JPH0950952A

JPH0950952A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0950952A
Application number: JP7200800A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西; Kazuo Ushida; 一雄牛田; Shigeo Murakami; 成郎村上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1997-02-18
Anticipated expiration: 2015-08-07
Also published as: JP3552351B2

Abstract

(57)【要約】【課題】大気圧や投影光学系の周囲の温度等の環境変
化、又は露光用照明光の吸収等によって悪化する投影光
学系の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）を補正する。【解決手段】投影光学系ＰＬ１を構成するレンズエレ
メント２５〜３８Ａ内でレンズエレメント３６Ａ，３７
Ａのみを蛍石より形成し、その他のレンズエレメントを
石英より構成する。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、温度制御装置１３
ａから温度制御された気体を供給し、その気体室を通過
した気体を温度制御装置１３ａに戻す。石英からなるレ
ンズエレメントに依って生ずる非線形倍率誤差を、レン
ズエレメント３６Ａ，３７Ａの温度制御によって除去
し、残留する線形倍率誤差を、レンズエレメント３３，
３４間の気体室内の気体の圧力制御によって除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

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

【０００２】

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

【０００３】一般に、投影光学系を設計する際には所定
の条件下で光学的諸収差がほぼ０になるように設計され
るが、投影露光を行う際の環境が変化して投影光学系近
傍の大気圧や温度が変化するか、又は露光用照明光の照
射による熱吸収等があると、投影光学系を構成するレン
ズ間の気体の屈折率変化、レンズ膨張、レンズの屈折率
変化、及びレンズ鏡筒の膨張等が発生する。このため、
レチクルのパターンをウエハ上に投影するときに、その
投影像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、互いに屈折率の温度特性の異なる硝材よりなる複数
組の光学部材（２５〜３４，３５Ａ，３８Ａと３６Ａ，
３７Ａ）を有し、これら複数組の光学部材中の少なくと
も１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（１
８）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（ＰＬ
１）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４９
Ｂでは温度が上昇すると、結像面ＦＢが正レンズ４９Ｂ
に近付く方向に変位する。一方、蛍石は温度の上昇で膨
張し、屈折率は小さくなる特性を持っている。そのた
め、図６（ａ）に示すように、蛍石の正レンズ４９Ａで
は温度が上昇すると、結像面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ＰＬ
１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
Ｖ_Rで走査されるのと同期して、ウエハステージ２が＋
Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度Ｖ_W(＝β・Ｖ_R)で走査さ
れる。これにより、レチクルＲのパターンが逐次ウエハ
Ｗ上の各ショット領域に転写される。

【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５
３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１
２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ＰＬ
１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１２
ａ、ベローズ機構１２ｂ、及び配管１２ｃより図１のレ
ンズ制御装置１２が構成され、ベローズ機構１２ｂの伸
縮量の調整によってその気体室内の気体（例えば空気）
の圧力が制御できるようになっている。

【００２３】そして、蛍石よりなるレンズエレメント３
６Ａ，３７Ａ及びレンズ枠Ｇ２で囲まれた気体室には、
配管２１を介して温度制御装置１３ｂから、主制御装置
１８に指示された任意の温度の気体が供給され、その気
体室を循環した気体が配管２２を介して温度制御装置１
３ｂに戻される構成となっている。なお、その気体室内
に流す気体が投影光学系ＰＬ１の周囲の大気（空気）と
同じ成分である場合には、必ずしもその気体室を通過し
た気体を配管２２を介して温度制御装置１３ｂに戻す必
要はないが、例えば温度管理の容易な気体（例えば窒素
ガス等）を使用する場合には、閉ループで温度制御を行
うために配管２２を使用する必要がある。

【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３
７Ａ，３８Ａ及びレンズ枠Ｇ２により囲まれた気体室、
及びレンズエレメント３５Ａ，３６Ａ及びレンズ枠Ｇ２
により囲まれた気体室には、それぞれ配管１９及び２０
を介して温度制御装置１３ａから一定温度の気体を流し
ている。この一定温度の気体としては、温度伝導率の低
い気体（空気等）が使用され、それらの気体室を循環し
た気体がそれぞれ配管２３Ａ及び２４Ａを介して温度制
御装置１３ａに戻されている。温度制御装置１３ａ，１
３ｂ、及び配管１９〜２２，２３Ａ，２４Ａより図１の
レンズ温度制御装置１３が構成されている。

【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４９
Ａ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６
３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Ｈ_maxの１０割（即ち、Ｈ_maxそのもの）、及
び８割（即ち、０．８Ｈ_max）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Ｙ_iを算出する。

【００３３】Ｙ_i＝（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Ｘ_i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Ｘ_i、Ｙ座標Ｙ_i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）（Ｘ
Ｄ_i，ＹＤ_i)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（Ｘ_i，Ｙ_i)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（ＸＤ_i，
ＹＤ_i)をその回転誤差Δφだけ回転して得られた計算上
の位置（ＸＣ_i，ＹＣ_i)と、実際に計測された位置（Ｘ
_i，Ｙ_i)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、（Ｘ_i−ＸＣ_i，Ｙ_i−ＹＣ_i)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
（ＸＣ_i，ＹＣ_i)を、（２）式の倍率βを用いて補正し
て得られた位置（ＸＣ_i'，ＹＣ_i'）と、各対の評価用マ
ークの投影像の計測された位置（Ｘ_i，Ｙ_i)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、（Ｘ_i−ＸＣ_i'，Ｙ_i−ＹＣ_i'）となり、これらの
ずれ量をそれぞれ計算上の像高Ｈ（位置（ＸＣ_i'，ＹＣ
_i'）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Ｈ_maxの１０割となる位置（即ち、Ｈ＝Ｈ_max）
での倍率誤差と定義して、その像高Ｈ_max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Ｈ_maxの７割となる位置（即ち、Ｈ＝０．７Ｈ
_max）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０．７Ｈ_max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Ｈ_max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．
７Ｈ_max）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，３
７Ａ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ｘ
₁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，ｘ
₁，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１
３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，３
７Ａ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ｇ
３（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３６
Ａ，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：３６５
ｎｍ）の方がエキシマレーザ光に比べて投影光学系での
吸収が大きく、投影光学系の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３５
Ｂ〜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３６
Ｂ，３７Ｂ及びレンズ枠Ｇ３で囲まれた気体室には、配
管１９を介して温度制御装置１３ａから、所定温度の気
体が供給され、その気体室を循環した気体が配管２３Ｂ
を介して温度制御装置１３ａに戻され、レンズエレメン
ト３５Ｂ，３６Ｂ及びレンズ枠Ｇ３で囲まれた気体室に
は、配管２０を介して温度制御装置１３ａから、所定温
度の気体が供給され、その気体室を循環した気体が配管
２４Ｂを介して温度制御装置１３ａに戻される構成とな
っている。そして、主制御装置１８からの指令に基づい
て温度制御装置１３ａは、強制空調によって、レンズエ
レメント３６Ｂの前後のレンズエレメント３５Ｂ，３７
Ｂの温度を一定に保つようにしている。それ以外の構成
は図２の例と同様である。

【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３
５Ｃ〜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３６
Ｃ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，３
０、４枚のレンズエレメント３１，３２，３３Ｂ，３４
Ｂ、及び２枚のレンズエレメント３５Ｄ，３６Ｄを固定
し、その鏡筒４Ａの上にレンズエレメント３７Ｄを保持
する支持台４５、及びレンズエレメント３８Ｄを保持す
る支持台４６を固定して構成されている。また、レンズ
エレメント２８Ａ，２９Ａはレンズ枠Ｇ６を介して鏡筒
４Ａ内に固定され、他のレンズエレメントも不図示のレ
ンズ枠を介して鏡筒４Ａ内に固定されている。

【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４
４を介して温度制御装置１３ｅに戻されている。そし
て、主制御装置１８からの指令に基づいて、温度制御装
置１３ｅは、レンズエレメント２８Ａ，２９Ａの温度を
目標温度に設定するようにしている。また、支持台４５
及び４６は互いに独立に駆動装置４７によって、投影光
学系ＰＬ４の光軸ＡＸに平行な方向への移動、及び所望
の角度の傾斜ができるように構成されている。駆動装置
４７の動作は、主制御装置１８からの指令に基づいて結
像特性制御装置４８が制御する。

【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［μ
ｍ］、及び残留倍率誤差（非線形倍率誤差）βＣ［μ
ｍ］を次の表１に示す。

【００６１】

【表１】 βＡ［μｍ］ βＢ［μｍ］ βＣ［μｍ］蛍石無し −０．０１４４ −０．０２０４＋０．０１００Ｌ１＋０．０４３６＋０．０１３５ −０．００６７Ｌ２ −０．２７９７ −０．１８６２＋０．０１９９Ｌ３ −０．２２５４ −０．１５２９＋０．０１５２Ｌ４ −０．２５７６ −０．１７３９＋０．０１６７Ｌ５＋０．１６０２＋０．０９２６ −０．００９２Ｌ６＋０．１０４５＋０．０５７２ −０．００５６Ｌ７＋０．２３７１＋０．１４４７ −０．０１１０Ｌ８＋０．２９１１＋０．１７９３ −０．０１４２Ｌ９＋０．３８５４＋０．２４０６ −０．０１９２

【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±２
０ｎｍ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、投影光学系は互いに屈
折率の温度特性の異なる硝材よりなる複数組の光学部材
（レンズエレメント）を有し、その内の少なくとも１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

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク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、互いに屈折率の温度特性の異なる硝
材よりなる複数組の光学部材を有し、前記複数組の光学部材中の少なくとも１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。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置であって、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投影
露光装置。
【請求項３】請求項２記載の投影露光装置であって、前記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、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
する投影露光装置。
【請求項４】請求項２、又は３記載の投影露光装置で
あって、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
を特徴とする投影露光装置。
【請求項５】請求項１、２、３、又は４記載の投影露
光装置であって、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投影露光装置。