JP2001358072A - 投影露光装置、露光方法、半導体の製造方法及び投影光学系の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 投影光学系内に残存する投影光学系の光軸に
対して回転非対称な光学特性を調整可能としながら、耐
久性、再現性に優れた高性能な投影露光装置を提供する
ことである。 【解決手段】 第１物体３５を照明する照明光学系と、
照明光学系によって照明された第１物体の像を第２物体
３８に投影する投影光学系３６とを有する投影露光装置
において、第１物体と第２物体との間に、投影光学系に
て残存する回転非対称な非点収差成分を補正する第１光
学手段（１Ｂ、２Ｂ）と、投影光学系にて残存する回転
非対称な倍率誤差成分を補正する第２光学手段（１Ａ、
２Ａ）とを有し、第１光学手段は、回転非対称な倍率誤
差成分にあまり影響を及ぼさずに回転非対称な非点収差
成分を補正し、第２光学手段は、回転非対称な非点収差
成分にあまり影響を及ぼさずに回転非対称な倍率誤差成
分を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、第１物体に光を照
明し、照明された第１物体のパターンを第２物体として
の基板等に縮小投影するための投影露光装置に関するも
のであり、特に、第１物体としてのレチクル（マスク）
上に形成された回路パターンを第２物体としての基板
（ウェハ）上に投影露光するのに好適な投影露光装置に
関するものである。また、本発明は、この投影露光装置
を用いた露光方法及び半導体の製造方法に関するもので
ある。更に本発明はレクチルのパターン像を基板に投影
する投影光学系の調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年においては、集積回路のパターンが
微細になるに従って、ウェハの焼き付けに用いられる投
影露光装置に対して要求される性能もますます厳しくな
ってきている。この様な状況の中で投影光学系について
は高い解像力、像面の平坦性、少ないディストーション
（以下、歪曲収差と称する。）等が要求されている。そ
れらのために、露光波長λを短くする他に、投影光学系
の開口数ＮＡを大きくしたり、像面湾曲を小さくし、歪
曲収差を軽減する事が行われてきた。この様な例として
は、特開平４−１５７４１２号、特開平５−１７３０６
５号等のものがある。

【０００３】また、倍率誤差だけを調整する方法とし
て、特開昭５９−１４４１２７号、特開昭６２−３５６
２０号がある。前者では、非常に薄く像性能に影響を与
えない膜、例えばペリクルを湾曲させて光路中に配置す
ることが提案されており、後者では回転対称な平凸レン
ズ、あるいは回転対称な平凸レンズと平凹レンズの組
を、光軸方向に動かしてウエハ面での全体の倍率を等方
的に調整することが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−１５７４１２号及び特開平５−１７３０６５号の各
特許公報にて提案されている高性能な投影光学系は、レ
ンズの構成枚数が１５〜２４枚で、特に、開口数ＮＡが
０．４以上の高解像の投影光学系になると、構成枚数が
２０枚以上と非常に多くなっている。このように、要求
性能が厳しくなってくるにしたがって、ますます投影光
学系は構成枚数も増えて非常に複雑な構成になってきて
いる。そのため、これらの投影光学系を実際に製造し、
投影露光装置に搭載して、像面湾曲、非点収差、歪曲収
差等の収差を設計値どおりにおさえ、高性能を発揮させ
るには、個々のレンズ部品の精度や組立の精度を非常に
厳しくおさえる必要があり、そのため歩留まりが悪かっ
たり、製造する日程が非常にかかったり、あるいは、十
分な性能が発揮できない等の問題があった。

【０００５】また、特開昭５９−１４４１２７号にて提
案されている倍率誤差の補正方法では、光学系の結像性
能に影響を与えないような極めて薄い膜等を湾曲させて
そのプリズム作用によって倍率誤差を補正しているもの
の、投影光学系内に残存する方向性のある非対称な倍率
誤差成分の補正量や補正方向に対する微調整はできな
い。しかも、薄い膜を用いているために、ミラープロジ
ェクション方式のように露光領域が細長い場合には、金
枠等に貼って２次元的に保持可能であるが、露光領域が
長方形や正方形の場合には、そのような薄い膜を３次元
的に保持し、良い再現性を発揮させるのは非常に困難で
ある。また、形状を保持するために薄い膜の代わりにガ
ラス等を使用するとしても、結像性能に影響を与えない
ように薄くかつ均一にそれらを作成するのはやはり困難
であり、さらに、それらの膜等を実際に使用したときの
露光光の熱吸収等による破損事故を含めての膜等の耐久
性、露光光の熱吸収や環境変化に伴う光学性能の変化に
対して非常に問題がある。

【０００６】また、特開昭６２−３５６２０号では回転
対称なレンズを使用して倍率誤差を調整することが提案
されているが、回転対称なレンズを光軸方向に動すだけ
では、ウエハ面での全体の倍率だけを等方的しか調整で
きず、投影光学系内に残存する方向性のある非対称な倍
率誤差成分は調整できない。

【０００７】さらに、特開昭５９−１４４１２７号及び
特開昭６２−３５６２０号にて提案されている倍率誤差
の補正方法では、倍率誤差のみが基本的に補正可能であ
り、軸外収差としての非点収差等に対する補正は出来
ず、さらには、投影光学系内にて回転非対称で局所的に
ランダムに残存する倍率誤差成分や歪曲収差成分に対す
る対応も困難であった。

【０００８】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
ものであり、個々の部品の精度や組立の精度を非常に厳
しく抑えることなしに、投影光学系内に残存する投影光
学系の光軸に対して回転非対称な光学特性、例えば回転
非対称な軸外収差成分（非点収差、像面湾曲等）、回転
非対称な倍率誤差成分等を調整可能としながら、耐久
性、再現性に優れた高性能な投影露光装置を提供するこ
とを主たる目的としている。また、この投影露光装置を
用いた露光方法及び半導体の製造方法を提供することを
目的としている。また、投影露光装置に用いられる投影
光学系の調整方法を提供することを目的としている。さ
らには、投影光学系内にて回転非対称で局所的にランダ
ムに残存する回転非対称な歪曲収差等の補正に対しても
十分に対応し得ることを副次的な目的としている。

【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、第１の発明の投影露光装置は、第１物体を照明す
る照明光学系と、該照明光学系によって照明された前記
第１物体の像を第２物体に投影する投影光学系とを有す
る投影露光装置において、前記第１物体と前記第２物体
との間に前記投影光学系にて残存する回転非対称な非点
収差成分を補正する第１光学手段と、前記第１物体と前
記第２物体との間に前記投影光学系にて残存する回転非
対称な倍率誤差成分を補正する第２光学手段とを有し、
前記第１光学手段は、前記回転非対称な倍率誤差成分に
あまり影響を及ぼさずに前記回転非対称な非点収差成分
を補正し、前記第２光学手段は、前記回転非対称な非点
収差成分にあまり影響を及ぼさずに回転非対称な倍率誤
差成分を補正することを特徴とする。

【００１０】また、第２の発明の露光方法は、第１の発
明の投影露光装置を用いた露光方法において、前記照明
光学系を用いて前記第１物体としてのレチクルを照明す
る工程と、前記投影光学系を用いて前記レチクルのパタ
ーン像を前記第２物体としての基板に投影する工程とを
含むことを特徴とする。

【００１１】また、第３の発明の半導体の製造方法は、
第１の発明の投影露光装置を用いた半導体の製造方法に
おいて、前記照明光学系を用いて前記第１物体としての
レチクルを照明する工程と、前記投影光学系を用いて前
記レチクルのパターン像を前記第２物体としてのウエハ
に投影する工程とを含むことを特徴とする。

【００１２】また、第４の発明の投影光学系の調整方法
は、レチクルのパターン像を基板に投影する投影光学系
の調整方法において、前記レチクルと前記基板との間に
おいて前記投影光学系にて残存する回転非対称な非点収
差成分を補正する第１工程と、前記レチクルと前記基板
との間において前記投影光学系にて残存する回転非対称
な倍率誤差成分を補正する第２工程とを有し、前記第１
工程は、前記回転非対称な倍率誤差成分にあまり影響を
及ぼさずに前記回転非対称な非点収差成分を補正し、前
記第２工程は、前記回転非対称な非点収差成分にあまり
影響を及ぼさずに回転非対称な倍率誤差成分を補正する
ことを特徴とする。

【００１３】また、第５の発明の投影露光装置は、第４
の発明の投影光学系の調整方法によって調整された投影
光学系と、前記レチクルを照明する照明光学系とを有す
ることを特徴とする。

【００１４】また、第６の発明の露光方法は、第５の発
明の投影露光装置を用いた露光方法において、前記照明
光学系を用いて前記レチクルを照明する工程と、前記投
影光学系を用いて前記レチクルのパターン像を前記基板
に投影する工程とを含むことを特徴とする。

【００１５】また、第７の発明の半導体の製造方法は、
第５の発明の投影露光装置を用いた半導体の製造方法に
おいて、前記照明光学系を用いて前記レチクルを照明す
る工程と、前記投影光学系を用いて前記レチクルのパタ
ーン像を前記基板に投影する工程とを含むことを特徴と
する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１に示すように、直交した方向
で異なるパワーを持つトーリックレンズの１種である負
の屈折力を持つ円柱レンズ１のメリジオナル方向（ｙ
ｙ'平面方向）の焦点距離をｆ１、円柱レンズ１から第
１物体としてのレチクル面４（ｘｙ平面）までの距離を
ｄ１１、レチクル面４の中心位置（レチクル面と光軸Ａ
ｘとが交わる位置）を物点とする時に円柱レンズ１によ
って物点（レチクル面４）と円柱レンズ１との間に形成
される像点（虚像）位置をｄ１２としたとき、この円柱
レンズ１によるｙ軸よりθ回転したＹ方向（光軸Ａｘと
Ｙ軸とを含む平面方向）の結像倍率β１及び円柱レンズ
１から像点位置までの距離ｄ１２（以下、単に結像位置
と称する。）は以下に示す如くなる。なお、図１では不
図示であるが円柱レンズに対してレチクル面４の反対側
には、レチクルのパターンをウエハに投影するための投
影光学系が配置されており、後述する図２〜図４に関し
ても同様である。

【００１７】 β１＝ｆ１／（ｄ１１・ｃｏｓ² θ＋ｆ１） （１） ｄ１２＝ｄ１１・ｆ１／（ｄ１１・ｃｏｓ² θ＋ｆ１） （２） 同様に、Ｙ方向と直交するＸ方向（光軸ＡｘとＸ軸とを
含む平面方向）の結像倍率β１'と結像倍率ｄ１２'は以
下に示す如くなる。

【００１８】 β１'＝ｆ１／（ｄ１１・ｓｉｎ² θ＋ｆ１） （３） ｄ１２'＝ｄ１１・ｆ１／（ｄ１１・ｓｉｎ² θ＋ｆ１） （４） 従って、非点収差量ＡＳ１は ＡＳ１＝ｄ１２−ｄ１２' （５） で与えられる。

【００１９】よって、円柱レンズ１を移動させれば、
（１）式〜（４）式中のｄ１１が変化するため、（５）
式より非点収差量が変化するとともに、（１）式及び
（３）式の倍率が変化することが理解できる。

【００２０】一方、円柱レンズ１を回転させれば、
（１）式〜（４）式中のθが変化するため、（５）式よ
り非点収差量が変化するとともに、（１）式及び（３）
式の倍率が変化することが理解できる。

【００２１】また、図２に示すように、トーリックレン
ズの１種である正の屈折力を持つ円柱レンズ２のメリジ
オナル方向（ｙｙ'平面方向）の焦点距離をｆ２，円柱
レンズ２から第１物体としてのレチクル面４（ｘｙ平
面）までの距離をｄ２１、レチクル面４の中心位置（レ
チクル面と光軸Ａｘとが交わる位置）を物点とする時に
円柱レンズ２によって形成される像点位置をｄ２２とし
たとき、この円柱レンズ２によるｙ軸よりθ回転したＹ
方向（光軸ＡｘとＹ軸とを含む平面方向）の結像倍率β
２及び円柱レンズ２から像点位置ｄ２２までの距離（以
下、単に結像位置と称する。）は以下に示す如くなる。

【００２２】 β２＝ｆ２／（ｄ２１・ｃｏｓ² θ＋ｆ２） （６） ｄ２２＝ｄ２１・ｆ２／（ｄ２１・ｃｏｓ² θ＋ｆ２） （７） 同様に、Ｙ方向と直交するＸ方向（光軸ＡｘとＸ軸とを
含む平面方向）の結像倍率β２'と結像倍率ｄ２２'は以
下に示す如くなる。

【００２３】 β２'＝ｆ２／（ｄ２１・ｓｉｎ² θ＋ｆ２） （８） ｄ２２'＝ｄ２１・ｆ２／（ｄ２１・ｓｉｎ² θ＋ｆ２） （９） よって、非点収差量ＡＳ２は ＡＳ２＝ｄ２２−ｄ２２' （１０） で与えられる。

【００２４】よって、円柱レンズ２を移動させれば、
（６）式〜（１０）式中のｄ２１が変化するため、（１
０）式より非点収差量が変化するとともに、（６）式及
び（８）式の倍率が変化することが理解できる。

【００２５】一方、円柱レンズ２を回転させれば、
（６）式〜（９）式中のθが変化するため、（１０）式
より非点収差量が変化するとともに、（６）式及び
（８）式の倍率が変化することが理解できる。

【００２６】さて、上記（５）式及び（１０）式にて示
したＡＳ１、ＡＳ２は、それぞれの円柱レンズ（１，
２）によって補正できる非点収差量になる。

【００２７】そのときの最良像面はそれぞれ、 （ｄ１２＋ｄ１２'）／２ （１１） （ｄ２２＋ｄ２２'）／２ （１２） で与えられ、その最良像面は、ｄ１１、ｄ２１、θによ
って変化するため、よって、像面湾曲の量も変化するこ
とが分かる。

【００２８】以上の如く、結像倍率、非点収差、像面湾
曲に対する量並びに方向を調整するためには、円柱レン
ズ等のトーリックレンズを光軸方向に移動させるか、あ
るいは円柱レンズ等のトーリックレンズ自体を回転させ
れば良いことが理解される。なお、上記の調整手法以外
にトーリックレンズ自体の焦点距離を変ても良い。

【００２９】さて、図２に示した円柱レンズ２を用いる
場合において最大の非点収差の補正量を見積もるために
θ＝０とすると、そのときの最大の非点収差は以下の如
くなる。

【００３０】 ＡＳ２_max ＝−（ｄ２１）² ／（ｄ２１＋ｆ２） （１３） 今、第１物体としてのレチクルから第２物体としてのウ
エハまでの距離をＬとしたとき、１０ミクロン以下の線
幅を焼き付ける投影露光装置に関し、試し焼付けを行っ
て検討を重ねていった結果、補正すべき最大の非点収差
量ＡＳ２_max は、１０^-5Ｌ以下とすることが良い事が判
明した。

【００３１】従って、ｄ２１≦１０^-2Ｌとすると、（１
３）式より、 ｜ｆ２｜≧１０Ｌ （１４） となり、正の円柱レンズ２の焦点距離は上記（１４）式
の範囲を満足することが望ましい。

【００３２】なお、図１及び図２に示した如き２つ以上
の円柱レンズ等のトーリックレンズを組み合わせる場合
や、他の光学素子と組み合わせる場合には、レチクル４
の物点が、第１のトーリックレンズや他の光学素子によ
ってできた、着目している方向での結像位置を新たな物
点として、この新たな物点から次のトーリックレンズや
他の光学素子までの距離を求め直して、その距離をｄ１
１やｄ２１にしてやれば良い。

【００３３】ところで、図１にて示した負の円柱レンズ
１と図２にて示した正の円柱レンズ２とを光軸方向に沿
って直列的に配置した場合について検討する。

【００３４】今、２つの円柱レンズ（１，２）の母線方
向が互いに一致するとともに、２つの円柱レンズの結像
倍率の積が１、即ち｜β１・β２｜＝１である場合、各
方向での２つの円柱レンズ（１，２）の合成のパワーは
ほぼ零となり、倍率及び軸外収差（非点収差、像面湾曲
等）等の光学特性は何ら変化しない。

【００３５】一方、２つの円柱レンズ（１，２）の母線
方向が互いに直交した場合には、最大の倍率並びに最大
の軸外収差を発生させることができる。

【００３６】従って、２つの円柱レンズ（１，２）とを
相対的に回転させれば、投影光学系内に残存する方向性
のある非対称な倍率誤差成分及び軸外収差成分の補正量
や補正方向に対する調整が実現できることが分かる。

【００３７】なお、図１に示した負の円柱レンズ１を光
軸方向に沿って２つ直列的に配置した場合、あるいは図
２に示した正の円柱レンズ２を光軸方向に沿って２つ直
列的に配置した場合には、それぞれの円柱レンズの母線
方向が互いに一致すると、最大の倍率並びに最大の軸外
収差を発生させることができ、また、それぞれの円柱レ
ンズの母線方向が互いに直交すると、ほぼ１枚の回転対
称な球面レンズと同じレンズ作用を持たせることができ
る。

【００３８】このように、トーリックレンズの１種であ
る円柱レンズを少なくとも２枚用いて、少なくとも一方
の円柱レンズを回転可能にしてやる事により、倍率及び
軸外収差（非点収差、像面湾曲等）等の光学特性の量と
方向を任意に調整する事が出来る。

【００３９】以上においては、非点収差及び像面湾曲に
関する調整について主に述べてきたが、次に、図１にて
示した負の円柱レンズ１または図２に示した正の円柱レ
ンズ２を光軸Ａｘを中心に回転させた時の倍率誤差の調
整に関して図３〜図７を参照しながら詳述する。

【００４０】図３は図１に示した負の円柱レンズ１に対
し光軸Ａｘを中心とした半径Ｒの平行光束を入射させた
時の様子を示している。ここで、図３において、光軸Ａ
ｘを中心とした半径Ｒの平行光束がレチクル面４（ｘｙ
平面）を通過した時の軌跡を円１３として示し、光軸Ａ
ｘを中心とした半径Ｒの平行光束が円柱レンズ１によっ
て発散作用を受けた光束が仮想平面（ｘ'ｙ'平面）を通
過するときの軌跡を楕円１１として示している。また、
図５は、図３に示した仮想平面（ｘ'ｙ'平面）上での光
束径の様子を示している。

【００４１】一方、図４は図２に示した正の円柱レンズ
２に対し光軸Ａｘを中心とした半径Ｒの平行光束を入射
させた時の様子を示している。ここで、図４において、
光軸Ａｘを中心とした半径Ｒの平行光束がレチクル面４
（ｘｙ平面）を通過した時の軌跡を円１３として示し、
光軸Ａｘを中心とした半径Ｒの平行光束が円柱レンズ２
によって収斂作用を受けた光束が仮想平面（ｘ'ｙ'平
面）を通過するときの軌跡を楕円１２として示してい
る。また、図６は、図４に示した仮想平面（ｘ'ｙ'平
面）上での光束径の様子を示している。

【００４２】なお、図３中の楕円１１及び図４中の楕円
１２は、円柱レンズ（１，２）を光軸中心に回転させれ
ば、それに伴って回転する。

【００４３】図７に示すように、負の円柱レンズ１によ
る仮想平面（ｘ'ｙ'平面）上のメリジオナル方向である
ｙ'方向（光軸Ａｘとｙ'軸とを含む平面方向）の光束径
の変化量をΔＲ１としたとき、負の円柱レンズ１より仮
想平面（ｘ'ｙ'平面）までの距離をｅ１とすると以下の
関係が成立する。

【００４４】 ΔＲ１＝−Ｒ・ｅ１／ｆ１ （１５） 同様に、図８に示すように、正の円柱レンズ２による仮
想平面（ｘ'ｙ'平面）上のメリジオナル方向であるｙ'
方向（光軸Ａｘとｙ'軸とを含む平面方向）の光束径の
変化量をΔＲ２としたとき、正の円柱レンズ２より仮想
平面（ｘ'ｙ'平面）までの距離をｅ２とすると以下の関
係が成立する。

【００４５】 ΔＲ２＝−Ｒ・ｅ２／ｆ２ （１６） よって、図５及び図６に示される如く、仮想平面（ｘ'
ｙ'平面）上での実線で示すｙ'方向の径（図５では長径
の半分、図６では短径の半分）は、それぞれ ｙ'＝Ｒ（１−ｅ１／ｆ１） （１７） ｙ'＝Ｒ（１−ｅ２／ｆ２） （１８） となり、円の式、すなわち ｙ＝±〔Ｒ² ＋（ｘ'）² 〕^0.5 （１９） を代入して、ｘ' ｙ'座標をｘｙ座標に変換すると、図
５及び図６の実線で示す楕円１１、楕円１２は、それぞ
れ以下の如く表現できる。

【００４６】 ｘ² ／Ｒ² ＋ｙ² ／〔（１−ｅ１／ｆ１）・Ｒ〕² ＝１ （２０） ｘ² ／Ｒ² ＋ｙ² ／〔（１−ｅ２／ｆ２）・Ｒ〕² ＝１ （２１） となる。

【００４７】このように、投影光学系内部に例えば図６
に示す如き非対称な倍率誤差を有している場合には、図
５の如き光学特性を有する図３の円柱レンズ１を回転さ
せる事によって、図６に示す如き光束径は楕円から円に
わたり任意に変化させることができるため、非対称な倍
率誤差を調整することができる。逆に、投影光学系内部
に例えば図５に示す如き非対称な倍率誤差を有している
場合には、図６の如き光学特性を有する図４の円柱レン
ズ２を回転させる事によって、図５に示す如き光束径は
楕円から円にわたり任意に変化させることができるた
め、非対称な倍率誤差を調整することができる。

【００４８】ここで、図１に示す如き負の円柱レンズ１
を用いる場合、第１物体としてのレチクルから第２物体
としてのウエハまでの距離をＬとしたとき、１０ミクロ
ン以下の線幅を焼き付ける投影露光装置に関し、試し焼
付けを行って検討を重ねていった結果、最大の倍率誤差
の補正量は、１０^-4（＝100ppm) 以下とすることが良い
事が判明した。

【００４９】また、円柱レンズ１の焦点距離ｆ１と円柱
レンズ１の倍率β１との関係を示す上記（１）式を変形
すると、次式が得られる。

【００５０】 ｆ１＝（−ｄ１１・β１）／（β１−１） （２３） 従って、上記最大の倍率誤差の補正量１０^-4（＝100pp
m) をβ１に換算すると、β１＝ 0.9999 （又は1.000
1）となり、ｄ１１≦１０^-2Ｌとすると、（２３）式よ
り、 ｜ｆ２｜≧１０² Ｌ （２４） となり、正の円柱レンズ２の焦点距離は上記（２４）式
の範囲を満足することが望ましい。

【００５１】なお、以上では、１つのトーリックレンズ
（円柱レンズ）を光軸方向を中心として回転させて倍率
誤差を補正する例を述べたが、１つのトーリックレンズ
（円柱レンズ）を光軸方向に移動させて、倍率誤差を補
正できることは、上記（１）、（３）式、（６）及び
（８）式から明らかである。この場合には、上記（２
４）式を満足することがより好ましい。

【００５２】ところで、以上においては、１つのトーリ
ックレンズ（円柱レンズ）を用いて倍率誤差を補正でき
る事について述べたが、トーリックレンズの１種である
円柱レンズを少なくとも２枚用いて、少なくとも一方の
円柱レンズを回転可能にしてやる事により、倍率誤差等
の光学特性の量と方向を任意に調整する事が出来る。

【００５３】このため、図１に示した負の円柱レンズ１
と図２に示した正の円柱レンズ２とを投影光学系の光軸
方向に沿って直列的に配置し、これらを相対的に回転さ
せても良い。この場合、負の円柱レンズ１は図５に示す
如き光学特性を有し、正の円柱レンズ１は図６に示す如
き光学特性を有していたため、これらの円柱レンズ
（１，２）によって形成される光束径は、図５及び図６
に示す光束径の合成となり、これらを相対的に回転させ
れば、光束径は楕円から円にわたり任意に変化させるこ
とができ、非対称な倍率誤差を補正できることが理解で
きる。

【００５４】さらに、投影光学系内部に例えば図５又は
図６に示す如き非対称な倍率誤差を有している場合に
は、少なくとも２つ以上の円柱レンズを光軸方向に沿っ
て直列的に配置し、それらの円柱レンズの内の少なくと
も１つを回転可能に設ければ、図５または図６に示す如
き光束径は楕円から円にわたり任意に変化させることが
できるため、非対称な倍率誤差を調整することができ
る。

【００５５】なお、２つ以上のトーリックレンズ（円柱
レンズ）を組み合わせる場合や、他の光学素子と組み合
わせる場合には、着目している光束が、第１のトーリッ
クレンズ（円柱レンズ）や他の光学素子を通過して出来
る光束を新たな光束として、次のトーリックレンズ（円
柱レンズ）等に入射してきたとして追跡を行ってやれば
良い。

【００５６】２つのトーリックレンズ（円柱レンズ）の
組み合わせで、図１のような負の円柱レンズ１と図２の
ような正の円柱レンズを近接して設置した場合、それぞ
れのレンズの母線方向が一致したときには、各方向のト
ータルなレンズパワーはほぼ０となり、光束形状は変わ
らないが、それぞれのレンズの母線方向が直交した場合
には、最大の形状変化となる。

【００５７】また、図１に示した負の円柱レンズ１を光
軸方向に沿って２つ直列的に配置した場合、あるいは図
２に示した正の円柱レンズ２を光軸方向に沿って２つ直
列的に配置した場合には、それぞれの円柱レンズの母線
方向が互いに一致すると、最大の倍率並びに最大の軸外
収差を発生させることができ、また、それぞれの円柱レ
ンズの母線方向が互いに直交すると、ほぼ１枚の回転対
称な球面レンズと同じレンズ作用を持たせることができ
る。

【００５８】このように、トーリックレンズの１種であ
る円柱レンズを少なくとも２枚用いて、少なくとも一方
の円柱レンズを回転可能にしてやる事により、倍率及び
軸外収差（非点収差、像面湾曲等）等の光学特性の量と
方向を任意に調整する事が出来る。

【００５９】なお、上述した（１４）式並びに（２４）
式を一般的な形で表現すれば、非点収差の補正に有効に
作用させ得る円柱レンズの焦点距離をｆA 、倍率誤差の
補正に有効に作用させ得る円柱レンズの焦点距離をｆD
とすると、 ｜ｆA ｜≧１０Ｌ （２５） ｜ｆD ｜≧１０² Ｌ （２６） となり、非点収差の有効に補正するには上記（２５）式
を満足することが望ましく、また倍率誤差の有効に補正
するには上記（２６）式を満足することが望ましい。但
し、この場合の円柱レンズの焦点距離（ｆA ，ｆD ）
は、単一の円柱レンズに限らず、複数の円柱レンズ等の
トーリックレンズやトーリック型の反射部材を組み合わ
せた場合にも適用できる。すなわち、この円柱レンズの
焦点距離（ｆA ，ｆD ）は複数のトーリック型光学部材
を組み合わせた場合での複数の円柱レンズの合成焦点距
離となる。

【００６０】（２５）式または（２６）式の関係から外
れると、トーリックの成分が強すぎて、それぞれ他の収
差への影響が出て問題となる。例えば、非点収差の補正
では、像面湾曲、倍率誤差が悪くなったり、倍率誤差の
補正ではテレセン性、非点収差が悪くなったりする。こ
のため、上記範囲内であれば、有効に非対称収差の補正
が行うことが出来る。

【００６１】ところで、上記（２５）式、（２６）式で
はトーリック型光学部材の最適な焦点距離の範囲を示し
たが、次に別の観点よりトーリック型光学部材の最適な
焦点距離の範囲について検討する。

【００６２】まず、図９には、投影光学系が開口絞りＳ
を挟んでレチクル４側を前群ＧF 、ウエハ５側を後群Ｇ
R を持つ構成を示しており、ここでは、前群ＧF はｆ_GF
の焦点距離を有し、後群ＧR はｆ_GRの焦点距離を有して
おり、投影光学系はレチクル側並びにウエハ５側でテレ
セントリックである。

【００６３】図１０は図９に示した投影光学系の前群Ｇ
F とレチクル４との間にトーリック型光学部材としての
正のパワーを持つ円柱レンズを配置した時の様子を示し
ており、この円柱レンズ２のパワーは図１０の紙面方向
（メリジオナル方向）である。

【００６４】ここで、図１０に示す如く、円柱レンズ２
の焦点距離をｆ２とし、円柱レンズ２と前群ＧF との間
の距離（双方の光学系の主点間隔の距離）をＤ₁ とする
と、円柱レンズ２と前群ＧF との合成焦点距離Ｆ₁ は、
以下の関係が成立する。

【００６５】 Ｆ₁ ＝（ｆ２・ｆ_GF）／（ｆ２＋ｆ_GF−Ｄ₁ ） （２７） また、投影光学系（ＧF ，ＧR ）の結像倍率Ｂ₁ とし、
円柱レンズ２と投影光学系（ＧF ，ＧR ）との合成系で
の結像倍率Ｂ₁'とすると、以下の関係が成立する。

【００６６】 B₁ ＝−ｆ_GR／ｆ_GF （２８） Ｂ₁'＝−ｆ_GR／Ｆ₁ ＝Ｂ₁ 〔１＋（ｆ_GF−Ｄ₁ ）／ｆ２〕 （２９） 従って、投影光学系のサジタル方向とメリジオナル方向
での倍率差ΔＢ₁ は、以下の如くなる。

【００６７】 ΔＢ₁ ＝Ｂ₁'−Ｂ₁ ＝Ｂ₁ （ｆ_GF−Ｄ₁ ）／ｆ２ （３０） 一方、円柱レンズ２と前群ＧF との合成系によるレチク
ル側の主点をＨ₁ 、円柱レンズ２と前群ＧF との合成系
によるレチクル側での焦点位置をＰ₁ 、その焦点位置Ｐ
₁ とレチクル４までの距離をΔｓ₁ 、円柱レンズ２と投
影光学系（ＧF，ＧR ）との合成系によるレチクル４の
結像位置Ｑ₁ からウエハ５までの距離をΔｓ₁'とする
と、以下の関係が成立する。

【００６８】 Δｓ₁ ＝（ｆ_GF−Ｄ₁ ）² ／（ｆ２＋ｆ_GF−Ｄ₁ ） （３１） Δｓ₁'＝（Ｂ₁'）² ・Δｓ₁ （３２） ここで、Δｓ₁'は投影光学系のサジタル方向とメリジオ
ナル方向での結像位置の差、すなわち非点収差量（非点
隔差）を意味する。

【００６９】また、投影光学系のレチクル側の開口数を
ＮＡ_R 、露光光の波長をλとすると、投影光学系のレチ
クル側での焦点深度ＤＯＦ_R は以下の如くなる。

【００７０】 ＤＯＦ_R ＝λ／（ＮＡ_R ） ² （３３） そこで、非点収差量を投影光学系のレチクル側での焦点
深度以内に抑えるためには、上式（３１）式及び（３
３）式より、次式が導出される。

【００７１】 ｆ２≧−（ｆ_GF−Ｄ₁ ）＋〔（ＮＡ_R )²（ｆ_GF−Ｄ₁ ）² 〕／λ （３４ ） 従って、（３４）式を満足するように円柱レンズ２を構
成することが好ましく、これにより、非点収差量を焦点
深度以内に抑えることが可能となる。

【００７２】この（３４）式を一般的に表現すれば、ト
ーリック型光学部材の直交した方向でのパワー差をΔｆ
とすると、以下の如くなる。 Δｆ≧｜−（ｆ_GF−Ｄ₁ ）＋〔（ＮＡ_R )²（ｆ_GF−Ｄ₁ ）² 〕／λ｜ （３５ ） この様に、トーリック型光学部材を用いた場合、この部
材による非点収差量を投影光学系のレチクル側での焦点
深度以内に抑えるためには、上式（３５）を満足するこ
とが好ましいことが理解される。なお、上式（３４）及
び（３５）の関係は、投影光学系が等倍、縮小または拡
大の倍率を有する場合にも成立する事は言うまでもな
い。

【００７３】一例として、投影光学系のレチクル側の開
口数ＮＡ_R を０．１、露光光の波長をλを４３６ｎｍ、
ｆ_GF＝２５０ｍｍ、ｆ_GR＝２５０ｍｍ、Ｄ₁ ＝２００ｍ
ｍとすると、上記（３４）式より、円柱レンズのメリジ
オナル方向での焦点距離ｆ２、一般的に言うと上記（３
５）式より、トーリック型光学部材の直交した方向での
パワー差Δｆは、５．７×１０⁴ ｍｍ以上となり、この
時の可変にし得る倍率補正量（倍率差ΔＢ₁ ）は、８７
０ｐｐｍ（＝８．７×１０^-4）以下となる。

【００７４】なお、以上においては、トーリック型光学
部材をレチクルと投影光学系との間に配置した場合を前
提として、（３５）式を導出したが、トーリック型光学
部材を投影光学系とウエハとの間に配置した場合にも同
様な関係が成立するため、この場合には、以下の関係を
満足することが望ましい。

【００７５】 Δｆ≧｜−（ｆ_GR−Ｄ₁'）＋〔（ＮＡ_W )²（ｆ_GR−Ｄ₁'）² 〕／λ｜ （３ ６） 但し、ＮＡ_W は投影光学系のウエハ側の開口数であり、
Ｄ₁'はトーリック型光学部材と後群ＧR との間の距離
（双方の光学系の主点間隔の距離）である。

【００７６】次に、図１１を参照しながら、投影光学系
中の前群ＧF と後群ＧR との間、換言すれば、開口絞り
Ｓの近傍に正の円柱レンズ２を配置した時のその円柱レ
ンズ２の最適な焦点距離範囲について検討する。図１１
は図９に示した投影光学系の前群ＧF と後群ＧR との間
にトーリック型光学部材としての正のパワーを持つ円柱
レンズ２を配置した時の様子を示しており、この円柱レ
ンズ２のパワーは図１１の紙面方向（メリジオナル方
向）である。

【００７７】ここで、図１１に示す如く、円柱レンズ２
の焦点距離をｆ２とし、前群ＧF と円柱レンズ２との間
の距離（双方の光学系の主点間隔の距離）をＤ₂ とする
と、前群ＧF と円柱レンズ２との合成焦点距離Ｆ₂ は、
以下の関係が成立する。

【００７８】 Ｆ₂ ＝（ｆ２・ｆ_GF）／（ｆ２＋ｆ_GF−Ｄ₂ ） （３７） また、投影光学系（ＧF ，ＧR ）の結像倍率Ｂ₂ とし、
円柱レンズ２と投影光学系（ＧF ，ＧR ）との合成系で
の結像倍率Ｂ₂'とすると、以下の関係が成立する。

【００７９】 Ｂ₂ ＝−ｆ_GR／ｆ_GF （３８） Ｂ₂'＝−ｆ_GR／Ｆ₂ ＝Ｂ₂ 〔１＋（ｆ_GF−Ｄ₂ ）／ｆ２〕 （３９） 従って、投影光学系のサジタル方向とメリジオナル方向
での倍率差ΔＢ₂ は、以下の如くなる。

【００８０】 ΔＢ₂ ＝Ｂ₂'−Ｂ₂ ＝Ｂ₂ （ｆ_GF−Ｄ₂ ）／ｆ２ （４０） 一方、前群ＧF と円柱レンズ２との合成系によるレチク
ル側の主点をＨ₂ 、前群ＧF と円柱レンズ２との合成系
によるレチクル側での焦点位置をＰ₂ 、その焦点位置Ｐ
₂ とレチクル４までの距離をΔｓ₂ 、投影光学系（ＧF
，ＧR ）と円柱レンズ２との合成系によるレチクル４
の結像位置Ｑ₂ からウエハ５までの距離をΔｓ₂ 'とす
ると、以下の関係が成立する。

【００８１】 Δｓ₂ ＝（ｆ_GF）² ／（ｆ２＋ｆ_GF−Ｄ₂ ） （４１） Δｓ₂'＝（Ｂ₂'）² ・Δｓ₂ （４２） ここで、Δｓ₂'は投影光学系のサジタル方向とメリジオ
ナル方向での結像位置の差、すなわち非点収差量（非点
隔差）を意味する。

【００８２】そこで、非点収差量を投影光学系のレチク
ル側での焦点深度以内に抑えるためには、上式（３３）
式及び（４１）式より、次式が導出される。

【００８３】 ｆ２≧−（ｆ_GF−Ｄ₂ ）＋〔（ＮＡ_R )²（ｆ_GF）² 〕／λ （４３） 従って、（４３）式を満足するように円柱レンズ２を構
成することが好ましく、これにより、非点収差量を焦点
深度以内に抑えることが可能となる。

【００８４】この（４３）式を一般的に表現すれば、ト
ーリック型光学部材の直交した方向でのパワー差をΔｆ
とすると、以下の如くなる。

【００８５】 Δｆ≧｜−（ｆ_GF−Ｄ₂ ）＋〔（ＮＡ_R )²（ｆ_GF）² 〕／λ｜ （４４） この様に、トーリック型光学部材を用いた場合、この部
材による非点収差量を投影光学系のレチクル側での焦点
深度以内に抑えるためには、上式（４４）を満足するこ
とが好ましいことが理解される。なお、上式（４３）及
び（４４）の関係は、投影光学系が等倍、縮小または拡
大の倍率を有する場合にも成立する事は言うまでもな
い。

【００８６】一例として、投影光学系のレチクル側の開
口数ＮＡ_R を０．１、露光光の波長をλを４３６ｎｍ、
ｆ_GF＝２５０ｍｍ、ｆ_GR＝２５０ｍｍ、Ｄ₂ ＝２００ｍ
ｍとすると、上記（４３）式より、円柱レンズのメリジ
オナル方向での焦点距離ｆ２、一般的に言うと上記（４
４）式より、トーリック型光学部材の直交した方向での
パワー差Δｆは、１．４３×１０⁶ ｍｍ以上となり、こ
の時の可変にし得る倍率補正量（倍率差ΔＢ₁ ）は、３
５ｐｐｍ（＝３．５×１０^-5）以下となる。

【００８７】以上の図９〜図１１にて解析の結果より、
レチクルと投影光学系との間または投影光学系とウエハ
との間にトーリック型光学部材を配置した場合には、非
点収差に対する補正の寄与を小さく抑えつつ、倍率誤差
に対する補正の寄与を大きくすることが可能となり、一
方、投影光学系の瞳もしくはその近傍にトーリック型光
学部材を配置した場合には、倍率誤差に対する補正の寄
与を小さく抑えつつ、非点収差に対する補正の寄与を大
きくすることが可能となることが理解できる。

【００８８】なお、本発明で言うトーリック光学部材と
は、回転対称な球面の１方向に対して研磨を施し、直交
した方向で異なるパワーを持たせたトーリックレンズで
も良いし、あるいは直交した方向で異なるパワーを持つ
反射鏡でも良く、さらには、直交した方向で異なるパワ
ーを持つ屈折率分布型のレンズでも良い。

【００８９】ところで、これまでの説明は、投影光学系
の光軸に対して回転非対称なる非球面として、直交した
方向で異なるパワーのあるトーリック光学部材を用いて
回転非対称に発生する非点収差、像面湾曲、倍率誤差等
を補正することについて述べたが、回転非対称に発生す
るこれらの収差や倍率誤差に加えて、投影光学系内にて
回転非対称で局所的にランダムに残存する倍率誤差成分
や歪曲収差成分が発生する場合には、光軸方向に沿って
移動可能または光軸を中心に回転可能なトーリック光学
部材の１種としての円柱レンズのレンズ面に局所的に研
磨等の加工を施し、その加工が施された円柱レンズをレ
チクルとウエハとの間に配置すれば、回転非対称に発生
する非点収差、像面湾曲、倍率誤差の補正に加えて、ラ
ンダムに発生する倍率誤差成分や歪曲収差成分を補正す
ることが可能である。

【００９０】さらに、投影光学系が回転非対称で局所的
にランダムに残存する倍率誤差成分や歪曲収差成分のみ
を有している場合には、投影光学系を構成する光学素子
（レンズ、反射鏡）自体に局所的に研磨等の加工を施せ
ば、ランダムに発生する倍率誤差成分や歪曲収差成分を
補正することも可能である。

【００９１】また、投影光学系が回転非対称で局所的に
ランダムに残存する倍率誤差成分や歪曲収差成分のみを
有している場合において、ランダムに発生する倍率誤差
成分や歪曲収差成分を補正するために、所定の厚みを持
つ平行平面板に局所的に研磨等の加工を施し、その加工
が施された平行平面板を、レチクルと投影光学系の間、
投影光学系の内部または投影光学系とウエハとの間に配
置しても良い。但し、この場合、平行平面板は所定の厚
みを持っているため、球面収差が発生するが、その球面
収差を補正し得るように投影光学系を予め構成すれば良
い。

【００９２】次に、図１２を参照しながら本発明の実施
の形態について詳述する。図１２は、本発明の実施の形
態による投影露光装置の構成を示している。図１２に示
す如く、両側（又は片側）テレセントリックな投影レン
ズ３６の上方には、不図示のレチクルステージに保持さ
れたレチクル３５が配置され、レチクル３５と投影レン
ズ３６との間には、その投影レンズ３６の光軸に対して
回転非対称なパワーを持つ光学手段として直交した方向
に異なるパワーを有するトーリック型光学部材が配置さ
れている。このトーリック型光学部材は、レチクル側か
ら順に、投影レンズ側に凹面を向け紙面方向に負のパワ
ーを持つ負の円柱レンズ１と、レチクル側に凸面を向け
紙面方向に正のパワーを持つ正の円柱レンズ２とを有
し、円柱レンズ１と円柱レンズ２とは投影レンズ３６の
光軸を中心にそれぞれ回転可能に設けられている。

【００９３】また、投影レンズ３６に関してレチクル３
５と共役な位置には、ウエハステージ３７上に載置され
たウエハ３８が配置されており、このウエハステージ３
７は、２次元的に移動可能なＸＹステージ及び投影レン
ズ３６の光軸方向に移動可能なＺステージより構成され
ている。

【００９４】一方、レチクル３５の上方には、レチクル
３５を均一にケーラー照明するための照明光学系（２
１，２２，２３，２４，２５，３２，３３，３４）が設
けられており、照明光学系中には投影レンズの光学特性
を計測するための計測系４２と、後述する露光光ＩＬと
は異なる波長の光によってレチクル３５とウエハ３８と
の相対的な位置検出を光学的に行う第１アライメント系
４７とがそれぞれ設けられている。

【００９５】また、投影レンズ３６の外側には、オフ・
アクシス型の第２アライメント系４８が設けられてお
り、この第２アライメント系４８は、後述する露光光Ｉ
Ｌとは異なる波長の光によってウエハ３８の位置を光学
的に検出する。

【００９６】図１２に示した実施の形態を具体的に説明
すると、水銀灯等の光源２１から放射される露光光ＩＬ
は、楕円鏡２２によって集光され、反射ミラー２３によ
って反射された後、コリメータレンズ２４によりほぼ平
行光束に変換され、フライアイレンズよりなるオプティ
カルインテグレータ２５に入射する。楕円鏡２２の第２
焦点近傍にはシャッター２６が配置され、このシャッタ
ー２６をモータ等の駆動部２７を介して回転することに
より、その露光光ＩＬを随時遮断することができる。

【００９７】シャッター２６で露光光ＩＬを遮断してい
る時にはそのシャッター２６により反射された露光光Ｉ
Ｌが楕円鏡２２の光軸にほぼ垂直な方向に射出されるの
で、この様に射出された露光光ＩＬは集光レンズ２８に
よりライトガイド２９の一端に入射させる。従って、光
源２１から放射される露光光ＩＬはオプティカルインテ
グレータ２５またはライトガイド２９の何れかに入射す
る。

【００９８】オプティカルインテグレータ２５に露光光
ＩＬが入射すると、オプティカルインテグレータ２５の
レチクル側の焦点面には多数の２次光源像（以下、単に
２次光源と称する。）が形成され、この２次光源形成面
に可変開口絞り３０が配置されている。それら２次光源
から射出された露光光ＩＬは光軸に対し４５度傾斜して
配置されたハーフミラー３１を透過した後に、第１のコ
ンデンサーレンズ３２，ダイクロイックミラー３３及び
第２コンデンサーレンズ３４を経てレチクル３５の下面
側のパターン領域を均一な照度で照明する。

【００９９】露光時には、トーリック型光学部材（１，
２）及び投影レンズ３６によりレチクル３５のパターン
の像がウエハ３８上に結像される。この場合、オプティ
カルインテグレータ２５の２次光源形成面は投影レンズ
３６の瞳面と共役であり、その２次光源形成面に配置さ
れた可変開口絞り３０の口径を調整することにより、レ
チクル３５を照明する照明光学系のコヒーレンシィを表
すσ値を変更することができる。レチクル３５を照明す
る露光光ＩＬの最大入射角をθ_IL、投影レンズ３６のレ
チクル３５側の開口半角をθ_PLとすると、σ値はｓｉｎ
θ_IL／ｓｉｎθ _PLで表すことかできる。ここで、σ値は
０．３〜０．７程度に設定される。

【０１００】なお、投影レンズ３６の瞳位置には不図示
であるが開口絞りが設けられており、この開口絞りの開
口を可変となるように構成しても良い。また、ウエハス
テージ３７のウエハホルダー近傍には、例えばガラス板
よりなる調整板３９が固設されており、この調整板３９
の投影レンズ３６側の面には、基準パターンが形成され
ている。これに対応して、投影レンズ３６のイメージフ
ィールド内でかつレチクル３５のパターン領域近傍に
は、その調整板３９上の基準パターンと投影レンズ３６
に関して共役な位置にレチクルマークＲＭが形成されて
いる。一例として、調整板３９側の基準パターンは遮光
部の中に形成された十字型の開口パターンよりなり、ウ
エハ３５側のレチクルマークＲＭはその基準パターンに
トーリック型光学部材（１，２）及び投影レンズ３６に
よる投影倍率を乗じて得られたパターンの明暗を反転し
て得られるパターンよりなる。

【０１０１】ウエハステージ３７の調整板３９の下面に
はコンデンサーレンズ４１及び反射ミラー４０が配置さ
れ、コンデンサーレンズ４１の後側焦点面にライトガイ
ド２９の射出端が固定されている。このライトガイド２
９の射出端の面は投影レンズ３６の瞳面と共役なので可
変開口絞り３０とも共役である。また、このライトガイ
ド２９の射出端の発光面は、可変開口絞り３０上への投
影像の大きさを可変開口絞り３０の口径にほぼ等しく取
ってあり、これによって調整板３９上の基準パターンは
露光光ＩＬ用の照明σ値にほぼ等しい照明σ値で照明さ
れる。さらに、露光光ＩＬの照明光学系中において、ハ
ーフミラー３１に関して可変開口絞り３０と共役な位置
にフォトマルチプライアー４２の受光部が配置されてい
る。即ち、フォトマルチプライアー４２の受光部は投影
レンズ３６の瞳面及びライトガイド２９の射出端面と共
役となるうよに配置されている。その受光部の検出面
は、その上に投影されるライトガイド３９の射出端の発
光面の像よりも大きく取って光量ロスを防いでいる。従
って、調整板３９の基準パターンを下面側から照明した
場合には、調整板３９が投影レンズ３６のイメージフィ
ールドのどの位置に存在しても調整板３９の基準パター
ンから射出した光の大部分は投影レンズ３６及びトーリ
ック型光学部材（１，２）に入射し、レチクル３５のレ
チクルマークＲＭを経てフォトマルチプライアー４２の
受光面に入射する。

【０１０２】中央処理ユニット４３（以下、ＣＰＵと称
する。）は、フォトマルチプライアー４２と電気的に接
続されており、このフォトマルチプライアー４２から出
力される光電変換信号がＣＰＵ４３に供給される。ま
た、ウエハステージ３７の上面にはＸ方向用ミラー及び
不図示のＹ方向用ミラーが固定され、レーザ干渉系４４
及びそれら２個のミラーを用いることにより、ウエハス
テージ３７上の位置の座標を常時モニターすることがで
きる。レーザ干渉系４４からＣＰＵ４３に対してそのウ
エハステージ３７からの座標情報が供給され、ＣＰＵ４
３はステージ駆動部４５を介してそのウエハステージ３
７の位置を所望の座標位置まで移動させることかでき
る。

【０１０３】さて、次に、本実施の形態の動作について
説明する。組み立て誤差等により投影レンズ３６及びト
ーリック型光学部材（１，２）内にて残存する投影光学
系の光軸に対して回転非対称な光学特性（非点収差、像
面湾曲、倍率誤差、歪曲収差）を計測するために、ま
ず、不図示のレチクルステージには、図１３に示す如き
予め基準レチクル３５’が配置されている。この基準レ
チクル３５’のパターン領域には、図１３に示す如く、
十字状のクロム等の遮光パターンが２次元的に所定の間
隔で配列されている。

【０１０４】ＣＰＵ４３は、駆動部２７を介してシャッ
ター２６で露光光ＩＬを遮断した後に、ステージ駆動部
４５を介してウエハステージ３７上の調整板３９を投影
レンズ３６のイメージフィールド内に移動させる。これ
により、シャッター２６から反射された露光光ＩＬ（以
下、単に照明光と称する。）が集光レンズ２８及びライ
トガイド２９を介してウエハステージ３７の内部へ射出
される。この照明光は反射ミラー４０で反射された後
に、コンデンサーレンズ４１でほぼ平行光束に変換され
て、調整板３９に形成された基準パターンを下面側から
照明する。この調整板３９の基準パターンは、投影レン
ズ３６及びトーリック型光学部材（１，２）により、基
準レチクル３５’の遮光パターン上に投影され、この２
つのパターン同志の整合状態は、第２のコンデンサーレ
ンズ３４、ダイクロイックミラー３３、第１のコンデン
サーレンズ３３及びハーフミラー３１を介してフォトマ
ルチプライアー４２にて光電的に検出される。そして、
ＣＰＵ４３は、基準レチクル３５’内で２次元的に配列
された複数の遮光パターンの位置の座標をフォトマルチ
プライアー４２を介して順次検出するために、レーザ干
渉系４４を介してウエハステージ３７の座標位置を常時
モニターしながら、ステージ駆動部４５を介してウエハ
ステージ３７を順次移動させる。これによって、フォト
マルチプライアー４２は基準レチクル３５’内で２次元
的に配列された複数の遮光パターンと調整板３９の基準
パターンとの整合状態をそれぞれ光電的に検出し、ＣＰ
Ｕ４３はそれぞれの整合状態となる座標位置をレーザ干
渉系４４を介して、ＣＰＵ４３内部の第１メモリー部に
て順次格納する。さらにＣＰＵ４３の内部には不図示の
第２メモリー部及び第１補正量算出部を有しており、こ
の第２メモリー部には、投影光学系の光軸に対して回転
非対称な光学特性（非点収差、像面湾曲、倍率誤差、歪
曲収差）とトーリック型光学部材（１，２）の相対的な
回転量とに関する相関的な情報が予め格納されている。
従って、第１補正量算出部は、第１及び第２メモリー部
からの情報に基づいて、トーリック型光学部材（１，
２）の補正すべき最適な相対的な回転量を算出する。そ
して、この第１補正量算出部からの補正情報に基づいて
ＣＰＵ４３は駆動信号をモータ等の駆動部４６へ出力
し、駆動部４６は所定の補正量（回転量）だけトーリッ
ク型光学部材（１，２）の相対的に回転させる。

【０１０５】以上の動作が完了した後、実際のプロセス
に用いる通常のレチクル３５を不図示のレチクルステー
ジ上に設定し、ＣＰＵ４３は駆動部２７を介してシャッ
ター２６を切り換える。これによって、露光光ＩＬは照
明光学系を介してレチクル３５を照明して、レチクル３
５のパターン像はトーリック型光学部材（１，２）及び
投影レンズ３６を介してウエハ３８上に忠実に転写され
る。この様に、投影露光装置による露光転写を連続的に
行うと、投影レンズ３６には露光光ＩＬによる熱エネル
ギーが蓄えられ、投影レンズ３６の光学特性の変動が生
じる恐れがあるため、露光転写の動作の途中で定期的
に、以上にて述べた如く、投影レンズ３６による光学特
性を計測し、その計測した結果に基づいてトーリック型
光学部材（１，２）を回転させれば良い。この時、投影
レンズ３６を構成するレンズ間での圧力を制御して、投
影レンズ３６自体の倍率を調整するという周知の技術と
併用することがより望ましい。

【０１０６】なお、トーリック型光学部材（１，２）の
相対的な回転量によって、投影レンズ３６に残存する回
転非対称な光学特性（非点収差、像面湾曲、倍率誤差、
歪曲収差）が完全に最適化された状態で補正されている
かを確認する事が望ましく、この場合には、以上の述べ
た動作を繰り返せば、より完全なる補正が達成できる。

【０１０７】また、投影レンズ３６内に残存する倍率誤
差、歪曲収差を計測する際には、ウエハステージ３７を
２次元的に移動させて基準レチクル３５’内の各遮光パ
ターンの座標位置を求めれば良いが、投影レンズ３６内
に残存する非点収差、像面湾曲をより正確に計測する際
には、ウエハステージ３７を投影レンズ３６の光軸方向
へ移動させながら、フォトマルチプライアー４２からの
出力信号のコントラストが最大となるような基準レチク
ル３５’内の各遮光パターンの座標位置を求めれば良
い。

【０１０８】さて、本実施の形態の投影露光装置は、半
導体製造プロセス等によりウエハ３８の非線型な伸縮、
複数の投影露光装置によって半導体を製造する場合での
投影露光装置間の倍率誤差及び歪曲収差の差が生じる際
にも十分に対応することができる。具体的には、まず、
ＣＰＵ４３は、ウエハ上に形成されている複数のウエハ
マークの座標位置を、投影レンズ３６の外側に設けられ
ている第２アライメント４８を介して順次、光学的に検
出するために、レーザ干渉系４４を介してウエハステー
ジ３７の座標位置を常時モニターしながら、ステージ駆
動部４５を介してウエハステージ３７を順次移動させ
る。これによって、ＣＰＵ４３は第２アライメント４８
及びレーザ干渉系４４から得られるウエハ上に形成され
た各ウエハマークの座標位置をＣＰＵ４３の内部の第３
メモリー部にて順次格納する。さらにＣＰＵ４３の内部
には不図示の第４メモリー部及び第２補正量算出部を有
しており、この第４メモリー部には、投影光学系の光軸
に対して回転非対称な光学特性（非点収差、像面湾曲、
倍率誤差、歪曲収差）とトーリック型光学部材（１，
２）の相対的な回転量とに関する相関的な情報が予め格
納されている。従って、第２補正量算出部は、第３及び
第４メモリー部からの情報に基づいて、トーリック型光
学部材（１，２）の補正すべき最適な相対的な回転量を
算出する。そして、この補正量算出部からの補正情報に
基づいてＣＰＵ４３は駆動信号をモータ等の駆動部４６
へ出力し、駆動部４６は所定の補正量（回転量）だけト
ーリック型光学部材（１，２）の相対的に回転させる。

【０１０９】以上の図１２に示した実施の形態ではトー
リック型光学部材（１，２）の相対的な回転量によって
投影レンズ３６に残存する回転非対称な光学特性（非点
収差、像面湾曲、倍率誤差、歪曲収差）を補正する例を
述べたが、トーリック型光学部材（１，２）を相対的に
投影レンズ３６の光軸方向へ移動させても良いことは言
うまでもない。また、図１２の実施の形態では投影レン
ズ３６に残存する回転非対称な光学特性（非点収差、像
面湾曲、倍率誤差、歪曲収差）を自動補正する例を示し
たが、トーリック型光学部材（１，２）の回転または移
動をマニュアル的に行うことも可能である。

【０１１０】また、本実施の形態中の光源２１、楕円鏡
２２及びコリメータレンズ２４の代わりに平行光束を供
給するエキシマレーザ等のレーザ光源を用いても良く、
さらにはこのレーザ、及びこのレーザ光を所定の光束断
面の光に変換するビームエキスパンダとを組み合わせて
も良い。さて、図１２に示した実施の形態では、レチク
ルと投影レンズとの間にトーリック型光学部材（１，
２）を配置した例を述べたがこの配置に限ることはな
く、図１４に示す如き構成としても良い。

【０１１１】図１４の（ａ）は、投影レンズ３６とウエ
ハ３８との間にトーリック型光学部材（１，２）を配置
した例を示している。図示の如く、トーリック型光学部
材（１，２）は、ウエハ３８側から順に、レチクル３５
側に凹面を向けた負の円柱レンズ１と、ウエハ３８側に
凸面を向けた正の円柱レンズ２とを有している。この構
成によれば、図１２に示した実施例と同様に、非点収差
に対して余り影響を及ばさずに、倍率誤差の補正に対し
て大きく寄与させることができる。従って、投影レンズ
３６内にて倍率誤差が大きく残存している場合において
有効（図１２に示した実施例と同様に有効）である。

【０１１２】図１４の（ｂ）は、前群３６Ａと後群３６
Ｂとからなる投影レンズ３６において、前群３６Ａと後
群３６Ｂとの間、即ち投影レンズ３６の瞳位置もしくは
その近傍にトーリック型光学部材（１，２）を配置した
例を示している。図示の如く、トーリック型光学部材
（１，２）は、レチクル３５側から順に、ウエハ３８側
に凹面を向けた負の円柱レンズ１と、レチクル３５側に
凸面を向けた正の円柱レンズ２とを有している。この構
成によれば、倍率誤差に対して余り影響を及ばさずに、
非点収差の補正に対して大きく寄与させることができ
る。従って、投影レンズ３６内にて非点収差が大きく残
存している場合において有効である。

【０１１３】図１４の（ｃ）は、投影レンズ３６を挟ん
でレチクル３５側とウエハ３８側とにそれぞれトーリッ
ク型光学部材（２Ａ，２Ｂ）を配置した例を示してい
る。図示の如く、レチクル３５と投影レンズ３６との間
には、ウエハ３８側に凸面を向けた第１の正の円柱レン
ズ２Ａが設けられており、投影レンズ３６とウエハ３８
との間にはレチクル３５側に凸面を向けた第２の正の円
柱レンズ２Ｂが設けられている。この構成によれば、図
１２及び図１４（ａ）に示した例と同様に、非点収差に
対して余り影響を及ばさずに、倍率誤差の補正に対して
大きく寄与させることができる。

【０１１４】図１４の（ｄ）は図１４の（ｃ）をさらに
応用した例を示しており、投影レンズ３６を挟んでレチ
クル３５側とウエハ３８側とにそれぞれ配置された正の
円柱レンズ（２Ａ，２Ｂ）の各々に負の円柱レンズ（１
Ａ，１Ｂ）を組み合わせた例を示している。この構成に
よれば、非点収差に対して余り影響を及ばさずに、倍率
誤差の補正に対して大きく寄与させることができる。こ
の場合、第１のトーリック型光学部材（１Ａ，２Ａ）と
第２のトーリック型光学部材（１Ｂ，２Ｂ）との内の一
方によって投影レンズ３６に残存する倍率誤差を主に補
正し、他方によってウエハ３８の伸縮に対する倍率誤差
の補正を行っても良い。さらには、この構成に基づい
て、第１のトーリック型光学部材（１Ａ，２Ａ）と第２
のトーリック型光学部材（１Ｂ，２Ｂ）との内の一方の
パワーを強くし、他方を弱くなるように構成すれば、一
方のパワー強いトーリック型光学部材では、非点収差に
対して余り影響を及ばさずに倍率誤差の粗調整が行え、
他方のパワーの弱いトーリック型光学部材では、非点収
差に対して余り影響を及ばさずに倍率誤差の微調整が行
える。

【０１１５】図１４の（ｅ）は図１４の（ａ）と図１４
の（ｂ）とを組み合わせてさらに応用した例を示してお
り、図示の如く、レチクル３５と投影レンズ（前群３６
Ａ）との間には、負の円柱レンズ１Ａと正の円柱レンズ
２Ａとで構成される第１のトーリック型光学部材（１
Ａ，２Ａ）が設けられており、投影レンズ３６中におけ
る前群３６Ａと後群３６Ｂとの間（投影レンズ３６の瞳
位置もしくはその近傍）には、負の円柱レンズ１Ｂと正
の円柱レンズ２Ｂとで構成される第２のトーリック型光
学部材（１Ｂ，２Ｂ）が設けられている。この構成によ
れば、第１のトーリック型光学部材（１Ａ，２Ａ）では
非点収差に対して余り影響を及ばさずに倍率誤差の調整
が行え、第２のトーリック型光学部材（１Ｂ，２Ｂ）で
は倍率誤差に対して余り影響を及ばさずに非点収差の調
整が行え、すなわち、倍率誤差と非点収差とを独立に補
正することができる。

【０１１６】図１４の（ｆ）は図１４の（ｄ）と図１４
の（ｅ）とを組み合わせた例を示しており、倍率誤差と
非点収差との独立補正に加えて、倍率誤差と非点収差と
の各々の粗調整と微調整とを行うことができる。

【０１１７】

【発明の効果】本発明によれば、製造誤差による投影光
学系の性能低下を防止して、設計値どおりの高性能な投
影光学系を得る事が可能となり、製造上では歩留まりの
向上につながる。また、これらの機能を積極的に利用し
て、投影光学系に悪影響を与える事無しに、ウェハープ
ロセスに起因する非線形なウエハの伸縮や、投影露光装
置間の回転不対称な倍率誤差を補正してやる事により、
マッチング精度の低下を防止できる。また、何らかの原
因で発生した光学系自身による非点収差、ディストーシ
ョンを補正することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】トーリックレンズを負の円柱レンズとした時の
原理図である。

【図２】トーリックレンズを正の円柱レンズとした時の
原理図である。

【図３】図１の負の円柱レンズによる作用を示す図であ
る。

【図４】図２の正の円柱レンズによる作用を示す図であ
る。

【図５】図３に示した仮想平面での光束断面の様子を示
す平面図である。

【図６】図４に示した仮想平面での光束断面の様子を示
す平面図である。

【図７】図３に示した負の円柱レンズの幾何光学的な関
係を示す図である。

【図８】図４に示した正の円柱レンズの幾何光学的な関
係を示す図である。

【図９】投影光学系の幾何光学的な関係を示す図であ
る。

【図１０】図９に示した投影光学系とレチクルとの間に
トーリックレンズとしての円柱レンズを配置した時の幾
何光学的な関係を示す図である。

【図１１】図９に示した投影光学系の瞳近傍にトーリッ
クレンズとしての円柱レンズを配置した時の幾何光学的
な関係を示す図である。

【図１２】本発明による実施例の構成を示す図である。

【図１３】基準レチクルの様子を示す平面図である。

【図１４】（ａ）はレチクルと投影レンズとの間にトー
リックレンズとしての正の円柱レンズと負の円柱レンズ
とを配置した時の様子を示す図、（ｂ）は投影レンズの
瞳位置またはその近傍にトーリックレンズとしての正の
円柱レンズと負の円柱レンズとを配置した時の様子を示
す図、（ｃ）はレチクルと投影レンズとの間及び投影レ
ンズとウエハとの間の各々にトーリックレンズとしての
正の円柱レンズを配置した時の様子を示す図、（ｄ）は
レチクルと投影レンズとの間及び投影レンズとウエハと
の間の各々にトーリックレンズとしての正の円柱レンズ
と負の円柱レンズとを配置した時の様子を示す図、
（ｅ）はレチクルと投影レンズとの間及び投影レンズの
瞳位置またはその近傍の各々にトーリックレンズとして
の正の円柱レンズと負の円柱レンズとを配置した時の様
子を示す図、（ｆ）はレチクルと投影レンズとの間、及
び投影レンズの瞳位置またはその近傍及び投影レンズと
ウエハとの間の各々にトーリックレンズとしての正の円
柱レンズと負の円柱レンズとを配置した時の様子を示す
図である。

【符号の説明】

１…負の円柱レンズ、２…正の円柱レンズ、２１…光
源、２２…楕円鏡、２３…反射ミラー、２４…コリメー
タレンズ、２５…オプティカルインテグレータ、３２…
第１のコンデンサーレンズ、３４…第２コンデンサーレ
ンズ、３６…投影レンズ、３７…ウエハステージ、３８
…ウエハ、４２…フォトマルチプライアー、４８…第２
アライメント系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牛田 一雄 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 Ｆターム(参考） 2H087 KA21 LA01 NA01 NA09 RA06 RA07 RA08 5F046 BA03 CB25 DA12

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１物体を照明する照明光学系と、該照
   明光学系によって照明された前記第１物体の像を第２物
   体に投影する投影光学系とを有する投影露光装置におい
   て、 前記第１物体と前記第２物体との間に前記投影光学系に
   て残存する回転非対称な非点収差成分を補正する第１光
   学手段と、 前記第１物体と前記第２物体との間に前記投影光学系に
   て残存する回転非対称な倍率誤差成分を補正する第２光
   学手段とを有し、 前記第１光学手段は、前記回転非対称な倍率誤差成分に
   あまり影響を及ぼさずに前記回転非対称な非点収差成分
   を補正し、 前記第２光学手段は、前記回転非対称な非点収差成分に
   あまり影響を及ぼさずに回転非対称な倍率誤差成分を補
   正することを特徴とする投影露光装置。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２光学手段は、前記投影
   光学系の光軸に対して回転非対称なパワーをそれぞれ持
   つことを特徴とする請求項１記載の投影露光装置。
3. 【請求項３】 前記第１光学手段は、直交した方向でパ
   ワーが異なるトーリック型光学部材を２つ有し、前記第
   ２光学手段は、直交した方向でパワーが異なるトーリッ
   ク型光学部材を２つ有し、 前記第１光学手段における前記２つのトーリック型光学
   部材うちの少なくとも一方は、前記投影光学系の光軸を
   中心に相対的に回転可能または前記投影光学系の光軸に
   沿って相対的に移動可能に設けられており、 前記第２光学手段における前記２つのトーリック型光学
   部材うちの少なくとも一方は、前記投影光学系の光軸を
   中心に相対的に回転可能または前記投影光学系の光軸に
   沿って相対的に移動可能に設けられていることを特徴と
   する請求項１または請求項２記載の投影露光装置。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２光学手段は、前記投影
   光学系の光軸に対して回転非対称な非球面をそれぞれ有
   することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一
   項に記載の投影露光装置。
5. 【請求項５】 前記回転非対称な非点収差成分と前記回
   転非対称な倍率誤差成分とを計測する手段を更に有し、 前記第１及び前記第２光学手段は、前記計測する手段に
   より計測された結果に基づいて、前記回転非対称な非点
   収差成分と前記回転非対称な倍率誤差成分とを独立に補
   正することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか
   一項に記載の投影露光装置。
6. 【請求項６】 前記第１光学手段は、前記投影光学系の
   瞳もしくはその近傍の配置され、前記第２光学手段は、
   前記第１光学手段から離れた前記第１物体側又は前記第
   ２物体側に配置されることを特徴とする請求項１乃至請
   求項５の何れか一項に記載の投影露光装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記
   載の投影露光装置を用いた露光方法において、 前記照明光学系を用いて前記第１物体としてのレチクル
   を照明する工程と、 前記投影光学系を用いて前記レチクルのパターン像を前
   記第２物体としての基板に投影する工程とを含むことを
   特徴とする露光方法。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項６の何れか一項に記
   載の投影露光装置を用いた半導体の製造方法において、 前記照明光学系を用いて前記第１物体としてのレチクル
   を照明する工程と、 前記投影光学系を用いて前記レチクルのパターン像を前
   記第２物体としてのウエハに投影する工程とを含むこと
   を特徴とする半導体の製造方法。
9. 【請求項９】 レチクルのパターン像を基板に投影する
   投影光学系の調整方法において、 前記レチクルと前記基板との間において前記投影光学系
   にて残存する回転非対称な非点収差成分を補正する第１
   工程と、 前記レチクルと前記基板との間において前記投影光学系
   にて残存する回転非対称な倍率誤差成分を補正する第２
   工程とを有し、 前記第１工程は、前記回転非対称な倍率誤差成分にあま
   り影響を及ぼさずに前記回転非対称な非点収差成分を補
   正し、 前記第２工程は、前記回転非対称な非点収差成分にあま
   り影響を及ぼさずに回転非対称な倍率誤差成分を補正す
   ることを特徴とする投影光学系の調整方法。
10. 【請求項１０】 前記第１工程は、前記投影光学系の光
    軸に対して回転非対称なパワーを持つ第１光学手段を用
    いて、前記投影光学系にて残存する回転非対称な非点収
    差成分を補正する工程を含み、 前記第２工程は、前記投影光学系の光軸に対して回転非
    対称なパワーを持つ第２光学手段を用いて、前記投影光
    学系にて残存する回転非対称な倍率誤差成分を補正する
    工程を含むことを特徴とする請求項９に記載の投影光学
    系の調整方法。
11. 【請求項１１】 前記第１工程は、直交した方向でパワ
    ーが異なる２つのトーリック型光学部材を用いて、前記
    ２つのトーリック型光学部材うちの少なくとも一方を、
    前記投影光学系の光軸を中心に相対的に回転または前記
    投影光学系の光軸に沿って相対的に移動させる工程を含
    み、 前記第２工程は、前記第１工程とは別の２つのトーリッ
    ク型光学部材を用いて、直交した方向でパワーが異なる
    ２つのトーリック型光学部材うちの少なくとも一方を、
    前記投影光学系の光軸を中心に相対的に回転または前記
    投影光学系の光軸に沿って相対的に移動させる工程を含
    むことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の
    投影光学系の調整方法。
12. 【請求項１２】 前記第１工程は、前記投影光学系の光
    軸に対して回転非対称な非球面を用いて、前記投影光学
    系にて残存する回転非対称な非点収差成分を補正する工
    程を含み、 前記第２工程は、前記投影光学系の光軸に対して回転非
    対称な非球面を用いて、前記投影光学系にて残存する回
    転非対称な倍率誤差成分を補正する工程を含むことを特
    徴とする請求項９乃至請求項１１の何れか一項に記載の
    投影光学系の調整方法。
13. 【請求項１３】 前記投影光学系の光学特性を計測する
    工程を更に有し、 前記第１及び前記第２工程は、前記計測する工程による
    計測結果に基づいて、前記回転非対称な非点収差成分と
    前記回転非対称な倍率誤差成分とを独立に補正すること
    を特徴とする請求項９乃至請求項１２の何れか一項に記
    載の投影光学系の調整方法。
14. 【請求項１４】 前記計測する工程は、前記投影光学系
    に光を導き前記投影光学系を介した光を光電検出する工
    程を含むことを特徴とする請求項１３記載の投影光学系
    の調整方法。
15. 【請求項１５】 前記第１工程は、前記投影光学系の瞳
    もしくはその近傍に配置された第１光学手段を用いて、
    前記投影光学系にて残存する回転非対称な非点収差成分
    を補正し、前記第２工程は、前記第１光学手段から離れ
    た前記第１物体側又は前記第２物体側に配置された第２
    光学手段を用いて、前記投影光学系にて残存する回転非
    対称な倍率誤差成分を補正することを特徴とする請求項
    ９乃至請求項１４の何れか一項に記載の投影光学系の調
    整方法。
16. 【請求項１６】 請求項９乃至請求項１５の何れか一項
    に記載の方法によって調整された投影光学系と、前記レ
    チクルを照明する照明光学系とを有することを特徴とす
    る投影露光装置。
17. 【請求項１７】 請求項１６記載の投影露光装置を用い
    た露光方法において、 前記照明光学系を用いて前記レチクルを照明する工程
    と、 前記投影光学系を用いて前記レチクルのパターン像を前
    記基板に投影する工程とを含むことを特徴とする露光方
    法。
18. 【請求項１８】 請求項１６記載の投影露光装置を用い
    た半導体の製造方法において、 前記照明光学系を用いて前記レチクルを照明する工程
    と、 前記投影光学系を用いて前記レチクルのパターン像を前
    記基板に投影する工程とを含むことを特徴とする半導体
    の製造方法。