JPH0774088A

JPH0774088A - 投影露光装置およびその方法

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Publication number: JPH0774088A
Application number: JP5334599A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Watanabe; 正浩渡辺; Ken Fujii; 憲藤井; Yoshitada Oshida; 良忠押田; Yasuhiko Nakayama; 保彦中山; Ryuichi Funatsu; 隆一船津; Hiroshi Ninomiya; 二宮　　拓; Akira Inagaki; 晃稲垣; Minoru Yoshida; 実吉田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-01-22
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-03-17
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: JP3477777B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】ウエハ等の被露光基板上のフォトレジストの表
面形状を光学的手段によって検出し、露光単位毎に焦点
を合せる領域を選択し、解像度の高い投影露光を実現す
る投影露光装置およびその方法を提供する。【構成】可干渉性光源１１からの可干渉光を、大きい入
射角でウエハ等の被露光基板４の表面に照射させて反射
光と参照光を干渉させ、検出位置と共役な位置の干渉縞
の位相の揺らぎから被露光基板４の表面形状を検出し、
露光単位毎に前記検出された被露光基板４の表面形状デ
ータから所望の表面形状データを選択し、該選択された
所望の表面形状データに基づいて被露光基板の露光単位
の表面を縮小投影レンズ９１の結像面に焦点合せ制御を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体回路装置や液晶
ディスプレイなどの製造工程において基板上にパターン
を形成するための装置およびその方法に関し、特にレジ
ストが塗布されたウエハ等の被露光基板上の微小凹凸や
焼き付ける回路パターンの密度に適合させるべく、被露
光基板上の露光単位内における任意の領域の傾きと高さ
を投影光学系の結像面に高精度に合わせてマスク上に形
成された微細な回路パターンを被露光基板上に高解像度
で投影露光する投影露光装置およびその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体回路の微細化や、液晶ディスプレ
イの高精細化等に伴い、これらデバイスのパタ−ン露光
等の製造工程ではウエハ面や基板面等の表面の傾きや高
さを高精度に検出し、得られた検出値に基づき上記面の
位置を正確に制御することが益々重要に成ってきてい
る。半導体回路の露光に例をとれば、０．５ミクロンの
線幅のパタ−ンの露光を水銀ランプのｉ線で行うと、焦
点深度は１ミクロン以下となり、ウエハのそり、ウエハ
表面のパタ−ン凹凸を考慮すると、傾きについては約１
０マイクロラジアン、高さは０．１ミクロンの精度で制
御する必要がある。このような要求に対し、以下のよう
な技術が有った。

【０００３】例えば、従来のウエハの高さや傾きを検出
方法として、特開昭６１−１９６５３２号公報や特開平
０３−２４９５１３号公報、特開平０３−４０４１７号
公報などに開示された方法が知られている。また、エア
−ノズルの先端と被検物の間隙により生ずる差圧から間
隙即ち高さを求める方法も知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】後者の従来技術におい
ては、被検物の光学的特性に左右されることなく、正確
に表面を捕らえることができる反面、半導体露光装置の
ように高さや傾きを検出したい露光領域に検出器を配置
できない場合には、真に検出したい場所の周辺しか検出
できないという課題を有していた。

【０００５】他方前者の従来技術においては、露光領域
内の高さを検出して高さや傾きに換算するが、半導体回
路の微細化に伴い、例えば４ＭＤＲＡＭではチップの表
面に１μｍに及ぶ段差が存在し、また、ＡＳＩＣ等のチ
ップでは、チップの表面形状がメモリチップの様に対称
では無くなってくるため、露光領域上の高さデータだけ
では露光領域全面を露光レンズの焦点深度内に収めるこ
とは困難になってくるという課題を有していた。また、
ウェハに透明なレジストが塗布されている場合、照射光
がウェハの表面と回路表面で多重反射し、スポットの反
射する位置がずれるという課題を有していた。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の課題を解
決すべく、ウェハ等の被露光基板上の真に検出したい場
所である露光単位全面の表面形状、特にレジスト表面の
表面形状を、レジストの光学的特性に左右されることな
く正確に検出し、その情報に基づいて被露光基板の高さ
及び傾きを制御して、露光単位の所望領域の面を正確に
投影レンズの焦点マージン内に制御し、マスク上に形成
された微細な回路パターンを被露光基板上に高解像度で
投影露光できるようにした投影露光装置およびその方法
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、前記被
露光基板上の領域を選択し、該選択された領域の表面形
状を示す画像信号に基づいて被露光基板の高さおよび傾
きを算出する検出手段と、該検出手段で算出された被露
光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に制御
し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾きから前
記チルト機構を制御する制御手段とを備えたことを特徴
とする投影露光装置およびその方法である。

【０００８】また、本発明は、前記投影露光装置におい
て、前記検出手段は、第１の可干渉光を被露光基板の表
面に斜めから照射する照射光学系と、該照射光学系で照
射して被露光基板の表面で反射される反射光と第２の可
干渉光とを干渉させて得られる干渉縞を光電変換手段で
検出する検出光学系とを備え、該検出光学系の光電変換
手段で検出された干渉縞の画像信号から被露光基板上の
選択された領域の表面形状を検出するように構成したこ
とを特徴とする投影露光装置およびその方法である。

【０００９】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、光を前記被露光基板の表面に斜めから照射する
照射光学系と、該照射光学系で照射して被露光基板の表
面で反射される反射光を受光して光電変換手段で画像信
号として検出する検出光学系と、表面の平面度の保証さ
れた基準となる被露光基板の表面形状を検出してその画
像信号データを保持する基準表面形状保持手段と、検出
光学系の波面収差を除いた正確な表面形状を検出すべく
前記検出光学系から得られる画像信号データから該基準
表面形状保持手段に保持された基準表面形状画像信号デ
ータを差し引き、選択された領域の表面形状を示す画像
信号を得、該表面形状を示す画像信号に基づいて被露光
基板の高さおよび傾きを算出する検出手段と、該検出手
段で算出された被露光基板の高さから前記移動ステージ
をＺ軸方向に制御し、前記検出手段で算出された被露光
基板の傾きから前記チルト機構を制御する制御手段とを
備えたことを特徴とする投影露光装置およびその方法で
ある。

【００１０】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面に斜めから光を線状に照
射する照射光学系および該照射光学系で線状に照射して
被露光基板の表面で反射される反射光を受光して光電変
換手段で検出する検出光学系を設けて該検出光学系の光
電変換手段から得られる一次元状の表面断面形状を示す
画像信号から選択された領域の表面形状を示す画像信号
に基づいて被露光基板の高さおよび傾きを算出する検出
手段と、該検出手段で算出された被露光基板の高さから
前記移動ステージをＺ軸方向に制御し、前記検出手段で
算出された被露光基板の傾きから前記チルト機構を制御
する制御手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置
およびその方法である。

【００１１】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、第１の可干渉光を被露光基板の表面に斜めから
照射する照射光学系および該照射光学系で照射して被露
光基板の表面で反射される反射光と第２の可干渉光とを
干渉させて得られる干渉縞を光電変換手段で検出する検
出光学系を備えて、該検出光学系の光電変換手段で検出
された干渉縞の画像信号をフーリエ変換し、干渉縞の周
波数に対応する位置の付近のスペクトルを周波数原点に
移動した後、逆フーリエ変換したデータの位相に基づい
て被露光基板の表面形状を算出して被露光基板の高さお
よび傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出され
た被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に
制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾きか
ら前記チルト機構を制御する制御手段とを備えたことを
特徴とする投影露光装置およびその方法である。

【００１２】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、第１の可干渉光を被露光基板の表面に斜めから
照射する照射光学系および該照射光学系で照射して被露
光基板の表面で反射される反射光と第２の可干渉光とを
干渉させて得られる干渉縞を光電変換手段で検出する検
出光学系を備えて、該検出光学系の光電変換手段で検出
された干渉縞の画像信号から干渉縞の各周期の位相を正
弦波との最小２乗マッチングによって定め、それに基づ
いて、被露光基板の表面形状を算出して被露光基板の高
さおよび傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出
された被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方
向に制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾
きから前記チルト機構を制御する制御手段とを備えたこ
とを特徴とする投影露光装置およびその方法である。

【００１３】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面に斜めから光を線状に照
射する照射光学系および該照射光学系で線状に照射して
被露光基板の表面で反射される反射光を受光して光電変
換手段で検出する検出光学系を複数組設けて該検出光学
系の光電変換手段の各々から得られる一次元状の表面断
面形状を示す画像信号から選択された領域の表面形状を
示す画像信号に基づいて被露光基板の高さおよび傾きを
算出する検出手段と、該検出手段で算出された被露光基
板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に制御し、前
記検出手段で算出された被露光基板の傾きから前記チル
ト機構を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
投影露光装置およびその方法である。

【００１４】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面に縞パターンを被露光基
板に投影する照射光学系と、該照射光学系で照射された
被露光基板の表面からので反射される反射光を受光して
光電変換手段で検出する検出光学系を設けて縞パターン
の画像信号の間隔の揺らぎから被検物の表面形状を検出
する機構を有することを特徴とし上記機構から得られる
一次元状の表面断面形状データから選択された領域の表
面形状データに基づいて被露光基板の高さおよび傾きを
算出する検出手段と、該検出手段で算出された被露光基
板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に制御し、前
記検出手段で算出された被露光基板の傾きから前記チル
ト機構を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
投影露光装置およびその方法である。

【００１５】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面形状を検出し、該検出さ
れた領域の表面形状データに基づいて被露光基板の高さ
および傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出さ
れた被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向
に制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾き
から前記チルト機構を制御する制御手段と、該検出され
た領域の表面形状データと対象被露光基板の基準表面形
状と比較して、これが基準値を越えた場合に警告を発す
る局所的凹凸監視機構とを備えたことを特徴とする投影
露光装置およびその方法である。

【００１６】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板上表面形状を検出し、該検出さ
れた領域の表面形状データに基づいて被露光基板の高さ
および傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出さ
れた被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向
に制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾き
から前記チルト機構を制御する制御手段と、該検出され
た領域の表面形状データと対象被露光基板の基準表面形
状が一致するように、被露光基板を載置する部分の表面
を変形させる機構を備えたことを特徴とする投影露光装
置およびその方法である。

【００１７】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面形状を検出し、該検出さ
れた領域の表面形状データに基づいて被露光基板の高さ
および傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出さ
れた被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向
に制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾き
から前記チルト機構を制御する制御手段と、該検出され
た領域の表面形状データと投影露光レンズの像面形状が
一致するように、被露光基板を載置する部分の表面を変
形させる機構とを備えたことを特徴とする投影露光装置
およびその方法である。

【００１８】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面形状を検出し、該検出さ
れた領域の表面形状データに基づいて被露光基板の高さ
および傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出さ
れた被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向
に制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾き
から前記チルト機構を制御する制御手段と、移動ステー
ジの一部に設けられ、表面形状検出機構によって検出可
能な平坦な表面を持つと同時に、その一部に投影露光レ
ンズによる像を検出するための光電検出手段によって投
影露光レンズの像面の位置を検出する像面位置検出機構
とを備え、像面位置検出機構によって表面形状検出のオ
フセットを補正することを特徴とする投影露光装置およ
びその方法である。

【００１９】また、本発明は、マスクに形成された回路
パターンを被露光基板上に投影する投影光学系と、前記
被露光基板を載置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移
動する移動ステ−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト
機構と、前記被露光基板の表面形状を検出し、該検出さ
れた領域の表面形状データに基づいて被露光基板の高さ
および傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出さ
れた被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向
に制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾き
から前記チルト機構を制御する制御手段と、移動ステー
ジの一部に設けられ、表面形状検出機構によって検出可
能な平坦な表面を持つと同時に、その一部に投影露光レ
ンズによる像を検出するための光電検出手段によって投
影露光レンズの像面の位置を検出する像面位置検出機構
とを備え、移動ステージをＸＹ方向に走査しながら像面
位置検出機構によって投影露光レンズの像面の形状を測
定し、前記測定した像面形状と表面形状が一致するよう
に被露光基板を載置する部分の表面を変形させる機能を
有することを特徴とする投影露光装置およびその方法で
ある。

【００２０】

【作用】上記課題に対して本発明者等が特開平０２−２
８０３１３号公報に示すように、検出光がウエハ等の被
露光基板に入射する角度を８５°以上にし、Ｓ偏光を用
いることにより、フォトレジスト内への入射光量を少な
くし、フォトレジスト表面をより正確に検出する方式を
採用することにより、レジスト表面を検出することが出
来る。この時入射光にレーザ光を用い、入射角をできる
かぎり９０°に近付ければ効果が大きい。レーザ光を用
い、被露光基板への入射角を８８°にし、反射光と参照
光を干渉させ、この干渉縞を処理している。特開平０２
−２８０３１３号公報では、被露光基板が傾くことによ
って生じる干渉縞のピッチの変化と被露光基板の高さが
変わることによって生じる干渉縞の位相の変化を、干渉
縞強度信号をＦＦＴすることによって得られるスペクト
ルのピーク位置の周波数と位相から検知して、これによ
って被露光基板の表面の平均的な傾きと高さを検知して
いた。しかしこの技術では、被露光基板の表面形状と得
られる平均的な傾き・高さの関係が明らかでなく検出値
にオフセットが乗るため、被露光基板の構造が変わる度
にオフセット補正を行う必要があった。

【００２１】本発明では、この干渉縞から、被露光基板
の各部分の高さ情報が取り出せることを利用して露光単
位毎または種類の異なる被露光基板毎に焦点を合わせた
い領域を限定し、この部分の表面形状情報を用いること
により、より目的に合った正確な焦点合わせを行うこと
ができるようにした。具体的には、検出された表面形状
を表示して操作者が指定したり、焼き付けパターンの細
かい領域を設計データや測定装置により決定したり、表
面形状の平坦面を検出したりすることによって、テーブ
ルの高さ傾きの目標値となる被露光基板の高さ・傾き検
出値を計算するのに使用する表面形状データの領域を限
定するようにした。また、測定手段に起因して生じる表
面形状の検出誤差の発生箇所を推定し、この領域の表面
形状データを除去して正確な焦点合わせを行うことがで
きるようにした。

【００２２】この結果、本発明によれば、被露光基板の
表面形状の検出が可能となるので、ウエハ等の被露光基
板上の露光単位全面の表面形状、特にレジスト表面の表
面形状を検出し、その情報のうちの必要な領域の情報に
基づいて被露光基板の高さ及び傾きを制御して、上記面
を正確に投影レンズの焦点マージン内に制御して露光す
ることができるようになり、この時表面形状が検出され
ているので、設計データやレチクルのパターン密度を参
照して、露光するパターンの細かい領域に焦点を合わせ
たり、表面形状検出方法に起因して検出値が不安定とな
る領域を監視し、その領域の情報を使用せずに合焦点位
置／姿勢を算出することが可能となるので、今後回路パ
ターンが益々微細化され、焦点深度が浅くなったとして
も、露光単位全体がこの焦点深度内に存在するように制
御できる。

【００２３】また、被露光基板と基板を載置する面との
間の異物や被露光基板自体の厚さのばらつきによって、
被露光基板の表面に局所的な凹凸が生じた場合に、本発
明によれば被露光基板の表面形状を検出できるために、
警告を発し或いは露光を中止することが可能となる。こ
のため、被露光基板の表面の局所的な凹凸が露光レンズ
の焦点マージンを超過することによる解像不良を予め予
想し、対策を行ったり、他の原因による不良と切り分け
て把握することが可能となる。

【００２４】また本発明によれば、被露光基板の表面形
状を検出しながら基板を載置する面を変形することによ
って、被露光基板の表面形状を平坦にし、或いは、投影
露光レンズの像面形状と一致させることができる。これ
によって被露光基板の表面形状や投影露光レンズの像面
湾曲の状態にかかわらず、被露光基板の露光単位全体が
焦点深度内に存在するように制御できる。

【００２５】また本発明によれば、投影露光レンズの像
面の検出器を有するので、本検出器の上面の位置を投影
露光レンズの像面に合わせた状態で本検出器の上面の表
面形状を検出することにより、表面形状検出機構の検出
原点と投影露光レンズの像面との間のオフセットを補正
でき、これによって、投影露光レンズの像面がドリフト
した場合にもこれによる焦点ずれを防止することが可能
になる。

【００２６】

【実施例】図１は、本発明の実施例図である。本発明の
表面形状検出方法を半導体露光を行う投影露光装置（ス
テッパ）に適用したものである。８１は露光照明系、８
は縮小投影レンズ、７はｘｙｚ方向の粗微動機構と少な
くともｘｙ軸の回りに回転可能なあおり機構を有し、被
露光基板であるウエハ４を保持するステージ機構であ
る。レチクル９上の回路パターンは８１により露光照明
され、その透過光は縮小レンズ８によりウエハ４上に回
路パターンの像を結像する。この時ブレード９１によっ
て露光エリアを限定することが出来る。回路パターンの
線幅が０．３５μｍでは、ウエハ４上の焦点深度は１μ
ｍ以下となり、縮小投影レンズ８の像面湾曲や、ウエハ
４のそり、凹凸を考慮し、傾きと高さをそれぞれ、５マ
イクロラジアン、０．０５μｍに制御するため、ウェハ
４の表面形状を主に光学的手段を用いて計測する表面形
状検出光学系３と、その結果を処理して表面形状情報を
取り出し、その情報に基づいてステージ機構７の傾きと
高さを制御する表面形状算出・高さ傾き制御機構５を下
記に示す構成と機能にしている。

【００２７】図１の３の部分が、表面形状検出光学系３
の一実施例である。表面形状検出光学系３は、照明光学
系１と干渉縞検出系２とから構成される。表面形状検出
光学系３の出力は処理回路と制御回路から成る表面形状
算出・高さ傾き制御機構５に渡される。図１の実施例図
には、傾き検出の１軸分しか図示されていないが、これ
と直角な、紙面に垂直な方向に向かいウエハに照射する
系は省略されている。

【００２８】まず照明系１を説明する。可干渉性光源１
１を出射した光ビームはウエハ４上で所望のビーム径と
なるように照射レンズ径１１０を通る。ビームスプリッ
タ１０は光源１１から出射したビームを２つに分離し、
ハーフミラー１２を介し、一方はウエハ４に照射する検
出光に、他方はウエハ４に当たらず、しかし検出光と近
い光路を進む参照光になる。検出光はウエハ４に立てた
垂線に対し８８°、即ち入射角８８°で入射する。しか
も前記垂線と入射光線が含む面に直角な方向に直線偏光
する状態（Ｓ偏光）で光を照射する。

【００２９】このような検出光と参照光は折り返しミラ
ー１４で共に反射し、元の光路を逆に進み、ハーフミラ
ー１２を通過する。１２を透過した光は干渉縞検出系２
に進む。検出系２にはミラー２１０、２２０、結像レン
ズ２１、２２、２２’によりＣＣＤ２０上に干渉縞を形
成させる。結像レンズ２１、２２、２２’はウエハ４の
表面から折り返しミラー１４近傍の位置とＣＣＤをほぼ
結像の関係にしている。光路シフタ２４は上記の結像関
係を満たし、かつＣＣＤ上で干渉縞が発生する役割をし
ている。ＣＣＤ２０では図３（ａ）に示すような干渉縞
を形成するので、ＣＣＤ２０の出力を処理して、表面形
状算出・高さ傾き制御機構５で被検物の表面形状を検出
する。

【００３０】図２は、干渉縞による表面形状検出方法を
用いた投影露光装置の、別の実施例である。図２の３の
部分の表面形状検出光学系のみが、図１の実施例と異な
っているのでこの部分について説明する。

【００３１】この実施例では表面形状検出光学系３に図
１の実施例の折り返しミラー１４を持たず、照明光学系
１を出た検出光は一度ウエハ４を照射した後、干渉縞検
出系２に入り、干渉縞信号を出力する。その他の部分の
構成は図１に示した実施例と同様である。図１に示した
実施例では、ＣＣＤ２０は折り返しミラー１４と光学的
に共役となっており、ＣＣＤ２０をウエハ４と完全な光
学的共役関係にすることが出来ないため、図３に示した
干渉縞の位相の揺らぎφ（ｘ）とウエハ４の表面形状ｚ
（ｙ）との対応が幾分ぼけて、表面形状検出の横方向解
像度が３ｍｍ程度であるのに対して、図２に示した実施
例では、ＣＣＤ２０がウェハ４と光学的に共役であるた
め、表面形状検出の横方向解像度が向上する。

【００３２】まず、図３は干渉縞を用いる方式の原理を
示した図である。図３では基準面４１’に対してウエハ
（被露光基板）４の表面４１が被露光基板上の座標ｙに
対してｚ（ｙ）だけ凹凸を持っている場合を示してい
る。可干渉性のレーザ光を２分し、一方をウエハ（被露
光基板）４の表面４１に照射する検出照明光１５１と
し、他方を参照光１６０とする。

【００３３】図３（ａ）は２回反射する場合を示し、検
出照明光１５１は被露光基板（被検物）４の表面４１で
反射し、反射光１５２は折り返しミラー１４でほぼ元の
光路に折り返される。折り返された光１５３は再び被露
光基板（被検物）４の表面４１の表面で反射され、反射
光１５０は面ｘ上で参照光１６０と重なり干渉縞を発生
する。

【００３４】図３（ｂ）は１回反射する場合を示し、検
出照明光１５１は被露光基板（被検物）４の表面４１で
反射し、反射光１５０は面ｘ上で参照光１６０と重なり
干渉縞を発生する。

【００３５】面ｘの干渉縞の強度ｓ（ｘ）は、図３
（ｃ）のグラフに示す様に変化する。図中の点線は被露
光基板（被検物）４の表面４１の形状が基準面４１’と
一致した時の干渉縞であり、光学系の波面収差や照明
光、参照光の強度分布むらが小さいときには、ほぼ正弦
波となる。面ｘと面ｙが共役になるように光学系を構成
すれば、干渉縞の各場所（ｘ）と被露光基板４の各場所
（ｙ）は対応する。従って、この２つの干渉縞の位相差
φ(ｘ)はＣＣＤ上の干渉縞の場所ｘに対応する被露光基
板（被検物）の場所ｙにおける被露光基板（被検物）表
面の高さｚ(ｙ)を表している。φ(ｘ)とｚ(ｙ)の関係は
図中の式に示すとおりである。λはレーザの波長、ｍは
被露光基板での反射の回数であり、図３（ａ）の光学系
ではｍ＝２、（ｂ）の光学系ではｍ＝１である。

【００３６】干渉縞のピッチは被露光基板（被検物）の
傾きを表しており、その関係は図中の式に示したとおり
である。このように基準水平面を検出したときの干渉縞
を基準とした被露光基板（被検物）４を計測したときの
干渉縞の位相を干渉縞の各場所で求めれば、その場所に
おける表面の高さが求められる。

【００３７】別の手段として、ウェハ（被露光基板）４
上に斜め方向から正弦波状に強度の変化する縞パターン
を投影してこれを別の方向から観察して、その強度パタ
ーンの変化の正弦波からの揺らぎを検出しても、対応す
る被露光基板４上の高さが求められるので、これによっ
て被露光基板４のプロファイルを求めることもできる。

【００３８】また別の手段として、ウエハ（被露光基
板）４上に多数の光スポットを投影し、その反射位置の
変化を検出することによって、各光スポット照射位置の
高さを検出してウエハ４のプロファイルを求めることに
よる焦点合わせを行なうことができる。

【００３９】以後、図４或いは図５と図６を用いて、表
面形状算出の実施例を示す。図６は、表面形状算出・高
さ傾き制御機構５の実施例を説明する図であり、これ
は、表面形状検出光学系３として、後述する縞パターン
投影やマルチスポット投影を使用した場合も図６と同じ
構成で実施例を構成できるが、５０１の表面形状検出機
構については、特に図１或いは図２に示した実施例の様
な干渉縞を利用した表面形状検出光学系３を使用した場
合を想定した構成として、３個の部分に分けて描かれて
いる。その場合、表面形状検出機構５０１はφ（ｘ）算
出機構５０２と波面収差補正機構５０３と波面収差情報
５０４からなっている。

【００４０】図４はφ（ｘ）算出機構５０２のアルゴリ
ズムの１例を示す図である。表面形状検出光学系３を構
成するＣＣＤ２０の絵素でサンプリングされた干渉縞波
形情報ｓ（ｘ）（図４（ａ）に示す）は、φ（ｘ）算出
機構５０２内のＦＦＴ処理回路で高速フーリェ変換され
る。得られるフーリェースペクトルＳ（ｆ）は図４
（ｂ）に示すように３つの山をもっており、周波数原点
付近のスペクトルの山が干渉縞波形のＤＣ成分ｂ（ｘ）
に対応し、干渉縞周期に対応するｆ₀，−ｆ₀の位置のス
ペクトルの山が干渉縞の位相の揺らぎφ（ｘ）と振幅ａ
（ｘ）に対応する。

【００４１】このうち、ｆ₀に対応するスペクトルを取
り出して−ｆ₁だけ移動させ周波数原点に移動させ、図
４（ｃ）のような状態にする（Ｐ（ｆ））。このときｆ
₁はｆ₀に近い整数である。このＰ（ｆ）に逆ＦＦＴをか
けた結果、ｐ（ｘ）は図４の式に示すように、その絶対
値が干渉縞の振幅ａ（ｘ）（図４（ｄ））、位相が干渉
縞の位相の揺らぎφ（ｘ）を表す（図４（ｅ））。但
し、この位相は−π〜πの範囲で折り返されており±２
ｎπの不確定性があるうえ、ｆ₀−ｆ₁に対応するだけ傾
きオフセットを持っている。

【００４２】そこでまず、この位相をｘに沿って追跡し
て位相を接続する。さらに、ｆ₀は図３で示したように
検出光とＣＣＤ２０との交差角θ₁および参照光とＣＣ
Ｄ２０との交差角θ₀によって予め決まっている値なの
で、この値によって傾きオフセットを補正し位相の揺ら
ぎφ（ｘ）を得る（図４（ｆ）に示す。）。

【００４３】これは、図３に示したように、

【００４４】

【数１】

【００４５】によって、ウエハ断面プロファイルデータ
ｚ（ｙ）に変換できる。ここで、ＣＣＤ上の座標ｘとウ
エハ４上の座標ｙは対応している。但し、光学系の波面
収差によって干渉縞の位相が揺らぐので、これを補正す
るために、次のような処理を行う。

【００４６】あらかじめ光学的に平面度の保証された試
料を検出し、このときのφ（ｘ）のデータを波面収差補
正機構５０３によって波面収差情報５０４に記憶してお
く。実露光時にφ（ｘ）算出機構５０２においてウエハ
断面プロファイルを計算するときに、計算波面収差補正
機構５０３が波面収差情報５０４中の補正データをφ
（ｘ）算出機構５０２に供給し、ウエハ断面プロファイ
ル計算前のφ（ｘ）から光学系の波面収差による影響を
引き去る処理を行う。

【００４７】この波面収差補正処理を前提とすれば、図
３の（ｅ）から（ｆ）にいたる所で行った傾き補正処理
は不要になる。なぜならば、ｆ₀とｆ₁の値は常に一定で
あるため、傾き補正量は波面収差測定時と実ウエハ測定
時で同一であり、波面収差補正処理によって傾き補正量
も同時にキャンセルできるためである。

【００４８】図５は、φ（ｘ）算出機構５０２の別のア
ルゴリズムの例である。干渉波形データｓ（ｘ）を１周
期分取り出して、この１周期分の干渉縞に対応する位相
φを正弦波との最小二乗マッチングによって求める。最
小二乗マッチングによるφの値の決定の方法として、φ
の値を少しずつ動かして、誤差の二乗和が最小となるφ
の値を探しても良いが、図５に示した以下の方法のほう
が計算効率が高い。

【００４９】図５に示すように、正弦波をａ₀＋ａ₁ sin
ω₀ｘ＋ａ₂ cosω₀ｘと３つのパラメータで表すことに
よって、多変量解析に用いられる手法により、誤差の二
乗和を最小にするａ₀、ａ₁、ａ₂を決定できる。図中の
行列演算がａ₀、ａ₁、ａ₂を算出する式である。位相φ
の値はsinとcosと足し合わせるときの比であるａ₁／ａ₂
のarctanによって決定できる。

【００５０】上記のようにφを決定することを各周期に
対して繰り返すことによって干渉縞全体にわたるφ
（ｘ）を決定する。干渉縞の各周期に対して前述のよう
に決定した位相φ（ｘ）に対して、前記（数１）式にも
とづいて係数をかけることによってウエハ断面プロファ
イルｚ（ｙ）を算出できる。この場合にも波面収差情報
５０４と、波面収差補正機構５０３による補正処理を行
う。

【００５１】図６の構成図の、表面面形状算出・高さ傾
き制御機構５のうち、表面形状算出機構５０１におい
て、表面形状を算出した後の処理を行うための構成の１
実施例を説明する。

【００５２】領域選択機構５１０は、表面形状データｚ
（ｙ）を表面形状算出機構５０１から受け取って、高さ
・傾きの検出に使用する表面形状データの領域を決定
し、決定した領域と表面形状データを、回帰平面計算機
構５２０、或いは平均傾き計算機構５２１のいずれか一
方に渡す。

【００５３】回帰平面計算機構５２０は、選択された表
面形状データｚ（ｙ）を使用して、回帰平面（表面形状
が１次元の場合には回帰直線と呼ばれる）の傾き及び高
さを求める。平均傾き計算機構５２１は、選択された表
面形状データｚ（ｙ）の左端と右端の数点の高さ検出値
を平均した高さを結ぶ直線の、高さ及び傾きを計算す
る。高さ・傾き制御機構５２２では、回帰平面計算機構
５２０或いは平均傾き計算機構５２１のいずれかで算出
された高さ及び傾きが、縮小投影レンズ８の焦点面に一
致するように、ステージ機構７を制御する。

【００５４】以上説明した構成によって、表面形状を検
出し、その情報を取捨選択することによって、高精度・
高機能な焦点合わせ制御を実現することが可能になる。
ただし、領域選択機構５１０における、高さ・傾きの検
出に使用する表面形状データの領域の決定、すなわち、
縮小投影レンズ８の焦点面に合わせようとするウエハ４
上の領域の決定の方法については、後で詳述する。

【００５５】平均傾き計算機構５２１の動作の様子を示
したのが、図１６である。５２１は選択された表面形状
データｚ（ｙ）の両端の高さ検出値を結ぶ直線の、高さ
及び傾きを計算する。あるいは５２１は、選択された領
域の表面形状データｚ（ｙ）の左端と右端の数点の高さ
検出値をそれぞれ平均した高さを計算し、その両端の平
均高さを結ぶ直線の高さ及び傾きを計算する。図は両端
の２点ずつの平均高さデータを使用して、それを結ぶ直
線の高さ及び傾きを計算する例である。

【００５６】回帰平面計算機構５２０の、動作の様子を
示したのが図１７である。選択された領域の表面形状デ
ータｚ（ｙ）に対して、偏差の二乗和が最小となるよう
な平面（表面形状が１次元の場合には直線）を求め、こ
の回帰平面（回帰直線）の傾き及び高さを求めている。

【００５７】回帰平面計算機構５２０の動作の、別の実
施例を示したのが図１８である。選択された領域の表面
形状データｚ（ｙ）に対して、対応するデータ点を全て
含むような平行な２直線で挟まれた帯状の領域のうち、
最も間隔の狭いものを求め、この帯状の領域の中心線の
高さ・傾きを求めている。これは、以下のようにして行
う。

【００５８】各表面形状データを（ｙ_i，ｚ_i）とし、帯
状の領域を切辺ｚ₀、傾きｍ、幅２ｃを用いて表わす
と、各データ点（ｙ_i，ｚ_i）が帯状の領域に含まれると
いう条件は、図中の式のような不等式として表わされ
る。これらの条件に加えて、ｃが正の値であるという条
件を満たすという条件のもとで、ｃが最小となるｚ₀、
ｍ、ｃを求めればよい。これは、線形計画法（ＬＰ）の
手法で解くことができるので、これによって傾き及び高
さを求めることができる。この方法は切辺ｚ₀、傾き
ｍ、幅２ｃを用いて表わされる帯状の領域を、縮小投影
レンズ８の焦点面の中心に合わせられるので、縮小投影
レンズ８の焦点深度の範囲内にウエハ４の表面が存在す
る様にテーブルを制御する、という本発明の目的にも良
く合致している。

【００５９】以後、領域選択機構５１０における、高さ
・傾きの検出に使用する表面形状データｚ（ｙ）の領域
の選択の方法について説明する。なお、領域選択機構５
１０において領域の選択をせずに、表面形状データｚ
（ｙ）全体を使用して、回帰平面計算機構５２０或いは
平均傾き計算機構５２１においてウエハ４の高さ・傾き
を求め、これに基づいてステージ機構７でウエハ４の高
さ、傾きを制御しても良いことはいうまでもない。

【００６０】まず、操作者が表示・入力手段５１１を介
して領域選択機構５１０に対し、領域の選択を指示する
場合の表示・入力手段５１１の表示例を図７に示す。

【００６１】計測された表面形状データｚ（ｙ）を、こ
のように図形表示し、操作者がこの断面形状をみて、ど
の領域にフォーカスを合わせたいかを少なくとも１箇所
入力する。図は表面形状の高い部分を選択した例であ
る。この領域の形状データから回帰平面計算機構５２０
よって傾き・高さを計算するか、平均傾き計算機構５２
１傾き・高さを計算するかを選択することができ、さら
に、この高さにたいしてオフセットを持たせたい場合
に、その量を指定することもできる。

【００６２】図７では、表面形状の高い部分にフォーカ
スを合わせたいが、表面形状の低い部分にもある程度フ
ォーカスを合わせたいために、マイナスのオフセットを
入力して、少し低めにフォーカスを合わせる指定を行っ
た例である。選択された表面形状データｚ（ｙ）の領域
に基づいて、回帰平面計算機構５２０或いは平均傾き計
算機構５２１がウエハ４の表面の指定された領域の高さ
・傾きを計算し、その部分にフォーカスを合わせるよう
に制御することが可能となる。

【００６３】傾き分布計算機構５１４によって領域を選
択する場合の例を図８に示す。この様に、表面形状デー
タｚ（ｙ）を微分して表面形状の傾きｚ'(ｙ）を計算
し、その分布を求めて分布頻度の最も高い傾き区間（図
８の斜線部）を検出する。表面形状の傾きｚ'(ｙ）がそ
の傾き区間に含まれるデータに対応するウエハ４上の位
置ｙの集合が、表面形状の平坦領域の集合である。傾き
分布計算機構５１４によって検出された表面形状の平坦
領域の情報によって、領域選択機構５１０が表面形状デ
ータｚ（ｙ）の領域を選択する。

【００６４】選択された表面形状データｚ（ｙ）に基づ
いて、回帰平面計算機構５２０或いは平均傾き計算機構
５２１がウエハ４の高さ・傾きを計算し、その部分にフ
ォーカスを合わせるように制御することが可能となる。
これによって、表面形状の平坦部に着目してこの平坦部
が縮小投影レンズ８の焦点面と平行になるような傾き・
高さ制御や、検出値が不安定にばらつきやすい段差部の
表面形状検出値の影響を受けない傾き・高さ制御を実現
できる。

【００６５】また、傾き分布計算機構５１４によって表
面形状の平坦部を検出する別の実施例として、図１９に
示すように、画像処理の分野でよく知られたＨｏｕｇｈ
変換を使用する方法もある。表面形状データ上の各点
（ｙ_i，ｚ_i）について、これを通る直線の取りうる高さ
と傾きの関係を（高さ−傾き）空間にプロットすると図
１９のような曲線となる。各データ点（ｙ_i，ｚ_i）に対
して１本づつ曲線が対応するが、これらの曲線の交点が
多く集まった点が平坦面の高さ傾きを表すこととなる。
これによって高さ・傾きを直接検出してもよいし、この
（高さ−傾き）空間上の交点に対応する表面形状データ
（ｙ_i，ｚ_i）が属する領域を領域選択機構５１０によっ
て決定して、回帰平面計算機構５２０或いは平均傾き計
算機構５２１によってウエハ４の高さ・傾きを計算して
もよい。

【００６６】傾き分布計算機構５１４によって平坦面が
複数検出されたときは、回帰平面計算機構５２０或いは
平均傾き計算機構５２１において、それぞれの平坦面の
高さ・傾きを計算した後、それらの値の単純平均値、或
いは、それぞれの平坦面の長さに応じた加重平均値を求
める。また、高さについては各平坦部に対して求められ
た高さうちの最大値と最小値の平均値としてもよい。こ
れによって最も高い平坦面と、最も低い平坦面のちょう
ど中間に縮小投影レンズ８の焦点面を合わせて投影露光
することが可能となる。

【００６７】検出値ばらつき監視機構５１２によって領
域を選択する場合の例を図９、１０によって示す。

【００６８】図９は、干渉縞によって表面形状を検出す
る場合に、検出誤差の生じる条件を示した図である。特
願平１−２４９１２３にも示されているように、反射率
の高い、例えばＡｌの平坦なパターンに、フォトレジス
トが或る特定の厚さで一様に塗布されていると、フォト
レジスト内の多重干渉により、図９の（Ｂ）に示すよう
に、フォトレジスト表面での反射光Ｒの位相Ψが変化す
る。図９（Ａ）及び（Ｂ）の横軸は、位相φ_dであり、
この位相φ_dはフォトレジストの厚さｄと次式（数２）
の関係がある。

【００６９】

【数２】

【００７０】ここで、ｎはフォトレジストの屈折率、θ
は検出レーザ光の入射角、λはレーザ光の波長である。

【００７１】図９（Ｂ）のグラフには、１８０°以上の
変化が図示されていないが、１８０°の点（位相Ψ＝
０）を中心に、回転対称の形状をしている。この位相の
変化を高さに換算すると、図９（Ａ）に示すように高さ
検出誤差ΔZeになる。

【００７２】半導体デバイス４の表面には、通常回路パ
ターンの凹凸が有り、この凹凸パターン表面で散乱し、
位相を乱すため、図９のグラフに示すような平坦パター
ンで発生する多重干渉による高さ検出誤差を生じない。

【００７３】しかし、パターンが粗な周辺回路部やスク
ライブエリアであると、かなり平坦に近いため、下地が
Ａｌでフォトレジストの膜厚が特定の値に成ったとき、
その部分での位相値が正しい表面の高さを表さなくな
る。この検出誤差はフォトレジストの膜厚のわずかな変
動によって変動するため、ウエハ４上の複数の露光単位
間では、同じ表面形状を持っているにもかかわらず、高
さ検出値が変動する。

【００７４】そこで、図１０に示すように、高さ検出値
のばらつきを複数の露光単位間でモニタし、ばらつきの
大きい露光単位は表面形状データに誤差がのっていると
して、この露光単位を検出値ばらつき監視機構５１２に
よって除外して、高さ／傾きを計算する。

【００７５】詳細には、以下のようにする。検出値ばら
つき監視機構５１２は、表面形状検出データ（ｙ_i，
ｚ_i）を、適当なサンプル点数の間隔ｐで常時モニタし
ておく。つまり、ｉ＝ｍｐ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）に対
応するデータｚ_i をモニタする。モニタ箇所の点数はＭ
点となるが、このモニタ対象のデータを新たにＨｍ（ｍ
＝１，２，…，Ｍ）とする。このとき露光毎に得られる
Ｍ個の高さ検出値デ−タを総て記憶、保存しておく必要
はない。

【００７６】即ち、検出値ばらつき統計データ５１３に
は、過去モニタを行った回数Ｌと、上記Ｍ個のデ−タの
それぞれの平均値Ｈ_Lmと分散値σ_Lm、及び最大値Ｈ_maxm
と最小値Ｈ_minm等が保存されている（ｍ＝１〜Ｍ）。新
たにＬ＋１回目の露光で得られたｍ番地のデ−タＨ
_mと、上記の過去の統計的デ−タとが検出値ばらつき監
視機構５１２によって比較・判定される。下記の（数
３）式の条件を満たさないデータが連続してｊ個以上出
て来れば、この領域のデ−タを領域選択機構５１０にお
いて除外する。

【００７７】

【数３】

【００７８】但しαは３前後の値である。

【００７９】この条件を満たしているときには新たな統
計デ−タＨ_(L+1)m、σ_(L+1)mを、下記の（数４）（数
５）式から求め、記憶、保存しておく。

【００８０】

【数４】

【００８１】

【数５】

【００８２】上記（数３）式の条件を満たさないデ−タ
に対し、上記最大値Ｈ_maxmと比較し、そのデータが上記
最大値Ｈ_maxmよりも大きければ、その値を新たにＨ_maxm
の値とする。同様に、最小値Ｈ_minmとの比較をし、デー
タの方が小さければ、新たにその値をＨ_minmとする。こ
のようにして、全ロットの露光を終了したならば、Ｈ
_maxmとＨ_minmの値を検出値ばらつき統計データ５１３に
保存する。

【００８３】このように、σ_Lm、Ｈ_maxmとＨ_minmのデ−
タを蓄積していけば、この工程のウエハ４の高さ検出値
のばらつきや、平均値から大きく外れる部分がしだいに
明きらかになってくる。例えば２〜３ロット分露光すれ
ば、ほぼ高さ検出誤差を発生する部分は明確に成る。こ
のような状態に成ればもはや、上記の判定を常時行なう
必要は無くなり、例えばフォトレジストの塗布の条件
や、その他成膜の条件が変わるような時に、上記条件に
よる監視を行ないチェックすれば良い。

【００８４】しかし、通常ほとんどの場合、このような
プロセス条件の変更により、検出誤差が大きくなる場所
が変わることは、あり得りえない。それは、上記したよ
うに、誤差が発生する場所は、下地の反射率が大きく、
平坦な部分にほぼ限定されるが、このような場所は、工
程が決まれば、成膜や塗布のプロセスに関係無く決まる
からである。この実施例で示した方法によると、露光の
工程を進めるうちに、段々露光フォ−カスの精度は向上
して来るため、露光パタ−ンの解像度が向上し、線幅の
バツキが小さくなってくる。この結果露光工程の歩留ま
りは大幅に向上してくる。

【００８５】なお、露光対象の設計データ５１５が得ら
れている場合、上記の表示・入力手段５１１、傾き分布
計算機構５１４、検出値ばらつき監視機構５１２の処理
結果を用いた領域選択の代わりに、この露光対象の設計
データ５１５を用いて、領域選択機構５１０によって自
動的な判断を行い、高さ／傾き算出に用いる領域を選択
することも可能である。すなわち、露光対象の設計デー
タ５１５によって、露光パターンが細いためにとくに焦
点を合わせるべき領域や、表面形状の平坦な領域を選択
したり、下地パターンが平坦で反射率が高く、検出誤差
を生じやすい領域を除外したりといった動作を領域選択
機構５１０によって行い、高さ・傾き検出に使用する表
面形状データｚ（ｙ）の領域を選択することが可能であ
る。

【００８６】上記のように選択された表面形状データの
領域に基づいて、回帰平面計算機構５２０或いは平均傾
き計算機構５２１がウエハ４の高さ・傾きを計算し、そ
の部分にフォーカスを合わせるようにステージ７を制御
することが可能となる。

【００８７】露光パターンが細い領域を選択する場合
は、現在転写しようとしているパターンの形状データを
設計データ５１５から得て、領域選択機構５１０によっ
てこのデータを処理することによって、細い線幅のパタ
ーンが集まっている領域を抽出すればよい。これによっ
て、フォーカスマージンが狭くなる微細パターンを焼き
付ける領域に着目してステージ７の焦点合わせ制御を行
うことが可能となる。

【００８８】また、表面形状の平坦な領域を選択する場
合は、例えばメモリＬＳＩの場合はメモリセル領域のよ
うな均質性の高い回路部分は表面が平坦なので、設計デ
ータ５１５から回路のレイアウトデータを得て、回路の
均質性の高い領域の位置データを検索すればよい。設計
データ５１５のパターンの形状データとプロセス条件デ
ータとから、露光しようとしているプロセスの前までの
回路の立体構造データを構築して、領域選択機構５１０
によってこのデータを処理することによって、回路の立
体構造データの表面の平坦な領域を抽出すればよい。こ
れによって、表面形状検出値ｚ（ｙ）のばらつきの少な
い平坦部のデータを使用して、高精度にステージ７の焦
点合わせ制御を行うことが可能となる。

【００８９】また、下地パターンが平坦で反射率が高
く、検出誤差を生じやすい領域を除外する場合は、設計
データ５１５のパターンの形状データとプロセス条件デ
ータとから、露光しようとしているプロセスの前までの
回路の立体構造データを構築して、領域選択機構５１０
によってこのデータを処理することによって、回路の立
体構造データの表面が平坦でかつ最上面にＡｌ等の高反
射率をもった面が形成されている領域を抽出すればよ
い。これによって、図９を用いて先述したように、下地
パターンが平坦で反射率が高いために検出誤差を生じや
すい領域の表面形状データｚ（ｙ）を除外して、高精度
にステージ７の焦点合わせ制御を行うことが可能とな
る。

【００９０】次に、図１１を用いて露光データ５１６を
用いて領域を選択する場合の実施例を説明する。全ての
レチクル９１が投影露光装置の露光単位全域を必要とす
る訳ではなく、装置の露光可能単位よりも実際の露光単
位の方が小さいことが多い。この場合、露光可能単位全
域の表面形状データｚ（ｙ）を用いてフォーカス制御を
行うよりも、実際の露光単位に相当する表面形状データ
のみを用いてフォーカス制御を行った方がよい。実際に
パターンが焼き付けられる単位のウエハ４の表面を、縮
小投影レンズ８の焦点深度内に合わせることができるか
らである。

【００９１】露光データ５１６には、回路パターンが切
られていないレチクル９１上の領域を遮光して余分なと
ころを露光しないために、遮光用のブレード９２を駆動
するための露光領域データが含まれている。領域選択機
構５１０は、このデータによって、表面形状データｚ
（ｙ）の領域を選択する。この様子を示しているのが図
１１の（ａ）である。この様に選択されたデータをもち
いて、回帰平面計算機構５２０或いは平均傾き計算機構
５２１がウエハ４の高さ・傾きを計算することによっ
て、ウエハ４上の実際に露光する単位の表面に縮小投影
レンズ８のフォーカスを合わせるようにステージ７を制
御することが可能となる。

【００９２】１個のレチクル９１を分割して複数のＬＳ
Ｉチップの回路パターンを形成しておき、１度の露光で
複数のチップを焼き付けることがある。この場合に、ウ
エハ４の周辺部を露光する場合に、１部分のチップがウ
エハ４の周辺部からはみ出すために、はみ出したチップ
を捨ててウエハ４内に入るチップのみを製品として得た
い場合が生じる。この場合、製品として使用しないチッ
プの領域の表面形状データを除いてフォーカス制御を行
うために次のようにすれば良い。露光データ５１６に、
ブレード９２の位置データおよびウエハ４上での露光位
置とウエハ４の周辺部余裕幅データとレチクル９１上の
チップ配列データを登録しておき、領域選択機構５１０
はこれらのデータから製品として使用可能となるチップ
を判断し、使用する表面形状データの領域を選択する。

【００９３】これを示しているのが図１１の（ｂ）であ
る。これによって、選択された表面形状データの領域に
基づいて、回帰平面計算機構５２０或いは平均傾き計算
機構５２１がウエハ４の高さ・傾きを計算し、実際に製
品として得るチップに対応するウエハ４上の単位に縮小
投影レンズ８のフォーカスを合わせるように制御するこ
とが可能となる。

【００９４】次に、図１２を用いて、設計データ５１５
が得られない場合に、自動的にレチクル９０３（９１）
のパターン密度が細かい領域を判断して、その部分にフ
ォーカスを合わせるように制御する実施例を示す。

【００９５】投影露光装置にはレチクル検査装置５９０
がオプションとして付加できるものがあるが、これはレ
チクル９０３（９１）を露光装置に装着する前に、異物
がレチクル９０３（９１）に付着していないかを、レチ
クル異物検査機構５９２によって検査するものである。
本実施例では、このレチクル検査装置５９０にレチクル
パターン密度測定機構５９１を付加し、レチクル異物検
査と同時にフォーカスを合わせるべきパターン密度が細
かい領域を測定し、領域選択機構５１０に知らせる。

【００９６】この、レチクルパターン密度測定機構５９
１の構成図が図１２である。光源９０１から出た光はコ
リメータレンズ９０２によって平行光に変えられ、レチ
クル９０３を透過する。透過した光はフーリエ変換レン
ズ９０４を通ってフーリエ変換面に到達する。このフー
リエ変換面には中心部に光を通さない領域を設けたフィ
ルタ９０５が置かれ、２番目のフーリエ変換レンズ９０
５によって逆フーリエ変換されＣＣＤ９０７上に像を結
ぶ。この像はレチクル９０３のパターンに対してハイパ
スフィルタをかけたものになっている。即ちパターンの
粗い領域に相当する箇所は暗く、パターンの細かい領域
に相当する箇所は明るくなっている。この明暗をＣＣＤ
９０７によって検出し、処理回路９０８によってレチク
ルのパターンの細かさを測定することができる。

【００９７】これによって設計データ５１５が得られな
い場合にも、レチクルパターン密度測定機構５９１が自
動的にレチクルのパターン密度の細かい領域を判断し
て、領域選択機構５１０が使用する表面形状データの領
域を選択し、それに基づいて、回帰平面計算機構５２０
或いは平均傾き計算機構５２１がウェハの高さ・傾きを
計算し、その部分にフォーカスを合わせるように制御す
ることが可能となる。

【００９８】別の実施例として、２次元の面状の領域に
対する表面形状を得る方法を述べる。図１または図２に
おいてレーザ光１５０，１５１，１５２，１５３，１６
０の横方向の幅を広くして被露光基板（被検物）４にレ
ーザ光が照射される部分を直線状ではなく平面状にし、
ＣＣＤ２０を２次元検出型のＣＣＤとし、これで干渉縞
を検出すれば、この出力を表面形状算出機構５０１によ
って処理することにより、２次元の面状の領域に対する
表面形状を得ることができる。この表面形状算出機構５
０１における処理手順の１実施例を図１３に示す。

【００９９】干渉縞波形（図１３（ａ））を２次元ＦＦ
Ｔすることによって２次元スペクトル（図１３（ｂ））
を得る。このスペクトルの干渉縞の基本周波数とその方
向に対応するスペクトルをとり出して周波数原点近くに
移動し（図１３（ｃ））、逆ＦＦＴを施し、その位相を
計算し位相が連続するように接続し、さらに、スペクト
ルの移動時に整数刻みの周波数でしか移動が行えないこ
とに起因する傾きを補正する（図１３（ｄ））。

【０１００】以上の処理をφ（ｘ）算出機構５０２で行
うが、光学系の波面収差によって干渉縞の位相が揺らぐ
ので、これを補正するため光学的に平面度の保証された
試料を検出したときのφ（ｘ）のデータを波面収差情報
５０４として記憶しておき、波面収差補正機構５０３に
よって波面収差情報５０４をウェハの表面形状を検出す
るときに、ウェハ断面プロファイル計算前のφ（ｘ）か
ら光学系の波面収差による影響を引き去る処理を行う。
また、２次元の表面形状を得るための手段として、一般
に干渉縞の解析手法として利用されている画像処理的手
法によっても、平面中の各点の位相を求めていくことが
可能である。

【０１０１】以降、表面形状を干渉縞以外の手段を用い
て検出する実施例を示す。

【０１０２】第１の例として、図１４を用いて縞パター
ンをウエハ４上に投影することによる表面形状検出手法
を示す。光源７０１を出射した光は正弦波状に透過率の
変化する縞パターンマスク７０２を透過し、この像が投
影レンズ７０３によってウエハ４上に斜め上から投影さ
れる。これを投影した光がウェハ４によって反射して行
く方向から検出レンズ７０５によってＣＣＤ２０上に結
像し検出する。入射角と反射角をθとし、ウエハ４に投
影された縞パターンのピッチをｐとすると、縞パターン
の明暗変化の位相はウエハ４の表面の凹凸ｚ（ｙ）に
よって、下記（数６）式に示す量だけ揺らぐ。

【０１０３】

【数６】

【０１０４】この検出縞パターンを、干渉縞によって表
面形状を検出する場合と全く同様に表面形状算出・高さ
傾き制御機構５によって処理すれば、ウェハ４の表面形
状を検出し、この情報に基づいたフォーカス制御が可能
となる。

【０１０５】第２の例として、図１５を用いて、マトリ
ックス状にスポット光またはスリット光を投影すること
による表面形状検出方法を示す。

【０１０６】（ａ）において光源８０１を出射した光は
スリットまたはピンホール８０２を透過し、この像が投
影レンズ８０３によってウェハ４上に斜め上から投影さ
れる。これを投影した光がウェハ４によって反射して行
く方向に検出レンズ８０５を配置し、ＣＣＤ／ＰＳＤ８
０６上に結像し検出する。ＣＣＤ／ＰＳＤ８０６はＣＣ
Ｄあるいは光の入射位置に比例した信号を出力する素子
であるＰＳＤからなるがＣＣＤ／ＰＳＤは一次元検出型
のもので十分である。入射角と反射角をθとし、検出レ
ンズ８０５による結像倍率をｍとすると、ＣＣＤ／ＰＳ
Ｄ８０６上でのスポット／スリット像の位置は、対応す
るスポット照射位置のウェハ表面の凹凸Δｚによって、
下記（数７）式に示す量だけ移動する。

【０１０７】

【数７】

【０１０８】この変化をＣＣＤ／ＰＳＤ８０６によって
検出すれば、ウェハ上の対応する位置の高さが検出でき
るので、この図１５（ａ）に示すユニットを、ウェハ４
上のマトリックス状の位置の高さを検出できるように配
置すれば、ウェハ４の表面形状が検出できる。

【０１０９】図１５（ｂ）に示すように、スリット／ピ
ンホール８０２の代わりにスリット配列／ピンホール配
列８１２をおいて、１組の光学系で複数のウェハ４上の
位置の高さを計測することにより、表面プロファイルを
得ることが可能になる。

【０１１０】スリット配列／ピンホール配列８１２を直
線状に並べれば、ウェハ４上の１次元状の位置に対応す
る表面プロファイル、格子状に並べればウェハ４上の２
次元状の位置に対応する表面プロファイルがそれぞれ得
られる。ただし、スポット／スリット像のＣＣＤ上での
位置の変化は、（数５）で示されるように、ｍを大きく
しないと変化が小さく検出できないため、この場合ＣＣ
Ｄの視野を非常に大きくする必要があるが、これは困難
である。

【０１１１】そこで、１個のＣＣＤの代わりにスポット
／スリット結像箇所に対応して複数のＣＣＤを一つの面
上に形成したもの、あるいは、光の入射位置に比例した
信号を出力するＰＳＤを複数個、スポット／スリット結
像箇所に対応して一つの面上に形成したもの（ＣＣＤ／
ＰＳＤアレイ８１６）を図１５（ａ）のＣＣＤの代わり
に置く。

【０１１２】図１５（ｃ）が、マトリックス状にスポッ
ト光またはスリット光を投影することによる表面形状検
出方法の、スポット／スリット配列の例である。（１）
および（２）が十字状にスポット／スリット列を投影し
て、２組のウェハ上の１次元状の位置に対応する表面形
状を測定する例である。（３）および（４）が格子状に
スポット／スリット列を投影して、ウェハ４上の２次元
状の位置に対応する表面形状を測定する例である。
（１）および（３）のように少なくとも９点のスポット
／スリットを投影すれば表面プロファイルが得られる
が、投影するスポット／スリットの点数が多いほど、詳
細な表面プロファイルを検出できる。

【０１１３】スポット／スリット配列投影による方法
は、表面形状算出・高さ傾き制御機構５の構成のうち、
表面形状算出機構５０１において、前記（数７）式に基
づいて各点の高さを算出する点が干渉縞によって表面形
状を検出する場合とは異なるが、表面形状算出後の処理
は、干渉縞によって表面形状を検出する場合と全く同様
な処理で、ウェハ表面形状情報に基づいたフォーカス制
御が可能となる。

【０１１４】スポット光／スリット光の投影によって表
面形状を検出する場合には、ウェハ４上の下地パターン
の形状がちょうど変化する位置に当たったスポット光／
スリット光による検出高さは、スポット／スリット内の
明るさが一様で無くなるため、検出誤差を発生するが、
検出値バラツキ監視機構５７２によって検出値のばらつ
きを監視し、領域選択機構５１０がこの点の測定データ
を排除することにより正確なフォーカスフォーカス制御
を行える。

【０１１５】また、表示・入力手段５１１、傾き分布計
算機構５１４、設計データ５１５、露光データ５１６、
レチクルパターン密度測定機構５９１の情報を領域選択
機構５１０が使用することによって、高さ傾きの計算に
使用する表面形状データの領域を選択し、各プロセスに
対して最適なフォーカス制御が行えることは、干渉縞に
よって表面形状を検出する場合と全く同様である。

【０１１６】次に、本発明の別の実施例を図２０によっ
て示す。

【０１１７】これは、図６の構成に、局所的凹凸監視機
構５６０とオフセット補正機構５７０、オフセットデー
タ５７１、像面検出機構６００が付加されたものであ
る。このうち、局所的凹凸監視機構５６０について先ず
説明する。

【０１１８】露光を行うときに、ウェハ４に局所的な凹
凸が存在するために、その部分が縮小投影レンズ８の焦
点深度からはずれ、解像不良を生じることがある。ウェ
ハの局所的凹凸の原因には、大別して、次の２つの場合
に分けられる。１つめはウェハの裏面に異物が存在した
り、ウェハチャックに傷があるために、この影響がウェ
ハの表面に及んで、ウェハ表面に局所的凹凸が発生する
場合である。２つめはウェハ自身が場所による厚みの変
動（ＬＴＶ：local thickness variation)を持っている
場合である。

【０１１９】局所的凹凸監視機構５６０によって、この
状態を検出し警告を発する。そのためには、図１８によ
って示した方法によって、表面形状データｚ（ｙ）をす
べて含むような帯状の領域を求め、その幅２ｃが、露光
レンズ８の焦点深度を外れた場合に、警告を発すること
も可能であるが、別の実施例として、図２１によって示
すような方法も可能である。

【０１２０】即ち、個々のプロセスごとに、基準となる
表面形状６０２を定めておき、各露光ごとに検出した表
面形状データ６０１と、上記定めた基準表面形状データ
６０２の差を計算すると、この差データ６０３が、局所
的凹凸の様子を表すものであるので、この差データ６０
３によって、局所的凹凸の監視を行う方法である。ここ
で、基準表面形状６０２は図２０の設計データ５１５か
ら得ても良いし、各プロセスの最初に少なくとも１か所
以上の被露光領域の表面形状を検出し、その平均値をも
って基準表面形状６０２としても良い。

【０１２１】この差データ６０３から局所的凹凸の監視
を行う方法は、例えば次に示すようにする。この差デー
タ６０３は、検出表面形状が基準表面形状と一致する場
合には直線となる（但しこの直線の傾きと高さはウェハ
の傾きと高さを表すので、差データ６０３の直線の傾き
と高さは場合によって異なる）ので、この差データ６０
３が直線から外れている度合いを数値化できれば、この
数値が基準値を超えた場合に異常であるとすることがで
きる。

【０１２２】差データ６０３が直線から外れている度合
いは、例えば次のような方法で得ることができる。１つ
めは、図１８によって示したのと同様の方法によって、
差データ６０３を挟む帯状の領域を求め、この帯状の領
域の幅を、差データ６０３が直線から外れている度合と
する。２つめは、差データ６０３の回帰直線を求め、差
データ６０３と回帰直線の差の自乗和の平均（直線回帰
残差の分散）を差データ６０３が直線から外れている度
合とする。

【０１２３】このようにして、局所的凹凸監視機構５６
０によって異常が検出されたときには、表示・入力手段
５１１によって警告を発し、或いは、露光を中止する。
差データ６０３が直線から外れている度合いが基準値よ
り小さい場合には、正常な露光が可能であるとして、領
域選択機構５１０によって局所的凹凸の領域を除外して
から、回帰平面計算機構５２０または平均傾き計算機構
５２１によって被露光領域の高さと傾きを計算する。ま
たは、局所的凹凸の領域のデータも含めて、回帰平面計
算機構５２０または平均傾き計算機構５２１によって被
露光領域の高さと傾きを計算することによって、局所的
凹凸の分だけ傾き・高さを微調整して露光を行うことも
可能である。

【０１２４】更に、異常が複数のウェハにわたって同じ
露光位置で発生した場合は、局所的凹凸監視機構５６０
はこれがウェハチャック自身の傷か、あるいは、ウェハ
チャック上に固着した異物によるものとして表示・入力
手段５１１によって警告を発し、操作者に対策を促す。
これにより、大量の露光不良の発生、及び無駄作業時間
の発生を防止することができる。

【０１２５】次に図２０のうち、オフセット補正機構５
７０、オフセットデータ５７１、像面検出機構６００に
ついて説明する。

【０１２６】図２２のように、図１の構成にステージ機
構７の上に像面検出機構６００を付加する。この像面検
出機構６００は、図２の構成に対して付加しても同じこ
とである。

【０１２７】さて、この像面検出機構６００は、上面に
表面形状検出光学系３によって検出可能な平坦面６０１
を有し、投影露光レンズ８の解像限界に近い細い幅のス
リットパターンが縦横に切られている。図２３に、この
スリットパターンの例を示す。スリットパターンの下に
は、スリットを通過した光の強度を検出する光電変換手
段６０２が置かれている。マスク９１に、像面検出機構
６００上のスリットパターンに対応したパターンを切っ
ておくと、ステージ７をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動させなが
ら光電変換手段６０２の出力が最大となる位置を捜すこ
とにより、像のＸ，Ｙ，Ｚ方向の３次元的な位置を計測
できる。この状態で、表面形状検出光学系３によって像
面検出機構６００の上部平坦面６０１を検出すれば、表
面形状検出光学系３の高さの検出値の露光レンズ８の像
面高さに対するオフセット量が計測できる。これによっ
て、露光レンズ８の像面の高さ位置変動に対し、オフセ
ット補正機構５７０による補正をおこなうことが可能と
なる。

【０１２８】このオフセット補正量はオフセットデータ
５７１として記憶され、次の像面検出機構５７０による
オフセット量の検出までこの値が使用される。なおこの
時、平坦面６０１はウェハの上面と同一の平面上に存在
するように構成しておけば、ステージの傾きによる検出
誤差が小さくなり望ましい。

【０１２９】更に、マスク９１に像面検出機構６００用
のパターンを複数切っておき、この複数のパターンの像
の位置をステージ７をＸ，Ｙ方向に走査することによっ
て検出することにより、像面の高さのみならず傾きを検
出できる。これによって検出された露光レンズ８の像面
に像面検出機構６００の上部平坦面６０１を一致させた
状態で、表面形状検出光学系３によって像面検出機構６
００の上部平坦面６０１を検出すれば、表面形状検出光
学系３の高さ・傾きの検出値の、露光レンズ８の像面高
さ及び傾きに対するオフセット量が計測できる。

【０１３０】これによって、露光レンズ８の像面の高さ
・傾き変動にたいしてオフセット補正機構５７０によっ
て補正をおこなうことが可能となる。このオフセット補
正量はオフセットデータ５７１として記憶され、次の像
面検出機構５７０によるオフセット量の検出までこの値
が使用される。

【０１３１】また、上記実施例において像面検出機構６
００用のパターンをマトリックス状に多数形成しておけ
ば、これらの像を像面検出機構６００によって検出する
ことによって、一般に完全な平面ではなく湾曲している
投影レンズ８の像面の形状を測定することも可能とな
る。

【０１３２】また、別の構成として図２４に示すような
構成も可能である。ここで、像面検出機構６００は、少
なくとも３組以上のスリットパターンと光電変換手段６
０２の組合せからなり、複数の像面上の位置における像
面の高さを同時に検出できる。これにより、ステージ７
をＸ，Ｙ方向に走査せずに像面の高さ・傾きを検出でき
るため、ステージ７のピッチングや平坦面６０１の傾き
等による誤差の補正の必要がなくなり、像面の傾きをよ
り正確に捕らえることができる。このようにして露光レ
ンズ８の像面に像面検出機構６００の上部平坦面６０１
を一致させた状態で、表面形状検出光学系３によって像
面検出機構６００の上部平坦面６０１を検出すれば、表
面形状検出光学系３の高さ・傾き検出の、露光レンズ８
の像面高さ及び傾きに対するオフセット量が計測でき
る。

【０１３３】図２４において７１はウェハを載置するた
めのチャックであるが、このチャックを図２５のように
構成する実施例も考えられる。チャック７１の上面を弾
性体で構成し、この下に例えば圧電素子のような、その
長さを自由に制御できる伸縮性素子７２をマトリックス
状に並べ、チャック７１の上面の表面形状を変形できる
ようにしておく。像面検出機構６００を走査することに
よって予め測定しておいた露光レンズ８の像面形状７３
とウェハ４の表面形状が一致するように表面形状検出光
学系３で検出しながら、チャック７１の上面の表面形状
を変形する。これによって、投影露光レンズ８の像面７
３が湾曲している場合でも、ウェハ４の被露光領域全体
を投影露光レンズ８の焦点マージン内に保って露光を行
うことが可能となる。

【０１３４】また、図２６のようにウェハ４の表面形状
に局所的凹凸が存在する場合でも、露光レンズ８の像面
形状７３とウェハ４の表面形状が一致するように表面形
状検出光学系３で検出しながら、チャック７１の上面の
表面形状を変形することによって、ウェハ４の被露光領
域全体を投影露光レンズ８の焦点マージン内に保って露
光を行うことが可能となる。

【０１３５】次に、図２７によって、本発明によるフォ
ーカス・レベリング制御動作の１例のフローチャートを
示す。

【０１３６】先ず、光学系調整時に平面度の保証された
試料を検出することによって、波面収差補正機構５０３
によって使用される波面収差情報５０４を得る（４０
１）。４０２から４０９がプロセスの最初あるいはロッ
トの最初に行うプロセス補正処理であるが、そのなかで
先ず、プロセスあるいはロットの最初のウェハを用い
て、その中の複数の被露光領域において表面形状を計測
する（４０２）。次に露光データ５１６から露光領域の
サイズ及び配列を考慮して検出領域を決定し、検出値バ
ラツキ監視機構５１２が４０２で得られた複数の表面形
状の比較を行ない、検出不安定領域が存在する場合には
それを検出する（４０３）。次に、領域選択機構５１０
において、４０２で得られた複数の表面形状の平均デー
タを処理して、設計データ５１５または傾き分布計算機
構５１４の処理結果を基に、平坦面の決定、焦点を合わ
せるべき表面形状上の平坦な基準面の決定を行う（４０
４）。

【０１３７】マニュアル設定時には、図７で示したよう
に、表示・入力手段５１１を介して、焦点を合わせる領
域や基準面からのオフセット量を操作者が入力する（４
０５）。

【０１３８】これで、表面形状データより被露光領域の
高さ・傾きを算出する準備ができたが、操作者の要求に
合わせて次のような処理も行う。すなわち試し露光を行
い、形成されたレジストパターンの顕微鏡等によるチェ
ックを行い、高さ・傾きを微調整するためのオフセット
値を決定する（４０７）。あるいは、露光装置がエアー
マイクロメータ等の補助的なウェハ表面高さ検出手段を
備えている場合に、ステージ７のＸ，Ｙ走査により別の
検出原理による表面形状を検出し、その結果と本発明に
よる表面形状データとの差異より高さ・傾きのオフセッ
ト値を決定する（４０８）。

【０１３９】以上がプロセスの最初あるいはロットの最
初に行うプロセス補正処理であるが、更に、像面検出機
構６００にり、露光レンズ８の像面と表面形状検出光学
系３との間のオフセットのドリフトをキャンセルするた
めの計測を行う（４１０）。この処理は各ロットの初め
か、または、一定時間経過ごとに行う。

【０１４０】さて、４１１から４１４で各露光ごとの処
理を行う。まず、領域選択機構５１０によってステップ
４０３・４０４で選択された領域の表面形状データに基
づいて、回帰平面計算機構５２０あるいは平均傾き計算
機構５２１が高さ・傾きを求め、オフセット補正機構５
２７がこの値をステップ４０５・４０７・４０８・４１
０によって与えられたオフセット値を用いて修正して、
その情報に基づいて高さ・傾き制御機構５２２がステー
ジ７を制御する（４１１）。これによって、表面形状デ
ータによる高精度なウェハの高さ・傾き制御を行ない、
さらに操作者のマニュアル補正、ほかの手段による検出
結果による補正、像面のドリフトの補正を加えて高さ・
傾き制御の精度を向上することが可能となる。

【０１４１】更に、露光時のフォーカス制御の安定化及
び動作状態の確認、異常発生時の原因追及のために、操
作者の要求に応じて次のような処理を行う。まず、検出
値・表面形状データを記録したり、表紙・入力手段５１
１にモニタ表示したりする（４１２）。次に、局所的凹
凸監視機構５６０により局所的凹凸を監視し、警告・露
光の中止等を行う（４１３）。次に、検出値バラツキ監
視機構５１２により表面形状検出値の不安定な領域を監
視し、もし、そういった領域が存在すれば、領域選択機
構５１０が表面形状データを高さ・傾きの計算に使用す
るデータの領域から除外する処理を行う。これにより、
高さ・傾きの検出精度をさらに向上する（５２２）。

【０１４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
マスクに形成された微細回路パターンを縮小投影レンズ
を用いてウエハ等の被露光基板への投影露光する場合に
おいて、フォトレジストの表面形状を検出して、この検
出した信号のうち、露光するパターンの密度が高くて検
出信号が不安定となるような部分を除いた比較的平坦な
部分からの表面形状情報を用いて、露光単位全体が露光
光学系の焦点深度内に存在するように被露光基板の露光
面を制御するので、露光視野内の全面にわたりパタ−ン
線幅のバラツキを小さく押さえて回路パタ−ンを露光す
ることができ、回路パタ−ンの微細化に伴い露光光学系
の焦点深度が浅くなっても、高解像度で、かつ、高い歩
留まりで投影露光することができるという効果を奏す
る。

【０１４３】更に、本発明によれば、表面形状の制御が
可能なウェハチャックを用いることにより、局所的凹凸
を平坦化して、露光を行ったり、露光レンズの像面が湾
曲している場合でも、それに被露光領域の表面形状を一
致させて露光することが可能なので、ウェハの全面に渡
って均一に高解像度で投影露光することができるという
効果も奏する。

【０１４４】更に、本発明によれば、露光不良の原因と
なる、被露光領域の表面形状の局所的凹凸の存在を監視
して、警告を発することが可能となり、大量の露光不良
の発生、及び無駄作業時間の発生を防止することができ
る。

【０１４５】また、本発明によれば、露光レンズの像面
の高さ・傾きを計測し、その結果を用いてウェハステー
ジの高さ・傾きの制御量を補正することにより、露光レ
ンズの像面と表面形状検出光学系の間の位置のドリフト
の補正が可能となり、投影露光装置を安定して使用でき
るという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光路折り返し型の干渉縞に
よる表面形状検出方式とそれを使用した投影露光装置の
構成を示す略断面図である。

【図２】本発明の一実施例の投げ込み型の干渉縞による
表面形状検出方式とそれを使用した投影露光装置の構成
を示す略断面図である。

【図３】図１、図２の干渉縞と表面形状の関係を示す図
である。

【図４】図１、図２の表面形状検出アルゴリズムの一実
施例を示す図である。

【図５】図１、図２の表面形状検出アルゴリズムの他の
実施例を示す図である。

【図６】本発明の一実施例のうち表面形状算出・高さ傾
き制御機構の構成を示すブロック図である。

【図７】図６の画面表示例を示す図である。

【図８】図６の傾き分布計算機構を説明する図である。

【図９】Ａｌ下地に対するフォトレジスト厚変化と検出
誤差及び反射光の位相の関係を示す図である。

【図１０】図６の高さ検出値のばらつき監視を説明する
図である。

【図１１】図６の露光データを用いた場合の領域選択機
構の働きを説明する図である。

【図１２】図６の一部である、レチクルパターン密度測
定装置の一実施例の構成の原理を示す断面斜視図であ
る。

【図１３】二次元の場合の表面形状検出アルゴリズムの
一例を説明する図である。

【図１４】本発明における表面形状検出方式の縞パター
ン投影による一実施例の原理を示す略断面図である。

【図１５】本発明における表面形状検出方式のスポット
配列投影による一実施例の原理を示す略断面図及びスポ
ットの配列を示す平面図である。

【図１６】図６の平均傾き計算機構を説明する図であ
る。

【図１７】図６の回帰平面計算機構を説明する図であ
る。

【図１８】図６の回帰平面計算機構の別の実施例を説明
する図である。

【図１９】図６の傾き分布計算機構の別の実施例を説明
する図である。

【図２０】本発明の表面形状算出・高さ傾き制御機構
の、別の実施例の構成を示すブロック図である。

【図２１】図２０の局所的凹凸監視機構の動作を説明す
る図である。

【図２２】本発明の一実施例の表面形状検出方式及び像
面検出機構とそれを使用した投影露光装置の構成を示す
略断面図である。

【図２３】図２２の像面検出機構のスリットパターンの
一例を示す平面図である。

【図２４】本発明の像面検出機構とそれを使用した投影
露光装置の、別の実施例の構成を示す略断面図である。

【図２５】本発明の、露光レンズの像面に合わせてウェ
ハチャックの形状を制御する実施例を示す略断面図であ
る。

【図２６】本発明の、被露光領域の局所的凹凸を補正す
るためのウェハチャックの形状を制御する実施例を示す
略断面図である。

【図２７】本発明の一実施例のうちの表面形状算出・高
さ傾き制御機構の処理の流れを示す流れ図である。

【符号の説明】

１…照明系、２…干渉縞検出系、３…表面形状検出
系４…被露光基板（ウエハ）、５…表面形状検出・高さ
傾き制御機構７…チルト及び高さ微動を含むステージ機構８…縮小投影レンズ（投影光学系）１０…ビームスプ
リッタ１１…可干渉性光源、１４…折り返しミラー、２０
…検出器（ＣＣＤ）２１、２２、２２’…結像レンズ、７１…ウェハを載
置するためのチャック８１…露光照明系、９１…レチクル９２…ブレード５０１…表面形状検出機構、５０２…φ（ｘ）算出機
構５０２、５０３…波面収差補正機構、５０４…波面収
差情報５１０…領域選択機構、５１２…検出値ばらつき監視
機構５１４…傾き分布計算機構、５２０…回帰平面計算機
構５２１…平均傾き計算機構、５２２…高さ・傾き制御
機構５６０…局所的凹凸監視機構、５７０…オフセット補正
機構５７１…オフセットデータ、５９１…レチクルパター
ン密度測定機構６００…像面検出機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中山保彦神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者船津隆一茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所計測機事業部内 (72)発明者二宮拓茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所計測機事業部内 (72)発明者稲垣晃茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所計測機事業部内 (72)発明者吉田実神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成された回路パターンを被露光
基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載置
し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ−
ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、前記被露
光基板上の領域を選択し、該選択された領域の表面形状
を示す画像信号に基づいて被露光基板の高さおよび傾き
を算出する検出手段と、該検出手段で算出された被露光
基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に制御し、
前記検出手段で算出された被露光基板の傾きから前記チ
ルト機構を制御する制御手段とを備えたことを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項２】前記検出手段は、第１の可干渉光を被露光
基板の表面に斜めから照射する照射光学系と、該照射光
学系で照射して被露光基板の表面で反射される反射光と
第２の可干渉光とを干渉させて得られる干渉縞を光電変
換手段で検出する検出光学系とを備え、該検出光学系の
光電変換手段で検出された干渉縞の画像信号から被露光
基板上の選択された領域の表面形状を検出するように構
成したことを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記検出手段の照射光学系における前記第
１の可干渉光を、被露光基板への入射角を８５°以上で
照射するように構成したことを特徴とする請求項２記載
の投影露光装置。
【請求項４】前記検出手段の照射光学系における第１の
可干渉光を、被露光基板へＳ偏光で照射するように構成
したことを特徴とする請求項２記載の投影露光装置。
【請求項５】前記検出手段は、縞パターンを前記被露光
基板に投影し、縞パターンの画像信号の間隔の揺らぎか
ら選択された領域の表面形状を示す画像信号を得るよう
に構成したことを特徴とする請求項１記載の投影露光装
置。
【請求項６】前記検出手段は、スポット光あるいはスリ
ット光を少なくとも９点以上前記被露光基板に照射し、
それら９点以上の反射光に基づく信号を検出し、該検出
された信号により選択された領域の表面形状を示す画像
信号を得るように構成したことを特徴とする請求項１記
載の投影露光装置。
【請求項７】前記検出手段は、前記被露光基板上の表面
形状を表示する表示手段を有し、該表示手段に表示され
た情報に基づいて前記被露光基板上の領域を選択するよ
うに構成したことを特徴とする請求項１記載の投影露光
装置。
【請求項８】前記検出手段は、設計情報に基づいて得ら
れる露光パターンの密度に応じて前記被露光基板上の領
域を選択するように構成したことを特徴とする請求項１
記載の投影露光装置。
【請求項９】前記検出手段は、前記被露光基板上の平坦
部を抽出し、該抽出された平坦部の位置情報に基づいて
前記被露光基板上の領域を選択するように構成したこと
を特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項１０】上記請求項２において、第１の可干渉光
を被検物に対して面状に照射し被検物の二次元状の表面
形状を検出する機構を有し、その情報に基づいてウェハ
の高さ及び傾きを算出する検出機構を有することを特徴
とする投影露光装置。
【請求項１１】上記請求項１あるいは５乃至６におい
て、設計情報を入力する手段を有し、この情報に基づい
て検出表面形状データが不安定な領域を決定し、決定さ
れた領域の表面形状データを除いたデータよりウェハの
高さ及び傾きを算出する検出機構を有し、これによって
検出誤差の影響を除去して焦点を合わせることを特徴と
する投影露光装置。
【請求項１２】上記請求項１あるいは５乃至６におい
て、検出表面形状データを監視することによって、検出
値が不安定な領域を決定し、決定された領域の表面形状
データを除いたデータよりウェハの高さ及び傾きを算出
する検出機構を有し、これによって検出誤差の影響を除
去して焦点を合わせることを特徴とする投影露光装置。
【請求項１３】上記請求項２において、第１の可干渉光
を被検物に対して線状に照射し被検物の一次元状の断面
形状を検出する機構を、照射方向が交差する様に２組配
置し、その情報に基づいてウェハの高さ及び傾きを算出
する検出機構を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１４】請求項１において、マスクまたはレチク
ルを検査し露光パターンの細かい領域を決定する機構を
有し、決定された領域の表面形状データに基づいてウェ
ハの高さ及び傾きを算出する検出機構を有し、これによ
って焦点余裕の小さい領域に着目して焦点を合わせるこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項１５】請求項１において検出表面形状データと
基準表面形状を比較し、その差異が基準値を越えた場合
には、被露光領域の局所的凹凸が過大であると警告を発
し、或いは、露光を中止する機能を有することを特徴と
する投影露光装置。
【請求項１６】請求項１において被露光基板を載置する
部分の表面の形状を変形させる機構を有し、被露光基板
の表面形状が基準表面形状に一致するように上記機構を
変形させた後、露光を行う機能を有することを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項１７】請求項１において被露光基板を載置する
部分の表面を変形させる機構を有し、被露光基板の表面
形状が投影露光レンズの像面形状に一致するように上記
機構を変形させた後、露光を行う機能を有することを特
徴とする投影露光装置。
【請求項１８】請求項１において移動ステージの一部に
設けられ、表面形状検出機構によって検出可能な平坦な
表面を持つと同時に、その一部に投影露光レンズによる
像を検出するための光電検出手段によって投影露光レン
ズの像面の位置を検出する像面位置検出機構を有し、投
影露光レンズの像面と前記像面位置検出機構の表面が一
致するように移動ステージのＺ方向或いは／及びチルト
機構を制御した状態で、前記像面位置検出機構の平坦な
表面を表面形状検出機構によって検出することにより、
投影露光レンズの像面と表面形状検出機構の検出原点の
間のオフセットの変動を補正する機能を有することを特
徴とする投影露光装置。
【請求項１９】請求項１７において、移動ステージの一
部に設けられ、表面形状検出機構によって検出可能な平
坦な表面を持つと同時に、その一部に投影露光レンズに
よる像を検出するための光電検出手段によって投影露光
レンズの像面の位置を検出する像面位置検出機構を有
し、移動ステージをＸＹ方向に走査しながら像面位置検
出機構によって投影露光レンズの像面の形状を測定し、
前記測定した像面形状と表面形状が一致するように被露
光基板を載置する部分の表面を変形させたあと、露光を
行う機能を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２０】マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、光を前
記被露光基板の表面に斜めから照射する照射光学系と、
該照射光学系で照射して被露光基板の表面で反射される
反射光を受光して光電変換手段で画像信号として検出す
る検出光学系と、表面の平面度の保証された基準となる
被露光基板の表面形状を検出してその画像信号データを
保持する基準表面形状保持手段と、検出光学系の波面収
差を除いた正確な表面形状を検出すべく前記検出光学系
から得られる画像信号データから該基準表面形状保持手
段に保持された基準表面形状画像信号データを差し引
き、選択された領域の表面形状を示す画像信号を得、該
表面形状を示す画像信号に基づいて被露光基板の高さお
よび傾きを算出する検出手段と、該検出手段で算出され
た被露光基板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に
制御し、前記検出手段で算出された被露光基板の傾きか
ら前記チルト機構を制御する制御手段とを備えたことを
特徴とする投影露光装置。
【請求項２１】マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、前記被
露光基板の表面に斜めから光を線状に照射する照射光学
系および該照射光学系で線状に照射して被露光基板の表
面で反射される反射光を受光して光電変換手段で検出す
る検出光学系を設けて該検出光学系の光電変換手段から
得られる一次元状の表面断面形状を示す画像信号から選
択された領域の表面形状を示す画像信号に基づいて被露
光基板の高さおよび傾きを算出する検出手段と、該検出
手段で算出された被露光基板の高さから前記移動ステー
ジをＺ軸方向に制御し、前記検出手段で算出された被露
光基板の傾きから前記チルト機構を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２２】マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、第１の
可干渉光を被露光基板の表面に斜めから照射する照射光
学系および該照射光学系で照射して被露光基板の表面で
反射される反射光と第２の可干渉光とを干渉させて得ら
れる干渉縞を光電変換手段で検出する検出光学系を備え
て、該検出光学系の光電変換手段で検出された干渉縞の
画像信号をフーリエ変換し、干渉縞の周波数に対応する
位置の付近のスペクトルを周波数原点に移動した後、逆
フーリエ変換したデータの位相に基づいて被露光基板の
表面形状を算出して被露光基板の高さおよび傾きを算出
する検出手段と、該検出手段で算出された被露光基板の
高さから前記移動ステージをＺ軸方向に制御し、前記検
出手段で算出された被露光基板の傾きから前記チルト機
構を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする投影
露光装置。
【請求項２３】マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、第１の
可干渉光を被露光基板の表面に斜めから照射する照射光
学系および該照射光学系で照射して被露光基板の表面で
反射される反射光と第２の可干渉光とを干渉させて得ら
れる干渉縞を光電変換手段で検出する検出光学系を備え
て、該検出光学系の光電変換手段で検出された干渉縞の
画像信号から干渉縞の各周期の位相を正弦波との最小２
乗マッチングによって定め、それに基づいて、被露光基
板の表面形状を算出して被露光基板の高さおよび傾きを
算出する検出手段と、該検出手段で算出された被露光基
板の高さから前記移動ステージをＺ軸方向に制御し、前
記検出手段で算出された被露光基板の傾きから前記チル
ト機構を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項２４】マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、前記被
露光基板の表面に斜めから光を線状に照射する照射光学
系および該照射光学系で線状に照射して被露光基板の表
面で反射される反射光を受光して光電変換手段で検出す
る検出光学系を複数組設けて該検出光学系の光電変換手
段の各々から得られる一次元状の表面断面形状を示す画
像信号から選択された領域の表面形状を示す画像信号に
基づいて被露光基板の高さおよび傾きを算出する検出手
段と、該検出手段で算出された被露光基板の高さから前
記移動ステージをＺ軸方向に制御し、前記検出手段で算
出された被露光基板の傾きから前記チルト機構を制御す
る制御手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２５】マスクに形成された回路パターンを被露
光基板上に投影する投影光学系と、前記被露光基板を載
置し、少なくともＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動する移動ステ
−ジと、前記被露光基板を傾けるチルト機構と、前記被
露光基板の表面に縞パターンを投影する照射光学系と、
該照射光学系で照射された被露光基板の表面から反射さ
れる反射光を受光して光電変換手段で検出する検出光学
系を設けて縞パターンの画像信号の間隔の揺らぎから被
検物の表面形状を検出する機構を有し、上記手段によっ
て得られる一次元状の表面断面形状を示す画像信号から
選択された領域の表面形状を示す画像信号に基づいて被
露光基板の高さおよび傾きを算出する検出手段と、該検
出手段で算出された被露光基板の高さから前記移動ステ
ージをＺ軸方向に制御し、前記検出手段で算出された被
露光基板の傾きから前記チルト機構を制御する制御手段
とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２６】被露光基板上の領域を選択し、該選択さ
れた領域の表面形状を示す画像信号に基づいて被露光基
板の高さおよび傾きを算出し、該算出された被露光基板
の高さから前記移動ステージを高さ方向に制御し、更に
前記算出された被露光基板の傾きから前記被露光基板の
傾きを制御し、該制御された被露光基板に、マスクに形
成された回路パターンを投影光学系により投影すること
を特徴とする投影露光方法。
【請求項２７】光を前記被露光基板の表面に斜めから照
射して被露光基板の表面で反射される反射光を光電変換
手段で受光して画像信号として検出し、被露光基板上の
領域を選択し、該選択された領域における前記検出され
た画像信号に基づいて被露光基板の高さおよび傾きを算
出し、該算出された被露光基板の高さから前記移動ステ
ージを高さ方向に制御し、更に前記算出された被露光基
板の傾きから前記被露光基板の傾きを制御し、該制御さ
れた被露光基板に、マスクに形成された回路パターンを
投影光学系により投影することを特徴とする投影露光方
法。