JPH0578930B2

JPH0578930B2 -

Info

Publication number: JPH0578930B2
Application number: JP60119435A
Authority: JP
Inventors: Masao Kosugi; Ichiro Kano
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1993-10-29
Also published as: US4676631A; JPS61278141A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の分野）本発明は投影光学系の投影倍率を調整する方
法、特に半導体装置の製造過程においてレチクル
もしくはマスク上のパターンを半導体ウエハー上
に投影するための光学系の投影倍率を調整する方
法に関する。

（従来技術の説明）半導体素子はシリコンウエハー上に幾種類も異
るパターンを重ね合わせて焼付けながら、その
各々の焼付の間に、不純物拡散、エツチング、酸
化などの工程を組み入れて製造される。半導体素
子は集積回路という名の示す通り、ウエハーの単
位面積あたりいかに多くの機能素子（トランジス
タ・キヤパシタンス等）を作り込めるかというこ
とが重要なテーマであり、これが過去、将来に渡
つての半導体製造分野での目標である。集積度を
上げるためには、パターンをウエハー上に投影す
るために露光装置に設けられている投影光学系の
解像性能と、露光装置における投影パターンとウ
エハー上のパターンの重ね合せ精度の向上が大き
く貢献する。第１図ａに示すような投影パターン
１とウエハー上のパターン２の重ね合せ誤差は、
第１図ｂに示す様なアライメント誤差と第１図
ｃ，ｄに示すデイントーシヨン誤差、倍率誤差に
大別できる。前者は投影パターン１が形成されて
いるマスクもしくはレチクル（以下レチクルと総
称する）とウエハーの相対位置調整（アライメン
ト）で補正される可能性はあるが、後者は、アラ
イメントによつては重ならない。しかし、現在の
露光装置に対してはこの様な結像誤差を減少させ
ることが強く要求される。これらの投影パターン
１の歪み（偏位量δ）は、投影光学系の光軸に対
称で、光軸からの放射状の距離Ｒに１次比例した
成分としての倍率誤差と、その他のデイントーシ
ヨン誤差に分離できるが、最近のレンズ投影光学
系の場合、両者の成分を含めて、δ≒0.2μｍ程度
までにおさえられている。しかし、これは半導体
素子の製造過程において複数本のレンズ、即ち複
数の露光装置を使用するとすれば、最大0.4μｍ
（露光装置２台の場合）の重ね合せ誤差を生むこ
とを意味する。

一方、このオーダーの精度を問題とする場合、
投影レンズは大気圧の変動に伴つた空気の屈折率
の変化のために投影倍率が変化することが知られ
ている。これに対応する方法としては、例えば特
開昭60−28613号公報で、投影レンズ内の特定の
２枚の単レンズと保持金物とで囲まれた閉空間の
圧力を調整し屈折率の変化により投影倍率を補正
する方法が提案されている。しかしこの方法の場
合、圧力が単レンズに働いて超精密に加工された
レンズ表面を変形させてしまう恐れが十分にあ
り、そのため投影倍率の補正はできても、それ以
外の悪影響を投影レンズに与えてしまう恐れがあ
る。

（発明の目的）本発明はこのような事情に鑑みなされたもの
で、その目的は投影光学系の投影倍率の誤差を投
影光学系の他の性能に悪影響を与えることなく補
正可能であり、更に半導体素子の製造過程でレチ
クル上のパターンをウエハー上に縮小投影するレ
ンズに大気圧の変化に応じて発生する投影倍率の
誤差を補正するためにも利用可能な投影倍率調整
方法を提供することにある。

（実施例の説明）以下、本発明を図に示した実施例に基づいて詳
細に説明する。

第２図ａ，ｂは本発明の基本原理を示すもの
で、これらの図において、３，４はそれぞれ異な
つた厚さt₁，t₂を有する円形状の平行平面ガラ
ス、５は平面ガラス３，４を平行に保持するフレ
ームで、このフレーム５は平面ガラス３，４の各
面が結像光学系（不図示）の光軸０と垂直に交わ
るよう結像光学系とその像面１０間の光路中に配
置されている。フレーム５は光軸０を中心として
半径ａの円周に沿つて設けられた凸部によつて平
面ガラス３，４を支持している。平面ガラス３，
４とフレーム５によつて密閉状態の空間６が形成
されるが、この空間６はフレーム５に設けられた
開口７によつて大気に開放されている。

第２図ａの場合、平面ガラス３の面に垂直に入
射する光は方向も位置も変えることなく、平面ガ
ラス４から射出する。即ち、射出光９は入射光の
延長線上に射出する。一方、第２図ｂの如く、開
口７に接続されたレギユレーター１１を介して空
間６に空間供給源（不図示）から空気を送り込み
空間６に圧力P_pを加えると、平面ガラス３，４は
圧力P_pと大気圧P_aとの差によつて外側に凸とな
るように変形する。この変形は平面ガラス３，４
の支持中心、即ち光軸０を中心として対称に生じ
る。このため光軸０に沿つて入射した光はその延
長線上に射出するが、光軸０から半径ｒの位置で
光軸０と平行に入射した光８′は平面ガラス３，
４が傾斜しているためそれぞれの境界面で屈折
し、結果的に入射光８′と平行で、且つ半径（放
射）方向に量δだけ偏位した光９′として射出す
ることになる。この偏位量δは図からも明らかな
如く半径ｒの関数となり、半径ｒが大きくなる程
偏位量δは大きくなる。

なお、第２図ｂは平面ガラス３，４の厚み、変
形量を誇張して画いているが、実際に問題として
いるのは偏位量δ＜0.5μｍのオーダーであり、板
厚、変形量はともに極めて微少な値で、材料力学
で扱う薄板理論の範囲内である。

第３図は前述の補正系を半導体素子の製造過程
で用いられる投影露光装置（所謂ステツパー）に
適用した例を示すもので、この図において、２０
はレチクル、２１は投影レンズ２２の像面に位置
する半導体ウエハーで、レチクル２０上のパター
ンはレンズ２２によつてウエハー２１上に縮小投
影される。レチクル２０をミラー２４，２５とレ
ンズ２６，２７，２８を介してランプ２３からの
光の照明することにより、レチクル２０上のパタ
ーンはウエハー２１上に焼付けられる。この焼付
とウエハー２１のステツプ移動を交互に繰り返
し、レチクル２０上のパターンを縮小してウエハ
ー２１の全面に多数焼付ける。平面ガラス３，４
はフレーム５に保持されて投影レンズ２２とウエ
ハー２１の間の光路中に前述の如く配置される。
一般に、この種の装置の投影レンズ２２は像面側
がテレセントリツクとなつており、また、縮小タ
イプのため光束径も小さいので、このような付加
的な光学系を置くのに適している。ただし、付加
的といつても、平面ガラス３，４の存在によつて
光路長が変化し、結像位置が変るので、投影レン
ズ２２の設計時に付加光学系を考慮する必要があ
るのはいうまでもない。

２９は空間６内の圧力を制御するための圧力制
御系で、この制御系２９によつて平面ガラス３，
４を変形させて投影倍率を補正する。なお、投影
レンズ２２の通常の大気圧に対する投影倍率を所
望の倍率、例えば1/5より僅かにずらしておき、
平面ガラス３，４の所定の変形で投影倍率が所望
の値となるように設定しておけば、大気圧のプラ
ス側、マイナス側の変化に対応する平面ガラス
３，４の変形方向を外側へ凸もしくは内側へ凸の
一方とすることができるので、制御系２９を簡単
な構成とすることができ好ましい。即ち、この場
合には、制御系２９は加圧もしくは減圧の一方を
行なえれば良い。

次に、第２図ａ，ｂに示した本発明の基本原理
を理論的に解析し、0.2〜0.5μｍ程度の倍率補正
を行なうのに好適な実施例を考えてみる。

等分布荷重がかかつた時の円板の変形は、圧力
（供給圧と大気圧の差）をＰ、円板の弾性係数を
Ｅ、円板の板厚をｔ、円板のポアソン比をν、円
板の中心からの距離をｒ、円板の中心から支持点
までの半径値をａ、円板の変形量をｙとすると、
単純支持の場合で、ｙ＝Ｐ／64D（r⁴−2ν＋６／ν＋１a²r²＋ν＋５／ν＋
１a⁴） ……（１・１）固定支持の場合で、ｙ＝Ｐ／64D（r⁴−2a²r²−a⁴）……（１・２）となる。ただし、Ｄ＝Et³／12（１−ν²） ……（１・３）である。傾斜角θは変形量ｙを距離ｒで１回微分
することにより求められ、単純支持の場合で、 θ＝dy／dr＝Ｐ／16D（r³−ν＋３／ν＋１a²r） ……（２・１）固定支持の場合で、 θ＝dy／dr＝Ｐ／16D（r³−a²r） ……（２・２）となる。一方、傾斜角θによる入射光の偏位量δ
は円板を構成するガラスの屈折率をＮとして、θ
が微少な範囲で、 δ＝tθ（１−１／Ｎ） ……（３・１）となる。（３・１）式に（２・１）、（２・２）、
（１・３）式を代入して整理すると、偏位量δは、
単純支持の場合で、 δ＝3P（１−ν²）（１−１／Ｎ）／4Et²（r³−ν＋３
／ν＋１a²r）
……（４・１）固定支持の場合で、 δ＝3P（１−ν²）（１−１／Ｎ）／4Et²（r³−a²r）
……（４・２）となる。第２図ａ，ｂの場合、２枚の平面ガラス
の変形方向は逆になるから（４・１）式か（４・
２）式かは別にして総合的な偏位量△δは｜δ
（第１ガラス）−δ（第２ガラス）｜となる。△δを
決定するための係数は（４・１）、（４・２）式か
ら明らかなように多数有り、最適化するのに有利
である。例えば、円板を構成するガラスの物性値
Ｅ、ν、Ｎ、板厚ｔ、支持径ａが自由に選択でき
る。

一方、この（４・１）、（４・２）式で問題とな
るのはｒの３次の項が入つていることである。こ
の項がある限り完全な意味ではｒに一次比例する
倍率の補正にはならない。第４図にａ＝１でノル
マライズしνの値を一般的なガラス材料である
BK−７の値（ν＝0.207）を入れた時の（r³−
ν＋３／ν＋１）の値（＝Ａ）、（r³−ar）の値（＝Ｂ
）、並びにその差（＝Ａ−Ｂ）をプロツトしてある。
これから分る様に、前者の場合ｒ＝0.6、後者で
ｒ＝0.4程度まではほとんどリニアである。つま
り、ｒの一次の項が支配的である。このことか
ら、r³の影響を軽減するために有光光束径より
1.5倍位離れた位置以上にガラスの支持部を持つ
てゆくことが有効となる。これは支持部の応力に
よるガラスの変形等を考えても望ましい姿であ
る。

また、r³の項を消すための最も有効な方法は、
ガラスの物性値Ｅ、ν、Ｎ、板厚ｔ、支持径ａを
２枚の平面板について全く同一にし、一方を単純
支持、他方を固定支持にすることである。このと
き、△δは（４・１）、（４・２）式から △δ＝δ₁−δ₂＝（3P（１−ν²）（１−１／Ｎ）／4Et
²×２／ν＋１a²r）＝3P（１−ν）（１−１／Ｎ）／2E
t²a²r……（５・１）となりr³の項が消える。また、支持径ａの値はr³
の項には働らかないから、単純支持側の支持径a₁
を固定支持側の支持径a₂より大きくすることによ
り、更にｒの係数を大きくすることも可能であ
る。

△δ＝Ｋ（ν＋３／ν＋１a₁ ²−a₂ ²）ｒ……（５・２
）ただし、Ｋ＝3P（１−ν²）（１−１／Ｎ）／4Et²……（５
・３）である。

例えば、２枚のガラスをBK−７に選び（Ｅ＝
7980Kg／mm²、ν＝0.207、Ｎ＝1.526）、両方の板
厚をt₁＝t₂＝３mm、支持径をa₁＝a₂＝40mmとし、
一方を単純支持、他方を固定支持とすると△δ＝
0.0913Prとなり、ｒ＝10mmで△δ＝0.0003mm＝
0.3μｍの偏位を生ずるためには0.33Kg／cm²の圧力
を加えればよいことになる。また、a₁＝40mm、a₂
＝25mmとすれば、△δ＝0.12Prとなり同じく0.24
Kg／cm²となる。これらは、現存する投影レンズ２
２にとつて妥当な値である。

ところで、大気圧変動による投影レンズ２２の
倍率変化の補正を考えた場合、大気圧を気圧計に
より電気信号に変え、投影レンズ２２の倍率／気
圧係数と補正光学系の圧力係数を換算し、サーボ
弁等に閉空間６に圧力を加えるというサーボの考
え方もあるが、むしろ、この場合には閉空間６を
本当の密閉空間とし、外気（大気圧）の変動その
もので平面ガラス３，４を変形させ、その時の変
化係数がレンズ２２の変化係数に対して絶対値が
同一で負号が反対になる関係を作り出せばよい。
この場合の△δ＝AprのＡはもうすこし大きな値
が必要であるが、そのためには、ｔ、Ｅ、ν、Ｎ
等の値を適当に選択すれば良い。板厚は１／t²で
効くから効果的であるが、投影レンズ２２の一部
を構成するものとして要求される精度からあまり
薄くすることはできない。また、Ｅ、ν、Ｎは、
それ程大きな変化をもたらす程種類がない。従つ
て、このような場合には、少々r³の項が入るにし
ても平面ガラス３，４の厚さを異ならせる（t₁≠
t₂）ことが効果的である。また、平面ガラス３，
４の一方を空間６内の圧力では問題となるような
変形を生じないような曲面を持つたガラス板とし
ても良い。

次に、第５図を用いて大気圧による投影レンズ
２２の倍率変化を大気圧自身によつて自動的に補
正する方法を説明する。この図において、３０は
投影レンズ２２を保持するレンズ鏡筒、３１，３
３は平面ガラス３，４をフレーム５に取付けるた
めの取付け具で、それぞれネジ３２，３４により
固定されている。レンズ２２側の平面ガラス３は
単純支持、ウエハー２１側の平面ガラス４は固定
支持されている。平面ガラス３の板厚ｔは平面ガ
ラス４のそれより薄く、また支持径ａは大きい。
平面ガラス３の支持部分はエツチングによつて段
差が形成されている。フレーム５はネジ３５によ
つて鏡筒３０に固定され、平面ガラス３，４を光
軸０に面が垂直に交わるようにレンズ２２の光路
中に位置させる。フレーム５は平面ガラス３，４
を平行に保持する。

３６はウエハー２１を保持するチヤツク、４０
は密閉空間６内の圧力を調整するためのマノメー
タで、このマノメータ４０は２つの管４２，４３
の底部をホース４４で接続した略Ｕ字状をしてお
り、その内部に液体、例えば水銀４５が注入され
ている。マノメータ４０の一方の管４２はホース
５０を介して空間６に接続されると共に、他方の
管４３は大気に開放されている。４６は管４３の
断面積を調整するための面積調整棒、４７は管４
３支持高さをつまみ４８を介して調整するための
ネジ、５０は空間６内の圧力を調整するためのコ
ツクである。

空間６が密閉状態であれば、大気圧の低下によ
り空間内の圧力が相対的に高くなるので、平面ガ
ラス３，４は外側に変形し、倍率を縮小すること
になる。一方、投影レンズは大気圧の低下により
倍率を拡大するのであれば、両者の倍率変化は打
ち消し合うことになるので、前述した諸条件を倍
率誤差の発生を補正するように設定することによ
つて大気圧の変化に対して投影倍率を所望の値に
保持することが可能である。この場合には、投影
レンズ２２の予想される変化より多少大きくなる
ように平面ガラス３，４の諸条件を設定した方が
好ましい。

第６図は密閉空間６を投影レンズ２２のレンズ
面と平面ガラス４との間で形成した第５図の変形
例を示すものである。この例では空間６内の気圧
と大気圧を差によつて平面ガラス４のみが変形す
る。

次に、これらの構成により平面ガラス３，４に
加えられる内外の圧力差をコントロールできるこ
とを第７図ａ，ｂを用いて説明する。第７図ａに
於ては、マノメーター４０の水頭がゼロ、つまり
閉空間６の圧力Poと大気圧Paが等しい状況を示
している。このときの閉空間６のすべての体積を
V_p、閉空間６側のマノメーターの断面積をS₁、
大気開放側をS₂とする。この状態から大気圧が下
がつてP_n（P_a＞P_n）になつた場合を第７図ｂに示
す。この時、内圧P_oに置かれて液柱は水頭Ｈの
差を示し、Ｃを液体４５の比重とすると、次の式
でバランスする。

P_o−P_n＝Ｃ×Ｈ ……（５・１）一方、液柱を押し下げることにより、容積V_p
はV_oに拡大し、このため圧力もP_pからP_oに減少
するので、 V_pP_p＝V_oP_o＝P_o（V_p＋S₁×h₁） ……（５・２）となる。簡略のためS₁＝S₂とすると、h₁＝h₂＝
Ｈ／２となり（５・１）、（５・２）式より、 P_n＝P_o−２×Ｃ×V_p／Ｓ（P_p／P_o−１） ……（５・３）となる。これは直線の式ではないが、係数な妥当
な値を与えたとき、大気圧P_nと平面ガラス３，
４にかかる差圧（P_n−P_o）の関係は予想される
大気圧変動の範囲でほぼリニアな関係を示す。

第８図はP_a＝P_p＝1000ｇ／cm²とした際の大気
圧P_nと平面ガラス３，４にかかる差圧（P_n−P_o）
の関係を示すもので、ＡはV_p＝18cm³、Ｃ＝13.6
ｇ／cm³、Ｓ＝0.4cm²とした場合、ＢはV_p＝10cm³、
Ｃ＝13.6ｇ／cm³、Ｓ＝0.4cm²とした場合を示して
いる。なお、（５・３）式からも明らかなように、
この特性曲線は空間６の体積V_p、液体４５の比
重Ｃ、マノメータ４０の面積Ｓで変えることがで
きる。V_pとＳはマノメータ４０の管４２内に設
けられる面積調整棒を交換することにより変える
ことができる。また、コツク５１、つまみ４８に
より液面の高さを変え、閉空間６の体積V_pを微
調整することができる。

この様な方法により、大気圧変動に対する閉空
間６の内外の圧力変化係数を任意に設定すること
ができ、大気変動に伴う倍率変化を自動的にコン
ペンセートすることが可能となる。レンズ２２の
製造誤差等による倍率変化もこのつまみを調整す
ることにより補正することも当然ながら可能であ
る。

（発明の効果）以上の如く、本発明によれば、投影光学系の他
の性能に悪影響を与えることなく投影倍率を調整
することができると共に、半導体素子の製造過程
においてレチクル上のパターンをウエハー上に投
影するためのレンズの大気変動に応じた倍率誤差
を自動的に補正することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃ，ｄは投影パターンと物体上
のパターン間の重ね合せ誤差の種類を示す図、第
２図ａ，ｂは本発明の基本原理を示す図、第３図
は本発明が適用された投影露光装置の一実施例を
示す図、第４図は本実施例の平面ガラスの変形量
を示す図、第５図は本発明が適用された投影露光
装置の他の実施例を示す図、第６図は第５図の変
形例を示す図、第７図ａ，ｂは第５図の実施例に
おける圧力補正の基本原理を示す図、第８図は第
５図の実施例における大気圧と差圧の関係を示す
図である。３，４……平面ガラス、５……フレーム、２０
……レチクル、２１……ウエハー、２２……投影
レンズ、４０……マノメーター。

Claims

【特許請求の範囲】１第１物体上のパターンを第２物体上に投影す
る投影光学系の投影倍率を調整するための方法に
おいて、１枚の平面ガラスと前記投影光学系また
は２枚の平面ガラスにより前記第１物体のパター
ンの投影光路内に密閉空間を形成し、該密閉空間
内の圧力を制御して前記１枚または２枚の平面ガ
ラスを撓ませることにより前記投影光学系の投影
倍率を変えることを特徴とする投影倍率調整方
法。２前記２枚の平面ガラスの厚みが互いに異なる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の投
影倍率調整方法。３前記２枚の平面ガラスは前記投影光学系の光
軸に中心が略一致する円周上の部材に夫々の支持
径が異なるように支持されていることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項記載の投影倍率調整方
法。４前記２枚の平面ガラスのうち支持径の大きい
方を単純支持、小さい方を固定支持としたことを
特徴とする特許請求の範囲第３項記載の投影倍率
調整方法。５前記平面ガラスの支持径は前記投影光学系か
ら前記第２物体への有効光束の1.5倍以上である
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の投
影倍率調整方法。６前記投影光学系の投影倍率を所定の投影倍率
に保持するよう前記密閉空間内の気圧と大気圧の
差によつて前記平面ガラスを撓ませることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の投影倍率調整
方法。７前記平面ガラスは円形状平行平面ガラスであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
６項記載の投影倍率調整方法。