JPH0982620A

JPH0982620A - ベストフォーカス位置の検出方法

Info

Publication number: JPH0982620A
Application number: JP7241652A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Irie; 信行入江
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】焦点計測用マークの大きさを高い精度で求め
る。【解決手段】投影光学系（ＰＬ）のベストフォーカス
位置を決定するために感光基板上に露光された計測用パ
ターン像（Ｍ）の大きさ（Ｌ）を求めるに際して、ま
ず、基坂上の計測用パターン像を検出するパターン検出
系の出力信号を複数のスライスレベルでスライスし（Ｓ
１０８）、各スライスレベルにおける前記計測用パター
ン像の大きさを求める（Ｓ１０９）。次いで、求めた計
測用パターン像の大きさをスライスレベルを変数とする
関数で近似し（Ｓ１１０）、この近似関数に基づいて計
測用パターン像の大きさを算出する（Ｓ１１１）。この
結果、検出信号に乗るノイズの影響を軽減でき、高い精
度で計測用パターンの像の大きさを求めることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッドなどをリソグラフ
ィ工程で製造する際に用いられる投影露光装置におい
て、投影光学系のベストフォーカス位置を算出する方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄
膜磁気ヘッドなどをリングラフィ工程で製造する際に、
フォトマスク又はレチクル（以下「レチクル」と総称す
る。）のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上
に露光する投影露光装置が使用されている。かかる投影
露光装置を用いてレチクルのパターン像を高い解像度で
感光基板上に露光するためには、感光基板の露光面を投
影光学系の光軸方向において最良の結像面が得られる位
置（ベストフォーカス位置）に合わせる必要がある。そ
のためには、何等かの方法で投影光学系のベストフォー
カス位置を予め求めておく必要がある。

【０００３】従来のベストフォーカス位置の計測方法と
して、例えば特開平１−１８７８１７号公報に開示され
ているように、レチクルに形成された焦点計測用のマー
クｍ（図２）をフォーカス位置を変えて感光基板上に露
光する、いわゆるテストプリントにより、ベストフォー
カス位置を求める方法が知られている。具体的には、例
えば図２に示すように、４個の細長い菱形のパターンを
幅方向に所定ピッチＰ１で並べたパターン群をさらに別
の所定ピッチＰ２で複数個並べた焦点計測用のマークｍ
を、感光基板（例えば、感光材が塗布されたウェハ）上
にフォーカス位置を変えて露光する（図３（ａ））。

【０００４】その後、ウェハの現像を行ってそれら焦点
計測用のマーク像Ｍを凹凸のあるレジストパターンに変
換して、各マーク像Ｍの長さ（マーク長）が計測され
る。この場合、ウェハの露光面がベストフォーカス位置
にあると、その焦点計測用のマーク像Ｍの長さＬが最大
になることから、そのマーク像ＭのマークＬを計測する
ことによりベストフォーカス位置を求めることができ
る。

【０００５】そのマーク長Ｌを計測するために、従来
は、各マーク像Ｍの近傍に、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ
を、図３（ａ）に示すように、縦長のスリット状のビー
ムＳＢとして照射する。そして、レーザ干渉計でウェハ
が載置されたウェハステージの位置を観測しながらその
ウェハステージを駆動して、各マーク像Ｍとそのレーザ
ビームＳＢとを相対的に走査する。その際、レーザビー
ムＳＢがマーク像Ｍ上に在るときには、そのマーク像Ｍ
から所定の方向に回折光又は散乱光が発生するので、そ
れら回折光又は散乱光を検出することにより、図３
（ｂ）に示すように、横軸にステージ位置（Ｘ）、縦軸
に信号強度（Ｓ）という波形（プロファイル）を得るこ
とができる。そして、得られた信号波形をボトムに近い
スライスレベルでスライスしたときの交点間距離を、当
該フォーカス位置におけるマーク像Ｍのマーク長Ｌとし
て計測していた。

【０００６】このようにして、従来は、各フォーカス位
置で計測マーク像Ｍのマーク長Ｌを求め、それらの計測
マーク像Ｍのマーク長Ｌをフォーカス位置の関数とし
て、例えば最小自乗法により曲線近似する。そして、求
めた近似曲線が所定範囲内で最大値を示すマーク長Ｌの
フォーカス位置を求め、その最大値よりも所定の値だけ
小さいスライスレベルで近似曲線をスライスし、その時
得られる２つの交点の中点をベストフォーカス位置とし
ていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、計測用マークを走査するためのレーザビームとし
て、短波長のＨｅ−Ｎｅレーザを用いているため、計測
用マーク像Ｍからの回折光又は散乱光は干渉の影響を受
けやすく、計測用マーク像Ｍのマーク長Ｌの計測値に誤
差が含まれ、従って、算出されたベストフォーカス位置
がラインアンドスペースマーク（以下、Ｌ／Ｓマークと
称する。）のベストフォーカス位置に対してオフセット
誤差を持つことがあった。

【０００８】また、各フォーカス位置にて求められる計
測用マークＭの実際の長さＬは、信号波形（信号のプロ
ファイル）をボトムに近いスライスレベルでスライスし
たときの交点間距離に近いものとなるが、ボトム部分で
はノイズ等の影響を受けやすいため、測定にあたり、あ
まり低いスライスレベルで信号波形をスライスすること
ができず、従って、計測用マーク像Ｍの実際の長さＬを
求められないという問題があった。

【０００９】また画像処理技法を用いて、計測用マーク
のマーク長を計測する手法も提案されているが、計測用
マークとして、図３（ａ）に示すように、両端が細くな
った菱形マークを用いた場合には、両端の細い部分まで
の長さを高い精度で測定することは困難であった。本発
明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであ
り、計測用マーク像のマーク長を計測する際に生じる、
Ｈｅ−Ｎｅレーザなどの干渉に起因する計測誤差を最小
に抑え、計測精度を向上させるとともに、干渉の影響に
より発生するＬ／Ｓマークのベストフォーカス位置と計
測用マークのベストフォーカス位置との差を解消し、フ
ォーカス管理を容易に行うことができるベストフォーカ
ス位置の検出方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、マスク（Ｒ）上のパターンの像（ｍ）を
所定面上に投影する投影光学系（ＰＬ）の光軸方向の複
数の位置の各々に感光性の基板（Ｗ）を配置して計測用
パターンの像（Ｍ）を投影し、基坂（Ｗ）上に形成され
た複数の計測用パターン像（Ｍ）の大きさ（Ｌ）に基づ
いて、投影光学系（ＰＬ）のベストフォーカス位置を検
出するに際して、基坂（Ｗ）上の計測用パターン像
（Ｍ）を検出するパターン検出系（１２０）の出力信号
を複数のスライスレベルでスライスし、各スライスレベ
ルにおける計測用パターン像（Ｍ）の大きさ（Ｌ）を求
める第１工程と、その第１工程で求められた計測用パタ
ーン像（Ｍ）の大きさ（Ｌ）をスライスレベルを変数と
する関数で近似し、この近似された関数に基づいて計測
用パターン像（Ｍ）の大きさ（Ｌ）を算出する第２工程
とを行うことを特徴としている。従って、本発明によれ
ば、計測用パターン像の大きさを近似された関数に基づ
いて間接的に計測するので、干渉の影響を受けにくく、
より精度の高い計測を行うことができる。

【００１１】この場合、計測用パターンを少なくとも１
つの楔状マークから構成し、第２工程で算出される計測
用パターン像の長さが最大となる光軸方向の位置をベス
トフォーカス位置として決定しても良い。また、計測用
パターンを複数の楔状マークからなる回折格子として構
成し、パターン検出系（１２０）を、計測用パターン像
と光ビームとの相対走査によって計測用パターン像から
発生する回折光を受光し、その回折光の強度に応じた光
電信号を出力するように構成しても良い。

【００１２】また、第２工程において、近似された関数
を用いてスライスレベルがほぼ零のときの計測用パター
ンの像の大きさを算出することが好ましい。さらに、第
１工程において、パターン検出系の出力信号を平滑化処
理しても良い。また、第２工程において、近似された関
数により求められた計測用パターン像の大きさと第１工
程で求められた計測用パターン像の大きさとの差の自乗
と、スライスレベルに応じた重みとの積の、スライスレ
ベルごとの和を最小とする最小自乗法により近似された
関数の最適化を図っても良い。その際に、スライスレベ
ルが低い程大きな重みを与えても良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるベストフォー
カス位置の検出方法の実施の一形態について、図１〜図
９を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態は、縮
小投影型露光装置（ステッパ）において投影光学系のベ
ストフォーカス位置を求める際に本発明を適用したもの
である。図１は、本実施例が適用されるステッパの構成
を示し、この図１において、露光用光源としての水銀放
電灯１０２からの光（ｇ線、ｉ線等）は楕円鏡１０４で
集光された後、露光量制御用のシャッタ１０６を通過す
る。そのシャッタ１０６を通過した光が、オプティカル
インテグレータ１０８で照度均一化された後、主コンデ
ンサレンズ１１０を介してレチクルＲを照明する。放電
灯１０２から主コンデンサレンズ１１０までは、いわゆ
る露光用照明光学系を構成し、放電灯１０２の発光強度
がほぼ一定であるとすると、シャッタ１０６の開時間を
シャッタコントローラ１１２で制御することで、常に一
定の露光量が得られる。レチクルＲは２次元平面内で
（Ｘ、Ｙ、回転方向に）微動されるレチクルステージＲ
Ｓ上に保持され、レチクルＲのパターン領域に形成され
た各種パターンを透過した光は、像側（又は両側）テレ
セントリックな投影光学系ＰＬによってウェハＷ上へ結
像投影される。ウェハＷはウェハステージＳＴ上に載置
されている。

【００１４】レチクルＲの初期設定は、レチクルＲ周辺
のアライメントマークを光電検出するレチクルアライメ
ント系１１４からのマーク検出信号に基づいて、レチク
ルステージＲＳを微動することによって行われる。一
方、ウェハステージＳＴは、ウェハＷを載置して一定量
ずつＸ方向及びＹ方向にステッピングして、ウェハＷ上
のショット領域（部分領域）毎に、レチクルＲのパター
ン領域の像を焼き付けるように移動する。またウェハス
テージＳＴは、ウェハＷ上の各種パターン（アライメン
トマークやレジストパターン）を光電検出する際にも移
動する。このウェハステージＳＴの動作はステージコン
トローラ１１６によって制御される。このステージコン
トローラ１１６には駆動用のモータ（不図示）と、ウェ
ハステージＳＴの座標値を遂次計測するレーザ干渉計
（不図示）とが設けられている。

【００１５】さらに、この種のステッパには、ウェハＷ
上の各種パターン（アライメントマーク等）を検出する
ためのウェハアライメント系が設けられている。本実施
の形態では、投影光学系ＰＬを介してウェハＷ上にスリ
ット状のスポット光を投射し、このスポット光に照射さ
れたマークパターンからの光情報、特に回折光や散乱光
を再び投影光学系ＰＬを介して検出するＴＴＬ（スルー
・ザ・レンズ）方式のウェハアライメント系１２０が設
けられている。

【００１６】ウェハアライメント系１２０において、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ光源又はＡｒイオンレーザ光源等の短波
長のレーザ光源１２１からのレーザビームは、シリンド
リカルレンズ等を含むレンズ系１２２、ビームスプリッ
タ１２３及び対物レンズ１２４を介してミラー１２５で
折曲げられて投影光学系ＰＬの入射瞳の中心を通るよう
に送光される。レーザビームは投影光学系ＰＬの軸外部
分からウェハＷ上へ垂直に照射され、レンズ系１２６の
作用でウェハＷ上で一方向に伸びたスリット状のスポッ
ト光となる。

【００１７】また、ウェハＷからの戻り光は、投影光学
系ＰＬを逆進し、対物レンズ１２４を介してビームスプ
リッタ１２３で反射され、瞳リレー系１２６、空間フィ
ルタ１２７及び集光レンズ１２８を通って光電変換素子
１２９に受光される。なお、空間フィルタ１２７は投影
光学系ＰＬの瞳面とほぼ共役な関係に配置され、ウェハ
Ｗからの戻り光のうち、正反射光を遮断して回折光と散
乱光を通す。光電変換素子１２９により光電変換された
信号は、信号処理系１３０に入力され、ここでマーク像
（パターン像）のプロファイルに対応した波形に基づい
て、マーク像の位置が検出される。このとき信号処理系
１３０は、ステージコントローラ１１６内のレーザ干渉
計からの位置計測パルス（例えば０．０２μｍ毎に１パ
ルス）を使って、スポット光とウェハＷとを相対移動さ
せたときに得られる光電変換素子１２９からの信号波形
をサンプリングする。本実施の形態では、このようなＴ
ＴＬ方式のウェハアライメント系１２０及び信号処理系
１３０を用いて、ウェハＷ上に形成されたレジストパタ
ーンＩＲの位置を自動計測するものとする。

【００１８】ところで、レチクルＲのパターンをウェハ
Ｗ上へ焼き付ける際、投影光学系ＰＬの最良結像面、即
ちレチクルＲのパターン像が最もコントラストよく結像
している面と、ウェハＷのレジスト面とを正確に一致さ
せる必要がある。そのため本実施の形態では、レジスト
層に対して非感光性の光源１４０からの光を投射光学系
１４１によって結像光束にしてウェハＷ上へ斜め（ウェ
ハ面に対して５゜〜２０゜）に投射し、その反射光を受
光光学系１４２及びスリット１４３を介して光電検出器
１４４で受光する斜入射式焦点検出系（ＡＦセンサ）を
設けている。このＡＦセンサは、投影光学系ＰＬの最良
結像面とウェハＷの表面とが一致したとき、合焦である
ことを表す焦点信号を光電検出器１４４が出力し、最良
結像面に対してウェハ表面が上下（光軸）方向にずれて
いるときは、そのずれ量（例えば±数μｍ以内）に対応
した焦点信号を出力する。これら合焦や焦点ずれを表す
焦点信号は、焦点制御ユニット（以下「ＡＦユニット」
という）１４５によって処理される。

【００１９】また、ウェハステージＳＴには、ウェハＷ
を投影光学系ＰＬの光軸方向に微小移動させるＺステー
ジ、及びウェハＷをＸＹ平面内で微小回転させるθステ
ージも設けられている。従って、上記の焦点信号に応答
してステージコントローラ１１６の制御のもとでＺステ
ージを駆動することで、オートフォーカス動作を行うこ
とができる。なお、ＡＦセンサの光学系内の一部又はＡ
Ｆユニット１４５内には、焦点信号が合焦を表す際のウ
ェハＷの表面位置を、投影光学系ＰＬの光軸方向にシフ
トさせるオフセット部も設けられており、このオフセッ
ト部には、主制御系１３４から任意のシフト量を設定す
ることができる。

【００２０】以下、図５のフローチャートを参照して、
本実施の形態にかかる方法により、で投影光学系ＰＬに
対するベストフォーカス位置を求める際の動作について
説明する。本実施の態様のレチクルＲのパターン形成面
には焦点計測用のマークｍが形成されている。この焦点
計測用のマークｍは、図２に関連して従来例で説明した
ものと同様に、複数個（例えば、４個）の細長い菱形の
パターンを幅方向に所定ピッチＰ１で並べたパターン群
をさらに別の所定ピッチＰ２で複数個並べたものであ
る。そして、図３（ａ）はその焦点計測用のマークｍを
ウェハＷ上に投影して得られるマーク像Ｍを示してい
る。本実施の形態によれば、ウェハＷの露光面が投影光
学系ＰＬの光軸に沿った方向のベストフォーカス位置に
あると、そのマーク像ＭのＸ方向の長さＬが最大になる
ことを利用して、以下のようしてベストフォーカス位置
を求めることができる。

【００２１】まず、図５のステップＳ１０１において、
感光基板としてのウェハＷのフォーカス位置を初期値に
設定する。例えばそれまでベストフォーカス位置とされ
ていたフォーカス位置を中心として、今回のテストプリ
ントでウェハＷの露光面を移動させる範囲の下限位置又
は上限位置にその初期値が設定される。その後ステップ
Ｓ１０２において、感光基板としてのウェハＷ上にレチ
クルＲの焦点計測用のマークｍの像Ｍを露光する。この
際に、ウェハステージＳＴを投影光学系ＰＬの光軸に垂
直な方向にステッピングさせてレチクルＲのパターンを
露光することにより、同一フォーカス位置で、例えば３
箇所のショット領域にそれぞれ焦点計測用のマークｍの
像Ｍの露光を行う。

【００２２】その後、ステップＳ１０３からステップＳ
１０４に移行して、ウェハＷの露光面のフォーカス位置
を所定のステップ量だけ変化させる。ウェハＷの露光面
のフォーカス位置の初期値が移動範囲の下限のときに
は、フォーカス位置は次第に上昇し、その初期値が移動
範囲の上限のときには、フォーカス位置は次第に下降す
る。それから再びステップＳ１０２に移行して、感光基
板としてのウェハＷの露光面上の未露光領域の複数箇所
（例えば、３箇所）のショット領域に、それぞれ焦点計
測用のマークｍの像Ｍを露光する。そして、フォーカス
位置が移動範囲の下限又は上限に達するまで、ステップ
Ｓ１０４及びステップＳ１０２が繰り返され、フォーカ
ス位置が移動範囲の下限又は上限に達したときに、動作
はステップＳ１０３からステップＳ１０５に移行して、
ウェハＷの現像が行われる。なお露光を行う際には、各
露光処理ごとに露光時間を若干変化させて露光時間を平
均化することができる。このように、露光時間を平均化
することにより、ある露光時間に特有の干渉の影響（例
えば、ある露光時間では菱形マークの先端から発する回
折光が極めて微少となり測定精度が落ちる場合）を除去
することが可能となり、ステップＳ１０６以下の測定精
度を高めることができる。

【００２３】次に、ステップＳ１０６において、現像後
のウェハＷ上の焦点計測用のマーク像の長さであるマー
ク長の計測を行う。図３（ａ）は計測対象の焦点計測用
のマーク像Ｍを示し、この図３（ａ）において、図１の
ウェハアライメント系１２０の、例えばＨｅ−Ｎｅレー
ザ光源１２１ａから射出されたレーザビームが、投影光
学系ＰＬを介して、ウェハＷ上の焦点計測用のマーク像
Ｍの近傍にＹ方向に長いスリット状の走査ビームＳＢと
して照射される。かかる状態で図１のウェハステージＳ
Ｔを−Ｘ方向に移動させると、スリット状の走査ビーム
ＳＢが焦点計測用のマーク像Ｍを照射している間は、回
折格子として機能するマーク像Ｍから所定の方向に回折
光が射出する。そこで、図１の光電変換素子１２９でそ
の回折光を検出して、光電変換素子１２９から出力され
る検出信号ＳをウェハステージＳＴのＸ座標に対してプ
ロットすると、図３（ｂ）に示すように、検出信号Ｓの
値はＸ方向においてマーク像Ｍが存在する領域で大きく
なるプロファイルを示す。従って、検出信号Ｓが所定の
閾値を超える範囲のＸ方向の長さを焦点計測用のマーク
像Ｍのマーク長とすることができる。

【００２４】なお、図１の信号処理系１３０では、図４
に示すように、検出信号Ｓに対して基準強度の位置を中
心としてＸ方向の幅２Ｇの範囲でゲートを設定し、その
ゲートの範囲内の検出信号Ｓのみを処理対象としてい
る。その検出信号Ｓは、マーク長がデフォーカス時でほ
ぼ０μｍ程度の長さになる曲線２１で表される特性か
ら、マーク長がベストフォーカス位置で設計値程度の長
さになる曲線２２で表される特性まで変化する。従っ
て、全ての状態に対応するために、信号処理時のゲート
のＸ方向の片側の幅Ｇは、信号強度が最大となる位置に
対して、０〜マーク長の１／２以上の範囲だけ開いてい
る必要がある。

【００２５】このようにして図１の信号処理系１３０で
得られた各マーク長の計測結果は、対応するフォーカス
位置のデータと共に、図１の主制御系１３４に接続され
たディスク装置等の記憶装置内のファイルに格納され
る。その際に、ステップＳ１０７において、高周波ノイ
ズの影響で検出信号Ｓのプロファイル（特にボトム部分
のプロファイル）の信頼性が落ちる場合には、例えば所
定の設定値を超える飛びデータを無効化するような平滑
化処理を施しても良い。

【００２６】次いで、ステップＳ１０８に進み、信号処
理系１３０において、検出信号Ｓのプロファイルに対し
て、複数のスライスレベルＳｉ（ｉ＝１，２，３，…）
でスライス処理が施される。このスライス処理は、例え
ば図６に示すように、検出信号Ｓのもっとも大きな強度
を基準強度（１００％）として、１０％から９０％まで
１０％ステップでスライスする。そして、ステップＳ１
０９に進み、検出信号Ｓが各スライスレベルＳｉを横切
るＸ方向の２カ所の座標Ｘ１ｉ、Ｘ２ｉを求め、その２
カ所の座標の間隔｜Ｘ１ｉ−Ｘ２ｉ｜を、各スライスレ
ベルにおけるマーク長とする。なお、本実施の形態では
スライスレベルを１０％刻みで設定したが、スライスレ
ベルは任意の値に設定できることは言うまでもない。ま
たスライスレベルは等間隔に設定する必要もなく、例え
ば検出信号のプロファイルのボトム付近ではより狭い間
隔のスライスレベルを設定することもできる。

【００２７】このようにして求められた各スライスレベ
ルにおけるマーク長を、図７に点で示すようにプロット
し、さらにステップＳ１１０において、マーク長をスラ
イスレベルを変数とするｎ次関数で曲線近似する。例え
ば、近似曲線のモデル関数式を次式（１）で示される４
次関数とする。ｙ＝ａｘ４＋ｂｘ３＋ｃｘ２＋ｄｘ＋ｅ …（１）そして、上記モデル関数式（１）を使用して、近似曲線
を最小自乗法により求めると、図７に実線で示す曲線の
ようにプロットすることができる。

【００２８】次いで、ステップＳ１１１において、上記
のようにして求められた近似曲線より実際に露光された
像Ｍのマーク長Ｌを求める。具体的には、上記モデル関
数式（１）においてｘ＝０のときのｙの値（すなわち、
図７において、スライスレベルが０％でのｙの値）が検
出信号Ｓのプロファイルのすその広がり（幅）を表すの
で、信号処理系１３０は、この値を実際に露光された像
Ｍのマーク長Ｌとして所定の記憶装置に格納する。この
ように、本実施の形態においては、従来のように干渉な
どの影響でノイズが乗りやすい検出信号からそのまま測
定用マークの像のマーク長を求めるのではなく、一旦マ
ーク長を信号強度に応じたスライスレベルを変数とする
関数により曲線近似し、その近似された関数に基づいて
マーク長を求めるので、短波長レーザの干渉などに起因
するノイズの影響を抑えることが可能となり、より精度
の高い測定が可能となる。

【００２９】また、計測用マークの像の実際のｓマーク
長Ｌはボトムに近い部分をスライスしたときの交点間距
離に相当するが、検出信号はボトムに近いほどノイズが
乗りやすいため、従来の方法では、ボトムに近い部分で
スライスすることができなかった。しかしながら、本実
施の形態によれば、特にボトム部分に乗ったノイズに拘
わらず、よりボトムに近い部分（例えば、スライスレベ
ル０％）でスライスしたときの交点間距離を求めること
ができ、より実際値に近いマーク長Ｌを算出することが
できる。

【００３０】このようにして、あるフォーカス位置にお
ける計測用マークの像のマーク長が求められる。その
後、ステップＳ１０６〜Ｓ１１１が反復されて、ステッ
プＳ１１２において、すべてのフォーカス位置における
計測用マークの像のマーク長が算出されたと判断された
場合に、処理はステップＳ１１３以下に進み、例えば特
開平６−２１６００４号公報に開示されているような方
法によりベストフォーカス位置が決定される。

【００３１】具体的には、ステップＳ１１３において、
各フォーカス位置Ｆｉ（ｉ＝０，１，２，…）における
マーク長Ｌｉ（ｉ＝，０，１，２，…）に基づいて、最
小自乗法により、マーク長Ｌｉをフォーカス位置Ｆｉを
変数とするｎ次関数（例えば、ｎ＝４，５，６）で近似
する。この場合、例えば、フォーカス位置Ｆｉが７個以
上の場合にはフォーカス位置Ｆの６次関数で近似し、フ
ォーカス位置が６個の場合には５次関数で近似し、フォ
ーカス位置が５個の場合には４次関数で近似し、フォー
カス位置が４個以下の場合には、計測条件に問題がある
としてベストフォーカス位置の算出を中止することがで
きる。

【００３２】図８には、ステップＳ１１３において最小
自乗法により得られた近似関数のプロファイルを曲線２
３として示している。そして、ステップＳ１１４におい
て、有効なマーク長のデータがあるフォーカス位置Ｆの
範囲内で、その近似曲線２３の最大値Ｍ１、及びその近
似曲線２３が最大値Ｍ１をとるときのフォーカス位置Ｆ
１を求める。次にステップＳ１１５において、その最大
値Ｍ１から予め設定しておいたスライス値Ｔだけ小さい
しきい値（Ｍ１−Ｔ）を設定し、その近似曲線がそのし
きい値（Ｍ１−Ｔ）を横切るときのフォーカス位置Ｆ１
から−側のフォーカス位置Ｆ２Ａと、フォーカス位置Ｆ
１から＋側のフォーカス位置Ｆ２Ａとを求め、これらフ
ォーカス位置Ｆ２Ａ及びＦ２Ｂの中間の（平均の）フォ
ーカス位置Ｆ２をベストフォーカス位置とする。このよ
うにして、本実施の形態により図２に示す投影光学系Ｐ
Ｌのベストフォーカス位置が決定される。なお、ベスト
フォーカス位置を決定する際に、各フォーカス位置に応
じた重み付けを加えても良い。

【００３３】なお、上記実施の形態では、菱形のマーク
を計測用マークとして使用したが、例えば図９（ａ）に
示すように、連続的に線幅が変化する直線状パターン、
例えば楔形パターンを所定本数（例えば、３本）ずつ一
定周期で配したものを使用することができる。かかるパ
ターンの像Ｐを上記実施の形態と同様にスリット状のレ
ーザビームにより走査すれば、図９（ｂ）に示すような
検出信号のプロファイルを得ることができるので、この
プロファイルの長さＬｙを求めるように構成することが
できる。この場合にも、検出信号のプロファイルを複数
のスライスレベルでスライスして、各スライスレベルに
おいて求められたパターンの長さをスライスレベルを変
数とする関数で曲線近似することにより、干渉などによ
るノイズの影響を軽減し、パターン長さの測定精度を高
めることができる。

【００３４】また上記実施の形態では、スライスレベル
を変数とする計測用マークの大きさの近似曲線から実際
の計測用マークのマーク長を求める際に、そのモデル関
数において、ｘ＝０の時のｙの値（スライスレベル０％
でのｙの値）をマーク長と設定したが、本発明はかかる
例に限定されない。例えば、スライスレベル０％の近傍
で近似曲線の傾きが急激に変化し、正確なマーク長を求
めることができないような場合には、ｘ＝０に近い所定
値、例えばスライスレベル１％でのｙの値をマーク長と
して設定しても良い。

【００３５】さらに上記実施の形態では、図５のステッ
プＳ１０７において平滑化処理が施された近似曲線を用
いてマーク長を求めているが、さらに信頼性を向上させ
るために近似曲線に対して重み付け処理を施しても良
い。具体的には、図５のステップＳ１１１において求め
たマーク長に対して各スライスレベルに応じて重みを設
定する。すでに説明したように、一般的に、スライスレ
ベルが低いほど（すなわち、検出信号のプロファイルの
ボトム付近であるほど）近似曲線との交点間の距離が真
のマーク長に近いと思われるので、大きな重みを与える
ようにする。ただし、スライスレベルが低いほどノイズ
の影響を受けやすいので、検出信号のＳ／Ｎ比によって
は、スライスレベルが低いほど重みを軽くしてもよい。
このようにして設定された重みを用いて、モデル関数に
対して重み付けの最小自乗法により、モデル関数の最適
化を図ることができる。すなわち、図５のステップＳ１
１０において求めた近似関数に応じて算出されるマーク
長の値とステップＳ１０６において実際に計測されたマ
ーク長の値との差の自乗と、対応するフォーカス位置の
重みとの積の和が最小となるようにモデル関数のパラメ
ータを設定する。このようにして重み付け最小自乗法に
より最適化されたモデル関数に基づいてマーク長を求め
ることにより、特にボトム付近のノイズの影響を軽減
し、測定精度をさらに高めることが可能となる。

【００３６】前述の実施の形態では、スポット光を使用
するウェハアライメント系の出力信号を複数のスライス
レベルでスライスするものとしたが、例えば撮像素子
（ＣＣＤ等）を備えたウェハアライメント系の出力信号
を複数のスライスレベルでスライスしてもよい。また計
測用マークは回折格子状である必要はなく、少なくとも
１つのマークであればよい。さらに、計測用マークはく
さび状でなくてもよく、例えば直線状マーク（バーマー
ク等）であってもよい。

【００３７】以上、本発明の好適な実施の形態について
添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる実
施の形態に限定されないことは言うまでもない。当業者
であれば特許請求の範囲に記載された発明の要旨を逸脱
しない範囲で種々の変更または修正に想到することは明
らかであり、それらについても本発明の技術的範囲に属
するものと了解される。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パターン検出系により検出された検出信号からそのまま
測定用パターン像の大きさを求めるのではなく、検出信
号を複数のスライスレベルでスライスして、各スライス
レベルでのパターン像の大きさを求めてから、各スライ
スレベルを変数とするパターン像の大きさのモデル関数
により曲線近似を行い、求められた近似曲線から実際に
基板に露光されたパターン像の大きさを算出する。この
ように、本発明では、曲線近似処理により、短波長のＨ
ｅ−Ｎｅレーザなどの干渉の影響などに起因する検出信
号のノイズの影響を軽減することができるので、パター
ン像の大きさをより高い精度で算出することができる。
また干渉の影響により発生するＬ／Ｓマーク（レチクル
上のデバイスパターン）のベストフォーカスと菱形マー
クのベストフォーカスとの差がなくなるので、フォーカ
ス管理を効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるベストフォーカス位置の検出方
法を適用可能なステッパの一例を示す構成図である。

【図２】レチクル上に付される焦点計測用マークの一例
を示す略平面図である。

【図３】（ａ）は感光基板上に投影露光された焦点計測
用マーク像とスリット状ビームとを示す略平面図であ
り、（ｂ）は図３（ａ）のマーク像から得られる検出信
号のプロファイルを示す波形図である。

【図４】焦点計測用マーク像から得られる検出信号にゲ
ートを設定する様子を説明する波形図である。

【図５】本発明にかかるベストフォーカス位置の検出方
法の一例を示すフローチャートである。

【図６】焦点計測用マーク像から得られる検出信号波形
を複数のスライスレベルでスライス処理を施す様子を説
明する波形図である。

【図７】各スライスレベルでのマーク像の長さを各スラ
イスレベルを変数とする関数で曲線近似する様子を説明
するグラフである。

【図８】各フォーカス位置でのマーク長に基づいてベス
トフォーカス位置を決定する様子を示すグラフである。

【図９】本発明に適用可能な別の焦点計測用マークを示
しており、（ａ）は、レチクル上に付されるマーク形状
を示し、（ｂ）は図９（ａ）のマークを感光基板上に投
影露光したマーク像から得られる信号波形を示す波形図
である。

【符号の説明】

ＲレチクルＲＳレチクルステージＰＬ投影光学系Ｗウェハｍレチクル上の焦点計測用マークＭ感光基板上の焦点計測用マーク像ＳＢスリット状ビーム１２０ウェハアライメント系１２１Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１２９光電変換素子１３０信号処理系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０３Ｆ 9/02 Ｇ０３Ｂ 3/00 ＡＨ０１Ｌ 21/30 ５１６Ａ５２６Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上のパターンの像を所定面上に投
影する投影光学系の光軸方向の複数の位置の各々に感光
性の基板を配置して計測用パターンの像を投影し、前記
基坂上に形成された複数の計測用パターン像の大きさに
基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置を検
出する方法において、前記基坂上の前記計測用パターン像を検出するパターン
検出系の出力信号を複数のスライスレベルでスライス
し、各スライスレベルにおける前記計測用パターン像の
大きさを求める第１工程と；前記第１工程で求められた
前記計測用パターン像の大きさを前記スライスレベルを
変数とする関数で近似し、該近似された関数に基づいて
前記計測用パターン像の大きさを算出する第２工程とを
含むことを特徴とするベストフォーカス位置の検出方
法。
【請求項２】前記計測用パターンは少なくとも１つの
楔状マークからなり、前記第２工程で算出される前記計
測用パターン像の長さが最大となる前記光軸方向の位置
をベストフォーカス位置として決定することを特徴とす
る請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記計測用パターンは複数の楔状マーク
からなる回折格子であり、前記パターン検出系は、前記
計測用パターン像と光ビームとの相対走査によって前記
計測用パターン像から発生する回折光を受光し、該回折
光の強度に応じた光電信号を出力することを特徴とする
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】前記第２工程において、前記近似された
関数を用いて前記スライスレベルがほぼ零のときの前記
計測用パターン像の大きさを算出することを特徴とする
請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】前記第１工程は、前記パターン検出系の
出力信号を平滑化処理する工程を含むことを特徴とする
請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】前記第２工程において、前記近似された
関数により求められた計測用パターン像の大きさと前記
第１工程で求められた計測用パターン像の大きさとの差
の自乗と、前記スライスレベルに応じた重みとの積の、
前記スライスレベルごとの和を最小とする最小自乗法に
より前記関数を最適化することを特徴とする請求項１〜
５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】前記スライスレベルが低い程大きな重み
を与えることを特徴とする請求項６に記載の方法。