JPH0883753A

JPH0883753A - 焦点検出方法

Info

Publication number: JPH0883753A
Application number: JP6218549A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-26
Also published as: US5650840A

Abstract

(57)【要約】【目的】投影光学系の焦点位置を高スループットで且
つ高精度に検出する。【構成】光電センサＰＥＳの受光部としてウエハステ
ージＷＳ上に設けたセンサパターンＳＰを投影光学系Ｐ
Ｌの光軸ＡＸ方向と同時に投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに
垂直なＸ方向に移動させながら、露光用の照明光ＩＬに
よりレチクル（Ｒ）上に設けたレチクルパターンＲＰの
像を投影光学系ＰＬを介して、センサパターンＳＰ上に
結像させ、センサパターンＳＰを通過する透過光を光電
センサＰＥＳで受光し、その透過光の強度から焦点位置
を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投影光学系の焦点検出
方法に関し、特に半導体集積回路あるいは液晶パネル等
の製造に用いられる投影露光装置に装着される投影光学
系の焦点位置を検出する際に適用して好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば半導体集積回路あるいは液
晶パネル等の製造に用いられる投影露光装置では、投影
光学系の結像位置（焦点位置）に厳密に感光基板を合わ
せる必要性があり、このためマスクパターンの像を光電
センサにて受光し、その検出信号に基づいて結像位置を
求める方法が種々提案されている。

【０００３】これらの方法には、大きく分けて２通りの
方法がある。第１の方法について、図９を参照して説明
する。図９は、従来の結像位置の検出方法の一例を示す
もので、図９（ａ）は投影露光装置の概略構成図、図９
（ｂ）は光電検出手段からの出力信号の波形を示してい
る。図９（ａ）に示すように、マスクとしてのレチクル
Ｒ１上の光透過部を持つパターン（レチクルパターン）
ＲＰＡが不図示の照明系からの照明光束ＩＬ１で照明さ
れ、そのパターンＲＰＡの像が投影光学系ＰＬ１を介し
て感光基板が載置されるウエハステージＷＳ１上に設け
られた光透過性のセンサパターンＳＰＡ上に投影され、
このセンサパターンＳＰＡを通過した光束がその底面の
光電センサＰＥＳ１に入射している。ここでは、予めレ
チクルパターンＲＰＡの投影光学系ＰＬ１による投影像
がセンサパターンＳＰＡと重なるように位置決めされて
いる。また、レチクルパターンＲＰＡの投影像とセンサ
パターンＳＰＡとは形状、大きさがほぼ一致するように
設計されている。ここで、投影光学系ＰＬ１の光軸に平
行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図９の紙面に平
行にＸ軸を取り、図９の紙面に垂直にＹ軸を取る。

【０００４】以上のような構成でウエハステージＷＳ１
を投影光学系ＰＬ１の光軸方向（Ｚ方向）に移動しつつ
光電センサＰＥＳ１の出力信号Ｉをモニタすると、図９
（ｂ）の曲線Ｌ１に示される出力が得られる。なお、図
９（ｂ）において横軸はＺ方向の位置ｚを、縦軸は光電
センサＰＥＳ１の出力信号Ｉを表す。レチクルパターン
ＲＰＡの投影像とセンサパターンＳＰＡとが結像関係に
なると、即ち、焦点位置にセンサパターンＳＰＡが来た
とき、レチクルパターンＲＰＡを通過した光束はほぼ全
てセンサパターンＳＰＡを通過して、光電センサＰＥＳ
１の出力信号Ｉは最大となる。結像位置からずれるに従
って、レチクルパターンＲＰＡの像はセンサパターンＳ
ＰＡ上で広がりを持ち、センサパターンＳＰＡを通過す
る光束は少なくなり、そして光電センサＰＥＳ１からの
出力信号Ｉは小さくなる。このことより、出力信号Ｉが
最大となるセンサパターンＳＰＡの光軸方向の位置ＢＦ
１が結像位置として検出される。

【０００５】第２の方法は、例えば特開昭５９−９４０
３２号公報あるいは特開平４−２１１１０号公報に開示
されているもので、これを図１０を参照して説明する。
図１０は、従来の結像位置の検出方法の別の例を示すも
ので、図１０（ａ）は投影露光装置の概略構成図、図１
０（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれウエハステージＷＳ１の光
軸方向への位置がｚ₁ ，ｚ₂ ，ｚ₃ の３点における光電
検出手段からの出力信号の波形を示している。図１０
（ａ）に示す投影露光装置は、図９（ａ）の投影露光装
置とほぼ同様の構成であるが、結像位置の検出のためウ
エハステージＷＳ１をＺ方向ではなく、投影光学系ＰＬ
１の光軸に垂直で、図１０（ａ）の紙面に平行な方向
（Ｘ方向）に移動しつつ、光電センサＰＥＳ１の出力信
号Ｉをモニタし、これをウエハステージＷＳ１の光軸方
向の位置を変更しながら繰り返し計測を行う点で図９
（ａ）の構成と異なっている。なお、図１０（ｂ）〜
（ｄ）において横軸はＸ方向の位置ｘを、縦軸は光電セ
ンサＰＥＳ１の出力信号Ｉを表す。

【０００６】図１０（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、
Ｚ方向の位置ｚ₁及びｚ₃では焦点位置からのずれが大
きく、レチクルパターンＲＰＡの像が結像位置から外れ
ているため、曲線Ｌ２及びＬ４に示されるようになだら
かなカーブになっている。一方、Ｚ方向の位置ｚ₂は焦
点位置に近く、レチクルパターンＲＰＡの像は鮮明なた
め、図１０（ｃ）の曲線Ｌ３に示されるようにコントラ
ストの良いカーブとなる。これらの図１０（ｂ）〜
（ｄ）の出力信号の最大値と最小値との差をそれぞれＣ
₁〜Ｃ₃とする。

【０００７】図１０（ｅ）は、これらの差Ｃ₁〜Ｃ₃を
コントラストＣとして光軸方向の位置ｚとの関係を表し
たものであり、横軸はＺ方向の位置ｚを、縦軸はコント
ラストＣを表す。図１０（ｅ）において、曲線Ｌ５に示
されるようにコントラストＣはＺ方向の位置ＢＦ２で最
大となるなだらかな曲線を描く。ここで最もコントラス
トの高い位置ＢＦ２が結像位置として検出される。な
お、コントラストＣ₁〜Ｃ₃の代わりにそれぞれの曲線
Ｌ２〜Ｌ４の立ち上がりの角度で比較する方法もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記第
１の方法では、レチクルパターンＲＰＡの像とセンサパ
ターンＳＰＡとが厳密に重ならないと光電センサＰＥＳ
１に入る光量が減少し、信号のＳＮ比が悪化し結像位置
の検出の再現性が悪くなる。一般的にレチクルパターン
あるいはセンサパターンは細いほど信号は敏感になり、
且つ、実際の回路パターンと同一の線幅であることが望
ましいため、レチクルパターンは通常投影光学系の解像
力に近い微細な大きさに設計される。具体的に言えば、
例えば半導体集積回路用の露光装置では、レチクルパタ
ーンの線幅は通常１μｍ以下である。このため、一度厳
密にパターンの位置合わせを行っても、時間が経つと装
置のドリフト等で位置がずれる。また、レチクルの交換
等によっても、レチクルの位置決め精度やパターンの描
画精度の誤差により位置がずれるため、殆ど結像位置の
検出毎にパターンの位置合わせが必要となる。このた
め、結像位置の検出に時間がかかり、露光工程のスルー
プット（生産性）が悪化するという不都合があった。

【０００９】また、通常位置合わせは、光電センサの受
光部を投影光学系に垂直な平面内で移動し、光電センサ
の出力が最大となる点を探す方法で行われるが、これは
結像位置検出に先立って行われるため、必ずしも光電セ
ンサの受光部は結像面に一致しない。その場合はレチク
ルパターンの像が鮮明とならず、精度良く結像位置が求
められない不都合があった。

【００１０】次に第２の方法では、焦点位置の検出に先
立って厳密な位置合わせを必要としないが、ウエハステ
ージＷＳ１のＺ方向の位置を変えて何回もスキャンしな
ければならず、スループットが低下する不都合がある。
近年益々回路パターンの微細化が進み、感光基板を結像
位置へ更に高精度に位置合わせ（焦点合わせ）すること
が必要となっている。従来より、投影露光装置には例え
ば大気圧変化、投影光学系による露光光の吸収、あるい
は照明方法（例えばコヒーレンスファクタであるσ値の
変更、輪帯照明等）の変更等に伴う結像位置の変化を計
算で予測し、結像位置を自動補正する機能が装備されて
いるが、より厳密な焦点合わせを行うため、実測により
結像位置を検出することも必要となる。回路パターンの
微細化に伴い従来に比較して、より頻繁に実測による検
出動作を行わなければならず、計測効率の悪い結像位置
の検出法では対応できない。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、厳密な位置合わ
せを必要としないと共に、計測時間が短縮できる投影光
学系の焦点検出方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による焦点検出方
法は、第１面（Ｒ）上のパターン（ＭＰ）の像を第２面
（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）の焦点位置の検
出方法において、その第１面（Ｒ）又は第２面（Ｗ）の
一方の面側に配置された検出用パターン（ＲＰ）と、そ
の第１面（Ｒ）又は第２面（Ｗ）の他方の面側に配置さ
れ、所定形状の受光部（ＳＰ）を有する光電検出手段
（ＰＥＳ）と、を用い、その検出用パターン（ＲＰ）を
照明し、その検出用パターン（ＲＰ）とその光電検出手
段（ＰＥＳ）の受光部（ＳＰ）とをその投影光学系（Ｐ
Ｌ）の光軸（ＡＸ）に平行に相対移動させると同時に、
その検出用パターン（ＲＰ）とその光電検出手段（ＰＥ
Ｓ）の受光部（ＳＰ）とをその光軸（ＡＸ）に垂直な方
向（Ｘ方向）に相対移動させて、その検出用パターン
（ＲＰ）の結像光束をその受光部（ＳＰ）が横切るとき
のその光電検出手段（ＰＥＳ）の検出信号を取り込み、
この取り込まれた検出信号に基づいてその投影光学系
（ＰＬ）の焦点位置を求めるものである。

【００１３】この場合、その検出用パターン（ＲＰ）又
はその光電検出手段の受光部（ＳＰ）の何れか一方をそ
の光軸（ＡＸ）に平行に移動させると同時に他方をその
光軸（ＡＸ）と垂直な方向に移動させてもよい。また、
その検出用パターンの一例は、例えば図５に示すよう
に、所定方向（Ｘ方向）に配列された１個又は複数のス
リット状のパターン（３８ａ，３８ｂ，…）からなり、
その検出用パターンに対応するその光電検出手段（ＰＥ
Ｓ）の受光部の一例は、その所定方向に対応する方向に
直交する方向（Ｙ方向）に伸びたエッヂ（４２）を有す
るものである。

【００１４】更に、その投影光学系（ＰＬ）が、照明光
学系（ＡＬ，１１，１２，１３）により照明されたマス
クパターン（ＭＰ）の像を感光基板（Ｗ）上に投影する
ために使用される場合、その検出用パターン（ＲＰ）を
そのマスクパターン（ＭＰ）側に配置し、その照明光学
系（ＡＬ，１１，１２，１３）によりその検出用パター
ン（ＲＰ）を照明してもよい。

【００１５】

【作用】斯かる本発明の焦点検出方法によれば、検出用
パターン（ＲＰ）と光電検出手段の受光部（ＳＰ）とを
相対的に投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に垂直な方
向（Ｘ方向）と、その光軸方向（Ｚ方向）に同時に走査
しながら焦点位置を検出する。従って、従来の技術の第
１の方法のように、投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）
に垂直な平面内での位置合わせはそれほど厳密でなくて
よく、Ｙ方向の位置が正確であれば、結像位置の検出中
にＸ方向に移動する範囲の中に検出用パターン（ＲＰ）
の像と、光電検出手段（ＰＥＳ）の受光部（ＳＰ）とが
一致する位置があればよい。従って結像位置の検出時に
毎回厳密に位置合わせを行う必要がなく、迅速に結像位
置の検出を行うことができる。

【００１６】また、従来技術の第２の方法のように、繰
り返し投影光学系（ＰＬ）に垂直な平面内での移動を行
う必要がないため、計測時間が短縮されている。また、
検出用パターン（ＲＰ）又は光電検出手段の受光部（Ｓ
Ｐ）の何れか一方を光軸（ＡＸ）に平行に移動させると
同時に他方をその光軸と垂直な方向に移動させる場合に
は、検出用パターン（ＲＰ）と受光部（ＳＰ）とをそれ
ぞれ１方向だけに移動させるので制御がし易い。

【００１７】また、検出用パターンとして、所定方向
（Ｘ方向）に配列された１個又は複数のスリット状のパ
ターン（ＲＰ２）を使用し、検出用パターン（ＲＰ２）
に対応する光電検出手段（ＰＥＳ）の受光部として、そ
の所定方向に対応する方向に直交する方向（Ｙ方向）に
伸びたエッヂ（４２）を有するもの（ＳＰ２）を使用す
る場合には、受光部（ＳＰ２）の受光面積を広くとるこ
とができるので、受光部（ＳＰ２）のパターンが形成し
易い。また、検出用パターン（ＲＰ２）の測定線幅によ
って光電検出手段（ＰＥＳ）の受光部のパターン形状を
変えなくてよいという利点がある。

【００１８】更に、その投影光学系（ＰＬ）が、照明光
学系（ＡＬ，１１，１２，１３）により照明されたマス
クパターン（ＭＰ）の像を感光基板（Ｗ）上に投影する
ために使用され、その検出用パターン（ＲＰ）をそのマ
スクパターン（ＭＰ）側に配置し、その照明光学系（Ａ
Ｌ，１１，１２，１３）によりその検出用パターン（Ｒ
Ｐ）を照明するものである場合には、別途焦点位置検出
用の照明系を設ける必要がない。

【００１９】

【実施例】以下、本発明による焦点検出方法の一実施例
につき、図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施
例の焦点検出方法を適用するのに好適なステッパー型の
投影露光装置の概略構成を示し、この図１において、露
光用の光源である水銀ランプ、楕円鏡、コリメータレン
ズ、干渉フィルタ等からなる光源系ＡＬから出た照明光
ＩＬはオプティカルインテグレータ（フライアイレン
ズ）１１、開口絞り（σ絞り）１２、及びコンデンサー
レンズ１３を経由して光路折り曲げ用のダイクロイック
ミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４でほ
ぼ直角に折り曲げられた照明光ＩＬは、回路パターンＭ
Ｐが描かれたレチクルＲをほぼ均一の照度で照明し、露
光時にはレチクルＲ上の回路パターンＭＰの像が投影光
学系ＰＬを介してウエハＷ上に投影される。なお、図１
は焦点位置検出時の状態を示すため、ウエハＷは露光位
置にはない。

【００２０】なお、露光用照明光ＩＬとしては、水銀ラ
ンプ等の輝線の他、例えばエキシマレーザ（ＫｒＦエキ
シマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等）等のレーザ光、
あるいは金属蒸気レーザ光やＹＡＧレーザ光の高調波等
を使用することができる。また、光源系ＡＬには、上記
光学部品の他、露光光を遮断するためのシャッタ、ある
いはレチクルＲを照明する光線の特性を切り換える照明
条件切り換え装置等が備わっている。また、コンデンサ
ーレンズ１３の前には、不図示であるが、リレー光学系
及びレチクルＲ上での照明領域を制限する可変視野絞り
が設けられている。ここで、投影光学系ＰＬ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
に垂直にＹ軸を、図１の紙面に平行にＸ軸を取る。

【００２１】レチクルＲは、不図示の駆動系により光軸
ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）に微動可能で、且つ、光軸
ＡＸに垂直な平面（ＸＹ平面）内で２次元移動及び微小
回転可能なレチクルステージ１上に真空吸着により保持
されている。レチクルＲには前述の回路パターンＭＰの
他、その回路パターンＭＰの周辺に結像位置検出用のレ
チクルパターンＲＰが形成されている。また、レチクル
ステージ１のＸ方向、及びＹ方向の位置は、レチクルス
テージ１の周辺に配置されたレーザ干渉計（不図示）に
より例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出されて
いる。

【００２２】ウエハＷはウエハステージＷＳ上のウエハ
ホルダー２に真空吸着により保持され、ウエハステージ
ＷＳは駆動モータ７により、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ
に垂直な平面（ＸＹ平面）内を移動出来るようになって
いる。このウエハステージＷＳをステップ・アンド・リ
ピート方式により移動させて、レチクルＲの回路パター
ンＭＰをウエハＷ上に露光する。また、ウエハステージ
ＷＳは投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に移動
可能なＺステージを有し、このＺステージによりウエハ
Ｗの表面が投影光学系ＰＬの像面と一致するように移動
することができる。

【００２３】また、ウエハステージＷＳのＺステージ上
のウエハホルダー２に近接した位置には、レチクルパタ
ーンＲＰを透過した後、投影光学系ＰＬを介してレチク
ルパターンＲＰの像を形成する結像光を受光するための
所定形状のセンサパターンＳＰが形成されたガラス基板
１５が設置され、そのセンサパターンＳＰを透過する結
像光を受光する光電センサＰＥＳがそのセンサパターン
ＳＰの下部に配置されている。

【００２４】ウエハステージＷＳのＸＹ平面内の位置
は、ウエハステージＷＳの周辺に配置されたレーザ干渉
計６及びウエハステージＷＳの端部に設けられ、レーザ
干渉計６からのレーザ光を反射する移動鏡５により高精
度に測定される。なお、図１ではＸ方向用のレーザ干渉
計のみ図示している。また、ウエハＷ（又はセンサパタ
ーンＳＰ）のＺ方向の位置は、投光系３及び受光系４よ
りなる、所謂斜入射方式の焦点位置検出系（以下、投光
系３と受光系４とを併せて「斜入射光学系３，４」とも
呼ぶ）で測定される。投光系３から射出される光線は、
ウエハＷ上の感光剤を感光させない波長帯であり、ピン
ホールあるいはスリット像を光軸ＡＸに対して斜めにウ
エハＷ上に投影する。受光系４は、ウエハＷの表面が投
影光学系の像面と一致するとき、ウエハＷからの反射像
の位置が受光系４内部のピンホールあるいはスリットと
一致するように設計されている。ウエハＷのＺ方向の位
置に対応する受光系４からの信号Ｉ_Z は、ステージコン
トローラ１０に送られ、ステージコントローラ１０はそ
の信号Ｉ_Z に基づいて、ウエハＷの表面が像面と一致す
るようにＺステージを制御する。更に、受光系４の内部
には光線をシフトさせるための平行平面板（不図示）が
あり、投影光学系ＰＬの像面変動があっても、ウエハＷ
からの反射光が常に受光系４の像面でピンホール又はス
リットと一致するように、この平行平面板の角度を調節
する構造となっている。

【００２５】この斜入射光学系３，４は、Ｚ方向の検出
用センサの一例を示したもので、その他同様の機能を持
つものとして、例えばスリット像の反射光の位置をライ
ンセンサで検知する方式等があり、それらの方式により
測定してもよい。また、本例の投影露光装置には、以上
の機構に加えて、アライメント用の機構等が備わってい
るが、本実施例と直接関係がないため説明を省略する。

【００２６】次に、本実施例の投影光学系ＰＬの結像位
置の検出機構につき詳細に説明する。上述のようにレチ
クルＲの回路パターンＭＰの周辺部には、結像位置検出
用のレチクルパターンＲＰが設けられている。このレチ
クルパターンＲＰは、通常本来の回路パターンＭＰの邪
魔にならないようにストリートライン等の中に設けられ
る。また、前述のようにウエハステージＷＳ上には、所
定形状のセンサパターンＳＰが形成され、そのセンサパ
ターンＳＰの下部にはこのセンサパターンを通過する光
束を受光する光電センサＰＥＳが設けられている。この
センサパターンＳＰは光電センサＰＥＳの受光部とみな
せるものである。

【００２７】図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれレチク
ルＲ上のレチクルパターンＲＰ及びウエハステージＷＳ
上のセンサパターンＳＰを示し、この図３（ａ）に示さ
れるように、レチクルパターンＲＰは、結像位置検出時
のスキャン方向に等間隔に並び、スキャン方向に垂直な
方向に長い複数のスリット状の透過部３０ａ〜３０ｆを
遮光部３１中に形成してなるライン・アンド・スペース
パターンである。前記のように、ライン・アンド・スペ
ースパターンは検出分解能を考えると細いほうが良く、
且つ、実際の回路パターンの寸法に近いほどレチクルパ
ターンＲＰの回折光の投影光学系ＰＬ内での光路が一致
するようになるため、実際の回路パターンとレチクルパ
ターンＲＰとの投影光学系ＰＬ内での光路差による影響
を受けにくい。よって、レチクルパターンＲＰのスリッ
ト状の透過部同士の間隔は、投影光学系ＰＬの解像度に
できるだけ近く設定される。レチクルパターンＲＰの像
は投影光学系ＰＬを介し、ウエハステージＷＳ上に設け
られたセンサパターンＳＰ上に結像される。

【００２８】センサパターンＳＰは、図３（ｂ）に示す
ように、遮光部３３中に形成されたスキャン方向に垂直
な方向に長い一個のスリット状の透過部３２である。こ
のセンサパターンＳＰは、通常レチクルパターンＲＰの
センサパターンＳＰ上の投影像にほぼ等しい大きさで設
計される。センサパターンＳＰの下には光電センサＰＥ
Ｓが設けられており、センサパターンＳＰを通過した光
線はこの光電センサＰＥＳにより受光される。

【００２９】なお、センサパターンＳＰと光電センサＰ
ＥＳとの間に集光レンズを設けてもよく、光電センサを
設置する十分な場所がウエハステージＷＳ中にないとき
は、光ファイバー等で別の場所に設けた光電センサにリ
レーしてもよい。光電センサＰＥＳからの出力信号Ｉ
は、受光系４の出力信号Ｉ_Zと共に図１の結像位置検出
系９に送られ、結像位置検出系９の内部で演算処理され
る。そしてこの演算処理の結果に基づき結像位置が検出
される。なお、結像位置検出系９とステージコントロー
ラ１０とは主制御系８により制御される。

【００３０】次に、本実施例における結像位置検出の動
作の一例につき説明する。まず、図１において、ステー
ジコントローラ１０からの指令に基づきウエハステージ
ＷＳを計測開始点に移動させる。ウエハステージＷＳの
ＸＹ方向の位置を計測するレーザ干渉計６とＺ方向の位
置を計測する受光系４とを用い、測定中にレチクルパタ
ーンＲＰの投影像が全てセンサパターンＳＰ上を通過
し、且つ、Ｚ方向では結像位置がほぼ測定中の中心にく
ると予想される位置へウエハステージＷＳを移動させ
る。なお、Ｚ方向の計測を行う斜入射光学系３，４は投
影光学系ＰＬの光軸中心を検出しているため、センサパ
ターンＳＰの面がＸＹ平面に対して平行でない場合、セ
ンサパターンＳＰの受光位置とＺ方向の斜入射光学系
３，４の検出点における位置との高さが異なってしまう
ため、予めその２点間のＺ方向の位置の差分を斜入射光
学系３，４で測定しておき、結像位置計測の結果からそ
の差分を考慮して結果を求める。

【００３１】ウエハステージＷＳが計測開始点に来た
後、露光用の照明光を遮断しているシャッタを開き、回
路パターン露光用の照明光ＩＬによりレチクルパターン
ＲＰを照明する。このとき、レチクルパターンＲＰ以外
の領域を光線が通過して不必要にウエハステージＷＳ、
あるいは投影光学系ＰＬに光線が当たり、熱せられない
ように可変視野絞りにより露光範囲を制限しておくこと
が望ましい。シャッタが開いた後、ステージコントロー
ラ１０からの指令に基づき、ウエハステージＷＳをＸ方
向に移動させるのと同時に、Ｚ方向にウエハステージＷ
Ｓ（Ｚステージ）を移動させる。このとき、光電センサ
ＰＥＳからの出力信号Ｉと受光系４の出力信号は結像位
置検出系９に並列に送られる。

【００３２】図２は、光電センサＰＥＳからの出力信号
Ｉの波形を示すもので、横軸はパターンＳＰのＸ方向の
位置ｘ及びＺ方向の位置ｚ、縦軸は出力信号Ｉを表す。
この図２において、実線で示される曲線２１が光電セン
サＰＥＳからの出力信号Ｉを示している。ウエハステー
ジＷＳが結像位置に近付くに従って出力信号Ｉの波形の
振幅が大きくなり、離れるに従ってその振幅は小さくな
り０に収束する。

【００３３】破線で示される曲線２２は、レチクルパタ
ーンＲＰの透過部の像とセンサパターンＳＰの透過部３
２とが一致したまま（つまりＸ方向に移動せずに）セン
サパターンＳＰがＺ方向に移動したときの出力信号Ｉを
示している。これは従来技術を説明した図９（ｂ）と同
じ波形である。次に、一点鎖線で示される曲線２３はレ
チクルパターンＲＰの間の遮光部３１の投影像とセンサ
パターンＳＰとが一致しているときにＺ方向に移動した
ときの出力を示す。これは結像位置にレチクルパターン
ＲＰの像があるときは、遮光部のため光は光電センサＰ
ＥＳに達しないが、結像位置にないときは像が広がるた
め、遮光部周辺からの光が漏れだし、センサパターンＳ
Ｐを通過する光量が増えるためである。結像位置検出系
９により、例えば出力信号Ｉの各ピーク点を結ぶ包絡線
より曲線２２と曲線２３とを推定し、曲線２２と曲線２
３との差分が最大となる点を結像位置ＢＦとして求める
ことができる。

【００３４】以上のようにして求めた結像位置ＢＦにウ
エハＷの表面が来るようにステージコントローラ１０に
より制御する。なお、感光剤の厚み、特性等で測定値Ｂ
Ｆに対して一定のオフセットが生じるときは、そのオフ
セットを乗せた位置にウエハＷの表面が来るように制御
する。以上、本例の方法によれば、図２から明らかなよ
うに従来技術の第１の方法（図９の方法）に比べ、Ｘ方
向に厳密な位置合わせを行うことなく信号の変化量が大
きくＳＮ比の良い信号が得られる。これは、本例の方法
により得られる利点の１つである。また、図１０に示す
従来技術の第２の方法と比較した場合、その第２の方法
の各点のコントラストＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃は、その光軸方
向（Ｚ方向）の位置ｚ₁ ，ｚ₂ ，ｚ₃ における図２の曲
線２２と曲線２３との差分に一致する。つまり、従来の
第２の方法と本実施例の方法とを比較した場合、信号の
変化量としては同じものが得られる他に、本実施例の方
法は１回のスキャンで第２の方法の図１０（ｅ）に相当
する情報が得られるという利点がある。

【００３５】なお、本実施例では、照明光ＩＬとして回
路パターン用の露光光を使用し、レチクルパターンＲＰ
として光透過性のパターンを使用したが、レチクルパタ
ーンＲＰとして反射型のパターンを使用することもでき
る。この場合、ウエハステージＷＳ側に光ガイド等で露
光用の照明光を導いて投影光学系を介してレチクルパタ
ーンＲＰを照明し、レチクルパターンＲＰからの反射光
を投影光学系ＰＬを介してセンサパターンＳＰ上に結像
させ、センサパターンＳＰからの通過光束を光電センサ
ＰＥＳで受光して結像位置を求める。

【００３６】以上、本例の基本的な方法を説明したが、
更に精度良く結像位置を求めたい場合、上記の計測を複
数回行い平均を取る方法がある。また、結像位置ＢＦ付
近のみ更に細かくデータを取る方法もある。即ち、結像
位置ＢＦの周辺でウエハステージＷＳのＺ方向の移動速
度を遅くし、データサンプリングするＺ方向の間隔を狭
めてより密度の高いデータを取るものである。

【００３７】また、Ｘ方向の移動距離が実際は微少なた
め無視し得るが、センサパターンＳＰのＸＹ平面に対す
る傾斜により、移動中のＺ方向の計測を行う斜入射光学
系３，４に測定誤差が生ずる場合は、予めその斜入射光
学系３，４で計測して補正してやればよい。更に、レチ
クルパターンＲＰとしては、パターンの方向による結像
位置の差（非点収差）を考慮して、複数方向のパターン
を用意してもよい。また、レチクルパターンＲＰをレチ
クルＲ上に複数設け、露光領域全域での像面を求め、ウ
エハＷの表面が平均的像面に合致するように制御しても
よい。このために、例えばその全域にレチクルパターン
ＲＰを持つ像面測定専用のレチクルを用いる。また、セ
ンサパターンＳＰと光電センサＰＥＳとを組み合わせた
検出手段を複数設け、その複数の検出手段により同時に
像面を計測するようにしてもよい。

【００３８】次に、レチクルパターンＲＰとセンサパタ
ーンＳＰとの別の例について、図４〜図７を参照して説
明する。なお、以下の例において、レチクルパターン及
びセンサパターンのスリット状のマークの大きさ或いは
そのスリット状のマーク同士の間隔は、前述の図３のレ
チクルパターンＲＰとセンサパターンＳＰとの関係と同
様に、投影光学系ＰＬの解像度にできるだけ近く設定さ
れる。

【００３９】図４は、レチクルパターンとセンサパター
ンとの別の例を示し、図４（ａ）はレチクルパターン、
図４（ｂ）はセンサパターンを示す。この図４（ａ）に
おいてレチクルパターンＲＰ１は、遮光部３５中でスキ
ャン方向に等間隔に並んだ複数のスキャン方向に垂直な
方向に長いスリット状の透過部３４ａ〜３４ｆから構成
されている。また、図４（ｂ）に示すようにセンサパタ
ーンＳＰ１も遮光部３７中でスキャン方向に等間隔に並
んだ複数のスキャン方向に垂直な方向に長いスリット状
の透過部３６ａ〜３６ｆから構成されている。

【００４０】本例は、ＳＮ比を良くするため、レチクル
パターンＲＰ１もセンサパターンＳＰ１も複数の透過部
からなるパターンとしたものである。但し、この方式は
Ｘ方向の位置によりレチクルパターンＲＰ１の透過部と
センサパターンＳＰ１の透過部との重なりの数が異なる
ため、光電センサＰＥＳに入射する光量が変化するの
で、その分は補正を行う必要がある。

【００４１】図５は、レチクルパターンとセンサパター
ンとの更に別の例を示し、図５（ａ）はレチクルパター
ン、図５（ｂ）はセンサパターンを示す。この図５
（ａ）においてレチクルパターンＲＰ２は、遮光部３９
中でスキャン方向に等間隔に並んだ複数のスキャン方向
に垂直な方向に長いスリット状の透過部３８ａ〜３８ｆ
から構成されている。また、図５（ｂ）に示すようにセ
ンサパターンＳＰ２は、遮光部４１中に形成され、スキ
ャン方向と垂直な方向にレチクルパターンＲＰ２のスリ
ット状の透過部の投影像とほぼ同じ幅を持ち、且つ、ス
キャン方向の端部が直線状のエッヂ４２となった矩形の
透過部４０から構成されている。この透過部４０のスキ
ャン方向の幅はレチクルパターンＲＰ２の投影像の幅よ
り十分広くなっている。

【００４２】この方法は、センサパターンＳＰ２のエッ
ヂ４２を利用する方法である。このレチクルパターンＲ
Ｐ２とセンサパターンＳＰ２とを用いてＸ方向にセンサ
パターンＳＰ２をスキャンすると、光電センサＰＥＳに
入射する光量はいわば積分された量として測定される。
これを図８を参照して説明する。図８において、図８
（ａ）は光電センサＰＥＳからの出力信号Ｉの波形を示
し、図８（ｂ）は、図８（ａ）の出力信号ＩをＸ方向の
位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘの波形を示す。なお、
この図８（ａ）及び（ｂ）において横軸はＺ方向の位置
ｚ、及びＸ方向の位置ｘを表す。図８（ａ）の曲線２４
が光電センサＰＥＳからの出力信号Ｉを示している。ウ
エハステージＷＳが移動するに従って曲線２４で示され
る出力信号Ｉは階段状に大きくなるが、ウエハステージ
ＷＳが結像位置に近ずくに従って階段の落差が大きくな
り、離れるに従ってその落差は小さくなり０に収束す
る。

【００４３】即ち、光電センサＰＥＳからは、図２の曲
線２１に相当する波形を積分した形で信号が得られるの
で、微分して図２の曲線２１に相当する出力信号を得る
必要がある。図８（ｂ）の曲線２５は、図８（ａ）の曲
線２４をウエハステージＷＳの位置ｘで微分したもの
で、図２の曲線２１に相当する出力信号が得られてい
る。従って、図２に関して述べたのと同様な方法により
結像位置を算出し、ウエハステージＷＳをＺ方向でその
結像位置に移動すればよい。

【００４４】本例の方法によれば、演算処理が複雑にな
る面はあるが、センサパターンＳＰ２の形状を一定にし
て種々の線幅のパターンを測定でき、且つ、センサパタ
ーンＳＰ２が形成し易い利点がある。図６は、レチクル
パターンとセンサパターンとの更に別の例を示し、図６
（ａ）はレチクルパターン、図６（ｂ）はセンサパター
ンを示す。この図６（ａ）においてレチクルパターンＲ
Ｐ３は、遮光部４４中に形成された一個のスキャン方向
に垂直な方向に長いスリット状の透過部４３から構成さ
れている。また、図４（ｂ）に示すようにセンサパター
ンＳＰ３も遮光部４６中に形成された一個のスキャン方
向に垂直な方向に長いスリット状の透過部４５から構成
されている。

【００４５】本例は、ウエハステージＷＳのスキャン方
法に特徴があり、ウエハステージＷＳをＸ方向に往復移
動しながらＺ方向に連続移動して図２の曲線２１に相当
する波形を求めるものである。図７は、レチクルパター
ンとセンサパターンとの更に別の例を示し、図７（ａ）
はレチクルパターン、図７（ｂ）はセンサパターンを示
す。この図７（ａ）においてレチクルパターンＲＰ４
は、遮光部４８中に形成された一個のスキャン方向に垂
直な方向に長いスリット状の透過部４７から構成されて
いる。また、図４（ｂ）に示すようにセンサパターンＳ
Ｐ４は遮光部５０中でスキャン方向に等間隔に並んだ複
数のスキャン方向に垂直な方向に長いスリット状の透過
部４９ａ〜４９ｆから構成されている。本例は、図３の
レチクルパターンとセンサパターンとが逆になったもの
である。

【００４６】以上の例は何れもセンサパターンＳＰ側を
Ｘ方向及びＺ方向に移動させたが、レチクルパターンＲ
Ｐ側を移動させても同様の結果を得ることができる。ま
た、レチクルパターンＲＰ側とセンサパターンＳＰとを
共に移動させてもよく、例えばレチクルパターンＲＰを
Ｘ方向に移動させながら、センサパターンＳＰをＺ方向
に移動させても同様の結果が得られる。また、レチクル
パターンＲＰ又はセンサパターンＳＰをＸ方向、Ｙ方
向、及びＺ方向の３方向に同時に移動して走査するよう
にすることもできる。

【００４７】以上のように、上記実施例の焦点検出方法
は、位置決め精度が厳しくなく、且つ、測定時間の短い
優れた結像位置の検出方法である。前記のように、投影
露光装置等の装置には大気圧変化、温度変化を測定し、
結像位置の変化を予め求めておいたパラメータに基づき
計算して、斜入射光学系の受光系の平行平板の角度を自
動的に調整し、結像位置からずれないようにする機構が
備わっている。また、その装置の投影光学系に入射する
露光光のエネルギー量に基づき、投影光学系の露光光吸
収による焦点位置の変化を計算する機能も備わってい
る。

【００４８】しかし、これらの機能はあくまで予測計算
に基づくものであり、予め見込めなかった要因には対処
できない。このため、上記実施例による結像位置の実測
による検出方法と組み合わせることによりその機能を補
えば更にその効果が発揮される。特に、露光光吸収は大
気圧変化と異なり比較的速い変化のため、結像位置を頻
繁に（例えば１０分毎）検出しなければならないが、上
記実施例による高速の結像位置の検出方法であれば併用
することができる。このため、露光工程のスループット
の向上だけではなく、装置全体としての精度向上にも貢
献することができる。

【００４９】また、上述実施例では、レチクルＲの上部
から照明を行っているが、例えば露光用の照明光を光ガ
イドを介してウエハステージＷＳ内に導いて、その照明
光でセンサパターンＳＰを底面側から照明し、その透過
光で投影光学系ＰＬを介してレチクルマークＲＰを照明
し、その上部で受光してもよい。但し、レチクルマーク
ＲＰを反射型として、レチクルマークＲＰでの反射光
を、投影光学系ＰＬ、センサパターンＳＰ、不図示のビ
ームスプリッタを介して光電センサで受光してもよい。

【００５０】なお、本発明の焦点検出方法は、ステッパ
ー型の露光装置ばかりでなく、レチクルとウエハとを相
対的に走査して露光するステップ・アンド・スキャン型
露光装置にもそのまま適用することができる。このよう
に本発明は上述実施例に限定されず、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

【００５１】

【発明の効果】本発明の焦点検出方法によれば、検出用
パターンと受光部とを２方向に相対的に１回走査するだ
けで、投影光学系の結像位置（焦点位置）の検出ができ
る。このため、厳密な位置合わせを行うことなく、短時
間で高精度に結像位置の検出を行うことがでる。従っ
て、露光装置に適用した場合にスループットが向上する
と共に、露光条件や照明条件の変化により投影光学系の
焦点位置が変動し、焦点位置を頻繁に実測する必要があ
る場合等には特に有効である。

【００５２】また、検出用パターン又は光電検出手段の
受光部の何れか一方を光軸に平行に移動させると同時に
他方をその光軸と垂直な方向に移動させる場合には、ス
テージ系の制御が容易で、ステージ系の構造を簡単にす
ることができる利点がある。また、検出用パターンとし
て、所定方向に配列された１個又は複数のスリット状の
パターンを使用し、検出用パターンに対応する光電検出
手段の受光部として、その所定方向に対応する方向に直
交する方向に伸びたエッヂを有するものを使用する場合
には、受光部の受光面積を広くとることができるため、
検出用パターンの測定線幅によって光電検出手段の受光
部のパターン形状を変えなくてもよく、且つ、受光部が
形成し易い利点がある。

【００５３】更に、投影光学系が、照明光学系により照
明されたマスクパターンの像を感光基板上に投影するた
めに使用され、検出用パターンをそのマスクパターン側
に配置し、照明光学系により検出用パターンを照明する
ものである場合には、別途焦点検出用の照明系を設ける
必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のステッパ方式の投影露光装
置を示す構成図である。

【図２】図１の装置の光電センサからの検出信号の波形
を示す図である。

【図３】レチクルパターンＲＰ及びセンサパターンＳＰ
を示す拡大平面図である。

【図４】レチクルパターンＲＰ１及びセンサパターンＳ
Ｐ１を示す拡大平面図である。

【図５】レチクルパターンＲＰ２及びセンサパターンＳ
Ｐ２を示す拡大平面図である。

【図６】レチクルパターンＲＰ３及びセンサパターンＳ
Ｐ３を示す拡大平面図である。

【図７】レチクルパターンＲＰ４及びセンサパターンＳ
Ｐ４を示す拡大平面図である。

【図８】図５のレチクルパターンとセンサパターンとを
使用して得られた光電センサからの検出信号の波形を示
す図である。

【図９】（ａ）は従来技術の説明に供する装置構成図で
あり、（ｂ）はそれにより得られた光電センサからの検
出信号の波形を示す図である。

【図１０】（ａ）は他の従来技術の説明に供する装置構
成図であり、（ｂ）はそれにより得られた光電センサか
らの検出信号の波形を示す図である。

【符号の説明】

１レチクルステージＲレチクルＰＬ投影光学系ＷＳウエハステージＷウエハＰＥＳ光電センサＲＰレチクルパターンＳＰセンサパターン３投光系（斜入射光学系）４受光系（斜入射光学系）６レーザ干渉計９結像位置検出系１０ステージコントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 7/207 ＨＧ０３Ｂ 3/00 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上のパターンの像を第２面上に投
影する投影光学系の焦点位置の検出方法において、前記第１面又は第２面の一方の面側に配置された検出用
パターンと、前記第１面又は第２面の他方の面側に配置
され、所定形状の受光部を有する光電検出手段と、を用
い、前記検出用パターンを照明し、前記検出用パターンと前記光電検出手段の受光部とを前
記投影光学系の光軸に平行に相対移動させると同時に、
前記検出用パターンと前記光電検出手段の受光部とを前
記光軸に垂直な方向に相対移動させて、前記検出用パタ
ーンの結像光束を前記受光部が横切るときの前記光電検
出手段の検出信号を取り込み、該取り込まれた検出信号に基づいて前記投影光学系の焦
点位置を求めることを特徴とする焦点検出方法。
【請求項２】前記検出用パターン又は前記光電検出手
段の受光部の何れか一方を前記光軸に平行に移動させる
と同時に他方を前記光軸と垂直な方向に移動させること
を特徴とする請求項１記載の焦点検出方法。
【請求項３】前記検出用パターンは、所定方向に配列
された１個又は複数のスリット状のパターンからなり、
前記光電検出手段の受光部は、前記所定方向に対応する
方向に直交する方向に伸びたエッヂを有することを特徴
とする請求項１又は２記載の焦点検出方法。
【請求項４】前記投影光学系は、照明光学系により照
明されたマスクパターンの像を感光基板上に投影するた
めに使用され、前記検出用パターンを前記マスクパター
ン側に配置し、前記照明光学系により前記検出用パター
ンを照明することを特徴とする請求項１、２又は３記載
の焦点検出方法。