JP3265504B2 - 露光方法及び装置、並びに半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子等を
製造するために、マスクパターンを感光性の基板上に投
影露光する際に適用して好適な露光方法及び露光装置、
並びに半導体素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をフォト
リソ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）のパターン像を
投影光学系を介して感光材が塗布されたウエハ（又はガ
ラスプレート等）上の各ショット領域に投影する投影露
光装置が使用されている。この種の投影露光装置として
近年は、ウエハを２次元的に移動自在なステージ上に載
置し、このステージによりウエハを歩進（ステッピン
グ）させて、レチクルのパターン像をウエハ上の各ショ
ット領域に順次露光する動作を繰り返す、所謂ステップ
・アンド・リピート方式の露光装置、特に、縮小投影型
の露光装置（ステッパー）が多用されている。

【０００３】一般に投影露光装置では高い解像度が要求
され、装着されている投影光学系の開口数は高いため、
投影光学系による投影像の焦点深度は開口数の自乗に反
比例して浅くなっている。そこで、ウエハの各ショット
領域を投影光学系の結像面に対して焦点深度の範囲内で
合わせ込むために、従来より投影露光装置には、ウエハ
の各ショット領域内の所定の計測点のフォーカス位置
（投影光学系の光軸方向の位置）と投影光学系の結像面
とのずれ量を検出するための焦点位置検出センサー（以
下、「ＡＦセンサー」という）と、そのずれ量を許容範
囲内に収めるためのサーボ系とよりなるオートフォーカ
ス機構が設けられている。

【０００４】従来は、ウエハの所定のショット領域を露
光位置に位置決めした後、ＡＦセンサーの検出結果を用
いて、サーボ系によりそのショット領域の例えば中心
（ショットセンター）を結像面に合焦させた状態で、そ
のショット領域にレチクルのパターン像を露光してい
た。従って、オートフォーカス機構は、各ショット領域
の例えばショットセンターを結像面に合焦させるもので
あった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
に於いては、各ショット領域内でオートフォーカス機構
により合焦させる領域が固定された領域であるため、各
ショット領域内で最も正確に合焦させたい領域が投影光
学系の結像面から焦点深度の幅を超えて外れてしまう場
合があるという不都合があった。即ち、例えばレチクル
のパターンに種々の線幅の回路パターンが含まれている
場合、ウエハの各ショット領域上で最も正確に合焦させ
たい領域は、最も線幅の狭い回路パターン像が投影され
る領域であるが、この領域がオートフォーカス機構によ
り合焦される領域（例えばショットセンター）と異なる
場合がある。

【０００６】また、最近の半導体素子の高密度化に伴
い、半導体製造工程を経たウエハが、平坦でなく高段差
構造になる傾向がある。そのため、ＡＦセンサーの光軸
と、投影光学系の光軸との相対位置関係が複数の投影露
光装置間で異なると、投影露光装置毎に合焦位置が異な
ることがあるという不都合があった。本発明は斯かる点
に鑑み、ウエハ上の露光対象とするショット領域内の最
も正確に合焦させたい領域を投影光学系の結像面に合焦
できる露光方法を提供することを目的とする。また本発
明は、そのような露光方法を実施できる露光装置、及び
そのような露光方法を用いた半導体素子の製造方法を提
供することをも目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の露光方法
は、転写用のパターンが形成されたマスク（Ｒ）を照明
する照明光学系と、そのマスクのパターン像を感光性の
基板（Ｗ）上のショット領域（４８）に投影する投影光
学系（ＰＬ）と、その基板を保持してその基板を投影光
学系（ＰＬ）の光軸にほぼ垂直な平面内で位置決めする
と共に基板（Ｗ）のその光軸方向の高さを調整する基板
ステージ（１６，１７）と、投影光学系（ＰＬ）の露光
フィールド内の所定の計測点で基板（Ｗ）の露光面と投
影光学系（ＰＬ）の結像面との高さの差分である焦点ず
れ量を検出する焦点位置検出手段（４１〜４７）とを有
し、この焦点位置検出手段で検出された焦点ずれ量に基
づいて基板ステージ（１６，１７）を介して基板（Ｗ）
の高さを調整した後にショット領域（４８）にそのマス
クのパターン像を露光する方法に関するものである。

【０００８】そして、本発明は、基板ステージ（１６，
１７）を介して基板（Ｗ）のショット領域（４８）を投
影光学系（ＰＬ）の露光フィールド内の露光位置に設定
した状態で、焦点位置検出手段（４１〜４７）により基
板（Ｗ）の焦点ずれ量を検出する第１工程（ステップ１
０１，１０２）と、基板ステージ（１６，１７）で設定
する基板（Ｗ）の高さをその第１工程で設定された高さ
に固定した状態で基板ステージ（１６，１７）を介して
基板（Ｗ）を走査することにより、基板（Ｗ）上のショ
ット領域（４８）内で投影されるパターン像の線幅が最
も狭い領域（５０）を通過する計測ライン（５１）上の
焦点ずれ量の分布を焦点位置検出手段（４１〜４７）で
検出する第２工程（ステップ１０３，１０４）と、その
第１工程で検出された焦点ずれ量とその第２工程で検出
された焦点ずれ量の分布とより、ショット領域（４８）
を露光位置に設定した状態で検出される焦点ずれ量とシ
ョット領域（４８）に投影されるパターン像の線幅が最
も狭い領域（５０）の焦点ずれ量とのオフセットを求め
る第３工程（ステップ１０５）と、ショット領域（４
８）を露光位置に設定し、焦点位置検出手段（４１〜４
７）で検出された焦点ずれ量にその第３工程で求めたオ
フセットを補正して得られた値に基づいて基板ステージ
（１６，１７）を介して基板（Ｗ）の高さを調整した
後、ショット領域（４８）にマスク（Ｒ）のパターン像
を露光する第４工程（ステップ１０６〜１０８）と、を
有するものである。

【０００９】また、本発明の第２の露光方法の前提部
は、その第１の露光方法の前提部とほぼ同じであるが、
照明光学系中に視野絞り（１０）を有し、マスク（Ｒ）
から視野絞り（１０）により選択されたパターン像を基
板（Ｗ）上に露光する点が異なっている。そして、この
第２の露光方法では、その第１の露光方法の第２工程に
対応する工程において、基板（Ｗ）上のショット領域
（４８）内で視野絞り（１０）により選択されたパター
ンが投影される領域（４８ａ）を通過する計測ライン
（５３）上の焦点ずれ量の分布を焦点位置検出手段（４
１〜４７）で検出するものである。

【００１０】また、本発明の第３の露光方法は、その第
１の露光方法と前提部を共通にする。そして、この第３
の露光方法は、基板ステージ（１６，１７）を介して基
板（Ｗ）の複数のショット領域（ＥＳ１〜ＥＳＮ）から
選択された複数のサンプル領域（ＳＡ１〜ＳＡ９）をそ
れぞれ投影光学系（ＰＬ）の露光フィールド内の露光位
置に設定した状態で、焦点位置検出手段（４１〜４７）
により基板（Ｗ）の焦点ずれ量を検出すると共に、サン
プル領域（ＳＡ１〜ＳＡ９）の基板ステージ（１６，１
７）の座標系（Ｘ，Ｙ）上での座標をそれぞれ検出する
第１工程（ステップ１１２）と、基板ステージ（１６，
１７）で設定する基板（Ｗ）の高さをその第１工程で設
定された高さに固定した状態で基板ステージ（１６，１
７）を介して基板（Ｗ）を走査することにより、サンプ
ル領域（ＳＡ１〜ＳＡ９）内でそれぞれ投影されるパタ
ーン像の線幅が最も狭い領域を通過する計測ライン上の
焦点ずれ量の分布を焦点位置検出手段（４１〜４７）で
検出する第２工程（ステップ１１３）とを有する。

【００１１】更にこの第３の露光方法は、その第１工程
で検出された焦点ずれ量とその第２工程で検出された焦
点ずれ量の分布とより、サンプル領域（ＳＡ１〜ＳＡ
９）を露光位置に設定した状態で検出される焦点ずれ量
とサンプル領域（ＳＡ１〜ＳＡ９）に投影されるパター
ン像の線幅が最も狭い領域の焦点ずれ量とのオフセット
の平均値を求める第３工程（ステップ１１４，１１７）
と、その第１工程で検出されたサンプル領域（ＳＡ１〜
ＳＡ９）の基板ステージ（１６，１７）上での座標を統
計処理して基板（Ｗ）上の複数のショット領域（ＥＳ１
〜ＥＳＮ）の配列座標を求める第４工程（ステップ１１
９）と、複数のショット領域（ＥＳ１〜ＥＳＮ）をそれ
ぞれその第４工程で求められた配列座標に基づいて露光
位置に設定し、焦点位置検出手段（４１〜４７）で検出
された焦点ずれ量にその第３工程で求めたオフセットの
平均値を補正して得られた値に基づいて基板ステージ
（１６，１７）を介して基板（Ｗ）の高さを調整した
後、複数のショット領域（ＥＳ１〜ＥＳＮ）にそれぞれ
マスク（Ｒ）のパターン像を露光する第５工程（ステッ
プ１１８，１１９）と、を有するものである。

【００１２】この場合、その第３の露光方法において、
基板ステージ（１６，１７）に基板（Ｗ）の傾斜角を調
整する機構を付加し、その第１工程で更に焦点位置検出
手段（４１〜４７）を介して複数のサンプル領域（ＳＡ
１〜ＳＡ９）の４隅（５４〜５７）の焦点ずれ量をそれ
ぞれ検出し、その第３工程で複数のサンプル領域（ＳＡ
１〜ＳＡ９）の投影光学系（ＰＬ）の結像面からの傾斜
角の平均値を求め、その第５工程で複数のショット領域
（ＥＳ１〜ＥＳＮ）にマスク（Ｒ）のパターン像を露光
する際にそれぞれその第３工程で求められた傾斜角の補
正を行うようにしてもよい。次に、本発明による第４の
露光方法は、転写用のパターンが形成されたマスクを照
明する照明光学系（１〜１３）と、マスクのパターン像
を基板上のショット領域に投影する投影光学系（ＰＬ）
と、投影光学系の露光フィールド内の所定の計測点で光
軸方向における基板の位置情報を検出する焦点位置検出
手段（４１〜４７）とを有し、この焦点位置検出手段で
検出された位置情報に基づいて基板と投影光学系の結像
面とを合致させてショット領域にマスクのパターン像を
露光する露光方法において、焦点位置検出手段によっ
て、ショット領域上の所定の計測点の光軸方向における
第１位置情報を検出する工程と、焦点位置検出手段によ
って、ショット領域上のこのショット領域に投影される
パターン像の線幅が最も狭い領域の光軸方向における第
２位置情報を検出する工程と、第１位置情報と第２位置
情報とに基づいてオフセット量を求める工程と、オフセ
ット量に基づいて焦点位置検出手段をキャリブレーショ
ンする工程とを有するものである。 また、本発明による
第５の露光方法は、マスクのパターン像を投影光学系を
介して基板上に投影し、基板上の複数のショット領域を
順次露光する露光方法において、基板上に検出光を照射
し、この検出光と基板とを相対走査したときの基板から
の検出光を検出することによって、ショット領域内の検
出光が通過する計測ライン上での投影光学系の光軸方向
における位置情報の分布を検出するとともに、基板上の
複数のショット領域の中から選ばれた複数のサンプルシ
ョット領域において位置情報の分布を検出するものであ
る。 また、本発明による半導体素子の製造方法は、本発
明の露光方法を用いて基板 を露光する工程を有するもの
である。 次に、本発明による第１の露光装置は、転写用
のパターンが形成されたマスクを照明する照明光学系
（１〜１３）と、マスクのパターン像を基板上のショッ
ト領域に投影する投影光学系（ＰＬ）と、投影光学系の
露光フィールド内の所定の計測点で光軸方向における基
板の位置情報を検出する焦点位置検出手段（４１〜４
７）とを有し、この焦点位置検出手段で検出された位置
情報に基づいて基板と投影光学系の結像面とを合致させ
てショット領域にマスクのパターン像を露光する露光装
置において、焦点位置検出手段によって得られるショッ
ト領域上の所定の計測点の光軸方向における第１位置情
報とショット領域上のこのショット領域に投影されるパ
ターン像の線幅が最も狭い領域の光軸方向における第２
位置情報とに基づいてオフセット量を求める演算手段
（８）と、オフセット量に基づいて焦点位置検出手段を
キャリブレーションするキャリブレーション手段（８）
とを有するものである。 また、本発明による第２の露光
装置は、マスクのパターン像を投影光学系を介して基板
上に投影し、基板上の複数のショット領域を順次露光す
る露光装置において、基板上に検出光を照射し、基板か
らの検出光を検出することにより、基板の投影光学系の
光軸方向における位置情報を検出する検出手段（４１〜
４７）と、基板上の複数のショット領域の中から選ばれ
た複数のサンプルショット領域と検出光とを相対走査す
ることによって、各サンプルショット領域内の検出光が
通過する計測ライン上での投影光学系の光軸方向におけ
る位置情報の分布を検出する制御手段（８）とを有する
ものである。

【００１３】

【作用】斯かる本発明の第１の露光方法によれば、基板
（Ｗ）上の露光対象とするショット領域（４８）内の最
も正確に合焦させたい領域は、最も線幅の狭いパターン
像が投影される領域（５０）である。そして、領域（５
０）上を通過する計測ライン（５１）上で焦点ずれ量を
計測し、ショット領域（４８）内の焦点位置検出手段
（４１〜４７）による計測点での焦点ずれ量とのオフセ
ットを求め、このオフセットを補正して基板（Ｗ）の高
さを設定してショット領域（４８）にマスク（Ｒ）のパ
ターン像を露光しているので、領域（５０）が最も正確
に投影光学系（ＰＬ）の結像面に合焦される。

【００１４】また、第２の露光方法によれば、基板
（Ｗ）上の露光対象とするショット領域（４８）内の最
も正確に合焦させたい領域は、視野絞り（１０）により
選択されたマスク（Ｒ）のパターン像が投影される領域
（４８ａ）である。そして、第１の露光方法と同様に、
領域（４８ａ）が最も正確に投影光学系（ＰＬ）の結像
面に合焦される。

【００１５】また、第３の露光方法は、特開昭６１−４
４４２９号公報に開示されているような所謂エンハンス
ト・グローバル・アライメント（以下、「ＥＧＡ」とい
う）方式でアライメントを行う場合に上述の第１の露光
方法を適用したものである。即ち、ＥＧＡ方式では、基
板（Ｗ）上の全ての露光対象とするショット領域（ＥＳ
１〜ＥＳＮ）から選択されたサンプル領域（ＳＡ１〜Ｓ
Ａ９）についてのみ基板ステージ（１６，１７）の座標
系上での座標を計測し、この計測結果を統計処理してシ
ョット領域（ＥＳ１〜ＥＳＮ）の座標を算出し、この算
出された座標に基づいてショット領域（ＥＳ１〜ＥＳ
Ｎ）の位置決めを行っている。そこで、本発明では、サ
ンプル領域（ＳＡ１〜ＳＡ９）の座標を計測する際に、
それらサンプル領域内の焦点位置検出手段（４１〜４
７）による計測点での焦点ずれ量とのオフセットを求
め、このオフセットを補正して基板（Ｗ）の高さを設定
してショット領域（ＥＳ１〜ＥＳＮ）にマスク（Ｒ）の
パターン像を露光しているので、合焦させたい領域が最
も正確に投影光学系（ＰＬ）の結像面に合焦される。

【００１６】この場合、サンプル領域（ＳＡ１〜ＳＡ
９）について焦点ずれ量のオフセットを求める際に、並
行して例えば各サンプル領域の４隅の焦点ずれ量を検出
することにより、各サンプル領域の傾斜角も求められ
る。そこで、その傾斜角の平均値を用いてショット領域
（ＥＳ１〜ＥＳＮ）の傾斜角の補正を行うことにより、
フォーカス位置のみならず、傾斜角の補正も行われる。
次に、本発明の第４の露光方法によれば、ショット領域
上の所定の計測点の光軸方向における第１位置情報と、
ショット領域上のこのショット領域に投影されるパター
ン像の線幅が最も狭い領域の光軸方向における第２位置
情報とに基づいてオフセット量を求め、このオフセット
量に基づいて焦点位置検出手段をキャリブレーションす
るため、ショット領域内の最も正確に合焦させたい領域
を投影光学系の結像面に合わせることができる。 また、
本発明の第５の露光方法によれば、ショット領域内の検
出光が通過する計測ライン上での投影光学系の光軸方向
における位置情報の分布を複数のサンプルショット領域
において検出するため、ショット領域内で最も正確に合
焦させたい領域の光軸方向における位置情報の分布を正
確に求めることができる。 また、本発明の半導体素子の
製造方法によれば、線幅の狭い回路パターンを有する半
導体素子を高精度に製造することができる。また、本発
明の第１又は第２の露光装置によれば、それぞれ本発明
の第４又は第５の露光方法を実施することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の第１実施例につき図面を参照
して説明する。図２は本実施例の露光方法を適用するの
に好適な投影露光装置の概略的な構成を示し、この図２
において、超高圧の水銀ランプ１から発生した照明光Ｉ
Ｌは楕円鏡２で反射されてその第２焦点で一度集光した
後、ミラー４及びインプットレンズ５を経てフライアイ
レンズ６に入射する。フライアイレンズ６はそのレチク
ル側焦点面がレチクルパターンのフーリエ変換面（瞳共
役面）とほぼ一致するように光軸ＡＸと垂直な面内方向
に配置されている。

【００１８】また、楕円鏡２の第２焦点の近傍には、モ
ータ７によって照明光ＩＬの光路の閉鎖及び開放を行う
シャッター（例えば４枚羽根のロータリーシャッター）
３が配置されている。装置全体の動作を制御する主制御
系８がモータ７を介してシャッター３の開閉動作を制御
する。なお、露光用照明光としては超高圧水銀ランプ１
等の輝線の他に、エキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレー
ザ、ＡｒＦエキシマレーザ等）等のレーザ光、あるいは
金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等を用いても構
わない。

【００１９】図２において、フライアイレンズ６を射出
したウエハ上のフォトレジスト層を感光させる波長域の
照明光（ｉ線等）ＩＬは、第１リレーレンズ９、可変視
野絞り（レチクルブラインド）１０及び第２リレーレン
ズ１１を通過してミラー１２に至る。そして、ミラー１
２でほぼ垂直下方に反射された照明光ＩＬが、メインコ
ンデンサーレンズ１３を介してレチクルＲのパターン領
域をほぼ均一な照度で照明する。レチクルブラインド１
０の配置面はレチクルＲのパターン形成面と共役関係
（結像関係）にあり、主制御系８が駆動系１５を介して
レチクルブラインド１０を構成する複数枚の可動ブレー
ドを開閉させて開口部の大きさ、形状及び位置を変える
ことによって、レチクルＲの照明視野を任意に設定する
ことができる。

【００２０】さて、レチクルＲのパターン領域を通過し
た照明光ＩＬは、両側テレセントリックな投影光学系Ｐ
Ｌに入射し、投影光学系ＰＬにより１／５に縮小された
レチクルＲの回路パターンの投影像が、表面にフォトレ
ジスト層が形成され、その表面が投影光学系ＰＬの最良
結像面とほぼ一致するように保持されたウエハＷ上の１
つのショット領域に重ね合わせて投影（結像）される。

【００２１】ウエハＷは、微小回転可能なウエハホルダ
（不図示）に真空吸着され、このウエハホルダを介して
レベリングステージ１６上に保持され、レベリングステ
ージ１６は凸没自在な３個の支点を介してウエハステー
ジ１７上に保持されている。ウエハステージ１７は、主
制御系８により駆動系２１を介してステップ・アンド・
リピート方式で２次元移動自在に構成され、ウエハＷ上
の１つのショット領域に対するレチクルＲのパターン像
の転写露光が終了すると、ウエハステージ１７は次のシ
ョット位置までステッピングされる。レベリングステー
ジ１６の端部にはレーザ干渉計２０からのレーザビーム
を反射する移動鏡１９が固定され、ウエハステージ１７
によるウエハＷの２次元的な座標は、レーザ干渉計２０
によって例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出さ
れている。レーザ干渉計２０は、レベリングステージ１
６の投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な一方向（これを
Ｘ方向とする）及びこれに垂直なＹ方向の座標を計測す
るものであり、それらＸ方向及びＹ方向の座標によりウ
エハステージ１７のステージ座標系（静止座標系）
（Ｘ，Ｙ）が定められる。即ち、レーザ干渉計２０によ
り計測されるレベリングステージ１６の座標値が、ステ
ージ座標系（Ｘ，Ｙ）上の座標値である。

【００２２】また、ウエハステージ１７上の３個の支点
の長さをそれぞれ調整することにより、レベリングステ
ージ１６の傾斜角及び投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向の
位置（フォーカス位置）が微調整される。なお、ウエハ
ステージ１７中には、ウエハＷの光軸ＡＸ方向（Ｚ方
向）の位置を大きく変えるためのＺステージも含まれて
いる。

【００２３】更に、レベリングステージ１６上にはベー
スライン量（後述）の計測時等で用いられる基準マーク
を備えた基準部材（ガラス基板）１８が、ウエハＷの露
光面とほぼ同じ高さになるように設けられている。基準
部材１８には種々の基準マークが形成されている。次
に、投影光学系ＰＬの上部側方にはＴＴＬ（スルー・ザ
・レンズ）方式のアライメントセンサーも配置され、こ
のアライメントセンサーは特開昭６０−１３０７４２号
公報に開示されているようなレーザビームとアライメン
トマークとを相対移動させて、アライメントマークから
の回折光を処理する方式、所謂レーザ・ステップ・アラ
イメント（ＬＳＡ）方式で投影光学系ＰＬを介してウエ
ハＷ上の位置合わせ用のアライメントマーク（ウエハマ
ーク）の位置を検出するものである。このアライメント
センサーにおいて、図示省略された光ビーム生成系から
の光ビームＬＡが、ビームスプリッター２２により反射
された後、対物レンズ２３及びミラー２４を介して投影
光学系ＰＬに導かれている。その光ビームは投影光学系
ＰＬを介してウエハＷ上のドット列よりなるウエハマー
ク上に照射され、このウエハマークからの反射光が投影
光学系ＰＬ、ミラー２４、対物レンズ２３及びビームス
プリッター２２を介して受光素子２５に戻される。受光
素子２５の光電変換信号は信号処理系２６に供給され、
信号処理系２６は供給された信号から、ウエハＷ上のウ
エハマークの位置を求める。

【００２４】具体的に、光ビームＬＡは、投影光学系１
３の露光フィールド内で例えばＸ方向に伸びた細長い帯
状スポット光としてウエハＷ上に投影される。このスポ
ット光とウエハＷ上のウエハマーク（ドット列マーク）
とをＹ方向に相対移動したとき、当該ウエハマークから
発生する光は投影光学系ＰＬ、対物レンズ２３等を介し
て受光素子２５で受光される。受光素子２５は、ウエハ
マークからの光のうち±１次〜３次回折光のみを光電変
換し、このように光電変換して得られた光強度に応じた
光電変換信号が信号処理系２６に供給される。信号処理
系２６にはレーザ干渉計２０からの座標データも供給さ
れ、信号処理系２６はウエハステージ１７の単位移動量
毎に発生するアップダウンパルスに同期して光電変換信
号をサンプリングする。そして、例えばサンプリングさ
れた信号列のピーク部分の中心のＹ座標をウエハマーク
のＹ座標として主制御系８に供給する。同様に、Ｘ方向
用のウエハマークのＸ座標を計測するアライメントセン
サーも配置され、このアライメントセンサーによるＸ座
標も主制御系８に供給されている。これらＸ座標及びＹ
座標は、主制御系８に付設されたメモリ２７に記憶され
る。

【００２５】この場合、アライメントセンサーによるウ
エハマークの座標の計測値と、実際にウエハＷのショッ
ト領域を露光位置に設定したときのウエハマークの座標
との間にはベースライン量と呼ばれる差がある。そこ
で、予め基準部材１８上の基準マークの座標をアライメ
ントセンサーにより計測しておくことで、そのベースラ
イン量を求めてメモリ２７に記憶しておく。例えばダイ
・バイ・ダイ方式でアライメントを行う場合、主制御系
８は、信号処理系２６等から供給されたウエハマークの
座標値に、そのベースライン量の補正を行った結果に基
づいて当該ショット領域の位置決めを行ってから露光を
行う。

【００２６】次に、図３を参照して本例の投影露光装置
のオートフォーカス機構用のＡＦセンサー（４１〜４
７）、及びオートレベリング機構用の傾斜角検出系（以
下、「レベリングセンサー」という）（２８〜４０）の
説明を行う。この図３のレベリングセンサーにおいて、
光源２８から射出されたフォトレジストに非感光性の検
出光ＡＬ１は、コリメータレンズ２９により平行光束化
されミラー３８Ａで反射された後、格子板３０に入射す
る。格子板３０を通過した検出光ＡＬ１は、レンズ３１
により空間フィルター３２の開口内に集光され、その開
口を射出した検出光ＡＬ１は、レンズ３３により平行光
束に変換されて投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに斜めにウエ
ハＷ上に照射される。

【００２７】ウエハＷ上で反射された検出光ＡＬ１は、
レンズ３４により一度集光されて発散した後、レンズ３
５により平行光束化されて受光格子板３６に入射する。
主制御系８からの指令のもとで、受光格子板３６はスラ
イド機構３７により、受光系の光軸を横切る方向に微動
できるようになっている。例えばレベリングステージ１
６上にウエハＷの代わりに感光材が塗布されたガラスプ
レートが載置されているような場合、そのガラスプレー
トの裏面からの反射光で傾斜角の検出精度が悪化するこ
とがある。そこで、格子板３０及び受光格子板３６を用
いてそのガラスプレートの裏面からの反射光を遮断する
ようしている。そのガラスプレートの厚さ等に応じて受
光格子板３６の位置が調整される。

【００２８】受光格子板３６を射出した検出光ＡＬ１
は、ミラー３８Ｂで反射された後、集光レンズ３９によ
り４分割受光素子４０の受光面に集光される。４分割受
光素子４０では、４個の受光素子がそれぞれ検出光ＡＬ
１を光電変換し、光電変換された信号は主制御系８に供
給される。主制御系８では、４個の光電変換信号のバラ
ンスから４分割受光素子４０の受光面での検出光ＡＬ１
の光量分布の中心を求める。この光量分布の中心とウエ
ハＷの傾斜角との関係は予め求められているため、主制
御系８は４分割受光素子４０からの光電変換信号よりウ
エハＷの傾斜角を求めることができる。

【００２９】次に、ＡＦセンサーにおいて、光源４１か
ら射出されたフォトレジストに非感光性の検出光ＡＬ２
は、スリット板４２中のスリットを通過した後、レンズ
４３により光軸ＡＸに斜めにウエハＷ上に照射され、ウ
エハＷ上の光軸ＡＸ上の計測点にそのスリットの像が結
像される。ウエハＷ上で反射された検出光ＡＬ２は、レ
ンズ４４により集光されて、平行平板ガラス（プレーン
パラレル）４５を通過して受光スリット板４６内のスリ
ット上に集光される。そのスリットを通過した検出光Ａ
Ｌ２が受光素子４７で光電変換される。この場合、受光
スリット４６は受光系の光軸に垂直な方向に所定周期で
振動しており、受光素子４７の光電変換をその振動周期
の信号で同期検波して得られるフォーカス信号が主制御
系８に供給される。

【００３０】そのフォーカス信号はウエハＷの計測点の
Ｚ方向の位置に対して所定範囲内で線形に変化する信号
である。また、平行平板ガラス４５を傾斜角を調整する
ことにより、予めウエハＷ上の計測点が投影光学系ＰＬ
の結像面に合致するときに、ウエハＷからの反射光が受
光スリット板４６のスリットの振動中心に入射するよう
に、即ちフォーカス信号が０になるようにキャリブレー
ションが行われている。そのフォーカス信号は、主制御
系８内でアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換されてメモ
リ２７に記憶される。メモリ２７は、ウエハステージ１
７の移動量を計測するレーザ干渉計２０の計測座標に応
じたアドレス内にそれぞれ対応するフォーカス信号のデ
ジタルデータを記憶する。従って、メモリ２７内に記憶
されたフォーカス信号は、ウエハＷの表面の段差形状を
ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上で表している。主制御系８
は、メモリ２７内のデータに基づいてウエハＷ上の所望
の領域のフォーカス信号、ひいては投影光学系ＰＬの結
像面からの焦点ずれ量を求めることができる。

【００３１】次に、本例でウエハ上の所定の露光対象と
するショット領域（以下、「露光ショット」という）の
位置決めを行って、その露光ショットにレチクルＲのパ
ターン像を投影露光する際の動作につき図１のフローチ
ャートを参照して説明する。図４（ａ）は、そのウエハ
上の露光ショット４８を示し、露光ショット４８内で最
も線幅の狭いパターン像が投影される領域５０の座標デ
ータが予めメモリ２７内に記憶されている。先ず、露光
対象とするウエハＷを図２のレベリングステージ１６上
にロードする。

【００３２】次に、図１のステップ１０１において、ウ
エハステージ１７を介してウエハＷの露光ショット４８
（図４（ａ）参照）を投影光学系ＰＬの露光フィールド
内のほぼ露光位置に設定した状態で、図２のアライメン
トセンサー（２２〜２６）等を用いてその露光ショット
４８に付設されたウエハマーク（不図示）の座標を計測
し、この計測結果に基づいて露光ショット４８を露光位
置に位置決めする。

【００３３】その後、ステップ１０２において、図３の
ＡＦセンサー（４１〜４７）を用いて、露光ショット４
８の中心（ショットセンター）にスリットパターン像４
９を投影し、このスリットパターン像４９の再結像され
た像を受光スリット４６を介して光電変換してフォーカ
ス信号を得る。そして、そのフォーカス信号が０になる
ようにレベリングステージ１６の高さを調整することに
より、露光ショット４８のショットセンターを投影光学
系ＰＬの結像面に合わせ込み、この状態でウエハＷのフ
ォーカス位置をロックする（ステップ１０３）。

【００３４】次にステップ１０４において、ウエハステ
ージ１７を介してウエハＷを走査することにより、ウエ
ハＷ上の露光ショット４８内で投影されるパターン像の
線幅が最も狭い領域５０をＸ方向に通過する計測ライン
５１に沿って、ＡＦセンサーからのスリットパターン像
５２を走査し、計測ライン５１上のステージ座標（Ｘ，
Ｙ）に対応させてフォーカス信号をサンプリングする。
このフォーカス信号は計測ライン５１上の各点のフォー
カス位置を示すものである。

【００３５】その後、ステップ１０５において、主制御
系８は計測ライン５１に沿うフォーカス信号より、図４
（ｂ）に示すようにＸ方向に伸びた計測ライン５１に沿
うフォーカス位置ΔＦを求める。このフォーカス位置Δ
Ｆは、露光ショット４８のショットセンターで０になる
ようにキャリブレーションが行われている。そして、最
も線幅が狭いパターン像が投影される領域５０でのフォ
ーカス位置とショットセンターでのフォーカス位置との
オフセットΔＦ_OFを求める。そして、ステップ１０６に
おいて、主制御系８は図３のＡＦセンサー（４１〜４
７）のキャリブレーションを行う。即ち、平行平板ガラ
ス４５の傾斜角をそのオフセットΔＦ_OFを打ち消す角度
だけ変化させる。これにより、ＡＦセンサーにより投影
されるスリットパターン像（例えば４９）が、投影光学
系ＰＬの結像面からオフセットΔＦ _OF分だけ低い面に投
影されたときにフォーカス信号が０になるようになる。

【００３６】そして、ステップ１０７でオートフォーカ
ス機構を動作させ、ステップ１０８において、露光ショ
ット４８にレチクルＲのパターン像を投影露光する。そ
の後、ステップ１０９において、ウエハＷ上の他の露光
ショットへの露光が行われる。これにより、露光ショッ
ト４８内で最も線幅が狭いパターン像が投影される領域
５０が投影光学系ＰＬの結像面に合致した状態でレチク
ルＲのパターン像の露光が行われる。

【００３７】次に、この第１実施例の変形例につき図５
を参照して説明する。図５は、この変形例でのウエハＷ
上の露光ショット４８を示し、この図５において、露光
ショット４８は４個の部分ショット４８ａ〜４８ｄに分
割され、各部分ショット４８ａ〜４８ｄにはそれぞれ異
なるレチクルのパターンが投影される。そして、図２の
レチクルＲのパターンの内で視野絞り１０により選択さ
れたパターンの像を、図５の部分ショット４８ａに投影
する場合を考える。

【００３８】この場合、図１のステップ１０２に対応す
る工程において、図５の露光ショット４８のショットセ
ンターにＡＦセンサーからスリットパターン像４９が投
影され、そのショットセンターが結像面に合わせ込まれ
る。そして、図１のステップ１０４に対応する工程にお
いて、図２のウエハステージ１７を介してウエハＷを走
査することにより、ウエハＷ上の露光ショット４８内で
視野絞り１０により選択されたパターン像が投影される
部分ショット４８ａを通過する計測ライン５３に沿っ
て、ＡＦセンサーからのスリットパターン像５２を走査
し、計測ライン５３上のステージ座標（Ｘ，Ｙ）に対応
させてフォーカス信号をサンプリングする。

【００３９】その後、ステップ１０６に対応する工程お
いて、図３のＡＦセンサー（４１〜４７）のキャリブレ
ーションを行う。これによりこの変形例では、露光ショ
ット４８内の部分ショット４８ａの平均的な面が投影光
学系ＰＬの結像面に合焦されるようになり、部分ショッ
ト４８ａでの結像特性が良好になる。次に、本発明の第
２実施例の露光方法につき図６及び図７を参照して説明
する。本例で使用される投影露光装置は図２及び図３を
参照して説明したものと同じである。この第２実施例
は、所謂ＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメ
ント）方式でアライメントを行う場合に第１実施例を適
用したものである。

【００４０】図７（ａ）はこの第２実施例で露光される
ウエハＷを示し、ＥＧＡ方式では、ウエハＷ上の全ての
露光ショットＥＳ１〜ＥＳＮから選択された露光ショッ
ト（以下、「サンプルショット」という）ＳＡ１〜ＳＡ
９についてのみステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での座標を
計測し、この計測結果を統計処理して露光ショットＥＳ
１〜ＥＳＮの座標を算出し、この算出された座標に基づ
いて各露光ショットＥＳ１〜ＥＳＮの位置決めを行う。

【００４１】この場合、図７（ａ）において、ウエハＷ
上にはウエハＷ上に設定された座標系（ｘ，ｙ）に沿っ
て規則的に露光ショットＥＳ１，ＥＳ２，‥‥，ＥＳＮ
が形成され、各露光ショットＥＳｉにはそれまでの工程
によりそれぞれチップパターンが形成されている。ま
た、各露光ショットＥＳｉはｘ方向及びｙ方向に所定幅
のストリートラインで区切られており、各露光ショット
ＥＳｉに近接するｘ方向に伸びたストリートラインの中
央部にＸ方向のウエハマークＭｘｉが形成され、各露光
ショットＥＳｉに近接するｙ方向に伸びたストリートラ
インの中央部にＹ方向のウエハマークＭｙｉが形成され
ている。Ｘ方向用のウエハマークＭｘｉ及びＹ方向用の
ウエハマークＭｙｉはそれぞれｘ方向及びｙ方向に所定
ピッチで３列のドットパターン列を並べたものであり、
これらのパターンはウエハＷの下地に凹部又は凸部のパ
ターンとして形成したものである。

【００４２】先ず、このウエハＷを図２のレベリングス
テージ１６上に載置した後、図６のステップ１１１で変
数ｊを１に初期化する。そして、ステップ１１２におい
て、図７（ａ）の１番目のサンプルショットＳＡ１につ
いてステージ座標系（Ｘ，Ｙ）上での座標を計測する。
これはサンプルショットＳＡ１に付設されているウエハ
マークの座標を計測することを意味する。この際にサン
プルショットＳＡ１のショットセンターが投影光学系Ｐ
Ｌの結像面に合焦される。その後、ステップ１１３にお
いて、フォーカス位置をロックした状態で、図７（ｂ）
に示すように、ウエハステージ１７を介してウエハＷを
走査することにより、ウエハＷ上のサンプルショットＳ
Ａ１内で投影されるパターン像の線幅が最も狭い領域５
０をＸ方向に通過する計測ライン５１に沿って、ＡＦセ
ンサーからのスリットパターン像５２を走査し、計測ラ
イン５１上のステージ座標（Ｘ，Ｙ）に対応させてフォ
ーカス信号をサンプリングする。このフォーカス信号は
計測ライン５１上の各点のフォーカス位置を示すもので
ある。

【００４３】その後、ステップ１１４において、主制御
系８は計測ライン５１に沿うフォーカス信号より、図７
（ｃ）に示すようにＸ方向に伸びた計測ライン５１に沿
うフォーカス位置ΔＦを求める。このフォーカス位置Δ
Ｆは、そして、最も線幅が狭いパターン像が投影される
領域５０でのフォーカス位置とショットセンターでのフ
ォーカス位置とのオフセットΔＦ_OFを求める。そして、
ステップ１１５で変数ｊの値を１だけ増加させた後、ス
テップ１１５で変数ｊがサンプルショットの個数ｍ（図
７（ａ）では、ｍ＝９）を超えたか否かを調べる。変数
ｊがｍ以下の場合にはステップ１１２〜１１５を繰り返
して、それぞれサンプルショットＳＡｊについてステー
ジ座標系での座標値、及び領域５０のフォーカス位置の
オフセットΔＦ_OFを求める。

【００４４】全サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９の計測
が終了した後、ステップ１１６において、９個のフォー
カス位置のオフセットΔＦ_OFの平均値を求め、ステップ
１１７において、ＡＦセンサーのキャリブレーションを
行い、各露光ショットのショットセンターが投影光学系
ＰＬの結像面からオフセットΔＦ_OFの平均値だけ低いと
きに、フォーカス信号が０になるようにする。

【００４５】その後、ステップ１１９において、９個の
サンプルショットの計測結果を使用して、ＥＧＡ方式で
アライメントを行う。即ち、図７（ａ）のウエハＷ上の
座標系（ｘ，ｙ）をステージ座標系（Ｘ，Ｙ）に変換す
る一次変換モデルを、６個の変換パラメータａ〜ｆを用
いて次のように表現する。

【００４６】

【数１】

【００４７】この変換式における６個の変換パラメータ
ａ〜ｆを、以下のように最小自乗近似法を用いた方式に
より求める。即ち、ｎ番目のサンプルショットＳＡｎ
（ｎ＝１〜９）のステージ座標系上での計測された座標
値を（ＸＭ_n ，ＹＭ_n ）、設計上の座標値から（数１）
に基づいて計算された座標値を（Ｘ_n ，Ｙ_n ）とする
と、残留誤差成分を次式で表す。但し、図７（ａ）の例
では、ｍの値は９である。

【００４８】

【数２】

【００４９】そして、この残留誤差成分が最小になるよ
うに、（数１）の変換パラメータａ〜ｆの値を定める。
これがＥＧＡ計算と呼ばれる計算である。次に、この変
換パラメータａ〜ｆと、ウエハＷ上の各露光ショットＥ
Ｓｉ（ｉ＝１〜Ｎ）の設計上の座標値から各露光ショッ
トＥＳｉの配列座標を算出し、この配列座標に基づいて
アライメントを行った各露光ショットＥＳｉにそれぞれ
レチクルＲのパターン像を露光する。その後、ステップ
１１９で次のウエハへの露光が行われる。これにより本
例では、ウエハマークの計測時間を短縮して、ウエハＷ
の各露光ショットＥＳ１〜ＥＳＮを正確に位置決めでき
ると共に、各露光ショットＥＳ１〜ＥＳＮ内の最も線幅
が狭い領域をそれぞれ投影光学系ＰＬの結像面に正確に
合焦できる。

【００５０】また、この第２実施例のステップ１１２に
おいて、更に図７（ｂ）に示すように、サンプルショッ
トＳＡ１〜ＳＡ９のそれぞれの４隅に順次ＡＦセンサー
からスリットパターン像５４〜５７を投影することによ
り、それら４隅のフォーカス位置から各サンプルショッ
トＳＡ１〜ＳＡ９の傾斜角を求めてもよい。そして、ス
テップ１１７においてそれら９個の傾斜角の平均値を求
め、ステップ１１８において、図３のレベリングセンサ
ー（２８〜４０）のキャリブレーションを行って、その
サンプルショットＳＡ１〜ＳＡ９の平均的な面が投影光
学系ＰＬの結像面に平行になるようにする。これによ
り、各露光ショットＥＳ１〜ＥＳＮの露光面も平均とし
てその結像面に平行になり、結像特性が更に改善され
る。

【００５１】なお、本発明は上述実施例に限定されず本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得るこ
とは勿論である。

【００５２】

【発明の効果】本発明の第１の露光方法、第２の露光方
法、又は第４の露光方法によれば、ショット領域内の正
確に合焦させたい領域を結像面に合焦させることができ
る。

【００５３】また、ショット領域の露光位置での実際の
焦点ずれ量と、合焦させたい面の焦点ずれ量とのオフセ
ット（偏差）を求めるようにしているので、異なる投影
露光装置間での焦点ずれ量のばらつきを小さくすること
ができる。更に、第３の露光方法によれば、サンプル領
域での焦点ずれ量のオフセットの計測結果を平均化して
いるため、少ない計測時間で基板上の各ショット領域に
対して、それぞれショット領域内の正確に合焦させたい
領域を結像面に合焦させた状態で露光を行うことができ
る。

【００５４】また、各サンプル領域について計測された
傾斜角の平均値に基づいて各ショット領域の傾斜角の補
正を行うようにした場合には、少ない計測時間で各ショ
ット領域のレベリングをより正確に行うことができる。
次に、本発明の第５の露光方法によれば、ショット領域
内で最も正確に合焦させたい領域の光軸方向における位
置情報の分布を正確に求めることができる。 また、本発
明の半導体素子の製造方法によれば、線幅の狭い回路パ
ターンを有する半導体素子を高精度に製造することがで
きる。また、本発明の第１又は第２の露光装置によれ
ば、それぞれ本発明の第４又は第５の露光方法を実施で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の露光方法を示すフローチ
ャートである。

【図２】図１の露光方法が適用される投影露光装置の照
明光学系及びアライメントセンサーを示す構成図であ
る。

【図３】図２の投影光学系のＡＦセンサー及びレベリン
グセンサーを示す構成図である。

【図４】（ａ）は第１実施例の露光ショット４８を示す
拡大平面図、（ｂ）は露光ショット４８上の計測ライン
５１に沿うフォーカス位置の分布を示す図である。

【図５】第１実施例の変形例の露光ショット４８を示す
拡大平面図である。

【図６】本発明の第２実施例の露光方法を示すフローチ
ャートである。

【図７】（ａ）は第２実施例で露光されるウエハ上の露
光ショット及びサンプルショットの配列を示す平面図、
（ｂ）はサンプルショットＳＡ１の拡大平面図、（ｃ）
はサンプルショットＳＡ１上の計測ライン５１に沿うフ
ォーカス位置の分布を示す図である。

【符号の説明】

１ 水銀ランプ ６ フライアイレンズ ８ 主制御系 １０ レチクルブラインド １３ メインコンデンサーレンズ Ｒ レチクル ＰＬ 投影光学系 Ｗ ウエハ １６ レベリングステージ １７ ウエハステージ ２０ レーザ干渉計 ２３ アライメントセンサーの対物レンズ ２８ レベリングセンサーの光源 ４０ ４分割受光素子 ４１ ＡＦセンサーの光源 ４５ 平行平板ガラス ４６ 受光スリット板 ４７ 受光素子 ４８ 露光ショット ４９，５２ スリットパターン像 ５１ 計測ライン

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03B 27/32 G03F 7/207

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 転写用のパターンが形成されたマスクを
   照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を感光
   性の基板上のショット領域に投影する投影光学系と、前
   記基板を保持して前記基板を前記投影光学系の光軸にほ
   ぼ垂直な平面内で位置決めすると共に前記基板の前記光
   軸方向の高さを調整する基板ステージと、前記投影光学
   系の露光フィールド内の所定の計測点で前記基板の露光
   面と前記投影光学系の結像面との高さの差分である焦点
   ずれ量を検出する焦点位置検出手段とを有し、該焦点位
   置検出手段で検出された焦点ずれ量に基づいて前記基板
   ステージを介して前記基板の高さを調整した後に前記シ
   ョット領域に前記マスクのパターン像を露光する方法に
   おいて、 前記基板ステージを介して前記基板の前記ショット領域
   を前記投影光学系の露光フィールド内の露光位置に設定
   した状態で、前記焦点位置検出手段により前記基板の焦
   点ずれ量を検出する第１工程と、 前記基板ステージで設定する前記基板の高さを前記第１
   工程で設定された高さに固定した状態で前記基板ステー
   ジを介して前記基板を走査することにより、前記基板上
   の前記ショット領域内で投影されるパターン像の線幅が
   最も狭い領域を通過する計測ライン上の焦点ずれ量の分
   布を前記焦点位置検出手段で検出する第２工程と、 前記第１工程で検出された焦点ずれ量と前記第２工程で
   検出された焦点ずれ量の分布とより、前記ショット領域
   を露光位置に設定した状態で検出される焦点ずれ量と前
   記ショット領域に投影されるパターン像の線幅が最も狭
   い領域の焦点ずれ量とのオフセットを求める第３工程
   と、 前記ショット領域を露光位置に設定し、前記焦点位置検
   出手段で検出された焦点ずれ量に前記第３工程で求めた
   オフセットを補正して得られた値に基づいて前記基板ス
   テージを介して前記基板の高さを調整した後、前記ショ
   ット領域に前記マスクのパターン像を露光する第４工程
   と、を有することを特徴とする露光方法。
2. 【請求項２】 視野絞りを介して転写用のパターンが形
   成されたマスク上の選択された領域を照明する照明光学
   系と、前記マスクの選択されたパターン像を感光性の基
   板上のショット領域に投影する投影光学系と、前記基板
   を保持して前記基板を前記投影光学系の光軸にほぼ垂直
   な平面内で位置決めすると共に前記基板の前記光軸方向
   の高さを調整する基板ステージと、前記投影光学系の露
   光フィールド内の所定の計測点で前記基板の露光面と前
   記投影光学系の結像面との高さの差分である焦点ずれ量
   を検出する焦点位置検出手段とを有し、該焦点位置検出
   手段で検出された焦点ずれ量に基づいて前記基板ステー
   ジを介して前記基板の高さを調整した後に前記ショット
   領域に前記マスクの選択されたパターン像を露光する方
   法において、 前記基板ステージを介して前記基板の前記ショット領域
   を前記投影光学系の露光フィールド内の露光位置に設定
   した状態で、前記焦点位置検出手段により前記基板の焦
   点ずれ量を検出する第１工程と、 前記基板ステージで設定する前記基板の高さを前記第１
   工程で設定された高さに固定した状態で前記基板ステー
   ジを介して前記基板を走査することにより、前記基板上
   の前記ショット領域内で前記視野絞りにより選択された
   パターンが投影される領域を通過する計測ライン上の焦
   点ずれ量の分布を前記焦点位置検出手段で検出する第２
   工程と、 前記第１工程で検出された焦点ずれ量と前記第２工程で
   検出された焦点ずれ量の分布とより、前記ショット領域
   を露光位置に設定した状態で検出される焦点ずれ量と前
   記ショット領域内で前記視野絞りにより選択されたパタ
   ーンが投影される領域の焦点ずれ量とのオフセットを求
   める第３工程と、 前記ショット領域を露光位置に設定し、前記焦点位置検
   出手段で検出された焦点ずれ量に前記第３工程で求めた
   オフセットを補正して得られた値に基づいて前記基板ス
   テージを介して前記基板の高さを調整した後、前記ショ
   ット領域に前記マスクの選択されたパターン像を露光す
   る第４工程と、を有することを特徴とする露光方法。
3. 【請求項３】 転写用のパターンが形成されたマスクを
   照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を感光
   性の基板上の複数のショット領域にそれぞれ投影する投
   影光学系と、前記基板を保持して前記基板を前記投影光
   学系の光軸にほぼ垂直な平面内で位置決めすると共に前
   記基板の前記光軸方向の高さを調整する基板ステージ
   と、前記投影光学系の露光フィールド内の所定の計測点
   で前記基板の露光面と前記投影光学系の結像面との高さ
   の差分である焦点ずれ量を検出する焦点位置検出手段と
   を有し、該焦点位置検出手段で検出された焦点ずれ量に
   基づいて前記基板ステージを介して前記基板の高さを調
   整した後に前記複数のショット領域にそれぞれ前記マス
   クのパターン像を露光する方法において、 前記基板ステージを介して前記基板の前記複数のショッ
   ト領域から選択された複数のサンプル領域をそれぞれ前
   記投影光学系の露光フィールド内の露光位置に設定した
   状態で、前記焦点位置検出手段により前記基板の焦点ず
   れ量を検出すると共に、前記複数のサンプル領域の前記
   基板ステージの座標系上での座標をそれぞれ検出する第
   １工程と、 前記基板ステージで設定する前記基板の高さを前記第１
   工程で設定された高さに固定した状態で前記基板ステー
   ジを介して前記基板を走査することにより、前記基板上
   の前記複数のサンプル領域内でそれぞれ投影されるパタ
   ーン像の線幅が最も狭い領域を通過する計測ライン上の
   焦点ずれ量の分布を前記焦点位置検出手段で検出する第
   ２工程と、 前記第１工程で検出された焦点ずれ量と前記第２工程で
   検出された焦点ずれ量の分布とより、前記複数のサンプ
   ル領域を露光位置に設定した状態で検出される焦点ずれ
   量と前記複数のサンプル領域に投影されるパターン像の
   線幅が最も狭い領域の焦点ずれ量とのオフセットの平均
   値を求める第３工程と、 前記第１工程で検出された前記複数のサンプル領域の前
   記基板ステージ上での座標を統計処理して前記基板上の
   前記複数のショット領域の配列座標を求める第４工程
   と、 前記複数のショット領域をそれぞれ前記第４工程で求め
   られた配列座標に基づいて露光位置に設定し、前記焦点
   位置検出手段で検出された焦点ずれ量に前記第３工程で
   求めたオフセットの平均値を補正して得られた値に基づ
   いて前記基板ステージを介して前記基板の高さを調整し
   た後、前記複数のショット領域にそれぞれ前記マスクの
   パターン像を露光する第５工程と、を有することを特徴
   とする露光方法。
4. 【請求項４】 前記基板ステージに前記基板の傾斜角を
   調整する機構を付加し、前記第１工程で更に前記焦点位
   置検出手段を介して前記複数のサンプル領域の４隅の焦
   点ずれ量をそれぞれ検出し、 前記第３工程で前記複数のサンプル領域の前記投影光学
   系の結像面からの傾斜角の平均値を求め、 前記第５工程で前記複数のショット領域に前記マスクの
   パターン像を露光する際にそれぞれ前記第３工程で求め
   られた傾斜角の補正を行うことを特徴とする請求項３記
   載の露光方法。
5. 【請求項５】 転写用のパターンが形成されたマスクを
   照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を基板
   上のショット領域に投影する投影光学系と、前記投影光
   学系の露光フィールド内の所定の計測点で前記光軸方向
   における前記基板の位置情報を検出する焦点位置検出手
   段とを有し、該焦点位置検出手段で検出された位置情報
   に基づいて前記基板と前記投影光学系の結像面とを合致
   させて前記ショット領域に前記マスクのパターン像を露
   光する露光方法において、 前記焦点位置検出手段によって、前記ショット領域上の
   所定の計測点の前記光軸方向における第１位置情報を検
   出する工程と、 前記焦点位置検出手段によって、前記ショット領域上の
   該ショット領域に投影されるパターン像の線幅が最も狭
   い領域の前記光軸方向における第２位置情報を検出する
   工程と、 前記第１位置情報と前記第２位置情報とに基づいてオフ
   セット量を求める工程と、 前記オフセット量に基づいて前記焦点位置検出手段をキ
   ャリブレーションする工程と、を有することを特徴とす
   る露光方法。
6. 【請求項６】 マスクのパターン像を投影光学系を介し
   て基板上に投影し、前記基板上の複数のショット領域を
   順次露光する露光方法において、 前記基板上に検出光を照射し、該検出光と前記基板とを
   相対走査したときの前記基板からの前記検出光を検出す
   ることによって、前記ショット領域内の前記検出光が通
   過する計測ライン上での前記投影光学系の光軸方向にお
   ける位置情報の分布を検出するとともに、前記基板上の
   複数のショット領域の中から選択された複数のサンプル
   ショット領域において前記位置情報の分布を検出するこ
   とを特徴とする露光方法。
7. 【請求項７】 前記選択された複数のサンプルショット
   領域における前記位置情報の分布に基づいて、前記サン
   プルショット領域内の前記光軸方向の段差情報を得るこ
   とを特徴とする請求項６記載の露光方法。
8. 【請求項８】 前記サンプルショット領域内における複
   数の位置情報に基づいて前記複数のサンプルショット領
   域毎の傾斜情報を求めることを特徴とする請求項６又は
   ７記載の露光方法。
9. 【請求項９】 前記ショット領域内で前記投影光学系の
   結像面に最も正確に合致させたい領域を前記検出光が通
   過するように、前記相対走査が制御されることを特徴と
   する請求項６〜８の何れか一項記載の露光方法。
10. 【請求項１０】 前記段差情報に基づいて前記検出光を
    用いて検出される前記位置情報のオフセット値を算出
    し、前記複数のショット領域を露光する際に検出される
    前記位置情報を前記オフセット値で補正することを特徴
    とする請求項７記載の露光方法。
11. 【請求項１１】 前記複数のショット領域を露光する際
    に各ショット領域毎に検出される前記位置情報と、前記
    段差情報とに基づいて、前記基板を載置する基板ステー
    ジの３個の支点を凸没させて前記基板と前記投影光学系
    の結像面とを合致させることを特徴とする請求項７又は
    １０記載の露光方法。
12. 【請求項１２】 請求項１〜１１の何れか一項記載の露
    光方法を用いて基板を露光する工程を有することを特徴
    とする半導体素子の製造方法。
13. 【請求項１３】 転写用のパターンが形成されたマスク
    を照明する照明光学系と、前記マスクのパターン像を基
    板上のショット領域に投影する投影光学系と、前記投影
    光学系の露光フィールド内の所定の計測点で前記光軸方
    向における前記基板の位置情報を検出する焦点位置検出
    手段とを有し、該焦点位置検出手段で検出された位置情
    報に基づいて前記基板と前記投影光学系の結像面とを合
    致させて前記ショット領域に前記マスクのパターン像を
    露光する露光装置において、 前記焦点位置検出手段によって得られる、前記ショット
    領域上の所定の計測点の前記光軸方向における第１位置
    情報と前記ショット領域上の該ショット領域に投影され
    るパターン像の線幅が最も狭い領域の前記光軸方向にお
    ける第２位置情報とに基づいてオフセット量を求める演
    算手段と、 前記オフセット量に基づいて前記焦点位置検出手段をキ
    ャリブレーションするキャリブレーション手段とを有す
    ることを特徴とする露光装置。
14. 【請求項１４】 マスクのパターン像を投影光学系を介
    して基板上に投影し、前記基板上の複数のショット領域
    を順次露光する露光装置において、 前記基板上に検出光を照射し、前記基板からの前記検出
    光を検出することにより、前記基板の前記投影光学系の
    光軸方向における位置情報を検出する検出手段と、 前記基板上の複数のショット領域の中から選ばれた複数
    のサンプルショット領域と前記検出光とを相対走査する
    ことによって、前記各サンプルショット領域内の前記検
    出光が通過する計測ライン上での前記投影光学系の光軸
    方向における位置情報の分布を検出する制御手段と、 を有することを特徴とする露光装置。