JP3381313B2

JP3381313B2 - 露光装置および露光方法並びに素子製造方法

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Publication number: JP3381313B2
Application number: JP18389893A
Authority: JP
Inventors: 康明田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JPH0697046A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばレベリング機構
を有する露光装置および露光方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子または液晶表示素子等を製造
するリソグラフィ工程では、レチクルのパターンを投影
光学系を介して１／５に縮小して、感光基板上の複数の
ショット領域の各々に順次転写するステップアンドリピ
ート方式の投影露光装置（ステッパー）が使用されてい
る。通常、感光基板（ショット領域）の露光面上にレチ
クルパターンの鮮明な像を転写するため、投影露光装置
には投影光学系の結像面（焦点面）に対して露光面を平
行に設定するためのレベリング機構が組み込まれてい
る。このレベリング機構は、投影光学系の結像面に対す
る露光面の傾斜状態を計測する傾斜検出光学系（レベリ
ング光学系）と、その感光基板の傾斜状態を所望の状態
に設定するレベリングステージとにより構成されてい
る。

【０００３】図７（ａ）は従来のレベリング機構を備え
た投影露光装置の要部を示している。図７（ａ）におい
て、レチクル１はレチクルホルダー２に載置され、レチ
クル１のパターンの像が露光光Ｌ１のもとで投影光学系
３を介してウエハ４上の１つのショット領域に転写され
る。ウエハ４は上部ステージ（ホルダ）５に保持され、
さらに上部ステージ５は３個の支点を介して下部ステー
ジ６に載置されている。図７（ｃ）に示すように、上部
ステージ５の３個の支点５ａ〜５ｃのうちの２個の支点
５ａ、５ｂは上下に移動できるようになっており、残り
の１個の支点５ｃは固定されている。下部ステージ６側
でそれら２個の支点５ａ、５ｂの移動量を調整すること
により、上部ステージ５の傾斜状態を所望の状態に設定
することができ、上部ステージ５及び下部ステージ６に
よりレベリングステージが構成されている。上記構成の
ステージは、例えば特開昭６２─２７４２０１号公報に
開示されている。

【０００４】また、下部ステージ６はウエハステージ７
に載置され、ウエハステージ７は投影光学系３の光軸に
垂直な面内で２次元移動可能なＸＹステージ、及び投影
光学系３の光軸方向（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ
等により構成されている。ウエハステージ７の２次元的
な位置（Ｘ、Ｙ方向の座標位置）はレーザ干渉計８によ
り常時検出され、さらに駆動手段９によりウエハステー
ジ７のＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置決めが行われる。

【０００５】さて、レベリング光学系用の光源１０から
の検出光Ｌ２は投射対物レンズ１１により平行光束に変
換され、この平行光束が投影光学系３の光軸ＡＸに対し
て斜めにウエハ４に入射し、ショット領域の露光面（レ
ジスト層の表面）のほぼ全面を照射する。さらに、ウエ
ハ４から投影光学系３の光軸に対して斜めに反射される
光（平行光束）は、集光対物レンズ１２により光電セン
サ１３の受光面に集束される。ウエハ４（ショット領
域）の露光面の傾斜状態（傾き角）が変化すると、光電
センサ１３の受光面上での光量分布の重心位置が変化
（シフト）することから、ウエハ４の露光面の傾斜状態
を検出することができる（詳細は特開昭５８─１１３７
０６号公報に開示）。尚、光電センサ１３は図７（ｂ）
に示すように、例えば４分割された受光素子より構成さ
れている。

【０００６】また、図７（ｃ）に示すように平面度の良
好なウエハ４の露光面が投影光学系３の最良結像面（ベ
ストフォーカス面）に平行な状態のとき、そのウエハ４
の検出領域（ほぼショット領域に相当）１４から反射し
た光が光電センサ１３の受光面の中心に集束されるよう
に光電センサ１３の位置決めを行っておく。それ以後
は、光電センサ１３の受光面上の中心に反射光が集束さ
れるように、レベリングステージ５、６を介してウエハ
４の露光面の傾斜状態を調整することにより、投影光学
系３の結像面とショット領域の露光面とがほぼ一致する
ことになる。

【０００７】ところで、図７（ａ）では図示省略してあ
るが、投影露光装置にはレベリング光学系の他に、ショ
ット領域の露光面内の所定の計測点（例えばショット中
心）における投影光学系３の光軸方向の高さ（Ｚ方向の
位置）を計測するための焦点検出光学系も配置されてい
る。従って、焦点検出光学系からの検出信号に応じてウ
エハステージ７（Ｚステージ）を駆動することで、ショ
ット領域の露光面（計測点）は結像面とほぼ同じ高さに
設定される。すなわち、焦点検出光学系とＺステージと
によりオートフォーカス機構が構成されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ウエハ
４上の各ショット領域の露光面の平面度が良好である場
合には、レベリング機構によりその露光面を投影光学系
３の結像面に平行にすることができる。しかしながら、
ウエハには各種のプロセスを経ることにより高低差の大
きい凹凸が生じることがあり、さらにレジストの塗布む
ら等によりウエハから反射した光がショット領域の露光
面の傾斜状態に対応しないことがある。このため、レベ
リング機構を動作させてもショット領域毎にその露光面
を投影光学系３の結像面と平行にできない場合があると
いう不都合がある。

【０００９】図８（ａ）は、ウエハ４Ａに鋸歯状の凹凸
が形成されている様子を示している。図８（ａ）に示す
ように、ウエハ４Ａ上の１つのショット領域ＳＡに検出
光Ｌ２を照射したとき、光電センサ１３からの検出信号
に応じて上部ステージ５を動かしてレベリングを行って
も、ショット領域の露光面の平均的な面（例えばショッ
ト領域内の凹部と凸部とのほぼ中央に規定される仮想的
な面）と投影光学系３の最良結像面Ｐ１とが平行になら
ない。実際には、図８（ｂ）に示すようにショット領域
の露光面（平均的な面）が最良結像面Ｐ１と合致するこ
とが望ましい。

【００１０】また、プロセス（レイヤ）によってはパタ
ーンによる段差とレジストの塗布むらとの相互の影響に
より、レベリング機構を動作させたときの投影光学系３
の結像面に対するウエハ４の露光面の傾斜量が、図９に
示す如くウエハ４内の位置、すなわちショット領域毎に
異なる場合がある。図９（ａ）はウエハ４上の１つのシ
ョット列（７つのショット領域）ＳＡ₁₁〜ＳＡ₁₇を示
し、図９（ｂ）はウエハステージの走り面（移動平面）
Ｐ２に対する７つのショット領域ＳＡ₁₁〜ＳＡ₁₇の各露
光面（平均的な面）Ｐ₁₁〜Ｐ₁₇のレベリング動作を行っ
た後の傾斜量を示している。このような場合、従来のよ
うにウエハ上の全てのショット領域に対して、レベリン
グ結果に一様なオフセットを加えることで、ショット領
域毎にその露光面を結像面に一致させることは不可能で
ある。また、レベリング光学系以外の手段、例えば焦点
検出光学系を用いて、ショット領域毎にその露光面の結
像面に対する傾斜量を求めることは、処理時間を大幅に
増やすこととなる。

【００１１】本発明はかかる点に鑑み、感光基板の露光
面に凹凸等が存在してもその露光面の平均的な面を投影
光学系の最良結像面に平行に設定できる露光装置および
露光方法並びに半導体素子や液晶表示素子等の素子製造
方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明の第１の露光装置においては、複数のショッ
ト領域が２次元的に配列された基板（４）を保持して、
所定の基準平面、すなわち投影光学系３の最良結像面Ｐ
１に対して任意に傾斜可能で、かつ最良結像面とほぼ平
行な面（投影光学系３の光軸と垂直な面）内で２次元移
動可能なステージ（５〜７）と、最良結像面に対するシ
ョット領域内の少なくとも１つの計測点での基板とほぼ
垂直な方向（投影光学系３の光軸方向）のずれを検出す
る焦点検出光学系（２１〜２４、１６〜１９、２５〜２
８）と、最良結像面に対するショット領域の傾斜状態を
検出する傾斜検出光学系（１０、１１、１５〜１９、１
３）とを備え、複数のショット領域の各々を最良結像面
に配置してマスク（１）に形成されたパターンを転写す
る露光装置において、基板（４）上の複数のショット領
域ＳＡのうち、少なくとも３つのショット領域を特定シ
ョット領域（ＳＡ1 〜ＳＡ9)として選択し、傾斜検出光
学系を用い検出された特定ショット領域の露光面と、投
影光学系の最良結像面とを一致させた状態で、焦点検出
光学系を用いて特定ショット領域内の予め定められた複
数の計測点の各々での最良結像面からのずれ量を求める
第１の制御手段（２０、２９）と；複数の計測点でのず
れ量に基づいて特定ショット領域の露光面の最良結像面
に対する傾斜量を算出するとともに、この算出された複
数の特定ショット領域の各々での傾斜量を統計演算する
ことにより、基板上の複数のショット領域の各々の傾斜
補正量を算出する演算手段（２９）と；複数のショット
領域ＳＡの各々の露光面と最良結像面とがほぼ一致する
ように、ショット領域毎に先の傾斜補正量と傾斜検出光
学系からの検出信号とに基づいてステージの移動を制御
する第２の制御手段（２９）を設けることとした。ま
た、本発明の第２の露光装置においては、マスクのパタ
ーンを投影光学系を介して複数のショット領域が形成さ
れた基板上に投影することによって基板を露光する露光
装置であって、投影光学系の結像面に対する基板表面の
位置情報を検出する検出手段（１０，１１，１３，１５
〜１９，２１〜２８）と、複数のショット領域から選択
された複数の特定ショット領域内における凹凸状態をそ
れぞれ計測する制御手段（２０，２９）と、特定ショッ
ト領域内における凹凸状態の計測結果と、前記基板の露
光時における検出手段の検出信号とに基づいて、前記基
板と前記投影光学系の結像面との相対位置関係を調整す
る調整手段（５，６，２０，２９）とを有することを特
徴とするものである。また、本発明の露光方法において
は、マスクのパターンを投影光学系を介して複数のショ
ット領域が形成された基板上に投影することによって前
記基板を露光する露光方法であって、複数のショット領
域から選択された複数の特定ショット領域内における凹
凸状態を計測し、投影光学系の結像面に対する基板表面
の位置情報を検出する検出手段の検出信号と、凹凸状態
の計測結果とに基づいて、基板と投影光学系の結像面と
の相対位置関係を調整することを特徴とするものであ
る。

【００１３】

【作用】本発明では、傾斜検出光学系で検出した基板上
のショット領域の傾斜状態に所定の補正を行うことで、
ショット領域毎にその露光面と基準平面（投影光学系の
結像面）とを正確に一致させるものである。このため、
傾斜検出光学系を用いて特定ショット領域の露光面と基
準平面とを一致させた状態で、焦点検出光学系を用いて
検出した少なくとも３つの特定ショット領域の各々の露
光面の基準平面に対する傾斜量を統計演算することによ
り、ショット領域毎の傾斜補正量を求めるようにしたも
のである。この本発明の原理につき図１を参照して説明
する。

【００１４】図１（ａ）〜（ｆ）において、平面度の良
好な基板（ウエハ）４Ｂ、または処理対象とする基板
（ウエハ）４Ｃは、上部ステージ５と下部ステージ６と
よりなるレベリングステージに載置され、当該基板上の
ショット領域は投影光学系３の最良結像面Ｐ１と一致す
るようにレベリングが行われる。また、レベリングステ
ージは図示省略したＸＹステージにより面Ｐ２に沿って
移動される。尚、面Ｐ２はＸＹステージの走り面（ここ
では干渉計によって規定される直交座標系を含む移動平
面とする）を表しており、ここでは最良結像面Ｐ１と平
行でない（すわなち面Ｐ２に対して最良結像面Ｐ１が傾
いている）ものとする。

【００１５】まず、図１（ａ）に示すようにレベリング
ステージに平面度の良好なウエハ４Ｂを載置し、このウ
エハ４Ｂの露光面にレベリング光学系の平行な検出光Ｌ
２を投影光学系３の光軸に対して斜めに照射して露光面
の傾きを検出する。その後、レベリングステージを駆動
してウエハ４Ｂの露光面を最良結像面Ｐ１に平行に設定
する。ウエハ４Ｂの露光面の平面度は良好であるため、
レベリング光学系により露光面の傾斜は正確に検出で
き、その露光面は最良結像面Ｐ１に対して正確に平行に
設定される。

【００１６】次に、図１（ｂ）に示すようにレベリング
ステージを面Ｐ２に沿って紙面内左方向に移動させる。
そして、焦点位置検出光学系を用いて投影光学系３の光
軸に対して斜めに検出光Ｌ３を照射し、ウエハ４Ｂの露
光面の計測点（例えば投影光学系３の光軸と交わる点）
にスリットパターン等のプローブパターン像を結像す
る。このプローブパターン像からの反射光を焦点位置検
出光学系で所定の受光面に再結像し、この再結像された
プローブパターン像の位置の変化よりそのウエハ４Ｂの
露光面の計測点の高さを検出する。実際には、例えばそ
の計測点の高さと面Ｐ２の高さとの偏差δ₁₀を求める。

【００１７】その後、図１（ｃ）に示すようにレベリン
グステージを面Ｐ２に沿って紙面内右方向に移動させた
状態で、焦点位置検出光学系を用いて今回の計測点の高
さとステージ走り面Ｐ２の高さとの偏差δ₂₀を求める。
また、それ以外にもレベリングステージを面Ｐ２に沿っ
て移動させることにより、ウエハ４Ｂの露光面の種々の
計測点（同一直線上にない少なくとも３つの計測点が必
要であり、かつこれらの計測点は全て１つのショット領
域の範囲内に設定される）におけるステージ走り面Ｐ２
との偏差δ_j0を求める。これら複数の偏差δ_j0により求
められる平均的な面は、最良結像面Ｐ１を表すものであ
る。従って、平面度の良好なウエハ４Ｂの各計測点の高
さを焦点位置検出光学系で計測することにより、面Ｐ２
を基準とした最良結像面Ｐ１の傾斜が求められる。

【００１８】次に、図１（ｄ）に示すように露光面の凹
凸が大きい処理対象とするウエハ４Ｃをレベリングステ
ージに載置する。そして、レベリング光学系からの検出
光Ｌ２をウエハ４Ｃ上の１つのショット領域の露光面に
照射してその傾斜状態を計測し、これにより平均的な面
と判定された面を投影光学系３の最良結像面Ｐ１に平行
に設定する。しかしながら、実際には露光面の凹凸やレ
ジストの塗布むら等により、ウエハ４Ｃの真の平均的な
面Ｐ３と最良結像面Ｐ１とは平行には設定されておら
ず、しかもウエハ内の位置、すなわちショット領域毎に
その真の平均面Ｐ３と結像面Ｐ１との傾き量が異なる。

【００１９】そこで本発明では、予めウエハ上の複数の
ショット領域のうち、同一直線上にない少なくとも３つ
のショット領域を特定ショット領域として選択してお
き、以下のような手順により選択した複数の特定ショッ
ト領域の各々についてその真の平均的な面Ｐ３と結像面
Ｐ１との傾斜量の差（オフセット量）を求める。まず、
１つの特定ショット領域に対してレベリング光学系を用
いて傾斜状態を検出し、平均的な面と判定された面を投
影光学系３の最良結像面Ｐ１に平行に設定する。この
後、図１（ｅ）に示すようにレベリングステージを面Ｐ
２に沿って紙面内左方向に移動させる。そして、焦点位
置検出光学系を用いて投影光学系３の光軸に対して斜め
に検出光Ｌ３を照射してウエハ４Ｃの露光面の計測点に
プローブパターン像を結像する。そして、このプローブ
パターン像からの反射光を焦点位置検出光学系で所定の
受光面に再結像することにより、その計測点の高さと面
Ｐ２の高さとの偏差δ₁₁を求める。

【００２０】次に、図１（ｆ）に示すようにレベリング
ステージを面Ｐ２に沿って紙面内右方向に移動させた状
態で、焦点位置検出光学系を用いて今回の計測点の高さ
と面Ｐ２の高さとの偏差δ₂₁を求める。また、それ以外
にもレベリングステージを面Ｐ２に沿って移動させるこ
とにより、ウエハ４Ｃの露光面の種々の計測点（同一直
線上にない少なくとも３つの計測点が必要であり、共に
１つの特定ショット領域の範囲内に設定される）におけ
るステージ走り面Ｐ２との偏差δ_j1を求め、これら複数
の偏差δ_j1により特定ショット領域の平均的な面を求め
る。そして、ウエハ４Ｃの偏差δ_j1により求めた平均的
な面の傾斜からウエハ４Ｂの偏差δ_j0により求めた最良
結像面の傾斜を差し引くことにより、傾斜オフセット量
が算出される。以下、上記動作と全く同様に、残りの全
ての特定ショット領域についてその傾斜オフセット量を
順次算出する。

【００２１】ここで、上述の如く算出した特定ショット
領域毎の傾斜オフセット量は、例えばＸ、Ｙ方向の各々
での２つの成分により規定することができる。従って、
これら複数の傾斜オフセット量（Ｘ、Ｙ成分）と各特定
ショット領域のウエハ内での位置（ウエハの移動位置を
規定する直交座標系上での座標位置）とを用いて統計演
算を行うことにより、傾斜オフセット量（θｘ、θｙ）
とショット領域の位置（ｘ、ｙ）との関数を決定する。
これは、例えば傾斜オフセット量について想定されるモ
デル関数（θｘ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃ、及びθｙ＝ｄｘ＋ｅ
ｙ＋ｆ）を予め用意しておき、最小二乗近似によりモデ
ル関数の係数（ａ〜ｆ）を決定すれば良い。

【００２２】以上のように決定したモデル関数を用い
て、ウエハ上のショット領域毎の傾斜オフセット量を算
出する。実際の露光動作においては、ショット領域毎に
そのオフセット量をレベリング光学系で得られたショッ
ト領域の露光面の傾斜量に加算し、この結果に基づいて
レベリングステージを駆動（サーボ制御）する。この結
果、ウエハ上のショット領域毎にその露光面の真の平均
的な面Ｐ３が投影光学系３の最良結像面Ｐ１と平行に設
定されることになる。

【００２３】本発明では、基板上の少なくとも３つのシ
ョット領域に対してのみ、焦点検出光学系を用いてその
傾斜オフセット量を検出すれば良いので、装置のスルー
プットを低下させることなく、しかも基板上の全てのシ
ョット領域に対して高精度のレベリングが可能となる。
また、同一ロット内に収納された複数枚のウエハについ
ては、例えば先頭（１枚目）のウエハに対してのみ、上
記の如き統計演算によるショット領域毎の傾斜オフセッ
ト量の算出を行い、２枚目以降のウエハについては１枚
目のウエハでの結果をそのまま用いるようにしても良
い。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図２〜図６を
参照して説明する。本実施例は投影露光装置に本発明を
適用したものであり、図２において図７に対応する部分
には同一符号を付してその詳細説明を省略する。図２は
本実施例の投影露光装置の要部を示しており、図２にお
いてレチクル１のパターンの像が露光光Ｌ１の下で投影
光学系３を介して感光基板としてのウエハ４上の所定の
ショット領域に転写される。ウエハ４は、上部ステージ
５及び下部ステージ６よりなるレベリングステージに載
置され、レベリングステージはウエハステージ７に載置
されている。

【００２５】また、レベリング光学系用の光源１０から
の検出光Ｌ２は、コンデンサーレンズ１１により開口板
１５に形成されたピンホール上に集光される。このピン
ホールからの検出光Ｌ２は、ダイクロイックミラー１６
を透過した後に第２投影対物レンズ１７により平行光束
に変換され、この平行光束がウエハ４上の１つのショッ
ト領域のほぼ全面に照射される。さらに、ウエハ４から
の反射光束が第１集光対物レンズ１８を経てダイクロイ
ックミラー１９を透過した後、光電センサ１３の受光面
に集束される。光電センサ１３としては受光面上の光量
分布の中心の２次元座標が検出できるもの、例えば４分
割された受光素子が使用される。この光電センサ１３か
らの傾斜情報が信号処理回路２０に供給される。

【００２６】一方、焦点検出光学系用の光源２１からの
検出光Ｌ３は、コンデンサーレンズ２２によりスリット
板２３のスリット状の開口パターン（スリットパター
ン）に照射される。そのスリットパターンからの検出光
Ｌ３は、第１投影対物レンズ２４を経てダイクロイック
ミラー１６で反射された後、第２投影対物レンズ１７に
よりウエハ４上の所定の計測点（投影光学系３のイメー
ジフィールド内であり、例えば光軸位置）に、投影光学
系３の光軸ＡＸに対して斜めに照射され、この計測点に
スリット板２３のスリットパターンの像が結像される。
また、このスリットパターンの像からの反射光は、第１
集光対物レンズ１８を経てダイクロイックミラー１９で
反射された後、第２集光対物レンズ２５及び振動ミラー
２６を介して受光スリット板２７上に集光され、この受
光スリット板２７上にそのスリットパターンの像が再結
像される。

【００２７】受光スリット板２７の背面には受光素子２
８が配置され、この受光素子２８からの検出信号が信号
処理回路２０に供給される。この状態でウエハ４が投影
光学系３の光軸ＡＸに沿った方向に移動すると、ウエハ
４上でのスリットパターン像の位置は紙面内左方向、又
は右方向にずれるため、受光スリット板２７上でのスリ
ットパターン像の位置も受光スリット板２７に平行な方
向（紙面内上下方向）にずれる。また、振動ミラー２６
によりスリットパターン像はその移動方向に所定の振幅
で一定周期で振動している。これは光電顕微鏡の検出原
理を適用したものであり、信号処理回路２０において受
光素子２８の検出信号を振動ミラー２６の駆動信号で同
期検波することにより、ウエハ４（ショット領域内の計
測点）が投影光学系３の結像面の高さに合致したときに
零クロスとなる、いわゆるＳカーブ状の位置検出信号が
得られる。この位置検出信号によりウエハ４の計測点の
投影光学系３の最良結像面からの高さの偏差量δを求め
ることができる。

【００２８】また、主制御装置２９には信号処理回路２
０からレベリング光学系により検出したウエハ４の露光
面の傾斜状態の情報、及び焦点検出光学系により検出し
たウエハ４の所定の計測点の最良結像面からの偏差量δ
の情報が供給される。これに応じて主制御装置２９は、
駆動手段９を介してウエハステージ７の動作を制御する
ことによりウエハ４の位置決め（焦点合わせ）を行うと
共に、レベリングステージ５、６をサーボ制御してウエ
ハ４上のショット領域の露光面の傾斜状態を投影光学系
３の最良結像面に平行に設定する。

【００２９】次に、本実施例のレベリング動作及び露光
動作の手順につき説明する。まず、処理対象とするウエ
ハのレベリング動作及び露光動作につき説明する。この
場合、予め投影光学系３の像面傾斜を求めておくと共
に、投影光学系３の最良結像面とレベリングステージの
走り面（移動平面）との平行度を調べるために、図３に
示す予備工程が必要である。

【００３０】図３の予備工程において、まず初期工程と
して、予め定められた複数の位置の各々に所定形状のパ
ターン（例えばくさび状パターン）が形成されたテスト
レチクルをレチクルホルダー２に載置し、さらにレベリ
ングステージに平面度が良好で、かつレジストが塗布さ
れたテストプリント用のウエハを載置した状態で、ウエ
ハステージ７の中のＺステージを降下させてそのウエハ
の露光面を投影光学系３の最良結像面よりも大きく下方
に配置する。

【００３１】次に、ステップ１０１で１回目の露光を行
った後、ステップ１０２でＺステージのＺ座標が上限Ｚ
_endに達したか否かを調べる。上限に達していないとき
にはステップ１０３に移行して、Ｚステージを投影光学
系３の方向にΔＺだけ移動させると共に、ウエハステー
ジ７中のＸＹステージを駆動してそのウエハ上の次のシ
ョット領域を露光位置（投影光学系３によるレチクルパ
ターンの投影位置）まで移動させた後に、ステップ１０
１に戻って２回目の露光を行う。また、Ｚ座標の設定に
際しては焦点検出光学系を動作させておくので、Ｚステ
ージをΔＺずつ上昇させるとは、正確には投影光学系３
とウエハの露光面との間隔をΔＺずつ短縮することを意
味する。

【００３２】そして、ＺステージのＺ座標が上限に達す
るまでステップ１０１〜１０３を繰り返した後に、ステ
ップ１０４に移行してウエハの現像を行う。次に、ウエ
ハ上のショット領域毎に形成された複数のレジスト像を
目視観察、または露光装置のアライメントセンサーを用
いて検出し、複数のレチクルのパターンの各々について
最良な結像状態のレジスト像を有するショット領域、す
なわちＺ座標をベストフォーカス位置として求める。こ
の結果、投影光学系３のイメージフィールド内の複数点
の各々でのベストフォーカス位置（さらには焦点深度）
が検出されることになる。次のステップ１０５では、複
数のベストフォーカス位置（Ｚ座標値）によって規定さ
れる面、すなわち投影光学系３の最良結像面を求める。
このとき、像面傾斜が存在する場合には、上述の如く求
められた面は投影光学系３の光軸ＡＸに垂直な面に対し
て傾斜していることにより、像面傾斜が検出される。こ
こで、最良結像面を決定する際に最小二乗法等を用いて
も良く、投影光学系３に像面湾曲等があるとき、その結
像面を近似平面として求めることができる。尚、上記の
如き計測方法の詳細については、例えば特開平１−１８
７８１７号公報、特開平２−３０１１２号公報に開示さ
れている。

【００３３】以上はテストプリントにより投影光学系３
の結像面を求める例であるが、例えばウエハステージ７
上に発光性の基準マークを設け、この基準マークの像を
投影光学系３を介してレチクルの下面（パターン面）に
結像すると共に、パターン面からの光を投影光学系及び
基準マークを介して光電検出する系（特願平３−３１３
４３号等）でも結像面を求めることができる。この場合
には、基準マークを投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）に
移動したときの光電信号の変化に基づいて投影光学系の
イメージフィールド内の１点でのベストフォーカス位置
を求め、上記計測をイメージフィールド内の複数点で行
うことによって、投影光学系３の結像面、さらには像面
傾斜（像面湾曲）を求めることができる。

【００３４】次に、ステップ１０６において、ウエハの
露光面と結像面とが正確に合致するように、レベリング
ステージの傾斜量のオフセット量を算出し、主制御装置
２９の内部の記憶部に設定されているレベリング機構用
の目標傾斜量にそのオフセット量を加算する。そして、
このオフセット量が加算された目標傾斜量に従って、主
制御装置２９がレベリングステージ５、６の傾斜状態を
制御することにより、レベリングステージ上のウエハの
露光面は投影光学系３の最良結像面に平行に設定される
（ステップ１０７）。

【００３５】その後、ステップ１０８で平面度が極めて
良好なスーパーフラットウエハをレベリングステージに
載置して、ステップ１０９でレベリング機構を動作させ
てから、ステップ１１０で焦点検出光学系を用いてその
スーパーフラットウエハの表面の位置を計測する。具体
的には、レベリング機構を動作させた状態、すなわち投
影光学系３の最良結像面とスーパーフラットウエハの表
面とを一致させた状態で、ウエハステージ７のＸＹステ
ージを所定量ずつ移動しながら、投影光学系３の光軸Ａ
Ｘに垂直な基準面（例えばステージ走り面）に対するウ
エハ上の所定領域（ショット領域に相当）内の複数の計
測点（後述する特定ショット領域内の複数の計測点と同
一位置、及び数であることが望ましい）の各々の偏差量
を求め、これら偏差量からの平均的な面を求める。この
平均的な面は、例えば統計的な演算処理（最小二乗法
等）、探索法等によって算出される。現在（ステージ５
上）のウエハはスーパーフラットウエハであるため、こ
こで求めた面はレベリングの合わせ面（最良結像面）を
表す。このレベリングの合わせ面のステージ走り面から
の傾斜量が基準傾斜量として主制御装置２９の記憶部に
記憶される。これで予備工程が終了する。

【００３６】次に、図４のステップ１１１において、レ
ベリングステージに処理対象となるウエハ４を載置し、
ステップ１１２でレベリング異常の出るプロセスか否か
を判定する。レベリング異常の出るプロセスとは、レベ
リング光学系で検出したウエハ４の平均的な面がそのウ
エハ４の実際の平均的な面に対して傾斜しているプロセ
ス（例えば図８中のウエハ４Ａが形成されるようなプロ
セス）を指し、このようなプロセスの存在は経験的に分
かっている。レベリング異常が出ないプロセスの場合に
は、ステップ１１３に移行してレベリング機構を動作さ
せた状態で、ステップ１１４においてショット領域毎に
レベリングを行いながらパターン露光を実行する。

【００３７】一方、レベリング異常の出るプロセスでは
ステップ１２０へ進み、特定ショット領域の選択と特定
ショット領域内での焦点検出光学系による計測点（位
置、及び数）の指定とを行う。ここでは、ウエハ４上の
複数のショット領域のうち、少なくとも３つのショット
領域を特定ショット領域として選択するが、ウエハ４上
での特定ショット領域の配置（位置、数）はウエハ内で
の露光面と結像面との傾斜量（傾斜オフセット量）の変
化を知ることができるように決定すれば良い。本実施例
では、図１０に示すような９つのショット領域ＳＡ₁〜
ＳＡ₉を選ぶものとする。但し、特定ショット領域を選
択する際には、全ての特定ショット領域が同一直線上に
並ばないように選択する必要がある。また、特定ショッ
ト領域内での計測点の数は少なくとも３点あれば良く、
ここでも計測点が３点の場合には各計測点が同一直線上
に並ばないように指定する必要がある。さらに特定ショ
ット領域内での計測点の位置は、露光面の平均的な面を
良く示すような位置、例えば特定ショット領域の４隅を
指定すれば良い。このとき、予めショット領域内の段差
構造（凹凸）に関する情報を主制御装置２９に入力して
おく、またはオペレータが当該情報を入力装置（キーボ
ード等）を介して主制御装置２９に入力するようにし、
この段差構造に応じて複数の計測点の各位置を設定する
と良い。

【００３８】次にステップ１２１へ進み、ウエハ毎に処
理を行うか、ロット先頭のウエハでの計測結果を２枚目
以降のウエハでも使って処理するかを選択する。ロット
先頭のウエハだけで計測を行う場合にはステップ１２９
へ進み、ウエハ毎に処理する場合はステップ１２２へ進
む。ステップ１２２では、９つの特定ショット領域のう
ちの１つ、例えば特定ショット領域ＳＡ₁(図１０）を露
光位置まで移動する。次のステップ１２３においてレベ
リング機構を動作させる、すなわちレベリング光学系を
用いてショット領域ＳＡ₁の露光面の傾斜状態を検出
し、この露光面と投影光学系３の結像面とが一致するよ
うにレベリングステージをサーボ制御する。

【００３９】しかる後、ステップ１２４において主制御
装置２９は、ＸＹステージを移動させるながら焦点検出
光学系を用いてその特定ショット領域内の複数の指定位
置の各々でのステージ走り面からの偏差量を計測する。
さらに主制御装置２９は、これら複数の偏差量に基づい
てその特定ショット領域の平均的な面を算出した後、投
影光学系３の最良結像面に対する特定ショット領域の傾
斜量を求め、この傾斜量に関する情報を特定ショット領
域の位置情報（座標値）と共に、主制御装置２９の内部
の記憶部に記憶する（ステップ１２５）。ステップ１２
６では、全ての特定ショット領域について上記計測が終
了したか否かを判断する。ここでは、特定ショット領域
ＳＡ₁の計測が終了しただけなので、ステップ１２２に
戻り、上記と全く同様の動作で次の特定ショット領域Ｓ
Ａ₂の平均的な面を算出する。以下、ステップ１２２〜
１２６を繰り返し実行し、全ての特定ショット領域での
計測が終了した時点で、次のステップ１２７へ進む。こ
こで、特定ショット領域毎に算出される平均的な面（傾
斜量）はＸ、Ｙ方向の各成分に分解することができ、上
記傾斜量をＸ方向の傾斜量（Ｘ成分）とＹ方向の傾斜量
（Ｙ成分）とに分解して記憶しておくようにしても良
い。

【００４０】次のステップ１２７では、以上の工程によ
り求めた特定ショット領域毎のＸ、Ｙ方向の位置（座標
値）、及び傾斜量を用いて、統計的演算処理により線形
成分を抽出して補間を行うことにより、ウエハ４上の全
てのショット領域の各々についてその傾斜量を算出す
る。具体的には、９つの特定ショット領域のＸ、Ｙ方向
の座標値と傾斜量のＸ、Ｙ成分とを用いて、予め用意さ
れたモデル関数の係数を最小二乗法により決定する。こ
こで、モデル関数の一例としては、ウエハ４上の任意の
ショット領域での傾斜量のＸ成分をθｘ、Ｙ成分をθｙ
とすると、以下の数式１（行列式）が考えられる。

【００４１】

【数１】

【００４２】すなわち、特定ショット領域の座標値
（ｘ、ｙ）と傾斜量のＸ、Ｙ成分（θｘ、θｙ）とを上
式に代入し、最小二乗法を用いてパラメータａ〜ｆを決
定すれば良い。主制御装置２９は６つのパラメータａ〜
ｆを決定した後、数式１を用いてウエハ４上の全てのシ
ョット領域の傾斜量を算出する。ここで、数式１から求
まるショット領域毎の傾斜量（θｘ、θｙ）は、正確に
はレベリング光学系の検出信号に応じてレベリングステ
ージを駆動したときの最良結像面に対するショット領域
の露光面（平均的な面）のずれ量（傾斜量の差）を表し
ている。従って、主制御装置２９はショット領域毎の傾
斜量（θｘ、θｙ）を傾斜オフセット量（レベリング補
正量）としてその内部に記憶された基準傾斜量に加算
し、ショット領域毎にその目標傾斜量を設定する。

【００４３】しかる後、主制御装置２９はショット領域
毎にその目標傾斜量に従ってレベリングステージ５、６
の傾斜状態を制御することで、ウエハ４上のショット領
域毎その露光面が投影光学系３の結像面に平行に設定す
る（ステップ１２８）。この結果、ステップ１１４では
レチクル１のパターンの像がウエハ４上の凹凸を有する
ショット領域の露光面に対しても鮮明に転写されること
になる。尚、以上の説明では目標傾斜量に従ってレベリ
ングステージ５、６の傾斜を制御することとしたが、ス
テップ１２７ではショット領域毎のレベリング補正量
（θｘ、θｙ）の算出、及びその記憶のみを行い、実際
の露光動作ではレベリング光学系の検出信号が補正量
（θｘ、θｙ）だけオフセットを持つようにレベリング
ステージの傾斜を制御するようにしても良い。

【００４４】ところで、特定ショット領域毎の傾斜量を
用いて統計処理を行うかわりにレベリング光学系の検出
信号を用いる方法もあり、その例を図５を参照して説明
する。ステップ１１１よりステップ１２１までは前記実
施例と同様である。ステップ１２２’にて１つの特定シ
ョット領域を露光位置まで移動した後、ステップ１２
３’にて焦点検出光学系を用いて、特定ショット領域内
の複数の計測点の各々についてウエハステージ７の走り
面からの偏差量を求める。これらの偏差量からステップ
１２４’にて特定ショット領域の傾斜量を算出する。

【００４５】次のステップ１２５’では、上記の如く算
出した傾斜量に基づいてレベリングステージを駆動し、
ショット領域の露光面と投影光学系の結像面とを一致さ
せる。しかる後、この状態のもとでのレベリング光学系
の検出信号を読み込み、記憶する（ステップ１２
６’）。さらにステップ１２７’において、全ての特定
ショット領域での上記の如き検出信号の読み込みが終了
したか否かを判断し、終了している場合はステップ１２
８’に進む。

【００４６】次のステップ１２８’では、前記実施例に
おいて傾斜量を用いて行った統計処理と同様の処理を、
レベリング光学系の出力、例えばピッチング、ローリン
グのそれぞれの方向の出力電圧に対して行う。これによ
り、ウエハ４上のショット領域毎に目標とするレベリン
グ光学系の出力が設定される。そして、実際の露光動作
において主制御装置２９は、露光対象のショット領域に
対して設定されたレベリング光学系の目標出力値に従っ
てレベリングステージ５、６の傾斜をサーボ制御する
（ステップ１２９’）。この結果、ショット領域毎にそ
の露光面と投影光学系３の結像面とを平行に設定するこ
とができる。

【００４７】ここで、上述のレベリング補正量の算出
を、レベリング異常が出ると推定されるプロセスで処理
される同一ロット内の全てのウエハに対して行うのはス
ループットの低下を招く。そこで、以下の図６を参照し
て、レベリング機構の補正量の計測の回数を減らす方法
の一例を説明する。図４中のステップ１２１においてウ
エハ毎にそのレベリング補正量の算出を行わない場合に
は、動作は図６のステップ１２９に移行し、ロットの先
頭のウエハを用いてレベリング機構の補正量の算出を行
うか否かを判断する。先頭のウエハを用いて補正量の算
出を行う場合にはステップ１３０からステップ１３１に
移行し、ステップ１３１において図５のステップ１２２
〜１２８と同じ工程を実施して、レベリング機構への目
標傾斜量の補正値を求める。その後、ステップ１３２で
その先頭のウエハに対する露光を行う。

【００４８】そして、２枚目以降のウエハについてはス
テップ１３０からステップ１３２に移行し、先頭のウエ
ハで求めた補正量に基づき、ショット領域毎にレベリン
グ機構の補正を行った状態で露光を行う。一方、ステッ
プ１２９で先頭のウエハについて補正を行わない場合に
は、直接ステップ１３２に移行してレベリング機構の補
正量を算出することなくウエハに対する露光動作を開始
する。尚、例えば先頭から所定枚数のウエハの各々につ
いては上記補正量を算出してショット領域毎にその補正
を行いながら露光を行い、それ以降のウエハについては
ショット領域毎に、それまでの複数の補正量の平均値
（又は複数の補正量の少なくとも１つ）に基づいてレベ
リング機構の補正を行うようにしてもよい。

【００４９】また、ウェハ上の複数の特定ショット領域
のうち、前述したステップ１２４で複数の指定位置の各
々におけるステージ走り面からの偏差量を計測できない
特定ショット領域については、その平均的な面を正確に
算出できないので、当然ながら前述のステップ１２７
（統計演算処理）ではその特定ショット領域のデータが
リジェクトされ、残りの特定ショット領域のデータのみ
が使用されることになる。このとき、例えばリジェクト
される特定ショット領域に隣接したショット領域を代替
ショットとして指定し、この代替ショットについてステ
ップ１２２〜１２６を実行してその平均的な面（傾斜
量）を求め、この求めたデータをステップ１２７で用い
るようにしてもよい。

【００５０】上述のように本実施例によれば、焦点検出
光学系を用いてウエハの表面の凹凸の状態を計測するよ
うにしているので、レベリング光学系により検出された
ウエハの露光面の平均的な面が真の平均的な面に交差
し、かつその角度がショット領域毎により異なる場合で
もレベリング機構に対する傾斜量の補正値を設定するこ
とができる。従って、ウエハの表面に凹凸が存在するよ
うな場合でも正確なレベリングを行うことができる。ま
た、投影光学系の最良結像面が傾斜（像面湾曲を含む）
していてもウエハの露光面を常に正確にその最良結像面
に平行に設定することができる。

【００５１】尚、焦点検出光学系としては多点計測可能
なセンサを用いても良い。多点計測可能なセンサとは、
例えば投影光学系のイメージフィールド、すなわちショ
ット領域の対角線に沿って少なくとも１本の細長いスリ
ット像を投射し、反射光により再結像された像を１次元
又は２次元のイメージセンサにより複数に分割して受光
し、露光領域の複数箇所の高さを１度に計測できるもの
である。これによれば計測時間を大幅に短縮することが
できる。

【００５２】ところで、上述の実施例では少なくとも３
つのショット領域を特定ショット領域として選択するよ
うにしたが、この特定ショット領域の選択について図１
１、図１２を参照してもう少し詳しく説明する。尚、図
１１中で斜線を付した９個のショット領域が特定ショッ
ト領域である。通常、主制御装置２９はファーストプリ
ント（第１層の露光）の前に、ウェハ４の外形寸法、シ
ョット領域の大きさ、ステップピッチ等に基づいて、ウ
ェハ４の外形に対応した最適なショットマップデータを
作成する。このショットマップデータは、ウェハ４の外
形から、ウェハ内にどのようにショット領域を配列すれ
ばよいかを表すもので、計算によって自動的に決定さ
れ、ウェハステージ７のステッピング座標位置としてメ
モリ内に登録される。さらに主制御装置２９は、この決
定したショットマップデータに基づいてウェハの中心点
の座標位置や禁止帯の境界線位置等を計算によって決定
してメモリ内に格納する。

【００５３】図１１はウェハ外形に対応して決定された
ショットマップデータの一例を模式的に表したもので、
図１１中の矩形の１つがショット領域を表す。禁止帯と
は、図１１中に示すようにウェハ４の外周エッジＥＤか
ら一定の幅（１〜数mm程度）内でのレベリング光学系に
よる傾き検出を禁止する領域のことを意味する。主制御
装置２９で決定される境界線とは図１１中の線ＬＬであ
り、ウェハ４の中心からの半径で規定される。また、直
線的な切欠き（オリフラ）部分ＯＦについては、そのオ
リフラ部分ＯＦに沿って一定幅の禁止帯（境界線ＬＬ）
が設定される。さらに禁止帯は、一般にレジストの塗布
ムラ、各種プロセスの不均一性、又はウェハエッジＥＤ
の欠損等によって、良品となるチップがほとんど取得で
きないという理由で設定される。そのため、禁止帯の幅
は概ね一定値に固定してしまっても構わないが、チップ
サイズに応じて多少変更するように、禁止帯幅を入力可
能にしてもよい。

【００５４】また、セカンドプリント（第２層の露光）
では、ウェハグローバルアライメントの結果に基づい
て、ファーストプリント時のウェハの上部ステージ（ホ
ルダ）５上での載置位置からのオフセット量を求め、こ
のオフセット量をファーストプリント時におけるウェハ
中心点、禁止帯境界線位置の算出時に補正値として入れ
込むようにする。このようにすることで、セカンドプリ
ント時に生ずるショットマップ（図１１中のマトリック
ス）とウェハ外形とのＸ、Ｙ方向のずれが修正され、常
にファーストプリント時の状態が維持される。

【００５５】さて、ステップ１２０において主制御装置
２９（又はオペレータ）は、前述のショットマップデー
タ及び境界線ＬＬに基づいて、ウェハ上の多数の露光シ
ョット（実際にレチクルパターンが露光されるショット
領域を指す）の中から少なくとも３つの特定ショット領
域を選択する。すなわち、露光ショット内に設定される
計測領域（ステップ１２４で焦点検出光学系によってス
テージ走り面からの偏差量が計測される複数の指定位置
の各々が設定される領域）が境界線ＬＬの内側のレベリ
ング可能領域内に存在し、かつウェハの最外周に位置し
ない露光ショットの中から、全ての特定ショット領域が
同一直線上に並ばないように、少なくとも３つの露光シ
ョットを特定ショット領域として選択することになる。

【００５６】ここで、前述の計測領域（焦点検出光学系
による複数の計測位置を指定可能な領域）は露光ショッ
トの少なくとも一部を含む領域に設定され、かつ露光シ
ョット内でその平均的な面を正確に基準平面（投影光学
系の最良結像面）に合わせたい領域に相当し、例えば露
光ショット内の段差（凹凸）や回路パターン領域の大き
さ等に基づいてその大きさ、位置が決定されるものであ
る。図１２は、図１１に示したウェハ４の部分拡大図で
あり、図中の露光ショット内に点線で示した領域ＡＲが
計測領域を表し、黒丸が露光ショットの中心位置を表し
ている。図１２では、計測領域ＡＲの少なくとも一部が
境界線ＬＬの外側（禁止帯中）に存在する５つの露光シ
ョットＳＡ₂₁〜ＳＡ₂₅が上記条件を満足せず、特定ショ
ット領域の選択においてその対象から除外されることに
なる。すなわち図１２では、露光ショットＳＡ₂₁〜ＳＡ
₂₅を除く残りの７つの露光ショットが特定ショット領域
の選択対象となっている。

【００５７】次に、図１３を参照して露光ショット内の
計測領域の設定方法について簡単に説明する。図１３は
ウェハ上の１つの露光ショットＳＡを表したもので、２
本の一点鎖線の交点ＲＣは矩形の計測領域（点線）ＡＲ
の中心位置を表している。図１３において、計測領域Ａ
Ｒは露光ショットＳＡの中心ＣＣに対してＹ方向に所定
量だけ偏心し、かつその大きさ（各辺の長さ）がＬｘ、
Ｌｙに定められている。すなわち主制御装置２９（又は
オペレータ）は、露光ショットＳＡ内の段差や回路パタ
ーン領域の大きさ等に応じて定まるレベリング領域に従
って、ショット中心ＣＣに対する中心ＲＣの偏心量（オ
フセット量）Ｏｘ、Ｏｙ、及び大きさ（辺の長さ）Ｌ
ｘ、Ｌｙを所定値に設定することで、露光ショットＳＡ
内での計測領域ＡＲの大きさ、位置を任意に決定するこ
とができる。

【００５８】また、図１３では計測領域ＡＲ内に、焦点
検出光学系用の１６個の計測点（図中の丸印）が設定さ
れている。特に１６個の計測点は、２×２＝４個ずつ４
つのグループ（図中の二点鎖線の円）ＧＡ、ＧＢ、Ｇ
Ｃ、ＧＤに分けられ、かつ４つのグループＧＡ〜ＧＤが
それぞれ計測領域ＡＲの４隅に設定されている。図１３
の場合、主制御装置２９は焦点検出光学系を用いて１６
個の計測点の各々でのステージ走り面からの偏差量を計
測した後、各グループ毎にその４つの偏差量を、例えば
平均化処理して１つの偏差量を求め、さらにこの４つの
偏差量（平均値）に基づいて特定ショット領域、すなわ
ち計測領域ＡＲの平均的な面を算出することになる。こ
のとき、主制御装置２９（又はオペレータ）は各グルー
プ内の計測点の数（ｍ×ｎ個）及び計測点間の距離（ピ
ッチ）Ｐｘ、Ｐｙを所定値に設定することで、計測領域
ＡＲでのグループ内の計測点の数や位置を任意に決定す
ることができる。ここでは４つのグループがそれぞれ計
測領域ＡＲの４隅に設定されることを前提としている
が、上記のピッチＰｘ、Ｐｙ等と同様に各グループの設
定位置をパラメータとして持つようにしてもよい。

【００５９】ここで、計測領域ＡＲ内に設定するグルー
プは４つに限られるものではなく、３つ以上であればい
くつでもよく、さらに計測領域ＡＲ内での各グループの
位置も任意で構わない。また、各グループ内の計測点の
数は１つ以上であればよく、グループ間でその数や位置
が互いに異なっていても構わない。さらに、計測領域Ａ
Ｒの位置や大きさ、又はグループ及びその中の計測点の
数や位置は、複数個の特定ショット領域毎に個別に設定
しても、あるいは全ての特定ショット領域で同一に設定
してもよく、主制御装置２９がウェハの種類（露光ショ
ット内の段差や回路パターンの大きさ等）に応じて自動
的に決定するようにしてもよい。また、計測領域ＡＲは
理論上その全てが露光ショットの外側に設定されていて
もよいが、実際には露光ショットの少なくとも一部を含
む領域とすることが望ましい。さらに計測領域ＡＲは、
露光ショット（面積）と同等、又はそれ以上に設定して
もよい。特に計測領域ＡＲを露光ショットの面積よりも
大きくする場合、計測領域ＡＲは特定ショット領域、及
びそれに隣接した少なくとも１つの露光ショットに跨が
って設定されることになるが、このときも計測領域ＡＲ
が境界線ＬＬの内側に設定されるようにその大きさや位
置を決定する必要がある。尚、上述の実施例ではレベリ
ング光学系は露光ショットのほぼ全面に平行光束を照射
するのに対し、計測領域ＡＲは露光ショット内の部分領
域に設定されていたが、露光ショットのサイズに依ら
ず、計測領域ＡＲをレベリング光学系からの光束のウェ
ハ上での照明領域と同等、又はそれ以上に設定しても構
わない。

【００６０】以上のように計測領域ＡＲや計測点を決定
することによって、投影光学系の最良結像面に対する特
定ショット領域（計測領域ＡＲ）の傾斜量を精度良く算
出することができる。さて、上述の実施例ではステップ
１２７でモデル関数として数式１を用いるものとした
が、以下の数式２を用いるようにしてもよい。

【００６１】

【数２】

【００６２】すなわち数式２は、数式１中のパラメータ
ｄをｄ＝ｂとしたものである。以下、この数式２を使用
できる理由を簡単に述べる。さて、レベリングをかける
ということは、ウェハ表面の傾きを計測するということ
である。すなわち、ウェハ表面がｚ＝Ｗ（ｘ，ｙ）で表
されるとすると、レベリングをかけるということは∂Ｗ
／∂ｘ、∂Ｗ／∂ｙを計測するということである。この
結果から得られるウェハ表面（つまりレベリング光学系
が認識したウェハ表面）をｚ＝Ｗ'(ｘ，ｙ）とすると、
残留傾斜量θｘ、θｙは、 θｘ＝∂Ｗ／∂ｘ−∂Ｗ'/∂ｘ＝∂（Ｗ−Ｗ')／∂ｘ θｙ＝∂Ｗ／∂ｙ−∂Ｗ'/∂ｙ＝∂（Ｗ−Ｗ')／∂ｙである。θｘ、θｙはＷとＷ’の傾きの差であるわけだ
が、これを曲面Ｗ''＝Ｗ−Ｗ’の傾きと解釈することも
できる。ここで、ＷとＷ’が共に「通常の曲面」である
から、曲面Ｗ''も「通常の曲面」である。尚、「通常の
曲面」とは、一般的な二次曲面には交わる２平面や直線
等も含まれるが、曲面Ｗ''はそのようなものではなく、
いわゆる不連続ではない曲面であるという意味である。
従って、逆に焦点検出光学系を用いてショット領域内の
複数点での偏差量からθｘ、θｙを求め、 θｘ＝∂Ｗ''／∂ｘ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃ θｙ＝∂Ｗ''／∂ｙ＝ｄｘ＋ｅｙ＋ｆとすれば、この連立微分方程式は実際に解Ｗ''＝Ｗ−
Ｗ’を持つと考えるのが自然である。すると、θｘ＝∂
Ｗ''／∂ｘ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃをｙで偏微分し、θｙ＝∂
Ｗ''／∂ｙ＝ｄｘ＋ｅｙ＋ｆをｘで偏微分すれば、ｄ＝
∂²Ｗ''／∂ｙ∂ｘ＝∂²Ｗ''／∂ｘ∂ｙ＝ｂでなけれ
ばならないことがわかる。

【００６３】ところで、上記実施例ではスーパーフラッ
トウエハを用いていたが、例えば上部ステージ５の一部
に設けられ、ウエハ表面とほぼ同一面内に平面度の良好
な反射面を有する基準部材を用いるようにしても良い。
また、上記構成の装置では、例えば特開昭６１−４４４
２９号公報、特開昭６２−８４５１６号公報等に開示さ
れたようなエンハンスド・グローバル・アライメント
（ＥＧＡ）が主流となっている。ＥＧＡ方式とは、１枚
のウエハに対して重ね合わせ露光を行うのに先立ち、ウ
エハ上に形成された複数のショット領域のうちの少なく
とも３つ、例えばウエハの外周付近に位置する７つのシ
ョット領域（サンプルショット）を指定し、各ショット
領域に付随した２組（Ｘ、Ｙ方向）のアライメントマー
クの座標位置をアライメントセンサーにて計測（サンプ
ルアライメント）する。しかる後、これらのマーク位置
（計測値）と設計値とに基づいて、ウエハ上のショット
領域の配列特性に関する誤差パラメータ、すなわちウエ
ハ中心位置のオフセット（Ｘ、Ｙ方向）、ウエハの伸縮
度（Ｘ、Ｙ方向）、ウエハの残存回転量、及びウエハス
テージの直交度（ショット配列の直交度）の計６つのパ
ラメータを統計演算（最小二乗法等）により決定する。
そして、この決定されたパラメータの値に基づいて、ウ
エハ上の全てのショット領域に対してその設計上の座標
値を補正し、この補正された座標値に従ってウエハステ
ージをステッピングさせていくものである。そこで、ウ
エハ上での上記実施例における特定ショット領域の配置
とＥＧＡでのサンプルショットの配置とを同一、もしく
はその一部を共通化しても良い。このとき、特定ショッ
ト領域毎のレベリング補正量を用いてサンプルショット
の各座標値を補正するようにしても良い。

【００６４】また、上記実施例では９つの特定ショット
領域についてそのレベリング補正量を求めているが、計
測不能なショット領域、あるいはその計測値が極端にオ
フセットを持つショット領域についてはリジェクトし、
残りのショット領域のみを用いるようにしても良い。
尚、リジェクトしたショット領域については先の目標傾
斜量を用いず、焦点検出光学系を用いて検出したレベリ
ング補正量を直接用いるようにしても良い。また、リジ
ェクトされるショット領域近傍のショット領域を代替シ
ョットとして選択し、当該ショットでの計測値を用いる
ようにしても良い。さらに、９つの特定ショット領域の
傾斜量のいくつかが何らかの理由により計測不能となっ
て補正量の算出が不可能な場合、あるいは計測された傾
斜量の異常により補正量の算出が不可能、又は異常な補
正量が得られた場合には、前回（例えば１枚前のウェハ
で）算出された補正量を用いてウェハ上の各ショット領
域のレベリング動作の補正を行うようにしてもよい。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、感光基板の露光面に凹
凸等が存在し、且つ感光基板上のショット領域毎にその
凹凸等の状態が異なる場合でも、その露光面の真の平均
的な面を投影光学系の最良結像面に平行に設定できる。
また、ショット領域毎の補正量を感光基板毎、またはロ
ット毎に計測、統計処理により求めているので、プロセ
スの不均一による露光面の凹凸の変化等に対応できる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による露光装置のレベリング動作の原理
説明図である。

【図２】本発明の一実施例の投影露光装置の要部を示す
構成図である。

【図３】実施例のレベリング機構の補正動作の予備工程
を示す流れ図である。

【図４】レベリング機構の補正動作を示す流れ図であ
る。

【図５】レベリング機構の補正動作の他の例を示す流れ
図である。

【図６】実施例で処理対象のウエハに対してレベリング
機構の補正を選択的に行う場合の動作の一部を示す流れ
図である。

【図７】（ａ）は従来の投影露光装置の要部を示す構成
図、（ｂ）は図７（ａ）の光電センサの正面図、（ｃ）
は図７（ａ）のレベリング光学系を示す斜視図である。

【図８】（ａ）はウエハのレベリング光学系で検出され
た平均的な面が最良結像面に平行に設定された状態を示
す線図、（ｂ）はウエハの真の平均的な面が最良結像面
に平行に設定された状態を示す線図である。

【図９】（ａ）はウエハ上の１つのショット列を示す
図、（ｂ）はそのショット領域毎の傾斜量を示す図。

【図１０】実施例でウエハ上の複数のショット領域の中
から選択される特定ショット領域の配置を示す図。

【図１１】ウェハ外形に対応して決定されたショットマ
ップデータの一例を模式的に示す図。

【図１２】図１１のウェハの部分拡大図。

【図１３】ウェハ上の１つのショット領域内に設定され
る計測領域、及び計測点の一例を示す図。

【符号の説明】

１レチクル３投影光学系４ウエハ５上部ステージ６下部ステージ１３光電センサ１５開口板１６、１９ダイクロイックミラー１７第２投射対物レンズ１８第１集光対物レンズ２０信号処理回路２３スリット板２４第１投射対物レンズ２５第２集光対物レンズ２６振動ミラー２７受光スリット板２８受光素子２９主制御装置

───────────────────────────────────────────────────── 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 9/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のショット領域が２次元的に配列さ
れた基板を保持して、所定の基準平面に対して任意に傾
斜可能で、かつ前記基準平面とほぼ平行な面内で２次元
移動可能なステージと、前記基準平面に対する前記ショ
ット領域内の少なくとも１つの計測点での前記基板とほ
ぼ垂直な方向のずれを検出する焦点検出光学系と、前記
基準平面に対する前記ショット領域の傾斜状態を検出す
る傾斜検出光学系とを備え、前記複数のショット領域の
各々を前記基準平面に配置してマスクに形成されたパタ
ーンを転写する露光装置において、前記基板上の複数のショット領域のうち、少なくとも３
つのショット領域を特定ショット領域として選択し、前
記傾斜検出光学系を用いて前記特定ショット領域と前記
基準平面とを一致させた状態で、前記焦点検出光学系を
用いて前記特定ショット領域内の予め定められた複数の
計測点の各々での前記基準平面からのずれ量を求める第
１の制御手段と；前記複数の計測点でのずれ量に基づいて前記特定ショッ
ト領域の露光面の傾斜量を算出するとともに、該算出さ
れた前記複数の特定ショット領域の各々での傾斜量を統
計演算することにより、前記基板上の複数のショット領
域の各々の傾斜補正量を算出する演算手段と；前記複数のショット領域の各々の露光面と前記基準平面
とがほぼ一致するように、前記ショット領域毎に前記傾
斜補正量と前記傾斜検出光学系からの検出信号とに基づ
いて前記ステージの移動を制御する第２の制御手段とを
備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項２】マスクのパターンを投影光学系を介して
複数のショット領域が形成された基板上に投影すること
によって前記基板を露光する露光装置であって、前記投影光学系の結像面に対する前記基板表面の位置情
報を検出する検出手段と、前記複数のショット領域から選択された複数の特定ショ
ット領域内における凹凸状態をそれぞれ計測する制御手
段と、前記特定ショット領域内における凹凸状態の計測結果
と、前記基板の露光時における前記検出手段の検出信号
とに基づいて、前記基板と前記投影光学系の結像面との
相対位置関係を調整する調整手段と、を有することを特徴とする露光装置。
【請求項３】前記検出手段は、前記結像面に対する前
記基板の傾斜状態を検出する傾斜検出系を含み、前記調
整手段は、前記傾斜検出系の検出結果に応じて前記基板
の傾斜状態を調整するレベリング機構を含むことを特徴
とする請求項２に記載の露光装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記特定ショット領域
内の凹凸状態に基づいて、前記凹凸状態によって生じる
前記傾斜検出系の検出オフセット量を算出し、前記検出
オフセット量に基づいて、前記傾斜検出系又は前記レベ
リング機構に対して補正値を設定することを特徴とする
請求項３に記載の露光装置。
【請求項５】前記制御手段は、基板上における前記複
数のショット領域のショットマップデータに基づいて少
なくとも３つの特定ショット領域を選択することを特徴
とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の露光装置。
【請求項６】前記制御手段は、前記基板の外周から一
定幅の境界線を設定し、前記ショット領域内の凹凸状態
を計測する計測領域が前記境界線よりも内側に存在する
ショット領域から、前記特定ショット領域を選択するこ
とを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の露
光装置。
【請求項７】前記制御手段は、露光処理対象の基板が
レベリング異常の出るプロセスか否かを判定するととも
に、レベリング異常の出るプロセスであると判定したと
きに前記特定ショット領域内の凹凸状態を検出すること
を特徴とする請求項２〜６のいずれか一項に記載の露光
装置。
【請求項８】前記制御手段は、前記傾斜検出系による
検出結果に応じてZえレベリング機構をサーボ制御して
いる状態で前記特定ショット領域内の凹凸状態を計測す
ることを特徴とする請求項３又は４に記載の露光装置。
【請求項９】前記制御手段は、前記基板を載置して２
次元移動可能な基板ステージの移動平面であるステージ
走り面と、前記傾斜検出系による傾斜検出の基準面であ
るレベリング合わせ面との傾斜量を記憶する記憶手段を
有することを特徴とする請求項３又は４に記載の露光装
置。
【請求項１０】前記制御手段は、前記基板上の複数の
ショット領域毎に前記補正値を設定することを特徴とす
る請求項４に記載の露光装置。
【請求項１１】マスクのパターンを投影光学系を介し
て複数のショット領域が形成された基板上に投影するこ
とによって前記基板を露光する露光方法であって、前記複数のショット領域から選択された複数の特定ショ
ット領域内における凹凸状態をそれぞれ計測し、前記投影光学系の結像面に対する前記基板表面の位置情
報を検出する検出手段の検出信号と、前記凹凸状態の計
測結果とに基づいて、前記基板と前記投影光学系の結像
面との相対位置関係を調整することを特徴とする露光方
法。
【請求項１２】請求項１〜１０のいずれか一項に記載
の露光装置を用いて半導体素子または液晶表示素子等の
素子を製造することを特徴とする素子製造方法。