(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスクテーブルに設けられたマスクパターンを基板テーブルに設けられた基板上に投影ビームにより繰り返し結像するために、
・少なくとも一つのテストマークを有するマスクをマスクテーブルに設けるステップと、
・フォトレジスト層を有する基板を基板テーブルに設けるステップと、
・前記マスクの少なくとも一つのテストマークの像を投影ビーム及び投影レンズ系によりフォトレジスト層に投影するステップと、
・前記少なくとも一つのテストマークの潜像を、非化学線を使用する潜像検出装置により検出するステップと、
・マスクパターン像の品質及び位置に影響を与える少なくとも一つのパラメータを前記潜像検出装置の出力信号により設定するステップと、
・製造マスクパターンを製造基板上に連続的に異なる位置に繰り返し結像するステップと、を具えるマスクパターン結像方法において、
回折限界走査スポットを潜像検出に使用し、この回折限界走査スポットと潜像を相対的に移動させて潜像を点順次走査することを特徴とするマスクパターン結像方法。
【請求項２】
少なくとも一つのテストマークが設けられた製造マスクを潜像検出に使用することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも一つのテストマークが設けられたテストマスクを潜像検出に使用することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項４】
テストマークの複数の像をフォトレジスト層に像ごとに投影レンズ系の異なるフォーカス設定で形成し、且つ前記複数の像の各々を走査して得られる潜像検出装置の出力信号の変化から投影レンズ系の最適フォーカスを決定することを特徴とする請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載の方法。
【請求項５】
潜像検出により得られた最適フォーカシング信号を別のフォーカス測定装置により得られたフォーカス測定信号と比較し、後者の信号を校正することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の方法。
【請求項６】
テストマークの複数の像をフォトレジスト層に像毎に異なる露光量で形成し、前記複数の像の各々を走査して得られる潜像検出装置の出力信号の変化を測定することにより最適露光量を決定し、且つこうして得られた情報を製造投影プロセスのための露光量の設定に使用することを特徴とする請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載の方法。
【請求項７】
テストマークの複数の像をフォトレジスト層の複数の区域、特に縁部に、像毎に投影レンズ系の異なるフォーカス設定で形成し、前記各区域内の複数の像の各々を走査して得られる潜像検出装置の出力信号の変化を測定することにより最適フォーカス値を前記の区域ごとに決定し、且つ種々の区域に対する最適フォーカス値を比較して投影レンズ系の光学特性を決定することを特徴とする請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも一つの潜像をフォトレジスト層に規定の位置に形成し、マスクと基板が互いに整列する程度を表す第１アライメント信号を、これらの像及び潜像検出装置により発生させ、このアライメント信号を別のアライメント装置から発する第２アライメント信号と比較し、後者の装置を校正することを特徴とする請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載の方法。
【請求項９】
アライメント校正プロシージャ中に潜像検出装置を用いて基板上の少なくとも一つのアライメントマークを走査することを特徴とする請求の範囲第８項に記載の方法。
【請求項１０】
潜像検出装置の対物系の位置をこの検出装置の端面とフォトレジスト層との間の距離に適合させる自動フォーカシングシステムが設けられた潜像検出装置を使用する請求の範囲第７項に記載の方法であって、この検出装置と潜像が設けられたフォトレジスト層とをこの検出装置の光軸に直角な平面内で相対的に移動させ、且つ前記平面に対するフォトレジスト層の傾きを前記対物系のその光軸に沿う移動量から決定することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の方法。
【請求項１１】
マスクパターンを基板上に繰り返し投影するために、投影ビームを供給する照明システムと、マスクテーブルと、投影レンズ系と、基板テーブルとを具え、更に潜像検出装置が設けられているマスクパターン結像装置において、
前記潜像検出装置を走査型光学顕微鏡で構成し、該顕微鏡は非化学線テストビームを供給する放射源と、テストビームを基板上に存在するフォトレジスト層に回折限界走査スポットとして集束する対物系と、基板平面内の回折限界走査スポットの位置を検出する回折限界走査スポット位置検出手段と、検出器面に形成される回折限界走査スポットの像と同程度の面積を有する少なくとも一つの検出器を有する放射感応検出システムとを具え、該検出システムがフォトレジスト層からのテストビームを、回折限界走査スポットの位置におけるフォトレジスト層の局部的屈折率を表す電気信号に変換することを特徴とするマスクパターン投影装置。
【請求項１２】
前記光源が半導体ダイオードレーザであり、前記対物系が少なくとも一方の屈折表面が非球面である単レンズ素子で構成され、且つこのダイオードレーザと対物系との間の光路内に、基板により反射されたテストビーム放射をこのダイオードレーザにより供給される放射から分離し前記検出システムへ向けさせるビーム分離素子が挿入されていることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記回折限界走査スポット検出手段が、製造投影プロセス中に製造基板を製造マスクに対し移動させ精密に位置決めするために存在する多軸干渉計システムにより構成されていることを特徴とする請求の範囲第１１項又は第１２項に記載の装置。
【請求項１４】
製造基板テーブルが少なくとも２つの互いに直交する軸に沿う位置及びこれらの軸を中心とする回転を検出する位置検出装置に結合され、且つこの位置検出装置の出力信号、前記潜像検出装置の出力信号、アライメント検出装置の出力信号、及びフォトレジストエラー検出装置の出力信号が電子信号処理装置に接続され、該信号処理装置が次のパラメータ：
・投影ビームの波長；
・投影レンズホルダ内の圧力；
・投影レンズ系のレンズ素子間の相互間隔；
・投影レンズホルダの一以上の隔室内の媒質の組成；
・投影レンズホルダ内の温度；
・アライメント装置の零設定；
・フォーカシング装置の零設定；
・投影レンズ系の倍率；
のうちの一つ以上を補正する制御信号を供給することを特徴とする請求の範囲第１１項、第１２項又は第１３項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、マスクテーブルに設けられたマスクパターンを基板テーブルに設けられた基板上に投影ビームにより繰り返し結像するために、
・少なくとも一つのテストマークを有するマスクをマスクテーブルに設けるステップと、
・フォトレジスト層を有する基板を基板テーブルに設けるステップと、
・前記マスクの少なくとも一つのテストマークの像を投影ビーム及び投影レンズ系によりフォトレジスト層に投影するステップと、
・前記少なくとも一つのテストマークの潜像を非化学線を使用する潜像検出装置により検出するステップと、
・マスクパターン像の品質及び位置に影響を与える少なくとも一つのパラメータを前記潜像検出装置の出力信号により設定するステップと、
・製造マスクパターンを製造基板上に連続的に異なる位置に繰り返し結像するステップと、
を具えるマスクパターン結像方法に関するものである。
本発明は、特に、マスク内に存在するマスクパターンを基板上に繰り返し結像する装置であって、投影ビームを供給する照明システムと、マスクテーブルと、投影レンズ系と、基板テーブルとを具え、更に潜像検出装置が設けられているマスクパターン結像装置にも関するものである。
ＩＣマスクパターンをＩＣ製造基板上に繰り返し結像するこのような方法及び装置は米国特許第５，１２４，９２７号から既知である。この特許に記載されているように、製造及び投影プロセス、即ち製造基板上に製造マスクパターン像を形成する前に、テストマスクを装置内に設け、テスト基板又は製造基板上に結像することができる。基板上に設けられたフォトレジスト層にマスクを経て入射する投影ビーム放射はこのフォトレジスト層にマスクのパターンに対応するパターンに応じた屈折率の変化を生ぜしめる。まだ現像されてないフォトレジスト層のこのパターンを潜像という。この潜像は位相差顕微鏡により観察することができる。その理由は、屈折率の差が反射の差を生じ、フォトレジスト層及び基板で反射されるビームに位相差を生ずるためである。米国特許第５，１２４，９２７号に記載されているように、潜像を種々の目的に使用でき、特に基板に対するマスクのグローバルアライメント、マスクパターン像の臨界的ライン幅の制御、放射エネルギー量の制御、フォトレジスト層上への投影ビームのフォーカシング、温度変化による像の変化の制御に使用することができる。潜像は、テスト基板上の代わりに、製造基板上に形成することもできるが、この場合には基板上に形成しうるＩＣの数が制御のためにこの基盤上に形成する潜像の数だけ減少する。
潜像検出の利点は、前記のアライメント及び諸制御を装置自体内で実行することが可能になり、且つ以前の方法と異なり、もはや、テストマスク像を有する基板を装置から取り出し、この基板を現像し、例えば走査電子顕微鏡で検査する必要がなくなる点にある（この検査は時間がかかるとともに、この検査中は装置を使用することができなくなる）。
米国特許第５，１２４，９２７号に記載された装置においては、潜像検出装置にノマルスキー微分干渉コントラスト顕微鏡の形態の偏光干渉顕微鏡を使用している。この顕微鏡は全潜像をＣＣＤ（電荷結合装置）センサ又はビジコンのような複合検出器上に再結像させる対物レンズを具えている。ビジコンの場合には再結像された潜像が走査され潜像を表す電気信号が得られる。ノマルスキー顕微鏡の分解能はその対物レンズの分解能により決まる。このレンズは大きなイメージフィールドを有する必要があるため、その開口数が制限される。更に、顕微鏡で使用する放射はフォトレジスト層に何の影響も与えないものとする必要がある、即ち非化学線にする必要があるため、その波長を十分に大きくする必要があるので、ノマルスキー顕微鏡の分解能には制限がある。また、ノマルスキー顕微鏡はかなり大きな装置であり、この装置は投影レンズからかなり大きな距離に位置させる必要があるため、潜像が設けられた基板を潜像検査のためにかなり大きな距離に亘って移動させる必要がある。更に、ノマルスキー顕微鏡では検査の精度を損なう例えば振動のような不安定が発生しうる。
本発明の目的は、上述した欠点を生じないとともに高い分解能を達成しうる新しい概念の潜像検出を提供することにある。本発明は更に潜像の利用可能性及び主として潜像検出用の検出装置の利用可能性の拡張にも関するものである。
この概念を実現する本発明の方法は、回折限界走査スポットを潜像検出に使用し、且つこのスポットと潜像を相対的に移動させて潜像を点順次走査することを特徴とする。
潜像検出は点順次に実現されるため、例えば１００μm程度の小さなイメージフィールド、従って比較的大きな開口を有するテストビームを使用することができるので、高い分解能を有する検出が可能になる。また、もはや潜像を再結像させる必要もないので、検出がレンズの結像性能により影響されることもない。
前記マスクパターン、即ち製造マスクパターン、例えばＩＣパターンが好適な構造、例えば十分な周期性を有する場合、又は他の十分に認識可能な構造要素を有する場合には、このパターンをテストマスクとして使用することができる。
本発明の方法においては、潜像検出に少なくとも一つのテストマークが設けられた製造マスクを使用することを特徴とすることもできる。
このテストマークは潜像検出信号を得るのに最適なものとすることができる。
基板上の潜像の位置の選択の大きな自由度、従って測定の大きな可能性を得るために、本発明の方法においては、潜像検出に少なくとも一つのテストマークが設けられたテストマスクを使用することを特徴とする。
潜像の測定及び／又は潜像による測定の実行後に、このテストマスクを製造マスクと置き換える。
本発明方法の第１の実施例では、テストマークの複数の像をフォトレジスト層に各像毎に投影レンズ系の異なるフォーカス設定で形成し、且つ前記複数の像の各々を走査して得られる潜像検出装置の出力信号の変化から投影レンズ系の最適フォーカスを決定することを特徴とする。
こうして得られた情報を用いて、製造マスクパターンを製造基板上に投影する前に、最適フォーカスを設定することができる。
後述するように、潜像は種々の方法で検出することができる。出力信号の変化は使用する検出方法に依存するが、潜像の構造に生ずる空間周波数にも依存する。使用する検出方法及び潜像検出の周波数に依存して、例えば高周波数に対する出力信号の変調深度又は例えば低周波数に対する出力信号の零交差間の間隔を測定することができる。信号変化とは変調深度と前記の間隔の両方を意味するものと理解されたい。
第１の実施例では、更に、潜像検出により得られた最適フォーカシング信号を別のフォーカス測定装置により得られたフォーカス測定信号と比較し、後者の信号を較正するのに使用することを特徴とする。
前記の別のフォーカス測定装置は米国特許第４，３５６，３９２号に記載されているように実現することができる。この装置では、投影レンズ系をバイパスするフォーカス測定ビームを基板に斜めに入射させ、基板により反射されたビームを位置感応フォーカス検出器で受信する。基板と、フォーカス測定装置が接続された投影レンズ系との間の距離は、検出器上の反射フォーカス測定ビームの主光線のスポットの位置から決定する。このフォーカス測定装置を用いて製造投影プロセス中の前記の距離を測定し、発生しうるフォーカスエラーを測定結果に基づいて補正する。このフォーカス測定装置の代わりに、例えば米国特許第５，１９１，２００号に記載されているような他の既知の装置を使用することもできる。
本発明方法の第２の実施例では、テストマークの複数の像をフォトレジスト層に各像毎に異なる露光量で形成し、前記複数の像の各々を走査して得られる潜像検出装置の出力信号の変化を測定することにより最適露光量を決定し、且つこうして得られた情報を製造投影プロセスのための露光量の設定に使用することを特徴とする。
この方法によれば基板に形成されるマスクパターン像に及ぼす露光量の影響の直接且つ精密な測定が可能になる。露光量とは一つの像の形成時に基板に吸収される総光エネルギーを意味するものと理解されたい。このエネルギーはパルス形状で供給することができる。
本発明方法の第３実施例では、テストマークの複数の像をフォトレジスト層の複数の区域、特に縁部に、各像毎に投影レンズ系の異なるフォーカス設定で形成し、前記各区域内の複数の像の各々を走査して得られる潜像検出装置の出力信号の変化を測定することにより最適フォーカス値を前記の各区域ごとに決定し、且つ種々の区域に対する最適フォーカス値を比較して投影レンズ系の光学特性を決定することを特徴とする。
このようにすると、像面の湾曲及び非点収差のような投影レンズ系の種々のパラメータを決定することができる。投影レンズ系をこれらの測定結果を用いて補正することができる。
基板の単位面積当たりの多数の電子素子及びその結果としてのこれらの素子の小寸法に関連して、集積回路の製造精度に課される要件が益々厳しくなってきている。従って、一連の製造マスクが製造基板上に結像される位置をもっと精密に決める必要がある。より小さいディテールを結像しうる投影レンズはより小さい被写体深度を有するために、より精密なフォーカシングを可能にする必要がある。
製造基板に対するマスクパターンの像の、所望の極めて大きな位置決め精度（数十分の１マイクロメートル以内）を実現可能にするために、投影装置は製造基板を製造マスクパターンに対し整列させる装置を具え、この装置により基板に設けられたアライメントマークを製造マスクに設けられたアライメントマーク上に結像させる。基板のアライメントマークがマスクのアライメントマークと精密に一致する場合には、製造基板が製造マスクパターンに対し正しく整列していることになる。製造基板マークを製造マスクマーク上に結像する主要素子は製造マスクパターンを製造基板上に結像する投影レンズ系により構成する。
この投影レンズ系は投影ビームの波長に対し最適に設計され補正される。この波長は、等しい開口数の投影レンズ系でできるだけ小さいディテールを結像できるようにできるだけ小さくする。現在の投影装置では、この波長は例えば３６５ｎｍであり、この波長では約０．７μmのライン幅を結像することができる。アライメントビーム、即ちアライメント装置に使用するビームは、製造基板上のフォトレジスト層が感応しない波長にしてこのようなビームが基板上に設けられたフォトレジスト層に変化を生ぜず且つこの層により減衰されないようにする。このアライメントビームは、例えば６３３ｎｍの波長を有するヘリウム−ネオンレーザビームとする。このアライメントビーム波長は投影レンズ系に適合しないにもかかわらず、アライメントビームのみの光路内に例えばレンズのような補正素子を挿入すれば、依然として製造マスク及び製造基板のアライメントマークを互いに正しく整列させることができる。
しかし、投影ビームとアライメントビームの異なる波長のために、例えば温度のような周囲パラメータの変化が投影ビームにより形成される像及びアライメントビームにより形成される像に異なる影響を与えるという問題が残る。その結果として、アライメント装置がこの装置と関連するアライメントマークの満足な相互アライメントを検出できても、投影ビームにより形成されるマスク像は基板に正しく位置しないこととなる。また、機械的ドリフトが投影装置内に起こりうるが、このドリフトはアライメント装置により検出することはできない。このため、慣例のアライメントシステムは周期的に、例えば一日に１〜数回較正する必要がある。
これを実施しうる本発明方法の一実施例では、少なくとも一つの潜像をフォトレジスト層に規定の位置に形成し、マスクと基板が互いに整列する程度を表す第１アライメント信号を、これらの像及び潜像検出装置により発生させ、このアライメント信号を別のアライメント装置から発する第２アライメント信号と比較し、後者の装置を校正することを特徴とする。
マスクにはテストマークとアライメントマークが設けられているため、慣例のアライメント装置を潜像検出装置の測定結果に基づいてテストすることができる。
このように、フォーカス測定装置のみならずアライメント装置もコンピュータを介して潜像検出装置に結合し、コンピュータによりこれらの装置からの信号を処理して特にフォーカシング及びアライメント用の制御信号を得ることができる。
潜像検出装置をアライメント装置の校正に使用する本発明方法の一実施例では、更に、潜像検出装置を用いて基板上の少なくとも一つのアライメントマークを走査することを特徴とする。この場合には、潜像検出装置及びアライメント装置の相互位置決め及び安定性に厳しい要件を課す必要がなくなる。本例は潜像検出装置が種々の測定の実行に好適であるという事実を利用するものである。
本発明方法に使用する潜像検出装置には自動フォーカシングシステムを設け、走査ビームをフォトレジスト層上に常に鮮明にフォーカスさせるのが好ましい。その結果、走査スポットのサイズを最小に且つ一定に維持することができ、また他の測定を行うこともできる。
この実施例では、例えば、潜像検出装置と像が設けられてないフォトレジスト層を潜像検出装置の光軸に直角な平面内で相対的に移動させ、且つ前記平面に対するフォトレジスト層の傾きを光軸に沿う対物系の移動量から決定することができる。
フォトレジスト層上に像を形成する前に、この測定値を用いてフォトレジスト層のホルダを調整することによりフォトレジスト層の傾きを補正することができる。
潜像を検出する本発明方法を使用することにより、この像を前述した測定以外の他の測定にも使用することができる。
例えば、一つの同一の潜像を次第に小さくなる又は大きくなるインターバルで複数回走査し、種々の走査処理において得られた測定結果を比較することにより、気圧又は温度のような周囲パラメータが投影装置の基板テーブル干渉計システムのようなサーボ測定システムに及ぼす影響を決定することができる。
更に、潜像検出装置を一つの潜像の上方に位置させ、この検出装置の出力信号の変動を測定することもできる。これらの変動はフォトレジスト層のホルダの振動についての情報を与える。
マスクテストマークがラインからなる場合には、潜像検出装置の出力信号を基板テーブル干渉計システムの信号と組み合わせることにより潜像内のラインの位置を決定することができる。この場合には投影レンズ系の歪みについての情報を得ることができる。
前述の新規な概念を実現した本発明の装置は、潜像検出装置を走査型光学顕微鏡で構成し、該顕微鏡は非化学テストビームを供給する放射源と、テストビームを基板上に存在するフォトレジスト層に走査スポットとして集束する対物系と、基板平面内の走査スポットの位置を検出する走査スポット位置検出手段と、検出器面に形成される走査スポットの像と同程度の面積を有する少なくとも一つの検出器を有する放射感応検システムとを具え、該検出システムがフォトレジスト層からのテストビームを、走査スポットの位置におけるフォトレジスト層の局部的屈折率を表す電気信号に変換することを特徴とする。
テストビームと潜像が設けられた基板とを潜像と同程度の面積に亘って相対的に移動させることにより、この像をテストビームにより点順次に走査しうる。対物レンズ系が潜像の各点状区域を検出器上に結像するため、このレンズ系は小さなイメージフィールドを必要とするのみであり、従ってこのレンズ系は例えば０．５程度の大きな開口数を有する。このような対物レンズ系によれば例えば１μm程度の小直径の回折限界放射スポットを形成しうるため、この潜像検出装置は大きな分解能を有する。
この潜像検出装置の好適実施例では、更に、前記光源が半導体ダイオードレーザであり、前記対物系が少なくとも一方の屈折表面が非球面である単レンズ素子で構成され、且つこのダイオードレーザと対物系との間の光路内に、基板により反射されたテストビーム放射をこのダイオードレーザにより供給される放射から分離し検出システムへ向けさせるビーム分離素子が挿入されていることを特徴とする。
この検出装置は既知のＣＤオーディオディスク及びＣＤ−ＲＯＭディスクのような光レコードキャリアの読み取りに既に使用されており、極めてコンパクトな構造を有し、従ってそれ自体極めて安定である。非球面レンズ表面とは、その基本形状が球面又は平面であるがその実形状が基本形状のレンズの球面収差を補正するように基本形状から若干変形されている表面を意味する。
後述するように、潜像検出のために、光情報記憶システムの分野において既知の種々の検出装置の変形例を使用することができる。
既に述べたように、潜像検出装置には走査スポット位置検出手段を設けて検出器の出力信号の瞬時値を潜像内の瞬時位置に関連させる必要がある。この手段は、潜像検出装置自体が潜像の走査のために移動される場合には、検出装置の瞬時位置を決定する例えば多軸干渉計により構成することができる。また、走査スポット検出手段は、検出装置自体が固定であり、テストビームのみが移動する場合には、走査スポットを基板を横切って移動させる回転ポリゴンミラーのような可動素子の位置を決定する位置検出手段により構成することもできる。
しかし、検出装置が小さく、従ってこれを投影レンズ系に近接配置することができることを最適に利用する装置の一実施例では、走査スポット検出手段を、製造投影プロセス中に製造基板を製造マスクに対し移動させ精密に位置決めするために存在する多軸干渉計システムにより構成することを特徴とする。
多軸干渉計システム、例えば３軸又は５軸干渉計システムの一例が欧州特許出願第０４９８４９９号に記載され、このシステムは製造基板を製造マスクに対し極めて高精度（例えば２．５ｎｍ程度）で移動させ位置決めするよう設計されており、潜像を有する基板を検出装置に対し極めて精密に移動させるのにも極めて好適である。この精密位置決め及び検出装置の高い分解能により潜像の極めて精密且つ高信頼度の検出が得られる。
この投影装置は、基板テーブルを移動させることにより基板の全表面を投影レンズ系のイメージフィールド内に位置させることができるようにする。潜像検出装置をこの投影レンズ系に近接配置することができるので、基板のほぼ全表面を走査して、基板の中心からかなり大きな距離に設けられる潜像も測定することができる。
本発明のこれらの特徴及び他の特徴は後述する実施例の説明から明らかになる。図面において、
図１はマスクパターンを基板上に繰り返し結像する装置の一例を図式的に示し、
図２は投影装置のフォーカスエラー検出装置及び基板テーブル位置検出装置を示し、
図３はアライメント検出システムが設けられた投影装置の断面図であり、
図４は潜像及びこの潜像を検出する検出装置を図式的に示し、
図５は潜像検出装置の第１実施例を示し、
図６はこの装置の第２実施例を示し、
図７及び図８はこの装置で実行しうる差分位相差測定の原理を示し、
図９は差分位相差信号の変化及び瞳積分信号の変化を示し、
図１０は露光量の関数としての潜像検出装置の出力信号の変化を示し、
図１１はフォーカス設定の関数としてのこの信号の変化を示し、
図１２はフォーカスエラー検出装置が設けられた潜像検出装置の実施例を示し、
図１３はこの実施例と関連する信号処理回路を示し、
図１４、図１５及び図１６は潜像検出装置の他の実施例を示し、
図１７、図１８及び図１９は２次元テストマークの実施例を示し、
図２０は投影装置の種々のサーボ装置とこれらの装置間の接続を示す図である。
図１はマスクパターンを基板上に繰り返し結像する装置の既知の実施例を線図的に示す。この装置の主な構成素子は、結像すべきマスクパターンＣが設けられる投影コラムと、基板をマスクパターンＣに対し位置決めしうる可動基板テーブルＷＴとである。
投影コラムは、例えばレーザＬＡ、ビーム拡幅器Ｅｘ、投影ビームＰＢ内に一様な光分布を実現する光学素子ＩＮ（積分器ともいう）、及びコンデンサレンズＣＯを具える照明システムを具える。投影ビームＰＢはマスクテーブルＭＴ上に設けられたマスクＭＡ内に存在するマスクパターンＣを照明する。
マスクパターンＣを通過したビームＰＢは投影コラム内に配置された図式的にのみ示す投影レンズ系ＰＬを通り、基板Ｗ上にパターンＣの像を形成する。投影レンズ系は、例えば１／５の倍率Ｍ、０．６の開口数Ｎ．Ａ．及び２２ｍｍの直径を有する回折限界イメージフィールドを有する。
基板Ｗは、例えば空気ベアリングにより支持された基板テーブルＷＴ上に配置される。投影レンズ系ＰＬ及び基板テーブルＷＴは、底部が例えばグラニットの底板ＢＰにより閉成され、上部がマスクテーブルＭＴにより閉成されるハウジングＨＯ内に配置される。
図１に示すように、マスクＭＡは、例えば２つのアライメントマークＭ1及びＭ2を有する。これらのマークは回折格子からなるものが好ましいが、周囲と光学的に区別される正方形又はストリップのような他のマークからなるものとすることもできる。アライメントマークは２次元、即ち互いに直行する２方向、図１のＸ及びＹ方向、に延在するものとするのが好ましい。パターンＣを複数回次々に結像すべき基板Ｗ、例えば半導体基板は複数のアライメントマーク、好ましくは２次元回折格子を具え、そのうちの２つＰ1及びＰ2が図１に示されている。マークＰ1及びＰ2は製造基板Ｗ上のパターンＣの像を形成すべき区域外に設けられる。格子マークＰ1及びＰ2は位相格子とするのが好ましく、格子マークＭ1及びＭ2は振幅格子とするのが好ましい。
マスク及び基板をマスクマーク及び基板マークにより互いにアライメントさせる方法及び装置に関しては米国特許第４，７７３，２７５号及び同第５，１００，２３７号を参照されたい。
この投影装置には、更に、製造基板上に製造マスクを繰り返し結像する処理中に投影レンズ系の像面と製造基板の面とのずれを検出するフォーカスエラー検出装置を具えるフォーカスサーボ装置が設けられている。このようなずれが発生するとき、フォーカスエラー検出装置により供給される信号により、例えば投影レンズを光軸に沿って移動させてフォーカシングを補正することができる。
フォーカスエラー検出装置ＦＤは図２に図式的に示されている。この図は基板テーブルの位置検出装置も示し、この検出装置は例えば２つの部分ＩＦ1及びＩＦ2を具える。
フォーカスエラー検出装置ＦＤは、フォーカシングビームｂfを供給する光源、例えばダイオードレーザＤＬと、このビームをフォトレジスト層が被覆された基板Ｗ上の、投影レンズ系の光軸がこの基板と交差する点に向け反射するプリズムＰＲ1とを具える。図を簡単にするためにこのビームの主光線のみを示す。説明を簡単にするために、基板とフォトレジスト層の複合体を以後基板という。ダイオードレーザＤＬとプリズムＰＲ1との間に配置されたレンズＬ1がビームを基板上に光スポットに集束する。基板により反射されたビームｂfが第２プリズムＰＲ2により光検出器ＤＥへ反射される。プリズムＰＲ2と検出器ＤＥとの間のレンズＬ2が基板上に形成された光スポットを検出器ＤＥ上に結像する。投影レンズ系と基板との間の距離をＺ方向に変化させると、検出器ＤＥ上に形成された光スポットが検出器面内を移動する。この検出器は位置感応検出器であり、２つの個別の検出素子からなるため、光スポットの変位及び対応するフォーカスエラーを決定することができる。こうして得られた情報を用いて、例えば基板テーブルＷＴのＺ位置を図３に図式的に示す既知の平行四辺形機構により補正することができる。フォーカスエラー検出装置の種々の素子は、投影レンズ系のホルダに固定された２つの例えば円筒状ホルダ内に配置される。
米国特許第４，３５６，３９２号に記載されているように、検出器ＤＥの位置に反射器を位置させ、これによりフォーカシングビームが検出器に入射する前に基板により再度反射されるようにすることもできる。フォーカスエラー検出装置のこの好適実施例は、フォーカスエラー測定が基板の傾き又はこの基板の局部的反射の相違により影響されない利点を有している。フォーカスエラー検出装置は米国特許第５，１９１，２００号に記載さているように実現することもできる。この検出装置は広い波長帯を有するビームを用いて第１格子を基板を介して第２格子上に結像するよう動作する。
基板テーブルのＸ及びＹ位置を極めて精密に決定するために、投影装置には、例えば２つの部分からなる複合干渉計システムが設けられている。部分ＩＦ1は１以上のビームをＹ方向に基板テーブルの反射性側面に向け放射し、反射されたビームを受光する。これによりテーブルのＸ位置を決定することができる。同様に、基板テーブルのＹ位置を干渉計部分ＩＦ2により決定することができる。この干渉計システムは米国特許第４，２５１，１６０号に記載されているように実現することもでき、この場合には２つのビームを用いる。この２軸干渉計システムの代わりに、米国特許第４，７３７，８２３号に記載されているような３軸システム又は欧州特許出願第０４９８４９９号に記載されているような多軸システムを使用することもできる。
基板テーブル位置検出装置又は干渉計システムを使用することにより、アライメントマークＰ1及びＰ2とＭ1及びＭ2の位置及び相互距離をアライメント時に干渉計システムにより定まる座標系において決めることができる。この場合には、投影装置の枠又はこの枠の構成素子に対する基準を使用する必要がないため、例えば温度変化、機械的クリーピング等によるこの枠の変動が測定に何の影響も与えなくなる。
投影装置を一層良好に示すために、この装置を図３に断面図で再び示す。照明装置は図１のものと僅かに相違した構造を有し、レーザＬＡ，例えばフッ化クリプトンレーザと、レンズ系ＬＯと、反射器ＲＥと、コンデンサレンズＣＯとを具える。この照明装置にはレーザ光の波長を制御しうる既知のシステムＬＷＣ（図式的に示されている）が設けられている。このシステムＬＷＣはＳＰＩＥ  ｖｏｌ．１１３８（１９８９），ｐｐ．１２１に掲載されている論文”Ｄｅｓｉｇｎ  Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｆｏｒ  ａｎ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  ａｓ  ａ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ”等に記載されている。
簡単のために、図３には２重アライメント検出装置も示され、この装置は入射ビームｂと２つの射出ビームｂ1及びｂ2と素子２５、１３、１３’２２及び２２’とにより示されている。この装置の動作及び種々の素子の機能は米国特許第５，１４４，３６３号及び同第５，１００，２３７号に記載されている。
図３には更にフォーカスエラー検出装置が示され、この装置はレンズＬ1及びＬ2と、最初に製造基板又はテスト基板により反射された左から入射するフォーカシングビームｂfを入射方向に反射するリトロレフレクタＲＲを具える。反射されたビームｂfは部分透明プリズムＰＲ1により検出器ＤＥへ反射される。
ブロックＩＦから到来するビームＩＦbは、この装置に干渉計型基板テーブル位置検出装置が設けられていることを図式的に示している。
参照記号ＰＳ及びＴＳは圧力センサ及び温度センサをそれぞれ示す。
装置の設定及び投影レンズ系の品質を測定可能にするために、図２に示すように少なくとも一つのテストマークを有するマスクを投影装置内に設け、このマスクを基板のフォトレジスト層に結像する。このマスクは別個のテストマスクＴＭとすることができる。しかし、このテストマークは製造マスクのマスクパターンＣの外部に設けることもできる。更に、場合により、製造マスクのマスクパターンの一部分をテストマークとして使用することもできる。一例として、図２において、このマスクは３つのテストマークＭ3、Ｍ4及びＭ5を具えるものとする。テストマークが投影ビームで照明されると、テストマークの像Ｍ3’、Ｍ4’及びＭ5’が基板のフォトレジスト層に形成される。これらの像は、製造投影プロセス中に一つのＩＣが形成される区域をカバーする基板の区域ＡICに位置する。図２にはこの区域が基板に対し拡大して示されている。テストマークは周期的ラインパターンからなるものとするのが好ましい。その理由は、このようなマークはかなり良好な信号内挿をもたらし、高い測定精度を達成しうるためである。しかし、正方形、長方形又は十字形のようなあらゆる形状を可とする他の周期的又は非周期的パターンをテストマークとして使用することもできる。テストマークパターンがフォトレジスト層に結像されると、高及び低屈折率のストリップを交互に有する対応するパターンがこの層に生成される。図４はこれらのパターンの一つＭ’3を示す。この図において、Ｗは基板を示し、ＦＲはこの基板上に設けられたフォトレジスト層を示す。
本発明では、このようなパターンを走査型光学顕微鏡で測定する。この顕微鏡を図３及び図４にブロックＬＩＤで示し、関連する測定ビームをｂLIで示す。この測定ビームはフォトレジスト層ＦＲの測定スポットＳＰに集束される。測定中、測定スポットＳＰと基板をＸ方向に相対的に移動させる。
図５は走査型顕微鏡ＬＩＤの第１の実施例を示す。この顕微鏡は測定ビームｂLIを発生するコヒーレント光源、例えばダイオードレーザ３０を具える。このビームは対物系３１によりフォトレジスト層ＦＲに、回折限界スポットＳＰに集束される。このスポットの半値幅は例えば１μm程度であり、テストマーク像（Ｍ’3）のストリップ周期は例えば２μmである。フォトレジスト層により反射されたビームｂ’LIはビーム分離器、例えばプリズム３２内の部分透過層３３により光感応検出器４０へ反射される。部分透過層の代りに、偏光ビームスプリッタ及びλ／４板（λはビームｂLIの波長）の組み合わせをビーム分離器として使用することもできる。図５の顕微鏡では、対物系３１の瞳を通過する全ての光が単一の検出器４０に集中され、この検出器がこの信号を電気出力信号Ｓｏに変換する。この検出方法を瞳積分（ＰＩ）法という。走査スポットＳＰがテストマーク像をそのストリップを横切って移動するとき、即ち図４のＸ方向に移動するとき、走査スポットは高屈折率を有するストリップ及び低屈折率を有するストリップに連続的に出会うため、信号Ｓｏは周期的に変化する。これらの屈折率の差は高反射係数及び低反射係数を交互に有する一連のストリップを生ずる。信号Ｓｏの変化、例えばこの信号の変調深度はフォトレジスト層ＦＲの活性化に寄与したこの層の受光量に依存するとともに、例えばフォトレジスト層ＦＲにおけるこのビームの集束度に依存する。
電子処理ユニット５０において、信号Ｓｏとテストマーク像に対する走査スポットの位置を示す信号Ｓｐｏｓを処理してこの像内のストリップの位置及びこれらのストリップ間の間隔に関する情報ＩＮＦを発生させることができる。
照明されたストリップは反射係数のみならず屈折率が照明されないストリップよりも小さい。従って、照明されたストリップから到来する光は照明されないストリップから到来する光と異なる光路長を有する。従って、テストマーク像は位相構造も有する。この構造の詳細はＰＩ法により検出しうるのみならず、差分位相差（ＤＰＣ）法によっても検出しうる。この場合には対物系の第１及び第２の瞳半部を通過する反射ビームｂ’LIの部分をそれぞれ第１及び第２の検出素子により検出する。図６はこの方法を用いる潜像検出装置の一実施例を示す。第１及び第２の検出素子を４１及び４２で示す。ＤＰＣ法では、照明ストリップと非照明ストリップとの界面で回折が起こる事実を利用する。即ち、反射ビームｂ’LIは図７に示すように零次サブビームｂ（０）、＋１次のサブビームｂ（＋１）及び−１次のサブビームｂ（−１）に分割される。この図には、非照明ストリップが６０で、照明ストリップが６１で示されている。サブビームｂ（＋１）及びｂ（−１）は反対符号の等しい角度で反射される。反射サブビームｂ（０）の主光線は入射ビームの主光線と反対の方向を有する。高次のサブビーム、例えばｂ（＋２），ｂ（−２）は、無視しうるような小光量が検出器に到達するにすぎない。
サブビームｂ（＋１）及びｂ（−１）の一部分が対物系３１の瞳を図８に示すように通過する。図８はこの瞳の面内の断面図を示す。円６５は瞳及び零次ビームの断面を示し、円６６及び６７はビームｂ（＋１）及びｂ（−１）の断面を示す。瞳を通過する１次サブビームの部分は図８に線影区域６８及び６９で示すように零次サブビームと干渉する。これらの区域がそれぞれ検出素子４１及び４２に結像される。これらの検出素子に入射するビーム部分の強度はビームｂ（０）とサブビームｂ（＋１）及びｂ（−１）との位相差により決まる。走査スポットＳＰとストリップ構造が相対的に移動すると、この位相差が周期的に変化する。このスポットの中心が照明ストリップ６１の中心と一致する場合、サブビームｂ（＋１）及びｂ（−１）に対する位相差は等しく、従って検出素子４１及び４２が等しい強度を有する。この場合には、例えば出力信号Ｓｏは零値を有する。走査スポットがストリップ構造に対し左又は右に移動すると、１次サブビームの一方（以後第１サブビームという）に対する位相差が増大するとともに他方の１次サブビーム（以後第２サブビームという）に対する位相差が減少し、光スポットの中心が非照明ストリップ６０との界面に到達するとき、第１サブビームに対する位相差が最大になるとともに第２サブビームに対する位相差が最小になり、出力信号Ｓｏが例えば負の最大値になる。走査スポットがストリップ構造に対し更に移動されたとき、第１サブビームに対する位相差が減少し、第２サブビームに対する位相差は光スポット全体が非照明ストリップ６０を覆うまで増大する。そして出力信号が再び零になる。これは光スポットが次の照明ストリップ６１との界面に到達するまで続く。この場合には第１サブビームに対する位相差が減少し、走査スポットの中心が界面と位置するとき最少になるとともに、第２サブビームに対する位相差が増大して最大値になる。このとき出力信号Ｓｏが正の最大値になり、次いでこの信号は走査スポットの中心が照明ストリップの中心に位置するとき再び零レベルになる。従って、図９にＳDPCで示す出力信号が得られる。比較のために、図９には信号ＳPI、即ちＰＩ法（図５）により同一のテストマーク像から得られる信号も示してある。図９においては、非照明ストリップ６０の中心に位置する所定の基準位置から走査スポットによりカバーされた距離が水平軸に沿ってプロットされ、出力信号ＳPDC及びＳPIの値が垂直軸に任意の単位でプロットされている。ＰＩ法では信号ＳPIが最大になる照明ストリップ６１の中心を検出しうるのみであるが、ＤＰＣ法では照明ストリップと非照明ストリップとの界面を検出することができる。原理的に、ＤＰＣ信号はＰＩ信号より良好な信号対雑音比を有する。低い空間周波数を有する潜像の検出にはＰＩ法を好適に使用しうるが、高い空間周波数を有する潜像はＤＰＣ法により検出するのが好ましい。
図９の信号曲線は、非照明ストリップの幅が照明ストリップの幅の約３倍であるテストマーク像に対応する。これらの幅をほぼ等しくし、且つストリップ構造の周期を走査スポットの直径の２倍より小さくすると、例えばこの周期を１．１μmのスポット直径に対し１．８μmより小さくすると、信号ＳPDC及びＳPIはともに正弦状に変化し、一方が他方に対し９０°移相する。
図６に示すように、両検出法を検出装置に組み込むことができる。この目的のために、両検出素子の出力端子を加算装置４５及び差動増幅器４６に接続する。加算装置４５からの信号又は差動増幅器からの信号の何方を出力端子４８に通すかはスイッチ４７により決定される。この出力端子は電子処理回路に接続され、この処理回路にはテストマーク像のストリップの位置又はこれらのストリップ間の間隔に関する情報を得るために走査スポット信号Ｓｐｏｓが供給される。
フォトレジスト層に形成される格子とみなせる複数のストリップを具えるテストマークの潜像のコントラストはフォトレジスト層により吸収されこの層の活性化に使用された光エネルギーの量に依存する。この層に供給されるエネルギー量は光源ＬＡ（図１及び図２）の光パワー及び投影装置に存在するシャッタが開放される時間インターバルに線形依存する。フォトレジスト層により吸収されるエネルギー量はこの層と基板の複合体の反射係数に依存する。この反射係数が大きくなるほど、この層内の光活性成分の活性化に使用しうるエネルギーが小さくなる。また、この層の光学的厚さ、即ちその幾何学的厚さとその屈折率との積が反射係数を決定する。従って、投影装置によりマスクパターンの満足な像を生成するためには、フォトレジスト層により吸収されるエネルギー量を直接測定する必要がある。
この目的のためには、本発明による潜像検出装置により得られるＤＰＣ信号又はＰＩ信号の変調深度を使用することができる。
この測定は、フォトレジスト層に１つのテストマークの複数の像を各像毎に（シャッタ時間及びランプ強度の選択により）異なる露光量で形成し、すべての潜像を走査して関連するＤＰＣ信号を得ることにより実施する。これらの信号の変調深度を比較することにより、どの潜像が最大の変調深度を有するか決定する。製造投影プロセスに対する最適露光量は関連する露光量から導出するこことができる。図１０は、１μmの周期を有する格子潜像の露光量に対する変調深度ＭＤの変化の一例を示す。変調深度は任意の単位で示されている。この図内の点は測定値を示し、一点鎖線の曲線はコンピュータシミュレーションを示す。
ＤＰＣ信号（又はＰＩ信号）の変調深度は投影レンズ系の最適フォーカシングを決定するのにも使用しうる。投影レンズ系がフォトレジスト層にシャープにフォーカシングしない場合には、このレンズ系により形成されるテストマークの像は低いコントラストを有する。投影レンズ系の分解能に対し十分に狭いストリップを有する潜像に対しては、ＤＰＣ信号の変調深度がフォーカシングの満足な測定値になる。十分に小さい周期を有する１つのテストマークの複数の潜像を各像毎に投影レンズ系の異なるフォーカス設定でフォトレジスト層に形成し、これらの像から得られたＤＰＣ信号の変調深度を比較することにより、最適フォーカス値を得ることができる。
図１１は変調深度ＭＤが投影レンズ系とフォトレジスト層との距離の変化ΔＺに伴いどのように変化するかを０．５μm幅の照明ストリップ及び非照明ストリップを有する格子潜像について示す。変調深度（任意の単位で示されている）は最適フォーカス（ΔＺ＝０）において最大になり、ΔＺが大きくなるにつれて小さくなる。図１１内の点は測定値を示し、一点鎖線曲線はコンピュータシミュレーションを示す。
潜像についてのフォーカス測定の結果を用いて、製造投影プロセスを開始する前又はこのプロセスの所定の校正時に、投影レンズ系のフォーカスを設定することができる。しかし、特に高い分解能及び大きなイメージフィールドを有する新規な投影レンズ系では、製造投影プロセス中にフォーカスを変化させることができる。これらの投影レンズ系によれば０．２５ｍｍ程度のイメージフィールド内の０．４μm程度のライン幅を結像することができるが、これらのレンズ系は気圧や温度のような周囲パラメータの変化に極めて敏感である。レンズ材料の高い分散性のために、投影ビームの波長の変化が結像性能、即ちこのビームにより形成される像の位置及び品質に影響を与える。３次歪み、像非点収差及び像面湾曲の問題が投影装置に生じうる。極めて高い分解能及び比較的大きいイメージフィールドを有する新規な投影レンズ系は極めて小さい被写体深度を有するため、特に投影レンズ系の大きな波長依存性によるフォーカスエラーが大きな影響を有する。これらのエラーを精密に検出する必要がある。
この目的のために、投影装置は図２及び図３につき述べたフォーカスエラー検出装置ＦＤを具えている。フォーカス測定ビームｂFは投影ビームと著しく異なる波長を有するため、例えば温度のような周囲パラメータの変化が投影ビームにより形成される像とフォーカス測定ビームにより形成される像とに異なる影響を与える。従って、満足なフォーカシングをフォーカスエラー検出装置により測定できても、投影ビームにより形成されるマスクの像は鮮明にならない。また、フォーカスエラー検出装置により検出し得ない機械的ドリフトも投影装置に発生しうる。このため、フォーカスエラー検出装置を周期的に、例えば１日に１回〜数回校正する必要がある。
潜像についてのフォーカス測定の結果をこの校正に使用することができる。この目的のために、各潜像の走査中にフォーカスエラー検出装置による測定も実施する。これらの測定の結果をメモリに記憶する。どの潜像が最も鮮明か決定したのちに、この像に対しフォーカスエラー検出装置により測定されたフォーカス値が調べられる。この値が潜像検出装置で測定された値に一致しない場合には、フォーカスエラー検出装置の零点を校正することができる。
上述したフォーカス測定においては、テストマスク内に十分大きな相互間隔で位置する複数のテストマークを複数回、毎回異なるフォーカス設定で同時に結像することもできる。関連する潜像を走査することにより、各テストマークに対する最適フォーカス値を決定することができる。こうして得られた種々のマークに対する最適フォーカス値を比較することにより、投影レンズ系の品質に関するデータを、異なるタイプのイメージセンサを用いる投影装置を開示する米国特許第５，１４４，３６３号に記載されているようにして得ることができる。
更に、投影レンズ系の歪みについての情報は、潜像検出装置により得られた、潜像のストリップ間の間隔の値から導出することができる。
既に述べたように、この投影装置は、製造基板上のアライメントマークと製造マスク上のアライメントマーク、従って製造マスクと基板を互いに整列させる慣例のアライメント装置を具えている。このアライメント装置は更に基板テーブル干渉計システムと協働する。このアライメント装置を校正するために、潜像検出装置を再び使用することができる。この目的のために、テストマーク、又は少なくともテストマークが設けられた製造マスクを投影コラム内に明確に規定された位置に配置し、投影ビームによりフォトレジスト層に結像する。潜像検出装置及び基板テーブル干渉計システムにより、マスクに対する基板の最適アライメントを決定する。更に、慣例のアライメント装置により、マスクにも存在するアライメントマークが基板に存在するアライメントマークと整列するか決定する。偏差が検出されたときは、慣例のアライメント装置の出力信号の零点を補正するのが好ましい。
この場合には、慣例のアライメント装置を潜像検出装置に対し安定にしてこれらの装置からの信号を正しく比較しうるようにする必要がある。潜像検出装置により基板のアライメントマークも検出することにより、この装置とアライメント装置の相互安定性に対する要件を緩和することができる。
上述の測定において、潜像検出装置の走査スポットがフォトレジスト層上に存在する位置を極めて精密に制御する必要がある。図５及び図６に示す装置と異なり、この検出装置に、測定ビームをフォトレジスト層を横切って移動させる例えば回転ポリゴンミラーを設けることができる。この装置ではポリゴンミラーから出る測定ビームの一部分を分割し、基準ビームとして例えば基準格子に供給して走査スポットの移動と同期した基準格子を横切る基準ビームの移動を達成することができる。基準格子に対する基準ビームスポットの位置を測定することにより、フォトレジスト層上の走査スポットの位置も知ることができる。
しかし、図５及び図６に示すような静止測定ビームを使用する潜像検出装置を使用し、基板テーブルを潜像の走査のために移動させるのが好ましい。この場合には極めて精密な干渉計型基板テーブル位置検出装置を潜像検出装置の走査スポットの位置を測定するのに使用することもできる。図５及び図６に示す装置の利点は、極めてコンパクトにすることができ、例えば約２２ｍｍの幅及び例えば１６ｍｍの高さを有するものとして投影装置内に容易に組み込むことができる点にある。もっと重要な点は、この装置は投影レンズ系に近接配置して投影レンズ系によりカバーされる基板区域のほぼ全域を使用しうるとともに、基板縁部の潜像を検出すこともできる点にある。
更に、この潜像検出装置は、小さな走査スポットを形成するので高い分解能を有するとともに、極めて安定である利点を有する。
本発明による潜像検出装置を使用する投影装置においては、結像性能に影響を与える各別の全てのパラメータを精密に知る必要はなく、像性能と像位置を全体として知ればよく、且つこの像性能及び像位置からの測定偏差に対し、測定信号をコンピュータと全てのパラメータ及びそれらの相互関係を有するモデルとを用いて処理して一以上の装置パラメータを所望の性能及び位置の像が得られるように補正する制御信号を形成することができるという認識を用いる。
慣例のフォーカス検出装置、アライメント装置及び基板テーブル位置検出装置を潜像検出装置を介して互いに結合して、関連する全てのパラメータを測定しうる集積測定装置を得ることができる。
潜像検出装置にはフォトレジスト層上の測定ビームｂLIのフォーカシングを測定するためにフォーカスエラー検出システムを設けるのが好ましい。図１２はこのような装置の一実施例を示す。くさび面３５及び３６を有するダブルくさび３４をビーム分離プリズム３２の射出面上に配置する。このくさびはプリズム３２により反射されたビームｂ’LIを２つのサブビームｂ’LI1及びｂ’LI2に分割し、これらのビームを光スポットＳＰ’1及びＳＰ’2にフォーカスする。本例では光感応検出器４０は４つの検出素子４１、４２、４３及び４４を具える。ビームｂLIがフォトレジスト層ＦＲ上に鮮明にフォーカスされている場合には、光スポットＳＰ’1及びＳＰ’2は円形になり、且つそれぞれ検出素子４１及び４２及び検出素子４３及び４４に対し対称に位置する。この場合には検出素子４１及び４２及び検出素子４３及び４４が等しい光量を受信する。このとき、Ｓf＝（Ｓ41＋Ｓ44）−（Ｓ42＋Ｓ43）で与えられるフォーカスエラー信号Ｓfは例えば零になる。デフォーカス時には、光スポットＳＰ’1及びＳＰ’2が非対称に大きくなり、且つこれらのスポット内の強度分布の重心がデフォーカスの符号に応じて互いに離れる方向に、又は互いに近づく方向に移動する。この場合には検出素子４１及び４４が内側の検出素子より大きい又は小さい光量を受信し、フォーカスエラー信号Ｓfは正又は負になる。
図１３はこれらの検出素子の信号からフォーカスエラー信号Ｓfを取り出す信号処理回路の一実施例を示す。この回路は信号Ｓ４２及びＳ４３を加算する第１加算装置７０と、信号Ｓ４１及びＳ４４を加算する第２加算装置７１とを具える。これらの加算装置の出力端子を差動増幅器７２の入力端子に接続し、その出力端子にフォーカスエラー信号Ｓfを得る。この信号は制御回路７３において、内部に対物レンズが懸垂支持されている例えばラウドスピーカコイルを附勢する制御信号に処理される。
図１３の左側部分に示すように、信号Ｓ４１及びＳ４２を加算装置８０で加算するとともに信号Ｓ４３及びＳ４４を加算装置８１で加算し、これらの加算装置の出力信号を差動増幅器８３の入力端子に供給することにより潜像ＤＰＣ信号ＳDPCを得ることができる。これらの信号Ｓ４１，Ｓ４２，Ｓ４３及びＳ４４を例えば加算装置８０、８１及び８２により加算することにより潜像ＰＩ信号ＳPIを得ることができる。
図１２の自動フォーカシング潜像検出装置は何の構造も設けられていないブランク基板に対する高度計として使用し、これにより基板表面の凹凸を測定することができる。例えば、ＰＩモードにおける基板全体の走査中に対物系３１の変位を誘導的に又は容量的に測定し、これらの変位を走査スポットＳＰの瞬時位置に関連させることにより、基板の地形図的チャートを得ることができる。
次にＤＰＣモードでブランク基板を同様に走査することにより、検出装置に対する基板の傾きを決定することができる。この傾き角は約０．１ｍラジアンの精度で決定することができる。
この傾き測定の結果を用いて、既知のシステム、例えば基板テーブル内の３つの垂直アクチュエータにより基板を水平位置にすることができる。
潜像検出装置により更に２つの測定を実行し、例えば周囲パラメータの変化時に投影装置の動作についての指示を与えることができる。第１の測定では、同一の潜像をＤＰＣモードで数回連続的に走査する。これらの走査処理間の時間インターバルを例えば次第に大きく選択して装置の長期間安定性についての判断を得ることができる。各走査処理ごとにＤＰＣシステムの零交差の平均位置を決定するとともにこれらの位置を互いに比較することにより、気圧の変化又は温度の変化により発生しうる装置の設定の長期間（数分間）の変化を測定することができる（これらの設定の変化は潜像の位置の変化に変換され、数ｎｍである）。一走査処理内における前記零交差の比較により短期間変化を測定することができる。
第２の測定では、潜像検出装置の走査スポットはＤＰＣ信号が零であるように、潜像の上に位置される。このことは、走査スポットの中心がストリップの中心上にあることを意味する。基板テーブルは干渉計システムによって適所に保持される。潜像検出装置の出力信号にまだ変動があるか否かをチェックすることによって、該装置に電子雑音がまだ存在するか、基板テーブルに機械的雑音が存在するか否かが確定される。
図５、図６及び図１２は長さ方向が垂直である特別のフォーカスエラー検出装置を具えた潜像検出装置の原理を示す。図３に既に示したように、長さ方向を水平にして装置を投影レンズ系ＰＬに近接配置するとともに部分的にその下に配置することができるようにするのが望ましい。図１４はこのような装置の一実施例を示す。この装置はダイオードレーザ３０、ビーム分離器３３及び検出器４０を具えるのみならず、レーザビームの方向を９０°回転させてこのビームをフォトレジスト層ＦＲに入射させる追加の反射器３７も具える。更に、例えば対物レンズ系（図５、６及び１２内の３１）の代わりにコリメータレンズ３８と対物レンズ３９の組み合わせを用いる。
図１２に示すフーコーフォーカスエラー検出システムの代わりに、潜像検出装置は図１５に示すような非点収差フォーカスエラー検出システムを具えることもできる。この場合には反射ビームの光路内に非点収差素子、例えば円柱レンズ８０を挿入する。これにより反射ビームはもはや一点に集束されないで互いに直交する非点収差焦線８１、８２を発生する。４つの素子８６、８７、８８、８９を有する４分割検出器８５をこれらの焦線間の中心に配置する。測定ビームｂLIがフォトレジスト層ＦＲ上に正しく集束されると、検出器の平面内の光スポットＳＰが図１５に示すように円形になる。デフォーカス時には光スポットＳＰは楕円形になり、この楕円の長軸がデフォーカスの符号に応じて左又は右に傾く。この場合にはフォーカスエラー信号Ｓfは：
Ｓf＝（Ｓ86＋Ｓ89）−（Ｓ87＋Ｓ88）
で与えられる。
この装置でも及び図１４及び図１６に示す装置でもＰＩ信号又はＤＰＣ信号を得ることができる。
図１６は格子９０をビーム分離素子として使用する装置の実施例を示す。この格子はレーザビームｂLIの一部分、即ち零次回折成分を対物レンズ３１に通し、反射ビームｂLIの一部分、即ち１次回折成分ｂLI(+）を検出器４０へ通し、ここに光スポットＳＰ’を形成する。
図１６の下部に示すように、この格子９０が２つの部分９１及び９２を具え、これらの部分の偏向角度決定パラメータ（即ち格子ストリップ９３、９４の方向又は格子周期）の一つが相違する場合には、異なる角度で偏向された同一回折次数の２つのサブビームが形成される。この場合、互いにずれた２つの光スポットが検出器４０上に形成される。この検出器が図１２に示すような４つの素子を具える場合には、この装置でもフーコー法によりフォーカスエラーを検出することができる。また、格子９０を、反射ビームを非点収差ビームにするよう実現し、図１５に示すような４分割検出器を用いることにより、この装置でも非点収差フォーカスエラー検出法を使用することができる。
潜像検出装置はコンパクトであること及び小さな光スポットをフォトレジスト層上に形成することが必要である。フォーカスエラー信号を発生させる特定の構成及び方法は必須の要件ではない。この装置に対しては光情報記憶の分野において既知の種々の読み出しペン又は読み出しヘッドを使用することができる。
これまでは一方向（図４ではＸ方向）に周期的構造を有するテストマークについて述べた。２方向の測定を可能にするためには、図１７に示すようにＸ方向及びＹ方向の２方向に周期的構造１０１、１０２を有するテストマーク１００を又は図１８に示す市松模様のマークを使用することができる。これらのマークの像を２方向に走査する必要がある。
２方向の測定には図１９に示すマークを使用することもできる。このマークは両方ともＸ方向のライン構造を有する２つの部分１２１、１２２を具える。このマークはＸ方向に複数回走査する。Ｘ方向の各走査後ごとに、走査スポットをＹ方向に部分１２１及び１２２の高さより小さい距離だけシフトさせ、マーク全体を走査させる。このようにするとＹ方向の界面１２３を検出することができる。
実際上、マスクの３つのテストマークの潜像を検出することができる。測定するパラメータは潜像のＸ，Ｙ及びＺ方向位置及びＸ，Ｙ及びＺ軸を中心とするこの像の回転である。これらの位置及び回転は基板テーブルに対し測定し、この測定においては基板テーブル位置検出装置により決まる基板テーブルの座標系が潜像検出装置に対する基準を構成する。Ｚ軸を中心とする回転はそれ自身の面内の像の回転である。Ｘ軸及びＹ軸を中心とする回転はそれぞれＹ軸及びＸ軸に沿う像の傾きを表す。
潜像検出装置により供給される、投影光により形成された像の傾きに関する情報を、新規な投影装置に組み込むべき（投影光以外の光を用い且つその動作がオートコリメータ原理に基づく）傾き検出装置を校正するのに使用することができる。
潜像の位置、回転及び傾きに関する情報に加えて、潜像検出装置は像性能の変化、特に投影ビームの波長の変化及び気圧、温度等のような周囲パラメータの変化の結果として起こる倍率、非点収差及び３次歪みに関する情報も供給する。更に、周囲パラメータの変化の結果として起こる非点収差の変化と像面湾曲の変化は固定の関係を有するので、像面湾曲を非点収差から導出することができる。
潜像検出装置の出力信号は、例えばテストマークの潜像のＸ位置についての情報のみならず、この像のＺ位置についての情報も含む。マスクマークＭ3の像のＸ位置を決定するために、基板テーブルを一定のＺ位置でＸ方向に移動させ、検出器上の光の強度をこの移動の関数として測定し、検出器の出力信号を基準と比較してＸ位置を得る。フォーカシング（Ｚ位置）を決定するために、基板ホルダを一定のＸ位置でＺ方向に移動させ、検出器上の光強度をこの移動の関数として測定する。この検出器の出力信号を基準と比較してＺ位置Ｚ3,Xを得る。Ｚ3,XはマークＭ3のＸ方向位置におけるフォーカスエラーについての情報を与える。同様に、２次元マークを使用し、Ｙ方向にも走査すると、位置信号Ｙ3及びフォーカスエラー信号Ｚ3,Yを得ることができる。こうしてテストマークＭ3の像のＸ位置及びＹ位置のみならず、Ｍ3の潜像のＸ方向及びＹ方向位置におけるフォーカシングエラー、従って像の非点収差も知ることができる。
位置信号Ｘ4及びＹ4及びフォーカスエラー信号Ｚ4,X及びＺ4,YをテストマークＭ4の潜像から同様にして得ることができるとともに、位置信号Ｘ5及びＹ5及びフォーカスエラー信号Ｚ5,X及びＺ5,YをテストマークＭ5の潜像から同様にして得ることができる。こうして像内の３つのマークのＸ，Ｙ及びＺ位置を知ることができるため、投影レンズ系により投影光で形成される総合像のＸ，Ｙ及びＺ位置ＰT,X，ＰT,Y及びＰT,Zを知ることもできる。
ＰT,X，ＰT,Y及びＰT,Zは原理的には一つのテストマークの、例えばＭ3の潜像から導出することもできる。この潜像は像全体の非点収差ＡＳTについての情報も提供する。この位置情報は３つのマークについて測定する際に得られる情報ほど精密でないが、場合によっては満足に使用することができる。
３つのテストマークの像の位置が決定されたら、像面の傾きφX及びφY、即ち３つのテストマーク像を含むそれぞれＸ軸及びＹ軸を中心とする面の傾きを３つの像位置をＸ方向及びＹ方向において比較することにより決定することができる。
Ｚ軸を中心とする投影像の回転は種々のテストマーク像のＸ及びＹ位置に反対の変化を生ずる。従って、像回転はテストマーク像のＸ位置とＹ位置の双方を比較することにより決定することができる。
Ｘ及びＹ方向に倍率エラーＭＥがある場合、テストマーク、例えばＭ3の像は第２のテストマーク、例えばＭ4の像に対しそれぞれＸ及びＹ方向に反対方向にシフトされる。この倍率エラーはＸ及びＹ方向におけるこれらの位置シフトを比較することにより決定することができる。
３次歪み又は半径方向歪みＤ3は、３つのテストマークが投影レンズ系ＰＬの光軸から異なる距離に位置する場合には、３つのマーク像のすべての位置情報を比較することにより決定することができる。テストマークが光軸から等しい距離に位置する場合には、基板テーブル位置検出装置の情報を基準として用いることにより３次歪みを決定することができる。
上述したように、９つのパラメータＸT，ＹT，ＺT，φX，φY，φZ，ＭＥ，ＡＳ及びＤ3を測定することができる。実際には、検出器信号自体を中央コンピュータを用いて種々に処理し、これらの信号を基準値と比較する。この場合には測定信号曲線をコンピュータに記憶された基準曲線と比較する曲線あてはめプロシージャのようなプロシージャを使用するのが好ましい。この比較の結果に基づいて投影装置の種々のサーボ装置の制御信号を発生する。この場合には結像性能に影響を及ぼすすべてのパラメータ、即ち周囲パラメータ、投影ビームの波長、機械的ドリフト等を正確に知る必要はなく、コンピュータが検出器信号を参照して投影レンズ系により形成された像が正しくないことを確かめ、且つ影響を及ぼす全てのパラメータが組み込まれたモデルを用いて種々のサーボ装置に対する設定信号及び投影レンズ系の波長、ガス圧及び温度等のための計器に対する制御信号を発生して投影像の位置及び品質を最適にすることができる。
本発明の潜像検出装置は精密な測定及び補正を行いうるものである。遠紫外域内の波長、例えば２４８ｎｍの波長を有する投影ビームを用いる投影装置では、Ｘ及びＹ方向に５ｎｍ程度の不安定及びＺ方向に５０ｎｍ程度の不安定を測定できる必要がある。影響を及ぼすパラメータ自体を測定し基準値と比較する投影装置では、温度、波長、マスクのＺ位置及び気圧をそれぞれ０．０１５°Ｋ、０．５ｐｍ、０．１５μm及び０．５ｍｂａｒの精度で測定する必要がある。これらの測定精度を達成するには、この目的のために極めて進歩した測定技術を使用する必要がある。更に、測定値を投影レンズ系の収差に変換する必要があり、この際このレンズ系に不均等が生じないという要件が付随する。また、この投影装置では機械的ドリフトが考慮されない。
図２０は投影装置に使用されるサーボ装置及びそれらの相互接続を示す図である。ブロックで示す種々の装置間の単一接続線は既知の投影装置にも存在し、これらのブロックは：
ＬＡ：光源、例えばレーザ，
ＬＷＣ：レーザ波長制御装置，
ＩＬＳ：照明システム，
ＭＴ：マスクテーブル，
ＭＡＺ：マスクテーブルのＺ位置制御装置，
ＰＬ：投影レンズ，
ＰＬＴＣ：投影レンズの温度制御装置，
ＡＬＩ：アライメント光により形成された像，
ＩＦ：基板テーブル位置検出装置，
ＦＤ：フォーカス検出装置，
ＡＳ1（ＡＳ2）：シングル（又はダブル）アライメント装置，
である。
破線で示すサブシステムが投影装置に追加のシステムとして配置されており、これらのサブシステムは：
ＥＬＩ：投影光により形成された潜像，
ＩＳ：潜像検出装置，
ＩＣ：像校正装置又はコンピュータ，
である。
潜像検出装置を使用する際に処理される追加の信号が２重接続線で示されており、これらの信号は：
・基板テーブル位置検出装置ＩＦ、波長制御装置ＬＷＣ及びフォーカスエラー検出装置ＦＤの信号；これらの信号は潜像検出装置に供給される；
・投影光により形成された像の像情報；
・像校正装置の出力信号；これらの信号はレーザ波長制御装置ＬＷＣ，マスク高さ制御装置ＭＡＺ，投影レンズ温度制御装置ＰＴＬＣ，フォーカスエラー検出装置及びアライメント装置ＡＳ1（ＡＳ2）に供給される；
である。
投影装置は次の装置：
投影レンズ系内の圧力を制御する装置（ＰＬＰＣ）；
投影レンズ系内の媒質の組成を制御する装置（ＰＬＧＭ）；
レンズ素子間の相互間隔を制御する装置（ＰＬＤＣ）；
のうちの一つ以上を具えることができる。
装置ＰＬＰＣ，ＰＬＭＧ及びＰＬＤＣは装置ＩＣから装置ＰＬＴＣと同様に制御される。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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