JP2569563B2 - 投影露光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は投影露光装置に関するものであり、特に投影
光学系の光学特性に起因する露光パターン像の合焦位置
の変動を補正する機能をもつ合焦装置を備えた投影露光
装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来の露光装置に使用されている合焦装置としては、
例えば第７図に示すようなものがある。

第７図において、矢印FAで示す露光光は、コンデンサ
ーレンズ10によって集光され、レチクルホルダー12にセ
ットされたレチクルＲに入射するようになっている。こ
れによって、レチクルＲ上に形成されたパターンが、投
影レンズＴを介してステージ14上にセットされているウ
エハＷ上に投影されるようになっている。

前記ステージ14は、図示するX.Y,Z,θ（XY面内での傾
き）方向へ移動可能であり、その座標位置はステージ干
渉計16によって測定され、駆動装置18の作用によってス
テップ＆リピートによる投影露光が可能なようになって
いる。

次に、以上のような露光系の側方には、図のＺ方向に
対するウエハＷの移動を行って所定のフォーカス位置を
維持するための斜め入射型のオートフォーカス系が配置
されている。

この斜入射型オートフォーカス系について説明する
と、発光ダイオード20から出力された検出光は、コンデ
ンサレンズ22を透過して投影スリット24に入射し、更
に、ハービングガラス26、投影レンズ28を各々透過して
ウエハＷ上に入射結像するように構成されている。

そして、ウエハＷによる反射光は、受光レンズ30、振
動子32を介して受光スリット34に入射し、この上に反射
像が結像するようになっている。

更に、受光スリット34を透過した反射検出光は、ディ
テクタ36によって受光されるようになっている。その
際、振動子32によって像に振動が与えられるようになっ
ており、これを同期検波することによって一定のフォー
カス位置検出が行われるようになっている。なお、フォ
ーカス位置検出は、ステージ14をＺ方向に駆動すること
によって行われる。

以上の各部のうち、ハービングガラス26は、斜入射オ
ートフォーカス系のフォーカス位置に適当なオフセット
を加えるためのものである。

ところで、以上のような斜入射オートフォーカス系
は、投影レンズＴを介することなくフォーカス位置を検
出するものである。このため、レチクルＲ面とウエハＷ
面の合焦が投影レンズＴを介して行なわれているかどう
かを調べるために、レチクルＲとウエハＷとを同時に観
察できるTTR（Through the Reticle）フォーカス系が設
けられている。

次にこのTTRフォーカス系についてその構成を説明す
る。光源38から出力された露光波長と同じ波長の光は、
レンズ40、ハーフミラー42、レンズ44、ミラー46を通っ
てレチクルＲに入射し、更に投影レンズＴを介してウエ
ハＷ上を照射するように構成されている。

そして、レチクルＲ及びウエハＷからの反射光は、再
びミラー46に入射してここで偏向され、レンズ44、ハー
フミラー42、レンズ48を各々通過して撮像管50の撮像面
上に再結像するように構成されている。

以上のようなTTRフォーカス系によって、レチクルＲ
上のマークとウエハＷ上の（もしくはステージ14上の）
マークとが撮像管50上で同時に観察されるようになって
いる。

更に、上記撮像管50の撮像信号出力側は、テレビモニ
タ52に接続されており、ハービングガラス26の移動、振
動子32の振動、レンズ48の移動を行うフォーカス系駆動
装置54は、制御装置56に接続されている。この制御装置
56には、上述したステージ干渉計16、駆動装置18とが各
々接続されている。

次に、上記従来例の作用について説明する。まず、TT
Rフォーカス系によって、レチクルＲ上のマークと、ウ
エハＷ（又はステージ14）上のマークとが投影レンズＴ
を介して撮像管50により同時観察される。

このとき、仮にレチクルＲ上のマークが撮像管50の撮
像面とデフォーカスしている場合、すなわちデフォーカ
スしてモニタされた場合には、対物レンズ48を移動させ
て合焦状態とする。

すなわち、撮像管50でレチクルＲのマークを合焦状態
で観察できるようにする。

次に、かかる調整の後、ウエハＷ面と撮像面がデフォ
ーカスしている場合には、ステージ14をＺ方向に移動さ
せ、同様にフォーカス位置とする。

以上の調整によって、レチクルＲとウエハＷとが投影
レンズＴを介して共役の位置、すなわち合焦位置にセッ
トされたこととなる。

次に、かかる共役位置において、斜入射オートフォー
カス系のディテクタ36でフォーカス位置（合焦点）が検
出されるように、ハービングガラス26の回転位置調整が
行われる。

以上の調整の後、露光時にウエハＷの合焦位置のずれ
が生じたときは、これが斜入射オートフォーカス系のデ
ィテクタ36によって検出され、合焦状態となるようにス
テージ14のＺ方向の移動が制御装置56によって行われ
る。すなわち、露光時はTTRフォーカス系を使用するこ
とができないため、斜入射オートフォーカス系を使用し
て合焦制御を行う。

［発明が解決しようとする問題点］ 以上のように、従来の装置では、レチクルとウエハの
マークをTTRフォーカス系によって観察することによ
り、レチクルＲとウエハＷとの絶対的な合焦位置を検出
するようにしている。

ところで、かかるレチクルの合焦用のマークは、中央
部分が回路パターンに使用されるため、通常、レチクル
Ｒの周辺に設けられている。

従って、かかるマークを使用して求めた合焦位置は、
投影レンズＴの合焦面（イメージフィールド）の端部に
おける合焦位置となる。

第８図には、ウエハＷの表面の断面が示されており、
該表面WSに対して、投影レンズＴの合焦面TSは湾曲した
状態となっている。上述したマークによる合焦は、点P
1,P2の位置におけるものである。

以上のように、従来の装置では、レチクルＲ上の周辺
のマーク位置でのみ合焦を行うため、上述した投影レン
ズＴの像面湾曲を測定することができない。

このため、かかる像面湾曲を測定するために、別にパ
ターンのためし焼きを行なう必要があるという不都合が
ある。

また、実際に露光が行われると、投影レンズＴが露光
光の一部を吸収して温度が変化し、第９図の矢印FBで示
すように合焦面TSAがTSBに変化する。このようなフォー
カスずれないし像面湾曲変化が生ずると、露光時の結像
性能が劣化することとなるという不都合がある。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
投影光学系の像面湾曲ないし傾斜が温度変化に伴って変
化しても、それを高速で計測して補正し、合焦状態を良
好に維持することができる合焦装置を提供することをそ
の目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本願の第１発明は、露光すべきパターンが形成された
マスク（レチクルＲ又はテストレチクルTR）を露光光で
照射する照明手段（60,64,66）と、そのパターンの像を
所定の結像面内に結像投影する投影光学系（Ｔ）と、そ
のパターンの像が露光される感光基板（Ｗ）を載置する
とともに、投影光学系（Ｔ）の光軸方向と、その光軸方
向と垂直なXY平面内に沿った方向とに移動可能なステー
ジ（14）と、このステージ（14）の位置を制御するステ
ージ制御手段（16,18）と、投影光学系（Ｔ）の光軸方
向に関する感光基板（ウェハＷ）の位置を検出し、その
感光基板（Ｗ）を所定の合焦位置に制御する調整手段
（例えば、斜入射オートフォーカス検出系20〜36）と、
ステージ（14）上に設けられた基準板（FM）から生じる
光情報を投影光学系（Ｔ）を介して光電検出することに
よって結像面内における投影光学系（Ｔ）の光軸方向に
関する結像位置を検出する合焦位置検出手段（62,72,7
4）と、この合焦位置検出手段（62,72,74）によって得
られた結像位置に基づいて調整手段（斜入射オートフォ
ーカス検出系20〜36）によって制御される合焦位置を補
正する補正手段（斜入射オートフォーカス検出系のハー
ビングガラス26）とを有する投影露光装置に適用され
る。

そして本願第１発明においては、露光光の照射量に対
する結像面内の複数の位置（テストレチクルTR上のマー
クB,D,F,H,I）の各々における結像位置の変化量に関す
る情報（例えば第４図中の各特性）を入力する手段（例
えば、制御装置78）と、複数の位置（マークB,D,F,H,
I）中の任意位置における合焦位置検出手段（62,72,7
4）によって検出された結像位置と、上記の入力された
結像位置の変化量に関する情報（第４図の特性）とに基
づいて投影光学系（Ｔ）の結像面の状態を予測する合焦
面予測手段（制御装置78）と、予測された投影光学系の
結像面の状態に基づいて補正手段（ハービングガラス2
6）を制御する制御手段（フォーカス系駆動装置76）と
を設けることを特徴としている。

この場合、好ましくは基準板（FM）の表面にXY平面内
での位置と光軸方向に関する位置とを互いに異ならせた
複数の基準マーク（スリットS1,S2,S3,S4）が形成さ
れ、ステージ制御手段（16,18）は、投影光学系（Ｔ）
を介して複数の基準マーク（スリットS1,S2,S3,S4）が
合焦位置検出手段（62,72,74）により検出されるよう
に、XY平面内でのステージ（14）の位置を制御し、合焦
位置検出手段（62,72,74）は、複数の基準マーク（スリ
ットS1,S2,S3,S4）の各々からの光情報に基づいて結像
面内の所定位置における投影光学系（Ｔ）の光軸方向の
結像位置を演算する演算手段（制御装置78に内蔵）を有
している。

また、この場合の別の好ましい態様では、基準板（FM）
の表面は投影光学系（Ｔ）の光軸に対して所定の傾き
（θ）を有している。さらに別の好ましい態様では、基
準板（FM）の表面に、XY平面内での位置が互いに異な
り、かつテレセン性の異なる複数の光情報を得るための
複数の基準マーク（第６図（Ａ）中のスリットα、β）
が形成されており、ステージ（14）は投影光学系（Ｔ）
を介して複数の基準マーク（スリットα、β）が合焦位
置検出手段（62,72,74）により検出されるように、XY平
面内でのステージ（14）の位置を制御し、合焦位置検出
手段（62,72,74）は、複数の基準マーク（スリットα、
β）の各々からの光情報に基づいて結像面内の所定位置
における投影光学系（Ｔ）の光軸方向の結像位置を演算
する演算手段（制御装置78に内蔵）を有している。

また、本願の第２発明は、露光すべきパターンが形成
されたマスク（レチクルＲ又はテストレチクルTR）を露
光光で照射する照明手段（60,64,66）と、そのパターン
の像を所定の結像面（TS）内に結像投影する投影光学系
（Ｔ）と、パターンの像が露光される感光基板（ウェハ
Ｗ）を載置するとともに、投影光学系の光軸方向とその
光軸方向と垂直なXY平面内に沿った方向とに移動可能な
ステージ（14）と、このステージ上に設けられた基準板
（FM）から生じる光情報を投影光学系を介して光電検出
することによって結像面の光軸方向の位置を決定する合
焦位置検出手段（62,72,74）とを備えた投影露光装置に
適用される。

そして、本願第２発明においては、XY平面内での位置
と前記光軸方向に関する位置とを互いに異ならせて前記
基準板（FM）の表面に形成された複数の基準マーク（ス
リットS1〜S4）と、投影光学系を介して前記複数の基準
マーク（スリットS1〜S4）が合焦位置検出手段（62,72,
74）により検出されるようにXY平面内でのステージ（1
4）の位置を制御する制御手段（16,18）と、合焦位置検
出手段（62,72,74）に設けられ、複数の基準マーク（ス
リットS1〜S4）の各々からの光情報を光軸方向に関する
ステージ（14）の位置を変えることなく受光し、各光情
報に応じた複数の光電信号（第３図（Ｂ）中のスリット
S1〜S4の各々の波形に応じて生じる信号波形）を出力す
る光電検出器（72）と、複数の光電信号に基づいて前記
結像面の位置を演算によって決定する演算手段（波形処
理装置74と制御装置78）とを設けたことを特徴とする。

更に本願の第３発明は、露光光の照射によってマスク
（レチクルＲ又はテストレチクルTR）に形成されたパタ
ーンの像を所定の結像面内に投影する投影光学系（Ｔ）
と、マスクのパターン像が露光される感光基板（ウェハ
Ｗ）を載置するとともに、結像面に沿ったXY方向と結像
面と垂直なＺ方向とに移動可能なステージ（14）と、感
光基板のＺ方向の位置を検出する斜入射フォーカス検出
系（20〜36）とを備えた投影光学装置に適用される。

そして本願第３発明においては、マスク上の互いに異
なる複数の位置の各々に形成されたマーク（B,D,F,H,
I）が、投影光学系（Ｔ）の結像面内に投影され得る状
態で、ステージ（14）上に設けられた基準板（FM）の表
面が複数のマーク（B,D,F,H,I）の各々の合焦状態とな
るようなＺ方向の位置を、複数のマーク毎に検出する合
焦位置検出手段（62,72,74）と、露光光が継続的に投影
光学系（Ｔ）を通る間の所定の時間毎に合焦位置検出手
段（62,72,74）を作用させて、複数のマーク（B,D,F,H,
I）の各々が合焦状態として検出されるＺ方向の各位置
を逐次実測し、複数のマーク（B,D,F,H,I）の各々に対
応した投影光学系（Ｔ）の結像視野内の各部分毎に、Ｚ
方向の合焦位置の照射時間又は照射量に応じた変化特性
（例えば、第４図中の各特性）を予め記憶する計測手段
（制御装置78）と、斜入射フォーカス検出系（20〜36）
によって検出された感光基板（Ｗ）のＺ方向の位置に応
じてステージ（14）のＺ方向の位置を調整する際は、計
測手段（78）に記憶された結像視野内の各部分毎の合焦
位置変化特性（例えば、第４図中の各特性）に基づいて
調整位置を補正する補正手段（フォーカス系駆動装置7
6、ハービングガラス26）とを設けたことを特徴とす
る。

［作用］ この発明によれば、投影光学系の合焦面変化情報（例
えば露光光の照射に伴う像面変化特性）があらかじめ実
測され、投影光学系の結像面の周辺の所定位置における
合焦位置と関係付けられて、合焦面予測手段に格納され
る。

投影光学系の合焦面変化情報は、第１の例によれば、
前記投影光学系の光軸に対して所定の傾斜をもつ基準面
上に存在する複数のスリットを有する基準マークと、テ
ストレチクル上に存在する１ヶ所又は複数ヶ所のマーク
とを相対的に移動させたときの両マークを透過する光の
コントラスト比によって計測される。

第２の例によれば、投影光学系の合焦面変化情報は、
隣接して配置されるとともに、かつ、主光線が互いに平
行でない２つのスリット形状の発光部を有する基準マー
クと、、テストレチクル上に存在する複数のマークとを
相対的に移動させたときの両マークを透過する光によっ
て検出される前記スリット像の間隔によって計測され
る。

合焦位置検出手段では、投影光学系の結像面の周辺の
所定位置における合焦位置が測定される。この測定は、
例えばウエハ交換毎に行われる。

合焦面予測手段では、合焦位置検出手段によって検出
された合焦位置と、あらかじめ求められた投影光学系の
合焦面変化情報とによって、該投影光学系の結像面の状
態の予測が行われる。

この予測値は、制御手段に入力される。制御手段は、
該予測値に基いて、結像対象であるパターンが形成され
た物体の少なくとも一方の投影光学系に対する位置を制
御する調整手段の設定値に対する補正の程度を制御す
る。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を、添付図面を参照しながら
詳細に説明する。なお、上述した従来技術と同様の部分
には、同一の符号を用いることとする。

実施例の構成 第１図には、この発明の一実施例が示されている。こ
の図において、図示しない光源から出力された露光光
は、矢印FCの如くフライアイレンズ60に入射するように
なっている。

このフライアイレンズ60を透過した露光光は、ビーム
スプリッタ（ここでは反射率＜透過率）62に入射し、こ
れを透過したものは更にコンデンサレンズ64に入射する
ようになっている。

コンデンサレンズ64に入射した露光光は、これを透過
してダイクロイックミラー66に入射し、ここで偏向され
てテストレチクルTRを照明するようになっている。

これによって、テストレチクルTRに形成されたパター
ンが投影レンズＴを介してウエハＷ上に縮小投影される
こととなる。

第２図には、テストレチクルTRの一例が示されてい
る。このテストレチクルTRには、同図（Ａ）に示すよう
に、中央と、端部各辺中央とに、マークB,D,F,H,Iが各
々形成されている。これらのうち、周辺のマークB,D,F,
Hは、実レチクルに設けられるマークと同一の配置とな
っている。

各マークB,D,F,H,Iは、同図（Ｂ）に示すように、ク
ロムなどの材料で、適宜の透光性スリットを有するよう
なパターンとして形成されている。また、テストレチク
ルTRは各マークB,D,F,H,I以外にも適宜遮光性のパター
ンを設け、全体としての透過率がある値に調整されてい
ると都合がよい。

なお、スリットの方向は、各マークB,D,F,H,I間で任
意であり、いずれの方向でもよい。

尚、斜入射オートフォーカス系は、第７図に示した従
来技術と同様の構成となっている。

次に、TTRフォーカス系について説明する。上述した
ステージ14上には、ウエハＷがセットされている他、ウ
エハホルダー周辺の適宜位置に、基準マークFMが設けら
れている。この基準マークFMは、光ファイバ68によって
導かれた光源70の露光光と同一波長の光によって、ステ
ージ14の内側から照明されるようになっている。

第３図（Ａ）には、かかる基準マークFMの一例の断面
が示されている。この図に示すように、基準マークFM
は、複数の格子状のスリットとして形成されており、更
に投影レンズＴの光軸に対してほぼ垂直のステージ面ZS
に対してθの角度を有するように配置が設定されてい
る。

以上のような基準マークFMを透過した光は、投影レン
ズＴの作用によってテストレチクルTRに入射結像するよ
うになっている。

そして、テストレチクルTRを透過した光は、ダイクロ
イックミラー66により偏向され、コンデンサレンズ64を
透過後ビームスプリッター62で反射されるようになって
いる。反射された光は、投影レンズＴの瞳位置と共役な
位置に配置されているディテクタ72によって受光検出さ
れる構成となっている。

次に、信号処理系について説明する。上述したディテ
クタ72の検出出力側は、信号の増幅、波形整形、サンプ
リングなどを行う波形処理装置74に接続されている。

この波形処理装置74は、TTRフォーカス系、斜入射オ
ートフォーカス系の駆動を行うフォーカス系駆動装置76
とともに、制御装置78に接続されている。この制御装置
78には、上述したステージ干渉計16と、駆動装置18とが
各々接続されている。

合焦位置測定のためのデータ 次に、投影レンズＴの合焦位置変化を測定するために
予め求められるデータについて説明する。このデータ
は、制御装置78に格納される。

まず、第２図に示したテストレチクルTRがセットさ
れ、第４図に示す露光時の合焦位置の変化が、TTRフォ
ーカス系により求められる。

すなわち、まず、基準マークFMが光源70の光によって
照明される。基準マークFMを透過した光は、テストレチ
クルTRに入射することとなる。

この場合において、ステージ14を移動させると、基準
マークFMを透過した光がテストレチクルTR上を走査する
ことなる。例えばマークＢの走査が行われる場合には、
該マークＢのクロム面で光がさえぎられた時にディテク
タ72に入射する光の光量が減少し、該マークＢのスリッ
トを光が透過した時にはディテクタ72の受光量は増大す
る。

以上のようなディテクタ72の検出信号は、ステージ干
渉計16によるステージ14の移動に同期して、波形処理装
置74によりサンプリングされ、制御装置78に入力され
る。

以上の動作によって、テストレチクルTRのマークＢと
基準マークFMとの相対的な位置関係が求められることと
なる。テストレチクルTRの他のマークに対しても同様で
ある。

ところで、かかる場合において、上述したように、基
準マークFMは、第３図（Ａ）に示したように、ステージ
面に対してθの傾きを持っており、その形状は複数のス
リットが並ぶ格子状の構成となっている。そして、これ
らのスリットの像が、テストレチクルTR上に投影される
こととなる。

従って、基準マークFMのスリットの各像のうち、テス
トレチクルマーク位置と合焦状態（すなわち投影レンズ
Ｔに対して共役の位置）近くにあるスリットの像は、該
テストレチクル上に高いコントラストで逆投影される。

これに対し、合焦状態から離れるに従ってスリットの
像のコントラストは低くなる。

例えば、第３図（Ａ）の例において、ZFで示すＺ方向
位置がテストレチクルＲに対する合焦位置であるとする
と、スリットS1,S2は、かかる合焦状態近くにあるスリ
ットであり、スリットS3,S4は、合焦状態から離れたス
リットである。

従って、ステージ14の移動を行って、基準マークFMの
各スリットを透過した光により、テストレチクルTRのマ
ークを上述したように走査すると、第３図（Ｂ）に示す
ような波形がディテクタ72から出力されることとなる。
なお、同図の横軸は、ステージ干渉計16によって検出さ
れたステージ位置である。

ここで、基準マークFMの中心位置PFは、あらかじめ求
められている。

そして、かかる位置PFに対して、ディテクタ72の出力
の包絡線が最大となる頂点位置PDが求められる。

ここで、同図（Ａ）を参照すると、ステージ面ZSと合
焦面ZFとの差、すなわちデフォーカス量ΔＦは、位置P
F,PDの差ΔＬに対して、 ΔＦ＝ΔLtanθ ……（１） で表わされることとなる。

以上のような合焦位置計測を、テストレチクルTRの各
マークB,D,F,H,Iの各々について、露光光による投影レ
ンズＴの照射を行いつつ適当な時間ごとに行うと、第４
図に示すグラフが得られる。同図中、縦軸は投影レンズ
Ｔに関してレチクルＲと共役な像面位置の変化量（合焦
位置変化量）であり、横軸は露光光の照射量ないし照射
時間ｔである。

これらの各マークに対するグラフにおいて、仮に各曲
線がＢ（ｔ）,D（ｔ）,F（ｔ）,H（ｔ）,I（ｔ）という
関数で近似できる場合には、１つのマーク、例えばマー
クＢ（ｔ）に対して、 Ｄ（ｔ）＝aB（ｔ）＋ｂ ……（２） Ｆ（ｔ）＝cB（ｔ）＋ｄ ……（３） Ｈ（ｔ）＝eB（ｔ）＋ｆ ……（４） Ｉ（ｔ）＝gB（ｔ）＋ｈ ……（５） となるような係数ａ〜ｈを各々求めるようにして、グラ
フの数式化が行われる。

なお、以上のような数式で表わすことができないとき
は、他の近似式を用いてもよく、グラフそのものを用い
てもよい。

また、各曲線が関数で近似できない場合は、各計測点
をメモリに記憶し、１つのマーク、例えばＢ（ｔ）の計
測値から他の各マークの計測値を予測できる様にする。
しかし、マークＢによる予測が困難な場合には、レチク
ル周辺のマークの数点を用いてもかまわない。

また、計測値の変化率の大きい部分では、計測回数を
多くする様にする。

以上のようにして、露光光照射を行った場合の投影レ
ンズＴにおける像面湾曲、像面傾斜の状態が測定される
こととなり、その程度がマークＢにおける合焦位置変化
として表現されることとなる。

すなわち、マークＢにおける露光光照射時の合焦位置
変化を（１）式から求めれば、そのときの像面湾曲、像
面傾斜の程度を、（２）ないし（５）式から求めること
が可能となる。

以上のようにして求められたデータないし数式は、制
御装置78に格納される。

実施例の作用 次に、実レチクルＲに対する実際の投影露光時の合焦
動作について説明する。

まず、テストレチクルTRに代えて、実レチクルＲがレ
チクルホルダ12にセットされる。次に、フォーカス系駆
動装置76によってTTRフォーカス系が駆動される。

そして、テストレチクルTRのマークＢの位置に対応す
る実レチクルＲのマークと基準マークFMとが観察され
て、マークＢの合焦位置Ｂ（ｔ）が、ディタクタ72の出
力に基いて制御装置78により求められる。

次に、かかる計測値を利用して、（２）〜（５）式に
より投影レンズＴの像面湾曲、像面傾斜の状態が制御装
置78において求められる。

次に、かかる投影レンズＴにおける像面湾曲、像面傾
斜の状態から、例えば平均的な合焦面の位置が制御装置
78によって求められ、これがフォーカス系駆動装置76に
入力される。

次に、フォーカス系駆動装置76では、かかる入力に従
って斜入射オートフォーカス系のハービングガラス26に
必要なオフセットをかけるとともに、斜入射オートフォ
ーカス系の駆動を行う。

以上のようにして、合焦位置の補正を行った後、ウエ
ハＷに対する実レチクルＲのパターンの露光が行われ
る。かかる露光中は、斜入射オートフォーカス系によっ
て所定の合焦位置となるように制御が行われる。

次に、第一枚目のウエハＷの露光が終了して、第二枚
目のウエハＷに交換されたときには、再びTTRフォーカ
ス系の駆動が行われて、マークＢの位置における合焦位
置が（１）式から計測され、更に（２）〜（５）式を用
いて投影レンズＴの像面湾曲、像面傾斜の状態が求めら
れる。

そして、同様に斜入射オートフォーカス系のハービン
グガラス26に対して必要なオフセットが掛けられ、第二
枚目のウエハＷに対する露光が行われる。第三枚目以降
の動作についても同様である。

以上の様子をグラフに示すと、第５図（Ａ）に示すよ
うになる。なお、縦軸は露光開始前の合焦位置を基準と
する合焦位置であり、横軸は露光光の照射時間ないし照
射量である。

この図において、露光光の入射に伴う投影レンズＴの
最適合焦位置は、グラフGAで示されている。また、上述
した制御に伴う合焦位置は、グラフGBで示されている。
なお、グラフGA上の黒点は、ウエハＷの交換を行った時
点を示す。

これらのグラフに示すように、この実施例によれば、
ウエハ交換毎に合焦位置の補正が行われることとなり、
最適合焦位置に良好に追従した合焦位置による投影露光
が行われることとなる。

更に、以上の例では、一枚のウエハに対する露光中に
おける斜入射オートフォーカス系のハービングガラス26
のオフセット量は一定である。

しかし、一枚のウエハに対する露光中における合焦位
置変化が大きいときは、当該露光時間中における合焦位
置の経時変化を第４図のデータないし（２）〜（５）式
から求め、これに基いて斜入射オートフォーカス系のハ
ービングガラス26のオフセット量を時間変化させるよう
に制御すると、同図（Ｂ）のグラフGCのように、一層追
従生のよい制御を行うことが可能となる。第４図（Ｂ）
において変化特性G₁は、一枚のウエハをステップアンド
リピード露光していく場合に、例えばシャター開孔時
間、焦点位置変化特性の関数上の時定数等で決まる一定
の傾き（時間に対してリニア）に定められる。特性G₂は
絶対的なフォーカス位置を計測し、それに修正する場合
の動作時点を表わす。尚、投影レンズＴに対して特開昭
60-78454号公報に開示されているように、照射エネルギ
ーによる倍率の変動を圧力制御により補正する場合、照
射エネルギーによる変動履歴が時々刻々作られているた
め、その履歴情報と第４図の特性とを対応付けて制御す
るようにしてもよい。また、特開昭60-78454号公報に開
示された方式によって、照射エネルギーの投影レンズ内
への熱蓄積（及び発散）量が特定される場合、１枚のウ
エハを露光し終ったときに生じる焦点位置の変化量はお
およそ予測がつくため、TTRフォーカス系によって実測
した値が予測した値より大きくずれていた場合にエラー
と判定することもできる。いずれにしろ、TTRフォーカ
ス系による実測値の信頼性を上げることができる。

他の実施例 次に、この発明の他の実施例について説明する。

第６図（Ａ）には、上記実施例と異なる基準マークの
例が示されている。同図において、基準マークFNは、隣
接して互いに平行なスリットα，βが設けられた構成と
なっており、図の下方、すなわステージ14の内側から異
なったテレセン性をもつような光、すなわち主光線の傾
きが異る光が照射されるようになっている。

すなわち、光源70（第１図参照）から出力された光
が、ミラーＭによって、入射角θ1,θ２でスリットα，
βに入射するように構成されている。

これらのスリットα，βを図示のように透過した光
は、投影レンズＴを介して、第２図に示したテストレチ
クルTRのマークB,D,F,H,I上に入射し、スリットα，β
の結像が行われる。

かかる場合において、ステージ14の移動を行って、ス
リットα，βの透過光によるマークB,D,F,H,Iのスキャ
ンを行うと、同図（Ｂ）に示すような波形の信号がディ
テクタ72から出力されることとなる。

この信号において、もしマークB,D,F,H,Iと基準マー
クFNとがデフォーカス状態にあると、両ピークが互いに
反対方向にシフトする。

ここで、両スリットα，βの実際の間隔をｌ、デフォ
ーカスによる像シフトを含んだマーク間隔ないしピーク
間隔をＬとすると、テストレチクルTRとウエハＷとが離
れる方向の場合のデフォーカス量ΔＦに対して、 Ｌ＝ｌ＋ΔＦ（tanθ_１＋tanθ_２） となり、従ってデフォーカス量ΔＦは、 となる。

ただし、これはデフォーカスに対して像シフトがリニ
アな場合で、そうでない場合には、あらかじめフォーカ
ス位置と間隔Ｌの関係を示す同図（Ｃ）に示すようなグ
ラフを求めておき、これに沿ってデフォーカス量ΔＦを
求めるようにすればよい。

なお、上記例では、スリット照明光のテレセン性を互
いに変える手段としてミラーを用いたが、プリズムや、
偏光素子を使用するようにしてもよい。

実施例の効果 以上のように、上記実施例によれば、ウエハ交換毎に
少なくとも１点の合焦位置を計測することによって複数
の点の合焦位置を予測し、その時の像面湾曲、像面傾斜
等から最適な合焦位置を求めてその補正することとした
ので、投影レンズの露光光吸収に基く発熱による合焦面
変化による合焦位置ずれを良好に低減することが可能と
なり、結像性能の向上を図ることができ、常に結像性能
の高い、すなわち焦点深度の深い露光装置を提供するこ
とが可能となるとともに、高い開口数（NA）をもった投
影レンズを使用する時にも十分に対応可能となる。

また、ウエハ交換時のロス時間もほとんどなく、合焦
位置検出用のテストレチクルを用いて各点での温度変化
による合焦位置変化を計測する場合も、１回のステージ
スキャンで合焦位置決定を行うことができるので高速で
処理できるという利点がある。

従って、従来のようなためし焼きを行なう必要もな
く、投影レンズの長期ドリフト等の確認も可能となる。

更に、テストレチクル上におけるマークの位置を変更
することによって、テストレチクル全面における合焦計
測が可能なので、受光系が移動するような複雑な構成を
とる必要もなく、装置構成が簡略となる。

なお、この発明は何ら上記実施例に限定されるもので
はなく、例えば上記実施例では、ステージ側ないしウエ
ハ側に配置した基準マーク側から照明光を出力して、レ
チクル側のディテクタで受光する構成にしたが、反対に
レチクル側から照明光を出力して、基準マーク側に配置
したディテクタで受光しても、同様の結果が期待でき
る。

また、上記実施例では、ウエハ交換毎に合焦位置の補
正を行っているが、これに限らず必要な時間間隔で行っ
てよい。

更に、上記実施例では、斜入射オートフォーカス系に
必要なオフセットをかけるようにしたが、その他、例え
ばウエハのレベルング測定装置などにオフセットを加え
るようにしてもよい。

また、上記実施例は、この発明を半導体製造用の露光
装置に適用した例であるが、その他の投影装置にもこの
発明は適用可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、投影光学系
の結像面の湾曲、傾斜等による合焦位置が温度変化にと
もなって変化しても、それを計測してその補正を行うこ
ととしたので、投影光学系の合焦状態を良好に維持する
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図はテス
トレチクルの例を示す説明図、第３図は基準マークに入
射した光の作用を示す説明図、第４図は投影レンズの温
度変化による結像面の変化を示すグラフ、第５図は実施
例の作用を示すグラフ、第６図は基準マークの他の例と
作用を示す説明図、第７図は従来の例を示す構成図、第
８図は投影レンズの結像面の湾曲の例を示す説明図、第
９図は結像面の温度変化に伴う変化の例を示す説明図で
ある。 ［主要部分の符号の説明］ 70……光源、72……ディテクタ、76……フォーカス系駆
動装置、78……制御装置、FM……基準マーク、S1,S2,S
3,S4,α，β……スリット、TR……テストレチクル、

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】露光すべきパターンが形成されたマスクを
   露光光で照射する照明手段と、該パターンの像を所定の
   結像面内に結像投影する投影光学系と、該パターンの像
   が露光される感光基板を載置するとともに、前記投影光
   学系の光軸方向と該光軸方向と垂直なXY平面内に沿った
   方向とに移動可能なステージと、前記ステージの位置を
   制御するステージ制御手段と、前記投影光学系の光軸方
   向に関する前記感光基板の位置を検出し、前記感光基板
   を所定の合焦位置に制御する調整手段と、前記ステージ
   上に設けられた基準板から生じる光情報を前記投影光学
   系を介して光電検出することによって前記結像面内にお
   ける前記投影光学系の光軸方向に関する結像位置を検出
   する合焦位置検出手段と、前記合焦位置検出手段によっ
   て得られた前記結像位置に基づいて前記調整手段によっ
   て制御される前記合焦位置を補正する補正手段とを有す
   る投影露光装置において、 前記露光光の照射量に対する前記結像面内の複数の位置
   の各々における前記結像位置の変化量に関する情報を入
   力する手段と、 前記複数の位置中の任意位置における前記合焦位置検出
   手段によって検出された前記結像位置と前記結像位置の
   変化量に関する情報とに基づいて、前記投影光学系の結
   像面の状態を予測する合焦面予測手段と、 該予測された投影光学系の結像面の状態に基づいて前記
   補正手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とす
   る投影露光装置。
2. 【請求項２】前記基準板の表面には、前記XY平面内での
   位置と前記光軸方向に関する位置とを互いに異ならせた
   複数の基準マークが形成され、前記ステージ制御手段
   は、前記投影光学系を介して前記複数の基準マークが前
   記合焦位置検出手段により検出されるように、前記XY平
   面内での前記ステージの位置を制御し、前記合焦位置検
   出手段は、前記複数の基準マークの各々からの光情報に
   基づいて前記結像面内の所定位置における前記投影光学
   系の光軸方向の結像位置を演算する演算手段を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の投影露光
   装置。
3. 【請求項３】前記基準板の表面は前記投影光学系の光軸
   に対して所定の傾きを有することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の投影露光装置。
4. 【請求項４】前記基準板の表面には、前記XY平面内での
   位置が互いに異なり、かつテレセン性の異なる複数の光
   情報を得るための複数の基準マークが形成され、前記ス
   テージ手段は、前記投影光学系を介して前記複数の基準
   マークが前記合焦位置検出手段により検出されるよう
   に、前記XY平面内での前記ステージの位置を制御し、前
   記合焦位置検出手段は、前記複数の基準マークの各々か
   らの光情報に基づいて前記結像面内の所定位置における
   前記投影光学系の光軸方向の結像位置を演算する演算手
   段を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の投影露光装置。
5. 【請求項５】露光すべきパターンが形成されたマスクを
   露光光で照射する照明手段と、該パターンの像を所定の
   結像面内に結像投影する投影光学系と、該パターンの像
   が露光される感光基板を載置するとともに、前記投影光
   学系の光軸方向と該光軸方向と垂直なXY平面内に沿った
   方向とに移動可能なステージと、前記ステージ上に設け
   られた基準板から生じる光情報を前記投影光学系を介し
   て光電検出することによって、前記結像面の光軸方向の
   位置を決定する合焦位置検出手段とを備えた投影露光装
   置において、 前記XY平面内での位置と前記光軸方向に関する位置とを
   互いに異ならせて前記基準板の表面に形成された複数の
   基準マークと、 前記投影光学系を介して前記複数の基準マークが前記合
   焦位置検出手段により検出されるように、前記XY平面内
   での前記ステージの位置を制御する制御手段と、 前記合焦位置検出手段に設けられ、前記複数の基準マー
   クの各々からの光情報を前記光軸方向に関する前記ステ
   ージの位置を変えることなく受光し、各光情報に応じた
   複数の光電信号を出力する光電検出器と、 前記複数の光電信号に基づいて前記結像面の位置を演算
   によって決定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。
6. 【請求項６】露光光の照射によってマスクに形成された
   パターンの像を所定の結像面内に投影する投影光学系
   と、前記マスクのパターン像が露光される感光基板を載
   置するとともに、前記結像面に沿ったXY方向と前記結像
   面と垂直なＺ方向とに移動可能なステージと、前記感光
   基板のＺ方向の位置を検出する斜入射フォーカス検出系
   とを備えた投影光学装置において、 マスク上の互いに異なる複数の位置の各々に形成された
   マークが、前記投影光学系の結像面内に投影され得る状
   態で、前記ステージ上に設けられた基準板の表面が前記
   複数のマークの各々の合焦状態となるようなＺ方向の位
   置を、前記複数のマーク毎に検出する合焦位置検出手段
   と； 前記露光光が継続的に前記投影光学系を通る間の所定の
   時間毎に前記合焦位置検出手段を作用させて、前記複数
   のマークの各々が合焦状態として検出されるＺ方向の各
   位置を逐次実測し、前記複数のマークの各々に対応した
   前記投影光学系の結像視野内の各部分毎に、Ｚ方向の合
   焦位置の照射時間又は照射量に応じた変化特性を予め記
   憶する計測手段と； 前記斜入射フォーカス検出系によって検出された前記感
   光基板のＺ方向の位置に応じて前記ステージのＺ方向の
   位置を調整する際は、前記計測手段に記憶された前記結
   像視野内の各部分毎の合焦位置変化特性に基づいて調整
   位置を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする投
   影露光装置。
7. 【請求項７】前記合焦位置検出手段は、前記感光基板の
   複数舞を順次露光する際に、前記複数のマークのうちの
   特定のマークに対応した前記結像視野内の特定部分で生
   じる合焦位置を前記感光基板の交換の際に実測し、前記
   計測手段は、前記合焦位置検出手段で検出された前記特
   定部分での合焦位置と前記記憶された前記結像視野内の
   各部分毎の合焦位置変化特性とに基づいて、前記投影光
   学系の結像面の状態を決定する演算手段を含むことを特
   徴とする特許請求の範囲第６項に記載の投影光学装置。
8. 【請求項８】前記補正手段は、前記演算手段によって決
   定された前記結像面の状態に基づいて前記ステージのＺ
   方向の調整位置が補正されるように、前記斜入射フォー
   カス検出系の検出結果をオフセットさせることを特徴と
   する特許請求の範囲第７項に記載の投影露光装置。