JPH0821531B2

JPH0821531B2 - 投影光学装置

Info

Publication number: JPH0821531B2
Application number: JP61201793A
Authority: JP
Inventors: 祥司石坂; 英夫水谷; 進牧野内; 昭一谷元
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1986-08-29
Filing date: 1986-08-29
Publication date: 1996-03-04
Anticipated expiration: 2011-03-04
Also published as: US4801977A; JPS6358349A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は投影光学系を備えた装置、特に半導体素子製
造用の露光装置において、投影光学系の光学特性の変化
にかかわらず、投影されたマスクのパターン像を所望の
投影状態に制御する投影光学装置に関するものである。

（発明の背景）露光装置、特に縮小投影型露光装置は、近年、集積回
路の生産になくてはならないものになつてきている。こ
のような露光装置では、通常レチクル上の回路パターン
を、半導体ウエハ上に1/5又は1/10に縮小投影し、線幅
で１μｍ以上の解像度を得る投影レンズが使われてい
る。

特に現在では、半導体デバイスの集積度の向上を図る
ため、大きな投影露光領域を保ちつつ、解像力を上げる
ような投影レンズが要望されるに至つている。

一般に、かかる露光装置には、リソグラフイ工程で所
定のパターンの形成を行なう際のウエハの厚さ変化や表
面の凹凸に対応するために、投影レンズとウエハとの間
隔を検出するようなギヤツプセンサを利用した焦点検出
器が組み込まれている。この焦点検出器の検出信号に基
づいて、投影レンズの結像面、すなわち投影パターンの
像面とウエハの表面とを一致させるような自動焦点合わ
せが行われている。

第２図には、このようなギヤツプセンサを有する縮小
投影型露光装置、いわゆるステツパの概略構成が示され
ている。

第２図において、投影対象である回路パターン等が描
かれたレチクルＲは、レチクルステージ201上に載置支
持されている。このレチクルステージ201には、レチク
ルＲのパターン領域Prを通過した照明光が投影レンズ20
2に入射するための開口部201aが形成されている。この
開口部201aによつて、レチクルＲに描かれた回路パター
ンの光像が、後述するウエハＷ上に投影されるようにな
つている。

更に、レチクルステージ201には、レチクルＲの周辺
部を真空吸着するための保持部201bが複数設けられてお
り、これらの保持部201bにより、レチクルステージ201
にレチクルＲが吸着保持される。

レチクルステージ201は、図示するxy方向に微動し、
レチクルＲの中心が投影レンズ202の光軸AXと一致する
ように位置決めが行なわれる。

次に、投影レンズ202の下方には、ステツパー固有の
二次元移動ステージが設けられている。まず、被投影基
板としてのウエハＷは、ウエハチヤツク203上に真空吸
着されている。このウエハチヤツク203は、投影レンズ2
02の光軸AX方向、すなわちＺ方向に上下動するＺステー
ジ204上に設けられている。このＺステージ204は、ｙ方
向に移動するＹステージ205上をｘ方向に移動するＸス
テージ206の上に、モータ207によつて上下動するように
設けられている。モータ208及び209は、各々Ｙステージ
205、Ｘステージ206の一次元駆動を行うためのものであ
る。

更に、Ｚステージ204のｘ方向及びｙ方向の側辺に
は、ステージの座標位置を検出するレーザ干渉測長器の
ための移動鏡210,211が各々設けられている。

以上のような装置において、図示しない照明光学手段
によりレチクルＲを照明すると、パターン領域Pr中のパ
ターン像が投影レンズ202の結像面に結像する。この結
像面とウエハＷの表面との位置関係、すなわち投影レン
ズ202とウエハＷとの間隔を検出するギヤツプセンサと
して、投光器220と受光器221とが各々設けられている。

これらのうち、投光器220は、投影レンズ202の結像面
上に結像するようなスリツト光像を斜めに投射し、受光
器221は、該結像面に位置したウエハＷからの前記スリ
ツト光像の反射光を受光して、ウエハＷのＺ方向の位
置、すなわち投影レンズ202とウエハＷの間隔を検出す
る機能を有するものである。このようなスリツト状又は
短形の光束をウエハＷ上に斜めに照射して焦点を検出す
る斜入射光式焦点検出器は、基本的には特開昭56−4220
5号公報に開示されているものと同様である。

更に、受光器221は、ウエハＷからの反射光の光電信
号を同期整流することによつて、ウエハＷの表面位置を
表わすような焦点信号を出力する。この焦点信号は、同
期整流された信号であるから、光電顕微鏡等の出力特性
と同様なｓカーブ特性を有し、焦点合わせのための制御
回路222に入力される。この制御回路222は、焦点信号に
基いて、Ｚステージ204の上下動用のモータ207をサーボ
制御するための制御信号を出力する機能を有する。これ
による制御により、焦点信号が合焦を表わすような高さ
位置にウエハＷの表面が位置するように、Ｚステージ20
4の調整が行われる。

第３図には、上記実施例のギヤツプセンサの詳細な構
成例が示されている。

第３図において、発光ダイオード（以下、単に「LE
D」という）340は、ウエハＷ上のフオトレジストを感光
させない所定の波長幅を有する光を照明光として出力す
る。この照明光は、コンデンサレンズ341によつて集光
され、細長い矩形状のスリツト342aを有するスリツト板
342に入射するようになつている。スリツト342aを透過
した光は、ミラー343で反射されるとともに結像レンズ3
44で収束される。

また、収束された照明光は、ウエハＷの表面のうち、
投影レンズ202の光軸AX近傍に入射し、スリツト242aの
光像SIが結像される。

以上のLED340、コンデンサレンズ341、スリツト板34
2、ミラー343、及び結像レンズ344によつて、第２図の
投光器220が構成される。

次に、ウエハＷからの反射光は、結像レンズ345、平
行平板ガラス（プレーンパラレル）346、及び振動ミラ
ー347を介してスリツト板348に導かれるようになつてい
る。すなわち、スリツト板348上に、上述した光像SIの
拡大像が形成されるようになつている。

該スリツト板348には、スリツト348aが設けられてお
り、このスリツト348aを透過した光は、光電検出器349
に受光されるようになつている。

以上の結像レンズ345、平行平板ガラス346、振動ミラ
ー347、スリツト板348、および光電検出器349によつ
て、第２図の受光器221が構成されている。

なお、振動ミラー347は、駆動部350によつて、光像SI
の拡大像がスリツト板348上をスリツト348aと平行に、
かつその長手方向と直交する方向に単振動するように駆
動される。

次に、光電検出器349からの光電信号は、アンプ351で
増幅された後、同期整流（同期検波）回路（以下「PS
D」という）352に入力されるように接続されている。こ
のPSD352は、振動ミラー347の振動周波数を決定する発
振器（以下「OSC」という）353からの基準周波数信号を
入力し、その信号で光電信号を同期整流することによつ
て焦点信号FPSを出力する機能を有する。

以上の駆動部350、アンプ351、同期検波回路352、お
よび発振器353によつて、第２図の制御回路222が構成さ
れている。

なお、駆動部56は、本発明にかかるものであり、これ
については後述する。

ところで、以上のようなギヤツプセンサが合焦位置と
して検出するＺ方向の位置は、装置製造時等において、
投影レンズ202から一定の間隔になるように機械的に定
められているため、投影レンズ202の温度変化により焦
点変動が生じると、焦点信号FPSによつて合焦状態に調
整したとしても、ウエハＷの表面は結像面からずれたも
のになつてしまう。

特に、より高い解像度を得るためには、投影レンズの
開口数（N.A.）を大きくしなければならないが、そうす
ると必然的に焦点深度が浅くなつてしまう。

所定のパターン線幅精度を得る為の焦点深度は、投影
する最小パターンが小さい程小さくなり、１μｍのライ
ン・アンド・スペースのパターンを投影する場合は、±
１μｍ程度の焦点深度となる。ところが、レチクルない
しマスクのパターンを投影すると、投影光学系、特に投
影レンズが焼付光の熱エネルギーの一部を吸収して温度
上昇する結果、その光学性能が変化し、最良の結像位置
が変動することが知られている。

第４図には、従来装置における焼付光照射のタイミン
グと、投影光学系の結像位置の変位（あるいは倍率の変
位）、△Ｚとの関係が示されている。

この図において、焼付光照射は、時刻T₁から始まり、
T₃で終了する（同図（Ａ）参照）。焼付光の影響による
投影レンズの結像位置の変動△Ｚは、時刻T₁から生じ、
時刻T₂で飽和する。その後、焼付が終了する時刻T₃から
また生じ、T₂−T₁とほぼ同じ時間経過後の時刻T₄で最初
の状態に戻る（同図（Ｂ）参照）。

このような投影レンズ自身の変化による結像位置の変
動は、上述した従来の投影レンズとウエハの間隔を検出
するギヤツプセンサを利用した焦点検出器だけでは補正
できない。

この変動は、投影レンズを介した光学的焦点検出手段
を用いれば除去できるが、それには種々の問題点が存在
する。被投影基板であるウエハ上には、１μｍ程度のパ
ターン状膜層が存在し、そのパターン状膜層にはSiO₂の
ように光学的に透明なものから、Si、アルミ等のように
光学的に不透明なものまである。さらにその上には、最
大で数ミクロンオーダーのレジスト膜が存在する。この
ような状況に加えて、焼付光をかかる光学的焦点検出手
段に用いると、ウエハ上のレジストが感光するので、こ
の点に留意しなければならない。レジストの非感光波長
の焼付光を用いる手段も可能であるがこの場合は投影レ
ンズの収差が悪く、良質な像形成を行うことができな
い。

加えて、かかる熱的な影響は、結像位置の変動のみな
らず、投影光学系の倍率にも及び、良質な再現性のよい
像形成を行うことができない原因となる。

更に、投影光学系の結像特性の変動は、外気温や大気
圧の変動等によつても生ずる。

（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、焼
付光による熱的影響等を受けることなく、常に良好な結
像特性の調整を行なうことができる投影光学装置を提供
することをその目的とするものである。

（発明の概要）本発明によれば、投影光学系の光学特性の変動を、線
形モデルを表わす数式を演算することによつて予測的に
求め、この演算結果に基づいて光学特性の調整が行なわ
れる。

そして、予測値による調整後の光学特性は、例えばTT
L方式のFA（フオーカスエイド）等の測定手段によつて
直接測定され、この測定結果から誤差がみい出されたと
きは線形モデルのパラメータの補正が行なわれる。

このように、パラメータの補正を行いつつ、光学特性
の調整が行なわれる。

（実施例）以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しながら説
明する。

まず、本実施例の理解を一層容易にするため、その概
要について説明する。

一般にシステムは、多数の構成要素を組み合わせて構
成されており、例えば第５図に示すように表現される。

第５図において、Uiは入力変数、Yjは出力変数、Xkは
状態変数である。これらの変数は、一般的には時間の経
過とともに変化するので、時間ｔの関数となる。

これらの変数を用いて線型システムを表現すると、漸
化式の形をとる状態方程式と、変動値に対応した物理量
を導びく出力方程式とで表わされる。

本発明では、照明光の入射や外気温、外圧等の環境変
化により投影光学系の焦点変動や倍率変動が生ずる場合
を扱つている。従つて、上述した入力変数Uiには、照明
光の入射，環境変化が対応し、出力変数Yjには、焦点変
動や倍率が対応することとなる。そして、投影光学系を
構成する個個の要素の特性変化が状態変数Xkに対応する
こととなる。

次に、焦点補正の概略について説明する。まず、照明
光による温度上昇は、投影レンズを通過する照明光の光
量に依存する。この照明光光量は、投影レンズを通過す
る照明光強度と、露光をコントロールするシヤツタの開
閉デユーテイ比の積になる。これらのうち、照明光強度
は、ステージ上にある照度センサ（SPD）を用いて、レ
チクル交換時等の一連の露光作業の最初に計測される。

他方、シヤツタの開閉デユーテイ比は、例えば５秒間
シヤツタの開閉をモニターして、その間のデユーテイ比
の平均値（５秒内のシヤツター開時間/5秒）を求める。

以上のようにして求めた照明光光量に関する情報に基
づいて、第１図に示す補正制御系52により、上述した状
態方程式及び出力方程式に基づいて焦点や倍率の変動量
が間接的に求められる。そして、この変動量に基づいて
第２図ないし第３図に示すギヤツプセンサにオフセツト
が加えられる。

なお、倍率補正も、基本的には同様の操作で行なわれ
るが、補正値は、投影レンズのレンズ室の空気圧を変化
させる圧力制御装置60に入力され、これによつてコント
ロールが行なわれる。空気圧を変えると、空気の屈折率
が変化するので、投影レンズ26自体の倍率が変化する。

以上の方法により焦点変動、倍率変動のコントロール
が行なわれる。なお、上述したように、大気圧の変化に
より投影レンズのフオーカス、倍率は変化するが、これ
に対する補正も行われる。大気圧による影響は、大気圧
センサを用いて補正している。

次に、以上の補正後の焦点の状態が、第６図あるいは
第７図に示す直接的な変動測定手段としての焦点検出機
構（以下、「TTLFA」という）、58,59（第１図参照）に
より検出される。

そして、TTLFAにより良好に合焦状態にないと認めら
れるときには、第１図に示す補正制御系52にその旨の指
令が行なわれ、状態方程式及び出力方程式のパラメータ
の修正が行なわれる。そして、この修正後の方程式によ
り、再度焦点の変動量が求められ、所定の補正が行なわ
れる。

以上のように、補正制御系により変動補正を行つた後
に、TTLFAによつて補正後の状態を調べることとしてい
るのは、いずれか一方のみでは必ずしも良好に変動補正
をできない場合があるためである。従つて、両者におい
て変動補正が良好に行なわれた状態を、最もマツチング
のとれた状態であるとして制御を行うこととしている。

次に、第６図を参照しながら、投影光学系を介して焦
点出を行う焦点検出機構（以下「TTLFA」という）につ
いて説明する。なお、第６図は、Ｆ点にレチクルＲのパ
ターンが結像している状態であり、被投影基板は反射板
28であつてウエアではないので、レジスト感光に対応す
る配慮は必要でなく、投影レンズの色収差が最良の波長
である感光波長の照明光を十分な光量で用いることがで
きる。

第６図において、光源10から出力された照明光（露光
光と同一波長）は、リレーレンズ12を介してライン・ア
ンド・スペース状（格子状）のパターンPAと照明し、そ
の透過光はレンズ14を介してハーフミラー16に入射する
ようになつている。このハーフミラー16で反射された照
明光は、フイールドレンズ18、視野絞り20、リレーレン
ズ22を透過してミラー24に入射し、ここで反射されてレ
チクルＲに入射する。

次に、レチクルＲを透過した照明光は、投影レンズ26
を介して反射板28に達し、ここで反射される。

反射板28による反射光は、投影レンズ26、レチクルＲ
を介してミラー24に入射し、ここで反射されてリレーレ
ンズ22、視野絞り20、フイールドレンズ18、ハーフミラ
ー16を各々透過する。そして、投影レンズ26の瞳と共役
な位置に設けられ、分割プリズム30によつて分割された
反射光は、リレーレンズ32とシリンドリカル33とを透過
してリニアアレイセンサ34上の異なる部分に瞳分割像が
形成されるようになつている。

なお、第７図には、上述したアレイセンサ34、シリン
ドリカルレンズ33、リレーレンズ32、分割プリズム30、
フイールドレンズ18、視野絞り20の部分が拡大して示さ
れている。尚シリンドリカルレンズ33の母線はアレイセ
ンサー34の受光素子の配列方向と一致している。このシ
リンドリカルレンズ33は、パターンPAの反射像のライン
方向を圧縮して光量を増やすとともに、平均化を行なう
機能を有する。

また、TTLFAの一部の光学素子は、第１図に示すよう
にアライメント光学系の一部58を機成し、その他の部分
ではTTLFA系59が構成されている。

尚、第６図において破線は光源10からの照明光の結像
光線（主光線）を表わし、実線はレチクルＲや反射板28
等の結像光束の主光線を表わす。

以上のような装置において、Ｆ点を結像している結増
光束のなす角は、開口数NAをsinθ_１とすれば±θ_１で
ある。この例では、２θ_１の光束を光軸を含む平面で２
つに分割プリズム30により分割し、この分割された光束
の性質を用いて焦点を検出しようとするものである。

第６図において、格子状のパターンPAを、コンデンサ
ーレンズ12とリレーレンズ14の間であつてレチクルＲ、
反射板28と共役な位置に配置し、光源10によつてパター
ンPAを照明して反射板28上に投影する。反射板28で反射
されたパターン像は、投影レンズ26の開口絞り（瞳）eP
と共役な位置にある分割プリズム30で２つに分割され
る。

よく知られているように、分割された各々の光束は、
前ピン、後ピンによつて互いに横ずれを起す。従つて、
分割された２つの像の間隔を、アレイセンサ34上におい
て測定することにより、合焦状態の検出を行うことがで
きる。すなわち第７図に実線で示すように、合焦時に２
つの像の間隔がＬであるとすると、後ピンの場合は点線
で示したように間隔はＬよりも狭いＬ′となり、前ピン
の場合には像間隔Ｌよりも広くなる。

この像の横変位を正確に抽出するためには、例えばア
レイセンサ34上の像を、フーリエ変換し、その位相部分
を抽出して、フーリエ変換の推移定理により横ずれを求
める方法がある。

まず、アレイセンサ34上における光像の強度は、該セ
ンサ34の素子の配列方向、すなわち光軸に垂直な方向の
位置ｘの関数ｆ（ｘ）として表現する。そうすると、該
光像が変移する前の強度ｆ（ｘ）のフーリエ変換F₁は、
空間周波数をＳとして（１）式のように表わすことがで
きる。

次に、該光像が横方向にａだけ変位した場合のフーリ
エ変換は、推移定理により（２）式のようになる。

F₂（Ｓ）＝ｅ^−２πiasF₁（Ｓ） ……（２）以上の（１）式と（２）式とを比べると、変位ａによ
つてフーリエ成分の大きさは変わらずに、位相だけが２
πasずれるので、ずれの位相を△θとすると、変位ａは
（３）式のように表わされる。

ところで、実際には積分区間を無限にとることができ
ない。そこで、アレイセンサ34上で適当なサンプル長ｌ
の区間について積分を行うこととなる。

次に、上述した状態方程式等に基づいて焦点等の変動
量を求める補正制御系について、第１図を参照しながら
説明する。

第１図において、光源40から出力された照明光は、シ
ヤツタ42、レチクルＲ、投影レンズ26を介してウエハＷ
に入射するようになつている。

シヤツタ42の駆動は、シヤツタ制御系44によつておこ
なわれるようになつており、シヤツタ制御系44は、主制
御系46に接続されている。

次に、主制御系46は、X,Yステージ駆動用のモータ48,
50に接続されているとともに、補正制御系52にも接続さ
れている。この補正制御系52は、パラメータ記憶部52
A、演算部52B、補正値出力部52Cおよびパラメータ修正
部52Dとによつて構成されている。

これらのうち、演算部52Bには、主制御系46からシヤ
ツタ42のON、OFFに関する情報とパラメータ修正部52Dに
よつて修正されるパラメータ記憶部52Aからの情報とが
入力されている。演算部52Bの出力は、補正値出力部52C
に対して行われるようになつており、この補正値出力部
52Cの出力は、受光器（あるいは圧力制御装置60）54に
対して行われるようになつている。具体的には、第３図
に示す平行平板ガラス346を回動させる駆動部56に対し
て、補正値が入力され、斜入射方式の焦点検出時にオフ
セツトがかけられるようになつている。

詳述すると、上述した平行平板ガラス346は、拡大レ
ンズ345の後の集光系内に配置され、駆動部56によつて
所定の角度範囲内で傾斜可能に構成されている。この平
行平板ガラス346の傾斜の程度が変化すると、スリツト
板348上に形成される光像SIの拡大像の振動中心が、ス
リツト348aの長手方向と直交する方向（第３図では紙面
内左右方向）にシフトする。このスリツト348aに対する
振動中心のシフトは、焦点信号FPSが合焦、すなわちＳ
カーブ特性波形上の零点位置と判断されるときのウエハ
Ｗの位置を、Ｚ方向にシフトしたものと等価である。本
実施例では、この平行平板ガラス346と駆動部56とによ
つて焦点変動に対する補正が行なわれる。

次に、ウエハＷ又はＺステージ204上の反射板28から
の反射光は、投影レンズ26、レチクルＲを介してアライ
メント光学系58に入射し、このアライメント光学系58の
一部から取り出されて第６図に詳細を示すTTLFA系59に
入射するようになつている。このTTLFA系59によつて検
出された焦点ずれの情報は、上述した補正制御系52のパ
ラメータ修正部52Dに入力されるようになつている。

更に、上述した補正値出力部52Cの出力は、投影レン
ズ26のレンズ室内圧力を制御する圧力制御装置60にも接
続されており、この圧力制御装置60による圧力制御によ
つて投影レンズ26の倍率変動の制御が行なわれるように
なつている。

なお、この例では、レチクルＲの上方に設けたアライ
メント光学系の一部58を介して、反射板28からの反射光
をTTLFA系59に導入しているが、投影レンズ26を介して
反射光を検出することができればどのような方法でもよ
く、他の光学手段、例えば非感光性のレーザ光をレチク
ルを介さずにウエハＷに供給するアライメント系（LSA
系）を用いて反射光を導くようにしてもよい。

以上の各部のうち、まず、シヤツタ制御系44は、主制
御系46からの指令により、シヤツタ42の開閉制御を行う
ものである。シヤツタ開閉の情報は、主制御系46から演
算部52Bに入力されるようになつており、照明光光量を
求めるためのデータとして利用される。なお、照明光強
度は、レチクルの透過率やランプ光強度によつて変化す
るため、ウエハステージ上に設けられた光電素子（図示
せず）によつて検出されるようになつており、この光電
素子による検出情報も照明光光量を得るためのデータと
して、演算部52Bに入力されるようになつている。この
光電素子は本発明においては必ずしも必要なものではな
い。

次に、演算部52Bは、入力された照明光光量に関する
情報と、パラメータ記憶部52Aに格納されているパラメ
ータを利用して。状態方程式及び出力方程式（以下、
「モデル式」と総称する）を解くことにより焦点や倍率
の変動値を求めるものである。なお、パラメータ記憶部
52Aのパラメータは、後述するように、パラメータ修正
部52Dによつて修正されるようになつている。

次に、補正値出力部52Cは、演算部52Bから出力される
変動量に基づく具体的な補正値を、受光器54及び圧力制
御装置60に各々出力するものである。

次に、演算部52Bで用いられる投影光学系に対するモ
デル式、すなわち状態方程式及び出力方程式について説
明する。

投影レンズ26は、照明光の通過により、時々刻々温度
変化する。このため、変数「U,Y,Xi」は、いずれも時間
の関数として表現されるべきものであるが、ここでは時
間を離散化して考えることとし、「Ｕ（Ｋ）,Y（Ｋ）,X
i（Ｋ）」とする。ここでＫ＝0,1,2,……である。

すなわち、本実施例では、上述したように５秒間隔で
シヤツターの開いている時間のデユーテイを計測するの
で、時間のかわりに、これを離散化したＫを用いる。

以上のようなＫについて、投影レンズ26に対する方程
式を２次元で表現すると、となる。

これら（４），（５）式において、入力変数Ｕ（Ｋ）
は、５秒間に投影レンズ26を通過した照明光光量、すな
わちエネルギー量であり、上述したように、シヤツタ開
閉のデユーテイ比と照明光強度の積で表わされる。

また、出力変数Ｙ（Ｋ）は、求めるべき焦点、又は倍
率の変動量である。状態変数X₁（Ｋ）,X₂（Ｋ）,X₁（Ｋ
＋１）,X₂（Ｋ＋１）は、この場合具体的な物理量には
対応しない。なお、本実施例では、５秒毎に新しい焦
点、倍率の変化量Ｙ（Ｋ）が計算されるので、X
₁（Ｋ）,X₂（Ｋ）に対し、５秒後の状態変数は、X₁（Ｋ
＋１）,X₂（Ｋ＋１）となる。

次に、α，β,a,b,m,Lは、投影レンズ26の第４図
（Ｂ）に示す変動特性を再現するように定められる定数
（パラメータ）である。これらのうち、パラメータα，
βは、投影レンズ26固有の変化特性上の時定数に相当
し、パラメータa,bは、該特性上の係数項に相当し、更
にｍは、照明光量が同じでも該特性が各投影レンズによ
つて微妙に異なることに鑑みて、各投影レンズ毎に定め
られる固有の定数である。またＬはランプの光強度に対
応するものである。

次に、上述したパラメータα，β,a,b,mを求める具体
的な方法について説明する。これらのパラメータは、実
際の露光動作の前に、疑似露光動作を行うなどの方法で
測定することもできるが、露光動作中、もしくは該動作
の間に前述したTTLFA等を用いて測定することができ
る。

本実施例ではα，β,a,b,mを、あらかじめ実験により
決定し、「Ｌ」については後述の通りTTLFAによる測定
結果を用いて遂次的に推定する方法について説明する。

α，β,a,b,mは、次のようにして予め決定しておく。

まず、投影レンズ26の直下に反射板28をおき、ギヤツ
プセンサによつて投影レンズ26と反射板28の間隔を一定
に保つ。それから、照明光を投影レンズ26に通過させる
と、TTLFAの出力の変化が第４図（Ｂ）のように得られ
る。

第４図（Ｂ）の変化量△Ｚの立上がりの曲線は、指数
関数の和で表現される。例えばで表現される。この（６）式で、1/T₁,1/T₂はパラメー
タα，βに各々対応し、A,Bはパラメータa,bに各々対応
する。

なお、以上のパラメータは、焦点変動に対するもの
と、倍率変動に関するものとについて各々求められる。
これらのパラメータは、第１図に示すパラメータ記憶部
52Aに格納され、演算部52Bによる（４），（５）式のモ
デル式の演算に利用される。

次に、上記実施例の全体的動作について説明する。ま
ず、補正制御系52の演算部52B（第１図参照）における
照明光光量に関する情報の取り込みについて説明する。

まず、露光は、ステツプ・アンド・リピート方式の場
合第８図（Ａ）に示すように、所定間隔でパルス状に行
なわれる。そして、同図（Ｂ）に示すように、照明光光
量は、５秒の間に投影レンズ２を透過した照明光の時間
割合、すなわちデユーテイ比として主制御系46から演算
部52Bに出力される。この割合は、所定の５秒間におけ
るシヤツタ42の開時間の割合に相当する。

なお、ある時点で検出されたデユーテイ比は、その検
出時点から５秒前までの値であり、それ以前の値は全く
検出していない。このように過去の影響を考慮しないの
は、投影光学系を線形システムであると仮定しているた
めである。また、照明光強度は、上述したように、ステ
ージ上に設けられた照度センサ（図示せず）により検出
され、演算部52Bに入力される。

次に、第９図を参照しながら、変動補正について具体
的に説明する。同図（Ａ）には、上述したデユーテイ比
が示されており、同図（Ｂ）には、変動の演算値（予測
値）Yiが示されている。

まず、時刻ｔ＝t₀では、まだ露光が開始されていな
い。このため、（５）式の入力変数X₁,X₂がいずれも０
であり、変動演算値Yjは０である。

次に、時刻ｔ＝t₁では、露光が開始されてデユーテイ
比DT＝D₁となり、（４），（５）式による演算が行なわ
れてＹ＝Y₁となり、更に５秒後の値Y₁′が予測演算され
る。

次に、時刻ｔ＝t₂では、更に露光が続行されてデユー
テイ比DT＝D₂となり、（４），（５）式による演算が行
なわれて、前回の５秒後の値Y₁′との和Y₂が求められ、
更に５秒後の値Y₂′が求められる。

以上のように、５秒毎に変動量Yjが繰り返し演算され
る。このように、変動量Yjは、５秒前の演算値のみにも
とづいて行なわれ、それ以前は考慮されない。

なお、これらの変動量は、焦点に対するものと、倍率
に関するものが各々演算される。

以上のようにして演算部52Bによつて演算された変動
量は、補正値出力部52Cに対して出力される。そして補
正値出力部52Cでは、入力された変動量にもとづいて具
体的な平行平板ガラス346（第３図参照）の傾斜の程度
や投影レンズ26のレンズ室内の圧力制御値が求められ、
各々受光器54、圧力制御装置60（第１図参照）に指令が
行なわれる。

このとき、圧力制御によつて焦点変動も生ずる。この
ため補正値出力部52Cは、圧力制御による焦点変動を考
慮して平行平板ガラス346の傾斜の程度を定め、これに
基づいて駆動部56（第３図参照）によるオフセツトがか
けられる。このため、理想的には焦点変動、倍率変動は
ともに零に補正されることになるが、演算式中のパラメ
ータの設定誤差、あるいは繰り返し演算による累積誤差
等によつてある程度時間が経過すると、算出された変動
予測量と実際の変動量（第９図（Ｂ）中の変動実測値の
特性）との間に誤差が生じ、必らずしも良好に補正され
るとは限らない。

そこで本実施零では第６図のTTLFAを利用して
（４），（５）式のパラメータを補正する。以下その補
正方法について説明する。

TTLFAによるチエツクは、１ウエハ露光毎、あるいは
ウエハ１ロツト処理毎に行なわれる。まず、ステージ上
の反射板28に対し、第３図のギヤツプセンサによつて焦
点合わせを行なう。次にこの状態を保持したまま、反射
板28に対してTTLFAを用いて焦点ずれを検出する。この
ずれ量が許容値以上のときには、パラメータ修正部52D
により、パラメータの修正が行なわれる。

ここでは、（４）式のパラメータＬを修正する場合に
ついて説明する。この修正は、次の式によつて行なわれ
る。

Li＝Li_-1＋Ｇ（Yi−Ｙ） ……（７）ここで、Ｇは、適応ゲインと呼ばれるものであり、数
列Liが収束するように定められる。Yiは、ｉ番目のTTLF
Aによる測定結果であり、Ｙは、上述したように、測定
時点における（４），（５）式による演算値である。

以上のようなパラメータの修正は、第１図のパラメー
タ修正部52Dによつて行なわれ、修正されたパラメータ
がパラメータ記憶部52Aから演算部52Bに入力されて新た
なパラメータによる（４），（５）式の演算が行なわれ
る。

なお、Ｌ以外のパラメータ、a,b,mを修正するように
してもよい。

以上のようにして、TTLFAによるチエツクを行つてパ
ラメータを順次適正値に追い込むようにする。従つて、
TTLFAによるチエツクの間隔は、徐々に長くできる。

次に、照明光光量に関する情報の取り込みの他の方法
について説明する。

この方法では、例えばシヤツタ42の開時間200mSに対
し1mS毎にシヤツタ42の開閉状態、すなわちON,OFFの状
態が主制御系46から演算部52Bに入力される。具体的に
は、第10図（Ａ）に示すシヤツタ42の開閉状態が、同図
（Ｂ）に示すように1mS毎にサンプリングされて演算部5
2Bに入力される。

次に、（４），（５）式によつて変動量Ｙ（Ｋ）を求
める。まず、時刻t₁では、シヤツタOFFであるから、露
光は行なわれていない。このため変動量Ｙ（１）は０で
ある。

時刻ｔ＝t₂では、シヤツタONであり、露光が行なわれ
ている。従つて、サンプリング値は、論理値の「１」と
なり、これにＬをかけたＵ（K₂）により変動量Ｙ（２）
が求められる。

次に、時刻ｔ＝t₃では、同様にして入射光量Ｕ（K₃）
に基づき、変動量Ｙ（３）が求められる。

以上の動作が繰り返されて求められた変動量により、
第３図のギヤツプセンサに対するオフセツトが加えられ
る。なお、このオフセツトは、1mS毎に行なつてもよい
し、あるいは上述した方法のように、５秒毎に行つても
よい。

しかしながら、以上のような方法では、演算回数が多
く、パラメータの設定誤差等のため、補正上の誤差が発
生し得る。

そこで、第６図ないし第７図に示したTTLFAにより、
実際の結像面の位置を時々チエツクし、その結果に基づ
いてパラメータ修正部52Dにより（４），（５）式のパ
ラメータの補正を行い、誤差の発生を低減するようにす
る。

更に、場合によつては、状態変数Xkの初期値が不正確
であることも考えられる。この場合には、いわゆるオブ
ザーバにより推定を行う。オブザーバは、のように構成される。これにより、Xkは、TTLFAによる
測定結果Yeを用いてに修正される。ｆは、オブザーバゲインといわれる定数
である。この修正された状態変数により、以後の（４），（５）式の演算が行なわれる。

具体的に説明すると、まず、TTLFA（第６図、第７図
参照）を用いて焦点変動の実測値Yeを計測する。その間
隔は、状態変数Xkの値がｎ回更新される間隔とする。す
なわち、TTLFAにより、Ye（Ko）,Ye（Ko＋ｎ）,Ye（Ko
＋2n），……の値が知られることとなる。

次に、Ｋ＝KoとＫ＝Ko＋ｎの間のパラメータＵの平均
値は、Ye（Ko）とＹ（Ko＋ｎ）から（４）式を解くこ
とにより求められる。次に、このを用いて、Ｋ＝Ko＋
n,K＝Ko＋2nの間の状態変数X,出力変数Ｙの推定値，
を以下の漸化式で遂次求める。

（Ｋ）＝（a,b）（Ｋ） ……（10）この（Ｋ）が焦点変動の推定値Yj′に対応すること
となる。

なお、以上の方法において、TTLFAの測定間隔は、必
ずしも一定値である必要はない。例えば、ウエハＷの一
枚の露光毎に行つてもよいし、焦点変動の大きいときは
繁雑に、小さいときは間隔を大きくとつて行うといつた
方法でもよい。

なお、上記実施例では、照明光による温度変化に着目
して説明したが、投影レンズの光学特性が、大気圧変化
や外温変化などの環境変化、露光用の照明光学系のａ値
の変化によって変化した場合でも、同様にして補正可能
である。特に、TTLFAによるパラメータ修正が効果的で
ある。

また、上記実施例では、投影レンズの焦点と倍率の双
方を補正したが、いずれか一方のみでもよい。

また、TTL方式のアライメント系58（第１図参照）を
用いて、反射板28の一部に設けられた基準マークを検出
することによつて、投影レンズの倍率変動が実測でき
る。このためにはアライメント系58がレチクルＲ上の異
なる位置のマークを夫々検出するように複数設けられ
る。そして基準マークを投影レンズの結像面内で走らせ
て、レチクル上の２ケ所のマークの各投影点の位置関係
を計測すれば、倍率誤差が検知できる。従つて、このよ
うな計測が可能な場合は、そのアライメント系と基準マ
ークとが共同して、本発明の変動測定手段となる。

あるいは特開昭59−94032号公報に開示されているよ
うに、XYステージ上にスリツト付きの光電センサーを設
け、レチクルのパターンの投影像のコントラストをその
光電センサーで検出して、投影レンズの実際の結像面位
置を求める方式も、本発明の変動測定手段として有効で
ある。

さらに本発明の調整手段としては、投影レンズのレチ
クル側が非テレセントリツク系である場合、レチクルＲ
と投影レンズとの間隔を変化させて倍率の調整を行なう
方式も同様に有効である。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、投影光学系自
身の変化、特に温度変化による投影光学系の焦点変動を
補正して、常に正確な焦点合せを行うことができるの
で、露光されるパターンの線幅コントロールがより精密
になり、その再現性が向上するという効果がある。

また、本発明によれば、投影光学系の光吸収による熱
的変化のみならず、大気圧変化、装置温度の変化等の環
境変化や、装置が構造的に持つている歪の解放を原因と
する焦点変動に対しても全く同様の効果を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は露光
装置の概略の構成を示す斜視図、第３図はギヤツプセン
サの詳細な構成例を示す構成図、第４図は照明光の入射
による投影レンズの光学特性の変化を示す線図、第５図
は一般的なシステムを示す説明図、第６図はTTLFAを示
す構成図、第７図はTTLFAの主要部分を示す構成図、第
８図は入射光光量に関する情報の取り込みを説明する線
図、第９図及び第10図は変動量演算を説明する線図であ
る。（主要部分の符号の説明） 26……投影レンズ、28……反射板、30……分割プリズ
ム、34……アレイセンサ、40……光源、42……シヤツ
タ、52……補正制御系、54……受光器、56……駆動部、
60……圧力制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｇ０３Ｆ 7/20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンを、投影光学系を介して被
投影基板に投影する投影光学装置において、前記投影光学系の光学特性変動の原因に関する情報を得
るデータ収集手段と、前記投影光学系の光学特性変動に対応するための調整手
段と、前記光学特性の変動に対する投影光学系のモデル式を、
前記データ収集手段によつて収集されたデータに基づい
て演算し、前記調整手段に調整量を指令する演算手段
と、前記投影光学系の光学特性の変動を直接測定する変動測
定手段と、この変動測定手段の測定結果に基づいて、前記演算手段
におけるモデル式のパラメータを補正するパラメータ補
正手段とを具備したことを特徴とする投影光学装置。