JPH06349708A

JPH06349708A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH06349708A
Application number: JP5138490A
Authority: JP
Inventors: Shoji Kawakubo; 昌治川久保
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1993-06-10
Publication date: 1994-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】オフ・アクシス方式のアライメントセンサー
を備えた投影露光装置において、ウエハ上のアライメン
トマークの位置を高精度に検出し、ウエハの露光面にレ
チクルのパターン像を投影光学系を介して高い解像度で
露光する。【構成】オフ・アクシスのアライメントセンサー２７
でウエハＷ上のウエハマークの位置を検出し、この結果
に基づいてアライメントを行って、レチクルＲのパター
ンを投影光学系１６を介してウエハＷ上のショット領域
に投影する。環境センサーにより大気圧の変化量を計測
し、この計測結果から投影光学系１６の結像面５３及び
アライメントセンサー２７のベストフォーカス位置の面
５４を求め、ＡＦセンサー４２ａ，４２ｂを用いて、ア
ライメント時と露光時とでフォーカス位置を独立に設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投影露光装置に関し、
特に半導体ウエハや液晶表示素子用プレート等の基板を
アライメントするために、基板上に形成されたアライメ
ントマークをオフ・アクシスのアライメントセンサーに
より検出する機能を備えた投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
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）のパターン像
を投影光学系を介して感光材が塗布されたウエハ（又は
ガラスプレート等）上の各ショット領域に投影露光する
投影露光装置が使用されている。

【０００３】従来の投影露光装置では、ウエハの焼付け
位置（露光位置）で投影光学系の光軸に平行な方向の位
置（フォーカス位置）を検出し、そのフォーカス位置を
投影光学系の結像面に合わせ込むためのオートフォーカ
ス機構が必須のものである。最近では、投影光学系の高
解像化のため焦点深度が浅くなり、ウエハ面の凹凸、又
は傾斜によるウエハの露光領域内での解像度、及び投影
像の線幅の均一性の低下が問題になってきた。このた
め、露光位置ごとに、ウエハの水平位置を検出制御する
機構（オートレベリング機構）が提案されている。例え
ば、水平位置検出装置としては特開昭58−113706号公報
に開示されているように、斜入射方式のコリメータ型の
レベリング検出系と斜入射方式の焦点検出系とを一体に
組み合わせたものが知られている。

【０００４】ところで、近年、より高集積度のＩＣを製
造するために露光光の波長を短波長化し、高解像を達成
しようとする傾向があり、例えば、露光光としてＫｒＦ
エキシマレーザー光（波長λ＝２４８．５ｎｍ）を用い
ることが検討されている。このＫｒＦエキシマレーザー
光を用いた投影露光装置の場合、露光光と異なる波長の
アライメント光によりＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方
式でレチクルとウエハとのアライメント（位置合わせ）
を行うものとしても、その露光波長に近い適当な波長の
アライメント光の光源がない。そのため、露光波長とア
ライメント光の波長とが大きく異なり、色収差を良好に
補正したアライメント光学系を実現するのは実際上困難
である。

【０００５】また、エキシマレーザー光自体を用いてア
ライメントをするにしても、フォトレジストが露光され
ること、またエキシマレーザー自体がパルス光源で、パ
ルス毎の出力のばらつきが大きく精度上問題のあること
などから解決しなければならない点が多い。このような
ことから、遠紫外の光源を用いた投影露光装置において
は、投影光学系から一定間隔だけ離して配置され、専ら
ウエハ上のアライメントマークを検出する顕微鏡を用い
た、オフ・アクシス方式のアライメントセンサーが有効
である。オフ・アクシス方式のアライメントセンサーで
あれば、露光波長や検出方法に関する制約はほとんど無
くなり、高い再現性のアライメントが期待できるからで
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
オフ・アクシス方式のアライメントセンサーを備えた投
影露光装置に於いては、露光位置（投影光学系の露光フ
ィールド）のみでオートフォーカス及びオートレベリン
グを行う機構になっている。そのため、投影光学系の結
像面の位置とオフ・アクシス方式のアライメントセンサ
ー内の観察用顕微鏡のベストフォーカス位置とが、大気
圧の変動等によりずれてしまうと、オートフォーカス系
によりウエハの露光面を投影光学系の結像面に合わせ込
んでも、オフ・アクシス方式のアライメントセンサーで
はデフォーカス状態となり、ウエハ上のアライメントマ
ークの位置の検出精度が低下するという不都合があっ
た。

【０００７】また、露光を継続すると、露光光の照射に
よる熱変形により投影光学系の結像面の位置が光軸方向
に変化する場合があるが、この場合でもオフ・アクシス
のアライメントセンサーのベストフォーカス位置は変化
しないため、ウエハの露光面の位置を投影光学系の結像
面に合わせ込むと、オフ・アクシスのアライメントセン
サー側では焦点外れが生じてしまう。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、オフ・アクシス
方式のアライメントセンサーを備えた投影露光装置にお
いて、ウエハ上のアライメントマークの位置をそのアラ
イメントセンサーにより高精度に検出できると共に、ウ
エハの露光面にレチクルのパターン像を投影光学系を介
して高い解像度で露光できるようにすることを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、例えば図１に示すように、マスク（Ｒ）上のパタ
ーンを感光性の基板（Ｗ）上の各露光領域に投影する投
影光学系（１６）と、この投影光学系の光軸に垂直な面
内で基板（Ｗ）の位置決めを行う基板側ステージ（１
８）と、その投影光学系から所定間隔だけ離して配設さ
れたオフ・アクシスのマーク検出系（２６，２７）とを
有し、基板（Ｗ）上に形成された位置合わせ用のマーク
の位置をマーク検出系（２６，２７）により検出し、こ
のように検出されたマークの位置に基づいて基板側ステ
ージ（１８）を介して基板（Ｗ）上の各露光領域とマス
ク（Ｒ）との位置合わせを行う投影露光装置において、
基板（Ｗ）の投影光学系（１６）の光軸に平行な方向の
位置決めを行う高さ調整手段（１７）と、基板（Ｗ）上
に投影光学系（１６）の光軸に斜めに位置検出用の光束
を照射することにより、基板（Ｗ）の投影光学系（１
６）の光軸に平行な方向のフォーカス位置を計測するフ
ォーカス位置検出手段（４２ａ，４２ｂ）とを有する。

【００１０】更に本発明は、投影光学系（１６）を通過
する照明光の積算光量を求める積算光量検出手段（６，
２４，２５）と、投影光学系（１６）及びオフ・アクシ
スのマーク検出系（２６，２７）の周囲の環境状態（大
気圧、温度等）を計測する環境状態計測手段（２３）
と、環境状態計測手段（２３）により計測された環境状
態の変化量及びその積算光量検出手段の検出結果に応じ
て、投影光学系（１６）の像面位置のオフセット量及び
マーク検出系（２６，２７）のベストフォーカス位置の
オフセット量を求めるオフセット演算手段（１４）とを
有し、基板（Ｗ）上の位置合わせ用のマークの位置をマ
ーク検出系（２６，２７）で検出する際、及び基板
（Ｗ）上の各露光領域に投影光学系（１６）を介してマ
スク（Ｒ）のパターンを露光する際に、オフセット演算
手段（１４）により求められたオフセット量及びフォー
カス位置検出手段（４２ａ，４２ｂ）により計測された
フォーカス位置に基づいて、それぞれ高さ調整手段（１
７）を介して基板（Ｗ）の投影光学系（１６）の光軸に
平行な方向の位置を独立に設定するものである。

【００１１】

【作用】斯かる本発明においては、投影光学系（１６）
及びマーク検出系（２６，２７）の周囲の環境、例えば
大気圧が変化した場合には、環境状態計測手段（２３）
により計測された環境状態の変化量に基づいて、投影光
学系（１６）の像面位置の変化量ΔＺ１及びマーク検出
系（２６，２７）のベストフォーカス位置の変化量ΔＺ
２を算出する。そして、マーク検出系（２６，２７）で
基板（Ｗ）上の或る露光領域（ショット領域）に付設さ
れた位置合わせ用のマークの位置を計測するときには、
高さ調整手段（１７）を介して基板（Ｗ）の高さをΔＺ
２だけ移動させ、その露光領域に投影光学系（１６）を
介してマスク（Ｒ）のパターン像を露光する際には、基
板（Ｗ）の高さをアライメント時に対して（ΔＺ１−Δ
Ｚ２）だけ移動させる。これにより、アライメント時も
露光時も焦点外れがなくなる。

【００１２】同様に、露光を継続した場合には、積算光
量検出手段（６，２４，２５）により検出した積算光量
に基づいて投影光学系（１６）の像面位置の変動量を求
め、露光時のみに基板（Ｗ）のフォーカス位置を変化さ
せる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。本実施例は、フォトレ
ジスト（レジスト）が塗布されたウエハ上の各ショット
領域に、ステップ・アンド・リピート方式で順次レチク
ルのパターン像を露光する投影露光装置に本発明を適用
したものである。図１は本例の投影露光装置の概略構成
を示し、この図１において、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、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）等を含む照明光学系３に入射す
る。また、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を配
置する。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。

【００１４】照明光学系３から射出されたウエハのレジ
スト層を感光させる波長域の露光光ＩＬ１は、その大部
分がビームスプリッター６を透過し、この透過光が第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１０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。

【００１５】レチクルＲは、モータ１５によって投影光
学系１６の光軸方向に微動可能で、且つ水平面内で２次
元的な移動及び微小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１２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が固定されており、レチクルス
テージ１２の２次元的な位置は干渉計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、これら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組のアライメントマークを検出す
るものである。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を微動させることで、
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。

【００１６】さて、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１６に入射し、投影光学系１６はレチクルＲの回路
パターンの投影像を１／５に縮小して、表面にフォトレ
ジスト層が形成され、その表面が投影光学系１６の結像
面とほぼ一致するように保持されたウエハＷ上の１つの
ショット領域に重ね合わせて投影（結像）する。

【００１７】図３はウエハＷ上にウエハＷ上の座標系
（ｘ，ｙ）に沿って配列されたショット領域ＥＳ１〜Ｅ
ＳＮを示し、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方向用のウエハマークＭｘｉ及
びＹ方向用のウエハマークＭｙｉが形成されている。ウ
エハマークＭｘｉはＸ方向に所定ピッチで配列されたマ
ルチマークであり、ウエハマークＭｙｉはＹ方向に所定
ピッチで配列されたマルチマークである。また、本例で
は、アライメントを例えばエンハンスト・グローバル・
アライメント（以下、「ＥＧＡ」という）方式でアライ
メントを行う。このＥＧＡ方式では、それらショット領
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でウエハマーク
の位置を検出し、そ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計算上の配列座標を算出し、
この配列座標に基づいて位置合わせを行う。

【００１８】図１に戻り、ウエハＷは、微小回転可能な
ウエハホルダ（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、Ｚステージ１７は
ＸＹステージ１８上に載置されている。装置全体の動作
を制御する主制御系１４は、モータ２１を介して、ＸＹ
ステージ１８をステップ・アンド・リピート方式で駆動
することにより、ウエハＷを２次元移動させ、Ｚステー
ジ１７を介してウエハＷを投影光学系１６の光軸に平行
なＺ方向に位置決めする。Ｚステージ１７内には、ウエ
ハＷの水平出し（レベリング）を行うレベリングステー
ジも組み込まれている。ウエハＷ上の１つのショット領
域に対するレチクルＲの転写露光が終了すると、ウエハ
ステージＷＳ内のＸＹステージによりウエハＷは次のシ
ョット位置までステッピングされる。Ｚステージ１７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２次元的な位置
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。

【００１９】また、Ｚステージ１７上にはベースライン
計測時等で用いられる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、その表面の高さがウエハＷ
の露光面の高さとほぼ一致するように設けられている。
本例では、Ｚステージ１７でＺ方向の位置を変えて、基
準部材１４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で観測し、撮像された基準マー
ク像のコントラストが最も高くなる位置から、そのアラ
イメントセンサー２７のベストフォーカス位置を求め
る。その基準部材１４上の基準マークとしては、ウエハ
マークと同様のマルチマーク等が使用できる。

【００２０】また、基準部材１４上の基準マークの位置
をアライメントセンサー２７により検出し、次にＴＴＬ
（スルー・ザ・レンズ）方式の観察系（不図示）により
投影光学系１６を介してその基準マークの位置を検出す
ることにより、投影光学系１６の光軸とアライメントセ
ンサー２７の光軸とのずれ量であるベースライン量を求
める。アライメントセンサー２７でウエハＷ上の或るウ
エハマークの位置を検出し、その検出結果にそのベース
ライン量を加算することにより、そのウエハマークの属
するショット領域を投影光学系１６による露光フィール
ド内に位置合わせすることができる。

【００２１】また、図１に示すように、投影光学系１６
の結像特性を調整するための結像特性補正部２２も設け
られている。本実施例における補正部２２は、投影光学
系１６を構成する一部のレンズエレメント、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）することで、投影光学系１６の結像
特性、例えば投影倍率やディストーションを補正するも
のである。これに関して、投影光学系１６の結像特性、
例えば結像面の位置（焦点位置）は、周囲の大気圧、温
度、及び投影光学系１６に対する露光光の照射時間（正
確には露光光吸収に伴う熱蓄積量）等によっても変化す
る。同様に、アライメントセンサー２７のベストフォー
カス位置も大気圧及び温度により変化する。

【００２２】そこで、投影光学系１６とアライメントセ
ンサー２７との中間位置に環境センサー２３を配置し、
この環境センサー２３で大気圧及び温度を常時計測し、
計測結果を主制御系１４に供給する。主制御系１４は、
大気圧及び温度の計測結果より、予め実験的に求めてあ
る計算式を用いて、投影光学系１６の結像特性の変化量
及び結像面の位置の変化量を求め、並行してアライメン
トセンサー２７のベストフォーカス位置の変化量を求め
る。投影光学系１６の結像特性の変化については、主制
御系１４は結像特性補正部２２を介して補正を行う。ま
た、投影光学系１６の結像面の位置の変化及びアライメ
ントセンサー２７のベストフォーカス位置の変化に対し
ては、後述のように主制御系１４はＺステージ１７を介
して露光時及びアライメント時でそれぞれウエハＷのフ
ォーカス位置を独立に設定することにより対応する。

【００２３】また、ビームスプリッター６で反射された
露光光ＩＬ１を集光レンズ２４を介して光電検出器２５
で受光し、光電検出器２５の光電変換信号を主制御系１
４に供給する。予め光電検出器２５での受光量とウエハ
Ｗの露光面での露光エネルギーとの関係が求められてお
り、主制御系１４は光電検出器２５の光電変換信号を積
算することによりウエハＷの積算露光量をモニターする
ことができ、これにより露光時間の制御を行う。同時に
その積算露光量から、投影光学系１６を通過する露光光
の光量も分かるため、主制御系１４は光電検出器２５の
光電変換信号の積算結果より、投影光学系１６の結像特
性の変化量及び投影光学系１６の結像面の位置の変化量
を求め、上述の方法で補正を行う。

【００２４】また、本例の投影露光装置には、ウエハＷ
の露光面の位置を計測するためのフォーカス位置検出系
（以下、「ＡＦセンサー」という）が設けられている。
そのＡＦセンサー、Ｚステージ１７及び主制御系１４に
よりオートフォーカスが行われる。図１に示すように、
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より構成されている。

【００２５】図２は、図１のＡＦセンサーを拡大して示
し、この図２において、ＡＦセンサーは送光系４２ａ
（照明系４３〜集光対物レンズ４５）と受光系４２ｂ
（集光対物レンズ４６〜光電検出器５０）とより構成さ
れ、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（例えばウエハＷ上
のフォトレジストに対して非感光性の光）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１
６の光軸ＡＸに斜めにウエハＷの露光面（又は基準部材
１９の表面等）に照射され、その露光面上にスリットパ
ターン像が結像投影される。そして、その露光面で反射
された検出光が、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。その開口を
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。

【００２６】この場合、ウエハＷの露光面でのスリット
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、ウエハＷの露光面がＺ方向に変位すると、光電検出
器４９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４９から出力されるフォーカ
ス信号は、所定の範囲内でウエハＷの露光面のフォーカ
ス位置に対してほぼリニアに変化する信号になるため、
そのフォーカス信号からウエハＷの露光面のフォーカス
位置を検出することができる。また、受光系４２ｂ内の
ミラー４７を図２の紙面に垂直な軸を中心に回転するこ
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。主制御系１４が、駆動
部５１を介してミラー５１の傾斜角を設定する。後述の
ように、投影光学系１３の最良結像面のＺ方向の位置
（結像面の位置）を求めたときに、例えばウエハＷの露
光面をその結像面の位置に設定した状態で、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。これはフォー
カス信号を例えばゼロクロス点に設定することを意味す
るが、これによりＡＦセンサーのキャリブレーションが
行われる。

【００２７】次に、図１の投影光学系１３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ＩＬ３は集光レンズ２９を介して光ファイバー３
０に入射し、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に入射し、
プリズムミラー２６で反射された照明光がウエハＷ上の
ウエハマークをほぼ垂直に照射する。

【００２８】ウエハＷ上のウエハ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３
２で反射された光が、結像レンズ３４を経て指標板３５
上にウエハマークの像を結像する。この指標板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。この指標マー
ク３５ａ，３５ｂは図４に示すように、Ｙ方向と共役な
方向に伸びた直線状パターンがＸ方向と共役な方向に所
定の間隔で並設された２本のパターンで構成されてい
る。

【００２９】図１において、この指標板３５は対物レン
ズ３３と結像レンズ３４とによってウエハＷとほぼ共役
に配置される。従って、ウエハＷ上のウエハマークの像
は指標板３５上に結像され、指標板３５からの光がリレ
ー系３４、ミラー３７、リレー系３８及びハーフプリズ
ム３９を介して、それぞれ２次元ＣＣＤカメラ等よりな
る撮像素子４０Ｘ及び４０Ｙの撮像面に達する。撮像素
子４０Ｘ及び４０Ｙの撮像面にはそれぞれウエハマーク
の像と指標マークの像とが結像される。そして、撮像素
子４０Ｘ及び４０Ｙからの撮像信号に基づいて、信号処
理系４１が指標板３５上の指標マークとウエハマークと
の位置ずれ量を検出し、この位置ずれ量を主制御系１４
に供給する。この際に、撮像素子４０Ｘの走査線の方向
はＸ方向と共役であり、撮像素子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方向用のウエ
ハマークＭｘｉの位置検出は撮像素子４０Ｘの撮像信号
に基づいて行い、Ｙ方向用のウエハマークＭｙｉの位置
検出は撮像素子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撮像素子４０Ｘ及び４０
Ｙによる画像のスキャン開始位置がドリフトする為であ
る。

【００３０】図１では図示していないが、レンズ系３１
内のウエハＷとほぼ共役な位置に照明視野絞りが設けら
れている。この視野絞りはウエハＷ上での照明領域を規
定する。ハーフプリズム２６の直下に図３のサンプルシ
ョットＳＡ１に付設されたＸ方向用のウエハマークＭｘ
ｊがある場合に、図１の撮像素子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。
ウエハＷ上の照明領域５５は、ウエハマークＭｘｊに対
応する領域５５ｃとウエハマークＭｘｊ近傍での指標板
３５上の指標マーク３５ａ，３５ｂに実質的に対応する
領域５５ａ，５５ｂとで構成されている。この領域５５
ａ，５５ｂにまで広げてこの照明領域を規定しているの
は、この領域５５ａ，５５ｂのウエハからの戻り光を利
用して指標板３５上の指標マーク３５ａ，３５ｂを透過
照明しているからである。

【００３１】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。

【００３２】このときのウエハマークＭＸｊ、指標マー
ク３５ａ，３５ｂに対応する撮像素子４０Ｘからの撮像
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ＸＹ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、撮像素
子４０Ｘからの撮像信号は、指標マーク３５ａ，３５ｂ
位置やウエハマークＭＸｊのエッジに対応する位置（画
素位置）でボトムとなる信号波形となる。また、Ｙ方向
にもウエハアライメントマーク，指標マークが設けられ
ており、撮像素子４０ＹはＹ方向のマークを検出する。

【００３３】次に、本実施例による露光方法につき説明
する。例えば大気圧についてのみ考慮するものとして、
予め或る基準の大気圧で投影光学系１６の結像面の位置
とアライメントセンサー２７のベストフォーカス位置と
が合致するように調整され、且つそのベストフォーカス
位置でＡＦセンサーのフォーカス信号がゼロクロス点と
なるようにキャリブレーションが行われている。そし
て、ウエハＷへの露光を行う前に、図１の主制御系１４
は環境センサー２３により投影光学系１６及びアライメ
ントセンサー２７の周囲の大気圧を計測し、その計測結
果の基準大気圧からの変化量より、投影光学系１６の結
像面の位置の変化量ΔＺ１及びアライメントセンサー２
７のベストフォーカス位置の変化量ΔＺ２を算出する。

【００３４】この結果、図２に示すように、ウエハＷの
露光面が基準面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となるとすると、投影光学系１
６の結像面は例えば面５３に上昇しており、アライメン
トセンサー２７のベストフォーカス位置は例えば面５４
に低下している。従って、基準面５２から面５３への変
化量ΔＺ１、及び基準面５２から面５４への変化量ΔＺ
２が主制御系１４により算出される。

【００３５】そこで、アライメントセンサー２７を用い
てウエハＷ上のサンプルショット（図４のサンプルショ
ットＳＡ１〜ＳＡ９）のウエハマークの位置を検出する
場合には、主制御系１４は駆動部５１を介してフォーカ
ス位置の変化量ΔＺ２に対応する角度だけミラー４７を
傾斜させる。この状態でオートフォーカスを働かせる
と、図５（ａ）に示すように、ＡＦセンサーの受光系４
２ｂから得られるフォーカス信号がゼロとなる面が、ア
ライメントセンサー２７のベストフォーカス位置の面５
４になる。この状態で、アライメントセンサー２７を用
いてウエハマークの位置を検出することにより、ウエハ
マークの位置が高精度に検出される。

【００３６】次に、ウエハの各ショット領域への露光を
行う際には、図２の主制御系１４は駆動部５１を介して
フォーカス位置の変化量（ΔＺ１−ΔＺ２）に対応する
角度だけミラー４７を傾斜させる。この状態でオートフ
ォーカスを働かせると、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
ゼロとなる面が、投影光学系１６の結像面がある面５３
になる。この状態で、露光を行うことにより、レチクル
Ｒのパターンが高い解像度でそれぞれウエハＷの各ショ
ット領域に投影される。

【００３７】なお、結像面の位置の変化量ΔＺ１及びベ
ストフォーカス位置の変化量ΔＺ２が小さい場合には、
フォーカス信号の線形部分を用いてウエハＷのフォーカ
ス位置を、マーク計測時と露光時とでそれぞれ異なる位
置に設定しても良い。また、電気的にオフセットを与え
るだけでも良い。また、投影光学系１６の結像面の位置
のキャリブレーションは、例えばテストプリントや、ウ
エハ側のステージ内に設けた発光性のマーク等を用いて
行うことができ、アライメントセンサー２７のベストフ
ォーカス位置のキャリブレーションは基準部材１９の基
準マークの観察により行うことができる。このキャリブ
レーションの結果、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を上述の変化量ΔＺ１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の結像面の位置変動だけに影響を与
えるものではなく、アライメントセンサー２７のベスト
フォーカス位置の変動にも影響を与えるものならば、予
めＡＦセンサーの基準面をΔＺ３だけ調整しておくこと
により、そのオフセットΔＺ３はアライメントセンサー
２７のベストフォーカス位置を求めるときに必ずしも使
う必要はない。

【００３８】上記のようなフォーカス位置の補正を行う
ことで、投影光学系１６用のＡＦセンサーを使って、オ
フ・アクシス方式のアライメントセンサー２７のベスト
フォーカス位置にウエハＷの露光面を設定してアライメ
ントを行うことができる。１枚のウエハでアライメント
前に１回フォーカス位置を合わせれば、それ以後は合わ
せなくても良い。この場合でも、ウエハの露光面内の凹
凸はアライメントセンサー２７の焦点深度内にほぼ収ま
るので、スループットの低下を防げる。

【００３９】仮に、ウエハが傾斜を持っているような場
合には、ＡＦセンサーを用いて予めウエハの露光面内で
数ショットの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。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
を行ってもよいし、サーチを行いながらＡＦセンサーを
使って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１回オートフォーカスを行うことで、フラットな状態
のウエハをアライメントセンサー２７のベストフォーカ
ス位置に合わせることができる。

【００４０】更に、予めウエハの露光面内の数点でフォ
ーカス位置を求めて、ウエハの傾斜を最小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、ウエハ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付近でア
ライメントを行うことができる。フォーカス計測を行う
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。

【００４１】なお、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
ことは勿論である。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、投影光学系の結像面の
位置の変化量及びオフ・アクシスのマーク検出系のベス
トフォーカス位置の変化量を求めて、露光時とアライメ
ント時と基板のフォーカス位置をずらすようにしている
ため、環境状態や露光光の照射量が変化しても、基板上
の位置合わせ用のマークの位置をそのマーク検出系によ
り高精度に検出できると共に、基板の露光面にマスクの
パターン像を投影光学系を介して高い解像度で露光でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す構
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】実施例で露光対象とするウエハのショット配列
を示す平面図である。

【図４】（ａ）は撮像素子で観察されるウエハマーク及
び指標マークを示す図、（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ウエハ１４主制御系１６投影光学系２２結像特性補正部２３環境センサー２５光電検出器ＥＳ１〜ＥＳＮショット領域ＭｘｉＸ方向用のウエハマークＭｙｉＹ方向用のウエハマーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上のパターンを感光性の基板上の
各露光領域に投影する投影光学系と、該投影光学系の光
軸に垂直な面内で前記基板の位置決めを行う基板側ステ
ージと、前記投影光学系から所定間隔だけ離して配設さ
れたオフ・アクシスのマーク検出系とを有し、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マー
ク検出系により検出し、該検出されたマークの位置に基
づいて前記基板側ステージを介して前記基板上の各露光
領域と前記マスクとの位置合わせを行う投影露光装置に
おいて、前記基板の前記投影光学系の光軸に平行な方向の位置決
めを行う高さ調整手段と、前記基板上に前記投影光学系の光軸に斜めに位置検出用
の光束を照射することにより、前記基板の前記投影光学
系の光軸に平行な方向のフォーカス位置を計測するフォ
ーカス位置検出手段と、前記投影光学系を通過する照明光の積算光量を求める積
算光量検出手段と、前記投影光学系及び前記オフ・アクシスのマーク検出系
の周囲の環境状態を計測する環境状態計測手段と、該環境状態計測手段により計測された環境状態の変化量
及び前記積算光量検出手段の検出結果に応じて、前記投
影光学系の像面位置のオフセット量及び前記マーク検出
系のベストフォーカス位置のオフセット量を求めるオフ
セット演算手段と、を有し、前記基板上の前記位置合わせ用のマークの位置を前記マ
ーク検出系で検出する際、及び前記基板上の各露光領域
に前記投影光学系を介して前記マスクのパターンを露光
する際に、前記オフセット演算手段により求められたオ
フセット量及び前記フォーカス位置検出手段により計測
されたフォーカス位置に基づいて、それぞれ前記高さ調
整手段を介して前記基板の前記投影光学系の光軸に平行
な方向の位置を独立に設定することを特徴とする投影露
光装置。