JPH10303091A

JPH10303091A - 結像特性計測方法及び該方法を使用する投影露光装置

Info

Publication number: JPH10303091A
Application number: JP9109039A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Irie; 信行入江
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 1998-11-13

Abstract

(57)【要約】【課題】露光光源の強度変動等がある場合でも高精度
に投影光学系の像面の位置を計測する。【解決手段】露光光ＩＬ１のもとでレチクルＲのパタ
ーン像を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投影する
際に、斜入射方式のＡＦセンサ２６を用いてオートフォ
ーカス方式で合焦を行なう。像面検出系において、露光
光源１からの露光光をシャッタ２、及び光ファイバ５２
等を介して照明光ＩＬ２として開口パターン４５に導
き、開口パターン４５を通過した後、投影光学系ＰＬを
経てレチクルＲで反射され、再び投影光学系ＰＬを通過
した照明光を開口パターン４５を介して像強度モニタ６
５で受光する。照明光ＩＬ２から分岐した照明光ＩＬ３
を光強度モニタ５５で受光し、像強度モニタ６５の検出
信号Ｓ１を光強度モニタ５５の検出信号Ｓ２で補正した
信号に基づいて、投影光学系ＰＬの像面を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するた
めのフォトリソグラフィ工程でマスクパターンの像を基
板上に転写するために使用される投影光学系の像面（ベ
ストフォーカス位置）等の結像特性の計測方法、及びこ
の計測方法を使用する投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造する際に、マスクと
してのレチクルのパターンを投影光学系を介して、基板
としてのフォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラ
スプレート等）上に転写するために使用されるステッパ
ー等の投影露光装置においては、高い解像度でレチクル
のパターン像を転写するために、ウエハの表面を常に投
影光学系の像面に対して焦点深度の範囲内に設定してお
く必要がある。そこで、従来より投影露光装置には、フ
ォトレジストに対して非感光性の検出光のもとで投影光
学系の光軸に対して斜めにウエハの表面にスリット像等
を投影し、そのウエハの表面からの反射光を検出するこ
とによって、そのウエハの表面のフォーカス位置（投影
光学系の光軸方向の位置）を検出する斜入射方式の焦点
位置検出系が備えられ、この焦点位置検出系の検出結果
に基づいてオートフォーカス方式でウエハの表面の合焦
が行われている。

【０００３】その斜入射方式の焦点位置検出系で検出さ
れる量は、予め求められている像面からのデフォーカス
量であり、その像面は従来は例えばウエハのフォーカス
位置を種々に変えてテストプリントを行うことによって
決定されていた。それに対して最近、テストプリントを
行うことなく高速、且つ高精度に像面を決定するため
に、空間像センサを有する像面検出系を用いる方法も使
用されている。この像面検出系を用いる方法では、露光
光を分岐して得られる照明光でウエハステージの表面に
形成されたスリット状の開口パターンを照明し、この開
口パターンを通過して投影光学系を経てレチクルで反射
された後、再び投影光学系を通過した照明光をその開口
パターンを介して受光し、受光される光量の変化よりそ
の開口パターンの像のコントラストを検出している。そ
して、その開口パターンのフォーカス位置を変化させな
がらその像のコントラストが最大となるときのフォーカ
ス位置を像面位置として決定し、この際に焦点位置検出
系でもデフォーカス量を求めることによって、その焦点
位置検出系のオフセットを決定していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の投影
露光装置で、像面検出系を用いて斜入射方式の焦点位置
検出系の基準となる像面（ベストフォーカス位置）を決
定する際には、照明光として露光光から分岐して得られ
る光束が使用されている。しかしながら、露光光源自体
の光強度が時間的に変化する（揺らぐ）場合、その像面
検出系で検出される開口パターンの像のコントラストの
変化はその露光光の強度変化にも影響されるため、必ず
しも正確に像面を求めることができないという不都合が
あった。

【０００５】特に、開口パターンのフォーカス位置を変
えながら検出するその開口パターンの像のコントラスト
の変化に対して、露光光源の光強度変化が同程度になっ
て来ると、決定される像面の精度が大きく低下してしま
う。また、露光光源自体の光強度は安定していても、外
部からの振動の影響等によって、露光光の分岐光学系を
構成する光学部材の相対変位等が生ずることによって照
明光の強度が変化する場合でも、像面検出系を介して検
出されるコントラストが変化して、求められる像面の精
度が低下することになる。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑み、露光光から分岐
した照明光を用いて投影光学系の像面のような結像特性
を計測する場合に、その結像特性をより高精度に計測で
きる結像特性計測方法を提供することを目的とする。更
に本発明は、そのような結像特性計測方法を使用できる
投影露光装置を提供することをも目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による結像特性計
測方法は、所定の露光光のもとでマスク（Ｒ）に形成さ
れたパターンの像を基板（Ｗ）上に投影する投影光学系
（ＰＬ）の結像特性計測方法において、その露光光から
分岐して得られる照明光（ＩＬ２）で所定の評価用パタ
ーン（４５）を照明し、その照明光のもとで投影光学系
（ＰＬ）を介して得られるその評価用パターンの投影像
の像強度を検出すると共に、その露光光から分岐して得
られる照明光（ＩＬ２）の光強度の変化を検出し、その
評価用パターンの投影像の像強度をその検出された照明
光の光強度で補正して得られる像強度に基づいて投影光
学系（ＰＬ）の結像特性を計測するものである。

【０００８】斯かる本発明によれば、その露光光から分
岐して得られる照明光（ＩＬ２）の光強度が常時モニタ
されている。このとき、その露光光源自体の光強度の変
動、又は外部からの振動等の影響はその照明光の光強度
の変動に反映される。そこで、例えばその照明光の光強
度でその投影像の像強度を除算して得られる値に基づい
て、その投影像の像強度の実際の変化を求めることによ
って、その照明光の光強度が変動する（揺らぐ）場合で
も、投影光学系（ＰＬ）の結像特性を従来より高精度に
計測できる。

【０００９】この場合、所定の評価用パターン（４５）
を投影光学系（ＰＬ）の光軸方向に移動しながら投影光
学系（ＰＬ）を介して得られる評価用パターン（４５）
の投影像の像強度を検出し、評価用パターン（４５）の
投影像の像強度をその検出された照明光の光強度で補正
して得られる像強度より、評価用パターン（４５）のそ
の光軸方向の位置に応じた評価用パターン（４５）の投
影像のコントラストを求め、このように求められたコン
トラストより投影光学系（ＰＬ）の像面（ベストフォー
カス位置）を求めることが望ましい。これは、投影光学
系（ＰＬ）の結像特性の一例として像面の位置を求める
場合を表している。

【００１０】また、本発明による投影露光装置は、所定
の露光光のもとでマスク（Ｒ）に形成されたパターンを
基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、基板
（Ｗ）を移動する基板ステージ（２２，２３）とを有す
る投影露光装置において、その露光光とは異なる波長域
の検出光（ＡＬ）を投影光学系（ＰＬ）を介さずに基板
（Ｗ）の表面に照射することによって、その投影光学系
の光軸に沿った方向で投影光学系（ＰＬ）の像面からの
基板（Ｗ）のデフォーカス量を検出する焦点位置検出系
（２６）と、その露光光から分岐して得られる照明光
（ＩＬ２）のもとで所定の評価用パターン（４５）を投
影光学系（ＰＬ）を介して投影して得られる投影像の像
強度を検出する像面検出系（２，４４，４８，４９，５
１〜５４，６５）と、その露光光から分岐して得られる
照明光（ＩＬ２）の光強度の変化を検出する光強度検出
系（５２ａ，５５）と、その基板ステージを介して評価
用パターン（４５）をその光軸方向に移動したときにそ
の像面検出系で検出される像強度をその光強度検出系で
検出される光強度で補正して得られる像強度に基づい
て、その焦点位置検出系で基準となる投影光学系（Ｐ
Ｌ）の像面を設定するものである。

【００１１】斯かる本発明の投影露光装置によれば、露
光時には例えば斜入射方式の焦点位置検出系を用いて、
オートフォーカス方式でその基板の合焦が行われる。そ
して、その焦点位置検出系で基準となる像面を決定する
際には、その評価用パターンをその光軸方向に移動しな
がら、例えば空間像センサを備えたその像面検出系で検
出されるその評価用パターンの像強度を、その光強度検
出系で検出される光強度で例えば除算して得られる像強
度のコントラストが最大となる位置を求めることによっ
て、その照明光の光強度が変動する（揺らぐ）場合であ
っても、従来より高精度に像面を求めることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき、図面を参照して説明する。本例は、ステッパー
型の投影露光装置において、投影光学系の像面（ベスト
フォーカス位置）を求める場合に本発明を適用したもの
である。図１は本例の投影露光装置の概略的な構成を示
し、この図１において、水銀ランプ及び楕円鏡等を含む
露光光源１から発生したｉ線等の露光光はシャッタ２に
至る。シャッタ２はモータ３によって開閉でき、露光時
でシャッタ２が開状態のときには点線の光路で示すよう
に、露光光はインプットレンズ４を介して露光光ＩＬ１
として照度分布均一化用のフライアイレンズ５に入射す
る。なお、露光光としては水銀ランプ等の輝線の他に、
ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザ等のエキ
シマレーザ光等も使用できる。

【００１３】図１において、フライアイレンズ５の射出
面には開口絞り板６が回転自在に配置され、開口絞り板
６には回転軸の周りに通常の円形絞り６ａ、輪帯照明用
の輪帯絞り６ｂ、複数開口よりなる所謂変形照明用の絞
り（不図示）、及び小さいコヒーレンスファクタ用の小
開口絞り（不図示）等の照明系開口絞り（σ絞り）が配
置されている。本例では、装置全体の動作を統轄制御す
るコンピュータよりなる主制御系２０が、モータ７を介
して開口絞り板６を回転してフライアイレンズ５の射出
面の照明系開口絞りの種類を変更することで、所望の照
明条件に設定できる。フライアイレンズ５の射出面の照
明系開口絞りを通過した露光光ＩＬ１は、ミラー８、第
１リレーレンズ９Ａ、可変視野絞り（レチクルブライン
ド）１０及び第２リレーレンズ９Ｂを通過してミラー１
１に至る。そして、ミラー１１で下方に反射された露光
光ＩＬ１は、コンデンサーレンズ１２を介してレチクル
Ｒのパターン領域１３をほぼ均一な照度分布で照明す
る。

【００１４】露光時に、レチクルＲのパターン領域１３
を通過した露光光ＩＬ１は、両側（又はウエハ側に片
側）テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射し、投影
光学系ＰＬにより投影倍率β（βは例えば１／４，１／
５等）で縮小されたレチクルＲのパターン像が、表面に
フォトレジスト層が塗布され、その表面が投影光学系Ｐ
Ｌの像面とほぼ一致するように保持されたウエハＷ上の
１つのショット領域に投影露光される。なお、図１では
ウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの露光フィールドから
外れた状態が示されている。また、本例では投影光学系
ＰＬの上部にスペーサ１４、及び３個の伸縮自在のピエ
ゾ素子等の駆動素子１５Ａ〜１５Ｃを介して、結像特性
補正用の平板ガラスよりなる補正板１６が配置され、結
像特性制御系１７がそれらの駆動素子１５Ａ〜１５Ｃの
伸縮量を調整して、補正板１６の傾斜角及び位置を制御
することで、例えば台形状のディストーション等を補正
できるように構成されている。即ち、結像特性制御系１
７、駆動素子１５Ａ〜１５Ｃ、及び補正板１６より「デ
ィストーション制御部材」が構成されている。

【００１５】更に、本例の投影光学系ＰＬ内には、所定
のレンズ間に密閉空間１９が設けられ、この密閉空間１
９に配管１８を介して結像特性制御系１７から圧力可変
の気体が供給されている。そして、密閉空間１９内の気
体圧力（内圧）Ｐを制御することで、投影倍率βを所定
範囲内で制御できるように構成されている。即ち、結像
特性制御系１７、配管１８、及び密閉空間１９より「倍
率制御部材」が構成されている。但し、その倍率制御部
材を駆動すると、その投影倍率βの補正量Δβに応じて
投影光学系ＰＬの像面（ベストフォーカス位置）も変化
してしまう。そこで、その投影倍率の補正量Δβに対す
るその像面の変化量（デフォーカス量）も予め求められ
て、装置定数として主制御系２０内のオートフォーカス
制御系２０ａに記憶されている。

【００１６】また、不図示であるが主制御系２０には、
大気圧を計測するための環境センサや、ウエハＷに対す
る露光量（投影光学系ＰＬを通過する照射エネルギー）
を計測するためのセンサが接続されており、これらのセ
ンサの計測結果及び所定の演算式より、主制御系２０は
投影光学系ＰＬの投影倍率βの変化量を算出できる。そ
こで、主制御系２０は結像特性制御系１７に投影倍率の
補正量Δβを指定すると共に、その補正量に応じた量だ
けウエハＷのフォーカス位置を補正する。これに応じて
結像特性制御系１７は投影倍率を補正する。また、ウエ
ハＷのアライメントによって、ウエハＷ上の前のレイヤ
の各ショット領域内のパターンに所定のディストーショ
ンΔＤが有ることが分かる場合がある。このような場
合、主制御系２０は結像特性制御系１７にそのディスト
ーションの補正量ΔＤを指定し、これに応じて結像特性
制御系１７は補正板１６を駆動してディストーションを
補正する。

【００１７】次に、本例の投影露光装置のステージ系、
オートフォーカス機構、及び結像特性計測系等につき説
明するが、説明の便宜上、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに
平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に
平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取っておく。
このとき、レチクルＲは、光軸ＡＸに垂直な平面内で２
次元移動、及び回転自在なレチクルステージ２１上に載
置され、主制御系２０によりレチクルステージ２１の位
置決め動作が制御される。

【００１８】一方、ウエハＷは、ウエハホルダ（不図
示）を介してＺチルトステージ２２上に保持され、Ｚチ
ルトステージ２２はＸＹステージ２３上に固定され、Ｚ
チルトステージ２２及びＸＹステージ２３よりウエハス
テージが構成されている。Ｚチルトステージ２２は、ウ
エハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）を制御すると
共に、所定範囲内でウエハＷの傾斜角を補正し、ＸＹス
テージ２３はＸ方向、Ｙ方向へウエハＷの位置決めを行
う。Ｚチルトステージ２２の上端の移動鏡２４ｍ及び外
部のレーザ干渉計２４によってＺチルトステージ２２
（ウエハＷ）のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角が高精度に
計測され、計測結果が主制御系２０に供給され、主制御
系２０はその計測結果に基づいて駆動装置２５を介して
ＸＹステージ２３の位置決めを行う。

【００１９】また、投影光学系ＰＬの側面部には、ウエ
ハＷの表面、又は後述の基準マーク部材４４の表面のフ
ォーカス位置を検出するための斜入射方式の焦点位置検
出系（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）２６が配置されて
いる。ＡＦセンサ２６において、光源２７から射出され
たフォトレジストに対して非感光性の照明光ＡＬは、ミ
ラー２８及び集光レンズ２９を介して被検面（図１では
基準マーク部材４４の表面）にスリット像を形成する。
そして、その被検面で反射された照明光ＡＬは、結像レ
ンズ３０、振動ミラー３１、平行平板ガラス（プレーン
パラレル）３２を介して光電検出器３３内の受光素子の
表面に振動するスリット像を再結像する。その受光素子
の受光面には受光用のスリットが形成され、その受光素
子の光電変換信号を振動ミラー３１の駆動信号で同期整
流することによって、図５（ｂ）に示すように、被検面
のフォーカス位置（Ｚ方向の位置）Ｚに対応して所定範
囲内でほぼ線形に変化するフォーカス信号ＳＦが得られ
る。

【００２０】図１において、フォーカス信号ＳＦは主制
御系２０内のオートフォーカス制御系２０ａに供給され
る。例えば投影露光装置の組立調整時に、被検面の表面
が像面に合焦している状態でそのフォーカス信号ＳＦが
０となるように調整が行われ、オートフォーカス制御系
２０ａは、そのフォーカス信号ＳＦが０に維持されるよ
うに、駆動装置２５を介してＺチルトステージ２２のＺ
方向の位置を制御する。これにより、オートフォーカス
方式でウエハＷ、又は基準マーク部材４４の表面が常に
結像面に合焦される。また、ＡＦセンサ２６内の平行平
板ガラス３２の傾斜角はオートフォーカス制御系２０ａ
によって制御できるように構成され、例えば結像特性制
御系１７を介して密閉空間１９の内圧を制御して投影倍
率βをΔβだけ補正する場合には、その平行平板ガラス
３２の角度を変えることにより、そのフォーカス信号Ｓ
Ｆにその補正量Δβに対応するオフセットを付与できる
ようになっている。但し、その補正量Δβに対応するオ
フセットには誤差が生ずる恐れもあり、且つ他の要因等
によって投影光学系ＰＬの像面が次第にドリフトする恐
れもあるため、本例では後述のように例えば定期的にそ
の像面の位置の計測（キャリブレーション）を行う。

【００２１】そして、ウエハＷへの露光時にはそのよう
にオートフォーカス制御を行った状態で、ウエハＷ上の
１つのショット領域に対するレチクルＲのパターン像の
転写が終了すると、ＸＹステージ２３のステッピングに
よってウエハＷ上の次のショット領域が露光フィールド
に設定され、ステップ・アンド・リピート方式で露光が
繰り返される。

【００２２】また、レチクルＲの斜め上方に撮像方式の
レチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂが配置され、投
影光学系ＰＬ側からレチクルＲを通過した照明光をレチ
クルアライメント系４１Ａ，４１Ｂに導くためのミラー
４２Ａ，４２Ｂが、露光光ＩＬ１の光路に退避自在に配
置されている。レチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂ
はそれぞれレチクルＲ上のアライメントマーク（不図
示）に対応して配置され、これらのアライメント系４１
Ａ，４１ＢによってレチクルＲのウエハステージに対す
るアライメントが行われる。

【００２３】次に、本例の結像特性計測系としての像面
計測系につき説明する。先ず、Ｚチルトステージ２２上
のウエハＷの近傍に石英等の低膨張ガラスよりなる基準
マーク部材４４が固定され、基準マーク部材４４上に種
々の基準マーク等が形成されている。その基準マークの
一つとして、基準マーク部材４４の表面のクロム膜等の
遮光膜中にスリット状の開口パターン４５が形成されて
いる。そして、基準マーク部材４４の底面のＺチルトス
テージ２２内に光ファイバを介して露光波長の照明光が
導かれている。

【００２４】即ち、本例では露光光源１の直前に配置さ
れているシャッタ２が閉じている状態で、シャッタ２で
反射された露光光よりなる照明光ＩＬ２が、ミラー４
８、レンズ４９、レンズ５１を介して光ファイバ５２の
一端に集光されている。光ファイバ５２のその端部の近
傍に第１の分岐端５２ａが形成されており、光ファイバ
５２に入射した照明光ＩＬ２の内でその分岐端５２ａか
ら射出される照明光が、照明光ＩＬ３としてフォトダイ
オード等の光電検出器よりなる光強度モニタ５５に入射
しており、光強度モニタ５５の検出信号Ｓ２が主制御系
２０内の演算系２０ｂに供給されている。なお、光強度
モニタ５５を光ファイバ５２の一端の近傍内部に埋め込
むようにしてもよい。

【００２５】その光ファイバ５５の他端はＺチルトステ
ージ２２内に導かれている。そして、光ファイバ５２の
他端から射出された照明光ＩＬ２は、集光レンズ５３、
及びミラー５４を介して基準マーク部材４４の底部から
スリット状の開口パターン４５を照明する。図１に示す
ように、開口パターン４５が投影光学系ＰＬの露光フィ
ールド内に有る状態では、開口パターン４５を通過した
照明光ＩＬ２は、投影光学系ＰＬ及び補正板１６を介し
てレチクルＲのパターン面に開口パターン４５の像を形
成する。そして、そのパターン面で反射された照明光Ｉ
Ｌ２は、補正板１６、及び投影光学系ＰＬを介して基準
マーク部材４４の開口パターン４５上に、この開口パタ
ーン４５の像を再結像し、開口パターン４５を通過した
照明光ＩＬ２が、ミラー５４、集光レンズ５３を介して
光ファイバ５２に戻り、光ファイバ５２に戻された照明
光ＩＬ２の一部は、光ファイバ５２の途中で分岐してい
る第２の分岐端５２ｂから射出されて光電検出器よりな
る像強度モニタ６５に入射し、像強度モニタ６５からの
検出信号Ｓ１が主制御系２０内の演算系２０ｂに供給さ
れている。演算系２０ｂにはＡＦセンサ２６からのフォ
ーカス信号ＳＦも供給されている。

【００２６】この場合、光強度モニタ５５及び像強度モ
ニタ６５は同一の支持部材で支持されている。また、光
強度モニタ５５及び像強度モニタ６５はできるだけ近い
位置に配置されることが望ましいが、例えば図１に２点
鎖線で示すように、レンズ４９，５１間に反射率が低く
透過率の高いビームスプリッタ５０を配置し、このビー
ムスプリッタ５０で反射された照明光ＩＬ２の一部を光
強度モニタ５５で受光するような構成も考えられる。

【００２７】図１において、照明光ＩＬ２は露光光であ
るため、露光時に基準マーク部材４４の表面が投影光学
系ＰＬの像面（ベストフォーカス位置）に合焦している
ときには、レチクルＲからの反射光によって基準マーク
部材４４上に再結像される開口パターン４５の像が最も
開口パターン４５の大きさに近付き、基準マーク部材４
４がデフォーカスすると、その開口パターン４５の像は
ぼけて大きくなる。即ち、露光光のもとで基準マーク部
材４４の表面が像面に合焦しているときには、レチクル
Ｒからの反射光によって形成される開口パターン４５の
像のコントラストが最も高くなる。従って、基準マーク
部材４４の表面をＺ方向に変位させると、露光光の強度
が安定している際には、像強度モニタ６５の検出信号Ｓ
１は基準マーク部材４４の表面がベストフォーカス位置
にあるときに最大となり、それ以外では次第に小さくな
るように山型に変化する。しかしながら、実際には露光
光源１の出力変動や外部からの振動等の影響によるレン
ズ５１と光ファイバ５２との相対変位等によって、開口
パターン４５を照明する照明光ＩＬ２の光強度が時間的
に変動しているため、検出信号Ｓ１はそのように理想的
な山型には変化しない。

【００２８】そこで、以下ではその検出信号Ｓ１から照
明光ＩＬ２の強度変動（揺らぎ）の影響を除去して、高
精度に像面を決定するための動作の一例につき説明す
る。先ず、図１に示すように、シャッタ２を閉じて基準
マーク部材４４上の開口パターン４５を照明光ＩＬ２で
照明した状態で、開口パターン４５を投影光学系ＰＬの
露光フィールド内に設定する。そして、Ｚチルトステー
ジ２２を動作させて開口パターン４５のフォーカス位置
Ｚを、それまでに求められている投影光学系ＰＬの像面
（これを「像面の設定値」と呼ぶ）に対して所定幅だけ
下方に設定した後、Ｚチルトステージ２２を＋Ｚ方向に
連続的に駆動することによって、開口パターン４５のフ
ォーカス位置Ｚを所定速度でその像面の設定値よりも所
定幅だけ上方まで移動する。そして、このように開口パ
ターン４５をＺ方向に移動する際に、主制御系２０内の
演算系２０ｂではＡＦセンサ２６のフォーカス信号Ｓ
Ｆ、像強度モニタ６５の検出信号Ｓ１、及び光強度モニ
タ５５の検出信号Ｓ２を並列に取り込む。この場合、フ
ォーカス信号ＳＦ、及び像強度モニタ６５の検出信号Ｓ
１は実際にはフォーカス位置Ｚの関数であるが、計測時
には検出信号Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ図２及び図３に示す
ように、時間ｔの関数として取り込まれる。図２及び図
３の横軸は時間ｔであるが、時間ｔでの開口パターン４
５（基準マーク部材４４の表面）のフォーカス位置をＺ
とすると、その横軸はフォーカス位置Ｚにも対応させる
ことができる。

【００２９】次に、検出信号Ｓ１，Ｓ２の直流成分を揃
えてから両者の差分を求めるために、検出信号Ｓ１，Ｓ
２を以下のような成分に分けて考える。先ず、像強度モ
ニタ６５の検出信号Ｓ１については、次のようにフォー
カス位置の変化によって強度変化する時間ｔの関数より
なる信号成分ｆ１（ｔ）、オフセット成分Ｂ１、及び揺
らぎ成分Ｃ１・ｇ（ｔ）に分ける。後者の揺らぎ成分は
所定の係数Ｃ１と時間ｔの関数ｇ（ｔ）との積である。

【００３０】Ｓ１＝ｆ１（ｔ）＋Ｂ１＋Ｃ１・ｇ（ｔ）（１）また、光強度モニタ５５の検出信号Ｓ２については、次
のようにオフセット成分Ｂ２と揺らぎ成分Ｃ２・ｇ
（ｔ）とに分ける。後者の揺らぎ成分は所定の係数Ｃ２
と（１）式でも現れている関数ｇ（ｔ）との積である。Ｓ２＝Ｂ２＋Ｃ２・ｇ（ｔ）（２）これらの場合、演算系２０ｂでは一例として、検出信号
Ｓ１，Ｓ２の時間平均によってそれぞれ対応するオフセ
ット成分Ｂ１，Ｂ２を求めることができる。この場合、
検出信号Ｓ１とＳ２との間には、以下のような関係式が
成立する。これは、検出信号Ｓ１，Ｓ２のオフセット成
分と揺らぎ成分との強度比は、検出信号Ｓ１とＳ２との
間で等しいと考えられるからである。

【００３１】Ｃ１／Ｂ１＝Ｃ２／Ｂ２（３）ここで、検出信号Ｓ１に合わせて照明光ＩＬ２の揺らぎ
成分に対応する検出信号Ｓ２の直流成分を揃えた後、検
出信号Ｓ１からその補正後の検出信号Ｓ２を除去した信
号を合焦信号ＳＣとすると、演算系２０ｂでは以下のよ
うにして検出信号Ｓ１から検出信号Ｓ２に係数（Ｂ１／
Ｂ２）を乗じた値を差し引くことによって合焦信号ＳＣ
を求める。

【００３２】ＳＣ＝Ｓ１−（Ｂ１／Ｂ２）Ｓ２＝｛ｆ１（ｔ）＋Ｂ１＋Ｃ１・ｇ（ｔ）｝ −（Ｂ１／Ｂ２）｛Ｂ２＋Ｃ２・ｇ（ｔ）｝（４）この（４）式の変形に際して（１）式、（２）式を使用
している。更に、（４）式で（３）式の関係を用いると
次のようになる。

【００３３】ＳＣ＝ｆ１（ｔ）＋｛Ｃ１−（Ｂ１／Ｂ２）Ｃ２｝・ｇ（ｔ）＝ｆ１（ｔ）（５）これによって、合焦信号ＳＣからは露光光源１の強度変
動等に依る揺らぎ成分が除去されており、合焦信号ＳＣ
は純粋にフォーカス位置の変化のみによって強度が変化
する信号成分であることが分かる。従って、（５）式の
合焦信号ＳＣが得られた後は、その合焦信号ＳＣがピー
クとなる位置が、開口パターン４５の像のコントラスト
が最も大きくなる像面（ベストフォーカス位置）とな
る。

【００３４】具体的に、図２及び図３の検出信号Ｓ１，
Ｓ２に（４）式、（５）式を適用して求めた合焦信号Ｓ
Ｃは図４に示すような一つの大きなピークを持つ信号と
なり、図４において合焦信号ＳＣがピークとなる時点ｔ
１におけるフォーカス位置Ｚ１が像面となる。これに対
して、図２の検出信号Ｓ１の段階では揺らぎの影響によ
って必ずしも時点ｔ１のみで高いピークが得られるとは
限らないため、像面の位置の検出精度が低下する恐れが
ある。

【００３５】次に、そのようにして求められた合焦信号
ＳＣを図５（ａ）の合焦信号ＳＣであるとすると、演算
系２０ｂでは、合焦信号ＳＣと図５（ｂ）に示すような
フォーカス信号ＳＦとを比較する。図５（ａ），（ｂ）
において、横軸はそれぞれ時間ｔであるが、その横軸は
時間ｔでの開口パターン４５のフォーカス位置Ｚとも見
なすことができる。この場合、合焦信号ＳＣから決定さ
れる像面のフォーカス位置はＺ１であるのに対して、フ
ォーカス信号ＳＦが０となるフォーカス位置はＺ２であ
り、位置Ｚ２にはオフセットδＺ（＝Ｚ１−Ｚ２）が生
じている。そこで、演算系２０ｂではこのオフセットδ
Ｚを図１のオートフォーカス制御系２０ａに供給し、オ
ートフォーカス制御系２０ａではそのオフセットδＺ分
だけ平行平板ガラス３２の傾斜角を補正して、新たな像
面位置であるフォーカス位置Ｚ１でフォーカス信号ＳＦ
が０になるようにする。これによって、像面のキャリブ
レーションが完了する。

【００３６】このように本例では、露光光としての照明
光ＩＬ２から分岐した照明光ＩＬ３の光強度をモニタ
し、この結果に基づいて像強度モニタ６５の検出信号Ｓ
１を補正しているため、照明光ＩＬ２の光強度が時間変
動するような場合でも高精度に投影光学系ＰＬの像面を
求めることができる。従って、斜入射方式のＡＦセンサ
２６で基準となる像面位置が正確であるため、常に高精
度にオートフォーカス方式でウエハＷの表面を投影光学
系ＰＬの像面に合わせ込んで露光を行うことができ、ウ
エハＷ上の各ショット領域にそれぞれ高い解像度でレチ
クルＲのパターン像を露光できる。

【００３７】なお、本例では開口絞り板６内の照明系開
口絞り（σ絞り）の選択によって、照明条件を通常の照
明方法、輪帯照明、及び変形照明等に切り換えることが
できるが、これらの照明条件によってもその像面の位置
が僅かに変動する恐れもある。そこで、各照明条件毎に
その像面検出系を用いてその像面のキャリブレーション
を行うようにしてもよい。

【００３８】なお、（５）式の合焦信号ＳＣが微弱な場
合は、そのまま信号処理するのではなく所定のゲインを
かけて処理し易い大きさに変換することが望ましい。こ
の際に、更に残留している検出信号のオフセット成分を
除去してもよい。具体的に、その所定のゲインをＧ、更
に除去するオフセット成分をＢ３とすると、（４）式の
代わりに合焦信号ＳＣを以下の式で表せばよい。

【００３９】ＳＣ＝Ｇ｛Ｓ１−（Ｂ１／Ｂ２）Ｓ２｝−Ｂ３（４Ａ）又は、その合焦信号ＳＣを次式で表してもよい。ＳＣ＝Ｇ［｛Ｓ１−（Ｂ１／Ｂ２）Ｓ２｝−Ｂ３］（４Ｂ）また、検出信号Ｓ１から揺らぎ成分を除去するための演
算式の例として、上記の実施の形態では（４）式、（４
Ａ）式、（４Ｂ）式を使用したが、これ以外の演算式で
も構わない。また、上記の実施の形態では検出信号Ｓ１
から揺らぎ成分を除去するため演算処理はソフトウェア
的に実行しているが、ハードウェアで処理してもよい。

【００４０】ところで、上記の実施の形態では、（１）
式及び（２）式で示すように検出信号Ｓ１，Ｓ２の揺ら
ぎ成分ｇ（ｔ）の位相が等しくなっているが、これは光
強度モニタ５５の設置位置を像強度モニタ６５が取り付
けられている支持部材と同じ部材にすることで容易に実
現される。言い換えると、そのように光強度モニタ５５
と像強度モニタ６５とを同じ支持部材上にできるだけ近
付けて配置することが、照明光の揺らぎ補正上で重要と
なる。

【００４１】また、上記の実施の形態では投影光学系Ｐ
Ｌの像面を計測する場合に本発明を適用している。それ
以外に、例えば投影光学系ＰＬの倍率やディストーショ
ン等を計測する場合に、露光光によるレチクルの評価用
パターンの像の位置を空間像計測で求めるようなときに
も、その露光光の強度変動をモニタすることによってよ
り正確にその評価用パターンの像の位置、ひいては倍率
やディストーション等をより高精度に計測できる。

【００４２】また、本発明はステップ・アンド・スキャ
ン方式のような走査露光型の投影露光装置で結像特性を
計測する場合にも適用できる。このように、本発明は上
述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々の構成を取り得る。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、露光光から分岐した照
明光のもとでの所定の評価用パターンの投影像の像強度
を、露光光から分岐した照明光の光強度で補正して得ら
れる像強度に基づいてその投影光学系の結像特性を計測
しているため、露光光から分岐した照明光を用いて投影
光学系の像面のような結像特性を計測する場合に、その
照明光の光強度が時間変動していても、その結像特性を
従来より高精度に計測できる利点がある。

【００４４】この際に、その所定の評価用パターンを投
影光学系の光軸方向に移動しながらその投影光学系を介
して得られるその評価用パターンの投影像の像強度を検
出し、その評価用パターンの投影像の像強度をその検出
された照明光の光強度で補正して得られる像強度より、
その評価用パターンのその光軸方向の位置に応じたその
評価用パターンの投影像のコントラストを求め、このよ
うに求められたコントラストよりその投影光学系の像面
を求める場合には、結像特性の一例としての像面（ベス
トフォーカス位置）を従来より高精度に計測できる。

【００４５】また、本発明の投影露光装置によれば、本
発明の結像特性計測方法の使用によって高精度に焦点位
置検出系の基準となる像面を決定できるため、合焦精度
が向上する利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例で使用される投影露
光装置を示す一部断面図を含む概略構成図である。

【図２】図１の像強度モニタ６５の検出信号Ｓ１の一例
を示す図である。

【図３】図１の光強度モニタ５５の検出信号Ｓ２の一例
を示す図である。

【図４】像強度モニタ６５の検出信号Ｓ１を光強度モニ
タ５５の検出信号Ｓ２を用いて補正して得られる合焦信
号ＳＣの一例を示す図である。

【図５】合焦信号ＳＣ、及びこれに対応するフォーカス
信号ＳＦの一例を示す図である。

【符号の説明】

１露光光源６開口絞り板ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ１７結像特性制御系２０主制御系２０ａオートフォーカス制御系２０ｂ演算系２２Ｚチルトステージ２３ＸＹステージ２６ＡＦセンサ４４基準マーク部材４５開口パターン５５光強度モニタ６５像強度モニタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の露光光のもとでマスクに形成され
たパターンの像を基板上に投影する投影光学系の結像特
性計測方法において、前記露光光から分岐して得られる照明光で所定の評価用
パターンを照明し、前記照明光のもとで前記投影光学系
を介して得られる前記評価用パターンの投影像の像強度
を検出すると共に、前記露光光から分岐して得られる照
明光の光強度の変化を検出し、前記評価用パターンの投影像の像強度を前記検出された
照明光の光強度で補正して得られる像強度に基づいて前
記投影光学系の結像特性を計測することを特徴とする結
像特性計測方法。
【請求項２】請求項１記載の結像特性計測方法であっ
て、前記所定の評価用パターンを前記投影光学系の光軸方向
に移動しながら前記投影光学系を介して得られる前記評
価用パターンの投影像の像強度を検出し、前記評価用パターンの投影像の像強度を前記検出された
照明光の光強度で補正して得られる像強度より、前記評
価用パターンの前記光軸方向の位置に応じた前記評価用
パターンの投影像のコントラストを求め、該求められたコントラストより前記投影光学系の像面を
求めることを特徴とする結像特性計測方法。
【請求項３】所定の露光光のもとでマスクに形成され
たパターンを基板上に投影する投影光学系と、前記基板
を移動する基板ステージとを有する投影露光装置におい
て、前記露光光とは異なる波長域の検出光を前記投影光学系
を介さずに前記基板の表面に照射することによって、前
記投影光学系の光軸に沿った方向で前記投影光学系の像
面からの前記基板のデフォーカス量を検出する焦点位置
検出系と、前記露光光から分岐して得られる照明光のもとで所定の
評価用パターンを前記投影光学系を介して投影して得ら
れる投影像の像強度を検出する像面検出系と、前記露光光から分岐して得られる照明光の光強度の変化
を検出する光強度検出系と、前記基板ステージを介して前記評価用パターンを前記光
軸方向に移動したときに前記像面検出系で検出される像
強度を前記光強度検出系で検出される光強度で補正して
得られる像強度に基づいて、前記焦点位置検出系で基準
となる前記投影光学系の像面を設定することを特徴とす
る投影露光装置。