JP2000258253A - パルス光検出装置、これを用いた光学系検査装置および露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス光検出装置、これを用いた光学系検査
装置および露光装置において、パルス光源発光のジッタ
の影響を受けることなくパルス光の強度を計測するこ
と。 【解決手段】 電荷供給手段ＶＲが、放電後の電荷蓄積
手段Ｃ１に次のトリガパルスに同期して電荷を充電する
スイッチ手段ＳＷ１を備えているので、次のトリガパル
スが入力されるまでスイッチ手段による電荷蓄積手段へ
の電荷の充電が行われず、この間は電荷蓄積手段の蓄積
電荷量は放電状態のまま維持される。したがって、この
間に計測手段によって蓄積電荷量を測定すれば、発光の
ジッタの影響を受けずにパルス光の強度が正確に計測さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体製
造の露光工程で用いられるパルス光源から発生したパル
ス光の強度を計測するパルス光検出装置、これを用いた
光学系検査装置および露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路等の製造における
露光装置において、高集積化等のためＫｒＦやＡｒＦ等
のエキシマレーザ等の短波長パルス光源が採用されてい
る。従来、このパルス光源から発生するパルス光の強度
を計測するには、パルス光を受光するフォトダイオード
の信号を、図８に示すような検出回路を用いて処理する
ことにより行っていた。この動作を、図９に示すトリガ
パルス、パルス光源の発光レベルおよび出力電圧のタイ
ミングチャートを用いて以下に説明する。

【０００３】まず、図９に示すように、時刻ｔ２より時
間△Ｔ０だけ前に、パルス光源であるエキシマレーザに
発光させるためのトリガパルスがエキシマレーザに印加
される。例えば、時間△Ｔ０は約５０μｓｅｃ程度であ
り、時刻ｔ１にパルス光源が約１０ｎｓｅｃの時間幅で
発光する。時刻ｔ２以前は、フォトダイオードＰＤ１お
よび読み出しコンデンサである容量（外部容量）Ｃ１に
ついては、バイアス電圧Ｖｒにプリチャージされている
が、エキシマレーザが発光し、そのパルス光１００をフ
ォトダイオードＰＤ１が受光すると、フォトダイオード
ＰＤ１に電子が発生し、その電子が容量Ｃ１の電荷を放
出させて、一旦容量Ｃ１の電圧が低下する。すなわち、
アンプＡｍｐを介した出力電圧Ｖ_OUTが低下する。

【０００４】低下した容量Ｃ１の電圧および出力電圧Ｖ
_OUTは、バイアス電圧Ｖｒを印加するバイアス電源から
抵抗Ｒ２を通して容量Ｃ１に電流が流れ込み、再び上昇
する。その上昇の速度は、抵抗Ｒ２と容量Ｃ１との時定
数で決まり、図９に示すような出力電圧Ｖ_OUTの波形と
なる。そして、この出力電圧Ｖ_OUTの波形の一部をサン
プルホールドして出力値としていた。すなわち、トリガ
パルスの立ち上げから時間△Ｔ１後をサンプリングして
いた。

【０００５】ここで、エキシマレーザの発光周期が１Ｋ
Ｈｚのとき、抵抗Ｒ３は１００ｋΩ、容量Ｃ１は１００
０ｐＦ程度に設定されているとすると、その時定数は１
００μｓｅｃである。このように長い時定数に設定した
理由は、エキシマレーザの発光間での時間△Ｔ０が０．
３μｓｅｃ程度のばらつき、いわゆるジッタを持つから
である。

【０００６】すなわち、サンプルホールドを行うタイミ
ングは、トリガパルスを基準にするので、発光タイミン
グのジッタは、サンプルホールドタイミングのジッタに
なってしまう。したがって、サンプルホールドは、出力
電圧Ｖ_OUTの波形において電圧が徐々に上昇する途中を
サンプリングしているので、サンプルホールドのジッタ
は出力電圧値のばらつきとなって現れる。

【０００７】ただし、フォトダイオードＰＤ１を再充電
する時定数に比べてジッタの方が十分に小さければほと
んど影響しないため、時定数をジッタの０．３μｓｅｃ
に比べて十分長い１００μｓｅｃに設定していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のパルス光検
出手段では、以下のような課題が残されている。検出回
路での光量が小さい場合、例えば、光源にＡｒＦエキシ
マレーザを用いた場合にフォトダイオードＰＤ１に入射
するパルス光のエネルギーＥｔが５ｐＪ／パルス程度で
あったとする。また、パルス光の発光時間は１０ｎｓｅ
ｃ程度であり、フォトダイオードＰＤ１の感度Ａは０．
１Ｃ／Ｊ程度であったとする。

【０００９】この場合、フォトダイオードＰＤ１で発生
する電荷量Ｑは、 Ｑ＝Ｅ×Ａ＝０．５（ｐＣ／パルス） となる。ここで、読み出しコンデンサである容量Ｃ１が
１０００ｐＦであるので、出力電圧Ｖ_OUTの波形におけ
る谷の深さ（電圧の変化量）Ｖ₀は、 Ｖ₀＝Ｑ／Ｃ１＝０．５（ｍＶ） となる。したがって、出力電圧Ｖ_OUTは、０．５ｍＶ以
下となり、これでは十分なＳ／Ｎが得られないという問
題があった。

【００１０】従来の読み出しコンデンサである容量Ｃ１
の容量を単に小さくして、上記電圧変化量Ｖ₀を上げよ
うとしても、フォトダイオードＰＤ１の内部容量やその
他の浮遊容量があるため、実質的な読み出し容量はあま
り下げることができない。また、実質的な読み出し容量
を占めるフォトダイオードＰＤ１の内部容量や浮遊容量
の比率が増加すると、容量値のバイアス電圧依存性が強
くなり、電流から電圧に変換する特性の直線性が悪化す
るという欠点が生ずる。

【００１１】さらに、コンデンサの容量Ｃ１を下げたと
しても、抵抗Ｒ２の抵抗値が一定であれば時定数が小さ
くなり、エキシマレーザ発光のジッタの影響を強く受け
てしまい、安定した検出が出来ない不都合が生じる。ま
た、容量を小さくした場合でも時定数を変えないために
は、抵抗Ｒ２の抵抗値を上げなければならないが、大き
い抵抗値の抵抗はわずかのリーク電流でも抵抗が変化す
るため、経時変化が大きいという問題もある。

【００１２】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
ので、パルス光源発光のジッタの影響を受けることなく
パルス光の強度を計測することができるパルス光検出装
置、これを用いた光学系検査装置および露光装置を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために以下の構成を採用した。すなわち、図１か
ら図７とに対応づけて説明すると、請求項１記載のパル
ス光検出装置では、パルス光源（１）から発生したパル
ス光（１００、ＩＬ）の強度を計測するパルス光検出装
置であって、前記パルス光源に入力するトリガパルス
（２４）を発生させるトリガ発生手段（２３）と、前記
パルス光を受光して電子を発生させる光電変換手段（１
３〜１６、３１〜３４、ＰＥＳ）と、該光電変換手段に
並列に接続され前記電子の発生量に応じて電荷を放電す
る電荷蓄積手段（Ｃ１、Ｃ２）と、放電後の前記電荷蓄
積手段に電荷を充電する電荷供給手段（ＶＲ）と、前記
電荷蓄積手段の蓄積電荷量の変化に基づいて前記パルス
光の強度を計測する計測手段（１０、４９ａ）とを備
え、前記電荷供給手段は、放電後の前記電荷蓄積手段に
次のトリガパルス（２５）に同期して電荷を充電するス
イッチ手段（ＳＷ１）を備えている技術が採用される。

【００１４】このパルス光検出装置では、電荷供給手段
（ＶＲ）が、放電後の電荷蓄積手段（Ｃ１、Ｃ２）に次
のトリガパルス（２５）に同期して電荷を充電するスイ
ッチ手段（ＳＷ１）を備えているので、次のトリガパル
スが入力されるまでスイッチ手段による電荷蓄積手段へ
の電荷の充電が行われず、この間は電荷蓄積手段の蓄積
電荷量は放電状態のまま維持される。したがって、この
間に計測手段（１０、４９ａ）によって蓄積電荷量を測
定すれば、発光のジッタの影響を受けずにパルス光（１
００、ＩＬ）の強度が正確に計測される。

【００１５】請求項５記載の光学系検査装置では、パル
ス光源（１）から発生したパルス光（１００、ＩＬ）の
光学系（ＰＬ）を検査する装置であって、請求項１から
４のいずれかに記載のパルス光検出装置を備え、前記光
電変換手段（１３〜１６、３１〜３４、ＰＥＳ）は、前
記光学系を介して前記パルス光が照射される面に受光面
を配置している技術が採用される。

【００１６】この光学系検査装置では、パルス光検出装
置の光電変換手段（１３〜１６、３１〜３４、ＰＥＳ）
が、光学系（ＰＬ）を介してパルス光（１００、ＩＬ）
が照射される面に受光面を配置しているので、パルス光
が光学系を通って照射される場合にその光学系を介した
パルス光の強度を正確に計測できることから、光学系の
種々の光学的特性を正確に計測することが可能となる。

【００１７】請求項６記載の露光装置では、マスク
（Ｒ）上のパターンを基板（Ｗ）表面に投影光学系（Ｐ
Ｌ）を介して投影し露光する露光装置であって、前記マ
スクを照明するパルス光（ＩＬ）を発生するパルス光源
（１）と、前記投影光学系の光学特性を検出する検出手
段とを備え、該検出手段は、請求項１から４のいずれか
に記載のパルス光検出装置（ＰＥＳ、２３、４９ａ）を
備え、前記光電変換手段（ＰＥＳ）は、前記基板を載置
する基板ステージ（ＷＳ）に受光面を配置している技術
が採用される。

【００１８】この露光装置では、検出手段が上記パルス
光検出装置を備え、光電変換手段（ＰＥＳ）が、基板
（Ｗ）を載置する基板ステージ（ＷＳ）に受光面を配置
しているので、パルス光（ＩＬ）が投影光学系（ＰＬ）
を通って基板ステージ上に照射されるときに、投影光学
系を介したパルス光の強度を正確に計測できることか
ら、投影光学系の焦点位置等の種々の光学的特性を正確
に計測することが可能となり、良好な露光を行うことが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るパルス光検出
装置およびこれを用いた光学系検査装置の第１実施形態
を、図１から図３を参照しながら説明する。

【００２０】図１は、本実施形態に係るパルス光検出装
置を備えた光学系検査装置を示し、該光学系検査装置
は、半導体露光装置の投影光学系ＰＬの光学特性を検査
するもので、パルス光１００の光源としてエキシマレー
ザ（パルス光源）１を用いたものである。この光学系検
査装置の構成を、エキシマレーザ１から発せられたパル
ス光１００の光路に従って説明する。

【００２１】まず、エキシマレーザ１から発せられたパ
ルス光１００は、第１のレンズ２で集光された後にピン
ホール３を通過するように設定され、該ピンホール３を
通過したパルス光１００は、検査対象であるレンズ群か
らなる投影光学系ＰＬに入射される。該投影光学系ＰＬ
を透過したパルス光１００は、第２のレンズ５を透過し
た後、全反射ミラー６で反射されるように設定されてい
る。

【００２２】全反射ミラー６で反射されたパルス光１０
０の一部は、ハーフミラー７で反射されて第３のレンズ
８を通過した後、４分割フォトダイオード（光電変換手
段、半導体受光素子）１２の入射し、残りのパルス光１
００は、投影光学系ＰＬの波面収差を測定する波面測定
部９に入射するように設定されている。該波面測定部９
では、入射したパルス光１００に基づいて投影光学系Ｐ
Ｌの性能（波面収差）が測定される。

【００２３】また、４分割フォトダイオード１２および
波面測定部９は、ステージ２２上に配置され、該ステー
ジ２２を駆動することにより、その位置が移動可能に設
定されている。すなわち、４分割フォトダイオード１２
の受光面は、第２のレンズ８を通過したパルス光１００
が照射されるステージ２２上面に配置されている。

【００２４】前記４分割フォトダイオード１２に入射し
たパルス光１００は、各単位フォトダイオード（光電変
換素子）１３、１４、１５、１６の中央にピンホール３
の像１７を形成する。各単位フォトダイオード１３、１
４、１５、１６の入射光量に応じた電流出力は、これら
に接続された演算装置（計測手段）１０に入力される。
該演算装置１０および４分割フォトダイオード１２は、
エキシマレーザ１から発生したパルス光１００が投影光
学系ＰＬを介して４分割フォトダイオード１２に入射さ
れた際の強度を計測するパルス光検出装置として機能す
る。

【００２５】該演算装置１０は、各単位フォトダイオー
ド１３、１４、１５、１６の出力値から像１７の中心位
置を演算し、その結果に基づいて第２のレンズ５、第３
のレンズ８、全反射ミラー６、ハーフミラー７およびス
テージ２２を移動させ、像１７が正確に４分割フォトダ
イオード１２の中央に来るようにこれらを制御する。こ
のように、正確に像１７が位置決めされた状態で、波面
測定部９において測定が行われる。

【００２６】また、演算装置１０およびエキシマレーザ
１には、これらにエキシマレーザ１が発光するタイミン
グを指示するトリガパルス２４、２５をそれぞれ供給す
るタイミング発生回路部（トリガ発生手段）２３が接続
されている。演算装置１０は、各単位フォトダイオード
１３〜１６にそれぞれ対応して接続され単位フォトダイ
オード１３〜１６毎に受光したパルス光１００の強度を
検出する４つの検出回路Ｋ１を内蔵している。

【００２７】前記検出回路Ｋ１は、図２に示すように、
ＭＯＳトランジスタからなるスイッチ（スイッチ手段）
ＳＷ１、外部コンデンサである容量（電荷蓄積手段、コ
ンデンサ）Ｃ１およびアンプＡｍｐから構成されてい
る。各単位フォトダイオード１３〜１６の一端は、固定
電位、すなわち本実施形態の極性では接地（アース）に
それぞれ接続されている。なお、逆の極性のフォトダイ
オードの場合は、正の電圧に接続される。

【００２８】また、各単位フォトダイオード１３〜１６
の他端は、スイッチＳＷ１のソースと容量Ｃ１の一端と
アンプＡｍｐの入力端にそれぞれ接続されている。スイ
ッチＳＷ１のドレインは、正のバイアス電圧Ｖｒを印加
するバイアス電源（電荷供給手段）ＶＲに接続され、ゲ
ートは、タイミング発生回路部２３に接続されトリガパ
ルス２５が入力されるように設定されている。

【００２９】さらに、アンプＡｍｐの出力端ＯＵＴは、
演算装置１０の次段の処理回路（図示略）に接続され
る。該処理回路は、アンプＡｍｐからの出力値に基づい
てパルス光１００の強度を演算する回路を含み、得られ
た単位フォトダイオード１３〜１６毎の強度データに基
づいてステージ２２を制御するものである。

【００３０】なお、本実施形態のように複数のフォトダ
イオードを用いる場合には、スイッチＳＷ１のドレイン
とゲートとは全て共通の端子とし、各単位フォトダイオ
ード１３〜１６を同時に同一の電圧にリセットするとと
もに、各容量Ｃ１に同時に電荷を供給するように設定さ
れている。このように、同時に同一の電圧にリセットす
ることで、各単位フォトダイオード１３〜１６から得ら
れる信号のばらつきを低減することができる。

【００３１】次に、本実施形態における検出回路Ｋ１に
おける動作の時間的変化を、図３に示すタイミングチャ
ートを参照して説明する。

【００３２】まず、タイミング発生回路部２３からのト
リガパルス２５が、図３に示すように、ハイレベルにな
ってスイッチＳＷ１に入力され、スイッチＳＷ１が「Ｏ
Ｎ」状態となって導通し、容量Ｃ１が電圧Ｖｒにリセッ
トされる。その後、トリガパルス２５はローレベルにな
り、スイッチＳＷ１は「ＯＦＦ」状態となって切断され
る。スイッチＳＷ１が切断された後、トリガパルス２４
が入力されたエキシマレーザ１が発光し、そのパルス光
１００が単位フォトダイオード１３〜１６に入射され
る。

【００３３】単位フォトダイオード１３〜１６に入射し
たパルス光１００は、単位フォトダイオード１３〜１６
毎に光電変換され、電子を発生させる。この電子は、そ
の発生量に応じて容量Ｃ１に蓄積されていた電荷を放電
させ、容量Ｃ１における両端の電圧を下げる。この電圧
の変化が、出力電圧Ｖ_OUTとしてアンプＡｍｐの出力端
ＯＵＴでそれぞれ検出される。すなわち、この電圧の変
化量Ｖ１〜Ｖ６が、容量Ｃ１における蓄積電荷量の変化
に対応し、受光されたパルス光１００の強度に相当す
る。

【００３４】従来は、上述したように、容量Ｃ１におい
て放電された電荷を抵抗から再供給していたため、徐々
に電圧が上昇していたが、本実施形態では、スイッチＳ
Ｗ１が「ＯＦＦ」状態となっているので、次にハイレベ
ルのトリガパルス２５が入力して「ＯＮ」状態となるま
で出力電圧Ｖ_OUTは変化しない。すなわち、スイッチＳ
Ｗ１は、放電後の容量Ｃ１に次のトリガパルス２５に同
期して電荷を充電する機能を有する。なお、アンプＡｍ
ｐの入力端には、ＦＥＴ等のリーク電流の少ないものを
用いている。

【００３５】出力電圧Ｖ_OUTの波形は、図３に示すよう
に、長い期間一定電圧が維持されるので、トリガパルス
２５の立ち上がりから時間△Ｔ１が経過した時に出力電
圧Ｖ _OUTをサンプルホールドすれば発光のジッタがあっ
ても、その影響を受けずに検出することができる。

【００３６】また、容量Ｃ１の値を小さく設定しても出
力電圧Ｖ_OUTの波形が、長い期間一定電圧に維持される
ことに変わりがないので、弱い受光量のときに容量Ｃ１
を小さくして高感度に検出することが可能になる。前述
したように、フォトダイオードで電荷量Ｑとして０．５
ｐＣ／パルスが発生したとすると、容量Ｃ１の容量を１
０ｐＦにすれば出力電圧Ｖ_OUTにおける電圧の変化量Ｖ₀
は５０ｍＶとなり、従来の０．５ｍＶに比べて１００倍
に改善することができる。

【００３７】このように、本実施形態では、４分割フォ
トダイオード１２で受光したパルス光１００の強度を発
光のジッタに影響されることなく正確に計測できるの
で、像１７の中心位置を高精度に求めることができ、そ
の結果に基づいて第２のレンズ５、第３のレンズ８、全
反射ミラー６、ハーフミラー７およびステージ２２を制
御して、波面測定部９により投影光学系ＰＬの光学特性
（波面収差）を高精度に検査することができる。

【００３８】次に、本発明に係るパルス光検出装置およ
びこれを用いた光学系検査装置の第２実施形態を、図４
を参照しながら説明する。

【００３９】第２実施形態と第１実施形態との異なる点
は、第１実施形態の検出回路Ｋ１と４分割フォトダイオ
ード１２における単位フォトダイオード１３〜１６とが
別個に設けられていたのに対し、第２実施形態では、図
４に示すように、４つの単位フォトダイオード３１、３
２、３３、３４が形成されている半導体チップ（半導体
基板）１０１上に検出回路Ｋ２も全て形成されている点
である。なお、単位フォトダイオード３１〜３４は、第
１実施形態と同様に配置されて４分割フォトダイオード
を構成する。

【００４０】また、第１実施形態では、電荷蓄積手段で
ある容量Ｃ１が単位フォトダイオード１３〜１６とは別
に設けられた外部容量であるのに対し、第２実施形態で
は、外部容量である容量Ｃ１の代わりに単位フォトダイ
オード３１〜３４の各内部容量（寄生容量）である容量
Ｃ２、検出回路Ｋ２およびこれらを接続する配線容量を
用いている点で異なっている。

【００４１】この第２実施形態では、単位フォトダイオ
ード３１〜３４の一端は一定電圧、すなわち本実施形態
では接地に接続され、他端は、ＭＯＳトランジスタであ
るスイッチ（スイッチ回路）ＳＷ１のソースとスイッチ
（スイッチ回路）ＳＷ２のゲートに接続されている。

【００４２】スイッチＳＷ１のドレインは、正のバイア
ス電圧Ｖｒを印加するバイアス電源（電荷供給手段）Ｖ
Ｒに接続され、ゲートはタイミング発生回路部２３に接
続されてトリガパルス２５が入力されるように設定され
ている。また、スイッチＳＷ２のドレインは、正の電源
電圧Ｖｄｄを印加する電源（図示略）に接続され、ソー
スは半導体チップ１０１から外部に出力として引き出さ
れ、演算装置１０内の負荷抵抗Ｒ１とアンプＡｍｐの入
力端とに接続されている。

【００４３】本実施形態における検出回路Ｋ２の動作に
おける時間的変化は、第１実施形態の図３に示すタイミ
ングチャートと同様であるが、単位フォトダイオード３
１〜３４の発生電荷によって放電する容量値が、単位フ
ォトダイオード３１〜３４の各内部容量Ｃ２と、スイッ
チＳＷ１のソース端の容量と、スイッチＳＷ２のゲート
端の容量と、それらを接続する配線の容量との合計とな
る。

【００４４】これらの容量は、全て半導体チップ１０１
の内部の容量であるので、第１実施形態の外部容量Ｃ１
に比べて大幅に小さくすることができる。したがって、
本実施形態では、第１実施形態よりも高感度を得ること
ができる。例えば、前述したように、フォトダイオード
で電荷量Ｑとして０．５ｐＣ／パルスが発生したとする
と、合計の容量の容量を１ｐＦにすることも容易であ
り、そのときの出力電圧Ｖ_OUTにおける電圧の変化量Ｖ₀
は５００ｍＶとなり、従来の０．５ｍＶに比べて１００
０倍に改善することができる。なお、上記の負荷抵抗Ｒ
１を半導体チップ１０１の内部に形成してもよく、また
負荷抵抗でなくＭＯＳトランジスタの負荷を用いても構
わない。

【００４５】次に、本発明に係るパルス光検出装置を用
いた露光装置の一実施形態を、図５から図７を参照しな
がら説明する。

【００４６】図５は、本発明に係るパルス光検出装置を
焦点検出に用いたステッパー型の投影露光装置の概略構
成を示したものである。この図５において、パルス光源
であるＡｒＦやＫｒＦ等のエキシマレーザ１を備えた光
源系ＡＬから出たパルス光である照明光ＩＬはオプティ
カルインテグレータ（フライアイレンズ）３１、開口絞
り３２、およびコンデンサーレンズ３３を介して光路折
り曲げ用のダイクロイックミラー３４に入射する。

【００４７】該ダイクロイックミラー３４でほぼ直角に
折り曲げられた照明光ＩＬは、回路パターンＭＰが描か
れたレチクル（マスク）Ｒをほぼ均一の照度で照明し、
露光時にはレチクルＲ上の回路パターンＭＰの像が投影
光学系ＰＬを介して半導体ウエハ（基板）Ｗ上に投影さ
れる。なお、図５では、焦点位置検出のため、半導体ウ
エハＷは露光位置にはない。

【００４８】前記レチクルＲは、駆動系（図示略）によ
り光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）に微動可能で、かつ
光軸ＡＸに垂直な平面（ＸＹ平面）内で２次元移動およ
び微小回転可能なレチクルステージ４１上に真空吸着に
より保持されている。レチクルＲには、回路パターンＭ
Ｐの他、その回路パターンＭＰの周辺に結像位置検出用
のレチクルパターンＲＰが形成されている。また、レチ
クルステージ４１のＸ方向およびＹ方向の位置は、レチ
クルステージ４１の周辺に配置されたレーザ干渉計（図
示略）により、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時
検出されている。

【００４９】前記半導体ウエハＷは、ウエハステージ
（基板ステージ）ＷＳ上のウエハホルダー４２に真空吸
着により保持され、ウエハステージＷＳは駆動モータ４
７により、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な平面（Ｘ
Ｙ平面）内を移動できるようになっている。このウエハ
ステージＷＳを、ステップ・アンド・リピート方式によ
り移動させて、レチクルＲの回路パターンＭＰを半導体
ウエハＷ上に露光する。また、ウエハステージＷＳは、
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に移動可能な
Ｚステージを有し、このＺステージにより半導体ウエハ
Ｗの表面が投影光学系ＰＬの像面と一致するように移動
することができる。

【００５０】また、ウエハステージＷＳのＺステージ上
のウエハホルダー４２に近接した位置には、レチクルパ
ターンＲＰを透過した後、投影光学系ＰＬを介してレチ
クルパターンＲＰの像を形成する結像光を受光するため
の所定形状のセンサパターンＳＰが形成されたガラス基
板３５が設置され、そのセンサパターンＳＰを透過する
結像光を受光する光電センサ（光電変換手段）ＰＥＳ
が、そのセンサパターンＳＰの下部に設置されている。

【００５１】ウエハステージＷＳのＸＹ平面内の位置
は、ウエハステージＷＳの周辺に配置されたレーザ干渉
計４６とウエハステージＷＳの端部に設けられレーザ干
渉計４６からのレーザ光を反射する移動鏡４５とにより
高精度に測定される。なお、図１では、Ｘ方向用のレー
ザ干渉計のみを図示している。また、半導体ウエハＷ
（またはセンサパターンＳＰ）のＺ方向の位置は、投光
系４３および受光系４４よりなるいわゆる斜入射方式の
焦点位置検出系で測定される。

【００５２】投光系４３から射出される光線は、半導体
ウエハＷ上の感光剤を感光させない波長帯であり、ピン
ホールまたはスリット像を光軸ＡＸに対して斜めに半導
体ウエハＷ上に投影する。受光系４４は、半導体ウエハ
Ｗの表面が投影光学系ＰＬの像面と一致するとき、半導
体ウエハＷからの反射像の位置が受光系４４内部のピン
ホールまたはスリットと一致するように設計されてい
る。半導体ウエハＷのＺ方向の位置に対応する受光系４
４からの信号Ｉｚは、ステージコントローラ４０に送ら
れ、ステージコントローラ４０は、その信号Ｉｚに基づ
いて、半導体ウエハＷの表面が像面と一致するようにＺ
ステージを制御する。

【００５３】さらに、受光系４４の内部には、光線をシ
フトさせるための平行平面板（図示略）があり、投影光
学系ＰＬの像面変動があっても。半導体ウエハＷからの
反射光が常に受光系４４の像面でピンホールまたはスリ
ットと一致するように、この平行平面板の角度を調節す
る構造となっている。

【００５４】図７の（ａ）および（ｂ）は、それぞれレ
チクルＲ上のレチクルパターンＲＰおよびウエハステー
ジＷＳ上のセンサパターンＳＰを示し、この図７の
（ａ）に示されるように、レチクルパターンＲＰは、結
像位置検出時のスキャン方向に等間隔に並び、スキャン
方向に垂直な方向に長い複数のスリット状の透過部５０
ａ〜５０ｆを遮光部５１中に形成してなるライン・アン
ド・スペースパターンである。

【００５５】レチクルパターンＲＰのスリット状の透過
部同士の間隔は、投影光学系ＰＬの解像度にできるだけ
近く設定される。レチクルパターンＲＰの像は投影光学
系ＰＬを介し、ウエハステージＷＳ上に設けられたセン
サパターンＳＰ上に結像される。センサパターンＳＰ
は、図７の（ｂ）に示すように、遮光部５３中に形成さ
れたスキャン方向に垂直な方向に長い一個のスリット状
の透過部５２である。このセンサパターンＳＰは、通常
レチクルパターンＲＰのセンサパターンＳＰ上の投影像
にほぼ等しい大きさで設計される。

【００５６】なお、光電センサを設置する十分な場所が
ウエハステージＷＳ中にないとき等は、光ファイバの先
端（受光面）をウエハステージＷ上に配し、該光ファイ
バで別の場所に設けた光電センサにリレーしてもよい。
光電センサＰＥＳからの出力信号Ｉは、受光系４４の出
力信号Ｉｚとともに結像位置検出系４９に送られ、結像
位置検出系４９の内部で演算処理される。そして、この
演算処理の結果に基づき結像位置が検出される。なお、
結像位置検出系４９とステージコントローラ４０とは、
主制御系４８により制御される。

【００５７】前記結像位置検出系４９は、光電センサＰ
ＥＳに接続された検出回路Ｋ１を備えた演算装置（計測
手段）４９ａを内蔵し、該演算装置４９ａは、検出回路
Ｋ１からの出力電圧Ｖ_OUTに基づいて光電センサＰＥＳ
に入射した照明光ＩＬの強度を演算し、該照明光ＩＬの
強度を主制御系４８に出力するように設定されている。

【００５８】また、主制御系４８は、第１実施形態と同
様のタイミング発生回路部２３を備え、該タイミング発
生回路２３から光源系ＡＬのエキシマレーザ１に発光を
指示するトリガパルス２４を送るとともに、演算装置４
９ａにトリガパルス２５を送る機能を有する。すなわ
ち、光電センサＰＥＳ、演算装置４９ａおよびタイミン
グ発生回路部２３は、光電センサＰＥＳに入射された照
明光ＩＬの強度を計測するパルス光検出装置として機能
する。

【００５９】次に、本実施形態の露光装置における結像
位置検出方法について説明する。まず、ステージコント
ローラ４０からの指令に基づきウエハステージＷＳを計
測開始点に移動させる。ウエハステージＷＳのＸＹ方向
の位置を計測するレーザ干渉計４６とＺ方向の位置を計
測する受光系４４とを用い、測定中の中心にくると予測
される位置へウエハステージＷＳを移動させる。

【００６０】ウエハステージＷＳが計測開始点に来た
後、エキシマレーザにトリガパルス２４を入力して、パ
ルス光である照明光ＩＬを発生させ、該照明光ＩＬによ
りレチクルパターンＲＰを照明する。ステージコントロ
ーラ４０からの指令に基づき、ウエハステージＷＳをＸ
方向に移動させるのと同時に、Ｚ方向にウエハステージ
ＷＳ（Ｚステージ）を移動させる。このとき、光電セン
サＰＥＳからの出力信号Ｉと受光系４４の出力信号は結
像位置検出系４９に並列に送られる。

【００６１】図６は、光電センサＰＥＳからの出力信号
Ｉの波形（詳しくは、出力信号Ｉを検出回路Ｋ１の出力
電圧Ｖ_OUTに変換した信号波形）を示すもので、実線で
示される曲線６１が出力信号Ｉを示している。この図か
ら分かるように、ウエハステージＷＳが結像位置に近づ
くに従って、出力信号Ｉの波形の振幅が大きくなり、離
れるに従って、その振幅が小さくなりゼロに収束するこ
とがわかる。

【００６２】波線で示される曲線６２は、レチクルパタ
ーンＲＰの透過部の像とセンサパターンＳＰの透過部５
２とが一致したまま（つまりＺ方向に移動せずに）セン
サパターンＳＰがＺ方向に移動したときの出力信号Ｉを
示している。次に、一点鎖線で示される曲線６３は、レ
チクルパターンＲＰの間の遮光部５１の投影像とセンサ
パターンＳＰとが一致しているときにＺ方向に移動した
ときの出力を示したものである。

【００６３】これは、結像位置にレチクルパターンＲＰ
の像があるときは、遮光部のため光は光電センサＰＥＳ
に達しないが、結像位置にないときは像が拡がるため、
遮光部周辺からの光りが漏れだし、センサパターンＳＰ
を通過する光量が増えるためである。結像位置検出系４
９により曲線６２と曲線６３とを推定し、曲線６２と曲
線６３との差分が最大となる点を結像位置ＢＦとして求
めることができる。以上のようにして求めた結像位置Ｂ
Ｆに半導体ウエハＷの表面が来るようにステージコント
ローラ４０により制御を行う。

【００６４】本実施形態では、焦点位置検出手段にパル
ス光検出装置である、光電センサＰＥＳ、結像位置検出
系４９の演算装置４９ａおよび主制御部４８のタイミン
グ発生回路部２３を用いているので、パルス光である照
明光ＩＬが投影光学系ＰＬを通ってウエハステージＷＳ
上に照射されるときに、投影光学系ＰＬを介して光電セ
ンサＰＥＳに入射した照明光ＩＬの強度を正確に計測で
きることから、投影光学系ＰＬの焦点位置を正確に計測
することが可能となり、良好な露光を行うことができ
る。

【００６５】なお、本発明は、次のような実施形態をも
含むものである。 （１）上記実施形態の露光装置では、本発明に係るパル
ス光検出装置によって投影光学系の焦点位置を検出した
が、パルス光検出装置を用いて投影光学系の他の光学特
性を検出しても構わない。例えば、投影光学系の投影倍
率、テレセントリシティ、ザイデルの５収差（例えばコ
マ収差等）を測定してもよい。

【００６６】（２）上記実施形態の露光装置では、検出
回路Ｋ１を演算装置４９ａ内に設けたが、第２実施形態
のパルス光検出装置のように、光電センサが形成される
半導体チップ内に検出回路も一緒に形成しても構わな
い。 （３）露光装置の用途としては半導体製造用の露光装置
に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレート
に液晶表示素子パターンを露光する液晶用、液晶ディス
プレイだけでなく更にはプラズマディスプレイの露光装
置や、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤなど）、マス
ク又はレチクルを製造するための露光装置にも広く適用
できる。

【００６７】（４）投影光学系の倍率は縮小系のみなら
ず等倍および拡大系のいずれでもいい。 （５）投影光学系としては、エキシマレーザなどの遠紫
外線を用いる場合は硝材として石英や蛍石などの遠紫外
線を透過する材料を用いればよく、反射屈折系、反射系
または屈折系の光学系のいずれでもよい。また、露光光
は遠紫外域だけでなく真空紫外域（特に波長１２０〜２
００ｎｍ程度）でもよいし、更には波長５〜１５ｎｍの
間に発振スペクトルを有するＥＵＶ(Extreme Ultra Vio
let)光でもよい。ＥＵＶ露光装置では、投影光学系が複
数枚（３〜６枚程度）の反射素子のみから構成され、か
つレチクルが反射型となる。また、ＥＵＶでは、その照
射によってけい光（又はリン光）を発生する物質を受光
面に形成し、そのけい光などを検出することになる。

【００６８】（６）ウエハステージやレチクルステージ
にリニアモータ（USP5,623,853またはUSP5,528,118参
照）を用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上
型およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁
気浮上型のどちらを用いてもいい。また、ステージは、
ガイドに沿って移動するタイプでもいいし、ガイドを設
けないガイドレスタイプでもいい。

【００６９】（７）ウエハステージの移動により発生す
る反力は、（USP5,528,118に記載されているように、）
フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしても
いい。 （８）レチクルステージの移動により発生する反力は、
（US S/N 416558に記載されているように、）フレーム
部材を用いて機械的に床（大地）に逃がしてもいい。

【００７０】（９）複数のレンズから構成される照明光
学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整を
するとともに、多数の機械部品からなるレチクルステー
ジやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や
配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）
をすることにより本実施形態の露光装置を製造すること
ができる。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン
度等が管理されたクリーンルームで行うことが望まし
い。

【００７１】（１０）半導体デバイスは、デバイスの機
能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づ
いたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウ
エハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置
によりレチクルのパターンをウエハに露光するステッ
プ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボン
ディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ
等を経て製造される。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果を奏する。 （１）請求項１記載のパルス光検出装置によれば、電荷
供給手段が、放電後の電荷蓄積手段に次のトリガパルス
に同期して電荷を充電するスイッチ手段を備えているの
で、次のトリガパルスが入力されるまで維持された電荷
蓄積手段の蓄積電荷量を計測手段によって測定すれば、
発光のジッタの影響を受けずにパルス光の強度を正確に
計測することができる。

【００７３】（２）請求項２記載のパルス光検出装置に
よれば、計測手段が、コンデンサ毎の蓄積電荷量の変化
に基づいて光電変換素子毎に受光された前記パルス光の
強度を計測し、スイッチ手段が、複数のコンデンサに同
時に電荷を供給するので、各光電変換素子から得られる
受光信号のばらつきを低減することができ、高精度な計
測が可能となる。

【００７４】（３）請求項３記載のパルス光検出装置に
よれば、スイッチ手段が、半導体受光素子を有する半導
体基板にスイッチ回路として形成され、電荷蓄積手段
が、半導体受光素子の寄生容量、スイッチ回路およびこ
れらを接続する配線の容量から構成されるので、外部に
電荷蓄積手段を設けた場合に比べて大幅に容量を小さく
することができ、より高感度化することができる。

【００７５】（４）請求項４記載のパルス光検出装置に
よれば、パルス光源がエキシマレーザであるので、該エ
キシマレーザが有する発光タイミングのジッタの影響を
受けずに、パルス光の強度を正確に計測することができ
る。

【００７６】（５）請求項５記載の光学系検査装置によ
れば、パルス光検出装置の光電変換手段が、光学系を介
してパルス光が照射される面に受光面を配置しているの
で、光学系を介したパルス光の強度を正確に計測できる
ことから、光学系の種々の光学的特性を正確に計測する
ことができる。

【００７７】（６）請求項６記載の露光装置によれば、
検出手段が上記パルス光検出装置を備え、光電変換手段
が、基板を載置する基板ステージに受光面を配置してい
るので、投影光学系を介したパルス光の強度を正確に計
測できることから、投影光学系の焦点位置等の種々の光
学的特性を正確に計測することができるとともに、高精
度な露光を行うことができ、露光工程の歩留まりを向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた光学
系検査装置の第１実施形態を示す概略的な全体構成図で
ある。

【図２】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた光学
系検査装置の第１実施形態における単位フォトダイオー
ドおよび検出回路を示す回路図である。

【図３】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた光学
系検査装置の第１実施形態におけるトリガパルス、発光
レベルおよび出力電圧のタイミングチャートを示すグラ
フ図である。

【図４】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた光学
系検査装置の第２実施形態における単位フォトダイオー
ドおよび検出回路を示す回路図である。

【図５】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた露光
装置の一実施形態を示す全体構成図である。

【図６】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた露光
装置の一実施形態における光電センサからの検出信号の
波形を示すグラフ図である。

【図７】 本発明に係るパルス光検出装置を用いた露光
装置の一実施形態におけるレチクルパターンおよびセン
サパターンを示す拡大平面図である。

【図８】 本発明に係るパルス光検出装置の従来例にお
ける単位フォトダイオードおよび検出回路を示す回路図
である。

【図９】 本発明に係るパルス光検出装置の従来例にお
けるトリガパルス、発光レベルおよび出力電圧のタイミ
ングチャートを示すグラフ図である。

【符号の説明】

１ エキシマレーザ（パルス光源） １０、４９ａ 演算装置（計測手段） １２ ４分割フォトダイオード（光電変換手段、半導体
受光素子） １３、１４、１５、１６ 単位フォトダイオード（光電
変換素子） ２３ タイミング発生回路部（トリガ発生手段） ２４、２５ トリガパルス ３１、３２、３３、３４ 単位フォトダイオード（光電
変換素子） １００ パルス光 Ｃ１ 容量（電荷蓄積手段、コンデンサ） Ｃ２ 容量（寄生容量） ＩＬ 照明光 Ｋ１、Ｋ２ 検出回路 ＰＬ 投影光学系 ＳＷ１ スイッチ（スイッチ手段、スイッチ回路） Ｒ レチクル（マスク） ＶＲ バイアス電源（電荷供給手段） Ｗ 半導体ウエハ（基板） ＷＳ ウエハステージ（基板ステージ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB05 AB09 AB11 AB14 AB26 BA02 BA09 BB02 BB09 BB14 BB20 BB22 BB23 BB49 BC03 BC07 BC08 BC13 BC19 BC22 DA05 2H106 AA01 AA41 AA71 AA87 5F046 BA03 CA04 CB27 CC01 CC03 CC05 DA01 DA13 DA14 DB01 DB05 DC12

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス光源から発生したパルス光の強度
   を計測するパルス光検出装置であって、 前記パルス光源に入力するトリガパルスを発生させるト
   リガ発生手段と、 前記パルス光を受光して電子を発生させる光電変換手段
   と、 該光電変換手段に並列に接続され前記電子の発生量に応
   じて電荷を放電する電荷蓄積手段と、 放電後の前記電荷蓄積手段に電荷を充電する電荷供給手
   段と、 前記電荷蓄積手段の蓄積電荷量の変化に基づいて前記パ
   ルス光の強度を計測する計測手段とを備え、 前記電荷供給手段は、放電後の前記電荷蓄積手段に次の
   トリガパルスに同期して電荷を充電するスイッチ手段を
   備えていることを特徴とするパルス光検出装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のパルス光検出装置におい
   て、 前記光電変換手段は、複数の光電変換素子から構成さ
   れ、 前記電荷蓄積手段は、前記光電変換素子毎に並列に接続
   された複数のコンデンサから構成され、 前記計測手段は、前記コンデンサ毎の蓄積電荷量の変化
   に基づいて前記光電変換素子毎に受光された前記パルス
   光の強度を計測し、 前記スイッチ手段は、前記複数のコンデンサに同時に電
   荷を供給することを特徴とするパルス光検出装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のパルス光検出装
   置において、 前記光電変換手段は、半導体受光素子で形成され、 前記スイッチ手段は、前記半導体受光素子を有する半導
   体基板にスイッチ回路として形成され、 前記電荷蓄積手段は、前記半導体受光素子の寄生容量、
   前記スイッチ回路およびこれらを接続する配線の容量か
   ら構成されることを特徴とするパルス光検出装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかに記載のパル
   ス光検出装置において、 前記パルス光源は、エキシマレーザであることを特徴と
   するパルス光検出装置。
5. 【請求項５】 パルス光源から発生したパルス光の光学
   系を検査する装置であって、 請求項１から４のいずれかに記載のパルス光検出装置を
   備え、 前記光電変換手段は、前記光学系を介して前記パルス光
   が照射される面に受光面を配置していることを特徴とす
   る光学系検査装置。
6. 【請求項６】 マスク上のパターンを基板表面に投影光
   学系を介して投影し露光する露光装置であって、 前記マスクを照明するパルス光を発生するパルス光源
   と、 前記投影光学系の光学特性を検出する検出手段とを備
   え、 該検出手段は、請求項１から４のいずれかに記載のパル
   ス光検出装置を備え、 前記光電変換手段は、前記基板を載置する基板ステージ
   に受光面を配置していることを特徴とする露光装置。