JPH07321005A

JPH07321005A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH07321005A
Application number: JP6109516A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1994-05-24
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度な結像特性が要求される投影露光装置
において、レチクルを動かすことなく、且つ他の収差に
影響を及ぼすことなく等方的像歪の補正を行う。【構成】レチクルＲのパタ−ン像を両側テレセントリ
ックな投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に結像投影す
る投影露光装置において、レチクルＲと光学系ＰＬとの
間に、その周囲の気体と屈折率の異なり且つ照明光に対
して透過性の厚さ可変の気体層３３を形成し、その気体
層３３の厚さを制御することにより、投影光学系ＰＬと
レチクルＲとの間の光路長を変化させて等方的像歪の補
正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体集積回路
や液晶デバイス等をフォトリソグラフィー工程で製造す
る際に使用される投影露光装置に関し、特に投影光学系
による投影像のディストーション等の結像特性を補正す
る機構を備えた投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来よりこの種の投影露光装置では、レ
チクル（又はフォトマスク等）の微細なパターンを高い
解像度でフォトレジストが塗布されたウエハ（又はガラ
スプレート等）上に投影するため、更には既にウエハ上
に形成されているパターン上に高い重ね合わせ精度でレ
チクルのパターンを投影するために、投影光学系による
投影像の結像特性を常に高精度に維持することが求めら
れている。この場合投影光学系の周囲の大気圧、気温等
の環境変化、レチクル若しくは投影光学系の照明光吸収
による形状変化、レチクルの照明方法の切り替え、又は
所謂位相シフトマスク等を使用する場合のようなレチク
ル上のパターンの変化等により、その結像特性が次第に
変化してしまう。なおここで、そのレチクルの照明方法
の切り替えとは、通常の照明方法から、例えば輪帯照明
法又は変形光源法等に切り替えることを言う。

【０００３】そこで、従来は、これらの環境変化の量等
を測定し、この測定結果から結像特性の変化量を予測
し、この予測された変化量を相殺するように結像特性を
補正するようにしていた。また、従来の結像特性の補正
対象は主に投影像のデフォーカスと投影倍率との２種類
であった。これらを補正するため、例えばデフォーカス
に関しては、投影光学系とウエハとの間隔を一定に保つ
機構（オートフォーカス機構）においてフォーカス位置
の目標値を補正していた。また、投影倍率の補正に関し
ては、投影光学系の内部のレンズ間を密封してその内部
圧力を変える手法、又は投影光学系の一部のレンズを光
軸方向に移動させる手法等が提案されている。

【０００４】これに関して、近年では半導体集積回路の
パターン等が益々微細化するのに伴ってデフォーカス、
投影倍率だけでなく等方的像歪（所謂糸巻型、樽型のデ
ィストーション）の変化も無視できなくなりつつある。
そして、その等方的像歪の補正手段としては、レチクル
を投影光学系の光軸方向へ移動させる機構、投影光学系
の一部のレンズを光軸方向に移動させる機構、露光用光
源（レーザ光源等）の発光波長を変化させる機構、また
は投影光学系の内部のレンズ間を密閉してその内部圧力
を変える機構等が提案されている。

【０００５】上記の如き従来の等方的像歪の補正手段に
は以下のような不都合がある。先ず、等方的像歪は投影
倍率とは異なり、高次の収差であるため、前記の補正手
段のうち、投影光学系の一部のレンズを光軸方向に移動
させる機構、露光用光源のレーザ波長を変化させる機
構、又は投影光学系の内部の所定のレンズ間の圧力を変
化させる機構を用いて補正を行うと、他の収差が変化し
てしまうという不都合がある。この場合新たに発生した
収差を別の機構で補正するものとすると、全体の補正機
構が複雑化する。また、他の収差変化を許容範囲内とし
て等方的像歪を補正しようとしても補正できる量が僅か
になってしまい、所望の補正量が得られない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、等方的
像歪を補正するためには、レチクルを光軸方向に移動す
る手法が簡便な手法と言える。しかし、最近になって結
像特性を維持したまま、より広フィールドの領域を露光
する要求が高まり、これに応えるべくレチクルとウエハ
を投影光学系に対して相対的にスキャンして露光するス
キャン型露光装置（ステップ・アンド・スキャン型露光
装置）が提案されている。この方式では、レチクルをス
リット状に照明することで投影光学系の有効露光フィー
ルドの最大直径を使用でき、かつスキャンすることによ
りスキャン方向には光学系の制限を受けることなく露光
フィールドを拡大できるという利点がある。また、投影
光学系の一部しか使用しないので、照度均一性、ディス
トーション等の精度を出し易いという利点がある。しか
しながら、このスキャン型露光装置ではレチクルとウエ
ハを高精度に同期させてスキャンしなければならないた
め、レチクル用のステージは高い剛性が要求される。こ
のようにレチクル側のステージの剛性を高めるために
は、レチクルを光軸方向に移動させる機構は無いことが
望ましい。また、ステッパーのような一括露光型の装置
でも、レチクル側のステージの剛性は高いことが望まし
い。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、他の収差に悪影
響を与えることなく、且つレチクルを移動させることな
く等方的像歪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。

【０００８】

【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に示すように転写用のパターンが形成
されたマスク（Ｒ）を露光光で照明し、その露光光のも
とでそのマスク（Ｒ）のパターンを両側テレセントリッ
クな投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板（Ｗ）上に結
像投影する投影露光装置において、そのマスク（Ｒ）と
その投影光学系（ＰＬ）との間の空間に、その投影光学
系（ＰＬ）の周囲の気体と屈折率を異にし且つその露光
光に対して透過性の厚さ可変の気体層（３３）を形成す
る気体層形成手段（１２，１３）と、その投影光学系Ｐ
Ｌによる投影像の歪みを予測又は測定する像歪検出手段
（２８，２９，３０，３１，３２）と、この像歪検出手
段により検出された歪みに応じてその気体層形成手段
（１２，１３）を介してその気体層（３３）の厚さを制
御する制御手段（Ｐ，１４〜１７）と、から構成され
る。

【０００９】この場合、その気体層（３３）の一面を、
その投影光学系（ＰＬ）のマスク（Ｒ）側のレンズの表
面、又はそのマスク（Ｒ）の下面とすることが望まし
い。また、その気体層形成手段（１２，１３）は、その
気体層（３３）内の気体の圧力によりその気体層（３
３）の厚さを制御することが望ましい。更に、例えば図
８に示すように、気体層形成手段（１２Ａ、１２Ｂ，１
３Ａ，１３Ｂ）は、その投影光学系（ＰＬ）の周囲の気
体より屈折率の大きな気体とその投影光学系（ＰＬ）の
周囲の気体より屈折率の小さな気体とがそれぞれ封入さ
れた２つの厚さが独立に可変の気体層（３３Ａ，３３
Ｂ）を形成してもよい。

【００１０】

【作用】斯かる本発明の投影露光装置によれば、装置環
境の気体と屈折率が異なる気体よりなる気体層（３３）
の厚さを変えることにより、マスク（Ｒ）と投影光学系
（ＰＬ）との間の光路長を変化させることができる。本
発明では、投影光学系（ＰＬ）の少なくともマスク側が
テレセントリックな場合、マスク（Ｒ）と投影光学系
（ＰＬ）との間の光路長を変えることにより、他の収差
に大きな悪影響を与えることなく、等方的像歪を補正で
きることを利用する。これは投影光学系の瞳の収差によ
りマスク側での主光線が位置（像高）により僅かに傾斜
しているためである。従ってその気体層（３３）の厚さ
を変えることにより、等方的像歪（所謂糸巻型、樽型の
ディストーション）を他の収差からほぼ独立に変化させ
ることができる。しかも、マスク（Ｒ）、及び投影光学
系（ＰＬ）を構成するレンズを物理的に駆動しなくてよ
いため、スキャン型露光装置に適用した場合でも、装置
の剛性が低下するといった不都合も発生しない。更に、
その気体層（３３）を投影光学系（ＰＬ）の光軸に対し
て非対称に形成することで、非等方的な像歪も補正でき
る。

【００１１】また、気体層（３３）の一面を、投影光学
系（ＰＬ）のマスク（Ｒ）側のレンズ（１８）の表面、
又はマスク（Ｒ）の下面とした場合には、気体層を密閉
した独立の光学容器を持つものに比較して、装置スペー
スが小さくて済み、構造が簡便になる。更にマスク
（Ｒ）と投影光学系（ＰＬ）との間に介在する環境気体
のゆらぎによる光学的影響を少なくすることができる。

【００１２】また、気体層（３３）の厚さを気体層（３
３）内の気体の圧力により制御する場合には、気体層
（３３）を密閉する壁の一面となる例えば平行平面板
（１２）は、その面にかかる気体の均一な面圧力によ
り、容易に平行に移動される。また、機械的な駆動方法
に比べて構成が簡略である。更に、気体層形成手段が、
投影光学系（ＰＬ）の周囲の気体より屈折率の大きな気
体とその投影光学系（ＰＬ）の周囲の気体より屈折率の
小さな気体とがそれぞれ封入された２つの厚さが独立に
可変の気体層（３３Ａ，３３Ｂ）を形成する場合には、
一層の気体層だけでは像歪の補正が十分できないときで
もその像歪を補正できる。即ち、２つの屈折率の異なる
気体層（３３Ａ，３３Ｂ）を設けることによりマスク
（Ｒ）と投影光学系（ＰＬ）との間の光路長の変化幅は
より大きくなる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
について図１〜図７を参照して説明する。本発明は、一
括露光型（ステップ・アンド・リピート方式等）及びス
キャン露光型（ステップ・アンド・スキャン方式等）の
何れにも適用できる。以下では本発明の効果がより発揮
されるスキャン露光型に適用した場合につき説明する。
ただし、一括露光型への適用もほぼ同一である。なお、
図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＩＸに平行にＺ軸
を取り、その光軸ＩＸに垂直な平面内で図１の紙面に平
行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。

【００１４】図１は本発明の一実施例の投影露光装置の
概略を示し、この図１において、光源１としては、例え
ばＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザ等のエ
キシマレーザ光源、銅蒸気レーザやＹＡＧレーザの高波
波発生装置、あるいは超高圧水銀ランプ等が使用され
る。光源１が超高圧水銀ランプの場合、光源１からは紫
外の輝線（ｇ線、ｉ線等）よりなる照明光ＩＬが射出さ
れる。照明光ＩＬはコリメータレンズ、フライアイレン
ズ等よりなる照度均一化光学系２に入射し、照度分布が
ほぼ均一な光束に変換された後、照明条件切り替え用の
ターレット３に導かれる。

【００１５】図２は、図１のターレット３の正面図であ
り、この図２においてターレット３には９０°間隔で絞
り４１〜４４が配置されており、ターレット３を回転さ
せて絞り４１〜４４を切り替えることにより、投影光学
系ＰＬのフーリエ変換面（瞳面）の光強度分布を変更す
ることができる。この方法は、投影光学系の解像力を向
上させる技術の一つであり、露光すべきパターンによ
り、これらの絞り４１〜４４の中から最適なものが選択
される。

【００１６】図２の例では、円形の絞り４１が通常の開
口絞り（σ絞り）で、輪帯状の絞り４２は輪帯照明を行
うための絞りである。また、小さい円形の絞り４３は光
束の角度を絞るためのものであり、通常の照明系におい
て、コヒーレンスファクタ（σ値）が小さい（例えばσ
値が０．１〜０．４程度の）場合に相当する。４個の偏
心した円形（又は十字型遮光部を有する）よりなる絞り
４４は、複数傾斜照明（変形光源）用の絞りで、一般に
ライン・アンド・スペースパターンを高解像度で露光す
るために使用されるものである。ターレット３はレチク
ルＲのパターンに応じて、逐次最適なものに変更しなが
ら使用される。

【００１７】さて、ターレット３の所定の絞りを通過し
た照明光ＩＬは、その両側に光電センサ３１，３２を備
えたビームスプリッタ４に達する。ビームスプリッタ４
は、ほぼ全ての光束を通過させるが、一部の光束を反射
するものであり、ターレット３側から来てビームスプリ
ッタ４で反射された光束は光電センサ３２へ入射し、ウ
エハＷ側から来てビームスプリッタ４で反射された光は
光電センサ３１に入射する。光電センサ３１，３２の検
出信号は、後述するように投影光学系ＰＬの収差変化を
計算するのに用いられる。照明光ＩＬはさらにリレーレ
ンズ、視野絞り、コリメータレンズ等から成る照明光学
系５を経て、ダイクロイックミラー６により反射され、
半導体の回路パターン等が描かれたレチクルＲを照明す
る。レチクルＲはレチクルステージＲＳＴ上に真空吸着
され、このレチクルステージＲＳＴは照明光学系５のダ
イクロイックミラー６により折り曲げられた光軸（投影
光学系ＰＬの光軸と一致している）ＩＸに垂直な平面
（ＸＹ平面）内で２次元的に微動してレチクルＲを位置
決めする。

【００１８】また、レチクルステージＲＳＴはリニアモ
ータ等で構成されたレチクル駆動部（不図示）により、
Ｘ方向（走査方向）に所定の走査速度で移動可能となっ
ている。レチクルステージＲＳＴは、レチクルＲの全面
が少なくとも照明光学系の光軸ＩＬを横切ることができ
るだけの移動ストロークを有している。レチクルステー
ジＲＳＴの端部には干渉計９からのレーザビームを反射
する移動鏡８が固定されており、レチクルステージＲＳ
Ｔの走査方向の位置は干渉計９によって、例えば０．０
１μｍ程度の分解能で常時検出されている。干渉計９か
らのレチクルステージＲＳＴの位置情報はステージ制御
系３０Ａに送られ、ステージ制御系３０Ａはレチクルス
テージＲＳＴの位置情報に基づき、レチクル駆動部（不
図示）を介して、レチクルステージＲＳＴを駆動する。
不図示のレチクルアライメント系により所定の基準位置
にレチクルＲが精度良く位置決めされるように、レチク
ルステージＲＳＴの初期位置が決定されるため、移動鏡
８の位置を干渉計９で測定するだけで、レチクルＲの位
置が十分高精度に測定される。

【００１９】さて、レチクルＲ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の回路パターンを縮小倍率
β（例えば１／５あるいは１／４）で縮小した投影像
を、その表面にフォトレジスト（感光材）が塗布された
ウエハＷ上に形成する。また、投影光学系ＰＬの瞳面
（レチクルＲに対するフーリエ変換面）付近には光軸Ｉ
Ｘ付近の光束を遮光する光学的フィルタ、即ち中心遮光
型の瞳フィルタＰＦが着脱自在に設置されている。瞳フ
ィルタＰＦは、特にコンタクトホールパターンを露光す
る際に解像度及び焦点深度を改善するものである。主制
御系３０が着脱装置３０Ｂを介して瞳フィルタＰＦの着
脱を制御する。更に本実施例の投影光学系ＰＬには、結
像特性の補正のための機構（１２〜２５，Ｐ）が取り付
けられているが、これらの機構については後述する。

【００２０】図３は、図１のレチクルＲ及びウエハＷの
走査の状態を示す斜視図である。本実施例の投影露光装
置においては、図３に示すようにレチクルＲの走査方向
（Ｘ方向）に対して垂直な方向（Ｙ方向）に長手方向を
有する長方形（スリット状）の照明領域ＩＡＲでレチク
ルＲが照明され、レチクルＲは露光時に−Ｘ方向（又は
＋Ｘ方向）に速度Ｖ_R でスキャンされる。照明領域ＩＡ
Ｒ（中心は光軸ＩＸとほぼ一致）内のパターンは、投影
光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投影され、スリット状
の投影領域ＩＡが形成される。ウエハＷはレチクルＲと
は倒立結像関係にあるため、ウエハＷは速度Ｖ_R の方向
とは反対の＋Ｘ方向（又は−Ｘ方向）に、レチクルＲに
同期して、速度Ｖ_W でスキャンされ、ウエハＷ上のショ
ット領域ＳＡの全面にレチクルＲのパターンが逐次露光
される。走査速度の比（Ｖ_W ／Ｖ _R ）は投影光学系ＰＬ
の縮小倍率βに正確に一致したものになっており、レチ
クルＲのパターン領域ＰＡのパターンがウエハＷ上のシ
ョット領域ＳＡ上に正確に縮小転写される。照明領域Ｉ
ＡＲの長手方向の幅は、レチクルＲ上のパターン領域Ｐ
Ａよりも広く、遮光領域ＳＴの最大幅よりも狭くなるよ
うに設定され、レチクルＲをスキャンすることによりパ
ターン領域ＰＡ全面が照明されるようになっている。

【００２１】再び図１の説明に戻って、ウエハＷはウエ
ハホルダ７上に真空吸着され、ウエハホルダ７はウエハ
ステージＷＳＴ上に保持されている。ウエハホルダ７は
不図示の駆動部により、投影光学系ＰＬの最良結像面に
対し、任意方向に傾斜可能で、かつ光軸ＩＸ方向（Ｚ方
向）に微動できる。また、ウエハホルダ７は光軸ＩＸの
回りの回転動作も可能である。一方、ウエハステージＷ
ＳＴは前述のスキャン方向（Ｘ方向）の移動のみなら
ず、複数のショット領域内の任意のショット領域に随時
移動できるよう、スキャン方向に垂直な方向（Ｙ方向）
にも移動可能に構成されており、ウエハＷ上の各ショッ
ト領域へスキャン露光する動作と、次のショット領域の
露光開始位置まで移動する動作とを繰り返すステップ・
アンド・スキャン動作を行う。モータ等のウエハステー
ジ駆動部（不図示）はウエハステージＷＳＴをＸ及びＹ
方向に駆動する。ウエハステージＷＳＴの端部には干渉
計１１からのレーザビームを反射する移動鏡１０が固定
され、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内での位置は干
渉計１１によって、例えば０．０１μｍ程度の分解能で
常時検出されている。ウエハステージＷＳＴの位置情報
（又は速度情報）はステージ制御系３０Ａに送られ、ス
テージ制御系３０Ａはこの位置情報（又は速度情報）に
基づいてウエハステージ駆動部を制御する。

【００２２】また、図１の装置にはウエハＷの露光面に
向けてピンホール像、あるいはスリット像を形成するた
めの結像光束を光軸ＩＸに対して斜め方向に供給する照
射光学系２６と、その結像光束のウエハＷの露光表面で
の反射光束をスリットを介して受光する受光光学系２７
とから成る斜入射方式のウエハ位置検出系（焦点位置検
出系）が、投影光学系ＰＬを支える支持部（不図示）に
固定されている。このウエハ位置検出系のより詳細な構
成については、例えば特開昭６０−１６８１１２号公報
に開示されている。ウエハ位置検出系はウエハの露光面
の投影光学系ＰＬの最良結像面に対するＺ方向の位置偏
差を検出し、ウエハＷと投影光学系ＰＬとが所定の間隔
を保つようにウエハホルダ７をＺ方向に駆動するために
用いられる。ウエハ位置検出系からのウエハ位置情報
は、主制御系３０を介してステージ制御系３０Ａに送ら
れる。ステージ制御系３０Ａはこのウエハ位置情報に基
づいてウエハホルダ７をＺ方向に駆動する。

【００２３】なお、本実施例では投影光学系ＰＬの最良
結像面（結像面）が零点基準となるように、予め受光光
学系２７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、ウエハ位置検
出系のキャリブレーションが行われるものとする。ま
た、例えば特開昭５８−１１３７０６号公報に開示され
ているような、被検面に平行光束を照射し、反射光の集
光点の横ずれ量を検出する水平位置検出系を用いたり、
あるいは投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の任意
の複数の位置での焦点位置を検出できるようにウエハ位
置検出系を構成する（例えば複数のスリット像をイメー
ジフィールド内に投影する）ことによって、ウエハＷ上
の所定領域の結像面に対する傾きを検出してもよい。こ
の場合、ウエハホルダ７の傾斜角の調整によりレベリン
グが行われる。

【００２４】また、ウエハステージＷＳＴ上には光電セ
ンサ２８が設置され、投影光学系ＰＬの付近には大気
圧、気温、湿度等の測定を行う環境センサ２９が設けら
れて、おのおのの検出信号が投影光学系ＰＬの結像特性
の変化を計算するのに用いられる。詳しくは後述する。
次に本実施例における等方的像歪の補正機構を含めた結
像特性補正機構について説明を行う。前記のように補正
すべき結像特性の種類は、露光する線幅が小さくなるに
つれより多くなる傾向にある。このため本実施例でも、
（イ）等方的像歪（以下「ディストーション」ともい
う）に加えて、（ロ）投影倍率、（ハ）デフォーカス、
及び（ニ）像面湾曲の４種類を補正する場合の例を示
す。

【００２５】先ず、（イ）のディストーションは、レチ
クルＲと投影光学系ＰＬとの間の空間に設けた気体層３
３の厚さを制御することにより補正する。ここで、気体
層３３の厚さを変化させる機構について、図１を参照し
ながら具体的に説明する。気体層３３は、その周囲をガ
ラス製の平行平面板１２と、伸縮自在な蛇腹状の筒１３
と、投影光学系ＰＬの最上部レンズ１８の表面１８ａと
により囲まれた、殆ど密閉された空間である。気体層３
３の厚さを変化させるため、本実施例では外部の空気圧
と、気体層３３内の気体圧との圧力差を利用している。
平行平面板１２はレチクルＲに平行を保つ必要があるた
め、平行平面板１２を均一な圧力で支える気体圧力方式
を採用した。本方式では、リニアエンコーダ１４により
平行平面板１２のＺ方向の位置を検知し、平行平面板１
２が目標値に達するように圧力コントローラ１６により
配管系Ｐを介して気体層３３の内部の圧力を制御してい
る。気体層３３の必要圧力は、平行平面板１２の重さを
支えるだけでよいので、外部の環境気体との圧力差は微
少である。しかしながら、内部気体の圧力によっても気
体層３３の屈折率が変化するため、内部圧力を測定する
圧力センサ１５を配管系Ｐに設け、圧力センサ１５の検
出結果を屈折率の計算に用いる。

【００２６】また、気体のタンク１７を配管系Ｐを介し
て気体層３３と流通させ、タンク１７によりリーク等に
よる気体の損失分を補うようにしている。ただし、屈折
率の異なる気体のリークは周辺の空気の屈折率ゆらぎに
なり、結像等に悪影響を与えるため、気体層３３は厳密
に密封しなければならない。気体層３３内に封入する気
体の条件としては、安定（不活性）で安価であること、
通常空気との屈折率の差ができるだけ大きいこと、露光
光の波長帯である紫外線の透過率が高いこと、及び光化
学反応等を起こさないことが挙げられる。空気より屈折
率が小さい気体の代表的なものとしては、ヘリウム（Ｈ
ｅ）、ネオン（Ｎｅ）、フロン（Ｆ₂）、あるいは水素
（Ｈ₂）等が挙げられ、空気より屈折率の大きい気体の
代表的なものとしては、ベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）、二酸化炭
素（ＣＯ₂）、クリプトン（Ｋｒ）、あるいはキセノン
（Ｘｅ）等が挙げられる。

【００２７】また、気体層３３の厚さを変える方法とし
ては、平行平面板１２のレチクルＲに対する平行度が保
てれば、モータ等によって駆動してもよい。この場合、
気体層３３の圧力は外部空気と同一にしてもよく、配管
系Ｐ等に力がかからない構成をとることができる。次
に、気体層３３の厚さにより等法的像歪を制御する原理
につき図４〜図６を参照して詳しく説明する。

【００２８】図４は、本例における等方的像歪の補正原
理を模式的に説明する図である。図５は本例における等
方的像歪の補正結果の一例を示す図であり、図６は実際
の像歪の一例を示す図である。投影光学系ＰＬは両側テ
レセントリックな光学系で、本来はレチクルＲから投影
光学系ＰＬへ向かう主光線は全て光軸ＩＸに平行である
はずであるが、実際は除去できない収差により微少なが
ら傾きを持つ。通常、主光線は露光フィールドのセンタ
ーと周辺とでほぼ光軸ＩＸに平行になるように調整され
るため、図４に示すように中間での主光線は光軸ＩＸに
対して傾いている。このため図４の（ａ）、（ｂ）に示
すように気体層３３の光軸ＩＸ上での厚さをＴ₁からＴ
₂に変えると、投影光学系ＰＬの最上部レンズ１８に入
射する主光線の位置が中間像高のみ左右方向（Ｙ方向）
にシフトする。このため、空気層３３の厚さがＴ₁とＴ
₂との中間の状態でディストーションがほぼ０になるよ
うに調整を行えば、図５に示すようにディストーション
曲線を曲線ａ、曲線ｂのように任意に変化させることが
できる。図５の縦軸は像高（ｈ）であり、図４（ａ）に
示すように露光フィールドの中心からの距離を表し、図
５の横軸はディストーション量（ΔＹ）を表している。
通常ディストーションのみ変動することはなく、倍率成
分も変化するため、ディストーション曲線は図６の曲線
ｃのように変化する。しかし、本実施例では倍率成分と
ディストーション成分とはそれぞれ独立の補正機構で補
正するため、良好に補正が行える。

【００２９】次に他の補正項目（（ロ）投影倍率、
（ハ）デフォーカス、及び（ニ）像面湾曲）の補正機構
について簡単に説明する。（ロ）の投影倍率及び（ニ）
の像面湾曲の補正については、投影光学系ＰＬを構成す
るレンズのうち最上部レンズ１８、及び次のレンズ２０
を光軸方向へ駆動させる方式を本実施例では採用する。
図１において、最上部レンズ１８はホルダ１９に固定さ
れ、またレンズ２０はホルダ２１に固定されている。ホ
ルダ１９とホルダ２１とは伸縮自在な駆動素子２３を介
して接続されている。駆動素子２３としては例えばピエ
ゾ素子が用いられ、駆動素子２３は円周上に約２〜４個
配置される。また、ホルダ２１は、投影光学系ＰＬの本
体と駆動素子２４を介して接続されている。駆動コント
ローラ２５は主制御系３０からの指令に応じて、駆動素
子２３及び２４を駆動する。通常、駆動素子２３，２４
の伸縮量は位置センサ（不図示）によりフィードバック
制御される。最上部レンズ１８及び次のレンズ２０の光
軸方向への移動により、各々投影倍率と像面湾曲とが変
化する。所望の投影倍率、像面湾曲の特性を得たいとき
は、これらの２元連立方程式を解くことにより、最上部
レンズ１８、レンズ２０各々の駆動量を計算する。ま
た、（ハ）のデフォーカスの補正に関しては、前記の受
光光学系２７内の平行平板ガラスの角度を調整し、所望
の位置にウエハＷを位置合わせすればよい。

【００３０】以上の通り（イ）のディストーションの補
正は気体層３３の厚さにより、（ロ）の投影倍率及び
（ニ）の像面湾曲の補正は最上部レンズ１８、次のレン
ズ２０の駆動により、そして（ハ）のデフォーカスの補
正は受光光学系２７のオフセット調整で行うことができ
る。（イ）、（ロ）、及び（ニ）を補正したことにより
発生するデフォーカスも合わせて（ニ）の最上部レンズ
１８、レンズ２０で補正すれば全てを補正できる。
（ロ）〜（ニ）の補正法に関しては本実施例の他に種々
考案されており、いずれの方法を用いてもよいし、必要
がなければ用いなくてもよい。他の方法としては、投影
光学系ＰＬの所定のレンズ間隔内部の空気圧を変化させ
る方法、又は光源１の波長を変化させる方法等がある。

【００３１】次に、前記の補正手段に対する目標値の決
め方、つまり補正対象の変化量の検知手段について説明
を行う。各補正対象に対する検知手段はほとんど同じで
あるので、（イ）のディストーションを一例として説明
を行う。ディストーションは、代表的には（ホ）大気圧
変化、（ヘ）照明条件の変化、（ト）投影光学系の照明
光吸収、及び（チ）レチクルの照明光吸収により変化す
る。この他にも複数の露光装置をミックスして使用する
場合、ウエハの前層への露光に使用した露光装置のディ
ストーションに合わせるようにこれから使用する露光装
置のディストーションを変化させる場合もある。

【００３２】先ず、（ホ）の大気圧変化に対しては、環
境センサ２９により大気圧の変化が測定され、測定結果
が主制御系３０に送られる。通常、大気圧変化とディス
トーション変化とは比例関係にあるため、予め光学シミ
ュレーション、実験等で求めた比例定数より、大気圧変
化からディストーションの変化分が計算できる。この他
気温、湿度等に関しても同様にディストーションの変化
分が計算できる。

【００３３】次に（ヘ）の照明条件の変化に関して、照
明条件によりレチクルＲからの光束の投影光学系ＰＬ内
部での光路が異なってくるため、投影光学系ＰＬに残存
する収差の影響を受けることによりディストーションが
発生する。これに対しては、ターレット３の位置を主制
御系３０に知らせることにより照明条件が分かるため、
これも予め実験等で求めておいたディストーションの変
化量から求まる。投影光学系ＰＬ内部の光路が変化する
条件としては、他にレチクルＲのパターンの微細度、あ
るいは位相シフターの有無による回折光の角度の差、あ
るいは投影光学系ＰＬの瞳面の絞り（ＮＡ絞り）の大き
さ、あるいは瞳面での瞳フィルターＰＦの有無がある。
これらに関しても同様に予めディストーション変化との
関係を求めておけばよい。また他の方法として、投影光
学系ＰＬの瞳面の光強度分布を直接測定するという方法
も考えられる。これは予め瞳面光強度分布とディストー
ション変化との関係を求めておき、この求めておいた関
係を実測値と比較することによりディストーションを求
める方法である。瞳面での光強度分布の測定方法として
は、瞳面にセンサを挿入する方法や、像面上のセンサで
光量を測定しながら瞳面の絞りを開閉する方法等が考え
られる。

【００３４】次に（ト）の投影光学系の照明光吸収の補
正を行う際には、ウエハステージＷＳＴ上の光電センサ
２８でレチクルＲの透過率を求め、光電センサ３２で光
源１の光強度を求めることにより、投影光学系ＰＬに入
射する光エネルギー量を求める。さらに、ウエハＷから
反射し再び投影光学系ＰＬに入射する光エネルギーも光
電センサ３１により測定できる。そして、入射する光エ
ネルギーとディストーションとの変化特性も予め実験等
で求め、微分方程式等の形で記憶しておけば、計算によ
り照明光吸収によるディストーション量を求めることが
できる。

【００３５】次に、（チ）のレチクルの照明光吸収に関
しては、（ト）と同様にウエハステージＷＳＴ上の光電
センサ２８によりレチクルＲの透過率、つまりレチクル
Ｒのパターン密度を求めることができ、光電センサ３２
よりレチクルＲに入射する光強度が求まる。レチクルＲ
の照明光吸収が起こるのは透過部でなくパターン部であ
るため、パターン密度とパターンの光吸収率とが分かれ
ば、レチクルＲが吸収する熱量が求まる。パターンの光
吸収率はパターンの材質で決まるため、予め入力してお
けばよい。また、（ト）と同様に吸収した光エネルギー
に対するディストーションの変化特性は予め実験等で求
めておき、微分方程式等の形で記憶しておけばよい。以
上のように（ホ）、（ヘ）、（ト）、及び（チ）により
発生するディストーション量が求まる。よって補正しな
ければならないディストーション量は（ホ）〜（チ）の
和で求まる。

【００３６】上記の方法では、ディストーションを変化
させる要因を測定して、ディストーション変化量を計算
で求めたが、直接ディストーションを測定する方法も考
えられる。それにつき図７を参照して説明する。図７
は、像歪を測定する場合のレチクルＲ上のマークを示
し、この図７において、ディストーションを直接測定す
るためにレチクルＲのパターン領域ＰＡの外に位置測定
用のマークＭＫを複数描いておき、照明領域ＩＡＲでマ
ークＭＫのみを照明し、そのマークの像の位置をウエハ
ステージＷＳＴ上に設けた光電センサで測定して求め
る。ウエハステージＷＳＴ上の光電センサとしては、例
えばＣＣＤ等の２次元あるいは１次元の撮像素子が使用
でき、この場合はこの撮像素子でマークＭＫの像の位置
を画像処理で測定する。また、その光電センサとして、
スリットとこのスリットを介してマークＭＫの像を受光
する受光素子とを用い、この受光素子の信号よりスリッ
トの位置とマークの位置との相対位置を求める方法等も
知られている。これらの方法は、測定に時間がかかるこ
ともあり頻繁に実施できないため、前記の計算による方
法と併用すればより効果がある。

【００３７】以上によりディストーションの変化量が求
まるため、これを打ち消すように気体層３３の厚さを変
えてやればよい。次に、本発明の他の実施例及び更にも
う１つの実施例につきそれぞれ図８及び図９を参照して
説明する。図８は他の実施例で形成される気体層を示
し、この図８において最上部レンズ１８の表面１８ａに
伸縮自在の筒１３Ｂを介して透明な平行平面板１２Ｂを
取り付け、平行平面板１２Ｂの上に伸縮自在の筒１３Ａ
を介して平行平面板１２Ａを取り付ける。これにより、
レンズの表面１８ａ、筒１３Ｂ、及び平行平面板１２Ｂ
で囲まれた気体層３３Ｂと、平行平面板１２Ｂ、筒１３
Ａ、及び平行平面板１２Ａで囲まれた気体層３３Ａとが
形成され、周辺の空気より屈折率が大きい気体を気体層
３３Ａに供給し、屈折率が小さい気体を気体層３３Ｂ
（３３Ａと３３Ｂの位置は逆であってもよい）に供給す
る。気体層３３Ｂの形成位置は図１の気体層３３の形成
位置と同じである。図１と同様に気体層３３Ａ及び３３
Ｂの圧力は各々配管系ＰＵ及びＰＤを介して、それぞれ
の圧力コントローラー１６Ａ及び１６Ｂにより制御され
る。気体層が１層だけではディストーションの補正が十
分に出来ない場合、本実施例の気体層形成手段を用いれ
ば、レチクルＲと投影光学系ＰＬとの間の光路長の変化
幅を大きくとることができ、従って、十分にディストー
ションの補正が行える。

【００３８】図９は更に別の実施例の気体層を示し、こ
の図９において、レチクルステージＲＳＴ側に伸縮自在
の筒１３Ｃを介して透明な平行平面板１２Ｃを取り付
け、レチクルＲの下面、筒１３Ｃ、及び平行平面板１２
Ｃ等で囲まれる気体層３３Ｃを設けたものである。そし
て気体層３３Ｃの圧力は上述実施例と同様に、配管系Ｐ
を介して、圧力コントローラー１６Ｃにより制御され
る。本実施例によれば、スキャンされるレチクルステー
ジＲＳＴ側に気体層３３Ｃがあるため、図１の例のよう
にレチクルステージＲＳＴの端部がスキャンの際に気体
層に接触するといったことがなくなる。また、図９のミ
ラー９１を介してアライメント用等の光束９２を投影光
学系ＰＬの最上部レンズ１８より入射させたいときにも
気体層３３Ｃが邪魔にならないという利点がある。

【００３９】また、上記までの実施例はすべて、気体層
を密閉するため、光軸ＩＸにほぼ垂直な１壁面として最
上部レンズ１８あるいはレチクルＲを使用して、他面を
平行平面板としたが、その光軸ＩＸにほぼ垂直な相対す
る両壁面として２枚の平行平面板を使用してもよい。ま
た平行平面板の代わりに曲率を持ったレンズを使用する
場合も考えられる。また、気体層を光軸ＩＸに関して非
対称（例えば平行平面板を傾斜させる等）にしてもよ
く、これにより非等方的な像歪も補正できる。

【００４０】また、以上の各実施例では投影像の像歪を
例えばモデル関数を用いた計算（シミュレーション）に
より求めるようにしたが、従来より提案されている各種
計測方法（例えばウエハステージ上にスリット及び受光
素子を設けて実際の像を検出し、その検出結果に基づい
て像の歪みを検出する等の計測方法）を採用して像歪を
実測してもよい。このように、本発明は上述実施例に限
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。

【００４１】

【発明の効果】本発明の投影露光装置によれば、マスク
と投影光学系との間に気体層を形成し、その気体層の厚
さを簡便且つ効率的に制御する機構を設けているため、
簡便な機構で、投影光学系とマスクとの間の光路長を、
マスクを移動することなく効率的に変化させることがで
きる。そのため、マスクを保持するステージの剛性を下
げることなく、等方的像歪を補正できるという利点があ
る。更に、他の収差補正も容易に行える。

【００４２】また、気体層を包む密閉空間を構成する一
面として、マスク側のレンズあるいはマスクの下面を用
いた場合には、本発明の投影露光装置を簡便でスペース
効率よく構成することができると共に、マスクと投影光
学系との間に介在する環境気体のゆらぎによる光学的影
響も排除できる。更に、気体層の厚さを、その気体層の
気体の圧力により制御する場合には、簡便な機構で気体
層の厚さが制御できると同時に、平行平面板が容易に平
行に保たれるという利点がある。

【００４３】更に又、屈折率の異なる２つの気体層を用
いた場合には、マスクと投影光学系との間の光路長の変
化幅を広くとることができ、従ってディストーションの
補正範囲を広く取ることが出来るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の投影露光装置の概略を示す
構成図である。

【図２】図１の照明条件切り換え用のターレット３の説
明図である。

【図３】図１の投影露光装置におけるレチクルＲ及びウ
エハＷの走査の状態を示す斜視図である。

【図４】本発明における等方的像歪の補正原理を模式的
に説明する説明図である。

【図５】本発明における等方的像歪の補正結果を示す図
である。

【図６】実際の像歪の発生を示す図である。

【図７】像歪を測定するマスク上のマークを説明する図
である。

【図８】図１の気体層形成手段の他の実施例を示す図で
ある。

【図９】図１の気体層形成手段の更にもう１つの他の実
施例を示す図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系ＷウエハＩＬ照明光３３気体層１２平行平面板１３筒１６圧力コントローラー１７タンク３０主制御系２９環境センサ２８，３１，３２光電センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】転写用のパターンが形成されたマスクを
露光光で照明し、前記露光光のもとで前記マスクのパタ
ーンを両側テレセントリックな投影光学系を介して感光
基板上に結像投影する投影露光装置において、前記マスクと前記投影光学系との間の空間に、前記投影
光学系の周囲の気体と屈折率を異にし且つ前記露光光に
対して透過性の厚さ可変の気体層を形成する気体層形成
手段と、前記投影光学系による投影像の歪みを予測又は測定する
像歪検出手段と、該像歪検出手段により検出された歪みに応じて前記気体
層形成手段を介して前記気体層の厚さを制御する制御手
段と、を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記気体層の一面が前記投影光学系の前
記マスク側のレンズの表面、又は前記マスクの下面であ
ることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記気体層形成手段は、前記気体層内の
気体の圧力により前記気体層の厚さを制御することを特
徴とする請求項１又は２記載の投影露光装置。
【請求項４】前記気体層形成手段は、前記投影光学系
の周囲の気体より屈折率の大きな気体と前記投影光学系
の周囲の気体より屈折率の小さな気体とがそれぞれ封入
された２つの厚さが独立に可変の気体層を形成すること
を特徴とする請求項１記載の投影露光装置。