JP3255301B2

JP3255301B2 - 位置検出方法及び装置

Info

Publication number: JP3255301B2
Application number: JP21079892A
Authority: JP
Inventors: 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: JPH0636992A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子等を
製造するための露光装置のオートフォーカス機構部又は
レベリング機構部に適用して好適な位置検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レチクル上に形成された回路パターンを
投影光学系を介してウエハ上に転写する投影露光装置に
おいては、投影光学系の焦点深度が比較的浅いと共にウ
エハには部分的に凹凸が存在することがあるため、ウエ
ハの各ショット領域に対して投影光学系の最良結像面
（ベストフォーカス面）に対する焦点ずれの補正をそれ
ぞれ行う必要がある。その場合の投影光学系の光軸方向
の位置の検出装置として、従来は例えばウエハ等の被検
面上に斜めにスリット像を投影する斜め入射型オートフ
ォーカスセンサが使用されている（例えば特開昭５６−
４２２０５号公報参照）。この方式では、被検面が上下
すると、そのスリット像の被検面上での位置が斜め入射
光学系の光軸にほぼ垂直な方向にずれるので、このずれ
量を測定することにより被検面の高さを検出することが
できる。

【０００３】しかしながら、このように被検面上にスリ
ット像等を投影する方式では被検面上の或る１点の位置
しか検出することができないため、ウエハのショット領
域内に凹凸が存在するような場合に、そのショット領域
の例えば平均的な面を投影光学系の最良結像面に合わせ
ることができない。なお、投影露光装置には、ウエハの
各ショット領域に例えば平行光束を照射して、反射光の
方向によりそのショット領域の傾きを検出するレベリン
グ光学系も設けられているが、そのショット領域に凹凸
が存在する場合には、レベリング光学系でも正確にショ
ット領域の平均的な面の傾きを検出することができない
虞がある。

【０００４】これに関して、本出願人は特願平３−３１
１７５８号において、被検面上に２次元的なパターンを
投影することにより、比較的簡単な構成でその被検面の
所定範囲の高さの分布を検出できる位置検出装置を提案
した。図６はその特願平３−３１１７５８号で提案され
ている位置検出装置が適用された縮小投影型露光装置を
示し、この図６において、１はウエハであり、ウエハ１
の露光面が被検面１ａである。２はウエハホルダー、３
はウエハステージよりなる保持機構を示し、ウエハ１を
ウエハホルダー２上に保持し、ウエハホルダー２を保持
機構３上に例えば３個の支持点で支持する。保持機構３
は、ウエハ１を２次元的に位置決めするＸＹステージ、
ウエハ１を投影光学系の光軸方向に位置決めするＺステ
ージ及びウエハ１を微小角度回転するθステージ等より
構成されている。

【０００５】４は保持機構３を駆動する駆動手段、５は
ウエハ１の上方に位置する投影光学系を示し、投影光学
系５は図示省略したレチクルのパターンをウエハ１の露
光面に転写する。保持機構３を駆動手段４を介して駆動
することにより、ウエハ１は投影光学系５の光軸ＡＸ１
に垂直な平面内での平行移動及び微小回転並びにその光
軸ＡＸ１に平行な方向（フォーカシング方向）への移動
を行う。更に、駆動手段４からの指令により保持機構３
が、例えば３個の支持点の内の２点を突没させることに
より、ウエハ１のレベリングが行われる。

【０００６】図６において、６は光源、７はコンデンサ
ーレンズ、８は反射型位相格子を示し、この反射型位相
格子８の格子形成面８ａに図６の紙面に平行な方向にピ
ッチＱ１で凹凸の位相格子を形成する。ウエハ１の被検
面１ａがレジスト等の薄膜で覆われた場合の干渉の影響
を低減するためには、その光源６は白色光源であること
が望ましい。ただし、その光源６としてレジストに対す
る感光性の弱い波長帯の光を射出する発光ダイオード等
を使用してもよい。その光源６からの照明光束をコンデ
ンサーレンズ７を介して平行光束に近づけ、この略々平
行な光束で回折格子８の格子形成面８ａを照明する。

【０００７】９は集光レンズ、１０は投射用対物レンズ
を示し、これら集光レンズ９と投射用対物レンズ１０と
により投射光学系を構成し、この投射光学系の光軸ＡＸ
２を投影光学系５の光軸ＡＸ１に対して角度θで交差さ
せる。そして、回折格子形成面８ａからの平均的な反射
角γの反射光（回折光を含む）をその投射光学系により
ウエハ１の被検面１ａ上に集束する。この際、被検面１
ａが投影光学系５の結像面に合致している状態で、その
被検面１ａと回折格子形成面８ａとはその投射光学系に
関してシャインプルーフの条件を満たすようにしてお
く。従って、その状態では被検面１ａの全面に回折格子
形成面８ａの格子パターンの像が正確に結像している。

【０００８】また、集光レンズ９と投射用対物レンズ１
０とよりなる投射光学系は所謂両側テレセントリックな
光学系を構成し、回折格子形成面８ａ上の各点と被検面
１ａ上の共役点とは全面でそれぞれ同じ倍率である。従
って、本例ではその回折格子形成面８ａの格子パターン
は図６の紙面に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格
子状にしてあるので、被検面１ａ上に投影される像も図
６の紙面に垂直な方向を長手方向とする等間隔の格子状
のパターンとなる。

【０００９】そして、受光用対物レンズ１１と集光レン
ズ（結像レンズ）１２とより集光光学系を構成し、この
集光光学系の受光用対物レンズ１１の光軸ＡＸ３は投影
光学系の光軸ＡＸ１に関して投射光学系の光軸ＡＸ２と
線対称になるようにする。１３はアオリ補正用プリズム
を示し、被検面１ａからの反射光を受光用対物レンズ１
１、平面鏡１４Ａ及び集光レンズ１２を介してプリズム
１３のプリズム入射面１３ａ上に集束する。

【００１０】この際、被検面１ａが投影光学系５の結像
面に合致している状態で、被検面１ａとプリズム入射面
１３ａとはその集光光学系に関してシャインブルーフの
条件を満たすようにしておく。従って、その状態ではプ
リズム入射面１３ａの全面に被検面１ａ上の格子パター
ンの像が正確に再結像する。また、受光用対物レンズ１
１と集光レンズ１２とよりなる集光光学系も両側テレセ
ントリックな光学系を構成し、被検面１ａ上の各点とプ
リズム入射面１３ａ上の共役点とは全面でそれぞれ同じ
倍率である。従って、被検面１ａが投影光学系５の結像
面に合致している状態では、プリズム入射面１３ａ上に
投影される像も図１の紙面に垂直な方向を長手方向とす
る等間隔の格子状のパターンとなる。

【００１１】即ち、図６において被検面１ａが投影光学
系５の結像面に合致している状態では、回折格子形成面
８ａ、被検面１ａ及びプリズム入射面１３ａは各々シャ
インブルーフの条件を満たす関係にあり、しかも各面と
も全面で各々倍率が等しい。

【００１２】そのアオリ補正用プリズム１３に入射した
光は屈折するが、その入射光の主光線がプリズム入射面
１３ａの法線方向に略々平行に屈折されるようにそのプ
リズムガラス材の屈折率を定めておく。そのプリズム入
射面１３ａからの光束をプリズム１３の射出面、平面鏡
１４Ｂ、レンズ１５及びレンズ１６を介して２次元電荷
結合型撮像デバイス（２次元ＣＣＤ）１７の撮像面１７
ａ上に集束させる。これによりプリズム入射面１３ａ上
の格子状のパターンの像の更なる像が撮像面１７ａ上に
結像される。それらレンズ１５とレンズ１６とより構成
されるリレー光学系も両側テレセントリックである。ま
た、撮像面１７ａ上に形成される像は、反射型位相格子
８の回折格子形成面８ａ上のパターンによる被検面１ａ
上の像を２回リレーして得られた像であり、言い換える
と被検面１ａに投影されたパターンの像を再々結像した
像である。

【００１３】この場合、プリズム１３からの屈折光の主
光線はプリズム入射面１３ａに略々垂直か又はその屈折
角が小さいため、２次元ＣＣＤ１７に入射する光束の主
光線も撮像面１７ａに対して略々垂直か又は入射角ρが
小さくなっている。撮像面１７ａには被検面１ａに投影
されたパターンの像が再々結像されているので、被検面
１ａの投影光学系５の光軸ＡＸ１に沿った上下によりそ
の撮像面１７ａ上での格子状パターンの像は横ずれす
る。この横ずれ量を測定することにより、被検面１ａ上
の各部の光軸ＡＸ１方向の位置が測定できる。

【００１４】具体的に、被検面１ａが平面である場合に
は、２次元ＣＣＤ１７の受光面には図７（ａ）に示すよ
うに明部２０と暗部２１とが所定ピッチで形成された縞
２２が結像される。その縞２２のピッチ方向の撮像信号
を所定範囲で平均化した撮像信号は、図７（ｂ）に示す
ように明部２０に対応する領域で大きく暗部２１に対応
する領域で小さい（０に近い）信号となる。また、被検
面１ａ上で縞状のパターンが投影されている領域を図８
（ａ）の領域２３として、その領域２３の中に部分的に
凹部２４Ａ及び凸部２４Ｂが存在すると、図８（ｂ）に
示すように、２次元ＣＣＤ１７の撮像面上の縞２２のそ
れぞれ対応する領域２５Ａ及び２５Ｂの縞の位置が変化
する。従って、その縞２２の各部の位置を検出すること
により、被検面１ａの全面の投影光学系５の光軸方向の
位置を検出することができる。

【００１５】図６において、その２次元ＣＣＤ１７から
出力される撮像信号を検出部１８に供給し、この検出部
１８はその撮像信号を処理して撮像面１７ａ上の像のパ
ターンを求め、このパターン情報を補正量算出手段１９
に供給する。この補正量算出手段１９はそのパターン情
報より、被検面１ａの現在の露光領域と投影光学系５の
結像面とのずれ量を求め、駆動手段４を介してその露光
領域の全面のずれ量が焦点深度内に収まるようにする。

【００１６】また、被検面１ａの光軸ＡＸ１方向の変位
がｚであるときの２次元ＣＣＤ１７の受光面１７ａにお
ける縞の像の横ずれ量ｙは次のようになる。即ち、被検
面１ａに対する入射光の主光線の入射角はθであり、レ
ンズ１１及び１２よりなる集光光学系の横倍率をβ、被
検面１ａからプリズム入射面１３ａへのアオリの結像面
に沿った倍率をβ′、レンズ１５及び１６よりなるリレ
ー光学系の横倍率をβ″とすると横ずれ量ｙは次のよう
になる。

【数１】ｙ＝２・β″・β′・ｔａｎθ・ｚ＝２・β″（β² ｓｉｎ² θ＋β⁴ ｓｉｎ⁴ θ／ｃｏｓ² θ）^1/2 ・ｚ

【００１７】次にアオリ補正用プリズム１３の働きにつ
いて説明する。例えば集光光学系の横倍率βが０．５で
入射角θが８５゜の場合、プリズム１３に対する被検面
１ａからの反射光の主光線の入射角αは８０゜程度とな
る。このように大きな入射角の場合、プリズム１３の代
わりに直接２次元ＣＣＤ１７を置くと入射する光量が著
しく低下する。何故ならば、ＣＣＤの光電変換部分に入
射する光がその回りの読み出し回路部分でけられたり、
更に光電変換部分やＣＣＤのパッケージの窓ガラスの表
面反射が大きく光が有効に入らないためである。そこで
ＣＣＤへの入射角を小さくする光学素子が必要となる。
図６の装置ではアオリ補正用プリズム１３を使うことに
よりそれを達成している。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、本出願
人の先願に係る位置検出装置においては、ウエハ１の被
検面１ａ上に光軸ＡＸ１に斜めに投影した明暗のパター
ンの像を撮像し、この撮像した像の横ずれからその被検
面１ａの全面の光軸ＡＸ１方向の位置を検出している。
しかしながら、そのウエハ１の被検面（露光面）１ａに
はそれまでの露光により回路パターン等が形成されてい
る場合がある。そのため、その被検面１ａに投影される
明暗のパターンの像とその既に形成されている回路パタ
ーン等の像とが重なって撮像面１７ａ上に結像され、そ
の回路パターン等の像の影響によりその明暗のパターン
の像の位置を正確に検出できない場合があるという不都
合があった。

【００１９】本発明は斯かる点に鑑み、被検面の位置検
出を正確且つ迅速に行うことができる位置検出方法及び
装置を提供することを目的とする。

【００２０】

【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、投影光学系（５）を介して被検物（１）を露光す
る露光装置に用いられる位置検出装置であって、その被
検物をその投影光学系の光軸に垂直な方向に移動させる
駆動手段（４）と、格子状パターンの像を、該格子状パ
ターンのピッチ方向がその被検物の被検面上に形成され
たショット領域の一つの辺に交差するようにその被検面
上に投射する投射手段（６，４０，４１）と、その被検
面上のその格子状パターンの像を光電検出する受光手段
（４２）と、その駆動手段によってその被検物が移動中
に、その受光手段からの検出信号に基づいてその被検面
のその投影光学系の光軸方向における第１の位置情報を
求めるとともに、その被検物の停止中にその被検面のそ
の光軸方向における第２の位置情報を求める検出手段
（１８，４４〜４６）と、その検出手段からのその第
１、及び第２の位置情報のそれぞれに基づいてその被検
面とその投影光学系の結像面とを合致させる調整手段
（１９）と、を有するものである。

【００２１】また、本発明による位置検出方法は、投影
光学系を介して被検物を露光する露光装置に用いられる
位置検出方法であって、格子状パターンの像を、該格子
状パターンのピッチ方向がその被検物の被検面上に形成
されたショット領域の一つの辺に交差するようにその被
検物上に投射し、その被検物をその投影光学系の光軸に
垂直な方向に移動させる間にその被検物上のその格子状
パターンの像を光電検出し、該検出結果よりその被検面
のその投影光学系の光軸方向における第１の位置情報を
求めるとともに、その被検物の停止中にその被検面のそ
の光軸方向における第２の位置情報を求め、その第１、
及び第２の位置情報のそれぞれに基づいてその被検面と
その投影光学系の結像面とを合致させるものである。

【００２２】

【００２３】

【作用】斯かる本発明によれば、その受光手段がその格
子状パターンとしての明暗のパターンの像を撮像する撮
像手段（４２）を有する場合、被検面（１ａ）と撮像手
段（４２）の撮像面とは光学的に像共役の位置関係にあ
る。また、明暗のパターンが被検面（１ａ）に投影され
ているが、被検面（１ａ）がその所定の軸（Ｚ軸）に垂
直な面に沿って移動しても、その撮像面におけるその明
暗のパターンの像の位置は変化しない。それに対して、
被検面（１ａ）上に既にパターンが形成されていた場
合、被検面（１ａ）がＺ軸に垂直な面に沿って移動する
と、その被検面（１ａ）上に既に形成されていたパター
ンの共役像はその撮像面上で移動する。従って、撮像中
に駆動手段（４）を介して被検面（１ａ）をＺ軸に垂直
な方向に例えば振動又は移動させることにより、撮像手
段（４２）の撮像面上では、被検面（１ａ）上に既に形
成されていたパターンの共役像が振動又は移動して、そ
の共役像の輪郭がぼける。従って、その撮像面上で明暗
のパターンの位置を検出する際の被検面（１ａ）上に形
成されていたパターンの影響を低減することができる。

【００２４】また、本発明によれば、例えば被検面（１
ａ）が多数のショット領域に分割されているような場合
に、第１のショット領域では第１の工程（その第１の位
置情報を求める工程）と第２の工程（その第２の位置情
報を求める工程）とを実行して、被検物（１ａ）を振動
等で移動させた場合の位置検出結果と被検物（１ａ）を
静止させた場合の位置検出結果との差をオフセットとし
て記憶する。また、被検面（１ａ）の多数のショット領
域に既に形成されている回路パターン等は一般に共通で
あり、それが位置検出結果に与える影響はどのショット
領域でも共通と考えられる。

【００２５】そこで、第２のショット領域以降では、被
検物（１ａ）を静止させた状態で被検物（１ａ）の位置
検出を行って、この位置検出結果にそのオフセットを加
算することにより迅速且つ正確に各ショット領域の位置
検出を行うことができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の第１実施例につき図１〜図４
を参照して説明する。本実施例は、縮小投影型露光装置
でオートフォーカス用及びレベリング用に被検面の平均
的な面を求める際に本発明を適用したものである。。

【００２７】図１は本実施例の縮小投影型露光装置の要
部を示し、この図１において、レチクルホルダー２７に
支持されたレチクル２６には転写対象とする回路パター
ンが描画されており、ウエハ１への露光時には、図示省
略した照明光学系からの露光光ＩＬがレチクル２６のパ
ターン領域を均一な照度で照明する。その露光光ＩＬの
もとで、レチクル２６の回路パターンが投影光学系５を
介して１／５に縮小されてウエハ１の露光面１ａ上の各
ショット領域に転写される。

【００２８】ウエハ１はθテーブル２８上に保持され、
θテーブル２８はＺステージ３５Ｚ上に載置され、Ｚス
テージ３５Ｚは３個の上下駆動機構３２〜３４を介して
Ｘステージ３５Ｘ及びＹステージ３５Ｙ上に載置されて
いる。駆動モータ３６で送りねじ３７を回すことによ
り、Ｘステージ３５Ｘを投影光学系５の光軸（これをＺ
軸とする）に垂直で図１の紙面に平行なＸ方向に移動さ
せることができ、駆動モータ３８（Ｙステージ３５Ｙの
手前側にある）で送りねじ３９を回すことにより、Ｙス
テージ３５ＹをＺ軸に垂直で且つ図１の紙面に垂直なＹ
方向に移動させることができる。また、Ｚステージ３５
Ｚによりウエハ１をＺ軸に沿って移動させることがで
き、正三角形の各頂点に配置された３個の上下駆動機構
３２〜３４をそれぞれＺ軸の方向に上下させることによ
り、ウエハ１の露光面１ａの傾き及びＺ方向の高さを調
整することができる。

【００２９】Ｚステージ３５Ｚ上のθテーブル２８の近
傍には、種々のアライメントマークが形成された基準マ
ーク集合体２９及び移動鏡３０が取り付けられ、レーザ
ー干渉計３１からのレーザービームを移動鏡３０で反射
することにより、Ｘステージ３５ＸのＸ座標が計測さ
れ、図示省略したＹ方向用のレーザー干渉計によりＹス
テージ３５ＹのＹ座標が計測されている。

【００３０】また、４１はオートフォーカス検出系の送
光系、４２はオートフォーカス検出系の受光系を示し、
送光系４１は図６のコンデンサーレンズ７から照射用対
物レンズ１０までの光学素子より構成され、受光系４２
は図６の集光用対物レンズ１１から２次元ＣＣＤ１７ま
での光学素子より構成されている。そして、光源６から
の照明光が光ガイド４０を介して送光系４１に導かれ、
その照明光のもとでウエハ１の露光面１ａ上に所定の明
暗のパターンがＺ軸に斜めに投影される。その露光面１
ａ上の明暗のパターンの像が受光系４２の２次元ＣＣＤ
の撮像面に再結像され、その撮像信号が検出部１８を介
してメモリ４４に書き込まれる。

【００３１】４５は画像抽出手段を示し、この画像抽出
手段４５がメモリ４４よりウエハ１上の次に露光される
ショット領域の撮像信号を取り出して画像処理手段４６
に供給す。それに応じて、画像処理手段４６はその撮像
信号よりウエハ１の露光面１ａに既に形成されているパ
ターンの影響を除去して得られた撮像信号を補正量算出
手段１９に供給する。補正量算出手段１９は、その撮像
信号よりその露光面１ａに投影されたパターンの像の横
ずれ量を求め、この横ずれ量からその露光面１ａの平均
的な面を決定する。そして、補正量算出手段１９は、駆
動手段４を介してＺステージ３５Ｚ及び上下駆動機構３
２〜３４を動作させて、その露光面１ａの平均的な面を
投影光学系５の最良結像面に焦点深度の範囲内で合致さ
せる。ただし、本例では後述のようにその露光面１ａの
高さ分布を求める際に、Ｘステージ３５Ｘ及びＹステー
ジ３５Ｙを動作させてその露光面１ａをＺ軸に垂直なＸ
Ｙ平面内で振動させる。

【００３２】４７はアライメント系を示し、ウエハ１の
アライメント時には、アライメント系４７から射出され
たアライメント光（露光光ＩＬと異なる波長帯のウエハ
１上に塗布されたレジストに対する感光性の低い光）が
ミラー４８で反射されて投影光学系５に入射し、この投
影光学系５から射出されたアライメント光がウエハ１に
照射される。また、レチクル２６の上方には移動自在に
アライメント顕微鏡４３が配置されている。

【００３３】基準マーク集合体２９にはレチクルアライ
メント用のマーク及びウエハアライメント用のマークが
形成されている。そして、露光光ＩＬと同じ波長の照明
光のもとで、アライメント顕微鏡４３を用いて、レチク
ル２６に形成されたレチクルマークと基準マーク集合体
２９のレチクルアライメントマークとを合致させること
でレチクル２６が基準マーク集合体２９に対して位置決
めされる。また、アライメン系４７からの照明光を投影
光学系５を介して基準マーク集合体２９のウエハアライ
メントマークに照射して、そのウエハアライメントマー
クの像をアライメント系４７の基準位置に合致させるこ
とで、アライメント系４７が基準マーク集合体２９に対
して位置決めされる。結果として、レチクル２６の位置
とアライメント系４７の位置との間のキャリブレーショ
ンが行われる。

【００３４】また、アライメント系４７によってウエハ
１のＺ軸の回りの回転角が計測され、θテーブル２８を
回転させることによりその回転角を補正できる。また、
図２に示すように、ウエハ１上には通常既にショット領
域５０単位で回路パターンが形成されている。例えば、
特開昭６１−４４４２９号公報等に開示されているよう
に、ウエハ１上の３個以上の代表ショット領域の近傍に
あるウエハマークをアライメント系４７で計測すること
により、ステージ上のＸＹ平面の座標系におけるウエハ
１の各ショット領域の位置、伸縮量、上記回転補正後の
残留回転角及びウエハ１の座標系上のＸ軸とＹ軸との直
交度などが計測される。この計測結果よりウエハ１上の
各ショット領域の正確な位置が算出される。

【００３５】次に、本例の露光時の動作につき説明す
る。この場合、図１において、送光系４１の光軸と受光
系４２の光軸とを含む平面は図１の紙面に平行なＸＺ平
面及び図１の紙面に垂直なＹＺ平面に対して４５゜の角
度で交差している。そして、ウエハ１上の次に露光する
ショット領域の位置決めが終わってから、オートフォー
カス及びレベリングを行う際に、図２に示すように、ウ
エハ１のそのショット領域上の領域２３に図１の送光系
４１から明暗の縞よりなる格子状パターンが投影され
る。その明暗の縞のピッチ方向は図１の送光系４１の光
軸と受光系４２の光軸とを含む平面に平行である。ま
た、図２に示すように、ウエハ１の各ショット領域の辺
はＸ軸又はＹ軸に平行であり、その領域２３上の明暗の
縞のピッチ方向は各ショット領域の辺にほぼ４５°で交
差している。これにより、ウエハ１の各ショット領域に
それまでのプロセスで形成された回路パターンのその明
暗の縞を用いた位置検出に対する影響が軽減される。

【００３６】更に、図２に示すように本例では、図１の
Ｘステージ３５Ｘ及びＹステージ３５Ｙを駆動させてウ
エハ１をＸ軸及びＹ軸に４５°で交差するＲ方向に振動
させる。例えば今回露光対象とするショット領域のＲ方
向の長さをＬ１として、その長さＬ１の方向に長さの単
位ΔＬでＺ方向の位置の分布を検出するものとすると、
そのＲ方向の振動の振幅はΔＬ以下であることが望まし
い。また、ウエハ１上に既にＲ方向に平行な回路パター
ンが形成されているような場合には、そのウエハ１の振
動の方向はそのＲ方向に交差する方向に変えることが望
ましい。この振動によりウエハ１に既に形成されている
回路パターンの位置検出に与える影響を除去することが
できる。なお、ウエハ１を振動させる代わりに、（低速
で）ウエハ１をＲ方向に移動させてもよい。

【００３７】そのウエハ１の領域２３の明暗の縞が図１
の受光系４２中の２次元ＣＣＤの撮像面に再結像され
る。図３（ａ）はその受光系４２の撮像面（図６の撮像
面１７ａに相当する）に結像された像を示し、この図３
（ａ）の撮像面において、明部２０及び暗部２１からな
る縞２２が再結像されていると共に、その撮像面の両端
に縞の位置を検出する際の基準となる指標マーク像４９
Ａ及び４９Ｂが結像されている。これら指標マーク像４
９Ａ及び４９Ｂの元のパターンは、例えば図６のアオリ
補正用プリズム１３のプリズム入射面１３ａ上に形成さ
れており、その撮像面に対して固定されている。

【００３８】その図３（ａ）の撮像面の像は受光系４２
の内部の２次元ＣＣＤにより撮像され、その２次元ＣＣ
Ｄからの撮像信号は図１の検出部１８を介してメモリ４
４に記憶される。そして、画像抽出手段４５により図３
（ａ）のｋ番目の走査線からｌ番目の走査線までの撮像
信号Ｖ₁ が選び出される。図３（ｂ）はそれら撮像信号
Ｖ₁ を平均化した撮像信号を示し、この図３（ｂ）にお
いて横軸は時間軸ｔであるが、その時間軸ｔは図３
（ａ）の走査方向の座標（これをＸ座標とする）ともみ
なすことができる。

【００３９】その平均化された画像信号Ｖ₁ から分かる
ように、撮像面上の像の明部及び暗部に対応してその撮
像信号はそれぞれ凸のピーク及び凹のピーク（ボトム）
となる。本例ではその撮像面上の像の各暗部の中心、即
ち撮像信号Ｖ₁ のボトム点を検出する。これにより、図
３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の明暗の縞２２の各
暗部２１の中心に対応したボトム点の座標ｘ₁ 〜ｘ₉ 及
び指標マーク像４９Ａ，４９Ｂに対応したボトム点の座
標Ｘ₁ 〜Ｘ₄ が得られる。これら座標ｘ₁ 〜ｘ₉ ，Ｘ₁
〜Ｘ₄ は図１の画像処理手段４６において、撮像信号を
微分してゼロクロス点を求めることにより検出される。

【００４０】次に、縞２２の各暗部２１の中心に対応し
たボトム点の座標ｘ₁ 〜ｘ₉ を指標マーク像の座標Ｘ₁
〜Ｘ₄ を基準として規格化することにより、座標ｓ₁ 〜
ｓ₉を得る。これは撮像面上で指標マーク像４９Ａと指
標マーク像４９Ｂとの中点を原点としたときの、その縞
２２の各暗部２１の中心の座標ｓ_j （ｉ＝１，２，‥
‥，９）を求めることを意味し、座標ｓ_j は次式で表さ
れる。

【数２】ｓ_j ＝ｘ_j −（Ｘ₁ ＋Ｘ₂ ＋Ｘ₃ ＋Ｘ₄ ）／４

【００４１】そして、図３（ａ）の全部でｎ本の走査線
をｍグループに分割して、各分割単位毎に暗部２１の中
心の座標を求めて（数２）の演算を施すことにより、そ
の撮像面の全画面における指標マーク像４９Ａ，４９Ｂ
を基準とした縞２２の暗部２１の位置が決定される。そ
れらパラメータｍ，ｎ及び図３（ａ）の走査線の番号
ｋ，ｌの関係は次式で表される。

【数３】ｌ−ｋ＋１＝ｎ／ｍ

【００４２】以上の作業により、縞２２の（ｍ×９）個
の暗部２１の座標ｓ_ij（ｉ＝１，２，‥‥，ｍ；ｊ＝
１，２，‥‥，９）が決定され、これらは図１の補正量
算出手段１９へ送られる。補正量算出手段１９には予め
各暗部２１の目標位置Ｗ_ijが記憶されており、この目標
位置との差Δｓ_ij（ｓ_ij−Ｗ_ij）を（数１）の横ずれ量
ｙへ代入し、それぞれ位置ｚを求めることにより、ウエ
ハ面１ａのＺ方向の基準位置（図１の投影光学系５の最
良結像面のＺ座標）からの変位Δｚ_ijが（ｍ×９）個の
各ブロック毎に求められる。

【００４３】各変位Δｚ_ijの中から一直線上に並ばない
３個以上で且つ（ｍ×９）個以下のを選び、この選ばれ
た変位に基づいてウエハ１の露光面１ａの今回露光対象
とするショット領域の平均的な面の高さと傾きが求めら
れる。その後、補正量算出手段１９で三角形状に配置さ
れた上下駆動機構３２〜３４を動かす補正量がそれぞれ
計算されて駆動手段４へ供給される。駆動手段４は上下
駆動機構３２〜３４（及び必要に応じてＺステージ３５
Ｚ）を与えられた補正量だけ動かすことにより、そのシ
ョット領域のオートフォーカス及びレベリングが行われ
る。その後、Ｘステージ３５Ｘ及びＹステージ３５Ｙの
振動を停止させた状態で、そのショット領域へのレチク
ル２６のパターンの露光が行われる。

【００４４】本例において、図１の受光系４２中の２次
元ＣＣＤで図３（ａ）の像を撮像する際に、図２の今回
露光対象となるショット領域上の領域２３には既に回路
パターンが形成されている場合がある。図４（ａ）は領
域２３に回路パターンが形成されている場合の図３
（ａ）に対応する撮像面上の像を示し、この図４（ａ）
において、明暗の縞２２に重畳して回路パターンの像５
１が結像されている。しかし、前述したように、撮像時
にはウエハ１が図２のＲ方向、即ち回路パターンに交差
する方向に振動しているため、２次元ＣＣＤ（２次元電
荷結合型撮像デバイス）の各撮像エレメントの蓄積時間
内において像が平均化されることにより、回路パターン
の像５１の輪郭はぼけている。従って、回路パターンの
像５１に影響されずに正確に明暗の縞２２の各部の横ず
れ量を正確に検出することができ、対応するショット領
域の平均的な面を正確に決定できる。

【００４５】次に、本発明の第２実施例につき図４及び
図５を参照して説明する。本例でも図１の露光装置を使
用する。また、この実施例では、図１の受光系４２の２
次元ＣＣＤで撮像する際に、Ｘステージ３５Ｘ及びＹス
テージ３５Ｙを介してウエハ１を所定の一方向へ走らせ
る。即ち、前のショット領域の露光終了後、次のショッ
ト領域へ移動する過程において、ウエハ１が最終目標点
に到達する前に撮像動作を行う。

【００４６】図４（ａ）はその際に撮像される像を示
し、この図４（ａ）に示すように、ウエハ１が走ること
により回路パターンの像５１の輪郭はぼけている。この
図４（ａ）の所定の走査線に沿った撮像信号Ｖ₂ を図４
（ｂ）に示し、この図４（ｂ）において図３（ｂ）と同
様に、縞２２の暗部２１の座標ｘ₁ ′〜ｘ₉ ′及び指標
マーク像４９Ａ，４９Ｂの座標Ｘ₁ ′〜Ｘ₄ ′が検出さ
れ、次式より各暗部２１の規格化された座標ｓ_j ′（ｊ
＝１，２，‥‥，９）が検出される。ただし、これらの
座標ｓ_j ′は図４（ａ）の走査線をｍグループに分割し
て得られる各グループ毎に求められる。この工程を第１
ステップとする。

【数４】ｓ_j ′＝Ｘ_j ′−（Ｘ₁ ′＋Ｘ₂ ′＋Ｘ₃ ′＋
Ｘ₄ ′）／４

【００４７】次に、図１のＸステージ３５Ｘ及びＹステ
ージ３５Ｙが完全に目標位置へ到達して、ほぼ停止した
状態で、もう一度、図４（ａ）の像の撮像から図４
（ｂ）の縞２２の暗部２１のボトム点の座標を規格化し
た座標ｓ_ij″（ｉ＝１，‥‥，ｍ）の算出までの動作が
実行される。この工程を第２ステップとする。

【００４８】この第２ステップでは、図５（ａ）に示す
ように、撮像面では回路パターンの像５１の輪郭はぼけ
ておらず、明瞭に観察される。図５（ｂ）はその図５
（ａ）の所定の走査線に沿う撮像信号Ｖ₃ を示し、この
図５（ｂ）においてその回路パターンの像５１の影響に
よりその撮像信号Ｖ₃ は歪んでいる。従って、ウエハ面
１の露光面１ａを変位させていないのにもかかわらず、
縞２２の暗部の座標ｘ_ij″（ｉ＝１，‥‥，ｍ；ｊ＝
１，‥‥，９）は第１ステップでウエハ１を動かしなが
ら検出した位置とは異なり、それを規格化した座標
ｓ_ij″も第１ステップで求めた規格化された座標ｓ_ij′
とは異なる。この差ε_ij（＝ｓ_ij″−ｓ_ij′）を求め、
第２ステップで求めた座標ｓ_ij″から引くことにより、
補正座標ｓ_ij ^* （＝ｓ_ij″−ε_ij）が決定される。

【００４９】この補正座標ｓ_ij ^* を図３（ｂ）の第１実
施例の座標ｓ_ijの代わりにに用いることにより以後の各
動作が図３の場合と同様に行われる。ところで、図１の
補正量算出手段１９で決定された補正量に従って各上下
駆動機構３２〜３４を動かしたとしても、駆動誤差など
により、必ずしもウエハ１の露光面１ａが目標位置に達
しない可能性がある。これを防ぐために、その第２ステ
ップ（撮像から各暗部の座標ｓ_ij″算出までの動作）が
再び行われ、先に求められた差ε_ijから、補正座標ｓ_ij
^* が求められる。これをもとに露光面１ａの高さ、傾き
が計算され、残留誤差がまだ無視できないほど大きい場
合は、再度補正量が決められ、駆動手段４に送られる。
以上を繰り返し、許容値以下に露光面１ａが投影光学系
５の最良結像面に合致された後に、露光が行われる。

【００５０】この第２実施例によれば上下駆動機構３２
〜３４を動作させるときには、既にＸステージ３５Ｘ及
びＹステージ３５Ｙは停止しており、露光面１ａのオー
トフォーカス及びレベリングの終了と同時に露光が開始
できる。従って、露光工程のスループットが向上する。

【００５１】次に、本発明の第３実施例につき説明す
る。この実施例では、最初のショット領域で求めた差ε
_ijを２番目以降のショット領域にもそのまま使うことに
より、２番目以降のショット領域については、上記の第
１ステップの動作、即ちウエハ１を移動させた状態での
縞の横ずれの検出をしなくてもよい。これにより露光工
程のスループットを高めることができる。

【００５２】尚、上述の各実施例において明暗のパター
ンとして縞２２が使用されているが、それ以外の任意の
パターンを使用することができる。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。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、被検面の位置検出を正
確且つ迅速に行うことができる。

【００５４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による位置検出装置の実施例が適用され
る縮小投影型露光装置の要部を示す構成図である。

【図２】図１のウエハ１の露光面を示す平面図である。

【図３】（ａ）は第１実施例で図１の受光系４２内の撮
像面に結像した明暗のパターンの像を示す線図、（ｂ）
は図３（ａ）の走査線に沿った撮像信号を示す波形図で
ある。

【図４】（ａ）は第１実施例及び第２実施例で図１の受
光系４２内の撮像面に結像した回路パターン及び明暗の
パターンの像を示す線図、（ｂ）は図４（ａ）の走査線
に沿った撮像信号を示す波形図である。

【図５】（ａ）は第２実施例で図１の受光系４２内の撮
像面に結像した回路パターン及び明暗のパターンの像を
示す線図、（ｂ）は図５（ａ）の走査線に沿った撮像信
号を示す波形図である。

【図６】本出願人の先願に係る縮小投影型露光装置の要
部を示す構成図である。

【図７】（ａ）は図６の２次元ＣＣＤ１７の撮像面に結
像した明暗のパターンを示す線図、（ｂ）は図７（ａ）
の走査線に沿った撮像信号を示す波形図である。

【図８】（ａ）は図６のウエハ１の明暗のパターンが投
影された露光面を示す平面図、（ｂ）は図８（ａ）に対
応した２次元ＣＣＤ１７の撮像面に結像される像を示す
線図である。

【符号の説明】

１ウエハ４駆動手段５投影光学系６光源８反射型位相格子１３アオリ補正用プリズム１８検出部１９補正量算出手段２０明部２１暗部２２縞２６レチクル２８ θテーブル３５ＸＸステージ３５ＹＹステージ３５ＺＺステージ３６，３８駆動モータ４１オートフォーカス検出系の送光系４２オートフォーカス検出系の受光系４４メモリ４５画像抽出手段４６画像処理手段４７アライメント系５１回路パターンの像

───────────────────────────────────────────────────── 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 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投影光学系を介して被検物を露光する露
光装置に用いられる位置検出装置であって、前記被検物を前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動
させる駆動手段と、格子状パターンの像を、該格子状パターンのピッチ方向
が前記被検物の被検面上に形成されたショット領域の一
つの辺に交差するように前記被検面上に投射する投射手
段と、前記被検面上の前記格子状パターンの像を光電検出する
受光手段と、前記駆動手段によって前記被検物が移動中に、前記受光
手段からの検出信号に基づいて前記被検面の前記投影光
学系の光軸方向における第１の位置情報を求めるととも
に、前記被検物の停止中に前記被検面の前記光軸方向に
おける第２の位置情報を求める検出手段と、前記検出手段からの前記第１、及び第２の位置情報のそ
れぞれに基づいて前記被検面と前記投影光学系の結像面
とを合致させる調整手段と、を有することを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】前記被検面上には複数のショット領域が
形成されており、前記検出手段は、前記複数のショット領域の内の第１の
ショット領域が前記投影光学系の像面側の露光位置で露
光処理された後、前記第１のショット領域とは異なる第
２のショット領域を前記露光位置へ移動する過程で前記
位置情報を検出することを特徴とする請求項１に記載の
位置検出装置。
【請求項３】前記第２の位置情報は、前記第２のショ
ット領域が前記投影光学系の像面側の露光位置に位置決
めされたときの位置情報であることを特徴とする請求項
２に記載の位置検出装置。
【請求項４】前記検出手段は、前記第１及び第２の位
置情報を、前記被検物上の複数箇所で同時に検出可能で
あることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載
の位置検出装置。
【請求項５】前記受光手段は、前記格子状パターンの
像の位置検出の基準となる指標マークを有することを特
徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の位置検出装
置。
【請求項６】前記検出手段は、明暗縞からなる前記格
子状パターンの像の暗部の位置を検出することを特徴と
する請求項１〜５の何れか一項に記載の位置検出装置。
【請求項７】投影光学系を介して被検物を露光する露
光装置に用いられる位置検出方法であって、格子状パターンの像を、該格子状パターンのピッチ方向
が前記被検物の被検面上に形成されたショット領域の一
つの辺に交差するように前記被検物上に投射し、前記被検物を前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動
させる間に前記被検物上の前記格子状パターンの像を光
電検出し、該検出結果より前記被検面の前記投影光学系
の光軸方向における第１の位置情報を求めるとともに、
前記被検物の停止中に前記被検面の前記光軸方向におけ
る第２の位置情報を求め、前記第１、及び第２の位置情報のそれぞれに基づいて前
記被検面と前記投影光学系の結像面とを合致させること
を特徴とする位置検出方法。
【請求項８】前記被検面上には複数のショット領域が
形成されており、前記第１の位置情報は、前記複数のショット領域の内の
第１のショット領域が前記投影光学系の像面側の露光位
置で露光処理された後、前記第１のショット領域とは異
なる第２のショット領域を前記露光位置へ移動する過程
で検出されることを特徴とする請求項７に記載の位置検
出方法。
【請求項９】前記第２の位置情報は、前記第２のショ
ット領域が前記投影光学系の像面側の露光位置に位置決
めされたときの位置情報であることを特徴とする請求項
８に記載の位置検出方法。
【請求項１０】前記第１及び第２の位置情報を、前記
被検物上の複数箇所で同時に検出することを特徴とする
請求項７〜９の何れか一項に記載の位置検出方法。