JPH1167651A

JPH1167651A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH1167651A
Application number: JP9227712A
Authority: JP
Inventors: Takechika Nishi; 健爾西
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高い結像特性が得られる投影光学系を備える
と共に、気圧等の環境条件が変化してもその高い結像特
性が維持できる投影露光装置を提供する。【解決手段】レチクルＲのパターン像を投影光学系Ｐ
Ｌを介してウエハＷ上に転写する。投影光学系ＰＬをレ
チクルＲ側から順に、結像特性可変ユニット１７、非球
面ユニット１６，１５、瞳可変ユニット１４、非球面ユ
ニット１３、及び結像特性可変ユニット３等を配置して
構成し、非球面レンズを有する非球面ユニット１３，１
５，１６内にＨｅガス温調制御装置７から気圧、及び温
度が制御されたヘリウムガスを供給することによって、
非球面レンズの光学特性を安定化する。大気変動や露光
光の照射エネルギーによる投影光学系ＰＬの結像特性の
変動を結像特性可変ユニット３，１７を介して補正す
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、撮像素子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等を
製造するためのリソグラフィ工程中でマスクパターンを
基板上に転写する際に使用される投影露光装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等を製造する際に、従来はマ
スクとしてのレチクルに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して、レジストが塗布されたウエハ（又はガ
ラスプレート等）上の各ショット領域にステップ・アン
ド・リピート方式で一括転写する縮小投影型の露光装置
（ステッパー）が多用されていた。従来の投影光学系と
しては一般に、球面レンズを使用した屈折系、又は球面
鏡を使用した反射系等が使用されていた。この場合、露
光光の波長（露光波長）をλ、投影光学系の開口数をＮ
Ａ、レジスト等で決定されるプロセスファクタをｋとす
ると、投影露光装置で高精度に転写できるライン・アン
ド・スペースパターンの線幅は、次式で表される。

【０００３】線幅＝ｋ・λ／ＮＡ（１）最近は露光光としてＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４
８ｎｍ）、更にはＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３
ｎｍ）が使用されつつあり、レジストの改良、いわゆる
変形照明等の高解像技術の適用、更にはウエハの平坦化
技術の利用等によって、プロセスファクタｋは０．４５
程度にすることが可能となっている。また、従来の投影
光学系の開口数は最大で０．６程度であったため、これ
らを（１）式に代入すると、次のように従来転写できた
最小線幅は約１５０ｎｍとなる。０．４５・１９３／０．６≒１４５（ｎｍ）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く従来の一括
転写方式（ステッパー型）の投影露光装置においては、
露光波長は１９３ｎｍ程度までになっているが、球面レ
ンズ、又は球面鏡を用いた投影光学系の開口数が最大で
０．６程度であるため、転写できる最小線幅は約１５０
ｎｍとなっている。これに対して、デバイスパターンの
一層の微細化により、投影露光装置に対して最近では線
幅が１５０〜９０ｎｍのライン・アンド・スペースパタ
ーンを高精度に転写することが求められている。この場
合、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３
ｎｍ）を使用するものとすると、投影光学系の開口数を
更に０．６５〜０．８５程度に高くする必要がある。

【０００５】しかしながら、一括転写方式を行うために
広い露光領域を有し、且つ高い開口数を有する投影光学
系を球面レンズ、又は球面鏡を用いて実現するために
は、個々のレンズ径が大きくなり過ぎる等の不都合があ
る。そこで、投影光学系をそれ程大型化することなく、
開口数を大きくするための方法として、２つの技術が提
案されている。第１の技術は、投影光学系に対してレチ
クルとウエハとを投影倍率に応じた速度比で同期走査す
ることで、レチクル上のパターンを逐次ウエハ上に転写
していくステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装
置である。この方式を導入して、露光領域を投影光学系
の有効視野の直径方向に細長い矩形、又は円弧状等のス
リット状に取ることで、一括転写方式でほぼ正方形の露
光領域を使用する場合に比べて、有効視野の直径が１／
２^1/2の投影光学系を使用しても同じ幅の露光フィール
ドが確保できるという利点がある。

【０００６】また、第２の技術として、投影光学系の内
部に非球面加工された面を有するレンズ等の光学部材
（非球面部材）を１〜５枚程度挿入する技術がある。こ
の非球面部材の利用によって、投影光学系の開口数を大
きくした場合でも、物像間距離を小さくし、レンズ枚数
を少なくできると共に、レンズ径を小さくできる。ま
た、波長２００ｎｍ以下の極紫外域で利用できる硝材
は、現状では石英及び蛍石に限定されているが、蛍石は
製造コストが比較的高いと共に、石英に比べて線膨張率
が大きく温度変化に敏感であるため、露光波長をできる
だけ狭帯化して色消しの負担を軽くすることによって、
蛍石よりなるレンズ枚数を少なくすることが望ましい。
このような技術を導入することで、高い開口数を備え、
最終的に広い露光フィールドへの露光を行うことができ
る実用的な投影光学系の設計、及び製造が可能となる。

【０００７】しかしながら、そのような非球面部材を利
用する場合、投影光学系を囲む環境の温度、湿度、及び
気圧（大気圧）等が変化して、その非球面部材の前後の
気体の屈折率等が変化すると、補正困難なディストーシ
ョン等の収差が発生して、結像特性が劣化するという不
都合がある。これに関して、球面レンズであれば、環境
変化に対する収差の変化の状態等がシミュレーション等
によってかなり正確に予測できるため、例えばその球面
レンズの位置の微動等によって一定の結像特性を維持す
るような制御を行うことが可能である。ところが、非球
面部材に関しては、収差の変化がかなり複雑になり、そ
の収差の変化が大きくなると補正が困難になると共に、
収差の変化量が小さい範囲でも補正機構が複雑化する恐
れがある。

【０００８】更に、露光波長の狭帯化の程度によって、
或る程度の色消しを行うために蛍石よりなるレンズを用
いる場合、又は、露光波長の更なる短波長化によって硝
材として蛍石を多く使用するような場合、蛍石は線膨張
率が大きいために、温度変化によって収差が大きく変化
する恐れがある。本発明は斯かる点に鑑み、高い結像特
性が得られる投影光学系を備えた投影露光装置を提供す
ることを第１の目的とする。

【０００９】更に本発明は、高い結像特性が得られる投
影光学系を備えると共に、気圧等の環境条件が変化して
もその高い結像特性が維持できる投影露光装置を提供す
ることを第２の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の投影
露光装置は、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、その投影光学系は、非球面加工さ
れた面を有するか、又は蛍石よりなる第１の光学部材
（Ｌ₁₁〜Ｌ₁₄）と、球面、又は平面加工された面を有す
る第２の光学部材（Ｌ₅₁〜Ｌ₅₃）と、を含み、その第１
の光学部材の少なくとも一部は大気変動（気圧変化、温
度変化、湿度変化等）の影響を受けにくい第１の気体の
雰囲気中に配置され、その第２の光学部材の少なくとも
一部はその第１の気体とは異なる第２の気体の雰囲気中
に配置されると共に、その投影光学系の結像特性を補正
するためにその第２の光学部材中の所定の光学部材を駆
動する結像特性補正部材（１７，２９）が設けられたも
のである。

【００１１】斯かる本発明によれば、その投影光学系が
その第１の光学部材として非球面部材を有する場合に
は、その投影光学系を大型化することなく、開口数を例
えば０．６５以上に大きくして、転写できるパターンの
線幅を微細化できる。一方、その投影光学系がその第１
の光学部材として蛍石よりなるレンズを有する場合に
は、他の石英等からなるレンズ等との組み合わせによっ
て高精度に色消しを行うことができる。又は、蛍石の使
用で更に短い露光波長に対応できる。更に、その第１の
光学部材の少なくとも一部は、大気変動の影響を受けに
くい第１の気体中に配置されているため、気圧等の環境
条件が変化しても、その第１の光学部材の前後の気体の
屈折率変化が小さくなり、且つその第１の光学部材の熱
変形量も小さくなるため、結像特性の変化が小さくな
る。

【００１２】また、その第２の光学部材の少なくとも一
部は、例えば外気に開放されており圧力や温度の制御が
容易であると共に、メンテナンス（補充等）が容易な第
２の気体中に配置されているため、大気圧変化や露光光
の照射エネルギーによって結像特性（ディストーション
を含む倍率誤差、フォーカス位置、非点収差、コマ収差
等）が変化した場合に、その第２の光学部材中の所定の
光学部材を駆動することで、その結像特性の変動量を補
正できる。このように高精度な結像特性を得るための光
学部材と、結像特性の補正を行うための光学部材とを投
影光学系内で分離して異なる気体の雰囲気中に配置する
ことで、投影光学系の設計、製造が容易になると共に、
結像特性の変動量を少なくできる。

【００１３】また、本発明による第２の投影露光装置
は、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、その投影光学系は、非球面加工された面を
有するか、又は蛍石よりなる第１の光学部材（Ｌ₁₁〜Ｌ
₁₄）と、球面、又は平面加工された面を有する第２の光
学部材（Ｌ₅₁〜Ｌ₅₃）と、を含み、その第１の光学部材
の少なくとも一部は大気変動の影響を受けにくい第１の
気体の雰囲気中に配置され、その第２の光学部材の少な
くとも一部はその第１の気体とは異なる第２の気体の雰
囲気中に配置されると共に、その投影光学系の結像特性
を補正するためにその第２の気体の一部の圧力を制御す
る結像特性補正部材（２９Ａ）が設けられたものであ
る。

【００１４】この第２の投影露光装置も、第１の投影露
光装置と同様に結像特性の変動量が少ないが、その第２
の気体の一部の圧力を制御して結像特性の補正を行う点
が異なっている。また、本発明による第３の投影露光装
置は、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、その投影光学系は、非球面加工された面
を有するか、又は蛍石よりなる第１の光学部材（Ｌ₁₁〜
Ｌ₁₄）と、球面、又は平面加工された面を有する第２の
光学部材（Ｌ₅₁〜Ｌ₅₃）と、を含み、その第１の光学部
材の少なくとも一部は大気変動の影響を受けにくい第１
の気体の雰囲気中に配置され、その第２の光学部材の少
なくとも一部はその第１の気体とは異なる第２の気体の
雰囲気中に配置されると共に、その投影光学系の結像特
性を補正するためにその第２の気体の一部の温度、又は
湿度を制御する結像特性補正部材（２９Ａ）が設けられ
たものである。

【００１５】この第３の投影露光装置も、第１の投影露
光装置と同様に結像特性の変動量が少ないが、その第２
の気体の一部の温度、又は湿度を制御して結像特性の補
正を行う点が異なっている。また、本発明による第４の
投影露光装置は、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、その投影光学系は、非球面加
工された面を有するか、又は蛍石よりなる第１の光学部
材（Ｌ₁₁〜Ｌ₁₄）と、球面、又は平面加工された面を有
する第２の光学部材（Ｌ₅₁〜Ｌ₅₃）と、その第１の光学
部材の少なくとも一部を収納する第１の鏡筒（９，１
３）と、この第１の鏡筒に収納される光学部材以外の光
学部材を収納するその第１の鏡筒とは分離可能な第２の
鏡筒（１７）と、を含み、その第１の鏡筒は、内部に収
納される光学部材を保持する光学部材保持枠（３５Ａ〜
３５Ｄ）と、この光学部材保持枠を所定の隙間を開けて
保持する外筒（９）とを有する二重構造であり、その第
１の鏡筒内のその隙間に大気変動の影響を受けにくい第
１の気体が供給され、その第２の鏡筒内の少なくとも一
部にその第１の気体と異なる第２の気体が供給されるも
のである。

【００１６】この第４の投影露光装置も、第１の投影露
光装置と同様に結像特性の変動量が少ない。また、その
投影光学系を複数の鏡筒に分割した分割鏡筒が導入さ
れ、各鏡筒毎に内部の光学部材の位置や傾斜角を補正で
きるため、結像特性が向上する。この場合、その第１の
鏡筒（９，１３）は、二重構造となっており、この二重
構造の隙間に大気変動の影響を受けにくい第１の気体が
供給されているため、この第１の気体の気密性が維持さ
れて、環境の変化の影響が低減される。また、その第１
の鏡筒（９，１３）の光学部材保持枠（３５Ａ〜３５
Ｄ）を、レンズ毎にレンズ保持枠を積み重ねるブロック
積立方式として、各レンズ保持枠毎に例えば３点支持方
式で位置や傾斜角を調整して、各レンズの姿勢の再現性
をブロック毎に容易に保つようにすることができる。

【００１７】また、上記の本発明による投影露光装置に
おいて、その大気変動の影響を受けにくい第１の気体と
は、一例としてヘリウムガス（Ｈｅ）である。ヘリウム
を使用した場合には、大気と連動している空気を使用し
た場合に比べて、大気圧、温度、更には湿度等の影響が
１／１０程度に軽減されるため、それに伴って屈折率の
変化量も小さくなり、結像特性の変動量が特に小さくな
る。

【００１８】また、本発明による第５の投影露光装置
は、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、その投影光学系の鏡筒（３９）と一体化さ
れたフランジ部材（４０）と、このフランジ部材に装着
されそれぞれその投影光学系の光軸方向の位置が調整可
能な複数個の位置調整部材（４１Ａ〜４１Ｃ）と、これ
ら複数個の位置調整部材にそれぞれ対応して組み込まれ
た複数個の圧力センサ（４２Ａ〜４２Ｃ）と、を備え、
これら複数個の圧力センサで検出される圧力がそれぞれ
その投影光学系の単体としての調整時の圧力になるよう
にそれら複数個の位置調整部材の位置調整が行われるも
のである。

【００１９】斯かる第５の投影露光装置によれば、その
投影光学系のフランジ部材（４０）の圧力センサで検出
される圧力がそれぞれ調整時の圧力になるように位置調
整部材が調整される。従って、投影光学系の結像特性と
して調整時と同様の高精度な結像特性が再現される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による投影露光装置
の第１の実施の形態につき図面を参照して説明する。本
例は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置
に本発明を適用したものである。図１は、本例で使用さ
れる投影露光装置を示し、この図１において露光時に
は、ＡｒＦエキシマレーザ光源、この露光用の光源から
の波長１９３ｎｍの紫外パルス光よりなる露光光の強度
を制御する減衰器、その露光光の照度分布を均一化する
ためのフライアイレンズ、照明系開口絞り、スリット状
の照明領域を規定する視野絞り（レチクルブライン
ド）、及びコンデンサレンズ系等からなる照明光学系２
８より、レチクルＲ上のスリット状の照明領域に対して
均一な照度分布で所定のコヒーレンスファクタ（σ値）
を有する露光光ＩＬが照射される。

【００２１】そして、露光光ＩＬのもとで、その照明領
域内のレチクルＲのパターンの像が、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を介して
投影倍率β（βは１／４，１／５等）で、ウエハＷ上の
露光対象のショット領域内のスリット状の露光領域に投
影される。ウエハＷにはレジストが塗布されており、照
明光学系２８内にはレジストに対する露光量を間接的に
モニタする計測系が備えられている。この計測系の計測
結果、及び装置全体の動作を統轄制御するコンピュータ
よりなる主制御系２０の制御に基づいて、露光量制御系
３４が照明光学系２８内の減衰器の減衰率等を制御して
露光光のレジスト上での照度を一定化する。

【００２２】以下、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走査露光時のレチク
ルＲ及びウエハＷの走査方向（図１の紙面に垂直な方
向）に沿ってＹ軸を取り、その走査方向に直交する非走
査方向（図１の紙面に平行な方向）に沿ってＸ軸を取っ
て説明する。このとき、レチクルＲはレチクルステージ
２５上に吸着保持され、レチクルステージ２５は、レチ
クルベース２４上にエアベアリングを介して浮上するよ
うに支持されており、リニアモータ等の駆動機構（不図
示）によりＹ方向に連続移動すると共に、Ｘ方向、Ｙ方
向、θ方向（回転方向）に微動する。レチクルステージ
２５のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角は、レチクル用のレ
ーザ干渉計２６より計測され、この計測値が主制御系２
０に供給される。主制御系２０は、その計測値、及び後
述のウエハステージの位置に基づいて、レチクルステー
ジ駆動系２７を介してレチクルステージ２５の動作を制
御する。

【００２３】一方、ウエハＷは不図示のウエハホルダ上
に真空吸着によって保持されており、このウエハホルダ
がウエハステージ２上に固定され、ウエハステージ２
は、定盤１上にエアベアリングを介して浮上するように
支持されている。ウエハステージ２は、ウエハＷのＸ方
向、Ｙ方向、θ方向の位置（回転角）、Ｚ方向の位置、
及び２次元的な傾斜角よりなる６自由度の位置を制御す
る。ウエハステージ２のＸ座標、Ｙ座標、及び回転角は
ウエハ側のレーザ干渉計３２より計測され、この計測値
が主制御系２０に供給されている。主制御系２０は、そ
の計測値及びレチクルステージ２５の位置に基づいてウ
エハステージ駆動系３３を介して、ウエハステージ２の
走査、及びステッピング動作を制御する。また、不図示
のオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウエハ
ステージ駆動系３３は、オートフォーカス方式でウエハ
Ｗの表面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるようにウ
エハステージ２の傾斜角等を制御する。

【００２４】そして、ウエハＷに対する走査露光時に
は、スリット状の照明領域（投影光学系ＰＬ）に対して
レチクルＲを＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度Ｖ_Rで移
動するのに同期して、スリット状の露光領域に対してウ
エハＷの１つのショット領域を−Ｙ方向（又は＋Ｙ方
向）に速度β・Ｖ_Rで移動することによって、そのショ
ット領域にレチクルＲのパターン像が逐次転写される。
そのショット領域への露光が終了した後に、ウエハステ
ージ２をステッピングさせて、ウエハＷ上の次のショッ
ト領域を助走開始位置に移動して走査露光を行うという
動作が、ステップ・アンド・スキャン方式で繰り返され
て、ウエハＷ上の各ショット領域への露光が行われる。
この走査露光時には、ウエハ上の各点がスリット状の露
光領域を横切る間に、露光光ＩＬ（ここでは紫外パルス
光）が所定のパルス数だけ照射されるように、且つ露光
光ＩＬの照度が一定となるように露光量制御が行われて
いる。

【００２５】次に、本例の投影光学系ＰＬの構成につき
詳細に説明する。図１において、本例の投影光学系ＰＬ
は、レチクルＲからウエハＷに向けて順次、ディストー
ション補正板１８、レンズＬ₅₃〜Ｌ₅₁を含む結像特性可
変ユニット１７、レンズＬ₄₃〜Ｌ₄₁を含む第１の非球面
ユニット１６、レンズＬ₃₃〜Ｌ₃₁を含む第２の非球面ユ
ニット１５、レンズＬ₂₂と可変開口絞り１９とレンズＬ
₂₁とを有する瞳可変ユニット１４、レンズＬ₁₄〜Ｌ₁₁を
含む第３の非球面ユニット１３、及び補正板６〜４を含
む結像特性可変ユニット３を配置して構成されている。
なお、本例の投影光学系ＰＬは屈折光学系のみで構成さ
れているが、それ以外に例えば特願平８−４５７９６号
に開示されているような反射屈折系（カタジオプトリッ
ク系）よりなる投影光学系を用いてもよい。反射屈折系
よりなる投影光学系も、投影光学系ＰＬと同様にディス
トーション補正板、結像特性可変ユニット、非球面ユニ
ット、及び瞳可変ユニット等から構成されるため、本例
と同様の取扱いができる。

【００２６】次に、本例の投影光学系ＰＬ中で、先ずレ
チクルＲの直下にあるディストーション補正板１８は、
その下の各レンズユニットを組み立てた際の残留ディス
トーションを補正するためのものであり、照明条件等に
応じた切り換えが可能な構成となっている。次に、結像
特性可変ユニット１７を構成するレンズＬ₅₃〜Ｌ₅₁は、
それぞれ球面レンズよりなり、各レンズＬ₅₃〜Ｌ₅₁は、
それぞれ不図示のレンズ枠をピエゾ素子等の制御素子で
微動することによって、互いに独立にＸ方向、Ｙ方向、
Ｚ方向への移動、及び傾斜ができるように構成されてい
る。結像特性可変ユニット１７の各レンズの駆動によっ
て主に投影像の倍率（高次成分を含む）、及び像面湾曲
が補正できるようになっており、主制御系２０から指示
される補正量に応じて、レンズ駆動系２９が各レンズＬ
₅₃〜Ｌ₅₁の位置及び傾斜角を設定する。

【００２７】また、結像特性可変ユニット１７内のレン
ズＬ₅₃〜Ｌ₅₁は、例えばＡｒＦエキシマレーザ光の酸素
による吸収を低減させるために窒素ガス（Ｎ₂)が充填さ
れた雰囲気に設置され、レンズ駆動系２９にはその窒素
ガスのパージ機構も組み込まれている。この窒素ガスが
充填された雰囲気の気圧、温度、湿度は、ほぼ本例の投
影露光装置を囲むチャンバ（不図示）の外部の空気（外
気）の条件と同じである。言い換えると、レンズＬ₅₃〜
Ｌ₅₁が設置されている雰囲気の気圧等の条件は、ほぼ外
気に開放された場合の条件と同等である。なお、その窒
素ガスの代わりに、乾燥空気（ドライエアー）をパージ
してもよい。

【００２８】次に、非球面ユニット１６を構成するレン
ズＬ₄₃〜Ｌ₄₁の少なくとも１枚のレンズ、非球面ユニッ
ト１５を構成するレンズＬ₃₃〜Ｌ₃₁の少なくとも１枚の
レンズ、及び非球面ユニット１３を構成するレンズＬ₁₃
〜Ｌ₁₁の少なくとも１枚のレンズはそれぞれ非球面レン
ズである。図２を参照して非球面レンズの効果につき説
明すると、図２（ａ）に示すように、球面レンズ２１Ｓ
を使用した場合には像面湾曲等の収差が残存していて
も、図２（ｂ）に示すように、非球面レンズ２１Ｎを使
用するとその収差が補正できるため、投影光学系の設計
が容易になる。

【００２９】図１に戻り、特に本例の投影光学系ＰＬ
は、開口数ＮＡが０．７程度以上になる高ＮＡの光学系
であり、非球面レンズを使用することによって、高ＮＡ
であるにも拘らず、レンズ枚数が少なくなり、物像間距
離ＯＷＤ（ここではレチクルＲとウエハＷとの間の距
離）が短縮され、各レンズ径も小さくなっている。この
場合、投影光学系ＰＬを構成するレンズの枚数をＮ枚
（Ｎ＝２，３，４，…）とすると、そのレンズの内のＮ
／４枚程度を非球面レンズにすることによって、開口数
ＮＡが０．７程度以上であってもそれ程大型化すること
なく投影光学系ＰＬを構成できる。

【００３０】更に、本例の投影露光装置はステップ・ア
ンド・スキャン方式であり、投影光学系ＰＬの有効視野
内のほぼ直径方向に伸びた細長い領域が使用されるた
め、一括転写方式の投影露光装置（ステッパー）に比べ
て同じ幅の露光フィールド（ショット領域）であれば、
投影光学系を小型化できる利点がある。次に、可変開口
絞り１９は、レチクルＲのパターン面に対する光学的フ
ーリエ変換面（瞳面）の近傍に配置された可変開口絞
り、及びこの可変開口絞りの開口形状を制御する機構よ
り構成されている。その可変開口絞りによって開口数Ｎ
Ａが所定範囲内で可変とされている。更に、本例の照明
光学系２８は、露光対象のパターンの必要解像度や、露
光対象のパターンの形状（ライン・アンド・スペースパ
ターン、コンタクトホール、孤立ラインパターン、又は
孤立スペースパターン等）等に応じて照明系開口絞りの
σ値や形状（輪帯絞り、変形絞り等）を制御できるよう
に構成されている。そこで、照明系開口絞りのσ値や形
状が変更された場合等には、それに応じて可変開口絞り
１９側でも可変開口絞りの開口内に遮光フィルタや位相
差フィルタ等のいわゆる瞳フィルタを着脱できるように
構成されている。その可変開口絞り１９の開口径や瞳フ
ィルタの着脱は、主制御系２０の制御のもとで瞳制御系
３０が制御している。

【００３１】このように、瞳フィルタを用いる場合には
瞳可変ユニット１４が大きくなるため、上記の結像特性
可変ユニット１７と同様に、その瞳可変ユニット１４は
窒素ガス（Ｎ₂)、又は乾燥空気が充填された雰囲気に設
置され、瞳制御系３０にその窒素ガス、又は乾燥空気の
パージ機構が組み込まれている。瞳可変ユニット１４が
設置されている雰囲気の気圧、温度、湿度等も、ほぼチ
ャンバを囲む外気に開放された場合の条件と同等であ
る。

【００３２】また、像特性可変ユニット３は、コマ収差
用の補正板６、非点収差用の補正板４，５、及び所定の
補正板の位置や傾斜角を制御する駆動素子等から構成さ
れている。コマ収差用の補正板６は一方向に曲率を持っ
た補正板であり、投影光学系ＰＬの組み立て時に、結像
特性に応じた状態で挿入される。また、非点収差用の補
正板４，５は平行平板であり、それぞれ独立にＸ方向、
Ｙ方向への微動、及び傾斜を行なうことができる。主制
御系２０からの照明条件の情報に応じて補正板駆動系３
１が補正板４，５の位置や傾斜角を制御することで、照
明条件（通常、小σ値、輪帯照明、変形照明等）を切り
換えた場合の非点収差の変動分が補正される。

【００３３】その結像特性可変ユニット３内の補正板４
〜６も、窒素ガス（Ｎ₂)、又は乾燥空気が充填された雰
囲気に設置され、補正板駆動系３１にその窒素ガス、又
は乾燥空気のパージ機構が組み込まれている。補正板４
〜６が設置されている雰囲気の気圧、温度等も、チャン
バを囲む外気に開放された場合の条件と同等である。さ
て、上述のように本例の投影光学系ＰＬには、非球面ユ
ニット１３，１５，１６が組み込まれているが、非球面
レンズ、又は非球面鏡のような非球面部材（非球面を有
する光学部材）が使用されている投影光学系は、例えば
大気変動に応じてその非球面部材に接する気体の圧力、
温度、湿度等が変化して、その気体の屈折率が僅かに変
化するだけでも、ディストーション等の結像特性が比較
的大きく悪化してしまう。そこで、本例の非球面ユニッ
ト１３，１５，１６には、内部のレンズに接する気体の
圧力、温度、湿度等を、チャンバを囲む外気の気圧変化
等に依らずに安定化するための機構が備えられている。

【００３４】即ち、第１及び第２の非球面ユニット１
６、及び１５は、円筒状の第１のパージユニット１１内
に直列に収納され、第３の非球面ユニット１３は、円筒
状の第２のパージユニット９と兼用して構成されてい
る。そして、投影光学系ＰＬの外部に配置されたＨｅガ
ス温調制御装置７から、供給チューブ１２、及びパージ
ユニット１１の上部側面の貫通孔を介して、パージユニ
ット１１と非球面ユニット１６，１５の各レンズとの間
の空間にヘリウムガス（Ｈｅ）が供給されている。本例
の投影光学系ＰＬの周囲の温調された空気を基準気体と
すると、この基準気体の平均気圧、及び平均温度は、そ
れぞれほぼ１気圧、及び２０〜２３℃である。そして、
パージユニット１１内に供給されるヘリウムガスの気
圧、及び温度はそれぞれその基準気体の平均気圧、及び
平均温度に等しく設定されている。ヘリウムガスは、不
活性であり、ＡｒＦエキシマレーザ光を吸収して励起さ
れることが無いため、露光光ＩＬに対する透過率が高い
という利点がある。また、特に第３の非球面ユニット内
には高ＮＡ化で曲率の大きいレンズが含まれており、わ
ずかな変化でレンズコート部の特性より透過率が変化す
る可能性もある。これを防止するためにもヘリウムガス
供給が行われている。

【００３５】パージユニット１１内を流れたヘリウムガ
スは、パージユニット１１の下部側面の貫通孔、中継ぎ
チューブ１０、及びパージユニット９の上部側面の貫通
孔を介して、パージユニット９（非球面ユニット１３）
の各レンズとの間の空間に供給されている。そして、パ
ージユニット９内を流れたヘリウムガスは、パージユニ
ット９の下部側面の貫通孔、及び排出チューブ８を介し
てＨｅガス温調制御装置７に還流している。本例では高
価なヘリウムガスを無駄にしないため、ヘリウムガスを
循環方式で非球面ユニット１６，１５，１３に供給して
いる。この結果、露光光ＩＬの継続的な照射によって加
熱されたレンズや鏡筒の熱を吸収して温度が上昇したヘ
リウムガスがＨｅガス温調制御装置７に戻される。Ｈｅ
ガス温調制御装置７では、還流されたヘリウムガスの温
度を目標値まで下げて供給チューブ１２に送り出す。但
し、ヘリウムガスは、供給チューブ１２や排出チューブ
８の継ぎ目等の僅かな隙間等から漏れるので、Ｈｅガス
温調制御装置７では、適宜ヘリウムガスの補給を行って
その気圧を基準気体の平均気圧に維持している。

【００３６】この場合、常温でのヘリウムガスの熱伝導
率は酸素ガスや窒素ガスに比べて５倍以上高いため、非
球面ユニット１６，１５，１３内のレンズの温度変化量
が小さくなり、結果としてそれらのレンズの周囲を流れ
るヘリウムガスの温度変化量も、他の球面レンズの周囲
の気体の温度変化量よりも小さくなっている。また、ヘ
リウムガスは、酸素ガスや窒素ガスに比べて低分子量で
比重が小さいため、気圧が変化した場合の屈折率の変化
量が少ないと共に、本例のヘリウムガスの気圧の変化量
は、他の球面レンズに接する気体の気圧の変化量よりも
低く抑えられている。従って、投影光学系ＰＬ内の非球
面レンズに接する気体（ヘリウムガス）の屈折率の変化
量は、他の球面レンズに接する気体の屈折率の変化量よ
りも大幅に小さくなり、それらの非球面レンズに起因す
る結像特性の悪化は殆ど無視できる程度まで抑制されて
いる。

【００３７】次に、図１の投影光学系ＰＬを構成する非
球面ユニット１３及び対応するパージユニット９の構成
につき、図３及び図４を参照して詳細に説明する。先
ず、図３（ａ）は、図１の非球面ユニット１３中のレン
ズＬ₁₄を保持するレンズ枠３５Ｄを示す断面図、図３
（ｂ）はその底面図であり、図３（ａ）に示すように、
研磨されたレンズＬ₁₄はリング状のレンズ枠３５Ｄ内に
凸部３６Ｄ，３６Ｅ，３６Ｆによる３点支持により保持
され、レンズ中心とレンズ枠３５Ｄの中心とが一致する
ように、レンズ枠３５Ｄの外周が研磨されている。勿
論、この研磨の際に、レンズＬ₁₄の傾斜角はレンズ枠３
５Ｄの入射面及び射出面に平行になるように設定され
る。更に、レンズ枠３５Ｄの底面には、等角度間隔で３
箇所にそれぞれ高さが調整できる調整ビス３６Ａ〜３６
Ｃが取り付けられており、これらの調整ビス３６Ａ〜３
６Ｃの突出部の高さは、レンズ枠３５Ｄを或る面上に設
置した場合にその面からレンズＬ₁₄の厚さ方向の中心ま
での距離がそれぞれ設計値となるように調整される。

【００３８】図３（ｃ）は、図１の非球面ユニット１３
内のレンズＬ₁₁〜Ｌ₁₄をそれぞれ対応するレンズ枠３５
Ａ〜３５Ｄ内に収納して積み重ねた状態を示し、この図
３（ｃ）において、レンズ枠３５Ａ〜３５Ｃは、レンズ
枠３５Ｄと同様の構成である。但し、最下段のレンズ枠
３５Ａは非球面ユニット１３に設けられた３点支持の高
さ調整ビス１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃにより保持されてい
る。この場合、レンズ枠３５Ａ〜３５Ｄの荷重は、それ
ぞれのユニット毎に分散してかかるため、本例のような
ユニット毎のレンズ支持方式を分割鏡筒方式と呼ぶ。こ
の方式では、個々に調整されたレンズ枠３５Ａ〜３５Ｄ
を互いに各光軸が一致するように順次積み上げること
で、図１の非球面ユニット１３が構成される。このと
き、レンズ枠３５Ａは非球面ユニット１３に対し３点支
持となっており、更に、レンズ枠３５Ａ〜３５Ｄ間の接
触点も３点となっている。これは投影光学系を組み上げ
た後の総合的な結像性能に応じて個々のレンズ枠３５Ａ
〜３５Ｄを微動させる必要がでてきた場合等にも、自重
によるレンズ枠３５Ａ〜３５Ｄ内のレンズの撓み量の変
化（接触点が変わることで発生する恐れがある）が無
く、各ユニット毎に独立に調整できるような構成として
いるためである。。

【００３９】本例ではレンズ枠３５Ａ〜３５Ｄの間には
３点支持としているので、調整ビス３６Ａ〜３６Ｃによ
る隙間が発生している。この隙間があることによって、
各レンズに接する空間にヘリウムガス等を供給すること
が可能となっている。そこで、本例では、図４（ａ）に
示すように、レンズ枠３５Ａ〜３５Ｄよりなる非球面ユ
ニット１３を、円筒状のパージユニット９として兼用し
ている。即ち、パージユニット９の上下の隙間をシリコ
ン樹脂等のシール材３７Ａ，３７Ｂで封止している。こ
のシール材３７Ａ，３７Ｂは、当然ながらレンズ枠３５
Ａ〜３５Ｄ内のレンズの曇りの要因とならない材料であ
り、且つヘリウムガスが漏れず、経時変化が少ない材料
を使用している。この結果、レンズ枠３５Ａ〜３５Ｄの
周囲及び内部のレンズと、パージユニット９の内面との
間の空間３８がパージユニット９の外部と完全に隔離さ
れた密閉空間となり、この空間３８内に中継ぎチューブ
１０を介してヘリウムガスが供給され、空間３８内を流
れたヘリウムガスが排出チューブ８を介して淀み無く排
気されている。

【００４０】また、図１において、非球面ユニット１
５，１６も同様に分割鏡筒方式で組み上げられ、直列に
１つのパージユニット１１内に収納されて封止されてい
る。次に、本例の投影光学系ＰＬの組立調整方法の一例
につき図８のフローチャートを参照して説明する。先
ず、図８のステップ１０１において、上述のように互い
の位置関係、及び光軸を合わせながら非球面ユニット１
５，１６を対応するパージユニット１１内に収納して、
上下の隙間を封止する。そして、ステップ１０２におい
て、他の結像特性可変ユニット３，１７等のレンズユニ
ットをそれぞれ組み上げる。但し、結像特性可変ユニッ
ト３，１７にはレンズを微動するための駆動素子も装着
される。そして、ステップ１０３において、これらのレ
ンズユニットをお互いの間隔、横ずれを調整しながら積
み上げる。これらのレンズユニットの外筒（パージユニ
ット９等）は、互いに分割された鏡筒であり、積み上げ
られた後は１つの鏡筒３９となる。

【００４１】図５（ａ）は組立調整中の投影光学系ＰＬ
を示す正面図、図５（ｂ）はその投影光学系ＰＬを示す
平面図であり、各レンズユニットが投影光学系ＰＬの鏡
筒３９内に所定の位置関係で動かないように固定されて
いる。鏡筒３９の側面には、各レンズユニットを横シフ
トして固定するための調整ビス機構が備えられている。
また、鏡筒３９の側面には、保持用のフランジ部４０が
固定されており、ステップ１０４において、結像特性の
最終調整用に、鏡筒３９を調整用支持台４４内の貫通孔
に通し、フランジ部４０を調整用支持台４４上に載置す
る。調整用支持台４４上には調整用の照明光学系が設置
され、調整用支持台４４の底部には結像特性の計測系が
設置されている。

【００４２】また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、
フランジ部４０には等角度間隔で３箇所に高さ調整用の
調整ねじ４１Ａ〜４１Ｃが螺合され、調整ねじ４１Ａ〜
４１Ｃの底部にそれぞれ圧力センサとしてのロードセル
等の荷重センサ４２Ａ〜４２Ｃが設けられ、これらの荷
重センサ４２Ａ〜４２Ｃと調整用支持台４４との間にそ
れぞれ先端部が球面状の突起部材４３Ａ〜４３Ｃ（４３
Ｃは不図示）が設けられている。本例では、調整ねじ４
１Ａ〜４１Ｃの調整によって、フランジ部４０と調整用
支持台４４との間隔を調整できるように構成され、荷重
センサ４２Ａ〜４２Ｃの出力が調整制御装置４５に供給
されている。調整制御装置４５では、オペレータの指示
によって随時荷重センサ４２Ａ〜４２Ｃによって検出さ
れる荷重を記憶する。

【００４３】そこで、ステップ１０５において、調整用
の照明光学系（不図示）から露光光を投影光学系ＰＬに
照射して、結像特性の計測系（不図示）によって投影光
学系ＰＬの結像特性を計測しながら、鏡筒３９の調整ビ
ス機構を用いて各レンズユニットの位置関係を調整し、
必要に応じてフランジ部４０の調整ねじ４１Ａ〜４１Ｃ
を用いて鏡筒３９の傾斜角を調整する。そして、結像特
性の計測と調整とを繰り返して、所望の結像特性が得ら
れた状態で調整を終了し、フランジ部４０の荷重センサ
４２Ａ〜４２Ｃを介して検出される３箇所の荷重の計測
値を記憶する。

【００４４】次のステップ１０７において、投影光学系
ＰＬを調整用支持台４４から取り外し、図６に示すよう
に、本例の投影露光装置の鏡筒支持台４６上に搭載す
る。鏡筒支持台４６は、Ｕ字型の凹部４６ａを有する平
板状であり、鏡筒支持台４６上に投影光学系ＰＬの鏡筒
３９のフランジ部４０が調整ねじ４１Ａ〜４１Ｃを介し
て載置される。その投影露光装置には、既に図１に示す
照明光学系２８、及びレチクルステージやウエハステー
ジを含むステージ部等が組み込まれており、これらの機
構の調整は組立調整に長い時間を要する投影光学系ＰＬ
単体の調整と並行して行われている。そのため、図６の
鏡筒支持台４６の上下には既に照明光学系、及びステー
ジ部等が組み込まれており、投影光学系ＰＬを鏡筒支持
台４６の上方から搭載するスペースがない。そこで、本
例では、鏡筒支持台４６の形状をＵ字状にして、Ｕ字状
の凹部４６ａに矢印で示すように側面から投影光学系Ｐ
Ｌを搭載できるようにしている。

【００４５】次のステップ１０８で、フランジ部４０の
３箇所の荷重センサ４２Ａ〜４２Ｃで計測される荷重
が、それぞれ組立調整終了後の荷重となるように調整ね
じ４１Ａ〜４１Ｃの高さが調整される。これによって、
投影光学系ＰＬの鏡筒３９の傾斜角は組立調整終了後の
傾斜角に等しくなる。これに関して、従来は荷重センサ
を使用していなかったため、鏡筒支持台４６上に投影光
学系ＰＬを載置した際に、凹部４６ａの両側が変形して
しまい、調整用支持台４４上の姿勢が再現できなかった
ため、投影露光装置側でも再調整を行う必要があった。
本例ではフランジ部４０を３点支持として、３箇所の荷
重が調整時の値を再現するように投影光学系ＰＬを搭載
しているため、投影露光装置側での調整時間が短縮され
る。

【００４６】なお、鏡筒支持台４６のＵ字型の凹部４６
ａの両側の剛性が弱い場合には、投影光学系ＰＬの搭載
後にその凹部４６ａの開放端を跨ぐような補強部材で補
強すればよい。なお、調整ねじ４１Ａ〜４１Ｃを介して
フランジ部４０の高さを調整する代わりに、ワッシャの
枚数の調整等を行ってもよい。なお、上記の実施の形態
では、露光光としてＡｒＦエキシマレーザ光が使用され
ているが、露光光としてＫｒＦエキシマレーザ光、又は
Ｆ₂レーザ光（波長１５７ｎｍ）等を使用する場合にも
本発明が適用できる。

【００４７】上述のように本例によれば、ステップ・ア
ンド・スキャン方式の投影露光装置の投影光学系ＰＬに
非球面レンズを有する非球面ユニット１３，１５，１６
を導入し、その非球面ユニット１３，１５，１６内にヘ
リウムガスを供給すると共に、それとは別の光学ユニッ
ト内にそれとは別の気体（窒素ガス、又は乾燥空気）を
供給し、大気圧や露光光の照射エネルギーによる結像特
性の変化量を補正することとしている。これによって、
広い露光フィールドを有する高ＮＡの投影光学系の設
計、及び製造が可能となった。この結果、ＡｒＦエキシ
マレーザ光（又はＫｒＦエキシマレーザ光等）を用いて
線幅１５０〜９０ｎｍのライン・アンド・スペースパタ
ーンの露光が可能となった。

【００４８】更に、投影光学系ＰＬの組立時にレンズユ
ニット毎に調整を行う分割鏡筒方式を用いており、各レ
ンズを短時間に所定の位置関係で投影光学系ＰＬに組み
込むことができるという効果がある。また、投影露光装
置本体の鏡筒支持台４６をＵ字型にし、投影光学系ＰＬ
のフランジ部の３箇所の荷重センサで計測される荷重が
調整時の値を再現するように投影光学系ＰＬを搭載する
ので、投影露光装置側での投影光学系の調整時間が少な
くなると共に、仕掛かりの長い投影光学系単体の調整と
投影露光装置の他の部材の調整とを並行して行うことが
可能となり、投影露光装置の立ち上げ時間を短縮できる
という効果もある。また、レンズを支持する３個の凸
部、レンズ枠を支持する３個の凸部、フランジを支持す
る３個の凸部の配置を考慮して互い違いにしたり、同じ
位置にすることで、各荷重による歪みの影響を軽減した
り各位置で等価にすることができる。

【００４９】更に本例では、非球面レンズを有する非球
面ユニット１３，１５，１６内に気圧や温度が制御され
たヘリウムガスが供給され、非球面レンズによって結像
特性が悪化することがない。従って、結像特性可変ユニ
ット３，１７を介して大気圧や露光光の照射エネルギー
の影響で発生する倍率誤差、フォーカス変動、像面湾曲
変動、偏芯コマ収差、非点収差等を補正する場合に、非
球面ユニット１３，１５，１６は安定しているとみなせ
るため、結像特性の補正が容易になっている。

【００５０】なお、走査露光方式では投影光学系ＰＬに
おいて、レチクルＲ及びウエハＷの近傍に配置されたレ
ンズに対する露光光の照射範囲が長方形等のスリット状
になるため、球面レンズユニット部の制御のみでは補正
しきれない収差要因がでてくる可能性もある。そのよう
な場合は、非球面ユニット１３，１５，１６内の一部の
非球面レンズを球面レンズと同様にヘリウムガス以外の
気体にて覆って微動するか、又はその気体の圧力や温度
等を可変として結像特性を補正してもよい。

【００５１】更に、将来的にＡｒＦエキシマレーザ光源
以降は、Ｆ₂レーザ光源（波長１５７ｎｍ）等のように
より波長の短い光源が露光用光源として利用されると予
測される。この場合は、レンズのほとんどが蛍石となる
可能性もあるが、蛍石は線膨張率が高く変形し易いた
め、蛍石よりなるレンズの周囲にヘリウムガス（又はこ
れと同等の熱伝導率の高い気体）を流すことによって、
蛍石よりなるレンズの熱を外側に排除することが望まし
い。また、レンズに施されるコーティング膜は短波長化
により透過率が低くなり、露光光の熱エネルギーを吸収
し易くなるため、露光波長の短波長化に対応して蛍石よ
りなるレンズを使用する場合には、コーティング膜の熱
を除去するためにもヘリウムガス等を流すことが望まし
い。この場合も、大気圧変化の影響や露光光の照射エネ
ルギーによる結像特性の劣化が予想されるので、ヘリウ
ムガス以外で覆われたレンズユニット部を投影光学系の
収差変動に応じて制御することは大きな効果がある。

【００５２】同様に、色消し用に蛍石よりなるレンズを
使用する場合にも、このレンズをヘリウムガスの雰囲気
中に配置することによって、結像特性が安定化する。ま
た、本例では非球面レンズを含む非球面ユニット１３，
１５，１６内にヘリウムガスを流しているが、球面レン
ズよりなるレンズユニットにおいても、大気圧や温度の
変化の影響を受ける。そのため、結像特性を保持するた
めにアクティブに位置を制御する球面レンズを除く球面
レンズについては、ヘリウムガスを流すことによって結
像特性の制御精度が向上する。

【００５３】また、上記の実施の形態では結像特性を制
御するために所定のレンズや補正板を積極的に駆動する
こととしているが、所定のレンズや補正板の間の気体の
圧力や温度を変化させることで結像特性を制御してもよ
い。図７は、このような変形例を示し、この図１に対応
する部分に同一符号を付して示す図７において、投影光
学系ＰＬを構成する結像特性可変ユニット３内の補正板
の間の気密室３ａ内の窒素ガス（又は乾燥空気等）の圧
力、温度、及び湿度が気体制御系３１Ａによって制御さ
れている。また、結像特性可変ユニット１７内の所定の
レンズ間の気密室１７ａ内の窒素ガス（又は乾燥空気
等）の圧力、温度、及び湿度が気体制御系２９Ａによっ
て制御され、瞳可変ユニット１４内の所定の光学部材の
間の気密室１４ａ内の窒素ガス（又は乾燥空気等）の圧
力、温度、及び湿度が気体制御系３０Ａによって制御さ
れ、これによって結像特性が補正されている。この場合
も非球面レンズを含む非球面ユニット１３，１５，１６
の内部にはヘリウムガスが流されている。なお、気密室
内の気体の圧力等の制御に、レンズ等を駆動する制御を
組み合わせてもよい。

【００５４】次に、本発明の第２の実施の形態につき図
９を参照して説明する。本例は、露光用の光源とは別
に、照明光学系や投影光学系を構成する光学部材を光学
的に洗浄するためのレーザ光を発生する洗浄用の光源を
独立に設けたものである。図９は、本例の投影露光装置
の概略構成を示し、この図９において、ＡｒＦエキシマ
レーザ光源５１からの波長１９３ｎｍで狭帯化された紫
外パルス光よりなる露光光ＩＬは、露光装置本体との間
で光路を位置的にマッチングさせるための可動ミラー等
を含むビームマッチングユニット（ＢＭＵ）５２を通
り、遮光性のパイプ５３を介して光アッテネータとして
の可変減光器５４に入射する。ウエハ上のレジストに対
する露光量を制御するための露光コントローラ７７が、
ＡｒＦエキシマレーザ光源５１の発光の開始及び停止、
並びに発振周波数、及びパルスエネルギーで定まる出力
を制御すると共に、可変減光器５４における紫外パルス
光に対する減光率を段階的、又は連続的に調整する。な
お、露光光として、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレ
ーザ光、又は水銀ランプのｉ線（波長３６５ｎｍ）等を
使用する場合にも本発明が適用される。

【００５５】可変減光器５４を通った露光光ＩＬは、所
定の光軸に沿って配置されるレンズ系５５Ａ，５５Ｂよ
りなるビーム整形光学系を経てフライアイレンズ５６に
入射する。このように、本例ではフライアイレンズ５６
は１段であるが、照度分布均一性を高めるために、例え
ば特開平１−２３５２８９号公報に開示されているよう
に、フライアイレンズを直列に２段配置するようにして
もよい。フライアイレンズ５６の射出面には照明系の開
口絞り系５７が配置されている。開口絞り系５７には、
通常照明用の円形の開口絞り、複数の偏心した小開口よ
りなる変形照明用の開口絞り、輪帯照明用の開口絞り等
が切り換え自在に配置されている。フライアイレンズ５
６から射出されて開口絞り系５７中の所定の開口絞りを
通過した露光光ＩＬは、ミラー５８を経てコンデンサレ
ンズ系５９を経てレチクルブラインド機構６１内の固定
照明視野絞り（固定ブラインド）６０Ａに入射する。固
定ブラインド６０Ａは、例えば特開平４−１９６５１３
号公報に開示されているように、投影光学系ＰＬの円形
視野内の中央で走査露光方向と直交した方向に直線スリ
ット状、又は矩形状（以下、まとめて「スリット状」と
言う）に伸びるように配置された開口部を有する。更
に、レチクルブラインド機構６１内には、固定ブライン
ド６０Ａとは別に照明視野領域の走査露光方向の幅を可
変とするための可動ブラインド６０Ｂが設けられ、この
可動ブライント６０Ｂによってレチクルステージの走査
移動ストロークの低減、レチクルＲの遮光帯の幅の低減
を図っている。

【００５６】レチクルブラインド機構６１の固定ブライ
ンド６０Ａでスリット状に整形された露光光ＩＬは、結
像用レンズ系６２、反射ミラー６３、及び主コンデンサ
レンズ系６４を介して、レチクルＲの回路パターン領域
上で固定ブラインド６０Ａのスリット状の開口部と相似
な照明領域を一様な強度分布で照射する。即ち、固定ブ
ラインド６０Ａの開口部、又は可動ブラインド６０Ｂの
開口部の配置面は、結像用レンズ系６２と主コンデンサ
レンズ系６４との合成系によってレチクルＲのパターン
面とほぼ共役となっている。

【００５７】露光光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領
域内の回路パターンの像が両側（又はウエハ側に片側）
テレセントリックな投影光学系ＰＬを介して所定の投影
倍率β（βは例えば１／４，１／５等）で、投影光学系
ＰＬの結像面に配置されたウエハＷ上のレジスト層のス
リット状の露光領域に転写される。その露光領域は、ウ
エハ上の複数のショット領域のうちの１つのショット領
域上に位置している。本例の投影光学系ＰＬは、ジオプ
トリック系（屈折系）であるが、カタジオプトリック系
（反射屈折系）も使用できることは言うまでもない。以
下、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走査方向（ここでは図９の紙面に平
行な方向）にＸ軸を取り、走査方向に直交する非走査方
向（ここでは図９の紙面に垂直な方向）にＹ軸を取って
説明する。

【００５８】このとき、レチクルＲは、レチクルステー
ジ６６Ａ上に吸着保持され、レチクルステージ６６Ａ
は、レチクルベース６６Ｂ上にＸ方向に等速移動できる
と共に、Ｘ方向、Ｙ方向、回転方向に微動できるように
載置されている。レチクルステージ６６Ａ（レチクル
Ｒ）の２次元的な位置、及び回転角は駆動制御ユニット
６７内のレーザ干渉計によってリアルタイムに計測され
ている。この計測結果、及び装置全体の動作を統轄制御
するコンピュータよりなる主制御系６８からの制御情報
に基づいて、駆動制御ユニット６７内の駆動モータ（リ
ニアモータやボイスコイルモータ等）は、レチクルステ
ージ６６Ａの走査速度、及び位置の制御を行う。

【００５９】一方、ウエハＷは、ウエハホルダ６９を介
してＺチルトステージ７０Ｚ上に吸着保持され、Ｚチル
トステージ７０Ｚは、投影光学系ＰＬの像面と平行なＸ
Ｙ平面に沿って２次元移動するＸＹステージ７０ＸＹ上
に固定され、Ｚチルトステージ７０Ｚ及びＸＹステージ
７０ＸＹよりウエハステージ７０が構成されている。Ｚ
チルトステージ７０Ｚは、ウエハＷのフォーカス位置
（Ｚ方向の位置）、及び傾斜角を制御してウエハＷの表
面をオートフォーカス方式、及びオートレベリング方式
で投影光学系ＰＬの像面に合わせ込み、ＸＹステージ７
０ＸＹはウエハＷのＸ方向への等速走査、及びＸ方向、
Ｙ方向へのステッピングを行う。Ｚチルトステージ７０
Ｚ（ウエハＷ）の２次元的な位置、及び回転角は駆動制
御ユニット７１内のレーザ干渉計によってリアルタイム
に計測されている。この計測結果及び主制御系６８から
の制御情報に基づいて、駆動制御ユニット７１内の駆動
モータ（リニアモータ等）は、ＸＹステージ７０ＸＹの
走査速度、及び位置の制御を行う。ウエハＷの回転誤差
は、主制御系６８及び駆動制御ユニット７１を介してレ
チクルステージ６６Ａを回転することで補正される。

【００６０】主制御系６８は、レチクルステージ６６
Ａ、及びＸＹステージ７０ＸＹのそれぞれの移動位置、
移動速度、移動加速度、位置オフセット等の各種情報を
駆動制御ユニット６７及び７１に送る。そして、走査露
光時には、レチクルステージ６６Ａを介して露光光ＩＬ
の照明領域に対してレチクルＲが＋Ｘ方向（又は−Ｘ方
向）に速度ＶＲで走査されるのに同期して、ＸＹステー
ジ７０ＸＹを介してレチクルＲのパターン像の露光領域
に対してウエハＷが−Ｘ方向（又は＋Ｘ方向）に速度β
・ＶＲ（βはレチクルＲからウエハＷへの投影倍率）で
走査される。

【００６１】また、主制御系６８は、上述のレチクルブ
ラインド機構６１内に設けられている可動ブラインド６
０Ｂの各ブレードの移動を走査露光時のレチクルステー
ジ６６Ａの移動と同期するための制御を行う。更に主制
御系６８は、ウエハＷ上の各ショット領域のレジストを
適正露光量で走査露光するための各種露光条件を設定し
て、露光コントローラ７７とも連携して最適な露光シー
ケンスを実行する。即ち、ウエハＷ上の１つのショット
領域への走査露光開始の指令が主制御系６８から露光コ
ントローラ７７に発せられると、露光コントローラ７７
はＡｒＦエキシマレーザ光源５１の発光を開始する。そ
して、当該ショット領域への走査露光の終了時に、Ａｒ
Ｆエキシマレーザ光源５１の発光が停止される。

【００６２】また、本例ではＡｒＦエキシマレーザ光源
５１を用いているため、パイプ５３内から可変減光器５
４、レンズ系５５Ａ，５５Ｂ、更にフライアイレンズ５
６〜主コンデンサレンズ系６４までの各照明光路を外気
から遮断するサブチャンバ６５が設けられ、そのサブチ
ャンバ６５内の全体には不図示の配管を通して酸素含有
率を極めて低く抑えた乾燥窒素ガス（Ｎ₂)が供給され
る。

【００６３】更に、本例のウエハステージ７０は、床７
２上に設置され、その床下にＡｒＦエキシマレーザ光源
よりなる洗浄用レーザ光源７３が設置されている。この
洗浄用レーザ光源７３からの紫外パルス光ＩＬ２は、ミ
ラー７４で反射されて床７２に設けられた穴を通過した
後、ミラー７５で反射されて照明光学系のフライアイレ
ンズ５６とリレー系５５Ｂとの間に向かう。その位置に
露光光ＩＬの光路から退避できるように可動ミラー７６
が配置されており、可動ミラー７６をフライアイレンズ
５６の前に光軸に対して４５°で設置することによっ
て、紫外パルス光ＩＬ２がこの可動ミラー７６を介して
フライアイレンズ５６に入射するように構成されてい
る。

【００６４】本例の露光コントローラ７７は、露光時に
はＡｒＦエキシマレーザ光源５１の発光を制御して洗浄
用レーザ光源７３の発光を停止しておき、例えば露光工
程の間で投影光学系ＰＬの下にウエハが無い場合等にＡ
ｒＦエキシマレーザ光源５１の発光を停止させて、可動
ミラー７６をフライアイレンズ５６の前に設置して洗浄
用レーザ光源７３に発光を行わせる。これによって、紫
外パルス光ＩＬ２は、フライアイレンズ５６〜主コンデ
ンサレンズ系６４を経て投影光学系ＰＬを通過する。Ａ
ｒＦエキシマレーザ光のような極紫外のパルス光をレン
ズやミラー等の光学部材に照射すると、その光学部材の
表面の曇り物質のような異物が揮発して、その光学部材
の透過率や反射率が改善される現象がある。そこで、定
期的に洗浄用レーザ光源７３を発光させることで、照明
光学系や投影光学系ＰＬの透過率が高く維持され、その
後で使用される露光光ＩＬの利用効率が向上する。

【００６５】また、本例では洗浄用レーザ光源７３が、
投影露光装置が収納されているチャンバの外部にあるた
め、洗浄用レーザ光源７３の振動や発熱の影響が投影露
光装置に伝わることがない利点がある。なお、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ことは勿論である。

【００６６】

【発明の効果】本発明の第１、第２、又は第３の投影露
光装置によれば、非球面加工された面を有する光学部
材、又は蛍石よりなる光学部材の少なくとも一部が大気
変動の影響を受けにくい気体の中に配置されるため、投
影光学系において高い結像特性が得られる。また、結像
特性補正部材が設けられているため、気圧等の環境条件
が変化してもその高い結像特性を維持できる利点があ
る。特に非球面加工された光学部材を使用する場合に
は、投影光学系を大型化することなく開口数を０．６５
程度以上にできるため、線幅が１５０ｎｍより小さい微
細なパターンの転写を高精度に行うことができる。

【００６７】また、本発明の第４の投影露光装置によれ
ば、非球面加工された面を有する光学部材、又は蛍石よ
りなる光学部材の少なくとも一部が大気変動の影響を受
けにくい気体の中に配置されるため、投影光学系におい
て高い結像特性が得られる。これらの場合に、その大気
変動の影響を受けにくい気体がヘリウムガスである場合
には、ヘリウムガスは不活性で露光光を吸収しないと共
に、熱伝導率が高いため、特にその周囲の光学部材の光
学特性が安定に維持される。

【００６８】また、本発明の第５の投影露光装置によれ
ば、投影光学系の姿勢を容易に組立調整時の姿勢に再現
できるため、高い結像特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影露光装置の第１の実施の形態
を示す一部を断面とした構成図である。

【図２】（ａ）は球面レンズの結像光束を示す図、
（ｂ）は非球面レンズの結像光束を示す図である。

【図３】図１の非球面ユニット１３を構成するレンズを
分割鏡筒方式で組み上げる方法の説明図である。

【図４】（ａ）は非球面ユニット１３及びパージユニッ
ト９を示す断面図、（ｂ）は図４（ａ）の平面図であ
る。

【図５】（ａ）は組立調整中の投影光学系ＰＬを示す正
面図、（ｂ）は図５（ａ）の平面図である。

【図６】図５の投影光学系ＰＬを投影露光装置に搭載し
た状態を示す平面図である。

【図７】図１の投影露光装置の変形例を示す要部の概略
構成図である。

【図８】図１の投影光学系ＰＬの組立調整の流れを示す
フローチャートである。

【図９】本発明の第２の実施の形態の投影露光装置を示
す概略構成図である。

【符号の説明】

ＲレチクルＰＬ投影光学系Ｗウエハ２ウエハステージ３結像特性可変ユニット７Ｈｅガス温調制御装置９，１１パージユニット１３，１５，１６非球面ユニット１４瞳可変ユニット１７結像特性可変ユニット１９可変開口絞り２０主制御系２８照明光学系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して基板上に投影する投影露光装置におい
て、前記投影光学系は、非球面加工された面を有するか、又
は蛍石よりなる第１の光学部材と、球面、又は平面加工
された面を有する第２の光学部材と、を含み、前記第１の光学部材の少なくとも一部は大気変動の影響
を受けにくい第１の気体の雰囲気中に配置され、前記第２の光学部材の少なくとも一部は前記第１の気体
とは異なる第２の気体の雰囲気中に配置されると共に、前記投影光学系の結像特性を補正するために前記第２の
光学部材中の所定の光学部材を駆動する結像特性補正部
材が設けられたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して基板上に投影する投影露光装置におい
て、前記投影光学系は、非球面加工された面を有するか、又
は蛍石よりなる第１の光学部材と、球面、又は平面加工
された面を有する第２の光学部材と、を含み、前記第１の光学部材の少なくとも一部は大気変動の影響
を受けにくい第１の気体の雰囲気中に配置され、前記第２の光学部材の少なくとも一部は前記第１の気体
とは異なる第２の気体の雰囲気中に配置されると共に、前記投影光学系の結像特性を補正するために前記第２の
気体の一部の圧力を制御する結像特性補正部材が設けら
れたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項３】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して基板上に投影する投影露光装置におい
て、前記投影光学系は、非球面加工された面を有するか、又
は蛍石よりなる第１の光学部材と、球面、又は平面加工
された面を有する第２の光学部材と、を含み、前記第１の光学部材の少なくとも一部は大気変動の影響
を受けにくい第１の気体の雰囲気中に配置され、前記第２の光学部材の少なくとも一部は前記第１の気体
とは異なる第２の気体の雰囲気中に配置されると共に、前記投影光学系の結像特性を補正するために前記第２の
気体の一部の温度、又は湿度を制御する結像特性補正部
材が設けられたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して基板上に投影する投影露光装置におい
て、前記投影光学系は、非球面加工された面を有するか、又
は蛍石よりなる第１の光学部材と、球面、又は平面加工された面を有する第２の光学部材
と、前記第１の光学部材の少なくとも一部を収納する第１の
鏡筒と、該第１の鏡筒に収納される光学部材以外の光学部材を収
納する前記第１の鏡筒とは分離可能な第２の鏡筒と、を
含み、前記第１の鏡筒は、内部に収納される光学部材を保持す
る光学部材保持枠と、該光学部材保持枠を所定の隙間を
開けて保持する外筒とを有する二重構造であり、前記第１の鏡筒内の前記隙間に大気変動の影響を受けに
くい第１の気体が供給され、前記第２の鏡筒内の少なくとも一部に前記第１の気体と
異なる第２の気体が供給されることを特徴とする投影露
光装置。
【請求項５】請求項１〜４の何れか一項記載の投影露
光装置であって、前記大気変動の影響を受けにくい第１の気体とは、ヘリ
ウムガスであることを特徴とする投影露光装置。
【請求項６】マスクに形成されたパターンの像を投影
光学系を介して基板上に投影する投影露光装置におい
て、前記投影光学系の鏡筒と一体化されたフランジ部材と、該フランジ部材に装着されそれぞれ前記投影光学系の光
軸方向の位置が調整可能な複数個の位置調整部材と、該複数個の位置調整部材にそれぞれ対応して組み込まれ
た複数個の圧力センサと、を備え、該複数個の圧力センサで検出される圧力がそれぞれ前記
投影光学系の単体としての調整時の圧力になるように前
記複数個の位置調整部材の位置調整が行われることを特
徴とする投影露光装置。