JPH0982601A

JPH0982601A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0982601A
Application number: JP7233851A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西; Toru Kiuchi; 徹木内; Shigeo Murakami; 成郎村上
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】或る程度の投影光学系の周囲の大気圧等の環
境変化等があっても、投影光学系の非線形倍率誤差、又
は像面湾曲等の結像特性が大きく悪化しないようにす
る。【解決手段】投影光学系ＰＬ１のレンズエレメントを
石英からなるレンズエレメント２５〜３４，３５Ａ，３
８Ａ、及び蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７
Ａより構成し、石英からなるレンズエレメントによる非
線形倍率誤差、又は像面湾曲を蛍石からなるレンズエレ
メントの結像特性でほぼ相殺する。残存する線形倍率誤
差を、レンズエレメント３３，３４間の気体室内の気体
の圧力の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、レンズ鏡筒の膨張、及びレンズ枠の膨張等が発生
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の内の線形倍率誤差（像高に
対して倍率が１次関数的に変化する成分）を補正する手
段として、従来より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】また、そのディストーションと共に、その
投影像の結像面（ベストフォーカス面）の投影光学系の
光軸方向の位置（フォーカス位置）がずれて、ウエハの
表面がその結像面から外れてしまうデフォーカスも発生
していた。このデフォーカスの内の線形的なデフォーカ
ス（像高に対してデフォーカス量が１次関数的に変化す
る成分）を補正する手段として、従来よりウエハのフォ
ーカス位置を結像面の方向に制御するオートフォーカス
機構、及びウエハの傾斜角を結像面に合わせ込むように
制御するオートレベリング機構が知られている。

【０００５】

【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
像のディストーションの内の、特に非線形倍率誤差（高
次倍率誤差）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。また、環境変化等によって発生する投
影光学系の結像面に対するデフォーカスの内の非線形的
なデフォーカス、特に像面湾曲に対する補正を行うこと
ができないという不都合もあった。この場合、非線形倍
率誤差は投影光学系の光軸に垂直な平面上での投影像の
非線形的な横ずれ量であり、非線形的なデフォーカスは
投影光学系の光軸方向での結像面の非線形的なずれ量で
あるため、両者を合わせて非線形誤差と呼ぶこともでき
る。

【０００６】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１２（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１２
（ａ）に示す非線形倍率誤差が図１２（ｂ）に示すよう
に大きくなる。

【０００７】その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１３（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、その非線形倍率誤差が、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、図１３（ｂ）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１３（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。

【０００８】また、非線形的なデフォーカスに関して、
設計上の基準となる状態では、図１４（ａ）に示すよう
に、投影光学系の結像面のフォーカス位置Ｚ_Fは像高Ｈ
に依らずにほぼ設計上の目標位置の近傍にある。ところ
が、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、その結像面の
デフォーカスの特性は図１４（ｂ）に示すような像面湾
曲となる。このような像面湾曲が発生すると、結像面全
体での焦点深度（ＤＯＦ）の幅が狭くなり、結果として
レチクルパターンの投影像の全体で所望の解像度を得る
のが困難となる。

【０００９】更に、投影像の像面湾曲が、ステップ・ア
ンド・リピート方式の投影露光装置で発生すると、図１
５（ａ）に示すように、本来の投影像の結像面７２のフ
ォーカス位置が像高によって非線形に変化して結像面７
３Ａのようになり、全体としての焦点深度の幅が狭くな
る。一方、そのような像面湾曲が、ステップ・アンド・
スキャン方式の投影露光装置で発生すると、図１５
（ｂ）で示すように本来の投影像の結像面７２に対し
て、走査方向であるＹ方向には平均化効果によってデフ
ォーカス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デフォーカス
が発生して、走査露光後の実質的な結像面は結像面７３
Ｂとなっているため、結果として所謂「かまぼこ型」の
像面湾曲が発生していることが確認できる。

【００１０】更に近年、レチクルサイズが拡大してきて
おり、大きなレチクルを使用する場合にそのレチクルの
撓みによって、投影像の像面湾曲が拡大してしまうとい
う不都合も生じている。本発明は斯かる点に鑑み、或る
程度の投影光学系の周囲の大気圧等の環境変化、又は或
る程度の露光用照明光の吸収等があっても投影光学系の
非線形倍率誤差（高次倍率誤差）又は像面湾曲等の非線
形誤差のような結像特性が大きく悪化することのない投
影露光装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【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、所定の露光用
の照明光のもとでマスクパターン（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、互いに温度変化に対
するフォーカス位置の変化への寄与の方向が逆の２つの
異なる硝材よりなる２組のレンズエレメント（２５〜３
４，３５Ａ，３８Ａと３６Ａ，３７Ａ）を有し、所定の
温度変化（例えば空調装置の揺らぎ、又は露光光の吸収
等による温度変化）に対してそれら２組のレンズエレメ
ントを保持する保持部材（４，Ｇ１，Ｇ２）の伸縮と相
まって、その投影光学系全体としてのフォーカス位置、
及び倍率誤差が実質的に変化しないものである。

【００１２】この場合、温度変化ΔＴに対する当該硝材
よりなるレンズエレメント全体としてのフォーカス位置
の変化量をΔＺとすると、温度変化に対するフォーカス
位置の変化への寄与の方向が逆とは、フォーカス位置の
変化率ΔＺ／ΔＴの符号が逆であることを意味する。ま
た、それら硝材の膨張率が低い場合には、温度変化ΔＴ
に対する屈折率の変化量をΔｎとすると、そのフォーカ
ス位置の変化率ΔＺ／ΔＴの符号が逆であることは、屈
折率の変化率Δｎ／ΔＴの符号が逆であることとほぼ等
価である。

【００１３】また、その所定の露光用の照明光の一例
は、エキシマレーザ光源から射出される波長が１００〜
３００ｎｍの範囲内のレーザビームであり、このときそ
れら２つの異なる硝材の一例は石英、及び蛍石である。
この場合、蛍石よりなる１組のレンズエレメント（３６
Ａ，３７Ａ）は、その投影光学系中で周囲の気体に対し
て他の硝材よりなる１枚以上のレンズエレメント（３８
Ａ）を隔てて配置されていることが望ましい。

【００１４】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、温度変化に対するフォーカス位
置の変化への寄与の方向が逆の２つの硝材としては、石
英（溶融石英等）、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のフォーカス位置が
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ＦＡのフォー
カス位置は正レンズ４９Ａから遠ざかる方向に変位す
る。なお、上述の硝材の温度変化に対するフォーカス位
置の変化への寄与の方向は、単にその硝材の屈折率の温
度特性のみならず、その硝材からなるレンズの熱膨張、
レンズを支持するレンズ枠、及びレンズ鏡筒の熱膨張を
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。

【００１５】そこで、本発明ではそのような互いに温度
変化に対するフォーカス位置の変化への寄与の方向が逆
の２つの硝材よりなる２組のレンズエレメントを組み合
わせ、更にその間のレンズ枠、レンズ鏡筒の伸縮も考慮
して使用することで、或る程度の環境変化、又は或る程
度の露光用照明光の吸収による熱変形等が生じても、投
影光学系の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）や像面湾曲
等の非線形誤差が大きくならないようにしている。

【００１６】例えば２つの硝材の内の第１の硝材として
石英を、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、或る条件下でのその第１の硝材のレン
ズに依るディストーションは、図７（ａ）の曲線６１で
示すような非線形倍率誤差となる。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。そこで、それら２
つの硝材のレンズを組み合わせて、曲線６１の非線形倍
率誤差を曲線６２Ａの非線形倍率誤差でほぼ相殺するこ
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。

【００１７】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気体圧力制御装
置、又はレンズ駆動機構等の線形倍率制御手段を介して
低減させることにより、図８に示すように、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。次に、投影光学系の結像面のフォーカス位置の分布
について考えると、或る条件下でのその第１の硝材のレ
ンズに依るフォーカス位置Ｚ_Fの像高Ｈに応じた分布の
傾向は、図９（ａ）の曲線６１Ａで示すように下側に凸
の像面湾曲となる。これに対して、その第２の硝材のレ
ンズに依る結像面のフォーカス位置の分布は、図９
（ｂ）の曲線６２Ｃで示すように、曲線６１Ａと逆の傾
向の上側に凸の像面湾曲に、全部の像高Ｈで共通のオフ
セット分を加算した傾向を有する。

【００１８】そこで、それら２つの硝材のレンズを組み
合わせた上にその間のレンズ枠、レンズ鏡筒、レンズ間
温度差も考慮して、曲線６１Ａの像面湾曲を曲線６２Ｃ
の像面湾曲で相殺することにより、投影光学系（ＰＬ
１）の非線形的なデフォーカスである像面湾曲を小さく
できる。また、そのままでは結像面のフォーカス位置の
分布には、図９（ｃ）の直線６３Ａで示すように、一定
のオフセットが残存している。しかしながら、そのよう
なフォーカス位置のオフセットは、例えば基板（Ｗ）の
高さを制御するステージ等の焦点位置制御手段を介して
基板（Ｗ）の高さを調整することによってほぼ完全に除
去できる。これによって、基板（Ｗ）の表面を基準とし
た、結像面のフォーカス位置Ｚ_Fの分布は、図１０の曲
線６５Ａに示すようになって、デフォーカスはほぼ０と
なる。このように、投影光学系の光軸に垂直な平面上、
及びその光軸方向での非線形誤差が特に大きくなること
がない。

【００１９】

【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１１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
るものである。

【００２０】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。

【００２１】照明光学系１４は、ビームエクスパンダ、
減光システム、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内の減光システム
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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】また、ウエハステージ２上のウエハＷの近
傍には、結像特性計測用センサ３が固定されている。結
像特性計測用センサ３は、ウエハＷの表面と同じ高さに
設定された矩形の開口部を介して露光用の照明光を受光
するセンサであり、評価用マークが所定の分布で配列さ
れたテストレチクルの投影像を結像特性計測用センサ３
で走査することにより、投影光学系ＰＬ１のディストー
ションや像面湾曲等の結像特性が計測できる。

【００２５】次に、図１において、本例の投影光学系Ｐ
Ｌ１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、結像面の平均面の中央
でのフォーカス位置（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１
２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。

【００２６】また、本例の投影露光装置には、投影光学
系ＰＬ１による露光領域内の複数の計測点でウエハＷ上
にスポット光を斜めに投射する投射光学系６８と、それ
らの計測点からの反射光を受光してそれぞれスポット光
を再結像し、これらの再結像されたスポット光の横ずれ
量に対応した焦点信号を出力する受光光学系６９と、か
らなる焦点位置検出系が設けられている。その受光光学
系６９からの複数の焦点信号が主制御装置１８に供給さ
れている。この場合、ウエハＷの表面の投影光学系ＰＬ
１の光軸方向（Ｚ方向）の位置（フォーカス位置）が変
化すると、対応する焦点信号のレベルが変化することか
ら主制御装置１８ではウエハＷのフォーカス位置をモニ
タする。そして、主制御装置１８ではステージ制御系１
１を介してウエハステージ２内のＺ方向への駆動機構の
動作を制御することにより、ウエハＷの露光対象のショ
ット領域の平均面の中央でのフォーカス位置を、予め求
めてある投影光学系ＰＬ１の結像面の平均面の中央での
フォーカス位置に維持させる。

【００２７】また、本例では投影光学系ＰＬ１の像面湾
曲を２つの硝材のレンズエレメントを用いてほぼ相殺す
る際に、結像面の平均面の中央でのフォーカス位置にオ
フセットが生ずることがあるため、そのようなオフセッ
トが生じたときには、ウエハステージ２を駆動してウエ
ハＷのフォーカス位置をそのオフセット分だけ補正し
て、結像面とウエハＷの表面との間にデフォーカスが生
ずるのを防止している。更に、本例のウエハステージ２
にはウエハＷの傾斜角を補正する機構（レベリングステ
ージ）も設けられ、主制御装置１８はその焦点位置検出
系の複数の計測点でのフォーカス位置よりウエハＷの傾
斜角を求め、ウエハＷの傾斜角を結像面の傾斜角に合わ
せ込むようにしている。

【００２８】更に、本例の投影光学系ＰＬ１の側面に
は、ウエハＷ上の各ショット領域に付設されたアライメ
ント用のウエハマークの位置を検出するためのオフ・ア
クシス方式の撮像方式のアライメントセンサ７０も設け
られている。次に、本例の投影光学系ＰＬ１の構成につ
き、図２等を参照して詳細に説明する。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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、図１の照明光学
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１１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１１（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１１（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をコヒーレンスファクタである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１１（ｃ）に示すように、投影光学系ＰＬ
１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。

【００３２】次に、本例で使用される投影光学系ＰＬ１
の非線形倍率誤差（高次倍率誤差）、及び像面湾曲につ
き説明する。なお、以下では図２の投影光学系ＰＬ１内
の蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａによっ
て、非線形倍率誤差、又は像面湾曲の一方を相殺する場
合について説明しているが、これは投影光学系ＰＬ１の
使用条件によって、非線形倍率誤差、又は像面湾曲の一
方のみが大きく悪化する場合に対応している。そのた
め、非線形倍率誤差、及び像面湾曲の両方が大きく悪化
するような場合には、例えば１つの手法として、投影光
学系ＰＬ１内でそれぞれ非線形倍率誤差、及び像面湾曲
の補正に有効なレンズエレメントを蛍石より形成すれば
よい。

【００３３】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４９Ｂでは温度
が上昇すると、結像面ＦＢがそのレンズに近付く方向に
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４９Ａでは温度が上昇す
ると、結像面ＦＡはそのレンズから遠ざかる方向に変位
する。言い換えると、石英よりなるレンズエレメント、
及び蛍石よりなるレンズエレメントは互いに温度変化に
対するフォーカス位置の変化への寄与の方向が逆となっ
ている。

【００３４】先ず投影光学系ＰＬ１の結像特性の内のデ
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倍率誤差（高次倍率誤差）となる。

【００３５】これに対して、本例では、投影光学系ＰＬ
１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。

【００３６】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。また、環境等が多少変化しても、図７
（ａ）の曲線６１と図７（ｂ）の曲線６２Ａとがほぼ逆
の特性で変化するため、大きな非線形倍率誤差が現れる
ことはない。

【００３７】次に、投影光学系ＰＬ１の結像特性の内の
像面湾曲について図９及び図１０を参照して説明する。
図９及び図１０において、横軸は像高Ｈ、縦軸はその像
高Ｈにおける投影光学系ＰＬ１の結像面のフォーカス位
置Ｚ_Fであり、光軸上（Ｈ＝０）でのフォーカス位置を
設計上のフォーカス位置として示してある。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
に依る結像面は、図９（ａ）の曲線６１Ａで示すよう
に、下に凸の像面湾曲となる。

【００３８】これに対して、本例では、投影光学系ＰＬ
１内の蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３７Ａに
依る像面湾曲を、図９（ａ）の曲線６１Ａとほぼ逆の特
性の像面湾曲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像面湾曲を
設定しても、その結像面のフォーカス位置には像高Ｈの
全範囲で一定のオフセットが重畳される。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結
像面のフォーカス位置の分布は、図９（ｂ）の曲線６２
Ｃで示すように、所定のオフセットに、図９（ａ）の曲
線６１Ａとほぼ逆の特性の像面湾曲を重畳した特性とな
る。

【００３９】そのため、投影光学系ＰＬ１の全体として
の結像面のフォーカス位置Ｚ_Fは、図９（ｃ）の直線６
３Ａで示すように、像高Ｈの全範囲でほぼ一定の値とな
り、ウエハＷの表面との間でデフォーカスが生ずる。そ
こで、図１のウエハステージ２内のＺ方向への駆動機構
を用いて、投影光学系ＰＬ１に対して、そのデフォーカ
ス分だけウエハＷの表面のフォーカス位置を補正する。
これは、実質的に投影光学系ＰＬ１の結像面に対して、
図９（ｃ）の直線６４Ａで示すようなフォーカス位置の
オフセットを加えることを意味する。その結果、ウエハ
Ｗの表面を基準とした本例の投影光学系ＰＬ１の結像面
のフォーカス位置Ｚ_Fの分布は、図１０の曲線６５Ａに
示すようになり、像面湾曲と共に一定のデフォーカスも
除去されている。従って、結像面の全体で焦点深度の幅
が従来例よりも広くなり、投影像が全体として高い解像
度で投影露光される。環境等が多少変化しても、図９
（ａ）の曲線６１Ａと図９（ｂ）の曲線６２Ｃとがほぼ
逆の特性で変化するため、大きな像面湾曲が現れること
はない。

【００４０】更に、蛍石よりなるレンズエレメント３６
Ａ，３７Ａで像面湾曲を相殺することにより、その結像
面の線形倍率誤差（像高Ｈに比例して倍率が変化する誤
差）が悪化することがある。このような線形倍率誤差が
発生したときには、図１のレンズ制御装置１２を介して
その結像面に対して、発生した線形倍率誤差をほぼ相殺
するような線形倍率誤差を付与する。その結果、本例の
投影光学系ＰＬ１の結像特性は像面湾曲も、ディストー
ションも除去された良好な特性となる。

【００４１】なお、大気圧等の環境条件の他に、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に
よっても結像特性が変化する。更に、図１の照明光学系
１４の照明条件を通常の状態、輪帯照明、所謂変形光源
法、又はコヒーレンスファクタであるσ値が小さい状態
等の間で切り換えた場合にも結像特性が変化する。そこ
で、最終的には例えば照射エネルギー、大気圧、及び照
明条件についてそれぞれ最も標準的な状態を想定し、そ
の標準的な状態で非線形倍率、又は像面湾曲が最も小さ
くなるように蛍石よりなるレンズエレメント３６Ａ，３
７Ａの形状等を設定しておくこととする。これによっ
て、投影露光装置の使用状態が多少変化しても、非線形
倍率や像面湾曲が特に大きくなることがない。

【００４２】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や像面湾曲
も大きく変化する。従って、照射エネルギーに関して蛍
石よりなるレンズエレメントで結像特性を補正する方法
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
誤差や像面湾曲を良好に低減できるという大きな利点が
ある。

【００４３】また、水銀ランプのｉ線を露光用照明光と
して使用する場合には、エキシマレーザ光を使用する場
合の蛍石に変わる硝材として、フッ化マグネシウム（Ｍ
ａＦ ₂）、又はフッ化リチウム（ＬｉＦ₂）等が挙げら
れる。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
光学系も、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投影露光装置に使
用しても好適な光学系である。

【００４４】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。

【００４５】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。それ以外の構成は図２の例と同様で
ある。本例によれば、１枚の蛍石よりなるレンズエレメ
ント３６Ｂによってそれ以外のレンズエレメントによっ
て発生する非線形倍率誤差、又は像面湾曲を相殺するよ
うにしているため、簡単な構成で投影光学系ＰＬ２の投
影像の非線形倍率誤差や像面湾曲を小さく抑制できる。

【００４６】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
の投影光学系も、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。

【００４７】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によって主に非線形倍率誤差
又は像面湾曲の補正が行われ、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。主制御装置１８からの指令に基づい
て、温度制御装置１３ｄは、レンズエレメント３３Ａの
温度を目標温度に設定するようにしている。

【００４８】そして、本例では投影光学系ＰＬ３の投影
像の結像特性（非線形倍率誤差や像面湾曲）の補正は、
レンズエレメント３６Ｃによって行われ、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、大気圧による結像特性
の変化と、露光用の照明光の投影光学系に対する照射時
の温度変化による結像特性とが異なり、３次以上の倍率
誤差又はデフォーカス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
立に結像特性の補正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又は像面湾曲を補正し、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又は像面湾曲を補正するように
してもよい。

【００４９】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
の投影光学系も、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。

【００５０】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、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。

【００５１】本例でも、蛍石よりなるレンズエレメント
２８Ａ，２９Ａによって、投影光学系ＰＬ４の投影像の
非線形倍率誤差や像面湾曲を補正するが、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、及び台形歪み状のディストーション等
も補正できるので、非線形倍率誤差、又は像面湾曲の補
正時に発生する他の収差の大半は駆動装置４７の制御を
最適化することで相殺することができる。

【００５２】以上のように本発明の第１〜第４の実施の
形態においては、温度特性の異なる２種類の硝材よりな
る２つのレンズエレメント群を組み合わせることで、環
境に温度変化があっても、フォーカス位置の誤差、及び
倍率誤差が発生しないような構造となっている。但し、
実際にはこれらのレンズエレメント群は、レンズ枠Ｇ１
〜Ｇ６や投影光学系の鏡筒４，４Ａ等によって支持され
ているため、環境温度の変化に対する伸縮に対してはレ
ンズエレメントのみでなく、それらのレンズ枠、及び鏡
筒の伸縮に対しても考慮して設計する必要がある。ま
た、レンズエレメントの硝材として蛍石等を利用する場
合、特に蛍石は環境変化に対して特性（例えば熱膨張
量）の変化が大きい。これに対して石英等はその影響が
小さいので、蛍石を用いたレンズエレメント群は温度制
御が高精度に行われている領域に配置することが望まし
い。

【００５３】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
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。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、温度変化に対するフォ
ーカス位置の変化への寄与の方向が逆の２つの硝材より
なる２組のレンズエレメントを有しているため、或る程
度の投影光学系の周囲の大気圧等の環境変化、又は露光
用照明光の吸収等があっても投影光学系のフォーカス位
置の誤差、非線形倍率誤差（高次倍率誤差）又は像面湾
曲等の非線形誤差のような結像特性が大きく悪化するこ
とがない利点がある。

【００５５】更に、上記収差のみならず、コマ収差、非
点収差等の収差に関しても、或る程度の投影光学系の周
囲の大気圧等の環境変化、露光用照明光の吸収、又は照
明条件の切り換え等があっても大きく悪化することがな
い。また、２つの硝材の内の一方の硝材のレンズエレメ
ントを複数枚設け、各レンズエレメント毎に異なる結像
特性の補正を行うことにより、各種の結像特性を良好に
補正できる利点がある。

【００５６】また、所定の露光用の照明光が、エキシマ
レーザ光源から射出される波長が１００〜３００ｎｍの
範囲内のレーザビームであり、２つの硝材が石英、及び
蛍石である場合には、蛍石よりなるレンズエレメントの
非線形倍率誤差及び像面湾曲の特性が、それぞれ石英よ
りなるレンズエレメントの非線形倍率誤差及び像面湾曲
の特性と逆の傾向を示すため、投影光学系の非線形倍率
誤差及び像面湾曲が抑制される利点がある。

【００５７】この場合、２組のレンズエレメントの内の
蛍石よりなる１組のレンズエレメントをその投影光学系
中で、周囲の気体に対して他の硝材よりなる１枚以上の
レンズエレメントを隔てて配置したときには、周囲の気
体の温度が変化しても蛍石への影響が少ないため、結像
特性が安定である利点がある。

【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）は残存する
線形倍率誤差を示す図である。

【図８】石英からなるレンズエレメント、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
得られる倍率誤差を示す図である。

【図９】（ａ）は石英からなるレンズエレメントに依る
像面湾曲を示す図、（ｂ）は蛍石からなるレンズエレメ
ントに依る像面湾曲を示す図、（ｃ）は残存するデフォ
ーカス量を示す図である。

【図１０】石英からなるレンズエレメント、蛍石からな
るレンズエレメント、及びフォーカス位置の制御機構を
組み合わせて得られるフォーカス位置の分布を示す図で
ある。

【図１１】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１２】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１３】（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。

【図１４】従来の投影露光装置における像面湾曲を示す
図である。

【図１５】（ａ）は一括露光を行った場合の像面湾曲の
影響を示す図、（ｂ）は走査露光を行った場合の像面湾
曲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結像特性計測用センサ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２８Ａ，２９Ａ蛍石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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の露光用の照明光のもとでマスクパ
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、互いに温度変化に対するフォーカス
位置の変化への寄与の方向が逆の２つの硝材よりなる２
組のレンズエレメントを有し、所定の温度変化に対して
前記２組のレンズエレメントを保持する保持部材の伸縮
と相まって、前記投影光学系全体としてのフォーカス位
置、及び倍率誤差が実質的に変化しないことを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項２】前記所定の露光用の照明光は、エキシマ
レーザ光源から射出される波長が１００〜３００ｎｍの
範囲内のレーザビームであり、前記２つの硝材は石英、及び蛍石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２組のレンズエレメントの内の蛍石
よりなる１組のレンズエレメントは、前記投影光学系中
で周囲の気体に対して他の硝材よりなる１枚以上のレン
ズエレメントを隔てて配置されていることを特徴とする
請求項２記載の投影露光装置。