JPS61183928A - 投影光学装置 - Google Patents

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） 本発明は投影光学系を備え次装置、特に半導体素子製造
用の露光装置において、投影光学系の光学特性の変化に
かかわらず、投影されたマスクのパターン［象を所望の
投影状轢に制御する投影光学装置に関する。

（発明の背景） 縮小投影型露光装置ＩＣＪＪ、下、単に露光装置と呼ぶ
）は、近年類ＬＳＩの生産になくてはならないものにな
ってきた。この種の露光装置では通常レチクルとよばれ
る原版（マスクと同等ン上の回路パターンを半導体ウェ
ハ上に１７５又は１／１０に縮小投影して、線幅で１μ
ｍ以上の解１象を得る投影レンズが使われている。現在
では、半導体素子の生産性を向上するため、大きな投影
露光領域を保ちつつ、解像力を上げるような投影レンズ
の開発が進められている。より高い解１１Ｊ刀を得る為
には投影レンズの開口数（Ｎ、Ａ、）を大きくしなけれ
ばならないが、そうすると必然的に焦点深度が浅くなっ
てしまう。パターンの形成（リソグラフィー）を行なう
ウェハの厚さ変化、表面の凹凸に対応する為に、この種
の露光装置には投影レンズとウェハとの間隔を検出する
ようなギヤップセンザーを利用した焦点検出器が組み込
まれており、その検出信号に基づいて、投影レンズの結
１象面（投影パターンの１象面）とウェハの表面とを一
致させるような自動焦点合わせがなされている。所定の
パターン線幅精囃を得る為の焦点深度は、転写する最小
パターンが小さい程小さくなり、１μｍのライン・アン
ド拳スペースのパターンを転写する場合は、±１，４ｍ
程度の焦点深度となる。

ところでレチクルからウェハまでの投影光路内において
、レチクルから投影レンズまでの間、投影レンズ内の硝
子（レンズ素子）の間、及び投影レンズからウェハ１で
の間には多かれ少なかれ空気が自由に出入りする。空気
の屈折率は大気圧に依存して変化するので、投影光路内
に生気が出入シすることに、大気圧変化によって投影レ
ンズの結１象面が光軸方向に変動する現象、所謂焦点変
動をもたらすことを意味する。従来は大気圧変化によっ
て焦点変動が生じることニ認識されておらず、専ら焦点
検出器に何らかのドリフトが発生しているものと考えら
れていた。この為、露光装置を扱う生産現場では、毎日
の始業時等に、ウェハ上にパターンをためし焼きして所
定の解１象（線幅）が得られるようなウェハ位置にて、
焦点検出器が合焦と判断するように、焦点検出器を調整
していた。

このような方法により焦点位置の確昭、及び調整を行な
うことは手間がかかり、装置のスループット（稼動率）
を低下させることになる。しかも大気圧は装置の稼動中
に一定であることになく、多かれ少なかれ変動する。こ
のため焦点検出器を一日に一度だけ調整しても、その時
点の大気圧でしか正確な合焦が行なわれないことになる
、特に、局所的に大気圧が変化する台風やノ・リケーン
等が生産現場の所在地域を通過する場合は、かなシ大き
な焦点変動が生じることになる。しかも台風やハリケー
ンの規模や進路等によっては、極短時間（例えば１時間
程度）のうちに２０〜３０　ｍｍＨ１１程度の大気圧変
化が起り得る。そこで各種投影レンズの大気圧変化よる
焦点変動量を、実験又はフィールドにて実測した結果、
ある種の構造の投影レンズでは大気圧変化に対して敏感
に焦点変動量が変わ９、その量自体も実用上の焦点深度
を大きく越えることが判明した。

（発明の目的） 本発明は上記欠点を解決し、焦点合わせが常に良好に行
なわれるような投影光学装置を得ることを目的とする。

（発明の概要） 本発明は、大気圧を計測するような圧力センサーの出力
を使って、大気圧変動等に起因する大気の屈折率変化に
より生じる投影光学系の結ｆ象面の変動！（焦点変動量
）を検出し、焦点検出器によって合焦と検出される位置
を、変動量だけ補正すべくオフセットをかけるようにし
定ことを技術的要点としている。

（実施例］ 、第１図は本発明の実施例による縮小投影型露光装置（
所謂ステッパー）の全体の概略構成を示す斜視図である
。

四路パターン等が描かれ友レチクルＲはレチクルステー
ジ１に載置される。レチクルステージ１にはレチクルＲ
のパターン領域ｐｒを通過した光（パターン光慮）が投
影し／ズ２に入射する友めの開口部１ａが形成されてい
る。さらにレチクル凡の周辺部を真空吸着する友めの保
持部１ｂが設けられ、レチクルステージＩＨレチクルＲ
を吸着してｘｙ方向に微動し、レチクル凡の中心が投影
レンズ２の光軸ＡＸと一致するように位置決めを行なう
。投影レンズ２のｆ万にはステッパー固有の２次元移動
ステージが設けられている。被投影基板としてのウェハ
Ｗはウェハチャック３上に真空吸着され、ウェハチャッ
ク３は投影レンズ２の光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に上下動
するＺステージ４上に設けられている。このＺステージ
４はｙ方向に移動するＹステージ５上をＸ方向に移動す
るＸステージ６の上に、モータ７によって上下動するよ
うに設けられる。モータ８．９は夫々Ｙステージ５とＸ
ステージ６の一次元駆動を行なう。またＺステー′）４
のＸ方向とｙ方向との側辺には、ステージの座標位置を
検出するレーザ干渉測長器のための移動鏡１０．１１が
設けられている。さて、不図示の照明光学装置によって
レチクルＲを照明すると、パターン領域ｐｒ甲のパター
ン像が投影レンズ２の結１象面ＦＰに結ｉｊ！する。そ
の結１象面ＦＰとウェハＷの表面との位置関係、すなわ
ち投影し／ズ２とウェハＷとの間隔を検出するギャップ
センサー（焦点検出器）としての投光器２０と受光器２
１とが設けられている。投光器２０は結像面ＦＰ上に結
像するようなスリット光１象を斜めに投射し、受光器２
１は結］象面ＦＰに位置したウェハＷからのスリット光
ｆ象の反射光を受光して、ウェハＷのＺ方向の位！（投
影レンズ２とウェノ・Ｗの間隔）を検出するものである
。このようにスリツ抵 ト、又は優形の光栄をウェハＷ上に斜めに照射する焦点
検出器、所謂、斜入射光式焦点検出器は、基本的には特
開昭５６−４２２０５号公報に開示されているものと同
等である。そして受光器２１は、ウェハＷからの反射光
の光電信号を同期整流することによって、ウェハＷの表
面位置を表わすような焦点信号Ｆ’Ｐ″Ｓを出力する。

この焦点信号ＦＰ８は、同期整流された信号であるから
、光電顕微鏡等の出力特性と同様なＳカーブ特性になる
。

その焦点信号ＦＰＳは焦点合わせのための制御回路２２
に人力する。制御回路２２は焦点信号ＦＰＳに基づいて
、Ｚステージ４の上下動用のモータ７をサーボ制御する
ための信号ＤＢＳを出力する。

そのためウェハＷの表面は焦点信号ＦＰＳが合焦を表わ
すような高さ位置に調贅される。ところが上記構成にお
いて、焦点検出器が合焦と検出するＺ方向の位置は、装
置製造時等に投影レンズ２から一定の間隔になるように
機械的に定められているため、焦点変動が生じると焦点
信号ＦＰＳによって合焦状態に調整したとしても、ウェ
ハＷの表面は結１象面ＦＰからずれたものになってしま
う。

そこで本実施例でに大気圧を絶対値で検出する圧力セン
サー３０を設けるとともに、制御回路２２内にその大気
圧の情報を人力して焦点変動量を算１．　　　　　　出
し、焦点検出器が合焦と検出する高さ位置を、その算出
された変動量分だけ補正するようなオフ“　　　　　′
セット信号０ＦＳｆ焦点検出器に出力する補正側、゛　
　　　　　両部を設ける。その補正は、焦点信号ＦＰ８
そのものにオフセット電圧を加えｆｃ＃）、焦点信号Ｆ
ＰＳをコノパレータ等で比較する場合のスライスレベル
にオフセット電圧を加えたりするような電気的な方法、
あるいは投光器２０又は受光器２１内の光学部材の光学
的な配置にオフセットを加えるような機械的な方法のい
ずれでもよい。しかしながら本実施例では比較的大きな
オフセット量が得られ、かつ焦点信号ＦＰＳの出力特性
（８カーブ波形）が単純にＺ方向に７フトする点から、
後者の光学的な配置にオフセットを加える方法を用いる
。

第２図は本実施例の焦点検出器の光学構成と回路接続と
を示すブロック図である。同図においてに結滓面ＦＰと
ウェハＷの表面が一致しているものとする。発光ダイオ
ード（Ｉ、］１３Ｄ）４０から発生したフォトレジスト
を感光させない波長の光はコンデンサーレンズ４１によ
って集光され、細長い矩形状のスリ・７ト４２ａを有す
るスリット板４２を照明する。スリット４２ａを透過し
た光はミラー４３で反射されて、縮小し／ズ４４で収束
されウェハＷの表面の光軸ＡＸ近傍にスリット４２ａの
光慮Ｓ工として結障される。このＩ、ＥＤ４０、コンデ
ンサーレンズ４１、スリット板４２、ミラー４３、及び
縮小し／ズ４４によって第１図中の投光器２０が構成さ
れる。そしてウェハＷからの反射光は拡大レンズ４５、
平行平板ガラス（プレー／パラレル）４６、撮動ミラー
４７を介してスリット板４８に導びかれ、このスリット
板４８の上には先順ＳＩの拡大１象が形成される。スリ
・ソト板４８にはスリ・ソト４８ａが設けられ、このス
リット４８ａを透過′した光は光電検出器４９に受光さ
れる。撮動ｉラー４７は駆動部５０によって、光（ｌＩ
８Ｉの拡大像がスリット板４８上をスリット４８ａと平
行に、かつその長手方向と直交する方向に単振動するよ
うに駆動される。光電検出器４９からの光電信号はアン
プ５１で増幅され友後、同期整流（同期検波）回路（以
ＦＰ８Ｄと呼ぶ）５２に人力する。Ｐ８Ｄ５２は撮動ミ
ラー４７の撮動周波数を決定する発振器（以下Ｏ８Ｃと
する）５３からの基準周波数信号を入力し、その信号で
光電信号を同期整流することによって焦点信号ＦＰＳを
出力する。

さて、プレー／パラレル４６は拡大レンズ４５の後の集
光系の内に設けられ、駆動部６０によっである角度範囲
内で回転可能に構成されている。

このプレーンパラレル４６の回転（傾き）によって、ス
リット板４８上に形成される光１象ＳＩの拡大１象の振
動中心がス１７　・／　ト４８　ａの長手方向と直交す
る方向（第２図では紙面同左右方向）にシフトする。そ
の振動中心のス１７−／　ト４８　ａに対するシフトは
、焦点信号ＦＰＳが合焦（Ｓカーブ波形丘の零点）と判
断されるときのウエノ・Ｗの位Ｗｔ、′５−１Ｚ方向に
シフトしたものと等価である。本実施例ではこのプレー
ンパラレル４６と、小勅部６０とによって焦点変動の補
正を行なう。

第３囚はプレーンパラレル４６と駆動＠６０の具体的な
構成を示す部分断面図である。プレーンパラレル４６は
紙面と垂直な回転中心５０ａを有するホルダ５０に保持
され、ホルダ５０にはレバー５１が固定されている。レ
バー５１の先端にはメネジ５１ａが形成されており、こ
のメネジ５１ａにはモータ５３の駆動により回転するオ
ネジ５２が螺合している。モータ５３とオネジ５２の回
転ｔｆｌロータリーエ／コーダ５４によって読み取られ
る。このような構成で、モータ５３を駆動すると、プレ
ーンパラレル４６が中心５０ａのまわりに回転し、その
回転角（傾きｔ）Ｕロータリーエンコーダ５４の読み取
り値、オネジ５２のビ・ソチ及びレバー５１の長さく正
確にはメネジ５１ａから中心５０ａまでの長さ）から算
出できる。オネジ５２のピッチとレバー５１の長さ＆ゴ
一定値なので、結局ロータリーエンコーダ５４の読み取
シ値さえわかれば、プレーンパラレル４６の回転角が求
まる。

さて、第４図は制御回路２２１７’３の補正制御部の模
式的な回路構成を示す回路ブロック図である。

演算処理やシーケンス等はマイクロコンピュータ等を有
するオートフォーカスコントローラ（以下ＡＦＣと呼ぶ
）７０によって統括制御される。メモリ７１には、補正
演算に必要な各種パラメータ、定数等の他に演算式のプ
ログラム、シーケンス制御のためのプログラム等が記憶
されており、ＡＦＣ７０は、それらのプログラムに従っ
て一連の動作を行ない、必要に応じて各種パラメータ、
定数ヲ読み込む。第１図にも示した圧力センサー３０は
、大気圧の絶対値を表わす信号Ｐをアナログデジタル変
換器（以下ＡＤＣとする）７２に出力する。

ＡＤＣ７２は信号Ｐに応じたデジタル値をＡＦｃ７０に
出力する。また、第３図に示したロータリーエンコーダ
５４からの信号ＥＮ８は、カウンタ７３に人力し、ここ
でデジタル数値に直されてＡＦＣ７０に出力される。テ
ジタルアナログ変換器（以下ＤＡＣとする）７４は、焦
点変動量に基づいてＡＦＣ７０によって演算された補正
値を入力して、そのアナログ信号をオフセット信号ＯＦ
８として出力する。また本来の自動合焦動作を行なうた
めに、焦点信号ＦＰＳを入力するＡＤＣ７５と、その焦
点信号ＦＰＳが合焦を表わすまでＺステージ４を上昇又
は降下させるのに必要な駆動量の情報を入力するＤＡＣ
７６と、焦点信号ＦＰＳとＤＡＣ７６の出力信号とを択
一的に選択するスイッチ７７と、スイッチ７７で選ばれ
た信号に基づいてＺステージ４の上下動を行なうモータ
７に駆動信号ＤＢＳを出力してサーボ制御するサーボ回
路７８とが設けられている。尚、スイッチ７７は、２次
元移動ステー７の移動子であっても、ウェハＷの表面を
常に結隙面ＦＰと一致させるように追従させる場合は、
サーボ回路７８が焦点信号ＦＰ８を人力するようにＡＦ
Ｃ７０によって切替えられる。

ところで投影レンズ２にはレチクルＲ％介して高輝度の
照明光が人射する。投影レンズ２への入射光ｔは照明光
源のランプの光強度（レチクルＲ上の照度）、レチクル
凡のパターン領域ｐｒの大きさ、パターン領域ｐｒ内の
透過率、及び照明光をレチクルＲに照射する時間と照射
しない時間との比（チューティ）等に依存して大きく変
化する。投影レンズ２の焦点変動は、その入射エネルギ
ーに′　よって引き起されることもある。そこで本実施
例では、大気の屈折率変化によって生じる焦点変動と、
入射エネルギーによって生じる焦点変動との両刃が補正
できるように、投影レンズ２の入射エネルギーによ、る
焦点変動量を検出する第２の変動検出装置ｉｔ（以Ｆ、
照射変動検出器と呼ぶ）８０を、１．　　　　　　設け
る。ＡＦＣ７０は照射変動検出器８０で検出された焦点
変動量ΔＺｅと大気の屈折率変化（大気圧変化）による
焦点変動量Δｚｂとを加算して総合的な変動量ΔＦを求
める。

さて、入射エネルギーによる焦点変動の特性は。

投影し／ズの構成、使用している硝材等によって若干の
変化はあるものの、概ね＠５図に示すような指数関数的
な特性になることが、実験によって確認された。８１！
５図は大気圧を一定として、投影レンズ２に連続的に照
明光を人射したときの焦点変動特性であり、横軸に時間
ｔを表わし、縦軸は結ＩＪＪ面ＦＰの位置２を表わす。

投影レンズ２の初期の結１象面位置を２０として時間ｔ
。から投影レンズ２に照明光を入射すると、時間ととも
に指数関数的に結像面位置が変動し、時間ｔ１において
一定の位置Ｚ、に安定する。この位置Ｚｌニそのときの
入射エネルギーに対応した変動の飽和点である。

そして時間ｔ、で照明光の入射を中止すると、結ｆ象面
位置は時間と共に指数関数的にＺｌから元に戻り、時間
ｔｓにおいては初期の位＆Ｚ、になる。このような特性
で飽和点までの焦点変動量をΔＺＳとすると、ΔＺＳの
大きさは当然入射エネルギー（レチクル凡の透過率と照
明光強度）に応じて比例変化するが、時間ｔｏからｔｌ
ｌでの立上りの時定数Ｔｕと、時間１．からｔ、マでの
立下りの時定数Ｔｄとに共に投影レンズ固有の一定値に
なることが実験により明らかになった。この時定数は投
影レンズの種類、構造によっても異なるが、３００〜６
００秒程度である。従って、焦点変動特性中の立上多部
分の変動量ΔＺＵは（１；式で近似でき、立ｆＯ部ただ
し、ｅは自然数を表わし、（１）式中のｔは時間ｔ、を
零としたときの経過時間であシ、（２）式中のｔは時間
ｔ！を零としたときの経過時間である。また実際のステ
ッパーではステップアンドリピート法によりウェハＷを
霧光していくので、照明光学装置内に設けられたシャッ
ターの開閉のデユーティも考慮しなければならない。す
なわち実際の装置では変動ゆ利点ΔＺｓに達するまでの
時間が、シャ・ツタ−の開閉のために第５図のように連
続照射の場合の立上り時間（ｔ＋　　ｔｏ）　よりも長
くなる。

そこで本実施例の照射変動検出器８０では、シャッター
の開閉チューティの情報と、照明光強度の情報との２つ
を含む入射エネルギー情報を温度センサーによって間接
的に検出し、レチクルＲの透過率Ｅを別途計測すること
によって、投影レンズ２の入射エネルギーによる焦点変
動量ΔＺｅを演算するように構成した。その詳しいｍ成
については、本出願人が先に出願し友特願昭５９−１３
９５３６号明細書に開示しであるので、ここでは簡単に
説明する。第６図はその温度センサーの配置を示す図で
ある。第６図において、光源９０、楕円面反射鏡９１か
らの照明光はロータリーシャッター９２で遮断状懐と透
過状帳とに切替えらね、オグチカルイ／テグレータ９３
に人射する。オプチカルイ／テグレータ９３からの光は
、露光に必要な波長以外の光を透過するダイクロイック
ミラー９４で反射され、メインコンデンサーレンズ９５
を介して、レチクルＲを照明する。ダイクロイックミラ
ー９４の裏面には、透過してきた光を受光するような温
度センサー９６が、所定のマウント９７に保持されて配
置されている。この温度センサー９６とマウント９７は
、シャッター９２を開いて照明光を連続的に投影し／ズ
２に入射させたとき、測定される湛度信号Ｔｍの特性上
の時定数が第５図の特性上の時定数と一致するように熱
的な時定数が調整されている。このため、温度信号’ｌ
’ｒｎをモニターすれば露光動作中、非動作中を問わず
、焦点変動量ΔＺｅがリアルタイムに検出できる。第４
囚に示した照射変動検出器８０は温度信号Ｔｍとレチク
ルＲの透過率Ｅとを人力して、（３）式の演算を行なっ
て焦点変動量ΔＺｅを求める。

ΔＺ　ｅ　＝Ｃ＋・Ｅ・（Ｔｍ　　Ｔ＋Ｔｈ）　−・・
・（３Ｊただし、Ｃ１は温度変化量と焦点変動量との比
例定数を表わし、Ｔｎ〜灯初期設定時の温度信号値を表
わし、予め実験により求めておいたものである。

照射変動検出器８０は、ヒ記Ｃ１、Ｔｍｏ及び（３）式
を記憶して、演算により時々刻々ΔＺｅを求め、ＡＦＣ
７０に出力する。

次に本実施例の動作５−第７図のフローチャート図に基
づいて説明する。ここでＡＦＣ７０に接続されたメモＵ
　７１　Ｋは、＠置の！ｌｌ！造時に基準大気圧（例え
ば７６０ｍｍＨ＃）　Ｐａの場合の結１象面位１２、が
実測等によって求めて記憶されている。位置ムは、実際
には第４図に示したカウンタ７３の読み取り値（プレー
ンパラレル４６の回転角変位ｂｉｔ）として記憶される
。以下、補正制御の動作を実行するための各ステップを
説明する。

〔ステップ１００１ ますＡＦＣ７０Ｈ圧力センサー３０から、その時の大気
圧を絶対値で表わすような信号Ｐを、ＡＤＣ７２を介し
て読み込み、一時的に記憶する。

〔ステップ１０１〕 次にＡＦＣ７０ｆｌ、照射変動検出器８０から、その時
点における入射エネルギーに起因した焦点変動量ΔＺｅ
の情報を読み込み、一時的に記憶する。

〔ステップ１０２〕 次にＡＦＣ７０は大気圧変化に起因した焦点変動量Δｚ
ｂを以下の式（４）に基づいて算出する。

ΔＺ　ｂ　＝　Ｃ，−ＣＰ　−Ｐａ）　・・・・・・（
４）ここでＣ雪ハ大気圧の変化量と焦点変動量との比例
定数を表わし、その単位は例えばμｍ　／−ｍｍ　Ｈ９
である。この定数Ｃ富を決定するには、いろいろな大気
圧のときの結像面位置２を実測により求めるのがよい。

ｗＪｓ図に投影レンズ２の大気圧変化による焦点変動特
性を示し、横軸は大気圧の絶対値を表わし、縦軸に１象
面位置Ｚを表わす。

尚、ここでは結１１面ＦＦが投影レンズ２側に近づくよ
うに変動したとき、位置Ｚが大きくなるものとする。Ｗ
ＪＢ図の特性からも明らかなように、大気圧変化と焦点
変動とは、起り得る最大の大気圧変動幅内では単純な比
例関係になることが実験により確認された。このような
特性から定数０２に第８図中の直線の傾きとして得られ
、予めＡＦＣ７０に記憶されている。その定数Ｃ，ハ投
影レンズの構造、硝材等が同一のものであれば、どの投
影レンズについても同値とみなせる。ただし厳密には一
本一本の投影レンズ毎に実測して定数０３を決定するこ
とが望ましい。

〔ステップ１０３〕 次にＡＦＣ７０ｉ大気圧と入射エネルギーとによって生
じた総合的な焦点変動量ΔＦを求める。

これに変動量ΔｚｂとΔＺｅとの単純な代数和として算
出される。

〔ステ・ツブ１０４〕 焦点変動量ΔＦは初期位置乙を基準とした変動量である
ので、結１象面ＦＰの補正されるべき目標位ａＺ社、Ｚ
′＝ム＋ΔＦで求められる。Ａ　Ｆ　Ｃ７０はその演算
を行ない、目標位ｒｔｚ’を記憶する、〔ステップ１０
５〕 次にＡＦＣ７０は、プレーンパラレル４６の現在の回転
角度位置に対応したカウンタ７３の値を読み込み、焦点
検出系が合焦と判断する現在の高さ位ＦＭＩｔｚを求め
る。

〔ステップ１０６〕 ここでＡＦ’Ｃ７０は、目標位置Ｚ′と現在位置２とを
比較して、その差が零のとき（一致のとき）はステップ
１０７に進み、差が生じているとき（不一致のとき）は
ステップ１０８に進むように判断する。

〔ステップ１０７〕 ここでにプレーンパラレル４６の回転角度位置を補正す
る必要がないので、ＡＦＣ７０ｆｌオフセ・ソト信号Ｏ
Ｆ８が零となるようなデータをＤＡＣ７４に出力する。

〔ステップ１０８〕 ここではプレー７パラレル４６を回転させる必要がある
ので、ＡＦＣ７０に目標位ｉｉｚ’が得られるようにプ
レーンパラレル４６を回転させるためのデータをＤＡＣ
７４に出力する。これによって目標位置Ｚ′と現在位置
Ｚとの差分に応じたオフセット信号ＯＦＳがモータ５４
に印カロされ、プレーンパラレル４６に回転を開始する
。このステップ１０８でオフセット信号ＯＦＳが発生す
ると、ＡＦＣ７０に再びステ・γプ１０５から同様の動
作を繰り返す。そしてプレーンパラレル４６が目標位置
Ｚ′の得られるまで回転すると、ＡＦＣ７０はステップ
１０６からステップ１０７に分岐してプレーンパラレル
４６の回転を停止する。

以上の一連の動作によって、焦点検出系の合焦と検出す
べき高さ位置が補正され、その補正後の高さ位置は投影
レンズ２の結像画ＦＰと正確に一致する。このとき焦点
検出系からの焦点信号ＦＰＳの出力特性は第９図のよう
に変化する。第９図にない−Ｃ横軸は焦点検出系が合焦
点として検出する高さ位置Ｚを表わし、縦軸に焦点信号
ＦＰＳの大きさを潤わす。ここで補正前の出力特性（Ｓ
カーブ特性）を波形Ａとすると、補ｉＥ後の出力特性に
波形Ａを、Ｚ軸方向にΔＦだけンフトした波形Ｂに調整
される。出刃特性上で信号ＦＰＳが零のときのＺ方向の
位置が合焦点を表わすものとすれば、補正後は波形Ｂ上
の零点にウェハＷの表面が焦点合わせされることになる
。

上記補正が終了すると、ＡＦＣ７０に第４図中のＡＴ）
Ｃ７５、ＤＡＣ７６、サーボ回路７８等によってモータ
７を駆動して、ウェハＷが合焦するようにＺステージ４
の高さ位置を調整する。また、第７図のステップ１００
〜１０８は大気圧変化に起因した焦点変動のみを補正す
る場合に、比較的長い時間、例１えば１０〜３０分毎に
１回だけ行なえばほぼ十分な追従性が碍られる。しかし
ながら、ステップアンドリピート露光時の入射エネルギ
ーに起因した焦点変動も補正する場合は、その焦点変動
が継続的に胞利点を維持できる状明を除いて、比較的短
い時間、例えば５〜１０秒毎に１回補正動作を行なう必
要がある。この時間間隔は、第５図に示し比特性上の立
上りｆ立Ｆりの時定数よりも十分短いことが必要であり
、それによって補正の追従性も向上する。

上記実施列では、投影レンズ２の入射エネルギーによる
焦点変動も考ｆばするものとしたが、投影レンズの構成
によっては、入射エネルギーによる焦点変動量がそのレ
ンズの焦点深度よりも小さく、実際上はとんど影響のな
いようにすることも可能である。このような場合は、単
純に大気圧変化のみに基づいて焦点位置が補正される。

また入射エネルギーによる焦点変動量を検出するには、
いくつかの方法が考えられる。以Ｆ、その列を簡単に述
べれば、 ＋１１焦点変動特性に入射エネルギーの履歴と考えられ
るので、予め第５南の変動特性をメモリ等にテーブルと
して記憶してコ、・さ、焦点変動が零の初期時から現在
までに積算してどれぐらいのエネルギーがζ射したかを
、ンヤッターの開閉チューティから求めた積算時間に換
算して求め、その積算時間に対応する変動特性上の焦点
変動量をテーブルからサーチする方法、 （２）投影レンズ内のレンズ素子に薄膜抵抗帯を蒸清し
、その抵抗帯の抵抗値変化からレンズ素子の温度変化、
又はレンズ表面の温度勾配を検出することによって、第
５図のような変動特性を実時間に計測する方法、 （３）投影レンズに面線偏光の細いプローブ光を入射さ
せ、投影レンズから射出したプローブ光を、偏光角が直
交するような偏光板を介して光電検出することによって
、投影レンズの入射エネルギーに起因した複屈折率の変
化を求めて、焦点変動特性との相関から実時間に変＠量
を計測する方法、等が実現可能である。

特に上記（１）、又は（２）の方法は露光動作中に時々
刻々変化する焦点変動量がダイレクトに検出できるので
、複雑な制御が不安になるといった利点がある。尚、大
気圧を検出する圧力センサー３０ｆｌ、焦点ｆ動を検出
ために用いるだけでなく、レーザ干渉測長器の自動レー
ザ波長補正器（ＡＬＣＰ）用の大気圧センサーとしても
兼用することができる。

筐た実施例においてに、焦点変動の補正をプレーンパラ
レル４６の回転で行なうようにしたが、スリット板４８
を移動させても同様の効果が得られる。さらに焦点信号
ＦＰＳを所定のスライスレベルと比較して、信号ＦＰＳ
とスライスレベルとが一致した点を合焦位置と判定する
ような構成の場合は、スライスレベルと焦点信号ＦＰＳ
の波形との関係を焦点変＠量ΔＦにらじた竜だけ電気的
なオフセット値として与えるようにすれば、同様の効果
が得られる。ただしこのような電気的なオフセーフ　）
は焦点信号Ｆ’ＰＳの波形上の直線的な部分でのみ有効
であり、１１線部分を超える程の大きなオフセット（補
正）には対応できない。またスライスレベルを中心にサ
ーボ範囲を決める場合も、その範囲が非対称になってし
まう。そこで比較的大きなオフセットに対してにプレー
ンパラレル４６の回転で対処し、オフセットの微調には
電気的に対処するといった組み合せ（ハイブリッド）制
御も可能である。

ところで以上の実施例においては、焦点変動を大気圧変
化から検出するものとしたが、大気圧を検出するのは空
気の屈折率を求める為であるので、大気圧を検出する代
りに、空気の屈折率を直接検出してもよい。空気の屈折
率を検出する手段としては例えば、安定した光路差を持
ったマイケルンン干渉計に周波数安定化レーザの出力光
のように周波数の安定した光を入射させ、干渉計の光路
を真空にした状態と、空気を入れて大気圧にした状轢で
の光干渉信号の変化から、ある大気の条件における光の
屈折率を求める手段が挙げられる。このように屈折率を
直接検出すると、大気圧を検出するよりもさらに高精度
な補正が可能である。大気の屈折率を変化させる要因は
大気圧変化が支配的である。しかしながら大気中の成分
（酸素、チッ素、二酸化炭素等）の比率変化、大気の温
度変化等もわずかな量ではあるが屈折率に影響を与える
。さらに、この種の露光装置に組み込まれている焦点検
出系としては、投影レンズの鏡筒側に設けられたノズル
からウェノ・面に気体を噴射し、その背圧変化を圧力−
変位変換器と変位−電気変換器で計測することによって
投影レンズ（ノズル）とウェハとの間隔を検出するギャ
ップセンサー、所謂エア・マイクロメータも使われてい
る。このようなエアーマイクロメータの場合は、鏡筒に
対してノズルを光軸方向に可動として機械的にオフセッ
トを与えるか、計測し友検出信号に電気的にオフセット
を与えることで焦点変動の補正制御が可能である。

（発明の効果） 以上本発明によれば、大気の屈折率変化による投影光学
系の焦点変動を補正して、常に正確な焦点合わせが達成
されるので、露光されるパターンの線幅コントロールが
より精密になり、その再現性が向上するという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による縮小投影型霧光装置の構
成を示す斜視図、第２図は焦点検出系の具体的な構成を
示すブロック図、第３図はプレー７パラレルの回転機構
を示す部分断面図、第４図は補正制御部の構成を示す回
路ブロック図、第５図に入射エネルギーによる焦点変動
の特性図、第６図は照明光学装置の構成を示す光学配置
図、第７図は焦点変動補正の動作を説明するフローチャ
ート図、第８図は大気圧による焦点変動の特性図、第９
図は同期整流された焦点信号の出力特性図である。 〔主要部分の符号の説明〕 Ｒ・・・・・・レチクル、Ｗ・・・・・・ウエノ・、２
・・・・・・投影レンズ、４・・・・・・Ｚステージ、
２０・・・・・・投光器、２１・・・・・・受光器、３
０・・・・・・圧力センサー、４６・・・・・・プレー
ンパラレル。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）マスクのパターンを投影光学系を介して被投影基
   板に投影する装置において、 前記投影光学系と被投影基板との間隔を検出して、該間
   隔が所定の設定値であるときに前記投影光学系の結像面
   と被投影基板とが一致したと判断し得るような検出信号
   を出力する焦点検出手段と； 大気の屈折率を検出して、前記投影光学系の大気の屈折
   率変動により生じる結像面の変動量を検出する変動検出
   手段と； 前記焦点検出手段の検出すべき前記設定値が、前記検出
   された変動量だけ補正される如く前記焦点検出手段を制
   御する補正制御手段とを備え、該補正された焦点検出手
   段からの検出信号に基づいて前記間隔を調整することを
   特徴とする投影光学装置。
2. （２）前記変動検出手段は、大気の圧力を検出する圧力
   センサーを有し、該圧力センサーによって等価的に大気
   の屈折率変化に基づく結像面の変動量を検出することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の投影光学装置。