JPH08298238A

JPH08298238A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH08298238A
Application number: JP7103616A
Authority: JP
Inventors: Michio Kono; 道生河野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 1996-11-12
Anticipated expiration: 2017-08-12
Also published as: JP3313932B2

Abstract

(57)【要約】【目的】投影光学系の残存収差、或いは、露光による
熱収差の影響を受けにくい、安定したフォーカス計測が
可能となる投影露光装置の提供。【構成】物体上のパターンを基板上に投影露光する投
影光学系と、前記投影光学系の焦点位置を検出するため
に繰り返しパターンを有する計測マークの像を前記投影
光学系を介して検出する焦点位置検出手段とを有する投
影露光装置で、前記投影光学系の開口数をNA、投影倍率
をβ、露光波長をλとした時、前記繰り返しパターンの
周期Ｐは、 2λ/（NAβ）＜Ｐ＜ 16λ/（NAβ）を
満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投影露光装置に関し、
特に半導体素子製造の分野において、半導体ウエハー表
面にレチクルの回路パターンを繰り返し縮小投影露光す
る際の自動焦点調整機能所謂オートフォーカス機能を有
するステッパーと呼ばれる投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子，ＬＩＳ素子，超ＬＳ
Ｉ素子等のパターンの微細化、高集積化の要求により、
投影露光装置において高い解像力を有した結像（投影）
光学系が必要とされてきている為、結像光学系の高ＮＡ
化が進み結像光学系の焦点深度は浅くなりつつある。

【０００３】又、ウエハには、平面加工技術の点から、
ある程度の厚さのばらつきと曲りを許容しなければなら
ない。通常ウエハ曲りの矯正については、サブシクロン
のオーダで平面度を保証する様に加工されたウエハチャ
ック上にウエハを載せ、ウエハの背面をバキューム吸着
することにより平面矯正を行っている。しかしながら、
ウエハ１枚の中での厚さのばらつきや吸着手法、更には
プロセスが進む事によって生ずるウエハの変形について
は、いくらウエハの平面を矯正しようとしても矯正不能
である。

【０００４】この為、レチクルパターンが縮小投影露光
される画面領域内でウエハが凹凸を持つ為、実効的な光
学系の焦点深度は、さらに浅くなってしまう。

【０００５】従って、縮小投影露光装置に於いては、ウ
エハ面を焦点面に（投影光学系の像面）に合致させる為
の有効な自動焦点合わせ方法が重要なテーマとなってい
る。

【０００６】従来の縮小投影露光装置のウエハ面位置検
出方法としては、エアマイクロセンサを用いる方法と、
投影露光光学系を介さずにウエハ面に斜め方向から光束
を入射させ、その反射光の位置ずれ量を検出する方法
（光学方式）が知られている。

【０００７】一方、この種の投影露光装置では、投影光
学系の周囲温度変化、大気圧変化、投影光学系に照射さ
れる光線による温度上昇、あるいは投影光学系を含む装
置の発熱による温度上昇などにより焦点位置（像面位
置）が移動し、これを補正しなければならない。従っ
て、周囲の温度変化、大気圧変化を検出器によって計測
したり、投影光学系内の一部の温度変化、大気圧変化を
検出器により計測したりすることにより、投影光学系の
焦点位置を計算し、補正を行っていた。

【０００８】しかしながら、この方法では、投影光学系
のピント位置を直接計測していない為、温度，大気圧を
計測する検出器の検出誤差、また温度変化量、大気圧変
化量より、投影光学系のピント位置を計算し補正する際
の、近似式である計算式に含まれる誤差により、高精度
の投影光学系の焦点位置検出が不可能であるという欠点
があった。

【０００９】このような問題を克服する方法として露光
レンズを直に通してそのピント面を検出する、いわゆ
る、スルーザレンズオートフォーカスシステム（ＴＴＬ
ＡＦ）という方式が考案されている。図７は特開平１−
２８６４１８で開示されたその従来例である。

【００１０】図７において、７はレチクルであり、レチ
クルステージ７０に保持されている。レチクル７上の回
路パターンが縮小投影レンズ８によって、ｘｙｚステー
ジ１０上のウエハ９上に１／５に縮小されて結像し、露
光が行われる。図７では、ウエハ９に隣接する位置に、
ウエハ９の上面とミラー面がほぼ一致する基準平面ミラ
ー１７が配されている。実際のレジストが塗布されたウ
エハを用いる代りに基準平面ミラー１７を用いる理由は
レジスト等によってだまされない為である。

【００１１】又、ｘｙｚステージ１０は投影レンズ８の
光軸方向（ｚ）及びこの方向に直交する面内で移動可能
であり、もちろん光軸のまわりに回転させることもでき
る。

【００１２】レチクル７は、同図の１〜６で示される照
明光学系によって、回路パターンの転写が行われる画面
領域内を照明されている。

【００１３】露光用の光源である水銀ランプ１の発光部
は楕円ミラー２の第一焦点に位置しており、水銀ランプ
１より発光した光は、楕円ミラー２の第二焦点位置に集
光している。楕円ミラー２の第二焦点位置にその光入射
面を位置付けたオプティカルインテグレーター３が置か
れており、オプティカルインテグレーター３の光出射面
は２次光源を形成する。この２次光源をなすオプティカ
ルインテグレーター３より発する光は、コンデンサーレ
ンズ４を介し、ミラー５により光軸（光路）が９０°を
折り曲げられる。尚、５５は露光波長の光を選択的にと
り出す為のフィルターで、５６は露光の制御を行う為の
シャッターである。このミラー５により反射された露光
光は、フィールドレンズ６を介し、レチクル７上の、回
路パターンの転写が行われる画面領域内を照明してい
る。本実施例では、ミラー５は露光光を例えば５〜１０
％という様に部分的に透過する構成となっている。ミラ
ー５を通過した光はレンズ５２、露光波長を透過し光電
検出に余分な光をカットするフィルター５１を介して、
光源のゆらぎ等をモニターする為の光検出器５０に到達
する。

【００１４】同図において１１〜１２は、公知のオフア
クシスのオートフォーカス光学系を形成している。１１
は投光光学系であり、投光光学系１１より発せられた非
露光光である光束は、縮小投影レンズ８の光軸と交わ
る。基準平面ミラー１７上の点（あるいはウエハ９の上
面）に集光し反射されるものとする。この基準平面ミラ
ー１７で反射された光束は、検出光学系１２に入射す
る。図示は略したが、検出光学系１２内には位置検出用
受光素子が配されており、位置検出用受光素子と基準平
面ミラー１７上の光束の反射点は、共役となる様配置さ
れており、基準平面ミラー１７の縮小投影レンズ８の光
軸方向の位置ズレは、検出光学系１２内の位置検出用受
光素子上での入射光束の位置ズレとして計測される。

【００１５】この検出光学系１２により計測された基準
平面ミラー１７の所定の基準面よりの位置ズレは、オー
トフォーカス制御系１９に伝達される。オートフォーカ
ス制御系１９は、基準平面ミラー１７が固設されたｘｙ
ｚステージ１０を駆動する処の駆動系２０に指令を与え
る。又、ＴＴＬでフォーカス位置を検知する時、オート
フォーカス制御系１９は基準ミラー１７を所定の基準位
置の近傍で投影レンズ８の光軸方向（ｚ方向）に上下に
駆動を行うものとする。また、露光の際のウエハ９の位
置制御（図７の基準平面ミラー１７の位置にウエハ９が
配置される）もオートフォーカス制御系１９により行わ
れる。

【００１６】次に本発明である処の、縮小投影レンズ８
のピント位置検出光学系について説明する。

【００１７】図８，図９において７はレチクル、２１は
レチクル７上に形成されたパターン部で遮光性をもつも
のとする。又、２２はパターン部２１に挟まれた遮光部
である。ここで、縮小投影レンズ８のピント位置（像面
位置）の検出を行う時は、ｘｙｚステージ１０は縮小投
影レンズ８の光軸方向に移動する。

【００１８】基準平面ミラー１７は縮小投影レンズ８の
光軸上に位置しており、レチクル７は、照明光学系１〜
６により照明されているものとする。

【００１９】始めに、基準平面ミラー１７が縮小投影レ
ンズ８のピント面にある場合について図８を用いて説明
する。レチクル７上の透過部２２を通った露光光は、縮
小投影レンズ８を介して、基準平面ミラー１７上に集光
し反射される。反射された露光光は、往路と同一の光路
をたどり、縮小投影レンズ８を介しレチクル７に集光
し、レチクル７上のパターン部２１間の投光部２２を通
過する。この時、露光光は、レチクル７上のパターン部
２１にケラレることなく、全部の光束がパターン部２１
の透過部を通過する。

【００２０】次に、基準平面ミラー１７が縮小投影レン
ズ８のピント面よりズレた位置にある場合について図９
を用いて説明する。レチクル７上のパターン部２１の透
過部を通った露光光は、縮小投影レンズ８を介し、基準
平面ミラー１７上に達するが、基準平面ミラー１７は、
縮小投影レンズ８のピント面にないので、露光光は、広
がった光束として基準平面ミラー１７で反射される。即
ち、反射された露光光は往路と異なる光路をたどり、縮
小投影レンズ８を通り、レチクル７上に集光することな
く、基準平面ミラー１７の縮小投影レンズ８のピント面
からのズレ量に対応した広がりをもった光束となってレ
チクル７上に達する。この時露光光はレチクル７上のパ
ターン部２１によって一部の光束がケラレを生じ全部の
光束が投光部２２を通過することはできない。即ちピン
ト面に合致した時とそうでない時にはレチクルを通して
の反射光量に差が生じるのである。

【００２１】図８，図９において説明した、基準平面ミ
ラー１７で反射された露光光の光束がレチクル７を通過
した後の光路を、図１０を用いて説明する。

【００２２】レチクル７を透過した露光光は、フィール
ドレンズ６を通りミラー５に達する。ミラー５は前述の
様に露光光に対して５〜１０％程度の透過率をもってい
るので、ミラー５に達した露光光の一部はミラー５を通
過し、結像レンズ１３を介し視野絞り１４の面上に集光
する。この時、レチクル７のパターンの存在する面と視
野絞り１４とは、結像レンズ１３を介し、共役な位置に
ある。

【００２３】視野絞り１４の開口部を通過した露光光
は、集光レンズ１５によって受光素子１６に入光する。

【００２４】受光素子１６の前面には、必要な場合は露
光光のみを選択的に透過するフィルター５１を配置する
ものとし、入射した露光光の光量に応じた電気信号を出
力する。

【００２５】以下に、この受光素子１６の信号出力を用
いて、縮小投影レンズ８のピント位置（像面位置）を検
出する方法について説明する。

【００２６】駆動系２０により基準平面ミラー１７のの
ったｘｙｚステージ１０を縮小投影レンズ８の光軸方向
に、オフアクシスオートフォーカス検出系１２で予め設
定される計測の零点を中心に駆動させるものとする。こ
の時、各位置でのオートフォーカス検出系１２が計測す
る基準平面ミラー１７の光軸方向の位置信号（オートフ
ォーカス計測値ｚ）と、基準平面ミラー１７で反射され
た露光光を受光素子１６で受光し、電気信号に変換する
ことにより焦点面（像面）検出系１８から得られる出力
の関係は、図１１に示す様になる。この時、検出系１８
の信号は光源１のゆらぎの影響を除く為、例えば検出系
１８の信号を検出系５３の信号で規格化することにより
基準光量検出系５３からの信号で補正を受けるものとす
る。

【００２７】基準平面ミラー１７が縮小投影光学系８の
ピント面に位置した場合に焦点面検出系１８の出力はピ
ーク値を示す。この時のオートフォーカス計測値ｚ₀を
もってして、縮小投影レンズ８を用いて、ウエハ９に露
光を行う際の投影光学系８のピント位置とする（又は計
測値ｚ₀に基づいて予め設定しておいたピント位置を補
正する。）。

【００２８】この様にして決まった投影レンズ８のピン
ト位置はオフアクシスオートフォーカス検出系の基準位
置となる。実際のウエハの焼付最良位置はこの基準位置
からウエハの塗布厚や段差量等の値を考慮した分だけオ
フセットを与えた値となる。例えば多層レジストプロセ
スを用いてウエハを露光する場合には多層の一番上の部
分だけを焼けば良いのでウエハのレジスト表面と基準位
置はほぼ一致する。一方、単層レジストで露光光が基板
に十分到達する様な場合、ウエハのピントはレジスト表
面ではなく基板面に合致するので、この場合レジスト表
面と基準位置の間に１μｍ以上のオフセットが存在する
事も稀ではない。こうしたオフセット量はプロセス固有
のもので投影露光装置とは別のオフセットとして与えら
れるものである。装置自体としては本発明の様な方法で
投影レンズ８自体のピント位置を正確に求められれば充
分であり、上記オフセット量は、必要な場合にのみオー
トフォーカス制御系１９や駆動系２０に対して投影露光
装置の不図示のシステムコントローラを介して予め入力
してやれば良い。

【００２９】このピント位置ｚ₀の検出は、焦点面検出
系１８の出力のピークをもって決定してもよいが、その
他にも色々な手法が考えられる。例えばより検出の敏感
度を上げるために、ピーク出力に対してある割合のスラ
イスレベルＳＬを設定し、このスライスレベルＳＬの出
力を示す時のオートフォーカス計測値ｚ₁，ｚ₂を知るこ
とにより、ピント位置を

【００３０】

【外１】として決定しても良いし、又、ピーク位置を微分法を使
って求める等の手法も考えられる。

【００３１】このようなTTLオートフォーカスシステム
の長所は、投影光学系の周囲の温度変化、大気圧変化、
露光光線による投影光学系の温度上昇等によって生じる
投影光学系のピント位置(焦点位置）の経時変化を常時
計測し補正をかけられるという点である。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】従来このようなTTLオ
ートフォーカスの計測に使われるマークにはラインアン
ドスペースの繰り返しパターンを有するマークが良く用
いられている。これは例えば図１３の様にレチクル上で
実素子パターン描かれた領域の外（KM ,KS)に設けられ
る。そして、それらの線幅は投影光学系の解像限界に近
い寸法のものである。その理由は、実際の回路パターン
転写に際して、最も焦点深度の浅いのは投影光学系の解
像限界付近のパターンであるという点、また、最良像面
位置はパターン線幅によって異なるので、その意味から
も最もフォーカスに敏感な最小線幅に対して像面を決定
したい、という要求からである。

【００３３】しかしながら、このような細い線幅を使用
した場合、投影光学系の収差によっては図１１に示した
AF信号波形が図１２のようにくずれてしまい、AF計測不
能となる場合があった。これは予め決められた出力値で
スライスをするスライス法の場合、一つのスライス値に
対して3点以上の交点（Z1, Z2, Z3)が発生し、ベストピ
ント位置（深度中心）を求められなくなるからである。
さらには、実際のパターン転写が始まると、縮小投影光
学系の受ける熱の為に益々その波形くずれが悪化する傾
向にあった。

【００３４】本発明の目的は、投影光学系の残存収差、
或いは、露光による熱収差の影響を受けにくい、安定し
たフォーカス計測が可能となる投影露光装置の提供にあ
る。

【００３５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為の
本発明の投影露光装置のある形態は、物体上のパターン
を基板上に投影露光する投影光学系と、前記投影光学系
の焦点位置を検出するために繰り返しパターンを有する
計測マークの像を前記投影光学系を介して検出する焦点
位置検出手段とを有する投影露光装置で、前記投影光学
系の開口数をNA、投影倍率をβ、露光波長をλとした
時、前記繰り返しパターンの周期Ｐは、 2λ/（NAβ）＜Ｐ＜16λ/（NAβ）を満たすことを特徴とする。

【００３６】前記繰り返しパターンの周期Ｐの好ましい
形態は、 2.5λ/（NAβ）＜Ｐ＜6λ/（NAβ）を満たすことを特徴とする。

【００３７】前記投影露光装置の更に好ましい形態は、
前記マークを前記物体上に設け、前記焦点位置検出手段
が、前記マークを照明し、前記マークの透過光を前記投
影光学系介して前記基板側に設けた基準板で反射させ、
再度前記投影光学系を介して前記マークに照射し、再度
前記マークを透過する光を検出することを特徴とする。

【００３８】前記投影露光装置の他の更に好ましい形態
は、前記マークを前記投影光学系に対して前記基板側に
設けた基準板上に設け、前記焦点位置検出手段が、前記
マークを照明し、前記マークの透過光を前記投影光学系
介して前記物体で反射させ、再度前記投影光学系を介し
て前記マークに照射し、再度前記マークを透過する光を
検出することを特徴とする。

【００３９】前記投影露光装置の他の更に好ましい形態
は、前記マークを物体上に設け、前記焦点位置検出手段
が、前記マークを照明し、前記マークの透過光を前記投
影光学系及び前記投影光学系に対して前記基板側に設け
た基準板上のマークを介して検出することを特徴とす
る。

【００４０】前記マークの好ましい形態は、前記物体上
の実素子パターンを用いることを特徴とする。

【００４１】

【実施例】我々の解析結果によると、AF計測不能となる
原因は投影光学系の持つ残存収差であり、露光時に発生
する熱収差の影響である事が判った。図１４に基づい
て、以下に詳細を述べる。

【００４２】図１４はレチクル上の回路パターンが投影
光学系によって像面上に縮小結像される一般的な結像関
係を示す図である。レチクルは不図示の照明系（左側）
によって照明される。ここに一般的なTTLAF用マーク
（投影光学系の解像限界に近い線幅のラインアンドスペ
ースの繰り返しパターン）が存在すると多数の回折光が
発生するが、このうち投影光学系の瞳面を通過してウエ
ハーやステージ基準マーク上への再結像に寄与するのは
主に0次光と±1次光である。ちなみに、実際の照明0次
光束はレチクルに対して角度的にある広がりを持ってい
る。そのために±1次光以外の高次回折光の一部も投影
光学系の瞳面を通過し結像に寄与すると考えられるが、
この効果は補足的にしか利かない若しくは無視できる。
したがって、以下の説明はいわゆる空間的コヒーレンス
度が0以外の一般的露光照明システムについても成り立
つ。

【００４３】一方、投影光学系には残存収差が存在す
る。これは設計上と製造上の両方で発生し得るものであ
り、球面収差、コマ収差、非点収差等、個々のレンズの
偏芯及びレンズ間隔に起因するものも含む。

【００４４】図１５ではその一例としてNAの４乗に比例
する４次の球面収差が発生している場合を示している
（横軸は瞳上の座標であり、投影光学系の最大開口数
（NA)を1.0として正規化してある。縦軸は波面収差量
（λ）である）。この様な投影光学系の最適ピント位置
を求めるには、ウエハー面をわざとデフォーカスさせて
収差のバランスをとる。すなわち、理論上デフォーカス
によって発生する波面収差はNAの２乗に比例するので、
これと残存球面収差とをキャンセルさせる。図１５で
は、瞳の最外周（NA1.0)の位置で両方の収差の和を0と
している。この場合、最終的に最適ピント位置で発生す
る残存収差量(WA)は次式で与えられる。

【００４５】 WA ＝ S * (NA)⁴ -S * (NA)²------- 式（１）但し、Sの値は瞳面最外周で発生するレンズ固有の残存
収差量であり、図１５では実際的な値として1.0λとし
た。

【００４６】式（１）で発生する残存収差の最大値は同
式を微分すれば容易に求まり、NA=0.7の位置でWA=0.25
λである。各瞳座標位置（NA)での残存波面収差量を図
１６に示す。

【００４７】以上は投影光学系を片道通過した時、つま
り、ウエハー面、ないしは、それと概ね同一ピント面に
あるウエハーもしくは基準マーク上での残存収差量を示
した。ところが、図７で述べたコンフォーカルなTTLAF
方式では計測光は投影光学系を往復する。光学理論に従
えば、この場合、コマ収差、デイストーション等のいわ
ゆる非対称収差は相殺されて0になるのに対して、球面
収差、像面湾曲、そして、非点収差等の対称収差は2倍
になる。（図１６参照。）

【００４８】片道、往復いずれの場合にも残存波面収差
の量はNA=0.6から0.8の範囲で大きく、それ以外では小
さい。また、収差曲線の変化率はNA=0.8以上の領域で大
きい。このことは最良像面位置がわずかにずれただけで
もこの領域の残存収差が大きく変動する事を意味してい
る。つまり、安定性まで考慮すると、収差発生量の小さ
い領域はNA＜0.5の領域である、といえる。

【００４９】次にマークの±1次回折光が縮小投影光学
系の瞳面上を透過する位置について述べる。

【００５０】縮小投影光学系の開口数をNA、ウエハー上
への投影倍率をβ、露光波長をλとすると、レチクル上
のTTLAFマーク（デューティ比１：１のラインアンドス
ペースパターン）が解像限界線幅（=λ/（2NAβ））で
ある時、この±1次回折光はレンズ瞳面上でその最外周
の位置（NA=1.0)に分布する。また、マーク線幅がこの2
倍より大きい時、その回折光はのNA=0.5の内側の位置に
分布する。

【００５１】以上、縮小投影光学系の残存収差とTTLAF
マーク回折光の分布状態について説明してきたが、これ
から次の事が言える。

【００５２】つまり、縮小投影光学系の残存収差が発生
している場合に、その解像限界に近い線幅のマークでTT
LAF計測を行うと、マークの回折光が瞳面上で残存収差
の影響を受け、その結像特性が悪化する。その影響度
は、コンフォーカルなTTLAF系の場合、計測光路が縮小
投影光学系を往復するので倍加される。その結果、計測
精度が劣化したり、ひどい場合には、計測不能に陥って
しまう。さらに、パターン転写が進むと露光光の照射に
よって投影光学系の温度が上昇し、いわゆる、熱収差が
発生する。実際の熱収差にはいろんな収差が存在する
が、その主なものは球面収差である事が判っている。オ
ートフォーカス信号はこれらの収差が重なって益々その
波形くずれを悪化させてしまう。

【００５３】一方、線幅の太いマークでTTLAF計測を行
うと、図１１に示すような基準平面ミラーの光軸方向の
位置の移動に対する、検出光量の変化が小さくなり、即
ち検出感度が減少して、検出精度が劣化する。

【００５４】我々が検討した結果、TTLAF計測を良好に
行うためのTTLAFマークのラインとスペースの繰り返し
周期Ｐは、 2λ/（NAβ）＜Ｐ＜16λ/（NAβ）を満たすことが条件となる。また、更に安定した計測を
行うためには、 2.5λ/（NAβ）＜Ｐ＜6λ/（NAβ）を満足する繰り返し周期Ｐを決定すると良い。

【００５５】（実施例１）図１（Ａ）は本発明第一の実
施例であり、TTLAF計測に用いるレチクル上のマークを
示している。縦線のラインアンドスペースパターンで、
ラインとスペースの繰り返し周期が 2λ/（NAβ）より
広い。このマークを図７のシステムに適用すれば本発明
の効果が達成される。図１（Ａ）ではラインとスペース
のデユーテイ比を1：1としているが、必ずしもこの値で
ある必要はない。一般には、このデユーテイ比を変える
と、回折光の強度は変化するが、その瞳面上での位置は
変わらないからである。

【００５６】図１（Ｂ）は投影光学系の瞳面上での、そ
の回折光の分布状態を示している。つまり、横軸上の黒
いドットが±1次回折光を示していて、最大NA値（瞳半
径）の 0.5倍の位置より光軸側言い換えれば内側に存
在する。これに対して、NAが0.6から0.8のリング状の領
域（図中点線の範囲）は残存波面収差が大きい領域であ
る。発生量は図6を参照の事。TTLAF マークの回折光が
収差の小さい領域を選んで通過している事が判る。例え
ば、NA=0.6, λ=0.365μm, β＝1/5の露光レンズの場
合には、ラインとスペースの繰り返し周期は約 6μmよ
り大きくなる。

【００５７】（実施例２）図２（Ａ）は本発明第二の実
施例であり、同じく横線のラインアンドスペース群であ
る。図２（Ｂ）はこれの瞳面上分布であり、この場合、
回折光は縦軸上に存在する。

【００５８】（実施例３）図３（Ａ）は本発明第三の実
施例であり、同じく斜め45度線のラインアンドスペース
群である。図３（Ｂ）はこれの瞳面上分布であり、この
場合、回折光は斜め45度線上に存在する。

【００５９】（実施例４）図４（Ａ）は本発明第四の実
施例である。このパターンは実素子回路パターンの内
で、本発明の条件を満たすパターンの一例として取り上
げた。縦線と横線の集合体であって、それらの回折光は
図４（Ｂ）にあるように瞳面上で縦軸と横軸上に分布す
る。実素子中にこの様なパターンがあれば、それを模索
してTTLAFマークとして利用する事ができる。これによ
り、図１３のようにレチクル上にTTLAFマークを指定し
て設ける必要がなくなる。

【００６０】（実施例５）図５は本発明第五の実施例
である。これまでの実施例で用いた検出システムでは、
最終的なAF検出用光路は投影光学系９を往復2回通過し
ていた。本実施例ではこれが1回しか通らない光路で検
出する。すなわち、照明系から発した光束はレチクルパ
ターン8を通過後、投影光学系9の作用で基準平面ミラー
13上に結像する。

【００６１】基準平面ミラー13上には透過部と不透過部
とでパターニングされたマーク110（基準マーク）が形
成されている。このレチクルマーク8と基準マーク110の
形状はたとえば図１から図３のパターンのうちのいずれ
かを用いる。レチクルパターン8と基準マーク110の両方
を通過した光束のみが集光光学系60に検出される。そし
て、その光量は両者の合焦状態に依存して変化する。

【００６２】尚、本実施例では、レチクルの上から照明
し、ウエハーと概ね共役な面（基準マーク面）側で受光
しているが、本発明の範囲はこの構成にかぎらない。逆
に、ウエハー側から照明して、レチクル側で受光しても
よい。

【００６３】（実施例６）図６は本発明第六の実施例で
ある。これまでの実施例で用いた検出システムでAF計測
光路としては、レチクルを照明し、それを透過した光束
が投影光学系９を往復2回通過した後、再びレチクルを
透過して受光されていた。本実施例では逆にAF計測用光
束がウエハー基準マーク110を照明し、それを透過した
光束が投影光学系９を通過した後レチクル面で反射して
再び投影光学系9と同マーク110を透過して受光される構
成である。

【００６４】すなわち、図６で述べた基準平面ミラー13
（マーク付）を照明し、もどり光を受光するために、図
５で示した焦点面検出系60とこれに照明系とを付加した
光学ユニット27をウエハーステージ側に持つ。

【００６５】本実施例の場合、TTLAF 用マーク110は基
準平面ミラー13上に形成されていて、レチクル面はこの
像の単なる反射面としての機能しかない。したがって、
レチクルの最適パターンとなりうるのはパターンの無い
完全なクロム反射面か完全なガラス部である。そのよう
な反射面がレチクル上に無い場合には、できるだけ焦点
面計測に影響をあたえない実素子領域を最適パターンと
して選択する。

【００６６】尚、図７や図５の実施例において、TTLAF
計測用の照明光は計測マークを透過照明していた。本発
明の及ぶ範囲はこれに限らない。つまり、レチクル、ま
たは、ウエハー基準マークを、例えば、ハーフミラー等
を介して落射照明し、その反射光を露光レンズに導く構
成もまったく同様に本発明の及ぶ範囲内である。

【００６７】次に上記説明した露光装置を利用したデバ
イスの生産方法の実施例を説明する。

【００６８】図１７は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の
半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、
マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１
（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。
ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを
形成したマスクを製作する。一方、ステップ３（ウエハ
製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造す
る。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、
上記用意したマスクとウエハを用いて、リソグラフィ技
術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステ
ップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によ
って作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程
であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディン
グ）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含
む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半
導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査
を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成
し、これが出荷（ステップ７）される。

【００６９】図１８は上記ウエハプロセスの詳細なフロ
ーを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸
化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶
縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ
上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオ
ン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１
５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ス
テップ１６（露光）では上記説明した露光装置によって
マスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。ステッ
プ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステッ
プ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部
分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッ
チングが済んで不要となったレジストを取り除く。これ
らのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上
に多重に回路パターンが形成される。

【００７０】本実施例の製造方法を用いれば、従来は製
造が難しかった高集積度の半導体デバイスを低コストに
製造することができる。

【００７１】

【発明の効果】以上、述べてきた様に、本発明は次の様
な効果を生む。１. 露光投影レンズの残存収差や露光によって発生す
るレンズの熱収差の影響を受けることなくTTLAF計測が
可能である。２. 露光の経過に応じて常に安定したTTLAF計測が可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）本発明第一の実施例で、ラインアンド
スペース群のTTLAFマークを示す図。（Ｂ）（Ａ）のマークの瞳面上での回折光分布を示す
図。

【図２】（Ａ）本発明第二の実施例で、ラインアンド
スペース群のTTLAFマークを示す図。（Ｂ）（Ａ）のマークの瞳面上での回折光分布を示す
図。

【図３】（Ａ）本発明第三の実施例で、ラインアンド
スペース群のTTLAFマークを示す図。（Ｂ）（Ａ）のマークの瞳面上での回折光分布を示す
図。

【図４】（Ａ）本発明第四の実施例で、TTLAFマークと
して利用できる実素子パターンの一例を示す図。（Ｂ）（Ａ）のマークの瞳面上での回折光分布を示す
図。

【図５】本発明第五の実施例を示す図。

【図６】本発明第六の実施例を示す図。

【図７】従来例を示す図。

【図８】コンフォーカルTTLAFでの集光状態を示す図
（ベストピント時）。

【図９】コンフォーカルTTLAFでの集光状態を示す図
（デフォーカス時）。

【図１０】図７におけるTTLAF受光光路の説明図。

【図１１】光軸方向の位置と検出系出力の関係を示す
図。

【図１２】光軸方向の位置と検出系出力の関係を示す
図。

【図１３】レチクルの説明図。

【図１４】像解像の模式図。

【図１５】縮小投影光学系の残存収差の説明図。

【図１６】縮小投影光学系の残存収差量を示す図。

【図１７】微小デバイスの製造フローを示す図。

【図１８】ウエハプロセスを示す図

【符号の説明】

１水銀ランプ２楕円ミラー３オプティカルインテグレター４コンデンサーレンズ５ミラー６フィールドレンズ７レチクル８縮小投影光学系９ウエハ１０ｘｙｚステージ１１投光光学系１２検出光学系１３結像レンズ１４視野絞り１５集光レンズ１６受光素子１７基準平面ミラー１８焦点面検出系１９オートフォーカス制御系２０駆動系２１パターン部２２透過部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体上のパターンを基板上に投影露光す
る投影光学系と、前記投影光学系の焦点位置を検出する
ために繰り返しパターンを有する計測マークの像を前記
投影光学系を介して検出する焦点位置検出手段とを有す
る投影露光装置において、前記投影光学系の開口数をNA、投影倍率をβ、露光波長
をλとした時、前記繰り返しパターンの周期Ｐは、 2λ/（NAβ）＜Ｐ＜16λ/（NAβ）を満たすことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記繰り返しパターンの周期Ｐは、 2.5λ/（NAβ）＜Ｐ＜6λ/（NAβ）を満たすことを特徴とする請求項１の投影露光装置。
【請求項３】前記マークを前記物体上に設け、前記焦
点位置検出手段が、前記マークを照明し、前記マークの
透過光を前記投影光学系介して前記基板側に設けた基準
板で反射させ、再度前記投影光学系を介して前記マーク
に照射し、再度前記マークを透過する光を検出すること
を特徴とする請求項１、２の投影露光装置。
【請求項４】前記マークを前記投影光学系に対して前
記基板側に設けた基準板上に設け、前記焦点位置検出手
段が、前記マークを照明し、前記マークの透過光を前記
投影光学系介して前記物体で反射させ、再度前記投影光
学系を介して前記マークに照射し、再度前記マークを透
過する光を検出することを特徴とする請求項１、２の投
影露光装置。
【請求項５】前記マークを物体上に設け、前記焦点位
置検出手段が、前記マークを照明し、前記マークの透過
光を前記投影光学系及び前記投影光学系に対して前記基
板側に設けた基準板上のマークを介して検出することを
特徴とする請求項１、２の露光装置。
【請求項６】前記マークに前記物体上の実素子パター
ンを用いることを特徴とする請求項３、５の投影露光装
置。
【請求項７】請求項１乃至６の投影露光装置を用いて
素子を製造することを特徴とする素子の製造方法。