JPH0545889A - 投影露光装置 - Google Patents

投影露光装置

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JPH0545889A
JPH0545889A JP3225220A JP22522091A JPH0545889A JP H0545889 A JPH0545889 A JP H0545889A JP 3225220 A JP3225220 A JP 3225220A JP 22522091 A JP22522091 A JP 22522091A JP H0545889 A JPH0545889 A JP H0545889A
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    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
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    • G03F7/701—Off-axis setting using an aperture
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パターン形状の方向や線幅等により照明方法
を変えたときの投影光学系の使用態様の変化に対応させ
てＴＴＬオートフォーカス用の照明方法を変化させるこ
とにより、高精度のＴＴＬオートフォーカスを可能とし
た半導体デバイスの製造に好適な投影露光装置を得るこ
と。 【構成】 放射源からのビームで形成した２次放射源か
らの２次ビームで照明された該原板の回路パターンの像
を投影する投影光学系と、投影光学系の光軸方向へ保持
手段により基準面を該光軸方向へ動かす間に投影光学系
により原板のパターンの像を基準面上に投影させる照射
手段と、パターンの像の基準面上での結像状態を検出す
る検出手段と、照明光学系が２次放射源の形状を変更可
能に構成され、照射手段が、２次放射源像とほぼ同じ２
次放射源像を投影光学系の瞳に投影するよう形状変更可
能な２次放射源を供給する光学系とを有すること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、投影露光装置に関し、
特に半導体素子製造の分野において、半導体ウエハー表
面にレチクルの回路パターンを繰り返し縮小投影露光す
る際の自動ピント調整機能、所謂ＴＴＬオートフォーカ
ス機能を有するステッパーと呼ばれる投影露光装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体素子、ＬＳＩ素子、超ＬＳ
Ｉ素子等のパターンの微細化、高集積化の要求により投
影露光装置において高い解像力を有した結像（投影）光
学系が必要とされてきている。この為、結像光学系の高
ＮＡ化が進みこれに対して結像光学系の焦点深度が浅く
なりつつある。
【０００３】従って縮小型の投影露光装置においては、
ウエハー面を焦点面に（投影光学系の像面）合致させる
ための有効な高精度の自動焦点合わせ方法が重要なテー
マとなっている。
【０００４】この種の投影露光装置では、投影光学系の
周囲温度変化、大気圧変化、投影光学系に照射される光
による温度上昇、あるいは投影光学系を含む装置の発熱
による温度上昇、などによりピント位置（像面位置）が
移動し、これを補正しなければならない。これを補正す
るための手段として、投影光学系を介した光束を利用し
たＴＴＬオートフォーカスが知られている。
【０００５】このＴＴＬオートフォーカスは、例えばレ
チクル面上のマークをウエハー側の反対面上に投影光学
系を介して結像させ、このマーク像をレチクル面上方に
設けた観察光学系で撮像し、マーク画像のコントラスト
から合焦状態を検出している。そして該検出結果をウエ
ハー面位置検出系にフィードバックし、これよりウエハ
ー面を所定位置に設定し合焦状態を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】一般にステッパーにお
ける投影光学系は高度に収差補正されているが若干の波
面収差が残存している。この波面収差がある為に照明光
学系の開口数と投影光学系の開口数との比であるσが変
化すると投影光学系のフォーカス位置（ピント位置）が
変化してくる。
【０００７】一般にステッパーのσは０．４〜０．６程
度である。従ってＴＴＬオートフォーカス用の検出光学
系における照明光もそれに合わせてσ＝０．４〜０．６
としている。これにより高精度なフォーカス検出を行っ
ている。
【０００８】又、本出願人は位相シフトマスクを用いず
に照明装置を適切に構成することにより解像力を高めた
露光方法及びそれを用いた露光装置を特願平３−２８６
３１号（平成３年２月２２日出願）で提案している。
【０００９】同公報における投影露光装置では主として
縦横パターンで構成された回路パターンを照明し、該回
路パターンで生じた回折光を投影光学系の瞳に入射させ
て該回路パターンの像をウエハー上に投影し、該ウエハ
ーに該回路パターン像を転写することにより半導体デバ
イスを製造する際、前記瞳の中心及び該瞳中心を通り前
記縦横パターンの方向へ延びる一対の軸上の各部分より
も他の部分の光強度が大きい光量分布を備える有効光源
を形成することを特徴としている。これにより高解像力
化を図っている。
【００１０】この特願平３−２８６３１号で提案した投
影露光装置においてレチクル面のパターンの方向や解像
線幅等によって照明方法を種々と変えたとき、それに伴
ない投影光学系内を通過する光束の光路が変化してく
る。そうすると投影光学系の使用態様が異なってきて、
それに応じてσ値も異なってきてＴＴＬオートフォーカ
ス用の検出光学系によるフォーカス検出誤差が生じてく
る場合がある。
【００１１】本発明はこのように照明方法を種々と変え
て解像力を向上させようとしたとき投影光学系を通過す
る光束の光路が変化し、このときの投影光学系の使用態
様の変化より生じる波面収差の変化に基づくフォーカス
変化を補償し、高精度なＴＴＬオートフォーカス検出を
可能とした半導体デバイスの製造に好適な投影露光装置
の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の投影露光装置
は、放射源からのビームで形成した２次放射源からの２
次ビームで原板を照明する照明光学系と、該２次ビーム
で該２次放射源の像が投影される瞳を有し、該２次ビー
ムで照明された該原板の回路パターンの像を投影する投
影光学系と、基準面を保持し該投影光学系の光軸方向へ
該基準面を動かす保持手段と、該保持手段により該基準
面を該光軸方向へ動かす間に該投影光学系により該原板
の予め決めたパターンの像を該基準面上に投影させる為
に該放射源からのビームとほぼ同じ波長の検出ビームを
該予め決めたパターンに照射する照射手段と、該予め決
めたパターンの像の該基準面上での結像状態を検出する
検出手段とを有する投影露光装置において、前記照明光
学系が前記２次放射源の形状を変更可能に構成され、前
記照射手段が、前記２次放射源像とほぼ同じ２次放射源
像を前記投影光学系の瞳に投影するよう前記検出ビーム
を前記予め決めたパターンに向ける形状変更可能な２次
放射源を供給する光学系を有することを特徴としてい
る。
【００１３】
【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図、図２
は図１の照明光学系１の要部概略図である。
【００１４】同図において３０は原板としてのレチクル
（フォトマスク）であり、レチクルステージ３７に保持
されている。レチクル３０上の回路パターンが投影光学
系（縮小投影レンズ）３１によって、保持手段としての
ＸＹＺステージ３４上のウエハー３２上に１／５に縮小
されて結像し、露光が行なわれる。
【００１５】図１では、ウエハー３２に隣接する位置
に、ウエハー３２の上面とその面の高さがほぼ一致して
いる基準平面（基準マーク）８１が配置されている。又
基準平面８１の面はＣｒやＡｌ等の金属膜で形成されて
いる。又ＸＹＺステージ３４は縮小投影レンズ３１の光
軸方向（Ｚ方向）及びこの方向に直交する面内（ｘ−ｙ
面）で移動可能であり、光軸のまわりに回転させること
もできる。ウエハー回路パターンを転写する時、レチク
ル３０は照明光学系１によって回路パターンの転写が行
われる画面領域内を照明される。
【００１６】５２及び５３は、面位置検出光学系を構成
する要素を示している。５２は投光光学系であり、複数
個の光束を投光する。投光光学系５２より投光される各
光束は非露光光から成り、ウエハー上のフォトレジスト
を感光させない光より成っている。そしてこの複数の光
束は基準平面（基準マーク）８１上（あるいはウエハー
３２の上面）に各々集光されて反射される。
【００１７】基準マーク８１で反射された光束は、検出
光学系５３内に入射する。図示は略したが、検出光学系
５３内には各反射光束に対応させて複数個の位置検出用
の受光素子が配置されており、各位置検出用の受光素子
の受光面と基準マーク８１上での各光束の反射点が結像
光学系３１によりほぼ共役となる様に構成されている。
基準マーク８１の、縮小投影レンズ３１の光軸３１ｂ方
向の位置ずれは、検出光学系５３内の位置検出用の受光
素子上での入射光束の位置ずれとして計測される。
【００１８】この検出光学系５３により計測された基準
マーク８１の所定の基準面８１よりの位置ずれは、位置
検出用の受光素子からの出力信号に基づいて面位置検出
装置８０により面位置として算出され、これに対する信
号が信号線を介してオートフォーカス制御系６１に入力
される。
【００１９】オートフォーカス制御系６１は、基準マー
ク８１が固設されたＸＹＺステージ３４を駆動するため
のステージ駆動装置６２に信号線を介して指令信号を与
える。又、ＴＴＬで投影レンズ３１のフォーカス位置を
検知する時には、オートフォーカス制御系６１によりス
テージ駆動装置６２に指令を与え、基準マーク８１が所
定の基準位置の近傍で投影レンズ３１の光軸方向（Ｚ方
向）に上下に変位する様にＸＹＺステージを駆動する。
【００２０】次に本実施例の照明光学系１の構成につい
て図２を用いて説明する。
【００２１】図中１１は放射源としての超高圧水銀灯等
の光源でその発光点は楕円ミラー１２の第１焦点近傍に
配置している。この超高圧水銀灯１１より発した光が楕
円ミラー１２によって集光される。１３は光路を曲げる
ためのミラー、１４はシャッターで通過光量を制限して
いる。１５はリレーレンズ系で超高圧水銀灯１１からの
光を波長選択フィルター１６を介してオプティカルイン
テグレータ１７に効率よく集めている。オプティカルイ
ンテグレータ１７は後述するように複数の微小レンズを
２次元的に配列した構成より成っている。オプティカル
インテグレータ１７の射出面１７ｂは２次光源（２次放
射源）となっている。
【００２２】本実施例においてはオプティカルインテグ
レータ（インテグレータ）１７への結像状態はクリティ
カル照明でもケーラー照明でもよく、また例えば楕円ミ
ラー１２の射出口をオプティカルインテグレータ１７に
結像するものであっても良い。波長選択フィルター１６
は超高圧水銀灯１１からの光束の波長成分の中から必要
な波長成分の光のみを選択して通過させている。
【００２３】１８は選択手段としての絞り形状調整部材
であり、複数の絞りをターレット式に配置して構成して
おり、オプティカルインテグレータ１７の後に配置して
いる。絞り形状調整部材１８はオプティカルインテグレ
ータ１７の形状に応じてオプティカルインテグレータ１
７を構成する複数の微小レンズから所定の微小レンズの
選択を行なっている。即ち、本実施例では絞り形状調整
部材１８により露光を行なう後述する半導体集積回路の
パターン形状に合わせた照明方法を選択している。この
ときの複数の微小レンズの選択に関しては後述する。
【００２４】１９は光路を曲げるためのミラー、２０は
レンズ系であり、絞り形状調整部材１８を通過した光束
を集光している。レンズ系２０は照明の均一性をコント
ロールするために重要な役割を果している。２１はハー
フミラーであり、レンズ系２０からの光束を透過光と反
射光に分割している。このうちハーフミラー２１で反射
した光はレンズ３８、ピンホール３９を介してフォトデ
ィテクター４０に導光している。ピンホール３９は露光
が行なわれるべきパターンを持ったレチクル３０と光学
的に等価な位置にあり、ここを通過した光がフォトディ
テクター４０によって検出して、露光量のコントロール
を行なっている。
【００２５】２２は所謂マスキングを行なうメカニカル
ブレードであり、レチクル３０の露光されるべきパター
ン部の大きさによって駆動系（不図示）によって位置の
調整を行なっている。２３はミラー、２４はレンズ系、
２５はミラー、２６はレンズ系で、これらの各部材を介
した超高圧水銀灯１１からの光でレチクルステージ３７
上に載置されたレチクル３０を照明している。
【００２６】３５はミラーであり、ウェハーステージ３
４上に載置しており、あるレーザー干渉計（３６）から
の光を反射させている。
【００２７】本実施例においてオプティカルインテグレ
ータ１７の射出面１７ｂは各要素１９，２０，２３，２
４，２５，２６を介して投影光学系３１の瞳面３１ａと
略共役関係と成っている。即ち投影光学系３１の瞳面３
１ａに射出面１７ｂに相当する有効光源像（２次放射
源、２次光源像）が形成している。
【００２８】次に図３を用いて投影光学系３１の瞳面３
１ａとオプティカルインテグレータ１７の射出面１７ｂ
との関係について説明する。オプティカルインテグレー
タ１７の形状は投影光学系３１の瞳面３１ａに形成され
る有効光源の形状に対応している。図３はこの様子を示
したもので、投影光学系３１の瞳面３１ａに形成される
射出面１７ｂの有効光源像１７ｃの形状が重ね描きされ
ている。正規化するため投影光学系３１の瞳３１ａの径
を１．０としており、この瞳３１ａ中にオプティカルイ
ンテグレータ１７を構成する複数の微小レンズが結像し
て有効光源像（２次光源像）１７ｃを形成している。本
実施例の場合オプティカルインテグレータを構成する個
々の微小レンズは正方形の形状をしている。
【００２９】ここで半導体集積回路のパターンを設計す
るときに用いられる主たる方向となる直交軸をｘおよび
ｙ軸に取る。この方向はレチクル３０上に形成されてい
るパターンの主たる方向と一致した方向であり、正方形
の形状をしているレチクル３０の外形の方向とほぼ一致
している。
【００３０】一般に解像力ＲＰは波長をλ、パラメータ
をｋ１ 、開口数をＮＡとすると ＲＰ＝ｋ１ ・λ／ＮＡ となる。
【００３１】高解像力の照明系が威力を発揮するのは先
に述べたｋ１ ファクターが０．５付近の値を取るとき
である。
【００３２】そこで本実施例では絞り形状調整部材１８
の絞りによりオプティカルインテグレータ１７を構成す
る複数の微小レンズのうちからレチクル３０面上のパタ
ーン形状に応じて所定の微小レンズを通過する光束のみ
をレチクル３０の照明用として用いるようにしている。
【００３３】具体的には投影光学系３１の瞳面３１ａ上
で中心領域以外の複数の領域を光束が通過するように微
小レンズを選択している。
【００３４】図４（Ａ）、（Ｂ）はオプティカルインテ
グレータ１７を構成する複数の微小レンズのうち絞り形
状調整部材１８の絞りにより所定の微小レンズを通過す
る光束のみを選択したときを示す瞳面３１ａ上における
概略図である。同図において黒く塗りつぶした領域は光
が遮光され白い領域は光が通過してくる領域を示してい
る。
【００３５】図４（Ａ）はパターンで解像度が必要とさ
れる方向がｘおよびｙ方向であるときに対する瞳面３１
ａ上の有効光源像を示している。瞳面３１ａを表わす円
を ｘ２ ＋ｙ２ ＝１ としたとき、次の４つの円を考える。
【００３６】（ｘー１）２ ＋ｙ２ ＝１ ｘ２ ＋（ｙー１）２ ＝１ （ｘ＋１）２ ＋ｙ２ ＝１ ｘ２ ＋（ｙ＋１）２ ＝１ これらの４つの円によって瞳面３１ａを表わす円は領域
１０１〜１０８までの８つの領域に分解される。
【００３７】本実施例でｘおよびｙ方向に対して高解像
で深度の深い照明系は、これらのうちから偶数の領域、
即ち領域１０２，１０４，１０６，１０８に存在する微
小レンズ群に優先的に光を通すように選択することによ
って達成している。原点であるｘ＝０，ｙ＝０付近の微
小レンズは主として粗いパターンの深度向上に効果が大
きいため、中心付近の部分を選ぶか否かは焼き付けよう
とするパターンによって定まる選択事項である。
【００３８】図４（Ａ）の例では中心付近の微小レンズ
は除外した例が示してある。尚、オプテイカルインテグ
レータ１７の外側の部分は照明系内でインテグレータ保
持部材（不図示）によって遮光されている。又図４
（Ａ），（Ｂ）では遮光するべき微小レンズと投影レン
ズの瞳３１ａとの関係を分かり易くするため瞳３１ａと
オプティカルインテグレータの有効光源像１７ｃが重ね
描きしている。
【００３９】これに対し図４（Ｂ）は±４５°方向のパ
ターンに対して高解像が必要とされる場合の絞りの形状
を示す。図４（Ａ）の場合と同じく瞳３１ａとオプティ
カルインテグレータ１７の有効光源像１７ｃとの関係を
図示している。±４５°パターンの場合には前と同じと
して
【００４０】
【数１】 なる４つの円を、瞳３１ａに対して重ね描きして図４
（Ａ）の場合と同じく瞳３１ａを領域１１１〜１１８の
８つの領域に区分する。この場合±４５°方向のパター
ンの高解像化に寄与するのは今度は奇数で表わされた領
域、即ち領域１１１，１１３，１１５，１１７である。
この領域に存在しているオプティカルインテグレータ１
７の微小レンズを優先的に選択することにより±４５°
方向のパターンはｋ１ ファクターが０．５付近で焦点
深度が著しく増大する。
【００４１】図５は絞り形状調整部材１８の各絞り１８
ａ〜１８ｄの切り換えを行なう概略図である。図５に示
すようにターレット式の交換方式を採用している。第１
の絞り１８ａは、ｋ１ で１以上のそれほど細かくない
パターンを焼きつける場合に用いられる。第１の絞り１
８ａはこれまで公知の従来型の照明光学系の構成と同じ
であり、必要に応じてオプティカルインテグレータ１７
を構成する微小レンズ群の外側の部分を遮光する様にも
設定される固定の絞りである。絞り１８ｂ〜１８ｄは本
実施例に従う種々の絞りである。
【００４２】一般的な傾向として高解像用の照明系の場
合、オプテイカルインテグレータ１７は従来の照明系で
必要とされる大きさより、瞳面上でより外側の領域まで
使う方が高空間周波数に対し有利である。例えば従来の
照明系では半径０．５以内の微小レンズ群を使うことが
好ましいのに対し、高解像用の照明系の場合には中心部
の微小レンズは使用しないものの、例えば最大半径０．
７５以内の円の中ににある微小レンズ群まで使用する方
が好ましいことがある。
【００４３】このためオプテイカルインテグレータ１７
の大きさ、及び、照明系のその他の部分の有効径は、予
め従来型と高解像型の両者を考慮して設定しておくこと
が好ましい。また、オプテイカルインテグレータ１７の
入射口１７ａにおける光の強度分布も、絞りが挿入され
ても十分機能が果たせるような大きさを持っていること
が好ましい。絞り１８ａで外側の微小レンズ群を遮光す
る場合があるのは以上のような理由からで、例えばオプ
ティカルインテグレータ１７としては半径０．７５のと
ころまで用意しておいても、絞り１８ａではそのうちか
ら半径０．５以内の部分を選ぶといったことが行なわれ
る。
【００４４】以上示したように露光を行なうべき半導体
集積回路のパターンの特殊性を考慮したうえで絞りの形
状を決定すれば、パターンに応じた最適の露光装置を構
成することができる。これらの絞りの選択は例えば露光
装置全体の制御コンピュータから与えて、自動的に行な
っている。図５に示したのはこのような絞りを搭載した
絞り形状調整部材１８の一例で、この場合には４種類の
絞り１８ａ〜１８ｄのパターンを選択することが可能で
ある。勿論この数はもっとふやすことも容易である。
【００４５】絞りを選択したとき、絞りの選択に従って
照度むらが変化する場合がある。そこで本実施例ではこ
のような場合の照度むらをレンズ系２０を調整して微調
を行なっている。照度むらの微調については、レンズ系
２０を構成する個々の要素レンズの光軸方向の間隔で調
整可能であることが既に本出願人の先の出願によって示
されている。５１は駆動機構であり、レンズ系２０の要
素レンズを駆動させている。レンズ系２０の調整は絞り
の選択に応じて行なっている。また場合によっては絞り
の形状の変更に応じてレンズ系２０自体をそっくり交換
するようにすることも可能である。そのような場合には
レンズ系２０に相当するレンズ系を複数個用意し、絞り
の形状の選択に従ってターレット式に交換されるように
レンズ系を入れ替えている。
【００４６】以上のように本実施例では、絞りの形状を
変更することによって半導体集積回路のパターンの特徴
に応じた照明系を選択している。また本実施例の場合、
高解像用の照明系にした場合、大きく有効光源全体を見
ると光源自体が４つの領域に別れることが特徴となって
いる。この場合の重要要素はこの４つの領域の強度のバ
ランスである。しかしながら図１のような系だと超高圧
水銀灯１１のケーブルの影がこのバランスに悪影響を与
える場合がある。従って、図４に示した絞りを用いる高
解像用の照明系ではケーブルの影になる線状の部分をオ
プティカルインテグレータ１７で遮光する微小レンズの
位置と対応するようにセットさせることが望ましい。
【００４７】即ち、図４（Ａ）の絞りの場合で言えば図
６（Ａ）に示す様にケーブル１１ａを引っ張る方向はｘ
またはｙ方向にセットすることが好ましく、図４（Ｂ）
の絞りを使用した場合のケーブル１１ａを引っ張る方向
は図６（Ｂ）に示す様にｘ及びｙ方向に対して±４５°
にセットすることが好ましい。本実施例では超高圧水銀
灯のケーブルを引っ張る方向も、絞りの変更に対応して
変えることが好ましい。
【００４８】次に、縮小投影レンズ３１のフォーカス位
置検出処理について説明する。
【００４９】図７、図８において３０はレチクル、３０
ａはレチクル１上に形成されたパターン部で遮光性をも
つものとする。又３０ｂはパターン部３０ａに挟まれた
透光部である。このパターン部３０ａと透光部３０ｂに
より合焦用マーク３０ｃを構成している。ここで、縮小
投影レンズ３１のフォーカス位置（像面位置）の検出を
行うときには、前述したようにＸＹＺステージ３４が縮
小投影レンズ３１の光軸方向に移動する。基準平面ミラ
ー８１は、縮小投影レンズ３１の真下に位置付けられて
おり、レチクル３０のパターン部３０ａと透光部３０ｂ
はオートフォーカス用照明光学系により照明されてい
る。
【００５０】このオートフォーカス用の照明光学系は次
のような構成よりなっている。露光用の照明光学系１か
ら露光光と同一波長の光の一部は検出ビームとして光フ
ァイバー８２で、コリメータレンズ６５に導光され、開
口絞り６６の１つの開口絞り６６ａを照射する。開口絞
り６６ａは照明光学系１の２次放射源の形状に応じた形
状及び大きさの開口絞り６６ｂと自動又は手動で切換可
能となっている。
【００５１】６４ａは光量制御用ＮＤフィルターであ
り、開口絞り６６ａが開口絞り６６ｂに切換えられるの
に応じて、光量が一定となるようにＮＤフィルター６４
ｂに切換えられる。開口絞り６６からの光は偏光ビーム
スプリッター６７によって、λ／４板６８，対物レンズ
６９，ミラー７０を順次通ってレチクル３０を照明する
Ｓ偏光光と、集光レンズ７４を介して基準光量検出系の
受光素子７５に入射するＰ偏光光とに分岐される。
【００５２】レチクル３０を照明する光は、開口絞り６
６ａないし開口絞り６６ｂの形状及び大きさにより照明
光学系１の露光時のＮＡと同じＮＡの光となるように設
定している。露光時の照明光学系１のＮＡを切換えた場
合に、例えば図４で示す絞り部材１８ａ〜１８ｄのうち
の１つを用いた時に、それに応じて開口絞り６６とＮＤ
フィルター６４をそれぞれ切換えている。これにより投
影光学系３１の使用態様が同じになるようにしている。
【００５３】又、レチクル及び投影光学系３１を通した
反射光は、基準面８１で反射し光のルートを逆に戻って
くるがλ／４板６８の作用により偏光ビームスプリッタ
ー６７を通過し、リレーレンズ７１を介してフォーカス
検出用の検出手段としての受光素子７２に入射する。受
光素子７２はパターン３０ａの像の基準面８１上での結
像状態を検出している。
【００５４】放射源１１からの出力変動が大きいときは
受光素子７２の出力信号を受光素子７５の出力信号で割
った値をフォーカス検出用出力として使用するが、そう
でないときは受光素子７２からの出力をそのまま使う。
【００５５】ここで開口絞り６６と対物レンズ６９等は
照明光学系１が投影光学系３１の瞳に作る２次放射源像
とほぼ同じ２次放射源像を前記投影光学系３１の瞳に投
影するよう前記検出ビームを前記予め決めたパターン３
０ａに向ける形状変更可能な２次放射源を供給する光学
系を構成している。
【００５６】ここでは、開口絞り６６の開口の形状とし
ては照明光学系１の絞り１８が採り得る開口の形状であ
る図５に示す４つのタイプが用意してあり、絞り１８の
開口と相似な開口を選ぶように設定してある。このよう
に本実施例では照明光学系１のレチクル３０への照明条
件と同じ条件で開口絞り６６の開口径や形状を種々と変
えてオートフォーカス用の照明光でオートフォーカス用
のパターン３０ａを照明するようにしている。これによ
り露光時の投影光学系３１の使用態様と同じ条件にして
ＴＴＬオートフォーカスを行い環境変化等による検出誤
差を少なくし、高精度な焦点検出を行っている。
【００５７】次に本実施例において基準ミラー８１が縮
小投影レンズ３１のピント面にある場合について図７を
用いて説明する。レチクル３０上の透光部３０ｂを通っ
た光は、縮小投影レンズ３１を介して、基準平面ミラー
８１上に集光し反射される。反射された光は、往路と同
一の光路と同一の光路をたどり、縮小投影レンズ３１を
介しレチクル３０に集光し、レチクル３０上のパターン
部３０ａ間の透光部３０ｂを通過する。この時、光はレ
チクル３０上のパターン部３０ａにけられることなく、
全部の光束がパターン部３０ａを透過する。
【００５８】次に、基準平面ミラー８１が縮小投影レン
ズ３１のピント面よりずれた位置にある場合について図
８を用いて説明する。
【００５９】レチクル３０上のパターン部３０ａの透光
部を通った光は、縮小投影レンズ３１を介し基準平面ミ
ラー８１は、縮小投影レンズ３１のピント面にないの
で、光は広がった光束として基準平面ミラー８１で反射
される。
【００６０】即ち、反射された光は往路と異なる光路と
異なる光路をたどり、縮小投影レンズ３１を通り、レチ
クル上に集光することなく、基準平面ミラー８１の縮小
投影レンズ３１のピント面からのずれ量に対応した広が
りをもった光束となってレチクル３０上に達する。この
時、光束はレチクル３０上のパターン部３０ａによって
一部の光がけられを生じ全部の光束が透光部３０ｂを通
過することはできない。即ちピント面に合致した時とそ
うでない時にはレチクルを通しての反射光量（反射強
度）に差が生じるのである。
【００６１】次に図１の受光素子７２からの信号出力又
は受光素子７２の出力を受光素子７５の出力で割った値
を用いて縮小投影レンズ３１のフォーカス位置（像面位
置）を検出する方法について説明する。
【００６２】ステージ駆動装置６２により、基準平面ミ
ラー８１を搭載したＸＹＺステージ３４を縮小投影レン
ズ３１の光軸方向に面位置検出装置８０で予め設定して
いる零点を中心に駆動させるものとする。この時は、面
位置検出装置８０で基準平面ミラー８１の複数箇所の光
軸方向に関する位置がモニターされる。この複数箇所の
中で、フォーカス位置検出系により合焦用マーク３０ｃ
の像が投影される位置の近傍の計測値をｚとして基準平
面ミラー８１の位置を代表させる。基準平面ミラー８１
で反射された光を受光素子７２で受光した時に、焦点面
検出系７３から得られる信号出力とこのｚの関係を図９
に示す。
【００６３】さて、基準平面ミラー８１が縮小投影レン
ズ３１のピント面（像面）に位置した場合に、焦点面検
出系７３の出力はピーク値を示す。この時の面位置検出
系８０の値ｚ０をもってして、縮小投影レンズ３１を用
いてウエハー３２に露光を行う際の投影光学系３１のフ
ォーカス位置とする。
【００６４】この様にして決まった投影レンズ３１のフ
ォーカス位置はオートフォーカス検出系の基準位置とな
る。実際のウエハーの焼き付け最良位置はこの基準位置
からウエハーの塗布厚や段差量等の値を考慮した分だけ
オフセットを与えた値となる。
【００６５】図９の信号出力を用いたピント位置ｚ０の
検出方法は以下の手法が適用可能である。
【００６６】（イ）光量出力の最大値となるオートフォ
ーカス計測値ｚ０をピント位置とする。
【００６７】（ロ）ピーク出力に対してある割合のスラ
イスレベル２２０を設定し、このスライスレベル２２０
の出力を示す時のオートフォーカス計測値ｚ１，ｚ２を
知ることによりピント位置を
【００６８】
【数２】 とする。
【００６９】（ハ）光量出力（ｆｉ）およびオートフォ
ーカス計測値（ｚｉ）に対して重心処理を行い、ピント
位置を
【００７０】
【数３】 （ニ）光量出力（ｆｉ）およびオートフォーカス計測値
（ｚｉ）に対して２次関数近似（ｙ＝ａｘ・ｘ＋ｂｘ＋
ｃ）を行い、ピント位置を
【００７１】
【数４】 とする。
【００７２】図１０に焦点面検出処理のシーケンスを示
すフローチャートを示す。
【００７３】本実施例では開口絞り６６は照明光学系１
の照明方法に応じて開口径の他に開口形状を変化させて
いる。これによれば前述の図５に示すような形状以外に
例えば照明光学系１の２次光源として円形又は矩形のリ
ング状の照明光を用いるとき（即ち円形や矩形リング状
開口をもつ絞りを用いるとき）は、それに合わせて開口
絞り６６の開口を円形又は矩形のリング状とし、これに
よりＴＴＬオートフォーカスを行っている。
【００７４】本実施例では投影光学系３１は通常ディフ
ォーカスによる像ずれ発生を防ぐ為に、射出テレセント
リック系としている。この為、入射側の主光線が傾き、
露光時の照明光もそれに合わせて傾けて照射するのが良
い。
【００７５】この場合には開口絞り６６を光軸と直交す
る横方向にシフトさせることにより同じ様にＴＴＬオー
トフォーカス用の光束を傾けるのが良い。このとき像面
内位置により入射側の主光線の傾き量が変わるので開口
絞り６６のシフト量を変化させるのが良い。
【００７６】尚、本実施例では図２に示すようにレチク
ルＲの一部に設けたレチクルの種類を示すバーコードを
バーコードリーダー（入力手段）５９で読み取り、レチ
クルに形成されているパターン形状や解像線等の情報を
検出している。そしてこのパターン情報を操作パネル等
から成る入力手段５９によりコントローラ５８に入力し
ている。コントローラ５８は入力手段５９からのパター
ン情報により２次光源の強度分布としてどのような分布
が良いかを判断し、それに基づいて駆動手段５０を駆動
制御すると共に開口絞り６６の種類を選択し例えば図４
（Ａ），（Ｂ）で示す強度分布となるように設定してい
る。
【００７７】尚、本実施例においては次のような構成も
適用可能である。
【００７８】（イ）前記基準面は前記ステージ上に設け
られた反射部材の反射面より成り、前記検出手段が撮像
面を備え、前記基準面で反射され前記投影光学系により
前記原板側に逆投影された前記予め決めたパターンの像
の該撮像面上の強度分布を検出することにより前記検出
を行うこと。
【００７９】（ロ）前記基準面は所定のＣＣＤ等の受光
素子アレイから成る光電変換手段の受光面より成り、該
光電変換手段が前記ステージ上に設けられること。そし
て前記光電変換手段が前記受光面が受ける前記予め決め
たパターンの像の強度分布を検出し、又前記光電変換手
段の受光面が所定の開口（スリット）を定める遮光面を
備え、前記保持手段を前記投影光学系の光軸と直交する
方向へ移動せしめて前記予め決めたパターン像を走査す
ることにより前記強度分布を検出すること。
【００８０】（ハ）前記基準面は前記ウエハーの表面よ
り成り、前記予め決めたパターンが一対の遮光部で挟ま
れた透光部を有し、前記検出手段が、光量検出器を備
え、前記基準面で反射され前記投影光学系により前記原
板側に逆投影された前記予め決めたパターンの像を作る
ビームを前記原板を介して該光量検出器で検出すること
により前記検出を行うこと。
【００８１】（ニ）前記基準面は前記ステージ上に設け
られた反射部材の反射面より成り、前記予め決めたパタ
ーンが一対の遮光部で挟まれた透光部を有し、前記検出
手段が光量検出器を備え、前記基準面で反射され前記投
影光学系により前記原板側に逆投影された前記予め決め
たパターンの像を作るビームを前記原板を介して該光量
検出器で検出することにより前記検出を行うこと。
【００８２】（ホ）前記基準面の面位置を検出する面位
置検出手段を有し、該面位置検出手段と前記検出手段と
により前記予め決めたパターン像が前記基準面上に合焦
する時の前記基準面の位置を検出することにより前記投
影光学系の像面位置を検出すること。
【００８３】そして前記面位置検出手段により前記ウエ
ハーのパターン領域の面位置を検出し、該面位置検出に
応じて前記ウエハーのパターン領域を前記投影光学系の
像面位置にほぼ一致させた後、前記回路パターン像で前
記ウエハーのパターン領域を投影露光すること。
【００８４】又、前記面位置検出手段は、前記基準面と
前記ウエハーの表面に光束を斜入射させる照射光学系
と、前記基準面と前記ウエハーの表面で反射した光束を
センサーで受け、該センサーから前記面位置に応じた信
号を出力させる受光光学系とを有していること。
【００８５】（ヘ）前記照明光学系が、前記原板の回路
パターンの最小線幅が比較的大きい場合は前記２次放射
源を光軸近傍に形成する第１の状態と前記レチクルの回
路パターンの最小線幅が微小な場合は前記２次放射源を
光軸外に形成する第２の状態とを選択するよう前記２次
放射源の形状を変更すること。
【００８６】このとき、前記光軸を原点に直交座標を定
めた時、前記光軸外に形成される２次放射源が該直交座
標の４つの象限の夫々に独立した光源部分を有するこ
と。
【００８７】そして前記直交座標のｘ、ｙ方向と前記レ
チクルの回路パターンを主として形成する縦横パターン
の各方向とがほぼ一致すること。又は前記直交座標の
ｘ、ｙ方向と前記原板の回路パターンを主として形成す
る縦横パターンの各方向とが互いにほぼ４５度の角度を
成すこと。
【００８８】又、前記原板の回路パターンの内の最小の
線幅を持つパターンに関する情報を前記装置のコントロ
ーラーに入力する入力手段を備え、該コントローラーが
該情報に基づいてを前記照明光学系の２次放射源を前記
第１の状態と前記第２の状態の何れか一方に設定すると
共に前記照射手段の２次放射源の形状を前記照明光学系
の設定された２次放射源の形状に一致するよう調整する
こと。
【００８９】このとき前記入力手段が前記原板に形成さ
れた前記情報が記録されたバーコードを読み取る手段よ
り成ることや、前記入力手段が前記装置の操作パネルよ
り成ること。
【００９０】（ト）前記照射手段が、前記投影光学系の
瞳と共役な位置に前記照射手段の２次放射源の形状を定
める開口を備える第２の絞り部材を有し、該第２絞り部
材の開口の形状が前記照明光学系の前記絞り部材の開口
の形状と相似に設定されるよう該第２絞り部材の開口の
形状を変える機構を備えること。
【００９１】
【発明の効果】本発明によれば前述の如く照明方法を種
々と変えて解像力を向上させようとしたとき投影光学系
を通過する光束の光路が変化し、このときの投影光学系
の使用態様の変化より生じる波面収差の変化に基づくフ
ォーカス変化を補正し、高精度なＴＴＬオートフォーカ
ス検出を可能とした半導体デバイスの製造方法に好適な
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の照明光学系１の要部概略図
【図３】 投影光学系の瞳とオプティカルインテ
グレータの関係を示す説明図
【図４】 投影光学系の瞳面上を示す説明図
【図５】 本発明で使用される絞りの詳細図
【図６】 超高圧水銀灯からケーブルの引き出し
方を示す図
【図７】 本発明において基準平面と投影光学系
とのピント状態を示す説明図
【図８】 本発明において基準平面と投影光学系
とのピント状態を示す説明図
【図９】 本発明において面位置と焦点面検出系
からの出力信号との関係を示す説明図
【図１０】 本発明における焦点面検出処理のシ
ーケンスを示すフローチャート
【符号の説明】 １ 照明光学系 １１ 超高圧水銀灯 １２ 楕円ミラー １３ ミラー １４ シャッター １５ レンズ １６ 波長選択フィルター １７ オプティカルインテグレーター １８ メカ絞り １９ ミラー ２０ レンズ ２１ ハーフミラー ２２ マスキングブレード ２３，２５ ミラー ２４，２６ レンズ ３０ レチクル（原板） ３１ 投影光学系 ３２ ウエハー ３３ ウエハーチャック ３４ ウエハーステージ（保持手段） ３５ レーザー干渉計のミラー ３６ レーザー干渉計 ３７ レチクルステージ ３８ レンズ ３９ ピンホール ４０ フォトディテクタ ５０ 絞りの駆動系 ５１ レンズ駆動系 ５２ 投光光学系 ５３ 検出光学系 ６１ オートフォーカス制御系 ６２ ステージ駆動装置 ６４ ＮＤフィルター ６５ コリメーターレンズ ７２ 受光素子（検出手段） ７３ 焦点面検出系 ７５ 受光素子 ８１ 基準平面 ８２ 光ファイバー

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 放射源からのビームで形成した２次放射
    源からの２次ビームで原板を照明する照明光学系と、該
    ２次ビームで該２次放射源の像が投影される瞳を有し、
    該２次ビームで照明された該原板の回路パターンの像を
    投影する投影光学系と、基準面を保持し該投影光学系の
    光軸方向へ該基準面を動かす保持手段と、該保持手段に
    より該基準面を該光軸方向へ動かす間に該投影光学系に
    より該原板の予め決めたパターンの像を該基準面上に投
    影させる為に該放射源からのビームとほぼ同じ波長の検
    出ビームを該予め決めたパターンに照射する照射手段
    と、該予め決めたパターンの像の該基準面上での結像状
    態を検出する検出手段とを有する投影露光装置におい
    て、前記照明光学系が前記２次放射源の形状を変更可能
    に構成され、前記照射手段が、前記２次放射源像とほぼ
    同じ２次放射源像を前記投影光学系の瞳に投影するよう
    前記検出ビームを前記予め決めたパターンに向ける形状
    変更可能な２次放射源を供給する光学系を有することを
    特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項２】 前記保持手段が前記回路パターン像が投
    影されるウエハーを保持するステージより成ることを特
    徴とする請求項１の投影露光装置。
  3. 【請求項３】 前記基準面は前記ウエハーの表面より成
    り、前記検出手段が、撮像面を備え、前記基準面で反射
    され前記投影光学系により前記原板側に逆投影された前
    記予め決めたパターンの像の該撮像面上の強度分布を検
    出することにより前記検出を行うことを特徴とする請求
    項２の投影露光装置。
  4. 【請求項４】 前記検出手段により前記予め決めたパタ
    ーンの像が該基準面上に合焦したことを検出した時に前
    記ウエハーのパターン領域を前記回路パターン像で投影
    露光することを特徴とする請求項３の投影露光装置。
  5. 【請求項５】 前記基準面は前記ステージ上に設けられ
    た反射部材の反射面より成り、前記検出手段が、撮像面
    を備え、前記基準面で反射され前記投影光学系により前
    記原板側に逆投影された前記予め決めたパターンの像の
    該撮像面上の強度分布を検出することにより前記検出を
    行うことを特徴とする請求項２の投影露光装置。
  6. 【請求項６】 前記基準面は所定の光電変換手段の受光
    面より成り、該光電変換手段が前記ステージ上に設けら
    れることを特徴とする請求項２の投影露光装置。
  7. 【請求項７】 前記光電変換手段が前記受光面が受ける
    前記予め決めたパターンの像の強度分布を検出すること
    を特徴とする請求項６の投影露光装置。
  8. 【請求項８】 前記光電変換手段の受光面が所定の開口
    （スリット）を定める遮光面を備え、前記保持手段を前
    記投影光学系の光軸と直交する方向へ移動せしめて前記
    予め決めたパターン像を走査することにより前記強度分
    布を検出することを特徴とする請求項７の投影露光装
    置。
  9. 【請求項９】 前記光電変換手段がＣＣＤ等の受光素子
    アレイより成ることを特徴とする請求項７の投影露光装
    置。
  10. 【請求項１０】 前記基準面は前記ウエハーの表面より
    成り、前記予め決めたパターンが一対の遮光部で挟まれ
    た透光部を有し、前記検出手段が、光量検出器を備え、
    前記基準面で反射され前記投影光学系により前記原板側
    に逆投影された前記予め決めたパターンの像を作るビー
    ムを前記原板を介して該光量検出器で検出することによ
    り前記検出を行うことを特徴とする請求項２の投影露光
    装置。
  11. 【請求項１１】 前記基準面は前記ステージ上に設けら
    れた反射部材の反射面より成り、前記予め決めたパター
    ンが一対の遮光部で挟まれた透光部を有し、前記検出手
    段が、光量検出器を備え、前記基準面で反射され前記投
    影光学系により前記原板側に逆投影された前記予め決め
    たパターンの像を作るビームを前記原板を介して該光量
    検出器で検出することにより前記検出を行うことを特徴
    とする請求項２の投影露光装置。
  12. 【請求項１２】 前記基準面の面位置を検出する面位置
    検出手段を有し、該面位置検出手段と前記検出手段とに
    より前記予め決めたパターン像が前記基準面上に合焦す
    る時の前記基準面の位置を検出することにより前記投影
    光学系の像面位置を検出することを特徴とする請求項２
    の投影露光装置。
  13. 【請求項１３】 前記面位置検出手段により前記ウエハ
    ーのパターン領域の面位置を検出し、該面位置検出に応
    じて前記ウエハーのパターン領域を前記投影光学系の像
    面位置にほぼ一致させた後、前記回路パターン像で前記
    ウエハーのパターン領域を投影露光することを特徴とす
    る請求項１２の投影露光装置。
  14. 【請求項１４】 前記面位置検出手段は、前記基準面と
    前記ウエハーの表面に光束を斜入射させる照射光学系
    と、前記基準面と前記ウエハーの表面で反射した光束を
    センサーで受け、該センサーから前記面位置に応じた信
    号を出力させる受光光学系とを有することを特徴とする
    請求項１３の投影露光装置。
  15. 【請求項１５】 前記照明光学系が、前記原板の回路パ
    ターンの最小線幅が比較的大きい場合は前記２次放射源
    を光軸近傍に形成する第１の状態と前記レチクルの回路
    パターンの最小線幅が微小な場合は前記２次放射源を光
    軸外に形成する第２の状態とを選択するよう前記２次放
    射源の形状を変更することを特徴とする請求項１の投影
    露光装置。
  16. 【請求項１６】 前記光軸外に形成される２次放射源が
    ほぼ円形のリング状を成すことを特徴とする請求項１５
    の投影露光装置。
  17. 【請求項１７】 前記光軸外に形成される２次放射源が
    ほぼ矩形のリング状を成すことを特徴とする請求項１５
    の投影露光装置。
  18. 【請求項１８】 前記光軸を原点に直交座標を定めた
    時、前記光軸外に形成される２次放射源が該直交座標の
    ４つの象限の夫々に独立した光源部分を有することを特
    徴とする請求項１５の投影露光装置。
  19. 【請求項１９】 前記直交座標のｘ、ｙ方向と前記レチ
    クルの回路パターンを主として形成する縦横パターンの
    各方向とがほぼ一致することを特徴とする請求項１８の
    投影露光装置。
  20. 【請求項２０】 前記照明光学系が前記２次放射源を形
    成する光学式インテグレーターを有し、該光学式インテ
    グレーターの上流及び下流の少なくとも一方に、前記光
    学式インテグレーターに近接させて前記２次放射源の形
    状を定める開口を備える絞り部材を配置することを特徴
    とする請求項１５の投影露光装置。
  21. 【請求項２１】 前記照明光学系の前記２次放射源の形
    状を変更する為に前記絞り部材の開口の形状を変える機
    構を備えることを特徴とする請求項２０の投影露光装
    置。
  22. 【請求項２２】 前記照射手段が前記投影光学系の瞳と
    共役な位置に前記照射手段の２次放射源の形状を定める
    開口を備える第２の絞り部材を有し、該第２絞り部材の
    開口の形状が前記照明光学系の前記絞り部材の開口の形
    状と相似に設定されるよう該第２絞り部材の開口の形状
    を変える機構を備えることを特徴とする請求項２１の投
    影露光装置。
  23. 【請求項２３】 前記第２絞り部材が前記照射手段の光
    軸とほぼ直交する方向へ変位可能に支持されることを特
    徴とする請求項２２の投影露光装置。
  24. 【請求項２４】 前記原板の回路パターンの内の最小の
    線幅を持つパターンに関する情報を前記装置のコントロ
    ーラーに入力する入力手段を備え、該コントローラーが
    該情報に基づいて前記照明光学系の２次放射源を前記第
    １の状態と前記第２の状態の何れか一方に設定すると共
    に前記照射手段の２次放射源の形状を前記照明光学系の
    設定された２次放射源の形状に一致するよう調整するこ
    とを特徴とする請求項１５の投影露光装置。
  25. 【請求項２５】 前記入力手段が前記原板に形成された
    前記情報が記録されたバーコードを読み取る手段より成
    ることを特徴とする請求項２４の投影露光装置。
  26. 【請求項２６】 前記入力手段が前記装置の操作パネル
    より成ることを特徴とする請求項２４の投影露光装置。
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