JPH03198320A

JPH03198320A - 投影光学装置

Info

Publication number: JPH03198320A
Application number: JP1339084A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口; Kazuaki Suzuki; 一明鈴木; Toshihiko Tsuji; 寿彦辻; Masato Hatazawa; 正人畑沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1991-08-29
Also published as: US5137349A

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、例えば半導体素子製造に使用される投影光学
装置に関し、特に焦点位置補正機構に関するものである
。

〔従来の技術〕

近年、半導体素子製造のリソグラフィー工程では、レチ
クル（マスクと同義）に形成された微細なパターンを高
分解能でウェハ上に露光する装置として、ステップ・ア
ンド・リピート方式の縮小投影型露光装置、所謂ステッ
パーが多用されるようになっている。この種のステッパ
ーでは、半導体素子の高集積化、微細化に応じて投影光
学系の解像限界も年々高くなってきているが、大きい開
口数（Ｎ、　Ａ、　）の投影光学系は必然的に焦点深度
が浅くなる。さらに、投影光学系の周辺の環境条件（大
気圧、気温、湿度等）や露光条件（照明光の投影光学系
への入射状態）等の変化によって、投影光学系の結像特
性（焦点位置、投影倍率）が変動する。特に、投影光学
系の照明光の吸収による温度上昇、或いは周辺温度変化
による投影光学系の温度変化によって生じる焦点位置変
動は無視できない量となっており、現在ではこの焦点位
置変動による結像特性の悪化が問題となっている。

このため、この種のステッパーでは装置全体が一定温度
（例えば、２３±０．１’Ｃ）、一定の清浄度に制御さ
れたクリーンチャンバー内に収納され、しかも結像特性
に重要な影響を与える投影光学系のみを装置全体のチャ
ンバーとは別の温調装置内に設け、より高度に温度制御
された流体を用いて投影光学系の温度を管理することで
、効率的に結像特性の悪化を防止する技術も考えられて
いる。この他、投影光学系の周辺温度若しくは投影光学
系自体の温度を測定することで、その温度変化に対する
結像特性の変動量を予測して、ウェハの位置を補正する
方法も考えられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記の如き従来の技術において、ステッ
パーは±０．１℃程度の精度で制御されたチャンバー内
で使用されるが、大きい開口数の投影光学系ではチャン
バーの温度制御精度が±０゜１℃程度であっても、結像
特性の悪化を防止する上でその制御範囲に十分な余裕が
あるとは言えない。また、投影光学系の下部にはウェハ
を搭載して移動するウェハステージ部が設けられるが、
このステージの位置移動により投影光学系への空調条件
が変わって投影光学系の温度が変動し得る。

特に、投影光学系の各レンズ素子を保持する金物、所謂
鏡筒は温度変化による伸縮を起こし、それが焦点位置変
動の１つの要因となっている。以上のことから、チャン
バーによる温度制御以外に、上記従来技術で述べたよう
な他の技術が必要となることが分かる。

而るに上記技術のうち、投影光学系の温度若しくはその
周辺温度から焦点位置の変動量を予測してウェハの位置
を補正する方法は、次に挙げる問題点がある。第１に、
投影光学系の焦点位置変動の要因は、投影光学系の各レ
ンズ素子の温度変化、投影光学系を支持する金物や鏡筒
の温度変化等を始めとして多数あり、上記測定すべき温
度を一点の温度で代表させることができないことである
。

第２に、投影光学系の温度を直接測定する場合、照明光
吸収による投影光学系の温度上昇と、周辺温度変化によ
る投影光学系の温度変化とが畳重して測定される。この
際、照明光吸収では各レンズ素子の照明光の吸収特性に
よってエレメント間に温度差が発生し、周辺温度変化で
は各レンズ素子の熱容量によってエレメント間に温度差
が発生する。このため、同じ温度変化であっても投影光
学系の温度分布、即ち結像特性へ及ぼす影響は異なって
しまい、単純な温度測定のみでは両者を分離することが
できないことである。従って、上記方法は厳密な焦点位
置補正が要求される投影光学系では実用的でなく、投影
光学系のみをさらに温度制御する方式を採用し、投影光
学系の温度変化そのものを小さくする考え方が最も実用
的であることが分かる。

通常、ステッパーにおける最良結像面とウェハ面との位
置合わせ（焦点合わせ）では、例えば特開昭６０−１６
８１１２号公報に開示されているような斜入射光式焦点
検出系（ＡＦセンサー）を投影光学系の鏡筒の回りに機
械的に固設し、レチクルパターンが最もコントラスト良
く結像する面（最良結像面）に対するウェハ面のずれ量
（デフォーカス量）を計測し、その計測値が一定値（例
えば、±０．３μｍ以内）になるようにウェハを投影光
学系の光軸方向（Ｚ方向）に駆動する焦点位置補正機構
にオフセットを持たせることで、ウェハ面を最良結像面
に追い込む方式を採用している。従って、投影光学系の
温度制御により鏡筒の伸縮を防止しても、温度変化によ
るＡＦセンサーのＺ方向へのシフト量、換言すればＡＦ
センサーの支持金物と投影光学系（鏡筒）との相対的な
Ｚ方向の変位量が、そのまま投影光学系の焦点位置の変
動量、即ちデフォーカス量として表れるという問題点が
ある。これを防止するためには、例えば投影光学系だけ
ではなくＡＦセンサーまでも含めた温度安定化が必要と
なり、温調装置自体が大掛かりになるという問題がある
。また、投影光学系及びＡＦセンサーの温度安定化を行
ったとじても、その温度制御精度はせいぜい±０．０５
℃程度であり、結像特性の悪化を防止する上で十分な制
御精度であるとは言えない。さらに、投影光学系（鏡筒
）とＡＦセンサー（支持金物等）との熱容量の差によっ
て熱吸収特性が異なり、両者の膨張・収縮の方向が逆に
なってデフォーカス量がより一層大きくなる可能性もあ
る。

〔課題を解決する為の手段〕

上記問題点の解決のため本発明では、最良結像面に対す
る感光基板のずれ量を検出するＡＦセンサー（位置検出
手段）と投影光学系との相対的な変位量を測定するため
の変位測定器（変位量測定手段）を設け、焦点合わせを
行うに際してはその変位量だけオフセットを持たせて最
良結像面と感光基板とを合わせ込むこととし、温度変化
によるＡＦセンサーと投影光学系との相対変位をキャン
セルする、つまり焦点位置の変動量（最良結像面と感光
基板とのずれ量）を略零とするような構成とした。

〔作　用〕

本発明では、感光基板の位置検出手段と投影光学系との
相対変位量を測定して位置検出手段にオフセットを持た
せることで、投影光学系の最良結像面と感光基板とを正
確に合致させる。このため、投影光学系及び位置検出手
段を一体に温調するための大掛かりな装置を設けずとも
、投影光学系と位置検出手段との相対変位を要因とする
焦点位置変動量を略零に抑えることができ、高精度に最
良結像面と感光基板とを合致させることが可能となる。

〔実　施　例〕

第３図は、本発明を半導体素子製造用のステッパーに適
用した場合の装置全体の構成を示したものである。以下
、第３図を参照しながら本実施例の構成について説明す
る。

第３図において、ステッパーの主要部分は内部の空気温
度と湿度とが略一定に保たれたクリーンチャンバー１の
内部に設置される。通常、チャンバー１はチャンバー空
調装置ＩＢ、ＨＥＰＡフィルターＩＣにより、チャンバ
ー内の空気温度を設定値に対して±０．１℃、湿度を設
定値に対して±１５％程度に保つことができる。発熱源
である照明光源２（超高圧水銀ランプ、エキシマレーザ
装置等）はクリーンチャンバーＩの外部に設置され、ｇ
線、ｉ線或いはＫｒＦエキシマレーザ光等のレジスト層
を感光するような波長（露光波長）の照明光は、チャン
バー１と隔離される窓（光学部材等）ＩＡを介して入射
し、シャッター３を通って照明光の強度を露光領域の全
面で均一にするための光強度一種化照明系４に達する。

さらにミラー５で下方へ折り曲げられた後、メインコン
デンサーレンズ６を介してレチクルステージ部Ｒ８に載
置されたレチクルＲを均一な照度で照明する。

レチクルＲは、回路パターン等が描かれたマスクで、レ
チクルＲを通過した照明光は、片側若しくは両側テレセ
ントリックな投影光学系７を介してウェハＷ上にレチク
ルＲのパターンを結像、転写する。ウェハＷは不図示の
ウェハ・ホルダー（θテーブル）を介してウェハステー
ジ部（８，９Ｘ。

９Ｙ）に載置され、順次移動しながらステップ・アンド
・リピート方式で露光される。図示していないが、ステ
ッパー全体は防振台上に構築され、ウェハステージ部は
防振台上の定盤の上に設けられている。ウェハステージ
部は、下から順にＹ方向に１次元移動するＹステージ９
Ｙ、Ｘ方向に１次元移動するＸステージ９Ｘ、及びウェ
ハＷを載置してＸ方向に微動するＺステージ８によって
構成され、モータ１９によりステップ・アンド・リピー
ト方式でＸ、Ｙ方向に２次元移動し、且っＸ方向に微動
するようになっている（Ｚステージ８用のモータは、Ｘ
ステージ９Ｘ上に設けられでいる）。さらに、防振台上
の定盤の上にはＡＦセンサー（後述）等を保持すると共
に、投影光学系７の鏡筒外部に設けられたフランジ７Ａ
を固定するコラム２０が固設される。さらにコラム２０
の上には、投影光学系７を囲むと共に、上部にレチクル
ステージ部Ｒ８を保持するコラム（不図示）が固定され
る。このコラムは投影光学系７とレチクルステージ部Ｒ
３上のレチクルＲの真空吸着面とのＸ方向の間隔を略一
定に保つため、例えばインバー等の低膨張合金材で作ら
れることが望ましい。

さて、投影光学系７の温調機構である温度調節器２１は
、ヒーター、クーラー、ポンプ、コンプレッサー等で構
成され、流体（気体、液体のどちらでも良く、例えば両
者の利点が使えるフロンガス等）の温度を所定温度に制
御するものであって、パイプ２２により投影光学系７の
鏡筒周囲の略全体を円筒状に囲む密封された空間２５へ
温調した流体を送り込む。温調された流体は空間２５を
投影光学系７の鏡筒に沿って流れ、パイプ２３を通って
温度調節器２１に戻る。温度調節器２１は、直接鏡筒の
温度を測定できる位置（例えば、鏡筒の内側）に設けら
れた温度センサー２４からの温度信号Ｓを受は取り、温
度信号Ｓが略一定となるように流体温度を制御する。尚
、パイプ２２，２３は断熱材等で外部の温度変化を遮断
され、しかも温度調節器２１の振動が投影光学系７に伝
わらないように一部をフレキシブルな材料としてお（。

また、第３図中の投影光学系７には、環境条件や露光条
件の変化によって生じる結像特性（投影倍率、焦点位置
）の変動を自動補正するためのベローズポンプ、弁等で
構成された圧力調整器１７が設けられている。圧力調節
器１７は、気体の屈折率が圧力に依存して変化するとい
う物理現象を利用したもので、投影光学系７の内部の適
当な１ヶ所若しくは複数の密封された空気室１８の空気
圧力を、コントローラ１０により指示された所定値に保
つことで、逐次強制的に投影光学系７の結像特性を制御
するものであって、本実施例では投影倍率の補正機構と
して働（ものとする。一方、先に述べたように焦点位置
補正に関しては、投影光学系７（最良結像面）とウェハ
Ｗとの距離をＡＦセンサー１５で計測し、その計測値が
一定値となるようにＺステージ８を駆動する焦点位置補
正機構にオフセットを持たせる方法で行われる。

そこで、本発明に係わる焦点位置補正機構について第１
図を参照しながら説明する。第１図は第３図の一部を拡
大したもので、本発明の位置検出手段であるＡＦセンサ
ー１５はＬＥＤ又はハロゲンランプ等を光源とし、集光
レンズ等を介してウェハＷに斜め上方から光線を入射（
入射角４５゜〜８０°）させる投光器１５Ａと、ＳＰＤ
、集光レンズ等を有し、ウェハＷからの反射光を受光す
る受光器１５Ｂとから成り、投光器１５Ａと受光器１５
Ｂは共に取付金具１６を介して鏡筒保持金物２０Ａ（コ
ラム２０）に嵌入されて取り付けられる。従って、ＡＦ
センサー１５はウェハＷが所定位置（例えば、最良結像
面）から光軸ＡＸ方向へずれていると、ウェハＷからの
反射光がシフトしてそのずれ量を検出できる。ＡＦセン
サー１５から出力されるずれ量の信号ＰＳＳはコントロ
ーラｌＯに送られ、コントローラ１０はウェハＷが所定
位置に来るまで（ずれ量が０となるまで）、Ｚステージ
８を駆動するモータ１９に信号を送り、常に投影光学系
７とウェハＷとの間隔を一定に維持する。ＡＦセンサー
１５のキャリブレーション（最良結像面を零点基準とす
るための調整）は、受光器１５Ｂの光路中に平行平板ガ
ラス等を入れて光学的にオフセットを持たせるか、或い
は検出信号に電気的にオフセットを持たせることで行う
。

本実施例では、受光器１５Ｂの光路中に設けられた平行
平板ガラスＨＶを傾斜されることで、ＡＦセンサー１５
にオフセットを持たせるものとする。

尚、位置検出手段としては光学式のＡＦセンサー１５に
限られるものでなく、例えば空気を吹き出してその圧力
でずれ量を検出する、所謂エアマイクロメータでも本発
明を適用することが可能である。

また、第１図中には本発明の重要な構成要素である変位
量測定手段としての変位測定器１２ａ。

１２ｂが示されている。変位測定器１２ａ、１２ｂは、
投影光学系７とＡＦセンサー１５との相対的なＺ方向の
変位量（具体的には、投影光学系７の最下部のレンズ素
子とＡＦセンサー１５の光線出入口との間のＺ方向の機
械的な距離の変位量）を測定するためのものであって、
この相対変位量の信号ＤＳＳをコントローラ１０へ出力
する。ここで、投影光学系７の最下部のレンズ素子とＡ
Ｆセンサー１５の光線出入口との間の距離を直接測定す
ることは難しいので、本実施例では投影光学系７（鏡筒
）の下端部とＡＦセンサー１５（支持金物）の上端部と
の間の距離の変化量を、近似的に上記変位量（後述のΔ
Ｌ）として測定する。変位測定器１２ａ、１２ｂとして
は、例えば差動トランス、ストレンゲージ、或いは容量
型変位センサー等が用いられる。尚、本実施例では投光
器１５Ａ及び受光器１５Ｂと投影光学系７との間に２個
の変位測定器１２ａ、１２ｂを配置しているが、特に変
位測定器の配置箇所や個数等に制限はない。

但し、投影光学系７の鏡筒の極力最下部に変位測定器１
２ａ、１２ｂを設けるのが望ましい。また、変位測定器
は少なくとも１個必要であるが、投影光学系７の鏡筒や
ＡＦセンサー１５の取付金具１６等の熱膨張が等方的で
ないこともあり得るため、変位測定器を複数個用意して
それらの検出値を平均化することが望ましい。

さて、チャンバー１の内部の環境条件（大気圧、気温、
湿度等）の変化は、第３図に示すように測定器Ｉ４によ
り測定されてコントローラ１０に送られる。尚、環境条
件と投影倍率及び焦点位置との関係は、予め温度調節器
２１を作動させて投影光学系７の鏡筒或いはその周辺温
度を一定にした状態で実験を行うことによって求められ
、数式或いはテーブルの形等でコントローラｌＯの内部
に記憶されているものとする。また、ウェハステージ部
上に設けられた照度センサー１１は、投影光学系７へ入
射する照明光のエネルギー量を測定するためのものであ
って、エネルギー量の信号ＩＭＳをコントローラ１０へ
送る。さらに、シャッター制御回路１３はシャッター３
の開閉動作を制御すると共に、シャッター開閉信号ＳＳ
Ｓをコントローラ１０へ出力する。コントローラ１０は
、上記各種測定器からの出力信号に基づいて投影倍率や
焦点位置の変動量を求めた後、これを打ち消すような空
気室１８の圧力やＺステージ８の駆動量を算出して、圧
力調節器１７やモータ１９に所定の指令を与える。

次に、本発明の原理について簡単に説明する。

周辺温度変化により投影光学系７の焦点位置が変動する
要因としては、投影光学系７のレンズ素子りに起因する
ものとして屈折率の変化、面形状の変化、及びレンズ素
子間隔の変化と、レンズ素子間の空気に起因するものと
して屈折率の変化とが考えられる。そこで、これらを要
因とした焦点位置の変動量の合計を、Δｆ　ＬＥＮＳ（
μｍ　／　’Ｃ）とおくものとする。

また、投影光学系７はフランジ７Ａを介して装置本体の
コラム２０に載せられているため、フランジ７Ａ（下面
）から投影光学系７の先端までの距離（鏡筒の長さ）Ｉ
ＬＥＮｓが、例えば周辺温度変化によりΔＩ　ＬＥＮＳ
（μｍ　／　０Ｃ）だけ変化（伸縮）すれば、結果的に
は装置上で最良結像面がΔＩ　ＬＥＭＳだけシフトする
ことになる。一方、ＡＦセンサー１５は取付金具工６を
介して鏡筒保持金物２０Ａ（コラム２０）に取り付けら
れるため、コラム２０（上面）からＡＦセンサー１５の
光線出入口までの距離ＩＡＦが、例えばΔＩＡ、（μｍ
　／　’Ｃ）だけ変化すれば、装置上で最良結像面に対
してＡＦセンサー１５の零点基準がΔ１ｈｖだけシフト
することになる。以上のことから、ＡＦセンサー１５を
用いて焦点合わせを行うに際して周辺温度がＴ（℃）変
化した時の焦点位置の変動量（デフォーカス量）ΔＦ　
（Ｔ）は、次式で表されることになる。

ΔＦ（Ｔ）＝［（−ΔＩ　ＬＥＮＳ＋Δｆ　ＬＥＮＳ）
＋Δ１ＡＦＩＸＴ　　・・・・・（１）但し、本実施例
では装置全体がチャンバー１に収納されるので、周辺温
度変化はチャンバー内の温度制御精度や熱源（照明光源
等）の温度ゆらぎ、或いはウェハステージ部（８，９Ｘ
ｉ　　９Ｙ）の移動に伴う空気流（空調条件）の変化に
よる温度変化等を要因として生じ、通常Ｔは±０．５〜
±０゜１℃程度である。

また、第３図にて示したように本実施例では、投影光学
系７の鏡筒に沿って特別に温調空間（２５Ａ、２５Ｂ）
を設け、温度調節器２１により精密に温度制御された流
体をパイプ２２．２３で循環させている。従って、温度
調節器２１による投影光学系７の温度制御精度を’ｒｓ
ｃ（’ｃ）とすれば、同様に周辺温度がＴ（℃）変化し
た時の焦点位置の変動量ΔＦｓｃは次式で表される。尚
、通常Ｔｓｃは±０．１℃程度である。

ΔＦＳＣ＝　＋　（−Δｉ’　ＬＥＮ５＋Δｆ　ＬＥＮ
Ｓ）　Ｘ　Ｔ　ｓｃｌ＋１ΔｆＡｐＸＴｌ　　　・・・
・・（２）ここで、（２）式において焦点位置変動量Δ
Ｆｓｃを絶対値の和として表しているのは、一般に温度
制御精度Ｔｓｃと周辺温度変化量Ｔとが互いに独立して
変動するので、最悪の場合には投影光学系７とＡＦセン
サー１５との伸縮方向が逆になり得るためである。従っ
て、（２）式の１ΔＩ　ＡＦ　Ｘ　Ｔ　ｌが大きい場合
、投影光学系７の温度安定化だけでは投影光学系の焦点
深度内にウェハＷを設定できないことが分かる。

そこで、本実施例では投影光学系７とＡＦセンサー１５
とのＺ方向の相対変位を測定する変位測定器１２ａ、１
２ｂを設け、ウェハＷを最良結像面に追い込む際には、
この変位測定器の出力の変化分、即ち投影光学系７とＡ
Ｆセンサー１５との相対的な変位量ΔＬだけオフセット
を持たせるようにする。但し、変位測定器１２の出力の
変化分ΔＬ（μｍ）は、次式で表される。

ΔＬ＝ΔＡ’ＡＦ−Δｌ　ＬＥ）Ｉｓ　　　　　　”（
３）従って、投影光学系７の温度安定化を行わない場合
、ＡＦセンサー１５による焦点合わせに際して上記ΔＬ
だけオフセットを持たせるものとすれば、（１）式から
実際の焦点位置変動量ΔＦ’（Ｔ）は次式で表される。

ΔＦ’（Ｔ）＝　［（−Δｌ　ＬＥＮｓ＋Δｆ　ＬＥＮ
Ｓ）＋Δ１ＡＦ−ΔＬｌ　　ＸＴ＝Δｆ　ＬＥＮＳＸ　Ｔ　　　　・・・−（４）また、
投影光学系７の温度安定化を行う場合は、（２）式から
焦点位置変動量ΔＦ、。′は次式で表される。

ΔＦ’ｓｃ°＝Δｆ　ＬＥＮＳＸ　Ｔ　ｓｃ　　　　”
・（５）以上、（１）、（２）式と（４）、（５）式と
を比較すれば明らかなように、本実施例によれば投影光
学系７の鏡筒及びＡＦセンサー１５の相対変位が焦点位
置変動に対して同等影響を及ぼさないことが分かる。こ
こで、これらの式は温度がＴ或いはＴ５゜だけ変化した
時の定常状態を表しているが、過渡状態でも全く同様の
効果がある。

次に、第２図を参照しながら本実施例の動作を簡単に説
明する。本実施例においてウエノＸＷの焦点位置補正は
、コントローラｌＯからの指令信号をモータ１９に送っ
てＺステージ８を駆動することによって行われる。この
際、コントローラｌＯは変位測定器１２から出力される
相対変位量ΔＬの信号ＤＳＳを取り込むと共に、チャン
バー１内の環境条件（大気圧、湿度等）を測定する測定
器１４からの信号ＥＳＳ　（環境情報）も取り込み、補
正すべき焦点位置のオフセット量を計算する。

ここで、測定器１４からの信号ＥＳＳを取り込むのは、
大気圧や湿度等が変化しても焦点位置が変動するためで
ある。コントローラ１０は、このオフセット量の信号Ｈ
Ｃ８を受光器１５Ｂに送り、受光器１５Ｂの内部に設け
られた平行平板ガラスＨＶをオフセット量に応じて傾斜
させ、ＡＦセンサー１５にオフセットを持たせる。この
結果、投影光学系７とＡＦセンサー１５との相対変位、
及び環境条件の変化による焦点位置変動量（デフォーカ
ス量）が略零となる。この後、ウニ／％Ｗが投影光学系
７の下に来ると、ウェハＷの設定値（最良結像面）に対
するずれ量がＡＦセンサー１５（受光器１５Ｂ）により
測定され、コントローラ１０はこのずれ量の信号ＰＳＳ
を受は取る。そして、ずれ量の信号ＰＳＳが零になるま
でモータ１９に信号ＭＤＳを出力し、Ｚステージ８を上
下方向へ駆動する。以上の動作によって、正確にウェハ
Ｗを最良結像面に合致させることができる。

尚、本実施例では投影光学系７とＡＦセンサー１５との
相対変位による焦点位置変動を略零にするため、ＡＦセ
ンサー１５に対してオフセットを与える、つまり受光器
１５Ｂ内の平行平板ガラスＨＶを傾斜させていた。しか
しながら、焦点位置変動の補正方法は上記手法に限られ
るものではなく、例えばコントローラ１０に入る前の信
号ＰＳＳにオフセットを加えたり、レチクルＲと投影光
学系７との間にフィールドレンズを設け、このフィール
ドレンズを上記オフセット量に応じて傾斜させる方式、
或いは第３図中に示した圧力調節器１７により空気室の
圧力を調整して焦点位置を補正する方式等を採用しても
構わない。但し、圧力調節器１７を用いる方式では投影
光学系７に少なくとも空気室を２つ設け、これら空気室
の圧力を独立に制御して投影倍率と焦点位置とを別々に
調整できるように構成することが望ましい。

以上の通り本発明の一実施例においては、投影光学系７
の照明光吸収による焦点位置変動を考慮していなかった
が、実際には照明光吸収に伴う鏡筒温度上昇による投影
光学系７の鏡筒の膨張分も、変位測定器１２により測定
される変位量ΔＬの中に含まれている。ここで、照明光
吸収による焦点位置変動は投影光学系７の熱の蓄積現象
によって生じるもので、例えば特開昭６０−７８４５４
号公報に開示されているように、照明光の光量を測定し
て入射エネルギーの蓄積を演算により求めた後、蓄積エ
ネルギー量を焦点位置の変動量に換算して補正する方法
が知られている。このため、本実施例のような変位測定
器１２による補正と、上記光量測定による補正とを分離
しなければ、二重に焦点位置補正を行ってしまうことに
なる。

そこで、まず照明光吸収による焦点位置変動の補正方法
について、第２図、第３図を参照しながら簡単に説明す
る。照明光吸収による焦点位置の変動量の算出は、照度
センサー１１を用いて投影光学系７への照明光の入射エ
ネルギーを測定することにより行われる。具体的には、
レチクル交換或いはレチクル上の露光エリアを制限する
可変ブラインド（不図示）の位置変更後、ウェハステー
ジ部を移動して照度センサー１１を投影光学系７の下へ
もっていき、照度センサー１１により投影光学系７を通
過するエネルギーを測定して、信号ＩＭＳをコントロー
ラＩＯへ送る。さらに、コントローラ１０は投影光学系
７へ照明光が入射しているか否かの信号、即ちシャッタ
ー制御回路１３で作られるシャッター開閉信号ＳＳＳも
取り込み、これら２つの信号に基づいて投影光学系７に
蓄積されるエネルギー量を算出する。そして、予め実験
により求めておいた焦点位置の変動特性（蓄積エネルギ
ー量と焦点位置変動量との関係）に基づき、上記結果に
沿うような露光条件の変化による焦点位置の変動量を求
める。次に、焦点位置の変動に追従するようにＡＦセン
サー１５ヘオフセットを与えた後、ＡＦセンサー１５を
用いてウェハＷの位置をサーボ制御し、最良結像面とウ
ェハ面とを正確に合致させている。

従って、上記の如き二重補正を防止するためには、本実
施例で述べた変位測定器１２による焦点位置オフセット
補正を行っている状態で、上記焦点位置の変動特性を求
めるための実験を行うようにする。この結果、鏡筒の膨
張を主因とする投影光学系７とＡＦセンサー１５との相
対変位を除いた残りの要因、即ち照明光吸収のみによる
焦点位置の変動特性が得られることになる。これより、
上記実験結果に基づいて投影光学系７の蓄積エネルギー
量に応じた焦点位置の変動量を求めるようにすれば、鏡
筒の膨張を要因とした焦点位置の変動量を除去でき、上
記二重補正を行うことなく照明光吸収による焦点位置変
動の補正を分離して行うことが可能となる。

また、上記実施例では投影光学系７とＡＦセンサー１５
との相対変位を測定して焦点位置補正を行う方法につい
て述べたが、ステッパーにおける焦点位置はレチクルＲ
とウェハＷとの相対位置で一義的に決まるものであるか
ら、レチクルＲのＺ方向への位置ずれを含むレチクルＲ
と投影光学系７との間隔変化も焦点位置変動の要因とな
る。このため、上記実施例と同様の考え方で、投影光学
系７とレチクルＲとの間の機械的な距離の変位量を測定
して焦点位置をオフセット補正する方法が考えられる。

以下、簡単に説明を行う。

一般に、レチクルＲはレチクルホルダー（ス図示）に真
空吸着されると共に、レチクルホルダーはレチクルＲを
位置決めするために光軸に垂直な平面内で微動可能なレ
チクルステージ部Ｒ８上に設けられる。レチクルステー
ジ部Ｒ３は、投影光学系７を囲むようにコラム２０上に
設けられたコラム（不図示）によって装置本体に固定さ
れており、先に述べたＡＦセンサー１５と同様に、例え
ば周辺温度変化による金属の膨張等を要因としてレチク
ルＲがＺ方向に変位し、レチクルＲと投影光学系７との
間隔が変化し得る。そこで、このレチクルＲの変位量を
１ｒとし、投影光学系７の倍率を１／Ｍとすれば、上記
間隔変化による焦点位置の変動量は（ｌｒ／Ｍ”と表せ
る。つまり、レチクルＲの変位量ｌ「を測定すれば、焦
点位置変化量を計算により求めることが可能となる。従
って、コントローラ１０は変位量ｌ「の値を取り込み、
この変位量１ｒから算出した焦点位置変動量に基づいて
、上記実施例と同様の動作で焦点位置補正を行えば、レ
チクルＲと投影光学系７との相対変位による焦点位置の
変動量を略零に抑えることができる。尚、変位量１ｒは
レチクルＲと投影光学系７の最もレチクルＲに近いレン
ズ素子（最上部のレンズ素子）との距離と考えて良い。

しかしながら、レチクルＲと最上部のレンズ素子との相
対間隔を直接測定することは困難であるため、レチクル
ホルダー或いはレチクルステージ部Ｒ８と投影光学系７
の鏡筒上端部との間に、例えば差動トランス、歪ゲージ
、容量型変位センサー或いは光波干渉測長器等を設け、
この測定値を近似的に相対変位量１ｒとすれば良い。

また、レチクルＲと投影光学系７との相対変位は、投影
光学系７がレチクル側でテレセントリックでない場合に
は投影光学系７の投影倍率に効き、一方テレセントリッ
クである場合には投影光学系７の像歪（デイスト−ジョ
ン）に効く。従って、上記方法で測定した結果に基づい
て、投影光学系７の投影倍率或いはデイスト−ジョンの
変動量を推定できる。これらを補正するためには、例え
ばレチクルＲをＺ方向に微動させる、投影光学系７の一
部のレンズ素子を光軸方向や傾斜方向に移動させる、或
いは投影光学系７の内部、若しくはその上下の空間の少
なくとも一方に密封された空間を設け、その内部圧力や
温度を変化させる等の方法が考えられる。また、レチク
ルＲの傾きもデイスト−ジョンに効くため、複数点で変
位量１ｒを測定してやれば、レチクルＲの傾きに基づい
てデイスト−ジョンを補正することも可能である。

以上の通り本発明は、投影光学系７とＡＦセンサー１５
（投光器１５Ａ、受光器１５Ｂ及び取付金具１６）との
相対変位の影響を無くすことを目的としている。従って
、本発明のように変位量測定手段を用いる代わりに、例
えば投影光学系７とＡＦセンサー１５の各々の温度膨張
率を同じにする方法、或いは投影光学系７とＡＦセンサ
ー１５とを一体化する方法が考えられる。しかし、前者
の方法は材料の選定が困難で、後者の方法は加工、構成
が難しいという欠点があり、本発明による焦点位置補正
機構が優れていると言える。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、感光基板の位置検出手段
と投影光学系との相対変位による焦点位置変化をキャン
セルできるため、最終的な温度変化による焦点位置の変
動量を小さ（抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した投影光学装置の主要部を示し
た概略図、第２図は本発明による焦点位置の補正動作の
説明に供するブロック図、第３図は本発明を適用した投
影光学装置全体の概略的な構成図である。〔主要部分の符号の説明〕７・・・投影光学系、７Ａ・・・フランジ、８・・・Ｚ
ステージ、ｌＯ・・・コントローラ、１１・・・照度セ
ンサー１２ａ、１２ｂ−＝変位測定器、１５Ａ、１５Ｂ
・・・ＡＦセンサー　１６・・・取付金具、１９・・・
モータ、２０・・・コラム、Ｒ・・・レチクル、Ｗ・・
・ウェハ、Ｈｖ・・・平行平板ガラス。

Claims

【特許請求の範囲】マスクに形成されたパターンの像を最良結像面内に投影
する投影光学系を有し、該最良結像面に感光基板を配置
することによって、該感光基板上に前記マスクのパター
ンを投影する装置において、前記投影光学系と機械的に
結合され、前記投影光学系の光軸方向における前記感光
基板の位置を検出する位置検出手段と：該位置検出手段と前記投影光学系との前記光軸方向に関
する相対的な変位量を測定する変位量測定手段と；前記位置検出手段の検出結果と前記変位量測定手段の測
定結果とに基づいて、前記感光基板の表面と前記投影光
学系の最良結像面とを合致させる位置調整手段と；を備えたことを特徴とする投影光学装置。