JPH05175100A

JPH05175100A - 焦点位置検出装置

Info

Publication number: JPH05175100A
Application number: JP3354682A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1993-07-13

Abstract

(57)【要約】【目的】より正確に投影光学系の焦点位置を検出でき
るようにする。【構成】ウェハＷに隣接するパターン板４に形成され
た開口パターンと、この開口パターンに照明光ＥＬを導
く検出用照明光学系５ｂ，８〜１０と、照明光ＥＬの下
で投影光学系ＰＬを介してマスクパターンＰＡの形成面
に形成された後、投影光学系ＰＬを介して戻って来るそ
の開口パターンの像をその開口パターンで制限して得ら
れた光量に対応する焦点信号を生成する光電センサと、
照明光ＥＬ用の検出用照明光学系５ｂ，８〜１０のσ値
を任意に設定するズームレンズ１８，１９とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体集積回路
又は液晶基板等を製造するための厳密な焦点合わせが要
求される投影露光装置等に用いられる焦点位置検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体集積回路又は液晶基板等を
リソグラフィー技術を用いて製造する工程において、回
路パターン等のマスクパターンを投影光学系を介して基
板上に所定の倍率で転写する投影露光装置が使用されて
いる。このような投影露光装置においては、投影光学系
による結像面の焦点深度の範囲内にその基板の露光面
（レジスト表面）を収める必要がある。また、転写対象
となるパターンの線幅が例えば０．５μｍ以下ときわめ
て微細化している。このような微細な線幅のパターンを
良好に結像するためには投影光学系の開口数（ＮＡ）を
大きくする必要があるが、開口数が大きくなると焦点深
度、即ち許容されるデフォーカス量が非常に小さくな
る。従って、この種の装置においては、投影光学系の結
像面に対して基板の露光面を所定のデフォーカス量の範
囲内で合致させるための厳密な焦点合わせの技術が必須
である。

【０００３】このため、従来の投影露光装置において
は、被露光物（例えばシリコンウェハ）を投影光学系か
ら一定の距離に維持する間接的な焦点合わせ機構が備わ
っている。この機構は例えば図６に示す投射光学系１１
及び受光光学系１２を用いて、被露光物に対し斜め方向
から光線を入射し、その反射光の位置により被露光物の
投影光学系ＰＬの光軸方向の位置を測定し投影光学系Ｐ
Ｌと被露光物の距離を一定に保つものである。しかしな
がら、投影光学系は周囲の気温、大気圧若しくは湿度等
の条件又は露光中の照明光の吸収等により変化し、その
焦点位置も刻々変化していると言ってもよい。これに対
し、気温等の諸条件を測定し、前記の投影光学系ＰＬと
被露光物との距離を一定距離に保つ機構にオフセットを
乗せていく方法も提案されている。しかし、この方法も
直接焦点位置を検出していないため確実な方法ではな
い。このため、近時は投影光学系ＰＬの焦点位置を光学
的に直接検出する方法が提案されている。

【０００４】以下、このように投影光学系の焦点位置を
直接検出する焦点位置検出装置の例を図６〜図８を参照
して説明する。図６は直接方式の焦点位置検出装置を備
えた本出願人の先願に係る半導体素子製造用縮小投影露
光装置を示し、この図６において、１はレチクルホルダ
ーであり、レチクルホルダー１に回路パターン等が描れ
たレチクルＲが保持されている。レチクルＲは、図示省
略した露光用照明系を用いて例えば水銀ランプの輝線又
はエキシマレーザー光等の露光光により均一に照明され
ている。２はウェハステージ、３はウェハステージ２に
載置されたウェハホルダーを示し、このウェハホルダー
３上にウェハＷが保持され、通常の露光転写時には投影
光学系ＰＬを介してレチクルＲ上のパターンがウェハＷ
上に結像される。

【０００５】ウェハステージ２は、投影光学系ＰＬの光
軸に垂直な面（これをＸＹ面とする）内で並進移動自在
なＸＹステージと、投影光学系ＰＬの光軸に平行なＺ方
向にステージの上面を移動するＺステージとより構成さ
れ、ウェハホルダー３はＸＹ面内で微小回転できるθス
テージを兼ねている。また、ウェハステージ２上の投影
光学系ＰＬの光軸に対応する露光点の座標は図示省略し
た２軸のレーザ干渉測長機により測定されており、Ｚス
テージがＺ方向に移動した場合のウェハＷの露光面のＺ
座標も図示省略した測定機構により測定されている。そ
して、ウェハステージ２が投影光学系ＰＬの光軸に垂直
な面内を移動することにより、ウェハＷにレチクルＲの
パターンがステップアンドリピート方式で露光され、更
にウェハステージ２は投影光学系ＰＬの光軸方向にも微
小量移動することにより、ウェハＷを投影光学系ＰＬの
焦点位置に合致させることができる。

【０００６】また、４は焦点位置検出用のパターン板で
あり、このパターン板４の上面には図７（ａ）に示すよ
うに、遮光部１４と光透過部１５とよりなる開口パター
ンが形成されている。この開口パターンは、所定ピッチ
のライン／スペースよりなる振幅型の回折格子を順次９
０°ずつ回転してなる４個の回折格子より構成されてい
る。図６に戻り、パターン板４は、ウェハステージ２上
にその開口パターンの形成面がウェハＷの露光面とＺ方
向にほぼ同じ高さになるように固定されており、パター
ン板４の底面側には検出用照明光学系が設けられてい
る。仮に或るウェハＷにレチクルＲのパターンを露光し
ている場合でも、ウェハステージ２を投影光学系ＰＬの
光軸に垂直なＸＹ面内で移動させることにより、投影光
学系ＰＬのイメージサークルの中央部にそのパターン板
４を移動させることができる。

【０００７】その検出用照明光学系において、５は２分
岐のファイバー束を示し、このファイバー束５の一方の
分岐端５ａよりレチクルＲを照明する露光光と同一又は
近傍の波長帯の照明光ＥＬを入射する。照明光ＥＬは、
例えば露光光ＩＬの一部をビームスプリッター等で分岐
したものを使用する。照明光ＥＬはファイバー束５の分
岐端５ａから合同端５ｂを経てウェハステージ２の内部
に送られる。内部に送られた照明光ＥＬは、アウトプッ
トレンズ６、視野絞り７、リレーレンズ８、ミラー９及
びコンデンサレンズ１０を介してパターン板４の開口パ
ターンを下方より照明する。パターン板４を通過した光
線は投影光学系ＰＬを経てレチクルＲの下面のパターン
面にパターン板４の開口パターンの像を結像する。その
レチクルＲのパターン面から反射された反射光は再び投
影光学系ＰＬ及びパターン板４を介してウェハステージ
２の内部に戻り、入射時と逆の光路を経て再びファイバ
ー束５の合同端５ｂに入射する。この反射光はファイバ
ー束５の他方の分岐端５ｃより光電センサＰＤに入射
し、この光電センサＰＤより出力される焦点信号ＦＳ
が、レチクルＲのパターン面からの反射光をパターン板
４の開口パターンで制限した光量に対応する。

【０００８】この方式ではその光電センサＰＤから出力
される焦点信号ＦＳが最大になるとき、即ちレチクルＲ
からの反射光をパターン板４で制限して得られた光量が
最大になるときのＺ座標を焦点位置として検出する。焦
点位置でその光量が最大となる原理を図８を参照して説
明する。先ず、パターン板４の開口パターン形成面とレ
チクルＲのパターン面とが投影光学系ＰＬに関して共役
位置にあるとき、即ちパターン板４が投影光学系ＰＬの
焦点位置にあるときの光路図を図８（ａ）に示す。この
場合、パターン板４の光透過部を投影光学系ＰＬ側に透
過した光線はレチクルＲの下面のパターン面に開口パタ
ーンの像を結び、その反射光は再びパターン板４上で像
を結ぶ。従って、パターン板４の開口パターンとその再
結像された開口パターンの像とは正確に重なるので、こ
の開口パターンの像の明部の光はパターン板４をそのま
ま透過して最終的に光電センサＰＤに入射する。

【０００９】一方、パターン板４の開口パターン形成面
が投影光学系ＰＬの焦点位置にないときの光路図を図８
（ｂ）に示す。この場合、レチクルＲの下面からの反射
光の全てがパターン板４の開口パターンを透過すること
はできず、反射光の一部はその開口パターンの非透過部
に反射されるので、光電センサＰＤへの入射光量は減少
する。実際には各光束間での干渉現象があるため、レチ
クルＲからの反射光をパターン板４で制限した光量に対
応する焦点信号ＦＳは図７（ｂ）に示すような波形とな
る。この図７（ｂ）において、横軸は後述の間接方式の
焦点位置検出系で検出したオートフォーカス信号ＡＦＳ
であり、この信号ＡＦＳはウェハステージ２のＺ座標に
対応する。

【００１０】図６に戻り、１１は投射光学系、１２は受
光光学系であり、この投射光学系１１から投射される光
束が投影光学系ＰＬの光軸に対して斜めにパターン板４
上に投影される。パターン板４上には例えばスリット状
のパターンが投影される。このパターン板４からの反射
光が、投影光学系ＰＬの光軸に対して傾斜して配置され
た受光光学系１２の受光素子上に投影され、受光光学系
１２の受光素子上にはパターン板４上に形成されたスリ
ットパターンの像が再結像される。パターン板４が投影
光学系ＰＬの光軸に平行なＺ方向に移動すると、その受
光光学系１２の受光素子上のスリットパターンの像も移
動するため、このスリットパターンの位置からパターン
板４の開口パターン形成面（又はウェハＷの露光面）の
Ｚ方向の位置を検出することができる。

【００１１】その受光光学系１２よりそのスリットパタ
ーンの像の位置に応じた信号（これを「オートフォーカ
ス信号」という）ＡＦＳが出力され、このオートフォー
カス信号ＡＦＳがオートフォーカス制御回路１３に供給
される。オートフォーカス制御回路１３には光電センサ
ＰＤより出力される直接方式による焦点信号ＦＳも供給
される。オートフォーカス制御回路１３は直接方式の焦
点信号ＦＳによりオートフォーカス信号ＡＦＳのオフセ
ット調整を行い、オートフォーカス信号ＡＦＳが所定の
レベルになるようにＺ軸駆動信号ＺＳを用いてウェハス
テージ２のＺステージを駆動する。尚、上述のように直
接方式による検出結果を用いて間接方式の焦点合わせ機
構のキャリブレション（オフセット調整）を行う技術に
ついては、特開昭６０−１６８１１２号公報に開示され
ている。

【００１２】上述のパターン板４を有する焦点位置検出
装置を用いて実際にウェハＷの露光面を投影光学系ＰＬ
に対して焦点合わせする方法を簡単に説明する。前記の
ようにウェハＷの露光時には投射光学系１１及び受光光
学系１２よりなるウェハ位置検出系によりウェハＷと投
影光学系ＰＬとの間隔を調整している。このため、随時
パターン板４を投影光学系ＰＬのイメージサークルの中
央部に移動してパターン板４を含む焦点位置検出装置で
求めた焦点位置を、投射光学系１１及び受光光学系１２
よりなるウェハ位置検出系へフィードバックすることに
より、経時変化等により投影光学系ＰＬの焦点位置の変
動があってもウェハＷの露光面は常に変動後の焦点位置
に合わせ込まれる。このフィードバック動作、即ち投射
光学系１１及び受光光学系１２よりなるウェハ位置検出
系のキャリブレーション動作は例えば単位時間毎あるい
はウェハを１枚露光する毎に、又はウェハを数枚露光す
る毎に行う。

【００１３】焦点位置合わせ動作を制御するオートフォ
ーカス制御回路１３は、Ｚ軸駆動信号ＺＳを用いてウェ
ハステージ２を投影光学系ＰＬの光軸方向に移動させ、
同時に受光光学系１２からのパターン板２１の位置を示
すオートフォーカス信号ＡＦＳと光電センサＰＤからの
焦点信号ＦＳとを取り込む。この結果図７（ｂ）のよう
な波形が得られ、波形のピーク位置におけるオートフォ
ーカス信号ＡＦＳの値はＢＳとなる。これ以後は、受光
光学系１２の出力であるオートフォーカス信号ＡＦＳの
値がＢＳとなるようウェハＷの焦点合わせを行う。上述
のように、この技術によればレチクルＲに特別なパター
ンを設けることなく、投影光学系ＰＬのイメージサーク
ルの任意の点、特に中心での焦点位置検出を正確に行う
ことができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６の
装置においては、パターン板４を用いた焦点位置検出に
本来の露光用の照明系ではなく、別に新たに設けた照明
系を使用しているため、両者の照明系の特性は厳密には
一致していない。このように両者の照明系の特性が一致
していないと、露光光ＩＬによる投影光学系ＰＬの焦点
位置と検出用の照明光ＥＬによる投影光学系ＰＬの焦点
位置とがずれる虞がある。

【００１５】照明系の特性を表す数値としては一般に、
投影光学系の開口数ＮＡと照明光のコヒーレンシィを表
すσ値とが用いられる。図９を参照して開口数とσ値に
ついて説明するに、図９において、投影光学系ＰＬの瞳
面Ｐ１、即ちフーリエ変換面には開口絞りＡＳ１が設け
られているため、投影光学系ＰＬのレチクルＲ側からの
光束が通過できる最大の角度θ_R 及び投影光学系ＰＬか
らパターン板４側に落射する光束の最大の角度θ_W は所
定の値に制限されている。投影光学系ＰＬの開口数ＮＡ
_PLはｓｉｎθ_W であり、投影倍率を１／ｍとすると、ｓ
ｉｎθ_R ＝ｓｉｎθ_W ／ｍの関係にある。

【００１６】また、露光光ＩＬがレチクルＲに入射する
ときの最大の入射角をθ_IL、焦点位置検出用の照明光Ｅ
Ｌがパターン板４に底面側から入射する最大の入射角を
θ_ELとすると、露光光ＩＬ側のσ値であるσ_IL及び照明
光ＥＬ側のσ値であるσ_ELはそれぞれ次のように定義さ
れる。

【数１】 σ_IL＝ｓｉｎθ_IL／ｓｉｎθ_R ＝ｍ・ｓｉｎθ_IL／ｓｉｎθ_W

【数２】 σ_EL＝ｓｉｎθ_EL／ｓｉｎθ_W ＝σ_IL・ｓｉｎθ_EL／（ｍ・ｓｉｎθ_IL）

【００１７】一般に開口数ＮＡが大きい程解像度は向上
するが、焦点深度が浅くなる。一方、σ値が小さい程に
露光光ＩＬ又は照明光ＥＬのコヒーレンシィが良くなる
ため、σ値が小さくなるとパターンのエッジが強調さ
れ、σ値が大きいとパターンのエッジがぼけるが、より
細いパターンの解像ができるようになる。従って、パタ
ーンの結像特性は開口数ＮＡとσ値とでほぼ決って来
る。また、σ値が変化すると、投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ
１における照度分布が変化する。

【００１８】図６に戻り、例えばレチクルＲの露光光の
照明光束がＩＬ１の場合、パターン板４を用いる焦点位
置検出系のσ値であるσ_ELとその露光光ＩＬ１によるσ
値であるσ_ILが一致しているものとする。この状態で例
えばレチクルＲの種類に応じて露光光の照明光束をＩＬ
２に切り替えたとすると、照明光ＥＬ側のσ_ELと露光光
ＩＬ２側のσ_ILとは一致しなくなる。

【００１９】特に近年、解像力の向上のため位相シフト
レチクルを使用する方法が考えられているが、このとき
露光光ＩＬ側の照明系のσ値は小さくする（例えばσ_IL
＝０．３）と効果が大きいことが知られている。通常の
レチクルの場合の露光光側の照明系のσ値は０．５〜
０．６程度で、両者を切り換えて使用できる露光装置が
提案されている。また、微細なパターンを露光するため
には投影光学系ＰＬの開口数ＮＡと露光光ＩＬ側の照明
系のσ値であるσ_ILとの組み合わせを最適化する必要が
あり、開口数ＮＡ及び露光光ＩＬ側のσ値可変の露光装
置も提案されている。このような場合、焦点位置検出用
の照明光学系のσ値であるσ_ELと実際の露光を行う照明
系のσ値であるσ_ILとは異なってしまう。σ値が異なる
場合、投影光学系中の強度分布が異なるため投影光学系
中の収差分布により微妙に焦点位置が異なってしまうと
いう不都合がある。

【００２０】同様に焦点検出を行うパターン板４の開口
パターンの線幅が、実際に露光されるレチクルＲの線幅
に投影光学系ＰＬによる倍率１／ｍを乗じて得られる線
幅と異なる場合、回折光の投影光学系内の強度分布が異
なるため検出される焦点位置が異なってしまう。これら
の量は微量でせいぜい０．１〜０．２μｍ程度である
が、近年益々微細化するパターンに対しては決して少な
い量とは言えない。

【００２１】本発明は斯かる点に鑑み、より正確に投影
光学系の焦点位置を検出できる焦点位置検出装置を提供
することを目的とする。より詳しくは、例えば露光光側
の照明光学系のσ値又は露光対象となるパターンの線幅
等によらず正確に焦点位置が検出できる焦点位置検出装
置を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の焦点
位置検出装置は、例えば図１に示すように、露光用照明
光学系（２３，２４，２９，４２，４３）に照明された
マスクパターンＰＡの像を投影光学系ＰＬを介して感光
基板Ｗ上に投影する投影露光装置のその投影光学系ＰＬ
の焦点位置を検出する装置において、その感光基板Ｗに
隣接する基準面（４）に形成された開口パターンと、こ
の開口パターンに照明光ＥＬを導く検出用照明光学系
（５ｂ，８，９，１０）と、この照明光ＥＬの下でその
投影光学系ＰＬを介してそのマスクパターンＰＡの形成
面に形成された後、その投影光学系ＰＬを介して戻って
来るその開口パターンの像をその開口パターンで制限し
て得られた光量に対応する焦点信号を生成する検出器
（例えば図６の光電センサＰＤ）と、その検出用照明光
学系（５ｂ，８，９，１０）の照明光ＥＬのその投影光
学系ＰＬの瞳面Ｐ１における照度分布を任意に設定する
照度分布設定手段（例えばズームレンズ（１８，１９）
又は図４の開口絞り（４７））とを有するものである。

【００２３】この場合、その照度分布設定手段（例えば
ズームレンズ（１８，１９））は、その露光用照明光学
系（２３，２４，２９，４２，４３）の露光光ＩＬのそ
の投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１における照度分布に対して
その検出用照明光学系（５ｂ，８，９，１０）の照明光
ＥＬのその投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１における照度分布
を相似的にほぼ等しく設定することが望ましい。これは
露光光ＩＬの主光線が投影光学系ＰＬの光軸に平行な場
合には、露光光側のσ値であるσ_ILと照明光ＥＬ側のσ
値であるσ_ELとをほぼ等しく設定することを意味する。

【００２４】また、本発明による第２の焦点位置検出装
置は、例えば図１に示すように、露光用照明光学系（２
３，２４，２９，４２，４３）に照明されたマスクパタ
ーンＰＡの像を投影光学系ＰＬを介して感光基板Ｗ上に
投影する投影露光装置のその投影光学系ＰＬの焦点位置
を検出する装置において、その感光基板Ｗに隣接する基
準面（４）に形成された開口パターンと、この開口パタ
ーンに照明光ＥＬを導く検出用照明光学系（５ｂ，８，
９，１０）と、この照明光ＥＬの下でその投影光学系Ｐ
Ｌを介してそのマスクパターンＰＡの形成面に形成され
た後、その投影光学系ＰＬを介して戻って来るその開口
パターンの像をその開口パターンで制限して得られた光
量に対応する焦点信号を生成する検出器（例えば図６の
光電センサＰＤ）と、その開口パターンの形状を任意に
設定するパターン形状設定手段（例えば図５（ａ））と
を有するものである。

【００２５】この場合、そのパターン形状設定手段は、
そのマスクパターンＰＡの最小線幅にその投影光学系Ｐ
Ｌの倍率を乗じて得られた線幅に対してその開口パター
ンの線幅をほぼ等しく設定することが望ましい。

【００２６】

【作用】斯かる本発明による第１の焦点位置検出装置に
よれば、感光基板Ｗの焦点位置を検出するには、基準面
（４）を投影光学系ＰＬの下に移動して、その基準面
（４）を投影光学系ＰＬの光軸に平行な方向に走査する
と、検出器より生成される焦点信号は合焦点で最大又は
最小になる。従って、その焦点信号が最大又は最小にな
る位置を焦点位置として検出することができる。これは
投影光学系ＰＬを介して直接に焦点位置を検出している
ので、経時変化等により投影光学系ＰＬの結像特性が変
化して焦点位置が変化しても正確にその焦点位置を求め
ることができる。

【００２７】また、より正確に投影光学系ＰＬの焦点位
置を求めるには、投影光学系ＰＬ用の露光用照明光学系
の照明特性と基準面（４）の開口パターン用の検出用照
明光学系の照明特性とをできるだけ近づけることが望ま
しい。その照明特性は投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１、即ち
フーリエ変換面における照度分布でほぼ表すことができ
る。そこで、照度分布設定手段を用いて、その検出用照
明光学系の照明光の投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１における
照度分布を露光用照明光学系のそれに相似的に近づける
ことにより、より投影光学系ＰＬの実際の焦点位置に近
い焦点位置を求めることができる。

【００２８】この場合、検出用照明光学系による投影光
学系ＰＬの瞳面Ｐ１における照度分布と露光用照明光学
系による投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１における照度分布と
が相似的にほぼ等しい場合に、最も正確に投影光学系Ｐ
Ｌの実際の焦点位置を検出できる。

【００２９】次に、本発明による第２の焦点位置検出装
置によれば、その基準面（４）の開口パターンを用いて
投影光学系ＰＬの焦点位置を検出することができる。こ
の場合、マスクパターンＰＡの線幅の広狭により回折角
が変化して投影光学系ＰＬの中での光路が変化するた
め、焦点位置が微妙に変化する虞がある。そこで、本発
明ではパターン形状設定手段により、基準面（４）の開
口パターンの形状をできるだけそのマスクパターンＰＡ
の形状（微細度（ピッチ、線幅）、周期方向等も含む）
に近づける。これによりマスクパターンＰＡに応じた正
確な焦点位置を検出することができる。

【００３０】また、基準面（４）の開口パターンの像が
形成される部分のマスクパターンＰＡの形状によって
は、戻って来る開口パターンの像にぼけが生じたりする
虞がある。このような場合には、基準面（４）の開口パ
ターンの形状を変更することにより、そのマスクパター
ンＰＡ側のパターン形状の影響を減少させることができ
る。更に、基準面（４）の開口パターンの形状、位置又
は方向等を変えて複数回投影光学系ＰＬに対する焦点位
置の検出を繰り返して平均を取ることにより、マスクパ
ターンＰＡ側のパターン形状の影響をより減少させるこ
とができる。

【００３１】更に、より具体的に、例えばマスクパター
ンＰＡの最小線幅が分かっている場合には、そのパター
ン形状設定手段により、そのマスクパターンＰＡの最小
線幅にその投影光学系ＰＬの倍率を乗じて得られた線幅
に対してその開口パターンの線幅をほぼ等しく設定する
と、最も正確にそのマスクパターンＰＡに応じた正確な
焦点位置を検出することができる。

【００３２】また、例えばマスクパターンＰＡの線幅が
微細化してくると、従来のように主光線がレチクルＲに
垂直な露光光ＩＬで照明したのではデフォーカス量（焦
点深度）が小さくなり過ぎる場合がある。このような場
合に、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを大きくすることな
くマスクパターンの解像度を向上すると共に、デフォー
カス量を比較的大きくできる照明方式として複数傾斜照
明法が考えられる。複数傾斜照明法とは、照明光学系の
瞳面、またはその共役面、もしくはその近傍の面内を通
る照明光束を、照明光学系の光軸ＡＸから所定量だけ偏
心した位置に中心を有する少なくとも２つの局所領域に
規定することによって、レチクルＲに照射される照明光
束を所定の方向にレチクルパターンの微細度に応じた角
度だけ傾けたものである。この複数傾斜照明法における
露光光は、例えば図４に示すように、投影光学系ＰＬの
光軸ＡＸに対して時計回りに角度φ１で交差する主光線
を有する露光光ＩＬ３とその光軸ＡＸに対して反時計回
りに角度φ１で交差する露光光ＩＬ４とよりなる。ただ
し、露光光ＩＬ３又はＩＬ４の一方は省略することもで
きる。その露光光ＩＬ３（又は露光光ＩＬ４）による投
影光学系ＰＬの瞳面ＰＬにおける照度分布は、光軸ＡＸ
からそれぞれ等しい距離だけ離れ光軸ＡＸに関して軸対
称な点Ｘ１及びＸ２を中心として所定範囲内で大きな照
度になる。

【００３３】このような場合、基準面（４）を用いて投
影光学系ＰＬの焦点位置を正確に検出するには、この基
準面（４）を照明する照明光ＥＬの投影光学系ＰＬの瞳
面Ｐ１における照度分布をその露光光ＩＬの投影光学系
ＰＬの瞳面Ｐ１における照度分布にできるだけ近づける
ことが望ましい。本発明による第１の焦点位置検出装置
によれば、照度分布設定手段（例えば図４の開口絞り
（４７））が設けれらているので、照明光ＥＬをも傾斜
照明にしてより正確に焦点位置を検出することができ
る。

【００３４】

【実施例】以下、本発明による焦点位置検出装置の一実
施例につき図１〜図５を参照して説明する。本例は図６
の例と同様に半導体素子製造用縮小投影露光装置に本発
明を適用したものであり、その図１において図６に対応
する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略す
る。また、装置全体の構成及びパターン板４を用いた直
接方式による焦点位置検出の原理、及び投射光学系１１
及び受光光学系１２を用いた間接方式によるオートフォ
ーカス信号の生成の原理等は図６の例と同様であるため
その説明は省略する。

【００３５】図１は本例の全体の構成を示し、この図１
において、図６の例と同一の２分岐のファイバー束（図
１では分岐端５ａ及び５ｃは図示省略）の合同端５ｂか
らウェハステージ２の内部に照明光ＥＬが照射されてい
る。１８は正の屈折力のレンズ系、１９は負の屈折力の
レンズ系１９を示し、これらレンズ系１８及び１９によ
りズームレンズを構成する。そして、合同端５ｂから射
出された照明光ＥＬをレンズ系１８及び１９よりなるズ
ームレンズにより略々平行光束に変換した後に視野絞り
７に照射し、この視野絞り７で制限された照明光ＥＬを
リレーレンズ８、ミラー９及びコンデンサレンズ１０を
介してパターン板４の開口パターンの形成面に導く。本
例のパターン板４は、後述のように開口パターンの形状
が任意に変更できるように構成されている。

【００３６】パターン板４を透過した照明光ＥＬは、投
影光学系ＰＬによりレチクルＲの裏面のパターン領域Ｐ
Ａに導かれ、パターン板４の開口パターンの像がそのレ
チクルＲのパターン領域ＰＡに形成される。このパター
ン領域ＰＡから反射された光は再び投影光学系ＰＬ及び
パターン板４の開口パターンを経てウェハステージ２の
内部に戻る。この戻り光は、コンデンサレンズ１０、ミ
ラー９、リレーレンズ８、視野絞り７並びにレンズ系１
９及び１８よりなるズームレンズを経てファイバー束の
合同端５ｂに入射する。この入射光は図６と同様のファ
イバー束５の他方の分岐端５ｃから光電センサＰＤに入
射する。

【００３７】２０は光学特性制御回路、２１は主制御系
を示し、光学特性制御回路２０は主制御系２１からの指
示に応じてパターン制御信号ＰＳを介してパターン板４
の開口パターンの形状を設定する。また、光学特性制御
回路２０は主制御系２１からの指示に応じて、レンズ駆
動信号ＺＬ１及びＺＬ２を介してそれぞれレンズ系１９
及びレンズ系１８を光軸方向に移動させることにより、
レンズ系１８及び１９よりなるズームレンズのファイバ
ーの合同端５ｂに対する開口数ＮＡを変更する。これに
よりパターン板４を照明光ＥＬで照明する照明系のσ値
であるσ_ELが変化する。なお、図示省略するも、ファイ
バー束の合同端５ｂの直前又はリレーレンズ８とコンデ
ンサレンズ１０との間でその合同端５ｂとほぼ共役な面
には、種々の形状の開口絞りが形成された可変開口板
（例えば図１中の回転板３０に相当するもの）が配置さ
れており、光学特性制御回路２０はその可変開口板の内
の所望の開口絞りを選択できる。これによって例えば、
開口パターンに対しても複数傾斜照明を行うことが可能
となっている。

【００３８】また、投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１もしくは
その近傍の面内にも可変開口絞り２２が配置されてお
り、光学特性制御回路２０はその可変開口絞り２２の状
態をも制御することができる。これに関して、レチクル
ＲにはレチクルＲの種類を示すバーコードが記録され、
これを図示省略したバーコードリーダで読み取ることに
より、主制御系２１は現在露光対象となっているレチク
ルＲの種類及び最小線幅等を認識することができる。例
えば、現在のレチクルＲの最小線幅が非常に小さい場合
には、主制御系２１は光学特性制御回路２０を介して可
変開口絞り２２を調整して投影光学系ＰＬの開口数ＮＡ
を大きくすることもできる。または、後述の如く、駆動
モータ３１を介して回転板３０の設定を行いレチクルＲ
に対して複数傾斜照明を行うようにしても良い。

【００３９】次に、本例のレチクルＲを照明する露光光
ＩＬ用の照明系の構成につき説明する。図１において、
２３はウェハ４上のレジスト層を感光させる波長帯の露
光光ＩＬを発生する露光用照明光源を示し、露光光ＩＬ
としては、水銀ランプの輝線（ｉ線，ｊ線等）、Ａｒ
Ｆ，ＫｒＦエキシマレーザ等のレーザ光又は金属蒸気レ
ーザ若しくはＹＡＧレーザ等の高調波等を使用すること
ができる。その露光光ＩＬを楕円鏡２で反射して１度集
束した後に、ミラー２７で反射してインプットレンズ２
８に向ける。楕円鏡２４とミラー２７との間（楕円鏡２
４の第２焦点近傍）にはシャッター２５を配置し、この
シャッター２５を駆動モータ２６で回転することにより
必要に応じて露光光ＩＬを遮蔽する。

【００４０】インプットレンズ２８により略々平行光束
に変換された露光光ＩＬはオプティカルインテグレータ
としてのフライアイレンズ２９に入射する。このフライ
アイレンズ２９の後（レチクル）側焦平面は、露光光Ｉ
Ｌのほぼ均一な２次光源像が形成される。この２次光源
像が形成されている位置（照明光学系中のレチクルパタ
ーンのフーリエ変換面、又はその共役面もしくは近傍の
面内）に回転板３０を回転自在に取り付けて、回転板３
０を駆動モータ３１により所定の回転位置に位置決めす
る。回転板３０には、図２に示すように、例えば６種類
の開口絞り３２〜３７を等角度間隔で形成する。これら
の開口絞りの内で、円形開口絞り３２及び３３はそれぞ
れ異なる直径の通常の円形の開口部３２ａ及び３３ａを
有し、輪帯開口絞り３４は輪帯状の開口部３４ａを有す
る。また、複数傾斜照明用の開口絞り３５及び３６はそ
れぞれ互いに直交する方向に配置された１対の微小開口
部３５ａ，３５ｂ及び３６ａ，３６ｂを有し、複数傾斜
照明用の開口絞り３７は光軸を中心として等距離に配置
された４個の微小開口部３７ａ〜３７ｄを有する。そし
て、例えばファイバー束の合同端５ｂの近傍に配置する
可変開口絞りも図２と相似な６種類の開口絞りを有す
る。尚、回転板３０の絞り３５，３６，３７を使用する
ときには各開口部からの照明光束のσ値が０．１〜０．
３程度となるように設定することが望ましい。更に、レ
チクルパターンの微細度（ピッチ等）に応じて絞り３５
〜３７の各々における各開口部の位置を微調整できるよ
うに構成しておくことが望ましい。更に、絞り３３〜３
７を用いるときはレチクルまたはウェハ上での照度均一
性が悪くなり得るのでフライアイレンズ２９の各エレメ
ントを細かくする（断面積を小さくする）ことが望まし
い。さらに別のインテグレータ（フライアイ型又はロッ
ド型）を追加して２段のインテグレータ構造としても良
い。また、絞り３５〜３７の使用時は光量ロスが大きい
ので、光ファイバー、多面プリズム等の光分割器を用い
て、絞り上の各開口部に露光光を導くように構成してお
くと良い。また、回転板３０の開口絞りの選択基準の一
例としては、特に微細パターンに対しては開口絞り３
５，３６，３７（この３つの使い分けはレチクルパター
ンの周期性に応じて選択すれば良い）を用い、線幅が厳
しくないときは開口絞り３２を用い、位相シフトレチク
ルには例えば開口絞り３３（又は開口絞り４１を使用し
ても良い）を用いる。開口絞り３５は例えばＸ方向に配
列された周期パターン、開口絞り３６はＹ方向に配列さ
れた周期パターン、開口絞り３７は２次元パターンに対
して有効である。

【００４１】図１のフライアイレンズ２９による２次光
源像形成面には、一例として回転板３０中の円形の開口
部３２ａが配置されている。この開口部３２ａより射出
された露光光ＩＬはアウトプットレンズ３８により略々
平行光束に変換されて視野絞り３９に入射する。視野絞
り３９は、レチクルＲのパターン領域ＰＡとほぼ共役で
あり、この視野絞り３９を出た露光光ＩＬをリレーレン
ズ４０で一度集束する。この集束される面Ｐ２は回転板
３０の開口絞り面とほぼ共役であり、この面Ｐ２に露光
光ＩＬ用の可変開口絞り４１を配置する。絞り４１はフ
ライアイレンズ２９のレチクル側焦点面の近傍に回転板
３０と極近接して配置しても良い。回転板３０による開
口絞り３２，３３の選択又は可変開口絞り４１の設定の
何れの方法によっても、露光光ＩＬ用の照明系のσ値で
あるσ_ILを変更することができる。例えば位相シフトレ
チクルに対してはσ_IL＝０．１〜０．４、複数傾斜照明
を行う際には各開口部に対してそれぞれσ_IL＝０．１〜
０．３程度とする。シャッター２５、回転板３０及び可
変開口絞り４１の状態は主制御系２１が任意に設定する
ことができる。可変開口絞り４１を射出した露光光ＩＬ
の主光線を主コンデンサレンズ４２で略々平行光束に変
換し、この主光線が略々平行な露光光ＩＬをミラー４３
で反射してレチクルＲに導く。

【００４２】この場合、可変開口絞り４１が配置されて
いる面Ｐ２での露光光ＩＬの直径を２ｒ_ILとして、主コ
ンデンサレンズ４２の焦点距離をｆ_ILとすると、図９に
示した露光光ＩＬのレチクルＲに対する最大の入射角θ
_ILは次のようになる。なお、開口部３２ａの直径はその
直径２ｒ_ILの共役値よりも小さいときには、開口部３２
ａの面Ｐ２における像の直径を使用する。

【数３】θ_IL＝ｔａｎ^-1（ｒ_IL／ｆ_IL）従って、回転板３０又は可変開口絞り４１を調整するこ
とにより、（数３）から露光光ＩＬの入射角θ_ILを任意
の値に設定することができ、ひいては（数１）から露光
光ＩＬ用の照明系のσ値であるσ_ILを任意の値に設定す
ることができる。

【００４３】同様に、パターン板４用の照明系において
も、リレーレンズ８とコンデンサレンズ１０との焦点距
離が同じであるとして、ファイバー束の合同端５ｂにお
ける照明光ＥＬの直径を２ｒ_ELとして、レンズ系１８及
び１９よりなるズームレンズの前側焦点距離をｆ_ELとす
ると、図９に示した照明光ＥＬのパターン板４に対する
最大の入射角θ_ELは次のようになる。

【数４】θ_EL＝ｔａｎ^-1（ｒ_EL／ｆ_EL）従って、そのズームレンズ１８，１９の前側焦点距離又
は例えば合同端５ｂの近傍の図示省略した可変開口絞り
を調整することにより、（数４）から照明光ＥＬの入射
角θ_ELを任意の値に設定することができ、ひいては（数
２）から照明光ＥＬ用の照明系のσ値であるσ_ELを任意
の値に設定することができる。この他に後述のように、
合同端５ｂを有するファイバー束の分岐端に入射する照
明光ＥＬの入射角を調整することによってもそのσ_ELを
調整することができ、またその合同端５ｂをそのズーム
レンズの光軸方向に移動することによてもそのσ_ELを調
整することができる。あるいはファイバー束５ｂの射出
面近傍又はその共役面に可変開口絞りを配置するだけで
も良い。

【００４４】次に、パターン板４を含む焦点位置検出系
の照明系のσ値であるσ_ELの調整機構について具体的に
説明を行う。ファイバー束の合同端５ｂから出た照明光
ＥＬは、先ずレンズ系１８及び１９よりなるズームレン
ズを通過した後に視野絞り７に入射するがそのズームレ
ンズによりσ値を調整することができる。図３（ａ）及
び（ｂ）はそれぞれズームレンズの近傍の拡大図であ
り、図３（ａ）がσ値が大きい場合、図３（ｂ）がσ値
が小さい場合をそれぞれ示している。即ち、図３（ａ）
でも図３（ｂ）でも合同端５ｂにおける照明光ＥＬの半
径ｄは共通であるが、図３（ａ）ではズームレンズの焦
点距離が短いのに対して、図３（ｂ）ではズームレンズ
の焦点距離が長い。従って、図３（ａ）の照明光ＥＬの
最大の傾斜角θ１は、図３（ｂ）の照明光ＥＬの最大の
傾斜角θ２よりも大きくなる。この構成により連続的に
σ値を変更することが可能である。

【００４５】σ値の調整機構はズームレンズを用いる方
法のみに限定されず、例えば図３（ｂ）に示すように、
ファイバー束の合同端５ｂを光軸方向であるＸ方向に移
動させてもよい。更に、ファイバー束の一方の分岐端５
ａに照射光ＥＬを集束して入射させる集光レンズ４４の
位置又は焦点距離等を変えることにより、その照明光Ｅ
Ｌの入射角θ３を変えるようにしてもよい。これらも全
く同一の効果を有する。

【００４６】次に、図２の回転板３０中の複数傾斜照明
用の開口絞り３５を用いる場合ついて説明する。この場
合には、図示省略するも、図１のファイバー束の合同端
５ｂの近傍にもその開口絞り３５と相似な２個の微小開
口部よりなる開口絞りを配置する。この場合の図１の光
学系を簡略化した光学系を図４に示す。図４において、
フライアイレンズ２９による２次光源の形成面には、回
転板３０中の２個の微小開口部３５ａ及び３５ｂが光軸
ＡＸからそれぞれ同一距離離れて配置されている。これ
ら開口部３５ａ及び３５ｂから出る露光光ＩＬを光学系
４５を介してレチクルＲに照射するものとする。一方、
ファイバー束の合同端５ｂの近傍にも２個の開口部４８
ａ及び４８ｂを有する開口絞り４７が配置されており、
これら開口部４８ａ及び４８ｂから出る照明光ＥＬを光
学系４９を介してパターン板４に照射するものとする。

【００４７】また、図４において、レチクルＲには遮光
部４６ａと光透過部４６ｂとよりなるピッチＱ１のライ
ン／スペースパターンが形成され、パターン板４にも遮
光部５０ａと光透過部５０ｂとよりなるピッチＱ２のラ
イン／スペースパターンが形成されているものとする。
この場合、露光光ＩＬについては、開口部３５ａを出た
露光光ＩＬ３は光学系４５によりレチクルＲに対する主
光線の入射角がφ１の照明光となり、この傾斜した露光
光ＩＬ３によりレチクルＲからは０次光ＩＬ５と１次回
折光ＩＬ６とが光軸ＡＸに対して対称に射出する。これ
を実現するには、０次光ＩＬ５と１次回折光ＩＬ６との
なす角をφ２、露光光ＩＬ３の波長をλとした場合に、
ｓｉｎφ１＝ｓｉｎ（φ２／２）＝λ／（２・Ｑ１）が
成立していればよい。

【００４８】これら０次光ＩＬ５及び１次回折光ＩＬ６
は、それぞれ投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１上の光軸ＡＸか
ら等距離離れた点Ｘ１及びＸ２を経てパターン板４の同
一点に入射角φ４／２で集束し、これによりパターン板
４上にレチクルＲのピッチＱ１のパターンの像が形成さ
れる。同様に、開口部３５ｂを出た露光光ＩＬ４は光学
系４５により光軸ＡＸに対して露光光ＩＬ３と対称にレ
チクルＲを照明し、この露光光ＩＬ４によるレチクルＲ
からの０次光及び１次回折光も投影光学系ＰＬによりパ
ターン板４上に集束する。

【００４９】このような傾斜照明によると、投影光学系
ＰＬの開口数ＮＡをＮＡ_PLとした場合、解像できるパタ
ーンピッチの限界はλ／（２・ＮＡ_PL）となる。これに
対して、通常の垂直入射照明法では、解像できるパター
ンピッチの限界はλ／ＮＡ_PLであり、傾斜照明により投
影光学系ＰＬの開口数ＮＡが同一でも解像度を２倍にで
きることが分かる。更に、０次光ＩＬ５と１次回折光Ｉ
Ｌ６とはパターン板４上で共に光軸ＡＸに対して等しい
角度φ４／２で傾斜している。従って、０次光ＩＬ５及
び１次回折光ＩＬ６のデフォーカス量ΔＦに対する波面
収差は、共に（１／２）×ΔＦ・ｓｉｎ² （φ４／２）
となる。これに対して垂直照明方式では、１次回折光の
波面収差が大きくなり、全体として収差が大きくなる。
これは傾斜照明方式によれば、解像限界を向上できるの
みならず焦点深度を深くできることを意味する。

【００５０】一方、パターン板４用の照明光ＥＬについ
ては、開口部４８ａを出た照明光ＥＬ３は光学系４９に
よりパターン板４に対する主光線の入射角がφ３の照明
光となり、この傾斜した照明光ＥＬ３によりパターン板
４からは０次光ＥＬ５と１次回折光ＥＬ６とが光軸ＡＸ
に対して対称に射出する。これを実現するには、０次光
ＥＬ５と１次回折光ＥＬ６とのなす角をφ４、照明光Ｅ
Ｌ３の波長をもλとした場合に、ｓｉｎφ３＝ｓｉｎ
（φ４／２）＝λ／（２・Ｑ２）が成立していればよ
い。

【００５１】これら０次光ＥＬ５及び１次回折光ＥＬ６
は、それぞれ投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１上の光軸ＡＸか
ら等距離離れた点Ｘ１及びＸ２を経てレチクルＲのパタ
ーン形成面の同一点に入射角φ２／２で集束し、これに
よりレチクルＲ上にパターン板４のピッチＱ２のパター
ンの像が形成される。同様に、開口部４８ｂを出た照明
光ＥＬ４は光学系４９により光軸ＡＸに対して照明光Ｅ
Ｌ３と対称にパターン板４を照明し、この照明光ＥＬ４
によるパターン板４からの０次光及び１次回折光も投影
光学系ＰＬによりレチクルＲ上に集束する。

【００５２】このように本例によれば、パターン板４の
照明系はレチクルＲの照明系と同様に複数傾斜照明とな
っているので、そのレチクルＲの投影光学系ＰＬによる
結像面を正確に焦点面として検出することができる。ま
た、例えば図２の複数傾斜照明用の開口絞り３７又は輪
帯開口絞り３４が使用される場合には、図１のファイバ
ー束の合同端５ｂにもそれぞれ４個の開口を有する開口
絞り又は輪帯開口絞りを配置するとよい。これによりレ
チクルＲのパターンが例えばメッシュ状のパターンのよ
うに２次元的なパターンであっても、正確に焦点検出を
行うことができる。

【００５３】次に、図１のパターン板４上の開口パター
ンの形状の設定機構について説明する。パターン板４は
例えば図５（ａ）に示すように、液晶基板又はエレクト
ロクロミック素子等で微細なメッシュ状のパターンにす
ることが考えられる。そして、そのパターンの内の所定
の部分を周期的に遮光部に設定することにより、例えば
図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、異なるピッチの回
折格子のパターンを容易に形成することができる。ま
た、ピッチ方向（周期方向）の異なる回折格子を形成す
ることもできる。また、その開口パターンを図５（ａ）
以外の種々の微細構造のパターンに設定しておくことに
より、任意のパターンを設定することができる。また、
パターン板４をウェハステージ２上の水平面内で回転可
能に保持することにより、発生するパターンのバリエー
ションを更に増やすことができる。また、液晶又はエレ
クトロクロミック素子で微細なパターンの形状を構成す
る代わりに、複数のパターンを用意して回転機構等を利
用してそれらのパターンを交換しながら使用する構成と
してもよい。更に、パターン板４に位相格子を形成して
もよい。

【００５４】次に実使用時について説明する。通常、照
明系のσ値を変更して使用できる露光装置はオペレータ
がテスト露光又はシュミレーション等で最適な露光用照
明系のσ値を選択して使用する。このためオペレータは
キーボード等で使用するσ値を主制御系２１に入力し、
照明系のσ値を変更する。このσ値は露光用データファ
イルにも書き込まれる。なお、バーコードリーダでレチ
クルの名称を読み取り、この名称から自動的に対応する
照明条件及びσ値等を設定するようにしても良い。主制
御系２１は光学特性制御回路２０に使用するσ値を知ら
せ、光学特性制御回路２０はその値に基づいてレンズ系
１８及び１９よりなるズームレンズを駆動して、露光用
照明系のσ値に対してパターン板４を含む焦点位置検出
系の照明系のσ値とを一致させる。次に、オペレータは
焦点深度が最も厳しくなるレチクルＲの最小線幅のパタ
ーン寸法を入力する。

【００５５】使用するσ値と同様に、主制御系２１は光
学特性制御回路２０にデータを供給し、光学特性制御回
路２０はパターン板４のパターンを、そのレチクルＲの
最小線幅に投影光学系ＰＬによる倍率１／ｍを乗じて得
られた線幅に最も近い開口パターンに設定する。また、
投影光学系ＰＬは非点収差又は製造上の微妙な誤差によ
り厳密には露光するパターンの方向により焦点位置が異
なる。このためレチクルＲ上の使用パターンの方向がほ
ぼ一方向のみの場合には、オペレータは同時にレチクル
Ｒのパターンの方向をも入力し、光学特性制御回路２０
はレチクルＲのパターンの方向にパターン板４の開口パ
ターンの方向を一致させることも可能である。

【００５６】また、レチクルＲのパターンがライン／ス
ペースパターンではなくドットパターンのような場合に
も、これに応じてパターン板４の開口パターンを変えて
やればよい。なお、露光するレチクルＲのパターンの方
向が一方向でない場合には、上記のなうな焦点位置誤差
を考慮してパターン板４のパターンとして図７（ａ）の
ように互いに直交するパターンを用いることが考えられ
る。

【００５７】本例の焦点検出系は投影光学系ＰＬの露光
エリア内の任意の位置での焦点位置検出が可能であるか
ら、上記の線幅及び方向等を露光エリア全域で考慮し最
適な位置にウェハＷを設定することも考えられる。ま
た、投影光学系ＰＬの光学エレメント等を駆動して像面
を最適化することもできる。つまり、レチクルＲ上の各
エリアの最小線幅及びパターンの方向等に応じて露光エ
リア内の複数のポイントで焦点位置を測定し、平均的な
焦点面にウェハＷを傾けて合わせるか、又は像面を変形
できる場合は焦点面が投影光学系ＰＬの光軸と垂直な平
面に一致するように変形させることも考えられる。

【００５８】以上のように、露光の条件と、直接方式の
焦点位置検出系の条件とを合致させた後、前記のように
投射光学系１１と受光光学系１２とを含む間接方式によ
る焦点位置検出系のキャリブレーション動作を行い実際
の露光を行う。露光中の投影光学系ＰＬの露光光吸収に
よる焦点位置変化又は大気圧変化等による焦点位置変化
に対応するために適宜キャリブレーションを行う。

【００５９】なお、上述実施例はレチクルＲの最小線幅
をオペレータが入力する方法であったが、自動的に設定
する方法も考えられる。例えばレチクルＲを顕微鏡で観
察して画像処理等により最小線幅を求める方法がある。
また、パターン板４の開口パターンをホトクロミック素
子で形成し、レチクルＲの露光対象パターンを露光光Ｉ
Ｌで露光することによりそのホトクロミック素子にレチ
クルＲのパターンを形成し、これをパターン板４の開口
パターンとして用いることもできる。この場合、一般に
はレチクルＲのパターンとパターン板４の開口パターン
とは白黒逆転（ネガ像）になる。また、この場合後述す
るようにレチクルＲのパターンとの干渉を避けるためパ
ターン板４の距離を露光時に多少ずらす必要がある。

【００６０】以上、本発明の実施例について説明を行っ
たが、本実施例の構成により、以下に述べるような効果
も得られる。上述実施例では投影光学系ＰＬの非点収差
等に起因してレチクルＲのパターンの方向により焦点位
置が異なる場合の説明をも行ったが、本来斯かる焦点位
置の差は小さい方が望ましく、投影光学系ＰＬの調整段
階で最小となるように調整を行う必要がある。この場合
本実施例の方法により開口パターンの方向を変え測定を
行えば簡単に上記の焦点位置の差の検出が可能である。

【００６１】また、従来の技術の不都合の一つとして、
レチクルＲのパターンと焦点位置検出系のパターン板４
のパターンとの干渉が挙げられる。これは図８（ｃ）に
示すように、パターン板４の開口パターンの像の明暗部
１７とレチクルＲのパターン部（クロム（Ｃｒ）蒸着
部）１６とが一致している場合で、本来焦点ずれで反射
光量が減少するはずである。しかしながら、焦点ずれに
より反射率の高いクロム蒸着部１６にも光線があたり逆
に焦点ずれの場合に光量が増えるという現象が発生し得
る。これを防ぐため、本実施例の構成を利用しパターン
の方向を回転させながら複数回測定を行い平均化する方
法、又はパターンを平行シフトさせながら複数回Ｚ方向
にスキャンする方法等を適用することが可能である。

【００６２】また、上記実施例とは異なり、本発明はウ
ェハステージ２側より発光して行う測定にも適用可能で
ある。例えば特開昭６３−８１８１８号公報に開示され
ているような発光マークを、レチクルＲのマークを介し
て測定することにより投影光学系ＰＬのディストーショ
ンを測定する技術に関しても、発光マークのパターン形
状、照明系のσ値を実際のレチクルパターン又はレチク
ル照明系に応じて設定して測定を行うこともできる。ま
た、ウェハステージ上からの発光マークの位置ずれで焦
点位置を測定する方法についても同様の方法を適用する
ことが可能である。尚、投影光学系の瞳面での照度分布
は正確に一致しないが、レチクルに対する照明条件（回
転板３０の選択やσ値）と、開口パターンに対する照明
条件とを一致させるだけでも良い（上述実施例ではパタ
ーン形状も変えていた）。特に位相シフトレチクルを使
用する場合、開口パターンに対して位相シフト法を適用
することは可能であるが現状では困難であり、そのパタ
ーン形状については一致させず、照明条件、すなわちσ
値のみを一致させることになる。逆に極論すれば、開口
パターンの形状（ピッチ、周期方向、デューティー等）
のみを両方の照明系で一致させるだけでも良い。つま
り、照明条件と開口パターンの形状との少なくとも一方
を一致させることとする。また、パターン板４を投影光
学系ＰＬのイメージフィールド内で移動させて、各点で
投影光学系ＰＬの焦点位置を検出することにより投影光
学系ＰＬの焦点位置や非点収差の他に、像面傾斜や像面
湾曲も測定できる。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。

【００６３】

【発明の効果】本発明の第１の焦点位置検出装置によれ
ば、照度分布設定手段により検出用照明光学系の照明光
の投影光学系の瞳面における照度分布を、露光用照明光
学系による照度分布に近づけることができるので、露光
用照明光学系のσ値等によらず、更には露光用照明光学
系が傾斜照明系であっても、正確に投影光学系の焦点位
置を検出できる利点がある。また、検出用照明光学系の
照明光の投影光学系の瞳面における照度分布を、露光用
照明光学系による照度分布にほぼ等しく設定した場合に
は、より正確に投影光学系の焦点位置を検出することが
できる。

【００６４】本発明の第２の焦点位置検出装置によれ
ば、基準面上の開口パターンの形状をマスクパターンの
形状に近づけることにより、露光対象となるパターンの
線幅等によらず正確に焦点位置が検出できる利点があ
る。また、マスクパターンの最小線幅に前記投影光学系
の倍率を乗じて得られた線幅に対して前記開口パターン
の線幅をほぼ等しく設定する場合には、より正確に焦点
位置が検出できる。更に、パターン形状設定手段を利用
して基準面上の開口パターンの方向等を変更することに
より、投影光学系の非点収差を簡単に測定することがで
きる。またパターンの線幅を変更する（位相格子にあっ
ては複数の異なるピッチの位相格子を形成しておく）こ
とにより球面収差を簡単に測定できると共に、その開口
パターンの位置をずらすことにより、マスクパターンと
開口パターンとの干渉を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による焦点位置検出装置を縮小投影露光
装置に適用した場合の一実施例を示す一部断面図を含む
構成図である。

【図２】実施例の回転板３０中の開口絞りを示す正面図
である。

【図３】実施例の焦点位置検出系の照明系のσ値を変更
するためのズームレンズの動作の説明に供する拡大図で
ある。

【図４】実施例で傾斜照明を行う場合の説明に供する模
式図である。

【図５】実施例のパターン板４の開口パターンの一例を
示す線図である。

【図６】従来の縮小投影露光装置の構成を示す一部断面
図を含む構成図である。

【図７】（ａ）は図６の例におけるパターン板４の開口
パターンの一例を示す線図、（ｂ）は図６の例における
焦点検出系の信号を示す波形図である。

【図８】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ図６の例における
焦点検出系の原理の説明に供する線図、（ｃ）はレチク
ルＲのパターンと開口パターンとが干渉する場合の説明
図である。

【図９】照明系のσ値の説明に供する模式図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＷウェハＰＬ投影光学系２ウェハステージ４パターン板５ファイバー束７視野絞り１１投射光学系１２受光光学系１８正のレンズ系１９負のレンズ系２０光学特性制御回路２９フライアイレンズ３０回転板３２〜３７開口絞り３９視野絞り４２主コンデンサレンズ４７開口絞り

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】露光用照明光学系に照明されたマスクパ
ターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影する
投影露光装置の前記投影光学系の焦点位置を検出する装
置において、前記感光基板に隣接する基準面に形成された開口パター
ンと、該開口パターンに照明光を導く検出用照明光学系と、該照明光の下で前記投影光学系を介して前記マスクパタ
ーンの形成面に形成された後、前記投影光学系を介して
戻って来る前記開口パターンの像を前記開口パターンで
制限して得られた光量に対応する焦点信号を生成する検
出器と、前記検出用照明光学系の照明光の前記投影光学系の瞳面
における照度分布を任意に設定する照度分布設定手段と
を有する事を特徴とする焦点位置検出装置。
【請求項２】前記照度分布設定手段は、前記露光用照
明光学系の露光光の前記投影光学系の瞳面における照度
分布に対して前記検出用照明光学系の照明光の前記投影
光学系の瞳面における照度分布をほぼ等しく設定する事
を特徴とする請求項１記載の焦点位置検出装置。
【請求項３】露光用照明光学系に照明されたマスクパ
ターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影する
投影露光装置の前記投影光学系の焦点位置を検出する装
置において、前記感光基板に隣接する基準面に形成された開口パター
ンと、該開口パターンに照明光を導く検出用照明光学系と、該照明光の下で前記投影光学系を介して前記マスクパタ
ーンの形成面に形成された後、前記投影光学系を介して
戻って来る前記開口パターンの像を前記開口パターンで
制限して得られた光量に対応する焦点信号を生成する検
出器と、前記開口パターンの形状を任意に設定するパターン形状
設定手段とを有する事を特徴とする焦点位置検出装置。
【請求項４】前記パターン形状設定手段は、前記マス
クパターンの最小線幅に前記投影光学系の倍率を乗じて
得られた線幅に対して前記開口パターンの線幅をほぼ等
しく設定する事を特徴とする請求項３記載の焦点位置検
出装置。