JPS60159748A

JPS60159748A - 投影露光装置

Info

Publication number: JPS60159748A
Application number: JP59014940A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tanimoto; 昭一谷元; Kazunori Imamura; 今村　和則
Original assignee: Nikon Corp; Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-01-30
Filing date: 1984-01-30
Publication date: 1985-08-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）る。

（発明の背景）縮小投影型露光装置（以下ステッパと呼ぶ）は近年超Ｌ
ＳＩの生産現場に多く導入され、大きな成果をもたらし
ているが、その重要な性能の一つに重ね合わせマツチン
グ精度があげられる。このマツチング精度に影響を与え
る要素の中で重要なものに投影光学系の倍率や焦点の誤
差がある。超ＬＳＩに用いられるパターンの大きさは年
々微細化の傾向を強め、それに伴ってマツチング精度の
向上に対するニーズも強くなってきている。従って投影
倍率を所定の値に保つ必要性はきわめて高くなってきて
いる。現在投影光学系の倍率は装置の設置時に調整する
ことにより倍率誤差が一応無視できる程度になっている
。しかしながら、装置の稼働時における僅かな温度変化
やクリーンルーム内の僅かな気圧変動等、環境条件が変
化しても倍率誤差が生じないようにしたいという要求が
高まっている。

種々の実験をした結果、投影レンズの投影倍率Ｙは大気
圧ＰＡ、大気の温度′Ｉ”　Ａ　、レンズの温度′１゛
Ｌの関数であり、関数ｆによって、Ｙ＝ｆ　（ＰＡ、１
’Ａ、ＴＬ）　・・・　（１）であることが判明した。

また投影レンズの結像面位置Ｆも関数ｇによってＦ＝ｇ　（ＰＡ、ＴＡ、ＴＬ）　・・・　（２）である
ことが判明した。一方、この種の露光装置は±０．１℃
以内の温度変動しか許さないようなりリーンルームに設
置さるのが普通であるが、場合によっては±１℃程度の
温度変動が生じてしまうクリーンルームに設置されるこ
とがある。また、クリーンルームは普通大気圧に対して
密封されていることはないので投影レンズの圧力は大気
圧に伴って変動する。更にこの種の露光装置では回路パ
ターンをウェハ上のフォ１−レジストに転写するために
強力なエネルギーをもった露先々を使用するためにレン
ズ温度が上昇してしまう。従って、露光装置は投影レン
ズの光学特性（投影倍率、結像面位置）の変動要因をも
った環境の中に設置されζいるといえる。

そこで、露光装置を恒温、恒圧室に収納することが名え
られるが、この方法では恒温、恒圧室か大掛りなものに
なってしまい、実際のＩＣ生産現場には適さない。

また、投影レンズの投影倍率が正確であったとしてもウ
ェハやレチクルが伸縮した場合には、これに応じて投影
倍率を所定値に制御しなければならない。

（発明の目的）本発明は以上の欠点を解決するもので、露光装置を大型
化することなく、投影レンズの光学特性を一定に維持ま
たは所定値に制御できる投影露光装置を提供することを
目的とする。

（発明の概要）本発明は、投影レンズのレンズ間隔の気体温度を制御す
ることによって上記目的を達成する。本発明によれば投
影レンズのレンズ間隔の少なくとも一ケ所の気体温度を
制御する手段を設け、露光例によれば投影レンズ室内に
温度及び圧力を制御された気体を流し、露光エネルギー
による投影レンズの熱的変化を防ぐと共に、大気圧や外
気温の変化に対しては、これをモニターして流入気体の
温度、または温度と圧力との組合せを制御することによ
り、投影倍率又は結像位置の安定化または制御を行った
ものが提供される。

（実施例）以下、本発明を実施例に基づいて説明する。第１図は本
発明の詳細な説明図である。第１図において、複数のレ
ンズを有する投影レンズｌは、レチクル（マスク）Ｒに
形成された原画パターン（例えば、築積回路のパターン
）をウェハＷ上に投影するためのものである。照明装置
２によって照明された原画パターンの光像は、投影レン
ズ１によってウェハＷ上に結像される。ウェハＷを二次
元移動するためのステージ３はウェハボルダ３ａを備え
ている。また、ウェハボルダ３ａはウェハを真空吸着す
るとともに該ウェハを投影レンズ１の光軸方向に上下動
可能である。ステージ駆動部ＳＤはステージ３を二次元
駆動し、またウェハホルダ３ａを上下方向に駆動する。

投影レンズ１は、レンズバレル１ａと所定の間隙（空気
室）をおいて配置された複数のレンズ１，１、Ｌ２、Ｌ
３、Ｌ４、及びＬ５から成る。レンズＬ１とＬ２との間
の第１間隙８は通気孔７を介してレンズバレル１ａの外
部に開放されている。また、レンズＬ２とＬ３との間の
第２間隙１０は通気孔９を介して第１間隙８と連通され
ている。レンズし３とＬ４との間の第３間隙１２は通気
孔１１を介して第２間隙１０と連通されている。レンズ
Ｌ４とＬ５との間の第４間隙１４は通気孔１３を介して
第３間隙１２と連通されている。第４間隙１４は通気孔
１５を介してレンズバレルｌａの外部に接続されζいる
。これら通気孔９．１１．１３は例えばレンズ支持棒に
あけられている。ごこて、第４間隙１４間隙８、ｌ０１
１２．１４は通気孔７．１５を除いてはレンズバレル１
ａの外部と遮断するように封止されているものとする。

空気供給源ＡＳからの気体（例えば空気）は、防塵用１
（Ｅ　Ｐ　Ａフィルター等のフィルター５によって塵埃
を取り除かれた後、温度制御装置（例えば、電子冷却素
子と過熱器から成る）０に供給される。そして温度制御
装置６によっ゛Ｃ温度調節された空気は、流量調節用の
第１制御バルブ１６ａ、管ＰＰｌ、及び通気孔７を介し
て第１間隙８に流入する。第４間隙１４は通気孔１５、
及び管ＰＰ２を介して流量調節用の第２制御バルブ１６
ｂに接続されている。第２制御バルブ１６ｂは排気装置
１７と接続されている。そのため空気供給源ＡＳから供
給された空気は温度制御装置６で温度調節を受けた後、
第１制御バルブ１６ａを介して第１間隙８から第４間隙
１４へと流れ、次に第２制御ハルゾ１６ｂ　、ＩＪＩ気
装置１７を介して外界へ排出さる。

第１制御バルブ１６ａ及び第２制御バルブ１６ｂが空気
の流れに対して与える抵抗値を制御すればレンズバレル
１ａの内の（第１ないし第４間隙８．１０．１２．１４
内の）圧力を調節できる。これら制御バルブ１６ａ　、
１６ｂは、レンズバレルの空気室の温度のみを制御する
場合にはく温度制御方式）、空気に対する抵抗値を等し
くしておく。圧力検出器２ｏはレンズバレル１ａの内の
圧力を検出するもので、例えば第４間隙１４内の圧力を
検出している。温度検出器２１ａはレンズ温度、例えば
レンズＬ５の温度を検出する。温度検出器２１ｂは空気
室内を流通する空気の温度を検出する。環境センサー１
９は空気の屈折率を決定する外界の圧力（大気圧）及び
人気の温度を検出する。マイクロコンピュータ（ＣＰＵ
）１８は圧力検出器２０、温度検出器２１ａ　、２１ｂ
及び環境センサー１９の出力をインターフェースＩＦを
介して読み出す。またＣＰＵはインターフェース２５を
介して照明装置２、第１制御バルブ１６ａ、第２制御バ
ルブＩ６ｂ、及びステージ駆動部Ｓ　１．）を制御する
。

さてキーホードＫＢから作動開始指令を入力すると（ス
テップＰＩ）、ＣＰＵ２２は照明装置２、空気供給源Ａ
Ｓ、排気装置１７、及びステージ駆動部ＳＤを次のよう
に動作さセる。まず、照明装置２内の水銀ランプを点灯
させ（ステップＰ２）、次に空気供給源Ａｓ及び排気装
置１７を作動して空気を第１間隙８から第４間隙１４へ
と流通させる（ステップＰ３）。次にレチクルＲを位置
決め、つまり、アライメントしくステップＰ４）。ステ
ージ駆動部ＳＤに指令を送って、ウェハＷの局所領ｂ３
ｉｓｌ（第２図示）にレチクルＲの回路パターンが結像
されるようにステージ３を駆動する（ステップ１）５）
。次に照明装置内のシャッターを開放してウェハＷ上に
塗布されたフォトレジストを感光させ、所定時間経過す
るとシャッターを閉成する（ステップＰ６）。以後、局
所領域ｓ２がらＳ１１まで同様の動作が行われるように
ステージ３を移動させてはシャッターを開閉する（ステ
ップアンドリーピーＩ−露光動作）。そして、この動作
がＮ回（１，１回）繰り返されたことを検出するとくス
テップＰ７）、ステージ３をウェハ交換位置へと移動し
てウェハを交換するくステップＰ、８）。以下、ウニへ
の枚数に応じ”Ｃ同様の動作を繰り返しくステップＰ９
）、所定枚数の露光が終わったなら動作を終了する（ス
テップＰ　１０）。第３図にこの動作ステップのフロー
チャートを示す。

このようなステップアンドリービート露光動作中に投影
レンズ１に入射する露光々のエネルギー０）　一部ハレ
ンズＬ１〜Ｌ５に吸収されることになる。

ここで、空気温度を制御しないとすると、この間空気供
給源ＡＳからは空気が送りこまれているのでレンズＬｌ
−Ｌ５は一般に空冷されることになる。

しかし、空冷用の空気の温度とレンズの温度とを完全に
一致させることはできないので投影レンズの光学特性変
動を完全に抑えることは難しい。また露光装置が設置さ
れるクリーンルームの温度が±１℃位の変動を持つ場合
には空冷用の空気の温度も変動するので、これも結像特
性変動の原因となってしまう。更に、大気圧変動等によ
り空気の屈折率が変化するとレチクルＲがらウェハＷへ
至る光学系の光学特性が変化し、これも結像特性変動の
原因となる。これを改善するには以下に示すような２通
りの方式がある。即ち、温度制御方式と、温度−圧力制
御方式である。

温度制御方式：第１図のようにレンズバレル１ａを密封すると、投影倍
率及び結像面位置の変動は次のように表すことができる
。即ち、投影倍率Ｙは大気圧ＰＡ、大気の温度ＴＡ、レ
ンズの温度ＴＬ、空気室の温度ＴＬＡ及びレンズバレル
ｌａの内圧（第１ないし第４間隙の内圧）ＰＬの関数で
あり、この温度制御方式では、内圧ＰＬは制御バルブ１
６ａ　、　１６ｂによって一定に制御されているから、
この場合の投影倍率ＹはＰＡ、ＴＡ、ＴＬ、及びＴＬＡ
に依存する。従って関数１１を用いて、Ｙ＝ｆｌ（Ｐ＾、ＴＡ、　ＴＬ、且Ａ）・・・　（３）
と表すことができる。この（３）式で表される状態から
大気圧がΔＰＡ、大気温度がΔＴＡ、レンズの温度がＡ
ＴＬ、及び空気室の温度がΔＴＬ＾だけ変化したとする
と、それぞれの変化量が小さい場合には係数ＣＩ、Ｃ２
、Ｃ３、Ｃ４を用いて、投影倍率の変化ΔＹは、 Δ　Ｙ＝ＣＩ　・　ΔＰＡ　＋　Ｃ２・　ΔＴ八」−Ｃ
３・　ＡＴＬ　＋　Ｃ４・　ＡＴＬ八　・　・　・　（
４）と近似できる。係数Ｃ１〜Ｃ４は予め測定するか又
は計算によってめておく。従って、このときに倍率変化
をゼロ、すなわちΔＹ−０とするには、空気室の温度を
（これによ＋）を人里の辰析牟を）、ΔＴＬＡ　’　＝＝　（Ｃ１・　ΔＰ＾＋Ｃ２・　ΔＴＡ＋Ｃ３・ＡＴＬ
）／Ｃ４・　・　・　（５）だけ変化させればよいことが解る。

次に、結像面位置Ｆは関数８１を用いて、Ｆ＝ｇｌ（Ｐ
＾、　Ｔ＾、　ＴＬ、ＴＬ八　）　・　・　・　（６）
と表される。（４）式同様に前述の圧力、温度の微少変
化に対しては ΔＦ＝Ｃ５・ΔＰＡ＋Ｃ６・ΔＴＡ−１−Ｃ７−ＡＴＬ
十Ｃａ　・　ΔＴし八　）　・　・　・　（７）と近似
できる。ここに係数０５〜Ｃ８は予め測定するか計算に
よってめておく。従って、この結像面位置の変化が投影
レンズの焦点深度に比べて無視できない場合にば投影レ
ンズ１とウェハＷの間隔を変えて、良好な結像がウェハ
上で得られるようにする。

ＣＰＵ１８は、ステップＰ１で露光装置の作動開始指令
がキーボードＫＢから入力されると、大気圧記憶用のメ
モリ　（ＣＰＵ１８に内臓）のＭ１番地をゼロにリセッ
トしくステップＰ２］）　、次に大気の温度記憶用のメ
モリのＭ２番地をゼロにしくステップＰ２２）　、次に
レンズ温度記憶用のメモリのＭ３番地をゼロにリセット
しくステップＰ２３）、そして空気室の温度記憶用のメ
モリのＭ４番地をゼロにリセットする（ステップＰ２４
）。引き続いて、環境センサー１９からの大気圧検出々
力を演算用レジスタ（ＣＰ　Ｕ３Ｏ）のＲ１番地に書込
み（ステップＰ２５）、次に環境センサー１９からの大
気の温度検出々力をレジスタのＲ２番地に書込み（ステ
ップＰ２６）、温度検出器２１ａからのレンズ温度検出
々力をレジスタのＲ３番地に書き込み（ステップＰ２７
）、そして、温度検出器２１ｂからの空気温度をレジス
タのＲ４番地に書き込む（ステップＰ２８）。引き続い
て、レジスタのＲ１番地のデータからメモリのＭ１番地
のデータを減算してΔＰＡをめてこれをメモリのＭ５番
地に書き込み（ステップＰ２９）　、次にレジスタＲ２
番地のデータからメモリのＭ２番地のデータを減算して
ΔＴＡをめてこれをメモリのＭ６番地に書き込み（ステ
ップｐ３０）　、次にレジスタのＲ３番地のデータから
メモリのＭ３番地のデータを減算してＡＴＬをめこれを
メモリのＭ７番地に書き込み（ステップＰ３１）、そし
てレジスタのＲ４番地のデータからメモリのＭ４番地の
データを減算してΔＴＬＡをめてこれをメモリのＭ８番
地に書き込む（ステップＰ３２）。続いて、レジスタの
Ｒ１番地のデータをメモリのＭ１番地に書き込み（ステ
ップＰ３３）、次にレジスタのＲ２番地のデータをメモ
リのＭ２番地に書き込み（ステップＰ３４）　、次にレ
ジスタのＲ３番地のデータをメモリのＭ３番地に書き込
み（ステップＰ３５）、そしてレジスタのＲ４番地のデ
ータをメモリのＭ４番地に書き込む（ステップＰ３６）
。これが終了するとタイマー回路１゛Ｃによって所定時
間ｔｓを計算する（ステップＰ３７）。

この時間は気圧及び温度をサンプリングするサンプリン
グ周期をきめる。

次に、メモリのＭ５〜Ｍ８番地のデータを読み取って（
ステップＰ３８）、（４）式と（５）式からΔＴＬＡ’
を計算しくステップＰ３９）、その結果に応じて湯度制
御装置６を制御して空気室内の空気温度を上下させる（
ステップＰ４０）。　つまり、ΔＹ−０となるように空
気室の温度が調節されるのである。この動作が終わると
ＣＰＵ１８はメモリのＭ５〜Ｍ８番地のデータを再び読
み出して（ステップｌ）　４１　）、（７）式からΔＦ
を計算する（ステップＰ４２）。そして、ΔＦが投影レ
ンズ１の焦点深度と比較して無視し得るかどうかを定数
αとΔＦとの比較から判別する（ステップＰ３４）。こ
の判別の結果、Δｌ？＞αならば結像面位置変動が無視
し得ないのでステージ駆動部ＳＤを介してウェハボルダ
３ａを上下移動させる。一方ΔＦ〈αならばステップＰ
’４５ヘジャンプする。ステップ１）４５ではタイマー
回路１゛Ｃが時間ｔｓを計数したかどうかを監視してお
り、ｔｓが経過するとステップＰ２５へ戻る。ここで時
間ｔｓは第１及び第２制御バルブの作動時間と、ステー
ジ駆動部ＳＤの作動時間とを確保できるように設定しで
ある。第４図にこの動作のフローチャー１〜を示す。

温度−圧力制御１式：温度制御を高精度に行なえない場合には、圧力制御との
併用によって投影レンズの光学特性を一定に保つことが
できる。例えば、温度制御がΔｔ℃間隔で行われるとき
、 ΔＴし八　’　−ｎ　・　Δ　ｔ　−Δ　ｔ　゛　・　
・　・　（８）であるとする。このとき温度Δｔ′が制
ｔａｌｌＦＡ差として残ってしまう。しかし、　（４）
式のΔＴ１．ＡにΔｔ゛を代入ずれば、このΔｔ゛に対
する投影倍ΔＰＬ’　＝　−（Ｃ１・ΔＰ＾＋Ｃ２・Δ
ＴＡ＋Ｃ３・　Δｒｉ、＋ｃ４　・　ΔＴＬ八　）　／
Ｃ５・・・　（９）だけ変化させればよいことがわかる。そのためには、第
１制御バルブ１６ａ、第２制御バルブ１６ｂの空気に対
する抵抗値を調節して空気室の圧力をΔ１１Ｌ”だけ上
下すればよい。結像面位置Ｆについても同様のことが可
能である。即ち圧力検出器２０の出力がｃｐｕｉｓに取
り込まれ、空気室の圧力がＡＰＬ’　となるように第１
制御バルブ１６ａ２第２？ｔｒｌｌ　御バルブ１６ｂが
インターフェイスＩＦを介して制御される。

次に第５図を用いて本発明の第２の実施例について説明
する。第２の実施例ではフィルター５、温度制御装置６
、及び第１制御バルブ１６を通過した空気は枝分かれし
た管Ｐ）’１’　を介して第１〜第４間隙８、ｉｏ、　
１２、及び１４に並列に供給される。

そして枝分かれした管ＰＰ２’、第２制御バルブ１６ｂ
、及び排気装置１７を介して排出する構成をとっており
、この点に関してのみ、第１の実施例の直列式の配管と
異なっている。第１の実施例においては第２の実施例よ
り少ない流量で同程度の温度安定化が達成できるという
特徴があるが、流量に制限のない場合は、第２の実施例
の方が流体に対する抵抗が小さくて、レンズの温度安定
化ムこ有利である。

以上、第１と第２の実施例においては排気装置１７によ
って排気することにより空気を流しているが、コンプレ
ッサー又はブロアによりフィルター５の空気を送り込ん
でもよいし、また高圧ボンへからの気化又は液体化又は
固体化された気体を再び気体に戻して、その温度を望む
値にして用いてもよい。また記述の便宜上、レンズ間隙
の全てに気体を流すようにしているが、必ずしも全ての
レンズ間隙が必要とは限らない。またレチクルとレンズ
間あるいはレンズとウェハ間に適用することが最良であ
ることもレンズの性能上あり得る。

尚、以上の実施例において流す気体として空気が最も使
い易いが他の気体、例えば窒素、ヘリウム、二酸化炭素
、フレオン等のガスを用いてもよい。また以上の実施例
の説明においては流す気体を大気に放出するものとした
が、放出せずに再びフィルター５に流入させるようにし
てもよい。この場合には気体の流れる径路に熱交換器を
入れることが必要である。

また、以上の実施例では第１制御バルブ１６ａに流入す
る気体の圧力よりも該バルブから流出する気体の圧力の
方が低くなり、その結果断熱膨張により気体の温度が低
下するのでレンズの熱吸収効果が増加する（冷却効果が
高（なる）。　第６図に流量調節用の制御パルプの具体
例を示す。基体３１中の通路ＰＰＩから入った気体はニ
ードル弁３２によって抵抗を受けるとともに流量を制御
されて通路ＰＰ２から出てゆく。ニードル弁３２にはラ
ック３２ａが設＆Ｊられており、モータ等によってピニ
オン３３を回転すると上下動する。これによって気体に
対する抵抗と流量を調節することができる。

以上のような実施例によれば、（１）レンズ間隙の温度
を制御することにより大気圧や外部温度の変動に起因し
た投影レンズの光学特性の変動も防止できるし、ウェハ
やレチクルの伸縮に応じて投影倍率を必要な投影倍率に
制御することもできる。（２）更にレンズの冷却効果が
高いので単位時間当たりの露光量を増加し”Ｃも良好な
光学特性を維持できる。そのため例えば水銀ランプの照
度を増大して１回当たりの露光時間を短Ｉｉ１すること
等が可能になるので、スループットを上げることができ
る。（３）レンズバレル内に気体を流すことによってレ
ンズを冷却しているが、完全に気体の温度までレンズを
冷却できない場合であってもレンズバレル内の空気室に
流す気体の温度、又は温度と圧力を制御することによっ
て、光学特性の変動を補正できるし、必要な光学特性と
なるように１ｌｉＵ御もできる。

（発明の効果）本発明によれば露光用の放射エネルギーが投影レンズを
通過する時にレンズによって吸収されて、投影倍率や結
像面位置等の光学特性にあたえる影響を大幅に軽減でき
るし、また所定値に制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の説明図である。第２図はウェハの局所露光領域と露光順序を示す図であ
る。第３図及び第４図は第１実施例の動作を示すフロー
チャー１・である。第５図は本発明の第２実施例の説明
図である。第６図は流量調節用の制御バルブの具体例を
示す図である。（主要部分の符号）１・・・投影レンズ、１ａ・・・レンズバレル、Ａｓ・
・・空気供給源、６・・・温度制御装置、７．９．１１
．１３．１５・’−・通気孔、１６ａ　、　１６ｂ・・
・制御バルブ、１７・・・排気装置１８・・・マイクロ
コンピュータ出願人　日本光学工業株式会社第１図第Ｓ図　第４図

Claims

【特許請求の範囲】

レチクル上のパターンをウェハ上に投影露光するための
投影レンズを有する投影露光装置において、該投影レン
ズのレンズ間隔の少なくとも一ケ所の気体温度を制御し
て、投影レンズの結像特性を制御する手段を設けたこと
を特徴とする投影露光装置。