JPH0340417A - 投影露光装置 - 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〕 本発明は半導体回路パターン、液晶等表示デバイスパタ
ーン、等微細パターンの投影露光装置に係り、特に、露
光領域全面を高解像度で露光可能とする被露光物体の傾
きと高さを検出する手段を具備した投影露光装置に関す
る。

〔従来の技術〕 半導体集積回路の微細パターンの露光、或いはＴ　Ｆ　
Ｔ（Ｔｈｉｎ　　Ｆｉｌｍ　　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）
液晶テレビに代表される表示デバイスの大視野パターン
中の１５゜ １６゜ １７゜ 駆動回路パターンの露光等では露光領域内全体に亘って
線幅ばらつきの少ない、原画に忠実なパターンを露光す
る必要がある。特に半導体集積回路の分野では今後０．
５μｍパターン以下の線幅パターンを１５問近い領域全
面に露光する必要があるが、パターンの微細化に伴ない
、結像する範囲（焦点深度）は±１μｍ以下となる。こ
のため、パターン結像面にウェハ上のフォトレジスト面
を正確に一致させることが不可欠となる。これを実現す
るにはウェハ表面（フォトレジスト表面）の露光領域に
おける傾きと高さを正確に検出することが必要となる。

従来特開昭６３−７６２６号公報で示されている第１の
公知例では半導体レーザをウェハ表面上に斜め方向から
集光し、その集光位置を検出することにより高さを検出
している。またこの公知例ではウェハの多層構造に伴う
多重反射に対し、３波長の半導体レーザを用いて対応し
、集光位置を斜め入射方向と直角方向に変え、ウェハ上
の異なる場所の高さを求めている。本公知例は高さの検
出を主にしており、斜め入射方向と直角方向に場所を変
え測定し、傾きを検出することも可能であるが、直径２
０ｍｍ程度の狭い領域の２カ所を測定しても傾きの正確
な値は得にくい。それは本公知例で高さ検出を高精度に
実現するにはウェハ上の集光を充分に、即ち集光径をで
きるだけ小さくする必要があるが、集光径を小さくする
には集光ビームの集光角（主光線に対する集光束の最外
光線の角）を大きくする必要があり、この結果主光線の
入射角度は小さくせざるを得ない。この角度を小さくす
る（ウェハ面に垂直な線からの角度が小さくなる）とウ
ェハの多層構造に伴なう多重干渉の影響は後述の理由か
ら大きくなる。本公知例ではこの課題に対し３波長を用
いているが、それぞれの波長に対しては干渉の影響を受
けており、根本的な過大解決とならない。

また従来の傾き検出の方法として特開昭６３−１９９４
２０号公報で示されている第２の公知例では投影レンズ
を通して露光波長と異なる傾き検出光を照射し１反射光
を集光し、集光位置から傾きを検出しているが、ウェハ
にほぼ垂直或いは浅い角度で入射させるため後述の理由
から下地からの反射光との干渉の影響が無視できなくな
り、正確な検出は困難となる。

更に従来の多層構造物体に対する高さ検出の方法として
特開昭６３−２４７７４１号公報で示される第３の公知
例では下地膜からの反射光を別々に分離しているが、こ
のような方法は半導体回路作成のプロセスに登場する薄
い膜に対して実行困難である。

〔発明が解決しようとする課題〕 上記従来技術は露光領域内の傾きと高さの情報を、半導
体回路パターンを有するウェハ等多層構造に対し、正確
に得ると言う点について配慮されておらず、今後の０．
５μｍ以下の回路パターン露光に要求される高精度の傾
き及び高さ制御に対して問題があった。

本発明の目的は上記従来の課題を解決し、半導体プロセ
スのいかなるウェハに対しても露光領域におけるフォト
レジスト表面の傾きと高さを正確に検出し、常に結像面
にレジスト表面或いはその近傍の最適位置に合せ、線幅
ばらつきの少ない高解像のパターンを露光する投影露光
装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明においては、可干渉光
源より出射した光を平行な照明光とし、ウェハ上のフォ
トレジスト表面上にある投影光学系の露光領域に斜めか
ら入射角θで照射し、反射光と、上記光源から出射した
光を分離して作った参照光をパターン検出器上で互に所
望の角度を付けて入射させ得られる干渉縞を検出する。

この干渉縞ピッチと位相の変化からウェハ上のフォトレ
ジストと表面の傾きと高さの変化を求めることが可能と
なる。また入射角度を８５°以上にすることは平行光束
を用いている本発明では容易であり、入射角が大きいた
めフォトレジスト表面での反射が大部分となり、下地の
層構造の各層での反射に伴ない１発生する干渉の影響は
ほとんど無視できるようになる。またフォトレジスト入
射光をＳ偏光とすれば表面での反射が更に大きくなり精
度が向上する。

また上記フォトレジスト表面で反射した光を平面鏡に垂
直に入射し、反射した光を再びフォトレジスト表面に入
射させ、この反射光を物体光として干渉パターンの情報
を得ればウェハの傾きや高さの検出を２倍の感度で実行
することが可能となり、更に精度の高い検出が可能とな
る。

また、上記参照光をフォトレジストの照射光および物体
光（反射光）と実効的にほぼ同一の方向に進みかつ同一
の領域を通過するごとく構成することにより、各光路は
空気のゆらぎ等外乱を同じように受け、周囲環境の変化
の影響を受けにくい傾きおよび高さ検出が可能となる。

また得られた干渉縞の情報を高速フーリエ変換し、その
結果である縞のスペクトル近傍の情報から傾きΔθと高
さΔｈを求めれば、実時間と看做せる程度に高速にΔθ
、Δｈが求まる。またこの時フォトレジスト照射位置が
パターン検出手段であるアレイセンサ受光面と光学的に
共役（結像）な関係にあれば、ウェハ上の所望の領域の
みの情報を選び出し、その部分の傾きと高さを求めるこ
とが可能となる。

また上述の干渉計測を一波長の光で実行する時、得られ
る干渉縞の位相から高さを求めるが、この位相の変・化
はαから２Ωπ＋α（ｎ：整数）に変化してもｎは同定
できない、そこで波長の異なる第２の可干渉光を用い、
第１の波長の光と同一の光学系（光路）に導き、検出時
に２つの波長を分離し、２つの干渉縞情報を用い高さを
決定すれば。

広い高さ変化の範囲に亘り高さ情報を精密に求めること
が可能となる。またエアーマイクロ等の他のウェハ高さ
検出手段を併用することにより、一波長検出による高さ
方向の不確定要因を除去し、広い高さ変化の範囲に亘り
高さ情報を精密に求めることが可能となる。

〔作用〕

上記のパターン検出器で得られる干渉縞の情報はピッチ
と位相の情報を有するため、傾きと高さの情報が同時に
得られる。しかも入射角度を８５゜以上にすると以下に
説明するようにフォトレジスト表面の傾きや高さが正確
に同時に求まる。以下この入射角と入射光の偏光と検出
の精度について説明する。

被測定物体に入射する光の振幅をＳ偏光、Ｐ偏光に対し
Ａｓ、Ａｐとすると、屈折率ｎの物体の表面で反射及び
屈折する光の振幅Ｒｓ、Ｒｐ及びＤｓ。

Ｄρは入射角θ、屈折角ψ（ｓｉｎφ＝　ｓｉｎθ／　
ｎ　）に対し、以下の式で与えられる。

） 〉 ） 】 Ｓ偏光では入射角が０°から６０°　Ｐ偏光では０°か
ら７５°程度までは表面反射光より透過光の方が大きく
、下地の多層構造の境界からの反射光により表面反射光
との間で振幅の大きな干渉が発生する。入射角が上記値
から８５°程度までは表面反射光の振幅の方が大きくな
るが、正確な測定を実現するには不十分な条件である。

以下にその理由を示す。第１７図に示すように入射角Ｏ
で入射した振幅Ａの光は屈折角−振＠Ｄで屈折し、下地
で振幅反射率Ｒｂで反射すると、この反射光の振幅はＤ
Ｒｂとなる。ここで入射光Ａの振幅を１とするとＤは振
幅透過率になる。従って下地で反射した光が表面を通過
するとその振幅はＲｂＤ’となる。他方振＠ＡＣ＝１）
で入射した光は表面で反射しその振幅はＲとなる。ここ
でＲやＤは入射光の偏光がＳかＰかでＲｓ、Ｄｓ及びＲ
ＰｔＤＰで表わせば上記（１）〜（４）式が成立する０
表面で反射した光Ｒ８と下地で反射した光Ｒ１は層の厚
さｄが薄いと重なり、その結果次式で示す複素振幅Ａ１
の光となる。

但しここでλは測定に用いる光の波長である。第３図に
示す膜の厚さｄの僅かな変化（波長の１桁下の長さの変
化）に対しても（５）式からＡ１の位相が変化すること
が分る。そこで入射角θとＲ，Ｄの関係はＳ及びＰ偏光
に対しそれぞれ第５図及び第６図に示す通りであり、こ
のグラフから更に分り易くするためノイズ成分となる（
５）式の第１項に対する第２項の振幅比ＲｂＤ”／Ｒを
求めれば、測定に及ぼす誤差の程度を評価することがで
きる。そこで最悪のケースとしてＲｂ＝１の場合を考え
、Ｄ”　／Ｒを入射角度θに対し、また２つの偏光に対
して求めたものが第７図である。

Ｄ”　／Ｒは各種検出方法において雑音（誤差）成分と
なるため、この値を５％以下に保つには８５６以上の入
射角にする必要があることが分る。またＳ偏光状態で入
射すれば更に雑音が小さくなることが第７図から分る。

被測定物体表面で２度反射させる方法は第３図に示すよ
うに面の傾きαに対し４α光が傾き、１度反射させる場
合に比べ傾きと高さの検出感度を２倍向上させることに
なり、精度の高い検出を可能にする。

また下地面からの反射光は干渉パターンに重畳し干渉縞
のピッチや位相を乱すが、８５′以上の入射によりまた
更にＳ偏光を用いることにより前述した通りほとんどこ
の影響を除くことが可能となり、精度の高い検出が可能
となる。更にこの干渉測定に用いる参照先の光路を測定
光とほぼ同一の光路にすることにより空気のゆらぎ等の
測定環境の影響をほとんど受けない安定で高精度の測定
を実現する。

また得られた干渉縞情報を高速フーリエ変換（ＦＴＴ）
プログラムによりスペクトル検出すると縞の周波数に相
当するスペクトルの情報がピッチと位相を表わしている
ため、この値から傾きと高さが同時に求まる。またＦＦ
Ｔはマトリックス演算であるため並列演算処理が可能で
あり、このような並列演算回路を用いれば１ｍｓ以下で
処理が可能となり、傾きと高さを検出し、実時間で制御
することも容易にできる。

また、干渉検出の場合、干渉縞の一ピッチ分の変化が起
ると、検出される干渉縞は全く同一のものになる。この
ため整数ピンチの移動量を加減したものが検出値の不確
定値として残ることになる。

本発明では第２の波長を検出光として第１波長と同様に
干渉検出し、第１波と第２波長の位相関係から広い範囲
に亘り正確な高さ検出を可能にし、高精度、広範囲の傾
き及び高さ制御を可能にしている。またエアーマイクロ
等の他のウェハ高さ検出手段により一波長検出時の不確
定範囲の検出を行ない広い範囲に亘り正確な高さ検出を
可能にしている。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図により説明する。

露光照明系８１より出射した露光光はレチクル９を照明
し、その透過光は縮小投影レンズ８によりステージ７上
のウェハ４の表面にレチクル上のパターンの縮小像とし
て投影される。レチクル９とウェハ４の相対的位置はア
ライメント系８００により検出され、レチクル９又はウ
ェハ４のいずれかを微動制御することによりパターンの
重ね露光が行われる。１００ＸはＸ方向の傾き及び高さ
を検出する系であり、Ｙ方向の傾きについては同様の光
学系が図示されないが存在する。以下検出系について説
明する。

半導体レーザ等可干渉性の光１１を出射した光をレンズ
１１により平行光１５にする。平行光１５はビームスプ
リッタプリズム１０により平行光１６と１７に分離され
る。平行光１６は照射手段であるビームスプリッタ１２
．ミラー１３を経て上下および２軸の仰り機構を搭載し
ているステージ７の上の被露光物体であるウェハ４の上
面のフォトレジストに入射角θ、（８８°）で入射して
いる。前述のごとくほぼ総ての光がフォトレジスト表面
で反射され、この反射物体光１６′は折返し検出光学系
である平面境１４に垂直に入射し５元の光路を逆に辿り
、被露光物体４で反射し、物体光２６＃としてミラー１
３゜ビームスプリッタ１２、レンズ２１．微小開口板２
３、レンズ２２、を経て、パターン検出手段３に至る。

他方ビームスプリッタ１０で分離された参照光１７は、
照射光１６とほぼ同一光路で同一方向に（但し厳密には
ウェハ垂線に対し、９２°の角度の方向に）進み、平面
鏡１４で垂直に反射し、物体光２６′とほぼ同一経路を
参照光２７″′として進み、楔ガラス２４を経てパター
ン検出手段３に至る。参照光路が物体光路と異なる点は
被露光物体４で反射しない点、及び楔ガラス２４を通過
する点である。レンズ２１と２２は平行光で入射した光
を平行光で出射させるが、ウェハ上の照射光の照射位置
、即ち露光領域Ｏをほぼパターン検出器上に結像させる
。今もし楔ガラスがないと、ウェハ面で反射し戻って来
た物体光と参照先の交叉点Ａはパターン検出手段の受光
面の後方で結像する。このことはこの受光面では両光は
ずれている。そこで参照光（又は物体光）に楔ガラスを
入れ、受光面上で両光が交叉しかつ露光領域Ｏが結像す
るようにしている。折返し検出光学系内に配置されてい
る微小開口板２３は、レンズ２１に入射する平行光であ
る物体光と参照先の集光位置にあり、集光点に微小な開
口が有る。この微小開口板は干渉性の高いレーザ光を用
いる場合に問題となるレンズ、ビームスプリッタ等で発
生する裏面反射光を除去し、パターン検出手段の受光面
に雑音光が重畳しないようにしている。パターン検出手
段３で検出される干渉縞は第２図に示すような強度分布
Ｉｘである。パターン検出手段３は一次元アレイセンサ
であり、第２図のＸ軸上に印された位置で強度値が求ま
り、このデータが処理回路５に伝送される。ウェハの露
光領域の表面が水平で露光結像系によるレチクル９の結
像面と一致すると（第３図の４）第２図の実線のピッチ
Ｐの干渉縞が得られる。もし露光領域の表面が第３図或
いは第２図の点線ＬＬ’　に示すようにαだけ傾くと、
第３図からも明らかな様に１回目の反射光は２α、戻っ
て来た２回目の反射光は４α傾くことになる。この結果
パターン検出手段で得られる干渉縞は第２図の点線に示
すようにピッチＰ′となる。検出手段で得られた干渉信
号は伝送線３１により第４図に示す処理回路５に入力さ
れる。入力信号はまず第２図横軸印の各点に対応したタ
イミングでＡ／Ｄ変換されＦＦ７回路に入力される。こ
のＦＦＴ入力信号は第４図（ｂ）のようになっており、
ＦＦＴの結果は複素数Ｃ（ｋ）で得られ第４図（Ｃ）に
示すように（但しこのグラフの縦軸はＩｃ（ｋ）Ｉ）一
般にに＝ｏとに＝ｍにスペクトルのピークを持つ。ｋ＝
ｏは正弦波のバイアス成分、ｋ＝ｍは正弦波の周期に対
応している。ｍはピッチＰに対応しているが、出力は離
散的にしか得られないため、真のスペクトルピーク位置
を求めるためにＣ（ｍ）およびその近傍のデータから内
挿処理して真のピーク位置を求めれば傾きΔφＸが求ま
る。また複素数Ｃ（ｍ）の位相（ｔａｎ”　（Ｉ　ｍ（
Ｃ（ｍ）　）　／Ｒｅ　（Ｃ（ｍ）　）　）から高さ（
Ｚ）の情報ΔＺが得られる。このようにして得られたΔ
φ工、ΔＺと第１図には省略されているＹ方向の検出検
系で得られたｙ方向の干渉縞情報から処理回路５で同様
にして得られたΔφ７を基にステージ７の上下及び２軸
の仰り機構を制御し、レチクル結像面とフォトレジスト
表面を所望の位置関係に合せる。

第８図は本発明の一実施例である。第１図と同一番号は
同一物である。また第１図同様ｙ方向の傾き検出系の図
は省略している。半導体レーザ１は波長がλ□、半導体
レーザ１′は波長がλ、であり、例えば、λｌ　＝　８
１０ｎ　ｍ　、λ、　＝　７５０ｎ　ｍである、半導体
レーザ１，１′で出射した光はそれぞれ１１と１１′　
により平行光になり、回折格子１８．１８’により０次
と１次の平行光に分離される・分離された４本の平行ビ
ームは波長分離ミラー１９によりλ、の光は透過、λ２
の光は反射し、プリズム１１０で４本のビームは互に平
行な平行ビームとなる。波長λ１とλ２のビーム１６．
１６’は全く同一の光路を通りミラー１３で反射し、ウ
ェハに０１で入射し、反射光は物体光となり、ミラー２
３．レンズ２１．２２から成る検出光学系を通り、パタ
ーン検出手段３に入射する。他方波長λ、とλ２のビー
ム１７と１７’は全く同一の参照光路を通り、パターン
検出手段３に、物体光と一定の角度を成し入射する。物
体光路と参照光路はウェハ面での反射を除き、全く同一
光学部品を通る。処理口ｊ！５′は半導体レーザエと１
′を交互に点滅し、パターン検出手段３からλ□とλ２
の波長の干渉縞情報を交互に受信する。第９図は処理回
路で受信されるλ、の波長の干？５縞情報である。実線
は最良の高さ位置に於るものであり、点線はΔＺだけ高
さが変化した時のものである。雨検出信号は傾きに変化
がない場合、下記値で示される位相差Δφ２を発生して
いる。

しかしながら検出される位相差Δφ２からΔＺを求める
場合、下記式で示される不確定性がある。

ここでｎは整数である。例えばλ□＝０．８１μｍ。

０．２２度とすると真の値＋１１．６　ｎμｍの不確定
値を持つ０本実施例ではこの問題を第２の波長λ２によ
る測定で解決している。第１０図（ａ）はλ□の波長で
検出した時の基準位置（ｘ＝ｘｏ）でのウェハ面の高さ
変化に対する検出強度１ｚであり、第１０図（ｂ）は同
じくλ２の波長に於るものである。検出されるパターン
の強度は次式となる。

■ （Ｘ、ΔＺ；λｉ）＝：ａ＋ｂｃｏｓ ここでＸは検出手段の受光面の座標でありＭは結像倍率
である。従ってＩ　ｚ　＝　Ｉ　（ＸｏｔΔＺ；λｉ）
となる。λ１で検出し゛た位相値がΔ−１とし、この値
に対応する高さが第１０図に示すように・・・Ｐ−、、
Ｐ−１ｔ　ｐ工、ｐ、、ｐ、・・・に対応するものであ
るとすると、これらの内、どの点に対応するΔＺが真の
値であるか分らない。λ２で検出した位相値がΔ−２で
あったとすると対応するΔＺは第１０図の・・・Ｐ−、
、Ｐ、、Ｐｌ、Ｐ、・・・となる。

第１０図（ａ）（ｂ）で同一位相となるΔＺ＝Ｓ、と次
に同一位相となるΔＺ＝Ｓよの間隔ＳｉＳ、は次式で与
えられ、 この間でλ□の位相がΔ−０で、λ□の位相がΔになる
のはΔｚ０の一点だけであり、この条件を満たす次のΔ
Ｚの値は次式で与えられる高さとなる。

ΔＺ＝ΔＺ□＋ｍ５ＸＳＯ＝−（１０）但しここでｍは
整数である。

λ１＝０．８１　ｐｍ　、λ２：：０．７５μｍ、　ｌ
：ｉＬ＝　２’ではＳ１Ｓ、は１４５μｍとなる。ウェ
ハ面の高さがこの様な広い範囲で変動することはなく、
仮に厚さの異なる種類のウェハを用いる場合には、あら
かじめその値は分っているから問題を生じない。

なお第１図の実施例では折返し平面鏡を用いウェハ面で
２度反射させているため上記の５１８０に相当する値は
上記の第８図の実施例の場合の半分となり、７２．５μ
ｍとなる。

第１１図は一回の露光でウェハ上に露光される領域４１
に対し、Ｘ方向とｙ方向の照明光１６及び１６を示して
いる。照明光１６のウェハ上の場所はパターン検出手段
３の受光面３０１のアレイ素子の番地と対応している。

照明領域全体に対応する番地ｊｓ”ｊｅの間で、所望の
領域のみを、例えば第１１図でＩｓ〜Ｉｅ、或いは第１
２図でＩｓ１〜Ｉｅ、及びＩｓ２〜Ｉｓ、を取り出し、
このデータのみを用いてＦＦＴを実行することが容易に
できる。このように任意の部分を指定することが可能な
ため、例えば微細パターンを含む所を検出領域に指定し
、粗いパターンの部分を外すことにより、微細パターン
部分を傾きや高さが正確に求められ、より焦点に近い位
置で露光を行うことが可能となる。

第１３図は本発明の一実施例である。第１図、第８図と
同一番号は同一物を表している。波長λ、とλ２の半導
体レーザ１及び１より出射した光は、コリメータレンズ
１１と１１で平行光となり、波長分離ミラー１９により
同一光路となる。シリンドリカルレンズ１１０と１２０
はｙ方向のビーム径を広くするために使われている。第
１４図はウェハ４上の露光領域４１に対し、拡げられた
照射光１６　（点線）の範囲を示している。照射部分は
二次元アレイ素子から成るパターン検出手段３′と３＃
の受光面３０２上に結像される。二次元的に得られた照
射部分の干渉縞のうち第１４図に示す所望の領域４２゜
４３のみの情報を演算処理する。４２及び４３のそれぞ
れの場所でＸ方向の傾きと高さが求まり４１全面として
のＸ＋’ｊ方尚の方向と高さが求まる。

第１５図は本発明の一実施例である。本図は平面図であ
り、投影露光装置の露光光学系は省略されている。ステ
ージの仰り機構のＸ軸方向の回転軸７１とｙ方向の回転
軸７２の回りにｗｘ、ｗｙ微小回転可能である。ウェハ
４上の露光領域４１にＸ軸から４５°傾いた方向（Ｘ方
向）から傾きおよび高さ検出用の照射光が照射され、反
射光が平面鏡１４で垂直に戻され、前述の傾きおよび高
さ検出光学系１００で検出される。本実施例では２軸の
仰り機構に対し検出光は４５°の傾きを持っており、パ
ターン検出手段の二次元撮像面には第１６図のごとき干
渉パターンが発生している。ウェハ面が水平を保ってい
る時に干渉パターンが実線であり、ｙ方向に傾いている
場合が点線である。このため撮像面上のＸ方向とｙ方向
のピッチと位相を求めれば、Ｘとｙ方向の傾きと高さが
一検出光軸系から求めることかできる。また第１５図の
実施例で、パターン検出手段の直前で光ビームを２分し
、Ｘ方向とｙ方向を別々のパターン検出手段で検出して
もよい。

第１８図は本発明の一実施例である。第工図と同一番号
は同一物を表わしている。第１図との相異点は以下Ｓ点
である。■レーザ源にＨｅ−Ｎｅレーザ等に代表される
チューブ式レーザ１０１を用い、レーザ光の一部（ガウ
ス分布の中心部）を選択するピンホール板１０２を折返
し平面鏡１４と共役な位置に設けた点、■ビーム１５が
ビームスプリッタ１２を通り、ミラー１４で折返されて
、パターン検出手段３に至るまでの反射回数が参照光路
と物体光路で共に偶数または奇数になるようにした点■
パターン検出手段３と折返し平面鏡１４を共役な関係（
結像関係）とし、ウェハ面で反射し戻って来た物体光と
参照先の交叉点Ａがパターン検出手段３上に結像するよ
うに平行平面ガラス２０１を参照光路２７＃（または物
体光路２６“）中に挿入した点、■パターン検出手段３
に入射する物体光および参照光が平面波となるようパタ
ーン検出手段の直前に補正レンズ２０４を挿入した点、
■ウェハ４の高さ検出にエアーマイクロ８２を併用した
点である。

レンズ１０３を出射した光は折返し平面［１４と共役な
位置に設けたピンホール板１０２の微小開口部に入射し
ガウス分布の中心部を選択する。

次にレンズ１０３．１０５により所望の太さの平行光１
５にし、ビームスプリッタ１０６に入射する。平行光１
５はビームスプリッタ１０６により平行光１６と１７に
分離する。ここで平行光１６はビームスプリッタ１０６
を透過（反射回数Ｏ）させ、平行光１７はビームスプリ
ッタ１０６内で２回反射させている。

これはビーム１５がビームスプリッタ１２を通り、ミラ
ー１４で折返されて、パターン検出手段３に至るまでの
反射回数が参照光路と物体光路で共に偶数または奇数に
なるようにしたもので、反射回数を揃えることによりビ
ームスプリッタ１０６への入射光１５の方向が変動した
際、参照光と物体光の交叉角の変動を小さく押えること
ができ、その結果干渉縞ピッチの変化がほとんど起らず
、高精度の検出が可能となる。本実施例の場合、ビーム
スプリッタ１０６でビーム分割後パターン検出手段に至
るまでの参照光と物体光の反射回数は共に６回となり偶
数回で揃っている。ビームスプリッタ１０６を出射した
平行光１６はビームスプリッタ１２゜ミラー１３を経て
上下および２軸のあおり機構を搭載しているステージ７
の上の被露光物体であるウェハ４の上面のフォトレジス
ト表面でほとんど全ての光が反射し、折返し平面ｉ１４
に垂直に入射する。折返し平面鏡１４で反射した平行光
１６は再び元の光路を逆波りし、物体光２６“としてミ
ラー１３゜ビームスプリッタ１２．レンズ２０２．微小
開口板２３゜レンズ２０３．、２０４を経てパターン検
出手段３に至る。

他方ビームスプリッタ１０６で分離された平行光１７は
平行光１６とほぼ同一光路で進み、ビームスプリッタ１
２．ミラー１３を経て直接折返しミラー１４に垂直に入
射した後、再び元の光路を逆戻りし、参照光２７＃とじ
てミラー１３．ビームスプリッタ１２゜平行平面ガラス
２０１．レンズ２０２．微小開口板２３゜レンズ２０３
．２０４を経てパターン検出手段３に至る。

参照光路が物体光路と異なる点は被露光物４で反射しな
い点、平行平面ガラス２０１を通過する点である。レン
ズ２０２．２０３．２０４は折返し平面鏡１４の反射面
と露光中心Ｏとの間の光軸に垂直な平面をパターン検出
手段３上に結像させる。これは被露光物体の所望の場所
に相当する部分の情報のみから傾きと高さを検出する場
合、干渉縞内の位置とウェハ上の位置の対応が明確にな
っている必要があるためであり、上記構成を採用するこ
とにより、行きと帰りの光路中のウェハの像がほぼ均等
にパターン検出手段３上に結像でき、部分的に検出して
も高い精度で検出できる。しかし折返し平面鏡１４の反
射面と露光中心Ｏとの間の光軸に垂直な平面をパターン
検出手段３上に結像させた場合、露光領域と交叉点Ａが
一致していないため、このままではパターン検出手段３
上で参照光と物体光を重ね合わせることはできない、そ
こで平行平面ガラス２０１を参照光Ｎ２７′　（または
物体光８２６’　）中に挿入し、参照光を平行移動させ
てパターン検出手段３上で参照光と物体光が重なり合う
ようにした。レンズ２０４はレンズ２０２および２０３
によって生じた参照光と物体光の球面波を平面波に補正
するためのレンズでパターン検出手段３の直前に配置し
である。両波面を平面波にすることにより干渉縞のピッ
チのばらつきを無くし、高い検出精度が得られる。

本検出法では一波長検出の場合（７）式で示すウェハ高
さの不確定性の問題があった。２波長照明による解決法
を前述したが、他のウェハ高さ検出手段を併用すること
によっても解決可能である。

本実施例ではエアーマイクロ８２を併用することによっ
てこの問題を解決した。即ち（６）式で示す本検出法に
よって確実に高さ検出ができる範囲まではエアーマイク
ロによってウェハ高さを位置決めし、（６）式で示す位
相変化の範囲内では本検出法を用いる。また他の方法と
してウェハの高さ検出はエアーマイクロ等の他の検出手
段、傾き検出は本検出法を用いてもよい。第２１図はエ
アーマイクロの原理を示したもので空圧源８２１からエ
アーマイクロノズル８２２および参照用エアーマイクロ
８２３に圧力空気を供給し、エアーマイクロノズル８２
２とウェハ４のギャップによって決まるエアーマイクロ
ノズル内の背圧８２４と参照用エアーマイクロ８２３の
背圧８２５の圧力差を差圧変換器８２６によって電気信
号に変換して処理回路５によってステージ７の高さを制
御し差圧がＯになったところで止める。

第１９図と第２０図は本実施例のガウス分布の一部を選
択して照明する方法の効果を説明するための図で、第１
９図はガウス分布の一部を選択しない場合、第２０図は
ガウス分布の一部を選択した場合の参照光（実線）と物
体光（破線）のパターン検出手段３上の照度分布を示し
たものである。縦軸に照度Ｉｘ、横軸にパターン検出手
段３の検出位置Ｘを示す。ウェハが傾くと物体光はパタ
ーン検出手段３上を移動し、参照光と物体光の重なり状
態（斜線部）が変化する。この時、ガウス分布の一部を
選択しない第１９図の実施例では参照光と物体光の重な
り部分の照度が大きく変化し、干渉強度が大きく変動す
る。これに対し、第２０図のガウス分布の一部を選択し
た照明では、参照光と物体光の重なり部分の照度変化は
小さく、干渉強度の変動も小さい。干渉強度の変動が小
さい方が信号処理の過程で誤差が小さく高精度の検出が
可能となる。本実施例の信号処理に関しては前述しであ
るため説明を省略する。

第２２図は本発明の一実施例である。本実施例ではウェ
ハ４の露光領域４１の対角線方向にレーザ光を照射する
。１００ｘはＸ方向の傾きおよび高さを検出する系、１
００Ｙはｙ方向の傾きおよび高さを検出する系、１４は
折返し平面鏡である。第２３図は露光領域４１の拡大図
をであり、１つの露光領域内に２つの回路部（メモリー
等〉を有する例である。図において４１２が回路部を４
１３が境界部を示し、レーザ光４１１は露光領域に対し
て対角線方向に照射している。第２４図は第２３図のＩ
−Ｉ断面を示すが、一般に回路部４１２と境界部４１３
では高さが異なる。このため、露光領域の辺に対して直
角、平行方向でレーザ光を照射した場合、本来検出した
い回路部の傾きと高さではなく、境界部の傾きと高さを
検出してしまう恐れがある。これに対し。

第２３図の如く露光領域の対角線方向にレーザ光を照射
し、必要に応じて任意の検出範囲を選択することにより
回路部の傾きと高さを正確に求めることが可能となる。

また露光領域の対角線方向にレーザ光を照射する場合、
照射範囲が最も長くとれ、露光領域の傾きと高さより高
性度に検出できる効果もある。

以上示した実施例では半導体露光装置について説明して
いるが、本発明はその他の液晶デイスプレィ等表示デバ
イス用露光装置等にも同様に適用でき、大きな効果が発
揮できる。

〔発明の効果〕

本発明は１以上説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する。

（１）干渉測定により傾きと高さを同時に求めることが
できる。

（２）参照光が照射、検出光とほぼ同じ場所を通るよう
に構成することにより、空気のゆらぎ等。

外乱要因の影響を受けない安定な傾き及び高さ検出がで
きる。

（３）被露光物体への入射角を８５°以上にすることに
より、又入射光をＳ偏光にすることにより、フォトレジ
スト表面の傾き及び高さを、・下地の膜構造の影響を受
けることなく、正確に検出することができる。

（４）被露光物体に斜照射した光の反射光を垂直に折返
し、再び被露光物体に照射することにより。

傾きおよび高さの検出精度を２倍に高めることができる
。

（５）パターン検出手段の撮像面を被露光物体面上のビ
ーム照射位置と共役にし、被露光物体の所望の場所に相
当する部分の情報のみから傾きと高さを検出することに
より、特に精密に焦点合せをする必要のある所に焦点を
合せることができる。

以上の説明したように被露光物体の表面の傾きや高さを
下地に影響されることなく高精度に安定に検出すること
が可能となり、特に０．５μ膳以下の線幅のＬＳＩ等焦
点深度に余裕のないパターン露光に対し、露光工程の歩
留りの大幅向上に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で折返し検出光学系を含むも
のの構成を示した図、第２図は検出パターン信号波形を
示す図、第３図は折返し検出光学系の効果を説明するた
めの図、第４図は処理回路の実施例を示す図、第５図乃
至第７図は入射角と反射、透過複素振幅の関係及び、雑
音成分率の特性を示す図、第８図は本発明の一実施例で
２波長を用いるものの構成を示す図、第９図は高さ変化
に伴なう検出パターン信号の変化を表わす図、第１０図
は２波長λ、、λ２で検出時の高さ変化ΔＺに伴なう着
目点の信号Ｉｚの変化を表わす図、第１１図及び第１２
図は露光領域に対する照射光と演算処理領域を示す図、
第１３図は本発明の実施例で２波長で２次元的に検出す
るものの構成を示す図、第１４図は第１３図に示す実施
例の露光領域に対する演算処理領域を示す図、第１５図
は本発明の実施例の一検出系で２方向の傾きを検出する
ものを示す図、第１６図はその検出パターンを示す図、
第１７図は照射検出光の振＠成分を説明する図、第１８
図は本発明の一実施例でエアーマイクロを併用し、更に
光学系の改善を図ったものの構成を示す図、第１９図及
び第２０図は各々本発明に係る照明法の効果を説明する
図、第２１図は本発明に係るエアーマイクロの原理を示
す図、第２２図乃至第２４図は各々本発明に係る露光領
域の対角線方向にレーザ光を照射した場合の説明図であ
る。 １・・・レーザ光源、　１０．１２・・・ビームスプリ
ッタ、１４・・・折返し平面鏡、２１．２２・・・レン
ズ、２３・・・微小開口板、２４・・・楔ガラス、３．
３’　、３’・・・パターン検出手段、４・・・ウェハ
、　　　５・・・処理回路、７・・・ステージ、　　８
・・・露光投影レンズ、８１・・・照明系、　　　９・
・・レチクル。 ８２・・・エアーマイクロ。 第 １ 区 第 図 あ （２） し−ｍ− Ｆ　ｆ　ｏ−￥ｅ　叩くｏｍ　早Ｑｃ　ｉ　ｙ雪；ｆ■
雪ットー０財笛Ｑτ□゛翠 第 ８ 聞 第 ０ 圓 第 １ 図 第 ！２図 第 １５ 閲 第 ７ｇ 図 １θ０ 第 ７７図 尺ｂ 〆へン４Ｚ 第 ８ 図 第ｒｑ図 ％２０関 第２Ｉ必 第２２図 第ＺＪ図 第２４閲

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、露光照明系とマスク又はレチクルと投影光学系と被
   露光物体を保持し、被露光物体を直交する３方向に移動
   せしめるステージと、該マスク又はレチクルと該被露光
   物体との相対的位置を検出し、位置合せ制御するアライ
   メント系とから成る投影露光装置において、可干渉光源
   よリ出射した光を平行な照射光とし、該被露光物体表面
   上にある投影光学系の露光領域に斜めから入射角θで照
   射せしめる少くとも１つの照射手段と、被露光物体で反
   射した物体光をパターン検出手段に導く少くとも１つの
   検出光学系と、上記可干渉光源より出射した光を分離し
   、参照光を発生する手段と、当該参照光を該パターン検
   出手段に導き該物体光の光軸に対し、所望の角度を付け
   て該パターン検出手段上で重畳し、干渉せしめる少くと
   も１つの参照光手段と、該パターン検出手段で得られた
   干渉パターンの情報から、被露光物体の傾きもしくは高
   さの少くとも一方の情報を得る処理開路と、当該情報に
   基づき、被露光物体の少くとも１方向の傾き、もしくは
   高さの少くとも一方を制御せしめるステージ制御系とを
   備え付けたことを特徴とする投影露光装置。 ２、上記照射光および物体光と上記参照光は実行的にほ
   ぼ同一方向に進みかつ同一領域を通過することを特徴と
   する請求項１記載の投影露光装置。 ３、上記入射角θは８５゜以上であることを特徴とする
   請求項１記載の投影露光装置。 ４、上記照射光はＳ偏光であることを特徴とする請求項
   １記載の投影露光装置。 ５、折返し平面鏡を配置し、被露光物体で反射した上記
   物体光を当該折返し平面鏡でほぼ垂直に反射させ、往路
   と同一光路を逆に進め、再び被露光物体で反射させ、上
   記パターン検出手段に導く、折返し検出光学系を具備し
   、上記参照光との間で上記パターン検出手段上で干渉せ
   しめることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。 ６、上記参照光が上記物体光と実効的にほぼ同一の方向
   、同一の領域を通過するごとく構成した手段を具備する
   ことを特徴とする請求項５記載の投影露光装置。 ７、上記パターン検出手段はアレイセンサであり、被露
   光物体の傾きΔθと高さΔｈに応じたピッチＰと位相φ
   を有する正弦波信号を上記処理回路に伝送し、当該処理
   回路で高速フーリエ変換を実行し、Ｐに対応するスペク
   トル近傍の情報から、ΔθとΔｈを求めることを特徴と
   する請求項１乃至６のいずれか記載の投影露光装置。 ８、上記被露光物体上の照射位置は上記検出光学系又は
   折返し検出光学系により、ほぼ上記パターン検出手段と
   共役な関係（結像関係）にあることを特徴とする請求項
   １又は５又は６記載の投影露光装置。 ９、上記パターン検出手段に入射する物体光及び参照光
   は実効的に平面波であることを特徴とする請求項１又は
   ５又は６記載の投影露光装置。 １０、上記パターン検出手段はアレイセンサであり、上
   記被露光物体上の照射位置は上記検出光学系又は折返し
   検出光学系により、ほぼ上記パターン検出手段と共役な
   関係にあり、上記アレイセンサで得られた情報の所望の
   領域のみを選択し、高速フーリエ変換演算を施し、得ら
   れたスペクトル情報より、被露光物体の露光領域の所望
   の領域の傾きもしくは高さの少なくとも一方を求める処
   理回路を具備したことを特徴とする請求項１又は５又は
   ６記載の投影露光装置。 １１、上記検出光学系又は折返し反射光学系と参照光の
   光路中に、両光路の光集束部分に微小開口を設け、両光
   路中の光学部品の表裏面より反射した雑音的光成分を遮
   光することを特徴とする請求項１又は５又は６記載の投
   影露光装置。 １２、上記可干渉光源とは波長の異なる第２の可干渉光
   源を備え、当該第２の可干渉光源より出射した光を上記
   照射手段に導入し、上記第１の可干渉光源とほぼ同一光
   路の物体光及び参照光を形成し、上記検出光学系或いは
   折返し検出光学系中に第１の波長の光から第２の波長の
   光を分離する手段を配置し、分離された第２の波長の物
   体光および参照光を第２のパターン検出手段で検出し、
   第１及び第２のパターン検出手段で得られた干渉縞の情
   報から高さ方向の不確定要因を除去し、正確な高さ情報
   を広い範囲で検出可能としたことを特徴とする請求項１
   又は５又は６記載の投影露光装置。 １３、１本のビームがビームスプリッタを通り、パター
   ン検出手段に至るまでの参照光と物体光の反射回数を共
   に偶数または奇数に揃えたことを特徴とする請求項１又
   は５又は６記載の投影露光装置。 １４、エアーマイクロ等の他のウェハ高さ検出手段を併
   用することにより、一波長検出による高さ方向の不確定
   要因を除去し、正確な高さ情報を広い範囲で検出可能と
   したことを特徴とする請求項１又は５又は６記載の投影
   露光装置。 １５、レーザ光を露光領域のほぼ対角線方向に照射した
   ことを特徴とする請求項１又は５又は６記載の投影露光
   装置。 １６、レーザ光の一部を選択するピンホール板を照明光
   路中に設けたことを特徴とする請求項１又は５又は６記
   載の投影露光装置。 １７、レーザ光の一部を選択するピンホール板をほぼ露
   光領域と共役位置に設けたことを特徴とする請求項１６
   記載の投影露光装置。