JPH0216717A - パターン投影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、パターン投影装置に係り、特に半導体回路
製造における各種光励起プロセス、例えば、光ＣＶ　Ｄ
　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉ
ｏｎ）、光励起エツチング、光励起ドーピング、光直接
現像などに用いるに好適なパターン投影装置に関するも
のである。

［従来の技術］ 近年、半導体集積回路はその集積度をより一層に高める
傾向にある。それに伴い、薄膜形成、エツチングなどの
半導体集積回路製造のプロセスの低温化が必要になると
ともに、現行のドライプロセスの照射損傷が問題とされ
るようになってぎた。

これらを解決する一つの方法として、光励起プロセスが
広く研究されている。光励起プロセスの特徴としては、
第１に光化学反応を利用することにより反応プロセスを
低温化し、サブミクロンデバイスに要求されるパターン
精度の向上を図るということが挙げられる。

また、光照射の空間選択性を利用して、−工程で配線を
行なったり、欠陥修正を行なうことも考えられている。

加えて、特にレーザ光を利用した光励起プロセスの場合
には、反応の波長選択性及び高エネルギー密度を利用し
て、反応プロセスの高速化も期待される。これらの種々
の特徴や個々の反応プロセスの詳細は例えば、　エキシ
マレーザのウェハプロセスへの応用”　（ブレスジャー
ナル社刊　月刊　”　５ｅＩＩｌｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
　Ｗｏｒｌｄ　”　　；　１９８６年８月号第７７頁）
に記載されている。

さて、前述したような光励起プロセスの特徴を生かすよ
うなパターン投影装置を考えた場合、ウェハ前面に一括
して光照射を行なうことは、光照射密度が低いこと、パ
ターン精度グが行ないにくいことなど不都合が多い。

この不都合を解消するために、従来より第６図に示すよ
うな装置が知られている。

この第６図に示される製雪は、移動ステージ上にウェハ
を保持し、ステージを移動することにより、ＩＣチップ
ごと、或は素子ごとに順次パターン投影を行なうもので
ある。

図において、レチクルＲとウェハＷとは各々両側テレセ
ントリックな投影レンズＬ、に関して共役な位置に維持
されており、レチクルＲ上のパターンが図示しない光源
によりコンデンサーレンズｌを介して照明され、ウェハ
Ｗ上に縮小投影される。このような焼付露光はウェハＷ
を所定量だけ移動させて繰返し露光を行なう所謂ステッ
プアンド・リピート方式により行なわれる。

なお、ウェハＷを保持するウェハボルダ−ＷＨは、Ｚス
テージＳ２上に載置されている。また、ＺステージＳ２
は、ＸステージＳＸ上をＺ方向にＢ動可能に設置され、
ＸステージＳ８は、Ｙステージ全体上をＸ方向に移動可
能に設置され、更にＹステージ全体は、架台３上をＸ方
向に移動可能に設置されて゛いる。

これらステージＳｘ、Ｓｙ＋Ｓｚからなる移動ステージ
ＳＢにより、上述のステップアンド・リピート方式によ
るウェハＷの焼付露光が可能となる。なお、焦点合せに
際しては、不図示の焦点位置検出機構により合焦位置が
検出され、ウェハＷを２ステージＳｚにより上下方向に
移動させて焦点合せが行われる。

上記のような穆勤ステージＳＢと架台３とは、ガス気密
容器２Ｂの中に収納されており、投影結像は気密容器２
Ｂ上面側の透明窓（透明平板）２１Ｂを通して行なわれ
る。反応ガスはガス供給管２２Ｂを通してガス気密容器
２Ｂの中に導入され、光が照射されている領域のみ選択
的に光励起プロセスが進行する。

反応ガスを常に流通させる必要がある場合や、或は１つ
のプロセスが終了して次のプロセスを行なうために、反
応ガスの入れ替えの必要がある場合等は、排気管２３Ｂ
を通して反応ガスの排気が行なわれる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来の装置においては、移動ステージ全体
がガス気密容器中に設置されている故、ステージが反応
ガスに常時さらされることになる。そのため、ステージ
の構成部品、例えば送りネジやベアリング等の部品が腐
蝕あるいは化学反応によって劣化したり、また潤滑油が
揮発或いは劣化するなどして、ステージの損傷が激しく
耐用寿命が非常に短いという不都合があった。

また、ガス気密容器はステージ全体を収納する必要上、
その容積が非常に大きなものとなり、反応ガスを多量に
必要とするうえに、その排気にも時間がかかるという問
題点もあった。

本発明は上記のような従来技術の有する問題点に鑑みて
成されたものである。その目的とするところは、移動ス
テージ上にガス気密容器を設置することにより、移動ス
テージの長寿命化及びガス気密容器の小型化を図り、な
お且つ移動ステージ上にガス気密容器を設置した構成に
好適な位置合せ手段を併せ持つことにより、高精度な位
置合せを達成できるパターン投影装置を提供することで
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明のパターン投影装置
は、所定の原画パターンを試料基板上へ結像する投影光
学系と；該試料基板を載置し、少なくとも前記投影光学
系の結像面に沿って二次元的に移動し得るステージと；
該ステージ上に設置され、所定成分の気体を満たした状
態で前記試料基板を外気から遮蔽するとともに、前記投
影光学系側に透明平板を有する気密容器と；前記試料基
板上に予め形成されたマークを前記透明平板を介して光
学的に検知することにより、該マークの位置情報を検出
する位置検出手段と；前記透明平板の所定の基準面に対
する傾き量を検出する傾き検出手段と：該傾き検出手段
による検出傾き量に応じて、前記位置検出手段によるマ
ークの検出位置情報を補正する補正手段と；該補正手段
による補正後のマークの位置情報に基き前記ステージの
位置を制御し、前記原画パターンと試料基板とを相対的
に位置合せする制御手段とを備えたものである。

［作　用］ 本発明においては、気密容器をステージ上に設置する構
成としている。このため、ステージが反応ガスにさらさ
れることがなく、反応ガスによる移動ステージの損傷を
防止できる。

また、位置合せや焦点合せの際の、気密容器内の試料基
板上のマーク位置の光学的な検出は、気密容器の投影光
学系側の透明平板を介してマーク位置を検知する位置検
出手段により行なわれる。

この場合、マーク位置の光学的な検知は、気密容器の移
動に影響を受けないことが必要である。

というのは、一般に移動ステージは、その移動に際して
、ピッチング（進行方向への傾き）とローリング（進行
方向と直交する方向の傾き）とを伴なう。そのため、ス
テージの８勅、即ち気密容器の移動に伴ない透明平板が
傾斜してしまい、透明平板に入射する光軸に位置ずれが
生じるためである。

そこで、本発明においては、この透明平板の傾きを検出
する傾き検出手段と、その検出傾き量に応じて位置検出
手段の検出位置情報を補正する補正手段とが備えられて
いる。これらの手段により、透明平板の傾斜に伴なう光
軸の位置ずれ量は補正され、マークの正確な位置情報が
得られる。

一方、制御手段は、この補正後のマークの位置情報に基
きステージの位置を制御する。従って、透明平板の傾き
が生じても、投影光学系に対する試料基板の適切な位置
合せを行なうことが可能である。

なお、ここで透明平板の傾斜に伴なう光軸の位置ずれ量
について説明しておく。

第４図に示すように、透明平板２１Ａの屈折率をｎ、厚
さをｔとすると、傾斜がθのとぎの光軸の位置ずれ量△
は次式で表わされる。

△＝ｔ−ｓｉｎ（θ−θ’）／　ｃｏｓθ′（１）（但
し、ｓｉｎ　θ＝　ｎ５ｉｎθ°　）本発明の実施例に
よれば、傾き検出手段は前記傾斜θを検出し、その検出
結果は補正手段に与えられる。補正手段は、与えられた
傾斜θに基き（１）式に従う演算を行ない、位置ずれ量
Δを求め、この△によって、位置検出手段により検出さ
れたマーク位置を補正する。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明
する。なお、上述した従来技術と四柱の部分には、同一
の符号を用いることにする。

第１図ないし第３図には本発明の実施例に係る構成例が
示されている。

［ガス気密容器と移動ステージ］ 本発明においては、反応ガスが満たされたガス気密容器
２Ａは、移動ステージＳＡ上に設置されている。このガ
ス気密容器２Ａの上面側に設けられた透明窓（透明平板
）２１Ａは入射光用の窓であって、ガス気密容器２Ａ内
の光照射、例えばウェハＷの焼付露光などは、この透明
窓２＋Ａを介して行なわれるようになっている。

また、ガス気密容器２Ａ内の反応ガスは、図示しないガ
ス供給源からガス供給管２２Ａを介して供給され、排気
管２３Ａから排気される。これらガス供給管２２Ａ、排
気管２３Ａとしては、移動ステージＳＡが移動しても切
断等の不都合が生じないように、柔軟なパイプを使用す
ることが好ましい。

次に、移動ステージＳＡは、レベリングステージ（以下
、「しステージ」という）ＳＬ、ＸステージＳｘ、Ｙス
テージＳＹ、ＺステージＳ２から構成され、図示しない
駆動モータにより二次元方向のステップ移動、Ｚ方向の
微動、及び斜傾が可能となっている。

このステップ移動によってウェハＷをショットごとに順
次移動させることにより、上述の従来技術と同様のステ
ップアンド・リピート方式による露光が実現される。

この移動ステージＳＡにおいて、ウェハＷを保持するウ
ェハホルダーＷＨが載置されたしステージＳＬは、２ス
テージＳｚに対して傾き可能に、即ちウェハＷの水平状
態を修正可能に設置されている。また、ＺステージＳ２
は、ＸステージＳＸ上をＺ方向に移動可能に設置され、
ＸステージＳｘは、ＹステージＳＹ上をＸ方向に移動可
能に設置され、更にＹステージＳＹは、架台３上をＹ方
向に移動可能に設置されている。

なお、ＺステージＳ２のＸ方向、Ｙ方向の位置は、干渉
計４により計測される。

また、前記ガス気密容器２Ａは、図に示す如くしステー
ジＳＬ及び基準マーク板２４を収納してＺステージＳｚ
上に固定されている。この場合、透明窓２１Ａは、移動
ステージＳＡの移動に依らずＸステージＳｘ及びＹステ
ージＳＹに対して常に平行に保たれるようになっている
。

［アライメント検出系］ 次に、レチクルＲとウェハＷとのアライメント（位置合
せ）を行なうためのアライメント検出系について説明す
る。

第１図において、レチクルＲとウェハＷとは各々両側テ
レセントリックな投影レンズＬ１に関して共役な位置に
維持されている。

投影レンズＬ、の左方には、アライメント検出系５．６
が示されている。

先ず、アライメント検出系５について述べる。

アライメント検出系５は、レチクルＲとウェハＷの相対
的位置関係を投影レンズし、を通して直接観察する構成
になっている。以下、この形式のアライメント検出系５
をＴ　Ｔ　Ｒ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｔｈｅ　Ｒｅｔｉｃｌ
ｅ）系５と称する。

第１図において、露光光と同一波長のアライメント光は
、光ファイバー５１より導かれ、レンズ５２を透過して
ビームスプリッタ−５３に入射し、ここで反射して対物
レンズ５４を透過し、振動ミラー５５で反射してレチク
ルＲ上のアライメント用のマークＲＭ（図示せず）にス
ポット化される。そして、レチクルＲを透過したアライ
メント光は、投影レンズＬ１に入射し、透明窓２１Ａを
介してウェハＷ面上のウェハマークＷＭ（図示せず）に
マークＲＭのパターンを投影する。

なお、撮動ミラー５５は、図示しない駆動系により駆動
され、光路の方向を変更する役割りを果たす。これによ
り、照射対象を光で走査することが可能である。以下の
説明では特に断らないが、振動ミラー５５以外の振動ミ
ラーについても上述と同様な構成とする。

ウェハマークＷＭは、アライメント光の照射に対して、
正反射光、回折光、散乱光等の反射光を発生する。この
反射光は、前記往路を逆進してビームスプリッタ−５３
に達するが、その１流、投影レンズＬ１の作用によって
、マークＲＭのパターンの逆投影像をレチクルＲの下面
に結像する。これは、上述の通りウェハＷとレチクルＲ
はＩｔ　Ｅ１２レンズＬ１に関して共役な配置となフて
いるためである。

ビームスプリッタ−５３を透過した反射光は集光レンズ
５６で集光され、撮像管５７の撮像面に上記逆投影像を
結像する。撮像管５７の撮像面にはマークＲＭの実際の
パターンの像と逆投影像の両方の像が形成され、レチク
ルＲとウェハＷの相対的な位置情報（画像信号）が撮像
管５７より得られる。

一方、アライメント検出系６は、レヂクルＲを介さずに
ウェハＷ表面のウェハマークＷＭ（図示せず）を観察す
る系である。以下、この形式のアライメント検出系６を
、Ｔ　Ｔ　Ｌ　（Ｔｈｒｏｕｇｈ　ＴｈｅＬｅｎｓ）系
６という。

図において、レーザ光源６１から射出されたアライメン
ト光は、ビームスプリッタ−６２を介して対物レンズ６
３を透過し、ミラー６４に入射して、ここで反射して投
影レンズＬ１に入射する。

なお、レーザ光源６１とビームスプリッタ−６２との間
にビーム整形光学系を配し、レーザビームのスポット形
状を適宜に整形（例えばスリット状ビーム）してもよい
。

投影レンズＬ、を透過したアライメント光は透明窓２１
Ａを介してウェハＷ上のウェハマークＷＭを照射する。

ウェハマークＷＭからの反射光は前記往路を戻り、ビー
ムスプリッタ−６２に達し、ここで反射して投影レンズ
Ｌ１の瞳ｅｐと共役な位置に配置された空間フィルター
、例えば正反射光カット用に空間フィルター６５を介し
て受光素子６６に入射する。受光素子６６は、入射光を
その強度に応して光電変換し、投影レンズし。

に対するウェハＷの相対的な位置情報を出力する。

なお、各ショットごとにＴＴＲ系５やＴＴＬ系６でアラ
イメントを行うと、スルーブツトが低くなるという問題
点がある。

この問題点を解消するために、本実施例においては、投
影レンズＬ１から独立した０ＦＦ−ＡＸＩｓ観察系７が
特に設けられている。

［０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系コ この０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察、ｆ−７は、投影レンズＬ１
から一義的な位置に固定された光学系であり、投影レン
ズＬ、を介さずにウェハＷ上のマークＷＭの干渉計４に
おける座標上の位置を計測するだめのものである。この
場合、スループットが高くしかも高精度なアライメント
が可能となる。

このＯＦＦ−ＡｘｘｓＭ察系７としては、光学的にマー
クを検出する公知の観察系が適用可能である。第１図に
おいては、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７としてレーザ光源
を用いる系と、白色光光源を用いる系の二種類の例が示
されているが、何れを用いてもよい。

以下、光源としてレーザ光源を用いる系を０ＦＦ−ＡＸ
ＩＳ観察系７Ａ、光源として白色光源を用いる系を０Ｆ
Ｆ−ＡＸＩＳ観察系７Ｂと称し、各々に対応する構成要
素には、符号Ａ、Ｂを付すことにする。なお、符号Ａ、
Ｂを付さない構成要素は、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７Ａ
、７Ｂに共通する構成要素を示す。

先ず、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７Ａについて述べる。レ
ーザ光源７１Ａから射出したレーザ光は、ビーム整形光
学系７．２Ａで適当なスポット形状、例えばスリット状
のスポット形状に整形される。そして、ビームスプリッ
タ−７３Ａによって反射され、レンズ７４Ａ１ビームス
プリッタ−７５を透過して対物レンズＬ２に入射する。

対物レンズＬ２を透過したレーザ光は、透明窓２１Ａを
介して外形線条のウェハマークＷＭとほぼ平行なスリッ
ト状スポットとなってウェハ上を照射する。ステージＳ
の移動によってスポット光がマークＷＮを照射すると、
マークＷＭからの反射光は前記往路を戻ってビームスプ
リッタ−７３Ａに達し、これを透過して集光レンズ７６
Ａで集光され、対物レンズＬ２の瞳（図示せず）と共役
な位置に配置された空間フィルター７７Ａを介して受光
素子７８Ａに入射する。

受光素子７８Ａは入射光をその強度に応じて光電変換し
、干渉計４の位置計測値とともにマークＷＭの検出位置
情報を出力する。

一方、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系Ｂ（７）光源７１Ｂから
出力される光は、ウェハＷ上の感光剤を感光させないブ
ロードな帯域の波長光であって、例えばタングステンラ
ンプ、ハロゲンランプ等の光をフィルター（波長選択）
処理して得られる光である。

この光源７１Ｂから発せられた光はレンズ７２Ｂを透過
し、検出領域を限定するためにウェハＷと共役に配置さ
れた視野絞り７３Ｂを通り、ビームスブリッター７４Ｂ
、レンズ７６Ｂを透過してビームスプリッタ−７５で反
射され、対物レンズＬ、に入射する。

対物レンズし、を透過した光は、透明窓２１Ａを介して
マークＷＭを含む検出領域を照射する。

マークＷＭからの反射光は前記往路を戻ってビームスプ
リッタ−７５に達し、ここで反射されてレンズ７６Ｂを
透過し、ビームスプリッタ−７４Ｂで反射され、ウェハ
Ｗと共役に配置された指標板７７Ｂに達する。

指標板７７Ｂを透過した光は、レンズ７８Ｂを透過し、
ミラー７９Ｂで反射され、集光レンズ７１０Ｂで集光さ
れ、撮像管７１１Ｂに達する。

なお、指標板７７ＢはマークＷＭの位置を検出するため
の指標を有している。撮像管７１１Ｂの撮像面には、こ
の指標とマークＷＭまたはマークＳＭとの像が形成され
、両者の相対的な位置情報（画像信号）が撮像管７１１
Ｂより得られる。

上記のような０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７によるアライメ
ントを高精度で実行するためには、レチクルＲのパター
ンの投影像の位置と、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７の干渉
計４の座標における距離（ベースライン）を正しく計測
しておく必要がある。この計測は、ガス気密容器２Ａ内
に設置された基準マーク板２４上にある基準マークＳＭ
（図示せず）の干渉計４の座標位置を、０ＦＦ−ＡＸＩ
Ｓｒ＆察系７とＴＴＲ系５（＊たはＴＴＬ系６）で検出
することにより実行される。

［アライメント系、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系における透
明窓の傾斜による影響］ ここで、ガス気密容器２Ａの傾斜、即ち透明窓２１Ａの
傾斜が、ＴＴＲ系５、’ｒＴ　Ｌ系６．０ＦＦ−ＡＸｒ
Ｓ観察系７の各県に与える影響について説明する。

先ずＴＴＲ系らについて述べる。いま、ＴＴＲ系５でア
ライメントを行なう際に透明窓２＋Ａが傾斜したとする
。この時、アライメント検出光の光軸は横ずれするが、
レチクルマークＲＭの投影レンズＬ１による投影像もウ
ェハＷ上で同一量だけ横ずれする。従って、ウェハＷ上
の露光パターンとレチクルＲのパターン像とのアライメ
ント誤差は生じない。

一方、ＴＴＬ系６または０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７でア
ライメントを行なう場合は、透明窓２１Ａの傾斜に伴な
い光軸がずれるために、位置検出誤差が生じる。

同様に、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７とＴＴＲ系５（また
はＴＴＬ系６）でベースラインを計測する場合も、透明
窓２１Ａの傾斜に伴ない各県の光軸がずれるため、位置
検出誤差が生じる。

本発明は、この位置検出誤差を補正することを目的とし
ているが、そのためのパラメータ検出手段として、第１
図に示すように透明窓用レベリングセンサー系８．９が
設置されている。

［透明窓用レベリングセンサー系］ 透明窓用レベリングセンサー系８は、透明窓２１Ａ１７
）傾斜θを、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７の光軸位置で検
出するものであり、同様にレベリングセンサー系９は、
投影レンズＬ、の光軸位置で検出するものである。これ
ら二組みのレベリングセンサー系８．９は、その配置位
置が異なるのみで、その構成は同様である。そこで、以
下、レベリングセンサー系８に代表させて説明すること
とし、レベリングセンサー系９については対応する符号
を括弧内に示す。

図において、レベリングセンサー系８（９）は、送光系
８ａ（９ａ）、受光系８ｂ（９ｂ）、送光側ミラー８ｃ
（９ｃ）、受光側ミラー８ｄ（９ｄ）から構成されてい
る。

ここで、送光系８ａ（９ａ）及び送光側ミラー８ｃ　（
９ｃ）の光軸は、投影レンズＬ１の光軸に関して受光系
８ｂ（９ｂ）及び受光側ミラー８ｄ（９ｄ）の光軸と対
称になっている。

先ず、送光系８ａ（９ａ）から出力された平行光束は、
送光側ミラー８ｃ　（９ｃ）を介して透明窓２１Ａ上（
７）ＯＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７（投影レンズＬ１）の光
軸位置に斜入射し、ここで反射されて受光側ミラー８ｄ
（９ｄ）を介して受光系８ｂ（９ｂ）に入射する。この
受光系８ｂ（９ｂ）は、入射した光束の傾きに基き、透
明窓２１Ａの傾斜θに対応する検出信号５３（Ｓｉを出
力する。このレベリング検出信号Ｓ３　（Ｓｓ）は、第
２図に示されるような傾斜補正用ステージ制御装置に与
えられる。なお、レベリングセンサー系８．９は、図に
は示されていないが、Ｘ方向とＸ方向の両方向の透明窓
２１Ａの傾斜θを検出できるようになっている。

［傾斜補正用ステージ制御装置］ 第２図には、傾斜補正用ステージ制御装置の一構成例が
ブロック図で示されている。

図において、受光素子６６、受光素子７８Ａ。

撮像管７１１Ｂの何れかの出力信号（マークＷＭの位置
情報）Ｓ＋　と、干渉計４から出力される移動ステージ
ＳＡの単位＄　１ｉＩＪ量毎のパルス信号Ｓ２とは、サ
ンプリング回路２０１に与えられる。

サンプリング回路２０１は、パルス信号Ｓ２に同期して
、信号Ｓｌの強度（レベル）のディジタル化を行なう。

更に、このディジタル化された信号Ｓ１のうち、ウェハ
Ｗ上の予め定められた数箇所かのショットのマークＷＭ
位置に対応する信号をサンプリングしく以下、このサン
プリングされた信号を「サンプリング・データ」という
）、第１の補正部２０２へ出力する。

一方、レベリングセンサー系８の検出信号Ｓ３は、レベ
リング演算部２０３に与えられる。レベリング演算部２
０３は与えられた信号Ｓ３に基ぎ上述の（１）式に従う
演算を行ない、マーク計測方向の横ずれｆｆ１（Ｘ方向
及び／またはＸ方向）を求め、第１の補正部２０２に与
える。第１の補正部２０２は、サンプリング回路２０１
の出力をレベリング演算部２０３の出力に加えてマーク
ＷＭの実際の位置を求め、その実際の位置情報は、統３
］処理部２０４に与えられる。

他方、この統＝１処理部２０４には、全てのショットの
設計マーク位置（ショットの設計上の配列情報）Ｓ４が
予め与えられている。統計処理部は２０４は、第１の補
正部２０２から与えられたサンプリング・データに基ぎ
、設計マーク位置情報Ｓ４に対応する全てのショットの
マークＷＭの実際の位置を統計処理的に求め、メモリー
２０５に与える。このメモリー２０５は、各ショットの
マーク位置に対応する移動ステージＳＡのステッピング
位置を、アドレスマツプとして記憶する。この記憶され
たステッピング位置は、第２の補正部２０６に与えられ
る。

また、レベリングセンサー系９の出力信号ＳＳは、レベ
リング演算部２０７に与えられ、このレベリング演算部
２０７は上記（１）式に従い投影像の横ずれ量（Ｘ方向
及び／またはＸ方向）を求め、この横ずれ量を第２の補
正部２０６に与える。

第２の補正部２０６は、メモリー２０５に記憶されたス
テラピンブイ立置を、レベリング演算部２０７から与え
られた投影像の横ずれ玉に基き補正し、目標とすべきス
テッピング位置を求め、これをＸ−Ｙステージドライバ
ー２０８に与える。

Ｘ−Ｙステージドライバー２０８は、与えられたステッ
ピング位置に基きＸステージ駆動用モータ２０９ｘ及び
Ｙステージ駆動用モータ２０９Ｙに制御指令を発する。

この制御指令に従フて、ＸステージＳｘ及びＹステージ
Ｓ７の移動が行なわれ、ウェハＷとレチクルＲ（または
投影レンズＬｌ）とのアライメントが行なわれる。

［焦点位置検出系及び水平位置検出系］上記のようなパ
ターン投影装置には、ウェハＷを投影レンズＬ１の焦点
位置に正確に位置付けるための焦点位置検出系（第１図
においては図示を省略する）が設けられている。

第３図にはその構成例が示されている。なお、この焦点
位置検出系及び後述の水平位置検出系は特開昭５８−１
１３６号公報に開示されたものである。

第３図に示される焦点位置検出系は、投影レンズＬＬに
よる露光の妨げとならないように、投影レンズＬ１の光
軸に対して大きく傾いた方向からの光束を透明窓２１Ａ
を通してウェハＷ面上に投射し、この投射光束がウェハ
Ｗ面で反射された後の位置を検出することにより、投影
レンズの焦点位置とウェハＷ位置との合致を検出するも
のである。、具体的には、スリット（又はピンホール）
投影あるいはレーザスポット照射による焦点位置検出方
式を採用したものであり、ここではスリット像の投射系
３０Ａとスリット像の入射系３０Ｂとからなり、両系の
光軸を投影レンズＬ１の光軸に関して対象に配置したも
のである。

その作用について説明すると、先ず、スリット像の投射
系３０Ａの光源３１Ａは、露光光やアライメント光とは
異なる波長、且つウェハＷ上の感光剤を感光させないブ
ロードな波長分光の光を発生する。

この光源３１Ａからの光束はコンデンサーレンズ３２Ａ
によりスリット“を有する絞り３３Ａ上に集光され、コ
リメーターレンズ３４Ａにより平行光束となって第１ダ
イクロツクミラー３５Ａに達し、ここで反射される。こ
の反射した平行光束は、第１対物レンズ３６Ａによりそ
の焦点位置に透明窓２１Ａを介して集光され、投影レン
ズＬ１によるレチクルＲのパターンの結像面と同一の高
さ位置に絞り３３Ａのスリット像を結像する。ここで、
ウェハＷ面が概ね投影レンズＬ１によるレチクルＲのパ
ターンの結像面付近にあるときは、第１対物レンズ３６
Ａからの平行光束がウェハＷ面で反射されて透明窓２１
Ａを介して第２対物レンズ３１Ｂに入射する。第２対物
レンズ３１Ｂを透過し、第２ダイクロイツクミラー３２
Ｂで反射された光束は、コンデンサーレンズ３３Ｂ、振
動ミラー３４Ｂを介して基準スリットを有する基準スリ
ット板３５Ｂの後方に隣接する受光素子３６Ｂに受光さ
れる。

ここで、ウェハＷが第１対物レンズ３６Ａ及び第２対物
レンズ３１Ｂとの両者の焦点位置に合致している場合は
、第２対物レンズ３１Ｂを射出する光束は平行光束とな
り、基準スリット板３５Ｂ位習に絞り３３Ａのスリット
像が形成される。

なお、基準スリット板３５Ｂの基準スリットと絞り３３
Ａのスリットとは同一の大きさである。

更に、この基準スリット板３５Ｂの位置は、ウェハＷ面
と投影レンズＬ１の結像面が一致するとき、絞り３３Ａ
のスリット像と基準スリットの位置が合致するように調
整されている。

また、振動ミラー３４Ｂは、基準スリット板３５Ｂの基
準スリット及び絞り３３Ａのスリットに対して直角方向
に周波数ｆで光束を振動可能となっている。

受光素子３６Ｂで受光された光は光電変換されるが、そ
の出力（光電信号）は振動ミラー３４Ｂの走査に応じて
変調する。この出力を振動ミラー３４Ｂの振動周波数ｆ
で同期検波することによって、投影レンズＬ、に対する
ウェハＷの相対的位置関係を検出することができる。

ここで、ウェハＷ面が投影レンズし、の結像面にある時
は周波数ｆ成分は零となり、受光素子３６Ｂの出力信号
は、第５図に示すように反射面がＺ方向に移動するに伴
址い所謂Ｓカーブを描く。

この信号に基いてＺステージＳｚを駆動することにより
、ウェハＷ面を投影レンズＬ１の結像面にサーボ制御で
きる。

上記のように構成された焦点位置検出系には、第３図に
示すように、ウェハＷ面の水平位置を検出する水平位置
検出系を組合せることも可能である。

第３図において、水平位置検出系は、水平位置検出照射
系４０Ａと水平位置検出受光系４０Ｂとからなっており
、両系の光軸が投影レンズの光軸に関して対象を成すよ
うに配置したものであるいる。水平位置検出照射系４０
Ａは、光源４１Ａ、コンデンサ−レンズ４２Ａ１微小円
開口を有する絞り４３Ａ及びスリット像の投射系３０Ａ
と共用の第１ダイクロイックミラー３５Ａ、第１対物レ
ンズ３６Ａから構成されている。この水平位置検出照射
系４０Ａにおいては、コンデンサーレンズ４２Ａが光源
４１Ａの像を絞り４３Ａ上に形成し、絞り４３Ａ上に焦
点を有する第１対物レンズ３６Ａにより、平行光束が透
明窓２１Ａを通してウェハＷ面上に供給される。

一方、水平位置検出受光系４０Ｂは、四分割受光素子４
１Ｂと、スリット像の入射系３０Ｂと共用の第２対物レ
ンズ３１Ｂ及び第２ダイクロイツクミラー３２Ｂから構
成されている。

この水平位置検出受光系４０Ｂにおいては、水平位置検
出照射系４０Ａから供給されウェハＷで反射された光束
が、第２対物レンズ３１Ｂにより、その焦点位置に設け
られた四分割受光素子４１Ｂ上に集光される。

ここで、投影レンズの光軸に対してウェハＷの露光領域
が垂直を保っているならば、水平位置検出照射系４０Ｂ
からの光束は四分割受光素子４１Ｂの中心位置に集光さ
れる。また、ウェハＷの感光領域が垂直位置から角度θ
”だけ傾いているならば、ウェハＷ面で反射される水平
位置検出照射系４０Ａからの平行光束は、水平位置検出
受光系４０Ｂの光軸に対して２θ”傾くため、四分割受
光素子４１Ｂの中心から外れた位置に集光される。この
四分割受光素子４１Ｂ上での集光点の位置から、ウェハ
Ｗの露光領域の傾き方向が検出される。

なお、水平位置検出系の光は焦点位置検出系の光と異な
る光を用い、四分割受光素子４１Ｂと受光素子３６Ｂと
は異なる感度特性を有することが望ましい。これにより
両者を独立に機能させても、互いの信号を独立に扱うこ
とが可能である。

両者を同時に機能させないならば、勿論、同一波長の光
を用いてもよい。この場合は、第１、第２ダイクロイッ
クミラー３５Ａ、３２Ｂは、各々ビームスプリッタ−を
代用すればよい。

［焦点位置検出系及び水平位置検出系における透明窓の
傾斜による影う］ 上記のように構成された焦点位置検出系及び水平位置検
出系は、ガス気密容器２Ａの傾きに伴ない透明窓２１Ａ
が傾斜した場合、その傾斜角度が小さければ、透明窓２
１Ａの傾斜に伴なう検出誤差は生じない。以下、その理
由について説明する。

ここで、透明窓２１Ａが角度εだけ傾いた場合を考える
。屈折率ｎの厚さｔの透明窓２１Ａに対して入射角θで
入射したよる光線の横シフトＦｉｑ　５は、上述の（１
）式で与えられる。

ここで、角度εが小さい時は、入射光線の横シフトｆｆ
１Ａは次式で与えられる。

Ａ＝Ｓ　　（θ）　−５（θ−ε）　〜ｄ　　Ｓ／ｄ　
　θ・　６・・・・　（２） 一方、透明窓２１Ａからの出射光線、即ちクエへ面から
の反射光線が横ずれしない条件は、角度εが小さいとき
のシフト量Ｂが次式を満たす場合である。

Ｂ＝Ｓ（θ＋ａ）−３（θ）〜ｄＳ／ｄθ−６・・・・
　（３） ところが、（２）　、　　（３）式より、Ａ＝Ｂである
から、出射光線の横ずれは無視できることが解る。

一方、反射面（ウェハＷ面）の傾きも、スリット像を反
射面に結像しているので水平位置検出系及び焦点位置検
出系には影響しない。従って、ガス気密客器２Ａが傾斜
しても傾斜角が小さければ、正しく投影レンズＬ、の焦
点位置或は水平位置を検出できることがわかる。

ところで、第３図においては、投影レンズＬ１の焦点位
置検出系に水平位置検出系を組合せた例を示したが、０
ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７に焦点位置検出系を設け、これ
に水平位置検出系を組合せてもよい。勿論、各々を独立
して設けてもよい。

何れにしても、透明窓２１Ａの傾斜の影響を受けること
なく正確な検出が行なえる。

［位置合せ用ステージ制御装置］ 上記第２図中の破線で囲まれた部分には、位置合せ用ス
テージ制御装置の回路ブロックの一構成例が示されてい
る。この位置合せ用ステージ制御装置は、上述の焦点位
置検出系及び水平位置検出系の検出信号に基いてウェハ
Ｗの焦点位置合せ及び水平位置合せを行なうものである
。

図において、焦点位置検出系２１０，２１１は、各々投
影レンズＬ、に対する焦点位置を検出する系（以下、「
ウェハＡＦ系り、Ｊという）２１Ｏ１ＯＦＦ−ＡＸＴＳ
観察系７の対物レンズＬ２に対する焦点位置を検出する
系（以下、「ウェハＡＦ系Ｌ２Ｊという）２１１である
。

また、水平位置検出系２１２，２１３は、投影レンズＬ
ｌによる照射面に対するウェハＷの傾き方向を検出する
系（以下、「ウェハレベリング系Ｌ＋Ｊという）２１２
．０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察系７の対物レンズＬ２による照
射面に対するウェハＷの傾き方向を検出する系（以下、
「ウェハレベリング系Ｌ２Ｊという）２１３である。

ウェハＡＦ系１．，２１０及びウェハＡＦ系Ｌ２２１１
の検出信号は、スイッチ２１４ａを介してＺステージド
ライバー２１５に与えられる。

一方、ウェハレベリング系ＬＩ２１２．　ウェハレベリ
ング系Ｌ２２１３の検出信号は、スイッチ２１４ｂを介
してＬステージドライバー２１６に与えられる。なお、
二つのスイッチ２１４ａ、２１４ｂは連動スイッチを成
している。

ここで、パターン投影装置が露光時であるとすると、連
動スイッチ２１４ａ、２１４ｂは、図に示すように設定
される。゛この時、Ｚステージドライバー２１５．Ｌス
テージドライバー２１６は、各々ウェハＡＦ系り、２１
０．　　ウェハレベリング＆Ｌ＋２ｔ２から与えられる
検出信号に対応した制御信号を発する。この制御信号に
基きＺステージ駆動モータ２０９Ｚ及びしステージ駆動
モータ２０９Ｌａ、２０９Ｌｂが駆動され、Ｚステージ
Ｓ２のＺ方向移動及びしステージＳＬの傾斜修正が行な
われ、ウェハＷ面の露光領域が投影レンズＬ、の焦点位
置で水平をなすように、ウェハＷ位音が修正される。

一方、０ＦＦ−ＡＸＩＳ観察手段７によるアライメント
時やベースライン測定時には、連動スイッチは図示と逆
側の接点が導通するように設定される。この場合も上記
と同様に、対物レンズＬ２の焦点位置でウェハＷ面が水
平をなすように、ウェハＷ位置が修正される。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、ガス気密容器をス
テージ上に設置したために、ステージが反応ガスによっ
て損傷を受けることがなく、装置の寿命、信頼性が向上
するという効果がある。

また、ガス気密容器はステージ全体を収容しないため、
従来に比して容量が小さくなり、必要なガスの量を最小
に押えることができる。同様の理由により、ガスの排気
に必要な時間も最小にできる。

更に、ステージが通常の７囲気中にあるため、ステージ
の位置計測を行うための干渉計等既存の技術をそのまま
適用できるという利点もある。

また、透明窓の傾きに伴なう光軸のずれ（シフト）を補
正して、ステージの位置制御を行なうこととしたので、
ステップごとにアライメントマークを検出する操作を行
なわなくとも、位置決めが可能であり、高精度なアラ−
Ｃラント、重ね合わせ露光が行なえるという効果もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は本発明の実施例の構成図、第２図は
本発明の実施例の回路ブロック図、第４図は透明平板の
傾きの投影の説明図、第５図は焦点位置検出系の出力特
性を示す線図、第６図は従来のパターン投影装置を示す
構成図である。 ［主要部分の符号の説明］ ２Ａ・・・ガス気密容器、２１Ａ・・・透明平板（透明
窓）、５・ＴＴＲ系、６　・Ｔ　Ｔ　Ｌ系、７　・ＯＦ
　Ｆ−ＡＸＩＳ観察系、８．９・・・レベリングセンサ
ー系、Ｒ・・・レチクル、Ｌｌ・・・投影レンズ、Ｗ・
・・つエバ、ＳＡ・・・移動ステージ 代理人　弁理士　佐　藤　正　年 第２ 図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定の原画パターンを試料基板上へ結像する投影光学系
   と、 該試料基板を載置し、少なくとも前記投影光学系の結像
   面に沿って二次元的に移動し得るステージと、 該ステージ上に設置され、所定成分の気体を満たした状
   態で前記試料基板を外気から遮蔽するとともに、前記投
   影光学系側に透明平板を有する気密容器と、 前記試料基板上に予め形成されたマークを前記透明平板
   を介して光学的に検知することにより、該マークの位置
   情報を検出する位置検出手段と、前記透明平板の所定の
   基準面に対する傾き量を検出する傾き検出手段と、 該傾き検出手段による検出傾き量に応じて、前記位置検
   出手段によるマークの検出位置情報を補正する補正手段
   と、 該補正手段による補正後のマークの位置情報に基き前記
   ステージの位置を制御し、前記原画パターンと試料基板
   とを相対的に位置合せする制御手段とを備えたことを特
   徴とするパターン投影装置。