JPH08321459A - 投影露光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マスクのパターン存在率をより正確に求める
ことによってマスクの熱吸収による結像状態を一層高い
精度に補正してマスクパターンを感光基板上に投影露光
する。 【構成】 パターンが形成されたマスクを照明し、投影
光学系により該マスクパターンを感光基板上に投影する
ことによって感光基板を露光する方法である。マスクの
パターン存在率を、該マスクを用いて実際に露光する際
の投影光学系のレンズＮＡより大きいレンズＮＡ及び実
際に露光する際の照明系ＮＡよりも小さい照明系ＮＡの
下で求め、得られたマスクのパターンの存在率から照明
光の吸収によるマスクの熱変形量及び基板上のマスクパ
ターン像の結像状態の変化量を演算し、結像状態の変化
量に基いて結像状態を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣ、液晶基板用のマ
スクパターンを投影光学系を介してウエハ上に転写する
ための投影露光方法に関し、さらに詳細には、マスクの
熱変形による結像状態の変化をマスクパターン存在率に
基づいて補正することができる投影露光方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積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、
所定のパターンが形成されたレチクル（マスク）を露光
光で照明してパターン像を感光基板上に転写する方法が
採用されている。この工程は通常、ステッパーと呼ばれ
る投影露光装置を用いて実行されており、パターン像は
装置中の投影光学系を介して感光基板上に結像される。

【０００３】近年、レチクルパターンがますます微細化
され、かかる投影露光装置においても、投影光学系の結
像特性を高精度に維持することが要求されている。この
ため種々の結像特性の補正方法が提案されている。投影
光学系が照明光の熱を吸収することによる結像特性の変
動を補正する方法が、特開昭６０−７８４５４号に開示
されており、そこでは、投影光学系に蓄積される露光光
の熱エネルギーを計算し、これによる投影光学系の結像
特性の変動量を求め、投影光学系のレンズ間の空間の圧
力を結像特性の変動量に基づいて調整することによって
結像特性が補正されている。

【０００４】ところで、レチクルのパターンは、通常、
クロムで形成されているため、レチクルパターン像をウ
エハ等の基板上に投影する際に、クロム部分が熱を吸収
して膨張することにより変形することが知られている。
その結果、投影光学系を介してウエハ上に投影されたパ
ターン像も変形してしまう。レチクルの温度上昇は、場
合によっては約５℃も上昇することが観測されている。
これにより、レチクルの材質が石英ガラスの場合で、そ
の膨張率が０．４ppm/℃であれば、１０mm間隔で０．０
２μｍもの伸長を起こし、像面での倍率誤差及びディス
トーション誤差の原因となる。

【０００５】かかるパターン像の変形を補正する方法と
して、例えば、特開平４−１９２３１７号には、クロム
の熱吸収係数、パターンを形成するクロムの存在率等を
パラメータとしてレチクルの熱による変形量及びウエハ
上に形成されるパターンの結像状態の変形量を求め、結
像状態の変形量に応じてレンズエレメントを投影光学系
の光軸方向に移動させる技術が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】パターンの存在率は、
レチクルパターンを透過する光の透過率に相当し、パタ
ーンが存在する場合と存在しない場合に、それぞれ、パ
ターン位置上方から照明された光を投影光学系を通して
ウエハ面位置で検出し、それらの光量の比から算出して
いた。しかしながら、パターンが存在する場合には、照
明光の一部はパターンにより回折され、回折角θは sin
θ＝ｍλ／Ｐに従う（式中、ｍは±１，±２等、λは照
明光の波長、Ｐはパターンのピッチ）。このため、パタ
ーンが微細化するに従って回折光の回折角θは大きくな
る。 sinθの値が投影光学系のレチクル側開口数（Ｎ
Ａ）よりも大きくなると、回折光は投影光学系内で制限
され、回折光の一部は投影光学系を透過できなくなる。
すなわち、かかる回折光はパターンの存在率を測定する
際にウエハ面に対応する位置に設置された照射量モニタ
ーに到達することができない。このため、モニターでは
実際にパターンを透過した光量よりも少ない光量が検出
され、それに伴って、パターンの存在率は実際の値より
も大きく算出されてしまうという問題があった。それゆ
え、このように算出されたパターン存在率を用いてウエ
ハ上に形成されるレチクルパターン像を補正しようとし
ても充分な精度で補正することができない。

【０００７】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
べく、パターン存在率をより正確に求めることによって
マスクの熱吸収による結像状態を一層高い精度に補正し
つつ、マスクパターンを感光基板上に投影露光すること
ができる投影露光方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様に従
えば、パターンが形成されたマスクを照明し、投影光学
系により該マスクパターンを感光基板上に投影すること
によって感光基板を露光する方法であって、マスクのパ
ターン存在率を、該マスクを用いて実際に露光する際の
投影光学系のレンズＮＡより大きいレンズＮＡ及び実際
に露光する際の照明系ＮＡよりも小さい照明系ＮＡの下
で求める工程と、得られたマスクのパターンの存在率か
ら照明光の吸収によるマスクの熱変形量を演算する工程
と、得られたマスクの熱変形量から基板上のマスクパタ
ーン像の結像状態の変化量を演算する工程と、得られた
結像状態の変化量に基いて結像状態を補正する工程と、
上記補正した結像状態のマスクパターン像を感光基板上
に露光する工程と、を含む上記投影露光方法が提供され
る。

【０００９】上記投影露光方法において、投影光学系の
レンズＮＡが実際に露光する際の投影光学系のレンズＮ
Ａより大きくなり且つ照明系ＮＡが実際に露光する際の
照明系ＮＡよりも小さくなるように投影光学系及び照明
系を調整し、前記調整した投影光学系のレンズＮＡ及び
照明系ＮＡの下で、光源の照明光パワーＰＳ₀ 、マスク
位置での照明光の照射面積Ｓ₀ 及びマスクが存在しない
状態で投影光学系を透過した照明光の照明量ＰＭ₀ を測
定して、ＰＳ₀ 、Ｓ₀ 及びＰＭ₀ を予め記憶しておき、
露光の際に、上記調整した投影光学系のレンズＮＡ及び
照明系ＮＡの下で、光源の照明光パワーＰＳ₁ 、マスク
位置での照明光の照射面積Ｓ₁ 及びマスクが存在する状
態で投影光学系を透過した照明光の照明量ＰＭ₁ を測定
し、ＰＳ₁ 、Ｓ₁ 及びＰＭ₁ 並びに前記記憶したＰ
Ｓ₀ 、Ｓ₀ 及びＰＭ₀ を下記式：

【数３】 η＝１−（ＰＭ₁ ／ＰＭ₀ ）×（Ｓ₀ ／Ｓ₁ ）×（ＰＳ₀ ／ＰＳ₁ ） ・・・（１） に代入してマスクのパターン存在率ηを求めることが好
ましい。

【００１０】また、本発明の投影露光方法において、マ
スクのパターンを感光基板上に投影露光する前に、投影
光学系のレンズＮＡが実際に露光する際の投影光学系の
レンズＮＡより大きく且つ照明系ＮＡが実際に露光する
際の照明系ＮＡよりも小さくなるように投影光学系及び
照明系を調整し、マスクが存在する状態及びマスクが存
在しない状態で、それぞれ、投影光学系を透過した照明
光の照明量ＰＭ₀ 及びＰＭ₁ を測定し、ＰＭ₀ 及びＰＭ
₁ を下記式：

【数４】 η＝１−（ＰＭ₁ ／ＰＭ₀ ） ・・・（２） に代入することにマスクのパターン存在率ηを求めるこ
とも好ましい。

【００１１】本発明の投影露光方法において、マスクか
らの回折光のうち±２次回折光が投影光学系を透過でき
るように投影光学系のレンズＮＡと照明系のＮＡを調整
するのが好ましい。

【００１２】本発明の投影露光方法において、投影光学
系のレンズＮＡ及び照明系ＮＡを調整するために、それ
ぞれ、投影光学系のレンズ絞り及び照明系の照明光絞り
を用いることが好ましい。

【００１３】本発明の投影露光方法において、結像状態
を補正する方法として、投影光学系のレンズ位置の調
整、投影光学系の空気室の圧力調整、若しくはマスク位
置調整のいずれかまたはそれらの組み合わせが好まし
い。

【００１４】本発明の第２態様に従えば、パターンが形
成されたマスクを照明し、投影光学系により該マスクパ
ターンを被投影基板上に結像させる方法であって、マス
クのパターン存在率を、該マスクパターンの結像に使わ
れる投影光学系のレンズＮＡより大きいレンズＮＡ及び
該マスクパターンの結像に使われる照明系ＮＡよりも小
さい照明系ＮＡの下で求める工程と、得られたマスクの
パターンの存在率から照明光の吸収によるマスクの熱変
形量を演算する工程と、得られたマスクの熱変形量から
基板上のマスクパターン像の結像状態の変化量を演算す
る工程と、得られた結像状態の変化量に基いて結像状態
を補正する工程と、を含む上記結像方法が提供される。

【００１５】

【作用】本発明の投影露光方法では、レチクルパターン
存在率を算出する際に、投影光学系及び照明系のＮＡ
を、実際に露光する際の投影光学系のレンズＮＡより大
きいレンズＮＡ及び実際に露光する際に照明系の最適な
ＮＡ（σ値）よりも小さい照明系ＮＡの下で求める。投
影光学系のＮＡは、レチクル側のＮＡを、照明系のＮＡ
はレチクル側のＮＡを調整する。これによって、パター
ンから回折光のうち露光の際に投影光学系により照射量
モニターに到達できなくなる回折光を最小にして、実際
にパターンを通過した光量にかなり近い光量をウエハ位
置で測定することができる。こうして得られたパターン
存在率を用いて、レチクルの熱変形による基板上のパタ
ーン像を一層有効に補正することができる。

【００１６】本発明の投影露光方法において、パターン
存在率を算出する際に用いられる投影露光系のレチクル
側のＮＡとしては、通常の露光におけるＮＡよりも大き
くする。具体的には投影光学系の可変開口絞りの開口を
最大とすることが好ましい。また、照明系のレチクル側
のＮＡとしては、レボルバ等を用いて通常使用するＮＡ
よりも小さくする。但し、あまり小さくすると照射量モ
ニタで測定する信号が小さくなりすぎて測定精度が悪化
してしまうので、照射量モニタの信号強度と測定精度か
ら適宜選択することが好ましい。また、投影光学系及び
照明系のＮＡの組み合わせとして、パターンからの回折
光のうち±２次の回折光が照射光モニターで検出できる
程度に調整することもできる。

【００１７】以下、本発明の実施例を図面を参照しなが
ら説明するが、本発明はそれらに限定されるものではな
い。

【００１８】

【実施例】図１に本発明の投影露光方法に用いられる投
影露光装置の一具体例を示す。図１に示した投影露光装
置は、レチクル上に形成されたパターン像をステップア
ンドリピート方式により投影光学系を介してウエハのシ
ョット領域に投影する装置であり、主に、光源１を含む
照明系、レチクルステージＲＳを含むレチクル調整機
構、レチクルに形成されたパターン像をウエハ上に投影
する投影光学系ＰＬ、ウエハステージを含むウエハ移動
機構及び制御系から構成されている。

【００１９】照明系は、光源であるエキシマレーザ１、
照明光の光路の開閉を行うシャッター２、オプチカルイ
ンテグレータ（フライアイレンズ）等を含む照明光学系
６、照明光絞りを含むレボルバ７０、照明光の照明フィ
ールドを制限する可変ブラインド１０を含む。シャッタ
ー２は、駆動部３により制御されてエキシマレーザ１か
ら射出された照明光ＩＬを透過または遮光させる。シャ
ッター２の後方の光路上には半透過鏡４が配置され、半
透過鏡４からの反射光を光電検出器（パワーモニタ）５
に入射させる。パワーモニター５はＰＩＮフォトダイオ
ードから構成され、照明光ＩＬを光電検出して光情報
（強度値）ＰＳを後述する主制御系２０に出力する。光
情報ＰＳ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。半透過鏡４の後方の光路上
には照明光学系６が設置され、ここで照明光ＩＬの光束
の一様化、スペックルの低減化等が行われる。

【００２０】図２にレボルバ７０の上面図を示す。この
レボルバ７０中には４つパターンの照明系絞り２０１が
形成されており、主制御系２０の信号を受けて駆動部７
５により回転していずかれの照明系絞りが選択される。
照明光ＩＬの光路上、レボルバ７０の後方に、可変ブラ
インド１０を介在させてリレーレンズ９ａ，９ｂ組が設
置されている。可変ブラインド１０の面はレチクルＲと
共役関係にあり、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。レボルバ７０とリレーレンズ９
ａ，９ｂの間に設置された半透過鏡７の後方には反射量
モニタ８が設置されている。照明光ＩＬの照射によりウ
エハＷから発生する反射光はミラー７を通過して反射量
モニタ８に入射する。反射量モニタ８は反射光を光電検
出して光情報（強度値）ＲＳを主制御系２０に出力す
る。情報ＲＳは投影光学系ＰＬの結像特性の変動量を求
めるためのデータとして使われる。

【００２１】レチクル調整機構は、主に、レチクルステ
ージＲＳ、レチクルホルダ１４０等により構成されてい
る。レチクルＲはレチクルホルダ１４０により保持さ
れ、ホルダ１４０は伸縮可能な複数の駆動素子１２９に
よってレチクルステージＲＳ上に載置されている。駆動
素子１２９の各伸縮量を制御することによってレチクル
Ｒを光軸方向に平行移動させるともに、光軸と垂直な面
に対し任意方向に傾斜させることが可能となっている。
これにより後述する糸巻き型や樽型のディストーション
を補正することができる。レチクルステージＲＳは、レ
チクルＲを水平面内で２次元移動する。レチクルＲがレ
チクルステージＲＳに載置された後、レチクルのパター
ン領域ＰＡの中心点が光軸ＡＸと一致するように位置決
めが行なわれる。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（図示しない）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は図示しないレチクル交換器により
適宜交換されて使用される。

【００２２】投影光学系ＰＬは、両側テレセントリック
な光学配置になるように、共通の光軸を有する複数枚の
レンズ群から構成されている。レンズ群のうち、レチク
ルステージＲＳに近い側の４枚のレンズ群は、それぞれ
のレンズ支持部材３２，３４，３６間に伸縮可能な駆動
素子３８（ａ，ｂ，ｃ），３９（ａ，ｂ，ｃ），４０
（ａ，ｂ，ｃ）を備え、レンズ間隔を変更することによ
り後述する結像状態を補正手段として機能する。投影光
学系ＰＬの瞳位置には可変開口絞り１３２が設置されて
おり、開口絞り１３２は主制御系２０からの信号を受け
て駆動部１３３を介して投影光学系のレンズＮＡを適宜
調節することができる。投影光学系ＰＬはレチクルＲの
回路パターンの投影像を、その表面が結像面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結像する。

【００２３】次に、ウエハ移動機構について説明する。
投影光学系の下方には、駆動モータ１７により光軸方向
（Ｚ方向）に微動可能なＺステージ１４が設置されてい
る。さらにＺステージ１４は、駆動モータ１８により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０．０１μｍ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
うに設けられている。照射量モニタ１６からの照射量に
関する情報ＬＳは主制御系２０に送られ、投影光学系Ｐ
Ｌの結像特性の変動量を求めるための基礎データとな
る。照射量モニタ１６としては、例えば、投影光学系Ｐ
Ｌのイメージフィールドもしく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検出器を用
いることができる。

【００２４】また、第１図中には投影光学系ＰＬの結像
面ＩＭに向けてピンホールまたはスリットの像を形成す
るための結像光束もしくは平行光束を、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
光束もしく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とからなる斜入射方式の面検出系
２２が設けられている。ここで、面検出系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。

【００２５】制御系は、図１中、主制御系２０及びメモ
リ２１から主に構成される。主制御系２０は、投影露光
操作が的確に行われるように、レチクルＲとウエハＷの
位置合わせ、ウエハＷのステッピング、シャッター２に
よる露光タイミング等の統括して制御する。また、主制
御系２０は、結像状態を補正するために、パワーモニタ
５、反射量モニタ８、照射量モニタ１６により情報を得
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ともに、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。メモリ２１は、露光光
吸収によるマスクの熱変形量を算出するために必要な種
々のデータ、例えば、初期状態での照射量、レチクル照
射面積、レチクルの遮光部材の種類やパターンの密度分
布等を記憶する。また、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もしくはテーブル等も格納
されている。

【００２６】次に、結像状態を補正するための補正機構
について説明する。本実施例においては、投影光学系Ｐ
Ｌのレンズエレメントを光軸方向に移動させることによ
り、結像特性（投影倍率、ディストーション等）を補正
する。第１図に示すように、レチクルＲに最も近い第２
群のレンズエレメント３０，３１は支持部材３２により
固定されるとともに、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、さらに第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３５により下部のレンズエレメントは
それぞれ投影光学系ＰＬの鏡筒部３７に固定されてい
る。図１中、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３５の光軸を指
す。支持部材３６は伸縮可能な駆動素子４０ａ，４０
ｂ，４０ｃによって投影光学系ＰＬの鏡筒部と連結され
ている。また、支持部材３４は伸縮可能な駆動素子３９
ａ，３９ｂ，３９ｃによって支持部材３６に連結される
とともに、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。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３０，３１，３３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やすいものを選択してある。
また、本実施例では移動可能なレンズエレメントを第３
群構成としているため、他の諸収差の変動を押さえつつ
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、露光光吸収によるレチクルＲの熱変形に
応じて生じる投影光学系ＰＬの結像特性の変動に十分対
応できる。

【００２７】第３図は投影光学系ＰＬをレクチル側から
見た図であって、駆動素子３８ａ〜３８ｃはそれぞれ１
２０°ずつ回転した位置に配置され、駆動素子制御部２
３により独立制御可能となっている。また、駆動素子３
９ａ〜３９ｃ及び４０ａ〜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２
３により独立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３８ｂ，３９ｂ及び４０ｂと３８ｃ，３
９ｃ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、磁歪素子を用い得る。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
おき、それらの関係に基づいて駆動を素子を調整する。
上記の駆動素子によって、３群のレンズエレメント（３
０，３１），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。３群
のレンズエレメント（３０，３１），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
とともに、光軸ＡＸとほぼ垂直な平面に対して任意に傾
斜させることもできる。

【００２８】上記のような構成を備えた投影露光装置に
おいて、エキシマレーザ１から照射された照明光ＩＬ
は、シャッター２により変調されて、半透過鏡４を通過
した後に、照明光学系６に向かう。照明光ＩＬは照明光
学系６を通過することによって光束が一様になり、レボ
ルバ７０に向かう。照明光ＩＬは、レボルバ７０の照明
系絞り２０１により照明光の照明フィールドが制限され
た後に、ミラー７で反射されてリレーレンズ９ａ，９ｂ
及び可変ブラインド１０に入射する。照明光ＩＬは、そ
こでレチクルＲの照明視野が制限された後、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１
３に至り、次いで、レチクルＲのパターン領域ＰＡを均
一な照度で照明する。レチクルのパターン領域ＰＡを通
過した照明光ＩＬは、投影光学系ＰＬに入射する。投影
光学系ＰＬの可変開口絞り１３２により投影光学系ＰＬ
を通過する光束が制限される。投影光学系ＰＬを透過し
た光束は、ウエハＷ上の一つのショット領域に集光し
て、レチクルＲの回路パターン像をその領域上に結像す
る。結像状態は後述する方法でレチクルＲの熱変形量に
基づいて補正されている。

【００２９】上記の投影露光装置を用いた本発明の投影
露光方法について以下に説明する。本発明の投影露光方
法に従えば、最初に、レチクルの熱変形による像の変形
量を算出するためにレチクルのパターン存在率ηを求め
る。上記投影露光装置において、Ｚステージ１４を移動
させて照射量モニタ１６を投影光学系ＰＬのほぼ中心部
に送り込み、ウエハＷ上に照射される露光光の全てを受
光して光電検出できるようにする。次いで、投影光学系
ＰＬの開口絞り１３２を調節して、投影光学系ＰＬのＮ
Ａを実際にレチクルＲをウエハＷに投影露光する場合の
投影光学系ＰＬのＮＡよりも大きくする。具体的には投
影光学系ＰＬがとり得る最大のＮＡに設定すればよく、
ＮＡを０．６３前後となるように投影光学系ＰＬの開口
絞り１３２を調節する。また、レボルバ７５を調節して
照明系のＮＡ、特に照明系のレチクル側のＮＡを実際に
レチクルＲをウエハＷに投影露光する場合に使われる照
明系のＮＡよりもできるだけ小さくする。具体的には、
照明系のＮＡを０．２〜０．２３とする。もちろん、投
影光学系、照明系ともに上記ＮＡに限定されるわけでな
く、例えば、レチクルに描かれたパターンからの回折光
の±２次光が照射量モニターに到達するようにＮＡを選
択してもよい。

【００３０】投影光学系ＰＬ及び照明系のＮＡを上記の
ように調整した後に、レチクルＲは設置せずに、レチク
ルステージＲＳ及び投影光学系を通過してきた光量を照
射量モニタ１６で測定する。この光量をＰＭ₀ とする。
この際、パワーモニタ５の出力ＰＳ₀ を測定する。ま
た、レチクルの照射面積Ｓ₀ をレチクルと共役関係にあ
る可変ブラインド１０の面積から算出しておく。これら
の値ＰＭ₀ 、ＰＳ₀ 及びＳ₀ をレリクルがない状態の基
準値としてメモリ２１に格納しておく。次に、露光操作
の前に、投影露光に使用されるレチクルＲをレチクルス
テージＲＳ上に設置し、可変ブラインド１０等を露光に
必要な条件にセットする。ただし、投影光学系ＰＬの開
口絞り１３２及びレボルバ７０を、それぞれ、最初に設
定した投影光学系ＰＬのＮＡ及び照明系のＮＡになるよ
うに調整する。次いで、照明光をレチクルＲに照射して
透過光の光量ＰＭ₁ を照射量モニタ１６で測定するとと
もに、このときのパワーモニタ５の出力ＰＳ₁ 及びレチ
クルＲの照射面積Ｓ₁ を測定する。これらのＰＭ₁ 、Ｐ
Ｓ₁ 及びＳ₁ と先に記憶させておいたＰＭ₀ 、ＰＳ₀及
びＳ₀ を次式に代入してパターン存在率ηを算出する。

【００３１】

【数５】 η＝１−（ＰＭ₁ ／ＰＭ₀ ）×（Ｓ₀ ／Ｓ₁ ）×（ＰＳ₀ ／ＰＳ₁ ） ・・・（１）

【００３２】上記式（１）は、パターン存在率、すなわ
ち、レチクルＲを透過する光の透過率を、ＰＭ₀ 測定時
とＰＭ₁ 測定時の光源の光量変動分及び照明フィールド
の大きさの変動分により修正して求めた式である。

【００３３】また、パターン存在率の別の測定方法とし
て次のような方法を採用することもできる。露光操作を
行う直前に、可変ブラインド１０をプロセス用に設定し
た後に、レチクルＲを設置した場合と設置しない場合に
おいて、それぞれ、照射量モニター１６により照射量Ｐ
Ｍ₁ 及びＰＭ₀ を測定し、下記式に代入することによっ
てパターン存在率ηを算出する。

【００３４】

【数６】 η＝１−（ＰＭ₁ ／ＰＭ₀ ） ・・・・（２）

【００３５】この方法はで前記式（１）のパターン存在
率ηを求める場合に比べて露光操作毎にレチクルのない
状態でＰＭ₀ を測定しなければならないため、スループ
ットは式（１）の算出法に比べて低下するが、レチクル
照射面積及び光源の照射パワーがレチクルのある状態と
ない状態とで同一になるために一層高精度のηを求める
ことができる。

【００３６】上記のようにして求めたパターン存在率η
からレチクルＲが熱を吸収することによって生じる熱変
形量を計算する。レチクルＲが照明光により得ることに
なる熱量ΔＱは、ΔＱ＝ｋ_P ηＰで表すことができる。
ここで、Ｐはレチクルを照射する照明光のパワーであ
り、パワーモニタ５の出力に対応する。ηはパターン存
在率であり、ｋ_P は、レチクルＲの遮光部及びガラス部
の熱吸収率で表されるパラメータである。ここで、レチ
クルＲの遮光部を構成するクロムの熱吸収率は、クロム
の反射率から以下のようにして推定できる。投影光学系
ＰＬがウエハＷからの反射光によって受ける影響を補正
するために反射量モニタ８を用いる。まず投影光学系の
下に既知の反射率を持つ面を用意し、そのときの反射量
モニタ８の出力と、予め求めておいたレチクルＲのパタ
ーン存在率ηと、他のレンズ部材等の反射率成分より、
レチクル面からの反射率成分を求めて反射率を計算する
ことができる。かかる反射率から（１−レチクル面反射
率）によりクロムの熱吸収率を推定できる。いずれにし
てもｋ_P はクロム及びガラスの物性値や上記推定値から
求めることができる。それゆえ、ｋ_P と上記算出された
ηからレチクルＲの吸熱量ΔＱ＝ｋ_P ηＰは求められ
る。一方、照明光により加熱されたレチクルＲが周囲へ
熱を逃がすことを考慮すると、以下のようにしてレチク
ルの温度上昇を計算できる。逃げる熱量は、基本的には
レチクルＲと周囲雰囲気の温度差に比例する。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。周囲雰囲気として空気及びレチクルＲを保持する
レチクルホルダ１４０を考慮すると、レチクルＲの熱量
の移動に伴う温度変化の変化率は下記式のようになる。

【００３７】

【数７】 ｄＴ₁ ／ｄｔ＝ｋ₂ （Ｔ_H −Ｔ₁ ）＋ｋ₀ （Ｔ₀ −Ｔ₁ ）＋ｋ_P ηＰ ・・・・（３）

【００３８】式中、Ｔ₁ はレチクルの温度、Ｔ_H はレチ
クルホルダの温度、Ｔ₀ は空気温度であり、ｋ₂ はレチ
クルホルダとレチクルの熱のやりとりの係数、ｋ₀ はレ
チクルと空気との熱のやりとりの係数である。ここでＴ
_H 、Ｔ₀ は一定であり、Ｔ_H＝Ｔ₀ であるとし、レチク
ル温度をＴ₀ ＋ΔＴ₁ であらわすと上式は次のようにな
る。

【００３９】

【数８】 ｄΔＴ₁ ／ｄｔ＝（ｋ₂ ＋ｋ₀ ）（−ΔＴ₁ ）＋ｋ_P ηＰ ・・・（４）

【００４０】式中、ｋ₀ 、ｋ₂ 及びｋ_P は、レチクルホ
ルダ、レチクル及び空気の物性及び空気流量等から計算
で求めることができる。上の式に、前記求めたｋ_P ηＰ
の値を代入すると、ΔＴ₁ に関する一階微分方程式にな
り、数値解法によって解くことが可能である。あるいは
計算周期に合わせた差分法として解いてもよい。以上の
ようにしてΔＴ₁ を求めることができる。こうして得ら
れたΔＴ₁ とガラスの熱膨張係数から、レチクルの膨張
量すなわち熱変形量を計算によって求めることができ
る。

【００４１】上記実施例では、レチクルＲの熱伝導性が
均一であり、一部のみにパターンがある場合あるいは一
部のみに光が照射される場合でもレチクルＲが一様に膨
張すると仮定して熱変形量を算出したが、特開平４−１
９２３１７号に記載のように、レチクル面を複数のブロ
ックに分割して各ブロック毎にηを算出し、周囲温度に
対する温度差の分布を求めることによってブロックを単
位として熱変形量を求めて結像状態を補正することもで
きる。

【００４２】上記のようにして求められたレチクル熱変
形量に投影光学系の倍率を乗算することによって結像状
態の変化量を求めることができる。

【００４３】次に、上記のように求められた結像状態の
変化量から結像状態を補正する方法について説明する。
レチクルパターンの結像状態を補正する方法は、特開平
４−１９２３１７号、特開平６−４５２１７号等に開示
されており、それらを参照することができる。ここでは
説明を簡単にするため、レチクルの熱変形による結像状
態の変化を投影露光系ＰＬに組み込まれたレンズエレメ
ント駆動素子３８〜４０により倍率を変化させる場合と
レチクルステージＲＳに組み込まれた駆動素子１２９に
よりディストーションを補正する例を示す。一般に、投
影露光系ＰＬのレンズエレメント３０または３１を光軸
方向に移動した場合には、光軸を中心として倍率が変化
する。従って、予めレンズエレメント３０または３１の
光軸方向に種々の量で移動させて倍率の変動量を求め、
その関係をテーブルとしてメモリ２１に記憶させてお
く。そして、露光を行う前に、前記式等によりパターン
存在率ηから算出された結像状態の変形量、すなわち、
倍率の変化に相当するレンズエレメントの必要な移動量
をメモリ２１から求める。そして制御系２１を通じてそ
の移動量に相当する電圧を駆動素子３８ａ等に印加して
レンズエレメント３０または３１を移動させることがで
きる。

【００４４】次に、レチクルステージＲＳに組み込まれ
た駆動素子１２９によりディストーションを補正する場
合について説明する。図４に拡大倍率の変化と投影光学
系を介して結像されたパターン像の像高との関係を示
す。図中、ａはレチクルを光軸方向において所定位置よ
り投影光学系側に移動した場合の倍率の変化と像高との
関係を示し、ｂはレチクルを光軸方向において所定位置
より照明系側に移動した場合の倍率の変化と像高との関
係を示す。図４からわかるように、倍率の変化量と像高
との関係は厳密には線形にならず上方又は下方に湾曲し
た曲線になり（樽型または糸巻型ディストーション）、
中間像高が中心の像高または周辺部の像高と異なってい
る。これは投影光学系が前述のように両側テレセントリ
ック系になるように構成されてはいるが、中間の像高す
なわち、投影レンズの中心と外縁部との中間部分を通過
する照明光の主光線がレチクル側で若干傾いているため
に生じる現象である。従って、像全体の倍率は変化しな
いが、中間像の倍率が異なるためにディストーションと
なる。このディストーションの変化量ΔＤはレチクルの
移動量ｘ_R に比例する。すなわち、ΔＤ＝Ｃ_R ｘ_R で表
すことができる。Ｃ_Rはディストーションの変化量ΔＤ
のレチクルの光軸ＡＸ方向の移動量ｘ_R に対する変化率
である。このディストーションを補正するために、予め
実験を行ってレチクルＲの移動量とディストーションの
変化量ΔＤとの関係を求めて、その関係をテーブルとし
てメモリ２１に記憶しておく。ΔＤの求め方は、レチク
ルの熱膨張による結像状態の変化量とそのときのディス
トーション変化量ΔＤとの関係を実験により求めてお
く。特開平６−３４９７０３号に示されているようにレ
チクル内の温度分布を直接赤外線サーモビュア等で測定
してディストーション変化量ΔＤを計算する方法でもよ
い。露光時は使用しているレチクルで求めたパターン存
在率ηから求められたレチクルの熱膨張による結像状態
の変化量の値からディストーション変化量ΔＤを求め、
ΔＤからレチクル位置の必要な移動量を先にメモリ２１
に記憶したレチクルの移動量ｘ_R とディストーション変
化量ΔＤとの関係から求める。この移動量に相当する電
圧を主制御系２１を通じて駆動素子１２９に印加してレ
チクルを光軸方向に移動することによってディストーシ
ョンを補正することができる。

【００４５】特開平４−１９２３１７号に示されている
４×４で温度分布を計算しレチクルの熱膨張を求める方
法を用いて、レチクル内の各像高と熱膨張率からディス
トーション変化量ΔＤを求める方法を用いてもよい。

【００４６】本発明では、レチクルＲの熱変形による結
像状態を補正しているが、実際には投影光学系ＰＬその
ものも照明光を吸収して結像状態が変化する。純粋にレ
チクルＲのみの熱変形を測定するには以下のような操作
を行うことができる。まず、レチクルＲも投影光学系Ｐ
Ｌも十分に外部の温度と平衡状態になったところでウエ
ハＷにレチクルＲの像を露光し、その後、レチクルＲと
投影光学系ＰＬの間に遮光物をいれ、一定時間シャッタ
ー２を開いて照明光を照射する。次に遮光物を取り除き
再びウエハＷにレチクルＲの像を露光し、最初に露光し
た像と比較すればレチクルＲの熱変形による結像状態の
変化量を知ることができる。

【００４７】上記のような方法で投影光学系及びレチク
ル位置を調整することにより結像状態を補正した後に、
ステップアンドリピート方式等により投影露光を行う。
投影露光方式は、ステップアンドリピート方式に限ら
ず、ステップアンドスキャン方式等、投影光学系が用い
られる露光方式ならばいずれの方式でもよい。

【００４８】本実施例で示したような方法で結像状態を
補正する際に、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のが好ましいが、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
こともできる。

【００４９】本実施例では、結像状態を補正するため
に、投影光学系のレンズエレメント間の間隔及びレチク
ルの光軸方向の位置を調整したが、例えば、特開昭６０
−２８６１３号（特公平６−９７３０１号）に記載され
たような投影光学系の内部（レンズ素子間）に気密空間
を設けその圧力を調整する方法、平行平板ガラスを投影
光学系９の上方または下方に設置し内部をコントロール
することによりガラスをたわませる方法等があり、いず
れの方法を用いてもよい。

【００５０】図１に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ても
よい。それにより、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。

【００５１】

【発明の効果】本発明の投影露光方法によると、レチク
ルのパターン存在率を従来よりも一層正確に求めること
ができ、パターン存在率から結像状態の変動を一層高精
度に補正することができる。従って、マスクの熱変形に
基づく像倍率の変化やディストーションが解消されたマ
スクパターン像を感光基板上に投影露光することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影露光方法に使用される投影露光装
置の一具体例の全体図である。

【図２】投影露光装置に装着されたレボルバの上面図で
ある。

【図３】本発明の投影露光方法に使用される投影露光装
置の投影光学系を上方から見た図である。

【図４】投影光学系における倍率の変化と像高の関係を
示す図である。

【符号の説明】

１ 光源 ５ パワーモニタ ８ 反射量モニタ １０ 可変ブラインド １３ コンデンサレンズ １６ 照射量モニタ ２０ 主制御系 ２１ メモリ ３８ 駆動素子 ７０ レボルバ １３２ 可変開口絞り １４０ レチクルホルダ Ｒ レチクル ＲＳ レチクルステージ ＰＬ 投影光学系

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パターンが形成されたマスクを照明し、
   投影光学系により該マスクパターンを感光基板上に投影
   することによって感光基板を露光する方法であって、 マスクのパターン存在率を、該マスクを用いて実際に露
   光する際の投影光学系のレンズＮＡより大きいレンズＮ
   Ａ及び実際に露光する際の照明系ＮＡよりも小さい照明
   系ＮＡの下で求める工程と、 得られたマスクのパターンの存在率から照明光の吸収に
   よるマスクの熱変形量を演算する工程と、 得られたマスクの熱変形量から基板上のマスクパターン
   像の結像状態の変化量を演算する工程と、 得られた結像状態の変化量に基いて結像状態を補正する
   工程と、 上記補正した結像状態のマスクパターン像を感光基板上
   に露光する工程と、を含む上記投影露光方法。
2. 【請求項２】 投影光学系のレンズＮＡが実際に露光す
   る際の投影光学系のレンズＮＡより大きくなり且つ照明
   系ＮＡが実際に露光する際の照明系ＮＡよりも小さくな
   るように投影光学系及び照明系を調整し、 前記調整した投影光学系のレンズＮＡ及び照明系ＮＡの
   下で、光源の照明光パワーＰＳ₀ 、マスク位置での照明
   光の照射面積Ｓ₀ 及びマスクが存在しない状態で投影光
   学系を透過した照明光の照明量ＰＭ₀ を測定して、ＰＳ
   ₀ 、Ｓ₀ 及びＰＭ₀ を予め記憶しておき、 露光の際に、上記調整した投影光学系のレンズＮＡ及び
   照明系ＮＡの下で、光源の照明光パワーＰＳ₁ 、マスク
   位置での照明光の照射面積Ｓ₁ 及びマスクが存在する状
   態で投影光学系を透過した照明光の照明量ＰＭ₁ を測定
   し、 ＰＳ₁ 、Ｓ₁ 及びＰＭ₁ 並びに前記記憶したＰＳ₀ 、Ｓ
   ₀ 及びＰＭ₀ を下記式： 【数１】 η＝１−（ＰＭ₁ ／ＰＭ₀ ）×（Ｓ₀ ／Ｓ₁ ）×（ＰＳ₀ ／ＰＳ₁ ） ・・・（１） に代入してマスクのパターン存在率ηを求めることを特
   徴とする請求項１の投影露光方法。
3. 【請求項３】 マスクのパターンを感光基板上に投影露
   光する前に、投影光学系のレンズＮＡが実際に露光する
   際の投影光学系のレンズＮＡより大きく且つ照明系ＮＡ
   が実際に露光する際の照明系ＮＡよりも小さくなるよう
   に投影光学系及び照明系を調整し、 マスクが存在する状態及びマスクが存在しない状態で、
   それぞれ、投影光学系を透過した照明光の照明量ＰＭ₀
   及びＰＭ₁ を測定し、 ＰＭ₀ 及びＰＭ₁ を下記式： 【数２】 η＝１−（ＰＭ₁ ／ＰＭ₀ ） ・・・（２） に代入することによりマスクのパターン存在率ηを求め
   ることを特徴とする請求項１の投影露光方法。
4. 【請求項４】 マスクからの回折光のうち±２次回折光
   が投影光学系を透過できるように投影光学系のレンズＮ
   Ａと照明系のＮＡを調整する請求項１から３のいずれか
   一項の投影露光方法。
5. 【請求項５】 投影光学系のレンズＮＡ及び照明系ＮＡ
   を、それぞれ、投影光学系のレンズ絞り及び照明系の照
   明光絞りを用いて調整する請求項１から４のいずれか一
   項の投影露光方法。
6. 【請求項６】 投影光学系のレンズ位置、投影光学系の
   空気室の圧力及びマスク位置の少なくとも一つを調整す
   ることによって結像状態を補正する請求項１から５のい
   ずれか一項の投影露光方法。
7. 【請求項７】 パターンが形成されたマスクを照明し、
   投影光学系により該マスクパターンを被投影基板上に結
   像させる方法であって、 マスクのパターン存在率を、該マスクパターンの結像に
   使われる投影光学系のレンズＮＡより大きいレンズＮＡ
   及び該マスクパターンの結像に使われる照明系ＮＡより
   も小さい照明系ＮＡの下で求める工程と、 得られたマスクのパターンの存在率から照明光の吸収に
   よるマスクの熱変形量を演算する工程と、 得られたマスクの熱変形量から基板上のマスクパターン
   像の結像状態の変化量を演算する工程と、 得られた結像状態の変化量に基いて結像状態を補正する
   工程と、 を含む上記結像方法。