JPH0453220A - 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、半導体集積回路の製造工程、特にすソグラフ
ィー工程における投影光学装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体集積回路はますますその集積度を高め、回
路の最小線幅をサブミクロンで形成されることか要求さ
れるようになってきた。これに従い半導体集積回路作成
用の投影光学装置もより高い解像力と位置合わせ精度が
要求されるようになってきた。解像力を高めるためには
露光光をより波長の短い光にすることか考えられ、現在
エキシマレーザが露光用光源として注目されている。

エキシマレーザは、紫外域で多くの発振波長を持つ高輝
度、高出力のパルスレーザてあり、次世代の露光装置用
の光源として最も注目されている。

従来この種のレーザを光源とする投影光学装置では光学
系のベストフォーカス位置を自動的に求めるような機構
は無く、ベストフォーカス位置はウェハに試し焼きを行
う事等によって求められていた。

又、特開昭６３−７０１０４号公報に示すように、第１
パターンを有するレチクルと第２パターンを有するウェ
ハとの間にテレセントリックな光学系を備えて、第１パ
ターンを照射するウェハと略同−平面上に設けられたス
リット状発光部とウェハを挟んで投影レンズの反対側に
設けられ、第１パターンの前記投影レンズによる像と前
記第２パターンとのアライメント状態に関する情報を出
力する検出器と、投影ｌノンズの射出瞳もしく（１それ
と共役な位置に設けられて、異なる複数の領域を通る光
を選択的に切り換えるシャッタと、レチクルとウェハと
の間の光路長を変化させる移動ステージとを備えた露光
装置において、発光スリット部からの光を瞳共役面で部
分的に遮光してテレセントリック光を非テレセントリッ
ク光とする装置か考えられている。、二の場合、レチク
ルとウェハとの間の光路長を段階的に変化させながら、
この変化の前と後の夫々で、レチクルとウェハとを相対
移動し、レチクルとウェハとの位置を検出する。次に前
記シャッタにより瞳共役面での遮光領域を遮光されてい
ない部分に切替え、同様にレチクルとウェハとの位置を
検出する。最後にレチクルとウェハとの間の光路長とシ
ャッタの切替え前後のウェハとレチクルとの位置との相
対関係に基づいて、ベストフォーカス位置を求める技術
が知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、試し焼きの場合にはウェハを準備→露光→現像
→線幅測定というように非常に手間かかかり、時間も必
要であるとともに測定精度も分解能で０．３μｍ程であ
った。又非テレセントリック光を利用する方法ではステ
ージを複数回移動させなければならずスループットか低
下するという問題点かあった。本発明は上記問題点を解
決するために提案されたもので、装置構成か簡単で計測
時間が短くしかも計測精度よくベストフォーカス位置を
求めることのできる投影光学装置を得ることを目的とし
ている。

〔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、第１物
体を投影光学系を介して第２物体上に投影する投影光学
装置において、 前記第１物体上に所定ピッチの周期構造で形成された第
１パターンを照射して、該第１パターンから互いに異な
る角度で発生する少なくとも２つの回折光（Ｕ　（−１
）　、　Ｕ　（＋１）　）を前記投影光学系へ入射させ
る照明手段と、前記第１パターンからの前記少なくとも
２つの回折光（Ｕ　（−］、）　、　Ｕ　（＋１）　）
が前記投影光学系を介して、前記第２物体上に所定ピッ
チの周期構造で前記第１パターンと同方向に形成された
第２パターンを照射したとき、該第２パターンで再度回
折されて、互いに異なる角度で発生する少なくとも２つ
の再回折光（Ｕ’　　（−１）、Ｕ’　　（＋１））を
、前記投影光学系の瞳面とほぼ共役な面で受光し、前記
少なくとも２つの再回折光（Ｕ’　　（−１）、Ｕ’（
＋１））の夫々に対応した複数の信号を出力する検出手
段と、前記第２パターンと前記少なくとも２つの回折光
（Ｕ　（−１）　、　Ｕ　（十Ｎ　）とを該第２パター
ンのピッチ方向に相対移動させる移動手段と、前記相対
移動によって前記検出手段から所定の振幅で変調されて
出力される前記複数のイホ号に基ついて、該複数の信号
間の相対的な位相差を検出する位相差検出手段と、前記
位相差に基づいて投影光学系に関する前記第１物体と前
記第２物体との共役位置からのずれ量を算出する演算手
段と、を設けることとした。

１作　用〕 第１図を使って、本発明の原理について説明する。

本発明は、投影光学系（Ｐ　Ｌ、　）を介して互いに異
なる角度の回折光（Ｕ　（−１）　、　Ｕ　（０）　、
　Ｕ（＋１））を格子パターンＧＭ２に入射することに
より得られた互いに異なる角度で発生する再回折光（Ｕ
’　　（−１）、Ｕ’　　（０）、Ｕ’　　（＋１））
を、該光学系の略瞳共役面に設けられたディテクタ（Ｄ
　（−１）　、　　Ｄ　（０）　、　　Ｄ　（＋１）　
’）で検出することにより得られる各々の再回折光のう
ち少なくとも２つの再回折光の強度に対応する光電信号
間の位相差からデフォーカス量を算出することを特徴と
している。

光電信号間の位相差は格子パターンＧＭ２と回折光（Ｕ
　（、−１）、　Ｕ　（０）、　Ｕ　（＋１）　）とを
相対変位させた時の変調信号の位相を比較することによ
り求めるものである。ここで、Ｕ（−１）は−１次回折
光（紙面内で反時計回りを−（マイナス）とする）、Ｕ
（０）は０次回折光、Ｕ（＋１）は＋１次回折光（紙面
内で時計回りを＋（プラス）とする）であり、Ｕ’　　
（−１）、Ｕ’　　（０）、Ｕ’　　（＋１）は各々−
１次、０次、＋１次の再回折光である。回折光Ｕ　（−
１）　、　Ｕ　（０）　。

Ｕ（＋１）は、透過型格子パターンＧＭＩを、投影光学
系Ｐ　Ｌと反対側の方向からミラーを介して、１ノーザ
光源１から射出されるレーザ光で照射することにより発
生させている。

実線は、投影レンズＰ　Ｌを介してＧＭＩ格子面ＷとＧ
Ｍ２格子面Ｒか共役関係になっている状態を示し、以下
これを合焦状態と言うものとする。

この状態で、格子０Ｍ２面Ｒにおいては、回折光Ｕ　（
−］、）、　Ｕ　（０）、　Ｕ　（＋１）間には位相差
はなく、再回折光Ｕ’　　（−］）、　Ｕ’　　（０）
＝７ Ｕ’　　（＋］）間にも位相差はないことは明らかであ
る。従って、回折光（Ｕ　（−１，）　、　Ｕ　（０）
　。

Ｕ（＋１））の格子ＧＭ２に対する移動方向かＭとなる
ように回折光と格子ＧＭ２を相対移動さぜたとき、再回
折光Ｕ’　　ｔ、−１）をディテクタＤ（−１）で検出
した検出信号５（−１）、再回折光Ｕ′　（０）をディ
テクタＤ（０）で検出した検出信号５（０）、再回折光
Ｕ′　（＋１）をディテクタＤ（＋１）で検出した検出
信号Ｓ（＋１）は同位相で変調される。ここて、ディテ
クタＤ（−１、）　、　　Ｄ　（０）　、　　Ｄ　（＋
１．）は投影光学系ＰＬの瞳ど略共役な面に設置されて
いるものとする。

次に、合焦状態から格子ＧＭＩ而Ｗか投影光学系ＰＬよ
り離れる方向にＺだけずれてＷ゛面になった状態を破線
で示す。投影光学系ＰＬを挟んで格子０Ｍ２側では格７
−ＧＭＩ像面は投影光学系ＰＬの倍率に応じてＺ”たけ
投影光学系ＰＬ側にずれた位置Ｒ″面上形成される。こ
の様子を第２図に示す。ここで、ＰはＲ′面」１二回折
光Ｕ（−１）、Ｕ　（０）、Ｕ　（＋１）か集光する点
を表し、Ｑｌは回折光Ｕ（０）が格子ＧＭ２に入射する
点、Ｑ２は回折光Ｕ（＋１）か格子ＧＭ２に入射する点
を表す。又、格子ＧＭ２はデユーティ１：１の格子であ
り、再回折光の構成成分を考える場合、０次、１次の構
成成分のみに着目することとする。

（デユーティ１：ｌの場合２次回折光は発生しない為、
又、他の高次光は考慮しなくてもよい構成としているも
のとする。）まず、再回折光Ｕ′（−１）について考え
ると、Ｕ’　　（−１）は回折光Ｕ（０）の−１吹成分
を持つ再回折光Ｕ’　　（０゜＝１）と回折光Ｕ（＋１
）の０吹成分を持つ再回折光Ｕ’　　（−１−Ｌ　　Ｏ
）とて構成される。

再回折光Ｕ’　　（０，−１）とＵ’　　（＋１．Ｏ）
間の位相差をφ、再回折光の回折角をθとすると両回回
折光は Ｕ’　（０，１）Ａ−ｅｌｋ（ｓｌｎθ・Ｘ　＋　ｃｏ
Ｉｌθ４’　）田（利０）＝Ａ’　　＋ｅｌｋ（８１１
１θＸ→ｃｏｘｌＬＺ’）−Ｉｌｌで表現することがで
きる。

ここで、位相差φは φ＝ｋ　（、ＰＱ　２−ＰＱ　１） ＝ｋ　（ＰＱ２−ＰＱｌｃｏｓθ） λ　・　ＣＯＳ　θ て表され、格子ＧＭ２のピッチをＰ、レーザ光の波長を
λとすると Ｐ−λ／ｓｉｎθからφは Ｚ゛ φ＝２π　　　　　ｔａ、ｎθ・・・（１）で表される
。

再回折光Ｕ″　（０）も同様に考えるとＵ’　　（０）
はＵ’　　（＋１．　＋１）、Ｕ’　　（０，０）、Ｕ
’　　（−１，−］）の３つの再回折光成分によって構
成されており、Ｕ’　　（＋１．＋１）、Ｕ（−１，−
１）はＵ’　　（０，Ｏ）に対して各々（１）の位相差
を持つ。

ここで、第１図を参照にして、再回折光Ｕ′（＋１）は
Ｕ’　　（０，−ｚ）、Ｕ’　　（１，０）の２つの再
回折光成分によって構成され、２つの再回折光間には同
様に考えて（１）の位相差が存在する。格子ＧＭ２と回
折光（Ｕ　（−１）、　Ｕ　（０）。

Ｕ（＋１））を相対的に移動させた時、それぞれの再回
折光の干渉した光強度の変化を考えると、再回折光Ｕ’
　　（０）をディテクタＤ（０）で検出した検出信号５
（０）は、構成成分Ｕ’　　（＋１゜＋１）、Ｕ’　　
（−１，−１）の位相差が打ち消されたものとなり、Ｕ
’　　（０，Ｏ）の構成成分に相当する変調信号となる
。

又、再回折光Ｕ’　　（−］）とＵ’　　（＋１）を各
々ディテクタＤ　（−１）　、　Ｄ　（＋１）で検出し
た検出信号Ｓ　（−１）　、　ｓ　（＋１）の両信号は
５（０）信号に対して符号は逆で（１）だけ位相がずれ
た変調信号となる。

この位相差を検出することによって格子０Ｍ１面側Ｗで
のずれ量ΔＺを求めるものである。格子ＧＭＩ面Ｗ側で
の＋１次の回折角θ１は波長（λ）と格子ＧＭＩのピッ
チＰＩ（デユーティ１１）て一義的に定められ、 θ１＝ｓｉｎ−’　　　　　　　・・・（２）Ｉ で決まる。

尚、ピッチＰＩは投影光学系ＰＬの倍率を１７ｍとする
とＰｘ＝Ｐ／ｍの関係になっている。

Ｓ　（−１）、　　Ｓ　（＋１）信号間の位相ずれ量２
Δφに相当する格子ＧＭＩのＸ方向（紙面右方向）の移
動量をΔＸとすると ２π となる。Ｓ　（−１）、　　Ｓ　（＋１）信号の差をと
ることにより、感度を倍にしている。

（１）式よりΔＺは ２π　・　ｔａｎθ　１ を計算することにより位相差Δφから求められる。

このような方法をとることにより高い分解能を得ること
か可能であり、また原理的には１回の走査で結果か求ま
るので、非常に短時間に計測か完了する。

〔実　施　例〕

図面を参照にして以下実施例を説明する。

第３図に本発明の第１の実施例における装置の全体構成
図を示す。

本実施例ではエキシマレーザを光源とした露光装置につ
いて説明する。エキシマレーザ光源ｌからのパルス光は
可動ミラー２、固定ミラーＭ１を介してビーム成形光学
系３に入射して所定の断面形状、サイズに成形される。

ビーム成形光学系３からのパルス光は駆動部４によって
所定角度内で揺動する揺動ミラー５で反射された後、オ
プチカルインテグレータとして機能するフライ・アイレ
ンズＦＬに入射し、多数の２次光源（スポット光）に変
換される。フライ・アイレンズＰＬの各エレメントレン
ズの射出側にできたエキシマビームの各スポット光はビ
ームスプリッタＢＳ、を透過し、コンデンサレンズ系６
によって、レチクルブラインド（照明視野絞り）ＲＢ上
でほぼ−様な強度分布となるように重ね合わされる。レ
チクルブラインドＲＢを通ったエキシマ光はレンズ系７
、固定ミラーＭ２、主コンデンサ−レンズ８、及び固定
ミラーＭ３を介してレチクルＲの回路パターン領域を照
明する。

ここでレチクルブラインドＲＢはレンズ系７と主コンデ
ンサ−レンズ８とによって、レチクルＲと共役になって
いる。レチクルＲは専用のレチクルブラインド・系９Ｘ
、９Ｙによって装置本体に対してＸ１Ｙ、θ方向に位置
決めされている。レチクルＲの回路パターンの像は投影
レンズ１０によってウェハＷ上に縮小投影される。ウェ
ハＷはＸステージＩＩＸ上に載置され、このＸステージ
１１Ｘはベース上をＸ方向に移動するＹステージ］、Ｉ
Ｙ上をＸ方向に移動する。これによってウェハＷは投影
像面に沿って２次元移動し、ステップアンドリピート方
式の露光等が行なわれる。

さて、Ｘステージ１１Ｘ」二には、ウェハＷとほぼ同じ
高さて、透過型の回折格子パターンをもつ指標板１２が
設けられている。可動ミラー２は移動可能となっており
、フォーカス較正時には可動ミラー２か移動することに
よって、レーザ光源１から発したレーザ光はミラー系に
より指標板１２に導かれる。ここでレーザ光はビームエ
キスパンダー１４により、適当に縮小あるいは拡大され
、アパーチャ１５を照明する。このビームエキスパンダ
ー１４の倍率を変えることによりアパーチャ１５を照明
する照度を変えることができる。そして指標板１２の下
にはＸステージＩＩＸに固定されたミラー１３か設けら
れている。

この指標板１２は、可動ミラー２が図示の位置から退避
したとき、エキシマレーザ光源ｌからのパルス光を、ビ
ームエキスパンダー１４．アパーチャー１５．複数のミ
ラー及びＹステージＩＩＹ上に固定されたビームスプリ
ッタＭ４．ミラー１３を介して下面から受けるように配
置されている。

ビームスプリッタＭ４に入射するエキシマビームはほぼ
平行光束で、Ｙ軸と平行であり、ビームスプリッタＭ４
によって一部の光束はＸ方向に直角に反射され、指標板
１２の下のミラー１３で垂直に上方へ反射される。従っ
てＸステージｌｌＸ１ＹステージＩＩＹがどのように移
動しても、エキジマビームはかならず指標板１２の下面
に入射する。ここて指標板１２はウェハ面と略同−面上
に形成されていて、ウェハＷとレチクルＲとは投影レン
ズ１０に対して共役な関係となっているものどする。

一方、ビームスプリッタＭ４を透過した光束はＹステー
ジＩＩＹ上に設けられたパワーディテクター２０に入射
する。また投影レンズ１０の入射瞳には、フライ・アイ
レンズＦＬによって形成された多数の２次光源の像を結
像させて、ケーラー照明を行なっている。又、ウェハＷ
上の１つのショット領域は、スペックルや干渉縞等の光
学ノイズの低減と露光量制御精度との関係で、数十パル
ス以上で露光される。光学ノイズのうちフライ・アイレ
ンズＦＬを使うことによって生しる像面上の干渉縞の低
減は、揺動ミラー５を微小角度ずつ偏向しつつレーザパ
ルスを発振させることで、干渉縞をピッチ方向に微動さ
せ、１ショットの露光完了後にウェハ上の干渉縞のコン
トラストを実用」二影響かない程度（コントラスト値と
して±１９６程度）まで押える方式で行なわれる。

次に第４図を使って本実施例にかかる回折格子パターン
を説明する。指標板１２」二には第４図（ｂ）の如く一
部ピッチの透過型回折格子パターン２２Ｘ、２２Ｙか設
けられており、本発明にかかる所定ピッチの周期構造で
形成された第１パターンに相当するものである。（更に
指標板１２」二には中心検出用パターン２３が設けられ
ている。

）又、レチクル」−にも第４図（ａ）の如く投影レンズ
１０の倍率の逆数をかけた分だけ大きさを変え、指標板
１２上のパターン２２Ｘ、２２Ｙと同じ方向に形成され
た同様のパターン２２Ｘ″、２２Ｙ’が露光領域外に設
けられており、本発明にかかる所定ピッチの周期構造で
形成された第２パターンに相当するものである。

さて第３図に示した可動ミラー２を光路から移動させる
ことにより、レーザ光は指標板１２に入射し、指標板１
２上に設けられた透過型回折パターン２２Ｘ、２２Ｙに
より回折された回折光は投影レンズＩＯによりレチクル
Ｒに逆投影結像される。更にこの回折光はレチクルＲ上
の透過回折パターン２２Ｘ’　、２２Ｙ’　により再度
回折さ第１、この再度回折された再回折光は照明光学系
を逆方向に進み、固定ミラーＭ、ｌ、及びＩノンズ７，
６及びレンズ系１７を介して、光電素子１８に入射する
。光電素子１８は投影レンズ１０の瞳と略共役な位置に
配置されている。

さて、ウェハを載置したステージＩＩＸは、各領域ごと
に順次露光位置に移動し、斜入射型の周知のフォーカス
センサ２１により各露光領域毎にベストフォ−カス位置
からのはずれ量を求め、この求めたはずれ量分だけステ
ージ１．ＩＸかＺ方向（投影レンズ１０の光軸方向）に
移動してＺ方向のベストフォーカス位置への位置決め終
了後露光が実行される。

ここで、第５図に本発明の実施例にがかる光電素子１８
の構成を示す。

このディテクタ１８は２次元に拡張されでいて、レチク
ル上のＸ、　Ｙ両方向のパターン２２Ｘ２２Ｙ′によっ
て回折される回折光に対応する信号を検出することがで
きる。Ｘ方向の＋１次光を検出するセンサＸＡ（−］次
光を検出する）、ＸＢ（＋１次光を検出する）、Ｘ方向
の＋１次光を検出するセンサＹＡ（−１次光を検出する
）、ＹＢ（＋１次光を検出する）、及び０次光を検出す
るセンサＬが同一の回転基板ＳＲ上に設置されている。

回転基板ＳＲはＸ方向微動ステージ位置」−に載置され
ており、またＸステージ位置はＹ方向微動ステージ位置
上に設置されている。従って回転及び平行移動により容
易にセンサを瞳共役面に集まる各回折光の光スポットに
位置合わせすることができる。

次に第６図に本発明の実施例による信号処理を表すブロ
ック図を示す。光電素子１８のセンサＸＡ、ＸＢ、Ｌに
より光電変換された信号は増幅器２４Ａ、２４Ｂ、２４
Ｌでそれぞれ適当な大きさに増幅される。次いで増幅器
２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｌによって増幅された各信号はピ
ークホールド回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｌを介して割算
器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｌに入力される。又、パワーデ
２　〇− ィテクタ−２０により光電変換された信号は増幅器３１
によって増幅され、この増幅された信号はピークホール
ド回路３２を介して割算器２５Ａ２５Ｂ、２５Ｌにそれ
ぞれ入力される。該各側算器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｌは
パワーディテクター２０からの信号を参照信号として、
増幅器２４Ａ。

２４Ｂ、２４Ｌからの信号をこの参照信号で割る処理を
行う。これは、光源にエギシマレーザを使った場合エキ
シマレーザ光のエネルギーは、１パルス毎に士数％〜数
十％程度のばらつきがあるため、例えばステージＩＩＹ
上のビームスプリッタＭ４を透過したパルス光を受光す
るように設けられたパワーディテクター２０からの光電
信号を各パルス発光毎に取り込み、光電素子１８の光電
信号のレベルを割算器等で規格化することが必要となる
為である。この規格化によって、操作中レーザ光源の出
力が変動しても規格化された後の光電素子１８からの光
電信号に影響を与えない。一方ステージＩＩＸの位置は
レーサ干渉計２６によって、モニタされていて、００１
μｍごとにアップダウンパルスを発生する。このアップ
ダウンパルスは分周器２７に入り、適当なサンプリング
間隔ごとにパルスを発生する。ステージ１．ＩＸを一方
向に走査し、このときの位置信号に同期してＡ／Ｄ変換
器（アナログ−デジタル変換器）２８Ａ、、２８Ｂ、２
８Ｌは、割算器２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｌからの信号をデ
ジタルサンプリングし、この変換されたデジタル信号を
前記位置信号に同期してステージ位置とメモリ（ＲＡＭ
）２９のアドレスとが一義的に対応するようにメモリ２
９に格納する。

ＣＰＵ１．９はメモリ２９に格納されたＡ／Ｄ変換器２
８Ａ、２８Ｂ、２８Ｌよりのデータに基づきデフォーカ
ス量を算出し、フォーカスセンサ２１のオフセット量と
してデフォーカス量で補正する。

尚、このステージＩＩＸの座標値はＣＰＵ１９にも入力
され、各種位置計測、レーザ光制御に使われる。

次に本発明にかかる第１の実施例によるフォーカス較正
の動作を説明する。

指標板１２上に設けられた格子パターン２２Ｘのピッチ
をＰ　１．　（デユーティは１：１どする）とし、投影
レンズ１０の倍率をＩ／ｍとすると、レチクル」二に設
けられた回折格子パターン２２Ｘ′のピッチＰは、ｍＰ
ｌであり予めレチクルの回転は除かれているものとし、
パターン２２Ｘとパタン２２Ｘ′か概ね重なり合う位置
でステージ１１ＸをＸ方向に走査することにより、パタ
ーン２２Ｘ’　により再度回折された回折光をセンサＸ
Ａ。

ＸＢ、Ｌによって受光し、所定の振幅で変調されて出力
される信号を検出する。

次に第７図と第８図、第９図を使って合焦時とデフォー
カス時の格子パターン２２Ｘ′　と回折光との相対移動
と、検出信号の位相差の関係を説明する。まず、第７図
を使って、ステージＩＩＸの移動と、回折光とパターン
２２Ｘ“　との相対移動の様子を説明する。ミラー１３
を介して回折格子パターン２２Ｘに入射したレーザ光源
１からのレーザ光は指標板１２上の回折格子パターン２
２Ｘで回折され、−１次回掛売Ｕ（−１）、０次回行光
Ｕ（０）、＋１次回折光Ｕ（＋１）かＷ面」−にあるパ
ターン２２Ｘから射出する。指標板１２が載置されてい
るステージ１］、Ｘか静止している場合には、光電素子
１８からは変調信号は得られず、位相差を検出すること
はできない。ステージｌＩＸを一方向（Ｘ方向：紙面右
方向）に移動させた場合初めて再回折光（−１次：Ｕ’
　　（−１）、　　０次：Ｕ’　　（０）、＋１次：Ｕ
’　　（＋１））の光強度に対応した振幅で変調された
変調信号を得ることができる。ここで、ウェハステージ
をＸ方向に移動させると格子パターン２２Ｘ′に入射す
る回折光の格子パターン２２Ｘ′に対する移動方向はＭ
方向（ウェハステージの移動方向とは反対の方向）にな
る。

次に第８図でパターン２２Ｘと回折光の相対移動の様子
を説明する。

■は合焦時（パターン２２Ｘとパターン２２Ｘ゛が共役
関係になっている状態）を示し、この時はパターン２２
Ｘ像面Ｒ′とパターン２２Ｘ而Ｒとは一致している。

■は後ピン時（合焦時より指標板１２がΔＺだけ投影レ
ンズ］０から遠ざかる位置にある場合）を示し、この時
Ｒ゛面は２面よりもΔＺ″だけ投影レンズＰＬに近つく
側にずれた位置に形成される。■は前ピン時（合焦時よ
り指標板１２が投影レンズ１０にΔＺだけ近づく場合）
を示し、この時Ｒ′面は２面よりも投影レンズＰ　Ｌか
ら遠さかる側にずれた位置に形成される。まず■合焦時
の場合を説明する。ステージかＸ方向（紙面右側方向）
に移動（回折光がＭ方向（紙面左側方向）に移動）して
も、各々の回折光はパターン２２Ｘに同時に入射する。

従って、再回折光Ｕ’　　（＋）、Ｕ’　　（０）、Ｕ
’　　（＋１）に各々対応する信号Ｓ　（−１）、　　
Ｓ　（０）、　　Ｓ　（＋１）は同位相の変調信号とな
る。この様子を第９図の■に示す。

第９図で波形図の縦軸は干渉光の強度に対応する信号強
度（１）を表し、横軸はステージの位置（Ｘ）を表す。

■後ピン時の場合は、ステージの移動に伴い（回折光の
移動方向に伴い）、パターン２２Ｘ′に対して回折光は
Ｕ　（＋１）、　Ｕ　（０）　、　Ｕ　（１）の順に入
射することとなり、Ｕ（＋１）とＵ（０）の再回折光で
構成されている５（−１，）信号の位相は５（０）信号
の位相に対して進んだ変調信号となる。又、Ｕ（−１）
とＵ（０）の再回折光で構成されているＳ（＋］）信号
の位相は５（０）信号の位相に対して遅れたものとなる
。この様子を第９図■に示す。

■前ピン時の場合は■後ピン時の場合と反対に格子パタ
ーン２２Ｘ′に対して回折光はＵ（１）、Ｕ　（０）、
Ｕ　（＋１）の順に入射することとなり、５（−１，）
（を号の位相は５（０）信号に対して遅れた変調信号と
なり、Ｓ（＋１）信号は５（０）信号に対して進んだ変
調イ「号となる。この様子を第９図■に示す。この各々
の位相差をΔφとすると、デフォーカス量ΔＺに対応す
る±１次再回折光に対応する信号の位相差は２Δφとな
り、パターン２２Ｘ側（ウェハ面側）での回折角を０１
とすると、前述の式（４） デフォーカス量ΔＺか精密に求まる。

本実施例では概略ヘストフォーカス位置か予め求められ
°Ｃいるものとし、まず、この概略ベストフォーカス位
置（設計値）でのフォーカスセンサ２１のギヤリプレー
ジョンを行う。そして、この概略ベストフォーカス位置
に対する焦点ずれ量を前記の方法によって求め、このず
れ量をフォーカスセンサ２１のオフセット量として補正
してフォーカス較正を行えば以後、焦点合わせはベスト
フォーカス位置に対してなされる。

位相差を検出する方法は例えばメモリ２９に取り込まれ
たデータを分周器２７のパルスごとに解析して求める方
法において、干渉計の分解能か００１μｍだとするとΔ
Ｘ方向に換算して０．０１μｍ程度の分解能か得られウ
ェハ側の格子のピッチ（Ｐｌ）を２μｍ、波長（λ）を
０．２４８μｍとすると（２）、　（３）、　（４１式
よりｔａｎ（ｓｉｎ−’　　　　　　） ＃０．０８μｍ となるので、０．０８μｍ程度の分解能か得られる。

ここでは、０次男回折光に対する信号と±１次次再折光
に対する信号の各々の位相差を求め、±１次次再折光に
対する信号間の位相差よりデフォーカス量を求めること
としたか、０次男回折光に対する信号と＋１次次再折光
に対する信号、０次男回折光に対する信号と一１次男回
折光に対する信号間の位相差よりデフォーカス量を求め
たり、直接±１次折回折光に対する信号間の位相差より
デフォーカス量を求めることも可能である。

ただし、±１次次再折光に対応する信号間の位相差を検
出することか感度の点から望ましい。

又、予めアライメントマークの固有のピッチが設計上既
知であることを利用し、アライメントマークの構造とそ
の検出走査方向との関係を、相対的な走査によって正弦
波状の周期性信号か測定信号として得られるように定め
ることにより位相差を求める方法もある。　この方法で
は、得られた測定信号は、ステージの移動距離Ｘについ
ての関数ｆ　（ｘ）としてメモリに取り込むことかでき
る。

この場合前記基本波成分の周期Ｔ（従って周波数Ｖ）は
走査方向におけるアライメントマークのピッチで一義的
に決まり、これは設計値として既知である。このように
して得られた関数信号を演算にかけ、フーリエ積分を行
ってその位相成分φが次式に従って求められる。

Ｓ−＝ｆ　ｆ　（ｘ）　　・ｓ　ｉｎ　（２πＶ−ｘ）
　　・ｄｘＣ＝ｆｆ　（ｘ）−ｃｏｓ　（２πＶ−ｘ）
−ｄｘφ１＝ｔａｎ−’　（Ｓ／Ｃ）（ｒａｄ）ここで
、Ｓは周波数Ｕのフーリエ変換の正弦成分、Ｃは同じく
余弦成分、φ１は（１）式の正弦波に対するｆ　（ｘ）
の位相角である。

このような演算の為のｓｉｎ／ｃｏｓ関数はＣＰＵ１９
内で発生させることができる。

フーリエ積分の手法を用いているため、その位相成分、
即ち相関ピーク位置の最も高い所が正弦と余弦の２回だ
けの積分で判り、演算回数が極端に少なくなって短時間
のうちに結果が得られるものである。

尚、ここでは前記距離Ｘについて述べているが時間ｔに
ついての関数をとる場合も同様である。

本発明の如くモアレ信号を位相検出する方法では、高分
解能の信号検出が期待でき、又ノイズに対してもその影
響を受けにくい。

更に、本実施例ではステージの移動方向としてＸ方向の
一方向のみを示したが、ステージはＸＸ方向に移動可能
である。　デフォーカス量の算出はＸ方向の格子パター
ン２２Ｙ／２２Ｙ’　に対しても実行される。これは、
一般に投影レンズ１０には非点収差があり、このため、
Ｘ方向の格子パターン２２Ｘ／２２Ｘ’　によるデフォ
ーカス量とＸ方向の格子パターン２２Ｙ／２２Ｙ’　に
よるデフォーカス量が異なる場合があるためである。

このようにＸ，Ｙ各格子パターンによるデフォーカス量
か異なった場合には両者の平均値をデフォーカス量とす
ればよい。又受光素子１８のセンサＬにより検出される
０次光の信号を用いて、指標板１２を用いた前述のフォ
ーカス較正時にレチクル位置計測（レチクル位置をウェ
ハステージ位置に換算する計測）も同時に計測すること
とすればスループットはさらに向上する。

次に本発明にかかる第２の実施例について第１Ｏ図を参
照にして説明する。第１の実施例と同様の部材には同様
の符号を付しである。

第１の実施例では指標板１２上の透過型回折格子パター
ン２２Ｘ、２２Ｙを使ってフォーカス較正する場合につ
いて述へたか、第８図の如く指標板１２−トの回折格子
パターンを反射型回折格子パターン２２Ｘ″’、２２Ｙ
”とし、ミラー３３を介してレーザ光を入射する構成（
レーザ光源１よりミラー３３に入射するような構成をと
るものとする。）として、反射回折格子パターン２２Ｘ
“２２Ｙ″″で回折された反射回折光をレチクル上の回
折格子パターン２２Ｘ”　、２２Ｙ’　で再回折させて
、該再回折光を受光し、上記と同様にして±１次回折光
に対する信号を得、この信号間の位相差よりデフォーカ
ス量を求めるものである。他の構成は第１の実施例と同
様とする。

更に上記第１．第２の実施例ではウェハ側で回折された
回折光をレチクル上のパターン２２Ｘ２２Ｙ′で再回折
してその再回折光を光電検出することとしているか、レ
チクル−にのパターンを本発明にかかる第１のパターン
とし、ウェハ上のパターン２２Ｘ、２２Ｙを本発明にか
かる第２のパターンとして、レチクル」二のパターン２
２Ｘ２２Ｙ　　で回折された回折光を指標板Ｉ２上のパ
ターン２２Ｘ、２２Ｙで再回折させ、指標板１２の下に
ディテクタを設けて再回折光を検出する構成をとるよう
にしても同様の効果が得られる。

又、回折光とパターンの相対移動手段はステージ移動に
限られるものではなく、例えばプレーンパラレル等を光
路中に設け、干渉計２６パルスに応じて微動させるよう
な構成としてもよい。更に投影光学系は投影レンズに限
られるものではない。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、１回又は数回の回折光と
パターンの相対移動で投影光学装置のベストフォーカス
位置か精度良く、しかも短時間に求まるので、スループ
ットの向−トを図ることかできる。又、フォーカス位置
と同時にレチクル位置計測も可能てありさらにスループ
ットの向上か可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願の位相差より焦点ずれ量を算出する原理を
示す図、第２図は本願の焦点ずれによる再回折光の位相
のずれを示す図、第３図は本発明の第１の実施例による
全体構成を示す図、第４図は第１の実施例によるレチク
ル上のパターンと指標板上のパターンを示す図、第５図
は本発明の第１の実施例による光電素子を示す図、第６
図は本発明の第１の実施例による信号処理を表すブロッ
ク図、第７図は本発明の第１の実施例にかかるステージ
の移動と９回折光とレチクル上のパターンとの相対移動
の様子を示す図、第８図は本発明の第１の実施例にかか
る回折光とレチクル上のパターンの相対移動を示す図、
第９図は本発明の第１の実施例による光電素子により得
られる変調信号を示す図、第１０図は本発明の第２の実
施例を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 １・・・レーザ光源、２・・・切替えミラー、１０・・
・投影レンズ、１１Ｘ・・・Ｘステージ、ＩＩＹ・・・
Ｘステージ、１２・・・指標板、１８・・・受光素子、
１９・・・ＣＰＵ、２０・・・パワーディテクタ、２１
・・・斜入射ＡＦセンサ、２２Ｘ、　２２Ｙ・・・指標
板上のパターン、２２Ｘ’　、　２２Ｙ’　・・・レチ
クル上のパターン、Ｒ・・・レチクル、Ｗ・・・ウェハ
、ＥＰ・・・投影レンズ１０の瞳面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１物体を投影光学系を介して第２物体上に投影
   する投影光学装置において、 前記第１物体上に所定ピッチの周期構造で形成された第
   １パターンを照射して、該第１パターンから互いに異な
   る角度で発生する少なくとも２つの回折光を前記投影光
   学系へ入射させる照明手段と； 前記第１パターンからの前記少なくとも２つの回折光が
   前記投影光学系を介して、前記第２物体上に所定ピッチ
   の周期構造で前記第１パターンと同方向に形成された第
   ２パターンを照射したとき、該第２パターンで再度回折
   されて、互いに異なる角度で発生する少なくとも２つの
   再回折光を、前記投影光学系の瞳面とほぼ共役な面で受
   光し、前記少なくとも２つの再回折光の夫々に対応した
   複数の信号を出力する検出手段と； 前記第２パターンと前記少なくとも２つの回折光とを該
   第２パターンのピッチ方向に相対移動させる移動手段と
   ； 前記相対移動によって前記検出手段から所定の振幅で変
   調されて出力される前記複数の信号に基づいて、該複数
   の信号間の相対的な位相差を検出する位相差検出手段と
   ； 前記位相差に基づいて投影光学系に関する前記第１物体
   と前記第２物体との共役位置からのずれ量を算出する演
   算手段と； を有することを特徴とする投影光学装置
2. （２）前記第１パターンから互いに異なる角度で発生す
   る少なくとも２つの回折光は±１次光であり、前記少な
   くとも２つの再回折光は０次光と＋１次光或いは０次光
   と−１次光、又は＋１次光と−１次光であることを特徴
   とする請求項１記載の投影光学装置