JPS6119129A

JPS6119129A - 投影光学装置

Info

Publication number: JPS6119129A
Application number: JP59139536A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 宏田中
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-07-05
Filing date: 1984-07-05
Publication date: 1986-01-28
Also published as: US4668077A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）一本発明は投影光学系の結像面位置や倍率等の光学特性
を簡便に補正し得る投影光学装置に関し、特にＩＣ製造
用の投影型露光装置に関する。

（発明の背景）縮少投影型露光装置（以下ステッパと呼ぶ）は近年超Ｌ
ＳＩの生産現場に多く導入され、大きな成果をもたらし
ているが、その重要な性能の一つに解像力があげられる
。この解像力に影響を与える要素の中で重要なものに投
影光学系の結像面の位置変動（光軸方向のずれ）がある
。超ＬＳＩ［用いられるパターンの大きさは年々微細化
の傾向を強め、それに伴なって解像力の向上に対するニ
ーズも強くなってきている。従って結像面を所定の位置
に保つ必要性はきわめて高くなってきている。現在投影
光学系の結像面位置は装置の製造、組立時に結像面の変
動が一応無視出来る程度に調整されている。

しかしながら、ステッパーの投影レンズは露光エネルギ
ーの一部を吸収して温度が上昇する。この為投影レンズ
に長時間、露光の光が照射されつづけたり、露光動作が
長時間連続的に行なわれると結像面の変動が無視し得な
い程度に変化することがある。同様に投影レンズの倍率
も露光光の照射により変動することがある。このため、
より微細なパターンの露光に使うステッパーにおいては
、それら変動を十分率さなものにしなければならない。

（発明の目的）本発明は投影光学系の光学特性の変動を補正制御するた
めに、光学特性の変動を簡単に検出し得る投影光学装置
を提供Ｔることを目的とする。

（発明の概要）本発明は、照明用の光源（１）と、光源からの照明光を
マスク（Ｍ）に照射するための照明光学系（２〜１２，
１００〜１０４）と、マスクのパターンの光像を被投影
基板（ウェハＷ）に投影する投影光学系（投影レンズ１
３）と、光源から投影光学系に至るまでの光路中の光源
からの光エネルギーを受ける位置に設けられた温度検出
手段（温度センサー３０；薄膜抵抗体ンと、その検出信
号に基づいて、投影光学系の、照明光の入射により生じ
る光学特性の変動量を求める変動検出手段（検出回路３
２）とを設けることを技術的要点としている。

（実施例）第１図は本発明の第１の実施例による投影光学装置の概
略的な構成を示す図である。超高圧水銀放電灯等の光源
１は、゛楕円反射ミラー２の第１焦点に輝点が位置する
ように配置される。楕円反射ミラー２で集光された光束
は、感光剤を感光させるのに有効な単波長の光（例えば
ｇ線）を反射し、それ以上の波長の光（ｅ線、ｄ線等の
他に熱線も含む）を透過するグイクロイックミラー３に
入射する。グイクロイックミラー３で反射された光（財
）明光）は、楕円反射ミラー２の第２焦点にほぼ点光源
として焦光する。ロータリーシャッター４は、その第２
焦点位置に光軸に対して４５０傾斜して配置され、モー
タ５の駆動によって照明光の透過と遮断とを交互に切替
える。このロータリーシャッター４（以下、単にシャッ
ター４と呼ぶ）は円板状のアルミニウム板に複数の切欠
き部を形成し、残った部分をシャッターブレード員にし
て、そのブレード表面な鏡面仕上げしである。シャッタ
ー４のブレードが光路中に位置すると、光源１からの照
明光はブレードで反射して、装置内の不図示のアテイメ
ント顕微鏡等の照明光学系６に導かれる。シャッター４
の切欠き部が光路中に位置すると、照明光はインプット
レンズ７に達する。

インプットレンズ７は照明光を平行光束にする。

オプチカル・インテグレータ（フライ・アイレンズ等）
８はその平行光束を入射して、射出面側に多数の２次光
源像を形成する。アウトプットレンズ９を通った照明光
はグイクロイックミラー１０で垂直に反射され、コンデ
ンサーレンズ１１に入射し、マスクやレチクル（以下総
称してマスクと呼ぶ）Ｍを均一な光強度分布で照明する
。グイクロイックミラー１０は感光剤の露光に有効な単
波長の露光光は反射し、それよりも波長の長い光を透過
させる分光特性を有する。コンデンサーレンズ１１とマ
スクＭの間には照明光のマスクＭへの照明領域を可変す
るためのブラインド（可変視野絞り）１２が配置される
。投影レンズ（投影光学系）１３は露光光の波長につい
て収差補正されており、例えば１１５　、１／１０程度
の縮小倍率を有し、照明されたマスクＭのパターン光像
をウェハＷの感光層上に結像する。マスクＭには透明部
（明）と不透明部（暗）による回路パターン等が形成さ
れているので、ウェハＷの感光層にはその明暗パターン
に対応した縮小像が転写される。ウエノ・ホルダー１４
はウェハＷを載置して真空吸着するものであり、２次元
（ｘｚ９方向）移動するステージ１５の上に設けられて
いる。またウェハホルダー１４はステージ１５に固定さ
れたモータ１６の駆動により、投影レンズ１３の光軸方
向（すなわちＺ方向）に上下動するように設けられてい
る。このウェハホルダー１４の上下動により、ウェハＷ
の感光層と投影レンズ１３の結像面とを一致させる焦点
合せが行なわれる。焦点ずれの検出はウェハＷの表面に
スリット像を斜入射で投影する投光器１７と、そのスリ
ット像のウェハＷからの反射像を受光して、所定の受光
位置からのずれ量すなわち焦点ずれ量を検出する受光器
１８とによって行なわれる。この投光器１７と受光器１
８による焦点ずれ検出系について、詳しくは後述する。

またステージ１５はモータ１９等の駆動部によって２次
元に移動し、その２次元的な位置（座標系Ｘｙ上の位置
）はレーザ干渉計等を用いた測長器２０によって逐次計
測されている。

さて、本実施例では投影レンズ１３の光学特性の変動、
特に結像面の位置変動を検出するために、ダイクロイッ
クミラー１０の裏側に温度センサー３０を配置する。温
度センサー３０は保持金具３１に取り付けられ、ダイク
ロインクミラー１０とは接触しないように極わずかたけ
離して設けられている。この湿度センサー３０は、光源
１からの光エネルギーのうち、主に露光光以外の波長の
光（熱線を含む）の照射を受けて、それ自体の質量と保
持金具３１の質量との合計で決まる熱容量（あるいは熱
伝達特性上の時定数）に基づいて、照射時間の経過とと
もに対数的に温度上昇し、その温度に相当する検出信号
Ｓ１を出力する。本実施例においては、投影レンズ１３
に露光光を入射して、結像面のＺ方向の位置変化を一定
時間毎に検出する実験を行ない、像面の変動特性（対数
的な特性になる）を求め、その変動特性と検出信号Ｓ１
の対数的なレベル変化とが一〇的に対応するように、例
えば保持金具３１の質量を調整しである。一般にこの種
の投影レンズ１３は露光光の入射開始時には像面変動の
変化率が大きく、時間とともに徐々にその変化率が小さ
くなり、ある時間が経過すると、それ以上露光光を入射
し続けても像面変動が生じない飽和点で安定するような
特性を有する。

そこで実際には検出信号Ｓ１の対数的なレベル変化の時
定数と像面変動の時定数とが一致するように温度センサ
ー３０、保持金具３１等で決まる熱的な時定数（熱容量
）を調整する。尚、温度センサー３０をこの位置（ダイ
クロイックミラー１０の裏側）に設けたのは大別して以
下の２つの理由による。

（１）光源１から投影レンズ１３に至るまでの光路中で
、露光光（ｇ線光）の実質的な光路を遮光せずに、光源
１からの光エネルギー（ｇ線以外の波長の光や熱線）を
直接受光できる点。及び（２）　　シャッター４を通っ
た後なので、シャッター４の開いている時間、閉じてい
る時間、及びそのデユーティ等を考慮せずとも、投影レ
ンズ１３に入射する露光光の積算的なエネルギー量に対
応した検出信号Ｓ１が得られる点。

また、本実施例において、１番目のダイクロイックミラ
ー３．２番目のダイクロイックミラー１０とも露光光は
反射し、それ以外の波長の光は透過させるものとしたが
、厳密には露光光よりも波長の短い光は全て反射し、そ
れより波長の長い光（熱線も含む）は全て透過する特性
を有する。このため１番目のダイクロイックミラー３で
露光光よりも波長の長い光はほとんどカットされ、ダイ
クロイックミラー１０まで達することはないが、実際に
はカットし切れずにダイクロイックミラー１０まで達す
る。その量（又は強度）はダイクロイックミラーの波長
選択特性上の肩特性で決まる。従ってその肩特性によっ
ては露光光のわずかな量がダイクロイックミラー１０を
透過して温度センサー３０を照射することもある。

さて、温度センサー３０の検出信号Ｓ１は像面の変動量
を検出する検出回路３２に入力する。検出回路３２はさ
らに環境温度をモニターする温度センサー３３からの検
出信号Ｓ２と、ウェハｔｙダー１４に設けられて、マス
クＭの投影像よりも大きな受光面を有する受光素子３４
からの光電信号Ｓ３とを入力して、所定の演算により像
面の変動量を計算する。算出された変動情報Ｓ４は主制
御回路４０に入力される。主制御回路４０はその変動量
に応じて時々刻々ウェハホルダー１４の高さを補正する
ようにモータ１６に駆動信号を出力するとともに、焦点
ずれ検出系の投光器１７に、合焦点として検出すべきウ
ェハＷ表面の位置を像面変動量に応じて高さ方向（Ｚ方
向）に補正するようなオフセット信号Ｓ５も出力する。

また主制御回路４０は受光器１８からの焦点ずれ信号Ｓ
６に基づいて、モータ１６をサーボ制御する所謂自動合
焦動作の制御も行なう。さらに主制御回路４０は測長器
２０からの位置情報に基づいて、モータ１９をサーボ制
御し、ステージ１５を目標位置に位置決めする動作、及
びモータ５を駆動してシャッター４を開閉させる動作の
制御も行なう。

さて、第２図は検出回路３２及び主制御回路４０の一部
の具体的な回路ブロック図である。温度センサー３０の
検出信号Ｓ１、温度センサー３３の検出信号Ｓ２、及び
受光素子３４の光電信号Ｓ３はそれぞれアナログ−デジ
タル変２換器（以下、ＡＤＣとする）５０．５Ｌ、５２
に入力して、デジタル値に変換される。

演算処理回路５３はそれらデジタル情報を入力し、像面
変動量を検出するとともに、その変動量を補正するため
にウェハホルダー１４を上下動させる量（補正量）を算
出Ｔる。その変動補正量の情報Ｓ４は主制御回路４０に
設けられた切替えスイッチ５４を介してデジタル−アナ
ログ変換器（以下ＤＡＣとする）５５に入力し、アナロ
グ値に変換されてからモータ１６に印加される。尚、切
替えスイッチ５４は受光器１８からの焦点ずれの情報Ｓ
６（デジタル変換されたもの）と変動情報Ｓ４とを択一
的に切替えてＤＡＣ５５に印力するものである。

第３図は焦点検出系の具体的な構成を示す図である。投
光器１７側には、ウェハＷの感光剤を感光させない波長
の光（赤外光）を発する光源６０と、その光源６０によ
って照明されるスリット板６１と、スリット板６１のス
リットを通った光を平行光束にするレンズ６２と、その
光束を折り曲げるミラー６３と、平行平面ガラス（プレ
ーンパラレル）６４と、その平行光束を収束してウェハ
Ｗ上にスリット像を結像するためのレンズ６５とが設け
られている。プレーンパラレル６４は回転駆動手段６６
によって所定角度だけレンズ６２．６５の光軸に対して
平行平面を傾斜する。この傾斜によって、スリット像の
結像位置がＺ方向（上下方向）にシフトする。スリット
像の結像位置をＺ方向にどれぐらいシフトさせるかは、
主制御回路４０からのオフセット信号Ｓ５に基づいてい
る。

一方、受光器１８側にはウェハＷ表面に投影されたスリ
ット像の反射光を収束するレンズ７０と、その反射光を
折り曲げるとともに、一定の角周波数で振動する振動ミ
ラー７１と、レンズ７０によって収束された反射光の結
像位置に設けられたスリット板７２と、そのスリット板
７２のスリットを透過した反射光を受光してその光量に
応じた光電信号を出力する光電素子７３とが設けられて
いる。この受光器１８は所謂、スリット像走査型の光電
顕微鏡と同等に構成されている。発振器（０８Ｃ）７４
は振動ミラー７１を振動させるための発振信号を、駆動
部７５と同期検波（整流）回路（以下、ＰＳＤと呼ぶ）
７６とに出力する。このため振動ミラー７１は０８Ｃ７
４の発振信号の周波数で振動し、Ｐ８Ｄ７６は光電信号
を発振信号により同期検波する。従ってＰＳＤ７６は、
スリット板７２のスリットと振動するスリット像の振動
中心とが一致したとき、丁なわち合焦状態のとき零レベ
ルとなり、スリット板７２のスリットとスリット像の振
動中心とがずれると、すなわち非合焦のとき、そのずれ
の方向（ウェハＷの合焦位置に対する上下方向）に応じ
た極性と、その大きさに応じたアナログ値になるような
信号（所謂８力−ブ信号）を焦点ずれ信号Ｓ６として出
力する。

次に本実施例の動作を第４図、第５図を参照して説明す
る。第２図に示した演算回路５３には、温度センサー３
０で検出した温度Ｔｌと実際の像面変動量ΔＦとの一義
的な関係を表わす定数にや所定の演算式のプログラム等
が予め記憶されている。そこで定数にの決定方法につい
て説明する。

この定数決定は装置の組立て時、又は完成後の調整時等
に行なわれる。まず投影レンズ１３や焦点ずれ検出系（
投光器１７、受光器１８）を理ぜ的な状態に調整した後
、装置各部（特に投影レンズ１３）の温度が一定温度（
例えばクリーンルーム内の温度２５℃）になるまでシャ
ッター４を閉じて放置する。その一定温度は初期温度Ｔ
ｏとして演算回路５３に記憶される。次に、有効露光領
域の全面積に関する透過率が予めわかっているテストマ
スクＭを装置に装着する。このテストマスクＭには解像
力計測用のチェックパターンが打チ込まれている。そし
て、シャッター４を開いて、ウェハＷ上にチェックパタ
ーンを露光する。すなわちテスト露光を行なう。このと
き、モータ１６を駆動して、ウェハＷ上を一定ピッチ（
例えば０．５μｍ）だけＺ方向に移動させては１回露光
し、次いでウェハＷを（、又はＺ方向にステッピングさ
せてから再びウェハＷをＺ方向に一定ピッチだけ移動さ
せることを繰り返す。このとき同時に温度センサー３０
の検出信号Ｓ１も記憶する。こうして、一枚のウェハＷ
の露光が完了したら、ウェハＷをアンロードするととも
にテストマスクＭもアンロードし、ブラインド１２を全
開して、シャッター４を開放状態のまま１〜５分間分間
族置する。

その後再び新しいウェハＷをローディングして同様にテ
スト露光と検出信号Ｓ１の記憶を行なう。

以上の操作を３０分〜６０分程度の間、繰り返し実施す
る。このようにして得られたウェハＷは現像され、感光
剤の像（レジスト像）を観察して解像力、すなわちベス
トフォーカス位置の検査を行なう。これによって、露光
光の投影レンズ１３への積算的な入射にともなう像面変
動量ΔＦの特性と温度特性とが時間の関数として実測さ
れる。その−例を第４図、第５図に示す。第４図におい
て横軸は時間ｔを表わし、縦軸は像面のＺ方向の変動量
ΔＦを表わす。第５図も同様に横軸は時間ｔを表わし、
縦軸は温度変動量ΔＴを表わす。第４図、第５図におい
て、時刻ｔｏでテスト露光が開始され、時刻ｔ１で変動
が飽和点に達している。

両変動特性は対数的な変化を示し、その時定数も両者一
致するように調整されているので、関数曲線としては相
似と見なせる。そこでｔｌにおける飽和点での像面変動
量ΔＦＳと温度変動量ΔＴＳＪＦＳ　　ΔＴＳとの比（１）を定数Ｋ（単位としては例えばμＴｒＬ１０ｃ）とし、この値を演算回路５３
に記憶させる。

尚、像面変動特性の時定数ｔαと温度変動特性の時定数
ｔβとに差があると判断された場合、例えば時定数ｔα
に対して時定数ｔβが大きい場合は、温度センサー３０
と保持部材３１との全体的な熱容量（熱伝達特性上の時
定数）を小さくするように、保持部材３１の質量（具体
的には寸法や材質）を調整すればよい。逆の場合は温度
センサー３０と保持部材３１の全体的な熱容量が太きく
なるように調整すればよい。そのような逆の場合は、例
えば温度センサー３０の光エネルギーを受ける側にガラ
ス材によるＮＤフィルターの小片又は金属片を貼りつけ
ても同様の効果が得られ、さらには、ダイクロイックミ
ラー１０と温度センサー３０との間隔を大きくすること
によって、も可能である。

また像面変動量ΔＦ１温度変動量ΔＴの計測中、環境温
度は一定の方が望ましいが、多少変化することもある。

そこで温度センサー３０の検出信号Ｓ１から温度センサ
ー３３の検出信号Ｓ２を差し引いた値を変動量ΔＴとす
れば、環境温度の変化による誤差分が相殺され、極めて
正確な測定結果が得られる。

さて、以上のようにして演算回路５３には定γＫが記憶
されるが、この際゛さらに上記変動特性を計測し始める
前の温度センサー３０の初期温度Ｔ。

も記憶されている。この初期温度Ｔｏは通常露光装置を
稼動する設置環境の温度に合せである。

以上の変動特性のうち、飽和点ΔＦＳ、ΔＴＳの値は、
光源１の光強度！マスクＭの有効露光領域（パターン描
画領域）の面積Ｐ１及びその領域内の透過率（明暗の比
）η等によって大きく変化するが、実験的にそれら光強
度１１面面積１透過率ηの各々の変化と、飽和点ΔＦＳ
、ΔＴＳの値の変化は一義的な比列関係になることがわ
かっている。そこで変動特性の計測の際、１回のテスト
露光を行なった後、テストマスクＭをアンロードし、ブ
ラインド１２を全開してシャッター４を開放した状態で
、受光素子３４を投影レンズ１３直下に位置決めして、
投影レンズ１３を通ってきた露光光の全光量１．を検出
し、その値を演算回路５３に記憶する。このようにする
と、実際のマスクＭを装着して受光素子３４に照射され
た光量工を検出するだけで、全党量工ｏに対する飽和点
ΔＦＳから、そのマスクＭの装着時における飽和点ΔＦ
Ｓ’がただちに求まる。尚、上記計測においては、テス
トマスクＭをアンロードしたが、アンロードせずにその
ままシャッター４を開放状態にして変動特性を計測して
もよい。この場合は、テストマスクＭの透過率ηをでき
るだけ大きくシ、ブラインド１２、テストマスクＭを透
過してきた露光光の量を受光素子３４で検出し、その値
工を演算回路５３に記憶する。

さて、実際のマスクＭを使ってウェハＷ上にパターンを
露光Ｔる場合は、マスクＭを装着する前にブラインド１
２を所定の全開位置（製造、調整時に像面変動特性をテ
スト露光で計測したときの全開位置）まで開き、ステー
ジ１５上の受光素子３４が投影レンズ１３の直下にくる
ように、測長器２０、モータ１９によりステージ１５を
位置決めする。そして、演算回路５３はこのときの光電
信号Ｓ３の値工を記憶する。この動作はテストマスクＭ
を用いた計測の際、テストマスクＭから値工を検出して
いるときは不要である。次に、マスクＭを装着して、ブ
ラインド１２をマスクＭのパターン描画領域以外の部分
が遮光されるように閉じる。この状態で演算回路５３は
さらに光電信号Ｓ３の値Ｉｒを記憶する。尚、値ＩｒＸ
Ｉの測定と記憶はマスクＭを交換Ｔるたびに行なわれる
。

また値ＩｒとＩの比はパターン描画領域の面積Ｐと透過
率ηとを含めたマスクＭに関する全体的な透過率といえ
る。さてこのとき、温度センサー３０で検出される温度
Ｔ１が製造、調整時に演算回路５３に記憶された初期温
度Ｔｏと一致していれば、像面変動は生じていないので
、ウェハホルダー１４のＺ方向の補正移動は行なわれな
い。次に主制御回路４０からの指令で、ステージ１５を
一定ピッチだけｘｌ又はＺ方向にステッピングさせては
シャッター４を一定時間だけ開いてマスクＭのウェハＷ
への露光を繰り返す、所謂ステップアンドリピート方式
の露光動作が開始される。この繰り返し露光が開始され
ると、温度センサー３０で検出される温度も上昇する。

その検出された湿度には、光源工からの光の強度ｌの情
報と、シャッター４の単位時間内に占める開放時間の割
合、すなわち全露光動作時間内において、投影レンズ１
３に入射した露光光の積算的な時間の割合（デユーティ
比）の情報とが含まれている。この露光動作中又はウェ
ハＷの交換動作中、演算回路３２は逐次温度センサー３
０の検出信号Ｓ１を読み込み、次の式（１）により像面
変動量ΔＦの演算を行なう。

ΔＦ−ΔＴ−（Ｉｒ／Ｉ）−に＝（Ｔ１−Ｔｏ）Ｘ（Ｉ
ｒ／Ｉ）×Ｋ・・・・・・・・・（１）この変動量ΔＦが露光光の投影レンズ１３への入射によ
り引き起された焦点ずれに相当する。そして主制御回路
４０は変動量ΔＦに対応する変動情報Ｓ４を入力して、
その変動を補正するようにモータ１６を駆動してウェハ
ホルダー１４のＺ方向の位置を自動調整する。具体的に
は投光器１７と受光器１８による焦点ずれ検出系からの
焦点ずれ信号Ｓ６が零になるように、第２図中の切替ス
イッチ５４を選択してモータ１６をサーボ制御し、一度
つエバＷの表面を予め定められたＺ方向の位置（ΔＦ＝
０のときの結像面位置）に合せる。その後切替スイッチ
５４を切り替えて、その合せた位置から変動量ΔＦだけ
ウェハホルダー１４のＺ方向の位置をサーボ制御により
補正すればよい。

あるいは主制御回路４０からオフセット信号Ｓ５を出力
して第３図中に示したプレンパラレル６４を傾けて、ウ
ェハＷ面に投影されるスリット像の結像位置を変動量Δ
Ｆと等しい量だけＺ方向に補正した後、焦点ずれ信号Ｓ
６に基づいてウェハＷ表面の自動合焦動作を行なうよう
にしても同様の効果が得られる。いずれの場合も露光装
置の稼動中は温度センサー３０で検出された温度情報の
みに基づいて投影レンズ１３の像面変動による焦点ずれ
がリアルタイムに補正される。

尚、本実施例では環境温度が変化しないものとして温度
センサー３０で検出した温度Ｔ１のみを演算に使ったが
、露光装置の稼動中に温度センサー３０の周辺温度が変
動することも考えられる。その場合は、温度センサー３
０゛の検出温度Ｔ１から温度センサー３３の検出温度Ｔ
２を差しぢ１いた値を光エネルギーの照射による温度変
動量ΔＴとして先の式（１）に代入し、像面変動量ΔＦ
を求めればよい。

以上本実施例によれば、温度センサー３０の検出信号Ｓ
１の立上り（又は立下り）の時定数Ｔβが投影レンズ１
３の像面変動特性の時定数Ｔαと一致するように、温度
センサー３０の取り付は方法を工夫するとともに、温度
センサー３ｏをシャッター４の後に配置したので、露光
動作中、非露光動作中の如何を問わず、検出温度Ｔ１の
変動特性は像面変動特性とよく一致し、何ら特別なシー
ケンス（例えばシャッター４の開閉デユーティの検出動
作）を付加することなくリアルタイムに像面変動を補正
できるという効果がある。このため、１枚のウェハＷを
ステップアンドリピート方式で露光する際、１番目のシ
ョットから最終ショットまでの間に投影レンズの像面変
動が生じたとしても、解像力不良となるチップがなくな
り、極めて生産性の高い露光装置が得られる。

さて上記本発明の第１の実施例においては、投影レンズ
１３の像面変動量を検出して、その変動を補正するよう
にウェハＷと投影レンズ１３のＺ方向の間隔を調整した
。ところが投影レンズ１３には窮光光の入射により倍率
が変動するという特性がある。倍率の変動特性は像面変
動特性とまったく同一の傾向を有し、その時定数も同一
であることが実験によっても確認されている。ただし定
数には異なる。従って温度センサー３０で検出された変
動量ΔＴは投影レンズ１３の倍率変動量ΔＭと一義的な
関係にある。ここで倍率変動量ΔＭとは、ウェハＷに投
影されたパターン像の本来の大きさからの伸縮量（例え
ばμｍ）を表わす。そこで温度センサー３０を用いて倍
率変動又は像面変動を補正するいくつかの実施例を第６
図を使って説明する。投影レンズ１３のマスクＭ側が非
テレセントリックな光学系である場合、マスクＭを保持
するマスクステージ５０をモータ等の駆動部５１で光軸
方向に上下動させると、ウェハＷ上の投影像の大きさが
伸縮する。この場合、結像面の位置も変動するので、マ
スクＭの上下動の量に応じてウェハＷを上下動させて補
正する必要がある。

また、投影レンズ１３を構成する複数のレンズ素子のう
ち、特定のレンズ素子１３ａ、１３ｂに挾まれた空気間
隔１３Ｃを外気から遮断された気密空間とし、この空間
１３Ｃ内の気体（空気等）の圧力をパイプ５２ａを介し
て圧力制御装置５２によって制御するようにしても倍率
変動や像面変動を補正することができる。このように投
影レンズ１３内の気密空間の圧力を変化させる方法は倍
率や結像面位置の補正のためにマスクステージ５０やウ
ェハホルダー１４を機械的に動かす必要がないので・極
めて高精度な補正が可能である。

さらに別の方法として・ヒータ線やペルチェ素子等の温
度制御素子５３を投影レンズ１３の鏡筒（例えば内壁）
に設け、鏡筒の温度を倍率変動量ΔＭや像面変動量ΔＦ
１すなわち温度センサー３０で検出された温度変動量Δ
Ｔに応じて制御するようにしてもよい。この場合、投影
レンズ１３自体の温度と各変動量ΔＦ、ΔＭとの関係は
予め実験等によって求め、定数を決定しておく必要があ
る。

また他の方法として、ウェハホルダー１４内に断熱材５
５を介して平板状の温度制御素子５６を設け、この温度
制御素子５６上にウェハＷを真空吸着するようにする。

そして、温度変動量ΔＴに応じて温度制御素子５６の温
度を制御して、ウェハＷ自体を伸縮させるようにしても
よい。この場合は専ら倍率変動の補正のみが行なねれる
。

次に本発明の第２の実施例に好適な投影型露光装置の概
略的な光学構成を第７図に示す。第７図の光学系は光源
１から投影レンズ１３の入射瞳ＥＰまでの照明光学系を
表わし、基本的な構成は第１図の照明光学系のものと同
一である。異なる点は楕円反射ミラー２の上下を逆にし
てブラインド１２を投影式にし、ブラインド１２の後に
温度センサー３０を配置した点である。第７図において
、楕円反射ミラー２で収束され、シャッター４を通った
照明光はインプットレンズ７によって平行光束にされた
後、露光用の波長（ｇ線、又はｉ線）のみを選択的に透
過する干渉フィルター１００と、楕円反射ミラー特有の
ドーナツ状光強度分布を補正するコーンプリズム１０１
とに入射する。その後、照明光（Ｍ先光）は第１図と同
様のオプチカルインテグレータ８、ダイクロイックミラ
ー１０を通り、第１リレーレンズ１０２で平行光束にさ
れる。その照明光は視野絞りと同様の作用を有するブラ
インド１２を照明する。ブラインド１２の開口を通った
光は第２リレーレンズ１０３、ダイクロイックミラー１
０４及びコンデンサーレンズ１１を通ってマスクＭを均
一な光強度で照明する。

ダイクロイックミラー１０４はダイクロイックミラー１
０と同等の光学性能を有し、照明光の光路を直角に折り
曲げる。第７図の光学系の光路において、実線は光源１
の点光源像の位置、すなわち第２焦点ＥＰ２と投影レン
ズ１３の入射瞳ＢＰとの共役関係を示し、破線はブライ
ンド１２とマスクＭの共役関係を示す。このためブライ
ンド１２の開口像はマスクＭ上に結像して投影される。

そして、シャッター４のところに位置する第２焦点ＥＰ
２はオプチカルインテグレータ８の射出面ＥＰｌと共役
になり、射出面ＢＰｓは第２リレーレンズ１０３の後に
できる照明光学系中のｌｌ′ＥＰ。

と共役になり、さらに瞳ＥＰｏと投影レンズ１３の入射
［ＥＰとが共役になるように定められている。そして、
本実施例においては温度センサー３０を照明光学系中の
瞳ＥＰｏに最も近い光学部材、すなわちダイクロイック
ミラー１０４の裏側に第１図の取り付は方法と同様の方
法で配置する。瞳ＢＰ、ではブラインド１２を通った後
の照明光の全情報（照度ムラやブラインド１２の開口面
積）が瞳ＥＰｏ内の各点に集約されている。このため＠
Ｅ　Ｐ、の近傍のダイクロイックミラー１０４の裏側に
は、その集約された光エネルギーが透過してくることに
なる。従って温度センサー３０の配置に多少誤差があっ
ても、検出精度を低下させることがない。尚、第７図の
光路において、ダイクロイックミラー１０４と瞳ＥＰＯ
の位置とを正確に一致させればさらに効果的である。

以上、本実施例によれば、温度センサー３０はブライン
ド１２を通過してきた光エネルギーに基づいて温度検出
するので、その温度情報には光源１の光強度ｌと、シャ
ッター４の開閉デユーティとの情報以外にマスクＭのパ
ターン描画領域の面積Ｐに関する情報も含まれることに
なる。すなわち、実際の露光時にはマスクＭのパターン
描画領域以外を遮光するようにブラインド１２の開口形
状（面積）が所定の全開状態から調整されるため、その
分だけ温度変動特性上の飽和点が小さくなつたように温
度検出される。、従って、ステージ１５上の受光素子３
４は、マスクＭがない状態でブラインド１２を全開した
ときの全光量ＩＯを検出して、その値を記憶する初期設
定（製造、調整、又はランプ交換）時の動作に使う必要
がなく、単にパターン描画領域内の透過率ηを計測する
ためだけに使えばよい。すなわちパターン描画領域に合
せてブラインド１２を設定した状態の光量工と、その状
態でマスクＭを装着したときの光量Ｉｒとの比のみを求
め、式（１）に代入すればよい。

以上、本発明の各実施例を説明したが、次に温度センサ
ー３０の形態やその配置に関する他の実施例を説明する
。第１図、第７図において、温度センサー３０はいずれ
もダイクロイックミラー１０．１０４の裏面に配置され
て、露光波長の光以外の光エネルギー（熱線も含む）の
照射を受けるように構成したが、光源１から投影レンズ
１３に至るまでの照明光学系内の光路中で光源１からの
光エネルギーを受ける位置であればどこにあってもよい
。ただし望ましくはシャッター４から投影レンズ１３に
至るまでの光路中に温度センサー３０を配置するのがよ
い。具体的にはシャッタ−４自体の温度変化を直接検出
するような配置、アライメント顕微鏡への照明光学系６
に入射する光エネルギーを受けるような配置、あるいは
インプットレンズ７、オブチカルインテグレータ８、ア
ウトプットレンズ９、干渉フィルター１００、コーンプ
リズム１０１、第１、第２リレーレンズ１０２．１０３
、又はコンデンサーレンズ１１の温度変化を直接検出す
るような配置等が同様に実施可能である。また、第７図
のように照明光学系の光路中に光源１の瞳ＢＰ、を形成
するような場合は、この瞳ＥＰｏに薄膜抵抗体を蒸着し
たガラス板を挿入してもよい。もちろんそのガラス板の
熱的な時定数は像面変動や倍率変動等の時定数と合せて
おくことが必要である。この場合、ガラス板に照射され
る光エネルギーには露光波長の光も含まれるので、投影
レンズ１３に入射する光エネルギーの状態と同一の状態
で温度検出が可能となり、測定精度の向上が期待できる
。実際の温度検出は薄膜抵抗体の湿度依存性を利用して
、抵抗値の変化で検出する。またガラス板上の温度分布
（光軸付近の中心と周辺との温度差）を検出するように
してもよい。また薄膜抵抗体を温度センサーとして使う
場合、ブラインド１２に絶縁層を介して蒸着して、ブラ
インド１２の温度変化を検出してもよく、さらにダイク
ロイックミラー１０．１０４に直接蒸着して温度分布等
を検出しても同様の効果が得られる。

尚、上記温度センサーの配置で、シャッタ−４自体の温
度を検出する場合や、照明光学系６に入射する光エネル
ギーを受光して温度検出する場合は、温度変動特性の立
上りが立下りとなるように反転するので検出した温度Ｔ
１をある一定の温度（例えば飽和点温度ΔＴ８以上の値
）から差し引いた値を変動量ΔＴにする必要がある。

また本発明の上記各実施例は、光学特性の変動を温度セ
ンサー３０で検出して、自動的にその変動を補正するよ
うな構成にしたが、温度センサー３０で検出された温度
情報から光学特性の変動量のみを表示するようにし、補
正については適宜手動によって行なってもよい。またマ
スクＭと投影レンズ１３の間の光路中に、アライメント
のための光束を引き出す大きなビームスプリッタ−や、
ダイクロイックミラーを配置するような露光装置では、
それらビームスプリッタ−やダイクロイックミラーの温
度を薄膜抵抗体等で検出するとよい。

こうすれば検出された温度情報にマスクＭのパターン描
画領域内の透過率ηの情報も含まれることになり、受光
素子３４は不要となる。

（発明の効果）以上、本発明によれば照明光学系の光路中の光源からの
光エネルギーを受ける位置に温度検出手段を設けるよう
にしたので、既存の投影露光装置にもわずかな改造で取
り付けることができ、極めて簡単に光学特性の変動量を
検出できるという効果がある。さらに、温度検出手段に
よって検出された温度情報には光源の光強度の情報も含
まれることになるので、光源の劣化に伴う光強度変化が
光学特性の変動検出の誤差要因に含まれないという利点
もある。また本発明の実施例によれば、照明光学系内の
シャッターから投影レンズまでに至る光路中に温度セン
サーを設けたので、検出された温度情報にはさらにシャ
ッターの開閉の情報も含まれることになる。このため、
シャッターの開閉デー−ティを検出する手段や、光学特
性の時間的な変動特性を記憶する手段が不要になり、変
動補正の制御が簡単な構成で可能になるという利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影型露光装置の
概略的な構成を示す図、第２図は変動量検出回路の回路
ブロック図、第３図は焦点ずれ検出系の構成を示す図、
第４図は像面変動特性の一例を示す特性図、第５図は温
度変動特性の一例を示す特性図、第６図は像面変動、倍
率変動を補正する他の実施例を示す構成図、第７図は本
発明の第２の実施例による投影型露光装置の照明光学系
の構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕１・・・・・・光源　　　　　　　４・旧・・シャッタ
ー３．１０．１０４・・・・・・ダイクロイックミラー
１３・・・投影レンズ　　　　３０．３３・・・温度セ
ンサー３２・・・変動検出回路　　　Ｍ・・・・・・マ
スクＷ・・・・・・ウェハ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）照明用の光源と；該光源からの照明光を所定の原
画パターンを有するマスクに照射するための照明光学系
と；前記原画パターンの光像を被投影基板に投影する投
影光学系と；前記光源から投影光学系に至るまでの光路
中の前記光源からの光エネルギーを受ける位置に設けら
れた温度検出手段と；該温度検出手段の検出信号に基づ
いて前記投影光学系の、前記照明光の入射により生じる
光学特性の変動量を求める変動検出手段とを備えたこと
を特徴とする投影光学装置。
（２）前記温度検出手段は、その検出信号の変化特性が
前記投影光学系の光学特性の変動特性と略一致するよう
に前記照明光学系中の光学素子、又はその近傍の位置に
配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
装置。
（３）前記照明光学系は前記投影光学系に関して収差補
正された波長の露光光と、その他の波長の光とを分割す
るダイクロイックミラーを有し、前記温度検出手段はそ
の他の波長の光が通る光路中に配置されていることを特
徴とする特許請求の範囲第２項記載の装置。
（４）前記照明光学系は、前記照明光をマスクに照射す
る状態と、非照射にする状態とを択一的に切りかえるシ
ャッターを有し、前記温度検出手段は該シャッターから
前記投影光学系に至るまでの光路中で前記光源からの光
エネルギーを受けるように配置されていることを特徴と
する特許請求の範囲第１項、又は第３項記載の装置。