JPH0541344A

JPH0541344A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0541344A
Application number: JP3195315A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Tsuji; 寿彦辻; Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1993-02-19

Abstract

(57)【要約】【目的】テストレチクル等を用いることなく、像面湾
曲、像面傾斜、平均焦点面等の結像特性を計測可能とす
るとともに、結像特性を補正することを可能とする。【構成】Ｚステージ１４上に５つの開口（２１ａ〜２
１ｅ）を有する基準部材２０を設け、開口２１ａ〜２１
ｅの夫々を下方から照明し、レチクルＲに照明光を入射
させる。そして、レチクルＲに達した光のうちレチクル
Ｒで反射され、開口２１の夫々を再び透過する光を受光
して、受光量に応じた光電信号を出力する光電検出器２
８の出力と焦点検出系２９の出力に基づいて、合焦位置
検出部３２Ａにおいて像面状態を検出し、この検出情報
から結像特性検出部３２Ｂにより結像特性（像面湾曲、
像面傾斜等）を算出する。この計測結果に基づいて、レ
ンズエレメント（４０、４１、４３、４５）を駆動して
結像特性を補正する。

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に関し、特
に半導体集積回路製造用或いは大型液晶基板製造用の投
影露光装置において、投影光学系の結像特性を計測する
機構を備えた投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】投影光学系の結像特性を計測し、マスク
パターンの結像状態が最高な状態となるように投影光学
系を補正する技術は特開昭６０−２６３４３号公報、特
開昭６３−３０６６２６号公報あるいは特開平１−２７
３３１８号公報などで開示されている。

【０００３】特開昭６０−２６３４３号公報に開示され
ているものは、微小線要素を有するテストレチクルと、
ステージ上に設置され、微小スリットを介して前記テス
トレチクルの透過光を受光する受光素子とを備え、ステ
ージをＺ軸（投影光学系の光軸方向の軸）上に昇降させ
るときに得られる受光素子からの出力信号の変化に基づ
いて、投影光学系の特性、たとえば像面傾斜や像面湾曲
を求めている。そして、この計測結果に基づいて投影光
学系の結像特性を補正する。

【０００４】特開昭６３−３０６６２６号公報あるいは
特開平１−２７３３１８号公報に開示されているもの
は、基準マークを有しステージ上に設けられた基準部材
と、特殊の基準マークを有するテストレチクルとを備
え、基準部材をその下面から照射し、基準部材およびテ
ストレチクルの各基準マークを透過した光束を受光して
投影光学系の結像特性を計測可能としたものである。そ
して、露光光の吸収に起因した温度上昇などによる投影
光学系の結像特性の変動を予め予測し、その結果に基づ
いて露光時の結像特性の変動を予測して補正が行われ
る。これらの装置によれば、露光時の熱エネルギによる
投影光学系の結像特性、たとえば、像面傾斜や像面湾曲
などの変動をリアルタイムに補正できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
のスルー・ザ・レンズ（ＴＴＬ）方式による焦点位置検
出においては、特定のマークをもつレチクル（テストレ
チクルまたは露光領域の周辺に特定マークが形成された
実際のレチクル）を必要とした。このため、計測のた
びにテストレチクルを使用して結像特性を計測し、結像
特性を補正する場合スループットの低下が免れない。さ
らに、テストレチクルを用いた場合、露光直前の実レチ
クルのパターン各部分についての合焦点位置を計測する
ことはできず、実露光直前の投影光学系の結像特性を正
確に検出することはできなかった。テストレチクルを
用いず、実際のデバイスレチクル（実レチクル）を使用
して投影光学系の結像特性を検出する場合、露光領域周
辺に形成されたマークを使用して像面状態が測定される
が、転写領域内の各部分にマークを配置することは非現
実的であり、回路パターンの集積度に悪影響を及ぼす。
このため露光領域の中央部での焦点検出はできず、投影
光学系の像面湾曲や像面傾斜を計測することは不可能で
ある。という問題があった。

【０００６】また、ＴＴＬ方式の焦点位置検出系の光学
系とレチクルとの焦点合わせを予め行う必要があった
り、さらに、ステージを光軸と垂直方向に走査させた
り、ステージを光軸方向に一旦移動させたのち、この光
軸と垂直方向の走査を繰り返す必要がある。このため、
焦点検出のために時間がかかりスループットの低下を招
いていた。

【０００７】本発明はこのような問題点を鑑みてなされ
たもので、テストレチクルなどを使用することなく投影
光学系の実露光直前の像面湾曲、像面傾斜、平均焦点面
等の結像特性をスループット良く計測するとともに、投
影光学系の結像特性を補正することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、所定のマスクパターンが形成されたマス
ク（Ｒ）を露光光（ＩＬ）で均一に照明する第１の照明
系（１、２、６、７、９、１０、１２、１３）と、マス
クパターンの像を所定の結像面内に形成する投影光学系
（ＰＬ）と、所定結像面とほぼ一致するように感光基板
（Ｗ）を保持して、投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）
方向及び光軸（ＡＸ）と垂直な方向に移動可能なステー
ジ（１４、１５）とを有する投影露光装置において、表
面に所定の配置関係で複数の微小開口部（２１ａ〜２１
ｅ）が形成された基準部材（２０）と、複数の微小開口
部を露光光、もしくは露光光とほぼ等しい波長の光でス
テージ側から照明し、複数の微小開口部を透過した透過
光を投影光学系を介してマスクに入射させる第２の照明
系（２２、２３、２４、２５、２６、２７）と、第２の
照明系による照明によってマスクに達した光のうち、マ
スクで反射して、投影光学系を介して再び複数の微小開
口部の夫々を透過した反射光を個別に受光する受光面を
有し、各受光量に応じた光電信号を個別に出力する光電
検出手段（２８）と、ステージを投影光学系の光軸方向
に移動させたときに光電検出手段から出力される各光電
信号に基づいて、所定結像面の、複数の微小開口部の各
位置での光軸方向の位置を検出する像面状態検出手段
（３２Ａ）と、像面状態検出手段で検出された各位置情
報に基づいて、投影光学系の焦点位置、像面傾斜及び像
面湾曲の少なくとも１つの特性を算出する結像特性検出
手段（３２Ｂ）とを設けた。

【０００９】

【作用】本発明では、レチクル裏面（パターン面）と投
影光学系に関してほぼ共役な面、もしくはその近傍に設
けられた特定パターン（開口部）を投影光学系と反対側
から露光光もしくは露光光と略等しい波長の光で照明
し、特定パターンを透過した光が投影光学系を介してレ
チクルに到達する。そして、レチクル裏面で反射した光
は投影光学系を介して再び特定パターンを透過し、光電
検出器に入射する。投影光学系に関してレチクル裏面と
特定パターンが光学的に共役な位置、つまり特定パター
ンがレチクル裏面の結像位置（投影光学系の合焦位置）
にあるとき、光電検出器に入射する光量が最大となると
いうことを用いている。

【００１０】この原理にしたがって、投影光学系の露光
フィールド（イメージフィールド）ＩＦに相当する基準
部材上の領域において、例えば中心と周辺部の四隅に特
定パターン（開口部）を設け、基準部材の中心と投影光
学系の光軸がほぼ一致するように基準部材を投影光学系
の下まで移動する。その後、投影光学系と基準部材の間
隔を、例えば斜入射方式のＡＦ検出系等で計測しなが
ら、基準部材を投影光学系の光軸方向に一定距離走査す
る。このとき、夫々の特定パターンから得られる光量に
対応する信号を個別に出力する光電変換器からの信号と
ＡＦ検出系からの信号とを同時に、一定間隔（例えば
０．０２μｍ）毎にサンプリングして、Ａ／Ｄ変換後の
信号をメモリに記憶する。そして、光電変換器からの信
号がピーク値となったときのＡＦ検出系からの信号の値
を求める。この処理を各特定パターン毎に行うことによ
って、投影光学系の像面湾曲及び像面傾斜等の結像特性
が得られ、各特定パターンから得られる光電信号のピー
ク時のときのＡＦ検出系から得られる信号の値を平均化
することによって像面の平均焦点位置が求まる。この結
果に基づいて結像特性を補正する。

【００１１】このように本発明においては、レチクルに
特定のマークを必要とせず、実際のマスクパターンをセ
ットした状態で、単に投影光学系の光軸方向に基準部材
を１回のみ走査すれば平均像面位置、像面湾曲及び像面
傾斜が求まるので高速に投影光学系の結像特性を計測で
きる。さらに、この結像特性の変動分をキャンセルする
ように結像特性補正手段で補正するため、常に良好な結
像特性を維持することが可能となる。

【００１２】

【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は本発明の一実施例による投影露光装置の
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Ｋｒ
Ｆエキシマレーザ等）などのレジスト層を感光するよう
な波長（露光波長）の照明光ＩＬを発生する。照明光Ｉ
Ｌは、照明光の光路の閉鎖、開放を行うシャッタ２、及
び大部分（９０％以上）の照明光を通過させる半透過鏡
４を通過した後、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６に達する。このときミ
ラー２２は通常状態（露光時）では光路から退避してお
り、後述するように投影光学系ＰＬの結像特性を計測す
るときのみ光軸上にモータや空気圧によって移動する。

【００１３】また、シャッタ２は駆動部３により照明光
の透過及び遮断を制御可能なように駆動される。また、
半透過鏡４で反射された照明光の一部は、ＰＩＮフォト
ダイオード等の光電検出器（パワーモニタ）５に入射す
る。パワーモニタ５は照明光ＩＬを光電検出して光情報
（強度値）ＰＳを主制御系３２に出力し、この光情報Ｐ
Ｓは露光中における投影光学系ＰＬの結像特性の変動量
を求めるための基礎データとなっている（詳細後述）。

【００１４】照明光学系６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、ミラー７で
反射されてリレーレンズ９ａ，９ｂ及び可変ブラインド
１０を通った後、ミラー１２で垂直に下方に反射されて
メインコンデンサーレンズ１３に至り、レチクルＲのパ
ターン領域ＰＡを均一な照度で照明する。可変ブライン
ド１０の面はレチクルＲと結像関係にあるので、駆動モ
ータ１１により可変ブラインド１０を構成する可動ブレ
ードを開閉させて開口位置、形状を変えることによっ
て、レチクルＲの照明視野を任意に選択することができ
る。また、本実施例では照明光ＩＬの照射によりウエハ
Ｗから発生する反射光が、上記ミラー７を通過して光電
検出器（反射量モニタ）８に入射するように構成されて
いる。反射量モニタ８は反射光を光電検出して光情報
（強度値）ＲＳを主制御系３２に出力する。ここで光情
報ＲＳは露光中における投影光学系ＰＬの結像特性の変
動量を求めるための基礎データとなる。（詳細後述）レ
チクルＲは投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと垂直な面内で２
次元移動可能なレチクルステージＲＳＴ上に載置され、
パターン領域ＰＡの中心点が投影光学系ＰＬの光軸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）を光電検出するレチクルアライメント系ＲＡからの
マーク検出信号に基づいて、レチクルステージＲＳＴを
微動することにより行われる。レチクルＲは不図示のレ
チクル交換器により適宜交換されて使用される。特に多
品種少量生産を行う場合、交換は頻繁に行われる。

【００１５】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ているウエハ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は不図示のレベリングステージ上に載置され、
このレベリングステージは、駆動モータ１７により光軸
方向（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ１４上に設けら
れている。さらにＺステージ１４は、駆動モータ１８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、ＸＹステージ１５は
ウエハＷ上の１つのショット領域に対するレチクルＲの
転写露光が終了すると、ウエハ上の次のショット領域が
投影光学系ＰＬの露光領域と一致するまで移動される。
ＸＹステージ１５の２次元的な位置は干渉計１９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１４の端部には干渉計１９からのレーザビー
ムを反射する移動鏡１４ｍが固定されている。干渉計１
９と移動鏡１４ｍはＸ方向とＹ方向の位置検出用として
一対ずつ設けられている。

【００１６】また、Ｚステージ１４上には照射量モニタ
１６が設けられており、この照射量モニタ１６は例えば
投影光学系ＰＬのイメージフィールドもしくはレチクル
パターンの投影領域とほぼ同じ面積の受光面を備えた光
電検出器で構成され、その受光面がウエハＷの表面位置
とほぼ一致するようにＺステージ１４上に設けられてい
る。この照射量モニタ１６から得られるショット領域の
照射量に関する情報ＬＳは主制御系３２に送られ、露光
中における投影光学系ＰＬの結像特性の変動量を求める
ための基礎データとなっている。（詳細後述）さらにＺ
ステージ１４上には投影光学系ＰＬの結像特性、たとえ
ば焦点位置、像面湾曲、像面傾斜を計測する際に用いら
れる基準部材２０が設けられている。図３はこの基準部
材２０を示しており、図３において、半径Ｌの円は投影
光学系ＰＬの最大露光領域（イメージフィールド）ＩＦ
を示し、この円に内接する正方形は実際にウエハに露光
する場合の最大正方形チップ領域ＣＨを示している。図
３に示すように、基準部材２０の表面上のイメージフィ
ールドＩＦの中心部の１カ所と周辺部の４カ所に対応す
る位置に、開口２１ａ〜２１ｅが設けられている。開口
２１ａ〜２１ｅには、例えば図２（ａ）に示す市松模様
や図２（ｂ）に示す格子パターンが設けられており、基
準部材２０の表面とウエハＷの表面とはほぼ一致してい
るのが望ましい。開口２１に設けられるパターン（開口
パターン）の形状としては、その投影像がレチクルＲ上
の回路パターンにぴったり重ならないものを選択する必
要がある。これは、開口パターンの投影像が回路パター
ンにぴったり重なるような場合、開口２１を透過するレ
チクルＲからの反射光の光量変化（詳細後述）の極大又
は極小が得られる位置が必ずしも合焦点とは限らなくな
るためである。

【００１７】ここで、開口パターンを図２（ａ）に示す
ような市松模様のパターンとすることにより、この回路
パターンによる影響を低減することができ、さらに投影
光学系の非点収差の影響を避けることができる。また、
図２（ｂ）に示すような格子パターンでも、その辺を回
路パターンの辺と１０〜３０度程度傾けるようにすれば
回路パターンの影響を防止することができる。これは、
半導体製造に用いられる回路パターンは直交する縦・横
のパターン（０度、９０度）が多いからである。さら
に、開口パターンの形状を回路パターンのいずれの線と
も平行とならないような複数の平行線状とするのがよ
く、投影光学系の非点収差の影響を避ける意味でも平行
線を直交させるとよい。また、ＳＮ比がベストとなるよ
うに開口パターンの遮光部と透過部との面積比を１対１
とすることが望ましい。なお、本明細書中では開口２１
ａ〜２１ｅを開口２１と総称するものとする。

【００１８】通常、像面傾斜等の平面を求める場合は開
口２１は３点でよく、像面湾曲を求める場合でもこの３
点に中心部の１点を加えた４点でよい。しかしながら、
本実施例では投影光学系が非対称であったり、あるいは
偏心が存在する場合等を考慮して開口２１を５点として
いる。また、開口２１を複数点設けて、より多点で測定
することによって、例えば像面のうねり等のより多くの
情報が得られる。しかしながら、開口２１が多いとそれ
だけ光学系が複雑になりスループットが低下することと
なる。このため、ここでは像面湾曲等の光学収差が通常
投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとイメージフィールドＩＦの
最外部の間で最大となることを考慮して、周辺部の４点
は、最大チップ領域ＣＨに相当する基準部材２０上の領
域内において、基準部材２０の中心から最も離れた４点
（２１ｃ〜２１ｅ）を選択し、イメージフィールドの中
心（２１ａ）と合わせて必要最小限の５点を選択してい
る。つまり、像面湾曲の最大値を計測可能とするととも
に、像面傾斜、焦点面の検出信頼性を維持しつつ、高ス
ループット化を実現するものである。また、開口２１を
必要最小限の個数とすることにより、装置の簡略化を図
ることが可能となる。

【００１９】さて、図１で開口２１はその下方（ステー
ジ側）から計測照明系ＬＬによって照明されている。計
測照明系ＬＬは、照明光ＩＬの光路中に不図示の駆動装
置によって挿入されるミラー２２、及びハーフミラー２
３、レンズ２４、光ファイバ２５、レンズ２６、ミラー
２７から成り、照明光ＩＬをウエハステージ１５内に導
く。開口２１から射出された照明光は投影光学系ＰＬを
介してレチクルＲに達し、レチクルＲの裏面（パターン
面）によって反射され、再び投影光学系ＰＬを介して開
口２１に戻る。この反射光は開口２１を透過した後、ミ
ラー２７、レンズ２４、ファイバ２５、レンズ２６、ハ
ーフミラー２３を介してフォトマル、ＳＰＤ等で構成さ
れる光電検出器２８に入射し、光電検出器２８で光電変
換されて電気信号となる。ここで、図示は省略している
が、計測照明系ＬＬは５組の開口２１ａ〜２１ｅをそれ
ぞれ個別に照明し、光電検出器２８は反射光を個別に受
光するように構成されている。尚、開口２１の裏面全体
を照明し、光電検出器２８において５組の開口２１ａ〜
２１ｅの夫々から反射光を個別に受光するように構成す
るだけでもよい。

【００２０】また、例えば基準部材２０の裏面全体を照
明可能とするとともに、基準部材２０とファイバー２５
の端面との間に可変絞りを配置し、各開口パターンの位
置での焦点位置を検出するに際しては可変絞りを駆動し
て、所望の開口のみに照明光を照射するように構成して
もよい。また、可変絞りを設けなくとも、基準部材２０
の裏面全体を照明するとともに、光電検出器２８からの
信号に電気的にマスキングをかけて、所望の開口からの
反射光に対応する信号のみを処理するようにしてもよ
い。このようにすれば、照明系と光電検出器は一組あれ
ばよく、装置が簡略化できる。

【００２１】また、照明光ＩＬは光源１からミラー２２
を介して基準部材２０に導くこととしているが、光源１
からの照明光ＩＬとほぼ等しい波長の光を射出する光源
を別に設けて、基準部材２０を照明するようにしてもよ
い。一方、図１において、符号３４は斜入射式検出光学
系であり、この種の装置は例えば特公平２−１０３６１
号公報に開示されている。この斜入射式検出光学系３４
は、投影光学系ＰＬの例えば設計上の最良結像面に対す
るウエハ表面の上下方向（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焦点検
出系２９と、ウエハＷ上の所定領域の設計上の結像面に
対するウエハ表面の傾きを検出する水平位置検出系３０
とを組み合わせたものである。

【００２２】焦点検出系２９および水平位置検出系３０
は、光軸ＡＸに対して斜め方向からウエハ表面に入射す
る照明光を射出する光源２９ａ、３０ａと、ハーフミラ
ー３１ａと、ウエハ表面での反射光を受光する受光光学
系２９ｂ、３０ｂと、ハーフミラー３１ｂとから成る。
光源２９ａから射出される照明光は、ピンホールあるい
はスリットの像を形成するような結像光束、光源３０ａ
から射出される照明光は平行光束である。尚、本実施例
では設計上の最良結像面が零点基準となるように、予め
受光光学系２９ｂの内部に設けられた不図示の平行平板
ガラス（プレーンパラレル）の角度が調整されて、焦点
検出系２９のキャリブレーションが行われるとともに、
ウエハＷの表面と結像面とが一致した時に、光源３０ａ
からの平行光束が受光光学系３０ｂ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
置検出系のキャリブレーションが行われる。

【００２３】次に、結像状態を補正するための補正手段
の構成について説明する。本実施例においては、投影光
学系ＰＬのレンズエレメントを駆動することにより、結
像特性（投影倍率、ディストーション、像面湾曲等）を
補正する構成となっており、投影光学系ＰＬの結像特性
を調整可能とするために、その光学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４０，４１は支持部材４
２により固定されるとともに、第２群のレンズエレメン
ト４３は支持部材４４により固定され、さらに第３群の
レンズエレメント４５は支持部材４６に固定されてい
る。また、レンズエレメント４５より下部のレンズエレ
メントはそれぞれ投影光学系ＰＬの鏡筒部４７に固定さ
れている。

【００２４】図４は投影光学系ＰＬを上方（レチクル
側）から見た図であって、駆動素子４８ａ〜４８ｃはそ
れぞれ１２０°ずつ回転した位置に配置され、駆動素子
制御部２３により独立制御可能となっている。また、駆
動素子４９ａ〜４９ｃ及び５０ａ〜５０ｃについても同
様にそれぞれ１２０°ずつ回転して配置され、駆動素子
制御部３３により独立制御可能となっている。駆動素子
４８ａ、４９ａ及び５０ａは互いに４０°だけずれて配
置されており、駆動素子４８ｂ、４９ｂ及び５０ｂと４
８ｃ、４９ｃ及び５０ｃとについても同様に互いに４０
°ずつずれて配置されている。駆動素子４８〜５０とし
ては、例えば電歪素子，磁歪素子を用い、駆動素子に与
える電圧また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。ここでは図示していないが、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
量型変位センサ，差動トランス等を駆動素子の近傍に設
けることとする。これにより、駆動素子に与える電圧ま
たは磁界に対応した駆動素子の位置をモニターできるの
で、高精度な駆動が可能となる。

【００２５】尚、本実施例において投影光学系ＰＬの光
軸ＡＸとは、この鏡筒部４７に固定されているレンズエ
レメントの光軸を指すものとする。さて、支持部材４６
は伸縮可能な駆動素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃによって
投影光学系ＰＬの鏡筒部４７と連結されている。また、
支持部材４４は伸縮可能な駆動素子４９ａ、４９ｂ、４
９ｃによって支持部材４６に連結されるとともに、支持
部材４２は伸縮可能な駆動素子４８ａ、４８ｂ、４８ｃ
によって支持部材４４に連結されている。ここで、本実
施例では駆動素子制御部３３によって前述の駆動素子を
制御することにより、レチクルＲに近いレンズエレメン
ト（４０、４１）、４３及び４５が夫々独立に移動可能
となっており、これらのエレメントは倍率、ディストー
ション、像面湾曲、像面傾斜、焦点位置等の結像特性に
与える影響が他のレンズエレメントに比べて大きく制御
しやすいものを選択してある。また、本実施例では移動
可能なレンズエレメントを３群構成としているため、他
の諸収差の変動を押さえつつレンズエレメントを移動さ
せることにより移動範囲を大きくできる。しかも種々の
形状歪み（台形，菱形，樽型，糸巻型等のディストーシ
ョン）に対応可能となっており、露光光吸収による投影
光学系ＰＬの結像特性の変動にも十分対応できる。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、球面収差等）に及ぼす影響が無視
できる範囲内で行うものとする。もしくは、前記のよう
にレンズエレメント相互の間隔を調整することによっ
て、像面湾曲を制御しつつ、他の諸収差（ディストーシ
ョン等）をも補正するという方式を採用しても構わな
い。

【００２６】以上の構成によって、３群のレンズエレメ
ント（４０，４１）、４３及び４５の周辺３点を独立
に、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に主制御系３２から
与えられる駆動指令に応じた量だけ移動させることがで
きる。この結果、３群のレンズエレメント（４０，４
１）、４３及び４５の各々を、光軸ＡＸにほぼ沿って平
行移動させることができるとともに、光軸ＡＸとほぼ垂
直な平面に対して任意に傾斜させることが可能となる。
尚、上記レンズエレメントはそれぞれ光軸ＡＸを仮想的
な傾斜基準として傾斜するものとする。また、レンズエ
レメント（４０，４１）、４３及び４５は光軸ＡＸとほ
ぼ垂直な平面内で移動可能である。

【００２７】主制御系３２は駆動素子制御部３３を制御
するのみならず、後述する如く合焦位置検出部３２Ａ
（本発明にいう像面状態検出手段）、結像特性検出部３
２Ｂを有し投影光学系ＰＬの像面湾曲、像面傾斜、平均
焦点位置等の結像特性を求める。また、後述する如くパ
ワーモニタ５、反射モニタ８、照射量モニタ１６よりそ
れぞれ光情報を得て、露光中の投影光学系ＰＬの結像特
性の変動量を演算にて算出することを初めとしてステー
ジ等を含め装置全体を統括制御する。

【００２８】次に本実施例における像面湾曲、像面傾斜
等の投影光学系ＰＬの結像特性の計測方法について述べ
る。レチクルＲがレチクルステージＲＳＴに載置された
状態で干渉計１９によりステージ位置をモニタしなが
ら、基準部材２０上の開口２１（ａ）の中心が投影光学
系の光軸ＡＸ上に来るようにＸＹステージ１５をモータ
１８で移動する。このとき同時にモータ１７を駆動して
Ｚステージ１４を投影光学系ＰＬの設計上の最良焦点位
置（最良結像面）と思われる位置から予想される焦点変
動量（結像特性の変動量）の数倍程度下げるか、もしく
は上げるかする。これは、例えば焦点深度（±ＤＯＦ）
の２倍程度（２・ＤＯＦ）下げるか、もしくは上げるか
してもよい。

【００２９】また、同時にミラー２２を光路中に移動さ
せて開口２１に照明光ＩＬを導き、開口２１及び投影光
学系ＰＬを介してレチクルＲの裏面（パターン面）を照
明する。レチクルＲから反射した照明光は再び投影光学
系ＰＬ、開口２１を通った後、ミラー２７、レンズ２
６、光ファイバ２５、レンズ２４、ハーフミラー２３を
介して２７、ハーフミラー２４を介して光電検出器２８
に入射する。その後この状態でＺステージ１４を、上方
（あるいは下方）に前述した予想される焦点変動量の２
倍程度走査する。このとき主制御系３２は、光電検出器
２８の出力と焦点検出系２９の出力を同時に、例えばＺ
ステージ１４の単位移動量（例えば０．０２μｍ）ごと
にサンプリングしてＡ／Ｄ変換し、図５に示すような関
係を得る。ここで、図５の縦軸は開口２１ａ〜ｅのうち
の１つを通過した反射光の光量に応じた光電検出器２８
からの光電信号出力の大きさを示し、横軸は焦点検出系
２９からのＺステージ１４の位置に対応している出力の
大きさを示している。

【００３０】図５に示すような関係が得られるのは次の
ように説明できる。開口２１がレチクルＲの裏面に関し
て投影光学系ＰＬのデフォーカス領域にあるときは、開
口２１を射出した照明光は投影光学系ＰＬを介してレチ
クルＲの裏面上に開口パターン（例えば市松模様）のデ
フォーカスした像を作る。その後レチクルＲの裏面で反
射した照明光は再び投影光学系ＰＬを介して開口２１に
入射するとき、さらにデフォーカスした開口パターンの
像となっている。従って、この反射光が開口パターンを
透過するとき、デフォーカスした部分が開口パターンの
遮光部で透過せずその分光量が減少する。

【００３１】一方、開口２１が投影光学系ＰＬに関して
レチクルＲの裏面と光学的に共役な位置、すなわち、投
影光学系ＰＬの焦点面（結像面）にあるときは、開口２
１から射出した照明光はレチクルＲの裏面に鮮鋭な像を
形成するので、その反射光が開口パターンを透過すると
き、開口パターンの遮光部に到達する（遮光部によって
ケラれる）反射光はほとんどなく、光電検出器２８の受
光光量がデフォーカスのときと比較して増大する。従っ
て、図５において、光電検出器２８のピーク出力時に焦
点検出系２９で得られた出力値ｆに対応する位置（Ｚ方
向の位置）が投影光学系ＰＬの最良焦点位置（ベストフ
ォーカス位置）となる。ここで、回路パターンの無い透
明なレチクルＲや回路パターン領域全面に遮光部を設け
たレチクルＲを使って最良焦点位置を求めるようにする
ことも可能であり、またこれらのレチクルＲを使って最
良焦点位置が回路パターンに影響されることなく計測さ
れているかどうかを定期的に確認するようにしてもよ
い。ところで、回路パターンが無い透明なレチクルの場
合にはレチクルの裏面のガラス面が反射面となり、その
反射率は４％程度であるが、検出感度を上げれば充分に
検出可能である。

【００３２】最良焦点位置の検出は主制御系３２内の合
焦位置検出部３２Ａで行われ、合焦位置検出部３２Ａは
前述の如く光電検出器２８の出力からそのピーク値を求
め、その時の焦点検出系２９の出力値から焦点位置（Ｚ
方向の位置）をもとめる。この処理を夫々の開口２１ａ
〜２１ｅについて行うと、図６のように開口２１ａ〜２
１ｅ夫々での最良焦点位置が焦点検出系２９の出力値か
ら求められる。ここで、ｆ₁〜ｆ₃は光電検出器２８の
出力のピーク値のときの焦点検出器２９の出力を示して
いる。尚、本実施例では基準部材２０に５つの開口２１
ａ〜２１ｅを設けるとともに、各開口２１ａ〜２１ｅの
夫々を透過する反射光を個別に受光可能に構成している
ので、上記の如き計測動作においてＺステージ１４のＺ
方向への走査は１回で済むことになり、スループットの
高い計測が可能となる。

【００３３】図６の結果に基づいて、像高（光軸ＡＸか
ら露光領域周辺までの距離）に対する焦点検出系２９の
出力値の関係を求めると図７のグラフとなり、図７のグ
ラフから像面傾斜に関するデータと像面湾曲に関するデ
ータを分離したものが図８のグラフである。図７、図８
の縦軸は焦点検出系２９の出力を示し、横軸は像高を示
しており、Ｚ₁は図７に示すデータ値から像面傾斜成分
を除いた場合の最高焦点位置、Ｚ₂は図７に示すデータ
値から像面湾曲成分を除いた場合の最低焦点位置、Ｚ₃
は図７に示すデータ値から像面湾曲成分を除いた場合の
最高焦点位置である。

【００３４】そして図７において中心開口２１ａを除く
開口２１ａ〜２１ｅについてのデータから像面傾斜ΔＺ
を求める。まず、像面傾斜を求めるための基礎データと
なるＺ₂、Ｚ₃が次式によって求まる。Ｚ₃＝ｆ₁＋（ｆ₃−ｆ₂）／２Ｚ₂＝ｆ₁−（ｆ₃−ｆ₂）／２そして、このＺ₂、Ｚ₃を使って像面傾斜ΔＺは、 ΔＺ＝Ｚ₃−Ｚ₂＝ｆ₃−ｆ₂ から求まり、図８の上の直線で表される。

【００３５】ここで、この像面傾斜ΔＺを計算上で補正
して、４隅の開口出力に中心の開口出力を加えて像面湾
曲Δｒを求める。ここで、Ｚ₁＝（ｆ₂＋ｆ₃）／２の関係があり、これから像面湾曲Δｒは Δｒ＝Ｚ₁−ｆ₁ となり、図８の下の曲線で表される。さらに平均焦点位
置ｆ_Aはｆ_A＝ｆ₁＋Δｒ／２として求められる。

【００３６】尚、これらの像面傾斜ΔＺ、像面湾曲Δ
ｒ、平均焦点位置ｆ_Aを求める演算は主制御性３２内の
結像特性検出部３２Ｂで行われる。次に像面湾曲、像面
傾斜、平均焦点位置を補正する方法について説明する。
基本的には前述したとおり、投影光学系の３群のレンズ
エレメント（４０、４１）、４３及び４５を光軸方向あ
るいは光軸に垂直な軸を回転軸にして傾斜するように駆
動することにより、所望の結像状態を得る。（ここでは
説明を簡単にするため、像面湾曲、像面傾斜、平均焦点
位置に限って説明を行うが、投影倍率、ディストーショ
ン等の補正も可能である。）例えば、レンズエレメント
（４０，４１）の駆動による像面湾曲の変化を図９を参
照して説明する。ここで図９に示す像面湾曲の変化は１
つの例であって一般的なものではなく、実際にはレンズ
エレメントの構成により変化の仕方は異なってくる。本
実施例では像面湾曲はレンズエレメント４０、あるいは
４１を光軸方向に移動することによって図９のように変
化する。また、レンズの構成の方法によってはレンズエ
レメント（４０、４１）、４２を光軸と垂直な方向に移
動することで像面湾曲が変化する。このようなレンズエ
レメント（４０、４１）、４３及び４５の駆動量と像面
湾曲の変化量との関係を予め主制御系３２内のメモリに
記憶しておく。

【００３７】像面湾曲を補正するためにレンズエレメン
トを駆動したことによって倍率、ディストーションや他
の収差（例えばコマ収差、非点収差）が悪化する可能性
があるが、複数のレンズエレメントを駆動することがで
きるので、収差を補正しつつ所望の像面湾曲補正を行う
ことができる。また、特開昭６０−７８４５４に開示さ
れているようなレンズエレメント間の空気部の圧力を変
えることにより投影光学系の結像特性を変化させて収差
等を補正してもよい。レンズエレメント（４０、４
１）、４３及び４５の駆動により、像面が上下動してし
まう可能性も考えられるが、この変化量に応じて焦点検
出系２９の出力値にオフセットを与えてやればウエハＷ
が常に最良像面にセットされるので、この影響を防げ
る。

【００３８】像面傾斜の補正は前述の結像特性検出部３
２Ｂから得られる露光フィールドの４隅の焦点差（像面
傾斜）を水平位置検出系３０にオフセットとして加え
て、キャリブレーションを行うようにしてもよい。すな
わち、オフセットが与えられた水平位置検出系３０でウ
エハ面の水平位置を検出しつつレベリングステージを駆
動してウエハＷを傾けることにより、像面傾斜が補正さ
れる。

【００３９】また、焦点位置は前述の如く平均焦点位置
ｆ_Aを求めて、その値に基づいてモータ１７を駆動し
て、Ｚステージ１４をウエハＷと像面が常に一致するよ
うに制御する。この際、焦点検出系２９の零点基準が平
均焦点位置ｆ_Aとなるようにキャリブレーションを行っ
ておくことが望ましい。このように、Ｚステージ１４を
制御すると、ウエハ表面がレチクルＲの裏面と光学的に
共役となり、良好な結像が得られる。また、上記では単
純な平均値を用いていたが結像面とウエハ表面の最大偏
差を最小とするような面に焦点検出系２９をキャリブレ
ーションしてもよい。このように、最大偏差を最小とす
るような面や平均焦点位置で露光が行われるようにする
ことにより、像面湾曲の補正が充分でないときでも、従
来と比較して良好な露光が行われる。また、焦点検出系
２９の直線性保証範囲（換言すれば検出可能範囲）が少
ない場合は、モータ１７にエンコーダ等の位置センサを
付けるようにする。この位置センサの値によってＺステ
ージ１４を走査し、図５のような光電検出器２８の出力
信号と焦点位置（Ｚステージ位置）の関係を求める。そ
の後、焦点検出系２９内のハービングガラスを不図示の
駆動系で駆動させつつ、焦点位置（エンコーダの値）と
焦点検出系２９の出力との対応をとり、最終的に焦点検
出系２９に対する光電検出器２８の出力を求める。

【００４０】ここで像面湾曲や像面傾斜の補正の際、露
光領域の半分の領域のみを露光する場合、例えば図１０
に示すように像面湾曲が８１のような特性の場合に、可
変ブラインド１０により中心線８０から左の領域を露光
することとし、よりよく像面にウエハＷを一致させるよ
うに８２の面にウエハＷを持ってくる方法も考えられ
る。

【００４１】また、像面傾斜や平均焦点位置も、レンズ
エレメント（４０、４１）、４３及び４５の駆動量と像
面傾斜、焦点位置の変化量との関係を予め主制御系３２
内のメモリに記憶しておき、前述のようにレンズエレメ
ント（４０、４１）、４３及び４５の駆動することによ
って補正可能である。このとき開口２１を使って計測し
た像面湾曲、像面傾斜、平均焦点位置に基づいて平均的
な結像面を求めて、この結像面に合わせてレンズエレメ
ント（４０、４１）、４２を駆動させるようにしてもよ
い。これにより、予め結像特性が補正された状態で露光
を開始することができる。

【００４２】尚、前述の実施例の如き投影光学系の結像
特性の計測は、単位時間毎、もしく所定のウエハ処理枚
数毎に行うようにしても良い。次に本実施例の動作につ
いて説明を行う。（１）まず、投影光学系ＰＬが初期状態でもつ像面湾
曲、像面傾斜及び平均焦点位置は、システムのセットア
ップ時に、前述したようにＺステージ１４を走査して開
口２１から得られる反射光に対応する信号に基づいて結
像特性を求める方法で計測し、レンズエレメント（４
０、４１）、４３、４５を駆動することにより、又はレ
ンズエレメント（４０、４１）、４３、４５、レベリン
グステージ、Ｚステージを駆動することにより最適な結
像状態と合焦位置が得られるように補正を行えばよい。

【００４３】（２）また、大気圧や温度等の環境の変
化や投影光学系ＰＬの照明光吸収によって、もしくはレ
チクルＲの自重によるたわみ、照明光吸収によるレチク
ルＲの変形によって焦点位置、像面湾曲、像面傾斜がシ
ステムアップ時より変化する場合でもそれらの変化が比
較的遅いものや、あるいは定期的な計測間隔（例えばウ
エハ交換１０回毎、ウエハ交換毎、数ショット毎等）に
おける焦点位置、像面湾曲、像面傾斜の変化量が無視で
きるものであれば、例えばウエハ交換時などに定期的に
Ｚステージ１４を走査して開口２１から得られる反射光
に対応する信号に基づいて結像特性を計測し、（１）と
同様に補正を行えばよい。

【００４４】（３）環境の変化や照明光吸収によって
投影光学系ＰＬの前記結像特性（焦点位置、像面湾曲、
像面傾斜）の変化が速い場合は予測制御と前述の開口２
１を使った計測を併用することで結像特性の変化に対応
可能になる。予測制御とは、たとえば、特開平１−２７
３３１８号公報に開示されているものと同様に、投影光
学系ＰＬが露光光から受ける熱量によって変動する結像
特性を予めメモリに記憶し、このメモリに記憶された値
に基づいて実露光時の結像特性を（１）と同様にして補
正するものである。ここでは例えば、予測制御による補
正はレンズエレメントを駆動することにより行うものと
する。

【００４５】投影光学系ＰＬの結像状態の変化特性は、
シャッタ２のオープン・クローズの情報、パワーモニタ
５、反射率モニタ８及び照射量モニタ１６の出力ＰＳ、
ＲＳ、ＬＳを使用して熱量を計測し、その熱量によって
変動する結像特性の状態変数を主制御系３２のメモリに
記憶する。なお、熱量は、露光条件毎の照射エネルギー
を検出する照射量モニタ１６の出力値ＬＳと、シャッタ
２のオープン時間とに基づいて算出される。ここで、投
影光学系ＰＬの下地の反射率が零の場合は投影光学系Ｐ
Ｌの透過光のみを考えればよいが、投影光学系ＰＬの下
地の反射率によって投影光学系ＰＬに蓄積される熱量が
異なるため、反射率が零でない場合は、透過光＋反射光
が熱エネルギーに寄与する。従って、この場合は反射率
モニタ８からの出力値も用いる。さらに、パワーモニタ
５は露光中の光源のゆらぎ等の経時変化を常にモニタし
ていて、その出力値ＬＳの変化も考慮して投影光学系Ｐ
Ｌに蓄積される熱量を決定する。

【００４６】また、投影光学系ＰＬの結像状態が大気圧
変化をはじめとする他の要因で変動する場合には、予め
計測して記憶されているデータ（例えば大気圧変動に対
する結像特性の変動のデータ）に基づいてこれらの変化
量も前記状態変数に加える。この合計値に対して平均焦
点位置、像面湾曲、像面傾斜の最適な補正量を計算し、
レンズエレメント（４０、４１）、４３及び４５をレン
ズエレメント駆動素子４８〜５０で駆動して補正を行
う。

【００４７】このようにして、例えば１枚のウエハに対
する露光を行っている間に、レンズエレメント（４０、
４１）、４３及び４５を予測制御により駆動する。一
方、定期的に、例えばウエハ交換毎または単位処理枚数
毎（例えばレチクル交換毎、ウエハ１０枚処理毎）に上
述したと同様にＺステージ１４を走査しながら開口２１
を透過するレチクルからの反射光に対応する光電検出器
２８からの信号を検出し、その結果から焦点位置、像面
湾曲、像面傾斜を計算する。光電検出器２８から求めた
焦点位置、像面湾曲、像面傾斜によって予測制御の焦点
位置、像面湾曲、像面傾斜の補正を行うと、予測制御が
定期的にキャリブレーションされ、投影光学系ＰＬの結
像特性が向上する。

【００４８】このキャリブレーションは予測制御と計測
の誤差を演算し、予測制御の値を計測値に補正したり、
予測制御の演算式を補正したりすることによって行われ
る。また、予測制御を併用する場合には、例えば何枚の
ウエハ毎に上記の如き投影光学系の結像特性の計測を行
うかを設定するための枚数設定手段（カウンタ等）を設
けておくことが望ましい。一般に、露光動作を開始して
から所定枚数のウエハまでは、予測制御において演算に
て算出される結像特性と、上記計測にて求まる実際の結
像特性との差（演算誤差）は小さく、枚数設定手段にセ
ットするウエハ枚数は多くてもよく、ここでは例えば１
０枚に設定しておくものとする。

【００４９】このように、枚数設定手段を用いる場合、
露光動作開始前に結像特性の計測、補正を行った後は、
予測制御のみで結像特性を補正しながら、１０枚目まで
のウエハの露光を行い、この露光が終了した時点でまた
上記計測と補正を実行する。そして、この計測結果と予
測制御の演算にて算出される結像特性とを比較し、その
差が所定の許容値（投影光学系の焦点深度や結像特性の
制御精度等によって定まる値）以上となっている場合に
は、枚数設定手段にセットされた設定枚数を変更し、例
えばウエハ毎に計測、補正を行うようにしてもよい。こ
の方法により計測回数を低減することができ、スループ
ットが向上する。さらに、実際に計測されたデータに基
づいて状態変数求め、予測制御における状態変数と比較
することにより、あと何枚のウエハに対する露光を行う
と、上記差が許容値以上になるかを判断し、設定枚数を
自動で少ない枚数（例えばウエハ毎）に変更するように
してもよい。これにより上記差が許容値を越えることな
く設定枚数を変更することができ、さらに結像状態が安
定していれば上記差が許容値を越えることなく予測制御
だけで露光を行えることになりスループットの向上が期
待できる。

【００５０】尚、例えば環境変化（圧力、温度、湿度
等）をモニタする環境センサを設けておき、予測制御中
に、投影光学系ＰＬの結像特性が大きく変動し得るよう
な異常を環境センサが検知した場合、異常を検知した時
点で直ちに露光動作を停止し、前述のごとく開口２１を
使った計測を行い、レンズエレメントを駆動することに
よる投影光学系ＰＬの結像特性の補正を行うようにして
もよい。

【００５１】結像特性の変化が速い場合、上記の方法よ
りもより簡単に、予測制御を行わずウエハ交換毎に測定
し、前回あるいは前々回の計測時の値をもとに一次補
間、あるいは二次補間の要領で予測することによっても
ある程度の効果が得られる。ここで、基準部材２０が傾
いている場合でも、斜入射式のＡＦでＸＹステージの位
置をかえながら予めその傾きを計測しておき、開口２１
による計測時にその傾きによって生じる誤差分を補正す
ることもできる。

【００５２】また前述までの実施例では、投影光学系Ｐ
Ｌの光軸中心を測定する唯一の焦点検出系２９を設けた
場合について説明したが、露光エリア内の各所が計測で
きるように複数個の焦点検出系を設けることもできる。
このとき、複数個の焦点検出系２９が図３の開口２１ａ
〜２１ｅの各点を測定することができれば、基準部材２
０が傾いている場合、あるいは傾きが変化している場合
でも誤差なく測定できる。逆に、基準部材２０を厳密に
水平に保持できれば、基準部材２０の複数の開口２１を
複数の焦点検出系２９のキャリブレーションに用いるこ
ともできる。

【００５３】さらに、基準部材２０上に開口２１を複数
設けることができない場合でも基準部材の中心部の開口
２１（ａ）のみを使用してＺステージ１４を走査すると
きＸＹステージ１５を開口２１（ａ）が本実施例におけ
る開口２１（ｂ）〜（ｅ）の位置にくるように位置決め
し、その都度Ｚステージ１４を走査し開口２１（ａ）か
らの信号出力をサンプリングすればよい。但し、この場
合はスループット的に前述の実施例より不利になる。ま
た、前述の実施例では基準部材２０上の開口２１の個数
を５点としたが、像面傾斜のみを計測するのであれば４
点（非対称や偏心がない理想化された状態なら３点）で
よく計測処理がより速くなる。

【００５４】また、この場合像面の凹凸とウエハＷの凹
凸も考慮してより綿密な焦点合わせも可能である。例え
ばウエハＷのそりに合わせて像面を意図的に湾曲させて
露光することも可能である。尚、焦点検出系２９及び水
平位置検出系３０は本実施例の構成に限られるものでは
ない。例えばウエハ上の矩形状のショット領域の４隅及
びその中心の夫々にスリットまたはピンホールの像を照
射することにより各点での高さ位置（Ｚ方向の位置）を
検出するように焦点検出系を構成すれば、特に水平位置
検出系を設けずとも、５点での高さ位置からウエハ表面
の傾斜量を求めることができる。

【００５５】次に開口２１のパターンの変形例を説明す
る。前述までの実施例では開口２１のパターンを図２
（ａ）、（ｂ）のような透過部と遮光部との組合パター
ンで説明したが、計測光の波長を１／４波長だけシフト
させる位相格子パターンを用いて図２と等価なパターン
を形成できる。この原理を図７を用いて簡単に説明す
る。図１１（ａ）に示すように、位相格子パターン２１
を下方から照明すると回折光が発生する。このとき、０
次光に比べ±１次光は位相が１／４波長だけずれる。こ
れらの光線がレチクルＲの裏面で反射され再びパターン
２１に戻ってくる。パターン２１が投影光学系ＰＬの焦
点面にあるとき、図１１（ｂ）のように±１次光は再び
回折し、±１次の光線が０次光と同じ光路を通り戻って
いく。このとき光線±１次光はさらに位相が１／４波長
ずれ、０次光とは１／２波長だけ位相がずれることにな
る。このため、光線±１次光は０次光を打ち消すように
働く。パターン２１が投影光学系ＰＬの焦点面にないと
きは位相差が１／２波長にならないため、前述の打ち消
し合う条件からはずれる。以上より、図１２のように開
口２１を透過する反射光に対応する光電検出器２８の出
力が最小となるときがベストフォーカスである。このよ
うに位相シフトパターンを使う方法によれば、前述した
方法に比べパターン２１を光線がすべて通過するためＳ
／Ｎ比が高くなりベストフォーカス点を見つけ易くする
ことができる。

【００５６】さらに、計測結果（像面湾曲、像面傾斜
等）に基づいて結像特性を補正する場合、前述の予測制
御によって焦点検出系２９のハービングガラスを駆動し
て、予め略焦点位置を見つけておいてもよい。この場合
Ｚステージ１４の走査範囲を小さくでき焦点検出系２９
の出力だけでＺステージを走査でき、走査に必要な時間
も短くなり高スループット化できる。尚、焦点検出系２
９及び水平位置検出系３０のキャリブレーションの際の
オセセットを与える方式は光学的方式（ハービングガラ
スを駆動させる等）または電気的方式（出力値に電気的
にオフセット量を加える等）のどちちらでも良い。ま
た、計測結果（像面湾曲、像面傾斜、平均焦点位置）に
基づいて投影光学系ＰＬの平均的な結像面を求め、この
結像面が零点基準になるように焦点検出系２９及び水平
位置検出系３０のキャリブレーションを行うだけでも構
わない。この際、前述の如く検出された平均的結像面の
評価を行い、この平均的な結像面の最良結像面（設計
値）に対する変化量が所定の許容値（焦点検出系２９や
水平位置検出系３０の検出可能範囲）以内であればキャ
リブレーションのみを行い、許容値を越えている場合に
は前述のレンズ駆動等の方法により補正を行うこととし
てもよい。

【００５７】ここで、前述の実施例では投影光学系ＰＬ
の結像特性を補正する手段の一例として、投影光学系Ｐ
Ｌを構成するレンズエレメントの一部を駆動する機構を
用いていたが、本発明に適用できる補正手段は上記機構
に限られるものではなく、例えばレチクルＲを駆動する
方式、もしくはレチクルＲと投影光学系ＰＬとの間に配
置したフィールドレンズを投影光学系ＰＬの光軸に対し
て垂直な面内で２次元移動、またはこの面に対して傾斜
させる方法、あるいは特定のレンズエレメント間の空気
圧を変化させる方式等を採用しても構わない。

【００５８】また、前述の計測方法と同様にして図７の
ようなグラフを求め、その非対称性から球面収差を求め
ることもでき、前述と同様にレンズエレメントを駆動す
ることにより同様に補正可能である。また、球面収差は
投影光学系ＰＬとウエハ間に平行平板ガラスを入れ、そ
の厚みを変えることにより補正できる。厚みの変え方は
例えばくさび状の一組のガラスをスライドさせるたり、
厚みの違うガラスを複数種備えた回転板を回すようにす
ればよい。

【００５９】また、以上では、開口部２１を有する基準
部材２０をＺステージ１４上に配置し、ステージの下方
から投影光学系ＰＬの結像特性計測用の照明光を照射
し、レチクル裏面からの反射光を再び投影光学系ＰＬ及
び開口部２１を介して光電検出器２８で受光するように
したが、次のようにして、結像特性計測用の照明光を照
射するようにしてもよい。

【００６０】開口パターンを有するテストレチクルを用
い、レチクル上方からその開口パターン、投影光学系Ｐ
Ｌを介してウエハステージ上の基準反射面に計測用照明
光を照射し、その基準反射面からの反射光を投影光学系
ＰＬ、レチクルの開口部２１を通して光電検出器で受光
する。この場合光電検出器はレチクルとほぼ共役な位置
に配置される。ここで、テストレチクルを用いずとも、
開口部２１を実レチクルの複数箇所に設けることによっ
て、同様に結像特性を求めることができる。

【００６１】以上では半導体集積回路を製造するための
縮小型投影露光装置について説明したが、本発明はこれ
以外の投影露光装置、例えば大型基板の液晶装置を製造
するのに使用される露光装置などにも適用できる。な
お、以上の実施例で開示された装置は第１基板に対する
第２基板の面位置を検出する面位置検出装置にも応用で
きる。

【００６２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、高速、高
精度に像面湾曲、像面傾斜、平均焦点位置を求められ、
投影光学系の結像特性を装置のスループットを落とすこ
となく定期的に補正できる。また、実際の回路パターン
が設けられたマスクをセットした状態でもスループット
を低下させずに投影光学系の結像特性を計測できる。ま
た、結像特性の予測制御と組み合わせることで予測制御
をキャリブレーションすることもでき、結像特性の補正
精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による投影装置の全体構成
を示す平面図

【図２】開口パターンを説明する図

【図３】露光領域に対応する基準部材上の開口設置箇
所を示す図

【図４】投影光学系ＰＬの上面図

【図５】焦点検出系２９の出力と光電検出器２８の出
力との関係を示すグラフ

【図６】５組の開口についての図５の関係を示すグラ
フ

【図７】像高に対する焦点検出系２９の出力を示すグ
ラフ

【図８】像高に対する焦点検出系２９の出力を示すグ
ラフであり、図７のグラフから像面傾斜成分、像面湾曲
成分を抽出したもの

【図９】像面湾曲を除去することを説明する図

【図１０】露光領域の半分だけ使用する場合の説明図

【図１１】位相格子パターンを説明する図

【図１２】位相格子パターンを使用した場合における、
焦点検出系２９と光電検出器２８の出力との関係を示す
図

【符号の説明】

１光源２シャッタ１４Ｚステージ１５ＸＹステージ１９干渉計２０基準部材２１開口２８光電検出器２９焦点検出系３０水平位置検出系３２主制御系３２Ａ合焦位置検出部３２Ｂ結像特性検出部３３駆動素子制御系４０、４１、４３、４５レンズエレメント４８、４９、５０駆動素子ＲレチクルＷウエハＰＬ投影光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のマスクパターンが形成されたマス
クを露光光で均一に照明する第１の照明系と、前記マス
クパターンの像を所定の結像面内に形成する投影光学系
と、前記所定結像面とほぼ一致するように感光基板を保
持して、前記投影光学系の光軸方向及び該光軸と垂直な
方向に移動可能なステージとを有する投影露光装置にお
いて、前記ステージ上に配置され、表面に所定の配置関係で複
数の微小開口部が形成された基準部材と；前記複数の微
小開口部を前記露光光、もしくは前記露光光とほぼ等し
い波長の光で前記ステージ側から照明し、前記複数の微
小開口部を透過した透過光を前記投影光学系を介して前
記マスクに入射させる第２の照明系と；該第２の照明系
による照明によって前記マスクに達した光のうち、前記
マスクで反射して、前記投影光学系を介して再び前記複
数の微小開口部の夫々を透過した反射光を個別に受光す
る受光面を有し、各受光量に応じた光電信号を個別に出
力する光電検出手段と；前記ステージを前記投影光学系
の光軸方向に移動させたときに前記光電検出手段から出
力される各光電信号に基づいて、前記所定結像面の、前
記複数の微小開口部の各位置での光軸方向の位置を検出
する像面状態検出手段と；前記像面状態検出手段で検出
された各位置情報に基づいて、前記投影光学系の焦点位
置、像面傾斜及び像面湾曲の少なくとも１つの特性を算
出する結像特性検出手段とを有することを特徴とする投
影露光装置。
【請求項２】前記結像特性検出手段によって得られる
計測値に基づいて前記投影光学系の光学エレメントの一
部、或いは前記ステージの一部を駆動することにより、
前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正手段
を有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】前記複数の微小開口部の夫々には市松模
様、もしくは格子状のパターンが設けられていることを
特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。