JP2000331923A

JP2000331923A - 投影光学系およびその結像特性調整方法並びに投影露光装置

Info

Publication number: JP2000331923A
Application number: JP11144131A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Mazaki; 和生真崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子のストローク低下を防止する。【解決手段】複数の光学素子２６〜２９間に配置さ
れ、印加された電圧に基づき変位して光学素子２６〜２
９間の距離を増減する圧電素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃと、圧電素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ
に正電圧および負電圧を印加する電圧印加装置３５と、
圧電素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの変位に対す
るヒステリシス特性に基づいて電圧印加装置３５による
印加電圧を制御する制御装置３６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マスクのパターン
像を基板に投影する際に用いられる投影光学系およびそ
の結像特性調整方法並びに投影露光装置に関し、特に、
基板上に転写するパターンの像特性を補正する投影光学
系およびその結像特性調整方法並びに投影露光装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子、液晶表示素子、撮像素子
（ＣＣＤ等）、薄膜磁気ヘッドなどのマイクロデバイス
を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、例えば
ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光装置
（ステッパ）、またはステップ・アンド・スキャン方式
の縮小投影型走査露光装置（スキャニング・ステッパ）
などを用いて、基板（半導体ウエハ、ガラスプレート、
セラミックウエハ）上に投影光学系を介してマスクのパ
ターンを転写している。

【０００３】このとき、投影光学系は、設置空間の圧力
変化や露光光の照射熱などにより結像特性が変化し、基
板上に転写されるパターンの像特性を変化させる。した
がって、従来では、投影光学系に含まれる一部のレンズ
群（光学素子）を駆動する機構や、一部のレンズ間を密
封して内部圧力を変更する機構等の補正手段を用いて結
像特性の変化を調整する種々の方法が提案されている。

【０００４】この種の調整手段として、例えば、特開平
４−１９２３１７号が提供されている。この技術は、群
構成とされたレンズエレメントを支持部材に固定すると
ともに、周方向に複数配置された伸縮可能な駆動素子に
よって支持部材を投影光学系の鏡筒部に連結するもので
ある。そして、これらの駆動素子を個々に伸縮させるこ
とにより、投影光学系の種々の結像特性調整している。
例えば、レンズエレメントを光軸方向に移動させた場合
には、光軸を中心として倍率を変化させることができ
る。また、光軸に垂直に交わる軸を中心にレンズエレメ
ントを傾斜させた場合には、ディストーションを変化さ
せることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の投影光学系およびその結像特性調整方法
並びに投影露光装置には、以下のような問題が存在す
る。上記駆動素子として、印加された電圧に基づいて変
位する圧電素子を用いた場合、露光処理中この圧電素子
には連続して所定電圧が印加されることになる。特に近
年、上記基板の大型化が進行しており、これに伴って露
光時間も長くなり、ときには数日間に亙って露光処理が
継続されることもある。

【０００６】この場合、圧電素子の伸縮特性が変化し
て、一定の電圧を印加しても所定の伸縮長、すなわちス
トロークが得られないという事態が起こりうる。具体的
には、伸長した圧電素子に零電圧を印加しても所定位置
まで縮まず、結果として、所定のストロークで駆動しな
いことになる。特に、圧電素子のヒステリシス特性が正
電圧および負電圧に跨って閉曲線、すなわちヒステリシ
スループを描く場合、圧電素子に正電圧のみを印加して
も、圧電素子は電圧零のときに所定位置まで縮まない。
そのため、露光処理中にレンズエレメントの位置を検知
する検知部からエラーが発せられ、露光処理を中断せざ
るを得ないという問題があり、生産効率の低下の一因に
なっていた。

【０００７】また、露光装置の故障時やメンテナンス時
には、リセット動作を実施するが、このとき、圧電素子
のストロークを検出している。ここで、上記のように圧
電素子が所定のストロークを出力できない場合にはエラ
ーが発せられ、再度調整を実行しなければならず、調整
時間が長くなり生産効率が低下するという問題があっ
た。

【０００８】本発明は、以上のような点を考慮してなさ
れたもので、圧電素子のストローク低下を防止すること
で、生産効率の低下防止に寄与する投影光学系およびそ
の結像特性調整方法並びに投影露光装置を提供すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、実施の形態を示す図１ないし図５に対応
付けした以下の構成を採用している。本発明の投影光学
系は、複数の光学素子（２６〜２９）間に配置され、印
加された電圧に基づき変位して光学素子（２６〜２９）
間の距離を増減する圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃ）と、圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３
４ｃ）に正電圧および負電圧を印加する電圧印加装置
（３５）と、圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４
ｃ）の変位に対するヒステリシス特性（図３）に基づい
て電圧印加装置（３５）による印加電圧を制御する制御
装置（３６）とを備えることを特徴とするものである。

【００１０】従って、本発明の投影光学系では、制御装
置（３６）が電圧印加装置（３５）による印加電圧を制
御して、圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）
に正電圧および負電圧を印加することで圧電素子（３３
ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）をヒステリシス特性に基
づいて変位させることができる。ここで、圧電素子（３
３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）は、正電圧（または負
電圧）が増加するように印加されたときと正電圧（また
は負電圧）が減少するように印加されたときとで変位量
の経路が異なるヒステリシス特性を有している。そし
て、このヒステリシス特性が正電圧および負電圧に跨っ
てヒステリシスループを描く場合、始点から一旦逆極の
電圧を印加した後に、電圧の極を反転することにより、
圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）の変位を
ヒステリシスループに沿って始点まで戻すことが可能に
なり、圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）を
初期状態にすることができる。

【００１１】また、本発明の投影光学系の結像特性調整
方法は、複数の光学素子（２６〜２９）間に、印加され
た電圧に基づき変位して光学素子（２６〜２９）間の距
離を増減する圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４
ｃ）を配置した投影光学系（ＰＬ）を対象として、電圧
を操作することで光学素子（２６〜２９）の結像特性を
調整する投影光学系（ＰＬ）の結像特性調整方法におい
て、圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）の変
位に対するヒステリシス特性（図３）に基づいて圧電素
子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）に印加されてい
た電圧と逆極の電圧を印加して、圧電素子（３３ａ〜３
３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）を初期状態に変位させる初期化
工程（ステップＳ１〜Ｓ１２）を有することを特徴とす
るものである。

【００１２】従って、本発明の投影光学系の結像特性調
整方法では、初期化工程（ステップＳ１〜Ｓ１２）にお
いて、圧電素子（３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）に
逆極の電圧を印加することにより、圧電素子（３３ａ〜
３３ｃ、３４ａ〜３４ｃ）がヒステリシス特性（図３）
に基づいて変位して初期化される。したがって、光学素
子（２６〜２９）間の距離を所定量変位させることがで
きる。

【００１３】そして、本発明の投影露光装置は、マスク
（Ｒ）のパターン像を投影光学系（ＰＬ）を介して基板
（Ｗ）に投影する投影露光装置（１）において、投影光
学系（ＰＬ）として請求項１から５のいずれかに記載さ
れた投影光学系（ＰＬ）が設置されることを特徴とする
ものである。

【００１４】従って、本発明の投影露光装置では、マス
ク（Ｒ）のパターン像を所定の結像特性をもって基板
（Ｗ）に投影することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の投影光学系および
その結像特性調整方法並びに投影露光装置の実施の形態
を、図１ないし図５を参照して説明する。ここでは、例
えば、圧電素子としてピエゾ素子を用いる場合の例を用
いて説明する。

【００１６】図１は、本発明の投影露光装置１の概略構
成図である。この図において、超高圧水銀ランプ、エキ
シマレーザ光源等の露光用の照明光源２は、ｇ線、ｉ線
あるいは紫外線パルス光（例えばＫｒＦエキシマレーザ
等）のようなレジスト層を感光する波長（露光波長）を
発生する。照明光Ｂは、該照明光Ｂの光路を閉鎖、開放
するシャッター３および大部分（９０％以上）の照明光
Ｂを透過させる半透過鏡４を透過した後、オプチカルイ
ンテグレータ（フライアイレンズ）等を含む照明光学系
５に達する。

【００１７】シャッター３は、駆動部６により照明光Ｂ
の透過および遮断を制御するように駆動される。また、
半透過鏡４で反射された照明光Ｂの一部は、ＰＩＮフォ
トダイオード等の光電検出器７に入射する。光電検出器
７は、照明光Ｂを光電検出して強度値等の光情報ＰＳを
主制御系８に出力する。この光情報ＰＳは、主制御系８
において投影光学系ＰＬの結像特性の変動量を求めるた
めの基礎データとなっている。

【００１８】照明光学系５において光束の一様化、スペ
ックルの低減化等を行われた照明光Ｂは、ミラー９で反
射されてリレーレンズ１０，１１および可変ブラインド
１２を通過した後、ミラー１３で垂直に下方に反射され
てメインコンデンサーレンズ１４に至り、レチクル（マ
スク）Ｒのパターン領域を均一な照度で照明する。可変
ブラインド１２の面は、レチクルＲと共役関係にあるの
で、駆動モータ１５により可変ブラインド１２を構成す
る可動ブレードを開閉させて開口位置、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選択するこ
とができる。

【００１９】また、本実施の形態では、照明光Ｂの照明
によりウエハ（基板）Ｗから発生する反射光が上記ミラ
ー９を通過して光検出器（反射量モニタ）１６に入射す
るように構成されている。反射量モニタ１６は、反射光
を光電検出して光情報ＲＳを主制御系８に出力し、ここ
で光情報ＲＳは投影光学系ＰＬの結像特性の変動量を求
めるための基礎データとなる。

【００２０】レチクルＲは、水平面内で二次元移動可能
なレチクルステージ１７上に載置され、パターン領域の
中心点が光軸ＡＸと一致するように位置決めが行われ
る。レチクルＲの初期設定は、レチクル周辺のアライメ
ントマーク（不図示）を光電検出するレチクルアライメ
ント系１８からのマーク検出信号に基づいて、レチクル
ステージ１７を微動することにより行われる。レチクル
Ｒは、不図示のレチクル交換器により適宜交換されて使
用される。特に、多品種少量生産を行う場合、交換は頻
繁に行われる。

【００２１】レチクルＲのパターン領域を透過した照明
光Ｂは、両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射
する。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、その表面が結
像面とほぼ一致するように保持されたウエハＷの上の一
つのショット領域に重ね合わせて投影（結像）する。こ
のウエハＷは、駆動モータ１９により光軸ＡＸ方向（Ｚ
方向）に微動可能なＺステージ２０上に載置されてい
る。さらに、Ｚステージ２０は、駆動モータ２１により
ステップ・アンド・リピート方式で二次元移動可能なＸ
Ｙステージ２２上に載置されている。ＸＹステージ２２
は、ウエハＷ上の一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。

【００２２】ＸＹステージ２２の二次元的な位置は、レ
ーザ干渉計２３によって、例えば、０．０１μｍ程度の
分解能で常時検出されている。Ｚステージ２０上には、
照射量モニタ（例えば、投影光学系ＰＬのイメージフィ
ールドもしく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電検出器）２４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。照射量モ
ニタ２４が検出した照射量に関する情報ＬＳも主制御系
８に出力され、投影光学系ＰＬの結像特性の変動量を求
めるための基礎データとなっている。

【００２３】また、投影光学系ＰＬの下端近傍には、斜
入射方式の面検出系２５が設けられている。面検出系２
５は、ウエハＷの光軸方向の位置を検出するものであっ
て、照射光学系２５ａと受光光学系２５ｂとから構成さ
れている。照射光学系２５ａは、投影光学系ＰＬの結像
面へ向けてピンホールまたはスリットの像を形成するた
めの結像光束もしくは平行光束を、光軸ＡＸに対して斜
め方向より供給するものである。

【００２４】受光光学系２５ｂは、照射光学系２５ａが
供給した結像光束もしくは平行光束のウエハＷ表面での
反射光束を受光するものである。ここで、面検出系２２
の構成は、例えば、特公平２−１０３６１号公報に開示
されており、ウエハＷの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焦点検出系と、ウエハＷ上の所定
領域の結像面に対する傾きを検出する水平位置検出系と
を組み合わせたものである。

【００２５】一方、本実施の形態の投影光学系ＰＬは、
レンズエレメントを移動させることにより、投影倍率、
ディストーション等の結像特性を調整する構成になって
いる。すなわち、投影光学系ＰＬのレチクルＲに最も近
い第一群のレンズエレメント（光学素子）２６，２７
は、支持部材３０により固定されている。また、第二群
のレンズエレメント（光学素子）２８は、支持部材３１
により固定されている。そして、レンズエレメント（光
学素子）２９を含むレンズエレメント２８より下部に位
置するレンズエレメントは、投影光学系ＰＬの鏡筒部３
２に固定されている。

【００２６】なお、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとは、こ
の鏡筒部３２に固定されているレンズエレメント２９等
の光軸を指すものとする。また、図示したレンズエレメ
ント２６等は、少なくとも一つの光学素子（レンズ）か
ら構成されるものを図中一つの光学素子で表している。

【００２７】支持部材３１は、伸縮可能なピエゾ素子
（圧電素子）３４ａ〜３４ｃによって投影光学系ＰＬの
鏡筒部３２と連結されている。また、支持部材３０は、
ピエゾ素子（圧電素子）３３ａ〜３３ｃによって支持部
材３１に連結されている。これらのレンズエレメント２
６〜２８は、投影倍率、ディストーション特性に与える
影響が、他のレンズエレメントに比べて大きく制御しや
すいものが選択されている。

【００２８】ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４
ｃは、印加された電圧に基づいてＺ方向に伸縮（変位）
することでレンズエレメント２６〜２９間の距離を増減
させるものであって、高電圧発生電源（電圧印加装置）
３５からそれぞれ電圧を印加されるようになっている。
図２は、投影光学系ＰＬを上方（レチクルＲ側）から見
た図である。この図に示すように、ピエゾ素子３３ａ〜
３３ｃは、周方向に１２０°間隔で配置され、高電圧発
生電源３５により独立制御可能になっている。ピエゾ素
子３４ａ〜３４ｃは、周方向に１２０°間隔で、且つピ
エゾ素子３３ａ〜３３ｃに対して互いに６０°ずつずれ
るように配置されており、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃと
同様に、高電圧発生電源３５により独立制御可能になっ
ている。

【００２９】高電圧発生電源３５は、上記ピエゾ素子３
３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃに対して正電圧のみを印
加する、いわゆるユニポーラ・モードと、正電圧および
負電圧を印加する、いわゆるバイポーラ・モードとを切
り替え可能になっている。この高電圧発生電源３５は、
制御装置３６によってその駆動を制御される構成になっ
ている。制御装置３６は、主制御系８から指定されるレ
ンズエレメント２６〜２８の位置、傾斜に関する情報に
基づいて、高電圧発生電源３５の駆動を制御するもので
ある。

【００３０】一方、支持部材３０の上方近傍には、位置
センサ（検出部）３７が配設されている。位置センサ３
７は、支持部材３０を介してレンズエレメント２６〜２
８の位置、すなわちピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃの位置を高精度に検出し、検出結果を制御装置
３６に出力するものである。そして、制御装置３６に
は、この位置センサ３７から出力される検出信号に対し
て閾値を設定する設定部３８が付設されている。また、
制御装置３６は、位置センサ３７と高電圧発生電源３５
とをソフト的にクローズ・ループを構成することで、高
精度な位置サーボが可能になっている。

【００３１】上記の構成によって、二群のレンズエレメ
ント（２６，２７）、２８の周辺三点を独立に、投影光
学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に主制御系８から与えられる駆
動指令に応じた量だけ移動させることができる。この結
果、二群のレンズエレメント（２６，２７）、２８のそ
れぞれを光軸ＡＸにほぼ沿って平行移動させることがで
きるとともに、光軸ＡＸとほぼ垂直な平面に対して任意
に傾斜させることが可能になる。

【００３２】主制御系８は、パワーモニタ７、反射量モ
ニタ１６、照射量モニタ２４から情報を得て、投影光学
系ＰＬの結像特性を演算にて算出するとともに、制御装
置３６を初めとして投影露光装置１全体を統括制御す
る。なお、投影光学系ＰＬの結像特性を調整する具体的
な方法は、例えば、特開平４−１９２３１７号公報と同
様であるため、ここでは割愛する。

【００３３】ここで、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４
ａ〜３４ｃのヒステリシス特性について説明する。図３
に示すように、各ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜
３４ｃは、約＋４０Ｖの正電圧を印加されたときに変位
量が零となり、ここから正電圧が増加する方向へ印加さ
れると曲線Ｌ１に沿って変位量が増し、約＋１５０Ｖで
最大の変位量（ストローク）を示す。また、ピエゾ素子
３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃは、正電圧が減少する
方向へ印加されると、正電圧が増加するときよりも小さ
い変化量で曲線Ｌ２に沿って変位量が減少し、−４０Ｖ
程度の負電圧を印加されたときに変位量が零となる。

【００３４】さらに、負電圧が増加する方向へピエゾ素
子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃを印加すると、分極
反転が起こり曲線Ｌ３に沿って再度変位量が増加し、約
−１５０Ｖで最大の変位量を示す。また、ここから負電
圧が減少する方向へピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃを印加すると、負電圧が増加するときよりも小
さい変化量で曲線Ｌ４に沿って変位量が減少し、＋４０
Ｖ程度の正電圧を印加されたときに変位量が零となり、
曲線Ｌ１と曲線Ｌ４とが交差する。このようなヒステリ
シス特性を利用することにより、ピエゾ素子３３ａ〜３
３ｃ、３４ａ〜３４ｃを初期化して当初のストロークを
回復させることができる。なお、本実施の形態における
ピエゾ素子は、通常、曲線Ｌ２の部分で用いられ、例え
ば駆動電圧が０Ｖ〜１００Ｖの間で伸縮するものとす
る。そして、時間が経つにつれ０電圧印加時の変位量が
上昇する（縮まなくなる）。

【００３５】続いて、上記の構成の投影光学系ＰＬおよ
び投影露光装置１において、ピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃをそのヒステリシス特性に基づいて
初期化する動作を、図４および図５に示すフローチャー
トに基づいて説明する。まず、リセット時にピエゾ素子
３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃを初期化する動作を説
明する。

【００３６】図４に示すように、投影露光装置１に対す
るメンテナンス時等には、主制御系８からリセット・シ
ーケンスの要求が発生し、制御装置３６がリセット・シ
ーケンスを開始する（ステップＳ０）ことにより、初期
化工程ＲＰが実行される。まず、制御装置３６は、高電
圧発生電源３５をバイポーラ・モードに切り替える（ス
テップＳ１）。制御装置３６は、高電圧発生電源３５に
対して０Ｖを出力するように指令を出すことにより、ピ
エゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃに０Ｖの電圧
を印加させ（ステップＳ２）、ピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃの変位量を曲線Ｌ２に沿って減少さ
せる。

【００３７】次に、制御装置３６は、高電圧発生電源３
５に指令を出し、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜
３４ｃに−３０Ｖの負電圧を印加させる（ステップＳ
３）。この−３０Ｖは、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３
４ａ〜３４ｃが負電圧側で分極反転を起こす手前の値と
して設定される。

【００３８】次に、制御装置３６は、高電圧発生電源３
５に指令を出し、−３０Ｖから−１８０Ｖまでリニア
に、且つ十分遅い速度で変化するように印加させる（ス
テップＳ４）。ここで、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３
４ａ〜３４ｃに対して急激に分極反転が発生すると破損
等の可能性があるため、印加速度を低減させている。ま
た、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃに分極
反転が発生する電圧は、個々に若干のバラツキがあるた
め、このバラツキを吸収できるように−３０Ｖから印加
速度を落としている。これにより、ピエゾ素子３３ａ〜
３３ｃ、３４ａ〜３４ｃは、−４０Ｖ付近で分極反転を
起こすとともに、曲線Ｌ３に沿って変位量が増加する。

【００３９】ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４
ｃが最大に変位すると、制御装置３６は高電圧発生電源
３５に指令を出し、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃに０Ｖの電圧を印加させ（ステップＳ５）、ピ
エゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの変位量を曲
線Ｌ４に沿って減少させる。

【００４０】続いて、制御装置３６は、高電圧発生電源
３５に指令を出し、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃに＋３０Ｖの正電圧を印加させる（ステップＳ
６）。この＋３０Ｖは、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３
４ａ〜３４ｃが正電圧側で分極反転を起こす手前の値と
して設定される。

【００４１】次に、制御装置３６は、高電圧発生電源３
５に指令を出し、上記負電圧側と同様に、ピエゾ素子３
３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの破損を防止するため
に、＋３０Ｖから＋１８０Ｖまでリニアに、且つ十分遅
い速度で変化するように印加させる（ステップＳ７）。
これにより、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４
ｃは、＋４０Ｖ付近で分極反転を起こすとともに、曲線
Ｌ１に沿って変位量が増加する。

【００４２】ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４
ｃが最大に変位すると、位置センサ３７がレンズエレメ
ントの位置、すなわちピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４
ａ〜３４ｃの伸長位置Ｐ１を計測する（ステップＳ８）
とともに制御装置３６へ出力する。制御装置３６は、こ
の位置を記憶する。

【００４３】この後、制御装置３６は、高電圧発生電源
３５に指令を出し、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ
〜３４ｃに０Ｖの電圧を印加させて、初期状態に変位さ
せる（ステップＳ９）。ここで、位置センサ３７がレン
ズエレメントの位置、すなわちピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃの縮小位置Ｐ２を計測する（ステッ
プＳ１０）とともに制御装置３６へ出力する。制御装置
３６は、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの
ストロークＳを次式で算出する。Ｓ＝｜Ｐ１−Ｐ２｜ …（１）

【００４４】制御装置３６は、式（１）で算出されたス
トロークＳが許容範囲内であるかどうかを確認し（ステ
ップＳ１１）、許容範囲外であれば上記ステップＳ２以
降を順次繰り返す。ストロークＳが許容範囲内であれ
ば、制御装置３６は、高電圧発生電源３５をユニポーラ
・モードに切り替え（ステップＳ１２）、出力電圧を０
Ｖ〜１８０Ｖの範囲に設定する。これにより、初期化工
程ＲＰが完了する。

【００４５】初期化工程ＲＰが完了すると、制御装置３
６は主制御系８から指定された初期目標値になるよう
に、高電圧発生電源３５を介してピエゾ素子３３ａ〜３
３ｃ、３４ａ〜３４ｃを駆動する（ステップ１３）。こ
のとき、制御装置３６は、位置センサ３７を用いた位置
サーボを行う。

【００４６】続いて、露光中にピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃを初期化する動作について説明す
る。なお、予め設定部３８に、位置センサ３７から出力
される検出信号に対する閾値を入力しておく。具体的に
は、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの縮小
側限界範囲に入ることを示す値として５μｍを入力して
おく。

【００４７】図５に示すように、露光シーケンス実施時
（ステップＳ２０）に制御装置３６は、主制御系８から
指定される目標値に向けてピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、
３４ａ〜３４ｃを駆動するが、位置センサ３７の検出結
果からピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの変
位量の縮小側限界値から５μｍ以内に、指定された目標
値が入った場合（ステップＳ２１）、主制御系８に対し
てストローク回復、すなわち、ピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃの初期化工程ＲＰの必要性を通知す
る。

【００４８】主制御系８は、制御装置３６からの要求を
受けた時点が、露光シーケンスに鑑み影響のない時点か
どうかを判断する（ステップＳ２２）。ここで、露光シ
ーケンスに影響がない時点とは、初期化工程ＲＰを実施
することで露光処理が中断することのない、例えばレチ
クルＲを交換する工程や、ウエハＷを交換する工程のこ
とである。

【００４９】主制御系８は、現時点が初期化工程ＲＰを
実施するタイミングでないと判断すると、露光シーケン
スを継続する指令を制御装置３６に出力する。一方、主
制御系８は、初期化工程ＲＰを実施可能と判断した場
合、制御装置３６に初期化工程ＲＰの実施を出力する。
制御装置３６は、主制御系８からの指令を受け取ると、
まず位置センサ３７を用いた位置サーボを停止する（ス
テップＳ２３）。次に、初期化工程ＲＰに移行し、上記
リセット時に行ったステップＳ２〜Ｓ１２を実行して
（ステップＲＰ）ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜
３４ｃのストロークＳを初期化する。

【００５０】制御装置３６は、ピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃのストロークＳが許容範囲内である
かどうかを確認すると、初期化が完了した信号を主制御
系８に出力する（ステップＳ２４）。主制御系８は初期
化完了信号を受信すると、現在の目標値を算出し、制御
装置３６へ出力する。これにより、制御装置３６には、
新たな目標値が設定される（ステップＳ２５）。

【００５１】そして、制御装置３６は、設定された目標
値になるように、高電圧発生電源３５を介してピエゾ素
子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃを駆動する（ステッ
プＳ２６）。なお、この時以降、位置センサ３７を用い
た位置サーボを再開する。主制御系８は、制御装置３６
が位置サーボを開始したことを知ると、露光シーケンス
に復帰する（ステップＳ２７）。以後、露光シーケンス
が完了（ステップＳ２８）するまで上記の動作を順次繰
り返す。

【００５２】本実施の形態の投影光学系およびその結像
特性調整方法並びに投影露光装置では、初期化工程ＲＰ
においてピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃが
曲線Ｌ１〜Ｌ４で示すヒステリシスループを描くように
高電圧発生電源３５によって正電圧および負電圧を印加
するので、変位に対するヒステリシス特性が正電圧およ
び負電圧に跨る、いわゆるバタフライ曲線を描く場合で
も当初のストロークを有するようにピエゾ素子３３ａ〜
３３ｃ、３４ａ〜３４ｃを初期化することができる。そ
のため、本実施の形態では、ストローク不足に起因して
露光処理が中断したり、メンテナンス時の調整時間が長
くなる等、生産効率の低下を未然に防ぐことができる。

【００５３】また、本実施の形態の投影光学系およびそ
の結像特性調整方法並びに投影露光装置では、露光中に
主制御系８が指示する目標値が、位置センサ３７の検出
結果からピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの
縮小側限界に対して設定された閾値を越えた場合に初期
化工程を実施しているので、ピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃが縮小側限界に到る前に確実にスト
ローク回復を実施することができ、露光処理を中断せざ
るを得ない事態を未然に防ぐことができる。

【００５４】また、この露光中の初期化工程も、閾値を
越えると即実施するのではなく、露光シーケンスに影響
を与えない時点になってから行うので、無用な露光処理
の中断を招かず、生産効率の低下を回避できる。しか
も、初期化工程を実施するかどうかの閾値を別途設定部
３８で設定するようにしているので、求められる露光精
度に応じて閾値の変更も容易に行うことが可能である。

【００５５】一方、本実施の形態の投影光学系およびそ
の結像特性調整方法並びに投影露光装置では、上記初期
化工程ＲＰ中でピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３
４ｃに分極反転が発生する際に、高電圧発生電源３５に
よる印加速度を低減させているので、急激な分極反転で
ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃが破損して
しまうことを防止できる。また、この印加速度の低減を
分極反転が発生する直前ではなく、余裕をみて手前から
行っているので、ピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜
３４ｃに分極反転が発生する電圧が個々にバラツキがあ
っても、このバラツキを吸収できる。

【００５６】なお、上記実施の形態において、リセット
時および露光中に初期化工程を実施したが、これに限ら
れず、ウエハＷのロット毎や、ウエハＷ内のショット毎
に初期化工程を設けてもよい。また、上記実施の形態に
おいて示した分極反転の電圧値等は一例を示したもので
あり、この例に限定されるものではない。また、圧電素
子としてピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃを
用いる構成としたが、これに限定されず他の圧電素子で
あってもよい。

【００５７】また、上記実施の形態において、ピエゾ素
子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃの縮小側限界範囲に
入る目標値を閾値として設定する構成としたが、これに
限られることなく、例えば、ピエゾ素子３３ａ〜３３
ｃ、３４ａ〜３４ｃのストローク許容値を閾値として設
定し、ストロークがこの閾値よりも小さくなったときに
初期化工程を実施するかどうか判断するような構成であ
ってもよい。

【００５８】一方、投影光学系ＰＬに配置されたレンズ
エレメント２６〜２８を二つの支持部材３０，３１を介
してピエゾ素子３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃによっ
て移動させる構成としたが、レンズエレメントの数は、
これ以下やこれ以上であってもよく、また支持部材も一
つや三つ以上配置される構成であってもよい。

【００５９】なお、基板としては、半導体デバイス用の
半導体ウエハＷのみならず、液晶表示デバイス用のガラ
ス基板、薄膜磁気ヘッド用のセラミックウエハ、あるい
は投影露光装置１で用いられるマスクまたはレチクルＲ
の原版（合成石英、シリコンウエハ）等が適用される。

【００６０】投影露光装置１としては、レチクルＲとウ
エハＷとを静止した状態でレチクルＲのパターンを露光
し、ウエハＷを順次ステップ移動させるステップ・アン
ド・リピート方式の投影露光装置（ステッパー）に限ら
ず、レチクルＲとウエハＷとを同期移動してレチクルＲ
のパターンをウエハＷに露光するステップ・アンド・ス
キャン方式の走査型投影露光装置（スキャニング・ステ
ッパー）にも適用することができる。

【００６１】投影露光装置１の種類としては、上記半導
体製造用のみならず、液晶表示デバイス製造用の投影露
光装置や、薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ）あるい
はレチクルＲなどを製造するための露光装置などにも広
く適用できる。

【００６２】また、照明光学系５の照明光源２として、
水銀ランプから発生する輝線（ｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ
線（３６５ｎｍ））、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎ
ｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ₂レー
ザ（１５７ｎｍ）のみならず、Ｘ線や電子線などの荷電
粒子線などを用いることができる。例えば、電子線を用
いる場合には、電子銃として熱電子放射型のランタンヘ
キサボライト（ＬａＢ ₆）、タンタル（Ｔａ）を用いる
ことができる。また、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等の
高周波などを用いてもよい。

【００６３】投影光学系ＰＬの倍率は、縮小系のみなら
ず、等倍系および拡大系のいずれでもよい。また、投影
光学系ＰＬとしては、エキシマレーザなどの遠紫外線を
用いる場合は硝材として石英や蛍石などの遠紫外線を透
過する材料を用い、Ｆ₂レーザを用いる場合は反射屈折
系または屈折系の光学系にし（レチクルＲも反射型タイ
プのものを用いる）、また電子銃を用いる場合には光学
系として電子レンズおよび偏向器からなる電子光学系を
用いればよい。なお、電子線が通過する光路は、真空状
態にすることはいうまでもない。

【００６４】Ｚステージ２０、ＸＹステージ２２を有す
るウエハステージやレチクルステージ１７にリニアモー
タを用いる場合は、エアベアリングを用いたエア浮上型
およびローレンツ力またはリアクタンス力を用いた磁気
浮上型のどちらを用いてもよい。また、各ステージ１
７，２０，２２は、ガイドに沿って移動するタイプでも
よく、ガイドを設けないガイドレスタイプであってもよ
い。

【００６５】基板ステージの移動により発生する反力
は、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がし
てもよい。レチクルステージ１７の移動により発生する
反力は、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃
がしてもよい。

【００６６】複数の光学素子から構成される照明光学系
５および投影光学系ＰＬをそれぞれ露光装置本体に組み
込んでその光学調整をするとともに、多数の機械部品か
らなるレチクルステージ１７やＺステージ２０、ＸＹス
テージ２２を露光装置本体に取り付けて配線や配管を接
続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をするこ
とにより本実施の形態の投影露光装置１を製造すること
ができる。なお、投影露光装置１の製造は、温度および
クリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが
望ましい。

【００６７】液晶表示素子や半導体デバイス等のデバイ
スは、各デバイスの機能・性能設計を行うステップ、こ
の設計ステップに基づいたレチクルＲを製作するステッ
プ、ガラス基板、ウエハＷ等を製作するステップ、前述
した実施の形態の投影露光装置１によりレチクルＲのパ
ターンをガラス基板、ウエハＷに露光するステップ、各
デバイスを組み立てるステップ、検査ステップ等を経て
製造される。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る投
影光学系は、電圧印加装置が圧電素子に正電圧および負
電圧を印加し、制御装置が圧電素子の変位に対するヒス
テリシス特性に基づいて電圧印加装置による印加電圧を
制御する構成となっている。これにより、この投影光学
系では、圧電素子の変位に対するヒステリシス特性が正
電圧および負電圧に跨る、いわゆるバタフライ曲線を描
く場合でも当初のストロークを有するように初期化する
ことができるため、ストローク不足に起因して露光処理
が中断したり、メンテナンス時の調整時間が長くなる
等、生産効率の低下を未然に防ぐことができるという効
果が得られる。

【００６９】請求項２に係る投影光学系は、圧電素子と
してピエゾ素子が用いられる構成となっている。これに
より、この投影光学系では、ピエゾ素子の変位に対する
ヒステリシス特性が正電圧および負電圧に跨る、いわゆ
るバタフライ曲線を描く場合でも当初のストロークを有
するように初期化することができるため、ストローク不
足に起因して露光処理が中断したり、メンテナンス時の
調整時間が長くなる等、生産効率の低下を未然に防ぐこ
とができるという効果が得られる。

【００７０】請求項３に係る投影光学系は、制御装置が
検出部からの検出信号に応じてヒステリシス特性に基づ
く印加電圧の制御を行う構成となっている。これによ
り、この投影光学系では、圧電素子がストローク不足を
起こす前に確実にストローク回復を実施することがで
き、露光処理を中断せざるを得ない事態を未然に防ぐこ
とができるという効果が得られる。

【００７１】請求項４に係る投影光学系は、設定部で設
定された閾値を検出信号が越えたときにヒステリシス特
性に基づく印加電圧の制御を行う構成となっている。こ
れにより、この投影光学系では、圧電素子がストローク
不足を起こす前に確実にストローク回復を実施すること
ができ、露光処理を中断せざるを得ない事態を未然に防
ぐことができるとともに、初期化工程を実施するかどう
かの閾値を別途設定部で設定することで、求められる露
光精度に応じて容易に閾値を変更できるという効果も得
られる。

【００７２】請求項５に係る投影光学系は、ヒステリシ
ス特性に基づいて圧電素子に印加されていた電圧と逆極
の電圧を印加することにより、圧電素子を初期状態にす
る構成となっている。これにより、この投影光学系で
は、圧電素子の変位に対するヒステリシス特性が正電圧
および負電圧に跨る、いわゆるバタフライ曲線を描く場
合でも当初のストロークを有するように初期化すること
ができるため、ストローク不足に起因して露光処理が中
断したり、メンテナンス時の調整時間が長くなる等、生
産効率の低下を未然に防ぐことができるという効果が得
られる。

【００７３】請求項６に係る投影光学系の結像特性調整
方法は、初期化工程において、圧電素子のヒステリシス
特性に基づいて圧電素子に印加されていた電圧と逆極の
電圧を印加して、圧電素子を初期状態に変位させる構成
となっている。これにより、この投影光学系の結像特性
調整方法では、圧電素子の変位に対するヒステリシス特
性が正電圧および負電圧に跨る、いわゆるバタフライ曲
線を描く場合でも、ストローク不足に起因して露光処理
が中断したり、メンテナンス時の調整時間が長くなる
等、生産効率の低下を未然に防ぐことができるという効
果が得られる。

【００７４】請求項７に係る投影光学系の結像特性調整
方法は、圧電素子の変位量の情報に基づいて初期化工程
に移行する構成となっている。これにより、この投影光
学系の結像特性調整方法では、圧電素子がストローク不
足を起こす前に確実にストローク回復を実施することが
でき、露光処理を中断せざるを得ない事態を未然に防ぐ
ことができるという効果が得られる。

【００７５】請求項８に係る投影光学系の結像特性調整
方法は、圧電素子に関する情報が所定の閾値を越えたと
きに初期化工程に移行する構成となっている。これによ
り、この投影光学系の結像特性調整方法では、圧電素子
がストローク不足を起こす前に確実にストローク回復を
実施することができ、露光処理を中断せざるを得ない事
態を未然に防ぐことができるとともに、初期化工程を実
施するかどうかの閾値を別途設定することで、求められ
る露光精度に応じて容易に閾値を変更できるという効果
も得られる。

【００７６】請求項９に係る投影光学系の結像特性調整
方法は、初期化工程で圧電素子に分極反転が発生する際
に、圧電素子に対する印加速度を低減させる構成となっ
ている。これにより、この投影光学系の結像特性調整方
法では、急激な分極反転で圧電素子が破損してしまうこ
とを防止できるという効果が得られる。

【００７７】請求項１０に係る投影露光装置は、請求項
１から５のいずれかに記載された投影光学系を介してマ
スクのパターン像を基板に投影する構成となっている。
これにより、この投影露光装置では、圧電素子のストロ
ーク不足に起因して露光処理が中断したり、メンテナン
ス時の調整時間が長くなる等、生産効率の低下を未然に
防ぐことができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す図であって、投影
露光装置の概略構成図である。

【図２】本発明の投影露光装置を構成する投影光学系
を上方から見た平面図である。

【図３】本発明の投影露光装置を構成するピエゾ素子
のヒステリシス特性図である。

【図４】本発明の実施の形態を示す図であって、リセ
ット時にピエゾ素子を初期化する動作の流れを示すフロ
ーチャート図である。

【図５】本発明の実施の形態を示す図であって、露光
中にピエゾ素子を初期化する動作の流れを示すフローチ
ャート図である。

【符号の説明】

ＰＬ投影光学系ＲＰ初期化工程Ｒレチクル（マスク）Ｗウエハ（基板）１投影露光装置２６〜２９レンズエレメント（光学素子）３３ａ〜３３ｃ、３４ａ〜３４ｃピエゾ素子（圧電素
子）３５高電圧発生電源（電圧印加装置）３６制御装置３７位置センサ（検出部）３８設定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光学素子間に配置され、印加され
た電圧に基づき変位して前記光学素子間の距離を増減す
る圧電素子と、該圧電素子に正電圧および負電圧を印加する電圧印加装
置と、前記圧電素子の変位に対するヒステリシス特性に基づい
て前記電圧印加装置による印加電圧を制御する制御装置
とを備えることを特徴とする投影光学系。
【請求項２】請求項１記載の投影光学系において、前記圧電素子には、ピエゾ素子が用いられることを特徴
とする投影光学系。
【請求項３】請求項１または２記載の投影光学系にお
いて、前記制御装置は、前記圧電素子の変位量に関する情報を
検出する検出部を備え、該検出部からの検出信号に応じ
て前記ヒステリシス特性に基づく前記印加電圧の制御を
行うことを特徴とする投影光学系。
【請求項４】請求項３記載の投影光学系において、前記制御装置は、前記検出部からの検出信号に対して閾
値を設定する設定部を備え、前記検出信号が前記閾値を
越えたときに前記ヒステリシス特性に基づく前記印加電
圧の制御を行うことを特徴とする投影光学系。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載の投影
光学系において、前記制御装置は、前記ヒステリシス特性に基づいて前記
圧電素子に印加されていた電圧と逆極の電圧を印加する
ことにより、前記圧電素子を初期状態にすることを特徴
とする投影光学系。
【請求項６】複数の光学素子間に、印加された電圧に
基づき変位して前記光学素子間の距離を増減する圧電素
子を配置した投影光学系を対象として、前記電圧を操作
することで前記光学素子の結像特性を調整する投影光学
系の結像特性調整方法において、前記圧電素子の変位に対するヒステリシス特性に基づい
て前記圧電素子に印加されていた電圧と逆極の電圧を印
加して、前記圧電素子を初期状態に変位させる初期化工
程を有することを特徴とする投影光学系の結像特性調整
方法。
【請求項７】請求項６記載の投影光学系の結像特性調
整方法において、前記圧電素子の変位量に関する情報に基づいて、前記初
期化工程に移行することを特徴とする投影光学系の結像
特性調整方法。
【請求項８】請求項７記載の投影光学系の結像特性調
整方法において、前記圧電素子の変位量に関する情報が所定の閾値を越え
たとき、前記初期化工程に移行することを特徴とする投
影光学系の結像特性調整方法。
【請求項９】請求項６から８のいずれかに記載の投影
光学系の結像特性調整方法において、前記初期化工程で前記圧電素子に分極反転が発生する際
に、該圧電素子に対する印加速度を低減させることを特
徴とする投影光学系の結像特性調整方法。
【請求項１０】マスクのパターン像を投影光学系を介
して基板に投影する投影露光装置において、前記投影光学系として請求項１から５のいずれかに記載
された投影光学系が設置されることを特徴とする投影露
光装置。