JP2015050199A - 基準面を用いて露光対象物を高速位置決めする露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】露光装置。【解決手段】ミニマルファブ生産システムに使用される露光装置であって、露光用光学系40に対してｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動可能なウェハwを載置するウェハステージ12と、ウェハステージ上であってウェハが載置されない位置に設けられた露光用光学系の光軸に垂直となる基準面13と、露光用光学系の焦点位置に基準面を設定するオートフォーカス手段50と、基準面の高さ位置およびウェハステージに載置されたウェハのウェハ高さ位置を検出する高さ検出手段60と、を有する。露光用光学系の焦点位置に合わせた基準面の高さ位置を高さ検出手段により検知して露光用光学系の合焦点距離ｄを予め求めるとともに、ウェハステージ上に載置されたウェハのウェハ高さ位置を高さ検出手段により求め、該ウェハ高さ位置が予め求めた合焦点距離と同一となるようにウェハステージをｚ軸移動させる。【選択図】図６

Description

本発明は、いわゆるミニマルファブ生産システムに用いられる露光装置に関する。

現在、半導体デバイスなどの製造システムとして、０．５インチサイズ（ハーフインチサイズ。正確には、直径１２．５ｍｍ）のウェハに１個のデバイスを作成することを基本とし、製造工程を複数の可搬性であって外形が統一された単位処理装置で構成して、それら単位処理装置をフローショップ方式やジョブショップ方式等に再配置することを容易にすることで、少量生産でかつ多品種生産に適切に対応することができるようにするミニマルファブ生産システムが本出願人より提案されている。（特許文献１）
現状の半導体製造システムは、ウェハの大口径化（１２インチ〜）に伴い、装置自体が大型化・高コスト化し、最新の半導体工場（メガファブ生産システム）を立ち上げるには３０００〜５０００億円もの巨額の投資資金が必要であるとされている。また、大口径のウェハを用いるシステムは大量生産には効率的であるが、その装置を多品種少量生産に向けて稼働すると、稼働率等の課題から、ユーザが必要とする個数の１個あたりの製造コストが非常に高くなってしまう。
これに対し、このミニマルファブ生産システムでは、０．５インチ程度の極めて小径のウェハが処理対象であり、現状の半導体製造システムに比べ１／１０００程度の極めて小さな設備投資額で済むと期待されており、また運転コストが低いなどのため多品種少量生産に適した生産システムとなることが期待されている。

このミニマルファブ生産システムでは、外形形状が統一された複数の単位処理装置が用いられる。
この単位処理装置は、半導体製造装置の処理工程における個々の処理（特許文献１では、これを「単一処理」と定義している。）の一つを担うものであり、例えばウェハ洗浄装置であり、レジスト塗布装置であり、ウェハ露光装置であり、現像装置であり、またイオン注入装置であったりする。
そして、これらの単位処理装置が半導体製造のレシピ順（処理フロー順）に並べられる。ワークであるウェハは、並べられたそれら単位処理装置間を順に搬送され、各単位処理装置において該当する処理が順に施されるのである。

したがって、この単位処理装置は、レシピが変更されるたびにそのレシピに合わせて配置位置を自在にアレンジすることが可能なように、しかも、配置を変更した際に、予め作業フロア上の規定の位置に規則正しく並置された供給系や排水系、給電系等と接続が可能なように、人が運べる程度の可搬式でかつ統一された外形形状とされている。
この単位処理装置の大きさは、幅 0.30m × 奥行0.45m× 高さ 1.44mの外形寸法とされており、それ自体極めて小さいばかりか、半導体製造レシピに従って６０個並べたとしても、その占有床面積は既存の１２インチの半導体製造装置のそれと比較して極めて小さいものとされている。

また、このミニマルファブ生産システムのもう１つの特徴は、ワークであるウェハが、独自の密閉搬送システムによって、単位処理装置間を搬送される生産システムとされていることである。したがって、それぞれの単位処理装置内の所定の処理空間のみが、必要な処理雰囲気、例えば、クリーンルーム空間や真空状態空間などとされていることで十分であり、単位処理装置自体をクリーンルーム内に配置する必要が無い。これは、半導体処理装置自体が巨大なクリーンルーム内に配置されている既存の半導体製造システムとは、基本的に異なる点である。
したがって、このミニマルファブ生産システムでは、装置をクリーンルーム内に配置する必要がないので、作業員はクリーンルーム内での作業を強いられることなく、通常の作業環境の中で作業することができる。また巨大なクリーンルーム空間を作る必要がないので、省エネルギーともなっている。
このように、ミニマルファブ生産システムは、従来装置を単に小型にしただけの生産システムではなく、革新的な次世代生産システムとして注目されている。

図１に、現在提案されているミニマルファブ生産システムにおける単位処理装置Ｍの外観を示す。
この単位処理装置Ｍは、外形が、幅（ｘ） 0.30m × 奥行（ｙ）0.45m× 高さ（ｚ ）1.44mと統一され、正面から見て、縦に細長い方形状とされている。
該単位処理装置Ｍの上部の後部（奥側）には、露光装置等を収納する処理室Ｍａが設けられ、該処理室Ｍａの前方（手前側）には、該処理室Ｍａへウェハをロード・アンロードするための前室Ｍｃが接続されている。この前室Ｍｃは、全ての単位処理装置Ｍに共通な形状及び機能とされている。したがって、該前室Ｍｃを単位処理装置Ｍの規定位置に取り付けると、ウェハは、処理室Ｍａ内の所定の位置に搬入されることとなる。
単位処理装置Ｍの下部（Ｍｂ）の内部空間は、電源や真空ポンプ等の制御機器、現像液や廃液等のタンクなどを収納するための空間とされている。
また、単位処理装置Ｍの最下部には、作業フロア上の所定位置に該単位処理装置Ｍを規則正しく配置するための脚部６が取り付けられている。さらに、前室Ｍｃの上方には、ディスプレイ式の操作パネル１が設けられている。

単位処理装置Ｍで処理されるためのウェハは、０．５インチ径（ハーフインチサイズと呼称されるが、現在提案されている前記ミニマルファブ生産システムでは、直径１２．５ｍｍとされている。）の１枚のウェハを収納するシャトル（図示せず）内に収納されて、単位処理装置Ｍまで運ばれる。該シャトルは、略円筒形の円盤形状をしており、その内部空間にハーフインチサイズの１枚のウェハが、外気および露光光から実質的に遮断された状態で収納されるように構成されている。

前室Ｍｃの上面には、シャトルを載置するウェハ搬送用テーブル５が設けられ、該ウェハ搬送用テーブル５上には、前室Ｍｃとシャトルとを接続するドッキングポート２が設けられている。また、前室Ｍｃと処理室Ｍａとの間には、前室Ｍｃと処理室Ｍａとを必要に応じて気密に閉鎖するゲートバルブ（図示せず）が設けられている。
さらに、前室Ｍｃの内部には、ドッキングポート２上のシャトル内からウェハを外気および必要に応じて露光光から遮断した状態で取り出し、取り出したウェハを、開扉したゲートバルブを通過させて処理室Ｍａ内のウェハステージまで搬入する搬送機構（図示せず）が設けられている。
また、該搬送機構は、ウェハステージ上に載置されている処理済みのウェハを、ドッキングポート２上に載置されているシャトルへ、再度搬出する機能も有している。
このように、該搬送機構は、前室Ｍｃを単位処理装置Ｍの所定位置に配置すれば、前室Ｍｃの所定位置に位置されたシャトルと、処理室Ｍａの所定位置に位置されたウェハステージとの間で、ハーフインチサイズのウェハを正確に搬入及び搬出する機能を有している。

このように、このミニマルファブ生産システムには、シャトルや前室Ｍｃ内に配置された搬送機構等からなる、微粒子とガス分子を外界から実質的に遮断する密閉型搬送機構(Particle-Lock Airtight Docking: PLAD システム)が設けられている。
ターゲットとしてのウェハは、該ＰＬＡＤシステムによって、シャトルに収納されてドッキングポート２上に載置されると、シャトルから取り出されて処理室Ｍａ内のウェハステージ上の所定の位置へ供給され（ロード）、該ウェハステージ上で必要な処理がなされた後、ドッキングポート２上のシャトル内へ再び収納される（アンロード）。

ここで、露光装置（デジタル・マイクロミラー・デバイスいわゆるＤＭＤなどを用いたマスクレス露光装置）が処理室Ｍａ内部に配置された単位処理装置Ｍを考えてみよう。
ウェハは、感光体塗布機能を有する単位処理装置から、露光光遮光機能を有するシャトルに収納されて取り出され、露光装置を内蔵する単位処理装置Ｍに運ばれる。この運搬は、人手で行っても良いし、機械的な搬送機構で行っても良い。
シャトルが露光装置の前室Ｍｃ上面のドッキングポート２に載置されると、ウェハは、前述した搬送機構ＰＬＡＤによりシャトルから取り出されて前室Ｍｃ内に取り込まれ、更に処理室Ｍａ内の露光装置の所定位置に配置されたウェハステージ上へ供給される。

ウェハステージ上方にはマスクレス露光装置の露光部が設けられており、該露光部によって必要画像がウェハ上に投影露光される。
この露光の際には、露光直前に、露光用光学系と同軸に設けられた観察用カメラを用いて撮像した映像により、コントラスト法によるオートフォーカスを行っている。

特開平２０１２−５４４１４公報

露光技術における描画分解能の向上とともに、露光用光学系の焦点深度は±１μｍ以下となっており、ウェハの露光用光学系に対する位置決めを超高精度に行う必要が生じている。
ところが、焦点位置は、ウェハの厚みバラツキ（厚み公差）などのほか、露光装置やウェハステージ等における部材の温度変化に伴う熱膨張によって変動するため、描画の直前に焦点位置合わせを毎回実行しなければならない。
とりわけミニマルファブ生産システムに組み込まれる単位処理装置は、上記のようにクリーンルーム内に配置される必要がないので、露光装置の外部環境は、必ずしもクリーンルームのような温度管理された空間とは限らない。また、該単位処理装置は上記にように極めて狭隘な空間しか持っていないので、露光装置はそのような狭隘な空間に配置されることから、機器の大きさの制約を受けるばかりでなく、モータや電源、光源などからの排熱の影響をすばやく受けやすい。

このため、ミニマルファブ生産システムにおける露光装置は、ウェハステージ等の部材の温度変化に伴う熱膨張変動を補償するシステムが重要であり、描画の直前に焦点位置合わせを毎回実行しなければならない。
また、ミニマルファブ生産システムに使用される０．５インチウェハは、現状では、その許容される厚み公差は±２０μｍとされている。
したがって、このような焦点位置合わせの作業は、熱膨張の変動を考慮すると、該厚み公差以上の少なくとも±５０μｍ以上の範囲で複数回の画像取込と演算処理を繰り返す必要があり、そのために長時間を要している。

また、このような露光前の焦点位置合わせ作業は、レジストが塗布されたウェハ上で行うため、そのレジストを感光させない波長を用いて行わなければならない。しかし、この焦点位置合わせのための波長光と実際の露光光との波長差により色収差が発生するため、予め測定しておいたオフセット値を使用して露光光の合焦位置を推定するなどが行われているが、誤差が生じてしまう。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、このようなミニマルファブ生産システムに組み込むことができる露光装置であって、露光装置の温度変化による膨張や収縮に伴うフォーカス位置の変動、及び供給されるウェハ自体の厚みが異なることに伴うフォーカス位置の変動に適確に対応し、超高精度かつ短時間でオートフォーカス作業が可能な露光装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、ウェハに露光パターンを投影する露光装置であって、
前記露光装置の露光用光学系に対してｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動可能な、ウェハを載置するウェハステージと、前記ウェハステージ上に設けられた、前記露光用光学系の光軸に垂直となる基準面と、前記露光用光学系の光源を用いて、前記露光用光学系の焦点位置に前記基準面を合わせるオートフォーカス手段と、前記露光用光学系に対する前記基準面の高さ位置および前記ウェハステージに載置されたウェハの前記露光用光学系に対するウェハ高さ位置を検出する高さ検出手段と、を有し、
前記露光用光学系の焦点位置に合わされた前記基準面の高さ位置を前記高さ検出手段により予め求め、前記ウェハステージ上に載置されたウェハのウェハ高さ位置を、前記予め求めた基準面の高さ位置と同一となるように前記ウェハステージを移動させることにより、前記ウェハステージ上に載置されたウェハへの焦点合わせ動作を行うことを特徴とする露光装置、とした。なお、ここで高さ位置とは、露光用光学系に対する光軸方向での位置をいう。

このように構成された本発明によれば、ウェハステージ上に露光対象ウェハを載置してそのウェハの高さ位置を高さ検出手段により求め、そのウェハ高さ位置と予め求めた合焦点距離とのズレ量分、Ｚ軸方向にウェハステージを移動させることにより、温度変化とウェハの厚み変化に伴うフォーカス位置の変動の補償が共に簡便に行えるので、従来のコントラスト法で行うよりも焦点合わせに要する時間を大幅に短縮することができる。
また、露光用光学系によるオートフォーカス作業はウェハステージに固定された基準面に対して行うだけであり、ウェハに対して適用される高さ検出手段に用いる光波長はウェハのレジストを感光させない波長とすることができるので、オートフォーカス作業においてレジストを感光することを考慮しなくて良い。
また、焦点合わせは露光用光学系を用いて行うので、焦点位置合わせのための波長光と実際の露光光との波長差による色収差を考慮する必要もなく、色収差に基づく誤差が生じることはない。
さらに、基準部材平面でのオートフォーカス動作をバックグラウンドとして所定時間毎に自動的に実行し、その結果を時系列に沿って記憶することで、温度変化や振動、衝撃などによる露光装置の異常発生を予め把握することもできる。

本発明によれば、ミニマルファブ生産システムに用いられる露光装置に最も好適な、超高精度かつ短時間でオートフォーカス作業が可能な露光装置を提供することができる。

本発明における単位処理装置の外観図。 本発明の実施の形態例に係る露光装置のウェハステージの全体斜視図。 本発明の実施の形態例に係る露光時におけるウェハステージの側断面図。 本発明の実施の形態例に係る露光装置の全体構成図。 本発明の実施の形態例に係る露光動作フロー図。 本発明の実施の形態例に係る露光動作の説明図。

以下、本発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の実施の形態例に係る露光装置のステージの斜視図である。
図２では、ステージ上に載置されたウェハＷに対し、ステージ上方に固定配備された光学系（後述する）によって描画が行われる。
ステージ全体は基台２３上に取り付けられて、処理室Ｍａの規定の位置に固定配置されている。基台２３上にはＹ軸台２２とＹ軸移動手段３３が配置され、該Ｙ軸台２２は、Ｙ軸移動手段３３によってＹ軸方向に移動調整可能とされている。更に、Ｙ軸台２２上には架台２１とＸ軸移動手段３２が載置され、該架台２１はＸ軸移動手段３２によってＸ軸移動方向に移動調整可能とされている。したがって、架台２１は基台２３に対しＸ，Ｙ軸方向に移動調整可能とされている。このＸ，Ｙ軸移動は、描画装置に対する副走査方向の移動としても機能することができる。

架台２１にはその中央に中心軸１１が固定されて立設されており、この中心軸１１には、後述のように、外周ステージ１２が外挿される。
また、架台２１上には、外周ステージ１２を保持するための外周ステージ台２０が、その四隅をＺ軸ガイド１４にガイドされてＺ軸方向に移動可能に載置されている。該Ｚ軸ガイド１４は、図２に示すように架台２１上に４本立設されており、いずれにもコイル状のＺ軸押圧バネ１５が、外周ステージ台２０を下方向に押圧するようにその外周面に巻装されている。さらに、架台２１には、外周ステージ台２０をＺ軸方向に移動調整するＺ軸移動手段３１が載置されている。
したがって、外周ステージ台２０は、該Ｚ軸移動手段３１によって、Ｚ軸押圧バネ１５に抗して架台２１に対しＺ軸方向に移動調節可能とされている。

外周ステージ台２０には、内側面にコロ軸受面２０ｂを有するドーナツ型の外周ステージ台コロ軸受２０ａが固定配置されており、該コロ軸受面２０ｂ内には、θ軸用コロ１６が嵌挿されている。一方、該θ軸用コロ１６に対向するコロ軸受面１７ｂを外側面に有するドーナツ型の外周ステージ基部１７が、外周ステージ台２０上にθ軸方向に回動可能に設けられている。また、該外周ステージ基部１７をθ軸方向に移動調整するθ軸移動手段３０が、外周ステージ台２０上に配置されている。更に、外周ステージ基部１７には、外周ステージ１２が固定されており、該外周ステージの中心には中心軸１１が内挿されている。したがって、外周ステージ１２は、外周ステージ台２０に対しθ軸方向に移動調整可能に構成されている。
なお、外周ステージ台コロ軸受２０ａ、コロ軸受面２０ｂ、θ軸用コロ１６、該θ軸用コロ１６に対向するコロ軸受面１７ｂ、および外周ステージ基台１７を、一体式のクロスローラーベアリングとして形成することもできる。
そして、これらｘ、ｙ、ｚ、θ軸移動手段３０、３１、３２、３３の駆動を制御して、それぞれを所定停止位置に停止制御するなどための中央制御部（図示せず）が設けられている。
該中央制御部は、後述するオートフォーカス動作の制御等、本露光装置の種々の制御を行う構成とされている。

以上の構成によって、外周ステージ１２は基台２３に対し、基台２３側から順に、Ｙ軸、Ｘ軸、Ｚ軸、θ軸方向に移動調整可能とされている。また、外周ステージ１２は、架台２１に固定された中心軸１１に対し、Ｚ軸およびθ軸方向に移動調整可能とされている。

外周ステージ１２の上端面には、ウェハＷが載置される第１載置面１２ｄが設けられている。
該第１載置面１２ｄには、図２に示すように、前室Ｍｃから伸びる搬送用アーム（図示せず）が挿入可能なアームスペース１８が側面方向の一方向に開放するように切り欠かれている。該搬送アームは、その先端部にウェハＷを把持しながらウェハステージ上に図２のＧ方向から進入し、ウェハステージ上方の所定の位置にウェハを搬入したのち、その先端部を下降させることでウェハＷをウェハステージ上に載置する。アームスペース１８は、その際に下降してきた該先端部を収納するスペースとして機能する。
また、該第１載置面１２ｄには、載置されるウェハＷを真空吸着する第１真空吸着口１２ａが複数開口している。

一方、中心軸１１は、その上端面にウェハＷが載置される第２載置面１１ｄが設けられており、該第２載置面１１ｄの中心部には、ウェハＷを真空吸着する第２真空吸着口１１ａが開口している。
また、これら第１真空吸着口１２ａおよび第２真空吸着口は、該中心軸１１の下方に設けられた真空エジェクターや真空ポンプなどの真空源（図示せず）と選択的に接続されており、外周ステージ１２の上下動作に伴って、該真空源との接続が切り替わるように構成されている。図３に示す中心軸１１および外周ステージ１２のそれぞれの軸内に形成されている空間通路１１ｂ、１１ｃ、１１ｇ、１１ｆおよび１２ｂ、１２ｃ―１は、このための切り替え機構である。

さらに、図２に示すように、アームスペース１８の開放されていない側の空間には、基準部材１３が設けられている。該基準部材１３は、外周ステージ１２に固定されているとともに、該外周ステージ１２の第１載置面１２ｄと略同一水平面となる基準面１３ｄを有している。また、この基準部材１３の基準面１３ｄは、鏡面加工されている
そして、該基準面１３ｄは、ウェハステージの移動手段であるＸ軸移動手段３２およびＹ軸移動手段３３によって、露光用光学系４０の光軸と交わる位置（露光位置）に水平移動することが可能とされている。

図４に示すように、本実施の形態例に係る露光装置は、露光時にウェハＷに露光パターンを投影する露光用光学系４０と、露光位置に移動された基準面１３ｄの合焦点位置（焦点が合う位置）を検出するオートフォーカス光学系５０と、露光位置にあるウェハＷおよび基準面１３ｄの高さ位置をそれぞれ検出する高さ検出手段６０と、を備えている。ここで高さ位置とは、露光用光学系４０の光軸方向での位置をいう。高さ検出手段６０における被検出対象である「高さ」も同様である。
これら露光用光学系４０、オートフォーカス光学系５０、高さ検出手段６０は、いずれもウェハステージの上方にあって、露光装置本体の筐体Ｑに固定配備されている。したがって、露光用光学系４０に対し、オートフォーカス光学系５０および高さ検出手段６０の相対的位置は固定されている。

露光用光学系４０は、外周ステージ１２上に載置されたウェハＷに露光パターンを投影するものであり、露光用光源４１、コリメータレンズ４２、ミラー４３、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）などからなる空間光変調手段４４、リレーレンズ４５、対物レンズ４６などを含んで構成されている。
このように、本実施の形態例では、露光装置がいわゆるマスクレス露光装置として構成されている。

オートフォーカス光学系５０は、露光用光学系４０の基準面１３ｄに対する合焦点位置（焦点が合う位置）を検出するためのものであり、露光用光学系４０に加え、ハーフミラー５４、フィルタ５５、結像レンズ５６、ＣＣＤカメラ５７などを含んで構成されている。対物レンズ４６の位置において露光用光学系４０の光軸と一致しており、オートフォーカス動作時には、露光用光源４１が用いられる。
ＣＣＤカメラ５７による画像情報から、コントラスト法による合焦点位置を求めることができる。

また、露光用光学系４０を固定装備する筐体Ｑには、露光用光学系４０の対物レンズ４６に隣接して、高さ検出手段６０も固定装備されている。したがって、露光用光学系４０と高さ検出手段６０との相対位置は固定されている。
この高さ検出手段６０は、該高さ検出手段６０と露光位置にある被対象物（基準面１３ｄまたはウェハＷ）との、露光用光学系の光軸方向での距離（高さ）を検出するもので、レーザー式変位計などで構成されている。
この高さ検出手段６０に用いられる光波長は、ウェハＷ上に形成された感光体を感光させない波長とされている。
これら露光用光学系４０、オートフォーカス光学系５０、および高さ検出手段６０は、当業者に周知の光学要素から構成することができる。

以上のように構成されている本件発明の露光動作を、図６に示す露光動作の説明図を参照しつつ、図５に示す動作フローに従って説明する。
図６（１）は、基準面１３ｄが露光位置に移動し、基準面１３ｄに対するオートフォーカスが行われている状態を示している。図６（２）は、（１）に続いて、ウェハＷが露光位置に移動し、露光前に焦点合わせを行っている状態を示している。
なお、この図６は、露光用光学系４０による基準面１３ｄに対する焦点合わせと、高さ検出手段６０による基準面１３ｄおよびウェハＷとの距離検出（高さ検出）とを関連付けるための説明図である。実際は、露光用光学系４０による基準面１３ｄに対する焦点合わせ、および高さ検出手段６０による距離検出においては、以下の動作フローで説明するように、ウェハＷおよび基準面１３ｄのＸＹ方向略中心位置を露光用光学系４０および高さ検出手段６０の光軸と一致させるようにして行う。

以下、本実施の形態例における焦点位置合わせを、図５の動作フローを用いて説明する。
まず、ウェハステージ１２上に固定された基準面１３ｄのＸＹ軸方向での略中心位置を、ウェハステージ１２のＸ軸移動手段３２、Ｙ軸移動手段３３により、露光用光学系４０の光軸に垂直となる位置（露光位置）にＸ，Ｙ軸方向を移動させる。図５（１）
基準面１３ｄの略中心位置を該露光位置に移動させたこの状態（プレオートフォーカス状態）を、ＰＬＡＤへのウェハロード信号が出力される前の待機状態としてもよい。
次に、このプレオートフォーカス状態において、オートフォーカス光学系５０により、露光用光学系４０の焦点位置に基準面１３ｄを合わせる動作（オートフォーカス動作）を行う。これにより、露光用光学系４０の焦点位置に基準面１３ｄの略中心位置が位置するように、オートフォーカス光学系５０に対する基準面１３ｄのＺ軸位置が設定される。図５（２）
次に、高さ検出手段６０の光軸位置に、焦点合わせをした基準面１３ｄを水平移動し、このようにＺ軸位置を設定した基準面１３ｄの高さ検出手段６０に対する高さ位置を求める。図５（３）、（４）
ここで、この高さ位置は、該高さ検出手段６０と基準面１３ｄの略中心位置との距離ｄ（合焦点距離ｄ。この合焦点距離ｄは、ウェハＷの厚さ公差のために、露光用光学系４０の焦点距離と必ずしも一致しない。）として求められ、この数値ｄを記憶しておく。これは、図４に示す露光用光学系４０の状態と同じである。
この（２）〜（３）の一連の動作を、所定時間（例えば５分）毎に実行し、その都度、合焦点距離ｄを記憶しておいてもよい。

次に、ウェハのロード信号がＰＬＡＤに出力されると、ウェハＷがウェハステージ１２上に載置されて、ウェハＷの略中心が高さ検出手段６０の光軸位置まで搬送される。これにより、基準面１３ｄは露光位置から外れる。図５（５）
次に、搬送されたウェハＷの表面の高さ位置を、高さ検出手段６０により求める。ここで、ウェハＷの表面の高さ位置は、ウェハＷ表面と高さ検出手段６０との距離（ｄ’）によって求められる。次にこのようにして求めたウェハ表面の高さ位置（ｄ’）と、予め求めた基準面１３ｄの高さ位置（ｄ）（所定時間毎に合焦点距離ｄが記憶されているのであれば、最新の合焦点距離ｄとする。）との差ｐ（＝ｄ’―ｄ）を求め、その差ｐが０になるようにウェハステージ１２をＺ軸移動（垂直移動）させる。これにより、露光用光学系４０のウェハＷに対するＺ軸方向での焦点合わせ作業が実質的に終了する。図６（６） これは、図６（２）に示す状態と同様である。
次に、ウェハＷを、そのＸＹ中心位置が露光用光学系４０の光軸と一致するように、水平移動させる。以上の一連の動作により、ウェハＷに対する焦点位置合わせ（ＸＹＺ軸移動）が完了する。図５（７）
このようにウェハＷに対する焦点合わせ作業が行われた後、露光用光学系４０を用いてウェハＷに対してのマスクレス露光が実行される。図５（８）

上記のように構成した本実施の形態例では、露光用光学系４０の基準面に対する合焦点距離ｄを予め求め、次いでウェハステージ１２上にウェハＷを載置し、そのウェハＷの高さ位置ｄ’を高さ検出手段６０により求め、次いでそのウェハ高さ位置ｄ’と予め求めた合焦点距離ｄとのズレ量（ｐ）分だけＺ軸方向にウェハステージ１２を移動させる、という一連の作業により、ウェハＷの厚み公差及び機器の熱膨張・収縮の影響を排除した焦点位置合わせが行えるので、焦点位置合わせに要する時間をコントラスト法で行う従来よりも大幅に短縮することができる。
また、露光用光学系４０によるオートフォーカス作業はウェハステージ１２に固定された基準面１３に対して行うだけであり、ウェハＷに対する焦点位置合わせ作業に露光用光学系４０を直接用いないし、ウェハＷに対して適用される高さ検出手段６０に用いる光波長はウェハＷのレジストを感光させない波長であるので、一連のオートフォーカス作業においてレジストを感光することを考慮しなくて良い。
また、オートフォーカス動作は露光用光学系４０を用いて行うので、焦点位置合わせのための波長光と実際の露光光との波長差による色収差を考慮する必要もなく、色収差に基づく誤差が生じることはない。
このように、本実施の形態例では、露光用光学系４０の合焦位置を基準として高さ検出手段６０の校正も行うこともできるので、露光用光学系に対し温度変化や物理的な外力などが加わることに伴って生じる、露光用光学系４０自体の内部要因変動による焦点位置ずれ、例えば鏡筒やレンズの位置ずれ、あるいはレンズ群とマスクや照明光学系との位置ずれなど、を含めて補正することができる。
また、上記したように、図５（１）〜（８）の一連の動作を連続して行うことにより、温度変化に伴う機器の誤差とウェハＷの公差に伴う誤差の補正を、ともに迅速かつ簡便に行うことができる。

上記した本実施の形態例では、高さ検出手段６０は、露光用光学系４０と光軸を別にしているが、これを露光用光学系４０の光軸と同軸に構成することもできる。そのように構成すると、露光用光学系４０と高さ検出手段６０とが別体として離れていることに伴う経時的、あるいは熱変動に伴う誤差をキャンセルすることができる。また、基準面１３ｄおよびウェハＷの中心位置を露光用光学系４０および高さ検出手段６０の光軸と一致させるためのＸＹ軸方向での移動（水平移動）が必要ないので、移動に伴って発生するかも知れない誤差を考慮する必要がない。

上記した本実施の形態例では、基準部材１３は、外周ステージ１２とは別体に設けられているが、これに限定する必要はなく、外周ステージ１２の一部に直接、基準面１３ｄを設けるように構成することもできる。あるいは、ウェハステージが、上記実施の形態例のように外周ステージ１２と中心軸１１とから構成されるのではなく、それらが単に１つのウェハ載置面として構成される場合には、そのウェハ載置面の一部を基準面とするように構成することもできる。

このように構成する場合には、基準面を別途、鏡面加工して設ける必要が生じるが、外周ステージ１２の一部に直接基準面を設ける場合には、ウェハステージの構成がより単純になるし、熱膨張などの物理的な変動要因をより的確に把握することもできる。また、ウェハ載置面の一部を基準面とする場合には、基準面を露光位置に移動する必要がないので、構成が簡単になると共に、その移動に伴う機械的な誤差を格別考慮しなくても良い。
このように、ウェハＷを載置するステージを、外周ステージ１２の第１載置面１２ｄおよび中心軸１１の第２載置面１１ｄにより構成したが、このような構成に限定する必要はなく、単にｘ、ｙ、ｚ、およびθ方向に移動することが可能な１つのウェハステージとして構成することもできる。

また、上記した本実施の形態例では、高さ検出手段６０による距離検出を、ウェハＷおよび基準面１３ｄの略中心位置のそれぞれ１点のみで行っているが、中心位置を含む複数箇所で行い、それらの検出値に基づいて合焦点距離ｄを求めても良い。このように複数箇所で距離検出を行うことにより、ウェハＷの厚みや周辺反りなどのウェハＷ自体の公差に基づく誤差、あるいはウェハステージに異物が吸着してウェハＷとに噛み込みが発生することなどでウェハに傾きが生じることに伴う誤差を考慮した焦点位置合わせを行うことができる。
また、上記した実施の形態例では、合焦点距離ｄの検出時に、ウェハＷおよび基準面１３ｄの略中心位置を高さ検出手段６０の光軸と一致させているが、ウェハＷの高さ公差が極めて小さい場合、あるいは基準面１３ｄの傾きが無視できる場合には、ウェハＷおよび基準面１３ｄの中心位置を高さ検出手段６０の光軸と必ずしも一致させる必要はない。したがって、このような場合には、ウェハＷあるいは基準面１３ｄの高さ検出手段６０の光軸方向へのＸＹ軸移動の必要はない。

また、上記した（２）〜（４）の動作をＰＬＡＤの待機状態として、経時的な合焦点距離ｄの変動を観察し、値ｄの特異点を検出することにより、露光装置の温度変化や振動、衝撃などの異常の発生を事前に把握することができる。
また、上記したように、図５（２）〜（３）の一連の動作を、所定時間（例えば５分）毎に実行し、その都度、合焦点距離ｄの変動を記憶しておくことにより、基準面１３ｄに対する露光用光学系４０の温度変化に伴う変動を事前に予測することにより、基準面１３ｄに対する露光用光学系４０のオートフォーカス動作を迅速に行うこともできる。

さらに、これら実施の形態例に記載した露光装置は、特にミニマルファブ生産システムに使用して顕著な効果を発揮するが、ミニマルファブ生産システムにおける使用ばかりでなく、いわゆる大口径ウェハを用いるシステムに適用して使用されうることは明らかである。

１ 操作パネル
２ ドッキングポート
５ ウェハ搬送用テーブル
１１ 中心軸
１１ａ 第２真空吸着口
１１ｄ 第２載置面
１２ 外周ステージ
１２ａ 第１真空吸着口
１２ｄ 第１載置面
１３ 基準部材
１３ｄ 基準面
１８ アームスペース
２０ 外周ステージ台
２１ 架台
２３ 基台
３０ θ軸移動手段
３１ Ｚ軸移動手段
３２ Ｘ軸移動手段
３３ Ｙ軸移動手段
４０ 露光用光学系
５０ オートフォーカス光学系
６０ 高さ検出手段
Ｗ ウェハ（ターゲット）
Ｍ 単位処理装置
Ｍａ 処理室
Ｍｃ 前室
Ｇ アーム進入方向

Claims (3)

1. ウェハに対し露光パターンを投影する露光装置であって、
   前記露光装置の露光用光学系に対してｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動可能な、ウェハを載置するウェハステージと、前記ウェハステージ上に設けられた、前記露光用光学系の光軸に垂直な基準面と、前記露光用光学系の光源を用いて、前記露光用光学系の焦点位置に前記基準面を合わせるオートフォーカス手段と、前記露光用光学系に対する前記基準面の高さ位置および前記ウェハステージに載置されたウェハの前記露光用光学系に対するウェハ高さ位置を検出する高さ検出手段と、を有し、
   前記露光用光学系の焦点位置に合わされた前記基準面の高さ位置を前記高さ検出手段により予め求め、前記ウェハステージ上に載置されたウェハのウェハ高さ位置を、前記予め求めた基準面の高さ位置と同一となるように前記ウェハステージを移動させることにより、前記ウェハステージ上に載置されたウェハへの焦点合わせ動作を行うことを特徴とする露光装置。
2. 前記露光装置が、ハーフインチサイズのウェハを用いるミニマルファブ生産システムに使用される規格化された外形を有する単位処理装置に内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記基準面が、前記ウェハステージ上であってウェハが載置されない位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の露光装置。