JPH11233420A - 投影露光装置及び位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一定時間間隔のデータサンプリングに基づき
位相検出法を用いて投影像の像位置を検出する際の誤検
出を防止する。 【解決手段】 ウエハステージ８がＸ方向へ移動を開始
すると、主制御系１００は一定時間経過する毎にパルス
信号ＰＳを出力し、そのパルス信号ＰＳの出力に同期し
てウエハステージ８の位置検出信号とレチクルパターン
ＲＰの投影像受光に基づく光電信号が投影像位置検出系
２００に並列に取り込まれる。すると、投影像位置検出
系２００では位相検出法による所定の式を用いて投影像
位置を検出する。そして、その式においては算出時に用
いる正弦関数及び余弦関数の数値を前記位置検出信号に
基づくサンプリング座標値を変数として発生させてい
る。従って、ウエハステージ８の移動時に速度誤差があ
っても位相検出法による像位置検出結果に誤差が生じる
ことはなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体集
積回路等の製造過程のフォトリソグラフィ工程で使用さ
れる、微細パターンの投影転写用の露光装置、及び同装
置において用いられる投影像の位置検出方法に関するも
のである。

【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では、マスクに形成さ
れた回路パターンが高解像力の投影光学系を介して基板
（レジスト層を塗布したウエハ等）上に投影露光され
る。特に、いわゆるステップ・アンド・リピート方式又
はステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置（ス
テッパ等）においては、露光光の照射に基づきマスク上
の回路パターンが基板上に区画形成された各ショット領
域にステッピング露光される。そのため、露光に際して
は、基板上の前記各ショット領域の中心と投影光学系に
よる投影像の中心（光軸）とを合致させる位置合せ（ア
ライメント）作業が必須とされ、そのような投影像の位
置を検出するための方法が様々に提案されている。そし
て、最近では、投影像の光強度分布からその像位置を検
出する方法（以下、「ＡＩＳ計測」という。）が比較的
よく用いられている。

【０００３】即ち、このＡＩＳ計測においては、基板を
載置するウエハステージ上に設けられた所定形状の開口
パターンに投影光学系を介してマスクに形成された被検
出パターンとしてのライン・アンド・スペースパターン
を投影し、その投影像を前記開口パターン上でスキャン
することにより当該開口パターンを透過した投影像の光
強度を検出している。又、ウエハステージをスキャンす
る際には、投影光学系の光軸に垂直な平面（ＸＹ平面）
内で互いに直交するＸＹ方向におけるウエハステージの
位置をレーザ干渉計により計測している。そして、予め
設定した一定時間間隔で前記ウエハステージの移動位置
をレーザ干渉計等によりサンプリング計測し、そのサン
プリング時点におけるレーザ干渉計の計測値と、前記開
口パターンを透過した投影像の光強度から得られる光強
度分布とから投影像位置を検出するようにしている。

【０００４】ここで、いわゆる位相検出法により前記投
影像の像位置を検出する場合には、下記の式に基づき投
影像位置を検出するようにしている。即ち、投影像の像
位置をＸ、被検出パターンとなるライン・アンド・スペ
ースパターンのピッチをＰ、空間的なサンプリング間隔
をΔｘ、ｊは何番目のサンプリング点であるかを示し、
Ｓ（ｊ）を投影像の光強度分布として、

【０００５】

【数１】 の計算から像位置Ｘの座標値を求めている。上記した位
相検出法は、一定の周期を持った被検出パターンと、そ
の被検出パターンと同一周期を持った三角関数との間の
位相のずれ量を検出し、このずれ量から三角関数の位相
原点に対する被検出パターンの位置を検出するものであ
る。一般に、任意の信号を周波数成分で記述する方法と
しては、フーリエ級数展開が用いられる。フーリエ級数
展開は、任意の時間領域表現された信号を、ある基本周
波数成分とその高次高調波成分で記述する方法であり、
これによれば、上記式（１）の像位置Ｘを表す算式にお
ける位相項（正接関数）は、フーリエ級数展開された元
信号の各次数成分における基準位置（位相原点）からの
位相のずれ量を表すことになる。なお、この基準位置
（位相原点）は任意に取ることが可能であるが、周期関
数を用いているため、位相のずれ量を一義的に算出でき
るのは基準位置±２π（１ピッチ）の範囲内のみとな
る。従って、一般には位相検出に先だって、いわゆるス
ライス中点検出法や重心検出法等により１ピッチ以内の
精度で前記した基準位置（位相原点）を決めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した位
相検出法により投影像の像位置を検出する場合には、次
のような問題があった。

【０００７】即ち、位相検出法を用いて前記像位置Ｘを
求めるためには、被検出パターンであるライン・アンド
・スペースパターンのピッチＰと共に、データ処理のた
めの空間的なサンプリング間隔Δｘを算出時に用いる正
弦関数及び余弦関数の数値として予め与えておく必要が
ある。なお、被検出パターンのピッチに関しては、例え
ば得られた信号に関してフーリエ解析を行うようにすれ
ば、これを予め与えておく必要はないが、そうすると計
算時間が長大になってしまうため現実的ではない。

【０００８】一方、前記開口パターンが設けられたウエ
ハステージのスキャニング時の等速性について考えてみ
ると、１μｍ単位のスパンで見た場合には、まだその等
速性も良好に確保されているといえる。しかしながら、
例えば、３０ｎｍ毎でのデータサンプリングを考えた場
合の微視的な等速性についてはバラツキがある。そのた
め、ウエハステージの移動位置を前記レーザ干渉計によ
り一定時間間隔でサンプリング計測した場合、実際上、
それらの空間的なサンプリング間隔（ステージ移動方向
における各サンプリング位置間の距離）は必ずしも完全
に等間隔であるとはいえない。

【０００９】従って、予め設定した一定のサンプリング
間隔を上記式（１）における正弦関数及び余弦関数の数
値として与え、その算式に基づき投影像の像位置Ｘを求
めた場合、ウエハステージの移動速度がその設定速度か
ら極僅かでもずれていると、その計算結果に誤差を生じ
るおそれがあった。即ち、図５（ａ）に示すように、レ
ーザ干渉計の計測値に基づく実際のサンプリング間隔Δ
ｘが予め設定した一定のサンプリング間隔Δｘ１からず
れてしまうため、あたかも異なったピッチの被検出パタ
ーン（ライン・アンド・スペースパターン）を検出して
いるかのような効果を生み、位相検出法による前記像位
置Ｘの検出結果に誤差を生じさせることがあった。

【００１０】本発明は、かかる事情に鑑みなされたもの
であり、その目的は、一定時間間隔のデータサンプリン
グに基づき位相検出法を用いて投影像の像位置を検出す
る際の誤検出を防止することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、投影露光装置に係る本願請求項１の発明は、マスク
に形成された所定パターンの像を基板上に投影する投影
光学系を備えた投影露光装置において、前記投影光学系
の物体面側又は像面側の一方の側に配置される第１パタ
ーンに照明光を照射する光源と、前記照明光の照射に基
づく前記投影光学系による前記第１パターンの投影像を
前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方又は他方に
配置される第２パターンを介して受光するパターン検出
手段と、前記第１パターンの投影像と前記第２パターン
との相対移動時に、前記第１パターンの投影像と第２パ
ターンとの相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で
第１信号を出力するとともに、前記第１パターンの投影
像と前記第２パターンとの相対位置に対応した第２信号
を出力する第１位置検出手段と、前記パターン検出手段
から前記第１パターンの投影像受光に基づき出力される
光電信号と、前記第１位置検出手段から出力される第２
信号とを、前記第１位置検出手段による第１信号の出力
に同期して並列に取り込み、前記相対移動の方向に関す
る前記第１パターンの投影像の位置を位相検出法を用い
て算出し、その算出時に用いる正弦関数及び余弦関数の
数値を、前記第１信号の出力に同期して取り込まれた前
記第２信号に基づく出力値を変数として発生させるよう
にした第２位置検出手段とを備えたことを要旨としてい
る。

【００１２】従って、本願請求項１の発明においては、
第１パターンの投影像と第２パターンとの相対移動時に
おける相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で、第
１位置検出手段から第１信号と第２信号が出力される。
すると、第１信号の出力に同期して、前記第１パターン
の投影像の結像光を光電変換して得られる光電信号と、
前記相対移動に伴う相対位置変化に応じた第２信号とが
第２位置検出手段へ並列に取り込まれる。そして、第２
位置検出手段により前記相対移動方向に関する第１パタ
ーンの投影像の像位置が位相検出法を用いて求められ
る。

【００１３】又、同じく投影露光装置に係る本願請求項
２の発明は、マスクに形成された所定パターンの像を基
板上に投影する投影光学系を備えた投影露光装置におい
て、前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方の側に
配置される第１パターンにパルス発光光を照射するパル
ス光源と、前記パルス発光光の照射に基づく前記投影光
学系による前記第１パターンの投影像を前記投影光学系
の物体面側又は像面側の一方又は他方に配置される第２
パターンを介して受光するパターン検出手段と、前記第
１パターンの投影像と前記第２パターンとの相対移動時
に、前記第１パターンの投影像と第２パターンとの相対
移動距離とは無関係に所定の時間間隔で第１信号を出力
するとともに、前記第１パターンの投影像と前記第２パ
ターンとの相対位置に対応した第２信号を出力する第１
位置検出手段と、前記第１位置検出手段による第１信号
の出力に同期して前記パルス発光光を発振させるように
前記パルス光源を制御する光源制御手段と、前記パター
ン検出手段から前記第１パターンの投影像受光に基づき
出力される光電信号と、前記第１位置検出手段から出力
される第２信号とを、前記第１位置検出手段による第１
信号の出力に同期して並列に取り込み、前記相対移動の
方向に関する前記第１パターンの投影像の位置を位相検
出法を用いて算出し、その算出時に用いる正弦関数及び
余弦関数の数値を、前記第１信号の出力に同期して取り
込まれた前記第２信号に基づく出力値を変数として発生
させるようにした第２位置検出手段とを備えたことを要
旨としている。

【００１４】従って、本願請求項２の発明においては、
第１パターンの投影像と第２パターンとの相対移動時に
おける相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で、第
１位置検出手段から第１信号と第２信号が出力される。
すると、第１信号の出力に同期して、パルス光が発振さ
れると共に、そのパルス光照射に基づく前記第１パター
ンの投影像の結像光を光電変換して得られる光電信号
と、前記相対移動に伴う相対位置変化に応じた第２信号
とが第２位置検出手段へ並列に取り込まれる。そして、
第２位置検出手段により前記相対移動方向に関する第１
パターンの投影像の像位置が位相検出法を用いて求めら
れる。

【００１５】又、本願請求項３の発明は、前記請求項１
又は請求項２に記載の発明において、前記第１パターン
及び第２パターンは、両パターンのうち少なくともいず
れか一方が前記投影光学系の光軸と直交する第１方向に
沿って移動するものであることを要旨としている。

【００１６】従って、本願請求項３の発明においては、
前記請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加え
て、第１位置検出手段から第１信号と第２信号が出力さ
れるとき、第１パターンの投影像と第２パターンのうち
少なくともいずれか一方は投影光学系の光軸と直交する
第１方向、即ち、スキャン方向に沿って相対移動する。
そのため、その相対移動時に取り込まれた光電信号と第
２信号とに基づき第１パターンの投影像についてスキャ
ン方向における位置検出が可能とされる。

【００１７】又、本願請求項４の発明は、前記請求項１
又は請求項２に記載の発明において、前記第１パターン
及び第２パターンは、両パターンのうち少なくともいず
れか一方が前記投影光学系の光軸と直交する第１方向及
び前記光軸に平行な第２方向に沿ってそれぞれ移動する
ものであり、前記第２位置検出手段は、前記光電信号に
基づく前記第１パターンの投影像のコントラストが最も
高くなる前記第２方向における位置を前記投影光学系の
焦点位置として検出するものであることを要旨としてい
る。

【００１８】従って、本願請求項４の発明においては、
前記請求項１又は請求項２に記載の発明の作用に加え
て、第１位置検出手段から第１信号と第２信号が出力さ
れるとき、第１パターンの投影像と第２パターンのうち
少なくともいずれか一方は投影光学系の光軸と直交する
第１方向（スキャン方向）及び前記光軸に平行な第２方
向に沿って相対移動する。そのため、その相対移動時に
取り込まれた光電信号と第２信号とに基づき第１パター
ンの投影像についてスキャン方向における位置検出が可
能とされるばかりでなく、投影光学系の焦点検出が可能
とされる。

【００１９】又、本願請求項５の発明は、前記請求項３
又は請求項４に記載の発明において、前記第１パターン
は、前記投影光学系の物体面側に前記第１方向へ所定ピ
ッチ間隔で配置されるライン・アンド・スペースパター
ンであり、前記第２パターンは、前記投影光学系の像面
側に配置され、且つ、前記第１方向に関する幅が前記第
１パターンの投影像の幅よりも大きい形状の開口パター
ンであることを要旨としている。

【００２０】従って、本願請求項５の発明においては、
前記請求項３又は請求項４に記載の発明の作用に加え
て、第１パターンの投影像がスキャン方向のライン・ア
ンド・スペースパターンの投影像で構成され、その投影
像の結像光が第２パターンとしての開口パターン上でス
キャンされると、その開口パターンを透過した結像光の
光量が積分され、いわゆる階段状の光電信号が得られ
る。また、スキャン時において、第１パターンの投影像
と第２パターンのうち少なくともいずれか一方が、第１
方向のみならず第２方向に沿っても移動する場合の光電
信号にあっては、前記ライン・アンド・スペースパター
ンの投影像と開口パターンとが重なる位置において前記
階段の落差が最も大きくなり、その位置から離れるに従
って前記階段の落差は小さくなる。

【００２１】又、本願請求項６の発明は、前記請求項４
に記載の発明において、前記第２パターンは、前記投影
光学系の像面側に配置されて前記第１方向及び第２方向
に沿って移動することにより当該第２パターンを前記第
１パターンの投影像に対して相対移動させるステージに
設けられていることを要旨としている。

【００２２】従って、本願請求項６の発明においては、
前記請求項４に記載の発明の作用に加えて、第１位置検
出手段から第１信号と第２信号が出力されるとき、第２
パターンを設けたステージが投影光学系の光軸と直交す
る第１方向（スキャン方向）及び前記光軸に平行な第２
方向に沿って相対移動する。そのため、投影光学系の物
体面側に配置した第１パターンについては前記相対移動
時において停止状態とすることが可能とされる。

【００２３】又、本願請求項７の発明は、前記請求項２
〜請求項６のうちいずれか一項に記載の発明において、
前記第１位置検出手段は、前記パルス光源の最大発振周
波数とほぼ同一の周波数で前記第１信号を出力するもの
であることを要旨としている。

【００２４】従って、本願請求項７の発明においては、
前記請求項２〜請求項６のうちいずれか一項に記載の発
明の作用に加えて、第１パターンの投影像と第２パター
ンとの相対速度を、パルス光源の最大発振周波数によっ
て制限される最大値に設定することができ、計測時間が
短縮される（スループットが向上する）。

【００２５】又、本願請求項８の発明は、前記請求項１
〜請求項７のうちいずれか一項に記載の発明において、
前記光源（パルス光源も含む。）は、照明光学系を介し
て露光用照明光を照射する露光用光源との兼用光源であ
り、前記パターン検出手段は、前記照明光学系を介して
前記露光用照明光を前記投影光学系の物体面側に配置し
た第１パターンに照射するものであることを要旨として
いる。

【００２６】従って、本願請求項８の発明においては、
前記請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載の発
明の作用に加えて、露光用光源からの照明光により投影
光学系を介して前記第１パターンが照射され、その照射
光に基づく投影像が第２パターンを介して受光される。

【００２７】一方、位置検出方法に係る本願請求項９の
発明は、マスクに形成された所定パターンの像を基板上
に投影する投影光学系を備えた投影露光装置に用いら
れ、前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方の側に
配置される第１パターンに照明光を照射するとともに、
同照明光の照射に基づく前記投影光学系による前記第１
パターンの投影像を前記投影光学系の物体面側又は像面
側の一方又は他方に配置される第２パターンを介して検
出することにより、前記第１パターンの投影像の位置を
検出するようにした位置検出方法において、前記第１パ
ターンの投影像と前記第２パターンとを相対移動させ、
その相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で出力さ
れる第１信号に同期して、前記第２パターンを介して検
出した前記第１パターンの投影像を光電変換して得られ
る光電信号と、前記第１パターンの投影像と前記第２パ
ターンとの相対位置変化に応じて出力される第２信号と
を取り込んで、前記相対移動の方向に関する前記第１パ
ターンの投影像の位置を位相検出法を用いて算出し、そ
の算出時に用いる正弦関数及び余弦関数の数値を、前記
第１信号の出力に同期して取り込まれた前記第２信号に
基づく出力値を変数として発生させるようにしたことを
要旨としている。

【００２８】従って、本願請求項９の発明においては、
第１パターンの投影像と第２パターンとの相対移動時に
おける相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で第１
信号が出力される。また、前記第１信号の出力タイミン
グに同期して、前記第１パターンの投影像の結像光を光
電変換して得られる光電信号と、前記相対移動に伴う相
対位置変化に応じた第２信号とが並列に取り込まれる。
そして、これらの取り込まれた信号に基づき前記相対移
動方向に関する第１パターンの投影像の像位置が位相検
出法を用いて求められる。

【００２９】又、同じく位置検出方法に係る本願請求項
１０の発明は、マスクに形成された所定パターンの像を
基板上に投影する投影光学系を備えた投影露光装置に用
いられ、前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方の
側に配置される第１パターンにパルス光源からのパルス
発光光を照射するとともに、同パルス発光光の照射に基
づく前記投影光学系による前記第１パターンの投影像を
前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方又は他方に
配置される第２パターンを介して検出することにより、
前記第１パターンの投影像の位置を検出するようにした
位置検出方法において、前記第１パターンの投影像と前
記第２パターンとを相対移動させ、その相対移動距離と
は無関係に所定の時間間隔で出力される第１信号に同期
して前記パルス発光光を発振させるとともに、前記第２
パターンを介して検出した前記第１パターンの投影像を
光電変換して得られる光電信号と、前記第１パターンの
投影像と前記第２パターンとの相対位置変化に応じて出
力される第２信号とを、前記第１信号の出力タイミング
に同期して取り込んで、前記相対移動の方向に関する前
記第１パターンの投影像の位置を位相検出法を用いて算
出し、その算出時に用いる正弦関数及び余弦関数の数値
を、前記第１信号の出力に同期して取り込まれた前記第
２信号に基づく出力値を変数として発生させるようにし
たことを要旨としている。

【００３０】従って、本願請求項１０の発明において
は、第１パターンの投影像と第２パターンとの相対移動
時における相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で
第１信号が出力されると共に、この第１信号出力に同期
してパルス光が発振される。また、前記第１信号の出力
タイミングに同期して、パルス光照射に基づく前記第１
パターンの投影像の結像光を光電変換して得られる光電
信号と、前記相対移動に伴う相対位置変化に応じた第２
信号とが並列に取り込まれる。そして、これらの取り込
まれた信号に基づき前記相対移動方向に関する第１パタ
ーンの投影像の位置が位相検出法を用いて求められる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、ステップ・アン
ド・リピート方式の投影露光装置及び同装置における位
置検出方法に具体化した一実施形態を図１〜図５に基づ
き説明する。なお、図１に示すように、本実施形態で
は、投影光学系１の光軸ＡＸに平行な方向にＺ軸を取
り、光軸ＡＸに直交する平面内で図１の紙面に平行な方
向にＸ軸を、また、同様に図１の紙面に垂直な方向にＹ
軸を取っている。

【００３２】図１は投影露光装置全体の概略構成を示し
たものであり、同図において、光源としてのパルス光源
２から射出される照明光ＩＬは、コリメータレンズ、フ
ライアイレンズ、レチクルブラインドなどからなる照度
均一化照明系３により照度分布がほぼ均一な光束に変換
されて、ダイクロイックミラー４に入射されるように構
成されている。そして、ダイクロイックミラー４によっ
て垂直下方へ折り曲げられた照明光ＩＬがレチクルＲを
照射することにより前記レチクルＲ上に１μｍ単位の線
幅で描画された回路パターンの像が投影光学系１を介し
て感光基板としてのウエハＷ上に投影露光されるように
なっている。なお、本実施形態における前記パルス光源
２には、波長１９３ｎｍのレーザ光（パルス発光光）を
発光するＡｒＦエキシマレーザが使用されている。そし
て、本実施形態では、このパルス光源２が投影露光のた
めの露光用光源及び投影像位置検出のための照明用光源
として兼用されている。また、本実施形態の投影露光装
置は、ステッピング露光時において前記Ｘ軸方向に沿う
＋Ｘ方向へステッピング移動してウエハＷ上の各ショッ
ト領域に回路パターンを投影露光するものであるが、図
１は投影像位置検出時の状態を示すため、同図において
ウエハＷは露光位置に位置していない。

【００３３】前記ダイクロイックミラー４の下方には、
モータ等からなる図示しない駆動系により移動可能とさ
れたレチクルステージ５が設けられている。即ち、レチ
クルステージ５は、前記Ｚ軸方向に微動可能で、且つ、
光軸ＡＸに直交する平面（ＸＹ平面）内でＸ軸方向及び
Ｙ軸方向に移動及び前記Ｚ軸周りに微小回転が可能とさ
れている。また、レチクルステージ５上には前記レチク
ルＲが真空吸着により固定保持され、このレチクルＲ上
には前述した回路パターンの他に、その回路パターンの
周辺に位置するようにして第１パターンとしてのレチク
ルパターンＲＰ（図２参照）が形成されている。即ち、
このレチクルパターンＲＰが投影像の像位置を検出する
際の被検出パターンとされる。

【００３４】また、前記レチクルステージ５上のＸ軸方
向及びＹ軸方向の端部には移動鏡６がそれぞれ取付けら
れ、これらの移動鏡６と対向するようにしてレチクルス
テージ５の周辺には光波干渉計７がそれぞれ配置されて
いる。なお、図１には、Ｘ軸方向用の光波干渉計のみを
図示している。この光波干渉計７は、前記移動鏡６にＨ
ｅ−Ｎｅレーザを当て、入反射するレーザ光の干渉を利
用して０．６ｎｍ単位でレチクルステージ５のＸＹ方向
の位置を常時検出するものであり、得られた位置検出信
号を第２信号としてＣＰＵからなる主制御系１００及び
（同主制御系１００を介して）投影像位置検出系２００
へ供給するようになっている。

【００３５】一方、前記レチクルステージ５の下方に
は、同ステージ５との間に投影光学系１を挟むようにし
てウエハステージ８が移動可能に設けられている。即
ち、ウエハステージ８は前記ＸＹ平面内でＸ軸方向及び
Ｙ軸方向に移動及び前記Ｚ軸周りに微小回転が可能とさ
れている。また、前記ウエハステージ８上には前記Ｚ軸
方向に移動可能なＺステージ９が設けられ、これらウエ
ハステージ８及びＺステージ９はモータ等からなる図示
しない駆動系により移動可能とされている。そして、Ｚ
ステージ９上のウエハホルダ１０に前記ウエハＷが真空
吸着保持され、このＺステージ９をＺ軸方向へ移動させ
ることにより、ウエハＷの表面と投影光学系１の結像面
とを一致させることができるようになっている。なお、
前記ウエハステージ８上のＸ軸方向及びＹ軸方向の端部
にも、前記レチクルステージ５の場合と同様に、移動鏡
１１がそれぞれ取付けられ、これらの移動鏡１１と対向
するようにしてウエハステージ８の周辺には同ステージ
８のＸＹ方向の位置を常時検出する光波干渉計１２がそ
れぞれ配置されている。

【００３６】また、前記ウエハステージ８の上方には、
前記Ｚステージ９のＺ軸方向の位置を検出可能ないわゆ
る斜入射光学方式の焦点位置検出系（以下、「ＡＦセン
サ」とも呼ぶ。）１３が投影光学系１を左右から挟むよ
うにして設けられている。このＡＦセンサ１３は、投影
光学系１の光軸ＡＸ中心を検出するものであり、ウエハ
Ｗの表面に非感光性の照明光を所定形状のスリットを介
して斜め上方から照射する投光系１４と、その照射に基
づく投影像のウエハＷ表面からの反射像の結像光を受光
する受光系１５とから構成されている。そして、これら
光波干渉計１２及びＡＦセンサ１３により検出されたウ
エハステージ８及びＺステージ９の各位置検出信号も前
記光波干渉計７により検出されたレチクルステージ５の
位置検出信号と同様に第２信号として主制御系１００及
び（同主制御系１００を介して）投影像位置検出系２０
０へ供給されるようになっている。

【００３７】また、前記ウエハステージ８におけるＺス
テージ９上のウエハホルダ１０に近接した位置には、所
定形状のセンサパターンＳＰ（図３参照）を第２パター
ンとして開口形成した基準板１６が設置されている。こ
の基準板１６は、前記照明光ＩＬによるレチクルパター
ンＲＰの照射に基づき投影光学系１を介してウエハＷ側
に投影されるレチクルパターンＲＰの像を形成する結像
光を受光するためのものである。前記基準板１６の下部
にはセンサパターンＳＰを透過した投影像の結像光をウ
エハステージ８の外部に設けられた受光センサ１７に導
くためのミラー１８及び光ファイバー１９等からなる伝
送光学系２０が配置されている。そして、前記受光セン
サ１７の出力は光電信号として前記各光波干渉計７，１
２及びＡＦセンサ１３からの位置検出信号と共に投影像
位置検出系２００に取り込まれ、この投影像位置検出系
２００内で演算処理されることにより投影光学系１によ
る投影像の光強度分布が検出されると共に、後述する位
相検出法により前記投影像の像位置が検出されるように
なっている。

【００３８】前記投影像位置検出系２００は主制御系１
００に接続されており、主制御系１００から出力される
第１信号としてのパルス信号ＰＳに同期して、前記各各
光波干渉計７等からの各位置検出信号と受光センサ１７
からの光電信号を並列に取り込むように構成されてい
る。また、主制御系１００には前記パルス光源２の発光
を制御するための光源制御系３００が接続され、この光
源制御系３００による発光制御に基づき前記パルス光源
２は発光するようになっている。即ち、本実施形態で
は、前記パルス光源２と受光センサ１７によりパターン
検出手段が構成されている。また、前記各光波干渉計
７，１２とＡＦセンサ１３及び主制御系１００により第
１位置検出手段が構成され、前記投影像位置検出系２０
０により第２位置検出手段が構成されている。

【００３９】次に、本実施形態における投影像位置検出
のための機構について説明する。図２はレチクルＲ上に
描画された前記レチクルパターンＲＰとその周辺を示し
たものであり、同図においてはＲＰ１がＸ方向計測用、
ＲＰ２がＹ方向計測用のレチクルパターンを示してい
る。各レチクルパターンＲＰ１，ＲＰ２は、投影像位置
検出時のスキャン方向（Ｘ軸方向又はＹ軸方向）へ所定
ピッチで等間隔に並び、且つ、スキャン方向と直交する
方向に長い複数本（本実施形態では７本）のスリット状
の透過部２１ａ〜２１ｇをクロム膜からなる遮光部２２
の中に形成したライン・アンド・スペースパターンであ
る。なお、各レチクルパターンＲＰ１，ＲＰ２は、前記
基準板１６に形成されたセンサパターンＳＰとの対比に
おいて、そのスキャン方向の長さがセンサパターンＳＰ
のスキャン方向の長さよりも短く、かつ、そのスキャン
方向と直交する方向の長さがセンサパターンＳＰのスキ
ャン方向と直交する方向の長さよりも長く形成されてい
る。また、図示はしないが、前記レチクルパターンＲＰ
としては、パターンの形成方向による結像位置の差（非
点収差）を考慮して、前記各レチクルパターンＲＰ１，
ＲＰ２をそれぞれ４５゜回転させた配置状態となる４５
゜及び１３５゜方向計測用の各パターンも設けられてい
る。

【００４０】一方、図３はウエハステージ８上の前記基
準板１６に矩形状に開口形成されたセンサパターンＳＰ
とその周辺を示したものであり、同図においてはＳＰ１
がＸ方向及びＹ方向計測用の前記各レチクルパターンＲ
Ｐ１，ＲＰ２に対応するセンサパターンであり、ＳＰ２
が前記４５゜及び１３５゜方向計測用の図示されていな
いレチクルパターンに対応するセンタパターンである。
各センサパターンＳＰ１，ＳＰ２は、前記スキャン方向
の端部が直線状のエッヂ２３となった正方形状の透過部
２４をクロム膜からなる遮光部２５の中に形成してなる
開口パターンである。なお、前記両センサパターンＳＰ
１，ＳＰ２は、いずれか一方のセンサパターン（ＳＰ１
又はＳＰ２）により前記各レチクルパターンＲＰ１等の
うち一つのレチクルパターン（例えばＲＰ１）がスキャ
ンされている間は、他方のセンサパターン（ＳＰ２又は
ＳＰ１）の正方形開口内に他の一切のレチクルＲ上のパ
ターンが掛からないように配置されている。

【００４１】次に、本実施形態の投影露光装置における
投影像位置検出の動作について説明する。まず、主制御
系１００は、図示しない駆動系によりウエハステージ８
を駆動して、図１に示すように、ウエハステージ８（及
びＺステージ９）を投影像位置検出のための計測開始点
に移動させる。即ち、ウエハステージ８上の前記基準板
１６を投影光学系１の有効露光フィールド内に移動させ
る。具体的には、前記レチクルステージ５の光波干渉計
７及びウエハステージ８の光波干渉計１２を用い、後述
するスキャン時において前記レチクルパターンＲＰの投
影像が対応するセンサパターンＳＰ上を通過する位置へ
ウエハステージ８を移動させる。なお、本実施形態にお
いてＺステージ９は予めＡＦセンサ１３を用いて、投影
光学系１の結像位置にセンサパターンＳＰが位置するよ
うに位置調節されているものとする。

【００４２】前記計測開始点へのウエハステージ８（及
びＺステージ９）の移動が完了すると、主制御系１００
は光源制御系３００を介してパルス光源２を発振させ
る。すると、そのパルス光源２から射出された照明光Ｉ
ＬによりレチクルＲ上のレチクルパターンＲＰが照射さ
れ、その照射に基づくレチクルパターンＲＰの投影像が
投影光学系１を介して基準板１６上に投影される。一
方、前記主制御系１００は前記光源制御系３００に対す
る制御指令とともに前記駆動系へウエハステージ８等を
移動開始させるための制御指令を送る。そのため、前記
パルス光源２からの照明光ＩＬによりレチクルパターン
ＲＰが照射された状態において、ウエハステージ８等は
レチクルステージ５に対して相対移動することになる。
本実施形態では、前記主制御系１００から駆動系への制
御指令は、ウエハステージ８を＋Ｘ方向（図１において
右方向）へ移動させるための制御指令であったものとし
て以下説明する。さて、ウエハステージ８（及びＺステ
ージ９）が前記計測開始点に位置した状態において、前
記パルス光源２から射出された照明光ＩＬにより図２に
示す両レチクルパターンＲＰ１，ＲＰ２のうちＸ方向計
測用のレチクルパターンＲＰ１が照射されると、そのレ
チクルパターンＲＰ１の投影像が基準板１６上の前記セ
ンサパターンＳＰ１近傍位置における遮光部２５上に投
影される。この状態では、前記レチクルパターンＲＰ１
の各透過部２１ａ〜２１ｇに対応する投影像の結像光は
未だセンサパターンＳＰ１の透過部２４に入射していな
い。そのため、受光センサ１７が前記結像光を受光する
こともなく、従って、受光センサ１７から出力される光
電信号の出力値はゼロのままである。なお、本実施形態
では、前記照明光ＩＬによりＹ方向計測用のレチクルパ
ターンＲＰ２が照射されないように、照度均一化照明系
３は図示しない可変視野絞りを用いて照明光ＩＬの通過
範囲をＸ方向計測用のレチクルパターンＲＰ１のみを照
射するように制限している。

【００４３】そして、その状態から主制御系１００の制
御指令に基づきウエハステージ８が＋Ｘ方向へ移動を開
始すると、光波干渉計１２によりウエハステージ８のＸ
軸方向座標位置が０．６ｎｍ単位で検出される。また、
同時に、レチクルステージ５のＸ軸方向座標位置及びＺ
ステージ９のＺ軸方向座標位置が前記光波干渉計７及び
ＡＦセンサ１３により検出され、それらの各位置検出信
号は主制御系１００へそれぞれ逐次供給される。また、
主制御系１００は、それらの各位置検出信号を投影像位
置検出系２００へ転送する。

【００４４】主制御系１００では、前記計測開始点から
ウエハステージ８が移動開始してから一定時間経過する
毎に第１信号としてのパルス信号ＰＳを出力する構成に
なっている。即ち、スキャン時におけるセンサパターン
ＳＰの移動距離（位置変化量）とは無関係に一定時間間
隔でパルス信号ＰＳが出力される。なお、このパルス信
号ＰＳの発振周波数はパルス光源２の最高繰り返し周波
数と同等又はそれよりも低く設定されるが、ウエハステ
ージ８のスキャン速度を同一とした場合、パルス信号Ｐ
Ｓの発振周波数を高くした方が空間的なデータサンプリ
ング間隔は小さくなる。

【００４５】言い換えれば、所望の平均サンプリング間
隔を得ようとした場合、パルス光源２を最高繰り返し周
波数で発光させた方がウエハステージ８のスキャン速度
は速くすることができる。これは計測時間短縮に有効で
あるため、露光装置に一般的に用いられるパルス光源の
最高繰り返し周波数の範囲（２００〜２ｋＨｚ）におい
ては、パルス信号ＰＳの発振周波数は可能な限り高く、
即ちパルス光源２の最高繰り返し周波数と同等に設定す
ることが好ましい。

【００４６】また、平均サンプリング間隔はレチクルパ
ターンＲＰ１の投影像の構造を再現するに十分小さい間
隔（例えばレチクルパターンＲＰ１のピッチの１／１
０）でなければならないため、スキャン時におけるウエ
ハステージ８の移動速度に制限を加えた制御を行う必要
があることはもちろんである。例えば、ウエハステージ
８をその最高速度で移動すると、平均サンプリング間隔
がその上限値（レチクルパターンのピッチなどから一義
的に決定される）を越える場合には、ウエハステージ８
をその最高速度よりも遅い速度で移動して、平均サンプ
リング間隔を上限値以下とする。

【００４７】そのため、本実施形態では、前記パルス信
号ＰＳの発振周波数をパルス光源２の最高繰り返し周波
数５００Ｈｚと同一となるように設定している。即ち、
投影像位置検出のためにウエハステージ８がスキャン方
向へ移動開始してから所定時間（本実施形態ではパルス
光源２の最高繰り返し周波数が５００Ｈｚであるから２
ｍｓｅｃ）経過する毎に、主制御系１００からパルス信
号ＰＳが光源制御系３００及び投影像位置検出系２００
へ出力される。すると、このパルス信号ＰＳに基づき光
源制御系３００がパルス光源２を発光させ、そのパルス
発光に基づく照明光ＩＬによって前記レチクルパターン
ＲＰ１が前記と同様に照射される。

【００４８】一方、前記計測開始点からウエハステージ
８が＋Ｘ方向へ移動を開始すると、前記照明光ＩＬの照
射に基づくレチクルパターンＲＰ１の投影像の結像光が
センサパターンＳＰ１の透過部２４に入射し始める。即
ち、ウエハステージ８の＋Ｘ方向への移動に伴い、前記
レチクルパターンＲＰ１の各透過部２１ａ〜２１ｇのう
ち最も＋Ｘ方向側に位置する透過部２１ａに対応するス
リット状投影像の結像光が、まず最初にセンサパターン
ＳＰ１の透過部２４に入射し、その入射光量が前記受光
センサ１７により測定される。そして、前記ウエハステ
ージ８を＋Ｘ方向へ更に移動させることによりレチクル
パターンＲＰ１の全ての透過部２１ａ〜２１ｇに対応す
る投影像をセンサパターンＳＰ１の透過部２４上でスキ
ャンすると、そのスキャン時における入射光量が受光セ
ンサ１７により積分された光量として測定される。

【００４９】なお、測定された入射光量は受光センサ１
７により光電信号に光電変換された後、前記主制御系１
００からパルス信号ＰＳが出力されるのに同期して、光
波干渉計１２等から出力される位置検出信号と並列に投
影像位置検出系２００へ取り込まれる。このように、本
実施形態では、主制御系１００からパルス信号ＰＳが出
力されるのに同期して、パルス光源２が発光すると共
に、そのパルス発光により形成されるレチクルパターン
ＲＰ１の投影像の結像光がセンサパターンＳＰを通過し
て受光センサ１７により逐次受光され、その受光量が光
電変換されて光強度分布を表す光電信号が求められる。
従って、かかる光電信号に基づく光強度分布としては、
規則的なタイミングでその分布状況が変化するものを得
ることができる。

【００５０】図４（ａ）は、前記スキャン時における受
光センサ１７からの出力信号Ｉ、即ち、受光センサ１７
が受光した結像光の積算光量に基づく光電信号の波形を
示したものであり、図４（ｂ）は、その出力信号ＩをＸ
方向の座標位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘの波形を表
したものである。また、図４（ａ）（ｂ）において、縦
軸は受光された結像光の光強度を表し、横軸はＸ方向の
位置ｘを表している。ここで、図４（ａ）に示されるよ
うに、前記出力信号Ｉの数値（光強度）はウエハステー
ジ８が＋Ｘ方向へ移動するに従い次第に高くなる。そし
て、レチクルパターンＲＰ１の投影像とセンサパターン
ＳＰ１の透過部２４とが一致した位置においてピーク値
となり、その位置から更にウエハステージ８が＋Ｘ方向
へ移動するに従い低くなる。即ち、レチクルパターンＲ
Ｐ１の投影像とセンサパターンＳＰ１の透過部２４とが
一致した位置においては、レチクルパターンＲＰ１にお
ける全ての透過部２１ａ〜２１ｇに対応する投影像の結
像光がセンサパターンＳＰ１の透過部２４を通過するか
らである。

【００５１】さて、前記主制御系１００がパルス信号Ｐ
Ｓを出力したのに同期して、前記光波干渉計１２等から
の位置検出信号と前記受光センサ１７からの出力信号Ｉ
とを並列に取り込んだ投影像位置検出系２００では、下
記に示す式（２）に従い位相検出法によって投影像の像
位置Ｘの検出を行う。即ち、前述した従来の位相検出法
における式（１）の正弦関数及び余弦関数でｘ方向の位
置を示す「ｊ×Δｘ」の項を、前記出力信号Ｉと共に並
列に取り込んだ光波干渉計１２からの位置検出信号に基
づくサンプリング座標値ｘｊに置き換え、

【００５２】

【数２】 の計算から像位置Ｘの座標値を求めている。但し、上記
式（２）において、ｘｊはウエハステージ８に対応する
光波干渉計１２により前記パルス信号ＰＳの出力タイミ
ングに同期して計測された各サンプリング座標値であ
り、Ｓ（ｘｊ）は投影像の光強度分布である。

【００５３】上記式（２）では、前述した従来の式
（１）の場合とは異なり、位相検出法による算出時に用
いる正弦関数及び余弦関数の数値を、光波干渉計１２に
より実際にサンプリング計測された各サンプリング座標
値を変数としている。そのため、図５（ｂ）に示すよう
に、レチクルパターンＲＰの投影像に対応する波形信号
ＲＰＷと正弦関数の波形信号ＳｉｎＷ及び余弦関数の波
形信号ＣｏｓＷとの間で、サンプリング点とｘ座標の関
係は常に揃うことになる。従って、投影像の光強度分布
を再現するための出力信号Ｉを、ウエハステージ８の移
動距離とは無関係に所定時間（２ｍｓｅｃ）経過する毎
に得る場合において、例え、ウエハステージ８の移動速
度に速度誤差が生じていたとしても、位相検出法による
像位置Ｘの検出結果に誤差が生じることはなくなる。そ
して、このようにして求められた像位置Ｘの座標値から
レチクルＲとウエハＷとのステッピング露光に際しての
相対的基準位置が求められ、この基準位置に基づきレチ
クルＲとウエハＷとの相対的位置合せ（アライメント）
が行われる。

【００５４】さて、本実施形態では、上記のように投影
露光装置を構成したことにより、次のような効果を得る
ことができる。 （１）本実施形態では、ウエハステージ８が計測開始点
から＋Ｘ方向へ移動開始してから一定時間経過する毎に
主制御系１００からパルス信号ＰＳが出力され、同パル
ス信号ＰＳの出力に同期して、パルス光源２が発光させ
られると共に、その時点におけるＸ軸方向座標位置にお
いて受光センサ１７が受光した結像光に基づく出力信号
Ｉ（光電信号）が投影像位置検出系２００に取り込まれ
る構成となっている。即ち、主制御系１００から出力さ
れるパルス信号ＰＳをトリガー信号として、パルス光源
２によるレチクルパターンＲＰ１の照射と、その照射に
基づき形成される投影像の結像光の光強度サンプリング
とが同時に行われる構成となっている。

【００５５】従って、本実施形態においては、スキャン
時における投影像位置検出のための光強度サンプリング
タイミングとパルス光源２の発光タイミングとが必ず一
致し、サンプリング時において本来ならばパルス光源２
からの照明光ＩＬの光束がセンサパターンＳＰ１の透過
部２４を通過する位置状態にあるにも拘わらず、受光セ
ンサ１７から光強度ゼロを示す出力信号Ｉが出力される
ことはなくなる。 （２）また、本実施形態では、投影像位置検出のために
ウエハステージ８（及びＺステージ９）と共にセンサパ
ターンＳＰをステッピング露光時におけるスキャン方向
に沿う＋Ｘ方向へ移動させ、同センサパターンＳＰが移
動を開始してから一定時間経過する毎にレチクルパター
ンＲＰ１を照射することにより、その各Ｘ軸方向座標位
置での光強度をデータサンプリングしてレチクルパター
ンＲＰ１の投影像とセンサパターンＳＰ１とがＸ軸方向
へ相対移動した際に受光される結像光束の光強度分布を
検出するようにしている。従って、ステッピング露光時
のステッピング方向と同方向に関するレチクルＲとウエ
ハＷとの相対的な基準位置（この位置は、いわゆるベー
スライン量を計測する際の基準位置にも使用可能であ
る。）を容易に求めることができる。 （３）また、本実施形態では、レチクルパターンＲＰが
スキャン方向へ等間隔ピッチで並列に設けられた複数本
（７本）のスリット状の透過部２１ａ〜２１ｇにより構
成される一方、前記各透過部２１ａ〜２１ｇを通過した
結像光束を受光するためのセンサパターンＳＰがスキャ
ン方向の端部をエッヂ２３とする正方形の開口パターン
により構成されている。従って、センサパターンＳＰに
よる受光面積を大きく取ることができるとともに、レチ
クルパターンＲＰの各透過部２１ａ〜２１ｇのスリット
幅によって前記開口パターンを変更する必要がなく、セ
ンサパターンＳＰの形成を容易に行うことができる。 （４）また、本実施形態では、投影像位置検出のための
スキャン（相対移動）時において、３つある各ステージ
５，８，９のうち１つのステージ（ウエハステージ８）
のみを移動させ、他の２つのステージ（レチクルステー
ジ５，Ｚステージ９）は停止状態にする構成とした。従
って、スキャン時におけるステージ駆動系の制御内容を
シンプルなものにすることができる。 （５）また、本実施形態では、露光用光源として設けら
れているＡｒＦエキシマレーザ、即ち、パルス光源２を
投影像位置検出のための照明用光源に兼用した構成にな
っている。従って、露光用光源とは別に照明用光源を別
途設ける必要がなく、装置コストを低減することができ
ると共に、露光時に使用される光の波長と同一波長の光
によって投影像位置を検出することができ、より精度の
良い位置合せ（アライメント）を行うことができる。 （６）また、本実施形態では、光源制御系３００を介し
てパルス光源２を発光させるための第１信号（本実施形
態ではパルス信号ＰＳ）の発振周波数がパルス光源２の
最高繰り返し周波数と同一に設定されている。従って、
ウエハステージ８を計測時にはパルス信号ＰＳがパルス
光源２の最高繰り返し周波数と同一の周波数で発振され
るような速度で移動できるので、計測時間が最も短くな
るようにでき、投影露光装置のスループットを向上する
ことができる。 （７）また、本実施形態では、位相検出法による像位置
Ｘの算出に際して用いられる正弦関数及び余弦関数の数
値を各サンプリングタイミング毎における実際のサンプ
リング座標値を変数としているため、ウエハステージ８
の速度誤差により空間的なサンプリング間隔が等間隔で
ない場合にも、投影像の像位置Ｘを位相検出法により正
確に検出することができる。

【００５６】なお、本発明に係る投影露光装置及び位置
検出方法は前記各実施形態に記載の態様に限定されるも
のではなく、以下のように、その実施形態を適宜に変更
してもよい。

【００５７】・即ち、前記実施形態では、投影像位置検
出のためのスキャン時において、ウエハステージ８と共
にセンサパターンＳＰを＋Ｘ方向へ移動させたが、計測
開始点の位置設定次第では−Ｘ方向へ移動させる構成と
してもよい。即ち、レチクルパターンＲＰの投影像とセ
ンサパターンＳＰとが相対移動する方向であれば、前記
各実施形態の場合と逆方向へ移動させる構成としてもよ
い。このようにしても、前記実施形態の（１）〜（７）
に記載したのと同様の効果を奏し得る。

【００５８】・前記実施形態では、前記スキャン時にお
いてレチクルパターンＲＰの投影像とセンサパターンＳ
Ｐとを第１方向であるＸ軸方向に沿って相対移動させる
構成としたが、同じく第１方向としてのＹ軸方向に沿っ
て相対移動させる構成としてもよい。この場合には、ウ
エハステージ８をＹ軸方向へ移動させると共に、Ｙ方向
計測用のレチクルパターンＲＰ２がパルス光源２により
照射され、このレチクルパターンＲＰ２の各透過部２１
ａ〜２１ｇに対応する投影像をセンサパターンＳＰ１上
でスキャンさせる。このようにしても、前記実施形態の
（１）〜（７）に記載したのと同様の効果を奏し得る。

【００５９】・前記実施形態では、ウエハステージ８を
Ｘ軸方向に沿って移動させることにより、レチクルパタ
ーンＲＰの投影像とセンサパターンＳＰとをＸＹ平面内
において相対移動させる構成としたが、ウエハステージ
８は停止状態としたままでＺステージ９のみをＺ軸方向
へ移動させることにより、レチクルパターンＲＰの投影
像とセンサパターンＳＰとをＺ軸方向に沿って相対移動
させる構成としてもよい。この場合には、予めレチクル
パターンＲＰとセンサパターンＳＰとがＸＹ方向におい
て一致するようにレチクルステージ５とウエハステージ
８とが位置合わせされたＸＹ平面内での位置を計測開始
点としておき、その位置からＺステージ９をレチクルス
テージ５に対して相対移動させる。

【００６０】この場合には、レチクルパターンＲＰの投
影像とセンサパターンＳＰとが結像関係になると、即
ち、Ｚステージ９の移動に伴いセンサパターンＳＰが焦
点位置に来ると、レチクルパターンＲＰの透過部２１ａ
〜２１ｇを通過した結像光束はほぼ全てセンサパターン
ＳＰの透過部２４を通過することとなり、その時点のＺ
軸方向座標位置で受光センサ１７から出力される信号Ｉ
（光電信号）の光強度はピーク値となる。従って、この
ようにすれば、前記実施形態の（１）及び（３）〜
（７）に記載の効果に加えて、投影光学系１の焦点位置
を容易且つ確実に検出することができる。また、Ｚステ
ージ９のＺ軸方向座標位置検出に使用される前記ＡＦセ
ンサ１３を複数設け、複数の点（多点）で位置検出する
ようにすれば投影光学系１の像面湾曲等にも良好に対処
することができる。

【００６１】・また、前記実施形態では、レチクルパタ
ーンＲＰの投影像とセンサパターンＳＰとを投影光学系
１の光軸ＡＸに直交する平面（ＸＹ平面）内でのみ相対
移動する構成としたが、これを更に光軸ＡＸに平行なＺ
軸方向へも同時に相対移動する構成としてもよい。即
ち、Ｘ軸方向とＺ軸方向の２方向又はＹ軸方向とＺ軸方
向の２方向へ同時に相対移動する構成とする。

【００６２】この場合には、図４（ａ）に示す信号波形
における階段状落差が、Ｚステージ９の移動に伴いセン
サパターンＳＰが結像位置（焦点位置）に近づくに従い
明瞭になり、その結像位置から離れるに従い不明瞭にな
る。また、図４（ｂ）に示す信号波形ではセンサパター
ンＳＰが結像位置（焦点位置）に近づくに従い振幅が大
きくなり、その結像位置から離れるに従い振幅は小さく
なる。これは、センサパターンＳＰが結像位置にあると
き、そのセンサパターンＳＰに掛かった投影像のコント
ラストは最大となっており、像の存在位置と非存在位置
の区別が明瞭になるのに対して、センサパターンＳＰが
Ｚ軸方向において結像位置からずれているときには、前
記投影像のコントラストは低下し、像の存在位置と非存
在位置の区別が不明瞭になっていくからである。従っ
て、この場合には、前記実施形態の（１）〜（７）に記
載の効果に加えて、投影光学系１の焦点位置をも容易且
つ確実に検出することができる。

【００６３】・また、前記実施形態では、前記スキャン
時においてレチクルパターンＲＰの投影像とセンサパタ
ーンＳＰとをＸＹ平面内において１つの方向（Ｘ軸方
向）へのみ相対移動させる構成としたが、これをＸＹ平
面内において２つの方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に相
対移動させる構成としてもよい。また、この場合におい
て更にＺ軸方向へも相対移動させる構成、即ち、ＸＹＺ
方向という３つの方向へ同時に相対移動させる構成とす
ることも可能である。

【００６４】この場合には、レチクルパターンＰＰが図
示されていない４５゜及び１３５゜方向計測用の各パタ
ーンが使用されると共に、センサパターンＳＰにはそれ
らのレチクルパターンに対応するセンサパターンＳＰ２
が使用される。このようにしても、前記実施形態の
（１）〜（３）及び（５）〜（７）に記載の効果と同様
の効果を奏し得る。

【００６５】・また、前記実施形態では、レチクルパタ
ーンＲＰ側は停止状態としてセンサパターンＳＰ側のみ
を移動させることによりレチクルパターンＲＰの投影像
とセンサパターンＳＰとを相対移動させたが、センサパ
ターンＳＰ側を停止状態としてレチクルパターンＲＰ側
のみを移動させる構成、又は両者ＳＰ，ＲＰを同時に異
なる方向へ移動させる構成としてもよい。このようにし
ても、前記実施形態の（１）〜（３）及び（５）〜
（７）に記載の効果と同様の効果を奏し得る。

【００６６】・また、前記実施形態では、レチクルＲの
上方からレチクルパターンＲＰを照射すると共に、投影
光学系１を介してウエハＷ側に投影されたその投影像
を、基準板１６上のセンサパターンＳＰにより受光する
構成としたが、レチクルパターンＲＰを照射した照明光
束が投影光学系１を介してその投影像をセンサパターン
ＳＰ上に投影する構成ならば、投影像の結像光を受光す
る構成は上記実施形態の態様には限定されない。

【００６７】例えば、前記実施形態における基準板１６
を反射鏡とし、その基準板１６により反射された投影像
を再び投影光学系１を介してレチクルＲ側に導き、レチ
クルＲを通過した投影像の結像光をレチクルＲの上方に
設けた受光センサに入射させる構成としてもよい。

【００６８】また、例えば、パルス光源２からの照明光
を光ファイバー等によりウエハステージ８内へ導くと共
に、その導入光を基準板１６の下方からセンサパターン
ＳＰの透過部２４を通して射出させ、投影光学系１を通
過した光によってレチクルパターンＲＰを照射し、その
投影像を上記と同様にレチクルＲの上方に設けた受光セ
ンサに入射させる構成としてもよい。

【００６９】また、例えば、ウエハＷ側の基準板１６に
第１パターン兼第２パターンとしてのスリット状パター
ンを形成し、その基準板１６の下方から同パターンを通
して照明光を射出させると共に、投影光学系１を通過し
た前記照明光をレチクルＲの像面側に反射させ、再び投
影光学系１を通過させて前記スリット状パターンにて受
光する構成としてもよい。

【００７０】以上のように構成しても、前記実施形態の
（１）〜（７）に記載の効果と同様の効果を奏し得る。 ・また、前記実施形態では、レチクルパターンＲＰをラ
イン・アンド・スペースパターンにより構成している
が、所定ピッチ間隔で連続する複数のホールパターンに
より構成してもよい。また、センサパターンＳＰについ
ても、矩形状の開口パターンには限定されず、ライン・
アンド・スペースパターンにて構成するなど、任意に変
更してもよい。このようにしても、前記実施形態の
（１）（２）及び（４）〜（７）に記載の効果と同様の
効果を奏し得る。

【００７１】・また、前記実施形態では、パルス光源２
が、投影露光のための露光用光源及び投影像位置検出の
ための照明用光源として兼用しているが、パルス光源２
を照明用光源専用とし、露光用光源は別途に設ける構成
としてもよい。このようにしても、前記実施形態の
（１）〜（５）及び（７）に記載の効果と同様の効果を
奏し得る。

【００７２】・また、投影光学系１のイメージフィール
ド内の複数点にそれぞれレチクルパターンを配置し、前
記実施形態と同様に、複数点の各々での、Ｘ方向又はＹ
方向に関するレチクルパターンの投影像の位置を検出す
ることで、干渉計１２によって規定される直交座標系Ｘ
Ｙ上でのレチクルＲ（即ち、その投影像）の位置だけで
なく、投影光学系１の投影倍率やディストーション（歪
曲収差）なども求めることができる。さらに、その複数
点の各々での、Ｚ方向に関するレチクルパターンの投影
像の位置を検出することで、投影光学系１の焦点位置だ
けでなく、像面傾斜、像面湾曲、非点収差なども求める
ことができる。なお、前述の複数点の各々での投影像位
置を検出するときには、複数のレチクルパターンが形成
されたレチクルを投影光学系１の物体面側に配置しても
よいし、あるいは少なくとも１つのレチクルパターンが
形成されたレチクルを、投影光学系１の物体面側で移動
するようにしてもよい。

【００７３】・また、前記実施形態では、投影像位置検
出のための照明用光源としてパルス状に発光するパルス
光源２を用いたが、これに代えて、連続発光する超高圧
水銀ランプなどの連続光源を用いるようにしてもよい。
この場合には、前記実施形態において主制御系１００か
らパルス信号ＰＳが出力されるのに同期してパルス光源
２を発光制御していた光源制御系３００を省略できるた
め、制御構成を簡単にすることができると共に、前記実
施形態の（１）〜（７）に記載の効果と実質同様の効果
を奏し得る。

【００７４】・また、前記実施形態では、ステップ・ア
ンド・リピート式の投影露光装置に具体化したが、本発
明はステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に
具体化してもよい。このようにしても、前記実施形態の
（１）〜（７）に記載の効果と同様の効果を奏し得る。

【００７５】・また、ステップ・アンド・リピート方
式、又はステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装
置に用いられる露光用照明光は、ＫｒＦエキシマレーザ
（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（波長１９
３ｎｍ）以外、例えば波長１５７ｎｍのＦ₂ レーザ、又
はＹＡＧレーザの高調波などでもよい。さらに、露光用
照明光として、例えば５〜１５ｎｍ（軟Ｘ線領域）に発
振スペクトルを有するＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）
光を用いてもよい。なお、ＥＵＶ光を使用する投影露光
装置は、反射マスク上での照明領域を円弧スリット状に
規定するとともに、複数の反射光学素子（ミラー）のみ
からなる縮小投影光学系を有し、縮小投影光学系の倍率
に応じた速度比で反射マスクとウエハとを同期移動して
反射マスクのパターンをウエハ上に転写する。

【００７６】

【発明の効果】本願請求項１及び請求項２の発明、並び
に、本願請求項９及び請求項１０の発明によれば、一定
時間間隔のデータサンプリングに基づき位相検出法を用
いて投影像の像位置を検出する際において、ステージの
等速性に微視的なバラツキが存在する場合にも、投影像
の像位置を正確に検出することができる。特に、請求項
２の発明及び請求項１０の発明においては、パルス発光
光を投影像の位置検出用の照明光として使用した場合に
あっても、光強度サンプリング時において本来あるべき
光強度がゼロとして誤検出されることがないので、上記
した投影像の位置検出を確実に行うことができる。

【００７７】本願請求項３の発明によれば、前記請求項
１又は請求項２の発明の効果に加えて、ステッピング露
光前の位置合わせ（アライメント）に有益なレチクルと
ウエハとの相対的基準位置を容易に求めることができ
る。

【００７８】本願請求項４に記載の発明によれば、前記
請求項１又は請求項２の発明の効果に加えて、前記レチ
クルとウエハとの相対的基準位置及び投影光学系の結像
位置（焦点位置）を容易に求めることができる。

【００７９】本願請求項５の発明によれば、前記請求項
３又は請求項４の発明の効果に加えて、第２パターンに
よる受光面積を大きく取ることができると共に、そのよ
うな第２パターンの形成を容易に行うことができる。

【００８０】本願請求項６の発明によれば、前記請求項
４の発明の効果に加えて、投影像位置検出のための駆動
系の制御構成を簡単なものにすることができる。本願請
求項７の発明によれば、前記請求項２〜請求項６のうち
いずれか一項の発明の効果に加えて、所定の条件を満た
したとき出力される第１信号をトリガー信号とする発光
制御によってパルス光源を確実に発光させることができ
る。

【００８１】本願請求項８の発明によれば、前記請求項
１〜請求項７のうちいずれか一項の発明の効果に加え
て、光源に関する装置構成を簡素化できるとともに、投
影像位置の検出が露光時に使用される光の波長と同一波
長の光により行われるため、そのようにして求められた
位置を基準として、より精度の良い位置合わせ（アライ
メント）を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を具体化した投影露光装置全体の概略
構成図。

【図２】 レチクルパターン及びその周辺を示す平面
図。

【図３】 センサパターン及びその周辺を示す平面図。

【図４】 （ａ）は受光センサからの出力信号の波形を
示す図。（ｂ）は（ａ）の信号波形を微分平滑化処理し
た図。

【図５】 （ａ）は従来の位相検出時のサンプリング概
念図。（ｂ）は本発明における位相検出時のサンプリン
グ概念図。

【符号の説明】

１…投影光学系 ２…パルス光源 ５
…レチクルステージ ７…光波干渉計 ８…ウエハステージ ９
…Ｚステージ １２…光波干渉計 １３…ＡＦセンサ １
７…受光センサ １００…主制御系 ２００…投影像位置検出系 ３
００…光源制御系 ＲＰ…レチクルパターン ＳＰ…センサパターン
Ｉ…出力信号

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクに形成された所定パターンの像を
   基板上に投影する投影光学系を備えた投影露光装置にお
   いて、 前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方の側に配置
   される第１パターンに照明光を照射する光源と、 前記照明光の照射に基づく前記投影光学系による前記第
   １パターンの投影像を前記投影光学系の物体面側又は像
   面側の一方又は他方に配置される第２パターンを介して
   受光するパターン検出手段と、 前記第１パターンの投影像と前記第２パターンとの相対
   移動時に、前記第１パターンの投影像と第２パターンと
   の相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で第１信号
   を出力するとともに、前記第１パターンの投影像と前記
   第２パターンとの相対位置に対応した第２信号を出力す
   る第１位置検出手段と、 前記パターン検出手段から前記第１パターンの投影像受
   光に基づき出力される光電信号と、前記第１位置検出手
   段から出力される第２信号とを、前記第１位置検出手段
   による第１信号の出力に同期して並列に取り込み、前記
   相対移動の方向に関する前記第１パターンの投影像の位
   置を位相検出法を用いて算出し、その算出時に用いる正
   弦関数及び余弦関数の数値を、前記第１信号の出力に同
   期して取り込まれた前記第２信号に基づく出力値を変数
   として発生させるようにした第２位置検出手段とを備え
   た投影露光装置。
2. 【請求項２】 マスクに形成された所定パターンの像を
   基板上に投影する投影光学系を備えた投影露光装置にお
   いて、 前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方の側に配置
   される第１パターンにパルス発光光を照射するパルス光
   源と、 前記パルス発光光の照射に基づく前記投影光学系による
   前記第１パターンの投影像を前記投影光学系の物体面側
   又は像面側の一方又は他方に配置される第２パターンを
   介して受光するパターン検出手段と、 前記第１パターンの投影像と前記第２パターンとの相対
   移動時に、前記第１パターンの投影像と第２パターンと
   の相対移動距離とは無関係に所定の時間間隔で第１信号
   を出力するとともに、前記第１パターンの投影像と前記
   第２パターンとの相対位置に対応した第２信号を出力す
   る第１位置検出手段と、 前記第１位置検出手段による第１信号の出力に同期して
   前記パルス発光光を発振させるように前記パルス光源を
   制御する光源制御手段と、 前記パターン検出手段から前記第１パターンの投影像受
   光に基づき出力される光電信号と、前記第１位置検出手
   段から出力される第２信号とを、前記第１位置検出手段
   による第１信号の出力に同期して並列に取り込み、前記
   相対移動の方向に関する前記第１パターンの投影像の位
   置を位相検出法を用いて算出し、その算出時に用いる正
   弦関数及び余弦関数の数値を、前記第１信号の出力に同
   期して取り込まれた前記第２信号に基づく出力値を変数
   として発生させるようにした第２位置検出手段とを備え
   た投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記第１パターン及び第２パターンは、
   両パターンのうち少なくともいずれか一方が前記投影光
   学系の光軸と直交する第１方向に沿って移動するもので
   ある請求項１又は請求項２に記載の投影露光装置。
4. 【請求項４】 前記第１パターン及び第２パターンは、
   両パターンのうち少なくともいずれか一方が前記投影光
   学系の光軸と直交する第１方向及び前記光軸に平行な第
   ２方向に沿ってそれぞれ移動するものであり、前記第２
   位置検出手段は、前記光電信号に基づく前記第１パター
   ンの投影像のコントラストが最も高くなる前記第２方向
   における位置を前記投影光学系の焦点位置として検出す
   るものである請求項１又は請求項２に記載の投影露光装
   置。
5. 【請求項５】 前記第１パターンは、前記投影光学系の
   物体面側に前記第１方向へ所定ピッチ間隔で配置される
   ライン・アンド・スペースパターンであり、前記第２パ
   ターンは、前記投影光学系の像面側に配置され、且つ、
   前記第１方向に関する幅が前記第１パターンの投影像の
   幅よりも大きい形状の開口パターンである請求項３又は
   請求項４に記載の投影露光装置。
6. 【請求項６】 前記第２パターンは、前記投影光学系の
   像面側に配置されて前記第１方向及び第２方向に沿って
   移動することにより当該第２パターンを前記第１パター
   ンの投影像に対して相対移動させるステージに設けられ
   ている請求項４に記載の投影露光装置。
7. 【請求項７】 前記第１位置検出手段は、前記パルス光
   源の最大発振周波数とほぼ同一の周波数で前記第１信号
   を出力するものである請求項２〜請求項６のうちいずれ
   か一項に記載の投影露光装置。
8. 【請求項８】 前記光源は、照明光学系を介して露光用
   照明光を照射する露光用光源との兼用光源であり、前記
   パターン検出手段は、前記照明光学系を介して前記露光
   用照明光を前記投影光学系の物体面側に配置した第１パ
   ターンに照射するものである請求項１〜請求項７のうち
   いずれか一項に記載の投影露光装置。
9. 【請求項９】 マスクに形成された所定パターンの像を
   基板上に投影する投影光学系を備えた投影露光装置に用
   いられ、前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方の
   側に配置される第１パターンに照明光を照射するととも
   に、同照明光の照射に基づく前記投影光学系による前記
   第１パターンの投影像を前記投影光学系の物体面側又は
   像面側の一方又は他方に配置される第２パターンを介し
   て検出することにより、前記第１パターンの投影像の位
   置を検出するようにした位置検出方法において、 前記第１パターンの投影像と前記第２パターンとを相対
   移動させ、その相対移動距離とは無関係に所定の時間間
   隔で出力される第１信号に同期して、前記第２パターン
   を介して検出した前記第１パターンの投影像を光電変換
   して得られる光電信号と、前記第１パターンの投影像と
   前記第２パターンとの相対位置変化に応じて出力される
   第２信号とを取り込んで、前記相対移動の方向に関する
   前記第１パターンの投影像の位置を位相検出法を用いて
   算出し、その算出時に用いる正弦関数及び余弦関数の数
   値を、前記第１信号の出力に同期して取り込まれた前記
   第２信号に基づく出力値を変数として発生させるように
   した位置検出方法。
10. 【請求項１０】 マスクに形成された所定パターンの像
    を基板上に投影する投影光学系を備えた投影露光装置に
    用いられ、前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方
    の側に配置される第１パターンにパルス光源からのパル
    ス発光光を照射するとともに、同パルス発光光の照射に
    基づく前記投影光学系による前記第１パターンの投影像
    を前記投影光学系の物体面側又は像面側の一方又は他方
    に配置される第２パターンを介して検出することによ
    り、前記第１パターンの投影像の位置を検出するように
    した位置検出方法において、 前記第１パターンの投影像と前記第２パターンとを相対
    移動させ、その相対移動距離とは無関係に所定の時間間
    隔で出力される第１信号に同期して前記パルス発光光を
    発振させるとともに、前記第２パターンを介して検出し
    た前記第１パターンの投影像を光電変換して得られる光
    電信号と、前記第１パターンの投影像と前記第２パター
    ンとの相対位置変化に応じて出力される第２信号とを、
    前記第１信号の出力タイミングに同期して取り込んで、
    前記相対移動の方向に関する前記第１パターンの投影像
    の位置を位相検出法を用いて算出し、その算出時に用い
    る正弦関数及び余弦関数の数値を、前記第１信号の出力
    に同期して取り込まれた前記第２信号に基づく出力値を
    変数として発生させるようにした位置検出方法。