JP3064432B2

JP3064432B2 - 投影露光装置、投影露光方法、及び回路製造方法

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Publication number: JP3064432B2
Application number: JP2414038A
Authority: JP
Inventors: 三郎神谷; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-12-26
Filing date: 1990-12-26
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH04225213A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は投影露光装置、特に高精
度の結像特性が要求される半導体集積回路を製造するた
めの投影光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サブミクロンオーダの回路線幅を
有する超ＬＳＩが生産されているが、これに伴って、マ
スクのパターンを半導体ウエハ上に転写露光する光リソ
グラフィー工程に用いられる投影露光装置には、ますま
す高精度な装置が要求されるようになってきている。

【０００３】この種の投影露光装置としてはウエハを逐
次移動しながら、拡大マスクのレチクルのパターン像を
縮小投影転写するステッパーが主力となっている。この
ステッパーにはウエハに既に形成された前工程のパター
ンに対して、解像線幅の 1/5〜1/10程度の合わせ精度で
レチクルのパターンを重ね合わせて投影することが要求
される。また、１つのＬＳＩの製造には通常２０回から
３０回程度のリソグラフィー工程が必要なため、生産性
を最適化するために複数台のステッパーが必要である。
このため、各々のステッパーの投影光学系の歪曲収差、
投影倍率などの結像特性は 0.1μm 程度以下の誤差で互
いに一致させなければならないことは容易に理解される
ところである。

【０００４】このため、投影光学系を構成するレンズ素
子間の間隔などは組立時に高精度に調整しなければなら
ない。ところが、ステッパー生産段階において、ＬＳＩ
生産ラインの各装置の投影光学系の歪（ディストーショ
ン）や倍率を合わせ込むことは実際には困難である。そ
こで、投影光学系のレンズ素子（レンズエレメント）の
うち一部に駆動素子を取り付け、装置がＬＳＩ生産ライ
ンに設置された時点で、各装置の倍率や像面歪曲等を精
度良く合わせ込むことが考えられている。

【０００５】図５はこの機構の構成を簡略化した図で、
レチクル１０１のパターンは投影光学系１０２により、
加工片１０３上に投影転写される。投影光学系のうち、
レチクル側の３枚のレンズエレメントは駆動可能となっ
ており、図で示すようにレチクル側の２枚のレンズエレ
メントをＡ群とし、かつレチクル側の３枚のレンズエレ
メントをＢ群とする。ここで、Ａ群あるいはＢ群のレン
ズエレメントは、それぞれを一体として、傾斜および上
下方向あるいは横方向の並進移動が可能である。

【０００６】図３は、このレンズエレメントの駆動によ
る像の変化の一例を模式的に示している。例えば、レン
ズエレメント(A) および(B) を上から見て図３(d) のよ
うにＲを回転軸として傾斜させる。この場合、Ａ群のレ
ンズエレメントのみを傾斜したときには図の(a) のよう
に回転軸Ｒから離れた像部分が回転軸Ｒと垂直な方向に
大きく変形する。また、Ｂ群のレンズエレメントのみを
傾斜したときには図の(b) のように回転軸Ｒに近い像部
分が回転軸Ｒと垂直な方向に大きく変形する。

【０００７】例えば両者を同時に傾斜（ただし(b) は逆
向き）したときには図の(c) のように両者の効果を加算
したように変位し、台形成分の補正を行うことができ
る。このように両レンズエレメント群の傾斜方向及びそ
の量を適当に選択することによって、非対称な歪成分も
補正することが可能である。ここでいう非対称な歪に
は、レチクルの傾斜による、いわゆる台形歪も含まれて
いる。また、レンズエレメントを上下方向に並進させれ
ば、像の倍率を変えることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに駆動素子によってレンズを微小量、移動あるいは傾
斜させると、それに伴って像面が上下動や傾斜したり、
像面湾曲が生じたりしてしまう。このため、パターンの
合わせ精度は向上できても、焦点外れによる像質の劣化
が生じ、線幅精度（実質的な解像力）が低下するという
問題点があった。

【０００９】特に、製造ラインで稼動中にレチクルの傾
斜成分の補正、大気圧変化による補正を行うときに、そ
の度にラインを停止してから、あらためて像面を測定し
再調整を行うことは、生産性の面から考慮して許されな
い。

【００１０】本発明はこの様な問題点に鑑みてなされた
もので、像面の傾斜あるいは湾曲による焦点外れを補正
することにより、線幅精度の低下を防止しながら、歪み
や倍率を高精度に合わせこむことを可能にした装置、方
法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】上記問題点の解決のため
に、例えば請求項１に係る発明では、所定のパターンが
形成されたマスク（Ｒ）を照明し、該パターンの像を投
影光学系（ＰＬ）を介して、被投影基板（Ｗ）上に所定
の結像状態で結像させる投影露光装置において、投影光
学系（ＰＬ）の一部の光学要素（６、７、８）を投影光
学系の光軸に対して傾斜させることによって、マスクの
パターンの像の結像状態を調整する第１制御手段（１
０、１１、２４、２５）と、投影光学系の像面と被投影
基板の表面とをほぼ一致させるように、投影光学系の一
部の光学要素の傾斜に応じて投影光学系の像面（ＩＭ）
と被投影基板との相対的な位置関係を調整する第２制御
手段（１４、１６、２１、２５、２７）とを備えるよう
にしている。

【００１２】

【作用】上述の請求項１に係る発明のおいては、投影光
学系（ＰＬ）の一部の光学要素（６、７、８）を投影光
学系の光軸に対して傾斜させることによって、投影光学
系（ＰＬ）に像面の変化が生じても、投影光学系（Ｐ
Ｌ）の一部の光学要素（６、７、８）の傾斜に応じて、
投影光学系の像面（ＩＭ）と被投影基板との相対的な位
置関係を調整するようにしているので像面変化の影響を
最小限とすることができる。

【００１３】したがって本発明においては、マスクまた
は投影光学系のレンズ素子の駆動に応じて生ずる結像面
の変化をキャンセルすることができるので、常に良好な
結像状態を維持することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は本発明の実施例による投影光学装置（ス
テッパー）の概略的な構成を示す平面図である。図１に
おいて、超高圧水銀ランプ、エキシマレーザ光源等の露
光用の照明光源１は、ｇ線、ｉ線或いは紫外線パルス光
（例えばＫｒＦエキシマレーザ等）のレジスト層を感光
するような波長域（露光波長域）の照明光ＩＬを発生
し、この照明光ＩＬはオプチカルインテグレータ（フラ
イアイレンズ）等を含む照明光学系２に達する。

【００１５】照明光学系２において光束の一様化、スペ
ックルの低減化等が行われた照明光ＩＬは、メインコン
デンサーレンズ３を通ってミラー４に至り、ここで垂直
に下方に反射されてレチクルＲのパターン領域ＰＡを均
一な照度で照明する。レチクルＲは水平面内で２次元移
動可能なレチクルステージ５上に載置され、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
行われる。レチクルＲの初期設定は、レチクル周辺のア
ライメントマーク（不図示）を光電検出する不図示のレ
チクルアライメント系からのマーク検出信号に基づい
て、レチクルステージ５を微動することにより行われ
る。

【００１６】さて、パターン領域ＰＡを通過した照明光
ＩＬは、両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射
し、投影光学系ＰＬはレチクルＲの回路パターンの投影
像を、表面にレジスト層が形成され、その表面が結像面
ＩＭとほぼ一致するように保持されたウエハＷ上の１つ
のショット領域に重ね合わせて投影（結像）する。ウエ
ハＷはウエハホルダ（θテーブル）１２に真空吸着さ
れ、このホルダ１２を介してレベリングステージ１３上
に保持されており、駆動モータ１４により結像面ＩＭに
対して任意方向に傾斜可能となっている。尚、レベリン
グステージ１３の構成等については、例えば特開昭６２
−２７４２０１号公報に開示されている。

【００１７】また、レベリングステージ１３は駆動モー
タ１６により光軸方向（Ｚ方向）に微動可能なＺステー
ジ１５上に設けられ、さらにＺステージ１５は駆動モー
タ１９によりステップ・アンド・リピート方式で２次元
移動可能なＸＹステージ１５上に載置され、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。ＸＹステージ１８の２次元的な位置は干渉計２０に
よって、例えば0.01μm 程度の分解能で常時検出され、
Ｚステージ１５の端部には干渉計２０からのレーザビー
ムを反射する移動鏡１７が固定されている。

【００１８】また、図１中には投影光学系ＰＬから一定
間隔あけて機械的に固定され、ＩＴＶ、ＣＣＤカメラ等
の撮像素子によりアライメントマークを拡大観察するオ
フ・アクシス方式のアライメント系２８も示されてい
る。アライメント系２８は白色光をウエハ上のアライメ
ントマークに照射することによって、ウエハＷとほぼ共
役に配置される指標板（焦点板）の指標マークとアライ
メントマークとを同時に観察するものである。撮像素子
からの画像信号はアライメント信号処理回路２９に入力
し、ここでその信号波形に基づいて指標マークに対する
マーク像のずれ量が検出される。主制御部２５は、この
ずれ量に関する情報とともに干渉計２０からの位置情報
を入力し、これらの情報に基づいてアライメントマーク
の位置（座標値）を求める。

【００１９】さて、次に本実施例の装置において、駆動
素子１０，１１及びレンズ制御部２４とともに、本発明
の第１の制御手段を成す投影光学系ＰＬの構成について
説明する。この第１の制御手段は、複数台のステッパー
間で投影光学系の結像特性をほぼ一致させるとともに、
ウエハの伸縮による各ショット領域の形状歪に対応し
て、マスクのパターンの像の結像状態（歪曲収差、投影
倍率等）を所定の値に制御するためのものである。

【００２０】投影光学系ＰＬは、その構成要素の一部が
移動可能となっている。図１に示すように、レチクルＲ
に最も近い第１群のレンズエレメント６，７はレンズ支
持部材３０により一体に固定されており、第２群のレン
ズエレメント８はレンズ支持部材３１により固定されて
いる。又、レンズエレメント９より下部のレンズエレメ
ントは各々投影光学系ＰＬの鏡筒部３２に固定されてい
る（ここで投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとはこの鏡筒部３
２に固定されているレンズエレメントの光軸を言うもの
とする）。

【００２１】レンズ支持部材３１は光軸方向（Ｚ方向）
に伸縮可能な３組の駆動素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃ
（１１ｃは不図示）によって投影光学系ＰＬの鏡筒部３
２と連結されている。また、同様にレンズ支持部材３０
は３組の伸縮可能な駆動素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
（１０ｃは不図示）によってレンズ支持部材３１に連結
されている。ここでは、レチクルＲに近いレンズエレメ
ント６，７，８を移動可能としており、これらのエレメ
ントは倍率、ディストーション特性に与える影響が他の
レンズエレメントに比べて制御しやすい（つまり、他の
収差の悪化が少ない）ものを選択してある。

【００２２】尚、レンズエレメントの移動は、投影光学
系ＰＬの他の諸収差（例えば非点収差等）に及ぼす影響
が無視できる範囲内で行うものとする。若しくは、レン
ズエレメント相互の間隔を調整することによって、倍
率、ディストーション特性を制御しつつ、他の諸収差を
も補正するという方法も考えられる。

【００２３】又、ショット領域の形状歪に十分対応する
ためには、他の諸収差を押さえつつレンズエレメント
の移動範囲を大きくする必要があり、種々の形状歪
（台形、菱形、樽型、糸巻型等）に対応できるようにす
る必要がある。このためには移動可能なレンズ群は、２
群構成に限らず，の条件を満たすような例えば３群
以上のレンズ群で構成するようにすればよい。

【００２４】図２は投影光学系ＰＬを上方（レチクル
側）から見た図で、駆動素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃは
各々１２０°ずつ回転した位置に配置されていて駆動素
子１０ａ，１０ｂ，１０ｃをレンズ制御部２４により独
立制御可能となっている。駆動素子１１ａ，１１ｂ，１
１ｃも同様に各々１２０°ずつ回転した位置に配置され
ている。１０ａと１１ａとはそれぞれ互いに６０°ずれ
た位置となるように配置されており、１０ｂと１１ｂ，
１０ｃと１１ｃについても同様に各々互いに６０°ずつ
ずれた位置となるように配置されている。

【００２５】駆動素子１０，１１は例えば電歪素子、磁
歪素子を用いる。駆動素子に与える電圧又は磁界に応じ
た駆動素子の変位量は予め求めておくものとする。駆動
素子のヒステリシス性を考慮し、位置検出装置として容
量型位置センサ、差動トランス等を駆動素子の近傍に設
置してやれば、駆動素子に与える電圧又は磁界に対応し
た駆動素子の位置をモニターすることができるので高精
度な駆動が可能である。

【００２６】これにより、２群のレンズエレメント
（６，７），８の周辺３点を、投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘ方向に各々の駆動素子の駆動量に応じて独立に移動さ
せることができる。その結果、各々のレンズエレメント
群（６，７），８を光軸ＡＸに垂直な面に対して傾斜さ
せることが可能となる。尚、レンズはレンズエレメント
６，７，８の仮想的な光軸（傾斜がなかった場合の光軸
ＡＸ）を中心として傾斜するものとする。

【００２７】ところで主制御部２５においては、複数台
のステッパーの投影光学系ＰＬの結像特性等に応じて駆
動素子１０，１１の駆動量が演算にて算出され、この結
果に対応した駆動指令がレンズ制御部２４に送られ、レ
ンズ制御部２４は駆動素子１０、１１を独立に駆動す
る。これにより、投影レンズＰＬの結像特性が所定値に
設定され、各ステッパーでの結像特性がほぼ一致するこ
とになる。

【００２８】さて、上述のように２群構成のレンズ群を
駆動させることにより投影光学系のディストーション特
性を変化させるわけである。これら２つのレンズ群は、
例えば第１群は駆動素子１０ａと１０ｃの垂直２等分線
を仮想的な回転軸ＲＬとしてレンズエレメントを傾けた
場合、図３(a) に示すように回転軸ＲＬから離れた像部
分を回転軸ＲＬと垂直な方向に大きく変形させるような
特性を持つレンズ群である。そして例えば第２群は同じ
仮想的な回転軸ＲＬでレンズエレメントを傾けた場合、
図３(b) に示すように回転軸ＲＬに近い像部分を回転軸
ＲＬと垂直な方向に大きく変形させる特性を持つレンズ
群である。

【００２９】これらのレンズ群の各々は等価的に無数の
仮想的な回転軸を与えることができるから、像変形につ
いても各々無数の方向性を持っている。従って、各々の
レンズ群によって決められた像変形の特定の方向性をベ
クトル和として求めることで、各レンズ群のディストー
ション特性を組み合わせる（ベクトル和を求める）こと
により、台形歪、菱形歪といったウエハの非等方的な形
状歪に対しても投影像を重ね合わせることが可能とな
る。

【００３０】又、これらのレンズエレメント６，７，８
を光軸ＡＸと垂直なＸＹ平面内に２次元移動させること
によっても投影光学系のディストーション特性を非等方
的に変化させることができる。この場合、駆動素子はＸ
Ｙ面内で変位するような方向に配置し、レンズエレメン
トをＸＹ面内に移動可能とすればよい。例えば、Ｘ方向
に変位可能な駆動素子２つをＸ軸に沿って対向する位置
に設け、Ｙ方向に変位可能な駆動素子２つをＹ軸に沿っ
て対向する位置に設けるものとする。

【００３１】次にウエハＷと投影光学系ＰＬとの合焦状
態を検出する焦点検出系２１について説明する。図１中
には投影光学系ＰＬの結像面ＩＭに向けてピンホール或
いはスリットの像を形成するための結像光束を、ビーム
スプリッター２３ａを介して光軸ＡＸに対して斜め方向
より供給する照射光学系２１ａと、その結像光束のウエ
ハＷの表面での反射光束をビームスプリッター２３ｂを
介して受光する受光光学系２１ｂから成る斜入射方式の
焦点検出系２１が設けられている。

【００３２】この焦点検出系２１の構成等については、
例えば本願出願人が先に出願した特開昭６０−１６８１
１２号公報に開示されており、ウエハ表面の結像面ＩＭ
に対する上下方向（Ｚ方向）の位置を検出し、ウエハＷ
と投影光学系ＰＬとの合焦状態を検出するものである。

【００３３】ここで、本実施例では焦点検出系２１にお
いて投影光学系のベストフォーカス位置が零点基準とな
るように、センサ制御部２６はオフセット信号を受光光
学系２１ｂに出力する。そして、オフセット信号に応じ
て受光光学系２１ｂの内部に設けられた平行平板ガラス
（不図示）の角度を調整し、焦点検出系２１の零点キャ
リブレーションを行っておくものとする。この結果、主
制御部２５がＺステージ１５をクローズドループで零点
に制御することによって、すなわち焦点検出系２１から
の検出信号に基づき、ステージコントローラ２７を介し
てモータ１６を駆動することによって、常にベストフォ
ーカス位置とウエハ表面とがほぼ一致することになる。

【００３４】さらに、平行光束をビームスプリッター２
３ａを介して光軸ＡＸに対して斜め方向より供給する照
射光学系２２ａと、その平行光束のウエハＷの表面での
反射光束をビームスプリッター２３ｂを介して受光する
受光光学系２２ｂから成る水平位置検出系２２が設けら
れている。この水平位置検出系２２の構成等について
は、例えば本願出願人が先に出願した特開昭５８−１１
３７０６号公報に開示されており、ウエハＷ上の所定領
域の結像面ＩＭに対する傾きを検出するものである。

【００３５】水平位置検出系２２においても先の焦点検
出系２１と同様に、像面傾斜、像面湾曲まで考慮した投
影光学系ＰＬの最良結像面が零点基準となるように、セ
ンサ制御部２６はオフセット信号を受光光学系２２ｂに
出力する。

【００３６】つまり、ウエハ表面と最良結像面とが一致
した時に、照射光学系２２ａからの光束が受光光学系２
２ｂの内部の４分割受光素子（不図示）の中心位置に集
光されるように、水平位置検出系２２のキャリブレーシ
ョンを行っておくものとする。この結果、主制御部２５
がレベリングステージ１３をクローズドループで制御す
ることによって、すなわち水平位置検出系２２からの検
出信号に基づき、ステージコントローラ２７を介してモ
ータ１４を駆動することによって、常に最良結像面とウ
エハＷ上の所定領域の表面とがほぼ一致することにな
る。

【００３７】ここで、本実施例において主制御部２５は
予め試し焼き等により、投影光学系ＰＬの最良結像面
（ベストフォーカス位置も含む）を求め、この最良結像
面に関する情報をセンサ制御部２６に出力する。そし
て、センサ制御部２６が上記情報に対応したオフセット
信号を受光光学系２１ｂ，２２ｂの各々に与えることに
よって、焦点検出系２１及び水平位置検出系２２に対す
るオフセット設定を行っている。また、ステッパーのイ
ニシャライズ時においてステッパー間の結像特性を互い
に一致させる（以下、マッチングと呼ぶ）場合にも、レ
ンズエレメント６、７、８を駆動した後で試し焼き等を
行い、その結像特性をチェックしておくことが望まし
い。

【００３８】尚、主制御部２５はマッチング時における
レンズエレメント６、７、８の初期状態からの駆動量に
関するデータ（駆動素子１０、１１の変位量）を、初期
データとしてその内部に記憶しておくものとする。ま
た、マッチング動作においても投影光学系ＰＬの結像特
性が変動し得るので、焦点検出系２１及び水平位置検出
系２２のキャリブレーションは、レンズエレメント６、
７、８の駆動によるマッチング動作が終了した時点で行
われる。本実施例では焦点検出系２１及び水平位置検出
系２２に対して光学的にオフセットを与えることとした
が、例えば受光光学系２１ｂ、２２ｂからの検出信号の
各々に電気的にオフセットを与えるようにしても構わな
い。

【００３９】次に、ウエハ形状歪等に応じてディストー
ションあるいは倍率を補正するときに、レンズエレメン
ト６、７、８の駆動に伴って生じる結像面ＩＭの変動、
すなわち像面傾斜あるいは湾曲を要因とした最良結像面
とウエハ表面とのずれを補正する動作について説明す
る。

【００４０】図４(a) は上述したように、レチクルのパ
ターンの像のディストーションあるいは投影倍率を制御
するために、投影光学系ＰＬのレンズエレメントＣを傾
斜したとき、像面傾斜がどのように生じるかを模式的に
描いたものである。この図では結像面ＩＭがレンズエレ
メントＣの駆動前（図中に点線で示す）に比べて、角度
θの傾斜が生じている状態が表されている。ただし、レ
ンズ間隔は変えていないので像面湾曲は生じていない。

【００４１】本実施例では、レンズエレメント群（６，
７）あるいは（６，７，８）の一方あるいは両者を同時
に駆動したときに、像面がどのように変化するかをあら
かじめ実験もしくはシュミレーション等で求めておき、
上記関係を主制御部２５の内部の記憶部等にテーブルも
しくは数式の形で格納しておく。主制御部２５は、これ
らのテーブルもしくは数式を用いてレンズエレメント群
の駆動量から、像面傾斜量を計算する。

【００４２】この算出された傾斜量はセンサ制御部２６
に送られ、キャリブレーション動作と同様に水平位置検
出系２２にオフセットが設定される。この結果、所定量
だけ傾斜した結像面が水平位置検出系２２の零点基準と
なり、水平位置検出系２２の検出信号に基づいてレベリ
ングステージ１３を制御することによって、像面に対し
平行な姿勢になるようにウエハが傾斜される。

【００４３】一方、像面湾曲は投影倍率を補正するため
にレンズエレメント間隔を変化させたときに生じる。こ
れを模式的に図示したのが図４(b) の例である。同図に
おいて、ディストーションと倍率とを同時に補正した場
合、例えば本来はキャリブレーション動作によって上記
検出系２１、２２の基準面４１と一致していた結像面が
面４２のように変化する。

【００４４】このときに、像面傾斜及び像面湾曲に対し
て補正を何も行わない、つまり焦点検出系２１及び水平
位置検出系２２に対してオフセットを与えなかったと
き、ウエハの面は基準面４１に合わされてしまう。しか
しながら、本発明では、像面傾斜と同様に像面湾曲に対
しても補正を行う構成となっているため、ウエハの面を
面４２から決定される最良結像面４３に合わせることが
できる。

【００４５】すなわち、この場合には前述した主制御部
２５内の数式等によって像面４２の平均的な位置（最良
結像面４３）を、例えば最小二乗法もしくは、最大誤差
を最小とする方法等で決定する。この位置４３が上記検
出系２１、２２の零点基準としてセンサ制御部２６に指
令される。

【００４６】これによって、上記検出系２１、２２にオ
フセットが設定される。つまり、図４(b) において基準
面４１が最良結像面４３と一致することになる。尚、像
面湾曲のみが生じる場合には、焦点検出系２１に対して
のみオフセットを設定すれば良いことは言うまでもな
い。

【００４７】このようにして、レンズエレメント６，７
あるいは６，７，８を駆動してディストーションあるい
は倍率を補正したときに発生する像面傾斜あるいは湾曲
を要因とした最良結像面とウエハ表面とのずれを焦点検
出系２１及び水平位置検出系２２にオフセットを与える
ことにより補正することが可能となっている。

【００４８】さて、上記構成の装置の動作について簡単
に説明する。図１に示すように、主制御部２５は露光動
作に先立って、半導体素子が完成するまでに用いられる
全ての露光装置間でのディストーションの差が最小とな
るようにマッチング動作を実行するとともに、その結像
特性のもとで焦点検出系２１及び水平位置検出系２２の
キャリブレーションを行う。

【００４９】この結果、上記検出系２１、２２の検出基
準面と最良結像面とがほぼ一致し、これら検出系２１、
２２からの検出信号に基づいてＺステージ１５及びレベ
リングステージ１３を制御すれば、ウエハＷ上のショッ
ト領域の表面と最良結像面とを正確に一致させることが
可能となる。

【００５０】次に、例えば特開昭６１−４４４２９号公
報に開示されているように、主制御部２５はアライメン
ト系２８を用いてウエハ上の複数（３〜１５）個のショ
ット領域に附随した２組のアライメントマークの位置を
計測（サンプル・アライメント）した後、これら計測値
に基づいて統計的演算によりウエハ上のショット配列座
標（ウエハステージのステッピング座標）を算出する。

【００５１】さらに主制御部２５はアライメント系２８
を用い、アライメントマークとは別に、例えばショット
領域の４隅に設けられた形状歪計測用パターンの位置を
計測し、この計測結果に基づいてショット領域の形状歪
を算出する。この際、ウエハ上の全てのショット領域に
ついて形状歪を求めても良いが、位置計測に時間を要す
る。

【００５２】そこで、本実施例ではウエハ上のショット
領域をいくつかの領域（ブロック）に分割し、各ブロッ
ク内の一部のショット領域のみの形状歪を求めることと
する。尚、各ブロックは形状歪がほぼ同一の性質をもつ
と考えられるように設定することが望ましい。そして、
ブロック毎にそれら計測値を平均化することにより、ブ
ロック単位でショット領域の形状歪を決定する。

【００５３】次に主制御部２５はブロック毎にその形状
歪に基づいてレンズエレメント６、７、８の駆動量を算
出するとともに、レンズエレメント６、７、８の駆動に
伴って生じる結像面の変化量（像面傾斜、像面湾曲）を
ブロック毎に求め、この演算結果から投影光学系ＰＬの
最良結像面ＩＭを決定する。

【００５４】尚、露光動作において主制御部２５は、上
記演算結果に従ってブロック毎に、レンズ制御部２４に
よりレンズエレメント６、７、８を駆動してその結像特
性を所定値に設定するとともに、センサ制御部２６によ
り焦点検出系２１及び水平位置検出系２２にオフセット
を設定して最良結像面を零点基準とする。

【００５５】しかる後、主制御部２５は１ショット毎に
上記検出系２１、２２を用いて最良結像面とショット領
域の表面とをほぼ一致させながら、先に求めたショット
配列座標に従ってウエハステージ１８を一義的に移動
し、レチクルパターンの投影像とウエハ上のショット領
域とを順次重ね合わせて露光を行っていく。

【００５６】この結果、ウエハ上の全てのショット領域
においてウエハ伸縮による形状歪によらず、レチクルパ
ターンの投影像とショット領域の形状がほぼ一致し、高
精度な重ね合わせ露光を行うことができる。主制御部２
５は１枚目のウエハの重ね合わせ露光が終了した後、先
に記憶しておいた初期データに基づいてレンズエレメン
ト６、７、８の駆動により投影光学系ＰＬの結像特性を
初期値に設定し、以下上記と同様の動作でパターン露光
を行うことによって、全てのウエハにおいて高精度な重
ね合わせが実現できる。

【００５７】尚、同一ロット内に収納されたウエハの伸
縮特性はほぼ同じであると考えられるので、ウエハ上の
ショット領域の形状歪の測定は第１枚目のウエハについ
てのみ行い、第２枚目以降のウエハでは１枚目のウエハ
データに基づいてレンズエレメント６、７、８を駆動す
るようにしても良い。

【００５８】ここで、本実施例では形状歪測定用パター
ンの位置を実測することによりショット領域の形状歪を
求めることとしたが、形状歪の求め方は任意で良く、例
えばウエハ全体がある傾向をもって変形している場合に
は、アライメント時の統計的演算によって、ショット配
列座標とともに形状歪までも含めて求めることができ
る。さらに、ここではブロック毎にレンズエレメントを
駆動してレチクルパターンの投影像の形状を所定値に制
御していたが、例えばウエハ上のショット領域の平均的
な形状歪を求め、露光前に一度だけレンズエレメントを
駆動して投影像の形状を制御しても、１ショット毎に投
影像の形状を制御しても構わない。

【００５９】また、レンズエレメントを駆動するたび
に、上記検出系２１、２２に対してオフセットを設定す
る必要はなく、実際にはレンズエレメントの駆動に伴う
結像面の変化量が所定の許容値を超える時のみ、上記検
出系２１、２２に対してオフセットを設定すれば良い。
この際、上記検出系２１、２２に対して電気的にオフセ
ットを与えても構わない。

【００６０】ここで、例えば装置立ち上げ時の投影光学
系のディストーション特性（初期値）が長期間にわたり
変化することがあり得る。これは製造時に発生した応力
が長期間に開放されるためであて、製造上の管理により
ほとんど防げるが、まれに上記変化が発生することも考
えられる。このような場合においては、上記変化に応じ
てレンズエレメント６、７、８を駆動し、投影光学系の
ディストーション特性（投影倍率等についても同様）を
新たな初期値に設定し直す。

【００６１】これによって、上記変化による投影光学系
のディストーション特性の変動をほぼ抑えることがで
き、常にディストーションがほとんどない状態が初期値
として設定されることになる。上記動作を行う際にも、
改めて上記検出系２１、２２の初期値設定、すなわち上
記検出系２１、２２に対してオフセットを設定する必要
がある。

【００６２】また、本実施例においては、レンズエレメ
ントの駆動に応じて生じる投影光学系の結像面の変化量
を、レンズエレメントの駆動量の関数として演算にて求
めていたが、実際に結像面の変化量を直接に、逐次測
定、あるいはレンズエレメント駆動時に測定できれば、
上記演算を行う必要がない。しかも、より精度良く結像
面の変化量を求めることができるとともに、レンズエレ
メントの駆動以外の要因で結像面が変化しても、その変
化に対応して結像面の変化量をほぼ零に抑えることがで
きる。

【００６３】しかしながら、実際には結像面の変化量、
すなわち投影光学系の露光フィールド内の複数点でのフ
ォーカス位置を直接に、逐次測定することは非常に困難
であり、特に露光フィールドの中心近傍での測定は難し
いが、ここでは以下に、従来より知られている測定方法
の一例を簡単に説明する。

【００６４】一般に、レチクルパターンの投影像とウエ
ハ上の回路パターンとを位置合わせするためのＴＴＲ
（スルー・ザ・レチクル）方式のアライメントセンサー
を備えている露光装置の場合では、このアライメントセ
ンサーを用いて上記変化量を実測する方法、例えばアラ
イメントセンサーによりウエハステージ上に設けられた
基準マークを投影光学系を介して観察し、そのコントラ
ストからフォーカス位置を求める方法が知られている。

【００６５】これは、レチクル上方に設けられたアライ
メントセンサー（顕微鏡）にて観察された基準マークの
画像を取り込み、例えば受光光量の最大値と最小値との
差分を求めることでそのコントラストを求めながらウエ
ハステージを上下動させ、最もコントラストの良いステ
ージの高さ位置を決定するものである。

【００６６】従って、レンズエレメントを駆動してディ
ストーション特性を補正した時には、上記方法によって
露光フィールド（結像面に対応）内の複数の箇所におい
て、フォーカス位置（像面位置）を求めることにより結
像面の変化量を決定し、この決定された変化量に応じて
上記検出系２１、２２に対してオフセットを設定すれば
良い。

【００６７】焦点検出系、水平位置検出系は任意、例え
ば波長の異なる複数のスリット像を露光領域内に照射し
て焦点・傾斜を同時に検出するような構成としても良
い。

【００６８】また、上記実施例ではレンズエレメント
６、７、８を駆動することによって、投影光学系ＰＬの
結像状態を所定値に制御していたが、レチクルＲを駆動
しても全く同様の効果を得ることができる。特に糸巻型
や樽型のディストーションを制御する場合には、レチク
ルを傾斜させることが有効である。

【００６９】このため、ディストーションに関してはレ
ンズエレメントとともにレチクルを駆動して制御するよ
うにしても良い。尚、両側テレセントリックな投影光学
系の場合には、レチクルを上下動させても投影倍率を制
御することはできない。このような場合にはレチクルの
傾斜によりディストーションを制御し、投影倍率に関し
てはレンズエレメントを上下動させる、もしくは２つの
レンズエレメント間に密封された空間を形成して、この
密封空間の圧力を制御することにより調整するようにし
ても良い。

【００７０】また、例えばレチクルの傾斜によりディス
トーションを制御し、上記密封空間の圧力制御により投
影倍率を調整する場合には、焦点検出系２１及び水平位
置検出系２２を用いずとも、投影光学系の少なくとも一
部のレンズエレメントを駆動することによって、ディス
トーションや投影倍率の調整に伴なって生じる結像面の
変動を防止でき、これによって最良結像面とウエハ表面
とのずれ量をほぼ零に抑えることが可能となる。なお、
図１に記載された投影光学装置においては、マスクまた
は投影光学系のレンズ素子駆動量と結像面の変化量との
関係に関するデータあるいは計算式等が予め制御部に数
式あるいはテーブル等として格納されている。そして演
算手段において、上記データ等に基いてマスクまたはレ
ンズ素子の駆動に応じて生じる結像面の変化量を計算に
よって求め、補正量を算出している。そして加工片たる
ウエハの傾斜を検出して傾斜補正する手段及び焦点合わ
せ手段に、前記補正量を電気的あるいは光学的なオフセ
ットとして入力し、変動分を補正する。しかる後、上記
２つの手段を用いて投影光学系の結像面とウエハ面とを
ほぼ一致させている。このようにして、倍率調整時に生
じる像面の傾斜あるいは像面の湾曲の影響を最小限とす
ることができる。

【００７１】

【発明の効果】以上の様に本発明によれば、ディストー
ションあるいは投影倍率を補正するために投影光学系の
一部のレンズエレメントを駆動するステッパーにおい
て、補正時に生じる像面の傾斜あるいは湾曲を、傾斜補
正手段あるいは焦点合わせ手段の目標位置を修正するこ
とで平均的に、焦点外れが最小とすることが可能であ
る。

【００７２】このため、回路の線幅精度を低下させるこ
となく、ディストーションあるいは投影倍率を補正でき
るため、基板の伸縮に伴う所定領域の形状変化に対応し
てマスクパターンの投影像の形状を制御でき、露光領域
内全域での合わせ精度の向上が図れ、ＬＳＩの製造歩留
りが改善される効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の実施例の構成図である。

【図２】本発明実施例の投影光学系を上方から見た図で
ある。

【図３】レンズエレメント駆動に伴う像の変形を示す概
念図である。

【図４】レンズエレメント駆動に伴う像面傾斜発生を示
す模式図である。

【図５】レンズエレメント駆動機構の簡略化した模式図
である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系６，７，８駆動されるレンズエレメント１３レベリングステージ１５Ｚステージ２１焦点検出系２２水平位置検出系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが形成されたマスクを照明
し、該パターンの像を投影光学系を介して、被投影基板
上に所定の結像状態で結像させる投影露光装置におい
て、前記投影光学系の一部の光学要素を前記投影光学系の光
軸に対して傾斜させることによって、前記マスクのパタ
ーンの像の結像状態を調整する第１制御手段と、前記投影光学系の像面と前記被投影基板の表面とをほぼ
一致させるように、前記投影光学系の一部の光学要素の
傾斜に応じて前記投影光学系の像面と前記被投影基板と
の相対的な位置関係を調整する第２制御手段と、を備えたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記第２制御手段は、前記投影光学系の一
部の光学要素の傾斜によって生じる前記投影光学系の像
面の変化に応じて、前記投影光学系の像面と前記被投影
基板との相対的に移動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】前記投影光学系の一部の光学素子は、各々
が独立に傾斜可能な複数のレンズ群で構成されているこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の投影露光装
置。
【請求項４】前記結像状態の調整は、他の投影露光装置
における投影光学系の結像特性を考慮して行われること
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の投
影露光装置。
【請求項５】前記投影光学系によって形成される投影像
の倍率を調整するために前記一部の光学素子を傾斜させ
ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記
載の投影露光装置。
【請求項６】前記投影光学系によって形成される投影像
のディストーションを調整するために前記一部の光学素
子を傾斜させることを特徴とする請求項１から４のいず
れか一項に記載の投影露光装置。
【請求項７】請求項１から６のいずれか一項に記載の装
置を用いる回路製造方法。
【請求項８】所定のパターンが形成されたマスクを照明
し、該パターンの像を投影光学系を介して、被投影基板
上に所定の結像状態で結像させる投影露光方法におい
て、前記マスクのパターンの像の結像状態を調整するため
に、前記投影光学系の一部の光学要素を前記投影光学系
の光軸に対して傾斜し；前記投影光学系の像面と前記被投影基板の表面とがほぼ
一致するように、前記光学要素の傾斜に応じて前記投影
光学系の像面と前記被投影基板との相対的な位置関係を
調整することを特徴とする投影露光方法。
【請求項９】前記投影光学系の一部の光学要素の傾斜に
よって生じる前記投影光学系の像面変化を考慮して前記
投影光学系の像面と前記被投影基板との相対的な位置関
係を調整することを特徴とする請求項８に記載の投影露
光方法。
【請求項１０】前記投影光学系の一部の光学要素の傾斜
によって生じる前記投影光学系の像面変化は、前記投影
光学系の光軸方向に関する前記像面の位置変化を含むこ
とを特徴とする請求項８または９に記載の投影露光方
法。
【請求項１１】前記光学要素の傾斜によって生じる前記
投影光学系の像面変化は、前記像面の傾斜変化を含むこ
とを特徴とする請求項８または９に記載の投影露光方
法。
【請求項１２】前記光学要素の傾斜によって生じる前記
投影光学系の像面変化は、前記像面の湾曲変化を含むこ
とを特徴とする請求項８または９に記載の投影露光方
法。
【請求項１３】前記結像状態の調整は、前記被投影基板
上のショット領域の形状歪みを考慮して行われることを
特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載の投
影露光方法。
【請求項１４】前記被投影基板上のショット領域の形状
歪みは、非等方的な台形歪を含むことを特徴とする請求
項１３に記載の投影露光方法。
【請求項１５】前記被投影基板上のショット領域の形状
歪みは、非等方的な菱形歪を含むことを特徴とする請求
項１３に記載の投影露光方法。
【請求項１６】所定のパターンが形成されたマスクを照
明し、該パターンの像を投影光学系を介して、被投影基
板上に所定の結像状態で結像させる投影露光装置におい
て、前記マスクのパターン像の投影倍率とディストーション
の少なくとも一方を調整する第１制御手段と、前記投影倍率とディストーションの少なくとも一方の調
整によって生じる、前記投影光学系の像面傾斜の変化に
関する情報に基づいて、前記投影光学系の像面と前記被
投影基板の表面とがほぼ一致するように前記投影光学系
の像面と前記被投影基板との相対的な位置関係を調整す
る第２制御手段と、を備えたことを特徴とする投影露光
装置。
【請求項１７】前記マスクのパターン像の投影倍率とデ
ィストーションの少なくとも一方の調整は、前記投影光
学系の一部の光学素子を動かすことによって行なわれる
ことを特徴とする請求項１６に記載の投影露光装置。
【請求項１８】前記投影光学系の一部の光学素子は、各
々が独立に移動可能な複数のレンズ群で構成されている
ことを特徴とする請求項１７に記載の投影露光装置。
【請求項１９】前記投影倍率とディストーションの少な
くとも一方の調整は、他の投影露光装置における投影光
学系の結像特性を考慮して行われることを特徴とする請
求項１６から１８のいずれか一項に記載の投影露光装
置。
【請求項２０】請求項１６から１９のいずれか一項に記
載の装置を用いる回路製造方法。
【請求項２１】所定のパターンが形成されたマスクを照
明し、該パターンの像を投影光学系を介して、被投影基
板上に所定の結像状態で結像させる投影露光方法におい
て、前記マスクのパターンの像の投影倍率とディストーショ
ンの少なくとも一方の調整によって生じる、前記投影光
学系の像面傾斜の変化に関する情報を求めることを特徴
とする投影露光方法。
【請求項２２】前記投影倍率とディストーションの少な
くとも一方の調整は、前記投影光学系の一部の光学素子
の位置調整により行うことを特徴とする請求項２１に記
載の投影露光方法。
【請求項２３】前記光学素子の位置調整は、前記投影光
学系の光軸に対する傾斜量を調整することを特徴とする
請求項２２に記載の投影露光方法。
【請求項２４】前記ディストーションの調整は、前記マ
スクを傾斜させることにより行うことを特徴とする請求
項２１から２３のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項２５】前記投影倍率とディストーションの少な
くとも一方の調整は、前記被投影基板上のショット領域
の形状歪を考慮して行われることを特徴とする請求項２
１から２４のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項２６】前記被投影基板上のショット領域の形状
歪みは、非等方的な台形歪を含むことを特徴とする請求
項２５に記載の投影露光方法。
【請求項２７】前記被投影基板上のショット領域の形状
歪みは、非等方的な菱形歪を含むことを特徴とする請求
項２５に記載の投影露光方法。
【請求項２８】前記求められた情報に基づいて、前記投
影光学系の像面と前記被投影基板の表面とがほぼ一致す
るように、前記投影光学系の像面と前記被投影基板との
相対的な位置関係を調整することを特徴とする請求項２
１から２７のいずれか一項に記載の投影露光方法。
【請求項２９】所定のパターンが形成されたマスクを照
明し、該パターンの像を両側テレセントリックな投影光
学系を介して、被投影基板上に所定の結像状態で結像さ
せる投影露光方法において、前記マスクのパターン像のディストーションを調整する
ために前記投影光学系の光軸に対して前記マスクを傾斜
し；前記マスクのパターンの像の投影倍率を調整するため
に、前記投影光学系内の密封空間の圧力を制御し；前記ディストーションと前記投影倍率の調整によって生
じる前記投影光学系の像面の変化を、前記投影光学系の
一部の光学素子を動かすことによって防止することを特
徴とする投影露光方法。