JPH08145645A

JPH08145645A - 傾き検出装置

Info

Publication number: JPH08145645A
Application number: JP6292656A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tanaka; 康明田中
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1996-06-07
Also published as: US5729337A

Abstract

(57)【要約】【目的】感光基板等の被検基板の表面に周期性のある
パターンが形成されている場合でも、正確にその表面の
傾きを検出する。【構成】パターン板１０のピンホールからの照明光Ａ
Ｌが、リレーレンズ１１、視野絞り１２、リレーレンズ
１３を経て振動ミラー１６上に集光され、振動ミラー１
６からの反射光が、照射側対物レンズ１４により平行光
束１５に変換されてウエハ４上に斜めに入射する。ウエ
ハ４で反射された０次光２０が、集光レンズ２１により
４分割受光素子２２上に集光される。振動ミラー１６を
振動させて、平行光束１５でウエハ４上を走査し、それ
に同期して４分割受光素子２２からの検出信号を平均化
して、ウエハ４の表面の傾き角を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体ウエハ等
の基板の表面の所定の基準面に対する傾き角を検出する
ための傾き検出装置に関し、特に半導体素子、又は液晶
表示素子等を製造する際にマスクパターンを感光基板上
に投影するために使用される投影露光装置において、感
光基板の表面の投影光学系の結像面に対する傾斜角を検
出するためのレベリングセンサに適用して卓効あるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】投影露光装置において、マスクとしての
レチクルのパターンを投影光学系を介して、感光材料が
塗布されたウエハ又はガラスプレート等の感光基板上の
各ショット領域に高い解像度で投影するには、各ショッ
ト領域の表面をそれぞれ結像面に対して焦点深度の範囲
内で合わせ込む必要がある。そのため、投影露光装置に
は、感光基板上の各ショット領域の平均的な面を結像面
に平行に設定するオートレベリング機構と、各ショット
領域内の所定の点の高さを結像面の高さに設定するオー
トフォーカス機構とが設けられている。前者のオートレ
ベリング機構は、感光基板の露光対象とするショット領
域（又はほぼこのショット領域とみなせる領域）の平均
的な面の結像面に対する傾き角（傾斜角）を検出するレ
ベリングセンサと、その傾き角を０に収束させて維持す
るレベリングステージと、より構成されている。

【０００３】従来のレベリングセンサ（傾き角の検出
系）は、ピンホールから射出された単色光を平行光束に
して感光基板上のショット領域と同じかそれに近い領域
に対して斜め方向から照射する照射光学系と、感光基板
上で反射された光束を集光してピンホール像を形成する
集光光学系と、そのピンホール像の結像位置に応じた検
出信号を生成する４分割受光素子と、から構成されてい
た。この場合、そのショット領域の傾き角が変化する
と、その４分割受光素子上での結像位置（集光位置）が
変化して検出信号も変化するため、その検出信号が所定
の状態に維持されるように感光基板の傾き角を制御して
いた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の技
術においては、単色の平行光束を感光基板上で露光対象
とする比較的広いショット領域のほぼ全面に照射してい
た。しかしながら、各種製造プロセスを経て感光基板上
の各ショット領域に周期性のあるパターンが形成されて
いる場合に、広い領域に単色の平行光束を照射すると、
そのパターンによる回折光が発生することがある。回折
角はパターンピッチに依存するので、パターンピッチが
或る程度大きくなると、回折角が小さくなって回折光が
４分割受光素子に入射するようになる。

【０００５】このとき、照射光学系の光軸が感光基板に
対して傾いていること、及び感光基板上のパターンやそ
の上に塗布された感光材料（フォトレジスト等）の形状
の非対称性等によって、＋次数の回折光と−次数の回折
光とで光量に差が生じることがある。このとき、その光
量の不均衡によって４分割受光素子の検出信号が変化し
て、本来０次光によって定まる傾き角の検出結果に誤差
が混入し、感光基板を結像面に対して正確に平行にでき
ないという不都合があった。

【０００６】また、フォトレジスト等の薄膜における干
渉の影響を低減するために、傾き角検出用の照明光とし
て、単色光でなく所定幅の波長帯（帯域）に分布する光
束を使用する例も知られている。しかしながら、そのよ
うに所定の波長幅を有する光束を使用しても、感光基板
上に周期的なパターンが存在する場合には、４分割受光
素子上での光量分布はその帯域内の各波長毎の回折光を
重畳したような状態となるため、単色光を使用する場合
と同様に回折光の不均衡による悪影響を受けるという不
都合がある。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、感光基板等の被
検基板の表面に周期性のあるパターンが形成されている
場合でも、正確にその表面の傾きを検出することができ
る傾き検出装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による傾き検出装
置は、例えば図１に示すように、計測対象とする基板
（４）上に斜めに平行光束を照射する照射光学系（８）
と、基板（４）からの反射光を集光する集光光学系（２
１）と、この集光光学系により集光された光束の位置に
対応する検出信号を生成する光電検出手段（２２）とを
有し、この光電検出手段からの検出信号に基づいて基板
（４）の傾きを検出する装置において、照射光学系
（８）から基板（４）上に照射される平行光束と基板
（４）とを１次元的、又は２次元的に相対的に走査する
相対走査手段（１６，１７）と、その平行光束と基板
（４）との相対的な走査位置に応じて光電検出手段（２
２）から取り込んだ検出信号を統計処理（平均化、積分
等）して基板（４）の表面の平均的な面の傾き角に対応
する情報を求める演算手段（１９）とを備えたものであ
る。

【０００９】この場合、その照射光学系（８）を、所定
のパターン（１０）からの光束を一度集光するリレー光
学系（１０，１３）と、その一度集光された光束を平行
光束にする照射対物光学系（１４）とを含んで構成する
と、その相対走査手段としては、リレー光学系（１０，
１３）による光束の集光点に配置された反射部材（１
６）と、この反射部材を駆動してその集光された光束の
照射対物光学系（１４）に対する入射角を変化させる駆
動手段（１７）と、を有する走査手段が使用できる。

【００１０】また、平行光束と基板（４）とを１次元的
に走査する場合、照射光学系（８）から基板（４）上に
照射される平行光束の入射方向（Ｘ方向）に沿って、相
対走査手段（１６，１７）によりその平行光束と基板
（４）とを相対的に走査することが望ましい。更に、照
射光学系（８）内、又は集光光学系（２１）内に、基板
（４）上での傾きの検出領域を制限する絞り（２６）を
設けることが望ましい。

【００１１】

【作用】斯かる本発明によれば、例えば図３（ｂ）に示
すように基板（４）上の所定の領域（２８）の傾きを検
出する場合には、その領域（２８）より例えばＸ方向に
狭い矩形の照射領域（２７Ａ）に平行光束を斜めに照射
する。この場合、基板（４）上にＸ方向に所定ピッチで
周期的なパターンが存在しても、照射領域（２７Ａ）は
Ｘ方向に狭いため、その照射領域（２７Ａ）内にそのパ
ターンが複数周期存在する確率は低いと共に、仮にその
パターンが複数周期存在しても回折光の強度は弱いた
め、＋次数の回折光と−次数の回折光との不均衡による
悪影響は低減される。従って、光電検出手段（２２）の
検出信号より、その狭い照射領域（２７Ａ）内の平均的
な面の正確な傾き角に対応する情報が得られる。

【００１２】更に、その照射領域（２７Ａ）と基板
（４）とをＸ方向に相対的に走査して、光電検出手段
（２２）から得られる検出信号を例えば積分することに
より、その領域（２８）全体の平均的な面の正確な傾き
角に対応する情報が得られる。この場合、その平行光束
と基板（４）とを相対的に走査した場合に、その平行光
束の入射角が変化すると、光電検出手段（２２）上での
平行光束の集光点の位置が変化するため、予め相対的な
走査位置と光電検出手段（２２）上での集光点との関係
を求めておき、その相対的な走査位置に応じて光電検出
手段（２２）の検出信号を補正する必要がある。

【００１３】逆に、その平行光束と基板（４）とを相対
的に走査しても、その平行光束の入射角が変化しないよ
うにしてもよい。これにより、相対的に走査しても光電
検出手段（２２）上での集光点の位置が変化しないた
め、検出信号の処理が容易になる。そのように平行光束
の入射角を変化させない方法としては、例えば基板
（４）側を所定の平面に沿って平行光束に対して移動さ
せる方法がある。

【００１４】また、平行光束の入射角を変化させずに、
平行光束の入射位置を基板（４）の表面で移動させるに
は、照射対物光学系（１４）の前側焦点位置に反射部材
（１６）を配置し、リレー光学系（１１，１３）により
その反射部材（１６）上に所定のパターン（ピンホール
等）からの光束を集光し（即ち、その所定のパターンの
像を形成し）、その反射部材（１６）からの反射光を照
射対物光学系（１４）に入射させればよい。そして、駆
動手段（１７）により反射部材（１６）の角度を変える
と、照射対物光学系（１４）から射出される平行光束は
平行に移動するため、基板（４）に対する入射角が一定
の状態でその照射位置が変化する。

【００１５】次に、図３（ａ）に示すように、平行光束
（１５）の基板（４）に対する入射方向をＸ方向、基板
（４）の法線方向をＺ方向として、基板（４）上にＸ方
向に周期的なパターンが存在すると、基板（４）からの
反射光（０次光）（２０）を挟むようにＸＺ平面内に例
えば±１次回折光（２９Ａ，２９Ｂ）が発生する。この
場合、平行光束（１５）がＸＺ平面内で斜めに入射する
ため、非対称性によって特に＋１次回折光（２９Ａ）と
−１次回折光（２９Ｂ）との光量が不均衡になり易い。
従って、その不均衡の影響を小さくするためには、照射
領域（２７Ａ）のＸ方向の幅を狭くして、相対的な走査
方向をＸ方向とすればよい。

【００１６】この際に、図３（ａ）の紙面に垂直なＹ方
向に周期的なパターンが存在しても、平行光束（１５）
はそのパターンに対して対称に入射するため、例えば±
１次回折光の光量はほぼ同一であり、特に悪影響を与え
ない。従って、照射領域（２７Ａ）をＹ方向に長くして
も傾き角の検出精度は悪化しない。次に、図１に示すよ
うに、照射光学系（８）内、又は集光光学系（２１）内
に絞り（２６）を設けると、平行光束（１５）の走査範
囲に拘らず、基板（４）上での傾き角の検出領域を所望
の領域に制限できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による傾き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、投影露光
装置に設けられるレベリングセンサ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要部を示
し、この図１において、レチクル１がレチクルステージ
２上に保持され、露光時には上方の不図示の照明光学系
からの露光用の照明光ＩＬがレチクル２に照射され、そ
の照明光ＩＬのもとでレチクル２のパターンが投影光学
系３を介して、感光基板としてのフォトレジストが塗布
されたウエハ４の各ショット領域に結像投影される。こ
こで、投影光学系３の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ
軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の
紙面に垂直にＹ軸を取る。

【００１８】ウエハ４は、レベリングステージ５上に保
持され、レベリングステージ５は３個の上下動機構６Ａ
〜６Ｃを介してウエハステージ７上に載置されている。
上下動機構６Ａ〜６Ｃは、それぞれＺ方向に伸縮自在で
あり、例えば駆動モータの回転角を偏心カムでＺ方向へ
の変位に変換する機構、Ｚ方向に配置された送りねじを
駆動モータで回動する機構、又はピエゾ素子等が使用で
きる。そして、３個の上下動機構６Ａ〜６ＣのＺ方向へ
の伸縮量を個別に調整することにより、ウエハ４の表面
（被検面）のＸ軸の回りの傾き角、及びＹ軸の回りの傾
き角を調整することができる。更に、３個の上下動機構
６Ａ〜６ＣのＺ方向への伸縮量を並行に同じ量だけ調整
することにより、ウエハ４のＺ方向の位置（焦点位置）
を所定範囲で調整できるようになっている。

【００１９】また、ウエハステージ７は、ウエハ４をＺ
方向に大まかに位置決めするＺステージ、及びウエハ４
のＸＹ平面内での位置決めを行うＸＹステージ等から構
成されている。露光時には、ウエハステージ７を介して
ステップ・アンド・リピート方式でウエハ４の各ショッ
ト領域を順次投影光学系３の露光フィールドに移動した
後、オートフォーカス、及びオートレベリングをかけた
状態でレチクル１のパターン像がそれらショット領域に
露光される。

【００２０】次に、本例のレベリングセンサは、照射光
学系８、振動ミラー１６、集光光学系としての集光レン
ズ２１、及び４分割受光素子２２等から構成されてい
る。先ず、照射光学系８において、ハロゲンランプ等の
光源９から射出された照明光ＡＬは、パターン板９に照
射される。照明光ＡＬとしては、ウエハ４上のフォトレ
ジスト層への感光性の弱い波長帯の光が使用され、パタ
ーン板９上のピンホールを通過した照明光ＡＬは、第１
リレーレンズ１１を介してスリット状の開口が形成され
た視野絞り１２に照射される。そのスリット状の開口の
長手方向はＹ方向（図１の紙面に垂直な方向）となって
いる。その視野絞り１２の開口から射出される照明光Ａ
Ｌは、第２リレーレンズ１３により集光される。

【００２１】その集光点、即ちパターン板１０のピンホ
ールと共役な位置に振動ミラー１６が配置され、振動ミ
ラー１６は加振器１７によりＹ方向に平行な軸を中心と
して振動するようになっている。振動ミラー１６、及び
加振器１７としてはガルバノミラー、又はモータにより
回転されるポリゴンミラー等が使用できる。また、加振
器１７の加振動作は振動制御系１８により制御され、振
動制御系１８から後述の平均化回路１９に対して、振動
ミラー１６の傾斜角に対応する角度信号Ｓθ（ｔ）が供
給される。

【００２２】その振動ミラー１６上の集光点を前側焦点
として照射側対物レンズ１４が配置されている。更に、
照射側対物レンズ１４の光軸は投影光学系３の光軸ＡＸ
に斜めに交差しており、振動ミラー１６で反射された照
明光ＡＬは、照射側対物レンズ１４を介して平行光束１
５に変換されてウエハ４の表面（被検面）に斜めに入射
する。振動ミラー１６が振動すると、照射側対物レンズ
１４から射出される平行光束１５は、照射側対物レンズ
１４の光軸に垂直な方向に平行移動して、その平行光束
１５はウエハ４の表面を±Ｘ方向に走査する。

【００２３】平行光束１５の入射によりウエハ４の表面
で反射された０次光２０は、集光光学系としての集光レ
ンズ２１により４分割受光素子２２の受光面に集光さ
れ、その受光面にパターン板９内のピンホールの像２３
が結像される。即ち、４分割受光素子２２の受光面は、
振動ミラー１６の反射面、及びパターン板１０の配置面
と共役である。そのピンホールの像２３の位置は、ウエ
ハ４の表面の傾き角に応じて変化する。

【００２４】図２は４分割受光素子２２の正面図であ
り、この図２に示すように、４分割受光素子２２は、４
個の互いに独立で、且つ密接して配置された矩形の受光
面を有するフォトダイオード等の受光素子２２ａ〜２２
ｄに分割され、各受光素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２
２ｄからそれぞれ入射した照明光を光電変換して得られ
る検出信号Ａ（ｔ），Ｂ（ｔ），Ｃ（ｔ），Ｄ（ｔ）が
出力される。これらの検出信号は時間ｔの関数として表
され、検出信号Ａ（ｔ）〜Ｄ（ｔ）は、演算回路２４に
供給されている。

【００２５】図２において、図１の紙面に垂直な方向に
対応する方向をＲＸ方向として、ＲＸ方向に垂直な方向
をＲＹ方向とすると、受光素子２２ａ〜２２ｄは、ＲＹ
方向に２行で、ＲＸ方向に２列となるように配列されて
いる。そこで、演算回路２４では、次のような演算によ
り４分割受光素子２２上のピンホールの像２３のＲＸ方
向の位置に対応する検出信号ＳＸ（ｔ）、及びＲＹ方向
の位置に対応する検出信号ＳＹ（ｔ）を求める。

【００２６】

【数１】ＳＸ（ｔ）＝［｛Ａ（ｔ）＋Ｃ（ｔ）｝−｛Ｂ
（ｔ）＋Ｄ（ｔ）｝］／Σ

【００２７】

【数２】ＳＹ（ｔ）＝［｛Ａ（ｔ）＋Ｂ（ｔ）｝−｛Ｃ
（ｔ）＋Ｄ（ｔ）｝］／Σ 但し、分母のΣは、次のように各検出信号の和である。

【００２８】

【数３】Σ＝Ａ（ｔ）＋Ｂ（ｔ）＋Ｃ（ｔ）＋Ｄ（ｔ）この場合、実際には検出信号Ａ（ｔ）〜Ｄ（ｔ）はそれ
ぞれ受光素子２２ａ〜２２ｄの出力信号を増幅器（不図
示）で増幅して得た信号であり、各受光素子２２ａ〜２
２ｄに同じ光量の光束を入射させたときに、検出信号Ａ
（ｔ）〜Ｄ（ｔ）が同じ大きさとなるようにそれら増幅
器の増幅度が調整されている。また、予め投影光学系３
の露光フィールド内に配置された基準部材の平坦度の良
好な表面が結像面に合致しているときに、４分割受光素
子２２の中心にピンホールの像が結像されて、検出信号
ＳＸ（ｔ）及びＳＹ（ｔ）がそれぞれ０となるように、
４分割受光素子２２の位置が調整されている。

【００２９】従って、ウエハ４の露光対象のショット領
域の表面が平坦で、且つ結像面に合致しているときに
は、ピンホールの像２３の位置は４分割受光素子２２の
中心にあり、そのショット領域の表面がＸ軸に平行な軸
を中心として傾くと、その像２３の位置はほぼＲＸ方向
に変位して検出信号ＳＸ（ｔ）の値が変化し、そのショ
ット領域の表面がＹ軸に平行な軸（図１の紙面に垂直な
軸）を中心として傾くと、その像２３の位置はほぼＲＹ
方向に変位して検出信号ＳＹ（ｔ）の値が変化する。そ
のため、検出信号ＳＸ（ｔ）、及びＳＹ（ｔ）の値がそ
れぞれ０になるように、レベリングステージ５のＸ軸に
平行な軸を中心とする傾斜角θ_X、及びＹ軸に平行な軸
を中心とする傾斜角θ_Yを調整することにより、そのシ
ョット領域の表面を結像面に平行に設定できる。

【００３０】但し、実際にはウエハ４の各ショット領域
には凹凸のパターンが形成されているため、ウエハ４の
表面からは０次光２０の他に回折光が発生し、これらの
回折光は検出信号ＳＸ（ｔ）、及びＳＹ（ｔ）にも影響
を与える恐れがある。そこで、その回折光の影響を低減
させるため、照射光学系８からウエハ４の表面に照射さ
れる平行光束１５の照射領域のＸ方向の幅をショット領
域の幅より狭くして、その平行光束１５を±Ｘ方向に走
査している。

【００３１】それら検出信号ＳＸ（ｔ）及びＳＹ（ｔ）
を走査方向に平均化するため、図１において、演算回路
２４からの検出信号ＳＸ（ｔ），及びＳＹ（ｔ）を平均
化回路１９に供給している。平均化回路１９には振動制
御系１８より振動ミラー１６の傾斜角に対応する角度信
号Ｓθ（ｔ）も供給されている。また、振動ミラー１６
の振動の角速度は一定であり、平行光束１５のウエハ４
上での±Ｘ方向への走査速度は一定であるとする。この
場合、平均化回路１９では、その角度信号Ｓθ（ｔ）の
値が所定の範囲内にある期間Ｔにおいて、即ち平行光束
１５がウエハ４の露光対象とするショット領域上を走査
している期間Ｔにおいて、検出信号ＳＸ（ｔ）、及びＳ
Ｙ（ｔ）を次のように積分して、それぞれ積分信号〈Ｓ
Ｘ（ｔ）〉、及び〈ＳＹ（ｔ）〉を得る。但し、積分記
号∫ｄｔは期間Ｔ内での時間ｔに関する積分を意味す
る。

【００３２】

【数４】〈ＳＸ（ｔ）〉＝∫ＳＸ（ｔ）ｄｔ，〈ＳＹ
（ｔ）〉＝∫ＳＹ（ｔ）ｄｔなお、（数４）の演算はアナログ演算で行ってもよい
が、期間Ｔ内に所定のサンプリング周期で検出信号ＳＸ
（ｔ）、及びＳＹ（ｔ）をそれぞれサンプル／ホールド
した後、アナログ／デジタル変換し、得られたデータを
それぞれ積算してもよい。

【００３３】但し、振動ミラー１６の角速度が一定でな
い場合には、振動ミラー１６の傾斜角（角度信号Ｓθ
（ｔ））が変化して平行光束１５のＸ方向への移動量が
所定のステップ量に達する毎に、検出信号ＳＸ（ｔ）、
及びＳＹ（ｔ）をそれぞれサンプル／ホールドした後、
アナログ／デジタル変換して積算してもよい。更に、４
分割受光素子２２からの検出信号Ａ（ｔ）〜Ｄ（ｔ）を
小さなサンプリング周期でアナログ／ジデタル変換して
取り込んだ後、上述の（数１）及び（数２）の演算、及
び平均化の演算を全てデジタル演算で行ってもよい。

【００３４】その積分信号〈ＳＸ（ｔ）〉、及び〈ＳＹ
（ｔ）〉がステージ制御系２５に供給され、ステージ制
御系２５は、積分信号〈ＳＸ（ｔ）〉、及び〈ＳＹ
（ｔ）〉がそれぞれ０になるように上下動機構６Ａ〜６
Ｃの伸縮量を調整する。これにより、ウエハ４上のショ
ット領域の表面の平均的な面が結像面に平行にされる。
また、不図示の焦点位置検出系により計測されたＺ方向
の位置（焦点位置）に基づいて、そのショット領域の例
えば中央部での焦点位置が結像面の焦点位置に設定され
た後、レチクル１のパターンがそのショット領域に投影
露光される。

【００３５】なお、検出信号ＳＸ（ｔ），ＳＹ（ｔ）を
積分（デジタルの場合には積算）する代わりに、所定の
時間間隔で取り込んだ検出信号ＳＸ（ｔ）、及びＳＹ
（ｔ）を平均化して得た信号を使用してもよい。次に、
本例のレベリングセンサの動作につき図３を参照して詳
細に説明する。図３（ａ）は図１の照射光学系８の要
部、及び振動ミラー１６を示し、或る時点ｔ₁におい
て、振動ミラー１６の傾斜角をθ₁とする。このとき、
視野絞り１２を通過した照明光は、振動ミラー１６及び
照射側対物レンズ１４を経て平行光束１５として、ウエ
ハ４の表面の領域２７Ａに入射する。その領域２７Ａで
反射された０次光２０は、図１の集光レンズ２１を介し
て４分割受光素子２２上にピンホールの像２３を形成
し、演算回路２４からその像２３の位置に応じた、即ち
領域２７Ａの平均的な面の傾き角に応じた検出信号ＳＸ
（ｔ₁)、及びＳＹ（ｔ₁)が出力される。

【００３６】その後、図３（ａ）に示すように、時点ｔ
₂において、振動ミラー１６が位置１６Ａに傾斜して傾
斜角が角度θ₂に変化すると、照射側対物レンズ１４か
ら射出される平行光束１５は位置１５Ａに平行移動し
て、ウエハ４上の領域２７Ｂに入射する。その領域２７
Ｂから反射される０次光が、図１の４分割受光素子２２
上にピンホールの像を結像し、演算回路２４から領域２
７Ｂの平均的な面の傾き角に応じた検出信号ＳＸ
（ｔ），ＳＹ（ｔ）が出力される。

【００３７】また、図３（ｂ）は、図３（ａ）のウエハ
４の平面図を示し、この図３（ｂ）において、領域２７
Ａ、及び領域２７Ｂはウエハ４上の露光対象とするショ
ット領域２８のＸ方向の端部に位置しているものとす
る。これは、振動ミラー１６が時点ｔ₁から時点ｔ₂ま
で傾斜することにより、平行光束１５はそのショット領
域２８をＸ方向に１回走査することを意味する。従っ
て、振動ミラー１６の傾斜角の変化に同期して時点ｔ₁
から時点ｔ₂までの１周期だけ、図１の検出信号ＳＸ
（ｔ），ＳＹ（ｔ）を積分することにより、ウエハ４上
のショット領域２８の全体の平均的な面の傾き角を検出
できる。

【００３８】更に、時間的な平均化効果を得るために、
振動ミラー１６の振動の複数周期分、即ち、平行光束１
５がウエハ４のショット領域２８を±Ｘ方向に複数回走
査する期間に亘って、検出信号ＳＸ（ｔ），ＳＹ（ｔ）
を平均化してもよい。これにより、空気揺らぎ、振動ミ
ラー１６の振動のばらつき、及び電気的なノイズ等の影
響を低減させて、より高精度にそのショット領域２８の
平均的な面の傾き角を求めることができる。

【００３９】次に、図３において、平行光束１５の照射
領域２７Ａの走査方向（Ｘ方向）の幅Ｄ１の定め方につ
いて説明する。先ず、図３（ｂ）に示すようにウエハ４
上での平行光束１５の照射領域２７Ａは、Ｙ方向がショ
ット領域２８の幅と等しい矩形領域である。ショット領
域２８は例えば直径が２８ｍｍ程度の露光フィールドに
内接する１辺が２０ｍｍ程度の正方形の領域であるた
め、照射領域２７ＡのＹ方向の幅は２０ｍｍ程度であ
る。

【００４０】この場合、そのショット領域２８内にそれ
までのプロセスによっって、平行光束１５の入射方向で
あるＸ方向に所定ピッチで周期的な凹凸のパターンが形
成されているものとして、図３（ａ）に示すように、平
行光束１５によりウエハ４上で照明される照射領域２７
ＡのＸ方向の幅Ｄ１よりもそのパターンのピッチが小さ
いと、照射領域２７Ａからは０次光２０の他に、ＸＺ平
面内で＋１次回折光２９Ａ、及び−１次回折光２９Ｂ等
の回折光が射出される。その平行光束１５はウエハ４上
の凹凸のパターンに対して斜めに非対称に入射している
ため、＋１次回折光２９Ａと−１次回折光２９Ｂとの光
量のバランスは崩れ易い。従って、それら＋１次回折光
２９Ａ、及び−１次回折光２９Ｂが図１の４分割受光素
子２２に入射すると、光量分布が本来の位置からずれ
て、領域２７Ａの平均的な傾き角を誤って検出すること
になる。

【００４１】それを避けるためには、平行光束１５によ
る照射領域２７ＡのＸ方向の幅Ｄ１を、ウエハ４上のＸ
方向に周期的なパターンのピッチよりも小さくすればよ
い。更に、仮にその照射領域２７Ａ内に２周期分程度の
パターンが入っても、回折光の強度は弱いため、その幅
Ｄ１はウエハ４上のパターンのピッチの２倍よりも小さ
い程度に設定すればよい。通常回折光が問題となるのは
ピッチが１ｍｍ程度のパターンであるため、その照射領
域２７ＡのＸ方向の幅Ｄ１は２ｍｍより小さいことが望
まれる。更に、その幅Ｄ１が１ｍｍより小さければ回折
光が少なくなり、より高精度に照射領域２７Ａの傾きを
検出できる。

【００４２】この際に、照射領域２７Ａ内に平行光束１
５の入射方向に垂直なＹ方向に周期的な凹凸のパターン
が形成されていても、その平行光束１５はそのパターン
に対して対称に入射するため、そのパターンからの＋１
次回折光と、−１次回折光との光量はほぼ等しい。従っ
て、Ｙ方向に周期的なパターンからの回折光が存在して
も、それらは４分割受光素子２２上で相殺するため、照
射領域２７Ａの傾きの検出精度は悪化しない。従って、
照射領域２７ＡがＹ方向に長くとも差し支えなく、平行
光束１５を１次元的にＸ方向に走査するだけでよい。

【００４３】次に、図１に示すように、本実施例ではウ
エハ４と集光レンズ２１との間に視野絞り２６が配置さ
れている。この視野絞り２６の開口部の図１の紙面内で
の幅は、０次光２０の幅よりかなり広く設定されてい
る。これに対して、振動ミラー１６と光源９との間にあ
る視野絞り１２の幅は狭く、視野絞り１２により平行光
束１５のウエハ４上でのＸ方向の幅、及びＹ方向の幅が
設定されている。

【００４４】ここで視野絞り１２と視野絞り２６との相
違を説明するため、図４にウエハ４上のショット領域２
８の平面図を示す。この図４において、ショット領域２
８内でそのショット領域２８とＹ方向に等しい幅を有す
る矩形の照射領域２７が視野絞り１２により制限される
領域であり、振動ミラー１６の振動により照射領域２７
がそのショット領域２８を走査する。一方、図１の視野
絞り２６を０次光２０に平行にウエハ４側に投影した像
が、図４の矩形の検出領域３０となる。即ち、ショット
領域２８に入射した平行光束の内で、検出領域３０に入
射した平行光束の反射光だけが、図１の４分割受光素子
２２に入射するため、検出領域３０の平均的な面の傾き
角が検出されるようになる。

【００４５】その検出領域３０の大きさは、視野絞り１
２によって決まる照射領域２７の大きさ、及び振動ミラ
ー１６の振れ角と振動方向とに依らず決めることができ
る。従って、予め照射領域２７、及び振動ミラー１６の
振動範囲を大きめに設定しておき、ウエハ４上のショッ
ト領域の大きさに応じて視野絞り２６の開口部の大きさ
を変えることにより、容易にウエハ４上で傾き角を検出
する領域を設定できる利点がある。なお、視野絞り２６
によって検出領域３０の大きさを制限する場合には、検
出領域の幅が振動ミラー１６の傾斜角の範囲からは判定
できなくなる。そこで、図１の平均化回路１９では、例
えば検出信号Ａ（ｔ）〜Ｄ（ｔ）の和信号をモニタし、
この和信号のレベルが所定の閾値を超えた時点からその
和信号のレベルがその閾値以下になるまでの間、検出信
号ＳＸ（ｔ），ＳＹ（ｔ）を積分するようにしてもよ
い。

【００４６】なお、図１において、ウエハ４からの０次
光が平行光束であるため、視野絞り２６の配置面とウエ
ハ４の表面とは実質的に共役であるとも言える。この場
合、入射する光束も平行光束１５であるため、照射側対
物レンズ１４とウエハ４との間に視野絞り２６を配置し
てもよい。更に、実際に集光レンズ２０の後にリレー光
学系を設けて、ウエハ４の表面と実際に共役な面を設
け、その共役な面に視野絞り２６を設けるようにしても
よい。

【００４７】次に、上述実施例では平行光束をウエハ４
上で１次元的に走査しているが、その平行光束を図５に
示すように、ウエハ４上で２次元的に走査してもよい。
即ち、図５は、ウエハ４上のショット領域２８内に、Ｘ
方向及びＹ方向にそれぞれピッチＰのパターン３２が形
成されているものとして、そのパターン３２上に−Ｘ方
向から平行光束が入射したときに、＋Ｙ方向及び−Ｙ方
向に発生する回折光の光量のバランスが大きく異なって
いるとする。この場合、その平行光束の照射領域３１
を、Ｘ方向及びＹ方向の幅がＤ２の正方形の領域である
として、幅Ｄ２をパターン３２のピッチＰの２倍以下、
好ましくはそのピッチＰ以下に設定する。そして、図１
の振動ミラー１６を２方向に振ることにより、図５の点
線で示すように、照射領域３１でショット領域２８上の
全面を２次元的に走査する。そして、図１の演算回路２
４から出力される検出信号ＳＸ（ｔ），ＳＹ（ｔ）を平
均化することにより、パターン３２が存在しても正確に
ショット領域２８の平均的な傾き角を検出できる。

【００４８】なお、上述実施例では、平行光束の集光点
（ピンホールの像）の位置を検出するための光電検出手
段として、４分割受光素子２２が使用されているが、そ
の他に例えば所謂ポジション・センシティブ・ディテク
タ（ＰＳＤ）等を使用することができる。また、ウエハ
４上にはピンホールからの平行光束を照射しているが、
例えば十字型のパターン等からの平行光束をウエハ４上
に照射してもよい。

【００４９】また、振動ミラー１６により平行光束１５
をウエハ４上で走査する代わりに、平行光束１６を固定
して、ウエハステージ７によりウエハ４をＸ方向に走査
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、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、計測対象とする基板と
平行光束とを相対的に走査しているため、基板上での傾
き角の検出領域（ショット領域等）に対してその平行光
束の照射領域の幅を走査方向に対して狭くできる。従っ
て、その検出領域上に周期的なパターンがある場合で
も、回折光の光量が小さくなるため、光電検出手段から
の検出信号を統計処理（例えば積分）することにより、
その基板の検出領域内の平均的な傾き角を正確に検出で
きる利点がある。

【００５１】また、照射光学系が、所定のパターンから
の光束を一度集光するリレー光学系と、前記一度集光さ
れた光束を平行光束にする照射対物光学系とを有し、相
対走査手段が、そのリレー光学系による光束の集光点に
配置された反射部材と、この反射部材を駆動してその集
光された光束のその照射対物光学系に対する入射角を変
化させる駆動手段と、を有する場合には、その反射部材
を駆動することにより、照射対物光学系から射出される
平行光束が平行移動する。従って、この平行光束は、計
測対象とする基板上を入射角が同じ状態で走査するた
め、光電検出手段からの検出信号の処理が容易である。

【００５２】また、照射光学系からその基板上に照射さ
れる平行光束の入射方向に沿って、その相対走査手段に
よりその平行光束とその基板とを相対的に走査する場合
には、その入射方向での照射領域の幅を狭くできる。従
って、非対称になり易い入射方向に周期的なパターンか
らの回折光が弱くなるため、１次元的な走査を行うだけ
て検出領域の平均的な面の傾きを正確に検出できる。

【００５３】次に、その照射光学系内、又はその集光光
学系内に、その基板上での傾きの検出領域を制限する絞
り（視野絞り２６）を設けた場合には、基板上での平行
光束の照射領域の大きさと、相対走査する方向及び長さ
とに依らず、検出領域を定められるので、検出領域の形
状の設定の自由度が高くなる。逆に言えば、ある特定の
検出領域に対する傾き検出装置の光学系の設計の自由度
を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による傾き検出装置の一実施例が適用さ
れた投影露光装置の要部を示す構成図である。

【図２】図１の４分割受光素子２２を示す正面図であ
る。

【図３】実施例における振動ミラー１６の傾斜角と平行
光束の照射領域の移動方向との関係を示す図である。

【図４】実施例における平行光束の照射領域２７と、図
１の視野絞り２６によって制限される検出領域３０との
関係を示す平面図である。

【図５】ウエハ上を平行光束で２次元的に走査する場合
の説明図である。

【符号の説明】

３投影光学系４ウエハ５レベリングステージ６Ａ〜６Ｃ上下動機構８照射光学系９光源１０パターン板１２照射領域制限用の視野絞り１４照射側対物レンズ１６振動ミラー１７加振器１８振動制御系１９平均化回路２１集光レンズ２２４分割受光素子２４演算回路２６検出領域制限用の視野絞り２８ショット領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】計測対象とする基板上に斜めに平行光束
を照射する照射光学系と、前記基板からの反射光を集光
する集光光学系と、該集光光学系により集光された光束
の位置に対応する検出信号を生成する光電検出手段とを
有し、該光電検出手段からの検出信号に基づいて前記基
板の傾きを検出する装置において、前記照射光学系から前記基板上に照射される平行光束と
前記基板とを相対的に走査する相対走査手段と、前記平行光束と前記基板との相対的な走査位置に応じて
前記光電検出手段から取り込んだ検出信号を統計処理し
て前記基板の表面の平均的な面の傾き角に対応する情報
を求める演算手段と、を備えたことを特徴とする傾き検
出装置。
【請求項２】前記照射光学系は、所定のパターンから
の光束を一度集光するリレー光学系と、前記一度集光さ
れた光束を平行光束にする照射対物光学系とを有し、前記相対走査手段は、前記リレー光学系による光束の集
光点に配置された反射部材と、該反射部材を駆動して前
記集光された光束の前記照射対物光学系に対する入射角
を変化させる駆動手段と、を有することを特徴とする請
求項１記載の傾き検出装置。
【請求項３】前記照射光学系から前記基板上に照射さ
れる平行光束の入射方向に沿って、前記相対走査手段に
より前記平行光束と前記基板とを相対的に走査すること
を特徴とする請求項１又は２記載の傾き検出装置。
【請求項４】前記照射光学系内、又は前記集光光学系
内に、前記基板上での傾きの検出領域を制限する絞りを
設けたことを特徴とする請求項１、２、又は３記載の傾
き検出装置。