JPH10326732A

JPH10326732A - 焦点位置検出装置、露光装置及び露光方法

Info

Publication number: JPH10326732A
Application number: JP9149871A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kogure; 清小暮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】低廉かつ簡素な構成でありながら、精度の高い
焦点検出を達成することのできる焦点位置検出装置及び
焦点位置検出方法、並びに露光装置及び露光方法を提供
する。【解決手段】温度センサ１０８の測定結果に基づいて、
開口部１０４ａと検出光ＩＬの像との位置関係を補正す
るステップモータ１０９，１１１によって補正され、受
光素子１０５が受光した位置関係に応じた信号に基づい
て、基板Ｗの上面の、主対物レンズＰＬの光軸ＡＸに対
する位置を検出するので、主対物レンズＰＬによりレン
ズホルダ２３が加熱されて熱膨張を生じても、かかる熱
膨張に基づく検出光ＩＬの光路シフトが補正され、それ
により精度の高い焦点位置検出が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦点位置検出装置
及び焦点検出方法に関し、特に、半導体または、液晶表
示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に使用
される露光装置において用いられる焦点位置検出装置及
び焦点位置検出方法に関し、更にかかる焦点位置検出を
行う露光装置及び露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体素子等を製造するための
フォトリソグラフィ工程（マスクパターンのレジスト像
を基板上に形成する工程）では、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、フォトレジストが
塗布された基板（又はウエハ等）上に露光する投影露光
装置（ステッパー等）が使用されている。

【０００３】一般的な投影露光装置において、レチクル
に描画されたパターンは、投影光学系により１／５〜１
／４に縮小されて、基板上に露光転写される。その際、
レチクル及び基板を載せたステージは、光軸に垂直な方
向にはレーザ干渉計により精密に位置決めされ、また光
軸の方向にもＡＦセンサを用いて高さ決めされる。

【０００４】また、基板の表面における、光軸に対する
垂直な面からのズレ量をレベリングセンサにより検知
し、基板の傾きを修正する。更に、基板とレチクルの相
対位置も、アライメントセンサにより精密に位置決めさ
れる。

【０００５】投影露光装置においてこのように各種セン
サを用いて、レチクルと基板の位置や姿勢を正確に測定
するのは、基板に露光転写すべきレチクルの描画パター
ンが、極めて微細だからである。即ち、近年においては
ＵＬＳＩの集積度が更に高まり、例えば０．３５ミクロ
ン以下の線幅を有するパターンをウエハに形成すること
が要求されているのである。

【０００６】従って、レチクルや基板の位置決めを極め
て精密に行うべく、基板ステージやレチクルステージの
位置決め精度の要求が非常に厳しいものとなっている。
また、高解像度を求めるべく、投影光学系の開口数が増
大し、焦点深度が浅くなり、ＡＦやレベリングに対する
精度の要求も更に過酷となっている。同様に、レチクル
とウエハとの相対位置に関するアライメント誤差の許容
範囲も極めて制限されている。

【０００７】ここで、従来技術による焦点位置検出装置
の一つである斜入射ＡＦセンサを、図面を用いて説明す
る。図６は、従来技術による斜入射ＡＦセンサの概略図
である。図６において、投影レンズＰＬは、レンズホル
ダ２３により支持されている。斜入射ＡＦセンサは、投
射光学系としての光源１０１及び送光スリット１０２
と、結像光学系ＩＬと、反射鏡１０３と、受光部として
の受光スリット１０４及び受光素子１０５とから構成さ
れている。なお、光源１０１と送光スリット１０２は、
レンズホルダ２３の右方部２３ａに配置され、結像光学
系ＩＬと反射鏡１０３と受光スリット１０４と受光素子
１０５は、レンズホルダ２３の左方部２３ｂ内に配置さ
れている。

【０００８】かかる斜入射ＡＦセンサにおいて、光源１
０１から基板Ｗに対して斜めに投射された検出光（光ビ
ーム）ＩＬは、送光スリット１０２を通過した後、基板
Ｗ上で反射する。更にこの反射光は、結像光学系ＩＯＳ
を通過し、更に反射鏡１０３において反射し、受光スリ
ット１０４を通過し、受光素子１０５に入射するように
なっている。受光スリット１０４は、結像光学系ＩＯＳ
に関して、基板Ｗの反射点と光学的にほぼ共役な位置に
配置されている。なお、基板Ｗ上では、光源１０１から
投射された検出光により、送光スリット１０２を通過し
た矩形スリット状のパターン像が形成される。この検出
光のパターンは、結像光学系ＩＯＳを通過した後に、受
光スリット１０４の開口部１０４ａの矩形スリット形状
と合致する形状を有する。

【０００９】従来技術によるこの斜入射ＡＦセンサの動
作について説明する。まず、基板ステージＷＳＴ上に置
かれた基板ホルダＷＨに保持された基板Ｗ上の、投影光
学系ＰＬの光軸と一致する点Ｐに、投影光学系ＰＬが合
焦しているものとする。

【００１０】このように基板Ｗの上面が合焦位置にある
場合において、送光スリット１０２を通過した検出光
が、点Ｐにおいて反射しかつ反射鏡１０３において反射
した後、基板Ｗ上における矩形スリット状のパターン像
が、受光スリット１０４の開口部１０４ａに対して完全
に重合するように、反射鏡１０３の反射角度が調整され
ている。従って、基板Ｗの上面が合焦位置にある場合、
受光スリット１０４を通過し受光素子１０５により検出
される検出光の光量は最大となる。

【００１１】図７は、斜入射ＡＦセンサの原理を示す図
である。検出光ＩＬが入射角度θで基板Ｗに入射してい
るとする。基板Ｗが、点線で示す合焦位置から上方にず
れ量δだけずれて実線で示す位置になったとすると、検
出光ＩＬの基板Ｗ上における反射位置が点Ｐから点Ｐ１
にシフトすると共に、反射後における検出光ＩＬ１の光
路もずれ量δに対応する量だけ上方にシフトする。

【００１２】このように検出光ＩＬの光路がシフトする
と、反射鏡１０３にて反射された検出光ＩＬ１は、受光
スリット１０４のスリットに対して、ずれ量δに対応す
る量だけずれ、それにより検出光ＩＬ１のパターンの一
部または全部が遮光されるため、受光素子１０５の受光
量が減少する。減少した受光量は、基板Ｗのずれ量δに
比例するので、受光素子１０５の出力に基づき、ＣＰＵ
１０６において合焦位置からの基板Ｗのずれ量δを求め
ることができる。ＣＰＵ１０６が、アクチュエータ１０
７を駆動してウエハステージＷＳＴをずれ量δだけ下方
に移動させれば、基板Ｗの上面は合焦位置に一致する。
なお、このような位置検出方法は、例えば特開昭６２−
２９９７１６号等において詳細に開示されている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、投影光学系
ＰＬは、ガラス等の透明な硝材からできてはいるが、完
全に露光光を透過させることはできず、わずかに露光光
を吸収する。吸収された露光光は熱に変換され、投影光
学系ＰＬからレンズホルダ２３に伝達される。かかる熱
により、レンズホルダ２３は熱膨張する。

【００１４】レンズホルダ２３が熱膨張すると、レンズ
ホルダ２３内に配置された斜入射ＡＦセンサの各構成要
素の位置関係に狂いが生じる。より具体的には、レンズ
ホルダ２３が熱膨張すると、その右方部２３ａと左方部
２３ｂとは、互いに離れる方向に変位する。

【００１５】従って、レンズホルダ２３の熱膨張によ
り、右方部２３ａに取り付けられた光源１０１及び送光
スリット１０２が光軸から図中右方に離れるため、たと
え基板Ｗが合焦位置にあったとしても、光源１０１から
投射される検出光は、基板Ｗ上で点Ｐより右方において
反射する。

【００１６】加えて、レンズホルダ２３の熱膨張によ
り、左方部２３ｂに取り付けられた結像光学系ＩＯＳ
と、反射鏡１０３と、受光スリット１０４と、受光素子
１０５も光軸から図中左方に離れるため、基板Ｗ上で反
射した検出光ＩＬは、反射鏡１０３上で本来反射すべき
位置より右方で反射し、更に受光スリット１０４で遮光
されるので、受光素子１０５が受光する検出光ＩＬの光
量は更に減少し、それにより検出誤差を生じることとな
る。

【００１７】かかる焦点位置の検出誤差は、通常の光学
機器においては無視できる程度に小さいものであるが、
上述したように、線幅の極めて小さいパターンを投影光
学系を介して露光する露光装置においては、不良基板を
製造する一つの要因となり得る。したがって、このよう
な検出誤差を極力排除する必要がある。

【００１８】ここで、このような熱膨張の影響を回避す
る一つの技術として、投影光学系ＰＬを例えば液冷する
ことにより、レンズホルダ２３への熱伝導を防止するこ
とも考えられる。しかしながら、投影光学系ＰＬを液冷
する装置は複雑であり、また高価であることから露光装
置の製造コストを上昇させることになる。

【００１９】一方、このような熱膨張の影響を回避する
別な技術としては、レンズホルダ２３を熱膨張の低い材
料（例えばインバー等）により形成することも考えられ
る。しかしながら、熱膨張の低い材料は単価が高く、よ
って露光装置の製造コストを上昇させることになる。

【００２０】そこで、本願発明は、低廉かつ簡素な構成
でありながら、精度の高い焦点検出を達成することので
きる焦点位置検出装置及び焦点位置検出方法、並びに露
光装置及び露光方法を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成すべ
く、本願発明の焦点位置検出装置は、主対物レンズ（Ｐ
Ｌ）の光軸（ＡＸ）に対して斜め方向から被検査面
（Ｗ）上で所定形状を持つパターン光（ＩＬ）を投射す
る投射光学系（１０１，１０２）と、被検査面（Ｗ）で
反射されたパターン光（ＩＬ）の像を結像する結像光学
系（ＩＯＳ）と、被検査面（Ｗ）と光学的にほぼ共役な
位置に設けられ、所定形状の開口部（１０４ａ）を有す
る受光側遮光部（１０４）と、受光側遮光部（１０４）
を通過したパターン光（ＩＬ）を受光し、開口部（１０
４ａ）とパターン光（ＩＬ）の像との位置関係に応じた
信号を受光する受光部（１０５）と、少なくとも、投射
光学系（１０１，１０２）と、結像光学系（ＩＯＳ）
と、受光側遮光部（１０４）と、受光部（１０５）との
何れか一つを主対物レンズ（ＰＬ）の側面に保持する保
持部材（２３）と、保持部材（２３）の温度を測定する
温度センサ（１０８）と、記温度センサ（１０８）の測
定結果に基づいて、開口部（１０４ａ）とパターン光
（ＩＬ）の像との位置関係を補正する補正部（１０６，
１１０）とを有し、補正部（１０６，１１０）によって
補正され受光部（１０５）が受光した位置関係に応じた
信号に基づいて、被検査面（Ｗ）の、主対物レンズ（Ｐ
Ｌ）の光軸（ＡＸ）に対する位置を検出することを特徴
とする。

【００２２】本願発明の焦点位置検出装置によれば、温
度センサ（１０８）の測定結果に基づいて、開口部（１
０４ａ）とパターン光（ＩＬ）の像との位置関係を補正
する補正部（１０６、１１０）によって補正され、受光
部（１０５）が受光した位置関係に応じた信号に基づい
て、被検査面（Ｗ）の、主対物レンズ（ＰＬ）の光軸
（ＡＸ）に対する位置を検出するので、主対物レンズ
（ＰＬ）により保持部材（２３）が加熱されて熱膨張を
生じても、かかる熱膨張に基づくパターン光（ＩＬ）の
光路シフトが補正され、それにより精度の高い焦点位置
検出が可能となる。

【００２３】本願発明の露光装置は、マスク（３０）に
形成されたパターンを基板（Ｗ）上に結像させる主対物
レンズ（ＰＬ）と、主対物レンズ（ＰＬ）の光軸（Ａ
Ｘ）に対して斜め方向から基板（Ｗ）の被検査面上で所
定形状を持つパターン光（ＩＬ）を投射する投射光学系
（１０１，１０２）と、被検査面（Ｗ）で反射されたパ
ターン光（ＩＬ）の像を結像する結像光学系（ＩＯＳ）
と、被検査面（Ｗ）と光学的にほぼ共役な位置に設けら
れ、所定形状の開口部（１０４ａ）を有する受光側遮光
部（１０４）と、受光側遮光部（１０４）を通過したパ
ターン光（ＩＬ）を受光し、開口部（１０４ａ）とパタ
ーン光（ＩＬ）の像との位置関係に応じた信号を受光す
る受光部（１０５）と、少なくとも、投射光学系（１０
１，１０２）と、結像光学系（ＩＯＳ）と、受光側遮光
部（１０４）と、受光部（１０５）との何れか一つを主
対物レンズ（ＰＬ）の側面に保持する保持部材（２３）
と、保持部材（２３）の温度を測定する温度センサ（１
０８）と、温度センサ（１０８）の測定結果に基づい
て、開口部（１０４ａ）とパターン光（ＩＬ）の像との
位置関係を補正する補正部（１０６，１１０）とを有
し、補正部（１０６，１１０）によって補正され受光部
（１０５）が受光した位置関係に応じた信号に基づい
て、被検査面（Ｗ）の高さ位置を検出することを特徴と
する。

【００２４】本願発明の露光装置によれば、温度センサ
（１０８）の測定結果に基づいて、開口部（１０４ａ）
とパターン光（ＩＬ）の像との位置関係を補正する補正
部（１０６，１１０）によって補正され、受光部（１０
５）が受光した位置関係に応じた信号に基づいて、被検
査面（Ｗ）の、主対物レンズ（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に
対する位置を検出するので、主対物レンズ（ＰＬ）によ
り保持部材（２３）が加熱されて熱膨張を生じても、か
かる熱膨張に基づくパターン光（ＩＬ）の光路シフトが
補正され、それにより精度の高い焦点位置検出が可能と
なる。

【００２５】本願発明の露光装置は、マスク（３０）に
形成されたパターンの像を基板（Ｗ）に投影する投影光
学系（ＰＬ）と、基板（Ｗ）上の少なくとも一つの計測
点に対して光を投射し、その投射された光における基板
（Ｗ）からの反射光を受光することにより、投影光学系
（ＰＬ）の光軸方向に関する基板（Ｗ）の位置を検出す
る検出装置（１０１，１０２，ＩＯＳ、１０４，１０
５）と、検出装置（１０１，１０２，ＩＯＳ、１０４，
１０５）の少なくとも一つの光学素子を投影光学系（Ｐ
Ｌ）の鏡筒と一体に保持する保持部材（２３）と、保持
部材（２３）の温度を測定する温度センサ（１０８）
と、検出装置（１０１，１０２，ＩＯＳ、１０４，１０
５）と温度センサ（１０８）の各出力に基づいて、基板
（Ｗ）と投影光学系（ＰＬ）の像面とを相対移動する移
動装置（１１１）を備えたことを特徴とする。

【００２６】本願発明の露光装置によれば、検出装置
（１０１，１０２，ＩＯＳ、１０４，１０５）と温度セ
ンサ（１０８）の各出力に基づいて、基板（Ｗ）と投影
光学系（ＰＬ）の像面とを相対移動する移動装置（１１
１）を備えているので、投影光学系（ＰＬ）により保持
部材（２３）が加熱されて熱膨張を生じても、かかる熱
膨張に基づく検出装置（１０１，１０２，ＩＯＳ、１０
４，１０５）の検出誤差が補正され、それにより精度の
高い焦点位置検出が可能となる。

【００２７】本願発明の、投影光学系（ＰＬ）によって
投影されるパターンの像で基板（Ｗ）を露光する露光方
法は、投影光学系（ＰＬ）の鏡筒に設けられた少なくと
も一つの光学部材を有する検出装置（１０１，１０２，
ＩＯＳ、１０４，１０５）によって、基板（Ｗ）上に光
ビーム（ＩＬ）を投射するとともに、基板（Ｗ）からの
反射光を受光し、基板（Ｗ）の投影光学系（ＰＬ）の光
軸方向の位置を検出する工程と、投影光学系（ＰＬ）と
少なくとも一つの光学部材（１０１，１０２，ＩＯＳ、
１０４，１０５）との相対的な位置変化による検出装置
の受光面（１０５）上での反射光（ＩＬ）のシフトによ
って生じる検出装置（１０１，１０２，ＩＯＳ、１０
４，１０５）の検出誤差と、検出された位置とに基づい
て、基板（Ｗ）と投影光学系（ＰＬ）の像面とを相対移
動する工程とを含むことを特徴とする。

【００２８】本願発明の露光方法によれば、投影光学系
（ＰＬ）と少なくとも一つの光学部材（１０１，１０
２，ＩＯＳ、１０４，１０５）との相対的な位置変化に
よる検出装置の受光面（１０５）上での反射光（ＩＬ）
のシフトによって生じる検出装置（１０１，１０２，Ｉ
ＯＳ、１０４，１０５）の検出誤差と、検出された位置
とに基づいて、基板（Ｗ）と投影光学系（ＰＬ）の像面
とを相対移動する工程とを含んでいるので、例えば投影
光学系（ＰＬ）の熱膨張に基づき、投影光学系（ＰＬ）
と少なくとも一つの光学部材（１０１，１０２，ＩＯ
Ｓ、１０４，１０５）との間に、相対的な位置変化が生
じても、かかる位置変化に基づく反射光のシフトにより
生じた検出誤差を補正でき、それにより精度の高い焦点
位置検出が可能となる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本願発明の実施の形態を、
図面を参照して以下に詳細に説明する。図１に示した露
光システムとしての投影露光装置は、マスクとしてのレ
チクルと感光基板とを、レチクル上の照明領域に対して
同期して走査しながら露光する走査型エキシマステッパ
の一例である。図１に示したように、一般に、ステッパ
は、恒温チャンバ１の中に設置されている。恒温チャン
バ１内では、通常のクリーンルームよりも精度の高い温
度制御がなされており、例えば、クリーンルームの温度
制御が±２〜３℃の範囲であるのに対して、恒温チャン
バ１内では±０．１℃以内に保たれている。

【００３０】また、図示したエキシマステッパは、ダウ
ンフロー型のステッパであり、空気中に浮遊する粒子が
装置に付着するのを防止するためにチャンバ１の天井に
空気吹き出し口２が設置されており、図中矢印で示した
ように吹き出し口２から投影露光系ＰＬの光軸に沿って
チャンバ床方向に温度制御された空気流が移動する。チ
ャンバ１，特に投影光学系を含む露光装置本体部に、ク
リーンルーム内に浮遊する異物（ゴミ）、硫酸イオンや
アンモニウムイオン等が流入するのを防止するため、Ｈ
ＥＰＡ（又はＵＬＰＡ）フィルタ、及びケミカルフィル
タが、チャンバ１の空気取り入れ口または吹き出し口２
の近傍に配置されている。

【００３１】図１の走査型投影露光装置は、ＫｒＦ、Ａ
ｒＦ等のエキシマレーザである光源及び照明光学系（不
図示）、レチクル３０を走査方向に移動するレチクルス
テージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、基板Ｗを移動する基板
ステージＷＳＴ、基板の位置合わせ用のアライメント系
（１４〜１８）等から主に構成されている。また、照明
光学系は、フライアイレンズ、コンデンサレンズ等から
なり、最終的にコンデンサレンズ３を介してレチクル３
０を照明している。照明光学系は、光源からの照明光
で、回路パターン等が描かれたマスクであるレチクル３
０をほぼ照度均一かつ所定の立体角で照明する。これら
の図示しない光源及び照明光学系は、一般に、図中、レ
チクル３０の上方又は光学反射系を用いる場合にはレチ
クルステージＲＳＴの側方に配置されている。特に、光
源はチャンバ１の外側に配置される。

【００３２】レチクルステージＲＳＴは、投影光学系Ｐ
Ｌの光軸ＡＸ上であって投影光学系ＰＬとコンデンサレ
ンズ３との間に設置され、リニアモータ等で構成された
レチクル駆動部（不図示）により、走査方向（Ｘ方向）
に所定の走査速度で移動可能である。レチクルステージ
ＲＳＴはレチクル３０のパターンエリア全面が少なくと
も投影光学系の光軸ＡＸを横切るだけのストロークで移
動する。レチクルステージＲＳＴは、Ｘ方向端部に、干
渉計６からのレーザビームを反射する移動鏡５を固定し
て備え、レチクルステージＲＳＴの走査方向の位置は干
渉計６によって、例えば、０．０１μｍ単位で測定され
る。干渉計６による測定結果は、ステージ制御系２０に
送られ、常時レチクルステージＲＳＴの高精度な位置決
めが行われる。レチクルステージＲＳＴ上には、レチク
ルホルダＲＨが設置され、レチクル３０がレチクルホル
ダＲＨ上に設置される。レチクル３０は、図示しない真
空チャックによりレチクルホルダＲＨに吸着保持されて
いる。また、レチクルステージＲＳＴの上方には、光軸
ＡＸを挟んで対向するレチクルアライメント顕微鏡４が
装着されている。この２組の顕微鏡４によりレチクル３
０に形成された基準マークを観察して、レチクル３０が
所定の基準位置に精度良く位置決められるようにレチク
ルステージＲＳＴの初期位置を決定する。従って、移動
鏡５と干渉計６によりレチクル３０の位置を測定するだ
けでレチクル３０の位置を十分高精度に調整できる。

【００３３】レチクル３０は、レチクルステージＲＳＴ
上で、レチクル３０の走査方向（Ｘ方向）に対して垂直
な方向（Ｙ方向）を長手とする長方形（スリット状）の
照明領域で照明される。この照明領域は、レチクルステ
ージの上方であってかつレチクル３０と共役な面または
その近傍に配置された視野絞り（不図示）により画定さ
れる。

【００３４】レチクル３０を通過した照明光は投影光学
系（主対物レンズ）ＰＬに入射し、投影光学系ＰＬによ
るレチクル３０の回路パターン像が基板Ｗ上に形成され
る。投影光学系ＰＬには、複数のレンズエレメントが光
軸ＡＸを共通の光軸とするように鏡筒に収容されてい
る。投影光学系ＰＬ（鏡筒）は、その外周部であって光
軸方向の中央部にフランジ２４を備え、フランジ部２４
により、保持部材としてのレンズホルダ２３に固定され
ている。

【００３５】基板上に投影されるレチクル３０のパター
ン像の投影倍率は、レンズエレメントの倍率及び配置に
より決定される。レチクル３０上のスリット状の照明領
域（中心は光軸ＡＸにほぼ一致）内のレチクルパターン
は、投影光学系ＰＬを介して基板Ｗ上に投影される。基
板Ｗは投影光学系ＰＬを介してレチクル３０とは倒立像
関係にあるため、レチクル３０が露光時に−Ｘ方向（又
は＋Ｘ方向）に速度Ｖｒで走査されると、基板Ｗは速度
Ｖｒの方向とは反対の＋Ｘ方向（又は−Ｘ方向）にレチ
クル３０に同期して速度Ｖｗで走査され、基板Ｗ上のシ
ョット領域の全面にレチクル３０のパターンが逐次露光
される。走査速度の比（Ｖｒ／Ｖｗ）は、投影光学系Ｐ
Ｌの縮小倍率で決定される。

【００３６】基板Ｗは、基板ステージＷＳＴ上に保持さ
れた基板ホルダ（不図示）に真空吸着されている。基板
ステージＷＳＴは、前述の走査方向（Ｘ方向）の移動の
みならず、基板Ｗ上の複数のショット領域をそれぞれ走
査露光できるよう、走査方向と垂直な方向（Ｙ方向）に
も移動可能に構成されており、基板Ｗ上の各ショット領
域を走査する動作と、次のショット領域の露光開始位置
まで移動する動作を繰り返す。モータ等の基板ステージ
駆動部（不図示）により基板ステージＷＳＴは駆動され
る。基板ステージＷＳＴは、前記比Ｖｒ／Ｖｗに従って
移動速度が調節され、レチクルステージＲＳＴと同期さ
れて移動する。基板ステージＷＳＴの端部には移動鏡８
が固定され、干渉計９からのレーザビームを移動鏡８に
より反射し、反射光を干渉計９によって検出することに
よって基板ステージＷＳＴのＸＹ平面内での座標位置が
常時モニタされる。移動鏡８からの反射光は干渉計９に
より、例えば０．０１μｍ程度の分解能で検出される。
干渉計９及びレチクルステージＲＳＴの干渉計６は、投
影光学系ＰＬ等の装置の他の部品と相対的に振動するこ
とを防止するためにレンズホルダ２３上に設置されてい
る。

【００３７】投影露光装置では、基板Ｗ上にすでに露光
により形成されたパターンに対して、新たなパターンを
精度良く重ねて露光する機能がある。この機能を実行す
るため、投影露光装置は基板Ｗ上の位置合わせ用のマー
クの位置を検出して、重ね合わせ露光を行う位置を決定
する機能（基板アライメント系）を備える。本例では、
この基板アライメント系として、投影光学系ＰＬとは別
に設けられた光学式アライメント系（１４〜１８）を備
えている。この基板アライメント系の光源１３としてレ
ーザ、あるいはハロゲンランプ等が使用される。

【００３８】図２は、本願発明の第１の実施の形態にか
かる斜入射ＡＦセンサの概略図である。図２に示す本実
施の形態においては、図６の従来技術と異なる点を中心
に説明し、共通する点については説明を省略する。な
お、投射光学系光源１０１と送光スリット１０２とによ
り投射光学系を構成し、受光スリット１０４により受光
側遮光部を構成し、受光素子１０５により受光部を構成
する。また、ＣＰＵ１０６と、反射鏡制御装置１１０と
により補正部を構成する。

【００３９】図２において、投影光学系ＰＬのフランジ
２４の近くであって、レンズホルダ２３の中央円筒部２
３ｃの上端に、接触型の温度センサ１０８を接着してい
る。温度センサ１０８は、レンズホルダ２３の表面温度
を測定し、反射鏡制御装置１１０に、測定した温度に対
応する電気的信号を出力する。反射鏡制御装置１１０
は、反射鏡１０３に連結されたステップモータ１０９
に、駆動信号を出力する。なお、このステップモータ１
０９として、従来技術において用いられている反射鏡１
０３の角度調整用モータを用いることができる。

【００４０】図２に示す第１の実施の形態の動作につい
て説明する。まず補正制御に必要な、温度と補正量との
相関関係を求める。より具体的には、レンズホルダ２３
が室温であるときに、基板Ｗの上面を合焦位置に一致さ
せる。その状態から、投影光学系ＰＬに例えば露光光を
照射することにより加熱し、投影光学系ＰＬから伝導さ
れる熱によりレンズホルダ２３の温度を上昇させる。上
昇したレンズホルダ２３の温度を温度センサ１０８で測
定し、かつレンズホルダ２３の熱膨張に基づき減少した
受光素子１０５の受光量が本来の受光量となるように、
反射鏡１０３を図２において反時計周りに回転させ、温
度と反射鏡１０３の回転角度との相関関係を求める。こ
の相関関係はＣＰＵ１０６に記憶される。なお、この相
関関係は、レンズホルダ２３の熱膨張率や形状等に基づ
くシミュレーション計算によって求めることもできる。

【００４１】ＣＰＵ１０６に記憶された相関関係に基づ
き、反射鏡制御装置１１０は、露光動作に先立つ焦点位
置検出時に、温度センサ１０８の検出した温度に対応す
る回転角度だけ反射鏡１０３を回転させる。それによ
り、レンズホルダ２３の熱膨張に基づきシフトした検出
光ＩＬの光路が補正変更され、受光スリット１０４に対
して、熱膨張が生じなければ照射されたであろう本来の
位置に、検出光ＩＬが照射されるようになる。従って、
かかる状態で開口部１０４ａを通過した検出光ＩＬの光
量を、受光素子１０５を用いて測定すれば、基板Ｗの位
置ずれ量に基づき減少した本来の受光量を測定すること
となり、それにより基板Ｗの位置ずれ量を精度良く検出
することができる。

【００４２】図３は、本実施の態様にかかる焦点位置検
出方法を用いた露光方法を説明するフローチャートであ
る。図３において、ステップＳ１０１において、温度セ
ンサ１０８を用いて、レンズホルダ２３の温度測定を行
う。続くステップＳ１０２において、上述したように、
測定したレンズホルダ２３の温度に対応した回転角度で
反射鏡１０３を回転させる。

【００４３】更に、ステップＳ１０３において、図２に
示す斜入射ＡＦセンサを用いて、基板Ｗの露光しようと
する領域上の１点もしくは複数点（例えば２点）におけ
る高さ位置を確認する。続くステップＳ１０４におい
て、基板Ｗが投影光学系ＰＬの合焦位置にあるか否かを
ＣＰＵ１０６が判断する。基板Ｗが合焦位置になけれ
ば、再び基板ステージＷＳＴをＺ軸方向に移動させ（ス
テップＳ１０５）、再度その位置測定を行う（ステップ
Ｓ１０３）。

【００４４】一方、ステップＳ１０４において、ＣＰＵ
１０６が、基板Ｗは合焦位置にあると判断したときは、
ステップＳ１０６において、上述した態様で走査露光を
行う。なお、基板Ｗが、複数の露光領域を有する場合、
ステップＳ１０１〜ステップＳ１０６は、露光領域の数
だけ繰り返される。

【００４５】図４は、本願発明の第２の実施の形態にか
かる斜入射ＡＦセンサの概略図である。図４に示す第２
の実施の形態においては、図１の第１の実施の形態と異
なる点を中心に説明し、共通する点については詳細な説
明を省略する。

【００４６】第１の実施の形態においては、保持部材２
３の熱膨張に基づく検出光ＩＬの光路シフトを、反射鏡
１０３を回転させることによって補正していたが、第２
の実施の形態においては、基板ステージＷＳＴをＺ軸方
向に移動させることによって、その補正を行うものであ
る。

【００４７】図４において、温度センサ１０８は、レン
ズホルダ２３の表面温度を測定し、ＣＰＵ１０６に、測
定した温度に対応する電気的信号を出力する。ＣＰＵ１
０６は、基板ステージＷＳＴのＺ軸方向駆動用ステップ
モータ１１１に、駆動信号を出力する。

【００４８】ステップモータ１１１の回転軸は、円板１
１１ａに連結されており、円板１１１ａを微少量だけ回
転することができる。円板１１１ａには、斜面１１１ｂ
が配置され、この斜面１１１ｂと基板ステージＷＳＴと
の間にはボール１１１ｃが転動自在に配置されている。

【００４９】ステップモータ１１１が回転すると、回転
する方向に応じて、ボール１１１ｃは斜面１１１ｂを登
りまたは下り、それにより基板ステージＷＳＴが投影光
学系ＰＬの光軸方向に上下移動する。

【００５０】図４に示す第２の実施の形態の動作につい
て説明する。第１の実施の形態と同様に、温度と補正量
との相関関係を求める。第２の実施の形態においては、
かかる補正量は基板ステージＷＳＴのＺ軸方向移動量と
なる。まず、レンズホルダ２３が室温であるときに、基
板Ｗの上面を合焦位置に一致させる。その状態から、投
影光学系ＰＬに例えば露光光を照射することにより加熱
し、投影光学系ＰＬから伝導される熱によりレンズホル
ダ２３の温度を上昇させる。上昇したレンズホルダ２３
の温度を温度センサ１０８で測定し、かつレンズホルダ
２３の熱膨張に基づき減少した受光素子１０５の受光量
が本来の受光量となるように、基板ステージＷＳＴを上
昇させ、温度と基板ステージＷＳＴの上昇量との相関関
係を求める。

【００５１】第１の実施の形態と同様に記憶された相関
関係に基づき、ＣＰＵ１０６は、露光動作に先立つ焦点
位置検出時に、温度センサ１０８の検出した温度に対応
する量だけ基板ステージＷＳＴを上昇させる。それによ
り、レンズホルダ２３の熱膨張に基づきシフトした検出
光ＩＬの光路が補正変更され、受光スリット１０４に対
して、熱膨張が生じなければ照射されたであろう本来の
位置に、検出光ＩＬが照射されるようになる。従って、
かかる状態で開口部１０４ａを通過した検出光ＩＬの光
量を、受光素子１０５を用いて測定すれば、基板Ｗの位
置ずれ量に基づき減少した本来の受光量を測定すること
となり、それにより基板Ｗの位置ずれ量を精度良く検出
することができる。

【００５２】図５は、本実施の態様にかかる焦点位置検
出方法を用いた露光方法を説明するフローチャートであ
る。図５において、ステップＳ２０１において、温度セ
ンサ１０８を用いて、レンズホルダ２３の温度測定を行
う。続くステップＳ２０２において、上述したように、
測定したレンズホルダ２３の温度に対応した移動量で、
基板ステージＷＳＴをＺ軸方向に移動させる。

【００５３】更に、ステップＳ２０３において、図４に
示す斜入射ＡＦセンサを用いて、基板Ｗの露光しようと
する領域上の１点もしくは複数点（例えば２点）におけ
る高さ位置を確認する。続くステップＳ２０４におい
て、基板Ｗが投影光学系ＰＬの合焦位置にあるか否かを
ＣＰＵ１０６が判断する。基板Ｗが合焦位置になけれ
ば、再び基板ステージＷＳＴをＺ軸方向に移動させ（ス
テップＳ２０５）、再度その位置測定を行う（ステップ
Ｓ２０３）。

【００５４】一方、ステップＳ２０４において、ＣＰＵ
１０６が、基板Ｗは合焦位置にあると判断したときは、
ステップＳ２０６において、上述した態様で操作露光を
行う。なお、基板Ｗが、複数の露光領域を有する場合、
ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６は、露光領域の数
だけ繰り返される。

【００５５】なお、以上の実施の形態においては、温度
センサ１０８は、投影光学系ＰＬにより最も加熱されや
すいフランジ２４の近傍に配置したが、上述した相関関
係が求められる限り、レンズホルダ２３の何れに配置し
ても良く、またその数も任意である。

【００５６】ところで、上記実施の形態において、基板
上に矩形状のスリットのパターン像を投射し、基板上で
反射されたそのパターン像を受光スリットを介して受光
する斜入射ＡＦセンサを例に挙げて説明した。しかしな
がら、本発明はスリット（送光スリット１０２、受光ス
リット１０４）を設ける必要は必ずしもない。すなわ
ち、送光スリットを介すことなく基板上に対して斜めか
ら光ビーム（例えば、ＬＥＤ等からのレーザビーム）を
投射し、１次元のアレイセンサ等の光電変換素子がこの
反射された光ビームを受光するという構成の斜入射ＡＦ
センサに対しても適用可能である。この場合、光電変換
素子は反射された光ビームの受光位置に対応した電気信
号を出力することにより、投影光学系の像面に対する基
板表面の位置ずれを検出する。

【００５７】また、上記実施の形態において、レンズホ
ルダ２３の熱膨張に起因した検出光ＩＬの光路シフトに
よる斜入射ＡＦセンサの検出誤差を、反射鏡１０３（ま
たは、平行平面板）の回転或いは基板ステージＷＳＴの
上下駆動により補正することとして説明した。しかしな
がら、本発明はこれに限るものではなく、前記アレイセ
ンサ等の光電変換素子を用いた斜入射ＡＦセンサの場
合、前記熱膨張に起因した前記光路シフトによる検出誤
差をオフセットとして、光ビームの受光位置に対応した
電気信号に付加する信号処理を行うことにより前記補正
を行うこともできる。これにより、前記熱膨張の影響を
受けることなく投影光学系の像面に対する基板表面の位
置ずれ検出を行うことができる。

【００５８】さらに、上記実施の形態では、予め温度セ
ンサ１０８によって検出されるレンズホルダ２３の温度
と、レンズホルダ２３の熱膨張に起因した検出光ＩＬの
光路シフトを補正するための反射鏡１０３の回転量或い
は基板ステージＷＳＴの駆動量との相関関係を求めてい
た。しかしながら、本発明はその相対関係を求めること
なく、一定の時間が経過する毎に、検出光ＩＬの光路シ
フトを実測することも可能である。

【００５９】具体的には、ステップモータ１１１を駆動
して基板ステージＷＳＴをＺ軸方向に移動させ、基板ス
テージＷＳＴ上の反射面を所定位置に配置する。この所
定位置は斜入射ＡＦセンサの検出範囲内であれば任意で
構わないが、ステップモータ１１１に設けられた位置セ
ンサ（例えばエンコーダ等）を用いて基板ステージＷＳ
Ｔ（反射面）のＺ軸方向の位置を検出して記憶してお
く。さらに、斜入射ＡＦセンサの検出光をその反射面に
照射し、斜入射ＡＦセンサによって検出される反射面の
位置を記憶しておく。

【００６０】そして、所定時間が経過する毎に、反射面
を前述の所定位置に配置し、斜入射ＡＦセンサを用いて
その反射面の位置を検出する。この検出された位置と先
に記憶した位置との偏差が、前述の熱膨張やその他の要
因（例えば振動等）による光路シフトに起因して生じる
斜入射ＡＦセンサの検出誤差に相当する。従って、次に
同様の動作を行うまでは、この求めた偏差と斜入射ＡＦ
センサの検出信号とを用いて基板の焦点合わせを行うこ
とになる。本例では、斜入射ＡＦセンサの検出誤差をリ
アルタイムに求めることはできないが、熱膨張以外の要
因による光路シフトまでも含めてその検出誤差を求める
ことができる。尚、本例と前述の実施の形態とを併用し
てもよい。

【００６１】一般に投影露光装置では、例えば特開昭６
０−２６３６３号公報、特開昭６０−１６８１１２号公
報に開示されているように、基板ステージＷＳＴ上に配
置されるスリット板とその下面に近接して配置される光
電センサとを用いて投影光学系の最良結像面を計測し、
基板ステージＷＳＴをＺ軸方向に移動してこの計測され
た結像面に反射面を配置する。そして、斜入射ＡＦセン
サの検出光をその反射面に照射し、斜入射ＡＦセンサに
よって検出される位置ずれが零となる、即ち斜入射ＡＦ
センサの検出基準面が投影光学系の最良結像面と合致す
るように反射鏡１０３（又は、平行平面板）を駆動す
る、斜入射ＡＦセンサのキャリブレーションが行われ
る。そこで、このキャリブレーション動作においてステ
ップモータ１１１の位置センサにより反射面が配置され
るＺ軸方向の位置（前述の所定位置に相当）を検出して
おくようにし、これ以降は所定時間毎に反射面をその所
定位置に配置し、斜入射ＡＦセンサを用いてその反射面
の位置を検出するようにしてもよい。

【００６２】

【発明の効果】以上述べたように、本願発明の焦点位置
検出装置によれば、温度センサの測定結果に基づいて、
受光側遮光部の開口部とパターン光の像との位置関係を
補正する補正部によって補正され、受光部が受光した位
置関係に応じた信号に基づいて、被検査面の、主対物レ
ンズの光軸に対する位置を検出するので、主対物レンズ
により保持部材が加熱されて熱膨張を生じても、かかる
熱膨張に基づくパターン光の光路シフトが補正され、そ
れにより精度の高い焦点位置検出が可能となる。

【００６３】本願発明の露光装置によれば、温度センサ
の測定結果に基づいて、受光側遮光部の開口部とパター
ン光の像との位置関係を補正する補正部によって補正さ
れ、受光部が受光した位置関係に応じた信号に基づい
て、被検査面の、主対物レンズの光軸に対する高さ位置
を検出するので、主対物レンズにより保持部材が加熱さ
れて熱膨張を生じても、かかる熱膨張に基づくパターン
光の光路シフトが補正され、それにより精度の高い焦点
位置検出が可能となる。

【００６４】本願発明の露光装置によれば、検出装置と
温度センサの各出力に基づいて、基板と投影光学系の像
面とを相対移動する移動装置を備えているので、投影光
学系により保持部材が加熱されて熱膨張を生じても、か
かる熱膨張に基づく検出装置の検出誤差が補正され、そ
れにより精度の高い焦点位置検出が可能となる。

【００６５】本願発明の露光方法によれば、投影光学系
と少なくとも一つの光学部材との相対的な位置変化によ
る検出装置の受光面上での反射光のシフトによって生じ
る検出装置の検出誤差と、検出された位置とに基づい
て、基板と投影光学系の像面とを相対移動する工程とを
含んでいるので、例えば投影光学系の熱膨張に基づき、
投影光学系と少なくとも一つの光学部材との間に、相対
的な位置変化が生じても、かかる位置変化に基づく反射
光のシフトにより生じた検出誤差を補正でき、それによ
り精度の高い焦点位置検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明によるエキシマステッパの概略図であ
る。

【図２】本願発明の第１の実施の形態にかかる斜入射Ａ
Ｆセンサの概略図である。

【図３】本実施の態様にかかる焦点位置検出方法を用い
た露光方法を説明するフローチャートである。

【図４】本願発明の第２の実施の形態にかかる斜入射Ａ
Ｆセンサの概略図である。

【図５】本実施の態様にかかる焦点位置検出方法を用い
た露光方法を説明するフローチャートである。

【図６】従来技術による斜入射ＡＦセンサの概略図であ
る。

【図７】斜入射ＡＦセンサの原理を示す図である。

【符号の説明】

２３………レンズホルダ１０１………光源１０２………送光スリット１０３………反射鏡１０４………受光スリット１０５………受光素子１０６………ＣＰＵ１０８………温度センサ１０９………ステップモータ１１０………反射鏡制御装置１１１………Ｚ軸方向駆動用ステップモータＲ………レチクルＷ………基板ＷＳＴ………基板ステージＩＯＳ………結像光学系ＰＬ………投影光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主対物レンズの光軸に対して斜め方向か
ら被検査面上で所定形状を持つパターン光を投射する投
射光学系と、前記被検査面で反射された前記パターン光の像を結像す
る結像光学系と、前記被検査面と光学的にほぼ共役な位置に設けられ、所
定形状の開口部を有する受光側遮光部と、前記受光側遮光部を通過した前記パターン光を受光し、
前記開口部と前記パターン光の像との位置関係に応じた
信号を受光する受光部と、少なくとも、前記投射光学系と、前記結像光学系と、前
記受光側遮光部と、前記受光部との何れか一つを前記主
対物レンズの側面に保持する保持部材と、前記保持部材の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの測定結果に基づいて、前記開口部と前
記パターン光の像との位置関係を補正する補正部とを有
し、前記補正部によって補正され前記受光部が受光した前記
位置関係に応じた信号に基づいて、前記被検査面の、前
記主対物レンズの光軸に対する位置を検出することを特
徴とする焦点位置検出装置。
【請求項２】請求項１記載の焦点位置検出装置は、更
に、前記被検査面を前記主対物レンズの光軸方向に駆動
する駆動部を有し、前記補正部は、前記温度センサの測定結果に基づいて前
記駆動部を制御することを特徴とする焦点位置検出装
置。
【請求項３】請求項１記載の焦点位置検出装置は、更
に、前記結像光学系により結像されるパターン光の像と
前記開口部とを相対的に移動させる移動部を有し、前記補正部は、前記温度センサの測定結果に基づいて前
記移動部を制御することを特徴とする焦点位置検出装
置。
【請求項４】前記温度センサは、前記保持部材におい
て前記主対物レンズからの熱伝導量が多い場所に少なく
とも一つ以上設けられていることを特徴とする請求項１
記載の焦点位置検出装置。
【請求項５】マスクに形成されたパターンを基板上に
結像させる主対物レンズと、前記主対物レンズの光軸に対して斜め方向から前記基板
の被検査面上で所定形状を持つパターン光を投射する投
射光学系と、前記被検査面で反射された前記パターン光の像を結像す
る結像光学系と、前記被検査面と光学的にほぼ共役な位置に設けられ、所
定形状の開口部を有する受光側遮光部と、前記受光側遮光部を通過した前記パターン光を受光し、
前記開口部と前記パターン光の像との位置関係に応じた
信号を受光する受光部と、少なくとも、前記投射光学系と、前記結像光学系と、前
記受光側遮光部と、前記受光部との何れか一つを前記主
対物レンズの側面に保持する保持部材と、前記保持部材の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの測定結果に基づいて、前記開口部と前
記パターン光の像との位置関係を補正する補正部とを有
し、前記補正部によって補正され前記受光部が受光した前記
位置関係に応じた信号に基づいて、前記被検査面の高さ
位置を検出することを特徴とする露光装置。
【請求項６】マスクに形成されたパターンの像を基板
に投影する投影光学系と、前記基板上の少なくとも一つの計測点に対して光を投射
し、その投射された光における前記基板からの反射光を
受光することにより、前記投影光学系の光軸方向に関す
る前記基板の位置を検出する検出装置と、前記検出装置の少なくとも一つの光学素子を前記投影光
学系の鏡筒と一体に保持する保持部材と、前記保持部材の温度を測定する温度センサと、前記検出装置と前記温度センサの各出力に基づいて、前
記基板と前記投影光学系の像面とを相対移動する移動装
置を備えたことを特徴とする露光装置。
【請求項７】請求項６記載の露光装置は、さらに、前
記温度センサの出力に応じて、前記検出装置によって検
出される前記基板の位置を補正する装置を有し、前記移動装置は、前記補正に応じて前記基板と前記投影
光学系の像面とを相対移動することを特徴とする露光装
置。
【請求項８】投影光学系によって投影されるパターン
の像で基板を露光する露光方法において、前記投影光学系の鏡筒に設けられた少なくとも一つの光
学部材を有する検出装置によって、前記基板上に光ビー
ムを投射するとともに、前記基板からの反射光を受光
し、前記基板の前記投影光学系の光軸方向の位置を検出
する工程と、前記投影光学系と前記少なくとも一つの光学部材との相
対的な位置変化による前記検出装置の受光面上での前記
反射光のシフトによって生じる前記検出装置の検出誤差
と、前記検出された位置とに基づいて、前記基板と前記
投影光学系の像面とを相対移動する工程とを含むことを
特徴とする露光方法。