JPH03231420A - 投影光学装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体集積回路等の製造に用いられる投影露
光装置に関するものであり、特に投影光学系の焦点位置
検出手段の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のこの種の装置の焦点位置検出手段としては、投影
光学系と感光基板の間隔を検出する所謂ギャップセンサ
ーがある。これは、例えば感光基板に投影光学系の光軸
に対し斜めから光線を入射し、その反射光の位置を検出
することによって間隔を検出する方法、又は、感光基板
に空気を吹き出し、その空気の圧力変化を検出すること
によって間隔を検出する方法等があった。しかしながら
、投影光学系の焦点位置は、大気圧、気温若しくは投影
光学系の温度、湿度の変化、或いは照明光による投影光
学系の温度上昇等で変化することが知られている。上述
のギャップセンサー単独ではそれらの要因に対処するこ
とができず、何らかの補正手段と併用して前記の変化に
対する補正をしながら使用していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の如き従来の技術において、焦点位置変化の補正手
段は予め各変動原因に対する焦点位置の変化量を記憶し
ておき、変動原因について測定し、焦点位置を推定し補
正をかけるという方法が取られている。このため、予め
記憶している変動特性以外の原因による変化、例えば装
置の長期ドリフト等には対応できず、定期的にキャリブ
レーションを行わなければならないという問題点がある
。

また、通常、焦点位置は露光される像面の中心位置のみ
で計測されるのが一般的であり、焦点位置補正も中心位
置に対して行っている。これは、焦点位置の計測が感光
基板を光軸方向へ移動して最良像面を探すものであり、
逐次パターンを露光しながら像面内の多点で計測するの
は煩雑であるため中心位置の値で代表している。しかし
、実際には像面の湾曲があり、この湾曲も焦点位置同様
に各種原因により変化する。このため露光領域全体を考
えると、像面の中心位置のみでの焦点位置補正では周辺
部は焦点ずれが発生する可能性があるという問題点が生
じた。

〔課題を解決する為の手段〕

かかる問題点を解決するため本発明においては、所定の
パターンが形成されたマスク９を照明する光源ｌと、 該パターンの像を所定の結像状態で感光基板、若しくは
光反射性基板１１に投影する投影光学系ｌＯとを備えた
投影光学装置において、感光基板、若しくは光反射性基
板１１から反射され、投影光学系１０とマスク９とを介
して光源１側に戻ってくる反射光量を投影光学系１０の
瞳とほぼ共役な位置で検出する測光素子１５と、基板１
１とマスク９との間隔を相対変化させたときに得られる
測光素子１５の測光出力に基づいて、投影光学系ＩＯの
視野内の所定領域の平均的な焦点面の位置を検出する焦
点位置検８手段１６とを備え、また、マスク９は投影光
学系１０の解像限界付近の線幅のライン・アンド・スペ
ースを持つものであることとした。

〔作　用〕

本発明では、照明光の感光基板、若しくは光反射性基板
からの反射光を投影光学系とマスクを通して測定してい
る。また、この種の投影光学装置は、焦点ずれによる投
影倍率誤差を防ぐため、投影光学系の像側即ち感光基板
、若しくは光反射性基板側はテレセントリック光学系と
なっている。

このため感光基板、若しくは光反射性基板とマスクが投
影光学系を介して共役な位置にあるとき、つまり感光基
板、若しくは光反射性基板が投影光学系の焦点位置にあ
るとき、第３図（ａｌのように感光基板、若しくは光反
射性基板からの反射光はマスクのパターン上に再結像し
、反射光は全てマスクより上方（光源側）へ通過する。

一方、感光基板、若しくは光反射性基板とマスクとが共
役な位置にないとき、第３１ｆｆｌ（ｂ）のように感光
基板、若しくは光反射性基板からの反射光はマスクのパ
ターン上で結像せず、一部の光線がマスクのパターンに
遮られてマスクより上方（光源側）へ通過しない。以上
の現象を利用することにより、反射光量が最大となる感
光基板の位置が焦点位置として検出できる。本方法は、
正に露光光線をそのまま使用しているため、正確な焦点
位置が得られ、従来のような補正ずれは発生しない。

また、本発明では、反射光の受光部を投影光学系の瞳と
ほぼ共役な面に設置しており、露光領域全域からの反射
光を受けることができるため、像面の湾曲、傾斜等を含
めて最も平均的な像面が検出できる。

〔実　施　例〕

第１図は、本発明の第１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ｌは水銀ランプ或いはレー
ザ光源等であり、光源ｌから発せられた光線はフライ・
アイ・レンズ等の照度分布均一化部２に照射される。照
度分布均一化部２の射出側に生じた２次光源は、半透過
鏡３を通過しレンズ系４を介してレチクル・ブラインド
５に照射される。レチクル・ブラインド５からの光束は
レンズ系６を介して反射鏡７に照射され、その反射光が
レンズ系８を介してマスク９を照射する。

マスク９からの光束は投影光学系ｌＯを介して感光基板
としてのウェハ１１に投影、露光される。

このとき、照度分布均一化手段２の射出面に生じる２次
光源は、レンズ系４．　６．　８によって投影光学系ｌ
Ｏの瞳（射出）面（Ｅ　ｐ）と共役であり、又、レチク
ル・ブラインド５、マスク９のパターン面、感光基板１
１は夫々レンズ系６，８及び投影光学系１０によって共
役な関係にある。

次に、本発明による焦点位置の検出方法を説明する。ウ
ェハ１１からの反射光は、投影光学系ＩＯ及びマスク９
を介して半透過鏡３で反射され反射光センサー１５で受
光する。反射光センサー１５からの信号はフォーカスコ
ントローラ１６へ送られる。フォーカスコントローラ１
６は、ステージ１２を光軸方向へ駆動するモータ１７に
信号を送りステージ１２を光軸方向へ微動し、反射光セ
ンサー１５の出力が最大となる位置を求める。このとき
、反射光センサー１５の受光面が投影光学系１０のほぼ
瞳共役な位置にあれば、ウェハ１１の露光領域全体から
の反射光を受けることができる。このため、像面に湾曲
或いは傾斜がある場合には、上記の方法により誤差が最
小となる像面、つまり平均的な像面にウェハ１１を設置
できる。

また、レチクル・ブラインド５はマスク９のパターン面
と共役な位置にあるためマスク上の一部のパターンのみ
を露光するとき露光光線を遮る働きをする。このレチク
ル・ブラインド５を使用してマスク９の周辺部のパター
ンのみを露光する場合でもウェハ１１からの反射光はレ
チクル・ブラインド５で限定された露光領域のみから戻
って来るため露光領域での平均的な像面を検出できる。

さらに、不図示ではあるが、ステージ１２を光軸に垂直
な面から傾ける機能（ウェハレベリングステージ部）を
有する場合、反射光センサー１５の出力が最大となる傾
きを求めることによりウェハ１１の傾斜或いは像自身の
傾斜をキャンセルすることができ最良像面を得ることが
できる。また、ウェハ１１からの反射光がマスク９のパ
ターンに遮られる現象を使っているためパターンのエツ
ジが多い所、つまりパターンが細かい所が敏感に測定さ
れる。このため、パターンの細かい部分とラフな部分が
混在しているマスクではパターンが細かい所を重視した
像面を検出できるという利点もある。しかしながら、上
記の方法は露光光線を使用しているため、焦点位置検出
中にもウニ／Ｘ１１は露光されてしまう。このため、焦
点位置合わせの動作が露光時間の数分の一以下の時間で
終了すれば残りを最良像面で露光でき、実用できる。露
光時間は、光源１に水銀ランプのｇ線、ｉ線を使用する
ものではせいぜい０．１〜０．　２秒程度のため、モー
タ１７は高速にステージ１２を上下して最良像面を探索
する必要がある。或いは高速に出し入れができるＮＤラ
フルターを光路中に入れ、最良像面探索中はウェハ１１
への露光光を減光するなどの手段が考えられる。

しかし、上述の方法ではウェハ１１の反射率が低い場合
には十分な信号が得られない。このため、投影光学系１
０とウェハ１１を一定距離に保つ機構を用いて高反射面
１８で焦点位置を測定し、その時測定した焦点位置にウ
ェハ１１を合わせる方法が考えられる。以下その方法を
簡単に説明する。

新たなウェハ１１がステージ１２にロードされたとき、
ステージ１２は高反射面１８を投影光学系１０の下に移
動する。ここで前述と同様の方法で反射光センサー１５
を用いた焦点位置の検出を行うとともに投影光学系１０
と高反射面１８との距離を測定する。これは、従来より
のウェハ１１と投影光学系ＩＯとを一定の距離に保つ機
構、即ち投光器１３．受光器１４を用いて行う。投光器
１３はＬＥＤ等の光源、集光レンズから成り、高反射面
１８に斜め上方から光線を入射する。受光器１４はＳＰ
Ｄ等の受光素子、集光レンズから成り、高反射面１８か
らの反射光を受ける。高反射面１８からの反射光は、高
反射面１８の投影光学系１０の光軸方向の位置によりシ
フトするので、そのシフト量より高反射面１８の位置が
測定できる。

この機構を用いて高反射面１８で求めた焦点位置と同じ
位置にウェハ１１が来るようにして実際の露光を行う。

即ち、反射光センサー１５で最大となった高反射面１８
の高さ位置を、投光器１３゜受光器１４で検出したとき
にベストフォーカス（最適ギャップ量）点として計測さ
れるように受光器１４、又はフォーカスコントローラ１
６をキャリブレーションしておく。この方法によれば、
ウェハ１枚に付き１回反射光センサー１５を用いた焦点
位置検出を行えばよく、スループットも向上する。また
、投影光学系１０は露光光線を吸収して焦点位置が変動
することが知られているが、上述の様にウェハ１枚分同
じ焦点位置として露光しても変化分は小さく問題となら
ない。問題となる場合でも前回のデータより補間を行い
ウェハ１１を露光中に徐々に補正していく方法が考えら
れる。投影光学系１０とウェハ１１を一定距離に保つ方
法として他にエアマイクロメータ等を使用するものがあ
るが、本実施例と同様に用いることができる。

上述の方法は、反射光センサー１５が投影光学系１０の
瞳位置とほぼ共役な位置にある場合の例であったが、こ
の場合、平均的な像面は検出できるが湾曲の量若しくは
傾斜の量は分からない。このため、像面とほぼ共役な位
置に数個のセンサーを配置して像の中心部付近、或いは
周辺部と分けて各々の焦点位置を検出することも可能で
ある。

この方法によれば湾曲等の大きさが分かるため、投影レ
ンズ１０の露光光線の吸収等で湾曲が許容値より大きく
なった場合警告を発することができる。

以上の方法は、実際に使用するマスクを用いて焦点位置
検出を行う例を示した。これは、原理的には可能である
が、パターンの少ないマスクの場合、ウェハが焦点位置
からずれても反射光量は微小にしか変化しないため、常
に使用できるとは限らない。しかしながら、専用マスク
を用意すると、従来ウェハＩＩをテスト露光して焦点位
置を求めていたのに比べ簡単に焦点位置を見つけること
ができるため、測定時のみ或いは調整時のみに使用して
も大きな利点がある。本発明の第２の実施例は、このよ
うな例の１つでステッパーの焦点位置補正機構の調整に
用いる例である。

第２図は、本発明の第２の実施例による投影光学装置の
概略的な構成を示す図である。基本的な構成は第１図と
同様である。まず、焦点位置補正機構の説明を行う。焦
点位置は周囲の気温、湿度。

気圧等の環境変化、露光光線の吸収によるレンズの温度
上昇及び長期ドリフト等によって変動する。

本実施例では、これらの要因を測定し、焦点位置変化を
予測し補正を行う方法を示す。環境変化に対しては環境
センサー１９により気温、湿度、気圧等を測定し、予め
シミュレーション計算或いは実験により求めておいたテ
ーブル若しくは数式により平均的像面の変化を計算する
。露光光線の吸収に対しては投影レンズｌＯに入射する
光量をステージ１２上に設置された光量センサー２０で
予め求め、シャッター２１を駆動するシャッター制御回
路２２よりシャッター２１の開閉の情報を得てフォーカ
スコントローラ１６が像面の変化を計算する。この計算
は、予め露光光吸収による投影光学系１０の焦点位置の
変化特性を求めておき、テーブル若しくは数式でこの特
性を記憶しておき行う。本発明による上記の変動特性の
求め方を以下に説明する。まず、予め光量センサー２ｏ
で投影レンズＩＯに入射する露光光線の光量を測定する
。次に、その光量に対する焦点位置変化を測定する。十
分な時間シャッター２１を閉じて焦点位置が十分安定し
た後、シャッター２１を開ける。

この後、第１の実施例と同様に反射光センサー１５の出
力が最大となるようにステージ１２の位置をコントロー
ルし続ける。このとき、投影光学系ＩＯは露光光を吸収
して焦点位置が徐々に変化していくが、時間の経過と上
記の要領でコントロールした場合のステージ１２の位置
との関係より、像面湾曲の変化を含めた平均的な焦点位
置の変化特性が求まる。本方法では、焦点位置の変化の
みが分かればよいのでマスク９及びウェハ１１は測定に
都合の良いものを選ぶことができる。まずマスク９であ
るが、パターン存在率（透過率）をＸとし、ベストフォ
ーカスでの下地からの反射光量をα・Ｘとする。αは適
当な比例定数である。このとき、完全に焦点位置がずれ
た状態を考えると、マスク９での位置の反射光は全面に
均一な光量となって戻ってくる。このときの反射光セン
サー１５への下地からの反射光量はα・ｘ”ｘ＝α・Ｘ
２となる。ベストフォーカスと完全デフォーカスとの信
号の差が大きいほど焦点位置に対する分解能が高くなる
。よって、α（ｘ−ｘ２）が最大となるＸを求めると、
ｘ−＝０．５　（５０％）となる。

また、寸法形状は前述のように細かいほど分解能か高い
。しかし、投影光学系１０の分解能以下ではもとから像
かボケてしまい分解能の良い信号が得られない。以上の
ことより、投影光学系１０の解像限界付近のライン・ア
ンド・スペースのマスクが好ましいと言える。さらに、
投影光学系１０の非点収差も考慮に入れると第４図の例
の様に直交するライン・アンド・スペース、市松模様若
しくは円周方向と放射方向のパターンを全面に描いたマ
スクが最適といえる。次に、ウェハ１１であるがこれも
前述のように反射率が高いほど分解能が高くなるため、
例えばアルミ蒸着したフラットなウェハが望ましい。

以上の方法によれば、従来のウェハに基準パターンを露
光し、ウェハ上に形成されたレジストパターンを観察、
計測することによって焦点位置を探す方法に比べ、時間
的に連続してデータ取りができるとともに、像面全体の
平均像面を簡単に得られ、露光したパターンを読み取る
時間が要らない等の利点がある。さらに、露光光吸収に
よる焦点位置変化は、ウェハｌｌから反射される露光光
の吸収によっても生じ、ウェハ１１の反射率も焦点位置
の変化量を決める要因となることが知られている。この
ため、前述のように変動特性を記憶しておいて焦点位置
補正を行う場合、ウェハ１１の反射率をも知る必要があ
る。反射光センサー１５は、このウェハ１１の反射率を
計測するための反射率センサーとしても使用することが
可能である。また、第２の実施例は前述の露光光吸収に
よる焦点変動だけではなく、大気圧変化と焦点変化、温
度変化と焦点位置変化等の特性を調べるのにも用いるこ
とができる。この他に、実使用中に定期的に、例えば１
日１回程度、測定用のマスクをロードし、焦点位置のチ
エツクを行えば装置の長期ドリフトによる焦点位置変化
を較正して使うことができる。

上述の実施例は、何れもマスク９とウェハ１１との共役
関係を取るものであったが、第１の実施例の場合にはマ
スク９のパターンが少ないと高い分解能で検出できない
。また、第２の実施例の場合には特別な測定用マスクを
持たなければならないという欠点がある。このため、マ
スク９と共役な面、例えばレチクル・ブラインド５が設
置されている面に第４図のようなパターンを有する計測
用マスクを入れて前述と同様の原理でこの計測用マスク
とウェハ１１との共役関係を取る方法も考えられる。こ
の計測用マスクは、光路中に出し入れが可能で測定時の
み光路中に入れて用いる。通常マスク９はロードしない
状態で用いるが、マスク９のパターンが少ない場合マス
ク９をロードしたままでもマスク９の透明部分を介して
計測用マスクを使用することが可能であり、この場合、
第１の実施例のようにウェハ１枚毎に高反射面１８を利
用した焦点位置補正を行いながら露光することが可能で
ある。しかし、マスク９の共役点に計測用マスクを入れ
る方法は常にマスク９と共役に保たなければならないが
、装置の微妙な温度変化、気圧の変化で共役がずれる可
能性がある。このため、できるだけ共役ずれが起きない
構成とし、さらに、マスク９との共役取りのキャリブレ
ーションを行う必要がある。例えば、全面パターンの反
射の多いマスク９を用いて、前述のマスク９とウェハ１
１との共役取りをしたのと同様の方法で、反射光センサ
ー１５の出力が最大となるように共役位置（レチクル・
ブラインド位置）の計測用マスクを光軸方向に動かす方
法が考えられる。

上述の実施例では、反射光センサー１５の出力で焦点位
置を検出したが、全く同じ原理に基づいてステージ１２
上の照度センサー２０で焦点位置を検出することも可能
である。つまり、反射光センサー１５は焦点位置ずれに
より反射光がマスクのパターンに遮られ上方へ通過しな
いことを利用したが、遮られた光線が再び下方へ反射さ
れ、これを照度センサー２０で受光し、焦点位置検出に
用いることができる。この場合、照度センサー２０の出
力が最小となる位置が焦点位置である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、パターン焼付け、現像、
測定という作業を行うことなく焦点位置が検出でき、し
かも露光領域全体にわたって像面の湾曲、傾斜等を含む
平均的な最適像面の検出が１度の測定で可能である。

【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概
略的な構成を表す図、第２図は本発明の第２の実施例に
よる投影光学装置の概略的な構成を表す図、第３図は焦
点位置検出の原理を表す図、第４図は専用マスクのパタ
ーンの例を表す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ■・・・光源、２・・・照度分布均一化手段、３・・・
半透過鏡、５・・・レチクル・ブラインド、９・・・マ
スク、１０・・・投影光学系、１１・・・ウェハ、１２
・・・ステージ、１３投光器、１４・・・受光器、１５
・・・反射光センサー、１６−・・フォーカス・コント
ローラ、１７・・・モータ、１８・・・高反射面、１９
・・・環境センサー２０・・・光量センサー、２１・・
・シャッター、２２・・・シャッター制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定のパターンが形成されたマスクを照明する照
   明光源と、 該パターンの像を所定の結像状態で感光基板、若しくは
   光反射性基板に投影する投影光学系とを備えた投影光学
   装置において、 前記感光基板、若しくは光反射性基板から反射され、前
   記投影光学系と前記マスクとを介して前記照明光源側に
   戻ってくる反射光量を前記投影光学系の瞳とほぼ共役な
   位置で検出する測光手段と、前記基板と前記マスクとの
   間隔を相対変化させたときに得られる前記測光手段の測
   光出力に基づいて、前記投影光学系の視野内の所定領域
   の平均的な焦点面の位置を検出する焦点位置検出手段と
   を備えたことを特徴とする投影光学装置。
2. （２）前記マスクは、前記投影光学系の解像限界付近の
   線幅のライン、アンド、スペースを持つことを特徴とす
   る請求項１に記載の投影光学装置。