JPH0992601A

JPH0992601A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0992601A
Application number: JP7247268A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】対称性のないランダムな像歪みが残留する投
影露光装置と混用される場合でも、高い重ね合わせ精度
を得る。【解決手段】レチクルＲと投影光学系ＰＬとの間に透
明な補正板８を配置する。補正板８は交換装置２１によ
り挿脱自在に設けられており、必要に応じ保管庫２３に
保管された他の補正板２４ａ〜２４ｃ等と交換可能に構
成する。補正板８はランダムなディストーションが補正
できるように研磨加工されており、この補正板８が使用
されている投影露光装置のランダムなディストーション
を補正する。更に、前の露光工程で使用された投影露光
装置２８又は後の工程で使用される投影露光装置２９の
像歪特性に合わせて、補正板を選択して投影像の像歪み
を補正して、２層間での重ね合わせ精度を良好にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体集積
回路、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜
磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程
中でマスクパターンを感光基板上に転写するために使用
される投影露光装置に関し、特に感光基板上の異なる層
にミックス・アンド・マッチ方式で露光を行う場合に使
用される投影露光装置として好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば半導体素子を製造する
際に、マスクとしてのレチクルのパターンを投影光学系
を介してフォトレジストが塗布されたウエハ上に転写す
る投影露光装置（ステッパー等）が使用される。一般
に、半導体素子はウエハ上に複数層の回路パターンを所
定の位置関係で積み重ねて形成される。また、最近の半
導体製造工場では、スループット（単位時間当たりのウ
エハの処理枚数）を高めるために、ウエハ上の異なる層
に異なる投影露光装置を混用してミックス・アンド・マ
ッチ方式で露光を行う場合が多く、このような場合に使
用される投影露光装置には厳密な重ね合わせ精度が要求
される。そのため、各々の投影露光装置において投影光
学系のディストーション等の像歪は高精度に補正が行わ
れている。しかしながら、完全に像歪の補正を行うこと
は困難であり、補正できない像歪が残存する。この場
合、各投影露光装置毎の像歪は許容範囲内にあっても、
投影露光装置間での像歪には許容できないばらつきが存
在することがある。特に、投影露光装置の投影光学系の
倍率、露光フィールドの大きさが異なる場合、あるいは
投影露光装置の製造された年代が異なり、像歪の許容基
準が異なる装置を混用する場合にはこのような像歪のば
らつきが存在し、重ね合わせの精度、所謂マッチング精
度が低下する。

【０００３】これらの問題点を解決するために、特開昭
６２−７１２９号公報、特開昭６２−２４６２４号公報
には、各装置の像歪を有する像の重ね合わせ精度が最適
になるように各装置の投影倍率を調整し、露光位置も最
適になるように補正して露光するという方法が開示され
ている。また、特開平４−１２７５１４号公報には、レ
チクルあるいは投影光学系を形成する光学部材を３次元
的に移動、又は傾斜させて非等方的像歪を補正して、更
に重ね合わせ精度を向上する方法が開示されている。ま
た、特開平５−１６６６９９号公報には、投影光学系の
ディストーションの情報を中央処理装置で管理し、各々
の投影露光装置間でのディストーションのマッチング精
度を最良にする方法も開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の技術によ
って補正できる像歪の成分は、露光位置の補正による平
行移動の成分、投影倍率の補正による点対称の成分、あ
るいは投影光学系の光学部材の傾斜角の補正による線対
称の成分という所定の対称成分のみであり、従来はそれ
らの対称成分のみの補正手段を駆使して、重ね合わせ誤
差を小さくしようと試みていた。そのため、例えば、投
影像の理想格子点からのずれ量、所謂ディストーション
誤差の内の最大誤差を最小とするような補正条件を計算
して補正を行っていた。

【０００５】しかしながら、このような補正を行っても
なお、投影光学系には除去困難なガラス材料の非均質性
に基づく屈折率の非均一性、あるいはガラス研磨時の部
分的な球面からのずれ等により発生する対称性のないラ
ンダムな成分による像歪が或る程度存在することは避け
られない。従来このようなランダムな成分が重ね合わせ
精度上の障害となることは稀であったが、近年益々パタ
ーン線幅が微細化するにつれ要求される重ね合わせ精度
も厳しくなり、このようなランダムな像歪成分が必要な
重ね合わせ精度を得る上で障害になってきた。

【０００６】また、画角（露光フィールドの大きさ）の
異なる投影露光装置を混用する場合、各々の投影露光装
置にとっては対称性がある像歪でも、画角が異なる投影
露光装置にとっては対称性がない像歪となることがあ
る。この場合も、従来の技術ではやはり完全なマッチン
グ精度を得ることは難しく、同様な不都合が生ずる。本
発明は斯かる点に鑑み、対称性のないランダムな像歪が
残留する投影露光装置と混用される場合でも、高い重ね
合わせ精度が得られる投影露光装置を提供することを目
的とする。

【０００７】

【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、マスク（Ｒ）上のパターンを投影光学系（ＰＬ）
を介して感光基板（Ｗ）上に投影露光する投影露光装置
において、そのマスク（Ｒ）とその投影光学系（ＰＬ）
との間にその感光基板（Ｗ）に対して露光を行う他の露
光装置（２８，２９）の像歪み特性に応じた像歪みを発
生させる光学部材（８）を設けたものである。

【０００８】斯かる本発明の投影露光装置によれば、光
学部材（８）により、他の露光装置（２８，２９）の像
歪み特性に応じた像歪みを発生させることができる。従
って、例えば対称性のないランダムな像歪が残留する他
の投影露光装置と混用される場合でも、高い重ね合わせ
精度が得られる。この場合、その光学部材（８）挿脱す
る挿脱手段（２１）を設けることが好ましい。これによ
り、例えば種々の露光装置の像歪み特性に対応する複数
の光学部材を備え、挿脱手段（２１）により対応する露
光装置に合わせて光学部材を交換することができる。

【０００９】また、その他の露光装置の一例は、前の露
光工程で使用された露光装置（２８）である。また、そ
の他の露光装置の他の例は、後の露光工程で使用される
露光装置（２９）である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による投影露光装置
の実施の形態の一例について図面を参照して説明する。
本例は、レチクル上のパターンを投影光学系を介してウ
エハ上の各ショット領域に一括露光するステッパー型の
投影露光装置に本発明を適用したものである。

【００１１】図１は、本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、光源１で発生した照明光
ＩＬは不図示のシャッターを通過した後、コリメータレ
ンズ、フライアイレンズ等からなる照度均一化照明系２
により照度分布がほぼ均一な光束に変換される。照明光
ＩＬとしては、例えばＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦ
エキシマレーザ光、銅蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調
波、あるいは超高圧水銀ランプの紫外域の輝線（ｇ線、
ｉ線等）が用いられる。

【００１２】照度均一化照明系２を通過した照明光ＩＬ
はレチクルＲの照明状態を変更するための可変絞り３ａ
に入射する。可変絞り３ａは、駆動系（レボルバー）３
ｂにより回転されて、通常の円形の開口、小さな円形の
開口、光軸から偏心した４個の小さな開口よりなる変形
光源用絞り、又は輪帯状の絞りの内の何れかが照明光Ｉ
Ｌの光路上に設定されるようになっている。これによ
り、照明系の開口絞りの開口数（照明系のコヒーレンス
ファクターであるσ値）を変更したり、あるいは輪帯照
明法や変形光源法とする等、露光対象のパターン（線
幅、ピッチ、周期的、孤立等）に応じて最適な結像特性
が得られる照明条件が選択できるようになっている。露
光時には、可変絞り３ａにより所定の照明条件が設定さ
れた照明光ＩＬは、更にリレーレンズ４ａ、ダイクロイ
ックミラー５及びコンデンサーレンズ４ｂを介してレチ
クルＲを照明し、その照明光のもとでレチクルＲ上の回
路パターンが投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは
１／５，１／４等）でウエハＷ上の各ショット領域に縮
小投影される。ここで、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平
行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で、図１の紙面に
平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取る。

【００１３】レチクルＲはレチクルホルダ６上に真空吸
着されており、このレチクルホルダ６は伸縮可能な駆動
素子１１ａ，１１ｂを介してレチクルステージ７上に載
置されている。レチクルＲ（レチクルホルダ６）の駆動
に関しては後で詳しく説明する。不図示のレーザ干渉計
によりレチクルステージ７の位置が計測され、その位置
情報は主制御系２５に送られる。主制御系２５はその位
置情報に基づき、レチクル駆動部（不図示）及びレチク
ルステージ７を介してレチクルＲの位置決めを行う。

【００１４】ウエハＷはウエハホルダ１６上に真空吸着
され、ウエハホルダ１６はウエハステージＷＳＴ上に保
持されている。ウエハステージＷＳＴは、モータ等を含
むウエハステージ駆動部（不図示）によりウエハＷをＸ
方向、Ｙ方向に所謂ステップ・アンド・リピート方式で
駆動する。また、ウエハステージＷＳＴは、投影光学系
ＰＬの最良結像面に対し、任意方向にウエハＷを傾斜可
能で、且つ光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）にウエハＷを微動で
きるように構成されている。また、ウエハステージＷＳ
Ｔは所定範囲内で光軸ＡＸの回りにウエハＷを回転でき
るようになっている。ウエハステージＷＳＴの端部には
レーザ干渉計２０からのレーザビームを反射する移動鏡
１８が固定され、ウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内で
の位置はレーザ干渉計２０によって、例えば０．０１μ
ｍ程度の分解能で常時検出されている。ウエハステージ
ＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は主制御系２５に送
られ、主制御系２５はこの位置情報（又は速度情報）に
基づいてウエハステージＷＳＴを駆動する。

【００１５】また、ウエハＷの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）
の位置（フォーカス位置）を測定する焦点位置検出系と
して、検出光をスリット状あるいはピンホール状のスポ
ット光としてウエハＷの表面に斜め方向から照射する送
光光学系１４と、そのウエハＷの表面からの反射光を集
光して振動スリット上にそのスポット光を再結像し、そ
の振動スリットを通過した光束を光電変換して検出信号
を生成する受光光学系１５とからなる斜入射方式の焦点
位置検出系（以下、焦点位置検出系１４，１５」とい
う）が備えられている。その検出信号を同期整流するこ
とによりフォーカス信号が生成されている。この焦点位
置検出系１４，１５は、結像面が零点基準となるよう
に、予め受光光学系１５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、
受光光学系１５からのフォーカス信号が０になるように
オートフォーカスが行われる。焦点位置検出系１４，１
５からのフォーカス信号は結像特性制御系２２を介して
主制御系２５に送られており、主制御系２５は、結像特
性中の結像面のフォーカス位置が変化した場合には、結
像特性制御系２２を介して、その平行平板ガラスの角度
を微動させてウエハＷのフォーカス位置をその結像面に
追従させる。なお、焦点位置検出系からウエハＷの表面
に複数のスポット光を照射することにより、ウエハＷの
傾斜角を検出してオートレベリング方式でその傾斜角を
補正するようにしてもよい。

【００１６】更に、ウエハステージＷＳＴ上には、ディ
ストーションの測定が可能な光電検出系が設けられてい
る。これは、例えば特開昭５９−９４０３２号公報等に
開示されているもので、レチクルＲ上のパターンを投影
光学系ＰＬを介して光電検出するものである。これは、
結像特性の変化を計算で求めて補正する方法に対し、投
影光学系ＰＬの空間像を直接観察して結像特性を求める
方法に用いられる。図１に示すように、ウエハステージ
ＷＳＴ上にパターン板１７が固定され、このパターン板
１７の底部にこのパターン板１７を通過した光束を検出
するシリコン・フォトダイオード等の光電センサ１９が
配置され、レチクル上の基準マークの投影光学系ＰＬを
介した投影像を、パターン板１７及び光電センサ１９で
検出するようになっている。光電センサ１９からの検出
信号（基準マークの投影像に関する情報）は、主制御系
２５に供給されている。パターン板１７の表面は、ウエ
ハＷの表面とほぼ同一の高さになるように設置され、パ
ターン板１７及び光電センサ１９より光電検出等が構成
されている。以下にこの光電検出系を用いて投影光学系
ＰＬの結像特性を測定する方法について説明する。な
お、この測定に当たっては、レチクル上に形成した複数
の基準マークの投影光学系ＰＬを介した像を光電検出系
で検出し、基準マークの投影像の間の間隔を精密に測定
することにより投影光学系ＰＬの結像特性を検出するた
め、レチクルＲの代わりに、基準マークの位置が正確な
テストレチクルを用いる。

【００１７】図２（ａ）は、そのテストレチクルに対応
するパターン板１７の平面図を示し、この図２（ａ）に
おいて円形のパターン板１７の中央部には遮光部３２で
囲まれた十字状のスリットからなる光透過部３１が設け
られている。この光透過部は、図２（ｂ）に示すテスト
レチクルＴＲ上の基準マーク３３のパターン板１７上で
の投影像とほぼ同じ大きさを有している。

【００１８】図２（ｂ）は、テストレチクルＴＲとウエ
ハステージＷＳＴ上の光電検出系との投影光学系ＰＬを
介した関係を示し、図２（ｂ）において、テストレチク
ルＴＲの基準マーク３３の結像位置をパターン板１７の
光透過部３１がＸ方向又はＹ方向に横切るように図１の
ウエハステージＷＳＴを駆動する。基準マーク３３の投
影光学系ＰＬを介した投影像をパターン板１７及び光電
センサ１９により測定する。例えばウエハステージＷＳ
ＴをＸ方向に移動することにより、基準マーク３３の像
と光電検出系のパターン板１７の光透過部３１とがＸ方
向に相対移動する。

【００１９】図２（ｃ）は、ウエハステージＷＳＴの位
置と光電センサ１９の受光量との関係を表すグラフを示
し、横軸はウエハステージＷＳＴのＸ方向の位置ｘ、縦
軸は光電センサ１９からの検出信号Ｉを示す。ウエハス
テージＷＳＴをＸ方向に移動することにより、図２
（ｃ）のような波形曲線３４が得られる。この波形曲線
３４の中心ｘ₀が基準マーク３３の結像位置の中心とし
て測定される。このとき、光透過部３１の位置はレーザ
干渉計２０により精密に計測されるため、テストレチク
ルＴＲの基準マーク３３の像の正確な結像位置が求めら
れる。なお、Ｙ方向の計測も同様に行われる。

【００２０】テストレチクルＴＲ上の複数の基準マーク
に対して以上のような計測を行えば、投影光学系ＰＬの
倍率誤差、像歪を計測することができる。また、基準マ
ークとしては本例のような１本線ではなく複数の線より
なるマークを用いて測定再現性を上げる方法もある。ま
た、本例では、１つの光透過部３１だけを用いたが、レ
チクルの基準マークの数に応じて光透過部も複数設け、
一度のスキャンで複数点の測定を一度に行う方法も考え
られる。この場合、光透過部の間隔を予め厳密に測定し
ておけば、レーザ干渉計２０に計測誤差があっても測定
の精度に影響しない利点がある。

【００２１】また、スリット状の透過部３１を用いる代
わりに、例えばほぼ正方形の開口を有するパターン板に
より基準マークの投影像をスキャンし、光電センサ１９
で受光する方法もある。図３（ａ）は、正方形の開口部
を有するパターン板の平面図を示し、この図３ａ）にお
いて、円形のパターン板１０１の表面の遮光部１０３中
に、Ｘ方向及びＹ方向にテストレチクルＴＲの基準マー
ク３３の投影像のＸ方向及びＹ方向の最大長さよりわず
かに大きい同じ幅を持ち、且つＸ方向及びＹ方向に平行
な辺で囲まれた正方形の開口部１０２が形成されてい
る。この方法は、Ｘ方向への測定基準として開口部１０
２のＸ方向のエッヂ１０２ａを利用する方法である。こ
のパターン板１０１を用いてウエハステージＷＳＴをＸ
方向にスキャンすると、光電センサ１９に入射する光量
は、いわば積分された量として測定される。これを図３
（ｂ）及び（ｃ）を参照して説明する。

【００２２】図３（ｂ）は、光電センサ１９からの検出
信号Ｉの波形曲線１０５を示し、図３（ｃ）は、図３
（ｂ）の光電センサ１９からの検出信号Ｉをウエハステ
ージＷＳＴの位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘの波形曲
線１０６を示す。なお、この図３（ａ）及び（ｂ）にお
いて、横軸は位置ｘを表す。ウエハステージＷＳＴが移
動するに従い、図３（ｂ）の波形曲線１０５で示される
ように検出信号Ｉが次第に大きくなり、ある位置で一定
値に達する。開口部１０２のエッヂが結像位置に近付く
に従って、検出信号Ｉの立上がりの角度が大きくなり、
そのエッヂが結像位置から離れるに従ってその角度は小
さくなり０に収束する。即ち、光電センサ１９からは、
図２（ｃ）の波形曲線３４を積分した形の検出信号が得
られるので、この検出信号を微分して、波形曲線３４に
相当する出力信号を得る必要がある。図３（ｃ）の波形
曲線１０６は、図３（ｂ）の波形曲線１０５をウエハス
テージＷＳＴの位置ｘで微分したもので、図２（ｃ）の
波形曲線３４に相当する出力信号が得られている。従っ
て、図２に関して述べたのと同様な方法により結像位置
が算出される。このように大きな開口部１０２を光透過
部として用いる方法は、演算処理が複雑になる面はある
が、光量が少なくてもよい点と、パターン板１０１が形
成し易い点とで有利である。また、様々な線幅のマーク
を１つの透過部で測定できる利点もある。なお、この他
に、結像された像を拡大してＣＣＤ等の１次元あるいは
２次元の測定が可能な光電センサで測定する方法を用い
ることもできる。なお、基準パターンを実際に露光す
る、即ち、テスト露光により結像特性を計測する方法も
ある。

【００２３】また、図１の装置には投影光学系ＰＬの結
像特性を補正するための補正機構が設けられている。こ
の補正機構は、主に対称性の像歪等の結像特性を補正す
る第１補正機構、及び主に非対称性の像歪等の結像特性
を補正する第２補正機構から構成されている。先ず、第
１補正機構について説明する。投影光学系ＰＬの結像特
性としては焦点位置（フォーカス位置）、像面湾曲、デ
ィストーション（倍率誤差、像歪等）、非点収差等があ
り、それらを補正する機構はそれぞれ考えられるが、こ
こではディストーションに関する補正機構の説明を行
う。本例では、光電センサ１９等からなる光電検出系に
よる検出結果、及び大気圧変化、照明光吸収、照明条件
の変更等による投影光学系ＰＬ自体の結像特性の予測結
果に基づき結像特性を補正する。

【００２４】図１において、第１補正機構は、レチクル
Ｒの駆動機構及び投影光学系ＰＬの最もレチクル側のレ
ンズエレメント１２の駆動機構から構成されている。即
ち、結像特性制御系２２によってレチクルＲを載置する
レチクルステージ６又は投影光学系ＰＬ内のレンズエレ
メント１２を駆動することにより、結像特性の補正を行
う。

【００２５】先ず、レンズエレメント１２の駆動につい
て説明する。投影光学系ＰＬ内において、レチクルＲに
最も近いレンズエレメント１２は支持部材９に固定さ
れ、レンズエレメント１２に続くレンズエレメント１３
等は投影光学系ＰＬの鏡筒本体に固定されている。な
お、本例において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸはレンズ
エレメント１３以下の投影光学系ＰＬの本体の光学系の
光軸を指すものとする。支持部材９は伸縮自在の２つ以
上の複数のピエゾ素子等からなる駆動素子（図１ではそ
の内２つの駆動素子１０ａ，１０ｂを示す）を介して投
影光学系ＰＬの鏡筒本体と連結されている。この場合、
駆動素子１０ａ，１０ｂの伸縮により、レンズエレメン
ト１２を光軸ＡＸに平行に移動することができる。ま
た、駆動素子を３個設けて独立に伸縮させることによっ
て、レンズエレメント１２を光軸ＡＸに垂直な面に対し
て傾けることもでき、これらの動作によって投影光学系
ＰＬの結像特性、例えば投影倍率、ディストーション、
像面湾曲、非点収差等を補正することができるようにな
っている。

【００２６】ここで、レンズエレメント１２が光軸ＡＸ
の方向に平行移動した場合、その移動量に応じた変化率
で投影光学系ＰＬの投影倍率（レチクルからウエハへの
倍率）が変化する。また、レンズエレメント１２が光軸
ＡＸに垂直な平面に対して傾斜した場合は、その回転軸
に対して一方の投影倍率が拡大し、他方の投影倍率が縮
小して、所謂、正方形の像が台形状に歪む変形を起こす
ことができる。逆に、台形状の歪みはレンズエレメント
１２の傾斜によって補正できることになる。

【００２７】次に、レチクルＲの駆動について説明す
る。前記のように、レチクルホルダ６の底面のピエゾ素
子からなる駆動素子１１ａ，１１ｂの伸縮により投影光
学系ＰＬとレチクルＲとの間隔を変化させることができ
る。ここで、レチクルＲが光軸ＡＸに平行に移動した場
合、投影像には所謂糸巻型（あるいは樽型）ディストー
ションと呼ばれる収差を発生させることができる。ま
た、投影光学系ＰＬのレンズエレメント１２を駆動する
駆動素子１０ａ，１０ｂ等、及びレチクルＲを駆動する
駆動素子１１ａ，１１ｂとしては、ピエゾ素子の他に他
の電歪素子や磁歪素子等が使用できる。

【００２８】上記のように、レチクルＲあるいはレンズ
エレメント１２を駆動することにより、投影光学系ＰＬ
の投影倍率あるいは像歪を最適に補正できる。また、こ
れらを駆動することによって結像面のフォーカス位置あ
るいは傾斜角が変化するが、その量は焦点位置検出系１
４，１５のオフセットとしてフィードバックされ、ウエ
ハＷの表面のフォーカス位置が常に投影光学系ＰＬの結
像面の平均的なフォーカス位置と一致するように制御さ
れている。

【００２９】なお、投影像の歪みを補正するための第１
補正機構は上記の機構に限定されず、例えば投影光学系
とレチクルとの間の空間に像歪を補正する部分的に微妙
に曲率を持たせたようなガラスプレートを挿入する機
構、あるいは投影光学系ＰＬとレチクルＲとの間の空間
に厚さが可変のガラスプレート（例えば光学くさび等）
を挿入する機構等も使用できる。特にこの厚さが可変の
ガラスプレートを挿入する方法は、レチクルＲを上下す
る方法とほとんど等価であるが、レチクルステージ４の
剛性に悪影響を与えることなく、同一の効果が得られ
る。また、投影光学系ＰＬの一部のレンズ間の気体室を
密封して、その圧力又は空気の組成を変化させる方法等
種々の方法が提案されており、これらも同様に使用でき
る。

【００３０】これらの第１補正機構は、計測された結像
特性を補正する場合以外に、通常、大気圧の変化、投影
光学系ＰＬの照明光吸収、あるいは照明条件の変更等に
伴う結像特性の変化を補正する場合に用いられる。これ
を以下に簡単に説明する。先ず、大気圧の変化等の環境
変化に対応する補正について説明する。主制御系２５に
は、大気圧センサ、温度センサ等からなる環境センサ２
６からの情報が供給されており、主制御系２５ではこれ
らの情報に基づき、予め計算又は実験等で求めておいた
係数、あるいはテーブル等を用いて結像特性の変化量が
計算される。更に、駆動素子１１ａ，１１ｂ等の各補正
手段の補正量が求められ、その結果が結像特性制御系２
２に制御信号として送られる。この制御信号に基づき、
結像特性制御系２２は駆動素子１０ａ，１０ｂ，１１
ａ，１１ｂを駆動してレンズエレメント１２、又はレチ
クルＲの制御を行う。

【００３１】また、投影光学系ＰＬの照明光吸収に関し
ては、例えばウエハステージＷＳＴ上の光電センサ（不
図示）により、投影光学系ＰＬを通過する照明光量の測
定を実露光動作の前に行う。主制御系２５には、予め照
明光量に対する結像特性の変化量を算出するための、例
えば微分方程式等の数学モデル等が記憶されており、照
明光量をモニタすることにより、結像特性の刻々の変化
量が計算される。その変化量に基づいて、上述の記環境
変化の場合と同様に補正機構により補正することができ
る。更に、照明条件の変更に関しても可変絞り３ａの駆
動系３ｂの回転角の設定情報に基づいて、結像特性の変
化量を計算し、補正を行うことができる。

【００３２】次に、第２補正機構の構成及び動作につい
て詳しく説明する。第２補正機構は前述のように主に非
対称性の像歪の補正を行うものであり、ウエハＷ上の像
歪に合わせてレチクルＲの投影像を歪ませることにより
結像特性の補正が行われる。先ず、構成について説明す
る。図１に示すように、レチクルＲと投影光学系ＰＬの
レンズエレメント１２とのほぼ中間位置に、ガラス板等
の透明な光学部材からなる補正板８がＸＹ平面に平行に
配置されている。補正板８は、交換装置２１により挿脱
自在に設けられており、交換装置２１の近傍に設けられ
た保管庫２３に保管されている他の補正板２４ａ〜２４
ｃ等と必要に応じて交換されるようになっている。これ
らの補正板８，２４ａ〜２４ｃは、投影光学系ＰＬの投
影像の形状を変化させることにより、前回使用された、
又は次回使用される投影露光装置のディストーション特
性に合わせた像歪を発生させると共に、今回の露光工程
で使用される本例の投影露光装置において、第１補正機
構で補正が難しいランダムなディストーションを補正す
る目的にも用いられる。なお、補正板の形状等について
は後述する。

【００３３】次に、この第２補正機構の動作について図
４及び図５を参照して説明する。前述のように、投影光
学系ＰＬのディストーションはテスト露光あるいは光電
センサ１９を用いる方法で計測され、先ず第１補正機構
により補正が行われる。しかし、補正しきれないディス
トーションが残留する。図４（ａ）は、残留ディストー
ションの一例を示し、この場合残留ディストーションを
レチクルＲ上でのパターンのずれとして表している。即
ち、ウエハ上での投影像の残留ディストーションをレチ
クル上でのパターンの横ずれ量に換算した状態が図４
（ａ）に示されている。この図４（ａ）において、点線
で示す理想格子（歪みのない格子状の投影像に対応する
パターン）３５の各格子点では、矢印のように投影像の
ずれが生じている。この場合、矢印の方向及び大きさ
は、投影像のずれの方向及び大きさを示す。この図４
（ａ）に示すように、これらの矢印の方向及び大きさに
は共に一貫性がなく、ランダムに分布している。例え
ば、左上部の隣合う４つの格子点Ｐ_1,1，Ｐ_1,2，Ｐ
_2,1，Ｐ_2,2は、それぞれ左上方の点Ｑ_1,1、左下方の
点Ｑ_1,2、右上方の点Ｑ_2,1、及び右下方の点Ｑ_2,2ま
でずれている。このように近接した位置同士のずれがば
らばらな方向性を有している。また、他の角部の格子点
Ｐ_1,5，Ｐ_5,1，Ｐ_5,5もそれぞれ左下方の点Ｑ _1,5，
左上方の点Ｑ_5,1，及び下方の点Ｑ_5,5までずれてい
る。即ち、部分領域及び全体領域に関わらず、ずれの方
向はランダムである。また、それらのずれの大きさもラ
ンダムである。

【００３４】これらの対称性のないランダムな像歪の成
分は、従来の方法では、通常これ以上の補正はできな
い。しかし、本例では、このランダムな像歪の成分を補
正板（この場合補正板８とする）を使用して補正する。
図４（ｂ）は、補正板８がレチクルＲと投影光学系ＰＬ
との間に配置された状態の断面図を示し、この図４
（ｂ）に示すように、補正板８の上表面８ａはレチクル
Ｒにほぼ平行な状態に成形されている一方、下表面８ｂ
は、局所的に角度を持たせ、レチクルＲを通過した主光
線がディストーションを打ち消す方向に曲がるように研
磨加工されている。この場合の補正板８の断面形状は、
図４（ａ）の理想格子３５の中央の格子点Ｐ_3,1〜格子
点Ｐ_3,5を結ぶ直線３６上の投影像のディストーション
を補正する場合の例を示している。従って、格子点Ｐ
_3,1を通る図４（ｂ）の主光線Ｌ_3,1は、格子点Ｐ_3,1
での左上方向へのずれを打ち消す方向、即ち右下方向に
曲げられる。同様に、格子点Ｐ_3,2〜格子点Ｐ_3,5をそ
れぞれ通過する主光線Ｌ_3,2〜Ｌ_3,5も格子点Ｐ_3,2〜
格子点Ｐ_3,5でのそれぞれのディストーションを打ち消
す方向に曲げられる。そして、補正板８の全体の形状は
図４（ａ）のディストーションの分布に対応した形状に
研磨加工されている。

【００３５】このように補正板を所定の形に研磨加工す
ることで、対応するディストーションの補正が行える。
しかし、あまり多くの像のずれ量を補正板８で補正しよ
うとすると、補正板８の厚さが場所により大きく変わ
り、像面や球面収差に悪影響が出るため、できるだけ対
称成分は従来の方法で補正し、残留分のみ補正板８で補
正するのがよい。

【００３６】以上、本例の投影露光装置でランダムなデ
ィストーションを補正する場合の例について説明した。
さて、ウエハＷ上の最終的な回路パターンは露光、エッ
チング、及び蒸着等の工程からなる一連のプロセスを繰
り返すことにより形成される。このため、複数の投影露
光装置が混用される。図１には、前回の露光工程で使用
された投影露光装置２８、及び次回の露光工程で使用さ
れる投影露光装置２９も図示されている。即ち、ウエハ
Ｗは矢印で示すように、投影露光装置２８、本例の投影
露光装置、及び投影露光装置２９の順番で処理される。

【００３７】この場合、本例のような補正板により高度
にディストーションが補正された投影露光装置の間であ
れば、各種の異なる投影露光装置を混用してもディスト
ーションの差による重ね合わせ精度の低下は生じない。
従って、一旦挿入した補正板８は通常そのままで取り替
える必要はない。しかし、本例のような補正板を装備し
ていない投影露光装置を混用する場合、一方の投影露光
装置のみのディストーションが高度に補正されていても
重ね合わせ精度は良くならない。しかし、本例ではこの
ような場合でも、補正板を交換することにより高精度な
重ね合わせ精度を実現することができる。

【００３８】通常、ウエハＷ上の回路は幾層ものパター
ンの積み重ねにより形成される。ウエハＷの最初の層
（第１層）にパターンを形成する投影露光装置にとって
は、前の露光工程は存在せず、ディストーション特性に
対する制約がない。従って、常に次回の露光工程で使用
される投影露光装置のディストーション特性に合わせた
補正板を使用することができ、これにより次回の露光工
程で使用される投影露光装置とのマッチング精度が良好
になる。なお、第２層以降においても、前の露光工程で
使用された投影露光装置のディストーション特性に対す
る制約がない場合もあり、このような場合にも、次回に
使用される投影露光装置のディストーション特性に合わ
せた補正板を使用することができる。

【００３９】また、ウエハＷ上の第２層以降にパターン
を形成する投影露光装置にとっては、通常前層のパター
ンを形成する際に使用された投影露光装置のディストー
ション特性に合わせた補正板を使用することができ、こ
れにより前回使用された投影露光装置との間に良好なマ
ッチング精度が得られる。以下、図１において、前回の
露光工程でウエハＷの露光に使用された投影露光装置２
８又は次回の露光工程でウエハＷの露光に使用される投
影露光装置２９に合わせて補正板を使用する場合の例に
ついて説明する。

【００４０】先ず、露光動作に先立って、オペレータ等
からキーボード等の入力手段２７を介して今回露光する
ウエハＷの像歪をどの投影露光装置に合わせればよいか
のデータが入力される。この場合選択される投影露光装
置は、投影露光装置２８又は投影露光装置２９であり、
オペレータからは、投影露光装置２８又は投影露光装置
２９の種類がインプットされる。主制御系２５はこの情
報に基づき、該当する補正板を選択し、交換装置２１に
指示して補正板の交換を行う。交換装置２１は、重ね合
わせ露光する可能性のある投影露光装置の像歪に合わせ
て作成した交換用の補正板２４ａ，２４ｂ，２４ｃ等が
格納された保管庫２３から指定された補正板を取り出
し、前の補正板８と同様にレチクルＲと投影光学系ＰＬ
の間の所定の位置に配置する。交換装置２１により、補
正板は所定の誤差内で位置決めされる。なお、補正板は
前述のように本来の理想格子が投影されるべき補正板に
対して、歪ませたい分だけ更に余分に研磨を加えてやれ
ば正確に所望の像歪が得られる。従って、どのようなデ
ィストーション特性を有する投影露光装置にも対応でき
る補正板を備えることができる。これにより、補正板が
用意されている任意の投影露光装置に合わせた像歪を発
生させることができ、重ね合わせ精度を向上させること
ができる。なお、交換装置２１の代わりに、オペレータ
が手動で補正板の交換を行ってもよい。

【００４１】また、前述のように、全ての像歪の成分を
補正板に持たせると不都合が発生するため、像歪の対称
成分に関しては予め投影露光装置毎にデータを主制御系
２５のメモリに記憶させておき、そのデータを必要に応
じ呼び出して、そのデータに基づき、結像特性制御部２
２を介して主に第１補正機構により補正を行うことが望
ましい。

【００４２】また、投影露光装置にはウエハＷ上に既に
形成された位置合わせマークを読み取り、それによりウ
エハＷを位置決めして重ね合わせ露光するアライメント
機能がある。このアライメント機構では一例として、露
光に先立ってウエハＷ内の一部のショット領域（サンプ
ルショット）の位置合わせマークを読み取り、ＥＧＡ
（エンハンスト・グローバル・アラメント）法等の統計
計算によってウエハＷのプロセス処理によって発生する
スケーリング誤差等を計算し、倍率補正あるいは対称成
分のディストーションの補正を行う。この場合、プロセ
ス処理によりショット領域（チップ）内がランダムに歪
むことは考えられないので、従来の対称成分の補正で十
分と考えられる。即ち、第１補正機構だけで補正可能で
ある。また、この場合、前回の露光工程で使用された投
影露光装置２８に倍率誤差等の対称歪み成分の変動があ
っても、その歪み成分も含んで測定されるため誤差にな
らない。即ち、このような場合でも、本例の第２補正機
構と対称成分を補正する第１補正機構のような従来の補
正機能があれば十分である。

【００４３】また、投影露光装置の中には一度に露光を
行える露光フィールドの大きさが異なるものがあり、こ
れらを混用することが考えられる。この場合、露光フィ
ールドの大きさが同じ投影光学系同士では同じ対称性の
ディストーションとなっても、一方の露光フィールドの
例えば１／４の露光面積に重ね合わせ露光するような場
合には、非対称なディストーションとなることがあり、
このような場合、従来の補正手段では補正できない。

【００４４】図５は、露光フィールドの大きさが異なる
２つの投影露光装置（第１投影露光装置及び第２投影露
光装置とする）におけるディストーションの非対称性を
説明するための図を示し、図５（ａ）は第１投影露光装
置におけるディストーションの状態を示し、図５（ｂ）
は第２投影露光装置において、第１投影露光装置でのデ
ィストーションを補正する方法を説明するための図であ
る。この図５（ａ）において、理想格子３５Ａと、理想
格子３５Ａに対応する第１投影露光装置による投影像３
６との間には、所謂糸巻型の対称性のディストーション
が生じている。そして、この投影像３６を理想格子３５
ＡのＸ方向及びＹ方向の対称線３８Ｘ，３８Ｙにより分
割した左上部の１／４の面積を有する投影像Ａに対し
て、図５（ｂ）の拡大図で示すように、第２投影露光装
置により投影像３７を重ね合わせ露光する。その場合、
投影像Ａと第２投影露光装置での理想格子３５Ｂとの間
のディストーションに対称性がなく、非対称となってい
る。同様に、図５（ａ）の４分割された残りの３つの投
影像Ｂ〜Ｄについても第２投影露光装置に対しては非対
称となっている。本例の補正板を使用することによりこ
のような非対称性のディストーションも補正することが
できる。

【００４５】先ず、第２投影露光装置の例えば前述の第
１補正機構に類する従来の補正機構により、投影像３７
のように菱形状に歪ませる。そして、残りの非対称な成
分に対して補正板を使用して歪ませればよい。図５
（ａ）の重ね合わせを行う４個の投影像Ａ〜Ｄは、各々
９０°ずつ回転しているので、同じ補正板を９０°ずつ
回転させて挿入すればよい。

【００４６】本例では上述のように、ディストーション
の形状を変化させるため、実際に現状のディストーショ
ンの形状がどうなっているか確認しながら露光を行った
方が、より信頼性が向上する。このため、露光の前に予
め光電センサ１９により、ディストーションの状態を実
測し、所望のディストーションになっているかどうか確
認するのが望ましい。これにより、補正板の交換間違い
等のミスを未然に防ぐことができる。

【００４７】以上のように、本例の方法は補正板による
高度な補正がなされていない従来の装置との間の混用に
有用である。補正板による補正ができている装置間では
本例のような工夫は必要ではない。どの投影露光装置に
おいても、そのままほぼ理想格子上に露光が行われるた
め高精度に重ね合わせが行われる。しかし、これらの投
影露光装置の間に、高度の補正がなされていない従来の
装置が一台でも入ると、重ね合わせ精度が低下する。し
かし、本例の方法により、他の装置の像歪をその装置の
像歪に合わせて使用すれば重ね合わせに問題がなくな
る。特に、複数の従来の投影露光装置を混用する場合
は、重ね合わせ精度のあまり要求されない工程の前後で
各々の像歪に合わせて露光し、精度のあまり要求されな
い工程で像歪の形の異なるもの同士を重ねればよい。ま
た、複数の従来の装置の像歪特性がある程度類似してい
る場合、これらの平均的な像歪特性に合わせて像歪を発
生させて使用する方法も考えられる。また、像歪特性の
似ているもの同士をグループ分けして、精度があまり要
求されない工程の前後で使い分ける方法もある。

【００４８】なお、ほぼ理想格子を実現する補正板に対
して、更に所望の像歪が得られるように加工する方法に
よれば、ある装置の像歪と同じ像歪を発生させる補正板
は本例が適用できる各々の投影露光装置固有の補正板と
なってしまう。このため、補正板を大量に用意する必要
がある。この不都合を解決するために、本来の理想格子
を実現する補正板の上か下に重ね合わせ補正用の補正板
を挿入する構成にすれば、ある装置の像歪と同じ像歪を
発生させる補正板は全装置共通となるため、用意する補
正板の数を大幅に減らすことができる。

【００４９】また、前述のように、近年の投影露光装置
は解像力向上のために、可変絞り（図１の可変絞り３
ａ）により照明条件が可変となっている。照明条件が変
化すると、投影光学系内部の光線の通過経路が異なり、
このため微妙な投影光学系内部の不均一性の影響を受け
てディストーションが変化する。つまり、照明条件が変
化すると、そのディストーションは別の投影光学系のも
のになる。このような場合にも、本例の補正板は有用で
あり、同一の投影露光装置でも照明条件等の露光条件が
違う場合の重ね合わせ精度の向上に寄与できる。従っ
て、１台の投影露光装置でも照明条件に合わせて区別し
て補正板を製作し、使用することが望ましい。勿論、照
明条件によるディストーション変化のうち、ランダム成
分の変化量が十分小さく無視できる場合は、本例を適用
する必要はない。

【００５０】また、投影露光装置のメンテナンス等の作
業により、投影光学系のディストーション特性が変化し
た場合等では、補正板の修正又は新たな補正板の製作等
の対策が必要である。また、本例の方法は複数の投影露
光装置間での情報を管理する必要があるので、露光シス
テム全体を管理できるホストコンピュータでその情報を
管理するのが望ましい。

【００５１】なお、本発明はステッパー型の投影露光装
置に限らず、レチクルとウエハとを同期走査してレチク
ル上のパターンをウエハ上に逐次転写するステップ・ア
ンド・スキャン方式等の走査型の投影露光装置にも同様
に適用できる。このように、本発明は上述の実施の形態
例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
の構成を取り得る。

【００５２】

【発明の効果】本発明による投影露光装置によれば、他
の投影露光装置の像歪み特性に対応する像歪みを発生さ
せる光学部材をマスクと投影光学系の間に挿入すること
により、投影光学系の像歪みを他の投影露光装置で生じ
た像歪みにマッチングさせることができる。従って、例
えば対称性のないランダムな像歪が残留する投影露光装
置と混用される場合でも、高い重ね合わせ精度が得られ
る利点がある。

【００５３】また、光学部材を挿脱する挿脱手段を設け
た場合には、挿脱手段により対応する投影露光装置に合
わせて光学部材を迅速且つ正確に位置決めして交換する
ことができる。また、その他の投影露光装置が前の露光
工程で使用された投影露光装置である場合には、前の露
光工程で使用された投影露光装置における像歪が補正さ
れ、前の露光工程で使用された投影露光装置との間に良
好なマッチング精度が得られる。

【００５４】また、その他の投影露光装置が後の露光工
程で使用される投影露光装置である場合には、後の露光
工程で使用される投影露光装置での像歪特性に応じた像
歪みが発生しているため、後の露光工程で使用される投
影露光装置との間に良好なマッチング精度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の実施の形態の一例
を示す概略構成図である。

【図２】図１の投影光学系の像歪を測定する方法の一例
の説明に供する図である。

【図３】像歪を測定する方法の他の例を説明するための
図である。

【図４】（ａ）は非対称な残留ディストーションの一例
を示す図、（ｂ）はその残留ディストーションを補正す
るための補正板８の形状を示す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態において、露光フィールド
の大きさが異なる投影露光装置間の像歪をマッチングさ
せる方法を説明するための図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ７レチクルステージ８，２４ａ〜２４ｃ補正板１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ駆動素子１２レンズエレメント１９光電センサ２１交換装置２２結像特性制御系２３保管庫２５主制御系２８前回の露光工程で使用された投影露光装置２９次回の露光工程で使用される投影露光装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上のパターンを投影光学系を介し
て感光基板上に投影露光する投影露光装置において、前記マスクと前記投影光学系との間に前記感光基板に対
して露光を行う他の露光装置の像歪み特性に応じた像歪
みを発生させる光学部材を設けたことを特徴とする投影
露光装置。
【請求項２】請求項１記載の投影露光装置であって、前記光学部材を前記マスクと前記投影光学系との間の結
像光束中に挿脱する挿脱手段を設けたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の投影露光装置であ
って、前記他の露光装置は、前の露光工程で使用された露光装
置であることを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】請求項１又は２記載の投影露光装置であ
って、前記他の露光装置は、後の露光工程で使用される露光装
置であることを特徴とする投影露光装置。