JPH0684757A

JPH0684757A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0684757A
Application number: JP4237162A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口; Hideo Mizutani; 英夫水谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1994-03-25
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JP3218478B2

Abstract

(57)【要約】【目的】投影光学系の諸収差を計測する。【構成】開口パターン１９ａをステージ１５側から照
明し、照明光ＩＬ’はより投影光学系ＰＬを介してレチ
クルＲに到達する。レチクルＲで反射された照明光Ｉ
Ｌ’は投影光学系ＰＬと開口パターン１９ａとを介して
光電変換素子２６に入射する。光電変換素子２６からの
信号を合焦系の受光光学系１８からの信号とともに収差
検出系２８に取り込み、光電変換素子２６からの信号波
形に基づいて投影光学系ＰＬの収差を測定する。

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、液晶基板、薄膜磁気ヘッド等の製造
に用いられる投影露光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造関連装置等の投影露光
装置において、極めて高い結像性能が要求されている。
従来のこの種の装置には、高度に各種の収差が補正され
ている投影光学系が搭載されている。通常投影光学系の
収差量のチェックは特別なマスクを用いることにより行
われていた。この特別なマスクには収差チェック用の専
用のパターンが描かれており、この専用のパターンをテ
スト用基板に露光し、現像後、その露光パターンを顕微
鏡等で観察することにより収差量チェックを行う。例え
ば、球面収差のチェックは異なる複数の線幅のパターン
のベストフォーカス位置を求めることにより行われる。
具体的には、ステージを光軸方向に順次位置決めして、
感光剤が塗布されたテスト用基板を光軸方向に順次移動
しつつ複数の線幅のパターンを露光し、現像する。そし
て、この結果、基板上には投影光学系からの光軸方向の
距離に応じた各線幅のパターンが形成される。基板上に
形成された各線幅のパターンの各々について、電子顕微
鏡等で線幅を測定し、測定したパターンの線幅の実寸法
と投影光学系の光軸からの距離をプロットする。所定線
幅が維持されている基板の位置の中点（所定線幅が維持
されている基板位置の最大位置と最小位置との中間点）
をベストフォーカスと決定すれば、そのプロットされた
データのカーブより、各線幅のベストフォーカス位置が
求まる。ここで、球面収差が発生している場合、各線幅
のベストフォーカス位置にずれが生じる。非点収差のチ
ェックは方向の異なるパターンのベストフォーカス位置
の差を求めればよい。次にコマ収差のチェックの例を示
すと、複数の連続した等しい線幅のマークの両端の線幅
の差を見るといった方法がある。

【０００３】上記の様な方法により各収差を求め、投影
光学系の結像特性を最適化していく。例えば投影光学系
の内部のレンズエレメントの間隔等を調整して最終的に
各収差を許容値以下とする。ところが、各収差は常に一
定ではなく、温度変化、大気圧変化及び照明光を投影光
学系が吸収することによる投影光学系の温度上昇により
変化し得るものである。特に照明光の吸収による投影光
学系の温度変化は投影光学系内部のレンズエレメントに
温度分布を生じ、無視し得ない収差変化をもたらす場合
がある。この様な場合、露光動作中の収差量を上記の方
法でチェックするのは不可能である。

【０００４】そこで、従来より露光エネルギーの投影光
学系への蓄積量を計算し、蓄積量が一定基準値を越える
と露光動作を一時停止し、収差が悪化した所では使用し
ないという方法が提案されていた。具体的には、あらか
じめ発生する収差量と投影光学系に蓄積される熱量との
関係や投影光学系の熱吸収特性を求めておく。実露光動
作時には、あらかじめ求めておいた熱吸収特性の数値モ
デルとマスク透過率とシャッター開閉信号とより逐次投
影光学系へ蓄積された熱量の計算を行い、発生する収差
量を求める計算を行う。収差量が許容値をオーバした
時、露光動作を一時中止すれば投影光学系へ蓄積された
熱量は減衰していき収差量も許容値以下となり再び露光
動作を行うことができる。このような露光方法は例えば
特開昭６３−２９１４１７号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、求められた収差量はあくまでも予測値であ
り、実際の収差発生量がわからない。特に近年において
は解像力を増すための技術として、輪帯状の照明、ある
いは特開平４−１８０６１２号公報や特開平４−１８０
６１３号公報に開示されているような複数方向からの傾
斜照明等が提案され、さらに特公昭６２−５０８１１号
公報に開示されているような位相シフトマスクも提案さ
れている。これらの技術を使用した場合、投影光学系内
部での照明光の強度分布が異なる。このため照明エネル
ギーは同一でも照明条件あるいはレチクルによって発生
する収差量も異なり、収差発生量の予測が困難である。
従って従来の収差量を予想する方法では所望の露光動作
に対応ができないという問題点があった。本発明はこの
様な従来の問題点に鑑みてなされたもので、実際の収差
量の計測を可能とし、結像特性の変動に対応可能な装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記問題点の解決のため
に本発明では、光源（１）からの照明光をマスク（Ｒ）
に照射する照明光学系（６、７、１０）と、マスクのパ
ターン（ＰＡ）を感光基板（Ｗ）上に結像する投影光学
系（ＰＬ）と、感光基板を保持するとともに投影光学系
の光軸（ＡＸ）方向及び光軸と垂直な方向に移動可能な
ステージ（１５）とを有する投影露光装置において、ス
テージ上に設けられ、所定の開口パターンを有する基準
部材（１９）と；ステージを光軸方向に移動させながら
開口パターンをステージ側より照明し、投影光学系を介
してマスクに到達しマスクで反射された光を、投影光学
系と開口パターンを介して受光する受光手段と；光軸方
向に関するステージの位置を計測するステージ位置計測
手段と；光電検出手段から得られる信号波形より投影光
学系の収差量を求める収差量演算手段とを設けた。

【０００７】

【作用】本発明においては、ステージ上に設けられた所
定の開口パターンをステージ側から露光光とほぼ等しい
波長の光で照明し、この照明光を投影光学系を介してマ
スクに入射させる。そしてマスクで反射された照明光を
投影光学系、開口パターンを介して光電検出器に入射さ
せる。この光電検出器からの光電検出信号の波形を用い
て収差量を求める。たのため、テスト基板への露光、現
像、測定といった手順を省くことができるとともに専用
のパターンをマスク上に設ける必要がないため、実際の
測定時においても逐次、収差量の変化を知ることができ
る。この結果、収差が発生している状態で露光を行い、
不良品を出すという不都合はない。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の一実施例による投影露光装置
の概略的な構成を示す平面図である。図において超高圧
水銀ランプ等の光源１はレジスト層を感光する波長域の
照明光（ｉ線等）ＩＬを発生する。露光用光源として
は、水銀ランプ等の輝線の他、ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマ
レーザ等のレーザ光源、あるいは金属蒸気レーザやＹＡ
Ｇレーザの高調波を用いても構わない。照明光ＩＬは楕
円鏡２で反射してその第２焦点ｆ₀に集光した後、ミラ
ー５及びコリメータレンズ６、フライアイレンズ７に入
射する。フライアイレンズの射出側には可変絞り８が設
けられており、レチクルの種類やパターンの周期性に応
じて照明条件を変更することが可能になっている。この
照明条件の変更はモータ９により可変絞り８を駆動する
ことにより実行される。

【０００９】また、第２焦点ｆ₀の近傍にはモータ４に
よって照明光ＩＬの光路の閉鎖、開放を行うシャッター
（例えば４枚羽のロータリーシャッタ）３が配置され
る。可変絞り８を通過した照明光ＩＬはリレーレンズ１
２ａ、１２ｂ及びレチクルＲ上の照明領域を制限する可
変ブラインド１１、コンデンサーレンズ１３を含む光学
系１０に入射し、ミラー１４に到り、ここで、ほぼ垂直
に下方に反射された後、レチクルＲのパターン領域ＰＡ
をほぼ均一な照度で照明する。レチクルＲはレチクルス
テージＲＳ上に載置されており、レチクルステージＲＳ
はレチクルＲをＸＹ方向に微動可能となっている。ま
た、レチクルステージＲＳは駆動部５１によりレチクル
ＲをＺ方向（光軸方向）へも微動可能であり、レチクル
Ｒと投影光学系ＰＬの距離を変えたり、レチクルＲを光
軸ＡＸに垂直な平面に対して傾けることができる。パタ
ーン領域ＰＡを通過した照明光ＩＬは両側テレセントリ
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ウェハＷ上に形成す
る。ウェハＷは表面にレジスト層が形成され、その表面
が最良結像面とほぼ一致するようにウェハステージ１５
上に保持され、回路パターンはウェハＷ上の１つのショ
ット領域に重合わせて結像投影される。（図１は説明の
都合上ウェハＷ上に結像していない。）ウェハＷはウェ
ハホルダ１６に真空吸着され、このホルダ１６を介して
ウェハステージ１５上に保持されている。ウェハステー
ジ１５は投影光学系ＰＬの最良結像面に対し、任意方向
に傾斜可能でかつ光軸方向（Ｚ方向）に微動可能である
とともに、ステップ・アンド・リピート方式で２次元方
向（Ｘ、Ｙ方向）に移動可能に構成されており、ウェハ
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、次のショット位置までステッピングさ
れる。

【００１０】また、図１中には投影光学系ＰＬの最良像
面に向けてピンホール、あるいはスリットの像を形成す
るための結像光束を光軸ＡＸに対して斜め方向より供給
する照射光学系１７と、その結像光束のウェハＷの表面
での反射光束をスリットを介して受光する受光光学系１
８から成る斜入射方式の合焦系（ウェハ位置検出系）が
設けられている。この合焦系の構成等については、例え
ば特開昭６０−１６８１１２号公報に開示されており、
ウェハ表面の結像面に対する方向（Ｚ方向）の位置を検
出し、ウェハＷと投影光学系ＰＬとの合焦状態を検出す
るものである。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１８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、合焦系のキャリブレーションが行
われる。

【００１１】次に収差検出系の説明を行う。ウェハステ
ージ１５上にはパターン板１９が設けられており、パタ
ーン板１９上には図２に示すように収差検出用の所定の
開口パターンが描かれている。ここではパターン板１９
の表面はウェハＷの表面とほぼ同一平面上となるように
パターン板１９が設けられている。ほぼ照明光ＩＬと同
一波長領域の光線ＩＬ’は２分岐ファイバー２０、可変
絞り２１、リレーレンズ２３ａ、２３ｂ、ミラー２４、
コンデンサーレンズ２５を介してウェハステージ１５側
（下方）よりパターン板１９を照明する。照明光ＩＬ’
は光源１からの照明光ＩＬを分岐してもよいし、照明光
ＩＬと同一波長の光を射出する光源を別設してもよい。
パターン板１９のパターン開口部より出た光束は投影光
学系ＰＬを介してレチクルＲのパターン面ＰＡに結像
し、その反射光が再び投影光学系ＰＬを介してパターン
板１９上に結像する。パターン板１９に到った光束は再
びパターン１９の開口部を通過し、コンデンサーレンズ
２５、ミラー２４、リレーレンズ２３ａ、２３ｂ、可変
絞り２１及び２分岐ファイバー２０を通り、光電変換素
子２６に達する。主制御系２９はモータ２７を制御して
ウェハステージ１５をＺ方向に移動し、これと同時に主
制御系２９内の収差検出系２８は光電変換素子２６から
の信号Ｓ３を焦点検出系の受光光学系１８からの信号と
同期して受取る。これにより収差検出系２８はウェハス
テージ１５のＺ方向の位置に対する光電変換素子２６の
出力を得る。主制御系２９は可変絞り８を駆動するモー
タ９や可変絞り２１を駆動するモータ２２の制御も行
う。尚、収差検出系２８はＴＴＬ（スルーザレンズ）方
式の焦点位置検出（投影光学系ＰＬの結像面検出）に用
いることが可能で焦点位置と収差を同時に検出すること
ができる。主制御系２９は駆動部５１の制御の他、装置
全体を統括的に制御する。ここで、開口パターンは非点
収差を考慮して、図２の様に多方向のパターンの組み合
わせとなっている。

【００１２】収差検出系２８により焦点位置が求まる原
理を図３を用いて簡単に説明する。図３（ａ）はレチク
ルＲとパターン板１９とが共役な位置から若干ずれてい
るときのマスクＲで反射され、投影光学系ＰＬを介して
再び結像された開口パターン１９の像の光量分布を示す
図であり、図３（ｂ）はマスクＲとパターン板１９とが
共役な位置にあるとき、マスクＲで反射され投影光学系
ＰＬを介して再び結像された開口パターン１９の像の光
量分布を示す図であり、図３（ｃ）は基準パターン板１
９の一例を示している。図３（ｃ）において１９ａはク
ロム蒸着膜等による遮光部である。

【００１３】基準パターン板１９とレチクルＲのパター
ン面とが共役な位置にあるとき、基準パターン板１９の
像の強度分布は、図３（ｂ）の分布Ｃａに示すように、
基準パターン板１９自体の明暗の分布とほぼ一致し、基
準パターン板１９の透過部を介してほぼ大部分の光がウ
ェハステージ１５に戻っていく。一方、基準パターン板
１９がレチクルＲのパターン面と共役な面から若干ずれ
ている場合、レチクルＲからの反射光により再結像され
た基準パターン板１９の像は、図３（ａ）の分布Ｃｂに
示すようにコントラストが低下する。この場合、図３
（ａ）の分布Ｃｂ中の斜線部は、図３（ｃ）の基準パタ
ーン１９の遮光部（非透過部）１９ａに重なり、基準パ
ターン１９を通過していくことができず、光電変換素子
２６に達する光量は減少する。

【００１４】図４は光電変換素子２６からの検出信号Ｓ
３の出力値を縦軸とし、パターン板１９のＺ座標を横軸
とし、開口パターン１９をＺ方向に移動させた場合の光
電変換素子２６からの出力値を示す図である。パターン
板１９のＺ方向の位置は焦点検出系の受光光学系１８か
らの出力から求めることができる。図４中で最も光電変
換素子２６の出力値Ｓ３が最も大きいとき（ピーク値の
とき）のＺ座標ＺａはレチクルＲとパターン板１９とが
ほぼ共役な位置にあるときを示し、図３（ｂ）の場合に
相当する。図４中で光電変換素子２６からの出力値がピ
ーク値から下がっている点にあるときのＺ座標Ｚｂはレ
チクルＲとパターン板１９とが共役な位置から若干ずれ
ている時を示し、図３（ａ）の場合に相当する。

【００１５】以上の様に基準パターン板１９が投影光学
系ＰＬの焦点位置に来たとき、光電変換素子２６から出
力される検出信号Ｓ３は最大となる。検出信号Ｓ３の信
号波形は光束の干渉現象により、例えば図４に示すよう
にピークの両側で凹状に落ち込む波形となる。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
メントを駆動したり、レンズエレメント間の圧力を変え
ることにより、結像特性（球面収差、コマ収差、非点収
差、像面湾曲等）を補正する構成となっている。このた
め、投影光学系ＰＬの光学要素の一部が移動可能となっ
ている。さらに、投影光学系ＰＬの光学要素間の圧力を
可変とする構成となっている。図５は図１の装置を部分
的に説明する図であり、レチクルＲの駆動部と投影光学
系ＰＬの光学要素の駆動部と光学要素間の圧力を可変と
する機構を示す図である。レチクルＲに最も近いレンズ
エレメント３３は支持部材３４により固定され、駆動素
子３５を介して支持部材３６上に設けられている。支持
部材３６は投影光学系ＰＬの鏡筒５２に固定されてい
る。駆動素子３５はそれぞれ１２０°ずつ回転した位置
に配置された駆動素子３５ａ、３５ｂ、３５ｃ（図５で
は３５ａ、３５ｂのみ図示）からなり、各々の駆動素子
は駆動素子制御部３８により独立制御可能となってい
る。尚、図５ではレンズエレメント３３は１つのレンズ
として示しているが、３群（或いは２群）のレンズ群か
らなるレンズエレメントであるものとし、レンズエレメ
ント３３を構成する各々のレンズ群は駆動素子（不図
示）により独立に微動可能となっている。

【００１６】また、投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１近傍に近
いレンズエレメント４４は支持部材４５により固定さ
れ、駆動素子４６を介して支持部材４７上に設けられて
いる。支持部材４７は投影光学系ＰＬの鏡筒５２に固定
されている。駆動素子４６はそれぞれ１２０°ずつ回転
した位置に配置された駆動素子４６ａ、４６ｂ、４６ｃ
（図５では４６ａ、４６ｂのみ図示）からなり、各々の
駆動素子は駆動素子制御部４８により独立制御可能とな
っている。駆動素子３５、４６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近傍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。レンズエレメン３３、４４の微動はレン
ズエレメントの間隔を変えたり、レンズエレメントを光
軸ＡＸに垂直な平面に対して傾けたり、レンズエレメン
トを光軸ＡＸに垂直な平面内で移動したりするように行
われる。このような光学要素を駆動する構成、動作につ
いては特開平４−１３４８１３号公報に詳しく開示され
ている。

【００１７】本実施例では駆動素子制御部３８によって
前述の駆動素子３５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３３を移動可能となっており、
レンズエレメント３３はコマ収差、像面湾曲等の結像特
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、移動可能なレ
ンズエレメント３３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。また、駆動素子制
御部４８によって前述の駆動素子４６を制御することに
より、瞳面Ｐ１に近いレンズエレメント４４を移動可能
となっており、レンズエレメント４４は球面収差に与え
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。

【００１８】レンズエレメント３７と５０とは鏡筒５２
に固定されており、気圧調整装置３９はレンズエレメン
ト３３とレンズエレメント３７との間のレンズ室内の空
気の圧力を調整し、気圧調整装置４９はレンズエレメン
ト４４とエンズエレメント５０との間のレンズ室内の空
気の圧力を調整する。このように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することは特開昭６０−７８
４５４に開示されている。

【００１９】また、瞳面Ｐ１の近傍には２枚のシリンド
リカルレンズ４０、４１が設けられており、これらを駆
動部４２、４３により相対的に回転させたり、レンズの
間隔を変えたりすることにより非点収差を制御する。シ
リンドリカルレンズ４０、４１は互いに直交した方向に
配置されており、これらを相対的に回転させることによ
りＸ、Ｙ方向での屈折率を変化させる。そしてＸ、Ｙ成
分が互いに打ち消し合うようにこれらのレンズを相対的
に回転させて他のレンズエレメントで発生した非点収差
成分を除去する。主制御系２９はこれらの駆動素子制御
部３８、４８、駆動部４２、４３、気圧調整装置３９、
４９を制御する。

【００２０】次に前述の可変絞り８及び投影光学系ＰＬ
内の可変絞り３０について、簡単に説明する。照明系の
特性を示す数値としては一般に、投影光学系の開口数Ｎ
Ａと照明光のコヒーレンシィを表すσ値とが用いられ
る。図６を参照して開口数とσ値について説明する。図
６において、投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１、即ちマスクパ
ターンＰＡのフーリエ変換面には開口絞り３０が設けら
れているため、投影光学系ＰＬのレチクルＲ側からの光
束が通過できる最大の角度θ_R及び投影光学系ＰＬから
ウェハＷ（パターン板１９）側に落射する光束の最大の
角度θ_Wは所定の値に制限されている。投影光学系ＰＬ
の開口数_PLはｓｉｎθ_Wであり、投影倍率を１／ｍとす
ると、ｓｉｎθ_R＝ｓｉｎθ_W／ｍの関係にある。

【００２１】

【数１】σ_IL＝ｓｉｎθ_IL／ｓｉｎθ_R＝ｍ・ｓｉｎθ
_IL／ｓｉｎθ_W 一般に開口数ＮＡが大きい程解像度は向上するが、焦点
深度が浅くなる。一方、σ値が小さい程に露光光ＩＬの
コヒーレンシィが良くなるため、σ値が小さくなるとパ
ターンのエッジが強調され、σ値が大きいとパターンの
エッジがぼけるが、より細いパターンの解像ができるよ
うになる。従って、σ値が変化すると、投影光学系ＰＬ
の瞳面Ｐ１における照度分布が変化する。

【００２２】このことは、前述のように照明条件によ
り、投影光学系ＰＬ内部の温度分布が変化し、温度上昇
によって発生する収差が異なることを意味する。具体的
には、回転板８には、図７に示すように、例えば６種類
の開口絞り１３２〜１３７を等角度間隔で形成する。こ
れらの開口絞りの内で、円形開口絞り１３２及び１３３
はそれぞれ異なる直径の通常の円形の開口部１３２ａ及
び１３３ａを有し、輪帯開口絞り１３４は輪帯状の開口
部１３４ａを有する。また、複数傾斜照明用の開口絞り
１３５及び１３６はそれぞれ互いに直交する方向に配置
された１対の微小開口部１３５ａ，１３５ｂ及び１３６
ａ，１３６ｂを有し、複数傾斜照明用の開口絞り１３７
は光軸を中心として等距離に配置された４個の微小開口
部１３７ａ〜１３７ｄを有する。

【００２３】尚、回転板８の絞り１３５，１３６，１３
７を使用するときには各開口部からの照明光束のσ値が
０．１〜０．３程度となるように設定することが望まし
い。更に、レチクルパターンの微細度（ピッチ等）に応
じて絞り１３５〜１３７の各々における各開口部の位置
を微調整できるように構成しておくことが望ましい。更
に、絞り１３３〜１３７を用いるときはレチクルまたは
ウェハ上での照度均一性が悪くなり得るのでフライアイ
レンズ７の各エレメントを細かくする（断面積を小さく
する）ことが望ましい。さらに別のインテグレータ（フ
ライアイ型又はロッド型）を追加して２段のインテグレ
ータ構造としても良い。

【００２４】また絞り１３５〜１３７の使用時は光量ロ
スが大きいので、光ファイバー、多面プリズム等の光分
割器を用いて、絞り上の各開口部に露光光を導くように
構成しておくと良い。また、回転板８の開口絞りの選択
基準の一例としては、特に微細パターンに対しては開口
絞り１３５，１３６，１３７（この３つの使い分けはレ
チクルパターンの周期性に応じて選択すれば良い）を用
い、線幅が厳しくないときは開口絞り１３２を用い、位
相シフトレチクルには例えば開口絞り１３３（又は開口
絞り１４１を使用しても良い）を用いる。開口絞り１３
５は例えばＸ方向に配列された周期パターン、開口絞り
３６はＹ方向に配列された周期パターン、開口絞り１３
７は２次元パターンに対して有効である。

【００２５】開口絞り１３５、１３６、１３７の開口部
の最適位置については特開平４−１８０６１２号公報、
特開平４−１８０６１３号公報や特開平４−２２５５１
４号公報等に開示されている。例えば、開口絞り１３７
は２次元周期パターンに対して有効な開口絞りであり、
開口絞り１３７については１つの開口部１３７ａに着目
したとき、Ｘ方向のパターンによる±１次回折光のいず
れか一方とＹ方向のパターンによる±１次回折光のいず
れか一方と０次回折光とが投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１上
で光軸から等距離となるように、開口部１３７ａの位置
を定める。他の開口部（１３７ｂ〜１３７ｄ）について
も同様の条件で位置を定めると結局各々の開口部（１３
７ａ〜１３７ｄ）は光軸から等距離となる位置に定めら
れる。

【００２６】ここで、光電変換素子２６からの信号波形
から収差を求める場合、照明光学系１０からの照明光Ｉ
Ｌとパターン板１９を通過した照明光ＩＬ’とが投影光
学系ＰＬを通過する時の２つの光量分布を一致させるた
め、ファイバー２０からの照明光による投影光学系ＰＬ
の瞳面Ｐ１における照度分布をフライアイレンズ７から
射出した照明光による投影光学系ＰＬの瞳面Ｐ１におけ
る照度分布と等しくする必要がある。そこで、例えばフ
ァイバー束の合同端２０ｂの近傍に回転板２１を設け、
回転板２１に設けられた開口絞りを図７に示す開口絞り
（１３２〜１３７）と相似な６種類の開口絞りとし、回
転板８の開口絞りに合わせて、回転板２１の開口絞りを
選択するようにすればよい。

【００２７】次に光電変換素子２６からの信号波形から
収差を求める方法について説明する。光電検出信号の波
形より、各収差量が求められる原理は以下の様に説明で
きる。特定パターン線幅の解像を良くするため照明光源
のＮＡを小さくした場合（部分コヒーレント照明とした
場合）、投影光学系のレンズの中央部に光束がかたよる
（集まる）ことになる。マスクパターンがある場合は回
折光がレンズの周辺に到達するが、一般に０次以外の回
折光の強度は０次回折光よりも弱いのでレンズの中央部
に光束が偏るという傾向は変わらない。

【００２８】そこで、投影光学系を構成するレンズにご
くわずかの熱吸収が存在した場合、投影光学系に光を照
射するとレンズを透過する光量に従って発熱が起こる。
レンズが発熱した場合、膨張とともに、多くの場合屈折
率が増加する（ただし、発熱による減少の場合もあ
る）。つまり、発熱により正のパワー（屈折力）を持つ
凸レンズではレンズ中央部の変形と分布屈折率レンズの
効果により、レンズ中央部のパワーが周辺部に比べて増
大する。図８にこの様子を示し、図８（ａ）は球面収差
がない状態を示し、図８（ｂ）は球面収差を過剰補正し
た状態（球面収差が発生している状態）を示している。
図８（ａ）のように初期状態で球面収差が補正されてい
た場合、光の照射後には図８（ｂ）の斜線で示すように
レンズ３２の中央部のパワーが増大し、球面収差をＭだ
け過剰補正した状態となるため焦点位置が変動する（ピ
ントがぼける）。

【００２９】図９は光電検出器２６からの出力信号Ｓ３
を示す図であり、図４と同様に縦軸は信号強度を示し、
横軸はパターン板１９のＺ方向の位置を示す。図９
（ａ）は球面収差がない場合の出力信号Ｓ３を示し、図
９（ｂ）は球面収差が発生している場合の出力信号Ｓ３
を示している。この状態でフォーカス検出装置による信
号検出を行った場合、図９（ｂ）に示す様に光軸方向に
沿って広がった信号が得られることになる。球面収差の
ない状態では光束径は光軸に沿って対称な直径となる。
図９（ａ）に示された信号波形の半値幅はＷ₁であり、
半値幅Ｗ₁の中心とピーク値でのＺ位置Ｚ₀は一致して
いる。すなわち、図９（ａ）の信号波形はピーク値に関
して対称な信号波形となっている。

【００３０】これに対して、図９（ｂ）では球面収差過
剰補正により最小錯乱円位置（図９（ｂ）ではＺ₁）を
基準としてその前後での光束径は光軸にそって非対称な
直径となる。従って図９（ｂ）に示した様に信号光量の
分布はＺ₁に関して非対称となる。以上が光照射により
レンズが非対称に変形及び分布屈折率を持ち、フォーカ
ス検出信号が歪むプロセスである。なおレンズには凹レ
ンズも含まれるが、全体として凸レンズなので以上の説
明が定性的に当てはまる。その際、発生する（過剰補正
による）球面収差量に従って信号の半値幅ｗ₂は半値幅
Ｗ₁と比べて大きくなるので、半値幅ｗ₂を測定して球
面収差量を測定することができる。また、信号の非対称
性も球面収差量に従って増大するため、信号の非対称性
から球面収差量を測定することも可能である。具体的に
は信号波形の左側のボトム値Ｉ₀と信号波形のピーク値
Ｐ₀を挟んで右側のボトム値Ｉ₁との出力差Ｉ₂を測定
することによっても球面収差の測定が可能である。ま
た、ボトム値はボトム値Ｉ₀、Ｉ₁だけでなく高次成分
として複数のボトム値がピーク値Ｐ₀を挟んで左右に現
れる。この左右のボトム値を複数組に渡って比較するこ
とにより高精度に球面収差量を測定することができる。
尚、信号の半値幅Ｗの変化と球面収差の発生量の関係、
またはボトム値の差と球面収差の発生量の関係とは予め
試し焼き等を行うことより求められている。この関係は
入力手段５３により主制御系２９に入力され、主制御系
２９内のメモリに記憶されているものとする。また像面
湾曲についても図２に示すような多方向の開口パターン
１９ａを用いて像面内のピント位置を測定することによ
り求める。

【００３１】以上のケースでは投影レンズに軸対称に光
束が当たった場合について説明した。しかし、マスクに
一方向のパターンがある場合等は回折光が軸対称ではな
く非対称に発生することになる。従って照射によるレン
ズの変形が軸に非対称に起こる場合が考えられる。つま
り照射により非点収差（非点隔差）が生じる。この場合
投影パターン板１９のパターン１９ａを同一方向に揃
え、かつ、その方向を異なった少なくとも２つの方向
（投影光学系の光軸を中心として放射方向とそれに垂直
な方向）でフォーカス位置計測を行う様にする。すると
非点隔差がある場合は図７に示したピーク位置Ｚ₀の値
が各々の方向で異なり、その差を計測することで非点隔
差の計測が行える。

【００３２】また、以上の例では球面収差、像面湾曲、
非点収差について説明したが、その他コマ収差等も収差
検出系により検出できる。つまり、コマ収差により光軸
方向のピント位置や検出信号が広がりを持つことを検出
すればよい。具体的には図１０に示すように開口パター
ン１９ａを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを中心として放射
状のパターン（Ｓ像）とそれに垂直なパターン（Ｍ像）
との２つの方向を有するパターンとする。そして、各々
のパターンから得られる信号の非対称成分を比較するこ
とによりコマ収差を計測することができる。図１１は図
１０に示すパターンから得られる信号波形を示してお
り、ここでは図１１（ａ）は放射方向のパターン（Ｓ
像）から得られる信号を示しており、図１１（ｂ）は放
射方向に垂直な方向のパターン（Ｍ像）から得られる信
号を示している。図１１ではコマ収差のために放射方向
成分（Ｓ像）が非対称となっている場合を示しており、
収差検出系２８によりこれらの２つの信号の非対称成分
を比較してコマ収差量を計測する。非対称性の検出は図
９を使って説明した球面収差の検出の場合と同様に半値
幅Ｗを使って、２つの信号の半値幅Ｗ₁とＷ₂と比較し
たり、ピーク値を挟んだ２つのボトム値を比較する等に
より求めればよい。非対称成分の差とコマ収差量との関
係とは予め試し焼き等を行うことより求められている。
この関係は入力手段５３により主制御系２９に入力さ
れ、主制御系２９内のメモリに記憶されているものとす
る。

【００３３】尚、球面収差やコマ収差を計測する際、パ
ターン１９ａの異なった２方向での計測は図１に示すフ
ォーカス計測系を複数備えてもよいし、パターン１９ａ
に異なった方向のマークを設けておき、それらを絞り等
で切り換えて選択する方法を取ってもよい。次に本実施
例における球面収差、コマ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。基準部材１９上の開
口１９ａの中心が投影光学系の光軸ＡＸ上に来るように
ウェハステージ１５をモータ２７で移動する。このとき
同時にモータ２７を駆動してウェハステージ１５を投影
光学系ＰＬの設計上の最良焦点位置（最良結像面）と思
われる位置から予想される焦点変動量（結像特性の変動
量）の数倍程度下げるか、もしくは上げるかする。これ
は、例えば焦点深度（±ＤＯＦ）の２倍程度（２・ＤＯ
Ｆ）下げるか、もしくは上げるかしてもよい。また、同
時に開口１９及び投影光学系ＰＬ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から反射し
た照明光は再び投影光学系ＰＬ、開口１９を通った後、
レンズ２５、ミラー２４、レンズ２３、光ファイバ２０
を介して光電検出器２６に入射する。その後この状態で
ウェハステージ１５を、上方（あるいは下方）に前述し
た予想される焦点変動量の２倍程度走査する。このとき
収差検出部２８は、光電検出器２６の出力と合焦系の受
光光学系１８の出力を同時に、例えばウェハステージ１
５の単位移動量（例えば０．０２μｍ）ごとにサンプリ
ングしてＡ／Ｄ変換し、図４に示すような関係を得る。
そして、前述の如く光電変換素子２６からの信号波形に
基づいて、その対称性等から収差を計測する。

【００３４】次に本実施例による投影光学系ＰＬの収差
の補正方法について説明する。前述の様にして収差量を
検出した場合、投影レンズを調整する等により収差の補
正を行うことができる。〔球面収差の補正〕球面収差の補正方法について説明す
る。球面収差の補正は投影光学系ＰＬの瞳Ｐ２付近のレ
ンズエレメント４４、５０（図５）のレンズ間隔を変え
ることにより行われる。また、レンズエレメント４４、
５０間のレンズ室内の空気の圧力を気圧調節装置４９に
より変えることにより収差補正を行うようにしてもよ
い。〔コマ収差、像面湾曲の補正〕コマ収差や像面湾曲の補
正は瞳Ｐ２から離れたレンズの間隔を変えることにより
行う。本実施例ではレンズエレメント３３を移動、傾斜
することにより収差補正を行う。また、コマ収差の補正
はレンズエレメント３３と３７との間のレンズ室内の空
気の圧力を気圧調整装置３９により行うようにしてもよ
い。〔非点収差の補正〕非点収差の補正はレンズ内に設けら
れた２枚のシリンドリカルレンズ４０、４１を相対的に
回転させることにより行う。また、２枚のシリンドリカ
ルレンズの間隔を変えるようにしてもよい。

【００３５】以上、各々の収差補正は他の収差に影響が
少ないレンズエレメントを選択して行われている。ま
た、これらの収差の計測と補正は各照明条件の変更と連
動して行うようにする。ここで、もし、投影レンズが複
数あるいはある波長帯で色消されている場合、図１の合
焦系（照射光学系１７）から複数の波長を照射可能と
し、複数の波長を使った計測を各々独立に行い、光電変
換素子２６からの信号基づいて上述した諸収差を計測す
ることが可能である。その場合、光源部にバントパスフ
ィルターを挿入し、それをそれぞれ複数波長を透過する
ように交換する。

【００３６】また、レンズエレメント３３、４４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合焦系の受光光学系１８からの
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。次に収差検出系２８からの結果に
基づき、露光を中断させる露光シーケンスについて説明
する。

【００３７】光電変換素子２６からの信号の半値幅ｗ₂
がある程度以上に大きくなると、結像状態が悪化するの
で、あらかじめｗ₂の上限を定めておき、それを越えた
場合には露光動作を中断するようにすることも考えられ
る。前述のように投影光学系ＰＬの照明光の吸収により
収差条件が悪化していく。このため、露光動作中、例え
ばウェハ交換時に収差測定手段により収差をチェック
し、あらかじめ実験あるいはシュミレーションで求めた
許容値に対して越えているか否かの判定を行う。もちろ
んこのとき焦点位置のキャリブレーションを同時に行う
のが望ましい。許容値を越えている場合、収差検出系２
８は主制御系２９に警告を発生し、主制御系２９は露光
動作を中止する。この状態で定期的（例えば３０ｓｅｃ
毎）に収差の測定を行い許容値を越えているか否かの判
定を行う。露光動作の中断により投影光学系ＰＬに蓄積
された熱量が外部に放出され、許容値以下となった順
に、収差検出系２８は露光ＯＫの信号を主制御系２９に
送り、メインコントローラは再び露光動作を開始する。
上記の許容値は露光を行うレチクルパターンの線幅、パ
ターン種等で異なってくるため、条件を予め入力手段５
３により主制御系２９に入力し、許容条件を可変にする
ことも考えられる。又、収差の計測間隔は必ずしも一定
間隔毎に限定されるものではなく、照明光ＩＬの照射直
後は計測間隔を長くし、照射時間が長くなるにしたがっ
て計測間隔を短くする。また、パターン１９を交換可能
とし、実露光パターンに一致させてもよい。

【００３８】次に、収差検出系により求まる焦点位置の
キャリブレーションの補正を行う方法について説明を行
う。前記の様に基準パターン板１９を用いて焦点位置計
測を行うことができる。通常パターン板１９のパターン
は実際に露光する線幅と一致させているが、露光するパ
ターンは大小様々で必ずしも一致しているとは限らな
い。この場合に照明光吸収によって球面収差が発生する
と線幅により焦点位置が異なり実露光パターンの焦点位
置を焦点位置計測の結果が一致しないという問題があ
る。ここで、露光線幅と球面収差の量がわかれば補正が
可能である。線幅に関しては、例えばキーボード等から
入力する方法、あるいはレチクルバーコード等で書き込
み、読み取る方法が考えられる。球面収差と焦点位置ず
れ量に関しては予め測定、あるいはシュミレーションに
より関係を求めておき、テーブルあるいは数式の形で記
憶しておけばよい。あるいは、球面収差量が焦点検出へ
及ぼす影響が充分無視できる許容値を設けておき、許容
値以上の場合は焦点位置計測を行わず、例えば露光動作
を中断して投影光学系が充分冷却されるのを待つ方法も
考えられる。

【００３９】このように、投影光学系ＰＬの収差を光電
変換素子２６からの信号波形に基づいて実際に計測でき
るので、特別なマスクを用いてパターンを露光する等の
手間がかからず、実際の装置使用時において簡単に収差
量がわかる。この実測した収差に基づいて、収差発生時
の露光動作の中止、収差量による焦点検出系の誤差補
正、あるいは収差のリアルタイムの補正等を行うことが
できる。

【００４０】前述の実施例では図５で説明したようにレ
ンズエレメント間の空気室の圧力を変える機構３９、４
９とレンズエレメントの間隔を変える機構３８、４８、
４２、４３とを有することとしたが、全ての収差補正機
構を備える必要はない。例えば圧力を変える機構３９、
４９かレンズエレメントの間隔を変える機構３８、４
８、４２、４３のいずれか一方を有するようにしてもよ
い。また、特定の収差補正に対してはこれらの一部のみ
を備えるだけでも有効である。

【００４１】

【効果】以上のように本発明によれば、収差量を実測で
きるため、収差を補正した状態で露光したり、収差に応
じた露光動作を行うことができる。また、収差量を実測
できるため、位相シフトレチクルや複数傾斜照明等の発
生する収差量が予測できない場合でも、発生する収差に
応じた露光が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による投影露光装置の概略を
示す図である。

【図２】図１の装置による基準パターン板に設けられた
開口パターンを示す図である。

【図３】図２の開口パターンを使って焦点位置が求まる
原理を説明する図である。

【図４】光電変換素子２６からの出力信号と開口パター
ンのＺ位置との関係を示す図である。

【図５】図１の装置の収差補正手段を部分的に示す図で
ある。

【図６】照明条件の違いにより収差量が異なることを説
明する図である。

【図７】照明条件変更のための開口絞りを示す図であ
る。

【図８】球面収差の発生状態を説明する図である。

【図９】（ａ）収差がない状態の光電変換素子２６から
の信号波形を示す図である。（ｂ）球面収差がある状態の光電変換素子２６からの信
号波形を示す図である。

【図１０】コマ収差を計測するのに使用する開口パタ
ーンを説明する図である。

【図１１】（ａ）Ｓ像でコマ収差がある状態の光電変換
素子２６からの信号波形を示す図である。（ｂ）Ｍ像でコマ収差がない状態の光電変換素子２６か
らの信号波形を示す図である。

【符号の説明】

８、２１…回転板１５…ウェハステージ１７…照射光学系１８…受光光学系１９…パターン板１９ａ…開口パターン２０…光ファイバー２６…光電変換素子２８…収差検出系２９…主制御系Ｒ…レチクルＷ…ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ１１Ｂ 5/31 Ｍ 8947−5Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光をマスクに照射する照
明光学系と、前記マスクのパターンを感光基板上に結像
する投影光学系と、前記感光基板を保持するとともに前
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
可能なステージとを有する投影露光装置において、前記ステージ上に設けられ、所定の開口パターンを有す
る基準部材と；前記ステージを光軸方向に移動させなが
ら前記開口パターンを前記ステージ側より照明し、前記
投影光学系を介して前記マスクに到達し、前記マスクで
反射された光を、前記投影光学系と前記開口パターンを
介して受光する受光手段と；前記光軸方向に関する前記
ステージの位置を計測するステージ位置計測手段と；前
記光電検出手段から得られる信号波形より前記投影光学
系の収差量を求める収差量演算手段とを有することを特
徴とする投影露光装置。
【請求項２】前記収差量演算手段の結果に基づいて前
記投影光学系の収差を補正する収差補正手段を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記収差量演算手段の結果に基づいて露
光動作を中断させる露光動作制御手段を有することを特
徴とする請求項１記載の投影露光装置。
【請求項４】前記収差量演算手段の結果に基づいて前
記感光基板の前記光軸方向の位置を補正するステージ位
置補正手段を有することを特徴とする請求項１記載の投
影露光装置。