JPH07123102B2

JPH07123102B2 - 投影光学装置

Info

Publication number: JPH07123102B2
Application number: JP61252085A
Authority: JP
Inventors: 健爾西; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1986-10-24
Publication date: 1995-12-25
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPS63107114A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は投影光学装置に関し、とくにそのアライメン
ト系に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体露光装置の投影光学装置はテレセントリッ
クすなわち射出瞳がほぼ無限遠の光学系で構成されてい
るために、ウエハへの入射光路と、ウエハ面で反射して
戻ってくる光路は共通すなわち同一経路をとる。したが
って、これらの光をマスクの上方に設けられたアライメ
ント系内で分割してその位置情報を検出する手段として
ハーフミラー等の分割器を光路内に設ける方式によっ
て、この分割ビームを用いて例えばアライメント光学系
の検出光として取出している。このようなアライメント
系の構成は、例えば特開昭57−142612号公報に開示され
ている通り公知である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような従来の投影光学装置においては、光路内に
ハーフミラー等を用いて照明光とアライメント光学系へ
の検出光とを分割しているので、アライメント光学系に
戻ってくる光量は上記ハーフミラーを最低２回通過しな
ければならないために、照明系の光量に対して最大でも
25％の光量しか得られないことになり、満足されるアラ
イメント精度が得られない原因となることがあった。

この発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
で、光量損失が非常に少なく、かつアライメント精度が
改良される光学系を採用したアライメント系を得ること
を目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る投影光学装置においては、射出瞳がほぼ
無限遠（テレセントリック）な投影レンズが使われる。
マスク（レチクルも同義）にはアライメント用のマーク
が設けられており、このマークは投影レンズを介して被
投影基板としてのウエハ（又はステージ上の基準板）に
設けられたマークと位置合わせするために使われる。マ
スク又は基板上のマークには光源から対物光学系を介し
て観察又は検出用の照明光が送られる。さらにこの対物
光学系はマスク上のマークと、投影レンズにより逆投影
されたウエハ上のマークの像との整合状態を、所定の観
察面上に結像するために設けられる。そして光源と対物
光学系との間で、投影レンズの瞳と共役な位置（光源が
点光源と考えられる場合は、ここに光源像が形成され
る）には、瞳を中心で２分割したとき、その２分割され
た一方の領域の少なくとも一部に照明光が通るように制
限する光学部材（反射ミラー等）が設けられる。

本発明では、アライメント用の照明光は、所謂瞳分割方
式でウエハ上に照射されるため、ウエハ面での照明光は
垂直ではなく角度をもつ。このためアライメント用のマ
ークが単純な１本の直線パターンであり、そのマークの
直線エッジをアライメント検出に使う場合、直線エッジ
を含む平面内で照明光が傾いているようにすることがア
ライメントのためには望ましい。

〔作用〕

この発明においては、テレセントリックな投影光学系
で、アライメント系の光路にハーフミラー等の分割器を
使用しない光学系とするために、照明光の光路と被投影
基板すなわちウエハ面で反射してきた戻り光の光路を投
影光学系の瞳と共役な位置で分離して、光量的な損失を
少なくできることを技術的要点とするもので、このた
め、S/N比の高い位置検出のための電気的な出力波形が
得られて、アライメント精度が向上する。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す投影光学装置の説明
図である。図において、光源（図示は省略）から出射さ
れた光はコンデンサレンズ１で集束され、図の矢印のよ
うにほゞ均一な強度分布の照明光としてマスクすなわち
レチクル２を照射する。レチクルパターン又はレチクル
マーク３の像は投影レンズ５によってステージ11上に載
置されたウエハ６上に縮少投影される。投影レンズ５は
前記テレセントリックな主光学系を形成している。ま
た、ステージ11は干渉計９によってＸ及びＹとθ（角
度）の位置計測が行われる。この位置（座標）情報は制
御装置19に送られ、制御装置19は駆動装置10に対してス
テージ11を任意の位置に移動及び停止の指示を行なう機
構を備えてステージの移動手段を形成している。

一方、第１図の右上部分に示した光学系は、コンデンサ
レンズ１とレチクル２の間の所定位置に設置されたミラ
ー４を含め、投影レンズ５と共同してアライメント装置
を構成するものである。アライメント装置はアライメン
ト光源12から発する光を光フアイバ13と２個のレンズ21
及び22と視野絞り23によって集光するが、その光は投影
レンズ５の瞳と共役な位置Ａに設けた折返しミラー（全
反射鏡）20で瞳の半分に相当する部分が直角に偏向さ
れ、第１図中の斜線部で示すように第１対物レンズ14の
上半分を通過してミラー４に達しミラー４によって反射
されレチクルマーク３の位置で集束したのち投影レンズ
５の瞳epの半分の領域を介してウエハ６の表面にあるウ
エハマーク７位置に結像される。このため、アライメン
ト用の照明系の主光線はウエハ６に対して垂直から傾い
た光路をもつ。すなわち、投影レンズ５の光軸AXを含む
平面内で照明光が傾いたものとなる。そして、ウエハマ
ーク７からの戻り光、特に正反射光は瞳epの他方の半分
の領域を介して、レチクルマーク３の位置に結像し、さ
らにレチクル３を透過して第１対物レンズ14の下半分を
通り、瞳共役位置Ａを折返しミラー20に遮光されること
なく通過し、第２対物レンズ15の下半分を通って集束さ
れ、撮像管17の撮像面に結像される。撮像面にはレチク
ルマーク３とウエハマーク７の両方の像が形成され、両
マークの相対的な位置情報（画像信号）が撮像管17より
得られる。

上記戻り光のうち正反射光は光量的な損失（もちろんレ
ンズの透過率による損失はある）をアライメント系によ
っては全く受けることなく、撮像管17によって受光され
たのち、アライメント系の波形処理装置18によって、レ
チクルマーク３とウエハマーク７の位置ずれを計測し、
制御装置19にその結果を伝え、制御装置19はその結果に
もとづいて駆動装置10がステージ11を駆動してアライメ
ントが自動的に行われる。

上記のようなアライメント系の構成によって、アライメ
ント用の光を分割する分割器を使用しないために、光量
の損失がなくなり、撮像管17で光電変換したときのS/N
比が非常に高く、アライメント精度が向上する利点が得
られる。また、この光学系はＭ方向（投影レンズ５の光
軸AXを通る半径方向）に対してはテレセントリック性を
くずしており、かつ開口数NAもＭ方向のみ小さくなって
いるが、アライメント計測をＳ方向（Ｍ方向と直交する
方向）で行うようにすれば、その影響は測定精度に対し
て無視できることになる。また、Ｓ方向に対しては主光
線はテレセントリック系のためウエハ６に対してほぼ垂
直に入射するので、Ｓ方向に関してはデイフォーカス
（焦点ぼけ）時にマーク像のシフトがおこることもな
い。ただし、Ｍ方向に関してはマークシフト（像シフ
ト）が起る。

第２図は瞳位置Ａにおける瞳像ep′での照明光と戻り光
の配置関係を示す説明図である。図において、中心線Cl
より左側斜線部は照明光IAの分布を示し、右側は戻り光
の分布を示している。図において、戻り光の場合、Ｓ方
向の像の形成に関与する０次光（正反射光）R₀及び回折
光（図には１次光のみを示した）R₁はその大部分が撮像
管17で受光できることがわかる。なお、照明光IAの瞳像
ep′上での分布は第２図のように半円状になっている
が、第２図の中心線Clより左側にある限り、マークに適
した任意の分布をえらぶことができ、照明光と戻り光の
うちの正反射光とはほぼ完全に分離できる。

第３図に、レチクルマーク３とウエハマーク７の像形状
とその波形信号を示した。第３図（Ａ）はアライメント
時のレチクルマーク３の像3a及び3bとウエハマーク７の
像7aの関係位置を示したものであり、第３図（Ａ）に対
応する画像信号の波形を第３図（Ｂ）の説明図に示し
た。例えば、第３図（Ａ）においてレチクルマーク３が
3aと3bの２本からなり、その間隔Ｌを30μｍの設計値と
したとき、第３図（Ｂ）のようにレチクルマーク３によ
ってできる波形の中心位置ａとし、ウエハマークの像7a
の中心位置をｂとすれば、ａとｂのずれ量αはレチクル
マークの波形3aと3bの距離からミクロン単位で換算して
求めることができる。すなわち、次式を用いて求めてやればよい。実際には、ずれ量α＝０と
なるように前記の手段で制御することによって、アライ
メント作業が完了することになる。

尚、第３図において、レチクルマーク３の像3a,3bは撮
像管17の撮像面では暗部として結像される。これは投影
レンズ５の射出瞳が無限遠にあることと密接な関係があ
る。第１図に示したように、投影レンズ５のレチクル２
側が非テレセントリックな場合、レチクルマーク３の中
心と瞳epの中心を結ぶ主光線は光軸AXに対して傾くこと
になる。このため第１対物レンズ14を介してレチクル２
を照明するマーク３からの直接の反射光は第１対物レン
ズ14には戻らない。そしてマーク３の回りの透明部、投
影レンズ５を介してウエハ６に到達した照明光の反射光
が、再びレチクル２の下面を照明することになる。もち
ろんマーク３の像はウエハ６上に投影されるから、その
反射像もレチクル２の下面に逆投影される。しかしなが
ら投影レンズ５のウエハ側がテレセントリックである
と、その逆投影像はレチクルマーク３と全く重ね合わさ
って結像されることになる。このため、撮像管17には、
ウエハ７で反射された照明光が投影レンズ５を介してマ
ーク３を透過照明した状態でマーク３の像が結像するこ
とになり、マーク３は暗部として見えるのである。

尚、第１図の実施例でアライメント用の照明光はミラー
20で折返して第１対物レンズ14の上半分に入射している
が、この照明光の入れ方は、Ｍ方向に関して瞳分割がで
きればどのようなものであってもよい。例えば光源12、
ファイバー13、レンズ21,22、絞り23で構成される系と
第２対物レンズ15、撮像管17で構成される系との配置を
入れ替えてもよい。

なお、本発明によるアライメント系の光学系、すなわち
照明光とウエハ面（又は像面に位置した基準マーク板
８）で反射してきた戻り光の光路を瞳で分離する光学系
では、アライメント系の照明用光源としてレーザを使用
した場合でも、レーザ光源に光が戻るいわゆるバックト
ークを防ぐことができ、それによる障害を防止すること
にも有効であることはいうまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したとおり、アライメント系の照明
光及び照明された物体からの反射光（０次光，回折光，
散乱光）の光路にハーフミラー等を使用しないので、光
量的な損失がなくS/N比の高い検出波形を得られること
によるアライメント精度の向上に著るしい効果がある。
その上、レチクルマークとステージ上に設けられた標準
マーク板８に形成されたフィデューシャルマーク（ウエ
ハマーク７と同形）でアライメントを行えば、オフアク
シスアライメント光学系16に対するベースライン計測
（アライメント光学系16の検出中心とレチクルマーク３
の投影位置との物理的な間隔の測定）を行うことにもな
り、この面でも有効な手段となる。

さらに、本発明を合焦装置として用いることもできる。
すなわち、投影レンズ５の視野内でＳ方向に伸びたエッ
ジを持つウエハマークはテレセントリック性ずれのため
に、デイフォーカス時に撮像管17の結像面でＭ方向にマ
ークシフトをおこす。この現象を利用すれば合焦時のマ
ーク位置を記憶しておき、その位置とのずれを検出する
ことによって、合焦検出も行うことができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す投影光学装置の説明
図、第２図はアライメント光学系の瞳位置での照明光と
戻り光の配置説明図、第３図はレチクルマークとウエハ
マークによる像形状とその波形信号との関係を示す説明
図である。図において、１はコンデンサレンズ、２はレチクル、３
はレチクルマーク、４はミラー、５は投影レンズ、６は
ウエハ、７はウエハマーク、８は標準マーク（FM）、９
は干渉計、10は駆動装置、11はステージ、12はアライメ
ント光源、13は光ファイバ、14は第１対物レンズ、15は
第２対物レンズ、16はオフアキシス方式アライメント光
学系、17は撮像管、18は波形処理装置、19は制御装置、
20は折返しミラー、21はミラー、22はミラー、23は視野
絞りである。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上のパターンを射出瞳がほぼ無限遠
の投影光学系を介して被投影基板に投影する投影光学装
置において、上記投影光学装置を介して前記基板に照明
光を送るための光源と、該光源とマスクとの間に配置さ
れ、上記照明光を前記マスクに向けて照射するととも
に、上記投影光学系と上記マスクとを介して得られる前
記基板からの光情報を入射し、所定の検出面に結像させ
る対物光学系と、該対物光学系と前記光源との間で、前
記投影光学系の前記射出瞳とほぼ共役な位置に配置さ
れ、該射出瞳を中心で２分割したとき、該２分割された
一方の領域の少くとも１部に前記照明光が通るように制
限する制限部材とを設けたことを特徴とする投影光学装
置。