JP3473820B2 - 合焦位置検出方法および露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学系の合焦位置
を検出する方法に関し、例えば半導体製造用露光装置に
おいてレチクルに形成されたＩＣやＬＳＩ等の回路パタ
ーンを投影レンズによりウエハ面上に投影する前にウエ
ハ面に形成したアライメントマークを投影レンズを介し
て観察し、ウエハの位置情報を得る場合に好適な合焦位
置検出方法に関する。本発明はさらに、このような合焦
位置検出方法を適用した露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、投影露光装置において、ウエハ面
に形成したアライメントマークを投影レンズを介して観
察し、ウエハの位置情報を得て、ウエハと被露光パター
ンが刻まれたレチクルの位置合わせを行なっている。こ
のためのウエハアライメントマークの観察方式として、
主に非露光光を用いかつ投影レンズを通さない方式（Ｏ
ＦＦ−ＡＸＩＳ方式）、露光光を用い、かつレチクルと
投影レンズを通す方式（露光光ＴＴＲ方式）、非露光光
を用い、かつ投影レンズを通す方式（非露光光ＴＴＬ方
式）の３通りの方式が用いられていた。特に最近は、ア
ライメント光検出系に撮像素子を用い、得られた１次元
もしくは２次元の画像信号をデジタル変換して、これに
フィルタリングやテンプレートマッチングを施すことに
よりさまざまなプロセスのウエハに対応するようになっ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＩＣ、ＬＳＩの微細化
が年々進み、これに伴いより高いアライメント精度がも
とめられるようになってくると、アライメント時の撮像
素子に対するアライメントマークのデフォーカスが問題
となってきた。これはアライメントスコープが理想的な
テレセントリック光学系であればデフォーカスはあまり
問題でないが、実際はスコープの調整上の制限や、投影
レンズを介してのウエハマークの計測の場合は投影レン
ズを含んだ収差の補正が容易でないために理想的なテレ
セントリック光学系とはならず、デフォーカスが発生し
た場合にウエハマークの撮像素子上での像高が変化して
しまい、これが計測誤差となってしまってアライメント
誤差が生じてしまう。

【０００４】これを解決するために、ウエハアライメン
トを行なう前にウエハマークのアライメント検出系の撮
像素子上への合焦点位置を求める場合がある。例えば、
ウエハ上のアライメントマークがアライメントスコープ
検出領域内に入ってウエハステージ位置がトレランス内
に入ったら、仮のフォーカス中心を設けてその位置から
投影レンズ光軸方向 (以下Ｚ方向) にウエハを投影レン
ズ側 (以下投影レンズ側をＺの＋方向、反対側をΖの−
方向とする) に一定量デフォーカスさせアライメントマ
ーク画像を取り、再び一定量Ｚの＋方向にデフォーカス
させてアライメントマーク画像を取り、これをデフォー
カス量が一定に達するまで繰り返したら、今度は前記仮
のフォーカス中心から−のＺ方向に同様に駆動、計測を
繰り返し、得られた複数の異なるＺ位置のウエハマーク
画像から合焦点位置を求めている。

【０００５】しかしながらこの方法では１マークの合焦
点位置を求めるのに時間がかかる、という欠点がある。
これは主にＺステージ駆動に伴うステージの整定時間が
長くＺステージ位置が一定のトレランス内に入るのを待
つためである。図５はこの様子を示したもので、制御系
が出力する駆動のプロファイルを６１のようにステップ
駆動とすると、プロファイルと実際の位置の差分つまり
エラー６２はプロファイル６１の立上り (ジャーク) で
大きくなり、振動が収束するのにΖステージの固有振動
数の数周期必要となり、通常振動数は数１０Ｈｚのた
め、例えばステージが５０ｎｍのトレランスに入るのに
約１００ｍｓｅｃもかかってしまう。計測はさらにこの
トレランスに入って一定時間経過した後に始めるために
計測に必要な時間が長くなってしまう。ウエハグローバ
ルアライメント時に合計１２ショットのウエハアライメ
ントマークを計測するとして、各マーク計測毎に合焦点
位置を求めるものとし、１マーク当たり前記仮フォーカ
ス中心位置からＺ方向に±１０μｍ駆動し、１μｍ毎に
合計２１点の画像を取り込むものとした場合、Ζ方向の
１μｍの駆動開始から整定まで１５０ｍｓｅｃ、画像を
取り込むのに待ち時間を含め６６ｍｓｅｃかかるとし
て、１ショット当たり（１５０＋６６）ｍｓｅｃ×２１
＝４５３６ｍｓｅｃ、１ウエハ当たり４．５３６ｓｅｃ
×１２＝５４．４３２ｓｅｃもかかってしまう。これで
は、ほぼ１ウエハを露光する時間に相当する時間をアラ
イメント合焦点位置検出に要していることになり、スル
ープットを低下させてしまう。

【０００６】本発明の第１の目的は、光学系の合焦位置
を求める方法において、ステージのステップ駆動に伴う
ステージの振動による影響を受けること無く短い計測時
間で光学系の合焦位置を求めることが可能な合焦位置検
出方法を提供することである。

【０００７】本発明の第２の目的は、光学系の合焦位置
を求める方法において、高精度に光学系の合焦位置を求
めることが可能な合焦位置検出方法を提供することであ
る。

【０００８】本発明の第３の目的は、光学系の合焦位置
を求める方法において、ステージのステップ駆動に伴う
ステージの振動による影響を受けること無く簡便な方法
で高精度に光学系の合焦点位置を求めることが可能な合
焦位置検出方法を提供することである。

【０００９】本発明の第４の目的は、光学系の像面を求
める方法において、ステージのステップ駆動に伴うステ
ージの振動による影響を受けること無く短い計測時間で
光学系の像面を求めることが可能な像面検出方法を提供
することである。

【００１０】本発明の第５の目的は、光学系の像面を求
める方法において、高精度に光学系の像面を求めること
が可能な像面検出方法を提供することである。

【００１１】本発明の第６の目的は、光学系に照射され
る光がパルス光である場合に、高精度に光学系の像面を
求めることが可能な像面検出方法を提供することであ
る。

【００１２】本発明の第７の目的は、光学系の像面を求
める方法において、ステージのステップ駆動に伴うステ
ージの振動による影響を受けること無く簡便な方法で高
精度に光学系の像面を求めることが可能な像面検出方法
を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段および作用】上記第１の目
的を達成するために、本発明に係る合焦位置検出方法で
は、ステージにより物体を少なくとも光学系の光軸方向
に移動し、前記移動中に前記物体の像を撮像素子により
複数回撮像し、前記複数回の撮像の各撮像中に前記物体
の位置を複数回検出することにより、前記各撮像に対す
る前記物体の位置を算出し、前記各撮像により得られた
画像と、前記各撮像に対して算出された前記物体の位置
とに基づいて、前記物体の合焦位置を求めることを特徴
とする。

【００１４】また、上記第２の目的を達成するために
は、前記方法において、さらに前記各撮像中に検出され
た複数の前記物体の位置に基づいて、前記ステージの目
標位置に対する位置誤差を複数求め、求められた前記複
数の位置誤差に基づいて、前記各撮像に対する前記物体
の位置を算出すればよい。また、前記観察用の光がパル
ス光である場合には、前記各撮像中に検出された複数の
前記物体の位置と前記パルス光の発光タイミングとに基
づいて、前記ステージの目標位置に対する位置誤差を複
数求め、求められた前記複数の位置誤差に基づいて、前
記各撮像に対する前記物体の位置を算出すればよい。

【００１５】また、上記第３の目的を達成するために
は、前記方法において、前記各撮像における前記撮像素
子の蓄積期間を、前記ステージの振動の周波数成分のパ
ワーに基づいて決定するとよい。

【００１６】上記第４〜７の目的を達成するためには、
前記方法において、異なる複数の像高に対して前記物体
の合焦位置を求めることにより、前記光学系の像面を求
めるとよい。

【００１７】上記の合焦位置検出装置は、特に露光装置
に適用して好適である。

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を述べ
る。本発明の第１の実施の形態は、レンズの合焦点位置
を求める方法において、該レンズの結像面近傍に配置さ
れた少なくとも該レンズの光軸方向に移動可能なステー
ジを移動し、該ステージの移動期間の中の等速度期間に
該レンズを介して観察される該ステージ上に配置された
物体の像を撮像素子により観察し、得られた複数の画像
より該レンズの合焦点位置を求めることにより、ステー
ジのステップ駆動に伴うステージの振動による影響を受
けること無く短い計測時間でレンズの合焦点位置を求め
ることを可能としたものである。

【００２１】また、本発明の第２の実施の形態は、レン
ズの合焦点位置を求めるために、該レンズの結像面近傍
ヘステージ上の基板を移動できる、少なくとも該レンズ
の光軸方向に移動可能なステージを移動し、該レンズを
介して観察される該ステージ上に配置された物体の像を
撮像素子により観察し得られた異なる該ステージ位置の
複数の画像より該レンズの合焦点位置を求める合焦点位
置検出方法において、該ステージの位置を計測するため
の計測タイミング発生部を持ち、該タイミング発生部か
らの信号と同期して該ステージの位置を計測すると共
に、前記撮像素子の蓄積期間をモニタして該蓄積期間中
の該ステージの位置誤差を求め、該撮像素子により得ら
れた画像に対応する該ステージ位置を補正することによ
り高精度にレンズの合焦点位置を求めることを可能とし
たものである。

【００２２】また、本発明の第３の実施の形態は、レン
ズの像面を求めるために、該レンズの結像面近傍へステ
ージ上の基板を移動できる、少なくとも該レンズの光軸
方向または光軸方向および光軸を法線とする平面上の直
交する軸に平行な軸の回りの回転方向に移動可能なステ
ージを移動し、該ステージの移動期間の中の等速度期間
に該レンズを介して観察される該ステージ上に配置され
た物体の像を一つまたは複数の撮像素子により観察し得
られた複数の画像より該レンズの像面を求めることによ
り、ステージのステップ駆動に伴うステージの振動によ
る影響を受けること無く短い計測時間でレンズの合焦点
位置を求めることを可能としたものである。

【００２３】また、本発明の第４の実施の形態は、レン
ズの像面を求めるために、該レンズの結像面近傍へステ
ージ上の基板を移動できる、少なくとも該レンズの光軸
方向または光軸方向および光軸を法線とする平面上の直
交する軸に平行な軸の回りの回転方向に移動可能なステ
ージを移動し、該レンズを介して観察される該ステージ
上に配置された物体の像を一つまたは複数の撮像素子に
より観察し得られた異なる該ステージ位置の複数の画像
より該レンズの像面を求める合焦点位置検出方法におい
て、該ステージの位置を計測するための計測タイミング
発生部を持ち、該タイミング発生部からの信号と同期し
て該ステージの位置を計測すると共に、前記撮像素子の
蓄積期間をモニタして該蓄積期間中の該ステージの位置
誤差を求め、該撮像素子により得られた画像に対応する
該ステージ位置を補正することにより高精度にレンズの
像面を求めることが可能としたものである。

【００２４】また、本発明の第５の実施の形態は、レン
ズの像面を求めるために、該レンズの結像面近傍へステ
ージ上の基板を移動できる、少なくとも該レンズの光軸
方向または光軸方向および光軸を法線とする平面上の直
交する軸に平行な軸の回りの回転方向に移動可能なステ
ージを移動し、該レンズを介して観察される該ステージ
上に配置された物体の像を一つまたは複数の撮像素子に
より観察し得られた異なる該ステージ位置の複数の画像
より該レンズの像面を求める合焦点位置検出方法におい
て、該レンズに照射される光がパルス光であり、該ステ
ージの位置を計測するための計測タイミング発生部を持
ち、該タイミング発生部からの信号と同期して該ステー
ジの位置を計測すると共に、前記撮像素子の蓄積期間お
よび前記パルス光の発光タイミングをモニタして該蓄積
期間中の該発光時のまたは発光前のもしくは発光後の該
ステージの位置誤差を求め、該撮像素子により得られた
画像に対応する該ステージ位置を補正することにより、
高精度にレンズの像面を求めることを可能としたもので
ある。

【００２５】また、本発明の第６の実施の形態は、レン
ズの合焦点位置を求める方法において、該レンズの結像
面近傍へステージ上の基板を移動できる少なくとも該レ
ンズの光軸方向または光軸方向および光軸を法線とする
平面上の直交する軸に平行な軸の回りの回転方向に移動
可能なステージを移動し、該ステージの移動期間の中の
等速度期間に該レンズを介して観察される該ステージ上
に配置された物体の像を、蓄積期間が前記ステージの移
動方向の制御系の振動成分の内最大のパワーを持つ周波
数成分の周期の整数倍にほぼ一致した撮像素子により観
察し得られた複数の画像より該レンズの合焦点位置を求
めることにより、簡便な構成でステージのステップ駆動
に伴うステージの振動による影響を受けること無く短い
計測時間でレンズの合焦点位置を求めることを可能とし
たものである。

【００２６】また、本発明の第７の実施の形態は、レン
ズの像面を求めるために、該レンズの結像面近傍へステ
ージ上の基板を移動できる、少なくとも該レンズの光軸
方向または光軸方向および光軸を法線とする平面上の直
交する軸に平行な軸の回りの回転方向に移動可能なステ
ージを移動し、該ステージの移動期間の中の等速度期間
に該レンズを介して観察される該ステージ上に配置され
た物体の像を蓄積期間が前記ステージの移動方向の制御
系の振動成分の内最大のパワーを持つ周波数成分の周期
の整数倍にほぼ一致した一つまたは複数の撮像素子によ
り観察し得られた複数の画像より該レンズの像面を求め
ることにより、簡便な構成でステージのステップ駆動に
伴うステージの振動による影響を受けること無く短い計
測時間でレンズの合焦点位置を求めることを可能とした
ものである。

【００２７】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。第１の実施例 図１は本発明の第１の実施例に係る合焦点位置検出方法
が適用される投影露光装置の部分概略図である。

【００２８】図１において、１は縮小投影レンズであ
り、その光軸は図中ＡＸで示され、またその像面は図中
ＡＸ方向と垂直な関係にある。照明系１１はｉ線、エキ
シマレーザ光等の紫外光を照射する。

【００２９】レチクル２はレチクルステージ３上に保持
され、レチクル２のパターンは縮小投影レンズ１の倍率
で１／５ないし１／２に縮小投影されその像面に像を形
成する。４は表面にレジストが塗布されたウエハであり
先の露光工程で形成された多数個の被露光領域（ショッ
ト）が配列されている。

【００３０】５はウエハを載置するステージで、ウエハ
４をウエハステージ５に吸着・固定するチャック、Ｘ軸
方向とＹ軸方向に各々水平移動可能なＸＹステージ、３
軸のΖ方向アクチエーター７やＺ方向位置検出センサ６
により制御され投影レンズ１の光軸方向であるΖ軸方向
への移動およびＸ軸、Ｙ軸方向に水平な軸の回りに回転
可能なレベリングステージ、前記Ζ軸に水平な軸の回り
に回転可能な回転ステージにより構成されており、レチ
クルパターン像をウエハ上の被露光領域に合致させるた
めの６軸補正系を構成している。また、ウエハステージ
上にはアライメントマーク等が刻まれたステージマーク
８が構成される。

【００３１】図１においては３つのアライメントスコー
プがあり、ＴＴＲアライメントスコープ１０は露光光と
同じかもしくはほぼ同じ波長のＴＴＲアライメント照明
系１２からの光によってレチクル２と投影レンズ１を介
してウエハ４上のウエハマークまたはステージマーク８
を照明し、該マークからの反射光は同じ経路を通りＴＴ
Ｒアライメントスコープ１０に戻る。ＴＴＲアライメン
トスコープ１０内には偏光子が入っているために照明光
と反射光は干渉しない。反射光は撮像素子１３上に結像
し画像として画像処理部２０に取り込まれる。切り替え
ミラー１７はウエハ露光中は照明系の露光域外に逃げ、
ＴＴＲアライメントスコープ１０から投影レンズ１を介
してウエハステージ５上を観測する時のみ露光域内に移
動する。オフアクシスアライメントスコープ９は図示し
ない光源からの非露光光により照明されたウエハ４上の
ウエハマークまたはステージマーク８の像を撮像素子１
４上に結像する。この像は画像として画像処理部２０に
取り込まれる。また、ＴＴＬオフアクシスアライメント
スコープ１５は投影レンズ１を介して図示しない光源か
らの非露光光により照明されたウエハ４上のウエハマー
クまたはステージマーク８の像を撮像素子１６上に結像
する。この像も同様に画像として画像処理部２０に取り
込まれる。

【００３２】図１に示すメイン制御部２４はレチクル２
の像をウエハ４の所定領域にＸＹ面内の位置（Ｘ，Ｙの
位置、およびΖ軸に平行な軸の回りの回転Θ) とΖ方向
の位置（Ｘ，Ｙ各軸に平行な軸の回りの回転α，βおよ
びΖ軸上の高さΖ）を調整しながら露光を行なうように
全系をコントロールしている。すなわち、レチクルパタ
ーンのＸＹ面内での位置合わせはレチクルステージ３上
の図示しない干渉計とウエハステージ５上の図示しない
干渉計の位置データとアライメントスコープ９，１０，
１５から得られるウエハ４の位置データから制御データ
を算出し、レチクル位置制御系２３およびウエハ位置制
御系２２をコントロールすることにより実現している。

【００３３】以下、本発明の第１の実施例に係る合焦点
位置検出方法によりオフアクシスアライメントスコープ
９の合焦点位置を検出する方法を述べる。図２は横軸を
時間にとったときの、ウエハステージ５をΖ方向にΖ１
からΖ２まで駆動した時のウエハステージ制御系２２が
生成するΖ方向駆動目標位置３１、Ζ方向位置センサ６
が検出した実際のΖ方向の位置３２、センサ検出に基づ
く加速度３３、目標位置３１と実際に駆動された位置３
２の誤差成分３４を示す。誤差成分３４を見ると、駆動
開始と終了時点では誤差が大きいので、計測にはこの部
分を除く等速移動期間を合焦点計測範囲３５として使用
する。仮フォーカス中心をΖｃとしてこのΖｃから±ｈ
μｍの範囲で合焦点検出のための計測を行なうとする。
図３は図２のＡの部分を拡大したものに、撮像素子によ
る画像取り込みタイミングＩｇと転送タイミングＩｔを
追記したものである。Ｉｇの部分で得られたデータはＩ
ｔの期間に画像処理部２０に転送され、処理される。こ
の場合、Ｉｇで蓄積された画像に対応するウエハステー
ジのΖ方向位置Ζｋは、Ｉｇ間にΖ方向位置測定系が間
隔ｔｄでｎ回計測するとして、各Ζ方向位置測定サンプ
リング位置での誤差をδｉとすると、

【００３４】

【数１】 で与えられる。このＩｇの期間に得られた画像から画像
処理部２０にてコントラスト計算を行なう。コントラス
ト評価値は、例えば画像中のウエハマークの範囲を微分
してその微分値のヒストグラムからＰ−タイル法で求め
る。

【００３５】以上の処理を、ウエハステージ５が図２中
のΖｃ−ｈからΖｃ＋ｈの位置までの等速移動期間内に
繰り返し行ない、各ウエハΖ方向位置に対するコントラ
スト評価値をプロットしたものが図４である。各Ζ位置
におけるデータ３８から最小自乗法による２次関数近似
曲線３９を求めてこのピークΖｔｃを合焦点位置とす
る。最小自乗法以外に、重心計算値や対象度等によりピ
ークを求めてもよい。

【００３６】本実施例によれば、Ζステージのステップ
駆動による振動収束をまつ必要が無いので、高速でアラ
イメントスコープの合焦点位置の検出が可能となる。例
えば仮フォーカス中心から±１０μｍの範囲を１ｓｅｃ
でスキャンしたとしても１ショット１秒でフォーカス計
測を終えることになり、１ウエハ１２ショットでも１２
ｓｅｃしかかからない。また、蓄積時間を３３ｍｓｅｃ
としても３３ｍｓｅｃ中に移動するＺステージの量は
０．６６μｍとなり、通常のオフアクシスアライメント
スコープの焦点深度は数μｍあるのでボケた画像となら
ず、コントラスト処理を行なっても図４のようなはっき
りとした近似関数のピークが得られる。

【００３７】なお、Ｚ方向走査範囲Ｚｓｃａｎ、検出時
間Ｔｍｅａｓ、撮像素子蓄積時間Ｉｇおよび検出Ｚ方向
分解能Ｚｒｅｓは次の式を満足するように設定した方が
高精度な検出が期待できる。

【００３８】

【数２】 以上は、オフアクシススコープ９の合焦点位置を検出す
る実施例を述べたが、ＴＴＲオフアクシススコープ１５
や、照明系１１がＣＷ光源の場合のＴＴＬアライメント
スコープ１０の合焦点位置も同様に求めることができ
る。

【００３９】第２の実施例 また、第１の実施例においては、ウエハステージ５をＺ
方向に等速移動させながら合焦点計測を実行する例を示
したが、本発明によれば、計測期間中のウエハ位置を図
５のような階段（ステップ）状に送っていった場合でも
高速に合焦点位置を検出することができる。図５におい
て、６１はＺステージをΔｈピッチで高さ０から高さΖ
ｈに送った時のステップパターン、６２は誤差成分であ
る。Ｉｇは画像の取り込み期間で、従来は一定の小さな
トレランスＺｔに入って一定時間ｔｄ経過してから時刻
ｔ１で取り込みを開始していたが、本発明を適用すれば
図５のようにトレランスに入っていない時間ｔ２から取
り込み始めても、このＩｇで蓄積された画像に対応する
ウエハステージのＺ方向位置Ζｋ′は図３の場合と同様
に各Ζ方向位置測定サンプリング位置での誤差をδｉと
すると、

【００４０】

【数３】 として誤差分が補正できるのでステージの整定を待たず
してデータの取り込みが可能となる。

【００４１】図３の場合と同様にウエハΖ方向位置を仮
フォーカス点Ｚｃを中心にＺｃ±ｈの範囲でステップ状
に送って行き、図５と同じ取り込みタイミングで画像取
り込みして前述のコントラスト処理をすれば、図３の場
合と同様に図４のデータが得られ、このデータから合焦
点位置を求めることができる。

【００４２】第３の実施例 図６は本発明の第３の実施例に係る制御系を示すブロッ
ク図である。図６ではウエハステージ制御系２２はΖ方
向（Ｘ，Ｙ各軸に平行な軸の回りの回転α，βおよびＺ
軸上の高さＺ）の制御系のみ記載してある。Ζ方向を駆
動する場合は、同期信号発生部８４からの計測パルス８
５に同期してウエハΖ方向位置計測部８２が計測したΖ
方向センサ６の値と、演算装置８１で演算して算出する
Ζ方向駆動プロファイルとの差分を演算装置８１がＺ方
向駆動装置８３に出力してΖ方向アクチエータ７を駆動
する。撮像素子１３から得られた画像は画像処理部２０
で取り込む。この時に撮像素子１３の蓄積期間をしめす
ＧＡＴＥ信号８６をウエハＺ方向計測部８２に送ってど
のタイミングで画像が蓄積されているかをウエハΖ方向
計測部８２が知ることが出来るようにする。もしくは、
同期信号発生部８４から画像処理部へ同期信号８７を出
してもよいが、通常、画像処理部２０は内部で発生する
信号で処理した方が設計的に容易なのでＧＡＴＥ信号８
６をウエハΖ方向計測部８２に送りＰＰＬやデジタルＰ
ＬＬで同期をとる。これにより本実施例の処理が可能と
なる。

【００４３】第４の実施例 投影レンズはウエハ露光中に露光光やウエハからの反射
光による熱的影響によりレンズ像面が変化したり、像面
湾曲を生じたりする。これを防ぐために、露光量やウエ
ハの反射率、レチクル透過率をパラメータとして計算に
より像面変化を求めたり、ウエハの交換中などに投影レ
ンズの像面を測定したりしてウエハ高さをレンズ像面に
追従させる方法があるが、前者は計算により像面変化に
追従するのは難しく実際には誤差が生じてしまう、後者
は投影レンズのフォーカスを検出するのに時間がかかっ
てしまう、という問題がある。

【００４４】本発明によればアライメントスコープの合
焦点位置のみならず、投影レンズ１の合焦点位置（投影
レンズの像面）の変化も高速に検出することができる。

【００４５】図１にて本発明により投影レンズの像面変
化を検出する方法を述べる。ＴＴＲアライメント光源１
２より照射された露光光と等しい波長、もしくは露光波
長近傍の波長のＣＷ光はＴＴＲアライメントスコープ１
０を通って切り替えミラー１７で投影レンズ１の露光域
に入りレチクル２、投影レンズ１を通る。この時、該ア
ライメント光がウエハステージ５に照射される位置に投
影レンズ１の解像限界に近いピッチのサジ・メリ方向の
マークが入ったステージマーク８を置く。ステージマー
ク８はマーク以外の部分は該アライメント光に対して反
射面となっているので、投影レンズ１のＮＡ内の反射光
は投影レンズ１およびレチクル２を通り、切り替えミラ
ー１７を通ってＴＴＲアライメントスコープ１０に入
り、撮像素子１３上にステージマーク８の画像が形成さ
れる。

【００４６】アライメントスコープ９の場合と同様にウ
エハステージ５をΖ方向にスキャンしながら画像のコン
トラストを計測すると図４の様な計測結果が得られるの
で、これからアライメントスコープ９の場合と同じ手法
で合焦点位置を求める。通常、像面位置を求める場合は
像面湾曲が生じている場合が多いので、対物ミラー１７
を移動させながら像高の異なる複数の点での合焦点位置
を求めこれらのデータから像面を求める。像面湾曲が小
さい場合は一つの像高のデータから像面を求めてもよ
い。この像面を制御部２４に接続された図示しない記憶
装置に記憶して装置オフセットとして管理する。この記
録された像面と新たに計測した像面と比較して像面変化
を検出することができる。ウエハステージ５のＺ方向を
この像面に合わせる場合には像面の最小自乗平面を求め
てこの平面にウエハ面を合わせる。図１ではＴＴＲアラ
イメントスコープ１０、撮像素子１３およびＴＴＲアラ
イメント光源１２は１組しか構成されていないが、投影
レンズ光軸ＡＸを中心とした対称な位置にも同様にＴＴ
Ｒ観察系を設けて同時に複数の撮像素子で複数の像高の
合焦点位置を求めることもできる。この場合、複数の撮
像素子に加える同期信号は同じものか、他方のものをＰ
ＬＬ等で同期したものとし、複数の撮像素子で同時に計
測を行なう。

【００４７】第５の実施例 露光光源がパルス光の場合でも本発明を適用することが
できる。この場合もシーケンスは前述のＣＷ光の場合と
同じだが撮像素子が取り込んでいるのはパルスが発光し
た時の画像の積算なので、画像取り込み時のＺｋ位置は
図７より、

【００４８】

【数４】 但し、δｊはパルス発光時の (あるいは前の) サンプリ
ングデータで与えられる。これにより、パルスが出てい
ない時の誤差分について除くことができる。

【００４９】この場合の制御系の構成は図６において露
光制御部８８から出した発光タイミング信号９０をウエ
ハΖ方向計測系８２で受け、どのタイミングでパルスが
発光しているかをウエハΖ方向計測部８２が知ることが
出来るようにする。８９はパルス光源である。この場
合、発光タイミング信号９０をウエハΖ方向計測部８２
で受け、ＰＬＬやデジタルＰＬＬで同期をとる。もしく
は、同期信号発生部８４から露光制御部へ同期信号９１
を出してもよい。

【００５０】第６の実施例 上述においては、撮像素子のタイミングを例えばＮＴＳ
Ｃ準拠のＣＣＤカメラ等の固定としていたが、ＣＣＤラ
インセンサや電子シャッタ搭載のＣＣＤカメラなど撮像
素子の蓄積時間を変えることができるならば、蓄積時間
をウエハステージの制御系の振動成分の内最大のパワー
を持つ周波数成分の周期の整数倍にすることによって精
度良く検出することができる。

【００５１】図８にこの様子を示す。ステージのＺ方向
の位置の誤差成分７１はウエハステージのＺ方向の固有
振動数で振動しており、これは装置固有の振動数であ
る。７２は誤差成分７１のパワースペクトルであり、周
波数ｆｃにて最大のパワーを持っている。この制御系の
振動成分の最大のパワーを持つ周波数成分は例えばステ
ージをステップさせた時のウエハステージの実際の位置
を測定すれば求めることができるので、予めこの周波数
成分を求めておき、撮像素子の蓄積期間Ｔｉｇを下式に
示すように、この周波数成分の周期の整数倍にする。

【００５２】

【数５】 こうすれば、振動の位相に係わらずｎ周期の平均値の画
像が得られることになり、位置精度が向上する。この場
合は（１）式における誤差成分δｉの加算をしなくても
よい。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光学系の合焦位置を求める方法において、ステージによ
り物体を少なくとも光学系の光軸方向に移動し、該移動
中に前記物体の像を撮像素子により複数回撮像し、前記
複数回の撮像の各撮像中に前記物体の位置を複数回検出
することにより、前記各撮像に対する前記物体の位置を
算出し、前記各撮像により得られた画像と、前記各撮像
に対して算出された前記物体の位置とに基づいて、前記
物体の合焦位置を求めることにより、ステージのステッ
プ駆動に伴うステージの振動による影響を受けること無
く短い計測時間で光学系の合焦位置を求めることができ
る。

【００５４】また、上記の合焦位置を求める方法におい
て、さらに、前記各撮像中に検出された複数の前記物体
の位置に基づいて、前記ステージの目標位置に対する位
置誤差を複数求め、求められた前記複数の位置誤差に基
づいて、前記各撮像に対する前記物体の位置を算出する
ことにより高精度に光学系の合焦位置を求めることがで
きる。

【００５５】また、上記の合焦位置を求める方法におい
て、前記各撮像における前記撮像素子の蓄積期間を、前
記ステージの振動の周波数成分のパワーに基づいて決定
することにより、簡便な構成でステージのステップ駆動
に伴うステージの振動による影響を受けること無く短い
計測時間で光学系の合焦位置を求めることができる。

【００５６】さらに、上記の合焦位置を求める方法にお
いて、異なる複数の像高に対して前記物体の合焦位置を
求めることにより、前記光学系の像面を求めることによ
り、ステージのステップ駆動に伴うステージの振動によ
る影響を受けること無く短い計測時間で光学系の像面を
求めることが出来る。

【００５７】

【００５８】

【００５９】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係る合焦点位置検出
方法を用いる投影露光装置の部分的概略図である。

【図２】 本発明の第１の実施例に係る合焦点位置検出
方法を用いる場合のウエハ高さと加速度と誤差成分の関
係を示した説明図である。

【図３】 本発明の第１の実施例に係る合焦点位置検出
方法を用いる場合のウエハ高さと撮像素子蓄積時間と高
さ制御系サンプリングタイミングの関係を示した説明図
である。

【図４】 本発明の第１の実施例におけるウエハＺ方向
位置とコントラスト評価値の関係を示した説明図であ
る。

【図５】 本発明の第２の実施例においてウエハ高さを
ステップ駆動した場合のウエハ高さと誤差成分とサンプ
リングタイミングの関係を示した説明図である。

【図６】 本発明の第３の実施例に係る合焦点位置検出
方法を実施するための制御系の概略図である。

【図７】 本発明の第３の実施例に係る合焦点位置検出
方法を用いる場合のウエハ高さと撮像素子蓄積時間と高
さ制御系サンプリングタイミングとパルス発光タイミン
グの関係を示した説明図である。

【図８】 本発明の第６の実施例に係る合焦点位置検出
方法を用いる場合のウエハ高さの誤差成分とその周波数
成分の説明図である。

【符号の説明】

１：縮小投影レンズ、２：レチクル、３：レチクルステ
ージ、４：ウエハ、５：ウエハステージ、８：ステージ
マーク、９：オフアクシスアライメントスコープ、１
０：ＴＴＬアライメントスコープ、１１：照明系、１
３、１４、１６：撮像素子、１５：ＴＴＲアライメント
スコープ、２０：画像処理部、２２：ウエハ位置制御
系、２３：レチクル位置制御系、２４：メイン制御部。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−21318（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−36992（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69100（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196387（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−45504（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−82620（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−16526（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−90825（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G01B 11/00 G03F 9/02

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステージにより物体を少なくとも光学系
   の光軸方向に移動し、前記 移動中に前記物体の像を撮像素子により複数回撮像
   し、前記複数回の撮像の各撮像中に前記物体の位置を複数回
   検出することにより、前記各撮像に対する前記物体の位
   置を算出し、 前記各撮像により 得られた画像と、前記各撮像に対して
   算出された前記物体の位置とに基づいて、前記物体の合
   焦位置を求めることを特徴とする合焦位置検出方法。
2. 【請求項２】 前記各撮像中に検出された複数の前記物
   体の位置に基づいて、前記ステージの目標位置に対する
   位置誤差を複数求め、求められた前記複数の 位置誤差に基づいて、前記各撮像
   に対する前記物体の位置を算出することを特徴とする請
   求項１に記載の合焦位置検出方法。
3. 【請求項３】 前記各撮像はパルス光によるものであっ
   て、前記各撮像中に検出された複数の前記物体の位置と
   前記パルス光の発光タイミングとに基づいて、前記ステ
   ージの目標位置に対する位置誤差を複数求め、求められた前記複数の 位置誤差に基づいて、前記各撮像
   に対する前記物体の位置を算出することを特徴とする請
   求項１に記載の合焦位置検出方法。
4. 【請求項４】 前記各撮像における前記撮像素子の蓄積
   期間を、前記ステージの振動の周波数成分のパワーに基
   づいて決定したことを特徴とする請求項１に記載の合焦
   位置検出方法。
5. 【請求項５】 前記移動のための目標が等速移動である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の合焦
   位置検出方法。
6. 【請求項６】 前記移動のための目標がステップ移動で
   あることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
   合焦位置検出方法。
7. 【請求項７】 前記各撮像により得られた画像のコント
   ラストを評価し、前記各コントラストと前記各撮像に対して算出された前
   記物体 の位置とに基づ いて、前記物体の合焦位置を求め
   る ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の合
   焦位置検出方法。
8. 【請求項８】 異なる複数の像高に対して前記物体の合
   焦位置を求めることにより、前記光学系の像面を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の合焦位置検出方法。
9. 【請求項９】 物体を少なくとも光学系の光軸方向に移
   動可能に支持するステージと、 前記移動中に前記物体の像を撮像素子により複数回撮像
   するための撮像手段と、 前記複数回の撮像の各撮像中に前記物体の位置を複数回
   検出するための位置検出手段と、 前記位置検出手段により検出された複数の前記物体の位
   置に基づいて、前記各撮像に対する前記物体の位置を算
   出する算出手段と、 前記撮像手段による前記各撮像により得られた画像と、
   前記算出手段により前記各撮像に対して算出された前記
   物体の位置とに基づいて、前記物体の合焦位置を決定す
   る決定手段と を有することを特徴とする露光装置。
10. 【請求項１０】 前記算出手段は、前記各撮像中に検出
    された複数の前記物体の位置に基づいて、前記ステージ
    の目標位置に対する位置誤差を複数求め、求められた前
    記複数の位置誤差に基づいて、前記各撮像に対する前記
    物体の位置を算出することを特徴とする請求項９に記載
    の露光装置。
11. 【請求項１１】 前記撮像手段による前記各撮像はパル
    ス光によるものであり、前記算出手段は、前記各撮像中
    に検出された複数の前記物体の位置と前記パルス光の発
    光タイミングとに基づいて、前記ステージの目標位置に
    対する位置誤差を複数求め、求められた前記複数の位置
    誤差に基づいて、前記各撮像に対する前記物体の位置を
    算出することを特徴とする請求項９に記載の露光装置。
12. 【請求項１２】 前記各撮像における前記撮像手段の蓄
    積期間を、前記ステージの振動の周波数成分のパワーに
    基づいて決定したことを特徴とする請求項９に記載の露
    光装置。
13. 【請求項１３】 前記移動のための目標が等速移動であ
    ることを特徴 とする請求項９〜１２のいずれかに記載の
    露光装置。
14. 【請求項１４】 前記移動のための目標がステップ移動
    であることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記
    載の露光装置。
15. 【請求項１５】 前記決定手段は、前記撮像手段による
    前記各撮像により得られた画像のコントラストを評価
    し、前記各コントラストと前記各撮像に対して算出され
    た前記物体の位置とに基づいて、前記物体の合焦位置を
    求めることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記
    載の露光装置。
16. 【請求項１６】 異なる複数の像高に対して前記物体の
    合焦位置を求めることにより、前記光学系の像面を求め
    るようにしたことを特徴とする請求項９に記載の露光装
    置。