JP3513842B2

JP3513842B2 - 投影露光装置

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Publication number: JP3513842B2
Application number: JP31198394A
Authority: JP
Inventors: 和哉太田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JPH08167558A; US5914774A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マスク上に形成された
パターンを投影光学系を介して感光基板上に投影する投
影露光装置に関し、特に投影光学系の結像特性を計測す
る機能を有する投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子又は液晶表示素子
等を製造するためのリソグラフィ工程で使用される投影
露光装置においては、ベストフォーカス位置、歪曲収差
（ディストーション）、及び投影倍率等の投影光学系の
結像特性を計測する必要がある。例えばベストフォーカ
ス位置は、露光対象とするウエハ又はガラスプレート等
の感光基板の投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）への位置
決めの目標値として使用される。また、歪曲収差につい
ては、感光基板上の異なる層に異なる投影露光装置で露
光する際に重ね合わせ誤差の要因となるため、その歪曲
収差が所定の許容値以下となるように調整を行う必要が
ある。同様に、投影倍率についても所定の範囲内に収め
る必要がある。

【０００３】従来の結像特性の計測方法の一例は、テス
トプリントを行う方法である。例えばベストフォーカス
位置を計測するためには、ウエハステージ上に実際に感
光基板を載置し、感光基板をＺ方向にずらしてレチクル
のパターンを露光した後、感光基板を横ずれさせるとい
う工程を繰り返すことにより、Ｚ方向への位置を所定ス
テップで変えたテストプリントが行われる。そして、そ
の感光基板を現像して得られたレジストパターンが最も
鮮明になるときのＺ方向の位置がベストフォーカス位置
となる。また、歪曲収差及び投影倍率については、計測
用のパターンが所定の配列で形成されたテストレチクル
を用いて感光基板への露光を行い、現像して得られたパ
ターンの配列のずれを計測することにより求められる。

【０００４】また、従来の計測方法の他の例として、ウ
エハステージ上にスリットが形成された基準部材を取り
付け、そのスリットの底面側に配置した光電センサでそ
のスリットを通過した光を検出する所謂ステージスリッ
ト方式もある。このステージスリット方式では、例えば
テストレチクルのパターンを投影光学系を介してウエハ
ステージ側に投影し、像の方向ごとにステージ走査を何
度も繰り返して、そのスリットからの透過光を光電セン
サで検出することにより、実際に露光することなく歪曲
収差等が計測される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の投影光学系の結
像特性の計測方法の中で感光基板を実際に露光するテス
トプリント法では、現像工程が入るため迅速性に欠ける
という不都合がある。また、ステージスリット方式では
像の方向ごとにステージ走査を何度も繰り返さなければ
ならない、即ち、ウエハステージを走査しなければ像の
情報が得られないため、まだ計測時間が長いという不都
合があった。また、特にエキシマ光等のパルスレーザ光
を発生する光源を使用する投影露光装置においては、パ
ルス周波数の制約から、ウエハステージの走査速度を上
げると、像の分解能が低下してしまうため、ウエハステ
ージの走査速度を所定速度以上に上げることができず、
特に計測時間が長くなるという不都合があった。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑み、テストプリント
を行うことなく、且つ迅速に投影光学系の結像特性を計
測できる投影露光装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の投影
露光装置は、例えば図１、図３、及び図９に示すよう
に、マスク（１）上のパターンを感光性の基板（１８）
上に投影する投影光学系（３）と、その基板（１８）を
その投影光学系（３）の光軸（ＡＸ）に平行な方向（Ｚ
方向）、及びその光軸に垂直な平面（ＸＹ平面）上で移
動させる基板ステージ（４，５，６）とを有する投影露
光装置において、その投影光学系（３）を介してその基
板ステージ（４，５，６）側に投影される所定のパター
ン（３６ａ）の像を所定の観察面（２６ａ）上に拡大し
て再結像する拡大光学系（３９；３９Ａ）と、その所定
の観察面（２６ａ）上のその所定のパターン（３６ａ）
の像の拡大像を撮像する撮像手段（２６；３４）と、を
設けたものである。

【０００８】この場合、その所定のパターンの一例は、
そのマスク（１）上に形成された基準パターン（３６
ａ）である。また、本発明の第１の投影露光装置の第１
の態様では、例えば図８及び図９に示すように、その拡
大光学系（３９Ａ）を構成するレンズの内その基板ステ
ージ（４，５，６）の表面に最も近い第１レンズ（２
０）を、その基板ステージに固定し、その撮像手段（３
４）及びその拡大光学系（３９Ａ）の少なくとも一部
（４７）をその基板ステージ（４，５，６）に着脱自在
に配置する。

【０００９】また、本発明の第１の投影露光装置の第２
の態様では、例えば図３に示すように、その拡大光学系
（３９）を構成するレンズの内のその投影光学系（３）
に最も近いレンズ（２０）のその投影光学系（３）に対
向する面（２０ａ）は、実質的に平面である。更に、そ
の拡大光学系（３９）を構成するレンズの内のその投影
光学系（３）に最も近いレンズ（２０）のその投影光学
系（３）に対向する面（２０ａ）は、その基板ステージ
（４，５，６）に載置されるその感光性の基板（１８）
の表面と同一の高さであることが好ましい。また、本発
明の第２の投影露光装置は、マスク（１）上のパターン
を基板（１８）上に投影する投影光学系（３）と、その
基板を保持して所定の平面内で移動可能な基板ステージ
（４，５，６）とを有する投影露光装置において、その
投影光学系を介してその基板ステージ側に投影される互
いに異なる複数の方向に延びる複数のパターン（３７
ａ，３７ｂ，３７ｃ，３７ｄ）の像を、所定の観察面
（２６ａ）上に拡大して再結像する拡大光学系（３９；
３９Ａ）と、その複数のパターンの像の拡大像を、その
所定の観察面上において同時に撮像する撮像手段（２
６；３４）と、その撮像手段からの検出信号に基づい
て、その投影光学系の結像特性を計測する制御系（４
０，４１，４２）と、を設けたものである。

【００１０】

【作用】斯かる本発明の第１の投影露光装置によれば、
拡大光学系（３９；３９Ａ）により拡大された所定のパ
ターン（３６ａ）の拡大像を撮像手段（２６；３４）に
より撮像し、画像処理を行うことにより投影光学系
（３）の結像特性を求めることができる。例えば、ベス
トフォーカス位置を求める場合には、基板ステージ
（４，５，６）を上下させて、所定のパターン（３６
ａ）の拡大像のコントラストが最大になる位置を捜せば
よい。また、露光フィールド内の複数点でベストフォー
カス位置を計測することにより像面湾曲が計測でき、更
に所定のパターン（３６ａ）の形及び処理方式を工夫す
ることにより投影光学系（３）の非点収差、及び歪曲収
差（結像倍率の誤差を含む）等を計測することもでき
る。

【００１１】また、拡大光学系（３９Ａ）を構成するレ
ンズの内の基板ステージ（４，５，６）の表面に最も近
い第１レンズ（２０）を、その基板ステージに固定し、
撮像手段（３４）及び拡大光学系（３９Ａ）の少なくと
も一部（４７）を基板ステージ（４，５，６）に着脱自
在に配置する場合には、投影光学系の結像特性の計測時
にはその一部（４７）の光学系を基板ステージに装着
し、露光時にはその一部（４７）の光学系を取り外す。
これにより、露光時の基板ステージ（４，５，６）の負
担が軽減され、基板ステージ（４，５，６）の制御がし
易くなる。

【００１２】また、拡大光学系（３９）を構成するレン
ズの内の投影光学系（３）に最も近いレンズ（２０）の
投影光学系（３）に対向する面（２０ａ）が、実質的に
平面である場合には、その平面部分に指標マーク等を容
易に形成できる。更に、その平面部にオートフォーカス
用の光束を照射できるため、その拡大光学系の位置制御
が容易となる。

【００１３】更に、その投影光学系（３）に最も近いレ
ンズ（２０）の投影光学系（３）に対向する面（２０
ａ）が、基板ステージ（４，５，６）に載置される感光
性の基板（１８）の表面と同一の高さである場合には、
オートフォーカスを行う際にオフセットを考慮する必要
がない。また、本発明の第２の投影露光装置によれば、
同時に複数方向のパターンの検出が行えるため、投影光
学系の結像特性を計測するための所要時間が短縮でき
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
について図１〜図６を参照して説明する。本実施例は、
レチクル上のパターンを投影光学系により縮小してウエ
ハ上の各ショット領域に露光するステップ・アンド・リ
ピート方式の投影露光装置に本発明を適用したものであ
る。

【００１５】図１は、本実施例の投影露光装置の概略構
成を示し、この図１において、照明光学系ＥＬから射出
された露光用の照明光ＩＬが、レチクル１上の照明領域
に照射され、その照明領域内に描画された回路パターン
が、投影光学系３を介して縮小されてウエハ１８の表面
に転写される。照明光ＩＬとしては、水銀ランプの輝線
（波長３６５ｎｍのｉ線や波長４３６ｎｍのｇ線等）等
の連続光の他、ＫｒＦエキシマレーザ光及びＡｒＦエキ
シマレーザ光等のパルスレーザ光が用いられる。ここ
で、図１において、投影光学系３の光軸ＡＸに平行にＺ
軸を取り、その光軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行
にＸ軸、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。

【００１６】図１において、回路パターンの描かれたレ
チクル１は、レチクルステージ２上に真空吸着され、こ
のレチクルステージ２は、投影光学系３の光軸ＡＸに垂
直な２次元平面（ＸＹ平面）内で、Ｘ方向、Ｙ方向及び
回転方向（θ方向）にレチクル１を位置決めする。レチ
クルステージ２の２次元平面内の位置座標は、不図示の
レチクルステージ２上の移動鏡及び周辺に配置されたレ
ーザ干渉計により、例えば０．０１μｍ程度の分解能で
常時検出されている。また、レチクル１上の回路パター
ンの周辺には投影光学系３の結像特性の計測のための指
標パターン３６ａ〜３６ｅ（３６ａのみ図示）が形成さ
れている。

【００１７】図４は、図１のレチクル１の平面図を示
し、この図４において、レチクル１の下面で回路パター
ンが描画されたパターン領域１ａ内の４隅及び中央部に
は、同一の指標パターン３６ａ〜３６ｅが形成されてい
る。図５は、図４の指標パターン３６ａの拡大図を示
し、この図５において、指標パターン３６ａには４種類
の基本パターン３７ａ〜３７ｄが形成されている。これ
らの基本パターン３７ａ〜３７ｄは全て同形のライン・
アンド・スペースパターンであるが、それぞれ方向が異
なるものである。基本パターン３７ａ，３７ｄはそれぞ
れＹ方向及びＸ方向にほぼ平行なパターンであり、基本
パターン３７ｂ，３７ｃはそれぞれＸ方向から反時計方
向に約４５度及び時計方向に約４５度回転した方向に平
行なパターンである。指標パターン３６ａ以外の指標パ
ターン３６ｂ〜３６ｅも同様であり、このように種々の
方向の基本パターンが含まれているため、指標パターン
３６ａ〜３６ｅの位置に応じて計測する基本パターンを
変えることにより、例えばメリジオナル方向とサジタル
方向との結像特性の差（非点収差等）を求めることがで
きる。以下の説明においては指標パターン３６ａにより
代表して説明する。

【００１８】なお、各基本パターン３７ａ〜３７ｄはそ
れぞれ異なった形で形成されてもよく、また、ライン・
アンド・スペースパターンでなくともよい。更に、各指
標パターンは、レチクル１上の何れの位置に形成されて
もよく、また、その数に制限はない。なお、図４のレチ
クル１としては、指標パターンのみが形成されたテスト
レチクルが便利である。しかしながら、実際に露光対象
となるレチクル上のストリートライン上等にその指標パ
ターンを形成しておいてもよい。この場合のレチクル上
には上記の回路パターン及び指標パターン３６ａの他
に、レチクルアライメント用の基準マーク及び最終アラ
イメント用のレチクルマークが形成されている。

【００１９】図１に戻ってウエハステージ周辺の構成を
説明する。なお、ウエハステージは、ウエハホルダ７、
Ｚステージ６、Ｘステージ５、及びＹステージ４等を併
せた全体のステージを総称するものである。図１に示す
ように、ウエハ１８はウエハホルダ７上に真空吸着によ
り保持され、ウエハホルダ７は、Ｚステージ６上に載置
されている。また、Ｚステージ６は、この投影露光装置
で露光される最大のウエハの直径分の長さだけＸ方向に
移動可能なＸステージ５上に載置され、Ｘステージ５
は、最大のウエハの直径分の長さだけＹ方向に移動可能
なＹステージ４上に載置されている。

【００２０】Ｙステージ４は、送りねじ１１を介してモ
ータ１０により駆動され、不図示の装置ベースに対して
相対的にＹ方向に移動し、Ｘステージ５は、送りねじ１
３を介してモータ１２により駆動され、Ｙステージ４に
対して相対的にＸ方向に移動する。また、Ｚステージ６
は、レベリングステージ及び回転ステージを含み、不図
示の駆動部により、投影光学系３の結像面に対し、任意
方向に傾斜可能で、且つ光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に微動
できる。また、Ｚステージ６は光軸ＡＸの回りでの回転
も可能である。

【００２１】更に、図１に示すようにＺステージ６の−
Ｘ方向の側面にはレーザ干渉計１４が配置され、それに
対応してＺステージ６の−Ｘ方向の端部にはレーザ干渉
計１４からの光を反射する移動鏡８が設けられて、レー
ザ干渉計１４によりＺステージ６のＸ座標値が測定され
る。一方、不図示であるが、Ｚステージ６のＹ座標値
は、Ｚステージ６のＹ方向に左右対で配置されたレーザ
干渉計と、それに対応してＺステージ６のＹ方向の端部
に設けられた移動鏡とにより測定される。

【００２２】更に、図１中には投影光学系３の結像面付
近のウエハ１８の露光面に向けて、光軸ＡＸに対して斜
めに縞状パターンの像を投影する照射光学系１５と、そ
の投影された像からの反射光束よりその縞状パターン像
を再結像する受光光学系１６とからなる斜入射方式の多
点の焦点位置検出系が設けられている。投影光学系３の
露光フィールド内の全面でのウエハ１８の表面のＺ方向
の位置（焦点位置）は、この多点の焦点位置検出系１
５，１６によって検出され、その検出情報に基づきウエ
ハ１８の表面が投影光学系３の結像面に合致するように
オートフォーカスが（更に必要に応じてオートレベリン
グが）行われる。

【００２３】また、Ｚステージ６の内部から上面にかけ
ては投影光学系３の結像特性の計測時に、レチクル１上
に形成された指標パターン３６ａの空間像を拡大する拡
大光学系３９（図３参照）及び拡大光学系３９からの空
間像を撮像信号に変換する２次元ＣＣＤよりなる撮像素
子２６が搭載されている。図１には拡大光学系３９のレ
ンズ群の内投影光学系３に最も近い対物レンズ系１７だ
けが示されている。

【００２４】図２は、図１のＺステージ６の平面図を示
し、対物レンズ系１７とリレー光学系１９とからなる拡
大光学系３９及び撮像素子２６が、Ｚステージ６の内部
から上面にかけて−Ｙ方向の端部付近に搭載されてい
る。この内リレー光学系１９と撮像素子２６とは、対物
レンズ系１７の下部からＺステージ６の−Ｘ方向の端部
に向けて、一点鎖線で囲まれた斜線部に示されるよう
に、Ｚステージ６中に埋め込まれている。また、前述の
ようにＺステージ６の−Ｘ方向の端部及び＋Ｙ方向の端
部にはそれぞれＺステージ６の位置計測用の移動鏡８，
９が固定されている。

【００２５】なお、本例の投影露光装置にはその他各種
のアライメント系が装備されているが、本発明と直接関
係しないので説明を省略する。次に、本例の拡大光学系
３９及び撮像素子２６につき詳細に説明する。図３は、
拡大光学系３９、撮像素子２６及び画像処理系等の概略
構成を示し、この図３において、拡大光学系３９は対物
レンズ系１７及びリレー光学系１９から構成され、リレ
ー光学系１９は対物レンズ系１７からの光束を折り曲げ
る反射ミラー２２、及び複数のレンズ２３，２４，２５
から構成されている。対物レンズ系１７は、投影光学系
３側から第１レンズ２０及び第２レンズ２１からなり、
第１レンズ２０の投影光学系３に対向する表面２０ａは
平面に形成されている。また、第１レンズ２０の表面２
０ａは、図１のウエハ１８の表面と同じ高さの露光面４
４と合致するよう配置されている。なお、本例では第１
レンズ２０の表面２０ａは、露光面４４と同じ高さにな
るよう配置されているが、高さが同じでなくともよい。
但し、その表面２０ａと露光面４４との高さが同じ場合
には、例えばその表面２０ａに指標マークを形成する
と、レチクル上の指標パターンの像と、その指標マーク
とを同時に観察できるようになる。

【００２６】結像特性の計測時には、図１のレチクル１
の下面の指標パターン３６ａに照明光ＩＬを照射する
と、投影光学系３の結像面に指標パターン３６ａの縮小
像が投影される。図３において、露光面４４が結像面に
合致しているものとすると、縮小像からの発散光は第１
レンズ２０、第２レンズ２１及び反射ミラー２２を経て
指標パターン３６ａの像を形成する。そして、その像か
らの照明光が、リレー光学系１９を経て、撮像素子２６
の受光面２６ａに指標パターン３６ａの拡大像を結像す
る。即ち、露光面４４と受光面２６ａとは共役であり、
対物レンズ系１７及びリレー光学系１９による投影倍率
は例えば３００倍〜４００倍である。

【００２７】撮像素子２６の受光面２６ａに結像された
拡大像は、撮像素子２６で撮像信号に変換されて、一旦
フレームメモリ４１に格納される。格納された信号は必
要に応じ制御系４０の指令の下で画像処理系４２により
読み出され、画像処理系４２において像コントラストの
算出等の様々な画像処理が行われる。それらの結果は制
御系４０に供給される。また、指標パターン３６ａの拡
大像はテレビモニタ４３に映し出され、目視で観察でき
るようになっている。

【００２８】図６は、テレビモニタ４３に映し出された
指標パターン３６ａの像の例を示し、この図６に示され
るように、レチクル１上の指標パターン３６ａを構成す
る基本パターン３７ａ〜３７ｄに対応する拡大投影像３
８ａ〜３８ｄがテレビモニタ４３の画面に映し出されて
いる。露光面４４に結像面が合致していると、投影像３
８ａ〜３８ｄは最も鮮明となり、デフォーカス状態では
投影像３８ａ〜３８ｄがぼけるようになる。

【００２９】次に、ベストフォーカス位置を求める方法
について主に図３を参照して説明する。先ず、対物レン
ズ系１７の中心が投影光学系３の露光フィールド内に来
るよう図１のＸステージ５及びＹステージ４を移動させ
る。このとき、対物レンズ系１７の中心は、投影光学系
３の光軸ＡＸの中心である必要はなく、露光フィールド
が例えば２０ｍｍ×２０ｍｍであるならば、その範囲内
にあればよい。本例の多点の焦点位置検出系１５，１６
によれば、その２次元の露光フィールド内の任意の位置
における焦点位置が検出できる。

【００３０】その後、レチクル１上の指標パターン３６
ａが照明光ＩＬで照明されて、投影光学系３を介した指
標パターン３６ａの縮小像の投影位置に対物レンズ系１
７が移動される。そして、その縮小像がウエハ面と同一
の高さに配置された対物レンズ系１７の第１レンズ２０
の表面２０ａの近傍に結像され、対物レンズ系１７及び
リレー光学系１９により拡大された指標パターン３６ａ
の像が撮像素子２６によって撮像される。撮像された像
は撮像素子２６において撮像信号に変換され、その像が
テレビモニタ４３に映し出される。

【００３１】そして、図１の焦点位置検出系１５，１６
により第１レンズ２０の表面２０ａのＺ方向の位置を計
測し、その結果をもとにＺステージ６を上下させること
により、撮像素子２６で検出される画像のコントラスト
が変化する。これらの情報は画像処理系４２に供給さ
れ、画像処理系４２により最もコントラストが高くなる
ときのＺ方向の位置が決定される。

【００３２】以上の動作を露光フィールド内の数点、例
えば図４の指標パターン３６ａ〜３６ｅの投影領域であ
る中心点と四隅で行うことにより像面湾曲度を求めるこ
とができる。また、図５に示すようなＹ方向及びＸ方向
に平行なライン・アンド・スペースパターンからなる基
本パターン３７ａ，３７ｄと、Ｘ方向から時計方向に約
４５度及び反時計方向に約４５度の方向をもつライン・
アンド・スペースパターンからなる基本パターン３７
ｂ，３７ｃとにより構成される本例の指標パターン３６
ａを用いることにより、投影光学系３の非点収差を一度
の計測で求めることができる。

【００３３】以上のように、本例の投影露光装置では、
レチクル１上に指標パターン３６ａ〜３６ｅを形成し、
Ｚステージ６に拡大光学系３９と撮像素子２６とを設け
て、指標パターン３６ａ〜３６ｅを露光用の照明光ＩＬ
で照射し、投影光学系３を介して得られる指標パターン
３６ａ〜３６ｅの縮小投影像を拡大光学系３９で拡大し
た像を撮像素子２６で受光して撮像信号に変換し、画像
処理系４２及び制御系４０で処理することにより、投影
光学系３のベストフォーカス位置、非点収差及び像面湾
曲等の結像特性が計測される。更に、例えば図４の指標
パターン３６ａ〜３６ｅの間隔を正確に計測しておき、
投影像の間隔の設計値からのずれ量を求めることによ
り、投影光学系３の歪曲収差や倍率誤差等をも計測でき
る。

【００３４】従って、従来のように実際にウエハを露光
する等の工程を経ることなく投影光学系３の結像特性の
計測を行うことができる。そのため計測時間が短縮され
全体のスループット（生産性）が向上する。また、従来
のステージスリット法では像の方向ごとにステージ走査
を何度も繰り返さなければならないのに対し、本例のよ
うな画像検出法では同時に複数方向のパターン検出が行
えるため、所要時間の短縮が実現される。

【００３５】また、ウエハ１８の表面と同一の高さを有
し、且つ投影光学系３に対向する面が平面の第１レンズ
２０を有する対物レンズ系１７を備えているので、投影
光学系３に対してウエハ１８と同じ条件で焦点位置を測
定できる。そのため、ベストフォーカス位置等をコンパ
クトな光学系で正確に計測できる。次に、本発明の投影
露光装置の他の実施例につき、図７〜図９を参照して説
明する。本例では、拡大光学系を第１リレー光学系４６
と第２リレー光学系４７とに分離し、第２リレー光学系
４７及び撮像素子をＺステージ６に着脱自在に設けてい
る。その他は図１の実施例と同様であり、図７〜図９に
おいて図１〜図５に対応する部分には同一符号を付しそ
の詳細説明を省略する。

【００３６】図７は、本例の投影露光装置の概略構成を
示し、この図７において、図９に示す第２リレー光学系
４７及び撮像素子３４を搭載する収納部材２８がＺステ
ージ６の−Ｙ方向の側面に着脱自在に設けられている。
また、前実施例と同様の構成を有する対物レンズ系１７
と、図８に示す第１リレー光学系４６及び第２リレー光
学系４７からなる拡大光学系３９Ａと、撮像素子３４と
が搭載されている。

【００３７】図８は、図７のＺステージ６の平面図を示
し、この図８において、対物レンズ系１７を含んで、一
点鎖線で囲まれた斜線部分に示すように、第１リレー光
学系４６が搭載されている。また、Ｚステージ６に着脱
自在に設けられた収納部材２８には、図９に示す第２リ
レー光学系４７及び２次元ＣＣＤよりなる撮像素子３４
が装着されている。収納部材２８は、結像特性を測定し
ないときにはＺステージ６から外しておくことができ
る。

【００３８】図９は、図７の投影露光装置に搭載される
拡大光学系３９Ａ及び撮像素子３４の概略構成を示し、
図９（ａ）は図７を＋Ｙ方向に見た概略構成、図９
（ｂ）は図７を−Ｘ方向に見た概略構成を示している。
この図９において、拡大光学系３９Ａは、第１リレー光
学系４６と第２リレー光学系４７とに分離されている。
第１リレー光学系４６は、第１レンズ２０及び第２レン
ズ２１からなる対物レンズ系１７、反射ミラー２９及び
第３レンズ３０から構成され、第２リレー光学系４７
は、反射ミラー３１と第４レンズ３２及び第５レンズ３
３からなるリレー光学系３５とから構成されている。第
１リレー光学系４６は、図８のＺステージ６の内部に固
定され、第２リレー光学系４７及び撮像素子３４は、図
８の収納部材２８に搭載される。

【００３９】第１レンズ２０の投影光学系３に対向する
表面２０ａは、前実施例同様に平面に形成され、図７の
ウエハ１８の表面と同じ露光面４４の高さになるよう配
置されている。結像特性の計測時には、図７のレチクル
１上の指標パターン３６ａの投影光学系３を介した縮小
像が、対物レンズ系１７の第１レンズ２０の表面２０ａ
と合致する露光面４４の近傍に結像される。対物レンズ
系１７は、前実施例と同様に構成されており、その縮小
像からの照明光ＩＬは対物レンズ系１７を透過し、反射
ミラー２９及び第３レンズ３０に入射する。照明光ＩＬ
は、反射ミラー２９により上方から−Ｙ方向にほぼ直角
に折り曲げられて第３レンズ３０に入射し、第３レンズ
３０を透過して、反射ミラー３１に入射する。照明光Ｉ
Ｌは反射ミラー３１でほぼ直角に−Ｘ方向に折り曲げら
れて、第４レンズ３２及び第５レンズ３３を透過し、撮
像素子３４の受光面３４ａにレチクル１の指標パターン
３６ａの拡大像を結像させる。指標パターン３６ａの像
は、第１リレー光学系４６と第２リレー光学系４７とか
らなる拡大光学系３９Ａにより数百倍に拡大されて撮像
素子３４の受光面３４ａに結像される。露光面４４と受
光面３４ａとは共役であり、結像面が露光面４４からデ
フォーカスすると、受光面３４ａの像もぼけるようにな
る。

【００４０】撮像素子３４で撮像された拡大像は、前実
施例同様処理されて投影光学系３のベストフォーカス位
置、非点収差、像面湾曲及び歪曲収差等の計測が行われ
る。拡大光学系３９Ａの一部である第２リレー光学系４
７と撮像素子３４とを収納部材２８に搭載して、Ｚステ
ージ６から必要に応じ取り外すことができる本例の方法
によれば、実際の露光時には重量が重く、またスペース
の大きな第２リレー光学系４７と撮像素子３４とをＺス
テージ６から取り外すことができるので、Ｚステージ６
の負荷が軽減され、ウエハステージの制御がし易くな
る。

【００４１】また、例えば露光用の照明光としてエキシ
マレーザ光等を使用する場合には、撮像素子が極めて大
きなものとなるが、そのような場合にも本例の方法によ
ればＺステージ６の負荷を軽くできる。なお、本例では
指標パターン３６ａ〜３６ｅをレチクル１上に設け、そ
の指標パターンを露光用の照明光ＩＬにより照射し、投
影光学系３を介して拡大光学系３９上に投影したが、指
標パターンを別の場所に設けてもよい。また、指標パタ
ーンを照明する光源を別に設けてもよく、また別の光学
系により縮小投影してもよい。また、本発明は特開平４
−２７７６１２号公報に開示されているような、所謂ス
テップ・アンド・スキャン方式の露光装置にも適用する
ことができる。

【００４２】このように本発明は上述実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００４３】

【発明の効果】本発明の第１の投影露光装置によれば、
拡大光学系により拡大された所定のパターンの拡大像を
撮像手段（撮像素子）により撮像することにより、テス
トプリントをすることなしに投影光学系の結像特性を計
測することができる。また、従来のステージスリット法
では、露光を実際に行う必要はないが、像の方向ごとに
ステージ走査を何度も繰り返さなければならないのに対
して、拡大光学系を備えた本発明の方法（画像検出法）
では、例えば所定のパターンとしてＸ方向、Ｙ方向及び
Ｘ方向又はＹ方向にある角度をもつライン・アンド・ス
ペースパターン等よりなる複数方向のパターンを用いる
ことにより、同時に複数方向のパターンの検出が行える
ため、所要時間が短縮できる。

【００４４】また、エキシマレーザのようなパルスレー
ザを発生する光源を用いる場合、従来のように基板ステ
ージを走査するステージスリット法では空間像を検出す
るセンサの分解能不足が生じる。しかし、本発明の方法
によれば、通常基板ステージは静止したまま計測するの
で、そのような不都合は生じない。また、本発明のよう
な撮像手段による画像検出法によれば、系全体の応答が
速く（例えば１／３０秒）、撮像手段からの信号を映像
に変換する例えばテレビモニタ等を設けた場合、作業者
がテレビモニタに映し出される像を見ながら操作できる
ので、投影光学系の調整作業が容易になる。

【００４５】また、所定のパターンが、マスク上に形成
される基準パターンである場合には、別の場所にパター
ンを設ける必要がなく、構造が簡略である。また、拡大
光学系を構成するレンズの内基板ステージの表面に最も
近い第１レンズを、基板ステージに固定し、撮像手段及
び拡大光学系の少なくとも一部を基板ステージに着脱自
在に配置する場合には、実露光時には重量が重くまたス
ペースの大きな拡大光学系の一部及び撮像手段を基板ス
テージから取り除くことができるので、基板ステージの
制御が容易になる利点がある。また、例えば照明光とし
てエキシマレーザ光等を使用する場合には、撮像手段が
極めて大きなものとなるが、そのような場合にも基板ス
テージの負荷を軽くできる。

【００４６】また、拡大光学系を構成するレンズの内の
投影光学系に最も近いレンズの投影光学系に対向する面
が、実質的に平面である場合には、その平面部に測定の
基準となる指標マークを形成できると共に、その平面部
に斜入射方式の焦点位置検出系からスリット像等を投影
することにより、オートフォーカスをかけることができ
る。

【００４７】更に、拡大光学系を構成するレンズの内の
投影光学系に最も近いレンズの投影光学系に対向する面
が、基板ステージに載置される感光性の基板の表面と同
一の高さである場合には、焦点位置検出系により検出さ
れる焦点位置をそのまま使用できる。また、本発明の第
２の投影露光装置によれば、同時に複数方向のパターン
の検出が行えるため、投影光学系の結像特性を計測する
ための所要時間が短縮できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一実施例を示す概
略構成図である。

【図２】図１のＺステージ６の平面図である。

【図３】図２の拡大光学系３９及び撮像素子２６等を示
す概略構成図である。

【図４】図１のレチクル１の平面図である。

【図５】図４の基準パターン３６ａのパターン配置を示
す拡大図である。

【図６】テレビモニタ画面上に写し出された図５の基準
パターン３６ａの拡大像である。

【図７】本発明による投影露光装置の他の実施例を示す
概略構成図である。

【図８】図７のＺステージ６の平面図である。

【図９】（ａ）は図７の実施例の拡大光学系３９Ａを＋
Ｙ方向に見た図、（ｂ）は図７の実施例の拡大光学系３
９Ａを−Ｘ方向に見た図である。

【符号の説明】

１レチクル２レチクルステージ３投影光学系４Ｙステージ５Ｘステージ６Ｚステージ７ウエハホルダ８，９移動鏡１０，１２モータ１４干渉計１５焦点位置検出系の照射光学系１６焦点位置検出系の受光光学系１７対物レンズ系１８ウエハ１９リレー光学系２０第１レンズ２６，３４撮像素子３６ａ〜３６ｅ基準パターン３９，３９Ａ拡大光学系４３テレビモニタ

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上のパターンを感光性の基板上に
投影する投影光学系と、前記基板を前記投影光学系の光
軸に平行な方向、及び前記光軸に垂直な平面上で移動さ
せる基板ステージとを有する投影露光装置において、前記投影光学系を介して前記基板ステージ側に投影され
る所定のパターンの像を所定の観察面上に拡大して再結
像する拡大光学系と、前記所定の観察面上の前記所定のパターンの像の拡大像
を撮像する撮像手段と、を設け、前記拡大光学系を構成するレンズの内前記基板ステージ
の表面に最も近い第１レンズを、前記基板ステージに固
定し、前記撮像手段及び前記拡大光学系の少なくとも一
部を前記基板ステージに着脱自在に配置したことを特徴
とする投影露光装置。
【請求項２】前記拡大光学系を構成するレンズの内の
前記投影光学系に最も近いレンズの前記投影光学系に対
向する面は、実質的に平面であることを特徴とする請求
項１に記載の投影露光装置。
【請求項３】マスク上のパターンを感光性の基板上に
投影する投影光学系と、前記基板を前記投影光学系の光
軸に平行な方向、及び前記光軸に垂直な平面上で移動さ
せる基板ステージとを有する投影露光装置において、前記投影光学系を介して前記基板ステージ側に投影され
る所定のパターンの像を所定の観察面上に拡大して再結
像する拡大光学系と、前記所定の観察面上の前記所定のパターンの像の拡大像
を撮像する撮像手段と、を設け、前記拡大光学系を構成するレンズの内の前記投影光学系
に最も近いレンズの前記投影光学系に対向する面は、実
質的に平面であることを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】前記所定のパターンは、前記マスク上に
形成された基準パターンであることを特徴とする請求項
１、２、又は３に記載の投影露光装置。
【請求項５】前記拡大光学系を構成するレンズの内の
前記投影光学系に最も近いレンズの前記投影光学系に対
向する面は、前記基板ステージに載置される前記感光性
の基板の表面と同一の高さであることを特徴とする請求
項２又は３に記載の投影露光装置。
【請求項６】マスク上のパターンを基板上に投影する
投影光学系と、前記基板を保持して所定の平面内で移動
可能な基板ステージとを有する投影露光装置において、前記投影光学系を介して前記基板ステージ側に投影され
る互いに異なる複数の方向に延びる複数のパターンの像
を、所定の観察面上に拡大して再結像する拡大光学系
と、前記複数のパターンの像の拡大像を、前記所定の観察面
上において同時に撮像する撮像手段と、前記撮像手段からの検出信号に基づいて、前記投影光学
系の結像特性を計測する制御系と、を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項７】前記制御系は、前記撮像手段が前記投影
光学系の露光フィールド内における複数箇所で前記複数
のパターンの拡大像を検出したときの検出結果に基づい
て、前記投影光学系の結像特性を計測することを特徴と
する請求項６に記載の投影露光装置。
【請求項８】前記投影光学系の結像特性は、非点収差
を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の投影露
光装置。
【請求項９】前記拡大光学系を構成するレンズのうち
の少なくとも一部は、前記基板ステージに設けられてい
ることを特徴とする請求項６、７、又は８に記載の投影
露光装置。
【請求項１０】前記基板ステージ上に設けられ、前記
複数のパターンの像と共に前記拡大光学系を介して前記
撮像手段で撮像される指標マークを更に有することを特
徴とする請求項６〜９の何れか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項１１】前記指標マークが設けられた平面に対
して前記投影光学系を介さずに検出光を照射し、前記指
標マークが設けられた平面の前記投影光学系の光軸方向
における位置を検出する焦点位置検出系を更に有し、前記制御系は、前記撮像手段が前記投影光学系の露光フ
ィールド内における複数箇所で前記複数のパターンの拡
大像を検出したときの検出結果、及びそのときに前記焦
点位置検出系から得られる前記指標マークが設けられた
平面の検出情報に基づいて、前記投影光学系の像面湾曲
を計測することを特徴とする請求項１０に記載の投影露
光装置。
【請求項１２】前記互いに異なる複数の方向に延びる
複数のパターンは、それぞれライン・アンド・スペース
パターンであり、前記制御系は、前記複数のライン・アンド・スペースパ
ターンのコントラストを算出することを特徴とする請求
項６〜１１の何れか一項に記載の投影露光装置。