JPS6358349A - 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た装置、特に半導体繁子？！
！盗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像を所望
の投影状態に制御する投影光学装置に関するものである
っ （発明の背景〕 露光装置、特に縮小投影型露光装置は、近年、集積回路
の生産になくてはならないものになってきている。この
ような露光装置では、通常レチクル上の回路パターンを
、半導体ウェハ上に１１５又は１／１０に縮小投影し、
線幅で１μｍ以上の解像度を得る投影レンズが使われて
いる。

特に現在では、半導体デバイスの集積度の向上を図るた
め、大きな投影露光領域を保ちつつ、解像力を上げるよ
うな投影レンズが要望されるに至っている。

一般に、かかる露光装置には、リングラフィ工程で所定
のパターンの形成を行なう際のウェハの厚さ変化や表面
の凹凸に対応するために、投影レンズとウェハとの間隔
全検出するようなギャップセンサ全利用しｔ焦点検出器
が組み込まれているっこの焦点検出器の検出信号に基づ
いて、投影レンズの結像面、すなわち投影パターンの像
面とウェハの裏面とを一致させるような自動焦点合わせ
が行わ九でいる。

第２図には、このようなギャップセンサを有する縮小投
影型露光装置、いわゆるステッパの概略１１”４成が示
されている。

第２図において、投影対象である回路パターン等が描か
れたレチクル几は、レチクルステージ２０１上に載貨支
持されている。このレチクルステージ２０１には、レチ
クル凡のパターン領域Ｐｒ全通過した照明光が投影レン
ズ２０２に入射するための開口部２０１ａが形成されて
いるうこの開口部２０１ａＤこよって、レチクルＲに描
かれ九回路パターンの光像が、後述するウェハＷ上に投
影されるようになっている。

更に、レチクルステージ２０１には、レチクル凡の周辺
部全真空吸着するための保持部２０１ｂン：・；複数設
けられており、これらの保持部２０１ｂによシ、レチク
ルステージ２０１にレチクルＲが吸着保持される。

レチクルステージ２０１は、図示するｘｙＸ方向倣動し
、レチクルＲの中心が投影レンズ２０２の光＠ＡＸと一
致するように位置決めが行なわれる０ 次ニ、投影レンズ２０２の下方には、ステッパー固有の
二次元移動ステージが設けられている。

まず、被投影基板としてのウェハＷは、ウエノ１チャッ
ク２０３上に真空吸着されている。このウェハチャック
２０３は、投影レンズ２０２の光軸λＸ方向、すなわち
Ｚ方向に上下動するＺステージ２０４上に設けられてい
る。このＺステージ２０４は、Ｘ方向に移動するＹステ
ージ２０５上ｆｘ方向に移動するＸステージ２０６の上
に、モータ２０７によって上下動するように設けられて
いる。

モータ２０８及び２０９は、各々Ｙステージ２０５、Ｘ
ステージ２０６の一次元駆動金行うためのものである。

Ｑ　Ｋ、Ｚステージ２０４のＸ方向及びＸ方向の佃辺に
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２１０，２１１が各々設けられている。

以上のような装置において、図示しない照明光学手段に
よシレチクルＲを照明すると、パターン％ＪｔｐＰｒ中
のパターン像が投影レンズ２０２の結像面に結像する。

この結像面とウェハＷの表面との位置関係、すなわち投
影レンズ２０２とウェハＷとの間隔全検出するギャップ
センサとして、投光器２２０と受光器２２１とが各々設
けられている。

これらのうち、投光器２２０は、投影レンズ２０２の結
像面上に結像するようなスリット光像を斜めに投射し、
受光器２２１は、該結像面に位置し友ウェハＷからの前
記スリット光像の反射光を受光して、ウェハＷのＺ方向
の位置、すなわち投影レンズ２０２とウェハＷの間隔を
検出する機能を有するものである。このようなスリット
状又は短形の光束をウェハＷ上に斜めに照射して焦点全
検出する斜入射光式焦点検出器は、基本的には特開昭５
６−４２２０５号公報に開示されているものと同様であ
る。

更に、受光器２２１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、ウエノ為Ｗの表面位置
を表わすような焦点信号を出力する。

この焦点信号は、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カーブ特性を有し、焦点
合わせのｔめの制御回路２２２に入力されるうこの制御
回路２２２は、焦点信号に基いて、Ｚステージ２０４の
上下動用のモータ２０７をサーボ制御するための制御信
号を出力する機能を有する。これによる制御により、焦
点信号が合焦を表わすような高さ位置にウェハＷの表面
が位置するように、Ｚステージ２０４の調整が行われる
。

第６図には、上記実施例のギャップセンサのｊ″Ｆ細な
構成例が示されている。

第３図において、発光ダイオード（以下、単にｒＬＥＤ
ｊという）６４０は、ウェハＷ上のフオトレジス）１感
光させない所定の波長幅を有する光音照明光として出力
する０この照明光は、コンデンサレンズ６４１によって
集光され、細長い矩形状のスリ７）　３４２ａ　を有す
るスリット板６４２に入射するようになっている。スリ
７）　３４２ａ　ｆ透過した光は、ミラー６４６で反射
されるとともニ結像レンズ３４４で収束される０ また、収束され九照明光は、ウニ／％Ｗの表面のうち、
投影レンズ２０２の光軸ＡＸ近傍に入射し、スリ７）　
２４２ａの光像ＳＩが結像される。

以上のＬＥＤ３４０．コンデンサレンズ６４１、スリッ
ト板３４２、ミラー６４６、及び結像レンズ３４４によ
って、第２図の投光器２２０が構成される。

次に、ウェハＷからの反射光は、結像レンズ６４５、平
行平板ガラス（プレーンパラレル）６４６、及び振動ミ
ラー３４７を介してスリット板６４８に導か九るように
なっている。すなわち、スリット板６４８上に、上述し
た光像ＳＩの拡大像が形成されるようになっている。

該スリット板６４８には、スリット６４８ａが設けられ
ておシ、このスリ７）　３４８ａ　ｋ透過した光は、光
電検出器６４９に受光されるようになっている。

以上の結像レンズ６４５、平行平板ガラス６４６、振動
ミラー６４７、スリット板６４８、および光電検出器６
４９によって、第２図の受光器２２１が構成されている
。

なお・、振動ミラー６４７は、駆ＩＩｉ部３５０によっ
て、光像ＳＩの拡大像がスリット板３４８上をスリ７）
　３４８ａ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。

次に、光電検出器３４９からの光ＴＬＩ号は、アンプ５
５１で増幅され念後、同期整流（同期検波）回路（以下
ｒＰｓＤＪという）３５２に入力されるように接続され
ている。このＰＳＤ３５２は、振動ミラー６４７の振動
周波数を決定する発振器（以下「Ｏ２０」という）６５
６からの基準周波数信号金入力し、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ＦＰ８ｔ−出力す
る機能を有する。

以上の駆動部３５０、アンプ６５１、同期検波回路６５
２、および発振器６５６によって・第２図の制御回路２
２２が構成されている。

なお、駆動部５６は、本発明にかかるものであり、これ
については後述する。

ところで、以上のようなギャップセンサが合焦位置とし
て検出するＺ方向の位置は、装置製造時等において、投
影レンズ２０２から一定の間隔になるように機械的に定
められている念め、投影レンズ２０２の温度変化によシ
焦点変動が生じると、焦点信号ＦＰＳによって合焦状態
に調整し九としても、ウェハＷの表面は結像面からずれ
たものになってしまう。

特に、よシ高い解像度を得るためには、投影レンズの開
口数（Ｎ、Ａ、）ｔ−大きくしなければならないが、そ
つすると必然的に焦点深度が浅くなってしまう。

所定のパターン線幅精度を得る為の焦点深度は、投影す
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・スペースのパターン全投影する場合は、±１
μｍ程度の焦点深度となる。

ところが、レチクルないしマスクのパターン全投影する
と、投影光学系、特に投影レンズが焼付光の熱エネルギ
ーの一部を吸収して温度上昇する結果、その光学性能が
変化し、最良の結像位置が変動することが知られている
。

第４図には、従来装置における焼付光照射のタイミング
と、投影光学系の結像位置の変位（あるいは倍率の変位
）、ΔＺとの関係が示されている。

この図において、焼付光照射は、時刻Ｔ１から始まシ、
Ｔ３で終了する（同図（Ａｌ参照）。焼付光の影響によ
る投影レンズの結像位置の変動へ２は、時刻Ｔ１から生
じ、時刻Ｔ２で飽和する。その後、焼付が終了する時刻
Ｔ３からまた生じ、Ｔ２−Ｔ、とほぼ同じ時間経過後の
時刻Ｔ４で最初の状態に戻る（同図（日参照）。

このような投影レンズ自身の変化による結像位置の変動
は、上述した従来の投影レンズとウエハの間隔を検出す
るギャップセンサを利用し之焦点検出器だけでは補正で
きない。

この変動は、投影レンズを介し次光学的焦点検出手段を
用いれば除去できるが、それには種々の間思点が存在す
る。被投影基板であるウェハ上には、１μｍ程度のパタ
ーン状膜層が存在し、そのパターン状膜層にはＳｉＯ□
のように光学的に透明なものから、Ｓｔ、アルミ等のよ
うに光学的に不透明なものまである。さらにその上には
、最大で数ミクロンオーダーのレジスト展が存在する。

このような状況に加えて、焼付光をかかる光学的焦点検
出手段に用いると、ウェハ上のレジストが感光するので
、この点に留意しなければならない。

レジストの非感光波長の焼付光を用いる手段も可能であ
るがこの場合は投影レンズの収差が悪く、良質な像形成
を行うことができない。

加えて、かかる熱的な影響は、結像位置の変動のみなら
ず、投影光学系の倍率にも及び、良質な再現性のよい像
形成を行うことができない原因となる。

更に、投影光学系の結像特性の変動は、外気温や大気圧
の変動等によっても生ずる。

（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、焼付
光による熱的影響等を受けることなく、常に良好に結像
特性の調整を行なうことができる投影光学装置を提供す
ることをその目的とするものである。

（発明の概要） 本発明によれば、投影光学系の光学特性の変動をＸ線形
モデルを表わす数式を演算することによって予測的だ求
め、この演算結果に基づいて光学特性の調整が行なわれ
る。

そして、予測値による調整後の光学特性は、例えばＴＴ
Ｌ方式のＦＡ（フォーカスエイド）等の測定手段によっ
て直接測定され、この測定結果から誤差がみい出された
ときは線形モデルのパラメータの補正が行なわれる。

このように、パラメータの補正を行いつつ、光学特性の
調整が行なわれる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を、添付図面を参照しながら説明
する。

まず、本実強例の理解を一層容易にするため、その概要
について説明する。

一般にシステムは、多数の構成要素を組み合わせて構成
されており、例えば第５図に示すように表現される、 第５図において、Ｕｉは入力変数、Ｙｊは出力変数、Ｘ
ｋは状態変数である。これらの変数は、−般的には時間
の経過とともに変化するので、時間ｔの関数となる。

これらの変＠を用いて線型システムを表現すると、漸化
式の形全とる状態方程式と、変動値に対応した物理量を
導びく出力方程式とで表わされる。

本発明では、照明光の入射や外気温、外圧等の環境変化
によシ投影光学系の焦点変動や倍率変動が生ずる場合２
扱っている。従って、上述した入力変数Ｕｉには、照明
光の入射、環境変化が対応し、出力変数Ｙｊには、焦点
変動や倍率が対応することとなる。そして、投影光学系
を構成する個個の要素の特性変化が状態変数Ｘｋに対応
することとなる。

次に、焦点補正の概略について説明する。まず、照明光
による温度上昇は、投影レンズを通過する照明光の光［
に依存する。この照明光光岱は、投影レンズを通過する
照明光強度と、露光をコントロールするシャッタの開閉
デユーティ比の積になる。これらのうち、照明光強度は
、ステージ上にある照度センサ（５ＰＤ）’ｅ用いて、
レチクル交侠時等の一連の露光作業の最初に計測される
。

他方、シャッタの開閉デユーティ比は、例えば５秒間シ
ャッタの開閉をモニターして、その間のデユーティ比の
平均値（５秒内のシャッター開時間１５秒）を求める。

以上のようにして求めた照明光光景に関する情報に基づ
いて、５Ｓ１図に示す補正制御系５２によシ、上述した
状態方程式及び出力方程式に基づいて焦点や倍率の変動
分が間接的に求められる。そして、この変動ユに基づい
て第２図ないし第３図に示すギャップセンサにオフセッ
トが加えられる。

なお、倍率補正も、基本的には同機の操作で行なわれる
が、補正値は、投影レンズのレンズ室の空気圧を変化さ
せる圧力制御装置６ＤＫ入力され、これによってコント
ロールが行なわれる。空気圧を変えると、空気の屈折率
が変化するので、投影レンズ２６自体の倍率が変化する
。

以上の方法により焦点変動、倍率変動のコントロールが
行なわれる。なお、上述したように、大気圧の変化によ
シ投影レンズのフォーカス、倍率は変化するが、これに
対する補正も行われる。大気圧による影響は、大気圧セ
ンサを用いて補正している。

次に、以上の補正移の焦点の状態が、第６図あるいは第
７図に示す直接的な変動測定手段としての焦点検出機構
（以下、ｒ　ＴＴＬＦＡ　」という）５８゜５９（第１
図参照）によシ検出される。

そして、ＴＴＬＦＡにより良好に合蕉状態にないと認め
られるときには、第１図に示す補正制御系５２にその旨
の指令が打なわれ、状態方程式及び出力方程式のパラメ
ータの修正が行なわれる。そして、この修正後の方程式
により、再度焦点の変動量が求められ、所定の補正が行
々われる。

以上のように、補正制御系によシ変動補正を行った徒に
、ＴＴＬＦＡによって補正後の状態を調べることとして
いるのは、いずれか一方のみでは必ずしも良好に変動補
正をできない場合があるためである。従って、両者にお
いて変動補正が良好に行なわれた状態を、最もマツチン
グのとれた状態であるとして制？１１ヲ行うこととして
いる。

次に、ｆＪＳ６図を参照しながら、投影光学系を介して
焦点検出を行う焦点検出機構（却下「ＴＴＬＦＡ」とい
う）について説明する。なお、第６図は、Ｆ点にレチク
ル凡のパターンが結像している状態であシ、杖投影基板
は反射板２８であってウェハではないので、レジスト感
光に対する配慮は必要でなく、投影レンズの色収差が最
良の波長である感光波長の照明光全十分な光景で用いる
ことができる。

第６図において、光源１０から出力された照明光（露光
光と同一波長）は、リレーレンズ１２ｔ−介してライン
・アンド・スペース状（格子状）のパターンＰＡｉ照明
し、その透過光はレンズ１４セ介してハーフミラ−１６
に入射するようになっているうこのハーフミラ−１６で
反射された照明光は、フィールドレンズ１８、ｉ野絞シ
２０、リレーレンズ２２金透過してミラー２４に入射し
、ここで反射されてレチクル几に入射する。

次に、レチクルＲ＝ｉ透過し交点明光は、投影レンズ２
６を介して反射板２８に達し、ここで反射されＳｏ 身 反洪板２８による反射光は、投影レンズ２６、レチクル
Ｒｉ介してミラー２４に入射し、ここで反射されてリレ
ーレンズ２２、視野絞、Ｑ２０．フィールドレンズ１８
、ハーフミラ−１６′ｆ：各々透過する０そして、投影
レンズ２６の瞳と共役な位置に設けられ、分割プリズム
６０によって分割された反射光は、リレーレンズ６２と
シリンドリカル６６とを透過してリニアアレイセンサ３
４上Ｏｇなる部分に瞳分割像が形成されるようになって
いる。

なお、第７図には、上述したアレイセンサ６４、シリン
ドリカルレンズ６６、リレーレンズ６２、乙 分割プリズム６０、フィールドレンズ１８、視野絞り２
０の部分が拡大して示されている。尚シリンドリカルレ
ンズ３３の母綴はアレ・イセンサー３４の受光素子の配
列方向と一致している。このシリンドリカルレンズ３６
は、パターンＰＡの反射像のライン方向を圧縮して光ｆ
ｉ＆　ｋ増やすとともに、平均化を行なう機能２有する
。

また、　ＴＴＬＦＡの一部の光学素子は、第１図に示す
ようにアライメント光学系の一部５８’１−ｔＡ成し、
その他の部分でＴＴＬＦＡ系５９が構成されている。

尚、第６図において破線は光源１０からの照明光の結像
光線（主光線）ヲ表わし、実線はレチクルＲや反射鈑２
８等の結像光束の主光線全表わす。

以上のよりな装置において、Ｆ点に結像している結像光
束のなす角は、開口数ＮＡをｓｉｎθ１とすれば±０１
である。この例では、２θ１の光束を光軸全含む平面で
２つに分割プリズム６０により分割し、この分割された
光束の性質全周いて焦点を検出しようとするものである
。

第６図において、格子状のパターンＰＡｉ、ＩＪシレー
ンズ１２と１４の間であってレチクルＲ１反射板２８と
共役な位置に配置し、光源１０によってパターンＰＡを
照明して反射板２８上に投影する。反射板２８で反射さ
れたパターン像は、投影レンズ２６の開口絞り（瞳）　
ｅＰと共役な位置にある分割プリズム６０で２つに分割
される。

よく知られているように、分割された各々の光束は、前
ピン、後ピンによって互いに横ずれを起す。従って、分
割された２つの像の間隔を、アレ図に実線で示すように
、合焦時に２つの像の間隔がＬであるとすると、後ピン
の場合は点線で示したように間隔はＬよりも狭いＬ′と
なり、前ピンの場合には像間隔りよシも広くなる。

この像の横変位を正確に抽出するためには、例えばアレ
イセンサ６４上の像を、フーリエ変換し、その位相部分
を抽出して、フーリエ変換の推移定理により横ずれを求
める方法がある０ まず、アレイセンサ３４上における光像の強度を、該セ
ンサ６４の素子の配列方向、すなわち光軸に垂直な方向
の位置Ｘの関数ｆ（幻として表現する。そうすると、該
光像が変移する前の強度ｆ（ｘ）のフーリエ変換Ｆ１は
、空間周波数音Ｓとして（１）式のように表わすことが
できる。

次に、該光像が横方向にａだけ変位した場合のフーリエ
変換は、推移定理により（２）式のようになる。

以上の（１）式と（２）式とを比べると、変位ａによっ
てフーリエ成分の大きさは変わらずに、位相だけが２ｆ
ｆａｓずれるので、ずれの位相をΔθとすると、変位ａ
は（３）式のように表わされる。

Δ　θ ところで、実際には積分区間を無限にとることができな
い。そこで、アレイセンサ６４上で適当カサンプル長ｔ
の区間について積分を行うこととなる。

次に、上述し次状態方程式等に基づいて焦点等の変動塁
を求める補正制ｗＪ系について、第１図を参照しながら
説明する。

第１図において、光源４０から出力された照明光は、シ
ャッタ４２、レチクルＲ１投影レンズ２６を介してウェ
ハＷに入射するようになっている。

シャッタ４２の駆動は、シャッタ制御系４４によってお
こなわれるようになっておシ、シャッタ制御系４４は、
主制御系４６に接続されている。

次に、主制御系４６は、Ｘ、Ｙステージ駆動用のモータ
４８，５０に接続されているとともに、補正制御系５２
にも接続されている。この補正側ｍ系５２は、パラメー
タ記憶部５２Ａ、演算部５２Ｂ１補正値出力部５２Ｃお
よびパラメータ修正！ｌ５５２″Ｄとによって構成され
ている。

これらのうち、演算部５２Ｂには、主制御系４６からシ
ャッタ４２のＯＮ、ＯＦＦに関する情報とパラメータ修
正部５２ＤＫよって修正されるパラメータ記憶部５２Ａ
からの情報とが入力されている。演算部５２Ｂの出力は
、補正値出力部５２Ｃに対して行われるようになってお
り、この補正値出力部５２Ｃの出力は、受光器（あるい
は圧力制御装置６０）５４に対して行われるようになっ
ている。具体的には、第６図に示す平行平板ガラス６４
６を回動させる駆動部５６に対して、補正値が入力され
、斜入射方式の焦点検出時にオフセットがかけられるよ
うになっている。

詳述すると、上述した平行平板ガラスろ４６は、拡大レ
ンズ６４５の後の集光系内に配置され、駆動部５６によ
って所定の角度範囲内で傾斜可能に構成されている。こ
の平行平板ガラス６４６の傾斜の程度が変化すると、ス
リット板３４８上に形成される光像ＳＩの拡大像の振動
中心が、スリット３４８ａの長手方向と直交する方向（
第３図では紙面内左右方向）にシフトする。このスリッ
ト６４８ａに対する振動中心のシフトは、焦点信号ＦＰ
Ｓが合焦、ずなわちＳカーブ特性波形上の零点位置と判
断されるときのウェハＷの位ｔｔｔｔ−１ｚ方向にシフ
トしたものと等価である。本実施例では、この平行平板
ガラス３４６と駆動部５６とによって焦点変動に対する
補正が行なわれる。

次に、ウェハＷ又はＺステージ２０４上の反射板２８か
らの反射光は、投影レンズ２６、レチクルＲ１介してア
ライメント光学系５８に入射し、このアライメント光学
系５８の一部から取り出されて第６図に詳細を示すＴＴ
ＬＦＡ系５９に入射するようになっている。このＴＴＬ
ＦＡ系５９によって検出された焦点ずれの情報は、上述
した補正制御系５２のパラメータ修正部５２Ｄに入力さ
れるようになっている。

更に、上述した補正値出力部５２Ｃの出力は、投影レン
ズ２６のレンズ室内圧力全制御する圧力制御装置６０に
も接続されておシ、この圧力制御装置６０による圧力制
御によって投影レンズ２６の倍率変動の制菌が行なわれ
るようになっている。

なお、この例では、レチクル凡の上方に設は九アライメ
ント光学系の一部５８を介して、反射板２８からの反射
光ｗ　ＴＴＬＦＡ　’Ｉｚ　５９に導入しているが、投
影レンズ２６全介して反射光を検出することができれば
どのような方法でもよく、他の光学手段、例えば非感光
性のレーザ光をレチクルを介さずにウェハＷに供給する
アライメント系（ＬＳＡ系）を用いて反射光音導くよう
にしてもよい。

以上の各部のうち、まず、シャッタ制？Ｘｌ、ｔ％４４
は、主制御系４６からの指令により、シャッタ４２の開
閉側？Ｘ＋を行うものであるうシャッタ開閉の情報は、
主側？ｘＪ系４６から演算部５２Ｂに入力されるように
なっており、照明光光量全求めるためのデータとして利
用されるうなお、照明光強度は、レチクルの透過率やラ
ンプ光強度によって変化するため、ウェハステージ上に
設けられた光ｉ！素子（図示せず〕によって検出される
よってなっておシ、この光電素子による検出情報も照明
光光１２１得る念めのデータとして、演算部５２Ｂに入
力されるようになっている。この光電素子は本発明にお
いては必らずしも必要なものではない。

次に、演算部５２Ｂは、入力された照明光光量に関する
情報と、パラメータ記憶部５２Ａに格納されているパラ
メータを利用して、状態方程式及び出力方程式（以下、
「モデル式」と総称する）を解くことによシ焦点や倍率
の変動値２求めるものである。なお、パラメータ記憶部
５２Ａのパラメータは、後述するように、パラメータ修
正部５２Ｄによって修正されるようになっている。

次に、補正値出力部５２Ｃは、演算部５２Ｂから出力さ
れる変動量に基づく具体的な補正値を、受光器５４及び
圧力制御装置６０に各々出力するものである。

次に、演算部５２Ｂで用いられる投影光学系に対するモ
デル式、すなわち状態方程式及び出力方程式について説
明する。

投影レンズ２６は、照明光の通過により、時々刻々温度
変化する。このため、変数ｒＵ、Ｙ、ＸｉＪは、いずれ
も時間の関数として表現されるべきものであるが、ここ
では時間全離散化して考えることとし、ｒ　Ｕ（Ｋ）、
　Ｙ（Ｋ）、　Ｘｌ（Ｋ）Ｊとする。ここでに＝０．１
，２．・・・・・・である。

すなわち、本実施例では、上述したようＴ／Ｃ５秒間隔
で投影レンズ２６を通過する照明光光ｆｆｌ全計測する
ので、時間のかわシに、これ？離散化したＫを用いる。

以上のよりなＫについて、投影レンズ２６に対する方程
式を２次元で表現すると、 となる。

これらｆ４）　、　（５１式において、久方変数Ｕ■は
、５秒間に投影レンズ２６を通過した照明光光量、すな
わちエネルギー班であり、上述したように、シャッタ開
閉のデユーティ比と照射光！７ｊ！度の積で表わされる
。

また、出力変数Ｙαぐは、求めるべき焦点、又は倍率の
変動量である０状態変数＝Ｘ、（Ｋ）　、　Ｘ２囚。

Ｘ、（Ｋ＋１）　；　Ｘ２（Ｋ＋１）は、この場合具体
的な物理分には対応しない。なお、本実施例では、５秒
毎に新しい焦点、倍率の変化ｔｙｎが計算されるので、
Ｘ、（Ｋ）　、　Ｘ２ＣＫ）に対し、５秒後の状態変数
は、Ｘ　（Ｋ＋１）　、　Ｘ２（Ｋ＋１）となる。

次に、α、βＨａ　ｐ　ｂ　Ｈｍ　、　Ｌは、投影レン
ズ２６の第４図（Ｂに示す変動特性を再現するように定
められる定数（パラメータ）である。これらのうち、パ
ラメータα、βは、投影レンズ２６固有の変化特性上の
時定数に相当し、パラメータａ。

ｂは、該特性上の係数項に相当し、更にｍは、照明光量
が同じでも該特性が各投影レンズによって微妙に異なる
ことに鑑みて、各投影レンズ毎に定められる固有の定数
である。またＬはランプの光強度に対応するものである
。

次に、上述し次パラメータα、β、ａ、ｂ、ｍ全求める
具体的な方法てついて説明する。これらのパラメータは
、実際の露光動作の前に、疑似露光動作を行うなどの方
法で測定することもできるが、露光動作中、もしくは該
動作の間に前述したＴＴＬＦＡ等を用いて測定すること
ができる。

本実施例ではα、β、ａ、ｂ、ｍ′！ｉ−１あらかじめ
実験によシ決定し、「Ｌ」については後述の通り　ＴＴ
ＬＦＡによる測定結果音用いて遂次的に推定する方法に
ついて説明する。

α、β、ａ、ｂ、ｍは、次のようにして予め決定してお
く。

まず、投影レンズ２６の直下に反射板２８をおき、ギャ
ップセンサによって投影レンズ２６と反射板２８の間隔
全一定に保つ。それから、照明光を投影レンズ２６に通
過させると、ＴＴＬＦＡの出力の変化が第４図（匂のよ
うに得られる。

第４回倒の変化量Δ２の立上がりの曲線は、指数関数の
和で表現される。例えば ΔＺ（ｔ）　＝Δｚ。（１−Ａｅ　ｔ、／Ｔ＋　　Ｂｅ
　　ｔ／Ｔ２）　、、、、、・、・・（６）で表現され
る。この（６）式で、１／Ｔｌ　ｔ　’／Ｔ２はパラメ
ータα、βに各々対応し、Ａ、Ｂはパラメータａ、ｂに
各々対応するり なお、以上のパラメータは、焦点変動に対するものと、
倍率変動に関するものとについて各々求められる。これ
らのパラメータは、第１図に示すパラメータ記憶部５２
Ａに格納され、演′ｎ部５２Ｂによる（４１　、　＜５
１式のモデル式の演算に利用される。

次に、上記実施例の全体的動作について説明する。まず
、補正制？ｎ系５２の演算部５２Ｂ（第１図参照）にお
ける照明光光量に関する情報の取シ込みについて説明す
る。

まず、露光は、ステップ・アンド・リピート方式の場合
第８図（Ａｌに示すように、所定間隔でパルス状に行な
われる。そして、同図（鴎に示すように、照明光光量は
、５秒の間に投影レンズ２６を透過した照明光の時間割
合、すなわちデユーティ比として主副ｍ糸４６から演ｎ
部５２Ｂに出力される。

この割合は、所定の５秒間におけるシャッタ４２の開時
間の割合に相当する。

なお、ある時点で検出されたデユーティ比は、その検出
時点から５秒前までの値であり、それ以前の値は全く検
出していない。このように過去の影響を考慮しないのは
、投影光学系を線形システムであると仮定しているため
である。また、照明光強度は、上述したように、ステー
ジ上に設けられた照度センサ（図示せず〕により検出さ
れ、演算部５２Ｂに入力される。

次に、第９図を参照しながら、変動補正について具体的
に説明する。同図（５）には、上述したデユーティ比が
示されており、同図（日には、変動の演算値（予測値）
Ｙｉが示されている。

まず、時刻１＝１０では、まだ露光が開始されていない
。このため、（５）式の入力変数Ｘ、　、　Ｘ２がいず
れも０であシ、変動演算値Ｙｊは０である。

次に、時刻１＝１．では、露光が開始されてデユーティ
比ＤＴ＝Ｄ、となり、（４１、（５）式による演算カニ
行なわれてＹ＝Ｙ、となり、更に５秒後の値ｙ、／が予
測演算される。

次に、時刻１＝１２では、更に露光が続行されてデユー
ティ比Ｄ　Ｔ　＝　Ｄ、となシ、ｆ４１　、　（５）式
による演算が行なわれて、前回の５秒後の値Ｙ、／との
和Ｙ２が求められ、更に５秒後の値Ｙ２１が求められる
。

以上のように、５秒毎に変動量Ｙｊが繰り返し演算され
る。このように、変動量Ｙｊは、５秒前の演算値のみに
もとづいて行なわれ、それ以前は考慮されない。

なお、これらの変動量は、焦点に対するものと、倍率に
関するものが各々演算される。

以上のようにして演算部５２Ｂによって演算された変動
量は、補正値出力部５２Ｃに対して出力される０そして
補正値出力部５２Ｃでは、入力された変動量にもとづい
て具体的な平行平板ガラス３４６（第６図参照）の傾斜
の程度や投影レンズ２６のレンズ室内の圧力制御値が求
められ、各々受光器５４、圧力制御装置６０（第１図参
照）に指令が行なわれる。

このとき、圧力制御によって焦点変動も生ずる。

このため補正値出力部５２Ｃは、圧力ｉｗ御による焦点
変動を考慮して平行平板ガラス６４６の傾斜の程度を定
め、これに基づいて駆動部５６（第６図８照）によるオ
フセットがかけられる。この九め、理想的には焦点変動
、倍率変動はともに零に補正されることになるが、演算
式中のパラメータの設定誤差、あるいは縁シ返し演算に
よる累積誤差等によっておる程度時間が経過すると、算
出された変動子′ｔＪ分と実際の変動０（第９図旧中の
変動実測値の特性）との間に誤差が生じ、必らずしも良
好に補正されるとは限らない。

そこで本実路側では第６図のＴＴＬＦＡ　’ｅ利用して
（４１、（５１式のパラメータを補正する。以下その補
正方法について説明する。

ＴＴＬＦＡによるチェックは、１ウエハ露光毎、あるい
はウェハ１０ツト処理毎に行なわれる。まず、ステージ
上の反射板２８に対し、第６図のギャップセンサによっ
て焦点合わせ全行なう。次にこの状態を保持したまま、
反射板２８に対してＴＴＬＦＡ　’ｅ用いて焦点ずれを
検出する。このずれ酋が許容値以上のときには、パラメ
ータ修正部５２Ｄによシ、パラメータの修正が行なわれ
る。

ここでは、（４）式のパラメータ修正部正する場合につ
いて説明する。この修正は、次の式によって行なわれる
。

Ｌｉ　＝　Ｌｉ−１＋　Ｇ（Ｙｉ　−Ｙ）　　・・・・
・・・・・・・・・・・（７）ここで、Ｇは、適応ゲイ
ンと呼ばれるものであシ、数列Ｌｉが収束するように定
められる。Ｙｉは、ｉ番目のＴＴＬＦＡによる測定結果
であシ、Ｙは、上述したように、測定時点における（４
）　、　（５１式による演算値である。

以上のようなパラメータの修正は、第１図のパラメータ
修正部５２Ｄによって行なわれ、修正されたパラメータ
がパラメータ記憶！５２Ａから？ＪＦ算部５２Ｂに入力
されて新たなパラメータによるするようにしてもよい。

以上のようにして、ＴＴＬＦＡによるチェックを行って
パラメータヲ順次適正値に追い込むようにする。従って
、ＴＴＬＦＡによるチェックの間隔は、徐々に長くでき
る。

次に、照明光光量に関する情報の取シ込みの他の開閉状
態、すなわちＯＮ、ＯＦＦの状態が主制御系４６から演
ｎＦＡ５２Ｂに入力される。具体的には、第１０図（Ａ
）　ｙ（示すシャッタ４２の開閉状態が、同図（囮に示
すように１ｍＳ毎にサンプリングされて演算部５２Ｂに
入力される。

次に、（４）　、　（５）式によって変動ｆｆ１Ｙ（Ｋ
）ｋ求める。

まず、時刻ｔ１では、シャッタＯＦＦであるから、露光
は行なわれていない。このため変動ｆｆｌ　Ｙ　（１）
は０である。

時刻１＝１２では、シャッタＯＮであり、露光が行なわ
れている。従って、サンプリング値は、論理値の「１」
とｆニジ、これにＬをかけたＵ（Ｋ２）によシ変動ｆｆ
ｉ　Ｙ　ｆ２）が求められる。

次に、時刻１＝１３では、同様にして入射光量Ｕ（Ｋ３
）に基づき、変動１１　Ｙ　（３１が求められる。

以上の動作が繰シ返されて求められた変動量によ！ｌ、
ｆ５ｕｆｆのギャップセンサに対するオフセットが加え
られる。なお、このオフセットは、１ｍＳ毎に行なって
もよいし、あるいは上述した方法のように、５秒毎に行
ってもよいう しかしながら、以上のような方法では、演算回数が多く
、デユーティ情報を使用しないため、補正上の誤差が発
生し得る。

そこで、第６図ないし第７図に示したＴＴＬＦＡによシ
、実際の結像面の位置を時々チェックし、その結果に基
づいてパラメータ修正部５２Ｄによ＃）（４）　、　（
５１式のパラメータの補正を行い、誤差の発生を低減す
るようにする。

更に、場合によっては、状態変数Ｘｋの初期値が不正確
であることも考えられる。この場合には、いわゆるオブ
ザーバにより推定を行う。オブザーバは、 Ｘｋ　＝　Ｘｋ　＋　ｆ　（Ｙｅ　−Ｙ）＝・−−・・
（８）のように構成される。これによｐ、Ｘｋは、ＴＴ
ＬＦＡによる測定結果Ｙｅ　ｋ用いてＸｋに修正される
。ｆは、オブザーバゲインといわれる定数である。この
修正された状態変数Ｘｋにより、以後の（４）　、　（
５）式の演算が行なわれる。

具体的に説明すると、塘ず、ＴＴＬＦＡ　（第６図、第
７図参照）を用いて焦点変動の実測値Ｙｓｉ計測する。

その間隔は、状態変数ＸｋＯ値がｎ回更新される間隔と
する。すなわち、ＴＴＬＦＡにより、Ｙｅ（Ｋｏ）　、
　Ｙｅ（Ｋｏ＋ｎ）　、　Ｙｅ（Ｋｏ＋２ｎ）、　＝の
値が知られることとなる。

次に、ＫｗＫｏとに＝Ｋｏ＋ｎの間のパラメータＵの平
均値Ｕは、Ｙｅ（Ｋｏ）とＹ（Ｋｏ　＋　ｎ　）から（
４）式を解くことによシ求められる。次に、このＵ’を
用いＹ（６）＝（ａ、ｂ）Ｘ（Ｋ）　　・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・α■
このＹ囚が焦点変動の推定値Ｙｊ′に対応することとな
る。

なお、以上の方法において、ＴＴＬＦＡの測定間隔は、
必ずしも一定値である必要はない。例えば、ウェハＷの
一枚の露光毎に行ってもよいし、焦点変動の大きいとき
は繁雑に、小さいときは間隔音大きくとって行うといっ
た方法でもよい。

なお、上記実権例では、照明光による温度変化に着目し
て説明したが、投影レンズの光学特性が、同様にして補
正可能である。特に、ＴＴＬＦＡによるパラメータ修正
が効果的であるう ま几、上記実施例では、投影レンズの焦点と倍率の双方
を補正したが、いずれか一方のみでもよい。

また、ＴＴＬ方式のアライメント系５８（第１図参照）
？：用いて、反射板２８の一部に設けられた基準マーク
全検出することによって、投影レンズの倍率変動が実測
できる。この念めにはアライメント系５８がレチクルＲ
上の異なる位置のマーク全夫々検出するように複数設け
られる。そして基準マーク全投影レンズの結像面内で走
らせて、レチクル上の２ケ所のマークの各投影点の位量
関保全計測すれば、倍率誤差が検知できる。従って、こ
のような計測が可能な場合は、そのアライメント基と基
準マークとが共同して、本発明の変動測定手段となる。

あるいは特開昭５９−９４０３２号公報に開示されてい
るように、ＸＹステージ上にスリット付きの光電センサ
ーを設け、レチクルのパターンの投影像のフントラスト
ラその光電センサーで検出して、投影レンズの実際の結
像面位置２求める方式も、本発明の変動測定手段として
有効である。

さらに本発明の調整手段としては、投影レンズのレチク
ル側が非テレセンドリンク系である場合、レチクルＲと
投影レンズとの間隔を変化させて倍率の調整を行なう方
式も同様に有効である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、投影光学系自身
の変化、特に温度変化による投影光学系の焦点変動を補
正して、常に正確な焦点合せを行うことができるので、
露光されるパターンの線幅コントロールがよシ精密にな
り、その再現性が向上するという効果がある。

また、本発明によれば、投影光学系の光吸収による熱的
変化のみならず、大気圧変化、装置温度の変化等の環境
変化や、装置が構造的に持っている歪の解放全原因とす
る焦点変動に対しても全く同様の効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は露光
装置の概略の構成を示す斜視図、第６図はギャップセン
サの詳細な構成例全示す゛構成図、第４図は照明光の入
射による投影レンズの光学特性の変化を示す線図、第５
図は一般的なシステムを示す説明図、第６図はＴＴＬＦ
Ａ′ｆｒ、示す構成図、第７図はＴＴＬＦＡの主要部分
を示す構成図、第８図は入射光光量に関する情報の取シ
込みを説明する線図、第９図及び第１０図は変動量演算
を説明する線図である。 （主要部分の符号の説明） ２６・・・投影レンズ、２８・・・反射板、６０・・・
分割プリズム、６４・・・アレイセンサ、４０・・・光
源、４２・・・シャッタ、５２・・・補正制御系、５４
・・・受光器、５６・・・駆動部、６０・・・圧力制御
装置。 代理人　弁理士　　佐　藤　正　年 第１図 第２図 第４図 第５図 第と図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 所定のパターンを、投影光学系を介して被投影基板に投
   影する投影光学装置において、 前記投影光学系の光学特性変動の原因に関する情報を得
   るデータ収集手段と、 前記投影光学系の光学特性変動に対応するための調整手
   段と、 前記光学特性の変動に対する投影光学系のモデル式を、
   前記データ収集手段によつて収集されたデータに基づい
   て演算し、前記調整手段に調整量を指令する演算手段と
   、 前記投影光学系の光学特性の変動を直接測定する変動測
   定手段と、 この変動測定手段の測定結果に基づいて、前記演算手段
   におけるモデル式のパラメータを補正するパラメータ補
   正手段とを具備したことを特徴とする投影光学装置。