JPH0770471B2

JPH0770471B2 - 投影露光方法及び装置

Info

Publication number: JPH0770471B2
Application number: JP4046905A
Authority: JP
Inventors: 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1995-07-31
Anticipated expiration: 2010-07-31
Also published as: JPH05251299A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路や液晶
デバイス製造用の高精度な結像性能が要求される投影露
光装置に関し、特に投影光学系の結像性能の維持に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の回路パターンを形成する
ためのフォトリソグラフィ工程においては、通常レチク
ル（マスク）に形成されたパターンを基板（半導体ウエ
ハやガラスプレート等）上に転写する方法が採用され
る。基板上には感光性のフォトレジストが塗布されてお
り、照射光像、すなわちレチクルパターンの透明部分の
パターン形状に応じて、フォトレジストに回路パターン
が転写される。投影露光装置（例えばステッパー等）で
は、レチクルパターンの像が投影光学系を介してウエハ
上に結像投影される。

【０００３】この種の装置においては、レチクル上のパ
ターンが存在する面のフーリエ変換面となる照明光学系
の面（以後、照明光学系の瞳面と称す）、もしくはその
近傍の面内において、照明光束を照明光学系の光軸を中
心としたほぼ円形（あるいは矩形）に制限してレチクル
を照明する構成を採っていた。このため、照明光束はレ
チクルに対してほぼ垂直に近い角度で入射していた。ま
た、この装置に使用されるレチクル（石英等のガラス基
板）上には、照明光束に対する透過率がほぼ１００％で
ある透過部（レチクル裸面部）と、透過率がほぼ０％で
ある遮光部（クロム等）とで構成された回路パターンが
描かれていた。

【０００４】さて、上記のようにレチクルに照射された
照明光束はレチクルパターンにより回折され、パターン
からは０次回折光と±１次回折光とが発生する。これら
の回折光は投影光学系により集光され、ウエハ上に干渉
縞、すなわちレチクルパターンの像が形成される。この
とき、０次回折光と±１次回折光とのなす角θ（レチク
ル側）は、露光光の波長をλ（μｍ）、投影光学系のレ
チクル側開口数をＮＡとすると、 sinθ＝λ／Ｐにより
決まる。

【０００５】ところで、パターンピッチが微細化すると
sinθが大きくなり、さらに sinθが投影光学系のレチ
クル側開口数（ＮＡ）よりも大きくなると、±１次回折
光はレチクルパターンのフーリエ変換面となる投影光学
系の面（以後、投影光学系の瞳面と称す）の有効径で制
限され、投影光学系を透過できなくなる。つまり、ウエ
ハ上には０次回折光のみしか到達せず、干渉縞（パター
ンの像）は生じないことになる。従って、上記の如き従
来の露光方法において、前述の透過部と遮光部のみから
なるレチクル（以後、通常レチクルと称す）を使用する
場合、ウエハ上に解像できるレチクルパターンの微細度
（最小パターンピッチ）Ｐは、 sinθ＝ＮＡより、Ｐ≒
λ／ＮＡなる関係式で与えられる。

【０００６】これより、最小パターンサイズはピッチＰ
の半分であるから、最小パターンサイズは０．５×λ／
ＮＡ程度となるが、実際のフォトリソグラフィ工程では
ウエハの湾曲、プロセスによるウエハの段差等の影響、
またはフォトレジスト自体の厚さのために、ある程度の
焦点深度が必要となる。このため、実用的な最小解像パ
ターンサイズは、ｋ×λ／ＮＡとして表される。ここ
で、ｋはプロセス係数と呼ばれ、通常０．６〜０．８程
度である。

【０００７】以上のことから、従来の露光方法において
より微細なパターンを露光転写するためには、より短い
波長の露光光源を使用するか、あるいはより開口数の大
きな投影光学系を使用する必要があった。しかしなが
ら、露光光源を現在より短波長化（例えば２００ｎｍ以
下）することは、透過光学部材として使用可能な適当な
光学材料が存在しないこと、大光量の得られる安定した
光源がないこと等の理由により現時点では困難である。
また、投影光学系の開口数は現状でも既に理論的限界に
近く、これ以上の大開口化はほぼ絶望的である。仮に現
状以上の大開口化が可能であるとしても、±λ／ＮＡ ²
で定まる焦点深度は開口数の増加に伴って急激に減少す
るため、実使用に必要な焦点深度がより小さくなり、実
用的な露光装置となり得ないといった問題がある。

【０００８】そこで、レチクルの回路パターンの透過部
分のうち、特定の部分からの透過光の位相を、他の透過
部からの透過光に対してπ(rad) だけずらす、位相シフ
ター（誘電体薄膜等）を備えた位相シフトレチクルを使
用することも提案されている。位相シフトレチクルにつ
いては、例えば特公昭６２−５０８１１号公報に開示さ
れており、この位相シフトレチクルを使用すると、通常
レチクルを使用する場合に比べてより微細なパターンの
転写が可能となる。すなわち、解像力を向上させる効果
がある。この位相シフトレチクルを使用する場合には、
照明光学系の開口数（コヒーレンスファクターσ）の最
適化が必要となる。尚、位相シフトレチクルについては
これまでに種々の方式が提案されているが、代表的なも
のは空間周波数変調型、シフター遮光型、エッジ強調型
である。

【０００９】また、最近では照明条件の最適化、あるい
は露光方法の工夫等によって微細パターンの転写を可能
とする試みがなされており、例えば特定線幅のパターン
に対して最適な照明光学系の開口数（σ値）と投影光学
系の開口数（N.A.）との組み合わせをパターン線幅毎に
選択することによって、解像度や焦点深度を向上させる
方法が提案されている。さらに、照明光学系の瞳面、も
しくはその近傍面内における照明光束の光量分布を輪帯
状に規定し、レチクルパターンに照明光束を照射する輪
帯照明法、あるいはレチクルパターンの周期性に対応し
て特定方向から照明光束を所定角度だけ傾斜させて照射
する傾斜照明法等も提案されている。しかしながら、以
上のいずれの方法においても、全てのレチクルパター
ン、すなわちその線幅や形状に対して有効であるのでは
なく、レチクルまたはそのパターン毎に最適な照明方法
や条件を選択する必要があり、投影露光装置としては照
明光学系における照明条件（σ値等）を可変とする構造
が必要となる。

【００１０】ところで投影露光装置においては、近年ま
すます投影光学系の結像特性を高精度に一定値に維持す
ることが要求されるようになってきており、このため様
々な結像特性の補正方法が提案され実用化されている。
この中でも特に投影光学系の露光光吸収による結像特性
の変動を補正する方法については、例えば特開昭６０−
７８４５４号公報に開示されている。この開示された方
法では、投影光学系への露光光の入射に伴って投影光学
系に蓄積されるエネルギー量（熱量）を逐次計算し、こ
の蓄積エネルギー量による結像特性の変化量を求め、所
定の補正機構により結像特性を微調整するものが提案さ
れている。この補正機構としては、例えば投影光学系を
構成する複数のレンズエレメントのうち２つのレンズエ
レメントに挟まれた空間を密封し、この密封空間の圧力
を調整する方式等がある。

【００１１】以上のように補正される結像特性は、主に
投影倍率、焦点位置、歪曲収差等であるが、より高精度
に結像特性を維持する必要がある投影露光装置では、こ
れら以外の結像特性、例えば補正が困難で、かつ蓄積エ
ネルギー量（熱蓄積量）等に応じた変動量があまり大き
くないので、従来ではその補正が行われていなかった像
面湾曲等にも着目している。すなわち、露光光吸収によ
る投影光学系の熱蓄積量に対応した結像特性の変化量が
所定量を越えないように予め熱蓄積量の制限値（基準
値）を決めておき、ステップアンドリピート方式でレチ
クルパターンをウエハに順次露光していく際は、投影光
学系の熱蓄積量が基準値を越えた時点で露光動作を停止
し、この熱蓄積量が基準値以下となるまで露光動作を禁
止（停止）し続ける方法が提案されている。具体的に
は、上記公報に開示された手法と全く同様に、露光光の
入射に伴って投影光学系に蓄積される熱蓄積量を逐次計
算にて求め、１ショット露光毎、もしくはウエハ交換毎
に計算にて算出された熱蓄積量と予め定められた基準値
とを比較することで、次ショットへの露光を行うか否か
を判定している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の如
き従来技術において、前述の如く照明光学系の照明条件
を変更する場合、あるいは位相シフトレチクルを使用す
る場合、投影光学系の内部、特に瞳面近傍（のレンズエ
レメント）ではその透過光量の分布が変化し得る。瞳面
近傍ではもともと照明光が集中して通過するため、ここ
での光量分布が変化すると、投影光学系の照明光吸収に
よる結像特性の変動に大きな影響を及ぼす、すなわち結
像特性の変化特性（変化率、時定数等）も変化すること
になる。つまり、投影光学系に入射する照明光のエネル
ギー量の総和（すなわち熱蓄積量）が等しくとも、照明
条件毎に結像特性の変化特性が異なり、同一の基準値の
もとでもその収差量が互いに異なり得る。このため、上
述の如く照明条件を変更していく場合、露光動作の実
行、禁止を判定するための基準値が一定値として存在せ
ず、従来の方法をそのまま適用することができないの
で、照明条件によっては結像特性が悪化したり、逆に収
差量が所定量を越えていないのに必要以上に露光動作を
禁止して生産性（スループット）が低下するという問題
点があった。

【００１３】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
であり、レチクルやレチクルパターン（種類、周期性、
微細度等）に対応して照明条件（照明光学系の開口数、
すなわちσ値、投影光学系の開口数、輪帯照明、傾斜照
明等）を変更しても、必要以上にスループットを低下さ
せることなく、常に高精度の結像特性のもとで感光基板
に対するパターン露光を行うことができる投影露光装置
を得ることを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明においては、光源（１）からの照明光（Ｉ
Ｌ）でマスク（Ｒ）を照射する照明光学系（１〜１２）
と、マスク（Ｒ）のパターンの像を感光基板（Ｗ）上に
投影する投影光学系（ＰＬ）とを備えた投影露光装置に
おいて、マスク（Ｒ）のパターン像を所定の結像状態で
投影するために、照明光（ＩＬ）の入射による投影光学
系（ＰＬ）の熱蓄積量、もしくは熱蓄積量又は環境変化
により生じる投影光学系（ＰＬ）の光学特性の変化量と
所定の基準値とに基づいて、感光基板に対する露光動作
の開始又は停止を制御する露光制御手段（５０）と、照
明光学系の瞳面（フーリエ変換面）における照明光（Ｉ
Ｌ）の分布状態、感光基板（Ｗ）上に投影すべきマスク
上のパターン、及び投影光学系（ＰＬ）の開口数の少な
くとも１つを変更することにより、投影光学系（ＰＬ）
の瞳面（Ｅｐ）における光束の分布状態を変化させる露
光条件変更手段（可変開口絞り８、３２、可変ブライン
ド１０、ターレット板７及び駆動系５４、又はマスクの
交換機構）と、投影光学系（ＰＬ）の瞳面（Ｅｐ）にお
ける光束の分布状態の変化に応じて基準値を変更する手
段（５０）とを設けることとした。

【００１５】

【作用】本発明においては、マスクまたはそのパターン
に対応して照明条件を変更したときに、露光動作の開
始、禁止を判定するための投影光学系の熱蓄積量の基準
値を、変更された照明条件のもとでの最適な値に変更す
ることとした。従って、照明条件を変更しても、必要以
上にスループットを低下させることなく、しかも常に投
影光学系の結像特性を良好に維持することが可能とな
る。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の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１において、超高
圧水銀ランプ１はレジスト層を感光するような波長域の
照明光（ｉ線等）ＩＬを発生する。露光用照明光源１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
ＹＡＧレーザの高調波等を用いても構わない。照明光Ｉ
Ｌは楕円鏡２で反射してその第２焦点ｆ₀に集光した
後、コールドミラー５、及びコリメータレンズ等を含む
集光光学系６を介してオプチカルインテグレータ（フラ
イアイレンズ群）７Ａに入射する。フライアイレンズ群
７Ａの射出面（レチクル側焦点面）近傍には、照明光学
系の開口数ＮＡ_ILを可変とするための可変開口絞り８が
配置されている。ここで、フライアイレンズ群７Ａは、
そのレチクル側焦点面がレチクルパターンのフーリエ変
換面（瞳共役面）とほぼ一致するように、光軸ＡＸと垂
直な面内方向に配置されている。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枚羽根のロータリーシ
ャッター）３が配置される。

【００１７】尚、本実施例においてはフライアイレンズ
群７Ａを含む複数のフライアイレンズ群（図２）が保持
部材（回転ターレット板）７に設けられており、駆動系
５４によって任意のフライアイレンズ群が交換可能に照
明光路中に配置されるように構成されている。従って、
可変開口絞り８とともに、複数のフライアイレンズ群を
交換可能に構成することによって、レチクルの種類やパ
ターンの周期性等に応じて照明条件を変更することが可
能となっている（詳細後述）。

【００１８】フライアイレンズ群７Ａを射出した照明光
ＩＬは、リレーレンズ９、１１、可変ブラインド１０、
及びメインコンデンサーレンズ１２を通過してミラー１
３に至り、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。可変ブラインド１０の面はレチクルＲと共役関係に
あるので、モータ（不図示）により可変ブラインド１０
を構成する複数枚の可動ブレードを開閉させて開口部の
大きさ、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。レチクルＲはレチ
クルホルダ１４に保持され、レチクルホルダ１４は伸縮
可能な複数（図１では２つのみ図示）の駆動素子２９に
よって、水平面内で２次元移動可能なレチクルステージ
ＲＳ上に載置されている。従って、駆動素子制御部５３
によって駆動素子２９の各伸縮量を制御することによっ
て、レチクルＲを光軸方向に平行移動させるとともに、
光軸と垂直な面に対して任意方向に傾斜させることが可
能となっている。詳しくは後で述べるが、上記構成によ
って投影光学系の結像特性、特に糸巻型や樽型のディス
トーションを補正することができる。尚、レチクルＲは
パターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように
位置決めされる。

【００１９】さて、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、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保持されたウエハ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。尚、
本実施例では投影光学系ＰＬを構成する一部のレンズエ
レメント、すなわち図１中では２０と２１、２２との各
々を、駆動部５３により独立に駆動することが可能とな
っており、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば投影倍
率、ディストーション等を補正することができる（詳細
後述）。また、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐ、もしくはそ
の近傍面内には可変開口絞り３２が設けられており、こ
れによって投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを変更できるよ
うに構成されている。

【００２０】ウエハＷはウエハホルダ（θテーブル）１
６に真空吸着され、このホルダ１６を介してウエハステ
ージＷＳ上に保持されている。ウエハステージＷＳは、
モータ１７により投影光学系ＰＬの最良結像面に対して
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次元移動可能に構成されており、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、次のショット位置までステッピングされる。尚、
ウエハステージＷＳの構成等については、例えば特開昭
６２−２７４２０１号公報に開示されている。ウエハス
テージＷＳの端部には干渉計１８からのレーザビームを
反射する移動鏡１９が固定されており、ウエハステージ
ＷＳの２次元的な位置は干渉計１８によって、例えば
０．０１μｍ程度の分解能で常時検出される。

【００２１】また、ウエハステージＷＳ上には照射量モ
ニタ（光電センサ）３３がウエハＷの表面位置とほぼ一
致するように設けられている。光電センサ３３は、例え
ば投影光学系ＰＬのイメージフィールド、またはレチク
ルパターンの投影領域とほぼ同じ面積の受光面を備えた
光検出器で構成され、この照射量に関する光情報を主制
御装置５０に出力する。この光情報は、照明光の入射に
伴って投影光学系ＰＬに蓄積されるエネルギー量に対応
した結像特性の変化量（収差量）を求めるための基礎デ
ータとなる。

【００２２】さらに、図１中には投影光学系ＰＬの最良
結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３０と、その結像光束のウエハＷ
の表面での反射光束をビームを介して受光する受光光学
系３１から成る斜入射方式の焦点検出系が設けられてい
る。この焦点検出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、ウエハ表
面の結像面に対する上下方向（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
ものである。

【００２３】尚、本実施例では結像面が零点基準となる
ように、予め受光光学系３１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、焦点検出系のキャリブレーションが行われるものと
する。また、例えば特開昭５８−１１３７０６号公報に
開示されているような水平位置検出系を用いる、あるい
は投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の任意の複数
の位置での焦点位置を検出可能できるように焦点検出系
を構成する（例えば複数のスリット像をイメージフィー
ルド内に形成する）ことによって、ウエハＷ上の所定領
域の結像面に対する傾きを検出可能に構成しているもの
とする。

【００２４】ところで、図１には装置全体を統括制御す
る主制御装置５０と、レチクルＲが投影光学系ＰＬの直
上に搬送される途中でレチクルパターンの脇に形成され
た名称を表すバーコードＢＣを読み取るバーコードリー
ダ５２と、オペレータからのコマンドやデータを入力す
るキーボード５１と、フライアイレンズ群７Ａを含む複
数のフライアイレンズ群が固定された保持部材（回転タ
ーレット板）７を駆動するための駆動系（モータ、ギャ
トレン等）５４とが設けられている。主制御装置５０内
には、この投影露光装置（例えばステッパー）で扱うべ
き複数枚のレチクルの名称と、各名称に対応したステッ
パーの動作パラメータとが予め登録されている。そし
て、主制御装置５０はバーコードリーダ５２がレチクル
バーコードＢＣを読み取ると、その名称に対応した動作
パラメータの１つとして、予め登録されている照明条件
（レチクルの種類やレチクルパターンの周期性等に対
応）に最も見合ったフライアイレンズ群を保持部材７の
中から１つ選択して、所定の駆動指令を駆動系５４に出
力する。さらに、上記名称に対応した動作パラメータと
して、先に選択されたフライアイレンズ群のもとでの可
変開口絞り８、３２及び可変ブラインド１０の最適な設
定条件、及び投影光学系ＰＬの結像特性を後述の補正機
構によって補正するために用いられる演算パラメータ
（詳細後述）も登録されており、これらの条件設定もフ
ライアイレンズ群の設定と同時に行われる。これによっ
て、レチクルステージＲＳ上に載置されたレチクルＲに
対して最適な照明条件が設定されることになる。以上の
動作は、キーボード５１からオペレータがコマンドとデ
ータを主制御装置５０へ直接入力することによっても実
行できる。

【００２５】次に、投影光学系ＰＬの結像特性の補正機
構について説明する。図１に示すように、本実施例では
駆動素子制御部５３によってレチクルＲとレンズエレメ
ント２０、（２１、２２）の各々を独立に駆動すること
により、投影光学系ＰＬの結像特性を補正することが可
能となっている。投影光学系ＰＬの結像特性としては、
焦点位置、投影倍率、ディストーション、像面湾曲、非
点収差等があり、これらの値を個々に補正することは可
能であるが、本実施例では説明を簡単にするため、特に
両側テレセントリックな投影光学系における焦点位置、
投影倍率、ディストーション、及び像面湾曲の補正を行
う場合について説明する。尚、本実施例ではレチクルＲ
の移動により樽型または糸巻型のディストーションを補
正する。

【００２６】さて、レチクルＲに最も近い第１群のレン
ズエレメント２０は支持部材２４に固定され、第２群の
レンズエレメント（２１、２２）は支持部材２６に固定
されている。レンズエレメント２３より下部のレンズエ
レメントは、投影光学系ＰＬの鏡筒部２８に固定されて
いる。尚、本実施例において投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ
とは、鏡筒部２８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。

【００２７】支持部材２４は伸縮可能な複数（例えば３
つで、図中では２つの図示）の駆動素子２５によって支
持部材２６に連結され、支持部材２６は伸縮可能な複数
の駆動素子２７によって鏡筒部２８に連結されている。
駆動素子２５、２７、２９としては、例えば電歪素子、
磁歪素子が用いられ、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を予め求めておく。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、容量型変位センサ、差動トランス等の位置検出器を
駆動素子に設け、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して高精度な駆動を可能
としている。

【００２８】ここで、レンズエレメント２０、（２１、
２２）の各々を光軸方向に平行移動した場合、その移動
量に対応した変化率で投影倍率Ｍ、像面湾曲Ｃ、及び焦
点位置Ｆの各々が変化する。レンズエレメント２０の駆
動量をｘ₁、レンズエレメント（２１、２２）の駆動量
をｘ₂とすると、投影倍率Ｍ、像面湾曲Ｃ、及び焦点位
置Ｆの変化量ΔＭ、ΔＣ、ΔＦの各々は、次式で表され
る。

【００２９】 ΔＭ＝Ｃ_M1×ｘ₁＋Ｃ_M2×ｘ₂ (1) ΔＣ＝Ｃ_C1×ｘ₁＋Ｃ_C2×ｘ₂ (2) ΔＦ＝Ｃ_F1×ｘ₁＋Ｃ_F2×ｘ₂ (3) 尚、Ｃ_M1、Ｃ_M2、Ｃ_C1、Ｃ_C2、Ｃ_F1、Ｃ_F2は各変化量の
レンズエレメントの駆動量に対する変化率を表す定数で
ある。

【００３０】ところで、上述した如く焦点検出系３０、
３１は投影光学系の最適焦点位置を零点基準として、最
適焦点位置に対するウエハ表面のずれ量を検出するもの
である。従って、焦点検出系３０、３１に対して電気
的、または光学的に適当なオフセット量ｘ₃を与える
と、この焦点検出系３０、３１を用いてウエハ表面の位
置決めを行うことによって、レンズエレメント２０、
（２１、２２）の駆動に伴う焦点位置ずれを補正するこ
とが可能となる。このとき、上記数式３は次式のように
表される。

【００３１】 ΔＦ＝Ｃ_F1×ｘ₁＋Ｃ_F2×ｘ₂＋ｘ₃ (4) 同様に、レチクルＲを光軸方向に平行移動した場合、そ
の移動量に対応した変化率でディストーションＤ、及び
焦点位置Ｆの各々が変化する。レチクルＲの駆動量をｘ
₄とすると、ディストーションＤ、及び焦点位置Ｆの変
化量ΔＤ、ΔＦの各々は、次式で表される。

【００３２】 ΔＤ＝Ｃ_D4×ｘ₄ (5) ΔＦ＝Ｃ_F1×ｘ₁＋Ｃ_F2×ｘ₂＋ｘ₃＋Ｃ_F4×ｘ₄
(6) 尚、Ｃ_D4、Ｃ_F4は各変化量のレチクルＲの駆動量に対す
る変化率を表す定数である。以上のことから、数式１、
２、５、６において駆動量ｘ₁〜ｘ₄を設定することに
よって、変化量ΔＭ、ΔＣ、ΔＤ、ΔＦを任意に補正す
ることができる。尚、ここでは４種類の結像特性を同時
に補正する場合について述べたが、投影光学系の結像特
性のうち照明光吸収による結像特性の変化量が無視し得
る程度のものであれば、上記補正を行う必要がなく、ま
た本実施例で述べた４種類以外の結像特性が大きく変化
する場合には、その結像特性についての補正を行う必要
がある。また、像面湾曲の変化量を零ないしは許容値以
下に補正すると、これに伴って非点収差の変化量も零な
いしは許容値以下に補正されるので、本実施例では特別
に非点収差の補正を行わないものとする。尚、本実施例
では焦点位置の変化量ΔＦ（数式６）については、例え
ば焦点検出系３０、３１に対して変化量ΔＦを電気的、
または光学的にオフセットとして与え、この焦点検出系
３０、３１を用いてウエハＷをＺ方向に移動すること
で、投影光学系ＰＬの最良結像面（ベストフォーカス位
置）にウエハ表面を設定するものとする。また、本実施
例では結像特性補正機構としてレチクルＲ及びレンズエ
レメントの移動により補正する例を示したが、本実施例
で好適な補正機構は他のいかなる方式であっても良く、
例えば２つのレンズエレメントに挟まれた空間を密封
し、この密封空間の圧力を調整する方式を採用しても構
わない。

【００３３】ここで、本実施例では駆動素子制御部５３
によって、レチクルＲ、及びレンズエレメント２０、
（２１、２２）を移動可能としているが、特にレンズエ
レメント２０、（２１、２２）は投影倍率、ディストー
ション、及び像面湾曲（非点収差）等の各特性に与える
影響が他のレンズエレメントに比べて大きく制御し易く
なっている。また、本実施例では移動可能なレンズエレ
メントを２群構成としたが、３群以上としても良く、こ
の場合には他の諸収差の変動を抑えつつレンズエレメン
トの移動範囲を大きくでき、しかも種々の形状歪み（台
形、菱形等のディストーション）、及び像面湾曲（非点
収差）に対応可能となる。上記構成の補正機構を採用す
ることによって、露光光吸収による投影光学系ＰＬの結
像特性の変動に対しても十分対応できる。

【００３４】以上の構成によって、駆動素子制御部５３
は主制御装置５０から与えられる駆動指令に対応した量
だけ２群のレンズエレメント２０、（２１、２２）及び
レチクルＲの周縁３点乃至４点を独立して光軸方向に移
動できる。この結果、２群のレンズエレメント２０、
（２１、２２）及びレチクルＲの各々を光軸方向に平行
移動させるとともに、光軸ＡＸと垂直な面に対して任意
方向に傾斜させることが可能となっている。

【００３５】次に、図３を参照して本実施例による投影
露光装置に採用される照明方法について簡単に説明す
る。本実施例で採用する照明方法の一例としては、照明
光学系の瞳面、またはその共役面、もしくはその近傍の
面内を通る照明光束を、照明光学系の光軸ＡＸから所定
量だけ偏心した位置に中心を有する少なくとも２つの局
所領域に規定することによって、レチクルＲに照射され
る複数の照明光束を所定の方向にレチクルパターンの微
細度に応じた角度だけ光軸ＡＸに対して対称的に傾けた
ものである（以下、簡単に複数傾斜照明法と呼ぶ）。

【００３６】図３は、複数傾斜照明法を用いてレチクル
の照明を行ったときの回路パターンからの回折光の発
生、及び結像の様子を示す図である。レチクルＲの下面
（投影光学系ＰＬ側）には、回路パターンとして透過部
Ｒａと遮光部Ｒｂから成る１次元のラインアンドスペー
スパターンが描画されている。本実施例で使用する投影
露光装置（図１）では、後述するように照明光束の通過
する局所領域は、照明光学系の瞳面内において光軸から
偏心した位置に中心を有する構成となっている。従っ
て、レチクルＲを照明する照明光束Ｌ０は、レチクルＲ
の回路パターンが描画されている方向（周期方向）に対
してほぼ垂直な方向（Ｘ方向）から、レチクルＲに対し
て所定の入射角ψを以て入射する。尚、入射角ψ、及び
入射方向は、レチクル上のパターンで生じる回折光の投
影光学系の瞳面内での位置によって一義的に決まるもの
である。

【００３７】レチクル上のパターンからはパターンの微
細度（幅、ピッチ）に応じた回折角の方向に０次回折光
Ｄ_o、＋１次回折光Ｄ_p、−１次回折光Ｄ_mが発生す
る。図３では、投影光学系ＰＬを透過してウエハＷに到
達するものは、上記３光束のうち０次回折光Ｄ_oと＋１
次回折光Ｄ_pの２光束として示しており、これら２光束
はウエハＷ上で干渉縞、すなわち回路パターンの像を形
成する。尚、従来の照明方法によるパターンの解像限界
は、±１次回折光が投影光学系を透過することが可能か
否かで決定される。すなわち、従来ではパターンピッチ
をＰとしたときにＰ＞λ／ＮＡ程度で与えられるパター
ンサイズが解像限界となっていた。これに対して、本実
施例における複数傾斜照明法では、ほぼＰ＞λ／２ＮＡ
が解像限界となる。

【００３８】また、図３中において０次回折光Ｄ_oと＋
１次回折光Ｄ_pは光軸ＡＸに対してほぼ対称な光路を通
るものとした。これは、照明光束Ｌｏの入射角ψを sin
ψ＝sinθ／２＝λ／２Ｐとすることにより実現でき
る。このとき、ウエハＷのデフォーカス時において、０
次回折光Ｄ_oと＋１次回折光Ｄ_pとはほぼ同量の波面収
差（デフォーカスによる）を生じる。これはデフォーカ
ス量ΔＦに対する波面収差は１／２×ΔＦ sin²ｔ（但
し、ｔは各回折光のウエハへの入射角）であり、ここで
は０次回折光と＋１次回折光とでウエハへの入射角ｔが
ほぼ等しいためである。ところで、ウエハ上でのパター
ン像を崩す（ボケさせる）原因は、各光束間の波面収差
の差である。しかしながら、本実施例で使用する装置
（例えば図５）では、ウエハ上に照射される０次回折光
Ｄ_oと＋１次回折光Ｄ_pの波面収差がほぼ等しくなるた
め、同等のデフォーカス量ΔＦであっても、従来の露光
装置に比べてボケの程度が少ない。すなわち焦点深度が
深いことになる。

【００３９】また、図３においては０次回折光Ｄ_oと＋
１次回折光Ｄ_pとが光軸ＡＸに対してほぼ対称となるも
のとしたが、焦点深度を増大させるためには、瞳面Ｅｐ
内でこの２つの回折光が光軸ＡＸに関して対称となって
いる必要はなく、光軸ＡＸからほぼ等距離となる位置を
通過すれば良い。ここで、露光装置で使用するレチクル
のパターンの微細度（線幅、ピッチ）や方向性は一種類
に特定されるものではないため、本実施例で使用する投
影露光装置の照明光学系の瞳面において照明光束が通過
する局所領域の中心位置、例えば図２に示す２つのフラ
イアイレンズ群７Ｂ₁、７Ｂ₂の照明光学系の瞳面内で
の位置は、パターンの種類に応じて可変であることが望
ましい。つまり、これはレチクルへの照明光束の入射方
向や入射角の各々がパターンの描かれた方向や幅、ピッ
チによって決定されるからである。例えば、図３に示す
ようなＸ方向に配列された１次元のラインアンドスペー
スパターンの場合、照明光束Ｌ０はパターンに対して、
図に示すような方向から入射すれば良い。すなわち照明
光束Ｌ０は、紙面に平行にレチクルＲに入射するもので
ある。また、パターンから発生する０次回折光Ｄ₀と＋
１次回折光Ｄ_pとが、瞳面Ｅｐにおいて光軸ＡＸからほ
ぼ等距離となる位置を通るように照明光束Ｌ０の入射角
を決定すると、ウエハＷ上での像の焦点深度を大きくす
ることができる。

【００４０】このようにして決定された入射方向に応じ
て照明光学系の瞳内での照明光束の通過する局所領域の
中心位置の光軸ＡＸからの偏心方向を決定し、またパタ
ーンの線幅や周期性で決定される入射角に応じて光軸Ａ
Ｘからの偏心量を決定することになる。照明光学系の瞳
面内での照明光束の通過する局所領域（フライアイレン
ズ群に相当）の中心位置は、以上のように決定される。

【００４１】さらに２次元方向に描かれたパターンを照
明する場合、照明光束の方向も各パターンの方向に合わ
せて２方向から照明すると良い。また、照明光束は２方
向、すなわち２本であるよりも、その２光束に対して夫
々、投影光学系の光軸について対称となる２光束を加え
た計４光束（例えば図２中に示すフライアイレンズ群７
Ｄ₁〜７Ｄ₄に相当）を用いると良い。その場合、これ
らの光束の光量重心方向は投影光学系の光軸と一致する
ため、ウエハが微小にデフォーカスした際に生じる像の
横方向の位置ずれ（テレセンずれ）を防止することがで
きる。さらに、Ｘ、Ｙ方向に対して４５°だけ傾いた方
向に配列された周期性パターンに対しては、上記の如き
２次元パターンの照明に利用される４光束を、照明光学
系の瞳面においてその光軸を中心として４５°回転され
た状態で照明を行うようにすると良い。また、図３に示
すような１次元のラインアンドスペースパターンを有す
るレチクルを照明する場合も、同様に投影光学系の光軸
についてほぼ対称な２光束で複数傾斜照明を行うと良
い。尚、１次元のパターンを照明する場合、パターンか
ら発生する０次回折光と１次回折光との強度比が正確に
１：１になるのであれば、光軸に対称な方向から２光束
で照明する必要はない。但し、これはパターンのピッチ
が１通りの場合に限定される。

【００４２】ここではレチクルパターンとして図３に示
した１次元パターンのみについて考えたが、他のパター
ンであってもその周期性（微細度）に着目し、そのパタ
ーンからの＋１次回折光成分または−１次回折光成分の
いずれか一方と０次回折光成分との２光束が、投影光学
系ＰＬの瞳面Ｅｐにおいて光軸ＡＸからほぼ等距離とな
る位置を通過するように、照明光学系の瞳面における各
局所領域、すなわちフライアイレンズ群（２次光源群）
の中心位置を設定すれば良い。尚、他の回折光、例えば
±２次回折光のうちのいずれか一方と０次回折光との位
置関係が、投影光学系の瞳面において光源ＡＸからほぼ
等距離となるようにしても良い。また、２次元パターン
としてレチクル上の同一箇所に２次元の方向性を有する
パターンが存在する場合、あるいは同一レチクルパター
ン中の異なる位置に異なる方向性を有する複数のパター
ンが存在する場合のいずれにも上記の方法を適用するこ
とができる。さらにレチクル上のパターンが複数の方向
性、または微細度を有している場合、各フライアイレン
ズ群の最適位置はパターンの各方向性及び微細度に対応
したものとなるが、あるいは各最適位置の平均位置に各
フライアイレンズ群を配置するようにしても良い。ま
た、この平均位置は、パターンの微細度や重要度に応じ
た重みを加味した荷重平均としても良い。

【００４３】次に、図２を参照して照明条件の変更、特
に通常照明と複数傾斜照明とを切り替えるために用いら
れるフライアイレンズ群の交換機構について説明する。
図２に示すように、本実施例ではレチクルパターンの周
期性の違いに応じて光軸ＡＸに対する偏心状態を互いに
異ならせて固定された４種類のフライアイレンズ群７Ａ
〜７Ｄが保持部材７に一体に設けられており、駆動系５
４により保持部材７を駆動（回転）させることによっ
て、複数のフライアイレンズ群７Ａ〜７Ｄの各々を交換
可能に照明光学系の光路中に配置できるようになってい
る。ここではフライアイレンズ群７Ｂ〜７Ｄの各々が照
明光路中に配置されたときに、各フライアイレンズ群が
光軸ＡＸに関してほぼ対称に配置されている。尚、図１
では通常照明時に用いられるフライアイレンズ群７Ａが
照明光路中に配置されている様子を示している。図２に
おいて、例えばフライアイレンズ群７Ｂ₁、７Ｂ₂を照
明光路中に配置したとき、その各中心（換言すれば、フ
ライアイレンズ群７Ｂ₁、７Ｂ₂の各々における２次光
源像が作る各光量分布の重心）がレチクルパターンの周
期性に応じて決まる量だけ、光軸ＡＸに対して偏心した
離散的な位置に設定されるように、フライアイレンズ群
７Ｂ₁、７Ｂ₂は一体に保持部材（回転ターレット板）
７に保持されている。尚、フライアイレンズ群７Ｂ〜７
Ｄの各々において、各フライアイレンズ群はその位置が
レチクルパターンの周期性に対応して移動できるように
なっていることが望ましい。

【００４４】さて、図２は保持部材の具体的な構成を示
す図であって、ここでは４種類のフライアイレンズ群７
Ａ〜７Ｄが約９０°間隔で、回転軸７ａを中心として回
転可能な保持部材（ターレット板）７上に配置されてい
る。４種類のフライアイレンズ群７Ａ〜７Ｄの各々は、
レチクルパターンの周期性の違いに応じて各フライアイ
レンズ群が、光軸ＡＸ（保持部材の中心）に対する偏心
状態（すなわち光軸ＡＸとほぼ垂直な面内での位置）を
互いに異ならせて保持されている。フライアイレンズ群
７Ｂ、７Ｃはともに、２つのフライアイレンズ群（７Ｂ
₁、７Ｂ₂）、（７Ｃ₁、７Ｃ₂）を有しており、これ
らフライアイレンズ群は照明光学系中に配置されたとき
に、その配列方向が互いにほぼ直交するように固定され
ている。フライアイレンズ群７Ｄは、４つのフライアイ
レンズ群７Ｄ₁〜７Ｄ₄をその中心７ｄ（光軸ＡＸ）か
らほぼ等距離に配置、固定する。フライアイレンズ群７
Ａは照明光学系中に配置されたときにその中心が光軸Ａ
Ｘとほぼ一致するように固定され、従来方式の露光を行
う場合に用いられる。図２から明らかなように、前述の
如きレチクルバーコードＢＣの情報に従って、モータ及
びギア等から成る駆動素子５５によりターレット板７を
回転させることによって、４種類のフライアイレンズ群
７Ａ〜７Ｄの各々を交換でき、レチクルパターンの周期
性（ピッチ、配列方向等）に応じた所望の保持部材を照
明光学系中に配置することが可能となる。このとき、駆
動素子５５は位置決め用としても使用されるので、例え
ばロータリーエンコーダ等の回転角度計測部材を設けて
おくことが望ましい。

【００４５】ここで、図２に示した複数のフライアイレ
ンズ群の各位置（光軸と垂直な面内での位置）、換言す
れば選択すべき保持部材は、転写すべきレチクルパター
ンに応じて決定するのが良い。この場合の決定（選択）
方法は先に述べた通り、各フライアイレンズ群からの照
明光束が転写すべきパターンの微細度（ピッチ）に対し
て最適な解像度、及び焦点深度の向上効果を得られるよ
うにレチクルパターンに入射する位置（入射角ψ）、も
しくはその近傍にフライアイレンズ群を有する保持部材
とすれば良い。また、レチクルパターンへの照明光束の
入射角度等を厳密に設定する必要がある場合には、保持
部材において複数のフライアイレンズ群の各々を、光軸
ＡＸを中心としてその半径方向（放射方向）に微動可能
に、さらに光軸ＡＸを中心として複数のフライアイレン
ズ群の各々を回転可能に構成しても良い。さらに図２に
示した複数のフライアイレンズ群７Ａ〜７Ｄの各々にお
いて、各フライアイレンズ群の射出端面積は、そのフラ
イアイレンズ群を透過する照明光束のレチクルＲに対す
る開口数と投影光学系ＰＬのレチクル側開口数（Ｎ
Ａ_R）との比、いわゆるσ値が０．１〜０．３程度にな
るように設定することが望ましい。尚、照明条件を変更
する、すなわち照明光学系の瞳面での光量分布を変化さ
せるための構成は図２に限られるものではなく任意で良
い。

【００４６】次に、本実施例による装置の主要な動作で
ある照明条件の変更の一例と、各照明条件のもとでの投
影光学系の瞳面近傍における光量分布について説明す
る。ここで、投影光学系ＰＬの露光フィールドの全域に
わたってレチクルＲ上にパターンがほぼ均一に形成され
ている場合、投影光学系ＰＬを構成する複数のレンズエ
レメントのうち、レチクルＲ、あるいはウエハＷの近く
のレンズエレメントでは、照明条件に関係なく照明光が
その全面にわたってほぼ均一に通過することになる。こ
れに対して、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐの付近では照明
条件に応じてその照度分布が異なる。このため、瞳面近
傍のレンズエレメントで生じる温度分布も照明条件毎に
異なる。特に瞳面近傍では照明光束が集中して通過する
ため、照明条件毎に異なる照度（温度）分布が結像特性
に与える影響も大きいと言える。そこで、図４を参照し
て照明条件として照明光学系のσ値を変更する場合につ
いて説明する。尚、図４では図１と同じ作用、機能の部
材には同一の符号を付してある。

【００４７】さて、照明光学系のコヒーレンスファクタ
ー、いわゆるσ値は、照明光学系の開口数ＮＡ_ILと投影
光学系の開口数ＮＡ_R（レチクル側）との比、すなわち
σ＝ＮＡ_IL／ＮＡ_R＝ sinθ₁／ sinθ₂で表される。
ここで、図４（Ａ）に示すようにθ₁はレチクルＲを照
射する照明光の角度、θ₂は投影光学系ＰＬの開口絞り
３２を通過できる照明光の角度である。図４では投影光
学系の開口数ＮＡ_Rを一定として照明光学系の開口数Ｎ
Ａ_ILを変えた場合を示しており、図４（Ａ）はσ値が大
きいとき、図４（Ｂ）はσ値が小さいときを示してい
る。図４から明らかなように、本実施例ではフライアイ
レンズ群７Ａの射出面（すなわち照明光学系の瞳面）近
傍に配置された可変開口絞り８によってσ値を任意に設
定することができる。尚、本実施例（図１、図４）では
σ値を変更する手段として可変開口絞りを用いた例を示
したが、例えば集光光学系６（図１）をズームレンズ系
としても、あるいは照明光学系（フライアイレンズ群
等）を交換可能に構成しても、上記と同様にσ値を可変
とすることができる。

【００４８】図４（Ａ）、（Ｂ）に示すようにレチクル
Ｒを通過した照明光束のうち０次回折光は、照明光の入
射角と同じ角度θ₁で投影光学系ＰＬに入射し、図中に
実線で示すように進んでウエハＷ上に達する。図示して
いないが、１次以上の回折光は０次回折光の外側を進ん
でウエハＷ上に到達する。投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐに
は可変開口絞り３２が設けられており、投影光学系ＰＬ
の開口数ＮＡ_W（ウエハ側）はＮＡ_W＝ sinθ₃で表さ
れる。ここで、投影光学系ＰＬの瞳面での光量分布をみ
てみると、開口絞り３２で規定された面内で０次回折光
は瞳面のほぼ中央（斜線部）を通過し、１次以上の回折
光はその外側を通過することになる。一般に、１次以上
の回折光に比べて０次回折光の強度は強いため、特に瞳
面近傍のレンズエレメントは、σ値が小さい（図４
（Ｂ））ときより大きい（図４（Ａ））ときの方が照明
光束が瞳中心に集中して温度が上昇するものと考えられ
る。実際にパターン露光を行うときは、レチクルの種類
（例えば通常レチクルや位相シフトレチクル）やパター
ン線幅、形状、及び周期性等に対応して、これらに見合
った最適な照明条件、すなわちσ値や開口数ＮＡ_W（さ
らにはフライアイレンズ群）を、可変開口絞り８、３２
（ターレット板７）を駆動することにより設定すること
になる。

【００４９】次に、投影光学系ＰＬの結像特性の変化量
の計算方法について簡単に説明する。尚、本実施例では
４種類の結像特性、すわなち投影倍率、像面湾曲、ディ
ストーション、及び焦点位置を扱うものとしたが、これ
らの結像特性は発生メカニズムが異なり、その変動特性
が互いに異なる可能性があるため、個々の結像特性を独
立に計算する必要がある。しかしながら、これらの結像
特性の計算方法は同一であるため、ここでは投影倍率を
例に挙げて説明を行うものとする。また、本実施例では
照明条件として照明光学系のσ値を変更する場合につい
て説明するものとする。

【００５０】一般に、物体に熱が吸収されるときの物体
温度は、物体に吸収される熱量と物体から放出される熱
量とのつりあいで求められる。これは、一般に１次遅れ
系と呼ばれるもので、投影倍率の変化特性も同様の振る
舞いをすると考えられる。１次遅れ系の変動特性を図５
に示す。図５は一定時間に一定量の照明光が投影光学系
ＰＬに照射されるときの投影倍率の変化特性を表してい
る。図５に示す変化特性は、照射エネルギーに対する最
終的な投影倍率の変化量ΔＭの割合ΔＭ／Ｅ、及び時間
的な変化を表す時定数Ｔの２つの値で決定できる。図５
において、時定数Ｔは最終的な変化量ΔＭに対してΔＭ
×（１−ｅ^-1）だけ変化する時間で表せる。つまり、時
定数Ｔが小さい程、速い変化となる。割合ΔＭ／Ｅ及び
時定数Ｔは、実際に投影光学系ＰＬに照明光を照射しつ
つ投影倍率を測定することによって、図５のような変化
特性を求めれば良い。実際には、投影光学系ＰＬの構造
が複雑であるため、図５に示すような単純な変化特性を
示すことはなく、いくつかの１次遅れ系の和として表さ
れる場合もあるが、本実施例では説明を簡単にするた
め、単純な変化特性を示す場合について説明する。

【００５１】さて、図１においてレチクルＲの交換時に
ウエハステージＷＳを駆動して光電センサ３３を投影光
学系ＰＬの光軸位置まで移動し、投影光学系ＰＬに入射
する照明光の光量を測定する。次に、主制御装置５０は
予め求めておいた割合ΔＭ／Ｅ、時定数Ｔ、光電センサ
３３にて検出される照射エネルギー、及びシャッター３
の開閉時間に基づいて、逐次投影倍率の変化量を演算に
て算出する。

【００５２】ここで、上述した如く照明光学系のσ値が
変化すると、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐの近傍のレンズ
エレメントにおける光量分布、すなわち温度分布が変化
する。例えばσ値が小さいとき、照射エネルギーが瞳中
心に集中して中央部の温度が高くなり（図４（Ｂ））、
レンズエレメントは中央部付近で大きく熱変形すると考
えられる。一方、σ値が大きいとき（図４（Ａ））は、
全体的にレンズエレメントの温度が上がり、特に大きな
熱変形は生じ得ないと考えられる。このため、総照射エ
ネルギー量が同じであっても、σ値が大きいときと比較
してσ値が小さいときの方が投影倍率の変化が大きい、
すなわち割合ΔＭ／Ｅが大きいと考えられる。

【００５３】一方、σ値が小さいときは周辺部の温度が
あまり上昇していないため、照明光の照射が中断する
と、レンズ温度は急に下がると考えられる。これに対し
てσ値が大きいときは、全体的にレンズ温度が上昇して
いるため、温度はゆっくり下がる。従って、σ値が小さ
いときは、σ値が大きいときに比べて時間的変化も大き
い、すなわち時定数Ｔが小さいと考えられる。以上のこ
とから、σ値を変化させることによりΔＭ／Ｅ、Ｔがと
もに変化することがわかる。

【００５４】以上の説明ではσ値を変更する場合を例に
挙げていたが、他の照明条件（輪帯照明、複数傾斜照明
等）についても全く同様に考えることができる。また、
位相シフトレチクルを用いる場合においても、レチクル
パターンからの回折光が投影光学系に対して入射する角
度が通常のレチクルと異なるため、同様に結像特性が変
化するものと考えることができる。例えば特公昭６２−
５０８１１号公報に開示されたような空間周波数変調型
の位相シフトレチクルを用いるときには、複数傾斜照明
法を採用したときと同様な光量分布が投影光学系の瞳面
に生じる。

【００５５】次に、照明光の入射に伴って投影光学系Ｐ
Ｌに蓄積される熱蓄積量に応じて露光動作を禁止する方
法について説明する。上述の如き結像特性補正機構で
は、補正を行うべき項目（焦点位置、投影倍率、諸収差
等）について説明したが、現実問題として熱蓄積量に応
じて変動し得る全ての結像特性を補正することは不可能
であり、結像パターン（レチクルパターンの投影像）に
対する影響が大きいものの中から１つか２つ程度選択し
て補正することが一般的である。このため、上記補正機
構により補正を行わない項目に関しては、その影響（変
化量）が所定の許容値以内となっているときに露光動作
を実行しなければ、十分に高解像のパターン露光を行う
ことができない。また、上記補正を行っている項目に関
しても、その補正誤差（変化量）を零とすることは現実
問題として不可能であり、この補正誤差についても許容
値以内となっているときに露光動作を実行しなければな
らない。以上のことから、露光光吸収による投影光学系
ＰＬの熱蓄積量に対応した結像特性の変化量が所定量を
越えないように熱蓄積量の基準値を定め、実際の熱蓄積
量が当該基準値以下となっているときに露光動作を実行
する方法が提案されている。

【００５６】さて、本実施例では上記説明のように補正
を行っているか否かにかかわらず、実用上最も問題とな
る結像特性に注目する。ここではその結像特性として、
例えばコマ収差を考える。尚、上述の如き結像特性補正
機構によって補正される結像特性の中にコマ収差は含ま
れていない。ところで、照明光吸収による投影光学系Ｐ
Ｌの熱蓄積量に対応したコマ収差の変化特性は、先に述
べた投影倍率と全く同様に１次遅れ系、または１次遅れ
系の和として表されるものである。従って、予め実験ま
たはシミュレーションにて求めたコマ収差の変化特性の
モデルを、主制御装置５０（不図示のメモリ）内に格納
しておけば、先の特開昭６０−７８４５４号公報に開示
されたように投影光学系の熱蓄積量を逐次計算すること
により、この熱蓄積量によるコマ収差の変化量を求めこ
とができる。これにより、この計算値とコマ収差（変化
量）の許容限界値とを比較することによって、露光動作
を中断すべきか否かを判断することが可能となる。尚、
実際には上記のようにコマ収差の変化量まで求める必要
はなく、予め実験またはシミュレーションにて投影光学
系の熱蓄積量とコマ収差の変化量との関係を求め、コマ
収差の許容限界値に対応した熱蓄積量を基準値として記
憶しておき、上記計算により逐次算出される熱蓄積量と
基準値とを比較し、熱蓄積量が基準値に達した時点で露
光動作を停止するようにしても良い。

【００５７】ところで、上記の如きコマ収差による結像
パターンの劣化を防止するための具体的なシーケンスは
種々考えられるが、ここではウエハ交換毎にコマ収差の
変化量（収差量）と許容限界値（または熱蓄積量と基準
値）とを比較するものとし、図６を参照して説明する。
図６で縦軸はコマ収差の変化量ΔＧを表し、横軸は時間
ｔを表している。ここでは前回の露光動作が終了してか
ら十分に時間が経過して投影光学系ＰＬが冷えている、
すわなち熱蓄積量がほぼ零となっており、この状態から
露光動作を開始するものとする。図６では、露光動作が
時刻ｔ₀で開始される場合を示している。また、時間Ｔ
₁は１枚のウエハ上の全てのショット領域に対する露光
処理時間（ステッピング時間を含む）を表し、時間Ｔ₂
はウエハ交換やウエハアライメント等を始めとする露光
以外の動作を行っている時間を表している。実際にはス
テップアンドリピート方式で露光を行うため、時間Ｔ₁
内でもシャッター３は照明光路の閉鎖、開放を繰り返し
ている、すなわちウエハステージの移動中（ステッピン
グ中）は照明光が投影光学系ＰＬに入射せずに変化量Δ
Ｇが減少する。このため、時間Ｔ₁内で変化量ΔＧを表
す曲線は図６の如く滑らかにならずギザギザな曲線とな
るが、ここでは平均化したものとして表している。図６
に示すようにウエハへの露光処理を続けていくと、変化
量ΔＧが徐々に大きくなっていく。図６中のＧ_L1は変化
量ΔＧの許容限界値を表しているが、この限界値Ｇ_L1を
用いてウエハへの露光動作を続行するか否かを判断する
と、あるウエハへの露光動作中に変化量ΔＧが限界値Ｇ
_L1を越えてしまい（図６中の曲線Ｇ_V2）、当該ウエハの
残りのショット領域に対する露光は結像パターンが劣化
した状態で行われることになる。このため、実際には限
界値Ｇ_L1よりやや小さい値、例えば１枚のウエハへの露
光処理により増加する変化量ΔＧの増加分だけ限界値Ｇ
_L1より小さい値Ｇ_L2を限界値として設定し、この限界値
Ｇ_L2を露光動作の続行、禁止を判断するための基準とし
て用いるようにする。

【００５８】さて、図６に示すように時刻ｔａにおいて
コマ収差の変化量ΔＧは限界値Ｇ_L2を越えており、この
まま露光動作を続行すると、変化量ΔＧは曲線Ｇ_V2のよ
うに限界値Ｇ_L1を越えてしまう。そこで、次ウエハへの
露光動作を開始する前（時刻ｔａ）に変化量ΔＧと限界
値Ｇ_L2とを比較し、この比較結果から露光動作を中断し
て変化量ΔＧが限界値Ｇ_L2以下となるまで露光動作を停
止し続ける。そして、変化量ΔＧが限界値Ｇ_L2となった
時点（時刻ｔｂ）で露光動作を再開することにより、常
に変化量ΔＧが限界値Ｇ_L1以下に維持される、すなわち
コマ収差による結像パターンの劣化が所定の許容範囲内
に抑えられた状態で露光が行われることになる（図６中
の曲線Ｇ_V1）。

【００５９】上記方法によれば、停止時間（ｔｂ−ｔ
ａ）が生じるために単位時間当たりのウエハ処理枚数が
減り、装置の生産性（スループット）が低下し得るが、
結像特性の劣化による不良品の発生を低減でき、歩留り
の低下を防止することができる。ここてはコマ収差を例
に挙げて説明を行ったが、上記方法を適用すべき結像特
性の種類や数、及びその変化量の許容限界値等について
は、結像パターンに与える影響の大小、スループット、
歩留り等を考慮して決定すれば良い。また、上記方法で
は変化量ΔＧと限界値Ｇ_L2との比較をウエハ交換毎に行
う場合について述べたが、これ以外に１ショット毎に行
うようにしても良い。すなわち上記比較は、単位ショッ
ト毎、単位ウエハ毎（またはロット毎）、もしくは単位
時間毎に行うようにしても良い。あるいは上記の如き停
止時間（ｔｂ−ｔａ）が生じないように、予めショット
間の露光停止時間（ステッピング時間に相当）内で減少
すべき結像特性の変化量を求めておき、当該量だけ変化
量が減少するのに必要な露光停止時間をもってウエハス
テージＷＳをステッピングさせるようにしても構わな
い。この方式は、２層目以降のレチクルパターンを重ね
合わせ露光する際、１ショット毎にアライメントしなが
ら露光を行う、いわゆるダイ・バイ・ダイ方式を採用す
る場合に有効である。また、ステッピング速度を遅くし
て装置の振動を少なくすることができ、さらにウエハス
テージＷＳを目標停止位置（露光位置）に対して時間を
かけてゆっくり追い込むことができ、位置決め精度を向
上させることが可能になる等の効果も得ることができ
る。

【００６０】次に、投影光学系の結像特性の変化量をそ
の許容限界値（または投影光学系の熱蓄積量をその基準
値）以下に抑える動作について簡単に説明する。さて、
上述した如く照明条件毎に結像特性（特に収差）の変化
量及び変化特性（時定数）が変化する。従って、変化量
を許容限界値以下に抑えるように露光動作を中断すべき
結像特性、すなわち「実用上最も問題となる結像特性」
も照明条件毎に異なり得る。例えば、複数傾斜照明法で
はコマ収差、σ値が小さいときは球面収差といったこと
が考えられる。また、上記説明（コマ収差の例）では
「実用上最も問題となる結像特性」を、各結像特性の変
化量の大きさ（結像パターンに与える影響の大小）で決
定していたが、実際には変化特性、すなわち変化の速さ
（変化率）までも考慮して決定することが必要となる。
例えば、所定の照明条件のもとで高い照射エネルギー量
を投影光学系ＰＬに与えたときの結像特性の変化量Δと
時間ｔとの関係を図７に示す。図７では３つの結像特性
ａ〜ｃの変動を示しており、縦軸は変化量Δを許容限界
値Δ_Lで規格化したものを、横軸は時間ｔを表してい
る。また、図７では結像特性の許容限界値Δ_Lが１．０
に定められ、時刻ｔ₀で露光動作が開始されたものとす
る。尚、図７中の３つの曲線ＣＶａ〜ＣＶｃはいずれも
図６中の曲線Ｇ_V2のようにギザギザな曲線であるが、こ
こでは平均化して滑らかに示している。

【００６１】さて、図７において変化量の大きさのみに
注目すれば、「実用上最も問題となる結像特性」は特性
ｂ（曲線ＣＶｂ）となり、上述の如く変化量Δが限界値
Δ_Lに達した時点（時刻ｔ₂)で露光動作を停止すれば良
いことになる。しかしながら、特性ａ（曲線ＣＶａ）で
は変化量Δが時刻ｔ₁で限界値Δ_Lを越えるため、実際
には特性ａに注目して時刻ｔ₁で露光動作を停止するよ
うにしなければならない。一方、特性ａのみに注目して
露光動作を停止しながら露光を行っていく場合、図７の
ように露光動作の停止を行わなかったときに比べて平均
的にみれば、投影光学系ＰＬへ入射するエネルギー量を
１／１．２にすれば、許容限界値Δ_L以下の変化量に抑
えることができる。しかしながら、特性ｂをΔ_L以下と
するためには、エネルギー量を平均的に１／１．５しな
ければならない。つまり、特性ａのみに注目している
と、停止時間が十分経過した時点では、特性ｂは限界値
Δ_Lを越えてしまうことになる。従って、図７のような
結像特性の場合、特性ａ、ｂの各々についてその変化量
を逐次チェックするようにし、常に両者が限界値Δ_L以
下となるように、少なくとも一方が限界値Δ_Lを越えた
時点で露光動作を停止するようなシーケンスを採用する
必要がある。

【００６２】以上のことから、照明条件を変更したと
き、予めこの変更された照明条件のもとで「実用上最も
問題となる結像特性」として変化量を逐次計算する必要
がある結像特性を選択しておき、露光動作中はこの選択
された結像特性についてのみその変化量を逐次計算して
許容限界値との比較を行うようにしなければならない。
図７に示した例では、特性ａ、ｂの各々についてその変
化量を計算すれば良く、特性ａ、ｂの変化量がともに許
容限界値Δ_L以下となっていれば、特性ｃ（曲線ＣＶ
ｃ）は必ず限界値Δ_L以下となるので、特性ｃについて
は特にその変化量を計算する必要がない。勿論、結像特
性の変化特性（時定数）が各収差でほぼ同じであれば、
変化量のみに注目して上記計算を行うべき結像特性を選
択（決定）すれば良い。また、上記の如く選択した結像
特性が、例えば結像特性補正機構（図１）により変化量
の補正が行われるものであるときは、新たに別の計算を
行って変化量を求める必要はなく、上記補正機構で使用
するために計算された変化量をそのまま上記限界値Δ_L
との比較に用いるようにしても構わない。

【００６３】また、以上の説明では所定の照明条件のも
とで結像特性毎の変化量の許容限界値が一定値であるも
のとしていたが、実際には照明条件が同一であっても、
露光すべきレチクルパターンの微細度（線幅、ピッチ
等）や形状（パターン面内での配置状態等）に応じて限
界値も変化し得る。従って、レチクルパターンに関する
情報が露光装置に入力されないと、最も厳しい条件で許
容限界値を決めなければならず、レチクルパターンによ
っては必要以上にスループットを低下させることになり
得る。このため、例えばレチクルパターンに関する情報
（線幅等）をバーコードとしてレチクルに設ける、ある
いはレチクルの名称（バーコードＢＣ）に対応付けて装
置本体のメモリに記憶させておく。そして、レチクルＲ
をホルダ１４に載置する際、バーコードリーダ５２でバ
ーコードを読み取ることで、照明条件を自動設定すると
ともに、当該条件とレチクルパターンとに最も見合った
（最適な）結像特性の変化量の許容限界値（または投影
光学系の熱蓄積量の基準値）を決定すれば良く、これに
より必要以上にスループットを低下させることを防止で
きる。

【００６４】さらに、以上の説明では照明条件変更後十
分に時間が経過して、変更前の照明条件の影響が既に消
えている（すなわち、履歴として投影光学系に残ってい
る熱蓄積量がほぼ零となっている）ことを前提とし、こ
の状態で露光動作を開始するものとしていた。そこで、
例えば１枚のウエハに対する露光動作中に照明条件を変
更した後、直ちに次の照明条件のもとで露光動作を再開
する場合について考えてみると、投影光学系ＰＬには照
明条件変更前の条件のもとでの履歴が残っているため、
結像特性の変化量を照明条件変更前後の２つの条件のも
とでの各変化量の単純な和として表すことができない。
従って、照明条件変更に伴って変化量の許容限界値（ま
たは熱蓄積量の基準値）を、単純に変更後の照明条件に
最も見合った値に切り換えるだけでは、結像特性の変化
量を所定の許容範囲内に抑えることが難しい。また、結
像特性の変化量を逐次計算で求めるためには、照明条件
変更時の過渡的状態におけるレンズエレメントの温度分
布を計算し、それに対応する変化量を知らなければなら
ないが、上記計算を行うことは理論的には可能である
が、実際には変更前後の照明条件が重なり合っているの
で非常に複雑で実用的ではない。

【００６５】そこで、照明条件変更のためにシャッター
を閉じて露光動作を停止した後、変更前の照明条件の影
響（履歴）が十分に小さくなるまでの所定時間、例えば
結像特性の変化量Δが一定のレベル（閾値）Ｍｓに減少
するまでの間、露光動作を停止し続け、変化量Δが一定
レベルＭｓとなった時点でシャッターを開き、変更後の
照明条件のもとで露光動作を開始すれば良い。この方法
によれば、上記の如き変更前の照明条件の履歴を排除す
ることができ、結像特性の変化量の許容限界値（または
熱蓄積量の基準値）を、変更後の照明条件に最も見合っ
た値に単純に切り換えるだけで、結像特性の変化量を所
定の許容範囲内に抑えることが可能となる。尚、レベル
Ｍｓは変更後の照明条件（演算パラメータ）のもとで逐
次計算される結像特性の変化量と実際の結像特性の変化
量との差（演算誤差）が、所定の許容値（結像特性の制
御精度に応じて一義的に定められる）以内となるように
決定すれば良い。このとき、装置のスループットを低下
させないように、すなわち露光停止時間を短縮するよう
に、レベルＭｓはできる限り大きな値に設定することが
望ましい。実際には予め実験、もしくはシミュレーショ
ン等によって、予め種々の照明条件の組み合わせに対応
したレベルＭｓを求めておくと良い。

【００６６】一方、照明条件変更時に露光動作を停止せ
ず、変更後直ちに露光を開始する場合には、例えば照明
条件の組み合わせの各々について、照明条件変更前後の
投影光学系への照射量（熱蓄積量）や照明条件変更時の
露光停止時間等を考慮し、予め実験もしくはシミュレー
ションにより、照明条件変更時の過渡的状態における結
像特性の変化量に対応した許容限界値（または熱蓄積量
の基準値）を演算にて厳密に求めれば良い。実際には照
明条件の組み合わせの数、各照明条件での照射量のバリ
エーション（種類）を考えると、これらの条件毎に変化
量の許容限界値を決定することは余りにも複雑で現実的
とは言えない。さらに許容限界値の決定だけでなく、照
明条件変更直後に連続的に露光動作を開始する場合に
は、上述したように結像特性の変化量の逐次計算が非常
に困難であることも考慮しなければならない。しかしな
がら、照明条件変更に伴う投影光学系の瞳面での光量分
布の変動、あるいは結像特性の変化量や変化特性の変動
が僅かである場合には、上記計算を比較的簡単に行うこ
とができるので、照明条件変更後直ちに露光動作を開始
するようにしても構わない。

【００６７】尚、結像特性の変化量が許容限界値（また
は投影光学系の熱蓄積量が基準値）を越える、あるいは
照明条件を変更することにより露光動作を停止させた場
合、結像特性の変化量（または熱蓄積量）が徐々に減少
していくが、先に述べたように結像特性補正機構のため
に逐次計算にて変化量を求めているため、変化量の減衰
計算を特別に行う必要はない。

【００６８】次に、主制御装置５０内部での処理の一例
を図８に示すフローチャートを参照して説明する。ここ
では、同一レチクルに対しては照明条件を変更せず、さ
らに同一ウエハを露光している間はレチクル交換を行わ
ない例について述べる。尚、図１中には示していない
が、主制御装置５０は照明条件変更や露光動作の開始、
停止を制御する他、装置全体を統括制御するコントロー
ル部と、照明条件やレチクルパターン毎の結像特性の変
化量の許容限界値（または熱蓄積量の基準値）の決定や
結像特性の変化量（または投影光学系の熱蓄積量）の計
算を行う演算部と、複数枚のレチクル毎にその名称に対
応した動作パラメータ、例えば照明条件や投影光学系の
熱蓄積量（またはこれに対応した結像特性の変化量）を
算出するための演算パラメータ等を記憶する記憶部（メ
モリ）とで構成されているものとする。

【００６９】図８に示すように、まずステップ１０１に
おいて主制御装置５０はホルダ１４にレチクルが載置さ
れているか否かを確認し、オペレータによるキーボード
５１からの入力情報、あるいは予め入力されているプロ
グラム（露光シーケンス）等に基づき、ホルダ１４にレ
チクルが載置されていない場合には直ちにレチクルをロ
ーディングし、レチクルが載置されている場合には新た
なレチクルをホルダ１４にローディングするか否か（レ
チクル交換の要否）を判断する。ここではレチクル交換
を行うものとして、次のステップ１０２に進む。ステッ
プ１０２において主制御装置５０は、露光装置の状態
（設定条件）、すわなち照明条件が通常照明、輪帯照
明、複数傾斜照明のいずれに設定されているか、さらに
照明光学系のσ値、投影光学系ＰＬの開口数、及び可変
ブラインド１０の開口形状・位置等を確認する。これ
は、駆動系５４、可変開口絞り８、３２、あるいは可変
ブラインド１０等の設定状態を認識することにより行わ
れる。尚、単にレチクルホルダ１４上のレチクルＲ（バ
ーコードＢＣ）に対応したメモリ内部の各種条件を読み
出すことにより行うようにしても良い。

【００７０】次のステップ１０３では、新たにホルダ１
４にローディングされるレチクルＲのバーコードＢＣを
読み込む。そして、主制御装置５０はバーコードＢＣ
（レチクルの名称）に対応した動作パラメータをメモリ
から読み出す。この結果、レチクルの種類（通常レチク
ル、位相シフトレチクル）やそのパターンの微細度、周
期性等に最も見合った（最適な）照明条件、すなわち通
常照明、輪帯照明、複数傾斜照明のいずれを用いるか、
さらに輪帯照明では内径、外径、及び輪帯比（内径と外
径との比）等の条件、複数傾斜照明ではフライアイレン
ズ群の数、及びその位置等の条件、また照明光学系のσ
値、投影光学系ＰＬの開口数、及び可変ブラインド１０
の開口形状・位置等が認識される。

【００７１】次に、主制御装置５０はステップ１０３で
読み出した照明条件に基づいて保持部材７、可変開口絞
り８、３２、及び可変ブラインド１０等を駆動し、レチ
クルＲ及びそのパターンに最適な照明条件を設定する
（ステップ１０４）。ステップ１０４では、先のステッ
プ１０２で確認した照明条件と異なる条件のみについて
その変更を行えば良く、照明条件変更が全く不要であっ
たら直ちにステップ１０５に進む。照明条件変更の一例
として、例えばレチクルパターンが微細な２次元のライ
ンアンドスペースパターンである場合、コントロール部
は保持部材７を回転させてフライアイレンズ群７Ｄを照
明光路に配置するとともに、そのパターンピッチや周期
方向に応じて照明光学系の瞳面近傍でのフライアイレン
ズ群７Ｄ₁〜７Ｄ₄の各位置を微調整する。さらに必要
に応じて、可変開口絞り８、３２や可変ブラインド１０
の再調整を行えば良い。

【００７２】ここで、上述の如く照明条件の変更を行
う、例えば通常照明（フライアイレンズ群７Ａ）から複
数傾斜照明（フライアイレンズ群７Ｄ）へ変更した場
合、投影光学系ＰＬでは照明光束の通過領域が照明条件
変更前後で全く異なる。このため、この変更された照明
条件のもとで投影光学系ＰＬの投影倍率や各種収差（デ
ィストーション、像面湾曲、非点収差、コマ収差、球面
収差等）が最適値、または零ないし許容範囲内となるよ
うに、図１中の結像特性補正機構によって投影光学系Ｐ
Ｌの結像特性を調整しておくことが望ましい。尚、予め
投影光学系ＰＬに履歴（熱蓄積）が残っていない、もし
くは履歴による結像特性の変化量がレベルＭｓ、または
それ以下となっているときの照明条件毎の結像特性補正
機構の補正量（レチクルやレンズエレメントの駆動量
等）を求めておき、新たな照明条件のもとで露光動作を
開始する前までに、上記補正量に基づいて結像特性補正
機構を制御して投影光学系ＰＬの結像特性を調整するよ
うにしておけば良い。また、結像特性補正機構によって
補正できない収差（コマ収差、球面収差等）について
は、例えば投影光学系ＰＬを構成するレンズエレメント
のうち、当該収差は大きく変化させることができ、かつ
それ以外の収差はほとんど変化させることがないレンズ
エレメントを微動可能に構成しておき、このエレメント
を駆動してその収差量を調整すれば良い。

【００７３】次に、主制御装置５０はレチクル、及びそ
の照明条件のもとで着目すべき結像特性、すわなち「実
用上最も問題となる結像特性」を決定する。ここで決定
される結像特性は、上述した如き図７中の結像特性ａ、
ｂのように複数の結像特性が設定される場合もある。さ
らに、上記の如く変化量の許容限界値を設定すべき計算
対象となる結像特性（以下、着目結像特性と呼ぶ）が決
定されると、新たな照明条件のもとでの着目結像特性の
変化量（または変化率）、及び変化特性（時定数）もメ
モリから読み出し、演算部で当該特性の変化量を逐次計
算できるように設定する（ステップ１０５）。しかる
後、露光すべきレチクルＲのパターン情報（線幅やパタ
ーン面内での密度分布等）までもメモリから読み出し、
先に設定された着目結像特性の変化量の許容限界値（図
６中のＧ_L2に相当）を決定する（ステップ１０６）。以
上により主制御装置５０での各種条件の設定が完了す
る。

【００７４】次に、主制御装置５０は照明条件を変更し
たか否かを判断する（ステップ１０７）。ここでは新た
なレチクルＲのもとでメモリから読み出された照明条件
が先のステップ１０２で確認された条件と異なりその変
更を行ったものとして、次のステップ１０８に進む。
尚、ステップ１０７で照明条件が変更されていないと判
断されると、直ちにステップ１１０に進む。

【００７５】さて、ステップ１０８では変更前の照明条
件の履歴が投影光学系ＰＬに残っているか否か、すなわ
ち上記履歴による投影光学系ＰＬの結像特性の変化量が
レベルＭｓ以下となっているか否かを判断する。ここで
は照明条件変更のため、露光動作が停止されており、こ
れに伴って変化量も徐々に減少しているが、結像特性の
変化量の減衰計算は変更前の照明条件での演算パラメー
タ（時定数等）に基づいて露光動作停止から継続して行
われている。従って、主制御装置５０はこの計算値とレ
ベルＭｓとを比較し、計算値がレベルＭｓ以下となって
いたら、投影光学系ＰＬに履歴は残っていない、すなわ
ち変更後の照明条件のもとでの演算パラメータを用いて
結像特性の変化量を逐次計算できるものと判断して、次
のステップ１１０に進む。

【００７６】一方、投影光学系ＰＬに履歴が残っている
と判断された場合にはステップ１０９に進み、一定時間
（例えば数秒程度）だけ待った後、ステップ１０８に戻
って結像特性の変化量がレベルＭｓ以下となっているか
否かを判断する。ここで履歴が残っていると判断された
ら、再度ステップ１０９に進み、以下ステップ１０８、
１０９を繰り返し実行して、結像特性の変化量がレベル
Ｍｓ以下となった時点でステップ１１０に進むようにす
る。ここでは一定時間毎に上記判断を行うようにしてい
たが、例えば演算パラメータによる減衰計算から、結像
特性の変化量がレベルＭｓ以下となるまでの待ち時間を
算出し、ここで算出された時間だけ待った後、直ちにス
テップ１１０に進むようにしても構わない。

【００７７】尚、変化量がレベルＭｓ以下となっている
か否かを判断すべき結像特性は、投影倍率を含む全ての
収差であっても、先のステップ１０４で決定された変更
後の照明条件のもとでの着目結像特性のみであっても構
わない。また、照明条件変更前後で着目結像特性が異な
っている場合には、例えば変更前の照明条件のもとでの
着目結像特性の変化量がレベルＭｓ以下となった時点、
または変更後の照明条件のもとでの着目結像特性の変化
量を、新たに変更前の照明条件のもとでの演算パラメー
タを用いて減衰計算し、この計算値がレベルＭｓ以下と
なった時点で、ステップ１１０に進むようにすれば良
い。

【００７８】次のステップ１１０において主制御装置５
０は、着目結像特性の変化量が許容限界値以下となって
いるか否かを判断する。これはステップ１０８と全く同
様に、常に逐次計算されている変化量と許容限界値とを
比較することにより行われ、変化量（計算値）が許容限
界値以下となっていたら、直ちにステップ１１２に進
み、ウエハに対する露光を開始する。一方、変化量が許
容限界値を越えている場合にはステップ１１１に進み、
ここで一定時間（例えば１秒程度）だけ待った後、再度
ステップ１１０に戻って変化量が許容限界値以下となっ
ているか否かを判断する。以下、ステップ１１０、１１
１を繰り返し実行し、変化量が許容限界値以下となった
時点でステップ１１２に進むようにする。ここでもステ
ップ１１１と同様に、演算パラメータによる減衰計算か
ら変化量が許容限界値以下となるまでの待ち時間を算出
し、ここで算出された時間だけ待った後、直ちにステッ
プ１１２に進むようにしても構わない。

【００７９】さて、ステップ１１２では新たな照明条件
のもとでレチクルＲのパターンをウエハＷに順次露光し
ていく。主制御装置５０は露光終了後、次のウエハに対
する露光を行うか否かを判断する（ステップ１１３）。
ここでは１枚目のウエハの露光が終了しただけなので、
次のステップ１１４に進み、ウエハ交換を実行する。さ
らに主制御装置５０は、次（２枚目）のウエハに対して
レチクル交換を行うか否かを判断する（ステップ１０
２）。ここでは同一レチクルのパターンを露光するもの
としてステップ１１０に進む。ステップ１１０では上記
と全く同様に着目結像特性の変化量と許容限界値とを比
較し、変化量が許容限界値以下となっていたら、ステッ
プ１１２に進んで２枚目のウエハに対する露光を開始す
る。以下、露光すべき全てのウエハに対する露光が終了
するまで、上記のシーケンスを繰り返し実行することに
なる。この結果、常に高精度の結像特性のもとでウエハ
に対するパターン露光を実行することが可能となる。
尚、レチクル交換を行う場合には再度ステップ１０２〜
１０６を実行し、さらに照明条件を変更した場合にはス
テップ１０８、１０９を行えば良い。また、レチクル交
換を行っても照明条件を変更しなければ、ステップ１０
５、１０６を実行する必要はない。

【００８０】ここで、露光すべき全てのウエハに対して
レチクル交換を行わないような露光シーケンスであれ
ば、図８に示したフローチャートではステップ１１４終
了後、直ちにステップ１１０を実行するようにすれば良
い。このとき、ステップ１１０での結像特性の変化量と
許容限界値との比較をウエハ交換毎に行うことが前提と
なっている。また、図８では同一レチクルに対しては照
明条件を変更しないシーケンスを示したが、同一レチク
ルであっても単位枚数のウエハ毎（またはショット領域
毎）、もしくはロット毎に照明条件を変更するようなシ
ーケンスを採用しても構わない。さらに同一ウエハに対
してはレチクル交換を行っていなかったが、同一ウエハ
であっても単位ショット毎（例えば１ショット毎）にレ
チクル交換、さらには照明条件変更を行うようなシーケ
ンスを採用しても良い。本発明は、上記の如く照明条件
を変更しながら種々の照明条件のもとでウエハに対する
露光を行う場合に特に有効である。

【００８１】また、ステップ１０２において通常レチク
ルから位相シフトレチクルへレチクル交換を行った場合
（またはその逆）でも、図８ではステップ１０２から直
ちにステップ１１０へ進むので、特に照明条件の変更
（保持部材７の駆動やσ値の変更等）が行われない。し
かしながら、投影光学系ＰＬの瞳面では光量分布が変化
することになるので、上記の如きレチクル交換は照明条
件の変更に相当するものとして、ステップ１０８、１０
９を実行するようなシーケンスを採用する。尚、位相シ
フトレチクル以外であっても、投影光学系ＰＬの瞳面で
の光量分布が変化するようなレチクル、例えば通常レチ
クルであってそのパターンを構成する遮光部材（クロム
等）に部分的に光透過率を与える、いわゆるハーフトー
ンレチクルであれば、同様に照明条件の変更と見なして
ステップ１０８、１０９を実行することが望ましい。ま
た、同一レチクルに対して照明条件を変更しながら露光
を行う場合にも、本実施例をそのまま適用して同様の効
果を得ることができる。

【００８２】以上のように本実施例では、ステップ１０
８、１１０において結像特性の変化量を逐次計算にて求
め、レベルＭｓや許容限界値との比較を行うようにして
いたが、予め照明光吸収による投影光学系ＰＬの熱蓄積
量と、それに対応した結像特性の変化量との関係を求
め、結像特性の変化量の許容限界値（あるいはレベルＭ
ｓ）に対応した熱蓄積量を基準値として記憶しておき、
ステップ１０８、１１０では投影光学系ＰＬの熱蓄積量
のみを逐次計算し、この熱蓄積量（計算値）と基準値と
を比較することで露光動作を開始するか否かを判断する
ようにしても良い。

【００８３】尚、本実施例では主制御装置５０が上記の
如く露光動作の開始、停止までも制御することとしてい
たが、主制御装置５０とは別に専用のコントロールユニ
ットを用意し、当該ユニットが照明条件等を入力して露
光動作の制御を行い、主制御装置５０は各種条件や演算
結果をユニットに与えるだけでも良い。図１中には示し
ていないが、主制御装置５０での演算結果や露光装置の
動作状態等をオペレータに知らせるための表示装置（ブ
ラウン管等）を設け、例えばステップ１０９、１１１で
露光動作を停止しているとき、露光停止時間はどの位か
をオペレータに知らせるように構成しても良い。このと
き、露光停止時間は結像特性の変化量の減衰計算から容
易に求めることができる。

【００８４】また、上記実施例では着目結像特性、例え
ばコマ収差や球面収差についてはその変化量に許容限界
値を設定して、変化量が限界値を越えた時点で露光動作
を停止し、その他の結像特性、例えば投影倍率、ディス
トーション、像面湾曲、非点収差等については結像特性
補正機構によってその変化量が常に許容範囲内となって
いるように逐次変化量を補正することとしていた。しか
しながら、着目結像特性として選択すべき結像特性と上
記補正機構によって補正する結像特性との組み合わせは
任意で良く、例えばコマ収差と像面湾曲とを着目結像特
性として選択しても構わない。また、レチクルもしくは
そのパターンの種類や照明条件によっては投影倍率とデ
ィストーションを補正機構で逐次補正するようにし、コ
マ収差のみを着目結像特性として選択しても良い。

【００８５】さらに上記実施例では、着目結像特性とし
て選択すべき結像特性と上記補正機構によって補正する
結像特性とを明確に区別していたが、補正機構によって
変化量が逐次補正される結像特性であっても着目結像特
性として選択する、すなわちその変化量の許容限界値を
設定し、上記と全く同様に逐次計算される変化量と許容
限界値とを比較することで露光動作を開始するか否かを
判断するようにしても良い。これは、補正機構によって
変化量が逐次補正される結像特性であっても、その種類
（例えば像面湾曲等）によっては補正機構による変化量
（収差量）の補正に限界が生じるので、変化量が補正し
きれず徐々に増大していき、やがては変化量（残留補正
誤差の総和）が許容限界値を越え得るためである。

【００８６】また、ステップ１１０では着目結像特性の
変化量が許容限界値を越えていた場合、変化量が限界値
以下となるまで露光動作を停止することとしたが、スル
ープットを考慮し、例えば結像特性補正機構を用いる、
もしくは着目結像特性の変化量の補正に有効なレンズエ
レメントを駆動することによって、積極的に変化量を許
容限界値以下にするようにしても良い。このとき、投影
光学系ＰＬの熱蓄積量とそれに対応した結像特性の変化
量との関係が変化し得るので、先の補正量（駆動量）に
基づいて当該関係を更新し、これ以降ではこの更新した
関係に基づいて結像特性の変化量を逐次計算して許容限
界値との比較を行うようにすることが望ましい。

【００８７】さらに上記実施例では、レチクルやそのパ
ターンの種類、及び照明条件に対応した投影光学系ＰＬ
の瞳面近傍での光量（照度）分布に注目していたが、例
えばレチクルもしくはそのパターンの密度分布の変化に
よるレチクル近傍の投影光学系ＰＬのレンズエレメント
の照度分布の変動によっても結像特性が変動し得るが、
このような場合でも上記実施例と同様に結像特性の変化
量を許容限界値以下に抑えることが可能である。つま
り、可変ブラインド１０による照明視野の変更、または
レチクルパターンの密度分布の変化により、レチクル近
傍のレンズエレメントに対して照明光が不均一に照射さ
れる場合、同一の照射量であっても照明光がほぼ均一に
レンズエレメントに照射される場合と比較して、その結
像特性が変化することが考えられる。そこで、このよう
な場合には投影光学系ＰＬの瞳面近傍だけでなく、レチ
クル近傍のレンズエレメントでの照度分布も考慮し、こ
こでの照度分布を照明条件変更の１つとして変化量を逐
次計算することによって、より厳密な結像特性の管理を
行うことが可能となる。

【００８８】また、上記実施例では照明光吸収による投
影光学系の熱蓄積量に起因した結像特性の変化について
考えたが、照明光吸収に比べて比較的変動が小さいが、
投影光学系ＰＬの周辺の環境（大気圧、温度等）変化に
起因した結像特性の変化までも考慮してその変化量を逐
次計算するようにしても良い。さらに、最近ではウエハ
ステージＷＳを投影光学系ＰＬの光軸方向に移動させな
がら、光ファイバー等によってウエハステージＷＳの内
部に伝送された露光光で、ウエハ表面とほぼ同一面内に
設けられた基準パターンを照明するとともに、そのパタ
ーン像のレチクルＲの下面（パターン面）での反射光を
基準パターンを介して光電検出することによって、投影
光学系ＰＬの露光フィールド内の任意の点での焦点位置
を検出することが提案されている。この種の焦点位置検
出系では、照明条件毎に焦点位置を正確に検出するた
め、例えば光ファイバーの射出端面近傍に複数枚の空間
フィルターを交換可能に配置し、投影光学系ＰＬの瞳面
に形成される照度分布が、照明光学系の照明条件（位相
シフトレチクル等も含む）毎にその照度分布とほぼ等し
くなるように構成している。従って、上記構成の装置に
よって焦点位置を検出する際にも、投影光学系ＰＬは露
光光を吸収してその結像特性が変動し得るので、この露
光光吸収による投影光学系の熱蓄積量までも考慮して結
像特性の変化量を計算することが望ましい。

【００８９】また、上記実施例では照明条件として通常
照明から複数傾斜照明に変更する場合について述べた
が、例えば照明光学系のσ値のみを変更する場合、通常
照明から輪帯照明に変更する（または逆）場合、複数傾
斜照明においてもレチクルパターンの周期性に応じてフ
ライアイレンズ群７Ｂ〜７Ｄを相互に交換する、または
同一のフライアイレンズ群であっても個々のフライアイ
レンズ群を微動する場合、可変ブラインド１０により照
明視野を変更する場合、あるいは投影光学系ＰＬの開口
数を変更する場合等に対しても本発明は有効である。

【００９０】以上の実施例によれば、投影光学系ＰＬの
結像特性は常に良好に維持されるが、露光動作中断によ
る生産性（スループット）の低下は避けることができな
い。そこで上記欠点を少しでも補うため、図８のステッ
プ１０９、１１１での待ち時間を、例えば投影光学系Ｐ
Ｌの焦点位置、投影倍率、または諸収差のチェック（計
測）、アライメントセンサーのベースラインチェック等
を始めとした露光装置の自己キャリブレーション等に有
効に使用することが望ましい。尚、図１中の投影光学系
ＰＬは屈折素子のみから構成されていたが、反射素子、
もしくは屈折素子と反射素子とを組み合わせたものであ
っても構わない。

【００９１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、照明条件
変更に応じて照明光吸収による投影光学系の結像特性の
変化量（変化特性）が変化しても、照明条件毎に投影光
学系の熱蓄積量に対応した結像特性の変化量に所定の許
容限界値（または熱蓄積量に所定の基準値）を設定し、
当該変化量が許容限界値を越えている間（または熱蓄積
量が基準値を越えている間）は露光動作を停止（中断）
するようにした。このため、照明条件毎にその結像特性
の変動による結像パターンの劣化を常に許容値以内に抑
えることが可能となる。また、照明条件毎に許容限界値
を設定すべき結像特性を決定し、この決定した結像特性
のみに注目してその変化量と許容限界値とを比較するこ
とにより露光動作の開始、停止を制御するため、停止時
間による生産性（スループット）の低下を最小限に抑え
ることが可能となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による投影露光装置の概略的な
構成を示す図。

【図２】複数のフライアイレンズ群を照明光束の光路中
に交換可能に配置する交換機構の具体的な構成を示す
図。

【図３】本発明の実施例で採用する複数傾斜照明法の原
理を説明する図。

【図４】照明条件（σ値）変更前後のフライアイレンズ
群からウエハまでの光路と、投影光学系の瞳面近傍での
光量分布とを示す図。

【図５】照明光吸収による投影光学系の結像特性（投影
倍率）の変化特性を説明する図。

【図６】照明光吸収による投影光学系の結像特性の変化
量に設定すべき許容限界値の説明に供する図。

【図７】結像特性の変化量の許容限界値の設定方法を説
明する図。

【図８】投影光学系の結像特性の制御動作の一例を示す
フローチャート図。

【符号の説明】

３シャッター１０可変ブラインド２０〜２３レンズエレメント２５、２７、２９駆動素子３３照射量モニタ（光電センサ）５０主制御装置ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｅｐ瞳面ＷウエハＷＳウエハステージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 7352−4Ｍ５２７

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの照明光で照射されたマスクの
パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に所定の
結像状態で投影するために、前記照明光の入射による前
記投影光学系の熱蓄積量、もしくは熱蓄積又は環境変化
により生じる前記投影光学系の光学特性の変化量と所定
の基準値とに基づいて、前記感光基板に対する露光動作
の開始又は停止を制御する投影露光方法において、前記基準値を、前記投影光学系の瞳面における光束の分
布状態の変化に応じて決定する段階と；前記光束の分布状態が変化した後は、前記決定された基
準値を利用して前記露光動作を実行する段階とを含むこ
とを特徴とする投影露光方法。
【請求項２】前記マスクを前記照明光で照射する照明
光学系の瞳面における前記照明光の分布状態、前記感光
基板上に投影すべきマスク上のパターン、及び前記投影
光学系の開口数の少なくとも１つを変更することによ
り、前記投影光学系の瞳面における光束の分布状態を変
化させることを特徴とする請求項１に記載の投影露光方
法。
【請求項３】前記投影光学系の瞳面における光束の分
布状態が変化したとき、前記熱蓄積量、又は前記光学特
性の変化量が所定の許容値以下となるまで前記露光動作
を停止することを特徴とする請求項１、又は請求項２に
記載の投影露光方法。
【請求項４】前記露光動作を停止している間に、前記
投影光学系の光学特性、又はアライメントセンサーのベ
ースラインを計測することを特徴とする請求項３に記載
の投影露光方法。
【請求項５】光源からの照明光でマスクを照射する照
明光学系と、前記マスクのパターンの像を感光基板上に
投影する投影光学系とを備えた投影露光装置において、
前記マスクのパターン像を所定の結像状態で投影するた
めに、前記照明光の入射による前記投影光学系の熱蓄積
量、もしくは熱蓄積又は環境変化により生じる前記投影
光学系の光学特性の変化量と所定の基準値とに基づい
て、前記感光基板に対する露光動作の開始又は停止を制
御する露光制御手段と；前記照明光学系の瞳面における前記照明光の分布状態、
前記感光基板上に投影すべきマスク上のパターン、及び
前記投影光学系の開口数の少なくとも１つを変更するこ
とにより、前記投影光学系の瞳面における光束の分布状
態を変化させる露光条件変更手段と；前記投影光学系の瞳面における光束の分布状態の変化に
応じて前記基準値を変更する手段とを備えたことを特徴
とする投影露光装置。
【請求項６】前記露光制御手段は、前記投影光学系の
瞳面における光束の分布状態が変化したとき、前記熱蓄
積量、又は前記光学特性の変化量が所定の許容値以下と
なるまで前記露光動作を停止することを特徴とする請求
項５に記載の投影露光装置。