JP3180229B2 - 自動焦点合わせ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動焦点合わせ装置に関
し、特に半導体デバイス製造用の縮小投影露光装置（ス
テッパー）において、ウエハーステージ上に載置された
半導体ウエハーの各被露光領域を、縮小投影レンズ系
（投影光学系）の焦平面に合焦せしめる為に使用される
自動焦点合わせ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、超ＬＳＩの高集積化に応じて回路
パターンの微細化が進んでおり、これに伴なってステッ
パーの縮小投影レンズ系は、より高ＮＡ化されて、これ
に伴ない回路パターンの転写工程におけるレンズ系の許
容焦点深度がより狭くなっている。又、縮小投影レンズ
系により露光するべき被露光領域の大きさも大型化され
る傾向にある。

【０００３】このようなことにより大型化された被露光
領域全体に亘って良好な回路パターンの転写を可能にす
る為には、縮小投影レンズ系の許容焦点深度内に確実
に、ウエハーの被露光領域（ショット）全体を位置付け
る必要がある。

【０００４】これを達成する為には、ウエハー表面の縮
小投影レンズ系の焦平面、即ちレチクルの回路パターン
像がフォーカスする平面に対する位置と傾きを高精度に
検出し、ウエハー表面の位置や傾きを調整してやること
が重要となってくる。

【０００５】ステッパーにおけるウエハー表面の面位置
の検出方法としては、エアマイクロセンサを用いてウエ
ハー表面の複数箇所の面位置を検出し、その結果に基づ
いてウエハー表面の位置を求める方法、或はウエハー表
面に光束を斜め方向から入射させ、ウエハー表面からの
反射光の反射点の位置ずれをセンサ上への反射光の位置
ずれとして検出する光投射式の検出光学系を用いて、ウ
エハー表面の面位置を検出する方法等が知られている。

【０００６】従来のステッパーは、ウエハーステージの
変位量をレーザ干渉計により測定しながら、ウエハース
テージをサーボ駆動により目標位置まで移動させること
により、ウエハー上の被露光領域を投影レンズ系の真下
に送り込み、ウエハーステージ停止後、前述のような方
法で被露光領域の表面の面位置を検出し、被露光領域表
面の位置を調整している。即ち、ウエハーステージの駆
動−停止−面位置の検出−面位置の調整といった動作を
順次行なっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの様な
従来の面位置の検出方法では、検出精度を上げることが
困難であり、特に縮小投影レンズの高ＮＡ化、広画角化
が進み、さらには多様なプロセス技術が発達したことに
よりステッパに求められる検出精度を満足させることが
難しい。例えば、ウエハの材質としてガラス基板のよう
な透明な材料を使用した場合には、前述した光投射式の
検出光学系では検出光がガラス基板内に入射し、ガラス
基板の裏面（ウエハ裏面）からの反射光が、本来必要な
検出光であるウエハ表面からの反射光に混入するため正
確な面位置の計測ができないという問題点があった。

【０００８】次に従来から用いられているエアマイクロ
センサを用いる方法、検出光学系を用いる方法の抱えて
いる問題点を述べる。

【０００９】エアマイクロセンサを用いた多点計測は、
図２に示すようにウエハの被露光領域１００の外部しか
測定点２１〜２４を設けることができず、この結果、被
露光領域１００の中央部（内部）の面位置情報が得られ
ない。

【００１０】その為、被露光領域１００の内部で図３に
示すような面形状を持つウエハＷに対しては、ウエハＷ
を縮小投影レンズのレチクルパターンの最良結像面に対
して、図３の２点鎖線で示すように被露光領域１００の
外部の測定点位置しか合わせることができない。この
為、被露光領域１００の中央部が縮小投影レンズの許容
焦点深度からはずれてしまい、レチクルパターンの良好
な転写が行なえない場合が生じるという問題点があっ
た。

【００１１】これに対して光投射式の検出光学系を用い
る方法は、ウエハ上の被露光領域に自由に測定点を設け
ることが可能であり、例えば図４に示すように被露光領
域１００の中央部に測定点４１を設け、この中央部のウ
エハ表面の位置情報を得ることができる。

【００１２】その為、被露光領域１００内で図５に示す
ような表面形状を持つウエハＷに対しても、ウエハＷを
縮小投影レンズのレチクルパターンの最良結像面に対
し、図５に１点鎖線で示すような被露光領域１００内の
測定点の平均した位置に合わせることができる。この
為、被露光領域１００の全面を縮小投影レンズの許容焦
点深度内に容易におさめることができ、レチクルパター
ンの良好な転写が可能になる。

【００１３】しかしながら光投射式の検出光学系を用い
る方法には、次のような問題点がある。図６は検出光学
系を用いる方法の光学系の要部説明図である。

【００１４】この方法では、ウエハＷに斜め方向に入射
したマスク６の開口Ｍを通過からの光束Ｌのスポット光
の強度はＳＩに示される明暗の光となる。ウエハの材質
としてガラス基板のような透明な材料Ｇを使用した場
合、ウエハ表面からの反射光はＬＦ、ガラス基板Ｇの内
部に侵入した裏面からの反射光はＬＢで示される光束と
なる。光束ＬＦと光束ＬＢはガラスの厚さで決定される
光路長だけ結像位置がずれる。例えばガラス基板の厚さ
が８００μｍで入射角度が８０°であれば結像位置のず
れは約２００μｍとなる。

【００１５】この量は検出光学系の大きさに比べて小さ
い為、ガラス基板Ｇの裏面からの反射光ＬＢが、ウエハ
表面からの反射光ＬＦに混入する。この為、受光面Ｄに
ある位置検出素子で受光した光を光電変換した場合、出
力信号波形はＳＯのような歪が生ずる。出力信号波形Ｓ
Ｏの歪みには光束ＬＦと光束ＬＢの結像位置のずれに寄
因するものと、ウエハＷの表面パターンの反射率の違い
による光束ＬＦの強度の歪みも含まれている。しかも出
力信号波形ＳＯからは、表面反射光の信号と裏面反射光
の信号の分離ができない。

【００１６】従って、正確な面位置を計測することがで
きない。例えば面位置として数十ミクロンの誤計測が発
生することがある。もちろん、ウエハ上に塗布してある
レジストの表面で反射される光とウエハ基板面で反射さ
れる光との間で生じる干渉の影響も問題点となってく
る。

【００１７】図４に示す被露光領域１００内の各測定点
４１〜４５では、それぞれ作られたＩＣパターンに対し
てウエハ基板の構造が異なっている。具体的には、例え
ばガラス基板上に遮光性の高い物質がコートされている
部分があったり無かったりでガラス基板の裏面からの光
の反射強度が各測定点ごとに種々変化する。そして、ガ
ラス基板の裏面の反射光の強度の違いにより信号歪みの
度合いも変化するので、各測定点は各々異なった検出誤
差を生じる。ガラス基板表面の位置はこのようなガラス
基板の裏面信号の混入の影響が含まれてくる。

【００１８】この裏面信号の混入の影響による検出誤差
が縮小投影レンズの許容焦点深度に対して大きくなる
と、ガラス基板表面の位置をレチクルパターンの最良結
像面位置に位置付けることができず、レチクルパターン
の良好な転写が行なえない。

【００１９】上記の現象はレジストを塗布したウエハ基
板でもレジスト表面の信号、ウエハ表面の信号の干渉に
よっても同様に発生し問題点となっている。

【００２０】本発明は適切に設定した光束を平板状物体
に照射するようにした投光手段や平板状物体からの反射
光束を受光する受光手段、そして受光手段からの出力信
号を演算処理する演算手段等の構成を適切に設定するこ
とにより、ウエハ、特にガラス基板のような透明基板の
表面位置を高精度に検出し、所定位置に設定することが
できる自動焦点合わせ装置の提供を目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明の自動焦点合わせ
装置は （イ）投影光学系の光軸と略直交する方向に沿って２次
元方向に移動可能なステージに載置した平板状物体の所
定面を該投影光学系の像平面に設定し、該所定面の被露
光領域内の複数の測定領域のうち各々の測定領域に対し
て投光手段から所定方向に配列された複数のスポット光
を照射し、該測定領域からの複数のスポット光に基づく
反射光を光電変換手段で検出し、該光電変換手段で得ら
れた複数の信号を記憶手段に記憶し、該記憶手段に記憶
した複数の信号のうち該被露光領域のサイズまたは該平
板状物体の構造に基づいて特定の信号を選択し、該特定
の信号を用いて演算手段により該測定領域の面位置情報
を検出し、該複数の測定領域の各面位置情報に基づいて
該所定面を該投影光学系の焦平面に設定したことを特徴
としている。 （ロ）平板状物体を載置したまま投影光学系の光軸と略
直交する方向に沿って２次元方向に移動可能なステージ
により該平板状物体の所定面を前記投影光学系の像平面
に送り込み、前記所定面の前記投影光学系の光軸方向に
関する面位置情報を検出し、該所定面を該投影光学系の
焦平面に合焦させる自動焦点合わせ装置において、投光
手段から該所定面の被露光領域内の複数の測定領域のう
ち各々の測定箇所に対して所定方向に配列された複数の
スポット光を照射し、該スポット光の前記平板状物体か
らの反射光を光電変換手段で受光し、該光電変換手段か
らの信号を記憶手段で記憶し、該記憶手段に記憶した信
号中該被露光領域のサイズまたは該平板状物体の構造に
基づいて特定の信号を選択し、該特定の信号を用いて演
算手段で演算することにより、該所定面の面位置情報を
検出していることを特徴としている。

【００２２】特に前記演算手段は前記記憶手段に記憶さ
れた信号のうち前記投影光学系の有効領域の部位に限定
し演算していることや、前記演算手段は前記平板状物体
の厚さに基づいて前記記憶手段に記憶した複数の信号の
うちから特定の部位の信号を選択して演算していること
や、前記投光手段からの複数のスポット光の間隔を可変
としたこと等を特徴としている。

【００２３】

【実施例】

図１は本発明の自動焦点合わせ装置を備えた縮小投影露
光装置（ステッパー）の一部分の要部概略図である。

【００２４】図１において、１は縮小投影レンズ系（投
影レンズ）であり、その光軸は図中ＡＸで示している。
縮小投影レンズ系１はレチクル（不図示）の回路パター
ンを、例えば１／５倍に縮小して投影し、その焦平面に
回路パターン像を形成している。又光軸ＡＸは図中のｚ
軸方向と平行な関係にある。２は表面にレジストを塗布
したウエハーであり、先の露光工程で互いに同じパター
ンが形成された多数個の被露光領域（ショット）が配列
してある。

【００２５】３はウエハーを載置するウエハーステージ
である。ウエハー２はウエハーステージ３に吸着され固
定している。ウエハーステージ３はｘ軸方向に動くＸス
テージと、ｙ軸方向に動くＹステージと、ｚ軸方向及び
ｘ、ｙ、ｚ軸方向に平行な軸のまわりに回転するθ−Ｚ
ステージで構成している。又ｘ、ｙ、ｚ軸は互いに直交
するように設定してある。従って、ウエハーステージ３
を駆動することにより、ウエハー２の表面の位置を縮小
投影レンズ系１の光軸ＡＸ方向、及び光軸ＡＸに直交す
る平面に沿った方向に調整し、更に焦平面、即ち回路パ
ターン像に対する傾きも調整している。

【００２６】図１における符番４〜１１はウエハー２の
表面位置及び傾きを検出する為に設けた検出手段の各要
素を示している。４は照明用光学としての発光ダイオー
ドであり、例えば半導体レーザなどの高輝度な光源であ
る。５は照明用レンズである。

【００２７】光源４から射出した光は照明用レンズ５に
よって平行な光束となり、複数個（５個）のピンホール
を形成した開口マスク（以下「マスク」といもいう。）
６を照明する。マスク６の各ピンホールを通過した複数
個の光束は、結像レンズ７を経て折曲げミラー８に入射
し、折曲げミラー８で方向を変えた後、ウエハー２の表
面に入射している。

【００２８】図７はウエハ２への入射光束（Ｌ）とウエ
ハ２の表面と裏面からの反射光束（ＬＦ、ＬＢ）が受光
面Ｄに入射する様子を示している。

【００２９】マスク６の５個のピンホールＭＭの開口形
状は図７に示すようにスポット状をして１次元方向（直
線方向）に配列している。即ち、図８に示すようにウエ
ハの露光領域１００の５ヵ所（７１〜７５）にマスク６
の５つのピンホールが形成されている。このようなマス
ク６を用いることにより、本発明では後述するガラス基
板の表面位置を誤差無く高精度に検出している。

【００３０】ここで結像レンズ７と折曲げミラー８はウ
エハー２上にマスク６の複数個のピンホールＭＭの像を
形成している。複数個のピンホールを通過した光束は、
図８に示すようにウエハー２の被露光領域１００の中央
部を含む５箇所（７１〜７５）を照射し、各々の箇所で
反射される。即ち、本実施例ではマスク６にピンホール
を５個形成し、被露光領域１００内で、後述するように
その中央部を含む５箇所の測定点（７１〜７５）の位置
を測定している。

【００３１】ウエハー２の各測定点（７１〜７５）で反
射した光束は折曲げミラー９により方向を変えた後、検
出レンズ１０を介して受光素子を２次元的に配置した位
置検出素子１１上に入射する。ここで検出レンズ１０は
結像レンズ７、折曲げミラー８、ウエハー２、折曲げミ
ラー９と協働してマスク６のピンホールの像を位置検出
素子１１上に形成している。即ちマスク６とウエハー２
と位置検出素子１１は互いに光学的に共役な関係にあ
る。図１では模式的に示してあるが、光学配置上困難な
場合には位置検出素子１１を各ピンホールに対応して各
々、別個に複数個配置しても良い。

【００３２】位置検出素子１１は２次元的なＣＣＤ又は
ラインセンサーなどから成り、複数個のピンホールを介
した複数の光束の位置検出素子１１の受光面への入射位
置を各々独立に検知することが可能となっている。ウエ
ハー２の縮小投影レンズ系１の光軸ＡＸ方向の位置の変
化は、位置検出素子１１上の複数の光束の入射位置のズ
レとして検出できる為、ウエハー２上の被露光領域１０
０内の５つの測定点７１〜７５における、ウエハー表面
の光軸ＡＸ方向の位置が、位置検出素子１１からの出力
信号に基づいて検出できる。又、この位置検出素子１１
からの出力信号は面位置検出装置１４を介して制御装置
１３へ入力している。

【００３３】ウエハーステージ３のｘ軸及びｙ軸方向の
変位はウエハーステージ３上に設けた基準ミラー１５と
レーザ干渉計１７とを用いて周知の方法により測定しウ
エハーステージ３の変位量を示す信号をレーザ干渉計１
７から信号線を介して制御装置１３へ入力している。又
ウエハーステージ３の移動はステージ駆動装置１２によ
り制御され、ステージ駆動装置１２は、信号線を介して
制御装置１３からの指令信号を受け、この信号に応答し
てウエハーステージ３をサーボ駆動している。

【００３４】ステージ駆動装置１２は第１駆動手段と第
２駆動手段を有し、第１駆動手段によりウエハー２の光
軸ＡＸと直交する面内における位置（ｘ、ｙ）と回転
（θ）とを調整し、第２駆動手段によりウエハー２の光
軸ＡＸ方向の位置（ｚ）と傾き（φ_{x , y} ）とを調整し
ている。

【００３５】面位置検出装置１４は位置検出素子１１か
らの出力信号（面位置データ）を後述する方法で処理
し、ウエハー２の表面の位置を検出する。そして、この
検出結果を制御装置１３に転送し、所定の指令信号をス
テージ駆動装置１２に入力する。この指令信号に応答し
て、ステージ駆動装置１２の第２駆動手段が作動し、第
２駆動手段がウエハー２の光軸ＡＸ方向の位置と傾きを
調整する。

【００３６】次に本実施例におけるウエハー２の面形状
の検出方法について順をおって説明する。

【００３７】最初に図８に示すように被露光領域１００
内に５つの測定点７１−７５を設定する。測定点７１は
被露光領域１００のほぼ中央部にあり、面位置検出時に
は光軸ＡＸと交わる。又、残りの測定点７２〜７５は被
露光領域１００の周辺部にあり、測定点７１がｘ−ｙ座
標上の点（ｘ、ｙ）にあるとすると、各測定点７２〜７
５の位置が各々（ｘ＋Δｘ、ｙ＋Δｙ）、（ｘ−Δｘ、
ｙ＋Δｙ）、（ｘ−Δｘ、ｙ−Δｙ）、（ｘ＋Δｘ、ｙ
−Δｙ）なる点にあるようにしている。

【００３８】又、被露光領域１００は図９に示すように
ウエハー２上にｘ軸及びｙ軸に沿って複数個規則正しく
並べられている。

【００３９】次にウエハーステージ３を目標位置まで移
動させて、ウエハー２上の被露光領域（ショット）１０
０をレチクルパターンに位置合わせしたとき、被露光領
域１００の各測定点７１〜７５上にマスク６の各ピンホ
ールの像が投射されるように、図１の検出手段（４〜１
１）のセッティングを行なう。このとき、被露光領域１
００は縮小投影レンズ系１の真下に位置付けられてお
り、測定点７１は光軸ＡＸと交差している。

【００４０】本実施例ではウエハー２上の第１被露光領
域１００ａが縮小投影レンズ系１の真下にくるようにウ
エハーステージ３を動かし、レチクルパターンに対して
第１被露光領域１００ａを位置合わせする。位置合わせ
終了後、検出手段（４〜１１）により、第１被露光領域
１００ａの５つの測定点（７１〜７５）の面位置検出を
行ない、位置検出素子１１からの出力信号に基づいて面
位置検出装置１４で各測定点の面位置データＺｉ（ｉ＝
１〜５）を形成し、制御装置１３へ情報を送る。

【００４１】制御装置１３は、この５個の面位置データ
Ｚｉ（ｉ＝１〜５）に基づいて第１被露光領域１００ａ
の最小自乗平面（の位置）を求め、このウエハ２の最小
自乗平面とレチクルパターン像との光軸ＡＸ方向の間隔
及びウエハー２の傾き方向と傾き量を算出する。

【００４２】尚、最小自乗平面の位置ｚは

【００４３】

【数１】 を満たすものである。

【００４４】制御装置１３はこの算出結果に応じた指令
信号をステージ駆動装置１２へ入力し、ステージ駆動装
置１２によりウエハーステージ３上のウエハー２の光軸
ＡＸ方向の位置と傾きを調整（補正）している。

【００４５】これによってウエハー２の表面、即ち第１
被露光領域１００ａを縮小投影レンズ系１の最良結像面
（焦平面）に位置付けている。そして、この面位置の調
整終了後、第１被露光領域１００ａを露光して回路パタ
ーン像の転写を行なう。

【００４６】第１被露光領域１００ａに対する露光が終
了したら、ウエハー２上の第２被露光領域１００ｂが縮
小投影レンズ系１の真下にくるようにウエハーステージ
３を駆動する。

【００４７】次に本実施例においてウエハ２を縮小投影
レンズ系１の最良結像面（焦平面）に位置付けする方法
について図１０のフローチャートを用いて説明する。

【００４８】ステップＳ００１でウエハ２はウエハステ
ージ３上へ搬入されウエハチャックに固定される。ステ
ップＳ００２で被露光ショットの中心が投影レンズ１の
光軸ＡＸの中心に来るようにウエハステージ３を駆動す
る。駆動終了後レチクルと被露光ショットの位置合わせ
を行なう（ステップＳ００３）。位置合わせが終了する
と、ステップＳ００４ではウエハと投影レンズ１の像面
の間隔を合わせを測定点７１の測定値等を使って行な
う。

【００４９】次に測定点（７１〜７５）を用いウエハ表
面の位置Ｚ１〜Ｚ５を測定する（ステップＳ００５）。
ステップＳ００６ではウエハ表面の位置Ｚ１〜Ｚ５を算
出し最小自乗平面を計算する。つぎに、最小自乗平面と
レンズ像面（焦平面）が合致するようにウエハステージ
３の傾きを駆動する（ステップＳ００７）。ウエハ２と
投影レンズ１の焦平面の差が補正された後露光を行なう
（ステップＳ００８）。ステップＳ００９でもしも全て
のショットの露光が終了していなければステップＳ００
２へ移行しステップＳ００２〜Ｓ００９を繰り返す。最
終ショットの露光終了後ステップＳ０１０でウエハ２は
ウエハチャックからはずされウエハ２は搬出される。

【００５０】次に位置検出素子１１に入力された信号の
処理方法を述べる。本発明の特徴はガラス基板等の透明
基板の面高さを示す信号を精度良く検出し正確に面形状
を求めるところにある。

【００５１】図７はガラス基板Ｇに入射した光束の該ガ
ラス基板Ｇからの反射光束の光路を示している。

【００５２】図７においてマスク６のスポット状のピン
ホールＭＭから出射された光束Ｌはガラス基板Ｇの表面
で反射する光ＬＦとガラス基板の中に侵入しガラス基板
の裏面から反射する光ＬＢに分かれる。マスク６のピン
ホールＭＭを通過した光束Ｌの強度分布をＳＩＭに示
す。ガラス基板表面の透過率が高い場合、高エネルギー
の光がガラス基板Ｇ内に侵入するため光束ＬＢの光強度
は大きい。その時の信号はスポット状の光束ＳＩＭが受
光面Ｄにある位置検出素子から１次元的な信号に変換さ
れた場合光強度ＳＯＭとなる。

【００５３】ガラス基板Ｇの裏面からの影響で受光面Ｄ
には光信号Ｐ６、Ｐ７なる強度分布ＳＩＭには初めから
無かった成分が発生している。しかも光信号Ｐ３，Ｐ
４，Ｐ５は裏面と表面の光が混じり合い、歪んだ形状と
なっている。もちろんガラス基板Ｇの厚さによっては光
信号Ｐ７が発生しないこともある。あるいはガラス基板
Ｇの透過率によっては光信号Ｐ６，Ｐ７の強度が大きか
ったり全くでない場合もある。

【００５４】上記の例では光信号Ｐ１，Ｐ２には裏面か
らの影響を受けていないため、歪んだ信号とはなってい
ない。

【００５５】この様に本発明では歪んだ信号が生じない
様にマスク６のスポットを構成する、所謂マルチスリッ
トの幅を選択することを特徴としている。

【００５６】図７に示した様にウエハー２への入射光の
入射角をθ、ガラス基板Ｇの材質の屈折率をｎ、厚みを
ｄ、入射角θに対応した屈折角をθ′とした時、ウエハ
表面からの反射光ＬＦと裏面からの反射光ＬＢの受光面
Ｄ上におけるズレ量Δは

【００５７】

【数２】 で与えられる。但し、ｓｉｎθ＝ｎｓｉｎθ′である。

【００５８】このときのずれ量Δの値が投射されるマル
チスリットの１本１本の幅αより大きいこと、即ち Δ≧α であることが、裏面からの反射光の影響を受けないスリ
ット（スポット）が存在する条件である。

【００５９】一般にウエハ自体の厚みは規格化されて決
まっており、屈折率ｎも既知であるので、あらかじめ装
置側で入射角θと幅αを選ぶことにより、裏面からの反
射光の影響を除く事ができる。ずれ量Δと幅αの関係の
バリエーションについては図１４で後述する。

【００６０】図７に示す例では検出光学系もΔ＞αとな
る様に構成されており、光信号Ｐ１，Ｐ２が歪んだ信号
となっていない。

【００６１】従って、光信号Ｐ１，Ｐ２の信号位置を求
めることによって誤差無くウエハＷの面高さが測定でき
る。

【００６２】各信号位置の算出は、例えば重心を求める
方法や信号をスライスするレベルを予め設定しておき、
そのレベルの中心を求める方法など様々な手法が使用で
きる。

【００６３】尚、本発明を実施するにあたり実験を行な
った結果、スライスレベルを上限と下限の２点を設定
し、各レベルに囲まれる面積の中心を求める方法が精度
よく、しかも短時間で簡単に処理できる結果が得られ
た。２つのスライスレベルを設定したことにより、信号
中のノイズ成分をカットできた。ただし本発明では中心
を求める方法には限定しない。

【００６４】光束の強度分布ＳＩＭに採用しているスポ
ットの数が既知であれば光信号Ｐ１，Ｐ２の位置だけで
も信号として得られる光強度ＳＯＭの中心は正確に求め
られる。先述のようにガラス基板の厚さが薄ければ歪み
の無い信号は光信号Ｐ１だけになることがある。この場
合、光信号Ｐ１の中心だけを使用し中心を求めればよ
い。

【００６５】このようにガラス基板の厚さが既知であれ
ば処理信号を選択することによって正確な検出が可能で
ある。もちろん裏面からの信号が発生する位置は幾何光
学的に求められるのでガラス厚だけがパラメータとなっ
て選択する信号の本数は自動的に求められる。

【００６６】上記処理法を実施する装置を図１３のブロ
ック図を使って説明する。

【００６７】８１は位置検出素子のアナログ信号をテジ
タル信号に変換するＡ／Ｄ変換装置である。位置検出素
子１１とＡ／Ｄ変換装置８１により光電変換手段を構成
している。Ａ／Ｄ変換された情報はメモリ８２に記憶さ
れる。このメモリは２次元信号を記憶できるメモリであ
る。前記メモリの情報を先述の１次元信号に変換するの
が演算装置８３である。

【００６８】演算装置８３は先述のように検出信号を限
定し信号位置を求める機能及びノイズなどのカットをす
るための２つのスライスレベルを設定する機能も有して
いる。演算装置８３はＣＰＵであり、ソフトウェアによ
り制御されている。従って演算装置８３を制御するソフ
トウェアを交換することにより、先述の方法以外の面位
置検出処理に切り替えることが可能である。

【００６９】本実施例では光源４としてＬＥＤを用いて
マスク６上の５つのピンホールを照明し、５本の光ビー
ムを形成する場合を述べたが、このＬＥＤを各ピンホー
ル毎に個別に設けて対応するピンホールを照明するよう
にしてもよい。

【００７０】又、位置検出素子１１に１次元のＣＣＤセ
ンサ等を使用してもよい。その場合メモリ８２は１次元
信号を記憶できるメモリでもかまわなく、例えばＦＩＦ
Ｏメモリも使用できる。この場合、図８に示される５組
の測定点を使用するならば１次元のＣＣＤセンサは５組
必要となる。演算装置８３はデジタルシグナルプロセッ
サ（ＤＳＰ）を用いても良い。

【００７１】図８に示されるマスク６のピンホールを照
射する位置７１〜７５の配置は、Ｘ軸方向に直列並べた
構成である。各測定点は、広い領域を一列にカバーして
いるために被露光領域が変わった場合でも、面位置計測
装置は使用できる。被露光領域が変わった場合の面位置
計測方法を図１１を用いて説明する。

【００７２】図１１の実線は、投影レンズ１の露光でき
る最大露光領域１００を示している。一般に２０ミリ角
以上の縮小投影露光装置が多い。例えばＩＣチップのサ
イズが縦長に設定された場合、図１１の点線で示される
領域１００’が露光範囲となる。その場合、測定点７２
〜７５は点線で示される露光領域ではそれぞれ内側の２
つのスポット（スリット）が有効である。

【００７３】従って、測定点７１〜７５を用いて面位置
を計測する場合、２次元センサ１１から出力され、Ａ／
Ｄ変換された面位置計測信号について例えば測定点７３
の信号は、図１１の出力波形Ｓ７３のようになったとし
て光信号Ｐ３４，Ｐ３５の信号を制御装置１３で選択
し、光信号Ｐ３４，Ｐ３５の中心を計算すると測定点７
３の面位置が求められる。

【００７４】又、測定点７２の信号も出力波形Ｓ７２の
ようになり、光信号Ｐ４１，Ｐ４２の信号を選択し、そ
の中心を計算すると測定点７２の面位置が求められる。
測定点７４，７５も同じように面位置が求められるので
５点の測定値より最小自乗平面が正確に計算できる。

【００７５】ここに示したように、ピンホールの位置を
変えること無く、露光領域の変更に対応することがで
き、しかも極めて高い精度で最小自乗平面が計算でき
る。更に制御装置１３に露光領域のサイズを入力するこ
とにより、自動的に有効な信号位置を選択できる。

【００７６】又、ピンホールの配置を図１２に示される
配置にすることによって前記実施例で示した露光領域の
変更を縦、横同時に変更できる。

【００７７】実施例１の面位置検出において、ガラス基
板Ｇの厚さｄが既知であれば、スポットの間隔を変化さ
せることにより、いつでも最多数本の信号を得ることが
できる。例えばガラス基板が薄い場合は図１４（Ａ）に
示すようにスポット間隔を長くして、光信号Ｐ１１，Ｐ
１３，Ｐ１５を選択するとよい。逆に厚い時は図１４
（Ｂ）に示すようにスポット間隔を短くし、光信号Ｐ２
１，Ｐ２２，Ｐ２３を選択するとよい。

【００７８】ただし、ガラス基板の厚さとスポット間隔
の関係はこれだけとは限らない。スポット間隔を可変に
する機構としてマスク６を液晶デバイスにしてもよい。
非常に細かいドットで構成される光透過型液晶基板を使
用し、スポットをオープンにしたい部分だけに光が透過
するように液晶のドットを電気的に制御する液晶デバイ
スを使用しても良く、これによれば自由にスポット間隔
を変更する事ができる。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば以上のように適切に設定
した光束を平板状物体に照射するようにした投光手段や
平板状物体からの反射光束を受光する受光手段、そして
受光手段からの出力信号を演算処理する演算手段等の構
成を適切に設定することにより、ウエハ、特にガラス基
板のような透明基板の表面位置を高精度に検出し、所定
位置に設定することができる自動焦点合わせ装置を達成
することができる。

【００８０】特に本発明によればウエハ上の被露光領域
中の測定点のＩＣパターンにより生じる固有の検出誤差
を亡くすことができる。特にガラス基板等の透明基板に
効果がある。従って、今後出現するであろう特殊なプロ
セスを経た超ＬＳＩに対して、高集積化に伴う縮小投影
レンズの許容焦点深度の縮小化傾向にも、あるいは露光
領域が大型化してもウエハの被露光領域全面を確実に焦
点深度内に位置付けることができる。この為、より良好
なパターン転写が行なえ、より集積度の高い回路を作成
できる等優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を縮小投影露光装置に適用したときの実
施例１の要部概略図

【図２】エアマイクロセンサによる面位置検出での被露
光領域と各測定点の位置関係を示す説明図

【図３】エアマイクロセンサによる面位置検出での許容
焦点深度とウエハ表面の位置関係を示す説明図

【図４】検出光学系による面位置検出での被露光領域と
各測定点の位置関係を示す図

【図５】検出光学系による面位置検出での許容焦点深度
とウエハ表面の位置関係を示す図

【図６】検出光学系をガラス基板に適応した時の表面反
射光に裏面反射光の混入が起こり処理信号が歪むことを
説明する図

【図７】本発明で実施した複数スポット光束による検出
光学系をガラス基板に適応した時の表面反射光に裏面反
射光の混入と処理方法を説明する図

【図８】被露光領域中に設定した各測定点の配置を示す
説明図

【図９】ウエハ上の被露光領域（ショット）の配列を示
す説明図

【図１０】本発明の面位置検出法を用いた面位置調整動
作の一例を示すフローチャート

【図１１】露光領域が変更になった時の測定信号を説明
する図

【図１２】測定点の配置を示す図

【図１３】面位置検出装置を示すブロック図

【図１４】ガラス基板の厚さが変化した時に有効なスポ
ット間隔を示す説明図

【符号の説明】

１ 投影レンズ系 ２ ウエハ ３ ウエハステージ ４ 光源 ５ 照明用レンズ ６ マスク ７ 結像レンズ ８、９ ミラー １０ 検出レンズ １１ 位置検出素子 １２ ステージ駆動装置 １３ 制御装置 １４ 面位置検出装置 １００ 露光領域

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投影光学系の光軸と略直交する方向に沿
   って２次元方向に移動可能なステージに載置した平板状
   物体の所定面を該投影光学系の像平面に設定し、該所定
   面の被露光領域内の複数の測定領域のうち各々の測定領
   域に対して投光手段から所定方向に配列された複数のス
   ポット光を照射し、該測定領域からの複数のスポット光
   に基づく反射光を光電変換手段で検出し、該光電変換手
   段で得られた複数の信号を記憶手段に記憶し、該記憶手
   段に記憶した複数の信号のうち該被露光領域のサイズま
   たは該平板状物体の構造に基づいて特定の信号を選択
   し、該特定の信号を用いて演算手段により該測定領域の
   面位置情報を検出し、該複数の測定領域の各面位置情報
   に基づいて該所定面を該投影光学系の焦平面に設定した
   ことを特徴とする自動焦点合わせ装置。
2. 【請求項２】 平板状物体を載置したまま投影光学系の
   光軸と略直交する方向に沿って２次元方向に移動可能な
   ステージにより該平板状物体の所定面を前記投影光学系
   の像平面に送り込み、前記所定面の前記投影光学系の光
   軸方向に関する面位置情報を検出し、該所定面を該投影
   光学系の焦平面に合焦させる自動焦点合わせ装置におい
   て、投光手段から該所定面の被露光領域内の複数の測定
   領域のうち各々の測定箇所に対して所定方向に配列され
   た複数のスポット光を照射し、該スポット光の前記平板
   状物体からの反射光を光電変換手段で受光し、該光電変
   換手段からの信号を記憶手段で記憶し、該記憶手段に記
   憶した信号中該被露光領域のサイズまたは該平板状物体
   の構造に基づいて特定の信号を選択し、該特定の信号を
   用いて演算手段で演算することにより、該所定面の面位
   置情報を検出していることを特徴とする自動焦点合わせ
   装置。
3. 【請求項３】 前記演算手段は前記平板状物体の厚さに
   基づいて前記記憶手段に記憶した複数の信号のうちから
   特定の部位の信号を選択して演算していることを特徴と
   する請求項２の自動焦点合わせ装置。
4. 【請求項４】 前記投光手段からの複数のスポット光の
   間隔を可変としたことを特徴とする請求項２の自動焦点
   合わせ装置。