JPH0845812A

JPH0845812A - 面位置設定装置

Info

Publication number: JPH0845812A
Application number: JP6175197A
Authority: JP
Inventors: Takashi Miyaji; 敬宮地
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-07-27
Filing date: 1994-07-27
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】サーボ系に高度なチューニングを要すること
なく、比較的低いゲインで高い追従性をもつ走査型露光
装置用の面位置設定装置を提供する。【構成】減算部６９でフォーカス位置の目標値ｚ
_r(ｔ）から焦点位置検出系で検出されたフォーカス位置
ｚ（ｔ）を差し引いて得た偏差Δｚ（ｔ）を、位置ルー
プコントローラ５６に供給し、位置ループコントローラ
５６で所定のゲインを乗じて得られる速度ｖ_z(ｔ）、ウ
エハの表面に傾斜角に応じた予測傾斜速度ｖ_z'（ｔ）、
及びウエハの表面の露光領域と先読み領域との段差に応
じた予測段差速度ｖ_z"（ｔ）を加算部５７に供給する。
加算部５７で積算して得られた速度Ｖ_z(ｔ）に基づいて
速度ループコントローラ６３を介してアクチュエータ６
８を駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】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ための投影露光装置において
感光基板の高さ又は傾斜角を所定の状態に設定するため
の面位置設定装置に関し、特に、スリット・スキャン方
式、又はステップ・アンド・スキャン方式等の走査型露
光装置のオートフォーカス機構、又はオートレベリング
機構に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造するためのリソグラ
フィ工程で使用される投影露光装置の内で、ステップ・
アンド・リピート方式（ステッパー等）のような一括露
光方式の投影露光装置では、合焦させようとするウエハ
が静止しているため、オートフォーカスあるいはオート
レベリングは、一定の目標値に対するサーボ制御により
行われることになる。

【０００３】図１２は、従来のオートフォーカス機構を
簡略化して示し、この図１２において、減算部６９の一
方の入力部にウエハの焦点位置（投影光学系の光軸方向
の位置）の目標値ｚ_r(ｔ）が供給され、他方の入力部に
不図示の焦点位置検出系（ＡＦセンサ）で計測された実
際の焦点位置ｚ（ｔ）が供給され、減算部６９から両者
の偏差Δｚ（ｔ）が出力される。そして、その差分Δｚ
（ｔ）に位置ループコントローラ５６で所定のゲインを
乗ずることにより、その偏差Δｚ（ｔ）を０にするため
のウエハの焦点位置方向への駆動速度ｖ_z(ｔ）が得ら
れ、この駆動速度ｖ_z(ｔ）が減算部６２の一方の入力部
に供給される。また、減算部６２の他方の入力部に、ウ
エハを駆動するためのアクチュエータ６８の実際の駆動
速度が供給され、減算部６２から出力される差分に速度
ループコントローラ６３で所定のゲインを乗じて得られ
る駆動信号がアクチュエータ６８に供給されている。即
ち、従来の一括露光方式の投影露光装置用のオートフォ
ーカス機構は、焦点位置検出系（ＡＦセンサ）を位置検
出器とする比較的単純な閉ループ位置制御系であり、こ
れにより必要な焦点位置の精度及び所定の整定時間が得
られていた。

【０００４】これに対して近年、半導体素子等の１個の
チップパターンが大型化する傾向にあるため、より大き
なレチクルのパターンをウエハ上に露光する露光装置が
求められている。そこで、投影光学系に大きな負担をか
けることなく大面積のパターンの露光を行う露光装置と
して、レチクルを照明した状態で、レチクルを投影光学
系の光軸を横切る第１の方向に走査するのと同期して、
ウエハを第１の方向に対応する第２の方向に走査するこ
とにより、レチクルのパターンをウエハの各ショット領
域に逐次露光するスリットスキャン方式、又はステップ
・アンド・スキャン方式等の走査型露光装置が注目され
ている。このような走査型露光装置の場合、図１３に示
すように、投影光学系の露光フィールド内の所定の露光
領域７０に対してウエハ６９を走査することにより露光
が行われるため、同一径の投影光学系を使用してより大
きなショット領域への露光が可能になる。

【０００５】このような走査型露光装置で例えばウエハ
のオートフォーカスを行う場合、合焦させようとするウ
エハが移動するため、例えば図１３においてウエハ６９
上の段差上の点６９ａ等を合焦させるためには、ウエハ
の傾きや凹凸、段差等を正確に追いかける追従系を構成
する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
一般的な制御では、例えばウエハの傾きによる焦点位置
の変化に閉ループ制御で追従しようとすると、必ず定常
偏差を生ずることが分かっている。この定常偏差を要求
される精度内に納めるためには、位置ループの制御ゲイ
ンを上げ、しかも位置ループ内に積分器をもつ高次型の
閉ループサーボ系（所謂II型）を構成する必要がある。
ところが、そのように制御ゲインを上げること、及び積
分器を入れることはどちらもループを不安定にする方向
に働くため、このサーボ系は綿密なチューニングを必要
とし、しかも安定性（ロバスト性）に欠けるものになり
がちであった。

【０００７】また、追従性を高めるために制御ゲインを
上げると、必然的に制御帯域も広くなり、サーボ系の応
答が振動的になって投影光学系による投影像の形成に悪
影響を及ぼすことがあった。本発明は斯かる点に鑑み、
サーボ系に高度なチューニングを要することなく、比較
的低いゲインで高い追従性をもつ走査型露光装置用の面
位置設定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の面位
置設定装置は、転写用のパターンが形成されたマスク
（７）を露光用の照明光で照明し、そのマスクのパター
ンを投影光学系（１１）を介して基板ステージ（１５
Ｘ）上の感光性の基板（１２）上の露光領域（１３）に
投影し、そのマスクを所定の方向（＋Ｘ方向）に走査す
るのと同期して、その基板ステージを介して基板（１
２）を所定の方向（−Ｘ方向）に走査することにより、
基板（１２）上にマスク（７）のパターンを逐次露光す
る走査型露光装置に設けられ、基板（１２）の表面の投
影光学系（１１）の光軸方向（Ｚ方向）の位置を所定の
位置に設定する装置において、基板ステージ（１５Ｘ）
上で、供給される駆動信号に応じた投影光学系（１１）
の光軸方向への駆動速度で基板（１２）の投影光学系
（１１）の光軸方向の位置を制御する高さ調整手段（１
６Ａ〜１６Ｃ）と、基板（１２）上の投影光学系（１
１）による露光領域（１３）内の計測点Ｐ₃₂で投影光学
系（１１）の光軸方向の位置を検出する焦点位置検出手
段（６４）と、を有する。

【０００９】更に本発明は、その露光領域（１３）内の
計測点Ｐ₃₂を含む所定の計測領域の基板ステージ（１５
Ｘ）の走り面に対する傾斜角を検出する傾斜角検出手段
（６５）と、基板（１２）のその投影光学系の光軸方向
の目標位置と焦点位置検出手段（６４）により検出され
る位置との差分に応じた目標速度ｖ_zを示す駆動信号
と、傾斜角検出手段（６５）により検出される傾斜角と
基板ステージ（１５Ｘ）の走査速度との積に応じた予測
傾斜速度ｖ_z’を示す駆動信号を加算して得られる駆動
信号を高さ調整手段（１６Ａ〜１６Ｃ）に供給する速度
信号供給手段（５２，５３，５６〜５８，６０）と、を
備えたものである。

【００１０】この場合、更に基板（１２）上の露光領域
（１３）に対して走査方向に先行する計測点Ｐ₅₂でその
投影光学系の光軸方向の位置を先読みする焦点位置先読
み手段（６６）を設け、その速度信号供給手段は、その
目標速度ｖ_zを示す駆動信号と、その予測傾斜速度
ｖ_z’を示す駆動信号との和信号に、更にその焦点位置
先読み手段により先読みされる位置とその焦点位置検出
手段により検出される位置との差分に応じた予測段差速
度ｖ_z”を示す駆動信号を加算して得られる駆動信号を
その高さ調整手段に供給することが望ましい。

【００１１】

【作用】先ず図９〜図１１に基づいて本発明の原理につ
いて説明する。図９において、感光性の基板（１２）上
の投影光学系による露光領域（１３）の上方には、投影
光学系の光軸方向（Ｚ方向）への変位を検出する焦点位
置検出手段（６４）と、傾斜角検出手段（６５）とが配
置される。また、露光領域（１３）に対して走査方向
（−Ｘ方向）に時間的に先行して検出できる位置（以
下、「先読み位置」という）（３５Ａ）に焦点位置先読
み手段（６６）を配置する。ここで、基板（１２）の走
査方向（−Ｘ方向）への移動速度（走査速度）をｖ、露
光領域（１３）内の検出位置と先読み位置との間隔をｄ
とする。また、焦点位置検出手段（６４）、及び焦点位
置先読み手段（６６）は、基板（１２）の走査方向への
走り面を基準として、その走り面からのずれ量を検出す
るようにキャリブレーションされているものとする。こ
のとき、基板（１２）上の１点が２つの手段（６４，６
６）の間隔ｄを横切るのに要する時間τは、次のように
なる。

【００１２】

【数１】τ＝ｄ／ｖまた、図１０に示すように、傾斜している基板（１２
Ａ）を想定して、この基板（１２Ａ）上で或る時刻ｔに
おける露光領域内の計測点でのＺ方向への変位をｚ
（ｔ）、傾斜角をθ（ｔ）とする。また、同じくその時
刻ｔにおける先読み位置でのＺ方向への変位をｚ_p(ｔ）
とする。そして、時刻ｔでの露光領域内の計測点（合焦
点）でのＺ方向への変位及び傾斜角から、時刻（ｔ＋
τ）での露光領域内の計測点でのＺ方向への変位ｚ（ｔ
＋τ）を予測することを考える。図１０に示すように、
基板（１２Ａ）の表面に凹凸や段差がなければ、変位ｚ
（ｔ＋τ）は次式で与えられる。

【００１３】

【数２】ｚ（ｔ＋τ）≒ｚ（ｔ）＋θ（ｔ）・ｄこれは、基板（１２Ａ）の走査中に常に合焦を行うため
には、基板（１２Ａ）をＺ方向に｛ｚ（ｔ）−ｚ（ｔ＋
τ）｝／τなる予測傾斜速度ｖ_z'（ｔ）で移動させれば
よいことを示す。従って、（数１）、（数２）より、次
式が成立する。

【００１４】

【数３】ｖ_z'（ｔ）≒−θ（ｔ）・ｄ／τ＝−θ（ｔ）・ｖ次に、図１１に示すように表面に段差δｚがある基板
（１２Ｂ）の合焦を行う場合について考えると、段差δ
ｚは次式で与えられる。

【００１５】

【数４】δｚ≒ｚ_p(ｔ）−ｚ（ｔ）−ｄ・θ（ｔ）基板（１２Ｂ）上のその段差部は、時刻（ｔ＋τ）には
投影光学系による露光領域にかかるので、それに先立っ
てなめらかに基板（１２Ｂ）の表面をＺ方向に移動させ
ることを考える。そのためには、傾斜角θ（ｔ）に対応
する速度ｖ_z'（ｔ）に加えて、時刻ｔにおいて次式で表
される予測段差速度ｖ_z"（ｔ）で基板（１２Ｂ）のＺ方
向への駆動を開始すればよい。

【００１６】

【数５】ｖ_z"（ｔ）≒−δｚ／τ これにより、基板（１２Ｂ）の段差部は図１１の点線で
示す軌跡（６７）に沿って露光領域に達するため、その
段差部でも正確に合焦が行われることが分かる。この場
合、（数４）及び（数５）より次式が成立する。

【００１７】

【数６】ｖ_z"（ｔ）≒−｛（ｚ_p(ｔ）−ｚ（ｔ）−ｄ・
θ（ｔ））／ｄ｝ｖこれらの速度ｖ_z'（ｔ）、及びｖ_z"（ｔ）を用いて、図
８のような制御系を構成する。図８において、目標位置
ｚ_r(ｔ）と実際に焦点位置検出手段（６４）により計測
される位置ｚ（ｔ）との偏差Δｚ（ｔ）から位置ループ
コントローラ（５６）により目標速度ｖ_z(ｔ）が求めら
れ、この目標速度ｖ_z(ｔ）に上述の速度ｖ_z'（ｔ）、及
びｖ_z"（ｔ）が加算されて駆動速度Ｖ_z(ｔ）が求められ
る。そして、この駆動速度Ｖ_z(ｔ）が得られるように高
さ調整手段（１６Ａ〜１６Ｃ）の一例としてのアクチュ
エータ（６８）が速度サーボ系（６２，６３）で駆動さ
れる。

【００１８】このように予測傾斜速度ｖ_z'（ｔ）を加え
た場合には、一定入力に対して追従を行う場合と近似的
に等価となり、通常のＩ型サーボ系、即ちＰＩ制御（比
例、積分制御）サーボ系でも定常誤差をほとんど０に追
い込むことが可能となり、追従誤差を減少させることが
できる。更に、先読みセンサとしての焦点位置先読み手
段（６６）による検出結果に基づいた予測段差速度ｖ_z"
（ｔ）を加えることによって、凹凸や段差のある基板に
対しても追従性を高めることができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明による面位置設定装置の一実施
例につき図面を参照して説明する。本実施例は、ステッ
プ・アンド・スキャン方式の投影露光装置におけるオー
トフォーカス機構及びオートレベリング機構に本発明を
適用したものである。図１は、本実施例の投影露光装置
を示し、この図１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からの露光用の照明光Ｉ
Ｌ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上のスリット状の照明領域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８の形状が設定さ
れる。

【００２０】レチクル７上の照明領域８内のパターンの
像が、投影光学系１１を介してフォトレジストが塗布さ
れたウエハ１２上のスリット状の露光領域１３内に投影
露光される。投影光学系１１の光軸に平行にＺ軸を取
り、その光軸に垂直な２次元平面内で図１の紙面に平行
な方向にＸ軸を、図１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、レ
チクルステージ９はレチクルベース１０上で走査方向で
あるＸ方向に例えばリニアモータにより駆動される。レ
チクルステージ９上の移動鏡１８、及び外部のレーザ干
渉計１９によりレチクル７のＸ座標が計測され、このＸ
座標が装置全体の動作を制御する主制御系２０に供給さ
れ、主制御系２０は、レチクルステージ駆動系２１及び
レチクルステージ９を介してレチクル７の位置及び移動
速度の制御を行う。

【００２１】一方、ウエハ１２は、不図示のウエハホル
ダを介してフォーカス・レベリングステージ１４上に保
持され、フォーカス・レベリングステージ１４は３個の
Ｚ方向に移動自在なアクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃを介
してＹステージ１５Ｙ上に載置され、Ｙステージ１５Ｙ
は、Ｘステージ１５Ｘ上に例えば送りねじ方式でＹ方向
に移動されるように載置され、Ｘステージ１５Ｘは、装
置ベース１７上に例えば送りねじ方式でＸ方向に移動さ
れるように載置されている。３個のアクチュエータ１６
Ａ〜１６Ｃを並行に伸縮させることにより、フォーカス
・レベリングステージ１４のＺ方向の位置（フォーカス
位置）の調整が行われ、３個のアクチュエータ１６Ａ〜
１６Ｃの伸縮量を個別に調整することにより、フォーカ
ス・レベリングステージ１４の傾斜角の調整が行われ
る。

【００２２】また、フォーカス・レベリングステージ１
４の上端に固定されたＸ軸用の移動鏡２２Ｘ、及び外部
のレーザ干渉計２３Ｘにより、ウエハ１２のＸ座標が常
時モニタされ、図６に示すように、Ｙ軸用の移動鏡２２
Ｙ、及び外部のレーザ干渉計２３Ｙにより、ウエハ１２
のＹ座標が常時モニタされ、検出されたＸ座標、Ｙ座標
が主制御系２０内の座標検出部５９に供給されている。

【００２３】ここで、アクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃの
構成例につき説明する。図７は、アクチュエータ１６Ａ
の断面図であり、この図７において、図１のＹステージ
１５Ｙ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３６Ａが固定され、斜面部３６Ａの上
端に回転体３６Ｂが接触している。回転体３６Ｂは、図
１のフォーカス・レベリングステージ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。

【００２４】また、斜面部３６Ａ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１のウエハステージ制御系２
４からの駆動速度を示す制御信号がロータリモータ４３
に供給され、ロータリモータ４３は指示された駆動速度
（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Ｘ方向に移動し、斜面
部３６Ａも送りねじ４１に沿って移動する。従って、斜
面部３６Ａの上端に接触する回転体３６Ｂ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の回転角速度をロ
ータリエンコーダ４５により計測することにより、回転
体３６Ｂの上下方向への移動速度が検出される。他のア
クチュエータ１６Ｂ，１６Ｃも同じ構成である。

【００２５】なお、アクチュエータ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。図１に戻り、
主制御系２０は、供給された座標に基づいてウエハステ
ージ駆動系２４を介してＸステージ１５Ｘ、Ｙステージ
１５Ｙ、及びフォーカス・レベリングステージ１４の動
作を制御する。例えば走査露光方式で露光を行う場合に
は、投影光学系１１が投影倍率βで倒立像を投影するも
のとして、レチクルステージ９を介してレチクル７を照
明領域８に対して＋Ｘ方向（又は−Ｘ方向）に速度Ｖ_R
で走査するのと同期して、Ｘステージ１５Ｘを介してウ
エハ１２が露光領域１３に対して−Ｘ方向（又は＋Ｘ方
向）に速度ｖ（＝β・Ｖ_R）で走査される。

【００２６】次に、ウエハ１２の表面のＺ方向の位置
（フォーカス位置）を検出するための多点の焦点位置検
出系（以下、「多点ＡＦセンサ」という）２５の構成に
つき説明する。この多点ＡＦセンサ２５において、光源
２６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、コンデンサーレンズ２７を介して送光スリッ
ト板２８内の多数のスリットを照明し、それらスリット
の像が対物レンズ２９を介して、投影光学系１１の光軸
に対して斜めにウエハ１２上の露光領域１３及びこの前
後の先読み領域３５Ａ，３５Ｂ（図２参照）の１５個の
計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₅₁に投影される。

【００２７】図２は、ウエハ１２上のそれら計測点Ｐ₁₁
〜Ｐ₅₁の配置を示し、この図２において、スリット状の
露光領域１３に対して＋Ｘ方向、及び−Ｘ方向側にそれ
ぞれ先読み領域３５Ａ及び３５Ｂが設定されている。そ
して、露光領域１３内に３行×３列の計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₄₃
が設定され、先読み領域３５Ｂ内に３個の計測点Ｐ₁₁〜
Ｐ₁₃が設定され、先読み領域３５Ａ内に３個の計測点Ｐ
₅₁〜Ｐ₅₃が設定されている。本実施例では、露光領域１
３内の９個の計測点でのフォーカス位置の情報から露光
領域１３内での平均的なフォーカス位置、及び傾斜角を
求める。更に、ウエハ１２の走査方向が−Ｘ方向の場合
には後述のように、先読み領域３５Ａ内の３個の計測点
でのフォーカス位置の情報を使用して段差の補正を行
い、ウエハ１２の走査方向が＋Ｘ方向の場合には、先読
み領域３５Ｂ内の３個の計測点でのフォーカス位置の情
報を使用して段差の補正を行う。

【００２８】図１に戻り、それらの計測点からの反射光
が、集光レンズ３０を介して振動スリット板３１上に集
光され、振動スリット板３１上にそれら計測点に投影さ
れたスリット像が再結像される。振動スリット板３１
は、主制御系２０からの駆動信号ＤＳにより駆動される
加振器３２により所定方向に振動している。振動スリッ
ト板３１の多数のスリットを通過した光が光電検出器３
３上の多数の光電変換素子によりそれぞれ光電変換さ
れ、これら光電変換信号が信号処理系３４に供給され
る。

【００２９】図３は、図１中の送光スリット板２８を示
し、この図３において、送光スリット板２８には図２の
ウエハ上の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₅₃に対応する位置にそれぞれ
スリット２８₁₁〜２８₅₃が形成されている。また、図１
中の振動スリット板３１上にも、図４に示すように図２
のウエハ上の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₅₃に対応する位置にそれぞ
れスリット３１₁₁〜３１₅₃が形成され、振動スリット板
３１は加振器３２により各スリットの長手方向に直交す
る計測方向に振動している。

【００３０】次に、図５は、図１中の光電検出器３３、
及び信号処理系３４を示し、この図５において、光電検
出器３３上の１行目の光電変換素子３３₁₁〜３３₁₃に
は、それぞれ図２の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₁₃から反射されて、
且つ振動スリット板３１中の対応するスリットを通過し
た光が入射し、２行目〜４行目の光電変換素子３３₂₁〜
３３₄₃には、それぞれ図２の計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₄₃から反射
されて、且つ振動スリット板３１中の対応するスリット
を通過した光が入射し、５行目の光電変換素子３３₅₁〜
３３₅₃には、それぞれ図２の計測点Ｐ₅₁〜Ｐ₅₃から反射
されて、且つ振動スリット板３１中の対応するスリット
を通過した光が入射する。そして、光電変換素子３３₁₁
〜３３₅₃からの検出信号は、増幅器４６₁₁〜４６₅₃を介
して同期整流器４７₁₁〜４７₅₃に供給される。同期整流
器４７₁₁〜４７₅₃はそれぞれ加振器３２用の駆動信号Ｄ
Ｓを用いて入力された検出信号を同期整流することによ
り、対応する計測点のフォーカス位置に所定範囲でほぼ
比例するフォーカス信号を生成する。本実施例では、同
期整流器４７₁₁〜４７₅₃から出力されるフォーカス信号
は、それぞれ図１において対応する計測点が投影光学系
１１の結像面（ベストフォーカス面）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。

【００３１】同期整流器４７₁₁〜４７₅₃から出力される
フォーカス信号は、並列にマルチプレクサ４８に供給さ
れ、マルチプレクサ４８は、主制御系２０内のマイクロ
プロセッサ（ＭＰＵ）５０からの切り換え信号に同期し
て、供給されるフォーカス信号から順番に選ばれたフォ
ーカス信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４９
に供給し、Ａ／Ｄ変換器４９から出力されるデジタルの
フォーカス信号が順次主制御系２０内のメモリ５１内に
格納される。

【００３２】図６は、図１の３個のアクチュエータ１６
Ａ〜１６Ｃの駆動系を示し、この図６の主制御系２０に
おいて、メモリ５１内の各アドレス５１₁₁〜５１₅₃内に
それぞれ図２の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₅₃でのフォーカス位置を
示すデジタルのフォーカス信号が格納されている。な
お、これらのフォーカス信号は、所定のサンプリング周
期で逐次書き換えられているものである。それらアドレ
ス５１₁₁〜５１₅₃から読み出されるフォーカス信号は並
列に最小自乗近似演算部５２及び補正量演算部５３に供
給される。最小自乗近似演算部５２では、図２の露光領
域１３内の９個の計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₄₃に対応する９個のフ
ォーカス信号に基づいて、最小自乗法的にその露光領域
１３に合致する平面を決定し、この決定された平面の中
心でのＺ座標ｚ、ＸＺ平面内での傾斜角θ_x、及びＹＺ
平面内での傾斜角θ_yを求める。

【００３３】また、最小自乗近似演算部５２には、不図
示の目標値設定部から投影光学系１１の結像面の中心で
のＺ座標ｚ_r、ＸＺ平面内での傾斜角θ_xr、及びＹＺ平
面内での傾斜角Δθ_yr、即ちウエハの表面位置の目標値
も供給されている。但し、本実施例では、目標値ｚ_r、
θ_xr、及びθ_yrはそれぞれ０である。従って、最小自乗
近似演算部５２は、目標値から実際の計測値を差し引い
て得たＺ座標偏差Δｚ（＝−ｚ）、傾斜角偏差Δθ
_x（＝−θ_x）、及び傾斜角偏差Δθ_y（＝−θ_y）を
それぞれ、利得器５６，５４及び５５に供給する。これ
らのＺ座標偏差Δｚ、傾斜角偏差Δθ_x、及び傾斜角偏
差Δθ_yは次の演算により求められる。

【００３４】

【数７】

【００３５】ここで、図２の計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₄₃の例えば
投影光学系１１の光軸を原点としたＸ方向及びＹ方向の
座標をそれぞれ（ｘ_i，ｙ_i）（ｉ＝１〜ｎ；ｎ＝９）
として、座標（ｘ_i，ｙ_i）の計測点で計測されたフォ
ーカス位置（Ｚ座標）をｚ_iとしている。これらのＺ座
標偏差Δｚ、傾斜角偏差Δθ_x、及び傾斜角偏差Δθ_y
はそれぞれ位置ループコントローラ５６，５４及び５５
に供給され、位置ループコントローラ５６，５４及び５
５でそれぞれ適当なゲインｋ_z，ｋθ_x及びｋθ_yが乗
じられる。そして、位置ループコントローラ５４，５５
及び５６からは、それぞれＸＺ平面内での角速度ΔＶθ
_x、ＹＺ平面内での角速度ΔＶθ_y、及びＺ方向への速
度ｖ_zに対応する制御信号が出力され、角速度ΔＶθ_x
及びΔＶθ_yに対応する制御信号は座標変換演算部５８
に供給され、速度ｖ_zに対応する制御信号は加算部５７
に供給される。

【００３６】また、図２において、現在のウエハの走査
方向を−Ｘ方向とすると、先読み領域としては右側の先
読み領域３５Ａが使用され、露光領域１３の中央の計測
点Ｐ ₃₂と先読み領域３５Ａの中央の計測点Ｐ₅₂とのＸ方
向の間隔（これをｄとする）は、予め図６の補正量演算
部５３に記憶されている。その補正量演算部５３には、
座標検出部５９よりウエハ１２の−Ｘ方向への走査速度
ｖも供給されており、補正量演算部５３では、先ず露光
領域１３内の９個の計測点でのフォーカス信号に基づい
て、露光領域１３に例えば最小自乗法的に近似できる平
面の中央のＺ座標ｚ（ｔ）（以下、時間ｔは省略す
る）、及びその平面のＸＺ平面内での傾斜角θを求め
る。この場合の傾斜角θは、図１のウエハ側のＸステー
ジ１５Ｘの走査方向への走り面を基準とした偏差として
求められる。その後、補正量演算部５３は、（数３）よ
り予測傾斜速度ｖ_z'を求める。

【００３７】次に、補正量演算部５３は、先読み領域３
５Ａの中央の計測点でのフォーカス信号に基づいてその
計測点でのＺ座標ｚ_p を求め、（数６）より予測段差速
度ｖ _z"を求める。そして、予測傾斜速度ｖ_z'及び予測段
差速度ｖ_z"に対応する制御信号が加算部５７に供給さ
れ、加算部５７から座標変換演算部５８に対して、速度
ｖ_z，ｖ_z'及びｖ_z"を積算して得られる速度ΔＶ_zに対
応する制御信号が出力される。上述の傾斜角偏差Δ
θ_x、傾斜角偏差Δθ_y、Ｚ座標偏差Δｚ、及び速度ｖ
_z'，ｖ_z"と、角速度ΔＶθ_x、角速度ΔＶθ_y、及び速
度ΔＶ_zとの関係は次のようになる。

【００３８】

【数８】

【００３９】図６の座標変換演算部５８には、座標検出
部５９から時刻ｔにおける３個のアクチュエータ１６
Ａ，１６Ｂ、及び１６Ｃのそれぞれの（Ｘ，Ｙ）座標で
ある（Ｘ₁,Ｙ₁)、（Ｘ₂,Ｙ₂)、及び（Ｘ₃,Ｙ₃)が供給さ
れている。これらの（Ｘ，Ｙ）座標は、Ｘステージ１５
ＸがＸ方向に移動するにつれて変化する値である。そし
て、座標変換演算部５８は、角速度ΔＶθ_x、角速度Δ
Ｖθ_y、及び速度ΔＶ_zを得るためのアクチュエータ１
６Ａ，１６Ｂ及び１６ＣのそれぞれのＺ方向への駆動速
度Δｖ₁,Δｖ₂及びΔｖ₃を次式により求める。

【００４０】

【数９】

【００４１】座標変換演算部５８は、それら駆動速度Δ
ｖ₁,Δｖ₂及びΔｖ₃に対応する制御信号を比例制御方
式の速度ループコントローラ６０に供給する。速度ルー
プコントローラ６０は、パワーアンプ６１Ａ〜６１Ｃを
介してアクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃを駆動する。ま
た、アクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃの内部には移動速度
を検出する速度センサ４５Ａ〜４５Ｃ（図７のロータリ
エンコーダ４５と同じ）が備えられ、これらの速度セン
サ４３Ａ〜４３Ｃからの速度の検出信号が速度ループコ
ントローラ６０にフィードバックされている。これによ
り、アクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃは、それぞれ先端部
が駆動速度Δｖ₁ 〜Δｖ₃でＺ方向に駆動される。そし
て、そのアクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃにより駆動され
た後のウエハ１２の表面の位置及び傾斜角が図１の多点
ＡＦセンサ２５により計測され、この計測結果が図６の
制御系にフィードバックされる。

【００４２】図８は、図６の制御系中のＺ座標の制御部
を簡略化して示し、この図８において、減算部６９にＺ
座標の目標値ｚ_r(ｔ）、及び多点ＡＦセンサにより計測
されたＺ座標ｚ（ｔ）が供給され、減算部６９から位置
ループコントローラ５６に対して偏差Δｚ（ｔ）が供給
される。また、位置ループコントローラ５６で入力値に
所定のゲインを乗じて得られる速度ｖ_z(ｔ）が加算部５
７に供給され、加算部５７には予測傾斜速度ｖ_z'
（ｔ）、及び予測段差速度ｖ_z"（ｔ）も供給され、加算
部５７でそれら３個の速度を積算して得られる速度Ｖ
_z(ｔ）が減算部６２に供給され、減算部６２にはアクチ
ュエータ６８（図６のアクチュエータ１６Ａ〜１６Ｃを
まとめたもの）内の速度センサで検出された速度も供給
されている。即ち、予測傾斜速度ｖ_z'（ｔ）、及び予測
段差速度ｖ_z"（ｔ）はフィードフォワードされている。

【００４３】そして、減算部６２から比例制御方式の速
度ループコントローラ６３に対して、速度Ｖ_z(ｔ）から
速度センサによる計測値を差し引いた速度偏差が供給さ
れ、速度ループコントローラ６３からアクチュエータ６
８に対して、アクチュエータ６８を駆動速度Ｖ_z(ｔ）で
駆動するための制御信号が供給される。また、アクチュ
エータ６８の駆動により変化したウエハのＺ座標ｚ
（ｔ）は多点ＡＦセンサにより計測され、この計測結果
が減算部６９にフィードバックされる。

【００４４】上述のように本実施例によれば、ウエハ１
２上の露光領域１３のＸステージ１５ＸのＸ方向への走
り面に対する傾斜角θが検出され、この傾斜角に基づい
て予測傾斜速度ｖ_z'が求められ、この予測傾斜速度ｖ_z'
に対応する制御信号がフィードフォワードされている。
従って、走査露光方式で露光を行う際に、ウエハ１２の
表面がステージの走り面に対して傾斜している場合で
も、ウエハ１２の露光領域１３が常に投影光学系１１の
結像面に合致した状態で露光が行われ、レチクル７の全
パターンが高い解像度でウエハ１２上に露光される。

【００４５】更に、露光領域１３でのフォーカス位置、
及び先読み領域３５Ａ，３５Ｂでのフォーカス位置に基
づいて予測段差速度ｖ_z"が求められ、この予測段差速度
ｖ_z"に対応する制御信号がフィードフォワードされてい
る。従って、走査露光方式で露光を行う際に、ウエハ１
２の表面に段差がある場合でも、ウエハ１２の露光領域
１３が投影光学系１１の結像面から大きく外れることな
く露光が行われる。

【００４６】なお、図２においては、傾斜検出用の計測
点Ｐ₂₁〜Ｐ₄₃が露光領域１３内に分布しているが、それ
ら計測点Ｐ₂₁〜Ｐ₄₃は露光領域１３からはみ出していて
もよい。また、全体の計測点Ｐ₁₁〜Ｐ₅₃の個数、及び配
列は図２に限定されず、例えば計測点をＸ方向に段違い
に配置してもよい。更に、上述実施例では、ウエハ１２
上の露光領域１３の傾斜角を検出するために多点ＡＦセ
ンサ２５が使用されているが、その代わりに例えばウエ
ハ１２の表面に平行光束を斜めに照射し、その反射光の
集光位置の横ずれ量からその表面の傾斜角を検出する平
行光束斜入射方式のレベリングセンサを使用してもよ
い。

【００４７】なお、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こ
とは勿論である。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、傾斜角検出手段により
合焦対象物としての感光性の基板の傾斜角が検出され、
この傾斜角に基づいて求められた予測傾斜速度が考慮さ
れている。従って、走査露光方式で露光を行う際に、そ
の基板が傾斜している場合においても、速度信号供給手
段では、比例制御のみの単純な閉ループ制御で高さ調整
手段を駆動することにより、比較的小さなゲインで定常
偏差を生ずることなく、その基板のオートフォーカスを
常に高精度に行うことができる利点がある。従って、高
次のサーボ系を構成する必要がなくなるので、サーボ系
のチューニングが簡単となり、安定性（ロバスト性）の
向上が期待できる。

【００４９】更に、焦点位置先読み手段を設け、その基
板上の露光領域と先読み領域との段差に基づいた予測段
差速度を考慮した場合には、その基板の表面に凹凸や段
差があっても、投影光学系の結像面に対するなめらかな
追従が可能となり、オートフォーカスの追従性の向上が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による面位置設定装置の一実施例が適用
された走査露光型の投影露光装置を示す構成図である。

【図２】図１のウエハ１２上のフォーカス位置の計測点
の分布を示す平面図である。

【図３】図１中の送光スリット板２８を示す図である。

【図４】図１中の振動スリット板３１を示す図である。

【図５】図１中の光電検出器３３、及び信号処理系３４
を示す図である。

【図６】図１中のウエハ１２のフォーカス・レベリング
機構、及びその制御系を示す一部斜視図を含む構成図で
ある。

【図７】図６中のアクチュエータ１６Ａの構成例を示す
一部を断面とした構成図である。

【図８】図６のフォーカス・レベリング機構の制御系を
簡略化して示すブロック図である。

【図９】本発明の原理説明に供する図である。

【図１０】感光性の基板の表面が傾斜している場合を示
す図である。

【図１１】感光性の基板の表面に段差がある場合を示す
図である。

【図１２】従来のオートフォーカス機構の制御系を示す
ブロック図である。

【図１３】走査型露光装置でウエハの表面に段差がある
場合を示す図である。

【符号の説明】

７レチクル９レチクルステージ１１投影光学系１２ウエハ１３露光領域１４フォーカス・レベリングステージ１５ＹＹステージ１５ＸＸステージ１６Ａ〜１６Ｃアクチュエータ１９，２３Ｘ，２３Ｙレーザ干渉計２０主制御系２５多点ＡＦセンサＰ₁₁〜Ｐ₅₃ 計測点３３光電検出器３４信号処理系３５Ａ，３５Ｂ先読み領域５２最小自乗近似演算部５３補正量演算部５４，５５，５６，５７位置ループコントローラ５８座標変換演算部５９座標検出部６０速度ループコントローラ６３速度ループコントローラ６８アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のパターンが形成されたマスクを
露光用の照明光で照明し、前記マスクのパターンを投影
光学系を介して基板ステージ上の感光性の基板上の露光
領域内に投影し、前記マスクを所定の方向に走査するの
と同期して、前記基板ステージを介して前記基板を所定
の方向に走査することにより、前記基板上に前記マスク
のパターンを逐次露光する走査型露光装置に設けられ、
前記基板の表面の前記投影光学系の光軸方向の位置を所
定の位置に設定する装置において、前記基板ステージ上で、供給される駆動信号に応じた前
記投影光学系の光軸方向への駆動速度で前記基板の前記
投影光学系の光軸方向の位置を制御する高さ調整手段
と；前記基板上の前記投影光学系による露光領域内の計
測点で前記投影光学系の光軸方向の位置を検出する焦点
位置検出手段と；前記露光領域内の計測点を含む所定の
計測領域の前記基板ステージの走り面に対する傾斜角を
検出する傾斜角検出手段と；前記基板の前記投影光学系
の光軸方向の目標位置と前記焦点位置検出手段により検
出される位置との差分に応じた目標速度を示す駆動信号
と、前記傾斜角検出信号により検出される傾斜角と前記
基板ステージの走査速度との積に応じた予測傾斜速度を
示す駆動信号を加算して得られる駆動信号を前記高さ調
整手段に供給する速度信号供給手段と；を備えたことを
特徴とする面位置設定装置。
【請求項２】前記基板上の露光領域に対して走査方向
に先行する計測点で前記投影光学系の光軸方向の位置を
先読みする焦点位置先読み手段を設け、前記速度信号供給手段は、前記目標速度を示す駆動信号
と、前記予測傾斜速度を示す駆動信号との和信号に、更
に前記焦点位置先読み手段により先読みされる位置と前
記焦点位置検出手段により検出される位置との差分に応
じた予測段差速度を示す駆動信号を加算して得られる駆
動信号を前記高さ調整手段に供給することを特徴とする
請求項１記載の面位置設定装置。