JPH10261563A

JPH10261563A - 投影露光方法及び装置

Info

Publication number: JPH10261563A
Application number: JP9064777A
Authority: JP
Inventors: Yuji Imai; 裕二今井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-03-18
Filing date: 1997-03-18
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】投影像の結像特性を補正する場合に、予め定
めてある制御特性に誤差がある場合でも、正確に結像特
性を補正すると共に、その結像特性の補正によって発生
する他の結像特性の変化を正確に補正する。【解決手段】結像特性制御系１７で密閉空間１９の内
圧を制御することで投影光学系ＰＬの投影倍率を制御す
る。この際の内圧と倍率との関係（制御特性）を求める
ため、基準マーク部材４４上の所定の基準マークの像と
レチクルＲ上のアライメントマークとの位置ずれ量をレ
チクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂを介して検出し、
内圧に対する実際の投影倍率を計測する。その倍率の制
御に伴うデフォーカス量の計測のため、基準マーク部材
４４上の開口パターン４５の像を投影光学系ＰＬを介し
て基準マーク部材４４上に再結像し、開口パターン４５
を通過した光量を検出する光電検出器５５の検出信号よ
り像面を求める。

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、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、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
マスクパターンを感光基板上に転写するために使用され
る投影露光方法及び装置に関し、特に結像特性の補正機
構を備えた投影露光装置に使用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体素子等を製造する際に、
マスクとしてのレチクルのパターンを投影光学系を介し
て感光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上
に転写するためのステッパー等の投影露光装置が使用さ
れている。半導体素子等を目標とする形状に形成するた
めに、これらの投影露光装置では、レチクル上のパター
ンを常に良好な結像特性（投影倍率、ディストーショ
ン、合焦状態等）でウエハの各ショット領域に転写する
ことが求められている。

【０００３】ところが、露光光の継続した照射による投
影光学系のレンズ系の熱変形や大気圧変化等によって、
投影光学系の結像特性が変化してしまい、そのままでは
所望の結像特性が維持できなくなる。そこで、従来より
投影露光装置には、投影光学系の投影倍率を補正するた
めの倍率制御部材や、ウエハの表面を投影光学系の像面
に合わせ込むためのオートフォーカス機構等が備えられ
ている。そして、例えば投影倍率を補正するためには、
予め実測によって露光光の照射量Ｅ及び大気圧Ｐ_atmo等
に応じた投影光学系の投影倍率の変化量Δβ（Ｅ，Ｐ
_atmo，…）を求めておき、この変化量を相殺するように
倍率制御部材を介してその投影倍率を補正していた。

【０００４】この場合、その倍率制御部材における駆動
量と投影倍率の変化量との比例係数である倍率可変レー
ト（制御特性）も、予め設計値を実測値で修正すること
によって求められて、装置定数として記憶されており、
その倍率可変レートに基づいて倍率の補正が行われる。
また、通常はその倍率制御部材を介して投影倍率を補正
すると、投影光学系の像面の位置（ベストフォーカス位
置）も変化するため、その倍率制御部材における駆動量
とそのベストフォーカス位置との関係も装置定数として
記憶されている。そして、その倍率制御部材を駆動した
際には、その駆動量に応じたオフセットをオートフォー
カス機構で設定するウエハの高さに加えることによっ
て、デフォーカスの発生を防止していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の投影
露光装置では、結像特性の内の例えば投影倍率に関して
は、露光光の照射量等に応じて倍率可変レートに基づい
て倍率制御部材を駆動することで、補正が行われてい
た。ところが、その装置定数としての倍率可変レートの
初期設定値に、計測誤差又は組立調整時から実際の稼働
開始までの経時変化等に起因する誤差が含まれている
と、投影倍率の補正が正確に行えなくなる。この場合の
投影倍率の誤差は極めて小さいものであり、単一のレイ
ヤでの回路パターンの特性には殆ど影響は無い。しかし
ながら、例えば前のレイヤのパターン上に重ね合わせ露
光を行うような場合には、僅かな倍率誤差が有っても重
ね合わせ誤差が生ずるため、最終的に製造される半導体
素子等の歩留りが低下するという不都合がある。

【０００６】また、その倍率制御部材の駆動量に応じ
て、上記の装置定数に基づいてオートフォーカス機構で
はウエハの高さを補正しているが、その装置定数に誤差
があるとウエハはデフォーカス状態で露光されることに
なる。このようなデフォーカス量が焦点深度の幅を超え
ると、ウエハ上に転写される回路パターン像の解像度が
劣化することになる。

【０００７】また、投影光学系の結像特性制御部材とし
ては、倍率制御部材の他に所定のディストーションを補
正するためのディストーション制御部材等も使用される
ことがあるが、この際にもそのディストーション制御部
材等を駆動するための制御特性の初期設定値に誤差があ
ると、重ね合わせ誤差等が発生することになる。本発明
は斯かる点に鑑み、倍率制御部材のような結像特性制御
部材を介して投影像の結像特性を補正する場合に、予め
定めてある倍率可変レートのような制御特性の初期設定
値に誤差がある場合でも、正確に結像特性を補正できる
と共に、その結像特性制御部材を駆動した場合の他の結
像特性の変化を正確に補正できる投影露光方法を提供す
ることを目的とする。更に、本発明はその投影露光方法
を実施できる投影露光装置を提供することをも目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による投影露光方
法は、予め定められた制御特性に基づいて所定の結像特
性を補正できる投影光学系（ＰＬ）を介して、所定の照
明光のもとでマスクパターン（Ｒ）の像を感光基板
（Ｗ）上に露光する投影露光方法において、そのマスク
パターンの露光前に、その制御特性に基づいて投影光学
系（ＰＬ）のその所定の結像特性を調整したときに、投
影光学系（ＰＬ）のその所定の結像特性及び他の結像特
性の実際の変化量を計測し、この計測結果に基づいてそ
の制御特性を補正しておき、そのマスクパターンの露光
時に、その補正された制御特性に基づいて投影光学系
（ＰＬ）のその所定の結像特性を調整すると共に、その
他の結像特性の変化を相殺するように調整を行うもので
ある。

【０００９】斯かる本発明によれば、実際のマスクパタ
ーンの露光を行う前に、投影光学系（ＰＬ）の結像特性
制御部材の駆動量と結像特性の実際の変化量との関係
（制御特性）を計測して、予め定めてある制御特性の初
期設定値を補正すると共に、その結像特性制御部材の駆
動量と他の結像特性の実際の変化量との関係（制御特
性）も計測しておく。これによって、その制御特性の初
期設定時の誤差が補正されて、正確に結像特性を補正で
きると共に、その他の結像特性の変化も正確に相殺（補
正）できる。

【００１０】また、本発明による投影露光装置は、第１
面のパターンの像を第２面上に投影する投影光学系（Ｐ
Ｌ）と、予め定められた制御特性に基づいて投影光学系
（ＰＬ）の所定の結像特性を調整する結像特性制御部材
（１７〜１９）とを用い、この結像特性制御部材を介し
て投影光学系（ＰＬ）の結像特性を所定の状態に維持し
て、所定の照明光のもとでマスク（Ｒ）に形成されたパ
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、その制御特
性に基づいてその結像特性制御部材を介して投影光学系
（ＰＬ）のその所定の結像特性を調整したときに、投影
光学系（ＰＬ）のその所定の結像特性及び他の結像特性
の実際の変化量を計測する結像特性計測系（４１Ａ，４
１Ｂ，４４，５２ｂ，５３，５４；４４，５２ａ，５
３，５４，５５）と、投影光学系（ＰＬ）のその他の結
像特性に対応する露光条件を制御する露光条件制御系
（２２，２６）と、その結像特性計測系の計測結果に基
づいてその制御特性を補正すると共に、その露光条件制
御系を介してその他の結像特性の変化を相殺する演算制
御系（２０）と、を有するものである。

【００１１】斯かる本発明の投影露光装置によれば、本
発明の投影露光方法が実施できる。この場合、その所定
の結像特性の一例は、投影倍率、像面湾曲、及びディス
トーションよりなる結像特性群中の少なくとも１つの結
像特性であり、その他の結像特性の一例は、その結像特
性群から選択されなかった結像特性、又はデフォーカス
である。

【００１２】また、その結像特性計測系は、投影光学系
（ＰＬ）のその所定の結像特性及び他の結像特性の実際
の変化量の目標値からのずれ量を計測し、その演算制御
系はそのように計測された結像特性の目標値からのずれ
量に基づいて、その制御特性の補正、及びその露光条件
制御系を介したその他の結像特性の変化の相殺を行うこ
とが望ましい。結像特性の目標値からのずれ量を計測す
ることによって、その制御特性の初期設定値の誤差分を
正確に求めることができるため、より正確に結像特性を
制御できる。

【００１３】また、マスク（Ｒ）に対するその照明光の
照明条件を変更する照明条件変更部材（６，７）を設
け、この照明条件変更部材を介して照明条件を変更する
際に、その制御特性の補正を行うことが望ましい。これ
によって、照明条件によってその制御特性が微妙に変化
するような場合でも、所望の結像特性が維持できる。

【００１４】

【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、ステッパー
型の投影露光装置において、投影像の投影倍率やディス
トーションを制御する場合に本発明を適用したものであ
る。図１は本例の投影露光装置の概略的な構成を示し、
この図１において、水銀ランプ及び楕円鏡等を含む露光
光源１から発生したｉ線等の露光光はシャッタ２に至
る。シャッタ２はモータ３によって開閉でき、露光時で
シャッタ２が開状態のときには点線の光路で示すよう
に、露光光はインプットレンズ４を介して露光光ＩＬ１
として照度分布均一化用のフライアイレンズ５に入射す
る。なお、露光光としては水銀ランプ等の輝線の他に、
ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザ等のエキ
シマレーザ光等も使用できる。

【００１５】図１において、フライアイレンズ５の射出
面には開口絞り板６が回転自在に配置され、開口絞り板
６には回転軸の周りに通常の円形絞り６ａ、輪帯照明用
の輪帯絞り６ｂ、複数開口よりなる所謂変形照明用の絞
り（不図示）、及び小さいコヒーレンスファクタ用の小
開口絞り（不図示）等の開口絞り（σ絞り）が形成され
ている。本例では、装置全体の動作を統轄制御する主制
御系２０が、モータ７を介して開口絞り板６を回転して
フライアイレンズ５の射出面の開口絞りの種類を変更す
ることで、所望の照明条件に設定できる。フライアイレ
ンズ５の射出面の開口絞りを通過した露光光ＩＬ１は、
ミラー８、第１リレーレンズ９Ａ、可変視野絞り（レチ
クルブラインド）１０及び第２リレーレンズ９Ｂを通過
してミラー１１に至る。そして、ミラー１１で下方に反
射された露光光ＩＬ１は、コンデンサーレンズ１２を介
してレチクルＲのパターン領域１３をほぼ均一な照度分
布で照明する。

【００１６】露光時に、レチクルＲのパターン領域１３
を通過した露光光ＩＬは、両側（又はウエハ側に片側）
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により投影倍率β（βは例えば１／４，１／５
等）で縮小されたレチクルＲのパターン像が、表面にフ
ォトレジスト層が塗布され、その表面が投影光学系ＰＬ
の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投影露光される。なお、図１ではウ
エハＷの表面が投影光学系ＰＬの露光フィールドから外
れた状態が示されている。また、本例では投影光学系Ｐ
Ｌの上部にスペーサ１４、及び３個の伸縮自在のピエゾ
素子等の駆動素子１５Ａ〜１５Ｃを介して、結像特性補
正用の平板ガラスよりなる補正板１６が配置され、結像
特性制御系１７がそれらの駆動素子１５Ａ〜１５Ｃの伸
縮量を調整して、補正板１６の傾斜角及び位置を制御す
ることで、例えば台形状のディストーション等を補正で
きるように構成されている。即ち、結像特性制御系１
７、駆動素子１５Ａ〜１５Ｃ、及び補正板１６より「デ
ィストーション制御部材」が構成されている。所望のデ
ィストーションの補正量ΔＤを得るための駆動素子１５
Ａ〜１５Ｃの伸縮量ΔｚＡ〜ΔｚＣの値を示す関数ｆ１
Ａ（ΔＤ）〜ｆ１Ｃ（ΔＤ）は、予め設計値を実測値で
修正することによって求められて、制御特性を示す装置
定数として結像特性制御系１７内の記憶部に記憶されて
いる。

【００１７】更に、本例の投影光学系ＰＬ内には、所定
のレンズ間に密閉空間１９が設けられ、この密閉空間１
９に配管１８を介して結像特性制御系１７から圧力可変
の気体が供給されている。そして、密閉空間１９内の気
体圧力（内圧）Ｐを制御することで、投影倍率βを所定
範囲内で制御できるように構成されている。即ち、結像
特性制御系１７、配管１８、及び密閉空間１９より「倍
率制御部材」が構成され、投影倍率βの補正量Δβを、
内圧Ｐの基準圧力ＰＡからの変化量ΔＰで除して得られ
る値Δβ／ΔＰ、即ち倍率可変レートｆ２も予め求めら
れて、制御特性を示す装置定数として結像特性制御系１
７内の記憶部に記憶されている。但し、その倍率制御部
材を駆動すると、その投影倍率βの補正量Δβに応じて
投影光学系ＰＬの像面の位置（ベストフォーカス位置）
も変化してしまう。そこで、その投影倍率の補正量Δβ
に対するその像面の位置の変化量（デフォーカス量）Δ
Ｆの比の値ΔＦ／Δβであるフォーカス位置変化レート
ｆ３も予め求められて、装置定数として主制御系２０内
のオートフォーカス制御系２０ａに記憶されている。同
様に、ディストーション制御部材を駆動すると、像面湾
曲が変化することがあり、ディストーションの補正量Δ
Ｄに対する像面湾曲の変化量ΔＣの値を示す関数ｆ４
（ΔＤ）も、予め装置定数として主制御系２０内の記憶
部に記憶されている。

【００１８】また、不図示であるが主制御系２０には、
大気圧を計測するための環境センサや、ウエハＷに対す
る露光量（投影光学系ＰＬを通過する照射エネルギー）
を計測するためのセンサが接続されており、これらのセ
ンサの計測結果及び所定の演算式より、主制御系２０は
投影光学系ＰＬの投影倍率βの変化量（これを−Δβと
する）を算出できる。そこで、主制御系２０は結像特性
制御系１７に投影倍率の補正量Δβを指定すると共に、
フォーカス位置変化レートｆ３×ΔβだけウエハＷのフ
ォーカス位置を補正する。これに応じて結像特性制御系
１７は投影倍率を補正する。また、ウエハＷのアライメ
ントによって、ウエハＷ上の前のレイヤの各ショット領
域内のパターンに所定のディストーションΔＤがあるこ
とが分かる場合がある。このような場合、主制御系２０
は結像特性制御系１７にそのディストーションの補正量
ΔＤを指定すると共に、補正量ΔＤに対応する像面湾曲
の変化量ΔＣを求め、これに応じてウエハＷの表面の傾
斜角等を補正する。また、結像特性制御系１７はディス
トーションを補正する。

【００１９】次に、本例の投影露光装置のステージ系、
オートフォーカス機構、及び結像特性計測系等につき説
明するが、説明の便宜上、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに
平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に
平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取っておく。
このとき、レチクルＲは、光軸ＡＸに垂直な平面内で２
次元移動、及び回転自在なレチクルステージ２１上に載
置され、主制御系２０によりレチクルステージ２１の位
置決め動作が制御される。

【００２０】一方、ウエハＷは、ウエハホルダ（不図
示）を介してＺチルトステージ２２上に保持され、Ｚチ
ルトステージ２２はＸＹステージ２３上に固定されてい
る。Ｚチルトステージ２２は、ウエハＷのＺ方向の位置
（フォーカス位置）を制御すると共に、所定範囲内でウ
エハＷの傾斜角を補正し、ＸＹステージ２３はＸ方向、
Ｙ方向へウエハＷの位置決めを行う。Ｚチルトステージ
２２の上端の移動鏡２４ｍ及びレーザ干渉計２４によっ
てＺチルトステージ２２（ウエハＷ）のＸ座標、Ｙ座
標、及び回転角が高精度に計測され、計測結果が主制御
系２０に供給され、主制御系２０はその計測結果に基づ
いて駆動装置２５を介してＸＹステージ２３の位置決め
を行う。

【００２１】また、投影光学系ＰＬの側面部には、ウエ
ハＷの表面、又は後述の基準マーク部材４４の表面のフ
ォーカス位置を検出するための斜入射方式のフォーカス
位置検出系（以下、「ＡＦセンサ」と呼ぶ）２６が配置
されている。ＡＦセンサ２６において、光源２７から射
出されたフォトレジストに対して非感光性の照明光ＡＬ
は、ミラー２８及び集光レンズ２９を介して被検面（図
１では基準マーク部材４４の表面）にスリット像を形成
する。そして、その被検面で反射された照明光ＡＬは、
結像レンズ３０、振動ミラー３１、平行平板ガラス（プ
レーンパラレル）３２を介して光電検出器３３内の受光
素子の表面に振動するスリット像を再結像する。その受
光素子の受光面には受光用のスリットが形成され、その
受光素子の光電変換信号を振動ミラー３１の駆動信号で
同期整流することによって、図５（ｂ）に示すように、
被検面のフォーカス位置（Ｚ方向の位置）Ｚに対応して
所定範囲内でほぼ線形に変化するフォーカス信号ＳＦが
得られる。

【００２２】図１において、フォーカス信号ＳＦは主制
御系２０内のオートフォーカス制御系２０ａに供給され
る。例えば投影露光装置の組立調整時に、被検面の表面
が像面に合焦している状態でそのフォーカス信号ＳＦが
０となるように調整が行われ、オートフォーカス制御系
２０ａは、そのフォーカス信号ＳＦが０に維持されるよ
うに、駆動装置２５を介してＺチルトステージ２２のＺ
方向の位置を制御する。これにより、オートフォーカス
方式でウエハＷ、又は基準マーク部材４４の表面が常に
結像面に合焦される。本例ではＡＦセンサ２６及びＺチ
ルトステージ２２より露光条件制御部材が構成されてい
る。また、ＡＦセンサ２６内の平行平板ガラス３２の傾
斜角はオートフォーカス制御系２０ａによって制御でき
るように構成され、例えば結像特性制御系１７を介して
密閉空間１９の内圧Ｐを制御して投影倍率βをΔβだけ
補正する場合には、その平行平板ガラス３２の角度を変
えることにより、そのフォーカス信号ＳＦに上述のフォ
ーカス位置変化レートｆ３×Δβで定まるオフセットを
付与できるようになっている。但し、そのフォーカス位
置変化レートｆ３に誤差が含まれていると、デフォーカ
スが発生することになるため、本例では後述のようにそ
のフォーカス位置変化レートｆ３のキャリブレーション
を行う。

【００２３】そして、ウエハＷへの露光時にはそのよう
にオートフォーカス制御を行った状態で、ウエハＷ上の
１つのショット領域に対するレチクルＲのパターン像の
転写が終了すると、ＸＹステージ２３のステッピングに
よってウエハＷ上の次のショット領域が露光フィールド
に設定され、ステップ・アンド・リピート方式で露光が
繰り返される。

【００２４】次に、本例の結像特性計測系につき説明す
る。先ず、Ｚチルトステージ２２上のウエハＷの近傍に
石英等の低膨張ガラスよりなる基準マーク部材４４が固
定され、基準マーク部材４４上に種々の基準マーク等が
形成されている。図６（ａ）は基準マーク部材４４を示
す平面図であり、この図６（ａ）において、基準マーク
部材４４の表面のクロム膜等の遮光膜中にスリット状の
開口パターン４５が形成されている。また、開口パター
ン４５の上方で、Ｘ軸及びＹ軸に平行な辺で囲まれた正
方形の頂点の位置に４個の十字型の遮光膜よりなる基準
マーク４６Ａ〜４６Ｄが形成されている。そして、基準
マーク４６Ａ〜４６Ｄの配置を投影光学系ＰＬのウエハ
からレチクルへの投影倍率（１／β）の設計値で拡大し
た配置で、図６（ｂ）に示すように、レチクルＲのパタ
ーン領域１３内に４個の十字型の遮光膜よりなるアライ
メントマーク４７Ａ〜４７Ｄが形成されている。

【００２５】図１に戻り、基準マーク部材４４の底面の
Ｚチルトステージ２２内に光ファイバを介して露光波長
の照明光が導かれている。即ち、本例では露光光源１の
直前に配置されているシャッタ２が閉じている状態で、
シャッタ２で反射された露光光よりなる照明光ＩＬ２
が、ミラー４８、レンズ４９、ハーフミラー５０、レン
ズ５１を介して光ファイバ５２の端部に集光されてい
る。光ファイバ５２は途中で第１及び第２の光ファイバ
５２ａ，５２ｂに分岐し、これらの光ファイバ５２ａ，
５２ｂの端部がＺチルトステージ２２内に導かれてい
る。そして、第１の光ファイバ５２ａから射出された照
明光ＩＬ２は、集光レンズ５３、及びミラー５４を介し
て基準マーク部材４４の底部からスリット状の開口パタ
ーン４５を照明している。

【００２６】図１に示すように、開口パターン４５が投
影光学系ＰＬの露光フィールド内にある状態では、開口
パターン４５を通過した照明光ＩＬ２は、投影光学系Ｐ
Ｌ及び補正板１６を介してレチクルＲのパターン面に開
口パターン４５の像を形成する。そして、そのパターン
面で反射された照明光ＩＬ２は、補正板１６、及び投影
光学系ＰＬを介して基準マーク部材４４の開口パターン
４５上に、この開口パターン４５の像を再結像し、開口
パターン４５を通過した照明光ＩＬ２が、ミラー５４、
集光レンズ５３、第１の光ファイバ５２ａ、光ファイバ
５２、及びレンズ５１を経てハーフミラー５０に戻る。
このハーフミラー５０で反射された照明光ＩＬ２が光電
検出器５５に入射し、光電検出器５５からの光電変換信
号よりなる合焦点検出信号ＳＣが主制御系２０内の結像
特性演算系２０ａに供給されている。結像特性演算系２
０ａにはフォーカス信号ＳＦも供給されている。

【００２７】この場合、基準マーク部材４４の表面が投
影光学系ＰＬの像面の位置（ベストフォーカス位置）に
合焦しているときには、レチクルＲからの反射光によっ
て基準マーク部材４４上に再結像される開口パターン４
５の像が最も開口パターン４５の大きさに近づき、基準
マーク部材４４がデフォーカスすると、その開口パター
ン４５の像はぼけて大きくなる。従って、図５（ａ）に
示すように、基準マーク部材４４の表面のＺ座標を横軸
に、合焦点検出信号ＳＣを縦軸に取ると、合焦点検出信
号ＳＣは基準マーク部材４４の表面がベストフォーカス
位置Ｚ１にあるときに最大となり、それ以外では次第に
小さくなるように山型に変化する。結像特性演算系２０
ａでは、合焦点検出信号ＳＣ及びフォーカス信号ＳＦよ
り像面のベストフォーカス位置の目標値からのずれ量を
検出する。

【００２８】また、図１において、レチクルＲの斜め上
方に撮像方式のレチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂ
が配置され、投影光学系ＰＬ側からレチクルＲを通過し
た照明光をレチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂに導
くためのミラー４２Ａ，４２Ｂが、露光光ＩＬ１の光路
に退避自在に配置されている。レチクルアライメント系
４１Ａ，４１Ｂはそれぞれ図６（ｂ）のアライメントマ
ーク４７Ａ，４７Ｂに対応して配置され、不図示である
が他のアライメントマーク４７Ｃ，４７Ｄに対応したレ
チクルアライメント系も配置されている。これらの４軸
のレチクルアライメント系は、投影光学系ＰＬの投影倍
率βの誤差の計測、及びディストーションの計測に使用
される。更に、レチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂ
は、レチクルＲを例えば基準マーク部材４４上の所定の
基準マークに対して位置合わせ（レチクルアライメン
ト）する場合にも使用される。

【００２９】図２は、投影倍率βの誤差及びディストー
ションの計測時の配置を示し、この図２において、投影
光学系ＰＬの露光フィールド内に基準マーク部材４４上
の基準マーク４６Ａ〜４６Ｄ（図６（ａ）参照）が設定
され、基準マーク４６Ａ〜４６Ｄと投影光学系ＰＬに関
してほぼ共役な位置にレチクルＲ上のアライメントマー
ク４７Ａ〜４７Ｄ（図６（ｂ）参照）が設定されてい
る。そして、第２の光ファイバ５２ｂを介してＺチルト
ステージ２２内に導かれた露光波長の照明光ＩＬ２が、
集光レンズ５６、ハーフミラー５７Ｂ及びミラー５７Ａ
を介してそれぞれ基準マーク部材４４の底面側から基準
マーク４６Ａ，４６Ｂを照明し、他の基準マーク４６
Ｃ，４６Ｄ（図６（ａ）参照）も照明光ＩＬ２で照明さ
れている。また、レチクルアライメント系４１Ａ，４１
Ｂ用のミラー４２Ａ，４２Ｂはそれぞれアライメントマ
ーク４７Ａ，４７Ｂ上に設定され、他のレチクルアライ
メント系のミラーもアライメントマーク４７Ｃ，４７Ｄ
（図６（ｂ）参照）上に設定されている。

【００３０】この場合、基準マーク部材４４上の基準マ
ーク４６Ａ，４６Ｂの周囲を透過した照明光ＩＬ２は、
投影光学系ＰＬ及び補正板１６を介してレチクルＲのア
ライメントマーク４７Ａ，４７Ｂの近傍に基準マーク４
６Ａ，４６Ｂの像を形成し、レチクルＲを透過した照明
光ＩＬ２はミラー４２Ａ，４２Ｂを経てレチクルアライ
メント系４１Ａ，４１Ｂに入射する。レチクルアライメ
ント系４１Ａ内の撮像素子上には、基準マーク４６Ａ及
びアライメントマーク４７Ａの像が重なって形成され、
レチクルアライメント系４１Ｂ内の撮像素子上には、基
準マーク４６Ｂ及びアライメントマーク４７Ｂの像が重
なって形成され、他のレチクルアライメント系内の撮像
素子上にも対応する基準マーク４６Ｃ，４６Ｄ及びアラ
イメントマーク４７Ｃ，４７Ｄの像が形成される。レチ
クルアライメント系４１Ａ，４１Ｂを含む４軸のレチク
ルアライメント系の撮像信号はアライメント信号処理系
４３に供給され、アライメント信号処理系４３ではそれ
らの撮像信号を画像処理して、それぞれアライメントマ
ーク４７Ａ〜４７Ｄに対する基準マーク４６Ａ〜４６Ｄ
の像のＸ方向、Ｙ方向への位置ずれ量を検出し、検出結
果を主制御系２０に供給する。主制御系２０内の結像特
性演算系２０ｂでは、それらの位置ずれ量より投影倍率
βの設計値からの誤差（変化量）、又はディストーショ
ンの量を算出する。

【００３１】さて、本例では上述のように倍率制御部
材、及びディストーション制御部材を介して投影像の投
影倍率及びディストーションを補正できるが、その際の
制御特性（倍率可変レートｆ２等）の初期設定値に誤差
があると、正確な結像特性の補正ができなくなる。従っ
て、本例では投影露光装置の稼働開始前に、更に或る期
間稼働を行った後に、その制御特性のキャリブレーショ
ンを行う。更に、本例では開口絞り板６内の開口絞り
（σ絞り）の選択によって、照明条件を通常の照明方
法、輪帯照明、及び変形照明等に切り換えることができ
るが、これらの照明条件によってもその制御特性が僅か
に異なることが予想される。従って、各照明条件毎にそ
の制御特性のキャリブレーションを行う。そこで、以下
ではその制御特性のキャリブレーションを行う場合の動
作の一例につき説明する。

【００３２】先ず、図１の投影光学系ＰＬ内の密閉空間
１９の内圧を制御する倍率制御部材の制御特性のキャリ
ブレーションを行う場合につき説明する。以下では照明
条件は通常の照明条件とする。図３及び図４はその倍率
制御部材の制御特性を示し、図３の実線の直線６１Ａの
傾きは、密閉空間１９の内圧Ｐ（横軸）の基準圧ＰＡか
らのずれ量ΔＰと、投影倍率βの設計値β₀からの変化
量Δβ（縦軸）との間の倍率可変レートｆ２（＝Δβ／
ΔＰ）の初期設定値を示す。この図３において、初期状
態では内圧Ｐが所定の基準圧ＰＡのときに投影倍率βは
設計値β₀となり、倍率変化量Δβは０である。

【００３３】その倍率可変レートｆ２のキャリブレーシ
ョンを行うために、本例では図２に示すように、基準マ
ーク部材４４の基準マーク４６Ａ，４６Ｂを投影光学系
ＰＬの露光フィールド内に設定し、基準マーク部材４４
の表面を投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置に設定
した状態で、結像特性制御系１７を介して密閉空間１９
の内圧Ｐを基準圧ＰＡの前後に所定の圧力差で複数段階
に設定する。そして、内圧Ｐを或る値に設定する毎に、
それぞれレチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂを介し
てアライメントマーク４７Ａ，４７Ｂに対する基準マー
ク４６Ａ，４６Ｂの像の位置ずれ量を検出し、検出結果
を主制御系２０内の結像特性演算系２０ｂに供給する。
そして、結像特性演算系２０ｂではその位置ずれ量から
アライメントマーク４７Ａ，４７Ｂの間隔を基準とし
て、投影光学系ＰＬのレチクルからウエハへの実際の投
影倍率βを算出し、更にその投影倍率βの設計値β₀か
らの変化量Δβを求め、この変化量Δβを密閉空間１９
の内圧Ｐに対してプロットする。

【００３４】図３の一連のドット列６１Ｃは、そのよう
にプロットされた計測データの一例を示し、結像特性演
算系２０ｂでは、例えば最小自乗法によってそのドット
列６１Ｃを近似する点線の直線６１Ｂの傾き、及びオフ
セットを決定する。そのオフセットを０とすると、その
直線６１Ｂの傾きが、倍率可変レートｆ２（＝Δβ／Δ
Ｐ）のキャリブレーション後の値ｆ２’となり、この値
ｆ２’が結像特性制御系１７に設定される。従って、そ
の後の露光時に倍率制御部材を介して投影倍率βをΔβ
１だけ補正する場合には、Δβ１／ｆ２’で定まる圧力
変化量ΔＰを基準圧ＰＡに加算して得られる内圧Ｐ２を
設定することによって、正確に投影倍率βを補正でき
る。これに対して、直線６１Ａで示す初期設定値を用い
て設定する内圧はＰ１となり、設定される投影倍率に誤
差が残存する。

【００３５】一方、図４の実線の直線６２Ａの傾きは、
密閉空間１９の内圧Ｐ（横軸）のずれ量ΔＰと像面のＺ
方向へのデフォーカス量ΔＦ（縦軸）との比の値ｋ（＝
ΔＦ／ΔＰ）の初期設定値を示し、この図４において、
初期状態では内圧Ｐが基準圧ＰＡのときにデフォーカス
量ΔＦは０である。その傾きｋは、フォーカス位置変化
レートｆ３（＝ΔＦ／Δβ）に、図３の倍率可変レート
ｆ２（＝Δβ／ΔＰ）を乗じた値でもある。

【００３６】そのフォーカス位置変化レートｆ３のキャ
リブレーションを行うために、本例では図１に示すよう
に、基準マーク部材４４の開口パターン４５を投影光学
系ＰＬの露光フィールド内に設定した状態で、結像特性
制御系１７を介して密閉空間１９の内圧Ｐを基準圧ＰＡ
の前後に所定の圧力差で複数段階に設定する。そして、
内圧Ｐを或る値に設定する毎に、それぞれＺチルトステ
ージ２２を駆動して基準マーク部材４４のＺ方向の位置
を連続的に変化させて、ＡＦセンサ２８で検出されるフ
ォーカス信号ＳＦ及び光電検出器５５から出力される合
焦点検出信号ＳＣを結像特性演算系２０ｂに取り込む。
この結果、基準マーク部材４４のＺ方向の位置に対し
て、合焦点信号ＳＣ及びフォーカス信号ＳＦはそれぞれ
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように変化する。

【００３７】この場合、合焦点信号ＳＣがピークとなる
位置Ｚ１として求められるベストフォーカス位置は、露
光波長の照明光のもとで投影光学系ＰＬを介して検出さ
れる実際のベストフォーカス位置である。一方、フォー
カス信号ＳＦが０となる位置Ｚ２として求められるベス
トフォーカス位置は、ベストフォーカス位置の初期値
に、図４の直線６２Ａで定まるデフォーカス量ΔＦの補
正を行った位置であり、位置Ｚ１と位置Ｚ２とのずれ量
δＺ（＝Ｚ１−Ｚ２）が、ＡＦセンサ２８で検出される
ベストフォーカス位置のずれ量となる。このフォーカス
位置のずれ量δＺが内圧Ｐの各設定点で計測される。結
像特性演算系２０ｂでは密閉空間１９の内圧Ｐに対し
て、図４の実線の直線６２Ａにその位置ずれ量δＺを加
算した結果をプロットする。

【００３８】図４の一連のドット列６２Ｃは、そのよう
にしてプロットされた計測データの一例を示し、結像特
性演算系２０ｂでは、例えば最小自乗法によってそのド
ット列６２Ｃを近似する点線の直線６２Ｂの傾き、及び
オフセットを決定する。ここではオフセットを０とする
と、その直線６２Ｂの傾きが、内圧Ｐのずれ量ΔＰとデ
フォーカス量ΔＦとの比の値ｋ（＝ΔＦ／ΔＰ）の実測
値ｋ’となる。そこで、この実測値ｋ’を上述の倍率可
変レートｆ２（＝Δβ／ΔＰ）のキャリブレーション後
の値ｆ２’で除算した値が、フォーカス位置変化レート
ｆ３（＝ΔＦ／Δβ）のキャリブレーション後の値ｆ
３’となり、この値ｆ３’がオートフォーカス制御系２
０ａに設定される。従って、その後の露光時に倍率制御
部材を介して投影倍率βをΔβ１だけ補正する場合に
は、Δβ１・ｆ３’で定まる量だけウエハＷのフォーカ
ス位置を補正することによって、ウエハＷの表面は像面
に正確に合焦される。

【００３９】また、上述のキャリブレーションは、照明
条件を輪帯照明や変形照明等に切り換えた状態でも実行
され、各照明条件で倍率可変レートｆ２及びフォーカス
位置変化レートｆ３の値が求められて記憶される。これ
によって、照明条件を変更した場合でも、倍率補正が高
精度に行われ、且つデフォーカスが発生しない。次に、
図１の補正板１６の位置及び傾斜角を制御するディスト
ーション制御部材の制御特性のキャリブレーションを行
う場合につき説明する。以下では照明条件は通常の照明
条件として、図７（ａ）に示すように、補正前の正方形
の投影像６３を台形状の投影像６３Ａに歪ませるものと
する。この場合の制御特性は、台形状のディストーショ
ンΔＤを発生させるための駆動素子１５Ａ〜１５Ｃの伸
縮量ΔｚＡ〜ΔｚＣを規定する関数ｆ１Ａ（ΔＤ）〜ｆ
１Ｃ（ΔＤ）、及びそのディストーションΔＤに対応し
て発生する像面湾曲ΔＣを規定する関数ｆ４（ΔＤ）で
ある。

【００４０】その関数ｆ１Ａ（ΔＤ）〜ｆ１Ｃ（ΔＤ）
のキャリブレーションを行うために、本例では図２に示
すように、基準マーク部材４４の基準マーク４６Ａ〜４
６Ｄ（図６（ａ）参照）を投影光学系ＰＬの露光フィー
ルド内に設定し、基準マーク部材４４の表面を投影光学
系ＰＬのベストフォーカス位置に設定した状態で、その
ディストーションΔＤを段階的に変化させて、それぞれ
関数ｆ１Ａ（Ｄ）〜ｆ１Ｃ（ΔＤ）の初期設定値に応じ
て駆動素子１５Ａ〜１５Ｃの伸縮量を設定する。そし
て、ディストーションΔＤを或る値に設定する毎に、そ
れぞれレチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂ等を介し
て図７（ｂ）に示すように、レチクルＲ上のアライメン
トマーク４７Ａ〜４７Ｄに対する基準マーク４６Ａ〜４
６Ｄの像４６ＡＲ〜４６ＤＲの目標位置からの位置ずれ
量を検出し、検出結果を主制御系２０内の結像特性演算
系２０ｂに供給する。結像特性演算系２０ｂではそれら
の位置ずれ量からアライメントマーク４７Ａ〜４７Ｄの
配置を基準として、投影光学系ＰＬのレチクルからウエ
ハへの実際の投影像のディストーションΔＤ’を算出
し、一連のディストーションΔＤ’の値より関数ｆ１Ａ
（ΔＤ）〜ｆ１Ｃ（ΔＤ）の補正を行う。

【００４１】また、ディストーションΔＤに対応して発
生する像面湾曲ΔＣを規定する関数ｆ４（ΔＤ）のキャ
リブレーションを行うために、図１に示すように、基準
マーク部材４４の開口パターン４５を投影光学系ＰＬの
露光フィールド内に設定する。そして、そのディストー
ションΔＤを段階的に変化させる毎に、それぞれＺチル
トステージ２２を駆動して基準マーク部材４４をＺ方向
に移動させて、光電検出器５５からの合焦点検出信号Ｓ
Ｃを用いて像面のベストフォーカス位置を検出する。こ
の際に、図７（ｃ）に示すように、投影光学系ＰＬの露
光フィールド６４内の５個の計測点６５Ａ〜６５Ｅでそ
れぞれベストフォーカス位置を検出することによって、
像面湾曲の実際の量ΔＣ’を実測する。その後、ディス
トーションΔＤの各設定値に対する像面湾曲の実際の量
ΔＣ’に基づいて、像面湾曲ΔＣを規定する関数ｆ４
（ΔＤ）を補正する。この場合にも、各照明条件毎に関
数ｆ４（ΔＤ）等のキャリブレーションが行われる。そ
の後、実際の露光時には、キャリブレーションされた関
数ｆ１Ａ（ΔＤ）〜ｆ１Ｃ（ΔＤ）を用いてディストー
ション制御部材を駆動することで、ディストーションの
補正を正確に行うことができる。更に、関数ｆ４（Δ
Ｄ）を用いてウエハＷの表面の傾斜角等を補正すること
で、ウエハＷの各ショット領域にレチクルＲのパターン
像が高い解像度で転写される。

【００４２】上述のように本例によれば、投影光学系Ｐ
Ｌの投影倍率β及び所定のディストーションを正確に補
正できる。従って、異なる投影露光装置間での投影倍率
β、及びディストーションの設定値の差（機差）が小さ
くなり、ミックス・アンド・マッチ方式で露光を行う場
合の重ね合わせ誤差が小さくなる。更に、本例の制御特
性のキャリブレーションを定期的に実施してもよい。こ
れによって、倍率制御部材及びディストーション制御部
材の経時変化の影響も抑制される。

【００４３】また、上述の制御特性のキャリブレーショ
ンは、図１のレチクルＲを交換する毎に実施するように
してもよい。これによって、レチクルの製造誤差も合わ
せて投影倍率βを補正できる利点もある。なお、上述の
実施の形態では投影光学系ＰＬの結像特性を計測するた
めにレチクルアライメント系４１Ａ，４１Ｂ等が使用さ
れている。それ以外に、図８に示すようなウエハ側のＺ
チルトステージ２２内に設置されたエッジセンサを使用
してもよい。図８において、Ｚチルトステージ２２上の
基準マーク部材４４の表面にほぼ正方形の開口パターン
６６が形成され、開口パターン６６の底部に光電検出器
６７が配置され、この光電検出器６７の検出信号ＳＥが
不図示の信号処理系に供給されている。この場合、図１
において、シャッタ２を開状態として露光光ＩＬ１のも
とで、図６（ｂ）に示すレチクルＲ上のアライメントマ
ーク４７Ａ〜４７Ｄの像を投影光学系ＰＬを介してウエ
ハ側のステージ上に投影する。この状態でＸＹステージ
２３を駆動して、図８の開口パターン６６でそれらの投
影像を走査し、光電検出器６７からの検出信号ＳＥを取
り込み、例えばこの検出信号ＳＥの微分信号を求めるこ
とで、アライメントマーク４７Ａ〜４７Ｄの像の位置が
検出でき、これらの位置より投影倍率βの誤差、及びデ
ィストーションが求められる。

【００４４】また、本発明はステッパー型の投影露光装
置のみならず、レチクル及びウエハを投影光学系に対し
て同期走査して露光を行うステップ・アンド・スキャン
方式のような走査露光型の投影露光装置にも適用できる
ことは明らかである。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。

【００４５】

【発明の効果】本発明の投影露光方法によれば、予め定
めてある制御特性（倍率可変レート等）をマスクパター
ンの露光前に補正すると共に、補正対象の他の結像特性
の実際の変化量も計測しているため、結像特性制御部材
を介して投影像の結像特性を補正する場合に、その制御
特性の初期設定値に誤差がある場合でも、正確に結像特
性を補正できると共に、その結像特性制御部材を駆動し
たことによる他の結像特性の変化を正確に補正できる利
点がある。

【００４６】また、本発明の投影露光装置によれば、そ
の投影露光方法を実施できる。これによって、異なる投
影露光装置間での投影倍率等の結像特性の差が小さくな
る。また、その制御特性を定期的に補正することによっ
て、結像特性制御部材の経時変化等の影響も抑制でき
る。また、補正対象の結像特性は、投影倍率、像面湾
曲、及びディストーションよりなる結像特性群中の少な
くとも１つの結像特性であり、その他の結像特性は、そ
の結像特性群から選択されなかった結像特性、又はデフ
ォーカスである場合には、例えば投影倍率の補正に伴う
デフォーカスの発生を防止できる利点がある。

【００４７】また、結像特性計測系は、投影光学系の所
定の結像特性及び他の結像特性の実際の変化量の目標値
からのずれ量を計測し、演算制御系はその計測された結
像特性の目標値からのずれ量に基づいて、その制御特性
の補正、及び露光条件制御系を介したその他の結像特性
の変化の相殺を行う場合には、結像特性をより高精度に
補正できる利点がある。

【００４８】また、マスクに対する照明光の照明条件を
変更する照明条件変更部材を設け、この照明条件変更部
材を介して照明条件を変更する際に、その制御特性の補
正を行う場合には、照明条件が変更されても結像特性を
高精度に補正できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例で使用される投影露
光装置を示す一部を切り欠いた概略構成図である。

【図２】その実施の形態の投影露光装置の投影倍率及び
ディストーションの計測系を示す一部を切り欠いた構成
図である。

【図３】図１の投影露光装置の倍率制御部材における密
閉空間の内圧Ｐと投影倍率の変化量Δβとの関係を示す
図である。

【図４】その倍率制御部材における密閉空間の内圧Ｐと
デフォーカス量ΔＦとの関係を示す図である。

【図５】図１の合焦点検出信号ＳＣ及びフォーカス信号
ＳＦを示す図である。

【図６】（ａ）は図１の基準マーク部材４４上の基準マ
ーク等を示す平面図、（ｂ）は図１のレチクルＲ上のア
ライメントマークの配置を示す平面図である。

【図７】その実施の形態におけるディストーション及び
像面湾曲の計測方法の説明に供する図である。

【図８】その実施の形態における結像特性の計測系の他
の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１露光光源６開口絞り板ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ１５Ａ〜１５Ｃ駆動素子１６補正板１７結像特性制御系１９密閉空間２０主制御系２０ａオートフォーカス制御系２０ｂ結像特性演算系２２Ｚチルトステージ２３ＸＹステージ２６ＡＦセンサ４１Ａ，４１Ｂレチクルアライメント系４４基準マーク部材４５開口パターン４６Ａ〜４６Ｄ基準マーク４７Ａ〜４７Ｄアライメントマーク５５光電検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め定められた制御特性に基づいて所定
の結像特性を補正できる投影光学系を介して、所定の照
明光のもとでマスクパターンの像を感光基板上に露光す
る投影露光方法において、前記マスクパターンの露光前に、前記制御特性に基づい
て前記投影光学系の前記所定の結像特性を調整したとき
に、前記投影光学系の前記所定の結像特性及び他の結像
特性の実際の変化量を計測し、該計測結果に基づいて前
記制御特性を補正しておき、前記マスクパターンの露光時に、前記補正された制御特
性に基づいて前記投影光学系の前記所定の結像特性を調
整すると共に、前記他の結像特性の変化を相殺するよう
に調整を行うことを特徴とする投影露光方法。
【請求項２】第１面のパターンの像を第２面上に投影
する投影光学系と、予め定められた制御特性に基づいて
前記投影光学系の所定の結像特性を調整する結像特性制
御部材とを用い、該結像特性制御部材を介して前記投影
光学系の結像特性を所定の状態に維持して、所定の照明
光のもとでマスクに形成されたパターンの像を前記投影
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、前記制御特性に基づいて前記結像特性制御部材を介して
前記投影光学系の前記所定の結像特性を調整したとき
に、前記投影光学系の前記所定の結像特性及び他の結像
特性の実際の変化量を計測する結像特性計測系と、前記投影光学系の前記他の結像特性に対応する露光条件
を制御する露光条件制御系と、前記結像特性計測系の計測結果に基づいて前記制御特性
を補正すると共に、前記露光条件制御系を介して前記他
の結像特性の変化を相殺する演算制御系と、を有するこ
とを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】請求項２記載の投影露光装置であって、前記所定の結像特性は、投影倍率、像面湾曲、及びディ
ストーションよりなる結像特性群中の少なくとも１つの
結像特性であり、前記他の結像特性は、前記結像特性群から選択されなか
った結像特性、又はデフォーカスであることを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項４】請求項２、又は３記載の投影露光装置で
あって、前記結像特性計測系は、前記投影光学系の前記所定の結
像特性及び他の結像特性の実際の変化量の目標値からの
ずれ量を計測し、前記演算制御系は前記計測された結像特性の目標値から
のずれ量に基づいて、前記制御特性の補正、及び前記露
光条件制御系を介した前記他の結像特性の変化の相殺を
行うことを特徴とする投影露光装置。
【請求項５】請求項２、３、又は４記載の投影露光装
置であって、前記マスクに対する前記照明光の照明条件を変更する照
明条件変更部材を設け、該照明条件変更部材を介して照明条件を変更する際に、
前記制御特性の補正を行うことを特徴とする投影露光装
置。