JPH07201699A

JPH07201699A - ステージ装置

Info

Publication number: JPH07201699A
Application number: JP33503293A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Okumura; 正彦奥村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1995-08-04
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: KR950019954A; US5473424A; KR100381763B1; JP3401769B2

Abstract

(57)【要約】【目的】被処理基板の表面の傾斜角及び高さ（フォー
カス位置）を高速に所定の基準面に合わせ込む。【構成】ウエハ１２を保持するウエハホルダー１４を
３個の支点１６Ａ〜１６Ｃを介してフォーカス・レベリ
ングステージ１５上に載置し、レーザ干渉計２０Ｘ，２
０Ｙによるウエハホルダー１４の（ｘ，ｙ）座標の計測
値、ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａｎにより検出された
ウエハ１２表面の多点の計測点での基準面からのデフォ
ーカス量、及び各計測点での重み係数Ｗ₁ 〜Ｗ_n を面位
置算出系３３に供給する。面位置算出系３３では、３個
の支点１６Ａ〜１６Ｃでの制御偏差を算出し、フォーカ
ス・レベリング制御系２２が増幅器２３Ａ〜２３Ｃを介
して支点１６Ａ〜１６Ｃの駆動量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被処理基板上の表面領
域の傾きを補正するステージ装置に関し、特に、半導体
素子や液晶表示素子を製造する露光装置の感光基板の表
面の局所的な傾き、又は全体的な傾きを補正するレベリ
ングステージに適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、フォトリソグラフィ用の露光装置
では、マスク、又はレチクルのパターンを感光基板（ウ
エハ、ガラスプレート等）上に位置合わせして露光する
が、その際、感光基板表面の全体、又は局所的な表面領
域の平均的な平面を、基準となる面に対して平行に合わ
せる作業、所謂レベリング（又はチルティング）も同時
に行われている。

【０００３】例えば、マスクと感光基板とを１０〜３０
０μｍ程度のギャップ間隔で近接させるプロキシミティ
露光方式におけるレベリングは、感光基板上のパターン
の被転写領域の表面を、マスクのパターン面と平行にす
ることである。また、マスクやレチクルのパターン像を
投影光学系を介して感光基板上に結像するプロジェクシ
ョン方式でのレベリングは、投影されたパターンの像面
と感光基板表面とを平行にする（この場合、ほとんど一
致させる）ことである。

【０００４】このようなレベリング作業は、マスクやレ
チクルのパターンの転写領域内の全面で正しい転写像質
（感光基板上のレジスト層に食刻されたパターンプロフ
ァイルの質）を得るために行われる。特に高開口数、高
解像力の投影光学系を備えたプロジェクション方式の露
光装置では、その投影光学系による投影視野の大きさに
比べて、焦点深度が格段に小さくなる。この場合、焦点
深度ΔＦは露光用の照明光の波長λ、及び投影光学系の
開口数ＮＡによって、ほぼΔＦ＝λ／（２ＮＡ ²)の関係
で決まってくる。

【０００５】ここで、λ＝３６５［ｎｍ］（水銀ランプ
のｉ線）、ＮＡ＝０．６とすると、実効的な焦点深度Δ
Ｆはベストフォーカス位置に対して約０．５μｍ（光軸
方向の幅で１μｍ）になる。これに対して投影露光され
るパターン像の大きさは、露光方式、装置によっても異
なるが、代表的なウエハステッパでは１５×１５ｍｍ角
程度である。これは、１ｍ角の大きさの板材の厚みで考
えると、わずか６６．７μｍに相当するに過ぎない。こ
のように極めて小さい焦点深度のために、投影露光装置
では、感光基板の表面の局所的なうねりも考慮して正確
にレベリングを行って投影像面との平行度を保つ必要性
がある。

【０００６】斯かるレベリングを行うために必要なの
は、感光基板表面の全体、又は局所部分の基準面からの
平均的な傾き量を正確に計測することである。その計測
方式として従来より様々のものが提案されているが、代
表的なものとして、（Ａ）特公平３−５６５２号公報、
（Ｂ）USP.4,084,903 、（Ｃ）特公平４−４２６０１号
公報、（Ｄ）USP.4,383,757 等が知られている。以下、
これらの従来技術を簡単に説明する。

【０００７】先ず、（Ａ）の特許公報には、感光基板上
の複数点（３点以上）の各々のＺ方向の高さ位置をエア
マイクロメータ等のギャップセンサで計測し、その計測
値と各測定点のＸＹ平面内での座標値とに基づいて、感
光基板表面の近似平面式を最小自乗法で特定した後、そ
の近似平面の基準面からのずれ量を、感光基板のレベリ
ング機構の３つの駆動点の各座標位置で決定し、その各
駆動点でのＺ方向のずれ量を補正する方式が開示されて
いる。

【０００８】また、（Ｂ）の特許公報には、投影光学系
の鏡筒先端部の周辺４箇所にエアマイクロメータのノズ
ルを配置し、その４箇所のノズルの内２つをＸ軸上に設
け、残りの２つをＹ軸上に設け、各ノズルによって感光
基板表面と鏡筒との間の距離（ギャップ）を測定し、Ｘ
軸上の２つのノズルの背圧の差によって、感光基板のＹ
軸回りの傾き量α_y を求め、Ｙ軸上の２つのノズルの背
圧の差によって感光基板のＸ軸回りの傾き量α_x を求
め、それら傾き量α_x 、α_y を用いて、感光基板のホル
ダを３本のピエゾ素子の夫々で上下動させて傾き補正す
る方式が開示されている。

【０００９】そして、（Ｃ）の特許公報には、投影光学
系からの投影像が投射される感光基板上の局所領域に、
斜め方向からコリメート光を照射し、その反射光（平行
光束）を集光レンズを介してスポット状に結像し、その
スポット光を４分割光電素子で受光し、４分割光電素子
上のスポット光の受光位置の変化から、感光基板上の局
所領域の平均的な傾き量を検出する方式が開示されてい
る。また、（Ｄ）の特許公報には、投影光学系を介して
感光基板上の複数点の夫々に光スポットを投射し、その
反射光を再び投影光学系を介して再結像させ、その再結
像された像の状態の変化、即ち、光スポットとしてのコ
ントラストの変化から感光基板上の各光スポットの投射
点での光軸方向（Ｚ方向）のフォーカス誤差を検出し、
そのフォーカス誤差が各投射点でほぼ零になるように、
感光基板のホルダを３つの駆動部（サーボモータ）によ
って傾ける方式が開示されている。

【００１０】以上の（Ａ）〜（Ｄ）の各従来技術の他に
必要なのは、レベリング機構自体の構造上の精密さ、安
定性であり、それについての１つの従来技術は先の
（Ｄ）の特許公報に開示されている。また、レベリング
機構の他の技術としては、（Ｅ）特開昭６２−２７４２
０１号公報に開示されているように、レベリングテーブ
ルの周囲を３等分する位置にＺ方向の駆動点を設け、各
駆動点でレベリングテーブルとそのベースとをドーナツ
形の板ばねで結合し、横方向の剛性を高めた方式も知ら
れている。

【００１１】更に、投影光学系によって露光される１つ
のフィールド内の３点の夫々でフォーカス誤差を計測
し、その計測結果から１つのフィールド内のＸ軸方向と
Ｙ軸方向の傾き量（θｘ，θｙ）と総合的なフォーカス
誤差量（ｆ）とをアナログ値として求め、それら傾き量
（θｘ，θｙ）及びフォーカス誤差量（ｆ）の他に、ウ
エハ上のフィールドの座標位置（アナログ値）とウエハ
レベリングテーブルの３つの駆動点の各座標位置（アナ
ログ値）とを用いて、３つの駆動点の夫々のサーボモー
タの移動量（Ｚ方向の駆動点の補正量）をアナログ演算
回路で算出するレベリング制御方式が、（Ｆ）USP.4,50
4,144 により知られている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
の内、（Ａ）の公報に開示されたレベリング制御方式で
は、エアーマイクロメータ等のギャップセンサにより感
光基板上の３個以上の計測点での高さを計測しているた
め、高さ計測に要する時間が長くなり、レベリング動作
の応答性が悪いという不都合があった。レベリング動作
の応答性が悪い制御方式では、特に例えばステップ・ア
ンド・スキャン方式のようにレチクルと感光基板とを同
期して走査しながら、レチクルのパターン像を感光基板
上に逐次露光するような露光装置への適用が困難であ
る。

【００１３】同様に、（Ｂ）の公報に開示されたレベリ
ング制御方式でも、エアーマイクロメータを使用してい
るため、応答性が悪いのは（Ａ）の公報の方式と同様で
ある。更に、（Ｂ）の公報の方式では、４点でのフォー
カス位置から先ず２軸の回りの傾き角を算出し、それら
傾き角から改めて駆動素子の駆動量を算出しているた
め、計算時間が長くなり応答性が益々悪くなるという不
都合があった。

【００１４】また、（Ｃ）の公報の技術では、平均的な
傾斜角が計測されるのみで、平均的なフォーカス位置
（高さ）は計測されないため、別途フォーカス位置検出
用のセンサが必要となり、制御機構が複雑であるという
不都合があった。次に、（Ｄ）の公報の技術では、投影
光学系を介して感光基板上の各点でのフォーカス位置を
計測しているため、投影光学系を使用しない露光装置で
は適用できないと共に、レチクルのパターンを露光する
ための照明光学系等が複雑化する恐れがある。一方、
（Ｅ）の公報に開示されているように、横方向の剛性を
高める方式には特に不都合はない。

【００１５】また、（Ｆ）の公報に開示されたレベリン
グ制御方式では、（Ｂ）の公報の技術と同様に、３点で
のフォーカス位置から先ず２軸の回りの傾き角、及びフ
ォーカス位置を算出し、それら傾き角、及びフォーカス
位置から改めて駆動素子の駆動量を算出するという２段
階の演算を行っているため、計算時間が長くなり応答性
が悪いという不都合があった。また、３点のフォーカス
位置を計測しているだけであるため、例えば特異的にフ
ォーカス位置が高いか又は低い計測点があると、感光基
板の露光面と基準面との傾斜角及びフォーカス位置の誤
差が大きくなるという不都合がある。

【００１６】これに関して、レチクルのパターン像を感
光基板の各ショット領域に露光する場合には、それまで
のプロセスにより各ショット領域に凹凸（段差）が生じ
ていることがある。そして、レチクルのパターン像の中
にはパターンの線幅として種々のものが混じっているた
め、各ショット領域の全面で鮮明な像を露光するために
は、レチクルのパターン像の中で最も線幅の狭いパター
ンが露光される感光基板上の領域を基準面に合わせるこ
とが望ましい場合がある。しかしながら、従来のレベリ
ング制御方式では、感光基板上の所望の領域を重点的に
基準面に合わせるようなことはできなかった。

【００１７】本発明は斯かる点に鑑み、被処理基板の表
面の傾斜角及び高さ（フォーカス位置）を高速に所定の
基準面に合わせ込むことができ、例えばステップ・アン
ド・スキャン方式の露光装置のように高速応答性が要求
される用途にも容易に適用できるステージ装置を提供す
ることを目的とする。更に、本発明は、被処理基板上の
表面の所定の狭い領域の傾斜角又は高さを重点的に所定
の基準面の傾斜角又は高さに合わせ込むことができると
共に、応答速度が高いステージ装置を提供することをも
目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明によるステージ装
置は、例えば図１及び図４に示すように、被処理基板
（１２）の表面の傾斜角を補正するステージ装置におい
て、被処理基板（１２）を保持する載物テーブル（１
４）と、２次元平面上で載物テーブル（１４）を位置決
めする位置決め用ステージ（１７）と、この位置決め用
ステージに対してそれぞれ伸縮自在の３個の支点（１６
Ａ〜１６Ｃ）を介して載物テーブル（１４）を支持する
レベリング手段（１５）と、２次元平面内での載物テー
ブル（１４）の位置を検出するステージ座標計測手段
（１９Ｘ，１９Ｙ，２０Ｘ，２０Ｙ）と、被処理基板
（１２）の表面の３個以上の計測点から所定の基準面ま
でのその２次元平面に垂直な方向（Ｚ方向）の偏差をそ
れぞれ検出する多点高さ検出手段（２５Ａ１〜２５Ａ
ｎ）と、そのステージ座標計測手段及びその多点高さ検
出手段の検出結果に基づいて、レベリング手段（１５）
の３個の支点（１６Ａ〜１６Ｃ）の伸縮量の偏差（ｅ₁
〜ｅ₃)を算出する演算手段（３３）と、この演算手段に
より算出された偏差、この偏差の積分値、及びこの偏差
の微分値に基づいてレベリング手段（１５）の３個の支
点（１６Ａ〜１６Ｃ）の伸縮量を制御する制御手段（２
２）とを有するものである。

【００１９】この場合、被処理基板（１２）の表面の３
個以上の計測点のそれぞれに重みＷ ₁ 〜Ｗ_n を付け、演
算手段（３３）は、多点高さ検出手段（２５Ａ１〜２５
Ａｎ）の検出結果にその重みを付けて算出した残留誤差
成分が最小になるようにレベリング手段（１５）の３個
の支点（１６Ａ〜１６Ｃ）の伸縮量の偏差を算出するこ
とが望ましい。

【００２０】

【作用】斯かる本発明の演算手段（３３）において、多
点高さ検出手段（２５Ａ１〜２５Ａｎ）の出力からレベ
リング手段（１４）の各支点（１６Ａ〜１６Ｃ）の制御
偏差を求める動作は、以下のような原理による。先ず、
図２に示すように、被処理基板が移動する平面をｘｙ平
面として、このｘｙ平面に垂直な軸をｚ軸とする。多点
高さ検出手段（１６Ａ〜１６Ｃ）はｚ軸に対して固定さ
れており、その計測点Ｐ₁ 〜Ｐ_n の座標を（ｘ_i ，ｙ
_i ）（ｉ＝１〜ｎ）とし、また、各計測点Ｐ_i で検出さ
れる被処理基板（１２）表面の基準面からの高さのずれ
（以下、「デフォーカス量」と呼ぶ）の計測値をΔｆ_i
とする。先ず、被処理基板（１２）の表面に最小自乗法
で近似される平面を、係数Ａ〜Ｃを用いて次式で定義す
る。

【００２１】

【数１】

【００２２】次に、各計測点Ｐ_i の計測値にデフォーカ
ス重み係数Ｗ_i による重み付けを行って、次のような重
み付けの自乗和による残留誤差成分Ｓを定義する。

【００２３】

【数２】

【００２４】この場合、デフォーカス重み係数Ｗ_i の設
定方法としては、被処理基板（１２）がウエハであり一
括露光方式の露光装置で露光を行う場合には、例えばそ
のウエハ上で線幅の最も狭いパターンが露光される領域
付近の計測点の重み係数の値を大きくすればよい。ま
た、ステップ・アンド・スキャン方式又はスキャン方式
で露光を行う場合には、デフォーカス重み係数Ｗ_i は、
載物テーブル（１４）の２次元座標（これを（Ｘ，Ｙ）
とする）と投影光学系の光軸との相対座標の関数、即ち
Ｗ_i(Ｘ，Ｙ）となる。なお、重み付けを行わない場合に
は、（数２）において、Ｗ_i ＝１（ｉ＝１〜ｎ）とすれ
ばよい。

【００２５】そして、残留誤差成分Ｓが最小になるよう
に、近似平面を決定する係数Ａ、Ｂ、及びＣの値を定め
る。即ち、係数Ａ、Ｂ、及びＣは行列Ｑ及び変数ベクト
ルＦ（後述）を用いて次式で与えられる。

【００２６】

【数３】

【００２７】ここで、行列Ｑは次のような３行×３列の
行列である。

【００２８】

【数４】

【００２９】この行列Ｑの各要素の分子ｑ₁₁〜ｑ₃₃、及
び分母ｑ₀ は、座標（ｘ_i ，ｙ_i ）及びデフォーカス重
み係数Ｗ_i を用いて次式で与えられる。

【００３０】

【数５】

【００３１】また、（数３）中の変数ベクトルＦは次式
で定義される。

【００３２】

【数６】

【００３３】この場合、多点高さ検出手段の各計測点Ｐ
_i の座標（ｘ_i ，ｙ_i ）は定数なので、一括露光方式の
ように重み係数Ｗ_i が定数である場合には、行列Ｑは定
数行列である。一方、スキャン露光方式の場合には、重
み係数Ｗ_i は載物テーブル（１４）の２次元座標（Ｘ，
Ｙ）の関数となるので、行列Ｑも座標（Ｘ，Ｙ）の関数
となる。一方、変数ベクトルＦは、多点高さ検出手段が
出力する各計測点のデフォーカス量と、多点高さ検出手
段の計測点の位置、及び重み係数Ｗ_i で定まる。

【００３４】本発明では、所定の基準面（例えば投影光
学系の像面）をｚ＝０の平面として、レベリング及びフ
ォーカシングにより、被処理基板（１２）の表面の近似
平面をその基準面（ｚ＝０の面）と一致させる。即ち、
レベリング手段（１５）の３個の支点（１６Ａ〜１６
Ｃ）の制御偏差は、各支点の位置における上記の被処理
基板（１２）表面の近似平面と基準面（ｚ＝０の面）と
の距離に外ならないので、各支点（１６Ａ〜１６Ｃ）で
の制御偏差（伸縮量の偏差）ｅ₁ ，ｅ₂ ，及びｅ ₃ は次
式で与えられる。

【００３５】

【数７】

【００３６】ここで、行列Ｒは次式で定義される。

【００３７】

【数８】

【００３８】ここで、（Ｘ₁ ，Ｙ₁ ）、（Ｘ₂ ，Ｙ
₂ ）、（Ｘ₃ ，Ｙ₃ ）は、図３に示すように、３点の支
点（１６Ａ〜１６Ｃ）のｚ軸（投影光学系がある場合に
は、この投影光学系の光軸）を基準としたときの位置座
標である。従って、行列Ｒは載物テーブル（１４）、ひ
いては被処理基板（１２）の移動に伴って変化する行列
である。即ち、被処理基板（１２）の中心ＯＷを基準と
した３個の支点（１６Ａ〜１６Ｃ）の座標を（Ｘ₁₀，Ｙ
₁₀）、（Ｘ₂₀，Ｙ₂₀）、（Ｘ₃₀，Ｙ₃₀）とすると、（数
８）の行列Ｒは次のように表すことができる。

【００３９】

【数９】

【００４０】ここで、（Ｘ，Ｙ）はｚ軸基準での被処理
基板（１２）の中心ＯＷの座標であり、載物テーブル
（１４）用のステージ座標計測手段（１９Ｘ，１９Ｙ，
２０Ｘ，２０Ｙ）により検出される。以上のようにし
て、多点高さ検出手段の出力するデフォーカス量Δｆ_i
と、レベリング手段（１５）の支点（１６Ａ〜１６Ｃ）
の制御偏差との関係が得られる。

【００４１】次に、このようにして得られた制御偏差ｅ
₁ ，ｅ₂ ，ｅ₃ を０にするように、各支点（１６Ａ〜２
６Ｃ）を駆動する駆動速度指令値ｕ₁ ，ｕ₂ ，ｕ₃ を、
図１の制御手段（２２）にて求める。比例、積分、及び
微分制御である所謂ＰＩＤ制御方式を適用する場合、積
分ゲインｋ_I 、比例ゲインｋ_P 、及び微分ゲインｋ_Dを
用いて、その駆動速度指令値は次式で与えられる。

【００４２】

【数１０】

【００４３】この制御を行うことにより、制御偏差ｅ
₁ ，ｅ₂ ，及びｅ₃ を０とすることができる。即ち、被
処理基板（１２）表面の（数１）による近似平面がｚ＝
０の基準面と一致する。被処理基板（１２）表面の近似
平面は、重み係数Ｗ_i によって定められるので、被処理
基板（１２）内で特にデフォーカス量を小さく抑えたい
部分の重みＷ_i を大きく設定すれば、それに最適な制御
が行われる。

【００４４】また、この制御ではフォーカシング動作と
レベリング動作とを区別することなく同時に行っている
ので、これらの動作を連続的に実行する場合に比べて高
速に制御が行われる。更に、ここで適用した制御はＰＩ
Ｄ制御であるので、微分項の効果による高速な適応性
と、積分項の効果による定常偏差が０という特性を備え
ている。

【００４５】

【実施例】以下、本発明によるステージ装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。本実施例は、投影露光
装置においてウエハのレベリング及びフォーカシングを
行うステージに本発明を適用したものである。図４は、
本実施例の投影露光装置を示し、この図４において、光
源及びオプティカル・インテグレータ等を含む光源系１
からの露光光ＩＬが、第１リレーレンズ２、レチクルブ
ラインド（可変視野絞り）３、第２リレーレンズ４、ミ
ラー５、及びメインコンデンサーレンズ６を介して、均
一な照度でレチクル７上のパターン領域８を照明する。
レチクルブラインド３の配置面はレチクル７のパターン
形成面と共役であり、レチクルブラインド３の開口の位
置及び形状により、レチクル７上の照明領域の位置及び
形状が設定される。光源系１内の光源としては、超高圧
水銀ランプ、エキシマレーザ光源、又はＹＡＧレーザの
高調波発生装置等が使用される。

【００４６】レチクル７のパターン領域８内のパターン
の像が、投影光学系ＰＬを介してフォトレジストが塗布
されたウエハ１２上のショット領域１３Ａ内に投影露光
される。投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にｚ軸を取
り、光軸ＡＸに垂直な２次元平面内で図４の紙面に平行
な方向にｘ軸を、図４の紙面に垂直な方向にｙ軸を取
る。レチクル７はレチクルステージ９上に保持され、装
置全体の動作を制御する主制御系１０が、レチクル駆動
系１１を介してレチクルステージ９の位置の微調整を行
う。

【００４７】一方、ウエハ１２は、ウエハホルダー１４
上に保持され、ウエハホルダー１４は３個のｚ軸方向に
移動自在な支点１６Ａ〜１６Ｃを介してフォーカス・レ
ベリングステージ１５上に載置され、フォーカス・レベ
リングステージ１５はＸＹステージ１７上に載置され、
ＸＹステージ１７はウエハベース１８上に２次元的に摺
動自在に支持されている。フォーカス・レベリングステ
ージ１５は、３個の支点１６Ａ〜１６Ｃを介してウエハ
ホルダー１４上のウエハ１２のＺ方向の位置（フォーカ
ス位置）の微調整を行うと共に、ウエハ１２の露光面の
傾斜角の微調整を行う。また、ＸＹステージ１７は、フ
ォーカス・レベリングステージ１５、ウエハホルダー１
４及びウエハ１２をｘ方向及びｙ方向に位置決めする。

【００４８】ウエハホルダー１４の上端に固定されたｘ
軸用の移動鏡１９Ｘ、及び外部のレーザ干渉計２０Ｘに
より、ウエハホルダー１４のｘ座標が常時モニターさ
れ、図１に示すように、ｙ軸用の移動鏡１９Ｙ、及び外
部のレーザ干渉計２０Ｙにより、ウエハホルダー１４の
ｙ座標が常時モニターされ、検出されたｘ，ｙ座標が主
制御系１０、及び後述の面位置算出系３３に供給されて
いる。

【００４９】図４に戻り、主制御系１０は、ウエハ駆動
系２１を介してＸＹステージ１７の動作を制御する。ま
た、面位置算出系３３で算出された制御偏差に基づい
て、所謂ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御方式のフォー
カス・レベリング制御系２２が増幅器２３Ａ〜２３Ｃを
介して、フォーカス・レベリングステージ１５内の３個
の支点１６Ａ〜１６Ｃのｚ方向への移動量を制御する。

【００５０】次に、ウエハ１２の露光面のｚ方向の位置
（フォーカス位置）を検出するための多点のフォーカス
位置検出系（以下、「ＡＦセンサー」という）の構成に
つき説明する。本実施例では、ウエハ１２上のフォーカ
ス位置の計測点の個数ｎを９個とする。従って、図４の
装置では、実際には９個の同じ構成のＡＦセンサーが配
置されているが、図４ではその内の手前側の３個のＡＦ
センサー２５Ａ１，２５Ａ２，２５Ａ３のみを示す。先
ず手前側の中央のＡＦセンサー２５Ａ２において、光源
２６Ａ２から射出されたフォトレジストに対して非感光
性の検出光が、送光スリット板２７Ａ２内のスリットパ
ターンを照明し、そのスリットパターンの像が対物レン
ズ２８Ａ２を介して、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対し
て斜めにウエハ１２上のショット領域１３Ａの中央（光
軸ＡＸ上）の計測点Ｐ２に投影される。計測点Ｐ２から
の反射光が、集光レンズ２９Ａ２を介して振動スリット
板３０Ａ２上に集光され、振動スリット板３０Ａ２上に
計測点Ｐ２に投影されたスリットパターン像が再結像さ
れる。

【００５１】振動スリット板３０Ａ２のスリットを通過
した光が光電検出器３１Ａ２により光電変換され、この
光電変換信号が増幅器３２Ａ２に供給される。増幅器３
２Ａ２は、振動スリット板３０Ａ２の駆動信号により光
電検出器３１Ａ２からの光電変換信号を同期検波し、得
られた信号を増幅することにより、計測点Ｐ２のフォー
カス位置に対して所定範囲でほぼ線形に変化するフォー
カス信号を生成し、このフォーカス信号を面位置算出系
３３に供給する。同様に、他のＡＦセンサー２５Ａ１
は、計測点Ｐ２に対して−ｘ方向側の計測点Ｐ１にスリ
ットパターン像を投影し、このスリットパターン像から
の光を光電検出器３１Ａ１で光電変換して、増幅器３２
Ａ１に供給する。増幅器３２Ａ１は、計測点Ｐ１のフォ
ーカス位置に対応するフォーカス信号を面位置算出系３
３に供給する。同様に、ＡＦセンサー２５Ａ３は、計測
点Ｐ２に対してｘ方向側の計測点Ｐ３にスリットパター
ン像を投影し、このスリットパターン像からの光を光電
検出器３１Ａ３で光電変換して、増幅器３２Ａ３に供給
する。増幅器３２Ａ３は、計測点Ｐ３のフォーカス位置
に対応するフォーカス信号を面位置算出系３３に供給す
る。

【００５２】この場合、ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ
３からの光電変換信号から増幅器３２Ａ１〜３２Ａ３に
より得られたフォーカス信号は、それぞれ計測点Ｐ１〜
Ｐ３が投影光学系ＰＬによる結像面に合致しているとき
に０になるようにキャリブレーションが行われている。
従って、各フォーカス信号は、それぞれ計測点Ｐ１〜Ｐ
３のフォーカス位置の結像面からのずれ量（デフォーカ
ス量）に対応しているため、第ｉ番目のＡＦセンサー２
５Ａｉ（ｉ＝１，２，…）により得られるフォーカス信
号をそれぞれデフォーカス量Δｆ_i とみなす。

【００５３】図５は、図４の実施例でのウエハ１２上の
計測点の分布を示し、この図５において、ウエハ上のシ
ョット領域１３Ａ内にｘ方向及びｙ方向に所定ピッチ
で、３×３個の計測点Ｐ₁ 〜Ｐ₉ が設定され、各計測点
Ｐ_i にそれぞれ対応するＡＦセンサー２５Ａｉ（図４で
はＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａ３のみが図示）からス
リットパターン像が斜めに投影されている。そして、各
計測点Ｐ_i でＡＦセンサー２５Ａｉにより計測されたデ
フォーカス量Δｆ_i(フォーカス信号）が、並行に図４の
面位置算出系３３に供給されている。

【００５４】また、本実施例では、図５の各計測点Ｐ_i
でのデフォーカス量Δｆ_i の計測値にそれぞれ重み係数
Ｗ_i を割り当てる。例えばショット領域１３Ａに露光さ
れるレチクルのパターン像の線幅がどこでもほぼ等しい
場合には、重み係数Ｗ_i の値は共通に１としてもよい。
一方、例えば計測点Ｐ₄ 及びＰ₆ をそれぞれ囲む部分領
域３４Ａ及び３４Ｂに線幅が最も狭いパターンが露光さ
れる場合には、計測点Ｐ₄ 及びＰ₆ のそれぞれの重み係
数Ｗ₄ 及びＷ₆ を１より大きく設定し、中間の計測点Ｐ
₅ での重み係数Ｗ₅ を１より小さく設定するようにして
もよい。これにより、例えば図５のＡＡ線に沿う断面図
が図６に示すような場合、本実施例によるフォーカシン
グ及びレベリングを実行すると、投影光学系の像面は部
分領域３４Ａ及び３４Ｂの何れにも比較的近い面４６Ｂ
に設定され、最も狭い線幅のパターン像が高い解像度で
露光される。

【００５５】それに対して、図６の場合に、重み係数Ｗ
_i の値を共通に１とすると、投影光学系の像面は全体の
平均的な面４６Ａに設定され、部分領域３４Ａに露光さ
れる最も狭い線幅のパターンの解像度が低下する恐れが
生ずる。即ち、本実施例のように各計測点Ｐ_i の計測デ
ータに重み係数Ｗ_i を付すことにより、ショット領域１
３Ａの全面にレチクルのパターン像を高い解像度で露光
できる。

【００５６】ここで、図７を参照して、本実施例で使用
されている支点１６Ａ〜１６Ｃの構成例につき説明す
る。図７は、支点１６Ａの断面図であり、この図７にお
いて、図４のフォーカス・レベリングステージ１５上に
駆動機構ハウジング４０が固定され、駆動機構ハウジン
グ４０内に送りねじ４１が回転自在に収納され、送りね
じ４１の左端にカップリング４２を介してロータリモー
タ４３が接続され、送りねじ４６の右端にカップリング
４４を介して回転角検出用のロータリエンコーダ４５が
接続されている。また、送りねじ４１にナット３９が螺
合され、ナット３９に支柱３８を介して上端が傾斜した
斜面部３６が固定され、斜面部３６の上端に回転体３５
Ａが接触している。回転体３５Ａは、図４のウエハホル
ダー１４内に回転自在に、且つ横方向には移動できない
ように埋め込まれている。

【００５７】また、斜面部３６は直線ガイド３７に沿っ
て送りねじ４１に平行な方向に移動できるように支持さ
れている。この場合、図４のフォーカス・レベリング制
御系２２からの駆動速度指令値が増幅器２３Ａを介して
ロータリモータ４３に供給され、ロータリモータ４３は
指示された駆動速度（駆動回転角速度）で送りねじ４１
を回転する。これにより、ナット３９が送りねじ４１に
沿ってｙ方向に移動し、斜面部３６も送りねじ４１に沿
って移動する。従って、斜面部３６の上端に接触する回
転体３５Ａは、回転しながら駆動機構ハウジング４０に
対して上下方向（ｚ方向）に変位する。また、送りねじ
４３の回転角をロータリエンコーダ４５により計測する
ことにより、回転体３５Ａの上下方向への変位量が検出
される。他の支点１６Ｂ，１６Ｃも同じ構成である。

【００５８】なお、支点１６Ａ〜１６Ｃは、図７のよう
にロータリーモータを使用する方式の外に、例えばピエ
ゾ素子等から構成してもよい。但し、例えばピエゾ素子
から支点１６Ａ〜１６Ｃを構成した場合には、フォーカ
ス・レベリング制御系２２からは、駆動速度指令値では
なく例えば変位量そのものを表す駆動指令値を供給する
ようにしてもよい。

【００５９】次に、図１を参照して、本例のフォーカシ
ング及びレベリング動作の一例につき説明する。図１
は、図４の投影露光装置において、投影光学系ＰＬを省
略し、ｎ個のＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａｎ（図５の
場合にはｎ＝９）を簡略化して表示したものであり、図
１において、ＡＦセンサー２５Ａ１〜２５Ａｎにより、
対応する計測点Ｐ１〜Ｐｎでのウエハ１２の露光面と投
影光学系の像面とのｚ方向の位置ずれ量、即ちデフォー
カス量Δｆ₁ 〜Δｆ_n が検出され、これらデフォーカス
量がフォーカス信号として面位置算出系３３に供給され
ている。面位置算出系３３には、ｘ軸用のレーザ干渉計
２０Ｘ及びｙ軸用のレーザ干渉計２０Ｙにより計測され
たウエハ１２の中心の座標（Ｘ，Ｙ）も供給されてい
る。

【００６０】また、主制御系１０から面位置算出系３３
に対して、ウエハ１２上のフォーカス位置の計測点Ｐ₁
〜Ｐ_n に与える重み係数Ｗ₁ 〜Ｗ_n も供給され、投影光
学系の光軸をｚ軸とした場合の各計測点Ｐ_i の座標値
（ｘ_i ，ｙ_i ）も主制御系１０から面位置算出系３３に
対して予め設定されている。更に、ウエハ１２の中心を
基準とした場合の、３個の支点１６Ａ〜１６Ｃの座標値
（Ｘ₁₀，Ｙ₁₀）、（Ｘ₂₀，Ｙ₂₀）、（Ｘ₃₀，Ｙ₃₀）も、
予め主制御系１０から面位置算出系３３に供給されてい
る。

【００６１】そこで、面位置算出系３３は、先ず（数
４）、（数５）より行列Ｑを求め、（数６）より変数ベ
クトルＦを求め、（数９）により行列Ｒを求めた後、
（数６）より３個の支点１６Ａ〜１６Ｃのそれぞれの制
御偏差（デフォーカス量）ｅ₁ ，ｅ₂ ，ｅ₃ を求める。
この際に、重み係数Ｗ_i は、プロセスに応じてオペレー
タが自由に設定可能であるが、例えばウエハ１２上のシ
ョット領域１３Ａ内で特にデフォーカス量を小さく抑え
たい部分に対しては大きく、逆にデフォーカス量の許容
値が大きい部分に対しては小さく設定する。一括露光方
式の場合には、重み係数は１枚のウエハ１２に対して露
光前に一度設定すると、それ以後は一定値である。しか
しながら、スキャン露光方式の場合には露光中にＡＦセ
ンサー２５Ａ１〜２５Ａｎとショット領域との相対位置
関係が変化するため、重み係数Ｗ_i はＸＹステージの位
置に依存して変化する。

【００６２】面位置算出系３３によって計算された制御
偏差ｅ₁ ，ｅ₂ ，ｅ₃ は、ＰＩＤ制御方式のフォーカス
・レベリング制御系２２に供給され、フォーカス・レベ
リング制御系２２では、（数１０）に従って各支点１６
Ａ〜１６Ｃ内のロータローモータ（例えば図７のロータ
リモータ４３）の駆動速度指令値ｕ₁ ，ｕ₂ ，ｕ₃ を求
める。この場合、（数１０）内の積分ゲインｋ_I 、比例
ゲインｋ_P 、及び微分ゲインｋ_D は予め設定されてい
る。そして、駆動速度指令値ｕ₁ ，ｕ₂ ，ｕ₃ はそれぞ
れ増幅器２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃを介して支点１６Ａ，
１６Ｂ，１６Ｃ内のロータリーモータに供給される。

【００６３】以上の制御系を動作させることで、ウエハ
１２上のショット領域１３Ａの露光面が投影光学系ＰＬ
の像面に合致し、フォーカシング及びレベリングが行わ
れたことになる。その後、ショット領域１３Ａにレチク
ル７のパターン像が露光され、以後例えばショット領域
１３Ｂ，１３Ｃ，…にもフォーカシング、及びレベリン
グを行った後にそれぞれレチクル７のパターン像が露光
される。

【００６４】この場合、本実施例においては、各ＡＦセ
ンサー２５Ａ１〜２５ｎで計測されたデフォーカス量か
ら直接各支点１６Ａ〜１６Ｃの制御偏差を算出している
ため、演算時間が短縮されている。従って、スキャン露
光方式のように高い応答速度が要求される場合にも、ス
テージの走査に追従して高精度にフォーカシング及びレ
ベリングを行うことができる。更に、重み係数Ｗ_i を用
いて、ウエハ１２上のショット領域内の所望の部分領域
を重点的に投影光学系ＰＬの像面に合わせ込むことがで
きるため、ウエハ１２の露光面に段差が生じているよう
な場合でも、ショット領域の全面に高い解像度でレチク
ルのパターン像を露光できる。

【００６５】なお、上述実施例は、投影光学系を使用し
た場合に本発明を適用したものであるが、本発明のステ
ージ装置は、例えばプロキシミティ方式のような投影光
学系を使用しない露光装置の高さ調整及びレベリング用
ステージとしても適用できる。このように、本発明は上
述実施例に限定されず、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。

【００６６】

【発明の効果】本発明においては、３点の伸縮自在の支
点により、レベリング及び高さ調整（フォーカシング）
が行われ、また、演算手段により、多点高さ検出手段で
検出された３個以上の偏差から、各支点での駆動偏差が
直接求められる。従って、一度２軸の回りの回転角及び
高さを算出する方式と比べて、本発明によれば演算時間
が短縮され、しかも、３点の支点を同時に駆動すること
によりレベリング動作と高さ調整動作（フォーカシング
動作）とが同時に実行されるので、レベリング及び高さ
調整工程のスループットが向上する。

【００６７】更に本発明では、各支点の動作をＰＩＤ制
御方式の制御手段により制御しているため、制御目標の
変化に対する応答性に優れ、定常偏差のないサーボ系を
構成でき、露光装置のフォーカス・レベリングステージ
として適用した場合に、高い結像性能を得ることができ
る。また、３個以上の計測点に対してそれぞれ重みを付
した場合には、例えば被処理基板内の所望の位置付近の
計測点の重みを大きくして、その計測点での高さ偏差
（デフォーカス量）を小さくするというように、高さ偏
差の被処理基板内での最適化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図４の投影露光装置のフォーカス・レベリング
機構を簡略化して示す一部斜視図を含む構成図である。

【図２】図１のウエハ１２の表面と投影光学系の像面と
の間のデフォーカス量Δｆ₁ 〜Δｆ_n の説明に供する拡
大斜視図である。

【図３】図１のｚ軸と、多点のＡＦセンサーの計測点及
び３個の支点との関係の説明に供する斜視図である。

【図４】本発明によるステージ装置の一実施例が適用さ
れた投影露光装置を示す構成図である。

【図５】図４の多点のＡＦセンサーによるウエハ１２上
のフォーカス位置の計測点の分布の一例を示す平面図で
ある。

【図６】図５のＡＡ線に沿う断面図である。

【図７】図４の支点１６Ａの構成例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

７レチクルＰＬ投影光学系１０主制御系１２ウエハ１３Ａショット領域１４ウエハホルダー１５フォーカス・レベリングステージ１６Ａ〜１６Ｃ支点１７ＸＹステージ２０Ｘ，２０Ｙレーザ干渉計２２フォーカス・レベリング制御系２５Ａ１〜２５Ａ３ＡＦセンサー３３面位置算出系Ｐ₁ 〜Ｐ_n 計測点Ｗ₁ 〜Ｗ_n 重み係数

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板の表面の傾斜角を補正するス
テージ装置において、前記被処理基板を保持する載物テーブルと、２次元平面上で前記載物テーブルを位置決めする位置決
め用ステージと、該位置決め用ステージに対してそれぞれ伸縮自在の３個
の支点を介して前記載物テーブルを支持するレベリング
手段と、前記２次元平面内での前記載物テーブルの位置を検出す
るステージ座標計測手段と、前記被処理基板の表面の３個以上の計測点から所定の基
準面までの前記２次元平面に垂直な方向の偏差をそれぞ
れ検出する多点高さ検出手段と、前記ステージ座標計測手段及び前記多点高さ検出手段の
検出結果に基づいて、前記レベリング手段の前記３個の
支点の伸縮量の偏差を算出する演算手段と、該演算手段により算出された偏差、該偏差の積分値、及
び該偏差の微分値に基づいて前記レベリング手段の前記
３個の支点の伸縮量を制御する制御手段と、を有するこ
とを特徴とするステージ装置。
【請求項２】前記被処理基板の表面の３個以上の計測
点のそれぞれに重みを付け、前記演算手段は、前記多点
高さ検出手段の検出結果に前記重みを付けて算出した残
留誤差成分が最小になるように前記レベリング手段の前
記３個の支点の伸縮量の偏差を算出することを特徴とす
る請求項１記載のステージ装置。