JPH11135420A

JPH11135420A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH11135420A
Application number: JP9316306A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Suzuki; 広介鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】レチクルパターンの像面の位置とウエハ面とが
光軸方向にずれたときに、光軸と直交する方向について
正確な位置合わせを行うことができる投影露光装置を提
供する。【解決手段】放射ビームでマスク８を照射する照明光学
系１〜７と、マスク８上に形成されたパターンの像を基
板１４上に投影する投影光学系１３とを備えた投影露光
装置において、投影光学系の光軸３０に沿ったＺ方向へ
の投影光学系１３の結像面の移動によって生じる、結像
面内での投影像のシフトを補償するために、Ｚ方向の位
置と光軸と垂直なＸＹ平面内での位置との関係３２に基
づいて、Ｚ方向に関する基板１４の位置又は移動量に応
じたＸＹ平面内での投影像の位置又はシフト量Ｓ１を算
出する計算装置２８と、算出された位置又はシフト量Ｓ
１に基づいて、ＸＹ平面に沿って投影像と基板とを相対
移動する第１位置合わせ装置１７，２０；４０，４１と
を備えた。

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
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
る際に用いられる投影露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子は、レチクル上に描かれた回
路パターンを、投影レンズを介して感光剤を塗布したウ
エハ上に投影露光することによって製造される。その
際、投影露光装置が設置されている環境などの変化によ
り、パターンの結像位置が基準状態から光軸方向（以下
Ｚ方向という。）にずれることがある。また、パターン
の結像位置とウエハとをＺ方向に意図的にずらして露光
を行うこともある。他方、露光過程は通常複数回にわた
って繰り返して行われるから、既に転写されているウエ
ハ上のパターンと、これから転写しようとするレチクル
上のパターンのウエハ上での結像位置は、正確に重ね合
わせられなければならない。それ故レチクルとウエハと
は、投影光学系の光軸と直交する方向（以下ＸＹ方向と
いう。）について、正確に位置決めされる必要がある。

【０００３】そこで従来の露光装置では、例えばレチク
ルとしてテストパターンを用い、Ｚステージを駆動して
ウエハのテスト露光をいくつかのＺ方向の位置で行い、
各Ｚ高さでのテストパターンの像の中心位置から、各Ｚ
高さでの像のＸＹ方向へのシフト量を求めていた。また
テスト露光を行わない方法として、Ｚステージを駆動し
ていくつかのＺ方向の位置にウエハステージを移動し、
各Ｚ高さでのテストパターンの像を撮像し、その画像情
報から各Ｚ高さでの像のＸＹ方向へのシフト量を求めて
いた。あるいはウエハ高さにナイフエッジを配置し、各
Ｚ高さでＸＹステージを移動しながらナイフエッジを通
過する光量を測定し、その光量信号から各Ｚ高さでの像
のＸＹ方向へのシフト量を求めていた。そして実際の露
光において、環境変化などによる結像位置の変化や意図
的なデフォーカスなどによってウエハをＺ方向に移動す
る必要が生じたときには、Ｚステージを駆動してウエハ
をＺ方向に移動すると同時に、テストパターンでの結果
に基づいて像がＸＹ方向にシフトすると想定して、これ
を打ち消すようにＸＹステージを駆動していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、ウ
エハをＺ方向に移動しつつ各Ｚ高さにおける光量の中心
位置を求めるものであるから、主光線のＺ方向からの倒
れを測定していることに他ならない。しかもこの測定に
は、Ｚステージの軌跡のＺ方向からの倒れが含まれてい
るから、結局のところ、主光線の倒れとＺステージの軌
跡の倒れとが混在した情報を収集しているに過ぎなかっ
た。しかるに環境変化などにより生じる結像位置の変化
とは、最良結像位置の軌跡となって現れるものであるか
ら、上記従来の技術では、必ずしも十分なＸＹ方向の位
置合わせを行うことができなかった。そこで本発明は、
レチクルパターンの像面の位置とウエハ面とが光軸方向
にずれたときに、光軸と直交する方向について正確な位
置合わせを行うことができる投影露光装置を提供するこ
とを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、すなわち、添付図面に
付した符号をかっこ内に付記すると、本発明は、放射ビ
ームでマスク（８）を照射する照明光学系（１〜７）
と、マスク（８）上に形成されたパターンの像を基板
（１４）上に投影する投影光学系（１３）とを備えた投
影露光装置において、投影光学系の光軸（３０）に沿っ
た方向（Ｚ）への投影光学系（１３）の結像面の移動に
よって生じる、結像面内での投影像のシフトを補償する
ために、投影像の光軸に沿った方向（Ｚ）の位置と光軸
と垂直な平面（ＸＹ）内での位置との関係（３２）に基
づいて、光軸に沿った方向（Ｚ）に関する基板（１４）
の位置又は移動量に応じた平面（ＸＹ）内での投影像の
位置又はシフト量（Ｓ１）を算出する計算装置（２８）
と、算出された位置又はシフト量（Ｓ１）に基づいて、
光軸と垂直な平面（ＸＹ）に沿って投影像と基板とを相
対移動する第１位置合わせ装置（１７，２０；４０，４
１）とを備えたことを特徴とする投影露光装置である。

【０００６】その際、第１位置合わせ装置（１７，２
０；４０，４１）は、マスク（８）を保持して投影光学
系の光軸と直交する方向（ＸＹ）に移動するマスクステ
ージ（４０）と、基板（１４）を保持して光軸と垂直な
平面（ＸＹ）に沿って移動する基板ステージ（１７）と
を含み、光軸に沿った方向（Ｚ）への基板（１４）の移
動に応じて、マスクステージ（４０）と基板ステージ
（１７）の少なくとも一方を駆動する構成とすることが
できる。また投影光学系（１３）の結像面が、放射ビー
ムの投影光学系への入射と、投影光学系が設置される環
境の変化との少なくとも一方に起因して移動する場合
に、投影光学系（１３）の結像面の移動に応じて、投影
像と基板とを投影光学系の光軸に沿った方向（Ｚ）に相
対移動する第２位置合わせ装置（１５，１６）を更に備
えた構成とすることができる。そして、第２位置合わせ
装置（１５，１６）は、基板（１４）を保持して投影光
学系の光軸に沿った方向（Ｚ）に移動する基板ステージ
（１５）を含み、投影光学系の結像面の移動に追従して
基板ステージ（１５）を駆動する構成とすることができ
る。

【０００７】また、計算装置（２８）は、基板ステージ
（１５）による基板（１４）の投影光学系の光軸に沿っ
た方向（Ｚ）への移動に応じて生じる、光軸と垂直な平
面に沿った方向（ＸＹ）での投影像と基板との相対的な
シフト量（Ｓ２，Ｓ３）を更に算出し、第１位置合わせ
装置（２０，４１）は、算出されたシフト量（Ｓ２，Ｓ
３）を相殺するように投影像と基板とを相対移動するこ
とができる。その際、投影像と基板（１４）との相対的
なシフトは、基板ステージ（１５）の駆動誤差（３４）
に起因して生じても良く（Ｓ２）、また投影光学系（１
３）のテレセントリシティ（３９）に起因して生じても
良く（Ｓ３）、両者の双方に起因して生じても良い。

【０００８】また、投影光学系（１３）の収差（Ｄ）及
び／又は倍率（Ｍ）を調整するために、マスク（８）と
基板（１４）との間に配置される少なくとも１つの光学
素子（９ａ，９ｂ）を移動する調整装置（１０，１１）
を更に備え、計算装置（２８）は、少なくとも１つの光
学素子（９ａ，９ｂ）の移動によって生じる、投影光学
系の光軸と垂直な平面に沿った方向（ＸＹ）での投影像
と基板との相対的なシフト量（Ｓ４，Ｓ５）を更に算出
し、第１位置合わせ装置（２０，４１）は、算出された
シフト量（Ｓ４，Ｓ５）を相殺するように投影像と基板
とを相対移動する構成とすることもできる。その際、投
影光学系（１３）は、光軸（３０）に沿って配列される
複数の光学素子（９ａ，９ｂ）を有し、調整装置（１
０，１１）は、複数の光学素子の少なくとも１つを光軸
に沿った方向（Ｚ）に移動する構成とすることが好まし
い。

【０００９】また、基板（１４）の露光中、投影光学系
の結像面と基板とを投影光学系の光軸に沿った方向
（Ｚ）に相対移動する装置（１５，１６）を更に備え、
計算装置（２８）は、結像面と基板との相対移動によっ
て生じる、投影光学系の光軸と垂直な平面に沿った方向
（ＸＹ）での投影像と基板との相対的なシフト量を更に
算出し、第１位置合わせ装置（１７，２０；４０，４
１）は、算出されたシフト量を相殺するように投影像と
基板とを相対移動するように構成することができる。

【００１０】また、照明光学系は、２次光源を形成する
オプチカルインテグレータ（２）と、２次光源の強度分
布を変更する光学装置（３）とを含み、計算装置（２
８）は、強度分布の変更に応じて、投影像の投影光学系
の光軸に沿った方向（Ｚ）の位置と光軸と垂直な平面
（ＸＹ）内での位置との関係（３２）を変更し、変更さ
れた関係に基づいて、投影光学系の光軸と垂直な平面
（ＸＹ）内での投影像の位置又はシフト量を算出する構
成とすることができる。その際、光学装置（３）は、開
口の形状と大きさとの少なくとも一方が互いに異なる複
数の開口絞り（３ａ〜３ｄ）を含み、複数の開口絞りが
それぞれ交換可能にオプチカルインテグレータ（２）の
近傍に配置され、計算装置（２８）は、複数の開口絞り
にそれぞれ対応した投影像の光軸に沿った方向（Ｚ）の
位置と光軸と垂直な平面（ＸＹ）内での位置との関係を
格納するメモリ（２８ａ）を含む構成とすることができ
る。

【００１１】また、照明光学系（１〜７）は、パターン
よりも小さいマスク上の領域を放射ビームで照射し、放
射ビームに対してマスク（８）を投影光学系の光軸と直
交する方向（Ｙ）に相対移動するとともに、マスク
（８）の移動に同期して、投影光学系（１３）に対して
基板（１４）を光軸と直交する方向（Ｙ）に相対移動す
る走査システム（４０，４１；１７，２０）を更に備え
た構成、すなわち走査型露光装置の構成とすることもで
きる。

【００１２】また本発明は、放射ビームでマスク（８）
を照射する照明光学系（１〜７）と、マスク（８）上に
形成されたパターンの像を基板（１４）上に投影する投
影光学系（１３）とを備えた投影露光装置において、投
影光学系（１３）の収差（Ｄ）及び／又は倍率（Ｍ）を
調整するために、投影光学系を構成する少なくとも１つ
の光学素子（９ａ，９ｂ）を、投影光学系の光軸（３
０）に沿って移動する調整装置（１０，１１）と、少な
くとも１つの光学素子の移動によって生じる、投影光学
系の光軸と垂直な平面（ＸＹ）内での投影像のシフト量
（Ｓ４，Ｓ５）を算出し、算出されたシフト量（Ｓ４，
Ｓ５）に基づいて、投影像と基板とを平面（ＸＹ）に沿
って相対移動する補正装置（４０，４１；１７，２０）
とを備えたことを特徴とする投影露光装置である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面によっ
て説明する。図１は本発明による投影露光装置の第１実
施例を示す。光源１から発せられた光束はオプティカル
インテグレータ２に入射し、オプティカルインテグレー
タ２の射出面の近傍に多数の２次光源像を作る。光源１
としては、例えば水銀ランプｉ線、ＫｒＦエキシマレー
ザ、ＡｒＦエキシマレーザなどを用いることができる。
オプティカルインテグレータ２の射出面近傍には絞りレ
ボルバ３が配置されており、絞りレボルバ３には、図２
に示すように、開口形状が互いに異なる複数の絞り３ａ
〜３ｄが設けられている。絞りレボルバ３は絞り駆動部
４によって回転駆動されており、こうして光路内に挿入
する絞り３ａ〜３ｄを切り替えることができるように形
成されている。光路内に挿入された絞りの種類は、メイ
ンコントローラに信号として送られている。絞り３ａ〜
３ｄを通過した光束は、リレー系５、折り曲げミラー６
及びコンデンサレンズ７を通過してレチクル８を照明し
ている。

【００１４】レチクル８には回路パターンが描かれてお
り、パターンを通過した光束は投影レンズ１３によって
結像し、その結像面に、レジストを塗布したウエハ１４
が配置されている。投影レンズ１３を構成するレンズの
うちの一部のレンズ群９ａ，９ｂは、光軸方向に移動可
能に配置されている。すなわちレンズ群９ａは、光軸を
中心として周方向１２０°間隔で配置された３個の圧電
素子１０を介して鏡筒に固定されており、同様にレンズ
群９ｂも、３個の圧電素子１１を介して鏡筒に固定され
ている。こうして各レンズ群９ａ，９ｂの光軸方向の位
置は、それぞれ独立に変更することができ、各レンズ群
９ａ，９ｂの光軸方向の位置は、圧電素子１０，１１に
付設された位置センサによって計測されている。圧電素
子１０，１１に印加する電圧は圧電素子制御部１２によ
って制御されており、また位置センサからの位置信号は
圧電素子制御部１２に送られている。圧電素子制御部１
２はレンズコントローラ２３によって制御されており、
レンズコントローラ２３はメインコントローラ２８によ
って制御されている。位置センサとしては、例えば静電
容量型位置センサやリニアエンコーダ、干渉計などを用
いることができる。

【００１５】ウエハ１４はＺステージ１５上に載置され
ており、Ｚステージ１５はＸＹステージ１７上に載置さ
れている。Ｚステージ１５は、投影レンズ１３の光軸方
向（Ｚ方向）に移動できるように、Ｚステージ駆動部１
６によって駆動されている。同様にＸＹステージ１７
は、投影レンズ１３の光軸方向と直交する方向（ＸＹ方
向）に移動できるように、ＸＹステージ駆動部２０によ
って駆動されている。Ｚステージには移動鏡１８が取り
付けられており、移動鏡１８に対向してレーザ干渉計１
９が設けられている。こうしてレーザ干渉計１９によっ
て、移動鏡１８のＸＹ平面内での位置、すなわちウエハ
のＸＹ平面内での位置が測定される。

【００１６】他方、ウエハ面には、投影レンズ１３の側
方に設けた斜入射自動合焦系射出部２１からの光束が入
射され、この光束はウエハ表面で反射して斜入射自動合
焦系受光部２２で受光される。受光される光束のピーク
位置は、ウエハ面のＺ方向の位置によって変化するか
ら、ピーク位置を検出することによりウエハ面の高さを
知ることができる。斜入射自動合焦系受光部２２からの
信号は、フィードバック信号としてＺステージ駆動部１
６に送られ、Ｚステージ駆動部１６は、ウエハ面の高さ
が与えられた位置となるように、Ｚステージ１５をＺ方
向に駆動する。

【００１７】この露光装置には気圧センサ２５、温度セ
ンサ２６及び湿度センサ２７が付設されており、これら
のセンサからの信号は結像性能演算部２４に送られる。
メインコントローラ２８は、結像性能演算部２４の結果
に基づいて、投影レンズ１３中の一部のレンズ群９ａ，
９ｂの移動、Ｚステージの移動、及びＸＹステージの移
動を制御している。以下に、メインコントローラ２８に
おける演算の手法を図３によって説明する。

【００１８】先ず、気圧、温度、及び湿度の変動に起因
する投影レンズ１３の倍率の変化、歪曲収差の変化、及
びフォーカス高さ（フォーカス位置のＺ方向の座標）の
変化を次式によって計算する。Ｍ＝Ｋ_mp×Ｐ＋Ｋ_mt×Ｔ＋Ｋ_mh×ＨＤ＝Ｋ_dp×Ｐ＋Ｋ_dt×Ｔ＋Ｋ_dh×ＨＦ＝Ｋ_fp×Ｐ＋Ｋ_ft×Ｔ＋Ｋ_fh×Ｈ但し、Ｍ、Ｄ、Ｆ：それぞれ倍率、歪曲収差、フォーカ
ス高さの変化Ｐ、Ｔ、Ｈ：それぞれ気圧、温度、湿度の変化Ｋ_mp、Ｋ_mt、Ｋ_mh：それぞれ気圧変化、温度変化、湿度
変化に対する倍率変化の係数Ｋ_dp、Ｋ_dt、Ｋ_dh：それぞれ気圧変化、温度変化、湿度
変化に対する歪曲収差変化の係数Ｋ_fp、Ｋ_ft、Ｋ_fh：それぞれ気圧変化、温度変化、湿度
変化に対するフォーカス高さ変化の係数である。なおここでは上式のように、各環境変動Ｐ，
Ｔ，Ｈに対して、結像性能が比例して変化するとして求
めているが、より高精度に結像性能を求めるために、例
えば温度に対して１次遅れ系や、熱の移動を考慮したむ
だ時間系、あるいはそれらの組合せの伝達関数を採用し
ても良い。

【００１９】環境の変化に起因して、投影レンズ１３の
倍率の変化Ｍ、歪曲収差の変化Ｄ、及びフォーカス高さ
の変化Ｆが、上式のように変化することが分かったか
ら、次にこれらの変化を打ち消すように補正する。但
し、先ずレンズ群９ａ、９ｂを移動することにより、倍
率の変化Ｍと、歪曲収差の変化Ｄだけを補正する。倍率
の変化Ｍと、歪曲収差の変化Ｄを打ち消すために必要な
レンズ群９ａ、９ｂの上下方向の移動量は、次の連立方
程式を解くことによって得られる。 −Ｍ＝Ｋ_ma×Ｚ_9a＋Ｋ_mb×Ｚ_9b −Ｄ＝Ｋ_da×Ｚ_9a＋Ｋ_db×Ｚ_9b 但し、Ｚ_9a、Ｚ_9b：それぞれレンズ群９ａとレンズ群９
ｂの移動量Ｋ_ma、Ｋ_mb：それぞれレンズ群９ａとレンズ群９ｂの移
動量に対する倍率変化の係数Ｋ_da、Ｋ_db：それぞれレンズ群９ａとレンズ群９ｂの移
動量に対する歪曲収差変化の係数である。各係数は実験により求めてもよく、光学的な計
算値を採用してもよい。こうして求められたレンズ群９
ａ、９ｂの移動量Ｚ_9a、Ｚ_9bを圧電素子制御部１２に送
信して、レンズ群９ａ、９ｂを上下方向に駆動する。

【００２０】以上の結果、環境の変化に起因する倍率の
変化Ｍと歪曲収差の変化Ｄが補正されるところとなっ
た。但し、環境の変化に起因するフォーカス高さの変化
Ｆは未だ補正されておらず、更にレンズ群９ａ、９ｂを
移動したことにより、新たにレンズ群９ａ、９ｂの移動
に起因するフォーカス高さの変化が生じることとなっ
た。そこで、レンズ群９ａ、９ｂの移動に起因するフォ
ーカス高さの変化ｆ１を次式より求める。ｆ１＝Ｋ_fa×Ｚ_9a＋Ｋ_fb×Ｚ_9b 但し、Ｋ_fa、Ｋ_fb：それぞれレンズ群９ａとレンズ群９
ｂの移動量に対するフォーカス高さ変化の係数である。各係数は実験により求めてもよく、光学的な計
算値を採用してもよい。

【００２１】以上より投影レンズのフォーカス高さの変
化ｆは、ｆ＝ｆ１＋Ｆとなることが分かった。そこでＺステージ１５をＺ方向
にｆだけ駆動して、最適露光位置にウエハ面の高さを合
わせることとなる。但し、コンタクトホールなどの露光
のときには、投影レンズ１３のべストフォーカス位置か
らＺ方向に意図的にウエハ面をずらして露光することが
ある。そこでこのデフォーカス量をｆｚとすると、Ｚス
テージのＺ方向への移動量は、ｆ＋ｆｚとなる。したがって以上より、斜入射自動合焦系２１，
２２にｆ＋ｆｚだけのオフセットを送信して、Ｚステー
ジ１５をＺ方向にｆ＋ｆｚだけ駆動する。

【００２２】次に、環境の変化とレンズ群９ａ、９ｂの
移動によって、投影レンズのべストフォーカス位置の高
さはＺ方向にｆだけ変化するが、ＸＹ面内にもシフトす
る可能性がある。これを図４によって説明する。図４
は、投影レンズのべストフォーカス位置の軌跡３２を示
し、環境の変化や露光光の吸収などにより、投影レンズ
１３のべストフォーカス位置は、この軌跡３２に沿って
時々刻々と変化している。べストフォーカスの位置は、
設計上は投影レンズ１３の光軸３０に沿って移動するこ
ととしているが、実際には製造上の誤差などにより、露
光光の像は光線３１ａ〜３１ｃとして示すように、必ず
しも常に光軸対称とはなっておらず、したがってべスト
フォーカス位置の軌跡３２は、光軸３０に対して倒れて
いる。つまり、べストフォーカス位置の軌跡３２の倒れ
る方向θと角度φとに依存して、ベストフォーカスの位
置はＸＹ面内で移動し、この結果ウエハとの間で位置ず
れを生じる。なお、軌跡の倒れる方向θとは、軌跡がＺ
方向からＸＹ面内のいずれの方向θ（０≦θ≦３６０
°）に倒れているか、ということである。また、軌跡の
倒れる角度φとは、軌跡がＺ方向からどれだけφ（０≦
φ≦９０°）倒れているか、ということである。

【００２３】そこでメインコントローラ２８において、
投影レンズ１３のべストフォーカス位置のＸＹ面内での
シフト量を以下の式から求める。Ｓ１_x＝Ｃｓ１_x×ｆＳ１_y＝Ｃｓ１_y×ｆ但し、Ｓ１_x、Ｓ１_y：べストフォーカス位置の軌跡３２
のＺ方向からの倒れに起因するそれぞれＸ方向とＹ方向
への像シフトＣｓ１_x、Ｃｓ１_y：べストフォーカス位置の軌跡３２を
それぞれＸＺ平面とＹＺ平面に射影したときの倒れの勾
配である。なお、係数Ｃｓ１_x、Ｃｓ１_yは実験により求め
れば良い。

【００２４】また、係数Ｃｓ１_x、Ｃｓ１_yは絞りレボル
バ３の絞り３ａ〜３ｄのうち、光路内に挿入される絞り
に応じて異なる可能性がある。そこで本実施例では、絞
り３ａ〜３ｄの種類ごとに係数Ｃｓ１_x、Ｃｓ１_yをメイ
ンコントローラ２８のメモリ２８ａ内に記憶している。
そして像シフトＳ１の計算時には、光路内に挿入されて
いる絞りの種類を絞り駆動部４からメインコントローラ
２８に送信して、これに対応する係数Ｃｓ１_x、Ｃｓ１_y
を選択するように構成している。

【００２５】次に、既述のように、Ｚステージ１５はＺ
方向にｆ＋ｆｚだけ移動するが、このＺ方向への移動に
際して、Ｚステージ１５がＸＹ面内でシフトしてしまう
おそれがある。これを図５によって説明する。図５にＺ
ステージ１５の光軸３０方向（Ｚ方向）への移動と、Ｘ
Ｙ方向へのシフトとの関係を示す。本実施例では、移動
鏡１８はＺステージ１５に取り付けられているから、Ｚ
ステージ１５がｆ＋ｆｚだけ移動すると、移動鏡１８も
Ｚ方向にｆ＋ｆｚだけ移動する。ここで、移動鏡１８の
反射面がＺ方向と平行でないとすると、Ｚステージ１５
のＺ方向への移動によって、干渉計から発せられる光束
の移動鏡１８で反射する往復の光路長が変化する。この
結果、ＸＹステージが移動したものと誤認されるから、
干渉計から発せられる光束の光路長が維持されるよう
に、ＸＹステージが駆動される。したがってＺステージ
の軌跡３４は光軸３０方向（Ｚ方向）に対して傾斜する
こととなり、ウエハ１４ａも位置ずれを起こして１４ｂ
の位置にシフトするから、レチクルパターンの像との間
で位置ずれを起してしまう。

【００２６】なお本実施例では、移動鏡１８がＺステー
ジ１５に取り付けられているが、移動鏡１８をＸＹステ
ージ１７に取り付けたときにも同様の事態が生じる。こ
れを図６によって説明すると、移動鏡１８をＸＹステー
ジ１７に取り付けたときには、Ｚステージ１５を移動し
ても、干渉計レーザの参照する反射面は変化しないの
で、ＸＹステージは駆動されない。しかし、Ｚステージ
１５自体に機構的な誤差があって、Ｚステージ１５の駆
動軸と光軸３０とが平行でないおそれがある。このとき
にはＺステージの軌跡３４は駆動軸の方向となるから、
Ｚステージ１５を駆動するとＸＹ方向にシフトすること
となり、ウエハ１４ａも位置ずれを起こして１４ｂの位
置にシフトするから、レチクルパターンの像との間で位
置ずれを起してしまう。

【００２７】そこで、Ｚステージ１５の軌跡の倒れに起
因するレチクルパターンの像のシフト量を以下の式から
求める。Ｓ２_x＝Ｃｓ２_x×（ｆ＋ｆｚ）Ｓ２_y＝Ｃｓ２_y×（ｆ＋ｆｚ）但し、Ｓ２_x、Ｓ２_y：Ｚステージ１５の軌跡３４のＺ方
向からの倒れに起因するそれぞれＸ方向とＹ方向への像
シフトＣｓ２_x、Ｃｓ２_y：Ｚステージ１５の軌跡３４をそれぞ
れＸＺ平面とＹＺ平面に射影したときの倒れの勾配である。なお、係数Ｃｓ２_x、Ｃｓ２_yは実験により求め
ればよい。また、現実にはＺステージ１５がＸＹ方向に
シフトしているのであって、像がシフトしているのでは
ないが、本実施例ではウエハ面を基準として、これに対
する像のシフトを求めるように統一している。

【００２８】次に、意図的なデフォーカスを行うために
Ｚステージをｆｚだけ移動したが、このときの像シフト
を図７によって説明する。図７は露光光の主光線がウエ
ハ側でＺ方向に対して傾斜している場合を示す。ウエハ
側でテレセントリックな光学系であってもそうでなくて
も、通常露光領域の中心に結像する光線の主光線は、光
軸３０（Ｚ方向）と平行になるように設計される。しか
し、照明光学系や投影光学系の製造誤差などにより、結
像に寄与する光線の広がり３８の主光線３９が、投影レ
ンズ１３の光軸３０とずれてしまうことがある。この
時、意図的に像をぼけさせて露光する場合、具体的には
ベストフォーカス位置にあるウエハ１４ａに対して意図
的に光軸方向にずらして例えば１４ｂや１４ｃの位置で
露光する場合に、主光線３９が光軸３０（Ｚ方向）に対
して傾斜しているために、単にＺ方向にウエハをずらし
ただけでは、像の中心位置がＸＹ方向にずれることにな
る。

【００２９】そこで、意図的なデフォーカス量と像のＸ
Ｙ方向へのシフトとの関係を、以下の式から求める。Ｓ３_x＝Ｃｓ３_x×ｆｚＳ３_y＝Ｃｓ３_y×ｆｚ但し、Ｓ３_x、Ｓ３_y：主光線３９のＺ方向からの倒れに
起因するそれぞれＸ方向とＹ方向への像シフトＣｓ３_x、Ｃｓ３_y：主光線３９をそれぞれＸＺ平面とＹ
Ｚ平面に射影したときの倒れの勾配である。なお、係数Ｃｓ３_x、Ｃｓ３_yは実験により求め
ればよい。

【００３０】また、係数Ｃｓ３_x、Ｃｓ３_yは絞りレボル
バ３の絞り３ａ〜３ｄのうち、光路内に挿入される絞り
に応じて異なる可能性がある。そこで本実施例では、絞
り３ａ〜３ｄの種類ごとに係数Ｃｓ３_x、Ｃｓ３_yをメイ
ンコントローラ２８のメモリ２８ａ内に記憶している。
そして像シフトＳ３の計算時には、光路内に挿入されて
いる絞りの種類を絞り駆動部４からメインコントローラ
２８に送信して、これに対応する係数Ｃｓ３_x、Ｃｓ３_y
を選択するように構成している。

【００３１】次に、環境の変化に起因する倍率の変化Ｍ
と歪曲収差の変化Ｄを補正するために、レンズ群９ａ、
９ｂをＺ_9a、Ｚ_9bだけ移動したが、このレンズ群の移動
に起因して像がＸＹ方向にシフトするおそれがある。そ
こで以下の式からレンズ群９ａ、９ｂの移動に起因する
像シフトを計算する。Ｓ４_x＝Ｃｓ４_x×Ｚ_9a Ｓ４_y＝Ｃｓ４_y×Ｚ_9a Ｓ５_x＝Ｃｓ５_x×Ｚ_9b Ｓ５_y＝ＣＳ５_y×Ｚ_9b 但し、Ｓ４_x、Ｓ４_y：レンズ群９ａの光軸方向への移動
に起因するそれぞれＸ方向とＹ方向への像シフトＳ５_x、Ｓ５_y：レンズ群９ｂの光軸方向への移動に起因
するそれぞれＸ方向とＹ方向への像シフトＣｓ４_x、Ｃｓ４_y：レンズ群９ａの光軸方向への移動量
に対するそれぞれＸ方向とＹ方向への像シフトの係数Ｃｓ５_x、Ｃｓ５_y：レンズ群９ｂの光軸方向への移動量
に対するそれぞれＸ方向とＹ方向への像シフトの係数である。各係数は実験により求めれば良い。

【００３２】以上よりＸＹ方向への合計の像シフトは以
下の式で表せる。Ｓ_x＝Ｓ１_x＋Ｓ２_x＋Ｓ３_x＋Ｓ４_x＋Ｓ５_x Ｓ_y＝Ｓ１_y＋Ｓ２_y＋Ｓ３_y＋Ｓ４_y＋Ｓ５_y 但し、Ｓ_x、Ｓ_y：それぞれＸ方向とＹ方向への合計の像
シフトである。こうして求めた合計の像シフトＳ_x、Ｓ_y
は、メインコントローラ２８からＸＹステージ駆動部２
０に送信される。そしてＸＹステージ駆動部２０は、像
シフトＳ_x、Ｓ_yをキャンセルするようにＸＹステージ１
７を駆動する。この結果、投影レンズ１３を介してレチ
クル８とウエハ１４の位置関係は一定の状態に保たれ、
すなわちＸＹ面内での位置ずれの発生を防止することが
できる。

【００３３】次に、本発明の第２の実施例を図８に示
す。この実施例では、レチクル８が光軸に対して垂直な
ＸＹ平面内で移動可能なレチクルステージ４０の上に置
かれており、レチクルステージ駆動部４１によってレチ
クルステージ４０を駆動することにより、レチクル８を
光軸に対して垂直なＸＹ平面内で位置決めする構成とな
っている。本実施例では、合計の像シフトＳ_x、Ｓ_yは、
メインコントローラ２８からレチクルステージ駆動部４
１に送信される。そしてレチクルステージ駆動部４１
は、像シフトＳ_x、Ｓ_yをキャンセルするようにレチクル
ステージ４０を駆動する。この結果、投影レンズ１３を
介してレチクル８とウエハ１４の位置関係は一定の状態
に保たれ、すなわちＸＹ面内での位置ずれの発生を防止
することができる。ここで例えば投影レンズの倍率が１
／５倍とすると、レチクルの位置決めの誤差はウエハ上
では１／５倍に縮小される。したがってこの第２実施例
の構成は、投影レンズの倍率が縮小倍率のときに特に有
効である。なお、投影光学系の倍率が拡大倍率のときに
は、第１実施例のようにウエハ側で位置決めすることが
好ましい。

【００３４】以上の実施例では、環境の変化に起因する
投影レンズ１３の倍率の変化Ｍ、歪曲収差の変化Ｄ、及
びフォーカス高さの変化Ｆの都合３つのパラメータを考
慮することとし、そのうちの１つのパラメータ（フォー
カス高さの変化Ｆ）はＺステージの移動によって補正さ
れるから、２つのレンズ群９ａ、９ｂの移動によって、
２つのパラメータ（倍率の変化Ｍと歪曲収差の変化Ｄ）
を補正している。しかし更に、例えば像面湾曲を補正し
ようとするときには、移動可能なレンズ群を１個所追加
し、あるいは特定のレンズ間隔を密封してその内部圧力
を可変にする機構を追加すれば良い。そしてこの場合に
は、追加されたレンズ群の移動に起因する像シフトや、
内部圧力の変化に起因する像シフトを、Ｓ６_x、Ｓ６_yと
して追加することとなる。

【００３５】また以上の実施例では、像シフトの計算を
５種類Ｓ１〜Ｓ５だけ求めているが、像シフトの変化が
小さいものがあれば計算を省略しても良い。具体的に例
を挙げると、レンズ群９ａ、９ｂの光軸方向移動に対す
る像シフトが、要求される像シフトの精度に対して十分
に小さければ、その部分の計算を省略して以下の式から
合計の像シフトを求めれば良い。Ｓ_x＝Ｓ１_x＋Ｓ２_x＋Ｓ３_x Ｓ_y＝Ｓ１_y＋Ｓ２_y＋Ｓ３_y

【００３６】同様に、ベストフォーカス位置の軌跡の倒
れに起因する像シフトＳ１や、Ｚステージの軌跡の倒れ
に起因する像シフトＳ２や、主光線の倒れに起因する像
シフトＳ３がいずれも無視できるときには、レンズ群９
ａ、９ｂの移動によって生じるＸＹ面内での像シフトＳ
４、Ｓ５を算出し、算出されたシフト量Ｓ４、Ｓ５を打
ち消すように、投影像と基板とをＸＹ平面に沿って相対
移動すれば良い。

【００３７】また以上の実施例では、像シフトが発生す
る原因と像シフトとの関係を比例関係として表したが、
単純な比例関係にない場合には両者の関係をマップ状に
記憶しておいて、内挿などの手法によって像シフトを計
算する方法を採用しても良い。具体的に例を挙げると、
レンズ群９ａの光軸方向への移動量に対する像のシフト
量を、いくつかの移動量ごとに実験で求めて記憶してお
く。そして像シフトの計算時には、記憶しておいた関係
から直線補間等で誤差が小さくなるように計算で求め
る。このような手法は、他の像シフト発生要因に対して
も当然に適用することができる。

【００３８】また以上の実施例では、本発明を一括露光
型の投影露光装置に適用した場合について説明したが、
本発明は走査露光型の投影露光装置にも当然に適用する
ことができる。走査露光型の投影露光装置とは、レチク
ルパターンの一部の領域を照明光学系によって照明し、
レチクルとウエハとを投影光学系の倍率に等しい速度比
にて同期して、走査方向に、例えばＹ方向に移動するこ
とにより、レチクルパターンの一部の領域よりも走査方
向に長い範囲のパターンをウエハ上に転写する露光装置
である。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明では、大気圧の変化
などに起因してベストフォーカス位置が変化したり、絞
りを切替えて照明条件を変更したり、Ｚステージを駆動
したり、意図的にフォーカスをずらして露光したり、と
いった複雑な状況においても、各々の原因ごとに像のシ
フト量を求めているので、高精度な像シフトの補正が可
能となる。また、すべて計算によって像のシフト量を求
めているので、一々計測によってレチクルとウエハの位
置合わせをする必要がなく、したがってスループットの
悪化を招くことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す構成図である。

【図２】絞りレボルバを示す正面図である。

【図３】第１実施例の演算手法を示すフローチャートで
ある。

【図４】投影レンズのべストフォーカス位置の軌跡の倒
れを示す説明図である。

【図５】移動鏡に起因するＺステージの軌跡の倒れを示
す説明図である。

【図６】Ｚステージの駆動軸に起因するＺステージの軌
跡の倒れを示す説明図である。

【図７】主光線の倒れを示す説明図である。

【図８】本発明の第２実施例を示す構成図である。

【符号の説明】

３…絞りレボルバ８…レチクル９ａ、９ｂ…レンズ群１０、１１…圧電素
子１３…投影レンズ１４…ウエハ１５…Ｚステージ１７…ＸＹステージ２３…レンズコントローラ２８…メインコント
ローラ４０…レチクルステージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射ビームでマスクを照射する照明光学系
と、前記マスク上に形成されたパターンの像を基板上に
投影する投影光学系とを備えた投影露光装置において、前記投影光学系の光軸に沿った方向への前記投影光学系
の結像面の移動によって生じる、該結像面内での前記投
影像のシフトを補償するために、前記投影像の前記光軸
に沿った方向の位置と前記光軸と垂直な平面内での位置
との関係に基づいて、前記光軸に沿った方向に関する前
記基板の位置又は移動量に応じた前記平面内での前記投
影像の位置又はシフト量を算出する計算装置と、前記算出された位置又はシフト量に基づいて、前記光軸
と垂直な平面に沿って前記投影像と前記基板とを相対移
動する第１位置合わせ装置とを備えたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項２】前記第１位置合わせ装置は、前記マスクを
保持して前記投影光学系の光軸と直交する方向に移動す
るマスクステージと、前記基板を保持して前記光軸と垂
直な平面に沿って移動する基板ステージとを含み、前記
光軸に沿った方向への前記基板の移動に応じて、前記マ
スクステージと前記基板ステージの少なくとも一方を駆
動することを特徴とする請求項１に記載の投影露光装
置。
【請求項３】前記投影光学系の結像面は、前記放射ビー
ムの前記投影光学系への入射と、前記投影光学系が設置
される環境の変化との少なくとも一方に起因して移動
し、前記投影光学系の結像面の移動に応じて、前記投影像と
前記基板とを前記投影光学系の光軸に沿った方向に相対
移動する第２位置合わせ装置を更に備えたことを特徴と
する請求項１又は２に記載の投影露光装置。
【請求項４】前記第２位置合わせ装置は、前記基板を保
持して前記投影光学系の光軸に沿った方向に移動する基
板ステージを含み、前記投影光学系の結像面の移動に追
従して前記基板ステージを駆動することを特徴とする請
求項３に記載の投影露光装置。
【請求項５】前記計算装置は、前記基板ステージによる
前記基板の前記投影光学系の光軸に沿った方向への移動
に応じて生じる、前記光軸と垂直な平面に沿った方向で
の前記投影像と前記基板との相対的なシフト量を更に算
出し、前記第１位置合わせ装置は、該算出されたシフト量を相
殺するように前記投影像と前記基板とを相対移動するこ
とを特徴とする請求項２又は４に記載の投影露光装置。
【請求項６】前記投影像と前記基板との相対的なシフト
は、前記基板ステージの駆動誤差と前記投影光学系のテ
レセントリシティとの少なくとも一方に起因して生じる
ことを特徴とする請求項５に記載の投影露光装置。
【請求項７】前記投影光学系の収差及び／又は倍率を調
整するために、前記マスクと前記基板との間に配置され
る少なくとも１つの光学素子を移動する調整装置を更に
備え、前記計算装置は、前記少なくとも１つの光学素子の移動
によって生じる、前記投影光学系の光軸と垂直な平面に
沿った方向での前記投影像と前記基板との相対的なシフ
ト量を更に算出し、前記第１位置合わせ装置は、該算出されたシフト量を相
殺するように前記投影像と前記基板とを相対移動するこ
とを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の投
影露光装置。
【請求項８】前記投影光学系は、前記光軸に沿って配列
される複数の光学素子を有し、前記調整装置は、前記複数の光学素子の少なくとも１つ
を前記光軸に沿った方向に移動することを特徴とする請
求項７に記載の投影露光装置。
【請求項９】前記基板の露光中、前記投影光学系の結像
面と前記基板とを前記投影光学系の光軸に沿った方向に
相対移動する装置を更に備え、前記計算装置は、前記結像面と前記基板との相対移動に
よって生じる、前記投影光学系の光軸と垂直な平面に沿
った方向での前記投影像と前記基板との相対的なシフト
量を更に算出し、前記第１位置合わせ装置は、該算出されたシフト量を相
殺するように前記投影像と前記基板とを相対移動するこ
とを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の投
影露光装置。
【請求項１０】前記照明光学系は、２次光源を形成する
オプチカルインテグレータと、前記２次光源の強度分布
を変更する光学装置とを含み、前記計算装置は、前記強度分布の変更に応じて、前記投
影像の前記投影光学系の光軸に沿った方向の位置と前記
光軸と垂直な平面内での位置との関係を変更し、該変更
された関係に基づいて、前記投影光学系の光軸と垂直な
平面内での前記投影像の位置又はシフト量を算出するこ
とを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の投
影露光装置。
【請求項１１】前記光学装置は、開口の形状と大きさと
の少なくとも一方が互いに異なる複数の開口絞りを含
み、前記複数の開口絞りがそれぞれ交換可能に前記オプ
チカルインテグレータの近傍に配置され、前記計算装置は、前記複数の開口絞りにそれぞれ対応し
た前記投影像の前記光軸に沿った方向の位置と前記光軸
と垂直な平面内での位置との関係を格納するメモリを含
むことを特徴とする請求項１０に記載の投影露光装置。
【請求項１２】前記照明光学系は、前記パターンよりも
小さい前記マスク上の領域を前記放射ビームで照射し、前記放射ビームに対して前記マスクを前記投影光学系の
光軸と直交する方向に相対移動するとともに、該マスク
の移動に同期して、前記投影光学系に対して前記基板を
前記光軸と直交する方向に相対移動する走査システムを
更に備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか
１項に記載の投影露光装置。
【請求項１３】放射ビームでマスクを照射する照明光学
系と、前記マスク上に形成されたパターンの像を基板上
に投影する投影光学系とを備えた投影露光装置におい
て、前記投影光学系の収差及び／又は倍率を調整するため
に、前記投影光学系を構成する少なくとも１つの光学素
子を、前記投影光学系の光軸に沿って移動する調整装置
と、前記少なくとも１つの光学素子の移動によって生じる、
前記投影光学系の光軸と垂直な平面内での前記投影像の
シフト量を算出し、該算出されたシフト量に基づいて、
前記投影像と前記基板とを前記平面に沿って相対移動す
る補正装置とを備えたことを特徴とする投影露光装置。