WO1999039374A1 - Procede d'exposition et dispositif associe - Google Patents

Description

明 細 書 露光方法及び装置 技術分野

本発明は、 例えば半導体素子、 撮像素子 （C C D等） 、 液晶表示素子， 又は薄膜磁気へッ ド等を製造するためのフォトリソグラフイエ程中で、 マスクパターン等のパターンを感光性の基板上に転写するために使用さ れる露光方法及び装置に関し、 特にステップ ' アンド · スキャン方式等 の走査露光型の投影露光装置に使用して好適なものである。 背景技術 _

例えば半導体素子を製造する際に、 マスクとしてのレチクルのパター ンをフォトレジス卜が塗布されたウェハの各ショット領域に転写するた めの露光装置として、 従来はステップ ' アンド ' リピート方式 （一括露 光型） の縮小投影型露光装置 （ステッパー） が多用されていた。 これに 対して最近、 投影光学系に対する負担をあまり重くすることなく、 高精 度に大面積の回路パターンを転写するという要請に応えるために、 レチ クル上のパターンの一部を投影光学系を介してウェハ上に投影した状態 で、 レチクルとウェハとを投影光学系に対して同期移動することにより， レチクル上のパターンの像を逐次ウェハ上の各ショット領域に転写する 所謂ステップ · アンド ·スキャン方式の投影露光装置が注目されている _t ステップ，アンド ， スキヤン方式のような走査露光型の投影露光装置 においても、 一括露光型と同様に投影光学系の像面に対してウェハの表 面を合わせ込んだ （合焦した） 状態で露光を行う必要がある。 ところが， 走査露光型では、 投影光学系による露光領域に対してウェハの表面が移 動して露光が行われるため、 ウェハの表面に段差等が存在する場合には， 予めその段差等を検出しておくことが望ましい。 そこで、 走査露光型で は、 例えば日本国特開平 6 - 2 8 3 4 0 3号公報に開示されているよう に、 露光領域に対して走査方向に手前側の先読み領域でウェハの表面の フォーカス位置 （投影光学系の光軸方向の位置） を検出し （先読みし） 、 この検出結果に基づいてオートフォーカス方式、 及びォ一トレペリング 方式でウェハの表面のフォーカス位置、 及び傾斜角を制御する先読み制 御技術が開発されている。

上記の如く従来の走査露光型の投影露光装置では、 先読み制御技術を 用いることによって、 移動しているウェハの表面を投影光学系の露光領 域で像面に対して所定の許容範囲内で合焦させることが可能となってい た。 また、 従来の投影露光装置において、 例えばウェハを駆動するため のウェハステージとしては、 真直度の良好なガイ ドに沿って接触式で可 動ステージを駆動する方式 （以下、 「接触型ガイ ド方式」 と呼ぶ） が主 に採用されていた。

これに対して、 最近は、 露光工程のスループットを向上するために、 ウェハを高速に移動する必要性が高まっているため、 少なくとも部分的 には平面度の良好なガイドに沿ってエアーガイ ド （空気軸受） を介して 可動ステージを配置して、 リニアモー夕を用いて非接触にその可動ステ ージを駆動する方式、 又は少なくとも部分的には平面度の良好なガイ ド 面上に磁気浮上方式で可動ステージを支持して、 リニアモー夕を用いて 非接触でその可動ステージを駆動する方式のような、 非接触ガイ ド方式 のステージ装置が主流となって来ている。 これらの非接触ガイド方式の ステージ装置は、 ガイ ド面上の異物によって影響されにくく、 メンテナ ンス性に優れていると共に、 水平方向へのガイ ドとしての定盤からの振 動が可動ステージに伝わりにくい等の多くの利点がある。 しかしながら、 非接触ガイ ド方式のステージ装置は、 接触型ガイ ド方 式と比べると、 ガイ ド面に沿って比較的大きいピッチで比較的大きい振 幅のうねりが存在する傾向があり、 先読み制御技術を用いてォ一トフォ —カス方式、 及びオートレべリング方式で合焦を行う場合でも、 露光対 象のウェハの表面がデフォーカスする恐れがあった。 即ち、 従来の先読 み制御では、 ゥェ八表面のフォーカス位置の先読み位置から露光位置ま でのウェハステージの走り面の平面度は良好であるものとして制御され ていたため、 その走り面の平面度が悪い場合、 その走り面の傾斜角と、 その先読み位置から露光位置までの距離との積に応じたデフォーカス量 が残存する恐れがあった。

最近は、 転写対象の回路パターンの一層の微細化に対応するため、 投 影光学系の開口数が更に増大し、 これに伴って投影像の焦点深度が狭く なっているため、 そのようなウェハステージの走り面の傾斜角に基づく デフォーカス量も無視できない状況になって来ている。

本発明は斯かる点に鑑み、 例えば走査露光方式で露光を行う場合のよ うに、 露光対象の基板を投影光学系等の光学系に対して相対移動する場 合でも、 露光対象の基板の表面を高精度に像面に合わせ込むことができ る露光方法を提供することを第 1の目的とする。

更に本発明は、 例えば走査露光方式で露光を行う場合のように、 露光 対象の基板を投影光学系に対して相対移動する場合に、 その基板を移動 するためのステージの走り面の傾斜角が緩やかに変化レているような場 合でも、 その基板の表面を高精度に像面に合わせ込むことができる露光 方法を提供することを第 2の目的とする。

また、 本発明はそのような露光方法を使用できる露光装置、 及びその ような露光方法を用いて製造される高機能のデバイスを提供することを 第 3の目的とする。 発明の開示

本発明による第 1の露光方法は、 所定のパターン （例えばマスク上の 転写用のパターン） の像を基板 （W) 上に投影する光学系 （P L ) と、 その基板をその光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基 板ステージ （ 1 0 ) とを用いて、 そのパターンの像をその基板上に転写 する露光方法において、 その光学系 （P L ) による露光領域 （4 6 ) に 対してその相対移動方向に手前側の計測点 （8 1 , 8 2 ) で、 その基板 の表面の高さを計測する工程と、 その基板ステージの走り面 （8 7 ) の 傾斜角に関する値を計測する工程と、 その基板の表面の高さ、 及びその 基板ステージの走り面の傾斜角に関する値の計測結果に基づいて、 その 光学系の露光領域でその基板の表面をその光学系の像面に近付けて露光 を行う工程と、 を有するものである。

斯かる本発明の第 1の露光方法によれば、 その基板ステージの走り面 が傾斜している場合でも、 計測されたその基板ステージの走り面の傾斜 角に基づいて、 その基板の表面の高さを補正することにより、 露光時に より高精度にその基板の表面をその光学系の像面に合わせ込むことがで きる。

次に、 本発明による第 2の露光方法は、 所定のパターンの像を基板 (W) 上に投影する光学系 （P L ) と、 その基板をその光学系に対して 所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージ （ 1 0 ) と、 を用い て、 そのパターンの像をその基板上に転写する露光方法において、 その 基板ステージ上に配置した平面度の良好な基準部材 （8， 8 9 ) を用い てその基板ステージの移動ス卜ローク内における複数の位置で、 その基 板ステージのローリング量、 ピッチング量、 及びその光学系の光軸方向 への変位量のうち少なくとも 1つを計測し、 この計測結果を記憶するェ 程と、 その計測結果に基づいて、 その基板に対する露光時にその基板ス テ一ジの走り方向の位置、 及びその基板の表面の高さのうち少なくとも 一方を補正する工程と、 を有するものである。

斯かる第 2の露光方法によれば、 予めその基板ステージのローリング 量、 ピッチング量等の分布を計測しておくことで、 その基板ステージの ねじれ等によって生じるその基板ステージのローリング量、 ピッチング 量の変動値を求めることができる。 そのため、 その変動値を用いること で、 例えば、 露光時に行われるその基板ステージのレべリング制御にお ける誤差の影響を低減させることができる。

次に、 本発明による第 3の露光方法は、 所定のパターンの像を基板 (W) 上に投影する光学系 （P L ) と、 その基板をその光学系に対して 所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージ （1 0 ) と、 を用い て、 そのパターンの像をその基板上に転写する露光方法において、 その 相対移動方向に関してその光学系による露光領域 （4 6 ) より先に、 そ の基板上の転写領域に到達する第 1の計測点 （8 1 A〜 8 1 E ) でその 基板の高さ位置を計測する工程と、 その相対移動方向に関して、 その第 1の計測点より先に、 その基板上の転写領域に到達する第 2の計測点 ( 8 4 A , 8 4 B ) でその基板の高さ位置を計測する工程と、 その第 2 の計測点での計測値に基づいて、 その基板の高さの位置を、 その第 1の 計測点でその基板の高さ位置を測定する装置の検出可能範囲に移動させ ておく工程と、 を有するものである。

斯かる第 3の露光方法によれば、 その第 2の計測点で例えば広い検出 レンジで大まかにその基板の高さを検出することで、 その基板の高さを その第 1の計測点における例えば高分解能ではあるが狭い検出レンジに 引き込んでおくことができる。 従って、 基板の表面の段差が大きいよう な場合でも、 その基板の表面を高精度に像面に合わせ込むことができる ₍ 次に、 本発明による第 1の露光装置は、 所定のパターン （例えばマス クに形成された転写用のパターン） の像を基板 （W) 上に投影する光学 系 （PL) と、 その基板をその光学系に対して所定の相対移動方向に相 対移動させる基板ステージ （10) とを備え、 そのパターンの像をその 基板上に転写する露光装置において、 その光学系 （PL) による露光領 域 （46) に対してその相対移動方向に手前側の計測点 （8 1, 82) で、 その基板の表面の高さを計測する焦点位置計測装置 （44A) と、 その基板ステージの走り面の傾斜角に関する値を計測する傾斜角計測用 装置 （ 1 2Y, 1 3 Y, 14Y, 1 5 Y, 44 A) と、 その焦点位置計 測装置によって計測された値と、 その傾斜角計測用装置によって計測さ れた値とに基づいて、 その光学系 （PL) の露光領域 （46) でその基 板の表面をその光学系の像面に合わせ込む合焦用ステージ （9, 45) と、 を有するものである。

斯かる本発明の第 1の露光装置によれば、 本発明の第 1の露光方法が 実施できる。

次に、 本発明による第 2の露光装置は、 所定のパターンの像を基板 (W) 上に投影する光学系 （PL) と、 その基板をその光学系に対して 所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージ （1 0) と、 を備え, そのパターンの像をその基板上に転写する露光装置において、 その基板 ステージ上に配置した平面度の良好な基準部材 （8, 89) を用いてそ の基板ステージの移動ストロ一ク内における複数の位置で、 その基板ス テージのローリング量、 ピッチング量、 及びその光学系の光軸方向への 変位量のうち少なくとも 1つを計測する計測装置 （44 A, 12 X, 1 2 Y) と、 この計測装置の計測結果を記憶するとともに、 その基板に対 する露光時に、 その計測結果に基づいて、 その基板ステージの走り方向, 及びその基板の表面の高さの少なくとも一方を補正する合焦用ステージ (9, 45) と、 を有するものである。

斯かる本発明の第 2の露光装置によれば、 本発明の第 2の露光方法が 実施できる。

次に、 本発明による第 3の露光装置は、 所定のパターンの像を基板 (W) 上に投影する光学系 （PL) と、 その基板をその光学系に対して 所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージ （1 0) と、 を備え、 そのパターンの像をその基板上に転写する露光装置において、 その光学 系 （PL) による露光領域 （46) に対してその相対移動方向に手前側 の第 1の計測点 （8 1 A〜8 1 E) で、 その基板の表面の高さを計測す る第 1の焦点位置計測装置 （5 1〜64) と、 その第 1の計測点の近傍 に設定された第 2の計測点 （84A, 84 B) で、 その基板の高さの位 置を計測する第 2の焦点位置計測装置 （65〜74) と、 その第 2の焦 点位置計測装置の計測結果に基づいてその基板の表面の高さをその第 1 の焦点位置計測装置の検出可能範囲に収める合焦用ステージ （9， 45) と、 を有するものである。

斯かる第 3の露光装置によれば、 その第 1の焦点位置検出装置として は、 一例として検出可能範囲 （検出レンジ） は狭くとも検出分解能 （精 度） が極めて細かい （高い） 検出系を使用する。 この結果、 その基板ス テージの走り面の傾斜角が部分的に大きく変化すると、 その基板上の第 1の計測点がその第 1の焦点位置検出装置の検出可能範囲から外れ易く なる。 このようにその第 1の計測点がその検出可能範囲から外れたとき には、 例えば検出分解能はそれ程細かくなくとも検出可能範囲の広い第 2の焦点位置検出装置によって、 その第 1の計測点の近傍でのその基板 の高さを大まかに計測し、 この計測結果よりその第 1の計測点の近傍で の高さ （フォーカス位置） を光学系 （PL) の像面に合わせ込むことに よって、 その第 1の計測点の高さはその第 1の焦点位置検出装置の検出 可能範囲内に収められる。 従って、 本発明の第 1又は第 3の露光方法を 容易に実施できる。

また、 その第 2の計測点 （8 4 A， 8 4 B ) は、 その相対移動方向に 関し、 その第 1の計測点 （8 1 A〜8 1 E ) の更に手前側に配置されて いることが望ましい。 このように第 2の計測点を手前に配置することで， 例えば走査露光を行う場合に走査露光が始まる前に基板の表面を像面に 合わせ込んでおくことができる。

また、 その第 2の焦点位置検出装置の検出レンジは、 その第 1の焦点 位置検出装置の検出レンジより広いことが望ましい。 これによつて、 そ の基板のエッジ部でその基板の高さが大きく変動しているような場合で も、 その第 2の焦点検出装置でその基板の高さを検出できる。

また、 その第 2の計測点 （8 4 A , 8 4 B ) は複数設けることが望ま しい。—複数の計測点での計測結果より基板の傾斜角をも大まかに補正す ることができる。

また、 その合焦用ステージは、 その第 1の計測点及びその第 2の計測 点 （望ましくは 5点、 又はそれ以上） で計測されたその基板の高さ位置 の最大値と最小値との中間値に基づいてその基板のその光学系の光軸方 向に関する位置を制御 （m a x— m i n制御） するとともに、 その光軸 方向に関する位置の制御 （オートフォーカス制御） の際に発生する誤差 を、 その基板の高さ位置の値を用いて補正することでその基板の傾斜角 を制御 （オートレべリング制御） することが望ましい。 シミュレーショ ンによれば、 この条件のときにデフォーカス量の残留誤差が種々の波長 のうねりに対して全体として小さくなる。

次に、 本発明によるデバイスは、 所定のパターンが形成されたデバイ スであって、 本発明の露光方法又は露光装置を用いて、 そのパターンの 像をその基板 （W) 上に転写するため、 その基板の表面を高精度に投影 光学系の像面に合わせ込むことができ、 高機能のデバイスを製造するこ とができる。

また、 上記の本発明の露光方法、 又は露光装置における所定のパター ンの一例は、 マスク上に形成された転写用のパターンである。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の好適な実施の形態の一例で使用される投影露光装置 を示す概略構成図である。 図 2は、 図 1の投影露光装置のウェハ側のス テージのレーザ干渉計システムを示す一部を簡略化した斜視図である。 図 3 (a) は、 図 2の分岐合成光学系 1 3 X、 及びこの周辺の部材の構 成を示す正面図、 図 3 (b) は、 図 3 (a) のダブルパスユニット 1 8 X等を示す平面図である。 図 4は、 ダブルパス干渉方式によってミラ一 面 8 Xの傾斜が計測用ビーム LX 1の横シフトを生ずることの説明図で ある。 図 5は、 図 2におけるステージ回転角検出系 1 5 Xを示す構成図 である。 図 6 (a) は、 図 5の計測用ビーム LX 1の横シフトによって 回折格子 3 5 B上で 2光束の集光点が移動する様子を示す図、 図 6 (b) は、 図 5の計測用ビーム L X Iの傾斜によって回折格子 35 A上で 2光 束の集光点が移動する様子を示す図である。 図 7は、 本発明の実施の形 態における AFセンサ 44 Aの高精度なセンサ部の構成を示す側面図で ある。 図 8は、 その実施の形態における露光領域、 及びフォーカス位置 の検出点の配置を示す平面図である。 図 9 (a) は、 その実施の形態に おける A Fセンサ 44 Aの広い検出レンジのセンサ部の構成を示す側面 図、 図 9 (b) は、 図 9 (a) 中のスリッ ト像等を示す図である。 図 1 0 (a) は、 フォーカス位置の検出点の配置の他の例を示す平面図、 図 1 0 (b) は、 フォーカス位置の検出点の配置の更に他の例を示す平面 図である。 図 1 1は、 ウェハステージの走り面の傾斜角変動によってピ ツチング量 0 Xが変化する様子を示す図である。 図 12は、 試料台 8上 でウェハホルダ 88の代わりにスーパ一フラッ 卜厚ウェハ 89を載置す る様子を示す説明図である。 図 13 (a) は、 スーパーフラット厚ゥェ 八 89を示す平面図、 図 1 3 (b) は、 図 1 3 (a) の側面図である。 図 14は、 部分先読みで合焦制御を行う場合の残留誤差を示す図である _c 図 1 5は、 ウェハステージの加速度と 1ショッ卜当たりの処理時間との 関係を示す図である。 図 1 6は、 位相回転誤差を完全に取り除くために 必要な露光領域と先読み領域との間隔を示す図である。 図 1 7は、 位相 回転誤差を補正する場合、 及び更にゲインを上げる場合の説明に供する 図である。 図 1 8は、 ウェハの表面のうねりによってデフォーカス量が 変化する状態を示す図である。 図 1 9は、 AF制御について平均値補正 を行い、 A L制御について最小二乗近似補正を行う場合のフォーカス位 置の残留誤差を示す図である。 図 20は、 AF制御について ma X— m i n補正を行い、 AL制御について最小二乗近似補正を行う場合のフォ 一カス位置の残留誤差を示す図である。 図 2 1は、 合焦系の応答周波数 を 10Hzとして、 AF制御について平均値補正を行い、 AL制御につ いて最小二乗近似補正を行う場合のフォーカス位置の残留誤差を示す図 である。 図 22は、 合焦系の応答周波数を 10Hzとして、 AF制御に ついて ma x— m i n補正を行い、 A L制御について最小二乗近似補正 を行う場合のフォーカス位置の残留誤差を示す図である。 図 23は、 図 1 9〜図 22中のフォーカス位置の総合的な残留誤差をまとめて示す図 である。 図 24は、 フォーカス位置の先読み点数を 3点、 及び N点にし た場合の AL制御での残留誤差を示す図である。 図 25 (a) は、 ゥェ ハ W上を X方向、 Y方向にそれぞれ偶数個のショット領域に分割するシ ヨットマップを示す図、 図 25 (b) は、 ウェハ W上を X方向に奇数個、 Y方向に偶数個のショッ卜領域に分割するショッ トマップを示す図であ る。 図 2 6は、 フォーカス位置の先読み位置がウェハの外周から露光可 能領域にかかるまでにウェハが移動する間隔等を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の好適な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、 本発明をステップ ·アンド · スキャン方式の投影露光装置 に適用したものである。 図 1は本例のステップ ' アンド · スキヤン方式 の投影露光装置を示し、 この図 1において露光時には、 光源、 フライア ィレンズ、 視野絞り、 コンデンサレンズ等を含む照明光学系 1からの水 銀ランプの i線、 又はエキシマレ一ザ光等の露光光 I Lが、 レチクル R のパターン面 （下面） のスリット状の照明領域を照明する。 露光光 I L のもとで、 レチクル Rの照明領域内のパターンの像が投影光学系 P Lを 介して所定の投影倍率 i3 ( 3は 1 / 4， 1 / 5等） で、 フォトレジスト が塗布されたウェハ W上のスリット状の露光領域 4 6内に投影露光され る。 以下、 投影光学系 P Lの光軸 A Xに平行に Z軸を取り、 その光軸 A X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 軸を取って説明する。

先ず、 レチクル Rはレチクルステージ 2上に真空吸着によって保持さ れ、 レチクルステージ 2はレチクルベース 3上でエア一ベアリングを介 して浮上した状態で、 リニアモー夕によって Y方向 （走査方向） に連続 移動すると共に、 X方向、 Y方向、 及び回転方向にレチクル Rの位置の 微調整を行う。 レチクルステージ 2の側面に固定された移動鏡 （実際に は直交する 2枚の移動鏡よりなる） 4に外部のレーザ干渉計 5から計測 用のレーザビームが照射され、 レーザ干渉計 5の内部で生成される不図 示の参照用のレーザビームと移動鏡 4から反射されるレーザビームとの 干渉光を、 レーザ干渉計 5内の光電検出器で受光することによって、 レ チクルステージ 2 (レチクル R ) の 2次元的な位置が計測されている。 この計測結果がレチクルステージ制御系 6に供給され、 レチクルステー ジ制御系 6は、 装置全体の動作を統轄制御する主制御系 7の制御のもと で、 レチクルステージ 2の位置や移動速度を制御する。

一方、 ウェハ Wは、 ウェハホルダを兼用する試料台 8上に真空吸着に よって保持され、 試料台 8は Zチル卜ステージ 9上に固定され、 Zチル 卜ステージ 9は X Y 0ステージ 1 0上に載置され、 Χ Υ Θステージ 1 0 は、 定盤 1 1上にエア一ベアリングを介して浮上した状態で、 リニアモ —夕によって X方向、 Y方向 （走査方向） 、 及び回転方向に試料台 8 (ウェハ W) の移動及び位置決めを行う。 Zチルトステージ 9、 Χ Υ Θ ステージ 1 0、 及び定盤 1 1よりウェハステージが構成されている。 Z チルトステージ 9は、 ウェハ Wの投影光学系 P Lの光軸 A X方向の位置 (フォーカス位置） の制御及び傾斜角の制御 （レべリング） を行う。 そのため、 投影光学系 P Lの側面に光学式で斜入射方式の多点の焦点 位置検出系としてのオートフォーカスセンサ （以下、 「A Fセンサ」 と 呼ぶ） が配置され、 この A Fセンサによって、 ウェハ Wの表面の露光領 域内及びこれに対して走査方向に先行する先読み領域内の複数の検出点 でのフォーカス位置が検出され、 検出結果が合焦制御系 4 5に供給され ている。 図 1では、 それらの A Fセンサの内で露光領域内でのフォー力 ス位置を検出する A Fセンサ 4 4 B、 及び 2方向の先読み領域内でのフ ォ一カス位置を検出する A Fセンサ 4 4 A， 4 4 Cが示されている。 合 焦制御系 4 5は、 主制御系 7の制御のもとで、 供給されたフォーカス位 置の情報からゥェ八 Wの露光領域内の表面を投影光学系 P Lの像面に合 焦させるための、 Zチルトステージ 9のフォーカス位置及び傾斜角の制 御量をウェハ Wの位置に対応して算出し、 この制御量に基づいてオート フォーカス方式、 及びォ一トレベリング方式で Zチルトステージ 9の動 作を制御する。 本例では、 更に Zチルトステージ 9の走査方向に対する ピッチング量の計測結果も合焦制御系 4 5に供給され、 合焦制御系 4 5 は、 そのピッチング量の計測結果より Zチルトステ一ジ 9のフォーカス 位置及び傾斜角の制御量を補正する。

また、 本例のゥェ八ホルダを兼用する試料台 8は、 低膨張率の石英、 又はガラスセラミックス等から形成され、 試料台 8の— X方向及び + Y 方向の側面は鏡面加工されて、 それぞれ X軸用のミラ一面 8 X及び Y軸 用のミラー面 8 yとなっている （図 2参照） 。 ミラ一面 8 x及び 8 yは それぞれ X軸及び Y軸にほぼ垂直な反射面であり、 互いに直交している： ミラー面 8 X及び 8 yはそれぞれ干渉計用の移動鏡として作用し、 本例 の試料台 8は、 2軸の移動鏡を兼用しているとみなすことができる。 更 に、 投影光学系 P Lの一 X方向の側面下部にミラー面 8 Xと実質的に平 行な反射面を有する X軸の参照鏡 1 4 Xが固定され、 その + Y方向の側 面下部にミラー面 8 yと実質的に平行な反射面を有する Y軸の参照鏡 1 4 Y (図 2参照） が固定されている。

そして、 図 1において、 X軸の干渉計本体 1 2 Xから射出されたレー ザビームが分岐合成光学系 1 3 Xによってそれぞれ X軸に平行な計測用 のレーザビーム （以下、 「計測用ビーム」 と呼ぶ） L X 1、 及び参照用 のレーザビーム （以下、 「参照ビーム」 と呼ぶ） L X 2に分岐され、 計 測用ビーム L X 1は試料台 8の X軸のミラー面 8 Xに入射し、 参照用ビ ーム L X 2は X軸の参照鏡 1 4 Xに入射する。 また、 計測用ビーム L X 1は分岐合成光学系 1 3 Xとミラ一面 8 Xとの間を 2往復して干渉計本 体 1 2 Xに戻り、 参照用ビーム L X 2も分岐合成光学系 1 3 Xと参照鏡 1 4 Xとの間を 2往復して干渉計本体 1 2 Xに戻る （詳細後述） 。 即ち， 干渉計本体 1 2 X、 分岐合成光学系 1 3 X、 及び参照鏡 1 4 Xより X軸 のダブルパス方式のレーザ干渉計が構成され、 干渉計本体 1 2 Xでは、 戻って来る計測用ビーム LX 1及び参照用ビーム LX 2の干渉光を光電 変換して得た検出信号を補間及び積算処理することによって、 参照鏡 1 4Xを基準としてミラ一面 8 Xの X方向への変位を求め、 得られた変位 をウェハステージ制御系 43に供給する。 ウェハステージ制御系 43で は、 その変位に所定のオフセットを加算して試料台 8の X座標を求める' この場合、 計測用ビーム LX 1及び参照用ビーム LX 2としては、 一 例として波長 633 nmのH e— N eレーザビ一ムをそれぞれ所定の周 波数 Δ f 及び— Δ f で周波数変調した光束が使用され、 且つ両ビームは 一例としてそれぞれ直線偏光で偏光方向が直交している。 この方式にて 両光束の分割、 合成を行うことで、 ヘテロダイン干渉方式で変位計測が なされる。 また、 本例はダブルパス方式であるため、 計測用ビーム LX 1の波長を λとすると、 電気的な補間を行わないときには試料台 8の変 位を分解能 λΖ4で検出できる。 これはシングルパス方式での分解能 (λ/2) の 1/2の分解能である。 更に、 本例では電気的な補間処理 を加えて最終的な分解能を例えば λΖ40 (= 10 nm) 〜え/ 400 (= 1 nm) 程度にしている。

また、 本例では、 X軸のダブルパス方式のレーザ干渉計と共に、 Y軸 のダブルパス方式のレーザ干渉計も設けられている。

図 2は、 図 1の投影露光装置のウェハ側のステージのレーザ干渉計シ ステムを示す。 但し、 図 2では分かり易くするため、 一部の光学部材を 省略し、 且つ例えばプリズム型のビームスプリッタを平板状のビームス プリツ夕で表している。 この図 2において、 Y軸の干渉計本体 12Yか ら射出されたレーザビームが、 分岐合成光学系 1 3 Yによってそれぞれ Y軸に平行な計測用ビーム LY 1、 及び参照ビーム LY 2に分岐され、 計測用ビーム LY 1は試料台 8の Y軸のミラー面 8 yに入射し、 参照用 ビーム LY 2は Y軸の参照鏡 14Yに入射する。 また、 計測用ビーム L Y 1は分岐合成光学系 1 3 Υとミラ一面 8 yとの間を 2往復して干渉計 本体 1 2 Yに戻り、 参照用ビーム L Y 2も分岐合成光学系 1 3 Yと参照 鏡 1 4 Yとの間を 2往復して干渉計本体 1 2 Yに戻る。 干渉計本体 1 2 Yでは、 戻って来る計測用ビーム L Y 1及び参照用ビーム L Y 2の干渉 光を光電変換して得た検出信号を補間及び積算処理することによって、 参照鏡 1 4 Yを基準としてミラ一面 8 yの Y方向への変位を求め、 得ら れた変位を図 1のウェハステージ制御系 4 3に供給する。 ウェハステー ジ制御系 4 3では、 その変位に所定のオフセッ卜を加算して試料台 8の Y座標を求める。

また、 図 2に示すように、 X軸の計測用ビーム L X 1の光軸 （2往復 する際の中心線） は X軸に平行で投影光学系 P Lの光軸 A Xを通る直線 上にあり、 Y軸の計測用ビーム L Y 1の光軸も Y軸に平行で光軸 A Xを 通る直線上にある。 従って、 本例では投影光学系 P Lの光軸 A Xの位置、 即ち実質的にスリット状の露光領域の中心 （露光中心） の位置がアッベ 誤差の無い状態で高精度に計測できる。

図 1に戻り、 ウェハステージ制御系 4 3は、 主制御系 7の制御のもと で、 干渉計本体 1 2 X， 1 2 Yを介して計測される試料台 8の X座標、 Y座標に基づいて X Y 0ステージ 1 0の移動速度や位置決め動作を制御 する。 露光時には、 先ず X Y 0ステージ 1 0をステッピング駆動するこ とによって、 ウェハ W上の次に露光されるショット領域を走査開始位置 に設定する。 その後、 レチクルステージ 2を介してレチクル Rを + Y方 向 （又は— Y方向） に速度 V _R で走査するのと同期して、 X Y Sステ一 ジ 1 0を介してウェハ Wを— Y方向 （又は + Y方向） に速度 ν、"== /3 · V R ) ( /3は、 投影光学系 P Lのレチクル Rからウェハ Wへの投影倍率） で走査することによって、 当該ショッ ト領域にレチクル Rのパターン像 が走査露光される。 また、 不図示であるが、 本例の投影露光装置にはレチクル Rの位置、 及びウェハ Wの位置を計測するためのァライメントセンサが備えられ、 このァライメントセンサの計測結果に基づいて、 レチクル Rとウェハ W 上の各ショット領域との位置合わせが行われる。

さて、 上述のように本例では、 X方向及び Y方向についてそれぞれ 1 軸のダブルパス方式のレーザ干渉計を用いて、 試料台 8 (ウェハ W) の X座標及び Y座標が計測され、 この計測結果に基づいて試料台 8の位置 決め、 及び走査露光が行われている。 しかしながら、 例えばその走査露 光時に、 試料台 8で Z軸に平行な軸の周りの回転 （ョーイング） がある と、 レチクル Rとウェハ Wとの間で重ね合わせ誤差が生じることになる また、 本例では計測用ビーム L X 1， L Y 1の高さと、 ウェハ Wの表 面との間に Z方向の間隔があるため、 試料台 8に X軸に平行な軸の周り の回転 （走査方向へのピッチング） 、 又は Y軸に平行な軸の周りの回転 (走査方向へのローリング） があると、 アッベ誤差によってウェハ Wの 実際の位置と、 干渉計本体 1 2 X , 1 2 Yを介して計測される座標との 間に位置ずれが生ずる。 更に、 X Y 0ステージ 1 0が移動する定盤 1 1 の表面、 即ち X Y 0ステージ 1 0の走り面の傾斜角、 特に X軸に平行な 軸の周り （走査露光時のピッチング方向） の傾斜角が変化していると、 走査露光時にウェハ Wの Y方向の位置に応じてウェハ Wの表面のフォー カス位置が変化してしまう。 そこで、 本例では走査露光時に常時、 試料 台 8のョ一^ rング量、 ピッチング量、 及びローリング量を計測するよう にしている。

以下では、 試料台 8の X軸、 Y軸、 及び Z軸に平行な軸の周りの回転 角を計測するための機構につき詳細に説明する。 本例では、 変位計測用 のダブルパス方式のレーザ干渉計の計測用ビーム L X 1， L Y 1を用い て回転角の計測も行うため、 そのレーザ干渉計の構成を含めて図 2〜図 6を参照して詳細に説明する。

図 2において、 X軸の干渉計本体 1 2 Xから射出されたレーザビーム は、 分岐合成光学系 1 3 Xにおいて偏光ビームスプリツ夕 1 7 Xに入射 し、 偏光ビームスプリッ夕 1 7 Xで反射される S偏光の参照用ビーム L X 2と、 その偏光ビームスプリツ夕 1 7 Xを透過して X軸に平行に進む P偏光の計測用ビーム LX 1 とに分岐される。 後者の計測用ビーム LX 1はダブルパスュニッ卜 1 8 Xに入射する。

図 3 (a) は図 2の分岐合成光学系 1 3 Xを + Y方向に見た正面図、 図 3 (b) は図 3 (a) のダブルパスユニット 1 8 Xの平面図であり、 図 3 (b) に示すように、 ダブルパスユニット 1 8 Xは、 偏光ビームス プリッ夕 2 6、 この射出面に被着された 1 Z4波長板 2 7、 及び偏光ビ —ムスプリッ夕 2 6の側面に被着されたコーナキューブ 2 8より構成さ れている。 ダブルパスュニッ ト 1 8 Xに入射した計測用ビーム LX 1は、 一度偏光ビームスプリッ夕 2 6及び 1 Z4波長板 2 7を透過して、 円偏 光状態で試料台 8のミラー面 8 Xで反射される。 反射された計測用ビー ム LX 1は、 1 /4波長板 2 7を経て S偏光となり偏光ビームスプリツ 夕 2 6で反射された後、 コーナキュ一ブ 2 8で反射されて再び偏光ビー ムスプリッ夕 2 6で反射され、 1/4波長板 2 7を経て円偏光状態で再 びミラー面 8 Xで反射される。 反射された計測用ビーム LX 1は、 1 Z 4波長板 2 7を介して P偏光となって偏光ビームスプリッ夕 2 6を透過 して反射率の小さいビームスプリッ夕 1 9 Xに入射する。

図 3 (a) に示すように、 ビームスプリツ夕 1 9 Xで反射された計測 用ビーム LX 1はステージ回転角検出系 1 5 Xに入射し、 ビ一ムスプリ ッ夕 1 9 Xを透過した計測用ビーム LX 1は、 傾斜角可変の平行平板ガ ラス 2 0 Xを経た後、 偏光ビームスプリツ夕 1 7 Xを透過して干渉計本 体 1 2 Xに戻る。 平行平板ガラス 2 0 Xは、 駆動装置 2 3 Xによって直 交する 2軸の周りに所望の角度だけ傾斜できるように構成され、 駆動装 置 2 3 Xの動作は図 1のウェハステージ制御系 43によって制御されて いる。 平行平板ガラス 2 0 Xの傾斜角は、 計測用ビーム LX 1と参照用 ビーム LX 2との重なり量が最大になるように制御される。

図 2に戻り、 偏光ビームスプリツ夕 1 7 Xで反射された参照用ビーム LX 2は、 ミラー （実際には反射プリズム） 2 I Xで X軸に平行な方向 に反射された後、 不図示の偏光方向を 9 0 ° 回転するための 1/2波長 板を介して P偏光となってダブルパスュニッ卜 2 2 Xに入射する。 この ダブルパスユニッ ト 2 2 Xは、 図 3 (b) のダブルパスユニット 1 8 X と同じ構成であり、 参照用ビーム LX 2はダブルパスユニット 2 2 Xと 参照鏡 1 4 Xとの間を 2往復した後、 ダブルパスュニッ ト 2 2 Xを通過 する。 分かり易くするため、 図 2では省略されているが、 実際には図 3 (a) に示すように、 ダブルパスユニッ ト 2 2 Xの— X方向側の射出面 には反射率の小さいビームスプリッ夕 24 Xが配置され、 ビームスプリ ッ夕 24 Xで反射された参照用ビーム LX 2は参照回転角検出系 1 6 X に入射し、 ビームスプリッ夕 24Xを透過した参照用ビーム LX 2は、 不図示の 1 /2波長板を経て S偏光となってミラ一 2 1 Xで反射された 後、 偏光ビームスプリッ夕 1 7 Xで反射されて干渉計本体 1 2 Xに戻る _t この場合、 図 2において、 試料台 8が例えば Z軸に平行な軸 （例えば 光軸 AX) の周りに角度 （ョーイング量） だけ回転すると、 ミラ一 面 8 Xで最初に反射される計測用ビーム LX 1は、 Y方向に傾斜して反 射される。 ところが、 この傾斜角 （振れ角） はダブルパスユニット 1 8 Xとの間を 2往復することによって横シフ卜量に変換される。

図 4は、 ダブルパスユニット 1 8 Xにおいて、 ミラー面 8 Xの回転角 が計測用ビーム LX 1の横シフトを生ずることの説明図であり、 この図 4において、 計測用ビーム LX 1の光軸とダブルパスュニッ ト 1 8 X内 の偏光ビームスプリッ夕 26の反射面との交点から、 それぞれミラー面 8 Xまでの距離を L 1、 コーナキューブ 28の頂点までの距離を L 2と する。 距離 L 1は試料台 8の X座標の関数であるため、 以下では距離 L 1を L I (X) とする。 また、 ミラー面 8 Xが回転していない状態では, 計測用ビーム LX 1は実線の光路に沿ってダブルパスュニット 1 8 と ミラー面 8 Xとの間を 2往復するものとして、 ミラ一面 8 Xが Z軸に平 行な軸の周りに角度 0 ( r a d) だけ回転すると、 1回目に反射される 計測用ビーム LX 1の方向は、 点線の光路 Q 3で示すように角度 Θだけ 傾斜する。 ところが、 コーナキューブ 2 8では、 入射光束と射出光束と が平行であるため、 このように傾斜した計測用ビーム LX 1は、 ダブル パスュニッ 卜 1 8 Xからミラ一面 8 Xに反射される際に同じ角度だけ傾 斜している。 従って、 ミラー面 8 Xから 2回目に反射される計測用ビ一 ム LX 1の方向は、 点線の光路 P 3で示すように入射時と平行であり、 且つミラ一面 8 Xが回転していない場合と比べて Y方向に ΔΥだけ横シ フトしている。 計測用ビーム LX 1は、 ダブルパスユニッ ト 18 Xとミ ラ一面 8 Xとの間を 2往復するため、 横シフ卜量 ΔΥは近似的に次のよ うになる。

ΔΥ=4 (L 1 (X) +L 2) θ (1)

同様に、 ミラー面 8 Xが Υ軸に平行な軸の周りに角度 （Υ方向への口 —リング量） 0だけ回転している際にも、 ダブルパスユニッ ト 1 8 と ミラー面 8 Xとの間を 2往復して戻される計測用ビーム LX 1は、 Ζ方 向に （ 1) 式と同じ量だけ横シフトする。

図 2に戻り、 ミラー面 8 Xにョ一イング量 0 Ζが発生して、 ミラ一面 8 Xで反射される計測用ビーム LX 1が光路 Q 3で示すように Υ方向に 傾斜すると、 上述のように、 ダブルパスユニット 1 8 Xを通過した後、 ビームスプリッ夕 1 9 Xで反射されてステージ回転角検出系 1 5 Xに入 射する計測用ビーム LX 1の位置は、 光路 P 3で示すように Y方向に横 シフトする。 同様に、 ミラー面 8 xにローリング量 ΘΥが発生して、 ミ ラ一面 8 Xで反射される計測用ビーム LX 1が光路 Q2で示すように Z 方向に傾斜すると、 ダブルパスュニット 1 8 Xを通過してビームスプリ ッ夕 1 9 Xで反射されてステージ回転角検出系 1 5 Xに入射する計測用 ビーム LX 1の位置は、 光路 P 2で示すように X方向に横シフ卜する。 但し、 レーザ光源の揺らぎ等に起因して、 干渉計本体 1 2Xから射出 されるレーザビーム自体の横シフト及び傾きが発生しても、 ステージ回 転角検出系 1 5 Xに入射する計測用ビーム LX 1の位置が横シフ卜する < そこで、 レーザビーム自体の横シフト及び傾きに起因する横シフトの補 正を行うために、 ステージ回転角検出系 1 5 Xでは、 入射する計測用ビ ーム LX 1の初期位置に対する X方向への横シフト量 ΔΧ 1、 及び Y方 向への横シフト量 Δ Y 1の他に、 その計測用ビーム LX 1の初期の傾斜 角 （振れ角） に対する X方向への傾斜角△ 1 (r a d、 以下同様） ， 及び Y方向への傾斜角△ Y 1を計測し、 計測結果を図 1のウェハステ ージ制御系 43に供給する。 ステージ回転角検出系 1 5 Xの構成につい ては後述する。

更に、 図 2において、 ステージ回転角検出系 1 5 Xによって計測され る計測用ビーム LX 1の見かけ上の横シフト量 ΔΧ 1， ΔΥ 1から、 レ 一ザビーム自体の角度変化や横ずれに起因する横シフト量を分離するた めに、 図 3 (a) に示すように、 参照回転角検出系 16 Xにおいて参照 用ビーム LX2の 2次元的な横シフト量 ΔΧ2， ΔΥ2、 及び 2次元的 な傾斜角 ΔΦΥ2を計測し、 計測結果を図 1のウェハステ一 ジ制御系 43に供給する。 ウェハステージ制御系 43では、 一例として 次のように、 レーザビームの傾斜の影響を除去した後の参照用ビーム L Χ 2の正確な横シフ ト量 ΔΧκ , Δ YR を求める。 即ち、 干渉計本体 1 2 X内のレーザビームの射出点から参照回転角検出系 1 6 X内での横シ フト量の検出面までの距離を L。 とすると、 ほぼ次のようになる。

ΔΧκ =ΔΧ 2— L。· Δ ψ X 2 ( 2 A)

ΔΥ_Κ =ΔΥ 2— 1^₀'Δ φΥ 2 ( 2 Β)

次に、 ウェハステージ制御系 43は、 計測用ビーム LX 1の見かけ上 の横シフト量 ΔΧ Ι , ΔΥ 1から、 参照用ビーム LX 2の正確な横シフ ト量 Δ Χ_Κ , Δ YR 、 及び計測用ビーム L X 1の傾きに起因する横シフ ト量を差し引いて、 ミラー面 8 Xの回転角のみに起因する横シフト量△ ΧΜ , Δ YM を求める。 この際に、 干渉計本体 1 2 X内のレーザビーム の射出点からステージ回転角検出系 1 5 X内での横シフト量の検出面ま での距離を、 試料台 8の X座標の関数 L (X) で表すと、 計測用ビーム 1の傾斜角 1， △ Y 1に起因する X方向、 Y方向への横シ フト量はそれぞれほぼ L (X) · Δ φΧ 1、 及び L (X) · ΔφΥ 1と なる。 従って、 ウェハステージ制御系 4 3は、 計測用ビーム LX 1のミ ラ一面 8 Xの回転角のみに起因する横シフト量 Δ Χ_Μ , Δ Υ_Μ をそれぞ れ次式より算出する。

AXM =AX 1 -A XR - L (X) · Δ φΧ 1 (3 A)

AYM = AY 1 -A YR - L (X) · Δ Υ 1 ( 3 Β) なお、 ステージ回転角検出系 1 5 Xで検出される計測用ビーム LX 1 の傾斜角 Δ φΧ Ι , Δ ΦΥ 1は、 それぞれ原理上は参照回転角検出系 1 6 Xで検出される参照用ビーム LX 2の傾斜角 Δ φ X 2 , Δ (/) Υ 2と等 しいため、 （3 Α) 式、 （3 Β) 式における傾斜角 Δ φ X 1， Δ Υ 1 を傾斜角 Δ φΧ 2， Δ ΦΥ 2で置き換えてもよい。 この場合には、 ステ ージ回転角検出系 1 5 Xには、 計測用ビーム LX 1の振れ角を検出する 機能を持たせる必要がない。 また、 両方に参照回転角検出系を設け、 そ の検出結果の差を求めることでミラー面 8 χと 8 Vとの直交度変化を調 ベることができる。

また、 図 4に示すように、 計測用ビーム LX 1の光軸からコーナキュ ーブ 2 8の頂点までの距離 L 2は予め求めて記憶され、 その光軸と偏光 ビームスプリツ夕 2 6の反射面との交点からミラ一面 8 Xまでの距離 L 1は、 干渉計本体 1 2 Xで計測される試料台 8の X座標、 及び所定のォ フセットの和として求めることができる。 これらより、 ウェハステージ 制御系 4 3は、 （ 1 ) 式の横シフト量 ΔΥに （3 A) 式の横シフト量△ χ_Μ を代入することによって、 ローリング量 0 Yを算出すると共に、 ( 1) 式の横シフト量 ΔΥに （3 B) 式の横シフト量 ΔΥ_Μ を代入する ことによって、 ョ f ング量 Θ Ζを算出する。

また、 図 2に示すように、 Y軸の分岐合成光学系 1 3 Yにおいても、 X軸の分岐合成光学系 1 3 Xと対称に、 干渉計本体 1 2 Yから射出され たレーザビームが偏光ビームスプリッ夕 1 7 Yで Y軸に平行に進む計測 用ビーム LY 1と、 参照用ビーム LY 2とに分岐され、 計測用ビーム L Y 1は、 ダブルパスユニット 1 8 Yと試料台 8の Y軸のミラ一面 8 yと の間を 2往復した後、 ビームスプリツ夕 1 9 Y、 傾斜角可変の平行平板 ガラス 2 0 Υ及び偏光ビ一ムスプリッタ 1 7 Υを経て干渉計本体 1 2 Υ に戻る。 また、 ビームスプリツ夕 1 9 Υで反射された計測用ビーム LY 1が Υ軸のステージ回転角検出系 1 5 Υに入射し、 ここで横シフト量、 及び傾斜角 （振れ角） が検出される。 一方、 参照用ビーム LY 2は、 ミ ラー 2 1 Υで反射されて、 ダブルパスュニット 2 2 Υと Υ軸の参照鏡 1 4 Υとの間を 2往復した後、 ミラー 2 1 Υ及び偏光ビームスプリッ夕 1 7 Υを経て干渉計本体 1 2 Υに戻る。 この場合にも、 不図示であるが、 ダブルパスュニッ ト 2 2 Υとミラ一 2 1 Υとの間にビームスプリッ夕が 配置され、 このビームスプリツ夕で反射された参照用ビーム LY 2が図 3 (a) の参照回転角検出系 1 6 Xと同じ構成の Y軸の参照回転角検出 系に入射し、 ここでも横シフト量及び傾斜角が検出される。

このとき、 図 2において、 試料台 8が Y方向へのピッチングを起こし て、 X軸に平行な軸の周りに角度 （走査方向へのピッチング量） だ け回転すると、 ミラ一面 8 yで 1回目に反射される計測用ビーム L Y 1 は、 点線の光路 Q 5で示すように Z方向に傾斜する。 そして、 ダブルパ スュニット 1 8 Yを経てステージ回転角検出系 1 5 Yに入射する計測用 ビーム L Y 1の位置は、 光路 P 5で示すように Y方向に横シフ卜する。 この場合にも、 レーザビーム自体の横シフト及び傾斜の影響を除いた計 測用ビーム L Y 1の横シフト量は、 （ 1 ) 式と同様に、 ミラ一面 8 yの Y座標、 及びピッチング量 0 Xを用いて表されるため、 ウェハステージ 制御系 4 3はその横シフ卜量からピッチング量 0 Xを算出する。

また、 試料台 8が Z軸に平行な軸の周りに角度 （ョーイング量） Q τ だけ回転した場合には、 Υ軸のステージ回転角検出系 1 5 Υでも計測用 ビーム L Υ 1が X方向に横シフトを起こすため、 Υ軸のステージ回転角 検出系 1 5 Υで検出される計測用ビーム L Y 1の X方向への横シフ卜量 に基づいて、 ウェハステージ制御系 4 3はそのョーイング量 0 Ζを計算 する。 通常は、 X軸のステージ回転角検出系 1 5 Xでの計測用ビーム L X 1の横シフ卜量に基づいて計算されるョーィング量 θ Ζが使用される 力 例えば試料台 8を Υ方向に移動することによって、 X軸のミラ一面 8 Xの曲がり量を計測するような場合には、 Υ軸のステージ回転角検出 系 1 5 Υでの計測用ビーム L Υ 1の横シフ卜量に基づいて計算されるョ rング量 e zが使用される。

なお、 X軸の干渉計本体 1 2 X、 及び Y軸の干渉計本体 1 2 Yで、 共 通のレーザ光源からのレーザビームを使用するようにしてもよい。 この 場合には、 2つの干渉計本体 1 2 X， 1 2 Yから射出されるレーザビー ム自体の横シフト量、 及び傾斜角は共通であるため、 例えば Y軸の分岐 合成光学系 1 3 Yに参照用ビーム L Y 2の横シフト量、 及び傾斜角を検 出するための参照回転角検出系を設ける必要はなく、 光学系の構成が簡 素化される。

上述のように、 本例ではステージ回転角検出系 1 5 X， 1 5 Y及び参 照回転角検出系 1 6 Xにおいて、 入射する光ビームの 2次元的な橫シフ 卜量及び傾斜角が検出されている。 光ビームの横シフト量を検出するた めの簡便な方法としては、 例えば受光面が 4個に分割された 4分割受光 素子、 又は入射する光束の光量分布の 2次元的な重心位置を検出できる 光電検出器、 又は C C Dよりなる撮像素子等を用いる方法がある。 同様 に、 光ビームの傾斜角を検出するためには、 レンズ系の光学的フーリエ 変換面 （瞳面） において、 そのような 4分割受光素子、 光電検出器、 又 は C C Dよりなる撮像素子等を用いて光ビームの横シフト量を計測すれ ばよい。 但し、 本例ではより高精度に光ビームの横シフト量、 及び傾斜 角を検出するため、 以下のように 2光束レーザ干渉方式を用いる。 代表 的に、 X軸のステージ回転角検出系 1 5 Xの構成につき図 5を参照して 説明する。

図 5は、 ステージ回転角検出系 1 5 Xの構成を示し、 この図 5におい て、 入射した直線偏光の計測用ビーム L X 1は、 ハーフミラ一 2 9 Aに よって 2分割されて、 一方の光束は第 1の横シフト傾斜角検出系 3 O A に入射し、 他方の光束は、 第 2の横シフト傾斜角検出系 3 0 Bに入射す る。 後者の横シフト傾斜角検出系 3 0 Bは、 前者の横シフト傾斜角検出 系 3 O Aを 9 0 ° 回転したものである。 横シフト傾斜角検出系 3 O A内 において、 入射した光束は、 1 / 4波長板 3 1 Aにより円偏光となり、 ハーフミラ一 2 9 Bにより 2つの光束に分割される。

ハーフミラー 2 9 Bを透過した光束 （これも 「計測用ビーム L X 1 J と呼ぶ） は、 複屈折プリズム 4 0によってほぼ対称に広がるように P偏 光の第 1光束 b 1、 及び S偏光の第 2光束 b 2に分割される。 第 1光束 b l、 及び第 2光束 b 2は、 1 / 4波長板 3 1 Bにて円偏光に戻された 後、 第 1 リレーレンズ 4 1 Aを経て互いに平行な光束となる。 そして、 第 1光束 b 1は、 音響光学素子 3 3 Bに入射して所定の周波数 Fで周波 数変調され、 第 2光束 b 2、 及び周波数変調された第 1光束 b 1は、 第 2リレーレンズ 4 1 Bを介して所定ピッチの回折格子 3 5 B上に、 所定 の交差角で集光される。 周波数変調によって、 回折格子 3 5 B上にはピ ツチ方向に流れる干渉縞が形成される。 本例では、 回折格子 3 5 Bのピ ツチはその干渉縞のピッチの 2倍になるように設定してある。 なお、 ビ ート周波数を下げるために、 第 1光束 b 1及び第 2光束 b 2を互いに駆 動周波数が所定量だけ異なる音響光学素子で周波数変調してもよい。

この結果、 回折格子 3 5 Bによる第 1光束 b 1の + 1次回折光、 及び 第 2光束 b 2の一 1次回折光が、 平行に干渉光 b 3として回折格子 3 5 Bから射出される。 干渉光 b 3は、 周波数 Fで強度が変化するビート光 であり、 回折格子 3 5 Bからはそれ以外の 0次光等も射出される。 これ らの回折光は、 集光レンズ 3 6 Bを経て瞳フィル夕 3 7 Bに入射し、 土 1次回折光よりなる干渉光 b 3のみが瞳フィルタ 3 7 Bの開口を通過し て光電検出器 3 8 Bで受光され、 光電検出器 3 8 Bで干渉光 b 3を光電 変換して得られる周波数 Fのビート信号が信号処理系 3 9に供給される < 信号処理系 3 9内には音響光学素子 3 3 Bの駆動回路も組み込まれてお り、 信号処理系 3 9は、 例えばその駆動回路の周波数 Fの駆動信号と、 光電検出器 3 8 Bから供給される周波数 Fのビート信号との位相差 R E F 1 ( r a d ) を求める。

この場合、 複屈折プリズム 4 0内の計測用ビーム L X 1の入射位置と, 回折格子 3 5 B上の 2光束 b 1 , b 2の集光位置とは、 リレーレンズ 4 1 A , 4 1 Bに関して共役である。 従って、 図 6 ( a ) に示すように、 複屈折プリズム 4 0内の計測用ビーム L X 1の入射位置が実線の位置か ら点線で示す位置まで横ずれすると、 回折格子 3 5 B上での 2光束 b 1， b 2の集光位置は位置 B 1から B 2に横ずれして、 上述の位相差 R E F 1が変化する。 このとき、 回折格子 3 5 Bのピッチを P 1とすると、 所 定の係数 k 1を用いて計測用ビーム L X 1の横シフト量 （これを Δ Χ 1 とする） は、 次のように表すことができる。 そこで、 信号処理系 3 9は， 次式より求めた横シフト量 Δ Χ 1をウェハステージ制御系 4 3に供給す る。

厶 X 1 = k 1 · P 1 · R E F 1 / ( 2 π ) ( 4 )

また、 図 5において、 ハーフミラ一2 9 Βにて反射された光束 （これ も 「計測用ビーム L X 1」 と呼ぶ） は、 ハーフミラ一 2 9 C及びミラー 3 2により所定の間隔を持って平行に進む第 1光束 a 1、 及び第 2光束 a 2に分割される。 そして、 第 1光束 a 1は f Θレンズ 3 4に入射し、 第 2光束 a 2は音響光学素子 3 3 Aによって周波数 Fの周波数変調を受 けた後に f 0レンズ 3 4に入射し、 f 0レンズ 3 4を通過した 2光束 a 1， a 2は、 所定ピッチの回折格子 3 5 A上に、 所定の交差角で集光さ れる。 周波数変調によって、 回折格子 3 5 A上にはピッチ方向に流れる 干渉縞が形成され、 回折格子 3 5 Aのピッチはその干渉縞のピッチの 2 倍になるように設定してある。

この結果、 回折格子 3 5 Aによる第 1光束 a 1の + 1次回折光、 及び 第 2光束 a 2の一 1次回折光が、 平行に干渉光 a 3として回折格子 3 5 Aから射出される。 干渉光 a 3は周波数 Fで強度が変化するビート光で あり、 回折格子 3 5 Aから射出される種々の回折光は、 集光レンズ 3 6 Aを経て瞳フィルタ 3 7 Aに入射し、 士 1次回折光よりなる干渉光 a 3 のみが瞳フィル夕 3 7 Aの開口を通過して光電検出器 3 8 Aで受光され, 光電検出器 3 8 Aで干渉光 a 3を光電変換して得られる周波数 Fのビ一 卜信号が信号処理系 3 9に供給される。 信号処理系 39内には音響光学 素子 3 3 Aの駆動回路も組み込まれており、 信号処理系 3 9は、 一例と してその駆動回路の周波数 Fの駆動信号と、 光電検出器 3 8 Aから供給 される周波数 Fのビート信号との位相差 RE F 2 ( r a d) を求める。

この場合、 計測用ビーム LX 1の入射位置であるハーフミラ一 2 9 C の分割面に対して、 f Θレンズ 34によって回折格子 3 5 Aの配置面は ほぼ光学的フーリエ変換面 （瞳面） となっており、 ハーフミラー 2 9 C に入射する計測用ビーム LX 1の傾斜角が、 回折格子 3 5 Aでは横シフ ト量に変換される。 従って、 図 6 (b) に示すように、 ハーフミラ一 2 9 Cに対する計測用ビーム LX 1の傾斜角が実線の光路から点線で示す 光路に変化すると、 回折格子 3 5 A上での 2光束 a 1， a 2の集光位置 は位置 A 1から A 2に横ずれして、 上述の位相差 RE F 2が変化する。 回折格子 3 5 Aのピッチを P 2とすると、 所定の係数 k 2を用いて計測 用ビーム LX 1の傾斜角 （これを Δ ΦΧ 1 とする） は、 次のように表す ことができる。 そこで、 信号処理系 3 9は、 次式より求めた傾斜角 Δ φ X 1をウェハステージ制御系 43に供給する。

△ ^X l =k 2 ' P 2 ' RE F 2/ (27t) (5)

また、 ステージ回転角検出系 1 5 X内で、 ハーフミラ一 2 9 Aで分割 された他方の光束は第 2の横シフト傾斜角検出系 3 0 Bに入射し、 ここ では横シフト傾斜角検出系 3 O Aで検出される横シフト量及び傾斜角に 直交する方向への計測用ビーム LX 1の横シフト量 ΔΥ 1、 及び傾斜角 Δ φ Y 1が検出され、 検出結果がウェハステージ制御系 4 3に供給され る。 同様にして、 図 2の Y軸のステージ回転角検出系 1 5 Y、 及び図 3 (a) の参照回転角検出系 1 6 Xにおいても、 2光束干渉方式でそれぞ れ入射する計測用ビーム、 又は参照用ビームの横シフト量、 及び傾斜角 (振れ角） が検出される。 上述のように本例では、 図 2の干渉計本体 1 2 X , 1 2 Yから試料台 8に照射される変位計測用の計測用ビーム L X 1 , L X 2を利用して、 試料台 8のョーイング量 0 Z， ピッチング量 0 X、 及びローリング量 0 Yが常時計測されている。 この場合ウェハステージ制御系 4 3では、 走 查露光時にそのョ rング量 ø zを相殺するように、 図 1のウェハステ ージの X Y 0ステージ 1 0を介して試料台 8を回転する。 これによつて， レチクル Rとウェハ Wとの間に高い重ね合わせ精度が得られる。

また、 試料台 8のピッチング量 θ X及びローリング量 0 Yが発生する と、 図 2において、 ウェハ Wの表面と計測用ビーム L X 1， L Y 1との Z方向の間隔を（5 Zとして、 X方向に <5 Z · Θ Y、 Υ方向に δ Ζ · 0 X のアッベ誤差が発生する。 そこで、 ウェハステージ制御系 4 3は、 それ らのアッベ誤差を相殺するように χ γ øステージ i 0を介してウェハ W の X方向、 Y方向の位置を補正する。 これによつて、 ウェハ Wの高精度 な位置決めが行われる。 この場合、 例えば図 2に示すように、 本例では 1軸の計測用ビーム L X 1， L Y 1を利用して試料台 8の傾斜角が計測 されているため、 試料台 8のミラ一面 8 Xの Y方向の幅、 及びミラ一面 8 yの X方向の幅の全部がほぼ移動ストロークとなっている。

なお、 本例ではダブルパス方式であるため、 計測用ビーム L X 1， L Y 1はそれぞれ対応するミラー面との間を 2往復しているが、 この際の 往復する計測用ビームの光路の間隔は、 従来例のように 2軸のシングル パスのレーザビームの間隔に比べればかなり狭く、 計測用ビーム L X 1， L Y 1の広がりは無視できる程度である。 従って、 従来例と同等の移動 ストロークを得ればよいのであれば、 移動鏡、 即ち本例では試料台 8の ミラー面 8 x， 8 yを小さくでき、 ひいては試料台 8を小型、 軽量化で きる。 従って、 試料台 8の移動速度等の制御性を高めることができると 共に、 投影露光装置の設置面積 （フットプリント） を小さくできる。 また、 従来は例えば移動鏡の Z方向の幅が狭く、 Z方向に 2軸の計測 用ビームを照射して試料台のピッチング量、 及びローリング量を計測す る余地がないときには、 図 1の Zチルトステージ 9に相当するステージ 内に傾斜角計測機構 （デジタルマイクロメータ等） を設けて、 間接的に 試料台の傾斜角を計測し、 この傾斜角に基づいてウェハ Wの位置を補正 するようなことも行われていた。 この方式では、 ステージの機構が複雑 化すると共に、 傾斜角の計測結果の処理が煩雑であった。 これに対して、 本例では試料台 8の傾斜角が直接計測されているため、 ステージ機構を 簡素化した上で、 高精度にウェハ Wの位置制御を行うことができる。 ま た、 移動鏡としてのミラ一面 8 x， 8 yの厚さが薄い場合でも、 高精度 にピッチング量ゃローリング量を計測できる。

更に、 露光動作と並行に、 図 1の A Fセンサ 4 4 A , 4 4 B , 4 4 C を介して検出されるウェハ Wのフォーカス位置の情報に基づいて、 Zチ ルトステージ 9を駆動することによって、 オートフォーカス方式、 及び ォ一トレペリング方式でウェハ Wの表面が投影光学系 P Lの像面に合焦 されている。 この際に、 Zチルトステージ 9の動作は、 主に A Fセンサ 4 4 A , 4 4 B , 4 4 Cの計測結果のみに基づいて行うことができるた め、 より高精度、 且つより高い追従速度で合焦を行うことができる。 次に、 図 1の A Fセンサ 4 4 A、 及び A Fセンサ 4 4 C等を用いた基 本的な合焦動作、 及びこれらの A Fセンサの構成例につき説明する。

図 8は、 A Fセンサ 4 4 A , 4 4 C等によるフォーカス位置の検出点 の分布の一例を示し、 この図 8において、 投影光学系 P Lによるスリツ ト状の幅 Dの露光領域 4 6に対して走査方向 （Y方向） の両側に間隔 d 1で A Fセンサによる幅 Δ dの先読み領域 8 1 , 8 2が設定され、 先読 み領域 8 1及び 8 2内にそれぞれ検出レンジはあまり広くないが高精度 にフォーカス位置を検出するための 5個の検出点 8 1 A〜 8 1 E及び 8 2 A〜 8 2 Eが設定されている。 本例では先読み領域 8 1及び 8 2には それぞれ所定ピッチの干渉縞がウェハの表面に対して斜めに投影されて おり、 各干渉縞を 5個に分けた部分領域の中心を検出点 8 1 A〜8 1 E 及び 8 2 A〜 8 2 Eとみなしている。

また、 先読み領域 8 1， 8 2に対して更に走査方向の手前側に間隔 d 2で広い検出レンジで大まかにフォーカス位置を検出するためのラフな 先読み領域が設定されている。 そして、 —Y方向のラフな先読み領域に 2つの検出点 8 4 A， 8 4 Bが設定され、 + Y方向のラフな先読み領域 に 2つの検出点 8 5 A , 8 5 Bが設定されている。 露光領域 4 6に対し て— Y方向側の先読み領域内の高精度な検出点 8 1 A〜 8 1 E、 及びラ フな検出点 8 4 A， 8 4 Bでのフォーカス位置が図 1の A Fセンサ 4 4 Aによって検出され、 露光領域 4 6に対して + Y方向側の先読み領域内 の高精度な検出点 8 2 A〜8 2 E、 及びラフな検出点 8 5 A， 8 5 Bで のフォーカス位置が、 図 1の A Fセンサ 4 4 Aに対して対称に配置され ている A Fセンサ 4 4 Cで検出される。

また、 図 8の露光領域 4 6の中心に 1つの検出点 8 3が設定され、 検 出点 8 3でもあまり広くない検出レンジで高精度にフォーカス位置が検 出されている。 検出点 8 3でのフォーカス位置は、 図 1の中央の A Fセ ンサ 4 4 Bによって検出されている。 A Fセンサ 4 4 Bの方式は、 後述 のように干渉縞を投影する方式でもよいが、 従来のように検出点にスリ ット像を投影して、 その再結像される像の横ずれ量を検出する方式でも よい。

このように各検出点で検出されるフォーカス位置の情報は、 それぞれ 図 1の合焦制御系 4 5に供給されている。 また、 このように検出される フォーカス位置は、 それぞれ投影光学系 P Lの像面 （ベストフォーカス 位置） で 0になるようにキャリブレーションが行われている。 そのキヤ リブレーシヨンは、 例えば Zチルトステージ 9を駆動して評価用のゥェ 八のフォーカス位置を所定量ずつ変化させてテス卜プリントを行い、 現 像後に所定のパターンが得られたときのフォーカス位置を求めることで 実行できる。

そして、 走査露光時に図 8の露光領域 4 6に対してウェハ W上の露光 対象のショット領域が + Y方向に走査される場合には、 合焦制御系 4 5 は、 例えば走査開始からレチクル Rとウェハ Wとの同期が取られるまで の助走区間内で A Fセンサ 4 4 Aによってラフな検出点 8 4 A , 8 4 B で検出されるフォーカス位置が 0 (像面） になるように Zチル卜ステ一 ジ 9を駆動する。 この後は、 ウェハ Wの表面のフォーカス位置は高精度 な検出点 8 1 A〜8 1 Eでの検出レンジ内に確実に収まるため、 合焦制 御系 4 5は、 A Fセンサ 4 4 Aによって検出点 8 1 A〜 8 1 Eでフォー カス位置を連続的に検出し、 このときに検出されたウェハ W上の点が順 次露光領域 4 6に達したときにフォーカス位置が 0になるように、 連続 的に Zチルトステージ 9のフォーカス位置、 及び傾斜角を制御する。

また、 A Fセンサ 4 4 Bによって露光領域 4 6の中央の検出点 8 3で 検出されるフォーカス位置は、 露光領域 4 6の中央での実際のデフォー カス量を表しているため、 検出点 8 3で検出されるフォーカス位置が 0 (像面） になるように、 Zチルトステージ 9の最終的な Z方向への駆動 量が設定される。 これは、 露光領域 4 6内の検出点 8 3でのフォーカス 位置は追従制御に使用されることを意味する。 そして、 レチクル Rとゥ ェハ Wとが同期して移動している間は、 オートフォーカス方式、 及びォ 一トレベリング方式で連続的に先読み制御、 及び追従制御による合焦が 行われる。

更に、 走査露光時に図 2の干渉計本体 1 2 Yによって試料台 8のピッ チング量 Θ Xが検出される際には、 Χ Υ Θステージ 1 0の走り面が走査 方向に傾斜しているため、 XY0ステージ 1 0が移動するだけでウェハ Wのフォーカス位置が変化してしまう。

図 1 1 (b) は、 ΧΥΘステージ 1 0の走り面 87の傾斜角が変化す る様子を拡大して示したものであり、 これに対応して図 1 1 (a) に示 すように、 試料台 8は走り面 87に平行な走り面 86に沿って移動する ₍ この場合、 試料台 8がピッチング量 0 Xで Y方向に距離 ΔΥだけ移動す ると、 試料台 8上のウェハ Wのフォーカス位置はほぼ次式で表される△ Zだけ変化する。

ΔΖ = ΘΧ · ΔΥ (6)

この状態で、 図 8の先読み領域 8 1内の検出点 8 1Α〜 8 1 Εが露光 領域 46の中心に達する際には、 ほぼ ΘΧ · (d 1 +D/2) だけフォ —カス位置が変化することになる。 そこで、 図 1の合焦制御系 45には ウェハステージ制御系 43、 及び主制御系 9を介して干渉計本体 1 2 Y で検出されるピッチング量 0 Xも供給されており、 合焦制御系 45は、 先読み領域 8 1内で検出されるフォーカス位置から予めそのピッチング 量 0 Xに応じたフォーカス位置の変化量 0 X · (d 1 +D/2) を差し 引いて得られるピッチング量が 0になるように Zチルトステージ 9を駆 動する。 これによつて、 XY 0ステージ 1 0の走り面が走査方向に傾斜 していても、 高い追従速度で合焦を行うことができる。

一方、 走査露光時に図 8の露光領域 46に対してゥェ八 W上の露光対 象のショッ ト領域が一 Y方向に走査される場合には、 合焦制御系 45は、 先ず露光領域 46に対して + Y方向側のラフな検出点 85 A, 85 Bで 検出されるフォーカス位置が 0 (像面） になるように Zチルトステージ 9を駆動する。 その後は、 露光領域 46に対して + Y方向側の先読み領 域 82内の高精度な検出点 82 A〜82 Eで検出されるフォーカス位置、 干渉計本体 12 Yで検出されるピッチング量 Θ Χ、 及び露光領域 46の 中心の検出点 8 3で検出されるフォーカス位置に基づいて、 先読み制御， 及び追従制御を組み合わせながら合焦が連続的に行われる。

このように、 本例では露光領域 4 6から走査方向に離れた先読み領域

8 1， 8 2内の複数の検出点でフォーカス位置を検出しているため、 投 影光学系 P Lの作動距離が例えば数 mm程度以下と短い場合でも、 フォ

—カス位置検出用の光束の投影光学系 P Lによるケラレを防止できる。 また、 露光領域 4 6の中央にも追従制御用の検出点 8 3が設定されてい るが、 中央の 1箇所のみでフォーカス位置を計測すればよいため、 投影 光学系 P Lの作動距離が短くとも差し支えない。

次に、 先読み領域 8 1内の高精度な検出点、 及びその手前のラフな検 出点 8 4 A , 8 4 Bでフォーカス位置の検出を行う A Fセンサ 4 4 Aの 構成例につき説明する。

図 7は、 その A Fセンサ 4 4 Aの内で先読み領域 8 1において比較的 狭い検出レンジで高精度にフォーカス位置を検出する高精度なセンサ部 を示し、 この図 7において、 照明光源 5 1からは例えば互いに異なる複 数波長のレーザビームを混合させた可干渉な検出光 L Aが射出している _c 検出光 L Aの波長域はウェハ W上のフォトレジス卜に対する感光性の弱 い波長域であり、 検出光 L Aとしては、 半導体レーザ、 H e— N eレー ザ、 H e _ C dレーザ等が使用できる。 このように 2波長以上の多波長 の検出光を用いることにより、 被検面がフォトレジストのような薄膜で 覆われている場合にも薄膜千渉による悪影響を低減できる。 検出光 L A はへテロダインビーム生成光学系 5 2に入射する。

ヘテロダインビーム生成光学系 5 2は複数の音響光学素子を備え、 こ れらの音響光学素子を不図示の駆動系から供給される駆動信号で駆動す ることによって、 入射する検出光から互いに所定の周波数差 Δ ί ( Δ f は例えば数 1 0 k H z程度） を有する可干渉な 2光束 L A 1 ， L A 2を 生成する。 更に、 その駆動系は、 2つの音響光学素子に対する駆動信号 を例えばミクシングすることによって周波数△ f の基準ビ一卜信号を生 成し、 この基準ビート信号を合焦制御系 45に供給している。 そのよう に生成された 2光束 L A 1 , LA2は、 所定の交差角でヘテロダインビ —ム生成光学系 52から射出された後、 集光系 53によって一度光学的 にフーリエ変換され、 ミラー 54で反射された後、 送光対物系 55を経 て、 被検面であるウェハ Wの表面の先読み領域 8 1で交差し、 先読み領 域 8 1に流れる干渉縞が形成される。 2光束 LA 1， LA2の光軸の被 検面に対する入射角 Θは、 ほぼ 90° に近い大きい角度である。 先読み 領域 8 1内に形成される干渉縞のピッチ方向は、 既に形成されている回 路パターンの影響を軽減するために、 一例として X軸、 及び Y軸に対し てほぼ 45° で交差する方向に設定されている。

本例では、 先読み領域 8 1内で X方向に一列に配列された 5個の計測 領域でそれぞれ独立にフォーカス位置を検出する。 これらの 5個の計測 領域の中心が図 8の検出点 8 1 A〜8 1 Eとなっている。

被検面としてのウェハ Wの表面で反射された 2光束 L A 1 , LA 2は、 検出対物系 56を通り光路折り曲げ用のミラー 57で反射された後、 結 像系 58を経て受光ビーム合成用の回折格子 59に入射する （図 9 (b) 参照） 。 ウェハ Wの表面が投影光学系 P Lの像面に合焦している状態で、 検出対物系 56及び結像系 58に関してその表面と回折格子 59とは共 役関係 （ァオリの結像関係） にある。 そして、 回折格子 59による光束 LA1の + 1次回折光 LA 1 (+1)、 及び光束 L A 2の— 1次回折光 LA 2 (-1)は平行に合成されて集光用レンズ 6 1Aを通り、 空間フィル夕 6 0を通ってレンズ 6 1 Bによって平行光束になる。 空間フィル夕 60に は、 光軸上に 1つの開口が形成されており、 この開口を ± 1次回折光 L A 1 (+1)， LA 2 (- 1)が通過し、 それ以外の回折光 （0次光を含む） は 遮断される。

図 7に示すように、 レンズ 6 1 Bから射出される回折光 L A 1 (+1) , LA 2 (-1)よりなるヘテロダイン干渉光は、 集光レンズ 62 A〜 62 E に入射する。 集光レンズ 62 A〜62 Eはそれぞれウェハ W上の先読み 領域 8 1内の検出点 8 1 A〜 8 1 E (図 8参照） を中心とする 5個の計 測領域に対応して配置されている。 そして、 回折光 LA 1 ( ), LA 2 (-1)よりなる干渉光の内で、 集光レンズ 62A〜62 Eで集光された干 渉光は、 それぞれ光ファイバ 63 A〜63 Eを介して受光信号生成部 6 4内の光電検出器に入射する。 これらの光電検出器からそれぞれ周波数 Δ f の検出ビート信号が出力され、 これらも合焦制御系 45に供給され る。

合焦制御系 45では、 ヘテロダインビーム生成光学系 52用の不図示 の駆動系から出力される基準ビート信号を基準として、 それぞれ光ファ ィバ 63 A〜 63 Eを介して得られる干渉光に対応する 5個の検出ビー ト信号の位相差 φΑ〜(ί Εを検出する。 この際に、 予め図 8の先読み領 域 8 1が投影光学系 PLの像面に実質的に合致している状態で （例えば ΧΥΘステージ 1 0が所定の基準位置にあるときに露光領域 46内でゥ ェハの表面を像面に合わせた後、 XY0ステージ 1 0を駆動してそのゥ ェハ Wの表面を先読み領域 8 1に移動した状態で） 、 それらの検出ビー 卜信号の位相差 φΑ〜φΕの値 （基準値） A 1〜φΕ 1が求められて. 合焦制御系 45内の記憶部に記憶されている。 そして、 走査露光時に合 焦制御系 45は、 それらの検出ビート信号の位相差 ΦΑ〜ΦΕの基準値 (|)Α1〜φΕ 1からの偏差 ΔφΑ〜Δ^Εを求める。 偏差 Δ(ί)Α〜Δ(ί) Εを代表的に Δ φとして、 先読み領域 8 1に投影される干渉縞のピッチ を P l、 図 7の 2光束 LA I , L A 2の光軸のウェハ Wの表面に対する 入射角を Θとすると、 合焦制御系 45は、 次式より当該検出点でのフォ —カス位置 Z_{P 1}を算出する。

Z PI= { 1 / ( 2 · sin Θ) } · P · Δ φ/ (2 π) (7 ) この場合の検出レンジ Ζ R 1は、 { 1 / (2 · sin Θ) } · Pであり、 ピッチ P 1を例えば 2 0 xmとすると、 検出レンジ Z R 1はほぼ 1 0 a mとなり、 {Δ φ/ ( 2 π) } を 1 0— ³程度の分解能で検出することに よって、 フォーカス位置 Ζ_Ρ1の解像度はほぼ 0. O l mとなる。 従つ て、 その検出レンジ Z R 1内で極めて高精度に各検出点 8 1 A〜 8 1 E でのフォーカス位置を検出することができる。

この場合、 例えばウェハ Wの周辺部のようにウェハ Wのフォーカス位 置が比較的大きく変化するような領域でも、 各検出点8 1八〜8 1 £の フォーカス位置を予めその検出レンジ Z R 1内に引き込んでおくために、 A Fセンサ 44 Aには広い検出レンジのセンサ部が設けられている。 図 9_ ( a) は、 その AFセンサ 44 A内の広い検出レンジのセンサ部 を示し、 この図 9 ( a) において、 露光光 I Lとは異なりウェハ W上の フォトレジストを感光させない波長域の照明光 L Rが、 図示省略された 照明光源から光ファイバ束 6 5を介して導かれている。 光ファイバ束 6 5から射出された照明光 L Rは、 集光レンズ 6 6を経て 2個のスリット 状の開口を有するパターン形成板 6 7を照明する。 パターン形成板 6 7 の開口を透過した照明光 L Rは、 レンズ 6 8、 ミラー 6 9及び照明対物 レンズ 7 0を経てウェハ Wの表面に投影光学系 P Lの光軸に対して斜め に投影され、 ウェハ Wの表面の検出点 8 4 A， 8 4 Bにパターン形成板 6 7の開口の像であるスリッ 卜像が結像投影される。

ウェハ W上の検出点 84 A及び 8 4 Bで反射された照明光 LRは、 集 光対物レンズ 7 1、 回転方向に傾斜できる傾斜板 7 2 A及び結像レンズ 7 3を経て、 それぞれ受光系 7 4上の光電センサ 7 5 A及び 7 5 B上に スリッ ト像を再結像する。 図 9 (b) に示すように、 受光系 7 4上に 検出点 84 A及び 84 Bからの反射光によってそれぞれスリット像 84 AP及び 84BPが形成され、 図 9 (a) においてウェハ Wのフォー力 ス位置が変化すると、 図 9 (b) において、 スリット像 84AP, 84 B Pの結像位置が横方向に変位する。 そして、 一方のスリット像 84 A Pを受光する光電センサ 75 Aは、 そのスリット像の変位方向に 2つの フォトダイオード等の光電検出器 76 A， 77 Aに分かれ、 他方のスリ ッ ト像 84 B Pを受光する光電センサ 7 5 Bも、 そのスリット像の変位 方向に 2つの光電検出器 76 B, 77 Bに分かれている。

また、 合焦制御系 45内で光電検出器 76 A， 77Aの光電変換信号 の差分 Δ S Aが求められ、 同様に光電検出器 76 B， 77 Bの光電変換 信号の差分 Δ S Bも求められる。 そして、 予め検出点 84A, 84Bが 実質的に投影光学系 P Lの像面に合致している状態で、 それらの差分 Δ S A, Δ S Bがそれぞれ 0になるように合焦制御系 45、 及び駆動部 7 2 Bを介して傾斜板 72 Aの傾斜角が設定されている。 この結果、 合焦 制御系 45は、 差分 ASAよりスリッ ト像 84APが光電検出器 76A， 77 Aのどちらにあるか、 即ち検出点 84 Aのフォーカス位置が像面に 対して上下のどちらにずれているかを識別できると共に、 差分 Δ S Bよ り検出点 84 Bのフォーカス位置が像面に対して上下のどちらにずれて いるかを識別できる。 この際のフォーカス位置の検出レンジ （上下のど ちらにずれているかを判別できる範囲） は、 例えば ± 1 mm程度である ₍ 更に、 スリッ 卜像 84AP及び 84 B Pがそれぞれ光電検出器 76 A, 7 7 Aの境界部、 及び光電検出器 76 B, 77 Bの境界部にかかってい る範囲では、 差分 ASA及び ASBはそれぞれ検出点 84A及び 84 B のフォーカス位置に応じて、 0 (像面） を中心としてほぼ線形に変化す る。 このように差分 ASA， Δ S Bが線形に変化するフォーカス位置の 範囲は例えば数 1 0 mである。 この結果、 合焦制御系 45力 差分 Δ S A及び△ S Bをそれぞれ 0にするように Zチルトステージ 9を駆動す ることによって、 ウェハ Wの表面の検出点 84 A， 84Bの近傍でのフ オーカス位置は、 AFセンサ 44A中の図 7に示す高精度なセンサ部の 検出レンジ内に確実に追い込むことができる。

なお、 本例では、 先読み領域のフォーカス位置の高精度な検出点、 及 びラフな検出点は図 8のように設定されているが、 それ以外に例えば図 1 0に示すように設定してもよい。 即ち、 図 1 0 (a) においては、 露 光領域 46に対して走査方向 （土 Y方向） の手前側にそれぞれ 3個の高 精度な検出点 8 1 A〜8 1 C、 及び 82 A〜82 Cが設定され、 これら の高精度な検出点に対してそれぞれ更に走査方向の手前側に広い検出レ ンジのラフな検出点 84 A, 848及び85八， 85Bが設定されてい る。 また、 図 1 0 (b) においては、 露光領域 46に対して走査方向

(士 Y方向） の手前側にそれぞれ 9個の高精度な検出点 8 1A〜8 1 I、 及び 82 A〜82 Iが設定され、 これらの高精度な検出点に対してそれ ぞれ更に走査方向の手前側に広い検出レンジのラフな検出点 84 A， 8 4B及び 8 5A， 8 5 Bが設定されている。 また、 広い検出レンジのラ フな検出点は走査方向別に 1つにしてもよいが、 本例のように 2つの検 出点 84A， 84B及び 8 5A， 85 Bを設けることによって、 フォー カス位置のみならず傾斜角も大まかに設定することができる。

また、 図 7の高精度なセンサ部としては、 従来から使用されているよ うに、 複数の検出点にそれぞれスリッ ト像を斜めに投影し、 反射光より 再結像される各スリッ ト像の位置を光電顕微鏡方式で検出する斜入射方 式の多点の AFセンサを使用してもよい。 また、 図 9の広い検出レンジ のセンサ部としては、 例えば空気マイクロメータ、 又は静電容量型のギ ャップセンサのような非接触方式の機械的なセンサを使用してもよい。 次に、 上記の実施の形態では、 図 1の XY 0ステージ 1 0の走り面の 傾斜角に応じてフォーカス位置の補正量を調整している力 その走り面 の傾斜角の分布は ΧΥ Θステージ 1 0 (試料台 8) の座標 （X, Y) の 関数であり、 一度計測しておけば再現性のある情報である。 そこで、 以 下では予めその走り面の傾斜角の分布を実質的に計測しておく方法の一 例につき図 1 2、 及び図 1 3を参照して説明する。

そのためには、 通常の露光時の図 1 2 (a) に示すように、 試料台 8 上の凹部に例えば吸着保持されたウェハホルダ 8 8上に真空吸着によつ て露光対象のウェハ Wが保持された状態で、 図 1 2 (b) に示すように、 試料台 8からウェハホルダ 8 8を取り外す。 その後、 図 1 2 (c ) に示 すように、 試料台 8上のウェハホルダ 8 8が載置されていた凹部に、 平 行度が極めて良好で表面の平面度 （フラットネス） が極めて高いと共に、 通常のウェハに比べてかなり厚い評価用のウェハ （以下、 「スーパーフ ラット厚ウェハ」 と呼ぶ） 8 9を載置する。 スーパ一フラット厚ウェハ 8 9の厚さは、 試料台 8上に載置した状態でその表面 8 9 aが露光時の ウェハ Wの表面と同じ高さになる厚さであり、 その底面の 3箇所には先 端が球面状の凸部 9 0 A〜9 0 Cが埋め込まれている。

このように試料台 8上にスーパ一フラッ 卜厚ウェハ 8 9を載置してか ら、 図 1の XY 0ステージ 1 0を所定の基準位置に移動して、 AFセン サ 44 A等を用いて図 8の各検出点でスーパ一フラット厚ウェハ 8 9上 のフォーカス位置を検出し、 この検出結果に基づいて Zチルトステージ 9を駆動して、 スーパーフラット厚ウェハ 8 9の露光領域 46の近傍の 表面を像面に合わせ込んだ状態で Zチル卜ステージ 9の動作をロックす る。 その後、 XY 0ステージ 1 0を X方向、 Y方向に順次所定ステップ 量ずつ移動しながら、 それぞれ AFセンサ 44 A， 44 C等を介して図 8の各検出点にてフォーカス位置 （ここでは像面からのデフォーカス量） を検出し、 検出結果を ΧΥ Θステージ 1 0 (試料台 8) の座標 （X, Y) に対応させたマップとして合焦制御系 45内の記憶部に記憶させておく。 このマップは、 XY0ステージ 10の走り面のフォーカス位置の変化量 の分布を表すものであり、 例えば隣接する計測点のフォーカス位置の差 分を、 それらの計測点の間隔で除算することにより傾斜角が算出される。 その後、 再び図 1 2 (a) に示すように、 試料台 8上にウェハホルダ 88及びウェハ Wを載置して露光を行う際には、 AFセンサ 44 A等に よって図 8の先読み領域 8 1, 82で検出されるフォーカス位置に基づ いて設定される Zチルトステージ 9の駆動量を、 その記憶してあるマツ プの対応する座標位置でのフォーカス位置で補正するようにする。 これ によって、 ΧΥ Θステージ 1 0の走り面の傾斜角が変化している場合で も高い追従速度で合焦を行うことができる。

更に、 上記のように試料台 8上にスーパーフラッ 卜厚ウェハ 89を載 置して、 XYSステージ 1 0を所定量ずつ移動してそれぞれ各検出点で フォーカス位置を検出する際に、 図 2の干渉計本体 12X， 12Yを介 して試料台 8のピッチング量 ΘΧ、 及びローリング量 0 Υを計測する。 これらの計測値から、 フォーカス位置の検出結果より求められる試料台 8のピッチング量 0 X、 及びローリング量 θ Υを差し引くことによって、 試料台 8のミラー面 8 X , 8 yのねじれによるピッチング量の変動値 Δ Θ X, 及びローリング量の変動値△ 0 Yがマップ （ねじれ誤差のマップ） として求められる。 そこで、 露光時には、 図 2の干渉計本体 12X， 1 2 Yを介して検出される試料台 8のピッチング量 θ X及びローリング量 を、 その記憶してあるピッチング量の変動値 Δ 0 X、 及びローリン グ量の変動値△ θ Yで補正することによって、 試料台 8のミラー面 8 x， 8 yのねじれによる誤差 （レべリング制御誤差） の影響を解消すること ができる。 また、 試料台 8のミラー面 8 x， 8 yのねじれ角は、 前述の ウェハ Wの表面と計測用ビーム LX 1， LY 1との Z方向の間隔より発 生するアッベ誤差の補正にも影響を与えるので、 このねじれ角を常時補 正するように X， Y方向の位置を補正する必要がある。

また、 図 1 3 ( b ) に示すように、 スーパーフラット厚ウェハ 8 9は、 底面の 3個の凸部 9 0 A〜 9 0 Cによる 3点支持となっており、 試料台 8上でウェハホルダ 8 8を外した接触部の形状や歪みに依存せずに、 表 面 8 9 aの平面度を高く保つことができる。 即ち、 スーパーフラット厚 ウェハ 8 9は、 その 3点支持を行った際に表面 8 9 aの平面度が良好と なるように設計、 及び製造が行われている。 これによつて、 同じスーパ 一フラッ ト厚ウェハ 8 9を複数台の露光装置で共通に使用することがで き、 スーパーフラッ ト厚ウェハ 8 9の表面は各露光装置においてそれぞ れ絶対基準となる平面とみなすことができる。 但し、 計測の際は上記ス 一パーフラッ卜厚ウェハ 8 9は平面度を良好に維持するために、 真空吸 着等では固定していないので、 所定の許容加速度以下の加速度でステ一 ジを駆動する必要がある。 以上のような方法を用いることで、 高精度の 完全先読み制御による合焦が可能となる。

更に、 図 1 3 ( a ) に示すように、 スーパーフラット厚ウェハ 8 9の 表面にはほぼ Y方向に沿った直線上に所定間隔で基準マーク 9 1 A〜9 1 Cが形成され、 その直線に直交する直線上に所定間隔で基準マーク 9 1 A , 9 1 D , 9 1 Eが形成されている。 これらの基準マークを例えば ァライメント用のセンサで順次検出しながら、 図 1の X Y 0ステージ 1 0を駆動して干渉計本体 1 2 X， 1 2 Yで試料台 8の座標 （X , Y ) を 検出することによって、 ステージ 1 0の Y方向への走り方向の真 直度のずれを計測できるため、 その後はこのずれを補正するように X Y 0ステージ 1 0を駆動するようにする。 更に、 その検出結果より試料台 8のミラー面 8 x， 8 yの直交度等を高精度に計測できる。

次に、 図 8の先読み領域 8 1， 8 2の露光領域 4 6に対する間隔 d 1、 及び検出点 8 1 A〜 8 1 E , 8 2 A〜 8 2 Eの個数等を最適化する方法 の一例につき説明する。 ここでは主に、 図 1の A Fセンサ 4 4 A , 4 4 B、 合焦制御系 4 5、 及び Zチルトステージ 9よりなるフォーカス位置 及び傾斜角の制御系 （以下、 「合焦系」 と呼ぶ） 力 図 8に示すように, 露光領域 4 6に対して走査方向 （+ Y方向とする） に手前側の先読み領 域 （先読み領域 8 1及び検出点 8 4 A， 8 4 B ) 内のみで検出されるフ オーカス位置に基づいた制御 （以下、 「完全先読み制御」 と呼ぶ） 方式 で、 露光領域 4 6内で許容範囲を超えるデフォーカス量が発生しないよ うに走査露光を行うための条件を決定するものとする。 なお、 露光領域 4 6の中央の検出点 8 3でのフォーカス位置に基づいて追従制御を行う 場合も、 完全先読み制御に含めている。

先ず、 上記の完全先読み制御との比較のために、 図 8の露光領域 4 6 の中心にも X方向に配列された複数のフォーカス位置の検出点を設け、 これらの検出点と先読み領域 8 1内の複数の検出点とでフォーカス位置 の検出を行う方式 （以下、 「部分先読み制御」 と呼ぶ） について検討す る。

図 1 4は、 部分先読み制御方式でオートフォーカスを行いながら走査 露光を行う場合の特性を示し、 この図 1 4において、 横軸は露光対象の ウェハの表面の凹凸の走査方向 （Y方向） への波長 （ピッチ） であり、 縦軸は露光領域 4 6の中心での像面に対するフォーカス位置の誤差 （デ フォーカス量） 、 及び位相回転 （° ) である。 フォーカス位置の誤差は、 ウェハ上の周期的な凹凸の波長が 2 mmのときのデフォーカス量の振 tf a 田 を 1としたときのデフォーカス量の振幅 （規格値） を表し、 位相回転は， ウェハ上の周期的な凹凸の位相に対してウェハのフォーカス位置を制御 する際の位相の遅れを表している。

また、 図 1 4の例では、 ウェハの走査速度を 8 5 mmZ s、 ゥェ八が 静止している状態での Zチルトステージ 9の Z方向への駆動部の周波数 応答を 2 5 H zとしており、 曲線 1 0 1 , 1 0 2 , 及び 1 0 3はそれぞ れ先読み制御を行わない場合のフォーカス位置の誤差、 位相回転、 及び 部分先読み制御を行う場合のフォーカス位置の誤差を表している。 図 1 4より、 波長が短い方が位相回転誤差が大きくなるが、 どの波長のうね りに対しても、 図 8の露光領域 4 6に対する先読み領域 8 1の間隔 d 1 を約 2 mmとすれば、 この位相遅れによる誤差の補正ができる。 図 1 4 の例では、 先読み領域 8 1が露光領域 4 6の 4 mm手前に設置されてい る。

これに対して、 オートレべリング制御を行うためには、 例えば先読み 領域 8 1内の検出点 8 1 A〜 8 1 Eでの検出結果と露光領域 4 6の中央 の検出点での検出結果との差分を最小二乗近似することによって、 2次 元的な傾きが求められる。 丰た、 先読み領域 8 1の走査方向の幅△ dは、 一例として 2 ^{1 / 2} mmであり、 ウェハ周辺の例えば幅 3 mm程度の禁止 帯等も考慮すると、 ウェハ周辺では合焦制御ができなくなる可能性もあ る。

次に、 上記の実施の形態のように、 図 8において、 露光領域 4 6内で は中央の 1点を除いてフォーカス位置の検出を行うことなく、 先読み領 域 8 1 (又は検出点 8 4 A , 8 4 Bも含む） のみでフォーカス位置の検 出を行って完全先読み制御を行う場合について検討する。 先ず、 ウェハ の走查速度を 1 0 0〜 2 5 O mm/ s、 レチクルとウェハとがそれぞれ 走査速度に達してから両者の同期が取られるまでの整定時間を 3 6 m s 、 露光領域 4 6の走査方向の幅 （スリット幅） を 8 mm、 ショット領域の 大きさを 2 5 mm ( X方向） X 3 3 mm ( Y方向） として、 ウェハ上の 1つのショット領域に対して加速、 整定、 露光、 減速の露光シーケンス に従って走査露光を行う場合の経過時間 （以下、 「処理時間」 と呼ぶ） を種々の条件で求める。

図 1 5は、 その条件のもとで ステージ 1 0の加速度を切り換え た場合の処理時間を示し、 この図 1 5において、 横軸は加速度 （mm/ s ²)、 縦軸は処理時間 （ms) である。 また、 曲線 104A， 1 04B, 1 04 C, 及び 1 04Dはそれぞれウェハの走査速度を 1 0 Omm/s , 1 50 mm/ s , 200 mm/ s , 及び 250 mm/ sとした場合の処 理時間を表している。 この結果のデータ 1 05より、 XY0ステージ 1 0の加速度を 250 Omm/s ² 以上に高めることができないならば、 走査速度を 20 Omm/sとすることで処理時間が最も短縮され、 最も スループットを高めることができることが確認できる。

そこで、 以下では、 ΧΥΘステージ 1 0 (ウェハ） の走查速度を 20 Omm/s , 加速度を 250 OmmZs ² とした場合に、 合焦系の応答 性に応じた位相回転誤差を完全に取り除くための先読み領域 8 1の位置 を求める。

図 1 6は、 その合焦系の応答周波数を切り換えた場合の、 位相回転誤 差を実質的に完全に取り除ける先読み領域 8 1の位置の計算結果を示し， この図 1 6において、 横軸は応答周波数 （Hz) 、 縦軸は図 8の露光領 域 46に対する先読み領域 8 1の間隔 d 1 (mm) の最短値、 即ち先読 み AF位置の最短値を表している。 そして、 曲線 1 06 Aは、 先読み領 域 8 1の幅を考慮しないときの計算値、 曲線 1 06 Bは、 先読み領域 8 1の幅 Δ dをマージンを含めて 2 mmにしたときの計算値である。 即ち， 図 16の先読み A F位置は、 図 8の先読み領域 8 1にてフォーカス位置 を検出した後、 位相回転誤差を発生させないために必要な最短の間隔で あり、 位相回転誤差をそのように補正できれば、 図 17に示すように、 合焦系にて Zチルトステージ 9を駆動する際のゲインを上げることによ つて、 露光領域 46内でのフォーカス位置を像面に完全に追従させるこ とができる。

即ち、 先読み制御を行わないときには、 図 1 7 (a) に示すように、 ウェハの表面が走查方向 （Y方向） に周期的にうねって、 その表面に対 して相対的に曲線 C Fで示すように像面が変動すると、 曲線 C 1で示す ようにウェハの表面は像面の変動に遅れて変位する。 これに対して、 先 読み制御を行って、 かつ位相回転誤差が発生しないときには、 図 1 7 (b) に示すように、 像面 （曲線 CF) の変動に追従してウェハの表面 (曲線 C 2) が変位する。 更に、 デフォーカス量に対するゲインを上げ ると、 図 1 7 (c) に示すように、 像面 （曲線 CF) の変動にほぼ完全 に追従してウェハの表面 （曲線 C 3) が変位する。

以上の結果は露光領域 46内の或る一つの点に対する合焦制御である が、 実際の走査露光ではスリット状の露光領域 46内の平均的な面を像 面に合わせ込む必要がある。 この際に、 ウェハの表面が特定のうねりを 持っている場合には、 図 1 7 (c) のような完全補正を行っても、 露光 領域 46内の何れかの点でデフォーカスが発生する恐れがある。

そこで、 上記の実施の形態の完全先読み制御では、 図 8の先読み領域 8 1内の一列の検出点 8 1 A〜 81 Eで検出されるフォーカス位置より 非走査方向 （X方向） の傾斜角を逐次検出し、 走査方向には各検出点 8 1 A〜 8 1 Eで所定のサンプリング周期で検出されるフォーカス位置の 変化より傾斜角を検出している。 この検出結果に基づいて、 位相回転誤 差の相殺、 及びゲイン調整を行うことによって、 露光領域 46内で予測 されるデフォーカス量が補正されるが、 先読み領域 8 1による傾斜角の 検出方法に応じて、 残留するデフォーカス量 （残留誤差） が図 1 9、 又 は図 20に示すように変化する。 その残留誤差についての簡単な説明を 図 18を参照して行う。

図 1 8 (a) 〜 （c) は、 ウェハの表面の走査方向 （Y方向） へのう ねりによって、 その表面 （補正を行わない場合） に対して相対的に曲線 C Fで示すように像面が変動する場合を示している。 この場合、 その表 面のうねりの波長に対して図 8の露光領域 46のスリット幅 Dを 1 Z 2 に設定し、 完全先読み制御方式でオートフォーカス、 及びオートレペリ ングを行いながら、 像面中の特定の点 CFPにて露光を行うものとする。 また、 ウェハが静止しており、 露光領域 46が相対的に Y方向に移動す るものとしている。

先ず、 図 18 (a) において、 点 C F Pが露光領域 46にかかった時 点でのデフォーカス量 L 1は、 例えば +△である。 その後、 図 1 8 (b) において、 点 CFPが露光領域 46の中央に達すると、 オートフォー力 ス、 及びオートレべリング制御によって、 ウェハの表面は像面 （曲線 C F) に合致し、 デフォーカス量 Lnは 0となる。 その後、 図 18 (c) において、 点 C F Pが露光領域 46から外れる直前でのデフォーカス量 LNは、 一△となる。 そのため、 点 CFPによって露光されるウェハ上 の一点でのデフォーカス量 Δ Z yは、 次のように走査方向 （Y方向） の 各位置でのデフォーカス量 L (Y) を積分して、 積分値を平均化したも のとなる。

Δ Z y = S L (Y) d Y/D (8)

(8) 式の積分は、 点 C F Pが露光領域 46内を通過している区間で 実行される。 また、 図 1 8の曲線 C Fで表される像面に対する補正前の デフォーカス量の平均値を Z yとすると、 図 1 8の例では Zyはほぼ 0 となる。 そして、 （8) 式のデフォ一カス量 Δ Z yには実際には多重露 光と同等の効果が得られるため、 ウェハ上の各点での走査露光後の総合 的なデフォーカス量 F yのシミュレーション上での値はほぼ次のように なる。

Fy = Zy + AZy/3 (9) 同様に、 非走査方向に配列された多点の検出点でのデフォーカス量の 平均値を Z xとすると、 走査方向、 及び非走査方向のデフォーカス量を 考慮した総合的なデフォーカス量 F tのシミュレーション上の値はほぼ 次のようになる。

F t =Z x + AZy/3 (1 0)

そこで、 図 1 9は、 完全先読み制御を行うと共に、 オートフォーカス 制御 （以下、 「AF制御」 と呼ぶ） については得られるフォーカス位置 の平均値を像面に近付ける補正 （平均値補正） を行い、 オートレベリン グ制御 （以下、 「AL制御」 と呼ぶ） については得られるフォーカス位 置を最小二乗近似して 2次元的な傾斜角を算出し、 これらの傾斜角を像 面に合わせ込む補正 （最小二乗近似補正） を行うという条件下で、 ゥェ ハの表面に各波長のうねりがある場合の露光領域 46でのデフォーカス 量の残留誤差を計算結果を示している。 図 1 9の横軸はウェハの表面の うねりの走査方向の波長 （ピッチ） （mm) 、 縦軸は各波長のうねりの 振幅が 1 となるように規格化したデフォーカス量の残留誤差である。

また、 露光領域 46のスリット幅 Dを 8mmとして、 曲線 107 Aは、 走査方向に対して AF制御のみを行い、 各波長のうねりに対して （9) 式のデフォーカス量の最悪値を求めたもの、 曲線 1 07 Bは、 走査方向 に対して AF制御、 及び AL制御を行い、 各波長のうねりに対して （9) 式のデフォーカス量の最悪値を求めたものである。 そして、 曲線 1 07 Cは、 非走査方向に対して AF制御のみを行い、 各波長のうねりに対し てデフォーカス量 Z Xの最悪値を求めたもの、 曲線 107Dは、 非走査 方向に対して AF制御、 及び AL制御を行い、 各波長のうねりに対して デフォーカス量 Z Xの最悪値を求めたもの、 曲線 1 07 Eは、 走査方向 及び非走査方向の両方向に対して A F制御及び A L制御を行った場合の 総合的なデフォーカス量を （1 0) 式より求めたものである。 また、 図 20では、 完全先読み制御を行うと共に、 A F制御について は得られるフォーカス位置の最大値 ma Xと最小値 m i nとの中間値を 像面に近付ける補正 （ma X— m i n補正） を行い、 AL制御について は最小二乗近似補正を行うという条件下で、 ゥェ八の各波長のうねりに 対する露光領域 46でのデフォーカス量の残留誤差を計算した結果を示 している。 図 20において、 曲線 1 08 Aは、 走査方向に対して AF制 御のみを行ったときのデフォーカス量の最悪値 （残留誤差） 、 曲線 1 0 8 Bは、 走査方向に対して AF制御、 及び AL制御を行ったときのデフ オーカス量の最悪値、 曲線 1 08 Cは、 非走査方向に対して AF制御の みを行ったときのデフォーカス量の最悪値、 曲線 108 Dは、 非走査方 向に対して A F制御、 及び A L制御を行ったときのデフォーカス量の最 悪値、 曲線 108 Eは、 走査方向及び非走査方向の両方向に対して AF 制御及び A L制御を行った場合の総合的なデフォーカス量を示している _c 図 1 9及び図 20より、 1 0〜35 mmの波長のうねりに対し、 残留 誤差が大きいのが確認できる。

これに対して、 AF制御を完全先読み制御で行い、 AL制御について は位相回転誤差のみを先読み制御にて補正し、 合焦系の応答周波数を 1 0 H zとして、 その他の条件を図 1 9、 及び図 20の場合と同じにした ときの残留誤差のシミュレーション結果をそれぞれ図 2 1、 及び図 22 に示す。 即ち、 図 2 1の計算条件は、 AF制御は平均値補正、 AL制御 は最小二乗近似補正であり、 曲線 109A〜1 09 Eは図 1 9の曲線 1 07 A〜 1 07 Eに対応しており、 図 22の計算条件は、 AF制御は m a X— m i n補正、 A L制御は最小二乗近似補正であり、 曲線 1 1 0 A 〜 1 1 0 Eは図 20の曲線 1 08 A〜 1 08 Eに対応している。

図 2 1及び図 22より、 1 0 Hzの応答周波数では長い波長のうねり の場合に残留誤差が少し悪化するものの、 短い波長のうねりに対しては 残留誤差が改善されることが分かる。 （1 0) 式によって計算される総 合的な残留誤差、 即ち図 1 9〜図 22中の曲線 1 07E〜 1 10 Eで表 される総合的な残留誤差を、 それぞれ図 23の曲線 1 1 1 A〜l 1 1 D としてまとめて掲げてある。

図 23より、 総合的な残留誤差が全部の波長のうねりに対して全体と して最も小さいのは曲線 1 1 1 Dの場合、 即ち AF制御を完全先読みの max-m i n補正とし、 AL制御を位相回転誤差のみを先読みによつ て補正することで行い、 応答周波数を 1 0 Hzとした場合であることが 分かる。

次に、 この制御方法を用いて、 先読み領域でのフォーカス位置の検出 点の個数をそれぞれ図 10 (a) に示すように 3点とした場合と、 図 1 0 (b) に示すように 4点以上の N点 （図 10 (b) では N=9) とし た場合とを比較する。 この際に、 AF制御は完全先読みの max— m i n補正を行い、 AL制御は、 図 10 (a) の 3点での先読み時には両端 の 2箇所の検出点 8 1 A， 8 1 (： (又は82八， 82 C) でのフォー力 ス位置の検出結果より 2次元的な傾斜角を求め、 図 10 (b) の N点で の先読み時には N個の検出点 8 1 A〜 8 1 I (又は 82 A〜 82 I ) で のフォーカス位置の検出結果を最小二乗近似して 2次元的な傾斜角を求 めることで行う。 また、 AL制御は、 位相回転誤差のみを先読みにて補 正し、 応答周波数を 1 0Hzとしたときの残留誤差のシミュレーション 結果を図 24に示す。 図 24において、 曲線 1 1 2 Aは N点での先読み を行う場合、 曲線 1 1 2 Bは 3点での先読みを行う場合の残留誤差を示 し、 これらの結果より、 3点計測ではうねりの波長帯により大きい誤差 となるのに対し、 N点計測では安定した結果が得られることが分かる。 なお、 AL制御の 2次元的な傾斜角は、 先読み用検出点 8 1 A〜8 1 E (又は 82A〜82 E) と図 8に示す中央の検出点 83とで求められる 傾きを使用してもよいし、 検出点 8 1 〜8 1 £又は8 2八〜8 2 £の 時間軸により求めた傾きを使用してもよい。

また、 今後のデバイスはより大型化することが予想されるため、 各シ ョット領域内で非走査方向に 2個を超えるチップパターンを形成する ( 3個取り以上にする） ことはあまり無いと考えられる。 そのため、 先 読み領域での 3点計測では、 非走査方向に 2個取りを行う場合にチップ パターン間のストリ一トライン上にフォーカス位置の検出点が重なって、 チップパターンに対する合焦精度が低下する恐れがあるが、 フォーカス 位置の検出点を 4点以上 （更に中央でも検出するものとすると 5点以上） にし、 用途に応じて選択すれば合焦精度の低下は防止できる。 更に、 空 気揺らぎや AL制御性能から考えても、 平均化効果を高めるために、 先 読み領域内でのフォーカス位置の検出点の個数は多い方が良い。

以上の結果より、 通常は先読み領域での非走査方向へのフォーカス位 置の検出点の個数は 5点が良い。 但し、 最近はウェハの平坦化技術の進 展により、 各ショッ ト領域内でのウェハの平面度は向上する傾向がある と共に、 各検出点での検出光の照明領域 （干渉縞を投影する際には干渉 縞の投影領域） を広くしてそれぞれ平均化効果を高めることも望ましい。 そこで、 非走査方向のフォーカス位置の検出点の間隔と、 AFセンサ自 体の計測再現性とにより最適な検出点の配置を決定すればよい。

次に、 既に図 8を参照して説明したように、 上記の実施の形態では高 精度な先読み領域 8 1 , 8 2の手前に、 大きな検出レンジで大まかにフ ォ一カス位置を検出するためのラフな検出点 84 A, 84 B及び 8 5A， 8 5 Bが設定されている。 このラフな検出点を使用した合焦方法の具体 的な例につき説明する。

図 2 5 (a) ， (b) は 8インチのウェハ W上で、 それぞれ 2 5mm

(X方向の幅 HX) X 3 3mm (Y方向の幅 HY) の大きさの多数のシ ヨットを露光する場合のショットマップを示し、 図 2 5 (a) では、 ゥ ェハ W上にショット領域 S A 1 , S A 2 , ···, S ANが Y方向に偶数個. X方向に偶数個配列され、 図 2 5 (b) では、 ウェハ W上にショット領 域 S B 1 , S B 2 , ···, 381^が¥方向に偶数個、 X方向に奇数個配列 されている。 また、 ショッ ト領域 S A 1は 4個のチップパターン領域 1 2 0 A〜 1 20 Dに区分され、 他のショット領域も同じく 4個取りとな つている。 なお、 図 2 5 (a) , (b) の矢印付きの軌跡 1 2 1 , 1 2 3はそれぞれショット領域への露光順序を示している。

一例として、 図 2 5 (a) のショッ ト領域 SA i ( i = 1〜N) に走 查露光を行う場合には、 スリット状の露光領域 46に対してショット領 域 SA i を + Y方向 （又は— Y方向） に走査すると共に、 先読み領域内 の検出点 8 1 A〜 8 1 Cで検出されるフォーカス位置に基づいて合焦制 御が行われる。 また、 ショッ ト領域間のステッピングは、 軌跡 1 2 1で 示すように各行では X方向に移動するように行われている。 同様に、 図 2 5 (b) のショッ ト領域 S B 1〜S BMに走査露光を行う場合にも、 軌跡 1 2 3で示すように、 各行では X方向にステッピングが行われてい る。 これらの例では、 1番目に露光するショット領域 S A 1， S B 1の 中心位置はウェハ Wの X方向の中心線からそれぞれ 3 7. 5mm (間隔 XL 1 ) 及び 5 Omm (間隔 XL 2) の位置になっている。

なお、 図 2 5のショットマップでは、 ステッピング方向を Y方向にし た方がスループッ卜が高くなる条件もあるが、 例えばウェハの走査速度 を 20 Omm、 加速度を 2 5 0 Omm/ s ² 、 加速終了から同期完了ま での整定時間を 3 6m sとして、 レチクルとウェハとを同時に加速する という条件では、 レチクルの加減速時間が律速条件となり、 ウェハのス テツビング方向は特に問題ではない。 但し、 ショット領域は走査方向 (Y方向） に長いものとして、 Y方向にステツ X方向と Y方向との加速度に大きな差が無い限り、 Υ方向にステツピン グするときにはステッピング時間が長くなるため、 本例では非走査方向 (X方向） にステッピングしている。

また、 通常のウェハでは、 外周から 3mmの幅の領域は一般に露光禁 止帯とされており、 その露光禁止帯のすぐ内側の露光可能領域で露光が 行われるため、 図 2 5 (a) ， (b) の 8インチのウェハ Wでも、 外周 から 3 mm内側の露光可能領域 1 2 2内でフォーカス位置の検出、 及び 走査露光が行われる。 そのため、 例えばウェハ Wの X方向の中心線から 間隔 6 2. 5mm (= 2. 5 XHX) の位置にある仮想的なショット領 域 Aに対して露光を行うものとすると、 欠け部分が最大となる。 即ち、 仮に露光を行うものとすると、 ショット領域 Aは欠け部分の大きい最悪 のショッ 卜領域となる。

そこで、 図 2 5 (a) にて、 ウェハ Wの露光可能領域 1 2 2内で先読 みによるフォーカス位置の検出が可能となる位置を求めた結果が図 2 6 に示してある。 この場合、 例えばショット領域 Aでは、 ウェハ Wの外側 から内側に相対的に露光領域を走査するものとして、 先読み領域内の 3 個の検出点 82 A〜8 2 Cでフォーカス位置を検出するものとする。 こ の際には、 +X方向の検出点 8 2 Cが最初にウェハ Wのエッジにかかり、 露光可能領域 1 2 2内に入るため、 以下では検出点 82 Cを基準にして 考える。

図 2 6において、 横軸は図 2 5 (a) のウェハ Wの X方向の中心線か ら X方向への距離 （mm) 、 縦軸は検出点 8 2 Cが露光可能領域 1 2 2 内に入る Y方向の位置と、 他の検出点 8 2 B, 8 2 Aが露光可能領域 1 2 2内に入る Y方向の位置との差分 （以下、 「AF先読み点 82 Cとの 間隔」 と呼ぶ） （mm) を表している。 即ち、 曲線 1 1 3 Dは、 検出点 8 2 Bと 8 2 Cとの間隔、 曲線 1 1 3 Eは検出点 8 2Aと 8 2 Cとの間 隔である。 但し、 曲線 1 1 3 Cは、 検出点 8 2 Cがウェハ Wの外周から 露光可能領域 1 2 2内に入るまでにゥェ八 Wが移動する間隔を表し、 曲 線 1 1 3 C上の点 1 1 4は、 図 2 5 (a) の最悪の条件のショット領域 Aに露光する場合に対応している。 また、 曲線 1 1 3 Aは、 検出点 8 2 Cがウェハ Wの外周にかかってから検出点 82 Bがウェハ Wの外周にか かるまでにウェハ Wが移動する間隔、 曲線 1 1 3 Bは、 検出点 8 2 Cが ウェハ Wの外周にかかってから検出点 8 2 Aがウェハ Wの外周にかかる までにウェハ Wが移動する間隔である。

上記の曲線 1 1 3 C上の点 1 14で示すように、 図 2 5 (a) のゥェ ハ Wの中心から X方向に 6 2. 5mmの最悪条件のショッ ト領域 Aでは、 検出点 8 2 Cが最初に露光可能範囲 1 2 2にかかるまでの間隔は 5. 4 mmであり、 そこから例えば 40H zの応答周波数で先読み制御した場 合、 1. 6 mmの先読み距離 （先読み値が得られるまでの間隔） が必要 となるので、 露光領域 46の手前に 7mm (図 8の間隔 d 1に相当する） に先読み領域 8 1 , 8 2があれば良いことになる。 しかし、 図 8の先読 み領域 8 1， 8 2内の高精度な検出点用のセンサ部は、 既に説明したよ うに高精度を達成するために検出範囲 （ダイナミックレンジ） が狭くな つている。 その高精度なセンサ部に例えば 1 0 nm (0. 0 1 xm) の 計測分解能を持たせると、 その検出レンジはその 1 00 0倍程度の土 1 0 m程度となる。

ところが、 図 2 5のウェハ Wの外周部で、 外側から先読み領域が入る 際には土 0. 6 mm程度フォーカス位置がずれている可能性があるため、 高精度にフォーカス位置の計測を行う前に広い検出レンジ （ダイナミッ クレンジ） でラフにフォーカス位置を計測しておく必要がある。 そこで、 本例では図 8に示すように、 先読み領域 8 1， 8 2の手前にラフな検出 点 84A， 84 B及び 8 5 A, 8 5 Bを配置している。 これらのラフな 検出点でフォーカス位置を検出することによって、 ウェハ Wの外周から 3 mmの幅の露光禁止帯の範囲においても、 ウェハ Wの表面のフォー力 ス位置が像面に対して +方向又は一方向のいずれにずれているかを判断 することができ、 これによつて、 図 1の Zチルトステージ 9を駆動して ウェハ Wの表面のフォーカス位置を高精度な検出点 8 2 A〜8 2 C等の 検出レンジ内に引き込んでいる。 また、 図 2 5のウェハ Wの外周から 3 mmの幅の露光禁止帯でもウェハ Wの表面のフォーカス位置はほぼ連続 的に変化しているため、 その露光禁止帯からラフな検出点でフォーカス 位置を先読みすることによって、 そのラフな検出点を高精度な先読み領 域 8 1， 8 2のすぐ近傍に配置することができる。

これに対して、 ラフな検出点がウェハの外周の露光禁止帯の範囲にあ るときにフォーカス位置を計測することができない場合は、 高精度な検 出点 8 2 A〜8 2 C等での先読みの性能を上げる必要がある。 よって、 図 8の例では、 高精度な先読み領域 8 1， 8 2の走査方向の幅 A dを 2 mmとすると、 4 0 H zの周波数応答では、 先読み領域 8 1 , 8 2に対 して 2〜 3 mm手前にラフな検出点 8 1 A , 8 1 8及び8 2八， 8 2 B を配置する必要がある。

以上、 ウェハの表面のうねりに追従するための合焦制御について述べ たが、 走査露光時に図 1の X Y 0ステージ 1 0の走り面の傾斜角が変動 することもある。 その変動要因としては、 Χ Υ Θステージ 1 0を保持す るエアーガイド面の平面度、 エアーガイ ドのエアー供給の安定性、 Zチ ルトステージ 9の振動、 ウェハステージの定盤 1 1を支持する不図示の 防振台の揺れ等があり、 その走り面の傾斜角の変動によって結果的に、 投影光学系 P Lの像面に対してウェハの表面のフォーカス位置、 及び傾 斜角の誤差が生ずる。 前述のようにウェハの表面のうねりに対する制御 応答は位相遅れ誤差を補正すればよいため、 1 0 H z程度の小さい応答 周波数でよいが、 その傾斜角の変動周波数は最大でほぼ 1 0 O H z程度 であり、 露光性能に悪影響を与える。

更に、 完全先読み制御方式で合焦を行う場合、 AFセンサによりフォ —カス位置の先読みを行ってから、 ΧΥ Θステージ 1 0の走り面の傾き は変動しないものとして制御すると、 デフォーカスが発生することにな る。 そこで、 本例では、 既に説明したように、 図 2の干渉計本体 1 2 X， 1 2 Yによって、 試料台 8の X軸の周りのピッチング量 0 X、 及び Y軸 の周りの口一リング量 Θ Yを計測し、 ΧΥ Θステージ 1 0の走り面の傾 斜角の変動によるデフォーカス量を 1 0 O H z以上の応答周波数で制御 できるような構成としている。 即ち、 各干渉計本体 1 2 X, 1 2 Yにて 計測可能なピッチング量 0 X、 及びローリング量 Θ Yによる誤差は 1 0 O H z程度の高応答周波数で制御し、 AFセンサ 44A， 44 C等にて 計測されたデフォーカス量は先読み制御を含めて 1 0 H z程度の低応答 周波数で制御するようになっている。

ここで、 唯一干渉計本体 1 2 X, 1 2 Yによる計測のみでは分からな い誤差として、 XY 0ステージ 1 0の走り面の Z方向への変位がある。 この Z方向への変位は、 干渉計本体 1 2 X， 1 2 Yでは計測できないか らである。 そこで本例では、 干渉計本体 1 2 Yを用いて例えば図 1 1に おいて、 試料台 8のピッチング量 0 Xを所定の量 ΔΥ移動する毎に順次 計測し、 そのピッチング量 θ Xに起因する Z方向への変位を次式のよう に積算することによって、 試料台 8の Z方向への変位量 Z_ACを求める。 その後、 その変位量 Z _ACを相殺するように Zチルトステージ 9を駆動す ることで、 合焦制御の追従速度が向上する。

但し、 これらの誤差は非常に小さいので、 特に補正動作を行わない場 合でも、 本例のように、 露光領域 4 6の中央の検出点 8 3でのフォー力 ス位置に基づいて追従制御を行うことによって、 残留誤差はほぼなくす ことができる。 なお、 その露光領域 4 6の中央の検出点 8 3でのフォー カス位置の検出精度をあまり高められない場合には、 その検出点 8 3で は大きなデフォーカス量が発生しているかの確認のみを行い、 大きいデ フォーカス量がある場合、 エラー （警告） を出すように運用してもよい _c 上記の実施の形態によれば、 走査露光時の高精度な先読み領域 8 1， 8 2の手前にラフな検出点を配置しているので、 例えばウェハの外周か ら幅 3 mmの露光禁止帯のすぐ内側より高精度にオートフォーカス、 及 びオートレべリング制御を行うことが可能となる。 更に、 各干渉計本体 1 2 X , 1 2 Yにて計測可能な誤差は 1 0 0 H z程度の高応答で制御し、 A Fセンサ 4 4 A， 4 4 C等にて計測された誤差は先読み制御を含めた 1 O H z程度の低応答で制御するようになっているので、 高い合焦制御 性能を得ることができる。

また、 （A) 試料台 8の走査方向への傾き （ピッチング量） の変動量 を干渉計本体 1 2 Yにより順次求め、 その積算を行うか、 （B ) 先読み 領域 8 1， 8 2の手前にフォーカス位置のラフな検出点を配置する外に、 露光領域 4 6の中心にも追従制御用 （又は確認用） の検出点 8 3を配置 し、 最終的に残った微少な残留誤差を先読み制御無しに補正するか、 又 は （C ) Χ Υ Θステージ 1 0を移動させたときの A Fセンサ 4 4 A , 4 4 C等の検出値から各座標でのデフォーカス量、 及び傾斜角の変動量を 求め、 X Y 0ステージ 1 0の座標位置に応じたマップとして記憶し、 そ のマップに基づいて A Fセンサ 4 4 A， 4 4 C等による計測値を補正す る制御方法の少なくとも 1つを実行すれば、 フォーカス位置の先読み領 域から露光中心位置までのステージの走り面に依存した誤差を除去でき るので、 ウェハステージの姿勢変化に依存しない制御を行うことが可能 となる。 また、 図 1 2のスーパーフラッ卜厚ウェハ 8 9を複数の露光装置の調 整に用いることで、 共通の絶対基準となる平面を与えることができるた め、 露光装置毎の焦点深度ばらつきも軽減することができる。

なお、 本発明の実施の形態では屈折型の縮小投影光学系を用いている 力 今後投影光学系の開口数が例えば 0 . 7〜0 . 8程度に高まる場合 には、 投影光学系としては A r F、 又は F ₂ 等エキシマレーザ光等を露 光光とした反射屈折型縮小投影光学系が有利になるが、 これによつて、 投影光学系の射出面とウェハとの間の作動距離が益々小さくなる。 本発 明はこのような露光装置に関しても、 効果的に適用できることは言うま でもない。 更に、 本例は所定のステージ制御能力を有するステージ系を 使用しているが、 更にステージ系の性能が向上したときもフォーカス位 置の先読み点の配置等を最適化することで同様の効果がある。

更に、 本発明の実施の形態ではピッチング、 口一リングを計測する干 渉計としてコリメ一夕タイプのものを使用したが、 複数のレーザビーム を移動鏡 （ミラー面） に照射し、 その各レーザビームによる計測値の差 分の傾斜角を求める方法を適用してもよい。 また、 上述の実施の形態を E B (電子ビーム） 露光装置や X線露光装置に適用してもよい。 電子ビ ームを用いる場合には、 電子銃として、 例えば熱電子放射型のランタン へキサボライト （L a B ₆ ) 、 タンタル （T a ) を用いることができる _c また投影光学系は反射系でもよく、 E B露光装置の場合は電磁レンズと なる。 なお、 電子線が通過する光路は真空状態にすることはいうまでも ない。

なお、 露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置に限定される ことなく、 例えば、 角型のガラスプレートに液晶表示素子パターンを露 光する液晶用の露光装置や、 薄膜磁気ヘッ ドを製造するための露光装置 にも広く適用できる。 また、 投影光学系の倍率は縮小系のみならず等倍及び拡大系のいずれ でもいい。 なお、 投影光学系としては、 エキシマレ一ザ等の遠紫外線を 用いる場合は硝材として石英や蛍石等の遠紫外線を透過する材料を用い、 F ₂ レーザや X線を用いる場合は反射屈折系又は屈折系の光学系にすれ ばよい。 この場合には、 レチクルも反射型タイプのものを用いることに なる。

また、 ウェハステージの移動により発生する反力は、 日本国特開平 8 - 1 6 6 4 7 5号公報（USP 5, 528, 1 18)に記載されているように、 フレー ム部材を用いて機械的に床 （大地） に逃すようにしてもよい。 また、 レ チクルステージの移動により発生する反力は、 日本国特開平 8— 3 3 0 2 2 4号公報（US S/N 08/416, 558) に記載されているように、 フレーム 部材を用いて機械的に床 （大地） に逃すようにしてもよい。

また、 複数のレンズから構成される照明光学系、 投影光学系を露光装 置本体に組み込み光学調整をすると共に、 多数の機械部品からなるレチ クルステージやウェハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管 を接続し、 更に総合調整 （電気調整、 動作確認等） をすることにより本 実施の形態の露光装置を製造することができる。 なお、 露光装置の製造 は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ま しい。

そして、 半導体デバイスは、 デバイスの機能 ·性能設計を行うステツ プ、 このステップに基づいたレチクルを製造するステップ、 シリコン材 料からウェハを制作するステップ、 前述した実施の形態の露光装置によ りレチクルのパターンをウェハに露光するステップ、 デバイス組み立て ステップ （ダイシング工程、 ボンディング工程、 パッケージ工程を含む） 、 検査ステップ等を経て製造される。

なお、 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ことは勿論である。

更に、 明細書、 特許請求の範囲、 図面、 及び要約を含む、 1 9 9 8年 1月 2 9日付提出の日本国特許出願第 1 0— 1 7 2 2 2号の全ての開示 内容は、 そつく りそのまま引用してここに組み込まれている。 産業上の利用の可能性

本発明の第 1の露光方法によれば、 その基板ステージの走り面が傾斜 している場合でも、 計測されたその基板ステージの走り面の傾斜角に基 づいてその基板の表面の高さを補正することにより、 露光時により高精 度にその基板の表面をその光学系の像面に合わせ込むことができる。 次に、 本発明の第 2の露光方法によれば、 その基板ステージのねじれ 等によって生じるその基板ステージのローリング量、 ピッチング量の変 動値を用いることで、 例えば、 露光時に行われるその基板ステージのレ ベリング制御における誤差の影響を低減させることができる。

また、 本発明の第 3の露光方法によれば、 例えば走査露光方式で露光 を行う場合に、 露光対象の基板を移動するためのステージの走り面の傾 斜角が緩やかに変化しているような場合でも、 走査露光中にその基板の 表面を高精度に像面に合わせ込むことができる利点がある。

また、 本発明の第 1の露光装置によれば、 本発明の第 1の露光方法を 使用できる。

また、 本発明の第 2の露光装置によれば、 本発明の第 2の露光方法を 使用できる。

また、 本発明の第 3の露光装置によれば、 基板の表面が大きくうねつ ているか、 又は基板ステージの走り面の傾斜角が大きく変動している場 合でも、 本発明の第 1又は第 3の露光方法を使用できる利点がある。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 所定のパターンの像を基板上に投影する光学系と、 前記基板を前記 光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージと、 を用いて、 前記パターンの像を前記基板上に転写する露光方法において. 前記光学系による露光領域に対して前記相対移動方向に手前側の計測 点で、 前記基板の表面の高さを計測する工程と、

前記基板ステージの走り面の傾斜角に関する値を計測する工程と、 前記基板の表面の高さ、 及び前記基板ステージの走り面の傾斜角に関 する値の計測結果に基づいて、 前記光学系の露光領域で前記基板の表面 を前記光学系の像面に近付けて露光を行う工程と、 を有することを特徴 とする露光方法。

2 . 請求の範囲 1記載の露光方法において、

前記基板ステージの走り面の傾斜角に関する値は、 前記基板の前記相 対移動方向に対する前記基板ステージのピッチング量であり、

該ピッチング量の計測結果に基づいて前記基板の表面の高さに関する 変動量を予測した結果と、 計測された前記基板の表面の高さとに基づい て、 前記光学系の露光領域で前記基板の表面を前記光学系の像面に近付 けて露光を行うことを特徴とする露光方法。

3 . 請求の範囲 1記載の露光方法において、

前記基板ステージ上に配置した平面度の良好な基準部材を用いて、 前 記基板ステージの移動ストローク内における複数の位置で前記基準部材 の表面の高さを計測し、 該計測結果を記憶する工程を有し、

前記基板ステージの走り面の傾斜角に関する値は、 前記記憶された値 に基づいて算出されることを特徴とする露光方法。

4 . 請求範囲 3記載の露光方法において、 前記基準部材は、 前記基板ステージに対して着脱自在であり、 かつ複 数台の前記露光を行う露光装置に対して共用されることを特徴とする露 光方法。

5 . 請求の範囲 3又は 4記載の露光方法において、

前記基準部材は、 前記基板ステージに対して 3点で支持されることを 特徴とする露光方法。

6 . 請求の範囲 1〜 5の何れか一項記載の露光方法において、

前記所定のパターンは、 マスク上に形成された転写用のパターンであ ることを特徴とする露光方法。

7 . 請求の範囲 1〜6の何れか一項記載の露光方法において、

前記基板の表面の高さを計測する計測点は、 前記相対移動方向に略直 交する方向に沿って複数設けられていることを特徴とする露光方法。

8 . 請求の範囲 7記載の露光方法において、 さらに、

前記相対移動方向に関する前記基板の傾斜角を制御する工程を有する ことを特徴とする露光方法。

9 . 所定のパターンの像を基板上に投影する光学系と、 前記基板を前記 光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージと、 を用いて、 前記パターンの像を前記基板上に転写する露光方法において， 前記基板ステージ上に配置した平面度の良好な基準部材を用いて前記 基板ステージの移動ストローク内における複数の位置で、 前記基板ステ ージの口一リング量、 ピッチング量、 及び前記光学系の光軸方向への変 位量のうち少なくとも 1つを計測し、 該計測結果を記憶する工程と、 前記計測結果に基づいて、 前記基板に対する露光時に前記基板ステー ジの走り方向の位置、 及び前記基板の表面の高さのうち少なくとも一方 を補正する工程と、 を有することを特徴とする露光方法。

1 0 . 請求の範囲 9記載の露光方法において、 前記基準部材は、 前記基板ステージに対して着脱自在であり、 かつ複 数台の前記露光を行う露光装置に対して共用されることを特徴とする露 光方法。

1 1 . 請求の範囲 9又は 1 0記載の露光方法において、

前記基準部材は、 前記基板ステージに対して 3点で支持されることを 特徴とする露光装置。

1 2 . 請求の範囲 9 〜 1 1の何れか一項記載の露光方法において、 さら

( V—、

前記基板ステージのローリング量、 ピッチング量、 及び前記光学系の 光軸方向への変位量の計測結果から、 前記ピッチング量の変動値及び前 記ローリング量の変動値を求めて記憶しておく工程を有し、

前記基板に対する露光時に検出された前記基板ステージのローリング 量を前記ローリング量の変動値に基づいて補正し、

前記基板に対する露光時に検出された前記基板ステージのピッチング 量を前記ピッチング量の変動値に基づいて補正すること特徴とする露光 方法。

1 3 . 請求の範囲 9 〜 1 1の何れか一項記載の露光方法において、 さら ヶ

前記基板ステージ上に配置した前記基準部材上に形成された基準マー クを用いて前記基板ステージの走り方向の真直度を計測する工程を有し、 該真直度の計測結果に基づいて、 前記基板に対する露光時に前記基板 ステージの走り方向のずれを補正することを特徴とする露光方法。

1 4 . 請求の範囲 9 〜 1 3の何れか一項記載の露光方法において、 前記所定のパターンは、 マスク上に形成された転写用のパターンであ ることを特徴とする露光方法。

1 5 . 所定のパターンの像を基板上に投影する光学系と、 前記基板を前 記光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージと. を用いて、 前記パターンの像を前記基板上に転写する露光方法において. 前記相対移動方向に関して前記光学系による露光領域より先に、 前記 基板上の転写領域に到達する第 1の計測点で前記基板の高さ位置を計測 する工程と、

前記相対移動方向に関して、 前記第 1の計測点より先に、 前記基板上 の転写領域に到達する第 2の計測点で前記基板の高さ位置を計測するェ 程と、

前記第 2の計測点での計測値に基づいて、 前記基板の高さの位置を、 前記第 1の計測点で前記基板の高さ位置を測定する装置の検出可能範囲 に移動させておく工程と、 を有することを特徴とする露光方法。

1 6 . 請求の範囲 1 5記載の露光方法において、

前記第 2の計測点で前記基板の高さ位置を計測する際の検出レンジを, 前記第 1の計測点で前記基板の高さ位置を計測する際の検出レンジより も広く設定することを特徴とする露光方法。

1 7 . 請求の範囲 1 5又は 1 6記載の露光方法において、

前記第 2の計測点を複数設けておくことを特徴とする露光方法。

1 8 . 請求の範囲 1 5〜 1 7の何れか一項記載の露光方法において、 さ らに、

前記第 1の計測点及び前記第 2の計測点で計測された前記基板の高さ 位置の最大値と最小値との中間値に基づいて前記基板の前記光学系の光 軸方向に関する位置を制御する工程と、

該光軸方向に関する位置の制御の際に発生する誤差を前記基板の高さ 位置の値を用いて補正することで前記基板の傾斜角を制御する工程と、 を有することを特徴とする露光方法。

1 9 . 請求の範囲 1 5〜 1 8の何れか一項記載の露光方法において、 前記所定のパターンは、 マスク上に形成された転写用のパターンであ ることを特徴とする露光方法。

2 0 . 所定のパターンの像を基板上に投影する光学系と、 前記基板を前 記光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージと. を備え、 前記パターンの像を前記基板上に転写する露光装置において、 前記光学系による露光領域に対して前記相対移動方向に手前側の計測 点で、 前記基板の表面の高さを計測する焦点位置計測装置と、

前記基板ステージの走り面の傾斜角に関する値を計測する傾斜角計測 用装置と、

前記焦点位置計測装置によって計測された値と、 前記傾斜角計測用装 置によって計測された値とに基づいて、 前記光学系の露光領域で前記基 板の表面を前記光学系の像面に合わせ込む合焦用ステージと、 を有する ことを特徴とする露光装置。

2 1 . 請求の範囲 2 0記載の露光装置において、

前記傾斜角計測用装置は、 前記基板の露光時における前記相対移動方 向に対する前記基板ステージのピッチング量を計測するピッチング計測 装置を備え、

前記合焦用ステージは、 前記ピッチング量の計測結果に基づいて前記 基板の表面の高さに関する変動量を予測した結果と、 前記焦点位置計測 装置で計測される前記基板の表面の高さとに基づいて前記光学系の露光 領域で前記基板の表面を前記光学系の像面に合わせ込むことを特徴とす

2 2 . 請求の範囲 2 0記載の露光装置において、

前記傾斜角計測用装置は、 基板ステージ上に配置した平面度の良好な 基準部材を用いて、 前記基板ステージの移動ストローク内における複数 の位置で前記基準部材の表面の高さを計測し、 前記合焦用ステージ用の演算装置を備え、 該演算装置は、 前記傾斜角 計測用装置の計測結果を記憶するとともに、 該記憶した計測結果に基づ いて、 前記基板ステージの走り面の傾斜角に関する値を算出することを 特徴とする露光装置。

2 3 . 請求の範囲 2 2記載の露光装置において、

前記基準部材は、 前記基板ステージに対して 3点で支持されることを 特徴とする露光方法。

2 4 . 請求の範囲 2 0〜 2 3の何れか一項記載の露光装置において、 前記所定のパターンは、 マスク上に形成された転写用のパターンであ ることを特徴とする露光装置。

2 5 . 請求の範囲 2 0〜 2 4の何れか一項記載の露光装置において、 前記基板の表面の高さを計測する計測点は、 前記相対移動方向に略直 交する方向に沿って複数配置されていることを特徴とする露光装置。

2 6 . 請求の範囲 2 5記載の露光装置において、

前記合焦用ステージは、 前記傾斜角計測用装置の計測結果に基づいて， 前記相対移動方向に略直交する方向に関する前記基板の傾斜角を制御す ることを特徴とする露光装置。

2 7 . 所定のパターンの像を基板上に投影する光学系と、 前記基板を前 記光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージと, を備え、 前記パターンの像を前記基板上に転写する露光装置において、 前記基板ステージ上に配置した平面度の良好な基準部材を用いて前記 基板ステージの移動ス卜ローク内における複数の位置で、 前記基板ステ —ジのローリング量、 ピッチング量、 及び前記光学系の光軸方向への変 位量のうち少なくとも 1つを計測する計測装置と、

該計測装置の計測結果を記憶するとともに、 前記基板に対する露光時 に、 前記計測結果に基づいて、 前記基板ステージの走り方向の位置、 及 び前記基板の表面の高さの少なくとも一方を補正する合焦用ステージと を有することを特徴とする露光装置。

2 8 . 請求の範囲 2 7記載の露光装置において、

前記基準部材は、 前記基板ステージに対して 3点で支持されることを 特徴とする露光装置。

2 9 . 請求の範囲 2 7又は 2 8記載の露光装置において、

前記合焦用ステージは、 前記基板ステージの口一リング量、 ピッチン グ量、 及び前記光学系の光軸方向への変位量の計測結果から、 前記ピッ チング量の変動値及び前記ローリング量の変動値を求めて記憶しておき. 前記基板に対する露光時に検出された前記基板ステージのローリング量 を前記ローリング量の変動値に基づいて補正し、 前記基板に対する露光 時に検出された前記基板ステージのピッチング量を前記ピッチング量の 変動値に基づいて補正すること特徴とする露光装置。

3 0 . 請求の範囲 2 7又は 2 8記載の露光装置において、 さらに、 前記計測装置は、 前記基板ステージ上に配置した平面度の良好な基準 部材上に形成された基準マークを用いて前記基板ステージの走り方向の 真直度を計測し、

前記合焦用ステージは、 前記真直度の計測結果に基づいて、 前記基板 に対する露光時に前記基板ステージの走り方向のずれを補正することを 特徴とする露光装置。

3 1 . 請求の範囲 2 7〜 3 0の何れか一項記載の露光装置において、 前記所定のパターンは、 マスク上に形成された転写用のパターンであ ることを特徴とする露光装置。

3 2 . 所定のパターンの像を基板上に投影する光学系と、 前記基板を前 記光学系に対して所定の相対移動方向に相対移動させる基板ステージと， を備え、 前記パターンの像を前記基板上に転写する露光装置において、 前記光学系による露光領域に対して前記相対移動方向に手前側の第 1 の計測点で、 前記基板の表面の高さを計測する第 1の焦点位置計測装置 と、

前記第 1の計測点の近傍に設定された第 2の計測点で、 前記基板の高 さの位置を計測する第 2の焦点位置計測装置と、

前記第 2の焦点位置計測装置の計測結果に基づいて前記基板の表面の 高さを前記第 1の焦点位置計測装置の検出可能範囲に収める合焦用ステ —ジと、 を有することを特徴とする露光装置。

3 3 . 請求の範囲 3 2記載の露光装置において、

前記第 2の計測点は、 前記相対移動方向に関し、 前記第 1の計測点の 更に手前側に配置されていることを特徴とする露光装置。

3 4 . 請求の範囲 3 2又は 3 3記載の露光装置において、

前記第 2の焦点位置計測装置の検出レンジは、 前記第 1の焦点位置計 測装置の検出レンジより広いことを特徴とする露光装置。

3 5 . 請求の範囲 3 2〜 3 4の何れか一項記載の露光装置において、 前記第 2の計測点を複数設けたことを特徴とする露光装置。

3 6 . 請求の範囲 3 2〜 3 5の何れか一項記載の露光装置において、 前記合焦用ステージは、 前記第 1の計測点及び前記第 2の計測点で計 測された前記基板の高さ位置の最大値と最小値との中間値に基づいて前 記基板の前記光学系の光軸方向に関する位置を制御するとともに、 前記 光軸方向に関する位置の制御の際に発生する誤差を、 前記基板の高さ位 置の値を用いて補正することで前記基板の傾斜角を制御することを特徴 とする露光装置。

3 7 . 請求の範囲 3 2〜 3 6の何れか一項記載の露光装置において、 前記所定のパターンは、 マスク上に形成された転写用のパターンであ ることを特徴とする露光装置。

3 8 . 請求の範囲 1〜 1 9の何れか一項記載の露光方法において、 前記基板は、 前記光学系に対する相対移動中に前記パターンの像が転 写されることを特徴とする露光方法。

3 9 . 請求の範囲 2 0〜 3 7の何れか一項記載の露光装置において、 前記基板は、 前記光学系に対する相対移動中に前記パターンの像が転 写されることを特徴とする露光装置。

4 0 . 所定のパターンが形成されたデバイスであって、

請求の範囲 1〜 1 9の何れか一項記載の露光方法を用いて製造された ことを特徴とするデバイス。