JPH05190423A

JPH05190423A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH05190423A
Application number: JP4006407A
Authority: JP
Inventors: Yuji Imai; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-01-17
Filing date: 1992-01-17
Publication date: 1993-07-30
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JP3391470B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】斜入射光式等の焦点検出系を多点化したとき
に、各測定点で最良結像面を基準としたキャリブレーシ
ョンを高精度に行なう。【構成】Ｚステージ２０に発光マーク（スリット）を
設け、これからの光を投影レンズによりレチクルＲ側に
結像させ、その反射光を投影レンズＲＬによって再度発
光マーク側に戻し、その戻り光の光量変化をＺステージ
２０を上下動させて検出して、多点ＡＦ系の各測定点の
信号出力のオフセット値を記憶する。

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回路パター
ン等の像を投影露光する装置に関し、特に感光基板の焦
点合わせのための焦点検出装置を備えた投影露光装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の投影露光装置では、レチクル（マ
スク）のパターンを高解像力の投影光学系を介して感光
基板（レジスト層を塗布したウェハやガラスプレート）
上に投影露光する際、レチクルのパターンの結像面に正
確に感光基板の表面を合致させる作業、すなわち焦点合
わせが必須のこととなっている。近年、投影光学系の焦
点深度は狭くなる一方で、露光用照明光として波長３６
５nmのｉ線を用いたものでも、±0.７μｍ程度の深度し
か得られないのが現状である。さらに投影光学系の投影
視野は年々増大する傾向にあり、広い露光視野（例えば
２２mm角）全面に渡って極力大きな焦点深度を確保した
投影光学系の設計、製造は困難なものになってきてい
る。このため、焦点深度拡大のためのいくつかの方法が
提案されている。

【０００３】しかしながら、広い露光視野全面で良好な
焦点合わせを達成するためには、いずれにしろその露光
視野内に入る感光基板上の部分領域の平坦性と、結像面
の平坦性、いわゆる像面湾曲、像面傾斜とがともに良好
であることが要求される。このうち像面湾曲と像面傾斜
に関しては投影光学系自体の光学性能に依存するところ
が多いが、その他にレチクルの平面度、平行度が要因に
なることもある。一方、感光基板上の部分領域、すなわ
ち１回の投影露光領域（ショット領域）毎の平坦度は、
感光基板によってその程度に差異があるが、感光基板を
保持するホルダーを微小量だけ傾けることによって感光
基板上のショット領域の表面と結像面とを平行に設定す
ることが可能である。

【０００４】このように感光基板上の１つのショット領
域の表面の傾きも考慮して焦点合わせを行なう手法とし
て、特開昭５８−１１３７０６号公報、特開昭５５−１
３４８１２号公報等に開示された技術が知られている。
特に特開昭５５−１３４８１２号では投影光学系を介し
て感光基板上の４点に光ビームのスポットを投射し、そ
の反射光によるスポット像を光電検出して感光基板の焦
点合わせ、傾き補正（レベリング）を行なうことが開示
されている。

【０００５】ところが、上記２つの従来技術では、感光
基板の表面が予め仮想的に設定した基準平面（極力結像
面と一致してはいる）からどれぐらい投影光軸の方向に
ずれているかを検出するのみで、直接、結像面と感光基
板表面とのずれを検出する方式ではなかった。そのた
め、感光基板の光軸方向の位置ずれ計測の基準となる仮
想的な基準面がドリフト等によって投影光学系の結像面
からずれると、そのずれ分は感光基板上へパターンを投
影露光するときの残留フォーカスオフセットとなってい
た。

【０００６】そこでこのような残留フォーカスオフセッ
トを低減させる手法が特開昭６０−１６８１１２号公
報、または特開昭５９−９４０３２号公報に開示されて
いる。このうち特開昭６０−１６８１１２号公報では、
感光基板を載置するステージ（ホルダー）上に基準パタ
ーンを設け、この基準パターンを投影光学系を介してレ
チクル上の特定パーンタ上に逆投影し、特定パターン上
に形成される基準パターンの像のコントラストが最大と
なるようにステージの高さ位置を調整した後、その基準
パターンの形成されている面が、感光基板の焦点合わせ
用の焦点検出系（斜入射光式）よってベストフォーカス
面（最良結像面）として検出されるように焦点検出系を
較正している。また特開昭５９−９４０３２号公報で
は、ステージ上の基準パターンをスリット状の受光セン
サーとし、レチクル上のスリットパターンを投影光学系
によって投影したときのパターン像のコントラストを検
出することでベストフォーカス面を特定している。

【０００７】また他の手法として、特開平１−２６２６
２４号公報に開示されているように、ステージ上にスリ
ット状に発光する発光マークを設け、この発光マークの
像をレチクル上の特定マークへ逆投影し、ステージをＸ
Ｙ方向に移動させてレチクルマークを発光マーク像で走
査したときにレチクル上方へ透過する光を光電検出する
ことでベストフォーカス面を検出する方法も知られてい
る。

【０００８】また、先に掲げた特開昭５８−１１３７０
６号公報に開示された斜入射式焦点検出系を発展させた
ものとして、感光基板上のショット領域内の複数点（例
えば５点）の夫々に、投影光学系を介することなくピン
ホール像を斜入射方式で投射し、その各反射像を２次元
位置検出素子（ＣＣＤ）で一括に受光する方式の多点斜
入射光式焦点検出系も、特開平２−１０２５１８号公報
等で知られている。この従来例に開示された方式は、俗
に斜入射方式の多点ＡＦ系と呼ばれ、焦点検出と傾斜検
出とを高精度に実行できる。ただし、この従来例には、
投影露光時のベストフォーカス面に対するフォーカスオ
フセットの較正についての開示、あるいは示唆はない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の各従来技術にお
いて、実際のパターン露光時に感光基板表面の投影光軸
方向の位置ずれ（焦点ずれ）を検出する系は、いずれも
レチクルパターンと感光基板との合焦状態を直接検出す
るのではなく、専ら感光基板のみの光軸方向の位置ずれ
を検出するだけである。このため、装置上のドリフト等
を考慮して時々較正を行うのが理想的である。さらに感
光基板の平坦度、平行度を考えると、ショット領域内の
複数点を個別にほぼ同時に焦点検出する多点ＡＦ系方式
の方が優れている。

【００１０】そこで多点ＡＦ系を採用した場合に、その
ＡＦ系を較正するとなると、従来の較正方式をそのまま
適用することが難しいことがわかった。すなわち、上述
の従来の較正方式では、必ず何らかの検出系でレチクル
上の特定パターンを検出する必要があったため、常にレ
チクルの回路パターン領域の周辺部またはストリートラ
イン領域内に、その特定パターンを刻設する必要があっ
たからである。このため、多点ＡＦ系で決められている
投影視野内での複数の計測点位置と、較正時に検出すべ
きレチクル上の特定パターンの位置とが全く異なること
になり、その位置の差を考慮せずにそのまま較正してし
まっても、投影光学系の持つ収差、レチクルのたわみ等
による影響で、正確な較正（キャリブレーション）にな
らないといった問題点があった。

【００１１】また多点ＡＦ系でなくても、斜入射光式の
感光基板上でのフォーカス計測点が投影視野の中央、す
なわちショット領域の中央のみにしか設定されていない
定点ＡＦ系であっても同様の問題が生じていた。本発明
はこの様な問題点に鑑みてなされたもので、投影視野内
の任意の位置にＡＦ系の計測点が設定されても、その計
測点での正確な較正（フォーカスキャリブレーション）
を可能とし、これによって特に多点ＡＦ系の精度、再現
性、安定性等を向上させることを目的とする。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の実施例による投影露光装置の
うち、投影光学系のベストフォーカス面を検出するＴＴ
Ｌ方式の焦点検出系を示す図である。図１において、実
デバイス製造用の回路パターン領域ＰＡが下面に形成さ
れたレチクルＲは、不図示のレチクルホルダーに保持さ
れる。絞り面（瞳面）ＥＰを挾んで前群、後群に分けて
模式的に表わした投影レンズＰＬの光軸ＡＸはレチクル
Ｒの中心、すなわちパターン領域ＰＡの中心を、レチク
ルパターン面に対して垂直に通る。投影レンズＰＬの下
方には、ウェハＷを載置して光軸ＡＸ方向に微少量（例
えば±１００μｍ以内）だけ移動するＺステージ２０
が、ＸＹステージ２１上に設けられている。このＸＹス
テージ２１はウェハＷを光軸ＡＸと垂直なＸＹ平面内で
２次元移動させるものである。さらに、Ｚステージ２０
の一部には、ウェハＷの表面とほぼ等しい高さ位置で基
準板ＦＭが固定されている。この基準板ＦＭには、図２
に示すようにＸ方向に延びた透過形スリットの複数本が
Ｙ方向に一定ピッチで配置されたマークＩＳｙと、Ｙ方
向に延びた透過形スリットの複数本がＸ方向に一定ピッ
チで配置されたマークＩＳｘと、さらにＸ、Ｙ方向の夫
々に対して４５°となる斜めスリットＩＳａとが形成さ
れている。これらスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳ
ａは、石英製の基準板ＦＭの表面全面にクロム層（遮光
層）を蒸着し、そこに透明部として刻設したものであ
る。

【００１３】さて図１において、基準板ＦＭの下方（Ｚ
ステージ２０の内部）には、ミラーＭ１、照明用対物レ
ンズ４０、及び光ファイバー４１が設けられ、光ファイ
バー４１の射出端からの照明光が対物レンズ４０によっ
て集光されて、基準板ＦＭのスリットマークＩＳｘ、Ｉ
Ｓｙ、ＩＳａをともに裏側から照射する。光ファイバー
４１の入射端側にはビームスプリッタ４２が設けられ、
レンズ系４３を介して露光用照明光ＩＥが光ファイバー
４１に導入される。その照明光ＩＥはレチクルＲ照明用
の光源（水銀ランプ、エキシマレーザ等）から得るのが
望ましいが、別に専用の光源を用意してもよい。ただし
別光源にするときは、露光用照明光と同一波長、又はそ
れに極めて近似した波長の照明光にする必要がある。

【００１４】また、対物レンズ４０による基準板ＦＭの
照明条件は、パターン投影時の投影レンズＰＬでの照明
条件と極力合わせられる。すなわち投影レンズＰＬの像
側の照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）と対物レンズ４０から
基準板ＦＭへの照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）とをほぼ一
致させるのである。さて、このような構成で、照明光Ｉ
Ｅを光ファイバー４１に導入すると、基準板ＦＭ上のマ
ークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａからは投影レンズＰＬへ送
進する像光束が発生する。図１において、Ｚステージ２
０は投影レンズＰＬの最良結像面（レチクル共役面）Ｆ
ｏからわずかに下方に基準板ＦＭが位置するようにセッ
トされていものとする。このとき基準板ＦＭ上の一点か
ら発生した像光束Ｌ１は投影レンズＰＬの瞳面ＥＰの中
心を通り、レチクルＲのパターン面からわずかに下方へ
ずれた面Ｆｒ内で集光した後に発散し、レチクルＲのパ
ターン面で反射してから元の光路を戻る。ここで面Ｆｒ
は、投影レンズＰＬに関して基準板ＦＭと共益な位置に
ある。投影レンズＰＬが両側テレセントリック系である
と、基準板ＦＭ上の発光マークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａ
からの像光束は、レチクルＲの下面（パターン面）で正
規反射して再びマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａと重畳す
るように戻ってくる。ただし、図１のように基準板ＦＭ
が結像面Ｆｏからずれていると、基準面ＦＭ上には各マ
ークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａのぼけた反射像が形成さ
れ、基準板ＦＭが結像面Ｆｏと一致しているときは、面
ＦｒもレチクルＲのパターン面と一致することになり、
基準板ＦＭ上には各マークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａのシ
ャープな反射像がそれぞれのマークに重畳して形成され
ることになる。図３は基準板ＦＭがデフォーカスしてい
るときの発光マークＩＳｘとその反射像ＩＭｘとの関係
を模式的に表わしたものである。両側テレセントリック
な投影レンズＰＬでは、このように反射像ＩＭｘは自身
の源である発光マークＩＳｘ上に投射される。そして基
準板ＦＭがデフォーカスしていると、反射像ＩＭｘは、
マークＩＳｘの形状寸法よりも大きくなり、かつ単位面
積あたりの照度も低下する。

【００１５】そこで基準板ＦＭ上にできる反射像のう
ち、元のマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａで遮光されなか
った像部分の光束をミラーＭ₁、対物レンズ４０を介し
て光ファイバー４１で受光し、ビームスプリッタ４２、
レンズ系４４を介して光電センサー４５で受光するよう
にする。光電センサ４５の受光面は投影レンズＰＬの瞳
面（フーリエ変換面）ＥＰとほぼ共役に配置される。

【００１６】先に従来技術で述べた種々の公知例では、
発光型マーク、受光型マーク、あるいは単なる反射型の
基準マークを投影レンズの像面側に配置し、ＸＹ平面内
でレチクルマークを光学的又は電気的に走査することで
コントラスト検出用の電気信号を得ていた。ところが、
図１の構成においては従来のようにＸＹ平面内で基準板
ＦＭを走査してコントラスト変化を表わす電気信号を得
る必要はなく、Ｚステージ２０を上下方向（Ｚ方向）に
移動させるだけでコントラスト信号を得ることができ
る。

【００１７】図４は光電センサ４５の出力信号ＫＳの信
号レベル特性を表わし、横軸はＺステージ２０のＺ方向
の位置、すなわち基準板ＦＭの光軸ＡＸ方向の高さ位置
を表わす。この図４で図４（Ａ）は発光マークＩＳｘ、
ＩＳｙ、ＩＳａがレチクルＲのパターン面内のクロム部
分に逆投影されたときの信号レベルを示し、図４（Ｂ）
はパターン面内のガラス部分（透明部分）に逆投影され
たときの信号レベルを示す。通常、レチクルのクロム部
分は0.３〜0.５μｍ程度の厚みでガラス（石英）板に蒸
着されており、クロム部分の反射率は当然のことながら
ガラス部分の反射率よりは格段に大きい。しかしなが
ら、ガラス部分での反射率は完全に零ということはない
ので、図４（Ｂ）のようにレベルとしてはかなり小さく
なるが、検出は可能である。また一般に実デバイス製造
用のレチクルは、パターン密度が高いために、発光マー
クＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａの全ての逆投影像がレチクル
パターン中のガラス部分（透明部分）に同時にかかる確
率は極めて少ないと考えられる。

【００１８】いずれの場合にしろ、基準板ＦＭの表面が
最良結像面Ｆｏを横切るように光軸方向に移動される
と、Ｚ方向の位置Ｚｏで信号レベルが極大値となる。従
って、Ｚステージ２０のＺ方向位置と出力信号ＫＳとを
同時に計測し、信号レベルが極大となったときのＺ方向
位置を検出することで、最良結像面Ｆｏの位置が求ま
り、しかもこの検出方式ではレチクルＲ内の任意の位置
で結像面Ｆｏの検出が可能となる。すなわち、従来技術
のようにレチクルＲ内の特定位置に形成されたパターン
（マーク）を使う必要がなく、レチクルＲが投影レンズ
ＰＬの物体側にセットされてさえいれば、いつでも投影
視野内の任意の位置で絶対フォーカス位置（最良結像面
Ｆｏ）が計測できる。また先に述べたようにレチクルＲ
のクロム層は0.３〜0.５μｍ厚であり、この厚みによっ
て生じる最良結像面Ｆｏの検出誤差は、投影レンズＰＬ
の投影倍率を１／５縮小とすると、（0.３〜0.５）×
（１／５）²＝0.０１２〜0.０２μｍとなり、これはほ
とんど無視できる値である。

【００１９】次に図５を参照して斜入射光式のＡＦ系に
ついて説明するが、ここでは多点ＡＦを採用するものと
する。多点ＡＦとは投影レンズＰＬの投影視野内の複数
ケ所に、ウェハＷの光軸方向の位置ずれ（いわゆる焦点
ずれ）を計測する測定点を設けたものである。図５にお
いて、ウェハＷのレジストに対して非感光性の照明光Ｉ
Ｌはスリット板１を照明する。そしてスリット板１のス
リットを通った光は、レンズ系２、ミラー３、絞り４、
投光用対物レンズ６、及びミラー６を介してウェハＷを
斜めに照射する。このとき、ウェハＷの表面が最良結像
面Ｆｏにあると、スリット板１のスリットの像がレンズ
系２、対物レンズ５によってウェハＷの表面に結像され
る。また対物レンズ５の光軸とウェハ表面との角度は５
〜１２度位に設定され、スリット板１のスリット像の中
心は、投影レンズＰＬの光軸ＡＸがウェハＷと交差する
点に位置する。

【００２０】さてウェハＷで反射したスリット像光束
は、ミラー７、受光用対物レンズ８、レンズ系９、振動
ミラー１０、及び平行平面板（プレーンパラレル）１２
を介して受光用スリット板１４上に再結像される。振動
ミラー１０は受光用スリット板１４にできるスリット像
を、その長手方向と直交する方向に微小振動させるもの
であり、プレーンパラレル１２はスリット板１４上のス
リットと、ウェハＷからの反射スリット像の振動中心と
の相対関係を、スリット長手方向と直交する方向にシフ
トさせるものである。そして振動ミラー１０は、発振器
（ＯＳＣ．）１６からの駆動信号でドライブされるミラ
ー駆動部（Ｍ−ＤＲＶ）１１により振動される。

【００２１】こうして、スリット像が受光用スリット板
１４上で振動すると、スリット板１４のスリットを透過
した光束はアレイセンサー１５で受光される。このアレ
イセンサー１５はスリット板１４のスリットの長手方向
を複数の微小領域に分割し、各微小領域毎に個別の光電
セルを配列したものであり、ここではシリコンフォトダ
イオード、又はフォトトランジスタのアレイセンサーを
使うものとする。そしてアレイセンサー１５の各受光セ
ルからの信号はセレクター回路１３を介してセレクト、
又はグループ化されて、同期検波回路（ＰＳＤ）１７に
入力する。このＰＳＤ１７にはＯＳＣ．１６からの駆動
信号と同じ位相の交流信号が入力し、この交流信号の位
相を基準として同期整流が行なわれる。このときＰＳＤ
１７は、アレイセンサー１５の中から選ばれた複数の受
光セルの各出力信号を個別に同期検波するために、複数
の検波回路を備え、その各検波出力信号ＦＳは主制御ユ
ニット（ＭＣＵ）３０に出力される。検波出力信号ＦＳ
は、いわゆるＳカーブ信号と呼ばれ、受光用スリット板
１４のスリット中心とウェハＷからの反射スリット像の
振動中心とが一致したときに零レベルとなり、ウェハＷ
がその状態から上方に変位しているときは正のレベル、
ウェハＷが下方に変位しているときは負のレベルにな
る。したがって出力信号ＦＳが零レベルになるウェハＷ
の高さ位置が合焦点として検出される。ただし、このよ
うな斜入射光方式では合焦点（出力信号ＦＳが零レベ
ル）となったウェハＷの高さ位置が、いつでも最良結像
面Ｆｏと必ず一致しているという保証はない。すなわち
斜入射光方式では、その系自体で決まる仮想的な基準面
を有し、その基準面にウェハ表面が一致したときにＰＳ
Ｄ出力信号ＦＳが零レベルになるのであって、基準面と
最良結像面Ｆｏとは装置製造時等に極力一致するように
設定されてはいるが、長期間に渡って一致しているとい
う保証はない。そこで図５中のプレーンパラレル１２を
傾けることによって仮想的な基準面を光軸ＡＸ方向に変
位させることで、基準面と最良結像面Ｆｏとの一致（又
は位置関係の規定）をはかることができる。

【００２２】また図５においてＭＣＵ３０は光電センサ
ー４５からの出力信号ＫＳを入力して、斜入射光式の多
点ＡＦ系をキャリブレーションする機能、プレーンパラ
レル１２の傾きを設定する機能、多点ＡＦ系の各出力信
号ＦＳに基づいて、Ｚステージ２０の駆動用モータ１９
をドライブする回路（Ｚ−ＤＲＶ）１８へ指令信号ＤＳ
を出力する機能、及びＸＹステージ２１を駆動する駆動
部（モータとその制御回路とを含む）２２へ指令を出力
する機能等を備えている。

【００２３】図６は投影レンズＰＬの投影視野Ｉｆと、
ＡＦ系の投光スリット像ＳＴとの位置関係をウェハ面上
でみた図である。投影視野Ｉｆは一般に円形であり、レ
チクルＲのパターン領域ＰＡはその円内に包含される矩
形をしている。スリット像ＳＴはＸＹステージ２１の移
動座標軸Ｘ、Ｙの夫々に対して４５°程度だけ傾けてウ
ェハ上に形成される。従って投光用対物レンズ５と受光
用対物レンズ８の両光軸ＡＦｘはウェハ面ではスリット
像ＳＴと直交した方向に延びている。さらにスリット像
ＳＴの中心は光軸ＡＸとほぼ一致するように定められ
る。このような構成で、スリット像ＳＴはパターン領域
ＰＡの投影領域内で出来るだけ長く延びるように設定さ
れる。一般にパターン領域ＰＡが投影されるウェハ表面
上には、それと重ね合わせされるショット領域がすでに
形成されている。ショット領域内には、デバイス製造の
プロセスをへるたびに凹凸部分の変化が増大し、スリッ
ト像ＳＴの長手方向においても、大きな凹凸変化が存在
し得る。特に１つのショット領域内に複数のチップを配
置する場合、各チップを分離するためのスクライブライ
ンがショット領域内にＸ方向、又はＹ方向に延びて形成
されることになり、スクライブライン上の点とチップ上
の点とでは極端な場合、２μｍ以上の段差が生じること
もある。スリット像ＳＴ内のどの部分にスクライブライ
ンが位置するかは、設計上のショット配置やショット内
チップサイズ等によって予めわかるので、スリット像Ｓ
Ｔの長手方向のどの部分からの反射光をアレイセンサー
１５上で選択すればよいかも自ずとわかる。

【００２４】図７は受光用スリット板１４とアレイセン
サー１５との具体的な構成の一例を示し、スリット板１
４はガラス基板上にクロム層（遮光）を全面に蒸着し、
その一部にエッチングにより透明スリットを形成したも
のである。このスリット板１４は保持金物１４Ａに固定
され、この金物１４Ａはアレイセンサー１５を保持する
セラミックス等のプリント基板１５Ａに固定される。こ
れによって、スリット板１４のスリットはアレイセンサ
ー１５の一次元の受光セルの配列と平行になって密着さ
れる。このようにスリット板１４とアレイセンサー１５
とは極力密着又は近接させた方がよいが、スリット板１
４とアレイセンサー１５との間に結像レンズ系を設け、
スリット板１４とアレイセンサー１５とを光学的に共役
にしてもよい。尚、先の図６で示したスリット像ＳＴの
ウェハ上での長さは、投影視野Ｉｆの直径によっても異
なるが、１／５縮小投影レンズで視野Ｉｆの直径が３２
mm前後である場合、その直径に対して１倍〜１／３倍程
度にするのが望ましい。

【００２５】さて、図８はアレイセンサー１５、セレク
ター１３、ＰＳＤ１７及びＭＣＵ３０の具体的な処理回
路の一例を示し、ここではアレイセンサー１５内の受光
セルを３つのグループＧａ、Ｇｂ、Ｇｃに分け、各グル
ープ内で受光セルの選択、統合を行なうものとする。グ
ループＧｂは、スリット像ＳＴの中央部を検出するもの
で、グループＧａ、Ｇｃはそれぞれスリット像ＳＴの両
端側を検出するものである。まず、グループＧａ内には
アレイセンサー１５内の複数個の受光セルが含まれてい
るので、セレクター１３Ａによってその受光セルのうち
少なくとも１つを選択してその出力信号をＰＳＤ１７Ａ
へ出力する。尚、セレクター１３Ａは、グループＧａ内
の受光セルのうち任意の１つを選んでその出力信号をＰ
ＳＤ１７Ａへ送る機能の他に、グループＧａ内の隣接す
る２つ、又は３つの受光セルを任意に選び、それらの出
力信号を加算した信号をＰＳＤ１７Ａへ送る機能も備え
ている。また、グループＧｂ、Ｇｃ中の各受光セルから
の出力信号も、同様にしてセレクター１３Ｂ、１３Ｃで
処理され、選択された信号がＰＳＤ１７Ｂ、１７Ｃへ送
られる。ＰＳＤ１７Ａ、１７Ｂ、１７ＣはそれぞれＯＳ
Ｃ．１６からの基本波交流信号を入力して検波出力ＦＳ
ａ、ＦＳｂ、ＦＳｃを出力する。これらの検波出力ＦＳ
ａ、ＦＳｂ、ＦＳｃはＭＣＵ３０内のアナログ−デジタ
ル変換器（ＡＤＣ）３０Ａでそれぞれデジタルに変換さ
れ、補正演算部３０Ｂへ送られる。補正演算部３０Ｂは
３つの検波出力の値、すなわち３点でのフォーカスずれ
量に基づいて、Ｚステージ２０のＺ方向の目標とすべき
位置に対応した値を算出して、その値を、偏差検出回路
３０Ｃに出力する。この検出回路３０ＣはＡＤＣ３０Ａ
からの検波出力値との差を指令信号ＤＳとしてＺ−ＤＲ
Ｖ１８へ出力する。このとき、補正演算部３０Ｂは、記
憶部３０Ｄに予め記憶されている各検波出力ＦＳａ、Ｆ
Ｓｂ、ＦＳｃの夫々に対するオフセット値を導入して各
種の演算を行なう。このオフセット値は、較正値決定部
３０Ｅによって計測、算出されるものであり、決定部３
０Ｅは３つの検波出力ＦＳａ、ＦＳｂ、ＦＳｃと光電セ
ンサー４５の出力信号ＫＳとを入力して、多点ＡＦ系自
体の基準面とベストフォーカス面Ｆｏとの偏差を、検波
出力上の零レベルからの偏差電圧として求める。

【００２６】尚、偏差検出回路３０ＣはＡＤＣ３０Ａか
らの３つの検波出力の値のうち、いずれか１つを選んで
演算部３０Ｂからの目標値と比較するので、その差が零
又は所定値になるようなサーボ系が組まれる。また較正
値決定部３０Ｅ内には、３つの検波出力の夫々のレベル
と信号ＫＳ（図４）のレベルとを同時にデジタルサンプ
リングするためのＡ−Ｄコンバータ、波形メモリ等も含
まれている。

【００２７】ここで図９を参照して較正値決定部３０Ｅ
の構成の具体例を説明する。まずＴＴＬ（スルーザレン
ズ）方式の絶対フォーカス検出系の光電センサー４５か
らの出力信号ＫＳは、アナログ−デジタル変換器（ＡＤ
Ｃ）３００に入力し、その信号レベルに対応したデジタ
ル値に変換され、メモリ（ＲＡＭ）３０１に記憶され
る。このＲＡＭ３０１のアドレス指定はカウンタ３０４
によって行なわれるが、カウンタ３０４のインクリメン
ト、及びＡＤＣ３００の変換タイミングはいずれもクロ
ックジェネレータ（ＣＬＫ）３０３からのクロックパル
スに応答している。同様に３つの検波出力信号ＦＳａ、
ＦＳｂ、ＦＳｃは選択スイッチを介して、そのうち１つ
がＡＤＣ３０５に入力され、変換されたデジタル値はカ
ウンタ３０７によってアドレス指定されるＲＡＭ３０６
に記憶される。従ってＲＡＭ３０１、３０６にはそれぞ
れ出力信号ＫＳと１つの検波出力との各波形の時間的な
変化が取り込まれる。このＲＡＭ３０１、３０６内の波
形は演算処理部３１０でスムージング、極大値検出等の
処理データとして使われる。尚、演算処理部３１０内に
は、ＲＡＭ３０１、３０６へ信号波形を取り込むため
に、Ｚステージ２０の等速移動を指令するための信号を
Ｚ−ＤＲＶ１８へ出力するとともに、多点ＡＦ系の各測
定点の位置に発光マークの中心を移動させるための信号
をＸＹ−ＤＲＶ２２へ出力する。

【００２８】図１０（Ａ）は１つの検波出力信号の時間
変化特性を示し、Ｚステージ２０をベストフォーカス面
を含む一定範囲内で等速移動させたときのＲＡＭ３０６
内の波形を表わし、図１０（Ｂ）はそのときにＲＡＭ３
０１内で得られる信号ＫＳの波形を表わす。同期検波信
号は零点を中心にほぼ点対称な波形になるため、零点よ
りも小さな負レベルのデータについては、負レベルも考
慮してＡ−Ｄ変換される。

【００２９】さて、ＲＡＭ３０１内には信号ＫＳの極大
値波形が時間軸をアドレスとして記憶されているので、
演算処理部３１０は、図１０（Ｂ）の波形を解析して極
大点が得られた時刻Ｔ₁を求める。この時刻Ｔ₁はＲＡ
Ｍ３０１内の特定のアドレスポイントと一義的に対応し
ている。次に演算処理部３１０は、ＲＡＭ３０６内の対
応するアドレスポイントを求め、そのアドレスポイント
に記憶されている検波出力信号のレベル値ΔＦＳを求め
る。このレベル値ΔＦＳは検波信号上の零点からのオフ
セット電圧であり、この図１０（Ａ）のような検波出力
を発生する多点ＡＦ系の測定点では、検波出力が＋ΔＦ
Ｓになるように、その測定点でのウェハ表面をＺ方向に
移動させると、ウェハ表面とベストフォーカス面Ｆｏと
が合致することになる。

【００３０】ところで、図９の回路を使うときは、ＸＹ
ステージ２１を移動させて、基準板ＦＭ上の発光マーク
の中心が多点ＡＦ系の各測定点のいずれか１つの位置に
くるように位置決めされる。その位置決めはそれ程厳密
である必要はなく、多点ＡＦ系の測定点と発光マーク群
の中心とが、Ｘ、Ｙ方向に１００μｍ前後ずれていても
よい。従って、多点ＡＦ系の測定点、すなわち図６に示
したスリット像ＳＴ内の点が決まったら、その点を中心
に±１００μｍ程度の範囲で発光マーク群の位置をＸ、
Ｙ方向にずらすとともにＺ方向に振って、信号ＫＳのピ
ークがある程度大きくなる座標位置を求めてもよい。こ
れは、確率的には極めて小さいが、発光マーク群の全て
がレチクルＲの透明部に一致してしまう不都合（信号Ｋ
ＳのＳ／Ｎ比の低下）をなるべくさけるためである。た
だし、較正動作を高速に行なうときは、ことさら信号の
ピークが大きくなる座標位置をサーチしなくても、ほぼ
同等の精度でオフセット値ΔＦＳを求めることは可能で
ある。

【００３１】図１１は、多点ＡＦ系の３つの測定点ＭＰ
ａ、ＭＰｂ、ＭＰｃと発光マーク群の中心点の存在範囲
ＣＡａ、ＣＡｂ、ＣＡｃとの関係を模式的に表わしたも
ので、Ｘ軸とＹ軸の交点には投影レンズＰＬの光軸ＡＸ
が通るものとする。各測定点ＭＰａ〜ＭＰｃはアレイセ
ンサー１５上の受光セルの位置に対応したものである。
またＰＡはレチクルＲのパターン領域を投影したときの
範囲、すなわちウェハ上の１つのショット領域の範囲を
示す。本実施例ではスリット像ＳＴ上の３点を測定点と
し、中央の測定点ＭＰｂはショット中心点近傍に設定さ
れ、他の測定点ＭＰａ、ＭＰｃはスリット像ＳＴの両端
近傍に設定されているものとする。さらに以下の説明を
簡単にするため、図１１中のＸ軸、Ｙ軸上にはスクライ
ブラインはなく、範囲ＰＡが１チップ分であるものとす
る。

【００３２】そこで図１１の３ケ所の測定点ＭＰａ〜Ｍ
Ｐｃの夫々に発光マーク群の中心を位置決めしては、Ｚ
ステージ２０（基準板ＦＭ）をほぼ等速でＺ方向に上か
ら下（又は下から上）へ一度だけ移動させ、図１０で説
明したように、ＴＴＬ方式の絶対フォーカス検出系と斜
入射光式の多点ＡＦ系とを同時に使って各測定点でのオ
フセット量ΔＦＳａ、ΔＦＳｂ、ΔＦＳｃを個別に求
め、図８中の記憶部３０Ｄに記憶する。尚、このキャリ
ブレーションのための動作の際は、基準板ＦＭの表面が
斜入射光式の多点ＡＦ系で検出されるので、発光マーク
群ＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａ等が丁度スリット像ＳＴ上に
位置して各測定点での検波出力ＦＳに影響が出るような
ときは、図１１中の存在範囲ＣＡａ〜ＣＡｃ内で発光マ
ーク群の位置をずらし、スリット像ＳＴが発光マーク群
からわずかにずれた基準板ＦＭの反射面部分に投光され
るようにしてもよい。

【００３３】さて、求められた各測定点でのオフセット
量ΔＦＳａ、ΔＦＳｂ、ΔＦＳｃ（単位は電圧Ｖ）はい
ずれも多点ＡＦ系の３点の各々が合焦点（零点）として
いる光軸ＡＸ方向の高さ位置が、ベストフォーカス面Ｆ
ｏ内の対応する点に対して一定の距離オフセットΔＺ
ａ、ΔＺｂ、ΔＺｃを持っていることを意味し、図１０
（Ａ）に示した検波出力信号の波形上の零点を含む直線
部分の傾きｋ（単位Ｖ／μｍ）がわかっていれば、次式
によってＺ方向の距離としてのオフセットΔＺａ〜ΔＺ
ｃが求まる。

【００３４】ΔＺａ＝ΔＦＳａ／ｋ₁、ΔＺｂ＝ΔＦＳ
ｂ／ｋ₂、ΔＺｃ＝ΔＦＳｃ／ｋ₃ ここでｋ₁、ｋ₂、ｋ₃は本来同一の値をとるが、厳密
には個々に異なるので、各測定点毎に予め求めておくの
が望ましい。図１２はオフセット量ΔＦＳの出現の様子
を模式的に示す例であり、図１２（Ａ）は３点ＭＰａ、
ＭＰｂ、ＭＰｃの夫々のオフセット量ΔＦＳａ、ΔＦＳ
ｂ、ΔＦＳｃがともに正の値を取り、しかもスリット像
ＳＴの延びる方向にほぼ一定の傾斜が存在している場合
を示す。このようなオフセットの傾向を表わす要因とし
ては、様々のことが考えられるが、多点ＡＦ系側の問題
とレチクルＲ側の問題との２つに分けられる。まず多点
ＡＦ系側での問題点としては、投光用スリット板１から
のスリット像ＳＴが受光用スリット板１４上に再結像し
たとき、スリット板１４のスリットとの平行度がわずか
に狂っていること等が考えられる。またレチクルＲ側で
の問題点としては、少なくともスリット像ＳＴの長手方
向に関してレチクルパターン面が傾斜していること、あ
るいは投影レンズＰＬ自体の像面傾斜が考えられる。

【００３５】いずれにしろ、それら両者の問題点は複合
してまうので互いに独立に特定することは難しい。また
図１２（Ｂ）は中央の測定点ＭＰｂのオフセット量ΔＦ
Ｓｂが負値で両端の測定点ＭＰａ、ＭＰｃでのオフセッ
ト量ΔＦＳａ、ΔＦＳｃがともに正値でほぼ同じ大きさ
の場合を示す。このような特性を取る要因としては、主
にレチクルＲ側の問題点が考えられ、レチクルパターン
面の湾曲と投影レンズＰＬ自体の像面湾曲とが考えられ
る。ただし投影レンズＰＬの像面湾曲は装置製造時の検
査、調整によって十分に小さく押え込まれており、仮に
わずかに残留しているとしても、その像面湾曲の度合は
定量的に予め求められているので、その分を図１２
（Ｂ）の特性から差し引いて考えれば、専らレチクルＲ
の湾曲が主要因になっているか否かがわかる。

【００３６】さらに図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）の傾
斜傾向と湾曲傾向とが複合したような場合を示す。そこ
で図１２のような各測定点でのオフセットの傾向を考慮
した一連のキャリブレーション・シーケンスの具体例を
説明する。ただし、原則的には各測定点ＭＰａ〜ＭＰｃ
で求めたオフセット量ΔＦＳａ〜ΔＦＳｃは、その測定
点での較正値になるのであって、例えば測定点ＭＰａで
ウェハＷの表面を検出するときは、その検波出力信号Ｆ
ＳａがΔＦＳａになるようにＺステージ２０を駆動すれ
ば、測定点ＭＰａにおいてウェハ表面とベストフォーカ
ス面Ｆｏとを一致させることができる。

【００３７】ところが実際のフォーカス合わせは、かな
らずしも１点のみで行なわれるとは限らず、面と面を考
慮して決めなければならないこともある。またこのこと
に加えて、投影レンズＰＬの焦点深度も考えておく必要
がある。図１３はキャリブレーション・シーケンスのう
ちの測定動作のフローチャートを示し、ここでは多点Ａ
Ｆ系の測定点を一般化してｎ個とし、図１１に示した測
定点をＭＰｉ（ただしｉ＝１〜ｎ）、発光マーク群の中
心を位置決めすべき領域をＣＡｉ（ただしｉ＝１〜
ｎ）、各測定点での同期検波出力信号をＦＳｉ（ｉ＝１
〜ｎ）、オフセット量をΔＦＳｉ（ｉ＝１〜ｎ）とす
る。

【００３８】まずステップ１００でｉ＝１にセットし、
ステップ１０１でＸＹステージ２１を移動させて領域Ｃ
Ａｉ内に発光マーク群の中心を位置決めする。次にステ
ップ１０２で測定点ＭＰｉでの検波出力信号ＦＳｉに基
づいて、図９のＲＡＭ３０１、３０６に記憶すべき信号
波形の取り込み開始点近傍にＺステージ２０を位置決め
する。この場合、ＲＡＭ３０１、３０６には図１０のよ
うな波形を取り込む必要があるので、検波出力信号ＦＳ
ｉが図１０（Ａ）のように極大値、又は極小値の外側に
なるような位置にＺステージ２０が設定される。またこ
れを簡単に行なうためには、検波出力ＦＳｉの零点を含
む直線部分でフォーカスサーボ系を働かせ、直線部分の
外側ではサーボ系へのフィードバックを禁止するサーボ
イネーブル信号を作り、そのサーボイネーブル信号に基
づいてＺステージ２０を位置決めするとよい。

【００３９】次にステップ１０３で発光マーク群を露光
光と同一波長の光で点灯させ、Ｚステージ２０を一方向
にほぼ等速で移動させつつ、図９の回路中のＲＡＭ３０
１、３０６の夫々に検波出力信号ＦＳｉと信号ＫＳとの
各波形をデジタルサンプリングする。波形の取り込みが
終了したら、ステップ１０４でオフセット量ΔＦＳｉを
算出して記憶部３０Ｄへ記憶する。その後、ステップ１
０５でｉ＝ｎか否かを判定し、ｉがｎ番目に達していな
いときはステップ１０６でｉを１だけ増加してステップ
１０１へ戻り、他の測定点について同様のシーケンスを
取り返す。またステップ１０５でｉ＝ｎが真と判断され
ると、図１４のシーケンスを実行する。尚、図１３のシ
ーケンス中、ステップ１０２は必らずしも全ての測定点
に対して実行する必要はなく、例えばステップ１０１の
直前に多点ＡＦ系の視野Ｉｆ内の中心付近の測定点のみ
で１回だけ実行し、その時に記憶した波形取り込み開始
点（Ｚステージ２０の高さ位置）を、他の測定点での計
測時に適用してもよい。

【００４０】さて、図１４は、多点ＡＦ系での独特なキ
ャリブレーション手法を示し、先の図１２で説明した種
々の要因を加味してキャリブレーションを行なう例を示
したものである。まず、ステップ１１０で多点ＡＦ系の
複数の測定点の全体を考慮した平均化較正を行なうか否
かを判断する。この場合、各測定点毎のオフセット量Δ
ＦＳｉのみが求められればよいとき（例えば各測定点で
独立にフォーカスを合わせるピンポイントＡＦを前提と
するとき）は、一連のキャリブレーション処理は終了す
る。また平均化較正を行なうときは、次のステップ１１
１で各オフセット量ΔＦＳｉのレンジをチェックする。
そのチェックのアルゴリズムとしては、互いに隣り合う
２つの測定点でのオフセット量の差が極端に大きいか否
か、あるいは各測定点でのオフセット量の絶対値が検波
信号ＦＳの直線範囲の上限又は下限に近いところにきて
いるか否か等が採用できる。

【００４１】次のステップ１１２ではステップ１１１で
のチェックの結果、異常値になったオフセット量が存在
するか否かを判断し、異常値が存在する場合はステップ
１１３へ進む。この際、異常値となる測定点の数や、そ
の位置をどこまで許すかは、装着されているレチクルＲ
のパターンが重ね合わされるウェハＷ上のショット領域
内の表面構造に起因して決められる。

【００４２】さて、ステップ１１３では図１３の計測動
作を再度行なうか否かが判断される。その再計測を行な
うか否かは、予め装置稼動条件のパラメータ設定時にオ
ペレータによりセットされている。そしてステップ１１
３で再計測の実行（リトライ）が判断されると、次のス
テップ１１４で再計測の回数が予め設定された回数分だ
け実行したか否かが判断される。ステップ１１４で回数
オーバーではないと判断されると、先の図１３中のステ
ップ１００からのシーケンスが繰り返し実行される。ま
たステップ１１３で再計測を１度も実行しない旨の設定
が行なわれているときは、ステップ１１８へ進み、異常
値が存在する旨のエラー表示と警告とを発生し、一連の
シーケンスを終了する。

【００４３】さらにステップ１１４で回数オーバーのと
きは、次のステップ１１５に進み、レチクルを再アライ
メントする旨の設定がなされているか否かを判断する。
先にも述べたように、各オフセット量ΔＦＳｉ毎に大き
なばらつきがあるとき、１つの要因としてレチクルＲで
の問題があった。例えば、レチクルＲをホルダー上に吸
着するときに、吸着面とレチクルＲとの間に比較的大き
な異物等をはさみ込んでいる場合もある。あるいはその
吸着によってレチクルＲがたわむ場合もある。そこでレ
チクルＲをホルダー上から一度はずし、再度アライメン
トすることによって、レチクルＲのパターン面の傾き、
たわみ等を所望のものに変化させるのである。

【００４４】そしてステップ１１５でレチクル再アライ
メントを実行すると判断されると、次のステップ１１６
でその回数が予め指定された数をオーバーしたか否かが
判断される。ここで、レチクル再アライメント回数が設
定回数をオーバーしたとき（ステップ１１６）、あるい
はレチクル再アライメント実行が設定されていないとき
（ステップ１１５）には、いずれもステップ１１８に進
んでエラー表示や警告を発生する。そしてステップ１１
６で回数がオーバーしていないと判断されると、ステッ
プ１１７でレチクルＲを再アライメント（ホルダーから
一度はずし、再度ホルダーに吸着してアライメント）し
た後、図１３のステップ１００へ進む。この際、ステッ
プ１１４で判断される再計測回数のカウンターは零にリ
セットされる。

【００４５】一方、先のステップ１１２で異常値がない
と判断されると、ステップ１２０で各オフセット量ΔＦ
Ｓｉを加算平均した平均値ΔＦＡを算出し、ステップ１
２１で平均値ΔＦＡを中心した各オフセット量ΔＦＳｉ
の分散（ΔＦＳｉのΔＦＡからの偏差量）をチェック
し、分散が所定の値より大きいときはステップ１２２へ
進み、分散が小さいときはステップ１３０へ進む。

【００４６】ここで平均値ΔＦＡと分散について図１５
を参照して説明する。図１５（Ａ）は各測定点（ここで
は５点とした）でのオフセット量ΔＦＳｉがいずれも正
値をとり、しかも一様に傾いた傾向をもつ場合を示す。
このときの平均値ΔＦＡは、一様な傾斜特性（破線）の
ほぼ中点に現われる。さらに分散に関してはその傾斜特
性の傾きに応じて、周辺側で大きくなったり小さくなっ
たりする。従って分散が小さいということは、多点ＡＦ
系自体の有する合焦基準面とベストフォーカス面Ｆｏと
の平行性が良好であることを意味し、多点ＡＦ系自体の
合焦基準面を平行にシフトさせるだけでベストフォーカ
ス面Ｆｏに近似できることになる。

【００４７】また図１５（Ｂ）は、像面湾曲、レチクル
たわみ等と相対傾斜とが複合した場合の特性であり、平
均値ΔＦＡは小さくなることがあるが、分散（ΔＦＳｉ
のΔＦＡからの偏差量）は総じて大きくなることがあ
る。もちろん湾曲の程度、相対傾斜の程度が小さければ
分散も小さくなる。そこでステップ１２１で分散がある
程度小さいと判断されたら、ステップ１３０で平均値Δ
ＦＡがある程度大きいか否かを判断する。そして平均値
ΔＦＡが比較的大きいときは、ステップ１３１で図５に
示したプレーンパラレル（ハービング）１２によるオフ
セット補正を行なうか否かが判断される。ハービング１
２は、その傾きを調整することによって、多点ＡＦ系自
体が有する合焦基準面（検波出力ＦＳの零点で規定され
る面）を全体的にＺ方向へ平行移動させることができ
る。このため、ステップ１３１でハービング補正を行な
うことが選ばれ、次のステップ１３２でハービング１２
による補正を実行すると、例えば図１５（Ａ）に示した
平均値ΔＦＡを零にするようにオフセット量ΔＦＳｉが
修正されることになる。すなわち、ステップ１３２で平
均値ΔＦＡに対応したＺ方向の間隔ΔＺｆ分だけハービ
ング１２を傾けた後では、各測定点での真のオフセット
量ΔＦＳｉはΔＦＳｉ＝ΔＦＳｉ−ΔＦＡに修正された
ものとして扱うことができる。

【００４８】ただし、ハービング１２による補正量は、
必らずしも平均値ΔＦＡに正確に一致させる必要はな
く、要はハービング１２による補正量が正確に求まって
いればよい。次にステップ１３３で各測定点でのオフセ
ット量を再度計測するか否かが判断され、再計測すると
きは図１３のステップ１００へ進む。このステップ１３
３での選択はオペレータによって予めセットされている
パラメータに従って実行される。

【００４９】そしてステップ１３３で再計測不要（ハー
ビングによる補正量が正確に求まる場合等）と判断され
たら、次のステップ１３４で各オフセット量ΔＦＳｉを
ハービング補正量（ΔＦＡ’とする）分だけ計算上で修
正して記憶する。すなわちΔＦＳｉ＝ΔＦＳｉ−ΔＦ
Ａ’の計算を行なう。以上により、ステップ１３０で平
均値ΔＦＡが大きいときの処理が終了し、次のステップ
１２２に進む。このステップ１２２は、先のステップ１
２１で分散が大きいと判断されたとき、又はステップ１
３０で平均値ΔＦＡが小さいと判断されたときの飛び先
にもなっている。

【００５０】ステップ１２２では求められた各オフセッ
ト量ΔＦＳｉを使って、最小２乗法により近似平面（又
は近似直線）を特定する。この近似平面（又は直線）
は、図１５（Ａ）のように一様な傾斜特性をもつオフセ
ット量ΔＦＳｉのもとでは、その傾斜特性（破線）が近
似平面となり、図１５（Ｂ）のような湾曲した特性（破
線）をもつオフセット量ΔＦＳｉのとでは図１５（Ｂ）
中の傾斜線Ｑのような近似平面（又は直線）になる。

【００５１】次にステップ１２３において、近似平面の
傾き量、すなわち図１５（Ｂ）の線Ｑの零レベルに対す
る傾き量を求め、次のステップ１２４においてその傾き
量が許容値以上か否かが判断される。その傾き量は、多
点ＡＦ系の各測定点でのオフセット量ΔＦＳｉに対して
どこでも最も偏差が少なくなるように定めた近似平面と
ベストフォーカス面Ｆｏとの相対傾斜である。この傾斜
が大きいと、投影レンズＰＬの焦点深度とショット領域
の寸法との関係で、ショット領域内の一部分でピントず
れを起す可能性、すなわちショット内フォーカスエラー
を起す可能性がある。従って、近似平面の傾きが極端に
大きいときは、測定時、あるいはレチクルＲ側に何らか
の問題があると判断して、先に説明したステップ１１３
〜１１８を実行する。

【００５２】またステップ１２４で近似平面の傾きが許
容値内であると判断されると、最後のステップ１２５を
実行する。このステップ１２５では、近似平面を新たな
基準として、各測定点でのオフセット量ΔＦＳｉをΔＦ
Ｊｉに修正計算する。具体的には、例えば図１５（Ｂ）
においてオフセット量がΔＦＳ₃の測定点に対しては、
近似平面上の対応する点のオフセット量ΔＦＪ₃に置き
かえてやるのである。このようにすると、以後各測定点
で得られる検波出力信号ＦＳｉがそれぞれオフセット量
ΔＦＪｉになるようにＺステージ２０を上下動させると
ともに傾斜させることで、ショット領域内の全面で良好
なピント合わせが達成されることになる。そのために
は、Ｚステージ２０にレベリング機構をもたせ、ウェハ
Ｗ全体を近似平面の傾き分だけ同一方向に傾けておくの
が望しい。

【００５３】以上により、一連のキャリブレーション動
作が終了するが、図１３、図１４のシーケンスは、原則
としてレチクル変換を行なってレチクルアライメントが
完了した時点に一度実行すれば十分であるが、長時間同
じレチクルを使う露光処理においては、多点ＡＦ系のわ
ずかなドリフト、装置内の温度変化、投影レンズＰＬ内
の圧力制御による焦点位置補正時の誤差等によって、当
初のオフセット量ΔＦＳｉ、又はΔＦＪｉが狂ったもの
になることもある。そのためウェハ露光処理中のロット
（通常２５枚）毎に図１３、１４のシーケンスを実行す
るようにしてもよい。

【００５４】さらに本実施例では像面傾斜のような傾向
が現われた場合は、ステップ１１５、１１６、１１７に
よってレチクルの再アライメントを実行したが、他の方
法としてはレチクルＲのホルダーを傾けることも可能で
ある。この場合、ベストフォーカス面Ｆｏと多点ＡＦ系
の合焦基準面（又は近似平面）とは平行にセットされ得
るが、ウェハＷ上に投影されたパターン領域の像には台
形歪み、又はひし形歪み等が発生することもある。そこ
で投影レンズＰＬ内のレチクル側に近い光学レンズの何
枚かを光軸ＡＸと垂直な面から微少量だけ傾けることで
上記歪みを低減させることもできる。

【００５５】また像面傾斜のような傾向は、多点ＡＦ系
の反射スリット像ＳＴと受光用スリット板１４とのスリ
ット平行度によっても現われるので、例えば図１５
（Ａ）のような傾斜傾向が強く発生し、レチクルの再ア
ライメントによっても変化しないときは、投光用スリッ
ト板１、又は受光用スリット板１４を傾斜傾向に応じて
微少量だけ相対的に自動回転させて、スリット平行度を
調整するようにしてもよい。

【００５６】ところで先の図６、図１１に示したスリッ
ト像ＳＴの投光方式では、Ｘ−Ｙ座標軸に対して４５°
だけ傾いたものであったので、多点ＡＦ系としては面を
特定する能力に欠ける。そこでもう１組の多点ＡＦ系を
Ｘ、Ｙ軸方向に対して１３５°方向に配置し、図１６の
ようなスリット像ＳＴ’を同時に投射するとよい。この
ようにするとパターン領域ＰＡ（ウェハ上のショット領
域）内の４隅付近、中心等を含め、９点の測定点（図１
６中の丸印）が設定可能となる。そのためには２組のア
レイセンサー上の夫々で５点を選択し、計１０個（又は
９個）の同期検波回路が必要となる。

【００５７】また多点ＡＦ系は、投影視野Ｉｆ内の予め
定められた複数の測定点に個別に微小スリット像、又は
スポット像を斜めに投光し、各測定点からの反射スリッ
ト（スポット）像を２次元の撮像素子、例えばＣＣＤで
一括に受光し、受光した複数個の像の夫々のＣＣＤ上で
の基準画素位置からのずれ量で焦点ずれを求める方式で
も本発明と同様の効果が得られる。さらに従来技術で述
べたように、投影レンズのみを介してウェハ上の４点に
スポット光を投射する方式の多点ＡＦ系でも同様に適用
できる。

【００５８】以上、図１３、図１４では主にキャリブレ
ーションについてのシーケンスを説明したが、さらにキ
ャリブレーションされた後の多点ＡＦ系の運用方法のい
くつかを説明する。まず第１に、多点ＡＦ系のｎ個の測
定点での各オフセット量ΔＦＳｉが求まった段階で、そ
れらのオフセット量ΔＦＳｉを用いて図１４中のステッ
プ１２２、１２３を実行して、多点ＡＦ系が有する平均
的な基準合焦面とベストフォーカス面との相対的な傾斜
量と傾き方向とを算出する。先にも述べたように、ここ
で求められる相対的な傾斜はベストフォーカス面を基準
とした相対値であるから、その相対傾斜が零になったと
いうことは、多点ＡＦ系の各測定点での基準合焦位置
（検波信号の零点が得られるＺ位置）を結んで作られる
仮想的な面（すなわち基準合焦面）は、投影視野内のど
の点でも、ほぼ一定のオフセット量でベストフォーカス
面と平行になったことを意味する。ただし、各測定点で
のオフセット量ΔＦＳｉをほぼ一定にするように装置を
再調整することは実際上は困難なので、ｎ個のオフセッ
ト量ΔＦＳｉで決まる平均的な面が傾斜しているとき
は、多点ＡＦ系の運用時にウェハＷを全体的にその傾斜
に合うように傾けること、すなわちウェハグローバルレ
ベルによって対処するようにしておくとよい。

【００５９】そのためには、例えばオフセット特性が図
１５（Ａ）のような場合にあっては、その特性の傾き
（破線）と同じ量で、同じ方向にウェハホルダーをレベ
リング機構によって予め傾けておく。このようにする
と、図１５（Ａ）のようなオフセット特性の場合、中央
の測定点でオフセット量がΔＦＳ₃になるようにウェハ
ＷをＺ方向に位置決めすると、他の測定点での各オフセ
ット量は、予め記憶された値ΔＦＳ₁、ΔＦＳ₂、ΔＦ
Ｓ₄、ΔＦＳ₅の夫々に近似したものとなる。そのため
その直後（又は同時）にウェハホルダーをレベリングさ
せる際、そのレベリングの駆動量は極めて少なくなるの
でステップアンドリピート方式、又はステップアンドス
キャン方式でレチクルのパターンをウェハ上に露光する
ときのスループットが向上するといった利用がある。

【００６０】また図１５（Ｂ）のような湾曲を伴ったオ
フセット特性の場合でも、その近似平面を求め、その近
似平面の傾き（Ｑ）と同じ量だけ予めウェハホルダーを
傾けておくとよい。このようにすると、ウェハ上のショ
ット領域を検出するとき、各測定値でのオフセット量
は、いずれも予め記憶されたオフセット量ΔＦＪｉに近
い値になっており、レベリング機構の駆動量は極めて小
さなもので済むことになる。

【００６１】以上のように、キャリブレーション時に求
めたオフセット特性の傾斜に基づいて、ウェハホルダー
全体を予めレベリングさせておくと、ウェハＷ上の各シ
ョット領域毎の露光時に多点ＡＦ系の各測定点での検出
値に基づいてレベリングすべき量は、極めて少なくて済
むことになり、スループットの向上がはかれる。第２の
運用方法としては、各ショット領域毎にレベリング補正
を行なった後、そのショット領域内の特定の測定点のみ
の焦点検出信号（検波出力）に基づいて、ベストフォー
カス面をショット領域内の局所部分に合致させる方法、
いわゆるピンポイントＡＦ法がある。図１７はウェハＷ
上の１つのショット領域の表面の断面構造の一例を示
し、矢印は多点ＡＦ系の５つの測定点ＭＰａ〜ＭＰｅを
表わす。一般にプロセスが進んだウェハ上のショット領
域には、比較的大きな凹凸が生ずる。図１７において領
域ＡＳ₁、ＡＳ₃は凸部となっている領域で、領域ＡＳ
₂は凹部となっている領域である。ここで領域ＡＳ₂上
にベストフォーカス面を合焦させて露光を行なうものと
すると、レベリング補正の後、測定点ＭＰｃで得られる
検波出力信号ＦＳ₃のみに基づいて焦点合わせ（Ｚステ
ージ微動）を行なう。多点ＡＦ系のオフセット特性が図
１５（Ｂ）のようになっていたとき、レベリング補正に
よってショット領域の表面は図１５（Ｂ）中の線Ｑと平
行になっている。先の実施例では直線Ｑを表わすオフセ
ット量ΔＦＪ₁〜ΔＦＪ₅によって焦点合わせを行なっ
たが、ここでは測定点ＭＰｃでの検波出力値がオフセッ
ト量ΔＦＳ₃になるようにＺステージを微動させること
になる。また測定点ＭＰｃのキャリブレーション時に算
出したオフセット量ΔＦＪ₃に相当する量だけ、ハービ
ング１２を補正しておく場合は、測定点ＭＰｃでの検波
出力値が（ΔＦＳ₃−ΔＦＪ₃）に等しくなるようにＺ
ステージ２０を微動させればよい。

【００６２】このようにすると、図１７中の領域ＡＳ₂
に対してベストフォーカスが得られることになり、ショ
ット領域内の選ばれた局所部分の解像力を最大限に高め
ることができる。ところで、以上の各実施例では、一対
の発光マークＩＳｘ、ＩＳｙ等を多点ＡＦ系の各測定点
の近傍に順次移動させてから、各測定点のキャリブレー
ションを行なったが、図１８に示すように、投影レンズ
ＰＬの投影視野Ｉｆをほぼ包含するような大きな基準板
ＦＭがＺステージ２０上に配置できるときは、基準板Ｆ
Ｍ上に多点ＡＦ系の各測定点の位置に対応してｎ組の発
光マークを設けてもよい。ただしこの場合、投影レンズ
ＰＬから射出してｎ組の発光マークを規定する各スリッ
トに戻ってくる光は、各組毎に個別に設けられた光ファ
イバー等でｎ個の光電センサーの夫々まで導く必要があ
る。

【００６３】このように基準板ＦＭ上に、各測定点の位
置の夫々に対応して複数組の発光マークを設けると、キ
ャリブレーション動作は極めて簡素化され、基準板ＦＭ
の上下動は１回だけで済む。その代りに図９に示したＡ
ＤＣ３０５、ＲＡＭ３０６、カウンタ３０７等はｎ組用
意しておく必要がある。尚、図１８中で破線で示した小
さな円形は発光マークＩＳｘ、ＩＳｙのスリットを裏側
から照明する領域を表わす。またこのように１つの大き
な基準板ＦＭ上の複数ケ所（図１８では９ケ所）に発光
マーク群を配置してキャリブレーションを行なう場合、
基準板ＦＭの取り付け誤差として基準板ＦＭの表面と投
影レンズＰＬの光軸ＡＸとの直交度が影響するように思
われるが、基準板ＦＭのわずかな傾斜によって基準板Ｆ
Ｍの表面とベストフォーカス面とが相対的に傾いたとし
ても、それによる実質的な影響は皆無と言える。

【００６４】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、第２の焦点
検出手段によって、実際の露光に使用されるデバイス用
マスクと、投影光学系とを介して、露光光と同一、又は
近傍の波長の光を用いて投影視野内の任意の複数点で絶
対的な結像面位置を検出することができるので、感光基
板の表面の高さ位置を検出する第１の焦点検出系の測定
点でフォーカスキャリブレーションが可能となり、キャ
リブレーションの精度向上が期待できる。また焦点検出
系が複数の測定点を有する多点ＡＦ系の場合、各測定点
毎に高精度なキャリブレーションが可能なので、感光基
板上に段差構造が存在し、そのうち特定の段差部分に焦
点合わせを行ないたい場合でも、複数の測定点のうちか
ら、その特定の段差部分の位置に応じた測定点を選ら
び、その測定点から得られる検出信号を用いて、特定段
差部分のみに正確にマスクパターンの投影像を合焦させ
ることができる。さらに第２の焦点検出系によれば、投
影視野内の複数の点で最良結像面を特定することが可能
なので、投影光学系の像面湾曲、像面傾斜等も正確に求
められることになる。このため、マスクの上下動、マス
クのレベリング（チルト）、投影光学系内の一部分の光
学素子の移動、又は感光基板を保持するホルダー（ステ
ージ）のレベリング等によって、上記像面湾曲、像面傾
斜にも対応できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による第２の焦点検出系を有す
る投影露光装置の構成を示す図

【図２】図１中の基準板ＦＭ上のパターン配置を示す平
面図

【図３】発光マークとそれに重畳する反射像との様子を
示す図

【図４】第２の焦点検出系によって得られる光電信号の
波形を示す図

【図５】本発明の実施例に好適な第１の焦点検出系の構
成を示す図

【図６】投影視野と第１の焦点検出系によるスリット投
影像との配置関係を示す図

【図７】第１の焦点検出系の受光系の構成を示す斜視図

【図８】第１の焦点検出系の信号処理回路の構成を示す
ブロック図

【図９】第２の焦点検出系の信号処理回路の構成を示す
ブロック図

【図１０】第１の焦点検出系からの検出信号と第２の焦
点検出系からの検出信号との処理の様子を示す波形図

【図１１】第１の焦点検出系によるウェハ上のショット
領域内の測定点の配置例を示す図

【図１２】各測定点でのオフセット量の傾向を模式的に
表わしたグラフ

【図１３】多点ＡＦ系の各測定点をキャリブレーション
する際の計測動作のシーケンスを示すフローチャート図

【図１４】多点ＡＦ系のキャリブレーションの演算処理
のシーケンスを示すフローチャート図

【図１５】キャリブレーション時に想定される各測定点
でのオフセット量の傾向を表わすグラフ

【図１６】多点ＡＦ系の各測定点の配置の変形例を示す
図

【図１７】ウェハ上のショット領域の表面の断面構造を
示す図

【図１８】基準板上の発光マークの配置の変形例を示す
図

【主要部分の符号の説明】

ＲレチクルＲＬ投影レンズＷウェハＦＭ基準板２０Ｚステージ２１ＸＹステージ３０Ｅ較正値決定部３０Ｄ記憶部４１光ファイバー４５光電センサー

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【手続補正書】

【提出日】平成４年２月２６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【課題を解決する為の手段】本発明では、感光基板を保
持して投影光学系の光軸方向に移動可能なＺステージの
一部に、投影像面と平行な面内で所定の形状をもった発
光マークが形成された基準板（ＦＭ）を設け、さらにそ
の発光マークから投影光学系を介してレチクルに達した
光のうち、そのレチクルで反射して投影光学系を通って
基準板に戻ってくる光を、Ｚステージを移動させて光電
検出することで、最良な投影結像面に対する基準板の光
軸方向の位置ずれを検出する第２の焦点検出手段（ＴＴ
Ｌ方式の焦点検出系）を設けるようにした。そして、斜
入射光式等の第１の焦点検出系の測定点の近傍に基準板
の発光マークが位置決めされるようにＸＹステージの位
置を指定する手段と、第１の焦点検出手段が合焦点とし
て検出する位置と絶対的な最良結像面との誤差を平均
的、又は単一に較正する較正手段とを設けるようにし
た。

【作用】本発明による第２の焦点検出手段では、投影光
学系の視野内のどの位置に発光マークを配置させても、
レチクル（マスク）からの反射光を受光してその位置で
の最良結像面を正確に検出することができる。このため
従来のような投影視野内の特定の位置でのみ最良結像面
を検出する方法とくらべると、飛躍的に自由度が高まる
ことになる。従って投影光学系の投影視野内の多点数に
測定点をもつ多点ＡＦ系を第１の焦点検出手段とする
と、各測定点毎に発光マークを使って最良結像面を基準
とした較正（キャリブレーション）が可能となる。この
ようなキャリブレーションが行なわれると、多点ＡＦ系
の各測定点から得られる位置偏差量に対して較正時のオ
フセット（誤差）分を補正してやれば、常に感光基板の
表面が最良結像面と合致するような焦点合わせが達成で
きる。

【実施例】図１は本発明の実施例による投影露光装置の
うち、投影光学系のベストフォーカス面を検出するＴＴ
Ｌ方式の焦点検出系を示す図である。図１において、実
デバイス製造用の回路パターン領域ＰＡが下面に形成さ
れたレチクルＲは、不図示のレチクルホルダーに保持さ
れる。絞り面（瞳面）ＥＰを挟んで前群、後群に分けて
模式的に表わした投影レンズＰＬの光軸ＡＸはレチクル
Ｒの中心、すなわちパターン領域ＰＡの中心を、レチク
ルパターン面に対して垂直に通る。投影レンズＰＬの下
方には、ウェハＷを載置して光軸ＡＸ方向に微少量（例
えば±１００μｍ以内）だけ移動するＺステージ２０
が、ＸＹステージ２１上に設けられている。このＸＹス
テージ２１はウェハＷを光軸ＡＸと垂直なＸＹ平面内で
２次元移動させるものである。さらに、Ｚステージ２０
の一部には、ウェハＷの表面とほぼ等しい高さ位置で基
準板ＦＭが固定されている。この基準板ＦＭには、図２
に示すようにＸ方向に延びた透過形スリットの複数本が
Ｙ方向に一定ピッチで配置されたマークＩＳｙと、Ｙ方
向に延びた透過形スリットの複数本がＸ方向に一定ピッ
チで配置されたマークＩＳｘと、さらにＸ、Ｙ方向の夫
々に対して４５°となる斜めスリットＩＳａとが形成さ
れている。これらスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳ
ａは、石英製の基準板ＦＭの表面全面にクロム層（遮光
層）を蒸着し、そこに透明部として刻設したものであ
る。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクのパターンを所定の結像面内に結
像投影する投影光学系と、前記結像面とほぼ平行に感光
基板を保持して前記結像面と平行な面内で２次元移動す
るＸＹステージと、前記感光基板を前記投影光学系の光
軸方向に移動させるＺステージと、前記投影光学系の投
影視野内の予め定められた複数の位置に計測点を有し、
該複数の計測点の夫々で前記感光基板の表面の光軸方向
の位置ずれを検出する第１の焦点検出手段とを備えた投
影露光装置において、前記Ｚステージの一部に設けられ、前記結像面と平行な
面内で所定の形状をもって発光する発光部が形成された
基準板と；該発光部を前記投影視野内の任意の点に位置
させたとき、前記発光部から前記投影光学系を介して前
記マスクに達した光のうち、該マスクで反射して前記投
影光学系を通って前記基準板に戻ってくる光を、前記Ｚ
ステージを移動させて光電検出することによって、前記
結像面を基準とした前記基準板の光軸方向の位置関係を
検出する第２の焦点検出手段と；前記第１の焦点検出手
段による複数の計測点の位置、もしくはその極く近傍の
位置の夫々に前記発光部が順次位置決めされるように前
記ＸＹステージの座標位置を指定する指定手段と；該指
定された各座標位置で前記第２の焦点検出手段を作動さ
せて検出した各位置関係に基づいて、前記第１の焦点検
出手段による前記複数の計測点の夫々での検出誤差を個
別に、もしくは平均的に較正する較正手段とを備えたこ
とを特徴とする投影露光装置。