JPH088204B2

JPH088204B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH088204B2
Application number: JP63101924A
Authority: JP
Inventors: 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH01273318A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体集積回路製造用の投影露光装置におけ
る位置合わせ装置に係るものであり、特に投影レンズの
光軸方向の位置合わせを行う焦点位置制御に関するもの
である。

〔従来の技術〕

半導体集積回路の製造におけるリソグラフィー工程に
おいて、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型
露光装置、所謂ステッパーは中心的役割を担うようにな
っている。このステッパーには、一般に大きな開口数
（N.A.）を有する投影レンズが用いられているが、最近
ではサブ・ミクロンオーダで形成される回路パターンの
最小線幅に対応して開口数（N.A.）がさらに増大し、投
影レンズの実用焦点深度は非常に小さくなっている。ま
た、露光が長時間連続して行われると投影レンズは露光
光による照射エネルギーを吸収して温度が上昇し、この
投影レンズの温度変化、即ち照射エネルギーの投影レン
ズへの熱蓄積量に応じて、投影レンズの結像面内で焦点
位置が光軸方向に変化するために結像面が変動し得る。
このため、マスク或いはレチクル（以下、レチクルと呼
ぶ）に形成された回路パターンの投影像を感光基板（以
下、ウエハと呼ぶ）上に正確に結像しないと、ウエハ上
ではボケたパターンが形成され解像不良という問題が生
じる。そこで、例えば本願出願人が先に出願した特開昭
60−168112号公報に開示されている装置を用いて、投影
レンズの結像面とウエハ面とを一致させている。この装
置ではレチクル上の第１マークを検出すると共に、ウエ
ハ上の第２マークを投影レンズを介して検出する、所謂
スルー・ザ・レンズ（TTL）方式の光学系を設け、第１
マークに対してはこの光学系を調整して焦点合わせを行
い、その後第２マークに対してはウエハと投影レンズと
の間隔を光軸方向に変化させて焦点合わせを行うように
構成されている。これより、レチクルとウエハとは投影
レンズに関して共役に維持され、ウエハ上にはレチクル
の回路パターンの投影像が常に全焦状態（ベストフォー
カス）で投影される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この種の装置においてレチクル上の第
１マークは、パターン領域に付随して投影レンズの露光
フィールド内の周辺に形成され、露光フィールドの端部
においてのみ焦点位置の検出が行われることになる。こ
のため、露光フィールド中央での焦点位置は検出され
ず、投影レンズの像面湾曲を計測することができない。
従って、像面湾曲を計測するためには試し焼き等を行わ
なければならないという問題点があった。また、通常レ
チクル上においてサジタル方向（以下、Ｓ方向と呼ぶ）
に伸びて形成される矩形状マークを用い、そのマーク位
置での焦点位置を検出しているが、このように検出され
る焦点位置（以下、Ｓ方向の焦点位置と呼ぶ）と、メリ
ディオナル方向（Ｍ方向）に伸びた矩形状マークから検
出される焦点位置（以下、Ｍ方向の焦点位置と呼ぶ）と
では、投影レンズの非点収差によってオフセットが生じ
る。この結果、焦点位置の検出精度が低下すると共に、
Ｓ方向及びＭ方向の焦点位置で論じられる投影レンズの
解像限界が低下するという問題点があった。さらに、照
射エネルギーの投影レンズへの熱蓄積量に応じた結像面
の変動に追従して、ウエハの表面位置を制御することが
できず、この焦点ずれ、像面湾曲或いは像面傾斜等によ
って露光時の結像性能が劣化するという問題点もあっ
た。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、オフセ
ットが生じることなく焦点位置の検出を行うと共に、投
影レンズの熱蓄積量に応じた結像面の変動に追従して、
高精度、短時間にウエハ面を最適な露光位置にセット
し、常に合焦状態（ベストフォーカス）で露光を行うこ
とができる投影露光装置を得ることを目的としている。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決するために本発明においては、Ｙ
軸、Ｘ軸方向にそれぞれ伸びて形成される光透過性の矩
形状のマークFMx、FMyを有する基準パターンとしてのフ
ィデューシャル・マークFMが設けられた基準部材20と、
基準部材20に関して投影レンズ６と反対側のウエハステ
ージ９内に配置され、フィデューシャル・マークFMを裏
面から照明する照明系としてのファイバー21を各種アラ
イメント系のチェック等のために有すると共に、レチク
ルＲのパターン領域Paに形成された回路パターンを投影
レンズ６を介してウエハＷ上に投影露光する装置におい
て、フィデューシャル・マークFMを透過した光のうち、
投影レンズ６を介してレチクルＲを通過して、ハーフミ
ラー24によって２分割される光のうち、ハーフミラー24
で反射される光の光路中に投影レンズ６の瞳面Epと略共
役な位置Epxに配置され、瞳像Ep′をＸ軸方向に関して
波面分割する光分割器25xと、この２分割される光をそ
れぞれ受光するディテクター25a、25bとを有し、Ｙ軸方
向に伸びたマークを用いてＳ方向或いはＭ方向の焦点位
置を検出する第１焦点位置検出系25と、ハーフミラー24
を透過する光の光路中に投影レンズ６の瞳面Epと略共役
な位置Epyに配置され、瞳像Ep′をＹ軸方向に関して波
面分割する光分割器26yと、この２分割される光をそれ
ぞれ受光するディテクター26a、26bとを有し、Ｘ軸方向
に伸びたマークを用いてＳ方向或いはＭ方向の焦点位置
を検出する第２焦点位置検出系26と；ウエハステージ９
上に設けられ、レチクルＲのパターン領域Paを介して投
影レンズ６に入射する照射エネルギー量に応じた信号を
発生するディテクター12の出力信号と、露光光の光路中
に設けられたロータリーシャッターの閉鎖及び開放時間
とから算出される照射エネルギーの投影レンズ６への熱
蓄積量に応じて生じる結像面内の複数点での焦点位置の
変動特性を、予め記憶する変動特性記憶手段としてのメ
モリ28と；第１焦点位置検出系25或いは第２焦点位置検
出系26の出力信号に基づいて検出される投影レンズ６の
結像面内の少なくとも１点での焦点位置と、予めメモリ
28に記憶された変動特性とに基づいて、投影レンズ６の
結像面の状態（像面湾曲、像面傾斜等）を算出し、この
結像面の状態に応じて結像面に対するウエハＷの表面位
置を制御する主制御装置30とを設ける。

〔作用〕

本発明では、Ｓ方向及びＭ方向にそれぞれ伸びた矩形
状マークとから成るレチクルマークを備えたテストレチ
クルを用い、露光フィールド内の複数点でのＳ方向とＭ
方向の焦点位置を適当な熱蓄積量毎に検出し、熱蓄積量
によって生じるＳ方向とＭ方向の焦点位置の変動特性を
メモリに記憶しておく。そして、露光中はデバイス用の
レチクルに形成された少なくとも１つのアライメントマ
ークを用いて検出されるＳ方向或いはＭ方向の焦点位置
と、メモリ上の焦点位置の変動特性とに基づいて、投影
レンズの結像面の状態（像面湾曲、像面傾斜等）を算出
するように構成している。従って、この結像面の状態の
変動に追従してウエハ上の露光領域の表面位置を制御
し、露光領域表面を最適な露光位置に維持するため、焦
点ずれや像面湾曲等による解像不良等の発生を防止で
き、常に合焦状態（ベストフォーカス）で露光を行うこ
とができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳述する。第
１図は本発明の第１の実施例による合焦機能を有するス
テッパーの概略的な構成を示す図である。

第１図において、不図示の露光用照明光源はｇ線、ｉ
線等のレジストを感光するような波長（露光波長）の照
明光を発生し、この照明光はフライアイレンズ１及びビ
ームスプリッター２を通った後、ミラー３を介してコン
デンサーレンズ４に至り、レチクルステージ５に保持さ
れるレチクルＲのパターン領域Paを均一な照度で照明す
る。ここで、第２図（ａ）に示すようにレチクルＲには
アライメントマークRMとして、透明窓にクロム層で形成
される十字マークを有するアライメントマークRMb〜RMe
が、パターン領域Paに付随して投影レンズ６の露光フィ
ールドIF内に設けられている。また、第２図（ｂ）にテ
ストレチクルTRの概略的な構成を示す。同図において、
レチクルマークRb〜ReはレチクルＲのアライメントマー
クRMb〜RMeと対応するように、投影レンズ６の露光フィ
ールドIF内に配置され、レチクルマークRaはテストレチ
クルTRの中央に設けられている。このレチクルマークRa
〜Re、例えばレチクルマークRbは、第３図に示すように
透明窓にＹ軸、Ｘ軸方向に伸びてクロム層で形成される
矩形状のマークRbx、Rbyを有している。さて、第１図に
示すように両側若しくは片側テレセントリックな投影レ
ンズ６は、レチクルＲのパターン領域Paに描かれた回路
パターンまたはアライメントマークRMの像をレジストが
塗布されたウエハＷ上に投影する。但し、アライメント
マークRMは不図示のレチクルブラインドによって実素子
露光時には遮光されることもある。ウエハＷは不図示の
ウエハホルダー（θテーブル）を介して、ティルティン
グステージ（以下、レベリングステージと呼ぶ）７上に
保持される。このレベリングステージ７はウエハステー
ジ９上に設けられ、駆動部８によって任意方向に傾斜可
能となっている。

さて、ウエハステージ９のＸ方向の位置はレーザ干渉
計10と、ウエハステージ９上に設けられた平面鏡10mと
によって検出される。ウエハステージ９上には、投影レ
ンズ６を通過した露光光量を検出する光電検出器（ディ
テクター）12が設けられている。このディテクター12の
受光面の大きさはレチクルＲのパターン領域Paの投影像
の大きさと等しいか、それよりも大きく定められ、レチ
クルＲ及び投影レンズ６を通る露光光の全てを受光す
る。また、ウエハステージ９上には焦点合わせ、ベース
ライン計測等を行う際に用いられるフィデューシャル・
マークFMを備えたガラス基板等の基準部材20が、ウエハ
Ｗの表面位置と略一致するように設けられている。この
基準部材20には、フィデューシャル・マークFMとして、
焦点合わせ等に用いられるＹ軸、Ｘ軸方向にそれぞれ伸
びた光透過性のスリットパターンである矩形状のマーク
FMx、FMyが形成されている。

フィデューシャル・マークFMは、ファイバー21を用い
て基準部材20の下へ伝送されたｇ線、ｉ線等の照明光
（露光光）によって、レンズ22とミラー23を介して下方
（ウエハステージ９内部）から照明される。そして、フ
ィデューシャル・マークFMを透過した照明光は、投影レ
ンズ６を介してレチクルＲのパターン面に、フィデュー
シャル・マークFMの投影像を結像する。さらに、アライ
メントマークRMに遮られることなくレチクルＲを透過し
た光は、コンデンサーレンズ４、ビームスプリッター２
等を介してハーフミラー24に入射する。このハーフミラ
ー24において２分割された照明光は、それぞれ投影レン
ズ６の瞳面Epと略共役な位置Epx、Epyに配置される光分
割器25x、26yに至る。ここで、第４図（ａ）に示すよう
に光分割器25xは投影レンズ６の瞳像Ep′をＸ軸方向に
関して波面分割し、この２分割された照明光Exa、Exbは
それぞれディテクター25a、25bによって受光される。こ
の光分割器25x及びディテクター25a、25bから成る第１
焦点位置検出系25は、アライメントマークRM（十字マー
ク）のＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部を用いた焦点位
置検出時に使用される。また、同様に第４図（ｂ）に示
す光分割器26yは瞳像Ep′をＹ軸方向に関して波面分割
し、この２分割された照明光Eya、Eybはそれぞれディテ
クター26a、26bによって受光される。この光分割器26y
及びディテクター26a、26bから成る第２焦点位置検出系
26は、アライメントマークRMのＸ軸方向に伸びた矩形状
マーク部を用いた焦点位置検出時に使用される。

また、第１図において投影レンズ６の結像面に向けて
ピンホール或いはスリットの像を形成するための結像光
束を、ビームスプリッター33を介して投影レンズ６の光
軸に対して斜め方向より供給する照射光学計31aと、そ
の結像光束のウエハＷの表面での反射光束をビームスプ
リッター34を介して受光する受光光学系31bから成る斜
入射光方式の焦点検出系31が設けられている。この焦点
検出系31の構成等については、例えば本願出願人が先に
出願した特開昭60−168112号公報に開示されており、ウ
エハＷ表面の基準面に対する上下方向の位置を検出し、
ウエハＷと投影レンズ６の結像面との合焦状態を検出す
るものである。さらに、平行光束をビームスプリッター
33を介して投影レンズ６の光軸に対して斜め方向より供
給する照射光学系32aと、その平行光束のウエハＷの表
面での反射光束をビームスプリッター34を介して受光す
る受光光学系32bから成る水平位置検出系32が設けられ
ている。この水平位置検出系32の構成等については、例
えば本願出願人が先に出願した特開昭58−113706号公報
に開示されており、投影レンズ６の光軸に対するウエハ
Ｗ表面の垂直位置、即ち水平位置を検出するものであ
る。主制御装置30は第１焦点位置検出系25或いは第２焦
点位置検出系26を出力信号に基づいて、ウエハステージ
９の投影レンズ６の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置制御を
行う他に、焦点検出系31、水平位置検出系32等を含む装
置全体の動作を総括制御する。さらに、主制御装置30で
の演算値や各種アライメント系で検出された位置ずれ量
等に応じて、レベリングステージ７の駆動部８やウエハ
ステージ７の駆動部11等に所定の駆動指令を出力する。

尚、ビームスプリッター２は照明光路中に挿脱可能に
設けられた切換えミラーで、不図示の駆動装置によって
光路外へ退避できるようになっている。また、実際には
ミラー面に反射率数％のビームスプリッター部と全反射
ミラー部とを設け、本実施例における焦点位置検出時に
は全反射ミラーに、ウエハＷの反射率検出時にはビーム
スプリッターに切換えられるように構成することが望ま
しい。

次に、本実施例のように構成された装置の動作につい
て説明する。第１図において、主制御装置30は第２図
（ｂ）に示したテストレチクルTRを用い、適当な熱蓄積
量毎にその熱蓄積量に応じた投影レンズ６の結像面の所
定位置における焦点位置、即ち焦点位置の変動特性を検
出する。まず、第３図に示したレチクルマークRbを用い
た焦点位置検出、即ちレチクルマークRb（テストレチク
ルTR）とフィデューシャル・マークFM（基準部材20）と
の投影レンズ６の光軸方向の位置ずれ量（デフォーカス
量）を検出する。この際、露光用照明光の光路中に設け
られ、光路の閉鎖、開放を行うロータリーシャッター
（不図示）を用い、光路を閉鎖して露光光が投影レンズ
６に入射するのを防止しておく。

そこで、主制御装置30は駆動部11を介してウエハステ
ージ９をＺ方向に移動し、焦点検出系31を用いて基準部
材20を所定の位置（座標値Z₁）に位置決めする。そし
て、基準部材20をファイバー21で伝送された照明光で下
方から照明し、投影レンズ６を介してテストレチクルTR
のパターン面にマークFMxの投影像FMx′を結蔵させる。
次に、第５図（ａ）に示すように投影像FMx′がマークR
bxを相対的にＸ方向に走査するように、ウエハステージ
９をＸ方向に微動させる。この際、マークRbxに遮られ
ることなく、テストレチクルTRを透過した照明光は、コ
ンデンサーレンズ４、ミラー３及びビームスプリッター
２を介してハーフミラー24に入射する。そして、ハーフ
ミラー24において反射された照明光は第１焦点位置検出
系25に入射し、光分割器25xによってＸ軸方向に関して
２分割され、それぞれディテクター25a、25bに受光され
る。この際、投影像FMx′とマークRbxとが合致した時に
テストレチクルTRを通過する光量が最も少なくなり、順
次そのずれに応じて光量が増加する。次に、ディテクタ
ー25a、25bから出力される光電信号は波形処理装置27へ
出力され、波形処理装置27において光電信号がレーザ干
渉計10によるウエハステージ９の位置信号に同期して処
理される。この結果、第５図（ｂ）に示すような波形信
号S₁、S₂が検出され、波形処理装置27はこの波形信号
S₁、S₂を主制御装置30に出力する。ここで、光分割器25
xを用いて投影レンズ６の瞳面Epと略共役な位置Epxで照
明光を２分割（所謂、瞳分割）するので、この分割され
た照明光Exa、Exbの主光線は、それぞれ投影レンズ６の
光軸に対して傾斜（以下、この傾きをテレセン傾きと呼
ぶ）する。従って、基準部材20を所定位置（座標値Z₁）
にセットすると、投影レンズ６のレチクル側結像位置が
レチクルＲのパターンにおいてＸ軸方向にシフトする。
そこで、主制御装置30は光分割器25xによって２分割さ
れる照明光Exa、Exbによる投影像FMx′と、マークRbxと
がそれぞれ合致する位置、即ち波形信号S₁、S₂がボトム
となる位置ａ、ｂのＸ軸方向の位置を検出し、その値を
座標値X₁、X₂として記憶する。

次に、駆動部11をウエハステージ９をＺ方向に移動
し、焦点検出系31を用いて基準部材20を所定の位置（座
標値Z₂）に位置決めする。そして、上述と同様の動作で
座標値Z₂において照明光Exa、Exbによる投影像FMx′と
マークRbxが合致する位置を検出し、その値を座標値
X₁′、X₂′として記憶する。この結果得られた焦点位置
と合致位置との関係を第５図（ｃ）に示す。第５図
（ｃ）において、２本の直線の交点は投影像FMx′の像
シフトが生じない位置、即ちレチクルＲと基準部材20の
デフォーカス量が零となる位置（合焦位置Z₀）を表し、
各直線の傾きは照明光Exa、Exbのテレセン傾きに対応し
ている。そこで、主制御装置30は投影像FMx′とマークR
bxとが合致する位置と、照明光Exa、Exbのテレセン傾き
に基づいて、レチクルＲと基準部材20とのデフォーカス
量を算出し、その値をΔZbsとして記憶する。尚、この
デフォーカス量の検出は精度向上の点から上述の計測を
複数回行い、その結果得られた平均的な直線から算出し
たデフォーカス量を記憶しておくと良い。

次に、主制御装置30はマークRbyを用い、上述の動作
と同様にテストレチクルTRと基準部材20とのＹ方向での
デフォーカス量ΔZbmを第２焦点位置検出系26を用いて
検出する。そして、主制御装置30はマークRbx、Rbyを用
いて検出されたＳ方向（例えば、Ｘ軸方向）及びＭ方向
（例えば、Ｙ軸方向）のデフォーカス量ΔZbs、ΔZbmに
基づいて、例えばその平均値をとってレチクルマークRb
の位置でのデフォーカス量を決定する。さらに、主制御
装置30はレチクルマークRa、Rc、Rd、Reを用い、上述の
動作と同様に各レチクルマークでのＳ方向とＭ方向のデ
フォーカス量をそれぞれ検出し、それらの値及びこの各
値からレチクルマーク位置での正確なデフォーカス量Δ
Za、ΔZc、ΔZd、ΔZeを決定する。そして、これらの検
出結果を投影レンズ６の熱蓄積量が略零の時のデフォー
カス量として記憶する。

次に、主制御装置30はロータリーシャッターを駆動して
光路を開放し、露光光を投影レンズ６に入射させる。そ
して、上述したレチクルマークの位置でのデフォーカス
量の検出をテストレチクルTRのレチクルマークRa〜Reの
各々について、露光光による投影レンズ６の照射を行い
つつ適当な熱蓄積量毎に行い、各熱蓄積量に応じたレチ
クルマークRa〜Reの位置でのデフォーカス量を検出す
る。尚、主制御装置30は投影レンズ６の熱蓄積量をディ
テクター12の出力信号（単位時間当たりの照射エネルギ
ー量）と、露光光が投影レンズ６に入射している時間
（即ち、ロータリーシャッターの開放時間）に算出す
る。その結果、第６図に示すようなレチクルマークRa〜
Reの位置での熱蓄積量とデフォーカス量との関係を示す
曲線Ａ（ｔ）、Ｂ（ｔ）、Ｃ（ｔ）、Ｄ（ｔ）、Ｅ
（ｔ）が得られる。主制御装置30は、例えば各曲線を関
数で近似できる場合にはグラフを数式化してメモリ28に
記憶させ、近似できない場合には各計測点毎に、その関
係をメモリ28に記憶させる。そして、少なくとも１つの
レチクルマークの位置でのデフォーカス量、例えばマー
クRbxでのデフォーカス量ΔZbsを検出し、このマーク位
置での投影レンズ６の非点収差によるオフセットを考慮
したデフォーカス量ΔZbを検出できるようにすると共
に、他の４つのレチクルマークRa、Rc、Rd、Reの位置で
のデフォーカス量ΔZa、ΔZc、ΔZd、ΔZeも同様に検出
できるようにする。

以上の動作によりｚ軸方向の位置合わせ（焦点合わ
せ）に用いるデータ（焦点位置の変動特性）、即ち第６
図に示したような熱蓄積量Ｅに応じた各レチクルマーク
の位置でのデフォーカス量ΔＺのメモリ28への格納が終
了する。

尚、パターン領域Paに形成される回路パターンの形状
によって、テストレチクルTR及び各レチクルＲ毎に透過
率が異なり、この透過率の違いや露光用照明光源の減衰
等のため、投影レンズ６に入射する露光光の単位時間当
たりの照射エネルギー量が変化し得る。このため、実際
の露光時には上述のように検出した焦点位置の変動特性
にオフセットが生じる。そこで、テストレチクルTR使用
時にディテクター12を用いて投影レンズ６に入射する露
光光の単位時間当たりの照射エネルギー量を検出し、こ
の値をK₁としてメモリ28に格納しておく。

次に、上述したテストレチクルTRの代わりに、第２図
（ａ）に示したアライメントマークRMa〜RMeを有するレ
チクルＲを、レチクルステージ５にセットする。ここ
で、レチクルＲをセットした後にディテクター12を用い
て投影レンズ６に入射す露光光の単位時間当たりの照射
エネルギー量を検出し、この値K₂とメモリ28に記憶され
た値K₁との比（K₂/K₁）を補正定数Ｋとして算出し、メ
モリ28に格納しておく。さらに、この補正定数Ｋを用い
てメモリ28に記憶された変動特性の変動量を補正、即ち
変動量をＫ倍し、このＫ倍した焦点位置の変動特性をメ
モリ２に格納しておく。そして、テストレチクルTRのレ
チクルマークRbに対応するレチクルＲのアライメントマ
ークRMbを用い、上述と同様の動作でアライメントマー
クRMb、即ちＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部でのデフ
ォーカス量ΔZbsを検出する。そして、このデフォーカ
ス量ΔZbsとメモリ28のデータ（Ｋ倍された焦点位置の
変動特性）に基づいて、アライメントマークRc、Rd、Re
の位置でのデフォーカス量ΔZc、ΔZd、ΔZeと、レチク
ルＲの中心位置でのデフォーカス量ΔZaとを、メモリ28
上の値から求める。次に、この各位置でのデフォーカス
量ΔZa〜ΔZeに基づいて、投影レンズ６の像面湾曲を考
慮した最適な焦点位置に対するデフォーカス量ΔＺを以
下の式（１）から算出する。

また、Ｘ軸、Ｙ軸方向への像面傾斜量Δθｘ、Δθｙ
を以下の式（２）、（３）から算出する。但し、レチク
ルＲの中心から各アライメントマークRMb〜RMeまでの距
離をｌとする。

次に、主制御装置30は焦点検出系31によるウエハＷの
露光領域の所定位置（座標値Z₂）での検出値がΔＺだけ
変化するように、駆動部11を介してウエハステージ９を
Ｚ軸方向にデフォーカス量ΔＺだけ移動させる。さら
に、水平位置検出系32によるウエハＷ上の露光領域での
Ｘ軸、Ｙ軸方向の検出値がそれぞれ像面傾斜量Δθｘ、
Δθｙと一致するように、駆動部８を介してレベリング
ステージ７を傾ける。これより、レチクルＲとウエハＷ
上の露光領域とが投影レンズ６に関して共役な位置にセ
ットされると共に、投影レンズ６の像面湾曲、像面傾斜
等による解像不良の発生等が防止され、Ｚ軸方向の位置
合わせ（焦点合わせ）が終了する。尚、上述の式（１）
より算出されるデフォーカス量ΔＺを、アライメントマ
ークRMa〜RMeでのデフォーカス量ΔZa〜ΔZeから平均化
して求め、その値に応じてウエハＷ上の露光領域の位置
を調整すれば、より精度良くＺ軸方向の位置合わせを行
うことができる。

さて、露光を長時間連続して行うと、熱蓄積量に応じ
て投影レンズ６の結像面の状態が変動し、解像不良等が
発生し得る。そこで、長時間連続して露光を行う場合に
は、適宜任意のアライメントマーク、例えばアライメン
トマークRMbのＹ軸方向に伸びた矩形状マーク部を用
い、上述と同様の動作でデフォーカス量ΔZbsを検出す
る。そして、このデフォーカス量ΔZbsが所定の許容範
囲を越える時には、デフォーカス量ΔZbsとメモリ28上
のデータから、各アライメントマーク位置でのデフォー
カス量を求め、この各位置でのデフォーカス量に基づい
て、式（１）〜（３）からデフォーカス量ΔＺと像面傾
斜量Δθｘ、Δθｙを算出する。次に、主制御装置30は
この結果に応じて駆動部８、11に所定の駆動指令を出力
し、ウエハＷ上の露光領域を最適な露光位置にセットす
る。この動作を適宜繰り返して行うことにより、投影レ
ンズ６の熱蓄積量Ｅに応じた結像面の状態の変動に追従
して、Ｚ軸方向の位置合わせを行うことができる。

また、ウエハＷにレジストの厚みムラ等が生じている
場合には、上述の式（１）で算出されるデフォーカス量
ΔＺだけオフセットが生じる、即ち最適焦点位置が零点
基準となるように、受光光学系31bの内部に設けられた
平行平板ガラス（プレーンパラレル）の角度を調整し、
焦点検出系31のキャリブレーションを行う。そして、こ
の焦点検出系31を用いて露光領域毎にウエハＷ上の露光
領域のＺ軸方向の位置を検出し、この位置と零点基準と
の差が零となるように、焦点検出系31の出力信号に基づ
いてウエハステージ９をＺ軸方向に移動させることによ
り、レジストの厚みムラ等による解像不良等の発生が防
止できる。また、焦点検出系31による焦点合わせと平行
して、露光領域毎に水平位置検出系32を用い、この水平
位置検出系32の出力信号に基づいて露光領域面の傾きが
像面傾斜量Δθｘ、Δθｙと一致するようにレベリング
ステージ７を駆動すれば、同様に解像不良等の発生が防
止され、ウエハＷ全面で高精度の露光を行うことができ
る。

尚、本実施例では第１焦点位置検出系25と第２焦点位
置検出系26とを設けて焦点位置検出を行っていたが、特
に２組の焦点位置検出系を用いる必要はなく、例えば投
影レンズ６の瞳像Ep′を座標系XYの面内で45度傾いた方
向に波面分割するよう、光分割器を投影レンズ６の瞳面
Epと略共役な位置に設け、この光分割器によって２分割
される照明光をそれぞれ受光するように２つのディテク
ターを配置すれば、１組の焦点位置検出系でも同様の効
果を得られることは明らかである。

また、本実施例では少なくとも１つのアライメントマ
ーク（例えば、RMb）の位置でのＳ方向（或いはＭ方
向）のデフォーカス量ΔZbs（ΔZbm）を検出し、このデ
フォーカス量ΔZbsとメモリ28のデータとに基づいて、
式（１）〜（３）からデフォーカス量ΔＺが及び像面湾
曲量Δθｘ、Δθｙを算出していた。しかし、ディテク
ター12の出力信号（単位時間当たりの照射エネルギー
量）と、ロータリーシャッターの閉鎖、開放時間から熱
蓄積量Ｅを算出し、上述のデフォーカス量の代わりに熱
蓄積量Ｅを用い、この熱蓄積量Ｅとメモリ28のデータに
基づいて、式（１）〜（３）からデフォーカス量ΔＺ及
び像面湾曲量Δθｘ、ΔθＹを求めても同様の効果を得
ることができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、Ｓ方向及びＭ方向の焦
点位置からその位置での焦点位置を決定するため、投影
レンズの非点収差によるオフセットが発生することな
く、高精度に焦点位置を検出することができると共に、
露光光による照射エネルギーの投影レンズへの熱蓄積量
に応じて、投影レンズの結像面の状態が変動しても、こ
の結像面の状態を高速で検出して補正を行うため、投影
レンズの実用焦点深度に対する焦点位置制御の精度を高
くすることができ、常に合焦状態（ベストフォーカス）
で露光を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による合焦機能を有する
ステッパーの概略的な構成を示す平面図、第２図（ａ）
はデバイス用レチクルの概略的な構成を示す図、第２図
（ｂ）はテストレチクルの概略的な構成を示す図、第３
図は焦点位置検出に用いるレチクルマークの概略的な構
成を示す図、第４図（ａ）はＹ軸方向に伸びたマークを
用いて焦点位置を検出する際に用いられる光分割器の配
置の説明に供する図、第４図（ｂ）はＸ軸方向に伸びた
マークを用いて焦点位置を検出する際に用いられる光分
割器の配置の説明に供する図、第５図（ａ）はフィデュ
ーシャル・マークの投影像がレチクルマークを走査する
際の説明に供する図、第５図（ｂ）はウエハステージの
位置信号と同期してディテクターの光量変化を検出する
時に得られる波形信号を表す図、第５図（ｃ）はデフォ
ーカス量の検出の説明に供する図、第６図は投影レンズ
の温度変化による結像面の変化を示す図である。７……レベリングステージ、９……ウエハステージ、12
……ディテクター（照射エネルギー量検出器）、20……
基準部材、24……ハーフミラー、25x、26y……光分割
器、25a、25b、26a、26b……ディテクター、27……波形
処理装置、28……メモリ、30……主制御装置、31a、31b
……焦点検出系、32a、32b……水平位置検出系、Ｒ……
レチクル、Ｗ……ウエハ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成されたパターンを投影光学系
を介して感光基板上に投影露光する装置において、所定形状の基準パターンを照明する照明系と、前記基準
パターンから発生して前記投影光学系を通過した光を受
光する光電検出器とを有し、該光電検出器の出力信号に
基づいて前記投影光学系の結像面内の所定点での焦点位
置を検出する焦点位置検出手段と；前記投影光学系に入射するエネルギー線による前記投影
光学系の熱蓄積量に応じて生じる前記投影光学系の結像
面内での複数点の光軸方向の変動特性を記憶する記憶手
段と；前記焦点位置検出手段によって検出される前記結像面内
の少なくとも１点での焦点位置と、前記記憶手段に記憶
された前記変動特性とに基づいて、前記投影光学系の結
像面の状態を算出し、該算出した結像面の状態に応じて
前記投影光学系に対する前記感光基板の位置を制御する
制御手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。