JP2771136B2

JP2771136B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JP2771136B2
Application number: JP7265420A
Authority: JP
Inventors: 真人村木; 章義鈴木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2015-10-13
Also published as: JPH08124849A

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
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
する際の自動ピント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】

【従来技術】近年、半導体素子、ＬＩＳ素子、超ＬＳＩ
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、ウエハの曲りの矯正については、サブミク
ロンのオーダー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ピント位置（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
ピント位置を計算し、補正を行っていた。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】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
たは温度変化量、大気圧変化量に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ピント位置検出
が不可能であるという欠点があった。

【０００９】本発明の目的は、投影光学系のピント位置
（像面位置）を高精度に検出して、投影光学系の像面と
ウエハ面とを正確に一致させることが可能な投影露光装
置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為の
本願発明の投影露光装置のある形態は回路パターンが形
成されたマスクを露光光で照明する露光用照明光学系
と、前記回路パターンをウエハ上に投影露光する投影光
学系とを有する投影露光装置であって、前記投影光学系
の画面領域内に位置する合焦用パターンを前記露光光と
同一の波長で照明する検出用照明光学系と、前記合焦用
パターンからの光を前記投影光学系を介して反射面に入
射させ、該反射面からの反射光を前記投影光学系と前記
パターンとを介して受光する受光手段と、受光した光量
に基づいて前記投影光学系の像面位置を検出する像面位
置検出手段とを備え、前記検出用照明光学系で規定され
る有効光源の光強度分布が前記投影光学系の光軸上の光
強度に比べ前記光軸外の方が大きいことを特徴としてい
る。

【００１１】前記有効光源の光強度分布がリング状であ
ることを特徴としている。

【００１２】本願発明の投影露光装置の他のある形態
は、回路パターンが形成されたマスクを露光光で照明す
る露光用照明光学系と、前記回路パターンをウエハ上に
投影露光する投影光学系とを有する投影露光装置であっ
て、前記投影光学系の画面領域内に位置する合焦用パタ
ーンを前記露光光と同一の波長で照明する検出用照明光
学系と、前記合焦用パターンからの光を前記投影光学系
を介して反射面に入射させ、該反射面からの反射光を前
記投影光学系と前記パターンとを介して受光する受光手
段と、受光した光量に基づいて前記投影光学系の像面位
置を検出する像面位置検出手段とを備え、前記検出用照
明光学系で規定される有効光源の光強度分布が前記投影
光学系の光軸に対し偏心していることを特徴としてい
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例に係る
自動焦点制御装置を有する縮小投影露光装置の構成を示
す概念図である。

【００１４】同図において、１はレチクル（フォトマス
ク）であり、レチクルステージ２に保持されている。レ
チクル１上の回路パターンが縮小投影レンズ３によっ
て、ＸＹＺステージ４上のウエハ５上に１／５に縮小さ
れて結像し、露光が行われる。図１では、ウエハ５に隣
接する位置に、ウエハ５の上面とそのミラー面の高さが
ほぼ一致している基準平面ミラー６が配置されている。
又、基準平面ミラー６のミラー面はＣｒやＡｌ等の金属
膜で形成されている。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６を用いる理由は前述
した通りである。

【００１５】又、ＸＹＺステージ４は縮小投影レンズ３
の光軸方向（Ｚ方向）及びこの方向に直交する面内（ｘ
−ｙ面）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。

【００１６】ウエハ回路パターンを転写する時、レチク
ル１は照明光学系７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る。

【００１７】図１の符番８及び９は、オフアクシスの面
位置検出光学系を構成する要素を示している。８は投光
光学系であり、複数個の光束を投光する。投光光学系８
より投光される各光束は非露光光から成り、ウエハ５上
のフォトレジストを感光させない光である。そして、こ
の複数の光束は、基準平面ミラー６上（あるいはウエハ
５の上面）に各々集光されて反射される。

【００１８】基準平面ミラー６で反射された光束は、検
出光学系９内に入射する。図示は略したが、検出光学系
９内には各反射光束に対応させて複数個の位置検出用の
受光素子が配置されており、各位置検出用受光素子の受
光面と基準平面ミラー６上での各光束の反射点が結像光
学系によりほぼ共役となる様に構成されている。基準平
面ミラー６の、縮小投影レンズ３の光軸方向の位置ズレ
は、検出光学系９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。

【００１９】この検出光学系９により計測された基準平
面ミラー６の所定の基準面よりの位置ズレは、位置検出
用受光素子からの出力信号に基づいて面位置検出装置１
０により面位置として算出され、これに対応する信号が
信号線を介してオートフォーカス制御系１１に入力され
る。

【００２０】オートフォーカス制御系１１は、基準平面
ミラー６が固設されたＸＹＺステージ４を駆動するため
のステージ駆動装置１２に信号線を介して指令信号を与
える。又、ＴＴＬで投影レンズ３のフォーカス位置を検
知する時には、オートフォーカス制御系１１によりステ
ージ駆動装置１２に指令を与え、基準平面ミラー６が所
定の基準位置の近傍で投影レンズ３の光軸方向（Ｚ方
向）に上下に変位する様にＸＹＺステージを駆動する。
また、本実施例では、露光の際のウエハ５のｘ−ｙ面内
における位置制御もオートフォーカス制御系１１とステ
ージ駆動装置１２により行われる。

【００２１】次に本発明である処の、縮小投影レンズ３
のフォーカス位置検出光学系について説明する。

【００２２】図２、図３において１はレチクル、３１は
レチクル１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、３２はパターン部３１に挟まれた透光部
である。このパターン部３１と透光部３２により合焦用
マーク３０を構成している。ここで、縮小投影レンズ３
のフォーカス位置（像面位置）の検出を行う時には、前
述したようにＸＹＺステージ４が縮小投影レンズ３の光
軸方向に移動する。基準平面ミラー６は、縮小投影レン
ズ３の真下に位置付けられており、レチクル１のパター
ン部３１と透光部３２は後述するオートフォーカス用照
明光学系により照明されている。

【００２３】始めに、基準平面ミラー６が縮小投影レン
ズ８のピント面にある場合について図２を用いて説明す
る。レチクル１上の透過部３２を通った光は、縮小投影
レンズ３を介して、基準平面ミラー６上に集光し反射さ
れる。反射された光は、往路と同一の光路をたどり、縮
小投影レンズ３を介しレチクル１に集光し、レチクル１
上のパターン部３１間の透光部３２を通過する。この
時、光は、レチクル１上のパターン部３１にケラレるこ
となく、全部の光束がパターン部３１の透過部を通過す
る。

【００２４】次に、基準平面ミラー６が縮小投影レンズ
３のピント面よりズレた位置にある場合について図３を
用いて説明する。レチクル１上のパターン部３１の透過
部を通った光は、縮小投影レンズ３を介し、基準平面ミ
ラー６上に達するが、基準平面ミラー６は、縮小投影レ
ンズ３のピント面にないので、光は、広がった光束とし
て基準平面ミラー６で反射される。即ち、反射された光
は往路と異なる光路をたどり、縮小投影レンズ３を通
り、レチクル上に集光することなく、基準平面ミラー６
の縮小投影レンズ３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１上に達する。こ
の時、光束はレチクル１上のパターン部３１によって一
部の光がケラレを生じ全部の光束が透光部３２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。

【００２５】次に、図１に戻り、フォーカス位置検出光
学系の照明系と受光系について説明する。まず、照明系
は露光用の照明系７から導光用ファイバー１３によっ
て、露光光と波長が同一の光を取り出す。ファイバー１
３の端部から発せられる光は、チョッパー（シャッタ
ー）１４により間欠的に（パルス光として）リレーレン
ズ１５に入射される。そして、絞り１６を通り変更ビー
ムスプリッター１７でＳ偏光成分の光だけ、反射して、
λ／４板１８、対物レンズ１９、切り換えミラー２０を
通り、レチクル上の合焦用マーク３０の近傍を照明す
る。絞り１６は本照明系の瞳であって照明系の有効光源
を決定する。又、絞り１６の位置は、投影レンズ３の瞳
と共役な位置に設定される。

【００２６】次に受光系について説明する。図２、図３
で述べたように、レチクル１を介して戻ってくる基準平
面ミラー６からの反射光は、切り換えミラー２０及び対
物レンズ１９を通りλ／４板１８に入射する。この反射
光はλ／４板１８を通過することによりＰ偏光光となり
偏光ビームスプリッター１７を透過する。そして、リレ
ーレンズ２１を通過し、投影レンズ３の瞳と共役な位置
に設けた受光素子２２に入射し、受光素子２２で光量が
検出される。ここで変更ビームスプリッターとλ／４板
は光利用効率を高める働きをしている。

【００２７】この時、基準平面ミラー６からの反射光以
外に、レチクル１からの信号でない直接反射光受光素子
２２に入射すると、レチクル１からの反射光がフレア光
となって信号のＳ／Ｎ比を低下させる恐れがある。本実
施例の投影レンズ３がウエハー側でのみテレセントリッ
クでレチクル側で、テレセントリックではない場合、レ
チクル１への照明光の入射角は垂直でないので、レチク
ル直接反射光は逆戻りせず、受光素子２２には入射され
ない。また、投影レンズ３がレチクルとウエハー側双方
でテレントリックである場合は、λ／４板１８を現在図
示している位置ではなく、レチクル１とＸＹＺステージ
４の間例えば投影レンズ３内に挿入すれば、レチクル１
で直接反射した光を偏光ビームスプリッター１７によっ
て遮光して受光素子２２に入射しないようにし、投影レ
ンズ３を介して基準平面ミラー６からの反射光のみを受
光素子２２に導き、信号のＳ／Ｎ比を向上させる事がで
きる。

【００２８】又、図１における符番２４，２５はフォー
カス位置検出光学系の光量モニターを構成する要素を示
しており、２４は集光レンズ、２５は受光素子である。

【００２９】先に述べた様に導光用ファイバー１３から
射出した光の内のＳ偏光成分は偏光ビームスプリッター
１７で反射されて合焦用マーク３０を照明するが、残り
のＰ偏光成分は偏光ビームスプリッター１７を透過す
る。そして、この透過した光が、集光レンズ２４で受光
素子２５上に集光される。そして、受光素子２５は、そ
の受光した光の強度に応じた信号を信号線を介して基準
光量検出系２６へ入力する。

【００３０】従って、ファイバー１３からの光がランダ
ムな偏光特性をもつものと仮定すれば、受光素子２５か
らの信号はファイバー１３からの光の光量変動に比例し
て変化する。

【００３１】以下に、受光素子２２からの信号出力を用
いて、縮小投影レンズ３のフォーカス位置（像面位置）
を検出する方法について説明する。

【００３２】ステージ駆動装置１２により、基準平面ミ
ラー６を載置したＸＹＺステージ４を縮小投影レンズ３
の光軸方向に、オフアクシスの面位置検出装置９で予め
設定している零点を中心に駆動させるものとする。この
時、面位置検出装置１０で基準平面ミラー６の複数箇所
の光軸方向に関する位置がモニターされる。この複数箇
所の中で、フォーカス位置検出系により合焦用マーク３
０の像が投影される位置の近傍の計測値をｚとして基準
平面ミラー６の位置を代表させる。基準平面ミラー６で
反射された光を受光素子２２で受光した時に、焦点面検
出系２３から得られる信号出力とこのｚの関係を、図４
に示す。

【００３３】本実施例では露光用の照明系７の水銀ラン
プなどの光源のゆらぎ（光量変動）の影響を除くため
に、焦点面検出系２３の信号を、前述した基準光量検出
系２６からの信号で規格化する。又、受光素子２２のシ
ョットノイズの影響を軽減する為にファイバー１３から
の光を、特定の周期でチョッパー１４により遮光して合
焦用マーク３０を間欠的に照明すると共に、焦点面検出
系２３でその周期と同期して信号を得るようにしてい
る。この動作を行うために、チョッパー１４は不図示の
信号線でオートフォーカス制御系１１と連絡してあり、
オートフォーカス制御系１１でチョッパー１４と焦点面
検出系２３の同期制御を行っている。これは、オートフ
ォーカス制御系１１のタイミング回路から、特定周波数
の駆動クロックをチョッパー１４の駆動装置（不図示）
と焦点面検出系２３へ入力することにより実行される。

【００３４】さて、基準平面ミラー６が縮小投影レンズ
３のピント面（像面）に位置した場合に、焦点面検出系
２３の出力はピーク値を示す。この時の面位置検出系計
測値ｚ₀ をもってして、縮小投影レンズ３を用いて、ウ
エハ５に露光を行う際の投影光学系のフォーカス位置と
する。

【００３５】この様にして決まった投影レンズ３のフォ
ーカス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１１や駆動系１２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。

【００３６】このピント位置ｚ₀ の検出は、焦点面検出
系２３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２２０を設定し、このスライスレベル２２０
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

【００３７】

【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。

【００３８】レチクル１上に形成する合焦用マーク３０
は、透過部３２の線巾が細い程基準平面ミラー６の光軸
方向の変化に対する受光素子２２からの出力信号の変化
が大きくなり、像面位置の検出感度が良くなる。従っ
て、本実施例では、合焦用マーク３０の線巾ｌを

【００３９】

【外２】となるように選び、像面位置の検出感度を上げている。
ここで、λは合焦用マークを照明する光の波長、ＮＡは
投影レンズの開口数、βは投影レンズの倍率を示してい
る。

【００４０】我々が検討した結果、像面位置検出を良好
に行うためにの合焦用マークの線巾ｌは

【００４１】

【外３】を満たすことが条件となる。又、更に高精度の像面位置
検出を行うためには、

【００４２】

【外４】を満たすように線巾ｌを決定すると良い。

【００４３】合焦用マーク３０の線巾を小さくしていく
と、受光素子への入射光の強度が減少して信号のＳ／Ｎ
比が劣化する傾向にあるが、この傾向を軽減するため
に、本実施例では、図５（Ａ），（Ｂ）に示す如き合焦
用マークを使用している。図５（Ａ），（Ｂ）に示すよ
うに、本合焦用マークは線巾ｌのスリットを多数個並べ
て構成してあり、これにより受光素子への入射光の強度
を上げることができる。

【００４４】本実施例では、像面位置検出の感度を上げ
るために、レチクル１上の合焦用マーク３０を照明する
照明系にも工夫を施している。図６（Ａ）は本実施例で
用いた絞り１６の形状を示す平面図である。絞り１６
は、レチクル１を照明する時の有効光源の形状を決定す
るものであり、図６（Ａ）において斜線で示す領域が遮
光部で空白の領域が光透過部を示している。

【００４５】図６（Ａ）に示す様に、本実施例の絞り１
６は光透過部即ち有効光源が光軸（照明系の光軸）に対
して偏心しており、このため、基準平面ミラー６の光軸
方向（投影レンズの光軸方向）の変化により、合焦用マ
ークの像がボケると共に光軸と直交する面内で位置ズレ
をもおこすので、受光素子からの出力信号の変化が大き
くなり、像面位置の検出感度を良くすることができる。

【００４６】又、図６（Ｂ），（Ｃ）は本投影露光装置
に使用し得る絞りの他の形態を示す平面図であり、図６
（Ｂ）では光透過部をリング状に形成しているため、図
６（Ａ）の時に比べて受光素子への入射光強度を上げる
ことができ、又、検出精度と検出感度も向上できる。

【００４７】一方、図６（Ｃ）は光透過部が光軸に対し
て偏心していない絞りの例を示しており、合焦用マーク
照明時の有効光源を露光時の有効光源とほぼ同一とした
ものである。この様な絞りは、実際の露光における投影
レンズのデフォーカス特性を再現できるため、厳密に像
面検出系により検出した像面と露光時の像面とを一致さ
せることができる。

【００４８】以上説明した投影レンズ３の像面位置検出
を行った後ウエハ５を露光するまでの過程を図７のフロ
ーチャートに示す。図７では、ウエハ１枚毎に、縮小投
影レンズ３の像面位置検出を行うフローチャートを示し
ているが、各ショット毎、数枚のウエハ毎又はロット毎
に像面位置検出を行っても差しつかえないことは、言う
までもない。

【００４９】従って、実際のパターン転写に用いるレチ
クルと投影レンズを通った光を検出光として用いて、投
影レンズのフォーカス位置を直接に計測すると共に、パ
ターンが転写されるウエハの位置検出をオフアクシスの
面位置検出系を用いて別途計測し、両者の対応をつける
事によって、常に、この投影レンズのピント面にパター
ンが転写されるべきウエハを位置させることが可能であ
る。

【００５０】それ故、従来、投影露光光学系の周囲の温
度変化、大気圧変化、又は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
昇によるピント位置の経時変化に原理的に影響されるこ
とがないという長所がある。

【００５１】又、本発明によるピント位置の計測は露光
を行っていくサイクルの任意の時間に挿入可能なので、
計算時と露光時の時間的な差も最小にする事ができると
いう利点も持っている。

【００５２】上記実施例では、フォーカス位置検出光学
系と合焦用マークの位置が固定されており、合焦用マー
クを、いつもレチクルの所定の位置に設定できればフォ
ーカス位置検出光学系による検出位置は固定で良い。し
かしながら合焦用マークの存在が露光可能範囲を制限し
てしまう場合もある。その為、専用の合焦用マークを用
いる場合、該マークは焼きつける回路パターンの大きさ
に応じて自由な位置に設定できる事が望ましい。従っ
て、合焦用マークのレチクル上の位置の変化に応じて、
少なくとも対物レンズ１９及びミラー２０を含む検知ユ
ニットはレチクルに対する位置を変更可能に構成してお
くと良い。

【００５３】図８は投影レンズ３が形成する実際の像面
と理想像面との差を示すグラフ図である。投影レンズ３
はレチクル１の回路パターンを正確にウエハ５上に投影
するために、厳しく収差補正がなされているが、完全に
像面湾曲を補正することができない。投影レンズ３の合
焦深度が深い時や、要求される解像線巾が大きい場合は
ある程度の像面湾曲は無視し得るが、解像力を上げるた
めに投影レンズ３のＮＡを大きくしたり或いは画角を大
きくした時には、像面湾曲の存在は無視できなくなる。

【００５４】従って、ウエハを投影レンズ３の像面位置
に位置付ける場合には、投影レンズ３の像面湾曲データ
を考慮してやる必要がある。

【００５５】例えば、前述の実施例では、合焦用マーク
３０が投影レンズ３の軸外に設けられ、フォーカス位置
検出光学系は投影レンズ３の軸外のある一点（Ａ）の像
面位置しか検出していない。この場合、図８に破線で示
すように実際の像面が湾曲していると、像面内の他の箇
所の真の像面位置は検出していないことになる。

【００５６】従って、予め検査して用意しておいた投影
レンズの像面湾曲データに基づいて、計測により得られ
た特定点の像面位置から他の箇所の像面位置を求めてい
ると良い。又、この像面湾曲データは図１のオートフォ
ーカス制御系１１内のメモリに格納しておけば良い。

【００５７】図１の投影露光装置では、オフアクシス面
位置検出装置１０でウエハ５の（被露光領域又はショッ
ト）の複数箇所の面位置を検出している。そして、この
複数箇所の面位置に関するデータにもとづいてウエハ５
の光軸方向の位置と傾きを補正するのである。この時、
ＸＹＺステージ４を駆動してやることにより調整したウ
エハ５の面位置Ｚとこの複数箇所に対応する投影レンズ
３の真の像面位置Ｚ_0i（ｉ＝１，２，３…，ｍ）との関
係が、

【００５８】

【外５】となるようにすれば、ウエハ５の表面と投影レンズ３の
最良像面位置に位置付けることができる。

【００５９】これは、投影レンズ３の最良像面位置を、
像面湾曲データと焦点面検出系２３で得られた像面位置
とにもとづいて決定し、この最良像面位置を目標にして
ウエハの面位置調整を行っていることになる。ここでは
像面の各像点の実際の位置から、最小自乗法により最良
像面（基準像面）を決定している。

【００６０】図９はフォーカス位置検出光学系の他の実
施例を示す概略図であり、図示されていない部分は図１
と同じ構成を有するものとする。

【００６１】本実施例では、ＴＴＬのフォーカス位置検
出光学系を独立な系として投影露光装置に組み込むもの
ではなく、レチクルとウエハの位置合わせのためのアラ
イメントマーク検出光学系と光学系を共用させ装置をコ
ンパクトにしている。特に、図９に符番４５，４６で示
す切り換えミラーは、フォーカス位置検出時とアライメ
ントマーク検出系時とで光路に挿入されたり光路から退
避できるように、構成されている。図１の装置と本実施
例の装置の相違点は、絞り１６と偏光ビームスプリッタ
ー１７の間に光路中に出し入れ自在な切り換えミラー４
５を挿入して、露光用の照明系７から導光用ファイバー
１３で露光光を導き、リレーレンズ４１とハーフミラー
４５を介して、ＴＴＬのフォーカス位置検出光学系の照
明系と結合させ、レチクル１のアライメントマークを照
明している点である。又、図示はしていないが、視野制
限スリットでアライメントのみを照明している。この時
レチクル１上のアライメントマークを照明した光は、投
影レンズ３を介して、ウエハ上のアライメントマークも
照明する。すると、レチクルアライメントマーク及びウ
エハアライメントマークからの光が、切り換えミラー２
０と対物レンズ１９を介してλ／４板１８に入射し、そ
の後偏光ビームスプリッター１７とリレーレンズ２１経
て、図１の系とは異なり出し入れ自在の切り換えミラー
４６によって反射され、リレーレンズ４２を介してＣＣ
Ｄ４３に結像される。そして、ＣＣＤ４３上に形成した
ウエハアライメントマーク像とレチクルアライメントマ
ーク像のズレをアライメント検出系４４によって検知す
ることにより、レチクルとウエハの位置合わせを行う。
又、切り換えミラー４５，４６を図示してある光路から
退避させることにより、前述したフォーカス位置の検出
を行うことができる。

【００６２】更に、ＴＴＬフォーカス位置検出光学系と
アライメントマーク検出光学系で光学系の視野を分割し
て使用すれば、受光素子を共用しても構わないし、又、
レチクルアライメントマークを合焦用マークとして使用
することもできる。

【００６３】前述の実施例では、オフアクシスの面位置
検出光学系は、基準平面ミラーとウエハ面の複数箇所の
光軸方向の位置を検知しているが、各面の特定の一点の
位置とその傾きを検知する様にしても構わないし、面の
傾きが小さいか或いはＴＴＬのフォーカス位置検出光学
系による検出位置と同一位置を検出する場合には面の一
点の位置を検知するだけでもよい。すなわち、ＴＴＬの
フォーカス位置検出光学系の検出位置近傍の光軸方向の
ミラー面の位置がオフアクシスの面位置検出光学系で計
測できれば良いのである。従って、両検出光学系による
計測は同時に行っても良いし、順次行っても良い。図１
０に、オフアクシスの面位置検出光学系が、基準平面ミ
ラーの一点の位置しか検知しない場合の、像面位置検出
に関するフローチャートを示す。

【００６４】

【発明の効果】以上、本発明では、ＴＴＬオートフォー
カス系により投影光学系のピント位置（即ち像面位置）
を検出し、これを基準としてウエハ面を像面位置に位置
付ける為、経時変化する投影光学系のピント位置を精度
良く検出し、高精度の焦点合わせが可能になる。これに
より高解像のパターンをウエハ上に形成出来、より集積
度の高い回路を作成できるというすぐれた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る自動焦点制御装置を有
する投影露光装置を示す構成図。

【図２】基準平面ミラーと縮小投影レンズの像面が一致
している場合及び像面からずれている場合の基準平面ミ
ラーからの反射光の様子を示す説明図。

【図３】基準平面ミラーと縮小投影レンズの像面が一致
している場合及び像面からずれている場合の基準平面ミ
ラーからの反射光の様子を示す説明図。

【図４】面位置検出装置による計測値に対する焦点面検
出系の出力信号の関係を示す図。

【図５】合焦用マークの形状の一例を示す平面図。

【図６】照明系の絞りの形状例を示す平面図。

【図７】焦点面検出から露光に至るまでのシーケンスの
一例を示すフローチャート図。

【図８】投影レンズの理想像面と実際の湾曲した像面と
の関係を示すグラフ図。

【図９】フォーカス位置検出光学系の他の実施例を示す
概略図。

【図１０】焦点面検出の他のシーケンスを示すフローチ
ャート図。

【符号の説明】

１レチクル２レチクルステージ３縮小投影レンズ４ＸＹＺステージ５ウエハ６基準平面ミラー７露光用照明系８役光光学系９検出光学系１０面位置検出装置１１オートフォーカス制御系１２ステージ駆動装置１３ファイバー１４チョッパー１５リレーレンズ１６絞り１７偏光ビームスプリッター１８ λ／４板１９対物レンズ２０ミラー２１リレーレンズ２２受光素子２３焦点面検出系２４リレーレンズ２５受光素子２６基準光量検出系

フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−132426（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−119231（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−58349（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−55430（ＪＰ，Ａ) 特開平１−212436（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンが形成されたマスクを露光
光で照明する露光用照明光学系と、前記回路パターンを
ウエハ上に投影露光する投影光学系とを有する投影露光
装置において、前記投影光学系の画面領域内に位置する合焦用パターン
を前記露光光と同一の波長で照明する検出用照明光学系
と、前記合焦用パターンからの光を前記投影光学系を介
して反射面に入射させ、該反射面からの反射光を前記投
影光学系と前記パターンとを介して受光する受光手段
と、受光した光量に基づいて前記投影光学系の像面位置
を検出する像面位置検出手段とを備え、前記検出用照明
光学系で規定される有効光源の光強度分布が前記投影光
学系の光軸上の光強度に比べ前記光軸外の方が大きいこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記有光源の光強度分布がリング状であ
ることを特徴とする請求項１の投影露光装置。
【請求項３】回路パターンが形成されたマスクを露光
光で照明する露光用照明光学系と、前記回路パターンを
ウエハ上に投影露光する投影光学系とを有する投影露光
装置において、前記投影光学系の画面領域内に位置する合焦用パターン
を前記露光光と同一の波長で照明する検出用照明光学系
と、前記合焦用パターンからの光を前記投影光学系を介
して反射面に入射させ、該反射面からの反射光を前記投
影光学系と前記パターンとを介して受光する受光手段
と、受光した光量に基づいて前記投影光学系の像面位置
を検出する像面位置検出手段とを備え、前記検出用照明
光学系で規定される有効光源の光強度分布が前記投影光
学系の光軸に対し偏心していることを特徴とする投影露
光装置。