JP3003990B2

JP3003990B2 - 投影露光方法、投影露光装置及び回路製造方法

Info

Publication number: JP3003990B2
Application number: JP9000113A
Authority: JP
Inventors: 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 2000-01-31
Anticipated expiration: 2015-01-31
Also published as: JPH09180996A; JPH11145054A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影露光方法及び投
影露光装置に関し、特に半導体集積回路製造用の投影露
光方法及び投影露光装置における投影レンズの光軸方向
の位置合わせを行う焦点位置制御に関するものである。

【０００２】

【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、ステップ・アンド・リピート方式
の縮小投影型露光装置、所謂ステッッパーは中心的役割
を担うようになっている。このステッパーには、一般に
大きな開口数（Ｎ．Ａ．）を有する投影レンズが用いら
れているが、最近ではサブ・ミクロンオーダで形成され
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。また、露光が長時間連続して行
われると投影レンズは露光光による照射エネルギーを吸
収して温度が上昇し、この投影レンズの温度変化、即ち
照射エネルギーの投影レンズへの熱蓄積量に応じて、投
影レンズの結像面内で焦点位置が光軸方向に変化するた
めに結像面が変動し得る。このため、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
ンの投影像を感光基板（以下、ウエハと呼ぶ）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。そこで、例えば本願出
願人が先に出願した特開昭６０−１６８１１２号公報に
開示されている装置を用いて、投影レンズの結像面とウ
エハ面とを一致させている。こ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。
これより、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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
の装置においてレチクル上の第１マークは、パターン領
域に付随して投影レンズの露光フィールド内の周辺に形
成され、露光フィールドの端部においてのみ焦点位置の
検出が行われることになる。このため、露光フィールド
中央での焦点位置は検出されず、投影レンズの像面湾曲
を計測することができない。従って、像面湾曲を計測す
るためには試し焼き等を行わなければならないという問
題点があった。また、通常レチクル上においてサジタル
方向（以下、Ｓ方向と呼ぶ）に伸びて形成される矩形状
マークを用い、そのマーク位置での焦点位置を検出して
いるが、このように検出される焦点位置（以下、Ｓ方向
の焦点位置と呼ぶ）と、メリディオナル方向（Ｍ方向）
に伸びた矩形状マークから検出される焦点位置（以下、
Ｍ方向の焦点位置と呼ぶ）とでは、投影レンズの非点収
差によってオフセットが生じる。この結果、焦点位置の
検出制度が低下すると共に、Ｓ方向及びＭ方向の焦点位
置で論じられる投影レンズの解像限界が低下するという
問題点があった。さらに、照射エネルギーの投影レンズ
への熱蓄積量に応じた結像面の変動に追従して、ウエハ
の表面位置を制御することができず、この焦点ずれ、像
面湾曲或いは像面傾斜等によって露光時の結像性能が劣
化するという問題点もあった。

【０００４】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、焦点位置の検出を行うと共に、投影レンズの熱蓄積
量に応じた結像面の変動に追従して、高精度、短時間に
ウエハ面を最適な露光位置にセットし、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投影露
光装置を得ることを目的としている。

【０００５】かかる問題点を解決するため本発明におい
ては、マスクに形成されたパターンを投影光学系を介し
て基板上に投影する方法において、前記投影光学系に入
射するエネルギー線による照射エネルギーによって前記
投影光学系に蓄積される熱蓄積量に応じて生じる前記投
影光学系の結像面内での複数点の前記投影光学系の光軸
方向の変動特性を記憶する工程と、前記マスクを介して
前記投影光学系に入射する照射エネルギーによって前記
投影光学系に蓄積される熱蓄積量を算出する工程と、前
記変動特性と前記熱蓄積量とに基づいて、前記投影光学
系の結像面の状態を算出する工程と、前記算出した結像
面の状態に応じて、前記結像面と前記基板との相対位置
を調整する工程とを有することとした。

【０００６】また、マスクに形成されたパターンを投影
光学系を介して基板上に投影する装置において、前記投
影光学系に入射するエネルギー線による照射エネルギー
によって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量に応じて
生じる前記投影光学系の結像面内での複数点の前記投影
光学系の光軸方向の変動特性を計測する計測手段と；前
記変動特性を記憶する手段と、前記マスクを介して前記
投影光学系に入射する単位時間当たりの照射エネルギー
を計測する手段と、前記単位時間当たりの照射エネルギ
ーと、前記エネルギー線が前記投影光学系に入射する時
間情報とに基いて、前記投影光学系に蓄積される熱蓄積
量を算出する工程と、前記変動特性と前記熱蓄積量とに
基づいて、前記投影光学系の結像面の状態を算出する算
出手段と、前記算出結果に基づいて、前記結像面と前記
基板との相対位置を調整する調整手段とを備えることと
した。また、マスクに形成されたパターンを投影光学系
を介して基板上に投影する回路製造方法において、前記
投影光学系に入射するエネルギー線による照射エネルギ
ーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量に応じ
て生じる前記投影光学系の結像面内での複数点の前記投
影光学系の光軸方向の変動特性を記憶する工程と、前記
マスクを介して前記投影光学系に入射する照射エネルギ
ーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量を算出
する工程と、前記変動特性と前記熱蓄積情報とに基づい
て、前記投影光学系の結像面の状態を算出する工程と；
前記算出した結像面の状態に応じて、前記結像面と前記
基板との相対位置を調整する工程とを有することとし
た。

【０００７】尚、例えばS方向及びM方向にそれぞれ伸び
た矩形状のマークとから成るレチクルマークを備えたテ
ストレチクルを用いた場合には、オフセットが生じるこ
となく焦点位置の検出を行うことができる。そして、露
光フィールド内の複数点でのS方向とM方向の焦点位置を
適当な熱蓄積量毎に検出し、熱蓄積量によって生じるS
方向とM方向の投影光学系の変動を記憶しておく。メモ
リ上の投影光学系の変動特性とに基づいて、投影光学系
の結像面の状態（像面湾曲、像面傾斜等）を算出するよ
うに構成し、この結像面の状態の変動に追従してウエハ
上の露光領域の表面位置を制御し、露光領域表面を最適
な露光位置に維持すれば、焦点ずれや像面湾曲等による
解像不良等の発生を防止でき、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。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を詳述する。図１は本発明の第１の実施例による合
焦機能を有するステッパーの概略的な構成を示す図であ
る。図１において、不図示の露光用照明光源はｇ線、ｉ
線等のレジストを感光するような波長（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、図２（ａ）に示すようにレチクルＲには
アライメントマークＲＭとして、透明窓にクロム層で形
成される十字マークを有するアライメントマークＲＭｂ
〜ＲＭｅが、パターン領域Ｐａに付随して投影レンズ６
の露光フィールドＩＦ内に設けられている。また、図２
（ｂ）にテストレチクルＴＲの概略的な構成を示す。同
図において、レチクルマークＲｂ〜ＲｅはレチクルＲの
アライメントマークＲＭｂ〜ＲＭｅと対応するように、
投影レンズ６の露光フィールド１Ｆ内に配置され、レチ
クルマークＲａはテストレチクルＴＲの中央に設けられ
ている。このレチクルマークＲａ〜Ｒｅ、例えばレチク
ルマークＲｂは、図３に示すように透明窓にＹ軸、Ｘ軸
方向に伸びてクロム層で形成される矩形状のマークＲｂ
ｘ、Ｒｂｙを有している。さて、図１に示すように両側
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、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、ティルティングステー
ジ（以下、レベリングステージと呼ぶ）７上に保持され
る。このレベリングステージ７はウエハステージ９上に
設けられ、駆動部８によって任意方向に傾斜可能となっ
ている。

【０００９】さて、ウエハステージ９のＸ方向の位置は
レーザ干渉計１０と、ウエハステージ９上に設けられた
平面鏡１０ｍとによって検出される。ウエハステージ９
上には、投影レンズ６を通過した露光光量を検出する光
電検出器（ディテクター）１２が設けられている。この
ディテクター１２の受光面の大きさはレチクルＲのパタ
ーン領域Ｐａの投影像の大きさと等しいか、それよりも
大きく定められ、レチクルＲ及び投影レンズ６を通る露
光光の全てを受光する。また、ウエハステージ９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２０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２０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軸方向にそれぞれ伸びた光透過性のスリットパ
ターンである矩形状のマークＦＭｘ、ＦＭｙが形成され
ている。

【００１０】フィデューシャル・マークＦＭは、ファイ
バー２１を用いて基準部材２０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２２とミラ
ー２３を介して下方（ウエハステージ９内部）から照明
される。そして、フィデューシャル・マークＦＭを透過
した照明光は、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の投影像を結
像する。さらに、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、コンデンサーレンズ
４、ビームスプリッター２等を介してハーフミラー２４
に入射する。このハーフミラー２４において２分割され
た照明光は、それぞれ投影レンズ６の瞳面Ｅｐと略共役
な位置Ｅｐｘ、Ｅｐｙに配置される光分割器２５ｘ、２
６ｙに至る。ここで、図４（ａ）に示すように光分割器
２５ｘは投影レンズ６の瞳像Ｅｐ′をＸ軸方向に関して
波面分割し、この２分割された照明光Ｅｘａ、Ｅｘｂは
それぞれディテクター２５ａ、２５ｂによって受光され
る。この光分割器２５ｘ及びディテクター２５ａ、２５
ｂから成る第１焦点位置検出系２５は、アライメントマ
ークＲＭ（十字マーク）のＹ軸方向に伸びた矩形状マー
ク部を用いた焦点位置検出時に使用される。また、同様
に図４（ｂ）に示す光分割器２６ｙは瞳像Ｅｐ′をＹ軸
方向に関して波面分割し、この２分割された照明光Ｅｙ
ａ、Ｅｙｂはそれぞれディテクター２６ａ、２６ｂによ
って受光される。この光分割器２６ｙ及びディテクター
２６ａ、２６ｂから成る第２焦点位置検出系２６は、ア
ライメントマークＲＭのＸ軸方向に伸びた矩形状マーク
部を用いた焦点位置検出時に使用される。

【００１１】また、図１において投影レンズ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
の結像光束を、ビームスプリッター３３を介して投影レ
ンズ６の光軸に対して斜め方向より供給する照射光学系
３１ａと、その結像光束のウエハＷの表面での反射光束
をビームスプリッター３４を介して受光する受光光学系
３１ｂから成る斜入射光方式の焦点検出系３１が設けら
れている。この焦点検出系３１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６０−１６８１１
２号公報に開示されており、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、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。さらに、
平行光束をビームスプリッター３３を介して投影レンズ
６の光軸に対して斜め方向より供給する照射光学系３２
ａと、その平行光束のウエハＷの表面での反射光束をビ
ームスプリッター３４を介して受光する受光光学系３２
ｂから成る水平位置検出系３２が設けられている。この
水平位置検出系３２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５８−１１３７０６号公報に
開示されており、投影レンズ６の光軸に対するウエハＷ
表面の垂直位置、即ち水平位置を検出するものである。
主制御装置３０は第１焦点位置検出系２５或いは第２焦
点位置検出系２６の出力信号に基づいて、ウエハステー
ジ９の投影レンズ６の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置制御
を行う他に、焦点検出系３１、水平位置検出系３２等を
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、レベリングステージ７の駆動部８
やウエハステージ７の駆動部１１等に所定の駆動指令を
出力する。

【００１２】尚、ビームスプリッター２は照明光路中に
挿脱可能に設けられた切換えミラーで、不図示の駆動装
置によって光路外へ退避できるようになっている。ま
た、実際にはミラー面に反射率数％のビームスプリッタ
ー部と全反射ミラー部とを設け、本実施例における焦点
位置検出時には全反射ミラーに、ウエハＷの反射率検出
時にはビームスプリッターに切換えられるように構成す
ることが望ましい。

【００１３】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。図１において、主制御装置３０
は図２（ｂ）に示したテストレチクルＴＲを用い、適当
な熱蓄積量毎にその熱蓄積量に応じた投影レンズ６の結
像面の所定位置における焦点位置、即ち焦点位置の変動
特性を検出する。まず、図３に示したレチクルマークＲ
ｂを用いた焦点位置検出、即ちレチクルマークＲｂ（テ
ストレチクルＴＲ）とフィデューシャル・マークＦＭ
（基準部材２０）との投影レンズ６の光軸方向の位置ず
れ量（デフォーカス量）を検出する。この際、露光用照
明光の光路中に設けられ、光路の閉鎖、開放を行うロー
タリーシャッター（不図示）を用い光路を閉鎖して露光
光が投影レンズ６に入射するのを防止しておく。

【００１４】そこで、主制御装置３０は駆動部１１を介
してウエハステージ９をＺ方向に移動し、焦点検出系３
１を用いて基準部材２０を所定の位置（座標値Ｚ₁）に
位置決めする。そして、基準部材２０をファイバー２１
で伝送された照明光で下方から照明し、投影レンズ６を
介してテストレチクルＴＲのパターン面にマークＦＭｘ
の投影像ＦＭｘ′を結像させる。つぎに、図５（ａ）に
示すように投影像ＦＭｘ′がマークＲｂｘを相対的にＸ
方向に走査するように、ウエハステージ９をＸ方向に微
動させる。この際、マークＲｂｘに遮られることなく、
テストレチクルＴＲを透過した照明光は、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
ハーフミラー２４に入射する。そして、ハーフミラー２
４において反射された照明光は第一焦点位置検出系２５
に入射し、光分割器２５ｘによってＸ軸方向に関して２
分割され、それぞれディテクター２５ａ、２５ｂに受光
される。この際、投影像ＦＭｘ′とマークＲｂｘとが合
致した時にテストレチクルＴＲ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、ディテクター２５ａ、２５ｂから出力される光電信
号は波形処理装置２７へ出力され、波形処理装置２７に
おいて光電信号がレーザ干渉計１０によるウエハステー
ジ９の位置信号に同期して処理される。この結果、図５
（ｂ）に示すような波形信号Ｓ₁、Ｓ₂が検出され、波
形処理装置２７はこの波形信号Ｓ₁、Ｓ ₂を主制御装置
３０に出力する。ここで、光分割器２５ｘを用いて投影
レンズ６の瞳面Ｅｐと略共役な位置Ｅｐｘで照明光を２
分割（所謂、瞳分割）するので、この分割された照明光
Ｅｘａ、Ｅｘｂの主光線は、それぞれ投影レンズ６の光
軸に対して傾斜（以下、この傾きをテレセン傾きと呼
ぶ）する。従って、基準部材２０を所定位置（座標値Ｚ
₁）にセットすると、投影レンズ６のレチクル側結像位
置がレチクルＲのパターンにおいてＸ軸方向にシフトす
る。そこで、主制御装置３０は光分割器２５ｘによって
２分割される照明光Ｅｘａ、Ｅｘｂによる投影像ＦＭ
ｘ′と、マークＲｂｘとがそれぞれ合致する位置、即ち
波形信号Ｓ₁、Ｓ ₂がボトムとなる位置ａ、ｂのＸ軸方
向の位置を検出し、その値を座標値Ｘ₁、Ｘ₂として記
憶する。

【００１５】次に、駆動部１１を介してウエハステージ
９をＺ方向に移動し、焦点検出系３１を用いて基準部材
２０を所定の位置（座標値Ｚ₂）に位置決めする。そし
て、上述と同様の動作で座標値Ｚ₂において照明光Ｅｘ
ａ、Ｅｘｂによる投影像ＦＭｘ′とマークＲｂｘが合致
する位置を検出し、その値を座標値Ｘ₁′、Ｘ₂′とし
て記憶する。この結果得られた焦点位置と合致位置との
関係を図５（ｃ）に示す。図５（ｃ）において、２本の
直線の交点は投影像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２０のデフォーカス量が
零となる位置（合焦位置Ｚ₀）を表し、各直線の傾きは
照明光Ｅｘａ、Ｅｘｂのテレセン傾きに対応している。
そこで、主制御装置３０は投影像ＦＭｘ′とマークＲｂ
ｘとが合致する位置と、照明光Ｅｘａ、Ｅｘｂのテレセ
ン傾きに基づいて、レチクルＲと基準部材２０とのデフ
ォーカス量を算出し、その値をΔＺｂｓとして記憶す
る。尚、このデフォーカス量の検出は精度向上の点から
上述の計測を複数回行い、その結果得られた平均的な直
線から算出したデフォーカス量を記憶しておくと良い。

【００１６】次に、主制御装置３０はマークＲｂｙを用
い、上述の動作と同様にテストレチクルＴＲと基準部材
２０とのＹ方向でのデフォーカス量ΔＺｂｍを第２焦点
位置検出系２６を用いて検出する。そして、主制御装置
３０はマークＲｂｘ、Ｒｂｙを用いて検出されたＳ方向
（例えば、Ｘ軸方向）及びＭ方向（例えば、Ｙ軸方向）
のデフォーカス量ΔＺｂｓ、ΔＺｂｍに基づいて、例え
ばその平均値をとってレチクルマークＲｂの位置でのデ
フォーカス量を決定する。さらに、主制御装置３０はレ
チクルマークＲａ、Ｒｃ、Ｒｄ、Ｒｅを用い、上述の動
作と同様に各レチクルマークでのＳ方向とＭ方向のデフ
ォーカス量をそれぞれ検出し、それらの値及びこの各値
からレチクルマークの位置での正確なデフォーカス量Δ
Ｚａ、ΔＺｃ、ΔＺｄ、ΔＺｅを決定する。そして、こ
れらの検出結果を投影レンズ６の熱蓄積量が略零の時の
デフォーカス量として記憶する。

【００１７】次に、主制御装置３０はロータリーシャッ
ターを駆動して光路を開放し、露光光を投影レンズ６に
入射させる。そして、上述したレチクルマークの位置で
のデフォーカス量の検出をテストレチクルＴＲのレチク
ルマークＲａ〜Ｒｅの各々について、露光光による投影
レンズ６の照射を行いつつ適当な熱蓄積量毎に行い、各
熱蓄積量に応じたレチクルマークＲａ〜Ｒｅの位置での
デフォーカス量を検出する。尚、主制御装置３０は投影
レンズ６の熱蓄積量をディテクター１２の出力信号（単
位時間当たりの照射エネルギー量）と、露光光が投影レ
ンズ６に入射している時間（即ち、ロータリーシャッタ
ーの開放時間）に基づいて算出する。その結果、図６に
示すようなレチクルマークＲａ〜Ｒｅの位置での熱蓄積
量とデフォーカス量との関係を表す曲線Ａ（ｔ）、Ｂ
（ｔ）、Ｃ（ｔ）、Ｄ（ｔ）、Ｅ（ｔ）が得られる。主
制御装置３０は、例えば各曲線を関数で近似できる場合
にはグラフを数式化してメモリ２８に記憶させ、近似で
きない場合には各計測点毎に、その関係をメモリ２８に
記憶させる。そして、少なくとも１つのレチクルマーク
の位置でのデフォーカス量、例えばマークＲｂｘでのデ
フォーカス量ΔＺｂｓを検出し、このマーク位置での投
影レンズ６の非点収差によるオフセットを考慮したデフ
ォーカス量ΔＺｂを検出できるようにすると共に、他の
４つのレチクルマークＲａ、Ｒｃ、Ｒｄ、Ｒｅの位置で
のデフォーカス量ΔＺａ、ΔＺｃ、ΔＺｄ、ΔＺｅも同
様に検出できるようにする。

【００１８】以上の動作によりＺ軸方向の位置合わせ
（焦点合わせ）に用いるデータ（焦点位置の変動特
性）、即ち図６に示したような熱蓄積量Ｅに応じた各レ
チクルマークの位置でのデフォーカス量ΔＺのメモリ２
８への格納が終了する。尚、パターン領域Ｐａに形成さ
れる回路パターンの形状によって、テストレチクルＴＲ
及び各レチクルＲ毎に透過率が異なり、この透過率の違
いや露光用照明光源の減衰等のため、投影レンズ６に入
射する露光光の単位時間当たりの照射エネルギー量が変
化し得る。このため、実際の露光時には上述のように検
出した焦点位置の変動特性にオフセットが生じる。そこ
で、テストレチクルＴＲ使用時にディテクター１２を用
いて投影レンズ６に入射する露光光の単位時間当たりの
照射エネルギー量を検出し、この値をＫ₁としてメモリ
２８に格納しておく。

【００１９】次に、上述したテストレチクルＴＲの代わ
りに、図２（ａ）に示したアライメントマークＲＭａ〜
ＲＭｅを有するレチクルＲを、レチクルステージ５にセ
ットする。ここで、レチクルＲをセットした後にディテ
クター１２を用いて投影レンズ６に入射する露光光の単
位時間当たりの照射エネルギー量を検出し、この値Ｋ ₂
とメモリ２８に記憶された値Ｋ₁との比（Ｋ₂／Ｋ₁）
を補正定数Ｋとして算出し、メモリ２８に格納してお
く。さらに、この補正定数Ｋを用いてメモリ２８に記憶
された変動特性の変動量を補正、即ち変動量をＫ倍し、
このＫ倍した焦点位置の変動特性をメモリ２８に格納し
ておく。そして、テストレチクルＴＲのレチクルマーク
Ｒｂに対応するレチクルＲのアライメントマークＲＭｂ
を用い、上述と同様の動作でアライメントマークＲＭ
ｂ、即ちＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部でのデフォー
カス量ΔＺｂｓを検出する。そして、このデフォーカス
量ΔＺｂｓとメモリ２８のデータ（Ｋ倍された焦点位置
の変動特性）に基づいて、アライメントマークＲｃ、Ｒ
ｄ、Ｒｅの位置でのデフォーカス量ΔＺｃ、ΔＺｄ、Δ
Ｚｅと、レチクルＲの中心位置でのデフォーカス量ΔＺ
ａとを、メモリ２８上の値から求める。次に、この各位
置でのデフォーカス量ΔＺａ〜ΔＺｅに基づいて、投影
レンズ６の像面湾曲を考慮した最適な焦点位置に対する
デフォーカス量ΔＺを以下の式（１）から算出する。

【００２０】

【数１】

【００２１】また、Ｘ軸、Ｙ軸方向への像面傾斜量Δθ
ｘ、Δθｙを以下の式（２）、（３）から算出する。但
し、レチクルＲの中心から各アライメントマークＲＭｂ
〜ＲＭｅまでの距離をｌとする。

【００２２】

【数２】

【００２３】次に、主制御装置３０は焦点検出系３１に
よるウエハＷの露光領域の所定位置（座標値Ｚ₂）での
検出値がΔＺだけ変化するように、駆動部１１を介して
ウエハステージ９をＺ軸方向にデフォーカス量ΔＺだけ
移動させる。さらに、水平位置検出系３２によるウエハ
Ｗ上の露光領域でのＸ軸、Ｙ軸方向の検出値がそれぞれ
像面傾斜量Δθｘ、Δθｙと一致するように、駆動部８
を介してレベリングステージ７を傾ける。これより、レ
チクルＲとウエハＷ上の露光領域とが投影レンズ６に関
して共役な位置にセットされると共に、投影レンズ６の
像面湾曲、像面傾斜等による解像不良の発生等が防止さ
れ、Ｚ軸方向の位置合わせ（焦点合わせ）が終了する。
尚、上述の式（１）より算出されるデフォーカス量ΔＺ
を、アライメントマークＲＭａ〜ＲＭｅでのデフォーカ
ス量ΔＺａ〜ΔＺｅから平均化して求め、その値に応じ
てウエハＷ上の露光領域の位置を調整すれば、より精度
良くＺ軸方向の位置合わせを行うことができる。

【００２４】さて、露光を長時間連続して行うと、熱蓄
積量に応じて投影レンズ６の結像面の状態が変動し、解
像不良等が発生し得る。そこで、長時間連続して露光を
行う場合には、適宜任意のアライメントマーク、例えば
アライメントマークＲＭｂのＹ軸方向に伸びた矩形状マ
ーク部を用い、上述と同様の動作でデフォーカス量ΔＺ
ｂｓを検出する。そして、このデフォーカス量ΔＺｂｓ
が所定の許容範囲を越える時には、デフォーカス量ΔＺ
ｂｓとメモリ２８上のデータから、各アライメントマー
ク位置でのデフォーカス量を求め、この各位置でのデフ
ォーカス量に基づいて、式（１）〜（３）からデフォー
カス量ΔＺと像面傾斜量Δθｘ、Δθｙを算出する。次
に、主制御装置３０はこの結果に応じて駆動部８、１１
に所定の駆動指令を出力し、ウエハＷ上の露光領域を最
適な露光位置にセットする。この動作を適宜繰り返して
行うことにより、投影レンズ６の熱蓄積量Ｅに応じた結
像面の状態の変動に追従して、Ｚ軸方向の位置合わせを
行うことができる。

【００２５】また、ウエハＷにレジストの厚みムラ等が
生じている場合には、上述の式（１）で算出されるデフ
ォーカス量ΔＺだけオフセットが生じる、即ち最適焦点
位置が零点基準となるように、受光光学系３１ｂの内部
に設けられた平行平板ガラス（プレーンパラレル）の角
度を調整し、焦点検出系３１のキャリブレーションを行
う。そして、この焦点検出系３１を用いて露光領域毎に
ウエハＷ上の露光領域のＺ軸方向の位置を検出し、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３
１の出力信号に基づいてウエハステージ９をＺ軸方向に
移動させることにより、レジストの厚みムラ等による解
像不良等の発生が防止できる。また、焦点検出系３１に
よる焦点合わせと並行して、露光領域毎に水平位置検出
系３２を用い、この水平位置検出系３２の出力信号に基
づいて露光領域面の傾きが像面傾斜量Δθｘ、Δθｙと
一致するようにレベリングステージ７を駆動すれば、同
様に解像不良等の発生が防止され、ウエハＷ全面で高精
度の露光を行うことができる。

【００２６】尚、本実施例では第１焦点位置検出系２５
と第２焦点位置検出系２６とを設けて焦点位置検出を行
っていたが、特に２組の焦点位置検出系を用いる必要は
なく、例えば投影レンズ６の瞳像Ｅｐ′を座標系ＸＹの
面内で４５度傾いた方向に波面分割するように、光分割
器を投影レンズ６の瞳面Ｅｐと略共役な位置に設け、こ
の光分割器によって２分割される照明光をそれぞれ受光
するように２つのディテクターを配置すれば、１組の焦
点位置検出系でも同様の効果を得られることは明らかで
ある。

【００２７】また、本実施例では少なくとも１つのアラ
イメントマーク（例えば、ＲＭｂ）の位置でのＳ方向
（或いはＭ方向）のデフォーカス量ΔＺｂｓ（ΔＺｂ
ｍ）を検出し、このデフォーカス量ΔＺｂｓとメモリ２
８のデータとに基づいて、式（１）〜（３）からデフォ
ーカス量ΔＺ及び像面湾曲量Δθｘ、Δθｙを算出して
いた。しかし、ディテクター１２の出力信号（単位時間
当たりの照射エネルギー量）と、ロータリーシャッター
の閉鎖、開放時間から熱蓄積量Ｅを算出し、上述のデフ
ォーカス量の代わりに熱蓄積量Ｅを用い、この熱蓄積量
Ｅとメモリ２８のデータに基づいて、式（１）〜（３）
からデフォーカス量ΔＺ及び像面湾曲量Δθｘ、Δθｙ
を求めても同様の効果を得ることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上にように本発明によれば、露光光に
よる照射エネルギーの投影光学系への熱蓄積量に応じ
て、投影光学系の結像面の状態が変化しても、この結像
面の状態に追従して補正を行うため、投影光学系の実用
焦点深度に対する焦点位置制御の精度を高くすることが
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。

【００２９】また、Ｓ方向及びＭ方向の焦点位置からそ
の位置での焦点位置を決定するようにすれば、投影レン
ズの非点収差によるオフセットが発生することなく、高
精度に焦点位置を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による合焦機能を有する
ステッパーの概略的な構成を示す平面図。

【図２】（ａ）デバイス用レチクルの概略的な構成を示
す図。（ｂ）テストレチクルの概略的な構成を示す図。

【図３】焦点位置検出に用いるレチクルマークの概略的
な構成を示す平面図。

【図４】（ａ）Ｙ軸方向に伸びたマークを用いて焦点位
置を検出する際に用いられる光分割器の配置の説明に供
する図。（ｂ）Ｘ軸方向に伸びたマークを用いて焦点位置を検出
する際に用いられる光分割器の配置の説明に供する図。

【図５】（ａ）フィデューシャル・マークの投影像がレ
チクルマークを走査する際の説明に供す図。（ｂ）ウエハステージの位置信号と同期してディテクタ
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。（ｃ）デフォーカス量の検出の説明に供する図。

【図６】投影レンズの温度変化による結像面の変化を示
す図。

【主要部分の符号の説明】

７・・・レベリングステージ、９・・・ウエハステー
ジ、１２・・・ディテクター（照射エネルギー量検出
器）、２０・・・基準部材、２４・・・ハーフミラー、
２５ｘ、２６ｙ・・・光分割器、２５ａ、２５ｂ、２６
ａ、２６ｂ・・・ディテクター、２７・・・波形処理装
置、２８・・・メモリ、３０・・・主制御装置、３１
ａ、３１ｂ・・・焦点検出系、３２ａ、３２ｂ・・・水
平位置検出系、Ｒ・・・レチクル、Ｗ・・・ウエハ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成されたパターンを投影光学系
を介して基板上に投影する方法において、前記投影光学系に入射するエネルギー線による照射エネ
ルギーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量に
応じて生じる前記投影光学系の結像面内での複数点の前
記投影光学系の光軸方向の変動特性を記憶する工程と；前記マスクを介して前記投影光学系に入射する照射エネ
ルギーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量を
算出する工程と；前記変動特性と前記熱蓄積量とに基づいて、前記投影光
学系の結像面の状態を算出する工程と；前記算出した結像面の状態に応じて、前記結像面と前記
基板との相対位置を調整する工程とを有することを特徴
とする投影露光方法。
【請求項２】前記相対位置を調整する工程は、前記投影
光学系に対する前記基板の位置を調整する工程を含むこ
とを特徴とする請求項１に記載の投影露光方法。
【請求項３】前記投影光学系の結像面内の複数点での異
なる２方向に関する前記投影光学系の光軸方向の変動特
性を記憶することを特徴とする請求項１または２に記載
の投影露光方法。
【請求項４】前記異なる２方向は、サジタル方向とメリ
ディオナル方向であることを特徴とする請求項３に記載
の投影露光方法。
【請求項５】マスクに形成されたパターンを投影光学系
を介して基板上に投影する装置において、前記投影光学系に入射するエネルギー線による照射エネ
ルギーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量に
応じて生じる前記投影光学系の結像面内での複数点の前
記投影光学系の光軸方向の変動特性を計測する計測手段
と；前記変動特性を記憶する手段と；前記マスクを介して前記投影光学系に入射する単位時間
当たりの照射エネルギーを計測する手段と；前記単位時間当たりの照射エネルギーと、前記エネルギ
ー線が前記投影光学系に入射する時間情報とに基いて、
前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量を算出する工程
と；前記変動特性と前記熱蓄積量とに基づいて、前記投影光
学系の結像面の状態を算出する算出手段と；前記算出結果に基づいて、前記結像面と前記基板との相
対位置を調整する調整手段とを有することを特徴とする
投影露光装置。
【請求項６】前記調整手段は、前記投影光学系の光軸方
向に関して前記結像面と前記基板との相対位置の調整
と、前記結像面と前記基板との相対的な傾きの調整との
少なくとも一方を行う調整機構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】前記マスクは、複数の計測個所の各々に異
なる２方向に延びた２つの計測マークを有し、前記計測
手段は、該計測マークを用いて前記複数点の前記投影光
学系の光軸方向の変動特性を計測することを特徴とする
請求項５に記載の投影露光装置。
【請求項８】前記異なる２方向は、サジタル方向とメリ
ディオナル方向であることを特徴とする請求項７に記載
の投影露光装置。
【請求項９】マスクに形成されたパターンを投影光学系
を介して基板上に投影する回路製造方法において、前記投影光学系に入射するエネルギー線による照射エネ
ルギーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量に
応じて生じる前記投影光学系の結像面内での複数点の前
記投影光学系の光軸方向の変動特性を記憶する工程と；前記マスクを介して前記投影光学系に入射する照射エネ
ルギーによって前記投影光学系に蓄積される熱蓄積量を
算出する工程と；前記変動特性と前記熱蓄積量とに基づいて、前記投影光
学系の結像面の状態を算出する工程と；前記算出した結像面の状態に応じて、前記結像面と前記
基板との相対位置を調整する工程とを有することを特徴
とする回路製造方法。