JPH0361802A

JPH0361802A - 観察方法及び観察装置

Info

Publication number: JPH0361802A
Application number: JP1198261A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Kanda; 神田　恒雄; Hideki Ine; 秀樹稲
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-03-18
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JP2633028B2

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】〔技術分野〕本発明は観察方法及び観察装置に関し、例えば半導体製
造用露光装置においてレチクルに形成されたＩＣ，ＬＳ
Ｉ等の回路パターンを投影レンズによリウエハ面上に投
影する前に、ウェハ面に形成したアライメントマークを
投影レンズを介して観察し、ウェハの位置情報を得る場
合に好適な観察方法及び観察装置に関する。

〔従来技術〕

従来、投影露光装置において、ウェハ面に形成したアラ
イメントマークを投影光学系を介して観察し、ウェハの
位置情報を得ることが良く行われている。

従来の縮小投影露光装置では、ウェハの位置情報を得る
ためのウェハアライメントマークの観察を、装置の投影
レンズを介して行っていた。この種の投影レンズを介し
た観察方法では、露光に使用する光の波長と同じか、或
いは、この波長に近い波長を備えた単色光を使用して観
察するのが、投影レンズで生じる色収差の影響を受けな
いので好ましい。しかしながら、通常、ウェハの基板面
は所定の厚さのレジスト層におおわれており、ウェハア
ライメントマークの観察に単色光を用いると、レジスト
層の上面と下面（基板面）からの光同志が干渉を起こし
てアライメントマークの観察がうまくいかない。

このような干渉の問題を解決する方法が、米国特許Ｎｏ
、４，３５５，８９２に開示されている。この、米国特
許では、レジスト層での干渉の影響を軽減するために、
互いいに波長が異なる２つの単色光でウェハを照射し、
投影レンズを介してウェハアライメントマークを観察し
ている。

〔発明の概要〕

本発明は上記米国特許に記載された観察方法及び観察装
置に改良を加えたものであり、互いに波長が異なる複数
の光と投影光学系を使用して、物体を正確に観察するこ
とが可能な観察方法及び観察装置を提供することが目的
である。

この目的を達成するために、本観察方法は、第１物体の
パターンを第２物体上に投影する投影光学系を介して前
記第２物体を観察する方法であって、前記第２物体を互
いに波長が異なる複数の光（多色光）で照明する段階と
、前記投影光学系からの前記第２物体に関する互いに波
長が異なる複数の結像光束の主光線が互いに平行になる
よう補正する段階と、該補正段階後、前記複数の結像光
束により形成した前記第２物体の像を観察する段階とを
有する。

また、本観察装置は、第１物体のパターンを第２物体上
に投影する投影光学系を介して前記第２物体を観察する
装置であって、前記第２物体を互いに波長が異なる複数
の光（多色光）で照明する照明手段と、前記投影光学系
からの前記第２物体に関する互いに波長が異なる複数の
結像光束を受けて前記第２物体の像を形成する像形成光
学系とを備え、該像形成光学系が前記複数の結像光束の
主光線を互いに平行にする補正手段を有する。

本発明では、上記補正段階や補正手段を有しているので
、投影光学系の瞳の収差の各波長による違いを補正する
ことが可能になる。従って、投影光学系の光軸方向に第
２物体が変位して第２物体の像がデフォーカスしても、
各波長の結像光束による第２物体像が互いに同じように
ずれるので、第２物体の変位によらず安定して第２物体
の観察が行える。

本発明に用いる互いに波長が異なる複数の光は、連続的
なスペクトルを有する白色ランプ等で供給したり、或い
は互いに異なる波長の光を放射する複数のＬＥＤ又はレ
ーザーで供給したり、或いは互いに異なる波長の光を放
射するレーザー（ゼーマンレーザー）で供給することが
可能である。また、本発明の観察方法及び観察装置は半
導体製造用の投影露光装置に好適であり、マスクパター
ンが投影される被投影物体であるところのウェハのウェ
ハアライメントマークを投影光学系を介して良好に観察
できる。従って、正確にウェハの位置情報を得、マスク
に対してウェハを精度良く位置合せできる。

本発明のいくつかの特徴と具体的構成は、以下に示す各
実施例から明らかになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の基本概念を説明するための説明図であ
る。第１図において、ｌは楔形透明部材、２は高分散ガ
ラスより成る平行平面板、３は低分散ガラスより成る平
行平面板、４Ａ、４Ｂは所定の分散値を有するガラスよ
り成る平行平面板を示す。また、Ｍは互いに異なる波長
λ８．λ２（の光）を有する結像光束を示し、不図示の
波長λ３（≠λ１≠λ２）の光に対して収差補正された
投影光学系から射出した光束である。尚、平行平面板４
Ａ、　４Ｂは後述する理由から、互いに同じガラス材料
で同じ板厚になるように構成しである。

第１図において、不図示の投影光学系から射出した、実
線で示す波長λ１の結像光束と破線で示す波長λ２の結
像光束の主光線ＬＩ０．Ｌ２０の傾きは、投影光学系の
瞳の収差の違いにより、互いに異なっている。このまま
の状態で、波長λ１の光束と波長λ２の光束がフォーカ
スして物体像を形成すると、各光束による像形成位置が
互いに異なり、また、各々の像面に対する各光束の主光
線Ｌ　１０　＋Ｌ２ｏの入射角も異なる。

ここでは、波長λ１の光束と波長λ２の光束の主光線Ｌ
１゜、Ｌ２０の傾きを互いに平行にするために、楔形透
明部材１を両光束の光路中に設けており、部材ｌの波長
λ１．λ２の光に対する屈折率ｎ１゜ｎ２と頂角６（光
入射面と光射出面の成す角）が次の式を満たすように部
材ｌが構成しである。

＝　ｓｉｎ　ｉ　３・・・（１）ここで、ｉ、、ｉ２は第２図に示すように、波長λ１の
光束の主光線Ｌ　１０と波長λ２の光束の主光線Ｌ２０
の、部材１の光入射面に対する入射角である。

また、上記（１）式が満足されることにより、第２図の
如く、波長λ、の光束と波長λ２の光束は部材ｌの光射
出面から互いに同じ角度ｉ３で射出する。

従って、両光束の主光線ＬＩＯＩＬ２Ｇは互いに平行と
なる。

楔形透明部材１を射出した波長λ１．λ２の光束は、各
光束の主光線（光軸）に対して角度θ、だけメリジオナ
ル面内で傾いた平行平面板２に入射する。平行平面板２
は高分散ガラスより成るため入射光の波長の違いによる
屈折率差が大きい。従って第３図（Ａ）に示すように入
射光の波長が異なるとプリズム効果による光束の横シフ
ト量に差がつく。

この性質を利用し平行平面板２で、楔形透明部材１から
の互いに主光線が平行な波長λ１．λ２の光束の主光線
を平行平面板２の光射出面でほぼ一致せしめる。この時
、各光束の主光線り、。＋ＩＪ２０に対する角度が等し
い対称な２つの光線、例えば第１図で示す光線Ｌ　１１
とＬ　１２間及びＬ　２１とり、間に光路長差がつきコ
マ収差が生じる。従って、各光束が像面に形成する像の
像質を劣化させる。そこで、平行平面板２で生じた光線
Ｌ１□と光線Ｌ　１２の間の光路長差と光線Ｌ２１と光
線り、間の光路長差を補正してコマ収差を補正するため
、平行平面板２に対し「ハ」の字を成すように、各光束
の主光線に対してメリジオナル面内で角度θ２だけ傾け
て平行平面板３を設けている。平行平面板３は低分散ガ
ラスであるため入射光の波長の違いによる屈折率差が微
小である。従って第３図（Ｂ）に示すように、低分散ガ
ラスでは、同一の長さ、同一の入射角における平行平面
板での波長λ１とλ２に対する主光線のずれは、高分散
ガラスの場合に比して極めて微小である。

この様に平行平面板２，３の傾き角θ１．θ２、板厚、
屈折率を適宜設定し、高分散の平行平面板２と低分散の
平行平面板３の分散の差を利用することにより、平行平
面板３の光射出面上で各波長λ１゜λ２の主光線を一致
させたままコマ収差を除去することが可能になる。

以上述べた方法で、第１図の紙面内即ちメリジオナル面
内での光線収差は補正される。しかし、この断面に乗直
な断面邪ちザジタル面内での光線は、平行平面板２，３
を通過することにより生じた収差のためにメリジオナル
面内の光線の像形成位置からずれたところに像を形成し
てしまう。即ち、像面において非点収差が発生ずる。そ
こで光軸（主光線）を回転軸として平行平面板２゜３に
対し９０゜回転させた一対の平行平面板４Ａ、４．Ｂを
各光束の光路内に設ける。平行平面板４Ａ、４Ｂは硝材
及び板厚が同じで、光路中に「ハ」の字を威すように組
み込まれている。また、光軸に対する平行平面板の設定
角序の絶対値は等［７い。この平行平面板４Ａ、４Ｂの
硝材や板厚、光軸に対する設定角庶等のパラメータを調
整することにより投影光学系部材ｌ、平行平面板２，３
の作用で像面に発生ずる非点収差を消去することができ
る。・その際、各波長λ１．λ、における非点収差の差
は平行平面板４Ａ。

４Ｂの硝材を選択することによって補正することができ
る。また、像面で波長λ２．λ２間に倍率色収差が発生
している場合には、この像面の後ろにそれを補正する結
像光学系を設けて再結像させれば、像質の非常に優れた
多色光による像を得ることがアきる。また、微小なコマ
収差や各波長λ、。

λ２の主光線のずれを補正する際は平行平面板２゜３の
代わりに高分散ガラスと低分散ガラスを貼りあわせた貼
り合せ平行平面板を使用すると非常に像質の良い多色光
による像を得ることができる。

第４図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に適
用した一実施例を示す概略図である。同図において、１
１は第１物体としてのレチクルで、レヂクルステージ３
０に載置されてむする。１２は第２物体としてのウェハ
で１ノジストが塗付されている。、１３は縮小投影１ノ
ンズ系で、レチクル１１のレンズ系１３例の面に描かれ
た回路パターンをウェハ１２面上に投影している。この
投影レンズ系１３はウェハ１２側がデ１ノセン［・リッ
クで、１ノチクルエ］側が非テｌノセントリックになる
よう構成しである。３４はθ−２ステージでウェハ１２
を吸着し″（載置しており、ステ・−ジ駆動装置４０１
からの指令に基づいてウコ、ハ１２のθ方向の回転角及
びＺ方向の位置調整を行っている。θ−Ｚステージ３４
はウェハ１２のステッブ移動動作を高精庶（ご行う為の
ｘｙステージ３２上に載置されている。ＸＹステージ３
２はＸ−Ｙ面内で移動するものであり、θ−２ステージ
３４同様、ステージ駆動装置４０１からの指令（、二基
づいて駆動される。ＸＹステージ３２にはステージ位置
計測の基準となる光学スフウェア−３３（ミラー）が置
かれており、この光学スフウェア−３３をレーザー干渉
計３５でモニターしている。

１４は折り曲げ汲う−、３１は補助光学系であり９投影
１ノンズ系１３のメリジオナル面内で結像光束を偏向す
るよう配置した楔形透明部材又と、メリジオナル面内で
互いに傾（）で配置した２つの平行平面板２．３と平行
平面板２．３を傾げた面ε直交するサジタル顔向で互い
に同〜角度傾けて配置した、即ち平行平面板２，３に対
し観察光学系３１の光軸を回転軸として９０７１回転さ
せて配置した２つの平行平面板４Ａ、４Ｂを有している
。

１８．１９．２３は折り曲げミラー２２は補正Ｉノンズ
系を示す。３６は投影光学系１３と観察光学系３１によ
ってアライメントマーク３７の像が形成される位置を示
し、この位置に１ツクチル１１のアライメントマークが
設けられている、１２４は折り曲げミラー２５はアライ
メ′７１・スコープ（対物１／ンズ）、２６はビー・ム
ス。ブ＋１ツタ−を示す３．２７は照明用゛ｊンデンザ
レンズ、２９は白色光源、３９は白色光源からの光のう
ちウェハ１２のレジストを感光させなシ１、いくつかの
波長の光を取り出１フィルターを示す。２８はＣＣＤか
ら成る撮像装置で、投影レンズ系１３の回路パターン結
像面ど共役な位置に設けら４゛１ている。４０２は撮像
装ｒ１１２８　、、　Ｌ〆・−ヘザー干渉計３５、ステ
ージ駆動装置４０１と信号線で電気的に接続されたコン
トローラー・を示ず。、また、４ｏ３は照明光学系の一
部を威すｌノンズであり、超高圧水銀灯などが放射した
Ｂ線より成る露光光で１ツクチル１１の回路パターンを
均一照度で照明する。尚、露光光を供給する光源は、Ｋ
ｒＦエキシマレ−・ザーなどのｌノーザー光源、ｉ線を
放射する光源でも良い。コントローラ４０２は信号線を
介して、撮像装置からのウェハ１２に関する位置情報と
１．・−ザー干渉削３５からのステージ位置情報を受げ
、ステージ３２．３４の駆動制御を行うための信号をス
テージ駆動装置４０１に入力する。このような手順によ
って、レチクル１１に対するウェハ１２の位置合せが行
われる。

白色光源２９から射出した白色光はフィルター３９に入
射し、フィルター３９を介してウエノ＼１２のレジスト
を感光させない、互いに波長が異なる複数の光を含む照
明光束になる。この照明光束はビームスプリッタ−２６
で反射してアライメントスコープ２５、折り曲げミラー
２４を経てレチクル１１のアライメントマーク近傍を照
射し、レチクル１１を通過して、補助光学系３１．投影
レンズ系１３を経て、ウェハアライメントマーク３７上
に照射される。ウェハ１２で反射した反射光は、照明光
の経路（光路）をビームスプリッタ−２６まで逆にたど
り、ビームスプリッタ−２６を透過して撮像装置２８へ
向けられ、撮像装置２８上にレチクル１１とウエノ１１
２の像を結ぶ。モして撮像装置２８でレチクル１１とウ
ェハ１２上のアライメントマークの位置関係を観察して
いる。

本実施例ではレチクル面１１上の回路パターンをｇ線（
λ＝　４３６　ｎ　ｍ　）の光で照明し、投影レンズ系
１３により回路パターン像をウェハ１２上に投影してい
る。一方、ウェハ１２上のアライメントマーク３７は光
源２９からの多色光で照射され、投影レンズ系１３と補
助光学系３１によりレチクル１１上のレチクルアライメ
ントマークの近傍に結像される。そして、アライメント
スコープ２５と撮像装置２８により双方のアライメント
マークを同時に観察している。本実施例の装置で補助光
学系３１を可動にし、ウェハアライメントマークの位置
に応じて移動させることも可能であるが、以下簡単の為
、補助光学系３１の位置を固定したものとして説明する
。

投影レンズ系１３は、回路パターンの投影露光のための
ｇ線に対応する波長では良好に収差補正されているが、
アライメントマークを観察するための光の波長では収差
補正が充分になされていない。特に、色の違いによる諸
収差、例えば細土色収差、倍率色収差、色の球面収差、
色のコマ収差、色の非点収差等が多く残存している。

この為、ウェハ面を物体面として考えた時、ウェハ１２
上のアライメントマーク３７は、多くの場合露光光の波
長よりも観察用の光の波長が長いのでレチクル１１より
も上方に結像する。

例えば、投影レンズ系１３のパターン投影倍率が１１５
倍の時、ウェハ１２側での細土色収差が３００μｍであ
ったとすると、レチクル１１側でのウェハ１２の像は、
０．３Ｘ５’＝７．５　（ｍｍ）だけレチクル１１の上
方に結像する。

この為、レチクル１１のアライメントマーク等のパター
ンとウェハ１２上のアライメントマーク等のパターンを
同時に観察するのが困難となる。従って従来より、例え
ば前述の米国特許にも示しであるようレチクルと投影レ
ンズ系との間に双方のパターン像を合致させる為の種々
の補助光学系を配置して補正している。しかしながら、
従来の補助光学系で完全なる収差補正を行うのは難しく
、双方のパターンを良好に観察するのは困難であった。

本実施例では、レチクル１１と投影レンズ系１３との間
に、サジタル面内（方向）だけではなくメリジオナル面
内（方向）の両面内方向にわたって良好に収差補正を行
った。特に色による諸収差を使用波長すべてにわたり良
好に補正し得る補助光学系３１を配置することによって
、レチクルｌｌ上のパターンとウェハ１２上のパターン
の位置を光学的に同一面内で合致させて、双方のパター
ンの観察を良好にし、レチクルとウェハの高精度な位置
合せを可能としている。

本実施例における補助光学系では、投影レンズ系１３に
よるアライメントマークの観察用の光の波長（即ちアラ
イメント波長）で生ずる色の諸収差を補正する為に、第
１図で示した如く配置した楔形透明部材１と４枚の平行
平面板２，３，４Ａ、４Ｂを用いて、瞳の収差（色の球
面収差）、コマ収差及び非点収差を補正することを特徴
としている。

このうち、投影レンズ系１３のメリジオナル面内で傾け
た、即ちメリジオナル面内の結像光束を偏向するように
配置した楔形透明部材ｌにより投影レンズ１３の各観察
用の光の各波長（λ５．λ２）に対する瞳の色の球面収
差を補正し、各波長の光の主光線を互いに平行にする。

次に前述のメリジオナル面内の結像光束に対しメリジオ
ナル面内で斜めに傾けて配置した平行平面板２により投
影レンズ系１３の観察用の光の各波長に対する倍率色収
差を補正し、各波長の光の主光線を補助光学系３１の光
軸ε一致させている。このとき、平行平面板２の光軸に
対する傾き角度は投影レンズ系１３での収差発生量と平
行平面板２の屈折率、分散、厚さに応じ定まる。楔形透
明部材１と平行平面板２は投影レンズ系１３の瞭の色の
球面収差と倍率色収差に対しては効果的であるが、第１
図で説明したように、結像光束にコマ収差を発生させる
原因となってくる。そこで本実施例ではメリジオナル面
内で、平行平面板２ε同様に光軸に対して傾けて配置し
た平行平面板３を結像光束の光路中に設け、投影レンズ
系１３と楔形透明部材ｌと平行平面板２から成る系の観
察用の光の各波長に対するコマ収差を補正している。

このとき傾ける角度は、主として投影レンズ系１３から
の収差発生量と平行平面板３の厚さに応じて定まる。こ
の１枚の平行平面板３はコマ収差に対しては効果的であ
るが、その一方で非点収差を発生させる原因となってく
る。平行平面板３で生じる非点収差と投影レンズ系１３
と楔形透明部材１と平行平面板２の観察用の光の波長で
の非点収差とを合わせたものが、平行平面板３までの系
の非点収差となる。

そこで、本実施例では２つの平行平面板４Ａ、　４Ｂを
平行平面板２，３を光軸に対して傾けた平面と直交する
面内（サジタル面）で互いに傾けて配置することにより
、系の非点収差を補正している。即ち、平行平面板２，
３を補助光学系３１の光軸を回転軸として９０度回転せ
しめた状態の平面内で２つの平行平面板４Ａ、４Ｂを配
置している。

平行平面板４Ａ、４Ｂは互いに同じ厚さのときは、光軸
と直交する所定の線に関して線対称的な関係で配置すれ
ば良く、又、互いに異った厚さのときは互いに異った角
度で傾けて配置すれば良い。そして２つの平行平面板４
Ａ、４Ｂ全体でコマ収差を発生させないようにしている
。そして、平行平面板４Ａ、４Ｂの非点収差が平行平面
板３以前の系による非点収差と互いに打ち消し合うよう
に平行平面板４Ａ、４Ｂを調整している。例えば、投影
レンズ系１３が観察用の光の波長ではコマ収差のみ発生
して非点収差が発生しない無い場合には、２つの平行平
面板４Ａ、４Ｂの光路長を平行平面板２，３の光路長の
和の略１／２とし、しから平行平面板２゜３と平行平面
板４Ａ、４Ｂが互いに捩れてはいても、補助光学系３１
の光軸に対してなす角度が４つの平行平面板２．３．４
Ａ、　４Ｂで全て等しくすれば、投影レンズ系１３のコ
マ収差と非点収差を良好に補正した状態でのアライメン
トマークの観察が可能となる。

又、投影レンズ系１３で観察用の光の波長に対して非点
収差が生じる場合には、平行平面板２，３と２つの平行
平面板４Ａ、４Ｂが光軸に対してなす角度を、平行平面
板３以前の系で発生する非点収差量に応じて互いに異な
らしめれば、投影レンズ系１３で生じる非点収差をも補
正したアライメントマークの観察が可能となる。即ち本
実施例では、平行平面板４Ａ、４Ｂの傾きを調整するこ
とによって非点収差の補正量を任意に変えることを可能
としている。

本実施例では、以上のような構成によりコマ収差と非点
収差を良好に補正することによって、投影レンズ系１３
のサジタル面内（方向）だけでなくメリジオナル面内（
方向）にもわたって良好なる収差補正を行い、レチクル
１１上とウェハ１２上の双方のアライメントマークを、
同時に鮮明な像として観察するのを可能としている。そ
してこれにより高精度のアライメントを可能としている
。

尚、本実施例において、投影レンズ系１３の観察用の光
の波長での球面収差が多少残存している場合には、補正
レンズ部２２で補正しておくのが良い。

この場合投影レンズ系１３の観察用の光の波長での球面
収差は、補正レンズ部２２で逆の球面収差を一発生さ仕
て補正するのが良い。又、投影レンズ系１３の軸上の色
収差を補正レンズ部２２で補正する事ができる。投影レ
ンズの倍率の色収差は前述の様に平行平面板を含むユニ
ットで補正されている。

又、補正レンズ部２２がレチクルｌｌ側に配置されてい
て、しかも比較的小さな（例えば、０．１以下の）Ｎ、
Ａで使われる場合であって、例えば数λという大きな球
面収差があったときには、補正レンズ部２２の一部であ
って、投影レンズ系１３の瞳位置と略共軛の位置に非球
面部材を配置して補正することも可能である。例えば長
波長側で補正不足となる球面収差の発生があった場合に
は、レンズの周辺部にいくに従い負の屈折力が増大する
形状の非球面レンズを用いれば良い。

尚、本実施例における補助光学系３１の挿入は、アライ
メントマーク観察時とパターン投影露光時の条件を変更
していることになる為、ベースラインとして光学系の調
整、又はオフセットとして処理されるファクターを含ん
でいる。光学系の調整で処理し得る収差としては観察光
学系の光路長の調節によりピント調整が可能という点か
ら色によるピントずれ（軸上色収差）、像面弯曲が挙げ
られる。また補助光学系３１の挿入による像点のシフト
、投影レンズ系１３の色の歪曲収差等は位置ずれのオフ
セットとして光学的又は電気的に処理することができる
。

要するに、ピントを取り直したり、像の位置が単純にず
れるだけのことであれば簡単にオフセット処理し得るの
で、あまり問題にならない。

実際に、像を検知する場合に問題となるのは、像のコン
トラストを損なう球面収差、コマ収差そして非点収差で
あり、前述の様に投影レンズ系１３のこれらの諸収差は
、露光光の波長では良好に補正されているものの、観察
用の光のいくつか波長では必ずしも良好に補正されてい
ない。しかしながら、これらの諸収差の観察用の光の波
長での発生の仕方は、露光光の波長での良好な収差補正
からの単純なズレとして、基本的な３次収差の領域で扱
えるということが解析の結果判明したので、前述の構成
の補助光学系３１を用いることにより、良好なる収差補
正を行い、鮮明なるアライメントマーク像観察が可能の
観察装置の達成を可能としている。

以上のような構成により、本実施例では投影レンズ系１
３を介してウェハ１２上の状態を良好に観察している。

このとき本実施例では補助光学系３１と３つのミラー１
８，１９．２３を用いている為、ウェハｌｌ上のアライ
メントマーク３７などのパターンを反転した状態で観察
することになるが、それは前述のオフセット同様、撮像
装置２８で光電変換した後信号処理で符号反転すること
により何ら問題なく観察することができる。

又、本実施例の補正レンズ部２２はウェハ１２上のパタ
ーンをレチクルｌｌ上に結像させる機能の他にウェハ１
２を所定の倍率でレチクル面上に投影させる調整機能を
有するようにしている。例えば、投影倍率５倍の投影光
学系を使用するときは正確に５倍となるようにし、これ
により（この場合、補正レンズ部２２自体の結像倍率は
一１倍）後の処理装置に対する負荷を少なくさせている
。補正レンズ部２２の機能を一１倍の結像作用をもつよ
うにしたが、逆に１倍の結像作用をもつようにすること
も可能である。

尚、本実施例では主に投影レンズ系１３によって発生し
た色による諸収差のうち瞳の収差、コマ収差、非点収差
そして球面収差を、補助光学系３１で補正し、ピント、
像面のずれは光路長を調整し、倍率、デイスト−ジョン
はオフセット処理により、全体的に補正している。これ
によりレチクルとウェハの双方の観察を良好にし、高精
度のアライメントを可能としている。

本実施例では従来のようにサジタル面内（方向）だけで
はなく、メリジオナル面内（方向）を含むあらゆる方向
にわたって光学系の収差を良好に補正しているのでウェ
ハ１２上の一点のアライメントマークの観察を行うこと
によりＸとＹ方向の２つの信号（ウェハ位置情報）を検
知することができる。２次元的なアライメントを行うに
は、少なくとももう一点の観察を行い。これによりθ方
向を合わせる必要が生ずる。これは第４図に示すような
１つの観察系のみを用いて行うことも可能であるが、第
５図に示すように第４図で示した観察系を２つ配置し、
一対の観察系（２４〜２９．３９．２４’〜２９′３９
′）で一対のアライメントマークを観察すれば、スルー
プットを保ちなからｘ、　ｙ、θ方向に関するレチクル
１１とウェハ１２の位置合せが可能になる。

また、レチクルアライメントマークとウエハアライメン
トマーク３７の観察は、レチクル１１とウェハ１２を同
時に観察しなくても可能である９３次に、その実施例を
示す。

第６図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に適
用した第２実施例を示す概略図であり、第嬉図で図示し
た部材ε同じ部材には同一符号を符している。本実施例
の特徴は、レチクル位置合せ用光学系Ｒとウェハ位置合
せ用光学系Ｗとを個別に設けた点である。

同図において、１４は折り曲げミラー、１は楔形透明部
材、２．３．４Ａ、　４Ｂは平行平面板で、部材１、２
．３．４Ａ、　４Ｂ、　　１４により補助光学系３１を
構威しでいる７、補助光学系３１の各部材の基本的な配
列状態は第４図で示したものと同じであり、ここでは説
明を省略する。

４０は対物１ノンズ、４１はビームスプリッタ−１４２
はリレー１ノンズ、４３はＣＣＤから成る撮像装置であ
り、撮像装置４３（の受光面）上にウエノＸ１２のアラ
イメントマーク３７が結像される。アラ・イメントマー
ク３７の像を形成して、アライメントマーク３７を観察
するための互いに異なる波長を有するいくつかの光より
成る照明光は、白色光源４６から照明用コンデンサｌ／
クズ４５、非感光光のみを透過せしめるフィルター４４
を通り、ビームスブリック−・４］、で補助光学系３１
へ向けられて、投影レンズ系１３を介してウェハ１２に
導かれる◇エバ１２のアライメントマークの位置を検山
するための基準となるマーク４８（以下、「基準マーク
４８」と記す）は、白色光源５０からの光で、基準マー
ク照明用コンデンザレンズ４９を介して照明される。基
準マーク４８からの光は対物レンズ４７を経てビームス
プリッタ−４１に入射し、ビームスプリッタ−４１でウ
ェハ１２からの反射光（多色の結像光束）の光路と合成
され、リレー１ノンズ４２により撮像装置４３へ向けら
ねて、基準マーク４８を撮像装置４３上に結像する、。

１ツクチル１１を露光装置本体にセツティングするため
のレクチルアライメント光学系Ｒの講成は以下の通りで
ある。ファイバー５１から非露光波長より成る照明光が
射出し、照明光はプリズム５２に入射して本体に固設し
であるレチクル基準マーク５３と１ノチクル１１のレチ
クルアライメントマー・りを照明する。これらのマーク
からの光はミラー５４で光路の方向を変えられ、対物レ
ンズ５５、リレーレンズ５６を介して撮像装置ｉｆｆ　
（ＣＣＤ）　５７に向りられ、撮像装置５７上に基準マ
ーク５３を１ノチクルアライメントマークが結像する。

尚、ファイバー５１へ光を供給するためには、１、ノチ
クルのパターンを投影露光するための超高圧水銀灯など
が放射する光の一部をファイバー５１へ導入すればいい
。

上記位置合せ光学系を用いて、まず、レクチル１１を露
光装置本体にセットする。レチクル１１と基準マーク５
３はファイバー５１からの光で照明され、撮像装置５７
上に両マークの像が形成されるし、そして、両マークの
像の位置関係によりレチクル１１の本体に刻する位置ず
れ遺を算出する。その結果をもとにレチクルステージ３
０を不図示の駆動装置で駆動し、１ノチクルアライメン
トマークと、レチクル基準マーク５３の位置合ぜを行う
。この位置合せを行うとレチクルの中心と投影ｌノンズ
系１３の光軸ＡＸが一致して、レチクル１１と露光装置
本体との位置合せが終了する。

次にウェハアライメントマーク３７に基準マーク４８の
位置合せについて述べる。

基準マーク４８は光源５０とレンズ４９による照明光で
照明され、光学系（４７，４１，４２）を介して撮像装
置４３上に結像する。ここでは、基準マーク４８及び光
学系（４７，４１，４，２）の経時的な位置変動がない
ように構威しである。

ウェハ１２上のウェハアライメントマーク３７は白色光
源４６と光学系（４５，４４，４１，３１，１３）によ
る多色の照明光で照明され、その像が補助光学系３１で
収差補正された状態で撮像装置４３上に形成される。多
色の照明光の波長域はフィルター４４によって決めるこ
とができる。従って、ウェハ１１のレジス］・の状態（
厚さ）によりフィルター４４を交換することにより照明
光の波長域を観察のために最適化すれば、ウェハ１１の
レジストによる干渉の影響を殆ど受けることなく常に鮮
明なウェハアライメントマーク像を得ることができる。

尚、この時、ウェハアライメントマーク照明用の多色照
明光の各波長を、レジストを感光させない波長にすれば
、ウェハアライメントマーク３７を観察するときに、不
要なパターンがウェハ１１のレジストに焼付けられない
ので、同じアライメントマークを各工程で使用すること
ができる。また、多層レジストのような露光光を殆ど吸
収してしまうようなものでも、アライメントマーク３７
の観察が可能となる。

さて、撮像装置４３上に結像した基準マーク４８とウェ
ハアライメントマーク３７の像は、撮像装置４３により
ビデオ信号に変換されて、撮像装置上の各々の像の位置
が信号処理によって求められる。そして、両者の位置関
係から基準マーク４８のウェハ１２上での仮想位置に対
するウェハ１２の位置が検出される。本実施例では、ウ
ェハ１２のウェハアライメントマーク観察位置と露光位
置とが異なっているので、既知のズレ量観察位置から露
光位置までの距離（ベースライン）に検出したウェハ１
２の位置ズレ量（ｘ、　ｙ両方向）を加算した分、ステ
ージ駆動装置４０１によりＸＹステージ３２を駆動して
レチクル１１に対してウェハ１２を位置合せし、パター
ンの投影露光を行えばいい。

本実施例でも、ウェハ上の異なる位置に設けた２つのウ
ェハアライメントマークと、レチクル上の異なる位置に
設けた２つのレチクルアライメントマークに対して、一
対のレチクル位置合せ用光学系Ｒと一対のウェハ位置合
せ用光学系Ｗを配置することにより、レチクル−ウェハ
間の位置合せにおける精度と処理速度の向上が図れる。

以上述べた実施例の投影レンズ系はウェハ１２側のみが
テレセントリックな系であり、またウェハ１２上のウェ
ハアライメントマーク観察用の光源も白色光源から成る
インコヒーレント光源であったが、本発明はレチクル及
びウェハ側の双方がテレセントリックな投影光学系を備
えた装置、ウェハアライメントマーク観察用にコヒーレ
ント光放射する光源を備えた装置にも実施できる。

第７図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に適
用した第３実施例を示す概略図であり、第６図で図示し
た部材と同じ部材には同一符号が符しである。但し、本
実施例の投影露光装置の縮小投影レンズ系１３は、レチ
クル１１及びウェハ１２側の双方がテレセントリックな
系であり、レンズ系６０゜６１により構成しである。又
、ＸＹステージ３４上にはステージ基準マーク６０が固
設してあり、ＸＹステージ３４を観察位置から露光位置
への移動させる時に用いるベースラインの値の経時的変
化を補正する際の基準となるものである。

１４は折り曲げミラー、１は楔形透明部材、２゜３．４
Ａ、４Ｂは平行平面板を示し、部材１．２．３゜４Ａ、
　４Ｂ、　　１４をくさび１５と平行平面板１６．　１
７は投影光学系のメリジオナル断面内に互いに配列する
ことにより補助光学系３１を構成している。

補助光学系３１の各部材の基本的な配列状態は第４図に
示したものと同じなので、ここでは説明を省略する。

４０は対物レンズ、４１はビームスプリッタ−１４２は
リレーレンズ、６２はビームスプリッタ−１６３はエレ
クタ−１６４はＣＣＤから成る撮像装置を示す。

ウェハ１２上のウェハアライメントマーク３７を観察す
るための照明光を供給する系は、次のように構成されて
いる。光源は各々互いに波長が異なるレーザー光を供給
する３本のレーザー７０．７１゜７２で構成しである。

各レーザー７０，７１．７２からのレーザー光は折り曲
げミラー６９、ビームスプリッタ−６７、６８により光
路を一致せしめられる。

６６は照明用コンデンサレンズ、６５は拡散板を示し、
拡散板６５が不図示の駆動機構により振動あるいは回転
させられて、光源がレーザーであるゆえにウェハ１２上
に発生するスペックルパターンを平均化し、ウェハ１２
を均一に照明する。拡散板６５を通過した多色レーザー
光はビームスプリッタ−４１、補助光学系３１．投影レ
ンズ系１３を介してウェハ１２に向けられる。

レーザー７０．７１．７２からのレーザー光を効率的に
使用するためには、互いの光路を重畳する際に用いるビ
ームスプリッタ−６７、６８にグイクロイックミラーや
偏光ビームスプリッタ−を用いる。

例えば、゛ビームスプリッタ−６７をグイクロイックミ
ラーで構成して、レーザー７０からの波長λ１のレーザ
ー光が透過し、レーザー７１からの波長λ２（≠λ、）
のレーザー光とレーザー７２からの波長λ３（≠λ２≠
λ、）のレーザー光とが反射するようにし、ビームスプ
リッタ−６８を偏光ビームスプリッタ−で構成して、レ
ーザー７１からのレーザー光がＳ偏光光としてビームス
プリッタ−６８へ向けられて、レーザー７２からのレー
ザー光がＰ偏光εしてビームスプリッタ−６８へ向けら
れるように！ノーサーフ１．７２、ミラー６９、ビーム
スプリッタ−６８を配する。

１２のウェハアライメントマーク３７の位置を検出する
ための基準となる基準マーク４８が、白色光源５０と照
明用コンデンサレンズ４９により照明され、基準マーク
４８からの光がビームスプリッタ−６２を介してエレク
タ−６３に入射して、エレクタ−６３により撮像装置６
４に向けられて、撮像装置６４上に基準マーク４８の像
が形成される。

一方、多色レーザー光で照明されたウェハ１２からの反
射光は、投影レンズ系１３と補助光学系３１を介して対
物レンズ４０に入射する。そして、補助光学系３１の作
用で、瞳の収差、コマ−非点収差が補正される。対物レ
ンズ４０からの光は、ビームスプリッタ−４１、リレー
レンズ４２、ビームスプリッタ−６２、エレクタ−６３
を介して撮像装置６４に向けられ、撮像装置６４上にウ
ェハアライメントマーク３７の像を形成する。

撮像装置６４上に形成した基準マーク４８の像とウェハ
アライメントマーク３７の像をビデオ信号に変換して、
両マークの位置関係を検出する動作は、前記実施例と同
様である。また、撮像装置６４上に基準マーク４８の像
とウェハアライメントマーク３７の像を形成する時、両
マーク４８．３７の像を同時に形成しても良いし、各マ
ーク４８．３７の像を順次形成しても良い。

レチクル１１を露光装置本体にセットするためのレチク
ルアライメント光学系Ｒ，，Ｒ２の構成は次の通りであ
る。ファイバー５１．５１’から射出した露光光とは異
なる波長を有する各照明光はプリズム５２．５２’でレ
チクルｌｌ側に反射せしめられ、レチクル基準マーク５
３．５３’とレチクルアライメントマークを照明する。

レチクル基準マーク５３と対応するレチクルアライメン
トマーク、レチクル基準マーク５３′と対応するレチク
ルアライメントマークからの光は折り曲げミラー５４．
５４’　、対物レンズ５５．５５’　、ビームスプリッ
タ−７４，７４’リレーレンズ５６．５６’を介してＣ
ＣＤより戊る撮像装置５７．５７’に向けられる。そし
て、撮像装置５７、５７’上に各々レチクル基準マーク
５３と一方のレチクルアライメントマークの像、レチク
ル基準マーク５３′と他方のレチクルアライメントマー
クの像が形成される。これらの像を用いてレチクル１１
の位置合せを行う動作は前記実施例と同じである。また
、本実施例では、対物レンズ５５．５５’の焦点位置に
レチクル１１のパターン形成面が位置し、リレーレンズ
５６．５６’の焦点位置に撮像装置５７、　５７’の受
光面が位置するようにしている。

従って、対物レンズ５５．５５’とリレーレンズ５６゜
５６′の間では、レチクルアライメントマーク及び基準
マークの像を形成する結像光束が平行光束となる。そし
て、ミラー５４．５４’と対物レンズ５５゜５５′が破
線で示すように一体となり動くように光学系Ｒ１，Ｒ２
を構成し、別途照明源７７、７７’シヤツター７６．７
６’、フィルター７５．７５’を設けている。

この時、部材５４　（５４’　）、　５５　（５５’　
）、　７４（７４’　）。

７５　（７５’　）、　　７６　（７６’　）、　　７
７　（７７’　）より成る照明系と部材５４　（５４’
　）、　５５　（５５’　）、　７４　（７４’　）。

５６　（５６’　）、　５７　（５７’　）より成る結
像系とで、ＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　　Ｔｈｅ　　Ｌｅ
ｎｓ）のウェハアライメントマーク観察系を構成するこ
とになる。即ち、光源７７、７７’から露光光と同じ波
長の光を含む光束を供給するようにし、対物レンズ５５
．５５’と折り曲げミラー５４．５４’をレチクル１２
の所定箇所であってウェハアライメントマーク３７を可
観察な位置へ移動させることにより、投影レンズ系１３
とレチクル１１を介してウェハアライメントマーク３７
の観察が行える。もちろん、レチクルアライメントマー
クも同時に観察できるよう、この所定箇所に他のレチク
ルアライメントマークを設けていてもよい。

尚、フィルター７５．７５’は光源７７、７７’から露
光光と同一波長の光のみを取り出すためのものであり、
光源７７、７７’がレーザー等であって、露光光と同じ
波長のレーザー光又は露光光の波長に非常に近い波長の
レーザー光を放射するものである時には、フィルター７
５．　７５’　の代りに可動拡散板を設けて、レーザー
光によるウェハ照明時のスペックルの平均化を行うと良
い。

第７図には図示しなかったが、本実施例の如く互いに発
振波長が異なる複数個のレーザー７０〜７２を観察用光
源として用いる場合、各レーザー７０〜７２の光射出口
の直後に光軸を回転軸として回転可能な偏光板や濃度が
可変のＮＤフィルターを設け、各レーザー７０〜７２が
供給するレーザー光の強度を変調できるようにすると便
利である。このように構成すれば、各レーザー７０〜７
２自身の発光強度が揃うようにレーザーを選ばなくても
各レーザー光の強度をほぼ一様にすることができるし、
所定の波長のレーザー光の強度を他の波長のレーザー光
の強度より弱めてやるなどして、ウェハアライメントマ
ーク３７の観察条件を変更することができる。

以上説明した各実施例では、補助光学系３１が楔形透明
部材１１平行平面板２，３、平行平面板４Ａ。

４Ｂを有するものであったが、本発明では少なくとも楔
形透明部材ｌを備えることにより各波長の結像光束の主
光線を互いに平行にして、観察性能を向上させるから、
他の部材２．３．４Ａ、　４Ｂは必ずしも必要ではない
。

第８図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に適
用した第４実施例を示す概略図であり、第６図に示した
第２実施例の変形例である。

本実施例と第２実施例との相違点は補助光学系３１の構
成のみであり、他の構成は全く同一である。

従って、第８図において第６図と同一の部材には第６図
と同じ符号が用いられている。

第２実施例では、補助光学系３１が楔形透明部材１、平
行平面板２．３．４Ａ、　４Ｂを備えていたが、本実施
例の補助光学系３１は楔形透明部材１と平行平面板４Ａ
、４Ｂのみを備え、平行平面板２．３は備えていない。

本実施例では、フィルター４４により互いに波長が異な
るものの比較的その差が小さい波長λ８．λ２を有する
光束を抽出しており、楔形透明部材１によって、投影レ
ンズ系１３からの互いに波長が異なる結像光束の主光線
を互いに平行にする際、馬主光線の光路がほぼ一致する
ように補助光学系３１が構成しである。従って、第２実
施例において、互いに波長が異なる結像光束の主光線を
一致させるために用いた平行平面板２と平行平面板２で
主として生じるコマ収差を補正するために用いた平行平
面板３が排除できて、補助光学系３１の構成が簡便にな
った。

本実施例において、補助光学系３１の収差補正機能を向
上させるためには、楔形透明部材１を一方が高分散の楔
形部材と他方が低分散の楔形部材とを貼り合せて成る色
消し部材とすれば良い。

以上、第４図乃至第８図に示した実施例では、補助光学
系３１と投影レンズ系１３が互いに波長が異なる複数の
光でウェハ１２を照明する時に用いられていたが、これ
らの系を介さずウェハ１２を照明することもできる。例
えば、投影レンズ系１３とＸＹステージ３４の間の空間
から所定の入射角でレーザー光をウェハ１２上に向けて
、ウェハ１２上のアライメントマーク３７を照明できる
。この時、投影レンズ系１３、補助光学系３１を介して
撮像装置上に形成されるマーク像は、主としてウェハア
ライメントマーク３７のエツジで生じた回折光によるも
のである。

又、前記実施例の如く、互いに異なる波長を有する光で
ウェハアライメントマークの像を撮像装置上に形成する
時に各光による像を同時に形成する以外に、各波長によ
る光で順次ウェハアライメントマーク像を撮像装置上に
形成することもできる。このような像形成方法を例えば
第７図に示した装置で行う場合、各々単色の光を放射す
るレーザー７０、７１．　’７２を順次発振させて、撮
像装置６４上に互いに色（波長）が異なる３色のウェハ
アライメントマーク像を順次形成し、３色の像の各ビデ
オ信号の取り込み及び各ビデオ信号毎のウェハ１２の位
置ズレ量（位置データ）の検出を行う。そして、これら
の３稲類のビデオ信号から得た複数個の位置データに基
づいて（例えば各データの平均値を求めて）ウェハの位
置情報（位置ズレ量）を求める。また、ウェハの位置情
報を求める際に必ず全ての色の像に基づいた位置データ
を用いる必要はなく、他の位置データと大きく値が異な
る異常値をもつデータを判別して、この異常値データは
ウェハの位置情報を求めるための処理に使用しないよう
にし、残りのデータだけを使用して位置情報を求めると
良い。

本発明を適用する機器として、ここまでは半導体製造用
の投影露光装置を例示してきたが、この種の投影装置に
限らず様々な投影装置に、本発明は適用可能である。ま
た、半導体製造用投影露光装置に適用する場合であって
も、前記各実施例で示された様に、ウェハアライメント
マークを観察して、ウェハの投影レンズ系の光軸と直交
する平面内に関する位置情報を得る以外に、ウェハ上に
形成した所定のマークを観察し、ウェハの投影レンズ系
の光軸方向に関する位置情報を得るようにすることもで
きる。この時には、マーク像のコントラストを検出する
。

〔発明の効果〕

以上、本発明では、ウェハなどの物体を互いに波長が異
なる複数の光（多色光）で照明し、投影光学系を介して
観察する時、投影光学系からの互いに波長が異なる複数
の結像光束の主光線を互いに平行にするようにしても投
影光学系の瞳の色収差を補正するので、ウェハなどの物
体の投影光学系の光軸方向の変位によらず安定した観察
が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を示す説明図。第２図は楔形透明部材の作用を示す説明図。第３図（Ａ）、（Ｂ）はメリジオナル面内方向に関して
傾けた一対の平行平板の作用を示す説明図。第４図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第１実施例を示す概略図。第５図は第４図に示す装置の変形例を示す部分的概略図
。第６図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第２実施例を示す概略図。第７図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第３実施例を示す概略図。第８図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第４実施例を示す概略図。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１物体のパターンを第２物体上に投影する投影
光学系を介して前記第２物体を観察する方法であって、
前記第２物体を互いに波長が異なる複数の光で照明する
段階と、前記投影光学系からの前記第２物体に関する互
いに波長が異なる複数の結像光束の主光線が互いに平行
になるよう補正する段階と、該補正段階後、前記複数の
結像光束により形成した前記第２物体の像を観察する段
階とを有する観察方法。
（２）第１物体のパターンを第２物体上に投影する投影
光学系を介して前記第２物体を観察する装置であって、
前記第２物体を互いに波長が異なる複数の光で照明する
照明手段と、前記投影光学系からの前記第２物体に関す
る互いに波長が異なる複数の結像光束を受けて前記第２
物体の像を形成する像形成光学系とを備え、該像形成光
学系が前記複数の結像光束の主光線を互いに平行にする
補正手段を有する観察装置。
（３）前記補正手段が楔形の透光性部材より成る特許請
求の範囲第（２）項記載の観察装置。
（４）前記照明手段が、前記第１物体のパターンを投影
する時に使用する光の波長とは異なる波長を有する前記
波長が異なる複数の光で前記第２物体を照明する特許請
求の範囲第（３）項記載の観察装置。
（５）前記像形成光学系が、前記楔形透光性部材からの
前記複数の結像光束を受けて、前記複数の結像光束の主
光線を互いにほぼ一致せしめるよう前記投影光学系のメ
リジオナル面内で光軸に対して傾けた第１平行平板と該
第１平行平板で発生するコマ収差を補正するよう前記メ
リジオナル面内で光軸に対して傾けた第２平行平板とを
有する特許請求の範囲第（３）項記載の観察装置。
（６）前記像形成光学系が、前記投影光学系と前記楔形
透光性部材と前記第１と第２平行平板より成る系で発生
する非点収差を補正するよう前記投影光学系のサジタル
面内で光軸に対し互いに逆方向に同じ角度で傾いた一対
の平行平板を有する観察装置。