JPH1074680A

JPH1074680A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH1074680A
Application number: JP8229839A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nei; 正洋根井; Yuuki Ishii; 勇樹石井; Toru Kiuchi; 徹木内
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ライトガイドがウエハステージの駆動精度に
与えていた影響を除去する。【解決手段】基板ステージと別設された光源からの光
を基板ステージに向けて照射する第１光学系と、この第
１光学系から照射された光を入射するように基板ステー
ジに設けられ、入射した光を基板ステージ上の所定パタ
ーン領域に導くための第２光学系とを備え、第１光学系
と第２光学系とは機械的に分離しており、少なくとも投
影光学系の視野内に所定パターン領域が存在するような
基板ステージの位置において、第１光学系と第２光学系
とが光学的に接続可能である構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は投影露光装置に関し、特に
半導体素子または液晶表示素子等をリソグラフィ工程で
製造する際に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】投影露光装置では、可動のウエハステー
ジ（基板ステージ）に設けられた送受光光学系として、
例えばウエハステージ上に指標板に形成された指標マー
クを照明するため、又は指標マークから発光されるよう
な可動送受光光学系を備えている。可動送受光光学系で
は、例えばアライメントマークのように動きのある目標
物を照明する、または発光するため、送受光に自由度を
持たせる必要がある。そこで、可動送受光光学系では送
受光に自由度を持たせるために多数の光ファイバを束ね
て構成されたフレキシブルなライトガイドが用いられて
いる。

【０００３】図９は、フレキシブルなライトガイドを用
いた可動送光光学系を備えている、従来の投影露光装置
の構成を概略的に示す図である。図９において、露光用
のメイン照明光学系ＩＬと共通の光源１０１から射出さ
れた光は、楕円鏡１０２で反射された後、シャッター１
０３及びリレーレンズ系１０４を介して、一つの入射端
と二つの射出端とを有するライトガイド１０５の入射端
には、十分な開口数（ＮＡ）及び径を有する光源像が形
成される。

【０００４】ライトガイド１０５の二つの射出端から射
出された光束は、それぞれコンデンサーレンズ１０６を
介して、適当な照明開口数（ＮＡ）を有する照明視野を
形成し、ステージ基板１０７に形成されたアライメント
マーク１０８を介した照明光は、投影光学系１０９を介
してマスク１１０（レチクル）を下方から照明する。こ
うして、アライメントマーク１０８を介した照明光は、
例えばマスクとウエハとの位置合わせのためのアライメ
ント光として使用される。

【０００５】また、投影露光装置では可動のウエハステ
ージに設けられた受光光学系には、投影光学系を介した
メイン照明光のウエハ露光領域における照度分布を計測
する照度むらセンサ系を備えている場合がある。図１１
は、この照度むらセンサ系を備えた従来の投影露光装置
の構成を概略的に示す図である。図１１において、ウエ
ハステージ２０１上にはウエハ２０２の露光面とほぼ同
じ高さにピンホール２０３が形成されている。また、ウ
エハステージ２０１の内部には受光センサ２０４が設け
られている。受光センサ２０４は、透明マスク２０５及
び投影光学系２０６を介したメイン照明光学系ＩＬから
の光をピンホール２０３を介して受光する。受光センサ
２０４は、不図示の処理系では例えば１秒間にピンホー
ル２０３を介して受光センサ２０４の受光面に到達した
光量とピンホール２０３の面積とに基づいて照度を求め
る。こうして、ウエハステージ２０１をひいてはピンホ
ール２０３を投影光学系２０６に対して相対移動させて
得られる受光センサ２０４の出力に基づいて、ウエハ２
０２上の露光領域の全体にわたって照度分布を計測する
ことが出来る。

【０００６】更に投影露光装置では、可動のウエハステ
ージに設けられた送光光学系及び受光光学系を有する光
学系として、例えばコントラスト検出法によるフォーカ
スキャリブレーション機構（例えば図１０参照）やメイ
ン照明光全体の光量を計測する照射量モニタまたは、投
影レンズの光学性能を計測できる空間像センサ等のステ
ージに備えてある各種センサを持っている。

【０００７】このように図９の１０５や図１０の３０５
にあるようなフレキシブルなライトガイドを用いること
により動きのある目標物、例えば図１０の透過性パター
ン３０８を照明するための送光自由度、及び動きのある
目標物を介して受光するための受光自由度を確保してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
投影露光装置の高精度化に伴い、ライトガイドのフレキ
シブル性がたとえ良好であっても、ウエハステージの駆
動精度（ステッピング精度やスキャン精度）に与える影
響を無視することは出来なくなりつつある。また、ウエ
ハステージの内部に受光センサを設ける場合、ウエハス
テージの周りに高性能な空調機構を備えたとしても、受
光センサから発生する熱がウエハステージ用レーザ干渉
計の精度やその他のアライメント系の精度に与える影響
を無視することが出来ない。

【０００９】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、送受光自由度の高い送受光光学系を備えた投
影露光装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明においては、パターンが形成
されたマスクを照明する照明系と、パターン像を感応基
板上に投影する投影光学系と、感応基板を投影光学系の
結像面に沿ったＸＹ方向に２次元移動させるとともに、
結像面と垂直なＺ方向に移動させる基板ステージとを備
えた投影露光装置において、基板ステージと別設された
光源からの光を基板ステージに向けて照射する第１光学
系と、第１光学系から照射された光を入射するように基
板ステージに設けられ、入射した光を基板ステージ上の
所定パターン領域に導くための第２光学系とを備え、第
１光学系と第２光学系とは機械的に分離しており、少な
くとも投影光学系の視野内に所定パターン領域が存在す
るような基板ステージの位置において、第１光学系と第
２光学系とが光学的に接続可能である構成とした。これ
により、高精度な移動が要求されるステージにおいて、
ステージ内部と外部を光ファイバ（ライトガイド）で接
続することによる弊害、例えばステージの移動に伴う光
ファイバの応力がステージの制御精度に影響を与えてし
まうことを防止することができる。

【００１１】請求項１記載の発明の好ましい態様によれ
ば、第１光学系は、光源からの光を基板ステージへ送光
する送光光学系と、第２光学系からの光を受光する受光
光学系を有し、第２光学系は、第１光学系の送光光学系
から受光した光を所定パターン領域に送光する送光光学
系と、所定パターン領域及び投影光学系を介してマスク
を照射した光の反射光を受光する受光光学系を有する構
成とした。

【００１２】また、第１光学系に設けられた送光光学系
と受光光学系との間隔と、第２光学系に設けられた送光
光学系と受光光学系との間隔とがほぼ等しく設定されて
いる。さらに別の態様として、第１光学系と第２光学系
が各々有する送光光学系と受光光学系は、各々同一の平
面内にあるように構成されている。

【００１３】また、第１光学系は、所定光源からの光を
基板ステージへ送光する送光光学系と、第２光学系から
送光される光を受光する受光光学系とを兼用する送受光
光学系を有する構成としている。これにより、装置全体
の構成が簡易化することができる。請求項１記載の発明
の好ましい別態様によれば、請求項６に記載の発明で
は、請求項１記載の投影露光装置において、さらに、第
１光学系を微動させる微調整機構を有する構成としてい
る。これにより、第１光学系と第２光学系を光学的に正
確に接続することができ、最終的な高精度露光を可能と
することができる。

【００１４】さらに、請求項１記載の発明の好ましい別
態様によれば、第１光学系は、投影光学系の有効視野内
のサイズとほぼ等しいサイズをカバーするような視野を
規定する集光レンズを含むとしている。これにより、ス
テージの移動に伴う第２光学系の位置の変化によらず、
常に第１光学系と第２光学系とが光学的に容易に接続可
能とすることができる。

【００１５】

【発明の実施形態】図１は、本発明の実施に好適な投影
露光装置の全体構成を示し、ここではレチクルＲの回路
パターン領域の像を縮小投影レンズ系ＰＬを介して感応
基板としての半導体ウェハＷ上の複数のショット領域の
各々にステップ・アンド・リピート方式、又はステップ
・アンド・スキャン方式で露光するものとする。また図
１の投影露光装置では、露光用の照明光を水銀放電灯か
らの紫外線（例えば波長３６５ｎｍのｉ線）で作るもの
とするが、その他にエキシマレーザ光源からの紫外パル
ス光、ＹＡＧレーザ光源からのレーザを高調波に変換し
た紫外線等が同様に利用できる。つまり、照明光は紫外
線、Ｘ線、レーザ光、電子線等のエネルギー線を総称す
るものである。

【００１６】さて、図１において、水銀ランプ１からの
ｉ線を含むスペクトル線は楕円反射鏡２によってロータ
リーシャッター３の位置に集光された後、発散してイン
プット光学系４に入射する。シャッター３は９０°毎に
遮光羽根を有し、モータ５によって４５°ずつ回転され
るたびに光源（ランプ）１からの光の透過と遮断とを交
互に切り換える。またインプット光学系４には、露光用
のｉ線スペクトルを抽出する干渉フィルターとｉ線照明
光をほぼ平行光束に変換するコリメータレンズ等が含ま
れている。

【００１７】こうして平行光束に変換されたｉ線照明光
は、オプチカルインテグレータとして機能するフライア
イレンズ系６に入射し、その射出側には多数の２次光源
像が全体としてほぼ正方形または円形の領域内に均一に
分布する。フライアイレンズ系６の射出側には、２次光
源像の実効的な形状を、輪帯、小円形、通常円形、４開
口等に変更する複数の照明σ（シグマ）絞りを搭載した
絞り切り換え部材７が配置され、この切り換え部材７は
モータ８によって所望の照明σ絞りに切り換えられるよ
うに駆動される。

【００１８】そして照明σ絞りを透過した照明光は、反
射率がほぼ１０％以下のビームスプリッタ９を透過して
ミラー１０で反射されて第１リレーレンズ系に入射し、
レチクルＲ上での照明領域の形状や位置を規定する可動
レチクルブラインド１２を均一な照度分布となって照射
する。そのレチクルブラインド１２は、ステップ・アン
ド・リピート方式の露光の場合はレチクルＲ上の回路パ
ターン領域と相似形の開口を有するように設定され、ス
テップ・アンド・スキャン方式の露光の場合は、例えば
特開平４−２７７６１２号公報に開示されているよう
に、投影レンズ系ＰＬの円形視野の中心を横切るような
スリット状または矩形状の開口を有するように設定され
る。

【００１９】さて、レチクルブラインド１２の開口を透
過した照明光は、第２リレーレンズ系１３、ミラー１４
及びメインコンデンサーレンズ系１５を介して、レチク
ルＲの回路パターン領域を均一な強度分布で照射する。
ここで、レチクルブラインド１２の開口は第２リレーレ
ンズ系１３とメインコンデンサーレンズ系１５との合成
系によってレチクルＲのパターン面と共役に設定されて
いる。また本実施形態において、ランプ１からメインコ
ンデンサーレンズ系１５までの照明光学系の光軸ＡＸは
投影レンズ系ＰＬの光軸と一致するように設定される。

【００２０】その照明光学系からの照明光で照射された
レチクルＲの回路パターンは、投影レンズ系ＰＬを介し
て第１コラム２０内に構築されたＸＹＺステージ２２上
のウェハＷに投影される。その第１コラム２０の上部に
は投影レンズ系ＰＬと第２コラム３０が取り付けられ、
第１コラム２０の周辺四隅には装置全体を床面に支持す
る防振台２１が取り付けられている。

【００２１】その第２コラム３０の上部にはレチクルＲ
を保持してＸ、Ｙ、θ方向に移動可能なレチクルステー
ジ１６が設けられる。レチクルステージ１６は、第２コ
ラム３０の上部に設けられた駆動系１７によって移動さ
れ、そのＸ、Ｙ位置と回転（θ）位置は第２コラム３０
に取り付けられたレーザ干渉計システム１８によって逐
次計測される。そのレーザ干渉計システム１８の一例
は、特開昭６２−１５０７２１号公報に開示されてい
る。

【００２２】ところで、第１コラム２０内に構築された
ＸＹＺステージ２２は、第１コラム２０の定盤上にエア
・ベアリング２３を介して支持され、図１の紙面と垂直
な方向に伸びた可動直線ガイド２４に沿って紙面と垂直
な方向（Ｙ方向）に移動するとともに、固定直線ガイド
２５に沿った可動直線ガイド２４の左右方向（Ｘ方向）
の移動に牽引されてＸ方向に移動するように構成され
る。さらに、ＸＹＺステージ２２と可動直線ガイド２４
との間にはＸＹＺステージ２２をＹ方向に駆動するリニ
アモータが設けられ、固定直線ガイド２５と可動直線ガ
イド２４との間には可動直線ガイド２４をＸ方向に駆動
するリニアモータが設けられる。

【００２３】このようなステージ構造は、例えば特開昭
６１−２０９８３１号公報に開示されているように、Ｘ
ＹＺステージ２２が全てのガイド面に対してエア・ベア
リング方式で支持され、全ての駆動系がリニアモータの
ように完全非接触方式であるために、機械的な摩擦が皆
無で極めてスムーズな移動、位置決めが達成される。ま
たＸＹＺステージ２２上には、ウェハＷを吸着固定して
Ｚ方向に微小移動させるとともに、Ｘ軸回りとＹ軸回り
とに微小傾斜させるウェハテーブルが設けられている。

【００２４】そして、ＸＹＺステージ２２のＸ、Ｙの各
方向に関する座標位置とθ方向の変位量とは、周波数安
定化レーザ光源３２からのレーザビームを利用したレー
ザ干渉計システム３３によって逐次計測される。このレ
ーザ干渉計システム３３は、投影レンズ系ＰＬの鏡筒下
端部に固定された参照鏡３４で垂直に反射されたビーム
と、ＸＹＺステージ２２の端部に固定された移動鏡３５
で垂直に反射されたビームとを干渉させ、その干渉フリ
ンジを光電検出することでＸＹＺステージ２２の座標位
置を計測する。

【００２５】さて、ＸＹＺステージ２２（或いはウェハ
テーブル）上には、投影レンズ系ＰＬを介して投影され
たレチクルＲ上のマーク像を光電検出するための微小開
口（ナイフエッジ）や、各種アライメント系のキャリブ
レーション、フォーカスチェック、又はベースライン計
測に利用される複数のマークパターンが形成された基準
板４０が固定されている。そしてこの基準板４０の下側
には結像光束や照明光を導く光ファイバ４２の一端が配
置され、光ファイバ４２の他端はＸＹＺステージ２２の
周囲部分に固定された光カプラ部４４に配置される。

【００２６】この光カプラ部４４の上部には、図１中で
Ｚ方向に伸びた光軸を有する小レンズが設けられ、その
小レンズの下側に光ファイバ４２の端面が位置するよう
に配置されている。そして第１コラム２０の上板部の下
側には、光カプラ部４４と対向可能に配置された投受光
系５０が取り付けられている。この投受光系５０は投影
レンズ系ＰＬの投影像面側の視野領域（例えば直径３４
ｍｍ）とほぼ等しい視野を有する投光レンズ又は受光レ
ンズを含み、これらの投光レンズ又は受光レンズを介し
て光カプラ部４４の小レンズとの間で光結合（光通信）
が行われるようになっている。

【００２７】詳しくは後述するが、ＸＹＺステージ２２
（或いはウェハテーブル）上の基準板４０上の微小開口
や発光パターンが投影レンズ系ＰＬの投影視野内に位置
する状態のとき、光カプラ部４４の小レンズは常に投受
光系５０の投光レンズ又は受光レンズの視野内に位置す
るように設定される。そこで基準板４０上の発光パター
ンを発光させる場合は、投受光系５０が光ファイバ５４
を介して導かれる露光用照明光（ｉ線）の一部を投光レ
ンズを通して光カプラ部４４に投射するように構成さ
れ、基準板４０の微小開口を介してレチクルＲのマーク
投影像を受光する場合は、光カプラ部４４から上方に投
射される結像光束を投受光系５０の受光レンズを介して
光電検出器５２で受光するように構成されている。

【００２８】さて、本実施形態において、照明光学系内
に設けられたビームスプリッタ９で反射された照明σ絞
り（切り換え部材７内）からの照明光の一部は、散乱板
６０を透過して、シャッター３の閉成タイミングを決定
するための露光量をモニターする光電検出器６２で受光
される。また投影レンズ系ＰＬ、レチクルＲの順番で、
照明光学系内のビームスプリッタ９まで達した基準板４
０の発光パターンからの光（ｉ線）は、ビームスプリッ
タ９で反射されてフィールドレンズ６４を介して光電検
出器（フォトマル）６６で受光される。このようにＸＹ
Ｚステージ２２上の発光パターンを検出する光電検出器
６６の構成は、一例として特開昭６３−７０１０４号公
報に開示されている。

【００２９】また本実施形態における投影露光装置に
は、レチクルＲの周辺部に形成されたレチクルアライメ
ントマークを露光用照明光のもとでレチクルＲの上方か
ら検出するレチクルアライメント系（ＴＴＲＡ系）７０
と、ウェハＷ上のショット領域に付随したマークを非感
光性の照明光のもとで投影レンズ系ＰＬのみを介して検
出するスルー・ザ・レンズ方式のウェハアライメント系
（ＴＴＬＡ系）７２と、第１コラム２０内で投影レンズ
系ＰＬの投影視野の外側に配置されて、ウェハＷ上の各
種のマークを非感光性の広帯域の波長の光によって検出
するオフ・アクシス方式のウェハアライメント系（ＯＦ
Ａ系）７４とが設けられている。

【００３０】これらのＴＴＲＡ系７０、ＴＴＬＡ系７
２、ＯＦＡ系７４を有し、基準板４０を使って各アライ
メント系のベースライン計測を行う投影露光装置は、例
えば特開平４−３２４９２３号公報，特開平５−２１３
１４号公報に詳細に開示されている。本実施形態におい
ては、そのようなベースライン計測や投影像面のＺ方向
の位置計測（フォーカスチェック）自体が主要な課題で
はなく、その種のキャリブレーション計測の際に、光カ
プラ部４４と投受光部５０とを利用したことに特徴があ
る。

【００３１】そして、本実施形態における投影レンズ系
ＰＬは、波長３６５ｎｍのｉ線に対して収差補正される
ように複数種の光学硝材によるレンズ素子が同軸（共
軸）に配置され、円形の投影視野を有して両側テレセン
トリックに構成される。ただし、波長２５０ｎｍ以下の
紫外線（波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、波長
１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ等）を対象とした投
影光学系の場合、使用可能な硝材は石英、螢石が好まし
く、その２種類の硝材だけで十分に色収差補正できない
ときは、それらの硝材によるレンズ素子と単一又は複数
枚の凹面鏡とを組み合わせた投影光学系が使われる。

【００３２】さらに、図１に示した投影レンズ系ＰＬに
は、投影レンズ系ＰＬのレチクルＲ側に位置する数枚の
レンズ素子によるフィールドレンズ部（テレセン部）８
０を光軸方向に微小移動させたり微小傾斜させるピエゾ
素子等の駆動機構８２、投影レンズ系ＰＬ内部の特定の
空気室内の圧力を調整する圧力調整機構８４、投影レン
ズ系ＰＬの射出瞳の有効径（開口数：ＮＡ）を自動的に
連続可変する可変絞り機構８６が設けられている。これ
らの機構８２、８４、８６はいずれもレチクルＲのパタ
ーンの投影像の像質を制御するためのもので、投影倍率
の微調、ディストーション特性の微調、結像面位置の微
調、焦点深度と解像力との微調等に使われる。

【００３３】次に、本実施形態の特徴的な構成である光
結合方式について図２を参照して説明する。図２は、投
影レンズ系ＰＬの投影像面内でみたときの投影視野ＩＦ
Ｐ、ＯＦＡ系７４の検出視野Ｏｄ、基準板４０（４０
Ａ、４０Ｂ）、光カプラ部４４（小レンズ４４Ａ、４４
Ｂ、４４Ｃ）、及び投受光部５０（受光レンズ５０Ａ、
投光レンズ５０Ｂ）の各配置関係を示し、投影視野ＩＦ
Ｐ、検出視野Ｏｄ、投受光部５０（受光レンズ５０Ａ、
投光レンズ５０Ｂ）の位置関係は図１中の第１コラム２
０上で固定されたものであり、基準板４０（４０Ａ、４
０Ｂ）と光カプラ部４４（小レンズ４４Ａ、４４Ｂ、４
４Ｃ）の位置関係は図１中のＸＹＺステージ２２上で固
定されたものである。

【００３４】さて、投影レンズ系ＰＬの投影視野ＩＦＰ
内には、図１中のレチクルＲに形成された矩形の回路パ
ターン領域の像Ｐｒｆとレチクルアライメントマークの
像Ｒａｆ、Ｒｂｆとが位置し、ＯＦＡ系７４の検出視野
Ｏｄ内にはウェハＷ上のマークを検出する際の指標パタ
ーンの像Ｒｃｆが位置する。その指標パターンの像Ｒｃ
ｆは、ここでは投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸの位置（回
路パターン領域の像Ｐｒｆのほぼ中心点）からＹ方向に
一定距離だけ離れた点に位置する。

【００３５】また、投受光部５０の受光レンズ５０Ａの
光軸ＡＸ１と投光レンズ５０Ｂの光軸ＡＸ２は、ともに
投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸからＸ方向に一定距離だけ
離れ、Ｙ方向には距離ＹＰだけ離れている。その受光レ
ンズ５０Ａの光軸ＡＸ１と投影レンズ系ＰＬの光軸ＡＸ
とのＸ方向の間隔は、基準板４０としてのフィデューシ
ャル板４０Ｂ上のフォーカスチェック用の発光パターン
ＦＣＰ、若しくは基準板４０としての受光板４０Ａ上の
ナイフエッジ微小開口ＫＥと、光カプラ部４４内の各小
レンズ４４Ａ、４４ＣとのＸ方向の間隔と等しく設定さ
れている。

【００３６】その受光板４０Ａ上のナイフエッジ微小開
口ＫＥは、投影されたレチクルＲのマーク像の結像光束
を受光するものであり、その微小開口ＫＥを透過した結
像光束は受光板４０Ａの下側に入射端が配置された光フ
ァイバ４２Ａを通して、光カプラ部４４の小レンズ４４
Ａまで導かれる。さらに、フィデューシャル板４０Ｂ上
の発光パターンＦＣＰを使ったフォーカスチェック方式
は、例えば特開昭６３−７０１０４号公報に開示されて
いるが、ここでは光カプラ部４４の小レンズ４４Ｂから
入射された照明光（ｉ線）を光ファイバ４２Ｄを通して
混合部４２Ｃに導き、さらに光ファイバ４２Ｂを通して
フィデューシャル板４０Ｂの発光パターンＦＣＰを下側
から照明するように構成される。

【００３７】そして発光パターンＦＣＰから投射された
光は投影レンズ系ＰＬを介してレチクルＲの任意の位置
に達し、そこで反射された光は再び投影レンズ系ＰＬを
介して発光パターンＦＣＰまで戻り、発光パターンＦＣ
Ｐを透過したレチクルＲからの反射光は光ファイバ４２
Ｂ、混合部４２Ｃ、光ファイバ４２Ｅを経て、光カプラ
部４４の小レンズ４４Ｃに達する。以上の構成におい
て、光カプラ部４４の小レンズ４４Ｂと４４ＣのＹ方向
の間隔はＹＰに定められ、小レンズ４４Ｂが投光レンズ
５０Ｂの光軸ＡＸ２に位置するようにＸＹＺステージ２
２をＸＹ方向に位置決めすると、小レンズ４４Ｃは受光
レンズ５０Ａの光軸ＡＸ１に位置し、フィデューシャル
板４０Ｂの発光パターンＦＣＰは投影レンズ系ＰＬの光
軸ＡＸに位置する。

【００３８】従って、ＸＹＺステージ２２の移動によっ
て発光パターンＦＣＰが投影視野ＩＦＰ内のどの位置に
あっても、光カプラ部４４の小レンズ４４Ｂは常に投光
レンズ５０Ｂの視野内に位置し、小レンズ４４Ｃは常に
受光レンズ５０Ａの視野内に位置することになる。とこ
ろで、本実施形態において、受光板４０Ａの微小開口Ｋ
Ｅとフィデューシャル板４０Ｂの発光パターンＦＣＰと
のＹ方向の間隔ＹＬは、投影レンズ系ＰＬの投影視野Ｉ
ＦＰの直径（又は回路パターン領域の像Ｐｒｆの最大サ
イズ）よりも大きくなるように設定され、微小開口ＫＥ
に対応した光カプラ部４４内の小レンズ４４Ａと発光パ
ターンＦＣＰに対応した小レンズ４４ＣのＹ方向の間隔
もＹＬに設定されている。そのため第１コラム２０側の
受光レンズ５０Ａは、微小開口ＫＥで受光されてＸＹＺ
ステージ２２上の小レンズ４４Ａから上方に送信される
レチクルＲのマーク結像光と、発光パターンＦＣＰで受
光されて小レンズ４４Ｃから上方に送信されるレチクル
Ｒでの反射光との受信に兼用される。

【００３９】尚、混合部４２Ｃは送光用の光ファイバ４
２Ｄの多数本の光学繊維と受光用の光ファイバ４２Ｅの
多数本の光学繊維とをランダムに束ね合わせて光ファイ
バ４２Ｂとする。従って、光ファイバ４２Ｂのフィデュ
ーシャル板４０Ｂの下側に位置する端面には、投光レン
ズ５０Ｂからの照明光で発光する複数の光学繊維の射出
端と、発光パターンＦＣＰからの光を受光レンズ５０Ａ
へ導くための複数の光学繊維の入射端とがランダムに配
列される。

【００４０】また、フィデューシャル板４０Ｂの表面に
はベースライン計測用の各種の基準マークＦＭａ、ＦＭ
ｂ、ＦＭｃ、ＦＭｘ、ＦＭｙが形成されている。これら
の基準マークの具体的な配置や使用方法は、先に提示し
た特開平４−３２４９２３号公報，特開平５−２１３１
４号公報に開示されているので、ここでは簡単に説明す
る。基準マークＦＭａ、ＦＭｂはそれぞれレチクルアラ
イメントマークの像Ｒａｆ、Ｒｂｆとの各位置ずれが図
１中の２ヶ所のＴＴＲＡ系７０によって各々検出される
ように配置され、そのような状態にＸＹＺステージ２２
を位置決めしたとき、図１中のＯＦＡ系７４内の指標パ
ターンの像Ｒｃｆに対する基準マークＦＭｃの位置ずれ
がＯＦＡ系７４によって同時に検出されるように配置さ
れている。

【００４１】さらに、基準マークＦＭｘ、ＦＭｙは図１
中に示したＴＴＬＡ系７２によって検出されるように配
置されるが、ＯＦＡ系７４が基準マークＦＭｃを検出す
るようにＸＹＺステージ２２を位置決めしたときに、同
時にＴＴＬＡ系７２が基準マークＦＭｘ、ＦＭｙを検出
できるように各基準マークＦＭｘ、ＦＭｙを配置してお
いてもよい。

【００４２】ここで、図２に示した受光板４０Ａの微小
開口ＫＥからの光を受光レンズ５０Ａを介して図１中の
光電検出器５２で検出するまでの詳細な構成を図３を参
照して説明する。図３において、図１、図２に示された
部材と同じものには同一の符号を付けてある。受光板４
０Ａの微小開口ＫＥは、投影レンズ系ＰＬによって投影
されるレチクルＲのマーク像を受光し、その微小開口Ｋ
Ｅを透過したマーク像の結像光束は光ファイバ４２Ａを
通して光カプラ部４４の小レンズ４４Ａに導かれる。そ
して小レンズ４４Ａからの結像光束は投受光部５０の受
光レンズ５０Ａに入射した後、光電検出器５２としての
フォトマル５２Ａに受光される。

【００４３】このフォトマル５２Ａの受光面は、小レン
ズ４４Ａと受光レンズ５０Ａとによって作られるフーリ
エ変換面（瞳面）Ｆｒ又はその近傍に配置される。これ
によって小レンズ４４Ａが受光レンズ５０Ａの視野（主
光線Ｌ１とＬ２の範囲）内にあるようにＸＹＺステージ
２２がＸＹ面内で移動しても、光ファイバ４２Ａの射出
端の像はフーリエ変換面Ｆｒの中央（光軸ＡＸ１）に位
置変化することなく形成され、受光面の小さいフォトマ
ル５２Ａが採用できる。

【００４４】さて、図３においては、フォトマル５２Ａ
によって微小開口ＫＥからの透過光束を光電検出するよ
うにしたが、実際の場合、投影レンズ系ＰＬによるレチ
クルＲのマークの投影像は比較的に光強度が大きいため
に、フォトマル５２Ａでは感度が高すぎて出力信号Ｅ１
が飽和してしまう。そこで図３に示したように、シリコ
ンフォトダイオード等の半導体光電素子５２Ｂをフォト
マル５２Ａとともに切り換え板５２Ｃに固定し、必要に
応じて切り換え板５２Ｃを駆動機構５２Ｄで駆動させて
フォトマル５２Ａと光電素子５２Ｂとを切り換えるよう
に構成しておく。そして受光レンズ５０Ａが微小開口Ｋ
Ｅからの透過光束を光電検出するときは、光電素子５２
Ｂをフーリエ変換面Ｆｒの中央に配置させて、光電素子
５２Ｂからの出力信号Ｅ２を使うようにする。

【００４５】一方、図２に示した基準板４０Ｂの発光パ
ターンＦＣＰを使ったフォーカスチェック方式では、小
レンズ４４Ｂに入射する照明光の照度が投光レンズ５０
Ｂの視野内全体に分布する照明エネルギーのうちの数分
の一から数十分の一に低下していること、発光パターン
ＦＣＰから発光した照明光のうちレチクルＲで反射して
戻ってくる光の量がレチクルＲ上の対応する部分の反射
率（クロム部は高反射率、ガラス部は低反射率）に依存
すること等から、小レンズ４４Ｃから受光レンズ５０Ａ
に向かう光量も格段に小さくなる。そのため、受光レン
ズ５０Ａが発光パターンＦＣＰからの透過光束を光電検
出するときは、フォトマル５２Ａを図３のようにフーリ
エ変換面Ｆｒの中央に配置させて出力信号Ｅ１を使うよ
うにすればよい。

【００４６】ここで、図３に示した受光板４０Ａの微小
開口ＫＥによって検出されるレチクルＲのマーク配置を
図４を参照して説明する。図４は、レチクルＲ上に形成
された２つの同一の回路パターン領域Ｐｒ１、Ｐｒ２
と、その周囲を取り囲む遮光帯ＳＢ（ウェハＷ上のスト
リートラインに対応）と、図１中のＴＴＲＡ系７０によ
って検出されるレチクルアライメントマークＲＡ、ＲＢ
の各平面配置を示す。そして微小開口ＫＥによって検出
可能なマークＭＬ１，ＭＬ２，ＭＬ３，ＭＬ４，ＭＲ
１，ＭＲ２，ＭＲ３，ＭＲ４，ＭＵ１，ＭＵ２，ＭＵ
３，ＭＤ１，ＭＤ２，ＭＤ３は、例えばＥＢ露光装置に
よって回路パターン領域Ｐｒ１、Ｐｒ２内の描画データ
とともに遮光帯ＳＢ内に図４のような配置で描画され
る。

【００４７】また図４において、レチクルＲ上の２つの
回路パターン領域Ｐｒ１、Ｐｒ２の幾何学的な中心ＣＣ
は、十字状のレチクルアライメントマークＲＡ、ＲＢの
各中心点を結ぶ線分（Ｘ軸と平行）の中点になるように
配置され、レチクルＲがＴＴＲＡ系７０によって精密に
アライメントされると中心ＣＣが投影レンズ系ＰＬの光
軸ＡＸと一致するように設定されている。しかしながら
一般に、ＥＢ露光装置では遮光帯ＳＢの外側のレチクル
アライメントマークＲＡ、ＲＢを回路パターン描画用の
データとは別に描画するようになっているため、マーク
ＲＡ、ＲＢの各中心点を結ぶ線分の中点と回路パターン
領域Ｐｒ１、Ｐｒ２の幾何学的な中心ＣＣとの間には微
小な配置誤差（例えば±０．１μｍ程度）が起こり得
る。

【００４８】その微小な配置誤差は、ベースライン計測
を精密に行ったとしても、最終的にウェハＷ上のショッ
ト領域にレチクルＲの回路パターンを露光したときの重
ね合わせ誤差として残留することになる。その重ね合わ
せ誤差は投影レンズ系ＰＬの縮小率を１／５とするとウ
ェハ上で約±２０ｎｍとなる。この残留誤差分が許容で
きるか否かは、概ね投影露光されるパターンのウェハＷ
上での最小線幅の値で決まり、例えば投影可能な最小線
幅が０．２〜０．２５μｍの場合、要求される総合重ね
合わせ精度は±２０〜２５ｎｍとなる。この値はレチク
ルＲの描画時に生じる上述の配置誤差（ウェハ上で約±
２０ｎｍ）と同程度であり、そのままでは重大な誤差に
なり得ることがわかる。

【００４９】そこで、レチクルＲの回路パターン領域の
周辺部の複数ヶ所に形成されたマークＭＬｎ，ＭＲｎ，
ＭＵｍ，ＭＤｍ（ｎ＝１〜４，ｍ＝１〜３）の各投影像
の位置を受光板４０Ａの微小開口ＫＥを使って順次計測
し、その計測データに基づいてレチクルＲの回路パター
ン領域の中心ＣＣの投影点の位置を統計平均的に決定す
る。それから受光板４０Ａの微小開口ＫＥを使ってレチ
クルアライメントマークＲＡ、ＲＢの各投影像の中心位
置を計測し、その計測データに基づいてマークＲＡ、Ｒ
Ｂの各中心点を結ぶ線分の中点位置を決定し、その中点
位置と中心ＣＣの投影点位置との差分ΔＥＰ（ｘ，ｙ）
を、上述の配置誤差として算出する。

【００５０】その後、フィデューシャル板４０Ｂを使っ
て特開平４−３２４９２３号公報，特開平５−２１３１
４号公報と同様にして決定されたベースライン量を、算
出された誤差ΔＥＰ（ｘ，ｙ）の値で補正する。これに
よってレチクルＲの描画時に発生したマークＲＡ、ＲＭ
の配置誤差に起因した重ね合わせ精度の劣化が防止され
る。

【００５１】さて図４において、Ｙ方向に伸びた左右の
遮光帯ＳＢ中のマークＭＬｎ，ＭＲｎ（ｎ＝１〜４）
は、いずれも遮光領域内に複数本のＸ方向に伸びた透明
ラインを一定のピッチでＹ方向に配列したライン・アン
ド・スペース状に形成される。またＸ方向に伸びた上下
の遮光帯ＳＢ中のマークＭＵｍ，ＭＤｍ（ｍ＝１〜３）
は、いずれも遮光領域内に複数本のＹ方向に伸びた透明
ラインを一定のピッチでＸ方向に配列したライン・アン
ド・スペース状に形成される。それらのマークは例えば
図５に示すように形成されている。

【００５２】図５において、各マークは遮光領域ＳＦ内
に７本の透明ラインＧＬを一定ピッチで形成して構成さ
れる。ここでは、各透明ラインＧＬの間に形成される遮
光ラインの幅と透明ラインＧＬの幅とがほぼ等しく設定
されているものとする。そして遮光領域ＳＦの各透明ラ
インＧＬのピッチ方向についての両側には、ＸＹＺステ
ージ２２上の受光板４０Ａに形成された微小開口ＫＥを
投影レンズ系ＰＬを介してレチクルＲ側に逆投影したと
きにできる像が遮光される程度の面積で遮光領域が広が
っている。

【００５３】その微小開口ＫＥは図５に示すように、Ｘ
Ｙ方向に伸びた直線エッジＥＤ１、ＥＤ２、ＥＤ３、Ｅ
Ｄ４で規定されたほぼ正方形に形成される。従ってマー
クの７本の透明ラインＧＬが投影レンズ系ＰＬによって
投影された状態で、その投影像を微小開口ＫＥで走査移
動すると、各透明ラインＧＬの投影像が左側または右側
から１本ずつ微小開口ＫＥ内に現れ、やがて７本の透明
ラインＧＬの投影像のすべてが微小開口ＫＥ内に現れ
る。このとき、図３に示したように光ファイバ４２Ａ、
小レンズ４４Ａ、受光レンズ５０Ａを介して光電検出器
５２（半導体受光素子５２Ｂ）で受光される光量は、各
透明ラインＧＬの投影像が微小開口ＫＥのエッジＥＤ１
又はＥＤ２によって走査される度にほぼ階段状に増加
（又は減少）する。

【００５４】図６は、図５に示した７本の透明ラインＧ
Ｌの投影像を微小開口ＫＥで走査したときに光電検出器
５２としての光電素子５２Ｂから出力される信号Ｅ２の
波形の一例を示す。なお、受光板４０Ａ上の微小開口Ｋ
Ｅを複数設ける場合もある。これにより、複数の微小開
口ＫＥを同時に若しくは選択的に用いることができ、検
出速度を上げる等の効果を奏する。

【００５５】次に第２の実施形態について、図７を参照
して説明する。図７において、先の図１、２、３で示し
た構成部材と同一のものには同じ符号を付けてある。そ
して本実施形態では、投受光系５０を構成する受光レン
ズ５０Ａが発光パターンＦＣＰへの照明光の投光と微小
開口ＫＥからの結像光束の受光とに兼用されるように構
成される。

【００５６】図７で、露光用照明光（ここではｉ線）は
光ファイバ５４を介してレンズ系９０に入射し、ビーム
スプリッタ９１を透過してレンズ系９２に入射する。そ
してレンズ系９２の後のフーリエ変換面Ｆｒ内に光ファ
イバ５４の射出端の空間像が形成される。レンズ系９２
からの照明光は受光レンズ５０Ａを通してＸＹＺステー
ジ２２側の光カプラ部４４に向けて一様な照度分布で投
射される。その照明光の一部は光カプラ部４４の小レン
ズ４４Ｃに入射し、一部はビームスプリッタ９４で反射
されて発光パターンＦＣＰへ照明光を送る光ファイバ４
２Ｅに入射される。

【００５７】一方、ビームスプリッタ９４を透過した一
部の照明光は光電素子９５で受光されるように構成され
る。この光電素子９５は光ファイバ５４から投射された
照明光のうち小レンズ４４Ｃで受光した照明光の光量を
モニターするものである。さて本実施形態では、光ファ
イバ４２Ｅは直接発光パターンＦＣＰの直下まで導かれ
ており、光ファイバ４２Ｅの射出端まで導かれた照明光
は発光パターンＦＣＰを照明する。そして発光パターン
ＦＣＰでの透過光が投影レンズ系ＰＬを介してレチクル
Ｒに逆投影されると、レチクルＲでの反射光は再び発光
パターンＦＣＰ内の透明部（複数の透明ライン）を透過
して光ファイバ４２Ｅに入射し、ビームスプリッタ９４
で反射され、小レンズ４４Ｃ、受光レンズ５０Ａ、レン
ズ系９２を介してビームスプリッタ９１に達する。そし
てビームスプリッタ９１で反射されたレチクルＲからの
反射光はレンズ系９６を介して光電検出器５２に受光さ
れる。

【００５８】その光電検出器５２は、先の図３に示した
ようにフォトマル５２Ａと半導体光電素子５２Ｂとの切
り換え方式にしておくのが望ましいが、フォトマル５２
Ａの前に出し入れ可能な減光フィルターを設置すること
ができる場合は、フォトマル５２Ａだけでもよい。以上
のようにビームスプリッタ９１を設けることで、図２に
示したように発光パターンＦＣＰへの照明光の送光のた
めの投光レンズ５０Ｂ、光カプラ部４４の小レンズ４４
Ｂ、光ファイバ４２Ｄ、混合部４２Ｃを設けることが不
要となり、装置構成が簡単になるといった利点がある。

【００５９】また図７に示した構成において、送光用の
光ファイバ５４の射出端はレンズ系９０、９２、受光レ
ンズ５０Ａ、小レンズ４４Ｃによって光ファイバ４２Ｅ
の入射端と互いに共役にされる。さらに当然のことなが
ら、受光板４０Ａの微小開口ＫＥからの検出光は、光カ
プラ部４４の小レンズ４４Ａ、受光レンズ５０Ａ、レン
ズ系９２、ビームスプリッタ９１及びレンズ系９６を介
して光電検出器５２で受光されるようになっている。

【００６０】次に第３の実施形態について図８を参照し
て説明する。この実施例は、前述した第１と２の例とは
異なり光学系の接続調整を可能とした微調機構を有する
例である。１０４はＤｘ、Ｄｙの入力値によって制御さ
れるリニアエンコーダ等の位置決め装置であり、この１
０４によって微調可能な移動ステージ１０１ｘ上に架台
１０１が設置され、この１０１に送光光学系の光ファイ
バ部５４の先端とその光をコリメートするコリメーター
レンズ５０Ｃが備えられており、前述した微調ステージ
１０１Ｘが正確に位置決めされて移動することにより、
この送光光学系の位置を正確に移動することが出来る。
これにより、エアーパッド２３によって支えられている
エアーステージ２２上に備え付けられている受光光学系
の受光レンズ４４Ｂ及び受光部の光ファイバ４２Ｄに入
射する光束を正確に調整することが出来る特徴がある。

【００６１】以上説明した第１、２、３の実施の形態に
あるように、エアーステージの高精度化に伴い、本来ス
テージ内部に取付けられている様々な送光及び受光光学
系を送光する光ファイバをステージの外に引出すことに
よって、そのファイバの応力によりステージの制御精度
に影響を与えかねない状態であった。また、ウエハステ
ージの内部に受光センサを設ける場合、ウエハステージ
の周りに高性能な空調機構を備えたとしても、受光セン
サから発生する熱がウエハステージ用レーザ干渉計の精
度やその他のアライメント系の精度に与える影響を無視
することが出来ない。

【００６２】本実施形態によって、送受光自由度の高い
送受光光学系を備えた投影露光装置を提供し、かつファ
イバの応力によりステージの制御精度に影響を与えない
高精度な位置決め可能なステージを実現することが出来
る。更に、前述した実施形態のなかでも出てきたよう
に、ステージ内に搭載されていた投影レンズのフォーカ
スをキャリブレーションするフォーカスキャリブレーシ
ョン機能と照射量を測定する照射量モニタと投影レンズ
の結像性能を測定できるナイフエッジセンサ等のステー
ジの外へ引出すために光ファイバを使用する総ての機能
が、送光受光共の光伝送による受光送光光学系を可能な
らしめることが可能になった。

【００６３】

【効果】以上説明のように、本発明の投影露光装置に備
えられた送光光学系では光導入系と光照射系とが機械的
に分離され接続されておらず、光学的に接続可能に構成
されている。したがって、基板ステージの外部と内部と
を光ファイバ（ライトガイド）で接続していた技術とは
ことなり、送光受光自由度の極めて高い送光受光光学系
を実現することが出来る。また、これによりライトガイ
ドの応力により、ウエハステージの駆動精度（ステッピ
ング精度やスキャン精度）に与える影響を無視すること
ができるようになった。

【００６４】また、ウエハステージの内部に受光センサ
を設ける場合、ウエハステージの周りに高性能な空調機
構を備えたとしても、受光センサから発生する熱がウエ
ハステージ用レーザ干渉計の精度やその他のアライメン
ト系の精度に与える影響を無視することが出来なかった
ことが、本発明により、ステージ内の発熱源が除去され
てステージの安定した機能性能が維持されることにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる投影露光装置を示
す概略構成図である。

【図２】投影レンズ系の投影像面内からみたときの、光
結像方式について示した図である。

【図３】受光板４０Ａの微小開口ＫＥからの光を受光レ
ンズ５０Ａを介して光電検出器５２で検出するまでの詳
細な構成を説明する図である。

【図４】受光板４０Ａの微小開口ＫＥによって検出され
るレチクルＲのマークの配置を示す図である。

【図５】マークの形状を説明する図である。

【図６】図５に示した７本の透明ラインの投影像を微小
開口ＫＥで走査したときに光電検出器５２としての光電
素子５２Ｂから出力される信号Ｅ２の波形の一例を示す
図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に関し、投受光系５
０を構成する受光レンズ５０Ａが発光パターンＦＣＰへ
の照明光の投光と微小開口ＫＥからの結像光束の受光と
に兼用されるように構成を表す図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態に関し光学系の調整
を目的とした微調整機構をもった構成を表す図である。

【図９】フレキシブルなライトガイドを用いた可動送光
光学系を備える従来の投影露光装置の構成を概略的に示
す図である。

【図１０】コントラスト検出法によるフォーカスキャリ
ブレーション機構を示す図である。

【図１１】照度むらセンサ系を備えた従来の投影露光装
置の構成を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１，１０１光源２，１０２楕円鏡３ロータリーシャッター４インプット光学系５，８モータ６フライアイレンズ系７絞り切り換え部材９ビームスプリッタ１０，１４ミラー１２レチクルブラインド１３リレーレンズ系１５コンデンサーレンズ系１６レチクルステージ１７駆動系１８，３３レーザ干渉系システム２０第１コラム２１防振台２２ＸＹＺステージ２３エア・ベアリング２４可動直線ガイド２５固定直線ガイド３０第２コラム３２周波数安定化レーザ光源３４参照鏡３５移動鏡４０基準板４２，５４光ファイバ４４光カプラ部５０投受光系６４フィールドレンズ６６光電検出器８２駆動機構８４圧力調整機構８６可変絞り機構１０３シャッター１０４リレーレンズ１０５，３０５ライトガイド１０６コンデンサーレンズ１０７ステージ基板１０８アライメントマーク１０９投影光学系１２０マスク２０１ウエハステージ２０２ウエハ２０３ピンホール２０４受光センサ２０５透明マスク２０６投影光学系３０８透明パターンＷウエハＲレチクルＰＬ投影レンズ系ＦＣＰ発光パターンＫＥ微少開口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パターンが形成されたマスクを照明する
照明系と、該パターン像を感応基板上に投影する投影光
学系と、該感応基板を前記投影光学系の結像面に沿った
ＸＹ方向に２次元移動させるとともに、該結像面と垂直
なＺ方向に移動させる基板ステージとを備えた投影露光
装置において、前記基板ステージと別設された光源からの光を前記基板
ステージに向けて照射する第１光学系と、前記第１光学系から照射された光を入射するように前記
基板ステージに設けられ、該入射した光を前記基板ステ
ージ上の所定パターン領域に導くための第２光学系とを
備え、前記第１光学系と前記第２光学系とは機械的に分離して
おり、少なくとも前記投影光学系の視野内に前記所定パ
ターン領域が存在するような前記基板ステージの位置に
おいて、前記第１光学系と前記第２光学系とが光学的に
接続可能であることを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記第１光学系は、前記光源からの光を
前記基板ステージへ送光する送光光学系と、前記第２光
学系からの光を受光する受光光学系を有し、前記第２光学系は、前記第１光学系の送光光学系から受
光した光を前記所定パターン領域に送光する送光光学系
と、前記所定パターン領域及び投影光学系を介して前記
マスクを照射した光の反射光を受光する受光光学系を有
することを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記第１光学系に設けられた前記送光光
学系と前記受光光学系との間隔と、前記第２光学系に設
けられた前記送光光学系と前記受光光学系との間隔とが
ほぼ等しく設定したことを特徴とする請求項２記載の投
影露光装置。
【請求項４】前記第１光学系と前記第２光学系が各々
有する前記送光光学系と前記受光光学系は、各々同一の
平面内にあることを特徴とする請求項２記載の投影露光
装置。
【請求項５】前記第１光学系は、前記所定光源からの
光を前記基板ステージへ送光する前記送光光学系と、前
記第２光学系から送光される光を受光する前記受光光学
系とを兼用する送受光光学系を有することを特徴とする
請求項２記載の投影露光装置。
【請求項６】請求項１記載の投影露光装置は、さら
に、前記第１光学系を微動させる微調整機構を有するこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項７】前記第１光学系は、前記投影光学系の有
効視野内のサイズとほぼ等しいサイズをカバーするよう
な視野を規定する集光レンズを含むことを特徴とする請
求項１記載の投影露光装置。