JP2002043205A

JP2002043205A - 焦点検出方法、焦点検出装置、露光方法及び露光装置

Info

Publication number: JP2002043205A
Application number: JP2000220147A
Authority: JP
Inventors: Tsuneyuki Hagiwara; 恒幸萩原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2002-02-08

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系の焦点位置を迅速かつ高い精度で
検出する。【解決手段】投影光学系の物体面側に配置されるパタ
ーン（ライン・アンド・スペース）を照明し、投影光学
系の像面側に配置された開口板１４に形成されたスリッ
トＳ１を用いて該パターンの像ＩＭの強度分布を計測し
て投影光学系の焦点位置を求めるに際し、開口板１４に
形成されたスリットＳ１とパターンとを投影光学系の光
軸に対して直交する面内において該パターンのラインの
長手方向に沿う方向ＳＤに沿って相対走査する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路又
は液晶表示素子等のデバイスの製造に用いられる露光装
置に装備される投影光学系の焦点位置を検出する際に適
用して好適な焦点検出方法及び焦点検出装置、並びに当
該焦点検出方法及び焦点検出装置を用いる露光方法及び
露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子等のデバイス
の製造においては、露光装置を用いてフォトマスクやレ
チクル（以下、これらをレチクルと総称する）に形成さ
れた微細なパターンの像をフォトレジスト等の感光剤が
塗布された半導体ウェハやガラスプレート等の基板上に
投影露光することが繰り返し行われる。かかる処理にお
いては、基板とレチクルに形成されたパターンの像との
基板面内における位置合わせを精密に行うことは勿論の
こと、基板面を投影光学系の焦点位置（結像位置）に厳
密に合わせる必要性がある。このためには、まず投影光
学系の焦点位置を高い精度で検出する必要がある。

【０００３】投影光学系の焦点位置を検出する方法とし
ては、主に２つの検出方法が用いられている。第１の検
出方法は、楔形状のパターンの像を実際に基板上に転写
し、パターンの像が転写された基板上に形成されたパタ
ーンの形状を実測することにより投影光学系の焦点位置
を検出するものである。図１２は、投影光学系の焦点位
置を従来の第１の検出方法を用いて検出する際に使用さ
れる楔形状のパターンの一例を示す平面図である。図１
２に例示したパターン１００は、線幅が変化する楔形状
のパターン１０１が平行に３本ずつ設けられ、且つこれ
らが一定間隔をもって配置されたものであり、レチクル
に形成されている。投影光学系の焦点位置を検出するた
めには、まず投影光学系の光軸方向における基板の位置
を変化させながら、レチクルに形成されたパターン１０
０の像を基板上に設定された複数のショット領域各々に
転写する。

【０００４】ここで、投影光学系の光軸方向における基
板の位置を変化させながらパターン１００の像を転写す
ると、パターン１００の像の明部と暗部との比、つまり
デューティー比が投影光学系の光軸方向における基板の
位置に応じて変化する。即ち、パターン１００は楔形状
のパターン１０１を平行に並べて形成されているため、
ピッチは一定のままでデューティー比を変えたパターン
となる。このため、デューティー比はパターン１００の
像を転写して形成されるレジストパターンのパターン長
さに変換されることになる。従って、予め基板を様々な
位置に配置して転写したときのパターンの長さを予め計
測して初期データとして記憶しておき、この初期データ
と、実際に露光処理を行って計測されたパターンの長さ
とに基づいて投影光学系の焦点位置を求めることができ
る。

【０００５】次に、基板上に転写されたパターンの長さ
を計測する際の動作について説明する。図１３は、基板
上に転写されたパターンの長さを計測する際の動作を説
明するための図であって、（ａ）は計測時の上面図であ
り、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線の断面図であり、
（ｃ）は計測結果の一例を示す図である。図１３
（ａ）、（ｂ）において、１０２は露光処理を行って基
板１０５上に形成されたレジストパターンであり、１０
３は露光装置に設けられたアライメント光学系の検出光
を示している。レジストパターン１０２の計測を行うと
きには、検出光１０３又はレジストパターン１０２を符
号１０４が付された方向に移動させ、レジストパターン
１０２からの反射光又は散乱光を検出する。

【０００６】図１３（ｃ）に示したように、レジストパ
ターン１０２の線幅及び高さが共に増加するに伴い反射
光又は散乱光の光量も増加するため、検出信号１０６は
強くなる。よって、図１３（ｃ）に示したように、検出
信号１０６が増加し始める位置１０７と、検出信号が急
激に減少する位置１０８との距離１０９を求め、この距
離１０９と予め記憶している初期データとを比較するこ
とにより投影光学系の焦点位置が求められる。この技術
の詳細については、例えば特許第２５８０６６８号公報
及び特許２７１２３３０号公報の内容を参照されたい。

【０００７】次に、投影光学系の焦点位置を検出する第
２の検出方法について説明する。第２の検出方法は、投
影光学系を介して基板上に照射されるパターン像を直接
計測する、所謂空間像計測法と称されている計測方法を
用いた検出方法である。図１４は、空間像計測法を用い
て投影光学系の焦点位置を検出する方法を説明するため
の図であり、（ａ）は空間像計測法で用いられる開口板
１１０の上面図であり、（ｂ）は計測結果の一例を示す
図である。図１４（ａ）に示した開口板１１０には幅の
狭い開口１１１が形成されている。この開口板１１０
は、基板を移動させる基板ステージ上であって基板が載
置される位置の近傍に設けられ、その高さ位置は基板表
面とほぼ同じに設定されている。

【０００８】開口１１１の裏面には図示しない光電セン
サが設けられ、開口１１１を透過した光を受光する構成
となっている。この開口板１１０を用いて空間像を計測
するには、まず投影光学系を介して基板上に照射される
パターン像１１２が開口１１１の近傍に照射されるよう
基板ステージを移動させる。空間像計測法で用いるパタ
ーン像１１２は、その長手方向が開口１１１の長手方向
と同一の方向に設定され、一定の間隔をもって開口１１
１の幅方向に配列した所謂ライン・アンド・スペースの
像である。よって、パターン像１１２は、明部１１２ａ
と暗部１１２ｂとが交互に繰り返される像となる。

【０００９】基板ステージの移動が完了すると、このパ
ターン像１１２に対して開口１１１を符号１１３が付さ
れた方向へ一定速度で走査して開口１１１の位置と、開
口１１１の裏面に設けられた光電センサから出力される
強度信号との対応関係を求めることにより符号１１３が
付された方向におけるパターン像１１２の強度分布を求
める。図１４（ｂ）に示したように光電センサから出力
される強度信号は、パターン像１１２の明部１１２ａに
おいて強度が高くなり、暗部１１２ｂにおいて強度が低
くなる周期的に変化する信号となる。

【００１０】ここで、投影光学系の焦点位置に開口１１
１が配置されている場合には、開口１１１を通過する光
量が最大となり、開口１１１が投影光学系の焦点位置か
らずれていると、像が広がるため開口１１１を通過する
光量は少なくなり、よって強度は低下する。図１４
（ｂ）に示した光電センサから出力される強度信号の
内、０次の空間周波数成分と１次の周波数成分との振幅
比は、基板位置が投影光学系の焦点位置からずれること
により敏感に変化するので、強度信号から投影光学系の
焦点位置を検出することができる。このように空間像計
測法においては、基板の位置が投影光学系の焦点位置か
らずれると光電センサから出力されるコントラストが低
下することを利用して投影光学系の焦点位置を検出して
いる。

【００１１】次に、空間像計測法の変形例について説明
する。図１５は、空間像計測法の変形例を用いて投影光
学系の焦点位置を検出する方法を説明するための図であ
り、（ａ）は空間像計測法で用いられる開口板１１４の
上面図であり、（ｂ）は計測結果の一例を示す図であ
り、（ｃ）は（ｂ）に示した計測結果を微分処理した結
果を示す図である。図１５を用いて説明する空間像計測
法は、基本的には図１４を用いて説明した空間像計測法
と同じ原理を用いて計測を行うが、開口１１５が図１４
（ａ）に示した開口１１１に比べて、開口板１１４が走
査される方向１１３に幅広に形成されている点が異な
る。

【００１２】符号１１３が付された方向へ開口１１５の
走査を開始すると、開口１１５に含まれるパターン像１
１２の明部１１２ａの本数が段階的に増加するため、光
電センサの信号強度は図１５（ｂ）に示したように、段
階的に増加する。走査を進めると、開口１１５に含まれ
るパターン像１１２の明部１１２ａの本数は変化しない
ため信号強度は一定となる。更に開口１１５を走査する
と、開口１１５に含まれるパターン像１１２の明部１１
２ａの本数が段階的に減少するため、図１５（ｂ）に示
したように信号強度も段階的に減少する。このように開
口１１５が幅広に設定されているため、開口１１５に入
射するパターン像１１２の光量はいわば積分されたもの
として検出される。

【００１３】このように、図１５（ａ）に示した幅広の
開口１１５を用いた場合には、光電センサからは積分し
た信号が得られるため図１５（ｂ）に示した信号を開口
１１５の位置で微分することにより図１５（ｃ）の信号
を得る。図１５（ｃ）の信号は、図１４（ｂ）に示した
信号と同様の信号であるため、前述した方法、即ち投影
光学系の焦点位置からずれると光電センサから出力され
る強度信号のコントラストが低下することを利用して投
影光学系の焦点位置を検出することができる。尚、図１
４を用いて説明した空間像計測法は所謂スリット・スキ
ャン方式と称される技術であり、図１５を用いて説明し
た空間像計測法は所謂ナイフ・エッジ・スキャン方式と
称される技術である。これらの技術の詳細については、
例えば特開平８−８３７５３号公報及び特開平９−２８
３４２１号公報を参照されたい。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した投
影光学系の焦点位置を検出する第１の検出方法において
は、まず、投影光学系の焦点位置を検出するための専用
のレチクルを予め製作する必要がある。次にこのレチク
ルをレチクルホルダ上に載置するとともに感光剤を塗布
した基板を基板ステージ上に載置して、実際に投影光学
系の光軸方向における基板の位置を変えながらレチクル
に形成されたパターンの像を基板に設定された各ショッ
ト領域に転写する必要がある。そして、基板に形成され
たパターン長を検出光を用いて計測する必要がある。こ
のように、第１の検出方法は、投影光学系の焦点位置を
検出するために要する工程数が多く、検出に手間がかか
る上に時間を要するという問題がある。

【００１５】また、前述した投影光学系の焦点位置を検
出する第２の検出方法においては、ある間隔をもって形
成された明暗のコントラストを測定して投影光学系の焦
点位置を検出している。この検出方法を用いた場合に
は、一般的にレチクルパターン又はセンサパターンが細
いほど信号は敏感になり、且つ、実際の回路パターンと
同一の線幅であることが検出精度を向上させる上で望ま
しい。よって、レチクルパターンは通常投影光学系の解
像力に近い微細な大きさに設計される。具体的には、例
えば半導体集積回路用の露光装置ではレチクルパターン
の線幅は通常１μｍ以下であり、投影光学系が縮小型で
ある場合には基板上に転写されるパターンの像の幅は
０．２〜０．２５μｍ程度となり、このピッチをもって
明暗が繰り返される。

【００１６】よって、第２の検出方法においては０．２
〜０．２５μｍ程度の微細なピッチを有する明暗のコン
トラストに基づいて投影光学系の焦点位置か否かを判断
しなければならないが、ピッチが微細であり電気的な信
号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）が悪化するため、検出精度が悪
くなるという問題があった。また、計測再現性を向上さ
せるために計測を繰り返してその平均値を用いることも
考えられるが、時間が経つと装置のドリフト等が影響し
て計測再現性の向上を図ることはできない。

【００１７】本発明はこのような従来技術の問題点に鑑
みてなされたものであり、投影光学系の焦点位置を迅速
かつ高い精度で検出できるようにすることを目的とす
る。また、高品質で高性能なマイクロデバイス等を製造
できるようにすることも目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】以下、この項に示す例で
は、理解の容易化のため、本発明の各構成要件に実施形
態の図に示す代表的な参照符号を付して説明するが、本
発明の構成又は各構成要件は、これら参照符号によって
拘束されるものに限定されない。

【００１９】上記課題を解決するための本発明の焦点検
出方法は、投影光学系（ＰＬ）の物体面側に配置される
少なくとも１つのスリットを含むパターン（ＲＰ）を照
明し、該投影光学系の像面側に配置された所定形状の受
光部（Ｓ１）を有する光電検出装置（１４，１９）によ
り該パターンの空間像の強度分布を計測して該投影光学
系の焦点位置を求める焦点検出方法において、前記パタ
ーンと前記受光部とを前記投影光学系の光軸に沿う第１
方向（Ｚ）に対して直交する面内で前記パターンの前記
スリットの長手方向に沿う第２方向（ＳＤ）に相対走査
することを特徴とする。

【００２０】上記課題を解決するための本発明の焦点検
出装置は、投影光学系（ＰＬ）の物体面側に配置される
少なくとも１つのスリットを含むパターン（ＲＰ）と、
前記パターンを照明する照明光学系（１〜６）と、前記
投影光学系の像面側に配置された所定形状の受光部（Ｓ
１）を有する光電検出装置（１４，１９）と、前記受光
部が設けられ、前記投影光学系の光軸に沿う第１方向
（Ｚ）及び該第１方向に直交する面内で前記パターンの
前記スリットの長手方向に沿う第２方向（ＳＤ）に駆動
されるステージ（１０）と、前記受光部を前記パターン
に対して前記第２方向に相対走査するように前記ステー
ジの駆動を制御するとともに、前記光電検出装置により
計測された前記パターンの空間像の強度分布に基づい
て、前記投影光学系の焦点位置を求める制御装置（２２
〜２４）とを備えたことを特徴とする。

【００２１】本発明の焦点検出方法又は焦点検出装置に
よると、パターンと受光部とを投影光学系の光軸に沿う
第１方向に対して直交する面内でパターンのスリットの
長手方向に沿う第２方向に相対走査している。よってパ
ターンのスリットの長手方向に対して直交する方向に走
査方向が設定された従来の技術に比べ、ピッチが微細で
あり電気的な信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）が悪化して計測
精度が悪くなるという問題がなくなり、高い精度で投影
光学系の焦点位置を検出することができる。

【００２２】また、従来は複数回行った計測結果の平均
値を求めて計測再現性を図ろうとした場合に、時間が経
つと装置のドリフト等が影響するため結局のところ計測
再現性の向上を図ることはできなかった。しかしなが
ら、本発明によれば一度の計測によって高い精度で投影
光学系の焦点位置を検出することができるため、計測再
現性を向上させる目的で行われる複数回の計測が不要と
なるとともに、投影光学系を介して像を計測するだけで
投影光学系の焦点位置を検出することができるので、検
出に要する手間を省略することができるとともに、計測
に要する時間を短縮することができる。

【００２３】ここで、前記パターン（ＲＰ）は複数のス
リットを周期的に配列して構成されることが好ましく、
前記制御装置（２２〜２４）は、前記受光部（Ｓ１）の
前記第１方向（Ｚ）の位置を所定の位置決めピッチで段
階的に変更しつつ、それぞれの計測位置（ｚ_１〜ｚ_５）
で前記パターンの空間像の強度分布を計測することが好
適である。

【００２４】また、前記制御装置（２２〜２４）は、前
記複数の計測位置（ｚ_１〜ｚ_５）でそれぞれ計測された
前記パターン（ＲＰ）の空間像の強度分布信号を所定の
しきい値（ｔｒ１）に従って切り出した像長さ（Ｌ１〜
Ｌ４）に基づいて、前記焦点位置を求めるようにでき、
この場合において、前記制御装置（２２〜２４）は、前
記投影光学系（ＰＬ）を介して露光される基板（Ｗ）上
の感光層（３０）の厚さに相当する幅内に少なくとも２
つの計測位置（ｚ_２〜ｚ_４）が含まれるようなピッチ
で、前記受光部（Ｓ１）が位置決めされるよう前記ステ
ージ（１０）の駆動を制御することが好ましい。前記制
御装置（２２〜２４）は、前記複数の計測位置（ｚ_１〜
ｚ_５）についての前記像長さの前後する少なくとも２つ
の移動平均に基づいて前記焦点位置を求めることが好適
である。

【００２５】上記目的を達成するための本発明の露光方
法は、マスク（Ｒ）に形成されたパターン（ＣＰ）の像
を投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板（Ｗ）に投影露
光する露光方法において、上記本発明の焦点検出方法を
用いて前記投影光学系の焦点位置を検出し、該検出結果
に基づいて前記感光基板の該投影光学系の光軸方向（Ａ
Ｘ）の位置を調整して露光することを特徴とする。

【００２６】上記目的を達成するための本発明の露光装
置は、マスク（Ｒ）に形成されたパターン（ＣＰ）の像
を投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板（Ｗ）に投影露
光する露光装置において、上記本発明の焦点検出装置を
備えたことを特徴とする。

【００２７】本発明の露光方法又は露光装置によると、
投影光学系の焦点位置を迅速かつ高い精度で検出するこ
とができるので、高精度なパターンを迅速に形成するこ
とができるようになる。従って、高品質で高性能なマイ
クロデバイス等を高いスループットで製造できるように
なる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を図面を参照して詳細に説明する。本実施形態
は、投影光学系を介して感光基板上に投影されるパター
ン像を検出する空間像計測法を応用したものである。空
間像計測において用いられる機能は主として（１）ベス
トフォーカス検出機能、（２）像位置検出機能、（３）
ベースライン検出機能の３つがある。これらの内、
（１）ベストフォーカス検出機能は、（ａ）投影光学系
の焦点位置や像面の検出、及び（ｂ）球面収差の測定の
ために用いられる。また、（２）像位置検出機能は、
（ｃ）投影光学系の倍率やディストーションの測定、
（ｄ）投影光学系のコマ収差測定、及び（ｅ）投影光学
系のテレセントリシティ測定のために用いられる。本実
施形態は、これらの各機能の内、ベストフォーカス検出
法を応用したものである。

【００２９】図１は、本発明の実施形態に係る露光装置
の概略構成を示す図である。本実施形態においてはステ
ップ・アンド・リピート方式の露光装置を用いた場合を
例に挙げて説明する。尚、以下の説明においては、図１
中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直
交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明す
る。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＺ軸が紙面に対して
平行となるよう設定され、Ｙ軸が紙面に対して垂直とな
る方向に設定されている。図中のＸＹＺ直交座標系は、
実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸
が鉛直上方向に設定される。

【００３０】図１において照明光源１は後述する主制御
系２３から照明光射出を指示する制御信号が出力された
場合には、ほぼ均一の照度を有する照明光ＩＬを射出す
る。上記照明光ＩＬとしては、例えばｇ線（４３６ｎ
ｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（２
４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ
_２エキシマレーザ（１５７ｎｍ）が用いられる。照明光
源１から射出された照明光ＩＬは、オプティカルインテ
グレータ（フライアイレンズ）２、開口絞り（σ絞り）
３、及びコンデンサレンズ４を順に経由して光路折り曲
げ用のダイクロイックミラー５に入射する。

【００３１】ダイクロイックミラー５でほぼ直角に折り
曲げられた照明光ＩＬは、照明光ＩＬがレチクルＲを照
明する領域を規定するために設けられたレチクルブライ
ンド６を介して回路パターンＣＰが描かれたパターン領
域ＰＤをほぼ均一の照度で照明し、露光処理時にはレチ
クルＲ上の回路パターンＣＰの像が投影光学系ＰＬを介
してウェハＷ上に投影される。上記レチクルＲは投影光
学系ＰＬの物体面側に配置され、ウェハＷは像面側に配
置される。

【００３２】尚、図１においては焦点位置検出時の状態
を図示しており、レチクルブラインド６の開口は照明光
ＩＬがレチクルＲに形成されたパターン領域ＰＤを照明
せずに焦点位置検出用としてレチクルＲに形成されたレ
チクルパターンＲＰを照明するよう設定されており、ウ
ェハＷは露光位置には配置されていない。また、上記の
レチクルブラインド６によって照明光ＩＬを遮光する領
域は主制御系２３によって制御される。

【００３３】図２は、本実施形態で用いられるレチクル
Ｒの一例を示す上面図である。図２に示したように、レ
チクルＲには上記のパターン領域ＰＤの傍らに投影光学
系の焦点位置を検出するためのレチクルパターンＲＰが
形成されている。レチクルＲは、一般的には０．０９イ
ンチ（約２．３ｍｍ）、０．１２インチ（約３ｍｍ）、
０．１８インチ（約４．６ｍｍ）、又は０．２５インチ
（約６．４ｍｍ）厚の石英基板上にクロム（Ｃｒ）を蒸
着したクロムレチクル（又はマスクブランクス）に対し
て、エッチング等の処理を施して形成される。石英基板
上に蒸着されたＣｒの膜厚は０．１μｍ程度である。ま
た、図２に示したようにレチクルパターンＲＰは、長手
方向が図中Ｘ軸方向に設定されたスリットをＹ軸方向に
周期的に配列して構成されるものであり、このスリット
のＹ軸方向の幅は約０．２μｍ程度である。

【００３４】このレチクルＲは図１に示したようにレチ
クルホルダ７上に保持される。レチクルホルダ７はベー
ス８上のＸＹ平面内で移動及び微小回転ができるように
支持されている。装置全体の動作を制御する主制御系２
３が、ベース８上の駆動装置９を介してレチクルホルダ
７の動作を制御して、レチクルＲの位置を設定する。ま
た、レチクルホルダ７のＸ軸方向、及びＹ軸方向の位置
は、レチクルホルダ７の周辺に配置されたレーザ干渉計
（不図示）により例えば０．０１μｍ程度の分解能で常
時検出されている。

【００３５】照明光ＩＬが照明光源１から射出された場
合には、レチクルＲのパターン領域ＰＤに形成された回
路パターンＣＰ又はレチクルパターンＲＰの像が投影光
学系ＰＬを介してウェハＷ上に投影される。露光処理を
行う場合にはレチクルＲのパターン領域ＰＤに形成され
た回路パターンＣＰの像がウェハＷ上に設定されたショ
ット領域の内、投影光学系ＰＬの露光中心に位置決めさ
れたショット上に投影される。尚、図１では、レチクル
パターンＲＰの像が投影光学系ＰＬを介して投影される
様子を図示している。投影光学系ＰＬは複数のレンズ等
の光学素子を有し、その光学素子の硝材としては照明光
ＩＬの波長に応じて石英、蛍石等の光学材料から選択さ
れる。

【００３６】ウェハＷはウェハステージ１０上のウェハ
ホルダ１１に真空吸着により保持され、ウェハステージ
１０は駆動モータ１２により、投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘに垂直な平面（ＸＹ平面）内を移動できるようになっ
ている。このウェハステージ１０をステップ・アンド・
リピート方式により移動させて、レチクルＲの回路パタ
ーンＣＰをウェハＷ上に設定された各ショット領域に転
写する。

【００３７】また、ウェハステージ１０は投影光学系Ｐ
Ｌの光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）に移動可能なＺステージ
を有し、このＺステージによりウェハＷの表面が投影光
学系ＰＬの像面と一致するように移動することができ
る。このＺステージは、ウェハＷをＸＹ平面内で微小回
転させるとともに、Ｚ軸に対する角度を変化させてＸＹ
平面に対するウェハＷの傾きを調整する機能も有してい
る。ウェハステージ１０は定盤１３上に、ＸＹ平面内で
移動自在に載置されている。定盤１３は大地に対して固
定され、いわばウェハステージＷの土台となるものであ
る。

【００３８】また、ウェハステージ１０のＺステージ上
のウェハホルダ１１に近接した位置には、レチクルパタ
ーンＲＰを透過した後、投影光学系ＰＬを介してレチク
ルパターンＲＰの像を形成する結像光を受光するための
スリットが形成された開口板１４が設置され、開口板１
４を透過する結像光を集光するための集光レンズ１５が
開口板１４の下部に配置されている。開口板１４のＺ軸
方向の位置はウェハＷ上に塗布されるフォトレジスト表
面位置と同程度の高さに設定される。

【００３９】集光レンズ１５の下部には集光レンズ１５
で集光した結像光を偏向させて開口部１６からウェハス
テージ１０の外部に導くための反射ミラー１７が配置さ
れている。更に、反射ミラー１７と開口部１６との延長
線上には、反射ミラー１８が設けられ、開口部１６を通
過してくる結像光を偏向させる。反射ミラー１８で反射
された結像光は、定盤１３に対して固定配置された光電
子増倍管１９へ入射し、光電子増倍管１９により結像光
の強度を示す強度信号に変換される。光電子増倍管１９
から出力される強度信号は焦点位置検出系２４に入力さ
れる。

【００４０】尚、開口板１４を通過した結像光が光電子
増倍管１９へ至るまでの光路には、迷光が混入しないよ
う遮光部材が設けられている。図１に示した例では、反
射ミラー１７，１８を用いて集光レンズ１５で集光され
た結像光を光電子増倍管１９へ導くようにしているが、
集光レンズ１５で集光された結像光を光ファイバで光電
子増倍管１９に導く構成としてもよい。また、このよう
な光電子増倍管１９に代えて、ＣＣＤ等の撮像素子を用
いることができる。この場合において、かかる撮像素子
は開口板１４の直下に設けることもできる。

【００４１】ここで、上記の開口板１４について説明す
る。図３に示すように、開口板１４には長手方向がＹ軸
と平行な方向に設定されたスリットＳ１と、長手方向が
Ｘ軸と平行な方向に設定されたスリットＳ２とが形成さ
れている。尚、図示は省略しているが、開口板１４と集
光レンズ１５との間にはスリットＳ１及びスリットＳ２
の何れか一方若しくは両方を遮蔽するための遮蔽板が設
けられている。図３に示すように長手方向が互いに直交
するスリットＳ１，Ｓ２が形成されている理由は、図２
においては図示を省略しているが、長手方向がＹ軸方向
に設定されたレチクルパターンがレチクルＲに形成され
ている場合にも高い精度で、且つ計測再現性が良く投影
光学系の焦点位置の検出を可能とするためである。

【００４２】ここで、スリットＳ１の幅の設定方法につ
いて説明する。いま、開口板１４に形成されているスリ
ットＳ１の幅をＤとし、Ｘ軸方向のスリットＳ１の形状
を以下の（１）式で表されるｐ（ｘ）で定義する。

【００４３】

【数１】

【００４４】スリットＳ１をその幅方向、即ちＸ軸方向
に走査したとき、空間像はスリットＳ１の走査方向の幅
の２倍（２Ｄ）の影響で平均化される。ここで、投影光
学系ＰＬを介して開口板１４上に投影される空間像の強
度分布を示す式をｉ（ｘ）とし、空間像計測を行って得
られる強度信号を示す式をｍ（ｘ）とすると、これらの
関係は以下の（２）式で表される。

【００４５】

【数２】

【００４６】但し、空間像の強度分布を示す式ｉ（ｘ）
及び強度信号を示す式ｍ（ｘ）の単位は単位長さ当たり
の強度とする。上記（２）式から分かるように、観測さ
れる強度信号ｍ（ｘ）はスリットＳ１の形状を示す式ｐ
（ｘ）と空間像の強度分布を示す式ｉ（ｘ）とのコンボ
リューションとなる。従って、計測精度を向上させるた
めには、スリットＳ１の幅Ｄは小さい程よいが、シミュ
レーション及び実験を行った結果、スリット幅は以下の
（３）式で表される値κ以下であれば実用的である。

【００４７】

【数３】

【００４８】上記（３）式において、λは空間像計測を
行う際に用いる照明光ＩＬの波長であり、Ｎ．Ａ．は投
影光学系ＰＬの開口数である。スリットＳ１は、（３）
式で表される値κ以下であれば実用的であるが、（３）
式で表される値κの８０％以下であることが好ましい。
スリットＳ１の幅、照明光の波長、及び投影光学系の開
口数の関係の一例を以下の表１に示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】表１に示したように、照明光ＩＬの波長と
投影光学系ＰＬの開口数Ｎ．Ａ．によって実用的な計測
精度が得られるスリットＳ１の幅（表１においてκ×
０．８の値）は異なるが、スリットＳ１の幅を概ね３０
０ｎｍ以下とすることが最適である。この程度の幅を有
するスリットは、市販されているクロムレチクル（又は
マスクブランクス）を用いて製作することが可能であ
る。以上、スリットＳ１の幅を規定する方法について説
明したが、これはスリットＳ２の幅を規定する場合にも
同様に用いられる。尚、開口板１４に形成されたスリッ
トＳ１，Ｓ２は光電子像倍管１９の受光部とみなせるも
のである。

【００５１】図１に戻り、ウェハステージ１０の上面の
一端にはＬ字型の移動鏡２０が取り付けられ、移動鏡２
０の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計２１が配置され
ている。図１では図示を簡略化しているが、移動鏡２０
はＸ軸に垂直な鏡面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な鏡
面を有する平面鏡から構成されている。また、レーザ干
渉計２１は、Ｘ軸に沿って移動鏡２０にレーザビームを
照射する２個のＸ軸用のレーザ干渉計及びＹ軸に沿って
移動鏡２０にレーザビームを照射するＹ軸用のレーザ干
渉計より構成され、Ｘ軸用の１個のレーザ干渉計及びＹ
軸用の１個のレーザ干渉計により、ウェハステージ１０
のＸ座標及びＹ座標が計測される。また、Ｘ軸用の２個
のレーザ干渉計の計測値の差により、ウェハステージ１
０のＸＹ平面内における回転角が計測される。

【００５２】レーザ干渉計２１により計測されたＸ座
標、Ｙ座標、及び回転角の情報はステージコントローラ
２２に供給される。これらの情報は位置情報としてステ
ージコントローラ２２から主制御系２３及び焦点位置検
出系２４へ出力される、主制御系２３は、供給された位
置情報をモニターしつつステージコントローラ２２に制
御信号を出力し、駆動モータ１２を介してウェハステー
ジ１０の位置決め動作を制御する。尚、図１には示して
いないが、レチクルホルダ７にもウェハステージ１０に
設けられた移動鏡２０及びレーザ干渉計２１と同様のも
のが設けられており、レチクルホルダ７のＸＹＺ位置等
の情報が主制御系２３に入力される。

【００５３】また、ウェハＷ（又は開口板１４）のＺ軸
方向の位置は、投光系２５及び受光系２６よりなる、所
謂斜入射方式の焦点位置検出系（以下、投光系２５と受
光系２６とを併せて「斜入射光学系２５，２６」とも呼
ぶ）で測定される。投光系２５から射出される光線は、
ウェハＷ上のフォトレジストを感光させない波長帯であ
り、ピンホール又はスリット像を光軸ＡＸに対して斜め
にウェハＷ上に投影する。

【００５４】受光系２６は、ウェハＷの表面が投影光学
系の像面と一致するとき、ウェハＷからの反射像の位置
が受光系２６内部のピンホール又はスリットと一致する
ように設計されている。ウェハＷのＺ軸方向の位置に対
応する受光系２６からの信号Ｉ_Ｚは、ステージコントロ
ーラ２２に送られ、ステージコントローラ２２はその信
号Ｉ_Ｚに基づいて、ウェハＷの表面が像面と一致するよ
うにＺステージを制御する。更に、受光系２６の内部に
は光線をシフトさせるための平行平面板（不図示）があ
り、投影光学系ＰＬの像面変動があっても、ウェハＷか
らの反射光が常に受光系２６の像面でピンホール又はス
リットと一致するように、この平行平面板の角度を調節
する構造となっている。この斜入射光学系２５，２６
は、Ｚ軸方向の検出用センサの一例を示したもので、そ
の他同様の機能を持つものとして、例えばスリット像の
反射光の位置をラインセンサで検知する方式等があり、
それらの方式により測定してもよい。

【００５５】また、信号Ｉ_Ｚは焦点位置検出系２４にも
送られており、焦点位置検出系２４は光電子増倍管１９
から出力される強度信号と併せて投影光学系ＰＬの焦点
位置を検出する。焦点位置検出系２４から出力される検
出信号は主制御系２３へ出力され、主制御系２３は、入
力される検出信号に基づいてステージコントローラ２２
へ制御信号を出力し駆動モータ１２を介してウェハステ
ージ１０のＺ軸方向の位置を調整し、ウェハＷの表面の
位置を投影光学系ＰＬの焦点位置に合わせる処理を行
う。

【００５６】更に、本実施形態の露光装置は、投影光学
系ＰＬの側方にオフ・アクシスのアライメントセンサ２
７を有している。このアライメントセンサ２７は、ＦＩ
Ａ（Field Image Alignment）方式のアライメントセン
サであり、ウェハＷ上に設定されたショット領域に対応
して形成されたアライメントマーク（不図示）の位置情
報を計測する。アライメントセンサ２７は、ハロゲンラ
ンプを光源として備え、ハロゲンランプから射出される
光を検出光としてウェハＷ上に照射する。光源としてハ
ロゲンランプを用いるのは、ハロゲンランプの射出光の
波長域は５００〜８００ｎｍであり、ウェハＷ上面に塗
布されたフォトレジストを感光しない波長域であるた
め、及び波長帯域が広く、ウェハＷ表面における反射率
の波長特性の影響を軽減することができるためである。

【００５７】このアライメントセンサ２７は、検出光を
ウェハＷ上に照射して得られる反射光又は回折光をＣＣ
Ｄ（Charge Coupled Device）等の撮像素子で撮像し、
画像解析を行ってアライメントマークの位置情報を計測
する。アライメントセンサ２７によって計測されたアラ
イメントマークの位置情報は主制御系２３へ出力され
る。主制御系２３はアライメントセンサ２７から入力さ
れるアライメントマークの位置情報及び予め記憶してい
る各ショット領域の位置情報等が含まれるプロセスデー
タに基づいて、ステージコントローラ２２へ制御信号を
出力し、駆動モータ１２を介して露光対象となるショッ
ト領域が投影光学系ＰＬの露光中心に配置されるように
ウェハステージ１０の動作を制御する。

【００５８】次に、投影光学系ＰＬの焦点位置の検出機
構について詳細に説明する。図４は、開口板１４の上面
図及び開口板１４に照射されるレチクルパターンＲＰの
像を示す図である。図４に示すように、レチクルパター
ンＲＰの像ＩＭは、Ｘ軸方向に長手方向が設定され、Ｙ
軸方向に等間隔でスリット状の明部ｉｍ１〜ｉｍ５が配
列されたライン・アンド・スペースパターンの像であ
る。図４に示した例では、スリット状の明部ｉｍ１〜ｉ
ｍ５の長手方向がＸ軸方向に設定されているが、この場
合にはＹ軸方向に長手方向が設定されているスリットＳ
１を用いて走査を行い、投影光学系ＰＬの焦点位置の検
出が行われる。スリットＳ１の走査方向ＳＤは、スリッ
ト状の明部ｉｍ１〜ｉｍ５の長手方向と平行に設定され
た方向である。

【００５９】このように、本実施形態における投影光学
系の焦点位置の検出方法は、スリット状の明部ｉｍ１〜
ｉｍ５の長手方向に対して直交する方向にその長手方向
が設定されたスリットＳ１を、スリット状の明部ｉｍ１
〜ｉｍ５の長手方向に走査しつつレチクルパターンＲＰ
の像ＩＭを計測することを特徴としている。尚、図４に
示した像ＩＭは、図２に示したレチクルパターンＲＰを
照明光ＩＬで照明したときに得られる像を示しているた
め、５本のスリット状の明部ｉｍ１〜ｉｍ５を有してい
るが、その本数は１以上の任意の数に設定することが可
能である。

【００６０】スリットＳ１を走査方向ＳＤに走査する
と、スリットＳ１を通過したレチクルパターンＲＰの像
ＩＭは集光レンズ１５によって集光され、反射ミラー１
７，１８を順に介して光電子増倍管１９により受光され
る。光電子増倍管１９から出力される強度信号は、受光
系２６の出力信号Ｉ_Ｚとともに図１の焦点位置検出系２
４に送られ、焦点位置検出系２４の内部で演算処理され
る。そしてこの演算処理の結果に基づき焦点位置が検出
される。

【００６１】次に、本実施形態の露光装置における処理
（動作）を図５に示すフローチャートを参照して説明す
る。尚、以下の説明においては、開口板１４に形成され
たスリットＳ１を用いてＸ軸方向（走査方向ＳＤ）へ走
査してレチクルパターンＲＰの像を計測する場合につい
て説明するが、スリットＳ２を用いて計測する場合に
は、図４に示した像ＩＭをＸＹ平面内において９０度回
転した像を用いてスリットＳ２をＹ軸方向に走査する以
外は以下の説明と同様の処理を行って計測することがで
きる。

【００６２】投影光学系ＰＬの焦点位置を検出するに
は、まず、主制御系２３がステージコントローラ２２へ
制御信号を出力し、駆動モータ１２を介してウェハステ
ージ１０を移動させ、スリットＳ１を計測開始点に移動
させる（ステップＳ１０）。このとき、ウェハステージ
１０のＸ軸方向及びＹ軸方向の位置を計測するレーザ干
渉計２１とＺ軸方向の位置を計測する受光系２６とを用
い、照射されるレチクルパターンＲＰの像ＩＭの近傍に
スリットＳ１が配置され、且つウェハＷ上に塗布された
フォトレジストの上部近傍に投影光学系の焦点位置が配
置されると予想される位置（計測開始点）にスリットＳ
１のＺ軸方向の位置を設定する。

【００６３】尚、Ｚ軸方向の計測を行う斜入射光学系２
５，２６は投影光学系ＰＬの光軸中心を検出しているた
め、開口板１４がＸＹ平面に対して平行でない場合、開
口板１４に形成されたスリットＳ１の位置とＺ軸方向の
斜入射光学系２５，２６の検出点における位置との高さ
が異なってしまうため、予めその２点間のＺ軸方向の位
置の差分を斜入射光学系２５，２６で測定しておき、焦
点位置計測の結果からその差分を考慮して結果を求め
る。

【００６４】ここで、スリットＳ１のＺ軸方向の位置の
設定について説明する。図６は、スリットＳ１のＺ軸方
向の位置を設定する方法を説明するための図である。前
述したように開口板１４のＺ軸方向の位置は、ウェハＷ
上に塗布されたレジスト３０との表面位置とほぼ同一に
設定されている。通常、レチクルＲに形成された回路パ
ターンＣＰをウェハＷ上に転写するには、投影光学系Ｐ
Ｌの焦点位置をウェハＷの表面位置に設定するのが好ま
しい。

【００６５】投影光学系ＰＬの焦点位置を検出するため
には、後述するように開口板１４のＺ軸方向の位置を変
化させてレチクルパターンＲＰの像ＩＭを計測している
が、Ｚ軸方向の位置を変化させる幅は少なくともレジス
ト３０の厚み程度とする必要がある。ここで、フォトレ
ジスト３０の厚みは例えば約０．３μｍ程度である。そ
こで、本実施形態においては、計測範囲がフォトレジス
ト３０の厚み以上に設定されている。図６に示した例で
は、５つの計測位置ｚ_１〜ｚ_５が設定され、これらの計
測位置の内、３つの計測位置ｚ_２〜ｚ_４がフォトレジス
ト３０の厚み内に設定されている。尚、前述した計測開
始点は図６中の計測位置ｚ_１に設定される。

【００６６】図５に戻り、スリットＳ１の計測開始点へ
の移動が完了すると、主制御系２３はレチクルブライン
ド６を制御してレチクルＲに形成されたパターン領域Ｐ
Ｄに照明光ＩＬが照射されず、レチクルパターンＲＰの
みに照明光ＩＬが照射されるよう設定する。レチクルブ
ラインド６に対する制御が終了すると、主制御系２３は
照明光源１に対して制御信号を出力して照明光ＩＬを射
出させてレチクルＲに形成されたレチクルパターンＲＰ
に対して照明光ＩＬを照射させる（ステップＳ１１）。
レチクルパターンＲＰに照明光ＩＬが照射されると、レ
チクルパターンＲＰの像ＩＭが生成され、この像ＩＭは
投影光学系ＰＬを介して計測開始点に配置されたスリッ
トＳ１の近傍に照射される。

【００６７】レチクルパターンＲＰが照射されている状
態で、主制御系２３はステージコントローラ２２に対し
て制御信号を出力し、駆動モータ１２を介してウェハス
テージ１０をＸ軸方向に一定速度で移動させ、スリット
Ｓ１をＸ軸方向（走査方向ＳＤ）に走査させる。スリッ
トＳ１を走査している間、焦点位置検出系２４はステー
ジコントローラ２２を介して入力される位置情報に対応
させて光電子増倍管１９から出力される強度信号を記憶
する。

【００６８】次に、スリットＳ１の走査が終了したか否
かが判断される（ステップＳ１３）。ここで、走査が終
了したか否かは、少なくとも図４に示したレチクルパタ
ーンＲＰの像ＩＭの一方の端部ｅ１及び他方の端部ｅ２
をスリットＳ１が通過したか否かによって判断される。
走査が終了していないと判断された場合（ステップＳ１
３の判断結果が「ＮＯ」である場合）には、ステップＳ
１２に示した処理が繰り返される。一方、走査が終了し
たと判断された場合（ステップＳ１３の判断結果が「Ｙ
ＥＳ」である場合）には、Ｚ軸方向の計測範囲について
計測を終了したか否かが判断される（ステップＳ１
４）。ここで、Ｚ軸方向の計測範囲について計測を終了
したか否かは、図６に示した計測位置ｚ_１〜ｚ_５全てに
対してスリットＳ１のＺ軸方向の位置を設定したか否か
により判断される。

【００６９】Ｚ軸方向の計測範囲について計測を終了し
ていないと判断された場合（ステップＳ１４の判断結果
が「ＮＯ」である場合）には、主制御系２３がステージ
コントローラ２２に対して制御信号を出力し、駆動モー
タ１２を介してウェハステージ１０が備えるＺ軸ステー
ジを移動してスリットＳ１のＺ軸方向の位置を変更する
（ステップＳ１５）。例えば、以前設定されていた計測
位置が計測位置ｚ_１である場合には、計測位置ｚ_２に変
更される。スリットＳ１のＺ軸方向の位置が変更される
と、ステップＳ１２の処理へ戻り、前述した処理、即ち
スリットＳ１を走査しつつレチクルパターンの像の強度
分布を計測する処理が繰り返し行われる。一方、ステッ
プＳ１４において、Ｚ軸方向の計測範囲について計測を
終了したと判断された場合（ステップＳ１４の判断結果
が「ＹＥＳ」である場合）には、主制御系２３が照明光
源１に対して制御信号を出力し、照明光ＩＬの射出を停
止させる（ステップＳ１６）。

【００７０】以上の処理が終了すると、焦点位置検出系
２４は位置情報に対応させて記憶している光電子増倍管
１９の強度信号からレチクルパターンＲＰの像ＩＭの像
長さを算出する処理を行う（ステップＳ１７）。この処
理は計測位置ｚ_１〜ｚ_５各々において計測された強度信
号全てに対して行われる。図７及び図８は、レチクルパ
ターンＲＰの像ＩＭの像長さを算出する方法を説明する
ための図である。尚、図７（ａ）はスリットＳ１が投影
光学系ＰＬの焦点位置に近い位置に配置されたときの像
ＩＭの形状を示す図であり、図７（ｂ）はその強度分布
を示す図である。また、図８（ａ）はスリットＳ１が投
影光学系ＰＬの焦点位置からずれた位置に配置されたと
きの像ＩＭの形状を示す図であり、図８（ｂ）はその強
度分布を示す図である。

【００７１】図７（ａ）に示したように、投影光学系Ｐ
Ｌの焦点位置に近い位置にスリットＳ１が配置されてい
る場合には、矩形形状に形成されたレチクルパターンＲ
Ｐのスリットと同様に、レチクルパターンＲＰの像ＩＭ
に含まれる明部ｉｍ１〜ｉｍ５各々の形状はほぼ矩形形
状となる。また、図７（ｂ）に示されるように、その強
度はレチクルパターンＲＰの像ＩＭの一方の端部ｅ１及
び他方の端部ｅ２において急峻に変化し、端部ｅ１と端
部ｅ２との間では高い強度を有する強度分布となる。一
方、図８（ａ）に示したように、投影光学系ＰＬの焦点
位置からずれた位置にスリットＳ１が配置されている場
合には、レチクルパターンＲＰの像ＩＭに含まれる明部
ｉｍ１〜ｉｍ５各々の形状が鈍るとともに、走査方向Ｓ
Ｄの長さが短くなる。また、図８（ｂ）に示されるよう
に、その強度はレチクルパターンＲＰの像ＩＭの全体に
亘って緩やかに変化し、図７（ｂ）に示した強度分布よ
りも全体的に低下した強度分布となる。

【００７２】つまり、本実施形態では投影光学系ＰＬの
焦点位置からスリットＳ１のＺ軸方向の位置がずれるに
従い、スリットＳ１を走査して計測されるレチクルパタ
ーンＲＰの像ＩＭの強度分布が全体的に低下するととも
に、その変化の割合が像ＩＭの端部において緩やかにな
ることを利用して、レチクルパターンＲＰの像ＩＭの像
長さを求めて投影光学系ＰＬの焦点位置を検出してい
る。

【００７３】ここで、投影光学系ＰＬの焦点位置からス
リットＳ１のＺ軸方向の位置がずれるに従い、像ＩＭの
端部において緩やかに変化する特性になることを利用
し、像ＩＭの像長さを求めるに際し、あるしきい値を設
定し、強度分布がこのしきい値を越える部分を像長さと
している。図７（ｂ）、図８（ｂ）においては、しきい
値ｔｒ１が設定され、このしきい値ｔｒ１を越える部分
が像長さＬ１及びＬ２としてそれぞれ求められる。この
ようにしきい値を設定することで、スリットＳ１の位置
が投影光学系ＰＬの焦点位置から僅かにずれても像長さ
の変化する割合が高くなるため高い精度で投影光学系Ｐ
Ｌの焦点位置を検出することができる。

【００７４】以上説明した方法に従って各計測位置ｚ_１
〜ｚ_５において計測された強度分布から像長さを算出す
る。そして最後に図５に示したフローにおいて、最も長
い像長さが得られた計測位置を投影光学系ＰＬの焦点位
置とする（ステップＳ１８）。以上の処理によって投影
光学系ＰＬの焦点位置が高い精度で検出される。尚、上
述のステップＳ１７のレチクルパターンＲＰの像ＩＭの
像長さを求める処理においては、移動平均処理を行って
投影光学系ＰＬの焦点位置を求めるようにしてもよい。

【００７５】移動平均処理においては、例えば図６に示
した計測位置ｚ_１〜計測位置ｚ_３の強度分布を平均化し
てから像ＩＭの像長さを求めて計測位置ｚ_１における像
長さとし、計測位置ｚ_２〜計測位置ｚ_４の強度分布を平
均化してから像ＩＭの像長さを求めて計測位置ｚ_２にお
ける像長さとし、また計測位置ｚ_３〜計測位置ｚ_５の強
度分布を平均化してから像ＩＭの像長さを求めて計測位
置ｚ_３における像長さとするという具合に処理を行って
各計測位置における平均化された像長さを求める。尚、
ここで述べた例は連続する３つの計測位置における強度
分布を用いて移動平均する場合であったが、移動平均処
理を行うには少なくとも２つの計測位置における強度分
布に基づいて行うことが可能である。

【００７６】レチクルＲのパターン領域ＰＤに形成され
た回路パターンＣＰの像をウェハＷ上に設定されたショ
ット領域に転写する場合には、以上説明した処理を行っ
て求められた焦点位置にウェハＷの表面が来るように主
制御系２３がステージコントローラ２２に制御信号を出
力し、駆動モータ１２を介してウェハステージ１０のＺ
ステージを移動させてウェハＷのＺ軸方向の位置を調整
する。この調整後、回路パターンＣＰの像をウェハＷ上
に設定されたショット領域に転写する。尚、フォトレジ
スト３０の厚み、特性等で計測された投影光学系ＰＬの
焦点位置に対して一定のオフセットが生じるときは、そ
のオフセットを乗せた位置にウェハＷの表面がくるよう
に制御する。

【００７７】次に、上述した実施形態の変形例について
説明する。図９及び図１０は、レチクルパターンの像Ｉ
Ｍ１の像長さを算出する方法の変形例を説明するための
図である。図９及び図１０を用いて説明する変形例が図
７及び図８を用いて説明したものと異なる点は、楔形状
のレチクルパターンを用いて投影光学系ＰＬの焦点位置
を検出する点である。図９及び図１０においては、楔形
状のレチクルパターンの像に対して符号ＩＭ１を付して
ある。

【００７８】尚、図９（ａ）はスリットＳ１が投影光学
系ＰＬの焦点位置に近い位置に配置されたときの像ＩＭ
１の形状を示す図であり、図９（ｂ）はその強度分布を
示す図である。また、図１０（ａ）はスリットＳ１が投
影光学系ＰＬの焦点位置からずれた位置に配置されたと
きの像ＩＭ１の形状を示す図であり、図１０（ｂ）はそ
の強度分布を示す図である。この変形例においては、基
本的には図７及び図８を用いて説明した焦点検出方法と
同一の手順、つまり図５に示したフローに従って投影光
学系ＰＬの焦点位置が検出される。

【００７９】図９（ａ）に示したように、レチクルパタ
ーンＩＭ１の像は走査方向ＳＤに長手方向が設定され、
走査方向ＳＤに直交する方向に等間隔で楔形状の明部ｉ
ｍ１１〜ｉｍ１５が配列された像である。図９（ａ）に
示した例では、明部ｉｍ１１〜ｉｍ１５の長手方向が走
査方向ＳＤに設定されているが、このときは走査方向Ｓ
Ｄに直交する方向に長手方向が設定されているスリット
Ｓ１を用いて走査を行い投影光学系の焦点位置の計測が
行われる。尚、変形例においても、明部ｉｍ１１〜ｉｍ
１５の本数は図示の５本に制限されず任意に設定するこ
とが可能である。また、図９（ａ）に示したレチクルパ
ターンＩＭ１を紙面内において９０度回転した配置とす
れば、スリットＳ２を走査方向ＳＤに対して直交する方
向に走査することにより高い精度で投影光学系ＰＬの焦
点位置を検出することができる。

【００８０】図９（ｂ）に示したように、投影光学系Ｐ
Ｌの焦点位置に近い位置にスリットＳ１が配置されてい
る場合には、楔形状に形成されたレチクルパターンの形
状と同様にレチクルパターンの像ＩＭ１に含まれる明部
ｉｍ１１〜ｉｍ１５各々の形状はほぼ楔形状となる。図
７（ａ）に示したように矩形形状の明部ｉｍ１〜ｉｍ５
を有するレチクルパターンの像ＩＭを走査すると、端部
ｅ１，ｅ２において急峻に変化し、端部ｅ１と端部ｅ２
との間では一定の強度を有する強度分布が得られた。図
９（ａ）に示したレチクルパターンの像ＩＭ１を走査す
ると、明部ｉｍ１１〜ｉｍ１５が照射されている部分と
照射されていない部分との比、つまりデューティー比が
スリットＳ１の位置に応じて変化する。即ち、レチクル
パターンの像ＩＭ１は楔形状の明部ｉｍ１１〜ｉｍ１５
を平行に並べて形成されているため、ピッチは一定のま
までデューティー比を変えた像である。

【００８１】従って、スリットＳ１が走査方向ＳＤに走
査を開始して端部ｅ５付近に至ると、走査が進むにつれ
てデューティー比が徐々に大となるため、強度はほぼ直
線的に増大し、スリットＳ１がレチクルパターンの像Ｉ
Ｍ１の中央部付近に至ると強度は最大値をとる。スリッ
トＳ１がレチクルパターンの像ＩＭ１の中央部付近を過
ぎると走査が進むにつれてデューティー比が徐々に小と
なるため、強度はほぼ直線的に減少し、スリットＳ１が
端部ｅ６を経過したあたりで強度は最小となる。

【００８２】一方、図１０（ａ）に示したように、投影
光学系ＰＬの焦点位置からずれた位置にスリットＳ１が
配置されている場合には、レチクルパターンの像ＩＭ１
に含まれる明部ｉｍ１１〜ｉｍ１５各々の形状が鈍ると
ともに、走査方向ＳＤの長さが短くなる。また、図１０
（ｂ）に示されるように、その強度はレチクルパターン
の像ＩＭ１の全体に亘って緩やかに変化し、図１０
（ｂ）に示した強度分布よりも全体的に低下した強度分
布となる。

【００８３】この変形例では、図９（ｂ）及び図１０
（ｂ）に示したようにあるしきい値ｔｒ２が設定され、
強度分布がこのしきい値ｔｒ２をこえる部分が像長さＬ
１及びＬ２としてそれぞれ求められる。このようにしき
い値を設定することで、スリットＳ１の位置が投影光学
系ＰＬの焦点位置から僅かにずれても像長さの変化する
割合が高くなるため高い精度で投影光学系ＰＬの焦点位
置を検出することができる。

【００８４】本例においても、以上説明した方法に従っ
て図６に示した各計測位置ｚ_１〜ｚ _５において計測され
た強度分布から像長さを算出する。そして最後に図５に
示したフローのステップＳ１８において、最も長い像長
さが得られた計測位置を投影光学系ＰＬの焦点位置とす
る。以上の処理によって投影光学系ＰＬの焦点位置が高
い精度で検出される。また、レチクルパターンの像ＩＭ
１の像長さを求める処理においては、移動平均処理を行
って投影光学系ＰＬの焦点位置を求めるようにしてもよ
い。移動平均処理を行うには少なくとも２つの計測位置
における強度分布に基づいて行うことが可能である。

【００８５】以上説明した実施形態においては、レチク
ルＲのパターン領域ＰＤの周囲の一箇所に１つのレチク
ルパターンＲＰが形成され、このレチクルパターンＲＰ
の像をＩＭを計測する場合を例に挙げて説明したが、レ
チクルパターンＲＰをレチクルＲ上に複数設けるととも
にウェハステージ１０上に開口板１４と同様の開口板を
複数設け、且つ光電子増倍管１９を複数設け、これらに
より複数箇所において投影光学系ＰＬの焦点位置を同時
に検出するようにしてもよい。

【００８６】更に、上記実施形態ではパターン領域ＰＤ
の周囲にレチクルパターンＲＰが形成されたレチクルＲ
を用いた場合を例に挙げて説明したが、投影光学系ＰＬ
の焦点位置を計測するための専用のレチクルを用いて計
測を行ってもよい。上記実施形態では幅の狭いスリット
Ｓ１，Ｓ２を用いて、所謂スリット・スキャン方式によ
る計測を行っていたが、所謂ナイフ・エッジ・スキャン
方式による計測でも計測を行うことは可能である。ま
た、レチクルパターンＲＰと実質的に同じパターンが形
成された専用のマーク部材をレチクルＲ（レチクルマー
ク）の近傍に永久的にあるいは着脱可能に取り付けたも
のを用いるようにしてもよい。

【００８７】本実施形態においては、レチクルＲに形成
された回路パターンＣＰを転写する際に用いられる照明
光ＩＬ使用し、レチクルパターンＲＰとして光透過性の
パターンを使用したが、レチクルパターンＲＰとして反
射型のパターンを使用することもできる。この場合、ウ
ェハステージ１０側に光ガイド等で露光用の照明光ＩＬ
を導いて投影光学系ＰＬを介してレチクルパターンＲＰ
を照明し、レチクルパターンＲＰからの反射光を投影光
学系ＰＬを介して開口板１４上に結像させ、開口板１４
からの通過光束を光電子増倍管１９で受光して焦点位置
を求める。

【００８８】尚、以上説明した実施の形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

【００８９】例えば、本発明は、ステップ・アンド・ス
キャン方式の縮小投影型露光装置に適用することが可能
である。さらに、半導体素子や液晶表示素子の製造に用
いられる露光装置だけでなく、プラズマディスプレイ、
薄膜磁気ヘッド、及び撮像素子（ＣＣＤなど）の製造に
も用いられる露光装置、及びレチクル、又はマスクを製
造するために、ガラス基板、又はシリコンウェハなどに
回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用でき
る。即ち本発明は、露光装置の露光方式や用途等に関係
なく適用可能である。

【００９０】また、照明光ＩＬとしては、上述したよう
なｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマ
レーザ、Ｆ_２エキシマレーザから出射される光を用いる
ものに限定されず、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
（ＬａＢ_６）、タンタル（Ｔａ）を用いることができ
る。また、例えば、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバー
レーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レ
ーザを、エルビウム（又はエルビウムとイットリビウム
の両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、さ
らに非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調
波を用いてもよい。尚、単一波長発振レーザとしてはイ
ットリビウム・ドープ・ファイバーレーザを用いる。

【００９１】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よい。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、Ｆ
_２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。尚、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。

【００９２】ウェハステージやレチクルホルダにリニア
モータを用いる場合は、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よい。また、ステージ
は、ガイドに沿って移動するタイプでもよいし、ガイド
を設けないガイドレスタイプでもよい。ステージの駆動
装置としては、２次元に磁石を配置した磁石ユニット
と、２次元にコイルを配置した電機子ユニットとを対向
させ電磁力によりステージを駆動する平面モ−タを用い
ることができる。この場合、磁石ユニットと電機子ユニ
ットとのいずれか一方をステージに接続し、磁石ユニッ
トと電機子ユニットとの他方をステージの移動面側に設
ける。

【００９３】ウェハステージやレチクルステージの移動
により発生する反力は、フレーム部材等を用いて機械的
に床（大地）に逃がすようにできる。また、加速度計と
アクチュエータを用いてかかる反力を相殺するような力
をウェハステージやレチクルステージの固定部に積極的
に作用させるようにしてもよい。

【００９４】尚、前述した本発明の実施形態に係る露光
装置（図１）は、ウェハＷを精度よく高速に位置制御す
ることができ、スループットを向上しつつ高い露光精度
で露光が可能となるように、照明光源１、レチクルＲの
アライメント系、ウェハステージ１０及びレーザ干渉計
２１を含むウェハアライメント系、投影光学系ＰＬ等の
図１に示された各要素が電気的、機械的、又は光学的に
連結して組み上げられた後、総合調整（電気調整、動作
確認等）をすることにより製造される。尚、露光装置の
製造は、温度及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。

【００９５】次に、上述した露光装置を使用したデバイ
スの製造について説明する。図１１は、本発明の実施形
態に係る露光装置を用いてデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の
半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、
マイクロマシン等）を生産する際のフローチャートであ
る。図１１に示されるように、まず、ステップＳ２０
（設計ステップ）において、デバイスの機能設計（例え
ば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を
実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステッ
プＳ２１（マスク製作ステップ）において、設計した回
路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステッ
プＳ２２（ウェハ製造ステップ）において、シリコン等
の材料を用いてウェハを製造する。

【００９６】次に、ステップＳ２３（ウェハプロセスス
テップ）において、ステップＳ２０〜ステップＳ２２で
用意したマスクとウェハを使用して、リソグラフィ技術
によってウェハ上に実際の回路等を形成する。次いで、
ステップＳ２４（組立ステップ）において、ステップＳ
２３において処理されたウェハを用いてチップ化する。
このステップＳ２４には、アッセンブリ工程（ダイシン
グ、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封
入）等の工程が含まれる。最後に、ステップＳ２５（検
査ステップ）において、ステップＳ２４で作製されたデ
バイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行
う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが
出荷される。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パターンと受光部とを投影光学系の光軸に沿う第１方向
に対して直交する面内でパターンのスリットの長手方向
に沿う第２方向に相対走査している。よってパターンの
スリットの長手方向に対して直交する方向に走査方向が
設定された従来の技術に比べ、ピッチが微細であり電気
的な信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）が悪化して計測精度が悪
くなるという問題がなくなり、高い精度で投影光学系の
焦点位置を検出することができるという効果がある。

【００９８】また、従来は複数回行った計測結果の平均
値を求めて計測再現性を図ろうとした場合に、時間が経
つと装置のドリフト等が影響するため結局のところ計測
再現性の向上を図ることはできなかった。しかしなが
ら、本発明によれば一度の計測によって高い精度で投影
光学系の焦点位置を検出することができるため、計測再
現性を向上させる目的で行われる複数回の計測が不要に
なるとともに、投影光学系を介して像を計測するだけで
投影光学系の焦点位置を検出することができるので、検
出に要する手間を省略することができ、計測に要する時
間を短縮することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る露光装置の概略構成
を示す図である。

【図２】本発明の実施形態のレチクルを示す上面図で
ある。

【図３】本発明の実施形態の開口板を示す上面図であ
る。

【図４】本発明の実施形態の開口板及び該開口板に照
射されるレチクルパターンの像を示す図である。

【図５】本発明の実施形態の処理を示すフローチャー
トである。

【図６】本発明の実施形態のスリットのＺ軸方向の位
置を設定する方法を説明するための図である。

【図７】本発明の実施形態のレチクルパターンの像の
像長さを算出する方法を説明するための図である。

【図８】本発明の実施形態のレチクルパターンの像の
像長さを算出する方法を説明するための図である。

【図９】本発明の実施形態のレチクルパターンの像の
像長さを算出する方法の変形例を説明するための図であ
る。

【図１０】本発明の実施形態のレチクルパターンの像
の像長さを算出する方法の変形例を説明するための図で
ある。

【図１１】本発明の実施形態に係る露光装置を用いて
デバイスを生産する際の手順を示すフローチャートであ
る。

【図１２】投影光学系の焦点位置を従来の第１の計測
方法を用いて計測する際に使用される楔形状のパターン
の一例を示す平面図である。

【図１３】基板上に転写されたパターンの長さを計測
する際の動作を説明するための図である。

【図１４】空間像計測法を用いて投影光学系の焦点位
置を計測する方法を説明するための図である。

【図１５】空間像計測法の変形例を用いて投影光学系
の焦点位置を計測する方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１…照明光源（照明光学系）２…オプティカルインテグレータ（照明光学系）３…開口絞り（照明光学系）４…コンデンサレンズ（照明光学系）５…ダイクロイックミラー（照明光学系）６…レチクルブラインド（照明光学系）１０…ウェハステージ（ステージ）１４…開口板（光電検出装置）１９…光電子増倍管（光電検出装置）２２…ステージコントローラ（制御装置）２３…主制御系（制御装置）２４…焦点位置検出系（制御装置）３０…フォトレジスト（感光層）ＡＸ…光軸ＣＰ…回路パターン（パターン）Ｌ１〜Ｌ４…像長さＰＬ…投影光学系Ｒ…マスクＲＰ…レチクルパターン（パターン）ＳＤ…走査方向Ｓ１，Ｓ２…スリット（受光部）ｔｒ１，ｔｒ２…しきい値Ｗ…ウェハ（基板、感光基板）ｚ_１〜ｚ_５…計測位置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投影光学系の物体面側に配置される少な
くとも１つのスリットを含むパターンを照明し、該投影
光学系の像面側に配置された所定形状の受光部を有する
光電検出装置により該パターンの空間像の強度分布を計
測して該投影光学系の焦点位置を求める焦点検出方法に
おいて、前記パターンと前記受光部とを前記投影光学系の光軸に
沿う第１方向に対して直交する面内で前記パターンの前
記スリットの長手方向に沿う第２方向に相対走査するこ
とを特徴とする焦点検出方法。
【請求項２】前記パターンは複数のスリットを周期的
に配列して構成されることを特徴とする請求項１に記載
の焦点検出方法。
【請求項３】前記受光部の前記第１方向の位置を所定
の位置決めピッチで段階的に変更しつつ、それぞれの計
測位置で前記パターンの空間像の強度分布を計測するこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点検出方法。
【請求項４】前記複数の計測位置でそれぞれ計測され
た前記パターンの空間像の強度分布信号を所定のしきい
値に従って切り出した像長さに基づいて、前記焦点位置
を求めることを特徴とする請求項３に記載の焦点検出方
法。
【請求項５】前記位置決めピッチを前記投影光学系を
介して露光される基板上の感光層の厚さに相当する幅内
に少なくとも２つの計測位置が含まれるようなピッチに
設定したことを特徴とする請求項３又は４に記載の焦点
検出方法。
【請求項６】前記複数の計測位置についての前記像長
さの前後する少なくとも２つの移動平均に基づいて前記
焦点位置を求めることを特徴とする請求項４又は５に記
載の焦点検出方法。
【請求項７】投影光学系の物体面側に配置される少な
くとも１つのスリットを含むパターンと、前記パターンを照明する照明光学系と、前記投影光学系の像面側に配置された所定形状の受光部
を有する光電検出装置と、前記受光部が設けられ、前記投影光学系の光軸に沿う第
１方向及び該第１方向に直交する面内で前記パターンの
前記スリットの長手方向に沿う第２方向に駆動されるス
テージと、前記受光部を前記パターンに対して前記第２方向に相対
走査するように前記ステージの駆動を制御するととも
に、前記光電検出装置により計測された前記パターンの
空間像の強度分布に基づいて、前記投影光学系の焦点位
置を求める制御装置とを備えたことを特徴とする焦点検
出装置。
【請求項８】前記パターンは複数のスリットを周期的
に配列して構成されることを特徴とする請求項７に記載
の焦点検出装置。
【請求項９】前記制御装置は、前記受光部の前記第１
方向の位置を所定の位置決めピッチで段階的に変更しつ
つ、それぞれの計測位置で前記パターンの空間像の強度
分布を計測することを特徴とする請求項７又は８に記載
の焦点検出装置。
【請求項１０】前記制御装置は、前記複数の計測位置
でそれぞれ計測された前記パターンの空間像の強度分布
信号を所定のしきい値に従って切り出した像長さに基づ
いて、前記焦点位置を求めることを特徴とする請求項９
に記載の焦点検出装置。
【請求項１１】前記制御装置は、前記投影光学系を介
して露光される基板上の感光層の厚さに相当する幅内に
少なくとも２つの計測位置が含まれるようなピッチで、
前記受光部が位置決めされるよう前記ステージの駆動を
制御することを特徴とする請求項９又は１０に記載の焦
点検出装置。
【請求項１２】前記制御装置は、前記複数の計測位置
についての前記像長さの前後する少なくとも２つの移動
平均に基づいて前記焦点位置を求めることを特徴とする
請求項１０又は１１に記載の焦点検出装置。
【請求項１３】マスクに形成されたパターンの像を投
影光学系を介して感光基板に投影露光する露光方法にお
いて、請求項１〜６のいずれか一項に記載の焦点検出方法を用
いて前記投影光学系の焦点位置を検出し、該検出結果に
基づいて前記感光基板の該投影光学系の光軸方向の位置
を調整して露光することを特徴とする露光方法。
【請求項１４】マスクに形成されたパターンの像を投
影光学系を介して感光基板に投影露光する露光装置にお
いて、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の焦点検出装置を
備えたことを特徴とする露光装置。