JP2005051145A

JP2005051145A - 露光方法及び露光装置

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Publication number: JP2005051145A
Application number: JP2003283642A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Sagane; 達砂金
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】光学素子の移動に伴う収差の変動を防止し、高い露光精度を実現する。
【解決手段】投影光学系の収差を求め、当該収差を補正しうる該投影光学系に含まれる光学素子の目標位置を予測し、非露光中であって次の露光開始前に該光学素子の該目標位置への移動が完了するように、該光学素子の移動を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、その他のマイクロデバイスの製造工程の１つとして設けられるフォトグラフィ工程において用いられる露光方法及び露光装置に関する。

半導体集積回路、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、その他のマイクロデバイスは、一般的にフォトリソグラフィ技術を用いて製造される。フォトリソグラフィ技術は、微細なパターンが形成されたマスク又はレチクル（以下、これらを総称するときには「マスク」という）に照明光を照明し、パターンをフォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウエハや透明ガラス基板等の基板上に転写し、感光剤を現像することで基板表面にレジストパターンを形成し、その基板に対してエッチング等の各種処理を施す技術である。露光装置はマスクのパターンを基板上に転写する際に用いられる。

露光装置としては種々の方式のものが実現されているが、例えば半導体素子を製造する場合には、マスクに形成されたパターン全体を一度に投影し得るイメージフィールドを有する投影光学系を介して基板をステップ・アンド・リピート方式で露光する投影露光装置（所謂、ステッパ）と、マスクと基板とを同期移動させつつ、マスクに形成されたパターンを基板上に逐次走査露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置とが用いられることが多い。

近年のマイクロデバイスの微細化に伴って、上記の何れの露光装置にも高い露光精度が要求されている。露光精度を向上させるためには、マスクのパターンが形成されている面（以下、パターン面という）と基板表面との共役関係を正確に保つとともに、残存収差が極力低減された状態となるように投影光学系を調整する必要がある。マスクのパターン面と基板表面との共役関係を保つ技術として、投影光学系の焦点位置の変動に応じて、焦点位置に対する基板の位置ずれを補正する技術、及び投影光学系の焦点位置変動に応じて投影光学系に含まれる一部のレンズ群を光軸方向に移動させて投影光学系の焦点位置ずれを補正する技術がある。

また、例えば、以下の特許文献１は、非露光中には基板を投影光学系の光軸方向に移動させて投影光学系の焦点位置に対する基板の位置ずれを補正し、露光中（走査露光中）には投影光学系の光軸方向における基板の位置を変化させずに投影光学系に含まれる一部のレンズ群を光軸方向に移動させて投影光学系の焦点位置ずれを補正する技術を開示している。
特開平１１−２７４０７０号公報

ところで、投影光学系に含まれる一部のレンズ群を移動させて投影光学系の焦点位置ずれ、収差、倍率等を補正する技術においては、投影光学系が露光光を吸収して生ずる熱及び大気圧の変動に起因する焦点位置ずれ、収差、倍率等の変動を求め、これを補正するように一部のレンズ群を移動させている。

このとき、焦点位置ずれ等を補正するために投影光学系に含まれる一部のレンズ群を移動させると、レンズ群の移動に伴って投影光学系の結像特性（例えば、像面の平坦性）が悪化することがあるので、レンズ群を移動させるときには複数のレンズ群を移動させて、一つのレンズ群の移動による結像特性の悪化を他のレンズ群の移動によって相殺させるようにしている。

しかしながら、近年においてはスループット（単位時間当たり露光処理することができる基板の枚数）の向上を図るため、露光に用いる光（露光光）の強度が高く設定され、一つのショット領域に対する露光光の照射時間や次のショット領域に移動するための露光光の非照射時間が短縮される傾向にある。このため、収差等を補正するためにレンズ群を目標位置に素早く追従させる必要があるが、短時間で長い距離に亘ってレンズ群をほぼ平行に移動させることは困難であり、移動中にレンズ群が光軸に対して傾斜（チルト）してしまうことがある。レンズ群のチルトが生じると、投影光学系ＰＬにコマ収差が発生するため投影光学系の結像特性が悪化するという問題があった。

特に、複数のレンズ群を移動させる場合には、移動させる全てのレンズ群を平行に移動させる必要があるため、一つのレンズ群を移動させる場合に比べてコマ収差が容易に発生してしまうとともに、他の収差も発生しやすくなり、投影光学系の結像特性の悪化が容易に引き起こされるという問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光学素子の移動に伴う収差の変動を防止し、高い露光精度を実現することを目的とする。

以下、この項に示す説明では、本発明を、実施形態を表す図面に示す部材符号に対応付けて説明するが、本発明の各構成要件は、これら部材符号を付した図面に示す部材に限定されるものではない。

上述した課題を解決するため、本発明の第１の観点によると、パターンが形成されたマスク（Ｒ）及び複数の光学素子（５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇ）を有する投影光学系（ＰＬ）を介して間欠的に露光光を照射して基板（Ｗ）を露光する露光方法であって、前記投影光学系の収差を求め、当該収差を補正しうる前記光学素子の目標位置を予測する予測工程（Ｓ１７）と、非露光中であって次の露光開始前に前記光学素子の前記目標位置への移動が完了するように、該光学素子の移動を制御する移動工程（Ｓ１８）とを含む露光方法が提供される。

上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によると、パターンが形成されたマスク（Ｒ）及び光学素子（５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇ）を有する投影光学系（ＰＬ）を介して、間欠的に露光光を照射して基板（Ｗ）を露光する露光装置であって、前記光学素子を駆動する駆動装置（５５ｂ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆ，５５ｇ）と、前記投影光学系の収差を求め、当該収差を補正しうる前記光学素子の目標位置を予測する予測部（３４）、及び非露光中であって次の露光開始前に前記光学素子の前記目標位置への移動が完了するように、該光学素子の移動を制御する制御部（４０）を含む制御装置とを備えた露光装置が提供される。

本発明では、投影光学系の収差を補正しうる光学素子の目標位置を予測し、非露光中であって次の露光開始前に光学素子の目標位置への移動が完了するように、該光学素子の移動するようにしたので、投影光学系の収差を補正しうる位置に光学素子が固定された状態で基板の露光が行われ、露光時には光学素子の移動に伴う収差の変動が生じないため、光学素子の駆動に伴うチルトにより生じていた結像特性の悪化（例えば像面の悪化）が防止される。

本発明によると、投影光学系の収差を補正しうる位置に光学素子が固定された状態で基板の露光が行われ、露光時には光学素子の移動に伴う収差の変動が生じないため、高い露光精度を実現することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る露光装置の全体構成の概略を示す図である。図１に示す露光装置は、図１中の投影光学系ＰＬに対してマスクとしてのレチクルＲと基板としてのウエハＷとを相対的に移動させつつ、レチクルＲに形成されたパターンをウエハＷに逐次転写して半導体素子を製造するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置である。

なお、本実施形態において、「露光時」又は「露光期間」とは、主として１つのショット領域に対する露光を開始してから当該ショット領域に対する露光を終了するまでの期間をいう。また、「非露光時」又は「非露光期間」とは、主として１つのショット領域に対する露光を終了してから次のショット領域にステッピングさせて当該次のショット領域に対する露光を開始するまでの期間をいう。但し、「非露光時」又は「非露光期間」には、ウエハ交換やその他の理由により露光処理を中断している場合のその中断期間が含まれる場合がある。

以下の説明においては、図１中に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＹ軸がウエハＷに対して平行となるよう設定され、Ｚ軸がウエハＷに対して直交する方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。また、本実施形態ではレチクルＲ及びウエハＷを同期移動させる方向（同期移動方向ＳＤ）をＹ方向に設定している。

図１において、１は断面が略長方形状の平行光束である露光光ＩＬを射出する露光光源であり、例えばＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）である。露光光源１からの波長１９３ｎｍの紫外パルスよりなる露光光ＩＬは、ビームマッチングユニット（ＢＭＵ）２を通り、光アッテネータとしての可変減光器３に入射する。露光光源１の発光の開始及び停止、並びに出力（発振周波数、パルスエネルギー、パルス数）は、ウエハＷ上のフォトレジストに対する露光光の強度（照度）を制御するための露光制御ユニット３３が制御する。また、露光制御ユニット３３は、可変減光器３における減光率を段階的、又は連続的に調整する。

可変減光器３を通った露光光ＩＬは、レンズ系４ａ，４ｂよりなるビーム成形系５を経て第１段のオプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ、又はホモジナイザ）としての第１フライアイレンズ６に入射する。この第１フライアイレンズ６から射出された露光光ＩＬは、第１レンズ系７ａ、光路折り曲げ用のミラー８、及び第２レンズ系７ｂを介して第２段のオプティカル・インテグレータとしての第２フライアイレンズ９に入射する。

第２フライアイレンズ９の射出面（射出側焦点面）、即ちレチクルＲのパターン面に対する光学的なフーリエ変換面（照明系の瞳面、投影光学系ＰＬの瞳面と光学的に共役な面）には開口絞り板１０が、駆動モータ１０ｃによって回転自在に配置されている。開口絞り板１０は回転軸の周りで回転自在に構成された円板からなり、通常照明用の円形の開口絞り１０ａ、輪帯照明用の開口絞り（図示省略）、複数（例えば４極）の偏心した小開口よりなる変形照明用の開口絞り１０ｂ、及び小さいコヒーレンスファクタ（σ値）用の小円形の開口絞り（図示省略）が周方向に沿って形成されている。

開口絞り板１０の回転軸は駆動モータ１０ｃの回転軸に接続されており、駆動モータ１０ｃを駆動して開口絞り板１０を回転軸の周りで回転させることにより、第２フライアイレンズ９の射出面に配置する開口絞りを切り替えることができる。第２フライアイレンズ９の射出面に配置される開口絞りに応じて、その射出面における露光光ＩＬの強度分布が変更される。駆動モータ１０ｃの駆動は露光装置の全体の動作を統括制御する主制御系３４が制御する。なお、開口絞り板１０の代わりに、例えば照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子、照明光学系の光軸に沿って可動なプリズム（円錐プリズムなど）、及びズーム光学系を含む成形光学系を、光源１と第１フライアイレンズ６との間に配置し、照明光学系の瞳面上での露光光ＩＬの光量分布（２次光源の大きさや形状）、即ちレチクルＲの照明条件の変更に伴う光量損失を抑えることが好ましい。

第２フライアイレンズ９から射出されて開口絞り板１０に形成された開口絞りの何れかを通過した露光光ＩＬは、透過率が高く反射率が低いビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１を透過した露光光ＩＬは、光軸ＩＡＸに沿ってレンズ系１２，１３を順次経て、固定ブラインド（固定照明視野絞り）１４及び可動ブラインド（可動照明視野絞り）１５に入射する。本実施形態では、固定ブラインド１４はレチクルＲのパターン面（下面）との共役面から光軸ＩＡＸ方向に所定量だけ離れて配置され、可動ブラインド１５は実質的にその共役面に配置される。このブラインド１４，１５によって規定される、レチクルＲのパターン面上で露光光ＩＬが照射される照明視野領域（照明領域）ＩＡは、投影光学系ＰＬの円形視野内で光軸ＡＸをほぼ中心とし、かつ走査露光時にレチクルＲが移動される同期移動方向（以下では走査方向とも呼び、本来ではＹ方向と一致）ＳＤと直交する非走査方向（Ｘ方向）に伸びる直線スリット状又は矩形状（以下、まとめて「スリット状」という）となっている。

なお、照明領域ＩＡは走査方向の幅が固定ブラインド１４によって規定されるが、ウエハＷ上の各ショット領域の走査露光の開始直後及び終了直前の所定期間に、露光対象のショット領域以外が不要に露光されるのを防止するため、可動ブラインド１５によって走査方向の幅が変更される。また、可動ブラインド１５は照明領域ＩＡの非走査方向の幅を規定するとともに、例えばレチクルＲのパターン領域のサイズに応じて非走査方向の幅を可変とする。

露光時に可動ブラインド１５を通過した露光光ＩＬは、光路折り曲げ用のミラー１７、結像用のレンズ系１８、コンデンサレンズ１９、及び主コンデンサレンズ系２０を順次介して、マスクとしてのレチクルＲのパターン面（下面）の照明領域（照明視野領域）ＩＡを照明する。露光光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域ＩＡ内の回路パターンの像が両側テレセントリックな投影光学系ＰＬを介して所定の投影倍率α（αは例えば１／４又は１／５等）で、投影光学系ＰＬの結像面に配置された基板としてのウエハＷ上のスリット状の露光領域ＥＡに転写される。なお、投影光学系ＰＬは片側テレセントリックであっても良い。

本実施形態の投影光学系ＰＬは、ジオプトリック系（屈折系）であるが、カタジオプトリック系（反射屈折系）や反射系も使用できることはいうまでもない。また、投影光学系ＰＬは、所定の気温（例えば、２５℃）、所定の大気圧（例えば、１気圧）の下で露光光ＩＬの波長に関して最良に収差補正されており、かかる条件下においてレチクルＲとウエハＷとは互いに共役になっている。また、本例の露光装置ではケーラー照明が採用されており、前述した照明光学系の瞳面に形成される２次光源（多数の光源像からなる面光源）が投影光学系ＰＬの瞳面に結像される。なお、投影光学系ＰＬは複数のレンズ等の光学素子を有し、その光学素子の硝材としては露光光ＩＬの波長に応じて石英、蛍石等の光学材料から選択されている。

図１において、レチクルＲは、マスクステージとしてのレチクルステージ２１上に吸着保持され、レチクルステージ２１は、レチクルベース２２上でＹ方向に等速移動できると共に、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ軸回りの回転方法にレチクルＲを微動できるようになっている。レチクルステージ２１の一端には移動鏡２３が取り付けられており、移動鏡２３の鏡面に対面してレーザ干渉計２４が設けられている。このレーザ干渉計２４によってレチクルステージ２１（レチクルＲ）の２次元的な位置及び回転角がリアルタイムに計測されている。このレーザ干渉計２４の計測結果及び主制御系３４からの制御情報に基づいて、駆動制御ユニット２５がレチクルステージ２１の走査速度、及び位置の制御を行う。

一方、ウエハＷは、ウエハホルダ２６を介して基板ステージとしてのウエハステージ２７上に吸着保持され、ウエハステージ２７は、ウエハベース２８上で投影光学系ＰＬの像面と平行なＸＹ平面に沿って２次元移動する。即ち、ウエハステージ２７は、ウエハベース２８上でＹ方向に一定速度で移動すると共に、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動する。更に、ウエハステージ２７には、ウエハＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）、並びにＸ軸及びＹ軸の回りの傾斜角（θｘ及びθｙ方向の回転量）を制御するＺレベリング機構も組み込まれている。なお、Ｚレベリング機構は上記３つの方向に加えてＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸回りのθｚ方向にもウエハＷを微動可能としてもよい。

ウエハステージ２７の一端には移動鏡２９が取り付けられており、移動鏡２９の鏡面に対面してレーザ干渉計３０が設けられている。このレーザ干渉計３０によってウエハステージ２７のＸ方向、Ｙ方向の位置、及びＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りの回転角がリアルタイムに計測されている。レーザ干渉計３０の計測結果及び主制御系３４からの制御情報に基づいて、駆動制御ユニット（リニアモータ、ボイスコイルモータなどのアクチュエータを含む）３１がウエハステージ２７の走査速度、及び位置の制御を行う。なお、移動鏡２９を設ける代わりに、例えばウエハステージ２７の端面（側面）を鏡面加工して形成される反射面を用いてもよい。

また、ウエハステージ２７上のウエハＷの近傍には、ウエハＷの露光面と同じ高さの受光面を有する光電検出器からなる照射量センサ３２が設置されている。この照射量センサ３２は、前述の露光領域ＥＡと同程度以上の大きさの受光面を有し、その受光面に設けられた透過部から露光光ＩＬを受光して露光領域ＥＡ内での照射量を検出するものであり、照射量を測定するときには、ウエハステージ２７を駆動して受光面が露光領域ＥＡとほぼ一致するように照射量センサ３２を配置する。さらに、ウエハステージ２７は固定したままレチクルステージ２１を駆動し、レチクルＲのパターン領域及び投影光学系ＰＬを通過する露光光ＩＬが照射量センサ３２で受光され、照射量センサ３２から出力される検出信号は露光制御ユニット３３に供給される。

また、前述したビームスプリッタ１１で反射された光は、集光レンズ３５を介して光電検出器よりなるインテグレータセンサ３５の受光面に集光されている。インテグレータセンサ３５の受光面は、一例としてレチクルＲのパターン形成面及びウエハＷの露光面とほぼ共役であり、インテグレータセンサ３５の検出信号（光電変換信号）は、露光制御ユニット３３に供給されている。

露光制御ユニット３３にはインテグレータセンサ３５の出力信号からウエハＷ上での照射量（単位時間当たりの露光量）を求めるための変換係数等が格納されている。インテグレータセンサ３５の受光面はレチクルＲのパターン面とほぼ共役な位置に配置されているので、第２フライアイレンズ９の射出面に配置された開口絞り板１０により照明条件を変更した場合でも、インテグレータセンサ３５の検出信号に誤差が生じないようになっている。なお、インテグレータセンサ３５の受光面を、投影光学系ＰＬにおけるレチクルＲのパターンのフーリエ変換面（瞳面）と実質的に共役な観察面に配置して、この観察面を通過する全光束を受光できるようにしても構わない。

更に、本実施形態では、ビームスプリッタ１１に関してインテグレータセンサ３５と反対側に集光レンズ３７と光電検出器よりなるウエハ反射率センサ３８とが設置されており、ウエハ反射率センサ３８の受光面は集光レンズ３７によりウエハＷの表面とほぼ共役になっている。この場合、レチクルＲを透過して投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に照射される露光光ＩＬのうちで、ウエハＷでの反射光が、投影光学糸ＰＬ、レチクルＲ等を介してウエハ反射率センサ３８で受光され、この検出信号（光電変換信号）が露光制御ユニット３３に供給される。

露光制御ユニット３３は、照射量センサ３２の検出信号などから算出される、レチクルＲを介して投影光学系ＰＬに入射する露光光ＩＬの単位時間当たりの光エネルギー、及びウエハ反射率センサ３８の検出信号から算出されるウエハＷでの反射光の単位時間当たりの光エネルギーを算出する。算出された光エネルギーは主制御系３４に出力される。主制御系３４は、この光エネルギーに基づいて基づいて、投影光学系ＰＬを通過する露光光ＩＬの単位時間当たりの光エネルギーを求める。更に、このように求められた光エネルギーに露光時間を乗じて得られる熱エネルギーに基づいて、主制御系３４は投影光学系ＰＬの熱膨張量を予測し、この予測された熱膨張量による投影光学系ＰＬの各結像特性の変化量を求める。

また、投影光学系ＰＬの鏡筒付近には大気圧センサ３９が設けられており、主制御系３４は大気圧センサ３９の検出結果に基づいて大気圧の変動による投影光学系ＰＬの各結像特性の変化量を求める。そして、主制御系３４は、結像特性制御部４０を介して投影光学系ＰＬに設けられた結像特性補正部４１を制御することで、熱膨張による投影光学系ＰＬの各結像特性の変化及び大気圧の変動による投影光学系ＰＬの各結像特性を調整する。なお、投影光学系ＰＬの結像特性の調整についての詳細は後述する。上記の主制御系３４は、本発明にいう予測部に相当し、結像特性制御部４０は、本発明にいう制御部に相当する。これら主制御部３４及び結像特性制御部４０を含む構成が、本発明にいう制御装置に相当する。

なお、大気圧センサ３９は投影光学系ＰＬの鏡筒の内部と鏡筒の外部との２箇所に設けることが好ましい。このように投影光学系ＰＬの内部と外部との２箇所に大気圧センサ３９を設けるのは、投影光学系ＰＬ内部には、投影光学系ＰＬ外部の空気とは別の気体（例えば、窒素又はヘリウム）が充填又はフローされる場合があるからである。窒素は例えば投影光学系ＰＬ内におけるオゾンの発生を抑えるために用いられ、ヘリウムは空気に比べて屈折率が小さいため、例えば投影光学系ＰＬの結像特性変化を小さくするために用いられる。

また、本実施形態においては、投影光学系ＰＬの結像面に向けてピンホール又はスリット状の像を形成するための結像光束を、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して斜め方向から供給する照射光学系４２ａと、その結像光束のウエハＷ表面での反射光束を受光する受光光学系４２ｂとからなる斜入射方式の焦点位置検出系４２が設けられている。この焦点位置検出系４２により、ウエハＷ表面の結像面に対するＺ方向の位置及び傾斜角を検出してウエハＷと投影光学系ＰＬとの合焦状態を検出することができるようになっている。

更に、レチクルＲ裏面側には、スリット状の像を形成するための結像光束を、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して斜め方向から供給する照射光学系４３ａと、その結像光束のレチクルＲ裏面での反射光束を受光する受光光学系４３ｂとからなる斜入射方式の焦点位置検出系４３が設けられている。この焦点位置検出系４３により、レチクルＲ裏面の結像面に対するＺ方向の位置及び傾斜角を検出してウエハＷとレチクルＲとの共役関係の状態を検出することができるようになっている。

次に、投影光学系ＰＬに設けられた結像特性補正部４１の概略構成及び動作について説明する。図２は、本実施形態の露光装置が備える投影光学系ＰＬの概略構成を示す図であり、図３は、投影光学系の分割鏡筒のうちの一つの分割鏡筒を示す上面図である。なお、図２及び図３においても、図１に示したＸＹＺ直交座標系と同様のＸＹＺ直交座標系を設定して各部材の位置関係について説明する。

図２に示すように、投影光学系ＰＬの鏡筒５０は複数の分割鏡筒５０ａ〜５０ｌを備えており、フランジ５１を介して、図示せぬ露光装置のフレームに支持されている。これら複数の分割鏡筒５０ａ〜５０ｌは、光軸ＡＸ方向に積層されている。そして、本実施形態では、複数の分割鏡筒５０ａ〜５０ｌのうち、分割鏡筒５０ｂ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇにより支持されているレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇは、光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に移動可能かつＸ方向又はＹ方向を軸として傾斜（チルト）可能な可動レンズとなっている。レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを保持している分割鏡筒５０ｂ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇの構成につき、分割鏡筒５０ｂの構成を代表させて説明する。なお、他の分割鏡筒５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇの構成については、分割鏡筒５０ｂの構成とほぼ同様であるため、ここでは説明を省略する。

分割鏡筒５０ｂは、分割鏡筒５０ｂの（Ｚ方向）上下に位置する分割鏡筒５０ａ，５０ｃと接続される外側環５３ｂと、レンズ５２ｂを保持するレンズ枠５４ｂとを備えている。このレンズ枠５４ｂは、外側環５３ｂに対して光軸方向（Ｚ方向）に移動可能かつＸ軸に平行な軸又はＹ軸に平行な軸の周りでチルト可能となるように、外側環５３ｂに連結されている。また、分割鏡筒５０ｂは、外側環５３ｂに取り付けられたアクチュエータ５５ｂを備えている。このアクチュエータ５５ｂとしては、例えば圧電素子を適用することができる。アクチュエータ５５ｂは、図１に示す結像特性制御部４０の制御の下で、例えば弾性ヒンジから構成される変位拡大機構としてのリンク機構を介してレンズ枠５４ｂを駆動する。このアクチュエータ５５ｂは、分割鏡筒５０ｂの３箇所に取り付けられており、これにより、レンズ枠５４ｂの３箇所が独立に光軸方向（Ｚ方向）へ移動する。なお、上記レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇは、本発明にいう光学素子に相当し、アクチュエータ５５ｂ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆ，５５ｇは、本発明にいう駆動装置に相当する。

図３を参照して詳述する。なお、以下の説明では分割鏡筒５０ｂ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ，５０ｇ及びそれを構成する各部材を区別せずにそれらの何れかを指定する場合には、符号の末尾に付される記号「ａ」〜「ｇ」を省略して説明する。図３において、レンズ５２の周縁には、３つの鍔部６１ａ〜６１ｃがＸＹ平面内における方位角１２０°毎に設けられている。そして、レンズ枠５４は、クランプ部６２ａ〜６２ｃを備えており、これらがレンズ５２の３つの鍔部６１ａ〜６１ｃを保持している。そして、レンズ枠５４は、ＸＹ平面内における方位角１２０°ごとの駆動点ＤＰ１〜ＤＰ３の位置で、リンク機構を介して３つのアクチュエータ（不図示）によりＺ方向に沿って独立に駆動される。

ここで、３つのアクチュエータによるＺ方向の駆動量が同じ量である場合は、レンズ枠５４は外側環５３に対しＺ方向（光軸方向）へ移動することとなり、３つのアクチュエータによるＺ方向の駆動量が異なる量である場合は、レンズ枠５４は外側環５３に対しＸ軸に平行な軸又はＹ軸に平行な軸の周りで傾くこととなる。なお、３つのアクチュエータによるＺ方向の駆動量が異なる量である場合には、レンズ枠５４が外側環５３に対しＺ方向（光軸方向）へ移動することもあり得る。図１に示す結像特性補正部４１は以上の構成により実現されている。

さて、図２に戻り、分割鏡筒５０ｂは、外側環５３ｂに取り付けられて、例えば光学式エンコーダ（又は静電容量センサなど）からなる駆動量計測部５６ｂを備えている。この駆動量計測部５６ｂは、図３に示した方位角１２０°ごとの３つの計測点ＭＰ１〜ＭＰ３の位置における外側環５３ｂに対するレンズ枠５４ｂのＺ方向（光軸方向）の移動量を計測する。従って、アクチュエータ５５ｂ及び駆動量計測部５６ｂにより、レンズ枠５４ｂの移動、ひいてはレンズ５２ｂの移動をクローズドループで制御することができる。

図２に示した分割鏡筒５０ａ〜５０ｌのうち、分割鏡筒５０ａ，５０ｃ，５０ｈ，５０ｉ，５０ｊ，５０ｋ，５０ｌにより支持されているレンズ５２ａ，５２ｃ，５２ｈ，５２ｉ，５２ｊ，５２ｋ，５２ｌは、固定レンズとなっている。これらの固定レンズ５２ａ，５２ｃ，５２ｈ，５２ｉ，５２ｊ，５２ｋ，５２ｌを保持している分割鏡筒５０ａ，５０ｃ，５０ｈ，５０ｉ，５０ｊ，５０ｋ，５０ｌの構成につき、分割鏡筒５０ｃの構成を代表させて説明する。なお、分割鏡筒５０ｃ以外の他の分割鏡筒５０ａ，５０ｈ，５０ｉ，５０ｊ，５０ｋ，５０ｌの構成については、分割鏡筒５０ｃの構成とほぼ同様であるため、ここでは説明を省略する。分割鏡筒５０ｃは、分割鏡筒５０ｃの（Ｚ方向）上下に位置する分割鏡筒５０ｂ，５０ｄと接続される外側環５３ｃと、当該外側環５３ｃに取り付けられてレンズ５２ｃを保持するレンズ枠５４ｃとを備えて構成される。

本実施形態においては、アクチュエータ５５として、高精度、低発熱、高剛性及び高クリーン度の圧電素子を使用して、この圧電素子の駆動力を弾性ヒンジからなるリンク機構により拡大させる構成としているため、圧電素子自体のコンパクト化を図れる利点がある。なお、アクチュエータ５５を圧電素子で構成する代わりに、磁歪アクチュエータや流体圧アクチュエータで構成しても良い。また、上記レンズ５２ａ〜５２ｌは単一のレンズ素子から構成されることもあり、複数のレンズ素子を組み合わせたレンズ群からなることもある。

以上の構成の投影光学系ＰＬにおいては、レンズ５２ａ，５２ｃ，５２ｈ，５２ｉ，５２ｊ，５２ｋ，５２ｌの姿勢（光軸ＡＸ方向の位置及びＸＹ平面に対する傾斜）を変えることなくレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの姿勢を可変することができる。本例では結像特性制御部４０によりこれらのレンズの内、１つのレンズの姿勢を調整することにより、又は、複数のレンズの姿勢を互いに関連付けて調整することにより、投影光学系ＰＬで生ずる５つの回転対称な結像特性（収差など）及び５つの偏心収差を個別に補正することができる。なお、ここでいう５つの回転対称な結像特性とは、倍率、ディストーション（歪曲収差）、コマ収差、像面湾曲、及び球面収差をいう。また、５つの偏心収差とは、偏心ディストーション（歪曲収差）、偏心コマ収差、偏心非点収差、及び偏心球面収差をいう。

次に、焦点位置合わせ方法について説明する。まず、レチクルＲとウエハＷとを共役状態に合わせるため、ウエハＷのＺ方向における基準位置を以下に示す方法で求める。まず、所定のマークが描かれたレチクルＲをレチクルステージ２１の所定の場所に搭載して、ウエハステージ２７をＺ方向にステップ送りしつつ、レチクルＲの所定のマークをウエハＷ上に焼き付けて現像する。このウエハＷを光学顕微鏡で観察して焼き付けたマーク形状が最も良好なＺ方向の位置を基準位置とし、そのときのレチクルＲ側の斜入射方式の焦点位置検出系４３及びウエハＷ側の斜入射方式の焦点位置検出系４２の出力を焦点基準位置として主制御系３４の図示しない記憶装置に記憶しておく。これ以降の焦点位置の変動についての補正はこの焦点基準位置に基づいて行われる。なお、上記焼き付けの代わりに、投影光学系ＰＬの像面側でレチクルＲのマークの投影像を検出して最良な焦点位置を求めるようにしてもよい。

次に、本実施形態におけるウエハステージ２７を用いた焦点位置の補正（調整）方法について説明する。既に説明したように、本実施形態においては、レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれレチクルＲ側の斜入射焦点位置検出系４３及びウエハＷ側の斜入射焦点位置検出系４２により、レチクルＲ及びウエハＷの投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向の変位をそれぞれ検出できるようになっている。主制御系３４は、これら斜入射焦点位置検出系４２，４３の検出結果と投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量とを用いて焦点位置合わせを行う。

投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量は、投影光学系ＰＬの特性並びに投影光学系ＰＬに入射する光量及び大気圧に基づいて算出する。投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動は、大別すると２つの要因で生ずる。第１の要因は投影光学系ＰＬ周囲の環境の変動、すなわち大気圧、温度、湿度の変化に基づく結像特性の変化である。第２の要因はウエハＷの露光時に投影光学系ＰＬ自体が露光光ＩＬを吸収して投影光学系ＰＬを構成するレンズの形状や屈折率が変化してしまうことによる結像特性の変化である。なお、露光装置は、通常、温度及び湿度が厳しく管理されたチャンバ内に設置されているため、投影光学系ＰＬの温度及び湿度の変化による結像特性の変化は無視できる場合が多い。

大気圧の変動が要因で生ずる投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動は、大気圧の変動率と投影光学系ＰＬの焦点位置の変化率との関係を予め求めておき、この関係と大気圧センサ３９の検出結果とに基づいて算出する。また、露光光ＩＬの吸収が要因で生ずる投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動は、予めモデル関数を用いて投影光学系ＰＬをモデル化して露光光ＩＬの吸収による焦点位置変動率を求めておき、このモデル関数とインテグレータセンサ３５の検出結果及びウエハ反射率センサ３８の検出結果とに基づいて算出する。なお、投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量を求める方法の詳細については前掲の特許文献１を参照されたい。

ここで、焦点基準位置に対するレチクルＲの変位量をＲｚ、焦点基準位置に対するウエハＷの変位量をＷｚ、投影光学系ＰＬの投影倍率をＭＬ、投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量をＦＬとすると、焦点位置変位量ΔＦは、以下の（１）式で表される。

ΔＦ＝ＦＬ＋Ｒｚ×ＭＬ^２−Ｗｚ ……（１）

上記（１）式の左辺の焦点位置変位量ΔＦが零となるようにウエハステージ２７のＺ方向の位置を調整することで、レチクルＲとウエハＷとの共役関係が保たれる。

また、投影光学系ＰＬは、大気圧の変動又は露光光ＩＬの吸収により上記の焦点位置変動以外に、投影光学系ＰＬの結像特性が変化する。つまり、大気圧等の変動によって、倍率変化が生じるとともに、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、コマ収差、像面湾曲収差、及び球面収差が発生してしまう。本実施形態においては、主制御系３４が上述した投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動に加えて、投影光学系ＰＬの結像特性の変化を、投影光学系ＰＬの特性並びに投影光学系ＰＬに入射する光量及び大気圧に基づいて算出する。

大気圧の変動が要因で生ずる投影光学系ＰＬの結像特性の変化は、大気圧の変動率と、像面湾曲変化、倍率変化、ディストーション変化、コマ収差変化、及び球面収差変化との関係を各々予め求めておき、これらの関係と大気圧センサ３９の検出結果とに基づいて算出する。また、露光光ＩＬの吸収が要因で生ずる投影光学系ＰＬの結像特性は、焦点位置変動を求める場合と同様に、予めモデル関数を用いて投影光学系ＰＬの各収差についてモデル化して露光光ＩＬの吸収による収差の変化をそれぞれ求めておき、これらのモデル関数とインテグレータセンサ３５の検出結果及びウエハ反射率センサ３８の検出結果とに基づいて算出する。

投影光学系ＰＬの結像特性変化（像面湾曲変化ＣＵ、倍率変化Ｍ、ディストーション変化Ｄ、コマ収差変化ＣＯ、球面収差変化ＳＡ）は以下の（２）式で表される。

但し、上記（２）式中の各項は以下に示す変化を表すものである。

ＣＵ_{ＰＲＥＳＳ}：大気圧変化による像面湾曲変化
Ｍ_{ＰＲＥＳＳ} ：大気圧変化による倍率変化
Ｄ_{ＰＲＥＳＳ} ：大気圧変化によるディストーション変化
ＣＯ_{ＰＲＥＳＳ}：大気圧変化によるコマ収差変化
ＳＡ_{ＰＲＥＳＳ}：大気圧変化による球面収差変化
ＣＵ_ＨＥＡＴ：露光光吸収による像面湾曲変化
Ｍ_ＨＥＡＴ：露光光吸収による倍率変化
Ｄ_ＨＥＡＴ：露光光吸収によるディストーション変化
ＣＯ_ＨＥＡＴ：露光光吸収によるコマ収差変化
ＳＡ_ＨＥＡＴ：露光光吸収による球面収差変化

また、図２に示した投影光学系ＰＬのレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの移動量Ｇ_１〜Ｇ_５に対する投影光学系ＰＬの結像特性変化は以下の（３）式で表すことができる。

上記（３）式中のＣ_１１〜Ｃ_５５は係数であり、これらは実際にレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを光軸ＡＸ方向へ移動させて得られた移動量と結像特性変化量との関係から求められる。なお、ここでは、係数Ｃ_１１〜Ｃ_５５を実験により求める場合について説明したが、投影光学系ＰＬの設計データからシミュレーションにより求めても良い。

主制御系３４は、上記（２）式を用いてインテグレータセンサ３５の検出結果、ウエハ反射率センサ３８の検出結果、及び大気圧センサ３９の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化（像面湾曲変化ＣＵ、倍率変化Ｍ、ディストーション変化Ｄ、コマ収差変化ＣＯ、球面収差変化ＳＡ）を求めている。このため、上記（３）式の関係から、投影光学系ＰＬの結像特性変化を補正するためのレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの移動量Ｇ_１〜Ｇ_５は以下の（４）式で表すことができる。

従って、主制御系３４が求めた投影光学系ＰＬの結像特性変化を上記（４）式に代入して得られた移動量Ｇ_１〜Ｇ_５に基づいて、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動すれば、投影光学系ＰＬの結像特性変化を補正することができる。

以上、ウエハステージ２７を用いた焦点位置の補正及び投影光学系ＰＬのレンズの移動による結像特性変化の補正について説明したが、次に、本実施形態の露光装置の動作について説明する。図４は、駆動されるレンズの位置変化の一例を示す図であって、（ａ）は従来の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示し、（ｂ）は本実施形態の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示す図である。

なお、図４においては、投影光学系ＰＬに含まれるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの内の何れか２つの位置変化を示しており、ここではレンズ５２ｂ，５２ｄの位置変化として説明する。図４において、符号Ｔｒ１を付した曲線はレンズ５２ｂの位置変化を示し、符号Ｔｒ２を付した曲線はレンズ５２ｄの位置変化を示している。また、図４においては、レンズ５２ａの初期位置を基準としてレンズ５２ｂ，５２ｄの位置変化を図示している。

図４（ａ）に示す従来の方法においては、大気圧の変動及び投影光学系の露光光吸収による結像特性の変化（焦点位置や倍率の変動）に応じて、これを補正するために常時レンズ５２ｂ，５２ｄを移動させている。このとき、例えばレンズ５２ｂの移動によって生ずる投影光学系ＰＬの結像特性の悪化を相殺するようにレンズ５２ｄを駆動している。図４（ａ）を参照すると、露光時においては投影光学系ＰＬにおいて露光光ＩＬの吸収が生じ、投影光学系ＰＬの結像特性の変化が大きいため、レンズ５２ｂ，５２ｄの位置が大きく変化する。また、露光光ＩＬの照射時間が長くなる（即ち、露光光ＩＬの吸収による投影光学系ＰＬの熱蓄積量が多くなる）につれて、レンズ５２ａ，５２ｄの位置変化が徐々に大きくなる。

これに対して、非露光時においては露光光ＩＬの照射が停止されて投影光学系ＰＬにおける露光光ＩＬの吸収が生じないため、吸収した熱が放熱されて投影光学系ＰＬの結像特性が徐々に初期の状態に戻る。これに合わせて、レンズ５２ｂ，５２ｄも徐々に初期の位置に向かって移動するよう制御される。再度露光が開始されると、投影光学系ＰＬでの露光光ＩＬの吸収が生じるため、レンズ５２ｂ，５２ｄの位置が大きく変化する。以下、このような動作が繰り返される。

スループットの向上を図る観点から、露光光ＩＬの強度は高く設定されている。このため、非露光期間が終了して露光が開始されると、投影光学系ＰＬに入射する光エネルギー量が急激に変化して露光光ＩＬの吸収量も急激に大きくなり、その結果、投影光学系ＰＬの結像特性が大きく変化する。この結像特性の変化を補正するためにレンズ５２ｂ，５２ｄを駆動しても、結像特性補正部４１の応答特性が遅く、移動させるべき目標位置にレンズ５２ｂ，５２ｄが追従しないことがある。

また、図２及び図３を参照して説明した通り、レンズ５２ｂ，５２ｄは、アクチュエータ５５ｂ，５５ｄによってそれぞれ３点で駆動される。アクチュエータ５５ｂの各々、及びアクチュエータ５５ｄの各々によるＺ方向の駆動量を等しくすれば、レンズ５２ｂ，５２ｄは光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に沿って平行移動する筈である。しかしながら、アクチュエータ５５ｂの各々、及びアクチュエータ５５ｄの各々の特性のばらつきにより、平行移動させようとする場合であってもレンズ５２ｂ，５２ｄが傾斜することがある。この傾斜は駆動量を大きくして単位時間当たりのレンズ５２ｂ，５２ｄの移動量が大きくなると顕著になる。

このため、従来の駆動方法によりレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動すると、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇが目標位置に追従せず、又はレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの傾斜が生じて、例えばコマ収差の発生を引き起こしてしまい、却って投影光学系ＰＬの結像特性の悪化を引き起こしてしまうという問題があった。また、露光中のレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動量が大きくなると、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動によって振動が生ずることもある。

かかる問題点を解決するために、本実施形態では露光時にはレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動を行わず、非露光時にレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを移動させて露光時における投影光学系ＰＬの結像特性を補正するようにしている。具体的には、露光時に投影光学系ＰＬで生ずるであろう収差を求め、この収差を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置を予測し、露光が終了してから次の露光が開始されるまでに、予測した位置にレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを移動して固定し、露光中にはレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動を行わないようにしている。

なお、本実施形態においては、投影光学系ＰＬで生ずる収差を補正するために露光中にレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動していないが、露光中において生ずる投影光学系ＰＬの焦点位置ずれを補正するために、焦点位置ずれに応じてウエハステージ２７を光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に駆動するようにしても良い。但し、ウエハステージ２７を光軸ＡＸ方向に駆動することにより、ウエハステージ２７の振動が生じて露光精度の悪化を招く場合には、光軸ＡＸ方向におけるウエハステージ２７の位置を変化させずに露光を行うことが好ましい。

次に、本実施形態の露光方法について説明する。なお、図４（ａ）に示した従来の方法との差異を明確にするため、本実施形態の説明においてもレンズ５２ｂ，５２ｄを駆動して投影光学系ＰＬの結像特性を補正する場合を例に挙げて説明する。

図４（ｂ）において、符号ＯＰ１を付した破線で示した曲線がレンズ５２ｂの目標位置を示し、符号ＯＰ２を付した破線で示した曲線がレンズ５２ｄの目標位置を示している。図４（ｂ）を参照すると、目標位置を示す曲線ＯＰ１，ＯＰ２は、露光終了時にのみステップ状の変化をしている。また、露光終了時において一度変化してから次の露光終了時までは変化をしない。露光終了時に示す変化は、次の露光時に生ずる収差を補正し得るレンズ５２ｂ，５２ｄの位置である。また、レンズ５２ｄはレンズ５２ｂとはほぼ逆の位置変化をしており、本実施形態においても、レンズ５２ｂの移動によって生ずる投影光学系ＰＬの結像特性の悪化を相殺するようにレンズ５２ｄが移動していることが分かる。

レンズ５２ｂ，５２ｄの目標位置は、直前のショット領域を露光した際に生ずる投影光学系ＰＬの収差の変動分と露光中に変動した収差とに基づいて算出する。ここで、例えば図４（ｂ）中の期間Ｔ４，Ｔ５におけるレンズ５２ｂ，５２ｄの目標位置を算出する場合について考える。この場合、「直前のショット領域を露光した際に生ずる投影光学系ＰＬの収差の変動分」とは、期間Ｔ１で生じた投影光学系ＰＬの収差の変動量から期間Ｔ２で生じた投影光学系ＰＬの収差の変動分を差し引いて得られる収差、即ち期間Ｔ３の開始時における投影光学系ＰＬの収差である。また、「露光中に変動した収差」とは、期間Ｔ３において生じた投影光学系ＰＬの収差変動分である。つまり、期間Ｔ４の開始時において、主制御系ＰＬは期間Ｔ３の終了時点で投影光学系ＰＬで生じている収差を補正し得る位置をレンズ５２ｂ，５２ｄの目標位置としている。

なお、主制御系３４はインテグレータセンサ３５の検出結果、ウエハ反射率センサ３８の検出結果、及び大気圧センサ３９の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化を常時算出しており、期間Ｔ３の終了時点において算出した投影光学系ＰＬの結像特性変化を前述した（４）式に代入して期間Ｔ４開始時におけるレンズ４ｂ，５４ｄの目標位置を求める。

また、図４（ｂ）を参照すると、レンズ５２ｂ，５２ｄの目標位置を示す曲線ＯＰ１，ＯＰ２は、露光終了時においてステップ状の変化を示しているが、レンズ５２ｂ，５２ｄは実際にはこのような急激な目標位置の変化に追従することができない。このため、露光終了時点におけるレンズ５２ｂ，５２ｄの位置変化は符号Ｔｒ１，Ｔｒ２を付した曲線の通り、目標位置を示す曲線ＯＰ１，ＯＰ２からずれた変化を示す。本実施形態においては、露光終了時から次に露光が開始されるまでの期間においてレンズ５２ｂ，５２ｄを駆動して各々の目標位置に配置するとともに、移動中に生じたチルトを補正し終えてからレンズ５２，５２ｄの姿勢を固定している。

次に、本実施形態による投影光学系ＰＬの結像特性の補正動作の流れについて説明する。図５は、本実施形態の投影光学系ＰＬの結像特性の補正動作の流れを示すフローチャートである。露光処理が開始されると、まず主制御系３４は不図示の記憶装置に記憶されている露光動作に必要な各種の情報（レシピ）を読み込み、露光処理を行う上で必要となる初期処理を行う。ここにいう、初期処理とは、例えば、レチクルＲの導入、ウエハＷのロード、レチクルＲ上の照明領域の設定、投影光学系ＰＬ（即ち、前述のステージ座標系）に対するレチクルＲの位置合わせ（アライメント）、最初に露光すべきショット領域をレチクルＲのパターンの像が投影される位置へ位置合わせする処理等の処理である。

また、主制御系３４は、上記の初期処理を行っている最中に、インテグレータセンサ３５の検出結果、ウエハ反射率センサ３８の検出結果、及び大気圧センサ３９の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出する（ステップＳ１０）。投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出すると、主制御系３４は前述した（４）式を用いて、算出した投影光学系ＰＬの結像特性変化を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動量（目標位置）を算出し、この駆動量を結像特性制御部４０に出力する。結像特性制御部４０は、主制御系３４から出力された駆動量に基づいてレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの少なくとも１つを駆動し、目標位置に追従させる（ステップＳ１１）。

次に、ウエハステージ２７上に載置されたウエハＷの最初に露光すべきショット領域（第１ショット）に対する露光準備処理が完了したか否かが主制御系３４において判断される（ステップＳ１２）。この判断結果が「ＮＯ」である場合には、主制御系３４は再度ステップＳ１０，Ｓ１１の処理を行い、投影光学系ＰＬにおいて生じている収差を補正するためにレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動する。

一方、ステップＳ１２における判断結果が「ＹＥＳ」になった場合、つまり第１ショットに対する露光準備が完了した場合には、主制御系３４は結像特性制御部４０に制御信号を出力し、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを現在の位置に固定させる（ステップＳ１３）。露光処理の開始時においては、目標位置を予測することができないため、ステップＳ１０，Ｓ１１において投影光学系ＰＬの収差を補正するようにレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動し、第１ショットの露光準備が完了した時点において、各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇをその位置に固定している。

レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置を固定する工程が終了すると、露光光ＩＬをレチクルＲの照明領域ＩＡに照射し、レチクルＲとウエハＷとを同期移動させつつレチクルＲに形成されたパターンを投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に逐次転写する（ステップＳ１４）。露光処理を行っている最中に主制御系３４は常時露光処理が終了したか否かを判断しており、露光処理が終了した場合（判断結果が「ＹＥＳ」になった場合）には、インテグレータセンサ３５の検出結果、ウエハ反射率センサ３８の検出結果、及び照射量（又は露光時間）、並びに、大気圧センサ３９の検出結果から露光処理を開始してから生じた投影光学系ＰＬの収差変化を算出する（ステップＳ１６）。なお、露光光ＩＬの吸収による投影光学系ＰＬの収差変化は、投影光学系ＰＬを通過する光エネルギー量が一定であれば、時間の関数となる。

投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出すると、主制御系３４は露光開始直前における投影光学系ＰＬの収差（露光開始直前にステップＳ１０で算出される収差）と、ステップＳ１６で算出した収差変化とに基づいて、収差を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置（目標位置）を予測する（ステップＳ１７）。目標位置を予測すると、主制御系３４は結像特性制御部４０に制御信号を出力し、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの移動を開始させ、次の露光処理が開始されるまでレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを目標位置に配置させるとともに、移動によって生じた各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇのチルトを補正させて固定させる（ステップＳ１８）。なお、ステップＳ１７では投影光学系ＰＬの結像特性の変化量が主制御系３４によって露光期間及び非露光期間の区別なく常時計算されている。このとき、主制御系３４は結像特性の変換量だけでなく各レンズの目標位置をも上記期間の区別なく計算しておくようにしてもよい。

各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを目標位置に固定すると、主制御系３４は次に露光すべきショット領域が有るか否かを判断する（ステップＳ１９）。次に露光すべきショット領域が有ると判断した場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、ステップＳ１４に戻り、ウエハステージ２７を駆動して露光すべきショット領域を露光開始位置に配置した後で、露光光ＩＬをレチクルＲの照明領域ＩＡに照射し、レチクルＲとウエハＷとを同期移動させつつレチクルＲに形成されたパターンを投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に逐次転写する。

一方、ステップＳ１９において、次に露光すべきショット領域が無いと判断した場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、主制御系３４は次に露光すべきウエハＷの有無を判断する（ステップＳ２０）。ここで、次に露光すべきウエハＷが無いと判断した場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、一連の露光処理が終了する。ステップＳ２０において、次に露光すべきウエハＷが有ると判断した場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、露光処理を終えたウエハＷの搬出を行うとともに、次に露光すべきウエハＷを搬入してウエハＷの交換を行う（ステップＳ２１）。

ウエハＷの交換が開始されると、主制御系３４の処理はステップＳ１０に戻り、投影光学系ＰＬの収差を求めて、算出した収差を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動量（目標位置）を算出し、結像特性制御部４０に制御信号を出力してレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動させる。この状態で、主制御系３４は新たに搬入したウエハＷの第１ショットに対する露光準備処理が完了したか否かを判断し（ステップＳ１２）、完了していない場合には、ステップＳ１０，Ｓ１１の処理を繰り返し行う。

一方、第１ショットに対する露光準備処理が完了した場合には、主制御系３４は結像特性制御部４０に制御信号を出力し、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを現在の位置に固定させる（ステップＳ１３）。前述した通り、本実施形態においては、基本的には露光時に投影光学系ＰＬで生ずるであろう収差を求め、この収差を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置を予測し、露光が終了してから次の露光が開始されるまでに、予測した位置にレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを移動して固定し、露光中にはレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動を行わないようにしている。

しかしながら、ウエハＷの交換を行う場合には、最終のショット領域の露光処理を終えてから交換した新たなウエハＷの第１ショットを露光するまでの時間（非露光時間）が長くなってしまう。非露光時間が長くなると、最終のショット領域の露光処理を終えた時点でレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを予測した目標位置に配置しても、交換した新たなウエハＷの第１ショットを露光するときの投影光学系ＰＬの収差を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置は予測した目標位置とは異なることが多い。

このため、ウエハＷの交換を行うときには、一度投影光学系ＰＬの収差の変化に合わせて、これを補正するように各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動し、新たなウエハＷの第１ショットを露光する準備が完了した時点において、各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置をその時点における位置に固定するようにしている。

以上説明した露光処理を繰り返している最中において、何らかの事情により強制的に露光処理が中止されることがある。露光処理が強制的に中止された場合には、次に露光処理が開始されるまでに長い間露光処理が中止されることが多い。このため、ウエハＷを交換する場合と同様に、非露光時間が長くなる状況となる。従って、露光処理が強制的に中止された場合には、一度投影光学系ＰＬの収差の変化に合わせて、これを補正するように各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動し、露光処理の強制的な中止が解除された時点において、各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置をその時点における位置に固定するようにしている。

図６は、露光処理が強制的に中止されてから露光処理が再開されるまでの処理を示すフローチャートである。図６において、露光処理（例えば、図５中におけるステップＳ１４の処理）を行っている間に、露光処理を中止しなければならない事態が生じた場合には、まず露光処理が強制的に中止される（ステップＳ３０）。露光処理が中止されている状態において、主制御系３４は露光処理の強制的な中止から所定時間（例えば、数分程度）が経過したか否かを判断する（ステップＳ３１）。

ステップＳ３１において所定時間経過したと判断すると、主制御系３４は、インテグレータセンサ３５の検出結果、ウエハ反射率センサ３８の検出結果、及び大気圧センサ３９の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出する（ステップＳ３２）。投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出すると、主制御系３４は前述した（４）式を用いて、算出した投影光学系ＰＬの結像特性変化を補正しうるレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの駆動量（目標位置）を算出し、この駆動量を結像特性制御部４０出力する。結像特性制御部４０は、主制御系３４から出力された駆動量に基づいてレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動し、目標位置に追従させる（ステップＳ３３）。

次に、主制御系３４は、露光装置が露光処理を再開可能な状態になって露光処理の強制中止が解除されたか否かを判断する（ステップＳ３４）。露光処理の強制中止が解除されていない場合（判断結果が「ＮＯ」の場合）には、主制御系３４は再度ステップＳ３２，Ｓ３３の処理を行い、投影光学系ＰＬにおいて生じている収差を補正するためにレンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動する。一方、露光処理の強制中止が解除された場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置をその時点における位置に固定して図５中の露光処理Ｓ１４を開始する。

以上説明した通り、本実施形態においては、露光終了時点において、次の露光時に生ずるであろう投影光学系ＰＬの収差を求めるとともに、この収差を補正しうる各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの目標位置を予測し、次の露光処理が開始されるまでの間に各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを予測した目標位置に移動させてチルトを補正した上で固定している。このため、露光処理を行っている最中にレンズを駆動させて却って投影光学系ＰＬの悪化を招くといった事態は生ぜず、投影光学系ＰＬの結像特性の悪化をさほど引き起こさず、良好な露光精度を得ることができる。

また、ウエハＷの交換又は露光処理の強制的な中止等の非露光期間が長くなる場合には、一度投影光学系ＰＬの収差を求めてこれを補正するように各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇを駆動し、露光処理が再開されたときに各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置をその時点における位置に固定しているため、予想した各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇ目標位置と実際に投影光学系ＰＬの収差を補正しうる各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの位置との差異を極力小さくすることができる。なお、上記実施形態では非露光期間が長くなる場合、例えば露光処理の終了直後などに一度だけ投影光学系ＰＬの収差変化を補正するように各レンズを駆動するものとしたが、非露光期間中に前述の収差変化に応じて各レンズを駆動し続けるようにしてもよいし、あるいは非露光期間中に所定の時間間隔で各レンズを駆動するだけでもよい。また、その非露光期間中は結像特性の変化量の計算のみを行うものとし、各レンズの駆動は行わないようにしてもよい。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上記実施形態では非露光期間中に収差変化の補正を全く行わないものとしたが、例えば投影光学系の種類などによってはレンズの駆動量が比較的小さくて済む収差が存在し得るので、この収差についてはその変化を露光中に補正してもよい。また、倍率変化の補正に必要なレンズの駆動量が比較的小さい投影光学系では、露光中に倍率変化の補正を行ってもよい。

また、上記実施形態では露光中にウエハＷのＺ方向の位置のみを調整するものとしたが、例えば像面湾曲をも考慮して、露光領域ＥＡ内でウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの焦点深度内に設定されるようにウエハＷの傾斜角（θｘ及びθｙ方向の回転量）の調整を行うようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では結像特性補正部４１、即ち投影光学系ＰＬのレンズの移動のみによって倍率や各種収差を調整するものとしたが、他の少なくとも１つの補正機構、例えばレチクルＲのＺ方向への移動及び傾斜を行う機構、あるいは露光光ＩＬの波長をシフトさせる機構などを組み合わせて、投影光学系ＰＬの結像特性を調整してもよい。このとき、結像特性補正部４１以外の補正機構でもその補正対象の結像特性を非露光期間中のみ補正するようにしてもよい。

また、上記実施形態では投影光学系ＰＬの物体面側でレチクルＲのパターン面の位置情報を検出する焦点位置検出系４３を設けるものとしたが、この焦点位置検出系４３を設けないでウエハ側の焦点位置検出系４２を用いるだけでもよい。

例えば、上記実施形態では本発明をステップ・アンド・スキャン方式の露光装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）にも適用することができる。また、上記実施形態では、レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの目標位置は、直前のショット領域を露光した際に生ずる投影光学系ＰＬの収差の変動分と露光中に変動した収差とに基づいて算出していた。つまり、投影光学系ＰＬの過去の収差の変動分のみに基づいて目標位置を算出していた。しかしながら、各露光期間の間の非露光期間の長さ及びこれから露光を行う露光期間の長さが予め既知である場合には、これから露光を行う期間において生ずる投影光学系ＰＬの収差変化を予測することができるため、この予測結果をも考慮して各レンズ５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇの目標位置を算出するようにしても良い。

また、上記実施形態では露光光ＩＬとしてＡｒＦエキシマレーザから射出されるレーザ光（波長１９３ｎｍ）を用いていたが、超高圧水銀ランプから射出されるｇ線（波長４３６ｎｍ）及びｉ線（波長３６５ｎｍ）又は、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）若しくはＦ_２エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）から射出されるレーザ光、又は金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等を用いても良い。

さらに、例えば国際公開（ＷＯ）９９／４６８３５号に開示されているように、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザを、例えばエルビウム（又はエルビウムとイットリビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いてもよい。

また、レーザプラズマ光源、又はＳＯＲから発生する軟Ｘ線領域、例えば波長１３．４ｎｍ、又は１１．５ｎｍのＥＵＶ（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）光を用いるようにしてもよい。さらに、電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いてもよい。また、投影光学系は、反射光学系、屈折光学系、及び反射屈折光学系のいずれを用いてもよいし、縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれを用いてもよい。

さらに、半導体素子の製造に用いられるデバイスパターンをウエハ上に転写する露光装置だけでなく、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられるデバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置等にも本発明を適用することができる。また、露光装置で使用するマスク（レチクル）の製造に用いられる露光装置にも本発明を適用することができる。さらに、例えば国際公開（ＷＯ）９９／４９５０４号に開示される液浸型露光装置にも本発明を適用することができる。また、例えば国際公開（ＷＯ）９８／２４１１５号、９８／４０７９１号に開示されるように、露光動作とアライメント動作（マーク検出動作）とをほぼ並行に可能な２つのウエハステージを備える露光装置にも本発明を適用することができる。

複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み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や基板ステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、さらに総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより本実施形態の露光装置を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルーム内で行うことが望ましい。

半導体素子は、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て、レチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを製造するステップ、上述した実施形態の露光装置等によりレチクルのパターンをウエハに露光転写するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。

本発明の実施形態に係る露光装置の全体構成の概略を示す図である。本発明の実施形態に係る露光装置が備える投影光学系の概略構成を示す図である。投影光学系の分割鏡筒のうちの一つの分割鏡筒を示す上面図である。駆動されるレンズの位置変化の一例を示す図であって、（ａ）は従来の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示し、（ｂ）は本実施形態の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示している。本発明の実施形態における投影光学系の結像特性の補正動作の流れを示すフローチャートである。露光処理が強制的に中止されてから露光処理が再開されるまでの処理を示すフローチャートである。

符号の説明

３４…主制御系（予測部、制御装置）
４０…結像特性制御部（制御部、制御装置）
５２ｂ，５２ｄ，５２ｅ，５２ｆ，５２ｇ…レンズ（光学素子）
５５ｂ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆ，５５ｇ…アクチュエータ（駆動装置）
ＰＬ…投影光学系
Ｒ…レチクル（マスク）
Ｗ…ウエハ（基板）

Claims

パターンが形成されたマスク及び複数の光学素子を有する投影光学系を介して間欠的に露光光を照射して基板を露光する露光方法であって、
前記投影光学系の収差を求め、当該収差を補正しうる前記光学素子の目標位置を予測する予測工程と、
非露光中であって次の露光開始前に前記光学素子の前記目標位置への移動が完了するように、該光学素子の移動を制御する移動工程とを含むことを特徴とする露光方法。
前記予測工程では露光終了時点における前記投影光学系の収差を求め、
前記移動工程では前記光学素子の移動制御を非露光開始時点で開始することを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
前記予測工程では、前記投影光学系に入射する光量、大気圧、及び前記投影光学系の特性に基づいて、前記収差を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の露光方法。
非露光中であって非露光時間が予め決められた所定時間を越えた場合に、前記投影光学系の収差の変動に追従して前記光学素子を移動させる追従移動工程を含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の露光方法。
前記追従移動工程中であって露光を再開する場合には、前記追従移動工程を終了し、前記光学素子を当該追従移動工程終了時点における該光学素子の位置で停止させることを特徴とする請求項４に記載の露光方法。
露光を強制的に中止させて前記追従移動工程を行っている場合であって前記中止が解除された場合には、前記光学素子を前記中止が解除された時点における前記光学素子の位置で停止させることを特徴とする請求項４に記載の露光方法。
前記光学素子の移動は、何れか一つの光学素子の移動に伴って生ずる前記投影光学系の光学特性の変化を他の光学素子の移動によって相殺するように行うことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の露光方法。
パターンが形成されたマスク及び光学素子を有する投影光学系を介して、間欠的に露光光を照射して基板を露光する露光装置であって、
前記光学素子を駆動する駆動装置と、
前記投影光学系の収差を求め、当該収差を補正しうる前記光学素子の目標位置を予測する予測部、及び非露光中であって次の露光開始前に前記光学素子の前記目標位置への移動が完了するように、該光学素子の移動を制御する制御部を含む制御装置とを備えることを特徴とする露光装置。
前記予測部は露光終了時点における前記投影光学系の収差を求め、
前記制御部は前記光学素子の移動制御を非露光開始時点で開始することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
前記予測部は、前記投影光学系に入射する光量、大気圧、及び前記投影光学系の特性に基づいて、前記収差を求めることを特徴とする請求項８又は９に記載の露光装置。
前記制御装置は、非露光中であって非露光時間が予め決められた所定時間を越えた場合に、前記投影光学系の収差の変動に追従して前記光学素子を移動させる追従移動制御部をさらに含むことを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の露光装置。
前記追従移動制御部により前記光学素子が前記投影光学系の収差に追従して移動させている場合であって露光を再開する場合に、当該追従移動を終了し、前記光学素子を当該追従移動終了時点における該光学素子の位置で停止させることを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
露光を強制的に中止させて前記追従移動制御部により前記光学素子が前記投影光学系の収差に追従して移動させている場合であって前記中止が解除された場合に、前記光学素子を前記中止が解除された時点における前記光学素子の位置で停止させることを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
前記光学素子の移動は、何れか一つの光学素子の移動に伴って生ずる前記投影光学系の光学特性の変化を他の光学素子の移動によって相殺するように行うことを特徴とする請求項８〜１３の何れか一項に記載の露光装置。