JPH0548609B2 - - 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を備えた装置、特に半導体
素子製造用の露光装置において、投影光学系の光
学特性の変化にかかわらず、投影されたマスクの
パターン像を所望の投影状態に制御する投影光学
装置に関する。

（発明の背景） 縮小投影型露光装置（以下、単に露光装置と呼
ぶ）は、近年超LSIの生産になくてはならないも
のになつてきた。この種の露光装置では通常レチ
クルとよばれる原版（マスクと同等）上の回路パ
ターンを半導体ウエハ上に1/5又は1/10に縮小投
影して、線幅で1μｍ以上の解像を得る投影レン
ズが使われている。現在では、半導体素子の生産
性を向上するため、大きな投影露光領域を保ちつ
つ、解像力を上げるような投影レンズの開発が進
められている。より高い解像力を得る為には投影
レンズの開口数（N.A.）を大きくしなければな
らないが、そうすると必然的に焦点深度が浅くな
つてしまう。パターンの形成（リソグラフイー）
を行なうウエハの厚さ変化、表面の凹凸に対応す
る為に、この種の露光装置には投影レンズとウエ
ハとの間隔を検出するようなギヤツプセンサーを
利用した焦点検出器が組み込まれており、その検
出信号に基づいて、投影レンズの結像面（投影パ
ターンの像面）とウエハの表面とを一致させるよ
うな自動焦点合わせがなされている。所定のパタ
ーン線幅精度を得る為の焦点深度は、転写する最
小パターンが小さい程小さくなり、1μｍのライ
ン・アンド・スペースのパターンを転写する場合
は、±1μｍ程度の焦点深度となる。

ところでレチクルからウエハまでの投影光路内
において、レチクルから投影レンズまでの間、投
影レンズ内の硝子（レンズ素子）の間、及び投影
レンズからウエハまでう間には多かれ少なかれ空
気が自由に出入りする。空気の屈折率は大気圧に
依存して変化するので、投影光路内に空気が出入
りすることは、大気圧変化によつて投影レンズの
結像面が光軸方向に変動する現象、所謂焦点変動
をもたらすことを意味する。従来は大気圧変化に
よつて焦点変動が生じることは認識されておら
ず、専ら焦点検出器に何らかのドリフトが発生し
ているものと考えられていた。この為、露光装置
を扱う生産現場では、毎日の始業時等に、ウエハ
上にパターンをためし焼きして所定の解像（線
幅）が得られるようなウエハ位置にて、焦点検出
器が合焦と判断するように、焦点検出器を調整し
ていた。このような方法により焦点位置の確認、
及び調整を行なうことは手間がかかり、装置のス
ループツト（稼動率）を低下させることになる。
しかも大気圧は装置の稼動中に一定であることは
なく、多かれ少なかれ変動する。このため焦点検
出器を一日に一度だけ調整しても、その時点の大
気圧でしか正確な合焦が行なわれないことにな
る。特に、局所的に大気圧が変化する台風やハリ
ケーン等が生産現場の所在地域を通過する場合
は、かなり大きな焦点変動が生じることになる。
しかも台風やハリケーンの規模や進路等によつて
は、極短時間（例えば１時間程度）のうちに20〜
30mmHg程度の大気圧変化が起り得る。そこで各
種投影レンズの大気圧変化による焦点変動量を、
実験又はフイールドにて実測した結果、ある種の
構造の投影レンズでは大気圧変化に対して敏感に
焦点変動量が変わり、その量自体も実用上の焦点
深度を大きく越えることが判明した。

（発明の目的） 本発明は上記欠点を解決し、焦点合わせが常に
良好に行なわれるような投影光学装置を得ること
を目的とする。

（発明の概要） 本発明は、大気圧を計測する圧力センサー３０
等の環境変化検出器の出力に基づいて、大気圧変
化（又は大気の屈折率変化）に起因した投影光学
系の結像面の変動量（焦点変動量）を算出し、斜
入射光式の焦点検出器４０〜４９の投光部から受
光部までの光路中に設けられて、受光部で受光さ
れる被投影基板（ウエハ）からの反射光の位置を
光学的に変化させる可動光学部材（平行平板ガラ
ス４６）を、算出された変動量に応じて補正すべ
くオフセツトさせるようにした。

さらに本発明では、投影光学系のマスクパター
ンの投影時のエネルギーによつて生じる結像面の
変動量を求める別の演算手段８０を設け、その変
動量と大気圧、又は屈折率の変化に起因した結像
面の変動量との総和に対応して可動光学部材４６
を補正するようにした。

（実施例） 第１図は本発明の実施例による縮小投影型露光
装置（所謂ステツパー）の全体の概略構成を示す
斜視図である。

回路パターン等が描かれたレチクルＲはレチク
ルステージ１に記載される。レチクルステージ１
にはレチクルＲのパターン領域Prを通過した光
（パターン光像）が投影レンズ２に入射するため
の開口部１ａが形成されている。さらにレチクル
Ｒの周辺部を真空吸着するための保持部１ｂが設
けられ、レチクルステージ１はレチクルＲを吸着
してxy方向に微動し、レチクルＲの中心が投影
レンズ２の光軸AXと一致するように位置決めを
行なう。投影レンズ２の下方にはステツパー固有
の２次元移動ステージが設けられている。被投影
基板としてのウエハＷはウエハチヤツク３上に真
空吸着され、ウエハチヤツク３は投影レンズ２の
光軸AX方向（Ｚ方向）に上下動するＺステージ
４上に設けられている。このＺステージ４はｙ方
向に移動するＹステージ５上をｘ方向に移動する
Ｘステージ６の上に、モータ７によつて上下動す
るように設けられる。モータ８，９は夫々Ｙステ
ージ５とＸステージ６の一次元駆動を行なう。ま
たＺステージ４のｘ方向とｙ方向との側辺には、
ステージの座標位置を検出するレーザ干渉測長器
のための移動鏡１０，１１が設けられている。さ
て、不図示の照明光学装置によつてレチクルＲを
照明すると、パターン領域Pr中のパターン像が
投影レンズ２の結像面FPに結像する。その結像
面FPとウエハＷの表面との位置関係、すなわち
投影レンズ２とウエハＷとの間隔を検出するギヤ
ツプセンサー（焦点検出器）としての投光器２０
と受光器２１とが設けられている。投光器２０は
結像面FP上に結像するようなスリツト光像を斜
めに投射し、受光器２１は結像面FPに位置した
ウエハＷからのスリツト光像の反射光を受光し
て、ウエハＷのＺ方向の位置（投影レンズ２とウ
エハＷの間隔）を検出するものである。このよう
にスリツト、又は矩形の光束をウエハＷ上に斜め
に照射する焦点検出器、所謂、斜入射光式焦点検
出器は、基本的には特開昭56−42205号公報に開
示されているものと同等である。そして受光器２
１は、ウエハＷからの反射光の光電信号を同期整
流することによつて、ウエハＷの表面位置を表わ
すような焦点信号FPSを出力する。この焦点信号
FPSは、同期整流された信号であるから、光電顕
微鏡等の出力特性と同様なＳカーブ特性になる。
その焦点信号FPSは焦点合わせのための制御回路
２２に入力する。制御回路２２は焦点信号FPSに
基づいて、Ｚステージ４の上下動用のモータ７を
サーボ制御するための信号DRSを出力する。そ
のためウエハＷの表面は焦点信号FPSが合焦を表
わすような高さ位置に調整される。ところが上記
構成において、焦点検出器が合焦と検出するＺ方
向の位置は、装置製造時等に投影レンズ２から一
定の間隔になるように機械的に定められているた
め、焦点変動が生じると焦点信号FPSによつて合
焦状態に調整したとしても、ウエハＷの表面は結
像面FPからずれたものになつてしまう。

そこで本実施例では大気圧を絶対値で検出する
圧力センサー３０を本発明の環境変化検出器とし
て設けるとともに、制御回路２２内にその大気圧
の情報を入力して焦点変動量を算出し、焦点検出
器が合焦と検出する高さ位置を、その算出された
変動量分だけ補正するようなオフセツト信号
OFSを焦点検出器の出力する補正制御部を設け
る。その補正は、焦点信号FPSそのものにオフセ
ツト電圧を加えたり、焦点信号FPSをコンパレー
タ等で比較する場合のスライスレベルにオフセツ
ト電圧を加えたりするような電気的な方法、ある
いは投光器２０又は受光器２１内の光学部材の光
学的な配置にオフセツトを加えるような機械的な
方法をいずれでもよい。しかしながら本実施例で
は比較的大きなオフセツト量が得られ、かつ焦点
信号FPSの出力特性（Ｓカーブ波形）が単純にＺ
方向にシフトする点から、後者の光学的な配置に
オフセツトを加える方法を用いる。

第２図は本実施例の焦点検出器の光学構成と回
路接続とを示すブロツク図である。同図において
は結像面FPとウエハＷの表面が一致しているも
のとする。発光ダイオード（LED）４０から発
生したフオトレジストを感光させない波長の光は
コンデンサーレンズ４１によつて集光され、細長
い矩形状のスリツト４２ａを有するスリツト板４
２を照明する。スリツト４２ａを透過した光はミ
ラー４３で反射されて、縮小レンズ４４で収束さ
れウエハＷの表面の光軸AX近傍にスリツト４２
ａの光像SIとして結像される。このLED４０、
コンデンサーレンズ４１、スリツト板４２、ミラ
ー４３、及び縮小レンズ４４によつて第１図中の
投光器２０が構成される。そしてウエハＷからの
反射光は拡大レンズ４５、平行平板ガラス（プレ
ーンパラソル）４６、振動ミラー４７を介してス
リツト板４８に導びかれ、このスリツト板４８の
上には光像SIの拡大像が形成される。スリツト板
４８にはスリツト４８ａが設けられ、このスリツ
ト４８ａを透過した光は光電検出器４９に受光さ
れる。振動ミラー４７は駆動部５０によつて、光
像SIの拡大像がスリツト板４８上をスリツト４８
ａと平行に、かつその長手方向と直交する方向に
単振動するように駆動される。光電検出器４９か
らの光電信号はアンプ５１で増幅された後、同期
整流（同期検波）回路（以下PSDと呼ぶ）５２
に入力する。PSD５２は振動ミラー４７の振動
周波数を決定する発振器（以下OSCとする）５
３からの基準周波数信号を入力し、その信号で光
電信号を同期整流することによつて焦点信号FPS
を出力する。

さて、プレーンパラレル４６は拡大レンズ４５
の後の集光系の内に設けられ、駆動部６０によつ
てある角度範囲内で回転可能に構成されている。
このプレーンパラレル４６の回転（傾き）によつ
て、スリツト板４８上に形成される光像SIの拡大
像の振動中心がスリツト４８ａの長手方向と直交
する方向（第２図では紙面内左右方向）にシフト
する。その振動中心のスリツト４８ａに対するシ
フトは、焦点信号FPSが合焦（Ｓカーブ波形上の
零点）と判断されるときのウエハＷの位置を、Ｚ
方向にシフトしたものと等価である。本実施例で
はこのプレーンパラレル４６と駆動部６０とによ
つて焦点変動の補正を行なう。

第３図はプレーンパラレル４６と駆動部６０の
具体的な構成を示す部分断面図である。プレーン
パラレル４６は紙面と垂直な回転中心５０ａを有
するホルダ５０に保持され、ホルダ５０にはレバ
ー５１が固定されている。レバー５１の先端には
メネジ５１ａが形成されており、このメネジ５１
ａにはモータ５３の駆動により回転するオネジ５
２が螺合している。モータ５３とオネジ５２の回
転量はロータリーエンコーダ５４によつて読み取
られる。このような構成で、モータ５３を駆動す
ると、プレーンパラレル４６が中心５０ａのまわ
りに回転し、その回転角（傾き量）はロータリー
エンコーダ５４の読み取り値、オネジ５２のピツ
チ及びレバー５１の長さ（正確にはメネジ５１ａ
から中心５０ａまでの長さ）から算出できる。オ
ネジ５２のピツチとレバー５１の長さは一定値な
ので、結局ロータリーエンコーダ５４の読み取り
値さえわかれば、プレーンパラレル４６の回転角
が求まる。

さて、第４図は制御回路２２内の補正制御部の
模式的な回路構成を示す回路ブロツク図である。
演算処理やシーケンス等はマイクロコンピユータ
等を有するオートフオーカスコントローラ（以下
AFCと呼ぶ）７０によつて統括制御される。メ
モリ７１には、補正演算に必要な各種パラメー
タ、定数等の他に演算式のプログラム、シーケン
ス制御のためのプログラム等が記憶されており、
AFC７０は、それらのプログラムに従つて一連
の動作を行ない、必要に応じて各種パラメータ、
定数を読み込む。第１図にも示した圧力センサー
３０は、大気圧の絶対値を表わす信号Ｐをアナロ
グデジタル変換器（以下ADCとする）７２に出
力する。ADC７２は信号Ｐに応じたデジタル値
をAFC７０に出力する。また、第３図に示した
ロータリーエンコーダ５４からの信号ENSは、
カウンタ７３に入力し、ここでデジタル数値に直
されてAFC７０に出力される。デジタルアナロ
グ変換器（以下DACとする）７４は、焦点変動
量に基づいてAFC７０によつて演算された補正
値を入力して、そのアナログ信号をオフセツト信
号OFSとして出力する。また本来の自動合焦動
作を行なうために、焦点信号FPSを入力する
ADC７５と、その焦点信号FPSが合焦を表わす
までＺステージ４を上昇又は降下させるのに必要
な駆動量の情報を入力するDAC７６と、焦点信
号FPSとDAC７６の出力信号とを択一的に選択
するスイツチ７７と、スイツチ７７で選ばれた信
号に基づいてＺステージ４の上下動を行なうモー
タ７に駆動信号DRSを出力してサーボ制御する
サーボ回路７８とが設けられている。尚、スイツ
チ７７は、２次元移動ステージの移動中であつて
も、ウエハＷの表面を常に結像面FPと一致させ
るように追従させる場合は、サーボ回路７８が焦
点信号FPSを入力するようにAFC７０によつて
切替えられる。

ところで投影レンズ２にはレチクルＲを介して
高輝度の照明光が入射する。投影レンズ２への入
射光量は照明源のランプの光強度（レチクルＲ上
の照度）、レチクルＲのパターン領域Prの大き
さ、パターン領域Pr内の透過率、及び照明光を
レチクルＲに照射する時間と照射しない時間との
比（デユーテイ）等に依存して大きく変化する。
投影レンズ２の焦点変動は、その入射エネルギー
によつて引き起されることもある。そこで本実施
例では、大気の屈折率変化によつて生じる焦点変
動と、入射エネルギーによつて生じる焦点変動と
の両方が補正できるように、投影レンズ２の入射
エネルギーによる焦点変動量を検出する第２の変
動検出装置（以下、照射変動検出器と呼ぶ）８０
を設ける。AFC７０は照射変動検出器８０で検
出された焦点変動量ΔZeと大気の屈折率変化（大
気圧変化）による焦点変動量ΔZbとを加算して総
合的な変動量ΔFを求める。

さて、入射エネルギーによる焦点変動の特性
は、投影レンズの構成、使用している硝材等によ
つて若干の変化はあるものの、概ね第５図に示す
ような指数関数的な特性になることが、実験によ
つて確認された。第５図は大気圧を一定として、
投影レンズ２に連続的に照明光を入射したときの
焦点変動特性であり、横軸は時間ｔを表わし、縦
軸は結像面FPの位置Ｚを表わす。投影レンズ２
の初期の結像面位置をZ₀として時間t₀から投影レ
ンズ２に照明光を入射すると、時間とともに指数
関数的に結像面位置が変動し、時間t₁において一
定の位置Z₁に安定する。この位置Z₁はそのときの
入射エネルギーに対応した変動の飽和点である。
そして時間t₂で照明光の入射を中止すると、結像
面位置は時間と共に指数関数的にZ₁から元に戻
り、時間t₃においては初期の位置Z₀になる。この
ような特性で飽和点までの焦点変動量をΔZsとす
ると、ΔZsの大きさは当然入射エネルギー（レチ
クルＲの透過率と照明光強度）に応じて比例変化
するが、時間t₀からt₁までの立上りの時定数Tu
と、時間t₂からt₃までの立下り時定数Tdとは共に
投影レンズ固有の一定値になることが実験により
明らかになつた。この時定数は投影レンズの種
類、構造によつても異なるが、300〜600秒程度で
ある。従つて、焦点変動特性中の立上り部分の変
動量ΔZUは(1)式で近似でき、立上り部分の変動
量ΔZDは(2)式で近似できる。

ΔZU＝ΔZs・（１−ｅ−ｔ／Tu） ……(1) ΔZU＝ΔZs・ｅ−ｔ／Tu ……(2) ただし、ｅは自然数を表わし、(1)式中のｔは時
間t₀を零としたときの経過時間であり、(2)式中の
ｔは時間t₂を零としたときの経過時間である。ま
た実際のステツパーではステツプアンドリピート
法によりウエハＷを露光していくので、照明光学
装置内に設けられたシヤツターの開閉のデユーテ
イも考慮しなければならない。すなわち実際の装
置では変動飽和点ΔZsに達するまでの時間が、シ
ヤツターの開閉のために第５図のように連続照射
の場合の立上り時間（t₁−t₀）よりも長くなる。

そこで本実施例の照射変動検出器８０では、シ
ヤツターを開閉デユーテイの情報と、照明光強度
の情報との２つを含む入射エネルギー情報を温度
センサーによつて間接的に検出し、レチクルＲの
透過率Ｅを別途計測することによつて、投影レン
ズ２の入射エネルギーによる焦点変動量ΔZeを演
算するように構成した。その詳しい構成について
は、本出願人が先に出願した特願昭59−139536号
明細書に開示してあるので、ここでは簡単に説明
する。第６図はその温度センサーの配置を示す図
である。第６図において、光源９０、楕円面反射
鏡９１からの照明光はロータリーシヤツター９２
で遮断状態と透過状態とに切替えられ、オブチカ
ルインテグレータ９３に入射する。オブチカルイ
ンテグレータ９３からの光は、露光に必要な波長
以外の光を透過するダイクロイツクミラー９４で
反射され、メインコンデンサーレンズ９５を介し
て、レチクルＲを照明する。ダイクロイツクミラ
ー９４の裏面には、透過してきた光を受光するよ
うな温度センサー９６が、所定のマウント９７に
保持されて配置されている。この温度センサー９
６とマウント９７は、シヤツター９２を開いて照
明光を連続的に投影レンズ２に入射させたとき、
測定される温度信号Tmの特性上の時定数が第５
図の特性上の時定数と一致するように熱的な時定
数が調整されている。このため、温度信号Tmを
モニターすれば露光動作中、非動作中を問わず、
焦点変動量ΔZeがリアルタイムに検出できる。第
４図に示した照射変動検出器８０は温度信号Tm
とレチクルＲの透過率Ｅとを入力して、(3)式の演
算を行なつて焦点変動量ΔZeを求める。

ΔZe＝C₁・Ｅ・（Tm−Tm₀） ……(3) ただし、C₁は温度変化量と焦点変動量との比
例定数を表わし、Tm₀は初期設定時の温度信号
値を表わし、予め実験により求めておいたもので
ある。照射変動検出器８０は上記C₁、Tm₀及び
(3)式を記憶して、演算により時々刻々ΔZeを求
め、AFC７０に出力する。

次に本実施例の動作を第７図のフローチヤート
図に基づいて説明する。ここでAFC７０に接続
されたメモリ７１には、装置の製造時に基準大気
圧（例えば760mmHg）P₀の場合の結像面位置Z₀が
実測等によつて求めて記憶されている。位置Z₀
は、実際には第４図に示したカウンタ７３の読み
取り値（プレーンパラレル４６の回転角度位置）
として記憶される。以下、補正制御の動作を実行
するための各ステツプを説明する。

〔ステツプ100〕 まずAFC７０は圧力センサー３０から、その
時の大気圧を絶対値で表わすような信号Ｐを、
ADC７２を介して読み込み、一時的に記憶する。

〔ステツプ101〕 次にAFC７０は、照射変動検出器８０から、
その時点における入射エネルギーに起因した焦点
変動量ΔZeの情報を読み込み、一時的に記憶す
る。

〔ステツプ102〕 次に、AFC７０は大気圧変化に起因した焦点
変動量ΔZbを以下の式(4)に基づいて算出する。

ΔZb＝C₂−（Ｐ−P₀） ……(4) ここでC₂は大気圧の変化量と焦点変動量との
比例定数を表わし、その単位は例えばμｍ／mm
Hgである。この定数C₂を決定するには、いろい
ろな大気圧のときの結像面位置Ｚを実測により求
めるのがよい。第８図は投影レンズ２の大気圧変
化による焦点変動特性を示し、横軸は大気圧の絶
対値を表わし、縦軸は像面位置Ｚを表わす。

尚、ここでは結像面FPが投影レンズ２側に近
づくように変動したとき、位置Ｚが大きくなるも
のとする。第８図の特性からも明らかなように、
大気圧変化と焦点変動とは、起り得る最大の大気
圧変動幅内では単純な比例関係になることが実験
により確認された。このような特性から定数C₂
は第８図中の直線の傾きとして得られ、予め
AFC７０に記憶されている。その定数C₂は投影
レンズの構造、硝材等が同一のものであれば、ど
の投影レンズについても同値とみなせる。ただし
厳密には一本一本の投影レンズ毎に実測して定数
C₂を決定することが望ましい。

〔ステツプ103〕 次にAFC７０は大気圧と入射エネルギーとに
よつて生じた総合的な焦点変動量ΔFを求める。
これは変動量ΔZbとΔZeとの単純な代数和として
算出される。

〔ステツプ104〕 焦点変動量ΔFは初期位置Z₀を基準とした変動
量であるので、結像面FPの補正されるべき目標
位置Z′は、Z′＝Z₀＋ΔFで求められる。AFC７０
はその演算を行ない、目標位置Z′を記憶する。

〔ステツプ105〕 次にAFC７０は、プレーンパラレル４６の現
在の回転角度位置に対応したカウンタ７３の値を
読み込み、焦点検出系が合焦と判断する現在の高
さ位置Ｚを求める。

〔ステツプ106〕 ここでAFC７０は、目標位置Z′現在位置Ｚと
を比較して、その差が零のとき（一致のとき）は
ステツプ107に進み、差が生じているとき（不一
致のとき）はステツプ108に進むように判断する。

〔ステツプ107〕 ここではプレーンパラレル４６の回転角度位置
を補正する必要がないので、AFC７０はオフセ
ツト信号OFSが零となるようなデータをDAC７
４に出力する。

〔ステツプ108〕 ここではプレーンパラレル４６を回転させる必
要があるので、AFC７０は目標位置Z′が得られ
るようにプレーンパラレル４６を回転させるため
のデータをDAC７４に出力する。これによつて
目標位置Z′と現在位置Ｚとの差分に応じたオフセ
ツト信号OFSがモータ５４に印加され、プレー
ンパラレル４６は回転を開始する。このステツプ
108でオフセツト信号OFSが発生すると、AFC７
０は再びステツプ105から同様の動作を繰り返す。
そしてプレーンパラレル４６が目標位置Z′の得ら
れるまで回転すると、AFC７０はステツプ106か
らステツプ107に分岐してプレーンパラレル４６
の回転を停止する。

以上の一連の動作によつて、焦点検出系の合焦
と検出すべき高さ位置が補正され、その補正後の
高さ位置は投影レンズ２の結像面FPと正確に一
致する。このとき焦点検出系からの焦点信号FPS
の出力特性は第９図のように変化する。第９図に
おいて横軸は焦点検出系が合焦点として検出する
高さ位置Ｚを表わし、縦軸は焦点信号FPSの大き
さを表わす。ここで補正前の出力特性（Ｓカーブ
特性）を波形Ａとすると、補正後の出力特性は波
形Ａを、Ｚ軸方向にΔFだけシフトした波形Ｂに
調整される。出力特性上で信号FPSが零のときの
Ｚ方向の位置が合焦点を表わすものとすれば、補
正後は波形Ｂ上の零点にウエハＷの表面が焦点合
わせされることになる。

上記補正が終了すると、AFC７０は第４図中
のADC７５、DAC７６、サーボ回路７８等によ
つてモータ７を駆動して、ウエハＷが合焦するよ
うにＺステージ４の高さ位置を調整する。また、
第７図のステツプ100〜108は大気圧変化に起因し
た焦点変動のみを補正する場合は、比較的長い時
間、例えば10〜30分毎に１回だけ行なえばほぼ十
分な追従性が得られる。しかしながら、ステツプ
アンドリピート露光時の入射エネルギーに起因し
た焦点変動も補正する場合は、その焦点変動が継
続的に飽和点を維持できる状態を除いて、比較的
短い時間、例えば５〜10秒毎に１回補正動作を行
なう必要がある。この時間間隔は、第５図に示し
た特性上の立上りや立上りの時定数よりも十分短
いことが必要であり、それによつて補正の追従性
も向上する。

上記実施例では、投影レンズ２の入射エネルギ
ーによる焦点変動も考慮するものとしたが、投影
レンズの構成によつては、入射エネルギーによる
焦点変動量がそのレンズの焦点深度よりも小さ
く、実際上ほとんど影響のないようにすることも
可能である。このような場合は、単純に大気圧変
化のみに基づいて焦点位置が補正される。

また入射エネルギーによる焦点変動量を検出す
るには、いくつかの方法が考えられる。以下、そ
の例を簡単に述べれば、 (1) 焦点変動特性は入射エネルギーの履歴と考え
られるので、予め第５図の変動特性をメモリ等
にテーブルとして記憶しておき、焦点変動が零
の初期時から現在までに積算してどれぐらいの
エネルギーが入射したかを、シヤツターの開閉
デイーテイから求めた積算時間に換算して求
め、その積算時間に対応する変動特性上の焦点
変動量をテーブルからサーチする方法、 (2) 投影レンズ内のレンズ素子に薄膜抵抗帯を蒸
着し、その抵抗帯の抵抗値変化からレンズ素子
の温度変化、又はレンズ表面の温度勾配を検出
することによつて、第５図のような変動特性を
実時間に計測する方法、 (3) 投影レンズに直線偏向の細いプローブ光を入
射させ、投影レンズから射出したプローブ光
を、偏光角が直交するような偏光板を介して光
電検出することによつて、投影レンズの入射エ
ネルギーに起因した複屈折率の変化を求めて、
焦点変動特性との相関から実時間に変動量を計
測する方法、等が実現可能である。

特に上記(1)、又は(2)の方法は露光動作中に時々
刻々変化する焦点変動量がダイレクトに検出でき
るので、複雑な制御が不要になるといつた利点が
ある。尚、大気圧を検出する圧力センサー３０
は、焦点変動を検出ために用いるだけでなく、レ
ーザ干渉測長器の自動レーザ波長補正器
（ALCP）用の大気圧センサーとしても兼用する
ことができる。

また実施例においては、焦点変動の補正をプレ
ーンパラレル４６の回転で行なうようにしたが、
スリツト板４８を移動させても同様の効果が得ら
れる。さらに焦点信号FPSを所定のスライスレベ
ルと比較して、信号FPSとスライスレベルとが一
致した点を合焦位置と判定するような構成の場合
は、スライスレベルと焦点信号FPSの波形との関
係を焦点変動量ΔFに応じた量だけ電気的なオフ
セツト値として与えるようにすれば、同様の効果
が得られる。ただしこのような電気的なオフセツ
トは焦点信号FPSの波形上の直線的な部分でのみ
有効であり、直線部分を超える程の大きなオフセ
ツト（補正）には対応できない。またスライスレ
ベルを中心にサーボ範囲を決める場合も、その範
囲が非対称になつてしまう。そこで比較的大きな
オフセツトに対してはプレーンパラレル４６の回
転で対処し、オフセツトの微調には電気的に対処
するといつた組み合せ（ハイブリツド）制御も可
能である。

ところで以上の実施例においては、焦点変動を
大気圧変化から検出するものとしたが、大気圧を
検出するのは空気の屈折率を求める為であるの
で、大気圧を検出する代りに、空気の屈折率を直
接検出してもよい。空気の屈折率を検出する手段
としては例えば、安定した光路差を持つたマイケ
ルソン干渉計に周波数安定化レーザの出力光のよ
うに周波数の安定した光を入射させ、干渉計の光
路を真空にした状態と、空気を入れて大気圧にし
た状態での光干渉信号の変化から、ある大気の条
件における光の屈折率を求める手段が挙げられ
る。このように屈折率を直接検出すると、大気圧
を検出するよりもさらに高精度な補正が可能であ
る。大気の屈折率を変化させる要因は大気圧変化
が支配的である。しかしながら大気中の成分（酸
素、チツ素、二酸化炭素等）の比率変化、大気の
温度変化等もわずかな量ではあるが屈折率に影響
を与える。さらに、この種の露光装置に組み込ま
れている焦点検出系としては、投影レンズの鏡筒
側に設けられたノズルからウエハ面に気体を噴射
し、その背圧変化を圧力−変位変換器と変器−電
気変換器で計測することによつて投影レンズ（ノ
ズル）とウエハとの間隔を検出するギヤツプセン
サー、所謂エア・マイクロメータも使われてい
る。このようなエア・マイクロメータの場合は、
鏡筒に対してノズルを光軸方向に可動として機械
的にオフセツトを与えるか、計測した検出信号に
電気的にオフセツトを与えることで焦点変動の補
正制御が可能である。

（発明の効果） 以上本発明によれば、大気の屈折率変化による
投影光学系の焦点変動を補正して、常に正確な焦
点合わせが達成されるので、露光されるパターン
の線幅コントロールがより精密になり、その再現
性が向上するという効果が得られる。

すなわち本発明によれば、投影光学系自体の焦
点変動に追従するように、被投影基板の光軸方向
の位置を検出する斜入射光式焦点検出器内に設け
た可動光学部材を駆動することにより、斜入射光
式焦点検出器の焦点ずれ検出信号の出力特性を単
純に光軸方向にシフト（補正）させることができ
るので、焦点ずれ検出信号を用いた本来の自動焦
点合わせのためのサーボ可能範囲が非対称になら
ないといつた効果が得られる。従つて、環境変
化、入射エネルギー変化によつて投影光学系自体
の焦点変動量が大きくなつたとしても、斜入射光
式焦点検出器の本来の検出特性を損なうことなく
斜入射光式焦点検出器を正しく補正することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による縮小投影型露光
装置の構成を示す斜視図、第２図は焦点検出系の
具体的な構成を示すブロツク図、第３図はプレー
ンパラレルの回転機構を示す部分断面図、第４図
は補正制御部の構成を示す回路ブロツク図、第５
図は入射エネルギーによる焦点変動の特性図、第
６図は照明光学装置の構成を示す光学配置図、第
７図は焦点変動補正の動作を説明するフローチヤ
ート図、第８図は大気圧による焦点変動の特性
図、第９図は同期整流された焦点信号の出力特性
図である。 〔主要部分の符号の説明〕、Ｒ……レチクル、
Ｗ……ウエハ、２……投影レンズ、４……Ｚステ
ージ、２０……投光器、２１……受光器、３０…
…圧力センサー、４６……プレーンパラレル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスクのパターンを所定の結像面内に結像投
   影する投影光学系と、被投影基板を前記結像面と
   ほぼ平行に保持して２次元移動するステージ手段
   と、前記被投影基板の表面に斜めに光束を投射す
   る投光部と、その反射光を受光して受光位置の所
   定点からのずれに応じて変化する検出信号を出力
   する受光部とで構成される斜入射光式焦点検出器
   と、該焦点検出器からの検出信号に基づいて前記
   被投影基板の表面と前記結像面とのずれが補正さ
   れるように前記投影光学系と前記被投影基板との
   光軸方向の間隔を調整する調整手段とを備えた投
   影光学装置において、 前記斜入射光式焦点検出器の投光部から受光部
   までの光路中に設けられ、該受光部で受光される
   前記反射光の位置を光学的に変化させる可動光学
   部材と； 大気の屈折率変化、もしくは圧力変化を検出
   し、該変化に応じた検出信号を出力する環境変化
   検出器と； 該環境変化検出器からの検出信号に基づいて、
   大気の屈折率変化、もしくは圧力変化によつて生
   じる前記投影光学系の結像面の光軸方向の変動量
   に対応した前記可動光学部材の補正量を算出する
   演算手段と； 該演算手段によつて算出された補正量に応答し
   て前記可動光学部材を駆動する駆動機構とを設け
   たことを特徴とする投影光学装置。 ２ 前記可動光学部材は、前記被投影基板の表面
   からの反射光の光路中に傾斜可能に配置された平
   行平板ガラスで構成され、前記駆動機構は前記平
   行平板ガラスを傾斜させるモータと、その傾斜位
   置を検知する位置検知器とを含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記演算手段は、前記投影光学系の結像面の
   光軸方向の変動量に対応して算出される前記平行
   平板ガラスの目標傾斜位置を算出し、前記位置検
   知器で検知される前記平行平板ガラスの現在の傾
   斜位置と前記目標傾斜位置との差分を前記モータ
   の駆動量として出力することを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載の装置。 ４ マスクのパターンを所定の結像面内に結像投
   影する投影光学系と、被投影基板を前記結像面と
   ほぼ平行に保持して２次元移動するステージ手段
   と、前記被投影基板の表面に斜めに光束を投射す
   る投光部と、その反射光を受光して受光位置の所
   定点からのずれに応じて変化する検出信号を出力
   する受光部とで構成される斜入射光式焦点検出器
   と、該焦点検出器からの検出信号に基づいて前記
   被投影基板の表面と前記結像面とのずれが補正さ
   れるように前記投影光学系と前記被投影基板との
   光軸方向の間隔を調整する調整手段とを備えた投
   影光学装置において、 前記斜入射光式焦点検出器の投光部から受光部
   までの光路中に設けられ、該受光部で受光される
   前記反射光の位置を光学的に変化させる可動光学
   部材と； 大気の屈折率変化、もしくは圧力変化を検出
   し、該変化に応じた検出信号を出力する環境変化
   検出器と； 該環境変化検出器からの検出信号に基づいて、
   大気の屈折率変化、もしくは圧力変化によつて生
   じる前記投影光学系の結像面の光軸方向の変動量
   を算出する第１の演算手段と； 前記マスクパターンを前記被投影基板上に結像
   投影するときに前記投影光学系に入射したエネル
   ギーによつて生じる前記結像面の光軸方向の変動
   量を算出する第２の演算手段と； 前記第１の演算手段と第２の演算手段の夫々で
   算出された変動量の総和に対応した前記可動光学
   部材の補正量を算出する手段と； 該算出された補正量に応じて前記可動光学部材
   を駆動する駆動機構とを設けたことを特徴とする
   投影光学装置。