JP3303595B2 - 照明装置及びそれを用いた観察装置 - Google Patents

照明装置及びそれを用いた観察装置

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JP3303595B2
JP3303595B2 JP09180295A JP9180295A JP3303595B2 JP 3303595 B2 JP3303595 B2 JP 3303595B2 JP 09180295 A JP09180295 A JP 09180295A JP 9180295 A JP9180295 A JP 9180295A JP 3303595 B2 JP3303595 B2 JP 3303595B2
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F9/00—Registration or positioning of originals, masks, frames, photographic sheets or textured or patterned surfaces, e.g. automatically
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は照明装置及びそれを用い
た観察装置に関し、特にレチクル（マスク）面上に形成
されているＩＣ，ＬＳＩ等の微細な電子回路パターンを
投影レンズ系（投影光学系）によりウエハ面上に投影し
露光するときに、レチクル面上やウエハ面上の状態（ア
ライメントマーク）を観察し、これによりレチクルとウ
エハとの位置合わせを行い、高集積度の半導体デバイス
を製造する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より半導体素子製造用の縮小投影型
の露光装置では、第１物体としてのレチクルの回路パタ
ーンを投影レンズ系により第２物体としてのウエハ上に
投影し露光する。このとき投影露光に先立って観察装置
（検出手段）を用いてウエハ面を観察することによりウ
エハ上のアライメントマークを検出し、この検出結果に
基づいてレチクルとウエハとの位置整合、所謂アライメ
ントを行っている。
【０００３】このときのアライメント精度は観察装置の
光学性能に大きく依存している。この為、観察装置の性
能は露光装置において重要な要素となっている。
【０００４】特に最近は位相シフトマスクや変形照明等
により高集積度の半導体デバイスを製造する露光装置が
種々と提案されており、このような露光装置において
は、より高いアラメント精度が要望されている。
【０００５】従来より露光装置では、ウエハ面上の位置
情報を得るためのウエハアライメントマーク（ウエハマ
ーク）の観察方式として、主に次の３通りの方式が用い
られている。
【０００６】(1-イ)非露光光を用い、かつ投影レンズ系
を通さない方式（OFF-AXIS方式) (1-ロ)露光光を用い、かつ投影レンズ系を通す方式（露
光光ＴＴＬ方式） (1-ハ)非露光光を用い、かつ投影レンズ系を通す方式
（非露光光ＴＴＬ方式） これらの各方式のうち、例えば本出願人は特開平３−６
１８０２号公報で、非露光光ＴＴＬ方式の観察装置を利
用してアライメント系を提案している。
【０００７】同公報ではウエハ面上のアライメントマー
ク（ウエハマーク）の光学像をＣＣＤカメラ等の撮像素
子上に結像し、該撮像素子から得られる画像情報を処理
してウエハマークの位置を検出している。
【０００８】又、本出願人は特開昭６２−２３２５０４
号公報においてウエハマークの光学像をＣＣＤカメラで
結像し、該ＣＣＤカメラで得た画像情報を２値化し、そ
の２値化画像中の特定画像パターンの位置座標をテンプ
レートを用いたテンプレートマッチング処理を行うこと
によりウエハマークの位置を検出する位置検出装置を提
案している。
【０００９】図１３は従来の観察装置を有した露光装置
の要部概略図である。同図において８は第１物体として
のレチクルでレチクルステージ１０に載置されている。
３は第２物体としてのウエハであり、その面上にはアラ
イメント用のマーク（ＡＡマーク）４が設けられてい
る。５は投影光学系で投影レンズ系よりなり、レチクル
（マスク）８面上の回路パターン等をウエハ３面上に投
影している。
【００１０】９は照明系であり、露光光でレチクル８を
照明している。２はθ，Ｚステージでウエハ３を載置し
ており、ウエハ３のθ回転及びフォーカス調整、即ちＺ
方向の調整を行っている。θ，Ｚステージ２はステップ
動作を高精度に行う為のＸＹステージ１上に載置されて
いる。ＸＹステージ１にはステージ位置計測の基準とな
る光学スクウェアー（バーミラー）６が置かれており、
この光学スクウェアー６をレーザ干渉計７でモニターし
ている。
【００１１】レチクル８とウエハ３との位置合わせ（ア
ライメント）は予め位置関係が求められている後述する
基準マーク１７に対して各々位置合わせを行うことによ
り間接的に行っている。１０１は検出手段であり、レチ
クル８とウエハ３との相対的位置を検出する為の照明系
と観察系とを有している。
【００１２】同図においてはハロゲンランプと楕円ミラ
ーより成る光源手段１４ａからの光束をファイバー１４
ｂで導光し、ファイバー１４ｂの出射面１４ｃより射出
させている。出射面１４ｃから出射した非露光光（検出
光）は順にレンズ１５，ビームスプリッター１６，対物
レンズ１２，ミラー１１，投影レンズ系５を経て、ウエ
ハ３上のＡＡマーク（アライメントマーク）４を照明す
る。ウエハ３上のＡＡマーク４の観察像情報は順に投影
レンズ５，ミラー１１，対物レンズ１２，ビームスプリ
ッター１６，ビームスプリッター２０，エレクターレン
ズ２１を経てＣＣＤカメラ２２上に結像する。
【００１３】投影レンズ系５はレチクル８上に描かれた
電子回路のパターンをウエハ３上に投影する為に、露光
光に対して良好に補正されている。この為非露光光が投
影レンズ系５を通過した際、各種の収差が発生する。
【００１４】同図においては投影レンズ系５で発生した
諸収差を対物レンズ１２で補正し、これにより良好なＡ
Ａマーク４の観察像がＣＣＤカメラ２２上に形成される
ようにしている。
【００１５】一方、基準マーク１７は基準マーク照明用
のＬＥＤより成る光源１９から出射した光をレンズ１８
により集光して照明され、ビームスプリッター２０、エ
レクターレンズ２１を経てＣＣＤカメラ２２上に結像す
る。
【００１６】このＣＣＤカメラ２２上に結像したウエハ
３上のＡＡマーク４の観察像のＣＣＤカメラ２２上の位
置を不図示の信号処理装置で計測し、同じく信号処理装
置で計測したＣＣＤカメラ２２上に結像し、常に固定さ
れている基準マーク１７の投影像の位置とを比較するこ
とによって正確なＸＹステージ１の位置情報を得て、こ
れにより高精度のアライメントを行っている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】従来よりウエハ面上の
ＡＡマークを観察する像観察方法の光源としては、ハロ
ゲンランプやＨｅ−Ｎｅレーザ等の安定したものを使用
している場合が多い。この光源から発した光をファイバ
ーで導光して光学系を透過し、検出物体であるウエハの
アライメントマーク（ＡＡマーク）を照明している。
【００１８】このときのアライメントマークの照明の性
能を評価する要素として後述する２つの均一性があり、
高精度のアライメントの検出の為には両方の均一性が重
要となっている。このうちの１つは （イ）照射面での均一性 である。これは一般に照度ムラと呼ばれており、照射面
上での強度の均一性である。もう１つは、 （ロ）瞳面での均一性 であり、高精度のアライメントの為には必要不可欠なも
のである。瞳面での均一性を照射面（＝観察面）で表現
すると照射面における照明光の各角度ごとの強度の均一
性である。
【００１９】アライメントにとっては瞳面での強度の均
一性の中で検出方向の回折光の飛ぶ方向に対する対称性
が最も重要である。もしこの瞳面での強度が非対称であ
ると、結像系の光学系にコマ収差がなくても結像したア
ライメントマークのＣＣＤカメラ等で受光した信号波形
には非対称な歪みが生じてしまう。この歪みはアライメ
ントのオフセットを発生させ、ウエハ内の薄膜の厚さの
ばらつきのような不均一性がある時にはアライメント精
度のばらつき（３σの悪化）の原因となる。実際にはこ
の２つの不均一性が分離されずに重なって観察される。
【００２０】次に図１４〜図１９を用いて観察視野の中
のアライメントマークを検出する時の検出波形が均一に
ならない場合について説明する。
【００２１】図１４〜図１６に示すようにＣＣＤカメラ
の画面内で夫々左部、中央部、右部に同じアライメント
マークを移動させて観察する。この時の検出波形を夫々
図１７〜図１９に示す。アライメントマークの位置が図
１５の中央部では検出波形は対称（ピーク２２０，２２
１が同じ）で図１４の左部では歪んでおり（ピーク２２
１がピーク２２２より大きい）、図１６の右部でも歪ん
でいて、その歪方向が左部と反転している（ピーク２２
５の方がピーク２２４より大きい）。これは瞳面の不均
一性が照射面の位置で異なっていることによるものであ
る。
【００２２】このように像観察方法の問題点として前述
の非対称の信号だけでなく、観察視野の中での波形が均
一にできない現象も発生していて、アライメント精度の
劣化の要因となっている。
【００２３】最近の自動重ね合わせ装置の評価方法とし
て、この観察視野の中の不均一性をTIS (Tool Induced
Offset) と呼んで定量化している。この視野の中での検
出波形が均一にならない現象の原因の１つとしては照明
系で用いているファイバーの角度特性の不均一性があ
る。
【００２４】図２０にファイバー２２９の角度特性が均
一の場合を、一方図２１に不均一の場合を示す。図２１
の不均一の場合にはファイバー２３０の中央部の光束２
３５では両方の角度に光線は広がっているが、上部の光
束２３４では下側だけ、下部の光束２３６では上側だけ
に光線が広がっている。
【００２５】もしこのファイバー２３０を照明系の瞳面
に配置して、ケーラー照明を行うと、図２２のように観
察物体２４０の左側２４１は右からだけ、右側２４３は
左からだけ光が当たることになる。もしアライメントマ
ークの段差構造の為に、散乱特性に指向性があったり、
観察系に球面収差があると（設計値又は製造誤差で）光
束の分布に偏りがある場合には、あたかもコマ収差があ
るように検出波形は歪んでしまう。検出波形に歪が発生
すると正しくアライメントマークの位置を計測できなく
なり、アライメント精度が劣化してくる。
【００２６】一般にこのファイバーの不均一性をなくす
ことは大変難しい。従来よりファイバーを用いた時の不
均一性をなくす方法が種々と提案されている。例えば米
国特許第 4497015号では２つのハエの眼レンズを用いて
２つの均一性を良好に保った露光装置の照明系を提案し
ているが、観察系が大型化及び複雑化してくる傾向があ
った。
【００２７】又、図２３に示すようにファイバー２３０
の出射面にオプティカルパイプ（オプティカルロッド）
２５１を設けて均一化する方法が提案されている。しか
しながら、この方法は図に示す光線２５２のように使用
している光束の角度が少ないとオプティカルパイプ２５
１の横で反射しない光線を使用することになり、均一化
できる効果が少なくなってくるという問題点があった。
【００２８】又、照明系の光路中に拡散板を配置する方
法では拡散板では光量が半分悪い時には五分の一以下に
なり、光源として高出力のものを使用しなければならな
いといった問題があった。
【００２９】又、実公昭６３−４４８１３号公報では像
面と瞳面の共役な位置に２つ拡散板を設ける照明方法が
提案されているが、この方法では光量低下が大きくなる
という問題点があった。
【００３０】またレモンスキンフィルターや無反射ガラ
スと称する高効率の拡散板を用いる方法があるが、この
方法は通常の拡散板を用いるより光の利用効率が良い
が、それでも全体として光の利用効率が半分以下となっ
てしまうという問題点があった。
【００３１】本発明は、第１物体（レチクル）や第２物
体（ウエハ）等の物体面を光の利用効率を高く維持しつ
つ照明することができる照明装置、又物体面上のアライ
メントマークを良好に観察することができる観察装置、
又レチクルとウエハとの位置合わせを高精度に行うこと
ができ、レチクル面上のパターンをウエハ面上に高い解
像力で投影することのできる投影露光装置、又該投影露
光装置を用いて半導体デバイスを高スループットで製造
することができる半導体デバイスの製造方法等の提供を
目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の照明装
置は、光源からの光を照明系により物体面に照射する照
明装置において、前記照明系の前記物体面と光学的に共
役な位置及び瞳の位置に入射光の広がり角を大きくして
射出させるホログラムを有することを特徴としている。
【００３３】請求項２の発明の照明装置は、光源からの
光を照明系により物体面に照射する照明装置において、
前記照明系は、前記光源からの光を導光するファイバー
束と該ファイバー束の光射出面側に配置したオプティカ
ルパイプと、前記照明系の瞳の位置に配置した入射光の
広がり角を大きくして射出させるホログラムとを有する
ことを特徴としている。
【００３４】請求項３の発明の照明装置は、光源からの
光束を照明系により物体面に照射する照明装置におい
て、前記照明系の瞳の位置に光の角度ごとの強度を均一
化するホログラムを有することを特徴としている。
【００３５】請求項４の発明の照明装置は、請求項３に
記載の照明装置において、前記照明系の前記物体面と光
学的に共役な位置に光の角度ごとの強度を均一化するホ
ログラムを更に有することを特徴としている。
【００３６】請求項５の発明の照明装置は、請求項４に
記載の照明装置において、前記光源からの光束を導光す
るファイバー束と、該ファイバー束の光射出面側に配置
したオプティカルパイプとを更に有することを特徴とし
ている。
【００３７】請求項６の発明の観察装置は、請求項１〜
５のいずれか1項に記載の照明装置により物体面を照明
し、該照明された物体面を観察系により観察することを
特徴としている。
【００３８】請求項７の発明の投影露光装置は、露光光
で照明した第１物体のパターンを投影光学系により第２
物体に投影する投影露光装置において、請求項６に記載
の観察装置を有し、該観察装置により前記第１物体及び
/又は前記第２物体を観察することを特徴としている。
【００３９】請求項８の発明のデバイス製造方法は、請
求項７に記載の投影露光装置によりレチクルのパターン
でウエハを露光する段階と、該露光したウエハを現像す
る段階とを含むことを特徴としている。
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【００５０】
【００５１】
【００５２】
【００５３】
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【００６３】
【００６４】
【実施例】図１は本発明を半導体素子製造用の投影露光
装置に適用したときの実施例１の光学系の要部概略図で
ある。
【００６５】図２は図１の照明系のみの光学系を抽出し
て薄肉系５群で表示した時の説明図である。図２におい
て点線は照明系の瞳の共役関係を示し、実線は物体面４
の共役関係を示している。
【００６６】図１において８は第１物体としてのレチク
ルでレチクルステージ１０に載置されている。３は第２
物体としてのウエハであり、その面上にはアライメント
用のマーク（ＡＡマーク）４が設けられている。５は投
影光学系で投影レンズ系よりなり、レチクル（マスク）
８面上の回路パターン等をウエハ３面上に投影してい
る。投影レンズ系５はレチクル８側とウエハ３側で共に
テレセントリック系となっている。
【００６７】９は露光用の照明系であり、露光光でレチ
クル８を照明している。２はθ，Ｚステージでウエハ３
を載置しており、ウエハ３のθ回転及びフォーカス調
整、即ちＺ方向の調整を行っている。θ，Ｚステージ２
はステップ動作を高精度に行う為のＸＹステージ１上に
載置されている。ＸＹステージ１にはステージ位置計測
の基準となる光学スクウェアー（バーミラー）６が置か
れており、この光学スクウェアー６をレーザ干渉計７で
モニターしている。
【００６８】本実施例におけるレチクル８とウエハ３と
の位置合わせ（アライメント）は予め位置関係が求めら
れている後述する基準マーク１７に対して各々位置合わ
せを行うことにより間接的に行っている。又は実際レジ
スト像パターン等をアライメントを行って露光を行い、
その誤差（オフセット）を測定し、それ以後のその値を
考慮してオフセット処理している。
【００６９】次にウエハ３面のＡＡマーク４の位置検出
を非露光光ＴＴＬ方式で行う検出手段１０１の各要素に
ついて説明する。尚、本実施例においては露光光ＴＴＬ
方式やOFF-AXIS方式も適用可能である。
【００７０】１４ａはマーク４の検出用（照明用）の光
源手段であり、露光光の波長とは異なる波長の光束（非
露光光）を発するハロゲンランプ１４ａ１と楕円ミラー
１４ａ２から成っている。１４ｂはファイバー（バンド
ルファイバー）であり、光源手段１４ａからの光束を導
光し、出射面１４ｃから射出している。
【００７１】１５（Ｌ１）はレンズであり、ファイバー
１４ｂの出射面１４ｃからの光束（検出光）を集光して
ホログラムＨ１を介してレンズＬ２に入射させている。
Ｌ２に入射後、ビームはＨ２に入射する。Ｈ２はホログ
ラムであり、レンズＬ２とビームスプリッター１６との
間に配置している。その後、対物レンズ１２に入射す
る。
【００７２】ここで図２に示すように、ホログラムＨ１
は照射面（物体面）としてのウエハ３と光学的な共役面
Ｆｓに設けている。又ホログラムＨ２は照明系の瞳面
（出射面１４ｃに相当）Ａｓ又はそれと光学的な共役面
Ａｓ1 に設けている。
【００７３】ビームスプリッター１６で反射した光は対
物レンズ１２で集光し、ミラー１１で反射させ、投影レ
ンズ系５を介してウエハ３面上のマーク４に導光して照
明している。ファイバー１４ｂ，レンズ１５，対物レン
ズ１２等は照明系の一要素を構成している。
【００７４】１９は基準マーク１７の照明用の光源でＬ
ＥＤ等から成っている。１８はレンズである。光源１９
からの光束はレンズ１８で集光し、基準マーク１７に導
光し、照明している。２０は基準マーク用のビームスプ
リッターであり、基準マーク１７からの光束を反射させ
てエレクターレンズ２１に入射している。エレクターレ
ンズ２１は基準マーク１７及びウエハ３面上のマーク４
を各々ＣＣＤカメラ２２の撮像面に結像している。
【００７５】本実施例における検出手段１０１は以上の
各要素を有している。尚、対物レンズ１２，エレクター
レンズ２１，ＣＣＤカメラ２２等は観察系の一要素を構
成している。
【００７６】本実施例において光源手段１４ａから出射
した非露光光（照明光）は順にレンズ１５，ホログラム
Ｈ１，レンズＬ２，ホログラムＨ２，ビームスプリッタ
ー１６，レンズＬ３，ミラー１１，投影レンズ系５を経
て、ウエハ３上のＡＡマーク４を照明する。ウエハ３上
のＡＡマーク４の観察像情報は、順に投影レンズ５、ミ
ラー１１，レンズＬ３，ビームスプリッター１６，ビー
ムスプリッター２０，エレクターレンズ２１を経てＣＣ
Ｄカメラ２２上に結像する。
【００７７】投影レンズ系５はレチクル８上に描かれた
電子回路のパターンをウエハ３上に投影する為に、露光
光に対して良好に補正されている。この為非露光光が投
影レンズ系５を通過した際、各種の収差が発生する。
【００７８】本実施例においては投影レンズ系５で発生
した諸収差を対物レンズ１２で補正している。これによ
り良好なＡＡマーク４の観察像がＣＣＤカメラ２２上に
形成されるようにしている。
【００７９】一方、基準マーク１７は基準マーク照明用
のＬＥＤより成る光源１９から出射した光をレンズ１８
により集光して照明され、ビームスプリッター２０、エ
レクターレンズ２１を経てＣＣＤカメラ２２上に結像す
る。
【００８０】このＣＣＤカメラ２２上に結像したウエハ
３上のＡＡマーク４の観察像のＣＣＤカメラ２２上の位
置を不図示の信号処理装置で計測し、同じく信号処理装
置で計測したＣＣＤカメラ２２上に結像し、常に固定さ
れている基準マーク１７の投影像の位置とを比較するこ
とによって正確なＸＹステージ１の位置情報を得て、こ
れによりレチクル８とウエハ３との高精度のアライメン
トを行っている。
【００８１】そしてレチクル８とウエハ３とのアライメ
ントが終わったらレチクル８面上の回路パターンをウエ
ハ３上に投影露光し、その後ウエハ３を現像処理工程を
介して半導体デバイスを製造している。
【００８２】本実施例では照射面（物体面）４と共役な
位置Ｆsに入射光を必要とする角度のみ広げるホログラ
ムＨ１と、照明系の瞳面１４ｃと共役な位置Ａｓ1に入
射光を必要とする角度のみ広げるホログラムＨ２を配置
している。
【００８３】次に本実施例で用いているホログラムの光
学的作用について説明する。図３はホログラムＨに平行
光を入射した場合の光路の説明図である。ホログラムＨ
は平行光ＳＬを角度±θH に回折し、光束ＳＬUPと光束
ＳＬLOW として広げている。図４はこのホログラムＨに
ファイバーＦからの光ＳＬをレンズＬ１を介して入射し
た時の光路の説明図である。ファイバーＦから射出した
光束ＳＬは光学系Ｌ１により±θI の広がり角でホログ
ラムＨに入射する。ホログラムＨの入射角度に対する散
乱させる能力（軸外収差）が角度±θI の範囲で同じと
するとホログラムＨを透過した光の広がり角は±（θI
＋θH ）となる。この入射した角度の中に強度差があっ
ても１つの角度ごとに角度±θH に広げられ、全体の透
過した光の角度ごとの強度は平均化されて均一化され
る。
【００８４】この角度θH が大きいほど均一化される
が、実際に使用したい角度θW に比べて角度θI ＋θH
が大きい場合には光量ロスとなる。もちろん角度θI を
大きくしても同様である。
【００８５】この角度θW に対する角度θI ，θH の値
の関係は入射した角度の中の強度差による不均一性によ
るものである。言い換えればファイバーＦのバラツキ方
により、最適な角度θH が異なることになり、本実施例
ではいろいろな角度θH のホログラムを用意し、これに
より実験的に最小光量損失で均一化するものを選択する
ようにしている。
【００８６】次に実際の数値例を用いて具体的な角度θ
W ，θI ，θH の値の関係及び本実施例の観察系の構成
について説明する。
【００８７】図１において物体面４上の像をＮＡ０．５
で２／３インチのＣＣＤカメラ（光電変換面６．６×
８．８ｍｍ2 ）２２上に光学倍率１００で観察するもの
とする。物体面４上での検出可能範囲は６．６×８．８
ｍｍ2 を光学倍率で割った６６×８８μｍ2 （φ１１０
μｍ）となる。
【００８８】ハロゲンランプ等の光源手段１４ａからの
光をバンドルファイバー１４ｂを使用して光学系に導光
する。又ファイバーは照明系全系の瞳面に配置してケー
ラー照明を行っている。
【００８９】次にこの時の照明系の構成について図２を
用いて説明する。図２では図１の投影レンズ系５を２つ
の薄肉系Ｌ４，Ｌ５として示している。レンズ群Ｌ１，
Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５の焦点距離を各々ｆ１，ｆ２，
ｆ３，ｆ４，ｆ５とし、レンズ群Ｌi とレンズ群Ｌi+1
の主点間隔をｅi+1 ，ファイバー１４ｂの出射面１６ｃ
からレンズ群Ｌ１までの距離をｅ１，レンズ群Ｌ５から
ウエハ３までの距離をｅ６とする。
【００９０】本実施例ではこの時の焦点距離ｆ１，ｆ
２，ｆ３，ｆ４，ｆ５と間隔ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４，
ｅ５，ｅ６との関係が次に示すようなカスケードな配置
（空気間隔が前後のレンズ群の焦点距離の和の関係）に
なるようにしている。
【００９１】ｅ１＝ｆ１ ｅ２＝ｆ１＋ｆ２ ｅ３＝ｆ２＋ｆ３ ｅ４＝ｆ３＋ｆ４ ｅ５＝ｆ４＋ｆ５ ｅ６＝ｆ５ 出射面１４ｃの直径が３ｍｍのバンドルファイバーの部
分を使用するという条件で照明系の光学系を構成する
と、全系の焦点距離ｆi1m は、 ３／２＝ｆi1m tan （sin-1 （０．５）） より ｆi1m ＝２．５９８ｍｍ となる。ファイバー１４ｂの出射面１４ｃの所での使用
する角度α0 は ｆi1m ／０．１１＝１／（２tan α0 ） より α0 ＝１．２１（度） となる。
【００９２】２つのホログラムＨ１，Ｈ２は夫々ウエハ
３と共役面Ｆｓ及び照明系の瞳１４ｃと共役面Ａｓ1 に
配置している。このウエハ３の共役面Ｆｓと照明系の瞳
の共役面Ａｓ1 の順を逆にする（ファイバー１４ｂ側か
ら瞳の共役面Ａｓ1 ，ウエハ３の共役面Ｆｓの順に配
置）と、ウエハ３の共役面Ｆｓに配置したホログラムＨ
１の形状をウエハ面３に映すことになり、照度ムラとな
ってくる。このホログラムＨ１，Ｈ２の広げる角度θ
1 ，θ2 は大きい値の程、平均化が行われるが光量損失
も大きくなる。
【００９３】そこで入射する角度α1 ，α2 における強
度の不均一性によって最適値を決定している。ここでの
数値例として ｆ１＝ｆ２＝５０， ｆ３＝３８４．９， ｆ４＝１００， ｆ５＝１０ （ｍｍ） とする。この時 α1 ＝１．７２ α2 ＝１．２１ （度） となる。
【００９４】この時のホログラムＨ１，Ｈ２の光束を広
げる角度θ1 ，θ2 は最大α1 ，α2 の値となるが、フ
ァイバーＦの不均一性の実績では角度θ1 ，θ2 とも
０．５〜１度程度で平均化が十分行われて、良好な結果
を得られることを確認している。この数値例ではホログ
ラムＨ１，Ｈ２を使用しない時でも瞳及び照射面の全て
の領域に光が当たる場合について示した。
【００９５】本実施例ではもちろんこの場合だけに限る
わけではなく、ホログラムＨ１，Ｈ２を透過後に瞳及び
照射面の全ての領域に光が当たれば、本発明の目的を達
成することができる。
【００９６】この２つのホログラムＨ１，Ｈ２で均一化
された光はもう一度、瞳Ａｓ1 と共役な瞳面Ａｓ2 で所
定の絞り径Ｄ2 で制限している。この数値例では観察系
のＮＡは０．５とし、照明のパーシャリーコヒーレンス
値σを１とすると、 Ｄ2 ＝２tan （３０）＊１０＝１１．５５（ｍｍ） となる。
【００９７】本実施例においてこのホログラムを作成す
るにはかかるコスト、汎用性から計算ホログラフィの手
法を用いている。
【００９８】このホログラムの透過率を１００％に近く
するには、ホログラムの材料表面に凹凸の形状を作成
し、この段差量により位相をつける、所謂位相タイプの
ホログラムを用いるのが良い。
【００９９】又、ホログラムを作成するのは実際に光学
ベンチ上でレーザを光源として作成することもできる計
算ホログラムでも良い。計算ホログラフィにする方が光
束を広げる角度や方向（一方向だけとか）そして波長変
更等を自在に変更して対応して効率が良い。
【０１００】実際に使用する時に計算ホログラフィの作
成時の入射角より広い角度で入射させると所望の広がり
角とならない場合がある。この時は図示していないがフ
ァイバーの射出する光の角度が限定されない場合には
（ファイバーを透過しても、その射出角度特性は入射時
の角度特性をかなり保存している場合が多い）、レンズ
群Ｌ１又はレンズ群Ｌ２の構成中に瞳面を作ってそこに
所定の絞りＡｓ0 を配置することにより、ホログラムＨ
１で±（θ1 ＋α1 ）に広げられた光束を制限してホロ
グラムＨ２に入射する角度をα2 程度（ホログラムＨ２
透過後、均一となる様）に角度コントロールするのが良
い。
【０１０１】本実施例ではこのように所望の角度のみ回
折させて広げるホログラムを光路中に使用することによ
り、光量損失を最小にして均一化した光束でのウエハ３
面上のアライメントマークの観察を行っている。
【０１０２】特に、回折角の異なる複数のホログラムを
用いることにより照明系にファイバーを用いた時の光束
の均一化を図り、良好なる照明を行っている。
【０１０３】図５は本発明の実施例２の一部分である照
明系の要部概略図である。本実施例は図２の実施例１に
比べてファイバーＦの出射面に１つのオプティカルパイ
プＯＰを設け、その出射面（照明系の瞳面）Ａｓにホロ
グラムＨを用いて均一化を図っている点が異なってお
り、その他の構成は同じである。
【０１０４】一般に照明用の光源にハロゲンランプ等を
使う場合にはファイバーとしてはバンドルファイバーを
使用する場合がほとんどである。バンドルフィルター
は、いくつもの単芯ファイバーにより作成され、光を透
過する部分と透過しない部分が存在する。このいくつか
の単芯ファイバーごとの透過率のばらつきや実装後に起
きた局所的な断線等により今までに述べてきたような瞳
面及び照射面での不均一性が発生し、高精度な位置合わ
せの妨げとなっている。
【０１０５】そこで本実施例では１つのホログラムと１
つのオプティカルパイプを使用することにより、上記問
題点を解消している。
【０１０６】本実施例では図５に示すようにバンドルフ
ァイバーＦの射出面の直後にオプティカルパイプＯＰを
配置している。ファイバーＦを通過し、オプティカルパ
イプＯＰに入射した光はオプティカルパイプＯＰの側面
で全反射して光量損失することなく、オプティカルパイ
プＯＰの端から出射する。オプティカルパイプＯＰの射
出端ではバンドルファイバーの射出端に見られたような
単芯ファイバーの１つ１つを区別することはできない。
【０１０７】このようにして単芯ファイバー１つ１つの
強度のムラをなくしている。強度のムラ取りがオプティ
カルパイプＯＰの目的で前述した様に、これのみで均一
化することは使用角度が小さい場合には不十分である。
【０１０８】そこで本実施例ではオプティカルパイプＯ
Ｐの出口を照明系の瞳面Ａｓとし、そこにホログラムＨ
を配置して均一化を達成している。ホログラムＨにより
曲げられる光束の角度は前述と同じく、その照明系の誤
差の発生している場合によって異なる。
【０１０９】２つホログラムを使用する場合、後に瞳面
Ａｓ1 に配置したのと同様で観察像面の共役面のみにホ
ログラムをおいた時にはパターンが観察面に転写され、
照度ムラとなる場合がある。
【０１１０】そこでホログラムＨを１つだけ使用する時
にはこのように照射面と共役な位置でなく、瞳面に配置
するのが良い。図６は参考実施例１の要部概略図であ
る。図７は図１の一部分の拡大説明図である。図中、図
１で示した要素と同一要素には同符番を付している。
【０１１１】本実施例は図１の実施例１に比べて照明系
にホログラムを用いる代わりに複数の透明な半球状素子
又は／及び球状素子３１（直径０．２〜１ｍｍ程度）を
筐体３２内に収納した球状部材３０を均一化部材として
ファイバー１６ｂの出射面１４ｃに設けている点が異な
っており、その他の構成は同じである。
【０１１２】本実施例の球状部材３０は図７に示す様に
円筒状で内側をＡ１等の高反射率の面とした筐体３２の
中に球状のガラス３１を多数配置することによって構成
している。
【０１１３】図７に示す様にファイバー１４ｂの出射面
１４ｃからの光束が球状部材３０に入射すると光束は球
状ガラス３１により多数回、屈折する。円筒の横に行っ
た光線は側面の反射面で反射して、又は球状ガラスによ
り多数回屈折する。
【０１１４】このように球状ガラス３１により多数回屈
折することにより球状部材３０を通過してきた光線の分
布は均一となり、その位置を瞳面となる様に照明系を設
計することにより視野の中での検出波形が均一になるよ
うな観察系を構成している。
【０１１５】一般に照明系にファイバーとしてバンドル
ファイバーを使用とするとその充填率分でケーラー照明
した時に照明光線の存在しない角度が存在してくる。又
バンドルファイバーの一部が切れて不均一化の原因にな
ってくる。
【０１１６】これに対して本実施例では図７に示す構成
の球状部材３０を均一化手段として用いることにより照
射面と瞳面での均一性を良好に維持した照明系を達成し
ている。
【０１１７】尚、本実施例において光源手段に低出力の
ものを使用したい時には球状ガラスの面を使用波長に対
しての反射防止コートをすることが良く、これによれば
高効率な均一性を得ることができる。
【０１１８】図８（Ａ）は球状部材４０の他の実施例の
要部概略図である。図８（Ｂ）はファイバー１４ｂの出
射面１４ｃに球状部材４０を配置した状態を示してい
る。
【０１１９】本実施例では球状ガラス３１を１９個、六
角形の枠４２の中に最密格子状に配置して球状部材４０
を構成している。ファイバー１４ｂの出射面１４ｃの大
きさの径４３より六角形の枠５２を大きく取っている。
これにより枠４２の内部に高反射化する膜を施すのを省
略している。
【０１２０】尚本実施例において球状部材４０を複数
個、例えば２個，３個と重ねて出射面１４ｃに配置して
も良い。球状部材４０を均一性の要求に応じて複数個、
多段に配置すれば最適な構成で最適な均一性が得られ
る。
【０１２１】図９は球状部材５０の他の実施例の要部概
略図である。
【０１２２】本実施例では大きさの異なる複数の球状素
子（同図では２種類であるが、２種類以上であっても良
い）５２，５３を四角枠５１内に密に設けている。これ
により均一性の高い照明系の構成を容易にしている。又
四角枠５１を用いることによりファイバーとの構成上の
位置合わせを容易にしている。
【０１２３】図１０は球状部材６０の他の実施例の要部
概略図である。同図において６１は透明な半球状素子で
あり、これを四角枠又は六角枠等に配置して、球状部材
６０を構成している。そして球状部材６０を２段、半球
状素子の半径分だけ光軸と直交するＸ，Ｙ方向にずらし
て配置している。同図では球状部材６０を２つ用いてい
るが、２つ以上用いても良い。尚、球状あるいは半球状
の部材の代わりにセルフォックのアレイや一体成形され
たマイクロレンズアレイを使用しても良い。
【０１２４】図１１（Ａ）は参考実施例２の照明系の一
部分の概略図である。本実施例は図６の参考実施例１に
比べて球状部材３０の代わりに物体面４の共役面に図１
１（Ｂ）に示すような複数のピンホールを渦巻き状に配
置した回動可能なピンホール部材７１、所謂ニポウ円盤
を配置し、該ニポウ円盤を駆動手段７２で回動させて均
一化手段を構成している点が異なっており、その他の構
成は同じである。尚図１１（Ａ）において１４ｂはファ
イバー，１５はレンズであり、各々図６の各要素と対応
している。
【０１２５】本実施例では照明系としてケーラー照明を
利用しているが、ケーラー照明を用いると像面のフーリ
エ変換面は瞳面になる。もし像面と共役な面にピンホー
ルを配置すると、そのフーリエ変換面である瞳面では
（デルタ関数のフーリエ変換は均一分布なことから）均
一分布となる。ニポウ円盤の様に多数のピンホールを配
置した回転円盤を像面と共役な面に配置して２次元領域
の照明を行っている。そしてＣＣＤカメラ２２のチャー
ジ時間内に、例えば１回転以上する様に回転させ、これ
により２次元で且つ均一な角度特性で物体面４を照明し
ている。
【０１２６】尚本実施例において物体面４の照明領域が
一次元方向だけの場合には像面と共役な面に配置するピ
ンホールの代わりに一方向には長い透明部より成る回折
格子（グレーティング）を用い、それとは直交する方向
に単振動の様に移動させれば均一な照明が可能となる。
【０１２７】図１２は参考実施例３の照明系の一部分の
概略図である。
【０１２８】本実施例では図６の参考実施例１に比べて
球状部材３０の代わりにレンズ８１とデジタルマイクロ
ミラーデバイス（以下「ＤＭＤ」と言う）８２を用いて
均一化手段を構成している点が異なっており、その他の
構成は同じである。
【０１２９】図１２において１４ｂはファイバー，１５
はレンズであり、各々図６の各要素と対応している。フ
ァイバー１４ｂの出射面１４ｃとＤＭＤ８２とはシャイ
ンプルーフの関係にある。ＤＭＤの構成については1993
年11月の「IEEE SPECTRUM」 に記載されているので、ここ
では説明を略す。
【０１３０】本実施例ではファイバー１４ｂの出射面１
４ｃとＤＭＤ８２を共役になるように配置している。Ｄ
ＭＤ８２の各エレメントの反射角を変えることによりフ
ァイバー１４ｂの角度特性が均一となる様に補正するこ
とにより、照射面と瞳面での均一化を図っている。又Ｄ
ＭＤ８２の各エレメントの角度をアライメントマーク４
の波形が対称となる様、変えている。
【０１３１】本実施例ではバンドルファイバー１４ｂの
端面１４ｃとＤＭＤ８２の反射面とを光学系８１で結像
関係に配置する（シャインプルーフの関係＝Scheimpflu
g'sCondition)。この時バンドルファイバー１４ｂの１
個，１個のファイバーとＤＭＤ８２の各エレメントを合
う様に光学倍率を設定する。ＤＭＤ８２の各エレメント
の反射角はファイバー１４ｂの角度特性の不均一性を解
消すべく決められる。
【０１３２】具体的にはＤＭＤ８２の各エレメントを反
射した光束の中心の光線は対物レンズ１２の光軸と観察
物体４との交点を通ることになる。その為ＤＭＤ８２の
各エレメントの反射角を決める為には交点にシリコンセ
ンサー等の光電変換素子を配置するのが良い。エレメン
トの反射角を動かして光電変換素子の出力が最大となる
所が所定の角度となる。この時他のエレメントの反射角
はファイバー１４ｂからの光が観察物体４に当たらない
ような角度に設定するのが良い。
【０１３３】
【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、マークの観察を行う場合にマーク像
の位置を高精度に検出することが可能な、改良されたマ
ーク検出機能を有する照明装置及びそれを用いた観察装
置を達成することができる。
【０１３４】特に、本願で示した実施例では、照射面と
瞳面での均一性を維持し、良好なアライメントマークの
像が検出可能であり、その結果、高精度のアライメント
が実現できるという効果がある。
【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の照明系の説明図
【図３】図１のホログラムの光学的作用の説明図
【図４】図１のホログラムの光学的作用の説明図
【図５】本発明の実施例２の一部分の概略図
【図６】参考実施例１の要部概略図
【図７】図６の一部分の拡大説明図
【図８】図６の球状部材の他の実施例の説明図
【図９】図６の球状部材の他の実施例の説明図
【図１０】図６の球状部材の他の実施例の説明図
【図１１】参考実施例２の要部概略図
【図１２】参考実施例３の要部概略図
【図１３】従来の投影露光装置の要部概略図
【図１４】ＣＣＤカメラの画面中のアライメントマーク
の説明図
【図１５】ＣＣＤカメラの画面中のアライメントマーク
の説明図
【図１６】ＣＣＤカメラの画面中のアライメントマーク
の説明図
【図１７】図１４のアライメントマークの検出波形の説
明図
【図１８】図１５のアライメントマークの検出波形の説
明図
【図１９】図１６のアライメントマークの検出波形の説
明図
【図２０】ファイバーからの出射光の強度分布を示す説
明図
【図２１】ファイバーからの出射光の強度分布を示す説
明図
【図２２】角度特性が不均一のファイバーを用いた時の
物体面の入射光束の説明図
【図２３】ファイバーとオプティカルパイプを通過した
光束の説明図
【符号の説明】
１ ＸＹステージ ２ θステージ ３ ウエハ ４ アライメントマーク ５ 投影レンズ系 ６ バーミラー ７ レーザー干渉計 ８ レチクル ９ 照明系 １０ レチクルステージ １１ ミラー １２ 対物レンズ １４ａ 光源手段 １４ｂ，Ｆ ファイバー １４ｃ ファイバーの出射面 １５ レンズ １６，２０ ハーフミラー １７ 基準マーク １８ レンズ １９ 光源 ２１ エレクターレンズ ２２ ＣＣＤカメラ ３０，４０，５０，６０ 球状部材 ３１，４１，５２，５３，６１ 球状素子 ７１ ニポウ円盤 ８２ ＤＭＤ

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源からの光を照明系により物体面に照
    射する照明装置において、前記照明系の前記物体面と光
    学的に共役な位置及び瞳の位置に入射光の広がり角を大
    きくして射出させるホログラムを有することを特徴とす
    る照明装置。
  2. 【請求項２】 光源からの光を照明系により物体面に照
    射する照明装置において、前記照明系は、前記光源から
    の光を導光するファイバー束と該ファイバー束の光射出
    面側に配置したオプティカルパイプと、前記照明系の瞳
    の位置に配置した入射光の広がり角を大きくして射出さ
    せるホログラムとを有することを特徴とする照明装置。
  3. 【請求項３】 光源からの光束を照明系により物体面に
    照射する照明装置において、前記照明系の瞳の位置に光
    の角度ごとの強度を均一化するホログラムを有すること
    を特徴とする照明装置。
  4. 【請求項４】 前記照明系の前記物体面と光学的に共役
    な位置に光の角度ごとの強度を均一化するホログラムを
    更に有することを特徴とする請求項３に記載の照明装
    置。
  5. 【請求項５】 前記光源からの光束を導光するファイバ
    ー束と、該ファイバー束の光射出面側に配置したオプテ
    ィカルパイプとを更に有することを特徴とする請求項３
    に記載の照明装置。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか1項に記載の照
    明装置により物体面を照明し、該照明された物体面を観
    察系により観察することを特徴とする観察装置。
  7. 【請求項７】 露光光で照明した第１物体のパターンを
    投影光学系により第２物体に投影する投影露光装置にお
    いて、請求項６に記載の観察装置を有し、該観察装置に
    より前記第１物体及び/又は前記第２物体を観察するこ
    とを特徴とする投影露光装置。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の投影露光装置によりレ
    チクルのパターンでウエハを露光する段階と、該露光し
    たウエハを現像する段階とを含むことを特徴とするデバ
    イス製造方法。
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