JPH06349700A

JPH06349700A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH06349700A
Application number: JP5138488A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Miyai; 恒夫宮井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1993-06-10
Publication date: 1994-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】照明光のもとでレチクルのパターン像を投影
光学系を介してウエハ上に露光する際に、レチクルの熱
変形によって発生する結像特性（投影倍率等）の変化を
良好に補正する。【構成】曲線４１で示すように、レチクル上のパター
ン存在率αが大きい程、熱変形が大きく倍率誤差の補正
すべき量が大きくなる。曲線４２で示すように、パター
ン存在率αが５０％の付近で計測誤差が大きくなり、パ
ターン存在率αの計測結果に基づいて推定される倍率誤
差Δβの誤差もパターン存在率αに対して山型に変化す
る。曲線４３で示すように、結像特性の補正手段で設定
する投影倍率には所定の誤差がある。曲線４１が曲線４
３より大きい領域４４、又は曲線４１が曲線４４より大
きい領域４５Ａ，４５Ｂで結像特性の補正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は
液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際
に使用され、マスクパターンを投影光学系を介して感光
性の基板上に投影する投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子又は液晶表示素子等を
フォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク
又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）のパタ
ーンを投影光学系を介して感光性の基板（ウエハ、ガラ
スプレート等）上に投影する投影露光装置が使用されて
いる。近年、半導体集積回路等のパターンが微細化する
のに伴い、投影露光装置においては、レチクルが露光用
の照明光を吸収することによって生じる結像特性（例え
ば投影光学系の倍率、焦点位置等）の変化を補正する必
要が生じてきた。そこで、例えば特開平４−１９２３１
７号公報に開示されているように、照明光の吸収による
レチクルの熱変形量を検出して、結像状態を補正する機
構が提案されている。

【０００３】この機構を簡単に説明すると、照明光の吸
収によるレチクルの熱変形量を、レチクルの熱吸収率及
びパターンの密度分布等に基づいて数値計算するか、又
はレチクルの計測用マーク位置を直接計測することで求
める。これに基づいて、投影光学系による結像状態の変
化を、実測又は計算により予測する。この結果より、結
像状態の補正手段を用いて結像状態を一定にするか、又
は結像状態の変動による影響を最小に抑えるための補正
を行うというものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
により、レチクルの照明光の吸収による結像特性の補正
という問題は、一応解決されている。しかし、レチクル
のパターン面のパターン形状やパターンを形成する材質
（クロム等）等による影響で、レチクル上のパターンの
存在率が正確に計測できないという不都合があった。

【０００５】特にレチクルのパターン形状が細いものに
ついては、照明光がパターンにより回折されて投影光学
系に全部は入射せず、外部に漏れてしまう。そのため、
基板が載置されているＺステージ上の照射量モニターで
測定した光量からパターン存在率を推定する場合、推定
されたパターン存在率が実際のパターン存在率よりも大
きくなり（実際より多くのパターンが存在していると判
断してしまい）、それによる誤差が生じてしまう。ま
た、パターンが少ない（パターン存在率が小さい）レチ
クルにおいては、照明光の熱吸収によるレチクルの膨張
はほとんど無い為、補正を行うこと自体の誤差分が全体
の誤差に占める割合に対して大きくなり、最終的な結像
特性が補正前より却って悪くなることがあり得る。

【０００６】従来、精度上あまり問題にならなかったこ
れらの結像特性の悪化が、近年あるいは将来に亘って益
々微細化するパターンを高い解像度で露光する上での障
害になってくると考えられる。本発明は斯かる点に鑑
み、レチクル等のマスクの熱変形によって発生する光学
特性の変化に対し、良好に補正を行い得る投影露光装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の投影露光
装置は、例えば図１及び図４に示すように、所定の波長
域の照明光で転写用のパターンが形成されたマスク
（Ｒ）を照明し、マスク（Ｒ）のパターンの像を投影光
学系（ＰＬ）を介して感光性の基板（Ｗ）上に結像投影
する投影露光装置において、マスク（Ｒ）のパターン形
成面の変形量に対応する物理量を測定する変形量測定手
段（１６）と、この変形量測定手段の測定結果からマス
ク（Ｒ）のパターン形成面の変形量に起因する基板
（Ｗ）上での結像状態の変化量を推定する結像状態演算
手段（２０）と、投影光学系（ＰＬ）による結像状態を
変化させる結像状態補正手段（２３）と、この結像状態
補正手段を動作させて投影光学系（ＰＬ）による結像状
態を変化させた際の結像状態の目標とする結像状態から
の誤差量（曲線４３）よりも、その結像状態演算手段に
より推定された結像状態の変化量（曲線４１）が大きい
場合に、その結像状態補正手段を動作させて投影光学系
（ＰＬ）の結像状態をその結像状態演算手段により推定
された結像状態の変化量を相殺させるように変化させる
制御手段（２０）と、を有するものである。

【０００８】また、本発明の第２の投影露光装置は、例
えば図１及び図４に示すように、所定の波長域の照明光
で転写用のパターンが形成されたマスク（Ｒ）を照明
し、マスク（Ｒ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）
を介して感光性の基板（Ｗ）上に結像投影する投影露光
装置において、マスク（Ｒ）のパターン形成面の変形量
に対応する物理量を測定する変形量測定手段（１６）
と、この変形量測定手段の測定結果からマスク（Ｒ）の
パターン形成面の変形量に起因する基板（Ｗ）上での結
像状態の変化量を推定する結像状態演算手段（２０）
と、投影光学系（ＰＬ）による結像状態を変化させる結
像状態補正手段（２３）と、その結像状態演算手段によ
り推定された結像状態の変化量の誤差量（曲線４２）よ
りも、その結像状態演算手段により推定された結像状態
の変化量（曲線４１）が大きい場合に、その結像状態補
正手段を動作させて投影光学系（ＰＬ）の結像状態をそ
の結像状態演算手段により推定された結像状態の変化量
を相殺させるように変化させる制御手段（２０）と、を
有するものである。

【０００９】この場合、その第１の投影露光装置におい
て、その制御手段（２０）は、その結像状態演算手段に
より推定された結像状態の変化量（曲線４１）が、その
結像状態補正手段を動作させて投影光学系（ＰＬ）によ
る結像状態を変化させた際の結像状態の目標とする結像
状態からの誤差量（曲線４３）及びその結像状態演算手
段により推定された結像状態の変化量の誤差量（曲線４
２）よりも大きい場合に、その結像状態補正手段を動作
させて投影光学系（ＰＬ）の結像状態をその結像状態演
算手段により推定された結像状態の変化量を相殺させる
ように変化させることが望ましい。

【００１０】

【作用】斯かる本発明によれば、マスク（Ｒ）のパター
ン形成面の変形量に対応する物理量（照明光の照度、パ
ターン存在率、パターンの材質、パターンの反射率等）
を測定することにより、マスク（Ｒ）のパターン形成面
の熱膨張による変形量が求められ、この変形量から基板
（Ｗ）上での結像状態（倍率、フォーカス位置等）の変
化量が推定される。例えば図４に示すように、測定する
物理量としてパターン存在率αを例に取り、結像状態と
して倍率誤差Δβを例に取ると、パターン存在率αが大
きい程熱膨張量が大きくなるため、結像状態演算手段
（２０）により推定された結像状態の変化量は、曲線４
１のようにパターン存在率αにほぼ比例して増加する。

【００１１】また、パターンが少ない場合にはパターン
存在率αの計測誤差は少なく、逆にパターンが多い場合
でもそのパターンを反転することによりパターン存在率
αの計測誤差は少なくなるため、パターン存在率αの計
測誤差は、山型の特性となる。従って、パターン存在率
αの計測結果に基づいて、結像状態演算手段（２０）に
より推定された結像状態の変化量の誤差量は、曲線４２
のように山型となる。また、結像状態補正手段（２３）
を動作させて投影光学系（ＰＬ）による結像状態（投影
倍率）を変化させた際の結像状態の目標とする結像状態
からの誤差量は、曲線４３のようにパターン存在率αに
拘らずほぼ一定の量となる。

【００１２】そこで、先ず本発明の第１の投影露光装置
では、結像状態補正手段（２３）を動作させて投影光学
系（ＰＬ）による結像状態を変化させた際の結像状態の
目標とする結像状態からの誤差量（曲線４３）よりも、
結像状態演算手段（２０）により推定された結像状態の
変化量（曲線４１）が大きい場合（領域４４）に、結像
状態補正手段（２３）を介して投影光学系（ＰＬ）の結
像状態を補正する。これにより、結像状態補正手段（２
３）を動作させて、却って結像特性が悪化することが防
止される。

【００１３】一方、第２の投影露光装置では、結像状態
演算手段（２０）により推定された結像状態の変化量の
誤差量（曲線４２）よりも、結像状態演算手段（２０）
により推定された結像状態の変化量（曲線４１）が大き
い場合（領域４５Ａ，４５Ｂ）に、結像状態補正手段
（２３）を動作させて投影光学系（ＰＬ）の結像状態を
補正する。これにより、推定された結像状態の変化量の
誤差量が大きい場合に、誤った方向に結像特性の補正が
行われることが防止される。

【００１４】また、最も望ましいのは、結像状態演算手
段（２０）により推定された結像状態の変化量（曲線４
１）が、結像状態補正手段（２３）を動作させて投影光
学系（ＰＬ）による結像状態を変化させた際の結像状態
の目標とする結像状態からの誤差量（曲線４３）、及び
結像状態演算手段（２０）により推定された結像状態の
変化量の誤差量（曲線４２）よりも大きい場合（領域４
５Ｂ）に、結像状態補正手段（２３）を動作させて投影
光学系（ＰＬ）の結像状態を補正することである。これ
により、結像状態補正手段（２３）を動作させて、却っ
て結像特性が悪化すること、及び推定された結像状態の
変化量の誤差量が大きい場合に、誤った方向に結像特性
の補正が行われることの両方が防止される。

【００１５】

【実施例】以下、本発明による投影露光装置の一実施例
につき図面を参照して説明する。図１は本実施例の投影
光学装置の概略的な構成を示し、この図１において、超
高圧水銀ランプ、エキシマレーザ光源等の露光用の照明
光源１は、ｇ線、ｉ線あるいは紫外線パルス光（例えば
ＫｒＦエキシマレーザ光等）のようなレジスト層を感光
するような波長（露光波長）の照明光ＩＬを発生する。

【００１６】照明光ＩＬは、照明光の光路の閉鎖、開放
を行うシャッター２、及び大部分（９０％以上）の照明
光を通過させる半透過鏡４を通過した後、オプティカル
インテグレータ（フライアイレンズ）等を含む照明光学
系６に達する。シャッター２は駆動部３により照明光の
透過及び遮断を制御するように駆動される。また、半透
過鏡４で反射された照明光の一部は、ＰＩＮフォトダイ
オード等の光電検出器（パワーモニタ）５に入射する。
パワーモニタ５は照明光ＩＬを光電検出して光情報（強
度値）ＰＳを主制御系２０に出力し、この光情報ＰＳは
主制御系２０において投影光学系ＰＬの結像特性の変動
量を求めるための基礎データとなっている（詳細後
述）。

【００１７】照明光学系６において光束の一様化、スペ
ックルの低減化等が行われた照明光ＩＬは、反射率の高
いビームスプリッター７で反射されてリレーレンズ９
ａ、可変ブラインド１０及びリレーレンズ９ｂを経た
後、ミラー１２で垂直に下方に反射されてメインコンデ
ンサーレンズ１３により集束され、レチクルＲのパター
ン領域ＰＡを均一な照度で照明する。可変ブラインド１
０の配置面はレチクルＲのパターン形成面と結像関係に
あるので、駆動モータ１１により可変ブラインド１０を
構成する可動ブレードを開閉させて開口位置、形状を変
えることによって、レチクルＲの照明視野を任意に選択
することができる。

【００１８】また、本実施例では、照明光ＩＬの照射に
よりウエハＷから発生する反射光が、投影光学系ＰＬ及
びレチクルＲ等を経てビームスプリッター７に達し、ビ
ームスプリッター７を通過した反射光が、光電検出器
（反射量モニタ）８に入射するように構成されている。
反射量モニタ８は、ウエハＷからの反射光を光電検出し
て得た光情報（強度値）ＲＳを主制御系２０に出力し、
主制御系２０においてその光情報ＲＳは投影光学系ＰＬ
の結像特性の変動量を求めるための基礎データとなる
（詳細後述）。

【００１９】レチクルＲは、水平面（ＸＹ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、レ
チクルＲ上のパターン領域ＰＡの中心点が投影光学系Ｐ
Ｌの光軸ＡＸと一致するように位置決めが行われる。レ
チクルＲの初期設定は、レチクル周辺のアライメントマ
ーク（不図示）を光電検出するレチクルアライメント系
ＲＡからのマーク検出信号に基づいて、レチクルステー
ジＲＳを微動することにより行われる。レチクルＲは不
図示のレチクル交換器により適宜交換されて使用され
る。特に多品種少量生産を行う場合、交換は頻繁に行わ
れる。

【００２０】さて、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
の表面が投影光学系ＰＬの結像面ＩＭとほぼ一致するよ
うに保持されたウエハＷ上の一つのショット領域に重ね
合わせて投影（結像）する。

【００２１】ウエハＷは、駆動モータ１７により投影光
学系ＰＬの光軸ＡＸの方向（Ｚ方向）に微動可能なＺス
テージ１４上に載置されている。更に、Ｚステージ１４
は、駆動モータ１８によりステップ・アンド・リピート
方式で２次元移動可能なＸＹステージ１５上に載置さ
れ、ＸＹステージ１５はウエハ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。ＸＹステージ１５
の２次元的な位置は干渉計１９によって、例えば０．０
１μｍ程度の分解能で常時検出され、Ｚステージ１４の
端部には干渉計１９からのレーザビームを反射する移動
鏡１４ｍが固定されている。また、Ｚステージ１４上に
は照射量モニタ（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ば同じ面積
の受光面を備えた光電検出器）１６が、ウエハＷの表面
位置とほぼ一致するように設けられており、照射量モニ
タ１６から出力される照射量に関する光情報ＬＳも主制
御系２０に送られ、投影光学系ＰＬの結像特性の変動量
を求めるための基礎データとなっている。

【００２２】また、図１中には投影光学系ＰＬの結像面
ＩＭに向けてピンホール若しくはスリットの像を形成す
るための結像光束、又は平行光束を、光軸ＡＸに対して
斜め方向より供給する照射光学系２２ａと、その結像光
束又は平行光束のウエハ表面での反射光束を受光する受
光光学系２２ｂとから成る斜入射方式の表面位置検出系
２２が設けられている。ここで、表面位置検出系２２の
構成等については、例えば特公平２−１０３６１号公報
に開示されており、ウエハ表面の結像面ＩＭ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との合焦状態を検出する焦点検出系と、ウエハＷ
上の所定領域の結像面ＩＭに対する傾きを検出する水平
位置検出系とを組み合わせたものである。

【００２３】尚、本実施例では結像面ＩＭが零点基準と
なるように、予め受光光学系２２ｂ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
調整されて、焦点検出系のキャリブレーションが行われ
ている。更に、ウエハＷの表面と結像面ＩＭとが一致し
た時に、照射光学系２２ａからの平行光束が受光光学系
２２ｂの内部の４分割受光素子（不図示）の中心位置に
集光されるように、水平位置検出系のキャリブレーショ
ンが行われているものとする。

【００２４】次に、投影光学系ＰＬによる結像状態を補
正するための補正手段の構成について説明する。本実施
例においては、後に詳述するが、投影光学系ＰＬのレン
ズエレメントを駆動することにより、結像特性（投影倍
率、ディストーション等）を補正する構成となってお
り、投影光学系ＰＬの光学特性を調整可能とするため、
その光学要素の一部が移動可能となっている。図１に示
すように、レチクルＲに最も近い第１群のレンズエレメ
ント３０，３１は支持部材３２により固定されると共
に、第２群のレンズエレメント３３は支持部材３４によ
り固定され、更に第３群のレンズエレメント３５は支持
部材３６に固定されている。また、レンズエレメント３
５より下部のレンズエレメントはそれぞれ投影光学系Ｐ
Ｌの鏡筒部３７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ＡＸとはこの鏡筒部３７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。

【００２５】さて、支持部材３６は伸縮可能な駆動素子
４０ａ，４０ｂ，４０ｃによって投影光学系ＰＬの鏡筒
部３７と連結されている。また、支持部材３４は伸縮可
能な駆動素子３９ａ，３９ｂ，３９ｃによって支持部材
３６に連結されると共に、支持部材３２は伸縮可能な駆
動素子３８ａ，３８ｂ，３８ｃによって支持部材３４に
連結されている。ここで、本実施例では駆動素子制御部
２３によって、レチクルＲに近いレンズエレメント３
０，３１，３３及び３５が移動可能となっており、これ
らのエレメントは倍率、ディストーション特性に与える
影響が他のレンズエレメントに比べて大きく制御し易い
ものを選択してある。

【００２６】また、本実施例では移動可能なレンズエレ
メントを３群構成としているため、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、樽型、糸巻型等）に
対応可能となっており、照明光（露光光）吸収に起因す
るレチクルＲの熱変形に応じて生じる投影光学形ＰＬの
結像特性の変動に十分対応できる。

【００２７】尚、レンズエレメントの移動は、投影光学
系ＰＬの他の諸収差（例えば非点収差等）に及ぼす影響
が無視できる範囲内で行うものとする。または、レンズ
エレメント相互の間隔を調整することによって、倍率、
ディストーション特性を制御しつつ、他の諸収差をも補
正するという方式を採用しても構わない。図２は投影光
学系ＰＬを上方（レチクル側）から見た図であって、駆
動素子３８ａ〜３８ｃはそれぞれ１２０゜ずつ回転した
位置に配置され、駆動素子制御部２３により独立制御可
能となっている。また、駆動素子３９ａ〜３９ｃ及び４
０ａ〜４０ｃについても同様にそれぞれ１２０゜ずつ回
転して配置され、駆動素子制御部２３により独立に制御
可能となっている。駆動素子３８ａ，３９ａ及び４０ａ
は互いに４０゜だけずれて配置されており、駆動素子３
８ｂ，３９ｂ及び４０ｂと３８ｃ，３９ｃ及び４０ｃと
についても同様に互いに４０゜ずつずれて配置されてい
る。駆動素子３８〜４０としては、例えば電歪素子、磁
歪素子を用い、駆動素子に与える電圧または磁界に応じ
た駆動素子の変位量は予め求めておくものとする。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、位置検出装置としての容量型位置センサ、差動ト
ランス等を駆動素子の近傍に設けることとする。従っ
て、駆動素子に与える電圧または磁界に対応した駆動素
子の位置をモニターできるので、高精度な駆動が可能と
なる。

【００２８】以上の構成によって、３群のレンズエレメ
ント（３０，３１）、３３及び３５の周辺３点を独立
に、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に主制御系２０から
与えられる駆動指令に応じた量だけ移動させることがで
きる。この結果、３群のレンズエレメント（３０，３
１）、３３及び３５の各々を光軸ＡＸにほぼ沿って平行
移動させることができると共に、光軸ＡＸとほぼ垂直な
平面に対して任意に傾斜させることが可能となる。尚、
上記レンズエレメントはそれぞれ光軸ＡＸに垂直な面を
仮想的な傾斜基準として傾斜するものとする。

【００２９】図１において、主制御系２０は、パワーモ
ニタ５、反射量モニタ８、照射量モニタ１６より情報を
得て、後述する如く投影光学系ＰＬの結像特性の変動量
を演算にて算出すると共に、駆動素子制御部２３を始め
として装置全体を統括制御する。また、主制御系２０に
はメモリ２１が接続され、照明光吸収によるレチクルＲ
の熱変形量を算出するために必要な種々のデータ（レチ
クルＲの遮光部材の種類やパターンの密度分布等）がメ
モリ２１に記憶されている。また、メモリ２１には、熱
変形量に基づいて結像状態の変化量を演算するための数
式又はテーブル等も格納されている。

【００３０】次に、本実施例における結像特性の変動量
の演算方法について述べる。本実施例は、レチクルＲの
熱変形に応じて発生する結像特性の変動を補正するもの
であり、本実施例では、結像特性の変動量を演算するに
当たって、先ずレチクルＲの熱変形量を求める。以下、
その方法について説明する。レチクルＲの熱変形は、該
レチクルＲの温度分布に比例して発生していると考えて
よいので、熱変形量を計算するためにはレチクルＲの或
る時間における温度分布が分かればよい。例えば、この
温度分布を計算機でシミュレーションする手法として、
レチクルＲを所定の複数の有限な要素に分解し、各点の
温度変化を差分法、又は有限要素法等により計算するも
のが知られている。本実施例では単純な差分法で説明を
行う。

【００３１】先ず、レチクルＲの正方形の露光エリアを
図３（ａ）の如く４×４個の１６個のブロックＢ１〜Ｂ
１６に分割する。また、各ブロックＢ１〜Ｂ１６の中心
点をそれぞれＰ１〜Ｐ１６とする。この分割数あるいは
計算法の選択は最終的に必要な精度と、計算機の計算ス
ピード等を加味して決められるもので、本実施例では便
宜的に１６分割したに過ぎない。

【００３２】レチクルＲは、図１のシャッタ２がオープ
ン時には照明光学系６を介して均一に照明される。しか
しながらレチクルＲのパターンの分布によりレチクルＲ
上で吸収される熱量は場所によって異なる。このためレ
チクルＲ上の各ブロックＢ１〜Ｂ１６毎にパターン存在
率を求める。このとき各ブロック内ではそれぞれ吸収さ
れる熱量が均一なものであると仮定する。

【００３３】各ブロックＢ１〜Ｂ１６のパターン存在率
は例えばＺステージ１４上の照射量モニタ１６とパワー
モニタ５との出力比で求められる。照射量モニタ１６は
Ｚステージ１４上にあって、投影光学系ＰＬのイメージ
フィールドとほぼ等しい口径の受光面をもったフォトセ
ルである。Ｚステージ１４を移動させることで、照射量
モニタ１６を投影光学系ＰＬのイメージフィールドのほ
ぼ中心部へ送り込み、ウエハＷ上に照射される照明光の
全てを受光して光電検出し、レチクルＲ等を介してウエ
ハＷ上に到達する照明光の照射量を算出する。照射量は
照明光のパワー、レチクルＲの透過率、可変ブラインド
１０の大きさ等に依存するものである。

【００３４】また、照射量モニタ１６は、レチクルＲが
１６分割されていることに対応して受光面が１６分割さ
れており、各ブロックを通過して結像した光量を独立に
測定できるようになっている。このときＺステージ１４
により照射量モニタ１６とレチクルＲとを正確に位置合
わせした後測定を行う。先ず、予めパターンの全く描か
れていないレチクルで照射量モニタ１６の各出力とパワ
ーモニタ５の出力との比を求めておき、パターンの描か
れたレチクルで出力比を測定してパターンの存在率を求
める。この測定はレチクル交換毎に行ってもよいし、予
めレチクル毎に測定しておき、メモリ２１に記憶させて
おいてもよい。

【００３５】また、照射量モニタ１６については、各ブ
ロックの面積が等しい場合は分割式でなくても良く、受
光面が１ブロックに相当する大きさの照射量モニタをＺ
ステージ１４上に用意して、ＺステージをＸＹ面内でス
テッピングすることにより測定を行っても良い。勿論、
レチクルの製造時のデータによりパターン存在率が分か
っていれば測定の必要はない。

【００３６】さて、以上のように求めた各ブロックＢ１
〜Ｂ１６のパターン存在率に基づいて各ブロックの熱吸
収量を計算する。各ブロックは光源１のパワーとパター
ン存在率とに比例して熱量を吸収する。吸収された熱
は、空気中、あるいはレチクルステージＲＳを介して逃
げてゆく。また、各ブロック間においても熱は移動す
る。

【００３７】ここで、例えば２物体間における熱量の移
動を考える。この場合の熱量の移動は、基本的に２つの
物体間の温度差に比例すると考えられる。また、熱量の
移動に伴う温度変化の変化率は熱量の移動量に比例す
る。これらを式で表すと次のようになる。

【００３８】

【数１】△Ｑ＝Ｋ₁（Ｔ₁−Ｔ₂）（Ｔ₁＞Ｔ₂）

【数２】ｄＴ₁／ｄｔ＝−Ｋ₂ △Ｑ

【数３】ｄＴ₂／ｄｔ＝Ｋ₃ △Ｑ

【００３９】但し、△Ｑは移動した熱量、Ｔ₁，Ｔ₂は
各物体の温度、ｔは時間、Ｋ₁，Ｋ ₂，Ｋ₃は比例定数
である。（数１）〜（数３）より次式が成り立つ。

【００４０】

【数４】ｄＴ₁／ｄｔ＝−Ｋ₄（Ｔ₁−Ｔ₂）

【数５】ｄＴ₂／ｄｔ＝Ｋ₅（Ｔ₁−Ｔ₂）

【００４１】これは、よく知られているように一次遅れ
系であり、温度Ｔ₁ 及びＴ₂ の間に温度差があるとき、
両者はエクスポネンシャルカーブを描いて一定の温度に
達する。上式に基づいてレチクルＲ上の熱分布の計算を
行う。

【００４２】先ず、図３（ａ）のブロックＢ１に注目す
る。ブロックＢ１は隣接するブロックＢ５及びＢ２と熱
のやりとり（熱伝達）をする。また、レチクルステージ
ＲＳ及び空気とも熱のやりとりをするが、ここでは簡単
にするため空気の温度とレチクルステージ８の温度は一
定とする。各ブロックの温度をＴ₁ 〜Ｔ₁₆、空気の温度
をＴ₀ 、レチクルステージＲＳの温度をＴ_H とすると、
ブロックＢ１の温度Ｔ ₁ に関して次式が成り立つ。

【数６】ｄＴ₁／ｄｔ＝Ｋ₁₂（Ｔ₂−Ｔ₁）＋Ｋ₁₅（Ｔ₅−
Ｔ₁）＋Ｋ₁₀（Ｔ_H−Ｔ₁）＋Ｋ₀（Ｔ₀−Ｔ₁）＋Ｋ_Pη₁Ｐ

【００４３】ここで、ｄＴ₁/ｄｔはＴ₁ の時間微分、Ｋ
₁₂，Ｋ₁₅は各々ブロックＢ１とブロックＢ２及びＢ５と
の熱のやりとりの係数、Ｋ₁₀はレチクルステージＲＳと
ブロックＢ１との間の熱のやりとりの係数、Ｋ₀ は各ブ
ロックと空気との熱のやりとりの係数である。また、η
₁ はブロックＢ１のパターン存在率、Ｐは光源１のパワ
ーでパワーモニタ５の出力に対応している。Ｋ_P は照明
光を各ブロックが吸収した熱量とη₁ 及びＰとを関係づ
ける係数である。（数６）の最後の項は照明光から吸収
する熱量を示しており、その他の項は吸収した熱が拡散
していく過程を示している。ここでＴ_H,Ｔ₀ は一定であ
り、Ｔ_H ＝Ｔ₀ とし、各ブロックの温度を（Ｔ₀ ＋△
Ｔ）で表せること、及びレチクル上の各ブロックは全て
石英ガラスでできているためＫ₁₂，Ｋ₁₃，…等は全て等
しいことを考慮に入れると、（数６）は、次式のように
なる。

【００４４】

【数７】ｄ△Ｔ₁／ｄｔ＝Ｋ_R（△Ｔ₂−△Ｔ₁）＋Ｋ
_R（△Ｔ₅−△Ｔ₁）＋Ｋ_H（−△Ｔ₁）＋Ｋ₀（−△Ｔ₁）
＋Ｋ_Pη₁Ｐ＝（−２Ｋ_R−Ｋ_H−Ｋ₀）△Ｔ₁＋Ｋ_R△Ｔ₂＋
Ｋ_R△Ｔ₅＋Ｋ_Pη₁Ｐ（但し、Ｋ_R＝Ｋ₁₂＝Ｋ₁₃＝…）

【００４５】（数７）をブロックＢ１〜Ｂ１６について
それぞれ求め、これをマトリックス表現で表すと次式の
ようになる。

【００４６】

【数８】

【００４７】これは一階の微分方程式の１６元連立方程
式であり、数値解法によって解くことが可能である。あ
るいは、微分の形をある微小時間（計算器の計算周期）
の値の差として差分形式で表現して解く方法、すなわち
差分法によっても解くことができる。（数８）で所謂外
力の項は最終項であるので、単位時間毎の各ブロックの
値、即ちη₁ Ｐ₁ ，η₂ ，Ｐ₂ …の値を計算器に入れて
やれば、各時間毎の△Ｔ₁,△Ｔ₂ …の値を求めることが
できる。パターン存在率η₁,η₂…は前述したように実
測によって得られ、入射光量Ｐ₁,Ｐ₂…はパワーモニタ
５及び照射量モニタ１６によって求まる。

【００４８】また各係数Ｋ_R,Ｋ₀,Ｋ_H,Ｋ_P はレチクル、
空気の物性、空気の流速等から計算で求めることが可能
である。又は、種々のレチクルに関して実験を行い各係
数が現実に最もよく合うように決定することも可能であ
る。以上により温度分布△Ｔ₁ 〜△Ｔ₁₆が求まる。これ
らと石英ガラスの膨張係数とより各ブロックＢ₁ 〜Ｂ₁₆
の中心点Ｐ₁ 〜Ｐ₁₆の相互の距離変化が求められ、レチ
クル上の各点の動きを決定することができ、これに基づ
いて、結像特性の変動、例えばウエハＷ上に投影される
像の歪を計算することができる。

【００４９】上記までの方法は一旦レチクルの温度分布
△Ｔを求めてから、中心点Ｐの動きを求め、像歪を求め
るという手段をとったが、△Ｔの代わりに直接像歪（デ
ィストーション、像面湾曲等）を計算することも可能で
ある。このときには各係数Ｋ _R,Ｋ₀,Ｋ_H,Ｋ_P を実験によ
り求めれば、レチクルＲの撓みの変化等も含まれた形と
なる。また、レチクルＲの熱電導性が非常によく、一部
のみパターンがある場合あるいは一部のみに光があたる
場合でも、レチクルＲが一様に膨張すると考えても精度
上問題がないときは、上記のような複雑な計算は必要な
く、より単純な計算で済む。

【００５０】具体的に、例えばレチクルＲが一様に膨張
すると、レチクルＲの各ブロックの中心点Ｐ１〜Ｐ１６
は、図３（ｂ）に示すように、レチクルＲの中心ＣＴか
ら外側に移動する。そして、この状態で露光を行うと、
ウエハＷ上に投影されるパターン像には、倍率誤差が生
じる。この倍率誤差のような結像状態を補正するために
は、基本的には前述したとおり、投影光学系の３群のレ
ンズエレメント（３０，３１）、（３３）及び（３５）
を光軸方向あるいは光軸に垂直な軸を回転軸に傾斜方向
に駆動すればよい。

【００５１】これに関して、図４はレチクル上の或るブ
ロックにおけるパターン存在率α［％］と、そのブロッ
クのパターンを投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投
影した場合の倍率誤差Δβ［％］との関係を示す。そし
て、パターン存在率αが大きい程、レチクルＲの熱膨張
量が大きくなり、倍率誤差も大きくなるため、倍率誤差
の補正すべき量は、補正曲線４１で示すようにパターン
存在率αにほぼ比例して大きくなる。また、レチクルＲ
のパターン存在率αは、レチクルＲの透過率の測定結果
から算出されるが、レチクルＲの透過率の測定誤差はパ
ターン存在率αが５０％付近のときに最大となる。従っ
て、パターン存在率αの計測結果に基づいて算出した倍
率誤差Δβの真の倍率誤差からのずれ量は、測定誤差曲
線４２で示すように、パターン存在率αが５０％でほぼ
最大となる山型の分布となる。また、本例の投影光学系
ＰＬの結像特性補正装置を動作させて、投影光学系ＰＬ
の倍率誤差Δβを補正した場合には、補正誤差曲線４３
で示すように、パターン存在率αの全範囲に亘ってほぼ
一定の設定誤差が生じる。

【００５２】そこで、パターン存在率αがα₂より少な
い領域（補正誤差曲線４３が補正曲線４１より大きい領
域）では、レチクルの熱膨張による倍率誤差の補正すべ
き量が、倍率誤差の補正動作に伴う設定誤差より小さく
なり、倍率誤差の補正を行わない方が、却って倍率誤差
が高精度に維持されるという場合が起きる。従って、補
正曲線４１が補正誤差曲線４３より大きい領域４４のみ
で、倍率誤差の補正を行うことにより、倍率誤差の補正
動作に伴う設定誤差により倍率誤差が大きくなってしま
うという現象が防止される。

【００５３】また、パターン存在率αがα₁とα₃との
間の領域（測定誤差曲線４２が補正曲線４１より大きい
領域）では、レチクルの熱膨張による倍率誤差の補正す
べき量が、パターン存在率の測定誤差による倍率誤差の
誤差分より小さくなり、倍率誤差の補正を行わない方
が、却って倍率誤差が高精度に維持されるという場合が
起きる。従って、補正曲線４１が測定誤差曲線４２より
大きい２つの領域４５Ａ及び４５Ｂのみで、倍率誤差の
補正を行うことにより、パターン存在率の測定誤差によ
り倍率誤差が大きくなってしまうという現象が防止され
る。また、レチクルの材質等により、レチクルのパター
ン存在率の測定誤差に対応する測定誤差曲線４２が、全
て補正すべき倍率誤差を示す補正曲線４１よりも下方に
あるときは、全範囲に亘って倍率誤差の補正を行えば良
い。

【００５４】なお、補正曲線４１が測定誤差曲線４２及
び補正誤差曲線４３の何れよりも大きい領域４５Ｂのみ
で、倍率誤差の補正を行うようにしても良い。更に、上
述した測定誤差曲線４２及び補正誤差曲線４３は、便宜
上倍率誤差の誤差要因を２つに分けたものであり、より
倍率誤差を少なくするためには、図４において、補正曲
線４１が、測定誤差曲線４２及び補正誤差曲線４３の和
よりも大きい領域で倍率誤差の補正（熱膨張補正）を行
えば良い。

【００５５】同様に、パターンの材質についても図４の
パターン存在率αと同じような誤差特性が得られ、低反
射のクローム等をパターンの材質に用いているレチクル
は、高反射の材質を用いているレチクルと比較すると測
定誤差は小さいので熱膨張補正により結像特性が改善さ
れる。また、倍率誤差のみならず、歪曲収差やフォーカ
ス位置の変化についても、図４と同様な誤差特性が得ら
れる。

【００５６】このように、結像特性の補正すべき量より
も、実際に結像特性を補正することによる誤差の方が大
きい現象が起きる。そこで、実際の露光プロセスでは、
どの様な状況のもとでも結像特性の最適化がなされるよ
うに、レチクルのガラス基板の材質やパターンの材質、
パターン面に描かれている回路図の形状、パターン面に
おけるパターン存在率等のレチクルに関する情報をもと
に、露光条件を主制御系２０に接続されたメモリ（２
１）に数式化して記憶させ、その露光条件に従って露光
が行われる。

【００５７】実際の例で説明すると、レチクルＲのパタ
ーンには大別してライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）
パターン用とコンタクトホール用との２種類あるが、こ
れまで述べた条件から、Ｌ／Ｓパターンでは測定誤差が
大きいので、コンタクトホール用のパターンについての
み熱膨張補正（結像特性の補正）を行えば良い。また、
レチクルＲのパターン面の材質については、高反射率の
パターンを持つものと低反射率のパターンを持つものと
があるが、パターン面での熱の吸収の多い低反射率のレ
チクルについて熱膨張補正（結像特性の補正）を行えば
良い。

【００５８】また、前述の投影光学系ＰＬの結像特性の
補正手段を行使するか否かの判断に関して、レチクルＲ
のパターン面ＰＡに影響を与えない部分に、バーコード
等の読み取り部分を設け、そこに表示されているパター
ン情報をレチクルＲがレチクルステージＲＳに搬送され
る途中や、レチクルステージＲＳでレチクルＲがアライ
メントされている間等に読み取るようにしても良い。そ
して、その読み取ったパターン情報を主制御系２０に送
り、予め主制御系２０に入力されている情報と比較する
ことで、補正の可否の判断をオペレータ又は主制御系２
０自身が行うことができる。

【００５９】また、別の方法として、図１のＺステージ
１４上に高反射率の反射板を設定して、Ｚステージ１４
を光軸ＡＸ方向に動かしながら、レチクルＲのパターン
面ＰＡを通過してＺステージ１４上の反射板で反射され
た照明光の強度を、ミラー７の背面の光電検出器８で検
出しても良い。その反射光の強度をＺステージ１４の動
きと同期するように測定し、ベストフォーカス位置近辺
の強度曲線の傾きからパターン領域ＰＡのパターンの微
細度を調べることで、レチクルＲの熱膨張補正の計算式
の係数を補正することが可能となる。

【００６０】この他の方法として、レチクルＲを収納し
ておくカセット部（不図示）に、レチクルＲを収納する
ときに予めパターン等の情報を測定しておく方法や、製
造時にパターン等の情報を測定しておく方法も考えられ
る。前者の場合、レチクル交換毎にカセット部からの情
報を主制御系２０に送ることにより補正の行使の判断を
行うことができる。また、レチクルの状態や照明光のエ
ネルギーの状態により、いつから補正を始めたらよいと
いう判断を行うこともできる。

【００６１】次に、結像特性の補正を行うときの前処理
として、レチクルの熱変形量を測定するために、図１の
実施例では照射量モニタ１６により計測したパターン存
在率に基づいて熱変形量を算出している。その他に、レ
チクルの熱変形量を直接測定するために、図５に示すよ
うに、レチクルＲのパターン面ＰＡで回折されて投影光
学系ＰＬに入らなかった回折光を、投影光学系ＰＬの上
方にレチクルＲに近接して設置してある受光センサー４
６により受光しても良い。熱変形によりレチクルＲのパ
ターンのピッチ等が変化すると、回折光の光量が変化す
るため、その受光センサー４６の検出信号からレチクル
Ｒの熱変形量を検出することができる。受光センサー４
６の検出信号を主制御系２０に供給し、主制御系２０は
駆動素子制御部２３を介してレチクルＲの熱膨張に伴う
結像特性の変化の補正を行う。この回折光の光量変化の
測定については、実際にウエハＷにパターンを焼き付け
ている間にも測定を行うことが可能である。

【００６２】また、図６に示すように、レチクルＲの直
下の側面部に走査装置４８を配置し、走査装置４８に２
次元ＣＣＤ等の受光センサー４７を取り付けても良い。
そして、露光の直前に走査装置４８を用いて受光センサ
ー４７でレチクルＲの下面を走査するか、又は一括で受
光センサー４７を用いてレチクルＲのパターン領域を通
過した光量を計測することにより、レチクルＲのパター
ンの熱変化量を直接計測することができる。この方法を
用いると、長期にわたるレチクルＲの熱膨張の様子を容
易に測定することができ、レチクルＲに複数個のチップ
パターンが描かれていて、その分割された１つのチップ
パターンのみを露光をしている場合にも、正確に対応す
ることができる。

【００６３】また、図５に戻り、受光センサー４６を、
投影光学系ＰＬを取り囲むように複数個設置することが
望ましい。この場合、レチクルＲに形成されているパタ
ーンの大部分が直交するパターン（Ｘ方向及びＹ方向に
平行なパターン）であることから、図７に示すように、
Ｘ方向に平行なパターンの両側に２個の受光センサー４
６ｂ及び４６ｄを配置し、Ｙ方向に平行なパターンの両
側に２個の受光センサー４６ａ及び４６ｃを配置するこ
とでも、計測精度は良好である。また、図５において、
１個あるいは複数個の受光センサー４６を、投影光学系
ＰＬの周囲を移動できるように設置しても、図７の場合
と同等の効果が得られる。

【００６４】また、焦点位置に合わされた、Ｚステージ
１４上に平面度の高い反射板（不図示）を設置して、レ
チクルＲを通り、投影レンズＰＬを通過し、反射板上で
結像した像の反射像を再び投影レンズＰＬ、レチクルＲ
を通して、パターン面ＰＡと共役な位置にある受光セン
サー（不図示）で、光量の変化を測定することで、レチ
クルＲの熱膨張率を測定することが可能である。

【００６５】その他の方法として、レチクルＲのパター
ン領域ＰＡ側の近傍に非接触の温度センサー（不図示）
を配置し、そのパターン領域ＰＡの表面の温度分布を直
接測定しても良い。そして、レチクルＲの熱膨張の様子
や、温度分布の測定を継続的に行い、その結果に画像処
理等を施すことにより、その後の熱膨張の様子を予想す
ることができる。この熱変形量に基づいて結像特性の補
正を行うことにより、より高精度の露光を行うことがで
きる。

【００６６】また、露光時において、図１のシャッター
２の開閉の間隔と、照明光ＩＬのエネルギー量の積算量
などのデータとを主制御系２０で数式化することで、上
述したものと同様に予測的に結像特性の補正を行うこと
が可能となる。そして、これらの情報を蓄積していくこ
とで、更に精度の高い制御を行うことが可能となる。ま
た、予測制御を続けている間にも、並行して、実際に測
定を行うことも可能であり、この測定結果を逐次主制御
系２０に入力していくことにより、より高精度な補正が
可能となる。

【００６７】なお、本発明は上述実施例に限定されず、
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
ことは勿論である。

【００６８】

【発明の効果】本発明の第１の投影露光装置によれば、
結像状態補正手段を動作させた際の結像状態の目標とす
る結像状態からの誤差量よりも、結像状態演算手段によ
り推定された結像状態の変化量が大きい場合に、投影光
学系の結像状態を補正するようにしているため、結像状
態補正手段を動作させて、却って結像特性が悪化するこ
とが防止される。従って、マスクの熱変形によって発生
する光学特性の変化に対し、良好に補正を行うことがで
きる利点がある。

【００６９】従って、マスクのパターン中の遮光部材等
として、熱吸収を考えることなく、投影光学系あるい
は、アライメント系等の光学系にフレアー等の悪影響を
与えないものを選ぶことができる。また、第２の投影露
光装置によれば、結像状態演算手段により推定された結
像状態の変化量の誤差量よりも、結像状態演算手段によ
り推定された結像状態の変化量が大きい場合に、投影光
学系の結像状態を補正するようにしているため、推定さ
れた結像状態の変化量の誤差量が大きい場合に、誤った
方向に結像特性の補正が行われることが防止される。従
って、マスクの熱変形によって発生する光学特性の変化
に対し、良好に補正を行うことができる。

【００７０】また、結像状態演算手段により推定された
結像状態の変化量が、結像状態補正手段を動作させて投
影光学系による結像状態を変化させた際の結像状態の目
標とする結像状態からの誤差量、及び結像状態演算手段
により推定された結像状態の変化量の誤差量よりも大き
い場合に、投影光学系の結像状態を補正する場合には、
マスクの熱変形による光学特性の変化をより良好に補正
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における縮小投影型露光装置
（ステッパー）の構成を示す一部を切り欠いた構成図で
ある。

【図２】投影光学系中のレンズの駆動機構を示す平面図
である。

【図３】（ａ）はレチクルＲを１６個のブロックに分割
した場合を示す平面図、（ｂ）はレチクルＲの熱変形の
一例を示す図である。

【図４】パターン存在率と倍率誤差との関係を示す図で
ある。

【図５】投影光学系ＰＬの上部の側面に受光センサーを
配置して、レチクルＲからの回折光の測定を行う場合を
示す概略構成図である。

【図６】投影光学系ＰＬとレチクルＲとの間に受光セン
サーを配置して、レチクルＲのパターンを透過した光の
測定を行う場合を示す要部の構成図である。

【図７】投影光学系ＰＬの上部の側面に複数個の受光セ
ンサーを配置して、レチクルＲからの回折光の測定を行
う場合を示す平面図である。

【符号の説明】

１光源２シャッター８反射率モニタ１０可変ブラインドＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ１４Ｚステージ１６照射量モニタ２０主制御系２３駆動素子制御部４１受光センサー４１補正曲線４２測定誤差曲線４３補正誤差曲線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の波長域の照明光で転写用のパター
ンが形成されたマスクを照明し、該マスクのパターンの
像を投影光学系を介して感光性の基板上に結像投影する
投影露光装置において、前記マスクのパターン形成面の変形量に対応する物理量
を測定する変形量測定手段と、該変形量測定手段の測定結果から前記マスクのパターン
形成面の変形量に起因する前記基板上での結像状態の変
化量を推定する結像状態演算手段と、前記投影光学系による結像状態を変化させる結像状態補
正手段と、該結像状態補正手段を動作させて前記投影光学系による
結像状態を変化させた際の結像状態の目標とする結像状
態からの誤差量よりも、前記結像状態演算手段により推
定された結像状態の変化量が大きい場合に、前記結像状
態補正手段を動作させて前記投影光学系の結像状態を前
記結像状態演算手段により推定された結像状態の変化量
を相殺させるように変化させる制御手段と、を有するこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】所定の波長域の照明光で転写用のパター
ンが形成されたマスクを照明し、該マスクのパターンの
像を投影光学系を介して感光性の基板上に結像投影する
投影露光装置において、前記マスクのパターン形成面の変形量に対応する物理量
を測定する変形量測定手段と、該変形量測定手段の測定結果から前記マスクのパターン
形成面の変形量に起因する前記基板上での結像状態の変
化量を推定する結像状態演算手段と、前記投影光学系による結像状態を変化させる結像状態補
正手段と、前記結像状態演算手段により推定された結像状態の変化
量の誤差量よりも、前記結像状態演算手段により推定さ
れた結像状態の変化量が大きい場合に、前記結像状態補
正手段を動作させて前記投影光学系の結像状態を前記結
像状態演算手段により推定された結像状態の変化量を相
殺させるように変化させる制御手段と、を有することを
特徴とする投影露光装置。
【請求項３】前記制御手段は、前記結像状態演算手段
により推定された結像状態の変化量が、前記結像状態補
正手段を動作させて前記投影光学系による結像状態を変
化させた際の結像状態の目標とする結像状態からの誤差
量及び前記結像状態演算手段により推定された結像状態
の変化量の誤差量よりも大きい場合に、前記結像状態補
正手段を動作させて前記投影光学系の結像状態を前記結
像状態演算手段により推定された結像状態の変化量を相
殺させるように変化させることを特徴とする請求項１記
載の投影露光装置。