(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスクパターンを感光性の基板上に投影する投影光学系と、
前記基板を保持して前記投影光学系の光軸に垂直な平面内で前記基板の位置決めを行う基板ステージと、
前記基板の傾斜角及び前記基板の前記投影光学系の光軸方向の高さを調整するフォーカス・レベリングステージと、
前記感光性の基板に対して非感光性の光を用いて、前記投影光学系の光軸に対して斜めに前記投影光学系による露光領域内の複数の計測点上に焦点検出用のパターンの像を投影する投射光学系と、
前記複数の計測点からの反射光を集光して前記複数の計測点上の焦点検出用のパターンの像を再結像する受光光学系と、
該受光光学系により再結像された複数の像のそれぞれの横ずれ量に対応した検出信号を生成する複数の光電検出手段と、
該複数の光電検出手段からの検出信号に基づいて前記フォーカス・レベリングステージの動作を制御する制御手段と、を有する投影露光装置において、
前記複数の計測点に対応する前記光電検出手段のそれぞれの検出信号、前記投影光学系の最良結像面の湾曲、及び前記基板の露光面のプロセス構造に基づいて、前記複数の計測点毎に独立に前記基板上の合焦の基準面を前記投影光学系による像面に合わせ込むためのオフセット値を求める演算手段を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】
マスクパターンを感光性の基板上に投影する投影光学系と、
前記基板を保持して前記投影光学系の光軸に垂直な平面内で前記基板の位置決めを行う基板ステージと、
前記基板の傾斜角及び前記基板の前記投影光学系の光軸方向の高さを調整するフォーカス・レベリングステージと、
前記感光性の基板に対して非感光性の光を用いて、前記投影光学系の光軸に対して斜めに前記投影光学系による露光領域内の複数の計測点上に焦点検出用のパターンの像を投影する投射光学系と、
前記複数の計測点からの反射光を集光して前記複数の計測点上の焦点検出用のパターンの像を再結像する受光光学系と、
該受光光学系により再結像された複数の像のそれぞれの横ずれ量に対応した検出信号を生成する複数の光電検出手段と、
該複数の光電検出手段からの検出信号に基づいて前記フォーカス・レベリングステージの動作を制御する制御手段と、を有する投影露光装置において、
前記複数の計測点に対応する前記光電検出手段のそれぞれの検出信号、前記投影光学系の最良結像面の傾斜、及び前記基板の露光面のプロセス構造に基づいて、前記複数の計測点毎に独立に前記基板上の合焦の基準面を前記投影光学系による像面に合わせ込むためのオフセット値を求める演算手段を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】
前記投射光学系から前記投影光学系による露光領域内に前記焦点検出用のパターンの像を投影した状態で、前記基板ステージを駆動して前記基板を走らせることにより、前記露光領域内の全面に分布する複数の計測点でそれぞれ対応する前記光電検出手段の検出信号を求め、
前記演算手段は、前記全面に分布する複数の計測点での前記光電検出手段の検出信号、及び前記基板の露光面のプロセス構造に基づいて、前記複数の計測点毎に独立に前記基板上の合焦の基準面を前記投影光学系による像面に合わせ込むためのオフセット値を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影露光装置。
【請求項４】
前記投射光学系から前記投影光学系による露光領域内に前記焦点検出用のパターンの像を投影する際に使用される光束を、１００ｎｍ以上の帯域幅を有する光束とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項５】
前記投射光学系内から前記複数の光電検出手段までの光路上に、前記投射光学系から前記投影光学系による露光領域内に前記焦点検出用のパターンの像を投影する際に使用される光束の波長感度特性を一様化するための光学的フィルタを配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項６】
前記基板上の合焦の基準面は、前記マスクパターンのうち最も線幅の狭いパターンが露光される領域を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項７】
前記演算手段は、前記投影光学系の結像特性に応じた第２のオフセット値を前記複数の計測点毎に独立に求めることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項８】
前記複数の計測点に対して前記基板上のショット領域を走査することにより、前記ショット領域内の凹凸分布を求め、
前記演算手段は、前記凹凸分布に基づいて、前記複数の計測点毎に独立に前記基板上の合焦の基準面を前記投影光学系による像面に合わせ込むためのオフセット値を求めることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項９】
前記演算手段は、前記投影光学系の結像面と前記基板ステージの走り面との偏差を記憶し、この偏差量を加算して前記凹凸分布を求めることを特徴とする請求項８に記載の投影露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、感光基板上に回路パターン等のマスクパターンを転写する投影露光装置に関し、特に感光基板の焦点合わせのための焦点検出装置を備えた投影露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より投影露光装置では、レチクル（又はフォトマスク等）のパターンを高解像力の投影光学系を介して感光基板（フォトレジスト層が塗布されたウエハやガラスプレート等）上に投影露光する際、レチクルのパターンの結像面に正確に感光基板の露光面を合致させる作業、即ち焦点合わせが必須のこととなっている。近年、投影光学系の焦点深度は狭くなる一方で、露光用照明光として波長３６５ｎｍのｉ線を用いたものでも、±０．７μｍ程度の深度しか得られないのが現状である。更に投影光学系の投影視野は年々増大する傾向にあり、広い露光視野（例えば２２ｍｍ角）の全面に亘って極力大きな焦点深度を確保することが望まれている。
【０００３】
このように広い露光視野全面で良好に焦点合わせを行うためには、何れにしろその露光視野内に入る感光基板上の部分領域（ショット領域）の平坦性と、結像面の平坦性（即ち、像面湾曲、及び像面傾斜が小さいこと）とが共に良好であることが要求される。このうち像面湾曲と像面傾斜とに関しては投影光学系自体の光学性能に依存するところが大きいが、その他にレチクルの平面度、平行度が要因になることもある。一方、感光基板上の部分領域、即ち１回の投影露光領域（ショット領域）毎の平坦度は、感光基板によってその程度に差異があるが、感光基板を保持するホルダーを微小量だけ傾けることによって感光基板上のショット領域の表面と結像面とを平行に設定することが可能である。
【０００４】
このように感光基板上の１つのショット領域の表面の傾きも考慮して焦点合わせを行う手法として、特開昭５８−１１３７０６号公報、特開昭５５−１３４８号公報等に開示された技術が知られている。特に特開昭５５−１３４８号公報では投影光学系を介して感光基板上の４点に光ビームのスポットを投射し、その反射光によるスポット像を光電検出して感光基板の焦点合わせ、及び傾き補正（レベリング）を行う技術が開示されている。
【０００５】
ところが、最近の半導体素子等は基板上に多くの複雑な構造のパターンを積み重ねて製造されるため、感光基板上の露光面の平坦性は悪くなる傾向にある。そのため、感光基板上のショット領域内の凹凸の状態を計測し、この計測結果を考慮してそのショット領域の平均的な面を投影光学系による結像面に合わせ込む技術の開発が行われている。例えば、特開平２−１９８１３０号公報においては、感光基板の投影光学系の光軸方向の位置を固定してその感光基板を移動させて、感光基板上のショット領域内の複数の計測点で投影光学系の光軸方向の位置（フォーカス位置）を計測し、この計測結果の平均値を求めることにより、そのショット領域内でのパターンの構造や配置の相違に起因するフォーカス位置のオフセット値を求める面位置検出方法が開示されている。この方法では、そのオフセット値を各ショット領域の例えば中央の計測点でのフォーカス位置の計測結果に加えることにより、ショット領域内の凹凸を考慮した平均的なフォーカス位置が計測される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の投影露光装置では、所定のショット領域内の複数の特定の計測点で計測されたフォーカス位置を平均化することにより、フォーカス位置のオフセット値を求めていた。しかしながら、実際には感光基板の各ショット領域の露光面の凹凸の状態は、プロセス構造（パターンの配置や段差等）によって様々であり、特定の複数の計測点でのフォーカス位置を平均化するだけでは、各ショット領域の平均的な面の形状を正確に求めることはできない。そのため、露光プロセスによって、感光基板上の各ショット領域内のパターンの配置や段差等が変化すると、各ショット領域の平均的な面を投影光学系の結像面に対して焦点深度の範囲内に収めることができない場合が生ずるという不都合がある。
【０００７】
また、各ショット領域の平均的な面を結像面に合わせ込むのではなく、例えば各ショット領域内で最も線幅が狭いパターンが露光される領域を重点的に合焦させたいような場合でも、従来の方法ではその重点的に合焦させたい領域を結像面に合わせ込むことは困難であった。
本発明は斯かる点に鑑み、感光基板の各ショット領域の凹凸の状態に依らず、各ショット領域を最適な状態で投影光学系による結像面に合わせ込んで露光を行うことができる投影露光装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による投影露光装置は、マスクパターン（Ｒ）を感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その基板を保持して投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に垂直な平面内でその基板の位置決めを行う基板ステージ（２１）と、その基板の傾斜角及びその基板の投影光学系（ＰＬ）の光軸方向の高さを調整するフォーカス・レベリングステージ（２０）と、その感光性の基板に対して非感光性の光を用いて、投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に対して斜めに投影光学系（ＰＬ）による露光領域（ＳＡ）内の複数の計測点（Ｐ１〜Ｐ５）に焦点検出用のパターンの像（ＳＴ）を投影する投射光学系（１〜６）と、それら複数の計測点からの反射光を集光してそれら複数の計測点上の焦点検出用のパターンの像を再結像する受光光学系（７〜１０）と、この受光光学系により再結像された複数の像のそれぞれの横ずれ量に対応する検出信号を生成する複数の光電検出手段（１５，１３，１７）と、これら複数の光電検出手段からの検出信号（ＦＳａ〜ＦＳｅ）に基づいてフォーカス・レベリングステージ（２０）の動作を制御する制御手段（３０，１８）と、を有する投影露光装置において、それら複数の計測点に対応するその光電検出手段のそれぞれの検出信号、その投影光学系の最良結像面の湾曲又は傾斜、及び基板（Ｗ）の露光面のプロセス構造（パターンの配置、段差等）に基づいて、それら複数の計測点毎に独立に基板（Ｗ）上の合焦の基準面（４０Ｂ）を投影光学系（ＰＬ）による結像面（４２）に合わせ込むためのオフセット値を求める演算手段（３０Ｂ）を設けたものである。
【０００９】
この場合、その投射光学系から投影光学系（ＰＬ）による露光領域（ＳＡ）内にその焦点検出用のパターンの像（ＳＴ）を投影した状態で、基板ステージ（２１）を駆動して基板（Ｗ）を走らせることにより、露光領域（ＳＡ）内の全面に分布する複数の計測点でそれぞれ対応する光電検出手段の検出信号を求め、演算手段（３０Ｂ）は、その全面に分布する複数の計測点でのその光電検出手段の検出信号、及びその基板の露光面のプロセス構造に基づいて、それら複数の計測点毎に独立にその基板上の合焦の基準面（４０Ｂ）を投影光学系（ＰＬ）による結像面（４２）に合わせ込むためのオフセット値を求めることが望ましい。
【００１０】
また、その投射光学系から投影光学系（ＰＬ）による露光領域（ＳＡ）内に焦点検出用のパターンの像（ＳＴ）を投影する際に使用される光束（ＩＬ）を、１００ｎｍ以上の帯域幅を有する光束とすることが望ましい。
また、その投射光学系内からそれら複数の光電検出手段までの光路上に、その投射光学系から投影光学系（ＰＬ）による露光領域内に焦点検出用のパターンの像（ＳＴ）を投影する際に使用される光束の波長感度特性を一様化するための光学的フィルタ（６０）を配置することが望ましい。
【００１１】
更に、演算手段（３０Ｂ）は、それら複数の計測点毎に独立に求められたオフセット値を用いて、投影光学系（ＰＬ）による結像面（４２）の高さに応じた目標値を補正することが望ましい。
【００１２】
【作用】
斯かる本発明によれば、例えば図８（ａ）に示すように、基板（Ｗ）上の投影光学系による露光領域内の複数の計測点（Ｐ１〜Ｐ５）上に焦点検出用のパターンの像が投影され、これらの像が受光光学系により再結像され、再結像された像の横ずれ量に対応する検出信号（ＦＳａ〜ＦＳｅ）が光電検出手段（例えば図７のアレイセンサー１５中の画素）から出力される。斜入射方式では、それら再結像される像の横ずれ量と、対応する計測点の投影光学系（ＰＬ）の光軸方向の位置（フォーカス位置）とはほぼ比例するため、それら検出信号から対応する計測点のフォーカス位置（これらをＺ１  〜Ｚ５  とする）が求められる。
【００１３】
しかし、実際には、図８（ａ）に示すように、基板（Ｗ）の露光面にはそれまでの露光工程等により凹凸のあるパターンが形成されていることがある。また、そのような凹凸が有る場合、最も線幅の狭いパターンが露光される面（例えば周辺部より窪んだ面であることが分かっている）を面（４０Ｂ）とすると、この面（４０Ｂ）を結像面（４２）に合わせることが望ましい。この際に、例えば計測点（Ｐ３）で計測された検出信号の値（フォーカス位置）が最も小さいことから、その計測点（Ｐ３）が面（４０Ｂ）上にあることが分かる。そこで、その面（４０Ｂ）を基板（Ｗ）上の合焦の基準面として、プロセス構造のデータに基づいてその基準面（４０Ｂ）と他の露光面（４０Ａ，４０Ｃ）との高さの差分（ＺＡ  −ＺＢ  ）に対応する検出信号を他の計測点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５）でのオフセット値とする。また、計測点（Ｐ３）でのオフセット値は０である。
【００１４】
その後、例えば実際に検出された検出信号からそのオフセット値を差し引いた値に基づいて合焦及びレベリングを行うと、図８（ｂ）に示すように、基準面（４０Ｂ）が結像面（４２）に合焦される。
また、基板（Ｗ）上の複数の計測点（Ｐ１〜Ｐ５）が例えば図５に示すように、露光領域（ＳＡ）のほぼ対角線上に配列されているような場合には、それら計測点（Ｐ１〜Ｐ５）上の焦点検出用のパターンの投影像に対して基板（Ｗ）を所定方向（Ｘ方向）に走査することにより、その露光領域（ＳＡ）のほぼ全面に分布する計測点での検出信号が得られる。従って、その露光領域（ＳＡ）の全面に複雑な凹凸分布があるような場合でも、その凹凸分布の表面の所定の部分（例えば最も線幅の狭いパターンが露光される領域）を基準面として、この基準面と他の部分との高さの差分に対応する検出信号を各計測点でのオフセット値とする。これにより、その基準面を合焦させることができる。
【００１５】
次に、その合焦及びレベリングを行うための手順の他の例は、例えば図８（ａ）において、先ず光電検出手段による検出信号、及びプロセス構造に基づいて、基準面（４０Ｂ）から他の面（４０Ａ，４０Ｃ）への高さの差分（ＺＡ  −ＺＢ  ）に応じたオフセット値を求め、このオフセット値を結像面（４２）の高さに応じた検出信号のレベルに加算することである。この加算結果に対応する面は破線で示すような面（４２Ａ）となる。そこで、例えば最小自乗法により、各計測点（Ｐ１〜Ｐ５）の検出信号とその面（４２Ａ）の検出信号との差分が最小になるように基板（Ｗ）の高さを制御することにより、図８（ｂ）に示すように、基準面（４０Ｂ）が実際の結像面（４２）に合焦される。
【００１６】
また、その投射光学系から投影光学系（ＰＬ）による露光領域（ＳＡ）内に焦点検出用のパターンの像（ＳＴ）を投影する際に使用される光束（ＩＬ）を、１００ｎｍ以上の帯域幅を有する光束とした場合、感光性の基板（Ｗ）上の感光材料（フォトレジスト等）での薄膜干渉の悪影響等が軽減される。
また、投射光学系内からそれら複数の光電検出手段までの光路上に、その投射光学系から投影光学系（ＰＬ）による露光領域内に高さ検出用のパターンの像（ＳＴ）を投影する際に使用される光束の波長感度特性を一様化するための光学的フィルタ（６０）を配置した場合には、焦点検出用の照明光の波長毎の光強度分布が例えば図１５（ａ）のように不均一であっても、その光強度分布とほぼ逆の特性となるように、その光学的フィルタ（６０）の透過率分布を例えば図１５（ｂ）のように設定することにより、光電検出手段から得られる検出信号の波長特性は図１５（ｄ）に示すように平坦になる。従って、特定の波長の信号に大きく影響されることなく、正確に高さ検出を行うことができる。
【００１７】
【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は本実施例の投影露光装置のうち、投影光学系のベストフォーカス面（結像面）を検出するＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式の焦点検出系を示す図である。図１において、実デバイス製造用の回路のパターン領域ＰＡが下面に形成されたレチクルＲは、不図示のレチクルホルダーに保持されている。絞り面（瞳面）ＥＰを挟んで前群、後群に分けて模式的に表した投影光学系ＰＬの光軸ＡＸは、レチクルＲの中心、すなわちパターン領域ＰＡの中心を、レチクルパターン面に対して垂直に通っている。その光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。
【００１８】
投影光学系ＰＬの下方には、フォトレジストが塗布されたウエハＷを保持するＺ・レベリングステージ２０が、ＸＹステージ２１上に設けられている。Ｚ・レベリングステージ２０は、ウエハＷを光軸ＡＸ方向に微少量（例えば±１００μｍ以内）だけ移動させてフォーカシングを行うと共に、ウエハＷの傾斜角を制御してレベリングを行う。また、ＸＹステージ２１はウエハＷを光軸ＡＸと垂直なＸＹ平面内で２次元移動させるものであり、ＸＹステージ２１のＸ方向及びＹ方向の座標は不図示のレーザ干渉計により常時計測されている。
【００１９】
更に、Ｚ・レベリングステージ２０の上面には、ウエハＷの表面とほぼ等しい高さ位置で基準マーク板ＦＭが固定されている。この基準マーク板ＦＭには、図２（ａ）に示すようにそれぞれＸ方向に伸びた複数本の透過型スリットをＹ方向に一定ピッチで配置した構造のスリットマークＩＳｙと、Ｙ方向に伸びた複数本の透過型スリットをＸ方向に一定ピッチで配置した構造のスリットマークＩＳｘと、Ｘ方向及びＹ方向の夫々に対して４５゜となる方向に斜めに伸びたスリットマークＩＳａとが形成されている。これらのスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａは、石英製の基準マーク板ＦＭの表面全面にクロム層（遮光層）を蒸着し、そこに透明部として刻設したものである。
【００２０】
図１に戻り、基準マーク板ＦＭの下方（Ｚ・レベリングステージ２０の内部）には、ミラーＭ１、照明用対物レンズ５０、及び光ファイバー５１の射出端が設けられ、光ファイバー５１の射出端からの照明光が対物レンズ５０によって集光されて、基準マーク板ＦＭ上のスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａを共に裏側から照射する。光ファイバー５１の入射端側にはビームスプリッタ５２が設けられ、レンズ系５３を介して露光用照明光ＩＥが光ファイバー５１に導入される。その照明光ＩＥはレチクルＲの照明用の光源（水銀ランプ、エキシマレーザ光源等）から得るのが望ましいが、別に専用の光源を用意してもよい。但し、別光源にするときは、露光用照明光と同一波長、又はそれに極めて近い波長の照明光にする必要がある。
【００２１】
また、対物レンズ５０による基準マーク板ＦＭの照明条件は、パターン投影時の投影光学系ＰＬでの照明条件と極力合わせられる。即ち、投影光学系ＰＬの像側の照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）と対物レンズ５０から基準マーク板ＦＭへの照明光の開口数（Ｎ．Ａ．）とをほぼ一致させるのである。さて、このような構成で、照明光ＩＥを光ファイバー５１に導入すると、基準マーク板ＦＭ上のスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａからは投影光学系ＰＬへ入射する像光束が発生する。図１において、Ｚ・レベリングステージ２０の光軸ＡＸ方向の位置は、投影光学系ＰＬの最良結像面（レチクルとの共役面）Ｆｏから僅かに下方に基準マーク板ＦＭの表面が位置するように設定されているものとする。このとき基準マーク板ＦＭ上の一点から発生した像光束Ｌ１は投影光学系ＰＬの瞳面ＥＰの中心を通り、レチクルＲのパターン面から僅かに下方へずれた面Ｆｒ内で集光した後に発散し、レチクルＲのパターン面で反射してから元の光路を戻る。ここで面Ｆｒは、投影光学系ＰＬに関して基準マーク板ＦＭと光学的に共役な位置にある。投影光学系ＰＬが両側テレセントリック系であると、基準マーク板ＦＭのスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａからの像光束は、レチクルＲの下面（パターン面）で正反射して再びスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａと重畳するように戻ってくる。
【００２２】
但し、図１のように基準マーク板ＦＭが結像面Ｆｏからずれていると、基準マーク板ＦＭ上には各スリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａのぼけた反射像が形成され、基準マーク板ＦＭが結像面Ｆｏと一致しているときは、面ＦｒもレチクルＲのパターン面と一致することになり、基準マーク板ＦＭ上には各スリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａのシャープな反射像がそれぞれのマークに重畳して形成されることになる。図２（ｂ）は基準マーク板ＦＭがデフォーカスしているときのスリットマークＩＳｘとその反射像ＩＭｘとの関係を模式的に表したものである。両側テレセントリックな投影光学系ＰＬでは、このように反射像ＩＭｘは自身の源であるスリットマークＩＳｘ上に投射される。そして基準マーク板ＦＭがデフォーカスしていると、反射像ＩＭｘは、スリットマークＩＳｘの形状寸法よりも大きくなり、且つ単位面積当りの照度も低下する。
【００２３】
そこで基準マーク板ＦＭ上にできる反射像のうち、元のスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａで遮光されなかった像部分の光束をミラーＭ１、対物レンズ５０を介して光ファイバー５１に導き、光ファイバー５１から射出された光束をビームスプリッタ５２、レンズ系５４を介して光電センサ５５で受光する。光電センサ５５の受光面は投影光学系ＰＬの瞳面（フーリエ変換面）ＥＰとほぼ共役な位置に配置されている。図１の構成においては、Ｚ・レベリングステージ２０を上下方向（Ｚ方向）に移動させるだけで投影光学系ＰＬの結像面を決定するためのコントラスト信号を得ることができる。
【００２４】
図３（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ光電センサ５５の出力信号ＫＳの信号レベル特性を表し、横軸はＺ・レベリングステージ２０のＺ方向の位置、即ち基準マーク板ＦＭの光軸ＡＸ方向の高さ位置を表す。また、図３（ａ）はスリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａがレチクルＲのパターン面内のクロム部分に逆投影されたときの信号レベルを示し、図３（ｂ）はそれらスリットマークがパターン面内のガラス部分（透明部分）に逆投影されたときの信号レベルを示す。通常、レチクルのクロム部分は０．３〜０．５μｍ程度の厚みでガラス（石英）板に蒸着されており、クロム部分の反射率は当然のことながらガラス部分の反射率よりは格段に大きい。しかしながら、ガラス部分での反射率は完全に零ということはないので、図３（ｂ）のように信号レベルとしてはかなり小さくなるが、ガラス部分でも検出は可能である。また、一般に実デバイス製造用のレチクルは、パターン密度が高いために、スリットマークＩＳｘ、ＩＳｙ、ＩＳａの全ての逆投影像がレチクルパターン中のガラス部分（透明部分）に同時にかかる確率は極めて少ないと考えられる。
【００２５】
何れの場合にしろ、基準マーク板ＦＭの表面が最良結像面Ｆｏを横切るように光軸ＡＸの方向に移動されると、Ｚ方向の位置Ｚ０  で出力信号ＫＳのレベルが極大値となる。従って、Ｚ・レベリングステージ２０のＺ方向の位置と出力信号ＫＳとを同時に計測し、出力信号ＫＳのレベルが極大となったときのＺ方向の位置を検出することで、最良結像面Ｆｏの位置が求まり、しかもこの検出方式ではレチクルＲ内の任意の位置で最良結像面Ｆｏの検出が可能となる。従って、レチクルＲが投影光学系ＰＬの物体側にセットされてさえいれば、いつでも投影視野内の任意の位置で絶対フォーカス位置（最良結像面Ｆｏ）が計測できる。また、先に述べたようにレチクルＲのクロム層は０．３〜０．５μｍ厚であり、この厚みによって生じる最良結像面Ｆｏの検出誤差は、投影光学系ＰＬの投影倍率を１／５（縮小）とすると、（０．３〜０．５）×（１／５）２  、即ち０．０１２〜０．０２μｍとなり、これはほとんど無視できる値である。
【００２６】
次に図４を参照して本実施例の斜入射光式のＡＦ系（焦点位置検出系）について説明するが、ここでは多点ＡＦ系を採用するものとする。多点ＡＦ系とは投影光学系ＰＬの投影視野内の複数箇所に、ウエハＷの光軸方向の位置ずれ（所謂焦点ずれ）を計測する測定点を設けたものである。図４において、ウエハＷ上のフォトレジストに対して非感光性の照明光ＩＬはスリット板１を照明する。そしてスリット板１のスリットを通った光は、レンズ系２、ミラー３、絞り４、投光用対物レンズ５、及びミラー６を介してウエハＷを斜めに照射する。このとき、ウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの最良結像面Ｆｏにあると、スリット板１のスリットの像がレンズ系２、及び対物レンズ５によってウエハＷの表面に結像される。また、対物レンズ５の光軸とウエハ表面との角度は５〜１２°位いに設定され、スリット板１のスリット像の中心は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸがウエハＷと交差する点に位置する。
【００２７】
さて、ウエハＷで反射されたスリット像の光束は、ミラー７、受光用対物レンズ８、レンズ系９、振動ミラー１０、及び平行平面板（プレーンパラレル）１２を介して受光用スリット板１４上にスリット像を再結像する。振動ミラー１０は受光用スリット板１４上にできるスリット像を、その長手方向と直交する方向に微小振動させるものであり、プレーンパラレル１２はスリット板１４上のスリットと、ウエハＷからの反射光によるスリット像の振動中心との相対関係を、スリットの長手方向と直交する方向にシフトさせるものである。そして振動ミラー１０は発振器（ＯＳＣ）１６からの駆動信号でドライブされるミラー駆動部（Ｍ−ＤＲＶ）１１により振動される。
【００２８】
こうして、スリット像が受光用スリット板１４上で振動すると、スリット板１４を透過した光束は、アレイセンサー１５で受光される。このアレイセンサー１５は、スリット板１４のスリットの長手方向を複数の微小領域に分割し、各微小領域毎に個別の受光画素を配列したものであり、光電変換素子としてはシリコン・フォトダイオード又はフォトトランジスタ等が使用される。アレイセンサー１５の各受光画素からの信号は、セレクター回路１３を介して選択、又はグループ化されて、同期検波回路（ＰＳＤ）１７に供給される。この同期検波回路１７には、発振器１６からの駆動信号と同じ位相の交流信号が供給され、この交流信号の位相を基準として同期整流が行われる。
【００２９】
このとき、同期検波回路１７はアレイセンサー１５の中から選ばれた複数の受光画素の各出力信号を個別に同期検波するために、複数の検波回路を備え、その各検波出力信号ＦＳは主制御ユニット（ＭＣＵ）３０に供給される。各検波出力信号ＦＳは、所謂Ｓカーブ信号と呼ばれ、受光用スリット板１４のスリット中心とウエハＷからの反射スリット像の振動中心とが一致したときに零レベルとなり、ウエハＷがその状態から上方に変位しているときは正のレベル、ウエハＷが下方に変位しているときは負のレベルになる。従って、検波出力信号ＦＳが零レベルになるときのウエハＷの露光面（例えば表面）の高さ位置が合焦点として検出される。但し、このような斜入射方式では、合焦点（検波出力信号ＦＳが零レベル）となったウエハＷの高さ位置が、いつでも最良結像面Ｆｏと必ず一致しているという保証はない。即ち、斜入射方式ではその系自体で決まる仮想的な基準面を有し、その仮想的な基準面にウエハＷの露光面が一致したときに同期検波回路１７からの検波出力信号ＦＳが零レベルになるのであって、仮想的な基準面と最良結像面Ｆｏとは装置製造時等に極力一致するように設定されてはいるが、長期間に亘って一致しているという保証はない。そこで、図４中のプレーンパラレル１２を主制御ユニット３０による制御のもとで傾けて、仮想的な基準面を光軸ＡＸ方向に変位させることで、その仮想的な基準面と最良結像面Ｆｏとの一致（又は位置関係の規定）を図ることができる。
【００３０】
また、主制御ユニット３０は、図１の光電センサー５５からの出力信号ＫＳを入力して、斜入射方式の多点ＡＦ系をキャリブレーションする機能、プレーンパラレル１２の傾きを設定する機能、多点ＡＦ系の各検波出力信号ＦＳに基づいてＺ・レベリングステージ２０の駆動用モータ１９を駆動する駆動部（Ｚ−ＤＲＶ）１８へ指令信号ＤＳを出力する機能、及びＸＹステージ２１を駆動するための駆動部（モータとその制御回路とを含む）２２を制御する機能等を備えている。
【００３１】
図５は、投影光学系ＰＬの投影視野Ｉｆと、多点ＡＦ系からのスリット像ＳＴとの位置関係をウエハＷの表面上で見た図である。投影視野Ｉｆは一般に円形であり、レチクルＲのパターン領域ＰＡのパターン像が投影されるショット領域ＳＡは、その円形内に含まれる矩形となっている。スリット像ＳＴは、ＸＹステージ２１の移動座標軸でもあるＸ軸及びＹ軸のそれぞれに対して４５°程度傾けてウエハＷ上に投影される。従って、投光用対物レンズ５及び受光用対物レンズ８の両光軸ＡＦｘのウエハＷへの射影は、スリット像ＳＴと直交した方向に伸びている。更に、スリット像ＳＴの中心は、光軸ＡＸとほぼ一致するように定められている。このような構成で、スリット像ＳＴは、ショット領域ＳＡ内で出来るだけ長く伸びるように設定される。
【００３２】
一般にショット領域ＳＡには、それまでの露光工程等により凹凸を有する回路パターンが形成されている。この場合、デバイス製造のプロセスを経る度に、その凹凸の状態の変化量が増大し、スリット像ＳＴの長手方向においても、その凹凸の状態が大きく変化することがある。特に１つのショット領域内に複数のチップパターンを配置する場合、各チップパターンを分離するためのスクライブラインがショット領域内にＸ方向又はＹ方向に伸びて形成されることとなり、スクライブライン上の点とチップパターン上の点との間には、極端な場合で２μｍ以上の段差が生じることもある。スリット像ＳＴ内のどの部分にスクライブラインが位置するかは、設計上のショット配列やショット内のチップサイズ等によって予め分かるので、スリット像ＳＴの長手方向の任意の部分からの反射光が回路パターン、又はスクライブラインの何れからの反射光であるのかは認識できる。
【００３３】
図６は、受光用スリット板１４とアレイセンサー１５とを分離した状態を示し、この図６において、スリット板１４はガラス基板上にクロム層（遮光膜）を全面に蒸着し、その一部にエッチングにより透明なスリットを形成したものである。このスリット板１４を、保持フレーム１４Ａ上に固定し、この保持フレーム１４Ａを、アレイセンサー１５を保持するセラミックス等のプリント基板１５Ａ上に例えば不図示のねじを用いて固定する。これによって、スリット板１４のスリットはアレイセンサー１５の一次元の受光画素の配列と平行になって密着される。このようにスリット板１４とアレイセンサー１５とは極力密着又は近接させた方が良いが、スリット板１４とアレイセンサー１５との間に結像レンズ系を設け、スリット板１４とアレイセンサー１５とを光学的に共役にしてもよい。なお、先の図６で示したスリット像ＳＴのウエハＷ上での長さは、投影視野Ｉｆの直径によっても異なるが、投影光学系ＰＬの倍率が１／５（縮小）で、投影視野Ｉｆの直径が３２ｍｍ前後である場合、その投影視野Ｉｆの直径の１倍〜１／３倍程度にするのが望ましい。
【００３４】
さて、図７は、アレイセンサー１５、セレクター回路１３、同期検波回路１７、及び主制御ユニット３０の具体的な回路構成の一例を示し、この図７において、セレクター回路１３は５個のセレクター回路１３Ａ〜１３Ｅより構成され、同期検波回路１７も５個の同期検波回路１７Ａ〜１７Ｅより構成されている。そして、アレイセンサー１５の受光画素を５つのグループＧａ〜Ｇｅに分け、各グループ内からセレクター回路１３によりそれぞれ１つの受光画素を選択する。この場合、グループＧａ〜Ｇｅは、それぞれ図５のスリット像ＳＴに沿った５つの計測点Ｐ１〜Ｐ５の前後のスリット像を検出する。また、一例として、ここではセレクター回路１３Ａ〜１３Ｅにおいて、計測点Ｐ１〜Ｐ５上のスリット像を受光する受光画素の検出信号を選択するものとする。
【００３５】
具体的に、図７において、アレイセンサー１５の受光画素のグループＧａ内には複数個の受光画素が含まれ、セレクター回路１３Ａによってそれら受光画素内で計測点Ｐ１上の像を検出する受光画素を選択し、この受光画素の出力信号を同期検波回路１７Ａに供給する。なお、セレクター回路１３Ａは、グループＧａ内の受光画素の内任意の１つを選択してその出力信号を同期検波回路１７Ａに送る機能の他に、グループＧａ内の隣接する２つ、又は３つの受光画素を任意に選び、それらの出力信号を加算した信号を同期検波回路１７Ａへ送る機能をも備えている。同様に、グループＧｂ〜Ｇｅ中の各受光画素からの出力信号もそれぞれセレクター回路１３Ｂ〜１３Ｅ内で選択され、選択された出力信号がそれぞれ同期検波回路１７Ｂ〜１７Ｅへ供給される。
【００３６】
同期検波回路１７Ａ〜１７Ｅは、それぞれ発振器１６からの基本波交流信号を受け取って検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅを出力する。これらの検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅは、主制御ユニット３０内のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）３０Ａでそれぞれデジタルデータに変換されて補正演算部３０Ｂ、及び偏差検出部３０Ｃに供給される。補正演算部３０Ｂには、露光プロセスデータ記憶部３０Ｆより当該ウエハのプロセス構造に関するデータ（露光面の凹凸分布、及び凹凸の段差のデータを含む）も供給されると共に、記憶部３０Ｄより信号較正用のオフセット値も供給されている。そして、補正演算部３０Ｂは、一例として５つの検波出力信号の値、即ちウエハ上の５点でのフォーカスずれ量、及びプロセス構造に関するデータ等に基づいて、ウエハ上の各計測点のＺ方向での目標位置に対応する検波出力値を算出し、その値を偏差検出部３０Ｃに供給する。この偏差検出部３０Ｃは、補正演算部３０Ｂからの出力値とＡＤＣ３０Ａからの検波出力値との偏差を検出し、この偏差を少なくするような指令信号ＤＳを図４の駆動部１８に供給する。
【００３７】
より具体的に、偏差検出部３０Ｃでは、例えば補正演算部３０Ｂからの目標とする検波出力信号とＡＤＣ３０Ａからの検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅとの偏差の自乗和が最小になるように、即ち最小自乗法により、駆動部１８を制御する。これにより、Ｚ・レベリングステージ２０のＺ方向の位置、及び傾斜角が制御されて、図５の計測点Ｐ１〜Ｐ５の平均的な面が投影光学系ＰＬの結像面に合致するように合焦が行われる。
【００３８】
なお、図５では計測点Ｐ１〜Ｐ５が１直線上に配列されているため、制御される傾斜角はウエハＷの表面でスリット像ＳＴに垂直な直線を軸とする傾斜角のみである。ウエハＷ上の表面の直交する２軸の回りの傾斜角を制御するには、それら計測点Ｐ１〜Ｐ５を２次元的に配列する（例えば複数のパターン像を平行に並べるか、あるいは互いに交差させるように形成する）か、又は後述のようにウエハＷ上のショット領域ＳＡをスリット像ＳＴに対して所定の方向に走査して、そのショット領域ＳＡの全面での高さ分布を計測すればよい。
【００３９】
また、図７において、記憶部３０Ｄに予め記憶されているオフセット値は、較正値決定部３０Ｅによって計測、算出されるものであり、較正値決定部３０Ｅは５つの検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅ、及び光電センサ５５の出力信号ＫＳより、多点ＡＦ系の仮想的な基準面とベストフォーカス面Ｆｏとの偏差を、検波出力上の零レベルからの偏差電圧として求める。較正値決定部３０Ｅ内には、５つの検波出力のそれぞれのレベルと信号ＫＳ（図３参照）とを同時にデジタルサンプリングするためのアナログ／デジタル変換器、及び波形メモリ等も含まれている。
【００４０】
ここで図９を参照して、較正値決定部３０Ｅの具体的な構成例を説明する。先ずＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式の絶対フォーカス検出系の光電センサー５５からの出力信号ＫＳは、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）３００に入力され、その信号レベルに対応したデジタル値に変換されてメモリとしてのＲＡＭ３０１に記憶される。このＲＡＭ３０１のアドレス指定は、カウンタ３０４によって行われるが、カウンタ３０４の計数、及びＡＤＣ３００の変換タイミングは何れもクロックジェネレータ（ＣＬＫ）３０３からのクロックパルスに同期している。同様に、５つの検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅの１つが、選択スイッチ３０８を介してＡＤＣ３０５に供給され、ここで変換されたデジタル値はカウンタ３０７によってアドレス指定されるＲＡＭ３０６に記憶される。従って、ＲＡＭ３０１，３０６には、それぞれ出力信号ＫＳ、及び選択された１つの検波出力信号の時間的に変化する波形が取り込まれる。これらＲＡＭ３０１，３０６内の波形は、演算処理部３１０でスムージング、及び極大値検出等を行う際の処理データとして使用される。
【００４１】
なお、演算処理部３１０は、ＲＡＭ３０１，３０６に信号波形を取り込むために、Ｚ・レベリングステージ２０のＺ方向への等速移動を制御するための信号を駆動部１８へ出力すると共に、多点ＡＦ系の各計測点の位置に図２（ａ）のスリットマークＩＳｘ，ＩＳｙ，ＩＳａの中心を移動させるための駆動信号を図４のＸＹステージ用の駆動部２２へ出力する。
【００４２】
図１０（ａ）は、１つの検波出力信号ＦＳの変化特性を示し、Ｚ・レベリングステージ２０をＺ方向にベストフォーカス面を含む一定範囲内で等速移動させたときにＲＡＭ３０６に格納される波形データに対応する。また、図１０（ｂ）はそのときにＲＡＭ３０１内に格納される信号ＫＳの波形を表す。同期検波信号は零点を中心にほぼ点対称な波形になるため、零点よりも小さな負レベルのデータについては、負レベルも考慮してアナログ／デジタル変換される。
【００４３】
図９のＲＡＭ３０１内には、図１０（ｂ）に示す極大値を取る信号ＫＳの波形が時間ｔに対応するアドレスに格納されるので、演算処理部３１０は、その波形を解析して極大点が得られた時点Ｔ１  を求める。次に、演算処理部３１０は、ＲＡＭ３０６内の時点Ｔ１  に対応するアドレスポイントを求め、このアドレスポイントに記憶されている検波出力信号ＦＳのレベルΔＦＳを求める。このレベルΔＦＳは、検波出力信号ＦＳ上の零点からのオフセット電圧であり、この図１０（ａ）のような検波出力を発生する多点ＡＦ系の測定点では、検波出力が＋ΔＦＳになるようにその測定点でのウエハ表面をＺ方向に移動させると、そのウエハ表面とベストフォーカス面Ｆｏとが合致することになる。
【００４４】
ところで、図９の回路を使うときには、図４のＸＹステージ２１を移動させて、基準マーク板ＦＭ上のスリットマークの中心が多点ＡＦ系の各測定点の何れか１つの位置に来るように位置決めされる。その位置決めはそれ程厳密である必要はなく、多点ＡＦ系の測定点とスリットマーク群の中心とが、Ｘ方向及びＹ方向に１００μｍ前後ずれていてもよい。従って、多点ＡＦ系の測定点、即ち図５に示したスリット像ＳＴ内の測定点Ｐ１〜Ｐ５が決まったら、それらの測定点を中心に±１００μｍ程度の範囲でスリットマーク群の位置をＸ方向及びＹ方向にずらすと共に、Ｚ方向に振って、信号ＫＳのピークがある程度大きくなる座標位置を求めてもよい。また、これは確率的には極めて小さいが、スリットマーク群の全てがレチクルＲの透過部に一致してしまう不都合（信号ＫＳのＳＮ比の低下）をなるべく避けるためである。但し、較正動作を高速に行うときは、信号のピークが大きくなる座標位置をサーチしなくとも、ほぼ同等の精度でオフセット値ΔＦＳを求めることが可能である。また、そのオフセット値は各測定点Ｐ１〜Ｐ５毎に求められる。
【００４５】
このようにして、図５の各計測点Ｐ１〜Ｐ５がそれぞれＺ方向で投影光学系ＰＬによる最良結像面の位置に合致するときの検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅの値、即ちその最良結像面でのオフセット値ＢＦａ〜ＢＦｅが求められる。図５において、ショット領域ＳＡを例えばＸ方向にスリット像ＳＴに対して走査してショット領域ＳＡの全面に分布する計測点で検波出力信号を求める際にも、各計測点でのオフセット値はそのようにして求めたオフセット値ＢＦａ〜ＢＦｅ内の何れかの値である。
【００４６】
次に、本実施例における合焦及び露光動作の一例につき図５、図８、図１１、及び図１２を参照して説明する。この場合、前提として、図５の各計測点Ｐ１〜Ｐ５をそれぞれ投影光学系ＰＬの結像面に合焦させた場合の検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅの値、即ち多点ＡＦ系の仮想的な基準面に対する結像面のオフセット値ＢＦａ〜ＢＦｅは予め計測されているものとする。なお、図４のプレーンパラレル１２の回転角を調整すれば、それらオフセット値ＢＦａ〜ＢＦｅはほぼ０にすることができるので、ここでもそれらオフセット値ＢＦａ〜ＢＦｅは０に近い値である。また、ＸＹステージ２１を駆動した際のＺ・レベリングステージ２０の走り面と投影光学系ＰＬの最良結像面とは実質的に平行であるとみなす。
【００４７】
先ず、図１１のステップ１０１において、ＸＹステージを駆動して図５に示すように、計測対象（露光対象）のショット領域ＳＡの中央部を斜入射多点ＡＦ系からのスリット像ＳＴの投影領域上に移動する。その後、ステップ１０２において、スリット像ＳＴの中心の計測点Ｐ３でオートフォーカスを行う。即ち、計測点Ｐ３に対応する検波出力信号ＦＳｃが最良結像面のオフセット値ＢＦｃになるようにＺ・レベリングステージ２０のＺ方向の高さを調整し、この状態でＺ・レベリングステージ２０をロックする。従って、これ以後は計測が終了するまでＺ・レベリングステージ２０の高さ、及び傾斜角は一定である。このように一度オートフォーカスを行うのは、ショット領域ＳＡ内の凹凸の分布が多点ＡＦ系の検出範囲から外れるのを防止するためである。
【００４８】
但し、本実施例ではステップ１０２においてスリット像ＳＴの中心の計測点Ｐ３でオートフォーカスを行う代わりに、ショット領域ＳＡ内部又は近傍に基準面となる平面がある場合は、この平面にてオートフォーカスを行ってもよい。このときの計測点はＰ３である必要はなく、この平面に最も近い計測点を選択してもよい。また、露光プロセスデータを用いてオートフォーカスを行うべき計測点を決定するようにしてもよい。要は計測点Ｐ３である必要はなく、多点ＡＦ系のスリット像ＳＴでウエハを走査するときに、その走査範囲内のどこの点であっても多点ＡＦ系によって検出されるフォーカス位置のずれ量がその検出範囲（Ｓカーブによって決まる）から外れなければよい。
【００４９】
次に、ステップ１０３において、ＸＹステージ２１を駆動して、図５に示すようにショット領域ＳＡをスリット像ＳＴの−Ｘ方向に手前側の計測開始位置ＳＢに移動させた後、ステップ１０４において、ＸＹステージ２１を駆動して、スリット像ＳＴに対してＸ方向にショット領域ＳＡを走査し、補正演算部３０Ｂ内のメモリに各検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅを格納する。この際、ＸＹステージ２１の座標はレーザ干渉計により計測されているため、そのメモリ内でレーザ干渉計で計測される座標に対応するアドレスに順次検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅを格納していけばよい。その後、ステップ１０５において、得られた検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅ（それぞれ時系列の信号となっている）に基づいてショット領域ＳＡ内のプロセス段差の分類を行う。
【００５０】
具体的に、図８（ａ）はウエハＷ上のそのショット領域ＳＡ内の或る断面を示し、この断面上に計測点Ｐ１〜Ｐ５が設定されている。なお、実際にはウエハＷ上にはフォトレジストが塗布されているが、フォトレジストは省略してある。図８（ａ）において、多点ＡＦ系の仮想的な基準面４１上に各計測点Ｐ１〜Ｐ５が来ると、対応する検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅがそれぞれ０となる。また、投影光学系ＰＬの最良結像面４２はその仮想的な基準面４１からは或る程度外れているものとしている。この場合、ウエハＷ上には既に複数層の回路パターンが形成され、それに応じてその表面は凹凸となっている。そのため、各計測点Ｐ１〜Ｐ５で得られる検波出力信号をＦＳａ〜ＦＳｅとすると、これら検波出力信号の値もその凹凸に応じた値となっている。
【００５１】
例えばウエハＷ上の凸部のパターン領域４０Ａ上に計測点Ｐ１，Ｐ２が位置し、凹部のパターン領域４０Ｂ上に計測点Ｐ３が位置し、凸部のパターン領域４０Ｃ上に計測点Ｐ４，Ｐ５が位置しているものとすると、計測点Ｐ３での検波出力信号ＦＳｃの値が最も小さくなる。これを利用して、本実施例の図７の補正演算部３０Ｂは、隣接する計測点に対応する検波出力信号の差分を求めることにより、当該ショット領域の凹凸分布を求める。また、補正演算部３０Ｂには、露光プロセスデータ記憶部３０Ｆからプロセス構造に関するデータも供給されているため、補正演算部３０Ｂは、上述のように求めた凹凸分布と、そのプロセス構造との比較より計測点Ｐ１〜Ｐ５が位置するパターン領域４０Ａ〜４０Ｃを識別できる。
【００５２】
これにより、例えば各パターン領域４０Ａ〜４０Ｃが、メモリセル部、周辺回路部（ロジック部）、又はスクライブライン等の何れに属するのかが判別される。また、補正演算部３０Ｂは、供給されたデータより、各パターン領域４０Ａ，４０Ｃの段差ＺＡ  、及びパターン領域４０Ｂの段差ＺＢ  を認識できる。これらの段差はウエハＷの回路パターンの無い部分からの高さであるが、後述のようにこれらの段差の差分だけが問題となる。
【００５３】
また、前記隣接する計測点間での差分データにより得た段差情報より、各々の段差領域内での検波出力信号について分散等（ばらつき）を求めることにより、各段差領域内のパターン密度の違い等による段差を知ることができる。これにより計測点Ｐ１〜Ｐ５の前後で安定した計測点を求めることもできる。
次に、ステップ１０６において、ショット領域ＳＡ上で合焦させたい部分の面を合焦基準面として決定する。例えば図８（ａ）において、計測点Ｐ３が位置するパターン領域４０Ｂ上に最も線幅の狭いパターンが露光されるものとして、パターン領域４０Ｂを合焦基準面とする。但し、ショット領域ＳＡ内で最も広い（面積が大きい）パターン領域（例えばパターン領域４０Ａ）を合焦基準面とする場合も有り得る。合焦基準面は、ショット領域内のパターン領域毎の合焦の優先度（パターン線幅、ピッチ等に応じて定まる）に従って選択、決定すればよい。
【００５４】
その後、ステップ１０７において、計測点Ｐ１〜Ｐ５における検波出力信号Ｆａ〜Ｆｅに対するオフセット値Δａ〜Δｅを求める。図８（ａ）において、検波出力信号からＺ方向への変位への変換係数をｋとすると、合焦基準面であるパターン領域４０Ｂ上の計測点Ｐ３における検波出力信号Ｆｃに対するオフセット値Δｃは０である。また、計測点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５における検波出力信号Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｄ，Ｆｅに対するオフセット値Δａ，Δｂ，Δｄ，Δｅは、それぞれ（ＺＡ  −ＺＢ  ）／ｋとなる。
【００５５】
次に、ステップ１０８において、補正演算部３０Ｂは、図８（ａ）の最良結像面４２での検波出力信号のオフセット値ＢＦａ〜ＢＦｅに、ステップ１０７で求めたオフセット値Δａ〜Δｅを加算する。これは、実線で示す最良結像面４２を点線で示すような仮想的な段差を含む最良結像面４２Ａに変換するのと等価であり、その仮想的な最良結像面４２Ａに対してパターン領域４０Ａ〜４０Ｃを合焦させることになる。
【００５６】
即ち、ステップ１０９において、補正演算部３０Ｂは、仮想的な最良結像面４２Ａの検波出力信号、即ち（ＢＦａ＋Δａ）〜（ＢＦｅ＋Δｅ）を偏差検出部３０Ｃに供給する。また、偏差検出部３０Ｃには実際のパターン領域４０Ａ〜４０Ｃに対応する検波出力信号Ｆａ〜Ｆｅがリアルタイムで供給されている。そこで、偏差検出部３０Ｃが、Ｚ・レベリングステージ２０用の駆動部１８に対して、例えば最小自乗法を利用して、オフセット値（ＢＦａ＋Δａ）〜（ＢＦｅ＋Δｅ）と検波出力信号Ｆａ〜Ｆｅとの偏差の自乗和が最小になるような駆動信号を供給する。これにより、図８（ｂ）に示すように、合焦基準面であるパターン領域４０Ｂは、実際の最良結像面４２に合致する。その後、ステップ１１０で露光を行うことにより、最も線幅の狭いパターンが高い解像度で露光される。
【００５７】
このとき、パターン領域４０Ｂ以外のパターン領域４０Ａ，４０Ｃは投影光学系の焦点深度内に設定されるが、前述のステップ１０７においてオフセット値Δａ〜Δｅが焦点深度を超え得るときには、例えばオフセット値Δａ〜Δｅに重み付けを行ってパターン領域４０Ａ，４０Ｃが焦点深度内に入るように合焦基準面を見掛け上Ｚ方向にシフトさせるようにしてもよい。これは、ショット領域の全面が焦点深度内に入っている場合にも適用可である。また、単純にパターン領域４０Ａ，４０Ｃが焦点深度の幅内に入るように、合焦基準面（パターン領域４０Ｂ）をシフトさせてもよい。
【００５８】
なお、上述の実施例では図７に示すように、偏差検出部３０Ｃで目標値と実際の検波出力信号とを比較する方式であるため、目標値である最良結像面４２に段差のオフセット値Δａ〜Δｅを加算していた。しかしながら、図７において実際の検波出力信号にオフセット補正を行って偏差検出部３０Ｃに供給する方式を採るときには、実際の検波出力信号からそれらオフセット値Δａ〜Δｅを差し引けばよい。
【００５９】
なお、実際には、図５のショット領域ＳＡの全面に分布する計測点での検波出力信号が得られ、ショット領域ＳＡの全面での凹凸分布が識別される。しかしながら、図７においてＡＤＣ３０Ａからリアルタイムで供給される検波出力信号は図５のスリット像ＳＴ上の５点での検波出力信号のみである。また、スリット像ＳＴ上のデータを用いるのみでは、スリット像ＳＴに平行な軸の回りの傾斜角の補正ができない。そこで、そのスリット像ＳＴに平行な軸の回りのウエハＷの傾斜角の補正は一例としてオープンループで行う。即ち、ショット領域ＳＡをスリット像ＳＴに対して走査することにより、図８（ａ）に示すように、仮想的な最良結像面４２Ａの検波出力信号と、実際のパターン領域での検波出力信号とが求められる。そこで、予め、図４の駆動部１８の制御量とＺ・レベリングステージ２０の傾斜角の関係とを求めておき、実際のパターン領域での検波出力信号と仮想的な最良結像面４２Ａの検波出力信号との差分を打ち消す量だけＺ・レベリングステージ２０の傾斜角を制御する。これにより、オープンループ制御で、図５のショット領域ＳＡの全面に分布する最も線幅の狭いパターンが露光されるパターン領域が全体として投影光学系ＰＬの最良結像面に合焦される。
【００６０】
なお、図１１のステップ１０４において、ステップ１０４Ａで示すように、ＸＹステージ２１をＸ方向に一定ピッチでステッピングさせて、そのＸＹステージ２１が停止する毎に、即ちその一定ピッチで検波出力信号Ｆａ〜Ｆｅをモメリに格納するようにしてもよい。この方法により、ＸＹステージ２１の動きに伴う空気の揺らぎの影響が低減されるという効果がある。
【００６１】
また、図１１のステップ１０１〜１０２の動作の代わりに、図１２のステップ１１１及び１１２のようにしてもよい。即ち、このステップ１１１では、先ずＸＹステージ２１を駆動して、図５に示すように、ショット領域ＳＡを計測開始位置ＳＢに移動させる。その後、ステップ１１２において、図５のスリット像ＳＴの中央の計測点Ｐ３でオートフォーカスを行って、Ｚ・レベリングステージ２０のフォーカス位置をロックする。その後、図１１のステップ１０４又は１０４Ａに移行してショット領域ＳＡの全面での検波出力信号のサンプリングを行う。その後の処理は図１１の動作と同じである。この図１２のシーケンスでは、ウエハステージ２１の動作に無駄がなく計測が効率的に行われる。
【００６２】
なお、上述実施例では、図４においてＸＹステージ２１を駆動した際のＺ・レベリングステージ２０の走り面と投影光学系ＰＬの最良結像面とがほぼ平行であるとみなしていた。これに対して、Ｚ・レベリングステージ２０の走り面と投影光学系ＰＬの結像面とが平行でない場合には、次のような補正動作が必要となる。即ち、ＸＹステージ２１を駆動したときのＺ・レベリングステージ２０の走り面と投影光学系ＰＬの結像面との偏差（像面傾斜、湾曲等）を装置定数として例えば補正演算部３０Ｂ内のメモリに持つようにする。この場合、例えば図１１のステップ１０４の方法で求めた検波出力信号は、Ｚ・レベリングステージ２０の走り面を基準とした計測結果を示しているので、その計測結果に装置定数として記憶している結像面との偏差量を加算してやればよい。
【００６３】
また、上述実施例では図５に示すように、ウエハＷ上の１つのショット領域ＳＡで凹凸分布を求めているが、ウエハＷ上の他のいくつか（１つ以上）のショット領域でも同じ計測を行って、得られた検波出力信号を平均化し、平均化して得られた結果とプロセス構造との比較からウエハ上の各ショット領域内の凹凸分布を求めてもよい。これにより、フォトレジストの塗布むらの影響等が軽減される。
【００６４】
次に、上述実施例では図５に示したようにウエハＷ上の所定のショット領域ＳＡ内でＺ方向の位置検出を行っていたが、ウエハＷの全面で例えばショット領域の配列ピッチの整数分の１のピッチでＺ方向の位置検出を行ってもよい。具体的に、ショット領域のＸ方向への配列ピッチがＰＸ  であれば、Ｘ方向でのフォーカス位置計測の間隔は、２以上の整数Ｎを用いてＰＸ  ／Ｎとなる。このとき、ショット領域の配列ピッチと同じ周期で、多点ＡＦ系からの検波出力信号の出力変化が繰り返される。
【００６５】
この場合、ウエハの露光面に塵等の異物があるか、又はウエハに反り等による形状変化があると、そのショット領域での多点ＡＦ系の出力変化が他のショット領域での出力変化と異なる。そこで、検波出力信号をショット領域の配列ピッチに対応する周期でサンプリングした値の平均値からの偏差が、所定の閥値以上となっているショット領域に対しては、合焦基準面に対する検波出力信号のオフセット量を別に算出することが望ましい。また、この様な異物や反り等の影響が表されているショット領域に対しては、警告またはエラーとしてアシスト処理（オペレータコール）等の処理を行っても良い。
【００６６】
次に、上述実施例ではＳカーブ状に変化する検波出力信号ＦＳよりウエハＷの露光面のＺ方向の位置（フォーカス位置）を計測している。
図１３の曲線４４は、その検波出力信号ＦＳの一例を示し、この図１３において、従来は曲線４４の内で直線４５でほぼ近似できる区間を用いて、検波出力信号ＦＳからＺ方向の位置を求めていた。しかしながら、これではＺ方向での位置検出範囲が狭いという不都合がある。そこで、位置検出範囲を広くするため、例えば図４のＺ・レベリングステージ２０を移動ピッチΔＺでＺ方向に移動させたときの検波出力信号ＦＳ（実際にはＦＳａ〜ＦＳｅのそれぞれについて計測する）をメモリに記憶させておく、即ち、図１３の曲線４４を近似的に求めておくのが望ましい。この場合、Ｚ方向の位置に対して検波出力信号ＦＳの値が記憶される。
【００６７】
そして、実際にＺ方向の位置計測を行う際には、検波出力信号ＦＳの値がＶｉ  であれば、曲線４４からＺ方向の位置Ｚｉ  が正確に求められる。これに対して、曲線４４を直線４５で近似した場合には、検波出力信号がＶｉ  のときのＺ方向の位置はＺｈ  となり誤差が生ずる。
次に、上述実施例では、実際の計測結果に基づいてＺ・レベリングステージ２０の傾斜角の制御を行っている。しかしながら、投影光学系ＰＬの結像面のＸＹステージ２１の走り面に対する傾斜角は予め既知であるので、その傾斜角を予めＺ・レベリングステージ２０で行っておくようにしてもよい。これにより、多点ＡＦ系でＺ方向の位置検出を行った場合に、傾斜角のずれ量が少なくなり、各計測点毎に算出されるオフセット値が小さくなる。従って、合焦に要する時間が短縮されると共に、合焦精度も向上する。
【００６８】
また、上述実施例では、図４に示すように多点ＡＦ系の受光系に配置されたプレーンパラレル１２の傾斜角により、多点ＡＦ系の仮想的な基準面と最良結像面との位置関係を調整できるようになっている。これは、検波出力信号ＦＳａ〜ＦＳｅに共通に現れるオフセット値はそのプレーンパラレル１２の傾斜角で除去できることをも意味する。
【００６９】
ところが、受光系側にのみプレーンパラレル１２を設けたものでは補正量が少ないので、送光系側にもプレーンパラレルを配置してもよい。このように２枚のプレーンパラレルで結像位置を補正することにより、結像位置の補正量を大きくできる。しかも、送光系及び受光系の双方にプレーンパラレルを入れて補正することにより、ウエハ上での明暗パターンの位置ずれをも補正できる。
【００７０】
なお、多点ＡＦ系の送光系にプレーンパラレルを配置し、例えば図１１のステップ１０９でこのプレーンパラレルを用いて共通のオフセット補正を行うと、ステップ１０４で検波出力信号を計測したときと、ステップ１０９で検波出力信号を計測するときとで、ウエハＷ上でのスリット像ＳＴの位置ずれが生ずる。そこで、この位置ずれの影響を低減させるためには、プレーンパラレルの傾斜角に対するウエハＷ上でのスリット像ＳＴの位置ずれ量を予め測定しておき、ステップ１０９で各計測点に対応して最良結像面のオフセット値に付加するオフセット量を、その予め測定しておいた位置ずれ量に基づいて補正すればよい。
【００７１】
次に、上述実施例では、図５に示すように、ウエハＷ上のショット領域ＳＡに対して対角線方向に斜めにＺ方向の位置検出用のスリット像ＳＴが投影され、このスリット像ＳＴ上の５点が計測点Ｐ１〜Ｐ５として選択されている。これに対して、図１４に示すように、ショット領域ＳＡ上に、Ｘ方向及びＹ方向に所定ピッチで２次元的にＮ個（図１４ではＮは２５）の計測点Ｐ１１，Ｐ１２，…，Ｐ７４を設定し、これら計測点にそれぞれ焦点検出用のパターン像を投影してもよい。この場合、各パターン像を受光する受光素子（受光画素）の個数も計測点と同じ個数になり、例えば同期検波方式を採用する場合、全ての計測点からのパターン像の光電変換信号を並行して処理するのは困難である。そこで、例えば図７に示すようなセレクター回路１３Ａ〜１３Ｅを用いて、それらＮ個の光電変換信号から５個ずつの光電変換信号を選択し、時分割的に同期検波を行うようにしてもよい。このような時分割方式により、回路構成が簡略化される。
【００７２】
また、焦点検出を行うのに、スリット像を投影する代わりに、例えば所定ピッチの格子状のパターン像をウエハ上に斜めに投影するようにしてもよい。この場合、そのウエハからの反射光を用いて、例えば２次元ＣＣＤ等の２次元の撮像素子上にその格子状のパターン像を再結像し、再結像された像の横ずれ量から対応するウエハの露光面でのＺ方向への位置ずれ量が求められる。
【００７３】
また、スリット像を投影して例えば１次元のラインセンサ上での再結像されたパターン像の位置を検出してＺ方向への位置ずれ量を求める方式でもよい。この方式ではキャリブレーション用のプレーンパラレルを設けなくてもよく、常に電気的なオフセットを用いるようにすればよい。ショット領域内の高さが異なる少なくとも２つのパターン領域（スクライブライン等を含む）の各々に少なくとも１つの計測点を設定すればよいが、例えば各パターン領域に複数の計測点を設定し、オフセット値Δａ〜Δｅを求めるときは領域毎にその複数の計測値を統計処理又は平均化又は加重平均化処理して、オートフォーカス動作時には領域毎にその求めたオフセットを１つの計測点に与えてその計測点での検波出力信号を用いるようにしてもよい。要は、１つのパターン領域内に複数の計測点があるとき、各計測点毎にそのオフセットを求める必要はなく、また複数の計測点の各々で全てショット面と結像面とを合わせるようなオートフォーカス動作を行わなくてもよく、パターン領域毎に少なくとも１つの計測点でのオフセットを求め、当該計測点を用いてオートフォーカス動作を行えばよい。
【００７４】
次に、上述実施例の図４に示す斜入射方式のＡＦ系（焦点位置検出系）では、焦点検出用の照明光ＩＬとして、ウエハＷ上のフォトレジストに対して非感光性、又は感光性の弱い波長域の光が使用されている。更に、フォトレジストでは、入射する光束による薄膜干渉が生ずるため、特にその光束が単色光の場合にはそのフォトレジストの厚さによって反射される光の強度がかなり弱くなることがある。そこで、その薄膜干渉の悪影響を軽減するためには、その照明光ＩＬとして１００ｎｍ以上の帯域幅を有する光束を使用することが望ましい。具体的に、照明光ＩＬとしては、ハロゲンランプから照射される光束より波長選択フィルタにより選択された、例えば７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の波長域の光束が使用できる。また、発光ダイオードからの７００ｎｍ〜９００ｎｍ程度の波長域内の照明光を使用してもよい。更に、例えば複数個の半導体レーザ素子からの光束を混合して得られる複数個の単色光を照明光ＩＬとしてもよい。
【００７５】
但し、照明光ＩＬとして所定の波長域、又は複数波長の光束を使用した場合、波長に対する光強度の分布が均一でなく、例えば特定の波長の光強度が強いと、その特定の波長で薄膜干渉の影響を受ける恐れがある。そこで、それを避けるためには、図４に示すように、ＡＦ系のアレイセンサー１５の前に、波長に対する光電変換信号の分布を均一化するための光学フィルタ板６０を配置することが望ましい。なお、その光学フィルタ板６０は、照明光ＩＬを発生する不図示の光源とそのアレイセンサー１５との間のどの位置に配置されていてもよい。
【００７６】
図１５を参照して、具体的にその光学フィルタ板６０の特性の一例につき説明する。先ず、照明光ＩＬの波長λに対する光強度ＬＥ（λ）の分布が図１５（ａ）に示すように山型であるとする。この場合、光学フィルタ板６０の波長λに対する透過率Ｔ（λ）の分布は、図１５（ｂ）に示すように、ほぼ谷型に設定する。但し、透過率Ｔ（λ）はアレイセンサー１５における波長感度特性を考慮して補正してある。
【００７７】
即ち、例えばアレイセンサー１５における波長λに対する検出感度（出力信号／入射する光強度）ＰＳＶ（λ）が、図１５（ｃ）の点線で示すように右上がりとなっているものとする。この場合、光学フィルタ板６０を通過してアレイセンサー１５で受光される光束の波長λに対する光強度ＬＲ（λ）の分布は、光強度ＬＥ（λ）と透過率Ｔ（λ）との積であるため、その光強度ＬＲ（λ）の分布が図１５（ｃ）の実線のように多少右下がりの特性となるように透過率Ｔ（λ）の分布を定めておく。このとき、波長λの光束に対してアレイセンサー１５から出力される光電変換信号ＳＲ（λ）は、検出感度ＰＳＶ（λ）と光強度ＬＲ（λ）との積であるため、図１５（ｄ）に示すように波長λに対してほぼ平坦な特性となる。これにより、フォトレジストにおける薄膜干渉の悪影響を低減することができ、安定にウエハの表面の段差計測を行うことができる。
【００７８】
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。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の計測点に対応する光電検出手段のそれぞれの検出信号、投影光学系の最良結像面の湾曲又は傾斜、及び基板の露光面のプロセス構造に基づいて、複数の計測点毎に独立に基板上の合焦の基準面を投影光学系による像面に合わせ込むためのオフセット値を求める演算手段を設けたため、基板の各ショット領域の凹凸の状態に依らず、各露光領域（ショット領域）を最適な状態で投影光学系による結像面に合わせ込んで露光を行うことができる利点がある。
【００８０】
また、投射光学系から投影光学系による露光領域内に焦点検出用のパターンの像を投影した状態で、基板ステージを駆動して基板を走らせることにより、露光領域内の全面に分布する複数の計測点でそれぞれ対応する光電検出手段の検出信号を求め、演算手段が、その全面に分布する複数の計測点での光電検出手段の検出信号、及び基板の露光面のプロセス構造に基づいて、複数の計測点毎に独立に基板上の合焦の基準面を投影光学系による像面に合わせ込むためのオフセット値を求める場合には、簡単な構成の焦点検出用の光学系を使用して、基板の露光領域の全面の凹凸の状態を迅速に計測できる。従って、その露光領域の全面を最適な状態で投影光学系による結像面に合わせ込んで露光を行うことができる利点がある。また、基板の保持具（ウエハホルダ等）の平坦度が悪くても、基板の反りがあっても、基板と保持具との間に異物等があっても、それらに起因する合焦エラーも防止できる。すなわち、露光領域の全面を結像面と合致ないし焦点深度内に設定できる。
【００８１】
更に、投射光学系から投影光学系による露光領域内に焦点検出用のパターン像を投影する際に使用される光束を１００ｎｍ以上の帯域幅を有する光束とした場合には、感光性の基板上の感光材料（フォトレジスト等）での薄膜干渉の悪影響が軽減される利点がある。更に、その基板上の凹凸のエッジ部等により光束が散乱、又は回折されることがあるが、広帯域の光束を使用したときには、たとえ特定の波長の光束が弱くなっても、全体としてＳＮ比の良好な検出信号を得ることができる利点がある。
【００８２】
また、投射光学系内から複数の光電検出手段までの光路上に、焦点検出用のパターン像を投影する際に使用される光束の波長感度特性を一様化するための光学的フィルタを配置したときには、例えば広帯域の光束を使用した場合に、それら光電検出手段から出力される検出信号の波長に対する強度分布がほぼ平坦化されている。従って、特に所定の波長の光に影響されることなく、正確に基板の露光面の高さ分布を計測することができる。
【００８３】
次に、演算手段が、複数の計測点毎に独立に求められたオフセット値を用いて、投影光学系による結像面の高さに応じた目標値を補正する場合には、この補正後の目標値と実際に得られる検出信号とが合致するような閉ループ制御を行うことにより、高精度にフォーカシング及びレベリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投影露光装置の一実施例における投影光学系の最良結像面の検出機構を示す一部断面図を含む構成図である。
【図２】（ａ）は図１の基準マーク板ＦＭ上のマーク配置を示す拡大平面図、（ｂ）はこの基準マーク板ＦＭ上に再結像される像とマークとの関係を示す拡大図である。
【図３】図１の検出機構から出力される信号ＫＳの変化の様子を示す図である。
【図４】実施例の多点ＡＦ系の光学系及び制御系を示す構成図である。
【図５】図４の多点ＡＦ系で投影光学系ＰＬの露光フィールド内に投影されるスリット像を示す図である。
【図６】図４中のスリット板１４とアレイセンサー１５との関係を示す分解斜視図である。
【図７】図４中のアレイセンサー１５、セレクター回路１３、同期検波回路１７、及び主制御ユニット３０の詳細な構成を示すブロック図である。
【図８】本実施例で導入されるオフセット値の説明図である。
【図９】図７中の補正値決定部３０Ｅの構成例を示すブロック図である。
【図１０】検波出力信号ＦＳと信号ＫＳとの関係を示す図である。
【図１１】実施例の焦点検出動作及び露光動作の一例を示すフローチャートである。
【図１２】図１１の動作の変形例を示すフローチャートである。
【図１３】検波出力信号ＦＳとＺ方向の位置との関係を示す図である。
【図１４】ウエハのショット領域上に２次元的に分布する計測点にそれぞれスリット像を投影する場合を示す拡大平面図である。
【図１５】（ａ）は本発明の実施例の変形例において、ＡＦ系で使用される照明光の波長特性を示す図、（ｂ）はその変形例で使用される光学フィルタ板６０の透過率分布を示す図、（ｃ）はアレイセンサー１５で受光される光束の波長特性、及びアレイセンサー１５の波長感度特性を示す図、（ｄ）はアレイセンサー１５から出力される光電変換信号の波長特性を示す図である。
【符号の説明】
１  スリット板
１０  振動ミラー
１２  平行平面板（プレーンパラレル）
１３  セレクター回路
１４  スリット板
１５  アレイセンサー
１７  同期検波回路
Ｒ  レチクル
ＰＬ  投影光学系
Ｗ  ウエハ
２０  Ｚ・レベリングステージ
２１  ＸＹステージ
３０  主制御ユニット
３０Ｂ  補正演算部
３０Ｃ  偏差検出部
３０Ｆ  露光プロセスデータ記憶部
６０  光学フィルタ板
【図１】
0003555230.tif 000002
【図２】
0003555230.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003555230.tif 000006
【図６】
0003555230.tif 000007
【図７】
0003555230.tif 000008
【図８】
0003555230.tif 000009
【図９】
0003555230.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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