JPH0943862A

JPH0943862A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0943862A
Application number: JP7212695A
Authority: JP
Inventors: Michio Kono; 道生河野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】レチクルの所望の実素子パターンをオートフ
ォーカス用のマークとして使用出来るＴＴＬオートフォ
ーカスシステムを有する投影露光装置を得ること。【構成】ＴＴＬオートフォーカス動作に先立って、オ
ートフォーカス用のマークとして使える所望の実素子パ
ターンを選定し、選定された実素子マークをＴＴＬオー
トフォーカス検出光で照明していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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，ＬＩＳ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為、結像光学系の高ＮＡ
化が進み結像光学系の焦点深度は浅くなりつつある。

【０００３】又、ウエハには、平面加工技術の点から、
ある程度の厚さのばらつきと曲りを許容しなければなら
ない。通常ウエハ曲りの矯正については、サブミクロン
のオーダで平面度を保証する様に加工されたウエハチャ
ック上にウエハを載せ、ウエハの背面をバキューム吸着
することにより平面矯正を行っている。しかしながら、
ウエハ１枚の中での厚さのばらつきや吸着手法、更には
プロセスが進む事によって生ずるウエハの変形について
は、いくらウエハの平面を矯正しようとしても矯正不能
である。

【０００４】この為、レチクルパターンが縮小投影露光
される画面領域内でウエハが凹凸を持つ為、実効的な光
学系の焦点深度は、さらに浅くなってしまう。

【０００５】従って縮小投影露光装置に於いては、ウエ
ハ面を焦点面に（投影光学系の像面）に合致させる為の
有効な自動焦点合わせ方法が重要なテーマとなってい
る。

【０００６】従来の縮小投影露光装置のウエハ面位置検
出方法としては、エアマイクロセンサを用いる方法と、
投影露光光学系を介さずにウエハ面に斜め方向から光束
を入射させその反射光の位置ずれ量を検出する方法（光
学方式）が知られている。

【０００７】一方、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
れる光線による温度上昇、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。従っ
て、周囲の温度変化、大気圧変化を検出器によって計測
したり、投影光学系内の一部の温度変化、大気圧変化を
検出器により計測したりすることにより、投影光学系の
ピント位置を計算し、補正を行っていた。

【０００８】しかしながら、この方法では、投影光学系
のピント位置を直接計測していない為、温度、大気圧を
計測する検出器の検出誤差、また温度変化量、大気圧変
化量より、投影光学系のピント位置を計算し補正する際
の、近似式である計算式に含まれる誤差により、高精度
の投影光学系のピント位置検出が難しいという欠点があ
った。

【０００９】このような問題を克服する方式として露光
レンズを直に通してそのピント面を検出する、いわゆ
る、スルーザレンズオートフォーカスシステム（ＴＴＬ
ＡＦ）という方式が考案されている。

【００１０】図１２は特開平１−２８６４１８号公報で
開示されている投影露光装置の概略図である。図１２に
おいて、７はレチクルであり、レチクルステージ７０に
保持されている。レチクル７上の回路パターンが縮小投
影レンズ８によって、ｘｙｚステージ１０上のウエハ９
上に１／５に縮小されて結像し、露光が行われる。図１
２では、ウエハ９に隣接する位置に、ウエハ９の上面と
ミラー面がほぼ一致する基準平面ミラー１７が配置され
ている。

【００１１】又、ｘｙｚステージ１０は投影レンズ８の
光軸方向（ｚ）及びこの方向に直交する面内（ｘ、ｙ）
で移動可能であり、もちろん光軸のまわりに回転させる
ことも出来る。

【００１２】レチクル７は、同図の要素１〜６で示され
る照明光学系によって、回路パターンの転写が行われる
画面領域内を照明されている。

【００１３】露光用の光源である水銀ランプ１の発光部
は楕円ミラー２の第一焦点に位置しており、水銀ランプ
１より発光した光は、楕円ミラー２の第二焦点位置に集
光している。楕円ミラー２の第二焦点位置にその光入射
面を位置付けたオプティカルインテグレーター３が置か
れており、オプティカルインテグレーター３の光出射面
は２次光源を形成する。この２次光源をなすオプティカ
ルインテグレーター３より発する光は、コンデンサーレ
ンズ４を介し、ミラー５により光軸（光路）が９０°を
折り曲げられる。

【００１４】尚、５５は露光波長の光を選択的にとり出
す為のフィルターで、５６は露光の制御を行う為のシャ
ッターである。このミラー５により反射された露光光
は、フィールドレンズ６を介し、レチクル７上の、回路
パターンの転写が行われる画面領域内を照明している。
ミラー５は露光光を例えば５〜１０％という様に部分的
に透過する構成となっている。ミラー５を通過した光は
レンズ５２、露光波長を透過し光電検出に余分な光をカ
ットするフィルター５１を介して、光源１からの光量の
ゆらぎ等をモニターする為の光検出器５０に到達する。

【００１５】同図において要素１１〜１２は、公知のオ
フアクシスのオートフォーカス光学系を形成している。
１１は投光光学系であり、投光光学系１１より発せられ
た非露光光である光束は、縮小投影レンズ８の光軸と交
わる。基準平面ミラー１７上の点（あるいはウエハ９の
上面）に集光し反射されるものとする。この基準平面ミ
ラー１７で反射された光束は、検出光学系１２に入射す
る。

【００１６】図示は略したが、検出光学系１２内には位
置検出用受光素子が配されており、位置検出用受光素子
と基準平面ミラー１７上の光束の反射点は、共役となる
様配置されており、基準平面ミラー１７の縮小投影レン
ズ８の光軸方向の位置ズレは、検出光学系１２内の位置
検出用受光素子上での入射光束の位置ズレとして計測さ
れる。

【００１７】この検出光学系１２により計測された基準
平面ミラー１７の所定の基準面よりの位置ズレは、オー
トフォーカス制御系１９に伝達される。オートフォーカ
ス制御系１９は、基準平面ミラー１７が固設されたｘｙ
ｚステージ１０を駆動する処の駆動系２０にｚ方向への
移動の指令を与える。又、ＴＴＬでフォーカス位置を検
知する時、オートフォーカス制御系１９は基準ミラー１
７を所定の基準位置の近傍で投影レンズ８の光軸方向
（ｚ方向）に上下に駆動を行うものとする。また、露光
の際のウエハ９の位置制御（第１２図の基準平面ミラー
１７の位置にウエハ９が配置される）もオートフォーカ
ス制御系１９により行われる。

【００１８】縮小投影レンズ８のピント位置検出光学系
について説明する。

【００１９】図１３、図１４において７はレチクル、２
１はレチクル７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、２２はパターン部２１に挟まれた遮
光部である。ここで、縮小投影レンズ８のピント位置
（像面位置）の検出を行う時は、ｘｙｚステージ１０は
縮小投影レンズ８の光軸方向に移動する。

【００２０】基準平面ミラー１７は縮小投影レンズ８の
光軸上に位置しており、レチクル７は、図１２の照明光
学系１〜６により照明されているものとする。

【００２１】始めに、基準平面ミラー１７が縮小投影レ
ンズ８のピント面にある場合について図１３を用いて説
明する。レチクル７上の透過部２２を通った露光光は、
縮小投影レンズ８を介して、基準平面ミラー１７上に集
光し反射される。反射された露光光は、往路と同一の光
路をたどり、縮小投影レンズ８を介しレチクル７に集光
し、レチクル７上のパターン部２１間の透光部２２を通
過する。この時、露光光は、レチクル７上のパターン部
２１にケラレることなく、全部の光束がパターン部２１
の透過部を通過する。

【００２２】次に、基準平面ミラー１７が縮小投影レン
ズ８のピント面よりズレた位置にある場合について図１
４を用いて説明する。レチクル７上のパターン部２１の
透過部を通った露光光は、縮小投影レンズ８を介し、基
準平面ミラー１７上に達するが、基準平面ミラー１７
は、縮小投影レンズ８のピント面にないので、露光光
は、広がった光束として基準平面ミラー１７で反射され
る。

【００２３】即ち、反射された露光光は往路と異なる光
路をたどり、縮小投影レンズ８を通り、レチクル７上に
集光することなく、基準平面ミラー１７の縮小投影レン
ズ８のピント面からのズレ量に対応した広がりをもった
光束となってレチクル７上に達する。この時露光光はレ
チクル７上のパターン部２１によって一部の光束がケラ
レを生じ全部の光束が透光部２２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に差が生じるのである。

【００２４】図１３、図１４において説明した、基準平
面ミラー１７で反射された露光光の光束がレチクル７を
通過した後の光路を、図１２を用いて説明する。

【００２５】レチクル７を透過した露光光は、フィール
ドレンズ６を通りミラー５に達する。ミラー５は前述の
様に露光光に対して５〜１０％程度の透過率をもってい
るので、ミラー５に達した露光光の一部はミラー５を通
過し、結像レンズ１３を介し視野絞り１４の面上に集光
する。この時、レチクル７のパターンの存在する面と視
野絞り１４とは、フィールドレンズ６と結像レンズ１３
を介し、共役な位置にある。

【００２６】視野絞り１４の開口部を通過した露光光
は、集光レンズ１５によって受光素子１６に入光する。

【００２７】受光素子１６の前面には、必要な場合は露
光光のみを選択的に透過するフィルター５１を配置する
ものとし、入射した露光光の光量に応じた電気信号を出
力する。

【００２８】以下に、この受光素子１６の信号出力を用
いて、縮小投影レンズ８のピント位置（像面位置）を検
出する方法について説明する。

【００２９】駆動系２０により基準平面ミラー１７の載
ったｘｙｚステージ１０を縮小投影レンズ８の光軸方向
に、オフアクシスオートフォーカス検出系１２で予め設
定される計測の零点を中心に駆動させるものとする。

【００３０】この時、各位置でのオートフォーカス検出
系１２が計測する基準平面ミラー１７の光軸方向の位置
信号（オートフォーカス計測値ｚ）と、基準平面ミラー
１７で反射された露光光を受光素子１６で受光し、電気
信号に変換することにより焦点面（像面）検出系１８か
ら得られる出力の関係は、図８に示す様になる。この
時、検出系１８の信号は光源１のゆらぎの影響を除く
為、ミラー５を通過した光源１からの光を光源光量モニ
ター光学系（５２、５１）を介して光検出器５０で検出
して、基準光量検出系５３で光源光量モニター信号を発
生させる。そしてこのモニター信号によって焦点面検出
系１８の信号を規格化することによって補正している。

【００３１】基準平面ミラー１７が縮小投影レンズ８の
ピント面に位置した場合に焦点面検出系１８の出力はピ
ーク値を示す。この時のオートフォーカス計測値ｚ₀ を
もってして、縮小投影レンズ８を用いて、ウエハ９に露
光を行う際の縮小投影レンズ８のピント位置とする。
（又は計測値ｚ₀ に基づいて予め設定しておいたピント
位置を補正する。）この様にして決まった縮小投影レンズ８のピント位置に
オフアクシスオートフォーカス検出系１０、１２、１９
の基準位置を設定する。実際のウエハの焼付最良位置は
この基準位置からウエハ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。例えば多層レ
ジストプロセスを用いてウエハを露光する場合には多層
の一番上の部分だけを焼けば良いのでウエハのレジスト
表面と基準位置はほぼ一致する。

【００３２】一方、単層レジストで露光光が基板に十分
到達する様な場合、ウエハのピントはレジスト表面では
なく基板面に合致するので、この場合レジスト表面と基
準位置の間に１μｍ以上のオフセットが存在する事も稀
ではない。こうしたオフセット量はプロセス固有のもの
で投影露光装置とは別のオフセットとして与えられるも
のである。装置自体としては上述の１方法で縮小投影レ
ンズ８自体のピント位置を正確に求められれば充分であ
り、上記オフセット量は、必要な場合にのみオートフォ
ーカス制御系１９や駆動系２０に対して投影露光装置の
不図示のシステムコントローラを介して予め入力してや
れば良い。

【００３３】このピント位置ｚ₀ の検出は、焦点面検出
系１８の出力のピークをもって決定してもよいが、その
他にも色々な手法が考えられる。例えばより検出の敏感
度を上げるために、ピーク出力に対してある割合のスラ
イスレベルＳＬを設定し、このスライスレベルＳＬ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

【００３４】

【数１】として決定しても良いし、又、ピーク位置を微分法を使
って求める等の手法も考えられる。

【００３５】このようなＴＴＬのオートフォーカスシス
テムの長所は、投影露光光学系の周囲の温度変化、大気
圧変化、露光光線による投影光学系の温度上昇と、それ
に伴って生じるピントの経時変化を常時計測し補正をか
けらるという点である。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このＴ
ＴＬＡＦ方式でも実用化する上では次の様な問題点があ
った。

【００３７】図１２、図１３の例ではいかにもＴＴＬＡ
Ｆマークを露光レンズの光軸に設けてオートフォーカス
しているように記述されているが、実際のレチクルでは
このようなマーク配置は許されない。なぜなら、露光レ
ンズの転写特性は一般に光軸上が最も良く、そのため実
際のレチクル上の実素子パターンは光軸を含む所定の露
光領域内に設けられる。したがって、ＴＴＬＡＦマーク
としては、図８のような出力特性を最も出しやすいマー
ク（基準マーク）を予め決定しておき、それを前記実素
子領域外の所定像高に配置しなければならない。（図１
６中ＫＭ、ＫＳ）このことは次のような欠点をもってい
る。

【００３８】図１２に示したＴＴＬＡＦ方式では検出光
が露光レンズを往復２回通過する。そのためにレンズの
持つ縦収差（球面収差、非点収差、像面湾曲、軸上色収
差等）は２倍発生し、その影響を受けて図８に示した焦
点面の検出出力曲線が歪みやすい。更に、露光が進むに
つれてレンズには熱負荷が累積していくが、このような
状態では特にレンズの軸外収差が変動しやすいという傾
向がある。

【００３９】この際、収差がサジタル方向、メリディオ
ナル方向で差がある場合、若しくは収差が変動しサジタ
ル方向、メリディオナル方向で大きな差が生じた場合、
例えば、図１６のように軸外のある位置に基準マークと
してサジタルマーク（ＫＳ）とメリディオナルマーク
（ＫＭ）とを同時に配し、これらに共通のピントを検出
しようとした場合、それぞれのベストピントは図１７で
示すように位置ＺＳと位置ＺＭとに分離してしまい、そ
の結果、その合成出力はダブルピークを持つ。そして、
スライス値ＳＬに対して４つの交点をもってしまい、ピ
ント中心が求められない、といった問題が起きうる。

【００４０】本発明は、実素子領域外に設けられたＴＴ
ＬＡＦマークを使用しても正確なピント位置が測定出来
ない場合でも正確なピント位置を検出して高解像力のパ
ターン像が容易に得られる投影露光装置の提供を目的と
する。

【００４１】

【課題を解決する為の手段】本発明の投影露光装置は、
焦点検出光によって照明されているレチクル面上に設け
た検出用マークからの光を少なくとも１回露光レンズを
通過させ光検出器で受け、この光検出器からの出力によ
り焦点状態を検出するオートフォーカス検出系を有する
投影露光装置に於いて、前記焦点検出光で前記検出用マ
ークとして使用可能な実素子マークを照明可能とするた
め、前もって実素子パターンの中から所望の実素子パタ
ーンを選定し、その選定された実素子パターンを焦点検
出光で照明し焦点状態を検出することを特徴としてい
る。

【００４２】特に、前記選定は投影露光装置に設定され
ているレチクルの実素子パターンを検査することによっ
て行なわれることや、前記選定は投影露光装置に設定さ
れる前のレチクルの実素子パターンを検査することによ
って行なわれること等を特徴としている。

【００４３】

【実施例】図１は本発明の実施例１の要部概略図であ
る。

【００４４】本実施例は逐次露光方式（ステッパー）に
おいて、レチクル上の実素子パターンを用いたＴＴＬＡ
Ｆ方式の概略構成を示している。レチクルの照明系（水
銀ランプ１からフィールドレンス６に至る経路）は図１
２と概ね同じであるので説明は省略する。また、レチク
ル７から露光レンズ８を介してウエハー９、ないし、基
準平面ミラー１７上に露光光やＴＴＬＡＦ検出光が集光
される経路、そしてウエハーステージ１０の高さを検出
し、Ｚ駆動する機構２０等も同じである。

【００４５】本実施例ではハーフミラー８０を透過した
露光光線でレチクル上の実素子パターン８３を照明す
る。そして、このパターン８３からの反射光束はハーフ
ミラー８０で反射して焦点面検出光学系８１に導光され
る。焦点面検出光学系８１は対物レンズ１３、その後焦
点面に置かれた開口絞り８２、そして、リレーレンズ１
５を経てＣＣＤアレーセンサー８６で構成され、パター
ン８３はＣＣＤ８６上に結像される。又同様の構成の焦
点面検出光学系８１は左にも設けられている。

【００４６】以下に焦点面検出に先立って行なわれる最
適パターンの自動模索方法を説明する。ハード構成は図
１に、模索シーケンスは図９に示す。

【００４７】ＣＣＤアレーセンサー８６は図９のステッ
プ１でパターン（レチクルパターン）８３の二次元画像
データを読み取り画像判定回路１００に転送する。この
画像判定回路１００は送られた画像データを解析し、そ
れまでにすでに判っている最適パターンと一致度を計算
する（ステップ２）。ここでいう最適パターンとは、例
えばレンズ８にサジタル方向とメリディオナル方向の収
差の差が有っても図８の出力曲線が最も滑らかでピント
中心を算出しやすいパターンの事を意味する。

【００４８】最適パターンとの一致度が低く、ＴＴＬＡ
Ｆの計測には不適切なパターンと判定された場合（ステ
ップ３）にはその信号がコントローラ８４に送られる。
コントローラ８４はレチクル上で別の実素子パターンを
判定するために検出光学駆動系（駆動系）８５に指令し
て（ステップ４）、焦点面検出光学系（検出系）８１を
レチクル７の上面に沿ってｘｙ方向に移動させる。検出
系８１の模索駆動は駆動系８５にすでに設定されている
移動モードに従って模索駆動が行なわれる。このような
パターン模索を何回か行なって最適パターンを発見する
と、コントローラ８４はその位置で焦点面検出光学系８
１を固定する。そして、焦点面検出光学系１８に指令
し、焦点面の計測動作にはいる（ステップ５）。この計
測動作は図１２とほぼ同様である。

【００４９】オートフォーカス信号としては、レチクル
パターン８３の透過光束が露光レンズ８の作用で一旦基
準ミラー１７（ウエハー面と同一高さにある）上に集光
した後、反射して再び露光レンズ８を通過してパターン
８３を抜けていく際の全透過光量（即ち、ＣＣＤ８６上
の全積分光量に相当）を用いると良い。すなわち、ＣＣ
Ｄ８６は図１２の受光素子１６と同様の機能を行う。本
実施例では、光源１の出力変動を補正するために、別経
路でミラー８７を含む基準光量検出系５３を構成してい
る。具体的な作用は図１２のそれと同じである。焦点面
検出光学系１８はこの信号を元にＣＣＤ８６の信号を校
正する。あるいは、ＣＣＤ８６上にはパターン８３の像
が結像しているので、この像のコントラストを計測した
り、パターンエッジ部の立ち上がりを評価量にとっても
よい。

【００５０】図２はレチクル７上で実素子パターンの中
からＴＴＬＡＦ用の最適パターンを模索する様子を示す
平面図である。Ｘ軸とＹ軸との交点が露光レンズ８の光
軸と一致する。焦点面検出光学系８１、８１’は左右に
一対設けられているが、最低どちらか一個でも良い。

【００５１】まず、その視野をマークＰ１に合わせる。
このマークＰ１はＸ軸上に配置された縦線（メリヂオナ
ルマーク）であるが、検出系の視野内にスクライブ線が
存在する。スクライブとはレチクル内に複数の実素子領
域（チップ）を作成する時の境界線に当たるものである
が、実素子領域に比べて段差を持っている。したがっ
て、もしこのパターンを用いてオートフォーカスする
と、その分実素子の最良ピント面がずれてしまう。

【００５２】本実施例ではレチクルパターンの直接の画
像判定を行っているが、これは最適パターンでは無いと
装置が判定する。そして、駆動系８５が作用し、光学系
はマークＰ２、Ｐ３、Ｐ４、そして、マークＰ５の位置
に移動し、同様なパターンマッチングを行い、焦点面検
出が良好に出来る最良の実素子パターンを選定してい
る。

【００５３】以上のように本実施例では実素子領域外に
比べて露光レンズ８の収差状態の良い実素子領域でＴＴ
ＬＡＦを行っている。すなわち実素子パターンの中から
ＡＦマークとして使用出来るパターンを前もって検出
し、そのパターンを使用してピント位置を検出する構成
によって良好なる焦点検出を行っている。

【００５４】図３は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。

【００５５】基本的な構成は図１の実施例１と同じであ
り、本実施例でも最適なＴＴＬＡＦパターンを模索する
為に、レチクルパターンを直接観察している。図１の実
施例１がレチクルの画像情報を利用して判定しているの
と異なり、本実施例では、その回折光の分布情報を元に
パターンの判定をしている。

【００５６】ファイバー９０から発した検出用の照明光
束は第一のハーフミラー９１で反射し、照明レンズ９２
の作用で第二のハーフミラー９３で反射後、対物レンズ
９６の後側焦点面９４に集光される。ここには開口絞り
９５がおかれていて、光束を制限している。後側焦点面
９４を焦点面とする対物レンズ９６を通過後はミラー９
７で反射した後、レチクルパターン８３を平行光束とな
ってケーラー照明する。

【００５７】レチクルパターン８３からのパターン回折
反射光はこの照明光束と同じ光路を戻る。つまり、対物
レンズ９６の後側焦点面９４に回折パターンが形成され
る。この回折パターンは照明レンズ９２によってハーフ
ミラー９１を透過後、二次元センサー（ＣＣＤ）９８上
に再結像される。このＣＣＤ９８によって回折パターン
は読み取られる。

【００５８】回折パターン解析回路１１０はＣＣＤ９８
によって読み取られたパターン回折光の分布を計測し、
それまでにすでに判っている最適パターンの回折光の分
布と比較して、その一致度を計算する。

【００５９】図４（Ａ）〜（Ｄ）は実素子パターンとそ
の回折パターンの例の説明図である。縦方向の繰り返し
パターン１１１や横方向の繰り返しパターン１１２は最
も顕著な回路パターンである。これらの回折光の分布は
そのパターン長手方向と直交方向に一次元的に分布す
る。１１３と１１４はＣＣＤアレーセンサー上でそれら
の回折パターンが分布する状態を示している。１１５は
コンタクトホール配列であり、その回折パターンは１１
６の様に二次元的に分布する。１１７は４５度方向の斜
めの繰り返しパターンであり、その回折パターン１１８
は斜方向に分布する。実素子の線幅の微細なものはメモ
リーセルとしてチップ中央部に配列されるし、比較的太
い線幅のものは配線パターンとしてチップ周辺部に存在
する。これらの実素子パターンの配列方向、ピッチ、線
幅により、その回折パターンの分布方向、間隔等が異な
り、この分布差を読み取ることによって、所望の実素子
を選択している。

【００６０】図１０は図３の実施例２のレチクルパター
ン模索シーケンスを示している。ステップ６により、Ｃ
ＣＤ９８により取り込んだ回折光パターン像に対してス
テップ７により回折パターン回折回路１１０でマッチン
グを行う。その結果、予め求められた最適パターンとの
一致度が低く、ＴＴＬＡＦの計測には不適切なパターン
とステップ８で判定された場合にはその信号がコントロ
ーラ８４に送られる。ステップ９でコントローラ８４は
レチクル上で別の実素子パターンを判定するために検出
光学駆動系８５に指令して、検出系を移動させる。この
ようなパターン模索を何回かおこなって最適パターンを
発見すると、コントローラ８４はその位置で検出光学系
を固定する。そして、焦点面検出光学系８１に指令し、
焦点面の計測動作にはいる。

【００６１】本実施例で焦点面計測用の照明光束にはフ
ァイバー４０からの光を用いる。受光する光束は図１の
実施例１と同じで基準平面ミラー１７で反射し、再度レ
チクルパターン８３を透過してもどってくる光束を用い
る。この光束は対物レンズ９６と開口絞り９５を通過
後、ハーフミラー９３を通過しリレーレンズ１５の作用
で一旦視野絞り１２０面上に結像する。この視野絞り１
２０はレチクル面上で計測すべきパターン領域を制限し
ている。その開口形状は正方形、矩形、円形等問わな
い。その透過発散光束は集光レンズ１２１の作用で再び
収れん光束となり、光量センサー１２２に受光される。
その後の計測動作は図１の実施例と同じである。

【００６２】尚、本実施例では基準光としてファイバー
９０の一部でハーフミラー９１を透過した光を用いてい
る。この光を素子５０で受け、基準光量検出系５３で検
出していることは図１の実施例と同じである。

【００６３】ちなみに、ファイバー９０から導光される
光の波長としては、パターン模索用には露光光でもそれ
以外の波長でもよい。但し、焦点面計測用には露光光を
用いる。

【００６４】図５は本発明の実施例３の要部概略図であ
る。基本的なシステム構成は図１や図３の各実施例と同
じである。

【００６５】但し、以下の点が異なる。図１や図３の実
施例ではレチクルパターンを模索するためにパターンの
直接画像や回折光情報を取り込み、それらを予めＴＴＬ
ＡＦ波形の良いと判っているパターン（最適パターン）
と比較している。本実施例ではこれらと異なり、パター
ン模索段階でも焦点面検出系の出力を取る。そして、図
８のような出力曲線を求めて、最もピント中心を求めや
すい曲線が得られた場合、そのパターンを選択し、それ
以降のＡＦマークとする。

【００６６】より具体的には、基準平面ミラー１７から
の反射光を光量センサー１２２で受け、焦点面検出系１
８の出力を図１１のステップ１１で取り込む。ＡＦ出力
曲線判定回路には出力曲線の理想的な形状を予めテンプ
レートとして記憶されており、ステップ１２に於いて、
取り込まれたＡＦ出力曲線と記憶された理想曲線とのマ
ッチングが行なわれる。マッチング度が十分でない場
合、ステップ１３で判定され、ステップ１４にて、コン
トローラ８４を介して、検出光学駆動系８５で焦点面検
出光学系８１を移動させ、次の実素子パターン８３を測
定する。マッチング度の良い場合はステップ１５により
直ちに焦点面検出光学系１８からの出力がオートフォー
カス検出系１９に入力され、基準フォーカス位置が設定
される。

【００６７】図６は本発明の実施例４の要部概略図であ
る。この実施例４の模索方式は図５の実施例３とほぼ同
様である。その特徴とする所は露光照明系内部にレチク
ルと共役面を設け、そこに開口を制限した視野絞りを配
置している点にある。そして、その開口部を移動させ
て、レチクル上のパターン照明領域を選択することによ
って所望の実素子パターンを選択している。

【００６８】図６において３００は視野絞りであり、照
明系レンズ４、フィールドレンズ６に関してレチクル７
と共役な面に配置している。この視野絞り３００の開口
部によってレチクル７の実素子パターンの一部が光源１
によって照明されている。レチクル７を通過した光は露
光レンズ８を通過し、ミラー１７に到達する。基準平面
ミラー１７で反射した光は再度、露光レンズ８とレチク
ルパターン８３を透過する。そして、フィールドレンズ
６と照明系レンズ４の作用で再び視野絞り３００上に結
像する。この開口部を通過した光束は今度はハーフミラ
ー３０１を透過した後、集光光学系１２１の働きにより
光量センサー１２２上に収れんし、光電変換される。

【００６９】光量センサー１２２の出力は焦点面検出系
１８に入力される。これ以降の信号処理は先に説明した
図１１のシーケンスに従って処理される。ただし図１１
の先の説明ではステップ１４で焦点面検出光学系を駆動
していたが、図６の実施例では視野絞り駆動系３０２に
よって視野絞り３００を駆動している。

【００７０】本実施例で示した視野絞り３００はレチク
ル上の露光領域を限定するために実際のステッパーに用
いられている、いわゆるマスキングブレードなるものを
本目的のために流用してもよい。このように露光照明系
内部の結像系を利用することによって焦点面検出光学系
８１を簡素にすることができるという長所がある。

【００７１】図７は本発明の実施例５の要部概略図であ
る。

【００７２】これまでの実施例では露光装置に配置され
たレチクル上で予め指定された座標にあるパターンの中
から最適パターンを選んでいた。これに対して実施例５
ではレチクル全体を走査レーザービームで検査し、図３
の実施例２の様にそのパターン回折光を解析する事によ
って、最適パターンを探しだしている。

【００７３】図７においてレチクルライブラリー３１０
から搬出されたレチクル７は、露光位置に送り込まれる
前に、最適パターン選定ユニット３２０でＴＴＬＡＦ用
の最適パターンを検出される。

【００７４】選定ユニット３２０を説明する。レーザ３
１１から発したレーザービームはピンホール３１２とビ
ームエキスパンダー３１３によって所定のビーム径に成
形された後、ポリゴンミラー３１４に入射する。ポリゴ
ンミラー３１４は紙面と直交する面内で回転する事によ
って、その反射光はミラー３１５、走査レンズ３１６の
作用により、レチクル７上に集光し、紙面と直交する方
向に走査される。その透過回折光は受光レンズ３１７に
より、同レンズ３１７の後焦点面に回折光分布（図４参
照。）を生じる。この面にＣＣＤアレーセンサー９７を
配置し、回折光の分布を判定する。解析回路１１０によ
り最適なＴＴＬＡＦ用マーク（実素子）の回折光の分布
と測定された分布の一致度が測定される。

【００７５】レチクル７はビーム走査と同期してこれと
交差する方向（紙面内でＳ方向）に移動する。その結
果、レチクル全面が検査される。これによりレチクル７
の全面の所望のＴＴＬＡＦ実素子マークが判別され、こ
のマークのレチクル上の座標位置を同定するために、不
図示の同期センサーの出力を元にしてビームの走査位置
とレチクル６の移動位置を算出する。所望実素子マーク
位置の情報はコントローラ８４に送られる。レチクル７
が図７の左側に示されている露光装置に移送された際、
コントローラ８４に送られている所望実素子マーク位置
信号に基づいて焦点面検出系８１は移動して所望実素子
マークを使用して焦点面検出を以前の実施例と同様に行
う。

【００７６】以上の説明において、ビームの走査系と回
折光受光系はそれぞれレチクル７に対して天地反転して
も良い。また、上から照明して上から受光する構成を取
っても良いし、逆に、下から照明して下から受光する構
成を取っても良い。斜入射の光学系も本発明の範囲内で
ある。ビームの集光状態としては、一般的には、レチク
ルのパターン面（図中下面）に集光する方が位置分解能
は上がるが、必ずしも、それにかぎらない。

【００７７】つまり、わざとぼかしたり平行ビームで検
査する事によって、ビーム径内のより広い領域で回折パ
ターンを一時に平均的に測定できるのでより効果的な場
合もある。特別な場合として、この検査ビーム径をその
後の焦点面検出の際の信号取り込み視野の大きさと一致
させる事と良い。

【００７８】本実施例によると、レチクル前面からＴＴ
ＬＡＦ用の最適マークとなる実素子パターンを選べるの
で、より精度の良い焦点面検出が可能となる。

【００７９】図１８は本発明の実施例６の要部概略図で
ある。

【００８０】これまでの実施例では最終的なＡＦ検出用
光路は露光レンズ８を往復２回通過していた。実施例６
は図６の実施例５で使用している露光レンズ８を１回し
か通らない構成を用いている。

【００８１】すなわち、図６においてミラー３０１を含
む照明系１〜６から発した光束は選定されたレチクルパ
ターン８３を通過後、露光レンズ８により基準平面ミラ
ー１７上に集光する。基準平面ミラー１７上には透過部
と不透過部とでパターニングされたマーク４００（基準
マーク）が形成されている。この基準マーク４００の形
状はたとえば図４のパターンのうちいずれかを用いる。
レチクルパターン８３と基準マーク４００の両方を通過
した光束のみが集光光学系８１で集光され、受光素子１
２２で検出される。そして、その光量は両者の合焦状態
に依存して変化するので焦点面検出系８１により焦点面
が検出される。

【００８２】尚、視野絞り３００を移動模索する際、基
準ミラー１７の実素子パターン像の位置は基準ミラー１
７上で移動する。前述の各実施例では基準ミラー１７は
全面ミラーであった為、問題がなかったが、本実施例で
は基準ミラー１７の一部にパターン４００が設けられて
いる為、視野絞り３００の移動に同期して基準ミラー１
７をパターン４００上に実素子パターン像が一致する様
に移動させる必要性がある。

【００８３】又本実施例の場合、基準マーク１１０の形
状が決まっているので、必然的にこれに近い形状の実素
子パターンが選択されやすい。そしてこの選択された実
素子パターンを使用して上記のＡＦ検出が行われる。

【００８４】尚、本実施例では、レチクルの上から照明
し、ウエハーと概ね共役な面（基準マーク面）側で受光
しているが、本発明の範囲はこの構成にかぎらない。逆
に、ウエハー側から照明して、レチクル側で受光しても
よい。

【００８５】図１９は本発明の実施例７の要部概略図で
ある。

【００８６】これまでの各実施例ではＡＦ検出用光路は
レチクルを透過した光束が露光レンズ８を往復２回通過
した後、再びレチクルを透過して受光されていた。

【００８７】本実施例では逆に検出用光束がウエハー側
から露光レンズ８を往復し、ウエハー側で受光される。
すなわち、図５の焦点面検出光学系８１が図１９ではウ
エハーステージ１０の内部に設けられている。又、基準
ミラー１７は図１８の実施例６と同様にパターン４００
を有している。このパターン４００からの光は露光レン
ズ８を通過してレチクル下面にパターン４００の像を形
成し、レチクル７により反射され再び基準ミラー１７上
に戻りパターン４００の再結像を形成する。

【００８８】すなわち、レチクル７の実素子パターンは
単に反射面（若しくは素ヌケ面）としての機能が期待さ
れているので、レチクル７の下面に形成されるパターン
４００の像と少なくとも同じ大きさの反射面（若しくは
素ヌケ面）パターンであることが望まれる。この様な実
素子パターンが得られるまでステージ１０はｘ、ｙ方向
に移動し、所望のパターン位置を決定する。

【００８９】尚、この際、ＡＦ出力判定回路はレチクル
７の下面に形成されるパターン４００の像の大きさに占
める反射面（若しくは素ヌケ面）の割り合い、すなわち
反射光量の多少を判断することによって行っている。

【００９０】所望の実素子パターンが定められた以降の
ＡＦ検出はステージ１０をｚ方向移動させ、パターン４
００とその再結像の一致を見て測定するのは前述の実施
例と同様に行っている。

【００９１】本実施例の場合、ＴＴＬＡＦ用マーク４０
０は基準平面ミラー１７上に形成されていて、レチクル
面はこの像の単なる反射面としての機能しかない。した
がって、レチクルの最適パターンとなりうるのはパター
ンの無い完全なクロム反射面である。そのような反射面
がレチクル上に無い場合には、できるだけ焦点面計測に
影響をあたえない実素子領域を最適パターンとして選択
する。

【００９２】

【発明の効果】以上説明してきた様に、本発明によれば
実素子領域外に設けられたＴＴＬＡＦマークを使用して
も正確なピント位置が測定出来ない場合でも正確なピン
ト位置を検出して高解像力のパターン像が容易に得られ
る投影露光装置を達成することができる。

【００９３】特に本発明によれば実素子パターンの中か
らＴＴＬＡＦ用に最適なパターンを模索して選択し、そ
れを用いて焦点面検出を行う手段を持つ事によって以下
の効果がえられる。

【００９４】（イ）露光レンズの収差の小さい低像高で
ＴＴＬＡＦできるので、高精度の焦点面検出が可能とな
る。特に、（ロ）露光負荷をかけていった時に熱によっ
て発生する収差（熱収差）の影響を受けにくくなるの
で、その間生じるレンズのピント変化を精度良く追随
し、検出できる。

【００９５】（ハ）実際の回路パターンのピントをとら
えられるので、別に設けたマークでＡＦする場合に比べ
て、オフセット（検出した焦点面と実際にウエハー上に
パターンを焼き付けて測定した焦点面とのずれ量）が格
段に小さい。

【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のレチクル上でのパターン模索を示す図

【図３】本発明の実施例２の要部概略図

【図４】本発明に係る実素子とその回折パターンを示す
説明図

【図５】本発明の実施例３の要部概略図

【図６】本発明の実施例４の要部概略図

【図７】本発明の実施例５の要部概略図

【図８】本発明に係る焦点面検出系の出力を示す説明図

【図９】本発明の実施例１におけるレチクルパターンの
模索シーケンスを示す図

【図１０】本発明の実施例２におけるレチクルパターン
の模索シーケンスを示す図

【図１１】本発明の実施例３，４におけるレチクルパタ
ーンの模索シーケンスを示す図

【図１２】従来の投影露光装置の要部概略図

【図１３】図１２の一部分の説明図

【図１４】図１２の一部分の説明図

【図１５】図１２の一部分の説明図

【図１６】従来のＴＴＬＡＦマークのレチクル上の配置
説明図

【図１７】くずれた焦点面検出系出力の説明図

【図１８】本発明の実施例６の要部概略図

【図１９】本発明の実施例７の要部概略図

【符号の説明】

１光源４照明系レンズ６フィールドレンズ７レチクル８露光レンズ９ウエハ１０ウエハステージ１７基準平面ミラー１８焦点面検出系１９オートフォーカス検出系２０駆動系５０受光器５３基準光量検出系８１焦点面検出光学系８３レチクルパターン８４コントローラー８５検出光学駆動系８６ＣＣＤアレイセンサー１１１，１１２，１１５，１１７パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】焦点検出光によって照明されているレチ
クル面上に設けた検出用マークからの光を少なくとも１
回露光レンズを通過させ光検出器で受け、この光検出器
からの出力により焦点状態を検出するオートフォーカス
検出系を有する投影露光装置に於いて、前記焦点検出光
で前記検出用マークとして使用可能な実素子マークを照
明可能とするため、前もって実素子パターンの中から所
望の実素子パターンを選定し、その選定された実素子パ
ターンを焦点検出光で照明し焦点状態を検出することを
特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記選定は投影露光装置に設定されてい
るレチクルの実素子パターンを検査することによって行
なわれることを特徴とする請求項１の投影露光装置。
【請求項３】前記選定は投影露光装置に設定される前
のレチクルの実素子パターンを検査することによって行
なわれることを特徴とする請求項１の投影露光装置。