JP2633028B2

JP2633028B2 - 観察方法及び観察装置

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Publication number: JP2633028B2
Application number: JP1198261A
Authority: JP
Inventors: 恒雄神田; 秀樹稲
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JPH0361802A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術分野〕本発明は観察方法及び観察装置に関し、例えば半導体
製造用露光装置においてレチクルに形成されたIC,LSI等
の回路パターンを投影レンズによりウエハ面上に投影す
る前に、ウエハ面に形成したアライメントマークを投影
レンズを介して観察し、ウエハの位置情報を得る場合に
好適な観察方法及び観察装置に関する。

〔従来技術〕

従来、投影露光装置において、ウエハ面に形成したア
ライメントマークを投影光学系を介して観察し、ウエハ
の位置情報を得ることが良く行われている。

従来の縮小投影露光装置では、ウエハの位置情報を得
るためのウエハアライメントマークの観察を、装置の投
影レンズを介して行っていた。この種の投影レンズを介
した観察方法では、露光に使用する光の波長と同じか、
或いは、この波長に近い波長を備えた単色光を使用して
観察するのが、投影レンズで生じる色収差の影響を受け
ないので好ましい。しかしながら、通常、ウエハの基板
面は所定の厚さのレジスト層におおわれており、ウエハ
アライメントマークの観察に単色光を用いると、レジス
ト層の上面と下面（基板面）からの光同志が干渉を起こ
してアライメントマークの観察がうまくいかない。

このような干渉の問題を解決する方法が、米国特許N
o.4,355,892に開示されている。この、米国特許では、
レジスト層での干渉の影響を軽減するために、互いに波
長が異なる２つの単色光でウエハを照射し、投影レンズ
を介してウエハアライメントマークを観察している。

〔発明の概要〕

本発明は上記米国特許に記載された観察方法及び観察
装置に改良を加えたものであり、互いに波長が異なる複
数の光と投影光学系を使用して、物体を正確に観察する
ことが可能な観察方法及び観察装置を提供することが目
的である。

この目的を達成するために、本観察方法は、第１物体
のパターンを第２物体上に投影する投影光学系を介して
前記第２物体を観察する方法であって、前記第２物体を
互いに波長が異なる複数の光（多色光）で照明する段階
と、前記投影光学系からの前記第２物体に関する互いに
波長が異なる複数の結像光束の主光線が互いに平行にな
るよう補正する段階と、該補正段階後、前記複数の結像
光束により形成した前記第２物体の像を観察する段階と
を有する。

また、本観察装置は、第１物体のパターンを第２物体
上に投影する投影光学系を介して前記第２物体を観察す
る装置であって、前記第２物体を互いに波長が異なる複
数の光（多色光）で照明する照明手段と、前記投影光学
系からの前記第２物体に関する互いに波長が異なる複数
の結像光束を受けて前記第２物体の像を形成する像形成
光学系とを備え、該像形成光学系が前記複数の結像光束
の主光線を互いに平行にする補正手段を有する。

本発明では、上記補正段階や補正手段を有しているの
で、投影光学系の瞳の収差の各波長による違いを補正す
ることが可能になる。従って、投影光学系の光軸方向に
第２物体が変位して第２物体の像がデフオーカスして
も、各波長の結像光束による第２物体像が互いに同じよ
うにずれるので、第２物体の変位によらず安定して第２
物体の観察が行える。

本発明に用いる互いに波長が異なる複数の光は、連続
的なスペクトルを有する白色ランプ等で供給したり、或
いは互いに異なる波長の光を放射する複数のLED又はレ
ーザーで供給したり、或いは互いに異なる波長の光を放
射するレーザー（ゼーマンレーザー）で供給することが
可能である。また、本発明の観察方法及び観察装置は半
導体製造用の投影露光装置に好適であり、マスクパター
ンが投影される被投影物体であるところのウエハのウエ
ハアライメントマークを投影光学系を介して良好に観察
できる。従って、正確にウエハの位置情報を得、マスク
に対してウエハを精度良く位置合せできる。

本発明のいくつかの特徴と具体的構成は、以下に示す
各実施例から明らかになる。

〔実施例〕

第１図は本発明の基本概念を説明するための説明図で
ある。第１図において、１は楔形透明部材、２は高分散
ガラスより成る平行平面板、３は低分散ガラスより成る
平行平面板、4A,4Bは所定の分散値を有するガラスより
成る平行平面板を示す。また、Ｍは互いに異なる波長λ
₁,λ_２（の光）を有する結像光束を示し、不図示の波長
λ_３（≠λ_１≠λ_２）の光に対して収差補正された投影
光学系から射出した光束である。尚、平行平面板4A,4B
は後述する理由から、互いに同じガラス材料で同じ板厚
になるように構成してある。

第１図において、不図示の投影光学系から射出した、
実線で示す波長λ_１の結像光束と破線で示す波長λ_２の
結像光束の主光線L₁₀,L₂₀の傾きは、投影光学系の瞳の
収差の違いにより、互いに異なっている。このままの状
態で、波長λ_１の光束と波長λ_２の光束がフオーカスし
て物体像を形成すると、各光束による像形成位置が互い
に異なり、また、各々の像面に対する各光束の主光線L
₁₀,L₂₀の入射角も異なる。

ここでは、波長λ_１の光束と波長λ_２の光束の主光線
L₁₀,L₂₀の傾きを互いに平行にするために、楔形透明部
材１を両光束の光路中に設けており、部材１の波長λ₁,
λ_２の光に対する屈折率n₁,n₂と頂角δ（光入射面と光
射出面の成す角）が次の式を満たすように部材１が構成
してある。

ここで、i₁,i₂は第２図に示すように、波長λ_１の光
束の主光線L₁₀と波長λ_２の光束の主光線L₂₀の、部材１
の光入射面に対する入射角である。また、上記（１）式
が満足されることにより、第２図の如く、波長λ_１の光
束と波長λ_２の光束は部材１の光射出面から互いに同じ
角度i₃で射出する。従って、両光束の主光線L₁₀,L₂₀は
互いに平行となる。

楔形透明部材１を射出した波長λ₁,λ_２の光束は、各
光束の主光線（光軸）に対して角度θ_１だけメリジオナ
ル面内で傾いた平行平面板２に入射する。平行平面板２
は高分散ガラスより成るため入射光の波長の違いによる
屈折率差が大きい。従って第３図（Ａ）に示すように入
射光の波長が異なるとプリズム効果による光束の横シフ
ト量に差がつく。この性質を利用し平行平面板２で、楔
形透明部材１からの互いに主光線が平行な波長λ₁,λ_２
の光束の主光線を平行平面板２の光射出面でほぼ一致せ
しめる。この時、各光束の主光線L₁₀,L₂₀に対する角度
が等しい対称な２つの光線、例えば第１図で示す光線L
₁₁とL₁₂間及びL₂₁とL₂₂間に光路長差がつきコマ収差が
生じる。従って、各光束が像面に形成する像の像質を劣
化させる。そこで、平行平面板２で生じた光線L₁₁と光
線L₁₂の間の光路長差と光線L₂₁と光線L₂₂間の光路長差
を補正してコマ収差を補正するため、平行平面板２に対
し「ハ」の字を成すように、各光束の主光線に対してメ
リジオナル面内で角度θ_２だけ傾けて平行平面板３を設
けている。平行平面板３は低分散ガラスであるため入射
光の波長の違いによる屈折率差が微小である。従って第
３図（Ｂ）に示すように、低分散ガラスでは、同一の長
さ、同一の入射角における平行平面板での波長λ_１とλ
_２に対する主光線のずれは、高分散ガラスの場合に比し
て極めて微小である。

この様に平行平面板2,3の傾き角θ₁,θ_２、板厚、屈
折率を適宜設定し、高分散の平行平面板２と低分散の平
行平面板３の分散の差を利用することにより、平行平面
板３の光射出面上で各波長λ₁,λ_２の主光線を一致させ
たままコマ収差を除去することが可能になる。

以上述べた方法で、第１図の紙面内即ちメリジオナル
面内での光線収差は補正される。しかし、この断面に垂
直な断面即ちサジタル面内での光線は、平行平面板2,3
を通過することにより生じた収差のためにメリジオナル
面内の光線の像形成位置からずれたところに像を形成し
てしまう。即ち、像面において非点収差が発生する。そ
こで光軸（主光線）を回転軸として平行平面板2,3に対
し90゜回転させた一対の平行平面板4A,4Bを各光束の光
路内に設ける。平行平面板4A,4Bは硝材及び板厚が同じ
で、光路中に「ハ」の字を成すように組み込まれてい
る。また、光軸に対する平行平面板の設定角度の絶対値
は等しい。この平行平面板4A,4Bの硝材や板厚、光軸に
対する設定角度等のパラメータを調整することにより投
影光学系部材１、平行平面板2,3の作用で像面に発生す
る非点収差を消去することができる。その際、各波長λ
₁,λ_２における非点収差の差は平行平面板4A,4Bの硝材
を選択することによって補正することができる。また、
像面で波長λ₁,λ_２間に倍率色収差が発生している場合
には、この像面の後ろにそれを補正する結像光学系を設
けて再結像させれば、像質の非常に優れた多色光による
像を得ることができる。また、微小なコマ収差や各波長
λ₁,λ_２の主光線のずれを補正する際は平行平面板2,3
の代わりに高分散ガラスと低分散ガラスを貼りあわせた
貼り合せ平行平面板を使用すると非常に像質の良い多色
光による像を得ることができる。

第４図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に
適用した一実施例を示す概略図である。同図において、
１は第１物体としてのレチクルで、レチクルステージ30
に載置されている。12は第２物体としてのウエハでレジ
ストが塗付されている。13は縮小投影レンズ系で、レチ
クル11のレンズ系13側の面に描かれた回路パターンをウ
エハ12面上に投影している。この投影レンズ系13はウエ
ハ12側がテレセントリツクで、レチクル11側が非テレセ
ントリツクになるよう構成してある。34はθ−Ｚステー
ジでウエハ12を吸着して載置しており、ステージ駆動装
置401からの指令に基づいてウエハ12のθ方向の回転角
及びＺ方向の位置調整を行っている。θ−Ｚステージ34
はウエハ12のステツプ移動動作を高精度に行う為のXYス
テージ32上に載置されている。XYステージ32はＸ−Ｙ面
内で移動するものであり、θ−Ｚステージ34同様、ステ
ージ駆動装置401からの指令に基づいて駆動される。XY
ステージ32にはステージ位置計測の基準となる光学スク
ウエアー33（ミラー）が置かれており、この光学スクウ
エアー33をレーザー干渉計35でモニターしている。

14は折り曲げミラー、31は補助光学系であり、投影レ
ンズ系13のメリジオナル面内で結像光束を偏向するよう
配置した楔形透明部材１と、メリジオナル面内で互いに
傾けて配置した２つの平行平面板2,3と平行平面板2,3を
傾けた面と直交するサジタル面内で互いに同一角度傾け
て配置した、即ち平行平面板2,3に対し観察光学系31の
光軸を回転軸として90度回転させて配置した２つの平行
平面板4A,4Bを有している。

18,19,23は折り曲げミラー22は補正レンズ系を示す。
36は投影光学系13と観察光学系31によってアライメント
マーク37の像が形成される位置を示し、この位置にレク
チル11のアライメントマークが設けられている。24は折
り曲げミラー、25はアライメントスコープ（対物レン
ズ）、26はビームスプリツターを示す。27は照明用コン
デンサレンズ、29は白色光源、39は白色光源からの光の
うちウエハ12のレジストを感光させない、いくつかの波
長の光を取り出すフイルターを示す。28はCCDから成る
撮像装置で、投影レンズ系13の回路パターン結像面と共
役な位置に設けられている。402は撮像装置28、レーザ
ー干渉計35、ステージ駆動装置401と信号線で電気的に
接続されたコントローラーを示す。また、403は照明光
学系の一部を成すレンズであり、超高圧水銀灯などが放
射したｇ線より成る露光光でレクチル11の回路パターン
を均一照度で照明する。尚、露光光を供給する光源は、
KrFエキシマレーザーなどのレーザー光源、ｉ線を放射
する光線でも良い。コントローラ402は信号線を介し
て、撮像装置からのウエハ12に関する位置情報とレーザ
ー干渉計35からのステージ位置情報を受け、ステージ3
2,34の駆動制御を行うための信号をステージ駆動装置40
1に入力する。このような手順によって、レチクル11に
対するウエハ12の位置合せが行われる。

白色光源29から射出した白色光はフイルター39に入射
し、フイルター39を介してウエハ12のレジストを感光さ
せない、互いに波長が異なる複数の光を含む照明光束に
なる。この照明光束はビームスプリツター26で反射して
アライメントスコープ25、折り曲げミラー24を経てレチ
クル11のアライメントマーク近傍を照射し、レチクル11
を通過して、補助光学系31、投影レンズ系13を経て、ウ
エハアライメントマーク37上に照射される。ウエハ12で
反射した反射光は、照明光の経路（光路）をビームスプ
リツター26まで逆にたどり、ビームスプリツター26を通
過して撮像装置28へ向けられ、撮像装置28上にレチクル
11とウエハ12の像を結ぶ。そして撮像装置28でレチクル
11とウエハ12上のアライメントマークの位置関係を観察
している。

本実施例ではレチクル面11上の回路パターンをｇ線
（λ＝436nm）の光で照明し、投影レンズ系13により回
路パターン像をウエハ12上に撮影している。一方、ウエ
ハ12上のアライメントマーク37は光源29からの多色光で
照射され、投影レンズ系13と補助光学系31によりレチク
ル11上のレチルクアライメントマークの近傍に結像され
る。そして、アライメントスコープ25と撮像装置28によ
り双方のアライメントマークを同時に観察している。本
実施例の装置で補助光学系31を可動にし、ウエハアライ
メントマークの位置に応じて移動させることも可能であ
るが、以下簡単の為、補助光学系31の位置を固定したも
のとして説明する。

投影レンズ系13は、回路パターンの投影露光のための
ｇ線に対応する波長では良好に収差補正されているが、
アライメントマークを観察するための光の波長では収差
補正が充分になされていない。特に、色の違いによる諸
収差、例えば軸上色収差、倍率色収差、色の球面収差、
色のコマ収差、色の非点収差等が多く残存している。

この為、ウエハ面を物体面として考えた時、ウエハ12
上のアライメントマーク37は、多くの場合露光光の波長
よりも観察用の光の波長が長いのでレチクル11よりも上
方に結像する。

例えば、撮影レンズ系13のパターン投影倍率が1/5倍
の時、ウエハ12側での軸上色収差が300μｍであったと
すると、レチクル11側でのウエハ12の像は、0.3×5⁵＝
7.5（mm）だけレチクル11の上方に結像する。

この為、レチクル11のアライメントマーク等のパター
ンとウエハ12上のアライメントマーク等のパターンを同
時に観察するのが困難となる。従って従来より、例えば
前述の米国特許にも示してあるようレチクルと投影レン
ズ系との間に双方のパターン像を合成させる為の種々の
補助光学系を配置して補正している。しかしながら、従
来の補助光学系で完全なる収差補正を行うのは難しく、
双方のパターンを良好に観察するのは困難であった。

本実施例では、レチクル11と投影レンズ系13との間
に、サジタル面内（方向）だけではなくメリジオナル面
内（方向）の両面内方向にわたって良好に収差補正を行
った。特に色による諸収差を使用波長すべてにわたり良
好に補正し得る補助光学系31を配置することによって、
レチクル11上のパターンとウエハ12上のパターンの位置
を光学的に同一面内で合致させて、双方のパターンの観
察を良好にし、レチクルとウエハの高精度な位置合せを
可能としている。

本実施例における補助光学系では、投影レンズ系13に
よるアライメントマークの観察用の光の波長（即ちアラ
イメント波長）で生ずる色の諸収差を補正する為に、第
１図で示した如く配置した楔形透明部材１と４枚の平行
平面板2,3,4A,4Bを用いて、瞳の収差（色の球面収
差）、コマ収差及び非点収差を補正することを特徴とし
ている。

このうち、投影レンズ系13のメリジオナル面内で傾け
た、即ちメリジオナル面内の結像光束を偏向するように
配置した楔形透明部材１により投影レンズ13の各観察用
の光の各波長（λ₁,λ_２）に対する瞳の色の球面収差を
補正し、各波長の光の主光線を互いに平行にする。次に
前述のメリジオナル面内の結像光束に対しメリジオナル
面内で斜めに傾けて配置した平行平面板２により投影レ
ンズ系13の観察用の光の各波長に対する倍率色収差を補
正し、各波長の光の主光線を補助光学系31の光軸と一致
させている。このとき、平行平面板２の光軸に対する傾
き角度は投影レンズ系13での収差発生量と平行平面板２
の屈折率、分散、厚さに応じ定まる。楔形透明部材１と
平行平面板２は投影レンズ系13の瞳の色の球面収差と倍
率色収差に対しては効果的であるが、第１図で説明した
ように、結像光束にコマ収差を発生させる原因となって
くる。そこで本実施例ではメリジオナル面内で、平行平
面板２と同様に光軸に対して傾けて配置した平行平面板
３を結像光束の光路中に設け、投影レンズ系13と楔形透
明部材１と平行平面板２から成る系の観察用の光の各波
長に対するコマ収差を補正している。このとき傾ける角
度は、主として投影レンズ系13からの収差発生量と平行
平面板３の厚さに応じて定まる。この１枚の平行平面板
３はコマ収差に対しては効果的であるが、その一方で非
点収差を発生させる原因となってくる。平行平面板３で
生じる非点収差と投影レンズ系13と楔形透明部材１と平
行平面板２の観察用の光の波長での非点収差とを合わせ
たものが、平行平面板３までの系の非点収差となる。そ
こで、本実施例では２つの平行平面板4A,4Bを平行平面
板2,3を光軸に対して傾けた平面と直交する面内（サジ
タル面）で互いに傾けて配置することにより、系の非点
収差を補正している。即ち、平行平面板2,3を補助光学
系31の光軸を回転軸として90度回転せしめた状態の平面
内で２つの平行平面板4A,4Bを配置している。

平行平面板4A,4Bは互いに同じ厚さのときは、光軸と
直交する所定の線に関して線対称的な関係で配置すれば
良く、又、互いに異った厚さのときは互いに異った角度
で傾けて配置すれば良い。そして２つの平行平面板4A,4
B全体でコマ収差を発生させないようにしている。そし
て、平行平面板4A,4Bの非点収差が平行平面板３以前の
系による非点収差と互いに打ち消し合うように平行平面
板4A,4Bを調整している。例えば、投影レンズ系13が観
察用の光の波長ではコマ収差のみ発生して非点収差が発
生しない無い場合には、２つの平行平面板4A,4Bの光路
長を平行平面板2,3の光路長の和の略1/2とし、しかも平
行平面板2,3と平行平面板4A,4Bが互いに捩れてはいて
も、補助光学系31の光軸に対してなす角度が４つの平行
平面板2,3,4A,4Bで全て等しくすれば、投影レンズ系13
のコマ収差と非点収差を良好に補正した状態でのアライ
メントマークの観察が可能となる。

又、投影レンズ系13で観察用の光の波長に対して非点
収差が生じる場合には、平行平面板2,3と２つの平行平
面板4A,4Bが光軸に対してなす角度を、平行平面板３以
前の系で発生する非点収差量に応じて互いに異ならしめ
れば、投影レンズ系13で生じる非点収差をも補正したア
ライメントマークの観察が可能となる。即ち本実施例で
は、平行平面板4A,4Bの傾きを調整することによって非
点収差の補正量を任意に変えることを可能としている。

本実施例では、以上のような構成によりコマ収差と非
点収差を良好に補正することによって、投影レンズ系13
のサジタル面内（方向）だけでなくメリジオナル面内
（方向）にもわたって良好なる収差補正を行い、レチク
ル11上とウエハ12上の双方のアライメントマークを、同
時に鮮明な像として観察するのを可能としている。そし
てこれにより高精度のアライメントを可能としている。

尚、本実施例において、投影レンズ系13の観察用の光
の波長での球面収差が多少残存している場合には、補正
レンズ部22で補正しておくのが良い。この場合投影レン
ズ系13の観察用の光の波長での球面収差は、補正レンズ
部22で逆の球面収差を発生させて補正するのが良い。
又、投影レンズ系13の軸上の色収差を補正レンズ部22で
補正する事ができる。投影レンズの倍率の色収差は前述
の様に平行平面板を含むユニツトで補正されている。

又、補正レンズ部22がレチクル11側に配置されてい
て、しかも比較的小さな（例えば、0.1以下の）N.Aで使
われる場合であって、例えば数λという大きな球面収差
があったときには、補正レンズ部22の一部であって、投
影レンズ系13の瞳位置と略共軛の位置に非球面部材を配
置して補正することも可能である。例えば長波長側で補
正不足となる球面収差の発生があった場合には、レンズ
の周辺部にいくに従い負の屈折力が増大する形状の非球
面レンズを用いれば良い。

尚、本実施例における補助光学系31の挿入は、アライ
メントマーク観察時とパターン投影露光時の条件を変更
していることになる為、ベースラインとして光学系の調
整、又はオフセツトとして処理されるフアクターを含ん
でいる。光学系の調整で処理し得る収差としては観察光
学系の光路長の調節によりピント調整が可能という点か
ら色によるピントずれ（軸上色収差）、像面弯曲が挙げ
られる。また補助光学系31の挿入による像点のシフト、
投影レンズ系13の色の歪曲収差等は位置ずれのオフセツ
トとして光学的又は電気的に処理することができる。

要するに、ピントを取り直したり、像の位置が単純に
ずれるだけのことであれば簡単にオフセツト処理し得る
ので、あまり問題にならない。

実際に、像を検知する場合に問題となるのは、像のコ
ントラストを損なう球面収差、コマ収差そして非点収差
であり、前述の様に投影レンズ系13のこれらの諸収差
は、露光光の波長では良好に補正されているものの、観
察用の光のいくつか波長では必ずしも良好に補正されて
いない。しかしながら、これらの諸収差の観察用の光の
波長での発生の仕方は、露光光の波長での良好な収差補
正からの単純なズレとして、基本的な３次収差の領域で
扱えるということが解析の結果判明したので、前述構成
の補助光学系31を用いることにより、良好なる収差補正
を行い、鮮明なるアライメントマーク像観察が可能の観
察装置の達成を可能としている。

以上のような構成により、本実施例では投影レンズ系
13を介してウエハ12上の状態を良好に観察している。こ
のとき本実施例では補助光学系31と３つのミラー18,19,
23を用いている為、ウエハ11上のアライメントマーク37
などのパターンを反転した状態で観察することになる
が、それは前述のオフセツト同様、撮像装置28で光電変
換した後信号処理で符号反転することにより何ら問題な
く観察することができる。

又、本実施例の補正レンズ部22はウエハ12上のパター
ンをレチクル11上に結像させる機能の他にウエハ12を所
定の倍率でレチクル面上に投影させる調整機能を有する
ようにしている。例えば、投影倍率５倍の投影光学系を
使用するときは正確に５倍となるようにし、これにより
（この場合、補正レンズ部22自体の結像倍率は−１倍）
後の処理装置に対する負荷を少なくさせている。補正レ
ンズ部22の機能を−１倍の結像作用をもつようにした
が、逆に１倍の結像作用をもつようにすることも可能で
ある。

尚、本実施例では主に投影レンズ系13によって発生し
た色による諸収差のうち瞳の収差、コマ収差、非点収差
そして球面収差を、補助光学系31で補正し、ピント、像
面のずれは光路長を調整し、倍率、デイストーシヨンは
オフセツト処理により、全体的に補正している。これに
よりレチクルとウエハの双方の観察を良好にし、高精度
のアライメントを可能としている。

本実施例では従来のようにサジタル面内（方向）だけ
ではなく、メリジオナル面内（方向）を含むあらゆる方
向にわたって光学系の収差を良好に補正しているのでウ
エハ12上の一点のアライメントマークの観察を行うこと
によりＸとＹ方向の２つの信号（ウエハ位置情報）を検
知することができる。２次元的なアライメントを行うに
は、少なくとももう一点の観察を行い。これによりθ方
向を合わせる必要が生ずる。これは第４図に示すような
１つの観察系のみを用いて行うことも可能であるが、第
５図に示すように第４図で示した観察系を２つ配置し、
一対の観察系（24〜29,39,24′〜29′,39′）で一対の
アライメントマークを観察すれば、スループツトを保ち
ながらX,Y,θ方向に関するレチクル11とウエハ12の位置
合せが可能になる。

また、レチクルアライメントマークとウエハアライメ
ントマーク37の観察は、レチクル11とウエハ12を同時に
観察しなくても可能である。次に、その実施例を示す。

第６図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に
適用した第２実施例を示す概略図であり、第４図で図示
した部材と同じ部材には同一符号を符している。本実施
例の特徴は、レチクル位置合せ用光学系Ｒとウエハ位置
合せ用光学系Ｗとを個別に設けた点である。

同図において、14は折り曲げミラー、１は楔形透明部
材、2,3,4A,4Bは平行平面板で、部材1,2,3,4A,4B,14に
より補助光学系31を構成している。補助光学系31の各部
材の基本的な配列状態は第４図で示したものと同じであ
り、ここでは説明を省略する。

40は対物レンズ、41はビームスプリツター、42はリレ
ーレンズ、43はCCDから成る撮像装置であり、撮像装置4
3（の受光面）上にウエハ12のアライメントマーク37が
結像される。アライメントマーク37の像を形成して、ア
ライメントマーク37を観察するための互いに異なる波長
を有するいくつかの光より成る照明光は、白色光源46か
ら照明用コンデンサレンズ45、非感光光のみを通過せし
めるフイルター44を通り、ビームスプリツター41で補助
光学系31へ向けられて、投影レンズ系13を介してウエハ
12に導かれるウエハ12のアライメントマークの位置を検
出するための基準となるマーク48（以下、「基準マーク
48」と記す）は、白色光源50からの光で、基準マーク照
明用コンデンサレンズ49を介して照明される。基準マー
ク48からの光は対物レンズ47を経てビームスプリツター
41に入射し、ビームスプリツター41でウエハ12からの反
射光（多色の結像光束）の光路と合成され、リレーレン
ズ42により撮像装置43へ向けられて、基準マーク48を撮
像装置43上に結像する。

レクチル11を露光装置本体にセツテイングするための
レクチルアライメント光学系Ｒの構成は以下の通りであ
る。フアイバー51から非露光波長より成る照明光が射出
し、照明光はプリズム52に入射して本体に固設してある
レチクル基準マーク53とレチクル11のレチクルアライメ
ントマークを照明する。これらのマークからの光はミラ
ー54で光路の方向を変えられ、対物レンズ55、リレーレ
ンズ56を介して撮像装置（CCD）57に向けられ、撮像装
置57上に基準マーク53をレチクルアライメントマークが
結像する。尚、フアイバー51へ光を供給するためには、
レチクルのパターンを投影露光するための超高圧水銀灯
などが放射する光の一部をフアイバー51へ導入すればい
い。

上記位置合せ光学系を用いて、まず、レクチル11を露
光装置本体にセツトする。レチクル11と基準マーク53は
フアイバー51からの光で照明され、撮像装置57上に両マ
ークの像が形成されるし、そして、両マークの像の位置
関係によりレチクル11の本体に対する位置ずれ量を算出
する。その結果をもとにレチクルステージ30を不図示の
駆動装置で駆動し、レチクルアライメントマークと、レ
チクル基準マーク53の位置合せを行う。この位置合せを
行うとレチクルの中心と投影レンズ系13の光軸AXが一致
して、レチクル11と露光装置本体との位置合せが終了す
る。

次にウエハアライメントマーク37と基準マーク48の位
置合せについて述べる。

基準マーク48は光源50とレンズ49による照明光で照明
され、光学系（47,41,42）を介して撮像装置43上に結像
する。ここでは、基準マーク48及び光学系（47,41,42）
の経時的な位置変動がないように構成してある。

ウエハ12上のウエハアライメントマーク37は白色光源
46と光学系（45,44,41,31,13）による多色の照明光で照
明され、その像が補助光学系31で収差補正された状態で
撮像装置43上に形成される。多色の照明光の波長域はフ
イルター44によって決めることができる。従って、ウエ
ハ11のレジストの状態（厚さ）によりフイルター44を変
換することにより照明光の波長域を観察のために最適化
すれば、ウエハ11のレジストによる干渉の影響を殆ど受
けることなく常に鮮明なウアハアライメントマーク像を
得ることができる。尚、この時、ウエハアライメントマ
ーク照明用の多色照明光の各波長を、レジストを感光さ
せない波長にすれば、ウエハアライメントマーク37を観
察するときに、不要なパターンがウエハ11のレジストに
焼付けられないので、同じアライメントマークを各工程
で使用することができる。また、多層レジストのような
露光光を殆ど吸収してしまうようなものでも、アライメ
ントマーク37の観察が可能となる。

さて、撮像装置43上に結像した基準マーク48とウエハ
アライメントマーク37の像は、撮像装置43によりビデオ
信号に変換されて、撮像装置上の各々の像の位置が信号
処理によって求められる。そして、両者の位置関係から
基準マーク48のウエハ12上での仮想位置に対するウエハ
12の位置が検出される。本実施例では、ウエハ12のウエ
ハアライメントマーク観察位置と露光位置とが異なって
いるので、既知のズレ量観察位置から露光位置までの距
離（ベースライン）に検出したウエハ12の位置ズレ量
（X,Y両方向）を加算した分、ステージ駆動装置401によ
りXYステージ32を駆動してレチクル11に対してウエハ12
を位置合せし、パターンの投影露光を行えばいい。

本実施例でも、ウエハ上の異なる位置に設けた２つの
ウエハアライメントマークと、レチクル上の異なる位置
に設けた２つのレチクルアライメントマークに対して、
一対のレチクル位置合せ用光学系Ｒと一対のウエハ位置
合せ用光学系Ｗを配置することにより、レチクル−ウエ
ハ間の位置合せにおける精度と処理速度の向上が図れ
る。

以上述べた実施例の投影レンズ系はウエハ12側のみが
テレセントリツクな系であり、またウエハ12上のウエハ
アライメントマーク観察用の光源も白色光源から成るイ
ンコヒーレント光源であったが、本発明はレチクル及び
ウエハ側の双方がテレセントリツクな投影光学系を備え
た装置、ウエハアライメントマーク観察用にコヒーレン
ト光放射する光源を備えた装置にも実施できる。

第７図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に
適用した第３実施例を示す概略図であり、第６図で図示
した部材と同じ部材には同一符号が符してある。但し、
本発明例の投影露光装置の縮小投影レンズ系13は、レチ
クル11及びウエハ12側の双方がテレセントリツクな系で
あり、レンズ系60,61により構成してある。又、XYステ
ージ34上にはステージ基準マーク60が固設してあり、XY
ステージ34を観察位置から露光位置への移動させる時に
用いるベースラインの値の経時的変化を補正する際の基
準となるものである。

14は折り曲げミラー、１は楔形透明部材、2,3,4A,4B
は平行平面板を示し、部材1,2,3,4A,4B,14をくさび15と
平行平面板16,17は投影光学系のメリジオナル断面内に
互いに配列することにより補助光学系31を構成してい
る。補助光学系31の各部材の基本的な配列状態は第４図
に示したものと同じなので、ここでは説明を省略する。

40は対物レンズ、41はビームスプリツター、42はリレ
ーレンズ、62はビームスプリツター、63はエレクター、
64はCCDから成る撮像装置を示す。

ウエハ12上のウエハアライメントマーク37を観察する
ための照明光を供給する系は、次のように構成されてい
る。光源は各々互いに波長が異なるレーザー光を供給す
る３本のレーザー70,71,72で構成してある。各レーザー
70,71,72からのレーザー光は折り曲げミラー69、ビーム
スプリツター67,68により光路を一致せしめられる。66
は照明用コンデンサレンズ、65は拡散板を示し、拡散板
65が不図示の駆動機構により振動あるいは回転させられ
て、光源がレーザーであるゆえにウエハ12上に発生する
スペツクルパターンを平均化し、ウエハ12を均一に照明
する。拡散板65を通過した多色レーザー光はビームスプ
リツター41、補助光学系31、投影レンズ系13を介してウ
エハ12に向けられる。

レーザー70,71,72からのレーザー光を効率的に使用す
るためには、互いの光路を重畳する際に用いるビームス
プリツター67,68にダイクロイツクミラーや偏光ビーム
スプリツターを用いる。例えば、ビームスプリツター67
をダイクロイツクミラーで構成して、レーザー70からの
波長λ_１のレーザー光が透過し、レーザー71からの波長
λ_２（≠λ_１）のレーザー光とレーザー72からの波長λ
_３（≠λ_２≠λ_１）のレーザー光とが反射するように
し、ビームスプリツター68を偏光ビームスプリツターで
構成して、レーザー71からのレーザー光がＳ偏光光とし
てビームスプリツター68へ向けられて、レーザー72から
のレーザー光がＰ偏光としてビームスプリツター68へ向
けられるようにレーザー71,72、ミラー69、ビームスプ
リツター68を配する。

12のウエハアライメントマーク37の位置を検出するた
めの基準となる基準マーク48が、白色光源50と照明用コ
ンデンサレンズ49により照明され、基準マーク48からの
光がビームスプリツター62を介してエレクター63に入射
して、エレクター63により撮像装置64に向けられて、撮
像装置64上に基準マーク48の像が形成される。

一方、多色レーザー光で照明されたウエハ12からの反
射光は、投影レンズ系13と補助光学系31を介して対物レ
ンズ40に入射する。そして、補助光学系31の作用で、瞳
の収差、コマ−非点収差が補正される。対物レンズ40か
らの光は、ビームスプリツター41、リレーレンズ42、ビ
ームスプリツター62、エレクター63を介して撮像装置64
に向けられ、撮像装置64上にウエハアライメントマーク
37の像を形成する。

撮像装置64上に形成した基準マーク48の像とウエハア
ライメントマーク37の像をビデオ信号に変換して、両マ
ークの位置関係を検出する動作は、前記実施例と同様で
ある。また、撮像装置64上に基準マーク48の像とウエハ
アライメントマーク37の像を形成する時、両マーク48,3
7の像を同時に形成しても良いし、各マーク48,37の像を
順次形成しても良い。

レチクル11を露光装置本体にセツトするためのレチク
ルアライメント光学系R₁,R₂の構成は次の通りである。
フアイバー51,51′から射出した露光光とは異なる波長
を有する各照明光はプリズム52,52′でレチクル11側に
反射せしめられ、レチクル基準マーク53,53′とレチク
ルアライメントマークを照明する。レチクル基準マーク
53と対応するレチクルアライメントマーク、レチクル基
準マーク53′と対応するレチクルアライメントマークか
らの光は折り曲げミラー54,54′、対物レンズ55,55′、
ビームスプリツター74,74′、リレーレンズ56,56′を介
してCCDより成る撮像装置57,57′に向けられる。そし
て、撮像装置57,57′上に各々レチクル基準マーク53と
一方のレチクルアライメントマークの像、レチクル基準
マーク53′と他方のレチクルアライメントマークの像が
形成される。これらの像を用いてレチクル11の位置合せ
を行う動作は前記実施例と同じである。また、本実施例
では、対物レンズ55,55′の焦点位置にレチクル11のパ
ターン形成面が位置し、リレーレンズ56,56′の焦点位
置に撮像装置57,57′の受光面が位置するようにしてい
る。従って、対物レンズ55,55′とリレーレンズ56,56′
の間では、レチクルアライメントマーク及び基準マーク
の像を形成する結像光束が平行光束となる。そして、ミ
ラー54,54′と対物レンズ55,55′が破線で示すように一
体となり動くように光学系R₁,R₂を構成し、別途照明源7
7,77′、シヤツター76,76′、フイルター75,75′を設け
ている。

この時、部材54（54′）,55（55′）,74（74′）,75
（75′）,76（76′）,77（77′）より成る照明系と部材
54（54′）,55（55′）,74（74′）,56（56′）,57（5
7′）より成る結像系とで、TTL（Through The Lens）の
ウエハアライメントマーク観察系を構成することにな
る。即ち、光源77,77′から露光光と同じ波長の光を含
む光束を供給するようにし、対物レンズ55,55′と折り
曲げミラー54,54′をレチクル12の所定箇所であってウ
エハアライメントマーク37を可観察な位置へ移動させる
ことにより、投影レンズ系13とレチクル11を介してウエ
ハアライメントマーク37の観察が行える。もちろん、レ
チクルアライメントマークも同時に観察できるよう、こ
の所定箇所に他のレチクルアライメントマークを設けて
いてもよい。

尚、フイルター75,75′は光源77,77′から露光光と同
一波長の光のみを取り出すためのものであり、光源77,7
7′がレーザー等であって、露光光と同じ波長のレーザ
ー光又は露光光の波長に非常に近い波長のレーザー光を
放射するものである時には、フイルター75,75′の代り
に可動拡散板を設けて、レーザー光によるウエハ照明時
のスペツクルの平均化を行うと良い。

第７図には図示しなかったが、本実施例の如く互いに
発振波長が異なる複数個のレーザー70〜72を観察用光源
として用いる場合、各レーザー70〜72の光射出口の直後
に光軸を回転軸として回転可能な偏光板や濃度が可変の
NDフイルターを設け、各レーザー70〜72が供給するレー
ザー光の強度を変調できるようにすると便利である。こ
のように構成すれば、各レーザー70〜72自身の発光強度
が揃うようにレーザーを選ばなくても各レーザー光の強
度をほぼ一様にすることができるし、所定の波長のレー
ザー光の強度を他の波長のレーザー光の強度より弱めて
やるなどして、ウエハアライメントマーク37の観察条件
を変更することができる。

以上説明した各実施例では、補助光学系31が楔形透明
部材１、平行平面板2,3、平行平面板4A,4Bを有するもの
であったが、本発明では少なくとも楔形透明部材１を備
えることにより各波長の結像光束の主光線を互いに平行
にして、観察性能を向上させるから、他の部材2,3,4A,4
Bは必ずしも必要ではない。

第８図は本発明を半導体製造用の縮小投影露光装置に
適用した第４実施例を示す概略図であり、第６図に示し
た第２実施例の変形例である。

本実施例と第２実施例との相違点は補助光学系31の構
成のみであり、他の構成は全く同一である。従って、第
８図において第６図と同一の部材には第６図と同じ符号
が用いられている。

第２実施例では、補助光学系31が楔形透明部材１、平
行平面板2,3,4A,4Bを備えていたが、本実施例の補助光
学系31は楔形透明部材１と平行平面板4A,4Bのみを備
え、平行平面板2,3は備えていない。本実施例では、フ
イルター44により互いに波長が異なるものの比較的その
差が小さい波長λ₁,λ_２を有する光束を抽出しており、
楔形透明部材１によって、投影レンズ系13からの互いに
波長が異なる結像光束の主光線を互いに平行にする際、
両主光線の光路がほぼ一致するように補助光学系31が構
成してある。従って、第２実施例において、互いに波長
が異なる結像光束の主光線を一致させるために用いた平
行平面板２と平行平面板２で主として生じるコマ収差を
補正するために用いた平行平面板３が排除できて、補助
光学系31の構成が簡単になった。

本実施例において、補助光学系31の収差補正機能を向
上させるためには、楔形透明部材１を一方が高分散の楔
形部材と他方が低分散の楔形部材とが貼り合せて成る色
消し部材とすれば良い。

以上、第４図乃至第８図に示した実施例では、補助光
学系31と投影レンズ系13が互いに波長が異なる複数の光
でウエハ12を照明する時に用いられていたが、これらの
系を介さずウエハ12を照明することもできる。例えば、
投影レンズ系13とXYステージ34の間の空間から所定の入
射角でレーザー光をウエハ12上に向けて、ウエハ12上の
アライメントマーク37を照明できる。この時、投影レン
ズ系13、補助光学系31を介して撮像装置上に形成される
マーク像は、主としてウエハアライメントマーク37のエ
ツジで生じた回折光によるものである。

又、前記実施例の如く、互いに異なる波長を有する光
でウエハアライメントマークの像を撮像装置上に形成す
る時に各光による像を同時に形成する以外に、各波長に
よる光で順次ウエハアライメントマーク像を撮像装置上
に形成することもできる。このような像形成方法を例え
ば第７図に示した装置で行う場合、各々単色の光を放射
するレーザー70,71,72を順次発振させて、撮像装置64上
に互いに色（波長）が異なる３色のウエハアライメント
マーク像を順次形成し、３色の像の各ビデオ信号の取り
込み及び各ビデオ信号毎のウエハ12の位置ズレ量（位置
データ）の検出を行う。そして、これらの３種類のビデ
オ信号から得た複数個の位置データに基づいて（例えば
各データの平均値を求めて）ウエハの位置情報（位置ズ
レ量）を求める。また、ウエハの位置情報を求める際に
必ず全ての色の像に基づいた位置データを用いる必要は
なく、他の位置データと大きく値が異なる異常値をもつ
データを判別して、この異常値データはウエハの位置情
報を求めるための処理に使用しないようにし、残りのデ
ータだけを使用して位置情報を求めると良い。

本発明を適用する機器として、ここまでは半導体製造
用の投影露光装置を例示してきたが、この種の投影装置
に限らず様々な投影装置に、本発明は適用可能である。
また、半導体製造用投影露光装置に適用する場合であっ
ても、前記各実施例で示された様に、ウエハアライメン
トマークを観察して、ウエハの投影レンズ系の光軸と直
交する平面内に関する位置情報を得る以外に、ウエハ上
に形成した所定のマークを観察し、ウエハの投影レンズ
系の光軸方向に関する位置情報を得るようにすることも
できる。この時には、マーク像のコントラストを検出す
る。

〔発明の効果〕

以上、本発明では、ウエハなどの物体を互いに波長が
異なる複数の光（多色光）で照明し、投影光学系を介し
て観察する時、投影光学系からの互いに波長が異なる複
数の結像光束の主光線を互いに平行にするようにしても
投影光学系の瞳の色収差を補正するので、ウエハなどの
物体の投影光学系の光軸方向の変位によらず安定した観
察が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を示す説明図。第２図は楔形透明部材の作用を示す説明図。第３図（Ａ），（Ｂ）はメリジオナル面内方向に関して
傾けた一対の平行平板の作用を示す説明図。第４図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第１実施例を示す概略図。第５図は第４図に示す装置の変形例を示す部分的概略
図。第６図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第２実施例を示す概略図。第７図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第３実施例を示す概略図。第８図は本発明を半導体製造用投影露光装置に適用した
第４実施例を示す概略図。１……楔形透明部材 11……レチクル 12……ウエハ 13……投影レンズ系 28,43,57,64……撮像装置 29,46……白色光源 31……補助光学系 70,71,72……レーザー R,R₁,R₂……レチクルアライメント光学系Ｗ……ウエハアライメント光学系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−293718（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−203640（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−41805（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−274135（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−177625（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−251858（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体のパターンを第２物体上に投影す
る投影光学系を介して前記第２物体を観察する方法であ
って、前記第２物体を互いに波長が異なる複数の光で照
明する段階と、前記投影光学系からの前記第２物体に関
する互いに波長が異なる複数の結像光束の主光線が互い
に平行になるよう補正する段階と、該補正段階後、前記
複数の結像光束により形成した前記第２物体の像を観察
する段階とを有する観察方法。
【請求項２】第１物体のパターンを第２物体上に投影す
る投影光学系を介して前記第２物体を観察する装置であ
って、前記第２物体を互いに波長が異なる複数の光で照
明する照明手段と、前記投影光学系からの前記第２物体
に関する互いに波長が異なる複数の結像光束を受けて前
記第２物体の像を形成する像形成光学系とを備え、該像
形成光学系が前記複数の結像光束の主光線を互いに平行
にする補正手段を有する観察装置。
【請求項３】前記補正手段が楔形の透光性部材より成る
特許請求の範囲第（２）項記載の観察装置。
【請求項４】前記照明手段が、前記第１物体のパターン
を投影する時に使用する光の波長とは異なる波長を有す
る前記波長が異なる複数の光で前記第２物体を照明する
特許請求の範囲第（３）項記載の観察装置。
【請求項５】前記像形成光学系が、前記楔形透光性部材
からの前記複数の結像光束を受けて、前記複数の結像光
束の主光線を互いにほぼ一致せしめるよう前記投影光学
系のメリジオナル面内で光軸に対して傾けた第１平行平
板と該第１平行平板で発生するコマ収差を補正するよう
前記メリジオナル面内で光軸に対して傾けた第２平行平
板とを有する特許請求の範囲第（３）項記載の観察装
置。
【請求項６】前記像形成光学系が、前記投影光学系と前
記楔形透光性部材と前記第１と第２平行平板より成る系
で発生する非点収差を補正するよう前記投影光学系のサ
ジタル面内で光軸に対し互いに逆方向に同じ角度で傾い
た一対の平行平板を有する観察装置。