JP2569713B2

JP2569713B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JP2569713B2
Application number: JP63091953A
Authority: JP
Inventors: 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-04-14
Filing date: 1988-04-14
Publication date: 1997-01-08
Anticipated expiration: 2012-01-08
Also published as: JPH01262624A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体集積回路製造用の投影露光装置におけ
る位置合わせ装置、特に合焦装置に関するものである。

〔従来の技術〕半導体集積回路の製造におけるリソグラフィー工程に
おいてい主に用いられるステップ・アンド・リピート方
式の縮小投影型露光装置、所謂ステッパーは、マスク或
いはレチクル（以下、レチクルと呼ぶ）に形成された回
路パターンを投影レンズを介して感光基板（以下、ウエ
ハと呼ぶ）上に露光する。この際、レチクルの回路パタ
ーンの投影像をウエハ上に正確に結像しないと、ウエハ
上ではボケたパターンが形成され解像不良という問題が
生じる。また、このようなステッパーには一般に大きな
開口数（N.A.）を有する投影レンズが用いられるが、最
近ではサブ・ミクロン程度で形成される回路パターンの
最小線幅に対応して開口数（N.A.）がさらに増大し、投
影レンズの実用焦点深度は非常に小さくなっている。こ
のため、所期の特性を満足する半導体集積回路を得るに
は、投影レンズの結像面とウエハ表面とを正確に一致さ
せる必要がある。この合焦機能を有する装置としては、
例えば本願出願人が先に出願した特開昭60−168112号公
報に開示されているような装置がある。この種の装置で
はレチクル上の第１マークを検出すると共に、ウエハ上
の第２マークを投影レンズを介して検出する、所謂スル
ー・ザ・レンズ（TTL）方式の光学系を設け、第１マー
クに対してはこの光学系を調整して焦点合わせを行い、
その後第２マークに対してはウエハと投影レンズとの間
隔を光軸方向に変化させて焦点合わせを行うように構成
されている。従って、レチクルとウエハとは投影レンズ
に関して共役に維持され、ウエハ上にはレチクルの回路
パターンの投影像が常に合焦状態（ベストフォーカス）
で投影される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この種の装置ではウエハと投影レンズ
との間隔を光軸方向に変化させて焦点合わせを行う場
合、ウエハを投影レチクルの光軸方向に例えばΔｎずつ
移動させ、TTL方式の光学系を用いて各位置毎に第２マ
ークのマーク像のコントラスト検出を行う必要がある。
また、TTL方式の光学系とレチクルとの焦点合わせを行
う場合も、同様に複数回計測を行わなければならず、焦
点合わせに時間がかかりスループットが低下するという
問題点があった。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、高精
度、短時間で焦点合わせを行うことができる合焦装置を
備えた投影露光装置を得ることを目的としている。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決するための本願の請求項１に記載
の発明は、Ｙ軸方向に伸びて形成された光透過性のマー
クFMx（矩形の透明窓）を有する基準パターンとしての
フィデューシャル・マークFMが設けられた第１基板とし
ての基準部材10と、この基準部材10に関して投影レンズ
６と反対側のウエハステージ７内に配置され、フィデュ
ーシャル・マークFMを裏面から照明する照明系としての
ファイバー11の各種アライメント系のチェックのために
有すると共に、第２基板としてのレチクルＲのパターン
領域Paに形成された回路パターンを投影レチクル６を介
して感光基板（ウエハＷ）上に投影露光する装置に適用
される。

そして本願の請求項１の発明においては、投影レンズ
６の瞳面と略共役になるようにファイバー11の端面に設
けられ、マークFMxのエッジ方向（Ｙ軸方向）と交差す
る第１方向（Ｘ軸方向）に関してファイバー11からの照
明光の偏光特性を異ならせる偏光手段としての偏光フィ
ルター12と、マークFMxを透過した光のうち、投影レン
ズ６を介してレチクルＲのパターン領域Paに付随して形
成されたマークRMx（十字マーク）に遮られることなく
レチクルＲを通過する照明光の光路中に配置され、この
光路中を通る照明光を第１偏光（Ｐ偏光）と第２偏光
（Ｓ偏光）とに分割する偏光分割手段としての偏光ビー
ムスプリッター15と、Ｐ偏光を受光する第１光電検出手
段としての第１ディテクター16と、Ｓ偏光を受光する第
２光電検出手段としての第２ディテクター17と、第１デ
ィテクター16の出力信号と第２ディテクター17の出力信
号とに基づいて、レチクルＲと基準部材10との間の光路
長を変化させる調整手段としての主制御装置30とを設け
るようにした。

さらに本願の請求項２に記載の発明は、第１基板（基
準部材10）上に形成された第１パターン（フィデューシ
ャル・マークFM）の光像を第２基板（レチクルＲ）上の
所定部分に投影する投影光学系（投影レンズ６）と、第
１基板（基準部材10）と第２基板（レチクルＲ）との相
対的に走査移動させる移動手段（ウェハステージ７）
と、第２基板（レチクルＲ）上の所定部分に透過部と遮
光部とで規定して形成された第２パターン（RMx,RMy1,R
My2）と第１パターン（フィデューシャル・マークFM）
の光像とを相対的に走査移動させたとき生じる透過光に
基づいて、第１基板（基準部材10）と第２基板（レチク
ルＲ）との相対的な結像状態を検知する投影露光装置に
適用される。

そして本願の請求項２に記載の発明においては、第１
パターン（フィデューシャル・マークFM）の光像は走査
移動の面内でみたとき所定の第１方向に伸びたエッジ
（例えば第４図（ａ）のようにＹ方向に延びた像FM
x′）を有して整形され、第２パターンの透過部と遮光
部とのエッジ（例えば第４図（ａ）のようにＹ方向に伸
びたマークRMxは）走査移動の面内でみたとき第１方向
に延設され、さらに第２パターンの透明部を透過した第
１パターンの透過光（例えばFMx′の透過光束）によっ
て投影光学系（６）の瞳面とほぼ共役な位置に形成され
る瞳像（第７図のHt）を、第１方向（例えばＹ方向）と
ほぼ45度で交差する第２方向に関してほぼ２分割して個
別に光量検出する第１光電素子と第２光電素子とを含む
光電検出手段（例えば第１図中の２つのディテクター1
6、17と第７図中の瞳分割用光学部材Ms）と、移動手段
（ステージ７）によって第１パターンの光像（例えば像
FMx′）と第２パターン（例えばマークRMx）とを第１方
向と直交した方向（Ｘ方向）に相対走査したとき、第１
光電素子からの信号波形が変化する第１走査位置（第４
図（ｂ）中のステージ位置ａ）と第２光電素子からの信
号波形が変化する第２走査位置（第４図（ｂ）中のステ
ージ位置ｂ）とを計測する計測手段（波形処理装置18）
と、その計測された第１操作位置（位置ａ）と第２走査
位置（位置ｂ）とに基づいて、第１基板（基準部材１）
と第２基板（レチクルＲ）との共役関係からの誤差（デ
ィフォーカス量ΔZs,ΔZm）を算出する演算手段（主制
御装置30）とを設けるようにした。

また請求項３に記載の第３発明では、第２発明で規定
された光電検出手段として、投影光学系（６）の瞳とほ
ぼ共役な位置に配置されて、走査移動の面内（XY平面
内）でみたとき瞳像を第１方向（Ｘ方向とＹ方向の一
方）に対して45度だけ傾けて２分割するための光学部材
（Ms）を含むように構成され、この光学部材（Ms）で分
割された一方の瞳像の光量の第１光電素子（例えばディ
テクター16、17の一方）で検出し、他方の瞳像の光量を
第２光電素子（例えばディテクター16、17の他方）で検
出するようにした。

さらに請求項４に記載の第４発明では、移動手段（ウ
ェハステージ７）が第１基板（基準部材10）を保持して
第１パターン（フィデューシャル・マークFM）を投影光
学系（６）の視野内で２次元移動させるとともに、所望
の感光基板（ウェハＷ）を載置する構成とした。

さらに請求項５に記載の第５発明においては、第２基
板として、投影光学系（６）を通してステージ（７）上
の感光基板（ウェハＷ）を投影露光するための回路パタ
ーン領域（Pa）が形成されたレチクルＲが設けられ、そ
の回路パターン領域（Pa）の周辺の複数ヶ所の各々に第
２パターン（RMx,RMy1,RMy2）を形成することを特徴と
している。

また請求項６に記載の第６発明では、請求項５に規定
される投影露光装置に、ステージ（７）上に載置された
感光基板（ウェハＷ）の表面、又は第１基板（基準部材
10）の表面に斜めに結像光束を照射し、その反射光束を
受光することによって投影光学系（６）の結像面に対す
る感光基板（ウェハＷ）または第１基板（基準部材10）
の焦点ずれを検出する斜入射方式の焦点検出手段（20a,
20b）と、この焦点検出手段（20a,20b）の検出結果に基
づいて感光基板（ウェハＷ）または第１基板（基準部材
10）と投影光学系（６）との間隔を変化させるようにス
テージ（７）を調整する調整手段（駆動部９）とを設け
ることを特徴としている。

そして請求項７に記載の第７発明では、斜入射方式の
焦点検出手段（20a,20b）の検出結果に基づいて調整種
（駆動部９）により調整される間隔を演算手段（主制御
装置30）によって算出され誤差に応じてキャリブレーシ
ョンする補正手段（例えば焦点検出系20内に設けられた
フォーカスオフセット用の傾斜可能な平行平板ガラス）
を設けるようにした。

〔作用〕

本願の請求項１の発明では、投影レンズの光軸に対す
る主光線の傾き（以下、テレセン傾きと呼ぶ）を有する
光束に対して、投影レンズにしてレチクルとウエハステ
ージの上の基準部材との共役関係を崩すと、投影レンズ
のレチクル側焦点位置ないし結像位置がレチクルのパタ
ーン面において投影レンズの光軸方向と直交するＸ軸、
Ｙ軸方向にシフトすることを用いている。そこで、偏光
フィルターにより偏光特性が異なるＰ偏光とＳ偏光（常
光線と異常光線）とに２分割される照明光フィデューシ
ャル・マークに照射し、このフィデューシャル・マーク
の投影像でレチクルアライメントマークを走査する。そ
して、レチクルアライメントマークに遮られることなく
レチクルを通る照明光を、偏光ビームスプリッターによ
ってＰ偏光とＳ偏光とに分割し、それぞれ第１ディテク
ター、第２ディテクターで受光されるように構成してい
る。従って、ウエハステージをＸ方向に１回走査させる
だけで、レチクルと基準部材との投影レンズの光軸方向
の位置ずれ量（デフォーカス量）を算出して焦点合わせ
が行われるため、焦点合わせに要する時間を短縮するこ
とができる。

また本願の請求項２の発明においては、レチクルＲ上
にＸ軸方向に延びて形成されたマークとＹ軸方向に延び
て形成されたマークとを共通の光電検出手段で検出する
ために、投影レンズ６瞳面と略共役な位置に生成される
基準部材10の第１パターンの像FMx′の瞳像をＸ又はＹ
軸方向に対して約45度だけ傾けた方向で２分割してそれ
ぞれの分割光を個別に光電素子で受光する構成の光電検
出手段を設けるようにした。このため、Ｘ方向に伸びた
レチクルＲ上のマークとＹ方向に伸びたレチクルＲ上の
マークとを、各方向毎に基準部材10上のフィデューシャ
ル・マークFMで走査するだけで、Ｘ軸方向の計測による
デフォーカス量とＹ軸方向の計測によるデフォーカス量
とを共通のセンサーで求めることができる。

さらに請求項２〜７の各発明では、投影レンズ６の瞳
目とほぼ共役な位置（例えば第１図中の露光用照明光学
系１〜４内の位置）に生成される瞳像を２分割し、分割
された各瞳像を成す光束を個別に光電検出する方式とし
たので、先の第１発明のような偏光手段（偏光フィルタ
ー12）、偏光分割手段（偏光ビームスプリッタ15）等の
偏光操作を利用しなくても、投影レンズ６の非点収差に
よるオフセットの発生を防止することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳述する。第
１図は本発明の第１の実施例による合焦装置を有するス
テッパーの概略的な構成を示す図である。

第１図において、不図示の露光用の照明光源はｇ線、
ｉ線等のレジストを露光するような波長（露光波長）の
照明光を発生し、この照明光はフライアイレンズ１及び
ビームスプリッター２を通った後、ミラー３を介してコ
ンデンサーレンズ４に至り、レチクルステージ５に保持
されるレチクルＲのパターン領域Paを均一な照度で照明
する。ここで、第２図に示すようにレチクルＲにはレチ
クルアライメントマークRMとして、パターン領域Paに付
随して透明窓にクロム層で形成される十字マークを有す
るマークRMx、RMy₁、RMy₂が投影レンズ６露光フィール
ドIF内に設けられている。両側若しくは片側テレセント
リックな投影レンズ６は、レチクルＲのパターン領域Pa
に描かれた回路パターン、またはレチクルアライメント
マークRMの像を、レジストが塗布されたウエハＷ上に投
影する。但し、レチクルアライメントマークRMは不図示
のレチクルブラインドによって、実素子露光時には遮光
されることもある。ウエハＷは不図示のウエハホルダー
（θテーブル）を介してウエハステージ７上に設けら
れ、ウエハステージ７のＸ方向の位置はレーザ干渉計８
と、ウエハステージ７上に設けられた平面鏡8mとにより
検出される。また、ウエハステージ７上には焦点合わ
せ、ベースライン計測等を行う際に用いられるフィデュ
ーシャル・マークFMを備えたガラス基板等の基準部材10
が、ウエハＷの表面位置と略一致するように設けられて
いる。この基準部材10にはフィデューシャル・マークFM
として、焦点合わせ等に用いられるＹ軸、Ｘ軸方向に伸
びた光透過性のスリッタパターンである矩形状のマーク
FMx、FMyと、オフ・アクシス方式のウエハ・アライメン
ト系19等の位置検出等に用いられる光反射性のクロム層
で凸凹により形成された回折格子マークとが設けられて
いる。フィデューシャル・マークFMはファイバー11を用
いて基準部材10の下へ伝送されたｇ線、ｉ線等の照明光
（露光光）によって、レンズ13とミラー14を介して下方
（ウエハステージ７内部）から照明される。ここで、第
３図に示すようにＰ偏光のみを通すフィルター12pと、
Ｓ偏光のみを通すフィデューシャル12sから成る偏光フ
ィルター12は、ファイバー11の端面に偏光フィルター12
の分割方向がマークFMxのエッジ方向（Ｙ軸方向）と直
交、即ち分割方向がＸ軸方向と一致し、かつ投影レンズ
６の瞳面と略共役になるように設けられている。このた
め、フィデューシャル・マークFMはテレセン傾きθ_１を
持つＰ偏光と、テレセン傾きθ_２を持つＳ偏光から成る
照明光によって照明されることになる。さて、フィデュ
ーシャル・マークFMを透過した光は、投影レンズ６を介
してレチクルＲのパターン面にフィデューシャル・マー
クFMの撮影像を結像する。さらに、レチクルアライメン
トマークRMに遮られることなくレチクルＲを透過した光
は、ビームスプリッター２等を介して偏光ビームスプリ
ッター15に入射してＰ偏光とＳ偏光とに分割され、それ
ぞれ第１ディテクター16と第２ディテクター17により受
光されるように構成されている。オフ・アクシス方式の
ウエハ・アライメント系19はＹ方向に伸びたスポット光
（シートビーム）をウエハＷ上に形成された所定の回折
格子マーク（ウエハマーク）等に照射し、ウエハステー
ジ７をＸ方向に微動させてウエハマークのＸ方向の位置
に検出する。また、投影レンズ６の結像面に向けてピン
ホール或いはスリットの像を形成するための結像光束l₁
を斜めに照射する照射光学系20aと、その結像光束l₁の
ウエハＷ表面での反射光束l₂を受光する受光光学系20b
とから成る斜入射光方式の焦点検出系20が設けられてい
る。この焦点検出系20の構成等については、例えば本願
出願人が先に出願した特開昭60−168112号に開示されて
いるので説明は省略するが、ウエハＷ表面の基準面に対
する上下方向の位置を検出してウエハＷと投影レンズ６
の結像面との合焦状態を検出するものである。主制御装
置30は第１ディテクター16の出力信号と第２ディテクタ
ー17の出力信号に基づいて、ウエハステージ７の投影レ
ンズ６の光軸方向（Ｚ方向）の位置制御を行う他に、ウ
エハ・アライメント系19、焦点検出系20を含む装置全体
の動作を統括制御する。さらに、主制御装置30での演算
値や各種アライメント系で検出された位置ずれ量等に応
じてウエハステージ７の駆動部９等に所定の駆動指令を
出力する。

次に、本実施例のように構成された装置の動作につい
て説明する。第１図において、まず主制御装置30はファ
イバー11からの照明光のＰ偏光とＳ偏光のテレセン傾き
θ_１、θ_２を検出する。そこで、ウエハステージ７をＺ
方向に移動して基準部材10を、焦点検出系20を用いて所
定位置（座標値Z₁）に位置決めした後、基準部材10をフ
ァイバー11により伝送された照明光で下方から照明し、
投影レンズ６を介してレチクルＲのパターン面にマーク
FMxの投影像FMx′を結像させる。次に、第４図（ａ）に
示すように投影像FMx′がマークRMxのＹ軸方向に伸びた
矩形状マーク部を相対的にＸ方向に走査するように、ウ
エハステージ７をＸ方向に微動させる。この際、マーク
RMxに遮られることなくレチクルＲを透過した光は、コ
ンデンサーレンズ４、ミラー３及びビームスプリッター
２を介して、偏光ビームスプリッター15に入射する。そ
して、偏光ビームスプリッター15において照明光はＰ偏
光とＳ偏光とに分割され、それぞれ第１ディテクター16
と第２ディテクター17とによって受光される。この際、
投影像FMx′とマークRMxとが合致した時にレチクルＲを
通過する光量が最も少なくなり、順次そのずれに応じて
光量が増加する。次に、Ｐ偏光とＳ偏光はそれぞれ第１
ディテクター16と第２ディテクター17により光電変換さ
れ、この光電信号は波形処理装置18へ出力される。この
波形処理装置18において光電信号がレーザ干渉計８によ
るウエハステージ７の位置信号に同期して処理され、第
４図（ｂ）に示すような波形信号S₁、S₂を主制御装置30
に出力する。この波形信号S₁、S₂において、位置ａがＰ
偏光による投影像FMx′とマークRMxとが合致した位置、
位置ｂがＳ偏光による投影像FMx′とマークRMxとが合致
した位置である。そこで、主制御装置30はこの位置ａ、
ｂのＸ方向の位置を検出し、その値を座標値Xp₁、Xs₁と
して記憶する。

次に、ウエハステージ７をＺ方向に移動して基準部材
10を、焦点検出系20を用いて所定位置（座標値Z₂）に位
置決めした後、上述と同様の動作で座標値Z₂においてマ
ークRMxと投影像FMx′が合致する位置を検出し、その値
を座標値Xp₂、Xs₂として記憶する。この結果得られたＺ
方向の位置（焦点位置）と合致位置との関係を第４図
（ｃ）に示す。第４図（ｃ）において、直線の傾きはそ
れぞれＰ偏光とＳ偏光のテレセン傾きθ_１、θ_２に対応
しているので、主制御装置30はこの傾きからテレセン傾
きθ_１、θ_２を算出して記憶する。尚、テレセン傾きθ
_１、θ_２の検出では精度向上の点から、上述と同様の動
作、即ち任意の焦点位置においてマークRMxと投影像FM
x′が合致する位置の検出を複数回行い、その結果得ら
れた直線の平均的な傾きからテレセン傾きθ_１、θ_２を
算出して記憶しておくと良い。

さて、主制御装置30は焦点合わせを行うため、まずウ
エハステージ７をＺ方向に移動して基準部材10の表面
を、焦点検出系20を用いて所定の基準位置（座標値Zn）
に位置決めする。そして、テレセン傾きθ_１、θ_２の検
出動作と同様にファイバー11で伝送された照明光で下方
からマークFMxを照明し、その投影像FMx′がマークRMx
のＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部を相対的にＸ方向に
走査するようにウエハステージ７をＸ方向に微動する。
次に、マークRMxに遮られることなくレチクルＲを通過
した照明光をビームスピリッター２等を介して偏光ビー
ムスピリッター15に入射させてＰ偏光とＳ偏光に分割
し、第１ディテクター16、第２ディテクター17で受光す
る。波形処理装置18は第１ディテクター16、第２ディテ
クター17の光電信号と、レーザ干渉計８からの位置信号
とに基づいて、第４図（ｂ）に示した波形信号と同様な
波形信号を検出し、主制御装置30へ出力する。主制御装
置30は、この波形信号からマークFMxの投影剤FMx′とマ
ークRMxとが合致した位置Xpn、Xsnを、第５図に示すよ
うに検出する。第５図で直線ｆ（θ_１）、ｆ（θ_２）は
第４図の動作で予め求められている特性である。次に、
この合致した位置のずれ量ΔＸ（ΔＸ＝Xpn−Xsn）と、
テレセン傾きθ_１、θ_２に基づいて、以下の式（１）か
らレチクルＲと基準部材10とのデフォーカス量ΔＺを算
出する。

次に、投影レンズ６に関してレチクルＲと基準部材10
とが共役となるように、主制御装置30は焦点検出系20の
位置（座標値Zn）での検出値がΔＺだけ変化するよう
に、駆動部９を介してウエハステージ７をＺ軸方向にデ
フォーカス量ΔＺだけ移動させる。これより、レチクル
Ｒと基準部材10とが投影レンズ６に関して共役な位置に
セットされ、基準部材10表面と投影レンズ６の結像面、
即ちウエハＷ表面と結像面とが正確に一致し、Ｚ方向の
位置合わせ（焦点合わせ）が終了する。

次に、ウエハＷにレジストの厚みムラ等が生じている
場合の焦点合わせについて述べる。そこで、まず主制御
装置30は投影レンズ６の結像面に位置する基準部材10を
用いて焦点検出系20の焦点位置の補正（キャリブレーシ
ョン）を行う。ここで、焦点検出系20のキャリブレーシ
ョンについては、例えば本願出願人が先に出願した特開
昭60−168112号に開示されているので簡単に説明する。
まず、照射光学系20aはスリット開口、平行平板ガラス
（プレーンパラレル）等を介して斜め方向から平行光束
を基準部材10上に照射し、基準部材10上にスリット像を
結像する。そして、受光光学系20bは基準部材10から反
射した平行光束を振動ミラー、スリット板等を介して光
電検出器により受光する。この際、受光光学系20bにお
いて、スリット像は振動ミラーによってスリット板上を
一定の振幅で往復移動し、光電検出器の受光面上での振
動中心の位置は基準部材10のＺ方向の一に応じてシフト
する。そこで、スリット板上でのスリット像の振動中心
がスリット開口と一致するように平行平板ガラスの角度
を調整して固定する。これより、Ｚ方向の基準部材10表
面、即ち投影レンズ６の結像面を零点基準とする焦点検
出系20のキャリブレーションが終了する。尚、ウエハス
テージ７をデフォーカス量ΔＺだけＺ方向に移動させて
座標値Z₀に位置決めした基準部材10を用いるのではな
く、デフォーカス量ΔＺを検出した位置の基準部材10
（座標値Zn）を用い、デフォーカス量ΔＺだけオフセッ
トが生じるように平行平板ガラスの角度を調整し、焦点
検出系20のキャリブレーションを行っても良い。

次に、ウエハステージ７を所定の露光開始位置まで移
動し、ウエハＷを位置決めした後に露光を開始する。そ
こで、主制御装置30は焦点検出系20を用いて、ウエハＷ
上の露光領域のＺ方向の位置を検出する。そして、この
位置と零点基準との差が零となるように、焦点検出系20
の出力信号に基づいてウエハステージ７をＺ方向に移動
させる。これより、レチクルＲの回路パターンの投影像
は合焦状態（ベストフォーカス）でウエハＷ上の露光領
域に投影され、焦点ずれによる解像不良等が発生するこ
となく露光が行われる。次に、ウエハステージ７を所定
量だけステッピングさせた後、同様に焦点検出系20によ
る焦点合わせを行ってからウエハＷ上にレチクルＲの回
路パターンを転写する。このように焦点検出系20による
焦点合わせを露光領域毎に行うことにより、レジストの
厚みムラ等による解像不良等の発生が防止され、ウエハ
Ｗ全面で常に合焦状態で露光が行われる。

尚、本実施例では投影レンズ６の瞳面と略共役となる
ように、ファイバー11の端面に偏光フィデューシャル12
を設けていたが、特にファイバーである必要はなくこの
ファイバー11を用いずに別の手段を用いても良い。例え
ば、投影レンズ６の瞳面と共役な位置に配置される偏光
フィルター12上に照明光源の像が結像されるように、リ
レー光学系、ミラー等を用いて照明光を引き回しにより
基準部材10の下へ伝送することによって、フィデューシ
ャル・マークFMを照明するように構成しても良い。ま
た、同様にマークRMy₁、RMy₂のＹ軸方向に伸びた矩形状
のマーク部を用い、その位置におけるデフォーカス量Δ
Ｚを検出すれば、投影レンズ６の像面傾斜等を求めるこ
とができる。

かくして本実施例によれば、ウエハステージ７を１回
走査させるだけで、絶対値なデフォーカス量ΔＺが検出
されるため、焦点合わせに要する時間を短縮することが
でき、常に合焦状態（ベストフォーカス）で露光を行う
ことができる。

以上の通り本発明の一実施例においては、予めテレセ
ン傾きθ_１、θ_２を求めていたが、第４図（ｃ）に示し
た直線の交点は、第５図と同様に投影像FMx′の像シフ
トが生じない位置、即ちレチクルＲと基準部材10とのデ
フォーカス量ΔＺが零となる位置（合焦位置）を表して
いる。従って、テレセン傾きθ_１、θ_２の検出と並行し
て、この合焦位置から求めたデフォーカス量ΔＺに基づ
いてウエハステージ７をＺ方向に移動すれば、上述の実
施例と同様に焦点合わせを行うことができることは明ら
かである。

また、オフ・アクシス方式のウエハ・アライメント系
19のマーク検出中心位置と、レチクルＲ上の基準点（レ
チクルアライメントマーク等）の投影像の位置との相対
的位置関係、所謂ベースラインの計測を行う際、レチク
ルアライメントマークRMの位置計測に用いるファイバー
11からの照明光の主光線が、製造誤差等により投影レン
ズ６の光軸に対して傾いて焦点が正確に合わされていな
い状態では、計測された位置にオフセットが生じるた
め、焦点合わせを行ってからベースライン計測を行う必
要があった。しかし、本実施例による合焦装置を用いれ
ば焦点合わせを行うと同時に、ベースライン計測、即ち
レチクルアライメントマークRMの位置を検出することが
できることは明らかである。例えば、上述の実施例と同
様に所定の基準位置（座標値Zn）において、マークFMx
の投影像FMx′でマークRMxのＹ軸方向に伸びた矩形上マ
ーク部を走査する。この際、波形処理装置18によって検
出される波形信号から求めた投影像FMx′とマークRMxと
が合致する位置Xpn、Xsnと、テレセン傾きθ_１、θ_２か
ら第５図に示したようなグラフが検出される。ここで第
５図において直線ｆ（θ_１）、ｆ（θ_２）の交点は、第
４図（ｃ）と同様に合焦位置（座標値Z₀）を表している
ので、この合焦位置に基づいて検出されるデフォーカス
量ΔＺ（ΔＺ＝Z₀−Zn）だけウエハステージ７をＺ方向
に移動すれば、焦点合わせを行うことができる。さて、
合焦位置（座標値Z₀）と共に検出される交点の座標値X₀
は、合焦位置において投影像FMx′とマークRMxとが合致
する位置を表している。つまり、デフォーカス量ΔＺの
検出と同時に焦点ずれによる検出誤差を含むことなく正
確なマークRMxの位置を検出することができ、ベースラ
イン計測の前に焦点合わせを行う必要がなくなる。従っ
て、このように検出されるマークRMxの位置と、基準部
材10上に形成された回折格子マークを用いて検出される
ウエハ・アライメント系19の検出中心位置とからベース
ラインが計測され、ベースライン計測に要する時間を短
縮することができる。

さらに、本実施例では第２図に示した投影レンズ６の
露光フィールドIF内に配置されるマークRMxのＹ軸方
向、即ちサジタル方向（以下、Ｓ方向と呼ぶ）に伸びた
矩形状マーク部を用いて、その位置でのデフォーカス量
ΔＺを検出していた。ここで、本実施例のようにマーク
RMxのＳ方向に伸びた矩形状マーク部を用いてデフォー
カス量ΔＺを検出する場合と、Ｘ軸方向、即ちメリディ
オナル方向（以下、Ｍ方向と呼ぶ）に伸びたマークRMx
の矩形状マーク部を用いてデフォーカス量ΔＺを検出す
る場合とでは、投影レンズ６の非点収差によって投影レ
ンズ６のレチクル側の光軸方向の結像位置が異なり、Ｓ
方向に伸びた矩形状マーク部のみを用いたデフォーカス
量ΔＺの検出ではオフセットが生じ得る。そこで、第３
図に示した偏光フィルター12の分割方向が座標系XYの面
内で45度だけ傾くように、偏光フィルター12をファイバ
ー11の端面に設ける。そして、マークFMxの投影像でマ
ークRMxのＳ方向に伸びた矩形状マーク部を１回Ｘ軸方
向に走査してデフォーカス量ΔZsを検出し、同様にマー
クFMyの投影像でマークRMxのＭ方向に伸びた矩形状マー
ク部を１回Ｙ軸方向に走査してデフォーカス量ΔZmを検
出する。この結果に基づいて所定の基準位置（座標値Z
n）におけるデフォーカス量ΔＺを求めるように構成す
れば、投影レンズ６の非点収差によるオフセットの発生
を防止することができる。また、第６図に示すように４
分割された互いに対向する象限に遮光部12a、12bを設け
た偏光フィルターを用いれば、偏光フィルター12を45度
傾けて用いた場合と同様の効果を得ることができるのは
明らかである。

また、本実施例では偏光フィデューシャル12を用いて
いたが、例えば第７図に示すように投影レンズ６の瞳面
と略共役な位置に、レチクルＲを透過した照明光を空間
的に分割する、即ち瞳像HtをＸ軸方向に関して波面分割
する光学部材Msを設け、この２分割された光束をそれぞ
れディテクターが受光するように構成すれば、マークRM
x、RMy₁、RMy₂のＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部を用
い、各位置でのデフォーカス量ΔＺを検出することがで
き、偏光フィルター12を用いずとも同様の効果を得られ
ることは明らかである。或いは、上述の光学部材Msの代
わりに瞳面と略共役な位置に４分割受光素子を設け、４
分割受光素子がレチクルＲを透過した照明光をＸ軸方向
に関して２分割して受光し、それぞれ光電出するように
構成しても、同様の効果を得ることができる。また本願
の請求項２の発明に対応した実施例として、上述の光学
部材Msが瞳像Htを座標系XYのＸ軸またはＹ軸に対して45
度傾いた方向に関して２分割するように、光学部材Msを
座標系XYの面内で45度傾け、投影レンズ６の瞳面と略共
役な位置に設ければ、例えばマークRMxのＸ軸、Ｙ軸方
向に伸びた各矩形状マーク部を用い、その位置でのデフ
ォーカス量ΔＺをデフォーカス量ΔZs、ΔZmから求める
ことができ、偏光フィデューシャル12を用いず計測を行
なう場合においても、投影レンズ６の非点収差によるオ
フセットの発生を防止することができる。また、第８図
に示すようにレチクルアライメントマークとして、座標
系XYにおいてマークRM′をレチクル中心RCに関して45度
回転させた位置に設けた場合、フィデューシャル・マー
クFMを透過した照明光は、マークRM′においてレチクル
中心方向（Ｓ方向）と同心円の接線方向（Ｍ方向）との
２方向についてのテレセン傾きを考慮する必要がある。
従って、マークRM′を透過した照明光を受光する上述し
た光学部材Msと２つのディテクターから成る受光光学系
を、瞳像MtをそれぞれＳ方向、Ｍ方向、即ち座標系XYに
対して45度傾いた方向に関して２分割して受光するよう
に２組配置し、例えばマークFMxの投影像でマークRM′
のＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部を走査するように構
成すれば、偏光フィルター12を用いずとも、１回の走査
で検出されるでデフォーカス量ΔZs、ΔZmに基づいて、
その位置でのデフォーカス量ΔＺを検出することがで
き、非点収差によるオフセットの発生を防止することが
できる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ウエハステージを１回
走査させるだけでデフォーカス量が検出されるため、焦
点合わせに要する時間を短縮することができる。また、
フィデューシャル・マークの投影像とレチクルアライメ
ントマークとの合致する位置が、ウエハステージのステ
ッピング精度に依存することなく計測されるので、デフ
ォーカス量を精度良く検出することができ、高精度の焦
点合わせを行うことができる。さらに、デフォーカス量
を検出する際にレチクルアライメントマークの位置も同
時に検出されるため、ベースライン計測に要する時間を
短縮することができると共に、照明光のテレセン性や焦
点位置等に依存することなく計測でが行われるため、高
精度のベースライン計測を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による合焦装置を有する
ステッパーの概略的な構成を示す平面図、第２図はレチ
クルの概略的な構成を示す平面図、第３図は偏光フィル
ターの概略的な構成や配置の説明に供する図、第４図
（ａ）はフィデューシャル・マークの投影像がレチクル
アライメントマークを走査する際の説明に供する図、第
４図（ｂ）はウエハステージの位置信号と同期して第
１、第２ディテクターの光量変化を検出する時に得られ
る波形信号を表す図、第４図（ｃ）はテレセン傾きの検
出の説明に供する図、第５図はデフォーカス量の検出及
びベースライン計測の説明に供する図、第６図は偏光フ
ィルターの構成の一例を示す図、第７図は波面分割を行
う光学部材の概略的な配置の説明に供する図、第８図は
レチクルの構成を一例を示す図である。２……ビームスプリッター、６……投影レンズ、７……
ウエハステージ、10……基準部材、11……ファイバー、
12……偏光フィルター、15……偏光ビームスプリッタ
ー、16、17……ディテクター、18……波形処理装置、20
a……照射光学系、20b……受光光学系、30……主制御装
置、Ｒ……レチクル、Ｗ……ウエハ、FM……フィデュー
シャル・マーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定形状の光透過性の基準パターンを有す
る第１基板と、該第１基板に関して投影光学系と反体側
に配置され、前記基準パターンを照明する照明系とを有
し、第２基板に形成されたパターンを前記投影光学系を
介して感光基板上に投影露光する装置において、前記基板パターンのエッジ方向と交差する第１方向に関
して前記照明系からの光束の偏光特性を異ならせる偏光
手段と；前記基準パターンから前記投与光学系を介して
前記第２基板を通過する前記光束の光路中に配置され、
前記光路を第１偏光と第２偏光とに分割する偏光分割手
段と；前記第１偏光を受光する第１光電検出手段と；前
記第２偏光を受光する第２光電検出手段と；前記第１光
電検出手段の出力信号と前記第２光電検出手段の出力信
号とに基づいて、前記第２基板と前記第１基板との間の
光路長を変化させる調整手段とを備えたことを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項２】第１基板上に形成された第１パターンの光
像を第２基板上の所定部分に投影する投影光学系と、前
記第１基板と第２基板とを相対的に走査移動させる移動
手段と、前記第２基板上の所定部分に透過部と遮光部と
で規定して形成された第２パターンと前記第１パターン
の光像とを相対的に走査移動させたときに生じる透過光
に基づいて、前記第１基板と第２基板との相対的な結像
状態を検知する投影露光装置において、前記第１パターンの光像は前記走査移動の面内でみたと
き所定の第１方向に伸びたエッジを有して整形され、前
記第２パターンの透過部と遮光部とのエッジは前記走査
移動の面内でみたとき前記第１方向に延設され；さら
に、前記透過光によって前記投影光学系の瞳面とほぼ共
役な位置に形成される瞳像を、前記第１方向とほぼ45度
で交差する第２方向に関してほぼ２分割して個別に光量
検出する第１光電素子と第２光電素子とを含む光電検出
手段と；前記移動手段によって前記第パターンの光像と
前記第２パターンとを前記第１方向と直交した方向に相
対走査したとき、前記第１光電素子からの信号波形が変
化する第１走査位置と前記第２光電素子からの信号波形
が変化する第２走査位置とを計測する計測手段と；該計
測された前記第１走査位置と第２走査位置とに基づい
て、前記第１基板と第２基板との共役関係からの誤差を
算出する演算手段とを備えたことを特徴とする投影露光
装置。
【請求項３】前記光電検出手段は、前記投影光学系の瞳
面とほぼ共役な位置に配置されて、前記走査移動の面内
でみたとき前記瞳像を前記第１方向に対して45度だけ傾
けて２分割するための光学部材を含む、該光学部材で分
割された一方の瞳像の光量を前記第１光電素子で検出
し、他方の瞳像の光量を前記第２光電素子で検出するこ
とを特徴とする請求項２に記載の投影露光装置。
【請求項４】前記移動手段は、前記第１基板を保持して
前記第１パターンを前記投影光学系の視野内で２次元移
動させるとともに、所望の感光基板を載置するステージ
であることを特徴とする請求項３に記載の投影露光装
置。
【請求項５】前記第２基板は、前記投影光学系を通して
前記ステージ上の感光基板を投影露光するための回路パ
ターン領域が形成され、該回路パターン領域の周辺の複
数ヶ所の各々に前記第２パターンが配置されたレチクル
であることを特徴とする請求項４に記載の投影露光装
置。
【請求項６】前記投影露光装置は、前記ステージ上に載
置された前記感光基板の表面、又は前記第１基板の表面
に斜めに結像光束を照射し、その反射光束を受光するこ
とによって前記投影光学系の結像面に対する前記感光基
板または前記第１基板の焦点ずれを検出する斜入射光方
式の焦点検出手段と、該焦点検出手段の検出結果に基づ
いて前記感光基板または前記第１基板と前記投影光学系
との間隔を変化させるように前記ステージを調整する調
整手段とを含むことを特徴とする請求項５に記載の投影
露光装置。
【請求項７】前記投影露光装置は、前記焦点検出手段の
検出結果に基づいて前記調整手段により調整される間隔
を、前記演算手段によって算出された誤差に応じてキャ
リブレーションする補正手段とを含むことを特徴とする
請求項６に記載の投影露光装置。