JPH0430735B2

JPH0430735B2 -

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Publication number: JPH0430735B2
Application number: JP58133691A
Authority: JP
Priority date: 1983-07-22
Filing date: 1983-07-22
Publication date: 1992-05-22
Also published as: JPS6026343A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は、結像光学系の光学的な特性を測定可
能な露光装置に関し、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おい
て、投影光学系の特性、例えば像面の傾きや彎曲
等を測定可能にした投影露光装置に関する。

（発明の背景）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、投影歪み、像面の彎曲や傾き及び(2)投影
像とウエハの相対的な位置ずれである。上記(1)の
原因の歪は投影光学系の持つ歪曲収差である。一
方、倍率誤差については投影光学系のレチクル側
光束がテレセントリツクでない場合は、レチクル
と投影光学系の主点（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が変化しなければ(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。これに対して、(2)の原因によ
る誤差はランダム誤差の要因を多く含み、アライ
メント（位置合わせ）を行なう毎に重ね合わせ誤
差がばらつく主原因となるものである。

さて、システマテイツクな誤差である(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の誤差のうち、像面
の彎曲や傾き測定は、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と投影レンズの
間隔を少しずつ変えながら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
の解像状態や座標を測定し、解像度や投影歪を求
めること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
走査型電子顕微鏡等を用いなければならないとい
う欠点があつた。また、近年ステージ上にスリツ
ト付の光電検出器を設け、投影されたパターンの
像のエツジ部を走査して、光電信号の立上りを調
べることによつて、最もコントラストの良い像が
得られる光軸方向の位置を検出して、投影光学系
の結像面を見出す方法が、本願出願人による先の
出願、特願昭57−204856号に開示されている。し
かしながら、ここに開示された方法では、必らず
しも高精度に結像面を検出し得るとは言えなかつ
た。すなわち、光電検出器のスリツト幅を、投影
光学系によつて解像可能な最小線幅と略等しくす
れば、パターン像のコントラストを高精度に検出
できるはずであるが、スリツト幅が小さくなるこ
とによつて、光電信号のＳ／Ｎ比が低下し、むし
ろ高精度な検出が不能となる欠点があつた。

（発明の目的）本発明は、これらの欠点を解決し、結像面の位
置、あるいは像面彎曲や傾き等の検出を容易にか
つ精密に行ない得る投影露光装置を得ることを目
的とする。

（発明の概要）本発明では、マスク（レチクル５）上の所定位
置に、複数の微小線要素を一定ピツチ、もしくは
ランダムピツチで配列したマークパターンM₁₁〜
M₃₃が形成され、可動ステージ７上の一部には、
マークパターンM₁₁〜M₁₃の投影光学系６による
像Lx₁〜Lx₃，Ly₁〜Ly₃のピツチと対応したピツ
チで配列された複数のスリツト状受光部８ａ〜８
ｄを有する光電検出手段８，９が設けられる。さ
らに、本発明では、マスクのマークパターン像
Lx₁〜Lx₃，Ly₁〜Ly₃の光電検出手段のスリツト
状受光部８ａ〜８ｄとがピツチ方向に相対走査さ
れるようにマスク保持手段（レチクルホルダ１
５）、もしくは可動ステージ７を駆動制御する第
１駆動手段Ｘ−ACT３５，Ｙ−ACT３６と、光
電検出手段８，９のスリツト状受光部８ａ〜８ｄ
を投影光学系６の光軸方向に移動させるように可
動ステージ７の一部を駆動制御する第２駆動手段
Ｚ−ACT３８と、第１駆動手段３５，３６の動
作によつて交流波形にされ、第２駆動手段３８の
動作によつて、その交流波形の変調度a_oが変化す
る光電信号Ｓを光電検出手段８，９から発生させ
（ステツプ204〜209）、その光電信号の変調度a_oと
可動ステージ７の一部によつて上下動される光電
検出手段８，９の光軸方向の位置Z₁，Z₂…とに基
づいて、投影光学系の結像面の光軸方向の位置を
検出する位置検出手段３０，１０４，１０５、ス
テツプ210）とを設けるようにした。

（実施例）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〜M₁₃が描かれている。ここでは模
式的に３つのマークのみを示す。このレチクル５
のマークM₁₁〜M₁₃を透過した光束l₁は、光学的
な特性を測定すべき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の主片面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
微小なスリツト開口を有するスリツト板８上に結
像される。さらにスリツト板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。このスリツト板８と光電検出器９とに
よつて光電検出手段を構成する。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１０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、
スリツト板８のスリツト開口面は、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
スリツト板８と光電検出器９とはウエハホルダ１
１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（あるいはスリツト板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。尚、
投影レンズ６は、ステージ７のベースと一体に形
成された保持手段１６によつて固定される。

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はガラス等の透明基板の
下面（投影レンズ６と対向する面）全面面に遮光
部としてクロム層、又は低反射クロム層を形成し
た後、マークＭとなる部分のクロム層をはがして
光透過性としたものである。第２図のように、レ
チクル５の中心Ｏを原点とする直交座標系XYを
定めたとき、この座標系XYに従つて、９つのマ
ークM₁₁〜M₃₃が３×３の正方のマトリツクス状
に設けられている。マークM₁₁〜M₃₃は各々、Ｘ
方向とＹ方向に延びた３本の微小スリツトの集合
体からなる。

例えばマークM₁₁は、Ｙ方向に延びた３本の微
小スリツトがＸ方向に配列したマークM_11aと、
Ｘ方向に延びた３本の微小スリツトがＹ方向に配
列したマークM_11bとから成る。他の８つのマー
クM₁₂，M₁₃，M₂₁，M₂₂，M₂₃，M₃₁，M₃₂，
M₃₃についても全く同様である。尚、第２図にも
示すようにマークM_22a，M_32aの中央の微小スリ
ツトは座標系XYのＹ軸上にあり、マークM_21b，
M_22b，M_23bの中央の微小スリツトはＸ軸上にあ
る。そして、これら９つのマークM₁₁〜M₃₃の位
置は予め精密な位置測定器によつて、0.1μmの分
解能で正確に測定されている。

尚、９つのマークM₁₁〜M₃₃は以下、一般的に
はマークMij（ただし、ｉ，ｊは１〜３）と呼ぶ
ことにする。

一方、第３図はスリツト板８の平面図を示し、
第４図は第３図のＡ−Ａ矢視断面図を示す。スリ
ツト板８はガラス板２０の上面全体に遮光部とし
てのクロム層２１を厚さ0.1μm程度に蒸着した
後、スリツト開口となる部分をエツチング等によ
りはがして光透過性にしたものである。スリツト
板８には第３図のようにｙ方向に延びた３本の微
小スリツト開口８ａと、ｘ方向に延びた３本の微
小スリツト開口８ｂとが形成される。これらスリ
ツト開口８ａ，８ｂの各スリツト幅は投影レンズ
６によつて解像可能な最小線幅とほぼ等しく、例
えば1μmに定められている。

尚、スリツト板８のｘ方向、ｙ方向はステージ
７の移動座標系と同一に定められているものとす
る。そして、スリツト開口８ａはマークMijaの
投影像を検出するものであり、スリツト開口８ｂ
はマークMijbの投影像を検出するものである。
このスリツト板８のガラス板２０の下側に、第１
図で示した光電検出器９の受光面が位置する。

次に、第１図で示した装置を制御するための制
御系を、第５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を設ける。

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。これら、Ｘ−ACT３５、
Ｙ−ACT３６によつて第１駆動手段を構成する。
また、ステージ７上のウエハホルダ１１に微小回
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、スリツト板８とを上下動させるため、
第２駆動手段としての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１
０の表面（又はスリツト板８のスリツト開口面）
と投影レンズ６の焦点位置のずれ情報を、IF３
１を介してCPU３０に出力する。

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。

さて、第６図はIF３１に含まれる結像面の位
置検出用の回路の一例を示す回路ブロツク図であ
る。第６図において、第５図と同一のものには同
一の符号をつけてある。

レーザ干渉計１３から、ステージ７のｘ方向の
単位移動量毎に発生するアツプ・ダウンパルス
SP（以下単にパルスSPとする）はｘ方向の位置
計測用のカウンタ１００に入力して、計数され
る。尚、不図示ではあるがレーザ干渉計３４から
も同様のパルスが発生し、そのパルスは同様にカ
ウンタによつて計数される。

さて、カウンタ１００の計数値はステージ７の
ｘ方向の位置情報DxとしてCPU３０に読み込ま
れる。

一方、光電検出器９の光電信号はアンプ１０１
によつて増幅された後、その信号Ｓはサンプル・
ホールド回路１０２（以下、Ｓ／Ｈ１０２とす
る）に入力する。Ｓ／Ｈ１０２は、レーザ干渉計
１３のパルスSPに応答して、信号Ｓをサンプリ
ングするもので、サンプリングされた信号Ｓは、
パルスSPの発生タイミングと同期してデジタル
変換するアナログ−デジタル変換器１０３（以
下、ADC１０３とする）に入力する。ADC１０
３は信号Ｓのサンプリングされたデジタル値を情
報DfとしてCPU３０に出力する。

さらに、センサー１０４は、Ｚ−ACT３８の
駆動量を検出することによつて、スリツト板８と
ウエハホルダ１１の上下動の位置、すなわちxy
平面と垂直なＺ方向の位置を検出し、その検出値
はアナログ−デジタル変換器１０５（以下、
ADC１０５とする）に入力する。ADC１０５は
デジタル変換されたスリツト板８、ウエハホルダ
１１のＺ方向の位置を情報DzとしてCPU３０に
出力する。

また、CPU３０には、各種情報や演算値等が
記憶されるメモリ回路１０６（以下、RAM１０
６とする）が接続されている。

尚、上記センサー１０４、ADC１０５、及び
CPU３０によつて、投影光学系の像面の位置検
出手段の一部、すなわち光軸方向のウエハホルダ
１１の位置情報を作成する部分を構成する。

次に、上記露光装置を用いた投影レンズ６の光
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XY
の原点Ｏを通るように位置合わせする。さらに座
標系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。

その後、CPU３０は第７図に示したフローチ
ヤート図に従つて測定を開始する。

ステツプ200 まず、CPU３０はレーザ干渉計１３，１４か
らの位置情報を読み取つて、Ｘ−ACT３５，Ｙ
−ACT３６の駆動により、ステージ７を移動さ
せる。そして、スリツト板８がギヤツプセンサー
１２の直下にくるように位置決めする。その後、
ギヤツプセンサー１２とAFD３９によつて、ス
リツト板８の表面の高さ（Ｚ位置）を検出し、
CPU３０は投影レンズ６の結像面とスリツト板
８表面が一致するように、Ｚ−ACT３８を駆動
する。以上によつて、スリツト板８は投影レンズ
６の結像面に焦点合わせされる。そして、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、マークMijの像を投影
する。

ステツプ201 次に、ステージ７を移動させて、マークMijの
投影像Mij′をスリツト板８上に位置決めする。こ
のとき、投影像Mij′とスリツト板８の位置関係
は、第８図のように定められる。

第８図ではレチクル５の中央のマークM₂₂の投
影像M_22a′，M_22b′と、スリツト開口８ａ，８ｂ
の位置関係が示されている。

ここで、スリツト開口８ａ，８ｂ、投影像
Mij′の大きさ及び形状について詳述する。

スリツト開口８ａは３つの同じ形状をした幅ｗ
のスリツト開口８ａ，８a₂，８a₃が周期ｄは規則
的に配置されたものから構成されている。スリツ
ト開口８ｂも同様に幅ｗの３本のスリツト開口８
b₁，８b₂，８b₃が周期ｄで規則的に配置されたも
のから構成されている。

また投影像M_22a′がほぼｗのスリツト状の像
Lx₁，Lx₂，Lx₃が周期ｄで並んだ形状をしてお
り、投影像M_22b′も同様に幅がほぼｗのスリツト
状の像Ly₁，Ly₂，Ly₃が周期ｄで並んだ形状をし
ている。

スリツトの幅ｗは投影レンズ６の解像限界の線
幅値と等しくとり、例えば1μmとし、周期ｄはｗ
の２倍とする。ここでｄは必ずしもｗの２倍であ
る必要はないが、（ｄ−ｗ）が解像限界の線幅値
に近い方が投影レンズ６の結像面の測定、すなわ
ち焦点検出の感度が上がるので望ましい。またス
リツト開口８ａ，８ｂのスリツトの数はそれぞれ
必ずしも３本である必要はなく、多い方が光信号
の増大によりＳ／Ｎ比が向上し、測定精度が上が
るので望ましいが、ここでは説明を簡単にする為
に３本としている。また、スリツト開口８a₁，８
a₂，８a₃は同一の幅である必要はないが、像
Lx₁，とスリツト開口８a₁、像Lx₂とスリツト開
口８a₂、像Lx₃とスリツト開口８a₃の幅をそれぞ
れ同程度にしておく必要がある。

次に、第８図に示した位置から、ステージ７を
ｘ方向に移動させて、像Lx₁，Lx₂，Lx₃をスリ
ツト開口８a₁，８a₂，８a₃によつて走査した時
に、光電検出器９によつて得られる信号について
説明する。第９図ａ，ｂは像Lx₁，Lx₂，Lx₃の
ｘ方向の光強度分布Ｉを示すものであり、第９図
ａは焦点の合つた状態における強度分布、第９図
ｂは焦点のずれた状態における強度分布を示した
ものである。焦点が合つた状態では、像Lx₁，
Lx₂，Lx₃の各強度分布はIx₁，Ix₂，Ix₃のように、
立上り部、立下り部がシヤープであり、ｘ方向に
ついても分布Ix₁，Ix₂，Ix₃のボトム部（極小値）
はきれいに分離している。

一方、像Lx₁，Lx₂，Lx₃は投影レンズ６の解
像限界の幅に定められているから、少しでも焦点
ずれが起ると、第９図ｂのように、分布Ix₁，
Ix₂，Ix₃の立上り部、立下り部はなだらかにな
り、ボトム部は分離せず連続してしまう。尚、こ
れら分布Ix₁，Ix₂，Ix₃のピーク位置x₁，x₂，x₃
が、各々像Lx₁，Lx₂，Lx₃のｘ方向の投影位置
を表わすことは明らかである。

さて、このような光強度分布の投影像M_22a′
を、スリツト開口８ａでｘ方向に走査する。する
と、光電検出器９の信号Ｓは第１０図に示すよう
に５つのピークP₁〜P₅が現われる。第１０図、
実線で示す信号Saは焦点が合つた状態であり、
破線で示す信号Sbは焦点がずれた状態を表わす。
この信号Ｓ中で、ピークP₁はスリツト開口８a₃と
像Lx₁のみが重なつて生じたものであり、ピーク
P₂はスリツト開口８a₃と像Lx₂が重なり、スリツ
ト開口８a₂と像Lx₁が重なつて生じたものであ
り、ピークP₃はスリツト開口８a₁〜８a₃が各々像
Lx₁〜Lx₂と重なつて生じたものである。

さて、第７図の説明に戻り、ステージ７を第８
図の位置からｘ方向に走査するとき、CPU３０
は位置情報Dxを読み取つて第８図のステージ７
の走査開始位置を記憶する。そして、走査と共に
発生するパルスSPに応答してサンプリングされ
た信号Ｓの情報Dfを順次CPU３０を介して（又
は介さずに）、RAM１０６に番地毎に記憶して
いく。尚、このときパルスSPはCPU３０を介し
てRAM１０６の番地の更新やアクセスに使われ
る。

ステツプ202 次に、CPU３０はRAM１０６に記憶された情
報Dfを調べて、ピークP₁〜P₅のうち、最大とな
るピークP₃の位置x₀を求める。これは、ステー
ジ７の走査開始位置がわかつているため、その開
始位置からピークP₃が現われるまでのサンプル
数（パルスSPのパルス数）を求めることにより
簡単に計算できる。

ステツプ203 さて、最大となるピークP₃の位置x₀が求まる
と、ステージ７を再び走査開始位置にセツトした
のち、Ｚ−ACT３８によつてスリツト板８をＺ
方向の下方（投影レンズ６から離れる方向）に移
動させる。尚、その下方への位置ずれ量は、投影
レンズ６の焦点深度（例えば5μm）内に入いるよ
うに定められている。

ステツプ204 以下のステツプから、実際に投影レンズ６の結
像面の位置を精密に測定する動作が開始する。こ
のステツプ204ではスリツト板８をＺ方向にΔZ
（焦点深度量を何分の１かにした値で、例えば
0.5μm）だけ上昇させることをｍ回繰返したか否
かを判断する。焦点深度を5μm、ΔZを0.5μmと
すればｍ＝10である。

ステツプ205 次に、スリツト板８のＺ方向の位置を記憶す
る。これはCPU３０がADC１０５の情報Dzを記
憶することによつて行なわれる。

ステツプ206 次にステージ７を走査して、ステツプ201と同
様に、サンプリングされた情報Dfを順次RAM１
０６に記憶する。

ステツプ207 次に、CPU３０は記憶された情報Dfに基づい
て、信号Ｓ中の中央のピーク波形P₃の変調成分
anの大きさを求める。例えば、第１０図に示す
信号Sbのようなピーク波形P₃の最大値と、ピー
ク波形P₃の両脇のボトムの極小値との差a₁を求
め、記憶する。

ステツプ208 そして、Ｘ−ACT３５を駆動して、再びステ
ージ７を走査開始位置にリセツトする。

ステツプ209 次に、Ｚ−ACT３８によつてスリツト板８を
ΔZだけ上昇させる。その後、再びステツプ204か
ら繰返される。これによつて、スリツト板８が
ΔZだけ上昇する毎に、変調成分anが求められ、
ステツプ204でｍ回が終了すると、次のステツプ
210に進む。

ステツプ210 さて、こうして求められた変調成分anとスリ
ツト板８のＺ方向の位置との関係は第１１図のよ
うになる。従つてCPU３０は変調成分anが最大
となる位置Z₅を検出して、その位置Z₅に応じた情
報Dzを記憶する。

ステツプ211 さて、以上の各ステツプにより、マークM₂₂の
投影像M_22a′の焦点位置が測定されたことにな
る。次に、その他のマークMijaについても全く
同様に測定が行なわれる。もし、全マークについ
て測定が完了していれば、測定動作は終了する
が、まだ測定していないマークがあれば次のステ
ツプ212に進む。

ステツプ212 ここでは、まだ測定していないマークの投影像
に対して、スリツト開口８ａ，８ｂが第８図のよ
うに位置決めされるようにステージ７を移動す
る。そしてその後、ステツプ201から繰返し同様
の測定が行なわれる。

以上のようにして、投影レンズ６の結像面の複
数の局所的なＺ方向の位置が測定されたことにな
る。また、以上の動作はマークMijaについて行
つたが、引き続き、マークMijbの投影像Mijb′を
スリツト開口８ｂで走査するようにステージ７を
ｙ方向に移動し、投影像Mijb′の像面の位置を測
定しておく。

マークMijの投影像Mija′，Mijb′のＺ方向の位
置をZija，Zijbとすると、位置Zija，Zijbに基づ
いて、投影レンズ６の投影面の状態、すなわち結
像面の傾き、及び彎曲を求めることができる。も
ちろん、投影像Mija′，Mijb′の位置は、光電検出
器９からの信号Ｓが最大となるステージ７の位置
（例えば第１０図のような位置x₀）から求められ
るから、投影レンズ６の投影領域中における投影
像Mij′の座標値に基づいて、結像面の傾き、彎曲
等のマツプが作成可能である。

また、位置情報Zija，Zijbに基づいて、非点収
差に関する情報も抽出できるが、非点収差につい
て測定する場合は、第１２図のようにレチクル５
の中心Ｏ以外に位置するマークMijのスリツトの
伸びる方向を、中心Ｏから放射方向にしたもの
と、これと垂直な方向にしたものとの２方向のマ
ークにした方が良い。

第１２図では、マークM₁₁，M₁₃，M₃₁，M₃₃
の各スリツトが、レチクル５の座標系XYの各軸
XYに対して45゜又は135゜傾いて設けられている。

従つて、このようなレチクル５を用いる場合
は、スリツト板８を第１３図のようにスリツト開
口８ａ，８ｂの他に、座標系xyに対して、45゜又
は135゜だけスリツトの方向が傾いたスリツト開口
８ｃ，８ｄを設けるようにする。そして、第１２
図中のマークM₁₁，M₁₃，M₃₁，M₃₃の投影像を
測定するとき、スリツト開口８ｃ，８ｄを走査す
ることによつて、前述の実施例と同様の測定がで
きる。

尚、上記本発明の実施例においては、ステージ
７の位置測定をレーザ干渉計１３，３４を用いて
行なつたが、これはレチクル５のマークMijの投
影位置を正確に検出するためである。従つて、単
に投影レンズ６の像面のＺ方向の位置だけを検出
する場合には、必ずしもレーザ干渉計のような位
置測定器は必要としない。

また、マークMija，Mijbのスリツト数と、ス
リツト板８のスリツト開口８ａ，８ｂの各スリツ
ト数とを一致させたが必ずしもその必要はなく、
光電信号がＳ／Ｎ比よく取り出し得るなら、投影
像側のスリツトと、スリツト板８側のスリツトに
関して、どのような本数で組み合わせてもよいこ
とは言うまでもない。

さらに、マークMijの各スリツトや、スリツト
板８のスリツト開口８ａ，８ｂは一定ピツチで設
けたが、ランダムなピツチで設けてもよい。すな
わちマークMijの投影像Mij′とスリツト開口８ａ
又は８ｂが正確に位置合わせされたとき、投影像
Mij′の各スリツト像とスリツト開口８ａ，８ｂの
各スリツトとが１対１に重なり合い、わずかでも
位置合わせがずれてくると、互いに重なり合うス
リツトの本数が急激に減少するようなランダムな
ピツチとしてもよい。

さて、スリツト板８は実際にはスリツト開口８
ａ，８ｂの他に、ステージ７の基準位置の設定
や、アライメント光学系の較正のためのマークを
備えている。第１４図はそのスリツト板８の平面
図である。第１４図において、ステージ７の移動
座標系と一致するように定めた座標系xyのｙ軸
及びｘ軸の各々と平行に延びたスリツト開口８
ａ，８ｂは前述の実施例と同様に設けられてい
る。さらに、ｙ軸及びｘ軸方向に延びた単一のス
リツト８ｅ，８ｆと、ｙ軸方向に微小な矩形を規
則的に配列した格子パターン８ｇと、ｘ軸方向に
微小な矩形を規則的に配列した格子パターン８ｈ
とが設けられている。また、マーク８ｉはスリツ
ト開口８ａ，スリツト８ｅ，格子パターン８ｇの
ｙ方向の中心を示すもので、マーク８ｊはスリツ
ト開口８ｂ、スリツト８ｆ、格子パターン８ｈの
ｘ方向の中心を示すものである。

以上、スリツト開口８ａ，８ｂ、スリツト８
ｅ，８ｆ、格子パターン８ｇ，８ｈ及びマーク８
ｉ，８ｊは、ともにスリツト板８の表面のクロム
層をエツチング等によりはがすことによつて、光
透過性になつている。

ここで上記スリツト板８の使い方を説明する。
スリツト開口８ａ，８ｂについては前述の実施例
で説明した通り、投影レンズ６の像面の高さ位置
を測定するものである。またスリツト８ｅ，８ｆ
はレチクル５のアライメント光学系や、レチクル
５のマークとウエハ１０上のマークとの重ね合わ
せ状態を投影レンズ６を介して直接観察する、い
わゆるTTL方式のアライメント光学系（以下、
ステツプモーター光学系と呼ぶ）を較正したり、
各光学系の投影光路中への挿脱時の位置決め等の
ために使われる。このスリツト８ｅ，８ｆはレチ
クルのアライメント光学系やステツプモニター光
学系を介して、テレビカメラ等により撮像され、
その映像信号に基づいて自動位置検出が行なわれ
る。そのため、スリツト８ｅ，８ｆはテレビカメ
ラの画像分解能を考慮して、撮像状態に適した幅
と長さに定められている。

また、格子パターン８ｇ，８ｈは、ウエハ１０
上に設けられたウエハ・アライメント用のマーク
と同じになるよう定められたものである。一般に
ウエハ表面は製造工程が進むにつれて、回路パタ
ーンによる凹凸が形成されるから、これら回路パ
ターンとは異なる形状のマークを設けるようにす
るのが、アライメントのために好都合である。す
なわち、第１図に示した露光装置において、投影
レンズ６の光軸と平行な光軸を有する複数のウエ
ハ・アライメント顕微鏡が設けられ、この顕微鏡
によつてウエハをアライメントする、いわゆるオ
フ・アクシス方式のウエハ・アライメントを行な
つた場合、複数のウエハ・アライメント顕微鏡の
光軸間の距離や位置を測定して較正する際、格子
パターン８ｇ，８ｈからの回折光を検出するよう
にすればよい。

従つて、第１４図に示したスリツト板８は、像
面の高さ位置検出に使われるとともに、露光装置
のアライメント光学系の基準を設定するための基
準マーク、あるいはステージ７の基準位置を定め
るマークとしても使われるものである。

さて、スリツト開口８ａ，８ｈによつて、結像
面の傾きは正確に求められるから、ステツプアン
ドリピートによるパターンの露光毎に、ウエハ上
の転写領域の傾きを補正するような機構、いわゆ
るレベリング機構を組み込んだ露光装置において
は、単にステージの移動平面に対してウエハ面を
平行にレベリングするだけでなく、像面とウエハ
面とが一致するようにレベリングすることが可能
となる。このため、１つの転写領域中の全面で、
常に焦点の合つた回路パターンが露光され、特に
焦点深度が小さい高解像力の投影レンズを備えた
露光装置においては、半導体素子製造の歩留りが
著しく向上するという利点がある。

また、像面の位置がスリツト板８と一致したと
き、ギヤツプセンサー１２によつて検出されるス
リツト板８の高さ位置の情報が、焦点の合つたこ
とを表わすように較正すれば、長期的なドリフト
等により、ギヤツプセンサー１２の検出中心が狂
うことを防止できる利点もある。

さて、上記実施例でマークMijの各スリツト像
と、スリツト板８のスリツト開口８ａ，８ｂとは
互いに平行に位置し、かつスリツトの延設方向と
直交する方向にステージ７を走査したが、第１５
図のように互いに直交する投影像Mija′とMijb′を
45゜で交わるような走査軌道ｌを定め、この走査
軌道ｌに沿つて、スリツト開口８ａ，８ｂを走査
してもよい。この場合も、スリツト開口８ａと８
ｂとは90゜で交わると共に、走査軌道ｌに対して
は互いに45゜で交わるように定められる。そして、
投影像Mija′はスリツト開口８ａで検出し、投影
像Mijb′はスリツト開口８ｂで検出する。さらに
投影像Mije′、Mijb′を分離して検出するには、走
査軌道ｌと交わる投影像Mija′と、Mijb′との間隔
D₁と、スリツト開口８ａと８ｂの間隔D₂とを異
なるものとしておく。この場合、走査軌道ｌがそ
の走査方向と直交する方向にシフトすると間隔
D₁も変化するが、その変化があつたとしても間
隔D₁とD₂とが一致しないようにしておくことが
望ましい。

一方、このようなスリツト群を用いて位置合わ
せ等を兼用する場合は、走査軌道ｌのシフトによ
る間隔D₁の変化範囲内のいずれかで間隔D₂と一
致すればよい。その際、スリツト開口８ａと８ｂ
の延長方向の交点C₂と、投影像Mija′とMijb′の
延長方向の交点C₁とが一致するようにステージ
を動かすと、光電検出器９の光電信号は最大とな
る。従つて、その最大となることを検出して位置
合わせ、又は位置検出が可能となる。

また、各実施例では第１移動手段としてステー
ジ７を移動することによつて、スリツト板８と光
電検出器９を走査したが、レチクルホルダ１５を
２次移動可能な構成にしておき、スリツト板８に
対してマークMijの投影像Mij′が移動するように
しても、同様の効果が得られる。また、単に投影
レンズ６の結像面の位置を検出する場合は、レチ
クル５のマークMija，Mijbの各スリツトの本数
をスリツト開口８ａ，８ｂのスリツト数よりも十
分に多くしておき、そのスリツト開口８ａ，８ｂ
がマークMija，Mijbの投影像を走査する際、同
時にスリツト板８と光電検出器９のＺ方向の位置
を変化させるようにしてもよい。このとき、信号
Ｓは例えば第１６図のように変調波形となる。

第１６図において、横軸は例えばスリツト板８
と光電検出器９のｘ方向の走査位置を表わし、縦
軸は信号Ｓの大きさを表わす。こ変調波形は位置
x_sからx_eまでスリツト開口８ａを走査する間に、
スリツト開口８ａが投影レンズ６の結像面と垂直
な光軸方向に移動するように、Ｚ−ACT３８を
駆動させた場合に得られる。また、変調波形中の
各ピークはスリツト開口８ａとマークMijaのス
リツト状の投影像とが整列したときに現われる。
そして位置x_sからx_eの間で、変調波形のエンベロ
ープE_sは位置x₀にて最大値となる。

従つて、エンベロープE_sが最大となつたときの
スリツト板８のＺ方向の位置情報D_zを求めれば、
投影レンズ６の結像面が検出できる。この場合、
具体的には、第６図の回路において、アンプ１０
１からの信号Ｓを入力する交流増幅器を設け、第
１６図の変調波形からの交流成分のみを取り出
し、その交流信号を半波又は両波整流した後、平
滑することによつて、エンベロープE_sに相当する
信号、すなわち、第１１図のような波形と等価な
信号が得られる。その信号をＳ／Ｈ１０２，
ADC１０３を介してCPU３０にデジタル・デー
タとして読み込むようにすればよい。このように
すれば、ステージ７の走査は１回だけでよいか
ら、極めて高速、かつ高精度に投影レンズ６の結
像面の位置が検出できるという利点がある。

また、本発明の各実施例ではレチクル５は、い
わゆるテスト用の専用レチクルとし考えてきた
が、回路パターンが描かれた通常のレチクル中の
何ケ所かにマークMijを設けるようにしてもよい
ことは言うまでもない。さらに、通常のレチクル
にマークMijを設けた場合は、レチクルの露光装
置に対する位置決め用、あるいはレチクルとウエ
ハの位置合わせ用のマークとして兼用することも
できる。

（発明の効果）以上、本発明においては、複数の微小線要素が
整列したマークを結像光学系で結像し、その投影
像を、複数のスリツト状受光部を有する光電検出
手段で相対走査するようにしたので極めてＳ／Ｎ
比のよい光電信号が得られると共に、微小線要素
やスリツト状受光部が部分的に不整であつたとし
ても、全体として得られる光電信号のＳ／Ｎ比は
ほとんど低下することがなく、正確な結像位置が
短時間に精密に測定できる。このため、投影光学
系の結像面の傾きや彎曲が再現性よく自動測定で
きる利点がある。

また、光電検出手段によつて、正確な結像面の
位置を検出できるから、結像光学系と露光対象物
との間の距離を検出する方法等による自動焦点検
出系の較正も自動化が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例による縮小投影型露
光装置の概略的な全体構成図、第２図はレチクル
（マスク）の平面図、第３図はスリツト板の平面
図、第４図は第３図のスリツト板のＡ−Ａ矢視断
面図、第５図は第１図の露光装置を制御する制御
系のブロツク図、第６図は光電検出器とレーザ干
渉計とを用いたレチクルのマークの投影位置及び
像面の位置を測定するための回路ブロツク図、第
７図は像面の位置を測定するためのフローチヤー
ト図、第８図はレチクルのマークの投影像とスリ
ツト板のスリツト開口との位置関係を示す平面
図、第９図ａ，ｂはレチクルのマークの投影像の
光強度分布を示す図、第１０図はマークの投影像
とスリツト板とを相対移動させたときに生じる光
電信号の波形図、第１１図は投影レンズの像面の
位置を検出する様子を示し、光電検出器の光軸方
向の位置と、光電信号の変調成分の大きさとの関
係を示す図、第１２図はレチクルの他の実施例を
示す平面図、第１３図，第１４図はスリツト板の
他の実施例を示す平面図、第１５図はマークの投
影像とスリツト板との他の位置関係を示す図、第
１６図は他の実施例により得られる光電信号の変
調波形を示す波形図である。主要部分の符号の説明、１……照明光源、６…
…投影レンズ、８……スリツト板、９……光電検
出器、１３，３４……レーザー干渉計、３８……
Ｚ軸駆動部、１００……カウンタ、１０２……サ
ンプル・ホールド回路、１０３……アナログ・デ
ジタル変換器、３０……マイクロ・コンピユー
タ、M₁₁〜M₃₃……マーク、８ａ，８ｂ……スリ
ツト開口。

Claims

【特許請求の範囲】１所定のパターンを有するマスクを保持するマ
スク保持手段と、該マスクを照明する照明手段
と、該マスクからの照明光を入射して所定の結像
面内に前記パターンの像を形成する投影光学系
と、前記パターンの像が投影される被露光体を保
持して前記投影光学系の光軸方向と該光軸と垂直
な面内での２次元方向とに移動させる可動ステー
ジと該可動ステージの一部に設けられ、前記パタ
ーンの像の強度分布を光電検出する光電検出手段
とを備えた投影露光装置において、前記マスクは複数の微小線要素を一定ピツチ、
もしくはランダムピツチで配列したマークパター
ンを有し；前記光電検出手段は前記マークパターンの前記
投影光学系による投影像のピツチと対応したピツ
チで配列した複数のスリツト状受光部を有し；さらに前記マークパターンの投影像と前記光電
検出手段のスリツト状受光部とが前記ピツチの方
向に相対走査されるように、前記マスク保持手
段、もしくは前記可動ステージを駆動制御する第
１駆動手段と；前記光電検出手段のスリツト状受光部を前記光
軸方向に移動させるように前記可動ステージを駆
動制御する第２駆動手段と；前記第１駆動手段の動作によつて交流波形にさ
れるとともに、前記第２駆動手段の動作によつて
該交流波形の変調度が変化する光電信号を前記光
電検出手段から発生させ、該光電信号の変調度と
前記第２駆動手段によつて制御される前記可動ス
テージの光軸方向の位置とに基づいて前記投影光
学系の結像面の光軸方向の位置を検出する位置検
出手段とを備えたことを特徴とする投影露光装
置。２前記マークパターンは前記マスク上の予め定
められた複数の位置の夫々に設けられ；前記位置検出手段は、該複数位置の各マークパ
ターンの投影像の夫々を前記光電検出手段によつ
て検出することにより、前記複数のマークパター
ンの投影像の各位置における結像面の光軸方向の
位置を検出し、該光軸方向の各位置に基づいて投
影領域内での前記結像面の傾き、もしくは彎曲を
測定することを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の装置。３前記マークパターンは、前記マスク上の近接
した２ケ所の夫々に、前記ピツチの方向が互いに
直交するように配置され；前記位置検出手段は該
２ケ所のマークパターンの各投影像の夫々につい
て前記結像面の光軸方向の各位置を検出すること
によつて、前記投影光学系の非点収差を測定する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項、又は第
２項に記載の装置。４前記可動ステージは、前記被露光体を前記可
動ステージの２次元移動平面に対して傾けるレベ
リング機構を含み；前記位置検出手段によつて測定された前記結像
面の傾きに応じて前記レベリング機構を作動さ
せ、前記被露光体上の１つの転写領域と前記結像
面とを平行に一致させることを特徴とする特許請
求の範囲第２項に記載の装置。５前記第１駆動手段と前記第２駆動手段とを同
時に制御することによつて、前記光電検出手段か
らの光電信号を単一の連続した交流変調波形と
し、前記位置検出手段は該単一の交流変調波形に
基づいて前記結像面の光軸方向の位置を検出する
信号処理系を有することを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の装置。６前記マスクのマークパターンを、前記マスク
の装置に対する位置合わせ用、もしくは前記マス
クと前記被露光体との位置合わせ用に設けられる
マークと兼用したことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の装置。７前記可動ステージは、前記第１駆動手段によ
る移動に伴つて単位移動量毎にパルス信号を発生
するレーザ干渉計を有し；前記光電検出手段は、前記光電信号の大きさを
前記レーザ干渉計からのパルス信号に応答して順
次デジタルサンプリングするアナログ−デジタル
変換器と、該サンプリングされたデジタル値を前
記可動ステージの移動位置に対応して順次記憶す
るメモリ回路とを有することを特徴とする特許請
求の範囲第２項、第３項、及び第５項のいずれか
１項に記載の装置。