JPH1055946A

JPH1055946A - 露光条件測定方法

Info

Publication number: JPH1055946A
Application number: JP8209790A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ota; 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1998-02-24
Also published as: US6057908A; KR19980018477A

Abstract

(57)【要約】【課題】レチクル上の評価用パターンの実際の露光像
をＬＩＡ方式等のアライメントセンサにより計測し、ベ
ストフォーカス位置の検出精度を向上する。【解決手段】計測方向（Ｘ方向）に傾斜した楔状の微
小マーク１９を非計測方向（Ｙ方向）に複数個並べて形
成した基本マーク２０Ａ〜２０Ｎを計測方向に格子状に
配置して構成した評価用マーク１８ＸＡをレチクル上に
形成する。ウエハのフォーカス位置を変えながら、且つ
ウエハを横ずれさせながら評価用マーク１８ＸＡの像を
ウエハ上に転写する。ウエハを現像後、ＬＩＡ方式のア
ライメントセンサにより評価用マーク１８ＸＡの像の位
置を計測する。評価用マーク１８ＸＡの像の重心位置は
ウエハの表面がベストフォーカス位置に近い程、微小マ
ーク１９の尖端方向（右方向）に移動するため、そのマ
ークの像の重心が最も右方向に位置するときのフォーカ
ス位置をベストフォーカス位置とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスクパターンの
像を投影光学系を介して感光基板上に投影する際の露光
条件測定方法に関し、特にマスク上の評価用パターンの
像を感光基板上に実際に露光し、その露光像からその投
影光学系の最適フォーカス位置を求める場合に適用して
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子、液晶表示素子、撮像
素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するた
めのフォトリソグラフィ工程では、マスクとしてのレチ
クル（又はフォトマスク等）上のパターンを感光性の基
板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上の各ショ
ット領域に一括露光するステッパー等の投影露光装置が
多用されている。また、レチクル上のパターンの一部を
ウエハ上に投射した状態でレチクルとウエハとを同期走
査してレチクルのパターンの像をウエハ上の各ショット
領域に転写露光するステップ・アンド・スキャン方式等
の走査露光型の投影露光装置も使用されつつある。

【０００３】このような投影露光装置では、レチクル上
のパターンをウエハ上に高い精度で転写するため、ウエ
ハの露光対象のショット領域の表面のフォーカス位置
（投影光学系の光軸方向の位置）を投影光学系の結像面
のベストフォーカス位置に合わせ込む必要がある。その
ため、レチクル上のパターンの像をウエハ上に露光転写
する前に、その投影露光装置の投影光学系の結像面のベ
ストフォーカス位置が求められる。このベストフォーカ
ス位置を求める方法として、ウエハを所定の間隔で高さ
方向に移動しながら、その移動毎にレチクル上の計測用
のパターンの像をウエハ上に実際に露光し、その露光像
を適当な計測器を使用して計測することによりベストフ
ォーカス位置を求める方法が従来より用いられている。

【０００４】ところで、投影露光装置にはレチクルとウ
エハとの位置ずれ量を検出するための位置検出装置とし
てのアライメントセンサが備えられている。このような
アライメントセンサとしては、レーザ光をウエハ上のド
ット列状のアライメントマークに照射し、そのマークに
より回折又は散乱された光を用いてそのマークの位置を
検出するＬＳＡ（Laser Step Alignment）方式、ハロゲ
ンランプを光源とする波長帯域幅の広い光で照明して撮
像したアライメントマークの画像データを画像処理して
計測するＦＩＡ（Field Image Alignment)方式、あるい
はウエハ上の回折格子状のアライメントマークに、同一
周波数又は周波数を僅かに変えたレーザ光を２方向から
照射し、発生した２つの回折光を干渉させ、その位相か
らアライメントマークの位置を計測するＬＩＡ（Laser
Interferometric Alignment)方式等のアライメントセン
サがある。

【０００５】そして、上述の実際の露光像に基づいてベ
ストフォーカス位置を求める方法では、ＬＳＡ方式のア
ライメントセンサが使用されていた。この場合、例え
ば、複数の計測方向に長い菱形のパターンを格子状に配
列した評価用パターンを形成したレチクルを使用し、ウ
エハのフォーカス位置を段階的に変えながら、そのレチ
クルのパターンをウエハ上に実際に露光して得られる露
光像の長さをＬＳＡ方式のアライメントセンサにより計
測し、この計測結果よりベストフォーカス位置が検出さ
れる。

【０００６】図９は、従来の評価用パターンのウエハ上
における露光像の状態を示し、この図９において、ウエ
ハ上にはＸ方向に長い菱形のＸ軸用のパターン像５１Ｘ
１〜５１Ｘ３及びＹ方向に長い菱形のＹ軸用のパターン
像５１Ｙ１〜５１Ｙ３が形成されている。例えば、Ｘ軸
用のパターン像５１Ｘ１〜５１Ｘ３はウエハの表面がベ
ストフォーカス位置に近い程、点線に示すように計測方
向（Ｘ方向）に長くなり、ウエハの位置がベストフォー
カス位置から離れる、即ちデフォーカスするに従ってパ
ターン像の計測方向の長さが短くなる。従って、このパ
ターン像の計測方向の長さをＬＳＡ方式のアライメント
センサにより計測し、その結果に基づいてベストフォー
カス位置を求めることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のＬＳＡ方式アラ
イメントセンサを使用して投影光学系の投影像のベスト
フォーカス位置を検出する方法は、ウエハ上に形成され
た菱形のマーク像の計測方向の長さを比較するという方
法であるため、測定精度はＬＳＡ方式のアライメントセ
ンサの測定精度に依存する。近年、超ＬＳＩ等の集積度
が高まるのに伴ってレチクル上の回路パターンをウエハ
上に更に高精度に転写するため、ベストフォーカス位置
を更に高い精度で検出することが求められている。しか
しながら、このＬＳＡ方式のアライメントセンサを使用
した従来の方法では、ベストフォーカス位置の検出精度
を更に向上させることが難しいという不都合があった。

【０００８】また、図９に示すような菱形の計測用マー
クを使用した場合には、投影露光装置に一般的に使用さ
れるＬＳＡ方式以外のＦＩＡ方式、あるいはＬＩＡ方式
等のアライメントセンサを使用するのでは、ベストフォ
ーカス位置の測定が困難であるという不都合もある。本
発明は斯かる点に鑑み、実際の露光像に基づいて投影光
学系の結像面のベストフォーカス位置を求める際に、露
光像の状態の計測にＬＩＡ方式等の高精度のアライメン
トセンサを使用することによってそのベストフォーカス
位置の検出精度を向上できる露光条件測定方法を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による露光条件測
定方法は、マスクパターンの像を投影光学系（５）を介
して感光基板（６）上に投影する際の露光条件測定方法
において、計測方向（Ｘ方向）に楔状に形成された微小
構成要素（１９）をその計測方向に直交する非計測方向
（Ｙ方向）に複数個並べてなる中間構成要素（２０Ｉ）
を、その計測方向に格子状に複数組配置した第１の評価
用マーク（１８ＸＡ；２７；２７Ａ；２７Ｂ）を用意
し、この評価用マークをそのマスクパターンの配置面上
でその投影光学系（５）の露光フィールド内の所定の計
測点と共役な位置の近傍に配置し、その評価用マークの
像をその投影光学系（５）を介して評価用の感光基板
（６）上の異なる複数の部分領域のそれぞれに、この感
光基板のその投影光学系（５）の光軸方向（Ｚ方向）の
位置を変えながら投影し、その評価用の感光基板（６）
上の部分領域のそれぞれに投影されたその評価用マーク
の像（２２ＸＡ〜２４ＸＡ）のその計測方向の重心位置
を、その評価用の感光基板（６）のその光軸方向の位置
に対応させてそれぞれ計測し、この計測結果に基づいて
その所定の計測点でのその投影光学系（５）の最適フォ
ーカス位置（結像面のベストフォーカス位置）を求める
ものである。

【００１０】斯かる本発明の露光条件測定方法によれ
ば、第１の評価用マーク（１８ＸＡ；２７；２７Ａ；２
７Ｂ）は、楔状の微小構成要素（１９）を有する。この
楔状の微小構成要素の感光基板（６）上の像は、それが
転写されたときの感光基板（６）の表面のフォーカス位
置が最適フォーカス位置に近いほど、尖端部の長さが広
くなる。即ち、その楔状の微小構成要素（１９）の像の
重心位置は、感光基板（６）が最適フォーカス位置に近
いほど、その微小構成要素（１９）の尖端の方向に移動
する。従って、その微小構成要素（１９）を非計測方向
に並べた中間構成要素（２０Ｉ）からなる評価用マーク
の像全体も微小構成要素（１９）の尖端方向に移動す
る。そのため、評価用マークの像の重心位置を計測する
だけで、最適フォーカス位置を求めることができる。

【００１１】また、その評価用マークは楔状の微小構成
要素を非計測方向に複数個並べて形成した中間構成要素
（２０Ｉ）を計測方向に格子状に配列しているため、例
えばＬＩＡ方式（２光束干渉方式）等のアライメントセ
ンサにより、その評価用マークの像の計測方向の重心位
置を計測することができる。ＬＩＡ方式のアライメント
センサは、計測精度に優れているため、最適フォーカス
位置の計測精度も向上する。また、このような評価用マ
ークの像の計測方向の重心位置は例えばＦＩＡ方式（撮
像方式）のアライメントセンサによっても計測すること
ができる。

【００１２】この場合、その第１の評価用マーク（２
７；２７Ａ）のその中間構成要素（２０Ｉ）とは異なる
パターンをその計測方向に格子状に複数個配置した第２
の評価用マーク（２８；２９Ａ）を、その第１の評価用
マークに対してその計測方向に並べて配置し、その第１
の評価用マーク（２７；２７Ａ）の像をその評価用の感
光基板（６）上の部分領域のそれぞれに投影する際にそ
の第２の評価用マーク（２８；２９Ａ）の像も投影し、
その第１の評価用マーク（２７；２７Ａ）の像のその計
測方向の重心位置を計測する際にその第２の評価用マー
ク（２８；２９Ａ）の像のその計測方向の重心位置も計
測し、この計測された２つの評価用マークの像の重心位
置の間隔の変化に基づいてその投影光学系（５）の最適
フォーカス位置を求めるようにしてもよい。

【００１３】これにより、第１の評価用マーク（２７；
２７Ａ）の像と、第２の評価用マーク（２８；２９Ａ）
の像との相対位置の変化に基づいて、高精度に投影光学
系（５）の最適フォーカス位置を検出できる。また、そ
の第１の評価用マーク（２７Ｂ）のその中間構成要素
（２０Ｉ）とは異なるパターンをその計測方向に格子状
に複数個配置した第２の評価用マーク（２９Ｂ）を、そ
の第１の評価用マーク（２７Ｂ）に対してその非計測方
向に並べて配置し、その第１の評価用マーク（２７Ｂ）
の像をその評価用の感光基板（６）上の部分領域のそれ
ぞれに投影する際にその第２の評価用マーク（２９Ｂ）
の像も投影し、その第１の評価用マーク（２７Ｂ）の像
のその計測方向の重心位置を計測する際にその第２の評
価用マーク（２９Ｂ）の像のその計測方向の重心位置も
計測し、この計測された２つの評価用マーク（２７Ｂ，
２９Ｂ）の像の重心位置の差の変化に基づいてその投影
光学系（５）の最適フォーカス位置を求めてもよい。

【００１４】このとき、計測装置に対して例えば２つの
評価用マーク（２７Ｂ，２９Ｂ）の像を非計測方向に走
査することにより、２つの像の重心位置の相対的な差を
検出することができ、それに基づいて高精度に投影光学
系（５）の最適フォーカス位置を検出することができ
る。また、その第２の評価用マークの一例は、その計測
方向に配列されたライン・アンド・スペースパターン
（２８）である。このパターン（２８）の像の計測方向
の位置はデフォーカスしても変化しないため、測定基準
とすることができる。

【００１５】また、その第２の評価用マークの他の例
は、その計測方向に対してその第１の評価用マーク（２
７Ａ）を反転させたパターン（２９Ａ，２９Ｂ）であ
る。これにより、第１及び第２の評価用マークの像の間
の重心位置の変化は、フォーカス位置の変化に対して２
倍になり、最適フォーカス位置の検出感度が２倍にな
る。また、その第１の評価用マーク（１８ＸＡ；２７；
２７Ａ；２７Ｂ）の像の重心位置を計測する際に、この
第１の評価用マークに対して異なる方向から可干渉な２
光束（ＬＢ）を照射し、この第１の評価用マークから同
一方向に発生する１対の回折光よりなる干渉光（ＬＢ
Ｋ）を受光し、この干渉光の位相を検出することが好ま
しい。これは、ＬＩＡ方式のアライメントセンサでその
評価用マーク像を検出することを意味する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図１〜図８を参照して説明する。本例は、ステッ
パー方式の投影露光装置において投影光学系の結像面の
ベストフォーカス位置を求める場合に本発明を適用した
ものである。図１は、本例の投影露光装置の概略構成を
示し、この図１において、露光時には光源、フライアイ
レンズ、視野絞り、及びコンデンサレンズ等を含む照明
光学系１から射出された波長λ１の照明光ＩＬにより、
均一な照度分布でレチクル２のパターン領域が照明さ
れ、その照明光ＩＬのもとで、レチクル２のパターンの
像が投影光学系５を介してウエハ６上の各ショット領域
に投影倍率β（βは例えば１／４又は１／５）で転写さ
れる。この場合、照明光ＩＬとしては、水銀ランプの紫
外域の輝線（ｇ線、ｉ線等）、ＡｒＦエキシマレーザ光
やＫｒＦエキシマレーザ光、あるいは銅蒸気レーザやＹ
ＡＧレーザの高調波等が使用される。以下、投影光学系
５の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な２次元
平面内で図１の紙面に平行にＸ軸、図１の紙面に垂直に
Ｙ軸を取って説明する。

【００１７】レチクル２はＸ方向及びＹ方向に微動でき
るレチクルステージ３上に載置されている。レチクルス
テージ３は回転方向にも微動可能である。レチクルステ
ージ３のＸ方向の端部には外部のレーザ干渉計４からの
レーザビームを反射するＸ軸用の移動鏡４Ｘが固定され
ており、Ｘ軸用のレーザ干渉計４及び移動鏡４Ｘにより
レチクルステージ３のＸ方向の位置が検出される。ま
た、レチクルステージ３のＹ方向の端部には外部のレー
ザ干渉計（不図示）からのレーザビームを反射するＹ軸
用の移動鏡４Ｙが固定されており、そのレーザ干渉計及
び移動鏡４Ｙによりレチクルステージ３のＹ方向の位置
が検出される。Ｘ軸用のレーザ干渉計４及びＹ軸用のレ
ーザ干渉計の測定値は装置全体を統轄制御する主制御系
１５に供給されており、主制御系１５はそれらの計測値
に基づいて不図示のレチクルステージ駆動系を介してレ
チクルステージ３の位置を制御する。

【００１８】一方、ウエハ６は不図示のウエハホルダを
介してＺチルトステージ７上に保持され、Ｚチルトステ
ージ７は３個のＺ方向に移動自在なアクチュエータ９Ａ
〜９Ｃを介してＸＹステージ８上に載置されている。Ｘ
Ｙステージ８はＸ方向及びＹ方向に移動自在に構成され
ており、不図示のウエハステージ駆動系によりＸ方向及
びＹ方向に移動し、ステップ・アンド・リピート方式で
ウエハ４の各ショット領域にレチクル２のパターンの像
が転写される。また、３個のアクチュエータ９Ａ〜９Ｃ
を並行に伸縮させることにより、Ｚチルトステージ７の
Ｚ方向の位置（フォーカス位置）の調整が行われ、３個
のアクチュエータ９Ａ〜９Ｃの伸縮量を個別に調整する
ことにより、Ｚチルトステージ７のＸ軸及びＹ軸の回り
の傾斜角の調整が行われる。

【００１９】また、Ｚチルトステージ７の上端に固定さ
れたＸ軸用の移動鏡１０Ｘ、及び外部のレーザ干渉計１
０により、ウエハ６のＸ座標が常時モニタされ、Ｙ軸用
の移動鏡１０Ｙ及び外部の不図示のレーザ干渉計によ
り、ウエハ６のＹ座標が常時モニタされている。Ｘ軸用
のレーザ干渉計１０及びＹ軸のレーザ干渉計により検出
されたＸ座標、Ｙ座標が主制御系１５に供給されてい
る。主制御系１５は、供給された座標に基づいてウエハ
ステージ駆動系を介してＸＹステージ８の動作を制御す
る。また、ウエハ６上の各ショット領域には位置合わせ
用の回折格子状のＸ軸のウエハマーク１６Ｘ及びＹ軸用
のウエハマークが形成されている。これらのウエハマー
ク１６Ｘを後述のＬＩＡ方式のアライメントセンサ１３
により計測する。なお、投影光学系５の結像面のベスト
フォーカス位置を評価する際は、テストプリント用のウ
エハがウエハ６と同様にＺチルトステージ７上にロード
され、そのウエハの各ショット領域に形成された評価用
マークの像の位置をアライメントセンサ１３により計測
する。詳しくは後述する。

【００２０】また、図１の装置にはウエハ６の表面のＺ
方向の位置（フォーカス位置）を検出するための送光光
学系１１Ａ及び受光光学系１１Ｂからなる焦点位置検出
系（以下、「焦点位置検出系１１Ａ，１１Ｂ」という）
が設置されている。送光光学系１１Ａからウエハ６上の
投影光学系５の露光フィールド内の所定の複数の測定点
に対してスリット像が投影され、そのスリット像による
ウエハ６からの反射光を受光光学系１１Ｂで受光して、
再結像されるスリット像の横ずれ量を求めることにより
その露光フィールド内の複数の測定点のフォーカス位置
が検出される。この焦点位置検出系１１Ａ，１１Ｂによ
るウエハ６のフォーカス位置情報は主制御系１５に供給
され、主制御系１５はそのフォーカス位置情報に基づい
て、３個のアクチュエータ９Ａ〜９Ｃを介してＺチルト
ステージ７上のウエハ６のＺ方向の位置及び傾斜角を投
影光学系５の結像面に合わせ込む。この場合の結像面の
目標位置としてのベストフォーカス位置は、後述のよう
にテストプリントによって求められる。

【００２１】また、本例の装置にはＴＴＬ（スルー・ザ
・レンズ）方式且つＬＩＡ方式のアライメントセンサ１
３が設置されている。このＬＩＡ方式のアライメントセ
ンサ１３について簡単に説明する。アライメントセンサ
１３内には、周波数が少しだけ異なる波長λ２の２つの
レーザビームを発生する２周波レーザ発生系が設置され
ており、この２周波レーザ発生系から所定の交差角度で
それらの２つのレーザビームが射出される。２つのレー
ザビームの一部はアライメントセンサ１３内に設置され
た格子状の参照マークで回折され、±１次の回折光が発
生する。また、それら２つのレーザビームの残りの部分
（レーザビームＬＢとする）がアライメントセンサ１３
から射出され、折り曲げミラー１４により光路を曲げら
れ、投影光学系５の上部に入射する。レーザビームＬＢ
は投影光学系５を介してウエハ６上のウエハマーク１６
ＸにＸ方向に所定の交差角で照射される。ウエハマーク
１６ＸからはレーザビームＬＢによる±１次の回折光が
発生する。この±１次の回折光よりなるヘテロダインビ
ームをウエハマーク検出光ＬＢＫとする。ウエハマーク
検出光ＬＢＫは元の光路を戻って、アライメントセンサ
１３の内部に入射する。アライメントセンサ１３の内部
にはウエハマーク検出光ＬＢＫ、及び参照マークからの
±１次回折光をそれぞれ受光するフォトダイオード等の
光電変換素子が設置され、それらの光電変換素子から
は、ウエハマーク１６Ｘに対応するウエハビート信号及
び参照マークに対応する参照ビート信号が出力される。
これらのウエハビート信号及び参照ビート信号は主制御
系１５に供給される。主制御系１５は、それらのビート
信号の位相差、及びＸＹステージ８のレーザ干渉計１０
による位置情報に基づき、ウエハマーク１６Ｘのステー
ジ座標系（レーザ干渉計１０等の計測値に基づいて定ま
る座標系）上でのＸ座標を検出する。

【００２２】具体的には、ウエハマーク１６Ｘの位置検
出を行う際には、主制御系１５では参照マークに対応す
る光電変換素子からの参照ビート信号と、ウエハマーク
１６Ｘに対応する光電変換素子からのウエハビート信号
との位相差を求める。そして、主制御系１５ではその位
相差が例えば０になるようにＸＹステージ８をＸ方向に
移動して、その位相差が所定の許容値のもとで０になっ
たときにレーザ干渉計１０で計測されるＸＹステージ８
のＸ座標を、そのウエハマークのＸ座標として記憶す
る。なお、本例の装置には不図示であるがＹ軸用のＬＩ
Ａ方式のアライメントセンサも設置されており、Ｙ軸用
のアライメントセンサによりウエハ６上のＹ軸用のウエ
ハマークの座標位置を検出する。

【００２３】更に、本例の装置にはオフ・アクシス方式
且つＦＩＡ方式のアライメントセンサ１２が投影光学系
５の−Ｙ方向の側面に設けられている。アライメントセ
ンサ１２からはウエハ６上に形成されたＦＩＡ用のアラ
イメントマーク（不図示）にアライメント光が照射さ
れ、そのアライメントマークからの検出光を受光してそ
のマークの像をアライメントセンサ１２内の指標板上に
結像する。更に、そのマーク像及び指標マークの像をア
ライメントセンサ１２内の２次元ＣＣＤ等の撮像素子上
にリレーする。撮像素子からは指標マークの像とそのア
ライメントマークの像とに対応する撮像信号が出力され
る。その撮像信号は主制御系１５に供給され、主制御系
１５はその撮像信号に基づいてそのアライメントマーク
の座標を検出する。なお、本例では、このＦＩＡ方式の
アライメントセンサはウエハ６を粗く位置決めするため
のサーチアライメントに主に使用される。但し、このＦ
ＩＡ方式のアライメントセンサ１２をウエハ６の精密な
位置決めのためのファインアライメントに用いることも
できる。その場合には、ウエハ６上のウエハマーク１６
Ｘをアライメントセンサ１２により検出する。

【００２４】次に、本例におけるベストフォーカス位置
を求める方法について説明する。本例では、所定の評価
用パターンが形成されたテスト用のレチクル（レチクル
２とする）を使用し、テスト用ウエハ（ウエハ６とす
る）を所定の幅で高さ方向（Ｚ方向）に段階的に移動し
ながら、そのＺ方向への移動毎にレチクル２上の評価用
パターンの像をそのウエハ６上に露光し、現像した後の
評価用パターンの露光像をＬＩＡ方式のアライメントセ
ンサ１３により計測する。以下、具体的に説明する。

【００２５】図２は、レチクル２上の評価用パターンを
説明するための平面図を示し、この図２において、レチ
クル２上のパターン領域１７の４隅近傍及び中央部にベ
ストフォーカス位置を検出するためのＹ方向に伸びた複
数のマークからなるＸ軸用の同一の評価用マーク１８Ｘ
Ａ〜１８ＸＥ、及びＸ方向に伸びた複数のマークからな
るＹ軸用の同一の評価用マーク１８ＹＡ〜１８ＹＥから
なる評価用パターンが形成されている。評価用パターン
は、Ｘ軸用の評価用マーク及びＹ軸用の評価用マークが
それぞれ一対の形で形成されている。また、不図示であ
るがレチクル２のパターン領域１７には、ウエハ上に転
写された後にサーチアライメントマークとなるマークも
形成されている。

【００２６】図４は、Ｘ軸用の評価用マーク１８ＸＡの
拡大平面図を示し、この図４は評価用マーク１８ＸＡを
ウエハ上に投影した状態で示す。この図４に示すよう
に、評価用マーク１８ＸＡは、Ｙ方向に伸びた複数の鋸
歯状の基本マーク２０Ａ，２０Ｂ，…，２０ＮをＸ方向
に一定のピッチＰ_R で形成したものであり、全体として
回折格子を形成している。また、例えば基本マーク２０
Ｉの下部の微小マーク１９に示すように、テーパーを有
しそれぞれ＋Ｘ方向に次第に幅が狭くなっている複数の
楔状の微小なマークをＹ方向に互いに接触して配列する
ことにより、それぞれの基本マーク２０Ａ〜２０Ｎを構
成している。即ち、評価用マーク１８ＸＡは、巨視的に
はＸ方向にピッチＰ_R の回折格子であり、微視的にはそ
の回折格子の１本毎のマークが鋸歯状に楔をＹ方向に並
べたような構成になっている。また、Ｙ軸用の評価用マ
ーク１８ＹＡは、その評価用マーク１８ＸＡを９０°回
転した構造である。

【００２７】ベストフォーカス位置を検出するに先立
ち、以上のような評価用パターンが形成されたレチクル
２を図１のレチクルステージ３上にロードする。そし
て、主制御系１５により３個のアクチュエータ９Ａ〜９
Ｃを駆動して、Ｚチルトステージ７をＺ方向に微小な間
隔で移動しながら、移動する毎に照明光ＩＬを照射し
て、レチクル２上の評価用パターンをウエハ６上の１つ
のショット領域に転写露光する。この場合、Ｚ方向への
移動毎の露光像が重ならないように、ＸＹステージ８を
微動させてウエハ６を２次元平面内で微小量ずつステッ
ピングさせながら露光を行う。この場合のウエハ６のＺ
方向への移動の間隔は最初は例えば１μｍ〜数μｍとす
る。そして、後述のようにベストフォーカス位置がほぼ
特定されたときには、その周辺で移動の間隔を例えば
０．０１μｍ〜０．０５μｍと細かくして更に露光して
もよい。そして、１つのショット領域への露光が終わっ
た後、平均化効果を得るためにＸＹステージ８を駆動し
てステップ・アンド・リピート方式によりウエハ６上の
他の複数のショット領域に対しても同様の方法によりレ
チクル２上の評価用パターンをＺ方向の位置を変えなが
ら露光する。露光終了後、ウエハ６をＺチルトステージ
７上からアンロードし、現像工程において現像する。ウ
エハ６上の評価用パターンが露光された各ショット領域
には、図２のレチクル２上の評価用パターンの像が所定
量ずつずれた状態でそれぞれ形成される。

【００２８】次に、現像されたウエハ６を再びＺチルト
ステージ７上にロードする。そして、ウエハ６上に形成
された不図示のサーチアライメントマークをＦＩＡ方式
のアライメントセンサ１２により検出して、ウエハ６上
の各ショット領域のステージ座標系における大まかな配
列座標を求めるサーチアライメントを行う。その後、ウ
エハ６上の１つの計測対象のショット領域の評価用パタ
ーン像の位置をＬＩＡ方式のアライメントセンサ１３で
測定する。そのショットの大まかな座標位置は先のサー
チアライメントにより求められており、そのショット領
域内の評価用マーク像を順次ＬＩＡ方式のアライメント
センサ１３の測定点に移動し、各評価用パターン像の位
置を検出する。その計測対象のショット領域には、図２
のレチクル２の評価用パターンに対応する位置に評価用
パターン像が少しずつずれて形成されている。

【００２９】図３は、ウエハ上の計測対象のショット領
域２１に形成された評価用パターン像の拡大図を示し、
この図３において、図２のレチクル２上のＸ軸用の評価
用マーク１８ＸＡの３つのフォーカス位置における評価
用パターン像２２ＸＡ，２３ＸＡ，２４ＸＡがそれぞれ
所定の幅だけずれて形成されている。実際にはもっと多
くの評価用パターン像が横ずれして形成されている。こ
の評価用パターン像２２ＸＡ〜２４ＸＡの位置のサーチ
アライメントによって求められる目標位置からのずれ量
をＬＩＡ方式のアライメントセンサ１３により計測す
る。なお、この評価用パターン像２２ＸＡ〜２４ＸＡの
Ｘ方向の間隔の目標値は、露光時にレーザ干渉計１０に
より精密に計測されている。

【００３０】図５は、図３の１つの評価用パターン像２
２ＸＡの拡大図を示し、この図５に示すように、評価用
パターン像２２ＸＡは、図４の評価用マーク１８ＸＡと
同様に、基本パターン像２５Ａ〜２５Ｎが計測方向（Ｘ
方向）にピッチＰ_W で並んだ形で形成されている。この
図５において、例えば図４の微小マーク１９に対応する
微小パターン像２６に示すように、実線のぼけた像が実
際の露光像を示し、点線の像として示す微小パターン像
２６Ａはウエハ６の表面がベストフォーカス位置に近い
位置での露光像を示している。このように、楔状のパタ
ーンは、ベストフォーカス位置から離れるに従って計測
方向（Ｘ方向）の幅が短くなる。図５の場合は、計測方
向にΔＸだけ幅が狭くなっている。楔状の微小パターン
像２６の左端の位置はフォーカス位置により変化しない
ため、微小パターン像２６の重心位置はウエハ６がベス
トフォーカス位置から離れる程左方向（−Ｘ方向）へ移
動する。それに伴って、アライメントセンサ１３による
評価用パターン像２２ＸＡの測定位置も目標位置に対し
て左方向（−Ｘ方向）へずれる。従って、アライメント
センサ１３により図３の評価用パターン像２２ＸＡ〜２
４ＸＡの位置を計測したときに、目標位置に対して最も
右方向（＋Ｘ方向）にＸ座標を有する評価用パターン像
が転写されたときのフォーカス位置が図２の評価用マー
ク１８ＸＡに対応する計測点でのＸ方向のベストフォー
カス位置となる。この場合のＸ方向のベストフォーカス
位置とは、図５より分かるように、Ｙ方向に収束する光
束によるベストフォーカス位置の意味である。

【００３１】この場合、評価用パターン像２２ＸＡ〜２
４ＸＡは所定の間隔でフォーカス位置を変えながら転写
したものであり、その間のフォーカス位置における評価
用パターン像のＸ座標（目標位置からのずれ量）は適当
な補間法により計算することができ、その結果に基づい
てベストフォーカス位置を求めることが好ましい。ま
た、各フォーカス位置と評価用パターン像のＸ座標との
関係を線形又は曲線近似して関数の形で求め、それに基
づいてベストフォーカス位置を求めるようにしてもよ
い。なお、本例では右方向（＋Ｘ方向）に頂点を有する
楔状の微小パターン像２６を形成したが、左方向（−Ｘ
方向）に頂点を有する楔状の微小パターン像が形成され
る場合は、微小パターン像の重心位置は左方向（−Ｘ方
向）へ移動するため、目標位置に対して最も左方向（−
Ｘ方向）にずれている評価用パターン像が形成されたと
きのフォーカス位置がベストフォーカス位置となる。

【００３２】同様にして、図２のレチクル２上の他の４
個の評価用マーク１８ＸＢ〜１８ＸＥに対応する計測点
でも、ショット領域２１上における評価用パターン像の
横ずれ量に基づいてベストフォーカス位置を求める。こ
れによって、図１の投影光学系５の露光フィールド内の
５箇所の計測点でのＸ方向のベストフォーカス位置が求
められる。

【００３３】その後、ショット領域２１のＸ方向のベス
トフォーカス位置を求めたと同様な方法により、図２の
レチクル２上のＹ軸用の評価用マーク１８ＹＡ〜１８Ｙ
Ｅのショット領域２１上における評価用パターン像の目
標位置からのＹ方向へのずれ量をＹ軸用のＬＩＡ方式の
アライメントセンサにより計測し、露光フィールド内の
５箇所の計測点でのＹ方向のベストフォーカス位置（実
際にはＸ方向に収束する光束によるベストフォーカス位
置）を求める。それら５箇所の計測点でのＸ方向及びＹ
方向のベストフォーカス位置の差分が、各計測点での非
点収差となる。また、仮にＸ方向及びＹ方向のベストフ
ォーカス位置の平均値をその計測点でのベストフォーカ
ス位置とすると、５箇所の計測点でのベストフォーカス
位置より、投影光学系５の結像面の像面湾曲や像面傾斜
が求められる。また、５個のベストフォーカス位置の平
均値をその結像面の平均的なベストフォーカス位置とみ
なすことができる。

【００３４】ウエハ６上の他の計測対象のショット領域
について同様の処理を行い、それぞれ５箇所の計測点で
のＸ方向及びＹ方向のベストフォーカス位置を求める。
次に、それら複数のショット領域について求めたベスト
フォーカス位置を平均化することで、より正確にベスト
フォーカス位置が求められる。実際の露光に際しては、
ウエハをそのようにして求めた結像面に合わせ込むよう
に、３個のアクチュエータ９Ａ〜９Ｃを駆動する。

【００３５】なお、本例ではレチクル２上にＸ軸用及び
Ｙ軸用にそれぞれ５個の評価用マークを形成し、それら
のウエハ６上に露光された評価用パターン像に基づいて
ベストフォーカス位置を求めたが、評価用パターンの個
数や配置は用途に応じて変えることができる。以上、本
例によればベストフォーカス位置を求めるための評価用
マークとして、図４の評価用マーク１８ＸＡに示すよう
に、複数の楔状の微小マーク１９をＹ方向に並べて基本
マーク２０Ａ〜２０Ｎを構成し、それらの複数の鋸歯状
の基本マーク２０Ａ，２０Ｂ，…，２０ＮをＸ方向に一
定のピッチＰ_R で並べた格子からなるパターンを使用し
ているため、ＬＩＡ方式のアライメントセンサ１３を使
用して、ウエハ６上の各ショット領域に形成された評価
用パターン像の位置を計測することができる。また、こ
のＬＩＡ方式のアライメントセンサは、光ビート信号の
位相に基づいてそれらの評価用パターン像の位置を正確
に検出できるため、従来のＬＳＡ方式のアライメントセ
ンサを使用した計測方法と同等以上の精度でベストフォ
ーカス位置を検出できる。

【００３６】なお、本例ではウエハ６上の評価用パター
ン像を計測するための検出装置として、ウエハ上にレチ
クルのパターン像を形成するための投影露光装置を使用
したが、ＬＩＡ方式のアライメントセンサを有する検出
装置を別にオフラインで設け、その検出装置によりウエ
ハ６上の評価用パターン像の位置を検出するようにして
もよい。

【００３７】次に、評価用マークの他の３つの変形例に
ついて図６〜図８を参照して説明する。なお、以下のす
べての例は計測方向がＸ方向の評価用マークの例であ
る。図６は、評価用マークの第１の変形例を示し、この
図６において、本例の評価用マークは図４の評価用マー
ク１８ＸＡと同様の微小マークの頂点が＋Ｘ方向にある
ピッチＰ１の鋸歯状のパターン２７と、計測方向（Ｘ方
向）に一定のピッチＰ１で並んだライン・アンド・スペ
ースパターンからなるパターン２８とから構成されてい
る。２つのパターン２７，２８の横方向及び縦方向の幅
はほぼ等しくなるように形成され、ライン・アンド・ス
ペースパターンからなるパターン２８はパターン２７の
微小マークの頂点のある方向（この場合は＋Ｘ方向）
へ、パターン２７から所定のピッチＰ１より広い間隔Ｄ
１だけ離れて形成されている。

【００３８】本例の評価用マークによる各フォーカス位
置でのウエハ６上の評価用パターン像の位置をＬＩＡ方
式のアライメントセンサ１３を使用して計測する場合
は、各フォーカス位置におけるパターン２７，２８の像
の位置を共に計測し、パターン２７，２８の像同士のＸ
方向の間隔が最も狭くなるときのフォーカス位置をベス
トフォーカス位置と定義する。即ち、パターン２８はラ
イン・アンド・スペースパターンからなる通常の格子パ
ターンであり、フォーカス位置が変化してもウエハ６上
のその評価用パターン像のアライメントセンサ１３によ
る計測値が変わることはない。それに対して、パターン
２７のウエハ６上の像はベストフォーカス位置に近い程
右方向（＋Ｘ方向）に移動するため、ベストフォーカス
位置ではパターン２７，２８の像同士の間隔は最も狭く
なる。なお、パターン２７の微小マークの頂点が左方向
（−Ｘ方向）にある場合は、２つの評価用パターン像の
間隔が最も広くなるときのフォーカス位置をベストフォ
ーカス位置とする。本例の評価用マークを使用した場合
は、２つのパターン２７，２８のウエハ６上の像同士の
相対的な間隔に基づいてベストフォーカス位置を評価す
るため、ベストフォーカス位置の検出精度が向上する。

【００３９】図７は、評価用マークの第２の変形例を示
し、この図７に示すように、本例の評価用マークは、図
６のパターン２７と同様のピッチＰ２の鋸歯状のパター
ン２７Ａと、そのパターン２７Ａの左右を反転したピッ
チＰ２のパターン２９Ａとを所定の間隔Ｄ２で形成した
ものであり、丁度図６におけるライン・アンド・スペー
スパターンからなるパターン２８をパターン２９Ａに置
き換えたような構成を有する。パターン２７Ａのウエハ
６上における像の測定位置は、ベストフォーカス位置に
近い程右側に移動し、パターン２９Ａのウエハ６上の像
の測定位置はベストフォーカス位置に近い程左側に移動
する。従って、パターン２７Ａ，２９Ａのそれぞれのウ
エハ６上の像同士のＸ方向の間隔が最も狭くなるときの
フォーカス位置をベストフォーカス位置と定義する。本
例の評価用マークを使用した場合は、図４や図６の評価
用マークを使用する場合に比較して、フォーカス位置の
変化に対して評価用パターン像の間隔の変化が２倍にな
る。従って、ベストフォーカス位置の検出感度も２倍と
なる。

【００４０】図８は、評価用マークの第３の変形例を示
し、この図８において、本例の評価用マークは図４の評
価用マーク１８ＸＡと同様の微小マークの頂点が＋Ｘ方
向にあるピッチＰ３の鋸歯状のパターン２７Ｂと、その
パターン２７Ｂを計測方向に反転したピッチＰ３のパタ
ーン２９Ｂとを、非計測方向（Ｙ方向）に所定の間隔Ｄ
３で配置した構成を有する。

【００４１】本例の評価用マークによる各フォーカス位
置でのウエハ６上の評価用パターン像の位置をＬＩＡ方
式のアライメントセンサ１３を使用して計測する場合
は、各フォーカス位置におけるパターン２７Ｂ，２９Ｂ
の像を、ＸＹステージ８を非計測方向（Ｙ方向）に走査
しながら計測する。そして、パターン２７Ｂ，２９Ｂの
像からのそれぞれのヘテロダイン干渉光の位相変化の最
も小さいときのフォーカス位置をベストフォーカス位置
と定義する。

【００４２】なお、図８の２点鎖線で示すように、パタ
ーン２７Ｂの非計測方向にパターン２９Ｂと対称な位置
にパターン２９Ｂと同じパターン２９Ｃを並べて構成し
た評価用マークを使用してもよい。このような評価用マ
ークを使用すれば、パターン２７Ｂ，２９Ｂが傾いて形
成されたり、計測時の走査方向が傾いている場合でも、
パターン２９Ｂ，２９Ｃのウエハ６上における像の位置
の計測値よりパターン２７Ｂ，２９Ｂの像の傾きを求め
て補正することができる。

【００４３】なお、評価用パターン像の位置を計測する
アライメントセンサとしてＬＩＡ方式のアライメントセ
ンサの代わりに、ＦＩＡ方式のアライメントセンサ１２
を使用してもよい。このように、本発明は上述実施の形
態に限定されず、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。

【００４４】

【発明の効果】本発明の露光条件測定方法によれば、楔
状の微小構成要素を非計測方向に並べた中間構成要素か
らなる評価用マークの像全体、即ち重心位置は、感光基
板の表面が最適フォーカス位置に近い程、微小構成要素
の尖端方向に移動する。従って、評価用マークの像の重
心位置を計測することにより最適フォーカス位置を求め
ることができる。また、本発明では中間構成要素を計測
方向に格子状に配列しているため、格子状のマークを使
用する方式の、例えばＬＩＡ方式（２光束干渉方式）や
ＦＩＡ方式（撮像方式）等の高精度のアライメントセン
サを使用して評価用マークの像の重心位置を高精度に検
出することができる。従って、最適フォーカス位置の検
出精度が向上する利点がある。

【００４５】また、第１の評価用マークの中間構成要素
とは異なるパターンを計測方向に格子状に複数個配置し
た第２の評価用マークを、第１の評価用マークに対して
計測方向に並べて配置し、第１の評価用マークの像を評
価用の感光基板上の部分領域のそれぞれに投影する際に
第２の評価用マークの像も投影し、第１の評価用マーク
の像の計測方向の重心位置を計測する際に第２の評価用
マークの像の計測方向の重心位置も計測し、この計測さ
れた２つの評価用マークの像の重心位置の間隔の変化に
基づいて投影光学系の最適フォーカス位置を求める場合
には、第１の評価用マークの像と、第２の評価用マーク
の像との相対位置の変化に基づいて、投影光学系の最適
フォーカス位置を高精度に検出できる利点がある。

【００４６】また、第１の評価用マークの中間構成要素
とは異なるパターンを計測方向に格子状に複数個配置し
た第２の評価用マークを、第１の評価用マークに対して
非計測方向に並べて配置し、第１の評価用マークの像を
評価用の感光基板上の部分領域のそれぞれに投影する際
に第２の評価用マークの像も投影し、第１の評価用マー
クの像の計測方向の重心位置を計測する際に第２の評価
用マークの像の計測方向の重心位置も計測し、この計測
された２つの評価用マークの像の重心位置の差の変化に
基づいて投影光学系の最適フォーカス位置を求める場合
には、例えば２つの評価用マークの像を非計測方向に走
査することにより、２つの像の重心位置の相対的な差を
検出することができ、それに基づいて投影光学系の最適
フォーカス位置を高精度に検出することができる利点が
ある。

【００４７】また、第２の評価用マークが計測方向に配
列されたライン・アンド・スペースパターンである場合
には、そのライン・アンド・スペースパターンの像の重
心位置は変化しないため、その像の位置を基準として、
第１の評価用マークの像の位置の変化を検出し、その結
果に基づいて最適フォーカス位置を検出できる。また、
第２の評価用マークが計測方向に対して第１の評価用マ
ークを反転させたパターンである場合には、第１及び第
２の評価用マークの像の間の重心位置の変化は、フォー
カス位置の変化に対して２倍になり、最適フォーカス位
置の検出感度が倍増する利点がある。

【００４８】また、第１の評価用マークの像の重心位置
を計測する際に、この第１の評価用マークに対して異な
る方向から可干渉な２光束を照射し、この第１の評価用
マークから同一方向に発生する１対の回折光よりなる干
渉光を受光し、この干渉光の位相を検出する場合とは、
その評価用マークの像の位置をＬＩＡ方式のアライメン
トセンサで検出することを意味する。ＬＩＡ方式のアラ
イメントセンサの利用によって投影光学系の最適フォー
カス位置の検出精度が向上する利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例に使用される投影露
光装置を示す概略構成図である。

【図２】本発明の実施の形態で使用されるレチクル上の
評価用マークの配置を示す平面図である。

【図３】図２の評価用マークをフォーカス位置を変え
て、且つ横ずれさせてウエハ上に露光した像を示す部分
拡大平面図である。

【図４】図２の評価用マークの一部の拡大平面図であ
る。

【図５】図４の評価用マークをウエハ上に露光した露光
像を示す平面図である。

【図６】本発明の実施の形態で使用される評価用マーク
の第１の変形例を示す拡大平面図である。

【図７】その評価用マークの第２の変形例を示す拡大平
面図である。

【図８】その評価用マークの第３の変形例を示す拡大平
面図である。

【図９】従来のベストフォーカス位置を求める方法を説
明するための図である。

【符号の説明】

２レチクル３レチクルステージ５投影光学系６ウエハ７Ｚチルトステージ８ＸＹステージ９Ａ〜９Ｃアクチュエータ１０レーザ干渉計（ウエハ側）１１Ａ送光光学系（焦点位置検出系）１１Ｂ受光光学系（焦点位置検出系）１２ＦＩＡ方式のアライメントセンサ１３ＬＩＡ方式のアライメントセンサ１５主制御系１８ＸＡ〜１８ＸＥＸ軸用の評価用マーク１８ＹＡ〜１８ＹＥＹ軸用の評価用マーク１９微小マーク２０Ａ〜２０Ｉ基本マーク２２ＸＡ〜２４ＸＡ評価用パターン像２７，２７Ａ，２７Ｂ，２８，２９Ａ〜２９Ｃパター
ン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクパターンの像を投影光学系を介し
て感光基板上に投影する際の露光条件測定方法におい
て、計測方向に楔状に形成された微小構成要素を前記計測方
向に直交する非計測方向に複数個並べてなる中間構成要
素を、前記計測方向に格子状に複数組配置した第１の評
価用マークを用意し、該評価用マークを前記マスクパターンの配置面上で前記
投影光学系の露光フィールド内の所定の計測点と共役な
位置の近傍に配置し、前記評価用マークの像を前記投影光学系を介して評価用
の感光基板上の異なる複数の部分領域のそれぞれに、該
感光基板の前記投影光学系の光軸方向の位置を変えなが
ら投影し、前記評価用の感光基板上の部分領域のそれぞれに投影さ
れた前記評価用マークの像の前記計測方向の重心位置
を、前記評価用の感光基板の前記光軸方向の位置に対応
させてそれぞれ計測し、該計測結果に基づいて前記所定の計測点での前記投影光
学系の最適フォーカス位置を求めることを特徴とする露
光条件測定方法。
【請求項２】請求項１記載の露光条件測定方法であっ
て、前記第１の評価用マークの前記中間構成要素とは異なる
パターンを前記計測方向に格子状に複数個配置した第２
の評価用マークを、前記第１の評価用マークに対して前
記計測方向に並べて配置し、前記第１の評価用マークの像を前記評価用の感光基板上
の部分領域のそれぞれに投影する際に前記第２の評価用
マークの像も投影し、前記第１の評価用マークの像の前記計測方向の重心位置
を計測する際に前記第２の評価用マークの像の前記計測
方向の重心位置も計測し、該計測された２つの評価用マークの像の重心位置の間隔
の変化に基づいて前記投影光学系の最適フォーカス位置
を求めることを特徴とする露光条件測定方法。
【請求項３】請求項１記載の露光条件測定方法であっ
て、前記第１の評価用マークの前記中間構成要素とは異なる
パターンを前記計測方向に格子状に複数個配置した第２
の評価用マークを、前記第１の評価用マークに対して前
記非計測方向に並べて配置し、前記第１の評価用マークの像を前記評価用の感光基板上
の部分領域のそれぞれに投影する際に前記第２の評価用
マークの像も投影し、前記第１の評価用マークの像の前記計測方向の重心位置
を計測する際に前記第２の評価用マークの像の前記計測
方向の重心位置も計測し、該計測された２つの評価用マークの像の重心位置の差の
変化に基づいて前記投影光学系の最適フォーカス位置を
求めることを特徴とする露光条件測定方法。
【請求項４】請求項２、又は３記載の露光条件測定方
法であって、前記第２の評価用マークは前記計測方向に配列されたラ
イン・アンド・スペースパターンであることを特徴とす
る露光条件測定方法。
【請求項５】請求項２、又は３記載の露光条件測定方
法であって、前記第２の評価用マークは前記計測方向に対して前記第
１の評価用マークを反転させたパターンであることを特
徴とする露光条件測定方法。
【請求項６】請求項１〜５の何れか一項記載の露光条
件測定方法であって、前記第１の評価用マークの像の重心位置を計測する際
に、該第１の評価用マークに対して異なる方向から可干
渉な２光束を照射し、該第１の評価用マークから同一方
向に発生する１対の回折光よりなる干渉光を受光し、該
干渉光の位相を検出することを特徴とする露光条件測定
方法。