JP3351051B2

JP3351051B2 - 水平検出装置及びそれを用いた露光装置

Info

Publication number: JP3351051B2
Application number: JP25817593A
Authority: JP
Inventors: 潮寒川; 新一郎青木; 宏之竹内; 吉幸杉山; 博山下; 利幸岩澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 2002-11-25
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: JPH07115047A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、あるパターンを投影光
学系を介して物体上に転写する露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、技術革新の原動力となった半導体
装置はますます高密度化され、各々の素子の微細パター
ンは０．５μｍ以下に及ぼうとしている。半導体のパタ
ーン製造手段として、レチクルに描画されたパターンを
投影レンズによりウェハ上に縮小転写する露光装置が用
いられている。上記露光装置を用いてパターン転写を行
う場合、露光に先立ちウェハ面を投影レンズの焦点面に
配置しなければならないが、転写パターンが微細になる
に従って投影レンズの焦点深度が浅くなるため、焦点面
に正確にウェハを配置する技術が重要になる。

【０００３】また、転写パターンの微細化に伴い露光光
の短波長化が進んでおり、近年では２５０ｎｍ以下の波
長を有するエキシマレーザ光が露光光として用いられよ
うとしている。一般的に、エキシマレーザからの出射光
ビーム径は小さいうえに強度分布が大きいため、露光領
域全面で均質なパターン転写を行うためには、ビーム径
を拡大し一様な強度分布をもつ光線に矯正するための照
明光学系が必要となる。

【０００４】以下、従来の露光装置について図９を参照
しながら説明する。図９において１０１は合焦装置、１
０２は照明光学系である。

【０００５】まず、合焦装置１０１の構成について説明
する。図９において、１０３はウェハ、１０４はウェハ
１０３を３次元的に移動させるためのウェハステージで
あり、合焦調整では投影レンズ光軸に沿った方向への移
動と、ウェハ面の角度調整を行う。１０５はレチクル、
１０６はレチクル１０５のパターンをウェハ１０３面上
に投影露光するための投影レンズ、１０７はＬＥＤ等の
発光素子、１０８は発光素子１０７で発した光を平行光
線にするためのレンズ系である。１０９は送光スリット
であり、平行光線の一部を通過させるために長方形状の
スリットが設けられ、スリットの重心が光軸と一致する
よう配置されている。１１０は送光スリット１０９によ
り選択された光線をウェハ１０３面上に結像させるため
のレンズ系、１１１はウェハ１０３上で反射した光線を
再び結像させるためのレンズ系、１１２はレンズ系１１
１の結像位置に設けられ、ウェハ１０３からの反射光位
置を検出するためのＰＳＤ素子、９３は位置検出回路、
９４はウェハステージ１０４を移動量を制御するための
ウェハステージ制御駆動回路である。

【０００６】以上のように構成された露光装置の合焦装
置について、以下その動作について説明する。図９にお
いて、レチクル１０５、投影レンズ１０６、ウェハ１０
３の光学系でレチクルパターンの焦点面がウェハ１０３
の表面に一致している状態を示している。発光素子１０
７からの光は、レンズ１０８で平行光となる。この平行
光のうち、光軸近傍の光は送光スリット１０９を通り、
レンズ１１０により投影レンズ１０６の光軸とウェハ面
との交点付近で送行スリットの実像を結ぶ。この像はウ
ェハ１０３上で反射され、レンズ１１１を通り再びＰＳ
Ｄ素子１１２面で結像し、スリット像位置が検出され
る。ウェハ１０３面の角度と高さが変化するとＰＳＤ素
子１１２受光面における送光スリットの結像位置が移動
するため、これを利用してウェハ面の光軸方向の移動量
（以下、ウェハ高さと呼ぶ）と面の光軸に対する傾きを
計測する。あらかじめ、ウェハ表面と投影レンズ焦点面
が一致した状態での送光スリットの像の位置Ｚ₀ を計測
しておく。次からは、送光スリット像の位置ＺをＺ₀ に
一致させるようウェハステージ１０４を移動させること
により、投影レンズの焦点面とウェハ表面を一致させる
ことが可能となる。

【０００７】次に、照明光学系１０２の構成について説
明する。図９において、１１３はレーザ光源で、例えば
エキシマレーザのような光源である。１１４、１１５、
１１６、１１７は紫外光用反射ミラーであり、１１８は
シリンドリカルレンズを含む光学系、１１９は紫外光用
反射ミラーであり、１２０はビームエキスパンダでレー
ザのビーム径をおおよそ第１のフライアイレンズ１２１
開口の大きさに拡大するものである。１２２、１２４は
レンズであり、１２３は紫外光反射ミラーである。１２
５は第２フライアイレンズで、１２１、１２２および１
２４、１２５をもって、レチクル上を一様に照明するた
めのオプチカルインテグレータと称する。１２６は集光
レンズであり、１２７は紫外光用反射ミラーであり、１
２８はメインコンデンサレンズでオプチカルインテグレ
ータ１２１、１２５から出射したビームを集光する。９
９は投影レンズ１０６の瞳位置である。

【０００８】次に本発明の従来例における照明光学系に
ついてその動作を説明する。図９においてエキシマレー
ザ光源１１３により発振されたレーザビーム１２９は、
紫外光用反射ミラー１１４、１１５、１１６、１１７を
介してシリンドリカルレンズを含む光学系１１８に入射
し、断面形状が長方形のビームＬＢｉからほぼ正方形な
ビームＬＢｏに整形される。ビームＬＢｏは紫外光用反
射ミラーで曲折されてビームエキスパンダー１２０に入
射する。ビームエキスパンダー１２０を出射したほぼ正
方形断面の平行ビームＬＢｏは第１のフライアイレンズ
１２１、レンズ１２２を介して紫外光用反射ミラー１２
３に入射する。ミラー１２３によって反射されたビーム
はレンズ１２４を通過し第２のフライアイレンズ１２５
に入射し、多数のスポット光として集光したのち発散
し、集光レンズ１２６により再度集光され、紫外光用反
射ミラー１２７で反射されてメインコンデンサレンズ１
２８に入射する。メインコンデンサレンズ１２８により
過度に集光された多数のスポット光の各々のは、レチク
ル１０５上ですべて重畳され、一様な照度分布となって
レチクル１０５を照明する。これによりレチクル１０５
上の回路パターンを投影レンズ１０６によりウェハ１０
３上に縮小投影され、パターンが露光される。

【０００９】ここで、投影レンズ１０６は両側テレセン
トリックであり、第２のフライアイレンズ１２５の出射
両側にできるスポット光は、集光レンズ１２６、メイン
コンデンサレンズ１２８等により投影レンズ１０６の瞳
９９の位置とほぼ共役になっている。即ち、瞳９９には
スポット光の点光源（ビームの集束点）が第１および第
２フライアイレンズ１２１、１２５の各々のレンズエレ
メント数の積だけ形成されることになる。このことは瞳
９９での光源像の強度分布の一様化の点においても有利
である。

【００１０】また、第１、第２のフライアイレンズ１２
１、１２５は回転駆動部（図示せず）により光軸を回転
軸として、第１、第２フライアイレンズ１２１、１２
５、もしくは第２フライアイレンズ１２５のみ回転駆動
されるようになっており、回転駆動ぶ制御系（図示せ
ず）はエキシマレーザ光源１１３からのトリガーにより
レーザ発振時のみ働き、パルス光の発振毎にフライアイ
レンズ１２１、１２５を回転させるようになっているの
で、スポット光により生じる干渉縞を回転させて干渉縞
を均一化し、見かけ上、干渉縞による照明むらを低減さ
せることができる。

【００１１】次に、従来の証明光学系の出力照度の一様
性を向上させる方法として、特開昭６２−１１５１１９
号公報に示されているものを、図１０、図１１、図１
２、図１３を用いて説明する。図１０は従来の照明光学
系におけるフライアイレンズの光軸方向に沿った方向か
ら見た断面図である。図１０において、１４０はハウジ
ングであり、１３０はフライアイレンズ１３１を固定す
るためのクランプ要素である。１３２は出力ビームをブ
ロックするブロッキングマスクであり、ハウジング１４
０に固定されている。また、図１１はフライアイレンズ
１３１部の斜視概略図、図１２はブロッキングマスクの
正面図、図１３は幾つかのフライアイレンズ１３１の中
心部が金属蒸着によりブロックされており、且つ他のフ
ライアイレンズ１３１がブロックされている状態を示す
正面図である。

【００１２】以上のように構成されたフライアイレンズ
について、以下その動作について説明する。図１０、図
１１、図１２、図１３において光源（図示せず）からの
出力照度分布を結像面（ウェハ面）（図示せず）内の種
々の点で光検知器（図示せず）等により測定する。次い
で、出力照度の非一様性を、最大および最小の正規化し
た光検知器の読みの間の差をとりかつその差を全ての正
規化した読みの平均値で割ることにより全出力ビーム強
度の割合として決定し、出力照度の光の寄与に関係した
重み付け関数を決定する。このことは、光源からフライ
アイレンズ１３１への光入力の強度を測定することによ
り達成される。

【００１３】次いで、重み付け関数を持ったフライアイ
レンズ１３１の中からブロック用の適切なフライアイレ
ンズ１３１を選択し、選択したフライアイレンズ１３１
の光学的入力表面１３１１の中央部分を金属蒸着等の方
法によりブロッキングすることができる。図１３にブロ
ッキングパターン１３１２、１３１３の例を示す。

【００１４】次に、出力照度一様性向上方法の別の実施
例で、特別の形態をしたマスク要素１３２をフライアイ
レンズ１３１の入力部に配置させて、フライアイレンズ
１３１の単部に位置された複数個のフライアイレンズ１
３１を部分的にブロックすることにより、出力照度一様
性の略等価的な向上を得ることができる。マスク要素１
３２の実施例を図１２、図１３に示してある。マスク１
３２の外側形状はハウジング１４０に装着するのに便利
な形状とし、マスク１３２は開放内部部分１３２１およ
び該開放内部部分１３２１内に突出する複数個のマスク
用突出部１３２２、１３２３を有しており、突出部１３
２２、１３２３は周囲に配置されたフライアイレンズ１
３１を部分的にブロックする機能を有しており、周囲に
配置されたフライアイレンズ１３１を部分的にブロック
することによって出力照度を一様にすることができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の合焦装置の構成では、送光スリットが有限のスリッ
ト幅を持つことに起因し、入射光束のウェハ１０１面上
のスポットは有限の大きさを持っており、反射率の異な
る境界にスポットがまたがると、反射光束内の強度分布
が変化する。その結果、ＰＳＤ素子１０９上におけるス
ポット内の光強度分布の重心位置が反射率が均一の場合
の重心位置（光束中心）からある量だけ移動する。この
ため、ウェハ１０１の表面の高さ及び角度が変化してい
ないにもかかわらず、ＰＳＤ素子１０９で測定した光強
度分布の重心位置が変化し、合焦する際の誤差の要因と
なり、正確な焦点位置合わせが困難になってしまうとい
う課題を有していた。

【００１６】また、上記の従来の照明光学系の構成で
は、レーザ光にエキシマレーザのような干渉性の高い光
線を露光光に使用する場合、フライアイレンズを回転さ
せたり、マスクでブロックする方法だけではレチクル面
上にスペックルパターンや干渉縞が発生し、レチクル面
上における露光光強度の均一化は保証できない。この照
度分布は、金属蒸着等でブロックするだけでは対処不可
能で、１μｍ以下の微細なパターンを転写する際におけ
る問題となっていた。

【００１７】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、合焦装置においては、半導体ウェハ等の被露光材
の反射率の不均一性によらず、被露光材の投影レンズ焦
点面への正確な配置が可能な露光装置を提供することを
目的とする。また、照明光学系においては、スペックル
の発生を抑え、レチクル面上における光強度分布を検出
し、照度の高い領域の光束強度を制御することによって
均一な照明光学系を有する露光装置を提供することを目
的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、露光するパターンが描かれたレチクルのパ
ターンを縮小して基板に転写するために投影する投影レ
ンズと、レーザ光源からの出射光を露光に適した露光光
に矯正する照明光学系と、レチクルおよび基板をそれぞ
れ搭載移動するステージと、レチクルと基板の位置合わ
せを行うアライメント機構からなる露光装置において、
上記アライメント機構は上記投影レンズの焦点面と基板
面を一致させる合焦装置を有し、上記合焦装置はレチク
ルの投影レンズによる縮小像面と基板面を平行に配置す
るために、投影レンズの焦点位置に対する基板の位置を
測定する垂直検出装置と投影レンズの光軸に対する基板
表面の角度を測定する水平検出装置とから構成される。

【００１９】そして、水平検出装置は、１つの光源と、
光源から照射光線を基板上に平行光線で照明するよう構
成された照明光学系と、この光線中に配置された有限の
厚みを有する光学硝子基板と、この光学硝子基板を光線
に直行した軸の回りに自在に回転可能な回転機構と、基
板からの正反射光を逆方向に反射する反射ミラーと、反
射光が再び基板で反射され再度光学硝子基板を通過した
後に配置され反射光の一部を反射するビームスプリッタ
と、集光した光を光電変換する検出器と、回転機構の駆
動部分と、この駆動回路から回転の同期信号と検出器か
らの検出信号から基板の傾きを計算する信号処理回路部
から構成される。

【００２０】また、垂直検出装置は、レチクル上に設け
られたレンズとしての作用をする光学素子と、露光光と
は波長の異なるコヒーレント光を出射し上記光学素子を
照明する光源と、レチクルと投影レンズを経由し上記基
板によって反射された光線強度を検出する複数の検出光
学系と、複数の検証光学系からの検出信号より、投影レ
ンズの光軸に平行な方向に対する基板の位置を検出する
信号処理回路部から構成される。更に、照明光学系は、
レーザ光源から発せられるビームから多数の光源像群を
発生させる第１の光源像発生手段と、前記第１の光源像
発生手段からのビームを用いて多数の光源像を発生させ
る第２の光源像発生手段と、前記第２の光源像発生手段
から出射したビームを重ね合わせた状態で被照射面を照
明する照射手段と、被照射面の照度分布を検出する照度
分布検出手段と、前記照度分布検出手段からの出力信号
に応じて照射光量を調整する光量調整手段と、前記照度
分布検出手段により検出された出力信号に応じて前記光
量調整手段を制御する制御手段から成る構成を有してい
る。

【００２１】

【作用】本発明の垂直検出装置においては、レチクル上
に設けられたレンズとして作用する光学素子を、露光光
と異なる波長のコヒーレント光で照明し、散乱光を生成
する。生成された散乱光の一部は投影レンズを通過し、
その後基板面で反射され、再び投影レンズを通過し、上
記レチクル上に設けられたレンズとして作用する光学素
子に入射する。上記光学素子を透過した光線は、レチク
ル・投影レンズ・基板の相対位置に依存した特定の位置
に結像する。光線の結像位置は複数の異なる位置に配置
された検出光学系により検出され、それに従って投影レ
ンズ焦点位置と基板の位置のズレを検出する。これによ
り、基板の局所的な反射率の違い、基板上の微細パター
ンによる回折光の混入、及び局所的な基板面のうねり等
による測定精度の劣化のない焦点合わせを行うことがで
きる。

【００２２】また、本発明の水平検出装置においては、
基板上の１ショット内の露光領域の複数箇所を連続ある
いは断続的に水平計測用の光線を走査することによっ
て、露光領域内の複数箇所における面の傾きを測定する
ことができ、これにより、局所的な反射率の違い、基板
上の微細パターンによる回折光の混入、及び局所的な基
板面のうねり等による測定精度の悪化を、複数箇所にお
ける測定値を平均化・重み付き平均化・多数決処理等の
統計処理を行うことによって、精度の高い水平位置合わ
せ行うことができる。

【００２３】更に、本発明の照明光学系においては、第
１の光源像発生手段であるフライアイレンズを構成する
Ｎ個のレンズ群で発生させたＮ本のビームを、第２の光
源像発生手段に入射させる。ここで、第２の光源像発生
手段であるフライアイレンズを構成するＭ個の小レンズ
群で、Ｎ×Ｍ本のビームに分離される。分離されたビー
ムは、Ｍ個の小レンズ群で構成された第２の光源像発生
手段に対応したＭ個の電気光学素子から成る光量調整手
段に入射する。ここで、被照射面の照度分布を検出する
照度分布検出手段により検出された出力信号に応じて照
射光量を制御する制御手段により前記電気光学素子を制
御し、全体光量の均一性はもちろんのこと、部分的なス
ペックルの発生を抑え、より均一な照明光強度分布を有
する照明光学系を得ることができる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。図１は本発明の一実施例における露
光装置の概略構成図である。図１において、１はレーザ
光源部で露光光を発生し、２は照明光学系でレーザ光源
部１からの出射光を露光に適した光束に矯正するための
レンズ系である。３はレチクル、４は投影レンズ、５は
ウェハで、投影レンズ４によりレチクル３面上のパター
ンを感光材が塗布されたウェハ５面上に転写する。６は
垂直検出ユニットで投影レンズ４の焦点面とウェハ５面
の面間隔を測定する。７は露光位置検出ユニットで、レ
チクル３面上のパターンの投影レンズ４による実像位置
とウェハ５面上の露光位置の相対的位置関係を計測す
る。また、８は水平検出ユニットで投影レンズ４の焦点
面とウェハ５面の平行度を測定する。９はステージ、１
０はステージ制御駆動回路で、垂直検出ユニット６、露
光位置検出ユニット７、水平検出ユニット８の検出結果
をステージ制御駆動回路１０にて判断し、ウェハ５の露
光面を投影レンズ４の焦点面に一致させ、レチクル３の
パターンを所定の位置に露光されるようステージ９を移
動する。

【００２５】以上のように構成された露光装置におい
て、次に垂直検出ユニット６の装置構成について、図２
に示す垂直検出ユニット概略構成図を用いて説明する。
まず、１１は合焦用光源で、露光光と波長の異なるコヒ
ーレントな平面波を生成する。１２はレチクル３面に設
けられている光学素子で、通常のレンズと同様に光束を
収束、発散させる作用を持つ。合焦用光源１１からの出
射光束の断面の大きさは、光学素子１２の有効径と同程
度になっている。１３、１４はハーフミラー、１５は全
反射ミラー、１６はレンズ系で、合焦用光源１１からの
出射光をハーフミラー１３によって光学素子１２に導入
する。光学素子１２を透過した光束は、投影レンズ４を
通過しウェハ５により反射された後、再度投影レンズ
４、光学素子１２、レンズ系１６を通過する。通過後の
光束は、ハーフミラー１４及び全反射ミラー１５によっ
て２系統の光束に分離される。１７、１８はアパチャ
ー、１９、２０は受光素子で、ハーフミラー１４、全反
射ミラー１５からの光束の一部をアパチャー１７、１８
によって選択し、受光素子１９、２０で光強度を測定す
る。２１は信号強度比較回路であり、受光素子１９、２
０で測定された光強度を比較し、ウェハ５が投影レンズ
４の焦点位置に対してどこに位置しているかを算出す
る。１０はステージ制御駆動回路で、信号強度比較回路
２１からの測定結果に基づき、ウェハ５が投影レンズ４
の焦点に位置するようにステージ９を制御、駆動する。

【００２６】以上のように構成された垂直検出ユニット
６のウェハ位置検出原理について、図２を参照しながら
以下に説明する。合焦用光源１１からの出射光束は光学
素子１２及び投影レンズ４を通過するが、上記２つの合
成焦点距離をｆ１とする。また、ウェハ５により反射さ
れた光束は、再び投影レンズ４と光学素子１２を通過し
レンズ系１６により収束されるが、投影レンズ４と光学
素子１２とレンズ系１６の合成焦点距離をｆ２とする。
以上のように考えるとき、合焦用光源１１から出射され
た光束は受光素子１９、２０に達するまで、焦点距離ｆ
１、ｆ２の２つのレンズを通過することと等価になる。
ここで、２つのレンズの間隔をＤとすると、ウェハ５の
位置がｄだけ投影レンズ４から遠ざかると、焦点距離ｆ
１、ｆ２のレンズ間隔がＤ＋２ｄになるため、合焦用光
源２１からの出射光の焦点位置が変化する。アパチャー
１７、１８と受光素子１９、２０によって、異なる位置
における光強度が測定されるが、それらを比較すること
によって合焦用光源１１からの出射光がレンズ系１６を
経たときの焦点の位置が算出される。レチクル３、投影
レンズ４、ウェハ５が正しい位置にあるときの、合焦用
光源１１からの出射光の焦点位置を予め登録しておけ
ば、後は常に焦点位置が同じになるようウェハ５を移動
させることにより合焦が可能になる。

【００２７】光学素子１２がなくても、図２と同様な装
置構成により合焦させることが可能であるが、光学素子
１２をレチクル位置に設けることにより、投影レンズ４
に対するレチクル位置の情報も抽出することができ、レ
チクル３のウェハ５面上での投影像の投影倍率を一定に
することが可能である。また、レンズ系１６は全てのレ
ンズ系の合成焦点距離を短くするために設けられてお
り、ウェハ５の移動に伴う２つの受光素子で測定される
光強度の変化を増幅する。以上のようにレンズ系１６を
挿入することによって、より精度の高い合焦が可能にな
る。

【００２８】光学素子１２はレンズと同様に光束の収
束、発散の作用があるものならどのような構造をとって
もよい。例えば、図３に示すようにレチクル上の転写パ
ターンの一部分に転写パターンと同様にクロムメッキ
で、フルネルパターンを設けておくとよい。フルネルパ
ターンの透過回折光は一つの焦点を結び、レンズと同じ
作用をする。

【００２９】以上のように、本実施例の露光装置におけ
る垂直検出ユニット６において、レチクル上にレンズと
同様な作用をする光学素子を設け、その光学素子をコヒ
ーレントな光線で照明し、透過光が投影レンズを通過し
ウェハで反射され再び投影レンズと光学素子を経た後に
形成される焦点位置を計測する事により、ウェハの部分
的な反射率の差異、ウェハ表面の局所的なうねり、ウェ
ハ表面の微細パターンの回折やスペックル等に影響され
ない合焦が可能になる。

【００３０】ここで、上記垂直検出ユニット６の実施例
において、アパチャーと受光素子は２組であるが、３組
以上設けてもよい。受光素子を多数設けることにより、
異なる位置における光強度を多点計測できることにな
り、それらの計測結果を統計処理することによって、レ
ンズの残存収差による光強度の変化に左右されない正確
な合焦動作が可能な垂直検出ユニットを得ることができ
る。

【００３１】次に、本発明の実施例における水平検出ユ
ニット７の装置構成について、図４に示す水平検出ユニ
ット概略構成図を用いて説明する。図４は本発明の一実
施例における露光装置の水平位置検出ユニット８の構成
図である。図４において、５はウェハ、９はウェハ５を
３次元的に移動させるためのステージであり、傾き調整
では主にあおり方向の移動を行う。４はレチクル（図示
せず）のパターンをウェハ５面に投影露光するための投
影レンズ、２２はＬＥＤ等の発光素子（光源）、２３は
発光素子２２で発した光を平行光線に矯正するための照
射光学系のレンズであり、レンズ２３の焦点付近に発光
素子２２が設けられている。２４は照射光学系の送光ス
リットであり、平行光線の一部を通過させるためのスリ
ットが開けられ、このスリットの中心が光軸と一致する
ように設けられている。２５は送光スリット２４から発
せられたスリット光をウェハ５面上の異なる位置に照射
するために光軸をシフトする光学硝子基板状の平行シフ
タ、２６はウェハ５上で反射したスリット光を同じ光路
を通るように反射するためのミラー、２７はミラー２６
に反射された光線がハーフミラー２８によって一部反射
された反射光を集光するためのレンズ、２９は集光した
光の重心位置を検出するＰＳＤ素子、３０は位置検出回
路、１０は位置検出回路３０の出力に基づき、ウェハス
テージ９をあおり２方向に移動させるためのウェハステ
ージ制御駆動回路である。３１はシフタ駆動回路で、平
行シフタ２５のあおり動作を制御する。

【００３２】以上の構成において、以下、その動作につ
いて図５を参照しながら説明する。図５は水平検出ユニ
ットの動作原理を説明するための模式図である。図５に
おいては、レチクル（図示せず）、投影レンズ４、ウェ
ハ５の光学系で、レチクルパターンの焦点面がウェハ５
の表面上に合致した状態を示しており、この時の送光ス
リット２４のレンズ２７による像のＰＳＤ素子面におけ
る受光位置をＺ0 とする。発光素子２２からの光は、レ
ンズ２３で平行光にされる。この平行光のうち、光軸近
傍の光は送光スリット２４を通り、平行シフタ２５を通
過し投影レンズ４の中心の直下で、かつウェハ５の表面
上に送光スリット２４の開口形状の平行光束が照射され
る。この光束はウェハ５面上で反射され、ミラー２６で
反射され再びウェハ５で反射され再度平行シフタ２５を
通り、ハーフミラー２８で光線の一部が反射されＰＳＤ
素子２９で受光され光線のスポット位置が検出される。
上記のようにウェハ５は水平位置Ｚ＝Ｚ0 におかれてい
るため、位置検出回路３０からの出力信号は零となる。
そして、ウェハステージ９を移動量に対応して得られる
位置検出回路３０からの出力信号（例えば水平位置から
ずれたときは点線のような光路）からウェハ５面の傾き
を検出できる。

【００３３】ここで、図４に示してあるように、平行シ
フタ２５はシフタ駆動回路３１によって光軸に垂直な軸
にそって回転が可能であり、平行シフタ２５を回転する
ことで、送光スリット２４を通過した後の光束を光軸に
対して平行に移動させることが可能になるため、ウェハ
５上の異なる位置にスリット光を照射できる。このと
き、平行シフタ２５によってシフトした光束は平行に移
動するため、ウェハ５面の角度が一定ならば、ウェハ５
面上の任意の位置に光束が照射されていても集光レンズ
２７によって結像される光束スポットのＰＳＤ素子２９
上での位置は変化しないので、ウェハ５上の照射位置と
無関係にウェハ５の傾き量が計測可能である。

【００３４】ここで、本実施例における水平検出ユニッ
ト８に上記の平行シフタ２５が備えているのは次の理由
による。すでにウェハ５上の露光領域に何らかのパター
ンが転写されている状況において、時にウェハ５面上で
の照明領域が反射率の異なる領域をまたぐ場合がある。
送光スリット２４のスリット幅が無限小で、レンズ２
３、２７が無収差で、レンズ２７の結像面とＰＳＤ素子
２９の受光面が一致しているならば、前記の状況に遭遇
してもウェハ５面の角度の計測に影響はない。しかし、
実際には送光スリット２４は有限のスリット幅を有し、
またレンズ２３、２７は収差を持つ。更にＰＳＤ素子２
９の受光面をレンズ２７の結像面に完全に位置させるこ
とは困難である。そのため、ＰＳＤ素子２９受光面にお
けるスリット光のスポットは有限の大きさを有するた
め、前記状況においてはウェハ５面上での照明領域内の
反射率の変化によって、ウェハ５面の傾きの測定が影響
される。また、ウェハ５表面は完全な平面ではなく、若
干の面のうねりを有している。そのため、ウェハ５の局
所的な面の角度を計測しても、必ずしも露光領域の面角
度を測定しているとはいえない。

【００３５】以上のように、スリット光のウェハ５面に
おける照明領域において、スリット光に対する反射率の
変化がある場合やウェハ５面のうねりが存在する場合
は、ウェハ５面の角度計測値の信頼性が低下する。そこ
で、本実施例における水平検出ユニット８は平行シフタ
２５を備え、平行シフタ２５の角度を変化させることに
よって、スリット光のウェハ５面における照明領域を変
化させ、異なる領域における測定値を統計処理すること
によって、前記のレンズ２３、２７の収差、ＰＳＤ素子
２９受光面とレンズ２７の結像面の不一致、ウェハ５面
のうねり等の測定への影響を除去するものである。

【００３６】以上のように本実施例によれば、平行光を
ウェハ上に照射し、反射光を再びミラーで折り返しＰＳ
Ｄ素子で受光するときに、平行シフタを回転することに
よりウェハ上の複数の位置を走査することで、ウェハの
局所的な反射率の異なる領域があったとしても十分な水
平位置の調整が可能である。

【００３７】なお、実施例において平行シフタ２５は１
軸方向のみ回転可能な構造としたが、平行シフタ２５は
２軸方向に回転可能ならウェハ５上をより自由度高く走
査可能にしてもよい。また、平行シフタ２５を２枚設け
それぞれ別の方向に走査する構造をとっても良い。

【００３８】次に、本発明の実施例における照明光学系
２について、図面を参照しながら説明する。図６は本発
明の一実施例における照明光学系２の概略構成図で、図
６において、３２は露光機構部である。３３はレーザ光
源で、例えばエキシマレーザのような光源である。３４
は紫外反射用ミラーであり、３５は凹レンズ、３６は凸
レンズであり、凹レンズ３５と凸レンズ３６は１つのレ
ンズ系としてビームエキスパンダの役割を持っており、
レーザのビーム径をおおよそ第１のフライアイレンズ３
７の大きさに拡大するものである。３７はレチクル上を
均一に照明するための第１のフライアイレンズであり、
フライアイレンズ３７は図７の平面図に示すごとく、四
角柱が多数（図７では５×５＝２５個）接合されて構成
されており、各四角柱の両端面はそれぞれ凸球面に形成
されており、凸レンズの作用を有している。３８は凸レ
ンズで、３９は第１のフライアイレンズ３７から出射し
たビームを曲折させる紫外反射用ミラーである。４０は
凸レンズで、凸レンズ３８とともに第１のフライアイレ
ンズ３７から出射したビームをコリメートするコリメー
トレンズの役割をもっている。４１はレチクル上を均一
に照明するための第２のフライアイレンズであり、第１
のフライアイレンズ３７と同様の構成をしており、第１
のフライアイレンズ３７の入射面と第２のフライアイレ
ンズ４１の出射面とは略共役関係に維持されている。こ
こで３７、３８及び４０、４１を総称してレチクル上を
均一に照明するためのオプチカル・インテグレータと称
する。

【００３９】４２は第２のフライアイレンズ４１に対応
した電気光学素子から成る光量調整手段であり、例えば
石英ガラス等で構成された液晶素子であり、４３は被照
射面（ウェハ面）の照度分布を検出する照度分布検出手
段４４により検出された出力信号に応じて照射光量を制
御する制御手段である。４５は紫外反射用ミラーであ
り、４６はコンデンサレンズで、２段のオプチカル・イ
ンテグレータ３７、４１から出射したビームを集光す
る。３は転写用のパターンが描かれているレチクル、４
７はレチクル３を吸着、保持するレチクルホルダ、４は
レチクル３のパターンを投影する投影レンズ、５はパタ
ーンが焼付けられるウェハである。９はステージであ
り、ウェハ５を吸着、保持し、かつ焼付けを行う際に移
動、合焦を行う。４５は露光機構部の定盤である。４４
は被照射面（ウェハ面）の照度分布を検出する照度分布
検出手段で例えば、紫外用フォトセンサである。

【００４０】以上のように構成された照明光学系２につ
いて、以下その動作について図６を参照しながら説明す
る。まず、エキシマレーザ光源３３から発振されたレー
ザビームは紫外用反射ミラー３４で反射され、ビームエ
キスパンダ３５、３６に入射する。ビームエキスパンダ
３５、３６を出射し、ほぼ正方形断面の平行ビームに拡
大されたレーザビームは第１の光源像発生手段であるフ
ライアイレンズ３７に入射する。フライアイレンズ３７
の入射面側の凸面の焦点距離は、フライアイレンズ３７
の厚さにほぼ等しいため、フライアイレンズ３７に入射
するビームは各四角柱レンズ要素によって出射面側の各
凸面の近傍に集光されＮ個（図７では２５個）のスポッ
ト像が形成される。形成されたスポット光は第２の光源
像発生手段であるフライアイレンズ４１でＮ×Ｍ個のス
ポット光として集光した後、発散したレーザビームは紫
外反射用ミラー４５で曲折され、コンデンサレンズ４６
に入射する。入射したレーザビームはコンデンサレンズ
４６により適度に集光され、多数のスポット光の各々か
らの光はレチクル３上ですべて重畳され、一様な照度分
布となってレチクル３を照射する。これによりレチクル
３に描かれている回路パターンは投影レンズ４によりウ
ェハ５上に縮小投影され、パターンが焼付けられる。

【００４１】また、第２の光源像発生手段であるフライ
アイレンズ４１から出射したレーザビームは、Ｍ個の小
レンズ群で構成された第２のフライアイレンズ４１に対
応したＭ個の電気光学素子４２に入射する。電気光学素
子４２の構造は図８に示してあるように、第２のフライ
アイレンズ４１中の小レンズ数と同数のＭ個の電気光学
素子から構成され、各々の電気光学素子は独立にレーザ
光透過率を変動させることが可能である。ここで、被照
射面の照度分布を検出する紫外用フォトセンサ４４によ
り検出された出力信号に応じて照射光量を制御する照度
分布制御回路４３により前記電気光学素子４２を制御す
ることによって、全体光量の均一性はもちろんのこと、
部分的なスペックルの発生を抑えた、より均一な照明光
学装置を得ることができる。

【００４２】以上のように本実施例における照明光学系
によれば、被照射面に設けた照度分布検出手段と、照度
分布検出手段により検出された出力信号に応じて照射光
量を制御する照度分布制御手段と、第２フライアイレン
ズの直後に照度分布制御手段により照射光量を調整する
光量調整手段を設けることにより、光量低下も無く一様
な均一照明を得ることができる。

【００４３】なお、本実施例において、電気光学素子４
２の電気光学素子単位の数と、フライアイレンズ４１の
小レンズの数は同じであるが、電気光学素子単位の数を
小レンズの数量より多くした構造をとることも可能であ
る。

【００４４】以上のように、本実施例における垂直検出
ユニット６、水平検出ユニット８、照明光学系２によっ
て、ウェハ表面の局所的な反射率の相違、基板上の微細
パターンによる回折光の混入、及び局所的なウェハ面の
うねり等に影響されない合焦動作が可能であり、且つ全
体光量の均一性はもちろんのこと部分的なスペックルの
発生を抑え、より均一な照明光強度分布を有する露光装
置を提供することが出来る。なお、垂直検出ユニット
６、水平検出ユニット８、照明光学系２はそれぞれ図
２、図４、図６に示したような構成を持つ独立の装置と
して種々の目的に用いることも可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明は、光軸に対し光線
を平行に移動させる機構を設けることにより、ウェハ面
上の１ショット内の露光領域の複数箇所を連続あるいは
断続的にウェハ面の平行度計測用の光線を走査し、露光
領域内の複数箇所の平行度を測定することができる。ま
た、レチクル上にレンズと同様な作用をする光学素子を
設け、露光光とは異なる波長の光源を用いて照明し、生
成される散乱光のウェハからの反射光の焦点位置を複数
の受光素子で検出することによりウェハ面上の露光領域
位置を投影レンズの焦点に合致させることができる。上
記の構成をとることにより、ウェハ面上に局所的な反射
率の相違、局所的な面のうねり、露光領域に存在する微
細パターンによって生成される回折光やスペックルに影
響されない合焦ができる優れた露光装置を実現できるも
のである。

【００４６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における露光装置の概略構成
図

【図２】同実施例における垂直検出ユニットの概略構成
図

【図３】同実施例における垂直検出ユニットでレチクル
上に施されているレンズとして作用する光学素子パター
ンの模式図

【図４】同実施例における水平検出ユニットの概略構成
図

【図５】同実施例における水平検出ユニットの動作原理
を説明するための模式図

【図６】同実施例における照明光学系の概略構成図

【図７】同実施例における光軸方向から見たフライアイ
レンズの外観図

【図８】同実施例における電気光学素子の外観図

【図９】従来の露光装置における合焦装置と照明光学系
の概略構成図

【図１０】従来の照明光学系におけるフライアイレンズ
の光軸方向に沿った方向から見た断面図

【図１１】従来の照明光学系におけるフライアイレンズ
の斜視概略図

【図１２】従来の照明光学系におけるフライアイレンズ
のブロッキングマスクの光軸方向からの正面図

【図１３】従来の照明光学系におけるフライアイレンズ
のブロッキングマスクの作用を説明するための模式図

【符号の説明】

１レーザ光源部２照明光学系３レチクル４投影レンズ５ウェハ６垂直検出ユニット７露光位置検出ユニット８水平検出ユニット９ステージ１０ステージ制御駆動回路１１合焦用光源１２光学素子１３、１４ハーフミラー１５全反射ミラー１７、１８アパチャー１９、２０受光素子２１信号強度比較回路２２発光素子２４送光スリット２５平行シフタ２９ＰＳＤ素子３０位置検出回路３１シフタ駆動回路３４、３９、４５紫外反射用ミラー３５凹レンズ３６、３８、４０凸レンズ３７第１のフライアイレンズ４１第２のフライアイレンズ４２電気光学素子４３照度分布制御回路４４紫外用フォトセンサ４６コンデンサレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉山吉幸神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者山下博神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (72)発明者岩澤利幸神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内 (56)参考文献特開昭63−220521（ＪＰ，Ａ) 特開平５−217853（ＪＰ，Ａ) 特開平６−204121（ＪＰ，Ａ) 特開平６−84759（ＪＰ，Ａ) 特開平２−292813（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−183928（ＪＰ，Ａ) 特開平６−295855（ＪＰ，Ａ) 特開平５−45889（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】近似的平面を有する物体において、１つ
の光源と、光源から照射する光線を上記物体平面上に平
行光線で照射するように構成された照射光学系と、この
光線中に配置された有限長の厚みを有する光学硝子基板
と、この光学硝子基板を光線の通過する方向に対して回
転自在に支持する回転機構と、上記物体平面による正反
射光を垂直に反射する反射ミラーと、反射光が再び上記
物体平面で反射され光学硝子基板を通過した位置に配置
され反射光の一部を再び反射するビームスプリッタと、
ビームスプリッタからの反射平行光を集光するレンズ
と、集光した光を光電変換する検出器と、回転機構の駆
動回路と、この駆動回路からの回転の同期信号と検出器
からの検出信号から上記物体平面の傾きを計算する信号
処理回路部からなる水平検出装置。
【請求項２】レチクルに描かれた露光するパターンを
縮小して基板に転写するために投影する投影レンズと、
上記レチクルを照明する為のパルス化されたレーザ光を
発する光源と、露光を行うための照明光学系と、上記レ
チクル及び上記基板をそれぞれ搭載移動するステージ
と、上記レチクルと上記基板の位置合わせを行うアライ
メント機構からなる露光装置において、上記アライメン
ト機構は上記投影レンズによるレチクル上のパターンの
実像面に基板面を配置する合焦装置を有し、上記合焦装
置は投影レンズ光軸方向の基板と投影レンズ間距離を測
定する垂直検出装置と基板の水平面を測定する水平検出
装置とから構成され、上記水平検出装置は、１つの光源
と、光源から照射する光線を基板上に平行光線で照射す
るように構成された照射光学系と、この光線中に配置さ
れた有限長の厚みを有する光学硝子基板と、この光学硝
子基板を光線の通過する方向に対して回転自在に支持す
る回転機構と、基板からの正反射光を垂直に反射する反
射ミラーと、反射光が再び基板で反射され光学硝子基板
を通過した位置に配置され反射光の一部を再び反射する
ビームスプリッタと、ビームスプリッタからの反射平行
光を集光するレンズと、集光した光を光電変換する検出
器と、回転機構の駆動回路と、この駆動回路からの回転
の同期信号と検出器からの検出信号から基板の傾きを計
算する信号処理回路部から構成され、上記垂直検出装置
は、レチクルの一部に設けられたレンズとして作用する
光学素子と、露光光とは波長の異なるアライメント光を
出射し上記光学素子を照明する光源と、上記光学素子を
通過し基板を経由して得られるアライメント光を検出す
る複数の検出光学系と、上記検出光学系の出力を比較す
る手段と、上記比較手段からの信号を基にして基板の位
置を調整する手段から構成され、上記照明光学系は、上
記物体を照明する為のパルス化されたレーザ光を発する
光源から発せられるビームを用いて多数の光源像を発生
させる第１の光源像発生手段と、上記第１の光源像発生
手段からのビームを用いて多数の光源像を発生させる第
２の光源像発生手段と、上記第２の光源像発生手段から
のビームを重ね合わせた状態で被照射面を照射する照射
手段と、被照射面の照度分布を検出する照度分布検出手
段と該照度分布検出手段からの出力信号に応じて照射光
量を調整する光量調整手段から構成されることを特徴と
する露光装置。