JPH06267825A - 投影露光装置 - Google Patents

投影露光装置

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JPH06267825A
JPH06267825A JP5055246A JP5524693A JPH06267825A JP H06267825 A JPH06267825 A JP H06267825A JP 5055246 A JP5055246 A JP 5055246A JP 5524693 A JP5524693 A JP 5524693A JP H06267825 A JPH06267825 A JP H06267825A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 混在レチクル上の全てのパターンの像を良好
な結像特性のもとでウエハ上に露光可能とする。 【構成】 レチクルＲに形成されたバーコードＢＣをバ
ーコードリーダー５２で読み取ることにより、レチクル
Ｒ上の複数のパターン領域ＰＡ1 、ＰＡ2 の各々の形成
条件（パターンの種類、微細度、照明条件等）を主制御
装置５０に入力する。主制御装置５０は、この入力した
形成条件に基づいてパターン領域ＰＡ1 、ＰＡ2 の各々
に最適な焦点位置Ｂ．Ｆ．を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体集積回路
や液晶デバイス製造用の高精度な結像特性が要求される
投影露光装置に関するものであり、特に投影光学系の結
像性能の維持に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子等の回路パターンを形成する
ためのフォトリソグラフィ工程においては、通常フォト
マスク又はレチクル等（以下、レチクルと総称する）に
形成されたパターンを基板（半導体ウエハやガラスプレ
ート等）上に転写する方法が使用されている。基板上に
はフォトレジスト等の感光材が塗布されており、照射光
像、すなわちレチクルパターンの光透過性の部分の形状
に応じて、感光材に回路パターンが転写される。投影露
光装置（例えばステッパー等）では、レチクルパターン
の像が投影光学系を介してウエハ上に結像投影される。
【０００３】この種の装置においては、レチクル上のパ
ターンが存在する面のフーリエ変換面となる照明光学系
の面（以後、照明光学系の瞳面と称する）又はその近傍
面内において、照明光束を照明光学系の光軸を中心とし
たほぼ円形（又は矩形）の領域に制限してレチクルを照
明する構成を採っている。このため、通常の照明では照
明光束がレチクルに対してほぼ垂直に近い角度で入射し
ている。また、この装置に使用されるレチクル（石英等
のガラス基板）上には、照明光束に対する透過率がほぼ
１００％である透過部（レチクル裸面部）と、透過率が
ほぼ０％である遮光部（クロム等）とで構成された回路
パターンが描かれていた。
【０００４】さて、上記のようにレチクルに照射された
照明光束はレチクルパターンにより回折され、パターン
からは０次回折光と±１次回折光とが発生する。これら
の回折光は投影光学系により集光され、ウエハ上に干渉
縞、即ちレチクルパターンの像が形成される。このと
き、０次回折光と±１次回折光とのなす角度θ（レチク
ル側）は、露光光の波長をλ（μｍ）、レチクルパター
ンのピッチをＰ（μｍ）とすると、 sinθ＝λ／Ｐによ
り定まる。
【０００５】ところで、パターンピッチが微細化すると
sinθが大きくなり、さらに sinθが投影光学系のレチ
クル側開口数（ＮＡ）よりも大きくなると、±１次回折
光はレチクルパターンのフーリエ変換面となる投影光学
系の面（以下、投影光学系の瞳面と称する）の有効径で
制限され、投影光学系を透過できなくなる。つまり、ウ
エハ上には０次回折光のみしか到達せず、干渉縞（パタ
ーンの像）は生じないことになる。従って、上記の如き
従来の露光方法において、前述の透過部と遮光部のみか
らなるレチクル（以下、通常レチクルと称する）を使用
する場合、ウエハ上で解像できるレチクルパターンの微
細度（最小パターンピッチ）Ｐは、 sinθ＝ＮＡより、
Ｐ≒λ／ＮＡなる関係式で与えられる。
【０００６】この関係式及び最小パターンサイズがピッ
チＰの半分であることから、最小パターンサイズは０．
５×λ／ＮＡ程度となるが、実際のフォトリソグラフィ
工程ではウエハの湾曲、プロセスによるウエハの段差等
の影響、又はフォトレジスト自体の厚さのために、ある
程度の焦点深度が必要となる。このため、実用的な最小
解像パターンサイズは、ｋ×λ／ＮＡとして表される。
ここで、ｋはプロセス係数と呼ばれ、通常０．６〜０．
８程度である。
【０００７】以上のことから、従来の露光方法において
より微細なパターンを露光転写するためには、より短い
波長の露光光源を使用するか、あるいはより開口数の大
きな投影光学系を使用する必要があった。しかしなが
ら、露光光源を現在より短波長化（例えば２００ｎｍ以
下に）することは、透過光学部材として使用可能な適当
な光学部材が存在しないこと、及び大光量の得られる安
定した光源がないこと等の理由により現時点では困難で
ある。また、投影光学系の開口数は現状でも既に理論的
限界に近く、これ以上の大開口化はほぼ絶望的である。
仮に現状以上の大開口化が可能であるとしても、±λ／
ＮＡ2 で定まる焦点深度は開口数の増加に伴って急激に
減少するため、実使用に必要な焦点深度がより小さくな
り、実用的な露光装置となり得ないといった問題があ
る。
【０００８】そこで、レチクルの回路パターンの透過部
分のうち、特定部分からの透過光の位相を、他の透過部
からの透過光に対してπ（rad)だけずらす位相シフター
（誘電体薄膜等）を備えた位相シフトレチクルを使用す
ることも提案されている。位相シフトレチクルを使用す
ると、通常レチクルを使用する場合に比べてより微細な
パターンの転写が可能となる。すなわち、解像力を向上
させる効果がある。ここで、位相シフトレチクルを使用
する場合には、照明光学系のコヒーレンスファクター
（σ値）の最適化を行う必要がある。尚、位相シフトレ
チクルについてはこれまでに種々の方式が提案されてお
り、代表的なものは空間周波数変調型（特公昭６２−５
０８１１号公報）、ハーフトーン型（特開平４−１６２
０３９号公報）、シフター遮光型（特開平４−１６５３
５２号公報）、及びエッジ強調型である。
【０００９】また、最近では照明条件の最適化、あるい
は露光方法の工夫等によって微細パターンの転写を可能
とする試みがなされている。例えば、特定線幅のパター
ンに対して最適な照明光学系の開口数（σ値）と投影光
学系の開口数（N.A.）との組み合わせをパターン線幅毎
に選択することによって、解像度や焦点深度を向上させ
る方法が提案されている（特開平２−５０４１７号公
報）。さらに、照明光学系の瞳面又はその近傍面を通る
照明光束を輪帯領域に制限する輪帯照明法（特開昭６１
−９１６６２号公報）、あるいは照明光学系の瞳面又は
その近傍面を通る照明光束を照明光学系の光軸から偏心
した複数の局所領域に制限する変形光源法（特開平４−
２２５５１４号公報）も提案されている。しかしなが
ら、以上の何れの方法においても、全てのレチクルパタ
ーン、即ちその線幅や形状に対して有効であるのではな
く、レチクル又はそのパターン毎に最適な照明方法や条
件を選択する必要があり、投影露光装置としては照明光
学系における照明条件を可変とする構造が必要となる。
【００１０】ところで投影露光装置においては、近年ま
すます投影光学系の結像特性（投影倍率、焦点位置等）
を高精度に一定値に維持することが要求されるようにな
ってきており、このため様々な結像特性の補正方法が提
案され実用化されている。この中でも特に投影光学系の
露光光吸収による結像特性の変動を補正する方法につい
ては、例えば特開昭６０−７８４５４号公報に開示され
ている。この開示された方法では、投影光学系への露光
光（ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ等）の入射に伴って投
影光学系に蓄積されるエネルギー量（熱量）を逐次計算
し、この蓄積エネルギー量による結像特性の変化量を求
め、所定の補正機構により結像特性を微調整している。
この補正機構としては、例えば投影光学系を構成する複
数のレンズエレメントのうち２つのレンズエレメントに
挟まれた空間を密封し、この密封空間の圧力を調整する
方式等がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上記のような高解像化
の技術においては、投影光学系の有効径を最大限に活用
しようとするものであり、投影光学系の瞳面に注目する
と、通常レチクルと位相シフトレチクルとでは光強度分
布が大きく異なる。さらに、通常レチクル、又は位相シ
フトレチクルに対する照明方法が通常照明法か、輪帯照
明法か、あるいは変形光源法（傾斜照明法）かによって
も、投影光学系の瞳面での光強度分布が大きく異なる。
投影光学系は本来高度に収差補正がなされているが、自
ずと設計上、又は製造上の制約により完全であるとは言
えない。その結果、投影光学系の瞳面での光強度分布が
異なる、すなわち投影光学系内部を通過する照明光の光
路が異なると、照明光は異なる収差の影響を受ける。こ
の量は、最近の微細化するパターンにとっては無視し得
ない量である。例えば焦点位置は、投影光学系の球面収
差により瞳面での光強度分布に応じて異なることにな
る。また、投影倍率、像歪はコマ収差により同様の影響
を受けることが知られている。特に投影光学系自身の露
光光吸収による温度上昇により、投影光学系内に温度分
布が生じると、上記の収差はさらに大きくなり問題は深
刻になる。
【００１２】この問題に対して、結像特性の補正手段を
有する投影露光装置では、レチクルの種類、照明光学系
の照明条件に応じて補正手段の補正量を異ならせ、投影
光学系の瞳面での光強度分布に応じて結像特性を最適な
状態に補正することが考えられる。ここで、照明光学系
の照明条件（輪帯照明、傾斜照明、又はσ値等）は一回
の露光に対して一通りに決まる。換言すれば、同一レチ
クルに対しては照明条件を変更せず、同じ照明条件のも
とでレチクルを照明する。
【００１３】しかしながら、レチクルには種々のパター
ンが形成されることがある。例えば、従来の如く透過部
と遮光部とで構成された通常パターンと、透過部の一部
に位相シフターが被着された位相シフトパターンとが、
同一レチクル上に混在することがある。複数種のパター
ンが混在したレチクル（以下、混在レチクルと称する）
を用いて露光を行う場合、パターン毎に投影光学系の瞳
面での光強度分布が異なり得る。このため、１種類のパ
ターンのみに着目して投影光学系の結像特性を補正して
も、残りのパターンに対する結像特性までは補正でき
ず、レチクル全面で良好なパターン像を得ることができ
ないという問題点があった。
【００１４】ここで、混在レチクルは通常パターンと位
相シフトパターンとの組み合わせに限られるものではな
く、例えば通常パターンのみであってもその微細度（線
幅、ピッチ）が互いに異なるものがある。このような混
在レチクルでも前述と同様の問題が生じる。これは、パ
ターンから発生する回折光の角度はパターンの微細度に
応じて異なり、投影光学系の瞳面での光強度分布がパタ
ーン毎に異なるためである。
【００１５】本発明は上記のような問題点を鑑みてなさ
れたものであり、ウエハに対して１回の露光で転写すべ
きレチクル上の所定領域内に複数のパターンが存在して
いても、全てのパターンを良好な結像特性のもとで露光
可能な投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
ため本発明においては、光源（１）からの照明光（Ｉ
Ｌ）をほぼ均一な強度分布に成形してマスク（Ｒ）に照
射する照明光学系（５〜７、９、１１〜１３）と、マス
クのパターンの像を感光基板（Ｗ）上に結像投影する投
影光学系（ＰＬ）と、投影光学系の結像特性を補正する
結像特性補正手段（５３）とを有する投影露光装置にお
いて、マスク上にに存在する相異なる複数のパターン領
域（ＰＡ1 、ＰＡ2 ）の各々の形成条件（例えばレチク
ルパターンの種類、微細度、照明条件、ウエハのプロセ
スファクター等）に関する情報を入力する入力手段（５
１又は５２）と、この入力した情報に基づいて複数のパ
ターン領域の各々に共通な結像特性補正手段の補正量を
算出する演算手段（５０）とを設けるようにした。ま
た、複数のパターン領域の各々に共通な補正量が存在し
ないとき、露光動作を中断する露光制御手段（５０）も
設けるようにした。
【００１７】
【作用】本発明においては、感光基板に対して１回の露
光で転写すべきマスク上の所定領域内に複数のパターン
（領域）が存在するとき、複数のパターンの各々の形成
条件に基づいてパターン毎にその結像特性を求め、この
求めた結像特性から複数のパターンの各々に共通、かつ
良好な結像特性補正手段の補正量を算出（決定）するよ
うにした。このため、投影光学系の結像特性がマスク上
の複数のパターンの全てに対して適正に補正されること
になり、全てのパターンを良好な結像特性のもとで露光
可能となる。また、環境変化、露光光吸収等に伴って複
数のパターンの各々での結像特性の差が大きくなり、各
パターンに共通な補正量が存在しなくなったときには露
光動作を中断する。このため、不良品の発生を防止して
歩留りを向上させることができる。
【００１８】
【実施例】以下、図１を参照して本発明の実施例による
投影露光装置を説明する。図１において、超高圧水銀ラ
ンプ１はレジスト層を感光するような波長域の照明光
（ｉ線等）ＩＬを発生する。露光用照明光としては、超
高圧水銀ランプ１等の輝線の他に、ＫｒＦ、ＡｒＦエキ
シマレーザ等のレーザ光、あるいは金属蒸気レーザやＹ
ＡＧレーザの高調波等を用いても良い。照明光ＩＬは楕
円鏡２で反射されてその第２焦点ｆ0 に集光された後、
コールドミラー５及びコリメータレンズ等を含む集光光
学系６を介してオプチカルインテグレータ（フライアイ
レンズ群）７Ａに入射する。フライアイレンズ群７Ａの
射出面（レチクル側焦点面）近傍には、照明光学系の開
口数ＮＡILを可変とするための可変開口絞り８が配置さ
れている。
【００１９】ここで、フライアイレンズ群７Ａはそのレ
チクル側焦点面が照明光学系内のレチクルＲのパターン
面に対するフーリエ変換面とほぼ一致するように配置さ
れている。フライアイレンズ群７Ａはレチクルに対して
通常照明を行う場合に用いられ、光軸ＡＸと垂直な面内
で多数のレンズエレメントが光軸ＡＸを中心として配列
されたものである。第２焦点ｆ0 の近傍には、モータ４
によって照明光ＩＬの光路の閉鎖、開放を行うシャッタ
ー（例えば４枚羽根のロータリーシャッター）３が配置
されている。
【００２０】図示していないが、本実施例ではフライア
イレンズ群７Ａを含む複数組のフライアイレンズ群が保
持部材（例えば回転ターレット板）７に設けられてお
り、駆動系５４によって任意のフライアイレンズ群が交
換可能に照明光路中に配置されるように構成されてい
る。このように可変開口絞り８と共に、複数組のフライ
アイレンズ群の各々を交換可能に構成することによっ
て、レチクルの種類やパターンの微細度、周期性等に応
じて照明条件（σ値、通常照明、輪帯照明、及び傾斜照
明）を変更することが可能となっている。そこで、例え
ば特開平４−２２５３５７号公報に開示されているよう
に、１組のフライアイレンズ群は傾斜照明を行うため、
照明光学系の光軸ＡＸから偏心した複数の位置の夫々に
中心が配置される複数（２つ、又は４つ）のフライアイ
レンズを有している。
【００２１】さて、フライアイレンズ群７Ａを射出した
照明光ＩＬは半透過鏡３７、リレーレンズ９、１１、可
変ブラインド１０及びメインコンデンサーレンズ１２を
通過してミラー１３に至り、ここでほぼ垂直に下方に反
射された後、レチクルＲのパターン領域ＰＡをほぼ均一
な照度で照明する。可変ブラインド１０の面はレチクル
Ｒと共役関係にあるので、モータ（不図示）により可変
ブラインド１０を構成する複数枚の可動ブレードを駆動
して開口部の大きさ、形状を変えることにより、レチク
ルＲの照明視野を任意に設定することができる。
【００２２】レチクルＲはレチクルホルダ１４に保持さ
れ、レチクルホルダ１４は伸縮可能な複数（図１では２
つのみ図示）の駆動素子２９を介して水平面内で２次元
移動可能なレチクルステージＲＳ上に載置されている。
駆動素子制御部５３は、駆動素子２９の各伸縮量を制御
することによって、レチクルＲを投影光学系ＰＬの光軸
方向に平行移動させるとともに、光軸ＡＸと垂直な面に
対して任意方向に傾斜させることが可能となっている。
上記構成によって投影光学系の結像特性、特に糸巻型や
樽型のディストーションを補正することができる。尚、
レチクルＲはパターン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一
致するように位置決めされる。また、半透鏡３７で分離
された投影光学系側からの光束は光電変換素子３８で検
出される（詳細後述）。
【００２３】レチクルＲのパターン領域ＰＡを通過した
照明光ＩＬは両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに
入射し、投影光学系ＰＬはレチクルＲの回路パターンの
投影像を、表面にレジスト層が形成されその表面が最良
結像面とほぼ一致するように保持されたウエハＷ上の１
つのショット領域に重ね合わせて投影（結像）する。本
実施例では、投影光学系ＰＬを構成する一部のレンズエ
レメント、すなわち図１中ではレンズエレメント２０及
びレンズエレメント（２１、２２）の各々を、駆動素子
制御部５３により独立に駆動することが可能となってお
り、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば投影倍率、ディ
ストーション等を補正することができる（詳細後述）。
また、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐ又はその近傍の面内に
は可変開口絞り３２が設けられており、これによって投
影光学系ＰＬの開口数ＮＡを変更できるように構成され
ている。
【００２４】ウエハＷはウエハホルダ（θテーブル）１
６に真空吸着され、このウエハホルダ１６を介してウエ
ハステージＷＳ上に保持されている。ウエハステージＷ
Ｓは、モータ１７により投影光学系ＰＬの最良結像面に
対して任意方向に傾斜可能で、かつ光軸方向（Ｚ方向）
に微動可能であると共に、ステップ・アンド・リピート
方式で２次元移動可能に構成されており、ウエハＷ上の
１つのショット領域に対するレチクルＲの転写露光が終
了すると、次のショット位置までステッピングされる。
尚、ウエハステージＷＳの構成等については、例えば特
開昭６２−２７４２０１号公報に開示されている。ウエ
ハステージＷＳの端部には干渉計１８からのレーザビー
ムを反射する移動鏡１９が固定されており、ウエハステ
ージＷＳの２次元的な位置は干渉計１８によって、例え
ば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出される。
【００２５】また、ウエハステージＷＳ上には照射量モ
ニタとしての光電センサ３３がウエハＷの表面の高さと
ほぼ一致する高さに設けられている。光電センサ３３
は、例えば投影光学系ＰＬのイメージフィールド、又は
レチクルパターンの投影領域とほぼ同じ面積の受光面を
備えた光電変換素子で構成され、この照射量に関する光
情報を主制御装置５０に出力する。この光情報は、照明
光の入射に伴って投影光学系ＰＬに蓄積されるエネルギ
ー量に対応した結像特性の変化量（収差量）を求めるた
めの基礎データとなる。
【００２６】さらに、図１中には投影光学系PLの最良結
像面に向けてピンホール、あるいはスリットの像を形成
するための結像光束を光軸ＡＸに対して斜め方向より供
給する照射光学系３０と、その結像光束のウエハＷの表
面での反射光束をスリットを介して受光する受光光学系
３１とから成る斜入射方式のウエハ位置検出系が設けら
れている。このウエハ位置検出系の構成等については、
例えば特開昭６０−１６８１１２号公報に開示されてお
り、ウエハ表面の結像面に対する上下方向（Ｚ方向）の
位置を検出し、ウエハＷと投影光学系ＰＬとが所定の間
隔を保つようにウエハステージＷＳをＺ方向に駆動する
ときに用いられる。
【００２７】尚、本実施例では結像面が零点基準となる
ように、予め受光光学系３１の内部に設けられた不図示
の平行平板ガラス（プレーンパラレル）の角度が調整さ
れ、ウエハ位置検出系のキャリブレーションが行われる
ものとする。また、例えば特開昭５８−１１３７０６号
公報に開示されているような水平位置検出系を用いる、
あるいは投影光学系ＰＬのイメージフィールド内の任意
の複数の位置での焦点位置を検出できるようにウエハ位
置検出系を構成する（例えば複数のスリット像をイメー
ジフィールド内に形成する）ことによって、ウエハＷ上
の所定領域の結像面に対する傾きを検出可能に構成して
いるものとする。
【００２８】ところで、図１には装置全体を総括制御す
る主制御装置５０と、レチクルＲが投影光学系ＰＬの直
上に搬送される途中でレチクルパターンの脇に形成され
た名称を表すバーコードＢＣを読み取るバーコードリー
ダ５２と、オペレータからのコマンドやデータを入力す
るキーボード５１と、フライアイレンズ群７Ａを含む複
数組のフライアイレンズ群が固定された保持部材７を駆
動するためのモータ、ギャトレイン等よりなる駆動系５
４とが設けられている。主制御装置５０内には、この投
影露光装置（例えばステッパー）で扱うべき複数枚のレ
チクルの名称と、各名称に対応したステッパーの動作パ
ラメータとが予め登録されている。そして、主制御装置
５０はバーコードリーダ５２がレチクルＲのバーコード
ＢＣを読み取ると、その名称に対応した動作パラメータ
の１つとして、予め登録されている照明条件（レチクル
の種類やレチクルパターンの周期性等に対応）に最も見
合ったフライアイレンズ群を保持部材７の中から１つ選
択して、所定の駆動指令を駆動系５４に出力する。
【００２９】さらに、上記名称に対応した動作パラメー
タとして、先に選択されたフライアイレンズ群のもとで
の可変開口絞り８、３２及び可変ブラインド１０の最適
な設定条件、及び投影光学系ＰＬの結像特性を後述の補
正機構によって補正するために用いられる演算パラメー
タ（詳細後述）も登録されており、これらの条件設定も
フライアイレンズ群の設定と同時に行われる。これによ
って、レチクルステージＲＳ上に載置されたレチクルＲ
に対して最適な照明条件が設定されることになる。以上
の動作は、キーボード５１からオペレータがコマンドと
データを主制御装置５０へ直接入力することによっても
実行できる。
【００３０】次に、投影光学系PLの結像特性の補正機構
について説明する。図１に示すように、本実施例では駆
動素子制御部５３によってレチクルＲ及びレンズエレメ
ント２０、レンズエレメント（２１、２２）の各々を独
立に駆動することにより、投影光学系ＰＬの結像特性を
補正することが可能となっている。投影光学系ＰＬの結
像特性としては、焦点位置、投影倍率、ディストーショ
ン、像面湾曲、非点収差等があり、これらの値を個々に
補正することは可能であるが、本実施例では説明を簡単
にするため、特に両側テレセントリックな投影光学系に
おける焦点位置、投影倍率、ディストーション及び像面
湾曲の補正を行う場合について説明する。尚、本実施例
ではレチクルＲの移動により樽型、又は糸巻型のディス
トーションを補正する。
【００３１】さて、レチクルＲに最も近い第１群のレン
ズエレメント２０は支持部材２４に固定され、第２群の
レンズエレメント２１、２２は一体に支持部材２６に固
定されている。レンズエレメント２３より下部のレンズ
エレメントは、投影光学系ＰＬの鏡筒部２８に固定され
ている。尚、本実施例において投影光学系ＰＬの光軸Ａ
Ｘとは、鏡筒部２８に固定されているレンズエレメント
の光軸を指すものとする。
【００３２】支持部材２４は伸縮可能な複数（例えば３
つで、図１中では２つを図示）の駆動素子２５によって
支持部材２６に連結され、支持部材２６は伸縮可能な複
数の駆動素子２７によって鏡筒部２８に連結されてい
る。駆動素子２５、２７、２９としては、例えば電歪素
子又は磁歪素子等が用いられ、駆動素子に与える電圧又
は磁界に応じた駆動素子の変位量を予め求めておく。こ
こでは図示していないが、駆動素子のヒステリシス性を
考慮し、容量型変位センサ、差動トランス等の位置検出
器を駆動素子に設け、駆動素子に与える電圧又は磁界に
対応した駆動素子の位置をモニタして高精度な駆動を可
能としている。
【００３３】ここで、レンズエレメント２０、レンズエ
レメント２１、２２の各々を光軸方向に平行移動した場
合、その移動量に対応した変化率で投影倍率Ｍ、像面湾
曲Ｃ及び焦点位置Ｆの各々が変化する。レンズエレメン
ト２０の駆動量をｘ1 、レンズエレメント２１、２２の
駆動量をｘ2 とすると、投影倍率Ｍ、像面湾曲Ｃ及び焦
点位置Ｆの変化量ΔＭ、ΔＣ、ΔＦの各々は、次式で表
される。
【００３４】 ΔＭ＝ＣM1×ｘ1 ＋ＣM2×ｘ2 （１） ΔＣ＝Ｃc1×ｘ1 ＋ＣC2×ｘ2 （２） ΔＦ＝ＣF1×ｘ1 ＋ＣF2×ｘ2 （３） 尚、ＣM1、ＣM2、ＣC1、ＣC2、ＣF1、ＣF2は各変化量の
レンズエレメントの駆動量に対する変化率を表す定数で
ある。
【００３５】ところで、上述した如くウエハ位置検出系
３０、３１は投影光学系ＰＬの最適焦点位置を零点基準
として、最適焦点位置に対するウエハ表面のずれ量を検
出するものである。従って、ウエハ位置検出系３０、３
１に対して電気的又は光学的に適当なオフセット量ｘ3
を与えると、このウエハ位置検出系３０、３１を用いて
ウエハ表面の位置決めを行うことによって、レンズエレ
メント２０、レンズエレメント２１、２２の駆動に伴う
焦点位置ずれを補正することが可能となる。このとき、
上記（３）式は次式のように表される。
【００３６】 ΔＦ＝ＣF1×ｘ1 ＋ＣF2×ｘ2 ＋ｘ3 （４） 同様に、レチクルＲを光軸方向に平行移動した場合、そ
の移動量に対応した変化率でディストーションＤ及び焦
点位置Ｆの各々が変化する。レチクルＲの駆動量をｘ4
とすると、ディストーションＤ及び焦点位置Ｆの変化量
ΔＤ及びΔＦの各々は、次式のように表される。
【００３７】 ΔＤ＝ＣD4×ｘ4 （５） ΔＦ＝ＣF1×ｘ1 ＋ＣF2×ｘ2 ＋Ｘ3 ＋ＣF4×ｘ4 （６） 尚、ＣD4、ＣF4は各変化量のレチクルＲの駆動量に対す
る変化率を表す定数である。以上のことから、（１）
式、（２）式、（５）式、（６）式において駆動量ｘ 1
〜ｘ4 を設定することによって、変化量ΔＭ、ΔＣ、Δ
Ｄ、ΔＦを任意に補正することができる。ここでは４種
類の結像特性を同時に補正する場合について述べたが、
投影光学系の結像特性のうち照明光吸収による結像特性
の変化量が無視し得る程度のものであれば、上記補正を
行う必要がない。また、本実施例で述べた４種類以外の
結像特性が大きく変化する場合には、その結像特性につ
いての補正を行う必要がある。さらに、像面湾曲の変化
量を零ないしは許容値以下に補正すると、これに伴って
非点収差の変化量も零ないしは許容値以下に補正される
ので、本実施例では特別に非点収差の補正を行わないも
のとする。
【００３８】尚、本実施例では焦点位置の変化量ΔＦ
((６）式）については、例えばウエハ位置検出系３０、
３１に対して変化量ΔＦを電気的又は光学的にオフセッ
トとして与え、このウエハ位置検出系３０、３１を用い
てウエハＷをＺ方向に移動することで、投影光学系ＰＬ
の最良結像面（ベストフォーカス位置）にウエハＷの表
面を設定するものとする。また、本実施例では結像特性
補正機構としてレチクルＲ及びレンズエレメントの移動
により補正する例を示したが、本実施例で好適な補正機
構は他のいかなる方式であっても良く、例えば２つのレ
ンズエレメントに挟まれた空間を密封し、この密封空間
の圧力を調整する方法を採用しても構わない。
【００３９】ここで、本実施例では駆動素子制御部５３
によってレチクルＲ及びレンズエレメント２０、（２
１、２２）を移動可能としているが、特にレンズエレメ
ント２０、（２１、２２）は投影倍率、ディストーショ
ン、及び像面湾曲（非点収差）等の各特性に与える影響
が他のレンズエレメントに比べて大きく制御し易くなっ
ている。また、本実施例では移動可能なレンズエレメン
トを２群構成したが、３群以上としても良く、この場合
には他の諸収差の変動を抑えつつレンズエレメントの移
動範囲を大きくでき、しかも種々の形状歪み（台形、菱
形等のディストーション）及び像面湾曲（非点収差）に
対応可能となる。上記構成の補正機構を採用することに
よって、露光光吸収による投影光学系ＰＬの結像特性の
変動に対しても十分対応できる。
【００４０】以上の構成によって、駆動素子制御部５３
は主制御装置５０から与えられる駆動指令に対応した量
だけ２群のレンズエレメント２０、レンズエレメント２
１、２２及びレチクルＲの周縁３点乃至４点を独立して
光軸方向に移動できる。この結果、２群のレンズエレメ
ント２０、レンズエレメント２１、２２及びレチクルＲ
の各々を光軸方向に平行移動させるとともに、光軸ＡＸ
と垂直な面に対して任意方向に傾斜させることが可能と
なっている。
【００４１】ここで、従来の問題点についてもう一度詳
しく説明する。前述のように位相シフトレチクルを用い
る場合、投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐでの光強度分布は通
常レチクルの光強度分布と大きく異なる。このことを図
２を参照して詳述する。図２は、レチクルに対して所定
の入射角度範囲（σ値に対応）θ1 を持つ光束ＩＬを照
射したときのパターン像の結像の様子と瞳面での光強度
分布とを表している。ここで、図２（Ａ）は通常レチク
ル、図２（Ｂ）は空間周波数変調型の位相シフトレチク
ル、図２（Ｃ）は通常パターンと位相シフトパターンと
を有する混在レチクルを使用している。
【００４２】図２（Ａ）において、通常レチクルＲ1 上
の点Ｐａからは０次光Ｄ0a（実線）と±１次回折光
Ｄpa、Ｄma（点線）とが発生してウエハＷ上に結像す
る。同様に、レチクルＲ1 上の点Ｐｂからも０次光Ｄ0b
（一点鎖線）と±１次回折光Ｄpb、Ｄmb（二点鎖線）と
が発生してウエハＷ上に結像する。このとき、投影光学
系ＰＬの瞳面Ｅｐにおいてレチクルパターンからの０次
光Ｄ0a、Ｄ0bは光軸ＡＸ近傍を通過する。また、レチク
ルパターンが一方向のラインアンドスペースパターンで
あるときには、±１次回折光（Ｄpa、Ｄpb）、（Ｄma、
Ｄmb）は光軸ＡＸに関してほぼ対称な部分領域を通過す
る。
【００４３】次に、図２（Ｂ）の位相シフトレチクルＲ
2 について説明するが、位相シフトレチクルはパターン
から発生する回折光が通常レチクルと異なる。このこと
を図３を参照して説明する。図３（Ａ）に示すように、
通常レチクルＲ1 上の１次元のラインアンドスペースパ
ターン（ＣＰ、ＧＰ）に照明光ＩＬがほぼ垂直に入射す
ると、パターンからは０次光Ｄ0 、及び±１次回折光Ｄ
p 、Ｄm が発生する。一方、図３（Ｂ）に示す空間周波
数変調型の位相シフトレチクルＲ2 では、透過光の位相
をπ [rad]だけずらす位相シフターＰＳが透過部ＧＰに
対して１つおきに被着されている。従って、レチクルＲ
2 に照明光ＩＬがほぼ垂直に入射すると、パターン（Ｃ
Ｐ、ＧＰ、ＰＳ）からは±１次回折光Ｄp 、Ｄm のみが
発生する。
【００４４】ここで、図３（Ａ）、（Ｂ）中の遮光部Ｃ
Ｐのピッチが同一であるものとすると、図３（Ｂ）にお
いて位相シフトレチクルＲ2 から発生する±１次回折光
Ｄp、Ｄm （実線）は、通常レチクルから発生する±１
次回折光（点線）の内側に発生する。すなわち、位相シ
フトレチクルでの回折角は通常レチクルでの回折角より
も小さくなっている。これにより、位相シフトレチクル
では通常レチクルよりも微細なパターンであっても、当
該パターンからの±１次回折光が投影光学系の瞳面を通
過できるため、通常レチクルよりも微細なパターンが解
像できることになる。
【００４５】さて、図２（Ｂ）において位相シフトレチ
クルＲ2 上の点Ｐａからは±１次回折光Ｄpa、Ｄma（実
線）が発生し、点Ｐｂからも±１次回折光Ｄpb、Ｄ
mb（一点鎖線）が発生する。すなわち、レチクルパター
ンからの±１次回折光（Ｄpa、Ｄ pb）、（Ｄma、Ｄmb）
のみが投影光学系ＰＬに入射し、瞳面Ｅｐ内の光軸ＡＸ
に関してほぼ対称な部分領域を通過することになる。
【００４６】図２（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、
投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐでの光強度分布は通常レチク
ルと位相シフトレチクルとで大きく異なる。このため、
投影光学系の収差が光学系内部の光束の通過位置に依ら
ず全く同一であれば、瞳面での光強度分布が異なっても
何ら問題はないが、少しでも差があれば、瞳面での光強
度分布に応じて投影光学系ＰＬの結像特性、例えば焦点
位置、投影倍率が異なることになる。この様子を図４、
図５を参照して説明する。
【００４７】図４は投影光学系ＰＬが球面収差を持って
おり、瞳面Ｅｐを通過する光束の位置によって焦点位置
が異なる様子を表している。また、図５は投影光学系Ｐ
Ｌがコマ収差を持っており、瞳面Ｅｐを通過する光束の
位置によって投影倍率、及び焦点位置が異なる様子を表
している。投影光学系ＰＬでは球面収差やコマ収差は良
好に補正されているが、全く零にすることはできず、多
少なりとも残存する。従って、瞳面Ｅｐでの光強度分布
が異なれば、各分布での焦点位置や投影倍率も異なる。
【００４８】また、投影光学系ＰＬを構成するレンズエ
レメントの内部温度が一様であれば、各種収差による結
像特性（焦点位置、投影倍率等）の変化は目立たない。
しかしながら、露光光吸収により投影光学系内部に温度
分布（勾配）が生じると、照明光束はその通過位置によ
って温度の影響の受け方が異なり、各種収差による結像
特性の変化が大きくなる。これは、光学設計・調整では
どうすることもできず、レンズエレメント（硝材）の透
過率を上げるしかないが、現状でも透過率は限界に達し
ている。この対策として、例えばキーボード５１を介し
てオペレータがレチクルの種類を入力する、もしくはレ
チクルＲ上のバーコードＢＣをバーコードリーダ５２に
より読み込むことにより、レチクルＲが通常レチクル
か、あるいは位相シフトレチクルかを判別する。さらに
主制御装置５０は、レチクルの種類に応じて各種収差に
よる結像特性の変動量を計算し、この計算した変動量を
制御部５３に与えて結像特性を補正する方法が考えられ
る。これにより、投影光学系ＰＬに各種収差が残存して
いても、レチクル、すなわち投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐ
での光強度分布の違いによる結像特性の変化を問題なく
解決できる。
【００４９】しかしながら、本発明で問題となるのは一
枚のレチクル上に位相シフトパターンと通常パターンと
が混在する場合である。この場合の投影光学系ＰＬの瞳
面Ｅｐでの光強度分布を図２（Ｃ）に示す。図２（Ｃ）
において、混在レチクルＲ3上の点Ｐａには位相シフト
パターンが形成され、点Ｐｂには通常パターンが形成さ
れているものとする。従って、点Ｐａからは±１次回折
光Ｄpa、Ｄmaのみが発生し、点Ｐｂからは０次光Ｄob及
び±１次回折光（不図示）が発生することになる。この
とき、前述の如く投影光学系ＰＬの収差が無視できなけ
れば、位相シフトパターン（Ｐａ）と通常パターン（Ｐ
ｂ）とでは焦点位置、あるいは投影倍率が異なるという
問題が生じる。
【００５０】ところで、上記の如き混在レチクルは位相
シフトパターンが高価で、かつ検査が困難であるという
理由から、同一レチクル上に形成される種々のパターン
のうち、特に微細なパターンのみを位相シフトパターン
とし、残りの粗いパターンは通常パターンとしたもので
ある。例えば、メモリを露光エリア内で２個形成する場
合、図６のように遮光帯ＬＳＢに囲まれたパターン形成
領域内で、メモリセル部（斜線で示す２つのパターン領
域）ＰＡ1 は位相シフトパターンとし、その外側の配線
部（パターン領域）ＰＡ2 は通常パターンとすることが
ある。さらに位相シフトパターンを用いる場合、通常コ
ヒーレンシーを増大するため、図２中の照明光の入射角
度範囲θ1 、すなわちσ値を小さく設定する。具体的に
は、σ値を０．１〜０．４程度に設定する。このとき、
位相シフトパターンＰＡ1 と通常パターンＰＡ2 とでは
その光路差がさらに大きくなり、投影光学系ＰＬの諸収
差の影響が大きく異なることになる。
【００５１】以上のように本発明は、前述の如き混在レ
チクルであっても、全てのパターンを良好な結像特性の
もとで露光可能とするものである。ここで、前述の如き
問題が生じる混在レチクルは、空間周波数変調型の位相
シフトパターンと通常パターンとを組み合わせたものだ
けではなく、例えば通常パターンのみで構成されたレチ
クルであっても、厳密に言えばパターンの微細度（線
幅、ピッチ等）に応じてパターンから発生する回折光の
角度が異なるため、微細度が互いに異なる複数のパター
ン領域を持っていれば、程度の差はあるものの上記と全
く同様の問題が生じ得る。以下の実施例では、位相シフ
トパターンと通常パターンとを有する混在レチクルを前
提に説明を行うが、当然ながら微細度が異なる複数の通
常パターンを有する混在レチクルでも全く同一の方法で
上記問題を解決できる。次に、図１を参照しながら本発
明の実施例による露光動作を説明する。まず、本実施例
ではレチクルステージＲＳにローディングされるレチク
ルＲの形成条件を露光装置本体（主制御装置５０）に知
らせる必要がある。そこで、オペレータがキーボード５
１を介してレチクルの形成条件を主制御装置５０に入力
する、もしくは主制御装置５０がバーコードリーダ５２
を介してバーコードＢＣに記されたレチクル名、又はそ
の形成条件を入力する。尚、バーコードＢＣにレチクル
名が記されているとき、主制御装置５０のメモリにはレ
チクル名に対応付けてその形成条件がテーブルの形で格
納されることになる。
【００５２】ここで、主制御装置５０に入力すべき形成
条件とは、レチクルパターンの種類、及びその組み合わ
せ、さらにレチクルパターンの微細度やデザインルー
ル、及びその組み合わせ等である。主制御装置５０は、
この入力された形成条件に基づいてレチクルＲに対する
最適な照明条件（σ値等）を決定（設定）するととも
に、この設定された照明条件、レチクルＲの形成条件、
及びウエハのプロセスファクター等に基づいて、投影光
学系ＰＬの結像特性、例えば焦点位置、投影倍率、ある
いは他の諸収差（像面湾曲、像歪等）の最適補正値を計
算することになる。以下、この補正値の計算方法を焦点
位置を例に挙げて説明するが、投影倍率や他の諸収差に
ついても全く同様である。また、ここでは位相シフトパ
ターンと通常パターンとを有する混在レチクル（図６）
の使用を前提とする。
【００５３】さて、主制御装置５０は予め投影光学系Ｐ
Ｌの球面収差の特性（図４に相当）を数式、又はテーブ
ルの形で記憶しておき、前述の如くレチクルの形成条件
が入力されると、図６の混在レチクルにおける投影光学
系ＰＬの最適な焦点位置Ｂ．Ｆ．を決定する。このこと
を図７を参照して詳述する。まず、主制御装置５０はレ
チクルの形成条件、及びそのレチクルパターンに最適な
照明条件（σ値）に基づいて、レチクル上のパターン領
域毎に投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐでの光強度分布を計算
で求める。さらに、この求めた光強度分布と球面収差の
特性を表す数式、又はテーブルとに基づいてパターン領
域毎の焦点位置、すなわち図６中のパターン領域（メモ
リセル部）ＰＡ1 の焦点位置Ｚａとパターン領域（配線
部）ＰＡ2 の焦点位置Ｚｂとを算出する。また、主制御
装置５０は予め照明条件、及びレチクルパターンの種
類、微細度等によって定まる実用上の焦点深度を数式、
又はテーブルの形で記憶しておき、焦点位置と同様にパ
ターン領域ＰＡ1 、ＰＡ2 の各々の焦点深度ＺＤａ、Ｚ
Ｄｂを計算で求める。
【００５４】次に、主制御装置５０はパターン領域毎の
焦点位置Ｚａ、Ｚｂ、及び焦点深度ＺＤａ、ＺＤｂから
混在レチクルの最適な焦点位置Ｂ．Ｆ．を決定する。さ
て、図７に示すようにメモリセル部ＰＡ1 と配線部ＰＡ
2 とでは、焦点位置Ｚａ、Ｚｂは一致していないが、焦
点深度ＺＤａ、ＺＤｂが部分的に重なっている。すなわ
ち、焦点深度ＺＤａ、ＺＤｂが重なっている範囲ＺＤが
混在レチクルの実質的な焦点深度となる。そこで、本実
施例ではＺ方向（光軸方向）に関する焦点深度ＺＤの中
点を、混在レチクルの最適な焦点位置Ｂ．Ｆ．として決
定する。しかる後、主制御装置５０は焦点位置Ｂ．Ｆ．
がウエハ位置検出系３０、３１の零点基準となるように
受光光学系中の平行平板ガラスを傾け、ウエハ位置検出
系３０、３１のキャリブレーションを行う。この結果、
ウエハＷ上のショット領域毎に、ウエハ位置検出系３
０、３１を用いて焦点合わせを実行することにより、混
在レチクルを使用しても、ショット領域の全面を投影光
学系ＰＬの焦点深度内に設定することができる。換言す
れば、混在レチクル上のメモリセル部ＰＡ1 と配線部Ｐ
Ａ2 のいずれでも、そのパターン像を良好にショット領
域上に結像することが可能となる。
【００５５】以上の説明では、焦点深度ＺＤの中点を最
適焦点位置Ｂ．Ｆ．として決定するものとしたが、焦点
深度ＺＤの範囲内であれば、どの点を最適焦点位置Ｂ．
Ｆ．として決定しても構わない。例えば、混在レチクル
上のパターン領域毎の重要度（微細度）、ショット領域
の段差構造（凹凸）、回路パターンの線幅等に応じて、
焦点深度ＺＤ内で重みを与えた上で最適焦点位置Ｂ．
Ｆ．を決定するようにしても良い。これらの情報はキー
ボード５１、又はバーコードリーダー５２を介して主制
御装置５０に入力すれば良い。また、メモリセル部ＰＡ
1 が位相シフトパターンで構成されてその焦点深度が十
分に大きく、かつその範囲内に配線部ＰＡ 2 の焦点深度
が含まれるときには、配線部ＰＡ2 のみに着目して最適
焦点位置Ｂ．Ｆ．を決定する、例えば配線部ＰＡ2 の焦
点位置Ｚｂを最適焦点位置Ｂ．Ｆ．としても構わない。
【００５６】ところで、混在レチクル上の複数のパター
ン領域のうち、例えば焦点深度が十分に大きい、あるい
は焦点深度を考える必要がないパターン領域について
は、前述の如く最適焦点位置Ｂ．Ｆ．を決定するに際し
てその焦点深度を全く考慮しなくても構わない。また、
図６の混在レチクルはメモリセル部ＰＡ1 と配線部ＰＡ
2 とを有するものとしたが、レチクル上に形成するパタ
ーン領域は３種類以上であっても良く、上記と全く同様
にパターン領域毎の結像特性（焦点位置等）を計算で求
めることができる。以上の説明ではパターン領域毎の結
像特性を、照明条件やレチクルパターンの種類、及び微
細度を考慮して計算で求めるようにしたが、例えばレチ
クルパターンの種類のみ、すなわちレチクルパターンが
位相シフトパターンと通常パターンのいずれであるかの
みに基づいてパターン領域毎の結像特性を求めるように
しても良い。また、パターン領域毎の結像特性を計算で
求める代わりに、予め照明条件、レチクルパターンの種
類、及び微細度の組み合わせに応じた結像特性を主制御
装置５０に入力しておくだけでも良い。このとき、各組
み合わせ毎の結像特性をレチクル名に対応付けて主制御
装置５０に記憶しておき、キーボード５１、又はバーコ
ードリーダー５２によりレチクル名が入力されると、そ
のレチクル名に対応した結像特性をメモリから読み出す
ようにすれば良い。また、主制御装置５０に入力すべき
結像特性は、予め実験、すなわち試し焼きにより求めて
おいても良いし、あるいはシミュレーションにより求め
ておいても良い。
【００５７】ここで、本実施例では混在レチクルの露光
に関する全ての情報（混在レチクルの形成条件）、すな
わち照明条件、レチクルパターンの種類、微細度、周期
性、ウエハのプロセスファクター、ショット領域内の段
差構造やパターン線幅等を用いて、パターン領域毎の結
像特性を計算で求めるようにした。しかしながら、混在
レチクルの形成条件の全て、あるいは大部分を主制御装
置５０に入力するのが困難な場合、または多数の形成条
件がなくても十分良好な結像特性のもとで露光を行うこ
とができる場合には、例えば位相シフトレチクル、通常
レチクル、混在レチクルといった３通りの分類だけの情
報でも最適焦点位置を始めとする結像特性を求めること
ができる。すなわち混在レチクルでは、例えば代表的な
位相シフトパターンの焦点位置と代表的な通常パターン
の焦点位置との中点を最適焦点位置Ｂ．Ｆ．とすれば良
い。ここで、代表的な位相シフトパターンとは、混在レ
チクル上に存在する微細度、又は周期性が異なる複数の
位相シフトパターンのうち、例えば最も焦点深度が小さ
い位相シフトパターンとすれば良い。このことは通常パ
ターンに関しても同様である。
【００５８】また、前述した混在レチクルの形成条件の
他に、さらに詳しい情報を主制御装置５０に入力可能で
あるならば、例えば許容焦点差、倍率差といった項目を
入力しても良く、これらの情報までも用いて最適焦点位
置等を決定するようにしても良い。ここで許容焦点差と
は、例えばウエハを所定量ずつＺ方向に移動しながらレ
チクルパターンを複数回露光した後、現像、エッチング
処理等を経てウエハ上に形成された複数のパターンの各
々の形成状態から求められるものであり、所期の特性を
満足する回路パターンを得るのに必要な焦点範囲のこと
である。これにより、実際のプロセスに合った最適焦点
位置や焦点深度が得られる。尚、前述の試し焼きを行う
代わりに、シミュレーションにより許容焦点差を求めて
も良い。また、許容倍率差も前述の焦点差と同様で、試
し焼き、又はシミュレーションによりウエハ上の回路パ
ターンとレチクルパターンとの重なりの程度（面積）か
らその許容量が求められるものである。
【００５９】ところで、以上では投影光学系ＰＬの焦点
位置のみについて説明したが、例えば投影倍率に関して
も全く同様にパターン領域毎の投影倍率（誤差）からそ
の補正量を求め、この補正量に従って制御部５３により
レンズエレメント２０、（２１、２２）の少なくとも一
方を微動して投影光学系ＰＬの倍率調整を行えば良い。
すなわち主制御装置５０は、混在レチクル上のパターン
領域毎の投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐでの光強度分布と図
５の如きコマ収差の特性を表す数式とに基づいて、図６
中のメモリセル部ＰＡ1 と配線部ＰＡ2 の各々の投影倍
率を算出する。さらにメモリセル部ＰＡ1 と配線部ＰＡ
2 の各々において、投影倍率の所期値（例えば１／
５）、又はウエハ上のショット領域内に既に形成されて
いる回路パターンに対する投影像の倍率誤差が所定の許
容値以下となるように、先に算出した投影倍率、さらに
必要ならばウエハ上の回路パターンの線幅等に基づいて
投影光学系ＰＬの投影倍率の補正量（又は最適な投影倍
率）を決定する。しかる後、主制御装置５０はこの決定
した補正量を制御部５３に与え、制御部５３はその補正
量に応じてレンズエレメント２０、（２１、２２）の少
なくとも一方を微動して倍率調整を行う。この結果、混
在レチクル上の全てのパターンの像を良好な投影倍率の
もとでウエハＷ上のショット領域に結像投影することが
できる。
【００６０】ここで、投影光学系ＰＬの瞳面での光強度
分布と歪曲収差の特性を表す数式とから算出したパター
ン領域毎の像歪に基づいて歪曲収差の補正量も求めるよ
うにし、前述の投影倍率と共に歪曲収差までも制御部５
３により調整するようにしても良い。通常、ウエハＷ上
ではメモリセル部ＰＡ1 のパターン像の方が配線部ＰＡ
2 のパターン像に比べて微細であるため、前述した倍率
誤差や像歪が配線部ＰＡ2 では無視し得る程度の量であ
ったとしても、メモリセル部ＰＡ1 では無視できないこ
とが多い。そこで、投影倍率や歪曲収差の調整を行うに
あたっては、混在レチクル上の複数のパターン領域のう
ち、ウエハ上でそのパターン像が最も微細となるパター
ン領域に着目し、この着目したパターン領域での倍率誤
差や像歪が許容値以下となるように投影倍率や歪曲収差
の補正量を決定するだけでも良い。尚、着目したパター
ン領域以外でその倍率誤差や像歪が許容値を越えるとき
のみ、そのパターン領域と着目したパターン領域との各
々での倍率誤差や像歪が許容値以下となるように投影倍
率や歪曲収差の補正量を決定すれば良い。
【００６１】さて、以上の説明では露光光吸収により投
影光学系ＰＬの結像特性が変化していくことには触れな
かった。すなわち、投影露光装置が初期状態にあること
を前提として説明を行っていたが、本来は露光光吸収に
より投影光学系ＰＬの結像特性（収差条件）は逐次変化
していくことになる。以下、この場合の動作例について
説明するが、ここでも投影光学系ＰＬの結像特性のうち
焦点位置を例に挙げて説明を行うものとする。
【００６２】まず、一般的な焦点位置の変化の様子を図
８に示す。図８において、一定のエネルギー量Ｅｃの露
光光が所定時間だけ投影光学系ＰＬへ入射したとき、露
光光（熱）吸収による温度上昇という過程に伴う時間遅
れにより、焦点位置は遅れを伴った変化をする。この遅
れは一次の微分方程式で表すことができる。投影露光装
置では、予めこの特性（数式）を主制御装置５０に記憶
しておき、投影光学系ＰＬへの入射エネルギーを常時モ
ニターすることにより焦点位置の変化量を計算して現在
の最適な焦点位置を求めている。
【００６３】具体的にはレチクルＲの交換毎、あるいは
可変ブラインド１０の設定変更毎、すなわち投影光学系
ＰＬに入射するエネルギー量（光量）が変化するたび
に、ウエハステージＷＳ上の光電センサ３３を用いて投
影光学系ＰＬに入射するエネルギー量を測定する。また
は、予め測定を行って上記関係を記憶（登録）してお
く。さらに光電変換素子３８を用いて、ウエハＷから投
影光学系ＰＬに入射するエネルギー量、すなわち反射光
量を測定する。主制御装置５０は、光電センサ３３及び
光電変換素子３８からの光電信号とシャッター３の開閉
情報とを入力し、上記微分方程式を逐次数値解法で解く
ことにより焦点位置変化を計算している。
【００６４】さて、前述した如く通常レチクルと位相シ
フトレチクルとでは、図２（Ａ）、（Ｂ）のように投影
光学系ＰＬの瞳面Ｅｐでの光強度分布が大きく異なるた
め、焦点位置の変化特性も同一ではなく互いに異なるこ
とになる。このため、レチクルの種類に応じて焦点位置
の変化特性を表す数式のパラメータを変更することが考
えられるが、ここでも問題となるのが図２（Ｃ）のよう
に両者のパターンが混在するレチクルである。すなわち
混在レチクルでは、位相シフトパターンと通常パターン
の存在率に応じて焦点位置の変化特性が変わるという問
題点と、両者の変化特性が互いに異なるという問題点と
がある。
【００６５】そこで、本実施例では前述した混在レチク
ルの形成条件と共に、混在レチクル上の複数のパターン
領域の各々の大きさ（面積）までも主制御装置５０に入
力し、これらの情報を用いて上記と全く同様に混在レチ
クルにおける投影光学系ＰＬの瞳面Ｅｐでの光強度分布
を計算で求めるようにする。例えば、位相シフトパター
ンの形成領域の総面積が通常パターンの形成領域の総面
積に比べて大きければ、図２（Ｃ）中に示す瞳面Ｅｐの
中心部での光強度は、通常パターンの総面積が位相シフ
トパターンの総面積よりも大きい場合に比べて低いとい
うことが計算で求まる。このように混在レチクルの瞳面
Ｅｐでの光強度分布を正確に求めることにより、露光光
吸収による焦点位置の変化特性も予測可能となる。従っ
て、主制御装置５０は露光光吸収による焦点位置の変化
特性から位相シフトパターンと通常パターンの各々の焦
点位置を逐次計算するとともに、この計算したパターン
領域毎の焦点位置に基づいて、前述の方法と同様に最適
な焦点位置Ｂ．Ｆ．を決定する。さらに、この決定した
焦点位置Ｂ．Ｆ．とウエハ位置検出系３０、３１からの
検出信号とに基づいて、モータ１７によりウエハステー
ジＷＳを光軸方向に微動する。この結果、露光光吸収に
より混在レチクル上の複数のパターン領域の各々の焦点
位置が変動しても、常に各パターン像を良好にショット
領域上に結像投影することができる。
【００６６】ここで、以上の説明をもう少し具体的に述
べる。露光光吸収のパラメータは、例えば単位入射エネ
ルギー当たりの焦点位置の変化率ΔＦ／Ｅ（μｍ／
Ｗ）、あるいは変化の遅れ具合のパラメータ定数Ｔ(se
c) というものがある。これらのパラメータを位相シフ
トパターンの面積比に対応付けて予め主制御装置５０が
記憶しておけば良い。このことを図９を参照して説明す
る。図９の横軸は位相シフトパターンの存在率（面積
比）を表し、縦軸は前述のΔＦ／Ｅ、又はＴに相当する
（図９ではΔＦ／Ｅ）。尚、位相シフトパターンと通常
パターンの２種類のみが混在レチクルに形成されている
とき、図９の横軸は通常パターンの存在率（面積比）と
しても良い。
【００６７】図９では、変化率ΔＦ／Ｅとパターン存在
率との関係が通常パターンと位相シフトパターンとで異
なるため、上記関係を表す曲線が２本存在している。こ
れは、光学シミュレーション、又は実験により予め求め
ておく。また、精度上問題がなければ、両端のデータの
みを求めてその間を直線（１次関数）と見做しても良
い。例えば、位相シフトパターンの存在率が５０％であ
るとき、図９において通常パターンの変化率ΔＦ／Ｅは
ΔＦ1 、位相シフトパターンの変化率ΔＦ／ＥはΔＦ2
となる。この場合の実際の補正の様子を図１０に示す。
【００６８】図１０において、時間０が投影光学系ＰＬ
が十分冷却されて安定した状態であり、その後投影光学
系ＰＬに露光エネルギーが入射して変化していく様子を
示している。実際はステップ露光、あるいはウエハ交換
等で凹凸があるが、図１０では分かり易くするため滑ら
かな曲線で示している。時間０においても前述のように
通常パターンと位相シフトパターンとには焦点差があ
り、各々Ｆ01、Ｆ02で示している。露光開始後も図９に
従い、両者でΔＦ1 、ΔＦ2 と変化率が異なるため、互
いに異なるカーブを描いて変化していく。そこで、主制
御装置５０はこれらの変化を逐次計算し、例えば前記の
方法と全く同様に両者の中点（点線）を最適な焦点位置
Ｂ．Ｆ．として決定して焦点合わせを実行する。この方
法により、混在レチクルであっても各パターン像をウエ
ハ上に良好に結像投影することが可能となる。
【００６９】ところで、露光光のエネルギーが大きすぎ
る場合、図７中の焦点深度ＺＤａ、ＺＤｂの重なり部分
が極端に小さくなる場合があり得る。このとき、ウエハ
の凹凸、あるいは焦点位置制御誤差等の起因して焦点深
度内で露光できなくなる。このため、重なり部分の大き
さに一定の基準値を設けておき、その値以下となったと
き、警告を発する機能があることが望ましい。また、こ
のような場合、露光動作を中断し、投影光学系が冷却さ
れるのを待って露光動作を再開するシーケンスが自動的
に行なわれるようにする、もくしは前述の重なり部分が
基準値以下とならないように予め露光間隔の調整、又は
露光シーケンスの部分変更を行うようにすれば、生産性
は若干悪化するが、焦点位置ずれによる不良を出さなく
ても済む。前記一定基準値もパターンの線幅等の条件を
入力することにより変化させることができる。
【００７０】以上の実施例では混在レチクル上の複数の
パターン領域の各々での焦点位置を全て計算で求めるよ
うにしていたが、例えば特開平４−３４８０１９号公報
に開示されているような空間像検出方式の結像特性測定
システムを用いてパターン領域毎の焦点位置を実測する
ようにしても良い。以下、この測定システムを用いた結
像特性の補正方法について説明する。
【００７１】まず、図１１を参照して結像特性測定シス
テムについて述べる。図１に示すように、ウエハステー
ジＷＳ上のウエハＷの近傍にはパターン板１５が取り付
けられており、このパターン板１５の上面には図１１
（Ａ）の如く遮光部７１と光透過部７２とよりなる開口
パターンが形成されている。この開口パターンは、所定
ピッチのラインアンドスペースパターンよりなる振幅型
の回折格子を順次９０°ずつ回転してなる４個の回折格
子より構成されている。
【００７２】図１に戻り、パターン板１５はウエハステ
ージＷＳ上にその開口パターンの形成面がウエハＷの表
面とＺ方向に関してほぼ同じ高さになるように固定され
ており、パターン板１５の下部には検出用照明光学系の
入出力部３４が設けられている。また、ウエハステージ
ＷＳを投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと垂直なＸＹ平面内で
移動させることにより、投影光学系ＰＬのイメージフィ
ールド内の中央、又は任意の像高の位置にそのパターン
板１５を位置決めすることができる。
【００７３】レチクルＲを照明する照明光ＩＬと同一、
又は近傍の波長域の照明光ＥＬは、ファイバー束３５の
一方の分岐端３５ａに入射する。照明光ＥＬは、例えば
照明光ＩＬの一部をビームスプリッター等で分岐したも
のを使用する。照明光ＥＬはファイバー束３５の分岐端
３５ａから合同端３５ｂを経てウエハステージＷＳの内
部の入出力部３４に入射する。さらに照明光ＥＬは、リ
レーレンズ、視野絞り、ミラー、コンデンサーレンズ等
より構成される入出力部３４を介してパターン板１５の
開口パターンを下方より照明する。パターン板１５を通
過した光束は投影光学系ＰＬを介してレチクルＲの下面
（パターン面）にパターン板１５の開口パターンの像を
結像する。レチクルＲのパターン面で反射された光は再
び投影光学系ＰＬ及びパターン板１５を介してウエハス
テージＷＳの内部に戻り、入射時と逆の光路を経て再び
ファイバー束３５の合同端３５ｂに入射する。さらに反
射光はファイバー束３５の他方の分岐端３５ｃから射出
して光電センサ３６に入射する。
【００７４】光電センサ３６から出力される光電信号Ｆ
ＳはレチクルＲのパターン面からの反射光をパターン板
１５の開口パターンで制限した光量に対応しており、主
制御装置５０に供給される。図１１（Ｂ）は、パターン
板１５をＺ方向に微動したときに光電センサ３６から出
力される光電信号ＦＳを示しており、縦軸は信号レベル
（電圧値）を表し、横軸はウエハ位置検出系３０、３１
の出力信号ＡＦＳ、すなわちＺ方向の位置を表してい
る。そこで、主制御装置５０は光電信号ＦＳが最大とな
るＺ方向の位置ＢＳを最適焦点位置として求める。
【００７５】さて、本例は上記構成の測定システムを利
用したものであり、混在レチクル上のパターンの種類に
応じてパターン板１５の開口パターンを変更するもので
ある。例えば、前述の開口パターンとしてパターン板１
５上に通常パターンと位相シフトパターンとを形成して
おき、単位時間毎、又はウエハ交換毎に通常パターンと
位相シフトパターンの各々を、投影光学系ＰＬのイメー
ジフィールド内の所定点（混在レチクル上の各パターン
の投影位置）に位置決めした上で、前述の動作と全く同
様にパターン板１５をＺ方向に微動して最適な焦点位置
を検出する。これにより、投影光学系ＰＬの各種収差
（特に球面収差）を表す数式、あるいは図９のような変
化特性等を記憶しておく必要がなくなる。本例では、パ
ターン板１５を用いて混在レチクル上の複数のパターン
領域の各々での焦点位置を計測した後、前述の実施例と
全く同様の方法で混在レチクルでの最適な焦点位置を決
定し、この決定した焦点位置に応じてショット領域毎に
焦点合わせを行えば良い。
【００７６】ここで、パターン板１５上に形成する種々
の開口パターンの形成条件（微細度等）は、混在レチク
ル上の各パターンと全く同一とすることが望ましい。但
し、投影光学系ＰＬの投影倍率をＭ倍とすると、例えば
パターン板１５上のパターンピッチＰｒは混在レチクル
上のパターンピッチＰに対してＰｒ＝Ｍ・Ｐなる関係に
定められる。また、パターン板１５に照明光ＥＬを照射
する検出用照明光学系中の開口パターンに対するフーリ
エ変換面、又はその近傍に光量分布調整手段を設け、パ
ターン板１５に対する照明条件を可変とすることが望ま
しい。光量分布調整手段は可変開口絞りであっても、あ
るいは複数の開口絞りを交換する機構であっても良い。
この結果、レチクルＲの照明条件とパターン板１５の照
明条件とを一致させることができる、すなわち検出用照
明光学系中のフーリエ変換面での光量分布と露光用照明
光学系（５〜１３）中の瞳面内での光量分布とをほぼ等
しくすることができ、焦点位置の計測精度を向上させる
ことが可能となる。
【００７７】ところで、以上の実施例では混在レチクル
上のパターンの種類とパターン毎の面積とを主制御装置
５０に入力する必要があったが、これを実測する方法も
考えられる。すなわち、レチクルパターンの種類に応じ
て瞳面Ｅｐでの光強度分布が異なることから、瞳面Ｅｐ
に出し入れ可能な光センサーを配置するとともに、例え
ば可変ブラインド１０を用いてスポット状に絞った露光
光ＩＬをレチクル上に照射し、かつこのスポット光とレ
チクルとを相対走査する。このとき光センサーから出力
される光電信号から、瞳面Ｅｐでの光強度分布と混在レ
チクル上の各パターンの面積とを求めることができる。
この方法によれば、前述した各種データを主制御装置５
０に入力したり、あるいはメモリに記憶しておく必要が
なくなるという利点が得られる。
【００７８】また、以上の実施例では中間的な焦点位置
に露光フィ−ルド全体を合せる方法を取っていたが、一
方のパターンがレチクル上の一方に偏って分布する場
合、結像面とウエハ面とを相対的に傾斜させてより最適
な補正を行うことも可能である。例えば、図１２（Ａ）
に示すように混在レチクルＲ3 が紙面内で左右に分かれ
た２組のパターン領域ＰＡ1 、ＰＡ2 を有し、かつパタ
ーン領域ＰＡ1 には位相シフトパターンが形成され、パ
ターン領域ＰＡ2 には通常パターンが形成されているも
のとする。このとき、パターン領域ＰＡ1 、ＰＡ2 の焦
点位置（投影光学系ＰＬの結像面）は図１２（Ｂ）に示
すような段差状となる。このような場合、ウエハステー
ジＷＳによりウエハＷを傾けてその表面を図１２（Ｂ）
中に点線で示す面ＷＳＬと一致させると良い。これによ
り、ショット領域全面での焦点誤差が一段と小さくな
る。尚、ウエハＷを傾ける代わりに、制御部５３により
投影光学系ＰＬの結像面を傾けて図１２（Ｂ）のような
関係を実現しても良い。
【００７９】さらに、レチクルの中心部と周辺部とでパ
ターンが分かれる場合、意図的に像面湾曲を発生させて
上記と同じ効果を得ることもできる。例えば、図１３
（Ａ）に示すように混在レチクルＲ3 が中心部にパター
ン領域ＰＡ1 を、その周辺部にパターン領域ＰＡ2 を有
し、かつパターン領域ＰＡ1 には位相シフトパターンが
形成され、パターン領域ＰＡ2 には通常パターンが形成
されているものとする。このとき、パターン領域Ｐ
Ａ1 、ＰＡ2 の焦点位置（投影光学系ＰＬの結像面）は
図１３（Ｂ）に示すようになる。このような場合、制御
部５３により投影光学系ＰＬの像面湾曲を発生、又は変
化させることで、投影光学系ＰＬの結像面をほぼフラッ
ト、ないしその凹凸を所定値以下とすることが望まし
い。このとき、図１３（Ｂ）中に点線で示すような像面
湾曲を発生させると良い。これにより、ショット領域全
面での焦点誤差が一段と小さくなる。
【００８０】さらに、前述の実施例では２つのパターン
の焦点位置があまりにも異なる時露光と中断する方法を
説明したが、上記の場合のように一方のパターンがレチ
クル上の一方に片よっている場合、可変ブラインド１０
で遮光し各々のベストの焦点位置で各々２度露光すると
いう方法も考えられる。また、今までの実施例は露光光
吸収の例で説明したが、環境変化、すなわち大気圧変
化、温度変化等に伴う投影光学系ＰＬの結像特性の変動
量が混在レチクル上のパターン毎に異なる時でも同じ方
法を用いることにより解決できる。
【００８１】さらに、以上の実施例では通常パターンと
位相シフトパターンとを有する混在レチクルを前提に説
明を行ったが、駆動系５４によりフライアイレンズ群を
交換して照明条件を通常照明から傾斜照明（又は輪帯照
明）へと変更すると、例えば微細度が互いに異なる複数
のパターン領域を有するレチクルでは、先の実施例と同
様にパターン領域毎に結像特性（焦点位置等）が異なり
得る。このような場合にも、前述の混在レチクルと同様
にパターン領域毎の結像特性から最適条件を決定し、こ
の決定した条件に従って焦点合わせや結像特性の補正を
行うと良い。
【００８２】
【発明の効果】本発明によれば、マスク上に複数のパタ
ーン（特に通常パターンと位相シフトパターン）が存在
するとき、各パターンの形成条件を投影露光装置に入力
し、マスク上の全てのパターンにとって最適な結像特性
を求めて補正を行うため、各パターン間の結像特性差に
より結像特性が損なわれることなく良好な結像特性が得
られる。また、各パターン間の結像特性差が基準値を超
え、全てのパターンに共通な結像特性がないときには露
光動作を停止するため、これによる不良品を出すという
不都合もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による投影露光装置の概略的な
構成を示す図。
【図２】レチクルパターン毎の投影光学系の瞳面での光
強度分布を説明する図。
【図３】通常レチクルと位相シフトレチクルとの差異を
説明する図。
【図４】投影光学系の球面収差を説明する図。
【図５】投影光学系のコマ収差を説明する図。
【図６】混在レチクルの構成の一例を示す図。
【図７】混在レチクル上の通常パターンと位相シフトパ
ターンの両方に好適な焦点位置の決定方法を説明する
図。
【図８】投影光学系の露光光吸収による焦点位置変化を
説明する図。
【図９】通常パターンと位相シフトパターンの各々での
焦点位置の変化特性を説明する図。
【図１０】露光光吸収により焦点位置変化が生じると
き、通常パターンと位相シフトパターンとが混在するレ
チクルでの最適な焦点位置を決定する方法を説明する
図。
【図１１】（Ａ）は図１中のパターン板１５の開口パタ
ーンの一例を示す図、（Ｂ）は光電センサ３６から出力
される光電信号を示す図。
【図１２】（Ａ）は混在レチクルの別の構成例を示す
図、（Ｂ）は（Ａ）の混在レチクルの焦点面を示す図。
【図１３】（Ａ）は混在レチクルの別の構成例を示す
図、（Ｂ）は（Ａ）の混在レチクルの焦点面を示す図。
【主要部分の符号の説明】
Ｒ・・・・レチクル Ｗ・・・・ウエハ ＰＬ・・・・投影光学系 ＷＳ・・・・ウェハステージ ７・・・・フライアイレンズ ８・・・・可変絞り ２０、２１、２２・・・・レンズエレメント ２５、２６、２７・・・・駆動素子 ３０、３１・・・・ウェハ位置検出系 ５０・・・・主制御装置 ５１・・・・キーボード ５２・・・・バーコードリーダ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源からの照明光をほぼ均一な強度分布
    に成形してマスクに照射する照明光学系と、前記マスク
    に形成されたパターンの像を感光基板上に結像投影する
    投影光学系と、前記投影光学系の結像特性の補正を行う
    結像特性補正手段とを備えた投影露光装置において、 前記マスク上に存在する相異なる複数のパターン領域の
    各々の形成条件に関する情報を入力する入力手段と；該
    入力した情報に基づいて前記複数のパターン領域の各々
    に共通な前記結像特性補正手段の補正量を算出する演算
    手段とを備えたことを特徴とする投影露光装置。
  2. 【請求項２】 前記マスクは、前記照明光に対してほぼ
    透明な透過部と、前記照明光の透過率がほぼ零である遮
    光部とで構成された第１のパターン領域と、前記透過部
    及び前記遮光部と、前記透過部を通過した光に対してほ
    ぼπの奇数倍だけ位相を異ならせた光を生成する位相シ
    フト部とで構成された第２のパターン領域とを含むこと
    を特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
  3. 【請求項３】 前記マスクは、前記複数のパターン領域
    の各々に形成されたパターンの微細度が互いに異なって
    いることを特徴とする請求項１に記載の投影露光装置。
  4. 【請求項４】 前記複数のパターン領域の各々に共通な
    補正量が存在しないとき、露光動作を中断する露光制御
    手段を有することを特徴とする請求項１に記載の投影露
    光装置。
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