(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影原版上に設けられたパターンを感光性基板上に投影する投影光学系を備えた露光装置において、
前記感光性基板上に設けられた位置検出用パターンに対して所定波長のアライメント光を供給するための照明光学系と、
前記アライメント光により照明された位置検出用パターンからのアライメント光を受光可能な位置に設けられた対物レンズ系と、少なくとも１つの光束偏向手段とを有する集光光学系と、
該集光光学系を介したアライメント光を光電変換するための光電変換手段と、
前記アライメント光を前記対物レンズ系へ導くと共に、前記対物レンズ系を介した前記位置検出用パターンからの前記アライメント光を前記光電変換手段へ導く手段と、
を備え、
前記対物レンズ系の前記感光性基板側の開口数をＮＡW とするとき、
０．３５≦ＮＡW ≦０．８５
を満足し、
前記対物レンズ系は、最も感光性基板側に位置し且つ少なくとも１つの正屈折力を有する光学部材を備える前群と、後群とを備え、
前記少なくとも１つの光束偏向手段のうち最も前記感光性基板側に配置される光束偏向部材は、前記前群と前記後群との間に位置し、
前記集光光学系中の前記対物レンズ系は、各面の研磨面精度のＲＭＳの平均値が０．０１λ以下の光学素子から構成されることを特徴とする露光装置。
【請求項２】
前記最も感光性基板側に配置される光束偏向手段と、前記対物レンズ系の前記感光性基板から最も遠い面との距離Ｄが、
Ｄ≦３０ｍｍ
となるように配置されることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
【請求項３】
前記集光光学系の前記対物レンズ系は、前記対物レンズ系の計測中心位置と前記投影光学系の投影中心位置との距離ＢＬが、
５０ｍｍ≦ＢＬ≦２００ｍｍ
を満足するように配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の露光装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項記載の露光装置を用いて回路パターンをウエハ上に露光し、複数層の回路パターンを積み重ねて形成することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、または薄膜磁気ヘッド等のデバイスを製造するためのリソグラフィ工程において投影原版（マスク、レチクル等）を基板上に転写する際に用いられる露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子等のデバイスは、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の基板）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。
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ー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アライメント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。
【０００３】
図９にてＦＩＡ系のアライメント装置を設置した露光装置の従来例を説明する。光ファイバー８より発した広帯域波長の光束Ｔは、開口絞り７によって適当な照明光束Ｔとなって、コンデンサーレンズ６、視野絞り５、照明リレーレンズ４の順に透過した後、ハーフプリズム３に入射される。ハーフプリズム３を透過した光束Ｔは、第１対物レンズ２を透過して、落射プリズム１に入射する。落射プリズム１の光束反射面で反射した光束Ｔは、ウエハＷ上のアライメントマークを照明する。
ここでウエハＷは、ウエハステージ５０上に設置されている。ウエハステージ５０は、露光装置の投影光学系３０の投影中心軸Ｚ１、及びアライメントマークに入射される光束Ｔの計測中心軸Ｚ２に垂直なｘｙ平面に設置されており、ウエハステージ駆動部（不図示）によりｘｙｚ方向に移動可能となっている。
また、投影光学系３０の投影中心軸Ｚ１と、アライメントマークに入射する光束Ｔの計測中心軸Ｚ２との距離ＢＬ1（ベースライン長）を小さくするため、第１対物レンズ２は、その光軸がｘｙ平面と平行になるように設置され、第１対物レンズ２とウエハＷとの間の光路には、落射プリズム１が設置されている。
【０００４】
ウエハＷ上のアライメントマークで反射した光束Ｔは、落射プリズム１の光束反射面で反射して、第１対物レンズ２を透過してハーフプリズム３に入射する。ハーフプリズム３で反射した光束Ｔは、第２対物レンズ９を透過して、指標板１０上にアライメントマーク像を形成する。このアライメントマーク像を形成した光束Ｔは、リレーレンズ１１、１２を透過して、ｘｙ分岐ハーフプリズム１３に入射する。ｘｙ分岐ハーフプリズム１３に入射した光束Ｔのうち、ｘｙ分岐ハーフプリズム１３の光束分割面を透過した光束は、Ｘ座標用ＣＣＤ１４の撮像面に再結像される。
【０００５】
一方、ｘｙ分岐ハーフプリズム１３の光束分割面で反射した光束は、Ｙ座標用ＣＣＤ１５の撮像面に再結像される。これらＸ座標用ＣＣＤ１４及びＹ座標用ＣＣＤ１５から出力される撮像信号は、信号処理部４０で処理された後、アライメントマークの位置情報として主制御系（不図示）に転送される。この位置情報を基に、露光装置に設置されたマスク（不図示）とウエハＷの位置合わせを行った後に、マスクパターンをウエハＷ上の狙いの位置に投影光学系３０を介して転写露光する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来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利点がある。
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、光軸に軸対称なコマ収差や視野全面に均一な偏心コマ収差等の、瞳において光軸に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アライメントマーク像は、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、段差等のアライメントマークの形状が変わった場合や、アライメントマークがデフォーカスした場合に、そのアライメント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。
半導体製造工程毎にアライメント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。
したがって本発明は、被検物であるアライメントマークの位置を高精度に検出して、微細な線幅に対応できる露光装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明にかかる露光装置は、投影原版上に設けられたパターンを感光性基板上に投影する投影光学系を備えた露光装置であって、前記感光性基板上に設けられた位置検出用パターンに対して所定波長のアライメント光を供給するための照明光学系と、前記アライメント光により照明された位置検出用パターンからのアライメント光を受光可能な位置に設けられた対物レンズ系と、少なくとも１つの光束偏向手段とを有する集光光学系と、該集光光学系を介したアライメント光を光電変換するための光電変換手段とを備え、前記対物レンズ系の前記感光性基板側の開口数をＮＡW とするとき、
０．３５≦ＮＡW ≦０．８５
を満足するものである。その際、前記集光光学系中の前記対物レンズ系は、各面の研磨面精度のＲＭＳの平均値が０．０１λ以下の光学素子から構成される。但し、λは使用中心波長である。
【０００９】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記少なくとも１つの光束偏向手段のうち最も前記感光性基板側に配置される光束偏向手段と前記感光性基板との間の光路中には、少なくとも１つの正屈折力を有する光学部材が配置されるものである。
また、本発明の好ましい態様によれば、前記対物レンズ系は、最も感光性基板側に位置する前群と後群とを有し、前記前群と前記後群との間には、前記光束偏向手段が位置するものである。
【００１０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記最も感光性基板側に配置される光束偏向手段と、前記対物レンズ系の前記感光性基板から最も遠い面との距離Ｄが、
Ｄ≦３０ｍｍ
となるように配置されるものである。
また、本発明の好ましい態様によれば、前記集光光学系の前記対物レンズ系は、前記対物レンズ系の計測中心位置と前記投影光学系の投影中心位置との距離ＢＬが、
５０ｍｍ≦ＢＬ≦２００ｍｍ
を満足するように配置されるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面によって説明する。本発明では、アライメント系中の対物レンズ系が、
０．３５≦ＮＡW≦０．８５                        （１）
但し、ＮＡW：対物レンズ系の感光性基板（ウエハ）側の開口数
を満足するように構成した。上記条件式（１）の説明をする前に、まず図１にて、光学系のコマ収差が結像に与える影響を説明する。ここで、図１（Ａ）は光学系にコマ収差が残存していないときの結像状態を示し、同図（Ｂ）は光学系にコマ収差が残存しているときの結像状態を示す。物体面Ｏには、ピッチがｐのライン・アンド・スペース・パターン（以下、ピッチｐのパターンと称する。）と、ピッチが２ｐのライン・アンド・スペース・パターン（以下、ピッチ２ｐのパターンと称する。）とが設けられている。
【００１２】
図示なき照明光によりこれらのパターンが照明されると、ピッチｐのパターンからは０次光及び±１次光Ｐ（＋１）、Ｐ（−１）が生じ、ピッチ２ｐのパターンからは０次光及び±１次光２Ｐ（＋１）、２Ｐ（−１）が生じる。なお、ピッチｐ及び２ｐのパターンからは、±２次以上の高次回折光も生じるが、ここでは高次回折光を無視する。
図１（Ａ）において、ピッチｐのパターンからの±１次回折光Ｐ（＋１）、Ｐ（−１）、並びにピッチ２ｐのパターンからの±１次回折光２Ｐ（＋１）、２Ｐ（−１）は、それぞれ、レンズ群Ｌ１、Ｌ２及び開口絞りＡＳからなる光学系を通過して、該光学系の像面Ｉ上の所定の点に到達する。ここで、同図（Ｂ）の光学系との比較のために、同図（Ａ）の光学系における瞳面（開口絞りＡＳの位置）での波面Ｗｉを理想波面とする。
【００１３】
また、図１（Ｂ）に示すように、レンズ群Ｌ１、Ｌ２及び開口絞りＡＳからなる光学系にコマ収差が残存している場合には、ピッチｐ及び２ｐのパターンからの±１次回折光Ｐ（＋１）、Ｐ（−１）及び２Ｐ（＋１）、２Ｐ（−１）には、当該コマ収差に対応する波面収差Ｗｃが付与される。このとき、ピッチｐのパターンからの−１次回折光Ｐ（−１）には、波面収差量ΔＷｃ（ｐ（−１））が付与され、＋１次回折光Ｐ（＋１）には、波面収差量ΔＷｃ（ｐ（＋１））が付与される。また、ピッチ２ｐのパターンからの−１次回折光２Ｐ（−１）には、波面収差量ΔＷｃ（２ｐ（−１））が付与され、＋１次回折光２Ｐ（＋１）には、波面収差量ΔＷｃ（２ｐ（＋１））が付与される。このように、光学系のコマ収差に応じた波面収差を有するときには、波面収差量ΔＷｃ（ｐ（−１））、ΔＷｃ（ｐ（＋１））と、波面収差量ΔＷｃ（２ｐ（−１））、ΔＷｃ（２ｐ（＋１））とは異なる。したがって、±１次回折光Ｐ（−１）、Ｐ（＋１）が像面Ｉに到達する位置と、±１次回折光２Ｐ（−１）、２Ｐ（＋１）が像面Ｉに到達する位置とが異なる。すなわち、光学系にコマ収差が存在しているときには、パターンのピッチの大きさにより、そのパターンの結像位置が異なってしまう問題がある。
【００１４】
また、上述のようなパターンのピッチの差のみならず、そのデューティ比や段差等が変わった場合においても、結像位置が変化してしまう。
半導体製造工程におけるアライメントに際して、コマ収差が残存した光学系を用いてウエハのアライメントを行うと、半導体製造工程毎にアライメントマークの形状（ピッチ、デューティ比、段差等）が異なるため、ウエハマークの形状により検出位置がばらつく、いわゆるプロセスオフセットが生じる。
【００１５】
次に図２にて、条件式（１）の説明を行う。図２は、アライメント系に残存しているコマ収差と、プロセスオフセットとの関係のシミュレーション結果を示すグラフであり、縦軸にプロセスオフセットをとり、横軸にコマ収差をとっている。このシミュレーションは、所定のコマ収差残存量が発生していたときのプロセスオフセット（理想位置からの像のずれ量）を、物体側開口数（ＮＡ）毎に計算したものである。これより、開口数が同じ条件であれば、残存するコマ収差を少なくすればするほど、プロセスオフセットを小さくすることができ、同じコマ収差であれば、光学系の開口数を大きくすればするほどプロセスオフセットを小さくすることができることが分かる。
さて、残存するコマ収差を少なくするためには、光学設計上の収差補正のみならず、製造工程における誤差を最小限にする必要があるが、製造誤差により生じるコマ収差の量を小さくすることには限界がある。図２に示すように、光学系の開口数が０．３５以下である場合には、製造誤差を限界まで追い込んでも、回路の微細化に伴って要求される厳しいアライメント精度を満足するほどプロセスオフセットを小さくすることは難しい。
【００１６】
一方、光学系の開口数を大きくすればするほどプロセスオフセットを小さくすることができるが、開口数が０．８５を超える場合には、開口数を大きくすることによるプロセスオフセットの減少への効果が少なくなる。すなわち、開口数を大きくすることによるグラフの傾きの変化が小さくなる。
またこの場合、光学設計上の負担も大きくなり、対物レンズ系に後続する光学系において補正不可能な高次の光学設計上のコマ収差の発生が大きくなる。すなわち、却ってコマ収差の発生を招き、結果としてプロセスオフセットの増大を招くことになる。
またこの場合、ウエハと、対物レンズ系の最もウエハ側のレンズ面との間隔、いわゆる作動距離を確保することも非常に困難になる。
したがって、上記条件式（１）で規定した範囲が、プロセスオフセットの低減に効果がある範囲である。
【００１７】
また、例えば本願出願人が特願平９−３３２８３号で提案しているように、アライメント系の対物レンズを介したＴＴＬ方式のオートフォーカスを実施しようとする場合、オートフォーカスの分解能を向上させるためには、対物レンズ系の開口数は小さくしたまま被検物とオートフォーカス用検出器との間の倍率を上げるか、対物レンズ系の開口数を大きくして上記倍率をあまり上げないかの２通りが考えられる。ここで、前者の場合、すなわち上記条件式（１）の下限を下回る場合においては、オートフォーカス用検出器に達する光量が減少し、オートフォーカスの測定精度や再現性が悪化し、その結果、アライメント精度の悪化を招く恐れがある。後者の場合には、オートフォーカス用検出器に達する光量は十分に維持されるので、オートフォーカスの測定精度や再現性は良好に保たれる。
【００１８】
また本発明では、条件式（１）に基づいて、上記対物レンズ系を構成する光学素子の各面の研磨精度のＲＭＳの平均値が０．０１λ以下であることが好ましい。但し、λは使用中心波長である。
上述したように、プロセスオフセットの大きさは、コマ収差に比例し、且つ開口数の大きさに反比例するため、コマ収差が一定である場合において開口数が大きいとプロセスオフセットは小さくなる。
ここで、本願発明者らは、対物レンズ系を構成する光学素子の各面の研磨精度のＲＭＳの平均値を０．０１λ以下とすると、対物レンズ系に残存している収差のうち、低次の収差が十分に小さく高次の収差が支配的になることを見出した。
【００１９】
このとき、対物レンズ系の瞳面においては、瞳面内において収差がランダムに分布することになり、開口数を小さくしてもコマ収差はあまり減少せず、開口数を大きくすることによるプロセスオフセットの減少が大となる。これに反して、低次の収差が支配的となる場合には、開口数を小さくすることによりコマ収差が減少することになるが、上記の光学素子の各面の研磨精度のＲＭＳの平均値が０．０１λ以下である場合に開口数を大きくしたときと比べて、コマ収差の値自体は大きくなり、結果としてプロセスオフセットの向上を図ることはできない。
本発明では、研磨精度をＲＭＳで表現しているが、研磨精度を最大値と最小値の差（いわゆる、ピーク・ツー・バレー、又はピーク・ツー・ピーク）や、収差係数で言い換えることもできる。
【００２０】
また本発明では、図３に示すように、最もウエハＷ側に配置されるミラー１８（光束偏向部材）と、ウエハＷとの間の光路中に、第１対物レンズ２（対物レンズ系）を配置することが好ましい。
マスク（投影原版）の像をウエハＷ（感光性基板）上に投影するための投影光学系３０においては、近年そのウエハＷ側の開口数が益々大きくなり、それに伴って投影光学系３０のウエハＷ側の作動距離を大きくすることが非常に困難となっている。また、条件式（１）で規定される開口数を有する第１対物レンズ２では、必然的にその外径は大きくなる。したがって、第１対物レンズ２を、図９に示す従来の配置とする場合、ウエハＷと投影光学系３０との間隔が非常に狭くなり、第１対物レンズ２を配置することが困難となる。更に、条件式（１）で規定される開口数の第１対物レンズ２では、長い作動距離（焦点距離）を確保することが困難であるため、図９のように落射プリズム１を第１対物レンズ２の物体側に介在させるための空間を確保できない。
【００２１】
このとき、図８に示すように、第１対物レンズ２の物体側に落射プリズム１を介在させない構成が考えられる。この場合には、第１対物レンズ２からの光束ＴをＸ座標用ＣＣＤ１４及びＹ座標用ＣＣＤ１５ヘ導く光路を確保するため、投影光学系３０の鏡筒をｘｙ平面へ投影した領域の外側に、第１対物レンズ２を設ける必要がある。前述のように、投影光学系３０自体も開口数の増大が図られているため、その鏡筒の径も大きい。したがって、このときには、ベースライン長ＢＬ1が非常に長くなることになる。
そこで、図３に示すような構成とすることで、ベースライン長ＢＬを従来並みの長さに、且つプロセスオフセットの低減を図るために第１対物レンズ２の開口数を大きくすることができる。
【００２２】
その際、図３に示す第１対物レンズ２を分割して第１対物レンズ前群と第１対物レンズ後群とで構成して、これら第１対物レンズ前群と第１対物レンズ後群との間の光路中に、第１対物レンズ前群からの光束を偏向させるためのミラー１８を配置することもできる。このとき、ミラー１８の位置では、大きな開口数の光束が第１対物レンズ前群の収斂作用により小さな開口数の光束に変換されるため、このミラー１８の大きさはそれ程大きなものである必要はない。更に、第１対物レンズ前群の全長（最も物体側のレンズ面から最も像側のレンズ面までの距離）は、第１対物レンズ２の全長よりも短いため、投影光学系３０の作動距離が短い場合であっても、その設置スペースに、第１対物レンズ前群と第１対物レンズ後群とミラー１８を設置して、光束を検出器へ導く光路を確保することができる。
【００２３】
また本発明では、最も感光性基板側に配置される光束偏向部材と、対物レンズ系の感光性基板から最も遠い面との距離Ｄが、
Ｄ≦３０ｍｍ                      （２）
となるように配置することが好ましい。図３において、ミラー１８（光束偏向部材）とウエハＷ（感光性基板）との距離の最大値ｈ0は、
0004258035.tif 000002
但し、Ａ：投影光学系３０の露光領域の直径
ＮＡUL：投影光学系３０のウエハＷ側の開口数
ＢＬ：ベースライン長
で求められる。上記最大値ｈ0は、投影光学系３０を構成する光学素子の厚みや、該光学素子を保持する保持部材の厚みを考慮していない値であり、ミラー１８とウエハＷとの距離ｈは、
ｈ≦ｈ0                            （Ｂ）
である。
【００２４】
ここで、ベースライン長ＢＬは、短ければ短いほど良いが（理由は後述）、このベースライン長ＢＬが短すぎると、上記（Ａ）、（Ｂ）式より距離ｈが短くなりすぎ、第１対物レンズ２を配置することが困難となる。本発明では、第１対物レンズ２の物体側開口数が条件式（１）を満足する構成であるため、ミラー１８とウエハＷとの距離ｈは、
３５ｍｍ≦ｈ≦７０ｍｍ
となる。ここで、ミラー１８とウエハＷとの間には、第１対物レンズ２を配置する必要があるため、この第１対物レンズ２の全長を考慮し、上記条件式（２）を得る。
条件式（２）を満足しない場合には、第１対物レンズ２及びミラー１８を、投影光学系３０とウエハＷとの間のスペースに配置することができなくなり、ベースライン長ＢＬを短く維持することが難しくなる。
【００２５】
また本発明では、ベースライン長ＢＬが、
５０ｍｍ≦ＢＬ≦２００ｍｍ                （３）
を満足することが好ましい。図３において、ベースライン長ＢＬが、条件式（３）の上限を超える場合には、ウエハＷを保持するためのウエハステージ５０の拡大化や、スループットの低下、更にはアライメント精度の長期安定性の低下を招くことになる。
まず、ウエハステージ５０の拡大化について説明する。オフアクシスアライメント方式においてウエハＷの全面を位置検出することを可能にするためには、ベースライン長ＢＬが長ければ、その分ウエハステージ５０を大きくしなければならない。ウエハステージ５０が拡大化すると、装置の床面積（フットプリント）も大きくなる。また、ウエハステージ５０が拡大化すると、その重量も増すため、ウエハステージ５０移動時に、装置が振動するといった問題も生じる。
【００２６】
次に、スループット低下について説明する。オフアクシスアライメント方式においては、例えば特開平６−２７５４９６号公報に提案されているような位置合わせ方式が用いられる。すなわち、ウエハＷ上の複数のアライメントマークの位置を計測し、その結果より統計的手法を用いてショット領域の座標を予測し、その後、ウエハＷ上のショット領域が投影光学系３０の露光領域となるようにウエハステージ５０を移動させる。この移動時間はベースライン長ＢＬの長さに比例して大きくなるため、上記条件式（３）の上限を上回るときには、スループットの低下は著しくなる。
次に、アライメント精度の長期安定性に関して説明する。オフアクシスアライメント方式では、投影光学系３０の投影中心軸Ｚ１からベースライン長ＢＬだけ離れたアライメント位置で、アライメントを行っている。このとき、ベースライン長ＢＬを管理するために、ウエハステージ５０上には基準マークが設置されるが、上記条件式（３）の上限を超えてベースライン長ＢＬが長くなるときには、長期的な熱変動により基準マークの位置ずれ、回転等の影響が大きくなる。
【００２７】
また、実際に露光動作を行う際には、干渉計により計測したアライメント位置でのウエハステージ座標から、ベースライン長ＢＬをオフセットとして除去した座標を、露光位置として取り扱うが、上記熱変動により、ウエハステージ５０上に設けられる干渉計の移動鏡等の回転による影響が生じる。条件式（３）の上限を超える場合には、この回転による計測位置誤差が大きくなる。
また、上記条件式（３）の下限を超えてベースライン長ＢＬが短くなる場合には、条件式（１）を満足する第１対物レンズ２を配置することが困難になるか、あるいは投影光学系３０のウエハＷ側の開口数の確保や投影領域の確保が困難になる。
【００２８】
以下、図３における具体的数値例を示す。ウエハＷとミラー１８との距離ｈをｈ＝５０ｍｍとし、べースライン長ＢＬをＢＬ＝１００ｍｍとし、第１対物レンズ２の物体側開口数はＮＡ＝０．６とする。更に、第１対物レンズ２の各面の研磨面精度を平均でＲＭＳ＝０．０１λ（λ＝６３３ｎｍ）とすることで、低次の収差成分は非常に小さくなる。このとき、開口数がＮＡ＝０．２程度の従来の第１対物レンズ２のコマ収差と、本数値例による開口数がＮＡ＝０．６の第１対物レンズ２のコマ収差とは、ほぼ等しくなる。プロセスオフセットとコマ収差との関係は、
プロセスオフセット＝コマ収差／ＮＡ
となるので、本数値例によるプロセスオフセットは、従来のプロセスオフセットの約１／３の大きさになる。
【００２９】
【実施例】
本発明の実施例を図面によって説明する。図４にて、本発明による露光装置の第１実施例を示す。同図（Ｂ）に示すように、光ファイバー８より発した光束Ｔは、開口絞り７によって適当な照明光束Ｔとなって、コンデンサーレンズ６、視野絞り５、照明リレーレンズ４の順に透過した後、ハーフプリズム３に入射する。
同図（Ａ）に示すように、ハーフプリズム３で反射した光束Ｔは、各ミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃで反射した後に、第１対物レンズ２を透過して、ウエハＷ上のアライメントマークを照明する。
【００３０】
ここでウエハＷは、ウエハステージ５０上に設置されている。ウエハステージ５０は、露光装置の投影光学系３０の投影中心軸Ｚ１、及びアライメントマークに入射される光束Ｔの計測中心軸Ｚ２に垂直なｘｙ平面に設置されており、ウエハステージ駆動部（不図示）によりｘｙ方向及びｚ方向に移動可能となっている。
また第１対物レンズ２は、その光軸が、投影光学系３０の投影中心軸Ｚ１、及びアライメントマークに入射される光束Ｔの計測中心軸Ｚ２に対して平行となるように配置されている。
また、第１対物レンズ２の物体側開口数は、前述した条件式（１）を満足する。また、第１対物レンズ２の各レンズ面の研磨面精度のＲＭＳの平均値は、０．０１λ以下（λは、光束の波長）となっている。また、ミラー１８ｃと第１対物レンズ２のレンズ上面との距離は、前述した条件式（２）を満足する。また、ベースライン長ＢＬは、前述した条件式（３）を満足する。
【００３１】
ウエハＷ上のアライメントマークで反射した光束Ｔは、第１対物レンズ２を透過して、各ミラー１８ｃ、１８ｂ、１８ａで反射した後に、ハーフプリズム３に入射する。ハーフプリズム３を透過した光束Ｔは、第２対物レンズ９を透過して、ミラー３５で反射された後に、指標板１０上にアライメントマーク像を形成する。このアライメントマーク像を形成した光束Ｔは、リレーレンズ１１、１２を透過して、ｘｙ分岐ハーフプリズム１３に入射する。ｘｙ分岐ハーフプリズム１３に入射した光束Ｔのうち、ｘｙ分岐ハーフプリズム１３の光束分割面を透過した光束は、Ｘ座標用ＣＣＤ１４の撮像面に再結像される。
一方、ｘｙ分岐ハーフプリズム１３の光束分割面で反射した光束は、Ｙ座標用ＣＣＤ１５の撮像面に再結像される。これらＸ座標用ＣＣＤ１４及びＹ座標用ＣＣＤ１５から出力される撮像信号は、信号処理部４０で処理された後、アライメントマークの位置情報として主制御系（不図示）に転送される。この位置情報を基に、露光装置に設置されたマスク（不図示）とウエハＷの位置合わせを行った後に、マスクパターンをウエハＷ上の狙いの位置に投影光学系３０を介して転写露光する。
【００３２】
なお、本第１実施例では、ハーフプリズム３に対して、光ファイバー８から発した光束Ｔをハーフプリズム３の反射光路側で用い、ウエハＷで反射した光束Ｔをハーフプリズム３の透過光路側で用いているが、本発明は、逆に、光ファイバー８から発した光束Ｔをハーフプリズム３の透過光路側で用い、ウエハＷで反射した光束Ｔをハーフプリズム３の反射光路側で用いても良い。
また、本第１実施例では、ハーフプリズム３と第１対物レンズ２との間の光路内に、ミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃを３枚配置しているが、必要に応じてミラーの枚数を増減しても良い。
以上のように本第１実施例では、ベースラインＢＬが短いので、スループットを高くすることができる。また、第１対物レンズ２の焦点距離（作動距離）が短いので、全体の光路長が短くなり、アライメント装置としての安定性を高くすることができ、更に第１対物レンズ２の物体側開口数を比較的大きく設定できるので、プロセスオフセットを小さくすることができる。
【００３３】
次に図５にて、本発明による露光装置の第２実施例を示す。本第２実施例と前記第１実施例との構成の違いは、図４における第１対物レンズ２を分割して、第１対物レンズ前群２ａと第１対物レンズ後群２ｂとを用いた点である。そして、図４の第１対物レンズ２の位置に第１対物レンズ前群２ａを設置して、ミラー１８とハーフプリズム３の間の光路に第１対物レンズ後群２ｂを配置している。図４のような構成では、第１対物レンズ２が大き過ぎて、装置に挿入できない場合に、図５の構成は有効となる。すなわち、装置内に装着するには大き過ぎる第１対物レンズ２を、第１対物レンズ前群２ａと第１対物レンズ後群２ｂとに分割することで装置内に装着可能とする。これにより、本第２実施例においても、第１実施例と同等の効果を得ることができる。
なお、本第２実施例では、第１対物レンズ群の分割数を、第１対物レンズ前群２ａと第１対物レンズ後群２ｂとの２つとしたが、必要に応じて、それ以上の群数に分割することも可能である。
また、図４のようにミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃを３枚配置した場合は、第１対物レンズ後群２ｂを両ミラー１８ｂ、１８ｃの間等、ハーフプリズム３と第１対物レンズ前群２ａとの間の光路内のどこへでも配置することができる。
【００３４】
次に図６にて、本発明による露光装置の第３実施例を示す。本第３実施例と前記第１実施例との構成の違いは、アライメント装置内に、ウエハＷの合焦度を検出するオートフォーカス機構を併設した点である。すなわち、第１実施例のアライメント装置がウエハＷのｘｙ方向の位置合わせのみ行うのに対して、本第３実施例では更にウエハＷのｚ方向の位置合わせも行う。
同図（Ｂ）に示すように、光ファイバー８より発した光束Ｔは、開口絞り７によって適当な照明光束Ｔとなって、コンデンサーレンズ６を透過して、視野絞り板１６に入射する。ここで、同図（Ｃ）に示すように、視野絞り板１６は、オートフォーカス用スリット２７と、ｘｙ方向の位置合わせ用の視野絞り５とで構成されている。視野絞り板１６を射出した光束Ｔは、照明リレーレンズ４を透過して、ハーフプリズム３に入射する。
【００３５】
同図（Ａ）に示すように、ハーフプリズム３で反射した光束Ｔは、各ミラー１８ａ、１８ｂ、１８ｃで反射した後に、第１対物レンズ２を透過して、ウエハＷ上に視野絞り５とオートフォーカス用スリット２７の投影像を形成する。
ウエハＷ上で反射した光束Ｔは、第１対物レンズ２を透過して、各ミラー１８ｃ、１８ｂ、１８ａで反射した後に、ハーフプリズム３に入射する。ハーフプリズム３を透過した光束Ｔは、第２対物レンズ９を透過して、ビームスプリッター２０に入射する。ビームスプリッター２０で反射した光束Ｔは、前記第１実施例と同様にＸ座標用ＣＣＤ１４及びＹ座標用ＣＣＤ１５にアライメントマーク像を形成する。他方、ビームスプリッター２０を透過した光束Ｔは、オ−トフォーカス用スリット２７の投影像を選択する選択板２１を透過して、リレーレンズ２２を介して屋根型ミラー２３に入射する。ここで屋根型ミラー２３は、開口絞り７とほぼ共役となる位置に配置されて、入射した光束Ｔを２光束に分割して反射する。
【００３６】
屋根型ミラー２３で反射した２光束は、リレーレンズ２４を透過して、１次元ＣＣＤ等の焦点検出用の撮像素子２５の撮像面上に、オートフォーカス用スリット２７の２つの投影像Ａ、Ｂを形成する。ここで、屋根型ミラー２３の影響により、ウエハＷから撮像素子２５に至る結像光学系のテレセントリック性は崩れている。そのため、ウエハＷが合焦点から±ｚ方向にずれた場合、撮像素子２５上でのオートフォーカス用スリット２７の２つの投影像Ａ、Ｂ（同図Ｄ）の間隔は、計測方向に変化することになる。
この撮像素子２５から出力される撮像信号は、撮像信号処理部４５で処理された後、ウエハＷの焦点位置情報として主制御系（不図示）に転送される。この焦点位置情報を基に、その合焦度が最大となるように、露光装置に設置されたウエハＷの焦点位置合わせを行う。その後、ウエハＷ上のアライメントマークのｘｙ方向の位置合わせを行う。
【００３７】
以上のように本第３実施例では、前記第１実施例と同等の効果に加え、ウエハＷの合焦度の検出を行う上での効果を得ることができる。すなわち、第３実施例では、第１対物レンズ２の物体側開口数を大きく設定できるため、測定に十分な測定光束の光量を確保することができる。これにより、結像光学系としてそれ程倍率を上げることなく、高分解能なオートフォーカスを得ることができる。
なお、オートフォーカス系の開口数を、アライメント系の開口数より大きくしたい場合は、アライメント系に結像開口絞りを設けてやれば良い。
【００３８】
次に図７にて、本発明による露光装置の第４実施例を示す。本第４実施例の構成は、ｘｙ方向の位置検出用の光ファイバー８と、焦点検出用光源２９との２つの独立した照明系をもつ点で、前記第３実施例の構成とは異なる。
同図（Ｂ）に示すように、焦点検出用光源２９より発した焦点検出用光束は、ＡＦ用コンデンサーレンズ２８を透過して、オートフォーカス用スリット２７を照明する。オートフォーカス用スリット２７を射出した焦点検出用光束は、ダイクロイックミラー２６に入射する。ダイクロイックミラー２６を透過した焦点検出用光束は、照明リレーレンズ４を透過して、ハーフプリズム３に入射する。ハーフプリズム３で反射した後の焦点検出用光束は、第３実施例と同様の光路を通過して、ダイクロイックミラー３３に入射する。ダイクロイックミラー３３を透過した焦点検出用光束は、第３実施例と同様の光路を通過して、最後に撮像素子２５に入射する。
【００３９】
一方、同図（Ｂ）に示すように、光ファイバー８より発した位置検出用光束は、コンデンサーレンズ６を透過して、視野絞り５を照明する。視野絞り５を射出した位置検出用光束は、ダイクロイックミラー２６に入射する。ダイクロイックミラー２６で反射した位置検出用光束は、照明リレーレンズ４を透過して、ハーフプリズム３に入射する。ハーフプリズム３で反射した後の位置検出用光束は、第３実施例と同様の光路を通過して、ダイクロイックミラー３３に入射する。ダイクロイックミラー３３で反射した位置検出用光束は、第３実施例と同様の光路を通過して、最後にＸ座標用ＣＣＤ１４及びＹ座標用ＣＣＤ１５に入射する。
【００４０】
なお、本第４実施例では、ダイクロイックミラー２６、３３に対して、焦点検出用光源２９から発した焦点検出用光束をダイクロイックミラー２６、３３の透過光路側で用い、光ファイバー８から発した位置検出用光束をダイクロイックミラー２６、３３の反射光路側で用いているが、本発明は、逆に、焦点検出用光源２９から発した焦点検出用光束をダイクロイックミラー２６、３３の反射光路側で用い、光ファイバー８から発した位置検出用光束をダイクロイックミラー２６、３３の透過光路側で用いても良い。
以上により、本第４実施例においても、前記第３実施例と同等の効果を得ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明は、アライメントマークの位置を高精度に検出して、微細な線幅に対応できる露光装置を提供することができる。更に本発明は、ベースライン長が短くスループットが高く、全体の光路長が短く結像光学系としての安定性が高く、加えて高分解能のオートフォーカスを装備可能な露光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】結像光学系に（Ａ）コマ収差がないときの結像状態を示す概略図と、（Ｂ）コマ収差があるときの結像状態を示す概略図である。
【図２】物体側開口数によるコマ収差とプロセスオフセットとの関係を示す図である。
【図３】露光装置における第１対物レンズとミラーの配置を示す概略図である。
【図４】本発明の第１実施例による露光装置を示す（Ａ）概略図と、（Ｂ）Ａ図中Ｘ−Ｘ矢視図である。
【図５】本発明の第２実施例による露光装置を示す（Ａ）概略図と、（Ｂ）Ａ図中Ｘ−Ｘ矢視図である。
【図６】本発明の第３実施例による（Ａ）露光装置を示す概略図と、（Ｂ）Ａ図中Ｘ−Ｘ矢視図と、（Ｃ）Ｂ図中Ｙ−Ｙ矢視図と、（Ｄ）撮像素子上の投影像を示す概略図である。
【図７】本発明の第４実施例による露光装置を示す（Ａ）概略図と、（Ｂ）Ａ図中Ｘ−Ｘ矢視図である。
【図８】第１対物レンズを投影光学系領域外に配置した露光装置を示す図である。
【図９】従来技術による露光装置を示す図である。
【符号の説明】
１…落射プリズム                ２…第１対物レンズ
２ａ…第１対物レンズ前群        ２ｂ…第１対物レンズ後群
３…ハーフプリズム              ４…照明リレーレンズ
５…視野絞り                    ６…コンデンサーレンズ
７…開口絞り                    ８…光ファイバー
９…第２対物レンズ              １０…指標板
１１、１２、２２、２４、２８…リレーレンズ
１３…ｘｙ分岐ハーフプリズム
１４…Ｘ座標用ＣＣＤ            １５…Ｙ座標用ＣＣＤ
１６…視野絞り板
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、３５…ミラー
２０…ビームスプリッター        ２１…選択板
２３…屋根型ミラー              ２５…撮像素子
２６、３３…ダイクロイックミラー
２７…オートフォーカス用スリット
２９…焦点検出用光源            ３０…投影光学系
４０…信号処理部                ４５…撮像信号処理部
５０…ウエハステージ
Ｗ…ウエハ                      Ｚ１…投影中心軸
Ｚ２…計測中心軸                Ｔ…光束
【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】
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【図９】
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