JPH08181061A - 焦点合わせ方法及びそれを用いた投影露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レチクル面上のパターンを投影光学系により
ウエハ面上に焦点合わせをして高精度に投影露光するこ
とができる焦点合わせ方法及びそれを用いた投影露光装
置を得ること。 【構成】 第１物体面上のパターンを投影レンズ系によ
り第２物体面上に投影する際、光源手段からの光束によ
り光軸に対して傾いて配置したスリット状開口部を有す
るスリット部材を照明し、該スリット部材が結像手段に
より該第１物体面と略共役関係となるようにし、該第１
物体面上と第２物体面上における該スリット部材のスリ
ット状開口部の結像状態を検出手段で検出し、該検出手
段からの信号を用いて該投影レンズ系の焦点合わせを行
っていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は焦点合わせ方法及びそれ
を用いた投影露光装置に関し、例えば半導体素子製造用
の投影焼付装置等に使用される所謂ステッパー等におい
て、レチクル（第１物体）とウエハ（第２物体）との結
像位置を位置決めして、レチクル面上のパターンをウエ
ハ面上に高解像度で投影露光し、半導体デバイスを製造
する際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ステッパーにおいてはレチク
ル面上のパターンを投影光学系によりウエハ面上に高解
像力で投影する為に、投影光学系の許容焦点深度内にウ
エハ面が位置するように焦点合わせを行っている。

【０００３】このような焦点合わせ手段を有した投影露
光装置が、例えば特開昭５７−２１２４０６号公報で提
案されている。同公報では、結像レンズの物体位置に設
定された転写物体（レチクル）上にスリット又はピンホ
ール状の透過するマークを設置し、３次元方向に移動可
能なステージ上の結像位置の近傍に被転写物体（ウエ
ハ）を設定し、転写物体上のスリット又はピンホールを
透過した光束が結像レンズ（投影光学系）を透過した後
に当該被転写物体上で反射し、結像レンズを逆方向に透
過して、前記転写物体上のスリット又はピンホール上に
結像させている。

【０００４】この時、スリット又はピンホールを透過し
て検出させる光量は、レチクル上のスリット又はピンホ
ール・マークが反射板上に結像した時に最も多くなり、
被転写物体の位置が光軸上で結像位置から離れるに従っ
て像が不鮮明となり、像が広がる（ぼける）ためスリッ
ト又はピンホールでけられる光束が増えることにより、
透過する光量が減るために検出される光量が減少する。

【０００５】この光量が最も多くなる位置を被転写物体
を載置しているステージを光軸方向に上下動することに
より検出し、焦点位置合わせを行っている。この時、被
転写物体の代わりに反射鏡を使用した場合には、反射鏡
上面と被転写物体面との差を補正してステージを駆動す
るか、本装置とは独立して装備された焦点位置検出装置
を使用することにより、被転写物体の表面をステージを
上下動することにより反射鏡の表面の位置合わせを行っ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に半導体素子製造
用のステッパーにおいて、レチクル面上のパターンをウ
エハ面上に投影する投影光学系の焦点合わせをする際に
は高精度でしかも高速に行えることが重要である。前述
した特開昭５７−２１２４０６号公報で提案されている
投影露光装置では、１回の位置合わせを行うために、反
射鏡を設置したステージを光軸方向に多数回移動しなけ
ればならないために、焦点合わせに多くの時間がかかる
傾向があった。

【０００７】本発明は第１物体面上のパターンを投影光
学系で第２物体面上に投影する際、第１物体面と光学的
に共役な位置に光軸に対してスリット状開口部を傾斜さ
せたスリット部材を設け、第１物体面と第２物体面上に
おける該スリット状開口部の結像状態を検出することに
より光軸方向にステージを移動走査することなく投影光
学系の焦点合わせを高精度にしかも高速に行うことので
きる焦点合わせ方法及びそれを用いた投影露光装置の提
供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（１−１）本発明の投影露光装置は、第１物体面上のパ
ターンを投影レンズ系により第２物体面上に投影する
際、光源手段からの光束により光軸に対して傾いて配置
したスリット状開口部を有するスリット部材を照明し、
該スリット部材が結像手段により該第１物体面と略共役
関係となるようにし、該第１物体面上と第２物体面上に
おける該スリット部材のスリット状開口部の結像状態を
検出手段で検出し、該検出手段からの信号を用いて該投
影レンズ系の焦点合わせを行っていることを特徴として
いる。

【０００９】特に、前記検出手段による前記スリット部
材のスリット状開口部の前記第１物体面上における結像
状態の検出を該スリット状開口部を通過した光束のうち
該第１物体面に設けた反射部材で反射した光束を用いて
行い、前記第２物体面上における結像状態の検出を該ス
リット開口部を通過した光束のうち該第２物体面上に設
けた反射部材で反射した光束を用いて行っていることを
特徴としている。

【００１０】（１−２）本発明の焦点合わせ方法は、投
影光学系の物体面と光学的に共役な位置にスリット部材
を光軸に対して傾けて配置し、該スリット部材のスリッ
ト状開口部の該投影光学系の物体面における結像状態及
び該投影光学系の結像面における結像状態を各々該物体
面及び結像面に設けた反射部材で反射した光束を検出手
段面上に導光し、該検出手段で得られる信号を利用して
求め、これより該投影光学系の焦点合わせを行っている
ことを特徴としている。

【００１１】（１−３）本発明においては、投影光学系
の光軸方向の位置検出、即ち焦点合わせの為にスリット
部材を予め光軸方向に位置ズレ情報を持つように光軸に
対して傾けて設定している。そして光源手段からの光束
で照明したスリット部材のスリット状開口部（スリット
開口）の像（スリット像）を投影光学系を介して、概略
ピント位置に置かれたステージ上の反射板上に結像する
ようにしている。この時、反射板上におけるスリット像
は焦点のあった位置において最も鮮明となり、それ以外
の位置においてはスリット開口が最適なピント位置より
結像位置がずれる為にそのスリット像がぼけて広がった
状態で結像する。

【００１２】このスリット像は反射板で反射されて投影
レンズを逆方向に進行し、マスク上のスリット開口部上
に再結像する。この時スリット像の再結像像は当初のス
リット開口を光軸上に反対に傾けた面上に結像すること
になる。従って、スリット面においてはスリット像は略
２倍にぼけた状態になる。即ち、スリット開口を透過す
るスリット開口上の光量分布は、焦点の合っている一部
のスリット位置をピークとして分布する。

【００１３】本発明では予め焦点を合わせた時のスリッ
ト開口上の位置を原点として設定している。そして光量
分布の最大になる位置がこの原点からどのくらい離れて
いるかを求め、予め傾けておいたスリット開口の角度よ
り算出して、現状での反射板の位置がピント位置からど
れだけずれているかを求めている。これにより投影光学
系のピント位置の検出を１度で検出することを可能とし
ている。そしてステージを駆動させて位置合わせを行う
には、検出された量だけステージを上下方向（光軸方
向）に移動するようにしている。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。

【００１５】同図において、７は第１物体としてのレチ
クルであり、その面上には回路パターンが形成されてい
る。レチクル７はレチクルステージ（不図示）に載置し
ており、照明系ＳＡからの露光光（例えばｇ線やｉ線や
エキシマレーザからの光束）で照明されている。７ａは
反射部材であり、レチクル７の回路パターン面７ｂと同
一平面内に設けている。８は投影レンズ系（投影光学
系）であり、レチクル７面上の回路パターンをＸ，Ｙ，
Ｚ方向に移動可能なステージ９面上に載置した第２物体
としてのウエハ（不図示）に縮小投影している。

【００１６】１０１は光源手段である。光源手段１０１
は He-Neレーザや発光ダイオード等から成る光源部１
と、光源部１からの光束を集光するコンデンサーレンズ
２とを有している。３はビームスプリッターである。４
はスリット部材でありスリット状開口を有し、照明系の
光軸Ｌａに対して任意の角度に設定している。５は結像
レンズであり、スリット部材４のスリト状開口をミラー
６を介してレチクル７の回路パターン面７ｂと同一平面
内に投影している。即ちスリット状開口の一部と回路パ
ターン面７ｂとが共役関係となるようにしている。

【００１７】１０は反射部材でありステージ９に載置し
ており、その反射面が投影レンズ系８の光軸８ａと垂直
面内に位置するようにしている。１１は結像レンズであ
りビームスプリッター３からの光束を集光し、ミラー１
２を介して検出部１３にスリット部材４のスリット状開
口に関する像を形成している。検出部１３はリニアセン
サーアレイより構成しており、スリット部材４のスリッ
ト状開口のスリット像の光量とスリット方向を検出して
いる。

【００１８】本実施例では以上の各要素のうち、要素１
０１，３，４，５，６，７ａ，１０，１１，１２，１３
は焦点合わせ手段の一要素を構成している。

【００１９】本実施例においては、第１段階として、レ
チクル７を光軸８ａと垂直面内に移動させて、反射部材
７ａが照明系の光軸Ｌａ上に位置するように設定する。
この状態において光源部１からの光束をコンデンサーレ
ンズ２で集光し、ビームスプリッター３を介してスリッ
ト部材４を照明している。スリット部材４のスリット状
開口を通過した光束は、結像レンズ５とミラー６を介し
てレチクル７の反射部材７ａ面上に導光され、その面上
にスリット像を形成している。反射部材７ａで反射した
光束は、順にミラー６と結像レンズ５を介してスリット
部材４にスリット像を再結像する。再結像したスリット
像のうちスリット部材４のスリット状開口を通過した光
束はビームスプリッター３で反射し、結像レンズ１１と
ミラー１２を介して検出部１３上に導光され、その面上
にスリット像を形成している。

【００２０】次に第２段階として、レチクル７を光軸８
ａと垂直面内において移動させて、照明系の光軸Ｌａ上
にレチクル７の透明部が位置するように設定する。この
時スリット部材４のスリット状開口のスリット像はレチ
クル７の回路パターン面と同一平面内に空中像として結
像する。そして該空中像としてのスリット像は投影レン
ズ系８により反射部材１０面上に結像する。反射部材１
０面上に結像したスリット像は元の光路を戻り、順に投
影レンズ系８，レチクル７，ミラー６，結像レンズ５，
スリット部材４を介し、ビームスプリッター３で反射
し、結像レンズ１１，ミラー１２を介して検出部１３面
上にスリット像を形成している。

【００２１】次に以上の構成により、投影レンズ系８に
よるレチクル７の最適な投影面の検出方法（焦点合わせ
方法）について説明する。

【００２２】図２，図３，図４は、本実施例におけるス
リット部材４のスリット状開口の結像状態を説明する為
の光路図である。

【００２３】図２においてＰＯは光軸Ｌａ上の物点であ
り、結像レンズ２１により像点ＰＩに結像されている状
態を示している。図３は物点ＰＯにスリット部材４のス
リット状開口４ａの中心部が位置し、かつ光軸Ｌａに対
して角度θ傾けたときの結像状態を示している。図４は
物点ＰＯの結像面ＰＩに反射部材７ａを設けたときの説
明図である。図５は図１の検出部１３で検出される光量
とスリット状開口の上下方向位置との関係を示す説明図
である。

【００２４】まず図２において、点ＰＯよりの光束は実
線のような光路をたどり結像レンズ２１で点ＰＩに結像
する。もし物体面において±ａだけ離れた位置−Ｐａ，
＋Ｐａよりの光束は点線又は一点鎖線のように進行し、
結像面で点ＰＩより±ｂだけ離れた位置−Ｐｂ，＋Ｐｂ
に結像する。

【００２５】この時、結像倍率をｍとすれば、近似的
に、 ｂ＝ｍ² ×ａ ・・・・・・（１） となる。

【００２６】一方、図３においては、スリット部材４を
光軸Ｌａに対して角度θ傾け、この時スリット部材４の
スリット状開口４ａの両端部４ａ１，４ａ２が図２に示
す光軸方向に距離±ａだけ離れた点−Ｐａ，＋Ｐａを含
むようにしている。この時スリット状開口４ａ上の点４
ａ１，４ａ２は結像面ＰＩ側で光軸上距離±ｂだけ離れ
た点４ｂ１，４ｂ２に結像する。結像面ＰＩで距離±ｂ
だけ位置ずれをしていても、この距離±ｂはスリット状
開口４ａの上下方向（両端部方向）の位置として検出し
ている。

【００２７】今、スリット状開口４ａの結像最適位置を
ｃ、スリット部材４の傾き角をθとすれば、 ａ＝ｃ×ｔａｎ（θ） ・・・・・・・・（２） 従って、（１）式より ｂ＝ｍ² ×ｃ×ｔａｎ（θ） ・・・・・・（３） となる。

【００２８】即ち、結像倍率（ｍ）、スリット状開口４
ａの傾き角（θ）が一定で既知であり、スリット状開口
４ａ上の位置（ｃ）が求められれば、ステージ９上の反
射鏡１０上でのずれ量（ディフォーカス量）（ｂ）を求
めることができる。

【００２９】図４において結像面ＰＩに反射部材（反射
ミラー）２２を設けると、点−Ｐａよりでた光束は結像
レンズ２１により点−Ｐｂに結像されるが、反射ミラー
２２にて反射するため、あたかも点＋Ｐｂを発点とした
時の光束のように結合レンズ２１を再透過して点＋Ｐａ
に結像する。即ち、この場合においては光軸上のずれは
略２倍となって検出され、この為スリット状開口４ａの
スリット像のぼけも２倍となる。

【００３０】以上が本発明において投影光学系の焦点合
わせの原理であり、次にこの原理を用いた本実施例の動
作について説明する。

【００３１】まず図１において、レチクル７のパターン
面７ｂに設けた反射部材７ａを光軸８ａ中心に移動設定
した状態にする。この時、光源部１からの光束はコンデ
ンサーレンズ２を透過して一部がビームスプリッタ３を
透過した後にスリット部材４を照明する。スリット部材
４のスリット状開口４ａを透過した光束は結像レンズ５
によりレチクル７の裏面のパターン面７ｂに結像する。

【００３２】ここでスリット部材４は光軸Ｌａに対して
傾いている為に、図３に示したように結像レンズ５によ
り反射部材７ａに結像するスリット像は、光軸Ｌａ中心
より離れるにしたがってスリット像が不鮮明（ボケる）
になってくる。説明の都合で、今スリット像と反射部材
７ａとの間が決められた結像位置にあると考えると、光
軸中心は結像倍率に見合った鮮明なスリット像ができる
が、光軸より離れるにしたがってスリット像は線幅が広
くなっていく。更に、反射部材７ａにおけるこれらの光
束は反射部材７ａで反射させられて、図４のように結像
する。

【００３３】即ちスリット部材４上のスリット状開口か
ら見るとスリット像のぼけの状態は略２倍程度に拡大さ
れたことになる。このぼけたスリット像はスリット部材
４上のスリット状開口を透過してビームスプリッタ３で
反射し、結像レンズ１１により光束を反射鏡１２により
方向を変えて検出器１３上に結像する。

【００３４】ここで図１と同様にスリット像がぼける為
に、検出器１３の前に中心部の光束を十分に透過するよ
うなスリット状開口を設けると検出器１３上で検出され
る光量は光軸を中心として図５のように変化する。

【００３５】本実施例では、検出器１３は光軸Ｌａから
の隔たりと、その位置における光量とを検出できるよう
な検出器、例えばリニアセンサーアレイで構成してい
る。従って、もし反射部材７ａの位置が光軸方向にずれ
た場合を考えると、ずれた位置が光学的に一致するスリ
ット位置まで、このピーク位置が移動する。即ち、ピー
ク位置のずれ量を検出することができれば、結像光学系
の倍率、スリット部材の傾き角から反射部材７ａの位置
を計算で求めることができる。この手段によりレチクル
７の下面と、検出器１３の位置ずれを検出することがで
きる。

【００３６】次に、レチクル７を移動させてレチクル７
の透過部を使用する。説明の都合上、ここでもレチクル
７の下面と反射鏡１０が結像レンズ８の光学設定上の正
しい位置に設定されている場合について考える。この時
は前記のレチクル７の下面で結像したスリット像は投影
レンズ８を透過し、反射板１０上に結像し、更に反射板
１０により反射された光束は投影レンズ８を逆方向に透
過してレチクル７の下面に結像し、反射ミラー６、結像
レンズ５を経過し、スリット部材４上に結像し、スリッ
ト部材４上のスリット状開口を透過した光束はビームス
プリッタ３、結像レンズ１１、反射板１２を経過して検
出器１３上に結像し光量のピーク位置が検出される。

【００３７】次にレチクル７の下面基準の通常の装置に
ついての総合的なフォーカス方法について説明する。ま
ず第１ステップによりレチクル７の板厚の変化、反射部
材７ａ又は検出系が温度等の影響により変化した場合に
おいては、スリット部材４のスリット像位置とレチクル
下面（パターン面）位置とのずれ量が求められる。この
ずれ量は使用している結像光学系とスリット部材の傾き
より、レチクル７の下面の結像位置の中心軸からのずれ
量を計算で求めることができる。

【００３８】この状態で、もしレチクル７及び反射鏡１
０の位置が光学的に正しいとすると、次にレチクル７の
透明部を通して反射板１０よりの光束を検出器１３で検
出した場合には、光量のピーク位置は最初検出したレチ
クル７と反射板１０の位置に対して検出系の原点に対し
て反対側に等しい位置に検出される。

【００３９】この様に２つのステップで検出されたピー
ク位置より、反射板１０の位置を検出することが可能で
あり、その量を修正することにより反射板１０を正しい
位置に設定することができる。この様に結像位置の近辺
に反射鏡１０があれば、１回の計測で結像位置のずれを
計測しステージ９の修正が可能である。

【００４０】また本実施例において光量と位置の検出に
用いたリニアセンサーアレイに変えてスリット像に直交
し、スリットのぼけ像より十分短い長さのスリットをス
リット像の長さ方向に走査し、走査位置及び光量を検出
することにより行うこともできる。

【００４１】尚、本実施例ではステージ９上の反射面１
０との結像関係について述べたが、これはレチクル７上
のパターンが転写されるウエハ又は感材等の被転写物体
の表面でも良い。又は、上記方法によると、露光する波
長を使用する為に波長の異なり、被転写物が露光される
ことを回避する目的と、より簡便に位置合わせを行う為
に、本発明の結像レンズ系より独立した別系列の焦点位
置合わせ装置を用いる場合が多い。これら独立した別系
列の焦点位置合わせを併用して、反射鏡１０の位置を基
準としてウエハ等の被転写物体位置を設定することも可
能である。

【００４２】またこれら独立した別系列の位置合わせ装
置は直接結像光学系とは独立しており、外乱による光学
系の変化又は別系列の焦点合わせ装置の経時変化、常に
光学系の焦点を維持しているとは限らない。従って、本
発明はこれら別系列の焦点合わせ装置の補正を行うこと
ができる。

【００４３】更に本発明では説明の都合上、光軸の中心
にスリット部材を配置した構成についてのみ述べたが、
十分に光束が確保される範囲であればスリット部材及び
検出部の位置を光軸中心より離れたところに設定するこ
とも可能である。

【００４４】またレチクルの交換が少ないような装置に
おいてはレチクル及びマスク間の結像状態が正規の位置
になるようにマスク及びそれ以前の光学系の位置を正規
の原点位置になるように修正し、レチクルと反射鏡のみ
の計測を行い位置きめすることも可能である。

【００４５】本実施例では以上のようにしてレチクル７
とウエハ（不図示）との光軸方向の焦点合わせを行った
後に、レチクル７面上の回路パターンをウエハ面上に投
影露光し、その後公知の現像処理工程を介して半導体デ
バイスを製造している。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、第１物体
面上のパターンを投影光学系で第２物体面上に投影する
際、第１物体面と光学的に共役な位置に光軸に対してス
リット状開口部を傾斜させたスリット部材を設け、第１
物体面と第２物体面上における該スリット状開口部の結
像状態を検出することにより光軸方向にステージを移動
走査することなく投影光学系の焦点合わせを高精度にし
かも高速に行うことのできる焦点合わせ方法及びそれを
用いた投影露光装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 図１の一部分の光学系の説明図

【図３】 図１の一部分の光学系の説明図

【図４】 図１の一部分の光学系の説明図

【図５】 図１の検出手段で得られる出力信号の説明図

【符号の説明】

１ 光源部 ２ コンデンサーレンズ ３ ビームスプリッター ４ スリット部材 ５，１１ 結像レンズ ６，１２ ミラー ７ レチクル（第１物体） ７ａ，１０ 反射部材 ８ 投影光学系 ９ ステージ １３ 検出手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体面上のパターンを投影レンズ系
   により第２物体面上に投影する際、光源手段からの光束
   により光軸に対して傾いて配置したスリット状開口部を
   有するスリット部材を照明し、該スリット部材が結像手
   段により該第１物体面と略共役関係となるようにし、該
   第１物体面上と第２物体面上における該スリット部材の
   スリット状開口部の結像状態を検出手段で検出し、該検
   出手段からの信号を用いて該投影レンズ系の焦点合わせ
   を行っていることを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段による前記スリット部材の
   スリット状開口部の前記第１物体面上における結像状態
   の検出を該スリット状開口部を通過した光束のうち該第
   １物体面に設けた反射部材で反射した光束を用いて行
   い、前記第２物体面上における結像状態の検出を該スリ
   ット開口部を通過した光束のうち該第２物体面上に設け
   た反射部材で反射した光束を用いて行っていることを特
   徴とする請求項１の投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記検出手段はリニアセンサーアレイを
   有し、該リニアセンサーアレイ上に形成される光量分布
   よりスリット状開口部の結像状態を検出していることを
   特徴とする請求項１の投影露光装置。
4. 【請求項４】 投影光学系の物体面と光学的に共役な位
   置にスリット部材を光軸に対して傾けて配置し、該スリ
   ット部材のスリット状開口部の該投影光学系の物体面に
   おける結像状態及び該投影光学系の結像面における結像
   状態を各々該物体面及び結像面に設けた反射部材で反射
   した光束を検出手段面上に導光し、該検出手段で得られ
   る信号を利用して求め、これより該投影光学系の焦点合
   わせを行っていることを特徴とする焦点合わせ方法。