JPH09293655A

JPH09293655A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH09293655A
Application number: JP8105189A
Authority: JP
Inventors: Takashi Miyaji; 敬宮地
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-04-25
Filing date: 1996-04-25
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】走査露光型の投影露光装置において、ウエハ
上の非走査方向に拡がる段差や突起等の局所的な変形の
影響による面位置の測定誤差を抑える。【解決手段】多点ＡＦセンサによりウエハ１２上の照
野フィールド１３内に分布する９個の計測点のＺ変位を
計測する。走査方向に並んだ３個の計測点を１つの計測
列として第１〜第３計測列に分ける。例えば、第１計測
列の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃の基準面６２からのＺ変位量ｚ１
〜ｚ３に対応するフォーカス信号を得る。これら３個の
フォーカス信号を、信号レベルが近接する２つのフォー
カス信号と、離れた値を有する１個のフォーカス信号と
に分け、多数決方式により後者のフォーカス信号を異常
信号として排除する。第２及び第３計測列に対して同様
に異常信号を排除し、残された６個のフォーカス信号か
らウエハ１２の面位置を求め、それに基づいてウエハ１
２の面を投影光学系の結像面に合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程で
使用される投影露光装置に関し、更に詳しくはマスク及
び感光基板を投影光学系に対して同期して走査すること
によりマスクパターンを感光基板上に逐次転写する所謂
ステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光型の投影
露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子等をフォトリソグ
ラフィ技術を用いて製造する際に、マスクとしてのレチ
クルのパターンの像を投影光学系を介して感光基板とし
てのウエハ（又はガラス基板）上の各ショット領域に一
括露光するステップ・アンド・リピート方式の投影露光
装置（ステッパー等）が使用されていた。これに対して
最近では、半導体素子のチップが大型化する傾向があ
り、より大きな面積のパターンをウエハ上に露光する必
要性から、レチクルとウエハとを投影光学系に対して同
期して走査することで、レチクル上の照野領域より広い
面積のパターンを転写することが可能な、所謂ステップ
・アンド・スキャン方式等の走査露光型の投影露光装置
が開発されている。

【０００３】一般に投影露光装置においては、開口数
（N.A.）が大きく焦点深度の浅い投影光学系が使用され
るため、微細な回路パターンを高い解像度で転写するた
めに、ウエハの表面の投影光学系の光軸方向の位置（焦
点位置）を焦点位置検出系（フォーカスセンサ）で検出
し、この検出値に基づいてウエハの表面を結像面に合焦
させるオートフォーカス制御が行われている。従来、こ
のフォーカスセンサとしては、ウエハの表面にスリット
像等を斜めに投影し、ウエハの表面での反射光を検出し
て、その検出位置の変化としてウエハの焦点位置を測定
する斜入射方式の検出系が一般に使用されている。最近
では、ウエハ上の投影光学系による照野フィールド内又
はその近傍に設けた複数の計測点に対してそれぞれスリ
ット像等を投影して、ウエハ上の各計測点からの反射光
を検出することにより、それらの計測点の焦点位置を求
める多点の焦点位置検出系（以下、「多点ＡＦセンサ」
という）も使用されている。この多点ＡＦセンサの検出
結果よりウエハ表面の傾斜角をも算出できるため、この
傾斜角に基づいてウエハの表面を結像面に平行に合わせ
込むオートレベリング制御も行われている。

【０００４】この多点ＡＦセンサではウエハの表面に溝
や突起等の局所的な変形がある場合、特定の計測点での
検出値が他の大部分の領域の焦点位置と大きく異なって
しまうことがある。このため、ウエハの表面にこのよう
な局所的な変形が予想される場合には、計測点、即ちス
リット像等の投影される位置をこのような変形部を避け
て配置することが望ましい。通常、このような変形部は
露光対象となる、例えば集積回路等の構造等に依存する
ことから、計測点の配置をある程度自由に設定できるこ
とが望ましい。このために、予め格子状等に配置された
複数のスリット像等を投影光学系による照野フィールド
全体に照射する多点ＡＦセンサを使用し、集積回路等の
構造等に応じて所望の計測点での検出値を選択的に使用
する方法が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
によれば、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光
装置においては、露光中にウエハの位置が変化すること
はないので、予め多点ＡＦセンサの計測点がウエハ上の
変形部を避けるように複数の計測点の配置（一種のセン
サトポロジーともいえる配置）を設定することが可能で
ある。しかしながら、ステップ・アンド・スキャン方式
等の走査露光型の投影露光装置においては、ウエハの走
査によって各計測点とウエハとの相対位置が変化するた
め、１つの計測点による検出領域は点ではなく、走査方
向に連続した線上の領域となる。このため、ウエハの局
所的な変形が走査方向と交差する方向に広がりを持つ場
合には、複数の計測点の配置をいくら工夫しても走査中
の或る時点で何れかの計測点が変形部を通過することに
なって、多点ＡＦセンサの検出値に対する外乱を避ける
ことが不可能となる。このような外乱が何れかの計測点
での検出値に混入すると、オートフォーカス系又はオー
トレベリング系のサーボがこの外乱に反応して、露光中
にウエハ上の照野フィールドの一部がデフォーカスする
という不都合があった。

【０００６】また、通常ショット領域の境界にはチップ
分離用のストリートラインと呼ばれる段差領域が存在す
る。走査露光型で露光を行う場合、このショット領域の
境界付近はオートフォーカス系のサーボの引き込み及び
整定領域と重なる場合があり、このように、局所的な変
形がショット領域の境界付近に存在すると、サーボの整
定が遅れるという不都合もあった。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、ウエハ上に局所
的な変形部があっても、その変形部以外のウエハの表面
の平均的な面の焦点位置を高精度に検出できる走査露光
型の投影露光装置を提供することを目的とする。更に、
本発明はそのように検出されたウエハの表面を結像面に
正確に合わせ込むことができる走査露光型の投影露光装
置を提供することをも目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、転写用のパターンが形成されたマスク（７）を照
明し、このマスクのパターンの一部の像を投影光学系
（１１）を介して感光性の基板（１２）上に投影した状
態で、そのマスク（７）及びその基板（１２）をその投
影光学系（１１）に対して同期して移動することによ
り、そのマスク（７）のパターンの像をその基板（１
２）上に逐次転写する投影露光装置において、その基板
（１２）上のその投影光学系（１１）による露光領域
（１３）又はその基板（１２）の移動方向に関して、そ
の露光領域（１３）の手前の領域にその基板（１２）の
移動方向（走査方向）に沿って３個以上の計測点（Ｐ₁₁
〜Ｐ₁₃）を有する計測列をその移動方向に直交する方向
（非走査方向）に沿って複数設定し、該複数の計測列の
計測点に検出光を照射して、その計測点のそれぞれにお
けるその投影光学系の光軸方向の位置（焦点位置）に対
応する検出信号を出力する焦点位置センサ（２５）と、
その複数の計測列の各々についてその３個以上の計測点
に対応する検出信号をそれぞれ比較すると共に、この比
較結果に基づいて異常な信号を排除し、その焦点位置セ
ンサ（２５）から出力される検出信号からその異常信号
を除いた検出信号に基づいて、その基板（１２）のその
投影光学系（１１）の光軸方向の位置及び傾斜角を算出
する演算手段（５２，５３）と、を設けたものである。

【０００９】なお、本発明では検出信号の段階で異常信
号を排除しているが、その検出信号を焦点位置に変換
し、この焦点位置の段階で異常値を求めてもよく、両者
は等価である。斯かる本発明の投影露光装置によれば、
焦点位置センサ（２５）の移動方向に沿った計測列の複
数の計測点（Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃）に対応する検出信号から異常
信号（例えばそれ以外の検出信号に対してレベルが大き
く異なる信号）が排除される。例えば基板（１２）上の
走査方向に交差する方向（非走査方向）にストリートラ
イン等の局所的な変形があっても、その変形部分での検
出信号は異常信号として排除されるため、焦点位置セン
サ（２５）によりその変形部以外の基板（１２）の表面
の光軸方向の位置を高精度に検出して、基板（１２）の
表面を投影光学系（１１）の結像面に正確に合わせ込む
ことができる。

【００１０】この場合、その複数の計測列の内の１つの
計測列に含まれる計測点の個数をｎ個（ｎは３以上の整
数）としたとき、その演算手段（５２，５３）は、その
計測列のｎ個の検出信号を多数決方式で信号レベルが近
い（ｎ−ｍ）個の検出信号と（ｍはｎ／２より小さく１
以上の整数）、信号レベルが所定量以上離れているｍ個
の検出信号とに分け、該ｍ個の検出信号を異常信号とし
て、その計測列の検出信号から排除することが好まし
い。これにより、ｍは（ｎ／２）より小さいため、ｎ個
の検出信号の内１／２以上の検出信号が異常値として排
除されることがなく、検出信号の内のより多数の検出信
号に基づいて演算が行われるため、焦点位置センサ（２
５）からの少数の異常信号に基づいて、基板（１２）の
光軸方向の位置及び傾斜が求められるという危険性が減
少する。

【００１１】また、その基板（１２）のその光軸方向の
位置及び傾斜角を調整する高さ位置調整手段（１４，１
６Ａ〜１６Ｃ）と、その演算手段（５２，５３）により
算出されたその基板（１２）の位置及び傾斜角に基づい
て、その高さ位置調整手段を制御する制御系（５８）
と、を設け、その演算手段は、その焦点位置センサ（２
５）から出力される検出信号からその異常信号を除いた
検出信号に基づいて、最小自乗法によりその基板（１
２）の光軸方向の位置及び傾斜角を算出することが好ま
しい。これにより、焦点位置センサ（２５）から出力さ
れる検出信号から異常信号を除いた検出信号に基づいて
最小自乗法により、基板（１２）の位置及び傾斜角を正
確に求め、制御系（５８）によりその高さ位置手段を介
して基板（１２）を投影光学系（１１）の結像面に正確
に合わせ込むことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による投影露光装置
の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
本例は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装
置に本発明を適用したものである。図１は、本例の投影
露光装置を示し、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からの露光用の
照明光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
照度分布でレチクル７のパターン形成面（下面）のスリ
ット状の照明領域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ほぼ共役であ
り、レチクルブラインド３の開口の位置及び形状によ
り、照明領域８の位置及び形状が設定される。

【００１３】レチクル７上の照明領域８内のパターンの
投影光学系１１を介した像が、フォトレジストが塗布さ
れたウエハ１２上のスリット状の照野フィールド１３内
に投影露光される。ここで、投影光学系１１の光軸に平
行にＺ軸を取り、その光軸に垂直な２次元平面内で図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。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上で走査方向で
あるＸ方向に例えばリニアモータにより駆動される。レ
チクルステージ９上の移動鏡１８、及び外部のレーザ干
渉計１９によりレチクル７のＸ座標が計測され、このＸ
座標が装置全体の動作を統轄制御する主制御系２０に供
給され、主制御系２０は、レチクルステージ駆動系２１
及びレチクルステージ９を介してレチクル７の位置及び
移動速度の制御を行う。

【００１４】一方、ウエハ１２は、不図示のウエハホル
ダを介してＺチルトステージ１４上に保持され、Ｚチル
トステージ１４は３個のＺ方向に移動自在なアクチュエ
ータ１６Ａ〜１６Ｃを介してＹステージ１５Ｙ上に載置
されている。また、Ｙステージ１５Ｙは、Ｘステージ１
５Ｘ上に例えば送りねじ方式又はリニアモータ方式でＹ
方向に移動されるように載置され、Ｘステージ１５Ｘ
は、装置ベース１７上に例えば送りねじ方式又はリニア
モータ方式でＸ方向に移動されるように載置されてい
る。３個のアクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃを並行に伸縮
させることにより、Ｚチルトステージ１４のＺ方向の位
置（焦点位置）の調整が行われ、３個のアクチュエータ
１６Ａ〜１６Ｃの伸縮量を個別に調整することにより、
Ｚチルトステージ１４のＸ軸及びＹ軸の回りの傾斜角の
調整が行われる。

【００１５】また、Ｚチルトステージ１４の上端に固定
されたＸ軸用の移動鏡２２Ｘ、及び外部のレーザ干渉計
２３Ｘにより、ウエハ１２のＸ座標が常時モニタされ、
Ｙ軸用の移動鏡２２Ｙ（図６参照）及び外部のレーザ干
渉計２３Ｙにより、ウエハ１２のＹ座標が常時モニタさ
れ、検出されたＸ座標、Ｙ座標が主制御系２０に供給さ
れている。

【００１６】図１に戻り、主制御系２０は、供給された
座標に基づいてウエハステージ駆動系２４を介してＸス
テージ１５Ｘ、Ｙステージ１５Ｙ、及びＺチルトステー
ジ１４の動作を制御する。例えば走査露光方式で露光を
行う場合には、投影光学系１１が投影倍率β（βは例え
ば１／４等）で倒立像を投影するものとして、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、Ｘステージ１５Ｘを介してウエハ１２が照野フィ
ールド１３に対して−Ｘ方向（又は＋Ｘ方向）に速度Ｖ
_W( ＝β・Ｖ_Rで走査される。

【００１７】次に、ウエハ１２の表面のＺ方向の位置
（焦点位置）を検出するための多点の焦点位置検出系
（以下、「多点ＡＦセンサ」という）２５の構成につき
説明する。この多点ＡＦセンサ２５において、光源２６
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、コンデンサーレンズ２７を介して送光スリット板
２８内の多数のスリットを照明し、それらスリットの像
が対物レンズ２９を介して、投影光学系１１の光軸に対
して斜めにウエハ１２上の照野フィールド１３内の９個
の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₃₃に投影される。

【００１８】図２は、ウエハ１２上のそれら計測点Ｐ₁₁
〜Ｐ₃₃の配置を示し、この図２において、スリット状の
照野フィールド１３内に３行×３列の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₃₃
が設定されている。本例では、照野フィールド１３内の
９個の計測点での焦点位置の情報から照野フィールド１
３内でのウエハ１２の表面の平均的な焦点位置、及び傾
斜角を求める。

【００１９】図１に戻り、それらの計測点からの反射光
が、集光レンズ３０を介して振動スリット板３１上に集
光され、振動スリット板３１上にそれら計測点に投影さ
れたスリット像が再結像される。振動スリット板３１
は、主制御系２０からの駆動信号ＤＳにより駆動される
加振器３２により所定方向に振動している。振動スリッ
ト板３１の多数のスリットを通過した光が光電検出器３
３上の多数の光電変換素子によりそれぞれ光電変換さ
れ、これら光電変換信号が信号処理系３４に供給され
る。

【００２０】図３は、図１中の送光スリット板２８を示
し、この図３において、送光スリット板２８には図２の
ウエハ上の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₃₃に対応する位置にそれぞれ
スリット２８₁₁〜２８₃₃が形成されている。また、図１
中の振動スリット板３１上にも、図４に示すように図２
のウエハ上の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₃₃に対応する位置にそれぞ
れスリット３１₁₁〜３１₃₃が形成され、振動スリット板
３１は加振器３２により各スリットの長手方向に直交す
る計測方向に振動している。

【００２１】次に、図５は、図１中の光電検出器３３、
及び信号処理系３４を示し、この図５において、光電検
出器３３上の１行目の光電変換素子３３₁₁〜３３₁₃に
は、それぞれ図２の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃から反射されて、
且つ振動スリット板３１中の対応するスリットを通過し
た光が入射し、２行目及び３行目の光電変換素子３３₂₁
〜３３₃₃には、それぞれ図２の計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₃₃から反
射されて、且つ振動スリット板３１中の対応するスリッ
トを通過した光が入射する。そして、光電変換素子３３
₁₁〜３３₃₃からの検出信号は、増幅器４６₁₁〜４６₃₃を
介して同期整流器４７₁₁〜４７₃₃に供給される。同期整
流器４７₁₁〜４７₃₃はそれぞれ加振器３２用の駆動信号
ＤＳを用いて入力された検出信号を同期整流することに
より、対応する計測点の焦点位置に所定範囲でほぼ比例
して変化するフォーカス信号を生成する。本例では、同
期整流器４７₁₁〜４７₃₃から出力されるフォーカス信号
は、それぞれ図１において、例えばレチクル７が走査方
向の中央に静止した状態で、対応する計測点が投影光学
系１１の結像面（ベストフォーカス面）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。

【００２２】同期整流器４７₁₁〜４７₃₃から出力される
フォーカス信号は、並列にマルチプレクサ４８に供給さ
れ、マルチプレクサ４８は、主制御系２０内のマイクロ
プロセッサ（ＭＰＵ）５０からの切り換え信号に同期し
て、供給されるフォーカス信号から順番に選ばれたフォ
ーカス信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４９
に供給し、Ａ／Ｄ変換器４９から出力されるデジタルの
フォーカス信号が順次主制御系２０内のメモリ５１内に
格納される。

【００２３】図６は、図１の３個のアクチュエータ１６
Ａ〜１６Ｃの駆動系を示し、この図６の主制御系２０に
おいて、メモリ５１内の各アドレスにそれぞれ図２の計
測点Ｐ₁₁〜Ｐ₃₃での焦点位置を示すデジタルのフォーカ
ス信号が格納されている。なお、これらのフォーカス信
号は、所定のサンプリング周期で逐次書き換えられてい
るものである。メモリ５１内の各アドレスの図２の照野
フィールド１３内の計測点に対応するアドレスから読み
出されたそれぞれのフォーカス信号は、多数決計算部５
３に送られる。ここで、図２の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃に対応
するフォーカス信号をそれぞれＦ₁₁〜Ｆ₁₃とし、計測点
Ｐ₂₁〜Ｐ₂₃に対応するフォーカス信号をそれぞれＦ₂₁〜
Ｆ₂₃とする。また、計測点Ｐ₃₁〜Ｐ₃₃に対応するフォー
カス信号をそれぞれＦ₃₁〜Ｆ₃₃とする。多数決計算部５
３は、フォーカス信号Ｆ₁₁〜Ｆ₃₃を走査方向のフォーカ
ス信号毎に分類する。即ち、９個のフォーカス信号をそ
れぞれ走査方向の３個のフォーカス信号Ｆ₁₁〜Ｆ₁₃，Ｆ
₂₁〜Ｆ₂₃，Ｆ₃₁〜Ｆ₃₃の３つのグループに分類し、グル
ープ毎にフォーカス信号の中で信号レベルが近接する２
個同士を選択する。この場合、選択されなかった１個の
フォーカス信号は異常信号として排除される。

【００２４】選択されたフォーカス信号は、次に最小自
乗法計算部５２に供給される。最小自乗法計算部５２で
は、その照野フィールド１３内の９個の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ
₃₃に対応する９個のフォーカス信号Ｆ₁₁〜Ｆ₃₃の内３個
の異常信号を除いた６個のフォーカス信号に基づいて、
最小自乗法的にその照野フィールド１３の表面に合致す
る平面を決定し、この決定された平面の中心での焦点位
置（Ｚ座標）ｚ、Ｙ軸の回りでの傾斜角θ_X、及びＸ軸
の回りでの傾斜角θ_Yを求める。これらの傾斜角θ_X、
傾斜角θ_Y、及び焦点位置ｚはそれぞれ減算部５４Ａ，
５４Ｂ及び５４Ｃに供給される。

【００２５】更に、本例の主制御系２０内には、記憶部
５５が設けられ、記憶部５５には、ウエハ１２上の照野
フィールド１３での結像面を表す基準面６２（図７参
照）のＹ軸の回りでの傾斜角θ_XP、及びＸ軸の回りでの
傾斜角θ_YPと、例えばレチクル７の中心が投影光学系１
１の光軸上にあるときの照野フィールド１３の中心での
結像面の焦点位置ｚ₀とが記憶されている。そして、３
個のアクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃ（図６参照）の伸縮
量の制御により、ウエハ１２の表面は基準面６２に合致
するように設定されている。

【００２６】図７に戻り、記憶部５５からの基準面６２
の傾斜角θ_XP，θ_YPが、それぞれ傾斜角の目標値として
減算部５４Ａ及び５４Ｂに供給され、減算部５４Ａ及び
５４Ｂから目標位置／速度変換部５８に対してそれぞれ
傾斜角の偏差Δθ_X＝θ_XP−θ_X) 、及びΔθ_Y( ＝θ
_YP−θ_Y) が供給されている。また、Ｘ軸のレーザ干渉
計２３Ｘ及びＹ軸のレーザ干渉計２３Ｙで計測されたＺ
チルトステージ１４（ウエハ１２）のＸ座標及びＹ座標
が目標位置／速度変換部５８に供給されている。目標位
置／速度変換部５８では、先ず、供給されたＺチルトス
テージ１４のＸ座標、Ｙ座標より、投影光学系１１の光
軸を原点とした場合の３個のアクチュエータ１６Ａ，１
６Ｂ，１６Ｃのそれぞれの作用点の座標（Ｘ₁，Ｙ₁)，
（Ｘ₂，Ｙ₂)，（Ｘ₃，Ｙ₃)を算出する。また、予め傾
斜角θ_X、傾斜角θ_Y、及び焦点位置ｚのそれぞれの位
置制御系のループゲインが記憶されており、目標位置／
速度変換部５８では、以上のデータからアクチュエータ
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃへのそれぞれの速度指令値ＶＺ
₁，ＶＺ₂，ＶＺ₃を算出する。

【００２７】アクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃの座標（Ｘ
₁，Ｙ₁)〜（Ｘ₃，Ｙ₃)は、ウエハ１２が走査されるの
に応じて変化するため、目標位置／速度変換部５８は、
例えばウエハ１２の位置が所定ステップ変化する毎に、
又は所定の時間間隔で逐次速度指令値ＶＺ₁，ＶＺ₂，
ＶＺ₃を算出する。これらの速度指令値ＶＺ₁〜ＶＺ ₃
は、速度コントローラ６０に供給され、速度コントロー
ラ６０は、パワーアンプ６１Ａ〜６１Ｃを介してアクチ
ュエータ１６Ａ〜１６Ｃを駆動する。また、アクチュエ
ータ１６Ａ〜１６Ｃの内部のロータリエンコーダからの
速度の検出信号が速度コントローラ６０にフィードバッ
クされている。これにより、アクチュエータ１６Ａ〜１
６Ｃは、それぞれ先端部が駆動速度ＶＺ₁〜ＶＺ₃でＺ
方向に駆動される。

【００２８】そして、そのアクチュエータ１６Ａ〜１６
Ｃにより駆動された後のウエハ１２の表面の位置及び傾
斜角が、図１の多点ＡＦセンサ２５及び図６の最小自乗
法計算部５２等により計測され、この計測結果と目標値
との偏差が目標位置／速度変換部５８にフィードバック
される。走査露光中にそのようにＺチルトステージ１４
の傾斜角及び焦点位置をサーボ制御することによって、
ウエハ１２の照野フィールド１３が、常にレチクル７の
照明領域８内のパターンの投影像の結像面に合致した状
態で露光が行われる。なお、図６の多数決計算部５３、
最小自乗法計算部５２、減算部５４Ａ〜５４Ｃ、及び目
標位置／速度変換部５８は、図５のＭＰＵ５０のソフト
ウェア上で実行される機能であり、記憶部５５はメモリ
５１の一部である。

【００２９】次に、本例の多数決計算部５３の動作につ
いて説明する。図２に示すように、本例ではウエハ１２
上の照野フィールド１３内に格子状に３行×３列の９点
の計測点が配置されている。この内走査方向に一列に並
んだ計測点を１つの計測列として多数決演算を行う。図
２の例では、計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃による第１計測列、計測
点Ｐ₂₁〜Ｐ₂₃による第２計測列、及び計測点Ｐ₃₁〜Ｐ₃₃
による第３計測列の３つの計測列に分けられる。

【００３０】図７は、ウエハ１２の一部を走査方向に並
んだ第１計測列の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃に沿ってＺ方向に切
断した断面図を示し、この図７はウエハ１２の表面１２
Ｓの走査方向に例えば特定のアライメントマークのよう
な局所的な凸部がある場合の例を示している。この図７
において、表面１２Ｓの照野フィールド１３内の走査方
向の３個の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃の基準面（結像面）６２か
らの焦点位置の変位量（以下、「Ｚ変位量」という）が
多点ＡＦセンサ２５により計測される。ここで計測され
た３個の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃のＺ変位量をそれぞれｚ１〜
ｚ３とする。多点ＡＦセンサ２５からは、それらのＺ変
位量ｚ１〜ｚ３に対応するフォーカス信号Ｆ₁₁〜Ｆ₁₃が
出力され、図５及び図６に示すように、メモリ５１に一
旦記憶された後、多数決計算部５３に送られる。第２及
び第３計測列の計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₃₃についても同様にそれ
ぞれのＺ変位に対応するフォーカス信号が多数決計算部
５３に供給される。この場合、本例ではフォーカス信号
と対応するＺ変位量とが線形となる領域で多点ＡＦセン
サ２５を使用しているものとする。そして、これらのフ
ォーカス信号は多数決計算部５３において計測列毎に分
けられた後、それらの第１〜第３計測列に対して、それ
ぞれ多数決演算が行われる。

【００３１】多数決演算は、例えば図７の第１計測列の
３個の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃についていえば、対応するフォ
ーカス信号Ｆ₁₁〜Ｆ₁₃の中で信号レベルが近接する２つ
のフォーカス信号と、信号レベルが離れた１つのフォー
カス信号とに分けた後、多数決により、前者の２つのフ
ォーカス信号の方を真、後者の１つのフォーカス信号を
偽とみなし、偽であるフォーカス信号を異常信号として
排除する。この図７の例では計測点Ｐ₁₂において局所的
な凸部が形成されているため、計測点Ｐ₁₂におけるフォ
ーカス信号Ｆ₁₂（Ｚ変位量ｚ２）は、他の２個の計測点
Ｐ₁₁，Ｐ₁₃におけるフォーカス信号Ｆ₁₁，Ｆ₁₃（Ｚ変位
量ｚ１，ｚ３）に比較して大きく離れた値となってい
る。従って、計測点Ｐ₁₂に対応するフォーカス信号Ｆ₁₂
が異常信号として排除される。

【００３２】この多数決演算の一例につき説明すると、
先ず計測点Ｐ₁₁を除いた２つの計測点Ｐ₁₂，Ｐ₁₃のフォ
ーカス信号の平均値（Ｆ₁₂＋Ｆ₁₃）／２と、その計測点
Ｐ₁₁でのフォーカス信号Ｆ₁₁との差分Δ１が求められ
る。同様に、計測点Ｐ₁₂を除いた２つの計測点Ｐ₁₁，Ｐ
₁₃のフォーカス信号の平均値（Ｆ₁₁＋Ｆ₁₃）／２と、そ
の計測点Ｐ₁₂でのフォーカス信号Ｆ₁₂との差分Δ２、及
び計測点Ｐ₁₃を除いた２つの計測点Ｐ₁₁，Ｐ₁₂のフォー
カス信号の平均値（Ｆ₁₁＋Ｆ₁₂）／２と、その計測点Ｐ
₁₃でのフォーカス信号Ｆ₁₃との差分Δ３が求められる。
そして、３つの差分Δ１，Δ２，Δ３の内で絶対値が最
も大きい差分が得られたときに除かれていた計測点のフ
ォーカス信号が異常信号と見なされる。これによって、
図７の場合には、計測点Ｐ₁₂でのフォーカス信号Ｆ₁₂が
異常信号と見なされる。なお、ウエハ１２は移動してい
るため、時間の経過に伴ってフォーカス信号Ｆ₁₂は再び
正常な信号となる。

【００３３】この操作を走査方向に３点ずつまとめられ
た他の第２及び第３計測列に対しても行う。結局９個の
計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₃₃の内、３個の計測点におけるフォーカ
ス信号は捨てられることになり、残りの６個の計測点に
おけるフォーカス信号を基に、図６の最小自乗法計算部
５２で最小２乗法にて平面近似を行うことにより、ウエ
ハの表面の光軸方向の位置、及びＸ軸及びＹ軸回りの回
転角（以下、「面位置」という）を求める。なお、上述
の例ではフォーカス信号の段階で異常信号を排除してい
るが、フォーカス信号を焦点位置（Ｚ変位量）に変換し
た後、異常値を排除してもよい。

【００３４】なお、多数決による演算は、基本的には上
述の方法により行うが、そのままでは、ウエハの表面の
もつ一般的な凹凸まで過剰に排除する恐れがある。そこ
で、閾値を設け、例えば前述の２個の計測点におけるフ
ォーカス信号の平均値と、他の１個の計測点におけるフ
ォーカス信号との差がこの閾値を超えたときのみ多数決
演算により異常値の排除を行うようにしてもよい。例え
ば図７の例で、閾値をεとした場合、計測点Ｐ₁₁，Ｐ₁₃
におけるフォーカス信号Ｆ₁₁，Ｆ₁₃の平均値（Ｆ₁₁＋Ｆ
₁₃）／２と、計測点Ｐ₁₂におけるフォーカス信号Ｆ₁₂と
の差分Δ２（＝（Ｆ₁₁＋Ｆ₁₃）／２−Ｆ₁₂）の絶対値
が所定の閾値εより大きい場合は、計測点Ｐ₁₂における
フォーカス信号を排除し、絶対値｜Δ２｜が閾値εより
小さい場合は、計測点Ｐ₁₂におけるフォーカス信号を排
除せず正常な信号として使用する。

【００３５】以上、本例によれば、例えば図７の計測点
Ｐ₁₂におけるような局所的な変形があった場合でも、計
測点Ｐ₁₂におけるＺ変位量ｚ２に対応するフォーカス信
号は排除されるため、ウエハ１２上の照野フィールド１
３における変形部以外の通常の表面が投影光学系１１の
結像面からデフォーカスする現象が抑えられる。また、
ウエハ１２上の各ショット領域の境界にはストリートラ
インと呼ばれる段差領域が存在する。このストリートラ
インが、露光領域を走査する際に丁度、フォーカス及び
レベリングサーボの整定領域域に相当する場合があり、
フォーカス信号をそのまま使用するときにはそのストリ
ートラインの段差によるフォーカス信号が外乱となり、
フォーカスサーボの整定が遅れる現象が発生する恐れが
ある。しかし、本例ではそのような段差でのフォーカス
信号も排除されるため、外乱が発生せずフォーカス及び
レベリングサーボの整定の遅れを回避できる。

【００３６】なお、上述の例では走査方向の計測列毎に
それぞれ３個ずつの計測点を設けたが、３個以上であれ
ば何個でもよい。また、計測列の計測点の数は計測列毎
にそれぞれ異なっていてもよい。ここで、照野フィール
ド１３内の計測列に３個以上の計測点を設けた場合の、
ウエハ１２の面位置を求める計算例について説明する。

【００３７】走査方向の或る１つの計測列の計測点の数
をｎとし（ｎは３以上の整数）、それらのｎ個の計測点
に対応するフォーカス信号をＦ１〜Ｆｎとする。多数決
計算部５３はこれらのフォーカス信号Ｆ１〜Ｆｎを、信
号レベルが近接する（ｎ−ｍ）個のフォーカス信号と、
信号レベルが離れたｍ個のフォーカス信号とに分ける。
なお、ｍは（ｎ／２）より小さく、１以上の整数であ
る。多数決により（ｎ−ｍ）個のフォーカス信号を真と
し、ｍ個のフォーカス信号を偽として、偽であるｍ個の
フォーカス信号を排除し、残った（ｎ−ｍ）個のフォー
カス信号に基づいてその計測列におけるウエハ１２のＺ
変位を決定する。この場合、ｍの値は求める精度に対応
して決めればよい。一例として、ｎ個のフォーカス信号
Ｆ１〜Ｆｎより異常信号を多数決方式で求めるには、ｉ
番目のフォーカス信号Ｆｉを除いたフォーカス信号の平
均値＜Ｆｉ＞とフォーカス信号Ｆｉとの差分Δｉを各ｉ
について求め、差分Δｉ（ｉ＝１〜ｎ）の内で絶対値の
最も大きい差分を求めたときに除外されていたフォーカ
ス信号を異常信号とすればよい。そして、残った（ｎ−
１）のフォーカス信号について同様に異常信号を除外す
ればよい。

【００３８】以上のように照野フィールド１３内の走査
方向に多数の計測点を設けることによりウエハ１２の面
位置を高い精度で検出できる。この場合、ｍ個の計測点
での計測値が除外される。この除外される数が多くなる
場合には、ウエハ１２の面位置の計算の対象となる計測
数が少なくなり、測定精度に誤差が発生する可能性があ
る。また、異常な計測値を誤って正常な計測値として誤
認する危険性があるが、本例では排除される計測点の数
ｍは、１より大きく（ｎ／２）より小さい整数である。
従って、（ｎ／２）と同じか又は多い数の計測点での計
測値が排除されることはなく、より正確な測定値に基づ
いてウエハ１２の面位置を高い精度で検出できる。な
お、この場合も３個の計測点での例と同様に、閾値を設
け、それに基づいて差分の絶対値がその閾値より小さい
ときは、それ以上フォーカス信号を排除しないようにし
てもよい。また、計測列毎の計測点の数は、求める精度
により決定されるが、通常の場合ウエハ１２上の照野フ
ィールド１３内における局所変形点の数は少ないため、
３個の計測点があれば所期の目的をほぼ達成できる。

【００３９】また、上述の例では照野フィールド１３内
に９個の計測点を設けたが、照野フィールド１３の外部
の走査方向の手前の位置に計測点を設け、先読み方式で
オートフォーカス等を行う場合にも、本発明を適用して
異常なフォーカス信号を排除することにより、より正確
に合焦等が行われる。このように、本発明は上述の実施
の形態に限定されず、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。

【００４０】

【発明の効果】本発明の投影露光装置によれば、走査方
向の複数列分の検出信号から信号レベルが他の検出信号
と異なる検出信号を異常信号として排除し、複数列分の
検出信号からこの異常信号を除いた検出信号に基づい
て、基板の投影光学系の光軸方向の位置及び傾斜角を算
出する。走査方向に交差する方向（非走査方向）に存在
する例えば溝や突起等の局所的な変形がある場合、これ
らの非走査方向の局所的な変形は、焦点位置センサの検
出信号に対する外乱となって、露光中にその変形部以外
の領域でのデフォーカスを引き起こす。しかし、本発明
によれば、これらの外乱を引き起こす局所的な変形点に
おける計測値は異常信号として排除されるため、デフォ
ーカスする現象が抑えられ、その変形部以外の基板の表
面の平均的な面の焦点位置及び傾斜角が正確に求められ
る利点がある。

【００４１】また、例えば基板上のショット領域の境界
にはストリートラインと呼ばれる溝状の領域があり、こ
れが露光領域を走査する際に丁度、フォーカスサーボ等
の整定領域に相当する場合がある。焦点位置センサの測
定においては、このストリートラインにおける計測値は
外乱となって、フォーカスサーボ等の整定が遅れる現象
がある。しかし、本発明によればそれらのストリートラ
インでの計測値は排除されるため、フォーカスサーボの
整定が遅れる現象が回避又は軽減される。

【００４２】また、複数の計測列の内の１つの計測列に
含まれる計測点の個数をｎ個（ｎは３以上の整数）とし
たとき、演算手段が、その計測列のｎ個の検出信号を多
数決方式で信号レベルが近い（ｎ−ｍ）個の検出信号と
（ｍはｎ／２より小さく１以上の整数）、信号レベルが
所定量以上離れているｍ個の検出信号とに分け、このｍ
個の検出信号を異常信号として、その計測列の検出信号
から排除する場合には、ｍは（ｎ／２）より小さいた
め、ｎ個の検出信号の内１／２以上の検出信号が異常値
として排除されることがなく、検出信号の内のより多数
の検出信号に基づいて演算が行われるため、異常信号に
基づいて基板の光軸方向の位置及び傾斜が求められると
いう危険性が減少する利点がある。

【００４３】また、基板の光軸方向の位置及び傾斜角を
調整する高さ位置調整手段と、この演算手段により算出
された基板の位置及び傾斜角に基づいて、高さ位置調整
手段を制御する制御系と、を設け、演算手段が、焦点位
置センサから出力される検出信号からその異常信号を除
いた検出信号に基づいて、最小自乗法により基板の光軸
方向の位置及び傾斜角を算出する場合には、異常信号を
除いた検出信号に基づいて最小自乗法により、基板の位
置及び傾斜角を正確に求め、制御系により高さ位置手段
を介して基板の表面を投影光学系の結像面に正確に合わ
せ込むことができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の実施の形態の一例
を示す構成図である。

【図２】図１のウエハ１２上の焦点位置の計測点の分布
を示す平面図である。

【図３】図１中の送光スリット板２８を示す図である。

【図４】図１中の振動スリット板３１を示す図である。

【図５】図１中の光電検出器３３、及び信号処理系３４
を示す構成図である。

【図６】図１中のウエハ１２のフォーカス・レベリング
機構、及びその制御系を示す一部斜視図を含む構成図で
ある。

【図７】図１中のウエハ１２上の走査方向における１つ
の計測列上の計測点の分布を示す拡大断面図である。

【符号の説明】

７レチクル９レチクルステージ１１投影光学系１２ウエハ１３照野フィールド１４Ｚチルトステージ１５ＹＹステージ１５ＸＸステージ１６Ａ〜１６Ｃアクチュエータ１９，２３Ｘ，２３Ｙレーザ干渉計２０主制御系２５多点ＡＦセンサＰ₁₁〜Ｐ₃₃ 計測点３３光電検出器３４信号処理系５２最小自乗法計算部５３多数決計算部５８目標位置／速度変換部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のパターンが形成されたマスクを
照明し、該マスクのパターンの一部の像を投影光学系を
介して感光性の基板上に投影した状態で、前記マスク及
び前記基板を前記投影光学系に対して同期して移動する
ことにより、前記マスクのパターンの像を前記基板上に
逐次転写する投影露光装置において、前記基板上の前記投影光学系による露光領域又は前記基
板の移動方向に関して、前記露光領域の手前の領域に前
記基板の移動方向に沿って３個以上の計測点を有する計
測列を前記移動方向に直交する方向に沿って複数設定
し、該複数の計測列の計測点に検出光を照射して、前記
計測点のそれぞれにおける前記投影光学系の光軸方向の
位置に対応する検出信号を出力する焦点位置センサと、前記複数の計測列の各々について前記３個以上の計測点
に対応する検出信号をそれぞれ比較すると共に、該比較
結果に基づいて異常な信号を排除し、前記焦点位置セン
サから出力される検出信号から該異常信号を除いた検出
信号に基づいて、前記基板の前記投影光学系の光軸方向
の位置及び傾斜角を算出する演算手段と、を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置であって、前記複数の計測列の内の１つの計測列に含まれる計測点
の個数をｎ個（ｎは３以上の整数）としたとき、前記演
算手段は、当該計測列のｎ個の検出信号を多数決方式で
信号レベルが近い（ｎ−ｍ）個の検出信号と（ｍはｎ／
２より小さく１以上の整数）、信号レベルが所定量以上
離れているｍ個の検出信号とに分け、該ｍ個の検出信号
を異常信号として当該計測列の検出信号から排除するこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の投影露光装置であ
って、前記基板の前記光軸方向の位置及び傾斜角を調整する高
さ位置調整手段と、前記演算手段により算出された前記
基板の位置及び傾斜角に基づいて、前記高さ位置調整手
段を制御する制御系と、を設け、前記演算手段は、前記焦点位置センサから出力される検
出信号から前記異常信号を除いた検出信号に基づいて、
最小自乗法により前記基板の光軸方向の位置及び傾斜角
を算出することを特徴とする投影露光装置。