JP3282231B2 - Projection exposure apparatus and method - Google Patents

Projection exposure apparatus and method

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JP3282231B2
JP3282231B2 JP23716392A JP23716392A JP3282231B2 JP 3282231 B2 JP3282231 B2 JP 3282231B2 JP 23716392 A JP23716392 A JP 23716392A JP 23716392 A JP23716392 A JP 23716392A JP 3282231 B2 JP3282231 B2 JP 3282231B2
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    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
    • G03F9/70—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically for microlithography
    • G03F9/7003—Alignment type or strategy, e.g. leveling, global alignment
    • G03F9/7023—Aligning or positioning in direction perpendicular to substrate surface
    • G03F9/7026—Focusing

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子製造のリソグラフィ工程で使用される投影露光装置
及び方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a projection exposure apparatus used in a lithography process for manufacturing semiconductor devices and liquid crystal display devices.
And methods .

【０００２】[0002]

【従来の技術】現在、マスクまたはレチクルのパターン
を高分解能で感光基板（半導体ウエハ等）に転写する装
置として、ステップアンドリピート方式の縮小投影型露
光装置（ステッパー）が多用されるようになっている。
この種のステッパーにおける投影光学系の結像特性の検
出機構については、例えば特開昭６０−２６３４３号公
報、特開昭６３−３０６６２６号公報、あるいは特開平
１−２７３３１８号公報等に開示されている。2. Description of the Related Art At present, as a device for transferring a pattern of a mask or a reticle onto a photosensitive substrate (semiconductor wafer or the like) at a high resolution, a step-and-repeat reduction projection type exposure device (stepper) has been frequently used. I have.
A mechanism for detecting the imaging characteristic of the projection optical system in this type of stepper is disclosed in, for example, JP-A-60-26343, JP-A-63-306626, and JP-A-1-273318. I have.

【０００３】さて、特開昭６０−２６３４３号公報に開
示された装置は、微小線要素を有するテストレチクル
と、ウエハステージ上に配置された微小スリットを介し
てテストレチクルの透過光を受光する受光素子とを備え
ている。そして、ウエハステージを投影光学系の光軸方
向に移動させたときに得られる受光素子からの検出信号
の変化に基づいて、投影光学系の結像特性、例えば焦点
位置や像面湾曲を求めている。An apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 60-26343 includes a test reticle having a minute line element and a light receiving device for receiving light transmitted through the test reticle through a minute slit arranged on a wafer stage. And an element. Then, based on the change in the detection signal from the light receiving element obtained when the wafer stage is moved in the optical axis direction of the projection optical system, the imaging characteristics of the projection optical system, for example, the focal position and the field curvature are obtained. I have.

【０００４】また、特開昭６３−３０６６２６号公報、
あるいは特開平１−２７３３１８号公報に開示された装
置は、ウエハステージ上に配置され、基準パターンが形
成されたパターン板と、特別な複数の基準マークを有す
るテストレチクルとを備え、パターン板をその下面から
露光光と同一波長の照明光で照射し、基準パターン、投
影光学系、及びテストレチクル上の１つの基準マークを
透過した光束を、照明光学系中に配置されたビームスプ
リッターを介して受光素子に導き、この受光素子からの
検出信号を用いて投影光学系の結像特性を計測可能とし
たものである。さらに上記構成の装置では、露光動作中
は露光光吸収による温度上昇等に起因した投影光学系の
結像特性の変動を逐次予測し、その結果に基づいて結像
特性の変動を補正するようにしている。従って、１枚の
ウエハに対する露光動作中であっても、露光光吸収等に
よる投影光学系の結像特性、例えば焦点位置、像面湾
曲、非点収差等の変動をリアルタイムに補正できる。[0004] Also, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-306626,
Alternatively, the apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-273318 includes a pattern plate provided on a wafer stage and having a reference pattern formed thereon, and a test reticle having a plurality of special reference marks. Irradiation is performed from the lower surface with illumination light of the same wavelength as the exposure light, and the light flux transmitted through the reference pattern, the projection optical system, and one reference mark on the test reticle is received via the beam splitter arranged in the illumination optical system. The imaging device can be used to measure the imaging characteristics of the projection optical system using the detection signal from the light receiving device. Further, in the apparatus having the above configuration, during the exposure operation, the fluctuation of the imaging characteristic of the projection optical system due to the temperature rise due to the absorption of the exposure light or the like is sequentially predicted, and the fluctuation of the imaging characteristic is corrected based on the result. ing. Therefore, even during the exposure operation on one wafer, it is possible to correct in real time fluctuations in the imaging characteristics of the projection optical system due to absorption of exposure light and the like, for example, focal position, field curvature, astigmatism, and the like.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如きスルー・ザ・レンズ（ＴＴＬ）方式の焦点位置検出
においては、特定マークを有するレチクル（テストレチ
クル、またはパターン形成領域の周辺に特定マークが形
成されたデバイスレチクル）を必要とした。このため、
テストレチクルを使用して結像特性を計測する場合に
は、上記焦点検出を行うたびにレチクル交換を行わなけ
ればならず、スループットの低下が免れない。さらに、
デバイスレチクルのパターンの各位置での焦点位置を計
測することはできない、すなわち露光直前での投影光学
系の結像特性を正確に検出できなかった。However, in the focus position detection of the through-the-lens (TTL) method as described above, a reticle having a specific mark (a test reticle or a specific mark is formed around a pattern forming area). Device reticle). For this reason,
When measuring the imaging characteristics using a test reticle, the reticle must be replaced each time the focus detection is performed, and a decrease in throughput is inevitable. further,
The focus position at each position of the pattern of the device reticle cannot be measured, that is, the imaging characteristics of the projection optical system immediately before exposure cannot be accurately detected.

【０００６】一方、テストレチクルを用いず、デバイス
レチクルを使用して結像特性を計測する場合には、パタ
ーン形成領域周辺に形成した特定マークを使用すること
で、露光直前の周辺部での像面状態は測定できる。しか
しながら、パターン形成領域内の任意の位置に特定マー
クを配置することは非現実的である。従って、パターン
形成領域内、特に中心部での焦点位置は検出できず、投
影光学系の像面湾曲等を計測することは不可能であると
いう問題があった。On the other hand, when measuring the imaging characteristics using a device reticle without using a test reticle, a specific mark formed around the pattern forming region is used to measure the image at the peripheral portion immediately before exposure. Surface conditions can be measured. However, it is impractical to arrange a specific mark at an arbitrary position in the pattern formation area. Therefore, the focus position in the pattern formation region, particularly at the center, cannot be detected, and it is impossible to measure the curvature of field of the projection optical system.

【０００７】本発明はこのような問題点を鑑みてなされ
たもので、テストレチクル等を使用することなく任意、
例えば露光動作直前であっても、高速、高精度に投影光
学系の結像特性を計測可能な投影露光装置を提供するこ
とを目的としている。また、常に投影光学系の結像面と
感光基板の露光面（表面）とを正確に一致させる（平行
に設定する）ことができる投影露光装置及び方法を提供
することを目的としている。 [0007] The present invention has been made in view of such a problem, and can be freely performed without using a test reticle or the like.
For example, an object of the present invention is to provide a projection exposure apparatus capable of measuring the imaging characteristics of a projection optical system with high speed and high accuracy even immediately before an exposure operation. In addition, the image plane of the projection optical system always
Make the exposure surface (surface) of the photosensitive substrate exactly coincident (parallel
Projection exposure apparatus and method that can be set to
It is intended to be.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】請求項１記載の投影露光
装置は、基板ステージ（７）の一部に設けられ、所定形
状の基準パターン（２８Ａ〜２８Ｄ）を有するパターン
板（８）と、パターン板（８）の下面より露光用照明光
（ＩＬ）とほぼ同一波長の照明光（ＭＬ）を基準パター
ンに照射する照明手段（１０）と、基準パターンを透過
して投影光学系（６）を介してマスク（Ｒ）のパターン
面に照射され、さらにパターン面から反射されて投影光
学系（６）及び基準パターンを介して戻された光を受光
する光電検出手段（１４）と、パターン板（８）と投影
光学系（６）の結像面とを投影光学系（６）の光軸方向
に相対移動させたとき、光電検出手段（１４）から出力
される検出信号（Ｓ１）に基づいて、投影光学系（６）
の結像特性を検出する焦点位置検出手段（１６）と、投
影光学系（６）のイメージフィールド内の互いに異なる
少なくとも３つの位置の各々での焦点位置に基づいて投
影光学系（６）の結像面の傾斜状態を算出する演算手段
（２７）と、投影光学系（６）の結像面とパターン板
（８）の表面とがほぼ一致するように、先に算出された
結像面の傾斜状態に応じて基板ステージ（７）の傾斜を
制御する制御手段（２０、２２）と、制御手段によって
投影光学系（６）の結像面とパターン板（８）の表面と
がほぼ一致した状態のとき、傾斜検出手段（１７、１
８）がパターン板（８）の表面を基準面として検知する
ように傾斜検出手段（１７、１８）を較正する手段（２
７）とを設けることとした。請求項２記載の投影露光装
置は、マスク（Ｒ）のパターンを基板（９）上に投影す
る投影光学系（６）と、基板（９）を保持する基板ステ
ージ（７）と、を備えた投影露光装置であって、マスク
（Ｒ）に設けられたバーコードパタ−ン（ＢＣ）の情報
を読み取り、マスク（Ｒ）のパタ−ンの領域に基づいて
投影光学系（６）のイメージフィールド内における複数
の計測点を決定する決定手段（２７、２９）と、この決
定手段（２７、２９）で決定された投影光学系（６）の
イメージフィールド内における複数の計測点の各々で、
投影光学系（６）を介して光を検出することにより投影
光学系（６）の焦点位置を検出する焦点位置検出手段
（１０〜１６）と、この焦点位置検出手段（１０〜１
６）からの検出結果に基づいて投影光学系（６）の結像
面の傾斜状態を算出する演算手段（２７）と、基板ステ
ージ（７）上に設けられた基準面（８）と、投影光学系
（６）を介さずに基板（９）と基準面（８）とのいずれ
か一方に光を照射して、この光が照射された基板（９）
と基準面（８）とのいずれか一方の傾きを検出する傾斜
検出手段（１７，１８）と、算出された結像面の傾斜状
態に基づいて、結像面と基準面（８）とがほぼ一致する
ように基準面（８）の傾斜を制御する制御手段（２０、
２２）と、結像面とほぼ一致した基準面（８）を傾斜検
出手段（１７，１８）によって検出したときの傾斜検出
手段（１７，１８）の検出信号を基準として傾斜検出手
段（１７，１８）を較正する較正手段（２７）と、を設
けることとした。請求項６記載の投影露光方法は、基板
（９）と投影光学系（６）の結像面とを一致させて、投
影光学系（６）によりマスク（Ｒ）のパターンをステー
ジ（７）に保持された基板（９）に投影する投影露光方
法であって、投影光学系（６）を介さずに基板（９）と
ステージ（７）に設けられた基準面（８）とのいずれか
一方に光を照射して、この光が照射された基板（９）と
基準面（８）とのいずれか一方の傾きを検出する傾斜検
出手段（１７，１８）を設け、マスク（Ｒ）に設けられ
たバーコードパタ−ン（ＢＣ）の情報を読み取り、マス
ク（Ｒ）のパタ−ンの領域に基づいて投影光学系（６）
のイメージフィールド内における複数の計測点を決定
し、この決定された投影光学系（６）のイメージフィー
ルド内における複数の計測点の各々で、投影光学系
（６）を介して光を検出することにより投影光学系
（６）の焦点位置を検出し、 この検出結果に基づいて
投影光学系（６）の結像面の傾斜状態を算出し、この算
出された結像面の傾斜状態に基づいて、ステージ（７）
上に設けられた基準面（８）と結像面とがほぼ一致する
ように基準面（８）の傾斜を制御し、結像面とほぼ一致
した基準面（８）を傾斜検出手段（１７，１８）によっ
て検出したときの傾斜検出手段（１７，１８）の検出信
号を基準として傾斜検出手段（１７，１８）を較正して
いる。A projection exposure apparatus according to claim 1 is provided on a part of a substrate stage (7) and has a pattern plate (8) having reference patterns (28A to 28D) of a predetermined shape; An illuminating means (10) for irradiating the reference pattern with illumination light (ML) having substantially the same wavelength as the exposure illumination light (IL) from the lower surface of the pattern plate (8), and a projection optical system (6) passing through the reference pattern Irradiating the pattern surface of the mask (R) through the optical path, and further receiving light reflected from the pattern surface and returned via the projection optical system (6) and the reference pattern (14); When (8) and the imaging plane of the projection optical system (6) are relatively moved in the optical axis direction of the projection optical system (6), based on the detection signal (S1) output from the photoelectric detection means (14). And projection optical system (6)
Focus position detecting means (16) for detecting the imaging characteristics of the projection optical system (6), and focusing of the projection optical system (6) on the basis of the focus positions at each of at least three different positions in the image field of the projection optical system (6). The calculating means (27) for calculating the state of inclination of the image plane, and the image plane of the projection plane calculated previously so that the image plane of the projection optical system (6) and the surface of the pattern plate (8) substantially coincide with each other. Control means (20, 22) for controlling the inclination of the substrate stage (7) in accordance with the state of inclination, and the image formation plane of the projection optical system (6) and the surface of the pattern plate (8) almost coincide with each other. In the state, the inclination detecting means (17, 1)
Means (2) for calibrating the inclination detecting means (17, 18) so that 8) detects the surface of the pattern plate (8) as a reference plane.
7). A projection exposure apparatus according to a second aspect includes a projection optical system (6) for projecting a pattern of a mask (R) onto a substrate (9), and a substrate stage (7) for holding the substrate (9). A projection exposure apparatus, which reads information of a bar code pattern (BC) provided on a mask (R) and reads an image field of a projection optical system (6) based on a pattern area of the mask (R). Determining means (27, 29) for determining a plurality of measurement points in the image, and a plurality of measurement points in an image field of the projection optical system (6) determined by the determining means (27, 29).
Focus position detecting means (10 to 16) for detecting the focus position of the projection optical system (6) by detecting light via the projection optical system (6);
A calculating means (27) for calculating the state of inclination of the imaging plane of the projection optical system (6) based on the detection result from 6), a reference plane (8) provided on the substrate stage (7), One of the substrate (9) and the reference surface (8) is irradiated with light without passing through the optical system (6), and the light is irradiated on the substrate (9).
Inclination detecting means (17, 18) for detecting any one of the inclination of the imaging plane and the reference plane (8), and the imaging plane and the reference plane (8) are determined based on the calculated inclination state of the imaging plane. Control means (20, 20) for controlling the inclination of the reference plane (8) so that they substantially coincide with each other;
22) and the inclination detecting means (17, 18) based on the detection signal of the inclination detecting means (17, 18) when the reference plane (8) substantially coincident with the imaging plane is detected by the inclination detecting means (17, 18). And 18) a calibrating means (27) for calibrating. In the projection exposure method according to the sixth aspect, the pattern of the mask (R) is transferred to the stage (7) by the projection optical system (6) by matching the substrate (9) with the imaging plane of the projection optical system (6). A projection exposure method for projecting onto a held substrate (9), wherein one of a substrate (9) and a reference surface (8) provided on a stage (7) without passing through a projection optical system (6). Is provided with inclination detecting means (17, 18) for detecting any one of the substrate (9) irradiated with the light and the reference plane (8), and provided on the mask (R). The information of the obtained bar code pattern (BC) is read, and the projection optical system (6) is operated based on the pattern area of the mask (R).
Determining a plurality of measurement points in the image field of the projection optical system (6), and detecting light via the projection optical system (6) at each of the plurality of measurement points in the image field of the determined projection optical system (6). , The focal position of the projection optical system (6) is detected, and the tilt state of the image plane of the projection optical system (6) is calculated based on the detection result, and based on the calculated tilt state of the image plane. , Stage (7)
The inclination of the reference plane (8) is controlled so that the reference plane (8) provided above and the imaging plane substantially coincide with each other, and the reference plane (8) substantially coincident with the imaging plane is detected by the inclination detecting means (17). , 18), the inclination detecting means (17, 18) is calibrated based on the detection signal of the inclination detecting means (17, 18).

【０００９】[0009]

【作用】本発明では、基板ステージの一部に設けられた
パターン板をその下面から露光用照明光とほぼ同一波長
の照明光で照明し、パターン板上の基準パターンを透過
した光を投影光学系を介してマスクの下面（パターン
面）に照射する。マスクのパターン面で反射した光は再
度投影光学系を介してパターン板に到達し、さらに基準
パターンを透過した光は光電検出手段に入射する。つま
り、マスクのパターン面とパターン板の表面（基準パタ
ーンの形成面）とが投影光学系に関して共役な関係、す
なわちパターン板の表面が投影光学系の最良結像面（投
影光学系によるマスクパターンの投影像面）内にあると
き、光電検出器に入射する照明光の強度（光量）が最大
（または最小）になるという原理を利用している。According to the present invention, the pattern plate provided on a part of the substrate stage is illuminated from the lower surface thereof with illumination light having substantially the same wavelength as the exposure illumination light, and the light transmitted through the reference pattern on the pattern plate is projected onto the projection optical system. Irradiate the lower surface (pattern surface) of the mask through the system. The light reflected on the pattern surface of the mask reaches the pattern plate again via the projection optical system, and the light transmitted through the reference pattern is incident on the photoelectric detecting means. That is, the pattern surface of the mask and the surface of the pattern plate (the surface on which the reference pattern is formed) have a conjugate relationship with respect to the projection optical system, that is, the surface of the pattern plate has the best image formation surface of the projection optical system (the mask pattern of the projection optical system The principle that the intensity (light amount) of the illumination light incident on the photoelectric detector becomes maximum (or minimum) when it is within the projection image plane) is used.

【００１０】そこで、本発明では上記原理に従い、投影
光学系のイメージフィールド内の任意の位置にパターン
板を位置決めした後、パターン板と投影光学系の結像面
とをその光軸方向に相対移動し、このとき光電検出手段
から出力される検出信号の変化に基づいて合焦位置（ベ
ストフォーカス位置）を算出するようにした。さらに本
発明では、投影光学系のイメージフィールド内の互いに
異なる少なくとも３つの位置の各々での合焦位置に基づ
いて投影光学系の結像面の傾斜状態を算出し、この傾斜
状態に応じて基板ステージを傾斜させて投影光学系の結
像面とパターン板の表面とをほぼ一致させた後、傾斜検
出手段がパターン板の表面を基準面として検知するよう
に傾斜検出手段を較正するようにした。Therefore, according to the present invention, after the pattern plate is positioned at an arbitrary position in the image field of the projection optical system according to the above principle, the pattern plate and the image plane of the projection optical system are relatively moved in the optical axis direction. At this time, the in-focus position (best focus position) is calculated based on a change in the detection signal output from the photoelectric detection means. Further, according to the present invention, the tilt state of the imaging plane of the projection optical system is calculated based on the in-focus position at each of at least three different positions in the image field of the projection optical system. After the stage is tilted so that the image plane of the projection optical system and the surface of the pattern plate substantially coincide with each other, the tilt detection unit is calibrated so that the tilt detection unit detects the surface of the pattern plate as a reference plane. .

【００１１】このため、本発明では計測専用の特別なマ
スクを用いる必要がなく、さらにデバイスパターンを有
する露光用マスクに計測用の特定マークを形成する必要
もない。すなわち露光に使用されるマスクを装置に装着
した状態で、高速、高精度に投影光学系のイメージフィ
ールド内の任意の位置での合焦点（ベストフォーカス位
置）を計測できる。しかも任意のタイミング、例えば露
光動作直前であっても上記計測を行うことが可能とな
る。また、投影光学系のイメージフィールド内の複数の
位置の各々での合焦位置を求めることにより、投影光学
系の結像特性、例えば像面湾曲等も算出することができ
る。Therefore, in the present invention, it is not necessary to use a special mask dedicated to measurement, and it is not necessary to form a specific mark for measurement on an exposure mask having a device pattern. That is, it is possible to measure the focal point (best focus position) at an arbitrary position in the image field of the projection optical system at high speed and with high accuracy while the mask used for exposure is mounted on the apparatus. In addition, the above measurement can be performed at an arbitrary timing, for example, immediately before the exposure operation. Further, by determining the in-focus position at each of a plurality of positions in the image field of the projection optical system, it is also possible to calculate the imaging characteristics of the projection optical system, for example, field curvature.

【００１２】さらに、露光光吸収による投影光学系の温
度変化等に起因して投影光学系の結像面が変動し得る
が、上記の如く算出した投影光学系の結像面の傾斜状態
（像面傾斜等を含む）に応じて逐次傾斜検出手段の較正
（キャリブレーション）を行うことができる。従って、
常に投影光学系の結像面と感光基板の露光面（表面）と
を正確に一致させる（平行に設定する）ことが可能とな
る。Further, the imaging plane of the projection optical system may fluctuate due to a change in the temperature of the projection optical system due to absorption of the exposure light. Calibration of the inclination detecting means can be performed sequentially according to the surface inclination and the like. Therefore,
The image forming plane of the projection optical system and the exposure plane (surface) of the photosensitive substrate can always be accurately matched (set in parallel).

【００１３】[0013]

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。図１は本実施例による
投影露光装置の全体構成を概略的に示す図である。図１
において、露光用照明光源ＬＳから発生した照明光ＩＬ
は、オプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）、
レチクルブラインド、開口絞り（σ絞り）等を有する照
明光学系１に入射する。照明光ＩＬとしては、ｇ線、ｉ
線、またはＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ、あるいは金
属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等が使用される。
照明光学系１を射出した照明光ＩＬの大部分は半透過鏡
２を透過してミラー３に至り、ここで垂直に下方に反射
されてコンデンサーレンズ４に導かれ、レチクルステー
ジ５に載置されたレチクルＲをほぼ均一な照度で照明す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the projection exposure apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a view schematically showing an overall configuration of a projection exposure apparatus according to the present embodiment. FIG.
, The illumination light IL generated from the exposure illumination light source LS
Is an optical integrator (fly-eye lens),
The light enters the illumination optical system 1 having a reticle blind, an aperture stop (σ stop), and the like. As the illumination light IL, g-line, i
A line, a KrF, ArF excimer laser, or a harmonic of a metal vapor laser or a YAG laser is used.
Most of the illuminating light IL emitted from the illuminating optical system 1 passes through the semi-transmissive mirror 2 and reaches the mirror 3, where it is vertically reflected, guided to the condenser lens 4, and mounted on the reticle stage 5. The reticle R is illuminated with substantially uniform illuminance.

【００１４】さらに、パターン形成領域ＰＡを透過した
照明光ＩＬは両側テレセントリックな投影光学系６に入
射し、投影光学系６は回路パターンの像を、表面にレジ
スト層が形成されたウエハ９上に結像投影する。ウエハ
９はウエハステージ７に載置されており、ウエハステー
ジ７上には表面に基準パターンが形成されたパターン板
（石英等のガラス基板）８も配置されている。Further, the illumination light IL transmitted through the pattern formation area PA is incident on a projection optical system 6 which is telecentric on both sides, and the projection optical system 6 forms an image of a circuit pattern on a wafer 9 having a resist layer formed on the surface. Image projection. The wafer 9 is mounted on a wafer stage 7, and a pattern plate (a glass substrate made of quartz or the like) 8 having a reference pattern formed on the surface thereof is also arranged on the wafer stage 7.

【００１５】図２に示すように、パターン板８の表面に
は４組の基準パターン２８Ａ〜２８Ｄが形成されてお
り、これらのパターンは共に振幅型回折格子、すなわち
パターン板８にクロム等の遮光層で形成された１次元の
ラインアンドスペースパターン（デューティは１：１）
である。基準パターン２８ＡはＸ方向に一定ピッチで配
列された１次元回折格子であり、残り３組の基準パター
ン２８Ｂ〜２８Ｄは基準パターン２８Ａに対して周期方
向が時計方向に４５°、９０°及び１３５°回転したも
のである。As shown in FIG. 2, four sets of reference patterns 28A to 28D are formed on the surface of the pattern plate 8. These patterns are both amplitude type diffraction gratings. One-dimensional line and space pattern formed with layers (duty is 1: 1)
It is. The reference pattern 28A is a one-dimensional diffraction grating arranged at a constant pitch in the X direction, and the remaining three sets of reference patterns 28B to 28D have a periodic direction of 45 °, 90 °, and 135 ° clockwise with respect to the reference pattern 28A. It is a rotated one.

【００１６】以上のように互いに周期方向が異なる４組
の基準パターン２８Ａ〜２８Ｄをパターン板８に形成す
るのは、レチクルＲ上のパターンの影響を低減するた
め、及び投影光学系６のイメージフィールド内の任意の
位置でのサジタル（Ｓ）方向、及びメリディオナル
（Ｍ）方向の焦点位置（非点収差）を計測可能とするた
めである。ここで、パターン板８はその表面（パターン
形成面）が投影光学系６の光軸方向に関してウエハ９の
表面とほぼ同じ高さになるように設けられている。尚、
パターン板８上の基準パターンは位相型回折格子であっ
ても良い。The four sets of reference patterns 28A to 28D having different periodic directions are formed on the pattern plate 8 as described above in order to reduce the influence of the pattern on the reticle R and to reduce the image field of the projection optical system 6. This is because it is possible to measure the focus position (astigmatism) in the sagittal (S) direction and the meridional (M) direction at an arbitrary position in. Here, the pattern plate 8 is provided such that its surface (pattern forming surface) is substantially at the same height as the surface of the wafer 9 in the optical axis direction of the projection optical system 6. still,
The reference pattern on the pattern plate 8 may be a phase diffraction grating.

【００１７】図１では簡略に表示しているが、図３に示
すようにウエハステージ７はＸＹステージ７Ａ、及びＺ
Ｌステージ７Ｂから構成されている。ＸＹステージ７Ａ
は、ＸＹ駆動系２１によって投影光学系６の光軸と垂直
な面（ＸＹ平面）内で２次元移動可能である。ＺＬステ
ージ７Ｂは、ＺＬ駆動系２２によって伸縮可能な３組の
駆動素子（電歪素子、磁歪素子等）の各々を独立に制御
することで、投影光学系６の光軸方向（Ｚ方向）に微動
可能で、かつ投影光学系６の結像面に対して任意に傾斜
可能に構成されている。ここでは図示していないが、駆
動素子のヒステリシス性を考慮し、容量型変位センサ、
差動トランス等の位置検出器を駆動素子毎に設け、駆動
素子に与える電圧、または磁界に対応した駆動素子の位
置をモニタして高精度な駆動を可能としている。In FIG. 1, the wafer stage 7 is simply shown, but as shown in FIG.
It is composed of an L stage 7B. XY stage 7A
Can be two-dimensionally moved by an XY drive system 21 in a plane (XY plane) perpendicular to the optical axis of the projection optical system 6. The ZL stage 7B controls each of three sets of drive elements (electrostrictive element, magnetostrictive element, etc.) that can be extended and contracted by the ZL drive system 22 so that the ZL stage 7B can move in the optical axis direction (Z direction) of the projection optical system 6. It is configured to be finely movable and arbitrarily tiltable with respect to the imaging plane of the projection optical system 6. Although not shown here, considering the hysteresis of the driving element, a capacitive displacement sensor,
A position detector such as a differential transformer is provided for each drive element, and the position of the drive element corresponding to the voltage applied to the drive element or the magnetic field is monitored to enable high-precision drive.

【００１８】本実施例では、パターン板８はＺＬステー
ジ７Ｂ上に載置されており、ウエハ９と同様にＺ方向に
微動可能で、かつ投影光学系６の結像面に対して任意に
傾斜可能となっている。ＺＬステージ７Ｂは、例えば中
空のセラミックステージであり、その端部にはレーザ干
渉計３０からのレーザビームを反射する移動鏡３１が設
けられている。また、ＸＹステージ７ＡのＸ、Ｙ方向の
位置（移動量）は、２組のレーザ干渉計（図ではＸ軸用
の干渉計３０のみ示す）によって、例えば０．０１μｍ
程度の分解能で常時検出される。In this embodiment, the pattern plate 8 is mounted on the ZL stage 7B, can be finely moved in the Z direction like the wafer 9, and can be arbitrarily inclined with respect to the image forming plane of the projection optical system 6. It is possible. The ZL stage 7B is, for example, a hollow ceramic stage, and a movable mirror 31 that reflects a laser beam from the laser interferometer 30 is provided at an end of the ZL stage 7B. The position (movement amount) of the XY stage 7A in the X and Y directions is, for example, 0.01 μm by two sets of laser interferometers (only the X-axis interferometer 30 is shown in the figure).
It is always detected with a resolution of the order.

【００１９】さて、図１中の照明光源１０は露光用照明
光ＩＬとほぼ同一波長の照明光ＬＢを発生し、この照明
光ＬＢは光ファイバー（ライトガイド）１１、集光レン
ズ系１２、及びミラー１３を介してパターン板８の下面
まで導かれ、基準パターンをその裏面（ウエハステージ
内部）から照明する。基準パターンを透過した光は、投
影光学系６を介してレチクルＲの下面（パターン面）に
照射（集束）され、ここで反射されて再び投影光学系６
を介してパターン板８に達する。さらに基準パターンを
透過した光は、ミラー１３、集光レンズ系１２、及び光
ファイバー１１を介して光電検出器１４に入射する。The illumination light source 10 in FIG. 1 generates illumination light LB having substantially the same wavelength as the exposure illumination light IL, and this illumination light LB is composed of an optical fiber (light guide) 11, a condenser lens system 12, and a mirror. The reference pattern is guided to the lower surface of the pattern plate 8 via 13 and illuminates the reference pattern from the back surface (inside of the wafer stage). The light transmitted through the reference pattern is irradiated (converged) on the lower surface (pattern surface) of the reticle R via the projection optical system 6, reflected there, and reflected again.
To the pattern plate 8. Further, the light transmitted through the reference pattern enters the photoelectric detector 14 via the mirror 13, the condenser lens system 12, and the optical fiber 11.

【００２０】光電検出器１４から出力される信号を増幅
器１５で最適レベルまで増幅して得られた検出信号Ｓ１
は、パターン板８の基準パターンを通り抜けた光束の強
度を示す信号であり、この検出信号Ｓ１は信号処理ユニ
ット１６に出力される。ここで、検出信号Ｓ１はパター
ン板８の表面が投影光学系６の最良結像面と一致（合
焦）したときに最大となる。従って、投影光学系６の結
像特性が露光光吸収等によって変化しても、上記動作を
随時（例えば１枚のウェハに対する露光動作中であって
も）行って検出信号Ｓ１を得ることにより、投影光学系
６のイメージフィールド内の任意の位置での合焦点（ベ
ストフォーカス位置）を検出することができる。但し、
パターン板８上の基準パターンとして位相型回折格子を
用いるときには、合焦点では検出信号Ｓ１が最小にな
る。A detection signal S1 obtained by amplifying a signal output from the photoelectric detector 14 to an optimum level by an amplifier 15
Is a signal indicating the intensity of the light beam passing through the reference pattern of the pattern plate 8, and the detection signal S 1 is output to the signal processing unit 16. Here, the detection signal S1 becomes maximum when the surface of the pattern plate 8 coincides (focuses) with the best imaging plane of the projection optical system 6. Therefore, even if the imaging characteristic of the projection optical system 6 changes due to exposure light absorption or the like, the above operation is performed as needed (for example, even during the exposure operation for one wafer) to obtain the detection signal S1. The in-focus point (best focus position) at an arbitrary position in the image field of the projection optical system 6 can be detected. However,
When a phase-type diffraction grating is used as the reference pattern on the pattern plate 8, the detection signal S1 becomes minimum at the focal point.

【００２１】ここで、本実施例ではパターン板８上に４
組の基準パターンを形成している。従って、４組の基準
パターンの各々を独立に用いて焦点位置計測を行うため
には、各基準パターンに照明光を切り替えて照射するた
めの絞り（シャッター）をパターン板８の下面近傍に配
置するか、４組の基準パターンの各々に対応して４組の
照明手段（１０〜１３）及び光電検出器（１４）を設け
ておく必要がある。また、上記装置（図１）では照明光
源１０を露光用光源ＬＳとは別に設けていたが、露光用
光源ＬＳから射出される照明光ＩＬの一部を、ビームス
プリッター等で分岐して光ファイバー、ミラー等により
パターン板８の下まで導くように構成しても良い。ま
た、光ファイバー１１の射出面は投影光学系６の瞳面と
ほぼ共役となっており、さらにその照明条件（コヒーレ
ンスファクターσ値等）は照明光学系１によるレチクル
Ｒの照明条件と同一にしておくことが望ましい。例えば
特開平４−２２５３５９号公報に開示されたような傾斜
照明法（変形光源法）を採用する場合には、基準パター
ンに対しても傾斜照明を行うようにする。具体的には、
光ファイバー１１の射出面近傍に、その光軸に対して偏
心した複数（２つ、または４つ）の位置の各々に開口を
有する絞りを配置すれば良い。In this embodiment, four patterns are placed on the pattern plate 8.
A set of reference patterns is formed. Therefore, in order to perform focus position measurement using each of the four reference patterns independently, an aperture (shutter) for switching and irradiating illumination light to each reference pattern is arranged near the lower surface of the pattern plate 8. Alternatively, it is necessary to provide four sets of illumination means (10 to 13) and a photoelectric detector (14) corresponding to each of the four sets of reference patterns. Further, in the above-described apparatus (FIG. 1), the illumination light source 10 is provided separately from the exposure light source LS. However, a part of the illumination light IL emitted from the exposure light source LS is branched by a beam splitter or the like, and an optical fiber, It may be configured to be guided to below the pattern plate 8 by a mirror or the like. The exit surface of the optical fiber 11 is substantially conjugate with the pupil plane of the projection optical system 6, and its illumination conditions (such as a coherence factor σ value) are the same as the illumination conditions of the reticle R by the illumination optical system 1. It is desirable. For example, when an oblique illumination method (a modified light source method) as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-225359 is adopted, oblique illumination is performed also on a reference pattern. In particular,
A stop having an aperture at each of a plurality of (two or four) positions eccentric to the optical axis may be arranged near the exit surface of the optical fiber 11.

【００２２】さて、図１中には所定の基準平面（例えば
投影光学系６の結像面）に対するウエハ９やパターン板
８の傾きを検出するための斜入射光方式の傾斜検出系
（レベリングセンサー）１７、１８が設けられている。
傾斜検出系１７、１８は投影光学系６の光軸に関して対
称に配置され、かつその検出領域（平行光束の照射領
域）がウエハ９上の１つのショット領域とほぼ一致する
ように定められている。これは、照射光学系中に配置し
た可変視野絞りにより行われる。傾斜検出系１７、１８
の詳細な構成等については、例えば特開昭５８−１１３
７０６号公報に開示されているので、ここでは説明を省
略する。尚、図１では投影光学系６の光軸に対して斜め
に検出光を射出する光源１７と、ウエハ９、またはパタ
ーン板８の表面で反射した光を集光レンズ系を介して受
光する光電検出器、例えば４分割受光素子よりなる光電
センサ１８とを示している。上記の如き傾斜検出系１
７、１８ではウエハ９やパターン板８が傾くと、それに
応じて４分割受光素子の受光面上での上記反射光の集光
点が移動し、これにより傾斜量や傾斜方向を求めること
が可能となっている。また、図示していないが、例えば
特開昭６０−１６８１１２号公報に開示されたように、
ウエハ９やパターン板８のＺ方向の位置（移動量）を検
出するための斜入射光方式の焦点位置検出系も配置され
ているものとする。ここで、特開昭５８−１１３７０６
号公報に開示されているように、焦点位置検出系と傾斜
検出系とを組み合わせた系を用いるようにしても良い。
これら２組の検出系から出力される信号は信号処理回路
１９を介して信号処理ユニット１６、及びステージコン
トローラ２０に供給される。FIG. 1 shows an oblique incident light type inclination detecting system (leveling sensor) for detecting the inclination of the wafer 9 or the pattern plate 8 with respect to a predetermined reference plane (for example, the imaging plane of the projection optical system 6). ) 17 and 18 are provided.
The tilt detection systems 17 and 18 are arranged symmetrically with respect to the optical axis of the projection optical system 6, and their detection areas (parallel light beam irradiation areas) are determined so as to substantially coincide with one shot area on the wafer 9. . This is done by a variable field stop located in the illumination optical system. Tilt detection systems 17, 18
For details of the configuration, etc., see, for example,
Since it is disclosed in Japanese Patent Publication No. 706, description thereof is omitted here. In FIG. 1, a light source 17 for emitting detection light obliquely to the optical axis of the projection optical system 6 and a photoelectric device for receiving light reflected on the surface of the wafer 9 or the pattern plate 8 via a condenser lens system. The figure shows a detector, for example, a photoelectric sensor 18 composed of four divided light receiving elements. Inclination detection system 1 as described above
In 7 and 18, when the wafer 9 or the pattern plate 8 is tilted, the condensing point of the reflected light on the light receiving surface of the four-division light receiving element moves accordingly, whereby the tilt amount and tilt direction can be obtained. It has become. Although not shown, for example, as disclosed in JP-A-60-168112,
It is assumed that an oblique incident light type focus position detection system for detecting the position (movement amount) of the wafer 9 and the pattern plate 8 in the Z direction is also provided. Here, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-113706
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-209, a system in which a focus position detection system and an inclination detection system are combined may be used.
The signals output from these two sets of detection systems are supplied to the signal processing unit 16 and the stage controller 20 via the signal processing circuit 19.

【００２３】信号処理ユニット１６は、光電検出器１４
からの検出信号Ｓ１と焦点位置検出系からの検出信号と
をメモリに取り込み、所定の演算処理により投影光学系
６のイメージフィールド内の任意の位置での合焦点（ベ
ストフォーカス位置）のＺ軸の座標値を求め、この情報
をステージコントローラ２０、及び主制御系２７に供給
する。主制御系２７は、信号処理ユニット１６からの情
報、すなわち投影光学系６のイメージフィールド内の少
なくとも３つの位置の各々での合焦点（Ｚ座標値）に基
づいて、所定の演算処理（例えば平均化処理、最小二乗
法等）により投影光学系６の結像面を算出し、この演算
結果に従ってステージコントローラ２０によりＺＬステ
ージ７Ｂを傾斜させた後、パターン板８を用いて傾斜検
出系１７、１８の較正（キャリブレーション）を行う
他、装置全体を統括制御する。The signal processing unit 16 includes the photoelectric detector 14
And the detection signal from the focus position detection system are fetched into a memory, and the Z-axis of the focal point (best focus position) at an arbitrary position in the image field of the projection optical system 6 is obtained by a predetermined arithmetic processing. The coordinate values are obtained, and this information is supplied to the stage controller 20 and the main control system 27. The main control system 27 performs predetermined arithmetic processing (for example, averaging) based on information from the signal processing unit 16, that is, a focal point (Z coordinate value) at each of at least three positions in the image field of the projection optical system 6. The imaging plane of the projection optical system 6 is calculated by a conversion process, a least squares method, and the like, and the ZL stage 7B is tilted by the stage controller 20 according to the calculation result. In addition to performing calibration, the overall control of the entire apparatus is performed.

【００２４】ところで、照明光学系１から射出した照明
光ＩＬの一部は半透過鏡２で反射された後、集光光学系
２３を介して照射量センサ（光電検出器）２４の受光面
に集束され、照射量センサ２４から出力される光電変換
信号をセンサコントロールユニット２５に供給する。ま
た、環境センサ２６は投影光学系６の近傍に配置され、
その周囲の大気圧、温度、湿度等を計測し、この計測結
果をセンサコントロールユニット２５に供給する。セン
サコントロールユニット２５は、照射量センサ２４から
出力される信号を積分して得た投影光学系６に対する照
射量の情報、及び投影光学系６の周囲の大気圧、温度、
湿度等の情報を主制御系２７に供給する。主制御系２７
は、信号処理ユニット１６及びステージコントローラ２
０に所定の動作を指示するためのコマンドを供給し、信
号処理ユニット１６及びステージコントローラ２０から
主制御系２７には信号Ｓ１及びＳ２のデータ等が供給さ
れる。By the way, a part of the illumination light IL emitted from the illumination optical system 1 is reflected by the semi-transmissive mirror 2 and then passes through the condensing optical system 23 to the light receiving surface of the irradiation amount sensor (photoelectric detector) 24. The focused photoelectric conversion signal output from the irradiation amount sensor 24 is supplied to the sensor control unit 25. The environment sensor 26 is disposed near the projection optical system 6,
The surrounding atmospheric pressure, temperature, humidity, and the like are measured, and the measurement result is supplied to the sensor control unit 25. The sensor control unit 25 integrates information on the irradiation amount to the projection optical system 6 obtained by integrating the signal output from the irradiation amount sensor 24, and the atmospheric pressure, temperature, and the like around the projection optical system 6.
Information such as humidity is supplied to the main control system 27. Main control system 27
Are the signal processing unit 16 and the stage controller 2
A command for instructing a predetermined operation to 0 is supplied, and data of the signals S1 and S2 are supplied to the main control system 27 from the signal processing unit 16 and the stage controller 20.

【００２５】また、図１にはレチクルＲ上のバーコード
パターンＢＣを読み込むバーコードリーダー２９が設け
られており、主制御系２７はバーコードパターンＢＣに
記入された情報に基づいて上記装置（図１）の各種条件
設定を行う。レチクルＲ上のバーコードパターンＢＣに
は各種条件を記入しておいても良いし、あるいは主制御
系２７はレチクル名とそれに対応する各種条件を記憶
（予め入力）しておき、バーコードパターンＢＣに記入
されたレチクル名と上記記憶内容とを照合して各種条件
を決定（設定）しても良い。尚、上記各種条件やレチク
ル名等をオペレータがキーボード５０により主制御系２
７に入力するようにしても良い。また、表示装置（ＣＲ
Ｔ等）は装置の動作状態等をオペレータに知らせるもの
であり、例えば光電検出器１４からの検出信号Ｓ１の波
形や上記の如く算出した投影光学系６の結像面の傾斜状
態等を表示するようにしても良い。FIG. 1 shows a bar code reader 29 for reading the bar code pattern BC on the reticle R. The main control system 27 operates based on the information written in the bar code pattern BC based on the information described above (see FIG. 1). Various conditions are set in 1). Various conditions may be written in the barcode pattern BC on the reticle R, or the main control system 27 stores (inputs in advance) the reticle name and various conditions corresponding to the reticle name, and stores the barcode pattern BC. The various conditions may be determined (set) by comparing the reticle name entered in the above with the stored contents. The operator inputs the above various conditions and the reticle name using the keyboard 50 to the main control system 2.
7 may be input. The display device (CR
T) informs the operator of the operation state of the apparatus and the like, and displays, for example, the waveform of the detection signal S1 from the photoelectric detector 14 and the inclination state of the imaging plane of the projection optical system 6 calculated as described above. You may do it.

【００２６】次に、上記構成の装置（図１）での傾斜検
出系１７、１８のキャリブレーション動作について簡単
に説明する。尚、焦点位置検出系はウエハステージ７の
Ｚ軸座標ＺB が合焦点（零点基準）として設定されてい
るものとする。さて、主制御系２７はレチクルＲをレチ
クルステージ５にローディングした際、バーコードリー
ダ２９にて読み込んだ情報のうち、特にレチクルＲのパ
ターン領域ＰＡの大きさや形状に関する情報に基づい
て、投影光学系６の最良結像面を算出するために必要な
イメージフィールド内で合焦点を検出すべき計測点の位
置や数を決定する。ここで、計測点は少なくとも３点必
要であり、結像面の算出精度等に応じてその数を決定す
れば良い。また、計測点の位置は、例えばイメージフィ
ールド（パターン領域ＰＡ）内の中心、及びその外周付
近に定めることが望ましい。Next, a brief description will be given of the calibration operation of the tilt detection systems 17 and 18 in the apparatus having the above configuration (FIG. 1). The focal position detection system shall be Z-axis coordinate Z B of the wafer stage 7 is set as the focus point (zero point reference). When the reticle R is loaded on the reticle stage 5, the main control system 27 uses the projection optical system based on the information read by the barcode reader 29, particularly on the size and shape of the pattern area PA of the reticle R. The position and number of measurement points at which the focal point should be detected in the image field required to calculate the best imaging plane No. 6 are determined. Here, at least three measurement points are required, and the number may be determined in accordance with the calculation accuracy of the imaging plane or the like. Further, it is desirable that the positions of the measurement points are determined, for example, at the center in the image field (pattern area PA) and near the outer periphery thereof.

【００２７】次に、主制御系２７はステージコントロー
ラ２０を介してＸＹステージ７Ａを駆動することによ
り、パターン板８（例えば基準パターン２８Ａ）を投影
光学系６のイメージフィールド内の所望の計測点（すな
わち、先に決定した少なくとも３つの計測点のうちの１
つであり、ここでは投影光学系６の光軸位置とする）に
移動させる。しかる後、ＺＬステージ７ＢのＺ軸座標を
現在位置（合焦点）ＺBからΔＺだけ下方（投影光学系
６から遠ざかる方向）に移動させる。ここで、投影光学
系６の結像面のＺ軸方向への変動の予想される最大の絶
対値をＺMAX すると、間隔（移動量）ΔＺはΔＺ＞Ｚ
MAX となるように選ばれている。Next, the main control system 27 drives the XY stage 7A via the stage controller 20 to move the pattern plate 8 (for example, the reference pattern 28A) to a desired measurement point (in the image field of the projection optical system 6). That is, one of the at least three measurement points determined earlier
In this case, the position is moved to the optical axis position of the projection optical system 6). Thereafter, move only downward (direction away from the projection optical system 6) [Delta] Z of the Z-axis coordinate of the ZL stage 7B from the current position (focus point) Z B. Here, if the maximum expected absolute value of the fluctuation of the imaging plane of the projection optical system 6 in the Z-axis direction is Z MAX , the interval (movement amount) ΔZ is ΔZ> Z.
It has been chosen to be MAX .

【００２８】さらに主制御系２７は、ステージコントロ
ーラ２０及びＺＬ駆動系２２を介してＺＬステージ７Ｂ
を位置（ＺB −ΔＺ）から上方にほぼ一定速度で移動
（スキャン）させる。この走査が開始されると、信号処
理ユニット１６は所定のサンプリングパルスに同期し
て、光電検出器１４からの検出信号Ｓ１及び焦点位置検
出系（不図示９）からの検出信号を並行して取り込んで
それぞれメモリに書き込む。このとき、ステージコント
ローラ２０はＺＬステージ７ＢのＺ軸座標が（ＺB＋Δ
Ｚ）に達したか否かを調べ、Ｚ軸座標が（ＺB ＋ΔＺ）
に達した時点でＺＬステージ７Ｂの走査を停止する。し
かる後、信号処理ユニット１６は投影光学系６の光軸位
置での合焦点（ベストフォーカス位置）のＺ軸座標を算
出し、この座標値を主制御系２７に出力する。Further, the main control system 27 is connected to the ZL stage 7B via the stage controller 20 and the ZL drive system 22.
Is moved (scanned) upward from the position (Z B -ΔZ) at a substantially constant speed. When this scanning is started, the signal processing unit 16 acquires the detection signal S1 from the photoelectric detector 14 and the detection signal from the focus position detection system (not shown) in parallel in synchronization with a predetermined sampling pulse. To write to each memory. At this time, the stage controller 20 determines that the Z-axis coordinate of the ZL stage 7B is (Z B + Δ
Checks whether reached Z), Z-axis coordinate (Z B + ΔZ)
, The scanning of the ZL stage 7B is stopped. Thereafter, the signal processing unit 16 calculates the Z-axis coordinate of the focal point (best focus position) at the optical axis position of the projection optical system 6 and outputs this coordinate value to the main control system 27.

【００２９】以下、主制御系２７は上記と全く同様の動
作で、先に決定したイメージフィールド内の全ての計測
点の各々についてその合焦点の座標値を求める。しかる
後、これら複数の合焦点（座標値）から投影光学系６の
結像面を算出する。ここで、投影光学系６の結像面は像
面湾曲等があるので、例えば最小二乗法を用いて近似的
な面を求め、当該面を結像面とする。さらに主制御系２
７は、投影光学系６の結像面とパターン板８の表面とが
一致する（平行になる）ように、先に算出した結像面
（近似平面）に基づいて３組の駆動素子の駆動量を求め
る。そして、この駆動量をステージコントローラ２０に
与え、ＺＬ駆動系２２によりＺＬステージ７Ｂを駆動す
る。主制御系２７は、上記動作により投影光学系６の結
像面とパターン板８の表面とがほぼ一致した状態で、傾
斜検出系１７、１８を用いてパターン板８の表面を検出
する。そして、パターン板８の表面で反射した光の集光
点が４分割受光素子の受光面の中心と一致するように、
例えば傾斜検出系１７、１８の光路中に配置した平行平
板ガラス（プレーンパラレル）を傾斜させることで傾斜
検出系１７、１８のキャリブレーションを行う。ここで
は、平行平板ガラスを傾斜させて光学的にオフセットを
与える方法について述べたが、キャリブレーション方法
はこれ以外のいかなる方法を採用しても良く、例えば投
影光学系６の結像面とパターン板８の表面とが一致した
ときの光電センサ１８からの検出信号Ｓ２の値を基準値
として記憶しておき、以後は検出信号Ｓ２が基準値によ
うにＺＬステージ７Ｂの制御を行うようにしても良い。Thereafter, the main control system 27 obtains the coordinate value of the focal point for each of all the measurement points in the previously determined image field in exactly the same operation as described above. Thereafter, the imaging plane of the projection optical system 6 is calculated from the plurality of focal points (coordinate values). Here, since the image forming surface of the projection optical system 6 has a curvature of field and the like, an approximate surface is obtained by using, for example, the least square method, and the surface is set as the image forming surface. Furthermore, main control system 2
Reference numeral 7 denotes driving of three sets of driving elements based on the previously calculated image plane (approximate plane) so that the image plane of the projection optical system 6 and the surface of the pattern plate 8 coincide (become parallel). Find the quantity. Then, the driving amount is given to the stage controller 20, and the ZL stage 7B is driven by the ZL driving system 22. The main control system 27 detects the surface of the pattern plate 8 by using the tilt detection systems 17 and 18 in a state where the imaging plane of the projection optical system 6 and the surface of the pattern plate 8 are almost coincident by the above operation. Then, such that the focal point of the light reflected on the surface of the pattern plate 8 coincides with the center of the light receiving surface of the quadrant light receiving element.
For example, the tilt detection systems 17 and 18 are calibrated by tilting a parallel flat glass (plane parallel) disposed in the optical path of the tilt detection systems 17 and 18. Here, the method of tilting the parallel plate glass to give an optical offset has been described. However, any other calibration method may be adopted. For example, the image forming plane of the projection optical system 6 and the pattern plate may be used. The value of the detection signal S2 from the photoelectric sensor 18 when the surface 8 coincides with the surface is stored as a reference value, and thereafter, the ZL stage 7B is controlled so that the detection signal S2 becomes the reference value. good.

【００３０】ここで、投影光学系６のイメージフィール
ド内の任意の１点で合焦点を検出する際、上記の如き計
測動作を複数回繰り返して行うことで焦点位置の計測精
度を向上させることができる。このとき、１回の計測
（ＺＬステージ７Ｂの走査）毎にＸＹステージ７Ａを移
動し、投影光学系６の光軸に垂直な面（ＸＹ平面）内で
のパターン板８の位置を微小量だけ変位させる。これに
より、パターン板８上の基準パターンの像が投影される
レチクルＲのパターン領域ＰＡでの位置も微小量だけ変
位するので、そのパターン領域ＰＡのパターンの影響が
除去され、計測精度の低下が防止される。Here, when detecting an in-focus point at an arbitrary point in the image field of the projection optical system 6, the measurement operation as described above is repeated a plurality of times to improve the accuracy of measuring the focal position. it can. At this time, the XY stage 7A is moved for each measurement (scanning of the ZL stage 7B), and the position of the pattern plate 8 in the plane (XY plane) perpendicular to the optical axis of the projection optical system 6 is changed by a very small amount. Displace. Accordingly, the position of the reticle R on which the image of the reference pattern on the pattern plate 8 is projected is also displaced by a very small amount, so that the influence of the pattern of the pattern area PA is removed, and the measurement accuracy is reduced. Is prevented.

【００３１】また、本実施例ではイメージフィールド内
の複数の計測点の各々で合焦点を検出する際、計測点毎
にＸＹステージ７Ａを移動してパターン板８上の基準パ
ターンを所望の計測点にほぼ一致させた後、ＺＬステー
ジ７Ｂを微動させるようにしていた。しかしながら、予
めパターン板８上のイメージフィールドに対応した範囲
内に複数の基準パターンを形成するとともに、基準パタ
ーン毎に合焦状態検出系（１０〜１４）を配置しておけ
ば、ＺＬステージ７Ｂを１回だけＺ方向に走査するだけ
で全ての計測点での合焦点を検出することが可能とな
る。In this embodiment, when detecting the focal point at each of a plurality of measurement points in the image field, the XY stage 7A is moved for each measurement point to move the reference pattern on the pattern plate 8 to the desired measurement point. After that, the ZL stage 7B is slightly moved. However, if a plurality of reference patterns are formed in advance in a range corresponding to an image field on the pattern plate 8 and a focus state detection system (10 to 14) is arranged for each reference pattern, the ZL stage 7B can be moved. It is possible to detect the focal points at all measurement points by scanning only once in the Z direction.

【００３２】また、このような複数の基準パターンが形
成されたパターン板８を用いる場合、傾斜検出系１７、
１８のキャリブレーション動作に先立って投影光学系６
の結像面とパターン板８の表面とを一致させた後、再度
ＺＬステージ７をＺ方向に微動してイメージフィールド
内の各基準パターンの形成位置での合焦点を検出するこ
とによって、投影光学系６の結像面とパターン板８の表
面とが正確に平行になっているか否かを簡単にチェック
（及び補正）することができる。尚、ＺＬステージ７Ｂ
を駆動して投影光学系６の結像面とパターン板８の表面
とを一致させる際、焦点位置検出系を用いてパターン板
８の表面を検出しながらＺＬステージ７Ｂを駆動すれ
ば、両者を正確に一致させることができる。When the pattern plate 8 on which a plurality of such reference patterns are formed is used, the inclination detecting system 17,
Prior to the calibration operation of 18, the projection optical system 6
After making the image plane coincide with the surface of the pattern plate 8, the ZL stage 7 is finely moved again in the Z direction to detect the focal point at the formation position of each reference pattern in the image field, thereby projecting the projection optical system. It is possible to easily check (and correct) whether or not the image plane of the system 6 and the surface of the pattern plate 8 are exactly parallel. In addition, ZL stage 7B
When the ZL stage 7B is driven while detecting the surface of the pattern plate 8 using the focal position detection system when the imaging plane of the projection optical system 6 is made to coincide with the surface of the pattern plate 8 by driving Can be matched exactly.

【００３３】このとき、例えば投影光学系６のイメージ
フィールド内の予め定められた複数点の各々において、
ウエハ９の投影光学系６の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置
を検出可能な光学系を焦点位置検出系として用いること
が望ましい。この種の光学系としては、従来の焦点位置
検出系を複数個配置する方法、あるいはウエハ表面（投
影光学系６のイメージフィールドの範囲内）に長大スリ
ットを１本ないし複数本形成し、１次元または２次元の
ラインセンサ等によってこのスリット像を複数に分割し
て受光する方式（検出原理は従来の焦点位置検出系と同
じ）等がある。また、この種の光学系では投影光学系６
のイメージフィールド内における当該光学系の複数の測
定点と合焦状態検出手段（１０〜１５）による合焦点の
複数の検出点とを一致させておくことが望ましい。At this time, for example, at each of a plurality of predetermined points in the image field of the projection optical system 6,
It is desirable to use an optical system capable of detecting the position of the projection optical system 6 of the wafer 9 in the optical axis direction (Z-axis direction) as the focus position detection system. As this type of optical system, a conventional method of arranging a plurality of focus position detection systems, or forming one or more long slits on the wafer surface (within the range of the image field of the projection optical system 6) and forming one-dimensional slits Alternatively, there is a method in which the slit image is divided into a plurality of parts by a two-dimensional line sensor and the like and light is received (the principle of detection is the same as that of a conventional focus position detection system). In this type of optical system, the projection optical system 6
It is desirable that the plurality of measurement points of the optical system and the plurality of focus detection points by the focus state detection means (10 to 15) in the image field are matched.

【００３４】また、図２のパターン板８上の振幅型の回
折格子２８Ａ〜２８Ｄを、例えばマトリックス状に配置
されたＥＣＤ（エレクトロクロミックデバイス）、ある
いは液晶素子等により構成しても良い。そのマトリック
スを構成する各微小素子の印加電圧を制御することによ
り、種々の格子パターンを形成することができる。例え
ばウエハに転写されるパターンの微細度（ピッチ、周期
性）や形状と同一条件となるようにＥＣＤ等によって格
子パターンを形成しても良い。The amplitude type diffraction gratings 28A to 28D on the pattern plate 8 in FIG. 2 may be constituted by, for example, ECDs (electrochromic devices) arranged in a matrix or liquid crystal elements. Various lattice patterns can be formed by controlling the voltage applied to each microelement constituting the matrix. For example, a lattice pattern may be formed by ECD or the like so that the same conditions as the fineness (pitch, periodicity) and shape of the pattern transferred to the wafer are satisfied.

【００３５】[0035]

【発明の効果】本発明の第１の投影露光装置によれば、
マスクの交換を行うことなく、かつ計測専用のマークを
マスクに形成せずとも、高速、高精度に随時投影光学系
のイメージフィールド内の任意の位置での焦点位置（ベ
ストフォーカス位置）を検出できる。従って、常に投影
光学系の最良結像面と感光基板（ショット領域）の表面
とを正確に一致させてマスクのパターンの像を感光基板
に転写でき、しかもスループットを低下させることもな
い。また、本発明の第２の投影露光装置及び投影露光方
法によれば、傾斜検出手段の較正（キャリブレーショ
ン）を逐次行うことができるので、常に投影光学系の結
像面と感光基板の露光面（表面）とを正確に一致させる
（平行に設定する）ことができ、感光基板上の１つのシ
ョット領域の全面を投影光学系の焦点深度内に設定する
ことが可能となる。According to the first projection exposure apparatus of the present invention,
The focus position (best focus position) at any position in the image field of the projection optical system can be detected at high speed and with high accuracy at any time without exchanging the mask and forming a measurement-only mark on the mask. . Therefore, the image of the pattern of the mask can always be transferred to the photosensitive substrate by accurately matching the best image forming plane of the projection optical system with the surface of the photosensitive substrate (shot area) without lowering the throughput. A second projection exposure apparatus and a projection exposure method according to the present invention
According to the method, the calibration of the inclination detecting means can be performed sequentially, so that the image forming surface of the projection optical system always coincides exactly with the exposure surface (surface) of the photosensitive substrate (set in parallel). ), And the entire surface of one shot area on the photosensitive substrate can be set within the depth of focus of the projection optical system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の全体構成
を概略的に示す図。FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a projection exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図２】図１中のパターン板の具体的な構成を示す図。FIG. 2 is a view showing a specific configuration of a pattern plate in FIG. 1;

【図３】図１中のウエハステージの具体的な構成を示す
図。FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of a wafer stage in FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

Ｒ レチクル ６ 投影光学系 ７ ウエハステージ ８ パターン板 ９ ウエハ １６ 信号処理ユニット ２０ ステージコントローラ ２７ 主制御系 ２８Ａ〜２８Ｄ 基準パターン（回折格子） R Reticle 6 Projection optical system 7 Wafer stage 8 Pattern plate 9 Wafer 16 Signal processing unit 20 Stage controller 27 Main control system 28A to 28D Reference pattern (diffraction grating)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 光源からの照明光をマスクに照射する照
明光学系と、前記マスクに形成されたパターンを感光基
板に結像投影する投影光学系と、前記感光基板を保持し
て前記投影光学系の結像面に対して任意に傾斜可能な基
板ステージと、前記投影光学系とは無関係に前記感光基
板表面の傾斜量を検出する傾斜検出手段とを備えた投影
露光装置において、 前記基板ステージの一部に設けられ、所定形状の基準パ
ターンを有するパターン板と； 該パターン板の下面より前記照明光とほぼ同一波長の照
明光を前記基準パターンに照射する照明手段と； 前記基準パターンを透過して前記投影光学系を介して前
記マスクのパターン面に照射され、該パターン面から反
射されて前記投影光学系及び前記基準パターンを介して
戻された光を受光する光電検出手段と； 前記パターン板と前記投影光学系の結像面とを前記投影
光学系の光軸方向に相対移動させたとき、前記光電検出
手段から出力される検出信号に基づいて前記投影光学系
の焦点位置を検出する焦点位置検出手段と； 前記投影光学系のイメージフィールド内の互いに異なる
少なくとも３つの位置の各々での焦点位置に基づいて前
記投影光学系の結像面の傾斜状態を算出する演算手段
と； 前記投影光学系の結像面と前記パターン板の表面とがほ
ぼ一致するように、前記算出された前記結像面の傾斜状
態に応じて前記基板ステージの傾斜を制御する制御手段
と； 該制御手段によって前記投影光学系の結像面と前記パタ
ーン板の表面とがほぼ一致した状態のとき、前記傾斜検
出手段が前記パターン板の表面を基準面として検知する
ように前記傾斜検出手段を較正する手段とを備えたこと
を特徴とする投影露光装置。An illumination optical system for illuminating a mask with illumination light from a light source; a projection optical system for forming and projecting a pattern formed on the mask onto a photosensitive substrate; and the projection optical system holding the photosensitive substrate. A projection exposure apparatus comprising: a substrate stage that can be arbitrarily tilted with respect to an imaging plane of a system; and a tilt detection unit that detects a tilt amount of the photosensitive substrate surface independently of the projection optical system. A pattern plate provided with a reference pattern having a predetermined shape; a lighting unit for irradiating the reference pattern with illumination light having substantially the same wavelength as the illumination light from a lower surface of the pattern plate; and transmitting the reference pattern. A photoelectric detector that irradiates the pattern surface of the mask through the projection optical system and receives light reflected from the pattern surface and returned through the projection optical system and the reference pattern. When the pattern plate and the image plane of the projection optical system are relatively moved in the optical axis direction of the projection optical system, the projection optical system is based on a detection signal output from the photoelectric detection unit. Focus position detecting means for detecting the focal position of the projection optical system; and calculating the tilt state of the imaging plane of the projection optical system based on the focal positions at each of at least three different positions in the image field of the projection optical system. Control means for controlling the inclination of the substrate stage in accordance with the calculated inclination state of the image plane so that the image plane of the projection optical system and the surface of the pattern plate substantially coincide with each other; And when the control means is in a state where the image plane of the projection optical system and the surface of the pattern plate are substantially coincident with each other, the inclination detecting means detects the surface of the pattern plate as a reference plane. Means for calibrating the inclination detecting means. 【請求項２】 マスクのパターンを基板上に投影する投
影光学系と、前記基板を保持する基板ステージと、を備
えた投影露光装置において、前記マスクに設けられたバーコードパタ−ンの情報を読
み取り、前記マスクの 前記パタ−ンの領域に基づいて前
記投影光学系のイメージフィールド内における複数の計
測点を決定する決定手段と、 前記決定手段で決定された前記投影光学系のイメージフ
ィールド内における前記複数の計測点の各々で、前記投
影光学系を介して光を検出することにより前記投影光学
系の焦点位置を検出する焦点位置検出手段と、 前記焦点位置検出手段からの検出結果に基づいて前記投
影光学系の結像面の傾斜状態を算出する演算手段と、 前記基板ステージ上に設けられた基準面と、前記投影光学系を介さずに前記基板と前記基準面とのい
ずれか一方に光を照射して、該光が照射された前記基板
と前記基準面とのいずれか一方の傾きを検出する傾斜検
出手段と、 前記算出された前記結像面の傾斜状態に基づいて、前記
結像面と前記基準面とがほぼ一致するように前記基準面
の傾斜を制御する制御手段と、 前記結像面とほぼ一致した前記基準面を前記傾斜検出手
段によって検出したときの前記傾斜検出手段の検出信号
を基準として前記傾斜検出手段を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。2. A projection exposure apparatus comprising: a projection optical system for projecting a pattern of a mask onto a substrate; and a substrate stage for holding the substrate, wherein information on a bar code pattern provided on the mask is transmitted. Reading
Based on the area of the pattern on the mask.
Multiple meters in the image field of the projection optical system
Determining means for determining a measurement point; and an image file of the projection optical system determined by the determining means.
At each of the plurality of measurement points in the field, the
The projection optics by detecting light via shadow optics
A focus position detecting means for detecting a focus position of the system; a calculating means for calculating a tilt state of an image forming surface of the projection optical system based on a detection result from the focus position detecting means; and A reference plane between the substrate and the reference plane without passing through the projection optical system.
Irradiating one of the substrates with light and irradiating the substrate with the light.
Tilt detection for detecting the tilt of either one of the reference plane and the reference plane.
Output means, and control means for controlling the inclination of the reference plane based on the calculated state of inclination of the imaging plane so that the imaging plane and the reference plane substantially coincide with each other. Calibration means for calibrating the inclination detection means based on a detection signal of the inclination detection means when the inclination detection means detects the reference surface substantially coincident with the inclination plane;
A projection exposure apparatus comprising: 【請求項３】 前記基準面上には所定形状の基準パター
ンが設けられ、 前記焦点位置検出手段は、前記投影光学系と前記基準パ
ターンとを介して得られた光を検出することにより、前
記複数の計測点の各々での前記投影光学系の焦点位置を
検出することを特徴とする請求項２に記載の投影露光装
置。3. A reference pattern having a predetermined shape is provided on the reference surface, and the focus position detecting means detects light obtained through the projection optical system and the reference pattern, thereby 3. The projection exposure apparatus according to claim 2, wherein a focus position of the projection optical system at each of a plurality of measurement points is detected. 【請求項４】 前記基準パターンは、前記投影光学系の
イメージフィールド内における複数の計測点のそれぞれ
に配置されるように、前記基準面上に複数個設けられて
いることを特徴とする請求項３に記載の投影露光装置。4. The apparatus according to claim 1, wherein a plurality of said reference patterns are provided on said reference plane so as to be arranged at each of a plurality of measurement points in an image field of said projection optical system. 4. The projection exposure apparatus according to 3. 【請求項５】 前記基板ステージは、前記基板と前記基
準面とを保持する第１ステージと、該第１ステージとと
もに前記投影光学系の光軸に垂直な方向に移動する第２
ステージとを有した基板ステージとを備えることを特徴
とする請求項２から４のいずれか１項記載の投影露光装
置。 5. The substrate stage includes a substrate and the substrate.
A first stage for holding a reference plane, and the first stage
The second moving in a direction perpendicular to the optical axis of the projection optical system.
And a substrate stage having a stage.
The projection exposure apparatus according to any one of claims 2 to 4,
Place. 【請求項６】 基板と投影光学系の結像面とを一致させ
て、前記投影光学系によりマスクのパターンをステージ
に保持された前記基板に投影する投影露光方 法におい
て、 前記投影光学系を介さずに前記基板と前記ステージに設
けられた基準面とのいずれか一方に光を照射して、該光
が照射された前記基板と前記基準面とのいずれか一方の
傾きを検出する傾斜検出手段を設け、 前記マスクに設けられたバーコードパタ−ンの情報を読
み取り、前記マスクの前記パタ−ンの領域に基づいて前
記投影光学系のイメージフィールド内における複数の計
測点を決定し、 前記決定された前記投影光学系のイメージフィールド内
における前記複数の計測点の各々で、前記投影光学系を
介して光を検出することにより前記投影光学系の焦点位
置を検出し、 前記検出結果に基づいて前記投影光学系の結像面の傾斜
状態を算出し、 前記算出された前記結像面の傾斜状態に基づいて、前記
ステージ上に設けられた基準面と前記結像面とがほぼ一
致するように前記基準面の傾斜を制御し、 前記結像面とほぼ一致した前記基準面を前記傾斜検出手
段によって検出したときの前記傾斜検出手段の検出信号
を基準として前記傾斜検出手段を較正することを特徴と
する投影露光方法。6. The apparatus according to claim 1, wherein the substrate and the image forming plane of the projection optical system are aligned.
The mask pattern is staged by the projection optical system.
Projection exposure how odor to be projected on the substrate held on
Te, set to the substrate and the stage without passing through the projection optical system
Irradiate light to one of the
Is irradiated either of the substrate and the reference surface
An inclination detecting means for detecting an inclination is provided to read information of a bar code pattern provided on the mask.
Based on the area of the pattern on the mask.
Multiple meters in the image field of the projection optical system
Determining a measuring point, in the determined image field of the projection optical system
At each of the plurality of measurement points in the projection optical system
Detecting the light through the focal position of the projection optical system
Position, and calculates the tilt state of the imaging plane of the projection optical system based on the detection result. Based on the calculated tilt state of the imaging plane, a reference plane provided on the stage And controlling the inclination of the reference plane so that the image plane substantially coincides with the image plane. A detection signal of the inclination detection unit when the inclination plane detects the reference plane substantially coincident with the image plane is detected. A projection exposure method, comprising calibrating the inclination detecting means as a reference. 【請求項７】 前記基準面上には所定形状の基準パター
ンが設けられ、 前記投影光学系と前記基準パターンとを介して得られた
光を検出することにより、前記複数の計測点の各々での
前記投影光学系の焦点位置を検出することを特徴とする
請求項６に記載の投影露光方法。7. A reference pattern having a predetermined shape is provided on the reference plane, and by detecting light obtained through the projection optical system and the reference pattern, each of the plurality of measurement points is detected. 7. The projection exposure method according to claim 6, wherein a focus position of said projection optical system is detected. 【請求項８】 前記基準パターンは、前記投影光学系の
イメージフィールド内における複数の計測点のそれぞれ
に配置されるように、前記基準面上に複数個設けられて
いることを特徴とする請求項７に記載の投影露光方法。8. A plurality of the reference patterns are provided on the reference plane so as to be arranged at each of a plurality of measurement points in an image field of the projection optical system. 8. The projection exposure method according to 7.
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