JPH09127409A

JPH09127409A - 収差補正光学系および該光学系を備えた位置合わせ装置

Info

Publication number: JPH09127409A
Application number: JP7303932A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nagayama; 匡長山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-10-27
Filing date: 1995-10-27
Publication date: 1997-05-16

Abstract

(57)【要約】【課題】簡易な構成で、他の収差にほとんど影響を与
えることなくコマ収差を容易に補正すること。【解決手段】第１面からの光を集光して第２面上に第
１面の像を形成するための第１結像光学系と、第２面に
形成された第１面の像からの光を集光して第３面上に第
１面の像を再形成するための第２結像光学系とを備えた
光学系において、第２結像光学系内の光路中には、第２
結像光学系で発生するコマ収差をほぼ相殺するためのコ
マ収差を発生する補正光学系が設けられ、補正光学系を
偏心させることによって光学系全体のコマ収差を補正す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばコマ収差を
補正するための収差補正光学系およびこの収差補正光学
系を備えた位置合わせ装置に関する。本発明は特に、半
導体素子または液晶表示素子等を製造する際に使用され
る投影露光装置において、感光基板上のアライメントマ
ークの位置に基づいてその感光基板の位置合わせを行う
アライメント装置に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子（または液晶表示素子等）
は、一般に感光材料が塗布されたウエハ（またはガラス
プレート等）上に複数層の回路パターンを積み重ねて形
成される。このため、回路パターンをウエハ上に露光す
るための投影露光装置には、これから露光するマスク
（レチクル）のパターンと既に回路パターンが形成され
ているウエハの各ショット領域との位置合わせを行うた
めのアライメント装置（位置合わせ装置）が備えられて
いる。

【０００３】従来のこの種のアライメント装置として
は、特開平４−６５６０３号公報や特開平４−２７３２
４６号公報等に開示のオフ・アクシス方式で且つ撮像方
式のアライメント装置が知られている。このアライメン
ト装置では、ハロゲンランプ等の光源から射出される波
長帯域幅の広い光でウエハ上のアライメントマーク（ウ
エハマーク）を照明する。そして、ウエハマークの拡大
像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理
することによって、ウエハマークの位置検出を行う。撮
像方式のアライメント装置の検出系は、ＦＩＡ（Field
Image Alignment)系とも呼ばれている。

【０００４】撮像方式のアライメント装置では、広帯域
照明であるため、ウエハ上のフォトレジスト層での薄膜
干渉の影響が低減される。さらに、検出対象とするウエ
ハマークが非対称マークであるときにも、得られたウエ
ハマークの拡大像中から特定のエッジを選択する等の処
理により、その非対称性の影響を軽減することができ
る。このように、撮像方式のアライメント装置は、様々
なプロセスウエハに対して高精度なアライメントを行う
ことができる。

【０００５】また、従来のアライメント装置として、Ｔ
ＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式で且つ撮像方式のアラ
イメント装置も知られている。ＴＴＬ方式の場合では、
露光光の波長とアライメント用の検出光の波長とが互い
に異なるため、露光用の投影光学系においてアライメン
ト用の検出光に対して収差が発生する。そこで、例えば
特公平２−３５４４６号公報に開示されたＴＴＬ方式の
アライメント装置では、アライメント用の検出光に対し
て投影光学系で発生するコマ収差を光軸に対して斜めに
配置された１枚の平行平面板で補正し、この平行平面板
により発生する非点収差をさらに別の２枚の平行平面板
で補正している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
撮像方式のアライメント装置の結像光学系では、加工、
組立、調整等の製造工程において、僅かながら収差が残
存している。光学系内に収差が残存していると、撮像面
上でのウエハマーク像のコントラストが低下したり、ウ
エハマーク像に歪が生じたりして、マーク位置の検出誤
差が発生する。近年、回路パターンの線幅の微細化に伴
い、益々高精度のアライメントが必要とされるようにな
っている。したがって、上述のような僅少な残存収差に
よるアライメント精度の低下も無視することができなく
なってきている。

【０００７】光学系内に残存する収差のうち、特にコマ
収差がウエハマーク像の検出に及ぼす影響は大きい。す
なわち、軸対称なコマ収差や偏心コマ収差などの非対称
な横収差が光学系内に発生していると、撮像面上に投影
されるウエハマーク像は、理想結像の場合と比べて位置
ずれして計測される。また、ウエハマークの形状すなわ
ちそのピッチ、デューティ比、段差等が変化した場合
や、ウエハマークがデフォーカス状態で撮像面上に投影
された場合、ウエハマーク像にコマ収差が存在すると、
ウエハマーク像の非対称性の度合いが様々に変化し、且
つウエハマークの計測位置のずれ量も様々に変化するこ
とになる。

【０００８】ウエハマークの形状は、半導体製造工程毎
に異なる。このため、コマ収差が残存した光学系を介し
てウエハのアライメント（位置合わせ）を行うと、プロ
セスオフセットが発生したり、重ね合わせ精度の再現性
が悪化したりして、アライメント精度が低下する。ま
た、結像光学系の光学性能（物体側開口数、倍率など）
や画像処理の方式によって、光学系に許容されるコマ収
差量は多少異なるものの、高精度のアライメントを可能
とするには残存コマ収差量がほぼ０でなくてはならな
い。

【０００９】この点に関して、従来のアライメント装置
では、光学系の製造上の精度を極力高めることにより、
コマ収差を含む諸収差の発生を抑えていた。しかしなが
ら、光学系の製造上の精度を高めるだけでは、上述のア
ライメント精度の要請に応えるほどにコマ収差を十分除
去することが非常に困難であると共に、要請に応えるほ
どに光学系の製造上の精度を高めることには、製造コス
ト的にも限界があった。

【００１０】また、上述のように、特公平２−３５４４
６号公報に開示されたＴＴＬ方式のアライメント装置で
は、コマ収差を低減させるために平行平面板を斜めに配
置している。しかしながら、この斜めに配置した平行平
面板により、逆に非点収差や分散等の収差が発生する。
このため、平行平面板により発生した収差を補正するの
に、さらに新たな光学部材の追加が必要となる。すなわ
ち、光軸に対して非対称に（斜めに）配置された平行平
面板でコマ収差の補正を行う場合、例えば像面傾斜、非
点収差、分散等の他の諸収差が発生する。その結果、マ
ーク像の像質が劣化してしまい、却ってマーク位置の検
出精度の低下を招くことになる。そして、この諸収差を
補正するために収差補正部材をさらに追加する必要があ
るので、光学系が大型化し、且つ製造コストも高くなる
という不都合があった。

【００１１】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、簡易な構成で、他の収差にほとんど影響を与
えることなくコマ収差を容易に補正することのできる収
差補正光学系を提供することを目的とする。また、本発
明は、位置合わせ用のマークの位置を高精度に検出する
ことのできる、収差補正光学系を備えた位置合わせ装置
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の収差
補正光学系では、第１面からの光を集光して第２面上に
前記第１面の像を形成するための第１結像光学系と、前
記第２面に形成された前記第１面の像からの光を集光し
て第３面上に前記第１面の像を再形成するための第２結
像光学系とを備えた光学系において、前記第２結像光学
系内の光路中には、前記第２結像光学系で発生するコマ
収差をほぼ相殺するためのコマ収差を発生する補正光学
系が設けられ、前記補正光学系を偏心させることによっ
て光学系全体のコマ収差を補正する。この場合、前記補
正光学系はほぼ等倍正立のアフォーカル系であり、前記
第２結像光学系内の光路中においてほぼテレセントリッ
クな空間に配置されていることが好ましい。また、第１
結像光学系は、拡大倍率を有することが好ましい。

【００１３】本発明による第２の収差補正光学系では、
第１面からの光を集光して第２面上に前記第１面の像を
形成するための第１結像光学系と、前記第２面に形成さ
れた前記第１面の像からの光を集光して第３面上に前記
第１面の像を再形成するための第２結像光学系とを備え
た光学系において、前記第２結像光学系内の光路中に
は、前記第２結像光学系で発生する球面収差をほぼ相殺
するための球面収差を発生する補正光学系が設けられ、
前記補正光学系を偏心させることによって光学系全体の
コマ収差を補正する。この場合、前記補正光学系は、ほ
ぼ等倍正立のアフォーカル系であり、前記第２結像光学
系内の光路中において実質的に非テレセントリックな空
間に配置されていることが好ましい。また、前記第１結
像光学系は、拡大倍率を有することが好ましい。

【００１４】本発明による第１の位置合わせ装置では、
感光基板上の位置合わせ用マークからの光を集光して前
記位置合わせ用マークの第１像を形成するための第１結
像光学系と、前記位置合わせ用マークの第１像からの光
を集光して前記位置合わせ用マークの第２像を形成する
ための第２結像光学系と、前記第２結像光学系を介して
形成された前記位置合わせ用マークの第２像を検出する
ための検出手段とを備え、前記検出手段の出力に基づい
て前記感光基板の位置合わせを行うための位置合わせ装
置において、前記第２結像光学系内の光路中には、前記
第２結像光学系で発生するコマ収差をほぼ相殺するため
のコマ収差を発生する補正光学系が設けられ、前記補正
光学系を偏心させることによって光学系全体のコマ収差
を補正する。

【００１５】本発明による第２の位置合わせ装置では、
感光基板上の位置合わせ用マークからの光を集光して前
記位置合わせ用マークの第１像を形成するための第１結
像光学系と、前記位置合わせ用マークの第１像からの光
を集光して前記位置合わせ用マークの第２像を形成する
ための第２結像光学系と、前記第２結像光学系を介して
形成された前記位置合わせ用マークの第２像を検出する
ための検出手段とを備え、前記検出手段の出力に基づい
て前記感光基板の位置合わせを行うための位置合わせ装
置において、前記第２結像光学系内の光路中には、前記
第２結像光学系で発生する球面収差をほぼ相殺するため
の球面収差を発生する補正光学系が設けられ、前記補正
光学系を偏心させることによって光学系全体のコマ収差
を補正する。

【００１６】本発明による第３の収差補正光学系では、
第１面からの光を第２面上に集光するための第１集光光
学系と、前記２面上に形成された集光点からの光を第３
面上に再集光するための第２集光光学系とを備えた光学
系において、前記第１集光光学系内の光路中には、前記
第１集光光学系で発生するコマ収差をほぼ相殺するため
のコマ収差を発生する補正光学系が設けられ、前記補正
光学系を偏心させることによって光学系全体のコマ収差
を補正する。この場合、前記補正光学系はほぼ等倍正立
のアフォーカル系であり、前記第２結像光学系内の光路
中においてほぼテレセントリックな空間に配置されてい
ることが好ましい。また、第１結像光学系は、拡大倍率
を有することが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明によれば、たとえば製造誤
差等により理想光軸対称のコマ収差が発生している場合
には、補正光学系を偏心させて適量の偏心コマ収差を発
生させる。こうして、結像面上でコマ収差の補正を必要
とする範囲において、製造誤差等による理想光軸対称の
コマ収差を、補正光学系の偏心による偏心コマ収差で相
殺することができる。

【００１８】一方、製造誤差等により結像面全体に亘っ
て一様に偏心コマ収差が発生している場合にも、補正光
学系を偏心させて適量の偏心コマ収差を発生させる。こ
うして、結像面の全域において、製造誤差等による偏心
コマ収差を、補正光学系の偏心による偏心コマ収差で相
殺することができる。なお、補正光学系の偏心に際して
発生する他の収差は、ほとんど無視することのできる程
度である。

【００１９】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の第１実施例にかかる位置合わ
せ装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す図で
ある。また、図２（ａ）は第１実施例の位置合わせ装置
の結像光学系における物体面と中間像面と像面との共役
関係（結像関係）を示す光路図であり、図２（ｂ）は第
１実施例の位置合わせ装置の結像光学系における瞳の共
役関係を示す光路図である。なお、図２（ａ）および
（ｂ）では、図１中のハーフミラー７およびミラー９の
図示を省略している。第１実施例では、投影露光装置に
備えられたオフ・アクシス方式で且つ撮像方式のアライ
メント装置（位置合わせ装置）に本発明を適用してい
る。

【００２０】図１において、図示を省略した照明光学系
からの露光光に基づいて、レチクル１のパターンの像が
投影光学系２を介してフォトレジストが塗布されたウエ
ハ３上の各ショット領域（露光領域）に投影される。図
１では、投影光学系２の光軸ＡＸ₀に平行な方向にＺ軸
を、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に平行な方
向にＸ軸を、Ｚ軸に垂直な平面内において図１の紙面に
垂直な方向にＹ軸をそれぞれ設定している。

【００２１】ウエハ３は、ウエハステージ４上において
ＸＹ平面に平行に保持されている。また、ウエハステー
ジ４は、ウエハ３をＺ方向に位置決めするためのＺステ
ージ、およびウエハ３をＸＹ平面内において二次元的に
移動させるためのＸＹステージ等から構成されている。
ウエハ３上においてあるショット領域へのレチクル１の
パターン像の露光が終了すると、ウエハステージ４のス
テッピング（ＸＹ平面内における二次元的な移動）動作
により、次のショット領域が投影光学系２の露光視野内
の所定位置に設定される。

【００２２】以下、いわゆるステップ・アンド・リピー
ト方式により、ステッピング動作を繰り返しながら、ウ
エハ３上の各ショット領域への露光が逐次行われる。な
お、各ショット領域の位置決めを正確に行うために、ウ
エハ３上の各ショット領域には、アライメント用のマー
ク（ウエハマーク）が付設されている。したがって、各
ショット領域への露光に際して、ウエハマークの位置
（ひいては各ショット領域の位置）を計測し、この計測
結果に基づいてウエハステージ４のステッピング量を定
める必要がある。以下の説明では、第１実施例の位置合
わせ装置によって、ウエハ３上の所定のショット領域に
付設された所定のウエハマーク５の位置を計測するもの
とする。

【００２３】図１の投影露光装置では、投影光学系２の
側方にオフ・アクシス方式のアライメント光学系６を備
えている。アライメント光学系６は、図示を省略したハ
ロゲンランプ等の光源を備えている。光源は、フォトレ
ジストに対する感光性が低く且つ広帯域波長を有する照
明光Ｌ１を供給する。照明光Ｌ１は、ハーフミラー７で
反射された後、第１対物レンズ８およびミラー９を介し
て、ウエハ３上のウエハマーク５を落射照明する。

【００２４】ウエハマーク５からの反射光は、ミラー９
を経て第１対物レンズ８により集光された後、再びハー
フミラー７に入射する。ハーフミラー７を透過した反射
光は、第２対物レンズ１０を介して中間像１６を形成す
る。中間像１６からの光は、ほぼ等倍のガリレオ型のア
フォーカル系１３およびリレーレンズ１４を介して、２
次元ＣＣＤからなる撮像素子１５の撮像面上にウエハマ
ーク５の拡大像を形成する。

【００２５】このように、ミラー９、第１対物レンズ
８、ハーフミラー７、第２対物レンズ１０、アフォーカ
ル系１３およびリレーレンズ１４は、アライメント光学
系６において結像光学系を構成している。そして、第１
対物レンズ８および第２対物レンズ１０は、ウエハマー
ク５からの反射光に基づいてウエハマーク５の一次像を
形成するための第１結像光学系を構成している。また、
リレーレンズ１４は、ウエハマーク５の一次像からの光
に基づいてウエハマーク５の二次像を形成するための第
１結像光学系を構成している。

【００２６】アフォーカル系１３は、第２対物レンズ１
０側から順に、正屈折力を有する正レンズ群１１と負屈
折力を有する負レンズ群１２とからなる。また、アフォ
ーカル系１３は、アライメント光学系６の結像光学系の
光軸ＡＸ₁に対して垂直な任意方向に沿って所定範囲内
で任意量だけ一体的に移動（シフト）することができる
ように構成されている。

【００２７】第１実施例では、撮像素子１５からの撮像
信号を画像処理することによって、ウエハマーク５の位
置をひいてはウエハ３の各ショット領域の位置を検出す
る。そして、この検出結果に基づいて、ウエハ３の当該
ショット領域を投影光学系２の露光視野内の所定位置に
位置合わせ（アライメント）する。

【００２８】次いで、結像光学系における物体面と中間
像面と像面との共役関係を示す図２（ａ）を参照する
と、合焦状態では第１対物レンズ８の物体側焦点Ｆ₁を
通り光軸ＡＸ₁に垂直な面上にウエハマーク５が位置し
ている。ウエハマーク５からの光は、第１対物レンズ８
を介した後に、ほぼ平行光束となって第２対物レンズ１
０に入射しする。第２対物レンズ１０を介して集光され
た光は、中間像１６を形成する。中間像１６からの光
は、アフォーカル系１３およびリレーレンズ１４を介し
て、撮像素子１５の撮像面１５ａ上にウエハマーク５の
像を形成する。

【００２９】また、結像光学系における瞳の共役関係を
示す図２（ｂ）を参照すると、第１対物レンズ８の像側
焦点Ｆ₁'と第２対物レンズ１０の物体側焦点Ｆ₂とがほ
ぼ合致している。そして、ウエハマーク５からでた光軸
ＡＸ₁に平行な主光線は、第２対物レンズ１０から射出
される際にも光軸ＡＸ₁にほぼ平行となり、さらに中間
像１６を経て光軸ＡＸ₁にほぼ平行な状態でアフォーカ
ル系１３に入射する。アフォーカル系１３が配置される
空間がほぼテレセントリックであることは、第１実施例
の構成上特に望ましい条件である。

【００３０】アフォーカル系１３では、正レンズ群１１
の像側焦点Ｆ₃'と負レンズ群１２の物体側焦点Ｆ₄とが
ほぼ合致し、全体としてほぼ等倍のガリレオ型のアフォ
ーカル系を構成している。さらに、第１対物レンズ８の
焦点距離よりも第２対物レンズ１０の焦点距離の方が長
くなるように構成し、ウエハマーク５の形成面から中間
像１６の形成面への倍率は拡大倍率となっている。

【００３１】第１実施例では、第１対物レンズ８および
第２対物レンズ１０は、設計上においてほぼ理想レンズ
に近い状態に収差補正されている。しかしながら、上述
のように、第１対物レンズ８の開口数（ＮＡ）が第２対
物レンズ１０の開口数（ＮＡ）よりも大きくなるように
構成されているので、第１対物レンズ８にたとえばコマ
収差のような収差が残存し易い。

【００３２】一方、アフォーカル系１３において適量発
生させたコマ収差とリレーレンズ１４で発生したコマ収
差とが、撮像面１５ａ上において互いにほぼ打ち消し合
うように収差補正されている。また、これに伴ってリレ
ーレンズ１４で副次的に球面収差が発生することがあ
る。この場合、リレーレンズ１４で発生した球面収差と
アフォーカル系１３で発生した球面収差とが、撮像面１
５ａ上において互いにほぼ打ち消し合うように収差補正
されていればよい。

【００３３】なお、アフォーカル系１３およびリレーレ
ンズ１４で発生しているコマ収差や球面収差はほぼ３次
収差のレベルにある。したがって、その他の収差はどの
レンズ系においてもほとんど発生することなく、十分に
収差補正されている。第１実施例では、上述したよう
に、物体面（ウエハ面）での開口数（ＮＡ）よりも中間
像面での開口数（ＮＡ）が拡大倍率分だけ十分に小さ
い。このため、アフォーカル系１３およびリレーレンズ
１４において、発生するコマ収差を相殺するように収差
の操作をすることは容易である。このような収差関係に
基づいて構成された第１実施例の結像光学系により撮像
素子１５の撮像面１５ａ上に投影されるウエハマーク５
の像は、ほぼ理想結像と見なすことができる。

【００３４】第１実施例のアライメント光学系６におい
て、たとえば第１対物レンズ８の製造誤差等に起因して
撮像面１５ａ上でコマ収差が発生することがある。この
場合、光軸ＡＸ₁に対して垂直な面内の適当な方向に適
当量だけアフォーカル系１３をシフトさせることによっ
て、撮像面１５ａ上において所望の方向に所望量の偏心
コマ収差を発生させる。こうして、製造誤差等に起因し
て生じる２種類のコマ収差のうち理想光軸対称のコマ収
差が発生している場合には、撮像面１５ａ上で特にコマ
収差の補正が必要となる範囲において、製造誤差等に起
因するコマ収差をアフォーカル系１３のシフトにより発
生させたコマ収差によって打ち消すことが可能である。

【００３５】ここで、理想光軸とは結像光学系の光軸Ａ
Ｘ₁であって、撮像面１５ａにおける視野中心とは異な
る。また、製造誤差等に起因して生じる２種類のコマ収
差のうち偏心コマ収差が発生している場合には、撮像面
１５ａの全域において偏心コマ収差をアフォーカル系１
３のシフトにより発生させたコマ収差で打ち消すことが
可能である。この場合、製造誤差等に起因するコマ収差
が打ち消される範囲には他の収差はほとんど発生するこ
となく、ウエハマーク５の像は理想結像に近いものとな
る。

【００３６】図３（ａ）は第１実施例においてアフォー
カル系１３のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨ
Ｃとの関係を示し、図３（ｂ）は第１実施例において発
生する偏心コマ収差量ΔＨＣに対するアフォーカル系１
３のシフト量δの比と、アフォーカル系１３とリレーレ
ンズ１４とが相殺し合うコマ収差量ΔＣとの関係を示し
ている。

【００３７】図３（ａ）に示すように、アフォーカル系
１３のシフトにより発生する偏心コマ収差量ΔＨＣは、
アフォーカル系１３のシフト量δに比例する。また、図
３（ｂ）に示すように、図３（ａ）における線形関係の
傾き、すなわち偏心コマ収差量ΔＨＣに対するアフォー
カル系１３のシフト量δの比ΔＨＣ／δは、アフォーカ
ル系１３とリレーレンズ１４とで相殺し合うコマ収差量
ΔＣに比例する。したがって、アフォーカル系１３とリ
レーレンズ１４とで相殺し合うコマ収差量ΔＣを適当に
設定し、シフト調整の容易なアフォーカル系１３を適当
量だけシフトさせることによって、所望の向きに所望量
の偏心コマ収差を発生させることができる。

【００３８】すなわち、発生する偏心コマ収差量ΔＨＣ
は、アフォーカル系１３のシフト量δ、相殺し合うコマ
収差量ΔＣおよび比例定数ｋ₁によって、次の式（１）
のように表される。 ΔＨＣ＝ｋ₁・ΔＣ・δ （１）上述の式（１）を変形すると、ΔＨＣ／δ＝ｋ₁・ΔＣ
という関係が得られる。このΔＨＣ／δとΔＣとの線形
関係は、上述したように、図３（ｂ）に示す通りであ
る。

【００３９】第１実施例では、ガリレオ型のアフォーカ
ル系１３はほぼ等倍であるとしている。アフォーカル系
１３がほぼ等倍であることの利点は、偏心コマ収差を発
生させるためにアフォーカル系１３をシフトしても、ア
フォーカル系１３よりも像面側の光路において光軸ＡＸ
₁のずれ（倒れまたはシフト）が、すなわち主光線の変
動が実質的に発生しないことである。

【００４０】なお、上述の第１実施例では、アフォーカ
ル系１３をほぼ等倍のガリレオ型の光学系で構成してい
る。しかしながら、本発明において、アフォーカル系１
３は、ほぼ等倍の正立光学系であればよく、ガリレオ型
の光学系である必要はない。また、第１実施例では、中
間像１６とリレーレンズ１４との間のテレセントリック
空間にアフォーカル系１３が配置されている。しかしな
がら、リレーレンズ１４中のテレセントリック空間にア
フォーカル系１３を配置してもよい。さらに、中間像１
６と撮像面１５との間のほぼテレセントリックな空間で
あれば、任意の位置にアフォーカル系１３を配置するこ
とができる。

【００４１】また、第１実施例では、中間像１６と撮像
面１５との間の光路中に１つのリレーレンズ１４だけが
設けられている。しかしながら、中間像１６と撮像面１
５との間の光路中に複数のリレーレンズを設けて複数の
中間像を形成してもよい。さらに、第１実施例では、第
１対物レンズ８と第２対物レンズ１０とが明確に分かれ
ており、第１対物レンズ８の物体側空間はテレセントリ
ックであるとしている。しかしながら、これは、特に本
発明の収差補正上必要な条件というわけではない。

【００４２】また、上述した光軸ずれ（倒れまたはシフ
ト）の影響や、コマ収差補正時に発生するコマ収差以外
の収差の影響があまり問題にならない範囲内であれば、
アフォーカル系を非テレセントリックな空間に配置して
も、アフォーカル系が等倍正立光学系でなくても、また
アフォーカル系に代えて所定の屈折力を有するレンズを
用いてもよい。

【００４３】図４は、本発明の第２実施例にかかる位置
合わせ装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す
図である。また、図５（ａ）は第２実施例の位置合わせ
装置の結像光学系における物体面と像面との共役関係
（結像関係）を示す光路図であり、図５（ｂ）は第２実
施例の位置合わせ装置の結像光学系における瞳の共役関
係を示す光路図である。なお、図５（ａ）および（ｂ）
では、図１中のハーフミラー７およびミラー９の図示を
省略している。

【００４４】第２実施例においても、投影露光装置に備
えられたオフ・アクシス方式で且つ撮像方式のアライメ
ント装置（位置合わせ装置）に本発明を適用している。
ただし、第２実施例では、第１実施例のリレーレンズ１
４に代えて第１リレーレンズ２０と第２リレーレンズ２
４とが設けられ、その一対のリレーレンズ２０と２４と
の間の非テレセントリックな空間にアフォーカル系２３
を配置している点が第１実施例と基本的に相違してい
る。図４および図５において図１および図２に対応する
部分には同一符号を付し、第１実施例と第２実施例との
重複部分についてその詳細な説明を省略する。

【００４５】図４において、ハーフミラー７により導か
れた広帯域の照明光Ｌ１は、第１対物レンズ８およびミ
ラー９を介して、ウエハ３上のウエハマーク５を落射照
明する。ウエハマーク５からの反射光は、ミラー９およ
び第１対物レンズ８を介して集光され、ハーフミラー７
に戻る。ハーフミラー７を透過した光束は、第２対物レ
ンズ１０を介して中間像１６を形成する。

【００４６】中間像１６からの光は、第１リレーレンズ
２０、ほぼ等倍のガリレオ型のアフォーカル系２３およ
び第２リレーレンズ２４を介して、２次元ＣＣＤからな
る撮像素子１５の撮像面上にウエハマーク５の拡大像を
形成する。このように、ミラー９、第１対物レンズ８、
ハーフミラー７、第２対物レンズ１０、第１リレーレン
ズ２０、アフォーカル系２３および第２リレーレンズ２
４は、アライメント装置において結像光学系を構成して
いる。そして、第１対物レンズ８および第２対物レンズ
１０は第１結像光学系を、第１リレーレンズ２０および
第２リレーレンズ２４は第２結像光学系をそれぞれ構成
している。

【００４７】アフォーカル系２３は、第２対物レンズ１
０側から順に、正屈折力を有する正レンズ群２１と負屈
折力を有する負レンズ群２２とからなる。また、アフォ
ーカル系２３は、結像光学系の光軸ＡＸ₁に対して垂直
な任意方向に沿って所定範囲内で任意量だけ一体的に移
動（シフト）することができるように構成されている。
第２実施例においても、撮像素子１５からの撮像信号を
画像処理することによって、ウエハマーク５の位置をひ
いてはウエハ３の各ショット領域の位置を検出する。そ
して、この検出結果に基づいて、ウエハ３の当該ショッ
ト領域を投影光学系２の露光視野内の所定位置に位置合
わせ（アライメント）する。

【００４８】次いで、結像光学系における物体面と中間
像面と像面との共役関係を示す図５（ａ）を参照する
と、合焦状態では第１対物レンズ８の物体側焦点Ｆ₁を
通り光軸ＡＸ₁に垂直な面上にウエハマーク５が位置し
ている。ウエハマーク５からの光は、第１対物レンズ８
を介した後に、ほぼ平行光束となって第２対物レンズ１
０に入射しする。第２対物レンズ１０を介して集光され
た光は、中間像１６を形成する。中間像１６からの光
は、第１リレーレンズ２０、アフォーカル系２３および
第２リレーレンズ２４を介して、撮像素子１５の撮像面
１５ａ上にウエハマーク５の像を形成する。

【００４９】また、結像光学系における瞳の共役関係を
示す図５（ｂ）を参照すると、第１対物レンズ８の像側
焦点Ｆ₁'と第２対物レンズ１０の物体側焦点Ｆ₂とがほ
ぼ合致している。そして、ウエハマーク５からでた光軸
ＡＸ₁に平行な主光線は、第２対物レンズ１０から射出
される際にも光軸ＡＸ₁にほぼ平行となり、さらに中間
像１６を経て光軸ＡＸ₁にほぼ平行なまま第１リレーレ
ンズ２０に入射する。第１リレーレンズ２０から射出さ
れた主光線は、光軸ＡＸ₁に非平行な状態でアフォーカ
ル系２３に入射する。アフォーカル系１３が配置される
空間が非テレセントリックであることは、第２実施例の
構成上特に望ましい条件である。

【００５０】アフォーカル系２３では、正レンズ群２１
の像側焦点Ｆ₃'と負レンズ群２２の物体側焦点Ｆ₄とが
ほぼ合致し、全体としてほぼ等倍のガリレオ型のアフォ
ーカル系を構成している。さらに、第１対物レンズ８の
焦点距離よりも第２対物レンズ１０の焦点距離の方が長
くなるように構成し、ウエハマーク５の形成面から中間
像１６の形成面への倍率は拡大倍率となっている。

【００５１】第２実施例では、第１対物レンズ８および
第２対物レンズ１０は、設計上においてほぼ理想レンズ
に近い状態に収差補正されている。しかしながら、上述
のように、第１対物レンズ８の開口数（ＮＡ）が第２対
物レンズ１０の開口数（ＮＡ）よりも大きくなるように
構成されているので、第１対物レンズ８にたとえばコマ
収差のような収差が残存し易い。

【００５２】一方、アフォーカル系２３において適量発
生させた球面収差と第２リレーレンズ２４で発生した球
面収差とが、撮像面１５ａ上において互いにほぼ打ち消
し合うように収差補正されている。なお、アフォーカル
系２３および第２リレーレンズ２４で発生している球面
収差はほぼ３次収差のレベルにある。したがって、その
他の収差はどのレンズ系においてもほとんど発生するこ
となく、十分に収差補正されている。

【００５３】第２実施例では、上述したように、物体面
（ウエハ面）での開口数（ＮＡ）よりも中間像面での開
口数（ＮＡ）が拡大倍率分だけ十分に小さい。このた
め、アフォーカル系２３および第２リレーレンズ２４に
おいて、発生する球面収差を相殺するように収差の操作
をすることは容易である。このような収差関係に基づい
て構成された第２実施例の結像光学系により撮像素子１
５の撮像面１５ａ上に投影されるウエハマーク５の像
は、ほぼ理想結像と見なすことができる。

【００５４】第２実施例のアライメント光学系におい
て、たとえば第１対物レンズ８の製造誤差等に起因して
撮像面１５ａ上でコマ収差が発生することがある。この
場合、光軸ＡＸ₁に対して垂直な面内の適当な方向に適
当量だけアフォーカル系２３をシフトさせることによっ
て、撮像面１５ａ上において所望の方向に所望量の偏心
コマ収差を発生させる。こうして、製造誤差等に起因し
て生じる２種類のコマ収差のうち理想光軸対称のコマ収
差が発生している場合には、撮像面１５ａ上で特にコマ
収差の補正が必要となる範囲において、製造誤差等に起
因するコマ収差をアフォーカル系２３のシフトにより発
生させたコマ収差によって打ち消すことが可能である。

【００５５】また、製造誤差等に起因して生じる２種類
のコマ収差のうち偏心コマ収差が発生している場合に
は、撮像面１５ａの全域において偏心コマ収差をアフォ
ーカル系２３のシフトにより発生させたコマ収差で打ち
消すことが可能である。この場合、コマ収差の発生範囲
には、メリディオナル像面とサジタル像面との乖離（像
面の倒れはない）が生じるが、他の収差はほとんど発生
しない。

【００５６】図７（ａ）は第２実施例においてアフォー
カル系２３のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨ
Ｃとの関係を示し、図７（ｂ）は第２実施例において発
生する偏心コマ収差量ΔＨＣに対するアフォーカル系２
３のシフト量δの比と、アフォーカル系２３と第２リレ
ーレンズ２４とが相殺し合う球面収差量ΔＳとの関係を
示している。

【００５７】図７（ａ）に示すように、アフォーカル系
２３のシフトにより発生する偏心コマ収差量ΔＨＣは、
アフォーカル系２３のシフト量δに比例する。また、図
７（ｂ）に示すように、図７（ａ）における線形関係の
傾き、すなわち偏心コマ収差量ΔＨＣに対するアフォー
カル系２３のシフト量δの比ΔＨＣ／δは、アフォーカ
ル系２３と第２リレーレンズ２４とで相殺し合う球面収
差量ΔＳに比例する。したがって、アフォーカル系２３
と第２リレーレンズ２４とで相殺し合う球面収差量ΔＳ
を適当に設定し、シフト調整の容易なアフォーカル系２
３を適当量だけシフトさせることによって、所望の向き
に所望量の偏心コマ収差を発生させることができる。

【００５８】すなわち、発生する偏心コマ収差量ΔＨＣ
は、アフォーカル系２３のシフト量δ、相殺し合う球面
収差量ΔＳおよび比例定数ｋ₂によって、次の式（２）
のように表される。 ΔＨＣ＝ｋ₂・ΔＳ・δ （２）上述の式（２）を変形すると、ΔＨＣ／δ＝ｋ₂・ΔＳ
という関係が得られる。このΔＨＣ／δとΔＳとの線形
関係は、上述したように、図７（ｂ）に示す通りであ
る。

【００５９】また、上述の像面乖離量ΔＡＳは、相殺し
合う球面収差量ΔＳ、アフォーカル系２３のシフト量
δ、および比例定数をｋ₃によって、次の式（３）のよ
うに表される。 ΔＡＳ＝ｋ₃・ΔＳ・δ² （３）上述の式（３）に示すように、アフォーカル系２３のシ
フト量δが小さい範囲においては、像面乖離量ΔＡＳは
無視することのできる大きさである。また、シフト量δ
がある程度大きくて発生する像面乖離量ΔＡＳを無視す
ることができない場合であっても、発生する像面乖離量
ΔＡＳに対する調整機構（例えばシリンドリカルレンズ
を利用した機構等）が光学系内に設けてあれば問題はな
い。

【００６０】第２実施例では、ガリレオ型のアフォーカ
ル系２３はほぼ等倍であるとしている。アフォーカル系
２３がほぼ等倍であることの利点は、偏心コマ収差を発
生させるためにアフォーカル系２３をシフトしても、ア
フォーカル系２３よりも像面側の光路において光軸ＡＸ
₁のずれ（倒れまたはシフト）が、すなわち主光線の変
動が実質的に発生しないことである。

【００６１】なお、上述の第２実施例では、アフォーカ
ル系２３をほぼ等倍のガリレオ型の光学系で構成してい
る。しかしながら、本発明において、アフォーカル系２
３は、ほぼ等倍の正立光学系であればよく、ガリレオ型
の光学系である必要はない。また、第２実施例では、第
１リレーレンズ２０と第２リレーレンズ２４との間の非
テレセントリック空間にアフォーカル系２３が配置され
ている。しかしながら、中間像１６と撮像面１５との間
の非テレセントリックな空間であれば、任意の位置にア
フォーカル系２３を配置することができる。

【００６２】また、第２実施例では、中間像１６と撮像
面１５との間の光路中に１つのリレーレンズ系（２０お
よび２４）だけが設けられている。しかしながら、中間
像１６と撮像面１５との間の光路中に複数のリレーレン
ズ系を設けて複数の中間像を形成してもよい。さらに、
第２実施例では、第１対物レンズ８と第２対物レンズ１
０とが明確に分かれており、第１対物レンズ８と第２対
物レンズ１０とからなる結像光学系は両側テレセントリ
ックな光学系となっている。しかしながら、これは、特
に本発明の収差補正上必要な条件というわけではない。

【００６３】図６は第２実施例の結像光学系の変形例の
構成を概略的に示す図であって、（ａ）は物体面と像面
との共役関係（結像関係）を示す光路図であり、（ｂ）
は瞳の共役関係を示す光路図である。図６の変形例で
は、第１対物レンズと第２対物レンズとの区別がなく、
第２実施例の第１対物レンズ８および第２対物レンズ１
０に代えて第１結像レンズ２５を備えている。また、第
１リレーレンズと第２リレーレンズとの区別がなく、第
２実施例の第１リレーレンズ２０および第２リレーレン
ズ２４に代えて第２結像レンズ２９を備えている。

【００６４】そして、第２実施例ではアフォーカル系２
３が第１リレーレンズ２０と第２リレーレンズ２４との
間の非テレセントリック空間に配置されているのに対
し、変形例ではアフォーカル系２８が中間像１６と第２
結像レンズ２９との間の非テレセントリック空間に配置
されている。物体面と中間像と像面との共役関係を示す
図６（ａ）において、合焦状態ではウェハマーク５から
の光は、第１結像レンズ２５を介して中間像１６を形成
する。中間像１６からの光束は、アフォーカル系２８お
よび第２結像レンズ２９を介して、撮像素子１５上にウ
ェハマーク５の像を形成する。

【００６５】また、瞳の共役関係を示す図６（ｂ）にお
いて、ウェハマーク５からでた光軸ＡＸ₁に平行な主光
線は、第１結像レンズ２５から射出される際には光軸Ａ
Ｘ₁に対して非平行となり、さらに中間像１６を経て光
軸ＡＸ₁に非平行な状態でアフォーカル系２８に入射す
る。アフォーカル系２８の配置される空間が非テレセン
トリックであることは、変形例の構成上特に望ましい条
件である。

【００６６】アフォーカル系２８では、正レンズ群２６
の像側焦点Ｆ４’と負レンズ群２７の物体側焦点Ｆ５が
ほぼ合致し、全体としてほぼ等倍のガリレオ型のアフォ
ーカル系を構成している。さらに、ウェハマーク５の形
成面から中間像１６の形成面への第１結像レンズ２５の
倍率は拡大倍率となっている。図６の変形例にかかる光
学系においても、第１結像レンズ２５はほぼ理想レンズ
に近く収差補正されている。一方、アフォーカル系２８
で適量発生させた球面収差と第２結像レンズ２８で発生
した球面収差とが、撮像面上で互いにほぼ打ち消し合う
ように収差補正されている。こうして、変形例において
も、第２実施例と同様な効果が得られる。

【００６７】また、第２実施例および変形例において、
上述した光軸ずれ（倒れまたはシフト）の影響や、コマ
収差補正時に発生するコマ収差以外の収差の影響があま
り問題にならない範囲内であれば、アフォーカル系が等
倍正立光学系でなくても、アフォーカル系に代えて所定
の屈折力を有するレンズを用いてもよい。

【００６８】図８は、本発明の第３実施例にかかる位置
合わせ装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す
斜視図である。また、図９は、図８の位置合わせ装置の
光学系の構成を概略的に示す拡大斜視図である。第３実
施例では、投影露光装置に設けられるオフ・アクシス方
式で且ついわゆるＬＳＡ（レーザ・ステップ・アライメ
ント）方式のアライメント装置の照明系に本発明を適用
している。なお、図８および図９において、投影光学系
２の光軸に平行な方向にＺ軸を、Ｚ軸に垂直な平面内に
おいて直交する方向にＸ軸およびＹ軸をそれぞれ設定し
ている。

【００６９】図８において、レチクル（不図示）のパタ
ーンの像が、投影光学系２を介してウエハステージ４上
のウエハ３の各ショット領域に投影露光される。ウエハ
ステージ４の上部には、Ｘ軸に垂直な反射面を有する移
動鏡３１ＸおよびＹ軸に垂直な反射面を有する移動鏡３
１Ｙが固定されている。そして、投影光学系２の光軸を
通り且つＸ軸に平行な直線に沿って、Ｘ軸用のレーザ干
渉計（不図示）からレーザビーム３２Ｘが移動鏡３１Ｘ
に入射している。

【００７０】また、投影光学系２の光軸を通り且つＹ軸
に平行な直線に沿って、Ｙ軸用のレーザ干渉計（不図
示）からレーザビーム３２Ｙが移動鏡３１Ｙに入射して
いる。こうして、Ｘ軸用のレーザ干渉計およびＹ軸用の
レーザ干渉計により、ウエハステージ４のＸ方向の移動
量およびＹ方向の移動量が、ひいてはＸＹ平面内におけ
るウエハ３の２次元座標（Ｘ，Ｙ）が計測される。

【００７１】投影光学系２の側方には、オフ・アクシス
方式のアライメント装置のアライメント光学系３４が配
置されている。アライメント光学系３４は、レーザ・ス
テップ・アライメント方式の検出系（以下、「ＬＳＡ
系」という）３６と、撮像方式の検出系であるＦＩＡ系
６２とから構成されている。

【００７２】アライメント光学系３４では、ＬＳＡ系３
６からのレーザビームとＦＩＡ系６２からの照明光とが
ハーフプリズム５８により合成され、共通の第１対物レ
ンズ５９に入射する。第１対物レンズ５９を通過した合
成光束は、ミラー６０で反射された後にウエハ３を落射
照明する。また、ミラー６０により折り曲げられたアラ
イメント光学系２４の光軸を通り且つＸ軸に平行な直線
に沿って、回転角計測用のレーザ干渉計（不図示）から
移動鏡３１Ｘにレーザビーム３３が入射している。こう
して、回転角計測用のレーザ干渉計の計測値とＸ軸用の
レーザ干渉計の計測値との差分により、ウエハステージ
４のＸＹ平面内における回転角が検出される。

【００７３】図９のＬＳＡ系３６において、Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ光源４１から射出されたレーザビームＬ２は、ビ
ームエキスパンダ４２およびシリンドリカルレンズ４３
を経て、ＸＹ分離用偏光ビームスプリッタ４４に入射す
る。偏光ビームスプリッタ４４を介したビームは、Ｘ軸
用の断面形状が細長いシートビーム（線状ビーム）Ｌ４
と、Ｙ軸用のシートビームＬ３とに分離される。そし
て、Ｙ軸用のシートビームＬ３は、視野絞り４５Ｙ、ミ
ラー４６、ミラー４７Ｙ、リレーレンズ４８Ｙおよびミ
ラー４９Ｙを経て、送受光分離用偏光ビームスプリッタ
ー５０Ｙに達する。偏光ビームスプリッター５０Ｙを透
過したシートビームは、フーリエ変換レンズ５１Ｙ、１
／４波長板５２Ｙおよびミラー５５を介してアフォーカ
ル系５６に入射する。

【００７４】一方、Ｘ軸用のシートビームＬ４は、Ｙ軸
用のシートビームＬ３とほぼ対称に視野絞り４５Ｘ〜１
／４波長板５２Ｘを介して、ウエハ３（図８参照）の表
面と共役な面の近傍でＹ軸用のシートビームと視野合成
され、ほぼ等倍のガリレオ型のアフォーカル系５６に入
射する。アフォーカル系５６を介した両シートビーム
は、リレーレンズ６３、ミラー６４およびリレーレンズ
６５を介した後、第２対物レンズ５７により集光され、
ハーフプリズム５８に入射する。ハーフプリズム５８で
反射された両シートビームは、一旦交差した後、第１対
物レンズ５９およびミラー６０を経て、ウエハ３上にＸ
軸用のシートビーム６１ＸおよびＹ軸用のシートビーム
６１Ｙをそれぞれ形成する。ウエハ３上において、シー
トビーム６１Ｘおよびシートビーム６１Ｙの照射位置の
近傍には、Ｘ軸用のウエハマーク３５ＸおよびＹ軸用の
ウエハマーク３５Ｙがそれぞれ形成されている。

【００７５】また、図９のＦＩＡ系６２において、ライ
トガイド６３から射出された広帯域の照明光は、コンデ
ンサーレンズ６４により集光された後、ハーフミラー６
５に入射する。ハーフミラー６５を透過した照明光は、
第２対物レンズ６６を介して、ハーフプリズム６８に入
射するハーフプリズム６８を透過した照明光は、ＬＳＡ
系３６と共通の第１対物レンズ５９およびミラー６０を
経て、ウエハ３上に形成されたＸ軸用のウエハマーク３
５ＸおよびＹ軸用のウエハマーク３５Ｙを照明する。ウ
エハ３からの反射光は、ミラー６０、第１対物レンズ５
９、ハーフプリズム６８、第２対物レンズ６６およびハ
ーフミラー６５を介して、ＣＣＤカメラ６７上にウエハ
マークの像を形成する。

【００７６】図１０は、ウエハ３上の第１対物レンズ５
９の観察視野を示す図である。図１０において、Ｘ軸用
のウエハマーク３５ＸはＹ方向に沿って所定ピッチで配
列されたドットパターンであり、Ｙ軸用のウエハマーク
３５ＹはＸ方向に沿って所定ピッチで配列されたドット
パターンである。また、Ｘ軸用のシートビーム６１Ｘは
Ｙ方向に沿ってスリット状（線状）に延びた光ビームで
あり、Ｙ軸用のシートビーム６１ＹはＸ方向に沿ってス
リット状に延びた光ビームである。さらに、シートビー
ム６１Ｘとシートビーム６１Ｙとは、第１対物レンズ５
９の光軸ＡＸ₁を挟むように配置され、第１対物レンズ
５９の光軸ＡＸ₁と図８の投影光学系２の光軸ＡＸ₀と
を通る直線はＹ軸に平行である。

【００７７】図１０において、ウエハステージを駆動す
ることによりシートビーム６１Ｘに対してウエハマーク
３５ＸをＸ方向に走査すると、シートビーム６１Ｘとウ
エハマーク３５Ｘとが合致したときに所定の方向に回折
光が射出される。このため、その回折光の強度が最大に
なるときのウエハステージのＸ座標を検出することによ
り、ウエハマーク３５ＸのＸ座標を検出することができ
る。同様に、シートビーム６１Ｙに対してウエハマーク
３５ＹをＹ方向に走査し、シートビーム６１Ｙとウエハ
マーク３５Ｙとが合致したときの回折光を検出すること
により、ウエハマーク３５ＹのＹ座標を検出することが
できる。ウエハマーク３５Ｙからの回折光（反射光も含
む）は、図９のミラー６０および第１対物レンズ５９を
経てハーフプリズム５８に戻る。

【００７８】図９において、ハーフプリズム５８で反射
された回折光は、第２対物レンズ５７、リレーレンズ６
５、ミラー６４、リレーレンズ６３、アフォーカル系５
６、ミラー５５、１／４波長板５２Ｙおよびフーリエ変
換レンズ５１Ｙを経て、送受光分離用偏光ビームスプリ
ッター５０Ｙに戻る。偏光ビームスプリッター５０Ｙで
反射された回折光は、リレーレンズ５３Ｙを介して受光
素子５４Ｙに導かれ、受光素子５４Ｙにおいて０次回折
光を除く回折光が選択的に光電変換される。このとき、
１／４波長板５２Ｙの方向を最適調整しておくことによ
り、ウエハマークからの回折光はほぼ完全に偏光ビーム
スプリッター５０Ｙにて反射されて受光素子５４Ｙに導
かれる。

【００７９】同様に、図１０のＸ軸用のウエハマーク３
５Ｘからの回折光は、Ｙ軸の回折光と対称に送受光分離
用偏光ビームスプリッター５０Ｘに戻る。偏光ビームス
プリッター５０Ｘで反射された回折光は、リレーレンズ
５３Ｘを介して受光素子５４Ｘで受光される。こうし
て、受光素子４４Ｘおよび４４Ｙの出力信号とウエハス
テージ４の座標とに基づいて、ウエハマーク３５Ｘおよ
び３５ＹのＸ座標およびＹ座標がそれぞれ計測される。
そして、この計測結果に基づいて、ウエハ３のアライメ
ント（位置合わせ）が行われる。

【００８０】なお、アフォーカル系５６は、光軸に垂直
な任意の方向に所定範囲内で任意の量だけ一体的にシフ
トすることができるように構成されている。次に、本実
施例のようにＨｅ−Ｎｅレーザ光源４１から射出される
レーザビームＬ２が繰り返しリレーされる光学系におい
て、コマ収差が発生しているときの弊害について簡単に
説明する。まず、レーザビームのリレーは、レーザビー
ムのビームウエスト（断面形状が最も小さい位置）のリ
レーとみなすことができる。

【００８１】図１３は、レーザビームのビームウエスト
を光学系でリレーする場合のコマ収差の影響を説明する
図である。図１３（ａ）において、ビームエクスパンダ
４２が２枚のフーリエ変換レンズ７２および７３により
構成されている。そして、入射するレーザビームのビー
ムウエスト７４Ａが、第１のフーリエ変換レンズ７２に
よりビームウエスト７４Ｂにリレーされている。また、
このビームウエスト６４Ｂが、第２のフーリエ変換レン
ズ７３によりビームウエスト７４Ｃにリレーされてい
る。

【００８２】図１３（ｂ）は、理想レンズによりリレー
されたビームウエスト７５Ａの近傍の拡大図である。図
１３（ｂ）には、ビームウエスト７５Ａの近傍における
ビーム断面のエネルギーが最大となるライン７６Ａも表
示されている。このように理想レンズによってリレーさ
れた場合には、ライン７６Ａはビームウエスト前後で直
線状に分布する。

【００８３】しかしながら、図１３（ｃ）に示すよう
に、リレーレンズに例えば偏心コマ収差が発生した場合
には、ビームウエスト７５Ｂの近傍でのエネルギー分布
が最大となるライン７６Ｂはビームウエスト７５Ｂの前
後で湾曲してしまう。この湾曲量は、発生したコマ収差
量にほぼ比例する。同様に、図９において第１対物レン
ズ５９からウエハ上に照射されるシートビーム３５Ｘお
よび３５Ｙもウエハ上でほぼビームウエストとなってい
る。したがって、仮にシートビーム３５Ｘおよび３５Ｙ
に偏心コマ収差が発生していると、シートビーム３５Ｘ
および３５Ｙ中のエネルギー分布が最大となるラインに
曲がりが生ずることになる。

【００８４】このようなエネルギー分布が最大となるラ
インの湾曲がアライメント精度に与える影響は、図１０
においてウエハマーク３５Ｘおよび３５Ｙがウエハ上の
シートビーム６１Ｘおよび６１Ｙの集光点から図１０の
紙面に垂直な方向（Ｚ方向）に外れたとき（デフォーカ
スしたとき）に生じる。すなわち、エネルギー分布の湾
曲がない場合には、デフォーカスしてもウエハマーク３
５Ｘおよび３５Ｙの検出される位置がずれないように、
ウエハに対してエネルギー分布が最大となるラインを垂
直にすればよい。このために、図９において、例えば第
２対物レンズ５７と第１対物レンズ５９との間に平行平
面板を配置し、この平行平面板を適当な角度だけ傾斜さ
せればよい。

【００８５】しかしながら、エネルギー分布が最大とな
るラインに湾曲があると、平行平面板を適当な角度だけ
傾斜させるような調整をしても、ウエハに対してエネル
ギー分布が最大となるラインを垂直にすることができな
い。その結果、ウエハマーク３５Ｘおよび３５Ｙがシー
トビームの集光点から少しでもＺ方向に外れて（デフォ
ーカスして）しまうと、ウエハマーク３５Ｘおよび３５
Ｙの検出される位置が横ずれし、アライメント誤差が生
じてしまう。このように、アライメント精度を高めるに
は上述のようなエネルギー分布の湾曲を解消する必要が
あり、その原因となるコマ収差をほとんど０に抑えなけ
ればならない。

【００８６】図１１は、図９のＬＳＡ系２６内のアフォ
ーカル系５６からウエハ３までの送光系の光路図であ
る。図１１において、第１対物レンズ５９、第２対物レ
ンズ５７、リレーレンズ６５、リレーレンズ６３および
アフォーカル系５６からなる合成光学系は、両側テレセ
ントリック光学系を形成している。また、第１対物レン
ズ５９の焦点距離によりも第２対物レンズ５７の焦点距
離のほうが長く設定されている。

【００８７】アフォーカル系５６は、第２対物レンズ５
７側から順に、負の屈折力を有する負レンズ群７０と正
の屈折力を有する正レンズ群７１とから構成されてい
る。また、第１対物レンズ５９の物体側焦点面がウエハ
３の表面と一致し、合成光学系の像側焦点面６９がウエ
ハ３の表面に対する共役面となるように構成されてい
る。こうして、ウエハ３の表面と共役な像側焦点面６９
に導かれたシートビームは、ウエハ３の表面上に縮小さ
れて集光される。

【００８８】第３実施例では、第１対物レンズ５９、第
２対物レンズ５７およびリレーレンズ６５がほぼ理想レ
ンズに近く収差補正されている。一方、リレーレンズ６
３で適当量発生させたコマ収差とアフォーカル系５６で
発生したコマ収差とが、ウエハ３の表面において互いに
ほぼ打ち消し合うように収差補正されている。また、ア
フォーカル系５６は、リレーレンズ６３と像側焦点面６
９との間のテレセントリックな空間に配置されている。
このように、図１１の送光系は、第１実施例の結像光学
系を送光系として使用するものと同等であり、その構成
および作用効果は第１実施例と同様である。

【００８９】図１１に示す第３実施例の送光系において
は、第１対物レンズ５９等における製造誤差等に起因し
てウエハ３の表面上にコマ収差が発生することがある。
この場合、アフォーカル系５６を光軸ＡＸ₁に対して垂
直な適当な方向に適当量だけシフトさせることによっ
て、そのコマ収差を打ち消すことができる。したがっ
て、第３実施例においてウエハ３上に集光されるシート
ビームは、エネルギー分布が最大となるラインに湾曲の
ないほぼ理想的なものと考えられる。

【００９０】また、第３実施例においても、図１２
（ａ）に示すようにウエハ３上で発生する偏心コマ収差
量ΔＨＣはアフォーカル系５６のシフト量δに比例す
る。そして、その傾きΔＨＣ／δは相殺し合うコマ収差
量ΔＣに比例するので、相殺し合うコマ収差量ΔＣを適
当に設定し、アフォーカル系５６を適当な方向に適当量
だけシフトさせることによって、所望の偏心コマ収差を
発生させることができる。発生させたい偏心コマ収差Δ
ＨＣと、アフォーカル系５６のシフト量δと、リレーレ
ンズ６３とアフォーカル系５６とで相殺し合うコマ収差
量ΔＣと、比例定数ｋ₁との間には、第１実施例と同様
に前述の式（１）に示す関係が成立する。したがって、
第１実施例と同様に、図１２（ｂ）に示すように、ΔＨ
Ｃ／δとΔＣとは比例する。

【００９１】なお、第３実施例では、ほぼ等倍のアフォ
ーカル系５６を使用している。しかしながら、ほぼ等倍
のアフォーカル系５６に代えて、例えば角倍率α（αは
ウエハの表面への縮小倍率）のアフォーカル系や屈折力
のあるレンズを使用してもよい。また、第３実施例で
は、アフォーカル系５６をテレセントリック空間に配置
している。しかしながら、所定の条件のもとでアフォー
カル系５６を非テレセントリック空間に配置してもよ
い。

【００９２】さらに、第３実施例では、レーザビームを
照射する際のエネルギー分布が最大となるラインの湾曲
を補正している。しかしながら、例えばレーザビームを
集光する際のスポット形状を乱すコマ収差の補正にも、
本発明を適用することができる。また、アライメント光
学系だけでなく、ウエハマークの重ね合わせ測定系に本
発明を適用することにより、測定結果の高精度化を期待
することができる。特に、第１および第２実施例のよう
にＦＩＡ系を用いる場合、本発明の適用により、重ね合
わせ測定値の真値ずれ（いわゆるティス）をほとんど無
くすることができる。

【００９３】本発明は上述の各実施例に限定されること
なく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成が可
能であることはいうまでもない。

【００９４】

【効果】以上説明したように、本発明の第１〜第３の収
差補正光学系によれば、簡易なレンズ構成で、全体の光
学系内に製造誤差等により生じたコマ収差を容易に補正
することができ、且つ他の収差にほとんど影響を与える
ことがない。また、本発明の第１および第２の位置合わ
せ装置によれば、本発明の収差補正光学系が使用されて
いるため、簡易な構成で他の収差にほとんど影響を与え
ることなくコマ収差を補正することができ、その結果位
置合わせ用マークの位置を高精度に検出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる位置合わせ装置を
備えた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】（ａ）は第１実施例の位置合わせ装置の結像光
学系における物体面と中間像面と像面との共役関係（結
像関係）を示す光路図であり、（ｂ）は第１実施例の位
置合わせ装置の結像光学系における瞳の共役関係を示す
光路図である。

【図３】（ａ）は第１実施例においてアフォーカル系１
３のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨＣとの関
係を示し、（ｂ）は第１実施例において発生する偏心コ
マ収差量ΔＨＣに対するアフォーカル系１３のシフト量
δの比と、アフォーカル系１３とリレーレンズ１４とが
相殺し合うコマ収差量ΔＣとの関係を示している。

【図４】本発明の第２実施例にかかる位置合わせ装置を
備えた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。

【図５】（ａ）は第２実施例の位置合わせ装置の結像光
学系における物体面と像面との共役関係（結像関係）を
示す光路図であり、（ｂ）は第２実施例の位置合わせ装
置の結像光学系における瞳の共役関係を示す光路図であ
る。

【図６】第２実施例の結像光学系の変形例の構成を概略
的に示す図であって、（ａ）は物体面と像面との共役関
係（結像関係）を示す光路図であり、（ｂ）は瞳の共役
関係を示す光路図である。

【図７】（ａ）は第２実施例においてアフォーカル系２
３のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨＣとの関
係を示し、（ｂ）は第２実施例において発生する偏心コ
マ収差量ΔＨＣに対するアフォーカル系２３のシフト量
δの比と、アフォーカル系２３と第２リレーレンズ２４
とが相殺し合う球面収差量ΔＳとの関係を示している。

【図８】本発明の第３実施例にかかる位置合わせ装置を
備えた投影露光装置の構成を概略的に示す斜視図であ
る。

【図９】図８の位置合わせ装置の光学系の構成を概略的
に示す拡大斜視図である。

【図１０】第３実施例においてウエハ３上の第１対物レ
ンズ５９の観察視野を示す図である。

【図１１】図９のＬＳＡ系２６内のアフォーカル系５６
からウエハ３までの送光系の光路図である。

【図１２】（ａ）は第３実施例においてアフォーカル系
５６のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨＣとの
関係を示し、（ｂ）は第２実施例において発生する偏心
コマ収差量ΔＨＣに対するアフォーカル系５６のシフト
量δの比と、アフォーカル系５６とリレーレンズ６３と
が相殺し合うコマ収差量ΔＣとの関係を示している。

【図１３】レーザビームのビームウエストを光学系でリ
レーする場合のコマ収差の影響を説明する図である。

【符号の説明】

３ウエハ４ウエハステージ５ウエハマーク６アライメント光学系７ハーフミラー８第１対物レンズ１０第２対物レンズ１３，２３アフォーカル系１４リレーレンズ１５撮像素子３４アライメント光学系３６ＬＳＡ系６１Ｘ，６１Ｙシートビーム６２ＦＩＡ系４１Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源５０Ｘ，５０Ｙ送受光分離用偏光ビームスプリッター５４Ｘ，５４Ｙ受光素子５６アフォーカル系５７第２対物レンズ５９第１対物レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面からの光を集光して第２面上に前
記第１面の像を形成するための第１結像光学系と、前記
第２面に形成された前記第１面の像からの光を集光して
第３面上に前記第１面の像を再形成するための第２結像
光学系とを備えた光学系において、前記第２結像光学系内の光路中には、前記第２結像光学
系で発生するコマ収差をほぼ相殺するためのコマ収差を
発生する補正光学系が設けられ、前記補正光学系を偏心させることによって光学系全体の
コマ収差を補正することを特徴とする収差補正光学系。
【請求項２】前記補正光学系はほぼ等倍正立のアフォ
ーカル系であり、前記第２結像光学系内の光路中におい
てほぼテレセントリックな空間に配置されていることを
特徴とする請求項１に記載の収差補正光学系。
【請求項３】前記第１結像光学系は、拡大倍率を有す
ることを特徴とする請求項１または２に記載の収差補正
光学系。
【請求項４】第１面からの光を集光して第２面上に前
記第１面の像を形成するための第１結像光学系と、前記
第２面に形成された前記第１面の像からの光を集光して
第３面上に前記第１面の像を再形成するための第２結像
光学系とを備えた光学系において、前記第２結像光学系内の光路中には、前記第２結像光学
系で発生する球面収差をほぼ相殺するための球面収差を
発生する補正光学系が設けられ、前記補正光学系を偏心させることによって光学系全体の
コマ収差を補正することを特徴とする収差補正光学系。
【請求項５】前記補正光学系は、ほぼ等倍正立のアフ
ォーカル系であり、前記第２結像光学系内の光路中にお
いて実質的に非テレセントリックな空間に配置されてい
ることを特徴とする請求項４に記載の収差補正光学系。
【請求項６】前記第１結像光学系は、拡大倍率を有す
ることを特徴とする請求項４または５に記載の収差補正
光学系。
【請求項７】感光基板上の位置合わせ用マークからの
光を集光して前記位置合わせ用マークの第１像を形成す
るための第１結像光学系と、前記位置合わせ用マークの
第１像からの光を集光して前記位置合わせ用マークの第
２像を形成するための第２結像光学系と、前記第２結像
光学系を介して形成された前記位置合わせ用マークの第
２像を検出するための検出手段とを備え、前記検出手段
の出力に基づいて前記感光基板の位置合わせを行うため
の位置合わせ装置において、前記第２結像光学系内の光路中には、前記第２結像光学
系で発生するコマ収差をほぼ相殺するためのコマ収差を
発生する補正光学系が設けられ、前記補正光学系を偏心させることによって光学系全体の
コマ収差を補正することを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項８】前記補正光学系はほぼ等倍正立のアフォ
ーカル系であり、前記第２結像光学系内の光路中におい
てほぼテレセントリックな空間に配置されていることを
特徴とする請求項７に記載の位置合わせ装置。
【請求項９】前記第１結像光学系は、拡大倍率を有す
ることを特徴とする請求項７または８に記載の位置合わ
せ装置。
【請求項１０】感光基板上の位置合わせ用マークから
の光を集光して前記位置合わせ用マークの第１像を形成
するための第１結像光学系と、前記位置合わせ用マーク
の第１像からの光を集光して前記位置合わせ用マークの
第２像を形成するための第２結像光学系と、前記第２結
像光学系を介して形成された前記位置合わせ用マークの
第２像を検出するための検出手段とを備え、前記検出手
段の出力に基づいて前記感光基板の位置合わせを行うた
めの位置合わせ装置において、前記第２結像光学系内の光路中には、前記第２結像光学
系で発生する球面収差をほぼ相殺するための球面収差を
発生する補正光学系が設けられ、前記補正光学系を偏心させることによって光学系全体の
コマ収差を補正することを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項１１】前記補正光学系は、ほぼ等倍正立のア
フォーカル系であり、前記第２結像光学系内の光路中に
おいて実質的に非テレセントリックな空間に配置されて
いることを特徴とする請求項１０に記載の位置合わせ装
置。
【請求項１２】前記第１結像光学系は、拡大倍率を有
することを特徴とする請求項１０または１１に記載の位
置合わせ装置。
【請求項１３】第１面からの光を第２面上に集光する
ための第１集光光学系と、前記２面上に形成された集光
点からの光を第３面上に再集光するための第２集光光学
系とを備えた光学系において、前記第１集光光学系内の光路中には、前記第１集光光学
系で発生するコマ収差をほぼ相殺するためのコマ収差を
発生する補正光学系が設けられ、前記補正光学系を偏心させることによって光学系全体の
コマ収差を補正することを特徴とする収差補正光学系。
【請求項１４】前記補正光学系はほぼ等倍正立のアフ
ォーカル系であり、前記第２結像光学系内の光路中にお
いてほぼテレセントリックな空間に配置されていること
を特徴とする請求項１３に記載の収差補正光学系。
【請求項１５】前記第２集光光学系は、縮小倍率を有
することを特徴とする請求項１３または１４に記載の収
差補正光学系。