JP4216348B2 - 干渉計システムおよびそのようなシステムを含むリソグラフィー装置 - Google Patents

Description

この発明は、ＸＹＺ座標系のＸＹ平面に平行な平面での物体の位置および変位を、その物体のホルダに配置したＸおよびＹ測定ミラーによって測定するための干渉計システムで、複数の測定ビームを発生し、上記測定ビームをこのＸＹ平面に平行でこれらの測定ミラーへおよびそれらから伸びる複数の測定軸に沿って向けるための手段、並びにこれらの測定ミラーが反射した測定ビームを電気測定信号に変換するための放射線感応性検出器を備え、ＸおよびＹ測定軸の数が少なくとも干渉計的に測定すべき物体の運動数に等しいシステムに関する。
この発明は、そのような干渉計システムを含む、リソグラフィー投影装置にも関する。この装置は、ステッパまたはステップアンドスキャナでもよい。
この干渉計システムの測定軸は、物体の与えられた点の与えられた方向（ＸまたはＹ）での変位の位置を測定する軸を意味するものと理解する。この測定軸が、この測定のために使用する測定ビームの主光線と一致する必要はない。もし、測定ビームをこのシステムを通して２度送り、この物体によってほゞ同じ点で２度反射すると、この測定軸が第１通路での測定ビームの主光線と第２通路でのこのビームの主光線の間に位置する。
ＥＰ−Ａ０４９８４９９は、そのような干渉計システムと、そのようなシステムを含み、マスクパターン、例えば集積回路（ＩＣ）のパターンの縮小像を放射線感応層を備える基板上に繰返し結像する光学的リソグラフィー投影装置との実施例を開示している。同じ基板上のマスクパターンの二つの連続する像間で、この基板およびマスクが互いに関して、例えば、ＸＹＺ座標系のＸまたはＹ方向に動き、一方この基板面およびマスク面はＸＹ平面に平行である。
この投影装置は、集積回路を製造するためにマスキングおよび拡散技術と組合わせて使用する。この方法で、第１マスクパターンを多数、例えば百回基板のＩＣ領域に結像する。次に、この基板を所望の物理的および／または化学的処理工程に掛けるためにこの投影装置から取除く。続いて、この基板の異なるＩＣ領域に第２マスクパターンの像を作るために、この基板を同じ、またはもう一つの類似の投影装置に配置する、等々。そこで、マスクパターンの像を基板フィールドに関して非常に正確に配置しなければならない。
このため、現在使用する投影装置は：
− 基板テーブルの運動、すなわち基板ホルダおよび基板の運動が正確に追従でき、基板の位置を正確に決められる基板テーブル用干渉計システム；
− マスクを基板に関して整列でき、この干渉計システムと密接に協同する整列システム；
− 基板のＩＣ領域に作ったマスクパターンの像が常に鮮鋭であることを保証する焦点合せ誤差検出システム；並びに
− この焦点合せ誤差検出システムと組合わせ可能の、基板とマスクパターンの像の互いに対する倒れを検出するための倒れ検出システムすなわち焦点合せおよび水平検出システムでの検出システムを含む。
公知の複合干渉計システムは、３本の測定軸を有してもよく、これにより基板のＸ方向およびＹ方向の運動並びに、この投影系の光軸であるＺ軸周りの基板の回転φ_zを測定できる。ＥＰ−Ａ０４９８４９９による干渉計システムの空間的特徴は、５本の測定軸を有し、基板のＸ軸およびＹ軸に沿う変位並びにＺ軸周りの回転を非常に正確に測定できるだけでなく、Ｘ軸周りの倒れφ_xおよびＹ軸周りの倒れφ_yも測定できることである。この干渉計システムを使うとき、基板の各フィールドをマスクパターンに関して、フィールド毎の別々の整列を必要とすることなく、非常に正確に配置できる。従って、基板を照明するために必要な時間をかなり短縮できる。
以後フォトリソグラフィー装置とも称する、光学的リソグラフィー投影装置では、投影系の像界が基板表面と一致しなければならない、即ち、像面のＺ位置と基板ホルダの表面のそれらの間に与えられた関係が存在すべきである。基板テーブルが常に投影レンズ系の下に配置され且つ最大で基板寸法のオーダである距離に亘って動かされる、現在使用するフォトリソグラフィー装置では、この関係を上記焦点合せおよび水平検出システムによって制御し、その要素をこの投影系にしっかりと結合した板の形の測定フレームに配置する。上記検出システムおよびそれらが一部を形成するサーボシステムを使えば、基板およびマスクパターンを互いに関して全体的に配置できるだけでなく、フィールド毎に十分正確にも配置できる。現在開発している新世代のフォトリソグラフィー投影装置では、それを使って多数の部品を有するＩＣを製造しなければ成らず、即ち、それによって更なる詳細すらも基板フィールドに結像しなければ成らず且つそれでは基板テーブルを基板寸法より大きい距離に亘って動かすため、新しい問題が現れる。一方で、更に一層正確な整列の必要性の問題があり、他方で、上記の関係が上述の方法ではもう制御できないという問題がある。従って、投影系とチャックとも称する基板ホルダとの間の、Ｚ方向の、距離を測定する、もう一つのモードが必要である。
この発明の目的は、所望の測定ができ、とりわけ、基板とマスクパターンを互いに関して整列する目的で、フォトリソグラフィー装置内で基板の変位の非常に正確且つ確実に測定可能にする、干渉計システムを提供することである。この干渉計システムは、この物体のＺ位置をこの物体のホルダ上にＸＹ平面に鋭角に配置したＺ測定ミラーによって測定するようにもされ、このためにこの干渉計システムがＺ測定軸を有し、Ｚ測定ビームを発生し且つ上記測定ビームをこのＺ測定ミラー上に向けるための手段、およびこのＺ測定ミラーからのＺ測定ビームをこの物体のＺ位置周りの情報を含む信号に変換するためのＺ検出器を備えることを特徴とする。
この発明は、ＸおよびＹ方向の正確且つ確実な干渉計測定のためには、Ｚ方向の基板の変位を考慮に入れて補償しなければならないが、公知の干渉計システムを、Ｚ測定ビームを放射線源からＺ測定ミラーまでＸＹ平面に平行に発して、Ｚ測定ミラーによって反射基準要素へ反射させ、反射基準要素に関して基板のＺ位置を測定するように用途を広げるだけの簡単な方法でこのＺ変位を、測定できるという認識に基づく。
Ｚ測定ミラーを使用することによって、所望のＺ位置測定を、拡張性のＸＹ干渉計システムで実行できるＸまたはＹ位置測定に変形する。そうなると、基板のＺ位置測定および倒れ位置測定のために、投影レンズ系の下に別の光学的倒れ検出システムを配置する必要がもう無い。このＺ位置および倒れ位置は、例えば、容量式または誘導式センサによっても測定できる。しかし、位置を測定しなければならない物体の全２次元表面は、実際には実現できい、または実現困難な平面性要件に従うべきである。Ｚ測定軸を備える干渉計システムを使うとき、Ｚ測定ミラーは、ある方向の長さが、その方向に物体ホルダが横切って動く距離のオーダだけあればよく、一方、この方向と直角方向には、この測定ミラーがこの測定ミラーの位置でのＺ測定ビームの断面のオーダの幅があればよい。それで、平面性要件を容易に満足できるように、ストリップ形のミラーを使えば十分である。
基板テーブルのＸ、ＹおよびＺ位置を測定するための複合干渉計システムが日本国特許公開公報Ｈ０４−１７９１１５の英文要約書に記載されていることに注目すべきである。測定ミラーが、基板テーブルの一部である基板ホルダではなくて、基板テーブルの側面に配置されている。これらの測定ミラーを、各々反射性の側面および下面を有する四つの要素によって作り、これらの下面をＺ位置測定のために使い、側面をＸおよびＹ位置測定のために使う。公知のシステムは、四つの従来のマイケルソン干渉計を含み、その第１のものをＸ位置だけの測定に使い、第２をＹ位置だけの測定に使い、他の二つをＺ位置だけの測定に使う。これらのＺ干渉計は、余分なスペースが要るので、基板テーブルの下に配置する。公知のシステムでは、それに関する基板ホルダのＺ位置を測定しなければならない物体上に配置したＺ反射器に関する基板ホルダのＺ位置ではなく、基板テーブルのＺ位置をＺ干渉計に関して測定する。
この発明による干渉計システムは、もし、基板位置の測定をマスクパターンを介する基板の照明とかなり異なる瞬間に行うならば、排他的にではないが、顕著に適用可能である。特にその場合、再現性のあるＺ位置の測定が非常に重要である。異なる瞬間での基板の測定と照明は、単一基板テーブルを備えるフォトリソグラフィー装置で行ってもよいが、照明ステーションおよび別の整列ステーション、並びに二つの基板テーブルを備えるフォトリソグラフィー装置に特に適した方法である。この装置の使用中、第１基板ホルダ上にある第１基板の全てのＩＣ領域を照明ステーションでマスクパターンで照明し、一方、第２基板の整列マークは、整列ステーションで第２基板テーブル上に設けた整列マークに関して整列する。第１基板を完全に照明してから、この基板テーブルを照明ステーションから取除き、その後第１基板をこの基板テーブルから除去し、第３基板を第１基板テーブル上に設け、続いてこの基板を整列ステーションで第１基板テーブルに関して整列する。この間に、第２基板テーブルを照明ステーションへ動かし、このテーブルの整列マークをマスクマークに関して整列し、基板マークもマスクマークに関して整列して、第１基板テーブルに関する第３基板の整列中に、第２基板を照明できるようにする。すなわち、整列手続の大部分を照明ステーションの外部で行い、このステーションが実際の照明または投影に適する期間を最大とし、この装置が照明できる単位時間当りの基板数を最大としている。この点は、ＩＣのフォトリソグラフィー製造法では重要な側面となる。
この発明による干渉計システムの好適実施例は、更に、Ｚ測定ミラーを物体のホルダ上にＸＹ平面に実質的に４５°の角度で配置することを特徴とする。
もし、基準ミラーがＸＹ平面に平行であれば、Ｚ測定ビームがＺ反射器へ向い、反射器から反射する場合同じ経路を辿るので、Ｚ測定ミラーを最小の幅とすることができる。
この発明による干渉計システムの実施例は、更に、Ｚ測定ミラーをＸまたはＹ測定ミラーの傾斜部によって構成することを特徴としてもよい。
Ｚ方向に見て、この目的に適する物体ホルダの側面を直線部およびこの直線部と好ましくは４５°の角度の傾斜部に分割し、両部分をミラーにする。
しかし、この干渉計システムの好適実施例は、Ｚ測定ミラーを、ＸまたはＹ測定ミラーも配置した物体ホルダの側面上に設けた傾斜したバーによって構成し、上記バーが上記側面の僅かな部分に亘ってだけＺ方向におよびこの側面全体に亘ってそれに垂直方向に拡がることを特徴とする。
この基準反射器は、投影レンズホルダに対しては配置しないので、例えば７０ｍｍのオーダの、与えられた距離がフォトリソグラフィー装置でこの反射器の一端と投影レンズの軸の間に存在するだろう。Ｚ測定ミラーが反射した測定ビームがＺ反射器に、基板ホルダの極端位置にも到達できるためには、投影レンズの軸とＺ測定ミラーの中心の間の位置での距離が最小限上記距離に等しくなければならない。これは、基板ホルダをＺ測定のために拡大しなければならないことを意味する。このホルダが所与の高さがなければならないので、またＸまたはＹ測定ミラーもＺ測定ミラーを設ける側面上に設けなければならないので、Ｚ測定ミラーのための基板ホルダの寸法の増加は、その重量をかなり引き上げる。Ｚ測定ミラーを基板ホルダに固定結合した薄いバー上に設けることによって、このホルダの重量をかなり軽減できる。
Ｚ測定ミラーは、物体ホルダのこの物体から遠い側に配置するのが好ましい。Ｚ測定ミラーをホルダの下側におよびＸまたはＹ測定ミラーをその上に置くことによって、アッベの誤差が起る危険を緩和できる。更に、基板ホルダの関連する側面の最大限の部分およびＺ測定ミラーと投影系の間の最大限のスペースを他の測定に利用できる。
この干渉計システムでは、Ｚ測定ビームに関連する基準ビーム用に別の基準ミラーを設けてもよい。すると、このＺ測定ビームおよびＺ基準ビームを受けるＺ検出器は、Ｚ位置についての情報が、もしＺ測定ミラーを物体ホルダのＸ測定ミラーと同じ側面に配置するなら、Ｘ位置についての情報と、または、もしＺ測定ミラーをＹ測定ミラーと同じ側面に配置するなら、Ｙ位置についての情報と混ざった信号を提供する。そこでＸ位置信号またはＹ位置信号による電子的微分をまだこの信号に行わなければならない、即ち、純粋なＺ位置を得るために、この信号をＸ位置、またはＹ位置信号と組合せなければならない。
しかし、この干渉計システムは、更に、Ｚ測定ビームに関連する基準ビーム用基準ミラーを、Ｚ測定ミラーも配置した物体ホルダの側面上に配置したＸまたはＹ測定ミラーによって構成することを特徴とするのが好ましい。
そこで光学的微分を行い、このＺ検出器の出力信号が純粋なＺ位置情報を含む。それで、電子微分を行う必要がない。光学微分は、一つは電子回路の処理速度にもう依存しないという利点を有する。
Ｚ測定軸用に、ビームスプリッタが測定ビームと関連する基準ビームを、それらが、それぞれ、測定ミラーおよび基準ミラーによって反射されてから、組合せて、これらのビームがＺ検出器の平面に作る放射線スポットが出来るだけ満足に一致するようにしなければならない。すると、この検出器が提供する信号は、最大の振幅を有する。しかし、これらの放射線スポットは、これらのビームに関連する測定ミラーの不必要な倒れのために、検出器に関してオフセットし、これらのビームの方向が変るかも知れない。この現象は、ビームウォークオフとして知られる。Ｚ測定ビームをＺ反射素子は勿論Ｚ測定ミラーが反射するので、Ｚ測定ビームに対するビームウォークオフは、Ｚ基準ビームに対するそれより大きい。もし上記の光学微分法を使えば、即ち、もしＺ基準ビームをＸまたはＹ測定ミラーへ送れば、ビームウォークオフを減少できる。実際、するとビームウォークオフが両ビームに対して同じ方向に及ぶ。それで、光学微分法が第２の利点をもたらす。
ビームウォークオフを更に減らすためには、この干渉計システムが、更に、Ｚ測定ビームの経路に再帰反射器を含み、その反射器で測定ミラーによって反射され検出器の方へ向けられるＺ測定ビームを更に反射するためにＺ測定ミラーへ反射されることを特徴とするのが好ましい。
測定ミラーでのＺ測定ビームのこの余分な反射のために、この測定ビームの元の方向が、このビームの経路のミラーの有り得る倒れと無関係に、維持される。
この干渉計システムのＸおよびＹ測定軸の数は、このシステムの用途に依って変ってもよい。しかし、このシステムが、更に、Ｚ測定軸に加えて、少なくとも５本の更なる測定軸を含むことを特徴とするのが好ましい。
このシステムでは、ＸおよびＹ方向の最大限の測定精度の利点を特別な測定能力、即ち、Ｚ測定のそれと組合せる。
この干渉計測定を測定ビームが伝播する媒体の屈折率の変動と無関係にするために、この干渉計システムは、更に、異なる波長の二つの測定ビームが沿って伝播する測定軸を有することを特徴としてもよい。
同じ距離を波長の異なる二つのビームで測定し、媒体の屈折率は、波長に依存するので、有り得る屈折率変動を測定でき、干渉計システムの測定結果をそれによって補償できる。上記測定軸は、別の基準測定軸でもよく、他の測定軸の一つで構成してもよい。
この発明は、マスクパターンを基板上に繰返し投影するための投影装置であって、投影ビームを供給するための照明ユニット、マスクホルダを備えるマスクテーブル、基板ホルダを備える基板テーブル、この投影ビームの経路に配置した投影系、およびこの基板の位置および方向を測定するための光学測定システムを含む装置にも関する。この投影装置は、光学測定システムが先に説明した干渉計システムであり、そこで物体および物体ホルダが、それぞれ、この基板およびこの基板ホルダであることを特徴とする。
この装置の精度は、投影装置に干渉計システムを使用することにより、特に、この装置が上に記した目的で二つの基板テーブルを備えるとき、かなり改善される。
この投影装置は、更に、測定ミラーを除いて、Ｚ反射器は勿論、干渉計システムの部品を剛性フレームに配置し、それに投影系もしっかりと固定し、そのフレームをこの装置の他の部品から動的に絶縁して懸架することを特徴とするのが好ましい。
この測定は、所望の測定精度を実現するためにかなり貢献する。干渉計ユニットを、今度は、投影系への外乱なくしっかりと結合する。計測フレームとも称する、上記フレームを動的に絶縁するように、または振動なく、この装置に懸架するので、その中に存在する干渉計ユニットの位置がもう、基板テーブルおよびマスクテーブルの駆動力のような外力に影響されない。Ｚ反射器は、投影系に固定した反射器で、Ｚ測定ミラーからのＺ測定ビームをこのミラーへ反射する。
この投影装置は、更に、ＸおよびＹ測定ビームに関連する基準ビーム用基準ミラーをこの投影系のホルダ上に配置することを特徴としてもよい。
すると、基板のＸおよびＹ位置をもう干渉計素子に関してでなく、投影系に関して測定する。すると、計測フレームの有り得る変形が位置測定に無視できるほど僅かな影響しか与えない。
この投影装置は、更に、マスクの位置および方向を測定するための光学測定システムを含んでもよく、そこでこの光学測定システムが先に説明した干渉計システムであり、そこで物体および物体ホルダが、それぞれ、基板および基板ホルダであることを特徴としてもよい。
そのような装置では、マスクも非常に正確に配置できる。
この発明のこれらおよびその他の側面は、以下に説明する実施例から明白でありおよびそれらを参照すれば明らかになるだろう。
図面で：
図１は、基板上にマスクパターンを繰返し結像するためのフォトリソグラフィー装置の実施例を図式的に示し；
図２は、この装置に使用するための３本の測定軸を備える公知の干渉計システムを示し；
図３は、１軸干渉計システムの原理を示し；
図４は、５本の測定軸を備える公知の干渉計システムの透視図であり；
図５は、Ｚ測定を行うリソグラフィー装置の実施例を示し；
図６および図７は、二つのＺ測定を行うリソグラフィー装置の第１および第２の実施例を示し；
図８は、改作したＺ測定ミラーを備えるリソグラフィー装置の実施例を示し；
図９は、三つのＺ測定ミラーおよび３本のＺ測定軸を備える基板ホルダを示し；
図１０は、Ｚ測定軸を備える干渉計ユニットの第１実施例の第１部分を示し；
図１１は、そのような干渉計ユニットの第２実施例を示し；
図１２は、第１部分を図１０が示す干渉計ユニットの第２部分を示し；
図１３は、このユニットに使用する反射器システムを示し；
図１４は、干渉計ユニットの測定ビームおよび測定軸が、基板ホルダ上に配置した測定ミラーに当る位置を示し；
図１５は、２本のＺ測定軸を備える干渉計ユニットの更なる実施例を示し；
図１６は、計測フレームおよびアクチュエータフレームを備えるリソグラフィー装置を示し；
図１７は、二つの基板ホルダおよび一つの別の整列ステーションを備えるリソグラフィー装置を示し；
図１８は、この装置の整列ステーションでおよび照明ステーションで基板について行う干渉計測定の概観であり；
図１９は、ステップアンドスキャナでマスクについて行う干渉計測定を示し；および
図２０は、図１７の装置で二つの基板ホルダが行う動作を示す。
図１は、基板上にマスクパターンを繰返し結像するためのフォトリソグラフィー装置の実施例の光学素子を図式的に示す。この装置の主要部品は、投影レンズ系ＰＬを収容する投影コラムである。中に結像すべきマスクパターンＣがあるマスクＭＡ用のマスクホルダＭＨをこの系の上に配置する。このマスクホルダは、マスクテーブルＭＴ内にある。基板テーブルＷＴをこの投影レンズ系ＰＬの下に配置する。このテーブルは、基板Ｗ用基板ホルダＷＨを収容し、その基板は、感光層を備え、その上にこのマスクパターンを多数回、各回毎に異なるＩＣ領域Ｗｄに、結像しなければならない。この基板テーブルは、あるＩＣ領域にマスクパターンを結像してから、次のＩＣ領域をこのマスクパターンの下に配置できるように、ＸおよびＹ方向に可動である。
この装置は、更に、放射線源ＬＡ、例えば、弗化クリプトンエキシマレーザまたは水銀灯、レンズ系ＬＳ、反射器ＲＥおよびコンデンサレンズＣＯを含む照明システムを有する。この照明システムが供給する投影ビームＰＢがマスクパターンＣを照明する。このパターンを投影レンズ系ＰＬによって基板ＷのＩＣ領域に結像する。この照明システムは、代りにＥＰ−Ａ０６５８８１０に記載されているように実施してもよい。この投影レンズ系は、倍率が、例えば、Ｍ＝１／４、開口数ＮＡ＝０．６および直径２２ｍｍの回折限界像界を有する。
この装置は、更に、複数の測定システム、即ち、マスクＭＡをＸＹ平面で基板Ｗに関して整列するためのシステム、基板ホルダの、従って基板のＸおよびＹ位置並びに方向を測定するための干渉計システム、並びに投影レンズ系ＰＬの焦点面または結像面と基板Ｗ上の感光層の表面との間の偏差を測定するための焦点合せ誤差検出システムを含む。これらの測定システムは、電子信号処理および制御回路並びにドライバまたはアクチュエータを含むサーボシステムの一部であり、それによって基板の位置および方向並びに焦点合せをこれらの測定システムが供給する信号に関して補正できる。
この整列システムは、図１の右上隅に示すマスクＭＡの中の二つの整列マークＭ₁およびＭ₂を使う。これらのマークは、回折格子から成るのが好ましいが、その代りに、光学的にそれらの周囲と異なる、正方形またはストリップのような、その他のマークで作ってもよい。これらの整列マークは、２次元であるのが好ましく、即ち、それらは、二つの相互に垂直方向、図１でＸおよびＹ方向に拡がる。基板Ｗは、少なくとも二つの整列マークを有し、それらも２次元回折格子であるのが好ましく、それらの二つＰ₁およびＰ₂を図１に示す。マークＰ₁およびＰ₂は、パターンＣの像を作らねばならない基板Ｗの領域の外側にある。格子マークＰ₁およびＰ₂は、位相格子であるのが好ましく、格子Ｍ₁およびＭ₂マークは、振幅格子であるのが好ましい。
図１は、整列システムの特別の実施例、即ち、２本の整列ビームｂおよびｂ’を、それぞれ、基板整列マークＰ₂をマスク整列マークＭ₂上に、および基板整列マークＰ₁をマスク整列マークＭ₁上に整列するために使用する、複式整列システムを示す。ビームｂを反射素子３０、例えば、ミラーによってプリズム２６の反射面２７へ反射する。面２７は、このビームｂを基板整列マークＰ₂へ反射し、それが放射線の一部をビームｂ₁として関連するマスク整列マークＭ₂へ送り、そこにマークＰ₂の像を作る。反射素子１１、例えば、プリズムをマークＭ₂の上に配置し、そのプリズムは、マークＭ₂が通した放射線を放射線感応検出器１３の方へ向ける。第２整列ビームｂ’をミラー３１が投影レンズ系ＰＬの中の反射器２９へ反射する。反射器２９は、ビームｂ’をプリズム２６の第２反射面２８へ通し、その面がビームｂ’を基板整列マークＰ₁へ向ける。このマークは、ビームｂ’の放射線の一部をｂ₁’としてマスク整列マークＭ₁へ反射し、そこにマークＰ₁の像を作る。ビームｂ₁のマークＭ₁を通過する放射線は、反射器１１’が放射線感応検出器１３’の方へ向ける。この複式整列システムの作用は、米国特許第４，７７８，２７５号に記載されていて、このシステムの更なる詳細はそれを参照する。
図１による整列システムの実施例は、整列ビームがかなり長い波長、例えば、６３３ｎｍであるのに対して、投影ビームＰＢが短い波長、例えば、２４８ｎｍを有するように投影レンズ系ＰＬを設計した装置に特に適する。実際、このシステムは、投影コラムの中に特別なレンズすなわち補正レンズ２５を組込んでいる。このレンズは、基板整列マークをマスク整列マークの平面内に、この投影レンズ系が整列ビームの波長に最適化されていないという事実にも拘らず、正確な倍率で結像することを保証する。この補正レンズは、投影コラムの中に、一方で、基板整列マークによって生ずる、整列ビームの異なる回折次数のサブビームを、これらのサブビームが別々に影響できるように、補正レンズの平面で十分に分離し、および、他方で、この補正レンズが投影ビームおよびそれで作ったマスクパターンＣの像に与える影響が無視できるような高さに配置する。補正レンズ２５は、投影レンズ系のフーリエ平面に配置するのが好ましい。もし、補正レンズを、図１に示すように、整列ビームｂおよびｂ₁の主光線が互いに交差する平面に配置すると、この補正レンズは、２本の整列ビームを補正するために使うことができる。補正レンズ２５の目的および作用についての更なる詳細は、米国特許第５，１００，２３７号を参照する。
楔またはその他の偏向素子、例えば、回折素子を整列ビームの経路内に整列マークに近接して配置するのが好ましい。そのような偏向素子（図１には示さず）で、検出器１３または１３’が捕えた、選択した整列ビーム部分内の不用意な位相差から生ずる整列誤差を防ぐかも知れず、その位相差は、もし、基板整列マークから来る整列ビーム部分の対称軸がこのマスク板と垂直でなく、それで擬似反射がこの板内で起るかも知れない。そのような偏向素子を備える整列システムは、米国特許第５，４８１，３６２号に記載されている。
基板全体をマスクに関して整列するために使用し、全体的整列と称する、図１に示す全体的整列マークＰ₁およびＰ₂に加えて、基板は更なる整列マーク、例えばＩＣ領域毎に一つのマークを備え、各ＩＣ領域のマスクパターンに関して関連する領域を整列してもよい。このマスクは、三つ以上の整列マークを有してもよく、そしてこれらの更なるマークを、例えば、Ｚ軸周りのマスクの回転を測定し、それによって補正するために使ってもよい。
この投影装置は、更に、投影レンズ系ＰＬの焦点面と基板Ｗ上の感光層の表面との間の偏差を決定するための焦点合せ誤差検出システムを含み、この偏差を、例えば、基板表面の高さを基板テーブルにあるＺアクチュエータで制御することによって、補正できるようにしてもよい。この焦点合せ誤差検出システムは、投影レンズ系に固定したホルダ（図示せず）に配置した、または中にやはり投影レンズ系が配置されている計測フレーム内に配置した、素子４０、４１、４２、４３、４４、４５および４６によって構成してもよい。素子４０は、放射線源、例えば焦点合せビームｂ₃を出すダイオードレーザである。このビームを反射プリズム４２によって非常に小さい角度で基板上に向ける。この表面で反射したビームをプリズム４３によって再帰反射器４４の方へ向ける。この素子４４は、このビーム（ｂ_3’）がプリズム４３、基板表面およびプリズム４２の反射を経てもう一度同じ経路を辿るようにビームそれ自体を反射する。このビームｂ_3’は、部分反射素子４１および反射素子４５を経て放射線感応検出システム４６に達する。このシステムは、例えば、位置依存検出器または二つの別々の検出器を含む。このシステムのビームが作る放射線スポットの位置は、投影レンズ系の焦点面が基板Ｗの表面と一致する程度に依存する。この焦点合せ誤差検出システムの広範囲の説明については、米国特許第４，３５６，３９２号を参照する。
基板テーブルＷＴのＸおよびＹ位置を正確に測定するために、公知の投影装置は、多軸干渉計システムを含む。米国特許第４，２５１，１６０号は、２軸システムを記載し、米国特許第４，７３７，２８３号は、３軸システムを記載している。図１に、そのような干渉計システムを素子５０、５１、５２および５３によって図式的に表し、この図は一つの測定軸、Ｘ軸だけを示す。放射線源５０、例えばレーザが出すビームｂ₄をビームスプリッタ５１によって測定ビームｂ_4,mと基準ビームｂ_4,rに分ける。測定ビームは、基板ホルダＷＨの反射側面５４に達し、この側面によって反射した測定ビームを、固定反射器５２、例えば、“コーナキューブ”反射器によって反射した基準ビームとビームスプリッタで組合せる。この組合せたビームの強度を検出器５３で測定でき、基板ホルダＷＨの、この場合Ｘ方向の、変位をこの検出器の出力信号から得ることができ、このホルダの瞬間位置も確立できる。
図１に図式的に示すように、簡単のために一つの信号Ｓ５３で表す干渉計信号、並びに整列システムの信号Ｓ₁₃およびＳ_13’を信号処理ユニットＳＰＵ、例えばマイコンに加え、それが上記信号を処理し、基板テーブルＷＴを介して基板ホルダをＸＹ平面で動かすアクチュエータＡＣのための信号Ｓ_ACを制御する。
図１に示すＸ測定軸だけでなく、Ｙ測定軸もおよび事によると第３の測定軸も含む干渉計システムで、整列マークＰ₁、Ｐ₂およびＭ₁、Ｍ₂の位置、およびそれらの間の相互距離を、マスクの基板に関する初期、または全体的整列中に固定干渉計システムが形成する座標系に定めることができる。この干渉計システムは、基板テーブルを非常に正確に歩進できるようにするため、即ち、それを所定の距離および方向に動かすためにも使用する。そのような歩進は、マスクパターンを最初のＩＣ領域またはフィールドに１回以上のフラッシュで結像してから、次のＩＣフィールドをこのマスクパターンおよび投影レンズ系の下へ配置して、マスクパターンをこのフィールドにも結像できるようにするために行う。これらの歩進および結像作業は、全てのＩＣフィールドがマスクパターン像を備えるまで続ける。この様に作用するリソグラフィー装置をステッパと称する。
一方で、ＩＣフィールドの単位表面当りの電子部品の増加、および他方で、大きなＩＣフィールドに対する要求のために、益々厳しい要求が投影レンズ系の分解能および像界に課されている。これらの技術的に矛盾する要求を緩和するために、既にステップアンドスキャナを使うことが提案されている。そのような装置では、ステッパと同じ歩進運動を行うが、マスクパターンをＩＣフィールドに結像するとき、毎回マスクパターンの僅かな部分だけをＩＣフィールドの対応するサブフィールドに結像する。マスクパターンの相次ぐ部分をＩＣ領域の相次ぐサブフィールドに結像することによって、マスクパターン全体の像をＩＣフィールド上に得る。このために、マスクパターンをこのマスクパターンの位置で小さい、例えば矩形またはアーチ形の、照明スポットを形成する投影ビームで照明し、基板テーブルを投影レンズ系および投影ビームに関して与えられた方向、即ち走査方向に動かし、マスクテーブルを同じまたは反対方向動かし、同時に基板テーブルの速度をＭ掛けるマスクテーブルの速度にする。Ｍは、マスクパターンを結像する倍率である。このマスクと基板がどの瞬間にも正しい相互位置にあることを保証すべきで、それはマスクと基板の運動の非常に正確な同期によって実現でき、即ち、基板の速度Ｖ_subが常にＭ掛けるマスクの速度Ｖ_MAに等しい。
この条件Ｖ_sub＝Ｍ・Ｖ_MAをチェックするため、ステップアンドスキャナは、基板干渉計システムだけでなく、マスクの運動および位置を正確に測定できるマスク干渉計システムも含むべきである。最後に述べたシステムの測定ミラーは、マスクホルダに固定するのが好ましい。このマスク干渉計システムを図１に、素子６０、６１、６２、６３および６４によって示し、それらは、基板干渉計システムの素子５０、５１、５２、５３および５４と同じ機能を有する。簡単のために図１に一つの信号Ｓ₆₃によって表す、マスク干渉計システムの信号を信号処理ユニットＳＰＵに加え、そこでこれらの信号を基板干渉計システムの対応する信号と比較する。すると、このマスクと基板が相互に正しい位置にあるか、および／または同期して動いているかどうかが確認できる。
もし、マスクのＸおよびＹ方向の測定した位置をＸ_r、Ｙ_rで表し、および基板のそれらをＸ_W、Ｙ_Wで表し、並びにＺ軸の回転をφ_Z,rおよびφ_Z,Wで表すと、マスクと基板が互いに関して正しい位置にあれば、次の条件を満たす：
Ｘ_W−ＭＸ_r＝０ （１）
Ｙ_W−ＭＹ_r＝０ （２）
φ_Z,W−φ_Z,r＝０ （３）
但し、Ｍは投影レンズ系の倍率である。マスクと基板は、反対方向に動くと仮定した。もし、これらの要素が同じ方向に動くならば、前記の条件でマイナス符号をプラス符号に換えれば良い。
これらの条件が満足されているかどうかを確認するためには、基板用の干渉計システムとマスク用のそれの両方が３本の測定軸を有すれば十分である。しかし、基板干渉計システムは、５本の測定軸を有するのが好ましい。ＥＰ−Ａ０４９８４９９に記載されているように、Ｘ、Ｙおよびφ_Z,Wだけでなく、φ_x,Wおよびφ_y,W、即ち、基板のＸ軸およびＹ軸周りの倒れも測定できる。５軸干渉計システムから成る干渉計ユニットの異なる実施例については、ＥＰ−Ａ０４９８４９９に詳細に説明されている。マスクについてもＸ軸およびＹ軸周りの倒れを測定できるようにするためには、５軸マスク干渉計システムを使ってもよい。しかし、その代りに、３軸マスク干渉計システムを、Ｘ軸およびＹ軸周りのマスクの倒れを測定するための他のセンサ、例えば、容量式センサと組合せることも可能である。
もし、Ｘ_W、Ｙ_W、φ_x,W、φ_y,Wおよび、Ｘ_r、Ｙ_r、φ_x,r、φ_y,rを測定し、焦点合せ検出システムを使って、Ｚ_WおよびＺ_r即ち、基板およびマスクのＺ軸に沿う位置を測定すれば、条件（１）、（２）および（３）だけでなく、条件：
Ｍ²・Ｚ_W−Ｚ_r＝０ （４）
Ｍ・φ_x,W−φ_x,r＝０ （５）
Ｍ・φ_y,W−φ_y,r＝０ （６）
を満足し、換言すれば、マスクおよび基板表面のＺ方向の相互位置が正しいかどうか（４）並びに基板およびマスクがＸ軸周りに（５）およびＹ軸周りに（６）相互に傾いていないかどうかを確認できる。
基板またはマスクのＸ軸およびＹ軸に沿う運動および位置、並びに基板またはマスクのＺ軸周りの回転を測定できる、３測定軸を備える干渉計システムの実施例は、ＳＰＩＥ、第１０８８巻：光学式／レーザ マイクロリソグラフィ、ｐｐ．２６８−２７２の論文“ウェーハ段階計測のための直線／角度変位干渉計”に記載されている。図２は、基板ホルダＷＨと共に、そのような干渉計システムの線図を示す。この複合干渉計システムは、レーザ７０、例えばヘリウムネオンレーザ、二つのビームスプリッタ７１および７２並びに三つの干渉計ユニット７３、７４および７５を含む。このレーザからのビームｂ₅の一部をビームスプリッタ７１によってビームｂ₆として、基板ホルダＷＨのミラーＲ₁と協同する干渉計ユニット７３へ反射する。ビームスプリッタ７１が通したビームｂ₇をビームスプリッタ７２によって、干渉計ユニット７４へ反射するビームｂ₈と干渉計ユニット７５へ通過するビームｂ₉に分ける。干渉計ユニット７４は、測定ミラーＲ₁と協同し、一方、干渉計ユニット７５は、測定ミラーＲ₂と協同する。
図３は、干渉計ユニット７３の原理を図解する。このユニットは、ビームスプリッタ８０、例えば、入来ビームｂ₆を測定ビームｂ_6,mと基準ビームｂ_6,rに分ける半透明ミラーを含む。この測定ビームを基板ホルダミラーＲ₁へ通し、それがこのビームをビームスプリッタ８０へ反射し、それが今度はビームｂ_6,mの一部を検出器７６へ反射する。ビームスプリッタ８０が反射した基準ビームｂ_6,rを固定配置した基準ミラー８１によってビームスプリッタ８０へ反射し、それがこのビームの一部を検出器７６へ通す。基板ホルダミラーをＸ方向に動かすとき、検出器７６に入射するビームｂ_6,mとｂ_6,rの間に建設的干渉と破壊的干渉が交互に起り、それで基板ホルダをλ／４の距離以上に変位するといつでもこの検出器の出力信号が最大値から最小値へ、およびその逆に、変化し、但しλはビームｂ₆の波長である。検出器信号Ｓ₇₆の最大値と最小値の計測した数は、基板ホルダのＸ方向の変位の尺度である。λ／４より遥かに小さい、例えば、λ／１２８またはλ／５１２さえのミラーＲ₁の運動を、干渉計技術で知られる電子内挿法を使うことによって測定できる。
干渉計ユニット７４および７５は、干渉計ユニット７３と同じ構成を有し、同様に作用する。Ｙ方向のマスクホルダの運動は、干渉計ユニット７５および関連する検出器７８によって測定する。Ｘ方向の第２測定は、干渉計ユニット７４および関連する検出器７７で行う。このホルダのＺ軸周りの回転は、信号Ｓ₇₆およびＳ₇₇から計算する。この回転は：

によって与えられ、但し、ｄはミラーＲ₁に入射する測定ビームｂ_6,mとｂ_6,rの主光線がミラーＲ₁に入射する点の間の距離である。
図３は、干渉計ユニットの原理だけを示すことに注意すべきである。実際には、偏光感応ビームスプリッタ８０並びに図３に要素８２および８３で表す、多数のλ／４板をビーム分割および組合せのために使う。すると、放射線損失が最小で、それは、もし異なる干渉計ユニットに一つのレーザ７０しか使わなければ、特に重要である。二つの相互に垂直な偏光成分で異なる周波数のビームを出す、ゼーマンレーザを放射線源として使うのが好ましい。すると、これらのビーム成分が測定ビームと基準ビームを構成し、それで測定が位相測定に基づく。更に、前記のＳＰＩＥ、第１０８８巻：光学式／レーザ マイクロリソグラフィII、ｐｐ．２６８−２７２の論文に記載されているような再帰反射器を干渉計ユニットに組込んでもよく、それらの再帰反射器は、測定ビームを測定ミラーによる反射後、再びこの測定ミラーへ反射し、関連する干渉計で行った測定が関連する測定ミラーの倒れと無関係である。
３軸干渉計システムによって所望の精度で基板上のＸ、Ｙおよびφ_x測定ができるためには、次の二つの条件を満足すべきである：
１．干渉計ビームの主光線が基板の表面と一致する平面内に位置しなければならない。
２．Ｘ軸およびＹ軸に沿う変位並びにＺ軸周りの有り得る回転中、基板ホルダを他の自由度φ_x,Wおよびφ_y,Wに固定しなければならない。
ＥＰ−Ａ０４９８４９９に記載されているように、これらの条件は、実際には満足するのが殆ど不可能または容易でないが、基板のより多くの運動が測定でき、それがＸおよびＹ運動をより正確に測定する可能性をもたらす、５軸干渉計システムを使用することによって出し抜くことができる。
図４は、５自由度：Ｘ、Ｙ、φ_x,W、φ_y,Wおよびφ_Z,Wの測定をするためのそのようなシステムの原理を示し、そこでの基板ホルダは、二つのミラーＲ₁およびＲ₂から成る１体のミラーブロックを備える。このシステムは、例えば、ビームｂ₂₀およびｂ₃₀を供給する、二つの干渉計ユニット１００および１５０を含む。これらのビームは、ゼーマン型であってもなくてもよいが、レーザ５０、例えばヘリウムネオンレーザが出す。このレーザから来るビームｂ₁₀は、最初にレンズ９０によって図式的に示すビーム拡張光学系を通り、次にビームスプリッタ９２によって二つのビームｂ₂₀およびｂ₃₀に分けられる。素子９１、９３および９４は、ビームを干渉計ユニット１００および１５０に正しい角度で入射するように偏向することを保証する反射器である。干渉計ユニット１００は、測定ビームを測定軸ＭＡＸ，１、ＭＡＸ，２およびＭＡＸ，３に沿って測定ミラーＲ₁の方へ出し且つこのミラーからのこれらのビームを受けるように実施してもよい。これらのビームで、軸ＭＡＸ，１およびＭＡＸ，２の一つによる信号が提供する、基板ホルダのＸ方向の変位、測定軸ＭＡＸ，３が提供する信号と測定軸ＭＡＸ，１およびＭＡＸ，２の一つの信号の差からの、Ｙ軸周りの倒れ、並びに測定軸ＭＡＸ，１およびＭＡＸ，２の信号の差からの、Ｚ軸周りの回転を測定できる。第２干渉計ユニットは、２本の測定ビームをＭＡＸ，４およびＭＡＸ，５に沿って測定ミラーＲ₂の方へ出し且つそれからのこれらのビームを受ける。これらのビームで、基板ホルダ、従って基板のＹ方向変位を測定軸ＭＡＸ，４およびＭＡＸ，５の一つの信号から測定でき、Ｘ軸周りの倒れφ_xをこれらの測定軸の信号の差から測定できる。測定軸ＭＡＸ，５およびＭＡＸ，３は、測定軸ＭＡＸ，４に関して変位し、測定軸ＭＡＸ，１およびＭＡＸ，２は、Ｚ方向に変位し、一方、測定軸ＭＡＸ，１は、測定軸ＭＡＸ，２に関してＹ方向に変位する。更に、測定軸ＭＡＸ，１、ＭＡＸ，２およびＭＡＸ，４は、アッベの誤差が最小で、測定したＸおよびＹ変位が基板の実際の変位と最高に等しいように、出来るだけ基板ホルダの表面に近付けて配置する。
干渉計ユニット１００および１５０は、種々の方法で実施できる。詳細については、ＥＰ−Ａ０４９８４９９を参照し、それを参考までにこゝに援用する。
この発明によれば、基板干渉計システムは、基板ホルダにしっかりと固定したＺ測定ミラーと協同する、少なくとも一つのＺ測定軸も有する。それによって、基板のＺ位置もこの干渉計システムで測定できる。このＺ測定は、上記の焦点合せ誤差検出システムまたは焦点合せおよび水平検出システムによるＺ測定を補う、またはそれに置き換わる役をするかも知れない。
この新規な干渉計システムのＺ測定軸は、別の干渉計ユニットの測定軸でもよい。しかし、このＺ測定軸は、既に存在する干渉計ユニット、例えば図５に正面図で線図的に示すように干渉計ユニット１００、の特別な測定軸であるのが好ましい。この実施例では、基板ホルダＷＨの側面の一つ１５９が傾斜した反射部分１６０を備える。この部分がＺ測定ミラーＲ₃を構成する。この側面の反射性直線部１６１は、図４の直線ミラーＲ₁と同じ機能を有する。干渉計ユニット１００は、測定軸ＭＡＸ，２およびＭＡＸ，３だけでなく、基板ホルダの上面に出来るだけ近付いて位置する、Ｚ測定軸ＭＡＸ，７も含む。測定ミラーＲ₃は、測定軸ＭＡＸ，７の測定ビームを更なる反射器である、Ｚ反射器１６４へ反射し、それは、この投影系のホルダＬＨにしっかりと固定され且つ計測フレームの一部を成してもよい板１６３上に配置されている。このＺ反射器は、測定ビームを測定ミラーＲ₃へ反射し、次にそれがこの測定ビームを干渉計ユニット１００へ反射する。このユニットは、Ｚ測定ビーム用の別の検出器を収容し、その出力信号を他の信号と共に処理してＺ測定信号を作る。
Ｚ測定ミラー１６０（図５でＲ₃）は、ＸおよびＹ測定ビームが伝播するＸＹ平面に４５°の角度に配設する。原理上は、Ｚ測定ミラーがこのＸＹ平面に異なる角度で拡がってもよい。しかし、Ｚ測定ビームがＺ反射器１６４へおよびそれから同じ経路を辿るので、４５°の角度が好ましく、そうすればＺ測定ミラーの幅が最小でもよい。
Ｚ測定ビームが、基板ホルダの上面に近接する、従って基板に近接する位置で、Ｚ測定ミラーに入射する、この干渉計システムの実施例では、基板の有り得る倒れが基板の測定したＺ位置に無視できる影響しか与えない。
Ｚ測定ビームに関連するのは、基準ミラーによる反射後に、Ｚ測定ミラー１６０およびＺ反射器１６３によって反射された測定ビームとＺ検出器で組合される基準ビームである。この基準ミラーは、干渉計ユニット１００内の固定ミラーでもよい。そこで、Ｚ検出器が提供する信号は、純粋なＺ位置情報ではなく、Ｚ位置情報がその信号の中のＸ位置情報と混ざっている。純粋なＺ位置情報を得るためには、Ｘ位置情報を検出器信号から除去しなければならず、従ってこの信号から差し引かねばならず；換言すれば、電子微分を使わねばならない。
別の固定Ｚ基準ミラーの代りに、図５に示すように、Ｘ測定ミラー１６１をＺ測定のための基準ミラーとして使うのが好ましい。すると、このミラーで反射した基準ビームｂ_Z,rは、Ｘ位置情報を含み、Ｚ検出器でこの基準ビームをＺ測定ビームと組合せると、この検出器の出力が純粋なＺ位置信号であるという結果になる。この様に、光学的微分を実行し、それは、電子微分に比べて、電子回路の処理速度によって制限されないという利点を有する。この光学的微分、従ってＸまたはＹ測定ミラーをＺ測定用基準ミラーとして使うことは、これから説明する実施例にも使用できる。
図６は、二つのＺ測定を行う干渉計システムの実施例を示す。このために、基板ホルダＷＨの第１Ｚ測定ミラーＲ₃と反対の側面１６５も傾斜し、第２Ｚ測定ミラーＲ₄を備える。このミラーは、Ｚ測定軸ＭＡＸ，８に沿って伸びる第２Ｚ測定ビームと協同する。この第２Ｚ測定ビームは、測定ミラーＲ₄によって、板１６３の下側に配設された第２Ｚ反射器１６８の方へ反射される。この第２Ｚ測定ビームは、Ｚ反射器１６８によって測定ミラーＲ₄の方へ反射され、次にそれがこの測定ビームを測定軸ＭＡＸ，８に関連する検出器へ反射する。測定軸ＭＡＸ，７およびＭＡＸ，８が提供する信号を加算することによって、基板の平均Ｚ位置を決められる。この様にして得たＺ位置の値は、基板ホルダのＸ位置と無関係である。
図６に示す実施例によって、Ｙ軸周りの基板の倒れを示す信号も得ることができる。この信号は、ＭＡＸ，７およびＭＡＸ，８測定軸が提供する信号の差に比例する。
図６に示す実施例では、特別な放射線源を備え且つ第２Ｚ検出器を収容する、別の干渉計ユニット１８０を要する。図７は、特別な干渉計ユニットが必要ない干渉計システムの実施例を示す。この実施例では、ＭＡＸ，８測定軸用の測定ビームを、第２Ｚ検出器も含む干渉計ユニット１００が供給する。ＭＡＸ，８測定軸用の測定ビームは、基板と投影レンズの間のスペースを辿り、二つの反射面１７１および１７２を備える屋根型反射器１７０によってＺ測定ミラーＲ₄へ反射される。ミラーＲ₄は、この測定ビームをＺ反射器１６８へ反射し、それが次にこの測定ビームを測定ミラーＲ₄へ反射し、その後このビームは、検出器ユニット１００への経路を辿る。このユニットの中で、前記の第２検出器がこの測定ビームを受ける。
Ｚ測定ミラーＲ₃およびＲ₄は、基板ホルダの長さ全体にわたって、Ｙ方向、図５、図６および図７の面に垂直方向に拡がる。もし、このリソグラフィー装置がステップアンドスキャナであれば、このＹ方向は走査方向で、Ｚ測定を走査長さ全体にわたって実行できる。
原理上は、Ｚ測定ミラーの幅がこのミラーの領域でのＺ測定ビームの断面の直径に等しいか、またはもし、このビームがＺ反射器への経路を２度辿るならば、僅かに大きい。これは、この幅を制限でき、Ｚ測定ミラーの表面を小さいまゝにできることを意味する。それらの全表面が小さいために、測定ミラーを実際に所望の表面精度で製造できる。
図７に示すように、投影レンズ系ＰＬの主軸ＡＡ’とＺ反射器１６８の端の間に与えられた距離ｆがある。この距離は、例えば、７０ｍｍのオーダである。Ｚ測定を、図８に示すように、基板の右極端部を照明する、基板ホルダＷＨの極端Ｘ位置ででも出来るためには、軸ＡＡ’と測定ミラーＲ₄の間の距離ｈが少なくともその位置に対する距離ｆに等しくあるべきである。これは、Ｚ測定のためには、Ｘ方向の基板ホルダの幅を与えられた値だけ大きくすべきであることを意味するかも知れない。もし、ＭＡＸ，８測定軸を介するＺ測定に加えて、ＭＡＸ，７測定軸を介するＺ測定も行うならば、基板ホルダの幅をこの値の２倍だけ増すべきである。基板ホルダは、Ｚ測定ミラーとＸおよびＹ測定ミラーの両方をその側面に配置できるために、与えられた高さも有するべきであるので、Ｘ方向の大寸法がホルダの重量をかなり増すだろう。これは、ホルダに必要な駆動力および安定性要件のために、望ましくない。従って、Ｚ測定ミラーは、傾斜した側面を持つバー形要素上に配置し、その要素を基板ホルダにしっかりと結合するのが好ましい。
図８は、二つのＺ測定ミラーＲ₃およびＲ₄をバー形要素１９１、１９２上に配置した、干渉計システムの実施例を示す。この構成は、測定ミラーに必要な幅がやはりこのミラーの領域での測定ビームの断面の直径に等しいか、僅かに大きく、それでバー形要素のＺ方向の大きさを制限できる。上述したＺ測定を行うに適するようにするために基板ホルダに加える余分な重量は、それによって制限される。図８に示すように、二つのＺ測定ミラーを基板ホルダの下部に配置する。従って、干渉計ユニット１００に関連するＸ測定軸を基板ホルダの上面に近接して配置でき、これらの測定軸に対するアッベの誤差を減少できる。更に、基板ホルダの側面の最大限の部分および投影レンズ系と基板ホルダの間の最大限のスペースを、説明した以外で本発明に無関係な測定を行うために利用できる。
図８で基板ホルダＷＨ上にＭＡＸ，４およびＭＡＸ，５と印したスポットは、測定軸ＭＡＸ，４およびＭＡＸ，５に関連する干渉計ユニット１５０（図４）の測定ビームが基板ホルダのこの側面に配置したＸ測定ミラーに入射する位置である。
図８で、Ｚ測定軸ＭＡＸ，７およびＭＡＸ，８に関連し、Ｘ測定ミラー１９０および１９３へ至る基準ビームをｂ_Z,1,rおよびｂ_Z,2,rで示す。上に説明したように、これらの基準ビームは、光学的微分を行うために使う。この光学的微分は、もし、実際に望む通りに、基板ホルダが大きい速度および加速度で動くならば、特に重要である。すると、検出器信号が非常に急激に変化する。十分に正確且つ確実な測定値を得るためには、干渉計システムは、ＸまたはＹ測定ミラーに達しないＺ基準ビームを使うとき、非常に速い信号処理回路を備えなければならないだろう。これは、もし光学的微分を適用するならば、必要ない。
図８は、投影ビームＰＢも示す。ステップアンドスキャンニング・リソグラフィー装置の場合、このビームは、基板の領域で長方形、例えば矩形、断面で、その縦軸がＸ方向に平行である。マスクパターンを基板のＩＣフィールドに結像する度毎に、マスクおよび基板を投影ビームおよび投影レンズ系に関してＹ方向に動かすことによって、このビームを基板を横切ってＹ方向に動かす。
更なる実施例では、干渉計システムが３本のＺ測定軸を含み、基板ホルダが三つのＺ測定ミラーを備える。図９は、三つのＺ測定ミラーＲ₃、Ｒ₄およびＲ₅を備える基板ホルダ並びに関連するＺ測定軸ＭＡＸ，７、ＭＡＸ，８およびＭＡＸ，１０の非常に図式的な平面図である。基板のＺ位置を全く同一の基準に関して３点で測定するので、板１６３の反射性下側、接合Ｚ測定軸が、基板のＺ位置についてだけでなく、Ｘ軸およびＹ軸周りの有り得る倒れについても情報を提供できる。これらの倒れ測定は、測定軸の総数を６に減少できるように、測定軸ＭＡＸ，３およびＭＡＸ，５を使うこれらの測定で置換えてもよい。しかし、その代りに、Ｚ測定軸による倒れ測定を追加の測定、例えばＭＡＸ，３およびＭＡＸ，４測定軸による倒れ測定をチェックするために利用することが可能である。
図１０は、Ｚ測定軸を備える干渉計ユニットの実施例、例えば図４のユニット１００を示す。このユニットは、偏光感応ビームスプリッタ２０１、２枚のλ／４板２０３、２０４、基準反射器２０５、二つの再帰反射器２０６、２０７、複合プリズム２０８および二つの反射器２１３、２１５を含む。二つの反射器は、図４に示す干渉計ユニット１００の面９５に配置してもよい。この干渉計ユニットは、ヘテロダイン型である。それでビームｂ₂₀がゼーマンレーザとして実施するヘリウムネオンレーザから来る。そのようなレーザは、例えば６ＭＨｚの光学周波数差を有する、二つの相互に垂直な偏光成分を持つビームを供給する。これらの二つの成分を図１０では、それぞれ、実線および破線で示す。これらの放射線成分を、ＵＳ−Ａ５，４８５，２７２（ＰＨＮ１４．７０２）に記載されているように、通常のレーザ、ビームスプリッタおよび音響-光学的変調器の組合せで得てもよい。
プリズム２０１に入るビームｂ₂₀を偏光感応境界面２０２によって測定ビームｂ_20,mと基準ビームｂ_20,rに分ける。ビームｂ_20,mを基板ホルダの測定ミラーＲ₁へ通し、位置Ｐ_x,1でこのミラーによって反射する。２度通過する反射測定ビームの偏光方向を入来ビームビームｂ₂₀の偏光方向に関して９０°回転することを保証するλ／４板２０３をプリズム２０１とミラーＲ₁の間に配置する。次に、この反射測定ビームを境界面２０２によって、例えば、３次元コーナキューブプリズムの形の再帰反射器２０６へ反射する。このプリズムが反射したビームを続いて境界面２０２によって反射し、測定ビームｂ’_20,mとして再び測定ミラーＲ₁へ送り、位置Ｐ_x,2でこのミラーによって再びプリズム２０１へ反射する。次に、このビームが再びλ／４板２０３を２度通り、その偏光方向が再び９０°回転し、境界面２０２を通る。ビームｂ’_20,mは、続いてプリズムシステム２０８に達し、その面２０９によって反射され、結局、偏光検光子２１２を経て放射線感応検出器２１３に達する。
境界面２０２が反射した基準ビームｂ_20,rは、λ／４板２０４を通り、基準反射器２０５によって反射され、このλ／４板をもう一度通る。境界面２０２に入射するビームｂ_20,rの偏光方向は、９０°回転し、このビームが再帰反射器２０６へ移す。この素子が反射したビームｂ’_20,rを基準ビームとして再び基準反射器２０５へ送り、この反射器が境界面２０２へ反射し、偏光方向が再び９０°回転する。この境界面は、続いてこのビームをプリズムシステム２０８へ反射し、その面２０９がこのビームｂ’_20,rを検出器２１３へ反射する。検光子２１２の偏光方向は、ビームｂ’_20,mおよびｂ’_20,rの二つの相互に垂直な偏光方向に対して４５°の角度に拡がる。この検光子を通過するこれらのビームの成分は、同じ偏光方向を有し、互いに干渉する。検出器２１３の出力信号Ｓ₂₁₃は、ゼーマン周波数差＋／−測定ミラーＲ₁のＸ方向の変位に依存する周波数シフトに等しい周波数で強度変調する。
原理上は、検出器２１３に入射する測定ビームおよび基準ビームが基板測定ミラーＲ₁によって１度しか反射されないように、再帰反射器２０６も省略してよい。再帰反射器２０６を使って測定ビームをビームｂ_20,mおよびｂ’_20,mとして測定ミラー上に２度反射する、図１０の干渉計ユニット１００の特別の実施例は、結局検出器２１３に入射する測定ビームｂ’_20,mの方向がＸ軸に垂直な軸周りの有り得るミラーＲ₁の回転と無関係であるという大きな利点を有する。それで信号Ｓ₂₁₃が純粋なＸ変位情報だけを含む。同じ理由で、基準反射器２０５の有り得る回転が信号Ｓ₂₁₃に何も影響しない。
図１０で図面に垂直である、Ｚ軸周りの基板ホルダの回転は、図１０の干渉計ユニットによっても測定できる。これは、第１Ｘ測定を行う位置Ｐ_x,1（Ｐ_x,2）から最大限の距離の位置Ｐ_x,3（Ｐ_x,4）での第２Ｘ測定によって実現する。このため、プリズムシステム２０８の面２１０を半透明ミラーとして実施し、これにより測定ビームｂ’_20,mおよび基準ビームｂ’_20,rの一部を、それぞれ、新しい基準ビームｂ_21,rおよび新しい測定ビームｂ_21,mとしてビーム分割プリズム２０１へ送る。二つのビームの偏光方向は、これらのビームの機能が入れ替るように、λ／２板によって最初に９０°回転する。測定ビームｂ_21,mを偏光感応境界面２０２によって基板測定ミラーＲ₁へ通し、一方、基準ビームｂ_21,rは、基準反射器２０５へ反射する。ビームｂ_21,mおよびｂ_21,rが辿る経路は、ビームｂ_20,mおよびｂ_20,rが辿る経路に等しい。測定ビームおよび基準ビームを、それぞれ、ビームｂ’_21,mおよびｂ’_21,rとしてもう一度基板測定ミラーＲ₁および基準反射器２０５へ送ることを保証する、第２再帰反射器２０７を設けるのが好ましい。プリズムシステム２０８および第２偏光検光子２１４を経て、もう一度反射された測定ビームｂ’_21,mおよび基準ビームｂ’_21,rが第２検出器２１５に達し、そこでこれらのビームが互いに干渉する。
この検出器の出力信号出力信号Ｓ₂₁₅は、ゼーマン差周波数とＺ軸周りの測定ミラーＲ₁の有り得る回転に依存する周波数シフトとの和あるいは差に等しい周波数で強度変調する。実際に、もしそうのような回転が起ると、このシステムを最初に通過するときの、位置Ｐ_x,1およびＰ_x,2で反射が起る、測定ビームと基準ビームの間の周波数シフトは、このシステムを２番目に通過するときの、位置Ｐ_x,3およびＰ_x,4で反射が起る、周波数シフトと異なる。検出器２１５によって測定する周波数差は、上記周波数シフトの間の差である。もし、基板測定ミラーＲ₁がＺ軸周りに回転しなければ、結果として生じる周波数差は、ゼロに等しい。
これらの周波数差から基板ホルダのＸ変位およびＺ軸周りの回転を得るために、信号Ｓ₂₁₃およびＳ₂₁₅を電子的に処理する方法については、例としてＳＰＩＥ、第１０８８巻“光学式／レーザ マイクロリソグラフィ”、II、１９８９、ｐｐ．２６８−２７２の論文を参照してもよい。
二つの周波数成分のあるビームｂ₂₀の代りに、一つの周波数しかないビームを使ってもよく、その場合測定ミラーＲ₁の変位または回転は、測定ビームと基準ビームの間の位相差を定量することによって測定する。
この発明によれば、干渉計ユニット１００をＺ測定が出来るように拡張してもよい。図１１は、Ｚ測定軸を備える干渉計ユニット１０１の実施例を、ＸＺ平面による断面で示す。このユニットは、例えば、Ｘ測定軸ＭＡＸ，１およびＭＡＸ，２用のビームｂ₂₀を供給する第１放射線源２２５並びにＺ測定軸ＭＡＸ，７用のビームｂ₂₅を供給する第２放射線源２２９を含む。
ビームｂ₂₅を偏光感応性分割プリズム２０１によって測定ビームｂ_25,mと基準ビームｂ_25,rに分ける。測定ビームｂ_25,mを境界面がＺ測定ミラーＲ₃へ通す。このミラーは、測定ビームをＺ反射器１６４へ反射し、それがこのビームをＺ測定ミラーＲ₃へ戻す。このミラーは、ｂ_25,mを再び境界面２０２へ反射する。それが２度目にこの境界面に達すると、ｂ_25,mは、λ／４板２０３を２度通過し、その偏光方向がこのビームの元の偏光方向に関して９０°回転しているので、ビームｂ_25,mがこの境界面によってＺ検出器２３５へ反射される。
基準ビームｂ_25,rは、境界面２０２によって基準反射器２０５へ反射され、この反射器によってこの境界面へ反射され、そこでこのビームがλ／４板２０４を２度通過する。境界面２０２に達すると、ビームｂ_25,rの偏光方向がこのビームの元の偏光方向に関して９０°回転し、それでこの境界面がビームｂ_25,rを検出器２３５へ通す。偏光検光子２３４がこの検出器に先行し、それでビームｂ_25,mおよびｂ_25,rの成分が検出器２３５の領域で互いに干渉できる。この検出器の出力信号Ｓ₂₃₅は、ゼーマン周波数＋／−Ｚ測定ミラーのＺ反射器１６４に関するＺ方向の変位に依存する周波数成分に等しい周波数で強度変調する。純粋なＺ位置信号を得るためには、検出器２１３または２１５のＸ位置信号、またはこれらの信号の組合せを検出器２３５の出力信号から差し引かねばならない。
図１１で点Ｐ_X,1およびＰ_X,3は、Ｘ測定軸がＸ測定ミラーと交差する点である。この実施例では再帰反射器を使わず、Ｘ測定ビームを測定ミラーＲ₁で１度だけ反射するので、測定軸ＭＡＸ，１およびＭＡＸ，２がこれらの測定ビームの主軸と一致する。これらの測定ビームを境界面２０２が、それぞれ、検出器２１３および２１５へ反射し、そこへ関連する基準ビームが基準反射器２０５によって反射されてから到達する。また、Ｚ測定ビームがＺ測定ミラーを介してＺ反射器１６４へおよびその逆の経路をこの実施例では１度だけ辿るので、やはり測定軸ＭＡＸ，７がＺ測定ビームの主軸と一致する。
二つの別々の放射線源ではなく、放射線源と偏光中性ビームスプリッタの組合せをＺ測定軸を備える干渉計ユニットにビームｂ₂₀およびｂ₂₅を供給するために代りに使ってもよい。二つの周波数成分を持つビームではなく、一つの周波数だけの一つのビームをビームｂ₂₀およびｂ₂₅の各々に使ってもよい。その場合、関連する測定ミラーの変位は、関係する測定ビームおよび基準ビームの位相差を定量することによって測定する。
図１０にブロック２２０によって線図的に示すように、ミラーＲ₁が反射するＸ測定ビームをＺ測定ビームｂ’_20,mとしても使ってよい。このため、プリズムシステム２０８の表面２０９を、ビームｂ’_20,mおよび基準ビームｂ’_20,rの一部を通す、半透明反射器として実施してもよい。Ｚ測定ビームおよび基準ビーム、ｂ_26,mおよびｂ_26,rとして使う、通過したビーム成分の経路に、反射器システム２２０を配置する。このシステムは、ビームｂ_26,mおよびｂ_26,rをビームスプリッタ２０１へ反射し、これらのビームをそれら自体に平行にＺ方向に変位し、これらのビームが図１０で図面の前に位置する第２ＸＹ平面内に伸びるようにし、それでこのＺ測定ビームがＺ測定ミラーＲ₃に到達できる。上記第２ＸＹ平面を図１２にＺ測定ビームｂ_26,mおよびＺ基準ビームｂ_26,rと共に示す。
ビームｂ_26,mおよびｂ_26,rの経路は、ビームスプリッタ２０１の前に、これらのビームの偏光方向を９０°回転する、λ／２板２２４を包含し、基準ビームおよび測定ビームの機能を入替える。Ｚ測定軸用に再帰反射器２２８を設け、このビームをビームｂ_26,mおよびｂ’_26,mとして、それぞれ、位置Ｐ_X,7およびＰ_X,8で、Ｚ測定ミラーによってＺ検出器１６４へ２度反射し、および基準ビームを基準ミラー２０５によってビームｂ_26,rおよびｂ’_26,rとして２度反射する。このＺ測定ビームおよびＺ基準ビームがこの干渉計ユニットを通って辿る経路は、Ｘ測定ビームおよびＸ基準ビームが辿る経路に類似する。
ビームｂ’_26,mおよびｂ’_26,rは、結局偏光検光子２２６に達し、それは、これらのビームの同じ偏光方向を有して互いに干渉する成分を検出器２２７へ通す。この検出器の出力信号Ｓ₂₂₇は、ゼーマン差周波数＋／−Ｚ測定ミラーのＺ方向の変位に依存する周波数成分に等しい周波数で強度変調する。実際、もしそのような変位が起ると、測定ビームｂ’_26,mと基準ビームｂ’_26,rの間の周波数シフトが測定ビームｂ’_20,mと基準ビームｂ’_20,rの間の周波数シフトと異なる。検出器２２７によって測定する周波数差は、これらの周波数シフトの間の差である。もし、Ｚ方向に変位がなければ、結果として生じる周波数差は、ゼロの等しい。
図１３は、反射器システム２２０の実施例を詳細に示す。このシステムは、Ｘ軸に平行にＺ軸の方向に伸びるビームｂ’_20,mおよびｂ’_20,rを反射する第１反射器２２１並びにこれらのビームを再びＸ軸に平行方向に反射する第２反射器２２２を含む。それでこの反射器対２２１、２２２は、これらのビームをそれら自体に平行にＺ軸に沿って変位する。
説明した実施例では、測定ビームと関連する基準ビームは、単一放射線スポットではなくて干渉縞が関連する検出器の位置で起るのを防ぐように、各測定軸に対して互いに平行であるのが好ましい。ビームスプリッタ２０１の、プリズムシステム２０８のおよび反射器システム２２０の表面の平面性によって、並びにプリズムシステム２０８の表面２０９と２１０の間の角度および反射器システムの表面２２１と２２２の間の角度によって決る、この平行度は、上記表面を３秒の角度内で正確に平坦にできるので、および上記角度を正確に９０°に等しく作れるので、実際には満足に実現できる。反射器システム２２０は、組立中の整列問題を避け且つ時間安定性を保証するために、プリズムシステム２０８と一体にするのが好ましい。
図１０、図１１および図１２に示す干渉計ユニットは、測定軸に関連する測定ビームおよび基準ビームがビームスプリッタ２０１に関して対称であり且つこのビームスプリッタを通る経路長が同じであるという利点を有する。これが不安定性の危険を実質的に除去する。
図１０および図１２による装置では、Ｚ軸周りの回転およびＺ位置を測定するために必要な、測定軸ＭＡＸ，１、ＭＡＸ，２およびＭＡＸ，７に関する信号の間の差を光学的に決める。もし、これらの測定軸を介して得た情報をＩ_MAX,1、Ｉ_MAX,2およびＩ_MAX,7で表すならば、図１０および図１２の実施例での検出器信号Ｓ₂₁₃、Ｓ₂₁₅およびＳ₂₂₇は次の式によって与えられる：
Ｓ₂₁₃＝Ｉ_MAX,1 （１１）
Ｓ₂₁₅＝Ｉ_MAX,1−Ｉ_MAX,2 （１２）
Ｓ₂₂₇＝Ｉ_MAX,1−Ｉ_MAX,7 （１３）
Ｘ軸およびＺ軸に沿う変位、並びにＺ軸周りの回転の大きさおよび方向についての情報を含む信号Ｓ（Ｘ）、Ｓ（Ｚ）およびＳ（φ₂）は：

パラメータｇおよびｈを図１４に示す。この図で、測定ビームｂ_20,m、ｂ’_20,m、ｂ_21,m、ｂ’_21,m、ｂ_26,mおよびｂ’_26,mの主光線ミラーＲ₁およびＲ₃に入射する点を、それぞれ、Ｐ_x,1、Ｐ_x,2、Ｐ_x,3、Ｐ_x,4、Ｐ_x,7およびＰ_x,8で示す。先の図でＭＡＸ，１、ＭＡＸ，２およびＭＡＸ，７で示す測定軸は、測定ビームの各対に関連する。これらの測定軸がミラーＲ₁およびＲ₃に入射する点を図１４にＱ₁、Ｑ₂およびＱ₃で示す。これらの信号を使い、アッベの誤差に関する較正パラメータを考慮に入れて、Ｘ位置、Ｚ位置およびＺ軸周りの回転を定量することができる。
既に記したように、異なる測定軸に関連する信号間の差を光学的に測定すること、即ち、図１０、図１２および図１３を参照して説明した光学的微分を使うことが好ましい。状況によっては、代りに電子的微分を使ってもよい。その場合、図１５に示すように、３本の異なるビームをビームスプリッタに供給すべきである。
ビームｂ₂₀の経路は、偏光感応ビームスプリッタ２０１の前に、偏光中性ビームスプリッタ２３０を取込み、それはビームｂ₂₀を主軸が第１ＸＹ平面、即ち図１４の図面にある第１および第２ビームｂ₄₁およびｂ₄₂、並びに主軸が図１４の図面の前の第２ＸＹ平面にある第３ビームｂ₄₃に分ける。ビームスプリッタ２３０は、部分的にまたは部分的でなく透明な反射器の組合せを含み、種々の方法で実施してもよい。例えば、これらの反射器は、ビームｂ₄₁、ｂ₄₂およびｂ₄₃が満足に平行であるように、平行平面板の面でもよい。これらの各ビームを境界面２０２が測定ビームと基準ビーム、それぞれ、ｂ_41,mとｂ_41,r、ｂ_42,mとｂ_42,r、ｂ_43,mとｂ_43,rに分ける。明確のために、基準ビームｂ_41,rについては放射線経路の一部しか示さない。
再帰反射器２０６、２０７および２０８をビームｂ₄₁、ｂ₄₂およびｂ₄₃の経路に配置し、結局ビームスプリッタ２０１を出る測定ビームｂ_41,m、ｂ_42,mおよびｂ_43,mが関連する測定ミラーＲ₁またはＲ₃によって２度反射されるようにするのが好ましい。各測定ビームは、関連する基準ビームと共に、検光子２１２、２１４および２２６を経て別々の検出器２１３、２１５または２２７に入射する。
図１５の実施例で、検出器信号Ｓ₂₁₃、Ｓ₂₁₅およびＳ₂₂₇と測定軸を介して得た情報の間の関係は：
Ｓ₂₁₃＝Ｉ_MAX,1 （１７）
Ｓ₂₁₅＝Ｉ_MAX,2 （１８）
Ｓ₂₂₇＝Ｉ_MAX,7 （１９）
測定信号Ｓ（Ｘ）、Ｓ（₂）およびＳ（Ｚ）は、今度は：

３本の独立した測定軸を備える装置と３本の結合した測定軸を備える装置の間の選択は、一方で、基板ホルダの運動速度、従って測定軸の情報の変化割合、および他方で、信号処理電子ユニットの速度によって決るかも知れない。高速の基板ホルダでは、結合した測定軸を備える装置を選ぶだろう。この選択は、更に、干渉計ユニットが測定信号Ｓ（Ｘ）、Ｓ（φ₂）およびＳ（Ｚ）に影響する程度によって決る。干渉計誤差は、検出器信号Ｓ₂₁₃、Ｓ₂₁₅およびＳ₂₂₇で干渉計それ自体によって生ずる誤差である。そのような誤差が各検出器信号に起るとき、測定信号の誤差は、３本の独立した測定軸の場合：

３本の結合した測定軸の場合：

ＥＰ−Ａ０４９８４９９に記載されているように、干渉計ユニット１００は、特別なＸ測定軸を備えてもよい。Ｙ軸周りの基板の倒れφ_ijを表す信号を、ＭＡＸ，１測定軸が提供する情報と組合わせて、この測定軸、ＭＡＸ，３の情報から得てもよい。図１４で、標点Ｐ_x,9およびＰ_X,10は、ＭＡＸ，３測定軸に関連する測定ビームを再帰反射器を介してＸ測定ミラーＲ₁の方へ２度通せば、この測定ビームが相次いでミラーＲ₁に当る点を示す。
ＭＡＸ，３測定軸用測定ビームは、別の放射線源によって供給してもよい。しかし、この測定ビームを、その代りに、Ｚ測定ビームを得るために図１０、図１２および図１３を参照して説明した方法に類似する方法で得てもよい。そうすると、測定ミラーＲ₁およびプリズムシステム２０８が通す測定ビームｂ’_20,mの経路は、システム２２０に類似する反射器システムを取入れる。このシステムは、測定ビームおよび関連する基準ビームを測定ミラーＲ₁へ反射し、これらのビームが図１０のＸＹ平面とは異なる平面に拡がることを保証する。このＸＹ平面で、これらのビームは、Ｚ測定ビームおよび関連する基準ビームに付いて図１２に示したものと類似する経路を辿る。しかし、測定軸ＭＡＸ，３の測定ビームが伸びるＸＹ平面は、今度は図面の前ではなくて後ろに位置する。この干渉計ユニットは、ＭＡＸ，３測定軸用に別の検出器を含む。
ＭＡＸ，３測定軸によって信号を得る方法については、３本のＸ測定軸を備える干渉計ユニットを記載しているＥＰ−Ａ０４９８４９９を参照する。そのようなユニットでこの発明を実施するためには、中性ビームスプリッタをプリズムシステム２０８と反射器システム２２０の間に配置し、図１３に示すような反射器システムをこのビームスプリッタが作る各測定ビームの経路に置いてもよい。
基板ホルダのＹ方向の変位およびこのホルダのＸ軸周りの有り得る倒れを測定するためには、この複合干渉計システムが図４に１５０で示す、第２干渉計ユニットを含む。原理上、この干渉計ユニットは、２本の測定軸ＭＡＸ，４およびＭＡＸ，５を有する。干渉計ユニット１００と同じ原理に従って構成した、この干渉計ユニットの構成と作用の説明は、ＥＰ−Ａ０４９８４９９に詳述されている。干渉計ユニット１００に代って、またはそれと類似して、この干渉計ユニットも、図１０、図１１、図１２、図１３および図１５を参照して説明したのと同じ方法で、Ｚ測定軸および関連する検出器で拡張してもよい。
干渉計ユニット１００および１５０では、ユニット１００の検出器２１３、２１５および２２７をユニット１００の検光子２１２、２１４および２２６の直後に配置する必要はないが、もし望むなら、これらの検出器を離しておよび事によると近接して配置してもよい。そこで光ファイバを使ってビームを検出器へ導くことができる。ビームをファイバの入口平面上に集束するためのレンズを検光子とファイバの間に設けてもよい。
図１０、図１２および図１５に示す、プリズム再帰反射器、または３次元“コーナキューブ”もキャッツアイ再帰反射器で置換えてもよい。そのような再帰反射器は、その焦点面にミラーを配置したレンズによって構成し、反射したビームの主軸が入来ビームのそれと平行であることを保証するだけでなく、これらの主軸が一致することも保証する。
この複合干渉計システムの必要精度を考慮すると、温度、気圧、湿度のような周囲パラメータの変化がある影響を与えるかも知れない。これらの変化は、この干渉計ビームが伝播する媒体の屈折率の変動を生ずる。そのような変動は、媒体の乱流によっても生ずるかも知れない。これらの変動を補正できるように、それらを測定できるためには、ＥＰ−Ａ０４９８４９９は、それに記載した干渉計システムに特別な、例えば第６の、測定軸を設け、それを固定基準反射器と協同するビームが伸びる基準軸として使うことを提案している。図４に、この反射器を参照番号１７０で示し、この基準測定軸の測定ビームをｂ_50,mで示す。このビームは、測定軸数の少ない干渉計ユニット、即ち、説明した実施例のユニット１５０によって供給し、このユニットから来るビームを反射器１７１によって反射器１７０へ送るのが好ましい。そこでこの干渉計ユニットは、この基準反射器が反射したビームｂ_50,mおよび関連する基準ビームを受けるためのおよびそれらを電気信号に変換するための特別な検出器を含む。
測定ビームｂ_50,mは、一定の幾何学的経路長を辿る。しかし、この幾何学的経路長と横断する媒体の屈折率の積である、光路長は、この屈折率の変動に影響される。それでこの変動は、測定ビームｂ_50,mと関連する基準ビームの間の経路差にも影響する。この経路差の変動を上記特別な検出器によって測定し、その出力信号を、乱流または周囲パラメータの変動による屈折率変動に対して他の測定軸を介して得た情報を補正するために使うことができる。
図４に示すように、基準反射器１７０は、好ましくは“ゼロデューレ”または“アンバー”のような非常に安定な材料の板１９０を介して干渉計ユニット１５０に結合する。
この基準測定軸の情報は、焦点合せ誤差検出システムおよび／または焦点合せおよび水平検出システムのビームがこの干渉計ビームと同じスペースを通るのであれば、それらの測定システムのような、他の光学測定システムからの測定情報を補正するためにも使ってよい。
屈折率変動を測定するためには、１本の測定ビームを使えば十分である。しかし、もし望むなら、他の測定軸に対して上記に説明したように、基準測定軸に対して、複式測定ビームおよび複式基準ビームも実現してよい。
屈折率変動は、かなり、例えば、２倍異なる波長を有し、干渉計ビームが通る媒体内の同じ経路を辿る二つの測定ビームによっても測定できる。ビームに対する屈折率はこのビームの波長に依るので、ビームに対する幾何学的経路長が等しくてもこれらのビームに対する光路長が異なり、これらのビームが検出器に達すると位相差を有する。屈折率変動の場合、この位相差の変動もあり、それで位相差変動を表す信号が得られる。それ自体知られ、例えばＵＳ−Ａ５，４０４，２２２に記載されている、この屈折率変動測定は、図４にｂ_50,mで示す基準測定軸に沿って行うことができるが、Ｚ測定軸を含む、前記の測定軸のどれに沿ってもできる。
もし、干渉計ビームが伝播する全スペースに同じ環境が行きわたることを保証すれば、更に精度のよい複合干渉計システムさえ得られる。これは、このスペースに一定の、好ましくは層流の調和空気を送ることによって実現できる。こゝで称する空気シャワの実施例は、ＥＰ−Ａ０４９８４９９に記載されていて、構成データについてはそれを参照する。
この発明は、５軸または６軸の干渉計システムの上記の実施例に使うだけでなく、そのような干渉計システムの他の実施例に使ってもよく、その幾つかの構成がＥＰ−Ａ０４９８４９９に詳述されている。５軸または６軸の干渉計システムに加えて、この発明は、測定軸数の少ない、例えば二つの干渉計ユニットを備える、３軸干渉計システムにも使ってよく、その実施例を図２に示す。
ステップアンドスキャン・フォトリソグラフィー装置では、マスクホルダも高精度に動かすべきである。この運動をチェックするために、多軸干渉計システムを使ってもよい。また、この干渉計システムは、本発明によるシステム、従って非常に精確且つ確実な測定結果が得られるように、少なくとも一つのＺ測定軸を備える干渉計システムでもよい。
ＩＣ領域の照明中、マスクおよび基板を互いに関して非常に精確な方法で配置するために、基板の高スループット・フィードスルー速度を有するリソグラフィー装置では、基板ホルダおよびマスクホルダのアクチュエータの力がこの基板ホルダ用干渉計システムの部品に、および、ステップアンドスキャナの場合は、マスクホルダ用干渉計システムに伝えられるのを防ぐべきである。このため、測定ミラーを除いて、干渉計システムの部品を剛性フレームに配置し、それに投影系もしっかりと固定し、そのフレームをこの装置の他の部品から動的に絶縁して懸架してもよい。今度は、干渉計部品を投影系への外乱なくしっかりと結合する。計測フレームとも称する、上記フレームを動的に絶縁してまたは振動なく、この装置に懸架するので、その中に存在する干渉計部品の位置がもう、基板テーブルおよびマスクテーブルの駆動力のような外力に影響されない。
図１６は、計測フレームを備えるステップアンドスキャンニング光学リソグラフィー装置を線図的に示す。その装置は、基板のための干渉計システムＩＳＷだけでなく、マスクのＸおよびＹ変位を測定するための干渉計システムＩＳＭも含む。これらの干渉計システムおよび投影系ＰＬを計測フレームＭＦに配置するので、これらのシステムが互いに関してしっかりと固定され、投影系が作るマスクパターンの像がこれらの干渉計システムに結合される。
もし、この装置が、序章に記したように、焦点合せ誤差検出システムを備え、マスクの高さを測定するための容量式またはその他のセンサを備えるならば、これらの検出システムもこの計測フレームに組込む。基板干渉計システムの測定ミラーＲ_1,WおよびＲ_3,W並びにマスク干渉計システムの測定ミラーＲ_1,rが、それぞれ、基板およびマスクがしっかりと固定されている基板ホルダＷＨおよびマスクホルダＭＨの一部であるので、基板およびマスクの運動をこれらのシステムで直接測定する。従って、これらの運動および出来たマスクパターン像は、基板およびマスクのＺ軸に沿う相互位置を調節するためのアクチュエータのような、この装置の他の部品の運動に影響されない。
マスクおよび基板をＸおよびＹ方向に変位するためのアクチュエータは、それらの内のＸアクチュエータＸＡ_WおよびＸＡ_rだけを図１６に棒によって示し、アクチュエータフレームＡＦの一部を形成する。
この計測フレームを、図式的に示す動的絶縁装置ＳＵ₁、ＳＵ₂、ＳＵ₃およびＳＵ₄によってアクチュエータフレームに懸架し、このフレームがこの装置の残部から動的に隔離されるようにする。マスクテーブルＭＴおよび基板テーブルＷＴをこのアクチュエータフレームに配置する。基板テーブルは、三つのＺアクチュエータを有し、その二つＺＡ_W,1およびＺＡ_W,2を示し、それらで三つのアクチュエータを同等に付勢することによって基板のＺ位置を調整でき、またはそれらで三つのアクチュエータを不均等に付勢することによって基板の傾斜を実現できる。これらの運動は、もしマスクテーブルも三つのＺアクチュエータを備えるならば、類似の方法でマスクに対しても実現でき、そのアクチュエータの二つＺＡ_r,1およびＺＡ_r,2を示す。
基板の投影レンズ系に関する垂直位置は、この発明に従ってＺ測定軸を備える複合基板干渉計システムＩＳＷで測定できる。その上、この装置は、図１に素子４０〜４６で示すような焦点合せ誤差検出システムを備えてもよい。このシステムＩＳＷのＺ測定軸および焦点合せ誤差検出システムが提供する情報で、基板テーブルのＺアクアチュエータを、基板が正しい高さ、またはＺ位置に調整されるような方法で、制御できる。
更に、投影レンズホルダの下部にしっかりと固定された板１６３を備える。既に記したように、この板の反射性の下側が干渉計システムＩＳＷのＺ測定軸用のＺ反射器を構成する。焦点合せ誤差検出システムのまたは焦点合せおよび水平検出システムの素子をこの板の中または上に配置してもよい。
計測フレームおよびアクチュエータフレームを備える、図１６に示す構成は、この発明に従ってＺ測定を行う、ステッピング型のリソグラフィー装置にも使ってよい。そのような装置は、マスク干渉計システムを含まない。
剛性および安定性に関する厳密な要件を計測フレームに課さねば成らず、それでこのフレームの材料は、熱膨張係数が非常に小さくなければならない。しかし、これらの要件は、もし、基板干渉計システムおよび場合によるマスク干渉計システムのＸおよびＹ測定軸用の基準ミラーを投影レンズ系ＰＬのホルダまたは計測板１６３に固定すれば、緩和されるかも知れない。すると、干渉計システムおよび投影レンズ系が光学的に結合され、相互運動がもう測定値に影響しなくなる。この設備を図１６に板１６３の下の二つの基準ミラー１８０および１８１で図式的に示す。基準ビームを基板干渉計システムから反射器を介してこれらの基準ミラーへ導いてもよい。マスク干渉計システムに対しても、基準ミラーを投影レンズ系のホルダに固定してもよい。
計測フレームのないリソグラフィー投影装置でも、基板干渉計システムの、および恐らくはマスク干渉計システムのＸおよびＹ基準ミラーを、同じ利点を得るために、投影レンズ系のホルダに固定してもよいことに明確に注目すべきである。基準ミラーを投影レンズ系のホルダに固定した多軸干渉計システムを備えるフォトリソグラフィー投影装置は、それ自体知られ、ＰＣＴＷＯ９７／３３２０５に記載されている。
序章に既に記したように、この発明は、特に、図１および図１６に示すように、マスクおよび投影系が存在する照明システムの間を動く二つ以上の基板テーブル、並びに基板を基板テーブルに関して整列する一つ以上の整列ステーションを備えるリソグラフィー投影装置に使うと非常に有利である。そのような装置では基板ホルダを比較的大きい距離に亘って動かすので、焦点合せ誤差検出システムまたは焦点合せおよび水平検出システムを使うことではもう十分でなく、基板の別のＺ位置の測定が必要である。
図１７は、二つの基板ホルダを備える装置の機械的要素を図式的に示す。この装置は、垂直Ｚ方向に見て、連続的に位置決め装置３０３、マスクホルダ３０７、および放射線源３０９を備える照明ユニット３０８を含むフレーム３０１を含む。この位置決め装置３０３は、第１基板ホルダ３１１および第２の同じ基板ホルダ３１３を含む。投影レンズホルダ３０５がマスクホルダと基板ホルダの間にある。基板ホルダ３１１および３１３は、Ｚ方向に垂直に拡がり、それぞれ、上に第１基板３２０および第２基板３２１を配置できる第１および第２支持面３１７および３１９を含む。第１および第２基板ホルダ３１１および３１３は、それぞれ、位置決め装置３０３の第１変位ユニット３２３および第２変位ユニット３２５によって、フレーム３０１に関して、Ｚ方向に垂直なＸ方向に平行な第１方向、並びにＺ方向およびＸ方向に垂直なＹ方向に平行な第２方向に可動である。マスクホルダ３０７は、Ｚ方向に垂直に拡がり且つその上にマスク３２９を配置できる指示面３２７を有する。
照明しなければならない基板をこの装置に入れるマガジンに配置する。このマガジンから、基板を搬送機構によって整列ステーションへ連続して導入する。上記マガジンおよび搬送機構は、図１７には示さないが、それ自体知られている。この整列ステーションは、図１７に測定ユニット３３３によって図式的に表し、それもフレーム３０１に固定されている。図１７に示す装置の状態では、第１基板ホルダ３１１が照明ステーションにあり、第１基板３２０が照明ユニット３０８が出す放射線でマスク３２９を介して照明され、ホルダ３０５の中にある投影系によって結像される。この投影系の光軸３３１だけを示す。第２基板ホルダ３１３が整列ステーションにある。このステーションで、この基板ホルダ上に設けた第２基板３２１用の一つ以上の整列マークの位置をユニット３３３によってこの基板ホルダ上の一つ以上の対応する整列マークに関して決め、この位置を機械的手段（図示せず）を使って補正する。基板３２０の照明が終ってから、第１基板ホルダ３１１を位置決め装置によってこの照明ステーションから整列ステーションへ変位する。このステーションから、第１基板３２０を上記搬送機構によって上記マガジンへ動かす。同時に、第２基板ホルダを位置決め装置３０３によって整列ステーションから照明ステーションへ動かす。第２基板３２１を整列ステーションで第２基板ホルダに関して既に正しく位置決めしているので、この基板ホルダの一つ以上の整列マークの位置だけを照明ステーションでマスクの対応するマークに関して測定し、補正すべきである。この測定および補正は、迅速にできる、比較的簡単なプロセスである。第２基板の基板ホルダに関するより困難且つより時間の掛る整列を整列ステーションで第１基板の照明と時間並列で行っているので、照明ステーションは、単位時間当りに多数の基板を照明できるように、最大期間照明それ自体のために使うことができる。
二つの基板テーブルを備えるフォトリソグラフィー装置の原理および利点は、とりわけＥＰ−Ａ０６８７９５７におよびＪＰ−Ａ５７−１８３０３１の英文要約書に記載されていて、それにはそのような装置の実施例も図示されている。
先に記したように、整列マークの位置は、基板の整列中に干渉計システムが形成する座標系に固定する。照明ステーションの他に整列ステーションを含むリソグラフィー装置では、両ステーションが干渉計システムを備えるべきである。図１８は、この装置の与えられた実施例で照明ステーションおよび整列ステーションで基板について行う干渉計測定の概要である。この図は、Ｘ測定ミラーＲ₁、Ｒ’₁、Ｙ測定ミラーＲ₂およびＲ’₂並びにＺ測定ミラーＲ_3,1、Ｒ_3,2、Ｒ’_3,1、Ｒ’_3,2を備える二つの基板ホルダ３１１および３１３を示す。図１８の中央部はＸＹ平面による断面であり、上部はＸＺ平面による断面であり、および左手部はＹＺ平面による断面である。参照番号３５０および３６０は、照明ステーションの測定領域および整列ステーションのそれを表す。各測定軸を文字二つと数字一つで示す。最初の文字は関連する測定軸で行う測定の方向（Ｘ、ＹまたはＺ）を示し、数字はこの方向の測定軸の番号を示し、および第２の文字は測定を整列ステーション（Ｍ）で行うか、照明ステーション（Ｅ）で行うかを示す。図１８の実施例では、測定をＸ方向およびＹ方向の両方で３測定軸に沿って行い、並びに二つのＺ測定を行う。同じ測定を両ステーションで行う。しかし、その代りに、異なる数および異なる型式の測定を二つのステーションで行うことが可能である。各ステーションで行う測定の数および型式は、所望する精度および所望する位置情報に依る。
マスクを基板と同期して動かすステップアンドスキャンニング・リソグラフィー装置の場合は、マスクを結像する倍率を考慮して、マスクの変位も基板の変位と比較するように正確に測定すべきである。完全性のために、図１９は、照明ステーションでマスクについて行う干渉計測定の概要である。図１９は、図１８に類似して、三つの異なる断面を示す。マスクを再びＭＡで示し、マスクホルダをＭＨで、およびマスクテーブルをＭＴで示す。参照文字ＰＢは、このマスクの領域での照明ビームの矩形断面を示す。このビームをＩＣ領域の照明中マスクおよび基板に関してＹ方向に動かす。干渉計ユニット３７０は、マスクのＸ位置だけでなくＺ軸周りの回転も測定できるように、２本のＸ測定軸Ｘ₁、Ｘ₂を含む。この干渉計システムは、２本のＹ測定軸Ｙ₁、Ｙ₂を含み、それらは、図１９に示すように、二つの別々の干渉計ユニット３８１、３８２と関連してもよく、または一つの干渉計ユニットと関連してもよい。Ｙ位置だけでなくＺ軸周りの回転もこれらの２本の測定軸で測定できる。マスクはＸ方向に少し動くだけでよいので、マスクホルダの側面３９０全体に反射器を配置する必要はなく、測定軸の領域に二つの小さな反射器３９１、３９２を使えば十分である。この図に示すように、これらの反射器はコーナキューブ反射器であるのが好ましい。
二つの基板テーブルおよび関連する基板ホルダを、本発明を使うと非常に有利であるリソグラフィー装置で、整列ステーションから照明ステーションへ、およびその逆に動かすためには、二つの基板テーブルをこの運動中共通の回転アームに固定して、これらの基板を第１ステーションへまたは第２ステーションへ共通の回転でもたらせるようにしてもよい。しかし、これらの運動を行うためには、基板テーブルを別々に、それらがＸＹ平面で直線運動をするように駆動するのが好ましい。図２０は、その場合に基板ホルダ３１１および３１３並びに関連するテーブル（図示せず）が照明ステーション３５０および整列ステーション３６０に関して如何に動くかを示す。この図に、四つの異なる状況を左から右へＳＩＴ１〜ＳＩＴ４で示す。ＳＩＴ１では、基板ホルダ３１１が照明ステーションにあり、このホルダの上にある基板が照明され、一方、基板ホルダ３１３は、整列ステーションにあって、このホルダの基板は、この基板ホルダに関して整列されている。ＳＩＴ２では、照明プロセスおよび整列プロセスが完了し、二つの基板ホルダが関連するステーションを離れている。ＳＩＴ３では、二つの基板ホルダが互いに通過し、基板ホルダ３１１は整列ステーション３６０へ行く途中であり、基板ホルダ３１３は照明ステーション３５０へ行く途中である。ＳＩＴ４では、基板ホルダ３１３が照明ステーションに位置してその上の基板を照明でき、一方、基板ホルダ３１１は、その基板を取外し、新しい基板を設けてから、整列ステーションに位置し、それでこの新しい基板をこのホルダに関して整列できる。
新規な干渉計システムを上にＩＣ構造体を製造するためのフォトリソグラフィー縮小装置への使用法を参照して説明した。しかし、この発明は、集積光学システムのための構造体、並びに磁区メモリの案内および検出パターン、または液晶表示パネルの構造体のような、他の構造体を製造するためのフォトリソグラフィー装置にも使ってよい。この発明が解決する問題は、縮小のあるなしに拘らず、マスクパターンを結像するためにイオン放射、電子放射またはＸ線放射のような、光放射以外の放射線を使う、他のリソグラフィー装置にも起るかも知れず、それでこの発明をこれらのリソグラフィー装置にも使うことができる。像は、投影像でも近接像でもよい。この発明は、例えば、マスクを検査するために使う、非常に正確なＸ、ＹおよびＺ測定のための装置のような、リソグラフィー装置以外の装置にも使うことができる。

Claims (13)

1. ＸＹＺ座標系のＸＹ平面に平行な平面での物体の位置および変位を、その物体のホルダに配置したＸおよびＹ測定ミラーによって測定するための干渉計システムであって、
   複数の測定ビームを発生し、該測定ビームを前記ＸＹ平面に対し平行な測定軸であり、且つ、これらの測定ミラーへおよびそれらから伸びる複数の測定軸に沿って向けるための手段と、
   これらの測定ミラーが反射した測定ビームを電気測定信号に変換するための放射線感応性検出器と、を備える干渉計システムにおいて、
   さらに、該物体のＺ位置を測定するために、この物体のホルダ上にＸＹ平面に鋭角に配置したＺ測定ミラーを備え、
   該Ｚ測定ミラーによって測定するために該干渉計システムは、Ｚ測定軸を有し、且つ、
   Ｚ測定ビームを発生し且つ前記測定ビームを該Ｚ測定ミラー上に向けるための手段と、
   該Ｚ測定ミラーからのＺ測定ビームをこの物体のＺ方向の位置情報を含む信号に変換するためのＺ検出器と、を備え、
   該Ｚ測定ミラーは、該物体ホルダの側面に設けられていることを特徴とする干渉計システム。
2. 請求項１に記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定ミラーを前記物体のホルダ上に前記ＸＹ平面に実質的に４５°の角度で配置することを特徴とする干渉計システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定ミラーを前記ＸおよびＹ測定ミラーをなす前記物体ホルダの側面の一部傾斜した面によって構成することを特徴とする干渉計システム。
4. 請求項１または請求項２に記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定ミラーを、前記ＸおよびＹ測定ミラーをなす前記物体ホルダの側面から垂直に突出したバーの先端によって構成することを特徴とする干渉計システム。
5. 請求項４に記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定ミラーを前記物体ホルダの前記物体から遠い部分に配置することを特徴とする干渉計システム。
6. 請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定ビームに関連する基準ビーム用基準ミラーを、前記Ｚ測定ミラーも配置した前記物体ホルダの前記側面上に配置したＸまたはＹ測定ミラーによって構成することを特徴とする干渉計システム。
7. 請求項１ないし請求項６の何れか一つに記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定ビームの経路が再帰反射器を含み、
   前記Ｚ測定ミラーによって反射された前記Ｚ測定ビームは、前記再帰反射器により更に反射されて再び前記Ｚ測定ミラーの方向へ反射されることを特徴とする干渉計システム。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか一つに記載の干渉計システムにおいて、
   前記Ｚ測定軸に加えて、少なくとも５本の更なる測定軸を含むことを特徴とする干渉計システム。
9. 請求項１ないし請求項８の何れか一つに記載の干渉計システムにおいて、
   異なる波長の二つの測定ビームが沿って伝播する測定軸を有することを特徴とする干渉計システム。
10. 請求項１ないし請求項９の何れか一つに記載の干渉計システムを含む投影装置において、
    該投影装置は、マスクパターンを基板上に繰返し投影するための投影装置であって、投影ビームを供給するための照明ユニット、マスクホルダを備えるマスクテーブル、基板ホルダを備える基板テーブル、この投影ビームの経路に配置した投影系、およびこの基板の位置および方向を測定するための該光学測定システムを含み、
    前記物体および前記物体ホルダが、それぞれ、この基板およびこの基板ホルダであることを特徴とする投影装置。
11. 請求項１０に記載の投影装置において、
    前記測定ミラーを除いて、前記Ｚ反射器と同様に、前記干渉計システムの部品が剛性フレームに配置され、さらに前記投影系もしっかりと固定され、該フレームを該装置の他の部品から動的に隔離して懸架することを特徴とする投影装置。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の投影装置において、
    ＸおよびＹ測定ビームに関連する基準ビーム用基準ミラーを前記投影系のホルダ上に配置することを特徴とする投影装置。
13. 請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれかに記載の投影装置であって、前記基板の位置および方向を測定するための光学測定システムを含む投影装置において、
    前記光学測定システムが請求項１ないし請求項９の何れか一つに記載の干渉計システムであり、
    前記物体および前記物体ホルダが、それぞれ、前記基板および前記基板ホルダであることを特徴とする投影装置。

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