JPH08227852A

JPH08227852A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH08227852A
Application number: JP7310724A
Authority: JP
Inventors: Yuji Imai; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 1996-09-03
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: JP3617710B2

Abstract

(57)【要約】【課題】照明光学系が切り換えられても、露光光吸収
等により結像面の位置が変化しても、正確に感光基板の
オートフォーカスを行う。【解決手段】ステージスリット方式の焦点位置検出系
では、光源系１からの露光光ＩＬ１でレチクル１０上の
開口パターン１１Ａを照明し、開口パターン１１Ａを通
過した光を投影光学系１３、及び基準パターン板２３等
を介して受光する。ステージ発光方式の焦点位置検出系
では、光源３５からの照明光で基準パターン板２３を照
明し、基準パターン板２３を通過して投影光学系１３を
往復した光を光電検出器４２で受光する。送光系２４、
及び集光光学系２２等からなる斜入射方式のＡＦセンサ
のキャリブレーションを、ステージスリット方式の焦点
位置検出系、及びステージ発光方式の焦点位置検出系を
用いて行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、又は液晶表示素子等を製造する際に使用され、所謂
斜入射方式の焦点位置検出系（ＡＦセンサ）の検出結果
を用いてオートフォーカス方式で感光基板を投影光学系
の結像面に合わせ込んで露光を行う投影露光装置に関
し、特にその斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレ
ーション機能を備えた投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体集積回路あるいは液晶パネ
ル等を製造する際に用いられる投影露光装置では、投影
光学系の結像面（合焦位置）に厳密に感光基板を合わせ
る必要性がある。このため従来より投影露光装置には、
所謂斜入射方式の焦点位置検出系（以下、「ＡＦセン
サ」と呼ぶ）を用いて、感光基板の投影光学系の光軸方
向の位置（投影光学系の像面に垂直な方向での位置）を
検出し、ウエハステージの高さを調整して感光基板を投
影光学系の結像面に合せ込むオートフォーカス機構が備
えられている。

【０００３】その斜入射方式のＡＦセンサは、例えば、
感光基板上の所定の計測点に投影光学系の光軸に対して
斜めにスリットパターン等の像を投影する送光系と、感
光基板からの反射光を受光してそのスリットパターン等
の像を再結像し、その再結像位置と再結像すべき基準位
置とのずれ量を検出する受光系とから構成されている。
この場合、感光基板が結像面に合致しているときの再結
像される像の位置を基準位置として予め求めておき、感
光基板を結像面に合せ込むときにはその再結像される像
の位置がその基準位置と一致するように感光基板の高さ
を調整することにより、感光基板のオートフォーカスが
行われる。

【０００４】また、従来より、投影光学系の結像面の位
置（合焦位置）を直接計測する手段として、所謂ステー
ジ発光方式の焦点位置検出系が知られている。このステ
ージ発光方式の焦点位置検出系では、例えば、投影露光
装置自体の照明系とは別個の照明系からの光によりウエ
ハステージ上に設けられた所定の基準パターンの像を投
影光学系を介してマスクとしてのレチクルの下面（パタ
ーン面）に投影する。そして、そのレチクルからの反射
光を投影光学系を介してウエハステージ側に戻し、戻さ
れた反射光をその基準パターンを介して受光する。そし
てウエハステージを上下させたときに得られる検出信号
が極値を取る位置を結像面の位置として検出している。

【０００５】更に、マスクとしてのレチクルを投影露光
装置の照明光学系からの光ににより照明し、そのレチク
ル内に設けられた所定の開口パターンの像を投影光学系
を介してウエハステージ側に投影し、ウエハステージ側
に投影された像を開口パターンを介して受光し、ウエハ
ステージを上下させたときに得られる検出信号が極値を
取る位置を結像面の位置として検出する、所謂ステージ
スリット方式の焦点位置検出系も知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、斜入射
方式のＡＦセンサを使用すれば、投影光学系の結像面の
位置が固定されている場合には、感光基板上の計測点の
結像面の位置からのずれ量を正確に検出できる。しかし
ながら、露光を継続して行うような場合には、露光光に
よる熱エネルギーが投影光学系内に蓄積されて投影光学
系の結像特性が変化するため、その結像面の位置が変化
することがある。このように結像面の位置が変化して
も、斜入射方式のＡＦセンサでは変化する前の結像面を
基準として感光基板の焦点位置のずれ量を検出するた
め、その斜入射方式のＡＦセンサの検出結果を用いてオ
ートフォーカスを行うと、変化後の結像面に感光基板を
合わせ込むことができないという不都合がある。

【０００７】また、ステージ発光方式の焦点位置検出系
によれば、例えば露光光の吸収による熱変形により投影
光学系の結像面の位置が変化したような場合にも、正確
にその投影光学系の結像面の位置を検出できる。しかし
ながら、そのステージ発光方式の焦点位置検出系は、投
影露光装置の照明光学系とは独立の照明系を使用するこ
とから、実際に投影露光装置自体の照明光学系からの露
光光を用いてレチクルを照明する場合の投影光学系の結
像面と、ステージ発光方式の焦点位置検出系で計測され
る合焦位置との間に所定のオフセットがある場合があ
る。

【０００８】特に、照明光学系に関しては、解像度を高
めるために例えば特開平４−２２５５１４号公報に開示
されている変形光源法や、輪帯照明法等が切り換えて使
用されることがある。このように照明光学系の切り換え
が行われると、投影光学系の瞳面（フーリエ変換面）で
の露光光の照度分布が変化して、結像面の位置の変化量
も変化するため、ステージ発光方式の焦点位置検出系で
計測される合焦位置と実際の結像面との間のオフセット
も変化する。

【０００９】これに関して、ステージスリット方式の焦
点位置検出系を使用すれば、実際の照明光学系を用いて
いるため、実際の露光光による投影光学系の結像面の位
置を検出することができる。しかしながら、ステージス
リット方式では、特に所定の検出用のパターンが形成さ
れたレチクルを使用する必要があるため、実際の露光対
象とするレチクルを使用できない場合もある。また、実
際の露光対象とするレチクルのパターン領域に検出用の
パターンを設けるとしても、それを設ける領域が限定さ
れるために、所望の計測点での結像面の位置を計測する
ことは困難である。

【００１０】更に、上述のステージ発光方式とステージ
スリット方式とに共通に、感光基板が投影光学系の露光
フィールドに設定されているときには使用できないた
め、オートフォーカスを行う際のＡＦセンサとしては使
用できないという不都合がある。本発明は斯かる点に鑑
み、露光光の吸収等によって投影光学系の結像面の位置
が変化した場合でも正確に、感光基板上の所望の計測点
をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むこ
とができる投影露光装置を提供することを目的とする。

【００１１】更に本発明は、照明光学系が切り換えられ
た場合でも正確に、感光基板上の所望の計測点をオート
フォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むことができ
る投影露光装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、例えば図１〜図３に示すように、露光光で転写用
のパターンが形成されたマスク（１０）を照明する照明
光学系（１，２，５〜９）と、その露光光のもとでマス
ク（１０）のパターンの像を感光基板（１４）上に投影
する投影光学系（１３）と、感光基板（１４）を投影光
学系（１３）の光軸に垂直な平面内で移動させると共
に、感光基板（１４）をその光軸方向に位置決めする基
板ステージ（１５，１６）と、その投影光学系の露光フ
ィールド内の感光基板（１４）の所定の計測点上に、投
影光学系（１３）の光軸に対して斜めに焦点検出用のパ
ターン像を投影する送光系（２４）と、感光基板（１
４）からの反射光を受光してその焦点検出用のパターン
像を再結像し、このように再結像された像の横ずれ量に
対応する焦点信号を生成する受光系（２８，３１，３
２）とからなる斜入射方式の焦点位置検出系と、を有
し、その焦点信号に基づいて感光基板（１４）の表面を
投影光学系（１３）に対して合焦させる投影露光装置に
関する。

【００１３】そして、本発明は、その露光光と同じ波長
域の照明光で所定の計測用パターン（５８）の像を基板
ステージ（１５，１６）上、又はマスク（１０）上に投
影する送光系（３５〜４０）と、その所定の計測用パタ
ーン像からの光を投影光学系（１３）、及び基板ステー
ジ（１５，１６）上に設けられた第１の開口パターン
（５８）を介して受光し、この受光された光量に対応す
る第１の焦点検出信号を生成する受光系（３７〜４０，
４１，４２）とを有する独立照明方式の焦点位置検出系
（例えばステージ発光方式の焦点位置検出系）と、照明
光学系（１，２，５〜９）により照明されたマスク（１
０）上の所定のパターン（５６）からの露光光を、投影
光学系（１３）、及び基板ステージ（１５，１６）上に
設けられた第２の開口パターン（５８）を介して受光
し、この受光された光量に対応する第２の焦点検出信号
を生成するステージスリット方式の焦点位置検出系と、
を備え、その独立照明方式の焦点位置検出系により求め
られる投影光学系（１３）に対する第１の合焦位置Ｚ_BF
と、そのステージスリット方式の焦点位置検出系により
求められる投影光学系（１３）に対する第２の合焦位置
Ｚ_CFとに基づいて、その斜入射方式の焦点位置検出系の
焦点信号により求められる最終的な合焦位置Ｚ_AFの補正
を行うものである。

【００１４】この場合、その独立照明方式の焦点位置検
出系の受光系（３７〜４０，４１，４２）と、そのステ
ージスリット方式の焦点位置検出系の受光系とが共通で
あることが望ましい。また、その独立照明方式の焦点位
置検出系の送光系の一例は、基板ステージ（１５，１
６）上の第１の開口パターン（５８）を投影光学系（１
３）側に照明する送光系（３５〜４０）であり、この場
合、その独立照明方式の焦点位置検出系の受光系（３７
〜４０，４１，４２）は、投影光学系（１３）を往復す
る照明光を受光することになる。

【００１５】また、投影光学系（１３）の露光フィール
ド内の少なくとも１点において、その独立照明方式の焦
点位置検出系により求めたその第１の合焦位置Ｚ_BFと、
その少なくとも１点において、そのステージスリット方
式の焦点位置検出系により求めたその第２の合焦位置Ｚ
_CFとの差分Δ_BCを記憶する第１の差分記憶手段（３４
ａ）と、その独立照明方式の焦点位置検出系により求め
られるその第１の合焦位置Ｚ_BF、及び第１の差分記憶手
段（３４ａ）に記憶されている差分Δ_BCとを用いてその
斜入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められ
る最終的な合焦位置Ｚ_AFの補正を行う演算手段（３３）
と、を有することが望ましい。

【００１６】更に、その斜入射方式の焦点位置検出系
が、例えば図５に示すように、投影光学系（１３）の露
光フィールド内の複数の計測点（６３Ａ〜６３Ｅ）にそ
れぞれ焦点検出用のパターン像を投影し、それら複数の
計測点での投影光学系（１３）に対する合焦位置を検出
する多点の焦点位置検出系である場合、それら複数の計
測点中の少なくとも１つの計測点において、その独立照
明方式の焦点位置検出系により求めたその第１の合焦位
置Ｚ_BFと、それら複数の計測点中の少なくとも１つの計
測点において、その斜入射方式の焦点位置検出系により
求めた合焦位置Ｚ _AFとの差分Δ_ABを記憶する第２の差分
記憶手段（３４ｂ）を設け、演算手段（３３）は、第
１、及び第２の差分記憶手段（３４ａ，３４ｂ）にそれ
ぞれ記憶されている差分を用いて、その斜入射方式の焦
点位置検出系により求められる複数の計測点（６３Ａ〜
６３Ｅ）での最終的な合焦位置の補正を行うようにして
もよい。

【００１７】斯かる本発明の投影露光装置によれば、例
えば先ず所定のパターンが形成されたマスクを載置し、
ステージスリット方式の焦点位置検出系により第２の合
焦位置Ｚ_CF、即ち投影露光装置自体の照明光学系からの
露光光の下での合焦位置を求める。その後、独立照明方
式の焦点位置検出系により、投影光学系に対する第１の
合焦位置Ｚ_BFを求め、これと第２の合焦位置Ｚ_CFとの差
分Δ_BC（＝Ｚ_CF−Ｚ_BF）を求め、この差分を独立照明方
式のオフセットとして記憶する。

【００１８】その後露光を行う際には、独立照明方式の
焦点位置検出系で第１の合焦位置Ｚ _BFを求めるのと並行
して斜入射方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置Ｚ_AF
を求め、これと第１の合焦位置Ｚ_BFのオフセット補正後
の値（Ｚ_BF＋Δ_BC）との差分Δ_AC（＝Ｚ_BF＋Δ_BC−
Ｚ_AF）を求める。すなわち、斜入射方式の焦点位置検出
系で検出される合焦位置Ｚ_AFとステージスリット方式の
焦点位置検出系で検出される第２の合焦位置Ｚ_CFとの差
分Δ_ACを求める。そして、図１に示す斜入射方式の焦点
位置検出系において、例えば平行平面板（４３）の角度
を変えて、その差分Δ_ACよりなるオフセット分だけ焦点
検出用のパターン像の再結位置をずらす（言い換えれ
ば、再結像すべき基準位置をずらす）ことにより、合焦
位置の補正（キャリブレーション）を行う。この結果、
斜め入射方式の焦点位置検出系を用いてオートフォーカ
ス方式で正確に投影光学系の結像面に感光基板を合焦さ
せることができる。

【００１９】更に、露光を継続して行って、投影光学系
（１３）で露光光吸収による熱変形等の影響が現れると
予想されるときには、再び独立照明方式の焦点位置検出
系により第１の合焦位置Ｚ_BF’を求めるのと並行して、
斜入射方式の焦点位置検出系を用いて合焦位置Ｚ_AF’を
求め、これとその第１の合焦位置Ｚ_BF’のオフセット補
正後の値（Ｚ_BF’＋Δ_BC）との差分Δ_AC’（＝Ｚ_BF’＋
Δ_BC−Ｚ_AF’）を求める。その後、斜入射方式の焦点位
置検出系において、例えば平行平面板（４３）の角度を
変えて、その差分Δ_AC’の分だけ焦点検出用のパターン
像の再結像位置をずらすことにより、露光光吸収等によ
り結像位置が変化しても、斜め入射方式の焦点位置検出
系を用いてオートフォーカス方式で正確に投影光学系の
結像面に感光基板を合焦させることができる。

【００２０】これは、投影光学系の露光光吸収等があっ
ても、ステージスリット方式と独立照明方式はどちらも
投影光学系を介して合焦位置が検出されるので、両者の
合焦位置のオフセットΔ_BCがほとんど変化しないためで
ある。また、照明光学系を例えば通常照明から変形光源
法に切り換えたような場合には、ステージスリット方式
の焦点位置検出系を用いて合焦位置を求め直すことによ
り、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーション
を正確に行うことができる。

【００２１】また更に、ステージスリット方式の焦点位
置検出系では、投影光学系の露光フィールド内の任意の
位置での合焦位置を検出するには、任意の位置に計測用
のパターンが形成されたマスクを使用する必要があるた
め、そのように任意の位置での合焦位置を検出するのは
困難である。それに対して、独立照明方式では、例えば
所定の計測用パターン、及び第１の開口パターンの位置
を調整することにより、比較的容易に露光フィールド内
の任意の位置での合焦位置を検出できる。そこで、例え
ばステージスリット方式の焦点位置検出系での計測点に
おいて、ステージスリット方式での第２の合焦位置
Ｚ_CF、及び独立照明方式での第１の合焦位置Ｚ_BFを求
め、両者の差分Δ_BCを第１の差分記憶手段に記憶する。
そして、露光フィールドの全面でその差分Δ_BCは一定で
あるとみなして、その計測点以外の点では、独立照明方
式で検出した合焦位置Ｚ_BF’と、その差分Δ_BCとを用い
て、その演算手段により斜入射方式で検出した合焦位置
Ｚ_AFの補正を行う。これにより、露光フィールドの全面
でそれぞれ真の合焦位置を近似的に求めることができ
る。

【００２２】更に、斜入射方式の焦点位置検出系が露光
フィールド内の複数の計測点での合焦位置を検出する多
点のＡＦセンサである場合には、それら複数の計測点中
の例えば１つの計測点において、独立照明方式で検出し
た合焦位置Ｚ_BFと、斜入射方式で検出した合焦位置Ｚ_AF
との差分Δ_ABを求めて、第２の記憶手段に記憶する。そ
して、露光フィールド内でその独立照明方式で検出した
合焦位置と、斜入射方式で検出した合焦位置との差分は
一定であるとみなして、他の計測点では、第１の記憶手
段、及び第２の記憶手段で記憶した差分に基づいて斜入
射方式の焦点位置検出系の検出結果を補正することによ
り、それら複数の計測点でほぼ正確に真の合焦位置を求
めることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による投影露光装置
の実施の形態の一例につき、図面を参照して説明する。
図１は本例の投影露光装置の構成を示し、この図１にお
いて、露光用の光源である水銀ランプ、楕円鏡、コリメ
ータレンズ、干渉フィルタ等からなる光源系１から射出
された露光光はフライアイレンズ２に入射する。フライ
アイレンズ２の射出面には、回転板３が駆動モータ４に
より回転されるように配置され、回転板３上には、図２
に示すようにほぼ９０°間隔で、通常照明用の円形開口
絞り５１、輪帯照明用の輪帯状開口絞り５２、小さな円
形開口絞り５３、及び偏心して４個の円形開口が形成さ
れた変形光源絞り５４が形成されている。

【００２４】図１に戻り、本例では露光対象とするレチ
クルの最小線幅等に応じて、装置全体を統轄制御する主
制御系１９内の制御手段２０が、モータ４を駆動して回
転板３中の最適な開口絞りをフライアイレンズ２の射出
面に設定する。その射出面の開口絞りを通過した露光光
ＩＬ１は、第１リレーレンズ５、可変視野絞り（レチク
ルブラインド）６、第２リレーレンズ７、コンデンサー
レンズ８、及び光路折り曲げ用のミラー９を介して、レ
チクル１０を均一な照度分布で照明する。そして、露光
時にはその露光光ＩＬ１のもとで、レチクル１０のパタ
ーンが投影光学系１３を介してウエハ１４の各ショット
領域に結像投影される。但し、図１において、説明の都
合上ウエハ１４は露光位置にはない。

【００２５】なお、露光用ＩＬ１としては、水銀ランプ
等の輝線の他、例えばエキシマレーザ（ＫｒＦエキシマ
レーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等）等のレーザ光、ある
いは金属蒸気レーザ等やＹＡＧレーザの高調波等を使用
することができる。また、投影光学系１３の光軸ＡＸに
平行な方向（投影光学系１３の結像面に垂直な方向）に
Ｚ軸を取り、Ｚ軸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軸を取る。

【００２６】レチクル１０は、光軸ＡＸに垂直な平面
（ＸＹ平面）内で２次元移動及び微小回転自在なレチク
ルステージ１２上に真空吸着により保持されている。レ
チクルステージ１２の位置は、レチクルステージ１２の
周辺に配置されたレーザ干渉計（不図示）により例えば
０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され、検出結果が
制御手段２０に供給されている。また、レチクル１０の
下面（パターン面）の中央部に開口パターン１１Ａが形
成されている。

【００２７】図３（ａ）は本例のレチクル１０の右端部
を示す拡大図であり、この図３（ａ）において、レチク
ル１０のパターン領域５５内の端部に、開口パターン１
１Ｂが形成されている。開口パターン１１Ｂは、遮光膜
中にＸ方向に所定ピッチで形成された複数の透過部より
なる開口パターン５６、及び遮光膜中にＹ方向に所定ピ
ッチで形成された複数の透過部よりなる開口パターン５
７より構成され、図１の開口パターン１１Ａも開口パタ
ーン１１Ｂと同じ構成である。これらの開口パターン１
１Ａ，１１Ｂは、後述のステージスリット方式の焦点位
置検出系で投影光学系１３の結像面の位置（合焦位置）
を検出する際に使用される。

【００２８】図１に戻り、ウエハ１４はＺステージ１５
上に真空吸着により保持され、Ｚステージ１５はＸＹス
テージ１６上に載置されている。また、Ｚステージ１５
上でウエハ１４の近傍に基準パターン板２３が固定され
ている。基準パターン板２３は、透過性のガラス基板よ
りなり、その上の遮光膜中に図３（ｂ）に示すように、
Ｘ方向に所定ピッチで配置された複数の透過部よりなる
基準開口パターン５８、及びＹ方向に所定ピッチで配置
された複数の透過部よりなる基準開口パターン５９が形
成されている。これら基準開口パターン５８，５９はそ
れぞれ図３（ａ）のレチクル１０上の開口パターン５
６，５７の共役像と同じ形状、及び同じ大きさである。

【００２９】図１に戻り、Ｚステージ１５は、投影光学
系１３の光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）へのウエハ１４及び基
準パターン板２３の位置を調整する。更に、本例のＺス
テージ１５には、ウエハ１４及び基準パターン板２３の
傾斜角の制御を行うレベリングステージも含まれてい
る。また、Ｚステージ１５には、Ｚステージ１５のＺ方
向への変位量を高精度に検出するための変位センサも設
けられ、この変位センサの検出結果が主制御系１９の制
御手段２０に供給されている。この変位センサは、複数
種の焦点位置検出系で検出される合焦位置のずれ量を計
測するためのセンサであるため、かなり狭い範囲（例え
ば１ｍｍ以内）で高い分解能（例えば０．０１μｍ）で
変位を検出できればよいので、例えばポテンショメータ
等が使用できるが、レーザ干渉計を使用してもよい。但
し、そのＺステージ１５のＺ方向への変位は、後述の斜
入射方式のＡＦセンサ（焦点位置検出系）でも検出でき
る。

【００３０】一方、ＸＹステージ１６はＸ方向、及びＹ
方向にそれぞれウエハ１４及び基準パターン板２３の位
置決めを行う。ウエハ１４上の或るショット領域への露
光が終了すると、ＸＹステージ１６のステッピング動作
により次に露光するショット領域が露光フィールド内に
位置決めされ、その後、オートフォーカス方式でＺステ
ージ１５によりウエハ１４の表面の焦点位置が投影光学
系１３の結像面の位置に合わせ込まれ、その状態で露光
が行われる。

【００３１】また、Ｚステージ１５上にＸ軸用の移動鏡
１７が固定され、外部のレーザ干渉計１８からのレーザ
ビームを移動鏡１７で反射することにより、レーザ干渉
計１８でＺステージ１５のＸ座標が計測される。同様に
不図示のＹ軸用の移動鏡、及びレーザ干渉計によりＺス
テージ１５のＹ座標が計測され、計測された座標は制御
手段２０に供給され、制御手段２０は、供給された座標
に基づいてＸＹステージ駆動系２１を介してＸＹステー
ジ１６の動作を制御する。更に、制御手段２０は、Ｚθ
駆動系２２を介してＺステージ１５、及びＺステージ１
５に含まれるレベリングステージ等の動作を制御する。

【００３２】ここで、本例の斜入射方式のＡＦセンサ
（焦点位置検出系）につき説明する。本例の斜入射方式
のＡＦセンサは、投影光学系１３の側面部に配置された
送光系２４、及び集光光学系２８等からなり、その送光
系２４において、ハロゲンランプ、又は発光ダイオード
等の光源２５からの照明光ＡＬがスリット板２６を照明
し、スリット板２６中のスリットを通過した照明光ＡＬ
が、対物レンズ２７を介して投影光学系１３の光軸ＡＸ
に対して斜めに、投影光学系１３の露光フィールド内の
計測点上に集光され、その計測点にスリット像が投影さ
れる。図１の例ではその計測点は基準パターン板２３上
に設定されている。照明光ＡＬとしては、ウエハ１４上
のフォトレジストに対して感光性の弱い波長帯で、且つ
薄膜干渉の影響等を低減させるために所定の波長幅を有
する光が使用される。

【００３３】その計測点からの反射光は、集光光学系２
８内の集光レンズ２９を介して集光されてミラー３０に
より反射された後、平行平面板（プレーンパラレル）４
３を透過し、振動スリット板３１を経て受光器３２に入
射する。振動スリット板３１上にスリット像の像が再結
像される。受光器３２は、受光素子と、この受光素子の
光電変換信号を振動スリット板３１の駆動信号で同期整
流する同期整流回路とからなる。また、例えば基準パタ
ーン板２３がＺ方向に変位すると、振動スリット板３１
上のスリット像が結像すべき基準位置から横ずれするた
め、受光器３２から出力される信号（これを「焦点信
号」と呼ぶ）Ｓ１は、基準パターン板２３（又はウエハ
１４）の表面のＺ方向の位置に対して所定範囲でほぼ線
形に変化する信号となり、焦点信号Ｓ１は主制御系１９
内の演算手段３３に供給される。

【００３４】また、その振動スリット板３１の振動中心
と再結像されるスリット像の中心とが合致すると、焦点
信号Ｓ１が０となるため、本例では基準パターン板２３
（又はウエハ１４）の表面の計測点の焦点位置が投影光
学系１３の結像面の位置（合焦位置）に合致したときに
その焦点信号Ｓ１が０となるように調整を行う。従っ
て、焦点信号Ｓ１の値が０になるときの基準パターン板
２３（又はウエハ１４）のＺ方向の位置が、斜入射方式
のＡＦセンサで検出される合焦位置である。この際に、
平行平面板４３の回転角を変えると、再結像されるスリ
ット像の位置が横ずれすることから、予め求めた投影光
学系の結像面に例えば基準パターン板２３の表面を合致
させた状態で、焦点信号Ｓ１が０になるように平行平面
板４３の回転角を設定すればよい。

【００３５】但し、その結像面の位置は変化するため、
本例では予め平行平面板４３の回転角の変化量と、それ
に応じた基準パターン板２３（又はウエハ１４）のＺ方
向の位置の変化量との関係を求めてメモリ３４に記憶し
ておく。そして、後述のように結像面の位置が変化した
ときには、演算手段３３はその結像面に位置に追従させ
て平行平面板４３の回転角を調整する。これにより、変
化した後の結像面の位置に例えばウエハ１４のＺ方向位
置が合致したときに、焦点信号Ｓ１が０となる。なお、
本例では、集光光学系２８、平行平面板４３、振動スリ
ット板３１、及び受光器３２よりなる系を「斜入射方式
のＡＦセンサの受光系」と呼ぶ。また、再結像されたス
リット像の位置を検出するためには、例えば１次元のイ
メージセンサ等を使用してもよい。

【００３６】次に、本例のステージスリット方式の焦点
位置検出系につき説明する。ステージスリット方式の焦
点位置検出系は、投影露光装置の照明光学系そのものを
送光系として使用する。即ち、図１において、光源系１
〜コンデンサーレンズ８、及びミラー９からなる照明光
学系から射出された露光光ＩＬ１が、レチクル１０のパ
ターン面の開口パターン１１Ａ（又は図３（ａ）の開口
パターン１１Ｂ）を照明する。そして、開口パターン１
１Ａを通過した露光光ＩＬ１は、投影光学系１３を介し
て基準パターン板２３上の基準開口パターン５８，５９
（図３（ｂ）参照）上に開口パターン１１Ａの像を形成
し、基準開口パターン５８，５９を通過した露光光ＩＬ
１が、Ｚステージ１５内部でミラー４０、及び集光レン
ズ３９を介して光ガイド３８の一端に集光される。光ガ
イド３８の他端はＺステージ１５の外部に設置され、そ
の他端から射出された露光光ＩＬ１は、ビームスプリッ
ター３７、及び集光レンズ４１を経て光電検出器４２に
入射し、光電検出器４２で検出信号Ｓ２に光電変換され
る。その検出信号Ｓ２は、主制御系１９内の演算手段３
３に供給される。従って、ミラー４０〜光電検出器４２
までの部材がステージスリット方式の焦点位置検出系の
受光系を構成している。

【００３７】なお、図１の開口パターン１１Ａは、図３
（ａ）の開口パターン１１Ｂと同様に開口パターン５
６，５７よりなるため、開口パターン１１Ａ内の開口パ
ターン５６及び５７の共役像の投影位置にそれぞれ図３
（ｂ）の基準開口パターン５８及び５９が来るように、
ＸＹステージ１６を介して基準パターン板２３のＸＹ平
面内での位置決めが行われる。更に、基準パターン板２
３の底部には、基準開口パターン５８又は５９の一方を
覆うシャッター機構が設けられ、基準開口パターン５８
又は５９の一方を通過した露光光ＩＬ１のみが光電検出
器４２に導かれる。

【００３８】そして合焦位置を求める際には、光電検出
器４２で基準開口パターン５８又は５９を通過した露光
光ＩＬ１を受光した状態で、Ｚステージ１５を介して基
準パターン板２３をＺ方向に移動させる。このとき斜入
射方式のＡＦセンサを用いてＺ方向への変位量をモニタ
するものとすると、基準開口パターン５８又は５９上に
斜入射方式のＡＦセンサからスリット像を投影し、受光
器３２からの焦点信号Ｓ１を演算手段３３でモニターす
る。

【００３９】図４は、そのように基準パターン板２３を
Ｚ方向に移動させた場合のＺ座標に対する焦点信号Ｓ
１、及び検出信号Ｓ２の関係を示し、この図４におい
て、Ｓ字状の曲線６０が焦点信号Ｓ１であり、焦点信号
Ｓ１が０を横切るときのＺ座標Ｚ _AFが斜入射方式のＡＦ
センサで求めた合焦位置である。また、山型に変化する
曲線６１が検出信号Ｓ２であり、検出信号Ｓ２が最大値
となるときのＺ座標Ｚ_CFがステージスリット方式の焦点
位置検出系で求めた合焦位置である。この合焦位置Ｚ_CF
が照明光学系からの露光光の下での投影光学系の真の合
焦位置である。この場合、予め焦点信号Ｓ１の直線部分
で焦点信号Ｓ１の変化量とＺ座標の変化量との関係が求
められており、演算手段３３では、合焦位置Ｚ_AFの真の
合焦位置Ｚ_CFからの差分を求めることができる。

【００４０】なお、例えば図３（ａ）のレチクル１０の
外周部に近い開口パターン１１Ｂを使用してステージス
リット方式で合焦位置を検出するときに、一方の基準開
口パターン５８を使用するとメリジオナル方向の合焦位
置が検出され、他方の基準開口パターン５９を使用する
とサジタル方向の合焦位置が検出される。また、開口パ
ターン１１Ａ，１１Ｂが形成されたレチクルとしては、
パターンの露光は行わないテストレチクルを使用するこ
とができる。更に、実際に露光対象とするレチクルで
も、回路パターンの構成によってはそれら開口パターン
１１Ａ，１１Ｂを形成する余地があるときには、それら
開口パターン１１Ａ，１１Ｂを形成しておいて、ステー
ジスリット方式の焦点位置検出系により合焦位置を検出
するようにしてもよい。

【００４１】上述のように、ステージスリット方式の焦
点位置検出系では、実際の照明光学系からの露光光ＩＬ
１でレチクル１０上の開口パターンを照明しているた
め、例えば変形光源法等を使用する場合でも、正確にそ
れに応じて投影光学系１３に対する合焦位置を求めるこ
とができる。但し、このステージスリット方式では、所
定の開口パターンが形成されているレチクルが必要であ
るため、実際の露光に使用されるレチクルでは検出でき
ない場合もあり、且つ露光フィールド内で合焦位置を計
測できる位置が固定されてしまう。

【００４２】これに関して、図１の斜入射方式のＡＦセ
ンサは、露光フィールド内の例えば中央部の１点での合
焦位置を検出するものであるが、例えばその露光フィー
ルド内の複数の計測点上にそれぞれスリット像を斜めに
投影することにより、斜入射方式の多点のＡＦセンサを
構成できる。図５は、その複数の計測点の一例を示し、
この図５において、投影光学系１３の露光フィールド６
２内に斜めに５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅが設定され、
これら計測点６３Ａ〜６３Ｅ上にそれぞれスリット像が
投影される。また、それらの計測点６３Ａ〜６３Ｅから
の反射光を集光することによりスリット像が再結像さ
れ、これらスリット像の再結像位置からそれら計測点６
３Ａ〜６３Ｅでの合焦位置が求められる。ところが、そ
れら複数の計測点での合焦位置のキャリブレーションを
ステージスリット方式の焦点位置検出系を用いて行うも
のとすると、レチクル上にはそれら複数の計測点と共役
な位置に開口パターンが形成されている必要がある。そ
のように複数の開口パターンを形成するのは、特に実際
の露光用のレチクルでは困難であるため、斜入射方式の
ＡＦセンサの通常のキャリブレーションは、次に説明す
るステージ発光方式の焦点位置検出系を使用するのが便
利である。

【００４３】図６（ａ）は、本例のステージ発光方式の
焦点位置検出系の構成を示し、この図６（ａ）におい
て、送光系は、露光光ＩＬ１と同じ波長の照明光ＩＬ２
を発生する光源３５と、この光源３５からの照明光を集
光してハーフミラー３７を介して光ガイド３８の一端に
導く集光レンズ３６と、光ガイド３８の他端から射出さ
れる照明光を集光する集光レンズ３９と、その集光され
た照明光を基準パターン板２３の底部に導くミラー４０
とから構成されている。光源３５としては、例えば光源
系１内で露光光ＩＬ１から分岐された光を、光ガイドを
介して伝達する光学系等が使用される。

【００４４】更に、図３（ｂ）に示すように、基準パタ
ーン板２３には方向性の異なる基準開口パターン５８，
５９が形成されているため、図１において、ミラー４０
からの照明光を不図示のシャッター機構によりそれら基
準開口パターン５８，５９の何れか一方に照射する。そ
れらの切り換えにより、投影光学系１３のメリジオナル
方向での合焦位置と、サジタル方向での合焦位置とを独
立に求めることができる。図６（ａ）では説明の便宜
上、一方の基準開口パターン５８が選択され、且つＸＹ
ステージ１６を駆動することにより、その基準開口パタ
ーン５８が露光フィールド内の所望の計測点上に設定さ
れている。

【００４５】底面側から基準開口パターン５８を通過し
た照明光は、投影光学系１３を介してレチクル１０の下
面にその基準開口パターン像を形成し、レチクル１０の
下面からの反射光が、投影光学系１３を介して再び基準
開口パターン５８に戻る。そして、基準開口パターン５
８を通って戻された照明光が、ステージ発光方式の焦点
位置検出系の受光系において、ミラー４０、集光レンズ
３９、光ガイド３８、ビームスプリッター３７、及び集
光レンズ４１を経て光電検出器４２で受光される。光電
検出器４２で入射光を光電変換して得られた検出信号Ｓ
２も演算手段３３に供給される。この際に、Ｚステージ
１５を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に変位させ
ると、基準パターン板２３の表面が結像面に合致したと
きに、検出信号Ｓ２が最大となることから、合焦位置を
求めることができる。また、この際のＺ座標の計測セン
サとしても斜入射方式のＡＦセンサを使用できる。

【００４６】図６（ｂ）は、そのように基準パターン板
２３をＺ方向に移動させた場合の斜入射方式ＡＦセンサ
のＺ座標に対する焦点信号Ｓ１、及びステージ発光方式
の焦点位置検出系からの検出信号Ｓ２の関係を示し、こ
の図６（ｂ）において、曲線６０が焦点信号Ｓ１であ
り、山型に変化する曲線６４が検出信号Ｓ２であり、検
出信号Ｓ２が最大値となるときのＺ座標Ｚ_BFがステージ
発光型の焦点位置検出系で求めた合焦位置である。この
場合も、演算手段３３では、斜入射方式の焦点位置検出
系で検出される合焦位置Ｚ_AFとステージ発光型の焦点位
置検出系で検出される合焦位置Ｚ_BFとの差分を求めるこ
とができる。

【００４７】このようにステージ発光方式の焦点位置検
出系は、露光フィールド内の任意の計測点での投影光学
系１３の合焦位置をその投影光学系１３を介して直接検
出できるが、基準開口パターン５８，５９の照明系は露
光時の照明光学系とは異なっている。そのため、例えば
変形光源法や輪帯照明法等を使用する際には、投影光学
系１３の瞳面（フーリエ変換面）での光量の照度分布が
異なって、結像位置がステージ発光方式の焦点位置検出
系で求めた合焦位置からずれることがある。そのため、
ステージ発光型の焦点位置検出系で求めた合焦位置だけ
を考慮するだけでは斜入射方式のＡＦセンサのキャリブ
レーションを正確に行うことができない場合がある。し
たがって、より正確に斜入射方式のＡＦセンサで求めた
合焦位置のキャリブレーションを行うには、ステージス
リット方式の焦点位置検出系の検出結果も加味する必要
がある。

【００４８】そして、演算手段３３は、検出信号Ｓ２、
及びＳ１を用いて斜入射方式のＡＦセンサで検出した合
焦位置のキャリブレーションを行い、補正後の焦点信号
Ｓ１を制御手段２０に供給する。制御手段２０は、その
焦点信号Ｓ１が０になるようにＺθ駆動系２２を介して
Ｚステージ１５のＺ方向の位置を制御する。これにより
オートフォーカス方式でウエハ１４の表面のＺ方向の位
置が結像面に合わせ込まれる。

【００４９】以下、本例の投影光学系の露光動作の一例
につき図７のフローチャートを参照して説明する。ここ
では、例えば露光フィールド内の中央の１つの計測点で
のＺ方向の位置を制御してオートフォーカスを行うもの
とする。先ず、図７のステップ１０１において、斜入射
方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方式の焦点位置検
出系でそれぞれの合焦点のＺ座標Ｚ_AF、及びＺ_BFを求め
る。このためには、既に説明したように図１において、
基準パターン板２３の一方の基準開口パターン５８（図
３（ｂ）参照）を投影光学系１３の露光フィールド内の
中央部に設定し、光源３５から照明光を射出させると共
に、斜入射方式のＡＦセンサでもその基準開口パターン
５８上スリット像を投影する。そして、Ｚステージ１５
を駆動して基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、
焦点信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２を演算手段３３で取り込
む。

【００５０】これにより、図６（ｂ）に示すような焦点
信号Ｓ１の曲線６０及び検出信号Ｓ２の曲線６４が得ら
れる。但し、このときの横軸は時間ｔである。この場
合、曲線６０が０を横切るときのＺ座標は斜入射方式の
ＡＦセンサで求めた合焦位置Ｚ _AFであり、曲線６４が最
大となるときのＺ座標はステージ発光方式の焦点位置検
出系で求めた合焦位置Ｚ_BFである。但し、このステップ
１０１では、Ｚ座標自体を計測するのではなく、焦点信
号Ｓ１を基準として座標Ｚ_BFと座標Ｚ_AFとの差分Δ
_AB（＝Ｚ_BF−Ｚ_AF）を求める。即ち、演算手段３３で
は、曲線６４が最大となるときの焦点信号Ｓ１のレベル
（これが曲線６０が０を横切るときの焦点信号Ｓ１との
差分となる）と、予め求められているＺ方向の変位と焦
点信号Ｓ１の変化との関係とを用いて、そのレベルを差
分Δ_ABに換算する。この差分Δ_ABはメモリ３４内の第１
記憶部３４ａ内に記憶される。

【００５１】次に、ステップ１０２において、斜入射方
式のＡＦセンサ及びステージスリット方式の焦点位置検
出系でそれぞれの合焦点のＺ座標Ｚ_AF及びＺ_CFを求め
る。このためには、図１に示すように、レチクルとして
中央に開口パターン１１Ａの形成されているレチクル１
０を載置し、その開口パターン１１Ａ内の開口パターン
５６（図３（ａ）参照）と共役な位置に基準パターン板
２３の基準開口パターン５８（図３（ｂ）参照）を位置
決めする。そして、光源系１から露光光ＩＬ１をフライ
アイレンズ２、及びリレーレンズ５側に供給すると共
に、斜入射方式のＡＦセンサで開口パターン５８上にス
リット像を投影した状態で、Ｚステージ１５を駆動して
基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、演算手段３
３で焦点信号Ｓ１及び検出信号Ｓ２を入力する。

【００５２】これにより、図４に示すような焦点信号Ｓ
１の曲線６０及び検出信号Ｓ２の曲線６１が得られる。
但し、このときの横軸は時間ｔである。この場合、斜入
射方式のＡＦセンサで求めた合焦位置はＺ_AFであり、曲
線６１が最大となるときのＺ座標がステージスリット方
式の焦点位置検出系で求めた合焦位置Ｚ_CFである。この
ステップ１０２でも、Ｚ座標自体を計測するのではな
く、焦点信号Ｓ１を基準として座標Ｚ_CFと座標Ｚ_AFとの
差分Δ_AC（＝Ｚ_CF−Ｚ_AF）を求める。即ち、演算手段３
３では、曲線６１が最大となるときの焦点信号Ｓ１のレ
ベルを差分Δ_ABに換算し、その差分Δ_ACをモメリ３４内
の第２記憶部３４ｂに格納する。

【００５３】次に、ステップ１０３において、演算手段
３３は、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求め
た合焦位置Ｚ_CFとステージ発光方式の焦点位置検出系で
求めた合焦位置Ｚ_BFとの差分Δ_BC（＝Ｚ_CF−Ｚ_BF）を算
出する。このために、演算手段３３は第２記憶部３４ｂ
内の差分Δ_ACから第１記憶部３４ａ内の差分Δ_ABを減算
する。そして、ステップ１０４において、その差分Δ_BC
をステージ発光方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置
のオフセットΔ_Bとして第１記憶部３４ａに格納する。

【００５４】その後ステップ１０５に移行して、ステッ
プ１０１と同様に斜入射方式のＡＦセンサ、及びステー
ジ発光方式の焦点位置検出系でそれぞれ合焦位置のＺ座
標Ｚ _AF’及びＺ_BF’を求める。但し、この場合も求めら
れるのは、合焦位置の差分Δ _AB’（＝Ｚ_BF’−Ｚ_AF’）
である。その後、ステップ１０６で斜入射方式のＡＦセ
ンサで求められる合焦位置Ｚ_AF’から真の合焦位置（投
影露光装置自体の照明光学系からの露光光の下での投影
光学系１３の合焦位置）までのオフセットΔ_A'を求め
る。演算手段３３では第１記憶部３４ａからオフセット
Δ_Bを読み出して、次式からオフセットΔ_A'を算出す
る。

【００５５】 Δ_A'＝｛Ｚ_BF’＋（Ｚ_BF−Ｚ_CF）｝−Ｚ_AF’ ＝（Ｚ_BF−Ｚ_CF）＋（Ｚ_BF’−Ｚ_AF’）＝Δ_B＋Δ_AB' （１）この式から分かるように、本例では、例えば露光が継続
的に行われて投影光学系１３の結像面の位置が変化した
場合でも、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求
めた合焦位置とステージ発光方式の焦点位置検出系で求
めた合焦位置との差分であるオフセットΔ_Bは一定であ
ると見なしている。その後、演算手段３３は図１の平行
平面板４３を回転させて、斜入射方式のＡＦセンサで検
出される合焦位置をＺ方向にオフセットΔ_A'分だけ移動
させる。

【００５６】そして、ステップ１０７で露光対象のウエ
ハがあるかどうかを調べ、露光対象のウエハがあるとき
には、ステップ１０８に移行してそのウエハをＺステー
ジ１５上に載置する。その後、ステップ１０９におい
て、斜入射方式のＡＦセンサの焦点信号Ｓ１が０になる
ようにＺステージ１５を駆動するというオートフォーカ
スを開始させ、ステップ１１０においてウエハの各ショ
ット領域にレチクルのパターン像を露光する。その後、
ステップ１１１に移行して、斜入射方式のＡＦセンサの
キャリブレーションを行う必要がないときには、ステッ
プ１０７に移行して露光を継続し、ステップ１１１で斜
入射方式のＡＦセンサのキャリブレーションを行うと判
定したときには、ステップ１０５に移行してキャリブレ
ーションを行う。その後、ステップ１０７で露光すべき
ウエハが尽きた時点で露光工程が終了する。

【００５７】また、その後照明光学系内で回転板３を回
転させて、照明法を例えば通常の照明法から変形光源法
等へ切り換えた場合には、再びステップ１０１に移行し
て斜入射方式のＡＦセンサのより正確なキャリブレーシ
ョンを行う。以上のように本例によれば、照明光学系の
照明法を切り換えたような場合には、ステージスリット
方式の焦点位置検出系及びステージ発光方式の焦点位置
検出系を用いて、正確に斜入射方式のＡＦセンサで求め
られる合焦位置のキャリブレーションが行われる。その
後、露光光の照射による熱変形等により投影光学系１３
の結像面の位置が変化する恐れがあるときには、ステー
ジ発光方式の焦点位置検出系を用いて斜入射方式のＡＦ
センサで求められる合焦位置のキャリブレーションが行
われるため、結像面の位置が経時変化するようなときに
も正確にオートフォーカスを行うことができる。

【００５８】次に、露光動作の他の例につき図８のフロ
ーチャートを参照して説明する。先ず図８のステップ１
２１において、ステージ発光方式の焦点位置検出系、及
びステージスリット方式の焦点位置検出系でそれぞれ合
焦位置のＺ座標Ｚ_BF、及びＺ _CFを求める。このために
は、先ず図１において光源系１の発光を停止させ、光源
３５からの照明光を基準パターン板２３に照射した状態
で、基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、検出信
号Ｓ２を演算手段３３で取り込み、図６（ｂ）の曲線６
４のようにＺ座標に対して変化するデータを得る。この
場合の曲線６４のピーク点のＺ座標Ｚ_BFは、例えばポテ
ンショメータ、レーザ干渉計等の不図示のＺ方向用の変
位センサにより検出する。

【００５９】その後、光源３５の発光を停止させ、光源
系１から露光光ＩＬ１をレチクル１０に照射した状態
で、基準パターン板２３をＺ方向に移動させて、検出信
号Ｓ２を演算手段３３で取り込み、図４の曲線６１のよ
うにＺ座標に対して変化するデータを得る。そして、そ
の曲線６１がピークとなるときのＺ座標として、ステー
ジスリット方式の焦点位置検出系での合焦位置のＺ座標
Ｚ_CFを求める。次に、ステップ１２２において、Ｚ座標
Ｚ_CFからＺ座標Ｚ_BFを差し引いて得られる差分Δ _BC（＝
Ｚ_CF−Ｚ_BF）を、ステージ発光方式の焦点位置検出系で
求めた合焦位置に対するオフセットΔ_Bとしてメモリ３
４の第１記憶部３４ａに格納する。これにより、図７の
ステップ１０４と同じくオフセットΔ_Bが求められたこ
とになる。

【００６０】その後、ステップ１２３〜１２９において
は、図７のステップ１０５〜１１１と同様に斜入射方式
のＡＦセンサで求める合焦位置のキャリブレーションを
行いながら、オートフォーカス方式でウエハに対して露
光を行う。図８の例によれば、斜入射方式のＡＦセンサ
とは別のＺ方向用の変位センサを使用しているため、動
作が簡略化されている。

【００６１】なお、上述の実施の形態では、斜入射方式
のＡＦセンサのオフセットΔ_A'分だけ図１の平行平面板
４３の回転角を調整しているが、その調整を行うことな
く、焦点信号Ｓ１がそのオフセットΔ_A'に対応するレベ
ルになるようにオートフォーカスをかけてもよいことは
明かである。また、上述の実施の形態では、露光フィー
ルド内の１点での焦点位置を制御しているが、図５に示
すように露光フィールド６２内の例えば５個の計測点６
３Ａ〜６３Ｅにおいて斜入射方式のＡＦセンサで焦点位
置を計測し、例えばそれら５点での焦点位置の平均値を
結像面の位置（合焦位置）に合わせ込むようにしてもよ
い。この場合のキャリブレーションの一例としては、先
ず露光フィールド内の１点で図７のステップ１０１〜１
０４で示すように、ステージスリット方式の焦点位置検
出系で求めた合焦位置Ｚ_CFに基づいてステージ発光方式
の焦点位置検出系の検出結果のオフセットΔ_Bを求め
て、メモリ３４内の第１記憶部３４ａに記憶する。そし
て、そのオフセットΔ_Bは、露光フィールド６２内で一
定であると仮定する。

【００６２】その後、それら５個の計測点６３Ａ〜６３
Ｅの全てで図７のステップ１０５及び１０６に示すよう
に、オフセットΔ_B、及びステージ発光方式の焦点位置
検出系で求めた合焦位置と斜入射方式のＡＦセンサで求
めた合焦位置との差分より、斜入射方式のＡＦセンサで
求めた検出結果のオフセットΔ_AA’〜Δ_AE’を求め、こ
れらのオフセットΔ_AA’〜Δ_AE’をメモリ３４内の第２
記憶部３４ｂに格納する。その後、オートフォーカスを
行う際には、それら５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅで斜入
射方式のＡＦセンサにより合焦位置の座標Ｚ_1A〜Ｚ_1Eを
求めた後、これらの座標Ｚ_1A〜Ｚ_1Eと第２記憶部３４ｂ
から読み出されたオフセットΔ_AA’〜Δ _AE’との差分の
自乗和｛＝（Ｚ_1A−Δ_AA’)²＋…＋（Ｚ_1E−Δ_AE’)²｝
が最小値を取るようにＺステージ１５のＺ座標を調整す
る。

【００６３】なお、この際に、５個の計測点内の１つの
計測点（例えば６３Ｃ）で、ステージ発光方式の焦点位
置検出系を用いて斜入射方式のＡＦセンサの検出結果の
オフセットΔ_A'を求めて第２記憶部３４ｂに格納しても
よい。そして、他の計測点でもそのオフセットΔ_A'は等
しいとみなして、例えば５個の計測点６３Ａ〜６３Ｅで
斜入射方式のＡＦセンサにより求めた焦点位置の座標Ｚ
_1A〜Ｚ_1Eが、それぞれそのオフセットΔ_A'となるように
Ｚステージ１５の位置を制御することによりオートフォ
ーカスを行う。これにより、近似的に効率的に斜入射方
式の多点のＡＦセンサのキャリブレーションが行われ
る。

【００６４】また、図５では露光フィールド６２内の対
角線に沿って計測点が配置されているが、それら計測点
を露光フィールド６２内に２次元的に分布させてもよ
い。この場合には、多点での合焦位置の計測によりその
露光フィールド内の平均的な面の合焦位置の他に傾斜角
も算出できるため、その傾斜角を結像面の傾斜角に合わ
せ込むことによりオートレベリングが行われる。

【００６５】また、上述の例では、照明光学系の照明
法、及び投影光学系１３の熱変形等を考慮して斜入射方
式のＡＦセンサのキャリブレーションを行っているが、
更にレジスト像での合焦位置を考慮することが望まし
い。即ち、ウエハ１４には所定の厚さ（例えば１μｍ程
度）のフォトレジストが塗布され、斜入射方式のＡＦセ
ンサで求める合焦位置はそのフォトレジストの例えば表
面での合焦位置であるため、斜入射方式のＡＦセンサを
用いてオートフォーカスを行っても、実際にフォトレジ
ストを現像して得られたレジスト像が最も高い解像度に
なるとは限らない。

【００６６】図９は、各方式の焦点位置検出系で求めた
合焦位置のＺ座標Ｚ_Fと、レジスト像が最も鮮明になる
ときのＺ座標（レジスト像基準の合焦点の座標）Ｚ_Fと
の関係を示し、この図９において、横軸は露光フィール
ド内の１断面のＸ座標であり、縦軸はそのＸ座標での合
焦点のＺ座標Ｚ_Fである。また、図９では、キャリブレ
ーションを行う前の斜入射方式のＡＦセンサで求めた合
焦点の座標を０として、Ｚ方向への変位を斜入射方式の
ＡＦセンサで検出した例を示している。

【００６７】図９において、一点鎖線の曲線６６は、ス
テージスリット方式の焦点位置検出系で求めた合焦位置
の座標Ｚ_F、実線の曲線６５はステージ発光方式の焦点
位置検出系で求めた合焦位置の座標Ｚ_F(即ち、空間像を
基準とした合焦位置の座標）である。また、点線の曲線
６７は、斜入射方式のＡＦセンサで計測したＺ座標に基
づいて、ウエハのＺ座標を変えながらテストプリントを
繰り返して得られた、レジスト像を基準とした合焦位置
の座標Ｚ_Fを示す。例えば位置Ｘ₁では、ステージスリ
ット方式の焦点位置検出系により求められる合焦位置の
座標Ｚ_CFとレジスト像を基準として求められる合焦位置
の座標Ｚ_DFとは異なっている。

【００６８】そこで、予め例えば露光フィールド内の１
点で、ステージスリット方式の焦点位置検出系で求めた
合焦位置の座標Ｚ_CFとレジスト像を基準とした合焦位置
の座標Ｚ_DFとの差分Δ_CD（＝Ｚ_DF−Ｚ_CF）を求めてお
き、図１のメモリ３４内に記憶しておく。そして、例え
ば図７のステップ１０４でステージ発光方式の焦点位置
検出系のオフセットΔ_Bを求める際に、その差分Δ_CDを
加算するようにしてもよい。更に、露光フィールド内の
位置に応じてその差分Δ_CDを個別に補正してもよい。

【００６９】また、上述の例では独立照明方式の焦点位
置検出系として、ステージ発光方式の焦点位置検出系が
使用されているが、独立照明方式の焦点位置検出系の送
光系として例えば、図１において投影光学系１３とレチ
クル１０との間からレチクル１０の下面に基準パターン
の像を投影し、その反射光を投影光学系を介して基準パ
ターン板２３上に導くような照明系を使用してもよい。

【００７０】また、本発明のステージスリット方式は図
１のものに限定されず、例えばＺステージ１５上に基準
反射面を形成しておき（又は基準パターン板２３の一部
を反射面としておき）、露光用照明系でレチクル１０上
のマークを照明して、投影光学系１３を経てその基準反
射面で反射して再度投影光学系、及びレチクルを通った
光を光電検出するような構成であってもよい。

【００７１】更に、本発明は、ステッパ型の投影露光装
置ばかりでなく、レチクルとウエハとを相対的に走査し
て露光するステップ・アンド・スキャン型の投影露光装
置にも適用することができる。このように本発明は上述
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。

【００７２】

【発明の効果】本発明の投影露光装置によれば、独立照
明方式の焦点位置検出系により随時、斜入射方式の焦点
位置検出系（ＡＦセンサ）のキャリブレーションができ
るため、露光光の吸収等によって投影光学系の結像面の
位置が変化した場合でも、正確に感光基板上の所望の計
測点をオートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込
むことができる。この際に、最初にステージスリット方
式の焦点位置検出系によりその独立照明方式の焦点位置
検出系のオフセットを求めておくことにより、実際の照
明状態に応じて正確にオートフォーカスを行うことがで
きる。

【００７３】更に、照明光学系が切り換えられた場合に
は、再びそのステージスリット方式の焦点位置検出系を
用いて独立照明方式の焦点位置検出系のオフセットを求
め直すことにより、正確に感光基板上の所望の計測点を
オートフォーカス方式で結像面の位置に合わせ込むこと
ができる。また、独立照明方式の焦点位置検出系の受光
系と、ステージスリット方式の焦点位置検出系の受光系
とが共通である場合には、光学系の構成が簡略である。

【００７４】更に、独立照明方式の焦点位置検出系の送
光系が、基板ステージ上の第１の開口パターンを投影光
学系側に照明する送光系であり、その独立照明方式の焦
点位置検出系の受光系が、その投影光学系を往復する照
明光を受光する場合には、所謂ステージ発光方式で迅速
に投影光学系を介して結像面の位置を検出できる。ま
た、投影光学系の露光フィールド内の少なくとも１点に
おいて、独立照明方式の焦点位置検出系により求めた第
１の合焦位置と、その少なくとも１点において、ステー
ジスリット方式の焦点位置検出系により求めた第２の合
焦位置との差分を記憶する第１の差分記憶手段を設け、
演算手段により、その独立照明方式の焦点位置検出系に
より求められる第１の合焦位置、及びその第１の差分記
憶手段に記憶されている差分とを用いて斜入射方式の焦
点位置検出系の焦点信号により求められる最終的な合焦
位置の補正を行うときには、露光フィールド内でのその
差分がほぼ一定であるとみなして、斜入射方式の焦点位
置検出系のキャリブレーションを効率的に行うことがで
きる。

【００７５】更に、斜入射方式の焦点位置検出系が、多
点の焦点位置検出系であるときに、複数の計測点中の少
なくとも１つの計測点において、独立照明方式の焦点位
置検出系により求めた第１の合焦位置と、斜入射方式の
焦点位置検出系により求めた合焦位置との差分を記憶す
る第２の差分記憶手段を設け、その演算手段が、それら
第１、及び第２の差分記憶手段にそれぞれ記憶されてい
る差分を用いて斜入射方式の焦点位置検出系により求め
られるそれら複数の計測点での最終的な合焦位置の補正
を行うときには、露光フィールド内で斜入射方式の焦点
位置検出系で求める合焦位置と独立照明方式の焦点位置
検出系で求める合焦位置との差分がほぼ一定であるとみ
なして、斜入射方式の焦点位置検出系のキャリブレーシ
ョンを効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す一
部を断面とした構成図である。

【図２】図１の回転板３における開口絞りの配置を示す
正面図である。

【図３】（ａ）はレチクル１０上の開口パターンの一例
を示す要部の平面図、（ｂ）は基準パターン板２３上の
基準開口パターンの一例を示す拡大平面図である。

【図４】斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージスリッ
ト方式の焦点位置検出系で並行に合焦位置を求める際に
得られる焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２を示す波形図
である。

【図５】斜入射方式のＡＦセンサが多点の場合の計測点
の配列の一例を示す平面図である。

【図６】（ａ）は図１においてステージ発光方式の焦点
位置検出系で合焦位置を求める際の要部を示す構成図、
（ｂ）は斜入射方式のＡＦセンサ、及びステージ発光方
式の焦点位置検出系で並行に合焦位置を求める際に得ら
れる焦点信号Ｓ１、及び検出信号Ｓ２を示す波形図であ
る。

【図７】図１の投影露光装置で斜入射方式のＡＦセンサ
のキャリブレーションを行いながら露光を行う場合の動
作の一例を示すフローチャートである。

【図８】図１の投影露光装置で斜入射方式のＡＦセンサ
のキャリブレーションを行いながら露光を行う場合の動
作の他の例を示すフローチャートである。

【図９】レジスト像を基準とした合焦点と、実施例の焦
点位置検出系で求めた合焦点との相違の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１光源系３回転板８コンデンサーレンズ１０レチクル１２レチクルステージ１３投影光学系１４ウエハ１５Ｚステージ１６ＸＹステージ１８レーザ干渉計１９主制御系２３基準パターン板２４斜入射方式のＡＦセンサの送光系２８斜入射方式のＡＦセンサの集光光学系３２受光器３３演算手段３４メモリ３５光源３８光ガイド４２光電検出器１１Ａ，１１Ｂ開口パターン５８，５９基準開口パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】露光光で転写用のパターンが形成された
マスクを照明する照明光学系と；前記露光光のもとで前
記マスクのパターンの像を感光基板上に投影する投影光
学系と；前記感光基板を前記投影光学系の光軸に垂直な
平面内で移動させると共に、前記感光基板を前記光軸方
向に位置決めする基板ステージと；前記投影光学系の露
光フィールド内の前記感光基板の所定の計測点上に、前
記投影光学系の光軸に対して斜めに焦点検出用のパター
ン像を投影する送光系と、前記感光基板からの反射光を
受光して前記焦点検出用のパターン像を再結像し、該再
結像された像の横ずれ量に対応する焦点信号を生成する
受光系とからなる斜入射方式の焦点位置検出系と；を有
し、前記焦点信号に基づいて前記感光基板の表面を前記投影
光学系に対して合焦させる投影露光装置において、前記露光光と同じ波長域の照明光で所定の計測用パター
ン像を前記基板ステージ上、又は前記マスク上に投影す
る送光系と、前記所定の計測用パターン像からの光を前
記投影光学系、及び前記基板ステージ上に設けられた第
１の開口パターンを介して受光し、該受光された光量に
対応する第１の焦点検出信号を生成する受光系とを有す
る独立照明方式の焦点位置検出系と；前記照明光学系に
より照明された前記マスク上の所定のパターンからの露
光光を、前記投影光学系、及び前記基板ステージ上に設
けられた第２の開口パターンを介して受光し、該受光さ
れた光量に対応する第２の焦点検出信号を生成するステ
ージスリット方式の焦点位置検出系と；を備え、前記独立照明方式の焦点位置検出系により求められる前
記投影光学系に対する第１の合焦位置と、前記ステージ
スリット方式の焦点位置検出系により求められる前記投
影光学系に対する第２の合焦位置とに基づいて、前記斜
入射方式の焦点位置検出系の焦点信号により求められる
最終的な合焦位置の補正を行うことを特徴とする投影露
光装置。
【請求項２】前記独立照明方式の焦点位置検出系の受
光系と、前記ステージスリット方式の焦点位置検出系の
受光系とが共通であることを特徴とする請求項１記載の
投影露光装置。
【請求項３】前記独立照明方式の焦点位置検出系の送
光系は、前記基板ステージ上の前記第１の開口パターン
を前記投影光学系側に照明する送光系であり、前記独立
照明方式の焦点位置検出系の受光系は、前記投影光学系
を往復する照明光を受光することを特徴とする請求項１
又は２記載の投影露光装置。
【請求項４】前記投影光学系の露光フィールド内の少
なくとも１点において、前記独立照明方式の焦点位置検
出系により求めた前記第１の合焦位置と、前記少なくと
も１点において、前記ステージスリット方式の焦点位置
検出系により求めた前記第２の合焦位置との差分を記憶
する第１の差分記憶手段と、前記独立照明方式の焦点位置検出系により求められる前
記第１の合焦位置、及び前記第１の差分記憶手段に記憶
されている差分とを用いて前記斜入射方式の焦点位置検
出系の焦点信号により求められる最終的な合焦位置の補
正を行う演算手段と、を有することを特徴とする請求項
１、２、又は３記載の投影露光装置。
【請求項５】前記斜入射方式の焦点位置検出系は、前
記投影光学系の露光フィールド内の複数の計測点にそれ
ぞれ焦点検出用のパターン像を投影し、前記複数の計測
点での前記投影光学系に対する合焦位置を検出する多点
の焦点位置検出系であり、前記複数の計測点中の少なくとも１つの計測点におい
て、前記独立照明方式の焦点位置検出系により求めた前
記第１の合焦位置と、前記複数の計測点中の少なくとも
１つの計測点において、前記斜入射方式の焦点位置検出
系により求めた合焦位置との差分を記憶する第２の差分
記憶手段を設け、前記演算手段は、前記第１、及び第２の差分記憶手段に
それぞれ記憶されている差分を用いて前記斜入射方式の
焦点位置検出系により求められる前記複数の計測点での
最終的な合焦位置の補正を行うことを特徴とする請求項
４記載の投影露光装置。