示す要
部の構成図である。

【図７】実施例のオートフォーカス機構及びオートレベ
リング機構の他の例を示す要部の構成図である。

【符号の説明】

３レチクルブラインド７レチクルＰＬ投影光学系１３主制御系１５ウエハ１６露光領域１８Ａ〜１８Ｃ支点１９Ｚレベリングステージ２０ＸＹステージ２３ウエハ側のレーザ干渉計２４ウエハ駆動系２５Ａ１〜２５Ａ３，２５Ｂ１〜２５Ｂ３ＡＦセンサ
ーＰＡ１〜ＰＡ３，ＰＢ１〜ＰＢ３，ＰＣ１〜ＰＣ３計
測点３２Ａ１〜３２Ａ３，３２Ｂ１〜３２Ｂ３増幅器３３面位置算出系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/207

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定形状の照明領域に対して転写用のパ
ターンが形成されたマスクを所定の方向に走査するマス
クステージと、該マスクステージに同期して感光性の基
板を所定の方向に走査する基板ステージと、該基板ステ
ージに設けられ前記基板の露光面の前記マスク方向の高
さに応じて前記基板の高さを調整する高さ調整手段とを
有し、前記基板の高さを調整しつつ前記マスクのパター
ンを逐次前記基板上に露光する走査型の露光装置に設け
られ、前記高さ調整手段に対して供給するための前記基
板の露光面の高さに対応する信号を検出する位置検出装
置において、前記マスクのパターンの露光領域内の計測点及び該露光
領域に対して走査方向に手前側の領域内の計測点よりな
る複数の計測点で前記基板の露光面の高さに対応する信
号を検出する高さ検出手段と、該高さ検出手段により検出された前記複数の計測点の高
さに対応する信号を、前記基板ステージの移動速度、前
記マスクのパターンの露光領域の走査方向の幅、及び前
記複数の計測点の配置より定まる重み係数を付けて加算
することにより、前記マスクのパターンの露光領域内の
所定の基準点での前記基板の露光面の高さに対応する信
号を求める高さ演算手段と、を有し、該高さ演算手段で求められた高さに対応する信号を前記
高さ調整手段に供給することを特徴とする位置検出装
置。
【請求項２】前記高さ検出手段で検出対象となる複数
の計測点は前記基板の走査方向に平行な異なる複数の直
線上に分布する３個以上の計測点であり、前記高さ検出手段により検出された前記複数の計測点の
高さに対応する信号を最小自乗法で処理して前記基板の
露光面の面形状を算出する面形状演算手段を設けたこと
を特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】パターンが形成されたマスクを所定の方
向に走査するマスクステージと、該マスクステージに同
期して基板を所定の方向に走査する基板ステージと、前
記マスクのパターンの像を前記基板上に投影する投影光
学系と、該基板の走査中に前記基板の露光面と前記投影
光学系の像面とを合致させるための調整手段とを備え、
前記マスクと前記基板とを同期して走査することによっ
て、前記マスクのパターンを逐次前記基板上に露光する
走査型の露光装置において、前記投影光学系を介して前記マスクのパターンの像が投
影される露光領域内に配置された第１計測点と該第１計
測点に対して前記基板の走査方向に離れた第２計測点と
を有し、前記第１計測点と前記第２計測点との各々で前
記基板の露光面のフォーカス情報を検出する検出手段
と、前記第１計測点で検出されたフォーカス情報と前記第２
計測点で検出されたフォーカス情報との各々に重み付け
を行って、該重み付けを行ったフォーカス情報に基づい
て前記調整手段を制御する制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項４】前記露光領域は、前記基板の走査方向と
直交する非走査方向に延びる矩形状であって、前記第１計測点は、前記非走査方向に沿って配置された
複数の計測点を含むことを特徴とする請求項３に記載の
装置。
【請求項５】前記露光領域は、前記基板の走査方向と
直交する非走査方向に延びる矩形状であって、前記第２計測点は、前記非走査方向に沿って配置された
複数の計測点を含むことを特徴とする請求項３又は４に
記載の装置。
【請求項６】前記フォーカス情報に対する重み係数
は、前記基板の走査方向における前記露光領域の幅に応
じて定められることを特徴とする請求項３、４、又は５
に記載の装置。
【請求項７】前記フォーカス情報に対する重み係数
は、前記基板の走査速度に応じて定められることを特徴
とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】前記フォーカス情報に対する重み係数
は、前記基板の走査方向に関する前記第１計測点と前記
第２計測点との間隔に応じて定められることを特徴とす
る請求項３〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】マスクのパターンの像を投影光学系を介
して基板上に投影するとともに、前記マスクと前記基板
とを同期して移動することによって、前記マスクのパタ
ーンを前記基板上に露光する露光方法において、複数の計測点の各々で、前記基板の露光面のフォーカス
情報を検出し；前記検出されたフォーカス情報に前記基板の走査速度に
応じた重み付けを行って、該重み付けされたフォーカス
情報に基づいて前記基板の露光面と前記投影光学系の像
面との位置関係を調整することを特徴とする露光方法。
【請求項１０】マスクのパターンの像を投影光学系を
介して基板上に投影するとともに、前記マスクと前記基
板とを同期して移動することによって、前記マスクのパ
ターンを前記基板上に露光する露光方法において、複数の計測点の各々で、前記基板の露光面のフォーカス
情報を検出し；前記検出されたフォーカス情報に、前記マスクのパター
ンの像が投影される露光領域の前記基板の走査方向に関
する幅に応じた重み付けを行って、該重み付けされたフ
ォーカス情報に基づいて前記基板の露光面と前記投影光
学系の像面との位置関係を調整することを特徴とする露
光方法。