JPH0430412A - 投影露光装置 - Google Patents

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） 本発明は投影露光装置に関し、特にＩＣ。

ＬＳＩ等の半導体素子を製造する際にレチクル面上の電
子回路パターンをウェハ面上に投影光学系により投影す
るときの歪曲誤差や投影倍率誤差等の光学性能を良好に
補正し、高結反な投影パターン像が得られる投影露光装
置に関するものである。

（従来の技術） 従来よりＩＣ，ＬＳＩ等の半導体素子製造用の焼付装置
（アライナ−）においては非常に高い組立精度と光学性
能が要求されている。

このうち電子回路パターンが形成されているレチクルと
ウェハとを重ね合わせる際のマツチング精度は特に重要
になっている。このマツチング精度に最も影響を与える
一要素に投影光学系の投影倍率誤差と歪曲誤差がある。

投影倍率誤差や歪曲誤差は所望の格子点と投影パターン
の格子点との差として現れる。本出願人は特開昭６２−
３５６２０号公報において光学手段を用いて像歪誤差を
減少させて投影倍率を補正した手段を有するアライナ−
を提案している。

ところで最近のアライナ−に用いられるバターン寸法は
年々微細化されており、それに伴いマツチング精度もよ
り高精度なものが要求されてきている。この為投影光学
系の投影倍率誤差と歪曲誤差を更に僅少にすることが要
望されている。

現在の投影光学系の投影倍率誤差と歪曲誤差は投影光学
系の製造工程上の調整及び装置の設置時の調整により補
正されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら投影光学系の投影倍率誤差や歪曲誤差等は
組立誤差や周囲の環境、特に気圧や温度によって変化す
る。又投影光学系はウェハの露光時に露光エネルギーを
吸収し、光学要素（例えば屈折率、形状）が変化し、こ
れによフても投影倍率誤差や歪曲誤差等が変化してくる
。

これらの光学性能の双方を良好に補正するのは難しく、
従来の投影露光装置では例えば気圧や温度変化、光吸収
等による歪曲誤差が残留していたり、投影倍率誤差を補
正する際に歪曲誤差が発生したりして投影倍率誤差と歪
曲誤差の双方を完全に補正することが大変難しかった。

本発明はレチクル面上のパターンを投影光学系によりウ
ニ八面上に投影する際、投影倍率誤差と歪曲誤差の双方
を良好に補正し、高い光学性能が容易に得られる投影露
光装置の提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の投影露光装置は、照明系からの光束で照明され
た第１物体面上のパターンを投影光学系を介して第２物
体面上に投影する際、該投影光学系のレンズ系中の少な
くとも１つの空間を外気から遮断し、該空間内の気圧又
は／及び該空間内の気体の成分等を調整する気圧調整手
段と、該照明系からの光束の発振波長を変化させる波長
可変手段とを利用して、該第１物体面上のパターンを投
影光学系により第２物体面上に投影する際の光学性能を
調整したことを特徴としている。

特に本発明では、光学性能として投影倍率誤差と歪曲誤
差を良好に補正していることを特長としている。

（実施例） 第１図は本発明の投影露光装置の一実施例を示す概略図
である。

第１図において１は回路パターンが描かれた第１物体と
してのレチクル、２はレチクル１を吸着保持するレチク
ルチャック、３はレチクルチャック２を支持するレチク
ルステージ、４は縮少型の投影レンズ系、５，６．７は
各々投影レンズ系４を構成する部分レンズ系である。８
は部分レンズ系中の外気から遮断した空間、９はレジス
ト等の感材が塗布された第２物体としてのウェハ、１０
はウェハ９を吸着保持するウェハチャック、１１はウェ
ハチャック１ｏに取付けたウェハ駆動装置である。

ウェハ駆動装置１１は例えば圧電素子等から成り、ウェ
ハチャック１０を投影レンズ系４の光軸ＡＸ方向に変位
せしめてウェハ９を光軸ＡＸ方向に移動させる。１２は
ウェハ駆動装置１１を支持し、投影レンズ系４の光軸Ａ
Ｘに直交する面内で移動可能なウェハステージを示す。

ウェハ駆動装置１１によるウェハチャック１０の駆動は
ウェハ駆動制御系１３からの信号に基づいて行なわれ、
この時ウェハ９（の表面）の光軸ＡＸ方向の位置はフォ
ーカス検出器１８により検出される。フォーカス検出器
１８は、この種の投影露光装置で従来から使用されてき
た例えばエアーセンサーや光学式センサーで構成されて
いる。フォーカス位置検出器１８からの信号はマイクロ
プロセッサ−２３へ入力される。一方、投影レンズ系４
の周囲の気圧、気温、温度の変化を検出するために気圧
センサー１９、温度センサー２０、湿度センサー２１が
設けられ、投影レンズ系４の光吸収による温度変化を検
出するためにレンズ温度センサー２２が設けられており
、これら各種センサー１９，２０，２１．２２からの信
号もマイクロプロセッサ−２３へ人力される。

又、外気から遮断したレンズ系中の空間８には空間８内
の圧力（気圧）を計測するための圧力センサー１７と空
間８内の圧力を制御するための圧力制御装置１４が連結
されている。そして圧力制脚装置１４にはフィルタ１６
Ａを通して加圧供給器１６Ｂから定常的に一定の圧力が
供給され、又排気装置１５により必要に応じて排気され
る。空間８内の圧力を検出する圧力センサー１７からの
信号もマイクロプロセッサ−２３へ入力される。

尚、ウェハ駆動系１３及び圧力制御装置１４はマイクロ
プロセッサ−２３からの信号により制御される。以上の
うち各要素１４，１５，１７゜２３は気圧調整手段の一
部を構成している。

２４はレチクル１の回路パターンを均一な照度で照明す
る照明系を示し、照明系２４は波長λ＝２４８．４ｎｍ
のレーザー光を放射するＫｖＦエキシマレーザ−を、露
光用の光源として具備している。照明系２４からのレー
ザー光はレチクル１と投影レンズ系４を介してウェハ９
上に向けられ、ウェハ９上にレチクル１の回路パターン
像が投影されることになる。

本実施例では遠紫外域の波長を有するレーザー光で投影
露光を行なうために投影レンズ系４を構成する各レンズ
を波長λ＝２４８．４ｎｍの光に対して高い透過率を備
えた合成石英（Ｓ　ｉ　Ｏ□）で製造している。

次に本実施例における照明系２４の各要素について説明
すると２７はレーザー光源であり、後述する波長選択素
子駆動制御系３２により発振波長が制御された光束を放
射している。２５はコンデンサーレンズであり、レーザ
ー光源２７からの光束をミラー２６で反射させてレチク
ル１面上を均一照明している。

レーザー光源２フはレーザー共振器２８と波長選択素子
２９を有している。３０は波長選択素子駆動装置、３１
は波長選択素子角度検出器、３２は波長選択素子駆動制
御系である。

第２図は第１図のレーザー光Ｗ２７の要部概略図である
。波長選択素子２９はプリズム、グレーティング、エタ
ロンなどを使用することにより波長帯域の狭帯域化を可
能としている。同時にプリズム後の反射鏡、グレーティ
ング、エタロンの角度を変えることによってレーザー共
振器の本来の波長帯域範囲内で波長を変えることが可能
である。

波長選択素子駆動装置３０はステップモータあるいは圧
電素子等から成り、波長選択素子駆動制御系３２からの
信号に基づいて駆動する。この時波長選択素子２９の角
度が波長選択素子角度検出器３１により検出される。波
長選択素子角度検出器３１は例えば光学式エンコーダな
どの各種角度検出器で構成できる。波長選択素子角度検
出器３１からの信号はマイクロプロセッサ−２３へ入力
される。又波長選択素子駆動制御系３２はマイクロプロ
セッサ−２３により制御される。

本実施例では以上のような構成により投影レンズ系４と
は独立に、後述するようにしてレーザー光源２７からの
発振波長を変化させるようにして装置全体の簡素化を図
っている。

第３図は第１図の投影レンズ系４の具体的なレンズ構成
のレンズ断面図である。同図においてはレチクル１とウ
ェハ９の間に、符号Ｇ、”−ｚＧ、２で示される１２枚
のレンズが光軸ＡＸに沿って配列されて投影レンズ系４
が構成されている。

第３図に示す投影レンズ系のレンズデータな表−１に示
す。表−１中、Ｒ，（ｉ＝１〜２４）はレチクル１側か
ら順に数えて第ｉ番目の面の曲率半径（ｍｍ）を、Ｄｌ
はレチクル１側から順に数えて第ｉ番目と第ｉ＋１番目
の面間の軸上肉厚又は軸上空気間隔（ｍ　ｍ　）を、Ｎ
ｌ　　（ｉ＝１〜１２）はレンズＧ、（ｉ＝１〜１２）
の屈折率を示す。又、Ｓｌはレチクル１の回路パターン
面とレンズＧ１のレチクル１側のレンズ面との間の軸上
空気間隔を、Ｓ２はレンズＧ１２のウェハ９側のレンズ
面とウェハ９表面との間の軸上空気間隔を示す。

表 ｌ嘩１００．０００００ Ｒ１９−３５８，３０５４５ “１０（８，。、−２□５．２０５９゜Ｇ１．　（Ｒ２
１”１２２．３４８７５Ｒ２２ｊ　６０８．００２６５ Ｒ２３−６８，１１０９９ Ｇ１２　（。

Ｒ２４１０３，０７２８７ ０１９・　１６．５００００ ０２０−　１．０００００ ０２１−　１８．５００００ ０２２・　　１．０００００ Ｄ２３・　２０．０００ＱＯ Ｄ２４−　７３．１４１９Ｏ Ｎ１０−１．５２１１３Ｏ Ｎ１１−１．５２１１３Ｏ Ｉ２−１ 表−２は表−１に示した投影レンズ系において互いに隣
接するレンズ系Ｇ、とＧ１．、（ｉ＝１〜１１）間の空
間の空気の圧力（気圧）を＋１３７．５ｍｍＨｇたけ変
化させて空気の屈折率を変化させ、相対屈折率を１．０
０００５としたときと、照明系２４のレーザー光源２７
からの発振波長λを＋〇、１ｎｍ変化させたときの投影
レンズ系の像面の像高１０ｍｍの位置における像点の対
称歪曲収差の変化に伴なうシフト量ΔＳＤ（以下、「対
称歪曲変化量ΔＳＤＪと称す。）と投影倍率の変化に伴
なうシフト量Δβ（以下、「投影倍率変化量Δβ」と称
す。）及び両者の比ΔＳＤ／Δβ１を示す。尚、投影レ
ンズ系の光軸から離れる方向に像点がシフトしたものを
正とし、投影レンズ系の光軸に近づく方向に像点がシ表 本実施例は表−２に基づいて空間Ｄ２□（ｉ＝１〜１１
）と波長λの２種類の変数のうち波長λと他の１つ又は
２つ以上の変数としての空間の値を調整して投影倍率と
対称歪曲の双方を調整するようにしたことを特長として
いる。

今、２つの変数をＸ、Ｙとし、それぞれの変化量をΔＸ
、ΔＹとする。更にそれぞれの変数の表−２に対応した
対称歪曲の変化量をΔＳＤ！。

ΔＳＤＹ、投影倍率の変化量をΔβ８．Δβアとすると
全系での対称歪曲の変化量Δ５ＤＴｏＴと投影倍率の変
化量Δβア。アは各々次式で表わすことができる。

従ってΔＸ、ΔＹが次の式で与えられる。

但しに−（ΔＳＤｘ・　Δβ１−ΔＳＤＹ・Δβ８）−
１（２）式からある歪曲誤差Δ５ＤＴＯ？及び投影倍率
誤差Δβ７゜７が発生した場合、空間Ｄ２．（ｉ＝１〜
１１）と波長λのうち２つの変数Ｘ、Ｙを選択すると（
２）式からそれぞれの変化させるべき量ΔＸ、ΔＹが求
まり、歪曲誤差及び投影倍率誤差を同時に補正すること
が可能となる。

次に第１図に示す投影露光装置に右いて具体的にレチク
ル１面上のパターンをウェハ９面上に投影する際の投影
倍率誤差と歪曲誤差の補正方法について説明する。

マイクロプロセッサ−２３はそのメモリ内に投影レンズ
系４の投影倍率変化量Δβア。アと歪曲変化量ΔＳ　Ｄ
　ＴＯＴを求めるための計算式がプログラムされており
、各々の計算式は気圧、気温、湿度、及び投影レンズ系
４の温度の予め決めた基準値からの変動量が変数となっ
ている。又このメモリには上述の計算式（２）もプログ
ラムされており、ΔβＴＯＴとΔＳ　Ｄ　ＴＯＴの値を
計算式（２）に代入することにより、変数Ｘ及び変数Ｙ
の変化させるべき量ΔＸ、ΔＹを求める。

尚、Δβ７゜アとΔ５ＤＴＯＴの値を気圧、気温、湿度
及び投影レンズ系４の温度変化に基づいて求める計算式
は実験により導出することができる。

方、投影レンズ系４によるパターン像のフォーカス位置
は投影レンズ系４の周囲の気圧、気温、湿度及び投影レ
ンズ系４の温度に依存して変化し、これに加えて変数Ｘ
及び変数Ｙの設定状態にも依存して変化する。従って本
実施例ではこれらの変動要因に基づいて投影レンズ系４
のフォーカス位置変動量を求めるための計算式をマイク
ロプロセッサ−２３のメモリ内にプログラムし、この計
算式に基づいてフォーカス位置を正確に把握するように
している。

マイクロプロセッサ−２３は気圧センサー１９、温度セ
ンサー２０、湿度センサー２１、レンズ温度センサー２
２からの気圧、気温、湿度、レンズ温度に対応する各信
号を受けて上述の所定の条件式に基づいて変数Ｘ及び変
数Ｙの変化させるべき量ΔＸ、ΔＹを求める。

一方、変数Ｘ及び変数Ｙの検出器（波長選択素子角度検
出器３１及び圧力センサー１７）からの変数Ｘ及び変数
Ｙの設定状態に対応した信号がマイクロプロセッサ−２
３へ入力される。マイクロプロセッサ−２３は変数Ｘ及
び変数Ｙの変化させるべき量ΔＸ、ΔＹに対応する信号
を変数Ｘ及び変数Ｙの駆動制御系（波長選択素子駆動制
御系３２及び圧力制御装置１４）へ入力する。そして変
数Ｘ及び変数Ｙの各駆動制ａｔ系が各駆動装置に所定の
制御信号を与え、変数Ｘ及び変数Ｙの変化させるべき量
ΔＸ、ΔＹの駆動が行なわれる。この変数ΔＸ、ΔＹの
駆動により投影レンズ系４の周囲の気圧、気温、湿度、
及び投影レンズ系４の温度などの変動に基づくパターン
像の投影倍率誤差と歪曲誤差が補正される。

又、マイクロプロセッサ−２３は変数Ｘ及び変数Ｙの各
検出器（角度検出器３１及び圧力センサー１７）気圧せ
ンサー１９、温度センサー２０、湿度センサー２１、及
びレンズ温度センサー２２からの信号に基づいて投影レ
ンズ系４によるパターン層のフォーカス位置を検出しフ
ォーカス位置検出器１８からのウェハ９（の表面）の位
置に応じた信号に基づいて、ウェハ９がフォーカス位置
に位置決めされるようにウェハ駆動制御系１３を制御す
る。ウェハ駆動制御系１３は所定の制御信号をウェハ駆
動装置１１に与え、ウェハ駆動装置１１によりウェハ９
を光軸ＡＸ方向に移動させて、パターン像のフォーカス
位置にウェハ９を位置付ける。

以上述べた動作で、パターン像の投影倍率を予め決めた
倍率に補正し、パターン像の歪曲を所定の許容範囲内に
抑えることにより、前工程でウェハ９上に形成されたパ
ターンとパターン像とを正確に重ね合わせることができ
る。又ウェハ９の位置とパターン像のフォーカス位置も
合致せしめられるのでウェハ９上に鮮明なパターン像を
投影することが可能になる。

本実施例ではパターン像の投影倍率及び歪曲の気圧、気
温、湿度及びレンズ温度の変動に伴なう変化を検出する
ために気圧センサー１９、温度センサー２０、湿度セン
サー２１、レンズ温度センサー２２からの出力信号を利
用していたが、投影レンズ系４により投影された又は現
像不要の媒体に記録されたパターン像を撮像装置で撮像
し、パターン像の大きさ及び形状に基づいてパターン像
の投影倍率及び歪曲誤差の変化を検出するようにしても
良い。この時現像装置をウェハステージ１２に付設して
おけば、所望の時期にパターン像の投影倍率や歪曲の変
化を検出することかでき、投影露光装置の構成も複雑に
ならない。

尚、本実施例では投影倍率誤差及び歪曲誤差を補正する
為に変数を２つ用いた場合を示したが３つ以上の変数を
用いて行っても良い。３つ以上の変数を用いる方法は変
数の駆動量に限界かある場合に特に有効である。この時
コマ収差、像面弯曲等、他収差の変動量か小さいパラメ
ータを選択したり、特定の収差を相殺するような組合せ
を選択すると全系の収差が良好に保たれる。

又、本実施例において外気と遮断した空間内の空気の気
圧（圧力）を変化させて空気の屈折率を制御する代わり
に空間内にＮ２．ｃｏ２等の気体を封入したり、又は複
数の気体を混合し、分圧な制御して空間内の屈折率を変
化させても前述と同様の効果を得ることができる。

更に第１図において外気から遮断された空間を複数個、
又は複数の空間を連結して、該空間内の気圧等を制御す
るようにしても前述と同様の効果を得ることができる。

尚、気圧の制御には外気から遮断された空間の圧力を一
定に保つことも当然台まれる。

（発明の効果） 本発明によれば投影光学系のレンズ系中に外気から遮断
された少なくとも１つの空間を設け、該空間内の気圧（
圧力）又は／及び気体の混合比等を変化させると共に照
明系からの光束の発振波長を変化させることにより、第
１物体に描かれたパターンの投影光学系によるパターン
像の投影倍率と歪曲を正確に調整することができる。従
って投影光学系の周囲の気圧変動や温度変動等によりパ
ターン像の投影倍率や歪曲が変化して誤差が生じても、
パターン像の投影倍率誤差や歪曲誤差の双方を良好に補
正することができる投影露光装置を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の投影露光装置の一実施例を示す概略図
、第２図は第１図のレーザー光源の説明図、第３図は第
１図の投影レンズ系の具体的なレンズ構成を示すレンズ
断面図である。 図中、１はレチクル、２はレチクルチャック、３はレチ
クルステージ、４は投影レンズ系、５゜６．７は部分レ
ンズ系、８は外気から遮断した空間、９はウェハ、１０
はウェハチャック、１１はウェハ駆動装置、１２はウェ
ハステージ、１３はウェハ駆動制御系、１４は圧力制御
装置、１５は排気装置、１６Ａはフィルタ、１６Ｂは加
圧供給器、１７は圧力センサー、１８はフォーカス位置
検出器、１９は気圧せンサー　２ｏは温度せンサー、２
１は湿度せンサー、２２はレンズ温度せンサー、２３は
マイクロプロセッサ、２４は照明系、２５はコンデンサ
ーレンズ、２６はミラー２７はレーザー光源、２８はレ
ーザー共振器、２９は波長選択素子、３ｏは波長選択素
子駆動装置、 ！ は波長選択素子角度検出器、 ２は波長 選択素子駆動制御系である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）照明系からの光束で照明された第１物体面上のパ
   ターンを投影光学系を介して第２物体面上に投影する際
   、該投影光学系のレンズ系中の少なくとも１つの空間を
   外気から遮断し、該空間内の気圧又は／及び該空間内の
   気体の成分等を調整する気圧調整手段と、該照明系から
   の光束の発振波長を変化させる波長可変手段とを利用し
   て、該第１物体面上のパターンを投影光学系により第２
   物体面上に投影する際の光学性能を調整したことを特徴
   とする投影露光装置。
2. （２）前記光学性能は投影倍率と歪曲であることを特徴
   とする請求項１記載の投影露光装置。