JPH0645228A

JPH0645228A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0645228A
Application number: JP4217338A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Okumura; 正彦奥村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-07-23
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】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等の結像特性をスループ
ット良く計測する。【構成】Ｚステージ１４上に配置され、投影光学系Ｐ
Ｌに対する光路長がそれぞれ異なる２個の微小開口部２
１ａ，２１ｂが近接して形成された基準部材２０と、そ
れら微小開口部を露光光と等しい波長の光でＺステージ
１４側から照明し、その透過光を投影光学系ＰＬを介し
てレチクルに入射させる照明系２６，２７と、そのレチ
クルより反射されて、投影光学系ＰＬを介して再びそれ
ら微小開口部のそれぞれを透過した光を光電変換する光
電変換素子とを有する。

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又は大型液晶基板製造用の投影
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。

【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の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】それらの内で、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（投影光学系の光軸に平行な
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ものであ
る。

【０００４】また、特開昭６３−３０６６２６号公報又
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、特殊な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明し、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ーによ
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ＴＴＬ（スルー・ザ・レンズ）方式による焦点位置検
出を行って結像特性を計測する装置においては、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、第１に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
合のスループットの低下を免れない。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
の各部分についての合焦点位置を測定することはでき
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。

【０００６】第２に、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困難であるという不都合
があった。

【０００７】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
軸と垂直な方向で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。

【０００８】本発明は斯かる点に鑑み、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
ト良く計測できるとともに、投影光学系の結像特性を補
正できる投影露光装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【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に示す如く、マスク（Ｒ）を
露光光（ＩＬ）で均一に照明する第１の照明系（１，
６，９ａ，９ｂ，１３）と、そのマスクのパターンの像
を結像面上に形成する投影光学系（ＰＬ）と、この投影
光学系の結像面に感光基板（Ｗ）の露光面がほぼ一致す
るようにこの感光基板を保持してその投影光学系の光軸
方向及びこの光軸と垂直な方向に移動自在なステージ
（１４，１５）とを有する投影露光装置において、その
ステージ（１４，１５）上に配置され、その投影光学系
（ＰＬ）に対する光路長がそれぞれ異なる複数の微小開
口部（２１ａ，２１ｂ）が近接して形成された基準部材
（２０）と、それら複数の微小開口部をその露光光又は
その露光光とほぼ等しい波長の光でそのステージ（１
４，１５）側から照明し、その複数の微小開口部を透過
した透過光をその投影光学系を介してそのマスクに入射
させる第２の照明系（１，２３，２５，２６）とを有す
る。

【００１０】更に、本発明は、この第２の照明系による
照明によってそのマスク（Ｒ）に達した光の内で、その
マスク（Ｒ）により反射されて、その投影光学系（Ｐ
Ｌ）を介して再びそれら複数の微小開口部（２１ａ，２
１ｂ）のそれぞれを透過した光を個別に光電変換信号す
る光電変換手段（２８，５１）と、この光電変換手段か
ら出力される複数の光電変換信号（ＳＡ，ＳＢ）に基づ
いて、その投影光学系の結像面のそれら複数の微小開口
部の位置でのその投影光学系の光軸方向の位置を検出す
る像面状態検出手段（３２Ａ）と、この像面状態検出手
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中の少なくとも１
つの結像特性を算出する結像特性算出手段（３２Ｂ）と
を有するものである。

【００１１】この場合、それら複数の微小開口部（２１
ａ，２１ｂ）には光透過部と遮光部とよりなるパターン
の他に位相型の回折格子等もを含むものである。また、
その基準部材（２０）に形成されたその投影光学系（Ｐ
Ｌ）に対する光路長がそれぞれ異なる複数の微小開口部
の一例は、例えば図２（ａ）に示すように、その基準部
材（２０）上の段差により光路長が変えられているもの
である。また、その基準部材（２０）に形成されたその
投影光学系（ＰＬ）に対する光路長がそれぞれ異なる複
数の微小開口部の他の例は、例えば図２（ｂ）に示すよ
うに、その基準部材（２０）上に設けられた位相シフタ
ー（５４）により光路長が変えられているものである。

【００１２】

【作用】斯かる本発明によれば、マスク（Ｒ）のパター
ン面と投影光学系（ＰＬ）に関してほぼ共役な面又はそ
の近傍に設けられた複数の微小開口部（２１ａ，２１
ｂ）が投影光学系（ＰＬ）と反対側から露光光又は露光
光と略等しい波長の光で照明され、それら複数の微小開
口部を透過した光が投影光学系を介してマスクに到達す
る。そして、マスクの裏面で反射した光は投影光学系を
介して再び複数の微小開口部のそれぞれを透過して個別
に光電変換手段（２８，５１）に入射する。投影光学系
に関してマスクの裏面と複数の微小開口部とが光学的に
共役な位置、つまり微小開口部がマスクの裏面のパター
ンの投影光学系による結像位置（合焦位置）にあると
き、光電変換手段に入射する光量が最大（又は最小）と
なるということを用いて、投影光学系の結像面が検出さ
れる。

【００１３】この原理に従うと、例えば図２（ａ）の複
数の開口部の一方の開口部（２１ｂ）を透過して光電変
換手段に入射する光量に応じた信号ＳＡと、他方の開口
部（２１ｂ）を透過して光電変換手段に入射する光量に
応じた信号ＳＢとは、それぞれ図３（ａ）に示すよう
に、光軸方向（Ｚ方向）に関して投影光学系に対する光
路長差に相当する位相差をもつ。この信号ＳＡと信号Ｓ
Ｂとの差を取ると、図３（ｂ）に示すような信号ＳＣが
得られる。この信号ＳＣは、一方の開口部（２１ｂ）と
他方の開口部（２１ｂ）との中間面（以下「開口部基準
面」とする）とマスクの結像面とがほぼ一致したときに
０になり、結像面の近傍では、結像面と開口部基準面と
の距離と信号ＳＣの大きさとの関係はほぼ線形となる。
これを利用することにより、投影光学系の露光フィール
ド内の任意の位置での結像位置を、基準部材（２０）を
光軸方向に走査することなく求めることができる。この
結果に基づいて結像特性を補正する。

【００１４】マスク裏面の反射率が異なる場合、結像面
と開口部基準面との距離と信号ＳＣの大きさとの関係は
変化してしまうが、これは予め光軸方向に基準部材（２
０）を走査し、信号ＳＣを取り込んでおくことで解決で
きる。また、信号ＳＣが０と交差する点に基準部材（２
０）の光軸方向の位置を保ちつつ、ステージ（１４，１
５）を光軸と直交する方向に走査すれば、この問題は回
避できる。

【００１５】このように本発明においては、マスク
（Ｒ）に特定のマークを形成する必要がなく、実際のマ
スク（Ｒ）をセットした状態で、単に投影光学系（Ｐ
Ｌ）の露光領域に基準部材（２０）を配置するだけで平
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
で補正すれば、常に良好な結像特性を維持することが可
能となる。

【００１６】また、その基準部材（２０）に形成された
その投影光学系に対する光路長がそれぞれ異なる複数の
微小開口部は、その基準部材上の段差により光路長が変
えられている場合には、その基準部材（２０）の厚さが
比較的薄くて済む。更に、その基準部材（２０）に形成
されたその投影光学系に対する光路長がそれぞれ異なる
複数の微小開口部は、その基準部材上に設けられた位相
シフター（５４）により光路長が変えられている場合に
は、投影光学系に対する光路長が異なる複数の微小開口
部の形成が容易である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
を図面を参照して説明する。図１は本実施例の投影露光
装置の概略的な構成を示し、この図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ＫｒＦ
エキシマレーザ光等）などのレジスト層を感光させるよ
うな波長（露光波長）の照明光ＩＬを発生する。照明光
ＩＬは、照明光の光路の閉鎖及び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ビーム
スプリッター４を通過した後、オプティカルインテグレ
ータ（フライアイレンズ）等を含む２次光源形成光学系
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。

【００１８】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、
ビームスプリッター４で反射された照明光の一部は、Ｐ
ＩＮフォトダイオード等の光電検出器からなるパワーモ
ニタ５に入射する。パワーモニタ５は照明光ＩＬを光電
変換して得られた光情報ＰＳを主制御系３２に出力し、
この光情報ＰＳ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）。

【００１９】２次光源形成光学系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、反
射率の高いビームスプリッター７で反射された後に第１
リレーレンズ９ａ、可変レチクルブラインド１０、第２
リレーレンズ９ｂ及び開口絞りを経てミラー１２に向か
う。ミラー１２で垂直下方に反射された照明光ＩＬは、
メインコンデンサーレンズ１３によりレチクルＲのパタ
ーン領域ＰＡを均一な照度で照明する。可変レチクルブ
ラインド１０の面はレチクルＲと共役な結像関係にあ
り、駆動モータ１１により可変レチクルブラインド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設
定することができる。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、上記ビーム
スプリッター７を通過して光電検出器よりなる反射量モ
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得られた光情報ＲＳを主制御
系３２に出力する。この光情報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）。

【００２０】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。

【００２１】さて、レチクルＲのパターン領域ＰＡを通
過した照明光ＩＬは、両側（又は片側）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により投影光学系ＰＬの光軸方向（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１９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。

【００２２】また、Ｚステージ１４上には光電検出器よ
りなる照射量モニタ１６が設けられている。この照射量
モニタ１６の受光面は例えば投影光学系ＰＬのイメージ
フィールド又はレチクルパターンの投影領域とほぼ同じ
面積であり、その受光面がウエハＷの表面位置とほぼ一
致するように照射量モニタ１６がＺステージ１４上に設
けられている。この照射量モニタ１６から得られるウエ
ハＷ上の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
（詳述後述）。

【００２３】さらにＺステージ１４上には投影光学系Ｐ
Ｌの結像特性、例えば焦点位置、像面湾曲、像面傾斜を
測定する際に用いられる基準部材２０が設けられてい
る。図４はこの基準部材２０の平面図であり、この図４
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４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の中心部に段差
付き微小開口部２１が設けられる。

【００２４】図２（ａ）はその基準部材２０の段差付き
微小開口部２１を示し、この図２（ａ）に示すように、
微小開口部２１は投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方
向）で下段の開口パターン部２１ａと上段の開口パター
ン部２１ｂとが隣接した構成となっている。下段の開口
パターン部２１ａと上段の開口パターン部２１ｂとのＺ
方向の段差はΔＺ（図３（ａ）中の信号ＳＡ，ＳＢの裾
の部分が重なり合う程度）である。また、基準部材２０
の底部にシャッター部材５１が配置され、シャッター部
材５１はそれら開口パターン部２１ａ及び２１ｂのそれ
ぞれの底部に対応する領域５２ａ及び５２ｂを選択的に
覆うことができる。

【００２５】図５（ａ）はその微小開口部２１の下段の
開口パターン部２１ａ及び上段の開口パターン部２１ｂ
の開口パターンの一例を示し、図５（ｂ）は下段の開口
パターン部２１ａ及び上段の開口パターン部２１ｂの開
口パターンの他の例を示す。図５（ａ）及び（ｂ）にお
いて、暗部は遮光部、明部は光透過部である。即ち、そ
の段差付き微小開口部２１に設けられるパターンは例え
ば図５（ａ）に示す市松模様や図５（ｂ）に示す格子パ
ターンであり、図１の基準部材２０の表面の高さとウエ
ハＷの表面の高さとはほぼ一致しているのが望ましい。

【００２６】段差付き微小開口部２１に設けられる開口
パターンの形状としては、その投影像がレチクルＲ上の
回路パターンに完全に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開口パターンに
完全に重なるような場合、開口部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。

【００２７】ここで、開口パターンを図５（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ＰＬの非点収差の影響を避けることができる。ま
た、図５（ｂ）に示すような格子パターンでも、その格
子の長手方向を回路パターンの辺と１０〜３０°程度傾
けるようにすれば回路パターンの影響を低減することが
できる。これは、半導体製造に用いられる回路パターン
は直交する縦及び横のパターン（０°及び９０°のパタ
ーン）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ＰＬ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。

【００２８】また、基準部材２０の微小開口部２１の開
口パターン部２１ａ及び２１ｂのパターンとして図５
（ｃ）に示すように複数の方向性を持ったラインアンド
スペースの平行線を用いて、各方向の平行線からの透過
光を独立に検出する光電検出器を設ければ、露光フィー
ルド内の任意の点での非点収差を測定することも可能で
ある。なお、図２（ａ）のように段差付き微小開口部２
１を用いる他に、図２（ｂ）に示すように、基準部材２
０上のパターン形成部５３ａ及び５３ｂの一部の形成部
５３ａ上にガラスなどの透明な位相部材５４を設けたも
のを使用してもよい。位相部材５４によって光路長が変
化するので段差と同様な効果を実現できる。ガラスは屈
折率が大きいため光路長が伸びて、パターン形成部５３
ａは、パターン形成部５３ｂから段差ΔＺ下の面５６に
存在するのと等価になる。パターン形成部５３ｂと面５
６との中間の面は基準部材２０の表面５５と一致してい
る。透明な位相部材５４の屈折率をｎ、パターン形成部
５３ａの上の厚さをｔとすると、段差（光路長差）ΔＺ
は、ΔＺ＝（ｎ−１）ｔで与えられる。

【００２９】さて、図１において微小開口部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、ビーム
スプリッター２３、集光レンズ２４、光ファイバ２５、
集光レンズ２６、ミラー２７及びシャッター部材５１か
ら成り、照明光ＩＬをＸＹステージ１５内に導いて微小
開口部２１の隣接する開口パターンを選択的に照明す
る。微小開口部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
して微小開口部２１に戻る。この反射光は微小開口部２
１を透過した後、シャッター部材５１、ミラー２７、集
光レンズ２４、光ファイバ２５、集光レンズ２６及びビ
ームスプリッター２３を介してフォトマルチプライア又
はフォトダイオード等で構成される光電検出器２８に入
射し、光電検出器２８で光電変換されて検出信号ＳＡ又
はＳＢとなる。

【００３０】検出信号ＳＡは図２（ａ）の下段の開口パ
ターン部２１ａを通過した光の検出信号であり、検出信
号ＳＢは図２（ａ）の上段の開口パターン部２１ｂを通
過した光の検出信号である。ここで、図示は省略してい
るが、計測照明系ＬＬは段差付き微小開口２１の各段を
それぞれ照明し、光電検出器２８は反射光を別個に受光
するように構成してもよい。また、図１のようなシャッ
ター部材５１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、所望の段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。

【００３１】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、３４は全体として斜入射式検
出光学系を示し、この種の装置は例えば特公平２−１０
３６１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レベリング検
出系３０とを組み合わせたものである。

【００３２】焦点検出系２９およびレベリング検出系３
０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、２光束を
合成するハーフミラー３１ａと、ウエハ表面での反射光
を分割するハーフミラー３１ｂと、分割された光束をそ
れぞれ受光する受光光学系２９ｂ，３０ｂとからなる。
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。

【００３３】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。

【００３４】図６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３３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と駆
動素子４８ｃ，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。なお、図１では
例えば駆動素子４８ａ〜４８ｃの内の駆動素子４８ａ及
び４８ｃのみが現れている。

【００３５】以下では３個の駆動素子４８ａ〜４８ｃを
まとめて駆動素子群４８として、駆動素子群４９及び５
０も同様である。駆動素子群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付近に設けることと
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。

【００３６】尚、図１の本実施例において投影光学系Ｐ
Ｌの光軸ＡＸとは、投影光学系ＰＬ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，５０
ｂ，５０ｃを介してその鏡筒部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，４９
ｂ，４９ｃを介して支持部材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，４８
ｂ，４８ｃを介して支持部材４４に連結されている。

【００３７】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、レンズエレメ
ント４３及びレンズエレメント４５が夫々独立に移動可
能となっており、これらのレンズエレメントは倍率、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、菱型、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。又は、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。

【００３８】以上の構成によって、３群のレンズエレメ
ント４０，４１、レンズエレメント４３及びレンズエレ
メント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４０，４１、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４
５は光軸ＡＸとほぼ垂直な平面内で移動可能である。

【００３９】主制御系３２は駆動素子制御部３３を制御
するのみならず、後述する如く内部に合焦位置検出部３
２Ａ及び結像特性検出部３２Ｂを有し、これらにより投
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。

【００４０】次に本実施例における像面湾曲、像面傾
斜、非点収差等の投影光学系ＰＬの結像特性の計測方法
について述べる。図１において、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上の段差付
き微小開口部２１が投影光学系の露光フィールド内の任
意の位置に来るようにＸＹステージ１５を駆動モータ１
８で移動する。このとき同時に駆動モータ１７でＺステ
ージ１４を駆動して基準部材２０の表面を投影光学系Ｐ
Ｌの設計上の最良焦点位置（最良結像面）に設定する。

【００４１】ここで、ミラー２２を光路中に移動させて
段差付き微小開口部２１の上段又は下段の開口パターン
に照明光ＩＬを導き、微小開口部２１及び投影光学系Ｐ
Ｌ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から反射された反射光は再び投影光学系
ＰＬ、微小開口部２１の何れかの開口パターンを通った
後、シャッター部材５１、ミラー２７、集光レンズ２
６、光ファイバ２５、集光レンズ２４、ビームスプリッ
ター２３を介して光電検出器２８に入射する。光電検出
器２８では、段差付き微小開口部２１の上段のパターン
を透過した光量と、下段のパターンを透過した光量それ
ぞれに応じた大きさの信号（電圧値）を出力できる。

【００４２】次に、本例では投影光学系の結像特性の計
測の前に予めＺステージ１４をＺ方向に走査して光電検
出器２８の出力信号の特性を求めておく。これにより例
えば図３の特性が得られる。図３（ａ）は、図２（ａ）
の下段の開口パターン部２１ａを通過した光に応じた光
電検出器２８の出力信号である検出信号ＳＡ及び図２
（ａ）の上段の開口パターン部２１ｂを通過した光に応
じた検出信号ＳＢを示す。検出信号ＳＡのピークと検出
信号ＳＢのピークとは投影光学系ＰＬの光軸（Ｚ方向）
に段差に等しいΔＺだけ離れている。また、図３（ｂ）
は検出信号ＳＡから検出信号ＳＢを差し引いて得られた
差信号ＳＣを示す。この検出信号ＳＣが０となるとき
に、Ｚステージ１４上の基準部材２０の微小開口部２１
の上段と下段との中間の面（開口部基準面）が投影光学
系ＰＬの結像面に合致している。そして、例えば露光中
に投影光学系の焦点位置の計測を行う際には、Ｚステー
ジ１４を停止した状態で検出信号ＳＡ及びＳＢの１対の
値を求め、これらの値より差信号ＳＣの値を求める。こ
のようにして求められた差信号ＳＣの値から図３（ｂ）
の特性よりＺステージ１４の現在の位置と合焦位置との
ずれ量が分かるので、Ｚステージ１４の停止状態でのＺ
方向の位置にそのずれ量を加算した位置が現在の投影光
学系の焦点位置（最良結像面上の位置）である。これに
より、Ｚステージ１４を移動させることなく迅速に計測
を行う事ができる。但し、別の計測方式として、その差
信号ＳＣの値が０になるようにＺステージ１４を駆動し
て、Ｚステージ１４の位置を検出するようにしても良
い。

【００４３】また、図１において、その差信号ＳＣが０
の状態を維持するようＺステージ１４を駆動し、その位
置を読み取りながら、微小開口部２１が露光フィールド
内にある範囲でＸＹステージ１５を走査すれば、焦点検
出系２９の出力信号として図７に示すような特性が得ら
れ、像面湾曲ないし像面傾斜が測定できる。像面湾曲、
像面傾斜を計測する際には、微小開口部２１のパターン
としては、非点収差の影響を受けにくい市松模様などが
適当であるが、いくつかの方向の平行線パターンを用い
ることにより、同様の方法で露光フィールド内の任意の
位置でのサジタル方向の結像面とメリジオナル方向の結
像面すなわち非点収差を計測することも可能である。

【００４４】Ｚステージの位置を計測する手段としては
斜入射方式の焦点検出系２９又はＺステージ内の変位セ
ンサなどが利用できる。焦点検出系２９は基準部材２０
の表面の高さを検出するので、基準部材２０の微小開口
部２１以外の部分の表面を、段差付き微小開口部２１の
開口部基準面と一致させておけば、焦点検出系２９の原
点の較正を行う場合に便利である。

【００４５】基準部材２０の微小開口部２１以外の部分
の表面と、開口部基準面とが一致していない場合には、
上記表面と開口基準面との間隔を予め測定して、装置の
定数として記憶しておいてもよい。この測定は、微小開
口部２１を露光フィールド内にてＺ方向に走査しつつ、
斜入射方式の焦点検出系２９の出力信号と、前記差信号
ＳＣとをモニタし、焦点検出系２９の出力信号の零点と
前記差信号ＳＣの零点とのオフセットを読み取ればよ
い。

【００４６】各段の開口パターン部２１ａ，２１ｂに対
応する検出信号ＳＡ，ＳＢと、基準部材２０のＺ方向の
位置との間に図３（ａ）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。微小開口部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、微小開口部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
を介して微小開口部２１に入射する。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。

【００４７】一方、微小開口部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、即ち、
投影光学系ＰＬの焦点面（結像面）にあるときは、微小
開口部２１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。これにより図３（ａ）のように、上段の開口パター
ン部２１ｂを透過した光に対応する検出信号ＳＡは、上
段の開口パターン部２１ｂが結像面と一致したときに極
大となり、下段の開口パターン部２１ａを透過した光量
に対応する検出信号ＳＢは、下段の開口パターン部２１
ａが結像面と一致したときに極大となる。これらの信号
は結像位置付近でほぼ対称に出力されるため、図３
（ｂ）の差信号ＳＣは開口部基準面が結像面と一致した
ときにほぼ０となり、またこの近傍では差信号ＳＣは、
開口部基準面と結像面との距離とほぼ比例して変化す
る。

【００４８】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。

【００４９】最良焦点位置の検出は図１の主制御系３２
内の合焦位置検出部３２Ａで行われる。合焦位置検出部
３２Ａは前述の如く基準部材２０内の上段開口部と下段
開口部とに対応した検出信号の差信号ＳＣを出力するの
で、この差信号ＳＣが０と交差する位置にＺステージ位
置を制御すれば、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）を求めることができる。この
処理を露光フィールド内の任意の位置で行うと各点での
最良焦点位置が求められる。例えば、上記の動作と同時
に段差付き微小開口部２１を露光フィールド内で、放射
方向に走査すればよい。

【００５０】以上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）に対する最良焦点位置の関係
を求めると例えば図７のようなグラフとなる。また、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
及び図８の縦軸はＺ方向の位置を示し、横軸は像高を示
している。図８において、位置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、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、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。

【００５１】そして図７において像面傾斜ΔＺＤ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位
置Ｚ₂ 及びＺ₃ が次式によつて求まる。Ｚ₃ ＝ｆ₁ ＋（ｆ₃ −ｆ₂ ）／２Ｚ₂ ＝ｆ₁ −（ｆ₃ −ｆ₂ ）／２そして、この位置Ｚ₂ ，Ｚ₃ を使って像面傾斜ΔＺＤ
は、 ΔＺＤ＝Ｚ₃ −Ｚ₂ ＝ｆ₃ −ｆ₂ から求まり、図８の上部の直線で表される。

【００５２】ここで、この像面傾斜ΔＺＤを計算上で補
正して、露光フィールド周囲の４隅の焦点位置に、露光
フィールド中心の焦点位置を加えて像面湾曲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の下部の曲線で表される。更に平均焦点位
置ｆ_A はｆ_A ＝ｆ₁ ＋Δｒ／２として求められる。

【００５３】尚、これらの像面傾斜ΔＺＤ、像面湾曲Δ
ｒ、平均焦点位置ｆ_A を求める演算は主制御系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、レンズエレメント４３及びレン
ズエレメント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又は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、レンズエレメ
ント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、
レンズエレメント４３及びレンズエレメント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。

【００５４】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号公報に
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。

【００５５】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。

【００５６】また、焦点位置は前述の如く平均焦点位置
ｆ_A を求めて、その値に基づいて駆動モータ１７により
Ｚステージ１４をウエハＷと像面と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との最大偏
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、駆動モータ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。

【００５７】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
変レチクルブラインド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
させるように面８２にウエハＷを持ってくる方法も考え
られる。

【００５８】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の移動することによって補正
可能である。このとき微小開口部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を駆動す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。

【００５９】尚、前述の実施例の如き投影光学系の結像
特性の計測は、単位時間毎又は所定のウエハ単位処理枚
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、前述したように微小開口部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４０，４１、４３、４５を
駆動することにより、又はレンズエレメント４０，４
１、４３、４５、レベリングステージ並びに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。

【００６０】（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又はレチクル
Ｒの自重による撓み、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微小開
口部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。

【００６１】（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微小開
口部２１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、例えば、特開平１−
２７３３１８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。

【００６２】投影光学系ＰＬの結像特性の変化特性は、
図１のシャッタ２の開閉の情報、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，Ｌ
Ｓ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ＰＬ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ＰＬに
蓄積される熱量を決定する。

【００６３】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
予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
レメントの駆動素子群４８〜５０で駆動して補正を行
う。

【００６４】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４０，４
１、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
と同様に微小開口部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。

【００６５】このキャリブレーションは予測制御と計算
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。

【００６６】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
づいて状態変数を求め、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。

【００６７】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、前述の如く微小開口部２
１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。

【００６８】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、斜入射式のオートフォーカス検出系
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、微小開口部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。

【００６９】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が基準部材２０の各
点を測定することができれば、基準部材２０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の複数の開口パターンを有する微
小開口部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。

【００７０】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及びレ
ベリング検出系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。

【００７１】次に微小開口部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微小開口部２１のパタ
ーンを図２（ａ）及び（ｂ）のような透過部と遮光部と
の組み合わせパターンで説明したが、照明光の波長を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１１を
用いて簡単に説明する。図１１（ａ）に示すように、位
相格子パターンよりなる微小開口部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の裏面で反射され微小開口部２１に戻ってく
る。微小開口部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。位相格子と
しての微小開口部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、微小開口部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。その図１２の横軸は図１の焦点検出系２９の出力
信号、即ちＺ方向の位置である。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微小
開口部２１を光線がすべて通過するためＳＮ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。

【００７２】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、予めおおまかに焦点位置を見つけておいてもよい。
この場合差信号ＳＣの線形性の良い領域で、高精度に焦
点位置を検出することが期待できる。尚、焦点検出系２
９及びレベリング検出系３０のキャリブレーションの際
のオフ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及びレベ
リング検出系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
レベリング検出系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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】また、以上では微小開口部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の結像特性用の照明光を照射し、
レチクルＲの裏面からの反射光を再び投影光学系ＰＬ及
び微小開口部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。

【００７６】即ち、開口パターンを有するレチクルを用
い、レチクル上方からその開口パターン及び投影光学系
ＰＬ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、レチクルの開口パターンを介して光電検出器で
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。更に、テストレチクルを用いるこ
となく、開口パターンを実際の露光用のレチクルの複数
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。

【００７７】以上では半導体集積回路を製造するための
縮小投影型露光装置を例として説明したが、本発明はこ
れ以外の装置、例えば大型の液晶表示素子基板を製造す
るのに使用される露光装置などにも同様に適用できる。
また、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基板の位置の面位置を検出する面位置検出装置
にも応用できる。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、高速且つ高精度に像面
湾曲、像面傾斜又は平均焦点位置を求めることができ
る。従って、別に結像特性補正手段を動作させることに
より、装置のスループットを落とすことなく投影光学系
の結像特性を補正できる。また、実際の回路パターンが
形成さ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と共
に、結像特性の予測制御と組み合わせることで予測制御
用のパラメータのキャリブレーションを行うこともで
き、結像特性の補正精度が向上する。

【００７９】また、基準部材に形成された投影光学系に
対する光路長がそれぞれ異なる複数の微小開口部が、そ
の基準部材上の段差により光路長が変えられている場合
には、その基準部材を薄くできる。また、その基準部材
に形成された投影光学系に対する光路長がそれぞれ異な
る複数の微小開口部が、その基準部材上に設けられた位
相シフターにより光路長が変えられている場合には、そ
の微小開口部を容易に形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の一実施例の全体を
示す一部断面図を含む構成図でる。

【図２】（ａ）は図１の基準部材２０の微小開口部２１
の一例を示す断面図、（ｂ）はその基準部材２０の微小
開口部の他の例を示す断面図である。

【図３】（ａ）は図１の基準部材２０のＺ方向の位置と
光電検出器２８から出力される検出信号ＳＡ及びＳＢと
の関係を示す波形図、（ｂ）は検出信号ＳＡと検出信号
ＳＢとの差信号ＳＣと基準部材２０のＺ方向の位置との
関係を示す波形図である。

【図４】図１の投影光学系ＰＬの露光領域に対する基準
部材２０の開口パターンの設置箇所を示す平面図であ
る。

【図５】（ａ）は図１の基準部材２０の微小開口部２１
のパターンの一例を示す平面図、（ｂ）はその微小開口
部２１のパターンの他の例を示す平面図、（ｃ）はその
微小開口部２１のパターンの更に他の例を示す平面図で
ある。

【図６】図１の投影光学系ＰＬを光軸ＡＸの方向から見
た場合の断面図である。

【図７】基準部材２０の微小開口部２１の像高に対する
焦点検出系２９の出力信号を示す特性図である。

【図８】図７の特性図を像面傾斜成分と像面湾曲成分と
に分けて示す特性図である。

【図９】像面湾曲を除去する場合の説明図である。

【図１０】投影光学系ＰＬの露光領域の半分のみを使用
する場合の説明図である。

【図１１】図１の基準部材２０の微小開口部２１として
位相格子パターンを使用する場合の説明図である。

【図１２】位相格子パターンを使用した場合における、
図１の光電検出器２８の出力信号と焦点検出系２９の出
力信号との関係を示す波形図である。

【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微小開口部２１ａ下段の開口パターン部２１ｂ上段の開口パターン部２８光電検出器２９焦点検出系３０レベリング検出系３２主制御系３２Ａ合焦位置検出器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４８ａ，４８ｂ，４９ａ，４９ｂ，５０ａ，５０ｂ駆
動素子ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ５４位相部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクを露光光で均一に照明する第１の
照明系と、前記マスクのパターンの像を結像面上に形成
する投影光学系と、該投影光学系の結像面に感光基板の
露光面がほぼ一致するように該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自
在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、前記投影光学系に対する光
路長がそれぞれ異なる複数の微小開口部が近接して形成
された基準部材と；前記複数の微小開口部を前記露光光
又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
クに達した光の内で、前記マスクにより反射されて、前
記投影光学系を介して再び前記複数の微小開口部のそれ
ぞれを透過した光を個別に光電変換信号する光電変換手
段と；該光電変換手段から出力される複数の光電変換信
号に基づいて、前記投影光学系の結像面の前記複数の微
小開口部の位置での前記投影光学系の光軸方向の位置を
検出する像面状態検出手段と；該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中の少なくとも１つの結
像特性を算出する結像特性算出手段とを有する事を特徴
とする投影露光装置。
【請求項２】前記基準部材に形成された前記投影光学
系に対する光路長がそれぞれ異なる複数の微小開口部
は、前記基準部材上の段差により光路長が変えられてい
る事を特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記基準部材に形成された前記投影光学
系に対する光路長がそれぞれ異なる複数の微小開口部
は、前記基準部材上に設けられた位相シフターにより光
路長が変えられている事を特徴とする請求項１記載の投
影露光装置。