JP3526042B2

JP3526042B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JP3526042B2
Application number: JP20327795A
Authority: JP
Inventors: 健爾西; 一雄牛田; 成郎村上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-08-09
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 2004-05-10
Anticipated expiration: 2015-08-09
Also published as: JPH0950954A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのリソグラフィ工程で使用さ
れ、マスクパターンを投影光学系を介して感光基板上に
転写する投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子等を製造す
るための投影露光装置は、マスクとしてのレチクルと、
感光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）の各
ショット領域とを投影光学系を介して所定の位置関係に
位置決めし、一括で各ショット領域の全体にレチクルの
パターン像を露光するステップ・アンド・リピート方式
と、レチクルとウエハの各ショット領域とを投影光学系
に対して相対走査することにより、各ショット領域にレ
チクルのパターン像を逐次露光していくステップ・アン
ド・スキャン方式とに大別される。これら両方式は、レ
チクルのパターンを投影光学系を介して投影する点では
共通であり、ウエハ上にレチクルのパターンの像を如何
に正確に投影できるかが重要となる。

【０００３】一般に、投影光学系を設計する際には所定
の条件下で光学的諸収差がほぼ０になるように設計され
るが、投影露光を行う際の環境が変化して投影光学系近
傍の大気圧や温度が変化するか、又は露光用照明光の照
射による熱吸収等があると、投影光学系を構成するレン
ズ間の気体の屈折率変化、レンズ膨張、レンズの屈折率
変化、及びレンズ鏡筒の膨張等が発生する。このため、
レチクルのパターンをウエハ上に投影するときに、その
投影像の結像面（ベストフォーカス面）の投影光学系の
光軸方向の位置（フォーカス位置）がずれて、ウエハの
表面がその結像面から外れてしまうデフォーカスが発生
していた。このデフォーカスは、線形的なデフォーカス
（像高に対してデフォーカス量が１次関数的に変化する
成分）と非線形的なデフォーカス（線形的なデフォーカ
ス以外の成分）とに分けられる。そして、従来より線形
的なデフォーカスを補正する手段として、ウエハのフォ
ーカス位置を結像面の方向に制御するオートフォーカス
機構、及びウエハの傾斜角を結像面に合わせ込むように
制御するオートレベリング機構が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、環境変化等によって発生する投影光学系の
結像面に対するデフォーカスの内の、非線形的なデフォ
ーカス成分に対する補正を行うことができないという不
都合があった。その非線形的なデフォーカス成分の主要
部は、投影像の像高に応じてデフォーカス量が２次以上
の関数に近似した曲線で変化する像面湾曲である。即
ち、設計上の基準となる状態では、図１５（ａ）に示す
ように、投影光学系の結像面のフォーカス位置Ｚ_Fは像
高Ｈに依らずにほぼ設計上の目標位置の近傍にある。

【０００５】ところが、その基準となる状態に対して大
気圧変化や、露光用照明光の照射による熱吸収等が生ず
ると、その結像面のデフォーカスの特性は図１５（ｂ）
に示すような像面湾曲となる。このような像面湾曲が発
生すると、結像面全体での焦点深度（ＤＯＦ）の幅が狭
くなり、結果としてレチクルパターンの投影像の全体で
所望の解像度を得るのが困難となる。

【０００６】図１５（ｂ）に示すような像面湾曲が、ス
テップ・アンド・リピート方式（一括露光方式）の投影
露光装置で発生すると、図１６（ａ）に示すように、本
来の投影像の結像面７２のフォーカス位置が像高によっ
て非線形に変化して結像面７３Ａのようになり、全体と
しての焦点深度の幅が狭くなる。一方、図１５（ｂ）に
示すような像面湾曲が、ステップ・アンド・スキャン方
式（走査露光方式）の投影露光装置で発生すると、図１
６（ｂ）で示すように本来の投影像の結像面７２に対し
て、走査方向であるＹ方向には平均化効果によってデフ
ォーカスは発生していないものの、その平均化効果によ
って像劣化が生じている。また、非走査方向（Ｘ方向）
には、一括露光方式と同様に像高に応じたデフォーカス
が発生して、走査露光後の実質的な結像面は結像面７３
Ｂとなっているため、結果として所謂「かまぼこ型」の
像面湾曲が発生していることが確認できる。

【０００７】更に近年、レチクルサイズが拡大してきて
おり、大きなレチクルを使用する場合に更に像面湾曲が
拡大してしまうという不都合も生じている。例えばレチ
クルの周辺を真空吸着等で保持するものとすると、図１
７（ａ）に示すように、小さいサイズ（一辺が５インチ
以下程度）のレチクルＲＡを４個の支持部７４Ａで支持
する場合には、レチクルＲＡは湾曲しないため特に問題
は無い。しかしながら、図１７（ｂ）に示すように、大
きいサイズ（例えば一辺が６〜９インチ程度）のレチク
ルＲＢを４個の支持部７４Ｂで支持する場合には、レチ
クルＲＢは支持部７４Ｂの長手方向（Ｙ方向）と直交す
る方向（Ｘ方向）に自重で「かまぼこ型」に撓み、その
分だけ結像面の像面湾曲も増加するという不都合があ
る。特に、図１７（ｂ）のレチクルＲＢを、Ｙ方向を走
査方向とするステップ・アンド・スキャン方式（走査露
光方式）の投影露光装置で使用した場合、図１６（ｂ）
に示す「かまぼこ型」の像面湾曲が増幅される恐れがあ
る。

【０００８】このように投影光学系の結像面に像面湾曲
のような非線形的なデフォーカスが存在すると、ステッ
プ・アンド・リピート方式、又はステップ・アンド・ス
キャン方式の何れの方式でも最終的に得られる結像面の
焦点深度が全体として狭くなり、解像度が劣化するとい
う不都合がある。本発明は斯かる点に鑑み、投影光学系
の周囲の大気圧等の環境の変化、露光用照明光の吸収、
又はレチクルの撓み等によって悪化する投影光学系の結
像面のデフォーカス、特に像面湾曲のような非線形的な
デフォーカスを補正できる投影露光装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光装
置は、例えば図１、図２に示すように、マスクのパター
ンを投影光学系を介して感光基板（Ｗ）上に投影する投
影露光装置において、その投影光学系（ＰＬ１）は、第
１の硝材からなる複数の光学部材（２５〜３４，３５
Ａ，３８Ａ）と、屈折率に関する温度特性が前記第１の
硝材と異なる第２の硝材からなる少なくとも一つの光学
部材（３６Ａ，３７Ａ）とを有し、その第２の硝材から
なる少なくとも一つの光学部材（３６Ａ，３７Ａ）の温
度制御を行う温度制御手段（１３）を設け、この温度制
御手段を用いて投影光学系（ＰＬ１）の結像面の投影光
学系（ＰＬ１）の光軸方向の位置を制御するものであ
る。

【００１０】また、温度制御手段（１３）による制御対
象の一例は投影光学系（ＰＬ１）の像面湾曲であり、こ
の場合、投影光学系（ＰＬ１）の倍率誤差を制御する倍
率誤差制御手段（１２）を設け、温度制御手段（１３）
を用いて投影光学系（ＰＬ１）の像面湾曲を制御したと
きに発生する倍率誤差を倍率誤差制御手段（１２）を介
して低減させることが望ましい。

【００１１】また、温度制御手段（１３）によって制御
対象の光学部材（３６Ａ，３７Ａ）の温度を±１℃以下
の範囲内で制御することにより、投影光学系（ＰＬ１）
の像面湾曲を±０．３μｍ以下の範囲内で補正すること
が望ましい。更に、投影光学系（ＰＬ１）の使用条件の
変化に応じた投影光学系（ＰＬ１）の結像面の位置の変
化量を記憶する記憶手段（１８）を設け、投影光学系
（ＰＬ１）の使用条件の変化に応じて記憶手段（１８）
に記憶されている結像面の位置の変化量を相殺するよう
に、温度制御手段（１３）を介して投影光学系（ＰＬ
１）の結像面の位置を制御することが望ましい。

【００１２】更に、投影光学系（ＰＬ１）の結像面と感
光基板（Ｗ）とを投影光学系（ＰＬ１）の光軸方向に相
対的に移動するフォーカス位置制御手段（２）を設け、
温度制御手段（１３）を用いて投影光学系（ＰＬ１）の
結像面の位置を制御したときに残存しているフォーカス
位置のオフセットをフォーカス位置制御手段（２）を介
して低減させることが望ましい。

【００１３】斯かる本発明によれば、例えばＫｒＦエキ
シマレーザ光（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレー
ザ光（波長１９３ｎｍ）のような遠紫外域付近の光を露
光光として用いる場合、屈折率の温度特性の異なる複数
の硝材としては、石英、及び蛍石等が挙げられる。この
場合、石英は温度が上昇しても膨張係数が小さいため膨
張はしないが、屈折率が大きくなる特性を持っている。
従って、図６（ｂ）に示すように、石英の正レンズ４９
Ｂでは温度が上昇すると、結像面ＦＢが正レンズ４９Ｂ
に近付く方向に変位する。一方、蛍石は温度の上昇で膨
張し、屈折率は小さくなる特性を持っている。そのた
め、図６（ａ）に示すように、蛍石の正レンズ４９Ａで
は温度が上昇すると、結像面ＦＡは正レンズ４９Ａから
遠ざかる方向に変位する。なお、上述の硝材の屈折率の
温度特性は、単にその屈折率自体の温度特性のみなら
ず、その硝材からなるレンズの熱膨張や鏡筒の膨張をも
考慮して温度が変化したときに結像面がどの方向に変化
するかによって定められる特性である。

【００１４】また、例えば第１の硝材として石英を使用
し、第２の硝材として蛍石を使用し、その第１の硝材で
投影光学系（ＰＬ１）の大部分のレンズを構成した場
合、投影光学系の結像面のフォーカス位置の分布につい
て考えると、その第１の硝材のレンズに依るフォーカス
位置Ｚ_Fの像高Ｈに応じた分布の傾向は、図７（ａ）の
曲線６１Ａで示すように下側に凸の像面湾曲となり、そ
の像面湾曲の状態は環境変化や露光用照明光の吸収等に
よって変化する。これに対して、その第２の硝材のレン
ズに依る結像面のフォーカス位置の分布は、図７（ｂ）
の曲線６２Ｃで示すように、曲線６１Ａと逆の傾向の上
側に凸の像面湾曲に、全部の像高Ｈで共通のオフセット
分を加算した傾向を有する。

【００１５】そこで、環境変化や露光用照明光の吸収等
に応じて、例えばその第２の硝材のレンズの温度を制御
して、曲線６１Ａの像面湾曲を曲線６２Ｃの像面湾曲で
相殺することにより、投影光学系（ＰＬ１）の非線形的
なデフォーカスである像面湾曲を小さくできる。但し、
第２の硝材のレンズの温度制御を行った場合、線形倍率
誤差が発生することがある。そこで、このような線形倍
率誤差を、例えば投影光学系内の所定のレンズ間の気体
室内の圧力を制御するような倍率誤差制御手段（１２）
を介して低減させることにより、投影光学系（ＰＬ１）
による投影像にディストーションが残留することがな
い。

【００１６】また、そのままでは結像面のフォーカス位
置の分布には、図７（ｃ）の直線６３Ａで示すように、
一定のオフセットが残存している。しかしながら、その
ようなフォーカス位置のオフセットは、例えば基板
（Ｗ）の高さを制御するステージ等の焦点位置制御手段
（２）によって基板（Ｗ）の高さを調整することによっ
てほぼ完全に除去できる。これによって、基板（Ｗ）の
表面を基準とした、結像面のフォーカス位置Ｚ_Fの分布
は、図８の曲線６５Ａに示すようになって、デフォーカ
スはほぼ０となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明による投影露光装置
の第１の実施の形態につき図１、図２、図６〜図１４を
参照して説明する。本例は露光用の照明光としてエキシ
マレーザ光を使用するステップ・アンド・スキャン方式
の投影露光装置に本発明を適用したものである。但し、
本例で使用する投影光学系は、ステップ・アンド・リピ
ート方式（一括露光方式）の投影露光装置でも使用でき
るだけの性能を有している。

【００１８】図１は、本例の投影露光装置を示し、この
図１において、エキシマレーザ光源１６からパルス発光
されたレーザビームよりなる照明光ＩＬは、ミラー１５
で偏向されて照明光学系１４に入射する。エキシマレー
ザ光源１６としては、ＫｒＦエキシマレーザ光源（発振
波長：２４８ｎｍ）、又はＡｒＦエキシマレーザ光源
（発振波長：１９３ｎｍ）等が使用できる。また、露光
用の光源としては、ＹＡＧレーザの高調波発生装置、金
属蒸気レーザ光源、又は水銀ランプ等も使用できる。

【００１９】照明光学系１４は、ビームエクスパンダ、
減光システム、フライアイレンズ、リレーレンズ、視野
絞り（レチクルブラインド）、走査前後の不要な露光を
避けるための可動ブレード、及びコンデンサーレンズ等
から構成され、照明光学系１４によって均一な照度分布
に整形された照明光ＩＬが、レチクルＲのパターン形成
面（下面）の所定形状の照明領域を照明する。この場
合、装置全体の動作を統轄制御する主制御装置１８が、
照明制御系１７を介してエキシマレーザ光源１６のパル
ス発光のタイミング、照明光学系１４内の減光システム
での減光率の制御等を行う。その照明領域内のレチクル
Ｒのパターンを透過した照明光は、投影光学系ＰＬ１を
介してフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に投影さ
れ、そのパターンを倍率β（βは例えば１／４、又は１
／５等）で縮小した投影像がウエハＷ上に転写される。
ここで、投影光学系ＰＬ１の光軸ＡＸ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Ｙ軸を取
り、図１の紙面に垂直にＸ軸を取る。

【００２０】レチクルＲは、レチクルステージ６上に保
持され、レチクルステージ６はエアベアリングを介して
レチクル支持台５上にＹ方向に移動自在に載置されてい
る。レチクルステージ６の上端に固定された移動鏡７、
及びレチクル支持台５上のレーザ干渉計８により計測さ
れたレチクルステージ６のＹ座標がステージ制御系１１
に供給される。ステージ制御系１１は、主制御装置１８
からの指令に従ってレチクルステージ６の位置、及び移
動速度を制御する。

【００２１】一方、ウエハＷはウエハステージ２上に保
持され、ウエハステージ２はＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、
及び回転方向等にウエハＷの位置決めを行うと共に、Ｙ
方向にウエハＷの走査を行う。ウエハステージ２の上端
に移動鏡９が固定され、移動鏡９及び外部のレーザ干渉
計１０によりウエハステージ２のＸ座標、及びＹ座標が
常時計測され、計測結果がステージ制御系１１に供給さ
れている。ステージ制御系１１は主制御装置１８からの
指令に従って、ウエハステージ２のステッピング動作、
及びレチクルステージ６と同期した走査動作の制御を行
う。即ち、走査露光時には、上述の投影光学系ＰＬ１の
レチクル側からウエハ側への倍率βを用いて、ステージ
制御系１１の制御のもとで、投影光学系ＰＬ１に対して
レチクルステージ６が−Ｙ方向（又は＋Ｙ方向）に速度
Ｖ_Rで走査されるのと同期して、ウエハステージ２が＋
Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査さ
れる。これにより、レチクルＲのパターンが逐次ウエハ
Ｗ上の各ショット領域に転写される。

【００２２】また、ウエハステージ２上のウエハＷの近
傍には、結像特性計測用センサ３が固定されている。結
像特性計測用センサ３は、図９（ｂ）に示すように、ウ
エハＷの表面と同じ高さに設定された表面に矩形の開口
部５０ａが設けられた遮光膜５０が被着されたガラス基
板５１と、その開口部５０ａを通過した露光用の照明光
を光電変換する光電変換素子５２と、この光電変換素子
５２からの検出信号Ｓ１を処理する信号処理部５３とを
有し、この信号処理部５３の処理結果が図１の主制御装
置１８に供給されている。本例では後述のように、ウエ
ハステージ２を駆動することにより、レチクルＲのパタ
ーンの投影像を結像特性計測用センサ３の開口部５０ａ
で走査し、その際に光電変換素子５２から出力される検
出信号Ｓ１より信号処理部５３が、投影光学系ＰＬ１の
結像面の種々の像高でのフォーカス位置の分布（像面湾
曲）を求めるようになっている。

【００２３】次に、図１において、本例の投影光学系Ｐ
Ｌ１を構成する複数枚のレンズエレメントの内の大部分
は石英よりなり、残りの一部のレンズエレメントが蛍石
より形成され、その石英からなる所定の１対のレンズエ
レメントの間に形成された所定の気体室の気体圧力を制
御するためのレンズ制御装置１２が設けられている。大
気圧変化、若しくは温度変化等の環境変化、又は露光用
照明光の投影光学系ＰＬ１に対する照射量の履歴等に応
じて、投影光学系ＰＬ１の倍率、焦点位置（ベストフォ
ーカス位置）、像面湾曲等の結像特性が変化した場合
に、主制御装置１８からの指令に基づいてそれらの結像
特性をレンズ制御装置１２が補正するようになってい
る。なお、レンズ制御装置１２としては、圧力制御装置
の他に、例えば石英若しくは蛍石からなる所定のレンズ
エレメントの光軸ＡＸ方向の位置や傾斜角を制御するレ
ンズ位置制御装置、又はレチクルＲの光軸ＡＸ方向の位
置や傾斜角を制御するレチクル位置制御装置等を使用し
てもよい。

【００２４】更に、投影光学系ＰＬ１には、一部の蛍石
よりなる１枚又は複数枚のレンズエレメントの温度を制
御するためのレンズ温度制御装置１３が接続されてい
る。本例では、環境変化、又は照射量の履歴等に応じ
て、投影光学系ＰＬ１の非線形的なデフォーカス（像面
湾曲等）が悪化した場合に、主制御装置１８からの指令
に基づいてレンズ温度制御装置１３がその非線形的なデ
フォーカスを補正するようになっている。また、その非
線形的なデフォーカスの補正によって、投影光学系ＰＬ
１の線形倍率誤差が悪化したときには、その線形倍率誤
差をレンズ制御装置１２が補正するようになっている。

【００２５】また、本例の投影露光装置には、投影光学
系ＰＬ１による露光領域内の複数の計測点でウエハＷ上
にスポット光を斜めに投射する投射光学系６８と、それ
らの計測点からの反射光を受光してそれぞれスポット光
を再結像し、これらの再結像されたスポット光の横ずれ
量に対応した焦点信号を出力する受光光学系６９と、か
らなる焦点位置検出系が設けられている。その受光光学
系６９からの複数の焦点信号が主制御装置１８に供給さ
れている。この場合、ウエハＷの表面の投影光学系ＰＬ
１の光軸方向（Ｚ方向）の位置（フォーカス位置）が変
化すると、対応する焦点信号のレベルが変化することか
ら主制御装置１８ではウエハＷのフォーカス位置をモニ
タする。そして、主制御装置１８ではステージ制御系１
１を介してウエハステージ２内のＺ方向への駆動機構の
動作を制御することにより、ウエハＷの露光対象のショ
ット領域の平均面の中央でのフォーカス位置を、予め求
めてある投影光学系ＰＬ１の結像面の平均面の中央での
フォーカス位置に維持させる。

【００２６】また、本例では投影光学系ＰＬ１の像面湾
曲を補正すると、結像面の平均的な面の中央でのフォー
カス位置にオフセットが生ずることがあるため、そのよ
うなオフセットが生じたときには、ウエハステージ２を
駆動してウエハＷのフォーカス位置をそのオフセット分
だけ補正して、結像面とウエハＷの表面との間にデフォ
ーカスが生ずるのを防止している。更に、本例のウエハ
ステージ２にはウエハＷの傾斜角を補正する機構（レベ
リングステージ）も設けられ、主制御装置１８はその焦
点位置検出系の複数の計測点でのフォーカス位置よりウ
エハＷの傾斜角を求め、ウエハＷの傾斜角を結像面の傾
斜角に合わせ込むようにしている。

【００２７】更に、本例の投影光学系ＰＬ１の側面に
は、ウエハＷ上の各ショット領域に付設されたアライメ
ント用のウエハマークの位置を検出するためのオフ・ア
クシス方式の撮像方式のアライメントセンサ７０も設け
られている。次に、本例の投影光学系ＰＬ１の構成、及
びレンズ温度制御装置１３等の構成につき、図２等を参
照して詳細に説明する。

【００２８】図２は、本例の投影光学系ＰＬ１の内部構
造、及び結像特性の制御システムを示し、この図２にお
いて、投影光学系ＰＬ１は、一例として鏡筒４内にウエ
ハＷ側から順に配列された６枚のレンズエレメント２５
〜３０、４枚のレンズエレメント３１〜３４、及び４枚
のレンズエレメント３５Ａ〜３８Ａによって構成されて
いる。また、レンズエレメント３６Ａ及び３７Ａのみは
蛍石より形成され、その他のレンズエレメントは石英よ
り形成されている。そして、レンズエレメント３３，３
４はレンズ枠Ｇ１を介して鏡筒４内に固定され、レンズ
エレメント３５Ａ〜３８Ａはレンズ枠Ｇ２を介して鏡筒
４内に固定され、他のレンズエレメントもそれぞれ不図
示のレンズ枠を介して鏡筒４内に固定されている。

【００２９】この場合、レンズエレメント３３，３４及
びレンズ枠Ｇ１で囲まれた気体室は密封されており、そ
の気体室が配管１２ｃを介してベローズ機構１２ｂに接
続され、ベローズ機構１２ｂの伸縮量が制御部１２ａに
よって制御されるようになっている。この制御部１２
ａ、ベローズ機構１２ｂ、及び配管１２ｃより図１のレ
ンズ制御装置１２が構成され、ベローズ機構１２ｂの伸
縮量の調整によってその気体室内の気体（例えば空気）
の圧力が制御できるようになっている。

【００３０】そして、蛍石よりなるレンズエレメント３
６Ａ，３７Ａ及びレンズ枠Ｇ２で囲まれた気体室には、
配管２１を介して温度制御装置１３ｂから、主制御装置
１８に指示された任意の温度の気体が供給され、その気
体室を循環した気体が配管２２を介して温度制御装置１
３ｂに戻される構成となっている。なお、その気体室内
に流す気体が投影光学系ＰＬ１の周囲の大気（空気）と
同じ成分である場合には、必ずしもその気体室を通過し
た気体を配管２２を介して温度制御装置１３ｂに戻す必
要はないが、例えば温度管理の容易な気体（例えば窒素
ガス等）を使用する場合には、閉ループで温度制御を行
うために配管２２を使用する必要がある。

【００３１】また、本例では温度制御装置１３ｂによっ
てレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度制御を行うた
め、これらレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度がレ
ンズ枠Ｇ２、鏡筒４、及び気体を媒介として前後の石英
よりなるレンズエレメント３５Ａ，３８Ａに伝導するの
を防止する必要がある。そのため、レンズエレメント３
７Ａ，３８Ａ及びレンズ枠Ｇ２により囲まれた気体室、
及びレンズエレメント３５Ａ，３６Ａ及びレンズ枠Ｇ２
により囲まれた気体室には、それぞれ配管１９及び２０
を介して温度制御装置１３ａから一定温度の気体を流し
ている。この一定温度の気体としては、温度伝導率の低
い気体（空気等）が使用され、それらの気体室を循環し
た気体がそれぞれ配管２３Ａ及び２４Ａを介して温度制
御装置１３ａに戻されている。温度制御装置１３ａ，１
３ｂ、及び配管１９〜２２，２３Ａ，２４Ａより図１の
レンズ温度制御装置１３が構成されている。

【００３２】また、本例の投影露光装置では、種々のパ
ターンを高い解像度で露光するために、図１の照明光学
系１４による照明条件を通常の状態、変形光源、輪帯照
明、及びコヒーレンスファクタであるσ値が小さい状態
等に切り換えられるようになっている。図１２は、照明
光学系１４を切り換えた場合に投影光学系ＰＬ１を通過
する照明光の状態を示し、先ず、通常の状態ではレチク
ルＲを通過した０次光は、図１２（ａ）に示すように、
投影光学系ＰＬ１の瞳面（レチクルＲに対するフーリエ
変換面）で所定のほぼ円形の領域を通過している。次
に、照明光学系１４を変形光源状態とした場合には、レ
チクルＲを通過した０次光は、図１２（ｂ）に断面図で
示すように、投影光学系ＰＬ１の瞳面上で離れた複数の
領域を通過する。また、照明光学系１４を輪帯照明状態
とした場合には、レチクルＲを通過した０次光は、投影
光学系ＰＬ１の瞳面上でほぼ輪帯状の領域を通過する。
更に、照明光学系１４をコヒーレンスファクタであるσ
値が小さい状態とした場合には、レチクルＲを通過した
０次光は、図１２（ｃ）に示すように、投影光学系ＰＬ
１の瞳面上でほぼ小さい円形の領域を通過する。これら
の照明条件によっても、投影像の結像特性が変化する。

【００３３】次に、本例で投影光学系ＰＬ１の像面湾曲
を除去する場合の動作の一例につき説明する。本例の投
影光学系ＰＬ１のレンズエレメントの硝材は、石英及び
蛍石である。ここで、石英は温度が上昇しても膨張係数
が小さいため殆ど膨張しないが、屈折率が大きくなる特
性を持っている。従って、図６（ｂ）に示すように、石
英の正のレンズ４９Ｂでは温度が上昇すると、結像面Ｆ
Ｂがそのレンズに近付く方向に変位する。一方、蛍石は
温度の上昇で膨張し、屈折率は小さくなる特性を持って
いる。そのため、図６（ａ）に示すように、蛍石の正の
レンズ４９Ａでは温度が上昇すると、結像面ＦＡはその
レンズから遠ざかる方向に変位する。なお、上述の硝材
の屈折率の温度特性は、単にその屈折率自体の温度特性
のみならず、その硝材からなるレンズの熱膨張や鏡筒の
膨張をも考慮して温度が変化したときに結像面がどの方
向に変化するかによって定められる特性である。

【００３４】更に、投影光学系ＰＬ１の像面湾曲につい
て図７及び図８を参照して説明する。図７及び図８にお
いて、縦軸は像高Ｈ、横軸はその像高Ｈにおける投影光
学系ＰＬ１の結像面のフォーカス位置Ｚ_Fであり、光軸
上（Ｈ＝０）でのフォーカス位置を設計上のフォーカス
位置として示してある。この場合、或る環境下で、或る
時間露光を継続して行った後における、投影光学系ＰＬ
１の石英からなるレンズエレメントに依る結像面は、図
７（ａ）の曲線６１Ａで示すように、下に凸の像面湾曲
となる。

【００３５】これに対して、本例では図１のレンズ温度
制御装置１３を介して、投影光学系ＰＬ１内の蛍石より
なるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度を調整する
ことにより、投影光学系ＰＬ１の蛍石よりなるレンズエ
レメントに依る像面湾曲を、図７（ａ）の曲線６１Ａと
ほぼ逆の特性の像面湾曲を有するように設定する。しか
しながら、そのように蛍石よりなるレンズエレメントの
像面湾曲を設定しても、その結像面のフォーカス位置に
は所定の像高Ｈの全範囲で一定のオフセットが重畳され
る。従って、投影光学系ＰＬ１の蛍石よりなるレンズエ
レメントに依る結像面のフォーカス位置の分布は、図７
（ｂ）の曲線６２Ｃで示すように、所定のオフセット
に、図７（ａ）の曲線６１Ａとほぼ逆の特性の像面湾曲
を重畳した特性となる。

【００３６】そのため、投影光学系ＰＬ１の全体として
の結像面のフォーカス位置Ｚ_Fは、図７（ｃ）の直線６
３Ａで示すように、像高Ｈの全範囲でほぼ一定の値とな
り、ウエハＷの表面との間でデフォーカスが生ずる。そ
こで、図１のウエハステージ２内のＺ方向への駆動機構
を用いて、投影光学系ＰＬ１に対して、そのデフォーカ
ス分だけウエハＷの表面のフォーカス位置を補正する。
これは、実質的に投影光学系ＰＬ１の結像面に対して、
図７（ｃ）の直線６４Ａで示すようなフォーカス位置の
オフセットを加えることを意味する。その結果、ウエハ
Ｗの表面を基準とした本例の投影光学系ＰＬ１の結像面
のフォーカス位置Ｚ_Fの分布は、図８の曲線６５Ａに示
すようになり、像面湾曲と共に一定のデフォーカスも除
去されている。従って、結像面の全体で焦点深度の幅が
従来例よりも広くなり、投影像が全体として高い解像度
で投影露光される。

【００３７】更に、蛍石よりなるレンズエレメント３６
Ａ，３７Ａの温度を調整することにより、その結像面の
線形倍率誤差（像高Ｈに比例して倍率が変化する誤差）
が悪化することがある。このように線形倍率誤差が発生
したときには、図１のレンズ制御装置１２を介してその
結像面に対して、発生した線形倍率誤差をほぼ相殺する
ような線形倍率誤差を付与する。その結果、本例の投影
光学系ＰＬ１の結像特性は像面湾曲も、ディストーショ
ンも除去された良好な特性となる。

【００３８】ここで、図９及び図１０を参照して投影光
学系ＰＬ１の結像面のフォーカス位置の分布の計測方法
の一例につき説明する。そのため、図１のレチクルＲと
して、照明領域内に所定個数のそれぞれ１対の（例えば
１６対の）評価用マークが均等に分布するテストレチク
ルを使用する。それら各対の評価用マークは、Ｘ方向に
所定ピッチで配列されたライン・アンド・スペースパタ
ーンよりなるＸ軸の評価用マーク、及びこの評価用マー
クを９０°回転した構成のＹ軸の評価用マークよりな
り、その内のｉ番目（ｉ＝１〜１６）のＹ軸の評価用マ
ークの投影像ＭＹ（ｉ）を図９（ａ）に示す。なお、以
下ではＹ軸の評価用マークの投影像を用いて結像面（最
良結像面）のフォーカス位置を検出するが、Ｘ軸の評価
用マークの投影像をも使用して、両方の方法で求めたフ
ォーカス位置の差を求めてもよい。

【００３９】図９（ａ）において、投影像ＭＹ（ｉ）は
Ｙ方向に所定ピッチで明部Ｐ１〜Ｐ５が配列されたパタ
ーンであり、先ずウエハステージ２のＺ方向の位置を所
定の初期値に設定した状態で、図１のウエハステージ２
を駆動することにより、結像特性計測用センサ３の矩形
の開口部５０ａでその投影像ＭＹ（ｉ）をＹ方向に走査
する。その際に図９（ｂ）の光電変換素子５２から出力
される検出信号Ｓ１が、信号処理部５３の内部でアナロ
グ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換されて、ウエハステージ２
のＹ座標に対応して記憶される。

【００４０】図１０（ａ）は本例の検出信号Ｓ１を示
し、本例の開口部５０ａは矩形であるため、その図１０
（ａ）に示すように、得られる検出信号Ｓ１は、Ｙ座標
に応じて階段状に変化する信号となる。そこで、一例と
して信号処理部５３では、その検出信号Ｓ１をＹ座標で
微分して（実際の処理上では差分演算となる）、図１０
（ｂ）に示すような微分信号ｄＳ１／ｄＹを得る。この
微分信号ｄＳ１／ｄＹがピークを取るＹ軸上の位置Ｙ₁
〜Ｙ₅がそれぞれ図９（ａ）の評価用マークの投影像Ｍ
Ｙ（ｉ）の明部Ｐ１〜Ｐ５に対応している。結像特性計
測用センサ３の撮像面が結像面のフォーカス位置（ベス
トフォーカス位置）にあるときに、微分信号ｄＳ１／ｄ
Ｙの明部Ｐ１〜Ｐ５に対応する波形のコントラストが最
大となり、その明部Ｐ１〜Ｐ５に対応する波形の高さの
平均値ΔＳ（図１０（ａ）の検出信号Ｓ１の傾きに対応
する）が最大となる。そこで、信号処理部５３ではその
微分信号ｄＳ１／ｄＹのピーク部の高さの平均値ΔＳを
求める。そして、例えば１６個の投影像の全部について
それぞれそのピーク部の高さの平均値ΔＳを求める。そ
の後、図１のウエハステージ２のＺ方向への駆動部を介
して、結像特性計測用センサ３の表面のＺ方向への位置
を所定のステップ幅で変化させながらそれぞれ１６個の
投影像についてそのピーク部の高さの平均値ΔＳを求め
る。

【００４１】その結果、１６個の投影像の内の或る像高
の投影像について、図１０（ｃ）に点列示すような計測
データが得られる。図１０（ｃ）において、横軸は結像
特性計測用センサ３の撮像面のＺ方向の位置、縦軸はそ
のピーク部の高さの平均値ΔＳである。そして、信号処
理部５３では、図１０（ｃ）の点列を例えば２次曲線７
１で最小自乗近似し、その２次曲線７１がピークとなる
Ｚ方向の位置Ｚ_Fをその像高での結像面のフォーカス位
置とみなす。種々の像高のマークについてそれぞれ結像
面のフォーカス位置Ｚ_Fを求めることにより、現在の環
境における図８に示すようなフォーカス位置の分布（像
面湾曲）を計測できる。また、計測されるのは像高Ｈ上
の所定の複数の計測点でのフォーカス位置であるため、
それらの間の像高でのフォーカス位置は前後の計測点で
のフォーカス位置を補間して得られる値を使用してもよ
い。

【００４２】次に、図２における蛍石よりなるレンズエ
レメント３６Ａ，３７Ａの温度の設定値の決定方法の一
例につき説明する。先ず、投影光学系ＰＬ１の周囲の空
気の圧力（大気圧）をｘとして、大気圧ｘが基準値ｘ₀
から変化することによって投影光学系ＰＬ１に許容値を
超える像面湾曲が生じた場合に、その像面湾曲を相殺す
るためのレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度ｙの設
定値につき説明する。この場合、大気圧ｘが基準値ｘ₀
から変化することによって生ずる投影光学系ＰＬ１の像
面湾曲を光学計算によって求める。そして、このように
求めた像面湾曲と、逆の特性の像面湾曲を発生させるた
めのレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度ｙを計算に
よって求める。

【００４３】図１１の実線の曲線は、そのようにして予
め大気圧ｘの関数ＦＡ（ｘ）として求められた温度ｙ
（ｙ＝ＦＡ（ｘ））を表し、この図１１において、横軸
は大気圧ｘ、縦軸は蛍石よりなるレンズエレメント３６
Ａ，３７Ａの温度ｙであり、基準大気圧ｘ₀で像面湾曲
を最小とするためのレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの
温度をｙ₀としてある。実用上でも、その関数ＦＡ
（ｘ）に基づいて温度ｙを設定するようにしてもよい。

【００４４】しかしながら、実際には投影光学系ＰＬ１
の各光学要素の製造誤差等によって、関数ＦＡ（ｘ）で
求めた温度ｙでは像面湾曲が十分に小さくならないこと
がある。更に、本例の図１の照明光学系１４では、図１
２で説明したように、通常照明、変形光源法、及びコヒ
ーレンスファクタ（σ値）を小さくした照明等のように
照明条件を種々に切り換えて使用できるようになってい
る。そのため、上述の関数ＦＡ（ｘ）も照明条件毎に計
算する必要があるが、特に変形光源法やコヒーレンスフ
ァクタ（σ値）を小さくした照明等での計算結果の信頼
性は低いことがある。そこで、像面湾曲をより小さくす
るためには、次のようにして関数ＦＡ（ｘ）のキャリブ
レーションを行うことが望ましい。

【００４５】即ち、実際に良く当てはまる関数を求める
ために、基準大気圧ｘ₀と異なる任意の１点の大気圧ｘ
₁において、図１の結像特性計測用センサ３を用いて投
影光学系ＰＬ１の投影像の像面湾曲を求める。次に、レ
ンズ温度制御装置１３を介して蛍石よりなるレンズエレ
メント３６Ａ，３７Ａの温度を制御して、その投影像の
像面湾曲が０（最小）になるときの温度ｙ₁を求める。
この際に、蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７
Ａの温度は、理論的な関数ＦＡ（ｘ）で定められる温度
ｙの近傍で変化させるようにする。その後、レンズ制御
装置１２を用いて、残存する線形倍率誤差を０にするた
めの上述の気体室の圧力も求めておく。これと共に、残
存するフォーカス位置のオフセットも求めておく。

【００４６】また、その大気圧ｘ₁と異なる他の大気圧
ｘ₂においても、同様にして実際に投影像の像面湾曲を
ほぼ０にするための蛍石よりなるレンズエレメントの温
度ｙ ₂、及び残存する線形倍率誤差を０にするためのそ
の気体室の圧力を求め、残存するフォーカス位置のオフ
セットを求める。そして、大気圧がｘ₀，ｘ₁，ｘ₂の
点での蛍石よりなるレンズエレメントの実測された温度
より、図１１に点線で示すように、例えば２次関数とし
て、大気圧ｘに対する蛍石よりなるレンズエレメントの
温度ｙを表す関数ＦＡ’（ｘ）を求めることができる。
更に、このときに残存する線形倍率誤差を０にするため
のその気体室の圧力も、その大気圧ｘの関数として求め
ることができる。同時に、残存するフォーカス位置のオ
フセットも大気圧ｘの関数として求めることができる。
なお、測定点数を増加させて、大気圧ｘの３次以上の関
数として蛍石よりなるレンズエレメントの温度ｙ等を定
めてもよい。その関数ＦＡ’（ｘ）を使用することによ
って、投影像の像面湾曲をより小さくできる。

【００４７】また、図１１の関数ＦＡ’（ｘ）は通常の
照明条件（図１２（ａ）の方式）のもとで求めた関数で
あるが、他の２種類の照明条件（図１２（ｂ）及び
（ｃ）の方式）等のもとでも同様にキャリブレーション
を行う。図１２（ｂ）及び（ｃ）の照明条件のもとで、
蛍石よりなるレンズエレメントの像面湾曲を最小にする
ための温度ｙを大気圧ｘの関数として求めた結果が、そ
れぞれ図１３の関数ＦＡ１（ｘ）及びＦＡ３（ｘ）で表
されている。また、図１３の関数ＦＡ２（ｘ）は図１１
の関数ＦＡ’（ｘ）と同じ関数、即ち通常の照明条件下
で求めた関数である。このように関数を求めた場合に
は、図１３の３つの関数ＦＡ１（ｘ）〜ＦＡ３（ｘ）を
図１の主制御装置１８内の記憶部に記憶しておく。そし
て、主制御装置１８では計測される大気圧ｘに応じて、
使用されている照明条件に応じた関数より蛍石のレンズ
エレメントの温度ｙの目標値を求め、レンズ温度制御装
置１３を介してそのレンズエレメントの温度をその目標
値に設定する。

【００４８】上述の例では、大気圧による像面湾曲の補
正について説明したが、それ以外にも、露光用の照明光
が投影光学系を通過する際の照射エネルギーで各レンズ
エレメントが膨張したり、各レンズエレメントの屈折率
が変化したりすることがあり、それによっても像面湾曲
が発生する。そこで、投影光学系ＰＬ１を単位時間当た
りに通過する照射エネルギーをｅとし、照射エネルギー
ｅの関数として像面湾曲を最小にするための蛍石よりな
るレンズエレメントの温度ｙを求めておく必要がある。
更に、この場合の関数も照明条件毎に求めておく必要が
ある。

【００４９】図１４は、照射エネルギーｅに対して像面
湾曲が最小になるようにキャリブレーションを行って求
めた、蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの
温度ｙを示し、この図１４において、横軸は投影光学系
ＰＬ１を通過する露光用の照明光の照射エネルギーｅ、
縦軸は蛍石よりなるレンズエレメントの像面湾曲を最小
にするための温度ｙを示している。この場合、その照射
エネルギーｅは、例えば図１の照明光学系１４内で露光
用の照明光の一部を分離して得られる光束を光電変換し
て得た信号に、予め求められている変換係数を乗ずるこ
とによって求められる。そして、図１４の照射エネルギ
ーｅの関数ｇＡ１（ｅ），ｇＡ２（ｅ）及びｇＡ３
（ｅ）はそれぞれ、図１２（ｂ），（ａ）及び（ｃ）の
照明条件毎に求めた像面湾曲を最小にするための温度ｙ
を示す関数である。

【００５０】以上をまとめると、最終的には照射エネル
ギーｅ、大気圧ｘ、照明条件Ｉをパラメータとした関数
Ｑ（ｅ，ｘ，Ｉ）によって、像面湾曲を最小にするため
の蛍石よりなるレンズエレメントの温度ｙを求めておく
必要がある。その関数Ｑ（ｅ，ｘ，Ｉ）も図１の主制御
装置１８内の記憶部に記憶しておき、主制御装置１８で
は露光時の照射エネルギーｅ、大気圧ｘ、照明条件Ｉに
応じて、その関数Ｑ（ｅ，ｘ，Ｉ）より蛍石よりなるレ
ンズエレメントの目標温度を求めることが望ましい。

【００５１】更に、図１７を参照して説明したように、
使用するレチクルが大きくなると、そのレチクルの撓み
が大きくなって結像面の像面湾曲が悪化する。そこで、
使用するレチクルの大きさ、又は種類毎に上述の結像特
性計測用センサ３を用いて結像面の像面湾曲を求めてお
き、使用するレチクルに応じて像面湾曲が最小となるよ
うに蛍石よりなるレンズエレメントの温度を制御するこ
とが望ましい。これによって、大面積のレチクルを使用
しても、レチクルの撓みと像面湾曲とを相殺させること
ができる。

【００５２】なお、本例では露光用光源としてエキシマ
レーザ光源が使用されているが、露光用照明光の照射エ
ネルギーに関しては、水銀ランプのｉ線（波長：３６５
ｎｍ）の方がエキシマレーザ光に比べて投影光学系での
吸収が大きく、投影光学系の像面湾曲も大きく変化す
る。従って、照射エネルギーに応じて蛍石よりなるレン
ズエレメントの温度を制御する方法は、むしろ水銀ラン
プのｉ線等を使用した投影露光装置（ステッパー等）に
適用することによって、像面湾曲を良好に低減できると
いう大きな利点がある。

【００５３】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
３を参照して説明する。図３において図２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。本例
の投影光学系は、特にステップ・アンド・スキャン方式
の投影露光装置に使用して好適な光学系である。図３
は、本例の投影光学系ＰＬ２を示し、この図３におい
て、投影光学系ＰＬ２は、鏡筒４内にウエハＷ側から順
に配列された６枚のレンズエレメント２５〜３０、４枚
のレンズエレメント３１〜３４、及び４枚のレンズエレ
メント３５Ｂ〜３８Ｂで構成されている。また、レンズ
エレメント３５Ｂ〜３７Ｂはレンズ枠Ｇ３を介して鏡筒
４内に固定され、レンズエレメント３８Ｂも不図示のレ
ンズ枠を介して鏡筒４内に固定されている。

【００５４】この場合、レンズエレメント３６Ｂのみは
蛍石にて形成され、その他のレンズエレメントは石英に
て形成されている。そして、レンズエレメント３６Ｂの
走査方向であるＹ方向の一方の端部の両面に１対の温度
制御素子４０Ａ，４０Ｂが固定され、そのＹ方向の他方
の端部の両面にも１対の温度制御素子４０Ｃ，４０Ｄが
固定されている。この場合、照明光学系によるレチクル
Ｒのパターン形成面上でのスリット状の照明領域のＹ方
向の幅をＬとすると、その幅Ｌの照明領域を通過した照
明光が通過しない領域にそれらの温度制御素子４０Ａ〜
４０Ｄが固定してある。

【００５５】それらの温度制御素子４０Ａ〜４０Ｄとし
ては、ヒータ、又はペルチェ素子等が使用できる。その
ペルチェ素子は加熱用に使用してもよく、吸熱用に使用
してもよい。また、不図示であるが、レンズエレメント
３６ＢのＹ方向の端部に温度センサが固定され、この温
度センサの検出信号が外部の温度制御装置３９に供給さ
れ、温度制御装置３９は、検出された温度が主制御装置
１８に指示された設定温度になるように、温度制御素子
４０Ａ〜４０Ｄの加熱、又は吸熱動作を制御する。

【００５６】更に本例ではそのようにレンズエレメント
３６Ｂの温度を制御することによって発生する熱の、近
接するレンズエレメントへの影響を防止するための排熱
機構が設けられている。即ち、レンズエレメント３６
Ｂ，３７Ｂ及びレンズ枠Ｇ３で囲まれた気体室には、配
管１９を介して温度制御装置１３ａから、所定温度の気
体が供給され、その気体室を循環した気体が配管２３Ｂ
を介して温度制御装置１３ａに戻され、レンズエレメン
ト３５Ｂ，３６Ｂ及びレンズ枠Ｇ３で囲まれた気体室に
は、配管２０を介して温度制御装置１３ａから、所定温
度の気体が供給され、その気体室を循環した気体が配管
２４Ｂを介して温度制御装置１３ａに戻される構成とな
っている。そして、主制御装置１８からの指令に基づい
て温度制御装置１３ａは、強制空調によって、レンズエ
レメント３６Ｂの前後のレンズエレメント３５Ｂ，３７
Ｂの温度を一定に保つようにしている。それ以外の構成
は図２の例と同様である。

【００５７】以上のように、本例によれば、スリット状
の照明領域を通過した照明光に照射されない空間を有効
に活用して、温度制御素子４０Ａ〜４０Ｄを用いて蛍石
からなるレンズエレメント３６Ｂの温度を直接制御して
いるため、そのレンズエレメント３６Ｂの温度を高速且
つ高精度に所望の目標温度に設定できる利点がある。こ
れによって、投影光学系ＰＬ２の投影像の像面湾曲を迅
速に、且つ高い精度で補正できる。

【００５８】次に、本発明の第３の実施の形態につき図
４を参照して説明する。図４において図２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。本例
の投影光学系は、ステップ・アンド・リピート方式、及
びステップ・アンド・スキャン方式の何れの投影露光装
置に適用しても好適な光学系である。図４は、本例の投
影光学系ＰＬ３を示し、この図４において、投影光学系
ＰＬ３は、鏡筒４内にウエハＷ側から順に配列された６
枚のレンズエレメント２５〜３０、４枚のレンズエレメ
ント３１，３２，３３Ａ，３４Ａ、及び４枚のレンズエ
レメント３５Ｃ〜３８Ｃより構成されている。また、レ
ンズエレメント３３Ａ，３４Ａはレンズ枠Ｇ４を介して
鏡筒４内に固定され、レンズエレメント３５Ｃ，３６Ｃ
はレンズ枠Ｇ５を介して鏡筒４内に固定され、他のレン
ズエレメントも不図示のレンズ枠を介して固定されてい
る。

【００５９】この場合、レンズエレメント３３Ａ、及び
３６Ｃのみは蛍石にて形成され、その他のレンズエレメ
ントは石英にて形成されている。この場合、上側の蛍石
のレンズエレメント３６Ｃの温度変化によって主に像面
湾曲の特性が変化し、下側の蛍石のレンズエレメント３
３Ａの温度変化によって主に線形倍率誤差の特性が変化
するようになっている。また、レンズエレメント３５
Ｃ，３６Ｃ及びレンズ枠Ｇ５で囲まれた気体室には、配
管４１Ａを介して温度制御装置１３ｃから可変温度の気
体が供給され、その気体室を循環した気体が配管４１Ｂ
を介して温度制御装置１３ｃに戻され、レンズエレメン
ト３３Ａ，３４Ａ及びレンズ枠Ｇ４で囲まれた気体室に
は、配管４２Ａを介して温度制御装置１３ｄから、可変
温度の温度の気体が供給され、その気体室を循環した気
体が配管４２Ｂを介して温度制御装置１３ｄに戻される
構成となっている。そして、主制御装置１８からの指令
に基づいて、温度制御装置１３ｃ及び１３ｄはそれぞ
れ、レンズエレメント３６Ｃ及び３３Ａの温度を目標温
度に設定するようにしている。

【００６０】そして、本例では投影光学系ＰＬ３の投影
像の像面湾曲を補正するときには、温度制御装置１３ｃ
を介してレンズエレメント３６Ｃの温度を制御し、その
際発生する線形倍率誤差を、温度制御装置１３ｄを介し
てレンズエレメント３３Ａの温度を制御することで相殺
する方法を採っている。更にこの方法は、大気圧による
像面湾曲の特性と、露光用の照明光の投影光学系に対す
る照射時の温度変化による像面湾曲の特性とが異なり、
３次以上のフォーカス位置の誤差が大きく残る場合等
に、それぞれに対応する２箇所の蛍石よりなるレンズエ
レメントで独立に像面湾曲制御を行う場合にも利用でき
る。即ち、例えば上側の蛍石よりなるレンズエレメント
３６Ｃで大気圧による像面湾曲を補正し、それより下側
の蛍石よりなるレンズエレメントで照明光の照射による
像面湾曲を補正するようにしてもよい。

【００６１】次に、本発明の第４の実施の形態につき図
５を参照して説明する。図５において図２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。本例
の投影光学系は、ステップ・アンド・リピート方式、及
びステップ・アンド・スキャン方式の何れの投影露光装
置に使用しても好適な光学系である。図５は、本例の投
影光学系ＰＬ４を示し、この図５において、投影光学系
ＰＬ４は、鏡筒４Ａ内にウエハＷ側から順に６枚のレン
ズエレメント２５，２６，２７Ａ，２８Ａ，２９Ａ，３
０、４枚のレンズエレメント３１，３２，３３Ｂ，３４
Ｂ、及び２枚のレンズエレメント３５Ｄ，３６Ｄを固定
し、その鏡筒４Ａの上にレンズエレメント３７Ｄを保持
する支持台４５、及びレンズエレメント３８Ｄを保持す
る支持台４６を固定して構成されている。また、レンズ
エレメント２８Ａ，２９Ａはレンズ枠Ｇ６を介して鏡筒
４Ａ内に固定され、他のレンズエレメントも不図示のレ
ンズ枠を介して鏡筒４Ａ内に固定されている。

【００６２】本例では、レンズエレメント２８Ａ、及び
２９Ａのみは蛍石にて形成され、その他のレンズエレメ
ントは石英にて形成されている。また、レンズエレメン
ト２８Ａ，２９Ａ及びレンズ枠Ｇ６で囲まれた気体室に
は、配管４３を介して温度制御装置１３ｅから可変温度
の気体が供給され、その気体室を循環した気体が配管４
４を介して温度制御装置１３ｅに戻されている。そし
て、主制御装置１８からの指令に基づいて、温度制御装
置１３ｅは、レンズエレメント２８Ａ，２９Ａの温度を
目標温度に設定するようにしている。また、支持台４５
及び４６は互いに独立に駆動装置４７によって、投影光
学系ＰＬ４の光軸ＡＸに平行な方向への移動、及び所望
の角度の傾斜ができるように構成されている。駆動装置
４７の動作は、主制御装置１８からの指令に基づいて結
像特性制御装置４８が制御する。

【００６３】本例でも、蛍石よりなるレンズエレメント
２８Ａ，２９Ａの温度を温度制御装置１３ｅを介して制
御することによって、投影光学系ＰＬ４の投影像の像面
湾曲を補正するが、その際発生する線形倍率誤差を支持
台４５，４６を介してレンズエレメント３７Ｄ，３８Ｄ
を傾斜、又は上下動させることによって補正する。それ
ら２つの支持台４５，４６の動きの組み合わせによっ
て、倍率誤差のみでなく、焦点位置のデフォーカスも補
正できるので、像面湾曲補正時に発生する他の収差の大
半は温度制御装置１３ｅ、及び駆動装置４７の制御を最
適化することで相殺することができる。

【００６４】

【実施例】次に、投影光学系の実際の数値モデルについ
て、温度制御によって像面湾曲がどの程度変化するかを
数値解析した結果を示す。この場合、例えば図２に示す
投影光学系ＰＬ１を解析対象とすると、投影光学系ＰＬ
１中には蛍石より形成することによって結像特性を補正
できる可能性のあるレンズエレメントが例えば２枚あ
る。そこで、このように蛍石より形成して有効な２枚の
レンズエレメントをレンズエレメントＬ１，Ｌ２とし
て、蛍石よりなるレンズエレメントを使用しない場合、
及びレンズエレメントＬ１又はＬ２が蛍石からなり他の
レンズエレメントが石英からなる場合についてそれぞ
れ、像高が最大値の１０割の位置での倍率誤差βＡ［μ
ｍ］、及びフォーカス位置のＺ方向へのずれ量（即ち、
像面湾曲）βＢ［μｍ］を求めた。また、像高が０での
フォーカス位置を基準として、その蛍石よりなる１枚の
レンズエレメントの温度を１℃変化させたときの倍率誤
差βＡ［μｍ］、及びフォーカス位置のずれ量βＢ［μ
ｍ］を次の表１に示す。

【００６５】

【表１】

【００６６】上記の表１より、蛍石よりなる１枚のレン
ズエレメントの温度を±１℃変化させることで、約±
０．２μｍ程度の像面湾曲の補正が可能となることが分
かる。更に、一般に温調制御の分解能は０．０１℃程度
は可能であるため、蛍石よりなるレンズエレメントの温
度を１℃程度変化させて像面湾曲を補正する場合、その
像面湾曲の補正の分解能はほぼ±２ｎｍ（＝±０．２／
１００［μｍ］）となる。また、更に複数の位置に蛍石
のレンズエレメントを入れることで温度制御レンジを狭
くしたり、付加的に発生する線形倍率誤差を小さくした
り、更に大きな像面湾曲を補正することも可能となる。

【００６７】なお、本発明は上述の実施の形態、及び実
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ことは勿論である。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、第２の硝材からなる少
なくとも一つの光学部材の温度制御を行う温度制御部材
を設けているため、投影光学系の周囲の大気圧等の環境
の変化、露光用照明光の吸収、又はレチクルの撓み等に
よって悪化する投影光学系の結像面のデフォーカス、特
に像面湾曲のような非線形的なデフォーカスを補正でき
る利点がある。その結果、投影像全体としての焦点深度
の幅が広くなり、投影像全体としての解像度が向上す
る。

【００６９】また、温度制御手段による制御対象が投影
光学系の像面湾曲であり、その投影光学系の倍率誤差を
制御する倍率誤差制御手段を設け、その温度制御手段を
用いてその投影光学系の像面湾曲を制御したときに発生
する倍率誤差をその倍率誤差制御手段を介して低減させ
る場合には、像面湾曲の補正によって発生する線形倍率
誤差等の倍率誤差が低減され、全体として結像特性が良
好に維持される。

【００７０】更に、温度制御手段によって制御対象の光
学部材の温度を±１℃以下の範囲内で制御することによ
り、その投影光学系の像面湾曲を±０．３μｍ以下の範
囲内で補正するときには、上述の数値解析で示したよう
に例えば蛍石よりなる１枚のレンズエレメントの温度を
制御することによってその範囲内での補正を行うことが
できて実用的である。

【００７１】また、その投影光学系の使用条件の変化に
応じたその投影光学系の結像面の位置の変化量を記憶す
る記憶手段を設け、その投影光学系の使用条件の変化に
応じてその記憶手段に記憶されている結像面の位置の変
化量を相殺するように、その温度制御手段を介してその
投影光学系の結像面の位置を制御するときには、使用条
件が変化しても迅速、且つ高精度に像面湾曲等を補正で
きる利点がある。

【００７２】また、その投影光学系の結像面と感光基板
とをその投影光学系の光軸方向に相対的に移動するフォ
ーカス位置制御手段を設け、その温度制御手段を用いて
その投影光学系の結像面の位置を制御したときに残存し
ているフォーカス位置のオフセットをそのフォーカス位
置制御手段を介して低減させるときには、像面湾曲の補
正によって発生するデフォーカスが補正され、常に感光
基板の表面が結像面に合致した状態で露光が行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の第１の実施の形態
を示す構成図である。

【図２】第１の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図３】第２の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図４】第３の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図５】第４の実施の形態で使用される投影光学系、及
び結像特性の補正機構を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図６】温度変化に対して互いに異なる特性を有する２
つの硝材のレンズを示す光路図である。

【図７】（ａ）は石英からなるレンズエレメントに依る
像面湾曲を示す図、（ｂ）は温度制御された蛍石からな
るレンズエレメントに依るフォーカス位置の分布を示す
図、（ｃ）は残存するフォーカス位置の補正量を示す図
である。

【図８】石英からなるレンズエレメント、温度制御され
た蛍石からなるレンズエレメント、及びフォーカス位置
の制御機構（ウエハステージ）を組み合わせて得られる
フォーカス位置の分布（像面湾曲）を示す図である。

【図９】（ａ）は結像特性計測用センサ３の開口部及び
評価用マークの投影像を示す平面図、（ｂ）は結像特性
計測用センサ３の構成を示す一部を断面とした構成図で
ある。

【図１０】（ａ）は結像特性計測用センサ３で検出され
る検出信号を示す波形図、（ｂ）はその検出信号の微分
信号を示す波形図、（ｃ）はフォーカス位置の決定方法
の説明図である。

【図１１】大気圧と蛍石よりなるレンズエレメントの温
度との関係を示す図である。

【図１２】照明条件を種々に切り換えた場合の投影光学
系内を通過するレチクルからの０次光の分布を示す概念
図である。

【図１３】照明条件を切り換えた場合の大気圧と蛍石よ
りなるレンズエレメントの温度との関係を示す図であ
る。

【図１４】投影光学系を通過する照射エネルギーと蛍石
よりなるレンズエレメントの温度との関係を示す図であ
る。

【図１５】従来の投影露光装置における像面湾曲を示す
図である。

【図１６】（ａ）は一括露光を行った場合の像面湾曲の
影響を示す図、（ｂ）は走査露光を行った場合の像面湾
曲の影響を示す図である。

【図１７】（ａ）はサイズの小さいレチクルの撓みを示
す斜視図、（ｂ）はサイズの大きいレチクルの撓みを示
す斜視図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３，ＰＬ４投影光学系Ｗウエハ２ウエハステージ３結像特性計測用センサ４鏡筒Ｇ１，Ｇ２レンズ枠６レチクルステージ８，１０レーザ干渉計１２レンズ制御装置１３レンズ温度制御装置１３ａ，１３ｂ温度制御装置１４照明光学系１８主制御装置２５〜３４，３５Ａ，３８Ａ石英よりなるレンズエレ
メント３６Ａ，３７Ａ蛍石よりなるレンズエレメント３６Ｂ蛍石よりなるレンズエレメント３３Ａ，３６Ｃ蛍石よりなるレンズエレメント２８Ａ，２９Ａ蛍石よりなるレンズエレメント４０Ａ〜４０Ｄ温度制御素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 21/30 ５１６Ｅ５１６Ｆ (56)参考文献特開平４−86668（ＪＰ，Ａ) 特開平５−347239（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−159748（ＪＰ，Ａ) 特開平６−5490（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G03B 13/36 G03F 7/20 521

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクのパターンを投影光学系を介して
感光基板上に投影する投影露光装置において、前記投影光学系は、第１の硝材からなる複数の光学部材
と、屈折率に関する温度特性が前記第１の硝材と異なる
第２の硝材からなる少なくとも一つの光学部材とを有
し、前記第２の硝材からなる少なくとも一つの光学部材の温
度制御を行う温度制御手段を設け、該温度制御手段を用いて前記投影光学系の結像面の前記
投影光学系の光軸方向の位置を制御することを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項２】前記温度制御手段による制御対象は前記
投影光学系の像面湾曲であり、前記投影光学系の倍率誤差を制御する倍率誤差制御手段
を設け、前記温度制御手段を用いて前記投影光学系の像面湾曲を
制御したときに発生する倍率誤差を前記倍率誤差制御手
段を介して低減させ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】前記温度制御手段によって、前記第２の
硝材からなる少なくとも一つの光学部材の温度を±１℃
以下の範囲内で制御することにより、前記投影光学系の
像面湾曲を±０．３μｍ以下の範囲内で補正することを
特徴とする請求項２に記載の投影露光装置。
【請求項４】前記投影光学系の使用条件の変化に応じ
た前記投影光学系の結像面の位置の変化量を記憶する記
憶手段を設け、前記投影光学系の使用条件の変化に応じて前記記憶手段
に記憶されている結像面の位置の変化量を相殺するよう
に、前記温度制御手段を介して前記投影光学系の結像面
の位置を制御することを特徴とする請求項１〜３のいず
れか一項に記載の投影露光装置。
【請求項５】前記投影光学系の結像面と前記感光基板
とを前記投影光学系の光軸方向に相対的に移動するフォ
ーカス位置制御手段を設け、前記温度制御手段を用いて前記投影光学系の結像面の位
置を制御したときに残存しているフォーカス位置のオフ
セットを前記フォーカス位置制御手段を介して低減させ
ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載
の投影露光装置。
【請求項６】前記温度制御手段は、前記少なくとも一
つの光学部材の表面に固定された温度制御素子を有する
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の
投影露光装置。
【請求項７】前記投影光学系は、前記第２の硝材から
なる２つの光学部材を有し、前記温度制御手段は、前記２つの光学部材の一方の温度
を制御することによって、前記投影光学系の像面湾曲を
補正し、前記２つの光学部材の他方の温度を制御するこ
とによって、前記投影光学系の線形倍率誤差を補正する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の
投影露光装置。
【請求項８】前記第１の硝材は、石英であり、前記第
２の硝材は、蛍石であることを特徴とする請求項１〜７
のいずれか一項に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記マスクを保持するマスクステージ
と、前記感光基板を保持する基板ステージとをさらに有
し、前記マスクステージ及び前記基板ステージを同期移
動させて、走査露光を行うことを特徴とする請求項１〜
８のいずれか一項に記載の投影露光装置。