JPH04588B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は投影光学系の倍率を高精度に維持し得
る投影光学装置及びその方法に関する。

（発明の背景） 縮小投影型露光装置（以下ステツパと呼ぶ）は
近年超LSIの生産現場に多く導入され、大きな成
果をもたらしているが、その重要な性能の一つに
重ね合わせマツチング精度があげられる。このマ
ツチング精度に影響を与える要素の中で重要なも
のに投影光学系の倍率誤差がある。超LSIに用い
られるパターンの大きさは年々微細化の傾向を強
め、それに伴つてマツチング精度の向上に対する
ニーズも強くなつてきている。従つて投影倍率を
所定の値に保つ必要性はきわめて高くなつてきて
いる。現在投影光学系の倍率は装置の設置時に調
整することにより倍率誤差が一応無視できる程度
になつている。しかしながら、装置の稼働時にお
ける僅かな温度変化やクリーンルーム内の僅かな
気圧変動等、環境条件が変化しても倍率誤差が生
じないようにしたいという要求が高まつている。

種々の実験をした結果、投影レンズの投影倍率
（横倍率）Ｙは大気圧PA、大気の温度TA、レン
ズの温度TLの関数であり関数ｆによつて、 Ｙ＝ｆ（PA、TA、TL） …(1) であることが判明し、また投影レンズの結像面位
置Ｆも関数ｇによつて、 Ｆ＝ｇ（PA、TA、TL） …(2) であることが判明した。一方、この種の露光装置
は±0.1℃以内の温度変動しか許さないようなク
リーンルームに設置されるのが普通であるが、場
合によつては±１℃程度の温度変動が生じてしま
うクリーンルームに設置されることがある。ま
た、クリーンルームは大気圧に対して密封されて
いることはないので投影レンズの圧力は大気圧に
ともなつて変動する。更に、この種の露光装置で
は回路パターンをウエハ上のフオトレジストに転
写するために強力なエネルギーをもつた露光々を
使用するためにレンズ温度が上昇してしまう、従
つて、露光装置は投影レンズの光学特性（投影倍
率、結像面位置）の変動要因をもつた環境の中に
設置されているといえる。

そこで、露光装置を恒温、恒圧室に収納するこ
とが考えられるが、この方法では恒温、恒圧室が
大掛りなものになつてしまい実際のIC生産現場
には適さない。

（発明の目的） 本発明は以上の欠点を解決するもので、露光装
置を大型化することなく投影レンズの光学特性を
一定に維持することができる露光装置を提供する
ことを目的とする。

（発明の概要） 本発明は、投影光学系１の温度を制御する第１
の制御手段と、投影光学系１を構成する複数のレ
ンズ素子Ｌ１〜Ｌ５間の間〓１０〜１２，１４の
うちの少なくとも１つから成る第１の部分１４の
圧力を制御する第２の制御手段とを設け、第１、
第２の制御手段の少なくとも一方を用いて投影光
学系１の結像特性（投影倍率、結像面位置等）を
調整可能とし、その結像特性の安定化を行うこと
とした。具体的には、第１の制御手段は露光エネ
ルギー吸収による熱的変化を要因とした投影光学
系１の結像特性変動を防止し、第２の制御手段は
投影光学系１の周辺の環境変化（大気圧・温度変
化）を要因とした投影光学系１の結像特性変動を
防止するものである。

ここで、第１の制御手段は投影光学系１の温度
を検出する第１の検出器（温度検出器２１）と、
レンズ素子Ｌ１〜Ｌ５もしくはその保持部材（レ
ンズバレル１ａ）に沿つて気体を流して投影光学
系１の温度を調節する温度調節器（送風機４、エ
アフイルター５、及びダクト６）と、第１の検出
器２１から出力される温度情報に基づいて温度調
節器４〜６を制御する第１の制御回路（CPU２
２）とから構成される。さらに温度調節器４〜６
は、投影光学系１を構成する複数のレンズ素子Ｌ
１〜Ｌ５間の間〓１０〜１２，１４のうち、第１
の部分１４と異なる第２の部分１０〜１２に、レ
ンズ素子Ｌ１〜Ｌ５の保持部材（レンズバレル１
ａ）に形成された孔（通風孔７〜９；１３〜１
５）を介して気体を流入させることとした。

また、第２の制御手段は投影光学系１の周辺の
環境変化を検出する第２の検出器（環境センサ２
３）と、投影光学系１の第１の部分１４の圧力を
調節する圧力調節器（圧力制御器１８）と、第２
の検出器２３から出力される環境情報に基づいて
圧力調節器１８を制御する第２の制御回路
（CPU２２）とから構成される。さらに第２の制
御手段は、投影光学系１の光軸にほぼ沿つて投影
光学系１と感光基板（ウエハＷ）とを相対移動可
能な駆動回路（ステージ駆動部２６）を含み、第
２の制御回路２２は上記環境情報に基づき、圧力
調節器１８を制御して投影光学系１の投影倍率を
調整するとともに、駆動回路２６を制御して最良
結像面と感光基板の表面とをほぼ一致させること
とした。

（実施例） 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。第
１図は本発明の実施例の説明図である。第１図に
おいて、投影レンズ１はレチクル（マスク）Ｒに
形成された原画パターン（例えば、集積回路のパ
ターン）をウエハＷ上に投影するためのものであ
る。照明装置２によつて照明された原画パターン
の光像は、投影レンズ１によつてウエハＷ上に結
像される。

ウエハＷを二次元移動するためのステージ３は
ウエハホルダ３ａを備えている。ウエハホルダ３
ａはウエハを真空吸着するとともに、該ウエハを
投影レンズ１の光軸方向に上下動可能である。ス
テージ駆動部２６はステージ３を二次元駆動し、
またウエハホルダを上下方向に駆動する。

投影レンズ１は、レンズバレル１ａと所定の間
隙（空気室）をおいて配置された複数のレンズＬ
１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４、及びＬ５から成る。レン
ズＬ１とＬ２の間隙１０はレンズバレル１ａの両
側にあけられた通風孔７，１３によつて外界に開
放されている。レンズＬ２とＬ３との間隙１１、
及びレンズＬ３とＬ４との間隙１２も同様に、レ
ンズバレル１ａの両側にそれぞれあけられた通風
孔８，１１；９，１５によつてそれぞれ外界に開
放されている。レンズＬ４とＬ５との間隙２４
は、Ｏ−リング等によつて外界に対して密封され
ている。

送風機４によつて取り入れられた空気は、エア
フイルター５によつて塵埃を取り除かれる。ダク
ト６はエアフイルター５を通つた空気が通風孔
７，８，９を介して間隙１０，１１，１２に流入
するように、レンズバレル１ａとエアフイルター
５との間の通風路を形成する。、通風孔７，８，
９から間隙１０，１１，１２に送りこまれた空気
は反対側の通風孔１３，１４，１５から排出され
る。第２図にレンズバレル１ａと通風孔７，８，
９；１３，１４，１５及びダクト６との関係を立
体的に表してある。

間隙２４は管１９を介して圧力制御部１８に接
続されている。圧力制御部１８は管１７ａを介し
て高圧空気源１６に接続され、また管１７ｂを介
して外界と接続されている。この圧力制御部１８
は高圧空気源１６からの高圧空気を間隙２４に注
入することによつて該間隙の気圧を上昇させ、ま
た間隙２４の空気を外界へ排出することによつて
該間隙２４の気圧を下降させるものである。この
圧力制御部１８は高圧空気源１６と間隙２４との
間、及び外界と間隙２４との間の空気の流通を制
御する電磁弁を備えている。圧力検出器２０は間
隙２４内の圧力を検出するためのものである。熱
電対等の温度検出器２１は投影レンズ１の温度、
特にレンズＬ５の温度を検出するためのものであ
る。環境センサー２３は空気の屈折率を決定する
外界の圧力（大気圧）及び温度を検出するための
ものである。マイクロコンピユータ（CPU）２
２は、圧力検出器２０、温度検出器２１及び環境
センサー２３からのそれぞれの出力をインターフ
エース２５を介して読み出す。またCPU２２は
インターフエース２５を介して照明装置２、送風
機４、圧力制御部１８、及びステージ駆動部２６
の動作を制御する。

さて、キーボード２７から作動開始指令を入力
すると（ステツプP1）、CPU２２は照明装置２、
送風機４及びステージ駆動部２６を制御して次の
ような動作を行わせる。先ず、照明装置２内の水
銀ランプを点灯させ（ステツプP2）、次に送風機
４を作動して間隙１０，１１，１２に空気を送り
込む（ステツプP3）。次にレチクルＲを位置決め
（アライメント）して固定し（ステツプP4）次に
ステージ駆動部２６に指令を送つて、ウエハＷの
局所領域Ｓ１（第３図示）にレチクルＲの回路パ
ターンが結像されるようにステージ３を駆動す
る。（ステツプP5）次に照明装置内のシヤツタを
開放してウエハＷ上に塗布されたフオトレジスト
を感光させ、所定時間経過するとシヤツタを閉成
する（ステツプP6）。以後、局所領域Ｓ２からＳ
１２まで同様の動作が行われるようにステージ３
を移動させてはシヤツタを開閉する（ステツプア
ンドリピート露光動作）。そして、この動作がＮ
回（12回）繰り返されたことを検出すると（ステ
ツプP7）、ステージ３をウエハ交換位置へと移動
してウエハを交換する。（ステツプP8）。以下、
ウエハの枚数に応じて同様の動作を繰り返し（ス
テツプP9）し所定枚数の露光が終わつたなら動
作を終了する（ステツプP10）。第４図にこの動
作ステツプのフローチヤートを示す。

このようなステツプアンドリピート露光動作中
に投影レンズ１に入射する露光々のエネルギーの
一部はレンズＬ１〜Ｌ５に吸収されることにな
る。しかし、送風機４から間隙１０，１１，１２
に空気を送つてレンズＬ１〜Ｌ４を冷却している
ので、これらレンズの変形を防止することができ
る。レンズＬ１〜Ｌ５の各々が露光々のエネルギ
ーを吸収することによつて光学特性を変化させる
程度はまちまちであるが、このようにレンズやレ
ンズバレルを空冷すると露光々エネルギー吸収に
よる光学特性変動の大部分を相殺することができ
る。

一方、送風機４によつて間隙１０，１１，１２
に送られる空気の圧力は大気圧にほぼ等しいか、
一定圧力だけ高くしてあるだけで、特に大気圧変
動に対して一定値となるように制御していない。
またレンズＬ５は空冷されていない。従つて、投
影レンズ１の結像特性は以下のように変化するこ
とになる。即ち、この場合投影レンズ１の投影倍
率（横倍率）は大気圧PA、大気の温度TA、レ
ンズＬ５の温度TL、及び間隙２４内の圧力PLの
関数となり、関数f1によつて Ｙ＝f1（PA、TA、TL、PL） …(3) と表される。(3)式で表される状態から、大気圧が
ΔPA、大気の温度がΔTA、レンズ温度がΔTL、
間隙２４内の圧力がΔPLだけそれぞれ変化した
とすると、投影倍率の変化ΔYは定数C1、C2、
C3、C4を用いて ΔY＝C1・ΔPA＋C2・ΔTA＋C3・ΔTL＋C4
・ΔPL…(4) と近似できる。定数C1、C2、C3、C4は実測又は
計算によつて得られる。ここで(4)式のΔY＝０と
おいてΔPLについて解くと、 ΔPL′＝−１／C4（C1・ΔPA＋C2・ΔTA＋
C3・ΔTL）…(5) となり、大気圧、大気の温度及びレンズ温度の測
定値よりレンズ間隙２４の圧力を制御すれば、倍
率誤差は零にできる。

また、結像面位置Ｆも大気圧PA、大気の温度
TA、レンズＬ５の温度TL、間隙２４の圧力PL
の関数であつて、関数g1を用いて Ｆ＝g1（PA、TA、TL、PL） …(6) と表される。(4)式と同様に、微小な変化に対して
は、実測又は計算によつて得られる定数C5、C6、
C7、C8を用いて像面位置の変化ΔFを近似でき、 ΔF＝C5・ΔPA＋C6・ΔTA＋C7・ΔTL＋C8
・ΔPL…(7) と表すことができる。(7)式による焦点の位置ずれ
分だけ、ウエハの光軸方向に位置をずらせて露光
すればよい。

CPU２２は、露光装置の作動開始指令がキー
ボード２７から入力されると、大気圧記憶用のメ
モリ（CPU２２に内蔵）のM1番地をゼロにリセ
ツトし（ステツプP21）、次に大気の温度記憶用
のメモリのM2番地をゼロにリセツトし（ステツ
プP22）、次にレンズ温度記憶用のメモリのM3番
地をゼロにリセツトし（ステツプP23）、そして
間隙２４の内圧記憶用のメモリのM4番地をゼロ
にリセツトする（ステツプP24）。引き続いて、
環境センサー２３からの大気圧検出出力を演算用
レジスタ（CPU２２内蔵）をR1番地に書き込み
（ステツプP25）次に環境センサー２３からの大
気の温度検出出力をレジスタのR2番地に書き込
み（ステツプP26）、温度検出器２１からのレン
ズ温度検出出力をレジスタのR3番地に出き込み
（ステツプP27）、そして、圧力検出器２０からの
間〓２４の圧力をレジスタのR4番地に書き込む
（ステツプP28）。これが終わると、レジスタのR1
番地のデータからメモリのM1番地のデータを減
算してΔPAを求めて、メモリのM5番地に書き込
み（ステツプP29）、次にレジスタR2番地のデー
タからメモリのM2番地のデータを減算してΔTA
を求めてメモリのM6番地に書き込み（ステツプ
P30）、次にレジスタのR3番地のデータからメモ
リのM3番地のデータを減算してΔTLを求めてメ
モリのM7番地に書き込み（ステツプP31）、そし
てレジスタのR4番地のデータからメモリのM4番
地のデータを減算してΔPLを求めてメモリのM8
番地に書き込む（ステツプP32）。続いてレジス
タのR1番地のデータをメモリのM1番地に書き込
み（ステツプP33）、次にレジスタのR2番地のデ
ータをメモリのM2番地にかきこみ（ステツプ
P34）、次にレジスタのR3番地のデータをメモリ
のM3番地に書き込み（ステツプP35）、そしてレ
ジスタのR4番地のデータをメモリのM4番地に書
き込む（ステツプP36）。これが終了するとタイ
マー回路２８によつて所定時間tsを計時する（ス
テツプP37）。この時間は気圧及び温度をサンプ
リングするサンプリング周期を決める。

次にメモリM5〜M8番地のデータを読み出して
（ステツプP38）、(4)式、(5)式からΔPL′を計算し
（ステツプP39）、その結果に応じて圧力制御部１
８を介して間隙２４の気圧をΔY＝０となるよう
に調節する（ステツプP40）。その後CPU２２は
メモリのM5〜M8番地のデータを再び読み出して
（ステツプP41）、(7)式からΔFを計算する（ステ
ツプP42）。そして、ΔFが投影レンズ１の焦点深
度と比較して無視し得るかどうかを定数αとΔF
との比較から判別する（ステツプP43）。この判
別の結果ΔF＞αならば結像面位置変動が無視し
得ないのでステージ駆動部２６を介してウエハホ
ルダ３ａを上下移動させる。一方ΔF＜αならば
ステツプP45へジヤンプする。ステツプP45では
タイマー回路２８が時間tsを経過したかどうかを
監視しており、tsが経過するとステツプP25へ戻
る。ここで時間tsは第１及び第２制御バルブの作
動時間と、ステージ駆動部２６の作動時間とを確
保できるように設定してある。第５図にこの動作
のフローチヤートを示す。

なお、レンズ間隙の圧力を制御することによつ
て光学特性を可変とする投影レンズは、本出願人
が既に特願昭58−137377号にて出願している。

第６図に圧力制御部１８の具体例を示す。図に
おいて管１７ａは第１電磁弁３０を介して空気室
３２に接続されている。空気室３２は第２電磁弁
３１を介して排気管１７ｂと接続されている。ま
た、空気室３２は管１９を介して間隙２４と接続
される。さて、間隙２４の気圧を上げるには第２
電磁弁３１を閉じて第１電磁弁３０を開く。する
と高圧空気源１６からの高圧空気が間隙２４に注
入されるから、間隙２４の気圧は上昇することに
なる。そして、ΔY＝０となる気圧まで上昇した
ときに第１電磁弁３０を閉じれば間隙２４の気圧
は維持される。一方、間隙２４の気圧を下げるに
は第１電磁弁３０を閉じておいて第２電磁弁３１
を開く。すると間隙２４内の空気が外へ排出され
るから、気圧は低下する。そして第２電磁弁３１
を閉じれば間隙２４の気圧は低下した状態に維持
できることになる。

以上の実施例の説明において流す気体及び圧力
を制御する間隙に入れる気体は空気としたが、他
の気体、例えばN₂、CO₂、フレオンガス等でも
よい。また流す気体は実施例の説明では大気に放
出するものとしたが、放出せずに再び送風機４に
風を送つてもよい。この場合には、気体の流れる
経路に、気体の温度の安定化を行う熱交換器を入
れることが必要となる。

なお、この実施例では気体を流入して空冷し
又、圧力を制御する間隙には、大気圧以上の圧力
気体を流入するようになつているが、気体を吸い
出して空冷し、又は大気圧以下で圧力を制御する
間隙を設けても全く同様なことはいうまでもな
い。この場合空冷用の気体は周囲にある空気が最
も利用しやすい。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば、投影光学系の温
度を制御する（具体的には投影光学系を構成する
複数のレンズ素子もしくはレンズバレルに沿つて
気体を流す）ことにより、レンズ素子の温度を安
定化するので、レンズ素子の露光エネルギーの吸
収による熱的変化を防止でき、これを要因とした
投影光学系の結像特性の変動をほぼ零に抑えるこ
とが可能になる。しかも、複数のレンズ素子間の
間〓のうちの少なくとも１つから成る部分の圧力
を制御することにより、投影光学系の周辺の環境
（大気圧、温度等）変化を要因とした結像特性の
変動をほぼ零に抑えることができ、環境変化にか
かわらず所定の結像特性を維持できるといつた利
点もある。この結果、露光装置間のマツチング精
度を向上させることができるという効果が得られ
る。さらに本発明によれば上記レンズとともに、
露光エネルギーの一部吸収によるレンズバレルの
伸縮に応じて生じる投影レンズの結像特性の変動
も抑えることができるといつた利点もある。また
本発明によれば空冷による結像特性の安定化が不
完全であつたとしても、一部のレンズ間の圧力を
制御して結像特性の変化を補正できる利点もあ
る。また、恒温、恒圧化のための大型チヤンバー
を必要としないから生産現場で露光装置の占有す
る面積（床面積）を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す構成図である。
第２図は投影レンズとダクトとの関係を示す図で
ある。第３図はウエハの局所露光領域と露光順序
を示す図である。第４図及び第５図は実施例の動
作を示すフローチヤートである。第６図は圧力制
御部１８の具体例を示す図である。 （主要部分の符号の説明）１……投影レンズ、
４……送風機、６……ダクト、７，８，９；１
３，１４，１５……通風孔、１８……圧力制御
部、２２……マイクロコンピユータ、２５……イ
ンターフエース。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスクに形成されたパターンの像を最良結像
   面に投影する投影光学系を有し、該最良結像面に
   感光基板を配置することによつて前記パターンの
   像を前記感光基板上に転写する投影露光装置にお
   いて、 前記投影光学系の温度を制御する第１の制御手
   段と； 前記投影光学系を構成する複数のレンズ素子間
   の間〓のうちの少なくとも１つから成る第１の部
   分の圧力を制御する第２の制御手段とを備え、 前記第１、第２の制御手段の少なくとも一方を
   用いて前記投影光学系の結像特性を調整すること
   を特徴とする投影露光装置。 ２ 前記第１の制御手段は、前記投影光学系の温
   度を検出する第１の検出器と； 前記レンズ素子もしくはその保持部材に沿つて
   気体を流して前記投影光学系の温度を調節する温
   度調節器と； 前記第１の検出器から出力される温度情報に基
   づいて前記温度調節器を制御する第１の制御回路
   とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の投影露光装置。 ３ 前記温度調節器は、前記複数のレンズ素子間
   の間〓のうち、前記第１の部分と異なる第２の部
   分に、前記レンズ素子の保持部材に形成された所
   定の孔を介して前記気体を流入させることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載の投影露光装
   置。 ４ 前記第２の制御手段は、前記投影光学系の周
   辺の環境変化を検出する第２の検出器と； 前記投影光学系の第１の部分の圧力を調節する
   圧力調節器と； 前記第２の検出器から出力される環境情報に基
   づいて前記圧力調節器を制御する第２の制御回路
   とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の投影露光装置。 ５ 前記第２の制御手段は、前記投影光学系の光
   軸にほぼ沿つて前記投影光学系と感光基板とを相
   対移動可能な駆動回路を含み、 前記第２の制御回路は前記環境情報に基づき、
   前記圧力調節器を制御して前記投影光学系の投影
   倍率を調整するとともに、前記駆動回路を制御し
   て前記最良結像面と前記感光基板の表面とをほぼ
   一致させることを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の投影露光装置。