JPS60101540A

JPS60101540A - 投影光学装置

Info

Publication number: JPS60101540A
Application number: JP58208867A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Suwa; 恭一諏訪
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1983-11-07
Filing date: 1983-11-07
Publication date: 1985-06-05
Anticipated expiration: 2009-03-02
Also published as: JPH0616483B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明はマスクのパターンを投影光学系により被投影物
に投影する投影光学装置に関し、特に投影光学系の結像
面の位置と被投影物の表面の位置とのずれを投影光学系
を介して検出するようにした投影光学装置に関する。

（発明の背景）近年、マスクに描かれた回路パターンをウェハ上に露光
転写する装置として、縮小投影型露光装置（以下、ステ
ッパーと呼ぶ）が普及してきた。

このステッパーはマスクのパターン像を１１５又は１／
１０に縮小してウェハに投影する縮小投影レンズを用い
、ウェハを２次元移動ステージに載置して、ウェハに１
回露光を行なっては、一定ピツチだけステージを移動さ
せた後、再び露光を行なうことを紗り返すものである。

この種のステッパーに使用される縮小投影レンズ（以下
用に投影レンズとする）は、明るくて解像力が高いこと
が要求される。このため、開口数にューメリヵル・アパ
ーチャ）が大きくなり、焦点深度が極めて浅くなってし
まう。その値はレンズタイプやレンズの構成によっても
異なるが、たかだか数μｍ程度である。

そこでマスクのパターン像をウェハ上に投影する際、そ
のパターン像が正確にウェハ上に合焦するように、ウェ
ハの表面の位置を検出して焦点検出する装置が、例えば
特開昭５６−４２２０５号に開示されている。この装置
はウェハの表面に斜めに結像光束を照射し、その光束の
ウェハ表面からの反射光の受光位置を検出することによ
って、投影レンズの光軸方向におけるウェハの位置を検
出するものである。このような装置では、マスクのパタ
ーン像がウェハ上に合焦したとき、前記結像光束の反射
光の受光位置が原点になるように装置の製造時に調整し
ておく必要があった。この調整を正確に実施しておけば
、以後、その受光位置を原点に合わせるようにウェハを
投影レンズの光軸方向に上下動させることによって常に
合焦したパターン像がウェハ上に投影される。

しかしながら、投影光学装置の使用環境、例えば温度や
大気圧の変動によって、投影レンズの焦点位置（結像面
の位置）は微小量ではあるが光軸方向に変化する。いわ
ゆるフォーカスシフトが生じる。このため従来のような
斜入射方式の焦点検出装置を用いて、ウェハの上下方向
の位置を合わせただけでは、ウェハ表面と投影レンズの
結像面とを正確に一致（合焦）させることができないと
いう欠１点があった。

（発明の目的）本発明は、これらの欠点を解決し、ウェハ等の被投影体
上でマスクのパターン像が正確に合焦状態で投影されて
いるか否かを検出するようにした投影光学装置を得るこ
とを目的とする。

（発明の概要）本発明は、所定のパターン（マーク）が形成されたマス
ク（レチクル）を照明し、そのマークを投影光学系を介
して光反射性の被投影体（ウェハ文相反射板）に投影し
、その投影光像のウェハでの反射像を投影光学系でレチ
クルに逆投影し、その反射像とレチクルのマークとを重
ね合わせた像を形成１する結像光学系（顕微鏡対物レン
ズ等の観察光学系）を設け、さらに、その重ね合わせ像
の結像状態（コントラスト）に応じた画像信号を出力す
る光電検出装置ｆ、　（テレビカメラ等の撮像素子）と
、その画像信号に基づいてマークの投影像のウェハ上で
の結像状態（合焦か非合焦カリを検出する結像検出装置
とを設けることを技術的要点としている。

（実施例）第１図は本発明の実施例による投影光学装置の概略的な
構成図である。光源１からの光は光フアイバー束２を通
り、照明用コンデンサレンズ６により光束の形状が整形
され、半透過ミラー４で反射されて、観察光学系（例え
ば顕微鏡対物レンズ）５に入射する。観察光学系５を辿
った光源１からの光は、光吸収性で遮光性のマークＭを
有する透明なレチクル（マスク）Ｒを照明する。そして
、このマークＭの像は投影レンズ６を介して、ウェハＷ
上に投影される。この投影レンズ６はレチクルＲ上の回
路パターンをウェハＷ上に投影露光する際に、レチクル
几を照明する別の露光用光チ１１（かうの光の波長（以
下、露光波長と呼ぶ）に対して色収差の補正がなされて
いる。このため露光波長の光でレチクルＲを照明し、レ
チクル１ｔのマークＭが形成されたパターン面を投影レ
ンズ乙の瞳位置６ａから距１１Ｊｌｉｄｔのところに配
置すると、投影レンズ乙の射出側で瞳位置６ａから距離
ｄ２に位１べする結像面Ｐ１にマークＭの像が結像する
。そこでマークＭを照明する光源１からの光の波長は、
色収差によって結像面Ｐ１が投影露光時の位置から変動
しないように、すなわちレチクルＲと結像面Ｐ）の共役
が保たれるように、露光波長と等しく定められる。一方
、定盤７上には駆動部８によって２次元的に移動するＸ
Ｙステージ９が設けられ、このＸＹステージ９上には光
反射性のウェハＷを載置するとともに、駆動部１０によ
って投影レンズ乙の光軸方向に上下動するＺステージ１
１が設けられる。尚、ウェハＷの表面には感光剤が薄く
塗布されているものとする。この第１図においては、ウ
ェハＷの表面が結像面Ｐ１に対して投影レンズ６から離
れる方向に位置した状態（以下、この状態を後ピン状紳
と呼ぶ）にある。マークＭの光像を形成する光束１１は
、投影レンズ乙に入射し、結像面Ｐ１に結像した後、ウ
ェハＷ上の感光剤の表面、又はウェハＷ自体の表面で反
射して再び投影レンズ乙に入射する。尚、感光剤の表面
とウェハＷ自体の表面とは以後、単にウェハＷの表面と
呼ぶことにする。その反射光束１２は再びレチクルＲの
マークＭ周辺の透明部を通り、観察光学系５、半透過ミ
ラー４を介して、テレビカメラ（光電検出装置）１２の
受光面に至る。テレビカメラ１２の受光面は、観察光学
系５によりレチクルＲの裏面、すなわちパターン面と共
役関係が保たれている。従って、観察光学系５によって
観察されるマークＭの光像は、図中、光束１３で示すよ
うに常にテレビカメラ１２の受光面に結像する。

さらに、露光波長の光を使用して、マークＭをウェハＷ
に投影すると、パターン面と結像面Ｐ１とは投影レンズ
６により共役関係にあるから、結像面Ｐ１とテレビカメ
ラ１２の受光面とも共役関係にある。このため、後ピン
状態では、反射光束１２は観察光学系５によってテレビ
カメラ１２の受光面から離れた面Ｐ２に結像する。尚、
第１図の状態からウェハＷを上昇させると、ウェハＷの
表面と結像面Ｐ１とが一致した状態（以下、この状態を
合焦状態と呼ぶ）では、レチクル几とウェハＷとの間で
、光束１１の光路と反射光束１２の光路とが一致して、
反射光束１２はテレビカメラ゛１２の受光面に結像する
。又、ウェハＷの表面が結像面Ｐ１に対して投影レンズ
６側に位置した状態（以下、この状態を前ビン状態と呼
ぶ）では、再び光束１１の光路に対して反射光束１２　
の光路がずれて、反射光束１２はテレビカメラ１２の受
光面から後退した仮想的な面Ｐ３に結像する。

さて、この投影光学装置には結像面Ｐ１に向けて斜めに
ピンホール又はスリットの像の結像光束１４を投射する
投光器１６と、その結像光束１４のウェハＷ表面での反
射光１５を受光して、ウェハＷの上下方向（投影レンズ
６の光軸方向）の位置を検出する受光器１４とが設けら
れている。この受光器１４はウェハＷの上下方向の位置
に応じて、例えば後ピン状態のときの反射光１５と、合
焦状態のときの反射光Ｉｔｓ’との反射位置が異なるこ
とを光電的に検出するものである。この投光器１６と受
光器１４とにより、ウェハＷの上下方向の位置を検出し
て、ウェハＷの表面と結像面Ｐ１との合致状態を検出す
る焦点検出系を構成する。

第２図は、この焦点検出系の具体的な構成図である。投
光器１６内には、ウェハＷに塗布された感光剤を感光さ
せない波長の光（例えば赤外光）を発する光源２０と、
光源２０によって照明されるスリット板２１と、このス
リット板２１に紙面と垂ＩＵな方向に伸長して形成され
たスリット開口を通った光を平行光束にするレンズ２２
と、レンズ２２からの平行光束を反射するミラー２６と
、ミラー２３からの平行光束を入射してその光束の光軸
をシフトさせて射出する平行平板ガラス（ブレーンパラ
レル）２４と、平行平板ガラス２４からの平行光束を集
光して、投影レンズ乙の結像面Ｐ１内にスリット板２１
のスリット像を結像するレンズ２５とが設けられている
。平行平板ガラス２４は図中紙面と垂直な回転軸を有し
、駆動部２６によって、その回転軸のまわりに一定の角
度範囲内で回転する。この回転によって、レンズ２５に
よるスリット像の結像位置が結像面Ｐ１と垂直な方向に
変位する。尚、第２図ではウェハＷの表面と結像面Ｐ１
とが一致した合焦状態を示しである。

一方、受光器１４には、反射光束１５を入射するレンズ
２７と、レンズ２７からの光束を反射すると共に、その
反射の方向を振動により変える振動ミラー２８と、レン
ズ２７からの光束の結像位置に設けられたスリット板２
９と、そのスリット板２９に紙面と垂直な方向に延設さ
れたスリン）２９　ａを通過してきた光を受光して、光
電信号を出力する受光素子ろ０とが設けられている。振
動ミラー２８は紙面と垂直な回転軸を有し、が動部ろ１
はその回転軸を中心に、振動ミラー２８を一定の角周波
数及び一定の振幅で単振動させる。

第２図のような構成において、合焦状態では、スリット
板２１のスリット像はウェハＷの表面に結像し、そのウ
ェハＷ上のスリット像はレンズ２７によって再びスリッ
ト板２９上に結像し、そのスリット像は振動ミラー２８
によってスリット板２９上を一定のＪｈＮ　ｌｌ’ｌ＋
ｌで往復移動する。このとき、スリット像のスリット板
２９上での振動中心はスリット２９ａと一致する。従っ
て、ウェハＷの表面が投影レンズ乙の結像面Ｐ１からず
れると、それに応じてスリット像の振動中心もスリット
板２９のスリット２９ａに対して図中左右方向に変位す
る。もちろん、そのスリット２ｑａに対する変位の方向
（右か左か）は、前ビン状態か後ビン状態かな表わす。

さて、第６図は本装置の制御系のブロック図である。テ
レビカメラ１２からの画像信号はカメラコントロールユ
ニット（ＣＣＵ）４０を介シテ信号処理回路（結像検出
装置）４１に入力する。信号処理回路４１は画像信号に
基づいて、マークＭの光像とマークＭのウエノ・Ｗでの
反射像とが重ね合わされた像（重ね合わせ像）の、テレ
ビカメラ１２の受光面上での結像状態を検出し、その結
像状態に応じて移動すべき２ステージ１１の爪を表わす
検出信号Ｓａを出力する。主制御装置４２はマイクロプ
ロセッサ−（以下ホストＭ　ｌ）　ｔＪとする）を有し
、検出信号Ｓａに基づいて、重ね合わせイψの結像状態
を最もよくするように、すなわち重ね合わせ像のコント
ラストを最も高くするように、ウェハＷの上下方向の位
置決めを行なうための駆動信号５ｂｆｉ：駆動部１０に
出力する。また主制御装置４２はＸＹステージ９の駆動
部８にも、２次元的な位置決めのための信号Ｓｃを出力
する。振動ミラー２８の駆動部６１は発振器４６から発
生する一定の周波数の交流信号を入力し、その交流信号
の周波数に応じて振動ミラー２８を単振動させる。受光
素子３０の光電信号は増幅器４４によって増１１’ｉ＋
ｉされ、その光電信号と発振器４６からの交流信号とは
イ〜°ｆ相同期検波回路（ＰＳＤ）４５に入力する。Ｐ
ＳＤ４５は発振器４６の交流信号を基準信号にして光電
信号を同期検波する。ＰＳＤ４５によって検波された信
号はローパスフィルター（Ｌ　Ｐ　Ｆ）４６によって高
調波成分が除去されて、主制御装置４２に入力する。Ｌ
ＰＦ４６の出力信号、すなわち検波信号Ｓｄは、スリッ
ト像の振動中心がスリット２９ａと一致したときは零と
なり、その振動中心が例えばスリット２９ａに対して第
２図中で左側に変位したときは正極性となり、逆に変位
したときは負極性となるような、いわゆるＳカーブ信号
である。また主制御装置４２は平行平板ガラス２４の回
転角度を定める駆動信号Ｓｅを、駆動部２６に出力する
。尚、駆動信号ｓｂは、検出信号Ｓａにだけ基づいて出
力されるばかりでなく、検波信号Ｓｄにも応じて出力さ
れる。駆動信号ｓｂがその２つの信号Ｓａ、Ｓｄのいず
れに応じて出力されるかは主制御装置４２に含まれたボ
ス）　Ｍ　Ｐ　Ｕによって適宜選択される。またそのホ
ス）ＭＰＵは、駆動信号Ｓｂ、５ｃＸＳｅを出力するた
めに必要な演算や、その出力タイミングを制御して、装
置全体のシーケンスを統括制御する。

第４図は信号処理回路４１の具体的な一例を示す回路ブ
ロック図である。第４図において、高速のアナログ−デ
ジタル変換器（以下、ＡＤＣとする）５０は、ＣＣＵ４
０からの画像信号のレベルをデジタル変換する。サンプ
リングパルス発生器５１はＣＣＵ４０からの水平同期信
号８Ｈに応じて、テレビカメラ１２の１水平走査期間中
に、水平方向の各画素に対応したパルスからなるパルス
信号ＳＰを発生する。ＡＤＣ５Ｑはこのパルス信号ＳＰ
の各パルスに応答して画像信号をサンプリングし、その
サンプリングしたレベルをデジタル値に変換する。ＡＤ
Ｃ５０で交換されたデジタルデータ（以下、単にデータ
とする）ＤＩはランダムアクセス可能なメモリ回路（以
下、ＲＡＭとする）５２に入力する。アドレス発生回路
５３は、パルス信号８１）の各パルスを計数して几ＡＭ
５３のアドレス信号Ａｄを発生ずる。従ってＲＡＭ５２
はパルス信号Ｓｐに応答してＩ１１α次アドレスを更新
し、その更新されたアドレスに各サンプリング時のデー
タＤ１を格納していく。主制御装置４２のホス）ＭＰＵ
によって管理されるマイクロ・コンピュータ（以下、ｃ
ｐｕと呼ぶ）５４は、ＲＡＭ５２の各アドレスに格納さ
れたデータＤ１を順次読み出して、画像信号のレベルの
立上りや立下りの状態、すなわち重ね合わせ像のコント
ラスＦを検出する。またＣＰＵ５４は几ＡＭ５２の各ア
ドレスの格納データを消去するとともに、アドレス発生
回路５６内の計数値を零、又は初期値にリセットするた
めのクリア信号ＣＬと、この信号処理回路４１の動作を
開始するためのスタート信号Ｓｔとを出力する。

スタート信号Ｓｔはサンプリングパルス発生器５１とア
ドレス発生回路５６に入力する。サンプリングパルス発
生器５１はこのスタート信号ｓｔが入力された後に、水
平同期信号８Ｈを受けたとき、パルス信号ＳＰを発生す
る。さらにアドレス発生回路５６は、このスタート信号
Ｓｔを入力している間は、パルス信号Ｓｐに応じてアド
レス信号Ａｄを発生するが、スタート信号Ｓｔを入力し
ないときは、ＣＰＵ５４からのアドレスバスＡＤＢＥ介
してアドレス信号Ａｄを発生し、１１．ＡＭ５２のＣＩ
）　ＴＪ５４によるアクセスを可能とする。またアドレ
ス発生回路５６は、水平走査線の１走査の終了時点、す
なわち、パルス信号ＳＰの計数値が所定値に達したとき
、１走査線分のデータＤ１を取り込んだものとして取込
み終了信号ＯＲをＣＰＵ５４に出力する。尚、以上のよ
うな構成において、以下の説明をｎＩｊ単にするために
、テレビカメラ１２の水平走査ｔｊＪノ１　本Ｇｔ　１
０２４　画［、！：　Ｌ、ＡＤＣ５０Ｌｔ８ビット（す
なわちデータＤ１が８ビツト）のものを使い、ＲＡＭ５
２はＩＫＡイ）　（１０２４Ｘ８　ビット）以上の容量
のものを使うものとする。またＣＰＵ５４内には演算結
果や定数等のデータを記憶したり、プログラムを記憶す
るためのメモリが設けられている。

さて、第５図は主制御装置４２内に設けられた検波信号
Ｓｄの処理回路の回路ブロック図である。検波信号Ｓｄ
は、主制御装置４２内のホス）ＭＰＵからの切替信号Ｓ
１に応答して切替動作を行なうスイッチ６０に入力する
。差動回路６１は検波信号Ｓｄの零レベル（アース電位
）からの偏差に応じた差信号をスイッチ６０に出力する
。スイッチ６０は切替信号Ｓ１に応じて、検波信号Ｓｄ
と、その差信号のいずれか一方の信号をアナログ−デジ
タル変換器（以下、ＡＤＣとする）６２に出力する。Ａ
ＤＣ６２は、入力した検波信号Ｓｄ１又は差信号をデジ
タルデータＤ２に変換して、ホストＭＰＵに出力すると
ともに、ラッチ回路６６にも出力する。ラッチ回路′６
３はホス）ＭＰＵからの信号Ｓ２に応じて、データＤ２
のラッチを行なうか否かを切替える。そして、このラッ
チ回路６６を介して出力されたデータＤ２が前述の駆動
信号Ｓｅになる。このような構成において、スイッチ６
０は、プレーンパラレル２４の角度を調整（キャリブレ
ーション）する際は差動回路６１の差信号を選択し、ウ
ェハＷの上下方向の位置検出（焦点検出）の際は検波信
号Ｓｄを選択するようにホストＭＰＵによって切替えら
れる。

次に本装置の動作を説明する。第６図、第７図は信号処
理回路４１、ホス）ＭＰＵの動作を説明するフローチャ
ート図であり、第８図は信号処理回路４１の各信号のタ
イムチャート図である。第９図は第１図に示した後ピン
状〃（２においてテレビカメラ１２の受光面に形成され
た重ね合わせ橡の一例を示す図である。

レチクル凡のマークＭ光像Ｍ′は第９図に示すように、
細長いスリット状であり、テレビカメラ１２の水平走査
線ＳＬと直交する方向に延びたエツジＥｇ１．８ｇ２な
有する。走査線ＳＬとエツジＥｇ１、Ｂｇ２は必ずしも
直交する必要はないが、ここでは便宜上直交するものと
する。観察光学系５はマークＭの光像Ｍ′をテレビカメ
ラ１２の受光面に結像するから、それらのエツジＥｇ１
．Ｅｇ２は合焦状態で極めてコントラストよく撮像され
る。またマークＭのウェハＷを介して逆投影された反射
像は、レチクル凡の位置ではディフォーカス（非合焦）
している。従って、その反射像はテレビカメラ１２の受
光面上では光像Ｍ′とは正確に重ならず、エツジＥｇ＋
、Ｅｇｚ’９の周辺に低コントラストで広がったぼけた
反射像Ｍｒｌになる。マークＭは遮光性なので、反射像
Ｍｄは光像Ｍ′の周辺に黒ずんで表われ、光像Ｍ’自体
もマークＭが光吸収体なので黒くなる。一方、走査＠Ｓ
Ｌ上の光像Ｍ′、反射像Ｍｄ以外の部分では照明光がウ
ェハＷで反射してくるため白っぽくなる。従って光像Ｍ
′のエツジＥｇ１．８ｇ２の周辺のコントラストを検出
して、もっともコントラストがよいこと、すなわち反射
像Ｍｄと光像Ｍ′とが正確に一致したことをもって、合
焦状態とずれはよい。

第６図のフローチャート図はウェハＷの表面と投影レン
ズ乙の結像面Ｐ１とを一致（合焦させるプログラムであ
る。以下そのプログラムのステップ１００〜１１１を説
明する。

〔ステップ１ＤＯ〕まず初めにＺステージ１１をイニシャル位置にセットす
る。ここではウェハＷが第１図のようにもっとも降下し
た位置をイニシャル位置とし、主制御装置ａ４２からの
駆動信号ｓｂに応じてＺステージ１１を駆動する。

〔ステップ１０１．１０２〕次にホス）ＭＰＵはＣＰＵ５４に開始指令を出力し、こ
れに応答してＣＩ）Ｕ５４はクリア信号ＣＬを出力して
、Ｒ，ＡＭ５２、アドレスカウンタ５３をクリアする。

これにより、ＲＡＭ５２の０番地がアクセス可能となる
。そして引き続きスタート信号Ｓｔを論理値ｒＬＪから
ｒＨＪに反転させる。その後第８図に示すように、水平
同期信号Ｓ）ｌを入力すると、その入力時点からパルス
信号ＳＰが発生し、ＣＣＵ４０からの画像信号がそのパ
ルスに応答して順次サンプリングされ、デジタル化され
たデータＤ１はＲＡＭ５２のＯ番地から順番に格納され
る。

ＲＡＭ５２内に格納されたデータ群は第８図にヒストグ
ラムで示すように、光像Ｍ′の部分で最もレベルが低く
、その−〇脇の部分は反射線Ｍｄのぼけ（低コントラス
ト）のため、なだらかにレベルが高くなる。

〔ステップ１［Ｊ６．１０４〕こうして、水平走査期間の終了時に、パルス信号Ｓ　Ｐ
の１０２４個のパルスがアドレス発生回路５３で計数さ
れると、アドレス発生回路５６は終了信号ＣＲを出力す
る。そこでＣＰＵ５４はこの終了信号Ｃ刊をモニターし
、終了信号ＣＢ、を入力したときは、スタート信号Ｓｔ
を論理値ｒＬＪに反転する。以上により、１水平走査で
発生した画像信号が１０２４個の画素に分割されて、そ
の分割された各画素の輝度レベルが、デジタルデータに
変換されてＲＡＭ５２内の０番地から１０２４番地まで
に格納される。

〔ステップ１０５〕次にＣＰＵ５４はＲＡＭ５２内のデータ群から、光像Ｍ
′のエツジＥｇ１、′Ｅｇ２部分のデータ列を選び出し
、時系列な画像信号中の立下り、立上り部分の区間を切
り出す。具体的には第１０図（ａ）に示すようにＲＡＭ
５２内の０番地から１０２４番地までのデータを調べ、
エツジＥｇ１に対応した番地Ａｄ。

と、エツジＥｇ２に対応した番地Ａｄ２とを検出し、そ
の番地ＡｄｏとＡｄ２の中間的な番地Ａｄ１をめる。そ
して、０番地から番地Ａｄ１までを画像信号の立下り区
間とし、番地Ａｄ１から１０２４番地までを立上り区間
とする。

〔ステップ１０６〕次にＣＰＵ５４は、その立下り区間、立上り区間につい
て、Ｒ，ＡＭ５２内のデータ列を１次微分する。

この微分は例えばそのデータ列を数値フィルターに通す
ことによって高速に処理できる。具体的には第１０図（
ｂ）に示すように、ＲＡＭ５２のＯ〜１０２４番地以外
の番地に、その微分波形のデータを記憶する。ここでは
その波形のエンベロープを示すか実際には第８図に示す
データＤ１のように離散的なデータ列である。

〔ステップ１０７〕ｙＩ！にＣＰＩＪＦ）４は立下り区間の微分波形上のピ
ーク値ｐｖと、ボトム（最低）値ＢＶとを調べ、その差
の絶対値ＰＢ　（ｌ　Ｐｖ−Ｂｖ　ｉ）を計算する。立
上り区間についても同様に調べる。この値ＦＢはＣＰＵ
５４のメモリに記１意される。この値ＰＢは、画像信号
の立上りや立下りが急になればなる程大きな値となり、
第１０図のように画像信号の立下り、立上りがなだらか
だと、小さな値となる。

〔ステップ１０８．１０９〕次にＣＰＵ５４はＺステージ１１が上昇の限界点（上限
）に位置したか否かを判断し、まだ上限に達していなけ
れば、Ｚステージ１１を単位量、例えば０．１μｍだけ
上昇させるためのデータを主制御装置４２のホス）ＭＰ
Ｕに出力する。これによって駆動部１０が作動してＺス
テージ１１は０．１μｍだけ上昇する。

その後再びステップ１０１から同じことを繰り返し、Ｚ
ステージ１１を０．１μｍ上昇させてはビーク−ボトム
検出を行ない、値ＰＢとともにその上昇させた位置も記
憶していく。これをＺステージ１１の上限位置まで行な
う。

〔ステップ１１０〕ステップ１０８でＣＰＵ５４がＺステージ１１の上限を
検出すると、ＣＰＵ５４のメモリには例えば第１１図の
ようなデータが得られる。第１１図は横軸にＺステージ
１１の上下方向の０．１μｍ毎の位置ｚを表わし、縦軸
はその各位置に対応した値ＰＢを表わす。そこでＣＰＵ
５４はこの値Ｆｌｙ（ボトム・ピーク値）が最大（極値
）になる位置Ｚｏをｆ＋’ｉ”４べる。

〔ステップ１１１〕次にＣＰＵ５４はその位７１．’ＺｏにＺステージ１１
を位置決めするようなデータ　（検出信号Ｓａ）を主制
御装置４２に出力する。これにより、主制御装Ｗ４２は
駆動信号ｓｂを出力して、２ステージ１１を降下させて
ウェハＷの表面と結像面Ｐ１とを一致させる。すなわち
、位Ｎ、’　Ｚ　ｏでは画像信号の立上り、立下りが最
も急であり、光像Ｍ′と反射像Ｍｄとが正確に一致した
こと（合焦状態）を示す。

以上のようにして、投影レンズ乙の結像面Ｐ１とウェハ
Ｗの表面とが一致して、ウェハＷ上にマーりＭの像が合
焦状態で投影されるので、次に投光器１６′と受光器１
４で構成された焦点検出系のキャリブレーションを第８
図のフローチャート図に基づいて行なう。以下、そのた
めのステップ１２０〜１２５を説明する。

〔ステップ１２０，１２１　）主制御装置４２のボス）ＭＰＵは切替信号Ｓ１を出力し
て、差動回路６１の差信号を選択する。引き続きホスｈ
ＭＰＵは信号Ｓ２を出力して、ラッチ回路６６のラッチ
動作を解除する。これにより、プレーンパラレル２４は
その差信号に応シテフィードバック制御で回転し、その
差信号が零になった時点でその回転を停止する。この様
子を第１２図に示す。第１２図では横軸はウェハＷの上
下方向（Ｚ方向）の位１１′ｔを表わし、縦軸は検波信
号Ｓｄの大きさくレベル）を表わす。今、ラッチを解除
した直後で、検波信号Ｓｄは特性ＳＤ１のようにレベル
が一８ｄｏにあるーものとする。すなわち、特性ＳＤＩ
に従った場合は、ウェハＷの表面と結像面Ｐ１とが位ｒ
ｆ、ｔＺ、で一致しているにもかかわらず、位ｖｆＺｏ
から−Ｚ１だけウェハＷが降下した位置に合焦点が存在
するように検出されてしまう。

そこで、差動回路６１はそのレベル−８ｄｏの差信号を
出力して、プレーンパラレル２４の角度を変える。これ
にともないレベル−８ｄｏは小さくなり、特性ＳＤ’ｌ
は位９Ｚｏで零レベルとなるような特性ＳＤ２に直され
る。

〔ステップ１２２．１２６〕ホストＭＰＵはＡＤＣ６２からのデータＤ２を読み込み
、Ｄ２が零になったか否か、ずなわち、差動回路６１の
差信号が零になったか否かを狛１１ｔｊ１する。このと
き、データＤ２が完全に零になるＭｊ１合はよいが、Ｐ
ＳＤ４５のノイズ成分がＬ　Ｐ　１！”　４６によって
完全に除失されない場合を考がして、データＤ２が零を
含むある範囲内のレベルに入ったか否かを判断するよう
にする。こうして、データＤ２がほぼ零と判断されると
、特性ＳＤ１は特性ＳＤ２に直されたことになる。

〔ステップ１２４．１２５〕次にホス）ＭＰＵは信号Ｓ９を出力して、ラッチ回路６
３のラッチをｒｌｏない、以後、再度信号Ｓ２が入力さ
れるまで、そのラッチ状態を保ち続ける。

そして、プレーンパラレル２４の駆動部２６はそのラッ
チされたデータ（駆動信号Ｓｅ）を基準値として、以後
設定されたプレーンパラレル２４の角度を維持し続ける
。そして、ホス）ＭＰＵは切？信号Ｓ１を出力して、検
波信号Ｓｄを選択する。

以上のようにして、第２図に示した焦点検出系のギヤリ
プレージョンか終了する。そして実際にウェハＷにレヂ
クル１（、のパターンを投影露光すると２＼は、ポスト
ＭＰ（Ｊが（−（波信号ＳｄのデータＤ２をｉｉ’ｌｌ
Ｊみ込み、その（１／ｉが零になるように、駆動信号Ｓ
ｂ位出力してウェハ〜Ｖｉ上下動させればよい。

以上、本発明の第１の実施例では、光学的な斜入射方式
の焦点検出系を備えた装置を用いたが、その他に、ウェ
ハＷに微小開口のノズルからエアーをふきかけ、その背
圧を検出してウェハＷのＺ方向の位置を検出する、いわ
ゆるエアマイクロ方式のものに応用しても全く同様の効
果が得られる。

また、以上の実施例ではウェハＷからの反射像Ｍｄを光
像Ｍ′と重ね合わせて観察するとしたが、反射性の平面
板ならばウェハＷに限るものではない。

例えばＺステージ１１上にウェハＷの表面とほぼ同じ高
さに設けられた基準マークを有する基準板を用いてもよ
い。その基準板は、本来装置の基準合わせや位置合わせ
用顕微鏡の光軸のドリフトチェック等に使われるもので
あるが、基準マークが形成されていない反射率の高い部
分を用いてマークＭの投影像を反射させてもよい。

次に本発明の第２の実施例を第１３図、第１４図、第１
５図に基づいて説明する。第２の実施例ではレチクルＲ
に設けたマークＭを複数本、平行に一定ピッチで配置し
た格子状のパターン、いわゆるライン・アンド・スペー
ス形成用の周期構造のマークとする。第１６図はその格
子状のマークを設けたレチクルＲの走査線方向の断面と
、後ピン状態、合焦状態、前ビン状態のときの画像信号
Ｓｖと、その画像信号Ｓｖを得たときの走査線に対応し
たウェハＷ上での光強度分布Ｃｗとを表わす。第１６図
（ａ）は第１図に示すような後ピン状態を表わす。格子
状のマークとマークの間の透過部を通り、ウェハＷで反
射した光が再び格子状のマークとマークの間を透過した
とき、マークのエツジ周辺部は画像信号Ｓｖに示すよう
に立上り、立下りともだれている。第１３図（ｂ）は合
焦状態を表わし、ウェハＷ上に投影された像のコントラ
ストが最もよく、重ね合わせ像のコントラストも最も高
い。また第１３図（ｑは前ビン状態を表わし、画像信号
Ｓｖ、強度分布Ｃｗとも後ピン状態のときの特性と相似
である。尚、上記６つの状態のときマークとマークの間
の透過部では、画像信号Ｓｖのピーク部分ａの波形と、
強度分布Ｃｗのピーク部分ａ′の波形とは相似になる。

ただし、レチクル凡のマークをウェハＷに投影し、その
反射像を観察しているので、強度分布Ｃｗのピーク部分
ａ′の波形のだれ方に対して、画像信号Ｓｖのピーク部
分ａの波形のだれ方（ぼけ具合）は２倍になる。一方、
第１４図は前ピン、後ピンの量が合焦状態から大きくは
ずれた場合を表わし、強度分布Ｃｗはほぼ均一にな゛っ
てしまい、レチクルＲのマークとマークの間の透過部を
通った光がウェハＷを均一に照明していると見なされる
。ただし、その強度分布Ｃｗの大きさは第１６図の）の
場合のピーク部分の大きさよりも小さくなる。このため
画像信号Ｓｖは立上り、立下りとも急になりあたかも合
焦状態のような特性を示すが、ピーク部分の大きさは真
の合焦状態のときよりも小さい。

そこでこれら画像信号Ｓｖ中の立上りや立下りを前述の
第１の実施例と同様に検出すると、第１５図のような特
性が得られる。第１５図の横軸はウェハＷのＺ方向の位
置を表わし、縦軸は値ＰＩＪ（コントラスト値）を表わ
す。合が点は位ｉｆ、ｆ　Ｚ　□であり、位ＩＹｔｚｏ
から離れるに従って値Ｐ１３は低下し、焦点はずれがさ
らに大きくなると値ＰＢは再び増加する。この値ＰＢが
極値を示す位置Ｚ。にウェハＷの表面を合わせれば、合
焦状態にできるが、第１５図に示す波形をさらに微分（
２次微分）して極値をめるようにしてもよい。

以上のように本実施例では遮光性のマークが走査方向に
複数配置されているため、１水平走査の間に、画像信号
に立上り、立下りが複数発生する。

このため、画像信号中の立上り区間又は立下り区間の複
数を繰り返し、コントラスト検出することができるので
、画像信号中の雑音（ノイズ）による誤差な低減するだ
けでなく、繰り返しによる精度向上を計ることができる
利点もある。またこのような格子状のマークを用いると
、画像信号は連続した繰り返し波形となるので、この波
形に含まれる高周波成分がどこまで高次に渡って存在す
るかをフーリエ変換によって検出することで、合焦状態
を見つけ出すこともできる。

さて、上記各実施例において、光電検出装置はテレビカ
メラとしたが、−次元、又は２次元に複数の受光素子を
配列した固体イメージセンサ−を用いても同様の効果が
得られる。

また上記各実施例ではマークＭを光吸収性のものとした
が、投影レンズ乙の光学的な構成によってはクロム等の
金属薄膜で形成された光反射性のものでも同様の効果が
得られる。この種の投影レンズ６の光学的な構成は大別
して２種類に分けられる。それは、レチクルＲ側、ウェ
ハＷ側ともテレセンドリンクな光学系になるものと、レ
チクルＲ側が非テレセントリックな光学系でウェハ側が
テレセントリックな光学系になるものとの２つである。

前者の場合は、レチクルＲのマークＭ、　ｆ照明する光
束の主光線及び観察光学系の主光線はレチクル几に垂直
（投影レンズの光軸と平行）になるので、上記実施例の
ようにマークＭを光吸収性にしておくか、もしくは、レ
チクルＲを偏光した光で照明し、レチクルＲとウェハＷ
との間の光路中に偏光状態を変える部４ｔ　（例えば１
／４波長板）を入れて、マークＭからの反射光はカット
し、ウェハＷからの反射光は透過するような、偏光性１
１を有する観察光学系を設けなければ、マークＭからの
反射光が観察光学系５、テレビカメラ１２に入射し、マ
ークＭの光像Ｍ′は白っぽくなり、ウェハＷからの反射
光とともに、受光面には全体に白っぽい像が結像し、画
像信号の処理が難しくなる。

一方、後者の場合は、レチクルＲ側が非テレセントリッ
ク系なので、マークＭを投影レンズの光軸が通らない位
置、例えばレチクル凡の周辺に設ければマークＭの照明
光束の主光線、及び観察光学系５の主光線は、マークＭ
と投影レンズの瞳の中心とを結ぶ線と一致して、投影レ
ンズの光軸に対して傾いたもの、すなわち両生光線がレ
チクルＨのパターン面に垂直にならず、ある角度傾いた
ものになる。このため、マークＭが光反射性であっても
、マークＭ２照明した光の反射光は観察光学系５、テレ
ビカメラ１２の方に戻らず他の方向に進むから、マーク
ＭはウェハＷで反射してきた光で透過照明されることに
なり、マークＭの光像Ｍ′Ｇ１ム１、一つはい影となっ
て撮像されるのである。このように、レチクル几側が非
テレセンドリンク系である場合は、マークＭを反射性で
遮光性のものとしても、上記各実施例の通り全く同様に
画像信号の処理が可能である。

本発明では以上の説明の通り、マークＭは光反射性、光
吸収性のいずれでもよく、投影レンズがレチクルＲ側で
非テレセンドリンク系であれば、マークＭの反射、吸収
性を考慮する必要はなく、またテレセンドリンク系であ
れば、マークＭを偏光した光で照明し、投影レンズや観
察光学系に偏光特性を与えるだけでまったく同様の効果
が得られる。

（発明の効果）以上のように本発明によれば、マスクのパターン（マー
ク）の反射像と、そのパターンの光像とを重ね合わせて
焦点検出するので、投影光学系の光学的な特性の変動に
よらず、常に焦点位置の絶対値が検出できるという効果
がある。さらにマスクのパターンの反射像を観察してい
るので、被投影体（ウェハや基準板）の投影光学系の光
軸方向の移動に応じて変化する反射像のほげ具合は、被
投影体を直接観察した場合の像のぼけ具合に対して２倍
変化する。このため、検出感度が高くなり、より精密な
焦点検出が可能になる利点もある。またマスクのパター
ンの光像は結像光学系（観察光学系）によって合焦して
観察されることが望ましいが、必ずしも正秘に合焦して
いなくても、重ね合わせ像のフントラストの極値は存在
する。このため、マスクを交換した後に、観察光学系を
そのマスクのマークに正確に合焦させる必要がなく、観
察光学系に複雑な合焦機構を組み込む必要がなくなると
いう利点もある。さらに、投影光学系を介してマスクと
被投影体との絶対的な焦点検出できるので、投影光学系
の光学特性の変動のうち、例えば投影倍率の変動もその
焦点変動から容易にめられるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影光学装置の梶
１略的か構成図、第２図は間接的な焦点検出装置の概略
的な構成図、第６図は制御系のブロック図、第４図は画
像信号を処理して、像のコントラストを検出する処理回
路４１の回路ブロック図、第５図は平行平板ガラスのキ
ャリブレーションを行なうための回路ブロック図、第６
図はウェハの表面と投影レンズの結像面とを一致させる
動作のためのフローチャート図、第７図は間接的な焦点
検出装置のキャリブレーションのためのフローチャート
図、第８図は第４図の回路ブロックにおけるタイムチャ
ート図、第９図は重ね合わせ像の一例を示す図、第１０
図は画像信号と、その微分信号を示す波形図、第１１図
はコントラストと焦点位置との関係を示す特性図、第１
２図は位相同期検波回路の検波信号の様子を示す特性図
、第１６図、第１４図は本発明の第２の実・施例による
画像信号の様子を示す波形図、第１５図は第２の実施、
例におけるコントラストと焦点位置との関係を示す特性
図である。〔主要部分の符号の説明〕５・・・・・・・・・観察光学系　６・・・・・・・・
・投影レンズ１１・・・・・・・・・Ｚステージ　１２
・・・・・・・・・テレビカメラ１６・・・・・・・・
・投光器　１４・・・・・・・・・受光器２４・・・・
・・・・・平行平板ガラス　４０・・・・・・・・・カ
メラコントロー出願人　日水光学工業株式会社代理人　渡　辺　隆　男才２図オ窃図、！４図才５図牙６図才８図才９図Ｍ′ 、ｔ’７２図（Ｋｏ）君１３図ｔＬ

Claims

【特許請求の範囲】

マスクに形成された所定のパターンの像を、反射性の被
投影体に投影する投影光学系と；前記パターンの投影光
像が前記被設一体で反射して前記投影光学系により逆投
影された反射光像と前記マスクのパターン光像とを重ね
合せた像を形成する結像光学系と；該重ね合せ像の結像
状態に応じた画像信号を出力する光電検出装置と；該画
像信号に基づいて、前記パターンの投影光像の前記破投
影体上での結像状態を検出する結像検出装置とを備えた
ことを特徴とする投影光学装置。