JPH0340934B2

JPH0340934B2 -

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Publication number: JPH0340934B2
Application number: JP57204856A
Authority: JP
Priority date: 1982-11-22
Filing date: 1982-11-22
Publication date: 1991-06-20
Also published as: JPS5994032A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、特に集積回路のマスクパターンを半
導体基板上に投影露光する装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

大規模集積回路（LSI）パターンの微細化は
年々進行しているが、微細化に対する要求を満た
し、かつ生産性の高い、回路パターン焼付け装置
として縮小投影型露光装置が普及してきている。
従来より用いられてきたこれらの装置において
は、シリコンウエハ等（以下ウエハと称する）に
焼付けされるべきパターンの何倍か（例えば10
倍）のレチクルパターンが投影レンズによつて縮
小投影され、１回の露光で焼付けされるのはウエ
ハ上で対角長14mmの正方形よりも小さい程度の領
域である。従つて、直径125mm位のウエハ全面に
パターンを焼付けるには、ウエハをステージに載
せて一定距離移動させては露光を行なうことを繰
返す、いわゆるステツプアンドリピート方式を採
用している。LSIの製造においては、数層以上の
パターンがウエハ上に順次形成されていくが、異
なる層間のパターンの重ね合わせ誤差を一定値以
下にしておかなければ、層間の導電又は絶縁状態
が意図するものでなくなり、LSIの機能を果たす
ことができなくなる。例えば1μｍの最小線幅の
回路に対してはせいぜい0.2μｍ程度の重ね合わせ
誤差しか許されない。この重ね合わせ誤差の原因
のうち、露光装置によつて発生するものは、(1)投
影倍率誤差と投影歪み、及び(2)投影像とウエハの
相対的な位置ずれである。上記(1)の原因の歪は投
影レンズの持つ歪曲収差である。一方、倍率誤差
については投影レンズのレチクル側光束がテレセ
ントリツクではない場合は、レチクルと投影レン
ズの主点（主平面）との間隔を変えることによつ
て小さくできるものであり、またテレセントリツ
クな場合には投影光学系内部の構成要素（レンズ
等の光学部材）を相対的に光軸方向に位置ずらし
して小さくできるものである。従つて、レチクル
と投影レンズ間の距離及び投影レンズ内部の構成
要素の相対位置等を調整した後に変化しなければ
(1)の原因による誤差は一定であり、システマテイ
ツクな誤差と言える。

このシステマテイツクな(1)の誤差は、その値を
測定しながら一定値以下になるように装置を調整
しておけば、長い時間にわたつて安定して小さい
値を維持できるもので、露光装置の製造時の調整
において、できるだけ小さくしておかねばならな
い。従来より(1)の誤差の測定は、予め定められた
複数の位置にマークのパターンが描かれたレチク
ル、いわゆるテスト・レチクルの像をウエハ上の
フオトレジストに焼付け、焼付けられたマークの
レジスト像の座標を測定し、その測定座標と、レ
チクル上のマーク座標の比較によつてなされてい
た。しかし、この方法によると、ウエハ上にテス
ト・レチクルのパターンを露光し、これを現像す
る手間と時間が必要であり、またマークのレジス
ト像を測定するのに高価な測定装置を用いなけれ
ばならないという問題がある。

一方、(2)の原因による誤差はランダム誤差の要
因を多く含み、投影像とウエハとの水平方向（ウ
エハ面に沿つた方向）の位置合わせ誤差（アライ
ンメントエラー）と、投影像とウエハとの垂直方
向（投影レンズの光軸方向）の位置合わせ誤差、
所謂焦点ずれとに大別される。

このうち焦点ずれに関しては、投影レンズの性
能がいくら良くても、最終的に焼き付けられたレ
チクルパターンのレジスト像を極端に悪化させる
ことになるので、極めて高精度な補正、すなわち
焦点調整が必要である。一般にこの種の投影型露
光装置ではウエハ表面の高さ位置（投影光軸方向
の位置）の変化を検出するギヤツプセンサーを有
し、このセンサーを用いてウエハ表面と投影レン
ズとの間隔を常に一定にサーボ制御する自動焦点
合わせ機構が設けられている。

このギヤツプセンサーとしては、エアマイクロ
方式、斜入射投光方式等が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、この焦点合わせ方式では専らウエハ
表面のみの高さ位置が一定位置からどれぐらいず
れているかを検出しているだけで、レチクルパタ
ーンの投影像面とウエハ表面とが合致したか否か
を直接検出している訳ではない。

そのため、システマテイツクな(1)の誤差を一定
値以下に調整する作業、すなわちレチクルと投影
レンズの主平面との間隔調整、あるいは投影レン
ズの内部のレンズ部材の位置調整等の後では、投
影像面の光軸方向の絶対的な位置が変わつてしま
うため、ギヤツプセンサーに基づいた焦点合わせ
は最早信頼できないものになつてしまうといつた
欠点が生じる。

そこで本発明は、この欠点を解決して焦点合わ
せの信頼性を確実に維持した投影露光装置を得る
ことを目的とする。

〔課題を解決する為の手段〕

この目的を達成するため本発明では、ウエハ等
の基板を載置して、焦点合わせのために光軸方向
に上下動するステージ手段に、レチクル（マス
ク）パターンの投影像の一部を受光する光電検出
部８，９を含む像面位置検出手段８，９，２１，
２０を設け、この像面位置検出手段を用いて、レ
チクルと共役な投影像面の高さ位置を検出し、そ
の検出された高さ位置で、ギヤツプセンサーを用
いた焦点調整機構が合焦と判断するように、この
焦点調整機構を較正する構成とした。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の実施例が適用される投影型露
光装置の概略図である。

露光用の照明光源１からの照明光は第１のコン
デンサーレンズ２によつて一度収束された後、第
２のコンデンサーレンズ３に達する。その光路
中、光が収束される位置には照明光を遮断、通過
するためのシヤツター４が設けられている。そし
て、第２のコンデンサーレンズ３を通つた光束
は、マスクとしてのテスト・レチクル５（以下単
にレチクル５とする）を照明する。レチクル５の
下面には予め定められた複数の位置に、光透過性
のマークM₁₁〜M₁₆が描かれている。このレチク
ル５のマークM₁₁〜M₁₆を透過した光束l₁は、結
像光学系としての投影レンズ６に入射する。この
投影レンズ６はレチクル５側、すなわち物体側が
非テレセントリツクで、像側がテレセントリツク
な光学系である。光束l₁は投影レンズ６によつて
集束されて、光束l₂となつて射出する。尚、レチ
クル５の下面と投影レンズ６の主平面６ａとの間
隔はＬとする。そして、光束l₂は２次元移動可能
なステージ７に設けられた微小開口８上に結像さ
れる。さらに微小開口８を通つた光はステージ７
に設けられた光電検出器９によつて光電変換され
る。また、ステージ７は普段は半導体ウエハ１０
を載置して２次元移動するものであり、ウエハ１
０は、ステージ７と一体に２次元移動するウエハ
ホルダ１１上に載置される。ウエハホルダ１１は
ステージ７に対して微小回転と上下動ができるよ
うに設けられている。このウエハホルダ１１は投
影レンズ６の投影像がウエハ１０の表面に結像す
るように、すなわち焦点合わせができるように上
下動する。また、微小開口８が設けられた開口面
は、ウエハ１０の表面の高さとほぼ一致するよう
に定められ、この開口面と光電検出器９とはウエ
ハホルダ１１の上下動に伴つて一体に上下動する
ように設けられている。この焦点合わせのため
に、投影レンズ６とウエハ１０の表面（あるいは
微小開口８の開口面）との間隔を計測するギヤツ
プセンサー１２が設けられる。このギヤツプセン
サー１２とウエハホルダ１１の上下動とによつて
自動焦点調整が可能であり、ウエハ１０上に回路
パターンを焼付ける際、ウエハ１０の表面の高さ
を検出して、常にコントラストの高い投影像が転
写できる。

一方、ステージ７の位置はレーザ干渉計１３に
より、ステージ７に固定された反射鏡１４までの
距離をレーザ光を用いて測定することによつて求
められる。

第１図では、紙面中左右方向のｘ軸方向のみし
か表わしていないが、ステージ７の移動平面を成
すｘ軸と垂直（紙面と垂直）なｙ軸方向に関して
も同様にレーザ干渉計と反射鏡が設けられてい
る。これらレーザ干渉計によつてステージ７の所
定の原点に対する座標値が逐次計測される。

尚、このｘ軸、ｙ軸方向のレーザ干渉計の各レ
ーザ光束が成す２つの測定軸の交点は、投影レン
ズ６の光軸と一致するように定められている。

また、レチクル・ホルダ１５はレチクル５を保
持して２次元的に移動可能であり、後述するレチ
クル・アライメント制御系によつて駆動制御さ
れ、レチクル５の位置決めを行なうものである。

さて、第２図は第１図に示したレチクル５の平
面図である。レチクル５はガラス基板の下面に図
中斜線部のようにクロム層又は低反射クロム層を
全体に蒸着することにより構成されている。そし
て、そのクロム層には光が通るようなマークＭと
しての十字マークが６×６の正方のマトリツクス
状に形成されている。これら十字マークの中心位
置は、レチクル５上の座標系Ｏ−XYにおいて約
0.1μｍ以下の誤差で予め他の測定機器によつて測
定されているものとする。また十字マークの各中
心位置は、座標軸Ｘ、Ｙに対して夫々線対称とな
り、かつレチクル５の中心である原点Ｏに対して
点対称となるように定められている。尚、これら
十字マークを識別するために、レチクル５の最上
列のマークをM₁₁，M₁₂，…M₁₆とし、その下の
列のマークをM₂₁，M₂₂，…M₂₆とするように順
次定める。従つてレチクル５上の十字マークは一
般にMij（ただし、ｉ、ｊは１〜６）で特定する
ものとし、その十字マークの中心位置はMijに対
応してPij（ただしｉ、ｊは１〜６）とする。

また第３図はステージ７に設けられた微小開口
８を形成する遮光部材の平面図と、そのＡ−Ａ矢
視断面図である。微小開口８は、ガラス板２０上
にクロム層２１を厚さ0.1μｍ程度に蒸着し、その
一部に２つのスリツト開口８ａ，８ｂを形成した
ものである。このクロム層２１の厚さは投影レン
ズ６の焦点深度（数μｍ）より十分薄い。さてス
リツト開口８ａと８ｂの延長方向は互いに直交す
るように定められ、かつ、各々ステージ７の移動
方向xyと一致するように定められている。尚、
ｙ軸方向に沿つて細長く延びたスリツト開口８ａ
は投影された十字マークMijの投影像のｘ方向の
位置を検出するのに使用され、ｘ軸方向に沿つて
細長く延びたスリツト開口８ｂは、十字マーク
Mijの投影像のｙ方向の位置を検出するのに使用
される。

さらに、スリツト開口８ａ，８ｂの幅は、投影
された十字マークMijの像の直線部の幅よりも小
さく定められている。このことについては後で詳
述する。

もちろん、このガラス板２０の下側には光電検
出器９の受光面が位置し、これらガラス板２０、
クロム層２１、微小開口８ａ，８ｂ、及び光電検
出器９によつて、本発明の像面位置検出手段が構
成される。

尚、上述のギヤツプセンサー１２は、クロム層
２１の表面を検出することができる。

次に、第１図で示した装置を制御するための制
御系を、第４図のブロツク図に基づいて説明す
る。装置全体はプログラムによる制御及び各種演
算処理が可能なように、メモリ等を含むマイク
ロ・コンピユータ（以下単にCPUとする）３０
によつて統括制御される。CPU３０はインター
フエース３１（以下IF３１とする）を介して周
辺の検出部、測定部、あるいは駆動部と各種情報
のやり取りを行なう。

さて、シヤツター駆動部３２はCPU３０の指
令によつて、シヤツター４の開閉動作を行ない、
レチクル・アライメント制御系３３（以下Ｒ−
ALG３３とする）は投影レンズ６の光軸に対し
てレチクル５が所定の位置にくるように、レチク
ルホルダ１５を動かして位置合わせするものであ
る。このＲ−ALG33は本発明の実施例において
かならずしも必要なものではないが、レチクル５
の位置合わせをレチクル５上のアライメントマー
クを用いて目視の手動操作で行なうよりも正確か
つ高速に行ない得るので、本装置では以下Ｒ−
ALG33を用いるものとする。

一方、ステージ７の座標を計測するために、前
述のレーザ干渉計１３で読み取られたステージ７
のｘ方向の位置情報と、レーザ干渉計３４で読み
取られたステージ７のｙ方向の位置情報とは共
に、IF３１を介してCPU３０に送られる。また、
ステージ７を２次元移動させるために、ステージ
７をｘ方向に駆動するｘ軸駆動部３５（以下Ｘ−
ACT３５とする）と、ステージ７をｙ方向に駆
動するｙ軸駆動部３６（以下Ｙ−ACT３６とす
る）とが、CPU３０の指令によつて動作するよ
うに設けられている。

また、ステージ７上のウエハホルダ１１を微小
回転させるためのθ軸回転駆動部３７（以下θ−
ACT３７とする）と、ウエハホルダ１１と光電
検出器９、ガラス板２０とを上下動させるための
Ｚ軸駆動部３８（以下Ｚ−ACT３８とする）と
が設けられ、CPU３０の指令によつて動作する。
そして、焦点検出部３９（以下AFD３９とする）
は第１図に示したギヤツプセンサー１２からの信
号を入力して、ウエハ１０の表面（又は微小開口
８の開口面、すなわちクロム層２１の表面）と投
影レンズ６の焦点位置ずれ情報を、IF３１を介
してCPU３０に出力する。上記ギヤツプセンサ
ー１２、AFD３９、CPU３０等によつて本発明
の焦点調整手段が構成される。

また、測定した結果や動作状態等を表示するた
めのモニター用CRT、あるいはプリンタ等の端
末装置４０もIF３１を介してCPU３０と接続さ
れている。

尚、実際の露光装置には上記各種制御系の他
に、ウエハ１０をステージ７のxy移動方向に対
して位置決めするためのウエハ・アライメント制
御系も含まれるが、本発明とは直接関係しないの
で説明は省略する。

次に、上記露光装置を用いた焦点調整系のキヤ
リブレーシヨン（較正）動作について説明する
が、その前に投影レンズ６の各種光学特性の測定
動作について説明する。

まず初めに、装置にセツトされたレチクル５を
Ｒ−ALG３３を用いて位置決めする。このとき
投影レンズ６の光軸がレチクル５上の座標系Ｏ−
XYの原点Ｏを通るように位置合わせする。さら
に座標系Ｏ−XYのＸ、Ｙ軸がステージ７のｘ、
ｙ移動方向、すなわちレーザ干渉計１３，３４の
各測定軸ｘ、ｙと夫々平行（一致する場合も含め
て）になるようにレチクル５の位置を定める。こ
れによつて、十字マークMijの直交する２つの直
線部分の延長方向は、それぞれステージ７のxy
移動方向と一致する。

次にＸ−ACT３５、Ｙ−ACT３６によりステ
ージ７を移動させて、微小開口８の開口面、すな
わち第３図のクロム層２１の表面の高さをギヤツ
プセンサー１２とAFD３９によつて検出し、そ
の検出情報に基づいて、投影レンズ６の結像面と
クロム層２１の表面とが一致するように、すなわ
ち投影レンズ６とクロム層２１の間隔が一定値に
なるように、Ｚ−ACT３８を駆動する。

次にシヤツター駆動部３２によりシヤツター４
を開いてレチクル５を照明し、十字マークMijの
像をクロム層２１上に投影する。そして、十字マ
ークMijの像と各スリツト開口８ａ，８ｂとの位
置関係が、例えば第５図のようになるように、Ｘ
−ACT３５、Ｙ−ACT３６を作動してステージ
７を移動させる。その際、スリツト開口８ａ，８
ｂが、例えば投影レンズ６の光軸上に位置したと
きのレーザ干渉計１３，１４による座標値を求め
ておけば、その座標値を基準位置として、各十字
マークMijの像の大まかな位置は容易に指定でき
る。

このとき、投影された十字マークMijの像の大
きさと微小開口８としてのスリツト開口８ａ，８
ｂの大きさとの関係は第５図のようになる。すな
わち十字マークMijの像のうち、ｙ方向に延びた
直線部分をスリツト像L_xとし、スリツト像L_xと
直交するようにｘ方向に延びた直線部分をスリツ
ト像L_yとする。そして、各スリツト像L_x，L_yの
幅Ｄの中心を各々中心線CL_x，CL_yとし、中心線
CL_xとCL_yの交点、すなわち十字マークMijの像
の中心を、中心CPとする。また、クロム層２１
中のスリツト開口８ａ，８ｂの幅をｄ、長さをｈ
としたとき、ｄ＜Ｄ＜ｈとなるように定められて
いる。

さて、第５図に示した位置から、ステージ７を
ｘ方向に等速度で移動させて、スリツト像L_xを
スリツト開口８ａによつて走査すると、光電検出
器９は第６図ａのような光電信号Ｉを出力する。
第６図ａは横軸にステージ７のｘ方向の位置を表
わし、縦軸に光電信号Ｉの大きさを表わしたもの
で、スリツト像L_xの幅方向の光強度分布と等価
である。そこで、光電信号Ｉを所定の基準レベル
Irと比較して、光電信号Ｉと基準レベルIrとが一
致したときのステージ７の位置x₁、x₂を、レーザ
干渉計１３によつて計測する。その計測値は
CPU３０に取り込まれ、その２つの位置を平均
して、位置x₀を求める。すなわち、CPU３０は
（x₁＋x₂）／２の演算によつて求められたステー
ジ７の位置x₀をスリツト像L_xの中心線CL_xの投影
位置として求める。

一方、スリツト像L_yについても同様に、ステ
ージ７を第５図の位置からｙ方向に移動して、ス
リツト開口８ｂを走査し光強度分布から、ステー
ジ７のｙ方向の位置y₀をスリツト像L_yの中心線
CL_yの投影位置として求める。

これによつて、ステージ７の座標値（x₀、y₀）
は十字マークMijの像の中心CPの投影位置として
計測され、CPU３０に記憶される。

同様にして、他の十字マークの像についても計
測を行ない、その計測値を十字マークMijのレチ
クル５上の位置Pijに対応して順次記憶しておく。

尚、スリツト開口８ａ，８ｂと十字マークMij
の像との大きさをｄ＜Ｄ＜ｈに定めたのは、ｘ方
向の投影位置を検出するときに、スリツト開口８
ａがスリツト像L_xを共に走査してしまつたり、
スリツト開口８ａがスリツト像L_xを走査し、同
時にスリツト開口８ｂがスリツト像L_xを走査し
てしまつた場合にも、位置検出できるようにする
ためである。

例えば、スリツト開口８ａがスリツト像L_yと
交わつた状態からステージ７をｘ方向に走査する
と、光電検出器９の光電信号は第６図ｂのよう
に、スリツト像L_yの走査部分で一定のオフセツ
トIofをもつた最大値Ipの信号となる。このオフ
セツトIofの大きさは、スリツト開口８ａの幅ｄ
とスリツト像L_yの幅Ｄとによつて決まる面積に
比例し、最大値Ipはスリツト開口８ａの幅ｄと長
さｈとによつて決まる面積に比例する。

このような信号を基準レベルIrと比較して、ス
リツト像L_xの中心線CL_xの位置x₀を求めるには、
Ir＞Iofでなければならない。従つて、スリツト
像L_yの幅Ｄとスリツト開口８ａの長さｈは、こ
の条件を満足するためにＤ＜ｈに定められる。ま
たスリツト像L_x，L_yの幅Ｄに対して、スリツト
開口８ａ，８ｂの幅ｄを小さくしたのは、光電信
号の立上り、立下りを急唆にするためであり、こ
のためｄ＜Ｄに定められる。信号の立上り、立下
りを急唆にすることは、後述の像コントラスト検
出に有利である。尚、幅ｄとＤの関係はｄ＜Ｄに
限られるものではなく、ｄ＝Ｄとしても光電検
出・位置検出において実質的な影響はなく、上記
実施例通り、十字マークMijの像の中心位置が求
められる。

次に、CPU３０は、上記計測された各十字マ
ークMijの像の投影位置と、位置Pijとに基づい
て、投影レンズ６の投影倍率や歪量等の光学特性
を計算する。

尚、ステージ７の位置として計測された各十字
マークMijの像の投影位置をTijとすると、Pijは
座標値（Xij、Yij）で表わし、Tijは座標値
（xij、yij）で表わすものとする。そこで投影倍率
Ｎを計算する式の一例としては次式が用いられ
る。

この式(1)でX_i1とx_i1は第２図中、左端の行を成
す十字マークM₁₁，M₂₁，M₃₁，…M₆₁のレチク
ル５上のＸ方向における位置と、その６個の十字
マークのｘ方向における投影位置とを各々表わ
す。そして、X_i6とx_i6は第２図中、右端の行を成
す十字マークM₁₆，M₂₆，…M₆₆のレチクル５上
のＸ方向における位置と、その６個の十字マーク
のｘ方向における投影位置とを各々表わす。さら
に、式(1)中でY_1jとy_1jは、第２図中最上列を成す
十字マークM₁₁，M₁₂，…M₁₆のレチクル５上の
Ｙ方向における位置と、その６個のマークのｙ方
向の投影位置とを各々表わし、Y_6jとy_6jは最下列
を成す十字マークM₆₁，M₆₂，…M₆₆のＹ方向の
位置と、その６個のマークのｙ方向の投影位置と
を各々表わす。

また、投影レンズ６の製造時あるいは調整時
に、設定すべき投影倍率をNoとすると、投影さ
れた十字マークの像の歪曲収差を含む座標上の誤
差（αij、βij）は αij＝xij−Xij・No βij＝yij−Yij・No となる。但し、この際、レチクル５の座標系の原
点Ｏと、投影されたレチクル５の像の座標系原点
（すなわちステージ７の座標値の原点）とは適当
な演算により一致しているものとする。この誤差
（αij、βij）が投影歪量を表わす。そして計算され
た上記各結果は端末装置４０によつて表示され
る。

以上のようにして、投影倍率と投影歪を求める
ことができるが、式(1)は単なる一例にすぎず、倍
率の定義によつては、その定義に従つた計算式を
用いればよい。例えば十字マークM₁₁，M₁₆，
M₆₁，M₆₆の４隅のマークのみを使うようにして
もよい。そして、計算された投影倍率が許容量を
越えるならば、第１図に示したレチクル５と投影
レンズ６の主平面６ａとの間隔Ｌを再調整する
か、又は投影レンズ６を構成する光学部品（レン
ズ）間の距離を再調節する。そして、再び上記の
方法によつて倍率を測定し、その倍率誤差が許容
できる値になるまで、投影レンズ６の調整と測定
を繰り返す。また、倍率誤差の計測時に投影光学
系の歪曲収差も測定し、その収差も許容し得るも
のであることを確認する。もし歪曲収差が許容量
を越えていれば、投影レンズ６内部の光学要素の
位置を調整したり、その光学要素を他のものと交
換したりする。

以上述べた方法によつて、従来のようにテス
ト・レチクルのパターンを露光して現像し、その
レジスト像を他の測定機器で測定するという手間
と、労力が省略でき、投影型露光装置が通常備え
ている移動ステージにマーク像を検出する光電検
出器９を設けるだけで極めて簡単に投影レンズ６
の光学特性の測定及び調整ができる。また、露光
装置の製造時ばかりでなく、LSIの製造現場にお
いて、投影レンズ６を縮小率のちがう投影レンズ
に交換する場合にも、他に特別の測定機器を必要
としないから、交換後の光学特性を最適なものに
する調整が極めて効率よくできる利点もある。

尚、上記実施例では、光学特性の計算を露光装
置に組み込まれたCPU３０によつて行なつたが、
各十字マークMijの投影像の検出位置のみを端末
装置４０で表示した後、その検出位置の情報に基
づいて他の計算器で所定の演算を行なうようにし
ても同様の効果が得られる。

以上の説明では、像の結像位置がクロム層２１
の表面、すなわち開口面と一致している場合につ
いて述べた。第１図、第４図で示した装置にはギ
ヤツプセンサー１２が付属しているので、ギヤツ
プセンサー１２が検出誤差のないように予め正確
に調整されている場合はこれを用い、開口面に対
する焦点誤差をAFD３９によつて検出して焦点
合わせを行なうことができる。

しかし、ギヤツプセンサーを用いて自動焦点検
出を行なう構成形態においては、装置の製造時、
投影レンズを交換した時あるいは投影レンズ内の
光学素子の調整時等にAFD３９の検出信号は、
一般に焦点検出に対してオフセツトを持つてお
り、ギヤツプセンサーのみに頼つていては投影像
の結像面と開口面とを正確に一致させることはで
きない。もちろん、ギヤツプセンサー１２と
AFD３９を用いたウエハ１０に対する焦点合わ
せもオフセツトを持つたものになつてしまう。

そこで、本発明の実施例として、光電検出器９
を用いて投影されたマーク像のコントラストから
焦点検出し、AFD３９を較正する動作について
説明する。

この場合には、ウエハの上下動機構Ｚ−ACT
３８により同時に微小開口８と光電検出器９が上
下動されることを利用し、投影レンズ６の焦点深
さの長さを数等分するような距離だけ微小開口８
を上下方向に移動しては、ステージ７を走査して
像の強度分布を計測する動作を繰り返す。そし
て、像の強度分布における立上り又は立下りの幅
が最小になる焦点状態を求めるようにする。実際
にはレチクル５の十字マークの投影像の強度分布
を調べる。第７図はステージ７を移動させた時、
微小開口８を透過するマークの像を光電交換した
信号の大きさを示すもので、縦軸は信号の大きさ
を、横軸はステージ７のｘ方向の位置を表わして
いる。スリツト開口８ａが形成された開口面（ク
ロム層２１）と像面が接近している場合、光電信
号I₁の波形が第７図のように得られたとすると、
この状態よりも開口面と像面が離れた場合には波
形の幅が広がり、信号I₂のようになる。従つて、
波形の広がり量、又は波形の肩部（立上り、立下
り）の傾きを計測し、波形の拡がり量が最小にな
るか、又は波形の肩部の傾きが最大になる状態を
捜せば最良の焦点状態が見出される。具体的な方
法の一例を次に説明する。第７図に示すように２
つの基準レベルr₁，r₂を設ける。基準レベルr₁，
r₂の大きさは、光電信号の最大値に対して一定の
割合になるようにする。そしてステージ７を走査
して信号I₁がこれらのレベルr₁，r₂と一致する点
p₁及びp₂を検出して、p₁点とp₂点のｘ方向の距離
より波形の広がり量e₁を計測する。このｘ方向の
距離の測定はステージ位置を計測するレーザ干渉
計１３を用いてCPU３０で計算して行なう。同
様に信号I₂がレベルr₁，r₂と一致する点p₃，p₄の
位置を検出して波形の広がり量e₂を計測する。第
８図は横軸にＺ−ACT３８による開口面の上下
方向の位置Ｚをとり、縦軸に光電信号の波形の広
がり量ｅをとつて表わしたグラフである。開口面
（クロム層２１）を上下方向に一定量例えば0.5μ
ｍずつ移動しては停止させ、ステージ走査を行な
つて第７図に示した波形の広がり量を計測する
と、CPU３０のメモリ中には位置Ｚに対する広
がり量ｅが第８図のデータとして記憶される。同
図中、広がり量e₀は開口面がレチクルパターン面
と共役な像面と正確に一致した位置Z₀を示し、そ
こからずれた位置Z₁、Z₂では、広がり量は第７図
の説明の通り、e₁、e₂と順次大きくなる。実際に
焦点を合わせるには、位置Z₂、Z₁…Z₀…と順々に
広がり量ｅを測定しては記憶していき、広がり量
の最小となる位置Z₀に戻るようにＺ−ACT３８
を駆動することによつて行なう。

以上に例示した方法により、投影レンズ６の投
影結像面と微小開口８の開口面（クロム層２１）
を一致させることができる。この方法では投影さ
れた像、そのもののコントラストをステージ７上
に設けられた光電検出器９で検出しているので、
信号のＳ／Ｎ比が高く、正確に絶対的な焦点位置
の検出が可能である。次に投影像のコントラスト
が最大になつたときの開口面（クロム層２１）の
高さを、保持した状態で、第１図のギヤツプセン
サー１２を用いてクロム層２１の表面を検出し
て、AFD３９の検出信号が合焦状態を示す信号、
例えば0VとなるようにIF３１、CPU３０等で較
正する。この較正によつて一度、検出オフセツト
をキヤンセルすれば、投影レンズ６の調整、ある
いは交換にかかわらず、それ以後はギヤツプセン
サー１２、AFD３９を用いた焦点合わせによつ
て、常に鮮明なパターンがウエハ１０上に転写さ
れ得る。

以上、本実施例では第２図に示したレチクル５
の複数の十字マークを用いて、投影レンズ６の有
効露光領域内における種々の位置で、コントラス
ト検出による合焦位置を調べることができるの
で、露光領域中の結像面の微小な凹凸分布（像面
湾曲）や、焦点深度分布等がただちに測定でき
る。従つて、その測定データによつて、投影レン
ズ６のステージ７の移動平面（xy座標系）に対
する光軸の倒れを確認することもできる。

また上記実施例においては、レチクル５上のマ
ークは十字マークのみに限られるものではなく、
スリツト開口８ａ，８ｂのようにＬ字に形成した
マークでもよい。各マークの配置も正方形のマト
リツクス状に限られず、レチクル５の中心から放
射状に複数のマークを配置してもよい。

微小開口８も２つのスリツト開口８ａ，８ｂと
したが、両者を一体にしてＬ字状の微小開口とし
てもよい。この場合も、そのＬ字状のスリツト開
口と十字マークの投影像との大きさの関係は前述
のようにｄ＜Ｄ＜ｈに定めるのがよい。

また、第１図に示したレチクル・ホルダ１５を
投影レンズ６の光軸方向に上下動可能としておけ
ば、倍率調整の際、投影レンズ６を上下動させる
ことがなく、機構的な構成が簡単となる。この場
合、当然のことながら、投影レンズ６の最良結像
面（レチクル共役面）も上下動してしまうので、
焦点合わせ系のAFD３９等を同様に較正する。

以上、本実施例の像面位置検出手段によれば、
投影光学系の投影倍率や投影歪を迅速かつ正確に
測定でき、露光装置の製造時の調整に有用である
ばかりではなく、投影光学系の部分的な交換を
LSIの製造されている場所で行なう場合にも迅速
かつ容易に投影倍率や投影歪が測定できるので、
交換時の調整を早く完了することができる利点が
ある。

さらに、露光装置を輸送した後や、誤まつて露
光装置に強い衝撃を与えた後等、投影性能に心配
のある場合には、像面位置検出手段を用いて投影
性能の確認が容易にできる。

また、本実施例は上述したような製造、サービ
ス又はメインテナンス時に適用され得るのみでな
く、投影倍率を所定量だけ微調したい場合に、露
光装置の通常のオペレーシヨンの一部に含ませる
こともできる。例えば、第ｎ層のパターンが形成
され、第（ｎ＋１）層のパターンを露光する時、
ウエハ全体が均等に伸びたような場合、本実施例
の光電検出器９を用いると、投影倍率を容易に測
定できるので、実施例の第１図における間隔Ｌを
微小変更した後の確認が簡単にでき、倍率が可変
でかつ投影倍率の測定可能な露光装置を実現して
対処できる。このような露光装置によると、ウエ
ハ全体の伸縮に合わせて、投影倍率を変更すれば
よい。即ち、ウエハがｋ倍だけ伸びれば、投影倍
率を元の値Ｎ倍からkN倍にすればよい。そのた
めには、測定した倍率が所望の量となるように、
CPU３０の指令で投影レンズ６とレチクル５と
を光軸方向に相対的に移動させる駆動手段を設け
ればよい。

投影倍率が可変で、かつ正確に設定できる装置
は、以上のようにウエハの伸縮に対処する場合に
のみ有効なのではなく、他の露光装置、例えば軟
Ｘ線の放射源を持ち、放射源から有限の距離だけ
離してプロキシミテイ露光されるＸ線露光装置と
投影型露光装置とを１つのデバイス製造に混用す
る場合も有効である。

すなわち、Ｘ線露光装置のようにマスク上のパ
ターン寸法と、ウエハに焼付けられるパターン寸
法の間の倍率が整数値に対して微小量だけ異なる
ような露光装置によつて、ある層の回路パターン
をウエハ上に焼き付け、他の層の回路パターンは
光学的な投影型露光装置によつて焼き付ける場合
に、使用するマスク又はレチクルの製作時におけ
る両者の倍率関係を完全な整数倍又は整数分の１
倍にしておいても、投影露光装置側で容易に倍率
調整して対処できるので、マスク又はレチクルの
製作が容易になる利点がある。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、投影光学系とは無関係
に基板（ウエハ）表面の高さ位置を検出して、そ
の位置が一定位置になるようにステージ手段を上
下動させる焦点調整手段が、常に投影像面（マス
ク共役面）に基板を合致させるように較正される
ため、投影光学系の倍率調整、像歪み調整等の後
に露光動作を行なつても、極めて鮮明なコントラ
ストで基板上にマスクパターンの像が形成され
る。

換言すれば、投影光学系自体の光学特性、又は
投影条件（マスクと投影光学系の間隔等）を自由
に調整して最良の重ね合わせ状態が作り出せると
共に、常に最良の解像力でパターン露光ができる
ので、半導体素子製造上の歩留りが向上するとい
つた大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による投影型露光装置
の概略図、第２図は光学特性の測定に用いるテス
ト・レチクルを示す平面図、第３図は露光装置の
ステージ上に設けられた微小開口を形成するため
の遮光部材の平面図、第４図は露光装置の制御系
を示すブロツク図、第５図はレチクル上のマーク
を投影したときの投影像の大きさと微小開口の大
きさとの関係を示す図、第６図はマークの投影像
を光電検出したときの光強度分布を表わした図、
第７，８図は微小開口と光電検出器とを用いた焦
点検出を説明する図である。〔主要部分の符号の説明〕、５……レチクル、
６……投影レンズ、７……ステージ、８……微小
開口、９……光電検出器、１２……ギヤツプセン
サー、３０……CPU、１３，３４……レーザ干
渉計。

Claims

【特許請求の範囲】１マスクに形成されたパターンを感光基板に結
像投影する投影光学系と、該感光基板を前記投影
光学系の結像面に沿つて移動させると共に、前記
投影光学系の光軸方向に移動させるステージ手段
とを備え、該ステージ手段の光軸方向の移動による焦点合
わせを行なつてから前記パターンの像を前記感光
基板へ露光する装置において、前記投影光学系とは無関係に前記感光基板表面
の前記光軸方向の位置変化を検出するセンサーを
有し、該センサーの検出結果に応じて前記感光基板と
前記投影光学系とがほぼ一定の間隔を保つように
前記ステージ手段の光軸方向の移動を制御する焦
点調整手段と；前記ステージ手段の一部に設けられ、前記焦点
調整手段によつて検出可能な表面を有すると共
に、該表面の一部に光電検出部を有し、前記投影
光学系で投影された前記マスクのパターン像の一
部を前記光電検出部で受光することで、前記投影
光学系の結像面の光軸方向の位置を検出する像面
位置検出手段とを備え、該像面位置検出手段の検出結果に基づいて前記
焦点調整手段を較正することを特徴とする投影露
光装置。２前記像面位置検出手段は、前記感光基板とほ
ぼ平行に配置されて、一部にスリツト状の微小開
口が形成された遮光部材と、前記パターン像を形
成する光のうち、該微小開口を透過した光を受光
する光電検出器と、該光電検出器の光電信号を、
前記ステージ手段を光軸方向に移動させつつ評価
して、前記パターン像のコントラストが最良とな
る光軸方向の位置を特定する制御系とを備えたこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装
置。３前記像面位置検出手段と前記ステージ手段と
によつて、前記パターン像のコントラストが最良
となる光軸方向の位置に前記遮光部材の表面を設
定した状態で、前記遮光部材の表面を前記焦点調
整手段のセンサーで検出したとき、前記焦点調整
手段が合焦状態を示すように検出オフセツトを補
正することを特徴とする特許請求の範囲第２項記
載の装置。４前記投影光学系は内部に光軸方向に移動可能
な光学素子を含み、前記マスクには予定間隔だけ離れた位置に複数
のマークパターンが形成され、前記像面位置検出手段の微小開口と光電検出器
によつて、前記複数のマークパターンの各投影像
の位置関係を検出することによつて、前記投影光
学系の倍率誤差、歪曲収差を求め、該結果に基づ
いて前記投影光学系の光学素子を移動させて前記
倍率誤差、歪曲収差を調整した後、前記焦点調整
手段を較正することを特徴とする特許請求の範囲
第２項記載の装置。