JP3552351B2 - 投影露光装置 - Google Patents
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Description
【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、その投影像が投影光学系の光軸に垂直な方向にずれる現象であるディストーションが発生してしまう。このディストーションは線形誤差（像高に対して結像位置が１次関数的に変化する成分）と非線形誤差（線形誤差以外の成分）とに分けられ、線形誤差は線形倍率誤差（像高に対して倍率が１次関数的に変化する成分）とも呼ばれている。そして、従来より線形倍率誤差を補正する手段として、投影光学系内の一部のレンズを駆動したり、一部のレンズ間の気体圧力を制御したりするレンズ制御システムが使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如き従来の投影露光装置においては、環境変化等によって発生する投影光学系のディストーションの内の非線形誤差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。その非線形誤差の主要部は、投影像の像高に応じて倍率が２次以上の関数のような特性で変化する非線形倍率誤差（高次倍率誤差）である。但し、設計上の基準となる状態でも、投影光学系には実用上問題の無い範囲内の僅かな非線形倍率誤差が残存しており、図１５（ａ）に示すように、像高Ｈによって投影光学系の倍率（レチクルからウエハへの投影倍率）βが設計値β０ から非線形に僅かに変化している。更に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、図１５（ａ）に示す非線形倍率誤差が図１５（ｂ）に示すように大きくなる。なお、図１５（ｂ）に示すように、像高Ｈに対して倍率βが一度負の方向に変化してから正の方向に変化するような非線形倍率誤差は、「Ｃ字ディストーション」と呼ばれることもある。
【０００５】
図１５（ｂ）に示すような非線形倍率誤差が、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６６、及び６７が像高によって非線形に変化して投影像６６Ａ，６７Ａのようになり、２層間での重ね合わせ精度が悪化する。一方、図１５（ｂ）に示すような非線形倍率誤差が、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、本来の投影像６６、及び６７が像高によって非線形に変化して投影像６６Ｂ，６７Ｂのようになり、同様に２層間での重ね合わせ精度が悪化する。また、図１６（ｂ）において、走査露光時のウエハの走査方向は矢印で示すＹ方向となっており、走査方向には平均化効果によって投影像のディストーション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倍率誤差が発生しているのが確認できる。
【０００６】
このように投影光学系に非線形倍率誤差が存在すると、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投影像に歪みが生じて、重ね合わせ精度が悪化するという不都合がある。本発明は斯かる点に鑑み、大気圧や投影光学系の周囲の温度等の環境の変化、又は露光用照明光の吸収等によって悪化する投影光学系のディストーション、特に非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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。
【０００７】
【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及び図２に示すように、マスクのパターン（Ｒ）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（２５〜３４，３５Ａ，３８Ａ）と、屈折率に関する温度特性がその第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）の結像特性を制御するものである。
【０００８】
この場合、温度制御手段（１３）によって制御される投影光学系（ＰＬ１）の結像特性の一例は非線形倍率誤差である。
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℃変化させることにより、投影光学系（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を±５０ｎｍの範囲内で補正することが望ましい。
【０００９】
また、投影光学系（ＰＬ１）の線形倍率誤差を補正する線形倍率制御手段（１２）を設け、温度制御手段（１３）によって投影光学系（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を所定の許容範囲内に収めた後に残存する線形倍率誤差を、線形倍率制御手段（１２）を介して低減させることが望ましい。
また、投影光学系（ＰＬ１）の使用条件の変化に応じた投影光学系（ＰＬ１）の結像特性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特性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（ＰＬ１）の結像特性を制御することが望ましい。
【００１０】
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４９Ｂ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ＦＢ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。
【００１１】
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、投影光学系の結像特性の内のディストーションについて考えると、その第１の硝材のレンズに依るディストーションの傾向は、図７（ａ）の曲線６１で示すように非線形となり、そのディストーション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ディストーションは、図７（ｂ）の曲線６２Ａで示すように、曲線６１と逆の傾向の非線形倍率誤差に直線６２Ｂで示す線形倍率誤差のオフセット分を加算した傾向を有する。
【００１２】
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６１の非線形倍率誤差を曲線６２Ａの非線形倍率誤差で相殺することにより、投影光学系（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を小さくできる。
但し、そのままでは、線形倍率誤差が残存するため、このように残存する誤差を線形倍率制御手段（１２）を介して低減させることにより、投影光学系（ＰＬ１）のディストーションがほぼ完全に除去される。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
照明光学系１４は、ビームエキスパンダ、光量調整システム、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内の光量調整機構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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ＶＲ 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ＶＷ（＝β・ＶＲ）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。
【００１８】
また、ウエハステージ２上のウエハＷの近傍には、ディストーション計測用センサ３が固定されている。ディストーション計測用センサ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ディストーション計測用センサ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の種々の像高での倍率誤差（ディストーション）を求めるようになっている。
【００１９】
次に、本例の投影光学系ＰＬ１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。
【００２０】
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の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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がその非線形倍率誤差を補正するようになっている。また、その非線形倍率誤差の補正によって、投影光学系ＰＬ１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。
【００２１】
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。
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を固定して構成されている。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３３，３４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。
【００２２】
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１２ａ、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。
【００２３】
そして、蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，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１３ｂ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。
【００２４】
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３７Ａ，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，１３ｂ、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。
【００２５】
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、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ＰＬ１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。
【００２６】
次に、本例で投影光学系ＰＬ１の非線形倍率誤差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、石英の正のレンズエレメント４９Ｂでは温度が上昇すると、結像面ＦＢがそのレンズエレメント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、蛍石の正のレンズエレメント４９Ａでは温度が上昇すると、結像面ＦＡはそのレンズエレメント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エレメントの熱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。
【００２７】
更に、投影光学系ＰＬ１のディストーションについて図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の倍率βであり、光軸上（Ｈ＝０）での倍率を設計上の倍率β０ 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ＰＬ１の石英からなるレンズエレメントに依るディストーションは、図７（ａ）の曲線６１で示すように、像高Ｈが大きくなるに従って倍率βが一度設計値より小さくなってからほぼ単調に増大する非線形誤差（高次倍率誤差）となる。
【００２８】
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ディストーションを、図７（ａ）の曲線６１とほぼ逆の特性の非線形倍率誤差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ディストーションを設定しても、そのディストーションには所定の線形倍率誤差がオフセットとして重畳される。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ディストーションは、図７（ｂ）の曲線６２Ａで示すように、直線６２Ｂで示す線形倍率誤差に、図７（ａ）の曲線６１とほぼ逆の特性の非線形倍率誤差を重畳した特性となる。
【００２９】
そのため、図１のレンズ制御装置１２で結像特性の補正を行わない状態では、投影光学系ＰＬ１の全体としてのディストーションは、図７（ｃ）の直線６３で示すように、像高Ｈに応じて倍率βが設計値から線形に増大する線形倍率誤差で近似できる特性となる。そこで、図１のレンズ制御装置１２によって、投影光学系ＰＬ１に対して、図７（ｃ）の直線６３で近似される残存倍率誤差をほぼ相殺するような、直線６４で表される線形倍率誤差を付与する。その結果、本例の投影光学系ＰＬ１のディストーションは、図８の曲線６５に示すようになり、非線形倍率誤差と共に線形倍率誤差も除去されたものとなる。
【００３０】
ここで、図９及び図１０を参照して投影光学系ＰＬ１のディストーション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。この場合、各対の評価用マークは、投影された状態での像高Ｈが最大値Ｈｍａｘ の１０割（即ち、Ｈｍａｘ そのもの）、及び８割（即ち、０．８Ｈｍａｘ ）等のように種々の像高となるマークを含むことが望ましい。それら各組の評価用マークは、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。
【００３１】
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、図１のウエハステージ２を駆動することにより、ディストーション計測用センサ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。
【００３２】
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を得た後、この微分信号ｄＳ１／ｄＹがピークを取るＹ座標の値Ｙ１ 〜Ｙ５ を求める。これらの値Ｙ１ 〜Ｙ５ がそれぞれ図９（ａ）の評価用マークの投影像ＭＹ（ｉ）の明部Ｐ１〜Ｐ５に対応しているため、信号処理部５３では、以下の式よりその投影像ＭＹ（ｉ）のＹ座標Ｙｉ を算出する。
【００３３】
Ｙｉ ＝（Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４＋Ｙ５ ）／５ （１）
また、ｉ番目のＸ軸の評価用マークの投影像については、その投影像に対してディストーション計測用センサ３の開口部５０ａをＸ方向に走査することにより、そのＸ座標Ｘｉ を求めることができる。これによって、各対の評価用マークの投影像のＸ座標Ｘｉ 、Ｙ座標Ｙｉ が求められ、求められた座標が主制御装置１８に供給される。また、投影光学系ＰＬ１に倍率誤差が無い場合の各対の評価用マークの投影像の位置（設計上の位置）（ＸＤｉ ，ＹＤｉ）は、予め主制御装置１８内の記憶装置に記憶されている。
【００３４】
この場合、各評価用マークの投影像の実際に計測された位置（Ｘｉ ，Ｙｉ）にはテストレチクルの回転誤差の影響が含まれている。その影響を除去するため、主制御装置１８では、その回転誤差をΔφとして、各対の評価用マークの投影像の設計上の位置（ＸＤｉ ，ＹＤｉ）をその回転誤差Δφだけ回転して得られた計算上の位置（ＸＣｉ ，ＹＣｉ）と、実際に計測された位置（Ｘｉ ，Ｙｉ）との差分の自乗和が最小になるように、最小自乗法でその回転誤差Δφを決定する。従って、投影光学系ＰＬ１の倍率誤差に起因する各対の評価用マークの投影像のずれ量は、（Ｘｉ −ＸＣｉ ，Ｙｉ −ＹＣｉ）となる。この場合の添字ｉの範囲は例えば１〜１６である。
【００３５】
次に、その投影像のずれ量を線形倍率誤差と非線形倍率誤差とに分離するために、例えば像高Ｈに対して所定の係数ｋを用いて倍率βが次式で与えられるものとする。
β＝ｋ・Ｈ＋β０ （２）
そして、各対の評価用マークの投影像の計算上の位置（ＸＣｉ ，ＹＣｉ）を、（２）式の倍率βを用いて補正して得られた位置（ＸＣｉ’，ＹＣｉ’）と、各対の評価用マークの投影像の計測された位置（Ｘｉ ，Ｙｉ）との差分の自乗和が最小になるように、最小自乗法でその係数ｋの値を決定する。これによって、線形倍率誤差が求められたことになる。この結果、投影光学系ＰＬ１の非線形倍率誤差に起因する各対の評価用マークの投影像のずれ量は、（Ｘｉ −ＸＣｉ’，Ｙｉ −ＹＣｉ’）となり、これらのずれ量をそれぞれ計算上の像高Ｈ（位置（ＸＣｉ’，ＹＣｉ’）での像高）で除算することにより、残存する非線形倍率誤差（高次倍率誤差）が像高Ｈの関数として求められる。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倍率誤差であるため、それらの間の像高での倍率誤差は前後の計測点での倍率誤差を補間して得られる値を使用してもよい。
【００３６】
また、上述のような求め方の他に、例えば線形倍率誤差を像高Ｈが投影光学系による露光領域の最大半径Ｈｍａｘ の１０割となる位置（即ち、Ｈ＝Ｈｍａｘ ）での倍率誤差と定義して、その像高Ｈｍａｘ 近傍の評価用マークの投影像の位置ずれ量の平均値から線形倍率誤差を求めても良い。この場合、それより小さい像高Ｈでの線形倍率誤差は、像高Ｈに比例した値となる。
【００３７】
更に、このようにして求めた線形倍率誤差を除去した後、像高Ｈが投影光学系による露光領域の最大半径Ｈｍａｘ の７割となる位置（即ち、Ｈ＝０．７Ｈｍａｘ ）で残存している倍率誤差を非線形倍率誤差と定義して、その像高０．７Ｈｍａｘ 近傍の評価用マークの投影像の位置ずれ量の平均値から非線形倍率誤差を求めても良い。
【００３８】
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に非線形倍率誤差が生じた場合に、その非線形倍率誤差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の非線形倍率誤差を光学計算によって求める。そして、このように求めた非線形倍率誤差と、逆の特性の非線形倍率誤差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。この場合、簡単のために上述のように、最大の像高Ｈｍａｘ での倍率誤差を基準とする線形倍率誤差を除去した後の、７割の像高（０．７Ｈｍａｘ ）での倍率誤差を非線形倍率としてもよい。但し、複数の像高Ｈでの倍率誤差から最小自乗法的に、その逆の特性の非線形倍率誤差を発生させるためのレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度を求めても良い。
【００３９】
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Ｆ（ｘ）として求められた温度ｙ（ｙ＝Ｆ（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３６Ａ，３７Ａの温度ｙであり、基準大気圧ｘ０ で非線形倍率誤差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Ｆ（ｘ）に基づいて温度ｙを設定するようにしてもよい。
【００４０】
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によって、関数Ｆ（ｘ）で求めた温度ｙでは非線形倍率誤差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１２で説明したように、通常照明、変形照明、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Ｆ（ｘ）も照明条件毎に計算する必要があるが、特に変形照明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、非線形倍率誤差をより小さくするためには、次のようにして関数Ｆ（ｘ）のキャリブレーションを行うことが望ましい。
【００４１】
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ｘ１ において、図１のディストーション計測用センサ３を用いて投影光学系ＰＬ１の投影像の非線形倍率誤差を求める。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、その投影像の非線形倍率誤差が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，３７Ａの温度は、理論的な関数Ｆ（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。
【００４２】
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非線形倍率誤差を０にするための蛍石よりなるレンズエレメントの温度ｙ２ 、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Ｆ’（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。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Ｆ’（ｘ）を使用することによって、投影像の非線形倍率誤差をより小さくできる。
【００４３】
また、図１１の関数Ｆ’（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非線形倍率誤差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Ｆ１（ｘ）及びＦ３（ｘ）で表されている。また、図１３の関数Ｆ２（ｘ）は図１１の関数Ｆ’（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Ｆ１（ｘ）〜Ｆ３（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。
【００４４】
上述の例では、大気圧による非線形倍率誤差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、それによっても非線形倍率誤差が発生する。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の関数として非線形倍率誤差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。
【００４５】
図１４は、照射エネルギーｅに対して非線形倍率誤差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非線形倍率誤差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ｇ１（ｅ），ｇ２（ｅ）及びｇ３（ｅ）はそれぞれ、図１２（ｂ），（ａ）及び（ｃ）の照明条件毎に求めた非線形倍率誤差を最小にするための温度ｙを示す関数である。
【００４６】
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、蛍石よりなるレンズエレメントの非線形誤差を最小にするための温度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。
【００４７】
また、上述の例ではレンズエレメント３６Ａ，３７Ａに対して温度制御を行う方法について説明したが、鏡筒４又はレンズ枠Ｇ２等自体を温度制御した場合にもレンズエレメント間距離が変化するため、同様の効果を得ることが可能となる。従って、鏡筒４又は所定のレンズ枠の温度制御を行う機構を設けてもよい。更に、前記のようにレンズエレメント３６Ａ，３７Ａを温度制御した場合も鏡筒４及びレンズ枠Ｇ２の温度変化が生じて、レンズエレメント間距離の伸縮が発生するので、それを加味した設計を行うことが望ましい。
【００４８】
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：３６５ｎｍ）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、投影光学系の非線形倍率誤差も大きく変化する。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、非線形倍率誤差を良好に低減できるという大きな利点がある。
【００４９】
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を固定して構成されている。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。
【００５０】
この場合、レンズエレメント３６Ｂ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。
【００５１】
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。
【００５２】
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３６Ｂ，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，３７Ｂ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。
【００５３】
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の投影像の非線形倍率誤差を迅速に、且つ高い精度で小さくできる。
【００５４】
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を固定して構成されている。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。
【００５５】
この場合、レンズエレメント３３Ａ、及び３６Ｃ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。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非線形倍率誤差の特性が変化し、下側の蛍石のレンズエレメント３３Ａ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３５Ｃ，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。
【００５６】
そして、本例では投影光学系ＰＬ３の投影像の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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、大気圧による高次倍率誤差の特性と、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高次倍率誤差の特性とが異なり、３次以上の倍率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高次倍率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で大気圧による非線形倍率誤差を補正し、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非線形倍率誤差を補正するようにしてもよい。
【００５７】
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，３０、４枚のレンズエレメント３１，３２，３３Ｂ，３４Ｂ、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。
【００５８】
本例では、レンズエレメント２８Ａ、及び２９Ａ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。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４４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。
【００５９】
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の投影像の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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、及び像面湾曲等も補正できるので、非線形倍率誤差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。
【００６０】
【実施例】
次に、投影光学系の実際の数値モデルについて、温度制御によって非線形倍率誤差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ＰＬ１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９枚ある。そこで、このように蛍石より形成できる９枚のレンズエレメントをレンズエレメントＬ１〜Ｌ９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１枚のレンズエレメント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［μｍ］、像高が最大値の７割の位置での倍率誤差βＢ［μｍ］、及び像高が最大値の１０割の位置での倍率誤差をほぼ０に補正したときに像高が最大値の７割の位置で残留する倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣ［μｍ］を求めた。また、１枚のレンズエレメントを蛍石より形成した場合として、レンズエレメントＬ１〜Ｌ９を順次蛍石より構成し、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］、倍率誤差βＢ［μｍ］、及び残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣ［μｍ］を次の表１に示す。
【００６１】
【表１】
【００６２】
上記の表１において、例えばレンズエレメントＬ４を蛍石より形成した場合、残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣは蛍石を使用しない場合に比べて、０．００６７μｍ、即ち約７ｎｍ大きくなっている。また、レンズエレメントＬ９を蛍石より形成した場合、残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣは蛍石を使用しない場合に比べて、０．０２９２μｍ、即ち約２９ｎｍ変化している。これより、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、最大でほぼ±２０ｎｍ程度の非線形倍率誤差の補正が可能となることが分かる。
【００６３】
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℃程度変化させて非線形倍率誤差を補正する場合、その非線形倍率誤差の補正の分解能はほぼ±０．２ｎｍ（＝±２０／１００［ｎｍ］）となる。また、表１より、蛍石よりなるレンズエレメントの温度を１℃変化させることで、ほぼ±０．２μｍ程度の線形倍率誤差が発生することが分かる。従って、蛍石よりなるレンズエレメントの温度を１℃程度変化させる場合の線形倍率誤差の制御の分解能は、ほぼ±２ｎｍ（＝±０．２／１００［μｍ］）という高いレベルになる。
【００６４】
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、更に大きな非線形倍率誤差を補正することも可能となる。
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。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、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その第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、その第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ことにより、その投影光学系の結像特性を制御している。従って、大気圧や投影光学系の周囲の温度等の環境の変化、照明条件（通常若しくは変形光源等）の変更、又は露光用照明光の吸収等によって悪化する投影光学系のディストーションを補正できる利点がある。その結果、感光基板上での投影像の重ね合わせ精度を向上できる。
【００６６】
また、温度制御手段によって制御される投影光学系の結像特性が非線形倍率誤差である場合には、従来の方式では補正できなかった非線形倍率誤差を補正できる利点がある。
この場合、その温度制御手段によって制御対象の光学部材の温度を±１℃変化させることにより、その投影光学系の非線形倍率誤差を±５０ｎｍ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、又は２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。
【００６７】
また、その投影光学系の線形倍率誤差を補正する線形倍率制御手段を設け、その温度制御手段によってその投影光学系の非線形倍率誤差を所定の許容範囲内に収めた後に残存する線形倍率誤差を、その線形倍率制御手段を介して低減させるときには、投影光学系のディストーションを実質的に０にすることができる。
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特性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特性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特性を制御するときには、その投影光学系の使用条件が変化したときに、ほぼ待ち時間無しでその投影光学系のディストーション等の結像特性を良好な状態に戻すことができる利点がある。
【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つの硝材のレンズエレメント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非線形倍率誤差を示す図、（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倍率誤差を示す図、（ｃ）は線形倍率誤差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、及びレンズ制御装置を組み合わせて得られる倍率誤差（ディストーション）を示す図である。
【図９】（ａ）はディストーション計測用センサ３の開口部及び評価用マークの投影像を示す平面図、（ｂ）はディストーション計測用センサ３の構成を示す一部を断面とした構成図である。
【図１０】（ａ）はディストーション計測用センサ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非線形倍率誤差を示す図である。
【図１６】（ａ）は一括露光を行った場合の非線形倍率誤差の影響を示す図、（ｂ）は走査露光を行った場合の非線形倍率誤差の影響を示す図である。
【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 ディストーション計測用センサ
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
【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、その投影像が投影光学系の光軸に垂直な方向にずれる現象であるディストーションが発生してしまう。このディストーションは線形誤差（像高に対して結像位置が１次関数的に変化する成分）と非線形誤差（線形誤差以外の成分）とに分けられ、線形誤差は線形倍率誤差（像高に対して倍率が１次関数的に変化する成分）とも呼ばれている。そして、従来より線形倍率誤差を補正する手段として、投影光学系内の一部のレンズを駆動したり、一部のレンズ間の気体圧力を制御したりするレンズ制御システムが使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如き従来の投影露光装置においては、環境変化等によって発生する投影光学系のディストーションの内の非線形誤差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。その非線形誤差の主要部は、投影像の像高に応じて倍率が２次以上の関数のような特性で変化する非線形倍率誤差（高次倍率誤差）である。但し、設計上の基準となる状態でも、投影光学系には実用上問題の無い範囲内の僅かな非線形倍率誤差が残存しており、図１５（ａ）に示すように、像高Ｈによって投影光学系の倍率（レチクルからウエハへの投影倍率）βが設計値β０ から非線形に僅かに変化している。更に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、図１５（ａ）に示す非線形倍率誤差が図１５（ｂ）に示すように大きくなる。なお、図１５（ｂ）に示すように、像高Ｈに対して倍率βが一度負の方向に変化してから正の方向に変化するような非線形倍率誤差は、「Ｃ字ディストーション」と呼ばれることもある。
【０００５】
図１５（ｂ）に示すような非線形倍率誤差が、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６６、及び６７が像高によって非線形に変化して投影像６６Ａ，６７Ａのようになり、２層間での重ね合わせ精度が悪化する。一方、図１５（ｂ）に示すような非線形倍率誤差が、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、本来の投影像６６、及び６７が像高によって非線形に変化して投影像６６Ｂ，６７Ｂのようになり、同様に２層間での重ね合わせ精度が悪化する。また、図１６（ｂ）において、走査露光時のウエハの走査方向は矢印で示すＹ方向となっており、走査方向には平均化効果によって投影像のディストーション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倍率誤差が発生しているのが確認できる。
【０００６】
このように投影光学系に非線形倍率誤差が存在すると、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投影像に歪みが生じて、重ね合わせ精度が悪化するという不都合がある。本発明は斯かる点に鑑み、大気圧や投影光学系の周囲の温度等の環境の変化、又は露光用照明光の吸収等によって悪化する投影光学系のディストーション、特に非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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。
【０００７】
【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及び図２に示すように、マスクのパターン（Ｒ）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（２５〜３４，３５Ａ，３８Ａ）と、屈折率に関する温度特性がその第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）の結像特性を制御するものである。
【０００８】
この場合、温度制御手段（１３）によって制御される投影光学系（ＰＬ１）の結像特性の一例は非線形倍率誤差である。
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℃変化させることにより、投影光学系（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を±５０ｎｍの範囲内で補正することが望ましい。
【０００９】
また、投影光学系（ＰＬ１）の線形倍率誤差を補正する線形倍率制御手段（１２）を設け、温度制御手段（１３）によって投影光学系（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を所定の許容範囲内に収めた後に残存する線形倍率誤差を、線形倍率制御手段（１２）を介して低減させることが望ましい。
また、投影光学系（ＰＬ１）の使用条件の変化に応じた投影光学系（ＰＬ１）の結像特性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特性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（ＰＬ１）の結像特性を制御することが望ましい。
【００１０】
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４９Ｂ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ＦＢ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。
【００１１】
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、投影光学系の結像特性の内のディストーションについて考えると、その第１の硝材のレンズに依るディストーションの傾向は、図７（ａ）の曲線６１で示すように非線形となり、そのディストーション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ディストーションは、図７（ｂ）の曲線６２Ａで示すように、曲線６１と逆の傾向の非線形倍率誤差に直線６２Ｂで示す線形倍率誤差のオフセット分を加算した傾向を有する。
【００１２】
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６１の非線形倍率誤差を曲線６２Ａの非線形倍率誤差で相殺することにより、投影光学系（ＰＬ１）の非線形倍率誤差を小さくできる。
但し、そのままでは、線形倍率誤差が残存するため、このように残存する誤差を線形倍率制御手段（１２）を介して低減させることにより、投影光学系（ＰＬ１）のディストーションがほぼ完全に除去される。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
照明光学系１４は、ビームエキスパンダ、光量調整システム、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内の光量調整機構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。
【００１６】
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。
【００１７】
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ＶＲ 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ＶＷ（＝β・ＶＲ）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。
【００１８】
また、ウエハステージ２上のウエハＷの近傍には、ディストーション計測用センサ３が固定されている。ディストーション計測用センサ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ディストーション計測用センサ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の種々の像高での倍率誤差（ディストーション）を求めるようになっている。
【００１９】
次に、本例の投影光学系ＰＬ１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。
【００２０】
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の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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がその非線形倍率誤差を補正するようになっている。また、その非線形倍率誤差の補正によって、投影光学系ＰＬ１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。
【００２１】
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。
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を固定して構成されている。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３３，３４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。
【００２２】
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１２ａ、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。
【００２３】
そして、蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，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１３ｂ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。
【００２４】
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３７Ａ，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，１３ｂ、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。
【００２５】
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、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ＰＬ１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。
【００２６】
次に、本例で投影光学系ＰＬ１の非線形倍率誤差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、石英の正のレンズエレメント４９Ｂでは温度が上昇すると、結像面ＦＢがそのレンズエレメント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、蛍石の正のレンズエレメント４９Ａでは温度が上昇すると、結像面ＦＡはそのレンズエレメント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エレメントの熱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。
【００２７】
更に、投影光学系ＰＬ１のディストーションについて図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の倍率βであり、光軸上（Ｈ＝０）での倍率を設計上の倍率β０ 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ＰＬ１の石英からなるレンズエレメントに依るディストーションは、図７（ａ）の曲線６１で示すように、像高Ｈが大きくなるに従って倍率βが一度設計値より小さくなってからほぼ単調に増大する非線形誤差（高次倍率誤差）となる。
【００２８】
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ディストーションを、図７（ａ）の曲線６１とほぼ逆の特性の非線形倍率誤差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ディストーションを設定しても、そのディストーションには所定の線形倍率誤差がオフセットとして重畳される。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ディストーションは、図７（ｂ）の曲線６２Ａで示すように、直線６２Ｂで示す線形倍率誤差に、図７（ａ）の曲線６１とほぼ逆の特性の非線形倍率誤差を重畳した特性となる。
【００２９】
そのため、図１のレンズ制御装置１２で結像特性の補正を行わない状態では、投影光学系ＰＬ１の全体としてのディストーションは、図７（ｃ）の直線６３で示すように、像高Ｈに応じて倍率βが設計値から線形に増大する線形倍率誤差で近似できる特性となる。そこで、図１のレンズ制御装置１２によって、投影光学系ＰＬ１に対して、図７（ｃ）の直線６３で近似される残存倍率誤差をほぼ相殺するような、直線６４で表される線形倍率誤差を付与する。その結果、本例の投影光学系ＰＬ１のディストーションは、図８の曲線６５に示すようになり、非線形倍率誤差と共に線形倍率誤差も除去されたものとなる。
【００３０】
ここで、図９及び図１０を参照して投影光学系ＰＬ１のディストーション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。この場合、各対の評価用マークは、投影された状態での像高Ｈが最大値Ｈｍａｘ の１０割（即ち、Ｈｍａｘ そのもの）、及び８割（即ち、０．８Ｈｍａｘ ）等のように種々の像高となるマークを含むことが望ましい。それら各組の評価用マークは、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。
【００３１】
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、図１のウエハステージ２を駆動することにより、ディストーション計測用センサ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。
【００３２】
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を得た後、この微分信号ｄＳ１／ｄＹがピークを取るＹ座標の値Ｙ１ 〜Ｙ５ を求める。これらの値Ｙ１ 〜Ｙ５ がそれぞれ図９（ａ）の評価用マークの投影像ＭＹ（ｉ）の明部Ｐ１〜Ｐ５に対応しているため、信号処理部５３では、以下の式よりその投影像ＭＹ（ｉ）のＹ座標Ｙｉ を算出する。
【００３３】
Ｙｉ ＝（Ｙ１＋Ｙ２＋Ｙ３＋Ｙ４＋Ｙ５ ）／５ （１）
また、ｉ番目のＸ軸の評価用マークの投影像については、その投影像に対してディストーション計測用センサ３の開口部５０ａをＸ方向に走査することにより、そのＸ座標Ｘｉ を求めることができる。これによって、各対の評価用マークの投影像のＸ座標Ｘｉ 、Ｙ座標Ｙｉ が求められ、求められた座標が主制御装置１８に供給される。また、投影光学系ＰＬ１に倍率誤差が無い場合の各対の評価用マークの投影像の位置（設計上の位置）（ＸＤｉ ，ＹＤｉ）は、予め主制御装置１８内の記憶装置に記憶されている。
【００３４】
この場合、各評価用マークの投影像の実際に計測された位置（Ｘｉ ，Ｙｉ）にはテストレチクルの回転誤差の影響が含まれている。その影響を除去するため、主制御装置１８では、その回転誤差をΔφとして、各対の評価用マークの投影像の設計上の位置（ＸＤｉ ，ＹＤｉ）をその回転誤差Δφだけ回転して得られた計算上の位置（ＸＣｉ ，ＹＣｉ）と、実際に計測された位置（Ｘｉ ，Ｙｉ）との差分の自乗和が最小になるように、最小自乗法でその回転誤差Δφを決定する。従って、投影光学系ＰＬ１の倍率誤差に起因する各対の評価用マークの投影像のずれ量は、（Ｘｉ −ＸＣｉ ，Ｙｉ −ＹＣｉ）となる。この場合の添字ｉの範囲は例えば１〜１６である。
【００３５】
次に、その投影像のずれ量を線形倍率誤差と非線形倍率誤差とに分離するために、例えば像高Ｈに対して所定の係数ｋを用いて倍率βが次式で与えられるものとする。
β＝ｋ・Ｈ＋β０ （２）
そして、各対の評価用マークの投影像の計算上の位置（ＸＣｉ ，ＹＣｉ）を、（２）式の倍率βを用いて補正して得られた位置（ＸＣｉ’，ＹＣｉ’）と、各対の評価用マークの投影像の計測された位置（Ｘｉ ，Ｙｉ）との差分の自乗和が最小になるように、最小自乗法でその係数ｋの値を決定する。これによって、線形倍率誤差が求められたことになる。この結果、投影光学系ＰＬ１の非線形倍率誤差に起因する各対の評価用マークの投影像のずれ量は、（Ｘｉ −ＸＣｉ’，Ｙｉ −ＹＣｉ’）となり、これらのずれ量をそれぞれ計算上の像高Ｈ（位置（ＸＣｉ’，ＹＣｉ’）での像高）で除算することにより、残存する非線形倍率誤差（高次倍率誤差）が像高Ｈの関数として求められる。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倍率誤差であるため、それらの間の像高での倍率誤差は前後の計測点での倍率誤差を補間して得られる値を使用してもよい。
【００３６】
また、上述のような求め方の他に、例えば線形倍率誤差を像高Ｈが投影光学系による露光領域の最大半径Ｈｍａｘ の１０割となる位置（即ち、Ｈ＝Ｈｍａｘ ）での倍率誤差と定義して、その像高Ｈｍａｘ 近傍の評価用マークの投影像の位置ずれ量の平均値から線形倍率誤差を求めても良い。この場合、それより小さい像高Ｈでの線形倍率誤差は、像高Ｈに比例した値となる。
【００３７】
更に、このようにして求めた線形倍率誤差を除去した後、像高Ｈが投影光学系による露光領域の最大半径Ｈｍａｘ の７割となる位置（即ち、Ｈ＝０．７Ｈｍａｘ ）で残存している倍率誤差を非線形倍率誤差と定義して、その像高０．７Ｈｍａｘ 近傍の評価用マークの投影像の位置ずれ量の平均値から非線形倍率誤差を求めても良い。
【００３８】
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に非線形倍率誤差が生じた場合に、その非線形倍率誤差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の非線形倍率誤差を光学計算によって求める。そして、このように求めた非線形倍率誤差と、逆の特性の非線形倍率誤差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。この場合、簡単のために上述のように、最大の像高Ｈｍａｘ での倍率誤差を基準とする線形倍率誤差を除去した後の、７割の像高（０．７Ｈｍａｘ ）での倍率誤差を非線形倍率としてもよい。但し、複数の像高Ｈでの倍率誤差から最小自乗法的に、その逆の特性の非線形倍率誤差を発生させるためのレンズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度を求めても良い。
【００３９】
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Ｆ（ｘ）として求められた温度ｙ（ｙ＝Ｆ（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３６Ａ，３７Ａの温度ｙであり、基準大気圧ｘ０ で非線形倍率誤差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Ｆ（ｘ）に基づいて温度ｙを設定するようにしてもよい。
【００４０】
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によって、関数Ｆ（ｘ）で求めた温度ｙでは非線形倍率誤差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１２で説明したように、通常照明、変形照明、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Ｆ（ｘ）も照明条件毎に計算する必要があるが、特に変形照明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、非線形倍率誤差をより小さくするためには、次のようにして関数Ｆ（ｘ）のキャリブレーションを行うことが望ましい。
【００４１】
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ｘ１ において、図１のディストーション計測用センサ３を用いて投影光学系ＰＬ１の投影像の非線形倍率誤差を求める。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、その投影像の非線形倍率誤差が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，３７Ａの温度は、理論的な関数Ｆ（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。
【００４２】
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非線形倍率誤差を０にするための蛍石よりなるレンズエレメントの温度ｙ２ 、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Ｆ’（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。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Ｆ’（ｘ）を使用することによって、投影像の非線形倍率誤差をより小さくできる。
【００４３】
また、図１１の関数Ｆ’（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非線形倍率誤差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Ｆ１（ｘ）及びＦ３（ｘ）で表されている。また、図１３の関数Ｆ２（ｘ）は図１１の関数Ｆ’（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Ｆ１（ｘ）〜Ｆ３（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。
【００４４】
上述の例では、大気圧による非線形倍率誤差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、それによっても非線形倍率誤差が発生する。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の関数として非線形倍率誤差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。
【００４５】
図１４は、照射エネルギーｅに対して非線形倍率誤差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非線形倍率誤差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ｇ１（ｅ），ｇ２（ｅ）及びｇ３（ｅ）はそれぞれ、図１２（ｂ），（ａ）及び（ｃ）の照明条件毎に求めた非線形倍率誤差を最小にするための温度ｙを示す関数である。
【００４６】
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、蛍石よりなるレンズエレメントの非線形誤差を最小にするための温度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。
【００４７】
また、上述の例ではレンズエレメント３６Ａ，３７Ａに対して温度制御を行う方法について説明したが、鏡筒４又はレンズ枠Ｇ２等自体を温度制御した場合にもレンズエレメント間距離が変化するため、同様の効果を得ることが可能となる。従って、鏡筒４又は所定のレンズ枠の温度制御を行う機構を設けてもよい。更に、前記のようにレンズエレメント３６Ａ，３７Ａを温度制御した場合も鏡筒４及びレンズ枠Ｇ２の温度変化が生じて、レンズエレメント間距離の伸縮が発生するので、それを加味した設計を行うことが望ましい。
【００４８】
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：３６５ｎｍ）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、投影光学系の非線形倍率誤差も大きく変化する。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、非線形倍率誤差を良好に低減できるという大きな利点がある。
【００４９】
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を固定して構成されている。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。
【００５０】
この場合、レンズエレメント３６Ｂ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。
【００５１】
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。
【００５２】
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３６Ｂ，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，３７Ｂ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。
【００５３】
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の投影像の非線形倍率誤差を迅速に、且つ高い精度で小さくできる。
【００５４】
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を固定して構成されている。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。
【００５５】
この場合、レンズエレメント３３Ａ、及び３６Ｃ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。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非線形倍率誤差の特性が変化し、下側の蛍石のレンズエレメント３３Ａ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３５Ｃ，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。
【００５６】
そして、本例では投影光学系ＰＬ３の投影像の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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、大気圧による高次倍率誤差の特性と、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高次倍率誤差の特性とが異なり、３次以上の倍率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高次倍率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で大気圧による非線形倍率誤差を補正し、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非線形倍率誤差を補正するようにしてもよい。
【００５７】
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，３０、４枚のレンズエレメント３１，３２，３３Ｂ，３４Ｂ、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。
【００５８】
本例では、レンズエレメント２８Ａ、及び２９Ａ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。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４４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。
【００５９】
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の投影像の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）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、及び像面湾曲等も補正できるので、非線形倍率誤差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。
【００６０】
【実施例】
次に、投影光学系の実際の数値モデルについて、温度制御によって非線形倍率誤差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ＰＬ１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９枚ある。そこで、このように蛍石より形成できる９枚のレンズエレメントをレンズエレメントＬ１〜Ｌ９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１枚のレンズエレメント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［μｍ］、像高が最大値の７割の位置での倍率誤差βＢ［μｍ］、及び像高が最大値の１０割の位置での倍率誤差をほぼ０に補正したときに像高が最大値の７割の位置で残留する倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣ［μｍ］を求めた。また、１枚のレンズエレメントを蛍石より形成した場合として、レンズエレメントＬ１〜Ｌ９を順次蛍石より構成し、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］、倍率誤差βＢ［μｍ］、及び残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣ［μｍ］を次の表１に示す。
【００６１】
【表１】
上記の表１において、例えばレンズエレメントＬ４を蛍石より形成した場合、残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣは蛍石を使用しない場合に比べて、０．００６７μｍ、即ち約７ｎｍ大きくなっている。また、レンズエレメントＬ９を蛍石より形成した場合、残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣは蛍石を使用しない場合に比べて、０．０２９２μｍ、即ち約２９ｎｍ変化している。これより、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、最大でほぼ±２０ｎｍ程度の非線形倍率誤差の補正が可能となることが分かる。
【００６３】
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℃程度変化させて非線形倍率誤差を補正する場合、その非線形倍率誤差の補正の分解能はほぼ±０．２ｎｍ（＝±２０／１００［ｎｍ］）となる。また、表１より、蛍石よりなるレンズエレメントの温度を１℃変化させることで、ほぼ±０．２μｍ程度の線形倍率誤差が発生することが分かる。従って、蛍石よりなるレンズエレメントの温度を１℃程度変化させる場合の線形倍率誤差の制御の分解能は、ほぼ±２ｎｍ（＝±０．２／１００［μｍ］）という高いレベルになる。
【００６４】
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、更に大きな非線形倍率誤差を補正することも可能となる。
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。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、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その第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、その第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ことにより、その投影光学系の結像特性を制御している。従って、大気圧や投影光学系の周囲の温度等の環境の変化、照明条件（通常若しくは変形光源等）の変更、又は露光用照明光の吸収等によって悪化する投影光学系のディストーションを補正できる利点がある。その結果、感光基板上での投影像の重ね合わせ精度を向上できる。
【００６６】
また、温度制御手段によって制御される投影光学系の結像特性が非線形倍率誤差である場合には、従来の方式では補正できなかった非線形倍率誤差を補正できる利点がある。
この場合、その温度制御手段によって制御対象の光学部材の温度を±１℃変化させることにより、その投影光学系の非線形倍率誤差を±５０ｎｍ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、又は２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。
【００６７】
また、その投影光学系の線形倍率誤差を補正する線形倍率制御手段を設け、その温度制御手段によってその投影光学系の非線形倍率誤差を所定の許容範囲内に収めた後に残存する線形倍率誤差を、その線形倍率制御手段を介して低減させるときには、投影光学系のディストーションを実質的に０にすることができる。
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特性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特性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特性を制御するときには、その投影光学系の使用条件が変化したときに、ほぼ待ち時間無しでその投影光学系のディストーション等の結像特性を良好な状態に戻すことができる利点がある。
【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つの硝材のレンズエレメント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非線形倍率誤差を示す図、（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倍率誤差を示す図、（ｃ）は線形倍率誤差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、及びレンズ制御装置を組み合わせて得られる倍率誤差（ディストーション）を示す図である。
【図９】（ａ）はディストーション計測用センサ３の開口部及び評価用マークの投影像を示す平面図、（ｂ）はディストーション計測用センサ３の構成を示す一部を断面とした構成図である。
【図１０】（ａ）はディストーション計測用センサ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非線形倍率誤差を示す図である。
【図１６】（ａ）は一括露光を行った場合の非線形倍率誤差の影響を示す図、（ｂ）は走査露光を行った場合の非線形倍率誤差の影響を示す図である。
【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 ディストーション計測用センサ
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
Claims (11)
- 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特性を制御することを特徴とする投影露光装置。 - 前記温度制御手段によって制御される前記投影光学系の結像特性は非線形倍率誤差であることを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
- 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℃変化させることにより、前記投影光学系の非線形倍率誤差を±５０ｎｍ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。
- 前記投影光学系の線形倍率誤差を補正する線形倍率制御手段を設け、
前記温度制御手段によって前記投影光学系の非線形倍率誤差を所定の許容範囲内に収めた後に残存する線形倍率誤差を、前記線形倍率制御手段を介して低減させることを特徴とする請求項２又は３に記載の投影露光装置。 - 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特性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特性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特性を制御す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。 - 前記線形倍率制御手段は、前記投影光学系の光軸方向における前記マスクの位置や傾斜角を制御するマスク位置制御装置を含むことを特徴とする請求項４に記載の投影露光装置。
- 前記線形倍率制御手段は、前記投影光学系の光軸方向における、該投影光学系が有する所定の光学部材の位置や傾斜角を制御する光学部材位置制御装置を含むことを特徴とする請求項４に記載の投影露光装置。
- 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１〜７のいずれか一項に記載の投影露光装置。
- 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、前記投影光学系の非線形倍率誤差を補正し、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。 - 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１〜９のいずれか一項に記載の投影露光装置。
- 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１〜１０のいずれか一項に記載の投影露光装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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