JPS62285419A - 露光装置 - Google Patents

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】 ３、発明の詳細な説明 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ＩＣおよびＬＳＩ等の半導体装置の製造工程
の内、ホトリソグラフィ工程において使用される露光装
置に関する。

具体例としては、投影光学系を用いてレチクル上のパタ
ーンを半導体基板（ウェハ）上に投影露光する装置であ
って、レチクル上のパターンと半導体基板上のパターン
との位置整合のためのアライメント光学系と、投影光学
系を含む装置全体とをマツチングさせた露光装置に関す
る。

［従来の技術］ 縮小レンズを用いた露光装置（いわゆるステッパ）にお
けるアライメントについてはこれまで数多くの提案がな
され、また製品上に適用されてきた。これらの提案およ
び製品への適用例の意図するところは、投影レンズを介
してレチクルのパターンとウェハ上のパターンとの相対
的な位置合せを行ない、しかる後に露光するプロセスに
関して、いかに■正確に、■確実に、■より早く、当該
プロセスを達成し得るかを追求したものである。さらに
、あと一つの条件を付加するとすれば、ユーザの使い勝
手に関して、■使い易さを上げることができる。

ところが、これらの条件を、満足しつるレベルですべて
達成するのは困難であり、これまでの提案や適用例にお
いてもいずれかの項目に対し欠点を持っているのが常で
ある。

この欠点は投影レンズを用いたステッパの宿命的な弱点
ともいえるが、その問題の所在を解析すると１次のよう
な論法になる。つまり、（イ）レチクルのパターンを投
止レンズを介してウェハのパターン上に投影露光するに
先たち、レチクルパターンの投影像とウェハパターンと
の相対位置合わせをｒより正確に１行なうためには、投
影レンズを通したアライメントが望ましい。つまりＴＴ
Ｌアライメントが望ましい。

（ロ）レチクルもしくはクエへのマークの位置情報を持
った光が投影レンズを通過しても情報媒体として有効で
あるためには、そこで発生する収差の関係から、ごく狭
い波長幅を持った光であることが必然となる。

（Ａ）　アライメントマークは常識的には凹凸を持った
段差構造であるため、ここに波長幅の狭い光を当てた場
合、凹凸の上のエツジから反射する光と下のエツジから
反射する光が干渉を生じる。そのため、段差量とそこに
塗布されたレジストの屈折率の条件によっては、信号光
が低減しまたは消失することがある。従って、どのよう
なプロセス条件に対しても「確実に１アライメントを実
行するためには、複数の別波長のアライメント光により
アライメントを行なう必要がある。

（ニ）露光波長と同一波長の光をアライメント光として
使用すれば、投影レンズによる色収差は発生せず付加的
な光学系無しでレチクルマークとクエへのマークとを同
時に２次元像として観察可能である。従って、アライメ
ント波長の一つとして露光波長を使用するのが妥当であ
る。

（ホ）他のアライメント光は露光波長と異なる波長にせ
ざるを得ない。このとき、露光波長と異なる波長の非露
光光がレンズを透過した場合に発生する色収差は、光学
理論上数種の収差に分析できる。しかし、これまでの提
案および適用例においては、釉上色収差しか補正してい
なかった。

このことは、サジタル方向（レンズ光軸に対して放射方
向）に向いたマークしか使用できず、そのためマークに
直交する方向成分しか検出できないことを意味し、例え
ばＸＹ方向をアライメントするためには２つの対物レン
ズを含む顕微鏡が必要となる。

（へ）投影レンズに対しアライメントマークの位置が制
限されることによる弊害は様々な形態で現れる。

（ｆ）例えば、レンズ光軸を原点とするＸＹ座標の軸上
にしかアライメントマークが存在し得ない場合において
、ウェハ側のアライメントマークを更新する必要が生じ
た場合には、投影レンズに対し実素子パターン部をシフ
トして設定するしかない。しかし、このときには実素子
パターン部のうちシフトにより投影レンズの有効画面を
外れる部分がでるため、実質上投影レンズの有効画面を
損なうことになる。

（ｉｉ）また、上記のような事態を避けるためには、レ
チクルとクエへの関係において、実素子パターン部が重
なり合う位置とアライメントマークが重なり合う位置を
定量シフトする方法がある。しかし、この場合にはアラ
イメント後、露光をかけるまでに一定量だけウェハまた
はレチクルを移動することが必要であり、この８勤時間
によりｒ早さ１が損なわれ、移動精度によりｒ正確さ１
が損なわれる。

（ト）一方、非露光波長をアライメント光として使用す
る場合、ウェハ側（像面側）の一点から出た光は軸上色
収差のため、通常、レチクルパターン面（物体面）より
遠くに結像する。もしこの光をレチクルを透過した位置
で捕捉しようとすれば、レチクルにはこの光束を通すた
めの大きな窓が必要となる。

このことを避けるためには、ウェハの信号を持った光を
、レチクルとレンズの間で露光光束外へ取り出すことが
必要となる。しかし、この信号を取り出すためには、露
光光束中にミラーもしくはそれに相当する光学部材が必
要であり、もしこのミラーが固定されていれば、レンズ
の有効画面を損なうことになる。また、もしこのミラー
を露光のたびに露光光束から退避するとすれば、このミ
ラーの位置再現性がアライメント精度を損なう。

（チ）上記の（ト）で述べたごとく取出された光を対物
レンズを含む顕微鏡に取り込み、これを電気信号に変換
してアライメントを行なう方法がいくつか提案されてい
る。

一例として、顕微鏡の中に仮の基準を持ち、これとウェ
ハマークの相対位置合せをする例がある。この場合、本
質的な目的であるレチクルとウニへの位置合せにおいて
介在物が存在することになり、これがｒ正確さ１を損な
う要因になる。

［発明が解決しようとする問題点コ 本発明の茅１の目的は、縮小投影型露光装置において、
先に述べたような種々の欠点および問題点を解決し、よ
り改良されたアライメント方法およびアライメント装置
を提供することにある。

本発明の第２の目的は、半導体デバイスの微細化、高集
積化、高速化という、より高度な要求に答えるべく、よ
り高精度で多機能化された露光装置を提供することであ
る。

上述したような、より高精度で多機能化された露光装置
を提供するに際して、考えられる状況と要求を以下に述
べる。

高速化、高集積化の傾向をダイナミックラム（ＤＲＡＭ
）を例にとってみると、現在、ＩＭビットＤＲＡＭが量
産に入りつつあり、これがほぼ１μｍデザインルールで
設計されている。この先、４ＭビットＤＲＡＭや１６Ｍ
ビットＤＲＡＭになれば、デザインルールとしては０．
７μｍから０．５μｍとなり、いわゆるサブミクロンプ
ロセス時代に入る。露光装置に対しては、第１に高い解
像力が要求され、このために露光波長は現在のｇ線から
ｉ線へ、ざらにはエキシマレーザの３０８　ｎｍや２４
９ｎｍへと短波長化が進むことになる。

露光光の単波長化は、解像力と焦点深度に対して有利に
働くが、投影レンズの設計においては解像力重視指向（
つまり高ＮＡ化）となるのは必然である。この結果、焦
点深度は実用解像力において±１μｍ前後のレベルとな
ろう。

フォーカス位置が温度や気圧で変化することは知られて
いるが、露光光の照射によってもまた変化する。このよ
うな状況で安定した解像精度を維持するにはＴＴＬフォ
ーカスが有効である。ＴＴＬのフォーカス信号を取り込
む方法は、ＡＡ（オ＝トアライメント）信号の取り込み
と類似した考え方になる。

さらに、深度問題を突きつめるとウニ八表面のそりが問
題となり、この場９合には露光画面内３点のＴＴＬフォ
ーカスと、ウェハ側のチルト機構が必要となる。

一方、解像力の向上と同時に重ね合せ精度の向上が装置
に対して要求される。重ね合せ精度はデバイスのデザイ
ンルールの１／３〜１１５倍程度が必要精度といわれて
いる。重ね合せ精度は、装置側の要因としては、倍率、
ディストーションおよびアライメント精度に分離できる
。アライメントは像面平面に対し平行な方向であるＸＹ
θ方向においてレチクル投影像とウェハ上のパターンの
相対位置合せを行ない、これらを完全に重なり合せるこ
とを前提としているが、レチクル投影像とウェハパター
ンに相対的な倍率ディストーションが存在すれば、これ
はアライメントでは救済できない。

絶対格子に対してランダム成分、あるいは非線形成分と
してのディストーションは、投影レンズの設計および製
作上の技量として絶対格子に近づける努力をするしかな
い。

一方、投影レンズ光軸からの距離に比例しな伸縮成分と
しての倍率については気圧によって変化することは知ら
れているし、また温度、露光によっても変化する。また
、ウェハ側についても加熱プロセス等によりパターンの
伸縮が生じる。

従って、０．１μｍあるいはそれ以下の重ね合せ精度が
要求される時代になれば、倍率をリアルタイムに検出し
補正するという機能が装置側に要求されてくるであろう
。

以上のような状況を考えるとき、サブミクロンプロセス
時代に対応しうる露光装置としては、単にアライメント
精度の向上のみならず、フォーカス、片ボケ、倍率につ
いてプロセス側、装置側両者の誤差要因を検出し、補正
しうる機能が要求される。

［問題点を解決するための手段および作用］本件第１の
発明では、露光装置のレチクル等の原板とウニ八等の感
光基板との間に、露光光は実質的に透過し非焼付光であ
るアライメント光は実質的に反射する分光手段を配置す
ることにより、アライメント光を外部から露光光束中に
投入し、また露光光束外に取り出すことを可能としてい
る。

また、本件第２の発明では、露光装置のレチクル等の原
板とウェハ等の感光基板との間に、露光光は実質的に透
過し非焼付光であるアライメント光は実質的に反射する
分光手段を配置するところまでは第１の発明と同様であ
るが、さらに原板側のアライメントマークと感光基板側
のアライメントマークを同時観察することができる第１
の光学系と第２の光学系を備えている。これによりプロ
セス条件の経時変化による基準の狂いを検出できる。

本件第３の発明では、第２の発明の構成要件に加え、第
１および第２の光学系において使用する波長と異なる波
長の第２のアライメント光を使用した第３の光学系を備
え、光学系内の基準に対し感光基板の位置合せを可能と
している。

本件第４の発明では、ＴＴＬフォーカス検出系である光
学系を備え、露光画面全体に渡って均一で良好な解像性
能を得ることを可能としている。

［実施例］ 第１図（ａ）は、本発明の一実施例に係る露光装置にお
けるアライメント検出系、アライメント駆動系および倍
率補正駆動系の概念図を示す。図中３０１は側面から見
たこれらの系全体を示し、３０２はレチクル部分のみを
平面図で示している。

同図において、レチクル１のパターンをウェハ２の表面
に投影露光すべく、投影レンズ３とプリズムブロック６
が配置されている。投影レンズ３はレンズ前群４とフィ
ールドレンズ５により構成され、露光波長に対して両テ
レセントリック系になっている。露光波長はここでは特
定する必要はないが、仮にｉ線（波長３６５ｎｍ）と想
定する。プリズムブロック６には投影光軸に対して４５
゛方向にダイクロイックミラー膜（ダイクロ膜）７が形
成されており、露光波長（ｉ線）を透過しアライメント
波長（例えば５００ｎｍ以上の波長の光）を反射するよ
うに設定されている。

レチクル１はレチクル保持板８に吸着固定される。ウェ
ハ２は６軸方向すなわちＸＹＺ方向および各軸に対する
回転方向に穆動可能なステージ９の上に保持される。露
光はレチクル１の上部に位置する不図示の照明光学系で
レチクル１を照明することにより行なわれる。

アライメント検出系は、第１顕微鏡１０、第２顕微鏡１
１および補助光学系１２の３つのブロックに分けること
ができる。第１図では理解の容易化のため光学系を一平
面上に展開して示している。また、実際には第１図（ａ
）の光学系は図面の奥行き方向に同一光学系が２群配列
されるものとする（第３図参照）。また、理解の容易化
のため、座標系は投影光軸をＺ軸とし、それに直交する
平面に対し第１図（ａ）のレチクル部３０２の平面図に
示すごとくＸ軸Ｙ軸を設定する。

く第１顕微鏡の構成〉 第１顕微鏡１０においては、２つのアライメント光を使
用している。第１の光源はＨｅＮｅレーザ（波長６３３
ｎｍ）　１３であり、第２の光源は不図示の照明光学系
から露光波長（ｉ線）の光をファイ光は、それぞれの照
明レンズ１５．１６を通過し、ダイクロプリズム１７で
ｉ線は透過し、また波長６３３ｎｍのＨｅＮｅ光は反射
してハーフプリズム１８に至る。ハーフプリズム１８で
反射した光は、対物レンズ１９を経て対物ミラー２０に
より反射しレチクル１のパターン面２１を照射する。

逆に、レチクル１あるいはウェハ２で反射した光は対物
ミラー２０、対物レンズ１９およびハーフプリズム１８
を経てリレーレンズ２２へ向う。リレーレンズ２２以降
は、エレクタ２３、空間フィルタ２４を経て、ダイクロ
プリズム２５により、ｉ線は透過してｉ線用Ｃ０Ｄ２６
上に結像し、ＨｅＮｅ光は反射してＨｅＮｅ用ＣＣＤ２
７上に結像する。ここで、対物レンズ１９．リレーレン
ズ２２．エレクタ２３はｉ線とＨｅ　Ｎ　ｅ　光（６３
３ｎｍ）の２つの波長に対して収差補正されていること
は言うまでもない。また、空間フィルタ２４は検出に最
適となるべく選択される。

対物ミラー２０は、観察部分に対し露光が可能な上うに
雲卑キ申から；艮；辞する濁白旨を有する−筆１顕微鏡
ｌＯは、顕微鏡全体あるいは対物レンズ１９、対物ミラ
ー２０を含む一部光学部分を動かすことにより、第１図
（ａ）に示すレチクルセットマークａ　３０．３０’　
、レチクル側アライメントマーク３１、３１’および露
光可能領域３２の大部分の領域について観察可能となる
ように構成されている。

く補助光学系の目的と構成〉 補助光学系１２の目的は、第１顕微鏡１０により投射さ
れレチクル側アライメントマーク３１．３１’　を通過
したＨｅＮｅレーザ光をウェハ２側のアライメントマー
ク部分ＭＷに導き、逆にＭＷで反射したＨｅＮｅ光を投
影レンズ３により発生した色収差を補正してレチクル側
アライメントマーク部３１、３１’のレチクルパターン
面２１に結像することである。

以下、ウェハ上アライメントマーク部分ＭＷから反射し
た光を追跡しながら構成を説明する。アライメントマー
ク部分ＭＷから反射した光は投影レンズ３を経てプリズ
ムブロック６に至る。もしダイクロ膜７が存在しなけれ
ば、この光は投影レンズ３により発生する軸上色収差の
ためにレチクルパターン面２１の上方Ａの距離にあるＰ
点に結像する。距離Ａの値は、ｉ線レンズに対して波長
６３３ｎｍの光を通した場合数＋ｎｍのオーダになり、
もしこのような形でレチクル１上でウェハ２の信号光を
取ろうとすればレチクルパターン部２１に大きな窓が必
要となるが、このような窓の存在は実際上許容できない
。

レチクル１の下部でウェハ２の信号光を一旦露光光束外
に取り出す理由がここにある。さて、ダイクロ膜７で反
射した光は、テレセン度補正光学系３５を透過し、ダイ
クロプリズム３６によって下方に反射する。テレセン度
補正光学系３５は、投影レンズ３により狂ったテレセン
度を正常なテレセントリック状態に戻すためのもので、
これによりアライメントマーク位置を変えた場合の像高
位置による空間フィルターの調整あるいは光学系の調整
を不要とすることができる。

ダイクロプリズム３６で反射した光はミラー３７゜３８
、３９およびプリズムブロック６の一部に形成されたミ
ラー面４０によりレチクル側アライメントマーク１８．
１８’へ導かれる。なお、その光軸の途中には色アスコ
マ収差補正光学系４１と結像レンズ４２が挿入しである
。

なお、アスコマ収差補正光学系４１の働きについては、
本出願人が昭和６１年５月３０日に出願した発明の名称
「観察装置Ｊ　（発明者　鈴木章義）なる出願の明細書
において詳細説明がなされている。

結像レンズ４２は一旦空中結像した光をレチクル側アラ
イメントマーク部分１８．１８’　に再結像するために
用いる。補助光学系１２は、前記光学部品の移動により
、露光可能領域３２に対応する像面側領域の限られた範
囲を観察可能なように構成される。

観察範囲がＸ軸上にのって移動する場合には、補助光学
系１２は符番３６．３７．３８．３９．４１および４２
で示す各部分が連動して動くだけでよい。観察位置をＹ
軸方向に移動する場合にはダイクロプリズム３６の穆勤
量ΔＹに対しミラー３７．　：１８が同一方向要である
。また、さらにアスコマ補正光学系４１の調整も必要で
ある。

く第２顕微鏡の目的と構成〉 第２顕微鏡１１の目的は顕微鏡内の基準に対してウェハ
アライメントマークＭＷを位置合せすることである。

ここでは、例えばアルゴン（Ａｒ）レーザの波長５１５
ｎｍの光をアライメント光として使用する。

第２顕微鏡１１から射出した波長５１５ｒ＋ｍの光は、
ダイクロプリズム３６←テレセン度補正光学系３５←ダ
イクロ＠７→没影レンズ３→ウェハ側アライメントマー
クＭＷ、のような光路を通りまた戻ってくる。

第２顕微鏡１１は第１顕微鏡と類似しており、以下のよ
うな構成を有する。

５０はアスコマ補正光学系、５１は対物レンズ、５２は
ハーフプリズム、５３は照明レンズ、５４はＡｒレーザ
、５５はリレーレンズ、５６は基準マーク、５７はニレ
フタレンズ、５８は空間フィルター、５９はＡｐｒ’＋
１’＋ｎｍ　）田ＣＩ”ｎｆ急、？。

第２顕微鏡１１は全体もしくは対物レンズ５１を含む一
部光学部品の移動により、補助光学系１２の観察範囲に
追従する。

以上がアライメント検出系の内、光を電気信号に変換す
るまでの部分の説明である。

次に、これらの検出光学系を使った場合の機能について
、実際に装置を使うときの手順に沿って説明する。

◎〔レチクルセット−１〕 新たなレチクルが露光装置にセットされたとき、レチク
ルを装置の基準に合せてセットする必要がある。これに
は、まず第１顕微鏡８の全体あるいは対物レンズ１９を
含む一部光学部分を動かして、レチクルセットマークａ
　３０．３０’が観察可能となる位置へ移動する。レチ
クルセットマークａ３０、３０’　のレチクルパターン
面２１にごく近接して装置側に固定されたレチクル基準
マーク（不図示）があり、この両マークにより位置合せ
を行なう。このとき用いる光はｉ！ａでも波長８３３ｎ
ｍの光でもどちらでも良いし、また両方用いてもよい。

◎〔レチクルセット−２〕 レチクルセットはまたウェハステージ９に取付けられた
ステージ側基準プレート６０に対して行なうこともでき
る。この場合、まず基準プレート６０の中心が投影レン
ズ３の光軸上にくるようにステージ９を移動する。一方
、第１顕微鏡８はレチクルセットマークｂ　６１．６１
′　が観察可能な位置へ穆勤する。基準プレート６０に
は第１図（ｂ）に示すように２個のレチクル合せマーク
６２．６２’　が配置されており、この間隔Ｐはレチク
ルセットマークｂ　６１．６１’　の間隔Ｓに対し、Ｐ
＝Ｓ／レンズ縮小倍率、となるように設定されている。

第１顕微鏡８のｉ線照明および検出系を使うことにより
レチクルセットマーク６１とレチクル合せマーク６２お
よびマーク６１′　　とマーク６２′　の左右のマーク
を同時に観察しながら、レチクル１のＸＹθアライメン
トを行なうことができる。また、このとき２つの検出系
のランアウト値からレンズの倍率βを検出することがで
きる。なお、倍率βの補正については後述する。

◎（ｉ線、オンアキシスアライメント〕第１顕微ｆｉ８
をｉ線だけのアライメント系として使用する場合には、
補助光学系１２なしのオンアキシス（ＯＮ　ＡＸＩＳ　
＞顕微鏡として用いることができる。この場合、第１顕
微鏡８はレチクル１の実素子パターン領域６３の周辺の
スクライブ領域６４に配置されたレチクル側アライメン
トマーク６５゜６５′　が観察可能な位置に穆勅し、こ
れによりレチクル側アライメントマーク６５．６５’　
　とウェハ側アライメントマーク（不図示）とを同時に
観察し、ＸＹθ方向および倍率βに関しアライメントを
行なうことができる。この場合、露光時は対物ミラー２
０を露光光束から退避するこζが必要になる。

また、このとき第２顕微鏡１１の対物位置とウェハ側ア
ライメントマーク部に合せて５１５ｎｍ波長による同時
アライメントも可能である。

ここで、各アライメントに使用するアライメントマーク
について説明する。本願発明では、特け　マ尚ノ４・ノ
Ｌ呵−ｈｆ＋此中中Ｌ　、＋’１．石Ｉ斗す、フ）よぞ
例として第１図（Ｃ）に示す！−りなものが使用される
。本実施例のような多様なアライメントモードを持つ場
合においても、使い勝手上はマーク形状が共通化されて
いる方が望ましく、そのためにこの事例では符番（３０
，３０’　）　　（ｔａ、　ｔａ’　）（６１，６１’
　）　　（６５，６５’　）で示されるマークはレチク
ル側マークとして第１図（Ｃ）のレチクルマーク６６の
ように形成される。ただし、オペレータまたは装置が、
現在観察しているのがどのマークなのか識別するために
レチクル側識別マーク６７を設け、これは前記各々のマ
ークで異なるようにしておくことが好ましい。また、ウ
ェハ側のアライメントマークやレチクル合せマーク８２
．６２’　については第１図（Ｃ）のウェハマーク６８
のように形成される。ウェハ側マークにも同様に識別マ
ーク６９が含まれるようにしている。

◎〔波長６３３ｎｍ、５１５ｎｍアライメント光検出系
のオフセット補正〕 波長６３３ｎｍアライメント系は、補助光学系１２を使
用するために、また波長５１５ｎｍアライメント系はレ
チクル１の代わりに基準マーク５６を間接基準としてい
るが由に、光学系の設定だけでは、その読み取り値は真
価に対してオフセット誤差を持っており、光学系の設定
を変えた場合には、これらのオフセットを読みとり補正
をかけなければならない。本実施例においては、第１顕
微鏡８のｉ線アライメント系による検出がシステムオフ
セットを発生しないことを利用し、これを基準として波
長８３３ｎｍ、５１５ｎｍアライメント検出系のオフセ
ット補正を行なう。この手順は以下のようなものである
。

■　第１顕微鏡８をレチクル側アライメントマーク６５
．８５’が観察可能な位置に８動し、ｉ線アライメント
系によりステージ側基準プレート６０のレチクル合せマ
ーク６２．６２’　をアライメントする。

■　第２顕微鏡１１の波長５１５ｎｍアライメント検出
系のオフセット値を読みとる。または、基準マーク５６
を８勤して０出力になるよう調整する。

■　第１顕微鏡８をレチクル側アライメントマーク１８
．１８’　の側に戻し、波長６３３ｎｍアライメント系
のオフセット値を読みとる。

以上の作業により、オフセット読みとり（補正）を完了
する。

◎〔波長６３３ｒ＋ｍ、５１５ｒ＋ｍの光によるアライ
メントと制御系の説明〕 第１図（ａ）は６３３ｎｍ、５１５ｎｍの光によるアラ
イメントの状態を示している。先に説明した光学系の作
用により第１顕微鏡８のＣ０Ｄ２７にはウェハ側アライ
メントマークＭＷとレチクル側アライメントマーク１８
．１８’の像が同時に投影結像され、Ａｒ光用ＣＣＤ５
９には、マークＭＷと基９マーク５６の像が同時に投影
結像する。この場合、ｉ線用ＣＣＤ２８は使用しない。

各ＣＯＤで光電変換された信号は、カメラコントロール
ユニットＣＣＵ　７０．７１．７２で処理された後、制
御回路７３に導かれ、Ａ／Ｄコンバータ７４゜７５、７
６でデジタル化されて、画像メモリ７７、７８゜７９に
一旦記憶される。画像メモリ７７、７８．７９からはそ
れぞれのＣＣＵ３Ｏ，７１，７２に対して同期信号５Ｙ
ＮＣが出される。以降の信号処理については画像処理お
よび誤差演算を行なう。また、２つの検出系から同一方
向の信号が得られるが、両者を平均値的に用いるか、信
号の良否判定をして一方の検出系のみの信号を用いるか
は装置自身の判断かユーザの指示によるものとし特定し
ない。

いずれにしても、左右のマークから得られた信号はＣＰ
Ｕ８０においてそれぞれ２次元方向に分解されて、先述
のオフセット値も含んで（ΔＸいΔＹＬ）　　（ΔＸＲ
，ΔＹＲ）の形に演算処理され、さらに駆動方向および
駆動量としてアウトプットされる。

ＸＹθ方向の駆動量信号は、制御回路７３からステージ
９へ送られる。具体的には、ＸＹθ方向別にそれぞれ駆
動回路８１に信号が送られ、駆動電圧がそれぞれのアク
チュエータ８５に送られて、誤差ΔＸ、ΔＹ、Δθを０
にする方向にウェハ２を８勤する。これら検出系と駆動
系はクローズトループで動作し、最終的に誤差量はトレ
ランス内に追い込まれる。

一方、倍率誤差量Δβはフィールドレンズ駆動系の方へ
送られる。両テレセントリックレンズの場合フィールド
レンズ５を光量方向に８動することで投影倍率のみを変
えることかでき、そのオーダーとしては数ミクロンの８
勤によってサブミクロンの倍率を変えることができる。

この実施例では、その駆動をフィールドレンズ保持リン
グ８７の周辺にエアガイド８８を構成することで行なう
。制御回路７３から倍率誤差信号Δβが駆動回路８９に
送られると、駆動回路８９は２つのサーボ弁９０．９１
に駆動信号を送る。サーボ弁は共通のエアー源から供給
されたエアーを駆動信号に応じて圧力コントロールして
エアーガイドの上方および下方に送り、この圧力バラン
スによりフィールドレンズ５を８勤する。

以上のような動作により、ＸＹθβ方向のアライメント
が完了した後、即時露光に入ることができる。対物ミラ
ー２０は露光光束外にあるので退避する必要はないし、
露光中もアライメント位置のモニタを続けることができ
る。

以上説明してきたアライメント系の利点を要約すると以
下のようになる。

■　多色のアライメント光の使用と種々のアライメント
モードにより、プロセスによる検出不良および精度不良
を補いプロセス条件の変化に対しても安定して高精度の
アライメントを達成できる。

■　非露光波長アライメントにおいても、露光波長アラ
イメントの存在により装置側で自動釣にオフセット補正
ができる。また、波長６３３ｎｍアライメントにおいて
は、レチクルマークとウェハマークの投影像を同時観察
できるので、経時変化による基準の狂いを心配する必要
がない。

■　各アライメント波長に対して収差が完全に補正され
ているため、いずれのアライメントにおいても１眼で２
方向の検出が可能である。従って、２眼の検出によりＸ
Ｙθ方向および倍率β方向の検出ができ、ステージによ
るＸＹθ駆動およびフィールドレンズによる倍率補正に
より完全な重ね合せを達成できる。

■　テレセン度補正板により対物位置の移動が自由とな
り、このためアライメントマークイ立置が自由になった
。実素子パターン中でも可である。また、アライメント
後レチクルとウェハの相対８動が無く露光に入れるため
、サイクルタイムは短縮され、かつ精度向上が達成でき
る。

次に、フォーカス検出および駆動について説明する。

第２図は、先述のアライメント検出系とは別に設けられ
たＴＴＬフォーカス検出系と駆動系の概念図を示す。第
２図（ａ）は側面図、（ｂ）はレチクル部分の平面図で
ある。

露光光束中に設けられたプリズムブロック６とそのダイ
クロミラー７の存在によりＴＴＬフォーカスの信号光を
取り出すことが可能になる。同図ではウェハ２の露光部
分の表面と像面との傾斜成分を検出するためにフォーカ
ス検出光学系１００が３組配置されている。その配置は
、第２図（ｂ）に示すようにレチクル側の位置に対応づ
けると、露光可能領域３２の外周部に沿って等分にａ、
ｂ。

Ｃの位置に置かれている。ここでは８部だけの検出系信
号処理系についてだけ述べる。

ＨｅＮｅレーザ１０１から射出された波長６３３ｎｍの
光は、照明レンズ１０２を透過してハーフプリズム１０
３により反射して以下、テレセン度補正板３５、プリズ
ムブロック６のダイクロミラー７、フィールドレンズ５
およびレンズ前群４を経てウェハ２の表面に集光する。

ウェハ２の表面で反射した光は逆のルートをたどり、ハ
ーフプリズム１０３を透過して多段ハーフミラ−１０４
に至る。多段ハーフミラ−１０４は入射光を３つの光軸
Ｒ，Ｊ、Ｆに分割し、それぞれの光量を等分に振り分け
るように働く。多段ハーフミラ−１０４の後にはＲ，Ｊ
、Ｆそれぞれの光軸を中心とするピンホール窓を持った
ピンホール板１０５が置かれ、その後に各ピンホールに
対して、光電変換素子１０６Ｒ，１０６Ｊ、１０６Ｆが
配置される。ピンホール板１０５はレンズ像面から出た
光が、光軸Ｊのピンホール（Ｊ）位置において結像する
ように設定され、これにより光軸Ｒではピンホール（Ｒ
）の後で結像し、光軸Ｆではピンホール（Ｆ）の前で結
像する関係になる。

このような構成により、光電変換素子１０６Ｒと１０６
Ｆの出力比較により像面に対するウニ八表面のずれ方向
を判定で籾、また光電変換素子１０６Ｒと１０６Ｆのバ
ランスもしくは１０６Ｊの最大出力により像面とウニ八
表面の合致を知ることができる。、光電変換素子１０６
で光電変換された信号は、光軸Ｒ，Ｊ。

Ｆ各々に対するプリアンプ１１０　（Ｒ，Ｊ、Ｆ）で増
幅され、制御回路ｉｌｌへ送られる。制御回路１１１の
中では再度アンプ１１２で増幅された後、アナログスイ
ッチ１１３により各光軸Ｒ，Ｊ、Ｆのシリアル信号とし
てアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１１４によりデジ
タル化されてＣＰ　Ｕ　１１５に送りこまれる。

ＣＰ　Ｕ　１１５ではａ、ｂ、ｃ３つの検出系から得ら
れた信号を処理し、ウェハマ−ク９の中に組込まれたチ
ルトステージ１２０を駆動する圧電素子１２１（ａ、ｂ
、ｃ）のベクトル信号を出力する。ベクトル信号は、そ
れぞれの駆動回路１１６（ａ、ｂ、ｃ）により駆動信号
に変換されて圧電素子に送られ、これによってチルトス
テージのチルト補正が行なわれる。

これら一連の動作は、投影レンズを通したＴＴＬフォー
カスとしてクローズトループで実行されるから気圧およ
び外気温度による像面移動はもちろん、レンズの露光光
吸収等によって生じる急速なピント変化に対しても十分
追従することができ、常に安定したフォーカスを維持す
ることができる。

また、３点検出とチルト機構の採用により、ウェハ表面
を像面に一致させことができるため、露光画面全体にわ
たって均一で良好な解像性能を得ることが可能となった
。

さらに、第１マスク露光やグローバルアライメント露光
等、ステージ９とレーザ干渉測長器１３０をたよりに繰
返し露光する場合、各ショットチルトは通常配列誤差を
生じるという問題点があるが、第２図（ａ）のステージ
構成で示すようにチルトステージ上に参照面ミラー１３
１を設定することでこの問題を回避することができる。

第３図は、第１図のアライメント光学系と第２図のフォ
ーカス光学系の主要部分を合体したときの立体配置を示
し、両者の共存が可能であることを示している。

なお、前記実施例の中ではｉ線の投影レンズを想定して
説明したが、波長３０８ｎｍあるいは２４９ｎｍのエキ
シマレーザを露光光とする投影レンズに対してのアライ
メント系およびフォーカス検出系もまた同様に構成する
ことができる。

エキシマ投影レンズの場合には、レンズとして使用でき
るガラス材料が２　ｆ！ｌｉ類に制御されるためレンズ
設計上色消しが困難となること、また露光波長とアライ
メント波長の差が大きくなることを考えると当然軸上色
収差が太き（なる。このとき従来方式である第４図や第
５図に示すような構成では、それぞれ取出しミラー２０
０あるいは色収差補正レンズ２０１として大きなものが
必要になり、露光可能領域がそのケラレ（図中ハツチン
グ部）のために許容できない程狭められてしまう。従っ
て、エキシマ露光装置においては、本発明のような露光
光束全体をカバーするミラ一方式が必然になってくる。

また、第１図に示したアライメント検出系をフォーカス
検出系として使用することも可能である。この場合、ｉ
線、波長６３３ｎｍ、５１５ｎｍの各々の光に対する検
出系はアライメントマークを像面でＣＯＤまたは撮像管
でとらえているから像のコントラストとして最適結像点
を検知することができる。

１つの波長のアライメント系の出力をアライメント検出
用とフォーカス検出用として分離して使うこともできる
し、波長６３３ｎｍ側をアライメント検出に、波長５１
５ｎｍ側をフォーカス検出といった使い分けも可能であ
る。また、これらと第２図に示すフォーカス専用検出系
との混用も可能である。

特に、第１図の光学系をアライメント系として使用する
にはウェハ側にマークがあることがｔａ　［になるから
、第１マスクの露光の場合には、第２図のような専用フ
ォーカス系は必須である。

なお、上述の説明におけるプリズムブロックはべりクル
ミラーでも良いことは明らかである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、レチクルとクエへ
の重ね合せと露光に関するすべての方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ、
　θ２．θ８．θアおよび倍率）に対する検出系と補正
（駆動）系を持ち、かつ処理速度においてすぐれた露光
装置を実現することができる。

また、本発明による露光装置は、プロセスの変化に対応
でき、ウェハとその上に作りこまれたパターンの誤差、
さらに装置自体が発生する経時変化をも含んで自己補正
でき、常に安定した性能を発揮できる安定性、冗長性の
ある装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る露光装置のアライメ
ント検出系と駆動系の全体図、第２図は、本発明の一実
施例に係る露光装置のフォーカス検出系と駆動系の全体
図、 第３図は、アライメント光学系とフォーカス光学系の実
態配置図、 第４．５図は、従来技術の説明図である。 １ニレチクル、 ２：ウェハ、 ３：投影レンズ、 ５：フィールドレンズ、 ６：プリズムブロック、 ７：ダイクロ膜、 ３５：テレセン度補正レンズ、 ４１．５に色アス・コマ補正光学系、 ４２：結像レンズ。 特許出願人　　　キャノン株式会社 代理人　弁理士　　　伊　東　辰　雄 代理人　弁理士　　　伊　東　哲　也 第４図 “ｊｔ＋ 斤　５　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原板と感光基板とを位置合せした後、該原板上に描
   かれたパターンを投影レンズにより該感光基板上に投影
   する露光装置であって、 上記原板と感光基板との間に上記投影レンズの露光光束
   を被うごとく配置され、外部から投入された露光波長と
   は異なる波長の光を露光光束中に導入しかつ該導入光を
   露光光束中から取り出すごとく構成した分光手段を備え
   ることを特徴とする露光装置。 ２、前記投影レンズが、両テレセントリック系でなる特
   許請求の範囲第１項記載の露光装置。 ３、前記分光手段が、ダイクロイックミラーのミラー膜
   である特許請求の範囲第１または２項記載の露光装置。 ４、前記ダイクロイックミラーのミラー膜が、ペリクル
   （薄膜）のみでなる特許請求の範囲第３項記載の露光装
   置。 ５、前記分光手段が、プリズムブロック内に形成される
   特許請求の範囲第１、２、３または４項記載の露光装置
   。 ６、前記原板がレチクルであり、前記感光基板が半導体
   ウェハである特許請求の範囲第１、２、３、４または５
   項記載の露光装置。 ７、原板と感光基板とを位置合せした後、該原板上に描
   かれたパターンを投影レンズにより該感光基板上に投影
   する露光装置であって、 上記原板と感光基板との間に上記投影レンズの露光光束
   を被うごとく配置され、外部から投入された露光波長と
   は異なる波長のアライメント光を露光光束中に導入しか
   つ該アライメント光を露光光束中から取り出す分光手段
   と、 該分光手段に対しアライメント光を投入し、感光基板上
   の所定位置で反射し投影レンズを透過しさらに該分光手
   段により露光光束外に取り出したアライメント光を上記
   原板の所定の位置に結像すべく配置された第１の光学系
   と、 上記原板に対して投影レンズとは反対側に位置し、上記
   結像と原板上のパターンとを同時に観察可能に配置され
   た第２の光学系と を備えることを特徴とする露光装置。 ８、前記投影レンズが、両テレセントリック系でなる特
   許請求の範囲第７項記載の露光装置。 ９、前記分光手段が、ダイクロイックミラーのミラー膜
   である特許請求の範囲第７または８項記載の露光装置。 １０、前記ダイクロイックミラーのミラー膜が、ペリク
   ル（薄膜）のみでなる特許請求の範囲第９項記載の露光
   装置。 １１、前記分光手段が、プリズムブロック内に形成され
   る特許請求の範囲第７、８、９または１０項記載の露光
   装置。 １２、前記第１の光学系が、所定の非露光波長のアライ
   メント光に対し、該アライメント光が投影レンズを通る
   ことにより発生する （１）テレセン度の狂いを補正する光学系と、（２）ア
   ス、コマ収差を補正するために光軸に対し傾斜して置か
   れた複数の平行平面硝子よりなるアス・コマ補正光学系
   と、 （３）軸上色収差を補い、前記感光基板上の像を前記原
   板のパターン面に結像するための光学系とを含む特許請
   求の範囲第７、８、９、１０または１１項記載の露光装
   置。 １３、前記第２の光学系が、露光波長と前記アライメン
   ト光の非露光波長との２つの波長に対して収差補正され
   ている特許請求の範囲第７、８、９、１０、１１または
   １２項記載の露光装置。 １４、前記原板がレチクルであり、前記感光基板が半導
   体ウェハである特許請求の範囲第７、８、９、１０、１
   １、１２または１３項記載の露光装置。 １５、原板と感光基板とを位置合せした後、該原板上に
   描かれたパターンを投影レンズにより該感光基板上に投
   影する露光装置であって、 上記原板と感光基板との間に上記投影レンズの露光光束
   を被うごとく配置され、それぞれ波長が異なりかつ露光
   波長とも異なる波長の外部から投入された第１および第
   ２のアライメント光を露光光束中に導入しかつ該第１お
   よび第２のアライメント光をそれぞれ分離して露光光束
   中から取り出す分光手段と、 該分光手段に対し第１のアライメント光を投入し、感光
   基板上の所定位置で反射し投影レンズを透過しさらに該
   分光手段により露光光束外に取り出した第１のアライメ
   ント光を上記原板の所定の位置に結像すべく配置された
   第１の光学系と、上記原板に対して投影レンズとは反対
   側に位置し、上記結像と原板上のパターンとを同時に観
   察可能に配置された第２の光学系と、 上記分光手段に第２のアライメント光を投入しかつ該第
   ２のアライメント光を取り出して受光し、その光軸に対
   し傾斜して置かれた複数の平行平面板よりなるアスコマ
   補正光学系を含む第３の光学系と を備えることを特徴とする露光装置。 １６、前記投影レンズが、両テレセントリック系でなる
   特許請求の範囲第１５項記載の露光装置。 １７、前記分光手段が、ダイクロイックミラーのミラー
   膜である特許請求の範囲第１５または１６項記載の露光
   装置。 １８、前記ダイクロイックミラーのミラー膜が、ペリク
   ル（薄膜）のみでなる特許請求の範囲第１７項記載の露
   光装置。 １９、前記分光手段が、プリズムブロック内に形成され
   る特許請求の範囲第１５、１６、１７または１８項記載
   の露光装置。 ２０、前記第１の光学系が、所定の非露光波長の第１の
   アライメント光に対し、該アライメント光が投影レンズ
   を通ることにより発生する （１）テレセン度の狂いを補正する光学系と、（２）ア
   ス、コマ収差を補正するために光軸に対し傾斜して置か
   れた複数の平行平面硝子よりなるアス・コマ補正光学系
   と、 （３）軸上色収差を補い、前記感光基板上の像を前記原
   板のパターン面に結像するための光学系とを含む特許請
   求の範囲第１５、１６、１７、１８または１９項記載の
   露光装置。２１、前記第２の光学系が、露光波長と前記
   第１のアライメント光の非露光波長との２つの波長に対
   して収差補正されている特許請求の範囲第１５、１６、
   １７、１８、１９または２０項記載の露光装置。 ２２、前記第２の光学系および第３の光学系の両方もし
   くはいずれか一方に前記感光基板上の投影像を受光する
   撮像素子を有し、該撮像素子から得られる電気信号によ
   り投影レンズによる像面と感光基板表面の合致を検出可
   能とする特許請求の範囲第１５、１６、１７、１８、１
   ９、２０または２１項記載の露光装置。 ２３、前記第２および第３の光学系が光電変換素子を有
   し、該光電変換素子から得られた信号を処理する制御回
   路と、投影レンズのフィールドレンズを光軸方向に移動
   する手段と、該移動手段に駆動信号を与える駆動回路と
   により、投影レンズの投影倍率を可変とする特許請求の
   範囲第１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１また
   は２２項記載の露光装置。 ２４、前記原板がレチクルであり、前記感光基板が半導
   体ウェハである特許請求の範囲第１５、１６、１７、１
   ８、１９、２０、２１、２２または２３項記載の露光装
   置。 ２５、原板と感光基板とを位置合せした後、該原板上に
   描かれたパターンを投影レンズにより該感光基板上に投
   影する露光装置であって、 上記原板と感光基板との間に上記投影レンズの露光光束
   を被うごとく配置され、外部から投入された露光波長と
   は異なる波長のアライメント光を露光光束中に導入しか
   つ該アライメント光を露光光束中から取り出す分光手段
   と、 該分光手段に対しアライメント光を投入し、感光基板上
   の所定位置で反射し投影レンズを透過しさらに該分光手
   段により露光光束外に取り出したアライメント光により
   、上記原板上のパターンの投影レンズによる像面と感光
   基板表面との位置ずれを検出するべく構成された光学系
   と を備えることを特徴とする露光装置。 ２６、前記投影レンズが、両テレセントリック系でなる
   特許請求の範囲第２５項記載の露光装置。 ２７、前記分光手段が、ダイクロイックミラーのミラー
   膜である特許請求の範囲第２５または２６項記載の露光
   装置。 ２８、前記ダイクロイックミラーのミラー膜が、ペリク
   ル（薄膜）のみでなる特許請求の範囲第２７項記載の露
   光装置。 ２９、前記分光手段が、プリズムブロック内に形成され
   る特許請求の範囲第２５、２６、２７または２８項記載
   の露光装置。