JPH06216005A - レベリング合わせ面計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特別なスーパーフラットウエハを使用するこ
となく高精度に且つ迅速に、最良結像面に対するレベリ
ング合わせ面の傾斜量を計測する。 【構成】 レベリング機構を動作させた状態で、フォー
カス位置を第１のフォーカス位置に設定した第１の露光
領域３２において、一部が重なるショット領域３３Ａ〜
３３Ｇにそれぞれ５個の焦点計測用のマーク像（ＵＬＡ
等）を露光し、同様にフォーカス位置を変化させた露光
領域３４，３６，‥‥においても、一部が重なるショッ
ト領域にそれぞれ５個の焦点計測用のマーク像を露光す
る。第１のフォーカス位置の左上の計測点のマーク像の
マーク長として、マーク像ＵＬＡ〜ＵＬＧのマーク長の
平均値を用いて、ベストフォーカス位置を求める。

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、液
晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で
製造する際に用いられる投影露光装置に装着されている
オートレベリング機構で、現在のレベリング合わせ面の
状態を調べる場合に適用して好適なレベリング合わせ面
計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄
膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、フ
ォトマスク又はレチクル（以下「レチクル」と総称す
る）のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に
露光する投影露光装置が使用されている。斯かる投影露
光装置において、レチクルのパターン像を高い解像度で
感光基板上に露光するためには、感光基板の露光面を投
影光学系の最良結像面に焦点深度の範囲内で合わせて露
光を行う必要がある。そのために、従来の投影露光装置
には、感光基板の露光面をその最良結像面に平行に維持
するためのオートレベリング機構、及び感光基板の露光
面の投影光学系の光軸方法の位置（フォーカス位置）を
その最良結像面の位置であるベストフォーカス位置に維
持するためのオートフォーカス機構が備えられている。
以下、感光基板としてフォトレジスト等が塗布された半
導体ウエハを想定する。

【０００３】従来のレベリング機構は、レベリングステ
ージ上にウエハホルダー等を介して載置されたウエハの
表面をレベリング合わせ面として、このレベリング合わ
せ面と投影光学系の最良結像面との傾斜量を次のように
して求め、そのレベリング合わせ面をその傾斜量分だけ
更に傾斜させた状態で保持するものである。この場合、
投影光学系の露光フィールド内の所定の検査領域の平均
的な面の傾斜を検出するためのレベリングセンサーが設
けられ、その検査領域内のウエハの表面が最良結像面に
平行になったときに得られるべき基準傾斜信号を求めて
おき、以後はレベリングセンサーの出力信号がその基準
傾斜信号になるように、レベリングステージを介してウ
エハの傾斜状態を制御することにより、オートレベリン
グが行われる。

【０００４】そのようにレベリング合わせ面と投影光学
系の最良結像面との傾斜量を求めるため、従来はウエハ
を投影光学系の光軸にほぼ垂直な面（これを「ＸＹ平
面」とする）内で位置決めするＸＹステージの「ステー
ジ走り面」を基準としていた。このステージ走り面は、
ＸＹステージがＸＹ平面内で移動する際に、ＸＹステー
ジ上にレベリングステージ及びウエハホルダー等を介し
て載置されたウエハの表面上の任意の１点の軌跡により
形成される面を言う。

【０００５】そして、従来はステージ走り面を基準とし
て、最良結像面の傾斜量及びレベリング合わせ面の傾斜
量をそれぞれ計測し、その差を最良結像面に対するレベ
リング合わせ面の傾斜誤差として求めていた。また、投
影露光装置には、投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）にウ
エハの位置決めを行うＺステージが備えられ、オートフ
ォーカス機構には、投影光学系の露光フィールド内の所
定の計測点に対応するウエハの表面のフォーカス位置を
計測するための焦点位置検出装置が備えられている。

【０００６】その内のステージ走り面に対する最良結像
面の傾斜量を計測するために、従来は、レベリングステ
ージの傾斜状態を所定の状態にロックした状態で、焦点
位置検出装置を用いてウエハの表面上の計測点のフォー
カス位置を第１のフォーカス位置に設定した後、ＸＹス
テージを動作させてその計測点を投影光学系の露光フィ
ールド内の第１の投影点に移動させ、その投影点にレチ
クルの焦点計測用のマーク像を投影していた。そして、
その第１の投影点のフォーカス位置を次第に変えて焦点
計測用のマーク像をそれぞれ投影して、現像後に各マー
ク像の大きさを計測することにより、その第１の投影点
におけるベストフォーカス位置を求めていた。

【０００７】同様に、投影光学系の露光フィールド内の
他の複数の投影点においてもそれぞれフォーカス位置を
変化させて、焦点計測用のマーク像を露光することによ
り、ベストフォーカス位置を求めていた。それら各投影
点におけるベストフォーカス位置を連ねることにより、
ウエハのフラットネス（平面度）の補正が行われた形
で、ステージ走り面に対する最良結像面の傾斜量が求め
られていた。

【０００８】一方、ステージ走り面に対するレベリング
合わせ面の傾斜量を計測するために、従来はレベリング
機構の動作をオンにしてウエハの表面の検出領域内の平
均的な面の傾斜を所定の面に追従して合わせた状態で、
ウエハ上の複数の計測点を順次ＸＹステージによりオー
トフォーカス機構の焦点位置検出装置の計測点に移動し
て、ウエハ上の複数の計測点のフォーカス位置を求めて
いた。このようにして求められた複数のフォーカス位置
を連ねることにより、ウエハ上のフラットネスの補正が
行われた形で、ステージ走り面に対するレベリング合わ
せ面の傾斜量が求められていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の計測方法で、ス
テージ走り面に対するレベリング合わせ面の傾斜量を計
測する際に、ＸＹステージを動作させてウエハ上の複数
の計測点をそれぞれ焦点位置検出装置の計測点に移動し
てウエハのフラットネスの計測を行うときに、レベリン
グセンサーの検出領域内のウエハの表面に凹凸がある
と、レベリングセンサーの検出信号がその凹凸に応じて
変化し、計測誤差が生じてしまう。そのため、従来はそ
の検出領域内の局所的なフラットネスの影響を除くため
に、平面度の良い所謂スーパーフラットウエハが必要で
あった。

【００１０】即ち、従来の計測方法でステージ走り面に
対するレベリング合わせ面の傾斜量を計測する際には、
スーパーフラットウエハが必要であり、仮にそのような
スーパーフラットウエハが存在しない場合には、通常の
ウエハのフラットネスの良い部分を探す必要があり、計
測に時間がかかっていた。更に、スーパーフラットウエ
ハが存在した場合でも、スーパーフラットウエハの微小
な凹凸が計測誤差となるため、高精度な計測が困難であ
るという不都合があった。

【００１１】また、従来はステージ走り面に対する最良
結像面の傾斜量及びステージ走り面に対するレベリング
合わせ面の傾斜量を求めることにより、２段階で間接的
に最良結像面に対するレベリング合わせ面の傾斜量を求
めているので、計測工程が複雑であると共に、計測に時
間がかかるという不都合もあった。本発明は斯かる点に
鑑み、特別なスーパーフラットウエハを使用することな
く高精度且つ迅速に、最良結像面に対するレベリング合
わせ面の傾斜量を計測できるレベリング合わせ面計測方
法を提供することを目的とする。

【００１２】

【問題を解決するための手段】本発明によるレベリング
合わせ面計測方法は、マスク上に形成された転写用のパ
ターンの像を感光基板（３）上に投影する投影光学系
（１）と、感光基板（３）の露光面の平均的な面を予め
設定されたレベリング合わせ面に平行に維持するレベリ
ング手段（４，６，７，１２，１７）とを有する投影露
光装置の、投影光学系（１）の最良結像面に対する前記
レベリング合わせ面の傾斜量を求める方法において、そ
のマスクとして投影光学系（１）の露光フィールド内の
複数の像面計測点と共役な位置にそれぞれ焦点計測用の
マークが形成されたマスク（２）を用いて、投影光学系
（１）の露光フィールド内の所定の焦点計測点に対応す
る感光基板（３）の露光面上の計測点の投影光学系
（１）の光軸方向の位置であるフォーカス位置を第１の
フォーカス位置に設定する第１工程（ステップ１０１）
と、そのレベリング手段を動作させて感光基板（３）の
露光面の平均的な面をそのレベリング合わせ面に平行に
維持した状態で、複数のそれら焦点計測用のマーク像
（３３Ａ）を感光基板（３）上に露光する第２工程（ス
テップ１０２）とを有する。

【００１３】更に、本発明は、感光基板（３）を投影光
学系（１）の光軸に垂直な面内で横ずれさせてから、感
光基板（３）の露光面上のフォーカス位置をその第１の
フォーカス位置及びそれまでに設定されたフォーカス位
置とは異なる位置に設定して、それぞれその第２工程を
所定回数繰り返す第３工程（ステップ１０３，１０４，
１０２）と、それら設定された複数のフォーカス位置に
対応してそれぞれそれら複数の焦点計測用のマーク像の
大きさを計測して、投影光学系（１）の露光フィールド
内の複数のそれら像面計測点におけるベストフォーカス
位置を求める第４工程（ステップ１０６，１０８）とを
有し、複数のそれら像面計測点に関してそれぞれ求めら
れたベストフォーカス位置から、投影光学系（１）の最
良結像面に対するそのレベリング合わせ面の傾斜量を求
めるものである。

【００１４】この場合、その第２工程（ステップ１０
２）において、感光基板（３）を投影光学系（１）の光
軸に垂直な方向に横ずれさせて、且つ感光基板（３）の
露光面のフォーカス位置を変化させることなく、それぞ
れ複数のそれら焦点計測用のマーク像（３３Ｂ〜３３
Ｇ）を感光基板（３）の露光面上に露光し、その第４工
程において、その設定されたフォーカス位置に対応して
それぞれ計測される複数のそれら焦点計測用のマーク像
の大きさの平均値より、投影光学系（１）の露光フィー
ルド内の複数のそれら像面計測点におけるベストフォー
カス位置を求めることが望ましい（ステップ１０７）。

【００１５】

【作用】斯かる本発明によれば、そのレベリング手段を
動作させた状態で感光基板（３）のフォーカス位置を変
化させて、感光基板（３）の露光面に焦点計測用のマー
ク像が露光される。そして、投影光学系（１）の露光フ
ィールド内の複数の像面計測点における焦点計測用のマ
ーク像の大きさを計測することから、各像面計測点にお
けるベストフォーカス位置が求められる。この際にレベ
リング手段の動作がオン状態であるため、そのようにし
て求められたベストフォーカス位置を連ねることによ
り、そのレベリング合わせ面に対する投影光学系（１）
の最良結像面の傾斜量を直接迅速に求めることができ
る。

【００１６】但し、そのようにして露光された複数の焦
点計測用のマーク像は、感光基板（３）の部分的なフラ
ットネスの影響を受けている。従って、感光基板（３）
の表面が平坦でない限り、焦点位置検出装置によるフォ
ーカス位置の計測点以外の点では、焦点計測用のマーク
像の露光時のフォーカス位置は設定したフォーカス位置
とは異なっている。そこで、その第２工程（ステップ１
０２）において、感光基板（３）の露光面のフォーカス
位置を変化させることなく、それぞれ複数の焦点計測用
のマーク像（３３Ｂ〜３３Ｇ）を感光基板（３）の露光
面上に露光し、その第４工程において、その設定された
フォーカス位置に対応してそれぞれ計測される複数の焦
点計測用のマーク像の大きさの平均値を算出することに
より、露光時の感光基板（３）の部分的なフラットネス
の影響を小さくすることができ、より正確に最良結像面
との傾斜量を算出できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明によるレベリング合わせ面計測
方法につき図面を参照して説明する。本例はオートレベ
リング機構及びオートフォーカス機構を備えた投影露光
装置において、レベリング合わせ面を投影光学系の最良
結像面に合わせ込む際に本発明を適用したものである。

【００１８】図１は本実施例の投影露光装置の要部を示
し、この図１において、転写用のパターンが形成された
レチクル２が図示省略された照明光学系からの露光光Ｉ
Ｌにより照明されている。その露光光のもとで、レチク
ル２に形成されたパターンの像が、投影光学系１を介し
て感光材が塗布されたウエハ３上に縮小投影される。ウ
エハ３はレベリングステージ４上に保持され、レベリン
グステージ４はウエハステージ５上に載置されている。
ウエハステージ５は、投影光学系１の光軸１ａに垂直な
面（ＸＹ平面）内でウエハ３の位置決めを行うＸＹステ
ージ、投影光学系１の光軸１ａに平行なＺ方向にウエハ
３の位置決めを行うＺステージ等より構成されている。
このＺステージ上の３個の支点の内の２点を突没させる
ことにより、レベリングステージ４の傾斜角を変えるこ
とができる。

【００１９】本例のレベリング機構用のレベリングセン
サーは、光源６と、光源６からの光を平行光束にしてウ
エハ３の表面（露光面）３ａに照射する照射光学系７
と、表面３ａからの反射光を集光する集光光学系１２
と、このように集光された光の強度分布を検出する４分
割受光素子１７とより構成されている。４分割受光素子
１７は、受光面が４分割され、４個の受光部からそれぞ
れ独立に光電変換信号が出力される。４分割受光素子１
７の代わりに２次元ＣＣＤ等をも使用できる。

【００２０】この場合、照射光学系７の光軸７ａと集光
光学系１２の光軸１２ａとは投影光学系１の光軸１ａに
対してほぼ対称に傾斜している。そして、照射光学系７
において、光源６からの光がコリメータレンズ８により
ほぼ平行光束に変換されてミラー９で反射された後、集
光レンズ１０で一度集光されて光源６の像が結像され
る。この光源６の像から発散する光が、再び照射対物レ
ンズ１１により平行光束に変換されて、ウエハ３の表面
３ａに入射する。照射光学系７からの平行光束により照
明される表面３ａ上の領域は、投影光学系１に関してレ
チクル２のパターン形成領域と共役な領域とほぼ等し
い。

【００２１】一方、集光光学系１２において、表面３ａ
からの反射光は集光対物レンズ１３により集光された後
に、コリメータレンズ１４、ミラー１５及び集光レンズ
１６により再び４分割受光素子１７の受光面上に集光さ
れる。４分割受光素子１７の受光面上には、光源６の像
が再結像される。４分割受光素子１７の受光面は、集光
光学系１２の光軸１２ａに垂直であり、４分割受光素子
１７の４個の受光部から出力される光電変換信号から、
その受光面上の光量分布の重心位置に対応する２個の傾
斜信号が得られる。

【００２２】ウエハ３の表面の傾斜角が変わると、４分
割受光素子１７の受光面での光量の重心位置が変化する
ため、それら２個の傾斜信号から逆にウエハ３の表面３
ａの傾斜角を検出することができる。また、予めその表
面３ａの傾斜角の変化量に対するそれら２個の傾斜信号
の変化量が求められている。そこで、それら２個の傾斜
信号が所定の信号に維持されるように、レベリングステ
ージ４の傾斜角を設定することにより、即ちレベリング
機構の動作をオン状態にすることにより、ウエハ３の表
面３ａの平均的な面が所定のレベリング合わせ面に平行
に維持される。これによりオートレベリングが行われ
る。

【００２３】本例ではオートフォーカス機構の焦点位置
検出装置が、レベリングセンサーと一部の光学系を共通
にしている。そのため、照射光学系７中の集光レンズ１
０と照射対物レンズ１１との間にビームスプリッター１
８が配置され、ビームスプリッター１８の上方に焦点位
置検出装置の送光系１９が配置されている。なお、焦点
位置検出装置とレベリングセンサーとで使用する光の波
長域を変えた場合には、ビームスプリッター１８の代わ
りにダイクロイックミラーを使用することで、光量損失
を少なくできる。この場合には、後述のビームスプリッ
ター２２についてもダイクロイックミラーが使用され
る。

【００２４】送光系１９において、図示省略された光源
からの光により、図１の紙面に垂直な方向に長いスリッ
トパターンが形成されたスリット板２０が照明され、そ
のスリットパターンを通過した光が集光レンズ２１を介
してビームスプリッター１８に向かう。そして、ビーム
スプリッター１８で反射された光が照射対物レンズ１１
により表面３ａ上の投影光学系１の光軸１ａの近傍の計
測点に集光され、その計測点にスリット板２０のスリッ
トパターン像が結像される。

【００２５】同様に、集光光学系１２の集光対物レンズ
１３とコリメータレンズ１４との間にビームスプリッタ
ー２２が配置され、表面３ａ上のスリットパターン像か
らの反射光が、集光対物レンズ１３及びビームスプリッ
ター２２を介して、焦点位置検出装置の受光系２３側に
導かれる。受光系２３において、ビームスプリッター２
２から反射されて来る光が、集光レンズ２４により光電
変換素子２５の受光面に集光され、この受光面上にはス
リット板２０のスリットパターン像が再結像される。光
電変換素子２５は単一の受光面を有する素子であり、図
示省略するも、光電変換素子２５の受光面の近傍には振
動スリット板が配置され、この振動スリット板にも図１
の紙面に垂直な方向に長いスリットパターンが形成され
ている。その振動スリット板をそのスリットパターンの
幅方向に所定周期で振動させ、光電変換素子２５の出力
信号をその振動スリット板の駆動信号で同期整流するこ
とにより、焦点信号が得られる。

【００２６】この場合、ウエハ３の表面３ａが投影光学
系１の光軸１ａ方向に移動すると、光電変換素子２５の
受光面上に再結像されるスリットパターン像の位置がス
リットの幅方向に移動することを利用して、表面３ａの
投影光学系１の光軸１ａ方向の位置、即ちフォーカス位
置を検出することができる。光電変換素子２５の出力信
号を同期整流して得られる焦点信号は、所定範囲でその
フォーカス位置に対してほぼ直線的に変化する。予めそ
の焦点信号の変化量とウエハ３の表面３ａのＺ方向への
移動量との関係を求めておくことにより、その焦点信号
から表面３ａの計測点のフォーカス位置を検出すること
ができる。

【００２７】また、レチクル２の上方に３個のアライメ
ント顕微鏡２６Ａ〜２６Ｃが配置され（２６Ｃは図２に
は現れていない）、これら３個のアライメント顕微鏡２
６Ａ〜２６Ｃにより、レチクル２上のパターン領域の外
側の３個のアライメントマークの位置が検出される。そ
れら３個のアライメントマークの位置をそれぞれ所定の
位置に設定することにより、レチクル２のアライメント
が行われる。

【００２８】更に、投影光学系１の側面部にレーザース
テップアライメント方式（以下「ＬＳＡ方式」という）
のＸ軸用のアライメント系２７Ａが配置され、このＸ軸
用のアライメント系２７Ａから射出されたレーザービー
ムがミラー２８Ａで反射されて投影光学系１に入射す
る。投影光学系１から射出されたレーザービームは、ウ
エハ３の表面３ａ上に図２の紙面に垂直な方向（これを
「Ｙ方向」とする）に伸びたスリット状のスポット光と
して集光される。そして、このスポット光からの所定の
方向への反射光が、投影光学系１及びミラー２８Ａを介
してＸ軸用のアライメント系２７Ａ内の受光部で検出さ
れる。

【００２９】図示省略するも、投影光学系１の側面には
ＬＳＡ方式のＹ軸用のアライメント系も配置され、この
Ｙ軸用のアライメント系からは、投影光学系１を介して
ウエハ３上にＸ方向（図２の紙面に平行な方向）に伸び
たスリット状のスポット光として照射されるレーザービ
ームが射出される。それらＬＳＡ方式のＸ軸用のアライ
メント系２７Ａ及びＹ軸用のアライメント系を用いて、
後述のようにウエハ３の表面３ａに形成された焦点計測
用のマーク像の大きさが計測される。

【００３０】次に、本例の投影露光装置において、ウエ
ハ３の表面３ａを投影光学系１の最良結像面に合わせる
際の動作の一例につき図１のフローチャートを参照して
説明する。図３（ａ）は本例で使用されるレチクル２の
パターンを示し、この図３（ａ）において、レチクル２
のパターン領域２ａの中心及び４隅にはそれぞれ焦点計
測用のマークＣＥ及びＵＬ，ＵＲ，ＬＬ，ＬＲが形成さ
れている。これらの焦点計測用のマークはそれぞれ図２
（ｂ）に示すように、４個のＸ方向に細長い菱型のパタ
ーンをＹ方向に所定ピッチで並べてなるパターン群を更
に所定ピッチで複数個並べて形成されるＹ方向用の焦点
計測用のマーク２９と、４個のＹ方向に細長い菱型のパ
ターンをＸ方向に所定ピッチで並べてなるパターン群を
更に所定ピッチで複数個並べて形成されるＸ方向用の焦
点計測用のマーク３０とより構成されている。

【００３１】例えばＹ方向用の焦点計測用のマーク２９
のウエハの露光面上への投影像は、その露光面のフォー
カス位置がベストフォーカス位置にあるときに、Ｘ方向
の長さであるマーク長が最も長くなる。従って、フォー
カス位置を変えてその焦点計測用のマーク２９の像をウ
エハ３上に露光して、各像の大きさを計測することによ
り、Ｙ方向用の焦点計測用のマーク２９に対するベスト
フォーカス位置を計測できる。同様に、フォーカス位置
を変えてＸ方向用の焦点計測用のマーク３０の像をウエ
ハ３上に露光して、各像の大きさを計測することによ
り、Ｘ方向用の焦点計測用のマーク３０に対するベスト
フォーカス位置を計測できる。

【００３２】そして、図１のステップ１０１において、
図２のレベリングステージ４上に不図示のウエハホルダ
ーを介して感光基板としてのウエハ３を載置し、ウエハ
３の表面３ａ上の焦点位置検出装置の計測点におけるフ
ォーカス位置を初期値に設定する。例えばそれまでベス
トフォーカス位置とされていたフォーカス位置を中心と
して、今回の露光でウエハ３の表面を移動させる範囲の
下限位置又は上限位置にその初期値が設定される。その
後ステップ１０２において、レベリング機構を動作させ
て、図２のウエハ３の表面３ａ上でレチクル２のパター
ン領域とほぼ共役なレベリング検出領域の平均的な面を
予め設定してあるレベリング合わせ面に合わせた状態
で、図３のレチクル２のパターン領域２ａ内の５個の焦
点計測用のマークの像をウエハ３の第１のショット領域
に露光する。

【００３３】この際に、図２のウエハステージ５内のＸ
ＹステージをＸＹ平面内でステッピングさせてそれぞれ
レチクル２のパターンを露光することにより、同一フォ
ーカス位置で、順次一部が重なり合った７個のショット
領域にそれぞれレチクル２の５個の焦点計測用のマーク
の像を露光する。これにより、図５に示すように、ウエ
ハ３上の第１の露光領域３２上で第１のショット領域３
３Ａ〜第７のショット領域３３Ｇが順次一部が重なり合
って露光される。第１のショット領域３３Ａ内には図３
（ａ）の５個の焦点計測用のマークＣＥ，ＵＬ，ＵＲ，
ＬＬ，ＬＲの像ＣＥＡ，ＵＬＡ，ＵＲＡ，ＬＬＡ，ＬＲ
Ａが露光され、同様に他のショット領域３３Ｂ〜３３Ｇ
にもそれぞれそれら５個の焦点計測用のマーク像が露光
されている。

【００３４】この場合、それら７個のショット領域３３
Ａ〜３３Ｇの中央に露光されている焦点計測用のマーク
像ＣＥＡ〜ＣＥＧのフォーカス位置は、共通に第１のフ
ォーカス位置に設定されている。その後、図１のステッ
プ１０３からステップ１０４に移行して、ウエハ３の表
面３ａの計測点のフォーカス位置を所定のステップ量だ
け変化させる。ウエハ３の表面のフォーカス位置の初期
値が移動範囲の下限のときには、フォーカス位置は次第
に上昇し、その初期値が移動範囲の上限のときには、フ
ォーカス位置は次第に下降する。それからステップ１０
２に移行して、感光基板としてのウエハ３の表面３ａ上
の未露光の第２の露光領域上で、順次一部が重なり合う
７個のショット領域にそれぞれ図３（ａ）のレチクル２
の５個の焦点計測用のマークの像が露光される。

【００３５】これにより、図５に示すように、ウエハ３
上の第２の露光領域３４上で第１のショット領域３５Ａ
〜第７のショット領域３５Ｇが順次一部が重なり合って
露光され、ショット領域３５Ａ〜３５Ｇにはそれぞれ５
個の焦点計測用のマーク像が露光されている。この場合
でも、それら７個のショット領域３５Ａ〜３５Ｇの中央
に露光されている焦点計測用のマーク像のフォーカス位
置は、共通に第２のフォーカス位置に設定されている。

【００３６】このように、フォーカス位置が移動範囲の
下限又は上限に達するまで、レベリング機構の動作をオ
ンにした状態で、ステップ１０４及びステップ１０２が
繰り返される。これにより、図５に示すように、第２の
露光領域３４に続く第３の露光領域３６，‥‥にそれぞ
れ同一のフォーカス位置でレチクル２の焦点計測用のマ
ークの像が７回ずつ露光される。そして、フォーカス位
置が移動範囲の下限又は上限に達したときに、動作はス
テップ１０３からステップ１０５に移行して、ウエハ３
の現像が行われる。

【００３７】次に、ステップ１０６において、現像後の
ウエハ３上の多数の焦点計測用のマーク像の長さである
マーク長の計測を行う。図３（ａ）は計測対象の焦点計
測用のマーク像２９Ｐ及び３０Ｐを示し、この図３
（ａ）において、図２のＬＳＡ方式のＸ軸用のアライメ
ント系２７Ａから射出されたレーザービームが投影光学
系１を介して、ウエハ３上のＹ方向用の焦点計測用のマ
ーク像２９Ｐの近傍にＹ方向に長いスリット状の走査ビ
ーム３１Ａとして照射される。この状態で図２のウエハ
ステージ５をＸ方向に移動することにより、スリット状
の走査ビーム３１Ａが焦点計測用のマーク像２９Ｐを照
射している間は、そのマーク像２９Ｐから所定の方向に
回折光が射出される。そこで、図２のアライメント系２
７Ａでその回折光を検出して、得られる検出信号Ｓをウ
エハステージ５のＸ座標に対してプロットすると、図４
（ｂ）に示すように、検出信号Ｓの値はＸ方向において
マーク像２９Ｐが存在する領域で大きくなる。従って、
検出信号Ｓが所定の閾値を超える範囲のＸ方向の長さを
焦点計測用のマーク像２９Ｐのマーク長ＬＸとすること
ができる。

【００３８】具体的にそのマーク長ＬＸを求めるには、
例えばマーク像２９Ｐから得られた検出信号Ｓの最も大
きな強度を基準強度として、検出信号Ｓがその基準強度
の２０％の強度のスライスレベルを横切るときのＸ方向
の２箇所の座標を求め、その２箇所の座標の間隔をマー
ク長とする。但し、そのスライスレベルはその基準強度
の２０％に限定されるわけではない。同様に、図２の不
図示のＬＳＡ方式のＹ方向用のアライメント系から射出
されたレーザービームが、投影光学系１を介して図４
（ａ）に示すように、ウエハ３上のＸ方向用の焦点計測
用のマーク像３０Ｐの近傍にＸ方向に長いスリット状の
走査ビーム３１Ｂとして照射される。この状態で図２の
ウエハステージ５をＹ方向に移動して、回折光を検出す
ることにより、Ｘ方向用の焦点計測用のマーク像３０Ｐ
のＹ方向のマーク長ＬＹが計測される。なお、マーク長
の計測方法のより具体的な例が特開平１−１８７８１７
号公報に開示されている。

【００３９】次に、ステップ１０７において、ステップ
１０１及び１０４で設定した各フォーカス位置に対す
る、図３（ａ）の５個の焦点計測用のマークＣＥ，Ｕ
Ｌ，ＵＲ，ＬＬ，ＬＲと共役な位置のマーク像のマーク
長を平均化する。これは、図５の第１の露光領域を例に
とると、７個のショット領域３３Ａ〜３３Ｇの左上の焦
点計測用のマーク像ＵＬＡ〜ＵＬＧのマーク長の平均値
を、図３（ａ）の焦点計測用のマークＵＬと共役な計測
点でのマーク長とみなすことを意味する。また、各焦点
計測用のマーク像ＵＬＡ〜ＵＬＧはそれぞれＸ方向用及
びＹ方向用のマーク像からなるので、平均化は計測方向
別に行われる。同様に他の焦点計測用のマークＵＲ，Ｌ
Ｌ，ＬＲ及びＣＥと共役な計測点でのマーク長もそれぞ
れ対応する７個のマーク長の平均値である。この平均化
の効果につき説明するために、例えば図５の第１のショ
ット領域３２において、４個のショット領域３３Ａ〜３
３Ｄの中央の領域Ａが高くなっているものとする。

【００４０】この場合、第１ショット領域３３Ａは右端
部、第４ショット領域３３Ｄは左端部、第２ショット領
域３３Ｂは下端部、第３ショット領域３３Ｃは上端部が
それぞれ高くなる。即ち、凸の領域Ａによりショット領
域３３Ａ〜３３Ｄは傾斜するが、残りの３個のショット
領域３３Ｅ，３３Ｆ，３３Ｇは領域Ａの影響を受けな
い。また、領域Ａにより傾斜するショット領域３３Ａ〜
３３Ｄでも、中央の焦点計測用のマーク像ＣＥＡ〜ＣＥ
Ｄのフォーカス位置（第１のフォーカス位置）は同一で
あり、ショット領域３３Ａ及び３３Ｂの傾斜とショット
領域３３Ｄ及び３３Ｃの傾斜とはそれぞれ互いに逆であ
る。従って、例えば第１のショット領域の焦点計測用の
マーク像ＵＬＡが低いとすると、第４のショット領域３
３Ｄの焦点計測用のマーク像ＵＬＤが高いので、７個の
焦点計測用のマーク像ＵＬＡ〜ＵＬＧのフォーカス位置
の平均値は第１のフォーカス位置とほぼ等しい。

【００４１】これは焦点計測用のマーク像ＵＬＡ〜ＵＬ
Ｇのマーク長の平均値を、その第１のフォーカス位置に
おける正確なマーク長とみなせることを意味している。
言い替えると、図５の各露光領域３２，３４，３６，‥
‥において、それぞれ７個の焦点計測用のマーク像のマ
ーク長を平均化することにより、ウエハ３の部分的なフ
ラットネスの影響が極めて小さくなっている。但し、各
露光領域３２，３４，３６，‥‥の７個の中央の焦点計
測用のマークＣＥの像に関してはフォーカス位置は同じ
であり、平均化の効果は計測誤差の平均化である。但
し、像面の傾斜は露光フィールドの４隅のフォーカス位
置だけから求めることができるので、像面の傾斜だけを
計測するのであれば、その中央の焦点計測用のマークＣ
Ｅと共役な計測点のフォーカス位置を計測する必要はな
い。

【００４２】その後、ステップ１０８において、それら
平均化されたマーク長より、図３（ａ）の５個の焦点計
測用のマークＣＥ，ＵＬ，ＵＲ，ＬＬ，ＬＲと共役な計
測点でのＸ方向及びＹ方向のベストフォーカス位置をそ
れぞれ求める。ベストフォーカス位置とは、計測された
マーク長が最も長くなるときのフォーカス位置である。
このように計測されたマーク長の最大値を求めるには、
例えば最小自乗法により計測されたマーク長をフォーカ
ス位置の４次関数等で近似し、この近似関数が最大値を
とるときのフォーカス位置をベストフォーカス位置とし
てもよい。

【００４３】その後ステップ１０９において、ステップ
１０８で計測されたベストフォーカス位置を連ねて得ら
れる最良結像面の傾斜角を求める。この傾斜角は例えば
Ｘ軸に対する傾斜角とＹ軸に対する傾斜角とに分解して
求められる。なお、最良結像面はＸ方向及びＹ方向につ
いて２個が求められ、両者の差は非点収差に対応するも
のである。ここでは例えば２個の最良結像面の平均的な
面を用いる。このように求められた最良結像面は、レベ
リング機構を動作させた状態で求められたものである。
即ち、このようにして求められた最良結像面の傾斜角
は、レベリング合わせ面から投影光学系１の実際の最良
結像面に対する傾斜角（傾斜角の差）を表すものであ
る。

【００４４】そこで、ステップ１１０に移行して、それ
までのレベリング合わせ面にステップ１０９で求められ
た傾斜角の補正を行って、レベリング機構を動作させる
ことにより、図２のウエハ３の表面３ａは投影光学系１
の最良結像面に平行に設定される。その後、レチクル２
を露光用のレチクルに交換して、オートレベリング機構
及びオートフォーカス機構を動作させて新たなウエハへ
の露光が行われる。このように、本例によれば、ウエハ
３の表面３ａ上に部分的に凹凸がある場合でも、フォー
カス位置を変えてレチクル２のパターンを露光して、露
光された焦点計測用のマーク像のマーク長を測定するこ
とにより、迅速且つ高精度にレベリング合わせ面を最良
結像面に平行に設定することができる。

【００４５】次に、図１のステップ１０６における焦点
計測用のマーク像のマーク長の計測方法の他の例につき
図６を参照して説明する。この例では、図５の焦点計測
用のマーク像ＵＬＡ，ＬＲＡ等の計測対象のマーク像の
位置情報を、計測対象のショット領域（計測ショット領
域）の情報と、各計測ショット領域内での計測対象のマ
ーク像の情報とに分解しておく。これにより、通常の露
光用のショット情報を計測ショット領域の情報として流
用することができて、便利である。また、図５のショッ
ト領域３３Ａ，３３Ｂ，‥‥等の各計測ショット領域内
での計測対象のマーク像の情報については、各マーク像
の計測アルゴリズムとマーク像の位置及び形状とに関す
る情報を持つようにする。

【００４６】本例では、計測ショット領域の情報として
以下の４個の情報を持つ。 ショット領域の配列 計測用のウエハの位置合わせ用に用いるアライメント
マークが存在するショット領域の位置、及びこのショッ
ト領域内での計測対象のマーク像の位置 各ショット領域の計測の有無 各ショット領域の計測の順番

【００４７】また、各計測ショット領域内での計測対象
のマーク像の情報としては、以下の３個の情報を持つ。 マーク像の形状の情報 計測センサー及び計測アルゴリズムの情報 マーク像の位置情報

【００４８】また、マーク像の位置情報については、１
つの計測ショット領域のＸ方向及びＹ方向よりなる２個
の計測方向のそれぞれに関して、複数点の計測ができる
ようにする。そして、各計測ショット領域が１つの計測
位置の１つのフォーカス位置を表すものとして、１つの
計測ショット領域の各計測方向のそれぞれのマーク像の
マーク長の計測結果を平均し、この平均値を対応する投
影光学系１の露光フィールド内の計測点における対応す
る計測方向のマーク長の計測結果とする。

【００４９】更に、計測対象のショット領域の配列と、
露光フィールド内の位置との間に、次の３個の一定の関
係を持たせる。 例えば図６（ａ）に示すようなショットマップを作製
する場合、コラム方向（Ｃ方向）の同一の位置で、列方
向（Ｒ方向）に計測ショット領域が連続している場合、
その１列のショット領域群には、投影光学系の露光フィ
ールド内で同一の計測点のマーク像が露光されていると
みなす。 そのように露光フィールド内で同一の計測点のマーク
像が露光されているとみなされるショット領域群は、列
方向にフォーカス位置が変化しているものとみなす。

【００５０】連続して１つのショット領域群を計測す
るために、計測ショット領域の順番を決めるパラメー
タ、例えば露光時のブラインド（視野絞り）設定用のＩ
Ｄ番号（識別番号）を各ショット領域に与える。計測対
象の露光フィールド内の計測点が設定可能なブラインド
設定パラメータ数よりも多数の場合には、同一のブライ
ンド設定のＩＤ番号を有する計測ショット領域間に非計
測のショット領域を設けるか、コラム（Ｃ）方向にショ
ット領域の位置を変化させることで対応する。

【００５１】ところで、各計測ショット領域で指定した
計測対象のマーク像は、露光時のショット領域の内部の
各位置に設けられているものであるため、露光に用いた
レチクル上の計測用のマークの配置により、計測対象の
マーク像の位置は異なることになる。このため、計測す
るショット領域については、各１列のショット領域群毎
に異なる計測位置を示す識別番号（これを「オフセット
ＩＤ」という）を与える必要がある。

【００５２】例えば図６（ａ）のショットマップにおい
て、＊で示す露光ショットを計測ショット領域、・で示
す露光ショットを非計測ショット領域とするとき、ブラ
インド設定用のＩＤ番号（以下「ブラインドＩＤ」とい
う）を用いて、計測の順番をブラインドＩＤの値が１，
２，３，４の順序で行う。図６（ａ）のショットマップ
に対応するブラインドＩＤの指定の一例を図６（ｂ）に
示す。図６（ｂ）の例では、コラム方向（Ｃ方向）に第
１ショット領域、第４ショット領域、第２ショット領
域、第５ショット領域の順に計測が行われ、第３ショッ
ト領域は計測されない。

【００５３】また、そのブラインドＩＤの値が１，２，
３，４のショット領域がそれぞれ、図３（ａ）の焦点計
測用のマークＵＬ，ＵＲ，ＬＬ，ＬＲと共役な計測点に
対応するものとすると、図６（ｃ）に示すように、それ
らブラインドＩＤの値が１，２，３，４のショット領域
にそれぞれオフセットＩＤとしてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを与え
る。これらオフセットＩＤに対応するオフセット量は、
計測時のＸ方向（コラム方向）のショットピッチをＰｘ
として、図３（ａ）の焦点計測用のマークＵＬ，ＵＲ，
ＬＬ，ＬＲと共役な計測点のウエハ上での座標を（−Δ
ｘ，Δｙ）、（Δｘ，Δｙ）、（−Δｘ，−Δｙ）、
（Δｘ，−Δｙ）とすると、次のようになる。なお、像
面の傾斜を求めるだけであれば、図３（ａ）の中央の焦
点計測用のマークＣＥと共役な計測点のフォーカス位置
を計測する必要はないため、ここでは焦点計測用のマー
クＣＥと共役な計測点の座標データは掲げていない。

【００５４】オフセットＩＤがＡでのオフセット座標：
（２Ｐｘ−Δｘ，Δｙ） オフセットＩＤがＢでのオフセット座標：（Δｘ−Ｐ
ｘ，Δｙ） オフセットＩＤがＣでのオフセット座標：（Ｐｘ−Δ
ｘ，−Δｙ） オフセットＩＤがＤでのオフセット座標：（Δｘ−２Ｐ
ｘ，−Δｙ）

【００５５】更に、各計測ショット領域群の計測順、露
光フィールド内の計測点の位置、計測方向と実際のパタ
ーン方向との間の相関情報を入力できるようにする。こ
れは、例えば計測順に、計測点の位置の名称、計測点の
ショット領域内でのＸ座標、計測点のショット領域内で
のＹ座標の各データを書き込んだデータファイルを用意
すればよい。上記の例で、Δｘ＝９７００［μｍ］、Δ
ｙ＝９７００［μｍ］であるとすると、各焦点計測用の
マークＵＬ，ＵＲ，ＬＬ，ＬＲの名称に対して、それぞ
れ次のような情報が記録された形式のファイルが用意さ
れる。

【００５６】ＵＬ −９７００ ＋９７００ ＵＲ ＋９７００ ＋９７００ ＬＬ −９７００ −９７００ ＬＲ ＋９７００ −９７００

【００５７】また、露光時のフォーカス位置の設定情報
を別途入力できるようにして、各ショット領域と露光フ
ィールドでの位置及びフォーカス位置との相関がとれる
ようにする。そして、投影光学系の露光フィールド内の
各計測点及び各計測方向のベストフォーカス位置を求
め、この結果から最良結像面の傾斜等を求めることがで
きるようにする。

【００５８】実際に本例の方法によりレベリング合わせ
面を計測して得られた結果と、従来例の方法により得ら
れた計測結果との露光フィールド内の４隅での計測誤差
は、フォーカス位置の差にして０．０２μｍ程度であっ
た。しかも、本例の場合にはフラットネスの良好なウエ
ハを選別して使用する必要がなく、且つ２段階に分けて
計測を行う必要もなく、迅速に計測を行うことができ
た。

【００５９】なお、図１のステップ１０２において、レ
ベリング機構を動作させることなく、レベリングステー
ジの傾斜角をリセット状態に固定して露光を行うことも
できる。この場合には、ステップ１０９において、最良
結像面に対するレベリングステージがリセット状態での
合わせ面の傾斜角を求めることができる。また、測定対
象とするウエハが平面度の良好なスーパーフラットウエ
ハとみなせるウエハである場合には、図１のステップ１
０２において、同一のフォーカス位置で複数のショット
領域に焦点計測用のマーク像を露光する必要はない。

【００６０】また、本発明を、フラットネスの補正を行
って露光フィールド内の各計測点についてフォーカス位
置を変化させて露光したウエハに適用することにより、
投影光学系の最良結像面の像面の状態を計測することが
可能である。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。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、レベリング手段を動作
させた状態で焦点計測用のマーク像の露光を行って最良
結像面を求めているので、特別なスーパーフラットウエ
ハを使用することなく高精度且つ迅速に、最良結像面に
対するレベリング合わせ面の傾斜量を計測できる利点が
ある。

【００６２】また、設定されたフォーカス位置に対応し
てそれぞれ計測される複数の焦点計測用のマーク像の大
きさの平均値より、投影光学系の露光フィールド内の複
数の像面計測点におけるベストフォーカス位置を求める
ようにした場合には、感光基板の部分的なフラットネス
の影響を良好に除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレベリング合わせ面計測方法の一
実施例を示すフローチャートである。

【図２】図１の計測方法が適用される投影露光装置の要
部を示す構成図である。

【図３】（ａ）は実施例で使用されるレチクルのパター
ンを示す平面図、（ｂ）は図３（ａ）中の焦点計測用の
マークを示す拡大平面図である。

【図４】（ａ）は実施例でウエハ上に投影される焦点計
測用のマーク像を示す拡大平面図、（ｂ）は図４（ａ）
の焦点計測用のマーク像から得られる検出信号の一例を
波形図である。

【図５】実施例でウエハ上に露光されるショット領域の
配列の一部を示す平面図である。

【図６】（ａ）はショットマップの一例を示す図、
（ｂ）は図６（ａ）に対応するブラインドＩＤの一例を
示す図、（ｃ）は図６（ｂ）に対応するオフセットＩＤ
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 投影光学系 ２ レチクル ３ ウエハ ６ 光源 ７ レベリングセンサーの照射光学系 １２ レベリングセンサーの集光光学系 １７ ４分割受光素子 １９ 焦点位置検出装置の送光系 ２３ 焦点位置検出装置の受光系 ２７Ａ ＬＳＡ方式のＸ軸用のアライメント系 ＣＥ，ＵＬ，ＵＲ，ＬＬ，ＬＲ 焦点計測用のマーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０３Ｆ 7/20 ５２１ 7316−2Ｈ Ｇ１１Ｂ 5/31 Ａ 8947−5Ｄ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスク上に形成された転写用のパターン
   の像を感光基板上に投影する投影光学系と、前記感光基
   板の露光面の平均的な面を予め設定されたレベリング合
   わせ面に平行に維持するレベリング手段とを有する投影
   露光装置の、前記投影光学系の最良結像面に対する前記
   レベリング合わせ面の傾斜量を求める方法において、 前記マスクとして前記投影光学系の露光フィールド内の
   複数の像面計測点と共役な位置にそれぞれ焦点計測用の
   マークが形成されたマスクを用いて、前記投影光学系の
   露光フィールド内の所定の焦点計測点に対応する前記感
   光基板の露光面上の計測点の前記投影光学系の光軸方向
   の位置であるフォーカス位置を第１のフォーカス位置に
   設定する第１工程と、 前記レベリング手段を動作させて前記感光基板の露光面
   の平均的な面を前記レベリング合わせ面に平行に維持し
   た状態で、複数の前記焦点計測用のマーク像を前記感光
   基板上に露光する第２工程と、 前記感光基板を前記投影光学系の光軸に垂直な面内で横
   ずれさせてから、前記感光基板の露光面上のフォーカス
   位置を前記第１のフォーカス位置及びそれまでに設定さ
   れたフォーカス位置とは異なる位置に設定して、それぞ
   れ前記第２工程を所定回数繰り返す第３工程と、 前記設定された複数のフォーカス位置に対応してそれぞ
   れ前記複数の焦点計測用のマーク像の大きさを計測し
   て、前記投影光学系の露光フィールド内の複数の前記像
   面計測点におけるベストフォーカス位置を求める第４工
   程とを有し、 複数の前記像面計測点に関してそれぞれ求められたベス
   トフォーカス位置から、前記投影光学系の最良結像面に
   対する前記レベリング合わせ面の傾斜量を求めることを
   特徴とするレベリング合わせ面計測方法。
2. 【請求項２】 前記第２工程において、前記感光基板を
   前記投影光学系の光軸に垂直な方向に横ずれさせて、且
   つ前記感光基板の露光面のフォーカス位置を変化させる
   ことなく、それぞれ複数の前記焦点計測用のマーク像を
   前記感光基板の露光面上に露光し、 前記第４工程において、前記設定されたフォーカス位置
   に対応してそれぞれ計測される複数の前記焦点計測用の
   マーク像の大きさの平均値より、前記投影光学系の露光
   フィールド内の複数の前記像面計測点におけるベストフ
   ォーカス位置を求めることを特徴とする請求項１記載の
   レベリング合わせ面計測方法。