(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系からの光を集光して第２面上に前記第１面の像を形成する集光光学系とを有する光学系において、
前記対物光学系と前記第２面との間のテレセントリックな空間に、前記集光光学系で発生するコマ収差と相殺されるコマ収差を発生する補正光学系を配置し、
前記集光光学系と前記補正光学系との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させることを特徴とする収差補正光学系。
【請求項２】
第１面からの光を集光する対物光学系と、該対物光学系からの光を集光して第２面上に前記第１面の像を形成する集光光学系とを有する光学系において、
前記対物光学系と前記第２面との間に、前記集光光学系で発生する球面収差と相殺される球面収差を発生する補正光学系を配置し、
前記集光光学系と前記補正光学系との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させることを特徴とする収差補正光学系。
【請求項３】
前記集光光学系と前記補正光学系との間の空間が非テレセントリックであることを特徴とする請求項２記載の収差補正光学系。
【請求項４】
前記補正光学系はほぼ等倍正立のアフォーカル系であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の収差補正光学系。
【請求項５】
前記収差補正光学系は拡大倍率を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の収差補正光学系。
【請求項６】
前記対物光学系の前記第１面側がテレセントリックであることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の収差補正光学系。
【請求項７】
前記補正光学系は所定の屈折力を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の収差補正光学系。
【請求項８】
前記集光光学系と前記補正光学系とは色収差の補正が行われていることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載の収差補正光学系。
【請求項９】
メリジオナル像面とサジタル像面との乖離量を調整するための手段をさらに有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一項記載の収差補正光学系。
【請求項１０】
感光基板上の位置合わせ用のマークからの光を集光する対物光学系と、該対物光学系からの光を集光して前記位置合わせ用のマークの像を形成する集光光学系と、該集光光学系により形成される前記位置合わせ用のマークの像の位置を検出する検出手段と、を備え、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記感光基板の位置合わせを行う位置合わせ装置において、
前記対物光学系と前記検出手段との間のテレセントリックな空間に、前記集光光学系で発生するコマ収差と相殺されるコマ収差を発生する補正光学系を配置し、
前記集光光学系と前記補正光学系との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させることを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項１１】
感光基板上の位置合わせ用のマークからの光を集光する対物光学系と、該対物光学系からの光を集光して前記位置合わせ用のマークの像を形成する集光光学系と、該集光光学系により形成される前記位置合わせ用のマークの像の位置を検出する検出手段と、を備え、
前記検出手段の検出結果に基づいて前記感光基板の位置合わせを行う位置合わせ装置において、
前記対物光学系と前記検出手段との間に、前記集光光学系で発生する球面収差と相殺される球面収差を発生する補正光学系を配置し、
前記集光光学系と前記補正光学系との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させることを特徴とする位置合わせ装置。
【請求項１２】
感光基板にパターンを転写するための露光装置において、
前記感光基板上の位置合わせを行うために請求項１０又は１１記載の位置合わせ装置を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１３】
感光基板にパターンを転写するための露光方法において、
請求項１０又は１１記載の位置合わせ装置を用いて前記感光基板上の位置合わせを行う工程を有することを特徴とする露光方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えばコマ収差を補正するための収差補正光学系、及びこの収差補正光学系を備えた位置合わせ装置に関し、特に半導体素子、又は液晶表示素子等を製造する際に使用される投影露光装置において、感光基板上のアライメントマークの位置に基づいてその感光基板の位置合わせを行うアライメント装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子（又は液晶表示素子等）は一般に感光材料が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に複数層の回路パターンを積み重ねて形成されるため、回路パターンをウエハ上に露光するための投影露光装置には、これから露光するレチクルのパターンと既に回路パターンが形成されているウエハの各ショット領域との位置合わせを行うためのアライメント装置が備えられている。
【０００３】
従来この種のアライメント装置としては、特開平４−６５６０３号公報、特開平４−２７３２４６号公報等で提示されているように、ハロゲンランプ等の光源から射出される波長帯域幅の広い光でウエハ上のアライメントマーク（ウエハマーク）を照明し、その拡大像を撮像素子上に形成し、得られた撮像信号を画像処理してそのウエハマークの位置検出を行うオフ・アクシス方式で、且つ撮像方式のアライメント装置が知られている。撮像方式のアライメント装置の検出系はＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系とも呼ばれている。
【０００４】
この撮像方式のアライメント装置では、広帯域照明であるため、ウエハ上のフォトレジスト層での薄膜干渉の影響が低減される。更に、検出対象とするウエハマークが非対称マークであるときにも、得られたウエハマークの拡大像中から特定のエッジを選択する等の処理により、その非対称の影響を軽減することができる等、様々なプロセスウエハに対して高精度にアライメントを行うことができる。
【０００５】
また、従来のアライメント装置として、ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式で、且つ撮像方式のアライメント装置も知られている。ＴＴＬ方式の場合には、露光光の波長とアライメント用の検出光の波長とが異なるために、露光用の投影光学系においてアライメント用の検出光に対して収差が発生する。そこで、例えば特公平２−３５４４６号公報に開示されているＴＴＬ方式のアライメント装置では、アライメント用の検出光に対して投影光学系で発生するコマ収差を１枚の斜めに配置された平行平面板で補正し、この平行平面板により発生する非点収差を別の２枚の平行平面板で補正している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の撮像方式のアライメント装置の結像光学系では、加工、組立、調整等の製造工程において、僅かながら収差が残存していた。このように収差が残存していると、撮像面上でのウエハマーク像のコントラストが低下したり、ウエハマーク像に歪が生じるなどして、マーク位置の検出誤差が発生する。近年、回路パターンの線幅の微細化に伴い、益々高精度のアライメントが必要とされるようになり、上記の如き僅少な収差による、アライメント精度の低下も問題となってきている。
【０００７】
そのように残存する収差の内で、特にコマ収差のウエハマーク像の検出に及ぼす影響は大きく、軸対称なコマ収差や偏心コマ収差などの非対称な横収差が光学系内に発生していると、撮像面上に投影されるウエハマーク像は、理想結像の場合と比べて位置ずれして計測される。また、ピッチ、デューティ比、段差等のウエハマークの形状が変わった場合や、ウエハマークがデフォーカスした場合に、そのウエハマーク像にコマ収差が存在すると、その像の非対称性の度合いが様々に変化し、且つその計測位置のずれ量も様々に変わることになる。
【０００８】
半導体製造工程毎にウエハマークの形状は異なるため、コマ収差が残留した光学系でウエハのアライメント（位置合わせ）を行うと、プロセスオフセットが発生したり、重ね合わせ精度の再現性が悪化する等により、アライメント精度が低下する。また、結像光学系の光学性能（物体側開口数、倍率など）や画像処理の方式によって、光学系に許容されるコマ収差量は多少異なるものの、高精度のアライメントを可能とするにはほぼ０でなくてはならない。
【０００９】
これに関して、従来のアライメント装置では、光学系の製造上の精度を極力高めることで、コマ収差を含む諸収差の発生を押さえていたが、上記の要請に応えるほど十分にコマ収差を除去することは非常に困難であると共に、製造コスト的にも限界があった。
また、上述の特公平２−３５４４６号公報で開示されているＴＴＬ方式のアライメント装置では、コマ収差を低減させるために平行平面板を斜めに配置することにより、逆に非点収差や分散等の収差が発生するため、これを更に補正するための新たな光学部材の追加が必要となる。即ち、光軸に対して非対称に（斜めに）配置された平行平面板でコマ収差の補正を行う場合には、他の諸収差、例えば像面傾斜、非点収差、分散等が発生して、マーク像の像質が劣化してしまい、却ってマーク位置の検出精度の低下を招くことになる。そして、これを防ぐために更に収差補正部材を追加するのでは、光学系が大型化し、且つ製造コストも高くなるという不都合がある。
【００１０】
本発明は斯かる点に鑑み、簡単な構成で、他の収差には殆ど影響を与えることなく、コマ収差を容易に補正できる収差補正光学系を提供することを目的とする。更に本発明は、そのような収差補正光学系を備え高精度に位置合わせ用のマークの位置を検出できる位置合わせ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の収差補正光学系は、例えば図２に示すように、第１面（５）からの光を集光する対物光学系（８）と、この対物光学系からの光を集光して第２面（１４ａ）上にその第１面の像を形成する集光光学系（１０）とを有する光学系において、対物光学系（８）と第２面（１４ａ）との間のテレセントリックな空間に、集光光学系（１０）で発生するコマ収差と相殺されるコマ収差を発生する補正光学系（１３）を配置し、集光光学系（１０）と補正光学系（１３）との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させるものである。
【００１２】
また、本発明の第２の収差補正光学系は、第１の収差補正光学系と同じ前提のもとで、例えば図５に示すように、対物光学系（８）と第２面（１４ａ）との間に、この集光光学系で発生する球面収差と相殺される球面収差を発生する補正光学系（２０）を配置し、集光光学系（１０）と補正光学系（２０）との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させるものである。
【００１３】
この場合、集光光学系（１０）と補正光学系（２０）との間の空間は非テレセントリックであることが望ましい。
更に、これらの場合において、補正光学系（１３；２０）はほぼ等倍正立のアフォーカル系であることが望ましい。
次に、本発明の第１の位置合わせ装置は、例えば図１に示すように、感光基板（３）上の位置合わせ用のマーク（５）からの光を集光する対物光学系（８）と、この対物光学系からの光を集光して位置合わせ用のマーク（５）の像を形成する集光光学系（１０）と、この集光光学系により形成されるその位置合わせ用のマークの像の位置を検出する検出手段（１４）とを備え、この検出手段の検出結果に基づいて感光基板（３）の位置合わせを行う位置合わせ装置において、対物光学系（８）と検出手段（１４）との間のテレセントリックな空間に、集光光学系（１０）で発生するコマ収差と相殺されるコマ収差を発生する補正光学系（１３）を配置し、集光光学系（１０）と補正光学系（１３）との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させるものである。
【００１４】
また、本発明の第２の位置合わせ装置は、第１の位置合わせ装置と同じ前提のもとで、例えば図４に示すように、対物光学系（８）と検出手段（１４）との間に、集光光学系（１０）で発生する球面収差と相殺される球面収差を発生する補正光学系（２０）を配置し、集光光学系（１０）と補正光学系（２０）との少なくとも一方を偏心させることにより全系のコマ収差を減少させるものである。
また、本発明による露光装置は、感光基板にパターンを転写するための露光装置において、その感光基板上の位置合わせを行うために本発明の位置合わせ装置を備えるものである。
また、本発明による露光方法は、感光基板にパターンを転写するための露光方法において、本発明の位置合わせ装置を用いてその感光基板上の位置合わせを行う工程を有するものである。
【００１５】
【作用】
斯かる本発明によれば、例えば製造誤差等により理想光軸対称のコマ収差が発生している場合には、集光光学系（１０）と補正光学系（１３；２０）との少なくとも一方を偏心させて適量の偏心コマ収差を発生することにより、結像面上の特にコマ収差が問題になる範囲においてそのコマ収差を打ち消すことができる。一方、製造誤差等により結像面全体に一様に偏心コマ収差が発生している場合にも、適量の偏心コマ収差を発生させることにより、その結像面全域でコマ収差を打ち消すことができる。その際に、他の収差の発生は殆ど無視できる程度である。
【００１６】
【実施例】
［第１実施例］
以下、本発明の第１実施例につき図１〜図３を参照して説明する。本実施例は投影露光装置に備えられるオフ・アクシス方式で、且つ撮像方式のアライメント装置（位置合わせ装置）に本発明を適用したものである。
【００１７】
図１は本実施例の投影露光装置の概略構成を示し、この図１において、不図示の照明光学系からの露光光のもとで、レチクル１のパターンの像が投影光学系２を介してフォトレジストが塗布されたウエハ３上の各ショット領域に投影される。ここで、投影光学系２の光軸ＡＸ０  に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。
【００１８】
ウエハ５はウエハステージ４上に保持され、ウエハステージ４はウエハ３をＺ方向に位置決めするＺステージ、及びウエハ３をＸＹ平面内で移動させるＸＹステージ等から構成されている。ウエハ５上の或るショット領域へのレチクル１のパターン像の露光が終わると、ウエハステージ４のステッピングにより次のショット領域が露光位置に設定され、以下ステップ・アンド・リピート方式でウエハ３上の複数のショット領域への露光が行われる。この際に各ショット領域の位置決めを正確に行うためには、ウエハ３上の各ショット領域の位置、即ち各ショット領域に付設されたアライメント用のマーク（ウエハマーク）の位置を計測し、この計測結果に基づいてウエハステージ４のステッピング量を定める必要がある。以下の説明では、ウエハ３上の所定のショット領域に付設された所定のウエハマーク５の位置を計測するものとする。
【００１９】
本例では投影光学系２の側方にオフ・アクシス方式のアライメント光学系６が配されている。このアライメント光学系６において、不図示のハロゲンランプ等の光源からの、フォトレジストに対する感光性が低く、且つ広帯域の照明光Ｌ１は、ハーフミラー７に入射し、ハーフミラー７で反射された照明光Ｌ１は、第１対物レンズ８及びミラー９を介してウエハ３上のウエハマーク５を落射照明する。ウエハマーク５からの反射光は、ミラー９を経て第１対物レンズ８により集光されてハーフミラー７に戻り、ハーフミラー７を透過した反射光は、順次第２対物レンズ１０と、ほぼ等倍のガリレオ型のアフォーカル系１３とを通過して、２次元ＣＣＤよりなる撮像素子１４の撮像面上にウエハマーク５の拡大像を形成する。
【００２０】
本例のアフォーカル系１３は第２対物レンズ１０側から負屈折力を持つレンズ群１１及び正屈折力を持つレンズ群１２よりなり、且つアフォーカル系１３は一体となって、この結像光学系の光軸ＡＸ１  に対して垂直な任意の方向に所定範囲内で任意の量だけシフトできるように構成されている。そして、撮像素子１４からの撮像信号を画像処理することによりウエハマーク５の位置が検出され、この検出結果に基づいてウエハ３の当該ショット領域が露光位置に位置合わせ（アライメント）される。
【００２１】
図２（ａ）及び（ｂ）は、図１のアライメント光学系６中の結像光学系を示す拡大図であり、図２（ａ）及び（ｂ）では図１中のハーフミラー７及びミラー９は省略してある。先ず、物体面と像面との共役関係を示す図２（ａ）において、合焦状態では第１対物レンズ８の物体側焦点Ｆ１  を通り光軸に垂直な面上にウエハマーク５が位置し、ウエハマーク５からの光は第１対物レンズ８を通過した後ほぼ平行光束となって第２対物レンズ１０に入射し、第２対物レンズ１０からの光束がアフォーカル系１３を介して撮像素子１４上にウエハマーク５の像を形成する。
【００２２】
また、瞳の共役関係を示す図２（ｂ）において、第１対物レンズ８の像側焦点Ｆ１’と第２対物レンズ１０の物体側焦点Ｆ２  とはほぼ合致し、ウエハマーク５から出た光軸ＡＸ１  に平行な主光線は、第２対物レンズ１０から射出される際にも光軸ＡＸ１  にほぼ平行となる。この第２対物レンズ１０とアフォーカル系１３との間の空間がテレセントリックであるということは、本例の光学系の構成上特に望まれる条件である。それに続くアフォーカル系１３では、レンズ群１１の像側焦点Ｆ３’とレンズ群１２の物体側焦点Ｆ４  とがほぼ合致し、ほぼ等倍のガリレオ型のアフォーカル系が構成されている。そのため、第２対物レンズ１０から光軸ＡＸ１  に平行に射出される主光線は、アフォーカル系１３から射出される際にも光軸ＡＸ１  にほぼ平行である。よって、本例の第１対物レンズ８からアフォーカル系１３までの結像光学系は全体としてほぼ両側テレセントリック系となっている。更に、第１対物レンズ８の焦点距離に対して、第２対物レンズ１０の焦点距離の方が長く設定され、ウエハマーク５の形成面から撮像素子１４の撮像面１４ａへの倍率は拡大倍率となっている。
【００２３】
本例では、第１対物レンズ８はほぼ理想レンズに近く収差補正されている。一方、第２対物レンズ１０で適量発生させたコマ収差とアフォーカル系１３で発生したコマ収差とは、撮像面１４ａ上にて互いにほぼ打ち消し合うように収差補正してある。また、これに伴い第２対物レンズ１０で副次的に球面収差が発生することがあるが、この場合には、第２対物レンズ１０で発生した球面収差とアフォーカル系１３で発生した球面収差とが、撮像面１４ａ上にて互いにほぼ打ち消し合うように収差補正すればよい。
【００２４】
なお、上記の第２対物レンズ１０、及びアフォーカル系１３で発生しているコマ収差や球面収差はほぼ３次収差のレベルにあり、その他の収差はどのレンズ系にても殆ど発生せず十分に収差補正されている。本例では、第２対物レンズ１０の屈折力及び開口数（ＮＡ）が第１対物レンズ８に比べて拡大倍率分だけ十分に小さいため、第２対物レンズ１０及びアフォーカル系１３において、そのようにコマ収差同士が相殺するように収差の操作を行うことは容易である。このような収差関係で構成された本例の結像光学系により、撮像素子１４の撮像面１４ａ上に投影されるウエハマーク５の像はほぼ理想結像と見なすことが出来る。
【００２５】
次に、本例のアライメント光学系において、第１対物レンズ８等の製造誤差等に起因して撮像面１４ａ上でコマ収差が発生するときには、アフォーカル系１３を光軸ＡＸ１  に対して垂直な方向内の適当な方向に、且つ適当量だけシフトさせることで、撮像面１４ａ上には所望の量と方向の偏心コマ収差を発生させる。このため、製造誤差等で生じる２種類のコマ収差の内、理想光軸対称のコマ収差が発生している場合には、撮像面１４ａ上の特にコマ収差が問題となる範囲において、そのコマ収差をアフォーカル系１３のシフトにより発生したコマ収差で打ち消すことが可能である。また、偏心コマ収差が発生している場合には、撮像面全域の偏心コマ収差をアフォーカル系１３のシフトにより発生したコマ収差で打ち消すことが可能である。そのようにコマ収差が打ち消される範囲には他の収差は殆ど発生せず、ウエハマーク５の像は理想結像に近いものとなる。
【００２６】
また、図３（ａ）は第１実施例においてアフォーカル系１３のシフト量δに対して発生する偏心コマ収差量ΔＸＣを示し、図３（ａ）に示すように、発生する偏心コマ収差量ΔＸＣはアフォーカル系１３のシフト量δに比例し、その傾きは第２対物レンズ１０とアフォーカル系１３とで相殺し合うコマ収差量に比例する。従って、第２対物レンズ１０とアフォーカル系１３とで相殺し合うコマ収差量を適当に設定し、調整の容易なアフォーカル系１３を適当量だけシフトさせることで所望の偏心コマ収差を発生させることができる。発生する偏心コマ収差量ΔＨＣ、アフォーカル系１３のシフト量δに対して、相殺し合うコマ収差量をΔＣ、比例定数をｋ１  とすると以下のように表される。
【００２７】
ΔＨＣ＝ｋ１  ・ΔＣ・δ      （１）
（１）式を変形すると、ΔＨＣ／δ＝ｋ１  ・ΔＣとなるが、この関係が図３（ｂ）に表されている。
上述実施例では、ガリレオ型のアフォーカル系１３はほぼ等倍であるとしていたが、等倍であることの利点としては、偏心コマ収差を発生させるためにアフォーカル系１３をシフトしても、その後の光軸ＡＸ１  のずれ（倒れ、又はシフト）が殆ど無い点が挙げられる。
【００２８】
なお、上述実施例ではアフォーカル系１３を光軸ＡＸ１  から垂直な方向にシフトしているが、撮像面での光軸のずれ（倒れ、シフト）が問題にならないのであれば、図２（ａ）において、第２対物レンズ１０側を光軸ＡＸ１  から垂直な方向にシフトさせてもよい。また、本実施例ではアフォーカル系としてほぼ等倍のガリレオ型としたが、ほぼ等倍で正立でありさえすればよい。
【００２９】
本例は、第１対物レンズの物体側空間がテレセントリックであるものについて示したが、特に物体側がテレセントリックである必要がなく、逆に第１対物レンズの像側がテレセントリックの場合には、本例の第２対物レンズ１０とアフォーカル系１３の位置を入れ換え、同様の収差の相殺関係にすれば同様の性能が得られる。
【００３０】
また、光軸のずれ（倒れ、又はシフト）が問題にならない場合には、アフォーカル系１３が等倍正立でなくても、また所定の屈折力のあるレンズでも構わない。このときは、第２対物レンズ１０が前後２群のレンズ群によって構成されると考えられる。
図２（ｃ）は、そのような第１実施例の変形例として屈折力のあるレンズの場合を示し、この図２（ｃ）において、ウエハマーク５からの光は、第１対物レンズ８、及び第２対物レンズ１７を介して撮像素子１４の撮像面上にウエハマーク５の像を形成し、第２対物レンズ１７は、第１対物レンズ８側から正の屈折力を有する第１レンズ群１５、及び負の屈折力を有する第２レンズ群１６より構成されている。
【００３１】
この変形例では、第１対物レンズ８の像側焦点Ｆ１’と第２対物レンズ１７内の第１レンズ群１５の物体側焦点Ｆ１２とが一致し、第１対物レンズ８及び第１レンズ群１５よりなる合成系が両側テレセントリックの関係になっている。更に、第１レンズ群１５と第２レンズ群１６とは、互いにほぼ打ち消し合うようなコマ収差を発生すると共に、広帯域の波長にて色収差の補正が行われている。また、第２レンズ群１６が、全系の光軸ＡＸ１  に対して垂直な任意の方向にシフトできるように構成されている。そして、製造誤差等によりコマ収差が残存しているときには、第２レンズ群１６をシフトさせて所望の偏心コマ収差を発生させ、それにより残存しているコマ収差を打ち消すことができる。
【００３２】
なお、この変形例では第２レンズ群１６を光軸から垂直な方向にシフトしているが、図３（ｃ）において、第１レンズ群１５を光軸から垂直な方向にシフトさせてもよい。
【００３３】
［第２実施例］
次に、図４及び図５を参照して第２実施例につき説明する。本例は第１実施例において第２対物レンズ１０とアフォーカル系１３との順序を入れ換え、且つ第２対物レンズ１０とアフォーカル系１３との間の空間が非テレセントリックである実施例に相当し、図４及び図５において図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
【００３４】
図４は本実施例の投影露光装置の概略構成を示し、この図４において、ハーフミラー７により導かれた広帯域の照明光Ｌ１は、第１対物レンズ８及びミラー９を介してウエハ３上のウエハマーク５を落射照明する。ウエハマーク５からの反射光は、ミラー９、及び第１対物レンズ８を経て集光されてハーフミラー７に戻り、ハーフミラー７を透過した光束は、ほぼ等倍のガリレオ型のアフォーカル系２０と第２対物レンズ１０とを介して、撮像素子１４の撮像面上にウエハマーク５の拡大像を形成する。アフォーカル系２０は、第１対物レンズ８側から正屈折力を持つレンズ群１８、及び負屈折力を持つレンズ群１９より構成され、且つアフォーカル系２０は一体となってこの結像光学系の光軸ＡＸ１  に対して垂直な任意の方向に所定範囲内で任意の量だけシフト出来るように構成されている。但し、アフォーカル系を除く他の構成は第１実施例と同様である。
【００３５】
図５は図４中のアライメント光学系の結像光学系を示し、合焦状態では第１対物レンズ８の物体側焦点Ｆ１  を通り光軸ＡＸ１  に垂直な面上にウエハマーク５が位置し、ウエハマーク５からの光は第１対物レンズ８から射出された後、ほぼ平行光束となってアフォーカル系２０に入射する。そして、アフォーカル系２０から射出された光束は、次の第２対物レンズ１０により撮像素子１４の撮像面１４ａ上にウエハマーク５の像を形成する。
【００３６】
また、ウエハマーク５から射出された光軸ＡＸ１  に平行な主光線（破線）は、第１対物レンズ８から射出された後、光軸ＡＸ１  に非平行となり、アフォーカル系２０、更に第２対物レンズ１０に入射する。このアフォーカル系と第２対物レンズとの間の空間が非テレセントリックであるということは、本例の光学系の構成上特に望まれる条件である。更に、第１対物レンズ８の焦点距離に比べて第２対物レンズ１０の焦点距離の方が長く設定され、ウエハマーク５の配置面から撮像面１４ａへの倍率は拡大倍率となっている。
【００３７】
また、第１対物レンズ８はほぼ理想レンズに近く収差補正されている。一方、アフォーカル系２０で適当量発生させた球面収差と第２対物レンズ１０で発生した球面収差とは、撮像面１４ａ上にて互いにほぼ打ち消し合うように収差補正してある。なお、それらアフォーカル系２０及び第２対物レンズ１０の各々で発生している球面収差はほぼ３次収差のレベルにあり、その他の収差はどのレンズ系にても殆ど発生せず、十分に収差補正されている。本例でも、拡大光学系における第２対物レンズ１０の屈折力及び開口数（ＮＡ）が、第１対物レンズ８のそれに比べて倍率分だけ十分に小さいため、第２対物レンズ１０及びアフォーカル系２０においてそのように球面収差同士が相殺し合うように収差を操作することは容易である。このような収差関係で構成された上記光学系により撮像素子１４上に投影されるウエハマーク５の像はほぼ理想結像と見なすことが出来る。
【００３８】
本例の結像光学系において、第１対物レンズ８等により製造誤差等に起因して撮像面１４ａ上にコマ収差が発生したときには、アフォーカル系２０を光軸ＡＸ１  に対して垂直な所定の方向の適当量だけシフトさせて、撮像面１４ａ上には所望の量と向きの偏心コマ収差を発生させる。これにより、製造誤差等で生じる２種類のコマ収差の内、理想光軸対称のコマ収差が発生している場合には、撮像面上の特にコマ収差が問題となる範囲においてそのコマ収差を打ち消すことが可能であり、また、偏心コマ収差が発生している場合には、撮像面全域にてその偏心コマ収差を打ち消すことが可能である。このとき、そのコマ収差の発生範囲には他の収差として若干のメリジオナル像面とサジタル像面との乖離（像面の倒れは無い）が生じるが、他の収差は殆ど発生しない。
【００３９】
図３（ｃ）は、第２実施例におけるアフォーカル系２０の光軸ＡＸ１  からのシフト量δに対する発生する偏心コマ収差量ΔＨＣを示し、図３（ｃ）に示すように、発生する偏心コマ収差量ΔＨＣはアフォーカル系２０のシフト量δに比例し、その傾きは、相殺し合う球面収差量に比例する。そこで、相殺し合う球面収差量を適当に設定し、調整の容易なアフォーカル系２０を適当な方向に適量シフトさせることで、所望の量、及び向きの偏心コマ収差を発生させることができる。発生する偏心コマ収差量ΔＨＣ、アフォーカル系２０のシフト量δに対して、相殺し合う球面収差量をΔＳ、比例定数をｋ２  とすると以下のように表される。
【００４０】
ΔＨＣ＝ｋ２・ΔＳ・δ    （２）
この（２）式を変形すると、ΔＨＣ／δ＝ｋ２・ΔＳとなるが、この関係が図３（ｄ）に表されている。また、上述の像面の乖離は、発生する像面乖離量をΔＡＳ、相殺し合う球面収差量をΔＳ、アフォーカル系２０のシフト量をδ、比例定数をｋ３  とすると以下のように表される。
【００４１】
ΔＡＳ＝ｋ３・ΔＳ・δ２    （３）
即ち、アフォーカル系２０のシフト量δが小さい範囲においては、像面乖離量ΔＡＳは無視できる大きさであるが、シフト量δが或る程度大きく像面乖離量ΔＡＳが無視できないときであっても、光学系内に元々その調整機構（例えばシリンドリカルレンズを利用したもの等）があれば問題はない。
【００４２】
なお、上述実施例ではガリレオ型のアフォーカル系２０はほぼ等倍であるとしたが、等倍であることの利点は、アフォーカル系２０を偏心コマ収差を発生させるためにシフトしても、その後の光軸ＡＸ１  のずれが殆ど無いという点が挙げられる。
また、本例ではアフォーカル系としてほぼ等倍のガリレオ型としたが、ほぼ等倍で正立でありさえすればどのようなタイプでもよい。
【００４３】
撮像面での光軸のずれ（倒れ、シフト）が問題にならないのであれば、図５（ａ）において、アフォーカル系２０ではなく、第２対物レンズ１０側を光軸ＡＸ１  に対して垂直な方向にシフトしても同様の効果が得られる。また、本例では第１対物レンズ８と第２対物レンズ１０との間にアフォーカル系２０を配置したが、第２対物レンズ１０とアフォーカル系２０の配置が逆であっても、第２対物レンズ１０とアフォーカル系２０との間の空間が非テレセントリックであるならば同様に実現できる。
【００４４】
［第３実施例］
図６〜図１１を参照して第３実施例につき説明する。本実施例は、投影露光装置に設けられるオフ・アクシス方式で、且つ所謂レーザ・ステップ・アライメント方式のアライメント装置の照明系に本発明を適用したものである。
図６は本実施例の投影露光装置の要部の斜視図であり、この図６において、不図示のレチクルのパターンの像が投影光学系２を介してウエハステージ４上のウエハ３の各ショット領域に投影露光される。ウエハステージ４の上部にはＸ軸に垂直な反射面を有する移動鏡２１Ｘ、及びＹ軸に垂直な反射面を有する移動鏡２１Ｙが固定され、不図示のＸ軸用のレーザ干渉計から投影光学系２の光軸を通り、且つＸ軸に平行な直線に沿ってレーザビーム２２Ｘが移動鏡２１Ｘに照射され、不図示のＹ軸用のレーザ干渉計から投影光学系２の光軸を通り、且つＹ軸に平行な直線に沿ってレーザビーム２２Ｙが移動鏡２１Ｙに照射され、それらのレーザ干渉計によりウエハステージ４の２次元の座標（Ｘ，Ｙ）が計測されている。
【００４５】
また、投影光学系２の側方にオフ・アクシス方式のアライメント装置のアライメント光学系２４が配置されている。そのアライメント光学系２４は、レーザ・ステップ・アライメント方式の検出系（以下、「ＬＳＡ系」と呼ぶ）２６と、撮像方式の検出系であるＦＩＡ系５２とが一体化されたものであり、ＬＳＡ系２６からのレーザビームとＦＩＡ系５２からの照明光とがハーフプリズム４８により合成されて共通の第１対物レンズ４９に向かい、第１対物レンズ４９を通過した光束がミラーで反射されてウエハ３を落射照明する。そして、このミラーにより折り曲げられたアライメント光学系２４の光軸を通り、且つＸ軸に平行な直線に沿って不図示の回転計測用のレーザ干渉計から移動鏡２１Ｘにレーザビーム２３が供給され、回転計測用のレーザ干渉計の計測値とＸ軸用のレーザ干渉計の計測値との差分により、ウエハステージ４の回転角が検出される。
【００４６】
図７は、図６中のアライメント光学系２４を示す拡大斜視図であり、この図７のＬＳＡ系２６において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源３１から射出されるレーザビームＬ２は、ビームエキスパンダ３２、及びシリンドリカルレンズ３３を経て、ＸＹ分離用偏光ビームスプリッタ３４を介してＸ軸用の断面形状が細長いシートビームＬ４と、Ｙ軸用のシートビームＬ３とに分離される。そして、Ｙ軸用のシートビームＬ３は、視野絞り３５Ｙ、ミラー３６、ミラー３７Ｙ、リレーレンズ３８Ｙ、ミラー３９Ｙを経て送受光分離用偏光ビームスプリッター４０Ｙに達し、偏光ビームスプリッター４０Ｙを透過したシートビームは、フーリエ変換レンズ４１Ｙ、１／４波長板４２Ｙ、及びミラー４５を介してアフォーカル系４６に入射する。
【００４７】
一方、Ｘ軸用のシートビームＬ４は、Ｙ軸用のシートビームＬ３とほぼ対称に視野絞り３５Ｘ〜１／４波長板４２Ｘを介して、ウエハ３（図６参照）の表面と共役な面の近傍でＹ軸用のシートビームと視野合成されて、ほぼ等倍のガリレオ型のアフォーカル系４６に入射し、アフォーカル系４６から射出される両シートビームは、第２対物レンズ４７により集光されハーフプリズム４８で反射されて一度交差した後、第１対物レンズ４９及びミラー５０を経てそれぞれＸ軸用のシートビーム５１Ｘ、及びＹ軸用のシートビーム５１Ｙとしてウエハ３上に入射する。それらシートビーム５１Ｘ、及びシートビーム５１Ｙの照射位置の近傍のウエハ３上にそれぞれＸ軸用のウエハマーク２５Ｘ、及びＹ軸用のウエハマーク２５Ｙが形成されている。
【００４８】
また、ＦＩＡ系において、ライトガイド５３から射出された広帯域の照明光は、コンデンサーレンズ５４により集光されハーフミラー５５を透過した後、第２対物レンズ５６を介してハーフプリズム４８に入射する。そして、ハーフプリズム４８を透過した照明光は、共通の第１対物レンズ４９及びミラー５０を経てウエハ３上に照射され、ウエハ３からの反射光は、ミラー５０、第１対物レンズ４９、ハーフプリズム４８、第２対物レンズ５６及びハーフミラー５５を介してＣＣＤカメラ５７上にウエハマークの像を形成する。
【００４９】
図８は、ウエハ３上の第１対物レンズ４９の観察視野５８を示し、この図８において、Ｘ軸用のウエハマーク２５ＸはＹ方向に所定ピッチで配列されたドットパターン、Ｙ軸用のウエハマーク２５ＹはＸ方向に所定ピッチで配列されたドットパターンであり、Ｘ軸用のシートビーム５１ＸはＹ方向にスリット状に伸びた光ビーム、Ｙ軸用のシートビーム５１ＹはＸ方向にスリット状に伸びた光ビームである。また、シートビーム５１Ｘとシートビーム５１Ｙとは第１対物レンズ４９の光軸ＡＸ１  を挟むように配置され、第１対物レンズ４９の光軸ＡＸ１  と図６の投影光学系２の光軸ＡＸ０  とを通る直線はＹ軸に平行である。
【００５０】
図８において、ウエハステージを駆動することによりシートビーム５１Ｘに対してウエハマーク２５ＸをＸ方向に横切るように走査すると、シートビーム５１Ｘとウエハマーク２５Ｘとが合致したときに所定の方向に回折光が射出されるため、その回折光の強度が最大になるときのウエハステージのＸ座標を検出することによりウエハマーク２５ＸのＸ座標が検出できる。同様に、シートビーム５１Ｙに対してウエハマーク２５ＹをＹ方向に横切るように走査し、シートビーム５１Ｙとウエハマーク２５Ｙとが合致したときの回折光を検出することにより、ウエハマーク２５ＹのＹ座標が検出される。ウエハマーク２５Ｙからの回折光（反射光も含む）は図７のミラー５０、及び第１対物レンズ４９を経てハーフプリズム４８に戻る。
【００５１】
図７において、ハーフプリズム４８で反射された回折光は、第２対物レンズ４７、アフォーカル系４６、ミラー４５、１／４波長板４２Ｙ、及びフーリエ変換レンズ４１Ｙを経て送受光分離用偏光ビームスプリッター４０Ｙに戻り、偏光ビームスプリッター４０Ｙで反射された回折光は、リレーレンズ４３Ｙを介して受光素子４４Ｙに導かれ、受光素子４４Ｙにて０次回折光を除く回折光が選択的に光電変換される。このとき、１／４波長板４２Ｙの方向を最適調整しておくことにより、ウエハマークからの回折光はほぼ完全に偏光ビームスプリッター４０Ｙにて反射されて受光素子４４Ｙに導かれる。
【００５２】
同様に、図８のＸ軸用のウエハマーク２５Ｘからの回折光は、Ｙ軸の回折光と対称に送受光分離用偏光ビームスプリッター４０Ｘに戻り、偏光ビームスプリッター４０Ｘで反射された回折光は、リレーレンズ４３Ｘを介して受光素子４４Ｘで受光される。そして、受光素子４４Ｘ，４４Ｙの出力信号、及びウエハステージ４の座標に基づいてウエハマーク２５Ｘ及び２５ＹのＸ座標及びＹ座標が計測され、この計測結果に基づいてウエハ３のアライメントが行われる。
【００５３】
ここで、本例において図７のアフォーカル系４６は一体として、光軸に垂直な任意の方向に所定範囲内で任意の量だけシフトできるように支持されている。
次に、本例のようにＨｅ−Ｎｅレーザ光源３１から射出されるレーザビームＬ２が繰り返しリレーされる場合に、コマ収差が発生しているときの弊害につき簡単に説明する。先ず、レーザビームのリレーは、レーザビームのビームウエスト（断面形状が最も小さい位置）のリレーとみなすことができる。
【００５４】
図１１（ａ）は、図７のビームエクスパンダ３２におけるレーザビームのリレーを示し、この図１１（ａ）において、ビームエクスパンダ３２が２枚のフーリエ変換レンズ６２及び６３により構成されている。そして、入射するレーザビームのビームウエスト６４Ａが第１のフーリエ変換レンズ６２によりビームウエスト６４Ｂにリレーされ、このビームウエスト６４Ｂが第２のフーリエ変換レンズ６３によりビームウエスト６４Ｃにリレーされている。
【００５５】
これに関して、図１１（ｂ）は理想レンズによりリレーされたビームウエスト６５Ａの近傍の拡大図であり、その近傍におけるビーム断面のエネルギーが最大となるライン６６Ａも表示されている。このように理想レンズにてリレーされた場合には、ライン６６Ａはビームウエスト前後で直線に分布する。ところが、図１１（ｃ）に示すように、リレーレンズに例えば偏心コマ収差が発生した場合には、ビームウエスト６５Ｂの近傍でのエネルギー分布が最大となるライン６６Ｂは、ビームウエスト６５Ｂの前後で湾曲してしまう。この湾曲量はその発生したコマ収差量にほぼ比例する。同様に、図７において第１対物レンズ４９からウエハ上に照射されるシートビーム２５Ｘ，２５Ｙもウエハ上でほぼビームウエストとなっており、仮にシートビーム２５Ｘ，２５Ｙに偏心コマ収差が発生していると、シートビーム２５Ｘ，２５Ｙ中のエネルギー分布が最大となるラインに曲がりが生ずることになる。
【００５６】
このようなエネルギー分布が最大となるラインの湾曲がアライメント精度に与える影響は、図８においてウエハマーク２５Ｘ，２５Ｙがウエハ上のシートビーム５１Ｘ，５１Ｙの集光点から図８の紙面に垂直な方向（Ｚ方向）に外れたとき（デフォーカスしたとき）に生じる。即ち、エネルギー分布の湾曲がない場合には、デフォーカスしてもウエハマーク２５Ｘ，２５Ｙの検出される位置がずれないようにするには、ウエハに対してエネルギー分布が最大となるラインを垂直にすればよい。このためには、図７において、例えば第２対物レンズ４７と第１対物レンズ４９との間に平行平面板を配置し、この平行平面板を適当な角度だけ傾斜させればよい。
【００５７】
ところが、エネルギー分布が最大となるラインに湾曲があると、このような調整ができず、ウエハマーク２５Ｘ，２５Ｙが集光点から少しでもデフォーカスしてＺ方向に外れてしまうと、ウエハマーク２５Ｘ，２５Ｙの検出される位置が横ずれして、アライメント誤差が生じてしまう。そのため、このようなエネルギー分布の湾曲は解消する必要があり、その原因となるコマ収差を殆ど０に抑えなければならない。
【００５８】
図９は、図７のＬＳＡ系２６内のアフォーカル系４６からウエハまでの送光系の概略の拡大図を示し、この図９において、第１対物レンズ４９と、第２対物レンズ４７と、アフォーカル系４６とからなる合成光学系は両側テレセントリック光学系を形成し、第１対物レンズ４９の焦点距離に対して第２対物レンズ４７の焦点距離が長く設定されている。また、アフォーカル系４６は第２対物レンズ４７側から順に負の屈折率を有するレンズ群６０、及び正の屈折率を有するレンズ群６１より構成されている。また、第１対物レンズ８の物体側焦点面がウエハ３の表面となり、その合成光学系の像側焦点面５９がウエハの表面に対する共役面となるように構成される。よって、ウエハの表面と共役な像側焦点面５９に導かれたシートビームは、ウエハ３の表面上に縮小されて集光される。
【００５９】
この例では、第１対物レンズ４９はほぼ理想レンズに近く収差補正されている。一方、第２対物レンズ４７で適当量発生させたコマ収差と、アフォーカル系４６で発生したコマ収差とは、ウエハ３の表面にて互いにほぼ打ち消し合うように収差補正してある。即ち、図９の送光系は、第１実施例である図２（ａ）の結像光学系を送光系として使用するものであり、構成及び作用効果は第１実施例と同様である。
【００６０】
図９に示すこの第３実施例の送光系においては、第１対物レンズ４９等における製造誤差等に起因してウエハ３の表面上にコマ収差が発生することがあっても、アフォーカル系４６を光軸ＡＸ１  に対して垂直な適当な方向に適当量だけシフトさせることで、そのコマ収差を打ち消すことができる。従って、ウエハ３上に集光されるシートビームは、エネルギー分布が最大となるラインに湾曲のないほぼ理想的なものと考えられる。
【００６１】
また、本例でも、図１０（ａ）に示すようにウエハ３上で発生する偏心コマ収差量ΔＨＣはアフォーカル系４６のシフト量δに比例し、その傾きは相殺し合うコマ収差量に比例するので、相殺し合うコマ収差量を適当に設定し、アフォーカル系４６をシフトさせることで所望の偏心コマ収差を発生させることができる。発生させたい偏心コマ収差ΔＨＣ、アフォーカル系のシフト量δに対して、第２対物レンズ４７とアフォーカル系４６にて相殺し合うコマ収差量をΔＣ、比例定数をｋ１  とすると、第１実施例と同じく（１）式が成立する。従って、第１実施例と同様に、図１０（ｂ）に示すように、ΔＨＣ／δとΔＣとは比例する。また、ほぼ等倍のアフォーカル系４６の代わりに、例えば角倍率α（αはウエハの表面への縮小倍率）のアフォーカル系や屈折力のあるレンズを使用してもよい。
【００６２】
なお、この第３実施例ではレーザビームを照射する際のエネルギー分布が最大となるラインの湾曲を補正しているが、例えばレーザビームを集光する際のスポット形状を乱すコマ収差の補正にも本発明が適用できる。また、アライメント光学系だけでなく、ウエハマークの重ね合わせ測定系においても本発明を適用することにより、測定結果の高精度化が期待できる。特に、重ね合わせ測定値の真値ずれ（所謂ティス）を殆ど無くすことが出来る。
【００６３】
このように、本発明は上述実施例に限定されず、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。
【００６４】
【発明の効果】
本発明の第１又は第２の収差補正光学系によれば、簡単なレンズ構成で、全体の光学系内に製造誤差等により生じたコマ収差を容易に相殺でき、且つ、他の収差に殆ど影響を与えることがない。また、集光光学系の物体又は像空間がテレセントリックであるかどうかに応じて、少なくともどちらかの収差補正光学系が実現できる。
【００６５】
更に、補正光学系がほぼ等倍で正立のアフォーカル系であるときには、例えばこのアフォーカル系を偏心させてコマ収差を補正した場合でも、その後の光軸のずれが無い利点がある。
次に、本発明の第１、又は第２の位置合わせ装置によれば、本発明の収差補正光学系が使用されているため、簡単構成で他の収差に殆ど影響を与えることなくコマ収差を補正でき、結果として高精度に位置合わせ用のマークの位置を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のアライメント装置を備えた投影露光装置の要部を示す構成図である。
【図２】（ａ）は第１実施例のアライメント光学系の結像関係を示す光路図、（ｂ）はその第１実施例の瞳の共役関係を示す光路図、（ｃ）は第１実施例の変形例を示す光路図である。
【図３】本発明の第１実施例及び第２実施例におけるアフォーカル系のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨＣとの関係等を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例のアライメント装置を備えた投影露光装置の要部を示す構成図である。
【図５】本発明の第２実施例のアライメント光学系の結像関係を示す光路図である。
【図６】本発明の第３実施例のアライメント装置を備えた投影露光装置の要部を示す斜視図である。
【図７】第３実施例のアライメント光学系を示す斜視図である。
【図８】第３実施例におけるウエハマークと照射されるシートビームとの関係を示す拡大平面図である。
【図９】第３実施例のアライメント光学系内の送光系の結像関係を示す光路図である。
【図１０】第３実施例におけるアフォーカル系のシフト量δと発生する偏心コマ収差量ΔＨＣとの関係等を示す図である。
【図１１】レーザビームのビームウエストをレンズ系でリレーする場合のコマ収差の影響の説明に供する図である。
【符号の説明】
３  ウエハ
４  ウエハステージ
５  ウエハマーク
６  アライメント光学系
７  ハーフミラー
８  第１対物レンズ
１０  第２対物レンズ
１３，２０  アフォーカル系
１４  撮像素子
２４  アライメント光学系
２６  ＬＳＡ系
５１Ｘ，５１Ｙ  シートビーム
５２  ＦＩＡ系
３１  Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源
４０Ｘ，４０Ｙ  送受光分離用変更ビームスプリッター
４４Ｘ，４４Ｙ  受光素子
４６  アフォーカル系
４７  第２対物レンズ
４９  第１対物レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003611054.tif 000009
【図９】
0003611054.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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