JPH0652708B2 - 投影光学装置 - Google Patents

投影光学装置

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JPH0652708B2
JPH0652708B2 JP59228914A JP22891484A JPH0652708B2 JP H0652708 B2 JPH0652708 B2 JP H0652708B2 JP 59228914 A JP59228914 A JP 59228914A JP 22891484 A JP22891484 A JP 22891484A JP H0652708 B2 JPH0652708 B2 JP H0652708B2
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    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
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    • G03F7/70241Optical aspects of refractive lens systems, i.e. comprising only refractive elements
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、所定の像を投影する投影光学装置にかかるも
のであり、特に、その光学的特性の変化の検出に関する
ものである。
〔発明の背景〕
投影光学装置例えば超LSIの生産工程のリングラフイ装
置として使用される縮小投影型露光装置(以下単に「ス
テツパ」という)では、近年の生産性増強の要求により
スループツトが向上し、このため、単位時間内に投影光
学系を通過する露光光も増加している。この露光光のエ
ネルギーの一部は、投影光学系のレンズに吸収されて熱
となり、レンズの屈折率や形状等に変化を与えることに
なる。かかる熱による光学系の変化が一定以上になる
と、焦点位置や結像倍率などの結像特性に無視しない影
響を与えることになる。
〔発明の目的〕
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その
目的は、光学系の光学特性の変化を随時検出することが
できる投影光学装置を提供することである。
本発明の他の目的は、検出した光学特性の変化を是正と
することができる投影光学装置を提供することである。
〔本発明の概要〕
本発明は、結像光学系に所定の偏光のモニター光束を入
射する手段と、結像光学系を通過したモニター光束を受
光し、これを電気信号に変換する光電検出手段と、この
手段の出力に基づいて結像光学系の光学特性の変化を検
出する検出手段とを含むことを特徴とするものである。
結像光学系(投影レンズL)に熱的要因により光学特性
の変化が生ずると、入射手段(光源14,30,50,70,偏
光板16,32,52,鏡18,36,54,74)によつて結像光学
系に入射したモニター光束(MB)が複屈折により影響を
受ける。これが光電検出手段(光センサ24,42,58,8
4)によつて電気信号に変換され、更には検出手段(演
算装置26,44,60)によつて光学特性の変化が検出され
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について、添付図面を参照しなが
ら説明に説明する。
第1図には、本発明にかかる投影光学装置の第1実施例
が示されている。この図において、露光対象であるウエ
ハWは、X,Y,Z方向に移動可能なステージ10上に載置
されている。このステージ10は、X,Y方向に移動可能
なXYステージ10Aと、Z方向に移動可能なZステージ1
0Bとによつて構成されている。
ウエハW上には、投影レンズLが配置されており、この
投影レンズLの上方には、マスク(ないしはレチクル)
Mを介して露光照射用のコンデンサレンズ12が配置さ
れている。
露光光は、コンデンサレンズ12の上方からコンデンサ
レンズ12に入射し、更には、マスクMを透過して投影
レンズLに入射する。この露光光は、投影レンズLの入
射瞳epを通つてウエハWに達し、マスクMのパターンが
ウエハW上に投影されることとなる。この露光光束は、
破線lで示されている。
次に、光学特性の検出系について説明する。投影レンズ
Lの近傍上方には、光源14が設けられており、この光
源14から射出されたモニター光束MBは、第1の偏光
板16及び鏡18を介して投影レンズLの入射瞳epに入
射するようになつている。また、投影レンズLを透過し
たモニター光束MBは、第2の鏡20及び偏光板22を
介して光センサ24に入射するようになつている。これ
らの装置のうち、鏡18,20は光路を変更してモニタ
ー光束MBが投影レンズL内を通過させるもので、いず
れも露光光束lをさえぎることがないようその配置が考
慮されている。偏光板16は光源14のモニター光束M
Bを直線偏光するためのもので、偏光板22は出力調整
のために設られている。すなわち、投影レンズLに露光
光束lが入射されていない熱的に安定した状態におい
て、偏光板22を回転し、光センサ24の出力が最小と
なるようにする。
次に、光センサ24は、後述する演算を行う演算装置2
6に接続されており、この演算装置26は、制御装置2
8を介して駆動モータ30に接続されている。この駆動
モータ30は、Zステージ10Bを上下方向すなわちZ方
向に移動させるためのものである。
次に、上記実施例の全体的動作について説明する。ま
ず、上述したように、偏光板22を回転させて光センサ
24の出力が最小となるように調整を行う。この後に、
露光光束lが投影レンズLに入射され、この光束の一部
が吸収されて温度が上昇すると、投影レンズLの光学的
特性が変化する。
詳述すると、投影レンズL内の光学素子に歪みが生じて
いない場合には、当初の状態が保存されており、直線偏
光又は円偏光された光は、そのままの偏光で投影レンズ
Lを通過することとなる。しかしながら、露光光束の一
部吸収による発熱があると、光学素子に歪みが生ずるよ
うになり、この歪みは、光学素子に光学的異方性すなわ
ち複屈折性を生じさせる。このため、投影レンズLを通
過する光MBは楕円偏光となる。この楕円の程度は、光
学素子の歪みの大きさと一義的な関係にある。
楕円偏光されたモニター光束MBは、偏光板22で直線
偏光に変換されるが、変換後の光強度は、楕円の程度す
なわち光学素子の歪みの程度に対応している。かかる光
強度に対応する信号が光センサ24から出力される。
第2図(A)には、投影レンズLに露光光束lを入射させ
たときの焦点Fの変化△Fが示されている。また、同図
(B)には、かかる焦点Fの変化に対応する光センサ24
の出力Sが示されている。これら第2図(A),(B)におい
て、時刻t0ないしt1では、露光光束lが投影レンズLに
入射されていないため、焦点Fの変化はなく、△Fはゼ
ロである。他方、光センサ24の出力Sは、投影レンズ
Lの残留歪の値に対応した値S0となつている。
次に、時刻t1において投影レンズLに単位時間当り一定
量の露光光束lが入射されたとすると、温度上昇により
光学特性が変化し、投影レンズLの焦点Fは、曲線f1
沿つて変化する。このため、光センサ24の出力Sは、
曲線g1に沿つて曲線f1にほぼ比例して変化することとな
る。そして、一定時間が経過すると、焦点Fは一定状態
となり、光センサ24の出力Sも一定状態となる。すな
わち、焦点Fは、△Z増大し、出力Sは△S増大するこ
ととなる。
次に、時刻t2で露光光束lの投影レンズLに対する入射
が終わると、温度も下がりはじめ、投影レンズLの焦点
Fは曲線f3に沿つて変化し、光センサ24の出力Sも曲
線g3に沿つて曲線f2にほぼ比例しながら変化することと
なる。
以上のように、投影レンズLの焦点Fの変化と光センサ
24の出力Sの変化とはほぼ比例するので、一定状態で
あるf2,g2のときの焦点変動値△Zを、試し露光やある
いは投影レンズLを通したスルーザレンズの観察光学系
による焦点検出等によつてあらかじめ求め、これに対応
する光センサ24の出力Sの変化△Sとに対し、次の係
数Kを算出しておく。
そうすれば、この係数Kと、光センサ24の出力Sの変
化△Sとから焦点Fの変動値△Zを求めることができ
る。投影レンズLの倍率変動も同様である。これらの演
算は、演算装置26によつて行なわれ、光センサ24の
出力に基づいて投影レンズLの焦点変化量、倍率変化量
が求められる。そして、これらの変化量は、制御装置2
8に入力され、かかる変化量に対応して駆動モータ30
が駆動されることとなり、投影レンズLの光学特性の変
化のうち焦点変動に対応するように、すなわち、常に最
適な結像状態が得られるように、ウエハWが上下方向に
移動させることとなる。この第1実施例は、ウエハWへ
の露光作業中においても投影レンズLの結像特性の変化
をモニターできるという特徴がある。
次に、第3図を参照しながら、本発明の第2実施例につ
いて説明する。第3図において、投影レンズLの近傍上
方には、光源30が設けられており、この光源30から
射出されたモニター光束は、第1の偏光板32,ビーム
スプリツター34及び鏡36を透過反射して投影レンズ
Lに入射するようになつている。投影レンズLを通過し
たモニター光束は、ステージ10上に設けられた鏡38
によつて反射されて投影レンズLに再び入射し、更に
は、鏡36及びビームスプリツター34によつて第2の
偏光板40に入射する。この偏光板40を透過した光
は、皮下センサ42に入射するようになつている。
光センサ42は、演算装置44に接続されており、この
演算装置44は、制御装置46に接続されている。
この実施例の基本的な作用は、上述した第1実施例と同
様であるが、投影レンズLに入射したモニター光束を鏡
38によつて再び投影レンズLに入射せしめ、これをビ
ームスプリツター34で分離する点で異なつている。こ
の実施例によれば、モニター光束がステージ10上のウ
エハWを照射する構成となつているため、このモニター
光束とウエハWとマスクMのアラメント用のレーザ光と
を兼用することができる。後述する第3実施例について
も同様である。なお、アライメント用のレーザ光は、こ
れによつてウエハWのマークを照射したときに、そのマ
ークからの散乱光あるいは回折光を投影レンズLを介し
て検出し、アライメント用のレーザ光のスポツト位置又
はマスクMの位置に対するウエハWの位置を検出するも
のである。
また、この実施例では、投影レンズLの下側の機構が簡
単になるという特徴があり、ステージ10上に設けられ
ている位置合せ用の基準マークないしフイテユーシヤル
マークを有する光反射性の板を鏡38に兼用できるとい
う利点もある。
なお、本実施例では、マスクMの下方からモニター光束
を投影レンズL内に入射させているが、マスクMの上方
から入射させるようにしてもよい。後述する第3実施例
についても同様である。
次に、第4図を参照しながら、本発明の第3実施例につ
いて説明する。第4図において、光源50は、投影レン
ズLの近傍上方に設けられており、これから射出された
モニター光束は、偏光板52を透過して鏡54により反
射されて投影レンズLに入射するようになつている。投
影レンズLを透過したモニター光束は、ステージ10上
に設けられた偏光板56を透過して光センサ58に入射
するようになつている。この光センサ58は、演算装置
60に接続され、この演算装置60は制御装置62に接
続されている。
この実施例の動作は、上述した第1実施例と同様である
が、偏光板56及び光センサ58がステージ10上に設
けられている点で異なる。この実施例によれば、ステー
ジ10が走行中のヨーイング等により回転すると、偏光
板56がxy平面内で回転するようになるが、この回転
程度は1秒程度であるからこれによる検出誤差は十分無
視できる。
次に第5図を参照しながら、本発明の第4実施例につい
て説明する。この実施例は、第3図に示した第2実施例
と同様に、投影レンズL内に入射したモニター光束を反
射させて再び投影レンズL内に入射させるようにしたも
のであるが、モニター光束の反射手段を投影レンズL側
に固定したものである。
第5図において、投影レンズLの近傍上方のうち左側に
は、光源70が設けられており、この光源70から射出
されたモニター光束MBは、偏光板72を介して鏡74
に入射し、更には鏡74に反射されて投影レンズLに入
射するようになつている。
投影レンズLに入射したモニター光束MBは、入射瞳ep
を透過して第5図の実線矢印で示すように進行するが、
投影レンズLの出射側には、鏡76,78が設られてお
り、これによつて投影レンズLを透過したモニター光M
Bが垂直に90゜づつ反射され、再び投影レンズ内に入射
するようになつている。
再度投影レンズL内に入射したモニター光は、投影レン
ズL内を透過し、鏡80によつて反射され、偏光板82
を介して光センサ84に入射するようになつている。な
お、鏡74,76,78,80は露光光束lをさえぎらないよう
に配置されることが好ましい。また、鏡76,78は、
投影レンズLに一体に配置すると都合がよい。
この実施例では、前述した第2実施例と同様に反射式で
あるため、モニター光束MBは、投影レンズLを2回通
過することとなる。このため、検出の感度が2倍になる
という効果がある。また、第2実施例と比較して、再度
モニター光束MBを投影レンズL内に入射させる反射手
段がステージ10上には配置されていないので、露光作
業中であつても光学特性の変化の検出動作を行うことが
でき、リアルタイムで光学特性の修正あるいはウエハW
の移動を行うことができる。
また、モニター光束MBの投影レンズL内における往路
と複路とが異なるため、光学素子の比較的広い領域にお
ける歪みの状態を検出することができるという利点があ
る。
なお、この実施例では、鏡76,78の2つによつてモニタ
ー光束MBを反射するようにしたが、鏡76のみを投影
レンズLに一体に形成し、これによつてモニター光束M
Bを投影レンズL内に反射するようにしてもよい。
次に、投影レンズLの光学特性に変化が認められた場合
の是正方法について説明する。
まず、焦点に変動が生じた場合の是正方法としては、第
1図に示した実施例のように、ウエハWを上下させる方
法がある。そしてこの場合に、投影レンズLとウエハW
との間隔を計測するセンサー手段があるときには、適当
なオフセットをかけることにより合焦として検出される
零点を焦点の変動に追従させるようにする。
次に倍率に変動が生じた場合の是正方法としては、まず
投影レンズLとマスクMとの間隔を変える方法がある。
この方法では、焦点位置も補正する必要がある。次に、
ウエハホルダー内に発熱・冷却素子を埋設してウエハW
を熱的に伸縮させるかあるいはマスクMを伸縮させる方
法がある。
そして、いずれの変動にも適用できる方法としては、ま
ず、投影レンズを構成する光学レンズ間の空気間隔内の
気体の圧力を調整する方法がある。また、投影レンズL
の全体の温度を発熱・冷却素子によつて調整する方法が
ある。
実用的には、ウエハWを上下させる方法、光学レンズ間
の空気間隔内の圧力を調整する方法がすぐれている。特
にこの圧力調整の方法は、機械的な移動を伴うことな
く、また応答性がよいので、高精度で再現性よく微小量
の補正を簡易に行うことができる。以下、これらの方法
を、第6図及び第7図を参照しながら説明する。
第6図は、ウエハWの上下方向の位置を検出する装置の
一例を示すもので、特開昭56−42205号会報に開
示されているものである。この第6図において、ウエハ
Wは、上下方向すなわちZ方向(第1図参照)に移動可
能なZステージ10B上に載置されている。ウエハWの
上方には、投影レンズLがあるが、この投影レンズLの
両側近傍には、ウエハW上にスリツト像を斜め方向から
投影する投光器100と、このスリツト像のウエハWに
よる反射像を受光し、この受光位置に応じたアナログ的
な検出信号を出力する受光器102とが各々配置されて
いる。受光器102は、前記スリツト像の反射像を受光
するスリツトと、このスリツトの透過光を光電検出する
受光素子とを含み、反射像とスリツトは相対的に振動走
査され、光電信号に一定の変調が行なわれており、同期
検波して検出されるようになつている。受光器102は、
サーボ制御回路104に接続されている。
サーボ制御回路104には、上述した実施例の演算装置2
6,44,60からの信号Dが入力されており、その出力
は、Zステージ10Bの駆動モータ30に対して行なわ
れているようになつている。
以上のような構成において、投影レンズLが露光光束l
の照射を受けず、安定した初期の状態にあるときに投影
レンズLの結像面とウエハWの表面とが一致すると、受
光器102から出力されるアナログ的な検波信号は零にな
るように調整される。サーボ制御回路104は、受光器102
からの検波信号を受けて駆動モータ30を駆動し、かか
る検波信号が常に零になるようにZステージ10Bを上
下に移動させる。
演算装置24,44,60からの信号Dは第2図(B)で説明し
たような特性を有し、この信号Dは、オフセット値とし
てサーボ制御回路104に入力される。このため、サーボ
制御回路104は、かかるオフセツトのもとに駆動モータ
30を駆動してZステージ10Bの上下動を行うため、
投影レンズLの焦点位置の変動にウエハWの位置が追従
するようになる。
なお、演算装置から出力される変動情報Dに応じて投光
器100からのスリツト像の結像位置を、例えば平行平板
ガラスの傾きを変えること等によつて投影レンズLの光
軸方向にずらすようにしても同様の効果を得ることがで
きる。
第7図は、レンズ間の空隙の圧力調整を行うものであ
る。第7図において、投影レンズL内に設けられている
レンズ素子G1,G2によつて挾まれた空気室A0を密封し、
この空気室A0に外部よりパイプ110を介して所定の圧力
の気体例えばドライエアを供給する。パイプ110に接続
されたエアタンク112 には、電磁弁(又はニードル弁)
114を有するパイプ116と、電磁弁(又はニードル弁)11
8を有するパイプ120が接続されており、また、圧力計12
2が設けられている。電磁弁114,118及び圧力計122は、
圧力制御回路124に各々接続されており、この圧力制御
回路124には、演算装置26,44,60からの信号Dが入力
されている。
パイプ116は、外部らエアをエアタンク112内に送り込む
もので、パイプ120は、エアタンク112内のエアを外部に
排気するためのものである。圧力制御回路124は、演算
装置26,44,60から入力される信号Dに基づいて電磁弁
114,118の開閉を制御する。これによつてエアタンク11
2内の圧力が変化すると、このエアタンク112にパイプ11
0によつて接続されている空気室A0の圧力も変化するこ
ととなる。空気室A0の圧力が変化すると、投影レンズL
全体の光学的特性、特に倍率や焦点(結像面の位置)が
微小量だけ変化することとなる。この光学的特性の変化
と、空気室A0の圧力とは一義的な関係にある。この光学
的特性が変化すると、演算装置26,44,60の信号Dも変
化する。従つて、信号Dが初期の値に維持されるように
空気室A0内の圧力をフイードバツク制御する。この方式
では、リアルタイムで投影レンズLの光学的特性を一定
の値に維持したり、是正したりできる。
なお、以上の実施例においては、適宜の光源と偏光板の
組み合せで直線偏光モニター光束を得ているが、半導体
レーザやHe−Neレーザなどのように、出力光が直線偏
光である光源を用いるようにすれば、投影レンズに対し
て入射側の偏光板は不要となる。また、上記実施例で
は、各々1本のモニター光束によつて光学特性の変化を
検出するようになつているが、複数のモニター光束と、
これらを検知するセンサ手段を複数用い、これらの出力
のリニアコンビネーション等の演算を行うことによつて
光学特性の変化の検出精度を向上させることができる。
モニター光束の波長としては、投影レンズを通過するも
のであればいずれの波長であつてもよいが、フォトレジ
ストに対して反応しない波長であれば、露光時の結像の
外乱とならないので好ましいものとなる。なお、モニタ
ー光束の吸収による光学特性の変化が生じないように、
モニター光束の投影レンズによる吸収が露光光束の吸収
に比べて十分小さいようにすることが好ましい。この場
合。モニター光束の検出光量が小さくなつてS/N比の低
下を伴うことになるが、モニター光に一定の輝度変調を
行なうようにし、これを復調して検出するようにすれ
ば、S/N比を改善することができる。
また、モニター光束の光源における強度は一定に保たれ
るのが望ましいが、変動がある場合には、ビームスプリ
ツター等を使用して投影レンズに入射する前のモニター
光束の強度を検出し、この強度とセンサ手段による検出
信号との比をとるようにすれば強度変動による検出誤差
の発生を防止することができる。
更に、上記実施例では、直線偏光のモニター光束を用い
ているが、例えば4分の1波長板を用いて円偏光のモニ
ター光束を用いるようにしてもよい。この場合には、受
光手段の前段に4分の1波長板を設けて円偏光のモニタ
ー光束を直線偏光に近い状態に戻し、その後に光電変換
を行うようにする。
上記実施例及び変形例は、いずれもステツパーの場合で
あるが、本発明は何らこれに限定されるものではなく、
その他の光学装置に対しても適用されるものである。そ
の他、光学系の光学的特性が許容値以上となつた場合に
は、装置の動作を停止させたり、あるいは警報を出すよ
うにしてもよい。また、上記実施例は、露光光束の吸収
による熱的な光学特性の変化に着目しているが、環境温
度や大気圧の急激な変化あるいは外部からの衝撃に基づ
く光学特性の変化のモニターにも本発明は適用し得るも
のである。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明による投影光学装置によれ
ば、適用な偏光を受けたモニター光束を対象となる光学
系に通過させ、このモニター光束の変化から対象となる
光学系の光学特性の変化を検出するようにしたので、光
学系の使用時における熱的変化に伴う焦点変動や倍率変
動等を随時検出することができ、また必要に応じてかか
る光学特性の変化に対応する制御あるいは光学特性の変
化を修正する制御をリアルタイムで行うことができると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明にかかる投影光学装置の一実施例を示す
説明図、第2図(A),(B)は第1図に示す装置における焦
点Fの変化例と、対応するセンサの出力信号Sの変化例
を示すグラフ、第3図は本発明の第2実施例を示す説明
図、第4図は本発明の第3実施例を示す説明図、第5図
は本発明の第4実施例を示す説明図、第6図はウエハを
上下動させる手段の一例を示すブロツク図、第7図は光
学素子の光学特性を是正する手段の一例を示すブロツク
図である。 14,30,50,70……光源、16,22,3240,52,56,72,
82……偏光板、18,20,36,38,54,74,80……鏡、2
4,42,58,84……光センサ、26,44,60……演算装
置、L……投影レンズ、MB……モニター光束。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】所望のパターン像を結像光学系により被投
    影面上に所定の結像条件で投影する投影光学装置におい
    て、 予め定められた偏光状態のモニター光束を前記結像光学
    系に入射させるモニター光投射手段と; 前記結像光学系を通った前記モニター光束を受光し、前
    記結像光学系を構成する光学素子の光学的異方性の変化
    によって生じる前記モニター光束の所定の偏光状態から
    のずれに対応した光電信号を出力する光電検出手段と; 該光電信号に基づいて、前記光学素子の光学的異方性の
    変化に対応した前記結像光学系の光学特性の変化を計測
    する計測手段と; を備えたことを特徴とする投影光学装置。
  2. 【請求項2】前記モニター光投影手段は、直線偏光のモ
    ニター光束を前記結像光学系へ投射し; 前記光電検出手段は、受光するモニター光束のうち直線
    偏光成分を取り出す偏光板と、該取り出された直線偏光
    成分の光量に応じた光電信号を出力する光電変換器とを
    有し; 前記偏光板は、前記結像光学系の光学素子の光学的異方
    性が初期状態のとき、前記取り出された直線偏光成分の
    光量が最小となるように調整されている; ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の投影光
    学装置。
  3. 【請求項3】前記計測手段は、予め定められている前記
    光電信号の変化量と前記結像光学系の光学特性の変化量
    との関係を表す係数を用いて、前記結像光学系の光学特
    性の変化量を算出する演算器を有することを特徴とする
    特許請求の範囲第1項又は第2項に記載の投影光学装
    置。
  4. 【請求項4】前記計測手段は、計測された前記結像光学
    系の光学特性の変化が許容値以上になったときに警報を
    発することを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第3
    項に記載の投影光学装置。
  5. 【請求項5】所望のパターン像を結像光学系により被投
    影面上に所定の結像条件で投影する投影光学装置におい
    て、 予め定められた偏光状態のモニター光束を前記結像光学
    系に入射させるモニター光投影手段と; 前記結像光学系を通った前記モニター光束を受光し、前
    記結像光学系を構成する光学素子の光学的異方性の変化
    によって生ずる前記モニター光束の所定の偏光状態から
    のずれに対応した光電信号を出力する光電検出手段と; 該光電信号に基づいて、前記光学素子の光学的異方性の
    変化に対応した前記結像光学系の光学特性の変化を計測
    する計測手段と; 該計測された光学特性の変化に基づいて、前記被投影面
    上に投影されるパターン像の結像条件を調整する調整手
    段と; を備えたことを特徴とする投影光学装置。
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