JP3531227B2 - 露光方法および露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、露光方法（１）及び半
導体ウェハや液晶表示素子用プレート等のデバイスを製
造する工程で感光基板をアライメントするために、基板
上に形成されたアライメントマークの位置をオフアクシ
スのアライメント系により検出する機能を備えたステッ
パー（２）の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示素子等のデバイス
を製造する工程ではフォトリソグラフィ工程が重要な位
置を占めている。フォトリソグラフィ工程では、フォト
マスク又はレチクル（本明細書では両者を単に「レチク
ル」で総称する）に描かれたパターンを感光基板の各シ
ョット領域に逐次に投影露光する。感光基板とは、例え
ばウェハ、ガラスプレート等の基板上に感光剤が塗布さ
れたものを言う。このとき、逐次投影露光装置（ステッ
パー）が使用される。

【０００３】ステッパーは、投影光学系を有し、かつ、
各ショット領域において、投影光学系の結像面に感光基
板の表面を位置付けるオートフォーカス部を有する。オ
ートフォーカス部は、所定の位置、例えば結像面の位置
に感光基板を位置付ける装置である。感光基板は移動ス
テージ（以下単にステージと略す）の上に置かれる。ス
テージは駆動機構を有し、これによって上下方向（Ｚ軸
方向つまり光軸方向）、及びＸＹ方向（Ｚ軸に垂直な平
面方向）に移動することができる。これにより感光基板
を自由に移動することができる。感光基板の表面は、基
板の厚みのばらつき（基板間及びショット領域間でのば
らつき）及び基板の反りによって一様ではない。従っ
て、ステージの位置で感光基板の表面が結像面、その他
の位置にあることを決め付けることは出来ない。

【０００４】そこで、感光基板に隣接して基準部材をス
テージの上に載せる。基準部材の表面と感光基板の表面
とはほぼ同一水平面内（上述の通り、ばらつきがあるの
で正確に同一とすることはできない）にある。特別な装
置を使って、基準部材の表面を投影光学系の結像面又は
アライメント系の合焦面に位置付ける。その上で、その
位置でオートフォーカス部のフォーカス信号がゼロクロ
ス点（例えば結像面の位置に相当）に来るように較正し
ておく。そうすると、オートフォーカス部は、感光基板
表面がどの位置にあるとき、フォーカス信号がゼロクロ
ス点に来るかを検知することができる。フォーカス信号
をフィードバックし、信号がゼロクロス点に来るように
ステージを上下に動かすことによって、所定の位置（例
えば結像面の位置に相当）に感光基板の表面を位置付け
ることができる訳である。オートフォーカス部は固定さ
れており、投影光学系の真下でのみ機能する。

【０００５】最近、集積度のより高いデバイスを製造す
るために、露光光としてより短い波長の光、例えば、Ｋ
ｒＦエキシマレーザー光（波長λ＝２４８．５ｎｍ）を
用いることが提案されている。ところで、感光基板のア
ライメント（レチクルと感光基板との相対位置合わせ）
を行う方式にＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式がある
が、このときアライメント光として露光光源からの光を
用いるものと、その露光光の波長に近い別の波長光を用
いるものがある。しかし、ＫｒＦエキシマレーザー光を
用いたステッパーの場合、適当なアライメント光源が存
在しない。だからと言って露光光とアライメント光の波
長が大きく異なると、色収差の点で、投影光学系及びＴ
ＴＬ方式のアライメント光学系を製造するのは実際上不
可能である。

【０００６】露光光源からの光を用いてアライメントす
るものは、ショット領域の感光剤が露光されてしまう欠
点がある。仮に露光が防止できたとしても、エキシマレ
ーザー光源はパルス光源で、パルス毎の出力のばらつき
が大きいことから、アライメント精度が低い欠点があ
る。以上の理由から、遠紫外線のような短い波長の光源
を用いたステッパーにおいては、ＴＴＬ方式ではないオ
フアクシス方式のアライメント系が提案されている。

【０００７】オフアクシス方式のアライメント系は、顕
微鏡の如きものであり、投影光学系に隣接して設置され
る。オフアクシス方式の代表例として、特開昭61-44429
号のエンハンスト・グローバル・アライメント（以下、
「ＥＧＡ」という）方式を使用した露光工程を説明す
る。この工程は、下記の工程からなる。

【０００８】第１工程：感光基板をＸＹステージに載置
し、感光基板の中心が投影光学系の真下にくるようにＸ
Ｙステージを移動する。ＸＹステージはＸＹ基本座標系
に基づき移動する。 第２工程：オートフォーカス部を使用して、感光基板の
表面を投影光学系の結像面に位置付ける。

【０００９】第３工程：ＸＹステージを光軸と垂直な面
内に移動して、感光基板上のアライメントマークがアラ
イメント系の真下にくるようにＸＹステージを移動す
る。 第４工程：アライメント系によってアライメントマーク
の位置（ＸＹ基本座標上の位置）を検出する。 第５工程：複数のアライメントマークについて第３、第
４工程を繰り返す。これにより、感光基板上の各ショッ
ト領域について、ＸＹ基本座標系上の位置を計算し予測
する。当然のことながら、マークと各ショット領域との
位置関係（ＸＹ基本座標系上の位置）は、パターンの設
計データに基づき予め記憶されている。

【００１０】第６工程：予測に基づいてＸＹステージを
移動することにより、所定のショット領域を投影光学系
の真下にもってくる。 第７工程：オートフォーカス部を使用して、感光基板の
表面を投影光学系の結像面に位置付ける。この理由は、
第２工程では感光基板中心の表面を結像面に位置付けた
に過ぎず、所定のショット領域については、未だ結像面
に位置付けた訳ではないからである。

【００１１】第８工程：レチクルのパターンを感光基板
に投影露光する。 以上の工程の中で、マーク位置を検出し、マーク位置に
基づいて、レチクルや基板を所定の位置に移動させるこ
とをアライメントと言う。ところで、デバイスの製造工
程では、フォトリソグラフィのための露光工程が何回も
登場する。多くの場合、その都度、投影するパターンは
異なる。このとき投影されたパターン像は、基板上で前
のパターン像と所定の位置関係になければならない。レ
チクルと基板とを所定の位置関係にすることを「重ね合
せ」と呼び、その程度を「重ね合せ精度」と呼ぶ。とも
あれ、後の露光工程で、投影光学系の投影倍率（縮小倍
率）やディストーションなどの結像特性の調整を行なう
（第１工程の直前で）ことが多い。結像特性の調整は、
所定の結像特性に調整する方法と、感光基板のショット
領域の形状に合わせた結像特性に調整する方法との２つ
の方法がある。前者は、一定時間毎又は所定枚数の感光
基板の処理を行う毎に結像特性を調整する。後者は、感
光基板毎にショット領域の形状を計測し、この形状に合
わせるように結像特性を調整する。後者は、感光基板が
熱処理やイオン注入などの処理工程でしばしば伸縮や歪
みを生じることがある。そうすると同じ縮小倍率やディ
ストーションでは、パターン像の全域においてパターン
像を重ね合せることはできないという理由がある。感光
基板の処理単位であるロット毎にショット領域の形状が
変化する場合は、ロットの先頭の感光基板でのみ結像特
性の調整を行なってもよい。

【００１２】このように結像特性を調整すると、投影光
学系の結像面は光軸方向（Ｚ方向）に変位する。そこ
で、結像特性の調整量と結像面の変位量を予め求めて、
両者の対応表（テーブル）が作られている。調整した
後、露光を行う場合は、対応表により変位した結像面の
位置を予測し、そこに感光基板を合わせる。この理由
は、結像特性を調整するたびに、基準部材を使って結像
面の正確な位置検出を行うと、時間がかかり、デバイス
のスループットが落ちるからである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】デバイスが扱う情報量
を増すため、パターンは、より微細なものが要求されて
いる。しかし、従来のステッパーでより微細なパターン
像を重ね合わせた場合、デバイスの良品率が低いという
問題点が見出された。重ね合せ精度の低いことが主原因
と推測される。

【００１４】

【課題を解決するため手段】本発明者はかかる問題点の
原因について鋭意研究した。投影光学系の結像特性の調
整をした場合、投影光学系の結像面は光軸方向に移動
し、アライメント系の合焦面からずれてしまう。そのた
め、アライメント系の焦点深度が深いとは言いながら、
もはや相当なデフォーカス状態となってしまう。つま
り、検出精度が低下する。デフォーカス状態でマークを
検出すると、検出信号の出力が低下する。特に、信号の
出にくいマークの場合、低下は著しい。これが検出精度
の低下を招く（第１の原因）。また、デフォーカス状態
でマークを検出すると、アライメント系のテレセン誤差
（光軸の傾き）によって、検出精度が低下する（第２の
原因）。それでも従来は差し支えなかった。厳密に言え
ばアライメントは不正確であり、重ね合せ精度が低い訳
である。しかし、従来は、パターンはそれ程微細ではな
かったので、低い重ね合せ精度でも良品率は高かった。
しかし、パターンがより微細になると、低い重ね合せ精
度は、製造されたデバイスを不良品にし、良品率を低下
させる。 オフアクシス方式のアライメント系を備えた
ステッパーについてさらに研究を進めた結果、マークの
検出精度を高める発明（本発明）をなした。

【００１５】即ち、本発明は、上述の２つの原因に起因
する問題点を別々に解決するために、次の２つの露光方
法と２つのステッパーとを提供する。第１の原因に起因
する問題点を解決する第１の露光方法（請求項１）は、
次の第１から第６工程からなる。 第１工程：レチクルのパターンを感光基板に投影する投
影光学系の結像特性が所定の結像特性となるように投影
光学系を調整する。 第２工程：基板表面を、オフアクシスのアライメント系
の合焦面に、位置付ける。 第３工程：基板を載置した移動ステージを投影光学系の
光軸に垂直な面内で移動させることにより、アライメン
ト系のマーク検出位置に基板上のアライメントマークを
位置付け、そこにおいてマーク位置を検出する。 第４工程：前記検出値に基づいて、移動ステージを投影
光学系の光軸と垂直な面内で移動することによって、基
板の所定ショット領域を投影光学系の真下に移動する。 第５工程：所定ショット領域の表面を結像面に位置付け
る。 第６工程：パターンを前記基板上に投影露光する。

【００１６】第１のステッパー（請求項２）は、第１の
露光方法に使用されるものである。これは、レチクルの
パターンを感光基板に投影する投影光学系と、基板を載
置し、該投影光学系の光軸に垂直な面内で移動可能な移
動ステージと、投影光学系に隣接して設けられ、基板の
アライメントマークのマーク位置を検出するオフアクシ
スのアライメント系とを有し、基板上に形成された位置
合わせ用のマークの位置をアライメント系により検出
し、アライメント系で検出したマークの位置に基づいて
移動ステージを移動して露光を行うステッパーであっ
て、所定の位置に基板表面が位置するように、基板を投
影光学系の光軸方向に移動させるオートフォーカス部
と、基板上でのパターンの投影像を所定の状態に調整す
る結像特性調整部と、調整部の調整量に基づいて、投影
光学系の結像面とアライメント系の合焦面との差分ΔＺ
を出力する演算部と、差分ΔＺに基づいて、合焦面に基
板表面が位置するようにオートフォーカス部を調整する
制御部と、を備えている。

【００１７】第２の原因に起因する問題点を解決するた
めに、第２の露光方法（請求項３）は、次の第１〜第６
工程からなる。 第１工程：レチクルのパターンを感光基板に投影する投
影光学系の結像特性が所定の結像特性となるように投影
光学系を調整する。 第２工程：基板の表面を投影光学系の結像面に位置付け
る。 第３工程：基板を載置した移動ステージを投影光学系の
光軸と垂直な面内で移動することにより、オフアクシス
のアライメント系をマーク検出位置に基板上のマーク位
置に位置付け、そこにおいてマーク位置を検出する。 第４工程：投影光学系の結像面とアライメント系の合焦
面との光軸方向の位置の差分ΔＺに基づいて、検出した
マーク位置のずれ量ΔＸを計算する。 第５工程：このずれ量ΔＸを第３工程で検出した検出値
に加えることにより、検出値を補正し、補正した検出値
に基づいて、移動ステージを移動することによって、基
板の所定ショット領域を投影光学系の真下に移動する。 第６工程：パターンを基板上に投影露光する。

【００１８】第２のステッパー（請求項４）は、第２の
露光方法に使用されるものである。これは、レチクルの
パターンを感光基板に投影する投影光学系と、基板を載
置し、投影光学系の光軸に垂直な面内で移動可能な移動
ステージと、投影光学系に隣接して設けられ、基板のア
ライメントマークのマーク位置を検出するオフアクシス
のアライメント系とを有し、基板上に形成された位置合
わせ用のマークの位置をアライメント系により検出し、
アライメント系で検出したマークの位置に基づいて移動
ステージを移動して露光を行うステッパーであって、投
影光学系の結像面に基板表面が位置するように、基板を
投影光学系の光軸方向に移動させるオートフォーカス部
と、基板に投影されてパターンの像を所定の状態に調整
する結像特性調整部と、調整後の結像面とアライメント
系の合焦面との位置の差分ΔＺとを出力する演算部と、
差分ΔＺに基づいて、マーク位置のずれ量ΔＸを計算
し、このずれ量ΔＸに基づいて、マーク位置の検出値を
補正する補正部と、を備えている。

【００１９】

【作用】請求項１、２の発明においては、結像特性を調
整した場合（これにより投影光学系の結像面は変化す
る）、マーク位置の検出をそのまま行なわずに、アライ
メントセンサーの合焦面にマーク位置を位置付けた後に
検出する。そのため、マーク位置を正確に検出し、アラ
イメントすることができる。それから、基板の表面を投
影光学系の結像面に移動させ、露光する。

【００２０】請求項３、４の発明においては、結像特性
を調整した場合（これにより投影光学系の結像面は変化
するが、その位置に基板表面を位置付ける）、マーク位
置の検出をそのまま行い、その後、検出値を補正する。
そのためマーク位置を正確に検出し、アライメントする
ことができる。それから、基板を露光位置に移動し、そ
の後、露光する。

【００２１】

【実施例１】以下、第１のステッパーの実施例について
図面を引用して説明する。図１は本例のステッパーの概
略構成を示している。超高圧の水銀ランプ１から発生し
た露光光ＩＬ１は楕円鏡２で反射してその第２焦点で一
度集光した後、照明光学系３に入射する。照明光学系３
は、コリメータレンズ、干渉フィルター、オプティカル
インテグレータ（フライアイレンズ）及び開口絞り（σ
絞り）等を含んでいる。楕円鏡２の第２焦点の近傍に
は、モータ５によって露光光ＩＬ１の光路の閉鎖及び開
放を行うシャッター（例えば４枚羽根のロータリーシャ
ッター）４が配置されている。尚、露光光ＩＬ１として
は、水銀ランプ１等の輝線（ｉ線等）の他に、ＫｒＦエ
キシマレーザ若しくはＡｒＦエキシマレーザ等のレーザ
光、又は金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等を用
いても構わない。これらの露光光ＩＬ１は当然に感光剤
を感光させる波長を持つ。

【００２２】照明光学系３から出射された露光光ＩＬ１
は、第１リレーレンズ７、可変視野絞り（レチクルブラ
インド）８及び第２リレーレンズ９を通過してミラー１
０に至り、ここでほぼ垂直に下方に反射された後、メイ
ンコンデンサーレンズ１１を介してレチクルＲのパター
ン領域ＰＡをほぼ均一な照度で照明する。レチクルブラ
インド８の配置面はレチクルＲのパターン形成面と共役
関係（結像関係）にある。

【００２３】レチクルＲは、モータ１５によって投影光
学系１６の光軸方向（Ｚ方向）に移動可能で、且つ光軸
に垂直な面内でＸＹ方向に移動及び回転が可能なレチク
ルステージ１２に載置されている。レチクルステージ１
２の端部にはレーザ光波干渉測長器（干渉計）１３から
のレーザビームを反射する移動鏡１３ｍが固定されてい
る。レチクルステージ１２のＸＹ方向の位置はこの干渉
計１３によって、例えば0.01μｍ程度の分解能で常時検
出される。レチクルＲ上にはレチクルアライメント系
（不図示）が配置され、このレチクルアライメント系
は、レチクルＲの外周付近に形成された２組のレチクル
アライメントマークを検出する。レチクルアライメント
系からの検出信号に基づいてレチクルステージ１２を移
動させることで、レチクルＲはパターン領域ＰＡの中心
点が光軸ＡＸと一致するように位置決めされる。

【００２４】レチクルＲのパターン領域ＰＡを通過した
露光光ＩＬ１は、両側テレセントリックな投影光学系１
６に入射する。投影光学系１６はレチクルＲの回路パタ
ーンを１／５に縮小投影する。投影像（回路パターン
像）は当然のことながら投影光学系１６の結像面に形成
される。ここで、結像面の位置に感光基板Ｗ表面の所定
ショット領域があれば、その感光基板Ｗ（詳しく言えば
感光剤）に回路パターンが焼き付けられる。

【００２５】図３は感光基板Ｗの座標系（ｘ，ｙ）に沿
って配列されたショット領域ＥＳ１〜ＥＳＮを示してい
る。各ショット領域ＥＳｉに隣接するストリートライン
にはそれぞれＸ方向用のアライメントマークＭｘｉ及び
Ｙ方向用のアライメントマークＭｙｉが形成されてい
る。アライメントマークＭｘｉはＸ方向に所定ピッチで
配列された複数本の矩形からなり、アライメントマーク
ＭｙｉはＹ方向に所定ピッチで配列された複数本の矩形
からなる。本例は、ＥＧＡ方式でアライメントを行う。
ＥＧＡ方式では、それら全ショット領域ＥＳｉから予め
選択されたショット領域（以下、「サンプルショット」
という）ＳＡ１〜ＳＡ９についてのみオフアクシスのア
ライメントセンサー２７（アライメント系の一種）がア
ライメントマークの位置を検出する。検出結果は、「感
光基板Ｗを載せるＸＹステージ」を移動する際の指標座
標であるＸＹ基本座標による。マークと各ショット領域
の位置関係は予め記憶されているので、マーク位置の検
出結果を統計処理することにより、全てのショット領域
のＸＹ基本座標上の位置が算出される。この算出結果に
基づき各ショット領域の位置決めを行う。

【００２６】感光基板Ｗは、微小回転可能なウェハホル
ダ（不図示）に真空吸着され、このホルダを介してＺス
テージ１７上に載置される。Ｚステージ１７はＸＹステ
ージ１８上に載置されている。ステッパー全体の動作を
制御する主制御系１４（演算部と制御部）は、モータ２
１によって、ＸＹステージ１８をステップ・アンド・リ
ピート方式でＸ方向に移動させ、かつ、Ｚステージ１７
を光軸方向（Ｚ方向）に移動させることができる。Ｚス
テージ１７内には、感光基板Ｗの水平出し（レベリン
グ）を行うレベリングステージが組み込まれている。１
つのショット領域への露光が終了すると、ＸＹステージ
により感光基板Ｗは次のショット領域が投影光学系１６
の真下（つまり露光位置）にくるようにステッピングさ
れる（これでアライメントは完了する）。Ｚステージ１
７の端部には干渉計２０からのレーザビームを反射する
移動鏡２０ｍが固定され、Ｚステージ１７のＸＹ方向の
位置は干渉計２０によって、例えば0.01μｍ程度の分解
能で常時検出される。

【００２７】Ｚステージ１７上には、「基準マークが形
成されたガラス基板よりなる基準部材１９」が、その表
面の高さが感光基板Ｗ表面の高さとほぼ一致するように
設けられている。（注）「ほぼ一致」と言うのは、実際
には感光基板及びショット領域によって表面の高さはま
ちまちであるからである。本例では、Ｚステージ１７に
よってＺ方向の位置を変えることにより、基準部材１９
上の基準マークを後述のオフアクシスのアライメントセ
ンサー２７で検出する。検出された基準マーク（像）の
コントラストが最も高くなる位置が最良の合焦面であ
り、これにより、アライメントセンサー２７の合焦面
（ベストフォーカス位置）を決める。基準マークとして
は、アライメントマークと同様のものが使用される。

【００２８】他方、アライメントセンサー２７が基準マ
ークの位置を検出した後、ＴＴＬ（スルー・ザ・レン
ズ）方式の観察系（不図示）が投影光学系１６を介して
基準マークの位置を検出する。これによって、投影光学
系１６の光軸とアライメントセンサー２７の光軸とのず
れ量（ベースライン量）を求める。アライメントセンサ
ー２７でアライメントマークの位置を検出した後、検出
結果にベースライン量を加算することにより、各ショッ
ト領域のＸＹ基本座標上の位置を計算し、予測すること
ができる。予測した位置は主制御系に記憶させておく。
基本座標はＸＹステージ１８を移動する際の指標座標な
ので、その都度、マークを検出することなく、記憶に基
づいて、各ショット領域を逐次位置決めし、そして露光
することができる。

【００２９】基準部材１９上には、発光マーク（光源と
スリットとからなる）が設けられている。この発光マー
クからの光を投影光学系１６を介してレチクルＲに照射
して、反射光を再び発光マークに隣接した受光センサー
が検出する。Ｚステージ１７をＺ方向に移動して、受光
センサーの検出量が最大となる位置が投影光学系１６の
結像面となる。また、発光マークからの光をレチクルア
ライメントマークに照射して、このマークからの反射光
を検出する。発光マークをＸＹ方向に移動させて、レチ
クルアライメントマークを走査することによりレチクル
中心からレチクルアライメントマークまでの距離（ＸＹ
基本座標上の距離）を計測する。この計測値と実際のレ
チクル中心からレチクルアライメントマークまでの距離
とを比較することにより投影光学系１６の結像特性を算
出することができる。

【００３０】ステッパーの組立て時は、アライメントセ
ンサー２７の合焦面と投影光学系１６の結像面はほぼ同
一水平面内にある。しかし、使用時は、大気圧変動、露
光による熱の影響によって合焦面と結像面の位置関係は
よりずれる。このステッパーには、投影光学系１６の結
像特性を調整するための調整部（結像特性調整部）２２
が設けられている。本実施例の調整部２２は、投影光学
系１６の一部を構成するレンズエレメント、特にレチク
ルＲに近い複数のレンズエレメントの各々を、ピエゾ素
子等の圧電素子を用いて独立に駆動（光軸ＡＸに対して
平行移動又は傾斜）する。これによって、投影光学系１
６の結像特性（例えば投影倍率やディストーション）を
調整することができる。調整幅は、像高１５ｍｍの位置
（ショット中心から１５ｍｍの位置）で大きくても±数
μｍ程度である。

【００３１】調整部２２によって結像特性を調整する
と、これに応じて投影光学系の結像面の位置も変位す
る。このため、アライメントセンサー２７のベストフォ
ーカス位置と差が生じることになる。そこで、投影光学
系１６の結像特性を調整した時に生じる投影光学系１６
の結像面の変位量ΔＺ２を、調整量との関数として予め
調べておき、主制御系１４に記憶させてある。これとは
別に主制御系１４は、アライメントセンサー２７のベス
トフォーカス位置と投影光学系の結像面との差分ΔＺ１
も記憶している。調整後の結像面とアライメントセンサ
ー２７のベストフォーカス位置との差分ΔＺ（ΔＺ１＋
ΔＺ２）を計算して出力することができる。

【００３２】また、本例のステッパーは、ＡＦセンサー
を備えている。ＡＦセンサー、Ｚステージ１７及び主制
御系１４の一部が本発明のオートフォーカス部を構成す
る。ＡＦセンサーは投影光学系１６の側面に配置された
送光系４２ａ及び受光系４２ｂより構成される。本例の
オートフォーカス部は、Ｚステージによって感光基板Ｗ
表面を投影光学系の光軸方向へ移動させているが、Ｚス
テージとは別の駆動装置を備えてもかまわない。

【００３３】図２は、図１のＡＦセンサーを拡大して示
した図である。図２において、ＡＦセンサーは送光系４
２ａ（照明系４３〜集光対物レンズ４５）と受光系４２
ｂ（集光対物レンズ４６〜光電検出器５０）とより構成
されている。送光系４２ａにおいて、照明系４３の前面
にはスリットパターンよりなる開口パターンが形成され
ている。その開口パターンを通過した検出光（感光剤を
感光させない波長）ＩＬ３が、ミラー４４及び集光対物
レンズ４５を介して投影光学系１６の光軸ＡＸに斜めに
感光基板Ｗ（又は基準部材１９）に照射される。感光基
板Ｗ上にスリットパターン像が投影結像される。感光基
板Ｗで反射された検出光は、受光系４２ｂの受光対物レ
ンズ４６、傾斜角可変のミラー４７、結像レンズ４８及
び振動スリット４９を経て光電検出器５０の受光面のス
リット状の開口上にスリットパターン像を再結像する。
この開口を通過した光を光電変換して得た検出信号が主
制御系１４内で振動スリット４９の駆動信号で同期整流
されて、フォーカス信号が得られる。

【００３４】この場合、感光基板Ｗ上のスリットパター
ン像の長手方向は図２の紙面に垂直な方向であり、感光
基板ＷがＺ方向（光軸方向）に変位すると、光電検出器
５０の受光面でのスリットパターン像はＸ方向に変位す
る。従って、光電検出器５０から出力されるフォーカス
信号は、所定の範囲内において感光基板Ｗの位置に対し
てほぼ比例して変化する信号になる。このため、ＡＦセ
ンサーは、フォーカス信号から感光基板Ｗ表面の位置と
結像面の位置との差を検出することができる。また、受
光系４２ｂ内のミラー４７を傾斜（図２の紙面に垂直な
軸を中心に回転）させることにより、光電検出器５０の
受光面でのスリットパターン像の位置がＸ方向に変位す
る。ミラー４７の傾斜は、主制御系１４が駆動部５１を
駆動することにより実行される。投影光学系１６の結像
面の位置を求めた（感光基板Ｗ表面が結像面に位置し
た）後、ミラー４７を傾斜させて、光電検出器５０の受
光面の開口の中心にスリットパターン像の中心を合致さ
せる。これは、この位置でＡＦセンサーのフォーカス信
号がゼロクロス点に来ることを意味し、これをＡＦセン
サーの調整と呼ぶ。

【００３５】ここで、調整は、ＡＦセンサー内部の位置
に基づいて、基準位置を変化させることを言い、較正
は、ＡＦセンサー外の基準位置に基づいてＡＦセンサー
内の基準位置を変化させることを言う。図１に示す通
り、投影光学系１６の側面には、プリズムミラー２６と
共に、オフアクシス方式のアライメントセンサー２７が
配置されている。このアライメントセンサー２７におい
て、ハロゲンランプ２８からの照明光ＩＬ２は集光レン
ズ２９を介して光ファイバー３０に入射する。光ファイ
バー３０の他端から射出された照明光ＩＬ２は、レンズ
系３１、ハーフプリズム３２及び対物レンズ３３を介し
てプリズムミラー２６に入射する。プリズムミラー２６
で反射された照明光ＩＬ２が感光基板Ｗ上のアライメン
トマークを垂直に照明する。

【００３６】アライメントマークからの反射光は同じ経
路を戻ってプリズムミラー２６、対物レンズ３３を介し
てハーフプリズム３２に達し、ハーフプリズム３２で反
射された光が、結像レンズ３４を経て指標板３５上にア
ライメントマークの像を結像する。指標板３５にはＸ方
向用の指標マーク３５ａ，３５ｂ（図４参照）及びＹ方
向用の指標マークが形成されている。指標マーク３５
ａ，３５ｂは図４に示すように、それぞれＹ方向と共役
な方向に伸びた２本の直線状パターンからなり、この２
本はＸ方向と共役な方向に所定の間隔で並ぶ。 図１に
示すとおり、指標板３５は対物レンズ３３と結像レンズ
３４とによって感光基板Ｗと共役に配置される。従っ
て、アライメントマークの像は指標板３５上に結像さ
れ、指標板３５からの光がリレー系３６、ミラー３７、
リレー系３８及びハーフプリズム３９を介して、テレビ
カメラ（例えば２次元ＣＣＤカメラ）４０Ｘ及び４０Ｙ
の撮像面に達する。これらの撮像面にはそれぞれアライ
メントマークの像と指標マークの像とが結像される。テ
レビカメラ４０Ｘ及び４０Ｙからの撮像信号に基づい
て、信号処理系４１がアライメントマークと指標マーク
との位置ずれ量を検出し、この位置ずれ量を主制御系１
４に供給する。テレビカメラ４０Ｘの走査線の方向はＸ
方向と共役であり、テレビカメラ４０Ｙの走査線の方向
はＹ方向と共役である。そこで、図３のＸ方向用のアラ
イメントマークＭｘｉの位置検出はテレビカメラ４０Ｘ
の撮像信号に基づいて行い、Ｙ方向用のアライメントマ
ークＭｙｉの位置検出はテレビカメラ４０Ｙの撮像信号
に基づいて行う。このように指標マークを用いるのはテ
レビカメラ４０Ｘ及び４０Ｙによる画像のスキャン開始
位置がドリフトするためである。

【００３７】図１には図示していないが、レンズ系３１
内の感光基板Ｗとほぼ共役な位置に照明視野絞りが設け
られている。照明視野絞りは感光基板Ｗ上での照明領域
を規定する。ハーフプリズム２６の真下に図３のサンプ
ルショットＳＡ１に付設されたＸ方向用のアライメント
マークＭｘｊがある場合に、図１のテレビカメラ４０Ｘ
で観察されるその照明領域に相当する部分の様子を図４
（ａ）に示す。照明領域５５は、アライメントマークＭ
ｘｊに相当する領域５５ｃとアライメントマークＭｘｊ
近傍で指標マーク３５ａ，３５ｂに相当する領域５５
ａ，５５ｂとで構成されている。照明領域を領域５５
ａ，５５ｂにまで広げているのは、領域５５ａ，５５ｂ
の感光基板Ｗからの戻り光を利用して指標マーク３５
ａ，３５ｂを照明しているからである。

【００３８】従って、指標マーク３５ａ，３５ｂを照明
する光に他のマークや回路パターンからのノイズ成分が
混入しないように、領域５５ａ，５５ｂは回路パターン
もマークも形成されていない領域となっており、通常は
鏡面状に加工されている。以下領域５５ａ，５５ｂのよ
うな「回路パターンもマークも形成されていない領域」
を禁止帯と呼ぶことにする。

【００３９】アライメントマークＭｘｊ、指標マーク３
５ａ，３５ｂに相当する撮像信号ＳＸを図４（ｂ）に示
す。ここで、縦軸は信号の強度を表し、横軸は図１のＸ
Ｙステージ１８のＸ方向の走査位置を表している。図４
（ｂ）に示すように、撮像信号は、指標マーク３５ａ，
３５ｂ位置やアライメントマークＭｘｊのエッジに相当
する位置（画素位置）で極小となる。Ｙ方向にもアライ
メントマーク、指標マークが設けられており、テレビカ
メラ４０ＹはＹ方向のマークを検出する。

【００４０】ここで、投影光学系１６の結像特性（特に
投影倍率）の計測方法について説明する。一つは、テス
ト露光を行い、露光されたショット領域の中心からその
周辺部の計測用マークまでの距離を測る。これに基づ
き、結像特性が計算で求められる。もう一つは、前述し
た通り、基準部材１９に設けられた発光マークからの光
を用いて、レチクルＲのレチクルアライメントマークを
走査する。結像特性の計測結果に基づいて、調整部２２
により所定の結像特性になるように調整する。

【００４１】他方、上述したＥＧＡ方式により露光する
感光基板Ｗのスケーリング値を計測する。これによっ
て、前処理工程における感光基板Ｗ上に形成されたショ
ット領域の伸縮度がわかる。この伸縮度に合わせて結像
特性（特に投影倍率）を調整して重ね合せ露光する方法
もある。

【００４２】

【実施例２】実施例１のステッパーを用いた第１の露光
方法の実施例について説明する。予め投影光学系１６の
結像面の位置とアライメントセンサー２７の合焦面との
差がΔＺ１である事が計測されている。ここで、投影光
学系１６の結像面の位置でＡＦセンサーのフォーカス信
号がゼロクロス点に来るように較正する。

【００４３】結像特性の調整を調整部２２によって行な
った時、この調整量をΔＭ１とすると、この調整量ΔＭ
１に応じて決まる結像面の変位量ΔＺ２が主制御系１４
により算出される。この変位量ΔＺ２は、以下の式によ
って求められる。

【００４４】

【数１】

【００４５】ここで、Ｋは比例係数であり、予め実験又
はシュミレーションで求めておく。調整前、図２に示す
ように、投影光学系１６の結像面がある基準面５２に位
置しており、感光基板Ｗ表面が基準面５２にあるときに
ＡＦセンサーのフォーカス信号がゼロクロス点に来たと
する。調整後、投影光学系１６の結像面は、変位量ΔＺ
２だけ上昇し面５３に位置したものとする。この面５３
で、ＡＦセンサーのフォーカス信号がゼロクロス点に来
るように、主制御系１４は、駆動部５１を介して変位量
ΔＺ２に対応する角度だけミラー４７を傾斜させる。一
方、アライメントセンサー２７のベストフォーカス位置
（合焦面）は、基準面５２に対してΔＺ１だけ変位した
面５４の位置（つまり、面５３からΔＺ１＋ΔＺ２＝Δ
Ｚだけ低下した位置）にあるとする。

【００４６】まず、感光基板ＷをＺステージ１７上に載
置する。そして、アライメントセンサー２７を用いて感
光基板Ｗ上のサンプルショット（図４のサンプルショッ
トＳＡ１〜ＳＡ９）のアライメントマークの位置を検出
する動作を行う。このとき、アライメントセンサー２７
の合焦面でＡＦセンサーのフォーカス信号がゼロクロス
点に来るように、主制御系１４は駆動部５１を介してベ
ストフォーカス位置の差分（ΔＺ１＋ΔＺ２）に対応す
る角度だけミラー４７を傾斜させておく。そして、感光
基板Ｗの中心を投影光学系１６の真下に移動して、オー
トフォーカス部を働かせると、図５（ａ）に示すよう
に、アライメントセンサーの合焦面である面５４に感光
基板Ｗ表面が移動する。この状態で、アライメントセン
サー２７の真下にアライメントマークを移動して、アラ
イメントセンサー２７の合焦面でアライメントマーク位
置の検出をする。

【００４７】サンプルショットの全てについてマーク検
出を行い、主制御系１４は検出したマーク位置座標から
全ショット領域の位置を所定の演算式によって算出す
る。次に、各ショット領域への露光を行う。このとき、
図２の主制御系１４は駆動部５１を介してベストフォー
カス位置の差分（ΔＺ１＋ΔＺ２）に対応する角度だけ
ミラー４７を元に戻す方向に傾斜させる。この状態でオ
ートフォーカス部を働かせると、図５（ｂ）に示すよう
に、ＡＦセンサーの受光系４２ｂから得られるフォーカ
ス信号がゼロクロス点に来る位置が、投影光学系１６の
結像面がある面５３になる。この状態で、露光を行うシ
ョット領域を投影光学系１６の真下に移動し、次いで、
オートフォーカス部を働かせて、感光基板Ｗ表面を投影
光学系１６の結像面に移動させる。その上で、露光を行
うと、重ね合せ精度が高く、投影像（回路パターン像）
の解像度も高い。逐次感光基板Ｗの各ショット領域を投
影光学系１６の真下に移動し、露光する。全てのショッ
ト領域の露光が終了したら、感光基板Ｗを交換し、同様
の動作を繰り返す。

【００４８】なお、投影光学系１６の結像面の位置とア
ライメントセンサー２７の合焦面の位置との差分（ΔＺ
１＋ΔＺ２）が小さい場合、フォーカス信号の線形部分
を用いて感光基板Ｗのベストフォーカス位置を、マーク
位置検出と露光時とで「ΔＺ１＋ΔＺ２」だけそれぞれ
異なる位置に設定しても良い。また、フォーカス信号の
ゼロクロス点へ電気的にオフセットを与えるだけでも良
い。

【００４９】投影光学系１６の結像面の位置の検出は、
例えばテストプリントや、基準部材１９に設けた発光マ
ーク等を用いて行うことができ、アライメントセンサー
２７の合焦面の検出は基準部材１９の基準マークの観察
により行うことができる。検出の結果、ベストフォーカ
ス位置に更にオフセット（これをΔＺ３とする）が加わ
るような場合、このオフセットΔＺ３を上述の変位量Δ
Ｚ１とΔＺ２に加えなければならない。しかし、このオ
フセットΔＺ３の原因が、投影光学系１６の結像面とア
ライメントセンサー２７の合焦面の変動との両方に影響
を与えるものならば、主制御系１４は、予めＡＦセンサ
ーの基準面をΔＺ３だけ調整しておけばよい。そうすれ
ば、オフセットΔＺ３は、アライメントセンサー２７の
合焦面を求めるときに必ずしも使う必要はなくなる。

【００５０】仮に、感光基板Ｗが傾斜を持っているよう
な場合には、ＡＦセンサーを用いて数ショット領域につ
いてそれぞれベストフォーカス位置を求めて、おおまか
なレベリングを行って傾斜を取り除いてからアライメン
トを行えばよい。通常のアライメント・シーケンスは、
３個のショット領域（サーチショット）をアライメント
して、±２μｍ程度に粗く追い込むサーチアライメント
を行った後、±０．１μｍ程度以下に追い込むファイン
アライメントを行う。この場合、例えばサーチショット
で上記レベリングを行ってもよい。逆に、レベリングを
行った後にサーチアライメントを行ってもよいし、サー
チアライメントを行いながらＡＦセンサーを使ってベス
トフォーカス位置を求め、レベリング後にファインアラ
イメントに移行してもよい。傾斜を取り除いたあとにオ
ートフォーカス部を動作させることにより、水平な状態
で感光基板Ｗ表面をアライメントセンサー２７の合焦面
に合わせることができる。

【００５１】更に、予め感光基板Ｗの数ショット領域で
ベストフォーカス位置を求めて、感光基板Ｗの傾斜を最
小２乗近似等で求めても良い。そして、サーチアライメ
ント及びファインアライメントを行う際は、アライメン
トマークの座標と傾斜とからその傾斜にあわせてＺステ
ージを上下させてアライメントセンサー２７のベストフ
ォーカス位置でアライメントを行う。ベストフォーカス
位置を求めるショット領域は、サーチショットでもファ
インアライメント用のサンプルショットでも良く、それ
以外でも良い。また、ファインアライメント時のサンプ
ルショットのフォーカス位置を全て計測して覚えてお
き、アライメント時にそれに応じてＺステージを上下さ
せてもよい。

【００５２】

【実施例３】第２のステッパー及びそれを使用する第２
の露光方法の実施例について説明する。本例では、アラ
イメントセンサー２７の合焦面からずれた位置で検出を
行なってもマーク位置検出が正確に行なえる例である。
本例は実施例１に、主制御系１４が、アライメントセン
サーのテレセン値を記憶している点を加えたものであ
る。

【００５３】感光基板Ｗ交換後、感光基板Ｗの中心を投
影光学系１６の真下に移動し、その位置で感光基板Ｗの
表面を投影光学系１６の結像面に合わせるようにステー
ジを上下させる。次に、Ｘ方向のアライメントマークＭ
ｘｉの内の一つをアライメントセンサー２７の真下に来
るように、ステージを移動し、位置検出を行う。この場
合、アライメントセンサー２７の合焦面と（ΔＺ１＋Δ
Ｚ２）だけＺ方向に変位した位置で検出を行うことにな
る。換言すれば、結像面と合焦面は「ΔＺ１＋ΔＺ２」
だけ位置の差分ΔＺを有する。このため、検出値は、テ
レセン誤差により実際のマーク位置に対しずれているこ
とになる。このずれを補正するために、主制御系１４
で、テレセン誤差と位置の差分ΔＺとから検出値のずれ
量ΔＸを計算する。ずれ量ΔＸは、次のように計算され
る。

【００５４】

【数２】

【００５５】ここで、ＴｘはＸ方向のテレセン値であ
る。主制御系１４は、このずれ量ΔＸを検出値に加える
ことによりマーク位置を補正する。そして、Ｙ方向のア
ライメントマークＭｙｉも同様に位置検出を行い補正を
行う。その上で、Ｘ，Ｙ方向の両方のアライメントマー
クを数ショット検出するとショット配列が求まる。この
後、ステージはショット領域を投影光学系１６の真下に
移動する。その上で感光基板Ｗの表面をベストフォーカ
スの位置に合わせ、露光を行う。全てのショット領域に
ついて露光が終了すると、感光基板Ｗの交換を行い、同
じ動作を繰り返す。

【００５６】本実施例では、差分ΔＺとテレセン値から
ずれ量ΔＸを求めた。ずれ量ΔＸの算出は、これに限定
されず、差分ΔＺからずれ量を算出するものであれば、
どのような方法であってもかまわない。例えば、予め実
験等により差分ΔＺとずれ量ΔＸとの関係を求めてお
き、その関係を主制御系１４が記憶しておくことも可能
である。

【００５７】なお、本発明は上述した３つの実施例に限
定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成
を取り得ることは勿論である。

【００５８】

【発明の効果】本発明は、調整部によって結像特性を調
整した場合、アライメントセンサーの合焦面でアライメ
ントマークを検出する（請求項１、２）か、又は、投影
光学系の結像面の位置とアライメントセンサーの合焦面
の位置との差分ΔＺに基づいて、マーク位置の検出値を
補正する（請求項３、４）。そのため、結像特性を調整
した場合にも重ね合せ精度が向上した場合にも重ね合せ
精度が向上し、その結果、デバイスの良品率が向上す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるステッパーの構成図で
ある。

【図２】図１のＡＦセンサーを示す構成図である。

【図３】感光基板の各ショット領域を示す平面図であ
る。

【図４】（ａ）はテレビカメラで観察されるアライメン
トマーク及び指標マークの模式図を示す図、（ｂ）は図
４（ａ）に対応する撮像信号を示す波形図である。

【図５】（ａ）はアライメント時のフォーカス位置を示
す要部の側面図、（ｂ）は露光時のフォーカス位置を示
す要部の側面図である。

【符号の説明】

１ 光源 Ｒ レチクル Ｗ ウェハ １４ 主制御系 １６ 投影光学系 ２２ 調整部（結像特性調整部の一部） ＥＳ１〜ＥＳＮ ショット領域 Ｍｘｉ Ｘ方向用のアライメントマーク Ｍｙｉ Ｙ方向用のアライメントマーク

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−101540（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−83752（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−263321（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−142346（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−349708（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−45225（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−47635（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−225213（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−102517（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−161832（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 G03F 9/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レチクルのパターンを感光基板に投影す
   る投影光学系の結像特性が所定の結像特性となるように
   前記投影光学系を調整する第１工程と、前記第１工程での前記投影光学系の調整により発生し
   た、前記基板表面と、前記投影光学系に隣接して設置さ
   れたオフアクシス方式のアライメント系の合焦面との間
   の、該アライメント系の光軸方向における差分を鑑み
   て、前記第１工程後に、該基板表面を、該アライメント
   系の該合焦面に位置づける方向に移動する 第２工程と、 前記基板を載置した移動ステージを前記投影光学系の光
   軸に垂直な面内で移動させることにより、前記アライメ
   ント系のマーク検出位置に前記基板上のアライメントマ
   ークを位置付け、そこにおいてマーク位置を検出する第
   ３工程と、 前記第３工程で得られた検出値に基づいて、移動ステー
   ジを前記投影光学系の光軸と垂直な面内で移動すること
   によって、前記基板の所定ショット領域を前記投影光学
   系の真下に移動する第４工程と、 前記所定ショット領域の表面を前記投影光学系の結像面
   に位置付ける第５工程と、 前記パターンを前記基板上に投影露光する第６工程と、 を含むことを特徴とする露光方法。
2. 【請求項２】 レチクルのパターンを感光基板に投影す
   る投影光学系と、前記基板を載置し、該投影光学系の光
   軸に垂直な面内で移動可能な移動ステージと、前記投影
   光学系に隣接して設けられ、前記基板のアライメントマ
   ークのマーク位置を検出するオフアクシス方式のアライ
   メント系とを有し、前記基板上に形成された位置合わせ
   用のマークの位置を前記アライメント系により検出し、
   前記アライメント系で検出したマークの位置に基づいて
   前記移動ステージを移動して露光を行う露光装置におい
   て、 所定の位置に前記基板表面が位置するように、前記基板
   を投影光学系の光軸方向に移動させるオートフォーカス
   部と、 前記基板上での前記パターンの投影像が所定の状態とな
   るように、前記投影光学系の結像特性を調整する結像特
   性調整部と、 前記調整部の調整量に基づいて、前記投影光学系の結像
   面と前記アライメント系の合焦面との差分ΔＺを出力す
   る演算部と、 前記差分ΔＺに基づいて、前記アライメント系の合焦面
   に前記基板表面が位置するようにオートフォーカス部を
   調整する制御部と、 を備えたことを特徴とする露光装置。
3. 【請求項３】 レチクルのパターンを感光基板に投影す
   る投影光学系の結像特性が所定の結像特性となるように
   前記投影光学系を調整する第１工程と、 前記第１工程後に、前記基板の表面を前記投影光学系の
   結像面に位置付ける第２工程と、 前記第２工程後に、前記基板を載置した移動ステージを
   前記投影光学系の光軸と垂直な面内で移動することによ
   り、オフアクシス方式のアライメント系をマーク検出位
   置に前記基板上のマーク位置に位置付け、そこにおいて
   マーク位置を検出する第３工程と、 前記投影光学系の結像面と前記アライメント系の合焦面
   との前記光軸方向の位置の差分ΔＺに基づいて、検出し
   た前記マーク位置のずれ量ΔＸを計算する第４工程と、 このずれ量ΔＸを前記第３工程で検出した検出値に加え
   ることにより、前記検出値を補正し、補正した検出値に
   基づいて、前記移動ステージを移動することによって、
   前記基板の所定ショット領域を前記投影光学系の真下に
   移動する第５工程と、 前記第５工程後に、前記パターンを前記基板上に投影露
   光する第６工程と、 を含むことを特徴とする露光方法。
4. 【請求項４】 レチクルのパターンを感光基板に投影す
   る投影光学系と、前記基板を載置し、該投影光学系の光
   軸に垂直な面内で移動可能な移動ステージと、前記投影
   光学系に隣接して設けられ、前記基板のアライメントマ
   ークのマーク位置を検出するオフアクシスのアライメン
   ト系とを有し、前記基板上に形成された位置合わせ用の
   マークの位置を前記アライメント系により検出し、前記
   アライメント系で検出したマークの位置に基づいて前記
   移動ステージを移動して露光を行う露光装置において、 前記投影光学系の結像面に前記基板表面が位置するよう
   に、前記基板を投影光学系の光軸方向に移動させるオー
   トフォーカス部と、 前記基板上での前記パターンの投影像が所定の状態とな
   るように、前記投影光学系の結像特性を調整する結像特
   性調整部と、 前記調整後の前記投影光学系の結像面と前記アライメン
   ト系の合焦面との位置の差分ΔＺとを出力する演算部
   と、 前記差分ΔＺに基づいて、マーク位置のずれ量ΔＸを計
   算し、このずれ量ΔＸに基づいて、マーク位置の検出値
   を補正する補正部と、 を備えたことを特徴とする露光装置。
5. 【請求項５】 前記第２工程を行う前に、前記基板の傾
   斜を取り除くためのレベリングを行うことを特徴とする
   請求項１に記載の露光方法。
6. 【請求項６】 前記第３工程において検出されたマーク
   位置の検出結果を統計処理することにより求められた前
   記基板上のショット領域の伸縮度に基づいて、前記投影
   光学系の投影倍率を調整する工程を含むことを特徴とす
   る請求項１又は５に記載の露光方法。