JPH04302131A - 投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は感光基板上に微小パター
ンを投影露光する際、投影光学系の見かけ上の焦点深度
を増加させる露光法を可能にした投影露光装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　従来、この種の投影露光装
置として、例えば特開昭６３−６４０３７号公報に開示
されているものが知られている。この公報には、半導体
ウェハの表面に形成されたレジスト層と、レチクルパタ
ーンを投影する投影光学系の像面とを相対的に光軸方向
に移動させて多重露光することで、現像されたレジスト
像が、あたかも焦点深度の大きい投影光学系を介して転
写されたような像質をもつことが開示されている。この
場合、上記公報に示された装置では、第１の露光を行っ
た後、ウェハを保持するＺステージを光軸方向に一定量
だけ移動させてから、同一レチクルパターンで第２の露
光を行っている。さらに、Ｚステージの光軸方向のステ
ップ位置は２点以上であってもよいことが示されている
。

【０００３】これと同様に、見かけ上の焦点深度を拡大
する効果が得られる手法として、特開昭５８−１７４４
６号公報に開示されたように、ウェハ上の１ショットの
露光動作中にウェハを光軸方向に振動させる方法も知ら
れている。この場合、上記公報には振動の波形が明記さ
れていないが、一般的な正弦波状の振動と考えると、そ
の振動振幅や周波数を適当な値に設定することで、上記
特開昭６３−６４０３７号公報と全く同様に焦点深度の
拡大効果が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記２つの従
来技術のうち、光軸方向に互いに分離した複数点の夫々
で露光を行う方法では、ウェハ上の１ショットの露光を
完了するためのシャッターの開閉動作回数が増えること
になり、必然的にスループットが低くなるといった問題
が生じる。またウェハを振動させながら露光する方法に
おいては、シャッターの開閉が１回でよいが、その代わ
りにシャッターの開時間中の振動周期数が丁度整数倍に
なるように設定する必要がある。さらに上記２つの従来
技術において、振動方式であれば振動中心を光軸方向の
どの位置に正確に設定するのか、離散的な光軸方向の位
置毎に露光する方式であれば、その離散的な面の位置を
ウェハ面に対してどのように保証するのかについての明
確な開示もない。このため従来技術においては、光軸方
向（Ｚ方向）の制御精度やスループットの点で、はなは
だ不満足なものになっていた。

【０００５】本発明はこのような要求に基づいて成され
たもので、スループットの向上を図るとともに、光軸方
向の位置制御精度、再現性等を格段に向上させた投影露
光装置を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明では、マスク（Ｒ）のパターンを感光基板（
Ｗ）に結像投影する投影光学系（ＰＬ）と、感光基板（
Ｗ）を保持して投影光学系（ＰＬ）の光軸方向に移動可
能なＺステージ（２０）と、Ｚステージを駆動するモー
タ（１９）と、感光基板（Ｗ）の表面と投影光学系（Ｐ
Ｌ）の所定結像面との光軸方向の相対的な位置ずれ量を
検出して該位置ずれ量に応じた検出信号を出力する表面
位置検出手段（１〜１１，１４〜１７）と、表面位置検
出手段からの検出信号が所定の値と一致するようにモー
タ（１９）をサーボ制御する制御手段（１８）とを備え
、感光基板の表面と所定結像面との光軸方向の位置を所
定の関係に設定してパターンを感光基板（Ｗ）に露光す
る投影露光装置において、表面位置検出手段（１〜１１
，１４〜１７）からの検出信号の値が、感光基板（Ｗ）
の表面と所定結像面との実際の位置ずれ量に対して所定
のオフセット量（ＭＳ）を含むように、表面位置検出手
段を補正する補正手段（１２，１３）と；パターンの感
光基板への露光動作の開始時点から終了時点までの間に
、前記オフセット量（ＭＳ）を所定の範囲に渡って所定
の速度特性で変化させるためのデータを記憶する記憶手
段（３０４）と；露光動作の開始に伴って記憶手段（３
０４）のデータを補正手段（１２，１３）に印加する手
段（３０８，３１０）とを備え、露光動作の間に、制御
手段（１８）によってサーボ制御された状態でＺステー
ジ（１９）を光軸方向に移動させることとした。

【０００７】

【作用】本発明は基板の表面位置を検出するフォーカス
センサーのオフセットを制御し、Ｚステージは常にフォ
ーカスゼロ点に追い込みつつ、フォーカスオフセットを
露光動作中に順次変化させることによって移動するＺス
テージのＺ位置で基板を連続露光することを技術的要素
とし、精度の向上とＺ移動範囲の拡大をはかっている。

【０００８】

【実施例】図１は本発明で使用する投影露光装置の概要
を示すものであり、照明系の最終段を構成するコンデン
サーレンズＣＬは、半導体焼きつけ用の回路パターンが
描画されているレチクルＲに均一な照度の照明光を照射
する。１／５、又は１／１０の縮小投影レンズＰＬはレ
チクルＲのパターンを両側テレセントリックな条件でウ
ェハＷ上に投影露光する。ウェハＷには不図示の感光層
（フォトレジスト）が塗布されており、ウェハホルダー
を含むＺステージ２０上に吸着されている。このＺステ
ージは投影レンズＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に微動
可能にＸＹステージ２１上に設けられる。Ｚステージ２
０は、通常は正しいフォーカス面（投影レンズＰＬのレ
チクルＲとの共役面）にウェハＷの表面を位置合わせを
するために使用され、ＸＹステージ２１はレチクルＲの
投影像とウェハＷを光軸ＡＸと垂直な面内で位置決めし
たりするために２次元移動する。このＺステージ２０は
投影レンズＰＬの分解能（開口数Ｎ．Ａ．）が向上する
に従って減少する有効焦点範囲内により高い精度でウェ
ハＷの表面位置決めできるように、例えば０．１μｍ以
下の分解能で移動制御される。

【０００９】また投影レンズＰＬは使用環境下での大気
圧、気温、及びウェハ処理時の露光パワー、照射光量等
々でフォーカス位置や倍率（ディストーション）等の光
学性能が変動することが知られている。そのため本実施
例の装置では、それら環境条件や露光条件の情報Ｓ１１
を入力して、投影レンズＰＬの光学性能の変動を算出す
る変動量モニター１００と、その算出された変動量に応
じて投影レンズＰＬ内の空気圧を調整する圧力調整器１
０２とを設け、光学性能の変動を補正するようにしてい
る。

【００１０】図２は、図１の投影露光装置に設けられる
斜入射光式の自動焦点合わせ機構を示し、図３は図２の
装置中の制御系のハードウェアとソフトウェアの機構を
まとめたブロック図である。まず図２に基づいて、自動
焦点合わせ（以下、ＡＦとする）機構について説明する
。ウェハＷ上のレジスト層に対して非感光性で、広い波
長幅を有する照明光ＩＬはスリット板１を一様に照明す
る。スリット板１のスリットを通った光はレンズ系２、
ミラー３、絞り４、投射レンズ５、及びミラー６を介し
て、ウェハＷに斜めに入射する結像光束となる。これに
よって、ウェハＷ上の投影レンズＰＬの光軸ＡＸが通る
位置、すなわちレチクルＲのパターン像の投影領域の中
央には１次元のスリット像が形成される。ウェハＷで反
射した反射光はミラー７、対物レンズ８、リレーレンズ
９、振動ミラー１０、及び平行平板ガラス１２を介して
受光用のスリット板１４上に結像する。すなわち、ウェ
ハＷが光軸方向の所定位置（合焦位置）にきたとき、送
光用のスリット板１、ウェハＷ、及び受光用のスリット
板１４の３点が相互に共役になるように設定されている
。また、以上の走光用スリット板１から受光用スリット
板１４までの系は、投影レンズＰＬに対して微動するこ
となく配置されている。ここで、ウェハＷが投影レンズ
ＰＬの最良結像面に一致している（合焦している）とす
ると、受光用スリット板１４上のスリット像は、振動ミ
ラー１０の作用で受光用スリット板１４のスリットを中
心に振動することになる。ウェハＷが合焦位置からずれ
ると、スリット板１４上のスリット像の振動中心は、ス
リット板１４のスリットから変位してくる。 フォトマルチプライヤー（ＰＭＴ）１５は受光用スリッ
ト板１４を通ってきた光量を光電検出し、その光電信号
は同期検波回路（以下ＰＳＤとする）１７に出力される
。また発振器（ＯＳＣ．）１６は、振動ミラー１０を駆
動するアクチュエータ（Ｍ−ＤＲＶ）１１へ周波数ｆの
交流ドライブ信号を出力するとともに、ＰＳＤ１７へ周
波数ｆの基準信号を出力する。ＰＳＤ１７は、ＯＳＣ．
　１６からの基準信号とＰＭＴ１５からの光電信号とを
入力して、基準信号に対して光電信号を同期検波する。

【００１１】この同期検波は、従来からよく知られてい
る光電顕微鏡のものと同じであって、スリット板１４上
で振動するスリット像の振動中心が、スリット板１４の
スリット中心と一致したとき、ＰＭＴ１５の光電信号は
、ＯＳＣ．１６の発振信号の周波数ｆの丁度２倍の周波
数（２ｆ）となり、ＰＳＤ１７の検波出力は零になる。 この状態からずれると、ＰＳＤ１７はそのずれの方向、
すなわち、ウェハＷの位置が合焦位置に対して、どちら
に変位したかによって、極性が異なる検波出力を発生す
る。

【００１２】従ってＰＳＤ１７の検波出力は、合焦状態
では零、ウェハＷが例えば投影レンズＰＬ側に近づいた
ときに正、そしてウェハＷが投影レンズＰＬから遠ざか
ったときに負となる連続した電圧変化を示す。検波出力
は通常、Ｓカーブ信号とも呼ばれ、零点近傍には、電圧
変化とウェハＷのＺ方向の位置変化との関係がほぼリニ
アになる範囲が存在し、この範囲を自動焦点合わせのた
めのサーボ制御に使う。

【００１３】さて、Ｚステージ２０は、ＸＹステージ２
１上に設けられたモータ１９を駆動回路（Ｚ−ＤＲＶ）
１８によってサーボ制御することで移動される。Ｚ−Ｄ
ＲＶ１８は、ＰＳＤ１７からの検波出力を偏差情報とし
て入力し、その検波出力が零になるようにモータ１９を
駆動する。以上、振動ミラー１０、Ｍ−ＤＲＶ１１、ス
リット板１４、ＰＭＴ１５、ＯＳＣ．１６、ＰＳＤ１７
、Ｚ−ＤＲＶ１８、モータ１９、及びＺステージ２０に
よって、自動焦点合わせの閉ループ制御系が構成される
。

【００１４】ところで、平行平板ガラス（以下、ハービ
ングと呼ぶ）１２は、ウェハＷからの反射光束を、スリ
ット板１４上のスリット像の振動方向にシフトさせるよ
うに傾けるもので、モータとエンコーダを含む駆動部（
Ｄ−ＤＲＶ）１３で駆動される。ハービング１２は焦点
合わせすべき面を光軸ＡＸ方向に所定量だけシフトさせ
る、オフセット機構として働き、どれくらいのフォーカ
スオフセットを与えるかは、主制御ユニット（ＭＣＵ）
３０からの信号ＤＳによって制御される。尚、ＭＣＵ３
０は、Ｈ−ＤＲＶ１３内に設けられたハービング１２の
傾き量をモニターするエンコーダ信号ＥＳを入力し、こ
の信号ＥＳによってモニターされるフォーカスオフセッ
ト量が目標値に達したか否かを比較し、その差に応じて
駆動用の信号ＤＳをＨ−ＤＲＶ１３に出力する。

【００１５】このハービング１２を用いた光学的なフォ
ーカスオフセットの設定は、ＰＳＤ１７の検波出力に電
気的なオフセットを加える方式よりも格段に広い範囲で
オフセットを加えることができる。通常、ハービング１
２は、各種フォーカスオフセット用として使われており
、１つはオペレータが任意に決めるプロセスオフセット
である。その他、装置固有のオフセットとしては、図１
に示した変動量モニター１００で算出された情報Ｓ１２
のうち焦点変動に関する情報ｆ２　（ｔ）と、大気圧変
化に関する情報とを入力することもある。

【００１６】さて、本発明の実施例では、投影レンズＰ
Ｌの見かけ上の焦点深度を増大させる方法として、先の
特開昭５８−１７４４６号公報と同様に、１回の露光動
作中（シャッター開放中）にＺステージ２０を所定の速
度特性で光軸方向に連続移動させる。ただし上記公報と
異なる点は、１回の露光動作でのＺステージ２０の移動
は下から上、もしくは上から下への一方向のみにした点
である。これはスループットを最大限に高めるためであ
る。

【００１７】さらに本発明の実施例では、先に述べたＡ
Ｆ機構の閉ループ制御（フィードバック）を働かせた状
態（以下、フォーカスサーボ状態とする）で、露光動作
中にハービング１２を予め決められた速度特性で傾ける
ように制御する。このようにフォーカスサーボ状態でハ
ービング１２を傾けていくと、それに追従してフォーカ
スオフセット量が変化し、その結果Ｚステージ２０がハ
ービング１２の傾き量に対応して光軸方向に追従移動す
る。すなわち、図２のＡＦ機構がウェハＷ上の表面（も
しくはレジスト層の内部の面）を常に合焦点としてとら
え続けていくため、投影レンズＰＬの最良結像面に対す
るオフセット量がエンコーダの情報ＥＳから正確に求ま
り、極めて精密な制御が可能になる。このようなハービ
ング１２の制御は、図２のＭＣＵ３０に加えられる情報
ｆ１　（ｔ）によって行われる。そこで以下、図３を参
照してＭＣＵ３０内部の各ユニットの機能を説明する。

【００１８】図３において、ＭＣＵ３０は外部に基本デ
ータ記憶部（メモリ）３３が接続されており、ここには
図４に示すような規格化された基本データが記憶されて
いる。図４の横軸は記憶部３３のメモリアドレスを表し
、縦軸は予め実験等で決めたハービング１２の駆動特性
（もしくはＺステージ２０の光軸方向の位置変化特性）
に対応したレベルを表す。本実施例では記憶部３３のア
ドレスＡＤ１　〜ＡＤ４　に基本データが格納されてい
るものとし、そのデータは図４に示すように、アドレス
ＡＤｃに記憶されたレベル（数値）Ｋ０　を中心に点対
称な曲線の波形となるように設定される。すなわちアド
レスＡＤ１　近傍とアドレスＡＤ４　近傍とで変化率を
ともに小さくし、中心のアドレスＡＤｃ近傍では変化率
を大きくしてある。そしてスタート点（又はエンド点）
のアドレスＡＤ１　の数値をＫ２　、エンド点（又はス
タート点）のアドレスＡＤ４　の数値をＫ１　としたと
き、（Ｋ１　＋Ｋ２　）／２＝Ｋ０　になるように設定
される。そして、図４のデータが、先に述べた情報ｆ１
　（ｔ）　となってＭＣＵ３０内の駆動データ作成部３
０４、又は補正データ作成部３０２に送られる。ＭＣＵ
３０内のタイマー３００は、予め求められている１回の
露光動作時間の間に、記憶部３３のアドレスをＡＤ１　
からＡＤ４　までを順番にアクセスするようなクロック
カウンタを有する。またタイマー３００のクロックカウ
ントは露光開始（シャッターの開放開始時点）と同時に
スタートする。補正データ作成部３０２は、オペレータ
によって設定されたＺステージ２０の１回の移動幅に対
して、図４の基本データのレベルを補正演算するもので
ある。その演算結果は補正データ記憶部３０６に図４と
同様のフォーマットで記憶される。尚、タイマー３００
は１回の露光時間中にカウントする数値をアドレスＡＤ
１　〜ＡＤ４　の個数に一義的に対応させる必要がある
ため、プログラマブルなもの（ハードウェアカウンタ、
又はソフトウェアによるカウンタ）になっている。

【００１９】また、別のデータ補正方法として、基本デ
ータに対する補正量（補正乗数等）のみを補正データ作
成部３０２で算出して、補正データ記憶部３０６に記憶
してもよい。この場合は基本データ（図４）のカーブの
形を細く修正する必要もあるので、アドレスＡＤ１　〜
ＡＤ４　の夫々の基本データレベルに対応した補正乗数
を、記憶部３０６内のアドレス空間に作成する。

【００２０】駆動データ作成部３０４は、先の光学特性
の変動のうち焦点変化に対応した情報（オフセット量）
ｆ２　（ｔ）と、補正データ記憶部３０６に記憶された
データとを読み込んで、加減算を行い、その結果をデジ
タル−アナログ変換器（ＤＡＣ）３０８に順次出力する
。 この出力動作はタイマー３００のクロックカウンタに同
期して行われ、ＤＡＣ３０８はＺステージ２０の光軸方
向の時間的な位置変化に対応した電圧ＭＳを目標値とし
てサーボアンプ３１０に出力する。このサーボアンプ３
１０の出力が前述の信号ＤＳとなってＨ−ＤＲＶ１３内
のモータに供給される。またＨ−ＤＲＶ１３内のエンコ
ーダからの信号ＥＳはアップダウンカウンタ３１２でカ
ウントアップ（又はカウントダウン）され、その数値は
ＤＡＣ３１４によってリアルタイムにアナログ電圧に変
換され、偏差信号としてサーボアンプ３１０のフィード
バック入力に印加される。これによってハービング１２
もサーボアンプ３１０、エンコーダ、カウンタ３１２、
ＤＡＣ３１４等による閉ループ制御系で傾き量が順次変
化していく。尚、補正データ記憶部３０６内に補正乗数
のみが記憶されている場合、駆動データ作成部３０４は
基本データｆ１　（ｔ）と記憶部３０６からの補正乗数
とをタイマー３００に同期して同時に読み込んで乗算し
た後、その乗算値に焦点変動に関する情報ｆ２　（ｔ）
を加算（又は減算）した結果を、ＤＡＣ３０８に出力す
る。

【００２１】次に本実施例の動作を、図５、図６、図７
を参照して説明するが、本実施例で最終的に必要とする
光軸方向の滞在確率を図７のようにする。滞在確率とは
Ｚステージ２０が光軸方向に移動するとき、光軸方向の
微小距離ΔＺを、どれくらいの時間Δｔで通るかを意味
するもので、数学上の微分値ｄｔ／ｄｚと同等である。 従ってＺステージ２０が等速に移動する場合の滞在確率
は一定値になる。図７で横軸は滞在確率の大きさを表し
、縦軸は光軸方向（Ｚ）の位置を表す。この図７で、Ｚ
方向の中点＋ΔＺｆはＺステージ２０の移動範囲の中点
、すなわち図４中のレベルＫ０　（アドレスＡＤｃ）に
相当する。Ｚステージ２０の移動範囲は図７中の位置＋
ΔＺ１　から位置−ΔＺ２　までの間であり、中点＋Δ
Ｚｆから±ΔＤだけＺ方向に離れた２点に滞在確率の極
大値が存在する。この２ヶ所の極大値はほぼ揃っている
ことが望ましく、また距離±ΔＤを投影レンズＰＬ自体
の焦点深度（±Ｄ０ｆ）と同程度、もしくはそれ以上に
設定すると、多重焦点露光法と同等に見かけ上の深度を
拡大することができることが、実験によって確認されて
いる。

【００２２】さて、図７の分布を得るためには、露光動
作時のシャッターの開閉特性や、１ショット当たりの全
露光時間を予め求めておく必要がある。これらのデータ
は図１の投影露光装置内に設けられている露光量モニタ
ー（光量積分器）や、Ｚステージ２０のウェハＷ載置部
以外の部分に設けられた照度センサーを使うことによっ
て容易に求めることができる。

【００２３】図５（Ｃ）に示した照度特性ＩＰは、ウェ
ハ面上に与える照度の時間変化を表したもので、時刻Ｔ
１　でシャッターが開き始めて時刻Ｔ２　で全開となり
、時刻Ｔ３　でシャッターの閉動作が始まり、時刻Ｔ４
　でシャッターの閉成が完了して１ショットの露光が終
わる。次の時刻Ｔ５　〜Ｔ８　での特性はウェハＷ上の
別のショットに対する同様の露光を意味する。

【００２４】このようなシャッターの特性を考慮して、
基本データｆ１　（ｔ）、あるいは補正された同等のデ
ータの読み出しは、図５（Ａ）に示すように同期させる
。 すなわち、図５（Ｃ）で時間（Ｔ２　−Ｔ１　）と時間
（Ｔ４　−Ｔ３　）が等しいとすると、データｆ１　（
ｔ）中の中心レベルＫ０　のアドレスＡＤｃがアクセス
されるタイミングは、時刻Ｔ１　（又はＴ２　）と時刻
Ｔ４（又はＴ３　）との中間点に合わされる。従って、
時刻Ｔ１　は図４中のアドレスＡＤ１　のアクセスタイ
ミングと一致させ、時刻Ｔ４　はアドレスＡＤ４　のア
クセスタイミングと一致させる。さらに時刻Ｔ２　を図
４中のアドレスＡＤ２　（データの変化率が時間ととも
に増大し始める点）のアクセスタイミングと一致させ、
時刻Ｔ３　を図４中のアドレスＡＤ３　（データの変化
率が時間とともに減少し始める点）のアクセスタイミン
グと一致させる。

【００２５】図５（Ａ）は基本データｆ１　（ｔ）のみ
によって得られるウェハ面のＺ方向の位置変化に対応し
ていて、０点はベストフォーカス位置を意味する。ただ
し実際のベストフォーカス位置は、図５（Ｂ）に示すよ
うに、情報ｆ２　（ｔ）に応じたオフセット量＋ΔＺｆ
を加えた位置である。ここではオフセット量＋ΔＺｆを
一定のように示したが、時々刻々変化する（ただしデー
タｆ１　（ｔ）の変化よりは十分にゆるやか）場合もあ
る。駆動データ作成部３０４は、この図５（Ａ）と図５
（Ｂ）の特性を加算して図６のようなデータを作る。こ
れによってＺステージ２０は、フォーカスオフセット量
＋ΔＺｆを中点として上下に対称的な量だけ移動する。 尚、図６ではデータｆ１　（ｔ）とｆ２　（ｔ）をその
まま加算して信号ＭＳとしているが、データｆ１　（ｔ
）は先に述べたように必要に応じて補正される。また図
６中の時刻Ｔｃは図４のアドレスＡＤｃのアクセスタイ
ミングに対応している。

【００２６】こうして時刻Ｔ１　からＴ４　までの間で
１ショットの露光が終了すると、ＸＹステージ２１が次
のショットの露光のためにステッピングする。時刻Ｔ４
　からＴ５　の間は、そのステッピング時間である。さ
て、次のショットに対しては、各記憶部３３、３０６の
アドレスをＡＤ４　からＡＤ１　に向けて逆にアクセス
していくことによって、Ｚステージ２０を先のショット
のときと逆方向に移動させることができる。

【００２７】以上のようにして各ショットの露光を行え
ば、１ショット当たりのシャッターの開閉は１回でよく
、かつＺステージ２０の移動も一方向に１回だけでよく
、従来の露光方法よりも格段にスループットが上がる。 しかもＡＦ機構によって移動中のウェハ面を常にモニタ
ーしているため、光軸方向のウェハＷの位置制御が極め
て正確になるといった効果が得られる。また、図５（Ａ
）、又は図６に示した特性は、Ｚステージ２０のＺ方向
移動の速度特性と一義的に関係付けられ、Ｚステージ２
０の速度特性は図５（ｃ）の照度変化と同様の台形状に
なる。

【００２８】以上、本発明の実施例では、ハービング１
２が信号ＭＳに応答してサーボ制御されるとともに、既
存のＡＦ機構も零メソッドでサーボ制御を行っているた
め、Ｚステージ２０の移動量が比較的大きい場合でも、
系としての安定性が高く、しかも高精度の位置制御が可
能である。先にも述べたように、ハービング１２の傾き
でオフセットを加える方法以外にＰＳＤ１７の検波出力
（Ｓカーブ信号）に電気的にオフセットを加える方法も
あるが、以下で説明するような問題が生じる。図８はＰ
ＳＤ１７のＳカーブ信号の波形例で、横軸はウェハＷの
合焦点（零点）からのずれ量ΔＦを表し、縦軸は信号電
圧Ｖを表す。図８中の実線のＳカーブ特性ＰＶ１　はオ
フセットのない理想的な状態で得られるもので、零クロ
ス点を挟んで光軸方向にほぼ対称的な範囲±ΔＦ１　内
で信号電圧はほぼリニアになっている。この±ΔＦ１　
の範囲がサーボ可能な範囲になる。一般に同期検波で得
られるＳカーブ信号をサーボ系に使う場合、零クロス点
への追い込み精度は、±ΔＦ１　の範囲内の電圧変化が
ある程度以上に急峻になればサーボ系の感度向上に伴っ
て高くなる。しかしながら±ΔＦ１　のリニア領域の電
圧変化を急峻にすることは、それだけサーボ可能範囲２
ΔＦ１　を狭くすることにつながる。このサーボ可能範
囲２ΔＦ１　は、ウェハＷ上のフラットネスの範囲や局
所的な凹凸を想定しつつ、感度が低くならない程度に定
められている。

【００２９】さて、このようなＳカーブ信号にΔＶ０ｆ
の電圧オフセットを加えてみると、図８の破線に示すよ
うに、Ｓカーブ特性は全体に電圧軸方向にシフトする。 この破線のＳカーブ特性ＰＶ２　の電圧の零点は、−Δ
Ｆ方向にΔＯｆだけシフトする。すなわち、このΔＯｆ
がフォーカスオフセットに相当し、フォーカスサーボ系
は元々の零点からΔＯｆだけマイナスの位置にウェハ表
面を位置決めする。ところが図８から明らかなように、
破線のＳカーブ特性ＰＶ２　の電圧零点から−ΔＦ方向
のリニア領域はほとんど消失してしまう。このことはフ
ォーカスサーボ系が安定に働かなくなることを意味する
。従って電気的なオフセットを加えられる範囲は極めて
狭い範囲に限られることになる。

【００３０】一方、本実施例で示した光学的なオフセッ
トでは、実線のＳカーブ特性ＰＶ１　を、そのまま±Δ
Ｆ方向（光軸方向）に平行移動させることになるため、
フォーカスサーボ系の安定性が損なわれることはない。 従って、ハービング１２を使用すると、光電検出すべき
スリット像に影響を与えない限り、かなり広い範囲で安
定なフォーカスオフセットを加えることができるのであ
る。

【００３１】以上の実施例で、ハービング１２はＡＦ機
構のうち受光系側に設けられるようにしたが、投光系側
のスリット板１とレンズ系２の間、又は投射レンズ５と
ミラー６の間等に設けても、全く同様の効果が得られる
。さらに光学的なオフセットの与え方として、投光系内
のミラー３の傾き、又は振動ミラー１０の振動中心での
反射方向をピエゾ素子によって微小に変化させるように
してもよい。

【００３２】焦点検出回路として同期検波方式でないス
タティックな方式にも本発明は適用できる。例えば振動
ミラー１０は固定ミラーとし、受光用のスリット板１４
の位置に２分割の光ディテクターを配置し、その光ディ
テクターの分割ライン（不感帯）の幅よりも広い幅でス
リット板１のスリット像を投影するようにし、２分割デ
ィテクターの両素子の出力信号の差動をとることによっ
ても、Ｓカーブ信号と同様の波形が得られる。

【００３３】図９は光軸方向の３点で滞在確率に極大値
を持たせる場合を示し、ステップ９（Ａ）はＺステージ
２０の時間に対するＺ方向の位置変化の特性ｆ３　（ｔ
）を示し、図９（Ｂ）はそれによって得られる滞在確率
の分布である。この場合、３つの極大点は光軸方向に２
ΔＤ（２Ｄ０ｆ）ずつ間隔をあけるようにするとよい。 そして中央の極大点はＺ方向の位置を＋ΔＺｆのベスト
フォーカス面に設定する。ここでも、特性ｆ３　（ｔ）
に従ったＺステージ２０の移動は１回の露光動作時間（
時刻Ｔ１　からＴ４まで）中に行われるため、中間の時
刻ＴｃではＺステージ２０の速度を１度減速させる必要
がある。 この特性ｆ３　（ｔ）についても、最適なカーブをシミ
ュレーションや実験等で求めて、基本データとして記憶
部３３に格納される。

【００３４】ところで、図４に示した基本データは標準
的なウェハ露光条件に合わせて作られているため、シャ
ッターの開閉動作特性の装置間の差や、極端な露光時間
の設定等によっては図４のデータカーブを修正する必要
がある。そこで図１０、図１１を参照していくつかの修
正例を示すが、ここでは滞在確率分布上の２点に極大値
をもたせるものとする。図１０（Ａ）は露光時間が極端
に短い場合のウェハ上での照度変化を示し、図１１（Ａ
）は露光時間が長い場合の照度変化を示す。まず露光時
間が短いと言うことは、シャッターの全開時間（Ｔ３　
−Ｔ２　）がほとんどないか、もしくは零の場合を意味
する。この場合、Ｚステージ２０のベストフォーカス面
ΔＺｆの通過速度は、ほぼ最高速に設定される。図１０
（Ｂ）は、Ｚステージ２０のＺ方向の位置と時間ｔとの
関係を示し、露光時間（Ｔ４　−Ｔ１　）の中心点の時
刻Ｔｃにベストフォーカス位置ΔＺｆを通過するように
最高速の特性によって決まる直線Ｌ１　を設定する。次
に時刻Ｔ１　でほぼ位置ΔＺ１　を通り、直線Ｌ１　よ
りも傾きの小さい直線Ｌ２　と、時刻Ｔ４　でほぼ位置
ΔＺ２　を通り、直線Ｌ１　よりも傾きの小さい直線Ｌ
３　（実際はＬ２　とＬ３　の傾きを等しくする）とを
設定する。このとき、シャッターの開放動作時間（Ｔ２
−Ｔ１　）と閉成動作時間（Ｔ４　−Ｔ３　）とが等し
いものとし、各動作時間が全開時間（Ｔ３　−Ｔ２　）
よりも長いものとすると、直線Ｌ１　とＬ２　の交点、
及び直線Ｌ１　とＬ３　の交点はいずれも全開時間の外
側（動作時間中）に存在することもある。Ｚステージ２
０の速度はこれら直線Ｌ１　、Ｌ２　、Ｌ３　に沿うよ
うに制御されるが、実際は、時刻Ｔ１　よりも前の時刻
ＴｓでＺステージ２０（ハービング１２）の移動をスタ
ートし、完全に停止（速度零）するのは時刻Ｔ４　より
も後の時刻Ｔｅにストップするように、折れ線部分をな
めらかなカーブに修正して基本データとして記憶する。 尚、図１０（Ｂ）の場合、直線Ｌ２　、Ｌ３　の傾きは
零であってもよいが、ある程度の傾きを持たせた方がＺ
ステージ２０の駆動制御上は好ましい。一方、図１１（
Ａ）のように露光時間が長い場合、Ｚステージ２０の移
動特性は図１１（Ｂ）に示すように時刻Ｔｃでベストフ
ォーカス位置ΔＺｆを通る直線Ｌ１　’と、時刻Ｔ１　
で位置ΔＺ１　を通る直線Ｌ２　’と、時刻Ｔ４　で位
置ΔＺ２　を通る直線Ｌ３　’とで近似される。シャッ
ターの全開時間が長い場合、直線Ｌ１　’とＬ２　’の
交点と直線Ｌ１　’とＬ３　’の交点とは全開時間内の
中央近くに位置する。また直線Ｌ１　’の傾きはＺステ
ージ２０の最高速に合わせてもよいが、全開時間が長い
ことから、最高速よりも低い速度にしてもよい。

【００３５】以上の図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）の特性
から、Ｚステージ２０の移動開始時、及び停止時の速度
特性に若干の差異があるため、これら差異のある特性カ
ーブのいくつかを基準データとして記憶部３３に記憶し
ておくとよい。また以上の各実施例では、記憶部３３に
予めデータを記憶しておくとしたが、図１０（Ｂ）、図
１１（Ｂ）で説明したような折れ線近似を用いた数値計
算で最適な特性を算出してもよい。さらに、上記投影露
光装置はシャッターによって露光量を制御するものであ
るが、パルスレーザを光源とした露光装置（エキシマス
テッパー等）では、光源からのパルス数と各パルス毎の
光量微調とによって露光制御を行っている。この場合で
も、本発明は全く同様に適用でき、同等の効果を得るこ
とができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ｚステー
ジの位置決めを正確にかつリアルタイムでサーボし続け
ることができる。しかも、Ｚステージ可動範囲も長くと
れ、レジスト厚やウェハの表面の反射率変化によるＺス
テージの非線型な動きが防止されるから、光軸方向の位
置制御が極めて正確になり、焦点深度の拡大効果が常に
安定に得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の実施例に好適な投影露光装置の全
体の構成図で、

【図２】　　本発明の実施例によるフォーカストラッキ
ング方式を実現するための構成図、

【図３】　　主制御系の機能をブロック化した図、

【図
４】　　基本データ記憶部に記憶されたデータ列、

【図
５】　　フォーカスオフセットと露光動作との関係を示
すチャート図、

【図６】　　実際のフォーカスオフセットの時間変化を
表すチャート図、

【図７】　　Ｚステージの移動により得られる滞在確率
の一例を示すグラフ、

【図８】　　同期検波出力に電気的オフセットを与えた
ときの様子を示すグラフ、

【図９】　　光軸方向の３点に滞在確率上の極大値をも
たせたときの様子を示すグラフ、

【図１０】　　Ｚステージの速度特性の決め方を示すグ
ラフ、

【図１１】　　Ｚステージの速度特性の決め方を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

ＰＬ　　投影レンズ Ｒ　　レチクル Ｗ　　ウエハ ＩＬ　　オートフォーカス系の光束 １　　送光スリット １０　　振動ミラー １１　　ミラー駆動アンプ １２　　フォーカスオフセット用のハービング１３　　
ハービング用ドライバー １４　　受光用スリット １５　　フォトマル １７　　フォーカス位置検出用の同期検波回路１８　　
Ｚステージドライバー １９　　Ｚステージ移動用モータ ２０　　Ｚステージ ２１　　ＸＹステージ ３０　　主制御系 ３３　　基本データ記憶部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マスクのパターンを感光基板に結像投
   影する投影光学系と、該感光基板を保持して前記投影光
   学系の光軸方向に移動可能なＺステージと、該Ｚステー
   ジを駆動するモータと、前記感光基板の表面と前記投影
   光学系の所定結像面との光軸方向の相対的な位置ずれ量
   を検出して該位置ずれ量に応じた検出信号を出力する表
   面位置検出手段と、該表面位置検出手段からの検出信号
   が所定の値と一致するように前記モータをサーボ制御す
   る制御手段とを備え、前記感光基板の表面と前記所定結
   像面との光軸方向の位置を所定の関係に設定して前記パ
   ターンを前記感光基板に露光する投影露光装置において
   、前記表面位置検出手段からの検出信号の値が、前記感
   光基板の表面と前記所定結像面との実際の位置ずれ量に
   対して所定のオフセット量を含むように、前記表面位置
   検出手段を補正する補正手段と；前記パターンの感光基
   板への露光動作の開始時点から終了時点までの間に、前
   記オフセット量を所定の範囲に渡って所定の速度特性で
   変化させるためのデータを記憶する記憶手段と；前記露
   光動作の開始に伴って前記記憶手段のデータを前記補正
   手段に印加する手段とを備え、前記露光動作の間に、前
   記制御手段によってサーボ制御された状態で前記Ｚステ
   ージを前記光軸方向に移動させることを特徴とする投影
   露光装置。
2. 【請求項２】　　前記表面位置検出手段は、前記感光基
   板の表面に斜めに光束を照射する投光系と、該光束の前
   記表面からの反射光を受光して、その受光位置の変化を
   光電的に検出する受光系とで構成され；前記補正手段は
   、前記投光系から前記受光系までの光路中に配置されて
   、前記光束、もしくは前記反射光を前記受光系の受光位
   置検出方向に関してオフセットさせる可動光学素子と、
   該可動光学素子を駆動する第２のモータと、前記記憶手
   段のデータに基づいて前記第２のモータをサーボ制御す
   る第２の制御手段とを含むことを特徴とする請求項１に
   記載の投影露光装置。