JPH11251225A

JPH11251225A - 結像系、該結像系を備えた露光装置、前記結像系の使用方法、及び前記露光装置を用いたデバイスの製造方法

Info

Publication number: JPH11251225A
Application number: JP10053274A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Fukui; 達雄福井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 1999-09-17

Abstract

(57)【要約】【課題】アライメントセンサの対物光学系として使用
できると共に、その結像特性の調整を短時間に、且つ高
精度に行うことができる結像系を提供する。【解決手段】光源２１からの照明光で、視野絞り２３
等、照明リレーレンズ２４、ハーフプリズム２５、及び
第１対物レンズ２６を介してウエハＷ上のＹ軸のウエハ
マークＷＭＹを照明する。ウエハマークＷＭＹからの反
射光Ｌ１を、第１対物レンズ２６、ハーフプリズム２
５、及び第２対物レンズ２７を介して撮像素子２８の撮
像面に集光し、その撮像面にウエハマークＷＭＹの像を
形成する。第１対物レンズ２６の波面収差の特性を予め
計測しておき、その波面収差が最も小さくなる方向をウ
エハマークＷＭＹの計測方向（Ｙ方向）に平行に設定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁
気ヘッド等の半導体デバイスをフォトリソグラフィ技術
を用いて製造する際に使用され、マスクパターンを投影
光学系を介して基板上に露光する露光装置のアライメン
ト系の対物光学系、又はその投影光学系に使用して好適
な結像系に関する。更に本発明は、その結像系を備えた
露光装置、その結像系の使用方法、及びその露光装置を
用いたデバイスの製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造する際に、マスクと
してのレチクルのパターンを投影光学系を介して、レジ
ストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上の
各ショット領域に転写するために使用される投影露光装
置（ステッパー等）においては、ウエハ上の各ショット
領域とレチクルのパターンとの位置合わせ（アライメン
ト）を高精度に行うために、各ショット領域に付設され
ているアライメントマーク（ウエハマーク）の位置を検
出するためのアライメントセンサが備えられている。

【０００３】従来のアライメントセンサ中で、高精度に
位置検出を行うことができる方式として、例えばハロゲ
ンランプ等からの比較的広い波長域の照明光でウエハマ
ークを照射し、得られる像を画像処理してそのウエハマ
ークの位置を検出する画像処理方式、又はＦＩＡ（Fiel
d Image Alignment)方式が知られている。この外に、例
えば特開平２−２２７６０２号公報で開示されているよ
うに、回折格子状のウエハマークに対して可干渉の１対
のレーザビームを照射し、そのウエハマークから同一方
向に発生する１対の回折光を光電変換して得られるビー
ト信号の位相に基づいて、そのウエハマークの位置を検
出する所謂ＬＩＡ（Laser Interferometric Alignment)
方式、更に例えば特開昭６０−１３０７４２号公報に開
示されているように、計測方向に垂直な方向に配置され
たドット列状のウエハマークと、センサから照射される
スリット状のレーザビームとを計測方向に相対走査する
ことにより、そのウエハマークの座標を検出するレーザ
・ステップ・アライメント方式（ＬＳＡ方式）等も知ら
れている。

【０００４】この種のアライメントセンサで計測精度を
向上するためは、ウエハマークからの光束を受光する対
物光学系の諸収差を低減させる必要がある。そこで、従
来は対物光学系を構成する各レンズの加工精度を、他の
例えば照明光学系を構成するレンズ等の加工精度よりも
高めるようにしていた。ところが、このように加工精度
を高めても、加工誤差のために組み上げた後の対物光学
系には、光軸の周りの方向による収差のばらつきが残存
していたため、その対物光学系をアライメントセンサに
搭載した後に、その対物光学系を光軸を中心として回転
して、例えば検出誤差が最も小さくなるときの回転角を
実験的に決定していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、アライメントセンサに対物光学系を組み込
んだ後で、実験的にその対物光学系の回転角を決定して
いたため、アライメントセンサの調整に非常に多くの時
間を要し、ひいては露光装置の製造コストが高くなって
いた。

【０００６】また、投影露光装置として、最近は、投影
光学系を大型化することなく大面積のレチクルのパター
ンを転写するために、レチクルとウエハとを投影光学系
に対して同期移動して露光を行うステップ・アンド・ス
キャン方式のような走査露光型の投影露光装置が注目さ
れている。このような走査露光型の投影露光装置では、
投影光学系による露光領域は走査方向に狭いスリット状
の領域であるため、投影光学系の収差の調整もその露光
領域の形状の特徴を活かした方法で行われることが望ま
しい。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、アライメントセ
ンサの対物光学系、又は走査露光型の投影露光装置の投
影光学系として使用できると共に、その結像特性の調整
を短時間に、且つ有効に（高精度に）行うことができる
結像系を提供することを第１の目的とする。更に本発明
は、そのような結像系を備えて高精度にアライメントを
行うことができるか、又は高精度にレチクルのパターン
を転写できる露光装置を提供することを第２の目的とす
る。

【０００８】更に本発明はそのような結像系の有効な使
用方法、及びそのような露光装置を用いて高精度なデバ
イスを製造できるデバイスの製造方法を提供することを
第３の目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の結像
系は、被検マーク（ＷＭＹ）の像を所定の結像面上に投
影する結像系（２６，２７）において、その結像系の少
なくとも一部を、収差（波面収差、ザイデルの５収差
等）の特性が既知の光学系（２６）より構成し、この光
学系の収差が実質的に最小になる方向をその被検マーク
の計測方向に合わせるものである。

【００１０】斯かる本発明によれば、予めその結像系中
の例えばその被検マークに対向する光学系（２６）の波
面収差等を計測しておき、光軸の周りでその収差が最小
になる方向を求めておく。そして、その光学系（２６）
をその結像系に組み込んだ際には、その被検マークの計
測方向にその収差が最小になる方向を平行に設定するこ
とによって、短時間に、且つ高精度にその結像系を調整
できる。

【００１１】この場合、その被検マークは複数の計測方
向を有する１つのマーク、又は互いに計測方向の異なる
複数のマーク（ＷＭＸ，ＷＸＹ）であるときには、その
光学系（２６）を光軸の周りに回転する回転部材（２
９）を設け、それら複数の計測方向の内の計測対象とな
る方向に合わせて、その回転部材を介してその光学系を
回転することが望ましい。これによって、複数の計測方
向のそれぞれにおいて高精度に位置検出を行うことがで
きる。

【００１２】また、本発明による第１の露光装置は、本
発明による第１の結像系（２６，２７）と、この結像系
を介してその被検マークの像を検出する位置検出系（２
８，１４）と、マスク（Ｒ）のパターンをその被検マー
クとしての位置合わせ用マーク（ＷＭＹ）が形成された
基板（Ｗ）上に転写する露光本体部（６〜８，ＰＬ）
と、その基板を移動するステージ系（２，３）と、を備
え、その結像系及びその検出系によって検出されるその
基板上の位置合わせ用マークの位置に基づいて、そのス
テージ系を介してその基板の位置合わせを行うものであ
る。本発明の結像系の使用によって高精度にその位置合
わせ用マークの位置が検出できるため、位置合わせ精
度、又は重ね合わせ精度が向上する。

【００１３】次に、本発明による第２の結像系は、基板
（Ｗ）上の所定方向（Ｙ方向）に沿って長手方向を持つ
実質的に矩形の露光領域（１５）、又はその基板上の所
定方向（Ｙ方向）に沿って広がった（即ち、その所定方
向が円弧の両端を結ぶ方向となった）実質的に円弧状の
露光領域（１５Ｓ）内にマスクのパターン像を投影する
結像系（ＰＬ）において、その結像系の実質的に最も収
差（波面収差、ザイデルの５収差等）が小さい方向をそ
の所定方向に合わせるものである。

【００１４】この第２の結像系は、例えばステップ・ア
ンド・スキャン方式のような走査露光型の投影光学系の
投影光学系として使用できるものである。この場合、そ
の所定方向に直交する方向に走査が行われ、露光領域は
その所定方向に広がっているため、その所定方向でその
結像系の収差（ディストーション等）を最も小さくする
ことによって、転写される像の収差が全体として最も小
さくなる。

【００１５】また、本発明による第２の露光装置は、本
発明の第２の結像系（ＰＬ）と、マスク（Ｒ）及び基板
（Ｗ）をその結像系に対して同期して移動するステージ
系（６，７，２，３）と、を備え、そのマスク及びその
基板をその所定方向に直交する方向に移動して走査露光
を行うものである。この露光装置によれば、そのマスク
のパターン像を収差の小さい状態でその基板上に転写で
きる。

【００１６】また、本発明による第１のデバイスの製造
方法は、その本発明の第１の露光装置を用いたデバイス
の製造方法であって、その基板（Ｗ）上に感光材料を塗
布する工程と、そのマスクとして、そのデバイスの所定
のレイヤの回路パターンに対応するパターンが形成され
たマスク（Ｒ）を用い、その結像系及び位置検出系によ
ってその基板上の位置合わせ用マーク（ＷＭＸ，ＷＭ
Ｙ）の位置を検出し、この検出結果に基づいて、そのス
テージ系を介してその基板とそのマスクとの位置合わせ
を行う工程と、そのマスクのパターンをその基板上に転
写する工程と、その基板上のその感光材料の現像を行っ
てその回路パターンを形成する工程と、を有するもので
ある。斯かる本発明によれば、そのマスクとその基板と
の位置合わせ（アライメント）を高精度に行うことがで
きるため、各レイヤ間の重ね合わせ精度が向上してデバ
イスの歩留まりが向上する。

【００１７】次に、本発明による結像系の使用方法は、
本発明の第１の結像系によって所定の計測方向を持つ被
検マーク（ＷＭＹ）の像を所定の結像面に形成し、この
結像面に形成された被検マークの像を検出する結像系
（２６，２７）の使用方法において、その結像系、又は
その結像系を構成する少なくとも１つの光学部材（２
６）に残存する収差を測定する測定工程と、この測定さ
れた残存収差が所望の値を示す方向にその計測方向を合
わせる調整工程と、を含むものである。斯かる本発明に
よれば、例えばその残存収差のバランスが最も良い方向
をその計測方向に合わせることで、計測精度が向上す
る。

【００１８】また、本発明による第２のデバイスの製造
方法は、本発明による第２の露光装置を用いたデバイス
の製造方法であって、その基板上でその所定方向に沿っ
て長手方向を持つ実質的に矩形の露光領域（１５）、又
はその所定方向に沿って広がる円弧状の露光領域（１５
Ｓ）にそのマスクのパターンの像を投影し、このマスク
及びその基板をその結像系に対して同期して移動するこ
とによってそのマスクのパターンの像をその基板上に露
光する露光工程と、その露光工程に先立って、その結像
系、又はこの結像系を構成する少なくとも一つの光学部
材に残存する収差を測定する測定工程と、その露光工程
と同時、又はその露光工程に先立って、その測定工程に
よって測定された残存収差が所望の値を示す方向にその
所定方向を合わせる調整工程と、を含むものである。斯
かる本発明によれば、例えばその残存収差のバランスが
最も良い方向をその所定方向に合わせることで、その基
板上に走査露光されるマスクのパターン像の転写忠実度
等が向上する場合がある。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。図１は、本例で使用さ
れる投影露光装置を示し、この図１において露光時に
は、水銀ランプ、又はエキシマレーザ光源等の露光光
源、この露光光源からの露光光の照度分布を均一化する
ためのオプティカル・インテグレータ、照明領域を規定
する視野絞り（レチクルブラインド）、及びコンデンサ
レンズ系等からなる照明光学系８より、レチクルＲ上の
矩形の照明領域に対して露光光ＩＬが照射される。そし
て、露光光ＩＬのもとで、レチクルＲに形成されている
パターンの像が、両側テレセントリックな投影光学系Ｐ
Ｌを介して投影倍率β（βは１／５，１／４等）で、ウ
エハＷ上の露光対象のショット領域上の矩形の露光領域
１５に投影される。ウエハＷの表面にはレジストが塗布
されており、照明光学系８内にはレジストに対する露光
量を間接的にモニタする計測系が備えられている。この
計測系の計測結果、及び装置全体の動作を制御するコン
ピュータよりなる主制御系５の制御情報に基づいて、露
光量制御系１１が露光光の照度等を制御してレジストに
対する露光量を適正化する。

【００２０】以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行に
Ｚ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に垂直
（走査方向）にＸ軸を取り、図１の紙面に平行（非走査
方向）にＹ軸を取って説明する。このとき、レチクルＲ
はレチクルステージ７上に吸着保持され、レチクルステ
ージ７は、レチクルベース６上にエアーベアリングを介
して浮上するように支持されており、リニアモータ等の
駆動機構によりＸ方向に連続移動すると共に、Ｘ方向、
Ｙ方向、回転方向に微動する。レチクルステージ７の側
面はＹ軸の鏡面７ｙ、及びＸ軸の鏡面に加工され、これ
らの鏡面にレチクル用のレーザ干渉計９より例えば３軸
のレーザビームが照射され、レーザ干渉計９はレチクル
ステージ７のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角を計測し、こ
の計測値をレチクルステージ駆動系１０、及び主制御系
５に供給する。レチクルステージ駆動系１０は、その計
測値、及び主制御系５からの制御情報に基づいてレチク
ルステージ７の走査動作、及び位置決め動作を制御す
る。

【００２１】一方、ウエハＷは不図示のウエハホルダ上
に真空吸着によって保持されており、このウエハホルダ
がＺチルトステージ３上に固定され、Ｚチルトステージ
３は、定盤１上にエアーベアリングを介して浮上するよ
うに支持されているＸＹステージ２上に固定されてい
る。Ｚチルトステージ３は、ウエハＷのＺ方向の位置
（フォーカス位置）、及び傾斜角を制御してオートフォ
ーカス方式でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に
合わせ込み、ＸＹステージ２は、リニアモータ等の駆動
機構によりＸ方向にウエハＷを連続移動すると共に、Ｘ
方向、Ｙ方向にＺチルトステージ３（ウエハＷ）をステ
ップ移動する。Ｚチルトステージ３、及びＸＹステージ
２よりウエハステージが構成されている。そして、Ｚチ
ルトステージ３の側面はＹ軸の鏡面３ｙ、及びＸ軸の鏡
面に加工され、これらの鏡面にウエハ側のレーザ干渉計
１２より例えば３軸のレーザビームが照射され、レーザ
干渉計１２はＺチルトステージ３のＸ座標、Ｙ座標、及
び回転角を計測し、この計測値をウエハステージ駆動系
１３、及び主制御系５に供給する。ウエハ側のレーザ干
渉計１２によって計測されるＺチルトステージ３（ウエ
ハＷ）のＸ座標、及びＹ座標よりなる座標系（Ｘ，Ｙ）
を、ウエハステージの座標系、又は静止座標系と呼ぶ。
ウエハステージ駆動系１３は、その計測値、及び主制御
系５からの制御情報に基づいてＸＹステージ２の動作を
制御する。

【００２２】そして、ウエハＷに対する露光時には、ウ
エハＷ上の一つのショット領域への露光が終了した後
に、ＸＹステージ２をステップ移動することによって、
ウエハＷ上の次のショット領域が投影光学系ＰＬによる
露光領域１５の手前に移動される。その後、レチクルス
テージ７及びＸＹステージ２を駆動して、レチクルＲと
ウエハＷとを、投影倍率βを速度比として投影光学系Ｐ
Ｌに対して同期走査して、露光光ＩＬを照射するという
動作が、ステップ・アンド・スキャン方式で繰り返され
て、ウエハＷ上の各ショット領域への走査露光が行われ
る。

【００２３】次に、本例の投影光学系ＰＬの結像特性に
つき説明する。本例の投影光学系ＰＬは、レチクルＲの
パターン面に対する光学的フーリエ変換面を挟んで前群
１６と後群１７とに分かれており、前群１６及び後群１
７はそれぞれ光軸ＡＸの周りに回転調整できるような鏡
筒（不図示）に保持されている。それらの前群１６及び
後群１７の回転角は以下のように調整される。

【００２４】図２は、図１の投影光学系ＰＬによる露光
領域１５を示し、この図２において、露光領域１５は走
査方向（Ｘ方向）に狭く、非走査方向（Ｙ方向）に広い
矩形である。また、露光領域１５は、ほぼ投影光学系Ｐ
Ｌによる有効視野の輪郭に内接している。本例では、一
例として投影光学系ＰＬを本例の投影露光装置に組み込
んだ際に、前群１６、及び後群１７の回転角を、露光領
域１５内でのディストーションが最小になるように設定
する。このためには、図１のレチクルＲとして評価用パ
ターンの形成されたテストレチクルを載置して、例えば
前群１６、及び後群１７の回転角を所定量ずつ変化させ
ながら、その評価用パターンの像を評価用の未露光のウ
エハ上に露光して、現像後に得られる投影像のディスト
ーションを計測すればよい。又は、ウエハステージ側に
スリット等を有する空間像計測系を備えておき、この計
測系を用いてその評価用パターンの投影位置を実測して
もよい。これによって、走査露光後には、ショット領域
の全面でディストーションが最小になり、高い重ね合わ
せ精度が得られる。

【００２５】なお、露光領域１５内でディストーション
を最小にする外に、例えば球面収差、非点収差、コマ収
差、若しくは像面湾曲等の他のザイデルの収差、更に高
次の収差、又は波面収差が最小になるように前群１６、
及び後群１７の回転角を調整してもよい。また、予め投
影光学系ＰＬを組み立てる際に所定の収差が最小になる
方向を計測しておき、投影光学系ＰＬを本例の投影露光
装置に組み込む際にその収差が最小になる方向を、露光
領域１５の長手方向、即ち非走査方向（Ｙ方向）に合わ
せてもよい。また、露光を継続して行った後のメンテナ
ンス時等にその前群１６、及び後群１７の回転角を調整
してもよい。また、前群１６、及び後群１７よりも細か
いユニット毎に回転角を調整するようにしてもよく、反
対に投影光学系ＰＬ全体としての回転角のみを調整する
ようにしてもよい。

【００２６】更に、実際には必ずしも露光領域１５の長
手方向で所定の収差が最小になるように調整する必要の
無いこともある。即ち、投影光学系ＰＬの結像特性は諸
収差のバランスによって定まるため、例えば複数の収差
が平均的に小さくなる方向をその露光領域１５の長手方
向としてもよい。また、本例の投影光学系ＰＬは屈折系
であるが、最近のＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）エキシマレ
ーザ光のように露光光が短波長化してくると、透過率の
良好な硝材があまり無いため、投影光学系ＰＬを反射屈
折系（カタジオプトリック系）で構成することが考えら
れている。このような場合には、ウエハＷ上での露光領
域は、図２に２点鎖線で示すように、非走査方向（Ｙ方
向）に広がる円弧状の露光領域１５Ｓとなることもあ
る。この際にも、投影光学系の所定の収差がその露光領
域１５Ｓの広がりの方向（非走査方向）で例えば最小に
なるように調整することで、走査露光後の投影像の特性
を向上できる。

【００２７】次に、図１の投影露光装置で重ね合わせ露
光を行う場合には、その露光前に予めレチクルＲとウエ
ハＷとのアライメントを行っておく必要がある。そのた
め、レチクルＲの上方には、レチクルアライメント顕微
鏡（不図示）が配置され、このレチクルアライメント顕
微鏡の計測結果に基づいて、レチクルＲがステージ座標
系（静止座標系）（Ｘ，Ｙ）に対してアライメントされ
る。

【００２８】また、図４に示すように、ウエハＷ上の各
ショット領域ＳＡにはそれぞれアライメント用のＸ軸の
ウエハマークＷＭＸ、及びＹ軸のウエハマークＷＭＹが
付設されており、これらのウエハマークの位置を検出す
るために、図１の投影光学系ＰＬの側面にオフ・アクシ
ス方式で画像処理方式のアライメントセンサ４が配置さ
れている。図４において、Ｘ軸のウエハマークＷＭＸ
は、計測方向としてのＸ方向に所定ピッチで例えば凹凸
のライン・アンド・スペースパターンを形成したマーク
であり、Ｙ軸のウエハマークＷＭＹは、計測方向として
のＹ方向に所定ピッチで例えば凹凸のライン・アンド・
スペースパターンを形成したマークである。

【００２９】図１のアライメントセンサ４は、ほぼ白色
（広帯域の）の照明光で被検マークを照明する照明系
と、その被検マークの拡大像を形成する拡大結像系と、
その像を撮像するＣＣＤ型の２次元の撮像素子と、を備
えている。アライメントセンサ４からの撮像信号より、
アライメント信号処理系１４は検出対象のマークの所定
の検出中心からの位置ずれ量を求めて主制御系５に供給
する。主制御系５は、ウエハ側のレーザ干渉計１２を介
して検出されるＺチルトステージ３（ウエハＷ）のＸ座
標、Ｙ座標にその位置ずれ量を加算することによって、
その検出対象のマークのステージ座標系（Ｘ，Ｙ）での
配列座標を求めることができる。

【００３０】また、レチクルＲのアライメント時に、Ｚ
チルトステージ３上の所定の基準マークの位置をアライ
メントセンサ４を介して検出することによって、レチク
ルＲのパターン像の中心とアライメントセンサ４の検出
中心との間隔であるベースライン量ＢＬが求められて、
主制御系５の記憶部に記憶される。これ以後は、アライ
メントセンサ４の検出結果から得られるウエハＷ上の各
ショット領域の配列座標を、そのベースライン量ＢＬ分
だけずらすことによって、各ショット領域に既に形成さ
れている回路パターンと、レチクルＲのパターン像とを
高精度に重ね合わせて露光することができる。

【００３１】図３は、本例のアライメントセンサ４の構
成を示し、この図３において、ハロゲンランプ等の光源
２１から射出されたレジストに対する感光性が弱く比較
的広帯域の照明光は、コデンサレンズ２２によって集光
されて視野絞り２３を均一に照明する。例えば図４のＹ
軸のウエハマークＷＭＹが検出対象であるとすると、予
め例えばサーチアライメントによって求めてある大まか
な位置関係に基づいて、そのウエハマークＷＭＹが視野
絞り２３によって設定される視野１８Ｙ内に移動する。
一方、Ｘ軸のウエハマークＷＭＸが検出対象であるとき
には、そのウエハマークＷＭＸが視野絞り２３によって
設定される視野１８Ｘ内に移動する。

【００３２】図３において、視野絞り２３を通過した照
明光は、照明リレーレンズ２４によってコリメートさ
れ、ハーフプリズム２５により下方に分岐される。分岐
された照明光は、第１対物レンズ２６によって集光され
てウエハＷ上の被検マーク（ここではＹ軸のウエハマー
クＷＭＹとする）を照明する。視野絞り２３とウエハＷ
の表面（ウエハ面）とは共役な位置関係にあり、視野絞
り２３内の開口に相似な視野内が均一な照度分布で照明
される。第１対物レンズ２６には、このレンズを光軸Ａ
Ｘ１を中心に回転するためのモータ等の回転駆動部２９
が備えられており、図１の主制御系５は、検出対象のウ
エハマークの計測方向に応じて回転駆動部２９を介して
第１対物レンズ２６を回転することによって、後述のよ
うに第１対物レンズ２６の波面収差が最も小さくなる方
向をその計測方向（Ｘ方向、又はＹ方向）に平行に設定
する。

【００３３】更に、照明されたウエハＷ上のウエハマー
クＷＭＹからの反射光を光束Ｌ１とすると、光束Ｌ１は
第１対物レンズ２６によってコリメートされ、ハーフプ
リズム２５を透過する。ハーフプリズム２５を透過した
光束Ｌ１は、第２対物レンズ２７によって集光されて、
ＣＣＤ型等の２次元の撮像素子２８の撮像面にウエハマ
ークＷＭＹの拡大像を形成する。撮像素子２８からの撮
像信号はアライメント信号処理系１４に供給され、アラ
イメント信号処理系１４では、その撮像信号を処理して
例えば撮像素子２８内の所定の画素の中心（検出中心）
を基準としてアライメントマークＷＭＹの像の計測方向
（ここではＹ方向）への位置ずれ量を求める。更に、ア
ライメント信号処理系１４は、その位置ずれ量に撮像素
子２８の撮像面からウエハ面への投影倍率を乗じて得ら
れる位置ずれ量を図１の主制御系５に供給する。

【００３４】次に、図３のアライメントセンサ４中でウ
エハマークの結像特性に最も大きな影響を与える第１対
物レンズ２６について説明する。第１対物レンズ２６
は、本例の投影露光装置に搭載する前に、予め収差の状
態が計測されている。一般の光学レンズは、製造時の加
工条件のばらつき等によって、微少ではあるが様々な収
差が残存している。また、現状の生産技術で光学レンズ
を製造した場合、残存する波面収差の光軸に関して非対
称な成分は、通常光軸を中心として方向性を有してい
る。そのため、第１対物レンズ２６にも全体として微少
ではあるが、光軸ＡＸ１を中心とした方向性を有する波
面収差が残存している。

【００３５】図６は、第１対物レンズ２６に残存してい
る非対称な波面収差の一例を示し、図６（ａ）の複数の
曲線は第１対物レンズ２６の瞳面（物体面に対する光学
的フーリエ変換面）における等位相の波面を示し、それ
らの曲線に付された０，±１，±２，…等の符号は２π
（ｒａｄ）、又は波長単位での位相を表している。そし
て、図６（ａ）の直交する座標系（η，ζ）は波面収差
を計測する際の座標系であり、図６（ｂ）の曲線は図６
（ａ）のη軸に沿う等位相波面、図６（ｃ）の曲線は図
６（ａ）のζ軸に沿う等位相波面を表している。

【００３６】図６（ａ）から、第１対物レンズ２６の発
生する波面収差の大きさは、光軸を中心とする方向に依
存することが分かる。また、図６（ａ）の特性では、ζ
軸に沿う方向で波面収差が最も小さくなっている。そこ
で、例えば第１対物レンズ２６の鏡筒の側面に、その波
面収差が最も小さくなる方向にマーク等を設けておき、
その第１対物レンズ２６を図３のアライメントセンサ４
に搭載した際には、その波面収差が最も小さくなる方向
を被検マークの計測方向に平行に設定する。図３に示す
ように、Ｙ軸のウエハマークＷＭＹの位置を計測する際
には、図６（ｃ）に示すように、第１対物レンズ２６に
おいて波面収差が最も小さくなるζ軸に沿う方向がＹ方
向となるように、図３の回転駆動部２９を介して第１対
物レンズ２６の回転角を制御する。

【００３７】次に、図４のＸ軸のウエハマークＷＭＸの
位置を検出する際には、回転駆動部２９を介して、第１
対物レンズ２６において波面収差が最も小さくなるζ軸
に沿う方向をＸ方向に平行に設定する。これによって、
Ｙ軸のウエハマークＷＭＹ、及びＸ軸のウエハマークＷ
ＭＸの位置をそれぞれ最も小さい波面収差の状態で高精
度に検出できる。なお、計測対象のマークとしては、ウ
エハマークのみならず、例えばウエハ上の隣接する２層
の重ね合わせ誤差を計測するためのレジストレーション
マーク等も可能である。そして、ステージの構成によっ
ては、第１対物レンズ２６を回転する代わりに、ステー
ジを介して被検マーク側を回転するようにしてもよい。
また、予め波面収差を計測しておく光学系は、第１対物
レンズ２６のみならず、第２対物レンズ２７についても
波面収差の状態を計測しておいて、計測方向に対してそ
の波面収差の最も小さい方向を平行にしてもよい。ま
た、第１対物レンズ２６、及び第２対物レンズ２７より
なる結像系の一体としての波面収差を予め計測しておい
てもよい。

【００３８】次に、図５を参照して第１対物レンズ２６
の波面収差の計測方法の一例につき説明する。先ず、図
５において、第１対物レンズ２６の物体面側に、光軸Ａ
Ｘ１上の物点３５を中心とする球面状の反射面を有する
球面ミラー３６を配置し、後述する干渉系ユニットＵ_IF
及び球面ミラー３６を保持部材３７を介して、光軸ＡＸ
１に垂直な面内で２次元的に移動できるように支持す
る。また、レーザ光源３０からのコヒーレントで平行な
レーザビームＬＢを、集光レンズ３１で集光して光軸Ａ
Ｘ１に平行な軸に沿ってハーフミラー３２に照射する。
ハーフミラー３２を透過したレーザビームＬＢＤは、一
つの点３４で集光した後発散して第１対物レンズ２６に
向かう。その点３４は、第１対物レンズ２６の物点３５
が存在する物体面と共役な像面上に位置しており、第１
対物レンズ２６に供給されたレーザビームＬＢＤは、物
点３５を含む物体面上で集光した後、球面ミラー３６で
反射されて再び第１対物レンズ２６を透過してハーフミ
ラー３２に入射する。

【００３９】一方、ハーフミラー３２で反射されたレー
ザビームＬＢＲは、一度集光した後、その集光点を中心
とする反射面を有する参照ミラー３３で反射されて再び
ハーフミラー３２に戻される。ハーフミラー３２に戻さ
れたレーザビームＬＢＤ及びＬＢＲは、ハーフミラー３
２で合成されて集光レンズ３８に向かい、集光レンズ３
８で平行ビームに合成されたレーザビームＬＢＤ及びＬ
ＢＲよりなる干渉光は光電検出器３９に入射し、光電検
出器３９の検出信号が不図示の信号処理系に供給され
る。

【００４０】なお、干渉系ユニットＵ_IFは、レーザ光源
３０、集光レンズ３１、ハーフミラー３２、参照ミラー
３３、集光レンズ３８及び光電検出器３９で構成され
る。この場合、光電検出器３９の検出信号は、第１対物
レンズ２６の波面収差によるレーザビームＬＢＤの位相
変化に応じて位相が変化することから、保持部材３７を
介して干渉系ユニットＵ_IFと球面ミラー３６とを一体的
に２次元移動させて、計測点３４を第１対物レンズ２６
の物体面内（視野内）で移動させる。そして、第１対物
レンズ２６の視野内の各物点での検出信号の位相分布を
それぞれ計測することによって、第１対物レンズ２６の
波面収差を計測できる。

【００４１】ただし、第１対物レンズ２６の波面収差
は、対物レンズ２６の視野内の複数の位置に計測点３４
を位置させて求めることが望ましいが、対物レンズの軸
上の物点（視野の中心）に計測点３４を位置させて、計
測された波面収差のみを第１対物レンズ２６の波面収差
としてもよい。なお、上記の実施の形態では、第１対物
レンズ２６の波面収差を予め計測しているが、それ以外
に、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、ディス
トーションよりなるザイデルの５収差、又はより高次の
収差、若しくは色収差等を計測しておき、これらの何れ
かの収差が最小になる方向を被検マークの計測方向に合
わせるようにしてもよい。また、必ずしも、或る一つの
収差が最小になる方向を計測方向に合わせるのではな
く、例えば所定の複数の収差が平均として最小になる方
向を計測方向に合わせるようにしてもよい。

【００４２】また、上記の実施の形態は、本発明の結像
系を画像処理型のアライメントセンサの対物光学系に適
用したものであるが、本発明は例えばＬＩＡ方式、又は
ＬＳＡ方式等のアライメントセンサの対物光学系にも適
用することができる。この場合にも、例えばその対物光
学系の少なくとも一部の光学系の収差の最も小さい方向
を計測方向に合わせればよい。

【００４３】次に、図１の投影露光装置を用いた半導体
デバイスの製造方法の一例について説明する。図７は、
そのデバイスの製造方法の一例の要部を示す。先ず、図
１で露光対象となるウエハＷ上の各ショット領域には、
それまでのプロセスによって複数層の回路パターンが形
成され、アライメント用のウエハマークＷＭＸ，ＷＭＹ
も付設されている。そして、ステップ１０１において、
そのウエハＷを含む１ロットのウエハ上に例えば金属膜
を蒸着し、その上にレジストを塗布する。

【００４４】その後ステップ１０２において、そのウエ
ハＷを含む１ロットのウエハを順次図１の投影露光装置
のＺチルトステージ３上にロードする。この際に、レチ
クルステージ７上には新たなレイヤ用の原版パターンが
形成されたレチクルＲが載置されており、レチクルＲの
ステージ座標系（Ｘ，Ｙ）に対するアライメントは完了
しているものとする。そして、ウエハＷに露光を行う場
合、例えばウエハＷ上のサーチアライメントマーク（不
図示）の位置を図４のアライメントセンサを介して検出
して大まかなアライメントを行った後、アライメントセ
ンサ４を介してウエハＷ上から選択された所定個数のシ
ョット領域のウエハマークＷＭＸ，ＷＭＹのＸ座標、Ｙ
座標を検出する。この際に、Ｘ軸のウエハマークＷＭ
Ｘ、又はＹ軸のウエハマークＷＭＹの何れのマークを検
出するかに応じて、図３の回転駆動部２９を介して第１
対物レンズ２６の球面収差の最も小さい方向を計測方向
に平行に設定する。そして、その検出結果より例えばエ
ンハンスト・グローバル・アライメント方式（ＥＧＡ方
式）でウエハＷ上の全部のショット領域の配列座標を求
める。

【００４５】次にステップ１０３において、その配列座
標に基づいて、レチクルＲとウエハＷ上の各ショット領
域とのアライメントを行いつつ、レチクルＲのパターン
像をウエハＷ上の各ショット領域に走査露光する。そし
て、ステップ１０４において、ウエハＷを含む露光済み
の１ロットのウエハ上のレジストの現像を行い、残され
たレジストパターンをマスクとしてエッチングを行って
所定の配線パターンを形成する。次のステップ１０５に
おいて、その１ロットのウエハについてレジスト剥離を
行った後、必要に応じて更に上のレイヤへの回路パター
ンを形成を行う。

【００４６】このようにしてウエハプロセスが終了した
１ロットのウエハは、実際の組立工程にて、焼き付けら
れた回路毎にウエハを切断してチップ化するダイシング
工程、各チップに配線等を行うボンディング工程、各チ
ップ毎にパッケージングするパッケージング工程等を経
て、最終的にＬＳＩ等の半導体デバイスが製造される。

【００４７】なお、以上では、投影露光装置を用いたウ
エハプロセスでのフォトリソグラフィ工程により半導体
デバイスを製造する例を示したが、投影露光装置を用い
たフォトリソグラフィ工程によって、撮像素子（ＣＣＤ
等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等のデバイス
も製造することができる。なお、本発明は上述の実施の
形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々の構成を取り得ることは勿論である。

【００４８】

【発明の効果】本発明の第１の結像系によれば、所定の
光学系の既知の収差が小さくなる方向を計測方向に合わ
せればよいだけであるため、その結像系の収差の調整を
短時間に、且つ有効に（高精度に）行うことができる。
また、その第１の結像系は投影露光装置のアライメント
センサの対物光学系として好適である。

【００４９】次に、本発明の２の結像系によれば、露光
領域の非走査方向（長手方向）に結像系の収差が小さい
方向を合わせるだけであるため、その結像系の収差の調
整を短時間に、且つ有効に行うことができる。また、そ
の第２の結像系は、走査露光型の投影露光装置の投影光
学系として好適である。次に、本発明の第１、又は第２
の露光装置によれば、それぞれ基板の位置合わせ、又は
走査露光を高精度に行うことができる。

【００５０】また、本発明の第１、又は第２のデバイス
の製造方法によれば、それぞれ高い歩留りでデバイスを
製造できる。更に、本発明の第１の結像系の使用方法に
よれば、その結像系の収差の状態を常に実質的に最良の
状態に維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例で使用される投影露
光装置を示す概略構成図である。

【図２】図１の投影光学系ＰＬによる露光領域の形状を
示す平面図である。

【図３】図１のアライメントセンサ４を示す構成図であ
る。

【図４】図１のウエハＷ上の各ショット領域に付設され
ているウエハマークを示す平面図である。

【図５】波面収差を計測するための計測用光学系の一例
を示す構成図である。

【図６】図３の第１対物レンズ２６の波面収差の一例を
示す図である。

【図７】その実施の形態の一例の投影露光装置を用いて
所定のデバイスを製造する際の工程の要部を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

２ＸＹステージ３Ｚチルトステージ４オフ・アクシス方式のアライメントセンサ５主制御系７レチクルステージ１５，１５Ｓ露光領域ＲレチクルＰＬ投影光学系ＷウエハＷＭＹ，ＷＭＸウエハマーク２１光源２２コンデンサレンズ２４照明リレーレンズ２６第１対物レンズ２７第２対物レンズ２８撮像素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検マークの像を所定の結像面上に投影
する結像系において、前記結像系の少なくとも一部を、収差の特性が既知の光
学系より構成し、該光学系の収差が実質的に最小になる方向を前記被検マ
ークの計測方向に合わせることを特徴とする結像系。
【請求項２】請求項１記載の結像系であって、前記被検マークは複数の計測方向を有する１つのマー
ク、又は互いに計測方向の異なる複数のマークであり、前記光学系を光軸の周りに回転する回転部材を設け、前記複数の計測方向の内の計測対象となる方向に合わせ
て、前記回転部材を介して前記光学系を回転することを
特徴とする結像系。
【請求項３】請求項１、又は２記載の結像系と、該結像系を介して前記被検マークの像を検出する位置検
出系と、マスクのパターンを前記被検マークとしての位置合わせ
用マークが形成された基板上に転写する露光本体部と、前記基板を移動するステージ系と、を備え、前記結像系
及び位置検出系によって検出される前記基板上の位置合
わせ用マークの位置に基づいて、前記ステージ系を介し
て前記基板の位置合わせを行うことを特徴とする露光装
置。
【請求項４】基板上の所定方向に沿って長手方向を持
つ実質的に矩形の露光領域、又は前記基板上の所定方向
に沿って広がった実質的に円弧状の露光領域にマスクの
パターンの像を投影する結像系において、前記結像系の実質的に最も収差が小さい方向を前記所定
方向に合わせることを特徴とする結像系。
【請求項５】請求項４記載の結像系と、前記マスク及び前記基板を前記結像系に対して同期して
移動するステージ系と、を備え、前記マスク及び前記基板を前記所定方向に直交する方向
に移動して走査露光を行うことを特徴とする露光装置。
【請求項６】請求項３記載の露光装置を用いたデバイ
スの製造方法であって、前記基板上に感光材料を塗布する工程と、前記マスクとして、前記デバイスの所定のレイヤの回路
パターンに対応するパターンが形成されたマスクを用
い、前記結像系及び位置検出系によって前記基板上の位
置合わせ用マークの位置を検出し、該検出結果に基づい
て、前記ステージ系を介して前記基板と前記マスクとの
位置合わせを行う工程と、前記マスクのパターンを前記基板上に転写する工程と、前記基板上の前記感光材料の現像を行って前記回路パタ
ーンを形成する工程と、を有することを特徴とするデバ
イスの製造方法。
【請求項７】請求項１、又は２記載の結像系によって
所定の計測方向を持つ被検マークの像を所定の結像面に
形成し、該結像面に形成された被検マークの像を検出す
る結像系の使用方法において、前記結像系、又は前記結像系を構成する少なくとも１つ
の光学部材に残存する収差を測定する測定工程と；該測
定された残存収差が所望の値を示す方向に前記計測方向
を合わせる調整工程と；を含むことを特徴とする結像系
の使用方法。
【請求項８】請求項５記載の露光装置を用いたデバイ
スの製造方法であって、前記基板上の前記所定方向に沿って長手方向を持つ実質
的に矩形の露光領域、又は前記所定方向に沿って広がる
円弧状の露光領域に前記マスクのパターンの像を露光
し、該マスク及び前記基板を前記結像系に対して同期し
て移動することによって前記マスクのパターンの像を前
記基板上に露光する露光工程と；前記露光工程に先立っ
て、前記結像系、又は該結像系を構成する少なくとも一
つの光学部材に残存する収差を測定する測定工程と；前
記露光工程と同時、又は前記露光工程に先立って、前記
測定工程によって測定された残存収差が所望の値を示す
方向に前記所定方向を合わせる調整工程と；を含むこと
を特徴とするデバイスの製造方法。