JPH05160000A

JPH05160000A - 露光装置

Info

Publication number: JPH05160000A
Application number: JP3349562A
Authority: JP
Inventors: Yuji Imai; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-12-06
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】単純な構成で且つ常に安定に投影光学系の倍
率の誤差又は歪曲量を測定できるようにする。【構成】レチクルＲ上に予め形成された複数個のスリ
ットパターン２０，２２と、ウェハステージ１０上に基
板Ｗとほぼ同じ高さに設置された受光面を有し、それら
スリットパターン２０，２２の投影光学系ＰＬによる像
の計測方向（Ｘ方向）の間隔を検出する光電センサ１１
と、この検出された間隔よりその投影光学系ＰＬのその
計測方向の倍率及び歪曲を求める主制御系１８とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、第１面上のパターンを
投影光学系を介して第２面上の基板に転写する露光装置
に関する。このような露光装置は例えば半導体素子を製
造する際のリソグラフィ工程で使用される。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子を製造するためのフォトリソ
グラフィ工程においては、通常フォトマスクやレチクル
（以下、「レチクル」と総称する）と呼ばれる原版に形
成された回路パターン等を、半導体ウェハ上に塗布され
たレジスト層に焼き付け、しかる後現像処理により形成
されたレジストパターンをマスクとしてフォトエッチン
グを行う。そのレチクルのパターンをウェハ上のレジス
ト層に転写する工程において高解像力の投影光学系を有
する露光装置が使用される。この種の露光装置において
は、レチクルのパターンを所定の倍率又は縮小率で正確
にウェハ上に転写することが要求されており、投影光学
系の結像特性、特に倍率の誤差又は歪曲（ディストーシ
ョン）を補正する機構が設けられている。その補正を行
うためには先ずその倍率の誤差又は歪曲の量を正確に計
測する必要がある。

【０００３】従来の露光装置ではそのような計測を行う
ために、レチクル上に特定のパターンを形成し、３次元
的にウェハの位置決めを行うＸＹＺステージ上にスリッ
ト状の窓を有する光学部材を載置していた。そして、そ
のレチクル上の特定のパターンの投影光学系による像と
そのスリット状の窓とを光学系を介して適当な大きさの
拡大像に変換し、この拡大像よりそのレチクル上のパタ
ーンの像とスリット状の窓との間隔を計測し、この間隔
の設計値とのずれより投影光学系の倍率の誤差又は歪曲
の量を求めていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
計測方法では、ＸＹＺステージ及び計測用の光学系が複
雑である不都合があった。また、レチクル上のパターン
とＸＹＺステージ上のスリット状の窓との間隔を光学系
で拡大しているために、この光学系の持つ収差及び光学
系の特性の変動の影響により測定結果に誤差が混入する
虞があった。本発明は斯かる点に鑑み、単純な構成で且
つ常に安定に投影光学系の倍率の誤差又は歪曲量を測定
できる露光装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による露光装置
は、例えば図１に示す如く、第１面Ｒ上のパターンを投
影光学系ＰＬを介して第２面上の基板Ｗに転写する露光
装置において、その第１面Ｒ上に予め形成された複数個
の特定のパターン（２０，２２）と、その第２面上にそ
の基板Ｗとほぼ同じ高さに設置された受光面を有し、そ
れら複数個の特定のパターン（２０，２２）のその投影
光学系ＰＬによる像の所定の計測方向（例えばＸ方向）
の間隔を検出する受光手段（１１）と、この検出された
間隔よりその投影光学系ＰＬのその所定の計測方向の倍
率及び歪曲を求める演算手段（１８）とを設けたもので
ある。

【０００６】この場合、例えば図４に示すように、その
特定のパターン（２０，２２）に所定幅ｇのパターンＱ
１を含め、その受光手段（１１）はこの所定幅ｇのパタ
ーンＱ１の像の幅を検出し、その演算手段（１８）はこ
の検出された像の幅よりその受光手段（１１）の受光面
のその投影光学系ＰＬの光軸方向の合焦位置を求めるよ
うにしてもよい。

【０００７】また、例えば図４に示すように、その特定
のパターン（２０，２２）にその所定の計測方向（Ｘ方
向）に対してそれぞれ斜めに且つ互いに非平行に配置さ
れた１対の線分Ｑ１，Ｑ２を含め、例えば図５に示すよ
うに、その受光手段（１１）の受光面はそれら１対の線
分Ｑ１，Ｑ２のその投影光学系ＰＬによる１対の像（２
０Ｉ）に対してそれぞれ非平行の領域を有するようにし
てもよい。更に、例えば図１１（ａ）に示すように、そ
の特定のパターン（２０，２２）にその所定の計測方向
（Ｘ方向）に対して非平行に配置された線分（３２）を
含め、その受光手段（１１）の受光面は、例えば図１１
（ｂ）に示すように、この線分（３０）のその投影光学
系ＰＬによる像に対してそれぞれ斜めに且つ互いに非平
行に配置された１対の領域（３３，３４）を有するよう
にしてもよい。

【０００８】

【作用】斯かる本発明によれば、第１面Ｒ上に形成され
た複数個の特定のパターン（２０，２１）の計測方向で
あるＸ方向の間隔を予め測定しておき、第２面上に基板
Ｗとほぼ同じ高さに設置された受光面でそれら複数個の
特定のパターンの投影光学系ＰＬによる像のＸ方向の間
隔を検出する。この検出された間隔と元の間隔（上記測
定値、または設計値）とよりその投影光学系のＸ方向の
倍率誤差を求めることができる。また、それら複数個の
特定のパターンが例えば図４に示すように、Ｘ方向に垂
直な方向に配列された２個のパターン（１９Ａ，１９
Ｂ）である場合には、第２面上でのこれら２個のパター
ンの像のＸ方向の位置ずれを検出することにより、投影
光学系の歪曲を検出することができる。

【０００９】この場合、受光手段（１１）の受光面で直
接にそれら特定のパターン（２０，２１）の像を検出す
るようにしているので、投影光学系以外の光学系の収差
の影響等がないと共に、第２面等の構成が単純である。
更に、その特定のパターン（２０，２２）に所定幅ｇの
パターンＱ１を含め、このパターンＱ１の投影光学系Ｐ
Ｌによる像を第２面上に投影すると、その受光手段（１
１）の受光面が投影光学系ＰＬに合焦しているときにそ
の像の幅が最も狭くなる。これを利用してその受光面の
投影光学系ＰＬの光軸方向の合焦位置を求めることがで
きる。

【００１０】次に、その特定のパターン（２０，２２）
にその所定の計測方向（Ｘ方向）に対してそれぞれ斜め
に且つ互いに非平行に配置された１対の線分Ｑ１，Ｑ２
を含め、その受光手段（１１）の受光面がそれら１対の
線分Ｑ１，Ｑ２のその投影光学系ＰＬによる１対の像
（２０Ｉ）に対してそれぞれ非平行の領域を有するよう
にした場合の作用効果につき説明する。投影光学系ＰＬ
の倍率が設計値通りであるとすると、第２面上では、例
えば図６に示すように、それら１対の線分Ｑ１，Ｑ２の
像（２０Ｉ）と受光手段（１１）の受光面とが点Ｐ１及
びＰ２で交差する。ところが、その倍率が設計値からず
れていると、その像（２０Ｉ）は計測方向にΔｘだけず
れた位置（２０Ｊ）に移り、位置（２０Ｊ）の像と受光
手段（２０）の受光面との交点は点Ｒ１及びＲ２に移
る。

【００１１】交点Ｐ１とＰ２との間隔をｙ１、交点Ｒ１
とＲ２との間隔をｙ２とすると、受光手段（２０）側で
はΔｙ（＝ｙ１−ｙ２）が計測される。そして、像（２
０Ｉ）の１つの辺が計測方向（Ｘ方向）となす角度をθ
とすると、 Δｙ＝２・Δｘ・ｔａｎθ の関係がある。従って、θ＞２７°が成立すれば、Δｙ
＞Δｘが成立する。これは実際の変位であるΔｘをΔｙ
に拡大して観察できることを意味する。また、像（２０
Ｉ）が計測方向に対して斜めの場合には、受光手段（１
１）の受光面を計測方向に走査しなくとも或る程度の範
囲の変位を１箇所で測定することができる。

【００１２】次に、その特定のパターン（２０，２２）
にその所定の計測方向（Ｘ方向）に対して非平行に配置
された線分（３２）を含め、その受光手段（１１）の受
光面がその線分（３２）の投影光学系ＰＬによる像に対
してそれぞれ斜めに且つ互いに非平行に配置された１対
の領域（３３，３４）を有する場合とは、上述の発明に
対して特定のパターンと受光手段の受光面との役割を逆
にしたものである。この場合でも実際の変位を拡大して
観察できると共に、或る程度の範囲の変位を１箇所で測
定することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による露光装置の一実施例につ
き図面を参照して説明する。本例はレチクル上のパター
ンをステップ・アンド・リピート方式でウェハ上に焼き
付けるステッパーに本発明を適用したものである。

【００１４】図１は本例のステッパーの全体の構成を示
し、この図１において、水銀ランプ１からのｇ線又はｉ
線等の露光光は、楕円鏡２で集光されミラー３で反射さ
れた後、露光量を制御するシャッター４及び照明光を均
一化するオプティカルインテグレータ５を経てミラー６
に入射する。ミラー６で反射された露光光が主コンデン
サーレンズ７により略々平行光束に変換されてレチクル
Ｒをほぼ均一な照度で照明する。ＰＬは両側（又は片
側）テレセントリックの投影光学系を示し、投影光学系
ＰＬの光軸に対して垂直な平面内の直交座標をＸ軸及び
Ｙ軸で表すと、Ｘ軸及びＹ軸方向に微動できると共にＸ
Ｙ面内で微小回転できるレチクルステージ８上にレチク
ルＲを保持し、レチクルアライメント系９によりレチク
ルＲの装置（投影光学系ＰＬの光軸）に対する位置決め
を行う。

【００１５】本例のレチクルＲは投影光学系ＰＬの倍率
の誤差及び歪曲の量を測定するためのテストレチクルで
あり、そのレチクルＲの裏面のパターン領域ＰＡには、
後述の図１の紙面に垂直なＹ方向に延びた三角波状のス
リットパターン２０及び２２を形成しておく。これらス
リットパターン２０及び２２はＸ方向の倍率誤差等を測
定するためのパターンであり、図示省略するもレチクル
Ｒ上にはＹ方向の倍率誤差等を測定するためのスリット
パターンも形成されている。

【００１６】１０はウェハステージ、Ｗはウェハを示
し、このウェハステージ１０は、ＸＹ面内での移動を行
うＸＹステージ、投影光学系ＰＬの光軸方向であるＺ軸
方向に移動するＺステージ及びＸＹ面内での微小回転を
行うθステージ等よりなり、このウェハステージ１０の
上にウェハＷを載置する。１１はＹ方向に長い電荷結合
型（ＣＣＤ）のラインセンサよりなる光電センサを示
し、光電センサ１１の受光面とウェハＷの露光面とが投
影光学系ＰＬの光軸方向に同じ高さになるように、光電
センサ１１をそのウェハステージ１０上のウェハＷの隣
に固定する。ウェハステージ１０は、倍率等の計測時に
投影光学系ＰＬの結像面と光電センサ１１の受光面とが
一致するように光軸方向に駆動される。そして、レチク
ルＲのスリットパターン２０又は２２の投影光学系ＰＬ
による像をその光電センサ１１の受光面上に投影する。
なお、光電センサ１１はＸ方向の倍率誤差等を計測する
ためのセンサであり、Ｙ方向の倍率誤差等を測定するた
めの光電センサ（図示省略）がその光電センサ１１に直
交するように設けられている。

【００１７】光電センサ１１の一連の受光素子から出力
される光電変換信号を増幅器１３で増幅してマーク信号
Ｓを得て、このマーク信号Ｓを信号処理ユニット１４に
供給する。信号処理ユニット１４は、マーク信号Ｓを処
理して光電センサ１１の受光面とレチクルＲ上のスリッ
トパターン２０又は２２の像との交点のＹ方向の座標を
求める。また、信号処理ユニット１４はステージコント
ローラ１５にウェハステージ１０を所定の計測方向に移
動させるようにコマンドを送る。１６はＸＹθ軸駆動
系、１７はＺ軸駆動系を示し、ＸＹθ軸駆動系１６はウ
ェハステージ１０のＸＹステージ及びθステージを駆動
し、Ｚ軸駆動系１７はウェハステージ１０のＺステージ
を駆動する。また、ＸＹθ軸駆動系１６にはウェハステ
ージ１０のＸ軸及びＹ方向の位置を計測するための２組
のレーザ干渉測長器が配置され、Ｚ軸駆動系１７にはウ
ェハステージ１０のＺ軸方向の位置を計測するためのエ
ンコーダが配置されている。ステージコントローラ１５
は、駆動系１６及び１７よりの位置情報からウェハステ
ージ１０上の例えば投影光学系ＰＬの光軸に対応する座
標及びウェハステージ１０の投影光学系ＰＬに対する高
さを認識し、その座標及び高さが所定の値になるように
駆動系１６及び１７を介してウェハステージ１０の位置
決めを行う。

【００１８】１８は全体の動作を制御する主制御系を示
し、この主制御系１８に信号処理ユニット１４により求
められた交点の座標及びステージコントローラ１５によ
り求められたウェハステージ１０の位置情報を供給す
る。主制御系１８は投影光学系ＰＬの結像特性、特に倍
率誤差及び歪曲量の測定シーケンスを統括的に制御し、
露光時には図示省略したシャッターコントローラを介し
てシャッター４の開閉のタイミング及び開時間を制御
し、最終的に投影光学系ＰＬの倍率誤差及び歪曲量を求
める。また、図１では省略されているが、本例の投影光
学系ＰＬは複数のレンズ群に別れ、所定の隣合うレンズ
群の間隔及び所定のレンズ群の光軸に対する傾斜量を調
整することにより、結像特性が変えられるようになって
いる。そして、主制御系１８は求められた投影光学系Ｐ
Ｌの倍率誤差等が許容値内に収まるように、投影光学系
ＰＬのレンズ群の間隔又はレンズ群の傾斜量等を調整す
る。更に、投影光学系ＰＬの所定の隣合うレンズ群の間
の空間を密閉し、この密閉空間内の気体（空気等）の圧
力を変えることによってもその投影光学系ＰＬの結像特
性を変えることができる。尚、レチクルを投影光学系Ｐ
Ｌの光軸方向に移動する、あるいはＸＹ平面に対して傾
斜させることによって、投影光学系ＰＬの結像特性、特
に歪曲収差（たる型、糸巻き型のディストーション）を
補正するように構成しておいても良く、本実施例におい
て結像特性の補正機構は任意の構成で構わない。

【００１９】次に図２を参照して本例のレチクルＲのパ
ターン配置を説明する。この図２において、レチクルＲ
の３辺の近傍には十字形のレチクルアライメントマーク
ＲＭ１、ＲＭ２及びＲＭ３を形成し、図１のレチクルア
ライメント系９でそれらマークＲＭ１〜ＲＭ３を検出す
ることによりそのレチクルＲの位置決めを行う。それら
３箇所のマークＲＭ１〜ＲＭ３を基準としてレチクルＲ
の中央に矩形のパターン領域ＰＡを形成する。そして、
本例ではそのパターン領域ＰＡのＸ方向の右端に、Ｙ方
向の長さが２Ｈのパターンユニット１９ＡをＹ方向に繰
り返した構造の三角波状のスリットパターン２０を形成
し、パターン領域ＰＡの左端にパターンユニット２１Ａ
をＹ方向に繰り返した構造の三角波状のスリットパター
ン２２を形成する。スリットパターン２０と２２とはレ
チクルＲの中心を通りＹ軸に平行な直線に対して線対称
である。また、スリットパターン２０の中心線とスリッ
トパターン２２の中心線とのＸ方向の間隔は所定の値に
設定し、主制御系１８内のメモリに記憶させておく。こ
れらＹ方向を長手方向とする１組のスリットパターン２
０及び２２により投影光学系ＰＬのＸ方向の倍率誤差等
が計測される。

【００２０】同様に、パターン領域ＰＡのＹ方向の上端
に、Ｘ方向の長さが２Ｈのパターンユニット２３ＡをＸ
方向に繰り返した構造の三角波状のスリットパターン２
４を形成し、パターン領域ＰＡの下端にパターンユニッ
ト２５ＡをＸ方向に繰り返した構造の三角波状のスリッ
トパターン２６を形成する。スリットパターン２４と２
６とはレチクルＲの中心を通りＸ軸に平行な直線に対し
て線対称である。また、スリットパターン２４の中心線
とスリットパターン２６の中心線とのＹ方向の間隔も所
定の値に設定し、主制御系１８内のメモリに記憶させて
おく。これらＸ方向を長手方向とする１組のスリットパ
ターン２４及び２６により投影光学系ＰＬのＹ方向の倍
率誤差等が計測される。なお、後述のようにスリットパ
ターン２０等の形状は三角波状に限定されず、また、ス
リットパターン２０等の他にエッジパターン等をも使用
することができる。

【００２１】図３に図１の光電センサ１１の詳細な構造
を示す。この図３に示すように、光電センサ１１はＹ方
向に配列された受光素子Ｄ１〜Ｄｎより構成する。個々
の受光素子Ｄ１等のＹ方向の長さ、即ちＹ方向の位置分
解能は例えば数μｍであり、全体のＹ方向の長さは、レ
チクルＲ上のスリットパターン２０のＹ方向の長さに投
影光学系ＰＬの倍率（又は縮小率）を乗じた長さ程度で
ある。ただし、ウェハステージ１０をＹ方向に移動させ
る方法を用いる場合には、その光電センサ１１のＹ方向
の長さは、レチクルＲ上のパターンユニット１９ＡのＹ
方向の長さ２Ｈに投影光学系ＰＬの倍率を乗じた長さ程
度でもよい。また、その光電センサ１１に直交するよう
に、Ｘ方向に配列された受光素子Ｅ１〜Ｅｎよりなる光
電センサ２７が配置されている。ただし、光電センサ１
１及び２７をそれぞれ２次元のイメージセンサ等より構
成してもよい。

【００２２】図４は、図２のレチクルＲ上のパターンユ
ニット１９Ａ及びこれに隣接する同一のパターンユニッ
ト１９Ｂの詳細な形状を示す。この図４のパターンユニ
ット１９Ａ及び１９Ｂにおいて、左端のエッジが３角波
状の遮光パターン２８と右端のエッジが３角波状の遮光
パターン２９とをＸ方向に所定間隔離して配置する。通
常は、レチクル製作時にエッチングによってパターンユ
ニット１９に相当する部分のクロムを除去することによ
って形成している。これによりそれら遮光パターン２８
と遮光パターン２９との間に光透過性の３角波状のスリ
ットパターン２０が形成される。また、このスリットパ
ターン２０はパターンユニット１９Ａにおいては、測定
方向であるＸ方向に対して時計方向に角度θ（０°≦θ
＜９０°）で交差する幅ｇのスリットＱ１と、Ｘ方向に
対して反時計方向に角度θで交差する幅ｇのスリットＱ
２とを接続して構成されている。また、スリットＱ１及
びＱ２のＸ方向に直交するＹ方向の長さは共にＨであ
る。

【００２３】本例のレチクルＲを使用すればＸ方向のみ
ならずＹ方向の投影光学系ＰＬの倍率誤差等をも計測す
ることができるが、以下では主にＸ方向の倍率誤差等の
計測方法について説明する。

【００２４】図５（ａ）は、図４のスリットパターン２
０を投影光学系ＰＬを介してウェハステージ１０上の光
電センサ１１の近傍に投影した状態を示し、照度の高い
スリットパターン像２０Ｉがスリットパターン２０の像
である。この場合、光電センサ１１の一連の受光素子か
ら得られるマーク信号ＳをＹ方向の位置に対応してプロ
ットすると、図５（ｂ）に示すように、光電センサ１１
の中でスリットパターン像２０Ｉと交差する部分の受光
素子から得られるマーク信号Ｓの値だけが大きくなる。
そして、そのマーク信号Ｓの２つの隣合うピーク点のＹ
方向の間隔ｙは、スリットパターン像２０Ｉと光電セン
サ１１との隣合う交点のＹ方向の間隔とみなすことがで
きる。このように本例によれば、マーク信号より容易に
スリットパターン像２０Ｉと光電センサ１１との交点の
Ｙ方向の間隔を計測することができる。

【００２５】次に図６を参照して、投影光学系ＰＬの倍
率誤差等によりスリットパターン像２０Ｉと光電センサ
１１との相対位置が変化した場合の測定結果の変化につ
いて説明する。図６（ａ）において、光電センサ１１の
Ｘ方向の座標をｘ１として、投影光学系ＰＬの倍率が設
計値通りであるときのスリットパターン像を２０Ｉとす
る。図６（ｂ）に示すように、スリットパターン像２０
Ｉと光電センサ１１との交点ではマーク信号Ｓがピーク
になることからその交点のＹ方向の位置を検出すること
ができる。そして、スリットパターン像２０Ｉと光電セ
ンサ１１との隣合う交点Ｐ１及びＰ２のＹ方向の間隔を
ｙ１とする。スリットパターン像２０Ｉの中心線のＸ座
標がｘ１であるときには、投影光学系ＰＬの倍率をβと
すると、間隔ｙ１はＨβに等しい。これに対して、投影
光学系ＰＬの倍率の変化によりスリットパターンの像２
０ＩがＸ軸の方向にΔｘだけずれて像２０Ｊが形成され
たものとする。この位置ずれした像２０Ｊと光電センサ
１１との隣合う交点Ｒ１及びＲ２のＹ方向の間隔をｙ２
とすると、本例ではその間隔ｙ１と間隔ｙ２とを計測す
ることができる。

【００２６】そして、計測されるＹ方向の位置ずれをΔ
ｙとすると、次式が成立する。

【数１】Δｙ＝ｙ１−ｙ２この場合、像２０Ｉ及び２０ＪがＸ方向となす角度はθ
であるため、計測される位置ずれΔｙから次式を用いて
Ｘ方向の実際の位置ずれΔｘを求めることができる。

【数２】Δｘ＝（Δｙ／２）／ｔａｎθ

【００２７】この（数２）によれば、θ＞２７°であれ
ば、Δｘ＜Δｙが成立する。これは図４のスリットパタ
ーン２０が計測方向であるＸ方向に対してなす角度θを
２７°より大きく設定すれば、倍率の誤差によるＸ方向
へのスリットパターン像の位置のずれΔｘをΔｙに拡大
して計測できることを意味する。例えばθ＝７９°程度
に設定すれば、Δｙ＝１０Δｘとなり、位置のずれΔｘ
を約１０倍にまで拡大して観察することができる。従っ
て、本例によれば拡大光学系を使用することなく、基準
マークとしてのスリットパターンの像２０Ｉと光電セン
サ１１との測定方向の相対位置関係を直接的に拡大して
観察することができる利点がある。

【００２８】ただし、或る投影光学系ＰＬについて実際
に計測されるのは図６（ａ）における間隔ｙ２のみであ
るので、上記の（数１）のｙ１としては、中心のＸ座標
がｘ１に合致していると仮定した理想的なスリットパタ
ーン像の値であるＨβを用いることも考えられる。これ
により、Δｙを理想的な状態からのＸ方向への位置ずれ
とみなすことができる。

【００２９】また、投影光学系ＰＬのＹ方向への倍率が
βから外れている場合も有り得るが、その局所的な誤差
は次のようにしても検出することができる。即ち、図６
（ａ）において、位置ずれしたスリットパターン像２０
Ｊと光電センサ１１との交点Ｒ１及びＲ２に続く第３の
交点をＲ３とすると、交点Ｒ１と交点Ｒ３との間隔はＹ
方向の倍率誤差がない状態では２Ｈ・βである。これに
対して、実測される間隔をｙ３とすると、局所的なＹ方
向への倍率誤差Δβ_Y は次式で求めることができる。

【数３】Δβ_Y ＝（ｙ３−２Ｈ・β）／（２Ｈ・β）このようにして求められた倍率誤差を勘案して上記の
（数１）より得たΔｙを補正することにより、より正確
にＸ方向への位置ずれを求めることができる。

【００３０】次に図７を参照して、（数２）から求めた
Ｘ方向の位置ずれΔｘより投影光学系ＰＬのＸ方向の倍
率誤差等を求める方法の一例につき説明する。説明の便
宜上、Ｙ方向の倍率誤差はないものとする。図７におい
て、実線で示す像２０Ｉ及び２２Ｉは、それぞれ投影光
学系ＰＬのＸ方向の倍率が設計値（これをβとする）通
りである場合の図２のレチクル上のスリットパターン２
０及び２２の仮想的な投影像である。また、２点鎖線で
示す像２０Ｊ及び２２Ｊは、それぞれ投影光学系ＰＬに
よるスリットパターン２０及び２２の実際の投影像であ
るとする。この場合、図１の主制御系１８は、ステージ
コントローラ１５を介してウェハステージ１０をＸ方向
に移動することにより、光電センサ１１のＸ座標がｘ３
及びｘ４となる２箇所で計測を行う。Ｘ座標がｘ４であ
る光電センサ１１を光電センサ１１Ａで表す。

【００３１】図２のレチクルＲ上のスリットパターン２
０の中心線とスリットパターン２２の中心線との間隔を
ＬＸとすると、Ｘ座標ｘ３とｘ４との間隔はＬＸ・βに
なるように選択する。この場合には、仮想的なスリット
パターン像２０Ｉ及び２２Ｉの中心線のＸ座標はそれぞ
れｘ３及びｘ４とみなすことができる。そして、図７の
Ｙ方向の座標がＹＡの近傍において、光電センサ１１と
実際のスリットパターン像２０Ｊとの２個の交点の間隔
ｙ４及び光電センサ１１Ａと実際のスリットパターン像
２２Ｊとの２個の交点の間隔ｙ５が計測される。また、
仮想的なスリットパターン像２０Ｉと光電センサ１１と
の２個の交点の間隔及び仮想的なスリットパターン像２
２Ｉと光電センサ１１Ａとの２個の交点の間隔は共にＨ
・βである。

【００３２】そこで、間隔ｙ４及びＨ・βを（数１）に
代入して得たΔｙを（数２）に代入することによりスリ
ットパターン像２０ＪのＸ方向の位置ずれΔｘ１が求め
られ、間隔ｙ５及びＨ・βを（数１）に代入して得たΔ
ｙを（数２）に代入することによりスリットパターン像
２２ＪのＸ方向の位置ずれΔｘ４が求められる。従っ
て、Ｙ座標がＹＡの近傍におけるＸ方向の倍率の誤差を
Δβ_X1とすると、Δβ_X1は次のようになる。

【数４】 Δβ_X1＝（ＬＸ・β＋Δｘ１＋Δｘ４）／ＬＸ−β ＝（Δｘ１＋Δｘ４）／ＬＸ

【００３３】同様に、Ｙ座標がＹＢの近傍においても、
実際のスリットパターン像２０Ｊの位置ずれΔｘ２及び
スリットパターン像２２Ｊの位置ずれΔｘ５が求めら
れ、Ｙ座標がＹＣの近傍においても、実際のスリットパ
ターン像２０Ｊの位置ずれΔｘ３及びスリットパターン
像２２Ｊの位置ずれΔｘ６が求められる。そして、（数
４）と同様の演算により、Ｙ座標がそれぞれＹＢ及びＹ
Ｃの近傍におけるＸ方向の倍率の誤差Δβ_X2及びΔβ_X3
が求められる。また、例えば倍率誤差Δβ_X1とΔβ_X2と
の差及び倍率誤差Δβ_X2とΔβ_X3との差はそれぞれ投影
光学系ＰＬの局所的な歪曲であるとみなすことができ
る。

【００３４】上述のように本例によれば、光電センサ１
１をＸ方向の座標がｘ３及びｘ４の２箇所に移動して、
スリットパターン像２０Ｊ及び２２Ｊとの交点の座標を
計測するだけで、投影光学系ＰＬのＸ方向の倍率誤差及
び歪曲量を迅速に計測することができる。従って、光電
センサ１１をＸ方向に走査する必要がないので、計測時
間を大幅に短縮することができる。更に、レチクルＲ上
のスリットパターン２０及び２２がＸ方向になす角度θ
を所定値より大きくするだけで、スリットパターン像２
０Ｊ及び２２ＪのＸ方向の位置ずれを拡大して計測する
ことができ、より高精度に倍率誤差等を計測することが
できる。なお、本例では光電センサ１１の受光部はＸ方
向には１本であるため、スリットパターン２０及び２２
の像を検出するには、その光電センサ１１をＸ方向の２
箇所（座標ｘ３及びＸ４）に移動させる必要がある。し
かしながら、光電センサ１１の受光部をＸ方向に２本設
けることにより、スリットパターン２０及び２２の像を
Ｘ方向の１箇所で検出することができる。即ち、前者の
場合は干渉計の位置データが必要となるが、後者の場合
は光電センサ１１の画素基準で計測が行われる。

【００３５】なお、図２のレチクルＲ上においては、例
えばスリットパターン２０はパターンユニット１９Ａを
多数回繰り返して形成され、スリットパターン２２はパ
ターンユニット２１Ａを多数回繰り返して形成されてい
る。しかしながら、レチクルＲ上に例えばパターンユニ
ット１９Ａとパターンユニット２１Ａだけが形成されて
いる場合でも、図７のＹ座標がＹＡの近傍の投影光学系
ＰＬの倍率誤差を計測することができる。また、レチク
ルＲ上に図２のパターンユニット１９Ａ及び１９Ｂだけ
が形成されている場合には、図７の位置ずれΔｘ４及び
Δｘ５が計測できるので、両者の差分よりその近傍の投
影光学系ＰＬの歪曲を計測することができる。従って、
図２のレチクルＲ上では、配列に拘らずパターンユニッ
ト１９Ａと同じパターンが複数個存在するだけで、投影
光学系ＰＬの倍率誤差等を或る程度計測することができ
る。

【００３６】次に、図２のレチクルＲ上のスリットパタ
ーン２０を用いると、投影光学系ＰＬに対するウェハＷ
の合焦を行うことができるので、それについて図８及び
図９を参照して説明する。図８（ａ）は光電センサ１１
の受光面が図１の投影光学系ＰＬの結像面に合致してい
る状態、即ちその受光面が投影光学系ＰＬに合焦してい
る状態を示す。この場合には、レチクルＲ上のスリット
パターン２０の像２０Ｉの線幅は最も狭くなっている。
光電センサ１１から得られるマーク信号Ｓは、図８
（ｂ）に示すように、スリットパターン像２０Ｉと光電
センサ１１との交差領域のＹ方向の幅ｙ６においてパル
ス状になる。

【００３７】これに対して、光電センサ１１の受光面が
投影光学系ＰＬに対する合焦位置から上方又は下方にず
れると、図９（ａ）に示すように、レチクルＲのスリッ
トパターン２０の光電センサ１１上の像２０Ｉの幅は広
くなる。これに応じて、図９（ｂ）に示すように、光電
センサ１１から得られるマーク信号Ｓのパルス部分の幅
ｙ７も図８（ｂ）の幅ｙ６よりも広くなる。従って、光
電センサ１１とスリットパターン像２０Ｉとの交差領域
のＹ方向の幅が最も狭くなるようにウェハステージ１０
の高さを調整することにより、光電センサ１１の受光面
を投影光学系ＰＬに対して合焦させることができる。

【００３８】この場合、レチクルＲ上のスリットパター
ン２０のＹ方向の幅をｇ_Y として、投影光学系ＰＬの倍
率をβとすると、図８（ｂ）におけるマーク信号Ｓから
得られるＹ方向の最も狭いパルス幅ｙ６はｇ_Y ・β程度
である。また、予め合焦状態からウェハステージ１０を
上下に移動させてそのパルス幅の変化量を計測しておく
ことにより、逆に現在のパルス幅（例えば図９（ｂ）の
幅ｙ７）から合焦点と現在のＺ軸座標との位置ずれ量を
算出することもできる。そして、ウェハステージ１０を
その位置ずれ分だけＺ方向に移動させることにより、合
焦速度を高めることができる。このように本例のスリッ
トパターン２０等を使用すれば、投影光学系ＰＬの倍率
誤差等の外に、投影光学系ＰＬに対する合焦をも行うこ
とができる。この場合、レチクル上のパターンを投影光
学系ＰＬを介して光電センサ１１の受光面に投影して得
られた像から直接に合焦を行うようにしているので、経
時変化又は露光光吸収等により投影光学系ＰＬの結像特
性が変化して合焦面（最良結像面）がＺ方向に変位した
ような場合でも正確に真の合焦点（ベストフォーカス位
置）を検出できる利点がある。このとき、投影光学系Ｐ
Ｌのイメージフィールド内の複数点の各々におけるベス
トフォーカス位置を求めれば、投影光学系ＰＬの最良結
像面をも求めることができる。

【００３９】また、図１では図示省略しているが、図１
のような露光装置には間接方式による合焦機構を設ける
ことができる。投影光学系ＰＬの実際の結像面を検出し
てこの結像面にウェハＷの露光面を合わせる直接方式と
異なり、間接方式では予め直接方式により結像面のＺ方
向の座標を求め、それ以後はウェハＷの露光面のＺ方向
の座標がその求めた座標になるようにウェハステージ１
０の高さを制御する。ウェハＷが投影光学系ＰＬのイメ
ージフィールド内に存在するときには直接方式による合
焦は比較的困難であるため、間接方式による合焦が行わ
れる。間接方式の光学系としては、例えば投影光学系Ｐ
Ｌの光軸に対して斜めに光束を入射して、ウェハＷから
斜めに反射されて来る光束を位置検出型の受光素子（Ｐ
ＳＤ等）で受光する光学系が使用される。

【００４０】そのような間接方式の合焦を行う場合に
は、直接方式により投影光学系ＰＬの結像面の位置のキ
ャリブレーションを行う必要がある。本例のスリットパ
ターン２０を使用する合焦方法は直接方式であるため、
そのような間接方式の合焦機構の合焦点のキャリブレー
ションを定期的に行うのに好適である。間接方式の合焦
機構の構成及びそのキャリブレーション動作の一例につ
いては、例えば特開昭６０−１６８１１２号公報に開示
されているので、ここでは説明を省略する。

【００４１】次に本発明の他の実施例につき図１０を参
照して説明する。図１０（ａ）はこの実施例のレチクル
Ｒ上のパターンを示し、この図１０（ａ）において、２
８は右端のエッジが三角波状になっている遮光パターン
である。この遮光パターン２８の右端の隣合う１対のエ
ッジパターンＱ３及びＱ４をＹ方向に繰り返すことによ
り３角波状のエッジパターン２９が形成される。このエ
ッジパターン２９の投影光学系ＰＬによる像を図３の光
電センサ１１の受光面に投影して、エッジパターン像の
明部と暗部との境界のＹ座標を検出することにより、図
６の幅ｙ１及びｙ２に対応する幅が求められる。従っ
て、投影光学系ＰＬのＸ方向の倍率誤差等を計測するこ
とができる。

【００４２】なお、図１０（ａ）の例では隣合うエッジ
パターンＱ３とＱ４とは共にＸ軸に対して斜めになって
いるが、例えば一方のエッジパターンがＸ軸に平行にな
ってもよい。図１０（ｂ）はそのような場合のレチクル
Ｒ上のパターンを示し、この図１０（ｂ）において、３
０は直角三角形をＹ方向に繰り返した遮光パターンであ
る。この遮光パターン３０の隣合う１対のエッジパター
ンの一方のパターンＱ５はＸ軸に平行であり、他方のパ
ターンＱ６はＸ軸に角度θで交差しており、この１対の
エッジパターンＱ５及びＱ６をＹ方向に繰り返すことに
より鋸歯状のエッジパターン３１が形成される。このエ
ッジパターン３１の像の明部と暗部との境界のＹ方向の
座標を求めることにより、同様に投影光学系ＰＬのＸ方
向の倍率誤差等を測定することができる。

【００４３】なお、図１０（ｂ）の例では、Ｘ方向の位
置ずれΔｘと実際に計測されるＹ方向の位置ずれΔｙと
の関係は次のようになる。

【数５】Δｘ＝Δｙ／ｔａｎθ これを（数２）と比較すると、この実施例では検出感度
が１／２になっているが、θ＞４５°であれば、Δｘ＜
Δｙとなる。従って、他方のエッジパターンＱ６のＸ軸
に対する交差角を４５°以上に設定することにより位置
ずれを拡大して計測することができる。

【００４４】上述実施例では、レチクルＲ上のパターン
が三角波状又は鋸歯状であり、光電センサ１１の受光面
が直線状であるが、逆の関係でもよいことは明かであ
る。この逆の関係の場合には、レチクルＲ上のＸ方向を
測定方向とするパターンは例えば図１１（ａ）に示すよ
うに、遮光パターンの間に光透過性のＸ方向に略々垂直
な直線状のパターン３２が形成されたものとなる。一
方、ウェハステージ１０上に載置される光電センサの受
光面の形状は、例えば図１１（ｂ）に示すように、Ｘ方
向に時計回りに角度θで交差するラインセンサ３３とＺ
方向に反時計方向に角度θで交差するラインセンサ３４
とよりなる基本ユニットをＹ方向に繰り返した形状とな
る。このような組合せでも投影光学系ＰＬのＸ方向の倍
率誤差等を計測できることは明かである。

【００４５】更に、レチクルＲ上のパターンを図４のよ
うにＹ方向に三角波状のスリットパターンとして、光電
センサの受光面の形状をも図１１（ｂ）のようにＹ方向
に三角波状のパターンとすることもできる。この場合に
は、レチクルＲ上のスリットパターンの像と光電センサ
の受光面のパターンとの位相差が１８０°になるように
しておく。これにより上述の（数２）の関係式は次のよ
うになり、Ｘ方向の位置ずれを更に２倍に拡大して計測
することができる。

【数６】Δｘ＝（Δｙ／４）／ｔａｎθ

【００４６】なお、上記実施例では露光装置に適用され
る投影光学系の結像特性（倍率、ディストーション、焦
点位置等）を求める場合について述べたが、露光装置以
外の投影光学系に対しても本発明を適用して同様の効果
を得ることができる。つまり、検査対象となる投影光学
系はどんな装置に適用されるものであっても良く、さら
にその種類は複数のレンズエレメントからなる屈折光学
系、ミラー等からなる反射光学系、あるいはそれらを組
み合わせた系であっても良い。

【００４７】また、実施例ではテストレチクルを用いて
いたが、デバイスレチクルの一部にスリットパターンを
形成し、同様に計測を行うこともできる。これは特にマ
ルチダイレチクル（レチクルのパターン領域内に複数の
回路パターンが描かれているもの）に有効である。更に
レチクルのパターン領域を細かいピッチで格子状に分割
した各格子点に、例えば図２のユニットパターン１９Ａ
及び２５Ａよりなる一組のスリットパターンを形成して
おくようにしても良い。これにより、ほぼ同一位置にお
けるＸ，Ｙ方向の倍率等を計測できる。このときセンサ
１１上にも対応する位置に複数の受光面を形成しておく
ひとが望ましい。けだし、走査する必要がなくなり、計
測時間の短縮ができるからである。また、センサ１１上
のスリットは互いに直交するＴ字型の１組のパターンで
も良いが、この場合には投影光学系のイメージフィール
ド内でセンサ１１を移動させていく必要が有る。更に、
レチクルを格子状に分割した各格子点に、例えば図２の
ユニットパターン１９Ａ，２５Ａ，２１Ａ，２３Ａより
なるスリットパターンを形成してもよい。これにより計
測精度が向上する。

【００４８】また、投影光学系の焦点位置を検出する
際、計測方向がそのイメージフィールド内でサジタル
（Ｓ）又はメリディオナル（Ｍ）方向と一致するように
マークを配置しておいても良い。これにより非点収差を
求めることができる。更に、センサ１１はＣＣＤ以外で
も良い。このように、本発明は上述実施例に限定されず
本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得
る。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、計測時に基板とほぼ同
じ高さに設定された受光面で直接に第１面上の複数個の
特定のパターンの間隔を検出するようにしているので、
正確且つ安定に投影光学系の倍率誤差又は歪曲量を計測
できる利点がある。更に、拡大光学系等を使用していな
いので、構成が単純であると共に、メインテナンスに関
しても優れている。また、その特定のパターンを所定幅
のパターンを含むようにした場合には、その所定幅のパ
ターンの像の幅が最も狭くなるように第２面の位置を調
整することにより、投影光学系に対する直接方式の合焦
をも行うことができる。

【００５０】また、その特定のパターンを所定の計測方
向に対して斜めに且つ互いに非平行に配置された１対の
線分を含むようにした場合には、受光手段の受光面を計
測方向の１点に位置決めするだけでそのパターンの像の
位置ずれ量を計測することができる。このように１点に
位置決めして計測する場合には、走査する方式と比べて
計測時間を大幅に短縮することができると共に、電荷蓄
積型撮像デバイス（ＣＣＤ）等を使用して時間的に平均
化した安定な信号を得ることができる。更に、その線分
の計測方向に対する傾斜角を大きくすることにより、計
測方向への位置ずれを拡大して計測することができる。
逆に、その受光手段の受光面が所定の計測方向に対して
斜めに且つ互いに非平行に配置された１対の領域を含む
ようにした場合にも、受光手段の受光面を計測方向の１
点に位置決めするだけでその特定のパターンの像の位置
ずれ量を計測することができる。更に、その１対の領域
の計測方向に対する傾斜角を大きくすることにより、計
測方向への位置ずれを拡大して計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による露光装置の一実施例を示す一部断
面図を含む構成図である。

【図２】実施例のレチクルＲのパターンを示す平面図で
ある。

【図３】図１の光電センサ１１等を示す平面図である。

【図４】図２のスリットパターン２０の一部の詳細な構
成を示す拡大平面図である。

【図５】（ａ）は光電センサ１１上に形成されるスリッ
トパターンの像を示す拡大平面図、（ｂ）はそれに対応
して光電センサ１１から出力されるマーク信号Ｓを示す
波形図である。

【図６】（ａ）は光電センサ１１に対してスリットパタ
ーン像２０Ｉが位置ずれした場合を示す平面図、（ｂ）
はそれに対応するマーク信号Ｓの変化を示す波形図であ
る。

【図７】投影光学系の倍率誤差又は歪曲量の求め方の説
明に供する線図である。

【図８】（ａ）は光電センサ１１の受光面が投影光学系
に合焦しているときのスリットパターン像２０Ｉを示す
拡大平面図、（ｂ）はそれに対応するマーク信号Ｓを示
す波形図である。

【図９】（ａ）は光電センサ１１の受光面が投影光学系
の合焦面から外れているときのスリットパターン像２０
Ｉを示す拡大平面図、（ｂ）はそれに対応するマーク信
号Ｓを示す波形図である。

【図１０】（ａ）は他の実施例のレチクルＲ上のパター
ンを示す要部の拡大平面図、（ｂ）は（ａ）のパターン
の変形例を示す要部の拡大平面図である。

【図１１】（ａ）は本発明の更に他の実施例のレチクル
Ｒ上のパターンの一部を示す拡大平面図、（ｂ）はその
実施例の光電センサの受光面の形状の一部を示す拡大平
面図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系１０ウェハステージ１１光電センサ１４信号処理ユニット１５ステージコントローラ１６ＸＹθ軸駆動系１７Ｚ軸駆動系１８主制御系１９Ａ，２１Ａパターンユニット２０，２２スリットパターン２０Ｉ，２０Ｊスリットパターン２０の像２２Ｉ，２２Ｊスリットパターン２２の像

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上のパターンを投影光学系を介し
て第２面上の基板に転写する露光装置において、前記第１面上に予め形成された複数個の特定のパターン
と、前記第２面上に前記基板とほぼ同じ高さに設置された受
光面を有し、前記複数個の特定のパターンの前記投影光
学系による像の所定の計測方向の間隔を検出する受光手
段と、該検出された間隔より前記投影光学系の前記所定の計測
方向の倍率及び歪曲を求める演算手段とを設けた事を特
徴とする露光装置。
【請求項２】前記特定のパターンは所定幅のパターン
を含み、前記受光手段は該所定幅のパターンの像の幅を検出し、前記演算手段は該検出された像の幅より前記受光手段の
受光面の前記投影光学系の光軸方向の合焦位置を求める
事を特徴とする請求項１記載の露光装置。
【請求項３】前記特定のパターンは前記所定の計測方
向に対してそれぞれ斜めに且つ互いに非平行に配置され
た１対の線分を含み、前記受光手段の受光面は前記１対の線分の前記投影光学
系による１対の像に対してそれぞれ非平行の領域を有す
る事を特徴とする請求項１又は２記載の露光装置。
【請求項４】前記特定のパターンは前記所定の計測方
向に対して非平行に配置された線分を含み、前記受光手段の受光面は、該線分の前記投影光学系によ
る像に対してそれぞれ斜めに且つ互いに非平行に配置さ
れた１対の領域を有する事を特徴とする請求項１又は２
記載の露光装置。