JPH0684747A

JPH0684747A - 投影露光装置

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Publication number: JPH0684747A
Application number: JP4233987A
Authority: JP
Inventors: Yuji Imai; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1994-03-25
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: JP3289333B2

Abstract

(57)【要約】【目的】照明光学系を大型化することなく、ウエハス
テージ上のパターン板を用いてレチクル上の基準マーク
の位置を計測可能とする。【構成】ウエハステージ７上に設けられたパターン板
８の下面より、露光光ＩＬと同一波長の照明光ＬＢを基
準パターン（ＭＸ、ＭＹ）に照射する。光電検出器１４
は、基準パターン（ＭＸ、ＭＹ）を透過して投影光学系
６を介してレチクルＲのパターン面に照射され、ここで
反射されて投影光学系６、及び基準パターン（ＭＸ、Ｍ
Ｙ）を介して戻された光束を受光する。信号処理ユニッ
ト２２は、ウエハステージ７を微動して基準パターン
（ＭＸ、ＭＹ）の投影像と基準マーク（ＲＸ₁、ＲＹ₁)
とを相対移動させたとき、光電検出器１４から出力され
る検出信号Ｓ１と干渉計１７からの位置信号とに基づい
て基準マークの位置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子や液晶表示
素子製造のリソグラフィ工程で使用される投影露光装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、マスクまたはレチクルに形成され
たパターンを高分解能で感光基板（表面にレジスト層が
形成された半導体ウエハ等）に転写する装置として、ス
テップアンドリピート方式の縮小投影型露光装置、いわ
ゆるステッパーが多用されるようになってきている。こ
の種のステッパーでは、ウエハステージの一部に設けら
れた光透過性の基準パターンを用いて、レチクル上の基
準マーク（アライメントマーク等）の位置を検出するこ
とで、レチクルアライメント、ベースライン計測、ある
いは投影光学系の結像特性（投影倍率、ディストーショ
ン等）の計測等が行われる。

【０００３】すなわち、基準パターンをその下面（ウエ
ハステージ内部）から露光光で照明し、投影光学系を介
してレチクルの下面（パターン面）に基準パターンの投
影像を結像する。さらにウエハステージを微動して、レ
チクル上の基準マークと基準パターンの投影像とを相対
移動させる。このとき、レチクル上の基準マークを透過
して照明光学系を逆進する照明光（露光光）は、その光
路中に配置されたビームスプリッターを介して光電検出
器に導かれ、光電検出器は透過光の強度に応じた光電信
号を信号処理回路に出力する。信号処理回路には、ウエ
ハステージの位置を検出するレーザ干渉計からの位置信
号も入力され、ここで所定の演算処理によってレチクル
上の基準マークの位置が算出されることになる。そこ
で、例えばレチクル上の予め定められた複数の位置の各
々に基準マークを形成しておき、上記動作を繰り返し行
って各基準マークの位置を検出することで、複数の基準
マークの相対位置関係から投影光学系の結像特性（ディ
ストーション等）を算出することができる。尚、この種
の装置の構成等については、例えば特開昭６４−１０１
０５号公報に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
如き従来技術においては、レチクル上の基準マークを透
過した光を光電検出器に導くためのビームスプリッター
が照明光学系中に配置されるため、照明光学系が複雑、
かつ大型になるという問題点があった。本発明は以上の
点を考慮してなされたものであり、装置を大型化するこ
となく、レチクル上の基準マークの位置を計測可能な投
影露光装置を得ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明においては、露光用光源１からの照明光ＩＬ
をマスク（Ｒ）に照射する照明光学系（２、３、４）
と、マスク（Ｒ）に形成されたパターンを感光基板
（９）上に結像投影する投影光学系（６）と、感光基板
（９）を保持して投影光学系（６）の光軸と垂直な面内
で２次元移動可能な基板ステージ（７）とを備えた投影
露光装置において、基板ステージ（７）の一部に設けら
れ、所定形状の基準パターン（ＭＸ、ＭＹ）を有するパ
ターン板（８）と、パターン板（８）の下面より露光用
照明光（ＩＬ）とほぼ同一波長の照明光ＬＢを基準パタ
ーン（ＭＸ、ＭＹ）に照射する照明手段（１０〜１３）
と、基準パターン（ＭＸ、ＭＹ）を透過して投影光学系
（６）を介してマスク（Ｒ）のパターン面に照射され、
このパターン面から反射されて投影光学系（６）、及び
基準パターン（ＭＸ、ＭＹ）を介して戻された光束を受
光する受光手段（１４）と、照明手段（１０〜１３）に
よってマスク（Ｒ）のパターン面に形成される基準パタ
ーン（ＭＸ、ＭＹ）の投影像とマスク（Ｒ）上の基準マ
ーク（ＲＸ₁、ＲＹ ₁)とを相対移動させたとき、受光手
段（１４）から出力される検出信号（Ｓ１）に基づいて
基準マークの位置を検出する位置検出手段（２２）とを
設けることとした。

【０００６】

【作用】本発明においては、照明光の照射によりマスク
上の基準マークから発生する光を受光する受光手段を基
板ステージ側に配置したので、照明光学系中にビームス
プリッター等を配置する必要がなく、照明光学系をコン
パクトにできる。

【０００７】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。図１は本実施例による
投影露光装置の全体構成を概略的に示す図である。図１
において、露光用照明光源１から発生した照明光ＩＬ
は、オプチカルインテグレータ（フライアイレンズ）、
レチクルブラインド、開口絞り（σ絞り）等を有する照
明光学系２に入射する。さらにミラー３で垂直に下方に
反射されてコンデンサーレンズ４に導かれ、レチクルス
テージ５上に載置されたレチクルＲをほぼ均一な照度で
照明する。尚、照明光ＩＬとしてはｇ線、ｉ線、または
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ、あるいは金属蒸気レー
ザやＹＡＧレーザの高調波等が使用される。

【０００８】図４に示すようにレチクルＲは、遮光帯Ｌ
ＳＢで囲まれたパターン領域ＰＡ内に回路パターンが形
成され、さらにパターン領域ＰＡの各辺には４組の基準
マーク（アライメントマーク）ＲＸ₁、ＲＸ₂、Ｒ
Ｙ₁、ＲＹ₂が形成されている。基準マークＲＸ₁は、
遮光帯ＬＳＢ中にパターン領域ＰＡに付随して設けられ
た透明窓内に、遮光層によってＹ方向に延びて形成され
たバーマークであり、他の３組のマークも同一形状であ
るので、ここでは説明を省略する。ここで、４組の基準
マークは共にパターン領域ＰＡの各辺のほぼ中央に形成
されている、すなわちレチクルＲ（パターン領域ＰＡ）
の中心Ｒｃに関してほぼ対称に配置されている。

【０００９】さて、レチクルＲを透過した照明光ＩＬは
両側テレセントリックな投影光学系６に入射し、投影光
学系６はパターン領域ＰＡ内に形成された回路パターン
の像を、表面にレジスト層が形成されたウエハ９上に結
像投影する。ウエハ９は、駆動系１７によって投影光学
系６の光軸と垂直な面（ＸＹ平面）内で２次元移動可能
で、かつ投影光学系６の光軸方向（Ｚ方向）に微動可能
なウエハステージ７上に載置されている。ウエハステー
ジ７の２次元的な位置はレーザ光波干渉測長器（以下、
単に干渉計と呼ぶ）１８によって、例えば０．０１μｍ
程度の分解能で常時検出される。ウエハステージ７の端
部には、干渉計１８からのレーザビームを反射する移動
鏡１９が固設されている。

【００１０】また、ウエハステージ７上にはパターン板
（石英等のガラス基板）８が配置されており、さらにパ
ターン板８の表面には図２に示すような２組の基準パタ
ーンＭＸ、ＭＹが形成されている。２組の基準パターン
ＭＸ、ＭＹは共に振幅型回折格子、すなわちパターン板
８にクロム等の遮光層で形成された１次元のラインアン
ドスペースパターン（デューティは１：１）である。こ
こで、パターン板８の表面は、２組の基準パターンＭ
Ｘ、ＭＹの形成領域を除いて遮光層で覆われている。ま
た、パターン板８はその表面がウエハ９の表面とほぼ同
じ高さとなるように設けられている。尚、パターン板８
上の基準パターンＭＸ、ＭＹは位相型回折格子であって
も良い。

【００１１】さて、図１中の照明光源１０は露光用照明
光ＩＬとほぼ同一波長の照明光ＬＢを発生し、この照明
光ＬＢは光ファイバー（ライトガイド）１１、集光レン
ズ系１２、及びミラー１３を介してパターン板８の下面
まで導かれ、基準パターンＭＸ（またはＭＹ）をその裏
面（ウエハステージ内部）から照明する。基準パターン
ＭＸ（またはＭＹ）を透過した光は、投影光学系６を介
してレチクルＲの下面（パターン面）に照射（集束）さ
れ、ここで反射されて再び投影光学系６を介してパター
ン板８に達する。さらに、基準パターンＭＸ（またはＭ
Ｙ）を透過した光はミラー１３、集光レンズ系１２、及
び光ファイバー１１を介して光電検出器１４に入射す
る。光電検出器１４は入射光の強度に応じた検出信号Ｓ
１を信号処理ユニット２２に出力する。尚、本実施例で
はパターン板８上に２組の基準パターンＭＸ、ＭＹを形
成している。従って、２組の基準パターンＭＸとＭＹと
を独立に用いて各種計測（マーク位置計測等）を行うた
め、基準パターンＭＸ、ＭＹの各々に照明光ＬＢを切り
替えて照射するための絞り（シャッター）をパターン板
８の下面近傍に配置するか、基準パターンＭＸとＭＹと
の各々に対応して２組の照明手段（１０〜１３）及び光
電検出器（１４）を設ける必要がある。

【００１２】ここで、投影光学系６のイメージフィール
ド内の任意の点での焦点位置を検出するに際してウエハ
ステージ７をＺ方向に微動させたとき、光電検出器１４
から出力される検出信号Ｓ１はパターン板８の表面が投
影光学系６の最良結像面と一致（合焦）したときに最大
となる（図３）。従って、投影光学系６の結像特性が露
光光吸収等によって変化しても、上記動作を随時（例え
ば１枚のウエハに対する露光動作中であっても）行って
検出信号Ｓ１を得ることにより合焦点（ベストフォーカ
ス位置）を検出することができる。尚、パターン板８上
の基準パターンとして位相型回折格子を用いるときに
は、合焦点では検出信号Ｓ１は最小になる。

【００１３】一方、パターン板８上の基準パターンＭＸ
を用いてレチクルＲ上の基準マーク（例えばＲＸ₁)の位
置を検出するに際してウエハステージ７をＸ方向に移動
させたとき、光電検出器１４から出力される検出信号Ｓ
１は基準パターンＭＸの投影像と基準マークＲＸ₁とが
一致したときに最小となる（図５）。正確に言えば、基
準パターンＭＸを構成する５本の遮光（クロム）パター
ンの各々が基準マークＲＸ₁と一致したとき、検出信号
Ｓ１は各遮光パターンに対応して最小となる。このた
め、実際には各遮光パターンの位置を平均化処理等して
基準パターンＭＸの位置を決定する必要がある。尚、図
５では説明を簡単にするため、基準パターンとして１本
の遮光パターンを用いたときに得られる検出信号Ｓ１の
波形を示してある。従って、レチクルアライメント、ベ
ースライン計測、あるいは投影光学系の結像特性（特に
投影倍率やディストーション）の計測を行う際には、レ
チクル上の基準マークに対して上記動作を行って検出信
号Ｓ１を得ることにより、基準マークの位置（すなわち
干渉計２２によって規定される直交座標系ＸＹ内での座
標位置）を検出することができる。

【００１４】尚、上記装置（図１）では照明光源１０を
露光用光源１とは別に設けていたが、露光用光源１から
射出される照明光ＩＬの一部を、ビームスプリッター等
で分岐して光ファイバー、ミラー等によりパターン板８
の下まで導くように構成しても良い。また、光ファイバ
ー１１の射出面は投影光学系６の瞳面とほぼ共役となっ
ており、さらにその照明条件（コヒーレンスファクター
σ値等）は照明光学系２によるレチクルＲの照明条件と
同一にしておくことが望ましい。例えば特開平４−２２
５３５９号公報に開示されたような傾斜照明法（変形光
源法）を採用する場合には、基準パターンに対しても傾
斜照明を行うようにする。具体的には、光ファイバー１
１の射出面近傍に、その光軸に対して偏心した複数（２
つ、または４つ）の位置の各々に開口を有する絞りを配
置すれば良い。

【００１５】ところで、図１中にはウエハ９やパターン
板８のＺ方向の位置（移動量）を検出するための斜入射
光方式の焦点位置検出系１５、１６が設けられている。
焦点位置検出系１５、１６は投影光学系６の光軸に関し
て対称に、かつその検出位置（光ビームの照射位置）が
投影光学系６のイメージフィールドの中心、すなわち光
軸位置と一致するように配置されている。焦点位置検出
系１５、１６の詳細な構成等については、例えば特開昭
６０−１６８１１２号公報に開示されているので、ここ
では説明を省略する。焦点位置検出系１５、１６から出
力される検出信号Ｓ２は、信号処理ユニット２２、及び
ステージコントローラ２１に出力される。

【００１６】さらに、図１中にはＴＴＬ（スルーザレン
ズ）方式のアライメントセンサー２４も設けられてい
る。アライメントセンサー２４は、投影光学系６を介し
てウエハ９上のアライメントマーク（回折格子マーク）
を検出するものであり、その構成等については、例えば
特開昭６０−１８６８４５号公報等に開示されている。
ここでは詳細説明を省略するが、アライメントセンサー
２４はシリンドリカルレンズ、光電検出器等を含み、ミ
ラー２３、及び投影光学系６を介してレーザビームを帯
状のスポット光ＳＰに集光してウエハ９上に照射する。
そして、ウエハステージ７を微動してスポット光ＳＰと
ウエハ９上のアライメントマークとを相対移動したと
き、当該マークから発生する回折光（または散乱光）を
投影光学系６を介して光電検出するものである。アライ
メントセンサー２４は、アライメントマークからの回折
光（散乱光）強度に応じた光電信号Ｓ３を信号処理ユニ
ット２２に出力する。

【００１７】さて、信号処理ユニット２２はＡ／Ｄ変換
器やメモリ等を含み、アライメントセンサー２４からの
光電信号Ｓ３と干渉計１７からの位置信号とを用いて、
所定の演算処理によりウエハ９上のアライメントマーク
（またはパターン板８上の基準パターン）の位置を算出
する。さらにウエハステージ７をＺ方向に微動したと
き、光電検出器１４から出力される検出信号Ｓ１と焦点
位置検出系１５、１６からの検出信号Ｓ２とを用いて、
投影光学系６のイメージフィールド内の任意の点での焦
点位置（ベストフォーカス位置）を算出する。また、ウ
エハステージ７をＸ方向、またはＹ方向に微動したと
き、光電検出器１４から出力される検出信号Ｓ１と干渉
計１７からの位置信号とを用いて、レチクルＲ上の基準
マークの位置を算出する。ここで、信号処理ユニット２
２は信号Ｓ１〜Ｓ３、及び干渉計１７からの位置信号を
一度メモリに取り込んだ上で、ソフトウエア的に波形処
理を行うことにより各位置を算出するものとする。

【００１８】また、ステージコントローラ２１は焦点位
置検出系１５、１６からの検出信号Ｓ２や干渉計１７か
らの位置信号を入力してウエハステージ７の移動を制御
するもので、主制御系２０からの指令値（目標位置）に
従って駆動系１７をサーボ制御してウエハステージ７を
目標位置に位置決めする。さらに主制御系２０は、パタ
ーン板８上の基準パターンを用いて投影光学系６の結像
特性やベースラインの計測等を行う他、装置全体を統括
制御する。

【００１９】次に、上記構成の装置での焦点位置検出系
１５、１６のキャリブレーション動作について簡単に説
明する。図１において、主制御系２０はパターン板８上
の基準パターンＭＸが投影光学系６の光軸位置に位置決
めされるように、駆動系１７によってウエハステージ７
を移動する。しかる後、焦点位置検出系１５、１６を用
いてウエハステージ７をＺ方向に所定距離だけ移動（ス
キャン）する。信号処理ユニット２２は上記移動に伴っ
て光電検出器１４から出力される検出信号Ｓ１と焦点位
置検出系１５、１６からの検出信号Ｓ２とを入力し、図
３に示す如く検出信号Ｓ１のレベル（電圧値）が最大と
なるＺ方向の位置Ｚ₀をベストフォーカス位置として算
出する。

【００２０】さらに、焦点位置検出系１５、１６を用い
てウエハステージ７をＺ方向に移動し、パターン板８の
表面を位置Ｚ₀に位置決めする、すなわちパターン板８
の表面と投影光学系６の最良結像面（ベストフォーカス
位置）とを一致させる。そして、先に求めた位置Ｚ₀が
焦点位置検出系１５、１６の零点基準となるように、上
記状態のもとで焦点位置検出系１５、１６の内部に設け
られた平行平板ガラス（不図示）を駆動する。これによ
り、焦点位置検出系１５、１６のキャリブレーションが
終了する。

【００２１】ここで、上記の如く平行平板ガラスを駆動
する際には予めウエハステージ７をＸ方向、またはＹ方
向に微動し、焦点位置検出系１５、１６の光ビームがパ
ターン板８上の基準パターンＭＸ、ＭＹの形成領域以外
の反射面に照射されるようにしておくことが望ましい。
また、上記と同様の動作で基準パターンＭＹを用いてイ
メージフィールドの中心（光軸位置）で検出信号Ｓ１が
最大となる位置を検出し、基準パターンＭＸとＭＹとの
各々で求めた２つの位置からベストフォーカス位置を決
定するようにしても良い。さらに、上記の如きキャリブ
ーション動作では平行平板ガラスを駆動するようにした
が、これ以外のいかなる方法を適用しても良く、例えば
焦点位置検出系１５、１６からの検出信号Ｓ２に電気的
にオフセットを与えるようにしても良い。

【００２２】尚、上記の如き焦点検出動作をイメージフ
ィールド内の複数の位置で順次行うことによって、投影
光学系６の像面湾曲（像面傾斜）までも求めることがで
きる。また、図２中の基準パターンＭＸ、ＭＹの他に、
例えば配列方向がＸ方向に対して４５°、１３５°だけ
傾いた２組の１次元の回折格子パターンをパターン板８
に形成しておけば、サジタル（Ｓ）方向及びメリディオ
ナル（Ｍ）方向の各々での焦点位置（非点収差）も計測
可能となる。

【００２３】次に、上記構成の装置（図１）でのレチク
ルアライメント動作について簡単に説明する。ここで
は、焦点位置検出系１５、１６のキャリブーションが既
に終了しており、予め焦点位置検出系１５、１６を用い
てパターン板８の表面を投影光学系６の最良結像面に一
致させているものとする。図１において、レチクルＲが
レチクルステージ５にローディングされた後、主制御系
２０は基準パターンＭＸ、ＭＹを用いてレチクルアライ
メントを実行する。まず、ウエハステージ７を移動して
パターン板８上の基準パターンＭＸとレチクルＲ上の基
準マークＲＸ₁とを所定の位置関係に設定した後、照明
光ＬＢを基準パターンＭＸにその下面より照射する。こ
れにより、基準パターンＭＸを透過した光は投影光学系
６を通ってレチクルＲの下面に達し、基準マークＲＸ₁
の近傍に基準パターンＭＸの投影像が結像されることに
なる。

【００２４】しかる後、ウエハステージ７をＸ方向に微
動して、基準マークＲＸ₁と基準パターンＭＸの投影像
とをＸ方向に相対移動する。信号処理ユニット２２は上
記移動に伴って光電検出器１４から出力される検出信号
Ｓ１と干渉計１７からの位置信号とを入力し、図５に示
す如く検出信号Ｓ１のレベル（電圧値）が最小となるＸ
方向の位置Ｘ₁を基準マークＲＸ₁の位置として算出す
る。同様に、基準マークＲＸ₂の位置Ｘ₂を基準パター
ンＭＸを用いて算出するともに、さらに基準パターンＭ
Ｙを用いて基準マークＲＹ₁、ＲＹ₂の位置Ｙ₁、Ｙ₂
を算出する。主制御系２０は、ここで求めた４つの位置
Ｘ₁、Ｘ₂、Ｙ₁、Ｙ₂からレチクルＲのＸ、Ｙ、及び
回転方向の残留アライメント誤差を算出した後、当該誤
差がほぼ零となるようにレチクルステージ５を微動す
る。これにより、レチクルアライメント動作が終了す
る。尚、ここではレチクルステージ５を微動してレチク
ルアライメントを行うようにしたが、例えばレチクルパ
ターンをウエハ９に転写する際、先に算出した残留誤差
をオフセットとし、このオフセット分だけウエハステー
ジ７を目標位置からずらして位置決めするようにしても
良い。

【００２５】次に、上記構成の装置でのベースライン計
測動作について簡単に説明する。ここでは、既に焦点位
置検出系１５、１６のキャリブレーション、及びレチク
ルアライメントが終了しており、パターン板８の表面が
投影光学系６の最良結像面と一致しているものとする。
また、図１中のアライメントセンサー２４は、ウエハ９
上でＹ方向に延びたスポット光ＳＰを用いてアライメン
トマークのＸ方向の位置を検出するものとする。

【００２６】まず、主制御系２０は上述の如きレチクル
アライメントと同様の動作で、基準パターンＭＸを用い
てレチクルＲ上の基準マークＲＸ₁(またはＲＸ₂)の位置
を検出する。しかる後、アライメントセンサー２４を用
いて基準パターンＭＸを検出する。すなわち、ウエハス
テージ７をＸ方向に微動して、スポット光ＳＰと基準パ
ターンＭＸとをＸ方向に相対移動する。このとき、基準
パターンＭＸに対しては照明光ＬＢを照射していないも
のとする。また、アライメントセンサー２４からの検出
信号Ｓ３は、基準パターンＭＸの反射率の違いに応じて
強度変化することになる。

【００２７】そこで、信号処理ユニット２２は上記移動
に伴ってアライメントセンサー２４から出力される検出
信号Ｓ３と干渉計１７からの位置信号とを入力し、検出
信号Ｓ３の強度変化の中心位置を基準パターンＭＸのＸ
方向の位置、すなわちアライメントセンサー２４のマー
ク検出位置（スポット光ＳＰの照射位置）として算出す
る。主制御系２０は、先に求めた基準マークＲＭ₁の位
置とアライメントセンサー２４のマーク検出位置との差
をベースライン量ΔＸとして記憶する。これにより、ア
ライメントセンサー２４のベースライン計測動作が終了
する。

【００２８】尚、ここでは基準パターンＭＸを用いてア
ライメントセンサー２４のマーク検出位置を求めるよう
にしたが、例えば基準パターンＭＸ、ＭＹとは別に、パ
ターン板８上にアライメントセンサー２４に好適な回折
格子マーク（例えば図７中のＤＸ、ＤＹ）を形成してお
き、当該マークを用いてアライメントセンサー２４のマ
ーク検出位置を求めるようにしても良い。ここで、パタ
ーン板８上で回折格子マークＤＸと基準パターンＭＸと
がＸ方向にずれて形成されている場合には、そのずれ量
をベースライン量ΔＸにオフセットとして与える必要が
ある。但し、図７では上記ずれ量が零に定められてい
る。

【００２９】また、図７中の基準パターンＭＸと回折格
子マークＤＸとを用いれば、ベースラインの計測時間を
短縮できる。すなわち、パターン板８上で基準パターン
ＭＸと回折格子マークＤＸとは、基準パターンＭＸの投
影像とレチクルＲ上の基準マークＲＸ₁とが一致したと
き、アライメントセンサー２４のスポット光ＳＰと回折
格子マークＤＸとが重なるように、Ｙ方向に関して所定
間隔だけ離して形成されている。従って、ベースライン
計測時にはパターン板８をＸ方向に一度だけスキャン
（移動）するだけで、レチクルＲ上の基準マークＲＸ₁
の位置とアライメントセンサー２４のマーク検出位置と
を同時に検出することができ、計測時間の短縮が可能と
なる。尚、回折格子マークＤＸ、ＤＹは共に、パターン
板８上に遮光層（または凹凸）で形成した光反射性のマ
ークである。ところで、上記の如きベースライン計測は
単位枚数のウエハ毎に行うようにしても、あるいは計測
間隔を徐々に短くして行うようにしても良い。

【００３０】次に、上記構成の装置での投影光学系６の
結像特性、特にディストーションの計測動作について簡
単に説明する。ここでは、図６に示すテストレチクルＴ
Ｒを用いてディストーション計測を行うものとする。ま
た、テストレチクルＴＲはレチクルステージ５にローデ
ィングされ、既にレチクルアライメント、及び焦点位置
検出系１５、１６のキャリブーションが終了しており、
パターン板８の表面が投影光学系６の最良結像面と一致
しているものとする。

【００３１】図６に示すようにテストレチクルＴＲに
は、９つの十字状の基準マークＲＭ₁₁〜ＲＭ₃₃が形成さ
れている。尚、図６中に一点鎖線で示す円ＩＦは投影光
学系６のイメージフィールドを表している。また、テス
トレチクルＴＲ上での９つの基準マークの相互間隔は既
知であるとする。さて、主制御系２０は先のレチクルア
ライメントと全く同様の動作で、基準パターンＭＸを用
いて基準マークＲＭ₁₁のＸ方向の位置を検出した後、さ
らに基準パターンＭＹを用いて基準マークＲＭ₁₁のＹ方
向の位置を検出する。以下、残りの８つの基準マークの
各々に対して上記動作を繰り返し実行し、全ての基準マ
ークのＸ、Ｙ方向の位置を求める。しかる後、主制御系
２０は９つの基準マークのＸ、Ｙ方向の位置から基準マ
ークの相互間隔を算出し、この相互間隔と設計上の相互
間隔（既知）との差を投影光学系６のディストーション
量として求める。これにより、ディストーション計測が
終了する。尚、上記計測ではディストーション量ととも
に、投影倍率の誤差量までも算出できることは明らかで
ある。

【００３２】ところで、本実施例ではレチクルアライメ
ント、ベースライン計測、及びディストーション計測を
行う際、予めパターン板８の表面と投影光学系６の最良
結像面とを一致させておくものとした。これは、投影光
学系６のテレセン性（特にウエハ側）が悪いとき、デフ
ォーカス状態で基準パターンを用いて基準マークの位置
を計測すると、その計測値に誤差が生じるためである。
そこで、例えばレチクルＲ上の基準マークＲＸ₁を用
い、ウエハステージ７を所定量ずつＺ方向に移動しなが
ら、基準パターンＭＸを用いて各Ｚ位置での基準マーク
ＲＸ₁のＸ方向の位置を計測することで、予め投影光学
系６のウエハ側のテレセン性（主光線の傾き）を求めて
おく。そして、デフォーカス状態で基準マークの位置を
計測した場合には、先に求めておいたテレセン性とデフ
ォーカス量とに応じてその計測値を補正するようにすれ
ば、上記計測に先立ってパターン板８の表面と投影光学
系６の最良結像面とを一致させておく必要がなくなる。

【００３３】また、本実施例ではアライメントマークを
そのまま基準マークとして使用するものとしたが、アラ
イメントマークとは別に基準マークを配置するようにし
ても良い。さらに、図４の如く基準マークとして１本の
バーマークを用いていたが、基準マークの形状は任意で
良く、例えば複数本のバーマークからなる、いわゆるマ
ルチマーク、図７中に示した回折格子マーク（ＤＸ、Ｄ
Ｙ）、あるいは直格子マーク等を用いても良い。また、
パターン板８上の基準パターンの形状も任意で良く、例
えば図７中の回折格子マーク（ＤＸ、ＤＹ）を用いるよ
うにしても良い。

【００３４】さらに、本実施例では基準マークの位置を
計測する際、レチクルＲとパターン板８とを投影光学系
６の光軸と垂直な面内で相対移動させていたが、例えば
図８（ａ）に示す如き構成を採ることにより、両者を静
止させた状態で基準マークの位置を計測することができ
る。尚、図８（ａ）では図１と同一の部材には同じ符号
を付している。

【００３５】図８（ａ）において、照明光源１０からの
照明光ＬＢは光ファイバー１１、集光レンズ系１２、及
びビームスプリッター（ハーフミラー）３０を介してパ
ターン板８をその下面から照明する。パターン板８に
は、図８（ｂ）に示す如き基準パターンＦＸが形成され
ており、このパターンＦＸを透過した光は投影光学系６
に入射し、投影光学系６は基準パターンＦＸの投影像を
レチクルＲの下面に形成する。レチクルＲの下面で反射
した光は投影光学系６、基準パターンＦＸ、及びビーム
スプリッター３０を通過した後、レンズ系３１により撮
像素子（ＣＣＤカメラ等）３２の受光面に入射する。撮
像素子３２の受光面はパターン板８の表面と共役に配置
されており、この受光面上には基準パターンＦＸの像と
ともにレチクルＲ上の基準マーク（例えばＲＸ₁)の像も
結像される。

【００３６】さて、撮像素子３２の受光面では、図８
（ｃ）に示すように基準パターンＦＸの像ＦＸｇと基準
マークＲＸ₁の像ＲＸｇとが重なっている。従って、両
者の重なり部分のＹ方向の間隔ΔＬＹを計測し、所定の
変換式を用いることによって、２つの像のＸ方向の位置
ずれ量ΔＬＸを精度良く算出できる。そこで、このずれ
量ΔＬＸと干渉計１７からの位置信号とを用いて、基準
マークＲＸ₁のＸ方向の位置を算出すれば良い。

【００３７】以上の構成によれば、ウエハステージ７を
微動せずとも、レチクルＲ上の基準マークの位置を求め
ることできるとともに、光電検出器１４の検出信号Ｓ１
を用いることで、上記実施例と全く同様に投影光学系６
の焦点位置も検出することができる。ここで、図８
（ａ）では光電検出器１４と撮像素子３２とを用いてい
たが、例えば撮像素子３２としてランダムアクセス可能
な２次元アレイを用いるようにし、２次元アレイの１つ
の素子からの出力を、光電検出器１４の検出信号Ｓ１の
代わりに用いれば、光電検出器１４を設けることなく、
撮像素子３２だけで焦点検出、及び基準マークの位置計
測を行うことが可能となる。

【００３８】以上の実施例では、パターン板８上の基準
パターンを用いて投影光学系６の結像特性、すなわち焦
点位置、非点収差、像面湾曲、さらにはディストーショ
ン、投影倍率を計測可能であるとともに、レチクルアラ
イメントやベースライン計測を行うことができる。従っ
て、ウエハステージ７上に設けるパターン板は１つで済
み、ステージ上での配置に制約が少なくなり、かつスペ
ースを節約できるといった利点がある。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、基板ステ
ージに載置された基準パターンを通して照明光を送受光
する構成をとっているので、照明光学系を大型化するこ
となく、マスク上の任意の位置に形成された基準マーク
の位置を検出できる。また、基準パターンを用いてアラ
イメントセンサーのマーク検出位置もできるので、アラ
イメントセンサーのベースライン管理が可能となる。さ
らに、投影光学系の結像特性、特にディストーションや
投影倍率までも簡単に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の概略的な
構成を示す図。

【図２】図１中のパターン板の具体的な構成を示す図。

【図３】投影光学系の焦点位置計測の説明に供する図。

【図４】図１中のレチクルの具体的な構成を示す図。

【図５】レチクル上の基準マークの計測動作の説明に供
する図。

【図６】投影光学系のディストーション計測に適用する
のに好適なレチクルの一例を示す図。

【図７】ベースライン計測に好適なパターン板の構成を
示す図。

【図８】図１中に示したレチクル上の基準マークの検出
系の変形例を示す図。

【符号の説明】

６投影光学系７ウエハステージ８パターン板９ウエハ１０照明光源１１光ファイバー１４光電検出器１５、１６焦点位置検出系１８干渉計２０主制御系２１ステージコントローラ２２信号処理ユニット２４アライメントセンサーＲレチクルＭＸ、ＭＹ基準パターンＲＸ₁、ＲＸ₂、ＲＹ₁、ＲＹ₂ 基準マーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光をマスクに照射する照
明光学系と、前記マスクに形成されたパターンを感光基
板に結像投影する投影光学系と、前記感光基板を保持し
て前記投影光学系の光軸と垂直な面内で２次元移動可能
な基板ステージとを備えた投影露光装置において、前記基板ステージの一部に設けられ、所定形状の基準パ
ターンを有するパターン板と；該パターン板の下面より
前記照明光とほぼ同一波長の照明光を前記基準パターン
に照射する照明手段と；前記基準パターンを透過して前
記投影光学系を介して前記マスクのパターン面に照射さ
れ、該パターン面から反射されて前記投影光学系及び前
記基準パターンを介して戻された光束を受光する受光手
段と；該受光手段から出力される検出信号に基づいて前
記基準マークの位置を検出する位置検出手段とを備えた
ことを特徴とする投影露光装置。