JPH0534619B2

JPH0534619B2 -

Info

Publication number: JPH0534619B2
Application number: JP58125889A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tanimoto
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1983-07-11
Filing date: 1983-07-11
Publication date: 1993-05-24
Also published as: JPS6018738A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、マスクのパターンを投影光学系を介
して半導体基板上に投影露光する装置に関し、特
に投影光学系の光学的な特性を測定する装置に関
するものである。

（発明の背景）大規模集積回路（LSI）のパターンの微細化は
年々進行しているが、微細化に対する要求を満た
し、かつ生産性の高い、回路パターン焼付け装置
として縮小投影型露光装置が普及してきている。
従来より用いられてきたこれらの装置において
は、シリコンウエハ等（以下ウエハと称する）に
焼付けされるべきパターンの何倍か（例えば10
倍）のレチクルパターンが投影レンズによつて縮
小投影され、１回の露光で焼付けされるのはウエ
ハ上で対角長14mmの正方形よりも小さい程度の領
域である。従つて、直径125mm位のウハ全面にパ
ターンを焼付けるには、ウエハをステージに載せ
て一定距離移動させては露光を行なうことを繰返
す、いわゆるステツプアンドリピート方式を採用
している。LSIの製造においては、数層以上のパ
ターンがウエハ上に順次形成されていくが、異な
る層間のパターンの重ね合わせ誤差を一定値以下
にしておかなければ、層間の導電又は絶縁状態が
意図するものでなくなり、LSIの機能を果たすこ
とができなくなる。例えば1μmの最小線幅の回路
に対してはせいぜい0.2μm程度の重ね合わせ誤差
しか許されない。この重ね合わせ誤差の原因のう
ち、露光装置によつて発生するものは、(1)投影倍
率誤差と投影歪み、及び(2)投影像とウエハの相対
的な位置ずれである。上記(1)の原因の歪は投影光
学系の持つ歪曲収差である。一方、倍率誤差につ
いては投影光学系のレチクル側光束がテレセント
リツクではない場合は、レチクルと投影光学系の
主点（主平面）との間隔を変えることによつて小
さくできるものであり、またテレセントリツクな
場合には投影光学系内部の構成要素（レンズ等の
光学部材）を相対的に光軸方向に位置ずらしして
小さくできるものである。従つて、レチクルと投
影レンズ間の距離及び投影レンズ内部の構成要素
の相対位置が変化しなければ(1)の原因による誤差
は一定であり、システマテイツクな誤差と言え
る。これに対して、(2)の原因による誤差はランダ
ム誤差の要因を多く含み、アライメント（位置合
わせ）を行なう毎に重ね合わせ誤差がばらつく主
原因となるものである。

さて、システマテイツツクな誤差である(1)の誤
差は、その値を測定しながら一定値以下になるよ
うに装置を調整しておけば、長い時間にわたつて
安定して小さい値を維持できるもので、露光装置
の製造時の調整において、できるだけ小さくして
おかねばならない。従来より(1)の誤差の測定は、
予め定められた複数の位置にマークのパターンが
描かれたレチクル、いわゆるテスト・レチクルの
像をウエハ上のフオトレジストに焼付け、焼付け
られたマークのレジスト像の座標を測定し、その
測定座標と、レチクル上のマーク座標の比較によ
つてなされていた。しかし、この方法によると、
ウエハ上にテスト・レチクルのパターンを露光
し、これを現像する手間と時間が必要であり、ま
たマークのレジスト像を測定するのに高価な測定
装置を用いなければならないという欠点があつ
た。

これらの欠点を解決するため、レジストにパタ
ーンの転写を行なわない方法が考えられており、
例えばウエハの載置されるステージにスリツトを
設け、スリツトを透過した光を検出してパターン
の像位置を測定する方法が考えられている。しか
し、この方法においては、１つの測定座標系例え
ばステージの２次元移動のＸ，Ｙ方向の測定軸に
対応するスリツトは単一であり、像位置を計測す
るのに同一のスリツトが、ステージの移動によつ
て被測定像を走査するので、多数の像位置を計測
するのにステージが長距離走行しなければならな
い。このため測定に長時間を要しており、測定能
率が悪かつた。この欠点は測定値の再現性を良く
する為に繰返し測定して測定値の平均化を行なう
場合、特に顕著となつていた。

（発明の目的）本発明は、これらの欠点を解決し、投影倍率や
投影歪量等の光学特性を高精度、高速に測定可能
な投影露光装置を得ることを目的とする。

（発明の概要）本発明は、第１基板（レチクル５）に形成され
たパターンを第２基板（スリツト部材Ｓ）に投影
する投影光学系６と、第１基板を照明する照明系
１〜３とを備えた投影露光装置において、第１基板上の予め定められた複数の位置の各々
に形成された複数の第１マーク（M₀〜M₄）と、
複数の第１マーク（M₀〜M₄）の各々に対応して
前記第２基板上に設けられた複数の第２のマーク
（S₀〜S₄）とを有し、さらに複数の第２マーク
（S₀〜S₄）の各々は、第１基板と第２基板とを所
定の位置関係に設定したとき、投影光学系によつ
て第２基板上に投影される第１基板上の対応する
第１マーク（M₁〜M₄）の像（M₀′〜M₄′）との
所定方向（例えばＸ方向）に関する間隔が互いに
異なるように配置されており、複数の第２マーク（S₀〜S₄）のうちの１つと、
当該第２マークに対応した第１マークの像とが所
定の位置関係に整列したことを検出する光電検出
手段９と、複数の第１マーク（M₀〜M₄）の像
（M₀′〜M₄′）と複数の第２マーク（S₀〜S₄）とを
所定方向に相対移動させたときに光電検出手段か
ら順次出力される検出信号に基づいて、複数の第
１マークの像（M₀′〜M₄′）の各投影位置を検出
する位置検出手段と１３，３１と、この検出され
た各投影位置に基づいて、投影光学系の光学特
性、例えば倍率誤差や像歪み等を算出する演算手
段３０とを備えたことを要点とするものである。

（実施例）第１図を参照して、本発明の実施例による投影
露光装置の前提となる装置構成の一例について説
明する。

露光用の照明光源１からの照明光は第１のコン
デンサーレンズ２によつて一度収束された後、第
２のコンデンサーレンズ３に達する。その光路
中、光が収束される位置には照明光を遮断、通過
するためのシヤツター４が設けられている。そし
て、第２のコンデンサーレンズ３を通つた光束
は、マスクとしてのテスト・レチクル５（以下単
にレチクル５とする）を照明する。レチクル５の
下面には予め定められた複数の位置に、光透過性
の５つのマークM₀〜M₄が描かれている。（第１
図ではマークM₁，M₂のみを示す）このレチクル
５のマークM₀〜M₄を透過した光束l₁は、光学的
な特性を測定すべき結像光学系としての投影レン
ズ６に入射する。この投影レンズ６はレチクル５
側、すなわち物体側が非テレセントリツクで、像
側がテレセントリツクな光学系であり、光学系の
保持手段としてのベース１６に固定される。光束
l₁は投影レズ６によつて集束されて、光束l₂とな
つて射出する。尚、レチクル５の下面と投影レン
ズ６の主平面６ａとの間隔はＬとする。そして、
光束l₂は２次元移動可能なステージ７に水平に設
けられ複数のスリツト開口を有するスリツト部材
Ｓ上に結像される。さらにスリツト部材Ｓを通つ
た光はステージ７に設けられた光電検出器９によ
つて光電変換される。また、ステージ７は普段は
半導体ウエハ１０を載置して２次元移動するもの
であり、ウエハ１０は、ステージ７と一体に２次
元移動するウエハホルダ１１上に載置される。ウ
エハホルダ１１はステージ７に対して微小回転と
上下動ができるように設けられている。このウエ
ハホルダ１１は投影レンズ６の投影像がウエハ１
０の表面に結像するように、すなわち焦点合わせ
ができるように上下動する。また、スリツト部材
Ｓのスリツトが設けられた開口面は、ウエハ１０
の表面の高さとほぼ一致するように定められ、こ
の開口面と光電検出器９とはウエハホルダ１１の
上下動に伴つて一体に上下動するように設けられ
ている。この焦点合わせのために、投影レンズ６
とウエハ１０の表面（あるいはスリツト部材Ｓの
開口面）との間隔を計測するギヤツプセンサー１
２が設けられる。このギヤツプセンサー１２とウ
エハホルダ１１の上下動とによつて自動焦点調整
が可能であり、ウエハ１０上に回路パターンを焼
付ける際、ウエハ１０の表面の高さを検出して、
常にコントラストの高い投影像が転写できる。

一方、ステージ７の位置はレーザ干渉計１３に
より、ステージ７に固定された反射鏡１４までの
距離をレーザー光を用いて測定することによつて
求められる。

第１図では、紙面中左右方向のｘ軸方向のみし
か表わしていないが、ステージ７の移動平面を成
すｘ軸と垂直（紙面と垂直）なｙ軸方向に関して
も同様にレーザ干渉計と反射鏡が設けられてい
る。これらレーザ干渉計によつてステージ７の所
定の原点に対する座標軸が逐次計測される。

尚、このｘ軸、ｙ軸方向のレーザ干渉計の各レ
ーザ光束が成す２つの測定軸の交点は、投影レン
ズ６の光軸と一致するように定められている。

また、マスク保持手段としてのレチクル・ホル
ダ１５はレチクル５を保持して２次元的に移動可
能であり、後述するレチクル・アライメント制御
系によつて駆動制御され、レチクル５の位置決め
を行なうものである。

さて、第２図は第１図に示したレチクル５のパ
ターンを示す平面図である。レチクル５はガラス
基板の下面（投影レンズ６側）全面にクロム等に
よる不透明部を形成した後、光を透過させる５つ
の十字状マークM₀，M₁，M₂，M₃，M₄（第１マ
ーク）を予め定められた位置に設けたものであ
る。

このレチクル５に関して、レチクル５の中心を
原点とする直交座標系XYを定めたとき、マーク
M₀の十字の中心は原点Ｏと一致し、マークM₁〜
M₄は原点Ｏからほぼ等距離の位置に設けられて
いる。また５つの十字状マークはそれぞれ、Ｘ方
向に細長く延びた透過部M_0y，M_1y，M_2y，M_3y，
M_4yと、Ｙ方向に細長く延びた透過部M_0x，M_1x，
M_2x，M_3x，M_4xとから成る。

そして、この５つのマークの十字の中心位置
は、予め精密な位置測定器によつて測定されてお
り、マークM₀〜M₄について、各々座標値（X₀，
Y₀），（X₁，Y₁），（X₂，Y₂），（X₃，Y₃），（X₄，
Y⁴）として求められている。尚、この座標値中、
マークM₀の座標値（X₀，Y₀）は第２図のように
原点ＯとマークM₀の十字の中心とを一致させれ
ばX₀＝０，Y₀＝０となるものであるが、必らず
しも第２図のように座標系XYを定めて、マーク
M₀〜M₄の座標値を求めておく必要はない。従つ
て、ここではマークM₀の座標値を一般的な形で
表わしておく。

一方、第３図はスリツト部材Ｓの平面図を示し
たものであり、第４図はそのＡ−Ａ矢視の一部断
面図である。ここのスリツト部材Ｓは、低膨張ガ
ラス、又は水晶、等の透明な基板２０と、その基
板２０の表面（投影レンズ６側）に形成されたク
ロム等の不透明部による層２１とから成る。その
層２１には、レチクル５のマークM₀〜M₄を投影
レンズ６で投影したとき、各マークM₀〜M₄の投
影位置に対応して複数の光透過性のスリツト（第
２マーク）が形成されている。

このスリツト部材Ｓについても、直交座標xy
を定める。この座標系xyはレチクル５の座標系
XYと軸方向が逆に決められている。これはレチ
クル５の投影像がスリト部材Ｓ上では上下左右が
反転するからである。

第３図のように、十字状マークM₀〜M₄の各投
影像と重なるように、ｘ方向、及びｙ方向に延び
た２つのスリツトが計５組形成され、このうちス
リツトS_0x，S_0yは各々ｘ軸、ｙ軸上に位置する。
従つて、レチクル５の中心Ｏが投影レンズ６の光
軸を通るように位置決めされ、さらにスリツト部
材Ｓの中心Ｏが投影レンズ６の光軸を通るように
位置決めされた状態では、マークM₀の透過部
M_0x，M_0yの投影像が各々スリツトS_0x，S_0yと重
なる。同様に、マークM₁の透過部M_1x，M_1yの投
影像は各々スリツトS_1x，S_2xと、マークM₂の透
過部M_2x，M_2yの投影像は各々スリツトＳ2x，
S_2yと、マークM₃の透過部M_3x，M_3yの投影像は
各々スリツトS_3x，S_3yと、そして、マークM₄の
透過部M_4x，M_4yの投影像は各々スリツトS_4x，
S_4yと重なる。

また、各スリツトの位置も、マークM₀〜M₄の
投影像ができる理想位置に設けられるが、一般に
0.1μm程度の製造誤差は生じるのでレチクル５の
マークM₀〜M₄と同様に精密な位置測定器によつ
てスリツト部材Ｓ上の座標位置として予め正確に
測定されている。

さて、スリツトS_0x，S_1x，S_2x，S_3x，S_4xは各々
マークM₀〜M₄の透過部M_0x，M_1x，M_2x，M_3x，
M_4xのｘ方向の投影位置を測定するものであり、
そのｘ座標値は各々a₀，a₁，a₂，a₃，a₄とする。
またスリツトS_0y，S_1y，S_2y，S_3y，S_4yは各々マー
クM₀〜M₄の透過部M_0y，M_1y，M_2y，M_3y，M_4y
のｙ方向の投影位置を測定するものであり、その
ｙ座標値は各々b₀，b₁，b₂，b₃，b₄とする。

以上のようなスリツト部材Ｓの下側には５つの
光電検出器９ａ〜９ｅが設けられる。

光電検出器９ａはスリツトS_1xS_1yの透過光を受
光し、光電検出器９ｂはスリツトS_2xS_2yの透過光
を受光し、光電検出器９ｂはスリツトS_2xS_2yの透
過光を受光し、光電検出器９ｃはスリツトS_0x，
S_0yの透過光を受光し、光電検出器９ｄはスリツ
トS_3x，S_3yの透過光を受光し、そして光電検出器
９ｅはスリツトS_4x，S_4yの透過光を受光するよう
に配置されている。

次に、第１図で示した装置を制御するための制
御系を、第５図のブロツク図に基づいて説明す
る。装置全体はプログラムによる制御及び各種演
算処理が可能なように、メモリ等を含むマイク
ロ・コンピユータ（以下単にCPUとする）３０
によつて統括制御される。CPU３０はインター
フエース３１（以下IF３１とする）を介して周
辺の検出部、測定部、あるいは駆動部と各種情報
のやり取りを行なう。

さて、シヤツター駆動部３２はCPU３０の指
令によつて、シヤツター４の開閉動作を行ない、
レチクル・アライメント制御系３３（以下Ｒ−
ALG３３とする）は投影レンズ６の光軸に対し
てレチクル５が所定の位置にくるように、レチク
ルホルダ１５を動かして位置合わせするものであ
る。

一方、ステージ７の座標を計測するために、前
述のレーザ干渉計１３で読み取られたステージ７
のｘ方向の位置情報と、レーザ干渉計３４で読み
取られたステージ７の７のｙ方向の位置情報とは
共に、IF３１を介してCPU３０に送られる。ま
た、ステージ７を２次元移動させるために、ステ
ージ７をｘ方向に駆動するｘ軸駆動部３５（以下
Ｘ−ACT３５とする）と、ステージ７をｙ方向
に駆動するｙ軸駆動部３６（以下Ｙ−ACT３６
とする）とが、CPU３０の指令によつて動作す
るように設けられている。

また、ステージ７上のウエハホルダ１１を微小
回転させるためのθ軸回転駆動部３７（以下θ−
ACT３７とする）と、ウエハホルダ１１と光電
検出器９、スリツト部材Ｓとを上下動させるため
のＺ軸駆動部３８（以下Ｚ−ACT３８とする）
とが設けられ、CPU３０の指令によつて動作す
る。尚、第５図では説明を簡略にするため、ウエ
ハホルダ１１そのものは図示していない。そし
て、焦点検出部３９（以下AFD３９とする）は
第１図に示したギヤツプセンサー１２からの信号
を入力して、ウエハ１０の表面（又はスリツト部
材Ｓのスリツト開口面）と投影レンズ６の焦点位
置のずれ情報を、IF３１を介してCPU３０に出
力する。

また、測定した結果や動作状態等を表示するた
めのモニター用CRT、あるいはプリンタ等の端
末装置４０もIF３１を介してCPU３０と接続さ
れている。

尚、実際の露光装置には上記各種制御系の他
に、ウエハ１０をステージ７のxy移動方向に対
して位置決めするためにオフ・アクシス方式、又
はTTL（スルーザ・レンズ）方式のウエハ・アラ
イメント制御系も含まれるが、本発明とは直接関
係しないので説明は省略する。

さて、第５図中の全体の制御系の他に、測定の
ための回路が一部IF３１の中に含まれている。
その回路の具体的な例を第６図に示す。第６図に
おいて、第５図と同じものには同一の符号をつけ
てある。

CPU３０からのセレクト信号SSに応答して光
電検出器９ａ〜９ｅの５つのうち１つを選択する
スイツチ１００が設けられ、選択された光電検出
器の光電信号はアンプ１０１によつて増幅され、
アンプ１０１は信号Ｉを出力する。

コンパレータ１０２は基準レベルIrと信号Ｉの
大きさを比較して、Ｉ＞Irのとき論理値「１」と
なる信号Ａを出力する。

ラツチ回路１０３（LT103）、は信号Ａの立上
りでラツチ動作になり、ラツチ回路１０４
（LT104）は信号Ａをインバータで反転した信号
の立上りでラツチ動作になる。

ラツチ解除はCPU３０の解除信号S₂によつて
行なわれる。また信号ＡはCPU３０にも読込ま
れる。

一方、レーザ干渉計１３からはステージ７のｘ
方向の単位移動量（例えば0.01μm）毎にアツ
プ・ダウンパルスが発生し、そのパルスはＸカウ
ンタ１０６（Ｘ−CNT105）によつて加減算計数
され、ステージ７のｘ方向の位置計測を行なう。

レーザ干渉計３４からも同様のアツプ・ダウン
パルスが発生し、Ｙカウンタ１０７（Ｙ−
CNT107）によつて、ステージ７のｙ方向の位置
計測が行なわれる。

Ｘ−CNT１０６，Ｙ−CNT１０７は各々CPU
３０からのクリア信号CS１，CS２によつて計数
値が零にクリアされる。

またＸ−CNT１０６，Ｙ−CNT１０７の各計
数値XC，YCはCPU３０中のインプツト／アウ
トプツト・ポート（Ｉ／Ｏポート）を介して読み
込まれる。

切替スイツチ１０８（SW108）は計数値XC，
YCを入力して、CPU３０からの切替信号S₁によ
り、計数値XC，YCのいずれか一方を選択的に
LT１０３，１０４に出力する。

従つて、SW１０８によつて計数値XCが選択
されているとすると、LT１０３は信号Ａの立上
りに応答して計数値XCをラツチして、データLD
１としてCPU３０に出力し、LT１０３は信号Ａ
の立下りに応答して計数値XCをラツチし、デー
タLD２としてCPU３０に出力する。

さて、CPU３０にはメモリ回路１１１
（RAM111）が接続され、レチクル５のマークM₀
〜M₄の位置データ及びステージ７上のスリツト
部材Ｓの各スリツトの位置データがテーブルとし
て記憶されている。

た、RAM１１１は各種演算のための一時記憶
にも使われる。また、第５図のＸ−ACT３６，
Ｙ−ACT３５を制御するために、デジタル・ア
ナログ変換器１１２，１１３（DAC112，113）
が設けられる。

DAC１１２はCPU３０からのデータXMをア
ナログ信号に変換し、ステージ７のｘ方向の駆動
速度を制御する。

DAC１１３はCPU３０からのデータYMをア
ナログ信号に変換し、ステージ７のｙ方向の移動
速度を制御する。

尚、データXM，YMは正負の両値を取り、正
のときはステージ７がxy座標系の正方向に移動
し、負のときはxy座標系の負方向に移動する。

データXM，YMが零のとき、ステージ７は停
止状態に保たれる。

さらに、ステージ７は、CPU３０を介してＸ
−CNT１０６，YY−CNT１０６，DAC１１
２，１１３，Ｘ−ACT３６，Ｙ−ACT３５によ
つて、位置決めのためのループ制御が行なわれ
る。尚、レーザ干渉計１３，３４，Ｘ−CNT１
０６，Ｙ−CNT１０７，SW１０８，LT１０３，
１０４によつて位置検出手段を構成する。

次に、上記露光装置を用いた投影レンズ６の光
学特性の測定動作について説明する。

まず初めに、装置にセツトされたレチクル５を
Ｒ−ALG３３を用いて位置決めする。このとき
投影レンズ６の光軸がレチクル５上の座標系XY
の原点Ｏを通るように位置合わせする。さらに座
標系XYのＸ，Ｙ軸がステージ７のｘ，ｙ移動方
向、すなわちレーザ干渉計１３，３４の各測定軸
ｘ，ｙと夫々平行、又は一致するように回転補正
も含めてレチクル５の位置を定める。これによつ
て、５つの十字マークM₀〜M₄の直交する２つの
透過部の延長方向は、夫々ステージ７のxy移動
方向と一致する。

次にＸ−ACT３５，Ｙ−ACT３６によりステ
ージ７を移動させて、スリツト部材Ｓの層２１の
表面の高さをギヤツプセンサー１２とAFD３９
によつて検出し、その検出情報に基づいて、投影
レンズ６の結像面と層２１の表面とが一致するよ
うに、Ｚ−ACT３８を駆動する。

次にシヤツター駆動部３２によりシヤツター４
を開いてレチクル５を照明し、マークM₀〜M₄の
像を投影する。そして、マークの投影像と各スリ
ツトSx，Syとの位置関係が、例えば第７図のよ
うになるように、Ｘ−ACT３５，Ｙ−ACT３６
を作動してステージ７を移動させる。さて、第７
図はレチクル５のマークM₀の投影像M₀′とスリ
ツト部材ＳのスリツトS_0x，S_0yとの位置関係を示
す。ここでマークM₀のうち、ｙ方向に細長く延
びた透過部M_0xの投影部をM_0x′とし、ｘ方向に
細長く延びた透過部M_0yの投影部をM_0y′とする。

また、投影部M_0x′，M_0y′の幅dmはスリツト
S_0x，S_0yの幅dsよりも大きく定められている。と
ころで、第７図のように投影像M₀′とスリツト
S_0x，S_0yとが位置すると、値の４つのマークM₁
〜M₄の投影像M₁′〜M₄′と、４組のスリツトS_1x
〜S_4x，S_1y〜S_4yも同様の関係に位置決めされる。

次に、第６図の回路を用いてマークM₀の投影
像M₀′の中心CP₀の位置を測定する手順を第８図
のフローチヤート図に沿つて説明する。

第８図は、基本的でもつとも簡単なフローチヤ
ートであり、投影像M₀′のスリツトS_0x，S_0yによ
る走査が一方向に一回のみの場合を示すと共に、
他の投影像M₁′〜M₄′の中心CP₁〜CP₄の位置測定
もあわせて示してある。

第８図のステツプ200は投影像M₀′とスリツト
S_0x，S_0yとの位置関係が第７図のようになつたと
きのステージ７の位置をホーム・ポジシヨンとし
て記憶しておくもので、Ｘ−CNT１０６の計数
値XCと、Ｙ−CNT１０７の計数値YCとをRAM
１１１に記憶する。

次のステージ201でCPU３０は、切替信号S₁と
解除信号S₂を出力して、SW１０８で計数値XC
を選択するとともに、LT１０３，１０４のラツ
チを解除しておく。ステージ202で、CPU３０は
ステージ７をｘ方向に一定距離だけ動かすため
に、データXMをDAC１１２に出力する。ステ
ージ７が一定距離だけ移動したか否かは、CPU
３０がＸ−CNT１０６の計数値XCを逐次読み込
むことによつて検出される。

このステージ７のｘ方向の移動によつて、投影
像M₀′の投影部M_0x′がスリツトS_0xによつて走査
され、アンプ１０１の出力信号Ｉは第９図のよう
な波形となる。第９図は縦軸に信号Ｉの大きさを
示し、横軸にステージ７のｘ方向の位置を示すも
のであり、この波形は投影部M_0x′の幅方向の光
強度分布に対応している。

従つて、ステージ７のｘ方向の走査に伴つて、
信号Ｉが立上ると、位置x₁で基準レベルIrを越
え、信号Ａは論理値「０」から「１」に立上が
る。このためLT１０３が位置x₁に相当した計数
値XCをラツチする。さらに走査が進み、信号Ｉ
が立下り位置x₂でで基準レベルIrと一致すると、
信号Ａは論理値「１」から「０」に立下る。この
ためLT１０４が位置x₂に相当した計数値XCをラ
ツチする。

そして、スリツトS_0xが投影部M_0x′を横切つた
後、ステージ７のｘ方向の走査が停止する。次に
CPU３０はステージ203で、LT１０３，１０４
にラツチされたデータLD１，LD２を読み込み、
ステツプ204で（LD1＋LD2）／２の演算を行な
い、第７図に示すように投影部M_0x′の幅方向の
中心CL_0xの位置xcを求める。求めた位置xcのデ
ータはRAM１１１に記憶される。次にCPU３０
はステツプ205でステージ７を一定距離だけxy方
向に移動し、スリツトS_0yが投影部M_0y′を走査で
きるような位置、例えば第７図中、投影部M_0y′
の左端、下方の位置にスリツトS_0yを位置決めす
る。これは投影像M₀′のサイズが予めわかつてい
るので、Ｘ−CNT１０６，Ｙ−CNT１０７の計
数値XC，YCを検出することによつて容易に位置
決め可能である。

さてステツプ206でCPU３０は切替信号S₁と解
除信号S₂を出力して、SW１０８で計数値YCを
選択するとともに、LT１０３，１０４のラツチ
を解除する。

次にステツプ207で、CPU３０はデータYMを
DAC１１３に出力して、ステツプ202と同様にス
テージ７をｙ方向に一定距離だけ移動する。

このとき、信号ＩはスリツトS_0yの投影部
M_0y′の走査に伴つて、第９図と同様の波形にな
る。従つて、ステージ７のｙ方向の走査により、
LT１０３，１０４は信号Ｉと基準レベルIrとが
一致する位置y₁，y₂に相当する計数値YCを各々
ラツチする。

そしてステツプ208でCPU３０はLT１０３，
１０４でラツチされたデータLD１，LD２を読み
込み、ステツプ209で（LD1＋LD2）／２の演算
を行ない、第７図に示したような投影像M_0y′の
中心CL_y0の位置ycを求め、RAM１１１に記憶す
る。

以上の各ステツプにより、マークM₀′の投影像
M₀′の中心CP₀の位置が、レーザ干渉計１３，３
４の分解能で座標値（xc，yc）として測定され
る。

そこで、Ｘ−CNT１０６，Ｙ−CNT１０７に
よつて測定される座標位置が座標値（xc，yc）
となるようにステージ７を位置決めすれば、第７
図に示すスリツトS_0xの中心R_x0と投影部M_0x′の
中心CL_x0とが一致し、かつスリツトS_0yの中心
R_0yと投影部M_0y′の中心CL_y0とが一致し、投影像
M₀′とスリツトS_0x，S_0yとは正確に重なり合うこ
とになる。

さて、次にCPU３０はステツプ210，211を実
行し、ステージ７をホーム・ポジシヨンに位置決
めする。ステツプ212で、５つのマークM₀〜M₄
の各投影像について繰り返し同様の測定を行なつ
たか否かが判断され、測定が完了していれば、第
８図のプログラムは終了し、完了していなけれ
ば、ステツプ213に進む。ステツプ213でCPU３
０はセレクト信号SSを出力して、次に測定すべ
きマークM₀〜M₄に対応した光電検出器９ａ〜９
ｅを選択して、再びステツプ201から繰り返し同
様の測定が行なわれる。

尚、第８図中、ステツプ209の終了後、マーク
M₀の投影像M₀′とスリツトS_0x，S_0yとを重ね合わ
せるようにステージ７を位置決めし、そのとき、
Ｘ−CNT１０６，Ｙ−CNT１０７をCPU３０か
らのクリア信号CS１，CS２によつて計数値を零
にするようなステツプを加えてもよい。このよう
にすると、ステージ７の位置が投影像M₀′の中心
CP₀を原点とする座標系に従つて測定され、後述
する各種演算が簡単になるという利点もある。

また、スリツトS_0xが投影部M_0x′を走査する
際、スリツトS_0yは投影像M₀′のいかなる部分も
走査しないように説明したが、必らずしもそのよ
うにする必要はない。例えばスリツトS_0x，S_0yと
投影像M₀′とが第１０図ａのように位置した状態
から、ステージ７をｘ方向に移動させると、信号
Ｉは第１０図ｂのような波形となる。すなわち、
ステージ７が第１０図ａの位置から位置xaまで
動く間は、スリツトS_0xが投影部M_0y′と交差し、
スリツトS_0yが投影部M_0x′と交差している。しか
しながら、スリツトS_0x，S_0yの長さを、投影部
M_0x′，M_0y′の幅dmよりも十分大きくしておけ
ば、信号Ｉの大きさは基準レベルIrを越えること
はない。

また位置xaからxbまではスリツトS_0xと投影部
M_0y′のみが重ない、信号Ｉは小さくなる。そし
て位置xbからxcまではスリツトS_0xが投影部
M_0x′と重なり、ここで初めて信号Ｉは基準レベ
ルIrよりも大きくなる。従つてスリツトS_0x，S_0y
のサイズと投影像M₀′のサイズを適当に定めれ
ば、本来重なるべきスリツトと投影部の他に、重
なる部分が生じても基準レベルIrの設定によつ
て、判別は可能である。

さて、以上のようにして測定された投影像
M₀′〜M₄′の中心CP₀〜CP₄の位置はRAM１１１
に、第１１図のように座標値（xc₀，yc₀），（xc₁，
yc₁），（xc₂，yc₂），（xc₃，yc₃），（xc₄，yc₄）と
して記憶される。またレチクル５のマークM₀〜
M₄の位置は予め測定されて、RAM１１１中に第
１２図のように座標値（X₀，Y₀），（X₁，Y₁），
（X₂，Y₂），（X₃，Y₃），（X₄，Y₄）、として記憶
されている。さらにスリツト部材Ｓの５組のスリ
ツトS₀〜S₄の位置は、RAM１１１中に第１３図
のように予め座標値（a₀，b₀），（a₁，b₁），（a₂，
b₂），（a₃，b₃），（a₄，b₄）として記憶されてい
る。

次に、これらRAM１１１中の各種データに基
づいて、各マークM₀〜M₄の投影像M₀′〜M₄′の
各位置について、計測値と設計値との位置ずれ量
を求める。

ここで、レチクル５から投影レンズ６の結像面
への投影倍率の理想値（設計値）をＭ（ただしＭ
＜１）とする。もし、投影レンズ６が1/5縮小レ
ンズであればＭ＝1/5となる。

さて、計測値と設計値とに基づいて、位置ずれ
を伴つたマークM₀〜M₄の投影像M₀′〜M₄′の位
置誤差がｘ方向、ｙ方向について各々α，βとし
て、 αi＝xci−（Ｍ・Xi−ai） … βi＝yci−（Ｍ・Yi−bi） … の両式に従つて、演算手段としてのCPU３０に
よつて計算される。（ただし、ｉ＝０，１，２，
３，４）式及びは測定値、xci，yciを、マー
ク位置Xi，Yi及びスリツト位置ai，biによつて
補正し、結像状態とのずれ量を得るようにするこ
とを意味している。

そして、スリツトS₀〜S₄が第３図中の座標系
xyに沿つて整列している場合、投影像M₀′の中心
CP₀が投影レンズ６の光軸と一致するから、中心
CP₀を基準点として、以下の計算を行なう。

γi＝αi−α₀ … δi＝βi−β₀ … （ただし、ｉ＝０，１，２，３，４）この式，で表わされるγi，δiが、マーク
M₀〜M₄の投影位置の誤差を示すものである。例
えばマークM₁の投影位置の誤差は（γ₁，δ₁）の
ようにベクトルとして表わされる。従つて、第１
４図のように、理想的な露光領域を図中破線で示
す領域５０とすると、投影位置の誤差（γi，δi）
から、投影レンズ６の投影歪や倍率誤差を含む実
際の露光領域が実線で示す領域51のように認定で
きる。ただし、式，で明らかなように、領域
50と51の中心では誤差（γ₀，δ₀）＝（０，０）であ
る。

また、スリツト部材Ｓをステージ７に取り付け
る際、ステージ７の移動座標系に対して一般に微
小量回転していることが多い。そこでスリツト部
材Ｓが第３図中の座標系xyに対して角度θだけ
回転しているものとすると、投影位置の誤差
（γi，δi）について角度θが微小量であることか
ら近似的に以下の式によつて補正する。

γi′＝γi＋β・δi … δi′＝−θ・γi＋δi … （ただし、ｉ＝０，１，２，３，４）この式，で（γi′，δi′）は誤差（γi，δi）
を
（γ₀，β₀）＝（０，０）を中心として−θだけ回転
補正した誤差値を表わしており、（γi′，δi′）が求
める結像光学系の投影位置誤差（歪や倍率変動）
である。

尚、角度θは、例えば最小自乗法を用いて、
（γi′²＋δi′²）を最小にするようにすれば求めるこ
とができる。

以上、上記構成の装置では、マークM₀〜M₄の
各マークは、順次光電検出器９ａ〜９ｃを切替え
て測定するようにしたが、第６図におけるアンプ
１０１，CP１０２，LT１０３，１０４を、光電
検出器９ａ〜９ｅの各々について設けるようにす
れば、第８図のように、ステツプ201〜209を５回
繰り返すことなく、１回だけ実行するだけで、５
つのマークM₀〜M₄の投影像M₀′〜M₄′の位置が
同時に測定できる。

また、スリツトS₀〜S₄による投影像M₀′〜
M₄′の走査は、一方向に１回のみとしたが、複数
回往復走査するようにステージ７を移動し、得ら
れた複数の位置測定値を平均するようにすれば、
さらに正確な値が得られる。

次に、第１５図、第１６図を参照して本発明の
実施例による投影露光装置について説明する。本
実施例の投影露光装置は先に説明した装置（第１
図）と基本構成は同一であり、その差異はスリツ
ト部材Ｓの下面に光電検出器９を１つだけ設けて
おくこと、及びレチクル５のマークM₀〜M₄の投
影像M₀′〜M₄′とスリツト部材Ｓ上のスリツトS₀
〜S₄との位置関係である。尚、スリツトS₀〜S₄を
用いて投影像M₀′〜M₄′を検出することは第１図
の装置と全く同様である。

第１５図はマークM₀〜M₄の投影像M₀′〜
M₄′と、スリツトS₀〜S₄の位置関係を示す平面図
である。スリツトS₀〜S₄の各々は投影像M₀′〜
M₄′の各々とは同じ位置で重ならないように、故
意にずらして設けられている。例えばｘ方向の像
位置測定用のスリツトS_0x〜S_4xに着目すると、ス
リツトS_0x〜S_4xは投影像M₀′〜M₄′のｙ方向にス
リツト状に延びた投影部M′_0x′〜M′_4x′に対して
ｘ方向に順次ずれるように配置される。従つて、
第１５図の状態、すなわち、スリツトS_0x〜S_4xの
いずれも投影部M_0x′〜M_4x′と重ならない状態か
ら、ステージ７をｘ方向に等速で移動すると、ま
ずスリツトS_3xと投影部M_3x′とが重なり、次にス
リツトS_4xと投影部M_4x′とが重なり、以下、スリ
ツトS_0xと投影部M_0x′、スリツトS_2xと投影像
M_2x′、スリツトS_1xと投影部M_1x′の順番で重なつ
ていく。

そこでスリツト部材Ｓの下面に配置されて、受
光面がスリツトS₀〜S₄からの光を受光するような
大きさをもつた光電検出器９は、第１６図のよう
な信号Ｉを出力する。

第１６図においては縦軸は信号Ｉの大きさを表
わし、横軸は位置ｘを表わすが、このように、ス
リツトS_0x〜S_4xの各々が投影部M_0x′〜M_4x′を走
査したとき、各スリツトからの信号Ｉは時間的、
あるいは位置的に分離して検出可能である。そこ
で、この信号Ｉの立上り、立下りの中心を求めれ
ば、投影像M₀′〜M₄′の中心CP₀〜CP₄のｘ方向の
位置xc₃，xc₄，xc₀，xc₂，xc₁が順次検出される。

またｙ方向の位置測定も同様に、スリツトS_0y
〜S_4yが順時投影像M₀′〜M₄′の投影部M_0y′〜
M_4y′と重なるように予めずらしておくことによ
つて、投影像M₀′〜M₄′の中心CP₀〜CP₄のｙ方向
の位置xc₀〜xc₄が検出される。以後は第１の実施
例と同様の演算によつて投影レンズ６の投影誤差
を求めることができる。このように、スリツト
S_0x〜S_4x，S_0y〜S_4yを投影像M₀′〜M₄′と同時に重
ならないように、一定値以上ずらしておけば、１
つの光電検出器によつて複数の投影像が検出でき
る。このため、第第１図の装置のように複数の光
電検出器を用いた場合に比較して、短時間に測定
できるとともに、光電検出器同志の受光感度差の
影響を受けず、正確な位置測定ができるという効
果が得られる。

尚、本実施例において、スリツトS₀〜S₄のずら
し方はどのようにしてもよい。要は、ステージ７
を走査して複数の投影像M₀′〜M₄′のうち、いず
れか１つの投影像とスリツトとが重なつたとき、
他のスリツトが、他の投影像と重ならないように
各スリツト、又はレチクル５の各マークM₀〜M₄
を配置してあればよいのである。

以上、本発明の各実施例を説明したが、その他
の変形例として、投影像M₀′〜M₄′をスリツトS₀
〜S₄で走査する際、ステージ７を移動する替り
に、レチクル５を動かすようにしてもよい。その
場合はレチクルホルダ１５をxy方向に移動可能
にするとともに、その移動位置を測定する位置測
定器を設け、レーザ干渉計１３，３４による測定
と同様に使えば、同様の効果が得られる。

また、投影露光領域中の座標測定点はマーク
M₀〜M₄、スリツトS₀〜S₄に代表されるように５
点としたが、それ以上の測定点で計測するように
すれば、さらに正確に投影誤差を求めることがで
きる。

また、各実施例において、マークM₀〜M₄の投
影像M₀′〜M₄′の位置は信号Ｉの立上りや立下り
を基準レベルIrでスライスすることによつて行な
つた。しかしながら、信号Ｉをレーザ干渉計１
３，３４からの単位移動量毎に発生するパルスに
応答してサンプリングしてはデジタル変換して、
メモリに順次記憶することを繰返す。そしてサン
プリングされた信号Ｉのデジタル・データを
CPU３０によつて処理することによつて、マー
クの投影位置を検出するようにしてもよい。

さらにその他の変形例として、レチクル５中の
マークM₀〜M₅の形状は十字マークに限られるも
のではなく、Ｌ字状マークでもよい。また、第１
７図ａのように単なる矩形状のマークや、第１７
図ｂのように連続した窓枠状の細線マークとして
もよい。

第１７図ａ，ｂにおいて、斜線部は遮光部であ
る。第１７図ｂのように連続した細線マークとし
た場合、ｘ方向とｙ方向に延びた細線の複数の屈
曲部や交差部の位置がレチクル上の所定位置に設
けられたマークとして意味を持つものである。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、光電検出器を長
距離走査することがないので、投影レンズ等の結
像光学系の光学特性が高速に測定できるととも
に、位置検出にあたつて、累積誤差の発生が低減
し極めて正確な測定が達成される。さらに測定が
高速にできるから、繰返し計測の回数を多くする
ことができ、再現精度も極めて良くなる利点があ
る。さらに、１つの光電検出器のみを用いて測定
を行うことができ、光電検出器同士の受光感度差
の影響を受けることなく高精度な測定が可能とな
る利点もある。

尚、本発明は投影型露光装置にのみ適用し得る
ものではなく、その他投影光学系を有する露光装
置や、カメラ用の撮影レンズ等の結像光学系を調
べる際に適用すれば、極めて簡単で正確、かつ高
速に光学特性を測定でき、自動化も可能となる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による投影露光装置の
基本構成を示す概略図、第２図は光学特性を調べ
るのに適したテスト・レチクルの平面図、第３図
はスリツト部材Ｓの平面図、第４図はスリツト部
材Ｓと光電検出器の配置を示す一部断面図、第５
図は制御系の全体ブロツク図、第６図は測定のた
めにマーク位置検出を行なう回路ブロツク図、第
７図はマークの投影像とスリツトの位置関係を示
す平面図、第８図はマークの投影位置測定用のフ
ローチヤート図、第９図は光電信号の波形図、第
１０図ａはマークの投影像とスリツトの別の位置
関係を示す平面図、第１０図ｂは第１０図ａの場
合における光電信号の波形図、第１１図はメモリ
中に記憶された測定データ群を示す図表、第１２
図はメモリ中に記憶されたテスト・レチクルのマ
ーク位置のデータ群を示す図表、第１３図はメモ
リ中に記憶されたスリツト部材のスリツト位置の
データ群を示す図表、第１４図は結像光学系の投
影誤差を説明する図、第１５図は本発明の実施例
によるマーク投影像とスリツト部材との位置関係
を示す平面図、第１６図は第１５図の位置関係の
場合に得られる光電信号の波形図、第１７図ａ，
ｂはレチクルのマークの他の変形例を示す平面図
である。主要部分の符号の説明、１……照明光源、５…
…レチクル（マスク）、６……投影レンズ、７…
…ステージ、９……光電検出器、１３，３４……
レーザ干渉計、１５……レチクル・ホルダ、１６
……ベース、３０……CPU。

Claims

【特許請求の範囲】１第１基板に形成されたパターンを第２基板に
投影する投影光学系と、前記第１基板を照明する
照明系とを備えた投影露光装置において、前記第１基板上の予め定められた複数の位置の
各々に形成された複数の第１マークと、該複数の
第１マークの各々に対応して前記第２基板上に設
けられた複数の第２マークとを有し；該複数の第２マークの各々は、前記第１基板と
前記第２基板とを所定の位置関係に設定したと
き、前記投影光学系によつて前記第２基板上に投
影される前記第１基板上の対応する第１マークの
像との所定方向に関する間隔が互いに異なるよう
に配置されており；前記複数の第２マークのうちの１つと、該１つ
の第２マークに対応した前記第１マークの像とが
所定の位置関係に整列したことを検出する光電検
出手段と；前記複数の第１マークの像と前記複数の第２マ
ークとを前記所定方向に相対移動させたときに前
記光電検出手段から順次出力される検出信号に基
づいて、前記複数の第１マークの像の各投影位置
を検出する位置検出手段と；該検出された各投影位置に基づいて、前記投影
光学系の光学特性を算出する演算手段とを備えた
ことを特徴とする投影露光装置。２前記第１基板はマスクであり、前記第２基板
は前記投影光学系に関して前記マスクとほぼ共役
な面内に配置される基準部材であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の投影露光装置。３前記基準部材は、複数のスリツト状の微小開
口が前記第２マークとして形成された遮光部材で
あり、前記光電検出手段は、前記投影光学系によつて
投影された前記第１マークの像を形成する光のう
ち、前記微小開口を通過した光を受光することを
特徴とする特許請求の範囲第２項記載の投影露光
装置。