JP3211246B2 - 投影露光装置及び素子製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体素子製造用の投影露光装置及び素子製
造方法に関し、特にレチクル面上に形成されている電子
回路パターンを投影光学系によりウエハ面上に縮小投影
する際の該投影光学系の有効画面内における像面位置
（以下「ピント位置」とも言う。）即ち像面湾曲を測定
する像面湾曲測定機構を有した、所謂ステッパーと称さ
れる投影露光装置及び素子製造方法に関するものであ
る。

（従来の技術） 近年、半導体素子製造用の投影露光装置には電子回路
パターンの微細化、例えばサブミクロンからハーフミク
ロン程度の微細化及び高集積化の要求に伴い投影光学系
に対しては従来以上に高い解像力を有したものが要求さ
れている。この為例えば投影光学系においては高N.A化
そして露光波長に対しては短波長化が図られている。

一般に投影光学系の高解像力化を図ろうとすると焦点
深度が浅くなってくる。この為多くの投影露光装置では
投影光学系の合焦精度の向上を図ると共に投影光学系の
像面湾曲の平坦性をよくすることにより高解像力化に対
応している。特に投影光学系の像面湾曲の平坦性は画面
全体の高解像力化を図る為の投影露光装置に対する各種
の課題のうちで最も重要なものとなっている。この為投
影露光装置には投影光学系の像面湾曲を高精度に測定す
ることができる機構を有することが要望されている。

従来の像面湾曲の測定方法としては、例えばレチクル
面上の１ショット内の少なくとも５か所に縦パターンと
横パターンの少なくとも２種類以上のランドアンドスペ
ース状の測定パターンを設け、該測定パターンを投影光
学系によりウエハ面上に、該ウエサの光軸方向の位置を
種々に変えながら投影露光し、その後ウエハを現像す
る。そして現像後の該ウエハ面上に形成された測定パタ
ーン像の解像性能を光学顕微鏡又は電子顕微鏡等を用い
て読み取り有効画面内の各点での最良像面位置をウエハ
の光軸方向の位置を変数として検出し、像面湾曲を求め
ていた。

（発明が解決しようとする問題点） 前述したように従来、像面湾曲を測定するにはウエハ
の露光、現像そして測定といった一連の作業を経て行う
必要があった。この為多くの時間がかかるという問題点
があった。

又、測定結果の信頼性を向上させる為には多数回の測
定を行う必要があり、更に多くの測定時間を要する等の
問題点があった。

この他、従来の測定方法は測定結果に例えばウエハの
平面度の影響が入ってくる為に測定誤差が多くなり、又
半導体素子製造の為の各種のプロセスにおける変動によ
って測定誤差が多く発生してくるという問題点があっ
た。

本発明は従来のような露光、現像そして測定といった
一連の手順を用いずに投影光学系の有効画面内の複数の
位置での像面位置をウエハの平面度の影響がなく、又半
導体素子製造の為の各種のプロセスの影響も受けずに高
精度に測定することができる像面湾曲測定機構を有した
半導体素子製造用に好適な投影露光装置及び素子製造方
法の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の投影露光装置は、 （１−１）被露光基板を保持する可動ステージと、照明
系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上に
投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、 前記レクチルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数
の測定用パターンのうちの任意の測定用パターンを露光
波長と同じ波長の光で照明することで、前記任意の測定
用パターンからの光を前記投影光学系を介して前記可動
ステージの反射面に入射させ、該反射面で反射した光を
前記投影光学系を介して前記レチクルに入射させる照明
手段と、 前記投影光学系と前記レチクルを通過した前記反射面
で反射した光を受光素子上に入射させる検出光学系と を有し、 前記受光素子の出力に基づいて、前記投影光学系の有
効画面内の前記任意の測定用パターンに対応する位置に
おける前記投影光学系の像面位置を検出することを特徴
としている。

（１−２）被露光基板を保持する可動ステージと、照明
系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上に
投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、 前記レチクルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数
の測定用パターンを露光波長と同じ波長の光で順次照明
することで、各測定用パターン毎に、前記測定用パター
ンからの光を前記投影光学系を介して前記可動ステージ
の反射面に入射させ、該反射面で反射した光を前記投影
光学系を介して前記レチクルに入射させる照明手段と、 前記投影光学系と前記レチクルを通過した前記反射面
で反射した光を受光素子上に入射させる検出光学系と を有し、 前記各測定用パターンに関する前記受光素子の出力に
基づいて、前記投影光学系の有効画面内の各測定用パタ
ーンに対応する位置での前記投影光学系の像面位置を検
出することを特徴としている。

（１−３）被露光基板を保持する可動ステージと、照明
系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上に
投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、 前記レチクルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数
の測定用パターンのうちの任意の測定用パターンを露光
波長と同じ波長の光で照明することで、前記任意の測定
用パターンからの光を前記投影光学系を介して前記可動
ステージの検出手段に入射させる照明手段と、 前記検出手段の受光素子の出力に基づいて、前記投影
光学系の有効画面内の前記任意の測定用パターン位置に
対応する位置での前記投影光学系の像面位置を検出する
ことを特徴としている。

（１−４）被露光基板を保持する可動ステージと、照明
系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上に
投影する投影光学系とを有する投影露光装置において、 前記レチクルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数
の測定用パターンを露光波長と同じ波長の光で順次照明
することで、各測定用パターン毎に、前記任意の測定用
パターンからの光を前記投影光学系を介して前記可動ス
テージの検出手段に入射させる照明手段と、 前記各測定用パターンに関する前記各検出手段の受光
素子の出力に基づいて、前記投影光学系の有効画面内の
前記各測定用パターンに対応する位置での前記投影光学
系の像面位置を検出することを特徴としている。

この他構成（１−１）〜（１−４）のいずれか１項に
おいて、 （１−５）前記照明系と前記照明手段とは前記レチクル
上の照明領域を変え得る照明領域可変機構を備える光学
系を兼用しており、該照明領域可変機構を用いて前記複
数の測定用パターンのそれぞれの位置を照明することを
特徴としている。

（１−６）前記照明手段は対物レンズと折り曲げミラー
を含む光学系を有し、該対物レンズと折り曲げミラーと
は前記レチクルのパターン面に沿って前記複数の測定用
パターンのそれぞれの位置まで移動可能であることを特
徴としている。

この他構成（１−１）又は（１−２）において、 （１−７）前記照明手段と検出光学系は対物レンズと折
り曲げミラーを含む光学系を兼用しており、該対物レン
ズと折り曲げミラーとは前記レチクルのパターン面に沿
って前記複数の測定用パターンのそれぞれの位置まで移
動可能であることを特徴としている。

（１−８）前記反射面又は前記検出手段の前記投影光学
系の光軸方向の位置を測定する測定手段を有し、該測定
手段と前記可動ステージを用いて前記反射面または前記
検出手段を前記投影光学系の光軸方向の複数位置に設定
し、該複数位置での前記受光素子の出力の大きさやコン
トラストに基づいて前記像面位置を検出することを特徴
としている。

この他構成（１−２）又は（１−４）において、 （１−９）前記投影光学系の有効画面内の複数位置での
前記投影光学系の像面位置から前記投影光学系の像面湾
曲を検出することを特徴としている。

この他構成（１−９）において、 （１−10）前記複数の測定用パターンはそれぞれ、サジ
タル方向のピント位置検出用のラインアンドスペースパ
ターンとメリジオナル方向のピント位置検出用のライン
アンドスペースパターンと有することを特徴としてい
る。

本発明の素子製造方法は、 （２−１）構成（１−１）〜（１−10）のいずれか１項
の投影露光装置を用いて、レチクルの回路パターンでウ
エハを露光し、その後、該ウエハを現像処理する工程を
有することを特徴としている。

（実施例） 第１図は本発明の第１実施例の要部概略図である。

同図において７は第１物体としてのレチクルでその面
上には電子回路パターンが形成されており、レチクルス
テージ70に保持されている。８は投影光学系であり、レ
チクル７面上のパターンをXYZステージ10上に載置した
第２物体としてのウエハ９面上に縮小投影（投影倍率1/
5）している。

又、本発明の投影露光装置は、投影光学系の非点収差
を検出する手段を有していることを特徴としている。

又、本発明の投影露光装置は、投影光学系の像面湾曲
を検出する手段を有していることを特徴としている。

本実施例では、このように投影露光装置を用いてレク
チル面上のパターンを投影光学系でウエハ面上に投影露
光し、その後ウエハを現像処理工程を介して半導体素子
を製造している。

17は基準平面ミラーであり、ウエハ９の隣接するXYZ
ステージ10面上に設けられており、その反射面はウエハ
10の上面と略一致している。反射面はCrやAl等の金属膜
より形成されている。XYZステージ10は投影光学系８の
光軸方向（Ｚ方向）及びこの方向に直交する面内に移動
可能となっており、更に光軸のまわりに回転可能となっ
ている。101は照明系であり、レチクル７面上の回路パ
ターンの転写が行なわれる画面領域内を照明している。

次に照明系101の各要素について説明する。１は露光
用の光源で、水銀ランプより成り、その発光部1aは楕円
ミラー２の第１焦点近傍に位置している。光源１から放
射した光束は楕円ミラー２で反射し、第２焦点近傍に集
光している。３はオプティカルインテグレータであり、
その光入射面3aは楕円ミラー２の第２焦点近傍に配置さ
れ、その光出射面3bは２次光源面を形成している。55は
フィルターであり、露光波長の光束を選択的に通過させ
オプティカルインテグレータ３の光入射面3aに入射させ
ている。56はシャッタであり、露光量を制御する為のも
のである。

２次光源面3bより出射した光束はハーフミラー15、コ
ンデンサーレンズ４を通過し、マーク選択手段を構成す
る照明領域可変機構14の存在する面を照射している。照
明領域可変機構14は複数枚、例えば４枚の互いに相向い
合う２組の遮光板を有し、この４枚の遮光板が各々独立
に光軸と直交する面内に駆動制御可能となっており、こ
れにより開口径及び開口位置が可変の絞りを構成してい
る。該照明領域可変機構14は絞り開口径と絞り開口位置
を制御してこの面を照明している光束のうち任意の大き
さの領域のみを通過させるようにして絞り開口面と共役
位置に配置されているレチクル７面上の照明位置及び照
明領域を制御している。

即ち、第１図に示すようにこの照明領域可変機構14の
絞り開口部を通った露光光は結像レンズ5aを通った後、
ミラー６によって光軸が90゜折り曲げられる方向に反射
されフィールドレンズ5bを通った後、レチクル７面上に
入射する。このとき結像レンズ5a、フィールドレンズ5b
を介して照明領域可変機構14の存在する面（絞り開口
面）とレチクル７の回路パターンが形成されている面と
は光学的に略共役になるように配置されている。

本実施例では照明領域可変機構14により絞り開口の大
きさと位置を制御し、レチクル７の回路パターンの露光
範囲を決定している。

又、本実施例においては照明領域可変機構14は投影光
学系８の像面湾曲を測定するために有効画面内の各測定
点に対応するレチクル７上の任意の点の回りの限られた
範囲のみを照明するように４枚の遮光板を駆動させてい
る。

15はビームスプリッターであり、２次光源面5bからの
露光光のうち90〜95％程度を透過させる性能を持ってい
る。ビームスプリッター15で反射されたオプチィカルイ
ンテグレータ３の２次光源面5bからの露光光は露光波長
のみを透過し光電検出に余分な光が入射するのをカット
するフィルター51を介して光源１の発光量のゆらぎ等を
モニターする光検出器50に入射している。

同図において11,12は公知のオフアクシスのオートフ
ォーカス検出系を形成している投光光学系と検出光学系
である。投光光学系11より発っせられた非露光光である
光束は投影光学系８の光軸と交わる基準平面ミラー17の
反射面上の点（あるいはウエハ９の上面）に集光し反射
される。この基準平面ミラー17の反射面で反射された光
束は検出光学系12に入射する。

検出光学系12内には位置検出用受光素子（不図示）が
配されており、該位置検出用受光素子と基準平面ミラー
17の反射面上の光束の反射点は共役となる様配置されて
いる。基準平面ミラー17の投影光学系８の光軸方向の位
置ズレは検出光学系12内の位置検出様受光素子上での入
射光束の位置ズレとして計測される。

この検出光学系12により計測された基準平面ミラー17
の反射面の所定の基準面よりの光軸方向の位置ズレはオ
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XYZステー
ジ10を駆動する処の駆動系20に指令を与える。

又、後述するようにTTLで投影光学系８のフォーカス
位置を検知する時、オートフォーカス制御系19は基準平
面ミラー17を所定の基準位置の近傍で投影光学系８の光
軸方向（Ｚ方向）に上下駆動を行う。また、露光の際の
ウエハ９の位置制御（第１図の基準平面ミラー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。

次に本実施例における投影光学系８の像面湾曲を測定
するための結像位置（ピント位置）の検出方法について
説明する。

第２図，第３図において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っている。22はパターン部21
に挟まれた透光部（透過部）である。ここで、投影光学
系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は投影光学系８の光軸方向に移動する。基準
平面ミラー17は投影光学系８の光軸上に位置しており、
レチクル７は照明系101により照明されている。

第２図は基準平面ミラー17の反射面が投影光学系８の
ピント面にある場合を示している。同図においてレチク
ル７上の透過部22を通った露光光は投影光学系８を介し
て基準平面ミラー17の反射面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投影光学系
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間の透過部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22を通過する。

第３図は基準平面ミラー17の反射面が投影光学系８の
ピント面よりズレた位置にある場合を示している。

同図においてレチクル７上のパターン部の透過部22を
通った露光光は投影光学系８を介し基準平面ミラー17の
反射面上に達するが、基準平面ミラー17の反射面は投影
光学系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の反射面で反射される。

即ち、反射された露光光は往路と異なる光路をたどり
投影光学系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の反射面の投影光学系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残りの光束
が透過部22を通過する。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７を通しての透過光量に差が生
じる。

次に第２図，第３図において説明した基準平面ミラー
17の反射面で反射された露光光の光束がレチクル７又は
透過部22を透過した後の光路を第１図を用いて説明す
る。

レクチル７を透過した露光光はフィールドレンズ5Bを
通りミラー６で90゜折り曲げられて反射されて結像レン
ズ5aによって照明領域可変機構14の絞り開口部に集光さ
れる。そして絞り開口部を通過した光束はコンデンサー
レンズ４を通過しビームスプリッター15によって入射光
束のうち５〜10％程度の一部の光束が反射されて受光手
段としての受光素子16に入射する。

本実施例ではこのときの投影光学系８の有効画面内の
複数点における結像位置（ピント位置）をXYZステージ1
0を駆動させると共に照明領域可変機構14により、絞り
開口部の位置を調整し、前述した方法で順次測定する。
これにより像面湾曲を求めている。即ち照明領域可変機
構14により測定点に対応する位置に開口絞りを移動させ
る。このとき照明領域可変機構14の絞り開口部はレチク
ル７面と共役であるため基準平面ミラー17の反射面で反
射された光束はレチクル７の透過部22を通り必ず照明領
域可変機構14の絞り開口部を通過する。

受光素子16はオプティカルインテグレータ３の射出面
3bと光学的に等しい位置に配置されているためピント位
置の測定点によらず照明照明領域可変機構14の絞り開口
部を通過した光束は必ず受光素子16上に入射される。従
って本実施例では測定点によって受光素子16を移動させ
る必要もなく又複数の受光素子を設ける必要もない。

次にこの受光素子16からの信号出力を用いて投影光学
系８の像面湾曲を測定する方法を説明する。

まず照明領域可変機構14の絞り開口径と絞り開口位置
を調整してピント位置を測定する複数点のうち第１の点
（第１の点近傍）のみを照明する。駆動系20により基準
平面ミラー17の載ったXYZステージ10を投影光学系８の
光軸方向に、オフアクシスのオートフォーカス検出系で
予め設定される計測の零点を中心に駆動させる。この
時、各位置でのオートフォーカス検出系の検出光学系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の反射
面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
れる出力の関係は第４図に示す様になる。この時、焦点
面検出系18の信号は光源１のゆらぎからの測定誤差の影
響を除く為、例えば焦点面検出系18の信号を基準光量検
出系52からの信号で規格化している。

基準平面ミラー17の反射面が投影光学系８の有効画面
内の像面湾曲の第１の測定点のベストピント位置にきた
場合に焦点面検出系18から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Z₁をもってして投影光学
系８の第１の測定点のピント位置（像面位置）とする。

このピント位置Z₁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。例えばより検出精度の敏感度を上げるた
めに、第４図に示すよう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Z_1A,Z_1Bを知
ることにより、ピント位置をZ₁＝（Z_1A＋Z_1B）/2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
る等の手法も適用可能である。

オフアクシスのオートフォーカス検出系の測定範囲は
通常投影光学系８の軸上近くである、従って像面湾曲の
測定点が軸上でない場合には受光素子16で測定する像面
湾曲の測定点とオフアクシスのオートフォーカス検出系
の測定点が一致しない。この場合には基準平面ミラー17
の反射面の平面度をあらかじめ測定しておいてオフアク
シスのオートフォーカス検出系の測定点と像面湾曲の測
定点の投影光学系８の光軸方向における位置誤差を求め
る。この位置誤差を像面湾曲を測定する点に対応する基
準平面ミラー17の反射面上で求めこの位置補佐を補正値
として記憶しておく。このときピント位置の計測値を
Z₁、補正値をΔZ₁とすると真のピント位置はZ₁＋ΔZ₁と
して決定することができる。

又、現在の投影露光装置では透光光学系11と検出光学
系12によって投影光学系８の有効画面内の複数点の位置
を計測しウエハー９の傾きを検出するチルト検出系（不
図示）も開発されている。従ってこれを用いれば基準平
面ミラー17の反射面の光軸に垂直な平面に対する傾き量
を検出できるので、この傾き量によってより精度良く補
正値ΔZ₁を求めることができるため、より精度の高い像
面湾曲の測定ができる。

このようにして第１の測定点でのピント位置の測定が
終了した後、第２の測定点のピント位置を計測するため
照明領域可変機構14の遮光板を駆動させ第２の測定点の
みを照明する。この後第１の測定点で行った同じ方向に
よって第２の測定点のピント位置Z₂を決定する。

以下、順次第３の測定点からｎ番目の測定点のピント
位置を計測しそれぞれのピント位置をZ₃〜Z_nとして投影
光学系８の像面湾曲を検出している。通常像面の平坦性
を現わす有効画面内の像面幅というものはピント位置Z₁
〜Z_nの中で最大値と最少値をそれぞれZ_maxとZ_minとする
と像面幅はΔＺ＝Z_max−Z_minと決定される。

第５図は像面湾曲を測定するために用いるレチクル７
面上の説明図である。同図では通常の回路パターンの入
ったレチクル７に測定点に測定パターン21を入れている
が像面湾曲の測定用の専用のレチクルを使用しても良
い。

第５図は投影光学系８の焼付範囲内（有効画面内）に
全体として等間隔に９点の測定点に測定パターン21a〜2
1iを配置している。このように焼付範囲内の全体に等間
隔で測定パターンを配置することが精度上望ましい。

第６図はレチクル７面上に配置された１つの測定パタ
ーンの平面図である。同図では縦線のラインアンドスペ
ースパターン22aと横線のラインアンドスペースパター
ン22bを近接して配置して構成している。投影光学系８
をはじめレンズ一般として縦線と横線、即ちサジタル方
向とメリディオナル方向のピント位置は非点収差等の影
響により必ずしも一致しない。

従ってピント位置を測定する場合、縦線パターンと横
線パターンの両方について計測する必要性が生じる。又
縦線パターンと横線パターンの間隔は照明領域可変機構
14によって十分照明範囲が分離できる距離にはなす必要
があるが、この縦と横のパターン（22aと22b）の間隔は
一般に第５図の測定点の間隔に比べて充分小さい距離で
ある。又ラインアンドスペースパターン22a,22bの線幅
は投影光学系の限界解像力から実用解像力程度の線幅が
望ましい。

本実施例ではこのような測定パターン21を用いて投影
光学系８の非点収差を測定し、ウエハ面を最適な位置
（高さ）に設定している。

第７図は本発明の第２実施例の要部概略図である。本
実施例では第１図の第１実施例に比べて照明領域可変機
構14をレチクル７面近傍に配置し、それに伴って結像レ
ンズ5aを削除して構成した点が異なり、その他の構成は
第１実施例と同じである。

即ち、第７図において露光用の光源である水銀ランプ
１から楕円ミラー２、オプティカルインテグレータ３、
フィルター55、ハーフミラー15そしてコンデンサーレン
ズ4aに至る構成は第１図の第１実施例と同じである。オ
プティカルインテグレータ３の２次光源面3bから射出し
た光束はフィルター55とコンデンサーレンズ4aを通過し
ミラー６によって90゜光軸が折り曲げられるように反射
されコンデンサーレンズ4bを通過しレチクル７に入射す
る。照明領域可変機構14は第１実施例と同様の構成をし
ておりレチクル７の極近傍に配置されている。そして複
数の遮光板を光軸と垂直方向に駆動させてレチクル７面
上の照明位置と照明範囲を自由に変えている。

レチクル７を透過し基準平面ミラー17の反射面で反射
された光束は第１図で説明したと同様な経路で受光素子
16に入射する。本実施例においても第１実施例と同様に
受光素子16は２次光源面と光学的に等しい位置にあるた
め、像面湾曲の測定点によらず各測定点からの光束は必
ず受光素子16に全光束が入射する。

尚、本実施例においてミラー６を露光光に対する透過
率が５〜10％であるようなハーフミラーにして構成しレ
チクル７を透過し基準平面ミラー17の反射面によって反
射され、再びレチクル７の測定パターンの透過部22を通
過した光束の一部を該ハーフミラーで５〜10％の割合で
透過させて不図示の付加光学系を用いて２次光源面と共
役となる面を形成しここに受光素子16を配置するように
構成しても前述と同様の効果が得られる。

第８図は本発明の第３実施例の要部概略図である。

本実施例は第１図の第１実施例に比べて像面湾曲測定
機構81の一部を構成する照明光学系（27,28）と受光手
段（26,16）を光源１、楕円ミラー２、フィルター55、
オプティカルインテグレータ３等を有する露光用の照明
系（不図示）とは別に構成し、又照明領域可変機構を一
部の光学部材を可動にして構成した点が異っており、そ
の他の構成は同じである。

本実施例において光源（不図示）から発せられた像面
位置検出用の照明光は導光用のファイバー27によって導
かれその出射面2bから出射する。この照明光の波長は露
光光の波長で略同一である。ファイバー27の出射面27b
より発した光はレンズ28によってほぼ平行光束に集光さ
れ偏向ビームスプリッター25でＳ偏光成分の光だけ反射
して入/4板29、対物レンズ24そして折り曲げミラー23を
通りレチクル７面上に設けた測定パターン（不図示）近
傍を照明する。

レチクル７の測定パターンの透過部を通過した光束は
投影光学系８を介して基準平面ミラー17の反射面で反射
し再び投影光学系８とレチクル７の測定パターンの透過
部を通過する。この光束は折り曲げミラー23によって90
゜折り曲げられ対物レンズ24によってほぼ平行光にされ
入/4板29を通過することによってＰ偏光の光束に変換さ
れ、偏光ビームスプリッター25を通過しコンデンサーレ
ンズ26により受光素子16面上に集光される。これにより
入射光量が検出される。

尚、入/4板29は同図に示す位置に限定する必要はなく
投影光学計８の光路中に配置することも可能である。有
効画面内の各点の像面位置（ピント位置）の検出方法は
第１図の第１実施例と同じである。

又、導光用のファイバー27の出射面27bから射出した
光束の内Ｐ偏光の光は偏光ビームスプリッター25を透過
し受光素子50に入射する。この受光素子50によって光源
から出射する光量変動をモニターしている。第１の測定
点のピント位置の計測が行なわれた後、レチクル７面上
のピント位置検出用の測定パターンの配置してある第２
〜第ｎ番目の測定点におけるピント位置を計測するため
に移動機構（不図示）によって同図に示してある矢印83
方向にマーク選択手段の一部を構成するミラー23と対物
レンズ24とから成る光学ユニット82又は紙面と垂直な方
向に同図に示す像面位置検出手段81全体を移動させてい
る。そしてレチクル７面上の測定パターンの配置してい
る各点でピント位置を測定し、これらの測定結果を用い
て投影光学系８の像面湾曲を求めている。

本実施例では対物レンズ24と集光レンズ26の間の光束
が平行になるように配置してあるため、対物レンズ24と
集光レンズ26の間隔が変化しても受光素子16に光束を集
光することができる為光学ユニット82のみを同図の矢印
83方向に移動させている。又紙面と垂直な方向に移動さ
せる場合には像面位置検出手段81全体を移動させてい
る。

尚、本実施例では像面位置検出手段81をレチクル面上
方に１つ設けた場合を示したが、像面位置検出手段81を
例えば装置の左右に各々設けても良く、又任意の位置に
３つ以上設けても良く、これによれば像面湾曲測定の際
の移動部材の移動範囲を少なくすることができる。

第９図は本発明の第４実施例の一部分の要部概略図で
ある。

本実施例では像面位置検出手段を独立に設けずにレチ
クルとウエハの位置を合せ（アライメント）の為のアラ
イメントマーク検出手段の一部の要素と共用させて構成
し、装置全体の小型化を図っている。

本実施例の像面位置検出手段は第８図に示す像面位置
検出手段81と同様の構成より成っている。同図では像面
位置検出手段を構成する各要素のうち第８図で示す要素
と同一要素には同符番を付している。

レチクルとウエハとのアライメントは例えばレチクル
面上とウエハ面上に各々設けたアライメントマークをア
ライメントマーク検出手段で検出することにより合致状
態を検出している。

第９図において34,35は切り換えミラーであり、ピン
ト位置検出時とアライメントマーク検出時とで光路中に
挿入されたり退避できるように構成されている。31はフ
ァイバーであり、アライメントマーク照明用の光源より
導びかれた光を出射面31bより発する。この光束はレン
ズ30を通り切り換えミラー34によって折り曲げられハー
フミラー35、対物レンズ24そしてミラー23を通りレチク
ル７上のアライメントマーク（不図示）を照明する。こ
の照明光は投影光学系８を介しウエハ上のアライメント
マーク（不図示）も同時に照明する。

レチクル及びウエハー面上のアライメントマークから
の光がミラー23、対物レンズ24を介してハーフミラー25
を通過し切り換えミラー35によってレンズ32を通りCCD3
3上に結像される。このCCD33上に結像したアライメント
マーク像の位置をアライメント検出系で検知することに
よりレチクルとウエハとの位置合わせを行っている。

一方、像面位置検出時には切換えミラー34,35を光路
中から退避させる。このときの像面位置検出方法は第８
図で示した第３実施例と同様である。

これまでの実施例は主にレチクル上のピント位置検出
用の測定パターンを通過し、ステージ上の基準面で反射
し、再びレチクル上のパターンを透過した光量を計測し
て、各測定点のピント位置を検出していたが以下これ以
外の構成による本発明の実施例について説明する。

第10図は本発明の第５実施例の要部概略図である。本
実施例は第１〜４の実施例と比べてXYZステージ上に反
射基準面の代りに測定用パターン60と受光素子16を配置
する構造になっている。測定用パターン60はレチクル７
上の測定パターンを投影レンズ８の倍率分だけ縮小した
相似形なパターンである。

XYZステージ10を投影レンズ８の光軸上に沿って移動
させると合焦した面で測定パターン用パターンのパター
ン透過部を透過する光量が最大となる。これは第２図〜
第４図を用いて説明したのと同じ原理である。

ピント位置の測定点はXYZステージ10を水平方向に移
動させてレチクル７上の測定パターンとXYZステージ10
上の測定用パターン60の位置合せを行なう座標はレチク
ル７上のパターン位置があらかじめわかっており不図示
のレーザ干渉計によってXYZステージ10を所定の位置に
送り位置合せが行なわれる。

次にＺ方向にXYZステージ10を移動させ光量変化を測
定しピント計測を行なう。測定後、次の測定点（像高）
に対応する位置にXYZステージ10を順次移動させ画面内
の像面湾曲を計測する。

第11図は本発明の第６の実施例の要部概略図である。

本実施例ではファイバー62が測定用パターン61の下方
に配置され不図示の光源から焼付波長と同じ波長の光が
ファイバー62に導びかれ測定用パターン61を照明する。
測定用パターン61のパターン透過部を通過した光束は投
影レンズ８によって拡大されレチクル７の面に集光され
る。この光束のうちレチクル７上の測定パターンを透過
した光はレンズ26によって集光され受光素子16に入射し
電気信号となる。XYZステージ10を光軸上に移動させ合
焦した状態が光量最大となる。測定用パターン61は第５
実施例と同様レチクル７上のパターンを投影レンズ８の
倍率分だけ縮小したものである。像面湾曲の測定を行な
う為XYZステージ10をXY面内のレチクル７の各測定点に
対応する位置に移動させ順次ピント位置計測を行なう。
受光系の構成は第11図においては不図示の移動機構によ
って測定点に対応する位置に移動させる。

又、受光計を第１図、第７図の様に照明系内のオプテ
ィカルインテグレータの射出面と光学的に等価な位置に
受光素子を配置する様にしても良い。この場合には測定
位置ごとに受光素子を移動させる必要はない。

これまでの実施例はパターンを通過する光量を計測し
てピント位置を求めていたが、投影レンズを介してレチ
クル面又はXYZステージ上の基準面上のパターンのコン
トラストを計測する方法もある。

第12図はコントラスト計測をXYZステージ上のコント
ラスト検出系で行なう場合の検出系の実施例の一部分を
示したものである。全体の構成は10図と同じであり検出
部のみ異なる。基準面62はXYZステージ上に設置されて
いる。基準面62は中心に計測用のピンホールが置かれレ
チクル上のパターンを投影レンズを介してこのピンホー
ル内に結像させる。対物レンズ63は基準面をCCD64上に
結像させる役目を持っている。この検出系全体をXYZス
テージで投影レンズ光軸に沿ってＺ方向に移動させるこ
とで基準面62上に形成されるレチクルの計測パターンの
コントラストを検出しピント位置を計測する。この時、
第４図に示す検出系の出力はCCD64上で検出される空中
像のコントラストの値である。XYZステージをXY平面内
で順次測定点に対応する位置に基準面62のピンホールを
移動させコントラスト計測を行なうことによってピント
面を求める。

本実施例はXYZステージ上の基準面でレチクルの計測
パターンの空中像コントラストを検出したが同様な手段
としてXYZステージ上の基準面上に計測用パターンを設
置して、第９図に示す系（23,24,25,27,28,32,33）のよ
うなレチクル面を観察するアライメント系（コントラス
ト検出系）でステージ上の基準面のパターンが投影レン
ズを介してレチクル面上に形成される空中像のコントラ
ストをXYZステージを光軸上に移動させながら検出する
ことによってもピント位置測定は達成される。

（発明の効果） 本発明によれば投影光学系の有効画面内の複数点の像
面湾曲量を従来のように露光、現像そして測定といった
一連の手順を経ることなく、又ウエハの平面度の影響や
半導体素子製造の為の各種のプロセスの影響を受けずに
高精度でしかも短時間で測定することができる像面湾曲
測定機構を有した投影露光装置を達成することができ
る。

又、本発明によれば投影光学系の相異なる像高位置の
各々に関するピント位置を検出する検出手段を設けるこ
とにより、投影光学系の像面の湾曲や凹凸が検出でき、
ウエハ面を最適位置（高さ）に設定することができる半
導体素子製造に好適な投影露光装置及び素子製造方法を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の要部概略図、第2,第３図
は各々第１図の一部分の説明図、第４図は本発明におい
てピント位置検出の際の受光手段からの出力信号の説明
図、第５図は第１図の一部分の説明図、第６図は第５図
の一部分の拡大説明図、第7,第8,第9,第10,第11,第12図
は各々本発明の第2,第3,第4,第5,第6,第７実施例の要部
概略図である。 図中、１は光源、２は楕円ミラー、３はオプティカルイ
ンテグレータ、4,4a,4bはコンデンサーレンズ、５は結
像レンズ、5bはフィールドレンズ、６はミラー、７はレ
チクル、８は投影光学系、９はウエハ、10はXYZステー
ジ、11は投光光学系、12は検出光学系、14はマーク選択
手段、17は基準マーク、101は照明系、である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 - 7/24 G03F 9/00 - 9/02

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被露光基板を保持する可動ステージと、照
   明系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上
   に投影する投影光学系とを有する投影露光装置におい
   て、 前記レクチルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数の
   測定用パターンのうちの任意の測定用パターンを露光波
   長と同じ波長の光で照明することで、前記任意の測定用
   パターンからの光を前記投影光学系を介して前記可動ス
   テージの反射面に入射させ、該反射面で反射した光を前
   記投影光学系を介して前記レチクルに入射させる照明手
   段と、 前記投影光学系と前記レチクルを通過した前記反射面で
   反射した光を受光素子上に入射させる検出光学系と を有し、 前記受光素子の出力に基づいて、前記投影光学系の有効
   画面内の前記任意の測定用パターンに対応する位置にお
   ける前記投影光学系の像面位置を検出することを特徴と
   する投影露光装置。
2. 【請求項２】被露光基板を保持する可動ステージと、照
   明系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上
   に投影する投影光学系とを有する投影露光装置におい
   て、 前記レチクルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数の
   測定用パターンを露光波長と同じ波長の光で順次照明す
   ることで、各測定用パターン毎に、前記測定用パターン
   からの光を前記投影光学系を介して前記可動ステージの
   反射面に入射させ、該反射面で反射した光を前記投影光
   学系を介して前記レチクルに入射させる照明手段と、 前記投影光学系と前記レチクルを通過した前記反射面で
   反射した光を受光素子上に入射させる検出光学系と を有し、 前記各測定用パターンに関する前記受光素子の出力に基
   づいて、前記投影光学系の有効画面内の各測定用パター
   ンに対応する位置での前記投影光学系の像面位置を検出
   することを特徴とする投影露光装置。
3. 【請求項３】被露光基板を保持する可動ステージと、照
   明系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上
   に投影する投影光学系とを有する投影露光装置におい
   て、 前記レチクルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数の
   測定用パターンのうちの任意の測定用パターンを露光波
   長と同じ波長の光で照明することで、前記任意の測定用
   パターンからの光を前記投影光学系を介して前記可動ス
   テージの検出手段に入射させる照明手段と、 前記検出手段の受光素子の出力に基づいて、前記投影光
   学系の有効画面内の前記任意の測定用パターン位置に対
   応する位置での前記投影光学系の像面位置を検出するこ
   とを特徴とする投影露光装置。
4. 【請求項４】被露光基板を保持する可動ステージと、照
   明系により照明されたレチクルのパターンを前記基板上
   に投影する投影光学系とを有する投影露光装置におい
   て、 前記レチクルまたは像面湾曲測定用のレチクルの複数の
   測定用パターンを露光波長と同じ波長の光で順次照明す
   ることで、各測定用パターン毎に、前記任意の測定用パ
   ターンからの光を前記投影光学系を介して前記可動ステ
   ージの検出手段に入射させる照明手段と、 前記各測定用パターンに関する前記各検出手段の受光素
   子の出力に基づいて、前記投影光学系の有効画面内の前
   記各測定用パターンに対応する位置での前記投影光学系
   の像面位置を検出することを特徴とする投影露光装置。
5. 【請求項５】前記照明系と前記照明手段とは前記レチク
   ル上の照明領域を変え得る照明領域可変機構を備える光
   学系を兼用しており、該照明領域可変機構を用いて前記
   複数の測定用パターンのそれぞれの位置を照明すること
   を特徴とする請求項１〜４の投影露光装置。
6. 【請求項６】前記照明手段は対物レンズと折り曲げミラ
   ーを含む光学系を有し、該対物レンズと折り曲げミラー
   とは前記レチクルのパターン面に沿って前記複数の測定
   用パターンのそれぞれの位置まで移動可能であることを
   特徴とする請求項１〜４の投影露光装置。
7. 【請求項７】前記照明手段と検出光学系は対物レンズと
   折り曲げミラーを含む光学系を兼用しており、該対物レ
   ンズと折り曲げミラーとは前記レチクルのパターン面に
   沿って前記複数の測定用パターンのそれぞれの位置まで
   移動可能であることを特徴とする請求項１、２の投影露
   光装置。
8. 【請求項８】前記反射面又は前記検出手段の前記投影光
   学系の光軸方向の位置を測定する測定手段を有し、該測
   定手段と前記可動ステージを用いて前記反射面または前
   記検出手段を前記投影光学系の光軸方向の複数位置に設
   定し、該複数位置での前記受光素子の出力の大きさやコ
   ントラストに基づいて前記像面位置を検出することを特
   徴とする請求項１又は２の投影露光装置。
9. 【請求項９】前記投影光学系の有効画面内の複数位置で
   の前記投影光学系の像面位置から前記投影光学系の像面
   湾曲を検出することを特徴とする請求項２又は４の投影
   露光装置。
10. 【請求項１０】前記複数の測定用パターンはそれぞれ、
    サジタル方向のピント位置検出用のラインアンドスペー
    スパターンとメリジオナル方向のピント位置検出用のラ
    インアンドスペースパターンと有することを特徴とする
    請求項９の投影露光装置。
11. 【請求項１１】請求項１から10のいずれか１項記載の投
    影露光装置を用いてレチクルの回路パターンでウエハを
    露光し、その後、該ウエハを現像処理する工程を有する
    ことを特徴とする素子製造方法。