JPS61109053A

JPS61109053A - 投影光学装置

Info

Publication number: JPS61109053A
Application number: JP59228914A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tanimoto; 昭一谷元; Shoji Ishizaka; 石坂　祥司
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1984-11-01
Filing date: 1984-11-01
Publication date: 1986-05-27
Anticipated expiration: 2009-07-06
Also published as: US4701606A; JPH0652708B2

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〕本発明は、所定の像を投影する投影光学装置にかかるも
のであり、特に、その光学的特性の変化の検出化量する
ものである。

ラフイ装置として使用される縮小投影型露光装置Ｃ以下
単に「ステッパ」という）では、近年の生産性増強の要
求によりスループットが向上し、このため、単位時間内
に投影光学系を通過する露光光も増加している。この露
光光のエネルギーの一部は、投影光学系のレンズに吸収
されて熱となシ、レンズの屈折率や形状等に変化を与え
ることになる。かかる熱による光学系の変化が一足取１
になると、焦点位曾や結像倍率などの結像特性に無視し
得ない影響を与えることｋなる。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであシ、その
目的は、光学系の光学特性の変化を随時検出することが
できる投影光学装置を提供することである。

本発明の他の目的は、検出した光学特性の変化を是正す
ることができる投影光学装置を提供することである。

〔発明の概要〕

本発明は、結像光学系に所定の偏光のモニター光束を入
射する手段と、結像光学系を通過したモニター光束を受
光し、これを電気信号に変換する光電検出手段と、この
手段の出力に基づいて結像光学系の光学特性の変化を検
出する検出手段とを含むことを特徴とするものである。

結像光学系（投影レンズＬ）に熱的要因により光学特性
の変化が生ずると、入射手段（光源１４゜３０、５０．
７０．偏光板１６．３２．５２．鏡１８１°６６゜５４
．７４）によって結像光学系に入射したモニター光束（
ＭＢ）が複屈折により影響を受ける。これが光電検出手
段（光センサ２４．４２，５８，８４）によって電気信
号に変換され、更には検出手段（演算装ｆｔ２６，４４
．６０）によって光学特性のダ化が検出される。

〔実施例〕以下、本発明の実施例について、添付図面を参照的なが
ら詳細に説明する。

第１図には、本発明にかかる投影光学装置の第１実施例
が示されている。この図において、露光対象であるウニ
／Ｎ　Ｗは、ｘ、　ｙ、　ｚ方向に移動可能なステージ
１０上に載置されている。このステージ１０は、Ｘ＃Ｙ
方向に移動可能なＸＹステージ１０Ａと、２方向に移動
可能な２ステージ１０Ｂとによって構成されている。

ウェハＷ上には、投影レンズＬが配置されており、この
投影レンズＬの上方には、マスク（ナイしはレチクル）
Ｍを介して露光照明用のコンデンサレンズ１２が配置さ
れている。

露光光は、コンデンサレンズ１２の上方からコンデンサ
レンズ１２に入射し、更には、マスクＭをａ過して投影
レンズＬ、に入射する。この露光光は、投影レンズＬの
入射瞳ｅｐを通ってウニ）ｓ　Ｗに達し、マスクＭのパ
ターンがウニ／％Ｗ上に投影されることとなる。この露
光光束は、破１ｊＡｔで示されている。

次に、光学特性の検出系について説明するＯ投影レンズ
Ｌの近傍上方には、光源１４が設けられており、この光
源１４から射出されたモニター光束ＭＢは、第１０偏光
板１６及び′４１８を介して投影レンズＬの入射１１ｅ
ｐに入射するようになっている。また、投影レンズＬを
透過したモニター光束ＭＢは、第２の鏡２０及び偏光板
２２を介して光センサ２４に入射するようになっている
。これらの装置のうち、ＷＡ１８．２０は光路を変更し
てモニター光束Ｍｌが投影レンズＬ内を通過させるもの
で、いずれも露光光束りをさえぎることがないようその
配電が考慮されている。偏光板１６は、光源１４のモニ
タ：光束ＭＢを直線偏光するためのもので、偏光板２２
は出力調整のために設けられている。すなわち、投影レ
ンズＬＩＣ露光光束ｔが入射されていない熱的に安定し
た状態において、偏光板２２を回転し、光センサ２４の
出力が最小となるようにする。

次に、光センサ２４は、後述する演ｎを行う演算装置２
６に接続されており、この演算装置２６は、制御装置°
２８を介して駆動モータ３０に接続されている。この１
ＩＡｌｔｈモータ６０は、２ステージ１０Ｂを上下方向
すなわち２方向に移動させるためのものである。

次に、上記実施例の全体的動作について説明する。まず
、上述したように、偏光板２２を回転させて光センサ２
４の出力が最小となるように調査を行う。この後に、露
光光束ｔが投影レンズＬに入射され、この光束の一部が
吸収されて温度が上昇すると、投影レンズＬの光学的特
性が変化する。

詳述すると、投影レンズＬ内の光学素子に歪みが生じて
いない場合には、当社の状態が保存されており、直線偏
光又は円偏光さｎた光は、そのままの偏光で投影レンズ
Ｌを通瀞することとなる。

しかしながら、露光光束の一部吸収による発、熱がある
と、光学素子に歪みが生ずるようになり、こ過する光Ｍ
Ｂは楕円偏光となる。この楕円の程度は、光学素子の歪
みの大きさと一義的な関係にある。

楕円偏光されたモニター光束ＭＢは、偏光板２２で直線
偏光に変換されるが、変換後の光強度は、楕円の程度す
なわち光学素子の歪みの程度に対応している。かかる光
強度に対応する信号が光センサ２４から出力これる。

第２図（５）には、投影レンズＬＫ露光光束ｔを入射さ
せたときの焦点Ｆの変化ΔＦが示されている。

！た、同図（Ｂ）には、かかる焦点Ｆの変化に対応する
光センサ２４の出力Ｓが示されている。４≠ミ（Ａ）、
（Ｂ）において、時刻ｔｏないし１．では、露光光点軍
の変イヒはなく、ΔＦはゼロである。他方、光センサ２
４の出力Ｓは、投影レンズＬの残留歪の値に対応した１
ｉｓｏとなっている。

次に、時刻ｔ１において投影レンズＬに単位時間当り一
定債の露光光束ｔが入射されたとすると、温度上昇によ
り光学特性が質化し、投影レンズＬの焦点Ｆは、曲線ｆ
、に旧って変化する。このため、光センサ２４の出力Ｓ
は、曲線ｈＫ沿って曲線ｆ里にほぼ比例して変化するこ
ととなる。そして、一定時間が経過−ｒると、焦点Ｆは
一定状態となり、光センサ２４の出力Ｓも一定状態とな
る。すなわち、焦点Ｆは、Δ２増大し、出力ＳはΔＳ増
大することとなる。

次に、時刻−で露光光束ｔの投影レンズＬに対する入射
が終わると、温度も下がりけじめ、投影レンズＬの焦点
Ｆは曲Ｈｆｓに沿って変化し、光センサ２４の出力Ｓも
曲Ｈｆｓに沿って曲線ｆ２にほぼ比例しながら変化する
こととなる。

以上のように、投影レンズＬの焦点Ｆの変イヒと光セン
サ２４の出力Ｓの変化とはほぼ比例するので、一定状態
であるた、？富のときの焦点変動値Δ２を、試し露光や
あるいは投影レンズＬを通したスルーザレンズの観察光
学系による焦点検出等によってあらかじめ求め、これに
対応する光センサ２４の出力Ｓの変化ΔＳとに対し、次
の係数Ｋを算出しておく。

そうすれば、この係数にと、光センサ２４の出力Ｓの変
化ΔＳとから焦点Ｆの変動値Δ２を求めることができる
。投影レンズＬの倍率変動も同様である。これらの演算
は、演算装置２６によって行なわれ、光センサ２４の出
力に基づいて投影レンズＬの焦点変化址、倍率変化ｔが
求められる。そして、これらの変化量は、制御装［２８
に入力され、かかる変化量に対応して駆動モータ３０が
駆動されることとなり、投影レンズＬの光学特性の変化
のうち焦点Ｋｍに対応するように、すなわち、常に最適
な結像状態が得られるように、ワエへＷが上下方向に移
動されることとなる。この第１実施例は、ウェハＷへの
露光作業中においても投影レンズ、Ｌの結像特性の変化
をモニターできるという特徴がある。

次に、第６図を参照しながら、本発明の第２実施例につ
いて説明する。第６図において、投影しンズＬの近傍上
方には、光源５０が設けられており、この光源５０から
射出さ九たモニター光束は、第１の偏光板６２．ビーム
スプリッタ−６４及び鏡３６を透過反射して投影レンズ
Ｌに入射するようになっている。投影レンズＬを通過し
たモニター光束は、ステージ１０上に設けられた境６８
によって反射されて投影レンズＬに再び入射し、更には
、４３６及びビームスプリッタ−６４によって第２の偏
光板４０に入射する。この偏光板４０を透過した光は、
光センサ４２に入射するようになっている。

光センサ４２は、演算装置４４に接続されており、この
演算波［４４は、制御装＃４６に接続されている。

この実施例の基本的な作用は、上述した第１実施例と同
様であるが、投影レンズＬに入射したモニター光束を＊
３８によって再び投影レンズＬに入射せしめ、これをビ
ームスプリッタ−３４で分離する点で異なっている。こ
の実施例によれば、モニター光束がステージ１０上のウ
ェハＷを照射する構成となっているため、このモニター
光束とウェハＷとマスクＭのアライント用のレーザ光と
を兼用することができる。後述する第３実施例について
も同様である。なお、アライメント用のレーザ光は、こ
れによってウニ／％Ｗのマークを照射したときに、その
マークからの散乱光あるいは回折光を投影レンズＬを介
して検出し、アライメント用のレーザ光のスポット位置
又はマスクＭの位置に対するウェハＷの位置を検出する
ものである。

また、この実施例では、投影レンズＬの下側の機４１１
が簡単になるという特徴があり、ステージ１０上に設け
られている位置合せ用の基準マークないしフィデューシ
ャルマークを有する光反射性の板を境６１に兼用できる
という利点もある。

なお、木実總例では、マスクＭの下方からモニター光束
を投影レンズＬ内に入射させているが、マスク■°の上
方から入射させるようにしてもよい０後述する第６実施
例についても同様である０次に、第４図を参照しながら
、本発明の第３実施例について説明する。第４図におい
て、光源５２は、投影レンズＬの近傍上方に設けられて
おり、これから射出さ゛れたモニター光束は、偏光板５
２を透過して＠５４により反射されて投影レンズＬに入
射するようになっている。投影レンズＬを透過したモニ
ター光束は、ステージ１０上に設けられた偏光＆５６を
透過して光センサ５８に入射するようになっている。こ
の光センサ５８は、演算装置６０に接続され、この演算
装ｆＩＩＩＬ６０は制御装置６２に接続されている。

この実施例の動作は、上述した第１実施例と同様である
が、偏光板５６及び光センサ５８がステージ１０上に設
けられている点で異なる。この実施例によれば、ステー
ジ１０が走行中のヨーイング等により回転すると、偏光
板５６がｚｙ平面内で回転するようになるが、この回転
の程度は１秒程度であるからこれによる検出誤差は十分
無視できる。尋次に第５図を参照しながら、本発明の第４実施例につい
て説明する。この実施例は、第３図に示した第２実施例
と同様に１投影レンズＬ内に入射したモニター光束を反
射させて再び投影レンズＬ内に入射させるようにしたも
のであるが、モニター光束の反射手段を投影レンズＬ＠
に固定したものである。

第５図において、投影レンズＬの近傍上方のうち左側に
は、光源７０が設けられており、この光源７０から射出
されたモニター光束ＭＢは、偏光板７２を介して鏡７４
に入射し、更には４７４に反射されて投影レンズＬに入
射するようになっている。

投影レンズしに入射したモニター光束ＭＢは、入射瞳ｅ
ｐを透過して第５図の実線矢印で示すように進行するが
、投影レンズＬの出射側には、境７６．７８が設けられ
ており、これによって投影レンズＬを透過したモニター
光ＭＢが垂直に９０゜づつ反射され、再び投影レンズ内
に入射するようになっている。

再度投影レンズＬ内に入射したモニター光は、投影レン
ズＩＬ内を透過し、＠８０１／Ｃよって反射され、偏光
板８２を介して光センサ８４に入射するようになってい
る。なお、４Ａ７４．７６、７８．８０Ｆｉ露光光束ｔ
をさえぎらないよう忙装置されることが好ましい。また
、４７６．７８は、投影レンズＬに一体に配置すると都
合がよい〇この実施例では、前述した゛第２実施例と同様に反射式
であるため、モニター光束ＭＢｔｆ、投影しなズＬを２
回通過することとなる。このため、検出の感度が２倍に
なるという効果がある。また、第２実施例と比較して、
再度モニター光束ＭＢを投影レンズＬ内に入射させる反
射手段がステージ１０上には配置されていないので、露
光作業中であっても光学特性の変化の検出動作を行うこ
とができ、リアルタイムで光学特性の修正あるいはウェ
ハＷの移動を行うことができる◎ ま念、モニター光束ＭＢの投影レンズＬ内における往路
と復路とが異なるため、光学素子の比較的広い領域にお
ける歪みの状態を検出することができるという利点があ
る。

なお、この実施例では、境７６．７８の２つによってモ
ニター光束ＭＢを反射するようにしたが、鏡７６のみを
投影レンズＬに一体に形成し、これによってモニター光
束ＭＢを投影レンズＬ内に反射するようにしてもよい。

次に、投影レンズＬの光学特性に変化が認められた場合
の是正方法について説明する。

まず、焦点に変動が生じた場合の是正方法としては、第
１図に示した実施例のように、ウニ／％Ｗを上下させる
方法がある。そしてこの場合に、投影レンズＬとウニ・
・Ｗとの間隔を計測するセンサ一手段があるときには、
適当なオフセットをかけることにより合焦として検出さ
れる零点を焦点の変動に追従させるようにする。

次に倍率に変動が生じた場合の是正方法としては、まず
投影レンズＬとマスクＭとの間隔を変える方法がある。

この方法では、焦点位置も補正する必要がある。次に、
ウェハホルダー内に発熱・冷却素子を埋設してウェハＷ
を熱的に伸縮させるかあるいはマスクＭを伸縮させる方
法がある。

そして、いずれの変動にも適用できる方法としては、ま
ず、投影レンズを構成する光学レンズ間の空気間隔内の
気体の圧力を調整する方法がある。

また、投影レンズＬの全体の温度を発熱・冷却素子によ
って調整する方法がある。

実用的には、ウェハＷを上下させる方法、光学レンズ間
の空気間隔内の圧力を調整する方法がすぐれている。特
にこの圧力調整の方法は、機械的な移動を伴うことなく
、また応答性がよいので、高精度で再現性よく微小量の
補正を簡易に行うことができる。以下、これらの方法を
、第６図及び第７図を参照しながら説明する。

第６図は、ウェハＷの上下方向の位置を検出する装置の
一例を示すもので、特開昭５６−４２２０５号会報に開
示されてｉるものである。この第６、図において、ウェ
ハＷは、上下方向すなわち２方向（第１図参照）に移動
可能な２ステージ１０Ｂ上に載置されている。ウニ／％
Ｗの上方には、投影レンズＬがあるが、この投影レンズ
Ｌの両側近傍には、ウェハ・Ｗ上にスリット像を斜め方
向から投影する投光器１００と、このスリット像のウェ
ハＷによる反射像を受光し、この受光器ｆ１１に応じた
アナログ的な検出信号を出力する受光器１０２とが各々
配置されている。受光器１０２は、前記スリット像の反
射像を受光するスリットと、このスリットの透過光を光
電検出する受光素子とを含み、反射像とスＩＪ　−７）
は相対的に撮動走査され、光電信号に一定の変調が行な
われており、同期検波して検出されるようになっている
。受光器１０１２は、サーボ制御回路１０４に接続され
ている。

サーボ制御回路１０４には、上述した実施例の演算装置
２６，４４．６０からの信号りが入力されており、その
出力は、２ステージＩＯＢの駆動モータ６０に対して行
なわれるようになっている。

以上のような構成において、投影レンズＬが露光光束ｔ
の照射を受けず、安定した初期の状態にあるときに投影
レンズＬの結像面とウェハＷの表面とが一致すると、受
光器１０２から出力されるアナログ的だ検波信号は零に
なるように調整される。サーボ制御回路１０４は、受光
器１０２からの検波信号を受けて駆動モータ６０を駆動
し、かかる検波信号が常に零になるように２ステージＩ
ＯＢを上下に移動させる。

演ｊＥ装ｆ１２４．４４．６０　カらノ信号ａＦｉ＠２
図（Ｂ）で説明したような特性を有し、仁の信号りは、
オフセット値としてサーボ制御回路１０４に入力される
。このため、サーボ制御回路１０４は、かかるオフセッ
トのもとに駆動モータ６０を駆動して２ステージＩＯＨ
の上下動を行うため、投影レンズＬの焦点位置の変動に
ウニ＾Ｗの位置が追従するようになる。

なお、演算装置から出力される変動情報りに応じて投光
器１００からのスリット像の結像位置を、例えば平行平
板ガラスの傾きを変えること等によって投影レンズＬの
光軸方向にずらすようにしても、同様の効果を得ること
ができる。

第７図は、レンズ間の空隙の圧力調整を行うものである
。第７図において、投影レンズＬ内に設けられているレ
ンズ素子負、Ｇ雪によって挾まれた空気室Ａ、を密封し
、この空気室Ａ（Ｉ　Ｋ外部よシバイブ１１０を介して
所定の圧力の気体例えばドライエアを供給する。パイプ
１１０に接続されたエアタンり１１２には、ｆＥ　′ｆ
Ｉｋ５Ｆ　（又はニードル弁）１１４を有するパイプ１
１６と、電磁弁（又はニードル弁）１１８を有するパイ
プ１２０が接続されており、また、圧力計１２２が設け
られている。電磁弁１１４゜１１８及び圧力計１２２は
、圧力制御回路１２４に各々接続されており、この圧力
制御回路１２４には、演算装置２６，４４．６０からの
信号りが人力さ九ている。

パイプ１１６は、外部からエアをエアタンク１１２内に
送り込むもので、パイプ１２０は、エアタンク１１２内
のエアを外部に排気するためのものである。圧力制御回
路１２４は、演算装置２６．４４．６０から入力される
信号ＤＫ基づいて電磁弁１１４．１１８の開閉を制御す
る。これ釦よってエアタンク１１２内の圧力が変（１７
すると、このエアタンク１１２にパイプ１１０によって
接続されている空気室ムの圧力も変化することとなる。

空気室Ａ、の圧力が変化すると、投影レンズＬ全体の光
学的特性、特に倍率や焦点（結ｇＲ面の位置）が微小量
だけ変化することとなる。この光学的特性の変化と、空
気室Ａ０の圧力とは一義的な関係にある。この光学的特
性が変化すると、演算装置２６，４４．６０の信号りも
変化する。従って、信号りが初期の値に維持されるよう
に空気室ム内の圧力をフィードバック制御する◎この方
式では、リアルタイムで投影レンズＬの光学的特性を一
定の値に維持し次シ、是正したりできる。

なお、以上の実施例においては、適宜の光源と偏光板の
組み合せで直線偏光のモニター光束を得ているが、半導
体レーザやＨｅ　−Ｎｅレーザなどのように１出力光が
直線偏光である光源を用いるようにすれば、投影レンズ
に対して入射側の偏光板は不要となる。また、上記実施
例では、各々１本のモニター光束によって光学特性の変
化を検出するようになっているが、複数のモニター光束
と、これらを検知するセンナ手段を複数用い、これらの
出力のリニアコンビネーション等の演算を行うことによ
って光学特性の変化の検出精度を向上させることができ
る。

モニター光束の波長としては、投影レンズを通過するも
のであればいずれの波長であってもよいが、フォトレジ
ストに対して反応しない波長であれば、露光時の結像の
外乱とならないので好ましいものとなる。なお、モニタ
ー光束の吸収による光学特性の変化が生じないように１
モニタ一光束の投影レンズによる吸収が露光光束の吸収
に比べ′て十分小さいようにすることが好ましい。この
場合。モニター光束の検出光量が小さくなってシへ此の
低下を伴うことになるが、モニター光に一定の輝度変調
を行なうようにし、これを復調して検出するようだすれ
は、”／Ｎ比を改善することができる〇ま念、モニター光束の光源における強度は一定に保たれ
るのが望ましいが、変動がある場合には、ビームスプリ
ッタ−等を使用して投影レンズに入射する前のモニター
光束の強度を検出し、この強度とセンサ手段による検出
信号との比をとるよう忙すれば強度変動による検出誤差
の発生を防止することができる。

更に１上記実織例では、直線偏光のモニター光束を用い
ているが、例えば４分の１波長板を用いて円偏光のモニ
ター光束を用いるようにしてもよい。この場合には、受
光手段の前段に４分の１波長板を設けて円偏光のモニタ
ー光束を直線偏光に近い状態忙戻し、その後忙光電変換
を行うようにする。

上記実施例及び変形例は、いずれもステッパーの場合で
あるが、本発明は何らこれに限定されるものではなく、
その他の光学ｉｔに対しても適用されるものである。そ
の他、光学系の光学的特性が許容値以上となった場合に
は、装置の動作を停止させたり、あるいは警報を出すよ
うにしてもよい。また、上記実施例は、露光光束の吸収
による熱的な光学特性の変化に着目しているが、環境温
度や大気圧の急激な変化あるいは外部からの衝撃に基づ
く光学特性の変化のモニターにも本発明は適用し得るも
のである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による投影光学装置によれ
ば、適当な偏光を受けたモニター光束を対象となる光学
系に通過させ、このモニター光束の変化から対象となる
光学系の光学特性の変イヒを検出するようにしたので、
光学系の使用時における熱的変（ｔ’に伴う焦点変動や
倍率変動等を随時検出することができ、また必要に応じ
てかかる光学特性の変化に対応する制御あるいは光学特
性の変化を修正する制御をリアルタイムで行うことがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる投影光学装置の一実施例を示す
説明図、第２図（４）、（Ｂ）は第１図に示す装置にお
ける焦点Ｆの変化例と、対応するセンサの出力信号Ｓの
ｌ”（ヒ例を示すグラフ、第６図は本発明の第２実施例
を示す説明図、第４図は本発明の第６実施例を示す説明
図、第５図は本発明の第４実施例を示す説明図、第６図
はウエノ１を上下動させる手段の一例を示すブロック図
、第７図は光学素子の光学特性を是正する手段の一例を
示すブロック図である。１４．３０，５０．７０・・・光源、１６．２２．３２
．４０゜５２．５６，７２．８２・・・偏光板、ｉ８ｔ
　２０ｔ　３６ｔ　３８ｔ５４．７４．８０・、・境、
２４．４２．５８．８４・・・光センサ、２６，４４．
６０・・・演算装置、　Ｌ・・・投影レンズ、ＭＢ・・
・モニター光束。代理人　弁瑯士　木　村　三　朗第　　ブ　　　図第３図第４図 ″　　　　Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定の像を結像光学系により投影する投影光学装
置において、前記結像光学系に所定の偏光のモニター光
束を入射する手段と、前記結像光学系を通過し、前記結像光学系の光学特性の
変化に応じて偏光状態の変化した前記モニター光束を受
光することにより、その受光量に応じた電気信号を出力
する光電検出手段と、該光電検出手段の出力に基づいて
前記結像光学系の光学特性の変化を検出する検出手段と
を含むことを特徴とする投影光学装置。
（２）前記光電検出手段は、受光するモニター光束のう
ち直線偏光成分をとり出すための偏光板と、該とり出さ
れた直線偏光成分の光を電気信号に変換する光電変換部
とを有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の投影光学装置。