JPWO2002049084A1

JPWO2002049084A1 - Exposure method and apparatus, and device manufacturing method

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Publication number: JPWO2002049084A1
Application number: JP2002550300A
Authority: JP
Inventors: 白石　直正
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2004-04-15
Also published as: WO2002049084A1; AU2002221133A1

Abstract

露光光の光路上にパージガス以外の気体が残留していても、又はそのパージガス以外の気体の残留濃度が変動しても、安定した結像特性を得ることができる露光方法及び装置である。露光光源（１）からの真空紫外域の露光光（ＩＬ）によってレチクル（Ｒ）を照明し、レチクル（Ｒ）のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介してウエハ（Ｗ）上に転写する。レチクル（Ｒ）及びウエハ（Ｗ）をそれぞれ気密室としてのレチクルステージ室（４０）、及びウエハステージ室（６０）内に収納し、投影光学系（ＰＬ）の内部を気密室として、これらの気密室にガス純化装置（７１）から露光光（ＩＬ）を透過するパージガスを供給する。例えば投影光学系（ＰＬ）内のパージガス以外の気体の残留濃度に応じて、この残留濃度による結像特性の変動量を相殺するように、結像特性コントローラ（５７）を介して投影光学系（ＰＬ）の結像特性を調整する。An exposure method and apparatus capable of obtaining stable imaging characteristics even if a gas other than a purge gas remains on an optical path of exposure light or a residual concentration of a gas other than the purge gas fluctuates. The reticle (R) is illuminated by the exposure light (IL) in the vacuum ultraviolet region from the exposure light source (1), and the image of the reticle (R) pattern is transferred onto the wafer (W) via the projection optical system (PL). I do. The reticle (R) and the wafer (W) are housed in a reticle stage chamber (40) and a wafer stage chamber (60), respectively, as airtight chambers, and the interior of the projection optical system (PL) is used as an airtight chamber. A purge gas that transmits exposure light (IL) is supplied from the gas purification device (71) to the closed room. For example, according to the residual concentration of the gas other than the purge gas in the projection optical system (PL), the projection optical system (57) is controlled via the imaging characteristic controller (57) so as to cancel out the fluctuation amount of the imaging characteristic due to the residual concentration. PL).

Description

技術分野
本発明は、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのフォトリソグラフィ工程中で、マスクパターンを感光基板上に転写するために使用される露光方法及び装置に関する。
背景技術
半導体集積回路、液晶ディスプレイ等の電子デバイスの微細パターンを形成するためのフォトリソグラフィ工程では、形成すべきパターンを４〜５倍程度に比例拡大して描画したマスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを、一括露光方式又は走査露光方式の投影露光装置を用いて被露光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に縮小転写する方法が用いられている。
その微細パターンの転写に使用される投影露光装置においては、半導体集積回路の微細化に対応するために、その露光波長がより短波長側にシフトして来ている。現在、その露光波長はＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍが主流となっているが、より短波長の実質的に真空紫外域（ＶＵＶ：Ｖａｃｕｕｍ　Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）とみなすことができるＡｒＦエキシマレーザの１９３ｎｍも実用化段階に入りつつある。そして、更に短い波長１５７ｎｍのＦ_２レーザや、波長１２６ｎｍのＡｒ_２レーザ等の真空紫外域の露光光源を使用する投影露光装置の提案も行なわれている。
上記の如く、最近の投影露光装置においては、露光光として波長２００ｎｍ程度以下の真空紫外域の光が使用されるようになって来ている。しかしながら、この真空紫外域の光は、投影露光装置の照明光学系や投影光学系の屈折部材（レンズ等）、及びレチクルの基板として使用できる高透過率の光学材料の種類が少なく、現状で使用できる光学材料は、蛍石、フッ化マグネシウム、フッ化リチウム等のフッ化物結晶等に限定される。また、真空紫外光は、酸素や水蒸気、炭化水素ガス等の気体（以下、「吸収性ガス」と言う。）による吸収も極めて大きいため、真空紫外光を用いる投影露光装置では、露光光が通る光路から吸収性ガスを排除するために、その光路の気体を露光光に対して比較的吸収の少ない窒素や希ガス等の気体（以下、「低吸収性ガス」と言う。）で置換する必要がある。低吸収性ガスのうちで実際に光路上の気体を置換するために使用される気体は、「パージガス」と呼ばれている。
吸収性ガスの許容残留濃度に関して、例えば酸素については、露光光の光路中の平均濃度を、ｐｐｍオーダ程度の許容レベル以下に抑える必要がある。吸収性ガスの残留濃度が、上記のような許容レベルを超えてしまう場合には、被露光基板としてのウエハ上での露光エネルギーが著しく低下することになる。また、吸収性ガスの種類によっては、その屈折率が上記のパージガスの屈折率と大きく異なる。そのため、パージガスの種類と異なる吸収性ガスが光路上に残留していると、その残留濃度によっては光路上での屈折率が変動し、これによって投影光学系の結像特性が大きく変動して、転写像を劣化させてしまう恐れもある。更に、この屈折率差は、吸収性ガスと低吸収性ガスとの間に生じるのみではなく、２つの低吸収性ガス（例えばヘリウム及び窒素）の間でも生じる。従って、露光光の光路を置換するパージガス以外の気体は、たとえ低吸収性ガスであってもその残留濃度はできるだけ低く抑えることが望ましい。
そして、パージガスと屈折率の異なる気体の残留は、露光光の光路の屈折率を変化させるばかりでなく、レチクルステージやウエハステージ等の位置計測用のレーザ干渉計用の計測ビームの波長も変化させるため、レチクルやウエハの位置計測精度にも悪影響を及ぼす。
また、投影露光装置には、その解像度の１／４程度の位置合わせ精度が要求されるため、レチクル及びウエハを高精度に位置合わせするためのアライメント機構が備えられている。特に、レチクルの位置合わせ（位置検出）に際して露光波長の光束を使用する場合には、そのレチクルの位置を検出するためのアライメントセンサの光学系は、露光波長の光束に対して高い透過率を有する必要がある。
また、露光波長が、ほぼ２００ｎｍ以下の真空紫外域となると、微量の有機系又はシラン系の不純物質による吸収や、露光光と不純物質との光化学反応によって生じる曇り物質の堆積及びレンズ透過率の低下が深刻な問題となる。そこで、不純物質を発生する部材、例えば、アライメント光学系の検出面に設置される光電検出器（撮像素子等）の出力信号を処理するための電気回路に使用されるプラスチック基板等を、露光光の光路を含む空間に配置することは避ける必要がある。従って、従来は露光光の光路を含む空間内に配置されていた光電検出器も同空間外の大気中に設置すべきであるが、真空紫外光は通常の大気中を透過しないという問題もある。
本発明は斯かる点に鑑み、露光光の光路上にパージガス以外の気体が残留していても、又はそのパージガス以外の気体の残留濃度が変動しても、安定した結像特性の得られる露光技術を提供することを第１の目的とする。
更に、本発明は、真空紫外域のような短波長の露光光と同程度の波長域の照明光を用いる場合に適したアライメント系を使用できる露光技術を提供することを第２の目的とする。
また、本発明は、真空紫外域のような短波長の露光光と同程度の波長域の照明光を用いて、その光路上にパージガスを供給する場合に、その光路に対して悪影響を与えることなく、レチクル又はウエハ用のアライメント系を設置できる露光技術を提供することを第３の目的とする。
発明の開示
本発明による第１の露光装置は、波長２００ｎｍ以下の露光ビームで第１物体（Ｒ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、その第１物体又はその第２物体上のマーク（ＲＭ）を通過した、その露光ビームと実質的に同じ波長のアライメント光を集光するアライメント光学系（９０，９２）と、このアライメント光学系によって集光されたそのアライメント光を検出する光電検出器（９４）とを有するマーク検出系を備え、そのアライメント光学系中の屈折部材は、全てその露光ビームを透過する光学材料より形成されるものである。
本発明によれば、ほぼ真空紫外域の露光ビームと同程度のアライメント光（照明光）を用いたマーク検出系のアライメント光学系の透過率が高くなり、照明効率が高くなるため、高精度にアライメントを行うことができる。
この場合、その露光ビームを透過する光学材料の一例は蛍石、又はフッ素を添加した石英である。
また、そのアライメント光の光路の少なくとも一部の光路上の気体、及びその光電検出器が収納される隔壁（４０）の内部の気体をその露光ビームを透過する気体で置換することが望ましい。これによって光電検出器の検出信号のＳＮ比を高めることができる。
更に、その隔壁のその光電検出器（９４）に近接する領域にその隔壁の内部の気体を吸気する吸気口（４０ａ）を設けることが望ましい。これによって、その光電検出器からの脱ガス（吸収性ガス）は、その吸気口から排気されるため、露光ビームの光路に透過率低下等の悪影響を及ぼすことがない。
また、そのアライメント光学系の一部に、その内壁にそのアライメント光を反射させる反射部材を設けた中空部材（８０）を含むようにしてもよい。これによって、そのアライメント光を効率的に伝達することができる。
また、そのアライメント光学系は、さらに、その露光ビームと実質的に同じ波長のアライメント光をその第１物体又はその第２物体上のマークに照射する送光光学系（８）を備え、その送光光学系中に、その内壁にそのアライメント光を反射させる反射部材を設けた中空部材（８０）を含むようにしてもよい。その送光光学系によって、一例として露光ビームから分岐したビームをアライメント光として導く場合には、アライメント光の光源を別途設ける必要がなくなる。
次に、本発明による第１の露光方法は、露光ビームで第１物体（Ｒ）及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光方法において、その露光ビームの光路の少なくとも一部の光路の気体をその露光ビームを透過する第１の気体で置換すると共に、その少なくとも一部の光路に残留するその第１の気体と異なる第２の気体の濃度を計測し、その第２の気体の残留濃度に応じてその投影光学系の結像特性を調整するものである。
斯かる本発明において、その露光ビームの光路にその第２の気体が残留していると、その残留濃度に応じてその光路の屈折率が変動して、その投影光学系の結像特性（例えばディストーション等の収差）が変動する。そこで、一例として、その結像特性の変動量を相殺するようにその投影光学系の結像特性を調整することによって、その結像特性を所望の状態に安定に維持することができる。
特に、露光ビームが波長２００ｎｍ程度以下の真空紫外光であると、その露光ビームを透過する第１の気体（低吸収性ガス）の種類が限定されて来るが、その光路上にその第１の気体以外の気体が或る程度混入しても、本発明によって安定な結像特性が得られる。
この場合、その第２の気体の残留濃度が所定レベルを超えたときに、その少なくとも一部の光路の気体をその第１の気体で再置換することが望ましい。これによって、結像特性の変動量が大きくなり過ぎることがなくなり、その結像特性を常に所望の状態に維持できる。
また、その第２の気体は、その露光ビームを透過する気体であってもよい。その第２の気体がその第１の気体と同様に、その露光ビームを透過する低吸収性ガスであっても、その第１及び第２の気体間の屈折率差によってその光路上の屈折率が変動するため、本発明が有効である。
これらの場合、その第１の気体が窒素であるとすると、一例としてその第２の気体は酸素、炭酸ガス、水蒸気、ネオン、及びヘリウムよりなる気体群から選ばれた少なくとも一つの気体である。
一方、その第１の気体がヘリウムであるとすると、一例としてその第２の気体は酸素、窒素、炭酸ガス、水蒸気、ネオン、アルゴン、及びクリプトンよりなる気体群から選ばれた少なくとも一つの気体である。
次に、本発明の第２の露光方法は、露光ビームで第１物体（Ｒ）及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光方法において、その露光ビームの光路の少なくとも一部の光路の気体をその露光ビームを透過する第１の気体で置換し、その少なくとも一部の光路に残留し、かつその露光ビームを透過し、その第１の気体と異なる第２の気体の濃度を計測し、その第２の気体の残留濃度が所定レベルを超えたときに、その少なくとも一部の光路の気体をその第１の気体で再置換するものである。
斯かる本発明によれば、低吸収性ガスよりなるが、その第１の気体とは異なる第２の気体の露光ビームの光路上での残留濃度が上昇した場合に、その光路上の気体をその第１の気体で再置換するため、その光路の屈折率変動が大きくなり過ぎることがなくなり、結像特性を容易に所望の状態に維持することができる。
この場合、その第１の気体が窒素であるとすると、一例としてその第２の気体はネオン及びヘリウムの少なくとも一方である。
一方、その第１の気体がヘリウムであるとすると、一例としてその第２の気体は窒素、ネオン、アルゴン、及びクリプトンよりなる気体群から選ばれた少なくとも一つの気体である。
次に、本発明の第２の露光装置は、露光ビームで第１物体（Ｒ）及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、その投影光学系の結像特性を調整する結像特性調整装置（５４ａ１，５４ａ２，５７）と、その露光ビームのその第２物体までの光路の少なくとも一部の光路の気体をその露光ビームを透過する第１の気体で置換する気体供給機構（７１）と、その少なくとも一部の光路に残留するその第１の気体と異なる第２の気体の濃度を計測する気体センサ（７２）と、この気体センサの計測値に基づいてその結像特性調整装置を介してその投影光学系の結像特性を調整する制御系（１０）とを有するものである。
また、本発明の第３の露光装置は、露光ビームで第１物体（Ｒ）及び投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、その露光ビームのその第２物体までの光路の少なくとも一部の光路の気体をその露光ビームを透過する第１の気体で置換する気体供給機構（７１）と、その少なくとも一部の光路に残留し、かつその露光ビームを透過し、その第１の気体と異なる第２の気体の濃度を計測する気体センサ（７２）と、その気体供給機構を制御し、この気体センサの計測値に基づいてその少なくとも一部の光路の気体をその第１の気体で再置換する制御機構（１０）とを有するものである。
これらの露光装置によって、本発明の露光方法を実施することができる。
次に、本発明のデバイス製造方法は、本発明の何れかの露光方法を用いてデバイスパターン（Ｒ）をワークピース（Ｗ）上に転写する工程を有するものである。本発明によって安定な結像特性が得られるため、各種デバイスを高精度に量産することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。本例は、露光ビームとして真空紫外光（ＶＵＶ光）を用いる投影露光装置に本発明を適用したものである。
図１は、本例の投影露光装置を示す概略構成図であり、この図１において、例えば半導体デバイス製造工場の或る階の床Ｆ１上のクリーンルーム内に、露光光源１及び露光本体部が設置され、その階下の床Ｆ２上の機械室内にガス純化装置７１等の付属設備が設置されている。露光光源１としては、真空紫外城の発振波長１５７ｎｍのＦ_２レーザ（フッ素レーザ）が使用されている。それ以外に露光光源として、発振波長１４６ｎｍのＫｒ_２レーザ（クリプトンダイマーレーザ）、発振波長１２６ｎｍのＡｒ_２レーザ（アルゴンダイマーレーザ）、発振波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ、ＹＡＧレーザの高調波発生装置、又は半導体レーザの高調波発生装置等の実質的に真空紫外域の光源を使用する場合にも本発明は有効である。更に、露光光源として、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）や水銀ランプ（ｉ線、ｇ線等）等の光源を使用する場合にも、特に露光光の利用効率を高めたい場合には本発明が適用できる。
露光光源１から射出された露光ビームとしての露光光ＩＬは、リレーレンズ２１、光路折り曲げ用のミラー２２、及びリレーレンズ２３，２４よりなるビームマッチングユニット（ＢＭＵ）２を通過して照明光学系３に入射する。照明光学系３に入射した露光光ＩＬは、オプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ３１（この代わりにロッドタイプのオプティカル・インテグレータの使用も可能である）、その射出面側に配置される照明系の開口絞り（σ絞り）３２、第１リレーレンズ群３３、ミラー３４、及び第２リレーレンズ群３５を経て視野絞り３６に至る。そして、視野絞り３６を通過した露光光ＩＬは、第１コンデンサレンズ群３７、光路折り曲げ用のミラー３８、及び第２コンデンサレンズ群３９を介してマスクとしてのレチクルＲのパターン領域を照明する。
本例のビームマッチングユニット２及び照明光学系３は、それぞれそれぞれ気密性の高い隔壁（気密室）としてのサブチャンバ２０及び３０内に収納されている。この場合、２つのサブチャンバ２０，３０の境界部は連通していてもよいが、一例としてその境界部に平行平板ガラスを設置したり、平行平板ガラスの代わりにリレーレンズ２４のような光学部材を設置して、その周囲を封止することによって、２つのサブチャンバ２０，３０を互いに隔離してもよい。これは以降の気密室についても同様である。なお、気密室としては、外気がサブチャンバ２０，３０内に混入しない構成であれば、多少の隙間があってもよい。
図１において、レチクルＲを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して被露光基板としてのウエハＷ上にそのレチクルＲのパターンの像を形成する。レチクルＲ及びウエハＷが本発明の第１物体及び第２物体に対応しており、ウエハ（ｗａｆｅｒ）Ｗは例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等の円板状の基板である。また、投影光学系ＰＬの内部は外気と隔離された気密室とされている。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図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
先ず、レチクルＲは、レチクルベース４２上でＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されたレチクルステージ４１上に保持され、レチクルステージ４１の２次元的な位置は、レーザ干渉計４３及びこれに対応して配置された移動鏡によって計測され、この計測値、及び装置全体の動作を統轄制御する床Ｆ２上の主制御系１０からの制御情報に基づいてレチクルステージ制御系（不図示）がレチクルステージ４１の位置及び速度を制御する。レチクルベース４２、レチクルステージ４１、及びこの駆動機構（不図示）等からレチクルステージ系４が構成され、レチクルステージ系４は、気密性の高い隔壁（気密室）としてのレチクルステージ室４０内に収納されている。
一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ（Ｚレベリングステージ）６１上に保持され、ウエハステージ６１はウエハベース６２上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されている。ウエハステージ６１の２次元的な位置は、レーザ干渉計６３及びこれに対応して配置された移動鏡によって計測されており、この計測値及び主制御系１０からの制御情報に基づいてウエハステージ制御系（不図示）がウエハステージ６１のＸ方向、Ｙ方向の位置及び速度を制御する。また、ウエハステージ６１は、不図示のオートフォーカスセンサ（斜入射方式で光学式のセンサ）からのウエハＷの表面の複数の計測点でのフォーカス位置（光軸ＡＸ方向の位置）の情報に基づいて、露光中にウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、サーボ方式でウエハＷのフォーカス位置及びＸ軸、Ｙ軸の回りの傾斜角を制御する。ウエハベース６２、ウエハステージ６１、及びこの駆動機構（不図示）等からウエハステージ系６が構成され、ウエハステージ系６は、気密性の高い隔壁（気密室）としてのウエハステージ室６０内に収納されている。
露光時には、レチクルＲのパターンの像を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の一つのショット領域に投影した状態で、レチクルＲとウエハＷとを投影光学系ＰＬの倍率を速度比としてＹ方向に同期移動する動作と、ウエハＷをステップ移動する動作とがステップ・アンド・スキャン方式で繰り返される。このように本例の投影露光装置は、走査露光方式であるが、本発明はステッパー等の一括露光型の投影露光装置にも有効であることは言うまでもない。
また、その露光の際にレチクルＲとウエハＷとのアライメントを行うために、レチクルステージ室４０内のレチクルステージ４１の上方に、レチクルＲ用のアライメント系としての撮像方式のレチクルアライメント顕微鏡８６が配置されている。本例のレチクルアライメント顕微鏡８６は、アライメント光として、露光光ＩＬと同じ波長の光を使用している。そのため、ビームマッチングユニット２中のリレーレンズ２３とリレーレンズ２４との間に配置されたハーフミラー８１によって、露光光ＩＬの光路から分岐されたアライメント用の照明光ＩＬ１は、サブチャンバ２０とレチクルステージ室４０との間に架設された細長い気密室８０内に配置されたアライメント送光系８を介して、レチクルアライメント顕微鏡８６に導かれている。アライメント送光系８は、ビームマッチングユニット２側からレンズ８２、光路折り曲げ用のミラー８３，８４、及びレンズ８５を配置して構成されている。
これに関して、露光波長が２００ｎｍを超えるような長波長であるときには、露光光から分岐した光を可撓性を有する光ファイバ束を介してアライメント系に導くことも可能である。しかしながら、本例のように真空紫外域の露光光ＩＬが使用されている場合には、その波長域の照明光を少ない光量損失で伝送できる安価な光ファイバは現状では入手困難であるため、本例ではその照明光を屈折部材及び反射部材よりなるアライメント送光系８を介して伝送している。
更に、本例の投影光学系ＰＬには、ディストーション、及び非点収差等の結像特性を所定範囲内で調整（制御）するための結像特性調整機構（詳細後述）が組み込まれている。主制御系１０は、投影光学系ＰＬの結像特性が所定の目標範囲内に収まるように、制御情報Ｓ２を結像特性コントローラ５７に送ってその結像特性を調整する。
さて、本例のように真空紫外光を露光光ＩＬとする場合には、その光路から酸素、水蒸気、炭酸ガス（ＣＯ_２等）、及び炭化水素系（有機物）の気体等の露光光ＩＬに対して強い吸収率を持つ気体である「吸収性ガス」を排除する必要がある。一方、露光ビームを透過する気体、即ち本例では真空紫外域の露光光ＩＬに対する吸収の少ない「低吸収性ガス」には、窒素及び希ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）、並びにそれらの混合気体がある。そして、本例の投影露光装置には、それらの低吸収性ガスの内から例えば必要とされる結像特性の安定性や運転コスト等に基づいて選択した「パージガス」を用いて、露光光源１から被露光基板としてのウエハＷまでの露光光ＩＬの全部の光路上の気体を置換するための気体交換機構（気体供給機構）が備えられている。
図１において、露光光源１からウエハＷまでの露光光ＩＬの光路は、それぞれ気密室としての第１のサブチャンバ２０、第２のサブチャンバ３０、レチクルステージ室４０、投影光学系ＰＬ、及びウエハステージ室６０の内部の光路に分割されている。本例の気体交換機構は、床Ｆ２上に設置されたガス純化装置７１と、このガス純化装置７１から複数の気密室としてのサブチャンバ２０、サブチャンバ３０、レチクルステージ室４０、投影光学系ＰＬの内部、及びウエハステージ室６０にそれぞれパージガスを供給するための電磁バルブ付きの給気管１１Ａ〜１５Ａと、それらの気密室内の気体を回収するための電磁バルブ付きの排気管１１Ｂ〜１５Ｂと、これらの排気管１１Ｂ〜１５Ｂの途中に設置されて回収される気体中のパージガス以外の所定の不純物ガスの残留濃度を計測する不純物濃度計７２（気体センサ）とを備えている。なお、図１においては、図面を見やすくするために、投影光学系ＰＬ用の給気管１４Ａ及び排気管１４Ｂのみがガス純化装置７１に接続されているが、他の給気管１１Ａ〜１３Ａ，１５Ａ、及び排気管１１Ｂ〜１３Ｂ，１５Ｂも同様にそれぞれガス純化装置７１に接続されている。更に、排気管１１Ｂ〜１３Ｂ，１５Ｂの途中にもそれぞれ不純物濃度計７２と同様の不純物濃度計が設置されている。
更に本例のガス純化装置７１には、回収された気体の内で不純物濃度が高くなった気体を外部に随時放出するための排気用工場配管１６Ａと、高純度のパージガスを外部の気体源（不図示）からガス純化装置７１に補充するための給気用工場配管１６Ｂとが接続されている。
サブチャンバ２０〜ウエハステージ室６０の内部の気体を置換するためのパージガスの種類は露光波長にもよるが、例えば波長１５７ｎｍのＦ_２レーザを露光光ＩＬとする場合には、その波長での窒素ガスの透過率が高いため、パージガスとして安価な窒素ガスを使用することができる。ただし、投影光学系ＰＬの内部のパージガスについては、窒素や他の気体に比べて屈折率が低く、従って密度揺らぎや温度変化に対する光学的安定性の高いヘリウムを使用することが望ましい。具体的に、ヘリウムガスは熱伝導率がネオンの３倍程度、かつ窒素ガスの６倍程度と高く、温度安定性に優れていると共に、気圧の変化に対する屈折率の変動量がネオンの１／２程度、かつ窒素ガスの１／８程度と小さくなっている。
また、真空紫外光に対して良好な透過率を有する屈折部材（レンズ等）用の光学材料は、現状では蛍石（ＣａＦ_２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、及びフッ化リチウム（ＬｉＦ）等のフッ化物結晶に限られているが、フッ化物結晶は一般に熱膨張係数が大きく、露光光の吸収に伴う温度上昇によりレンズが膨張して、結像特性が悪化することが懸念される。これに関しても、パージガスとしてヘリウムを使用すれば、ヘリウムは熱伝導率が高く、レンズの冷却効果の点でも優れているため、レンズの膨張による結像特性の悪化を抑制することができる。
また、ウエハステージ室６０やレチクルステージ室４０の内部の露光光ＩＬの光路用のパージガスとしては、窒素を使用することも可能である。しかしながら、ウエハＷの位置を計測するためのレーザ干渉計６３の光路や、レチクルＲの位置を計測するためのレーザ干渉計４３の光路に関しては、計測精度を高く維持するために屈折率（光路長）の変動が少ないことが望ましい。このため、レーザ干渉計４３，６３の光路用のパージガス、即ちレチクルステージ室４０及びウエハステージ室６０の内部のパージガスとしても、屈折率が低く、密度揺らぎや温度変化に対する光路長変化の少ないヘリウムを使用することが望ましい。
なお、露光光ＩＬとして波長１２７ｎｍのアルゴンダイマーレーザ（Ａｒ_２レーザ）を使用する場合には、窒素も吸収性ガスとなってしまうため、パージガスとして使用できる気体は、ヘリウム等の希ガスに限定される。
次に、ガス純化装置７１を含む気体交換機構の動作につき、投影光学系ＰＬの内部の気体をパージガスで置換する場合を例に取って説明する。図１において、投影光学系ＰＬの内部から排気管１４Ｂを通して回収された気体は、質量分析計等からなる不純物濃度計７２に入り、その気体中の不純物ガスの濃度（残留濃度）が計測され、この計測情報が信号Ｓ１として主制御系１０に出力される。この場合、パージガス及び不純物ガスがそれぞれ本発明の第１及び第２の気体に対応し、不純物ガスは、上記の吸収性ガスのうち、露光光の光路内に残留する管理対象とされた気体である。なお、この不純物ガスが投影光学系ＰＬに残留することによって、投影光学系ＰＬを通過する露光光の透過率のみならず、不純物ガスの屈折率により投影光学系ＰＬの結像特性に影響を及ぼす。従って、他の気密室とは異なり、不純物ガスの濃度を計測することとしている。特に、本実施形態では、不純物ガスに含まれるパージガス以外の特定の低吸収性ガスの残留濃度を計測することとしている（詳細後述）。
その排気管１４Ｂ中の不純物濃度計７２を通過した気体は、ガス純化装置７１に回収される。ガス純化装置７１内には、塵等の微細な異物を除去するためのＨＥＰＡフィルタ（ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　ａｉｒ−ｆｉｌｔｅｒ）、及び化学的フィルタが設置されており、その回収された気体中の酸素、水蒸気、二酸化炭素、及び有機系の気体等の吸収性ガスはその化学的フィルタによって除去される。ガス純化装置７１では不純物ガスの内の吸収性ガスが除去され、このように吸収性ガスが除去された気体が給気管１４Ａを介して投影光学系ＰＬの内部に供給される。その際の不純物としての吸収性ガスの残留濃度は、例えばそれぞれ１ｐｐｍ以下に抑えられている。
なお、真空紫外光は、水蒸気によっても吸収されるため、ガス純化装置７１内に水蒸気を除去する除去装置を設けることが望ましい。
これらの場合、投影光学系ＰＬの内部や給気管１４Ａ、排気管１４Ｂは当然に気密構造である。しかしながら、特に投影光学系ＰＬのレチクル側やウエハ側の端部のレンズ保持構造については、投影光学系ＰＬの結像性能から要求される機械精度と、完全な気密構造との両立が困難である場合には、レンズ保持構造部分からパージガスが供給される空間（投影光学系ＰＬの鏡筒等）内に、外部の気体（空気）が微量ながら混入して来る。混入する気体（空気）の主成分は窒素、酸素、アルゴン等であるが、この内の酸素は、鉄やマグネシウム等の金属の粉末を主成分とするような簡易な吸着材を用いた純化器により、容易に吸収（除去）することができる。
一方、窒素や空気中に１％程度存在するアルゴンは、このような簡易な吸着材による除去は困難であり、混入した微量の窒素やアルゴン等の気体が、除去されることなく、パージガス中に蓄積される恐れがある。
他の気密室（サブチャンバ２０，３０、レチクルステージ室４０、ウエハステージ室６０）に対しても同様に、ガス純化装置７１を用いて吸収性ガスが除去されたパージガスによってその内部の気体が置換されている。この際に、複数の気密室毎に独立にパージガスを供給するために、給気管１１Ａ〜１５Ａ及び排気管１１Ｂ〜１５Ｂの電磁バルブの開閉が行われる。このように本例では、１台のガス純化装置７１を用いて各気密室に対して互いに独立にパージガスを供給しているが、全部の気密室に対して個別にガス純化装置７１と同様のガス純化装置を設けて、完全に独立にパージガスの供給を行ってもよい。それ以外に、例えばサブチャンバ２０，３０、及びレチクルステージ室４０は全体として一つの気密室とみなして共通のガス純化装置７１を用いるというように、複数の気密室に対して共通にパージガスの供給を行うようにしてもよい。例えば露光光ＩＬの光路を複数に分割し、分割された光路毎に異なる種類のパージガスを供給するような場合には、パージガスの種類毎にガス純化装置を設けるようにしてもよい。
また、上記のように、投影光学系ＰＬに関してはパージガス以外の特定の低吸収性ガスの残留濃度を計測対象としている。例えばパージガスとしてヘリウムを使用する場合、その他の低吸収性ガスであっても露光光を大きく吸収することは無いが、その屈折率がヘリウムに比べて大きいため、これらの残留濃度の上昇により投影光学系ＰＬ内の光路の屈折率が大きくなり、投影光学系ＰＬの結像性能が悪化してしまう恐れがある。また、これらの低吸収性ガスは化学的に反応しにくく、ガス純化装置７１中の上記の化学的フィルタで十分に除去することは難しい。
それでも敢えてこれらの低吸収性ガスを除去するためには、一例として図１のガス純化装置７１内に回収されて化学的フィルタを通過した気体を、スターリングエンジン等を用いた冷凍機やクライオポンプ等の冷却装置等の低吸収性ガス除去装置（不図示）に供給し、ここでその気体の全体を、これらの気体の沸点（アルゴンでは−１８５．９℃、窒素では−１９５．８℃）以下に冷却し、これらの気体（ヘリウム以外の全ての低吸収性ガス）を液化して除去し、こうして得られた高純度のパージガスを各気密室に供給すればよい。
このような低吸収性ガス除去装置は、大型で消費電力も大きく、且つ振動源となるため、露光装置の近くへの設置はあまり好ましくない。また、低吸収性ガスである窒素や希ガスは、露光光を殆ど吸収しないため、それがパージガスに混入していても透過率は高く維持されて、露光量低下等の問題は生じない。そこで本例では、そのような低吸収性ガス除去装置を使用することなく、安定な結像特性を得るために、例えばパージガスとしてヘリウムを使用する場合に、投影光学系ＰＬ内部の気体中に、窒素や希ガス（ヘリウム以外）よりなる所定の低吸収性ガスが混入しているときに、その濃度を計測して、その計測値に基づいて投影光学系５の状態を積極的に変化させて、結像特性の劣化（収差変動）を補正するものとする。
そのため、図１の質量分析計等からなる不純物濃度計７２は、排気管１４Ｂを通して供給される投影光学系ＰＬ内部の気体中で、上記の吸収性ガスの他に、パージガス以外の特定の低吸収性ガスの濃度（残留濃度）を計測し、その計測情報を信号Ｓ１として主制御系１０に出力する。パージガスがヘリウムであるときには、その濃度計測対象の低吸収性ガスは、窒素、及びヘリウム以外の希ガスとなる。その濃度の計測情報は、投影光学系ＰＬ内の気体中のそれぞれの低吸収性ガスの濃度を表しており、この濃度情報より、投影光学系ＰＬ内の気体の屈折率を算出することが可能となる。主制御系１０は、この算出された屈折率から投影光学系ＰＬの結像特性（ディストーション等）の変動量を予測し、この変動量を相殺するように結像特性コントローラ５７に制御情報Ｓ２を送り、これに応じて投影光学系ＰＬ内の所定の光学部材が駆動される。この結果、投影光学系ＰＬ中のパージガスに別の種類の低吸収性ガスが混入している場合でも、高価な低吸収性ガス除去装置を使用することなく、投影光学系ＰＬの結像特性を所望の状態に維持して、高精度に露光を継続することが可能となる。
なお、実際の使用条件で混入が予想される低吸収性ガスは、大気中での組成の大きな窒素とアルゴンとであるので、不純物濃度計７２による濃度計測対象を、低吸収性ガスについては、窒素とアルゴンとに限定するか、あるいは窒素のみに限定することもできる。
ここで、投影光学系ＰＬの結像特性調整機構の一例につき図２を参照して説明する。
図２は、投影光学系ＰＬの詳細な構成を示す断面図であり、この図２において、投影光学系ＰＬは、一例として円筒状の鏡筒５１内に４個のレンズホルダ５５ａ〜５５ｄを介してそれぞれ第１群のレンズＬ１１，Ｌ１２、第２群のレンズＬ２１，Ｌ２２、第３群のレンズＬ３１，Ｌ３２、及び第４群のレンズＬ４１，Ｌ４２を保持することによって構成されている。なお、このレンズ群の構成は一例であり、そのレンズ群の個数及び各レンズ群内のレンズの枚数等は任意である。鏡筒５１は気密構造であり、レチクルステージ室４０側（図２中上側）には、露光光束を透過し、且つ気密性を保つために、蛍石等のフッ化物結晶からなる透過窓５２が配置されている。また、ウエハステージ室６０側（図２中下側）にも、同様な構成の透過窓５３が配置されている。更に、図２では図示省略されているが、鏡筒５１には、図１の給気管１４Ａ及び排気管１４Ｂが接続されている。
図２において、第１のレンズホルダ５５ａは、例えば３個の保持機構５４ａ１，５４ａ２（３番目の保持機構は不図示、以下同様。）を介して鏡筒５１内に保持され、同様に第２〜第４のレンズホルダ５５ｂ，５５ｃ，及び５５ｄもそれぞれ３個の保持機構５４ｂ１，５４ｂ２、保持機構５４ｃ１，５４ｃ２、及び保持機構５４ｄ１，５４ｄ２を介して鏡筒５１内に保持されている。これらの保持機構５４ａ１〜５４ｄ２は、それぞれその内部にピエゾ素子や電動マイクロメータ等の微小可動部材を含み、これによって、レンズホルダ５５ａ〜５５ｄは、それぞれ投影光学系ＰＬの光軸方向の位置、及びその光軸に垂直な平面上の直交する２軸の回りでの傾斜角が所定の微少範囲内で調整可能とされている。なお、更に保持機構による駆動の自由度を増加させて、例えばレンズホルダ５５ａ〜５５ｄ内の所定のレンズホルダを光軸に垂直な平面内で直交する２方向に変位させるか、光軸の回りに回転させるようにしてもよい。保持機構５４ａ１〜５４ｄ２は、互いに独立に結像特性コントローラ５７によって駆動される。
そして、図１の主制御系１０からの制御情報Ｓ２に応じて、結像特性コントローラ５７によってレンズホルダ５５ａ〜５５ｄの位置及び傾斜角がその制御情報Ｓ２によって指定される状態に設定される。その制御情報Ｓ２は、図１の不純物濃度計７２によって計測される低吸収ガスの残留濃度による結像特性の変動量を相殺するように生成されているため、これによって、投影光学系ＰＬの結像特性（収差特性）が所望の状態に維持される。
なお、投影光学系ＰＬの結像状態の変動（収差の変動）は、光路中の気体の組成の変化のみによって生じるものではないので、その結像特性コントローラ５７による結像特性の制御は他の要因、例えば気圧の変動や投影光学系ＰＬが吸収した露光エネルギーの履歴等にも基づいて行なわれる。また、気体の組成、気圧変動、露光エネルギーの履歴に対して、どのレンズブロックをどの程度移動すれば良いかは、投影光学系ＰＬの設計データから求めることが可能である。また、その制御精度を高めるために、実際に投影光学系ＰＬを用いて気体の組成、気圧、露光エネルギーの履歴等を変動させつつ結像状態を評価して、その結果に基づいて制御パラメータを決定し、この制御パラメータをテーブルとして記憶しておいてもよい。
また、投影光学系ＰＬの結像特性を実質的に制御するためには、投影光学系ＰＬ中の光学素子を駆動する以外に、露光光の波長シフトを行ってもよく、更に、レチクルステージ４１（レチクルＲ）やウエハステージ６１（ウエハＷ）の位置（例えばＺ方向の位置）を制御してもよい。
なお、本例の投影光学系ＰＬは屈折系であるが、真空紫外域で少ない光学材料を用いて色収差を良好に補正するために、投影光学系ＰＬを、例えば国際公開（ＷＯ）００／３９６２３に開示されているように、１本の光軸に沿って複数の屈折レンズと、それぞれ光軸の近傍に開口を有する２つの凹面鏡とを配置して構成される直筒型の反射屈折系としてもよく、更に光軸がＶ字型に折れ曲がった反射屈折系等としてもよい。これらの構成では、結像特性を調整するために凹面鏡（反射部材）を移動可能としてもよい。
なお、上記のような収差補正には限界があり、パージガスがヘリウムである場合に、それ以外の窒素又はアルゴン等の濃度が或る程度以上、例えば１０００ｐｐｍ以上となると、もはや補正が困難となる。その際には、図１の不純物濃度計７２で窒素又はアルゴン等の濃度が所定濃度（例えば、上述した１０００ｐｐｍ）以上になった場合に、ガス純化装置７１で回収された気体を排気用工場配管１６Ａを通して外部に放出し、その代わりに新しい高純度のパージガスを、給気用工場配管１６Ｂを通してガス純化装置７１に補充すればよい。そして、補充された高純度のパージガスで投影光学系ＰＬの内部の気体を置換すればよい。これによって、結像特性を所望の状態に維持することができる。
なお、そのように配管１６Ｂを通してパージガスをガス純化装置７１に補充する代わりに、ガス純化装置７１にパージガスのボンベ（例えばヘリウムボンベ）を接続しておき、必要に応じてそのボンベからパージガスを補充するようにしてもよい。
以上の実施の形態では、投影光学系ＰＬを対象としてパージガス（特にヘリウム）でのガス置換、パージガス以外の低吸収性ガス（窒素や希ガス）の濃度測定、及びその測定情報に基づいた結像特性の補正方法につき説明した。これに関して、上述のように、ウエハステージ室６０やレチクルステージ室４０についても、例えばパージガスとしてのヘリウムでガス置換が行われている状態で、それ以外の低吸収性ガスが混入した場合には、レーザ干渉計６３，４３の光路の屈折率が変動し、干渉計の計測値に悪影響を与える。従って、上記の実施の形態と同様に、排気管１５Ｂ，１３Ｂからの戻りガス中のパージガス以外の低吸収性ガスの残留濃度を計測し、その値に基づいて干渉計の計測値を補正することが望ましい。これによって、ウエハステージ６１及びレチクルステージ４１の制御精度を向上させることができる。
次に、投影露光装置では、半導体ウエハ上に何層にも亘って回路パターンを重ね合わせて露光を行なう必要があるため、ウエハＷとレチクルＲのパターン像とを正確に重ね合わせる必要がある。そのために、ウエハＷ及びレチクルＲ上に形成された位置合わせ用のアライメントマークをそれぞれ検出するアライメントセンサが必要となる。そこで、図１ではレチクルステージ４１の上方にレチクルＲのアライメントマーク（レチクルマーク）を検出するためのレチクルアライメント顕微鏡８６が配置され、投影光学系ＰＬの下部側面にもウエハＷ上のアライメントマークを検出するためのアライメントセンサ（不図示）が配置されている。これらのアライメントセンサは、従来の露光装置にも搭載されているものであり、本例に独自のものではないが、本例の投影露光装置のように露光光源が真空紫外域である場合には、アライメントセンサにもそれに応じた構成が採用されている。
以下、本例のマーク検出系としてのレチクルアライメント顕微鏡（以下、「ＲＡ顕微鏡」と言う。）８６の構成につき図３を参照して説明する。
図３は、本例のＲＡ顕微鏡８６の構成を示す要部の拡大図であり、この図３において、レチクルステージ系が収納されたレチクルステージ室４０内で、レチクルステージ４１の上方にＲＡ顕微鏡８６が配置されている。上述のように、ＲＡ顕微鏡８６はアライメント光として露光光ＩＬと同じ波長域の光を使用するため、図１において、ビームマッチングユニット２中で露光光ＩＬの光路から分岐されたアライメント用の照明光ＩＬ１は、細長い気密室８０内に配置されたアライメント送光系８を介して、ＲＡ顕微鏡８６に導かれている。
なお、その細長い気密室８０として、内面にアルミニウム等の金属膜が反射膜として被着された中空パイプを使用することもできる。このパイプの材質はガラス等で良く、内面の金属膜（反射膜）はＭＯＣＶＤ（有機金属ＣＶＤ）等の製法で形成することができる。そして、このような中空パイプの光路についても、Ｆ_２レーザの光を透過するためには、パージガスによる置換が必要であるが、例えばその中空パイプの一方の端部（例えばＲＡ顕微鏡８６側）を他端（ビームマッチングユニット２側）より陽圧として、この気圧差によって気体をフローさせて、内部をパージガスで置換することができる。
図３において、レチクルステージ室４０内のＲＡ顕微鏡８６に導かれた照明光ＩＬ１は、ミラー８７、リレーレンズ８８を経て、分岐用のビームスプリッタ８９に至り、ビームスプリッタ８９で反射された照明光ＩＬ１は、対物レンズ９０、及び落射照明用のミラー９１を介してレチクルＲのパターン面（下面）のアライメントマーク（レチクルマーク）ＲＭを照明する。そして、レチクルマークＲＭの周囲を透過した照明光ＩＬ１は、投影光学系ＰＬを通過して図１のウエハステージ６１上のウエハＷの近くに設けられた基準マーク（不図示）を照明する。その基準マークからの反射光は、投影光学系ＰＬを介して再びレチクルＲに戻される。
図３において、レチクルマークＲＭで反射された照明光ＩＬ１、及びウエハステージ側の基準マークで反射されてレチクルＲ側に戻された照明光ＩＬ１は、ミラー９１及び対物レンズ９０を経てビームスプリッタ８９に至り、ビームスプリッタ８９を透過した照明光ＩＬ１は、フィールドレンズ９２を介して撮像装置９５中のＣＣＤ等の２次元の撮像素子９４（光電検出器）上に、レチクルマークＲＭ及びウエハステージ側の基準マークの像を形成する。この際に、照明光ＩＬ１が露光波長であるため、特に補正用の光学系を設けることなく、投影光学系ＰＬを介したその基準マークの像がレチクルマークＲＭの像と共に撮像素子９４上に形成される。撮像装置９５の撮像素子９４の入射面側には、カバーガラス９３が配置されている。撮像素子９４からの電気信号は、レチクルステージ室４０（この内部の気体はパージガスで置換されている）の外部に設置された駆動回路９６に供給され、そこで増幅されて画像信号Ｓ３となって図１の主制御系１０に供給される。この場合、撮像素子９４と駆動回路９６との間の電気信号用ケーブルは、レチクルステージ室４０の隔壁部に設けられた、例えば真空装置用の電流導入器型のコネクタ（ＭＳコネクタ）介して接続されている。これによって、レチクルステージ室４０内の気密性を維持した状態で、撮像素子９４の電気信号を駆動回路９６に供給することができる。
図１の主制御系１０は、その画像信号Ｓ３を処理することによって、レチクルマークＲＭと対応する基準マークとのＸ方向、Ｙ方向の位置ずれ量を求める。同様にして、レチクルＲ上の別のレチクルマークと対応する基準マークとの位置ずれ量も検出され、これらの位置ずれ量に基づいて、ウエハステージ系６の座標系に対するレチクルＲの位置関係が算出され、これによってレチクルアライメントが行われる。
なお、本例のように、駆動回路９６をレチクルステージ室４０の外部に設置するのは、駆動回路９６に含まれる各種電気部品から放出される有機系ガス（脱ガス）による露光光の透過率の低下を防止するためである。従って、駆動回路９６に脱ガスを極力低減した部品を使用する場合には、駆動回路９６もレチクルステージ室４０内に配置することも可能である。この場合には、駆動回路９６からの画像信号Ｓ３を伝える配線を、電流導入器型のコネクタ（ＭＳコネクタ）を介して連結することになる。
更に、この場合には、駆動回路９６中の電気部品からの微量な脱ガスや放熱への対策として、駆動回路９６の近傍の気体を強制排気する手段を設けることが好ましい。この排気系は、例えばレチクルステージ室４０の排気管１３Ｂから分岐した管の端を、駆動回路９６の近傍に配置することで実現できる。別の方法として、レチクルステージ室４０の隔壁中で排気管１３Ｂに通じる排気口４０ａを、その駆動回路９６の近傍に配置してもよい。また、駆動回路９６をレチクルステージ室４０の外部に設置する場合でも、撮像装置９５（撮像素子９４）からの脱ガスが発生する恐れが有るため、排気管１３Ｂに通じる排気口４０ａを撮像装置９５の近傍に配置するようにしてもよい。
また、本例のＲＡ顕微鏡８６は、レチクルステージ室４０内に配置される構成であるが、ＲＡ顕微鏡８６は、アライメント送光系８と同様に気密室内に配置される構成であってもよい。すなわち、ＲＡ顕微鏡８６が備える、ミラー８７、リレーレンズ８８、ビームスプリッタ８９、対物レンズ９０、落射照明用のミラー９１、フィールドレンズ９２及び撮像装置９５を気密室内に配置してもよい。
また、上記のアライメント送光系８、及びＲＡ顕微鏡８６内の光学系（レチクルアライメント光学系）は、真空紫外域の露光光ＩＬと同じ波長の照明光を使用する光学系であるため、それらを構成するレンズ等の屈折部材の光学材料には、全て真空紫外光を透過する蛍石等のフッ化物結晶を使用している。そのフッ化物結晶としては、蛍石の他に、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、フッ化ストロンチウム、リチウム−カルシウム−アルミニウム−フロライド、及びリチウム−ストロンチウム−アルミニウム−フロライドなどの結晶や、ジルコニウム−バリウム−ランタン−アルミニウムからなるフッ化ガラスや、フッ素をドープした石英ガラス、フッ素に加えて水素もドープされた石英ガラス、ＯＨ基を含有させた石英ガラス、及びフッ素に加えてＯＨ基を含有した石英ガラスなどの改良石英を用いてもよい。
そして、撮像素子９４の撮像面を保護するためのカバーガラス９３のような薄い部材については、例えばフッ素を添加して真空紫外光での透過率を向上させた、いわゆるフッ素ドープ石英を使用することも可能である。
また、露光光の波長が２００ｎｍに近い場合には、レンズ等の屈折部材の光学材料としてもフッ素ドープ石英を使用することができる。
なお、上記の実施の形態では、アライメント光として、ビームマッチングユニット２内で分岐した露光光ＩＬの一部を使用しているが、アライメント光を射出する専用の光源を別途設ける構成であってもよい。
また、上記の実施の形態における投影光学系ＰＬの倍率は縮小（例えば１／４，１／５等）のみならず等倍及び拡大のいずれでもよい。また、露光ビームとしてＸ線を用いることも可能であり、この場合には投影光学系として反射系の光学系（レチクルも反射型タイプのものを用いる）を用いればいい。
そして、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると共に、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより本実施の形態の投影露光装置を製造することができる。なお、投影露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
次に、上記の実施の形態の投影露光装置を使用した半導体デバイスの製造工程の一例につき図４を参照して説明する。
図４は、半導体デバイスの製造工程の一例を示し、この図４において、まずシリコン半導体等からウエハＷが製造される。その後、ウエハＷ上にフォトレジストを塗布し（ステップＳ１０）、このウエハＷを図１の投影露光装置のウエハステージ上にロードする。次のステップＳ１２において、図１のレチクルステージ上にレチクルＲ１をロードして、このレチクルＲ１を照明領域の下方に移動して、レチクルＲ１のパターンをウエハＷ上の全部のショット領域ＳＥに走査露光する。なお、ウエハＷは例えば直径３００ｍｍのウエハ（１２インチウエハ）であり、ショット領域ＳＥの大きさは一例として非走査方向の幅が２５ｍｍで走査方向の幅が３３ｍｍの矩形領域である。次に、ステップＳ１４において、現像及びエッチングやイオン注入等を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域ＳＥに所定のパターンが形成される。次に、ステップＳ１６において、ウエハＷ上にフォトレジストを塗布し、その後ステップＳ１８において、図１のレチクルステージ上に別のレチクルＲ２をロードし、このレチクルＲ２を照明領域の下方に移動して、レチクルＲ２のパターンをウエハＷ上の各ショット領域ＳＥに走査露光する。そして、ステップＳ２０において、ウエハＷの現像及びエッチングやイオン注入等を行うことにより、ウエハＷの各ショット領域に所定のパターンが形成される。以上の露光工程〜パターン形成工程（ステップＳ１６〜ステップＳ２０）は所望の半導体デバイスを製造するのに必要な回数だけ繰り返される。そして、ウエハＷ上の各チップＣＰを１つ１つ切り離すダイシング工程（ステップＳ２２）や、ボンディング工程、及びパッケージング工程等（ステップＳ２４）を経ることによって、製品としての半導体デバイスＳＰが製造される。
なお、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
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。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２０００年１２月１５日付け提出の日本国特願２０００−３８２７０８の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
産業上の利用の可能性
本発明において、マーク検出系の屈折部材を露光ビームを透過する光学材料より形成した場合には、真空紫外域のような短波長の露光光と同程度の波長域のアライメント光を用いる場合に適したアライメント系を実現できる。
また、光電検出器に近接して、吸気口を設ける場合には、真空紫外域のような短波長の露光ビームと同程度の波長域のアライメント光を用いて、その光路上にパージガスを供給する場合に、その光路に対して悪影響を与えることなく、マスク又は基板用のアライメント系を設置できる。
また、本発明において、露光ビームの光路に第１の気体（パージガス）を供給し、その光路における第２の気体の残留濃度に応じて結像特性を調整する場合には、露光ビームの光路上にパージガス以外の気体が残留していても、又はそのパージガス以外の気体の残留濃度が変動しても、常に安定した結像特性が得られる。従って、そのパージガスに対するそれ以外の気体の混入量の規格を大幅に緩和することが可能となり、安定な露光装置の実現が可能となる。
また、本発明において、露光ビームの光路の第１の気体（パージガス）以外の、露光ビームを透過する第２の気体の残留濃度が許容レベルを超えたときに、その光路の気体をそのパージガスで再置換する場合にも、所望の結像特性を得ることができる。これらの発明によれば、例えば窒素やアルゴン等の低吸収性ガスを高価で、大消費電力で、且つ振動源となる冷却装置を用いて液化して除去する方式と比べて、露光装置が小型化でき、露光装置を収納するクリーンルームの必要面積を低減でき、更に露光装置の製造コストも運転コストも低減できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態の一例の投影露光装置を示す一部を切り欠いた構成図である。図２は、図１中の投影光学系ＰＬの構成を示す断面図である。図３は、図１中のレチクルアライメント顕微鏡８６の構成を示す一部を切り欠いた拡大図である。図４は、本発明の実施の形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合の製造工程の一例を示す図である。Technical field
The present invention is used for transferring a mask pattern onto a photosensitive substrate in a photolithography process for manufacturing various devices such as a semiconductor device, an imaging device (CCD), a liquid crystal display device, or a thin film magnetic head. An exposure method and apparatus.
Background art
2. Description of the Related Art In a photolithography process for forming a fine pattern of an electronic device such as a semiconductor integrated circuit or a liquid crystal display, a reticle (or a photomask or the like) serving as a mask in which a pattern to be formed is drawn in proportion to about 4 to 5 times and drawn. Is transferred onto a wafer (or a glass plate or the like) as a substrate to be exposed using a projection exposure apparatus of a batch exposure type or a scanning exposure type.
In a projection exposure apparatus used for transferring the fine pattern, the exposure wavelength has shifted to a shorter wavelength side in order to cope with miniaturization of a semiconductor integrated circuit. At present, the exposure wavelength is mainly 248 nm of KrF excimer laser, but 193 nm of ArF excimer laser which can be regarded as a shorter wavelength substantially in the vacuum ultraviolet region (VUV) is also in the practical use stage. Entering. And, a shorter wavelength of 157 nm F ₂ Laser or Ar with a wavelength of 126 nm ₂ A projection exposure apparatus using an exposure light source in a vacuum ultraviolet region such as a laser has also been proposed.
As described above, in recent projection exposure apparatuses, light in a vacuum ultraviolet region having a wavelength of about 200 nm or less has been used as exposure light. However, there are few types of high-transmittance optical materials that can be used as the illumination light system of the projection exposure apparatus, the refraction member (such as a lens) of the projection optical system, and the substrate of the reticle. Possible optical materials are limited to fluoride crystals such as fluorite, magnesium fluoride, and lithium fluoride. Further, since vacuum ultraviolet light is extremely absorbed by gases such as oxygen, water vapor, and hydrocarbon gas (hereinafter, referred to as “absorptive gas”), in a projection exposure apparatus using vacuum ultraviolet light, exposure light passes. In order to eliminate the absorptive gas from the optical path, it is necessary to replace the gas in the optical path with a gas such as nitrogen or a rare gas that absorbs relatively little of the exposure light (hereinafter, referred to as “low-absorbent gas”). There is. The gas used to actually replace the gas on the optical path among the low-absorbing gases is called “purge gas”.
Regarding the allowable residual concentration of the absorptive gas, for example, for oxygen, it is necessary to keep the average concentration of the exposure light in the optical path below an allowable level on the order of ppm. If the residual concentration of the absorptive gas exceeds the allowable level as described above, the exposure energy on the wafer as the substrate to be exposed will be significantly reduced. Further, depending on the type of the absorbing gas, the refractive index thereof is significantly different from the refractive index of the purge gas. Therefore, if an absorbing gas different from the type of the purge gas remains on the optical path, the refractive index on the optical path fluctuates depending on the residual concentration, whereby the imaging characteristics of the projection optical system fluctuate greatly, There is also a possibility that the transferred image is deteriorated. Further, this difference in refractive index occurs not only between the absorbing gas and the low-absorbing gas, but also between two low-absorbing gases (eg, helium and nitrogen). Therefore, it is desirable that the residual concentration of the gas other than the purge gas that replaces the optical path of the exposure light be kept as low as possible even if it is a low absorption gas.
The residual gas having a different refractive index from the purge gas not only changes the refractive index of the optical path of the exposure light, but also changes the wavelength of a measurement beam for a laser interferometer for position measurement of a reticle stage or a wafer stage. Therefore, the position measurement accuracy of the reticle or wafer is adversely affected.
Further, since the projection exposure apparatus is required to have an alignment accuracy of about 1/4 of the resolution, an alignment mechanism for aligning the reticle and the wafer with high accuracy is provided. In particular, when a light beam having an exposure wavelength is used for alignment (position detection) of the reticle, the optical system of the alignment sensor for detecting the position of the reticle has a high transmittance for the light beam having the exposure wavelength. There is a need.
Further, when the exposure wavelength is in the vacuum ultraviolet region of about 200 nm or less, absorption by a trace amount of organic or silane-based impurities, deposition of a cloudy substance caused by a photochemical reaction between the exposure light and the impurities, and reduction of the lens transmittance. The decline is a serious problem. Therefore, a member that generates impurities, for example, a plastic substrate used for an electric circuit for processing an output signal of a photoelectric detector (such as an image sensor) provided on a detection surface of an alignment optical system is exposed to light by exposure light. It is necessary to avoid arranging in a space including the optical path. Therefore, the photoelectric detector conventionally arranged in the space including the optical path of the exposure light should also be installed in the atmosphere outside the space, but there is a problem that the vacuum ultraviolet light does not pass through the normal atmosphere. .
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and even if a gas other than the purge gas remains on the optical path of the exposure light, or even if the residual concentration of the gas other than the purge gas fluctuates, it is possible to obtain a stable exposure characteristic. A primary purpose is to provide technology.
A second object of the present invention is to provide an exposure technique that can use an alignment system suitable for using illumination light having a wavelength range similar to that of short-wavelength exposure light such as vacuum ultraviolet light. .
In addition, the present invention is to use an illumination light having a wavelength range similar to that of a short wavelength exposure light such as a vacuum ultraviolet region, and to supply a purge gas onto the optical path, thereby adversely affecting the optical path. Another object of the present invention is to provide an exposure technique in which an alignment system for a reticle or a wafer can be installed.
Disclosure of the invention
A first exposure apparatus according to the present invention is an exposure apparatus that exposes a second object (W) via a first object (R) with an exposure beam having a wavelength of 200 nm or less. An alignment optical system (90, 92) for collecting alignment light having substantially the same wavelength as the exposure beam that has passed through the mark (RM), and a photoelectric detector for detecting the alignment light collected by the alignment optical system A mark detection system having a detector (94) is provided, and the refraction members in the alignment optical system are all formed of an optical material that transmits the exposure beam.
According to the present invention, the transmittance of the alignment optical system of the mark detection system using the alignment light (illumination light) substantially equal to the exposure light in the vacuum ultraviolet region is increased, and the illumination efficiency is increased. Alignment can be performed.
In this case, an example of the optical material that transmits the exposure beam is fluorite or quartz doped with fluorine.
Further, it is desirable to replace the gas on at least a part of the optical path of the alignment light and the gas inside the partition (40) in which the photoelectric detector is housed with a gas that transmits the exposure beam. Thus, the SN ratio of the detection signal of the photoelectric detector can be increased.
Further, it is desirable to provide an intake port (40a) for inhaling gas inside the partition in a region of the partition adjacent to the photoelectric detector (94). As a result, degassed (absorptive gas) from the photoelectric detector is exhausted from the intake port, and therefore does not adversely affect the optical path of the exposure beam such as a decrease in transmittance.
Further, a part of the alignment optical system may include a hollow member (80) provided with a reflection member for reflecting the alignment light on an inner wall thereof. Thereby, the alignment light can be transmitted efficiently.
The alignment optical system further includes a light transmission optical system (8) for irradiating alignment light having substantially the same wavelength as the exposure beam to the mark on the first object or the mark on the second object. The optical optical system may include a hollow member (80) having an inner wall provided with a reflecting member for reflecting the alignment light. For example, when a beam branched from an exposure beam is guided as alignment light by the light transmission optical system, it is not necessary to separately provide a light source for alignment light.
Next, a first exposure method according to the present invention is an exposure method for exposing a second object (W) via a first object (R) and a projection optical system (PL) with an exposure beam. Replacing the gas in at least a part of the optical path with a first gas that transmits the exposure beam, and measuring the concentration of a second gas different from the first gas remaining in the at least a part of the optical path, The imaging characteristic of the projection optical system is adjusted according to the residual concentration of the second gas.
In the present invention, if the second gas remains in the optical path of the exposure beam, the refractive index of the optical path fluctuates according to the residual concentration, and the image forming characteristic of the projection optical system (for example, Aberrations such as distortion) fluctuate. Therefore, as an example, by adjusting the imaging characteristics of the projection optical system so as to offset the fluctuation amount of the imaging characteristics, the imaging characteristics can be stably maintained in a desired state.
In particular, when the exposure beam is vacuum ultraviolet light having a wavelength of about 200 nm or less, the type of the first gas (low-absorbing gas) that transmits the exposure beam is limited, and the first gas is placed on the optical path. Even if a certain amount of gas other than the gas is mixed, stable imaging characteristics can be obtained by the present invention.
In this case, when the residual concentration of the second gas exceeds a predetermined level, it is desirable to replace the gas in at least a part of the optical path with the first gas. As a result, the fluctuation amount of the imaging characteristic does not become too large, and the imaging characteristic can always be maintained in a desired state.
Further, the second gas may be a gas that transmits the exposure beam. Even if the second gas is a low-absorptive gas that transmits the exposure beam similarly to the first gas, the refractive index on the optical path is determined by the refractive index difference between the first and second gases. Fluctuates, the present invention is effective.
In these cases, assuming that the first gas is nitrogen, as an example, the second gas is at least one gas selected from the group consisting of oxygen, carbon dioxide, water vapor, neon, and helium.
On the other hand, if the first gas is helium, as an example, the second gas is at least one gas selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, carbon dioxide, water vapor, neon, argon, and krypton. is there.
Next, a second exposure method according to the present invention is directed to an exposure method for exposing a second object (W) via an exposure beam through a first object (R) and a projection optical system (PL). Is replaced with a first gas that transmits the exposure beam, and a second gas that remains in at least a portion of the optical path and transmits the exposure beam and is different from the first gas. Is measured, and when the residual concentration of the second gas exceeds a predetermined level, the gas in at least a part of the optical path is replaced with the first gas.
According to the present invention, when the residual concentration on the optical path of the exposure beam of the second gas, which is composed of the low-absorbing gas but is different from the first gas, increases the gas on the optical path. Since the replacement is performed with the first gas, the change in the refractive index of the optical path does not become too large, and the imaging characteristic can be easily maintained in a desired state.
In this case, assuming that the first gas is nitrogen, as an example, the second gas is at least one of neon and helium.
On the other hand, if the first gas is helium, as an example, the second gas is at least one gas selected from the group consisting of nitrogen, neon, argon, and krypton.
Next, a second exposure apparatus of the present invention is an exposure apparatus that exposes a second object (W) via an exposure beam through a first object (R) and a projection optical system (PL). An imaging characteristic adjustment device (54a1, 54a2, 57) for adjusting the imaging characteristic, and a first gas that transmits the exposure beam through the gas in at least a part of the optical path of the exposure beam to the second object. A gas supply mechanism (71) that replaces the first gas, a gas sensor (72) that measures the concentration of a second gas that is different from the first gas remaining in at least a part of the optical path, and a measurement value of the gas sensor. A control system (10) for adjusting the imaging characteristics of the projection optical system via the imaging characteristic adjustment device based on the control information.
Further, a third exposure apparatus of the present invention is an exposure apparatus that exposes a second object (W) via a first object (R) and a projection optical system (PL) with an exposure beam. A gas supply mechanism (71) for replacing a gas in at least a part of an optical path of the optical path to two objects with a first gas that transmits the exposure beam, and a gas supply mechanism (71) that remains in at least a part of the optical path and transmits the exposure beam. A gas sensor (72) that measures the concentration of a second gas that is transmitted and is different from the first gas, and controls a gas supply mechanism, and based on a measurement value of the gas sensor, at least a part of an optical path of the gas path; A control mechanism (10) for replacing the gas with the first gas.
With these exposure apparatuses, the exposure method of the present invention can be performed.
Next, the device manufacturing method of the present invention includes a step of transferring the device pattern (R) onto the workpiece (W) by using any of the exposure methods of the present invention. According to the present invention, since a stable imaging characteristic is obtained, various devices can be mass-produced with high accuracy.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an example of a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the present invention is applied to a projection exposure apparatus using vacuum ultraviolet light (VUV light) as an exposure beam.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a projection exposure apparatus of this example. In FIG. 1, for example, an exposure light source 1 and an exposure main body are installed in a clean room on a floor F1 on a certain floor of a semiconductor device manufacturing factory. Attached facilities such as a gas purifier 71 are installed in the machine room on the floor F2 below the floor. As the exposure light source 1, an F of an oscillation wavelength of 157 nm of a vacuum ultraviolet castle is used. ₂ A laser (fluorine laser) is used. In addition, Kr having an oscillation wavelength of 146 nm is used as an exposure light source. ₂ Laser (krypton dimer laser), Ar having an oscillation wavelength of 126 nm ₂ The present invention is also applicable to the case where a substantially vacuum ultraviolet light source such as a laser (argon dimer laser), an ArF excimer laser having an oscillation wavelength of 193 nm, a harmonic generator of a YAG laser, or a harmonic generator of a semiconductor laser is used. It is valid. Further, the present invention is applied to a case where a light source such as a KrF excimer laser (wavelength: 248 nm) or a mercury lamp (i-line, g-line, etc.) is used as an exposure light source, particularly when it is desired to increase the utilization efficiency of the exposure light. it can.
Exposure light IL as an exposure beam emitted from the exposure light source 1 passes through a beam matching unit (BMU) 2 including a relay lens 21, a mirror 22 for bending an optical path, and relay lenses 23 and 24, and an illumination optical system 3. Incident on. The exposure light IL incident on the illumination optical system 3 is transmitted to a fly-eye lens 31 as an optical integrator (a rod-type optical integrator can be used instead) and an illumination system disposed on the exit surface side thereof. An aperture stop (σ stop) 32, a first relay lens group 33, a mirror 34, and a second relay lens group 35 reach a field stop 36. Then, the exposure light IL that has passed through the field stop 36 illuminates the pattern area of the reticle R as a mask via the first condenser lens group 37, the mirror 38 for bending the optical path, and the second condenser lens group 39.
The beam matching unit 2 and the illumination optical system 3 of the present example are housed in sub-chambers 20 and 30 as partition walls (airtight chambers) with high airtightness, respectively. In this case, the boundary between the two sub-chambers 20 and 30 may be in communication with each other. For example, a parallel plate glass is installed at the boundary, or an optical member such as a relay lens 24 is used instead of the parallel plate glass. The two sub-chambers 20 and 30 may be isolated from each other by installing a sub-chamber. This is the same for the following hermetic chambers. The airtight chamber may have some gap as long as the outside air does not enter the sub-chambers 20 and 30.
In FIG. 1, a light beam transmitted through a reticle R forms an image of a pattern of the reticle R on a wafer W as a substrate to be exposed via a projection optical system PL. The reticle R and the wafer W correspond to the first object and the second object of the present invention, and the wafer (wafer) W is a disk-shaped substrate such as a semiconductor (silicon or the like) or an SOI (silicon on insulator). . Further, the inside of the projection optical system PL is an airtight chamber isolated from the outside air. Hereinafter, a description will be given by taking the Z axis parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL, the X axis parallel to the plane of FIG. 1 in a plane perpendicular to the Z axis, and the Y axis perpendicular to the plane of FIG. I do.
First, the reticle R is held on a reticle stage 41 movably mounted on a reticle base 42 in the X and Y directions, and the two-dimensional position of the reticle stage 41 is determined by the laser interferometer 43 and the laser interferometer 43. The reticle stage control system (not shown) measures the reticle based on the measured values and the control information from the main control system 10 on the floor F2 that controls the overall operation of the apparatus. The position and speed of the stage 41 are controlled. A reticle stage system 4 includes a reticle base 42, a reticle stage 41, a driving mechanism (not shown), and the like. The reticle stage system 4 is housed in a reticle stage chamber 40 as a highly airtight partition (airtight chamber). Have been.
On the other hand, the wafer W is held on a wafer stage (Z-leveling stage) 61 via a wafer holder (not shown), and the wafer stage 61 is mounted on a wafer base 62 movably in the X and Y directions. The two-dimensional position of the wafer stage 61 is measured by the laser interferometer 63 and a movable mirror arranged corresponding to the laser interferometer 63, and the wafer stage control is performed based on the measured values and the control information from the main control system 10. A system (not shown) controls the position and speed of the wafer stage 61 in the X and Y directions. Further, the wafer stage 61 is based on information on focus positions (positions in the optical axis AX direction) at a plurality of measurement points on the surface of the wafer W from an auto focus sensor (not shown) (an oblique incidence type optical sensor). Then, the focus position of the wafer W and the tilt angles around the X axis and the Y axis are controlled by the servo method so that the surface of the wafer W is focused on the image plane of the projection optical system PL during the exposure. A wafer stage system 6 is composed of a wafer base 62, a wafer stage 61, a driving mechanism (not shown), and the like. The wafer stage system 6 is housed in a wafer stage chamber 60 as a highly airtight partition (airtight chamber). Have been.
At the time of exposure, in a state where the image of the pattern of the reticle R is projected onto one shot area on the wafer W via the projection optical system PL, the reticle R and the wafer W are projected in the Y direction using the speed ratio of the projection optical system PL as a speed ratio. And the operation of step-moving the wafer W are repeated in a step-and-scan manner. As described above, the projection exposure apparatus according to the present embodiment employs the scanning exposure method, but it goes without saying that the present invention is also effective for a batch exposure type projection exposure apparatus such as a stepper.
In order to align the reticle R with the wafer W during the exposure, an imaging type reticle alignment microscope 86 as an alignment system for the reticle R is disposed above the reticle stage 41 in the reticle stage chamber 40. Have been. The reticle alignment microscope 86 of this example uses light having the same wavelength as the exposure light IL as the alignment light. Therefore, the illumination light IL1 for alignment branched from the optical path of the exposure light IL by the half mirror 81 disposed between the relay lens 23 and the relay lens 24 in the beam matching unit 2 is transmitted to the sub-chamber 20 and the reticle stage. The reticle is guided to a reticle alignment microscope 86 via an alignment light transmitting system 8 disposed in an elongated airtight chamber 80 provided between the reticle alignment microscope 80 and the chamber 40. The alignment light transmission system 8 includes a lens 82, mirrors 83 and 84 for bending the optical path, and a lens 85 arranged from the beam matching unit 2 side.
In this regard, when the exposure wavelength is a long wavelength exceeding 200 nm, it is also possible to guide light branched from the exposure light to the alignment system via a flexible optical fiber bundle. However, when the exposure light IL in the vacuum ultraviolet region is used as in this example, an inexpensive optical fiber that can transmit the illumination light in that wavelength region with a small loss of light amount is difficult to obtain at present. In the example, the illumination light is transmitted via an alignment light transmission system 8 including a refraction member and a reflection member.
Further, the projection optical system PL of the present embodiment incorporates an imaging characteristic adjustment mechanism (described later in detail) for adjusting (controlling) the imaging characteristics such as distortion and astigmatism within a predetermined range. The main control system 10 sends the control information S2 to the imaging characteristic controller 57 and adjusts the imaging characteristic so that the imaging characteristic of the projection optical system PL falls within a predetermined target range.
When the vacuum ultraviolet light is used as the exposure light IL as in this example, oxygen, water vapor, carbon dioxide (CO 2) ₂ And the like, and "absorptive gas" which is a gas having a strong absorptivity to the exposure light IL such as a hydrocarbon (organic) gas. On the other hand, the gas that transmits the exposure beam, that is, in this example, the “low-absorbing gas” that has little absorption for the exposure light IL in the vacuum ultraviolet region includes nitrogen and rare gas (helium, neon, argon, krypton, xenon, radon). , As well as mixtures thereof. The projection exposure apparatus of the present embodiment uses the “purge gas” selected from the low-absorbing gases based on, for example, the required stability of the imaging characteristics and the operating cost, and uses the exposure light source 1 There is provided a gas exchange mechanism (gas supply mechanism) for replacing the gas on the entire optical path of the exposure light IL from the wafer to the wafer W as the substrate to be exposed.
In FIG. 1, the optical path of the exposure light IL from the exposure light source 1 to the wafer W includes a first sub-chamber 20, a second sub-chamber 30, a reticle stage chamber 40, a projection optical system PL, and a wafer as airtight chambers. It is divided into an optical path inside the stage chamber 60. The gas exchange mechanism of this example includes a gas purifying device 71 installed on a floor F2, a plurality of sub-chambers 20, sub-chambers 30, a reticle stage room 40 as a plurality of hermetic chambers, and a projection optical system PL from the gas purifying device 71. , And air supply pipes 11A to 15A with an electromagnetic valve for supplying a purge gas to the wafer stage chamber 60, and exhaust pipes 11B to 15B with an electromagnetic valve for collecting the gas in the hermetic chamber. And an impurity concentration meter 72 (gas sensor) for measuring the residual concentration of a predetermined impurity gas other than the purge gas in the gas collected and collected in the exhaust pipes 11B to 15B. In FIG. 1, only the air supply pipe 14A and the exhaust pipe 14B for the projection optical system PL are connected to the gas purifying device 71 to make the drawing easy to see, but the other air supply pipes 11A to 13A, 15A, Similarly, the exhaust pipes 11B to 13B and 15B are also connected to the gas purification device 71, respectively. Further, an impurity concentration meter similar to the impurity concentration meter 72 is provided in each of the exhaust pipes 11B to 13B and 15B.
Further, the gas purifying apparatus 71 of the present example includes an exhaust factory pipe 16A for releasing a gas having an increased impurity concentration from the collected gas to the outside as needed, and a high-purity purge gas supplied to an external gas source ( (Not shown) is connected to an air supply factory pipe 16B for refilling the gas purification device 71.
The type of purge gas for substituting the gas inside the subchamber 20 to the wafer stage chamber 60 depends on the exposure wavelength. ₂ In the case where the laser is used as the exposure light IL, an inexpensive nitrogen gas can be used as the purge gas because the transmittance of the nitrogen gas at that wavelength is high. However, as for the purge gas inside the projection optical system PL, it is desirable to use helium, which has a lower refractive index than nitrogen and other gases, and thus has high optical stability against density fluctuations and temperature changes. Specifically, helium gas has a thermal conductivity that is about three times that of neon and about six times that of nitrogen gas, has excellent temperature stability, and has a refractive index variation with respect to a change in atmospheric pressure that is 1 / one of that of neon. About 2 and about 1/8 of the nitrogen gas.
Further, at present, an optical material for a refraction member (a lens or the like) having a good transmittance for vacuum ultraviolet light is fluorite (CaF ₂ ), Magnesium fluoride (MgF ₂ ) And fluoride crystals such as lithium fluoride (LiF), but fluoride crystals generally have a large coefficient of thermal expansion, and the lens expands due to a rise in temperature due to the absorption of exposure light, resulting in imaging characteristics. It is feared that will worsen. Also in this regard, if helium is used as the purge gas, helium has a high thermal conductivity and is also excellent in the lens cooling effect, so that deterioration of the imaging characteristics due to lens expansion can be suppressed.
Further, nitrogen can be used as a purge gas for the optical path of the exposure light IL inside the wafer stage chamber 60 or the reticle stage chamber 40. However, regarding the optical path of the laser interferometer 63 for measuring the position of the wafer W and the optical path of the laser interferometer 43 for measuring the position of the reticle R, the refractive index (optical path length) is required to maintain high measurement accuracy. ) Is preferably small. Therefore, helium having a low refractive index and a small optical path length change with respect to density fluctuation and temperature change is also used as a purge gas for the optical path of the laser interferometers 43 and 63, that is, a purge gas inside the reticle stage chamber 40 and the wafer stage chamber 60. It is desirable to use.
Note that an argon dimer laser (Ar ₂ In the case of using (laser), nitrogen also becomes an absorbing gas, so that a gas that can be used as a purge gas is limited to a rare gas such as helium.
Next, the operation of the gas exchange mechanism including the gas purification device 71 will be described by taking as an example a case where the gas inside the projection optical system PL is replaced with a purge gas. In FIG. 1, the gas collected from the inside of the projection optical system PL through the exhaust pipe 14B enters an impurity concentration meter 72 such as a mass spectrometer, and the concentration (residual concentration) of the impurity gas in the gas is measured. This measurement information is output to the main control system 10 as a signal S1. In this case, the purge gas and the impurity gas correspond to the first and second gases of the present invention, respectively, and the impurity gas is a gas that is a management target remaining in the optical path of the exposure light among the above-mentioned absorptive gases. is there. When the impurity gas remains in the projection optical system PL, not only the transmittance of the exposure light passing through the projection optical system PL but also the imaging characteristic of the projection optical system PL is affected by the refractive index of the impurity gas. . Therefore, unlike other airtight chambers, the concentration of the impurity gas is measured. In particular, in this embodiment, the residual concentration of a specific low-absorbency gas other than the purge gas contained in the impurity gas is measured (details will be described later).
The gas that has passed through the impurity concentration meter 72 in the exhaust pipe 14B is collected by the gas purification device 71. The gas purifier 71 is provided with a HEPA filter (high efficiency particulate air-filter) and a chemical filter for removing fine foreign substances such as dust, and oxygen, water vapor in the recovered gas. Absorbing gases, such as carbon dioxide, carbon dioxide, and organic gases, are removed by the chemical filter. In the gas purifying device 71, the absorbing gas in the impurity gas is removed, and the gas from which the absorbing gas has been removed is supplied to the inside of the projection optical system PL via the air supply pipe 14A. At this time, the residual concentration of the absorbent gas as an impurity is suppressed to, for example, 1 ppm or less.
In addition, since vacuum ultraviolet light is also absorbed by water vapor, it is desirable to provide a removal device for removing water vapor in the gas purification device 71.
In these cases, the interior of the projection optical system PL, the air supply pipe 14A, and the exhaust pipe 14B naturally have an airtight structure. However, particularly with respect to the lens holding structure at the end of the projection optical system PL on the reticle side or the wafer side, it is difficult to achieve both the mechanical accuracy required from the imaging performance of the projection optical system PL and a completely airtight structure. In this case, a small amount of external gas (air) enters the space (such as the lens barrel of the projection optical system PL) to which the purge gas is supplied from the lens holding structure. The main components of the gas (air) to be mixed are nitrogen, oxygen, argon, etc., and the oxygen in this is a purifier using a simple adsorbent whose main component is metal powder such as iron or magnesium. Thereby, it can be easily absorbed (removed).
On the other hand, it is difficult to remove nitrogen or argon present in air at about 1% by such a simple adsorbent, and a small amount of gas such as nitrogen or argon mixed into the purge gas is not removed. May be accumulated.
Similarly, the gas inside the other airtight chambers (sub-chambers 20, 30, reticle stage chamber 40, wafer stage chamber 60) is replaced by the purge gas from which the absorbent gas has been removed using the gas purifier 71. Have been. At this time, the electromagnetic valves of the air supply pipes 11A to 15A and the exhaust pipes 11B to 15B are opened and closed in order to independently supply the purge gas to each of the plurality of hermetic chambers. As described above, in this example, the purge gas is independently supplied to each of the hermetic chambers using one gas purifying apparatus 71, but the same gas purifying apparatus 71 is individually supplied to all the hermetic chambers. A gas purifier may be provided to supply the purge gas completely independently. In addition, the supply of the purge gas to a plurality of hermetic chambers is common, for example, the sub-chambers 20 and 30 and the reticle stage chamber 40 are regarded as one hermetic chamber as a whole and a common gas purification device 71 is used. May be performed. For example, when the optical path of the exposure light IL is divided into a plurality of parts and different types of purge gas are supplied to each of the divided optical paths, a gas purifying device may be provided for each type of purge gas.
Further, as described above, regarding the projection optical system PL, the residual concentration of the specific low-absorbency gas other than the purge gas is measured. For example, when helium is used as a purge gas, other low-absorbing gases do not significantly absorb the exposure light, but have a higher refractive index than that of helium. The refractive index of the optical path in the system PL may increase, and the imaging performance of the projection optical system PL may deteriorate. In addition, these low-absorbing gases are hardly chemically reacted, and it is difficult to sufficiently remove them with the above-described chemical filter in the gas purification device 71.
Nevertheless, in order to remove these low-absorbing gases, as an example, the gas collected in the gas purifier 71 shown in FIG. 1 and passed through the chemical filter is used as a refrigerator or a cryopump using a Stirling engine or the like. The gas is supplied to a low-absorbing gas removing device (not shown) such as a cooling device, and the entire gas is cooled to the boiling point of these gases (-185.9 ° C. for argon and -195.8 ° C. for nitrogen). Then, these gases (all low-absorbing gases other than helium) are liquefied and removed, and the high-purity purge gas thus obtained may be supplied to each hermetic chamber.
Such a low-absorbing gas removing device is large, consumes large power, and is a source of vibration. Therefore, it is not preferable to install the device near the exposure device. In addition, since nitrogen and rare gases, which are low-absorbing gases, hardly absorb exposure light, the transmittance is maintained high even if they are mixed in the purge gas, and there is no problem such as a decrease in exposure. Therefore, in this example, without using such a low-absorbing gas removing device, in order to obtain stable imaging characteristics, for example, when using helium as a purge gas, in the gas inside the projection optical system PL, When a predetermined low-absorbing gas composed of nitrogen or a rare gas (other than helium) is mixed, its concentration is measured, and the state of the projection optical system 5 is positively changed based on the measured value. In this case, it is assumed that the deterioration of the imaging characteristics (aberration fluctuation) is corrected.
For this reason, the impurity concentration meter 72 including the mass spectrometer shown in FIG. 1 includes, in the gas inside the projection optical system PL supplied through the exhaust pipe 14B, a specific low absorption other than the above-described absorbent gas other than the purge gas. The concentration of the reactive gas (residual concentration) is measured, and the measurement information is output to the main control system 10 as a signal S1. When the purge gas is helium, the low-absorbency gas whose concentration is to be measured is a rare gas other than nitrogen and helium. The measurement information of the concentration indicates the concentration of each low-absorbing gas in the gas in the projection optical system PL, and the refractive index of the gas in the projection optical system PL can be calculated from the concentration information. It becomes. The main control system 10 predicts the amount of change in the imaging characteristics (distortion and the like) of the projection optical system PL from the calculated refractive index, and sends the control information S2 to the imaging characteristic controller 57 so as to offset the amount of change. The predetermined optical member in the projection optical system PL is driven in response to the feed. As a result, even when another kind of low-absorbing gas is mixed in the purge gas in the projection optical system PL, the imaging characteristics of the projection optical system PL can be improved without using an expensive low-absorbing gas removing device. Exposure can be continued with high accuracy while maintaining a desired state.
The low-absorbing gas that is expected to be mixed under actual use conditions is nitrogen and argon having a large composition in the atmosphere. Therefore, the target of concentration measurement by the impurity concentration meter 72 is as follows. It can be limited to nitrogen and argon, or only to nitrogen.
Here, an example of the imaging characteristic adjusting mechanism of the projection optical system PL will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the projection optical system PL. In FIG. 2, the projection optical system PL is provided, as an example, in a cylindrical lens barrel 51 via four lens holders 55a to 55d. Respectively, the first group of lenses L11 and L12, the second group of lenses L21 and L22, the third group of lenses L31 and L32, and the fourth group of lenses L41 and L42. The configuration of this lens group is an example, and the number of the lens groups, the number of lenses in each lens group, and the like are arbitrary. The lens barrel 51 has an airtight structure, and a transmission window 52 made of a fluoride crystal such as fluorite or the like is provided on the reticle stage chamber 40 side (upper side in FIG. 2) to transmit the exposure light beam and maintain airtightness. Are located. Also, a transmission window 53 having a similar configuration is disposed on the wafer stage chamber 60 side (the lower side in FIG. 2). Further, although not shown in FIG. 2, the lens barrel 51 is connected to the air supply pipe 14A and the exhaust pipe 14B of FIG.
In FIG. 2, the first lens holder 55a is held in the lens barrel 51 via, for example, three holding mechanisms 54a1 and 54a2 (a third holding mechanism is not shown, and the same applies hereinafter). The fourth to fourth lens holders 55b, 55c, and 55d are also held in the lens barrel 51 via three holding mechanisms 54b1, 54b2, holding mechanisms 54c1, 54c2, and holding mechanisms 54d1, 54d2, respectively. Each of the holding mechanisms 54a1 to 54d2 includes a small movable member such as a piezo element or an electric micrometer inside thereof, whereby the lens holders 55a to 55d respectively position the projection optical system PL in the optical axis direction, and The inclination angles around two orthogonal axes on a plane perpendicular to the optical axis can be adjusted within a predetermined minute range. In addition, by further increasing the degree of freedom of driving by the holding mechanism, for example, a predetermined lens holder in the lens holders 55a to 55d is displaced in two directions orthogonal to each other in a plane perpendicular to the optical axis, or around the optical axis. You may make it rotate. The holding mechanisms 54a1 to 54d2 are driven independently by the imaging characteristic controller 57.
Then, according to the control information S2 from the main control system 10 in FIG. 1, the positions and the inclination angles of the lens holders 55a to 55d are set by the imaging characteristic controller 57 to a state specified by the control information S2. The control information S2 is generated so as to cancel out the fluctuation amount of the imaging characteristic due to the residual concentration of the low absorption gas measured by the impurity concentration meter 72 of FIG. Image characteristics (aberration characteristics) are maintained in a desired state.
Note that the change of the imaging state of the projection optical system PL (the change of aberration) is not caused only by the change of the composition of the gas in the optical path. The determination is performed based on factors such as a change in atmospheric pressure and a history of exposure energy absorbed by the projection optical system PL. Further, it is possible to determine which lens block should be moved and how much with respect to the history of the gas composition, the atmospheric pressure fluctuation, and the exposure energy from the design data of the projection optical system PL. Further, in order to increase the control accuracy, the imaging state is evaluated while actually varying the composition of the gas, the atmospheric pressure, the history of the exposure energy, etc. using the projection optical system PL, and the control parameters are set based on the results. After the determination, the control parameters may be stored as a table.
Further, in order to substantially control the imaging characteristics of the projection optical system PL, the wavelength of the exposure light may be shifted in addition to driving the optical elements in the projection optical system PL. The position (for example, the position in the Z direction) of the (reticle R) and the wafer stage 61 (wafer W) may be controlled.
Although the projection optical system PL of this example is a refraction system, in order to satisfactorily correct chromatic aberration using a small amount of optical material in the vacuum ultraviolet region, the projection optical system PL is changed to, for example, International Publication (WO) 00/39623. As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157, a straight-tube type catadioptric system configured by arranging a plurality of refractive lenses along one optical axis and two concave mirrors each having an opening near the optical axis may be used. Further, a catadioptric system or the like in which the optical axis is bent in a V shape may be used. In these configurations, the concave mirror (reflection member) may be movable in order to adjust the imaging characteristics.
Note that there is a limit to aberration correction as described above, and when the concentration of nitrogen, argon, or the like other than helium is more than a certain level, for example, 1000 ppm or more, correction is no longer possible. In this case, when the concentration of nitrogen, argon, or the like becomes equal to or higher than a predetermined concentration (for example, 1000 ppm described above) by the impurity concentration meter 72 of FIG. The gas is discharged to the outside through 16A, and a new high-purity purge gas may be supplied to the gas purifier 71 through the supply pipe 16B instead. Then, the gas inside the projection optical system PL may be replaced with the supplied high-purity purge gas. Thereby, the imaging characteristics can be maintained in a desired state.
Instead of replenishing the gas purifying device 71 with the purge gas through the pipe 16B, a purge gas cylinder (for example, a helium cylinder) is connected to the gas purifying device 71, and the purge gas is replenished from the cylinder as necessary. You may do so.
In the above embodiment, gas replacement with a purge gas (particularly helium), concentration measurement of a low-absorbent gas (nitrogen or a rare gas) other than the purge gas, and imaging based on the measurement information are performed on the projection optical system PL. The method of correcting the characteristics has been described. In this regard, as described above, the wafer stage chamber 60 and the reticle stage chamber 40 are also subjected to gas replacement with, for example, helium as a purge gas, and other low-absorbing gas is mixed. The refractive index of the optical paths of the laser interferometers 63 and 43 fluctuates, which adversely affects the measured values of the interferometers. Therefore, similarly to the above embodiment, the residual concentration of the low-absorbent gas other than the purge gas in the return gas from the exhaust pipes 15B and 13B is measured, and the measured value of the interferometer is corrected based on the measured value. Is desirable. Thereby, the control accuracy of the wafer stage 61 and the reticle stage 41 can be improved.
Next, in the projection exposure apparatus, since it is necessary to perform exposure by superimposing a circuit pattern over a plurality of layers on a semiconductor wafer, it is necessary to accurately superimpose the wafer W and the pattern image of the reticle R. Therefore, an alignment sensor for detecting alignment marks for alignment formed on the wafer W and the reticle R is required. Therefore, in FIG. 1, a reticle alignment microscope 86 for detecting an alignment mark (reticle mark) of reticle R is disposed above reticle stage 41, and an alignment mark on wafer W is also detected on the lower side surface of projection optical system PL. An alignment sensor (not shown) for performing the operation is provided. These alignment sensors are also mounted on a conventional exposure apparatus, and are not unique to this example. However, when the exposure light source is in the vacuum ultraviolet region as in the projection exposure apparatus of this example, Also, a configuration corresponding to the alignment sensor is adopted.
Hereinafter, a configuration of a reticle alignment microscope (hereinafter, referred to as an “RA microscope”) 86 as a mark detection system of the present example will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is an enlarged view of a main part showing the configuration of the RA microscope 86 of the present embodiment. In FIG. 3, the RA microscope 86 is placed above the reticle stage 41 in the reticle stage chamber 40 in which the reticle stage system is stored. Is arranged. As described above, since the RA microscope 86 uses light in the same wavelength range as the exposure light IL as the alignment light, the illumination light for alignment branched from the optical path of the exposure light IL in the beam matching unit 2 in FIG. The IL 1 is guided to the RA microscope 86 via the alignment light transmitting system 8 arranged in the elongated airtight chamber 80.
In addition, as the elongated airtight chamber 80, a hollow pipe in which a metal film such as aluminum is coated as a reflective film on the inner surface may be used. The material of the pipe may be glass or the like, and the metal film (reflection film) on the inner surface can be formed by a manufacturing method such as MOCVD (organic metal CVD). The optical path of such a hollow pipe is also F ₂ In order to transmit laser light, replacement with a purge gas is necessary. For example, one end of the hollow pipe (for example, the RA microscope 86 side) is set to a positive pressure from the other end (the beam matching unit 2 side). The gas can be caused to flow by this pressure difference, and the inside can be replaced with a purge gas.
3, the illumination light IL1 guided to the RA microscope 86 in the reticle stage chamber 40 passes through a mirror 87 and a relay lens 88, reaches a split beam splitter 89, and is reflected by the beam splitter 89. Illuminates an alignment mark (reticle mark) RM on the pattern surface (lower surface) of the reticle R via an objective lens 90 and a mirror 91 for epi-illumination. Then, the illumination light IL1 transmitted around the reticle mark RM passes through the projection optical system PL and illuminates a reference mark (not shown) provided near the wafer W on the wafer stage 61 in FIG. Light reflected from the reference mark is returned to the reticle R again via the projection optical system PL.
3, the illumination light IL1 reflected by the reticle mark RM and the illumination light IL1 reflected by the reference mark on the wafer stage side and returned to the reticle R side are transmitted to the beam splitter 89 via the mirror 91 and the objective lens 90. The illumination light IL1 transmitted through the beam splitter 89 is transmitted via a field lens 92 onto a two-dimensional imaging device 94 (photoelectric detector) such as a CCD in an imaging device 95, on a reticle mark RM and a reference on the wafer stage side. An image of the mark is formed. At this time, since the illumination light IL1 has the exposure wavelength, the image of the reference mark is formed on the image sensor 94 together with the image of the reticle mark RM via the projection optical system PL without providing an optical system for correction. Is done. A cover glass 93 is disposed on the incident surface side of the imaging device 94 of the imaging device 95. The electric signal from the imaging element 94 is supplied to a drive circuit 96 installed outside the reticle stage chamber 40 (the gas inside the reticle stage is replaced with a purge gas), and is amplified there to become an image signal S3. 1 main control system 10. In this case, the electric signal cable between the imaging element 94 and the drive circuit 96 is connected via a current introducing device type connector (MS connector) for a vacuum device, for example, provided on the partition wall of the reticle stage chamber 40. Have been. Thus, the electric signal of the image sensor 94 can be supplied to the drive circuit 96 while maintaining the airtightness in the reticle stage chamber 40.
The main control system 10 shown in FIG. 1 processes the image signal S3 to determine the amount of displacement in the X and Y directions between the reticle mark RM and the corresponding reference mark. Similarly, the amount of misalignment between another reticle mark on the reticle R and the corresponding reference mark is also detected, and the positional relationship of the reticle R with respect to the coordinate system of the wafer stage system 6 is calculated based on these misalignments. Thus, reticle alignment is performed.
The drive circuit 96 is provided outside the reticle stage chamber 40 as in this example because the transmittance of exposure light due to organic gas (degassing) emitted from various electric components included in the drive circuit 96 is increased. This is to prevent a decrease in the number. Therefore, when using a component in which degassing is reduced as much as possible for the drive circuit 96, the drive circuit 96 can also be arranged in the reticle stage chamber 40. In this case, the wiring for transmitting the image signal S3 from the drive circuit 96 is connected via a current introducer type connector (MS connector).
Furthermore, in this case, it is preferable to provide a means for forcibly exhausting gas near the drive circuit 96 as a measure against a small amount of degassing or heat radiation from the electric components in the drive circuit 96. This exhaust system can be realized by, for example, disposing an end of a tube branched from the exhaust tube 13 </ b> B of the reticle stage chamber 40 near the drive circuit 96. As another method, an exhaust port 40 a communicating with the exhaust pipe 13 </ b> B in the partition wall of the reticle stage chamber 40 may be arranged near the drive circuit 96. Further, even when the drive circuit 96 is installed outside the reticle stage chamber 40, since there is a possibility that degassing from the imaging device 95 (the imaging element 94) may occur, the exhaust port 40a leading to the exhaust pipe 13B is connected to the imaging device 95. May be arranged in the vicinity of.
Although the RA microscope 86 of the present example is arranged in the reticle stage chamber 40, the RA microscope 86 may be arranged in an airtight chamber like the alignment light transmission system 8. That is, the mirror 87, the relay lens 88, the beam splitter 89, the objective lens 90, the mirror 91 for epi-illumination, the field lens 92, and the image pickup device 95 provided in the RA microscope 86 may be arranged in an airtight room.
Further, the above-described alignment light transmission system 8 and the optical system (reticle alignment optical system) in the RA microscope 86 are optical systems that use illumination light having the same wavelength as the exposure light IL in the vacuum ultraviolet region. All of the optical materials of the refraction member such as a lens are made of a fluoride crystal such as fluorite that transmits vacuum ultraviolet light. As the fluoride crystal, besides fluorite, crystals such as lithium fluoride, magnesium fluoride, strontium fluoride, lithium-calcium-aluminum-fluoride, and lithium-strontium-aluminum-fluoride, and zirconium-barium- Fluorine glass made of lanthanum-aluminum, quartz glass doped with fluorine, quartz glass doped with hydrogen in addition to fluorine, quartz glass containing an OH group, and quartz glass containing an OH group in addition to fluorine Such as improved quartz may be used.
For a thin member such as a cover glass 93 for protecting the imaging surface of the imaging element 94, so-called fluorine-doped quartz in which, for example, fluorine is added to improve the transmittance with respect to vacuum ultraviolet light is used. Is also possible.
When the wavelength of the exposure light is close to 200 nm, fluorine-doped quartz can be used as an optical material of a refractive member such as a lens.
In the above-described embodiment, a part of the exposure light IL branched in the beam matching unit 2 is used as the alignment light. However, a configuration in which a dedicated light source for emitting the alignment light is separately provided. Good.
Further, the magnification of the projection optical system PL in the above embodiment may be not only reduced (for example, ４，, ５, etc.) but also any of the same magnification and enlargement. In addition, X-rays can be used as the exposure beam. In this case, a reflective optical system (a reticle of a reflective type is used) may be used as the projection optical system.
Then, the illumination optical system and the projection optical system composed of a plurality of lenses are incorporated into the exposure apparatus main body to perform optical adjustment, and a reticle stage and a wafer stage composed of many mechanical parts are attached to the exposure apparatus main body to perform wiring and piping. The projection exposure apparatus according to the present embodiment can be manufactured by connecting and performing overall adjustment (electrical adjustment, operation confirmation, and the like). It is desirable that the projection exposure apparatus be manufactured in a clean room in which temperature, cleanliness, and the like are controlled.
Next, an example of a semiconductor device manufacturing process using the projection exposure apparatus of the above embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 4 shows an example of a semiconductor device manufacturing process. In FIG. 4, first, a wafer W is manufactured from a silicon semiconductor or the like. Thereafter, a photoresist is applied on the wafer W (Step S10), and the wafer W is loaded on the wafer stage of the projection exposure apparatus of FIG. In the next step S12, the reticle R1 is loaded on the reticle stage in FIG. 1, the reticle R1 is moved below the illumination area, and the pattern of the reticle R1 is scanned and exposed on all the shot areas SE on the wafer W. I do. The wafer W is, for example, a wafer (12-inch wafer) having a diameter of 300 mm, and the shot area SE is, for example, a rectangular area having a width of 25 mm in the non-scanning direction and a width of 33 mm in the scanning direction. Next, in step S14, a predetermined pattern is formed in each shot region SE of the wafer W by performing development, etching, ion implantation, and the like. Next, in step S16, a photoresist is applied on the wafer W, and then, in step S18, another reticle R2 is loaded on the reticle stage of FIG. 1, and the reticle R2 is moved below the illumination area. The pattern of the reticle R2 is scanned and exposed on each shot area SE on the wafer W. Then, in step S20, a predetermined pattern is formed in each shot area of the wafer W by performing development, etching, ion implantation, and the like of the wafer W. The above exposure process to pattern formation process (steps S16 to S20) are repeated as many times as necessary to manufacture a desired semiconductor device. Then, a semiconductor device SP as a product is manufactured through a dicing process (step S22) for separating each chip CP on the wafer W one by one, a bonding process, a packaging process, and the like (step S24). .
The application of the exposure apparatus of the present invention is not limited to an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor device. For example, a liquid crystal display element formed on a square glass plate, or an exposure apparatus for a display apparatus such as a plasma display. The present invention can be widely applied to an apparatus and an exposure apparatus for manufacturing various devices such as an imaging device (CCD or the like), a micro machine, a thin film magnetic head, and a DNA chip. Further, the present invention can be applied to an exposure step (exposure apparatus) when manufacturing a mask (photomask, reticle, or the like) on which mask patterns of various devices are formed by using a photolithography step.
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention. Further, the entire disclosure content of Japanese Patent Application No. 2000-382708 filed on December 15, 2000, including the specification, the claims, the drawings, and the abstracts, is incorporated in the present application by reference in its entirety. .
Industrial potential
In the present invention, when the refraction member of the mark detection system is formed of an optical material that transmits an exposure beam, the refraction member is suitable for using alignment light having a wavelength range similar to that of exposure light having a short wavelength such as a vacuum ultraviolet region. Alignment system can be realized.
When an intake port is provided in the vicinity of the photoelectric detector, a purge gas is supplied on the optical path using alignment light of a wavelength range similar to a short wavelength exposure beam such as a vacuum ultraviolet region. In this case, an alignment system for a mask or a substrate can be provided without adversely affecting the optical path.
Further, in the present invention, when the first gas (purge gas) is supplied to the optical path of the exposure beam and the image forming characteristic is adjusted in accordance with the residual concentration of the second gas in the optical path, the first gas (purge gas) may be provided on the optical path of the exposure beam. Even if a gas other than the purge gas remains, or the residual concentration of the gas other than the purge gas fluctuates, stable imaging characteristics can always be obtained. Therefore, the standard of the amount of the other gas mixed with the purge gas can be greatly relaxed, and a stable exposure apparatus can be realized.
Further, in the present invention, when the residual concentration of the second gas that transmits the exposure beam other than the first gas (purge gas) in the optical path of the exposure beam exceeds an allowable level, the gas in the optical path is replaced with the purge gas. Even in the case of re-substitution, desired imaging characteristics can be obtained. According to these inventions, the exposure apparatus is smaller in size than a method in which a low-absorbing gas such as nitrogen or argon is liquefied and removed using a cooling device that is expensive, consumes large power, and is a vibration source. The required area of the clean room for storing the exposure apparatus can be reduced, and the manufacturing cost and operation cost of the exposure apparatus can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway configuration view showing a projection exposure apparatus according to an example of an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of the projection optical system PL in FIG. FIG. 3 is a partially cutaway enlarged view showing the configuration of the reticle alignment microscope 86 in FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process when a semiconductor device is manufactured using the projection exposure apparatus according to the embodiment of the present invention.

【０００３】
て生じる曇り物質の堆積及びレンズ透過率の低下が深刻な問題となる。そこで、不純物質を発生する部材、例えば、アライメント光学系の検出面に設置される光電検出器（撮像素子等）の出力信号を処理するための電気回路に使用されるプラスチック基板等を、露光光の光路を含む空間に配置することは避ける必要がある。従って、従来は露光光の光路を含む空間内に配置されていた光電検出器も同空間外の大気中に設置すべきであるが、真空紫外光は通常の大気中を透過しないという問題もある。
本発明は斯かる点に鑑み、露光光の光路上にパージガス以外の気体が残留していても、又はそのパージガス以外の気体の残留濃度が変動しても、安定した結像特性の得られる露光技術を提供することを第１の目的とする。
更に、本発明は、真空紫外域のような短波長の露光光と同程度の波長域の照明光を用いる場合に適したアライメント系を使用できる露光技術を提供することを第２の目的とする。
また、本発明は、真空紫外域のような短波長の露光光と同程度の波長域の照明光を用いて、その光路上にパージガスを供給する場合に、その光路に対して悪影響を与えることなく、レチクル又はウエハ用のアライメント系を設置できる露光技術を提供することを第３の目的とする。
発明の開示
本発明による第１の露光装置は、波長２００ｎｍ以下の露光ビームで第１物体（Ｒ）を介して第２物体（Ｗ）を露光する露光装置において、その第１物体又はその第２物体上のマーク（ＲＭ）を介した、その露光ビームと実質的に同じ波長のアライメント光を集光するアライメント光学系（９０，９２）と、このアライメント光学系によって集光されたそのアライメント光を検出する光電検出器（９４）とを有するマーク検出系を備え、そのアライメント光学系中の屈折部材は、全てその露光ビームを透過する光学材料より形成されるものである。
本発明によれば、ほぼ真空紫外域の露光ビームと同程度のアライメント光（照明光）を用いたマーク検出系のアライメント光学系の透過率が高くなり、照明効率が高くなるため、高精度にアライメントを行うことができる。[0003]
The resulting fogging material accumulation and reduced lens transmission are serious problems. Therefore, a member that generates impurities, for example, a plastic substrate used for an electric circuit for processing an output signal of a photoelectric detector (such as an image sensor) provided on a detection surface of an alignment optical system is exposed to light by exposure light. It is necessary to avoid arranging in a space including the optical path. Therefore, the photoelectric detector conventionally arranged in the space including the optical path of the exposure light should also be installed in the atmosphere outside the space, but there is a problem that the vacuum ultraviolet light does not pass through the normal atmosphere. .
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and even if a gas other than the purge gas remains on the optical path of the exposure light, or even if the residual concentration of the gas other than the purge gas fluctuates, it is possible to obtain a stable exposure characteristic. A primary purpose is to provide technology.
A second object of the present invention is to provide an exposure technique that can use an alignment system suitable for using illumination light having a wavelength range similar to that of short-wavelength exposure light such as vacuum ultraviolet light. .
In addition, the present invention is to use an illumination light having a wavelength range similar to that of a short wavelength exposure light such as a vacuum ultraviolet region, and to supply a purge gas onto the optical path, thereby adversely affecting the optical path. Another object of the present invention is to provide an exposure technique in which an alignment system for a reticle or a wafer can be installed.
DISCLOSURE OF THE INVENTION A first exposure apparatus according to the present invention is an exposure apparatus that exposes a second object (W) via a first object (R) with an exposure beam having a wavelength of 200 nm or less. An alignment optical system (90, 92) for condensing alignment light having substantially the same wavelength as the exposure beam through a mark (RM) on the object; and an alignment light condensed by the alignment optical system. A mark detection system having a photoelectric detector (94) for detection is provided, and the refraction members in the alignment optical system are all formed of an optical material that transmits the exposure beam.
According to the present invention, the transmittance of the alignment optical system of the mark detection system using the alignment light (illumination light) substantially equal to the exposure light in the vacuum ultraviolet region is increased, and the illumination efficiency is increased. Alignment can be performed.

【０００８】
第１リレーレンズ群３３、ミラー３４、及び第２リレーレンズ群３５を経て視野絞り３６に至る。そして、視野絞り３６を通過した露光光ＩＬは、第１コンデンサレンズ群３７、光路折り曲げ用のミラー３８、及び第２コンデンサレンズ群３９を介してマスクとしてのレチクルＲのパターン領域を照明する。
本例のビームマッチングユニット２及び照明光学系３は、それぞれ気密性の高い隔壁（気密室）としてのサブチャンバ２０及び３０内に収納されている。この場合、２つのサブチャンバ２０，３０の境界部は連通していてもよいが、一例としてその境界部に平行平板ガラスを設置したり、平行平板ガラスの代わりにリレーレンズ２４のような光学部材を設置して、その周囲を封止することによって、２つのサブチャンバ２０，３０を互いに隔離してもよい。これは以降の気密室についても同様である。なお、気密室としては、外気がサブチャンバ２０，３０内に混入しない構成であれば、多少の隙間があってもよい。
図１において、レチクルＲを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して被露光基板としてのウエハＷ上にそのレチクルＲのパターンの像を形成する。レチクルＲ及びウエハＷが本発明の第１物体及び第２物体に対応しており、ウエハ（ｗａｆｅｒ）Ｗは例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）等の円板状の基板である。また、投影光学系ＰＬの内部は外気と隔離された気密室とされている。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図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
先ず、レチクルＲは、レチクルベース４２上でＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されたレチクルステージ４１上に保持され、レチクルステージ４１の２次元的な位置は、レーザ干渉計４３及びこれに対応して配置された移動鏡によって計測され、この計測値、及び装置全体の動作を統轄制御する床Ｆ２上の主制御系１０からの制御情報に基づいてレチクルステージ制御系（不図示）がレチクルステージ４１の位置及び速度を制御する。レチクルベース４２、レチクルステージ４１、及びこの駆動機構（不図示）等からレチクルステージ系４が構成され、レチクルステージ系４は、気密性の高い隔壁（気密室）としてのレチクルステージ室４０内に収納されている。
一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ（Ｚレベリ[0008]
The light reaches the field stop 36 through the first relay lens group 33, the mirror 34, and the second relay lens group 35. Then, the exposure light IL that has passed through the field stop 36 illuminates the pattern area of the reticle R as a mask via the first condenser lens group 37, the mirror 38 for bending the optical path, and the second condenser lens group 39.
The beam matching unit 2 and the illumination optical system 3 of this example are housed in sub-chambers 20 and 30 as partition walls (airtight chambers) with high airtightness, respectively. In this case, the boundary between the two sub-chambers 20 and 30 may be in communication with each other. For example, a parallel plate glass is installed at the boundary, or an optical member such as a relay lens 24 is used instead of the parallel plate glass. The two sub-chambers 20 and 30 may be isolated from each other by installing a sub-chamber. This is the same for the following hermetic chambers. The airtight chamber may have some gap as long as the outside air does not enter the sub-chambers 20 and 30.
In FIG. 1, a light beam transmitted through a reticle R forms an image of a pattern of the reticle R on a wafer W as a substrate to be exposed via a projection optical system PL. The reticle R and the wafer W correspond to the first object and the second object of the present invention, and the wafer (wafer) W is a disk-shaped substrate such as a semiconductor (silicon or the like) or an SOI (silicon on insulator). . Further, the inside of the projection optical system PL is an airtight chamber isolated from the outside air. Hereinafter, a description will be given by taking the Z axis parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL, the X axis parallel to the plane of FIG. 1 in a plane perpendicular to the Z axis, and the Y axis perpendicular to the plane of FIG. I do.
First, the reticle R is held on a reticle stage 41 movably mounted on a reticle base 42 in the X and Y directions, and the two-dimensional position of the reticle stage 41 is determined by the laser interferometer 43 and the laser interferometer 43. The reticle stage control system (not shown) measures the reticle based on the measured values and the control information from the main control system 10 on the floor F2 that controls the overall operation of the apparatus. The position and speed of the stage 41 are controlled. A reticle stage system 4 includes a reticle base 42, a reticle stage 41, a driving mechanism (not shown), and the like. The reticle stage system 4 is housed in a reticle stage chamber 40 as a highly airtight partition (airtight chamber). Have been.
On the other hand, the wafer W is placed on a wafer stage (Z level) via a wafer holder (not shown).

Claims

An exposure apparatus for exposing a second object through a first object with an exposure beam having a wavelength of 200 nm or less,
An alignment optical system that converges alignment light having substantially the same wavelength as the exposure beam that has passed through the mark on the first object or the second object;
A mark detection system having a photoelectric detector that detects the alignment light collected by the alignment optical system,
An exposure apparatus, wherein all the refraction members in the alignment optical system are formed of an optical material that transmits the exposure beam.

2. The exposure apparatus according to claim 1, wherein the optical material transmitting the exposure beam is fluorite or quartz doped with fluorine.

The gas on the optical path of at least a part of the optical path of the alignment light, and the gas inside the partition in which the photoelectric detector is housed are replaced with a gas that transmits the exposure beam. 3. The exposure apparatus according to 2.

4. The exposure apparatus according to claim 3, wherein a suction port for sucking gas inside the partition is provided in a region of the partition adjacent to the photoelectric detector.

The exposure apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein a part of the alignment optical system includes a hollow member provided with a reflection member for reflecting the alignment light on an inner wall thereof.

The alignment optical system further includes a light transmitting optical system that irradiates a mark on the first object or the mark on the second object with alignment light having substantially the same wavelength as the exposure beam. The exposure apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a hollow member provided on its inner wall with a reflecting member for reflecting the alignment light.

An exposure method for exposing a second object through a first object and a projection optical system with an exposure beam,
A gas in at least a part of the optical path of the exposure beam is replaced with a first gas that transmits the exposure beam, and a second gas that is different from the first gas remaining in the at least a part of the optical path. Measure the concentration,
An exposure method, comprising: adjusting an imaging characteristic of the projection optical system according to a residual concentration of the second gas.

8. The exposure method according to claim 7, wherein when the residual concentration of the second gas exceeds a predetermined level, the gas in the at least a part of the optical path is replaced with the first gas.

9. The exposure method according to claim 7, wherein the second gas is a gas that transmits the exposure beam.

The exposure beam is ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less,
The first gas is nitrogen;
9. The exposure method according to claim 7, wherein the second gas is at least one gas selected from the group consisting of oxygen, carbon dioxide, water vapor, neon, and helium.

The exposure beam is ultraviolet light having a wavelength of 200 nm or less,
The first gas is helium;
9. The exposure according to claim 7, wherein the second gas is at least one gas selected from the group consisting of oxygen, nitrogen, carbon dioxide, water vapor, neon, argon, and krypton. Method.

An exposure method for exposing a second object through a first object and a projection optical system with an exposure beam,
Replacing the gas in at least a part of the optical path of the exposure beam with a first gas that transmits the exposure beam;
Measuring a concentration of a second gas remaining in the at least a part of the optical path and transmitting the exposure beam, and different from the first gas;
An exposure method, wherein when the residual concentration of the second gas exceeds a predetermined level, the gas in the at least some of the optical paths is replaced with the first gas.

The first gas is nitrogen;
13. The exposure method according to claim 12, wherein the second gas is at least one of neon and helium.

The first gas is helium;
The exposure method according to claim 12, wherein the second gas is at least one gas selected from a gas group consisting of nitrogen, neon, argon, and krypton.

An exposure apparatus that exposes a first object and a second object via a projection optical system with an exposure beam,
An imaging characteristic adjustment device for adjusting the imaging characteristic of the projection optical system,
A gas supply mechanism that replaces a gas in at least a part of an optical path of the exposure beam to the second object with a first gas that transmits the exposure beam;
A gas sensor that measures a concentration of a second gas different from the first gas remaining in the at least a part of the optical path;
An exposure apparatus comprising: a control system that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system via the imaging characteristic adjustment device based on a measurement value of the gas sensor.

An exposure apparatus that exposes a first object and a second object via a projection optical system with an exposure beam,
A gas supply mechanism that replaces a gas in at least a part of an optical path of the exposure beam to the second object with a first gas that transmits the exposure beam;
A gas sensor remaining in the at least a part of the optical path, transmitting the exposure beam, and measuring a concentration of a second gas different from the first gas;
An exposure apparatus, comprising: a control mechanism that controls the gas supply mechanism and re-substitutes the gas in the at least a part of the optical path with the first gas based on a measurement value of the gas sensor.

A device manufacturing method comprising a step of transferring a device pattern onto a workpiece using the exposure method according to any one of claims 7 to 14.