JPH10289864A

JPH10289864A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH10289864A
Application number: JP9110377A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】面倒な結像特性の照射変動計算を不要とし、
しかも良好に結像特性を補正する。【解決手段】主制御装置２６により、投影光学系ＰＬ
の結像特性の変化の内、変動要因に比例して変化する成
分を補正すべく、環境センサ９０の測定結果に基づいて
結像特性調整手段（４４ａ〜４４ｃ、４５ａ〜４５ｃ、
４８、４９等）が制御されるとともに、投影光学系の結
像特性の変化の内、照明光ＩＬの吸収により変化する成
分を補正すべく、光電センサユニット１００の測定結果
に基づいて結像特性調整手段が制御される。この結果、
結像特性調整手段により、投影光学系の結像特性の変化
分（変動要因に比例して変化する成分及び照明光（Ｉ
Ｌ）の吸収により変化する成分）が良好に補正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影露光装置に係
り、更に詳しくは、半導体素子又は液晶表示素子等をリ
ソグラフィ工程で製造する際に用いられる投影露光装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子又は液晶表示素子
等をリソグラフィ工程で製造する際には、マスク又はレ
チクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成された
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（以下、「ウエハ」と総称す
る）上に投影露光する投影露光装置が用いられている。
この種の投影露光装置として、ステップ・アンド・リピ
ート方式の縮小投影型露光装置である静止露光型のステ
ッパーや、レチクルとウエハとを投影光学系に対して相
対走査しながらレチクルパターンの投影露光を行なうス
テップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置等が知
られている。

【０００３】この種の投影露光装置の投影光学系の結像
特性は、微細なパターンを精度良く露光するため、設
計、製造段階で高度に補正されている。しかし、結像特
性は外部要因により微妙に変化するため、通常は補正機
構により変動分を補正しながら用いられている。補正を
行うためには、結像特性の変化を知る必要があるが、そ
の方法は後述する２つの方法に大別される。

【０００４】図７には、従来の半導体露光用の投影露光
装置の一例が示されている。この図７において、エキシ
マレーザ、水銀ランプ等から成る光源１０１から発せら
れた所定の波長の照明光ＩＬは、照明光学系（１０２、
１０３）、ミラー１０４を介して回路パターンが描かれ
たレチクルＲを均一に照明する。そして、レチクルＲを
通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介してそ
の表面にレジストが塗布されたウエハＷ上にレチクルＲ
上のパターンが投影露光される。ウエハＷは、ウエハホ
ルダ１０５上に吸着されており、ウエハステージＷＳＴ
により投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な平面内で移動
し、逐次移動しながらウエハＷ上にレチクルパターンの
露光が繰り返し行われる。

【０００５】さて、上述した２つの方法の内の第１の方
法は、変動要因を測定した結果に基づいて結像特性の変
化を予測するものである。これは、例えば圧力センサ１
０６で大気圧を測定し、温度センサ（不図示）で周囲空
気温度を測定し、これらの大気圧変化と温度変化とが結
像特性の変化とほぼ比例関係にあるとして、演算装置１
０７により結像特性の変化を演算する。さらに、投影光
学系ＰＬの照明光ＩＬの吸収による変化を、次のように
して予測する。すなわち、ウエハステージＷＳＴ上に設
けられた光電センサ１０８を用いて投影光学系ＰＬに入
射した照明光のエネルギーを測定すると同時に照明系内
の光源の出口部分に配置された半透鏡１１１によって一
部取り出された照明光の光量を光電センサ１１３で測定
し、これらの関係（比率）を予め求めて置く。そして、
露光中は、光電センサ１１３により照明光ＩＬの光量を
測定するとともに、光学系１０２、１０３の間に配置さ
れた半透鏡１１２を介してウエハＷから投影光学系ＰＬ
への反射光のエネルギを光電センサ１１４で測定し、こ
れらの測定結果に基づいて演算装置１０７により結像特
性の変化を演算する。この場合は、特開昭６０−７８４
５４号公報に記載されているように、熱吸収現象である
ため、比例計算ではなく、投影光学系ＰＬの照明光吸収
の動特性の数学モデルを予め作成し、そのモデルに従っ
て演算装置１０７によって結像特性の変化（照射変動）
が演算される。

【０００６】第２の方法は、結像特性の変化を直接測定
する方法である。この方法も種々の方法が知られてお
り、例えばウエハＷを載置したウエハステージＷＳＴ上
に光電センサ（図示省略）を設けてレチクルパターンの
空間像を計測する方法、あるいはレチクル側からウエハ
側のパターンを観察する方法、あるいはウエハステージ
ＷＳＴ上の基準マークＦＭ（図７参照）を逆方向から照
明してレチクル側で受光する方法等がある。

【０００７】なお、図７では、詳細については、図示を
省略したが、レチクルＲの光軸方向位置、投影光学系Ｐ
Ｌを構成するレンズエレメントの光軸ＡＸ方向位置及び
傾斜、及びウエハＷの光軸ＡＸ方向の位置を計測する焦
点検出系（１１５、１１６）のオフセット量を、結像特
性制御系１１０が演算装置１０７の演算結果に基づいて
調整することにより、結像特性の補正が行われるように
なっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記第１の方法は、投
影光学系ＰＬの結像特性を直接測定しないので、本来の
露光動作とはほぼ独立して結像特性の変化を求めること
ができ、露光動作に影響を与えることなく、常に結像特
性の変化を求めることができるという利点がある。しか
しながら、この第１の方法では、照射による影響を計算
で求めるために、前述したようにウエハステージＷＳＴ
上の光電センサ１０８及び照明系内の光電センサ１１
３、１１４が必要となることから、以下のような種々の
不都合があった。

【０００９】例えばウエハステージＷＳＴ上に配置
される光電センサ１０８は、露光領域全面の照明光を一
度にあるいは数回に分けて測定できるだけの大きさが必
要で、ウエハステージＷＳＴを大型化する要因になって
いるが、このステージの大型化はステージの位置制御性
能を悪化させ、特に近年開発され、今や主流となりつつ
ある前述した走査型露光装置にあっては、ステージの大
型化が装置の性能に大きく影響を与える。すなわち、走
査型露光装置では、ステージの大型化によりステージの
最大加速度が制約を受け、これが装置のスループットの
低下を招き、またその位置制御性能が結像状態に影響を
及ぼすからである。

【００１０】また、光電センサ１０８のアンプから
の発熱も無視できない要因で、ステージＷＳＴに熱歪み
を与えるほか、投影光学系ＰＬ、重ね合わせ用マーク検
出光学系（図示省略）に悪影響を与える。

【００１１】さらに、照明光学系内の光電センサ１
１３、１１４を用いて照明光、反射光を測定するために
は、照明系内に半透鏡１１１、１１２（これらを共用す
ることは可能である）を配置しなければならず、これが
照明光学系の設計に制約を与え、通常装置の上方に設け
られる照明光学系の大型化を招き、装置バランスを悪化
させる原因となっていた。

【００１２】また、予め変動特性を計算式等で記憶
しておく必要があるが、投影光学系を構成する各光学素
子（レンズ）を構成するガラスはその製造ロット毎に微
妙に吸収率が異なる。光学ガラスはもともと透過率が非
常に良いので、その微妙な変化が吸収には大きく効いて
きて、投影光学系個々に変動特性を試験して記憶させる
作業が必要であった。

【００１３】また、上記センサ１１３、１１４、１
０８等の調整作業の他に、照射変動特性の試験として、
投影光学系ＰＬの熱吸収が飽和するまで照射を続ける試
験が必要で、時間的に製造工程に大きな負担を与えてい
た。また、単純な比例関係にないので、計算が複雑で間
違いやすい作業であるという不都合もあった。

【００１４】この一方、上記第２の方法は、直接結像特
性を測定しているため、信頼度は高く、例えば予想外の
要因による変化があったとしても変化を知ることが可能
である。しかしながら、この第２の方法は、投影光学系
ＰＬを使用して結像特性を求めるため、その測定のため
には露光動作を中断しなければならず、頻繁には行えな
いという不都合があり、また、レチクル側に測定用のパ
ターンを設ける必要があるが、これは本来露光すべきパ
ターンのないレチクル周辺部にしか設けられず、結果的
に露光領域全体の変化がわからず、このことは特に静止
露光方式の露光装置にとって本質的な不都合であった。
走査型の露光装置の場合には、レチクルステージを移動
させることにより、投影光学系の中心部の結像特性の測
定も可能であるからである。

【００１５】このため、静止露光方式の露光装置等で
は、例えば特開平１−２７３３１８号公報に記載される
如く、レチクル周辺部の情報から露光領域内の結像特性
の変化を予測する方法も考えられている。

【００１６】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、請求項１及び２に記載の発明の目的は、特に、面倒
な結像特性の照射変動計算を不要とし、しかも良好に結
像特性を補正することができる投影露光装置を提供する
ことにある。

【００１７】また、請求項３に記載の発明の目的は、上
記目的に加え、スループットを維持することができる投
影露光装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、照明光（ＩＬ）によりマスク（Ｒ）を照明し、前記
マスク（Ｒ）に形成されたパターンを投影光学系（Ｐ
Ｌ）を介して感応基板（Ｗ）上に投影露光する投影露光
装置であって、前記投影光学系（ＰＬ）の結像特性をそ
の変動量に比例して変化させる変動要因を測定する第１
の測定手段（９０）と；前記投影光学系（ＰＬ）の結像
特性を測定する第２の測定手段（１００）と；前記投影
光学系の結像特性を調整する結像特性調整手段（４４ａ
〜４４ｃ、４５ａ〜４５ｃ、４８、４９等）と；前記投
影光学系（ＰＬ）の結像特性の変化の内、変動要因に比
例して変化する成分を補正すべく、前記第１の測定手段
（９０）の測定結果に基づいて前記結像特性調整手段
（４４ａ〜４４ｃ、４５ａ〜４５ｃ、４８、４９等）を
制御するとともに、前記投影光学系の結像特性の変化の
内、前記照明光（ＩＬ）の吸収により変化する成分を補
正すべく、前記第２の測定手段（１００）の測定結果に
基づいて結像特性調整手段を制御する制御手段（２６）
とを有する。

【００１９】これによれば、制御手段（２６）により、
投影光学系（ＰＬ）の結像特性の変化の内、変動要因に
比例して変化する成分を補正すべく、第１の測定手段
（９０）の測定結果に基づいて結像特性調整手段（４４
ａ〜４４ｃ、４５ａ〜４５ｃ、４８、４９等）が制御さ
れるとともに、投影光学系の結像特性の変化の内、照明
光（ＩＬ）の吸収により変化する成分を補正すべく、第
２の測定手段（１００）の測定結果に基づいて結像特性
調整手段が制御され、この結果、結像特性調整手段によ
り、投影光学系の結像特性の変化分（変動要因に比例し
て変化する成分及び照明光（ＩＬ）の吸収により変化す
る成分）が良好に補正される。このように、本発明によ
れば、投影光学系の結像特性の変化の内、単純に原因に
比例する成分は従来と同様その原因を測定して補正し、
残りの照射変動によるものだけを結像特性を実測して補
正するようにしたことから、十分な頻度で第２の測定手
段（１００）で投影光学系の結像特性を実測して補正を
行えば、照射変動に関する予測計算が不要となるととも
に、良好に結像特性を補正することが可能になる。ここ
で、第１の測定手段による変動要因の測定及びそれに基
づく結像特性の補正は、露光動作に影響を与えることな
く、いつでも可能である。照射変動に関する予測計算が
不要となる結果、照射変動計算のための基板ステージ上
及び照明光学系内の光電センサ、及びその調整が不要と
なる。

【００２０】この場合において、投影光学系の結像特性
の全てが第２測定手段によって測定可能と限らないの
で、かかる場合を考慮して、請求項２に記載の発明の如
く、前記制御手段（２６）は、前記第２の測定手段（１
００）による前記投影光学系の結像特性の測定結果に基
づいて前記第２の測定手段（１００）で測定不能な前記
投影光学系の他の結像特性の変化を演算により求め、そ
の演算結果と前記第２の測定手段の測定結果とに基づい
て前記結像特性調整手段を制御するようにすることが望
ましい。この場合、具体的には、第２の測定手段により
測定する結像特性が倍率、露光領域周辺部の焦点位置の
いずれかを含み、制御手段が演算により求める結像特性
が、ディストーション、像面湾曲のいずれかを含むこと
がより望ましい。かかる場合には、制御手段では、他の
成分と分離して照射変動分のみ結像特性の変化分を求め
ることができるので、予め関係を求めておけば、第２の
測定手段で測定可能な結像特性（例えば、マスク周辺で
の測定で得られる倍率、露光領域周辺部の焦点位置）か
ら他の結像特性、例えば正確に投影領域中心部の情報が
必要な結像特性であるディストーション、像面湾曲等を
求めることが可能になる。

【００２１】これらの場合において、請求項３に記載の
発明の如く、前記第２の測定手段（１００）による前記
投影光学系（ＰＬ）の結像特性の測定は、前記感応基板
（Ｗ）の交換の度毎、若しくは前記投影光学系の結像特
性の変化量に応じて所定枚数の前記感応基板の交換の度
毎に行なうようにすることが望ましい。このようにする
場合には、感応基板交換中に測定が可能で、各感応基板
毎にあるいは所定枚数の感応基板の露光終了の度毎に、
露光に先立ち、スループットを低下させることなく測定
が可能となる。かかる場合を考慮して、第２の測定手段
が、基板の交換位置で結像特性を測定できるようにする
ことが望ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
ないし図６に基づいて説明する。

【００２３】図１には、一実施形態に係る投影露光装置
１０の構成が概略的に示されている。この投影露光装置
１０は、マスクとしてのレチクルＲ上に形成されたパタ
ーンをステップ・アンド・リピート方式により投影光学
系ＰＬを介して感応基板としてのウエハＷのショット領
域に露光する縮小投影型の露光装置（いわゆるウエハス
テッパ）である。

【００２４】この投影露光装置１０は、光源１２を含む
照明系１１、レチクルＲを保持するレチクルステージＲ
Ｓ、レチクルＲに形成されたパターンの像をウエハＷ上
に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷが搭載されたウエ
ハステージ５０、投影光学系ＰＬの倍率・ディストーシ
ョン等の結像特性を補正する結像特性補正手段、フォー
カス補正手段（これも結像特性補正手段の一種であ
る）、及び制御系等を備えている。

【００２５】照明系１１は、高圧水銀ランプあるいはエ
キシマレーザ等から成る光源１２、シャッタ、オプチカ
ルインテグレータ（フライアイレンズ）等を含む照度均
一化光学系、レチクルブラインド、リレーレンズ系等
（いずれも図示せず）を含む照明光学系１６、ミラー３
７、コンデンサレンズ３８等を備えている。この照明系
１１によれば、光源１２を発した照明光ＩＬは、不図示
の照度均一化光学系により光束の一様化、スペックルの
低減化等が行われる。そして、この照明光ＩＬは、照明
光学系１６を通過する間にレチクルＲのパターン面（図
１における下面）と共役な面に配置された不図示のレチ
クルブラインドによってその断面形状が規定された後、
ミラー３７によってレチクルＲに向けて反射され、コン
デンサレンズ３８を介してレチクルＲ上に照射される。
このようにして、レチクルＲのパターン面上の所定の照
明領域（レチクルブラインドによって規定された領域）
が、均一な照度で照明される。

【００２６】レチクルＲは、レチクルステージＲＳ上に
載置され、図示しないレチクルホルダにより保持されて
いる。レチクルステージＲＳは、水平面（ＸＹ平面）内
で微小駆動可能に構成されており、レチクルＲがレチク
ルステージＲＳに載置された後、レチクルＲのパターン
領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように位置決め
が行なわれる。レチクルＲの初期設定は、図示しないレ
チクルアライメント系によりレチクル周辺のアライメン
トマーク（図示省略）を光電検出し、このマーク検出信
号に基づいて、レチクルステージＲＳを微動することに
より行われる。レチクルＲは図示しないレチクル交換器
により適宜交換されて使用される。なお、図１では図示
を省略したが、本実施形態では、レチクルＲを保持する
不図示のレチクルホルダは、不図示の駆動系によりレチ
クルステージＲＳに対して後述する投影光学系ＰＬの光
軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）に微小駆動可能に構成されてい
る。

【００２７】前記投影光学系ＰＬは、両側テレセントリ
ックな光学配置になるように、共通の光軸を有する複数
枚のレンズエレメント４０ａ、４０ｂ、……から構成さ
れている。レンズエレメントのうち、レチクルステージ
ＲＳに最も近い一番上のレンズエレメント４０ａは、リ
ング状の支持部材４２により保持され、この支持部材４
２は、伸縮可能な駆動素子、例えばピエゾ素子４４ａ，
４４ｂ，４４ｃ（紙面奥側の駆動素子４４ｃは図示せ
ず）によって、３点支持されるとともに鏡筒部４６と連
結されている。同様に、上から２番目のレンズエレメン
ト４０ｂは、リング状の支持部材４３により保持され、
この支持部材４３は、伸縮可能な駆動素子、例えばピエ
ゾ素子４５ａ，４５ｂ，４５ｃ（紙面奥側の駆動素子４
５ｃは図示せず）によって、３点支持されるとともに鏡
筒部４６と連結されている。

【００２８】上記の駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃに
よって、レンズエレメント４０ａの周辺３点を独立に、
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に移動させることができ
るとともに、駆動素子４５ａ，４５ｂ，４５ｃによっ
て、レンズエレメント４０ｂの周辺３点を独立に、投影
光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に移動させることができるよ
うになっている。すなわち、レンズエレメント４０ａを
駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃの変位量に応じて光軸
ＡＸに沿って平行移動させることができるとともに、光
軸ＡＸと垂直な平面に対して任意に傾斜させることもで
き、これと同様にレンズエレメント４０ｂを駆動素子４
５ａ，４５ｂ，４５ｃの変位量に応じて光軸ＡＸに沿っ
て平行移動させることができるとともに、光軸ＡＸと垂
直な平面に対して任意に傾斜させることもできる。そし
て、これらの駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び４５
ａ，４５ｂ，４５ｃに与えられる電圧が、主制御装置２
６からの指令に基づいて結像特性補正コントローラ４８
によって制御され、これによって駆動素子４４ａ，４４
ｂ，４４ｃ及び４５ａ，４５ｂ，４５ｃの変位量が制御
されるようになっている。なお、図１中、投影光学系Ｐ
Ｌの光軸ＡＸとは鏡筒部４６に固定されているレンズエ
レメント（４０ａ、４０ｂ以外のレンズエレメント（図
示省略））の光軸を指す。

【００２９】また、本実施形態においては、投影光学系
ＰＬの光軸方向中央部近傍の特定のレンズエレメント相
互間には密封室４９が形成されており、この密封室４９
の内圧が圧力調整機構（例えばべローズポンプ等から成
る）８０によって調整されるようになっている。この圧
力調整機構８０も主制御装置２６からの指令に基づいて
結像特性補正コントローラ４８によって制御され、これ
によって密封室４９の内圧が調整される。

【００３０】本実施形態では、レンズエレメント４０ａ
及び４０ｂを光軸ＡＸ方向に移動させたり傾斜させたり
する駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び４５ａ，４５
ｂ，４５ｃ、密封室４９の内圧を調整する圧力調整機構
８０、及び駆動素子の変位量及び密封室４９の内圧を制
御する結像特性補正コントローラ４８によって投影光学
系の結像特性を調整する結像特性調整手段が構成されて
いる。具体的には、例えばレンズエレメント４０ａ、４
０ｂの光軸ＡＸ方向又は傾斜方向の駆動により、例えば
投影倍率、像面湾曲、対称ディストーション成分の補正
が行われ、密封室４９の内圧の調整により、例えば倍
率、コマ収差、像面湾曲の補正が行われる。

【００３１】また、本実施形態では、予め実験によりレ
ンズエレメント４０ａ、４０ｂの上下量と倍率等の変化
量との関係を求めておき、これを主制御装置２６内部の
メモリに記憶しておき、補正時に主制御装置２６が補正
する倍率等からレンズエレメント４０ａ、４０ｂの上下
量を計算し、結像特性補正コントローラ４８に指示を与
えて駆動素子４４ａ，４４ｂ，４４ｃ及び４５ａ，４５
ｂ，４５ｃを駆動することにより倍率等の補正を行うよ
うになっている。なお、前記レンズエレメント４０ａ、
４０ｂの上下量と倍率等の変化量との関係は光学的な計
算値を用いてもよく、この場合は前記レンズエレメント
４０ａ、４０ｂの上下量と倍率変化量との関係を求める
実験の工程が省けることになる。

【００３２】同様に、本実施形態では、密封室４９の内
部圧力の変化と倍率等の変化の関係を予め実験により求
めておき、これを主制御装置２６内部のメモリに記憶し
ておき、補正時に主制御装置２６が補正する倍率等から
密封室４９の内圧の可変量を計算し、結像特性補正コン
トローラ４８に指示を与えて密封室４９の内圧を増減さ
せることにより補正を行うこともできる。基本的には密
封室４９の内部圧力に比例して倍率は変化する。この場
合も、内部圧力変化による屈折率変化と、内部圧力変化
による密封室の隔壁を構成するレンズエレメントの変形
や移動をシミュレーションにより計算して求めることも
できる。

【００３３】更に、本実施形態では、前述の如く、レチ
クルＲを保持する不図示のレチクルホルダが光軸ＡＸ方
向に微小駆動可能となっており、このレチクルホルダの
移動も主制御装置２６からの指令に応じて結像特性補正
コントローラ４８によって制御される。この場合、投影
光学系ＰＬとしてレチクル側もテレセントリックなもの
が用いられているので、レチクルＲの光軸ＡＸ方向への
駆動により、対称的ディストーション成分が補正され
る。なお、投影光学系ＰＬのレチクル側が非テレセント
リックである場合は、レチクルＲの光軸ＡＸ方向への駆
動により投影倍率を補正することができる。

【００３４】前記ウエハステージ５０は、投影光学系Ｐ
Ｌの下方に配置されている。このウエハステージ５０
は、実際には水平面（ＸＹ面）内を２次元移動可能なＸ
Ｙステージと、このＸＹステージ上に搭載され光軸方向
（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ等から構成される
が、図１ではこれらが代表的にウエハステージ５０とし
て示されている。以下の説明中では、このウエハステー
ジ５０は、駆動系５４によってＸＹ２次元方向に駆動さ
れるとともに微小範囲（例えば１００μｍ程度）内で光
軸ＡＸ方向にも駆動されるようになっているものとす
る。

【００３５】このウエハステージ５０上にウエハホルダ
５２を介してウエハＷが真空吸着等によって固定されて
いる。ウエハステージ５０の２次元的な位置は、該ウエ
ハステージ５０上に固定された移動鏡５３を介してレー
ザ干渉計５６によって、例えば０．０１μｍ程度の分解
能で常時検出され、このレーザ干渉計５６の出力が主制
御装置２６に与えられている。そして、主制御装置２６
からの指令がステージコントローラ５８に与えられ、ス
テージコントローラ５８によって駆動系５４が制御され
る。このような閉ループの制御系により、例えば、ウエ
ハステージ５０はウエハＷ上の１つのショット領域に対
するレチクルＲのパターンの転写露光が終了すると、次
のショット位置までステッピングされる。

【００３６】前記フォーカス補正手段は、投影光学系Ｐ
Ｌの結像面に向けてピンホールまたはスリットの像を形
成するための結像光束もしくは平行光束を、光軸ＡＸに
対して斜め方向より照射する照射光学系６０ａと、その
結像光束もしくは平行光束のウエハＷ表面での反射光束
を受光する受光光学系６０ｂとからなる斜入射光式の焦
点検出系と、受光光学系６０ｂ内の図示しない平行平板
の反射光束の光軸に対する傾きを主制御装置２６からの
指令に応じて制御することにより、焦点検出系にオフセ
ットを与えて投影光学系ＰＬのフォーカスの変動を補正
するフォーカス補正コントローラ６２とを備えている。
受光光学系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス信
号）は前述したステージコントローラ５８に与えられ、
ステージコントローラ５８では焦点ずれ信号、例えばＳ
カーブ信号に基づいて焦点ずれが零となるようにウエハ
ステージ５０のＺ位置を駆動系５４を介して制御するこ
とにより、オートフォーカス（自動焦点合わせ）が実行
される。

【００３７】なお、受光光学系６０ｂ内に平行平板を設
けて焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）にオフセットを与え
るようにしたのは、例えば、倍率補正のためにレンズエ
レメント４０ａ、４０ｂを上下することによりフォーカ
スも変化し、また、投影光学系ＰＬが露光光を吸収する
ことにより結像特性が変化し結像面の位置が変動するの
で、かかる場合に焦点検出系にオフセットを与え、焦点
検出系の合焦位置を投影光学系ＰＬの結像面の位置に一
致させる必要があるためである。このため、本実施形態
では、レンズエレメント４０ａ、４０ｂの上下量とフォ
ーカス変化量の関係も予め実験により求め、主制御装置
２６内部のメモリに記憶している。なお、レンズエレメ
ント４０ａ、４０ｂの上下量とフォーカス変化量の関係
は計算値を用いてもよい。

【００３８】制御系は、図１中、制御手段としての主制
御装置２６によって主に構成される。主制御装置２６
は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オ
ンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモ
リ）等から成るいわゆるマイクロコンピュータ（又はミ
ニコンピュータ）によって構成され、露光動作が的確に
行われるように、レチクルＲとウエハＷの位置合わせ、
ウエハＷのステッピング、不図示のシャッタによる露光
タイミング等を統括して制御する。また、主制御装置２
６は、結像状態を補正するために、後述するようにし
て、投影光学系ＰＬの結像特性の変動量を算出するとと
もに、結像特性補正コントローラ４８を始めとして装置
全体を統括制御する。

【００３９】更に、本実施形態では、投影光学系ＰＬの
結像特性をその変動量に比例して変化させる変動要因で
ある大気圧、気温、湿度等を測定する第１の測定手段と
しての環境センサ（これは、実際には圧力計、温度計、
湿度計等の各種センサによって構成される）９０が設け
られており、この環境センサ９０の計測値は主制御装置
２６に供給されるようになっている。

【００４０】また、本実施形態では、投影光学系ＰＬの
結像特性を直接測定するために、レチクルＲに形成され
た計測マークの投影光学系ＰＬを介しての投影像を光電
検出する第２の測定手段としての光電センサユニット１
００が設けられている。

【００４１】図２には、この光電センサユニット１００
を含む図１のウエハステージ５０近傍部分が拡大して示
されている。図２において、ウエハステージ５０の一端
部上面には、上部が開口した突設部５０ａが設けられて
おり、この突設部の開口を塞ぐ状態で受光ガラス６２が
嵌め込まれている。この受光ガラス６２の上面には、図
３の拡大平面図に示されるように、中央部にほぼ正方形
の開口パターン６４が形成されている。図３において、
斜線部（影線部）はクロム層により形成された遮光帯６
４ａ（図２参照）を示す。

【００４２】図２に戻り、開口パターン６４の下方のウ
エハステージ５０内部には、レンズ６６、６８から成る
リレー光学系と、このリレー光学系（６６、６８）によ
って所定光路長分だけリレーされる照明光束（像光束）
の光路を折り曲げる折り曲げミラー６９とから成る受光
光学系と、シリコンフォトダイオード又はフォトマルチ
プライヤ等の光電変換素子から成る光電センサ７０が配
置されている。

【００４３】本実施形態では、上記ウエハステージ５０
の一端部上面の突設部５０ａ、受光ガラス６２、受光ガ
ラス６２上の遮光帯６４ａによって形成された開口パタ
ーン６４、リレー光学系（６６、６８）、折り曲げミラ
ー６９及び光電センサ７０によって光電センサユニット
１００が構成されている。

【００４４】この光電センサユニット１００によれば、
後述するレチクルＲに形成された計測マークの投影光学
系ＰＬを介しての投影像の検出の際には、投影光学系Ｐ
Ｌを透過してきた照明光ＩＬが受光ガラス６２を照明
し、受光ガラス６２上の開口パターン６４を透過した照
明光ＩＬが上記受光光学系を通って光電センサ７０に到
達し、光電センサ７０では光電変換を行い受光量に応じ
た光量信号Ｐを主制御装置２６に出力する。

【００４５】次に、上記の光電センサユニット１００を
用いたレチクルＲ上の計測マークの投影像の検出方法
（及びこれを用いた結像特性計測）について説明する。

【００４６】図４（Ａ）には、通常の半導体製造に使用
されるレチクルＲのパターン面側から見た平面図（レチ
クルＲの図１における底面図に相当）が示されている。
レチクルＲの中心部はパターン領域ＰＡで占められてお
り、結像特性計測用のマークを入れることはできないた
め、パターン領域ＰＡの周辺部に６個の計測マークＭn
（ｎ＝１〜６）が配置されている。ここで、実際には各
計測マークＭn は、図４（Ｂ）に拡大して示されるよう
に、Ｘ軸方向を周期方向とする５本のバーマークから成
るラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）マークであるＸマー
クＭx と、同様にＹ軸方向を周期方向とする５本のバー
マークから成るＬ／ＳマークであるＹマークＭy とから
構成されている。図４（Ｂ）において斜線部（影線部）
は遮光帯を表している。

【００４７】例えば、ＸマークＭx の投影像（空間像）
の検出は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの直下に受光ガラ
ス６２上の開口パターン６４のウエハホルダ５２側の遮
光部６４ａ（図２参照）が位置するように、ウエハステ
ージ５０を移動した状態で開始される。

【００４８】この開始位置では、照明系１１からの照明
光ＩＬにより計測マークＭx が照明されると、このマー
クＭx 部分（５本のバーマーク）を透過した照明光ＩＬ
によってウエハステージ５０上の受光ガラス６２上の開
口パターン６４のウエハホルダ５２側の遮光部６４ａに
ＸマークＭx の投影像Ｍx'が結像される。このときの状
態が、図５に示されている。

【００４９】そして、主制御装置２６からの指示に応じ
て、ステージコントローラ５８では駆動系５４を介して
ウエハステージ５０を−Ｘ方向に所定速度で移動させ
る。これによりマークＭx の投影像Ｍx'の右側から徐々
に開口パターン６４に重なるようになる。マークＭx の
投影像Ｍx'と開口パターン６４の重なりが増すにつれ
て、光電センサ７０に入射する光量が増加していき、マ
ークＭx の投影像Ｍx'と開口パターン６４とがちょうど
重なった時が最大光量となる。その後、更にウエハステ
ージ５０が−Ｘ方向に移動すると、今度は光電センサ７
０に入射する光量が徐々に減っていき、マークＭx の投
影像Ｍx'と開口パターン６４の重なりがなくなった時に
光電センサ７０に入射する光量は０となる。

【００５０】この場合、光電センサで検出される光量信
号としては、実際の投影像（空間像）の積分波形が得ら
れるので、主制御装置２６では、光量信号の波形（実際
には、所定のサンプリング間隔で取り込まれたディジタ
ルデータである）を走査方向に対して微分することで微
分波形を計算する。そして、主制御装置２６では微分波
形に基づいてフーリエ変換法などの公知の信号処理を施
し、マークＭx が投影された光学像（空間像）を検出す
る。これと同様にして、ＹマークＭy の投影像をも検出
することができ、以上説明したような検出方法を用い
て、レチクルＲ上に配置された複数（ここでは６個）の
計測マークＭn の投影像（空間像）をＸ、Ｙ両方向につ
いて検出することにより、投影光学系ＰＬの倍率やディ
ストーション等の結像特性を求めることができる。ま
た、上記検出方法では、計測マークＭn の投影像をダイ
レクトに検出しているので、倍率やディストーションを
含めた投影光学系ＰＬの光学性能も見ることが可能であ
る。

【００５１】また、上記と同様の投影像の検出を、ウエ
ハステージ５０をＺ軸方向に微小距離移動させながら、
行なうことにより、得られた信号のコントラストに基づ
いてマーク位置での焦点位置を求めることも可能であ
る。

【００５２】以上のようにして、投影光学系ＰＬの露光
領域周辺の結像特性、例えば、周辺部の焦点位置、ある
いは倍率、ディストーション成分などを測定することが
できる。

【００５３】本実施形態では、光電センサユニット１０
０による上記の計測マークの投影像の検出を、ほぼウエ
ハ交換位置で行なうことができるように、ウエハのロー
ディングポジションが定められている。

【００５４】次に、本実施形態の投影露光装置１０の主
制御装置２６による結像特性の補正方法について具体的
に説明する。

【００５５】最初に、結像特性補正の前提となる投影光
学系ＰＬの結像特性変化について、図６（Ａ）〜（Ｃ）
を参照して簡単に説明する。

【００５６】結像特性の変化要因には、前述の如くその
変化要因の変動に比例して結像特性が変化すると考えら
れるものがあり、それは大気圧変化、気温変化、湿度変
化等である。これらは、その変化要因（原因）を直接測
定して比例計算により変化量が予想できる。図６（Ｂ）
には、このような変化要因に比例する結像特性の変化の
一例として焦点位置の大気圧変化が示されている。大気
圧は通常、図示のような緩やかな変化を示す。

【００５７】結像特性の変化要因のもう一つのものが、
投影光学系ＰＬによる照明光ＩＬの吸収である。この照
明光ＩＬの吸収による結像特性の変化（照射変動）は、
変化要因（原因）である照明光ＩＬのエネルギーに直接
比例せず、次第に吸収していくため、時間遅れが生ず
る。図６（Ａ）には、このような照射変動の一例として
焦点位置の照射変動が示されている。この図６（Ａ）に
おいて、時刻ｔ₀で露光動作が開始されると、その後焦
点位置は指数関数的に飽和値に向かって変動していく。
そして、時刻ｔ₁で露光動作が終了すると初期値に向か
って減衰していく。現実の露光動作中は、ウエハＷ交
換、ショット間ステッピング等露光以外の時間も入り、
微視的に見ればさらに変動、減衰が繰り返されている。
この照射変動特性は、投影光学系ＰＬを構成するレンズ
エレメントの素材であるガラスの透過率、投影光学系Ｐ
Ｌの熱容量等により決まる特性である。通常、一次遅れ
の微分方程式で表され、従来は、前述した光電センサ１
１３、１１４の情報に基づいて複雑な数値計算で変動量
を逐次計算することにより求めていた。

【００５８】最終的な焦点位置（結像特性）の変化は、
図６（Ｃ）に示されるように、図６（Ａ）と図６（Ｂ）
とを加算した変化となる。

【００５９】本実施形態では、この図６（Ｃ）に示され
るような変化の内、計算が複雑でしかもその計算のため
に照明光ＩＬの光路中にセンサを配置する必要がある照
明光吸収による変化分（照射変動分）を、計算によらず
計測で補正する方法を実現する。すなわち、本実施形態
では、上記図６（Ｂ）の成分に関しては、従来通り、変
動要因を測定して補正するとともに、上記図６（Ａ）の
照射変動分のみ直接計測により検出し、その検出結果に
基づいて補正するようにしている。

【００６０】このため、主制御装置２６では、常時環境
センサ９０の計測値をモニタし、この計測値に基づいて
比例変化分を演算し、この変化分を補正すべく、結像特
性補正コントローラ４８に指令を与える。この比例変化
分の演算は、単なる比例計算であるため、負荷にはなら
ない。

【００６１】また、主制御装置２６では、前述した光電
センサユニット１００を用いて定期的に、例えばウエハ
Ｗ交換の度毎に、投影光学系ＰＬの結像特性の計測、す
なわちレチクルＲ上の計測マークＭn の空間像の検出を
前述した如くして行い、この検出結果に基づいて、倍
率、及び露光領域周辺部のフォーカスの変動を補正すべ
く、結像特性補正コントローラ４８に指令を与える。こ
の場合において、光電センサユニット１００を用いて計
測された倍率等の変化には、前述した比例変動分も含ま
れるので、この計測中も環境センサ９０の計測値をモニ
タして、計測結果から比例変動分を差し引いた照射変動
分（照明光ＩＬの吸収による結像特性の変化分）のみを
求めて、これを補正すべく、結像特性補正コントローラ
４８に指令を与える。この場合において、既に補正して
いる照明光吸収分は考慮して、照明光吸収分の冷却状態
からの変化を計算する必要がある。

【００６２】また、結像特性補正手段は、例えばディス
トーションの号機間マッチング、ウエハＷのプロセスに
よる収縮補正等で正規の結像特性（ディストーション）
から故意にずらして使用することがあるが、その分は計
測値から差し引くか、予めキャンセルしてから測定する
かして、最終的に照明光吸収分のみ反映されるようにし
なければならない。

【００６３】以上のようにして、露光領域周辺部の結像
特性の照射変動分が求められ、露光領域周辺部の焦点位
置や、倍率等の結像特性についてはその補正が可能にな
るが、照明光吸収で発生する結像特性の変動の内、ディ
ストーション、コマ収差、像面湾曲等の露光領域内部の
データを必要とする結像特性については、これを補正す
ることができず、これだけでは不十分である。そこで、
本実施形態では、露光領域内部の結像特性を計算により
予測して補正を行う。この場合、上で説明したように、
予測すべき変化量の要因は照射変動分のみであるから、
予め照射変動時の結像特性の変化を露光領域全域で測定
可能なテスト用レチクルで測定して求めておけば良い。
すなわち、周辺での結像特性の変化量に対応する露光領
域内部の変化量を予め求め、その結果を主制御装置２６
内のメモリに記憶しておき、そのデータに基づいて補正
を行えば良い。

【００６４】以上のように、本実施形態の投影露光装置
１０を構成する主制御装置２６では、投影光学系ＰＬの
結像特性の変化の内、大気圧変化、温度変化等の比例成
分については、露光中も環境センサ９０の計測値に基づ
いて常時その変動分を算出してこれを補正すべく、結像
特性補正コントローラ４８に指令を与える。この結果、
結像特性補正コントローラ４８により、駆動素子４４ａ
〜４４ｃ、４５ａ〜４５ｃ、圧力調整機構８０、レチク
ルＲの光軸方向駆動手段（不図示）等が制御され、上記
比例成分の補正が行われる。この際、主制御装置２６で
は、倍率等の変動に応じて生ずる焦点ずれを補正すべ
く、フォーカス補正コントローラ６２を介して焦点検出
系（６０ａ、６０ｂ）のオフセット調整をも行なうこと
が望ましい。

【００６５】また、例えば、ウエハＷ交換の度毎に、主
制御装置２６では、上述の如くして、光電センサユニッ
ト１００を用いたレチクルＲ上の計測マークの空間像の
検出（レチクル計測マークの位置検出）を行い、これに
基づいて投影光学系ＰＬの倍率等、露光領域周辺の焦点
位置の照射変動分を算出し、更に、これらの周辺部の結
像特性の照射変動分に基づいて、その他の結像特性、例
えば、対称ディストーション、像面湾曲、コマ収差等を
メモリの記憶内容に基づいて求める。そして、これらの
算出結果に基づいて、投影光学系ＰＬの倍率、対称ディ
ストーション、コマ収差、像面湾曲等を補正するための
指令値を結像特性補正コントローラ４８に与える。これ
により、結像特性補正コントローラ４８によりそれぞれ
の駆動手段を介してレンズエレメントのＺ軸方向位置及
びＸＹ方向の傾斜、密封室４９の内圧、レチクルＲのＺ
軸方向位置が調整される。

【００６６】ここで、実際には、倍率、ディストーショ
ン、コマ収差、像面湾曲等の各結像特性を独立性良く補
正できない場合もあるので、補正すべき結像特性の種類
に応じた数だけ結像特性補正機構を設けることが望まし
く、主制御装置２６では、各補正機構の変化組み合わせ
で所望の補正が行なえるように、各補正機構による収差
変化の補正量を、例えば連立方程式（本実施形態の場合
は、４元一次連立方程式）を解くことにより求めるよう
にしても良い。

【００６７】以上説明したように、本実施形態による
と、結像特性を頻繁に測定することと、さらにその測定
結果から照明光吸収による変化分を抽出し、測定できな
い成分を予測することにより、従来必要であった投影光
学系ＰＬに入射する光量と照明光吸収による変化特性モ
デルを使用した複雑な計算が不要になり、高速なＣＰＵ
等を用いずとも照射変動分を算出することが可能とな
り、これによりコストの低減が可能になる。また、上記
の照射変動分を算出するための複雑な計算が不要になる
結果、従来必要であった、ウエハステージ上の照明光量
測定用のセンサ（図９のセンサ１０８）が不要となり、
ウエハステージの小型化、発熱防止が可能である。ま
た、照明光学系内に光電センサ及びこれに光を導く半透
鏡を設ける必要がなくなり、照明系小型化により装置バ
ランスの改善を図ることが可能となる。さらには、変化
特性モデルの係数を調整時にチューニングするという工
程も省略でき、工期短縮、作業ミスによる不具合を無く
すこともできる。

【００６８】更には、ウエハＷ交換の度毎に、その交換
作業中に光電センサユニット１００による結像特性の測
定を行うので、測定時間がスループット低下の要因とな
ることがない。

【００６９】なお、上記実施形態では、投影光学系ＰＬ
の結像特性の直接計測のために、ウエハステージ５０上
の光電センサユニット１００を用いる場合について説明
したが、本発明がこれに限定されることはなく、例えば
顕微鏡で拡大したあと画像処理方式の結像式センサによ
り計測マークＭn の像を画像として取り込み処理しても
良く、あるいは、レチクルＲの上方から顕微鏡を用いて
ウエハステージ５０上に設けられた基準マークを観察
し、計測マークＭn と基準マークとを一度に観察してそ
の相対位置より結像位置（ディストーション等）を測定
するようにしても良い。また、２つのマーク像によるコ
ントラストをウエハステージ５０を光軸方向に移動しな
がら測定し、像面位置を求めることも可能である。レチ
クル顕微鏡を使う場合、同時にベースラインの計測を行
なうことも可能である。

【００７０】また、上記実施形態では、ウエハＷの交換
の度毎に、光電センサユニット１００を用いて結像特性
の測定を行なう場合について説明したが、これに限ら
ず、投影光学系の結像特性の変化量に応じて所定枚数の
ウエハＷの交換の度毎、例えばロットの先頭毎に第２の
測定手段を用いて投影光学系の結像特性を測定するよう
にしても良い。

【００７１】さらに、上記実施形態では、結像特性補正
のための全ての演算を主制御装置２６（内のＣＰＵ）が
行なう場合について説明したが、これに限らず、環境セ
ンサ９０による計測が露光中も可能であることを考慮
し、例えば環境センサ９０の計測値に基づく結像特性の
比例変動分のみを算出する演算部と、その他の結像特性
の補正に必要な演算を行なう演算部とを別々に設けて、
これらを含めて制御系（制御手段）を構成しても良い。

【００７２】なお、上記実施形態では、本発明がステッ
プ・アンド・リピート方式の投影露光装置に適用された
場合について説明したが、本発明の適用範囲がこれに限
定されることはなく、ステップ・アンド・スキャン方式
の走査型露光装置にも本発明は同様に適用できるもので
ある。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１及び２に
記載の発明によれば、面倒な結像特性の照射変動計算を
不要とし、しかも良好に結像特性を補正することがで
き、これにより、従来必要であった、照明光量測定用の
センサを基板ステージ上、あるいは照明光学系から無く
すことにより、装置構成の簡略化、小型軽量化、装置バ
ランスの改善を図ることができ、さらには、変化特性モ
デルの係数を調整時にチューニングするという工程も省
略できるという従来にない優れた効果がある。

【００７４】また、請求項３に記載の発明によれば、上
記効果に加え、スループットを維持することができると
いう効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態に係る投影露光装置の概略構成を示
す図である。

【図２】図１のウエハステージ近傍部分を拡大して示す
図である。

【図３】図２の受光ガラスの平面図である。

【図４】（Ａ）はレチクルのパターン面側から見た平面
図、（Ｂ）は計測マーク部分を拡大して示す図である。

【図５】図４（Ｂ）の計測マークの投影像の光電検出方
法を説明するための図である。

【図６】投影光学系の結像特性変化について説明するた
めの図であって、（Ａ）はフォーカスの照射変動分を示
す図、（Ｂ）はフォーカスの大気圧変動分を示す図、
（Ｃ）は、実際の結像特性の変化を示す図である。

【図７】従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１０投影露光装置２６主制御装置（制御手段）４４ａ、４４ｂ、４４ｃ駆動素子（結像特性調整手段
の一部）４５ａ、４５ｂ、４５ｃ駆動素子（結像特性調整手段
の一部）４８結像特性補正コントローラ（結像特性調整手段の
一部）４９密封室（結像特性調整手段の一部）８０圧力調整機構（結像特性調整手段の一部）９０環境センサ（第１の測定手段）１００光電センサユニット（第２の測定手段）ＩＬ照明光Ｒレチクル（マスク）ＰＬ投影光学系Ｗウエハ（感応基板）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光によりマスクを照明し、前記マス
クに形成されたパターンを投影光学系を介して感応基板
上に投影露光する投影露光装置であって、前記投影光学系の結像特性をその変動量に比例して変化
させる変動要因を測定する第１の測定手段と；前記投影
光学系の結像特性を測定する第２の測定手段と；前記投
影光学系の結像特性を調整する結像特性調整手段と；前
記投影光学系の結像特性の変化の内、変動要因に比例し
て変化する成分を補正すべく、前記第１の測定手段の測
定結果に基づいて前記結像特性調整手段を制御するとと
もに、前記投影光学系の結像特性の変化の内、前記照明
光の吸収により変化する成分を補正すべく、前記第２の
測定手段の測定結果に基づいて結像特性調整手段を制御
する制御手段とを有する投影露光装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記第２の測定手段に
よる前記投影光学系の結像特性の測定結果に基づいて前
記第２の測定手段で測定不能な前記投影光学系の他の結
像特性の変化を演算により求め、その演算結果と前記第
２の測定手段の測定結果とに基づいて前記結像特性調整
手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の投影
露光装置。
【請求項３】前記第２の測定手段による前記投影光学
系の結像特性の測定は、前記感応基板の交換の度毎、若
しくは前記投影光学系の結像特性の変化量に応じて所定
枚数の前記感応基板の交換の度毎に行われることを特徴
とする請求項１又は２に記載の投影露光装置。