JPH09237752A

JPH09237752A - 投影光学系の調整方法及び該方法を使用する投影露光装置

Info

Publication number: JPH09237752A
Application number: JP8044373A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Taniguchi; 哲夫谷口
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 1997-09-09
Also published as: US5945239A

Abstract

(57)【要約】【課題】投影露光装置に使用される投影光学系の像歪
みが投影光学系の光軸方向で直線的に変化しない場合に
おいても像歪みを最適に補正する。【解決手段】テストレチクルＴＲ上の予め位置が正確
に計測された複数の計測用マークを投影光学系ＰＬを介
して投影した空間像を基準板９を通して光電変換素子１
０で受光し、空間像の設計位置からの変位量を計測す
る。ウエハステージＷＳＴを駆動して投影光学系ＰＬの
光軸ＡＸ方向に基準板９を移動し、光軸方向の複数の位
置で同様の計測を行う。各計測用マークの変位量は光軸
方向における高さｚと、光軸ＡＸからのＸＹ平面での距
離、即ち像高ｈとの関数ｆ（ｈ，ｚ）となり、主制御系
１４はこの関数ｆ（ｈ，ｚ）のばらつきが最小になるよ
うに像歪み補正系１６を介してレチクルＲの駆動素子２
４ａ，２４ｂ、及び投影光学系ＰＬの駆動素子２３ａ，
２３ｂを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素
子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁
気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程で
マスク上のパターンを感光性の基板上に露光するために
使用される投影露光装置の投影光学系の調整方法及びそ
の方法を使用する投影露光装置に関し、特に投影光学系
の結像特性の補正機構を備えた投影露光装置に適用して
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば半導体素子や液晶表示
素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、
マスクとしてのレチクル上のパターンを投影光学系を介
して感光性の基板としてのウエハ（又はガラスプレー
ト）上に転写するステッパー等の投影露光装置が使用さ
れている。このような投影露光装置においては、レチク
ル上の微細なパターンの像を、前プロセスで形成された
ウエハ上のパターンに精度よく重ね合わせ露光する必要
があるため、パターンの像のウエハ上での結像位置の設
計値からのずれ、即ち、像歪み（ディストーション）
は、高度に調整されていなければならない。

【０００３】このため、投影露光装置の製造時には投影
光学系の像歪みを精度よく測定し、それに基づいて像歪
みの調整を行う必要がある。通常の場合、像歪みの測定
はテスト用のレチクル（以下、「テストレチクル」とい
う）のテストパターンをテストウエハ上に実際に露光し
て、その結像位置を測定することにより行われる。ま
た、近年ではレチクル又はテストレチクルのパターンの
像を直接光電センサに取り込み、露光及び現像等のプロ
セスを経ることなく測定する方法も用いられている。そ
して、従来は以上の方法によりある１つの焦点位置（ベ
ストフォーカス位置）における像歪みの量が測定された
後、例えば、投影光学系とレチクルとの間隔を調整する
方法、又は投影光学系の一部の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等の方法により像歪みを
補正していた。

【０００４】以上は、投影露光装置の製造時における調
整方法であったが、投影露光装置の長期変動、或いは大
気圧変化等の環境変化、更に、近年では超高解像技術の
ためのレチクルへの照明条件の変更等の各種の条件の変
化により像歪みは変化することが知られており、それら
の各種の条件に対応して常に像歪みを最適に補正する方
法も提案されている。例えば、予め各種の条件における
像歪みを測定、若しくは、計算により求めておき、条件
の変化に対応して調整する方法、あるいは、一定の周期
で又は条件が変化した場合に、光電センサによる測定を
行い、その測定結果に基づいて像歪みを補正する方法が
知られている。

【０００５】また、投影光学系は、通常少なくともウエ
ハ側がテレセントリックになるように設計されており、
ウエハの位置が投影光学系の光軸方向にずれても、投影
倍率が変化しないようになっている。これは、投影光学
系のウエハ側の主光線が投影光学系の光軸に平行になっ
ているためであり、テレセントリック性の傾き（以下、
「テレセン度」という）がある場合には、このテレセン
度も像歪みの場合と同様に測定し、常にこのテレセン度
が一定許容量以下となるように調整が行われている。こ
の場合、このテレセン度の測定方法としては、例えば光
軸方向の異なる複数の場所で投影光学系の倍率を測定し
て、その倍率の変化量から算出する方法がある。この算
出結果に基づいて、例えば、照明光学系の一部の光学素
子を調整してテレセントリック性の調整が行われてい
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来技術におい
ては、像歪みとテレセン度の調整とは全く独立して行わ
れていた。即ち、像歪みの調整に関しては、先ず投影光
学系の焦点位置を測定し、最も焦点が合っている光軸方
向の位置（ベストフォーカス位置）において、像歪みの
測定を行い、そのベストフォーカス位置における像歪み
を最も小さくするように投影光学系の調整を行ってい
た。また、テレセン度に関しては、像歪みの値とは無関
係に倍率等の計測値の光軸方向の差分だけを見て、その
計測値の差分が一定の許容範囲内になるように投影光学
系の調整を行っていた。

【０００７】この場合、ウエハの位置が光軸方向にずれ
たときに、ベストフォーカス位置で像歪みを調整してあ
ると、単純な主光線の傾きだけの影響であれば、結像位
置はベストフォーカス位置を中心に直線的に変化するの
で、像歪みはそのベストフォーカス位置の前後で丁度振
り分けになる。従って、実際のプロセス露光時に誤った
露光操作や、ウエハのプロセス段差等によりベストフォ
ーカス位置からずれたところで露光されても、そのずれ
はベストフォーカス位置を中心に分布すると考えられる
ため、結果的には像歪みが最適に調整されたことにな
る。

【０００８】しかしながら、近年露光対象であるパター
ンの線幅が微細化するにつれて、パターンの結像位置は
主光線の傾きだけではなく、投影光学系の収差（コマ収
差及び球面収差等）の影響を受けてウエハの焦点位置に
対して直線的には変化しない。場合によっては、ウエハ
が光軸方向にずれた場合、ウエハが光軸方向の上下のど
ちらにずれても同じ方向に結像位置がずれることもあ
る。従って、上述のように実際のプロセス露光時の焦点
位置のずれを考慮した場合、従来の像歪みの補正方法
は、最適な像歪みの調整方法とは言えない。即ち、結果
的にベストフォーカス位置を中心とする振り分けではな
くベストフォーカス位置から外れた位置、例えばウエハ
上のフォトレジスト層の段差の端に近い位置で露光が行
われることになり、像歪みが発生してしまうという不都
合がある。

【０００９】更に、近年では前述のように超高解像技術
のため、レチクルへの照明条件の変更を行うが、このと
き、投影光学系内で光線の光路がその照明条件により大
きく変化する。このため、投影光学系の収差及びテレセ
ン度を全ての条件で最適にするのは難しく、ウエハが光
軸方向にずれた場合の結像位置の変化量、及びその変化
量の直線性からのずれが照明条件によっては大きくな
り、像歪みが更に拡大する。

【００１０】また、前述のように近年では光電センサを
用いてレチクル上のパターンの空間像を検出することに
より像歪みの計測が行われている。テストウエハ上に実
際にレチクル上のパターンを露光して像歪みを直接測定
する場合は、ウエハ上の感光剤（レジスト）の厚さがあ
るため、ある程度光軸方向に平均化された像歪みが測定
されるが、光電センサの測定の場合、ある一平面での測
定となるため、像歪みの光軸方向の変化が正確に把握で
きないという不都合もある。

【００１１】更に、近年では焦点深度を増すため、光軸
方向に被露光基板をずらしながら露光する方法が知られ
ている。この方式では、デフォーカス状態でも露光され
るため、ベストフォーカス位置における像歪の調整だけ
では像歪が十分補正されないという不都合がある。本発
明は斯かる点に鑑み、投影光学系の像歪みの変化が投影
光学系の光軸の方向に対して直線的でない場合において
も、像歪みを最適に補正できる投影光学系の調整方法を
提供することを目的とする。更に、本発明はそのような
投影光学系の調整方法を使用する投影露光装置を提供す
ることをも目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の投影
光学系の調整方法は、マスク（Ｒ）上に形成された転写
用パターンの像を感光基板（Ｗ）上に投影するための投
影光学系（ＰＬ）の調整方法において、その投影光学系
（ＰＬ）の結像面に対してその投影光学系（ＰＬ）の光
軸（ＡＸ）方向にデフォーカスした計測面でのその投影
光学系（ＰＬ）による投影像に基づいてその投影光学系
（ＰＬ）を調整するものである。斯かる本発明の第１の
投影光学系の調整方法によれば、例えば感光基板（Ｗ）
が光軸（ＡＸ）方向にデフォーカスした場合に、実際の
デフォーカスした状態での投影像に基づいて投影光学系
（ＰＬ）を調整できるため、投影光学系（ＰＬ）の像歪
みの変化が光軸（ＡＸ）の方向に対して直線的でない場
合においても、像歪みを最適に補正できる。

【００１３】また、本発明による第２の投影光学系の調
整方法は、マスク（Ｒ）上に形成された転写用パターン
の像を感光基板（Ｗ）上に投影するための投影光学系
（ＰＬ）の調整方法において、その投影光学系（ＰＬ）
の光軸（ＡＸ）方向の複数の位置でそれぞれその投影光
学系（ＰＬ）の像歪み（ディストーション）を計測し、
この計測結果に基づいてその投影光学系（ＰＬ）を調整
するものである。斯かる本発明の第２の投影光学系の調
整方法によれば、投影光学系（ＰＬ）の像歪みを投影光
学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）方向の位置を変えて測定す
ることにより、投影光学系（ＰＬ）のテレセントリック
性を含めた像歪みの光軸（ＡＸ）方向の変化を知ること
ができる。これにより、最適な像歪みの補正ができる。

【００１４】この場合、その投影光学系（ＰＬ）の焦点
深度内でのその投影光学系（ＰＬ）の像歪みのばらつき
を最小にするように、その投影光学系（ＰＬ）の結像特
性を調整することが好ましい。ばらつきを最小にすると
は、例えばその焦点深度内の等間隔の複数の焦点位置に
おける各像高での像歪みの最大値、平均値、又は中間値
を最小にすることを意味する。これにより、投影光学系
（ＰＬ）の焦点深度内での像歪みが全体として最適に調
整される。

【００１５】また、本発明による投影露光装置は、露光
用の照明光（ＩＬ）のもとで、マスク（Ｒ）上の転写用
パターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して感光基板
（Ｗ）上に投影する投影露光装置において、その投影光
学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）方向の位置を変えてその投
影光学系（ＰＬ）の投影像を検出する像検出手段（９，
１０）と、この像検出手段の検出結果に基づいて、その
投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）方向の複数の位置で
のその投影光学系（ＰＬ）の像歪みを求める演算手段
（１４）と、この演算手段で求められる像歪みに基づい
てその投影光学系（ＰＬ）の結像特性を調整する結像特
性調整手段（１６，２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂ）
と、を有するものである。

【００１６】斯かる本発明の投影露光装置によれば、像
検出手段（９，１０）により検出された像位置に基づい
て演算手段（１４）により像歪みの光軸方向の変化量を
算出し、その結果に基づいて結像特性調整手段によっ
て、例えば像歪みのばらつきが最小になるように結像特
性を調整することで、本発明の第１及び第２の投影光学
系の調整方法を実施できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
につき図面を参照して説明する。本例はレチクル上のパ
ターンを投影光学系を介してウエハ上の各ショット領域
に一括露光するステッパー型の投影露光装置で、結像特
性を調整する場合に本発明を適用したものである。

【００１８】図１は、本例の投影露光装置の一部を切断
した概略構成を示し、この図１において、露光用の光源
１から射出された照明光ＩＬはレチクルＲ上での照度分
布を均一化するフライアイレンズ等の光学系を含む照度
分布均一化光学系２に入射する。照明光ＩＬとしては、
例えば超高圧水銀ランプの輝線であるｉ線やｇ線、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光等のエキ
シマレーザ光、あるいは、銅蒸気レーザやＹＡＧレーザ
の高調波等が用いられる。照明光ＩＬは照度分布均一化
光学系２を通過後、可変絞り３に入射する。可変絞り３
は、解像力を増すために、輪帯状照明、あるいは傾斜照
明等が可能な構成になっており、主制御系１４により不
図示の駆動系を介してそれらの照明の種類が変えられる
ようになっている。また、可変絞り３により照明系のＮ
Ａ（開口数）も変更できる。前述のように照明条件によ
り像歪みの状態が変化するので、本例においても考慮す
る必要がある。

【００１９】可変絞り３からの照明光ＩＬは、更に視野
絞り及びリレーレンズ等を含むリレー光学系４を通過し
た後、ダイクロイックミラー５により下方に曲げられ、
コンデンサレンズ７を介して回路パターン等が描かれた
レチクルＲを均一な照度分布で照明する。レチクルＲを
通過した照明光ＩＬは投影光学系ＰＬを介して、フォト
レジストが塗布されたウエハＷ上の各ショット領域に回
路パターン像を結像転写する。なお、図１では説明の都
合上ウエハＷ上では結像していない。投影光学系ＰＬの
瞳面（レチクルＲに対する光学的フーリエ変換面）に
は、主制御系１４により瞳フィルタ駆動系１７を介して
出入自在に構成された瞳フィルタ１８が挿入されてい
る。瞳フィルタ１８は、近年開発された高解像技術の１
つで、瞳面を通過する光線の一部を遮光することにより
解像度を上げるものであり、露光パターンの条件によ
り、必要な場合は瞳フィルタ駆動系１７を介して瞳面に
配置される。この瞳フィルタ１８によっても、像歪みの
状態が変化する。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂
直な平面上で図１の紙面に平行にＸ軸、図１の紙面に垂
直にＹ軸を取って説明する。

【００２０】露光時には、レチクルＲはレチクルホルダ
６上に真空吸着され、レチクルホルダ６は少なくとも２
個のピエゾ素子等からなる駆動素子（図１ではその内駆
動素子２４ａ，２４ｂを示す。以下、駆動素子２４ａ，
２４ｂにより代表させる）を介して２次元平面（ＸＹ平
面）を移動自在なレチクルステージＲＳＴ上に載置され
ている。レチクルステージＲＳＴは投影光学系の光軸Ａ
Ｘに垂直なＸＹ平面内で微動してレチクルＲを２次元的
に位置決めする。また、レチクルホルダ６は駆動素子２
４ａ，２４ｂにより光軸ＡＸ方向への移動及び傾斜可能
に構成されている。詳しくは後述する。レチクルステー
ジＲＳＴの位置は不図示の干渉計により精密に計測され
ており、その干渉計の計測値に基づいてレチクルステー
ジＲＳＴの位置が制御されている。

【００２１】一方、ウエハＷは、ウエハステージＷＳＴ
上のウエハホルダ１２に真空吸着されており、ウエハホ
ルダ１２の近傍のウエハステージＷＳＴ上には種々の基
準パターンが形成された基準板９が固定され、基準板９
の底面にフォトダイオード又はフォトマルチプライア等
よりなる光電変換素子１０が配置されている。ウエハス
テージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な平
面内（Ｘ，Ｙ方向）でウエハＷ及び基準板９を移動でき
るように構成されており、これにより、所謂ステップ・
アンド・リピート方式で露光を行う。また、ウエハステ
ージＷＳＴは光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）にもウエ
ハＷを微動でき、ウエハＷ表面のＺ方向の位置に基づ
き、通常は投影光学系ＰＬの像面とウエハＷ表面とが一
致するようにオートフォーカス制御が行われる。また、
ウエハステージＷＳＴはウエハＷの表面の傾斜角を制御
する機能も備えている。ウエハステージＷＳＴの端部に
は移動鏡１９が固定されており、外部の干渉計１１及び
移動鏡１９によりウエハステージＷＳＴのＸＹ方向の位
置が例えば１０ｎｍ以下の分解能で測定される。干渉計
１１の測定結果は主制御系１４に供給され、主制御系１
４はその測定結果に基づいてウエハステージＷＳＴを２
次元的に位置決めする。

【００２２】更に、ウエハステージＷＳＴの上方で投影
光学系ＰＬの下部側面側には、ウエハＷのＺ方向の位置
を検出するための送光光学系１２及び受光光学系１３か
らなる斜入射方式の焦点位置検出系（以下、「焦点位置
検出系１２，１３」という）が設けられている。ウエハ
ステージＷＳＴのＺ方向の位置は焦点位置検出系１２，
１３により１００ｎｍ以下の分解能で測定される。この
場合、送光光学系１２からは、ウエハＷ上のフォトレジ
ストを感光させない波長の光線がウエハＷ上に照射さ
れ、その反射光を受光光学系１３により受光している。
ウエハＷのＺ方向の変位は反射光の集光位置の位置ずれ
として検出され、その位置ずれ量に対応するフォーカス
信号が主制御系１４に供給される。主制御系１４は、そ
の検出値に基づいてウエハＷの表面がベストフォーカス
位置に来るようにウエハステージＷＳＴをＺ方向に駆動
する。また、焦点位置検出系１２，１３は、露光領域内
の複数の点を計測できるように構成されおり、その露光
領域内の複数の点における計測値からウエハＷの傾斜成
分も検出される。主制御系１４は、その計測結果に基づ
いて、ウエハステージＷＳＴの上面を傾斜させてウエハ
Ｗの表面を結像面（最適像面）に一致させる。通常、結
像面が零点基準となるようにフォーカス信号のキャリブ
レーションが行われ、受光光学系１３からの各フォーカ
ス信号が０になるようにオートフォーカス及びオートレ
ベリングが行われる。

【００２３】また、本例の投影露光装置には、投影光学
系ＰＬの像歪み（ディストーション）を測定するための
検出センサが設置されている。図１は投影光学系ＰＬの
露光フィールドの中心位置に検出センサが移動し、結像
特性の計測を行っている状態を示している。投影光学系
ＰＬの露光フィールド内に移動したウエハステージＷＳ
Ｔ上の基準板９は、ウエハＷとほぼ同じ高さに設置され
ている。後述するように、像歪みの測定時には図１のレ
チクルＲからテスト用のテストレチクルＴＲに交換し、
そのテストレチクルＴＲに照明光ＩＬが照射される。テ
ストレチクルＴＲには予め位置が正確に判っている複数
の計測用マーク（図１ではその内Ｘ方向計測用の１個の
計測マーク３１Ｘ_1,1を示す）がパターン領域内の複数
の位置に形成されている。計測用マーク３１Ｘ_1,1を透
過した照明光ＩＬは投影光学系ＰＬを介してウエハ側で
結像する。なお、テストレチクルＴＲ上の計測用マーク
の配置については後述する。

【００２４】図２（ａ）は、計測マーク３１Ｘ_1,1の結
像位置へマーク検出手段である微小な十字状のスリット
２６をもつ基準板９が配置された状態を示し、この図２
（ａ）において基準板９のほぼ中央部に十字状のスリッ
ト２６が、その周囲を遮光部２７により囲まれた状態で
形成されている。基準板９は石英ガラス等で作られ、ス
リット２６は基準板９上に蒸着した金属膜内に形成され
ている。スリット２６が計測用マーク３１Ｘ_1,1の投影
光学系ＰＬによる像（以下、「空間像」と呼ぶ）３１Ｒ
を横切るように図１のウエハステージＷＳＴを、矢印で
示すようにＸ方向に走査することにより、空間像３１Ｒ
からの結像光がスリット２６を透過して光電変換素子１
０に入射する。この場合、ウエハステージＷＳＴの位置
に対応して光電変換素子１０の出力が変化する。光電変
換素子１０の光電信号は、像歪み測定系１５に供給され
ると共に、その像歪み測定系１５を介して主制御系１４
にも供給されている。主制御系１５は像歪み測定系１５
から供給された光電信号に基づいて、投影光学系ＰＬの
像歪み等の結像特性を算出し、その結果に基づいて像歪
み補正系１６を介して投影光学系ＰＬの結像特性を補正
する。なお、投影光学系ＰＬの像歪みを測定する場合
は、主制御系１４から像歪み測定系１５に対して像歪み
を測定するよう指令が発せられる。

【００２５】図２（ｂ）は、光電変換素子１０の出力の
結果を表し、横軸はウエハステージＷＳＴの走査方向の
位置ｘ、縦軸は光電変換素子１０の出力値Ｉを表す。こ
の図２（ｂ）において、出力曲線３２の出力値Ｉが最大
になる位置ｘ₀を求めることによりテストレチクルＴＲ
の計測用マーク３１Ｘ_1,1の結像位置が測定できる。同
様な測定をテストレチクルＴＲの複数の計測用マークに
対して行えば、複数の計測用マークの結像位置が分か
り、複数の計測用マークの目標位置が予め分かっている
ため、それらの結像位置のずれ量より投影光学系ＰＬの
投影倍率及び像歪みを求めることができる。

【００２６】なお、本例ではＺ方向の複数の位置で同様
の測定を行うので、その場合には、基準板９のＺ方向の
位置を焦点位置検出系１２，１３により計測しながら、
ウエハステージＷＳＴをＺ方向に所定量ずつずらして、
各計測用マークの結像位置を測定すれば、Ｚ方向にずれ
た場合の像歪みを測定することができる。また、図２の
例はＸ方向の測定の例を示したが、Ｙ方向も同様に測定
できる。また、上述のように実プロセス用のレチクルＲ
をテストレチクルＴＲに交換することなく、実プロセス
用のレチクルＲでも、その周辺部に測定用パターン（計
測用マーク）を形成しておけば、ある程度の像歪みの測
定が可能である。このため、初期調整あるいはメンテナ
ンス以外にも、大気圧変化時、照明条件変更時等像歪み
が変化する可能性があるときにはいつでも実プロセス用
のレチクルＲを使用して、投影光学系ＰＬの像歪みを測
定することができる。

【００２７】なお、計測用マークの検出手段としては、
光電変換素子の他、従来技術で述べた通り、テスト用ウ
エハにテストレチクルＴＲ（レチクルＲ）のパターンを
実際に露光して投影光学系ＰＬの像歪みを測定してもよ
い。この場合も、焦点位置検出系１２，１３で計測しな
がら、ウエハステージＷＳＴを一定の間隔でＺ方向に所
定量ずつずらして、計測用マークの結像位置を測定すれ
ば、Ｚ方向にずれた場合の像歪みを測定することができ
る。また、光電変換素子を使用する方法も図２の方法に
限らず、例えば計測用マーク３１Ｘ_1,1の空間像３１Ｒ
を拡大してラインセンサ等で位置を計測する方法等を用
いてもよい。

【００２８】次に、像歪みの補正機構について説明す
る。先ず、前述のように、レチクルＲを載置するレチク
ルホルダ６とレチクルステージＲＳＴとの間には駆動素
子２４ａ，２４ｂが配置されており、これらの駆動素子
２４ａ，２４ｂによりレチクルＲは任意に光軸ＡＸ方向
の移動、及び傾斜が可能となっている。これにより、レ
チクルＲと投影光学系ＰＬとの相対位置関係が変化し、
それに伴って投影光学系ＰＬの像歪みも変化するため、
駆動素子２４ａ，２４ｂを駆動することにより投影光学
系ＰＬの所定の像歪みを補正することができる。

【００２９】更に、投影光学系ＰＬのレチクルＲに最も
近いレンズエレメント２０を支持する支持部材２２と、
レンズエレメント２０に最も近いレンズエレメント２１
を含むレンズエレメント群が固定された投影光学系ＰＬ
本体の鏡筒２５とは、伸縮自在の３個以上のピエゾ素子
等からなる駆動素子（図１ではその内２つの駆動素子２
３ａ，２３ｂを示す。以下、これらの２つの駆動素子２
３ａ，２３ｂにより代表させる）を介して接続してお
り、駆動素子２３ａ，２３ｂを駆動することにより、レ
ンズエレメント２０の光軸ＡＸ方向への移動及び傾斜が
任意に行えるように構成されている。これらの駆動素子
２３ａ，２３ｂを駆動することにより、支持部材２２に
固定されたレンズエレメント２０と、鏡筒２５に固定さ
れたレンズエレメント２１との相対位置が変化し、像歪
みが変化する。このレンズエレメント２０の駆動によ
り、像歪みのうちの倍率成分、台形成分、高次の曲り成
分（例えば、糸巻き型、樽型歪み）等を補正することが
できる。レチクルＲの駆動素子２３ａ，２３ｂ、及び投
影光学系ＰＬの駆動素子２４ａ，２４ｂは、共に像歪み
補正系１６により自動的に駆動される。なお、本例にお
いて投影光学系ＰＬの光軸ＡＸは、レンズエレメント２
１以下の投影光学系ＰＬの本体の光学系の光軸を指すも
のとする。

【００３０】この場合、駆動素子２３ａ，２３ｂ，２４
ａ，２４ｂの駆動量と像歪みの変化量との関係は、予め
実験、計算等で求められているので、像歪み補正系１６
は主制御系１４から供給された必要な変化量のデータに
基づいて駆動素子２３ａ，２３ｂ、及び駆動素子２４
ａ，２４ｂを駆動する。具体的には、駆動量と像歪みの
変化量との関係が分かっているので、例えば、現状の像
歪みを変化させて各点の複数の異なる焦点位置での最大
誤差を最小にする補正量を計算によって求める。これ
は、線形の最適化の問題であるので、一意的に解が求ま
る。また、補正後の像歪みが正しく補正されたかどうか
を確認するため、光電変換素子１０を使用して補正結果
を検証するようにしてもよい。なお、初期調整及びメン
テナンス時等には、駆動素子２３ａ，２３ｂ，２４ａ，
２４ｂの伸縮量をそれぞれオペレータが独立に設定でき
るようにしてもよい。また、補正機構も図１の方法に限
定されず、レンズエレメントを回転する方法、又はシフ
トする方法等適当な方法を使用することができる。

【００３１】次に、本例における像歪みの検出方法及び
補正方法について図３〜図６を参照して説明する。先
ず、図３（ａ）を参照して、現状の問題点を更に詳しく
説明する。図３（ａ）は、光軸ＡＸ方向における結像位
置の変化を示し、横軸は結像位置のＸ方向の変位量ｘ、
縦軸はＺ方向の位置（高さ）ｚを表す。この図３（ａ）
において、例えば、結像位置の変位が主光線の傾き（テ
レセン度）だけに起因するとした場合には、結像位置は
例えば一点鎖線で示す直線３４に沿って変化する。この
場合には、異なる２つの高さで結像位置を測定すればテ
レセン度が判明する。従って、ベストフォーカス位置で
変位量（像歪み）ｘが０（図３（ａ）ではグラフの原
点）となるように調整すれば、テレセン度の補正不可能
な残留分があっても、ベストフォーカス位置の高さｚを
０として、高さ−ΔＺ／２と高さΔＺ／２との間の実用
的焦点深度ΔＺ内で丁度振り分け（変位量ｘのばらつき
が０になる）となり、像歪みが最も少なくなる条件で調
整されたことになる。

【００３２】しかし、実際のＺ方向における結像位置は
曲線３３のように変化する。曲線３３は、ベストフォー
カス位置、及びその上下方向に等間隔なそれぞれ２つの
高さにおける計５つの実測点を結んだものであり、実際
に収差等がある場合の結像位置の変化の一例を示してい
る。この場合、焦点深度ΔＺ内において、変位量ｘはベ
ストフォーカス位置の上下の測定点において共に正方向
にずれ、その正方向のずれはベストフォーカス位置から
離れるに従って拡大している。このような場合に、例え
ば従来のテレセン度だけを調整するように、ベストフォ
ーカス位置で変位量が０になるように調整しても、結像
位置は全体として正方向にずれたままとなる。図３
（ａ）では、曲線３３の変位量は直線３４の変位量とあ
まり変化がないように示されているが、前述のように照
明条件が変更されたときに、変位量ｘが曲線３３の場合
より更に大きくなる場合もある。また、重ね合わせ精度
もパターンの線幅に応じて厳しくなっているため、曲線
３３で示すような変位量ｘは無視できない量となってい
る。更に、ウエハＷに段差があるような場合には、結像
位置のずれの影響は更に無視できないものとなる。

【００３３】図４は、ウエハＷに段差がある場合の一例
を示し、このような段差は、例えばＤＲＡＭのメモリー
部と周辺回路部との接合面で発生する。この図４におい
て、ウエハＷ上に露光が行われる場合、ベストフォーカ
ス位置ＭＦは段差Ｄのほぼ中間点にくる。段差Ｄが焦点
深度ΔＺに近いような幅を有する場合には、焦点深度Δ
Ｚの像歪みの大きい両端に近い部分での露光となるた
め、像歪みが大きくなる。これに対して本例では、複数
点（３点以上）の高さｚにおいて結像位置を実測し、焦
点深度ΔＺ内の変位量ｘのばらつきを最小にするように
結像位置の補正を行うものである。

【００３４】図３（ｂ）は、本例の方法により補正され
た後の光軸ＡＸ方向における結像位置の変化を示し、横
軸は結像位置のＸ方向の変位量ｘ、縦軸は高さｚを表
す。この図３（ｂ）において、曲線３５は図３（ａ）の
場合と同様に、ベストフォーカス位置の高さｚを０とし
て、ベストフォーカス位置、及びその上下方向に等間隔
なそれぞれ２つの高さにおける計５つの実測点を結んだ
ものであり、曲線３５は図３（ａ）の曲線３３を左側に
ずらしたような状態で示されている。本例の方法によれ
ば、ベストフォーカス位置における変位量ｘは大きくな
っているが、実用可能な焦点深度ΔＺの両端に近い部分
での結像位置の変位量ｘはほぼ半減する。以上、図３
（ａ）及び図３（ｂ）により露光領域内のある一点での
像歪みの補正方法について説明したが、本例では露光領
域全体の像歪みを最適に補正する。そのため、テストレ
チクルＴＲ上には、全面に計測用マークが形成されてお
り、これらの計測用マークを使用して、露光領域内の測
定点全てを対象として計算を行う。

【００３５】先ず、光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）の位置を変
えながら像歪み（変位量）の測定を行う。測定するＺ方
向の範囲は、対象とする線幅、パターンの種類、照明条
件、投影光学系のＮＡ（開口数）、及び許容線幅誤差等
で決まる実用的焦点深度ΔＺ内となる。この中で、像歪
みの傾斜成分だけでなく曲り成分を測定するためには、
少なくとも３点以上で測定する必要がある。この測定点
の数は限定されておらず、必要な精度に対して最適な点
数を選択すればよい。

【００３６】図５は、本例におけるレチクルＴＲ上の計
測用マークの配置を示し、この図５において、テストレ
チクルＴＲのほぼ正方形のパターン領域ＰＡに均等な分
布でＹ方向に伸びたスリット状の透過部からなるＸ軸用
の計測用マーク３１Ｘ_1,1〜３１Ｘ_5,5、及びＸ方向に
伸びたスリット状の透過部からなるＹ軸用の計測用マー
ク３１Ｙ_1,1〜３１Ｙ_5,5がそれぞれ５行×５列で形成
されている。そして、それらの計測用マーク３１Ｘ_1,1
〜３１Ｘ_5,5，３１Ｙ_1,1〜３１Ｙ_5,5の周辺には遮光
部が形成されている。このように計測用マークが形成さ
れたパターン領域とほぼ同じ領域を有する照明領域ＩＡ
Ｒ内の計測用マークに照明光ＩＬを照射し、図２で説明
したのと同様な方法により、それぞれの計測用マークの
Ｚ方向の複数の位置において結像位置を測定する。実際
の露光時においては、図１のレチクルＲの照明領域ＩＡ
Ｒ内の回路パターンが投影光学系ＰＬを介してウエハＷ
上の露光領域に転写される。従って、照明領域ＩＡＲに
均等に分布した計測用マークにより像歪みの測定を行え
ば、ウエハＷ上の露光領域における像歪みの状態を確実
に検出することができる。

【００３７】図５において、パターン領域ＰＡの四隅に
形成されたＸ軸用の計測用マーク３１Ｘ_1,1，３１Ｘ
_1,5，３１Ｘ_5,1、及び３１Ｘ_5,5は、それぞれ光軸Ａ
Ｘから等間隔で形成されている。この場合、計測用マー
ク３１Ｘ_1,1，３１Ｘ_1,5，３１Ｘ_5,1，３１Ｘ_5,5を
使用して測定した同じ高さｚ₁における変位量ｘをそれ
ぞれｘ_1,1，ｘ_1,5，ｘ_5,1，ｘ_5,5とすれば、光軸Ａ
Ｘから同じ距離、即ち同じ像高での変位量が計測され
る。Ｙ方向についても同様に、Ｘ方向の計測用マーク３
１Ｘ_1,1，３１Ｘ_1,5，３１Ｘ_5,1，３１Ｘ_5,5にそれ
ぞれ対応して形成されたＹ方向の計測用マーク３１Ｙ
_1,1，３１Ｙ_1,5，３１Ｙ_5,1，３１Ｙ_5,5により同じ
像高での変位量が計測される。他の異なる像高の計測用
マークについても同様である。なお、計測される像高の
間の像高での変位量は、例えば補間法等により計算で算
出すればよい。

【００３８】次に、補正量の決定を行う。この場合、図
３に基づいて説明したように、実用的焦点深度ΔＺ内で
の変位量のばらつきが最小になるように補正量を決定す
る。先ず、各々の露光領域内の測定点、即ち上述の計測
用マーク３１Ｘ_1,1〜３１Ｘ _5,5について、Ｚ方向に変
化させたときの各像高における変位量ｘの平均値を求め
る。例えば上述のＸ方向の計測用マーク３１Ｘ_1,1，３
１Ｘ_1,5，３１Ｘ_5,1，３１Ｘ_5,5を使用して計測され
た変位量ｘ_1,1，ｘ_1,5，ｘ_5,1，ｘ_5,5を平均した変
位量（（ｘ_1,1＋ｘ_1,5＋ｘ_5,1＋ｘ_5,5）／４）によ
り当該像高における変位量ｘの平均値が求められる。そ
して、この平均値をそれらの測定点を代表とする計測値
として各像高における変位量ｘの平均値を求める。同様
に実用的焦点深度Ｚ内での異なる焦点位置（高さ）にお
いて、各像高における変位量ｘの平均値を求める。以上
の方法により求められた各測定点での変位量の平均値
は、像高ｈと高さｚとの関数で表される。ここでこの関
数をｆ（ｈ，ｚ）とする。この関数ｆ（ｈ，ｚ）のばら
つきを最小にするように補正機構での補正量を決定す
る。

【００３９】この場合、ある像高での変位量を平均値に
より計算したが、同じ像高における各変位量の最大値と
最小値との間の中間値を、ある像高における変位量とし
てもい。このように、Ｚ方向の位置における変位量ｘの
平均値、あるいは中間値を求めることにより、従来のベ
ストフォーカス位置での測定値を最適化する方法と全く
同様の方法で補正量が計算できる利点がある。また、本
例では各像高におけるそれぞれの平均値を基に補正量を
決定したが、実用的焦点深度ΔＺ及び設定された最大像
高の範囲内における最大変位量を最小にするように、補
正機構での補正量を決定するようにしてもよい。

【００４０】また、測定されたＺ方向の全てのデータに
ついて最適な補正量を計算するようにしてもよい。即
ち、それぞれのＺ方向のデータに対して補正機構を駆動
した場合の像歪み改善量を計算し、最適なものを選択す
る。この方法によれば、計算量が多くなるが、より最適
な補正量が求められる。更に、図４のような実露光時の
段差を考慮して焦点深度の両端に近いところに重み付け
を行い最適化するという方法でもよい。また、実際は厚
みのあるウエハＷ上のフォトレジストに露光するのでフ
ォトレジストの特性、厚みを考慮して最適化するように
してもよい。但し、この方法は、前述のように像歪みを
測定する方法として、光電センサを使用して測定する場
合と、直接露光によるレジスト像により測定する場合と
では適用方法も変わってくる。

【００４１】以上のように補正量が求まれば、補正機構
により補正を行う。以下、補正機構により補正された結
果について図６を参照して説明する。ここでは、説明を
簡単にするために像歪みの内で露光領域内の回転対称成
分を取り上げて説明を行う。図６（ａ）〜図６（ｃ）
は、従来の方法によりベストフォーカス位置において像
歪みを最適に、即ち最小に調整した例を示し、それぞれ
焦点位置がベストフォーカス位置からΔＦだけ上にずれ
た焦点位置（以下、「焦点位置Ｈ」という）、ベストフ
ォーカス位置、及び焦点位置がベストフォーカス位置か
らΔＦだけ下にずれた焦点位置（以下、「焦点位置Ｌ」
という）での像歪みの状態を示している。また、図６
（ｄ）〜図６（ｆ）は本例の方法により像歪みの調整を
行った例を示し、それぞれ図６（ａ）〜図６（ｃ）の状
態に対応する焦点位置での像歪みの状態を示している。
なお、この図６（ａ）〜図６（ｆ）において、横軸は回
転方向の同じ像高におけるＸ方向の変位量（像歪み）を
平均した平均変位量Δｘを表し、縦軸は像高ｈ（投影光
学系ＰＬの光軸ＡＸからのＸＹ平面上での距離）を示
す。

【００４２】図６（ｂ）の曲線３７Ｂに示すように、従
来の方法により補正された後の平均変位量Δｘは、ベス
トフォーカス位置においては、像高ｈが変化しても殆ど
変化していないが、図６（ａ）の曲線３７Ａ、及び図６
（ｃ）の曲線３７Ｃに示すように、焦点位置Ｈ，Ｌにお
いて平均変位量Δｘは共に正方向に拡大しており、焦点
位置Ｈ，Ｌにおいて像歪みが最適な振り分けになってい
ない。一方、本例の方法によれば、図６（ｅ）の曲線３
８Ｂに示すように、ベストフォーカス位置では像高０に
近い部分を除き像高全体として、平均変位量Δｘは従来
の点線で示す曲線３７Ｂに対して負の方向にずれる。し
かし、図６（ｄ）の曲線３８Ａ、及び図６（ｆ）の曲線
３８Ｃに示すように、焦点位置Ｈ，Ｌにおいては、従来
の点線で示す曲線３７Ａ及び曲線３７Ｃに対して、特に
像高ｈが大きな、即ち光軸ＡＸから離れた位置での平均
変位量Δｘは縮小している。このように、本例では、異
なる複数の焦点位置（高さ）での全部の像高での平均変
位量Δｘ（像歪み）の最大値が最小となるように、補正
が行われている。この結果、ある一点（ある像高）に注
目すると必ずしも、図３（ｂ）の曲線３５のように、像
歪みが振り分けとなるように補正されていないが、全体
として像歪みが振り分けになっている。

【００４３】なお、本例においてはテストレチクルＴＲ
を使用して投影光学系ＰＬの像歪みを計測したが、前述
のように、実際のレチクルＲを使用して像歪みを計測す
ることもできる。従って、投影露光装置製造時の投影光
学系ＰＬの調整時や定期的な装置のメンテナンス時はも
ちろんのこと、大気圧変化、投影光学系ＰＬの照明光吸
収の変化、及び照明条件の変化等、投影光学系ＰＬの像
歪みの変化が予想される場合は、予め実験等でそれらの
変化に対応する最適な補正量の関係を求めておき、その
関係に基づいて補正を行う。この場合、例えば、大気圧
の変化を計測する大気圧センサの出力、投影光学系ＰＬ
に入射するエネルギー（若しくは、その入射エネルギー
の履歴）の計測値又は予想値、及びその時点で把握され
ている装置状態に応じて、像歪みの変化量を予測して自
動的に補正を行う。或いは、像歪みの測定がスループッ
ト（生産性）に影響が無いほど短時間に可能であれば、
実際に露光することにより像歪みを実測し、それに基づ
いて像歪みを補正するようにしてもよい。また、予測法
と実測とを組み合わせてスループットへの影響を減らす
ようにしてもよい。

【００４４】なお、本発明はステッパ等の一括露光型の
投影露光装置に限らず、レチクルのパターンの一部を投
影光学系を介してウエハ上に投射した状態で、レチクル
とウエハとを同期走査してレチクルのパターンをウエハ
上の各ショット領域に逐次露光するステップ・アンド・
スキャン方式等の走査露光型の投影露光装置にも同様に
適用できる。

【００４５】このように、本発明は上述の実施の形態に
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。

【００４６】

【発明の効果】本発明の第１の投影光学系の調整方法に
よれば、投影光学系の光軸方向にデフォーカスした計測
面での実際の投影像に基づいて投影光学系を調整するた
め、結像位置の変化が光軸の方向に対して直線的でない
場合においても、像歪みを最適に補正できる利点があ
る。これにより、実際に露光される焦点位置での投影光
学系の像歪みが小さくなり、マスクと感光基板との重ね
合わせ精度が向上する。

【００４７】また、本発明の第２の投影光学系の調整方
法によれば、投影光学系の像歪みを投影光学系の光軸方
向の複数の位置で実測するため、投影光学系の像歪みの
光軸方向の変化を知ることができる。これにより、投影
光学系の像歪みが光軸方向においてどのような変化をし
ている場合でも、投影光学系の像歪みを最適に補正でき
る利点がある。

【００４８】また、投影光学系の焦点深度内での投影光
学系の像歪みのばらつきを最小にするように、投影光学
系の結像特性を調整する場合には、投影光学系の焦点深
度内での像歪みが最適に調整される。また、本発明によ
る投影露光装置によれば、本発明の第１及び第２の投影
光学系の調整方法を実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施の形態の一例で使用される投
影露光装置の全体を示す概略構成図である。

【図２】（ａ）は図１の基準板９及び計測方法を説明す
るための平面図、（ｂ）はその計測方法における光電変
換素子１０の出力値を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態において像歪みの補正方法
の説明に供する図である。

【図４】ウエハに段差がある場合の焦点深度と段差との
関係を示す図である。

【図５】図１のテストレチクルＴＲ上の計測用マークの
配置を示す平面図である。

【図６】本発明による実施の形態において、全体の露光
領域での像歪みを最適に補正した後の像歪みの状態の説
明に供する図である。

【符号の説明】

１光源３可変絞りＲレチクルＴＲテストレチクルＰＬ投影光学系ＷウエハＲＳＴレチクルステージＷＳＴウエハステージ９基準板１０光電変換素子１１干渉計１２送光光学系（焦点位置検出系）１３受光光学系（焦点位置検出系）１４主制御系１５像歪み測定系１６像歪み補正系２３ａ，２３ｂ駆動素子（投影光学系）２４ａ，２４ｂ駆動素子（レチクル）３１Ｘ_1,1〜３１Ｘ_5,5 計測用マーク（Ｘ方向）３１Ｙ_1,1〜３１Ｙ_5,5 計測用マーク（Ｙ方向）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスク上に形成された転写用パターンの
像を感光基板上に投影するための投影光学系の調整方法
において、前記投影光学系の結像面に対して前記投影光学系の光軸
方向にデフォーカスした計測面での前記投影光学系によ
る投影像に基づいて前記投影光学系を調整することを特
徴とする投影光学系の調整方法。
【請求項２】マスク上に形成された転写用パターンの
像を感光基板上に投影するための投影光学系の調整方法
において、前記投影光学系の光軸方向の複数の位置でそれぞれ前記
投影光学系の像歪みを計測し、該計測結果に基づいて前記投影光学系を調整することを
特徴とする投影光学系の調整方法。
【請求項３】前記投影光学系の焦点深度内での前記投
影光学系の像歪みのばらつきを最小にするように、前記
投影光学系の結像特性を調整することを特徴とする請求
項２記載の投影光学系の調整方法。
【請求項４】露光用の照明光のもとで、マスク上の転
写用パターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投
影する投影露光装置において、前記投影光学系の光軸方向の位置を変えて前記投影光学
系の投影像を検出する像検出手段と、該像検出手段の検出結果に基づいて、前記投影光学系の
光軸方向の複数の位置での前記投影光学系の像歪みを求
める演算手段と、該演算手段で求められる像歪みに基づいて前記投影光学
系の結像特性を調整する結像特性調整手段と、を有する
ことを特徴とする投影露光装置。