JPH0786135A

JPH0786135A - Position detector

Info

Publication number: JPH0786135A
Application number: JP5228706A
Authority: JP
Inventors: Takashi Miyaji; 敬宮地
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1995-03-31
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JP3303280B2

Abstract

PURPOSE:To accurately detect the focus position on the exposed surface of a moving wafer and to feed the focus position thus detected to a servo system in a step and scan system aligner. CONSTITUTION:A measuring point PA2 on a wafer 15 within an exposed region 16 and a measuring point PB2 on this side in the scanning direction (X direction) are detected by means of AF sensors 25A2, 25B2. Focus signals SA2, SB2 from amplifiers 32A2, 32B2 are multiplied by weighting coefficients K1, K2 and added through an adder 37D2 to produce a reference focus signal SD2. The focus signal SD2 is fed to a wafer drive system 24 which adjusts three fulcrums 18A-18C.

Description

Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、位置検出装置に関し、
特に、例えば矩形又は円弧状等のスリット状の照明領域
に対してレチクル及び感光性の基板を同期して走査する
ことにより、レチクル上のパターンをその基板上の各シ
ョット領域に逐次露光する所謂ステップ・アンド・スキ
ャン方式の露光装置の、オートフォーカス機構又はオー
トレベリング機構に適用して好適なものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a position detecting device,
In particular, a so-called step of sequentially exposing the pattern on the reticle to each shot area on the substrate by synchronously scanning the reticle and the photosensitive substrate with respect to a slit-shaped illumination area such as a rectangle or an arc. It is suitable to be applied to an auto focus mechanism or an auto leveling mechanism of an exposure apparatus of the and scan type.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来より、半導体素子、液晶表示素子又
は薄膜磁気ヘッド等をフォトリソグラフィー技術を用い
て製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下、
「レチクル」と総称する）のパターンを投影光学系を介
して、フォトレジスト等が塗布されたウエハ（又はガラ
スプレート等）上に露光する投影露光装置が使用されて
いる。一般に投影露光装置では高い解像度が要求され、
装着されている投影光学系の開口数は高いため、投影像
の焦点深度（フォーカスマージン）は開口数の自乗に反
比例して減少している。そこで、ウエハの各ショット領
域を投影光学系の結像面に対して焦点深度の範囲内で合
わせ込むために、従来より投影露光装置には、露光フィ
ールド内の所定の基準点でのウエハのフォーカス位置を
投影光学系による結像面に合わせ込むためのオートフォ
ーカス機構、及び露光フィールド内のウエハの露光面の
傾斜角を結像面に平行に設定するためのオートレベリン
グ機構が設けられている。2. Description of the Related Art Conventionally, when a semiconductor element, a liquid crystal display element, a thin film magnetic head or the like is manufactured by using a photolithography technique, a photomask or a reticle (hereinafter, referred to as
A projection exposure apparatus that exposes a pattern (collectively referred to as “reticle”) onto a wafer (or a glass plate or the like) coated with a photoresist or the like via a projection optical system is used. Generally, projection exposure equipment requires high resolution,
Since the numerical aperture of the mounted projection optical system is high, the depth of focus (focus margin) of the projected image decreases in inverse proportion to the square of the numerical aperture. Therefore, in order to align each shot area of the wafer with the image plane of the projection optical system within the range of the depth of focus, conventionally, the projection exposure apparatus is provided with a focus of the wafer at a predetermined reference point in the exposure field. An autofocus mechanism for adjusting the position to the image plane of the projection optical system and an autoleveling mechanism for setting the tilt angle of the exposure plane of the wafer in the exposure field parallel to the image plane are provided.

【０００３】それらの内の従来のオートフォーカス機構
は、ウエハの各ショット領域内の所定の計測点のフォー
カス位置（投影光学系の光軸方向の位置）の結像面から
のデフォーカス量を検出するための焦点位置検出センサ
ー（以下、「ＡＦセンサー」という）と、そのデフォー
カス量を許容範囲内に収めるためのサーボ系とより構成
されている。一方、オートレベリング機構は、ウエハの
各ショット領域の傾斜角の結像面の傾斜角からのずれ量
を検出するレベリングセンサーと、その傾斜角のずれ量
を許容範囲内に収めるためのサーボ系とより構成されて
いる。The conventional autofocus mechanism among them detects the defocus amount from the image plane of the focus position (position in the optical axis direction of the projection optical system) of a predetermined measurement point in each shot area of the wafer. A focus position detection sensor (hereinafter, referred to as “AF sensor”) for controlling the position and a servo system for keeping the defocus amount within an allowable range. On the other hand, the auto-leveling mechanism includes a leveling sensor that detects the amount of deviation of the tilt angle of each shot area of the wafer from the tilt angle of the image plane, and a servo system that keeps the deviation amount of the tilt angle within the allowable range. It is composed of

【０００４】これに関して、従来一般に使用されていた
一括露光方式の投影露光装置（ステッパー等）では、フ
ォーカス位置の検出対象であるウエハが露光中静止して
いるため、投影光学系の開口数が更に大きくなった場合
でも、デフォーカス量を検出するＡＦセンサーの分解能
及び精度を向上し、サーボ系内のＺステージのメカニズ
ムを高精度化する等により、焦点深度の減少に対応する
ことが可能である。同様にオートレベリング機構につい
ても、一括露光方式では高精度化に対応できていた。With respect to this, in the projection exposure apparatus (stepper etc.) of the batch exposure system which has been generally used in the past, since the wafer whose focus position is to be detected is stationary during exposure, the numerical aperture of the projection optical system is further increased. Even if the size becomes large, it is possible to cope with the decrease in the depth of focus by improving the resolution and accuracy of the AF sensor that detects the defocus amount and improving the accuracy of the mechanism of the Z stage in the servo system. . Similarly, with regard to the auto-leveling mechanism, the batch exposure method has been able to cope with higher precision.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】最近は、半導体素子等
の１個のチップパターンが大型化する傾向にあり、投影
露光装置においては、レチクル上のより大きな面積のパ
ターンをウエハ上に露光する大面積化が求められてい
る。また、半導体素子等のパターンが微細化するのに応
じて、投影光学系の解像度を向上することも求められて
いるが、投影光学系の解像度を向上するためには、投影
光学系の露光フィールドを大きくすることが設計上ある
いは製造上難しいという不都合がある。特に、投影光学
系として、反射屈折系を使用するような場合には、無収
差の露光フィールドの形状が円弧状の領域となることも
ある。Recently, there is a tendency that one chip pattern such as a semiconductor element becomes large in size, and in a projection exposure apparatus, a pattern having a larger area on a reticle is exposed on a wafer. Area reduction is required. Further, it is also required to improve the resolution of the projection optical system in accordance with the miniaturization of the pattern of the semiconductor element or the like. However, in order to improve the resolution of the projection optical system, the exposure field of the projection optical system is increased. However, there is a disadvantage in that it is difficult to increase the size in terms of design or manufacturing. In particular, when a catadioptric system is used as the projection optical system, the aberration-free exposure field may have an arcuate region.

【０００６】斯かる転写対象パターンの大面積化及び投
影光学系の露光フィールドの制限に応えるために、例え
ば矩形、円弧状又は６角形等の照明領域（これを「スリ
ット状の照明領域」という）に対してレチクル及びウエ
ハを同期して走査することにより、レチクル上のそのス
リット状の照明領域より広い面積のパターンを逐次ウエ
ハ上の各ショット領域に露光する所謂ステップ・アンド
・スキャン方式の投影露光装置が開発されている。[0006] In order to increase the area of the pattern to be transferred and to limit the exposure field of the projection optical system, for example, a rectangular, arcuate, or hexagonal illumination area (this is called a "slit-shaped illumination area"). By synchronously scanning the reticle and the wafer, a pattern having a larger area than the slit-shaped illumination area on the reticle is sequentially exposed to each shot area on the wafer, so-called step-and-scan projection exposure. The device is being developed.

【０００７】この種の投影露光装置においても、走査露
光中のウエハの露光面を結像面に合わせ込むためのオー
トフォーカス機構及びオートレベリング機構が必要であ
る。しかしながら、ステップ・アンド・スキャン方式の
場合には、フォーカス位置の検出対象であるウエハが露
光中に移動するため、ＡＦセンサー及びサーボ系等が所
定の応答速度を有することにより、単にＡＦセンサーや
サーボ系等のメカニズムを高精度化しただけでは、ウエ
ハの露光面を結像面に対して焦点深度の範囲内で合わせ
込むことが困難であるという不都合がある。This type of projection exposure apparatus also requires an autofocus mechanism and an autoleveling mechanism for aligning the exposure surface of the wafer during scanning exposure with the image plane. However, in the case of the step-and-scan method, since the wafer whose focus position is detected moves during exposure, the AF sensor and servo system etc. have a predetermined response speed, so that the AF sensor and servo There is a disadvantage in that it is difficult to align the exposure surface of the wafer with the imaging surface within the range of the depth of focus simply by improving the accuracy of the mechanism such as the system.

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、ステップ・アン
ド・スキャン方式の露光装置において、移動しているウ
エハの露光面のフォーカス位置（高さ）又は平均的な面
の傾斜角を正確に検出してサーボ系にフィードバックで
きる位置検出装置を提供することを目的とする。In view of such a point, the present invention accurately detects the focus position (height) of the exposure surface of the moving wafer or the average inclination angle of the surface in the step-and-scan type exposure apparatus. It is an object of the present invention to provide a position detection device that can feed back to a servo system.

【０００９】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明による位置検出装
置は、例えば図１及び図６に示すように、所定形状の照
明領域（８）に対して転写用のパターンが形成されたマ
スク（７）を所定の方向に走査するマスクステージ
（９）と、このマスクステージに同期して感光性の基板
（１５）を所定の方向に走査する基板ステージ（２０）
と、この基板ステージに設けられ基板（１５）の露光面
のそのマスク方向（Ｚ方向）の高さに応じて基板（１
５）の高さを調整する高さ調整手段（１７，１９，２
４）とを有し、基板（１５）の高さを調整しつつマスク
（７）のパターンを逐次基板（１５）上に露光する走査
型の露光装置に設けられ、高さ調整手段（１７，１９，
２４）に対して供給するための基板（１５）の露光面の
高さに対応する信号を検出する装置である。A position detecting apparatus according to the present invention is, for example, as shown in FIGS. 1 and 6, a mask (7) having a transfer pattern formed on an illumination area (8) having a predetermined shape. ) For scanning in a predetermined direction, and a substrate stage (20) for scanning a photosensitive substrate (15) in a predetermined direction in synchronization with the mask stage (9)
According to the height of the exposure surface of the substrate (15) provided on this substrate stage in the mask direction (Z direction).
Height adjusting means (17, 19, 2) for adjusting the height of 5)
4) and is provided in a scanning type exposure apparatus that sequentially exposes the pattern of the mask (7) on the substrate (15) while adjusting the height of the substrate (15), and height adjusting means (17, 19,
It is a device for detecting a signal corresponding to the height of the exposed surface of the substrate (15) for supplying to the substrate 24).

【００１０】そして、本発明は、マスク（７）のパター
ンの露光領域（１６）内の計測点（ＰＡ２）及び露光領
域（１６）に対して走査方向に手前側の領域内の計測点
（ＰＢ２）よりなる複数の計測点で基板（１５）の露光
面の高を検出する高さ検出手段（２５Ａ２，２５Ｂ２）
と、この高さ検出手段から出力されるそれら複数の計測
点の高さに対応する計測信号（ＳＡ２，ＳＢ２）を、基
板ステージ（２０）の移動速度、そのマスクのパターン
の露光領域（１６）の走査方向の幅、及びそれら複数の
計測点の配置より定まる重み係数（Ｋ１，Ｋ２）を付け
て加算することにより、そのマスクのパターンの露光領
域（１６）内の所定の基準点での基板（１５）の露光面
の高さに対応する信号（ＳＤ２）を求める高さ演算手段
（３３）とを有し、この高さ演算手段で求められた高さ
に対応する信号（ＳＤ２）を高さ調整手段（１７，１
９，２４）に供給するものである。In the present invention, the measurement point (PA2) in the exposure area (16) of the pattern of the mask (7) and the measurement point (PB2) in the area on the front side in the scanning direction with respect to the exposure area (16). Height detection means (25A2, 25B2) for detecting the height of the exposed surface of the substrate (15) at a plurality of measurement points
And the measurement signals (SA2, SB2) corresponding to the heights of the plurality of measurement points output from the height detecting means, the moving speed of the substrate stage (20) and the exposure area (16) of the mask pattern. By adding the weighting factors (K1, K2) determined by the width in the scanning direction and the arrangement of the plurality of measurement points to the substrate at a predetermined reference point in the exposure area (16) of the mask pattern. A height calculation means (33) for obtaining a signal (SD2) corresponding to the height of the exposed surface of (15), and a signal (SD2) corresponding to the height obtained by the height calculation means is increased. Adjustment means (17,1
9, 24).

【００１１】この場合、その高さ検出手段で検出される
複数の計測点を、例えば図２に示すように、その基板の
走査方向（Ｘ方向）に平行な異なる複数の直線上に分布
する３個以上の計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３，ＰＢ１〜ＰＢ
３）として、その高さ検出手段により検出されたそれら
複数の計測点の高さを最小自乗法で処理して基板（１
５）の露光面の面形状を算出する面形状演算手段（３
３）を設けることが望ましい。In this case, a plurality of measurement points detected by the height detecting means are distributed on a plurality of different straight lines parallel to the scanning direction (X direction) of the substrate as shown in FIG. More than one measuring point (PA1 to PA3, PB1 to PB
As 3), the heights of the plurality of measurement points detected by the height detecting means are processed by the least square method, and the substrate (1
5) Surface shape calculation means (3) for calculating the surface shape of the exposed surface
It is desirable to provide 3).

【００１２】[0012]

【作用】斯かる本発明の原理につき説明する。先ず図３
に示すように、移動する基板（１５）上の露光領域（１
６）にマスクのパターンが露光されるものとして、基板
（１５）が露光領域（１６）に対して右方向に走査され
るものとする。例えばその露光領域（１６）内の中央の
一点（ＰＡ２）の高さを高さ検出手段（２５Ａ２）で検
出することを考える。遅延時間が無いものとして、その
高さ検出手段（２５Ａ２）からの出力信号を時系列で示
すと、図４（ｂ）の曲線（３４Ａ）で示すように基板
（１５）の表面の凹凸を表す信号となる。この信号を高
さ調整手段（１７，１９，２４）に供給して基板（１
５）の高さを調整すれば、走査中のダイナミックなオー
トフォーカスが実現できる。The principle of the present invention will be described. First of all,
As shown in, the exposure area (1
Assuming that the mask pattern is exposed in 6), the substrate (15) is scanned rightward with respect to the exposure area (16). For example, consider that the height of a central point (PA2) in the exposure area (16) is detected by the height detecting means (25A2). Assuming that there is no delay time, the output signal from the height detecting means (25A2) is shown in time series, and the unevenness of the surface of the substrate (15) is represented as shown by the curve (34A) in FIG. 4 (b). Become a signal. This signal is supplied to the height adjusting means (17, 19, 24) to supply the substrate (1
By adjusting the height of 5), dynamic autofocus during scanning can be realized.

【００１３】しかしながら、実際には、高さ検出手段
（２５Ａ２）からの検出信号は、図４（ｂ）の曲線（３
５Ａ）で示すように遅延すると共に、サーボループを組
んだ場合の全体の制御系には応答の制限があるため、追
従誤差を生じ、それがフォーカス残差となる。このフォ
ーカス残差は、基板（１５）の移動速度が小さい内は僅
かであるが、基板（１５）の移動速度が速くなり、観測
される出力信号の時系列の周波数と制御系の応答周波数
とが同じオーダーとなるような場合は大きなフォーカス
残差が残ることになる。However, in reality, the detection signal from the height detecting means (25A2) is the curve (3) in FIG. 4 (b).
As shown in FIG. 5A), there is a delay, and the response of the entire control system when the servo loop is formed is limited, so a tracking error occurs, which becomes the focus residual. This focus residual is small while the moving speed of the substrate (15) is small, but the moving speed of the substrate (15) increases, and the time series frequency of the observed output signal and the response frequency of the control system are In the case where A and B have the same order, a large focus residual remains.

【００１４】本発明では斯かる不都合を解決するため、
図３に示すように、露光領域（１６）内の計測点（ＰＡ
２）の高さを検出する高さ検出手段（２５Ａ２）と、露
光領域（１６）内の計測点に先行する計測点（ＰＢ２）
の高さを検出する高さ検出手段（２５Ｂ２）とを設け、
これら複数の高さ検出手段からの出力信号に重み付けを
した後に加算することで、全体の制御系の応答の制限に
よる位相の遅れを改善している。以下にその原理を説明
する。In the present invention, in order to solve such inconvenience,
As shown in FIG. 3, measurement points (PA
Height detection means (25A2) for detecting the height of 2) and a measurement point (PB2) preceding the measurement point in the exposure area (16).
And a height detecting means (25B2) for detecting the height of
By weighting the output signals from the plurality of height detecting means and then adding them, the phase delay due to the limitation of the response of the entire control system is improved. The principle will be described below.

【００１５】図２（ａ）は本発明での高さ検出手段の配
置の一例を示し、この図２（ａ）において、マスクパタ
ーンの露光領域（１６）内の非走査方向への一列の計測
点（ＰＡ１〜ＰＡ３）、及びこの一列の計測点の両側の
２列の計測点（ＰＢ１〜ＰＢ３、及びＰＣ１〜ＰＣ３）
の高さ検出を行うための高さ検出手段が設けられてい
る。個々の高さ検出手段は対応する計測点での基板（１
５）の高さを検出できるものであればよく、その方式は
何でもよい。また、図２（ａ）は計測点の配置の一例で
あり、最低限３列の配置があればよく、図２（ａ）の配
置には限定されない。そして、基板（１５）がＸ方向に
走査される場合には、Ａ列の計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３）
及びＢ列の計測点（ＰＢ１〜ＰＢ３）の検出結果が使用
され、基板（１５）が−Ｘ方向に走査される場合には、
Ａ列の計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３）及びＣ列の計測点（Ｐ
Ｃ１〜ＰＣ３）の検出結果が使用される。FIG. 2A shows an example of the arrangement of the height detecting means in the present invention. In FIG. 2A, measurement of one line in the non-scanning direction in the exposure area (16) of the mask pattern is performed. Points (PA1 to PA3) and two rows of measurement points (PB1 to PB3 and PC1 to PC3) on both sides of this one row of measurement points
Height detecting means is provided for detecting the height of the. The individual height detecting means are connected to the substrate (1
Any method can be used as long as it can detect the height of 5). Further, FIG. 2A is an example of the arrangement of the measurement points, and the arrangement of at least three rows is sufficient, and the arrangement is not limited to the arrangement of FIG. 2A. Then, when the substrate (15) is scanned in the X direction, the measurement points (PA1 to PA3) in the A row.
And the detection results of the measurement points (PB1 to PB3) in the B row are used, and when the substrate (15) is scanned in the −X direction,
Measurement points in row A (PA1 to PA3) and measurement points in row C (P
The detection results of C1 to PC3) are used.

【００１６】図３に示すように、基板（１５）が右方向
（Ｘ方向）に走査されるものとして、例えば計測点（Ｐ
Ａ２，ＰＢ２）に対する高さ検出手段（２５Ａ２，２５
Ｂ２）の検出結果を使用する。この場合、遅延時間が無
いものとした場合の高さ検出手段（２５Ａ２，２５Ｂ
２）からの出力信号（これを「元の信号」という）は、
それぞれ図４（ｂ）及び（ａ）の実線の曲線（３４Ａ）
及び（３４Ｂ）で示すようになり、制御系の応答の制限
により位相遅れが加わった実際の高さ検出手段（２５Ａ
２，２５Ｂ２）からの出力信号は、それぞれ図４（ｂ）
及び（ａ）の点線の曲線（３５Ａ）及び（３５Ｂ）で示
すようになる。即ち、計測点（ＰＢ２）の信号は計測点
（ＰＡ２）の信号に対して位相の進みがあると共に、各
信号は全体の制御系の遅れによりそれぞれ元の信号に対
して所定の位相遅れを有する。As shown in FIG. 3, assuming that the substrate (15) is scanned in the right direction (X direction), for example, the measurement point (P
Height detecting means (25A2, 25A2, PB2)
The detection result of B2) is used. In this case, the height detecting means (25A2, 25B) when there is no delay time
The output signal from 2) (this is called the "original signal") is
Solid curves (34A) in FIGS. 4 (b) and 4 (a), respectively.
And (34B), the actual height detecting means (25A) to which a phase delay is added due to the limitation of the response of the control system.
2, 25B2) are the output signals from FIG.
And (a) as indicated by the dotted curves (35A) and (35B). That is, the signal at the measurement point (PB2) has a phase lead with respect to the signal at the measurement point (PA2), and each signal has a predetermined phase delay with respect to the original signal due to the delay of the entire control system. .

【００１７】図５は、高さ検出手段（２５Ａ２，２５Ｂ
２）からの出力信号をベクトル表記したものであり、実
線のベクトル〈ＳＢ２₀〉及び〈ＳＡ２₀〉はそれぞれ
計測点（ＰＢ２）及び計測点（ＰＡ２）での元の信号を
表し、点線のベクトル〈ＳＢ２〉及び〈ＳＡ２〉はそれ
ぞれ計測点（ＰＢ２）及び計測点（ＰＡ２）での実際の
位相遅れが加わった信号を表す。そして、求めるべき
は、計測点（ＰＡ２）でのベクトル〈ＳＡ２₀〉で表さ
れる元の信号である。そこで、実際に検出されるベクト
ル〈ＳＢ２〉及び〈ＳＡ２〉に対して適当な重み係数を
掛けた後、これらを加算することによりベクトル〈ＳＤ
２〉が得られるが、このベクトル〈ＳＤ２〉は元のベク
トル〈ＳＡ２₀〉に近い信号を表している。このような
ベクトル上での加算は実際には時系列上での単なる加算
で実行される。そのベクトル〈ＳＤ２〉に対応する信号
を用いて、基板（１５）の高さを制御することにより、
位相遅れが補償される。FIG. 5 shows the height detecting means (25A2, 25B).
The output signal from 2) is expressed as a vector, and solid line vectors <SB2 ₀ > and <SA2 ₀ > represent the original signals at the measurement point (PB2) and the measurement point (PA2), respectively. <SB2> and <SA2> represent signals to which the actual phase delay is added at the measurement point (PB2) and the measurement point (PA2), respectively. Then, what is to be obtained is the original signal represented by the vector <SA2 ₀ > at the measurement point (PA2). Therefore, the actually detected vectors <SB2> and <SA2> are multiplied by appropriate weighting factors, and these are added to obtain the vector <SD
2> is obtained, but this vector <SD2> represents a signal close to the original vector <SA2 ₀ >. The addition on such a vector is actually performed by simple addition on the time series. By using the signal corresponding to the vector <SD2> to control the height of the substrate (15),
The phase delay is compensated.

【００１８】次に、図６に示すように、高さ検出手段
（２５Ｂ２，２５Ａ２）の出力信号に対してそれぞれ重
み係数（ゲイン）Ｋ１及びＫ２を掛けて加算して得られ
た信号（ＳＤ２）を高さ調整手段（１７，１９，２４）
に供給し、高さ調整手段（１７，１９，２４）が内部で
サーボ信号を生成して基板（１５）が載置されているス
テージ（１７）を駆動するものとする。このサーボ信号
による基板（１５）の高さ方向への駆動は、高さ検出手
段（２５Ｂ２，２５Ａ２）の出力信号に反映され、結果
として全体の制御系は閉ループの制御系を構成する。こ
の場合、重み係数Ｋ１及びＫ２の比は高さ方向への変位
の時系列信号（ＳＡ２，ＳＢ２）の周波数に依存し、こ
れは基板（１５）の移動速度に依存するパラメータとな
る。Next, as shown in FIG. 6, a signal (SD2) obtained by multiplying the output signals of the height detecting means (25B2, 25A2) by weighting factors (gains) K1 and K2 and adding them. Height adjustment means (17, 19, 24)
And the height adjusting means (17, 19, 24) internally generates a servo signal to drive the stage (17) on which the substrate (15) is mounted. The driving of the board (15) in the height direction by this servo signal is reflected in the output signal of the height detecting means (25B2, 25A2), and as a result, the entire control system constitutes a closed loop control system. In this case, the ratio of the weighting factors K1 and K2 depends on the frequency of the time series signals (SA2, SB2) of displacement in the height direction, which is a parameter depending on the moving speed of the substrate (15).

【００１９】今、全体の系の応答制限（カットオフ周波
数）をＦ_nとすると、この系は周波数Ｆ_nの信号に対し
てπ／８の遅れを生じる。但し、ここでは系を１次遅れ
とみなしている。また、露光領域（１６）の中で１周期
となる基板（１５）の凹凸を考える。有限の面積を持つ
露光領域（１６）に対するオートフォーカス又はオート
レベリングを考えた場合には、その露光領域（１６）の
走査方向への幅より小さい周期の基板（１５）の表面の
凹凸については、原理的に追従不可能であるため、この
周波数Ｆ_nが系が追従しなければならない最も高い周波
数となる。この周波数Ｆ_nは、露光領域（１６）の走査
方向の幅をＤ、基板（１５）の移動速度をＤとすると、
次式のように表される。Now, _assuming that the response limit (cutoff frequency) of the entire system is F _n , this system causes a delay of π / 8 with respect to a signal of frequency F _n . However, the system is regarded as a first-order delay here. Also, consider the unevenness of the substrate (15) that constitutes one cycle in the exposure area (16). When considering autofocusing or autoleveling for an exposure region (16) having a finite area, regarding the unevenness of the surface of the substrate (15) having a period smaller than the width of the exposure region (16) in the scanning direction, Since it is impossible to follow in principle, this frequency F _n is the highest frequency that the system has to follow. When the width of the exposure area (16) in the scanning direction is D and the moving speed of the substrate (15) is D, this frequency F _n is
It is expressed as the following equation.

【００２０】[0020]

【数１】Ｆ_n＝Ｄ／Ｖそして、図６に示すように計測点（ＰＡ２）と計測点
（ＰＢ２）との走査方向の間隔をｄとすると、その周波
数の信号における計測点（ＰＡ２）の信号と計測点（Ｐ
Ｂ２）の信号との間の位相差φ_ABは、次のようになる。## EQU1 ## F _n = D / V Then, when the distance in the scanning direction between the measurement point (PA2) and the measurement point (PB2) is d as shown in FIG. 6, the measurement point (PA2) at the signal of that frequency is obtained. Signal and measurement point (P
The phase difference φ _AB with the signal of B2) is as follows.

【００２１】[0021]

【数２】φ_AB＝π（ｄ／Ｄ）そして、図５に示すように、ベクトル加算により位相遅
れの補償を図るため、重み係数Ｋ１及びＫ２の比（Ｋ１
／Ｋ２）を１とした場合には、その位相差φ_ABがπ／４
であれば、加算後のベクトル〈ＳＤ２〉が元のベクトル
〈ＳＡ２₀〉と同じ位相になる。このときには、（数
２）より次の関係が導かれる。[Number 2] _{φ AB = π (d / D} ) Then, as shown in FIG. 5, in order to compensate the phase delay by vector addition, the ratio of the weighting factors K1 and K2 (K1
/ K2) is set to 1, the phase difference φ _AB is π / 4
If so, the vector <SD2> after addition has the same phase as the original vector <SA2 ₀ >. At this time, the following relationship is derived from (Equation 2).

【００２２】[0022]

【数３】π（ｄ／Ｄ）＝π／４、即ち、ｄ＝Ｄ／４基板（１５）の凹凸の空間周波数が低周波数側に寄って
いる場合には、計測点（ＰＡ２）と計測点（ＰＢ２）と
の間隔ｄを短くすれば良いのであるが、動作中に高さ検
出手段の間隔を変えることは一般に多くの困難を伴う。
そこで、本発明においては、例えば重み係数Ｋ１及びＫ
２の比Ｋ１／Ｋ２を変えることにより、間隔ｄを変える
のと同等の作用効果を得ている。実際に基板（１５）の
表面の凹凸の空間周波数分布が不明な場合には、フォー
カス残差をモニターしながら例えばその比Ｋ１／Ｋ２を
調整すればよい。[Mathematical formula-see original document] π (d / D) = π / 4, that is, d = D / 4 When the spatial frequency of the unevenness of the substrate (15) is close to the low frequency side, the measurement point (PA2) is measured. It suffices to shorten the distance d from the point (PB2), but changing the distance of the height detecting means during operation generally involves many difficulties.
Therefore, in the present invention, for example, the weighting factors K1 and K
By changing the ratio K1 / K2 of 2, the same effect as changing the distance d is obtained. When the spatial frequency distribution of the irregularities on the surface of the substrate (15) is actually unknown, the ratio K1 / K2 may be adjusted while monitoring the focus residual.

【００２３】次に、図２（ａ）において基板（１５）が
Ｘ方向に走査されるものとして、高さ検出手段で検出さ
れる複数の計測点を、例えばその基板の走査方向（Ｘ方
向）に平行な異なる複数の直線上に分布する３個以上の
計測点（ＰＡ１〜ＰＡ３，ＰＢ１〜ＰＢ３）として、そ
の高さ検出手段により検出されたそれら複数の計測点の
高さを最小自乗法で処理して基板（１５）の露光面の面
形状を算出する面形状演算手段（３３）を設けた場合に
は、先読みした高さデータに基づいて基板（１５）の露
光面の平均的な面が求められる。この平均的な面を基準
面（例えば投影光学系を有する場合には、投影光学系に
よる結像面）に平行にすることにより、オートレベリン
グが実行される。Next, assuming that the substrate (15) is scanned in the X direction in FIG. 2 (a), a plurality of measurement points detected by the height detecting means are set, for example, in the scanning direction (X direction) of the substrate. As the three or more measurement points (PA1 to PA3, PB1 to PB3) distributed on a plurality of different straight lines parallel to, the heights of the plurality of measurement points detected by the height detecting means are calculated by the least square method. When the surface shape calculation means (33) for calculating the surface shape of the exposed surface of the substrate (15) is provided, the average surface of the exposed surface of the substrate (15) is calculated based on the pre-read height data. Is required. Auto-leveling is performed by making this average surface parallel to the reference surface (for example, the imaging surface of the projection optical system when the projection optical system is provided).

【００２４】[0024]

【実施例】以下、本発明による位置検出装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。本実施例は、ステップ
・アンド・スキャン方式の投影露光装置のオートフォー
カス機構及びオートレベリング機構に本発明を適用した
ものである。図１は本実施例の投影露光装置の全体構成
を示し、この図１において、光源及びオプティカルイン
テグレータ等を含む光源系１からの露光光ＩＬが、第１
リレーレンズ２、レチクルブラインド（可変視野絞り）
３、第２リレーレンズ４、ミラー５、及びメインコンデ
ンサーレンズ６を介して、均一な照度でレチクル７上の
矩形の照明領域８を照明する。レチクルブラインド３の
配置面はレチクル７のパターン形成面と共役であり、レ
チクルブラインド３の開口の位置及び形状により、レチ
クル７上の照明領域８の位置及び形状が設定される。光
源系１内の光源としては、超高圧水銀ランプ、エキシマ
レーザ光源、又はＹＡＧレーザの高調波発生装置等が使
用される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the position detecting device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to an autofocus mechanism and an autoleveling mechanism of a step-and-scan type projection exposure apparatus. FIG. 1 shows the overall configuration of the projection exposure apparatus of the present embodiment. In FIG. 1, the exposure light IL from a light source system 1 including a light source, an optical integrator, etc.
Relay lens 2, reticle blind (variable field diaphragm)
The rectangular illumination area 8 on the reticle 7 is illuminated with a uniform illuminance via the third relay lens 4, the mirror 5, and the main condenser lens 6. The arrangement surface of the reticle blind 3 is conjugated with the pattern formation surface of the reticle 7, and the position and shape of the opening of the reticle blind 3 set the position and shape of the illumination area 8 on the reticle 7. As a light source in the light source system 1, an ultrahigh pressure mercury lamp, an excimer laser light source, a YAG laser harmonic generator, or the like is used.

【００２５】レチクル７の照明領域８内のパターンの像
が、投影光学系ＰＬを介してフォトレジストが塗布され
たウエハ１５上の矩形の露光領域１６内に投影露光され
る。投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、光
軸ＡＸに垂直な２次元平面内で図１の紙面に平行な方向
にＸ軸を、図１に紙面に垂直な方向にＹ軸を取る。本実
施例では、スキャン方式で露光する際のレチクル７及び
ウエハ１５の走査方向はＸ軸に平行である。The image of the pattern in the illumination area 8 of the reticle 7 is projected and exposed through the projection optical system PL into the rectangular exposure area 16 on the wafer 15 coated with the photoresist. The Z axis is taken parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL, the X axis is parallel to the plane of FIG. 1 in the two-dimensional plane perpendicular to the optical axis AX, and the Y axis is parallel to the plane of FIG. Take the axis. In this embodiment, the scanning direction of the reticle 7 and the wafer 15 when the exposure is performed by the scanning method is parallel to the X axis.

【００２６】レチクル７はレチクルステージ９上に保持
され、レチクルステージ９はレチクルベース１０上に例
えばリニアモータによりＸ方向に所定速度で駆動される
ように支持されている。レチクルステージ９のＸ方向の
一端に固定された移動鏡１１でレーザ干渉計１２からの
レーザビームが反射され、レーザ干渉計１２によりレチ
クル７のＸ方向の座標が常時計測されている。レーザ干
渉計１２で計測されたレチクル７の座標情報は、装置全
体の動作を制御する主制御系１３に供給され、主制御系
１３は、レチクル駆動系１４を介してレチクルステージ
９の位置及び移動速度の制御を行う。The reticle 7 is held on a reticle stage 9, and the reticle stage 9 is supported on a reticle base 10 so as to be driven at a predetermined speed in the X direction by, for example, a linear motor. The laser beam from the laser interferometer 12 is reflected by the moving mirror 11 fixed to one end of the reticle stage 9 in the X direction, and the laser interferometer 12 constantly measures the coordinates of the reticle 7 in the X direction. The coordinate information of the reticle 7 measured by the laser interferometer 12 is supplied to the main control system 13 that controls the operation of the entire apparatus, and the main control system 13 moves the position and movement of the reticle stage 9 via the reticle drive system 14. Control the speed.

【００２７】一方、ウエハ１５は、ウエハホルダー１７
上に保持され、ウエハホルダー１７は３個の伸縮自在な
ピエゾ素子等よりなる支点（図６の支点１８Ａ〜１８
Ｃ）を介してＺレベリングステージ１９上に載置され、
Ｚレベリングステージ１９はＸＹステージ２０上に載置
され、ＸＹステージ２０はウエハベース２１上に２次元
的に摺動自在に支持されている。Ｚレベリングステージ
１９は、３個の支点を介してウエハホルダー１７上のウ
エハ１５のＺ方向の位置（フォーカス位置）の微調整を
行うと共に、ウエハ１５の露光面の傾斜角の微調整を行
う。更にＺレベリングステージ１９は、ウエハ１５のＺ
方向への位置の粗調整をも行う。また、ＸＹステージ２
０は、Ｚレベリングステージ１９、ウエハホルダー１７
及びウエハ１５をＸ方向及びＹ方向に位置決めすると共
に、走査露光時にウエハ１５をＸ軸に平行に所定の走査
速度で走査する。On the other hand, the wafer 15 has a wafer holder 17
The wafer holder 17 held on the fulcrum is a fulcrum (fulcrum points 18A to 18A in FIG.
Mounted on the Z leveling stage 19 via C),
The Z leveling stage 19 is mounted on an XY stage 20, and the XY stage 20 is two-dimensionally slidably supported on a wafer base 21. The Z leveling stage 19 finely adjusts the position (focus position) of the wafer 15 on the wafer holder 17 in the Z direction via the three fulcrums, and also finely adjusts the inclination angle of the exposure surface of the wafer 15. Further, the Z leveling stage 19 is used for the Z level of the wafer 15.
The coarse adjustment of the position in the direction is also performed. Also, XY stage 2
0 is the Z leveling stage 19 and the wafer holder 17
The wafer 15 is positioned in the X and Y directions, and the wafer 15 is scanned in parallel with the X axis at a predetermined scanning speed during scanning exposure.

【００２８】ＸＹステージ２０に固定された移動鏡２２
で外部のレーザ干渉計２３からのレーザビームを反射す
ることにより、レーザ干渉計２３によりＸＹステージ２
３のＸＹ座標が常時モニターされ、検出されたＸＹ座標
が主制御系１３に供給されている。主制御系１３は、ウ
エハ駆動系２４を介してＸＹステージ２０及びＺレベリ
ングステージ１９の動作を制御する。スキャン方式で露
光を行う際には、投影光学系ＰＬによる投影倍率をβと
して、レチクルステージ９を介してレチクル７を照明領
域８に対して−Ｘ方向（又はＸ方向）に速度Ｖ_Rで走査
するのと同期して、ＸＹステージ２０を介してウエハ１
５を露光領域１６に対してＸ方向（又は−Ｘ方向）に速
度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査することにより、レチクル７の
パターン像が逐次ウエハ１５上に露光される。A movable mirror 22 fixed to the XY stage 20.
The laser beam from the external laser interferometer 23 is reflected by the laser interferometer 23 so that the XY stage 2
The XY coordinates of 3 are constantly monitored, and the detected XY coordinates are supplied to the main control system 13. The main control system 13 controls the operations of the XY stage 20 and the Z leveling stage 19 via the wafer drive system 24. When the exposure is performed by the scanning method, the projection magnification by the projection optical system PL is set to β, and the reticle 7 is scanned through the reticle stage 9 with respect to the illumination area 8 in the −X direction (or the X direction) at the speed V _R. In synchronism with this, the wafer 1 is transferred through the XY stage 20.
By scanning 5 with respect to the exposure area 16 in the X direction (or −X direction) at a speed V _W (= β · V _R ), the pattern image of the reticle 7 is sequentially exposed on the wafer 15.

【００２９】次に、本実施例におけるウエハ１５の露光
面のＺ方向の位置（フォーカス位置）を検出するための
ＡＦセンサー（焦点位置検出系）の構成につき説明す
る。本実施例では、９個の同じ構成のＡＦセンサーが配
置されているが、図１ではその内の３個のＡＦセンサー
２５Ａ２，２５Ｂ２，２５Ｃ２を示す。先ず中央のＡＦ
センサー２５Ａ２において、光源２６Ａ２から射出され
たフォトレジストに対して非感光性の検出光が、送光ス
リット板２７Ａ２内のスリットパターンを照明し、その
スリットパターンの像が対物レンズ２８Ａ２を介して、
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して斜めに露光領域１６
の中央に位置するウエハ１５上の計測点ＰＡ２に投影さ
れる。計測点ＰＡ２からの反射光が、集光レンズ２９Ａ
２を介して振動スリット板３０Ａ２上に集光され、振動
スリット板３０Ａ２上に計測点ＰＡ２に投影されたスリ
ットパターン像が再結像される。Next, the structure of the AF sensor (focus position detection system) for detecting the position (focus position) of the exposure surface of the wafer 15 in the Z direction in this embodiment will be described. In this embodiment, nine AF sensors having the same structure are arranged, but in FIG. 1, three AF sensors 25A2, 25B2, 25C2 are shown. AF in the center
In the sensor 25A2, detection light that is non-photosensitive to the photoresist emitted from the light source 26A2 illuminates the slit pattern in the light-sending slit plate 27A2, and the image of the slit pattern is transmitted through the objective lens 28A2.
The exposure area 16 is oblique to the optical axis AX of the projection optical system PL.
Is projected onto the measurement point PA2 on the wafer 15 located at the center of the. The reflected light from the measurement point PA2 is collected by the condenser lens 29A.
The slit pattern image which is focused on the vibrating slit plate 30A2 via 2 and projected on the measuring point PA2 is re-formed on the vibrating slit plate 30A2.

【００３０】振動スリット板３０Ａ２のスリットを通過
した光が光電検出器３１Ａ２により光電変換され、この
光電変換信号が増幅器３２Ａ２に供給される。増幅器３
２Ａ２は、振動スリット板３０Ａ２の駆動信号により光
電検出器３１Ａ２からの光電変換信号を同期検波し、得
られた信号を増幅することにより、計測点ＰＡ２のフォ
ーカス位置に対して所定範囲でほぼ線形に変化するフォ
ーカス信号を生成し、このフォーカス信号を面位置算出
系３３に供給する。同様に、他のＡＦセンサー２５Ｂ２
は、計測点ＰＡ２に対して−Ｘ方向側の計測点ＰＢ２に
スリットパターン像を投影し、このスリットパターン像
からの光を光電検出器３１Ｂ２で光電変換して、増幅器
３２Ｂ２に供給する。増幅器３２Ｂ２は、計測点ＰＢ２
のフォーカス位置に対応するフォーカス信号を面位置算
出系３３に供給する。同様に、ＡＦセンサー２５Ｃ２
は、計測点ＰＡ２に対してＸ方向側の計測点ＰＣ２にス
リットパターン像を投影し、このスリットパターン像か
らの光を光電検出器３１Ｃ２で光電変換して、増幅器３
２Ｃ２に供給する。増幅器３２Ｃ２は、計測点ＰＣ２の
フォーカス位置に対応するフォーカス信号を面位置算出
系３３に供給する。The light passing through the slit of the vibrating slit plate 30A2 is photoelectrically converted by the photoelectric detector 31A2, and this photoelectric conversion signal is supplied to the amplifier 32A2. Amplifier 3
The 2A2 synchronously detects the photoelectric conversion signal from the photoelectric detector 31A2 by the drive signal of the vibrating slit plate 30A2, and amplifies the obtained signal so that it is substantially linear within a predetermined range with respect to the focus position of the measurement point PA2. A changing focus signal is generated, and this focus signal is supplied to the surface position calculation system 33. Similarly, another AF sensor 25B2
Projects a slit pattern image at a measurement point PB2 on the −X direction side with respect to the measurement point PA2, photoelectrically converts light from this slit pattern image by a photoelectric detector 31B2, and supplies the light to an amplifier 32B2. The amplifier 32B2 has a measuring point PB2.
The focus signal corresponding to the focus position is supplied to the surface position calculation system 33. Similarly, the AF sensor 25C2
Projects a slit pattern image on the measurement point PC2 on the X direction side with respect to the measurement point PA2, photoelectrically converts light from this slit pattern image by the photoelectric detector 31C2, and the amplifier 3
Supply to 2C2. The amplifier 32C2 supplies a focus signal corresponding to the focus position of the measurement point PC2 to the surface position calculation system 33.

【００３１】この場合、ＡＦセンサー２５Ａ２〜２５Ｃ
２からの光電変換信号から増幅器３２Ａ２〜３２Ｃ２に
より得られたフォーカス信号は、それぞれ計測点ＰＡ２
〜ＰＣ２が投影光学系ＰＬによる結像面に合致している
ときに０になるようにキャリブレーションが行われてい
る。従って、各フォーカス信号は、それぞれ計測点ＰＡ
２〜ＰＣ２のフォーカス位置の結像面からのずれ量（デ
フォーカス量）に対応している。In this case, the AF sensors 25A2-25C
The focus signals obtained by the amplifiers 32A2 to 32C2 from the photoelectric conversion signal from the measurement signal PA2 are measured points PA2.
-Calibration is performed so that it becomes 0 when PC2 matches the image plane of the projection optical system PL. Therefore, each focus signal corresponds to the measurement point PA.
2 to 2 correspond to the amount of deviation (defocus amount) of the focus position of PC2 from the image plane.

【００３２】図２（ａ）は本例でのウエハ１５上の計測
点の分布を示し、この図２（ａ）において、Ｘ方向の幅
がＤの矩形の露光領域１６内の中央のＹ方向に伸びた直
線に沿って３個の計測点ＰＡ１〜ＰＡ３が配列され、計
測点ＰＡ１〜ＰＡ３からそれぞれ−Ｘ方向に間隔ｄだけ
離れた位置に計測点ＰＢ１〜ＰＢ３が配列され、計測点
ＰＡ１〜ＰＡ３からそれぞれＸ方向に間隔ｄだけ離れた
位置に計測点ＰＣ１〜ＰＣ３が配列されている。計測点
ＰＡ２が露光領域１６の中央部に位置しており、９個の
計測点のフォーカス位置がそれぞれ独立に、図１のＡＦ
センサー２５Ａ２と同じ構成のＡＦセンサーにより計測
されている。本実施例では、ウエハ１５をＸ方向に走査
するときには、露光領域１６内の計測点ＰＡ１〜ＰＡ
３、及び走査方向に手前の計測点ＰＢ１〜ＰＢ３でのフ
ォーカス信号の計測値を使用し、ウエハ１５を−Ｘ方向
に走査するときには、露光領域１６内の計測点ＰＡ１〜
ＰＡ３、及び走査方向に手前の計測点ＰＣ１〜ＰＣ３で
のフォーカス信号の計測値を使用する。FIG. 2A shows the distribution of measurement points on the wafer 15 in this example. In FIG. 2A, the central Y direction in the rectangular exposure region 16 having a width D in the X direction is shown. The three measurement points PA1 to PA3 are arranged along a straight line extending in the direction of, and the measurement points PB1 to PB3 are arranged at positions apart from the measurement points PA1 to PA3 by the distance d in the −X direction. The measurement points PC1 to PC3 are arranged at positions separated from the PA3 in the X direction by a distance d. The measurement point PA2 is located in the central portion of the exposure area 16, and the focus positions of the nine measurement points are independent of each other in the AF of FIG.
It is measured by an AF sensor having the same configuration as the sensor 25A2. In the present embodiment, when the wafer 15 is scanned in the X direction, the measurement points PA1 to PA in the exposure area 16 are measured.
3 and the measurement values of the focus signal at the measurement points PB1 to PB3 located in the front in the scanning direction, and when the wafer 15 is scanned in the -X direction, the measurement points PA1 to PA1 in the exposure area 16 are measured.
The measurement values of the focus signal at PA3 and the measurement points PC1 to PC3 located in front of the scanning direction are used.

【００３３】以下では、図３に示すようにウエハ１５を
Ｘ方向に走査する、即ちレチクル７を−Ｘ方向に走査す
るものとして説明する。先ず、露光領域１６内の中央部
でのウエハ１５のフォーカス位置を結像面に合致させる
ためのオートフォーカス機構につき説明する。この場
合、図３に示すように、露光領域１６内の中央部の計測
点ＰＡ２でのフォーカス位置、及び計測点ＰＡ２に対し
て走査方向（Ｘ方向）に手前側の計測点ＰＢ２でのフォ
ーカス位置をそれぞれＡＦセンサー２５Ａ２及び２５Ｂ
２で計測し、ＡＦセンサー２５Ａ２及び２５Ｂ２からの
光電変換信号をそれぞれ増幅器３２Ａ２及び３２Ｂ２に
通してフォーカス信号ＳＡ２及びＳＢ２を得る。フォー
カス信号ＳＡ２及びＳＢ２は、それぞれ計測点ＰＡ２及
びＰＢ２のフォーカス位置（Ｚ方向の位置）の結像面か
らのずれ量に対応する信号である。In the following description, the wafer 15 is scanned in the X direction as shown in FIG. 3, that is, the reticle 7 is scanned in the -X direction. First, an autofocus mechanism for aligning the focus position of the wafer 15 at the center of the exposure area 16 with the image plane will be described. In this case, as shown in FIG. 3, the focus position at the measurement point PA2 at the center of the exposure area 16 and the focus position at the measurement point PB2 on the front side in the scanning direction (X direction) with respect to the measurement point PA2. AF sensors 25A2 and 25B respectively
2, the photoelectric conversion signals from the AF sensors 25A2 and 25B2 are passed through amplifiers 32A2 and 32B2, respectively, to obtain focus signals SA2 and SB2. The focus signals SA2 and SB2 are signals corresponding to the amounts of deviation of the focus positions (positions in the Z direction) of the measurement points PA2 and PB2 from the image plane.

【００３４】この際に、検出系及びサーボ系に位相遅れ
が無く応答周波数の限界が無いものとすると、フォーカ
ス信号ＳＢ２及びＳＡ２は、それぞれ図４（ａ）の実線
の曲線３４Ｂ及び図４（ｂ）の実線の曲線３４Ａで示す
ように、ウエハ１５の露光面の凹凸を忠実に再現する。
しかしながら、実際には、検出系及びサーボ系の位相遅
れ及び応答周波数により、フォーカス信号ＳＢ２及びＳ
Ａ２は、それぞれ図４（ａ）の点線の曲線３５Ｂ及び図
４（ｂ）の点線の曲線３５Ａで示すように、ウエハ１５
の露光面の凹凸を所定の位相遅れで近似するものとな
る。At this time, assuming that the detection system and the servo system have no phase delay and no limit of the response frequency, the focus signals SB2 and SA2 are the solid curves 34B and 4 (b) of FIG. 4 (a), respectively. ), The unevenness of the exposure surface of the wafer 15 is faithfully reproduced as indicated by the solid curve 34A.
However, in reality, the focus signals SB2 and S2 are generated due to the phase delay and the response frequency of the detection system and the servo system.
A2 is the wafer 15 as indicated by the dotted curve 35B in FIG. 4A and the dotted curve 35A in FIG. 4B, respectively.
The unevenness of the exposed surface of 1 is approximated by a predetermined phase delay.

【００３５】図５はフォーカス信号ＳＢ２及びＳＡ２を
ベクトル表記で表したものであり、ベクトル〈ＳＢ
２₀〉及び〈ＳＢ２〉はそれぞれ図４（ａ）の曲線３４
Ｂ及び３５Ｂに対応するフォーカス信号を示し、ベクト
ル〈ＳＡ２₀〉及び〈ＳＡ２〉はそれぞれ図４（ｂ）の
曲線３４Ａ及び３５Ａに対応するフォーカス信号を示
す。求めるべきは、図３の露光領域１６の中央の計測点
ＰＡ２でのフォーカス位置に対応する位相遅れの無い元
のフォーカス信号、即ちベクトル〈ＳＡ２₀〉に対応す
るフォーカス信号である。図５より分かるように、ベク
トル〈ＳＢ２〉及び〈ＳＡ２〉にそれぞれ重み係数を付
けて加算するとベクトル〈ＳＤ２〉が得られるが、重み
係数を調整することにより、ほぼベクトル〈ＳＡ２₀〉
と合致するベクトル〈ＳＤ２〉を求めることができる。
実際には、そのベクトル加算は、時間軸上でフォーカス
信号ＳＢ２及びＳＡ２を重み付け加算することにより実
行される。FIG. 5 shows the focus signals SB2 and SA2 in vector notation, and the vector <SB
2 _0> and <SB2> curve of each diagram 4 (a) 34
B and 35B, and the vectors <SA2 ₀ > and <SA2> represent the focus signals corresponding to the curves 34A and 35A of FIG. 4B, respectively. Is to be determined is the central of the original focus signal without a phase lag corresponding to the focus position at the measurement point PA2, namely a focus signal corresponding to the vector <SA2 _0> of the exposure area 16 in FIG. 3. As can be seen from FIG. 5, a vector <SD2> is obtained by adding weighting coefficients to the vectors <SB2> and <SA2>, respectively. By adjusting the weighting coefficients, the vector <SA2 ₀ > can be obtained.
A vector <SD2> that matches with can be obtained.
Actually, the vector addition is executed by weighting and adding the focus signals SB2 and SA2 on the time axis.

【００３６】図６は、そのようにフォーカス信号の重み
付け加算を行うための面位置算出系３３の一例を示し、
図６において、フォーカス信号ＳＡ２及びＳＢ２には、
面位置算出系３３内の乗算器３６Ａ２及び３６Ｂ２によ
りそれぞれ重み係数Ｋ１及びＫ２が掛けられる。そし
て、乗算器３６Ａ２及び３６Ｂ２の出力信号が加算器３
７Ｄ２で加算されてフォーカス信号ＳＤ２が得られ、こ
のフォーカス信号ＳＤ２が面位置算出系３３からウエハ
駆動系２４に供給される。ウエハ駆動系２４は、フォー
カス信号ＳＤ２が０になるように、Ｚレベリングステー
ジ１９の３個の支点１８Ａ〜１８ＣのＺ方向への伸縮量
を並行に調整する。これにより、ウエハ１５をＸ方向に
走査して露光を行う際でも、露光領域１６内の中央の計
測点ＰＡ２でのフォーカス位置が結像面に合致した状態
に維持される。FIG. 6 shows an example of a surface position calculation system 33 for performing weighted addition of focus signals in this way.
In FIG. 6, the focus signals SA2 and SB2 include
The multipliers 36A2 and 36B2 in the surface position calculation system 33 multiply the weighting factors K1 and K2, respectively. The output signals of the multipliers 36A2 and 36B2 are added by the adder 3
7D2 is added to obtain a focus signal SD2, and this focus signal SD2 is supplied from the surface position calculation system 33 to the wafer drive system 24. The wafer drive system 24 adjusts the expansion and contraction amounts of the three fulcrums 18A to 18C of the Z leveling stage 19 in the Z direction in parallel so that the focus signal SD2 becomes zero. As a result, even when the wafer 15 is scanned in the X direction for exposure, the focus position at the central measurement point PA2 in the exposure area 16 is maintained in a state of being aligned with the image plane.

【００３７】この際に、重み係数Ｋ１及びＫ２の値は、
ウエハ１５のＸ方向への走査速度Ｖ _W、ウエハ１５上で
の露光領域（レチクルパターンの投影領域）１６の走査
方向の幅Ｄ、及び計測点ＰＡ２と計測点ＰＢ２との走査
方向の間隔ｄにより決定される。実際には、例えば重み
係数Ｋ１及びＫ２の値を種々に設定して、ウエハ１５の
テストプリントを行い、露光後のデフォーカス量が最も
小さくなるときの重み係数Ｋ１及びＫ２の値を使用すれ
ばよい。At this time, the values of the weighting factors K1 and K2 are
Scanning speed V of the wafer 15 in the X direction _W, On wafer 15
Exposure area (reticle pattern projection area) 16 scanning
Width D in the direction and scanning between the measurement points PA2 and PB2
It is determined by the distance d in the direction. In practice, for example, weights
By setting the values of the coefficients K1 and K2 variously, the wafer 15
A test print is performed, and the defocus amount after exposure is the highest.
Use the values of the weighting factors K1 and K2 when it becomes smaller.
Good.

【００３８】次に、本例でウエハ１５のオートフォーカ
ス及びオートレベリングを行う場合の制御系の構成及び
動作につき説明する。図７はこの場合の面位置算出系３
３及びウエハ駆動系２４の構成の一例を示し、この図７
において、露光領域１６内の計測点のフォーカス位置を
検出する３個のＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３、及び
これら計測点の走査方向に手前側の計測点のフォーカス
位置を検出する３個のＡＦセンサー２５Ｂ１〜２５Ｂ３
が使用される。ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３、２５
Ｂ１〜２５Ｂ３からの光電変換信号はそれぞれ増幅器３
２Ａ１〜３２Ａ３、３２Ｂ１〜３２Ｂ３を介してフォー
カス信号として面位置算出系３３内のマルチプレクサ３
８に供給される。増幅器３２Ａ１〜３２Ａ３、３２Ｂ１
〜３２Ｂ３では、入力された光電変換信号から外乱光等
によるノイズ成分が除去され、信号成分のコンディショ
ニングが行われている。マルチプレクサ３８には、図２
（ａ）の３個の計測点ＰＣ１〜ＰＣ３に対応するフォー
カス信号も供給されているが、この場合には使用しない
ので表示を省略している。Next, the configuration and operation of the control system in the case of performing the autofocus and the autoleveling of the wafer 15 in this example will be described. FIG. 7 shows the surface position calculation system 3 in this case.
3 shows an example of the configuration of the wafer driving system 24, and FIG.
3, three AF sensors 25A1 to 25A3 that detect the focus positions of the measurement points in the exposure area 16 and three AF sensors 25B1 that detect the focus positions of the measurement points on the front side in the scanning direction of these measurement points. 25B3
Is used. AF sensor 25A1 to 25A3, 25
The photoelectric conversion signals from B1 to B3 are respectively sent to the amplifier 3
The multiplexer 3 in the surface position calculation system 33 is used as a focus signal via 2A1 to 32A3 and 32B1 to 32B3.
8 are supplied. Amplifiers 32A1 to 32A3, 32B1
At -32B3, noise components due to ambient light or the like are removed from the input photoelectric conversion signal, and the signal components are conditioned. The multiplexer 38 has the configuration shown in FIG.
Focus signals corresponding to the three measurement points PC1 to PC3 in (a) are also supplied, but in this case, they are not used and are not shown.

【００３９】マルチプレクサ３８は、増幅器３２Ａ１〜
３２Ａ３、３２Ｂ１〜３２Ｂ３からのフォーカス信号を
時分割的に順次アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３
９に供給し、Ａ／Ｄ変換器３９からのデジタル化された
フォーカス信号は順次主制御系１３内のメモリに記憶さ
れる。主制御系１３内では供給されたフォーカス信号の
内から選択されたフォーカス信号に対して、図６の回路
と同様に重み付け加算を実行して基準となるフォーカス
信号を生成すると共に、現在の露光領域１６内のウエハ
１５の露光面の各点でのフォーカス信号から、最小自乗
法によりその露光領域１６内の露光面の平均的な面を求
める。そして、主制御系１３は、基準となるフォーカス
信号、及び平均的な面の傾斜角から、露光領域１６内の
ウエハ１５の露光面を結像面に合致させるための、Ｚレ
ベリングステージ１９の３個の支点１８Ａ〜１８Ｃの伸
縮量を算出して、これら３個の伸縮量の情報をウエハ駆
動系２４内のデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器４０
に供給する。The multiplexer 38 includes amplifiers 32A1 to 32A1.
The focus signals from 32A3, 32B1 to 32B3 are sequentially time-divisionally analog / digital (A / D) converter 3
9, and the digitized focus signal from the A / D converter 39 is sequentially stored in the memory in the main control system 13. In the main control system 13, weighting addition is performed on a focus signal selected from the supplied focus signals in the same manner as in the circuit of FIG. 6 to generate a reference focus signal, and the current exposure area From the focus signal at each point on the exposure surface of the wafer 15 in 16 the average surface of the exposure surface in the exposure area 16 is determined by the method of least squares. Then, the main control system 13 uses the reference focus signal and the average tilt angle of the surface to adjust the 3 of the Z leveling stage 19 for matching the exposure surface of the wafer 15 in the exposure area 16 with the imaging surface. The expansion / contraction amount of each of the fulcrums 18A to 18C is calculated, and the information about the expansion / contraction amount of these three pieces is used as a digital / analog (D / A) converter 40 in the wafer drive system 24.
Supply to.

【００４０】ウエハ駆動系２４では、Ｄ／Ａ変換器４０
からの伸縮量を示す信号がデマルチプレクサ４１に供給
され、デマルチプレクサ４１から出力される３個の伸縮
量を示す信号がそれぞれサーボアンプ４２Ａ〜４２Ｃを
介してＺレベリングステージ１９の支点１８Ａ〜１８Ｃ
に供給される。そして、支点１８Ａ〜１８Ｃの伸縮量が
調整され、ウエハ１５の露光面のフォーカス位置及び傾
斜角が調整される。このウエハ１５のフォーカス位置が
ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３、２５Ｂ１〜２５Ｂ３
により検出されてフィードバックされ、図７の系の全体
が閉ループのサーボ系として機能する。これにより、露
光領域１６内のウエハ１５の露光面の平均的な面が結像
面に合致するように制御される。In the wafer drive system 24, the D / A converter 40
Is supplied to the demultiplexer 41, and the three signals indicating the expansion / contraction amounts output from the demultiplexer 41 are supplied to the fulcrums 18A-18C of the Z leveling stage 19 via the servo amplifiers 42A-42C, respectively.
Is supplied to. Then, the expansion and contraction amounts of the fulcrums 18A to 18C are adjusted, and the focus position and the inclination angle of the exposure surface of the wafer 15 are adjusted. The focus position of the wafer 15 is the AF sensors 25A1 to 25A3 and 25B1 to 25B3.
Is detected and fed back, and the entire system of FIG. 7 functions as a closed loop servo system. As a result, the average surface of the exposure surface of the wafer 15 in the exposure area 16 is controlled so as to match the image plane.

【００４１】なお、上述実施例では、図２（ａ）に示す
ように、露光領域１６及びこの近傍に３列で合計９個の
計測点が設定されているが、４列以上で９個以上の計測
点を設定してもよい。また、例えば図２（ｂ）に示すよ
うに、露光領域１６内に４個の計測点ＱＡ１〜ＱＡ４を
設定し、これら一列の計測点の手前側に計測点ＱＡ１〜
ＱＡ４とは非走査方向（Ｙ方向）の位置を変えて５個の
計測点ＱＢ１〜ＱＢ５を設定してもよい。この場合、計
測点ＱＢ１〜ＱＢ５を通る直線上で、計測点ＱＡ１とＹ
方向の位置が同じ計測点ＱＢ６でのフォーカス位置が必
要な場合には、例えば両側の計測点ＱＢ１及びＱＢ２で
のフォーカス位置の平均値等でデータを内挿してもよ
い。In the embodiment described above, as shown in FIG. 2A, a total of 9 measurement points are set in the exposure region 16 and in the vicinity thereof in 3 rows, but 9 or more in 4 rows or more. The measurement points may be set. Further, for example, as shown in FIG. 2B, four measurement points QA1 to QA4 are set in the exposure area 16, and the measurement points QA1 to QA1 are set in front of the measurement points in one row.
The five measurement points QB1 to QB5 may be set by changing the position in the non-scanning direction (Y direction) from QA4. In this case, on the straight line passing through the measurement points QB1 to QB5, the measurement points QA1 and Y
When the focus position at the measurement point QB6 having the same directional position is required, the data may be interpolated by, for example, the average value of the focus positions at the measurement points QB1 and QB2 on both sides.

【００４２】なお、上記実施例においてフォーカス合わ
せのみを行うときは、走査方向に関して所定間隔だけ離
れた少なくとも２つの計測点を設定すればよく、１次元
（又は２次元）のレベリング合わせまで行うときは少な
くとも２組、即ち４つの計測点（又は少なくとも３組、
即ち６つの計測点）を設定すればよい。ただし、２次元
のレベリングを行うときは、露光領域内の少なくとも３
つの計測点が同一直線上に並ばないように設定する必要
がある。When only focusing is performed in the above embodiment, at least two measurement points separated by a predetermined distance in the scanning direction may be set, and when performing one-dimensional (or two-dimensional) leveling alignment as well. At least 2 sets, ie 4 measurement points (or at least 3 sets,
That is, six measurement points) may be set. However, when performing two-dimensional leveling, at least 3 in the exposure area
It is necessary to set so that the two measurement points do not line up on the same straight line.

【００４３】また、上述実施例は本発明を投影光学系を
載置した投影露光装置に適用したものであるが、それ以
外に例えば、反射式の投影露光装置、プロキシミティ方
式の露光装置、又はコンタクト方式の露光装置にも本発
明を適用することができる。更に、露光装置以外、例え
ば検査装置や加工装置であっても移動体の高さや傾きを
検出するものであれば、本発明を適用して同様の効果を
得ることができる。また、例えば図１の面位置算出系３
３はハードウエア、ソフトウエアの何れで構成してもよ
い。このように本発明は上述実施例に限定されず、本発
明の要旨を免脱しない範囲で種々の構成を取り得る。Further, the above-described embodiment is one in which the present invention is applied to the projection exposure apparatus on which the projection optical system is mounted, but other than that, for example, a reflection type projection exposure apparatus, a proximity type exposure apparatus, or The present invention can be applied to a contact type exposure apparatus. Further, other than the exposure apparatus, for example, an inspection apparatus or a processing apparatus, as long as the height and the inclination of the moving body are detected, the same effects can be obtained by applying the present invention. Also, for example, the surface position calculation system 3 in FIG.
3 may be composed of either hardware or software. As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various configurations can be taken without departing from the gist of the present invention.

【００４４】[0044]

【発明の効果】本発明によれば、露光領域内の計測点及
び先行する計測点で検出された高さに対応する信号を重
み係数を付けて加算して基準点での高さに対応する信号
を求めているため、ステップ・アンド・スキャン方式を
始めとする走査型の露光装置において、移動している基
板（ウエハ等）の露光面のその基準点でのフォーカス位
置（高さ）を正確に検出してサーボ系にフィードバック
できる利点がある。According to the present invention, the signals corresponding to the heights detected at the measurement point and the preceding measurement point in the exposure area are weighted and added to correspond to the height at the reference point. Since the signal is obtained, the focus position (height) at the reference point of the exposure surface of the moving substrate (wafer, etc.) is accurately determined in the scanning exposure apparatus including the step-and-scan method. Has the advantage that it can be detected and fed back to the servo system.

【００４５】また、高さ検出手段で検出対象となる複数
の計測点を基板の走査方向に平行な異なる複数の直線上
に分布する３個以上の計測点として、その高さ検出手段
により検出されたそれら複数の計測点の高さに対応する
信号を最小自乗法で処理してその基板の露光面の面形状
を算出するようにした場合には、移動している基板の露
光面の平均的な面の傾斜角を正確に検出してサーボ系に
フィードバックできる利点がある。Further, the plurality of measuring points to be detected by the height detecting means are detected by the height detecting means as three or more measuring points distributed on a plurality of different straight lines parallel to the scanning direction of the substrate. When the signals corresponding to the heights of the plurality of measurement points are processed by the least square method to calculate the surface shape of the exposed surface of the substrate, the average of the exposed surface of the moving substrate is calculated. There is an advantage that the tilt angle of a flat surface can be accurately detected and fed back to the servo system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明による位置検出装置の一実施例が適用さ
れた投影露光装置の全体を示す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an entire projection exposure apparatus to which an embodiment of a position detecting apparatus according to the present invention is applied.

【図２】（ａ）は図１のウエハ１５上の計測点の配置の
一例を示す図、（ｂ）はその計測点の配置の他の例を示
す図である。2A is a diagram showing an example of the arrangement of measurement points on the wafer 15 of FIG. 1, and FIG. 2B is a diagram showing another example of the arrangement of measurement points.

【図３】ウエハ１５を所定の方向に走査する場合のＡＦ
センサーによるフォーカス位置の検出動作の説明に供す
る模式図である。FIG. 3 is an AF when the wafer 15 is scanned in a predetermined direction.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a focus position detection operation by a sensor.

【図４】（ａ）は図３のＡＦセンサー２５Ｂ２によるフ
ォーカス信号を示す波形図、（ｂ）は図３のＡＦセンサ
ー２５Ａ２によるフォーカス信号を示す波形図である。4A is a waveform diagram showing a focus signal from the AF sensor 25B2 in FIG. 3, and FIG. 4B is a waveform diagram showing a focus signal from the AF sensor 25A2 in FIG.

【図５】図４のフォーカス信号をベクトル表記した状態
を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a state in which the focus signal of FIG. 4 is represented by a vector.

【図６】実施例のオートフォーカス機構の一例を示す要
部の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a main part showing an example of an autofocus mechanism of the embodiment.

【図７】実施例のオートフォーカス機構及びオートレベ
リング機構の他の例を示す要部の構成図である。FIG. 7 is a configuration diagram of a main part showing another example of the autofocus mechanism and the autoleveling mechanism of the embodiment.

【符号の説明】３レチクルブラインド７レチクルＰＬ投影光学系１３主制御系１５ウエハ１６露光領域１８Ａ〜１８Ｃ支点１９Ｚレベリングステージ２０ＸＹステージ２３ウエハ側のレーザ干渉計２４ウエハ駆動系２５Ａ１〜２５Ａ３，２５Ｂ１〜２５Ｂ３ＡＦセンサ
ーＰＡ１〜ＰＡ３，ＰＢ１〜ＰＢ３，ＰＣ１〜ＰＣ３計
測点３２Ａ１〜３２Ａ３，３２Ｂ１〜３２Ｂ３増幅器３３面位置算出系[Description of Reference Signs] 3 reticle blind 7 reticle PL projection optical system 13 main control system 15 wafer 16 exposure area 18A to 18C fulcrum 19 Z leveling stage 20 XY stage 23 wafer side laser interferometer 24 wafer drive system 25A1 to 25A3, 25B1 25B3 AF sensor PA1 to PA3, PB1 to PB3, PC1 to PC3 measurement points 32A1 to 32A3, 32B1 to 32B3 amplifier 33 surface position calculation system

Claims

[Claims]

1. A mask stage which scans a mask having a transfer pattern formed in a predetermined direction on an illumination area having a predetermined shape, and a photosensitive substrate which scans in a predetermined direction in synchronization with the mask stage. And a height adjusting unit that adjusts the height of the substrate according to the height of the exposure surface of the substrate in the mask direction, which is provided on the substrate stage, and adjusts the height of the substrate. While being provided with a scanning type exposure device that sequentially exposes the pattern of the mask onto the substrate, a signal corresponding to the height of the exposed surface of the substrate to be supplied to the height adjusting means is detected. In the apparatus, a plurality of measurement points, which are the measurement points in the exposure area of the mask pattern and the measurement points in the area on the front side in the scanning direction with respect to the exposure area, correspond to the height of the exposure surface of the substrate. Detect signal And a signal corresponding to the heights of the plurality of measurement points detected by the height detecting means, the moving speed of the substrate stage, the width of the exposure area of the pattern of the mask in the scanning direction, and A height calculation for obtaining a signal corresponding to the height of the exposed surface of the substrate at a predetermined reference point in the exposure area of the mask pattern by adding a weighting factor determined by the arrangement of a plurality of measurement points And a means for supplying a signal corresponding to the height obtained by the height calculating means to the height adjusting means.

2. A plurality of measuring points to be detected by the height detecting means are three or more measuring points distributed on a plurality of different straight lines parallel to the scanning direction of the substrate, and the height detecting means The surface shape calculation means for calculating the surface shape of the exposure surface of the substrate by processing the signals corresponding to the heights of the plurality of measurement points detected by the method of least squares. The position detection device described.