JP3487383B2 - 露光装置及びそれを用いる素子製造方法 - Google Patents

露光装置及びそれを用いる素子製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、液晶表示素子、撮像素子、（ＣＣＤ等）、又は薄膜
磁気ヘッド等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に
使用される露光装置に関し、特に矩形又は円弧状等の照
明領域に対してマスク及び感光性の基板を同期して走査
することにより、マスク上のパターンを逐次その基板上
に露光する所謂スリットスキャン方式、又はステップ・
アンド・スキャン方式等の走査露光型の露光装置に適用
して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体素子等を製造する際に使用
されていた露光装置は、主にレチクル（又はフォトマス
ク等）のパターンを投影光学系を介してステップ・アン
ド・リピート方式でフォトレジストが塗布されたウエハ
（又はガラスプレート等）上の各ショット領域に露光す
る一括露光方式の投影露光装置（ステッパー等）であっ
た。斯かる投影露光装置では、ウエハ上の各ショット領
域への露光量（露光エネルギー）をそれぞれ適正範囲に
収めるための照度制御機構が設けられている。
【０００３】図１１は、従来の照度制御機構を備えたス
テッパー方式の投影露光装置を示し、この図１１におい
て、水銀ランプ１０１からの照明光は楕円鏡１０２によ
って集光された後、集光光学系１０３ａ、及び所望の波
長帯の光（例えばｉ線）を選択する光学フィルタ１０３
ｂよりなる集光フィルタ系１０３を経てシャッター１０
４に達する。シャッター１０４は、タイマー制御系１０
６からの指令に基づいてシャッター制御機構１０５によ
り開閉が行われる。シャッター１０４が開状態の場合、
照明光はインプットレンズ１０７を介してほぼ平行光束
となってフライアイレンズ１０８に入射する。
【０００４】フライアイレンズ１０８の射出面に多数の
光源像が形成され、これにより照明光のレチクル１１９
上での照度分布の平坦化が行われる。その射出面に複数
種類の照明系開口絞りが形成されたターレット板１２２
が配置され、その中の所定の照明系開口絞りを通過した
照明光が、反射率が９８％程度の反射ミラー１０９に入
射する。反射ミラー１０９で反射された照明光が、第１
リレーレンズ１１３を経て、ブラインド駆動系１１５に
より制御された照明用ブラインド（可変視野絞り）１１
４上で一定の照明エリアに制限され、照明用ブラインド
１１４を通過した照明光が、第２リレーレンズ１１６、
反射ミラー１１７、及びコンデンサーレンズ１１８によ
りリレーされて、レチクル１１９上の照明領域を均一な
照度分布で照明する。その照明光のもとで、レチクル１
１９上のパターンが投影光学系１２０を介して例えば１
／５に縮小されてウエハ１２１の各ショット領域上に投
影露光される。
【０００５】この際に、反射ミラー１０９を透過した漏
れ光が、集光レンズ１１０を介して光電検出器よりなる
インテグレータセンサ１１１に入射し、この出力信号が
照度算出系１１２に供給されている。インテグレータセ
ンサ１１１は、例えばレチクル１１９のパターン形成面
とほぼ共役な位置にあり、ウエハ１２１での単位時間当
たりの露光エネルギーとインテグレータセンサ１１１上
での照度との間の換算係数が予め記憶されている。イン
テグレータセンサ１１１の出力信号に照度算出系１１２
でその換算係数を乗ずることにより、ウエハ１２１上で
の単位時間当りの露光エネルギーが分かる。この単位時
間当りの露光エネルギーの情報が主制御系１２５に供給
され、主制御系１２５は、ウエハ１２１上での適正露光
量をその単位時間当りの露光エネルギーで除算して得ら
れる露光時間をタイマー制御系１０６に入力する。これ
に応じてタイマー制御系１０６が、その露光時間だけシ
ャッター１０４を開状態にすることにより、ウエハ１２
１上での積算露光量が適正露光量に制御される。
【０００６】また、最近、例えばピッチの小さな周期的
なパターンに対する解像度、及び焦点深度を向上させる
ために、照明系開口絞りを光軸に対して偏心した複数の
開口を有する形状とする変形光源法（例えば特開平４−
２２５３５８号公報参照）、又は照明系開口絞りの形状
を輪帯状にする輪帯照明法等が提案されている。そこ
で、図１１の場合にも、ターレット板１２２中には、変
形光源法用の開口絞り、及び輪帯照明法用の輪帯状開口
絞り等が形成されている。主制御系１２５が露光対象の
パターン等の情報を照明系開口絞り制御系１２４に供給
すると、照明系開口絞り制御系１２４が、駆動モータ１
２３を介してターレット板１２２を回転させて対応する
照明系開口絞りをフライアイレンズ１０８の射出面に設
定する。
【０００７】このように照明系開口絞りの形状を変化さ
せると、照明系開口絞り中の光源像の個数及び分布が変
化することにより、ウエハ１２１上での照度が変化す
る。このように照度が変化しても、例えば、ウエハ１２
１の露光面とほぼ共役な面に配置された受光面を有する
インテグレータセンサ１１１からの出力信号をモニタ
し、その出力信号に応じてシャッター１０４の開時間を
調整することにより、常にウエハの各ショット領域で適
正露光量が得られる構成となっていた。
【０００８】このような一括露光方式では、照射面内の
照度むらはオプティカル・インテグレータとしてのフラ
イアイレンズ１０８等により抑制されている。また、イ
ンテグレータセンサ１１１の出力信号を用いて間接的に
ウエハ１２１上での積算露光量をモニタすることによ
り、シャッター１０４の制御が行われるので、ウエハ１
２１の各ショット領域における照度の時間的安定性は、
全く問題にならなかった。更に、インテグレータセンサ
１１１と照明光源（水銀ランプ１０１）との間で変形光
源法等による照明条件の変更が行われても、積算露光量
が目標値に達するまでの時間が変化するだけで、特に不
都合は無かった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
は、レチクルとウエハとを投影光学系に対して静止させ
た状態で、ウエハ上の各ショット領域に対してそれぞれ
シャッターを１回開閉することにより露光を行う一括露
光方式の露光装置において、照度制御機構を設けたもの
である。このような一括露光方式では、照度制御上での
不都合は特に無かった。
【００１０】これに対して最近、半導体素子等の１個の
チップパターンが大型化する傾向にあり、投影露光装置
においては、より大きな面積のパターンを効率的にウエ
ハ上に露光する大面積化が求められている。このような
大面積化を行うためには、特にディストーションを全面
で所定量以下に収めることが必要となる。そこで、ディ
ストーションを全面で小さくし、且つ大面積化に応える
ために、ウエハ上の各ショット領域を走査開始位置にス
テッピングした後、例えば矩形、円弧状又は複数の台形
等からなる照明領域（これを「スリット状の照明領域」
という）に対してレチクル及び感光基板を同期して走査
することにより、レチクル上のパターンを各ショット領
域に逐次露光する所謂ステップ・アンド・スキャン方
式、又はスリットスキャン方式等の走査露光方式の露光
装置が見直されている。
【００１１】この走査露光方式の露光装置に従来技術を
適用すると、種々の不都合が発生してしまう。先ず、走
査露光方式では、ウエハの各ショット領域をこれらショ
ット領域の長さより短いスリット状の露光フィールドに
対して走査させるため、各ショット領域内の積算露光量
の制御は、そのスリット状の露光フィールド内の積算露
光量をウエハ上の全ての点で一定にすることで実行され
る。仮に、ウエハ上の各点での積算露光量が異なると、
各ショット領域内で積算露光量のむらが生じることにな
り、これは一括露光方式の露光装置における照射面内で
の照度むらと同様の誤差となってしまう。
【００１２】これを回避するための手法としては、定照
度制御という方式がある。これはインテグレータセンサ
の出力結果を直接照明電源にフィードバックしてウエハ
上での照度を制御するもので、これによりその照度を一
定に保つことが可能となる。しかしながら、走査露光方
式では一括露光方式に比べて照明領域が狭い分露光フィ
ールドの全体に単位時間当たり照射される露光量である
絶対照射量が大きく、またレジスト感度に応じて積算露
光量を広い範囲で可変にする必要があるので、照射量の
可変範囲を大きくとる必要がでてきた。
【００１３】しかし、このように照射量の可変範囲を大
きくした場合、照射光量が大きい場合と小さい場合との
両方でインテグレータセンサの出力のＳＮ比を所定の値
以上に維持しようとすると、インテグレータセンサに大
きな光量（連続光では照度、又は受光する光束全体での
単位時間当たりの光エネルギー）を与えることになり、
光量測定時にインテグレータセンサの温度変化が発生し
てセンサ感度が変化するという不都合がある。また、ウ
エハステージ上の照射量も一括露光方式に比べて大きい
ため、広範囲の照射量の照明光がウエハステージ上の光
電センサである照度むらセンサや、ウエハからの反射光
の光量を測定するための光電センサである照射量モニタ
に照射されることにより、これらの光電センサ上に無視
できない温度変化が発生し、センサ感度が変化するとい
う不都合がある。
【００１４】本発明は斯かる点に鑑み、照射量が広範囲
に変化した場合でも、光量を計測するセンサでの計測誤
差が少なく且つＳＮ比のよい出力信号が得られ、照射量
又は積算露光量の計測が高精度に行われる露光装置を提
供することを目的とする。
【００１５】
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明による第１の露光
装置は、転写用のパターンが形成されたマスク（Ｒ）を
露光用の照明光（ＩＬ）で照明する照明光学系（１〜１
７，２３〜４０）を有し、その照明光（ＩＬ）のもとで
感光基板（Ｗ）上にそのマスクパターンを転写する露光
装置において、その照明光（ＩＬ）の少なくとも一部の
光束の光量を計測する光電センサ（３３，４９，５３，
５５）と、この光電センサの受光面（７７）の温度を検
出する温度検出手段（７５）と、その光電センサの受光
面（７７）の温度を制御する温度制御手段（７１ａ，７
１ｂ，７３，７９）と、を備え、その受光面に照射され
る照明光の照射エネルギー量が増加しても該受光面（７
７）の温度がほぼ一定となる飽和温度（ＴＳ）に維持せ
しめるように、その温度検出手段（７５）の検出値に基
づいてその温度制御手段を制御せしめながら、その光電
センサによる光量計測を行うものである。
【００１７】 また、本発明による第２の露光装置は、
転写用のパターンが形成されたマスク（Ｒ）を露光用の
照明光（ＩＬ）で照明する照明光学系（１〜１７，２３
〜４０）を有し、その照明光（ＩＬ）のもとで感光基板
（Ｗ）上にそのマスクパターンを転写する露光装置にお
いて、その照明光（ＩＬ）の少なくとも一部の光束の光
量を計測する光電センサ（３３，４９，５３，５５）
と、その光電センサの受光面（７７）の温度が飽和した
ときのその光電センサの感度特性を記憶する記憶手段
（１９）と、を備え、その光電センサの受光面（７７）
の温度がほぼ一定の飽和温度（ＴS ）に達した後、光電
センサの出力及びその記憶手段（１９）の感度特性より
その照明光（ＩＬ）の光量計測を行うものである。
【００１８】 また、本発明の第１、第２の露光装置に
おいて、その光電センサの一例は、その照明光学系内で
その照明光（ＩＬ）から分離された光束の光量を部分的
に計測する光電センサ（３３）、その感光基板（Ｗ）と
同一面上に配置されその感光基板（Ｗ）に照射される照
明光（ＩＬ）の光量を部分的に計測する光電センサ（４
９）、及びその感光基板（Ｗ）と同一面上に配置されそ
の感光基板（Ｗ）に照射される照明光（ＩＬ）の全体の
光量を計測する光電センサ（５５）よりなる光電センサ
群内の少なくとも１つである。
【００１９】
【００２０】 本発明の第１の露光装置によれば、例え
ば図８に示すように、光電センサ（３３）の受光面（７
７）の温度を制御する温度制御手段（７１ａ，７１ｂ，
７３，７９）を備えているので、その温度制御手段によ
り受光面（７７）の温度を所望の温度に制御し、例えば
図９（ｂ）に示す関係に従って光電センサ（３３）の計
測値を補正する。また、この場合、受光面（３３）の温
度が所望の温度になるまでの時間が短縮されるので生産
性（スループット）が向上する。また、例えばその温度
制御手段により受光面（７７）の温度を、露光に先立っ
て予め所望の温度にしておけば，更に計測時間が短縮さ
れ、生産性が更に向上する。また、光量を制限する必要
がないので、光電センサ（３３）からは所定値以上のＳ
Ｎ比の出力信号を得ることができる。
【００２１】 また、本発明の第２の露光装置によれ
ば、例えば図９（ａ）に示すように、光電センサ（３
３）の受光面（７７）の温度が飽和温度に達した後、光
電センサ（３３）の計測を行い、記憶手段（１９）によ
り記憶された例えば図９（ｂ）に示す飽和温度における
感度特性より光電センサ（３３）の計測値を算出するこ
とができる。また、この場合、本発明の第１の露光装置
のように温度制御手段を必要としない。また、受光面
（７７）が飽和温度になる時間が予め判明しておれば、
本発明の第１の露光装置で設けた温度検出手段（７５）
も必要としない。また、飽和温度における感度特性が記
憶手段（１９）で記憶されておればよい等、装置面及び
制御面共に簡単な構成で光電センサ（３３）による高精
度な測定を行うことができる。また、光電センサ（３
３）から所定値以上のＳＮ比の出力信号を得るようにす
ることができる点は上記の発明と同様である。
【００２２】 また、本発明の第１、第２の露光装置に
おいて、光電センサが、照明光学系内でその照明光（Ｉ
Ｌ）から分離された光束の光量を部分的に計測する光電
センサ（インテグレータセンサ）、感光基板（Ｗ）と同
一面上に配置され感光基板（Ｗ）に照射される照明光
（ＩＬ）の光量を部分的に計測する光電センサ（照度む
らセンサ）、及び感光基板（Ｗ）と同一面上に配置され
感光基板（Ｗ）に照射される照明光（ＩＬ）の全体の光
量を計測する光電センサ（照射量モニタ）のうちの少な
くとも１つである場合には、照度むら、又は照度を高精
度に計測できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明による露光装置の実
施の形態の一例につき図１〜図１０を参照して説明す
る。本例は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露
光装置に本発明を適用したものである。図１は、本例の
投影露光装置を示し、この図１において、水銀ランプ１
からの照明光は楕円鏡２によって集光される。その集光
点近傍にシャッター制御機構５により開閉されるシャッ
ター４が配置され、シャッター４が開状態の場合、その
照明光はミラー３及びインプットレンズ６を介してほぼ
平行光束に変換された後、視野絞り７に達する。視野絞
り７の直後に、出し入れ自在に減光板２３が配置され、
減光板２３により視野絞り７を通過する照明光の光量を
所定範囲内で段階的、又は連続的に変化させることがで
きるようになっている。
【００２４】減光板２３は、例えば反射型ハーフミラー
を複数個切り換え自在に配置したものであり、各ハーフ
ミラーの光軸に対する傾きがそれぞれ全体としての透過
率を所定の透過率にするように設定されている。そし
て、駆動モータを含む減光板駆動機構２４で、減光板２
３をステップ移動させることにより、照明光の光量が調
整される。本例では、ウエハＷに対する露光量の制御を
行うのは露光量制御系２０であり、露光量制御系２０が
減光板駆動機構２４の動作を制御すると共に、シャッタ
ー制御機構５の動作をも制御する。更に、露光量制御系
２０は水銀ランプ１用の電源系２２を介して、水銀ラン
プ１に供給される電流を制御する。
【００２５】視野絞り７の開口を通過した後、減光板２
３によって光量が調整された照明光は、第１リレーレン
ズ８を経て２段のフライアイレンズ群の内の第１フライ
アイレンズ９に入射する。第１フライアイレンズ９によ
る複数の光源像からの照明光は、第２リレーレンズ１２
Ａを介して第２フライアイレンズ１４に導かれる。本例
では、第１フライアイレンズ９の射出面、即ち光源像の
形成面の近傍に光量絞り１０が配置され、光量絞り１０
の開口の大きさは光量絞り駆動機構１１によって任意の
大きさに調整できるようになっている。光量絞り駆動機
構１１の動作も露光量制御系２０により制御される。本
例ではその光量絞り１０の開口の大きさを調整すること
により、第１フライアイレンズ９から第２フライアイレ
ンズ１４に向かう照明光の光量を連続的に調整できる。
【００２６】図２（ａ）は、光量絞り１０の一例を示
し、図２（ａ）において、光量絞り１０は虹彩絞りより
構成されている。この場合、例えばその虹彩絞りの周囲
のレバーを動かすことにより、図２（ｂ）に示すよう
に、その虹彩絞りのほぼ円形の開口の大きさが連続的に
調整できるようになっている。図１に戻り、近年、照明
光学系の開口数（N.A.）を絞る、即ち照明光学系の開口
数の投影光学系の開口数に対する比の値であるコヒーレ
ンスファクタ（σ値）を小さくすることにより、所定の
パターンに対する焦点深度を向上させる技術が開発され
ている。このようにσ値を小さくするときには、レチク
ルを照明する照明光の照度が減少する。本例ではそのよ
うな照明光の照度の減少を防止する手段として、第２フ
ライアイレンズ１４の入射面での照明領域の大きさを調
整する調整機構が設けられている。
【００２７】その調整機構は、第２リレーレンズ１２Ａ
と、この第２リレーレンズ１２Ａより屈折力の大きな別
の第２リレーレンズ１２Ｂと、それら２つの第２リレー
レンズ１２Ａ，１２Ｂを切り換える交換機構１３とから
構成され、本例の投影露光装置全体の動作を統括制御す
る主制御系１９によりその交換機構１３の動作が制御さ
れる。そして、通常のσ値で照明を行うときには、交換
機構１３を介して第１フライアイレンズ９と第２フライ
アイレンズ１４との間に一方の第２リレーレンズ１２Ａ
が配置され、これにより第２フライアイレンズ１４の入
射面のほぼ全面が照明光により照明される。一方、σ値
を小さくして（照明光学系の開口数を絞って）照明を行
うときには、交換機構１３を介して第１フライアイレン
ズ９と第２フライアイレンズ１４との間に他方の第２リ
レーレンズ１２Ｂが配置され、これにより第２フライア
イレンズ１４の入射面の中央部が部分的に照明光で照明
される。従って、σ値を小さくしたときには、第２フラ
イアイレンズ１４の段階での照明光の照度が高くなるた
め、σ値の如何に拘らず、レチクル及びウエハ上での照
明光の照度がほぼ一定に維持される。
【００２８】なお、本例の調整機構は、切り換え方式で
あるが、その調整機構を第１フライアイレンズ９と第２
フライアイレンズ１４との間に配置されるズームレンズ
系と、このズームレンズ系の変倍を行う変倍機構とから
構成してもよい。このようにズームレンズ系を使用する
ことにより、第２フライアイレンズ１４の入射面での照
明視野の大きさを連続的に変化させることができる。従
って、σ値を連続的に変化させたような場合でも、常に
レチクル及びウエハ上での照度を高く維持できる利点が
ある。
【００２９】次に、本例の第２フライアイレンズ１４
は、それぞれモザイク状にレンズエレメントが密着して
配置された片面が平面状の２個のレンズ束１４ａ及び１
４ｂを、それぞれの平面部が対向するように近接して配
置したものである。そこで、以下では第２フライアイレ
ンズ１４を「モザイク型フライアイレンズ１４」と呼
ぶ。
【００３０】図３（ａ）は本例のモザイク型フライアイ
レンズ１４の側面図であり、この図３（ａ）において、
照明光学系の光軸ＡＸ１に沿ってそれぞれの平面部ＦＢ
及びＦＣが間隔δで対向するように配置された２個のレ
ンズ束１４ａ及び１４ｂよりモザイク型フライアイレン
ズ１４が構成されている。この場合、光源側の第１のレ
ンズ束１４ａを構成する各レンズエレメントはそれぞれ
入射面ＦＡ側で屈折力を有し、レチクル側の第２のレン
ズ束１４ｂを構成する各レンズエレメントはそれぞれ射
出面ＦＤ側で屈折力を有する。
【００３１】更に、第１のレンズ束１４ａに光源側から
入射する平行光束は、第２のレンズ束１４ｂの射出面Ｆ
Ｄ上に集光され、逆に第２のレンズ束１４ｂにレチクル
側から入射する平行光束は、第１のレンズ束１４ａの入
射面ＦＡ上に集光されるように、各レンズエレメントの
屈折力が定められている。即ち、第２のレンズ束１４ｂ
の射出面ＦＤは、モザイク型フライアイレンズ１４の焦
点面となっており、その射出面ＦＤに多数の光源像が形
成される。従って、レンズ束１４ａ及び１４ｂは、２つ
が組み合わされて初めて１個のフライアイレンズとして
作用する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）に示すモザイク型
フライアイレンズ１４の２つのレンズ束１４ａ，１４ｂ
を構成するレンズエレメントの個数は一例であり、実際
には必要とされる照度分布の均一性の要求精度に応じて
そのレンズエレメントの個数が決定される。
【００３２】図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡＡ線に沿っ
て第１のレンズ束１４ａを示す正面図、図３（ｃ）は図
３（ａ）のＣＣ線に沿って第２のレンズ束１４ｂを示す
正面図であり、図３（ａ）及び図３（ｃ）において、本
例の投影露光装置の走査露光時のレチクルの走査方向に
対応する方向をＸ１方向として、その走査方向に垂直な
非走査方向に対応する方向をＹ１方向としている。
【００３３】この場合、図３（ｂ）に示すように、第１
のレンズ束１４ａは、Ｘ１方向の幅ｄｘでＹ１方向の幅
ｄｙ（ｄｙ＞ｄｘ）の細長い矩形の断面形状を有するレ
ンズエレメント６１を、それぞれＹ１方向に密着して配
列することにより、第１行６２Ａ、第２行６２Ｂ、第３
行６２Ｃ、…の各行のレンズ群を構成し、且つ奇数番目
の第１行６２Ａ、第３行６２Ｃ、…のレンズ群と、偶数
番目の第２行６２Ｂ、第４行６２Ｄ、…のレンズ群とを
Ｙ１方向にレンズエレメントの幅ｄｙの１／２だけずら
して構成されている。
【００３４】本例では図３（ａ）において、モザイク型
フライアイレンズ１４の入射面、即ち第１のレンズ束１
４ａの入射面ＦＡがレチクルのパターン面と共役であ
り、その第１のレンズ束１４ａを構成するレンズエレメ
ント６１の断面形状が、レチクル上のスリット状の照明
領域と相似であるときに最も照明効率が高くなる。そこ
で、レンズエレメント６１の断面形状のＸ１方向の幅ｄ
ｘと、Ｙ１方向の幅ｄｙとの比の値は、レチクル上のス
リット状の照明領域の走査方向の幅と、非走査方向の幅
との比の値にほぼ等しく設定されている。そのため、レ
ンズエレメント６１の断面は、非走査方向に対応するＹ
１方向に細長い矩形となっている。一例として、ｄｘ：
ｄｙ＝１：３程度に設定される。
【００３５】また、図３（ｃ）に示すように、第２のレ
ンズ束１４ｂは、Ｘ１方向の幅ｅｘ（＝２・ｄｘ）でＹ
１方向の幅ｅｙ（＝ｄｙ／２）のほぼ正方形に近い断面
形状を有するレンズエレメント６５を、それぞれＸ１方
向に密着して配列することにより、第１列６６Ａ、第２
列６６Ｂ、第３列６６Ｃ、…の各列のレンズ群を構成
し、且つ奇数番目の第１列６６Ａ、第３列６６Ｃ、…の
レンズ群と、偶数番目の第２列６６Ｂ、第４列６６Ｄ、
…のレンズ群とをＸ１方向にレンズエレメントの幅ｅｘ
の１／２だけずらして構成されている。因みに、第１の
レンズ束１４ａのレンズエレメント６１の断面形状につ
いて、ｄｘ：ｄｙ＝１：３程度である場合、第２のレン
ズ束１４ｂのレンズエレメント６５の断面形状につい
て、ｅｘ：ｅｙ＝２：１．５＝４：３程度となり、レン
ズエレメント６５の断面形状はほぼ正方形状となる。
【００３６】このような配置において、更に第１のレン
ズ束１４ａの或るレンズエレメントの中心と第２のレン
ズ束１４ｂの或るレンズエレメントの中心とをＸ１方
向、及びＹ１方向に関して合わせておく。これにより、
第１のレンズ束１４ａを構成する全てのレンズエレメン
ト６１の中心６３と、第２のレンズ束１４ｂを構成する
全てのレンズエレメント６５の中心６７とが、Ｘ１方向
及びＹ１方向に関して同じ位置に配列されている。
【００３７】このようにモザイク型フライアイレンズ１
４を２つのレンズ束１４ａ，１４ｂに分けた場合の作用
効果につき説明するに、本例のモザイク型フライアイレ
ンズ１４は、２段目のフライアイレンズであり、この２
段目のフライアイレンズの射出面に形成される個々の光
源像は、図１の１段目のフライアイレンズ９の射出面上
で光量絞り１０の開口内に形成される多数の光源像の像
である。即ち、モザイク型フライアイレンズ１４の射出
面に形成される個々の光源像は、多数の微小な光源像を
例えば円形の領域内に一様に分布させたものとなる。
【００３８】従って、このモザイク型フライアイレンズ
１４の射出面に形成される光源像を、図３（ｂ）に示す
ように第１のレンズ束１４ａの端面に射影して得られる
光源像は、各レンズエレメント６１の中心６３を中心と
する円形の領域６４内に微小な光源像を分布させたもの
となる。その円形の領域６４は、図２に示す光量絞り１
０の開口の形状と相似である。ところが、本例の第１の
レンズ束１４ａの各レンズエレメント６１の断面形状は
細長い矩形であるため、特にその光量絞り１０の開口を
大きく設定すると、その円形の領域６３が各レンズエレ
メント６１の端面からはみ出してしまう。従って、モザ
イク型フライアイレンズ１４の代わりに、そのレンズエ
レメント６１と同じ断面形状のレンズエレメントを束ね
たフライアイレンズを使用すると、射出面で光源像のケ
ラレが生じて照明効率が低下してしまう。
【００３９】これに対して、本例では第１のレンズ束１
４ａの直後に、図３（ｃ）に示すように、それぞれほぼ
正方形の断面形状を有するレンズエレメント６５からな
る第２のレンズ束１４ｂが配置され、各レンズエレメン
ト６５の中心６７を中心とする円形の領域６４内に分布
するような光源像が形成される。この場合、レンズエレ
メント６５の断面形状は正方形に近いため、図２の光量
絞り１０の開口を大きく設定したときでも、その円形の
領域６４はほぼそのレンズエレメント６５の断面内に収
まっている。従って、モザイク型フライアイレンズ１４
の射出面に形成される多数の光源像のケラレが少なくな
り、照明効率が改善されている。そして、モザイク型フ
ライアイレンズ１４の射出面に形成される多数の光源像
からの照明光で重畳的に照明を行うことにより、レチク
ル及びウエハ上での照度分布の均一性は極めて高くなっ
ている。
【００４０】また、図１において、モザイク型フライア
イレンズ１４のレチクル側の第２のレンズ束１４ｂに
は、このレンズ束１４ｂを光軸ＡＸ１に垂直な方向にシ
フトさせると共に、このレンズ束１４ｂのアオリ角（傾
斜角）を所定範囲内で調整する調整機構１５が取り付け
られている。本例では、調整機構１５を介してレンズ束
１４ｂのシフト量、及びアオリ角を調整することによ
り、照明光学系におけるテレセントリック性のずれ量の
補正を行う。例えば、水銀ランプ１の交換時、又は照明
条件の切り換え時（通常照明と変形光源との切り換え
等）に、主制御系１９が調整機構１５の動作を制御する
ことにより、自動的にそのテレセントリック性の補正が
行われるようになっている。
【００４１】さて、図１において、モザイク型フライア
イレンズ１４の射出面の近傍に複数種類の照明系開口絞
りが配置された照明系開口絞り板１６が設置されてい
る。図４は、その照明系開口絞り板１６を示し、この図
４において、照明系開口絞り板１６上にはほぼ等角度間
隔で、通常の円形開口よりなる開口絞り１８Ａ、小さな
円形開口よりなりコヒーレンスファクタであるσ値を小
さくするための開口絞り１８Ｂ、輪帯照明用の輪帯状の
開口絞り１８Ｃ、及び変形光源法用に複数の開口を偏心
させて配置してなる変形開口絞り１８Ｄが配置されてい
る。その照明系開口絞り板１６を回転させることによ
り、４個の開口絞りの内の所望の開口絞りを選択でき
る。
【００４２】図１に戻り、主制御系１９が、駆動モータ
よりなる照明系用絞り駆動機構１７を介して、照明系開
口絞り板１６の回転角を制御する。モザイク型フライア
イレンズ１４から射出された後、照明系開口絞り板１６
中から選択された開口絞りを通過した照明光ＩＬは、透
過率が９８％程度のビームスプリッター３１に入射す
る。そして、ビームスプリッター３１を透過した照明光
が、第１リレーレンズ３４を経て２枚の可動ブレード３
５Ａ及び３５Ｂを有する可動ブラインド（可変視野絞
り）に至る。以下、その可動ブラインドを「可動ブライ
ンド３５Ａ，３５Ｂ」と呼ぶ。可動ブラインド３５Ａ，
３５Ｂの配置面は、モザイク型フライアイレンズ１４の
射出面のフーリエ変換面となっている。即ち、可動ブラ
インド３５Ａ，３５Ｂの配置面は、後述のレチクルＲの
パターン形成面と共役であり、可動ブラインド３５Ａ，
３５Ｂの近傍に、開口形状が固定された固定ブラインド
３７が配置されている。
【００４３】固定ブラインド３７は、例えば４個のナイ
フエッジにより矩形の開口を囲んだ機械的な視野絞りで
あり、その矩形の開口によりレチクルＲ上でのスリット
状の照明領域の形状が規定される。即ち、可動ブライン
ド３５Ａ，３５Ｂ、及び固定ブラインド３７により制限
された照明光ＩＬが、第２リレーレンズ３８、コンデン
サーレンズ３９、及びミラー４０を介してレチクルＲ上
のスリット状の照明領域４１を均一な照度分布で照明す
る。
【００４４】この場合、固定ブラインド３７の配置面
は、レチクルＲのパターン形成面の共役面から僅かに前
後何れかの方向にデフォーカスされているため、スリッ
ト状の照明領域４１の輪郭部の照度分布が所定の勾配を
もって変化する。また、可動ブラインド３５Ａ，３５Ｂ
は、走査露光の開始時及び終了時にスリット状の照明領
域がレチクルＲ上の露光すべきでない領域にかかるのを
防止する役割を果たす。そのため、可動ブレード３５Ａ
及び３５Ｂは、それぞれスライド機構３６Ａ及び３６Ｂ
により開閉できるように支持されている。スライド機構
３６Ａ及び３６Ｂが可動ブラインド駆動機構を構成し、
可動ブラインド駆動機構の動作はステージ制御系４６に
より制御される。
【００４５】そして、レチクルＲ上の照明領域４１内の
パターンの像が、投影光学系ＰＬを介して投影倍率β
（βは例えば１／４、又は１／５等）でウエハＷ上のス
リット状の露光フィールド４７に投影される。ここで、
投影光学系ＰＬの光軸に平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直
な平面内で走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査
方向に平行にＸ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内でＸ軸に
垂直な方向（非走査方向）にＹ軸を取る。本例では、レ
チクルＲは、Ｘ方向に摺動自在な走査ステージ４２を介
してレチクルベース４３上に保持され、ウエハＷは、ウ
エハＷをＸ方向に走査すると共にＹ方向に位置決めする
ウエハステージ４８上に保持されている。ウエハステー
ジ４８には、ウエハＷをＺ方向に位置決めするＺステー
ジ等も組み込まれている。
【００４６】走査ステージ４２及びウエハステージ４８
よりステージ駆動機構が構成され、このステージ駆動機
構の動作がステージ制御系４６により制御されている。
走査露光時にはステージ制御系４６は、走査ステージ４
２を介して照明領域４１に対して＋Ｘ方向（又は−Ｘ方
向）に所定速度ＶR でレチクルＲを走査するのと同期し
て、ウエハステージ４８を介してウエハＷ上の所定のシ
ョット領域を露光フィールド４７に対して−Ｘ方向（又
は＋Ｘ方向）に速度ＶW ( ＝β・ＶR ) で走査する。こ
れにより、そのショット領域上にレチクルＲのパターン
が逐次転写露光される。また、ステージ制御系４６は、
走査露光中にスライド機構３６Ａ及び３６Ｂを介して、
可動ブラインド３５Ａ，３５Ｂの位置を制御する。この
場合の制御方法につき図６を参照して説明する。
【００４７】先ず、走査露光の開始直後には、図６
（ａ）に示すように、レチクルＲのパターン領域８７を
囲む遮光帯８８に対して、図１の固定ブラインド３７の
開口部の像３７Ｒが外側に出ている。そこで、不要な部
分への露光を避けるため、図１の可動ブレード３５Ｂの
位置を移動させて、可動ブラインド３５Ａ，３５Ｂの像
３５Ｒの一方のエッジ部３５Ｒａを遮光帯８８内に入れ
ておく。その後、図６（ｂ）に示すように、固定ブライ
ンド３７の像３７Ｒが走査方向にパターン領域８７内に
収まっているときには、可動ブラインド３５Ａ，３５Ｂ
の像３５Ｒをその像３７Ｒを囲むように設定する。そし
て、走査露光の終了時に、図６（ｃ）に示すように、遮
光帯８８に対して、固定ブラインド３７の像３７Ｒが外
側に出るときには、図１の可動ブレード３５Ａの位置を
移動させて、可動ブラインド３５Ａ，３５Ｂの像３５Ｒ
の他方のエッジ部３５Ｒｂを遮光帯８８内に入れてお
く。このような動作により、レチクルＲ上のスリット状
の照明領域４１が遮光帯８８の外側に出ることが防止さ
れ、ウエハＷ上への不要なパターンの露光が防止され
る。
【００４８】また、図１において、ウエハステージ４８
上のウエハＷの近傍に、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よりなる照度むらセンサ４９
が設置されている。照度むらセンサ４９は、その受光面
に設けられたピンホール状の透過部から照明光の一部を
受光して露光フィールド内での照度のばらつきを検出す
るものであり、測定の際はウエハステージ４８を駆動し
て、照度むらセンサ４９のピンホールを露光フィールド
４７の中心部に移動した後、ウエハステージ４８を微動
しながら露光フィールド４７内の複数箇所で照度を測定
して、それら複数箇所における照度のばらつきを計測す
る。
【００４９】また、照度むらセンサ４９と並列に露光フ
ィールド４７の照射量を測定する光電検出器よりなる照
射量モニタ５５が設置されている。照射量モニタ５５
は、照度むらセンサ４９と同様にウエハＷの露光面と同
じ高さに配置された露光フィールド４７の全面が入る大
きさを持つ受光面を有し、測定の際はウエハステージ４
８を駆動して、その受光面で露光フィールド４７の全体
を覆い、受光面から入射する光量を計測する。
【００５０】照度むらセンサ４９及び照射量モニタ５５
から出力される検出信号は主制御系１９に供給されてお
り、主制御系１９はそれらの検出信号に基づき露光量制
御系２０を介して減光板２３及び光量絞り１０を制御す
る。更に、ウエハステージ４８上にレチクルアライメン
ト等を行う際に使用される基準マーク板５０が設けら
れ、この基準マーク板５０上に開口パターンよりなる基
準マーク５０ａが形成され、レチクルＲ上にも対応する
ようにアライメントマークが形成されている。例えばレ
チクルＲを交換したときには、基準マーク板５０を投影
光学系ＰＬの有効露光フィールド内に移動させ、基準マ
ーク板５０の基準マーク５０ａを底面側から光源５１に
より照明光ＩＬと同じ波長帯の照明光により照明する。
この照明光のもとで、レチクルＲの上方のミラー４５を
介してレチクルアライメント顕微鏡４４により、基準マ
ーク５０ａ及びレチクルＲ上のアライメントマークの像
を観察する。そして、この観察結果に基づいて基準マー
ク板５０に対するレチクルＲの位置合わせを行う。
【００５１】更に、基準マーク板５０上にはフォーカス
・キャリブレーション用の基準マークも形成され、この
基準マークの底部に検出系が配置されている。図５
（ａ）はそのフォーカス・キャリブレーション用の基準
マーク、及び検出系を示し、この図５（ａ）において、
基準マーク板５０上の遮光膜中に例えば十字型の開口パ
ターンよりなる基準マーク５０ｂが形成され、この基準
マーク５０ｂの底部に検出系５４が配置されている。こ
の基準マーク５０ｂを用いて、次のように投影光学系Ｐ
Ｌの結像面の位置が求められる。即ち、その検出系５４
において、光ファイバ８１を介してウエハステージ４８
の内部に図１の照明光ＩＬと同じ波長帯の照明光を導
き、この照明光によりコリメータレンズ８２、ハーフミ
ラー８３、及び集光レンズ８４を介して基準マーク５０
ｂを底面側から照明する。この基準マーク５０ｂを通過
した照明光が、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲのパ
ターン形成面に基準マーク５０ｂの像を結像し、このパ
ターン形成面からの反射光が投影光学系ＰＬを介して基
準マーク５０ｂに戻る。そして、基準マーク５０ｂを通
過した照明光が、検出系５４内で集光レンズ８４、ハー
フミラー８３、及び集光レンズ８５を経て光電検出器８
６に入射する。
【００５２】光電検出器８６の検出信号（光電変換信
号）Ｓ６は、図１の主制御系１９に供給される。この場
合、ウエハステージ４８内のＺステージを駆動して、基
準マーク５０ｂのＺ方向の位置を変化させると、図５
（ｂ）に示すように、検出信号Ｓ６は基準マーク５０ｂ
のＺ座標が投影光学系ＰＬの結像面の位置に合致すると
きにピークとなるように変化する。従って、検出信号Ｓ
６の変化より、投影光学系ＰＬの結像面の位置を求める
ことができ、それ以後はその位置にウエハＷの露光面を
設定することにより、良好な状態で露光が行われる。従
って、その基準マーク板５０の基準マーク５０ｂを用い
ることにより、投影光学系ＰＬの結像面の位置のキャリ
ブレーション（フォーカス・キャリブレーション）が行
われる。
【００５３】図１に戻り、透過率が９８％程度のビーム
スプリッター３１で反射された漏れ光が、集光レンズ３
２を介して光電検出器よりなるインテグレータセンサ３
３の受光面に集光されている。インテグレータセンサ３
３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３３の検出信号（光電変換信号）が露光量
制御系２０に供給されている。その検出信号は、露光量
制御系２０を介して水銀ランプ１用の電源系２２及び主
制御系１９にも供給されている。
【００５４】露光量制御系２０にはメモリ２１が接続さ
れ、メモリ２１内にインテグレータセンサ３３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。但
し、本例では、インテグレータセンサ３３の出力信号
は、例えば所定の基準照度計を用いて較正され、この較
正結果に基づいてインテグレータセンサ３３の出力信号
を補正するための補正係数もメモリ２１内に記憶されて
いる。
【００５５】インテグレータセンサ３３の受光面はレチ
クルのパターン面とほぼ共役な位置に配置されており、
これにより、照明系開口絞り板１６を回転させて照明系
開口絞りの形状を変えた場合でも、インテグレータセン
サ３３の検出信号に誤差が生じないようにしている。但
し、インテグレータセンサ３３の受光面を、投影光学系
ＰＬにおけるレチクル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。
【００５６】更に本例では、透過率が９８％程度のビー
ムスプリッター３１に関してインテグレータセンサ３３
と反対側に、集光レンズ５２、及び光電検出器よりなる
ウエハ反射率モニタ５３が設置され、集光レンズ５２に
よりウエハ反射率モニタ５３の受光面はウエハＷの表面
とほぼ共役となっている。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上に照射される照
明光の内で、ウエハＷでの反射光が、投影光学系ＰＬ、
レチクルＲ等を介してウエハ反射率モニタ５３で受光さ
れ、この検出信号（光電変換信号）が主制御系１９に供
給される。主制御系１９では、レチクルＲ側に照射され
る照明光ＩＬの単位時間当たりの光エネルギー、及びウ
エハ反射率モニタ５３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に基づい
て、投影光学系ＰＬを通過する照明光の単位時間当たり
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１９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依る投影光学系Ｐ
Ｌのディストーション等の結像特性の変化量を求める。
そして、主制御系１９は、投影光学系ＰＬに接続された
不図示の結像特性補正機構を介して、投影光学系ＰＬの
結像特性を元の状態に補正する。
【００５７】図７は、以上説明した露光量の制御システ
ムの主要部を取り出した系統図を示し、この図７に示す
ように、水銀ランプ１から射出された露光用の照明光Ｉ
Ｌは照明系開口絞り板１６、光量絞り１０、及び減光板
２３により光量が調節され、ビームスプリッター３１を
殆ど（９８％）透過してレチクルＲに照射される。そし
て、レチクルＲを透過した照明光ＩＬがウエハＷ上に照
射される。この露光量の制御システムにおいては、照明
光ＩＬの露光量は４箇所に設けた光電センサ（光電検出
器）により計測される。１番目の光電センサは、ビーム
スプリッター３１での反射光を受光して単位時間当たり
の光エネルギーを計測するインテグレータセンサ３３で
あり、このセンサは水銀ランプ１からの照明光ＩＬの一
部の光量を直接検出する。２番目の光電センサは、ウエ
ハＷからの反射光がビームスプリッター３１により反射
される光を受光して単位時間当たりの光エネルギーを計
測するウエハ反射率モニタ５３であり、投影光学系ＰＬ
を通過する光量を検出して投影光学系ＰＬの結像特性を
補正することが主目的となる。また、３番目及び４番目
の光電センサは、ウエハＷと同じ平面上に受光面を有す
る照度むらセンサ４９及び照射量モニタ５５であり、そ
れぞれ露光フィールドの照度むら及び露光フィールドに
おける全照射量を検出する。
【００５８】そして、インテグレータセンサ３３の計測
値は露光量制御系２０に供給されている。また、インテ
グレータセンサ３３の計測値は露光量制御系２０を介し
て主制御系１９にも供給されており、主制御系１９はそ
の測定値を補正して露光量制御系２０に供給する。露光
量制御系２０はその補正値に基づき電源系２２を介して
水銀ランプ１の強度を制御すると共に、それぞれの光量
絞り駆動機構１１及び減光板駆動機構２４を介して光量
絞り１０及び減光板２３を制御する。また、ウエハ反射
率モニタ５３、照度むらセンサ４９、及び照射量モニタ
５５の測定値は主制御系１９に供給され、主制御系１９
はそれらの測定値に基づき、照明系用絞り駆動機構１７
を介して照明系開口絞り板１６の開度を調節する。
【００５９】以上の構成を有する露光量の制御システム
では、先ず第１に３つの光電センサにより露光量を高精
度で検出することが極めて重要となる。特に、露光量測
定用の光電センサは、強力な照明光に直接曝されるた
め、センサ自体の温度上昇等による温度変化により測定
誤差が発生する。そのため、本例では以下のように温度
変化に柔軟に対応できる計測システムを備えている。
【００６０】図８（ａ）は、インテグレータセンサ３３
の拡大平面図を示し、この図８（ａ）において、インテ
グレータセンサ３３本体の左右の側面に熱交換体（ペル
チェ素子）７１ａ，７１ｂが固定されている。インテグ
レータセンサ３３の受光面７７の中央部の円形の照射フ
ィールド７６の外側の部分は熱伝導率の高い部材が用い
られており、熱交換体７１ａ，７１ｂの吸熱側（低温
側）はその部材に直接固定されている。照射フィールド
７６に照明光が照射されたことで生じた熱は受光面７７
の熱伝導率の高い部材の左右の側壁から熱交換体７１
ａ，７１ｂに吸収される。熱交換体７１ａ，７１ｂの吸
熱側と直行する放熱側（高温側）の底面には冷却パイプ
７３が密着して固定されており、熱交換体７１ａ，７１
ｂの放熱側の熱は外部温調装置（不図示）に通じる冷却
パイプ７３内を循環する冷却水により持ち去られる。
【００６１】また、照射フィールド７６の外周近傍に温
度センサ７５が設置されており、照射フィールド７６の
周辺の温度が常時計測されている。温度センサ７５の測
定値は温度制御系７９に供給されており、温度制御系７
９はその測定値に基づいて熱交換体７１ａ，７１ｂに供
給する電力を制御する。温度センサ７５の測定値は主制
御系１９にも供給されており、主制御系１９はその温度
測定値に基づいてインテグレータセンサ３３の光量の測
定値を補正する。なお、熱交換体７１ａ，７１ｂの放熱
側の温度をそれぞれ測定する温度センサ（不図示）を設
け、外部温調装置ではそれらの温度センサの測定値に基
づいて、熱交換体７１ａ，７１ｂの放熱側の温度が所定
の温度になるように冷却パイプ７３内を循環する冷却水
の温度及び流量を制御してもよい。
【００６２】図８（ｂ）は、図８（ａ）の変形例の正面
図を示し、この図８（ｂ）において、インテグレータセ
ンサ３３と同様な光電センサよりなるインテグレータセ
ンサ３３Ａの受光面７７Ａの下部に熱交換体７２が照射
フィールド７６を囲むように固定されている。熱交換体
７２の放熱側にはヒートパイプ７４ａ及び放熱フィン７
４ｂからなる放熱板７４が固定されており、受光面７７
Ａの熱は熱交換体７２の吸熱側（低温側）で吸収され、
熱交換体７２の放熱側からヒートパイプ７４ａを通って
放熱板７４の先端部の放熱フィン７４ｂから外部に放出
される。また、放熱フィン７４ｂの近傍に不図示である
が、冷却用のファンが設置されており、その冷却用のフ
ァンにより放熱フィン７４ｂのからの放熱を促進するよ
うにしている。図８（ｂ）の矢印はその冷却用のファン
からの気流の流れを示す。
【００６３】なお、図８（ａ）の例ではペルチェ素子か
らなる熱交換体７１ａ，７１ｂによりインテグレータセ
ンサ３３の受光面７７の冷却を行っているが、熱交換体
７１ａ，７１ｂの容量が不足する場合は、液冷又は空冷
方式により直接インテグレータセンサの受光面を冷却す
るようにしてもよい。また、本例のペルチェ素子からな
る熱交換体７１ａ，７１ｂは、熱交換体７１ａ，７１ｂ
に供給する電流の方向を逆にすると、吸熱側（低温側）
と放熱側（高温側）が逆になる特性を有している。従っ
て、受光面７７の温度を上げたいときにもそのままの状
態で利用することができる。但し、放熱側に流通する冷
却水は温水に切り換える必要があるので、予めそのよう
な温調装置を設備すれば受光面７７の冷却及び加熱の両
方の目的を達成することができる。
【００６４】次に、本例のインテグレータセンサ３３に
おける露光量の計測動作について説明する。インテグレ
ータセンサ３３の受光面７７の温度は、受光面７７に照
射される照射エネルギーの蓄積量に対応して変化する。
受光面７７の温度が変化すると、インテグレータセンサ
３３の感度が変化する。従って、同じ光量でも受光面の
温度が異なれば、インテグレータセンサ３３からの出力
が変化し、何らかの補正を行わないと誤差が発生する。
本例の露光量の計測システムでは、予め露光量とインテ
グレータセンサ３３の受光面７７の温度との関係、及び
インテグレータセンサ３３の受光面７７の温度とインテ
グレータセンサ３３の感度との関係を求めておく。そし
て、予め求めたこれらの２つの関係に基づいてインテグ
レータセンサ３３に入射する照明光の光量を補正するも
のである。以下、具体的に説明する。
【００６５】図９（ａ）は、照射エネルギーによる受光
面７７の温度変化を示し、この図９（ａ）において、横
軸はインテグレータセンサ３３で計測された単位時間当
たりの光エネルギーの積分値としての照射エネルギー量
Ｅ（ｍＪ）を表し、縦軸は温度センサ７５により測定さ
れた受光面７７の温度Ｔ（℃）を表している。この測定
に際しては熱交換体７１ａ，７１ｂの作動を停止してい
る。従って、受光面７７の温度は照射エネルギー量Ｅが
０で基準温度ＴN の状態から、曲線９１に示すように照
射エネルギー量Ｅの増加に伴って次第に上昇する。しか
し、受光面７７の温度の上昇に伴って受光面７７からの
発散熱も増加し、照射エネルギー量ＥSにおいてそれ以
上照射エネルギー量が増加しても受光面７７の温度がほ
ぼ一定となる飽和温度ＴS に達する。ここで照射エネル
ギー量ＥS を飽和エネルギー量とする。これらの飽和温
度ＴS 及び飽和エネルギー量ＥS は、曲線６１で表され
る照射エネルギー量Ｅと飽和温度Ｔとの関係と併せて主
制御系１９により記憶される。但し、この図９（ａ）に
示す関係はそのセンサに特有のものであり、また、セン
サ周囲の温度或いは湿度等の環境条件の影響を受けるた
め、この図９（ａ）に基づいて、飽和温度Ｔの値から照
射エネルギー量Ｅを算定したり、照射エネルギー量Ｅか
ら飽和温度Ｔを求めることは行われないが、ある程度の
目安にすることはできる。
【００６６】他方、図９（ｂ）は、受光面７７の温度変
化時のインテグレータセンサ３３の出力値の変化を示
し、この図９（ｂ）において、横軸は温度センサ７５に
より測定された受光面７７の温度Ｔ（℃）を表し、縦軸
はインテグレータセンサ３３の出力変化ΔＩ（ｍＡ）を
表している。この関係は、インテグレータセンサ３３へ
の単位時間当たりの照射エネルギーを一定に保った状態
で、受光面７７の温度Ｔ及びインテグレータセンサ３３
の出力値の変化ΔＩを測定することにより求められる。
この場合、照明光が一定の照射エネルギー量で継続して
照射されることにより、受光面７７の温度が自然に上昇
する状態で測定を行ってもよいし、また熱交換体７１
ａ，７１ｂを作動させて受光面７７の温度を制御しなが
ら測定を行ってもよい。後者の熱交換体７１ａ，７１ｂ
を作動させて測定する方法は、前者の自然な状態に比較
して確実に再現できるので都合がよい。
【００６７】図９（ｂ）は、照射エネルギーＥが飽和エ
ネルギー量ＥS に達するまでの測定値を示している。イ
ンテグレータセンサ３３の出力変化ΔＩは、直線９２に
沿って、基準温度ＴN で出力変化０の状態から飽和温度
ＴS において出力変化ΔＩが飽和出力変化ΔＩS となる
ように、温度Ｔに対してほぼ一次の関係で表される変化
を示す。その直線９２の傾きが主制御系１９に記憶され
る。
【００６８】本例では、以上のように、インテグレータ
センサ３３の受光面７７の温度を測定する温度センサ７
５を設けることにより、そのインテグレータセンサ３３
の温度を照射量の計測値の補正に有効に利用するもので
ある。照射量の計測値の補正は、具体的には以上の図９
（ａ），（ｂ）で求めた関係に基づき次の（イ）〜
（ハ）の方法により行う。
【００６９】（イ）図８（ａ）の熱交換体７１ａ，７１
ｂを使用し、インテグレータセンサ３３の受光面７７の
温度を飽和温度ＴS に制御しながら、照射エネルギを計
測する方法 通常、実露光状態でのインテグレータセンサ３３に入射
する照射エネルギーの積分値は、図９（ａ）の飽和エネ
ルギー量ＥS よりも大きく、受光面７７の温度は殆どの
場合飽和温度ＴS に達し、それ以上照射エネルギーが増
加しても受光面７７の温度はほぼ一定の状態で推移す
る。従って、受光面７７の温度がほぼ飽和温度ＴS に達
した後、熱交換体７１ａ，７１ｂを作動させて、受光面
７７の温度を飽和温度ＴS に維持しながら単位時間当た
りの照射エネルギーを測定するものである。上述のよう
に、主制御系１９には温度に対する感度変化を示す傾き
のデータが記憶されており、この関係に基づいて飽和温
度ＴS での出力変化を求め、この出力変化分だけインテ
グレータセンサ３３で検出される単位時間当たりの照射
エネルギーの補正を行う。
【００７０】図９（ａ）に示すように、照射エネルギー
量Ｅに対して受光面７７の温度がほぼ一定になる飽和温
度ＴS は存在するが、それ以上受光面７７の温度が変化
しないということはなく、照射エネルギー量Ｅが増加す
るにつれて少しずつ変化する。また、周囲の環境条件に
よっても受光面７７の飽和温度ＴS が変化する。従っ
て、熱交換体７１ａ，７１ｂにより、インテグレータセ
ンサ３３の受光面７７の温度を主制御系１９にデータと
して入力されている飽和温度ＴS に保ちながら照射エネ
ルギーを測定すれば、飽和温度ＴS 近くでは照射エネル
ギーが変化しても、受光面７７の温度変化は小さいた
め、インテグレータセンサ３３の出力変化も小さく、正
確に測定が行われる。また、熱交換体７１ａ，７１ｂの
制御性をそれほど要求されない利点もある。
【００７１】なお、上述のように熱交換体７１ａ，７１
ｂは供給される電流を逆向きに変えることにより受光面
７７との接触面を放熱側（高温側）とすることができ
る。従って、その電流の方向を制御して受光面７７の温
度を素早く飽和温度ＴS にすることもできる。或いは受
光面７７の温度を常に飽和温度ＴS に維持することもで
きる。この方法によれば、光量の測定開始までの時間が
短縮され生産性（スループット）が向上する。
【００７２】なお、この（イ）の方法において、受光面
７７の温度を飽和温度ＴS に維持しなくても、熱交換体
７１ａ，７１ｂを作動させて、受光面７７の温度を飽和
温度ＴS 以下の所定温度に維持しながら光量の測定を行
うこともできる。この場合は、その所定の温度での出力
変化ΔＩを求める必要がある。更に、飽和温度ＴS 近辺
での制御性に比べて熱交換体７１ａ，７１ｂの制御精度
を要求されるが、飽和温度ＴS まで測定を待つ必要がな
く、測定開始までの時間が短縮される。
【００７３】以上の方法は熱交換体７１ａ，７１ｂを使
用して、受光面７７の温度を制御しながら光量の計測を
行うものであるが、次の（ロ）の方法のように熱交換体
７１ａ，７１ｂを使用することなく光量を計測してもよ
い。
【００７４】（ロ）熱交換体７１ａ，７１ｂを使用せ
ず、インテグレータセンサ３３の受光面７７の温度を飽
和温度ＴS 付近として計測する方法 上述のように、飽和温度ＴS の近くでは、光量が増加し
ても受光面７７の温度変化は少ない。従って、インテグ
レータセンサ３３の出力変化ΔＩ（ドリフト）もほぼ一
定の状態で計測することができる。図９（ｂ）で説明し
たように、飽和温度ＴS での飽和出力変化ΔＩS は直線
９２の傾きより主制御系１９で算出され、これに基づい
てインテグレータセンサ３３で検出される単位時間当た
りの照射エネルギーを補正する。この方法は、受光面７
７の温度を制御しなくても、ほぼ安定した測定が行える
便利さがある。また、光量の補正に当たっては受光面７
７の温度Ｔを測定するだけでよいため、装置面及び制御
面で有利である。本例では受光面７７の温度を制御する
熱交換体７１ａ，７１ｂを設けているが、この方法によ
れば熱交換体７１ａ，７１ｂを設けなくてもよい。
【００７５】以上（イ）及び（ロ）の方法は、飽和温度
ＴS 又は熱交換体７１ａ，７１ｂを利用する方法である
が、両方法とも受光面７７の温度が飽和温度ＴS になる
まで待つ必要がある。それを回避するために次の（ハ）
の方法によりインテグレータセンサ３３の測定値の補正
を行うようにしてもよい。
【００７６】（ハ）熱交換体７１ａ，７１ｂ及び飽和温
度ＴS を利用しない方法 この方法は、受光面７７の温度を制御することなく、実
測された温度に基づいて感度補正を行うもので、測定精
度又は制御性は別にして、基本的には図９（ｂ）の関係
が判明していれば、温度センサ７５により受光部７７の
温度を測定するだけでインテグレータセンサ３３の出力
の補正を行うことができる。即ち、温度センサ７５によ
り測定した温度と、図９（ｂ）の直線９２の傾きとから
出力変化ΔＩを求めればよい。
【００７７】また、実露光における照射エネルギーの時
間による蓄積量の平均的な履歴を記憶していれば、その
履歴から図９（ａ）の関係（関数）より受光面７７の大
略の温度変化を予測できる。そこで、その予測された温
度と図９（ｂ）との関係に基づいて出力変化（ドリフト
量）ΔＩを算出し、これによりインテグレータセンサ３
３の出力値を補正してもよい。
【００７８】以上、インテグレータセンサ３３の受光面
７７の温度変化によりインテグレータセンサ３３の出力
変化が生じ、単位時間当たりの照射エネルギーの計測値
に誤差が発生する場合の対応について説明したが、更
に、インテグレータセンサ３３の受光面７７への照明光
の入射角によっても計測誤差が発生する。本例ではこの
ための対策も行っている。この入射角の変化は、例えば
照明系開口絞り板１６で選択される開口絞りの形状等に
より発生する。
【００７９】図１０（ａ）は、インテグレータセンサ３
３に入射する光束の状態を示し、この図１０（ａ）で
は、インテグレータセンサ３３の受光面７７に入射する
光束として、受光面７７の法線方向から入射する実線で
示す光束９３Ｃ、受光面７７の法線Ｈに対して角度θA
で斜め左方向から入射する点線で示す光束９３Ｌ、及び
受光面７７の法線Ｈに対して角度−θA で斜め右方向か
ら入射する一点鎖線で示す光束９３Ｒを示している。こ
れらの光束９３Ｃ，９３Ｌ，９３Ｒは、互いに同一の照
度でそれぞれインテグレータセンサ３３の受光面７７の
同一の感度フィールド９４に入射している。インテグレ
ータセンサ３３の受光面７７の表面は保護膜９５で覆わ
れており、各光束９３Ｃ，９３Ｌ，９３Ｒはこの保護膜
９５を透過して受光面に入射する。それら各光束毎にイ
ンテグレータセンサ３３の出力信号をモニタすると図１
０（ｂ）のようになる。
【００８０】図１０（ｂ）は、インテグレータセンサ３
３における光束の入射角と出力信号との関係を表すグラ
フを示し、横軸は入射角θを表し、縦軸は出力信号Ｑを
表している。この図１０（ｂ）において、点線で示すよ
うに入射角０で最大信号ＱMとなり、入射角０を中心と
する左右同形の山形の曲線９６Ｂが実測された関係を示
し、最大値が同じで曲線９６Ｂより全体として値の大き
な実線の曲線９６Ａは理論値を示している。このグラフ
に示されるように実測された信号は、図１０（ａ）の光
束９３Ｃのように入射角０の場合、理論値と同じ最大信
号ＱM であるが、入射角の絶対値が大きくなるにつれて
理論値からの差が大きくなっている。そして、例えば図
１０（ａ）の光束９３Ｌ，９３Ｒのように入射角度θ，
−θで入射した場合、理論値からの信号の差は共に同じ
差ΔＱとなる。即ち、出力信号の実測値と理論値との差
も入射角０を中心としてほぼ左右同形となる。
【００８１】このように入射角に比例して、理論値から
の光量差が拡大する現象は、図１０（ａ）の受光面７７
の保護膜９５に起因する。この保護膜９５は通常酸化膜
等から形成されており、光束の入射角が大きくなると、
保護膜９５の透過率等が低下するために光量が減少する
ものである。図１０（ｂ）において、ある入射角θx に
おける出力信号の実測値の理論値からの差をΔＱx とし
て、この差ΔＱx を入射角θの関数として求め、この関
数を主制御系１９内に記憶する。更に、例えば照明光学
系中の開口絞り等による光束の入射角の変化について
も、予め測定して、そのデータも主制御系１９に記憶し
ておく。そして、それらのデータに基づき実測定時に主
制御系１９によりインテグレータセンサ３３の測定値を
補正する。この方法は、特に照明光学系の開口絞りによ
り光束の入射角が変化するときの対応策として有効であ
り、各露光装置の間の照度を合わせる（照度マッチン
グ）工程等のときに相対照度を等価にするために利用さ
れるものでもある。
【００８２】以上、本例によれば、露光量を制御する上
で極めて重要な露光量を計測するインテグレータセンサ
３３の受光面の温度変化に伴う感度変化及び照明光の入
射角の変化に伴う出力信号の変化が補正され、露光フィ
ールド４７に照射される単位時間当たりの照射量が高精
度に測定され、結果としてウエハＷに対する積算露光量
が正確に目標値に制御される。従って、レチクルＲのパ
ターンの像が、ウエハＷのショット領域に高解像度で転
写される。また、インテグレータセンサ３３の計測値は
光量の大きさに影響されないため、本例の構成は特に大
きな光量を必要とする走査型の投影露光装置において効
果的であり、インテグレータセンサ３３から常に所定値
以上のＳＮ比の信号を出力することができる。
【００８３】なお、上述の実施の形態では露光光源とし
て連続光（水銀ランプ）が使用されているが、露光光源
としてエキシマレーザ光源のようなパルス光源を使用す
る場合、インテグレータセンサでは、１パルスの積分値
の光量を計測してもよいが、１パルスの最大ピーク値の
光量を計測してもよい。また、上述の実施の形態ではイ
ンテグレータセンサ３３について説明したが、本発明
は、本例で光量を計測するために使用されている他の光
電センサ、例えば図７で示す照度むらセンサ４９、ウエ
ハ反射率モニタ５３、及び照射量モニタ５５、更には、
本例で使用されていない全ての光量計測系にも同様に適
用できる。
【００８４】また、本発明は一括露光型の露光装置（ス
テッパ等）にも同様に適用できる。このように本発明は
上記の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲で種々の構成を取り得る。
【００８５】
【００８６】
【発明の効果】本発明の第１の露光装置によれば、温度
制御手段により受光面の温度を所望の温度に制御するこ
とができるため、光電センサの出力変化が一定の状態で
光量の計測ができる。また、この場合、受光面の温度が
所望の温度になるまでの時間が短縮されるので生産性
（スループット）が更に向上する。また、例えばその温
度制御手段により受光面の温度を、露光に先立って予め
所望の温度にしておけば，更に計測時間が短縮され、生
産性が更に向上する利点がある。また、更に、例えば予
め求められた受光面の温度と光電センサの出力変化との
関係に基づいて、補正手段により光電センサの計測値の
補正を行うように構成すれば、光量が大きく変化して受
光面の温度が広範囲に変化しても光電センサの計測値の
補正ができるため、光電センサへの光量を制限する必要
がない。従って、従来のように受光面の温度変化を抑え
るために、光電センサへの光量を抑えて光電センサから
の出力信号のＳＮ比を低下させるような不都合は生じな
い。
【００８７】 また、本発明の第２の露光装置によれ
ば、光電センサの受光面の飽和温度及び飽和温度におけ
る感度特性を予め求めておくだけで、光電センサの計測
値を高精度に検出することができる。また、この場合、
本発明の第１の露光装置のように温度制御手段を必要と
しない。また、受光面が飽和温度になる時間が予め判明
しておれば、本発明の第１の露光装置で設けた温度検出
手段も必要としない。従って、装置面及び制御面共に簡
単な構成で光電センサにる高精度な測定を行うことがで
きる利点がある。
【００８８】 また、本発明の第１、第２の露光装置に
おいて、光電センサが、照明光学系内でその照明光から
分離された光束の光量を部分的に計測する光電センサ、
感光基板と同一面上に配置され感光基板に照射される照
明光の光量を部分的に計測する光電センサ、及び感光基
板と同一面上に配置され感光基板に照射される照明光の
全体の光量を計測する光電センサよりなる光電センサ群
内の少なくとも１つである場合には、それぞれ実露光中
での照射量、実露光中での照度むら、及び非露光時での
実際の照射量が高精度に計測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の走査露光型の投影
露光装置を示す一部を切り欠いた構成図である。
【図２】その実施の形態で使用される光量絞り１０の一
例を示す図である。
【図３】（ａ）は図１のモザイク型フライアイレンズ
（第２フライアイレンズ）１４を示す拡大側面図、
（ｂ）は図３（ａ）のＢＢ線に沿う正面図、（ｃ）は図
３（ａ）のＣＣ線に沿う正面図である。
【図４】図１の照明系開口絞り板１６上に配置される複
数の照明系開口絞りを示す図である。
【図５】（ａ）はフォーカス・キャリブレーションを行
うための機構を示す要部の図、（ｂ）は図５（ａ）の機
構により得られる検出信号の波形図である。
【図６】実施の形態で走査露光を行う場合の可動ブライ
ンド３５Ａ，３５Ｂの説明に供給する図である。
【図７】図１の例で使用されている露光量制御システム
を示す模式図である。
【図８】（ａ）はインテグレータセンサ３３を示す拡大
平面図、（ｂ）はインテグレータセンサ３３の変形例を
示す正面図である。
【図９】（ａ）はインテグレータセンサ３３に蓄積され
た照射エネルギーとインテグレータセンサ３３の受光面
の温度との関係を示す図、（ｂ）はその受光面の温度と
センサの出力変化との関係を示す図である。
【図１０】（ａ）はインテグレータセンサ３３と種々の
入射角の光束とを示す正面図、（ｂ）は光束の入射角と
センサ出力との関係を示す図である。
【図１１】従来の投影露光装置の一例を示す構成図であ
る。
【符号の説明】
Ｒ レチクル ＰＬ 投影光学系 Ｗ ウエハ １ 水銀ランプ ４ シャッター ２３ 減光板 ９ 第１フライアイレンズ １０ 光量絞り １２Ａ，１２Ｂ 第２リレーレンズ １４ モザイク型フライアイレンズ（第２フライアイレ
ンズ） １６ 照明系開口絞り板 １９ 主制御系 ２０ 露光量制御系 ２２ 電源系 ３３ インテグレータセンサ ３７ 固定ブラインド ４２ レチクルステージ ４７ 露光フィールド ４８ ウエハステージ ４９ 照度むらセンサ ５３ ウエハ反射率モニタ ５５ 照射量モニタ ７１ａ，７１ｂ，７２ 熱交換体 ７３ 冷却パイプ ７４ 放熱板 ７５ 温度センサ ７７ 受光面 ７９ 温度制御系
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−217679（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−14131（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−204116（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−25226（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/027 G03F 7/20 521 G03B 27/72

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 転写用のパターンが形成されたマスクを
    露光用の照明光で照明する照明光学系を有し、前記照明
    光のもとで感光基板上に前記パターンを転写する露光装
    置において、 前記照明光の少なくとも一部の光束の光量を計測する光
    電センサと、 前記光電センサの受光面の温度を検出する温度検出手段
    と、前記光電センサの受光面の温度を制御する温度制御手段
    と、を備え、 前記受光面に照射される該照明光の照射エネルギー量が
    増加しても該受光面の温度がほぼ一定となる飽和温度に
    維持せしめるように、前記温度検出手段の検出値に基づ
    いて前記温度制御手段を制御せしめながら、前記光電セ
    ンサによる光量計測を行う ことを特徴とする露光装置。
  2. 【請求項２】 転写用のパターンが形成されたマスクを
    露光用の照明光で照明する照明光学系を有し、前記照明
    光のもとで感光基板上に前記パターンを転写する露光装
    置において、 前記照明光の少なくとも一部の光束の光量を計測する光
    電センサと、 前記光電センサの受光面の温度が飽和したときの前記光
    電センサの感度特性を記憶する記憶手段と、を備え、 前記光電センサの受光面の温度がほぼ一定の飽和温度に
    達した後、該光電センサの出力及び前記記憶手段の感度
    特性より前記照明光の光量計測を行うことを特徴とする
    露光装置。
  3. 【請求項３】 前記光電センサは、前記照明光学系内で
    前記照明光から分離された光束の光量を部分的に計測す
    る光電センサ、前記感光基板と同一面上に配置され前記
    感光基板に照射される照明光の光量を部分的に計測する
    光電センサ、及び前記感光基板と同一面上に配置され前
    記感光基板に照射される照明光の全体の光量を計測する
    光電センサのうちの少なくとも１つの光電センサを含む
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
  4. 【請求項４】 前記光電センサが前記飽和温度に達した
    ときの該光電センサの出力変化情報に基づいて、該光電
    センサで測定される光量の補正を行う補正手段を更に有
    することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載
    の露光装置。
  5. 【請求項５】 前記補正手段は、前記受光面の温度と前
    記光電センサの出力変化との関係に基づいて、前記光電
    センサで測定される光量の補正を行うことを特徴とする
    請求項４に記載の露光装置。
  6. 【請求項６】 前記温度制御手段は、前記光電センサの
    側面又は下部に配置された熱交換体を含むことを特徴と
    する請求項１に記載の露光装置。
  7. 【請求項７】 前記熱交換体はペルチェ素子からなるこ
    とを特徴とする請求項６に記載の露光装置。
  8. 【請求項８】 前記露光装置は、露光時に、前記マスク
    を所定方向へ走査するのと同期して前記感光基板を前記
    所定方向と反対方向に走査することにより、前記マスク
    のパターンを投影光学系を介して前記感光基板上に転写
    露光するステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装
    置であり、 前記露光用の照明光として、連続光又はパルス光を使用
    することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載
    の露光装置。
  9. 【請求項９】 半導体素子、液晶表示素子、撮像素子、
    又は磁気ヘッドを製造するために、請求項１〜８ の何れか一項に記載の露光装置を用いて、
    前記マスク上のパターンを前記感光基板上に転写露光す
    る工程を含むことを特徴とする素子製造方法。
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