KR100463562B1 - 투영 노광 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 마스크 패턴을 감광 기판상에 투영하는 투영노광장치로서, 복수의 광학 부재를 가지며, 그 중 적어도 하나의 유리 부재는 굴절율의 온도 특성이 다른 광학 부재의 유리 부재와 다른 투영광학계와, 복수의 광학 부재 중 적어도 하나의 광학 부재의 온도 제어를 수행하는 온도제어장치를 가지며, 온도제어장치를 이용하여 투영광학계의 결상 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다. 제어해야할 결상 특성은, 비선형 배율 오차라 할 수 있다. 또한, 그것은 이미지면 만곡이라 해도 좋다.

본 발명은 또한, 마스크 패턴을 감광 기판상에 투영하는 투영노광장치로서, 복수의 광학 부재를 가지며, 그 중 적어도 하나의 유리 부재는 굴절율의 온도 특성이 다른 광학 부재의 유리 부재와 다른 투영광학계와, 복수의 광학 부재중 적어도 하나의 광학 부재의 온도를, 투영광학계의 결상 특성에 따라 정해지는 가변의 목표 온도로 설정하는 온도제어장치와, 상기 온도제어장치에 의해 제어 대상인 광학부재의 온도가 목표 온도에 대해 소정의 허용 범위내로 포함된 후에 감광 기판으로의 노광 동작을 개시하는 노광 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

Description

투영 노광 장치 및 방법{PROJECTION EXPOSURE APPARATUS AND METHOD}

본 발명은, 예를 들어 반도체 소자, 촬상 소자(CCD 등), 액정 표시 소자, 또는 박막 자기 헤드 등을 제조하기 위한 리소그래피 공정에서 사용되며, 마스크 패턴을 투영 광학계를 통해 감광 기판상에 전사하는 투영노광장치에 관한 것이다.

IC, LSI 등의 반도체 소자 등을 제조하기 위한 투영노광장치는, 마스크로서의 레티클과, 감광 기판으로서의 웨이퍼(또는 유리판 등)의 각 쇼트 영역을 투영광학계를 통해 소정의 위치 관계로 정렬하며, 일괄적으로 각 쇼트 영역의 전체에 레티클의 패턴 이미지를 노광하는 스탭 앤드 리피트 방식과, 레티클과 웨이퍼의 각 쇼트영역을 투영광학계에 대해 상대적으로 주사함으로서, 각 쇼트 영역에 레티클의 패턴 이미지를 순차적으로 노광하는 스탭 앤드 스캔 방식으로 크게 구분된다. 상기한 양 방식은, 레티클의 패턴을 투영광학계를 통해 투영한다는 점에서는 공통이며, 웨이퍼상에 레티클 패턴 이미지를 얼마나 정확하게 투영할 수 있는가가 중요한 문제이다.

일반적으로, 투영광학계를 설계할 때에는 소정의 조건하에서 광학적인 모든 수차가 거의 0이 되도록 설계되지만, 투영 노광을 수행할 때의 환경이 변화하여 투영광학계 근방의 대기압이나 온도가 변화하거나, 또는 노광용 조명광의 조사에 의한 열흡수 등이 있으면, 투영광학계를 구성하는 렌즈간의 기체의 굴절 변화율, 렌즈의 팽창, 렌즈의 굴절율 변화, 및 렌즈 경통의 팽창 등이 발생한다. 이 때문에, 레티클의 패턴을 웨이퍼상에 투영할 때, 상기 투영 이미지가 투영광학계의 광축에 수직인 방향으로 어긋나는 현상인 디스토션이 발생하게 된다. 상기 디스토션은 선형 오차(이미지 높이에 대해 결상 위치가 1차 함수적으로 변화하는 성분)와 비선형 오차(선형 오차 이외의 성분)로 나누어지며, 선형 오차는 선형 배율 오차(이미지높이에 대해 배율이 1차 함수적으로 변화하는 성분)라 불리워지고 있다. 그리고, 종래부터 선형 배율 오차를 보정하는 수단으로서, 투영광학계내의 일부의 렌즈를 구동하거나, 일부 렌즈 사이를 기체 압력을 제어하거나 하는 렌즈 제어 시스템이 사용되고 있다.

그러나 투영광학계에 비선형 배율 오차가 존재하면, 스탭 앤드 리피트 방식, 또는 스탭 앤드 스캔 방식중 어느 방식을 따르더라도 최종적으로 얻어지는 투영 이미지에 왜곡이 발생하여, 중첩 정밀도가 악화된다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여, 대기압이나 투영광학계의 주위 온도 등의 환경 변화, 또는 노광용 조명광의 흡수 등에 의해 악화되는 투영광학계의 디스토션, 특히 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)를 보정할 수 있는 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 투영광학계를 구성하는 렌즈간의 기체의 굴절 변화율, 렌즈의 팽창, 렌즈의 굴절율 변화, 및 렌즈 경통의 팽창 등이 발생하면, 레티클의 패턴을 웨이퍼 상에 투영할 때, 상기 투영 이미지의 결상면(베스트 초점면)의 투영광학계의 광축 방향 위치(초점 위치)가 어긋나, 웨이퍼 표면이 상기 결상면으로부터 벗어나버리는 디포커스(defocus: 초점이 흐려지는 현상)도 발생하였다. 상기 디포커스는, 선형적인 디포커스(이미지 높이에 대해 디포커스량이 일차 함수적으로 변화하는 성분)와 비선형적인 디포커스(선형적인 디포커스 이외의 성분)로 구분된다. 그리고, 종래부터 선형적인 디포커스를 보정하는 수단으로서, 웨이퍼의초점 위치를 결상면 방향으로 제어하는 자동초점기구, 및 웨이퍼의 경사각을 결상면에 맞춰지도록 제어하는 자동 레벨링 기구가 알려져 있다.

그러나 투영광학계의 결상면에 이미지면 만곡과 같은 비선형적인 디포커스가 존재하면, 스탭 앤드 리피트 방식, 또는 스탭 앤드 스캔 방식 중 어느 방식을 따르더라도 최종적으로 얻어지는 결상면의 초점 심도가 전체적으로 좁아지고, 해상도가 열화된다고 하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여, 투영광학계 주위의 대기압 등의 환경의 변화, 노광용 조명광의 흡수, 또는 레티클의 만곡 등에 의해 악화되는 투영광학계 결상면의 디포커스, 특히 이미지면 만곡과 같은 비선형적인 디포커스를 보정할 수 있는 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 문제를 취급할 경우, 하나의 수단으로서 투영광학계중 적어도 하나의 렌즈 엘리먼트의 온도를 조정하는 것이 고려되었다. 렌즈 엘리먼트를 목포 온도로 하기 위해서 가열 혹은 냉각했을 경우, 상기 렌즈 엘리먼트가 목표 온도에 이를 때까지는 일정 시간이 걸린다. 따라서 상기 일정한 시간이 경과하기 이전에 노광을 개시하면, 렌즈 엘리먼트의 결상 특성이 보정되지 않는 상태에서 노광이 수행되게 된다. 본 발명은, 소정의 온도 조정이 완료된 후 노광이 수행되는 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 온도 조정은 상기한 바와 같이 목표 온도에 도달할 때까지 시간을 필요로 할 뿐만 아니라, 온도 조정을 수행하기 위한 장치도 복잡해진다는 문제가 있다. 따라서, 온도 조정에 상관없이, 결상 특성의 보정이 가능한 동시에 환경 조건의 변화에 의해서도 보정된 상태가 실질적으로 변하지 않는 투영노광장치가 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그런데, 노광시에는 높은 조사 에너지의 조명광이 조사되고, 투영광학계의 조명광 흡수에 의해 결상 특성이 초기 상태로부터 서서히 변하는 경우도 있다. 이 때문에, 투영광학계의 결상 특성을 초기 상태로 유지하도록, 투영광학계 전체 온도를 일정하게 유지하기 위한 각종 방법이 제안되어 있다. 예를 들면, 투영광학계 주변에 온도가 조절된 공기를 흐르게 함으로써, 투영광학계의 온도를 일정하게 유지하도록 하는 방법이 제안되고 있다. 다른 방법으로서, 투영광학계의 예를 들면 경통의 주위에 온도가 조절된 액체를 흐르게 하는 등의 방법도 제안되어 있다.

상기한 바와 같은 종래의 기술에 있어서는, 투영광학계 전체가 균일하게 냉각되기 때문에, 투영광학계 전체의 온도는 거의 일정하게 유지된다. 그러나, 조명 조건의 차이나 노광하고자 하는 패턴의 종류가 다른 것 등에 의한 투영광학계 내부에서의 조명광 광로의 차이, 투영광학계를 구성하는 렌즈의 유리부재 차이에 따른 투과율의 차 등에 의해, 투영광학계 내부에 어느 정도의 온도 분포가 발생하는 것은 피할 수 없었다. 그리고, 이에 따른 투영광학계의 결상 성능의 변동이, 오늘날의 고도 집적회로의 진전에 의한 선폭의 미세화에 따라 무시할 수 없게 되었다.

또한, 선폭의 미세화에 따라, 노광용의 조명광으로서는 높은 해상도가 얻어지는 자외광, 더욱이 ArF엑시머 레이저광(파장193㎚)과 같은 원자외광 등의 짧은 파장의 조명광이 사용하게 되었다. 그러나, 이러한 단파장대에는 산소의 흡수대가 존재하여, 본래 노광에 사용되어야 할 조명광의 조사 에너지의 일부가 공기중의 산소로 흡수되어 버린다고 하는 문제점이 있다. 더욱이, 자외 영역 이하의 단파장의 조명광은 공기중의 산소를 오존으로 변화시키는 광화학 반응을 여기한다. 상기 광화학 반응에 의해 발생한 오존도 역시 조명광의 조사 에너지를 흡수한다.

또한, 자외 영역 이하의 단파장 조명광을 사용할 경우, 예를 들면 레티클의 패턴 영역을 보호하기 위한 펠리클(방진막)이 설치된 장치에서는 펠리클, 펠리클 프레임, 및 레티클에 의한 거의 밀폐된 공기 내에서 조명광에 의해 산소가 오존으로 변화함과 동시에, 상기 발생한 오존이 확산되는 일 없이 축적되는 경향이 있다. 그 결과 점차로 조명광의 흡수에 의한 손실이 증대된다고 하는 문제점도 있었다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여, 투영광학계의 결상 성능의 변동이 적고, 노광용 조명광의 조사 에너지의 흡수가 적은 투영노광장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1도는 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 1 실시예를 도시한 구성도.

제 2도는 제 1 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 3도는 제 3 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성의 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 4도는 제 3 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 5도는 제 4 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 5A도는 제 4 실시예의 변형예의 구성도.

제 6도는 온도 변화에 대해 서로 다른 특성을 가지는 2개의 유리부재인 렌즈 엘리먼트를 도시한 광로도.

제 7도의 (a)는 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 비선형 배율 오차를 도시한 도면, (b)는 온도가 제어된 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 배율 오차를 도시한 도면, (c)는 선형 배율 오차의 보정량을 도시한 도면.

제 8도는 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트, 온도가 제어된 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트, 및 렌즈 제어 장치를 조합해서 조합하여 얻어지는 배율 오차(디스토션)를 도시한 도면.

제 9도는 디스토션 계측 기구의 구성도로서, (a)는 디스토션 계측용 센서(3)의 개구부 및 평가용 마크의 투영 이미지를 도시한 평면도, (b)는 디스토션 계측용 센서(3)의 구성을 도시한 일부를 단면으로 한 구성도.

제 10도는 디스토션 계측의 원리를 도시한 그래프로서, (a)는 디스토션 계측용 센서(3)로 검출된 검출 신호를 도시한 파형도, (b)는 상기 검출 신호의 미분 신호를 도시한 파형도.

제 11도는 대기압과 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도의 관계를 도시한 도면.

제 12도는 조명 조건을 여러종류로 바꾼 경우 투영 광학계내를 통과하는 레티클로부터의 0차광 분포를 도시한 개념도.

제 13도 조명 조건을 바꾼 경우의 대기압과 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도와의 관계를 도시한 도면.

제 14도 투영 광학계를 통과하는 조사 에너지와 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도와의 관계를 도시한 도면.

제 15도는 종래 투영광학 장치에 있어서의 비선형 배율 오차를 도시한 도면.

제 16도는 투영에 대한 비선형 배율 오차의 영향을 도시한 도면으로, (a)는 일괄노광을 수행한 경우의 비선형 배율 오차의 영향을 도시한 도면, (b)는 주사 노광을 수행한 경우의 비선형 배율 오차의 영향을 도시한 도면.

제 17도는 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 5 실시예를 도시한 구성도.

제 18도는 제 5 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성 보정 기구를 도시한 일부를 절개한 구성도.

제 19도는 제 6 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 20도는 제 7 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

재 21도는 제 8 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 22도는 렌즈 엘리먼트의 특성을 도시한 도면으로, (a)는 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 이미지면 만곡을 도시한 도면, (b)는 온도가 제어된 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 초점위치의 분포를 도시한 도면, (c)는 잔존하는 초점위치의 보정량을 도시한 도면.

제 23도는 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트, 온도가 제어된 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트, 및 초점위치 제어기구(웨이퍼 스테이지)를 조합하여 얻어지는 초점위치의 분포(이미지면의 만곡)를 도시한 도면.

제 24도는 결상 특성 계측 기구의 구성도로서, (a)는 결상 특성 계측용 센서(3)의 개구부 및 평가용 마크의 투영 이미지를 도시한 평면도, (b)는 결상 특성 계측용 센서(3)의 구성을 도시한 일부를 단면으로 한 구성도.

제 25도는 디스토션 계측의 원리를 도시한 그래프로서, (a)는 결상 특성 계측용 센서(3)로 검출되는 검출 신호를 도시한 파형도, (b)는 상기 검출 신호의 미분 신호를 도시한 파형도, (c)는 초점 위치 결정 방법의 설명도.

제 26도는 대기압과 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도와의 관계를 도시한 도면.

제 27도는 조명 조건을 바꾼 경우의 대기압과 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트 온도와의 관계를 도시한 도면.

제 28도는 투영 광학계를 통과하는 조사 에너지와 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도와의 관계를 도시한 도면.

제 29도는 종래의 투영광학 장치에 있어서의 이미지면 만곡을 도시한 도면.

제 30도는 투영에 대한 이미지면 만곡의 영향을 도시한 도면으로, (a)는 일괄노광을 수행한 경우의 이미지면 만곡의 영향을 도시한 도면, (b)는 주사 노광을 수행한 경우의 이미지면 만곡의 영향을 도시한 도면.

제 31도는 레티클의 만곡을 도시한 사시도로서, (a)는 사이즈가 작은 레티클의 만곡을 도시한 사시도, (b)는 사이즈가 큰 레티클의 만곡을 도시한 사시도.

제 32도는 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 9 실시예를 도시한 구성도.

제 33도는 제 9 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 34도는 제 10 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 35도는 제 11 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 36도는 제 12 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 37도는 결상 특성 계측 기구의 구성도로서, (a)는 결상 특성 계측용 센서(3)의 개구부 및 평가용 마크의 투영 이미지를 도시한 평면도, (b)는 결상 특성 계측용 센서(3)의 구성을 도시한 일부를 단면으로 한 구성도.

제 38도는 시간에 대한 형석의 온도 변화를 도시한 도면으로, (a)는 온도 제어 매체의 제어 온도(T_ij)와 형석의 온도(TF)와의 관계를 도시한 도면, (b)는 온도 제어 매체의 제어 온도(T_ij)를 오버 슈트시킨 경우의 설명도.

제 39도는 본 발명에 따른 실시예에 있어서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도 제어 시퀀스와 노광 시퀀스와의 관계를 도시한 흐름도.

제 40도는 제 2도의 주제어장치내의 메모리 공통 작업 영역내의 데이터를 도시한 도면.

제 41도는 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 13 실시예를 도시한 구성도.

제 42도는 제 13 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 43도는 제 14 실시예에서 사용되는 투영 광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 44도는 제 15 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 45도는 제 16 실시예에서 사용되는 투영광학계, 및 결상 특성 보정 기구의 일부를 절개한 구성도.

제 46도는 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 17 실시예를 도시한 일부를 단면도로 한 개략적인 구성도.

제 47도는 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 18 실시예의 다른 예를 도시한 일부를 단면도로 한 개략적인 구성도.

제 48도는 기체중의 ArF엑시머 레이저의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면으로, (a)는 공기중의 ArF엑시머 레이저의 스펙트럼을 도시한 도면, (b)는 질소 가스 중 ArF엑시머 레이저의 스펙트럼을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

5 : 레티클 지지대 6 : 레티클 스테이지

8 : 레이저 간섭계 11 : 스테이지 제어계

14 : 조명광학계 17 : 조명제어계

18 : 주제어장치 52 : 광전 변환 소자

53 : 신호처리부 G1, G2 : 렌즈 프레임

본 발명은, 마스크 패턴을 감광 기판상에 투영하는 투영노광장치로서,

복수의 광학 부재를 가지며, 그 중 적어도 하나의 유리 부재는 굴절율의 온도 특성이 다른 광학 부재의 유리 부재와 다른 투영광학계와,

복수의 광학 부재 중 적어도 하나의 광학 부재의 온도 제어를 수행하는 온도제어장치를 가지며,

온도제어장치를 이용하여 투영광학계의 결상 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

제어해야할 결상 특성은, 비선형 배율 오차라 할 수 있다. 또한, 그것은 이미지면 만곡이라 해도 좋다.

본 발명은 또한, 마스크 패턴을 감광 기판상에 투영하는 투영노광장치로서, 복수의 광학 부재를 가지며, 그 중 적어도 하나의 유리 부재는 굴절율의 온도 특성이 다른 광학 부재의 유리 부재와 다른 투영광학계와,

복수의 광학 부재중 적어도 하나의 광학 부재의 온도를, 투영광학계의 결상 특성에 따라 정해지는 가변의 목표 온도로 설정하는 온도제어장치와,

상기 온도제어장치에 의해 제어 대상인 광학부재의 온도가 목표 온도에 대해 소정의 허용 범위내로 포함된 후에 감광 기판으로의 노광 동작을 개시하는 노광 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 소정의 노광용 조명광 하에서 마스크 패턴을 투영광학계를 통해 감광 기판상에 투영하는 투영노광장치이며,

투영광학계는 상호 온도 변화에 대한 초점 위치 변화로의 기여 방향이 반대인 두 개의 유리 부재로 구성된 적어도 한쌍의 렌즈 엘리먼트를 가지며, 상기 한 쌍의 렌즈 엘리먼트의 유리부재는 소정의 온도변화에 대해 한 쌍의 렌즈 엘리먼트를 유지하는 유지 부재의 신축에 기인하는 초점 위치 및 배율 오차를 포함한 투영광학계의 전체 초점 위치 및 배율 오차중 적어도 한쪽이, 실질적으로 변하지 않도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

상기 소정 노광용 조명광의 일예는, 엑시머 레이저광원으로부터 사출되는 파장이 100∼300㎚범위내의 레이저 빔이며, 이 때 상기한 두 개의 다른 유리 부재의 일예는 석영 및 형석이다.

본 발명은 또한, 소정의 조명광 하에서, 마스크상의 패턴을 투영광학계를 통해 감광성 기판상에 전사하는 투영노광장치로서,

투영광학계 내의 제어 대상인 렌즈 주변에 조명광의 파장에 대한 흡수대가 없는, 온도가 제어된 유체를 공급하는 온도제어장치를 설치하고, 상기 온도제어장치를 통해 제어 대상인 렌즈의 온도를 제어하고, 투영광학계의 결상 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 조명광학계로부터의 조명광 하에서, 마스크 상의 패턴을 투영광학계를 통해 감광성 기판상에 전사하는 투영노광장치로서,

조명광의 파장에 대한 흡수대가 없는, 온도 제어된 유체를, 조명 광학계와 기판 사이의 조명광의 광로상에 공급하는 온도제어장치를 설치하고, 상기 온도제어장치를 통해 투영광학계의 결상 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 소정의 조명광 하에서, 마스크의 패턴 형성면상의 패턴을 투영광학계를 통해 감광성 기판상에 전사하는 투영노광장치로서,

마스크의 패턴 형성면상에 소정 간격을 두고 광투과성 방진막을 설치하고, 마스크와 방진막 사이에 조명광의 파장에 대한 흡수대가 없는 유체를 넣고 밀봉한 것을 특징으로 하는 투영노광장치를 제공한다.

본 발명은 또한, 조명광학계로부터의 조명광 하에서, 마스크상의 패턴을 투영광학계를 통해 감광성 기판상에 전사하는 투영노광장치로서,

조명광에 의한 열의 축적 및 환경 변화에 의한 결상 특성의 변화를 보정하는보정 장치를 가지며, 상기 보정 장치는, 서로 다른 2이상의 제어계와 기판 상하 기구를 포함하며, 이러한 제어계와 기판 상하 기구의 조합에 의해, 비선형 배율 오차 및 이미지면 만곡을 보정하는 투영노광장치를 제공한다.

이러한 본 발명에 의하면, 예를 들면 KrF엑시머 레이저광(파장 248㎚)이나 ArF엑시머 레이저광(파장 193㎚)과 같은 원자외 영역 부근의 광을 노광광으로서 이용할 경우, 굴절율의 온도 특성이 다른 복수의 유리 부재로서는, 석영 및 형석 등을 들 수 있다. 이 경우, 석영은 온도가 상승해도 팽창 계수가 작기 때문에 팽창하지는 않지만, 굴절율이 커지는 특성을 지니고 있다. 한편, 형석은 온도 상승으로 팽창하며, 굴절율이 작아지는 특성을 지니고 있다. 이러한 특성에 대해서는, 나중에 도면을 참조하여 설명한다.

이하, 본 발명에 의한 투영노광장치의 제 1 실시예에 대해 제 1도, 제 2도, 제 6도∼제 14도를 참조하여 설명한다. 본 실시예는 노광용 조명광으로서 엑시머 레이저광을 사용하는 스탭 앤드 스캔 방식의 투영노광장치에 본 발명을 적용한 것이다. 단, 본 실시예에서 사용하는 투영광학계는, 스탭 앤즈 리피트 방식(일괄 노광 방식)의 투영노광장치로도 사용할 수 있는 정도의 성능을 가지고 있다.

상기 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 다루는 디스토션 중 비선형 오차의 이해를 돕기 위해, 제 15, 16도를 참조하여 비선형 오차의 일반적인 설명을 한다.

종래 투영노광장치에 있어서는, 환경 변화 등에 의해서 발생하는 투영광학계의 디스토션 내의 비선형 오차에 대한 보정을 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.상기 비선형 오차의 주요부는, 투영 이미지의 이미지 높이에 따라 배율이 2차 이상의 함수와 같은 특성으로 변화하는 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)다. 단, 설계상의 기준이 되는 상태라 하더라도, 투영광학계에는 실용상 문제가 없는 범위내의 근소한 비선형 배율 오차가 잔존하며, 제 15도 (a)에 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)에 의해 투영광학계의 배율(레티클에서 웨이퍼로의 투영 배율) β가 설계치 β₀로부터 비선형으로 근소하게 변화하고 있다. 더욱이 그 기준이 되는 상태에 대해 대기압의 변화나 노광용 조명광의 조사에 의한 열 흡수 등이 발생하면, 제 15도 (a)에 도시한 비선형 배율 오차가 제 15도 (b)에 도시한 바와 같이 커진다. 한편, 제 15도 (b)에 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)에 대해서 배율(β)이 마이너스 일도 방향으로 변화한 후 플러스 방향으로 변화하는 비선형 배율 오차는,「C자 디스토션」이라 불리워지는 경우도 있다.

제 15도 (b)에 도시한 바와 같은 비선형 배율 오차가, 스탭 앤드 리피트 방식(일괄 노광 방식)의 투영노광장치에서 발생하면, 제 16도 (a)에 도시한 바와 같이, 본래의 투영 이미지(66 및 67)가 이미지 높이에 따라 비선형으로 변화하여 투영 이미지 (66A, 67A)와 같이 되며, 2층간의 중첩 정밀도가 악화된다. 한편, 제 15도 (b)에 도시한 바와 같은 비선형 배율 오차가, 스탭 앤드 스캔 방식(주사 노광 방식)의 투영노광장치에서 발생하면, 본래의 투영 이미지(66 및 67)가 이미지 높이에 따라 비선형으로 변화하여 투영 이미지(66B, 67B)과 같이 되며, 동일하게 2층 사이에서 중첩 정밀도가 악화된다. 또한, 제 16도 (b)에 있어서, 주사 노광시의웨이퍼의 주사 방향은 화살표로 도시한 Y방향으로 되어있고, 주사 방향으로는 평균화 효과에 의해 투영 이미지 디스토션은 발생하지 않지만, 그 평균화 효과에 의해 이미지의 열화가 발생하고 있다. 또한, 비주사 방향(X방향)으로는, 일괄노광 방식과 비슷하게 이미지 높이에 따른 배율 오차가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다.

제 1도는, 본 실시예의 투영노광장치를 도시하며, 상기 제 1도에 있어서, 엑시머 레이저 광원(16)으로부터 펄스 발광된 레이저 빔으로 이루어진 조명광(IL)은, 미러(15)에서 편향되어 조명광학계(14)에 입사된다. 엑시머 레이저 광원(16)으로서는, ArF 엑시머 레이저 광원(발진 파장 : 248㎚), 또는 ArF엑시머 레이저 광원(발진 파장 : 193㎚) 등을 사용할 수 있다. 또한, 노광용 광원으로서는, YAG 레이저의 고조파 발생 장치, 금속 증기 레이저 광원, 또는 수은 램프 등도 사용할 수 있다.

조명광학계(14)는, 빔 익스팬더, 광량 조정 시스템, 플라이 아이 렌즈, 릴레이 렌즈, 시야 조리개(레티클 블라인드), 주사 전후의 불필요한 노광을 피하기 위한 가동 블레이드, 및 컨덴서 렌즈 등으로 구성되며, 조명광학계(14)에 의해 균일한 조도 분포로 정형된 조명광(IL)이, 레티클(R)의 패턴 형성면(아래면)의 소정 형상의 조명 영역을 조명한다. 이 경우, 장치 전체의 동작을 통할하여 제어하는 주제어장치(18)가, 조명 제어계(17)를 통해 엑시머 레이저 광원(16)의 펄스 발광 타이밍, 조명광학계(14)내의 광량 조정 기구에서의 감광율 제어 등을 수행한다. 상기 조명 영역내의 레티클(R) 패턴을 투과한 조명광은, 투영광학계(PL1)를 통해 포토 레지스트가 도포된 웨이퍼(W)상에 투영되며, 그 패턴을 배율 β(β는 예를들면1/4, 또는 1/5 등)로 축소된 투영 이미지가 웨이퍼(W)상에 전사된다. 여기서, 투영광학계(PL1)의 광축(AX)에 평행하도록 Z축을 취하고, Z축에 수직인 평면내에서 제 1도의 지면에 평행하게 Y축을 취하고, 제 1도의 지면에 수직하게 X축을 취한다.

레티클(R)은 레티클 스테이지(6)상에 유지되며, 레티클 스테이지(6)는 에어 베어링을 통해 레티클 지지대(5)상에 Y방향으로 이동할 수 있도록 놓여져 있다. 레티클 스테이지(6)의 상단에 고정된 이동 미러(7), 및 레티클 지지대(5)상의 레이저 간섭계(8)에 의해 계측된 레티클 스테이지(6)의 Y좌표가 스테이지 제어계(11)에 공급된다. 스테이지 제어계(11)는, 주제어장치(18)로부터의 지령에 따라 레티클 스테이지(6)의 위치, 및 이동 속도를 제어한다.

한편, 웨이퍼(W)는 웨이퍼 스테이지(2)상에 유지되며, 웨이퍼 스테이지(2)는 X방향, Y방향, Z방향, 및 회전 방향 등으로 웨이퍼(W)의 정렬을 수행함과 동시에, Y방향에 웨이퍼(W)의 주사를 수행한다. 웨이퍼 스테이지(2)의 상단에 이동 미러(9)가 고정되며, 이동 미러(9) 및 외부의 레이저 간섭계(10)에 의해 웨이퍼 스테이지(2)의 X좌표, 및 Y좌표가 항상 계측되며, 계측 결과가 스테이지 제어계(11)로 공급되고 있다. 스테이지 제어계(11)는 주제어장치(18)로부터의 지령에 따라, 웨이퍼 스테이지(2)의 스텝핑 동작, 및 레티클 스테이지(6)와 동기한 주사 동작의 제어를 수행한다. 즉, 주사 노광시에는, 상기한 투영광학계(PL1)의 레티클측으로부터 웨이퍼측으로의 배율 β를 이용하여, 스테이지 제어계(11)의 제어하에서, 투영광학계(PL1)에 대해 레티클 스테이지(6)가 －Y방향(또는 ＋Y방향)으로 속도 V_R로주사되는 것과 동기하여, 웨이퍼 스테이지(2)가 ＋Y방향(또는 －Y방향)으로 속도 V_W(＝β·V_R)로 주사된다. 이로 인해, 레티클(R)의 패턴이 차례대로 웨이퍼(W)상의 각 쇼트 영역에 전사된다.

또한, 웨이퍼 스테이지(2)상의 웨이퍼(W)의 부근에는 디스토션 계측용 센서(3)가 고정되어 있다. 디스토션 계측용 센서(3)는, 제 9도 (b)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)의 표면과 동일한 높이로 설정된 표면에 직사각형의 개구부(50a)가 설치된 차광막(50)이 부착된 유리 기판(51)과, 상기 개구부(50a)를 통과한 노광용 조명광을 광전 변환하는 광전 변환 소자(52)와, 상기 광전 변환 소자(52)로부터의 검출 신호(S1)를 처리하는 신호 처리부(53)를 가지며, 상기 신호 처리부(53)의 처리 결과가 제 1도의 주제어장치(18)에 공급되고 있다. 본 실시예에서는 후술하는 바와 같이, 웨이퍼 스테이지(2)를 구동함으로써, 레티클(R)의 패턴 투영 이미지를 디스토션 계측용 센서(3)의 개구부(50a)로 주사하며, 그 때 광전변환소자(52)로부터 출력되는 검출 신호(S1)로부터 신호 처리부(53)가 투영광학계(PL1)의 각종 이미지 높이에서의 배율 오차(디스토션)을 구하도록 되어 있다.

다음으로, 본 실시예의 투영광학계(PL1)를 구성하는 여러개의 렌즈 엘리먼트내 대부분은 석영으로 되어 있으며, 나머지 일부의 렌즈 엘리먼트는 형석으로 형성되며, 상기 석영으로 이루어진 소정의 한쌍의 렌즈 엘리먼트 사이에 형성된 소정의 기체실의 기체 압력을 제어하기 위한 렌즈 제어 장치(12)가 설치되어 있다. 대기압의 변화, 혹은 온도 변화 등의 환경 변화, 또는 노광용 조명광의투영광학계(PL1)에 대한 조사량의 내용 등에 따라, 투영광학계(PL1)의 배율, 초점 위치(베스트 초점 위치), 이미지면 만곡 등의 결상 특성이 변화한 경우에, 주제어장치(18)로부터의 지령에 기초하여 그러한 결상 특성을 렌즈 제어 장치(12)가 보정하도록 되어 있다. 한편, 렌즈 제어 장치(12)로서는, 압력 제어 장치 외에, 예를 들면 석영 혹은 형석으로 이루어진 소정의 렌즈 엘리먼트의 광축(AX)방향의 위치나 경사각을 제어하는 렌즈 위치 제어 장치, 혹은 렌즈 제어 장치(12)에 부가하거나 또는 그것을 대신하여 레티클(R)의 광축(AX방향)의 위치나 경사각을 제어하는 레티클 위치 제어 장치를 사용해도 좋다.

더욱이, 투영광학계(PL1)에는, 일부가 형석으로 이루어진 1개 또는 여러개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하기 위한 렌즈 온도제어장치(13)가 접속되어 있다. 본 실시예에서는 환경 변화, 또는 조사량의 내용 등에 따라, 투영광학계(PL1)의 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)가 악화된 경우에, 주제어 위치(18)로부터의 지령에 기초해서 렌즈 온도제어장치(13)가 상기 비선형 배율 오차를 보정하도록 되어 있다. 또한, 상기 비선형 배율 오차의 보정에 의해, 투영광학계(PL1)의 비선형 오차가 악화된 경우에는, 상기 선형 배율 오차를 렌즈 제어 장치(12)가 보정되도록 되어 있다.

다음으로, 본 실시예의 투영광학계(PL1)의 구성, 및 렌즈 온도제어장치(13) 등의 구성에 대해, 제 2도 등을 참조하여 상세히 설명한다.

제 2도는, 본 실시예의 투영광학계(PL1)의 내부 구조, 및 결상 특성의 제어 시스템을 도시하며, 상기 제 2도에 있어서 투영광학계(PL1)는, 일예로서 경통(4)내에 웨이퍼(W)측부터 순서대로 6개의 렌즈 엘리먼트(25∼30), 4개의 렌즈 엘리먼트(31∼34), 및 4개의 렌즈 엘리먼트(35A∼38A)를 고정하여 구성되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(36A 및 37A)만은 형석으로 형성되며, 그밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 그리고 렌즈 엘리먼트(33, 34)는, 렌즈 프레임(G1)을 통해 경통(4)내에 고정되며, 렌즈 엘리먼트(35A∼38A)는 렌즈 프레임(G2)을 통해 경통(4)내로 고정되며, 다른 렌즈 엘리먼트도 각각 도시되지 않은 렌즈 프레임을 통해 경통(4)내에 고정되어 있다.

이 경우, 렌즈 엘리먼트(33, 34) 및 렌즈 프레임(G1)으로 둘러싸인 기체실은 밀봉되어 있으며, 상기 기체실이 배관(12c)을 통해 벨로우즈 기구(12b)에 접속되며, 벨로우즈 기구(12b)의 신축량이 제어부(12a)에 의해 제어되도록 되어 있다. 상기 제어부(12a), 벨로우즈 기구(12b), 및 배관(12c)에 의해 제 1도의 렌즈 제어 장치(12)가 구성되며, 벨로우즈 기구(12b)의 신축량의 조정에 의해 상기 기체실내의 기체(예를 들면, 공기)의 압력이 제어될 수 있도록 되어 있다.

그리고, 형석으로된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A) 및 렌즈 프레임(G2)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(21)을 통해 온도제어장치(13b)로부터, 주제어장치(18)로 지시된 임의의 온도상태의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(22)을 통해서 온도제어장치(13b)로 되돌아가는 구성으로 되어 있다. 한편, 상기 기체실내로 흐르는 기체가 투영광학계(PL1) 주위의 대기(공기)와 같은 성분일 경우에는, 반드시 상기 기체실을 통과한 기체를 배관(22)을 통해 온도제어장치(13b)로 되돌려 보낼 필요는 없지만, 예를 들면 온도 관리가 용이한 기체(예를 들면 질소 가스 등)를 사용할 경우에는, 폐쇄루프에서 온도를 제어하기 위해 배관(22)을 사용할 필요가 있다.

또한, 본 실시예에서는 온도제어장치(13b)에 의해 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 제어하기 위해, 상기한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도가 렌즈 프레임(G2), 경통(4), 및 기체를 매개로하여 전후의 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트(35A, 38A)로 전도하는 것을 방지할 필요가 있다. 이를 위해, 렌즈 엘리먼트(37A, 38A) 및 렌즈 프레임(G2)에 의해 둘러싸인 기체실, 및 렌즈 엘리먼트(35A, 36A) 및 렌즈 프레임(G2)에 의해 둘러싸인 기체실에는, 각각 배관(19 및 20)을 통해 온도제어장치(13a)로부터 일정 온도의 기체를 흘려 보내고 있다. 상기 일정 온도의 기체로서는, 온도 전달율이 낮은 기체(공기 등)가 사용되며, 상기한 기체실을 순환한 기체가 각각 배관(23A 및 24A)을 통해 온도제어장치(13a)로 되돌아가고 있다. 온도제어장치(13a, 13b) 및 배관(19∼22, 23A, 24A)으로 제 1도의 렌즈 온도제어장치(13)가 구성되어 있다.

또한, 본 실시예의 투영노광장치에서는, 각종 패턴을 높은 해상도로 노광하기 위해서, 조명 광학계(14)에 의한 조명 조건을 통상의 상태, 변형 광원, 환상 조명, 및 간섭성 인자인 σ치가 작은 상태 등으로 전환되도록 되어 있다.

제 12도는, 조명광학계(14)를 전환했을 경우에 투영광학계(PL1)를 통과하는 조명광의 상태를 도시한 것으로, 먼저, 통상의 상태에서는 레티클(R)을 통과한 0차광은, 제 12도 (a)에 도시한 바와 같이, 투영광학계(PL1)의 동공면(레티클(R)에 대한 푸리에 변환면)에서 거의 원형인 소정의 영역을 통과하고 있다. 다음으로, 조명광학계(14)를 변형광원 상태로 한 경우에는, 레티클(R)을 통과한 0차광은, 제 12도 (b)에 단면도로 도시한 바와 같이, 투영광학계(PL1)의 동공면상에서 떨어진 복수의 영역을 통과한다. 또한, 조명광학계(14)를 환상 조명 상태로 한 경우에는, 레티클(R)을 통과한 0차광은, 투영광학계(PL1)의 동공면상에서 거의 환상의 영역을 통과한다. 더욱이, 조명광학계(14)를 σ치가 작은 상태로 한 경우에는, 레티클(R)을 통과한 0차광은, 제 12도 (c)에 도시한 바와 같이, 투영광학계(PL1)의 동공면상에서 거의 작은 원형의 영역을 통과한다. 이러한 조명 조건에 의해서도, 투영 이미지의 결상 특성이 변화한다.

다음으로 본 실시예에서 투영광학계(PL1)의 비선형 배율 오차를 제거하는 경우의 동작의 일예에 관해 설명한다.

본 실시예의 투영광학계(PL1)의 렌즈 엘리먼트의 유리 부재는, 석영 및 형석이다. 여기서 석영은 온도가 상승하더라도 팽창 계수가 작기 때문에 거의 팽창하지 않지만, 굴절율이 크게 되는 특성을 갖고 있다. 따라서, 제 6도 (b)에 도시한 바와 같이, 석영의 플러스 렌즈 엘리먼트(49B)에서는 온도가 상승하면, 결상면(FB)이 상기 렌즈 엘리먼트에 가까워지는 방향으로 변위한다. 한편, 형석은 온도의 상승에 의해 팽창하며, 굴절율은 작아지는 특성을 지니고 있다. 따라서, 제 6도 (a)에 도시한 바와 같이, 형석의 플러스 렌즈 엘리먼트(49A)에서는 온도가 상승하면, 결상면(FA)은 상기 렌즈 엘리먼트로부터 멀어지는 방향으로 변위한다. 한편, 상기한 유리 부재의 굴절율인 온도 특성은, 단순히 상기 굴절율 자체의 온도 특성 뿐만 아니라, 상기 유리 부재로 된 렌즈 엘리먼트의 열팽창, 경통의 팽창, 렌즈 프레임의 팽창을 고려하여 온도가 변했을 때, 결상면이 어느 방향으로 변하는가에 따라 결정되는 특성이다.

또한, 투영광학계(PL1)의 디스토션에 대해서 제 7도 및 제 8도를 참조하여 설명한다. 제 7도 및 제 8도에 있어서, 세로축은 이미지 높이(H), 가로축은 상기 이미지 높이(H)에 있어서의 투영광학계(PL1)의 배율 β이며, 광축상(H＝0)에서의 배율을 β₀로 도시하고 있다. 이 경우, 어떤 환경하에서, 일정 시간동안 노광을 계속한 후에 있어서, 투영광학계(PL1)의 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 디스토션은, 제 7도 (a)의 곡선(61)으로 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)가 커짐에 따라 배율 β가 한 번 설계치보다 작아진 후에는 거의 단조롭게 증대하는 비선형 오차(고차 배율 오차)가 된다.

이에 반해, 본 실시예에서는 제 1도의 렌즈 온도제어장치(13)를 통해, 투영광학계(PL1)내 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 조정함으로써, 투영광학계(PL1)의 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 디스토션을, 제 7도 (a)의 곡선(61)과 거의 반대인 특성의 비선형 배율 오차를 가지도록 설정한다. 그러나, 상기한 바와 같이 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 디스토션을 설정하더라도, 상기 디스토션에는 소정의 선형 배율 오차가 오프셋으로서 중첩된다. 따라서, 투영광학계(PL1)의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트에 의한 디스토션은 제7도(b)의 곡선(62A)으로 도시한 바와같이 직선(62B)으로 도시한 선형 배율 오차에 제7(a)도의 곡선(61)과 거의 반대의 특성인 비선형 배율 오차를 중첩한 특성으로 된다.

그 결과, 제 1도의 렌즈 제어 장치(12)에서 결상 특성의 보정을 수행하지 않는 상태에서는, 투영광학계(PL1)의 전체적인 디스토션은, 제 7도 (c)의 직선(63)으로 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)에 따라 배율β가 설계치로부터 선형으로 증대하는 선형 배율 오차와 유사한 특성이 된다. 그러므로, 제 1도의 렌즈 제어 장치(12)에 의해, 투영광학계(PL1)에 대해, 제 7도 (c)의 직선(63)과 유사한 잔존 배율 오차를 거의 상쇄시키는 것처럼, 직선(64)으로 나타내지는 선형 배율 오차를 부여한다. 그 결과, 본 실시예의 투영광학계(PL1)의 디스토션은, 제 8도의 곡선(65)으로 도시한 바와 같이 되며, 비선형 배율 오차와 함께 선형 배율 오차도 제거된 것으로 된다.

여기서, 제 9도 및 제 10도를 참조하여 투영광학계(PL1)의 디스토션의 계측 방법의 일예에 대해 설명한다.

이를 위해, 제 1도의 레티클(R)로서, 조명 영역내에 소정 개수의 쌍(예를 들면 16쌍의)인 평가용 마크가 균등하게 분포하는 테스트 레티클을 사용한다. 이 경우, 각쌍의 평가용 마크는, 투영된 상태에서의 이미지 높이(H)가 최대치(H_max)의 10할(즉, H_max그자체), 및 8할(즉, 0.8H_max)등과 같이 각종의 이미지 높이가 되는 마크를 포함하는 것이 바람직하다. 상기한 각쌍의 평가용 마크는, X방향으로 소정 피치로 배열된 라인 앤드 스페이스 패턴으로 이루어진 X축 평가용 마크, 및 상기 평가용 마크를 90°회전시킨 구성의 Y축 평가용 마크로 이루어지며, 그 중 i번째(i＝1∼16)의 Y축 평가용 마크의 투영 이미지(MY(i))를 제 9도 (a)에 도시한다.

제 9도 (a)에 있어서, 투영 이미지(MY(i))는 Y방향으로 소정의 피치로 명부(P1∼P5)가 배열된 패턴이며, 제 1도의 웨이퍼 스테이지(2)를 구동함으로써, 디스토션 계측용 센서(3)의 직사각형 개구부(50a)에서 상기 투영 이미지(MY(i))를 Y방향으로 주사한다. 그 때, 제 9도 (b)의 광전변환 소자(52)로부터 출력되는 검출 신호(S1)가, 신호 처리부(53)의 내부에서 아날로그/디지탈(A/D)변환되어, 웨이퍼 스테이지(2)의 Y좌표에 대응하여 기억된다.

제 10도 (a)는 본 실시예의 검출 신호(S1)를 도시하며, 본 실시예의 개구부(50a)는 Y방향의 폭이 P₁∼P₅를 전부 커버할 수 있는 직사각형이기 때문에, 상기 제 10도 (a)에 도시한 바와 같이, 얻어지는 검출 신호(S1)는, Y좌표에 따라 계단 형상으로 변화하는 신호가 된다. 따라서, 일예로서 신호 처리부(53)에서는, 상기 검출 신호(S1)를 Y좌표로 미분하여(실제 처리상으로는 차분 연산이 된다), 제 10도 (b)에 도시한 바와 같이 미분 신호(dS1/dY)를 얻은 후, 상기 미분 신호(dS1/dY)가 피크가 되는 Y좌표의 값(Y₁∼Y₅)을 구한다. 이러한 값(Y₁∼Y₅)이 각각 제 9도 (a)의 평가용 마크의 투영 이미지(MY(i))의 명부(P1∼P5)에 대응하므로, 신호 처리부(53)에서는, 이하의 식으로부터 상기 투영 이미지(MY(i))의 Y좌표(Y_i)를 산출한다.

Y_i＝(Y₁＋Y₂＋Y₃＋Y₄＋Y₅) / 5 (1)

또한, i번째인 X축 평가용 마크의 투영 이미지에 대해서는, 상기 투영 이미지에 대해 디스토션 계측용 센서(3)의 개구부(50a)를 X방향으로 주사함으로써, 상기 X좌표(X_i)를 구할 수 있다. 이에 따라, 각 쌍의 평가용 마크의 투영 이미지의 X좌표(X_i), Y좌표(Y_i)가 구해지며, 구해진 좌표가 주제어장치(18)에 공급된다. 또한, 투영광학계(PL1)에 배율 오차가 없는 경우의 각 쌍의 평가용 마크의 투영 이미지의 위치(설계상의 위치)(XD_i, YD_i)는, 미리 주제어장치(18)내의 기억 장치에 기억되어 있다.

이 경우, 각 평가용 마크의 투영 이미지가 실제로 계측된 위치(X_i, Y_i)에는 테스트 레티클의 회전 오차의 영향이 포함되어 있다. 이와같은 영향을 제거하기 위해서, 주제어장치(18)에서는, 상기 회전 오차를 Δψ로 하고, 각 쌍의 평가용 마크의 투영 이미지의 설계상 위치(XD_i, YD_i)를 그 회전오차(Δψ)만큼 회전시켜 얻어진 계산상 위치(XC_i, XC_i)와, 실제로 계측된 위치(X_i, Y_i)와의 차분의 자승합이 최소가 되도록, 최소 자승법으로 상기 회전 오차(Δψ)를 결정한다. 따라서, 투영광학계(PL1)의 배율 오차에 기인하는 각쌍의 평가용 마크의 투영 이미지의 편차량은, (X_i－XC_i, Y_i－YC_i)이 된다. 이 경우의 첨자 i의 범위는 예를 들면 1∼16이다.

다음으로, 상기 투영 이미지의 편차량을 선형 배율 오차와 비선형 배율 오차로 분리하기 위해서, 예를 들면, 이미지 높이(H)에 대해 소정의 계수(k)를 이용하여 배율 β가 다음식에 의해 주어지는 것으로 한다.

β＝k·H＋β₀(2)

그리고, 각 쌍의 평가용 마크 투영 이미지의 계산상 위치(XC_i, YC_i)를, 식(12)의 배율 β를 이용하여 보정함으로써 얻어진 위치(XC_i', YC_i')와, 각 쌍의 평가용 마크의 투영 이미지가 계측된 위치(X_i, Y_i) 차분의 자승합이 최소가 되도록 , 최소 자승법으로 상기 계수 k의 값을 결정한다. 이로써, 선형 배율 오차가 구해지게 된다. 이 결과, 투영광학계(PL1)의 비선형 배율 오차에 기인하는 각 쌍의 평가용 마크의 투영 이미지의 편차량은, (X_i－XC_i', Y_i－YC_i')이 되며, 이러한 편차량을 각각 계산상의 이미지 높이(H : 위치(XCi', YCi')에서의 이미지 높이)로 나눔으로써, 잔존하는 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)가 이미지 높이(H)의 함수로서 구해진다. 또한, 계측되는 것은 이미지 높이(H)상의 소정의 복수의 계측점에서의 배율 오차이므로, 그 들 사이의 이미지 높이에서의 배율 오차는 전후의 계측점에서의 배율 오차를 보간하여 얻어지는 값을 사용해도 좋다.

또한, 상기한 바와 같이 구하는 방법 이외에, 예를 들면 선형 배율 오차를 이미지 높이(H)가 투영광학계에 의한 노광 영역의 최대 반경(H_max)의 10할이 되는 위치(즉, H＝H_max)에서의 배율 오차로 정의하여, 상기 이미지 높이(H_max)부근의 평가용 마크 투영 이미지의 위치 편차량의 평균치로부터 선형 배율 오차를 구해도 좋다. 이 경우, 그보다 작은 이미지 높이(H)에서의 선형 배율 오차는, 이미지 높이(H)와 비례하는 값이 된다.

또한, 이와 같이하여 구해진 선형 배율 오차를 제거한 후, 이미지 높이(H)가투영광학계에 의한 노광 영역의 최대 반경(H_max)의 7할이 되는 위치(즉, H＝0.7H_max)로 잔존하는 배율 오차를 비선형 배율 오차로 정의하고, 상기 이미지 높이 0.7H_max부근의 평가용 마크의 투영 이미지의 위치 편차량의 평균치로부터 비선형 배율 오차를 구해도 좋다.

다음으로, 제 2도에 있어서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도 설정치의 결정 방법의 일예에 대해 설명한다. 먼저, 투영광학계(PL1)의 주위 공기의 압력(대기압)을 x로 하고, 대기압(x)이 기준치(x₀)로부터 변화함에 따라서 투영광학계(PL1)에 비선형 배율오차가 발생한 경우에, 상기 비선형 배율 오차를 상쇄시키기 위한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)의 설정치에 대해 설명한다. 이 경우, 대기압(x)이 기준치(x₀)로부터 변화함으로서 생기는 투영광학계(PL1)의 비선형 배율 오차를 광학 계산에 의해 구한다. 이 경우, 간단하게 하기 위해서 상기한 바와 같이, 최대의 이미지 높이(H_max)에서의 배율 오차를 기준으로 하는 선형 배율 오차를 제거한 후의, 7할의 이미지 높이(0.7H_max)에서의 배율 오차를 비선형 배율로 해도 좋다. 단, 복수의 이미지 높이(H)로의 배율 오차로부터 최소 자승법적으로, 그 정반대의 특성인 비선형 배율 오차를 발생시키기 위한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 구해도 좋다.

제 11도의 실선의 곡선은, 상기와 같이하여 미리 대기압(x)의 함수 F(x)로서 구해진 온도 y(y＝F(x))를 나타내며, 상기 제 11도에 있어서, 가로축은 대기압(x),세로축은 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)이며, 기준 대기압(x₀)에서 비선형 배율 오차를 최소로 하기 위한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 y₀로 해둔다. 실용상으로도, 상기 함수(F(x))에 기초하여 온도(y)를 설정하도록 해도 좋다.

그러나, 실제로는 투영광학계(PL1)의 각 광학 요소의 제조 오차에 따라서, 함수 F(x)로 구해진 온도(y)에서는 비선형 배율 오차가 충분히 작아지지 않는 일이 있다. 더욱이, 본 실시예의 제 1도인 조명광학계(14)에서는, 제 12도에서 설명했듯이, 통상 조명, 변형 조명, 및 간섭성 인자(σ치)를 작게한 조명 등과 같이 조명 조건을 여러 가지로 전환하여 사용할 수 있도록 되었다. 그 때문에, 상기한 함수 F(x)도 조명 조건마다 계산할 필요가 있지만, 특히 변형 조명이나 간섭성 인자(σ치)를 작게한 조명 등으로 계산 결과의 신뢰성이 작다. 그래서, 비선형 배율 오차를 보다 작게 하기 위해서는, 다음과 같이하여 함수 F(x)의 교정을 수행하는 것이 바람직하다.

즉, 실제로 잘 맞는 함수를 구하기 위해서, 기준 대기압(x₀)과 다른 임의의 1점의 대기압(x₁)에서, 제 1도의 디스토션 계측용 센서(3)를 이용하여 투영광학계(PL1) 투영 이미지의 비선형 배율 오차를 구한다. 다음으로, 렌즈 온도제어장치(13)를 통해 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 제어하여, 상기 투영 이미지의 비선형 배율 오차가 0(최소)이 될 때의 온도(y₁)를 구한다. 이때, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도는, 이론적인 함수 F(x)로 정해지는 온도(y)의 근방에서 변화시키도록 한다. 그 후, 렌즈 제어 장치(12)를 이용하여, 잔존하는 선형 배율 오차를 0으로 하기 위해서 상기한 기체실의 압력도 구해둔다.

또한 상기 대기압(x₁)과는 다른 대기압(x₂)에 있어서도, 동일하게 하여 실제로 투영 이미지의 비선형 배율 오차를 0으로 하기 위한 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y₂), 및 잔존하는 선형 배율 오차를 0로 하기 위한 상기 기체실의 압력을 구한다. 그리고, 대기압이 x₀, x₁, x₂인 점에서의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트가 실제로 측정된 온도에서, 제 11도에 점선으로 도시한 바와 같이, 예를 들면 2차 함수로서, 대기압(x)에 대한 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y)를 나타내는 함수 F'(x)를 구할 수 있다. 더욱이, 이 때 잔존하는 선형 배율 오차를 0으로 하기 위한 상기 기체실의 압력도, 상기 대기압(x)의 함수로서 구할 수 있다. 한편, 측정점의 수를 증가시켜, 대기압(x)의 3차 이상인 함수로서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y) 등을 정하면 된다. 상기 함수 F'(x)를 사용함으로써, 투영 이미지의 비선형 배율 오차를 보다 작게 할 수 있다.

또한, 제 11도의 함수 F'(x)는 통상의 조명 조건(제 12도 (a)의 방식)하에서 구해진 함수이지만, 다른 2종류의 조명 조건(제 12도 (b) 및 (c)방식)하에서도 동일하게 교정을 수행한다. 제 12도 (b) 및 (c)의 조명 조건하에서, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 비선형 배율 오차를 최소로 하기 위한 온도(y)를 대기압(x)의 함수로서 구해진 결과가, 각각 제 13도의 함수 F1(x) 및 F3(x)로 도시되어 있다. 또한, 제 13도의 함수 F2(x)는 제 11도의 함수 F'(x)와 같은 함수, 즉 통상의 조명 조건하에서 구해진 함수이다. 이와 같이 함수를 구한 경우에는, 제 13도의 3가지 함수 F1(x)∼F3(x)를 제 1도의 주제어장치(18)내의 기억부에 기억시켜 둔다. 그리고, 주제어장치(18)에서는, 계측된 대기압(x)에 따라, 사용되고 있는 조명조건에 따른 함수보다 형석의 렌즈 엘리먼트의 온도(y)의 목표치를 구하며, 렌즈 온도제어장치(13)를 통해서 상기 렌즈 엘리먼트의 온도를 상기 목표치로 설정한다.

상기한 예에서는, 대기압에 의한 비선형 배율 오차의 보정에 대해서 설명했지만, 그 이외에도, 노광용 조명광이 투영광학계를 통과할 때의 조사 에너지로 각 렌즈 엘리먼트를 팽창시키거나, 각 렌즈 엘리먼트의 굴절율이 변화하는 일이 있으며, 그에 의해서도 비선형 배율 오차가 발생한다. 이에따라, 투영광학계(PL1)를 단위 시간당 통과하는 조사 에너지를 e로 하여, 조사 에너지(e)의 함수로 하여 비선형 배율 오차를 최소로 하기 위해 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y)를 구해둘 필요가 있다. 더욱이, 상기 경우의 함수도 조명 조건마다 구해둘 필요가 있다.

제 14도는, 조사 에너지(e)에 대해서 비선형 배율 오차가 최소가 되도록 교정하여 구한, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)를 도시하며, 상기 제 14도에 있어서, 가로축은 투영광학계(PL1)를 통과하는 노광용 조명광의 조사 에너지(e), 세로축은 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 비선형 배율 오차를 최소로 하기 위한 온도(y)로 도시하고 있다. 이 경우, 상기 조사 에너지(e)는, 예를 들면 제 1도의 조명광학계(14)내에서 노광용 조명광의 일부를 분리해서 얻을 수 있는 광속을광전 변환하여 얻은 신호에, 이미 구해진 변환 계수를 곱함으로써 구해진다. 그리고, 제 14도의 조사 에너지(e)의 함수 g1(e), g2(e) 및 g3(e)는 각각, 제 12도 (b), (a) 및 (c)의 조명 조건마다 구해진 비선형 배율 오차를 최소로 하기 위한 온도(y)를 도시한 함수이다.

이상을 정리하면, 최종적으로는 조사 에너지(e), 대기압(x), 조명 조건(I)을 파라미터로 한 함수 Q(e, x, I)에 의해, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 비선형 오차를 최소로 하기 위한 온도(y)를 구해둘 필요가 있다. 상기 함수 Q(e, x, I)도 제 1도의 주제어장치(18)내의 기억부에 기억시켜 두며, 주제어장치(18)로는 노광시의 조사 에너지(－e), 대기압(x), 조명 조건(I)에 따라, 상기 함수 Q(e, x, I)로부터 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 목표 온도를 구하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 예에서는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)에 대해서 온도 제어를 수행하는 방법에 대해서 설명했지만, 경통(4) 또는 렌즈 프레임(G2) 등의 그 자체를 온도 제어한 경우에도 렌즈 엘리먼트간 거리가 변화하기 때문에, 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 경통(4) 또는 소정의 렌즈 프레임의 온도를 제어하는 기구를 설치해도 좋다. 더욱이, 상기한 바와 같이 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)를 온도 제어한 경우도 경통(4) 및 렌즈 프레임(G2)의 온도 변화가 생겨, 렌즈 엘리먼트간 거리의 신축이 발생하므로, 이것을 가미한 설계를 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서는 노광용 광원으로서 엑시머 레이저 광원이 사용되고 있지만, 노광용 조명광의 조사 에너지에 관해서는, 수은 램프의 i선(파장:365㎚) 쪽이 엑시머 레이저광에 비해 투영광학계의 흡수가 커지며, 투영광학계의 비선형배율 오차도 크게 변화한다. 따라서, 조사 에너지에 따라 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하는 방법은, 오히려 수은 램프의 i선 등을 사용한 투영노광장치(스텝퍼 등)에 적용함으로써, 비선형 배율 오차를 양호하게 저감할 수 있다고 하는 큰 이점이 있다.

다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 대해 제 3도를 참조하여 설명한다. 제 3도에 있어서 제 2도에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 특히 스탭 앤드 스캔 방식의 투영노광장치에 사용하기에 적합한 광학계이다.

제 3도는, 본 실시예의 투영광학계(PL2)를 도시하며, 상기 제 3도에 있어서, 투영광학계(PL2)는, 경통(4)내에 웨이퍼(W)측부터 순서대로 6개의 렌즈 엘리먼트(25∼30), 4개의 렌즈 엘리먼트(31∼34), 및 4개의 렌즈 엘리먼트(35B∼38B)를 고정하여 구성되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(35B∼37B)는 렌즈 프레임(G3)을 통해 경통(4)내에 고정되며, 렌즈 엘리먼트(38B)도 도시되지 않은 렌즈 프레임을 통해서 경통(4)내에 고정되어 있다.

이 경우, 렌즈 엘리먼트(36B)만은 형석으로 형성되며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 그리고, 렌즈 엘리먼트(36B)의 주사 방향인 Y방향의 한쪽 단부의 양면에 한쌍의 온도 제어 소자(40A, 40B)가 고정되며, 상기 Y방향의 다른쪽 단부의 양면에도 한쌍의 온도 제어 소자(40C, 40D)가 고정되어 있다. 이 경우, 조명광학계에 의한 레티클(R)의 패턴 형성면상에서의 슬릿 형상인 조명 영역의 Y방향 폭을 L로 하면, 상기 폭(L)의 조명 영역을 통과한 조명광이 통과하지않은 영역에 상기 온도 제어 소자(40A∼40D)가 고정되어 있다.

상기한 온도 제어 소자(40A∼40D)로서는, 히터, 또는 펠티에 소자 등을 사용할 수 있다. 상기 펠티에 소자는 가열용으로 사용해도 좋으며, 흡열용으로 사용해도 좋다. 또한, 도시되어 있지 않으나, 렌즈 엘리먼트(36B)의 Y방향의 끝단부에 온도 센서가 고정되고, 상기 온도 센서의 검출 신호가 외부의 온도제어장치(39)로 공급되며, 온도제어장치(39)는, 검출된 온도가 주제어장치(18)로 지시된 설정 온도가 되도록, 온도 제어 소자(40A∼40D)의 가열, 또는 열동작을 제어한다.

또한, 본 실시예에서는 그와 같이 렌즈 엘리먼트(36B)의 온도를 제어함으로서 발생하는 열이, 근접하는 렌즈 엘리먼트에 영향을 미치는 것을 방지하기 위한 열방지 기구가 설치되어 있다. 즉, 렌즈 엘리먼트(36B, 37B) 및 렌즈 프레임(G3)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(19)을 통해 온도제어장치(13a)로부터 소정 온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(23B)을 통해서 온도제어장치(13a)로 되돌아가며, 렌즈 엘리먼트(35B, 36B) 및 렌즈 프레임(G3)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(20)을 통해 온도제어장치(13a)로부터 소정 온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(24B)을 통해 온도제어장치(13a)로 되돌아가는 구성으로 되어 있다. 그리고, 주제어장치(18)로부터의 지령에 기초하여, 온도제어장치(13a)는 강제 공조에 의해 렌즈 엘리먼트(36B)의 전후 렌즈 엘리먼트(35B, 37B)의 온도를 일정하게 유지하도록 하고 있다. 그 이외의 구성은 제 2도의 예와 비슷하다.

이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 슬릿 형상의 조명 영역을 통과한 조명광에 조사되지 않은 공간을 유효하게 활용하여, 온도 제어 소자(40A∼40D)를 이용해서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36B)의 온도를 직접 제어 하고 있기 때문에, 상기 렌즈 엘리먼트(36B)의 온도를 고속인 동시에 높은 정밀도로 소망의 목표 온도로 설정할 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 투영광학계(PL2)의 투영 이미지가 비선형 배율 오차를 신속하게 함과 동시에 높은 정밀도로 작게 할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제 3 실시예에 대해 제 4도를 참조하여 설명한다. 제 4도에 있어서 제 2도에 대응하는 부분에는 동일부호를 붙여 상기 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 스탭 앤드 리피트 방식, 및 스탭 앤드 스캔 방식 중 어떠한 투영노광장치에 적용해도 적합한 광학계이다.

제 4도는, 본 실시예의 투영광학계(PL3)를 도시하며, 상기 제 4도에 있어서, 투영광학계(PL3)는, 경통(4)내에 웨이퍼(W)측으로부터 순서대로 6개의 렌즈 엘리먼트(25∼30), 4장의 렌즈 엘리먼트(31, 32, 33A, 34A), 및 4장의 렌즈 엘리먼트(35C∼38C)를 고정하여 구성되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(33A, 34A)는 렌즈 프레임(G4)을 통해 경통(4)내에 고정되고, 렌즈 엘리먼트(35C, 36C)는 렌즈 프레임(G5)을 통해 경통(4)내로 고정되며, 다른 렌즈 엘리먼트도 도시하지 않은 렌즈 프레임을 통해 고정되어 있다.

이 경우, 렌즈 엘리먼트(33A 및 36C)만은 형석으로 구성되며, 그 외의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 이 경우, 상측의 석영 렌즈 엘리먼트(36C)의 온도 변화에 의해 주로 비선형 배율 오차의 특성이 변화하며, 하측의 형석 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도 변화에 따라 주로 선형 배율 오차의 특성이 변하도록 되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(35C, 36C) 및 렌즈 프레임(G5)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(41A)을 통해 온도제어장치(13c)로부터 가변 온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(41B)을 통해 온도제어장치(13d)로 되돌아가며, 렌즈 엘리먼트(33A, 34A) 및 렌즈 프레임(G4)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(42A)을 통해 온도제어장치(13d)로부터 가변 온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(42B)을 통해 온도제어장치(13d)로 되돌아가는 구성으로 되어 있다. 그리고 주제어장치(18)로부터의 지령에 기초하여, 온도제어장치(13c 및 13d)는 각각, 렌즈 엘리먼트(36C 및 33A)의 온도를 목표 온도로 설정하도록 하고 있다.

그리고, 본 실시예에서는 투영광학계(PL3)의 투영 이미지의 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)를 보정할 때에는, 온도제어장치(13c)를 통해 렌즈 엘리먼트(36C)의 온도를 제어하며, 그 때 발생하는 선형 배율 오차를, 온도제어장치(13d)를 통해 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도를 제어하는 것으로 상쇄하는 방법을 찾고 있다. 더욱이 이 방법은, 대기압에 의한 고차 배율 오차의 특성과 노광용 조명광이 투영광학계에 대한 조명시의 온도 변화에 의한 고차 배율 오차의 특성이 다르며, 3차 이상의 배율 오차가 크게 남는 경우 등에, 각각 대응하는 2개소의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트로 독립적으로 고차 배율 제어를 수행하는 경우에도 이용할 수 있다. 즉, 예를 들면 상측의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36C)로 대기압에 의한 비선형 배율 오차를 보정하여, 그보다 하측의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트로 조명광의 조사에 의한 비선형 배율 오차를 보정하도록 해도 좋다.

다음으로, 본 발명의 제 4 실시예에 대해 제 5도를 참조하여 설명한다. 제5도에 있어서 제 2도에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙여 그 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 스탭 앤드 리피트 방식, 및 스탭 앤드 스캔 방식중 어느 투영노광장치에 적용해도 적합한 광학계이다.

제 5도는, 본 실시예의 투영광학계(PL4)를 도시하며, 상기 제 5도에 있어서, 투영광학계(PL4)는, 경통(4A)내에 웨이퍼(W)측으로부터 순차적으로 6개의 렌즈 엘리먼트(25, 26, 27A, 28A, 30), 4개의 렌즈 엘리먼트(31, 32, 33B, 34B) 및 2개의 렌즈 엘리먼트(35D, 36D)를 고정하여, 상기 경통(4A)상에 렌즈 엘리먼트(37D)를 유지하는 지지대(45) 및 렌즈 엘리먼트(38D)를 유지하는 지지대(46)을 고정하여 구성되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)는 렌즈 프레임(G6)을 통해 경통(4A)내에 고정되며, 다른 렌즈 엘리먼트도 도시되지 않은 렌즈 프레임을 통해서 경통(4A)내에 고정되어 있다.

본 실시예에서는, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)만은 형석으로 형성되어 있으며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A) 및 렌즈 프레임(G6)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(43)을 통해 온도제어장치(13e)로부터 가변 온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(44)을 통해 온도제어장치(13e)로 되돌려진다. 그리고 주제어장치(18)로부터의 지령에 기초하여, 온도제어장치(13e)는, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 온도를 목표 온도로 설정하도록 하고 있다. 또한, 지지대(45 및 46)는 서로 독립적으로 구동 장치(47)에 의해, 투영광학계(PL4)의 광축(AX)에 평행한 방향으로 이동, 및 소망 각도의 경사로 할 수 있도록 구성되어 있다. 구동 장치(47)의 동작은, 주제어장치(18)로부터의 지령에 근거해서 결상 특성 제어 장치(48)를 제어한다.

본 실시예에서도, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 온도를 온도제어장치(13e)를 통해서 제어함으로서, 투영광학계(PL4) 투영 이미지의 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)를 보정하지만, 상기 발생하는 선형 배율 오차를 지지대(45, 46)를 통해 렌즈 엘리먼트(37D, 38D)를 경사, 또는 상하로 이동시킴으로서 보정한다. 상기한 두 개의 지지대(45, 46)의 움직임을 조합시켜, 배율 오차만이 아니라, 초점 위치의 디포커스, 및 이미지면의 만곡 등도 보정할 수 있으므로, 비선형 배율 오차 보정시에 발생하는 다른 수차의 대부분은 온도제어장치(13e), 및 구동 장치(47)의 제어를 최적화하는 것으로 상쇄할 수 있다.

다음으로, 투영광학계의 실제 수치 모델에 대해서, 온도 제어에 의해 비선형 배율 오차가 어느 정도 변하는지 수치 해석한 결과를 도시한다.

이 경우, 예를 들면, 제 2도에 도시한 투영광학계(PL1)를 해석 대상으로 하면, 투영광학계(PL1)중에는 형석으로 형성함으로써, 결상 특성을 보정할 수 있는 가능성이 있는 렌즈 엘리먼트가 9개 있다. 여기서 이와 같이 형석으로 형성할 수 있는 9개의 렌즈 엘리먼트를 렌즈 엘리먼트(L1∼L9)로 하여 형석으로 된 렌즈 엘리먼트를 사용하지 않는 경우, 및 1개의 렌즈 엘리먼트가 형석으로 되며, 다른 렌즈 엘리먼트가 석영으로 된 경우에 대해서 각각, 이미지 높이가 최대치인 10%의 위치에서 배율 오차βA[㎛], 이미지 높이가 최대치 7%인 위치에서 배율 오차 βB[㎛], 이미지 높이가 최대치 10%인 위치에서의 배율 오차 βC[㎛]를 구한다. 또한, 1개의 렌즈 엘리먼트를 형석으로 형성한 경우로서, 렌즈 엘리먼트(L1∼L9)를 순차적으로 형석으로 구성하며, 상기 형석으로 된 1개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃ 변화시켰을 때의 배율 오차βA[㎛], 배율 오차 βB[㎛], 및 잔류 배율 오차(비선형 배율 오차) βC[㎛]를 다음 표 1에 도시한다.

표 1

	βA[㎛]	βB[㎛]	βC[㎛]
형석 없음	－0.0144	－0.0204	＋0.0100
L1	＋0.0436	＋0.0135	－0.0067
L2	－0.2797	－0.1862	＋0.0199
L3	－0.2254	－0.1529	＋0.0152
L4	－0.2576	－0.1739	＋0.0167
L5	＋0.1602	＋0.0926	－0.0092
L6	＋0.1045	＋0.0572	－0.0056
L7	＋0.2371	＋0.1447	－0.0110
L8	＋0.2911	＋0.1793	－0.0142
L9	＋0.3854	＋0.2406	－0.0192

상기 표1에 있어서, 예를 들면 렌즈 엘리먼트(L4)를 형석으로 형성했을 경우, 잔류 배율 오차(비선형 배율 오차) βC는 형석을 사용하지 않은 경우에 비해, 0.067㎛, 즉 약 7㎚ 커지게 된다. 또한, 렌즈 엘리먼트(L9)를 형석으로 형성된 경우, 잔류 배율 오차(비선형 배율 오차) βC는 형석을 사용하지 않은 경우에 비해, 0.0292㎛, 즉 약 29㎚만큼 변화하고 있다. 이로서, 형석으로 구성된 1장의 렌즈 엘리먼트의 온도를 ±1℃ 변화시킨 것으로, 최대로 거의 ±20㎚ 정도의 비선형 배율 오차의 보정이 가능해진 것임을 알 수 있다.

더욱이, 일반적으로 온도 조절 제어의 분해능은 0.01℃ 정도는 가능하기 때문에, 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃ 정도 변화시켜 비선형 배율 오차를 보정하는 경우, 상기 비선형 배율 오차의 보정 분해능은 거의 ±0.2㎚(＝±20/100[㎚])가 된다. 또한 표 1에 의해, 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃ 변화시키는 것으로, 거의 ±0.2㎛ 정도의 선형 배율 오차가발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃ 정도 변화시킬 경우의 선형 배율 오차의 제어 분해능은, 거의 ±2㎚(＝±20/100[㎛])라고 하는 높은 수준이 된다.

또한, 더욱이 복수의 위치에 형석 렌즈 엘리먼트를 삽입함으로서 온도 제어 렌즈를 좁히거나, 부가적으로 발생하는 선형 배율 오차를 작게하??나, 더욱이 큰 비선형 배율 오차를 보정하는 것도 가능하게 된다.

본 발명의 제 1－제 4의 실시예에 의하면, 투영광학계는 서로 굴절율의 온도 특성이 다른 유리 부재로 구성된 복수조의 광학 부재(렌즈 엘리먼트)를 가지며, 그 중의 적어도 하나의 광학부재의 온도 제어를 수행함으로서, 상기 투영광학계의 결상 특성을 제어하고 있다. 따라서, 대기압이나 투영광학계의 주위 온도 등의 환경 변화, 조명 조건(통상 혹은 변형 광원 등)의 변경, 또는 노광용 조명광의 흡수 등에 의해 악화되는 투영광학계의 디스토션을 보정할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 감광 기판상에서의 투영 이미지 중첩 정밀도를 향상할 수 있다.

또한, 온도 제어 수단에 의해 제어되는 투영광학계의 결상 특성이 비선형 배율 오차인 경우에는, 종래 방식으로는 보정할 수 없었던 비선형 배율 오차를 보정할 수 있다는 이점이 있다.

이 경우, 상기 온도 제어 수단에 의해 제어 대상인 광학 부재의 온도를 ±1℃ 변화시킴으로서, 상기 투영광학계인 비선형 배율 오차를 ±50㎚인 범위내에서 보정할 때에는, 상기한 수치 해석으로 도시한 바와같이 예를 들면 형석으로 이루어진 1개, 또는 2개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어함으로서 상기 범위 내에서의 보정을 수행할 수 있어 실용적이다.

또한, 상기 투영광학계의 선형 배율 오차를 보정하는 선형 배율 제어 수단을 설치하며, 상기 온도 제어 수단에 의해 상기 투영광학계인 비선형 배율 오차를 소정 허용 범위내로 한 후에 잔존하는 선형 배율 오차를, 상기 선형 배율 제어 수단을 통해 저감시킬 때에는, 투영광학계의 디스토션을 실질적으로 0으로 할 수 있다.

또한, 상기 투영광학계의 사용 조건 변화에 따른 상기 투영광학계의 결상 특성인 변화량을 기억하는 기억 수단을 설치하며, 상기 투영광학계의 사용 조건의 변화에 따라 상기 기억 수단에 의해 기억되고 있는 결상 특성의 변화량을 상쇄하도록, 상기 온도 제어 수단을 통해 상기 투영광학계의 결상 특성을 제어할 때에는, 상기 투영광학계의 사용 조건이 변화했을 때, 거의 대기하는 시간 없이 상기 투영광학계의 디스토션 등의 결상 특성을 양호한 상태로 되돌릴 수 있는 이점이 있다.

제 5도 (A)는, 제 5도에 도시한 제 4 실시예의 변형예를 도시한 것이다. 여기서 렌즈 엘리먼트의 배치는 제 5도에 있어서의 것과 동일하지만, 렌즈 엘리먼트의 종류는 모두 동일하여 좋다. 렌즈 엘리먼트(28A, 29A) 사이의 공간은 기체실로 되어 있으며, 배관(12c)을 통해 벨로우즈 기구(12b)에 접속되며, 벨로우즈 기구(12b)의 신축량이 제어부(12a)에 의해 제어되도록 되어 있다. 상기 제어부(12a), 벨로우즈 기구(12b), 및 배관(12c)에 의해 제 1도의 렌즈 제어 장치(12)가 구성되며, 벨로우즈 기구(12b)의 신축량의 조정에 의해 상기 기체실내의 기체(예를 들면 공기)의 압력이 제어될 수 있도록 되어 있다.

상기한 바와 같이, 상기 예에서는 렌즈 엘리먼트의 온도 조정은 수행되지 않지만, 이 경우에도 구동 장치(47)에 의해 렌즈 엘리먼트(37D 및 38D)를 독립하여 광축 방향으로 이동하고 또는 상기 경사를 조절하는 제어과, 상기한 렌즈 제어 장치(12)와의 조합시켜, 비선형 배율 오차 및 이미지면 만곡의 보정이 가능함을 확인했다.

한편, 이 경우에 초점 위치가 따라서 변하므로, 자동 초점 기구를 조합시킬 필요가 있지만, 자동 초점 기구 자체는 주지한 바대로, 필요하다면 제 17도의 자동 초점 기구를 참조하길 바란다.

다음에 도시한 실시예는, 본 발명을 투영광학계의 결상면의 디포커스의 보정에 응용한 예를 도시한 것이다. 실시예의 설명에 앞서, 결상면의 디포커스에 대한 일반적인 설명을 하겠다.

종래의 기술에 있어서는, 환경 변화 등으로 발생하는 투영광학계의 결상면에 대한 디포커스내의, 비선형적인 디포커스 성분에 대한 보정을 수행할 수 없다는 문제점이 있다. 상기 비선형적인 디포커스 성분의 주요부는, 투영 이미지의 이미지 높이에 따라 디포커스량이 2차이상의 함수에 근사한 곡선으로 변화하는 이미지면 만곡이다. 즉, 설계상의 기준이 되는 상태로는, 제 29도 (a)에 도시한 바와 같이, 투영광학계의 결상면 초점의 위치(ZF)는 이미지 높이(H)에 의존하지 않고 거의 설계상의 목표 위치 근방에 있다.

여하튼, 상기 기준이 되는 상태에 대해서 대기압 변화난 노광용 조명광의 조사에 의한 열흡수 등이 발생하면, 상기 결상면의 디포커스의 특성은 제 29도 (b)에 도시한 바와 같은 이미지면 만곡이 된다. 이와 같은 결상 만곡이 발생하면, 결상면 전체에서의 초점 심도(DOF)의 폭이 좁아지며, 결과적으노 레티클 패턴의 투영 이미지 전체에서 소망의 해상도를 얻는 것이 곤란하다.

제 29도 (b)에 도시한 바와 같은 이미지면 만곡이, 스탭 앤드 리피드 방식(일괄 노광 방식)의 투영노광장치에서 발생하면, 제 30도 (a)에 도시한 바와 같이, 종래 투영 이미지 결상면(72)의 초점 위치가 이미지 높이에 의해 비선형으로 변화하고 결상면(73A)과 같이 되며, 전체로서의 초점 심도의 폭이 좁아진다. 한편, 제 29도 (b)에 도시한 바와 같은 결상만곡이, 스탭 앤즈 스캔 방식(주사노광방식)의 투영노광장치로 발생하면, 제 30도 (b)에서 도시한 바와 같이 종래 투영 이미지의 결상면(72)에 대해서, 주사 방향인 Y방향으로 평균화 효과에 의해 디포커스는 발생하지 않지만, 상기 평균화 효과에 의해 이미지의 열화가 발생하고 있다. 또한, 비주사 방향(X방향)에는, 일괄 노광 방식과 동일하게 이미지 높이에 따른 디포커스가 발생하여, 주사 노광후의 실질적인 결상면은 결상면(73B)으로 되어 있기 때문에, 결과적으로 소위「가운데가 볼록한 형태」의 이미지면 만곡이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

더욱이, 최근 레티클 사이즈가 확대되고 있으며, 큰 레티클을 사용하는 경우에 더욱이 이미지면 만곡이 확대된다는 문제점도 발생하고 있다. 예를 들면, 레티클의 주변을 진공 흡착 등으로 유지하는 것으로 하면, 제 31도(a)에 도시한 바와 같이, 작은 사이즈(한변이 5인치 이하 정도)의 레티클(RA)을 4개의 지지부(74A)로 지지하는 경우에는, 레티클(RA)을 만족하지 않기 때문에 특히 문제는 없다. 그러나, 제 31도 (b)에 도시한 바와 같이, 큰 사이즈(예를 들면, 한변이 6∼9인치 정도)의 레티클(RB)를 4개의 지지부(74B)로 지지하는 경우에는, 레티클(RB)는 지지부(74B)의 길이 방향(Y방향)과 직교하는 방향(X방향)으로 자체 무게때문에 「가운데가 볼록한 형」으로 뒤틀리며, 그 만큼 결상면의 이미지면 만곡도 증가한다고 하는 문제점이 있다. 특히 제 31 (b)의 레티클(B)을, Y방향을 주사 방향으로 하는 스탭 앤드 스캔 방식(주사노광방식)의 투영노광장치에서 사용한 경우, 제 30도 (b)에 도시한 「가운데가 볼록한 형」의 이미지면 만곡이 증폭되는 우려가 있다.

본 발명에 의한, 제 5∼제 8의 실시예를 제 17∼제 21을 참조하여 설명한다.

제 17도는, 제 5∼제 8의 실시예에 공통되는 구성을 도시하며, 동도는 제 1도에 대응하는 것이다. 제 1도에 도시한 요소와 대응하는 것으로는, 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

웨이퍼 스테이지(2)상의 웨이퍼(W)의 부근에는, 결상 특성 계측 센서(103)이 고정되어 있다. 결상 특성 계측용 센서(103)는, 제 24도 (b)에 도시한 바와 같이 웨이퍼(W)의 표면과 동일한 높이로 설정된 표면에 직사각형의 개구부(50a)가 설치된 차광막(50)이 피착된 유리기판(51)과, 상기 개구부(50a)를 통과한 노광용 조명광을 광전 변환하는 광전변환소자(52)와, 상기 광전변환소자(52)로부터의 검출 신호(S1)를 처리하는 신호처리부(153)를 가지며, 상기 신호 처리부(153)의 처리 결과가 제 17도의 주제어장치(118)로 공급되고 있다. 본 실시예에서는 후술하는 바와 같이, 웨이퍼 스테이지(2)를 구동함으로써, 레티클(R) 패턴의 투영 이미지를 결상 특성 계측용 센서(103)의 개구부(50a)로 주사하여, 그 때 광전변환소자(52)로부터출력되는 광전신호(S1)로부터 신호처리부(153)가 투영광학계(PL5)의 결상면이 여러종류의 이미지 높이에서의 초점 위치 분포(이미지면 만곡)를 구하도록 되어 있다.

더욱이, 투영광학계(PL5)로는, 일부가 형석으로 이루어진 1개 또는 여러개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하기 위한 렌즈 온도 제어장치(13)가 접속되어 있다. 본 실시예에서는, 환경 변화, 또는 조사량의 내용 등에 따라서, 투영광학계(PL5)의 비선형적인 디포커스를 보정하도록 되어 있다. 또한 상기 비선형적인 디포커스의 보정에 따라 투영광학계(PL1)의 선형 배율 오차가 악화되었을 때에는, 상기 선형 배율 오차를 렌즈 제어 장치(12)가 보정되도록 되어 있다.

또한, 본 실시예의 투영노광장치에는, 투영광학계(PL5)에 의한 노광 영역내의 복수 계측점으로 웨이퍼(W)상에 스포트광을 비스듬하게 투사하는 투사 광학계(68)와, 상기한 계측점으로부터의 반사광을 수광하여 각각 스포트광을 재결상하여, 재결상된 스포트광의 횡편차량에 대응하는 초점신호를 출력하는 수광 광학계(69)로 구성된 초점 위치 검출계가 설치되어 있다. 상기 수광 광학계(69)로부터 복수의 초점 신호가 주제어장치(118)로 공급되어 있다. 이 경우, 웨이퍼(W)의 표면 투영광학계(PL5)의 광축 방향(Z방향)의 위치(초점 위치)가 변화하면, 대응하는 초점 신호의 레벨이 변화하는 것으로부터 주제어장치(118)에서는 웨이퍼(W)의 초점 위치를 모니터한다. 그리고 주제어장치(118)에서는 스테이지 제어계(11)를 통해 웨이퍼 스테이지(2)내의 Z방향으로의 구동 기구 동작을 제어함으로써, 웨이퍼(W)의 노광 대상인 쇼트 영역의 평균면 중앙에서의 초점 위치를, 미리 구한 투영광학계(PL5) 결상면의 평균면 중앙에서의 초점 위치에 유지시킨다.

또한, 본 실시예에서는 투영광학계(PL5)의 이미지면 만곡을 보정하면, 결상면의 평균적인 면의 중앙에서 초점 위치에 오프셋이 발생하는 일이 있기 때문에, 그와 같은 오프셋이 발생했을 때에는, 웨이퍼 스테이지(2)를 구동하여 웨이퍼(W)의 초점 위치를 상기 오프셋 분만큼 보정하여, 결상면과 웨이퍼(W)의 표면 사이에 디포커스가 발생하는 것을 방지하고 있다. 더욱이, 본 실시예의 웨이퍼 스테이지(2)에는 웨이퍼(W)의 경사각을 보정하는 기구(레벨링 스테이지)도 설치되며, 주제어장치(118)는 상기 초점 위치 검출계의 복수의 계측점에서의 초점 위치에 의해 웨이퍼(W)의 경사각을 구하여, 웨이퍼(W)의 경사각을 결상면의 경사각에 맞추도록 하고 있다.

더욱이, 본 실시예의 투영광학계(PL5)의 측면에는, 웨이퍼(W)상의 각 쇼트 영역에 부설된 정렬용의 웨이퍼 마크의 위치를 검출하기 위한 오프·엑시스 방식의 촬상 방식의 정렬 센서(70)도 설치되어 있다.

다음으로 본 실시예에서 투영광학계(PL5)의 이미지면 만곡을 제거하는 경우의 동작의 일예에 관해 설명한다. 한편, 이하 제 18도는 제 5 실시예를 도시한 것으로, 제2도에 대응하는 것이며, 제 2도에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.

투영광학계(PL5)의 이미지면 만곡에 대해서 제 22도 및 제 23도를 참조하여 설명한다. 제 22도 및 제 23도에 있어서, 횡축은 이미지 높이(H), 종축은 상기 이미지 높이(H)에 있어서 투영광학계(PL5)의 결상면의 초점 위치 ZF이며, 광축상(H＝0)에서의 초점 위치로하여 도시하고 있다. 이 경우, 어떤 환경하에서,일정 시간 노광을 계속하여 수행한 후에 있어서의, 투영광학계(PL5)의 석영으로 이루어진 렌즈 엘리먼트에 의한 결상면은, 제 22(a)도의 곡선(61A)으로 도시한바와 같이, 아래에 오목한 이미지면 만곡이 된다.

이에 반해, 본 실시예에서는 제 17도의 렌즈 온도제어장치(13)를 통해, 투영광학계(PL5)내 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 조정함으로써, 투영광학계(PL5)의 형석으로 되는 렌즈 엘리먼트에 의한 디스토션을, 제 22(a)도의 곡선(61A)과 거의 약 반대의 특성인 비선형 배율 오차를 가지도록 설정한다. 그러나, 상기한 바와 같이 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 이미지면 만곡을 설정해도, 상기 결상면의 초점 위치에는 소정의 시간(H)의 전 범위에서 일정한 오프셋이 중첩된다. 따라서, 투영광학계(PL5)의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트에 의한 결상면의 디포커스 위치의 분포는, 제 22도 (b)의 곡선(62C)으로 도시한 바와 같이, 소정의 오프셋에, 제 22도 (a)의 곡선(61A)와 거의 정반대의 특성인 비선형 배율 오차를 중첩한 특성으로 된다.

그 때문에, 투영광학계(PL5)의 전체로서 결상면의 초점 위치(ZF)는, 제 22도 (c)의 직선(63A)에서 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)의 전범위에서 거의 일정한 값이 되며, 웨이퍼(W)의 표면 사이에서 디포커스가 발생한다.?? 그래서 제 17도의 웨이퍼 스테이지(2)내의 Z방향으로의 구동 기구를 이용하여, 투영광학계(PL5)에 대해서, 상기 디포커스분 만큼 웨이퍼(W) 표면의 초점 위치를 보정한다. 이것은 실질적으로 투영광학계(PL5)의 결상면에 대해서, 제 22도 (c)의 직선(64A)으로 도시한 바와 같은 초점 위치의 오프셋을 더한 것을 의미한다. 그 결과, 웨이퍼(W)의표면을 기준으로 한 본 실시예의 투영광학계(PL5)의 결상면 초점 위치(ZF)의 분포는, 제 23도의 곡선(65A)에 도시한 바와 같이 되며, 이미지면 만곡과 같이 일정한 디포커스도 제거되고 있다. 따라서, 결상면의 전체로서 초점 심도의 폭이 종래예로부터 넓어지며, 투영 이미지가 전체로서 높은 해상도로 투영 노광된다.

더욱이, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 조정함으로써, 상기 결상면의 선형 배율 오차(이미지 높이(H)에 비례하여 배율이 변화하는 오차)가 악화되는 일이 있다. 이와 같이 선형 배율 오차가 발생했을 때에는, 제 17도의 렌즈 제어 장치(12)를 통해 상기 결상면에 대해, 발생한 선형 배율 오차를 거의 상쇄시키도록 선형 배율 오차를 부여한다. 그 결과, 본 실시예의 투영광학계(PL5)의 결상 특성은 이미지면 만곡도, 디스토션도 제거된 양호한 특성이 된다.

여기서, 제 24도 및 제 25도를 참조하여 투영광학계(PL5)의 초점 위치의 분포의 계측 방법 일례에 대해 설명한다.

그러기 위해서, 제 17도의 레티클(R)로서, 조명 영역내에 소정 개수가 각각 한쌍인(예를 들면 16쌍의)평가용 마크가 균등하게 분포하는 테스트 레티클을 사용한다. 그러한 각쌍의 평가용 마크는, X방향으로 소정 피치로 배열된 라인 앤드 스페이스 패턴으로 된 X축 평가용 마크, 및 상기 평가용 마크를 90°회전한 구성의 Y축 평가용 마크로 되며, 그 중에 i번째(i＝1∼16)의 Y축 평가용 마크의 투영 이미지(MY(i))를 제 9(a)도로 도시한다. 한편, 이하에서는 Y축 평가용 마크의 투영 이미지를 이용하여 결상면(최상 결상면)의 초점 위치를 검출하지만, X축의 평가용 마크의 투영 이미지도 사용하여, 양 방법으로 구해진 초점 위치의 차를 구해도 좋다.

제 24(a)도에 있어서, 투영 이미지(MY(i))는 Y방향으로 소정의 피치로 명부(P1∼P5)가 배열된 패턴이며, 우선 웨이퍼 스테이지(2)의 Z방향의 위치를 소정의 초기치로 설정한 상태에서, 제 17도의 웨이퍼 스테이지(2)를 구동함으로써, 결상 특성 계측용 센서(103)의 직사각형 개구부(50a)에서의 상기 투영 이미지(MY(i))를 Y방향으로 주사한다. 그 때 제 24(b)도의 광전변환 소자(52)로부터 출력되는 검출 신호(S1)가, 신호처리부(153)의 내부에서 아날로그/디지탈(A/D)변환되어, 웨이퍼 스테이지(2)의 Y좌표에 대응해서 기억된다.

제 25도 (a)는 본 실시예의 검출 신호(S1)를 도시하며, 본 실시예의 개구부(50a)는 직사각형이기 때문에, 상기 제 25도 (a)에 도시한 바와 같이, 얻을 수 있는 검출 신호(S1)는, Y좌표에 따라 계단 형상으로 변화하는 신호가 된다. 여기서 일예로서 신호 처리부(153)에서는, 상기 검출 신호(S1)를 Y좌표로 미분하여(실제 처리상으로는 차분연산이 된다), 제 25도 (b)에 도시한 바와 같이 미분 신호(dS1/dY)를 얻는다. 상기 미분 신호(dS1/dY)가 피크가 되는 Y축상의 위치(Y1∼Y5)가 각각 제 24도 (a)의 평가용 마크의 투영 이미지(MY(i))의 명부(P1∼P5)에 대응하고 있다. 결상 특성 계측용 센서(103)의 촬상면이 결상면의 초점 위치(베스트 초점 위치)에 있을 때에, 미분 신호(dS1/dY)의 명부(P1∼P5)에 대응하는 파형의 높이 평균치ΔS(제 25도 (a)의 검출 신호(S1)의 기울기에 대응한다)가 최대가 된다. 여기서, 신호 처리부(153)에서는 상기 미분 신호(dS1/dY)의 피크부의 크기 평균치(ΔS)를 구한다. 그 후, 제 17도의 웨이퍼 스테이지(2)의 Z방향으로의 구동부를 통해, 결상 특성 계측용 센서(103)의 표면의 Z방향으로의 위치를 소정 스탭퍼폭으로 변화시키면서 각각 16개의 투영 이미지에 대해서 피크부의 높이 평균치(ΔS)를 구한다.

그 결과, 16개의 투영 이미지 중 일정한 이미지 높이의 투영 이미지에 대해서, 제 25도 (c)에 점열로 도시한 바와 같은 계측 데이터를 얻을 수 있다. 제 25도 (c)에 있어서, 가로축은 결상 특성 계측용 센서(103)의 촬상면의 Z방향의 위치, 세로축은 상기 피크부의 높이 평균치(ΔS)이다. 그리고, 신호 처리부(153)에서는, 제 25도 (c)의 점열을 예를 들면, 2차 곡선(71)으로 최소 자승 근사치로 하고, 상기 2차 곡선(71)이 피크가 되는 Z방향의 위치(ZF)를 상기 이미지 높이로의 결상면의 초점 위치가 된다. 각종 이미지 높이의 마크에 대해서 각각 결상면의 초점 위치(ZF)를 구함으로서, 현재의 환경에 있어서 제 23도에 도시한 바와 같은 초점 위치 분포(이미지면 만곡)를 계측할 수 있다. 또한, 계측되는 것은 이미지 높이(H)상의 소정 복수의 계측점에서의 초점 위치이기 때문에, 상기 사이의 이미지 높이에서의 초점 위치는 전후의 계측점에서의 초점 위치를 보간하여 얻을 수 있는 값을 사용해도 좋다.

다음으로, 제 18도에 있어서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도 설정치가 결정 방법의 일예에 대해 설명한다. 먼저, 투영광학계(PL5)의 주위 공기의 압력(대기압)을 x로 하고, 대기압(x)이 기준치(x₀)로부터 변함에 따라서 투영광학계(PL5)에 비허용치를 넘는 이미지면 만곡이 발생한 경우에, 상기 이미지면 만곡을 상쇄하기 위한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)의 설정치에 대해 설명한다.이 경우, 대기압(x)가 기준치(x0)로부터 변함으로써 발생하는 투영광학계(PL5)의 이미지면 만곡을 광학 계산에 의해 구한다. 그리고 상기한 바와 같이 구해진 이미지면 만곡과, 역으로 특성이 이미지면 만곡을 발생시키기 위한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)를 계산하여 구한다.

제 26도의 실선의 곡선은, 그와 같이하여 이미 대기압(x)의 함수 F(x)로하여 구해진 온도 y(y＝F(x))를 나타내며, 상기 제 26도에 있어서, 가로축은 대기압(x), 세로축은 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)이며, 기준 대기압(x₀)으로 이미지면 곡선을 최소로 하기 위한 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 y₀로 해둔다. 실용상으로도, 상기 함수(F(x))에 기초하여 온도(y)를 설정하도록 해도 좋다.

그러나, 실제로는 투영광학계(PL5)의 각 광학 요소의 제조 오차 등에 따라, 함수 F(x)로 구해진 온도(y)에서는 이미지면 만곡이 충분히 작아지지 않는 일이 있다. 더욱이, 본 실시예의 제 1도인 조명광학계(14)에서는, 제 12도에서 설명했듯이, 통상 조명, 변형 광원법, 및 간섭성 인자(σ치)를 작게한 조명 등과 같이 조명 조건을 여러 가지로 전환하여 사용할 수 있도록 되었다. 그 때문에, 상기한 함수 F(x)도 조명 조건마다 계산할 필요가 있지만, 특히 변형 광원법이나 간섭성 인자(σ치)를 작게한 조명 등으로의 계산 결과가 신뢰성이 낮은 것이 있다. 그래서, 이미지면 만곡을 보다 작게 하기 위해서는, 다음과 같이하여 함수 FA(x)의 교정을 수행하는 것이 바람직하다.

즉, 실제로 잘 맞는 함수늘 구하기 위해서는, 기준 대기압(x₀)과 다른 임의의1점 대기압(x1)에서, 제 17도의 결상 특성 계측용 센서(103)을 이용하여 투영광학계(PL1)의 투영 이미지의 이미지면 만곡을 구한다. 다음에, 렌즈 온도제어장치(13)를 통해 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 제어하여, 상기 투영 이미지의 비선형 배율 오차가 0(최소)이 될 때의 온도(y₁)를 구한다. 이 때, 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도는, 이론적인 함수 F(x)로 정해진 온도(y)의 근방에서 변화시키도록 한다. 그 후, 렌즈 제어 장치(12)를 이용해서, 잔존하는 선형 배율 오차를 0으로 하기 위한 상기 기체실의 압력도 구해둔다. 이와 함께, 잔존하는 초점의 위치 오프셋도 구해둔다.

또한 상기 대기압(x₁)과 다른 타 대기압(x₂)에 있어서도, 비슷하게하여 실제로 투영 이미지의 이미지면 만곡을 0으로 하기 위한 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y2), 및 잔존하는 선형 배율 오차를 0으로 하기 위한 상기 기체실의 압력을 구하며, 잔존하는 초점의 위치의 오프셋을 구한다. 그리고 대기압이 x0, x1, x2인 점에서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트가 실제로 측정된 온도에서, 제 26도에 점선으로 도시한 바와 같이, 예를 들면 2차 함수로서, 대기압(x)에 대한 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y)를 나타내는 함수 F'(x)를 구할 수 있다. 더욱이, 이 때 잔존하는 선형 배율 오차를 0으로 하기 위한 상기 기체실의 압력도, 상기 대기압(x)의 함수로서 구할 수 있다. 동시에 잔존하는 초점 위치의 오프셋도 대기압(x)의 함수로서 구할 수 있다. 한편, 측정점수를 증가시켜, 대기압(x)의 3차 이상인 함수로서 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y) 등을 정하면 좋다. 상기 함수 F'(x)를 사용함으로써, 투영 이미지의 이미지면 만곡을 보다 작게 할 수 있다.

또한, 제 26도의 함수 F'(x)는 통상의 조명 조건(제 12도 (a)의 방식)의 기초로 구해진 함수이지만, 다른 2종류의 조명 조건(제 12도 (b) 및 (c) 방식) 등의 기초로도 동일하게 케리어 브레이션을 수행한다. 제 12도 (b) 및 (c)의 조명 조건의 기초로, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 이미지면 만곡을 최소로 하기 위한 온도(y)를 대기압(x)의 함수로 하여 구해진 결과가, 각각 제 27도의 함수 F1(x) 및 F3(x)으로 도시되고 있다. 또한, 제 27도의 함수 F2(x)는 제 26도의 함수 F'(x)와 같은 함수, 즉 통상의 조명 조건하에서 구해진 함수이다. 이와 같이 함수를 구한 경우에는, 제 27도의 3가지 함수 F1(x)∼F3(x)를 제 1도 주제어장치(118)내의 기억부에 기억시켜 둔다. 그리고, 주제어장치(118)에서는, 계측된 대기압(x)에 따라, 사용되고 있는 조명조건에 따른 함수보다 형석의 렌즈 엘리먼트의 온도(y)의 목표치를 구하며, 렌즈 온도제어장치(13)를 통해서 상기 렌즈 엘리먼트의 온도를 상기 목표치로 설정한다.

상기한 예에서는, 대기압에 의한 이미지면 만곡의 보정에 대해서 설명했지만, 그 이외에도, 노광용 조명광이 투영광학계를 통과할 때의 조사 에너지로 각 렌즈 엘리먼트를 팽창시키거나, 각 렌즈 엘리먼트의 굴절율이 변화하는 일이 있어, 그에 의해서도 이미지면 만곡이 발생한다. 여기서, 투영광학계(PL5)를 단위 시간당 통과하는 조사 에너지를 e로 하여, 조사 에너지(e)의 함수로서 이미지면 만곡을 최소로 하기 위한 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도(y)를 구해둘 필요가 있다. 더욱이, 상기 경우의 함수도 조명 조건마다 구해둘 필요가 있다.

제 28도는, 조사 에너지(e)에 대해서 이미지면 만곡이 최소가 되도록 교정을 수행하여 구했다. 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도(y)를 도시하며, 상기 제 28도에 있어서, 가로축은 투영광학계(PL1)를 통과하는 노광용 조명광의 조사 에너지(e), 세로축은 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 이미지면 만곡을 최소로 하기 위한 온도(y)로 도시하고 있다. 이 경우, 상기 조사 에너지(e)는, 예를 들면 제 17도의 조명광학계(14)내에서 노광용 조명광의 일부를 분리해서 얻을 수 있는 광속을 광전 변환하여 얻은 신호에, 이미 구해진 변화 계수를 곱함으로써 구해진다. 그리고, 제 28도의 조사 에너지(e)의 함수 g1(e), g2(e) 및 g3(e)는 각각 제 12도 (b), (a) 및 (c)의 조명조건마다 구해진 이미지면 만곡을 최소로 하기 위한 온도(y)를 도시한 함수이다.

이상을 정리하면, 최종적으로는 조사 에너지(E), 대기압(X), 조명 조건(I)을 파라미터로 한 함수 Q(e, x, I)에 의해, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 비선형 오차를 최소로 하기 위한 온도(y)를 구해둘 필요가 있다. 상기 함수 Q(e, x, I)도 제 17도의 주제어장치(118)내의 기억부에 기억시켜 두며, 주제어장치(118)로는 노광시의 조사 에너지(－e), 대기압(x), 조명 조건(I)에 따라, 상기 함수 Q(e, x, I)로부터 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 목표 온도를 구하는 것이 바람직하다.

더욱이, 제 31도를 참조하여 설명한 바와 같이, 사용하는 레티클이 커지면 상기 레티클의 불균일이 커져 결상면의 이미지면 만곡이 악화된다. 여기서, 사용하는 레티클의 크기, 또는 종류마다 상기한 결상 특성 계측용 센서(103)을 이용하여 결상면의 이미지면 만곡을 구해두면, 사용하는 레티클에 따라 이미지면 만곡이최소가 되도록 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 대면적의 레티클을 사용해도, 레티클의 불균일과 이미지면 만곡을 상쇄시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 노광용 광원으로서 엑시머 레이저 광원이 사용되고 있지만, 노광용 조명광의 조사 에너지에 관해서는, 수은 램프의 I선(파장: : 365㎚) 쪽이 엑시머 레이저광에 비해 투영광학계의 흡수가 커지며, 투영광학계의 이미지면 만곡도 크게 변화한다. 따라서, 조사 에너지에 따라 형석으로 된 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하는 방법은, 오히려 수은 램프의 I선 등을 사용한 투영노광장치(스텝퍼 등)에 적용함으로써, 이미지면 만곡을 양호하게 저감할 수 있다고 하는 큰 이점이 있다.

다음으로, 본 발명의 제 6 실시예에 대해 제 19도를 참조하여 설명한다. 제 19도는 제 3도에 대응하는 것으로, 제 3도에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙여 상기 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 특히 스탭 앤드 스캔 방식의 투영노광장치에 적용하여 적합한 광학계이다.

본 실시예에 의하면, 슬릿 형상인 조명 영역을 통과한 조명광에 조사되지 않는 공간을 유효하게 활용하여, 온도 제어 소자(40A∼40D)를 이용하여 형석으로 되는 렌즈 엘리먼트(36B)의 온도를 고속인 동시에 고정밀도로 소망의 목표 온도로 설정할 수 있는 이점이 있다. 이로 인해, 투영광학계(PL6)의 투영 이미지인 이미지면 만곡을 신속함과 동시에 높은 정밀도로 보정할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제 7 실시예에 대해 제 20도를 참조하여 설명한다. 제20도는 제 4도에 대응하는 것으로 제 4도에 대응하는 부분에는 동일부호를 붙여 상기 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 스탭 앤드 리피드 방식, 빛 스탭 앤드 스캔 방식 중 어느 투영노광장치에 적용해도 적합한 광학계이다.

상기 예에서는 앞서 설명한 바와 같이, 렌즈 엘리먼트(33A, 및 36C)만은 형석으로 형성되며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 이 경우, 상측의 형석의 렌즈 엘리먼트(36C)의 온도 변화에 따라 주로 이미지면 만곡의 특성이 변화하고, 하측의 형석인 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도 변화에 따라 주로 선형 배율 오차의 특성이 변하도록 되어 있다. 또한 렌즈 엘리먼트(35C, 36C) 및 렌즈 프레임(G5)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(41A)을 통해 온도제어장치(13c)로부터 기변 온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환했던 기체가 배관(41B)을 통해 온도제어장치(13c)로 되돌아가며, 렌즈 엘리먼트(33A, 34A) 및 렌즈 프레임(G4)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(42A)을 통해 온도제어장치(13d)로부터, 가변 온도의 온도 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환했던 기체가 배관(42B)을 통해 온도제어장치(13d)로 되돌리는 구성으로 되어 있다. 그리고, 주제어장치(118)로부터의 지령에 기초하여, 온도제어장치(13c)로 되돌아가는 구성으로 되어 있다. 그리고 주제어장치(13c 및 13d)는 각각, 렌즈 엘리먼트(36C 및 33A)의 온도를 목표 온도로 설정하도록 되어 있다.

그리고, 본 실시예에서는 투영광학계(PL7)의 투영 이미지의 만곡을 보정할 때에는, 온도제어장치(13c)를 통해 렌즈 엘리먼트(36C)의 온도를 제어하며, 그 때 발생하는 선형 배율 오차를, 온도제어장치(13d)를 통해서 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도를 목표 온도를 제어하는 것으로 상쇄하는 방법을 찾고 있다. 더욱이 상기 방법은, 대기압에 의한 이미지면 만곡의 특성과, 노광용 조명광의 투영광학계에 대한 조사시의 온도 변화에 따른 이미지면 만곡의 특성과는 달리, 3차 이상의 초점 위치의 오차가 크게 남는 경우 등으로, 각각에 대응하는 2개소의 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트로 독립적으로 이미지면 만곡 제어를 수행하는 경우에도 이용할 수 있다. 즉, 예를 들면, 상측의 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트(36C)로 대기압에 의한 이미지면 만곡을 보정하여, 그보다 하측의 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트로 조명광의 조사에 의한 이미지면 만곡을 보정하도록 해도 좋다.

다음으로, 본 발명의 제 8 실시예에 대해 제 21도를 참조하여 설명한다. 제 21도는 제 5도에 대응하는 것으로 , 제 5도에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙여 상기 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 스탭 앤드 리피트 방식, 및 스탭 앤드 스캔 방식 중 어느 투영노광장치로 적용해도 적합한 광학계이다.

본 실시예에서도, 형석으로 이루어진 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 온도를 온도제어장치(13e)를 통해서 제어함으로서, 투영광학계(PL8)의 투영 이미지의 이미지면 만곡을 보정하지만, 그 때 발생하는 선형 배율 오차를 지지대(45, 46)를 통해 렌즈 엘리먼트(37D, 38D)를 경사, 또는 상하로 이동시킴으로써 보정한다. 상기 2개의 지지대(45, 46)의 움직임을 조합시켜, 배율 오차만이 아니라, 초점 위치의 디포커스도 보정할 수 있으므로, 이미지면 만곡 보정시에 발생하는 다른 수차의 대부분은 온도제어장치(13e), 및 구동 장치(47)의 제어를 최적화하는 것으로 상쇄시킬 수 있다.

다음으로, 제 5∼8 실시예에 관하여, 투영광학계의 실제 수치 모델에 대하여, 온도 제어로 이미지면 만곡이 어느 정도 변하는지를 수치 해석한 결과를 도시한다.

이 경우, 예를 들면, 제 18도에 도시한 투영광학계(PL5)를 해석 대상으로 하면, 투영광학계(PL5)중에는 형석으로 형성함으로써, 결상 특성을 보정할 수 있는 가능성이 있는 렌즈 엘리먼트가 2개 있다. 여기서 이와 같이 형석으로 형성하여 유효한 2개의 렌즈 엘리먼트를 렌즈 엘리먼트(L1, L2)로하여 형석으로 된 렌즈 엘리먼트를 사용하지 않는 경우, 및 렌즈 엘리먼트 L1 또는 L2가 형석으로 되는 다른 렌즈 엘리먼트가 석영으로 된 경우에 대해서 각각, 이미지 높이가 최대치인 10%의 위치에서의 배율 오차βD[㎛], 및 초점 위치의 Z방향으로의 편차량(즉 이미지면만곡) βE[㎛]를 구한다. 또한, 이미지 높이가 0인 초점 위치를 기준으로 하여, 상기 형석으로 된 1개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃변화시켰을 때의 배율 오차βD[㎛], 및 초점 위치의 편차량 βE[㎛]를 다음 표 2에 도시한다.

표 2

	βD[㎛]	βE[㎛]
형석 없음	0	0
L1	0.3041	0.1180
L2	0.3971	0.2058

상기 표 2에 의해, 형석으로 된 1개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 ±1℃변화시키는 것으로, 약 ±0.2㎛ 정도의 이미지면 만곡의 보정이 가능함을 알 수 있다. 더욱이, 일반적으로 온도 조절 제어의 분해능은 0.01℃ 정도는 가능하기 때문에, 형석으로 구성된 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃ 정도 변화시켜 이미지면 만곡을 보정하는 경우, 상기 이미지면 만곡의 보정 분해는은 거의 ±2㎚(＝±20/100[㎛])가 된다. 또한, 더욱이 복수의 위치에 형석 렌즈 엘리먼트를 삽입함으로서 온도 제어 렌즈를 좁히거나, 부가적으로 발생하는 선형 배율 오차를 작게 하거나, 더욱이 큰 이미지면 만곡을 보정하는 것도 가능하게 된다.

본 발명의 제 5∼제 8의 실시예에 의하면, 적어도 하나의 광학부재의 온도 제어를 수행하는 온도 제어 부재를 설치하고 있기 때문에, 투영광학계가 주위 대기압 등의 환경 변화, 노광용 조명광의 흡수 또는 레티클의 비틀림 등에 악화하는 투영광학계 결상면의 디포커스, 특히 이미지면 만곡과 같은 비선형적인 디포커스를 보정할 수 있다는 이점이 있다. 그 결과, 투영 이미지 전체로서의 초점 심도의 폭이 넓어지며, 투영 이미지 전체로서의 분해도가 향상한다.

또한, 온도 제어 수단에 의한 제어 대상이 투영광학계의 이미지면 만곡이며, 상기 투영광학계의 배율 오차를 제어하는 배율 오차 제어 수단을 설치하며, 상기 온도 제어 수단을 이용하여 상기 투영광학계의 이미지면 만곡을 제어했을 때 발생하는 배율 오차를 상기 배율 오차 제어 수단을 통해 저감시키는 경우에는, 이미지면 만곡의 보정에 의해 발생하는 선형 배율 오차 등의 배율 오차가 저감되며, 전체로서 결상특성이 양호하게 유지된다.

더욱이, 온도 제어 수단에 의해 제어 대상인 광학부재의 온도를 ±1℃이하인 범위내에서 제어함으로써, 상기 투영광학계의 이미지면만곡을 ±0.3㎛이하의 범위내에서 보정할 때에는 상기한 수치 해석으로 도시한 바와 같이 예를 들면 형석으로 된 1개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하는 것으로서 상기 범위 내에서의 보정을수행하는 것이 가능하여 실용적이다.

또한, 상기 투영광학계의 사용 조건의 변화에 따른 상기 투영광학계의 결상면의 위치 변화량을 기억하는 기억수단을 설치하며, 상기 투영광학계의 사용 조건 변화에 따라 상기 기억 수단에 기억되어 있는 결상면의 위치 변화량을 상쇄시키도록, 상기 온도 제어 수단을 통해 상기 투영광학계의 결상면의 위치를 제어할 때에는, 사용 조건이 변화해도 신속한 동시에 고정밀도로 이미지면 만곡 등을 보정할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 투영광학계의 결상면과 감광 기판을 상기 투영광학계의 광축 방향에 상대적으로 이동하는 초점 위치 제어 수단을 설치하며, 상기 온도 제어 수단을 이용하여 상기 투영광학계의 결상면의 위치를 제어했을 때 잔존하고 있는 초점의 우치 오프셋을 상기 초점 위치 제어 수단을 통해 저감시킬 때에는, 이미지면 만곡의 보정에 의해 발생하는 디포커스가 보정되며, 항상 감광 기판의 표면이 결상면에 합치한 상태로 노광이 이루어진다.

다음에 도시한 실시예는, 비선형 배율 오차와 비선형 디포커스의 양방향을 보정의 대상으로 하여, 또한 상기 보정을 위해서 수행하는 광학부재의 온도 제어가 바람직한 방법을 실행하기 위한 것이다. 이하에 도시한 제 9∼12 실시예에 관해서는, 이러한 비선형 배율 오차와 비선형 디포커스를 합치시켜 비선형 오차라 부른다.

제 9∼12의 실시예는, 온도 제어를 수행하는 광학 부재가 실제로 제안된 목표 온도가 될 때까지 시간이 걸린다고 하는 문제에 대처하는 것으로 제 9∼12 실시예의 설명에 앞서, 상기 현상을 설명한다.

앞에서 설명한 실시예에 있어서와 같이, 소정의 광학부재 (예를 들면36A, 37A)의 온도를 제어하는 경우, 상기 광학 부재의 온도가 지정된 목표 온도가 될 때까지에는 소정의 시정수에 의한 지연이 있다. 예를 들면, 제 38도 (a)는, 온도(T₁)의 광학부재의 온도의 목표치를 T₂로 변경할 경우를 도시하며, 상기 제 38도 (a)에 있어서, 시점(t₁)로부터 예를 들면, 상기 광학 부재의 주위 기체의 설정 온도(제어 온도 : T_ij)를 곡선(259)에 따라 차례대로 목표 온도(T₂)에 가까워져도, 상기 광학 부재의 온도(TF)는 곡선(258)에 따라 늦게 변한다. 그리하여, 상기 기체의 목표 온도(T_ij)가 목표 온도(T₂)에 도달하고 나서 잠시 경과한 시점(t₂)에 이르기 시작해서, 상기 광학 부재의 온도(TF)는 상기 목표 온도(T₂)에 대한 허용 범위(±ΔT의 범위내)에 포함되는 시점(t₂)이후에 노광을 개시하도록 되어 있다.

이 경우, 상기 광학 부재의 온도(TF)가 상기 목표 온도(T₂)에 대한 허용 범위(±ΔT의 범위내)에 포함되는지 여부를 판정하는 수법으로서는, 예를 들면 미리 상기 광학부재의 온도 변화 속도를 구해두며, 계산으로 구해진 시간만큼 기다리는 수법과, 상기 광학 부재에 온도 센서를 설치하여 실제로 상기 광학 부재의 온도를 계측하는 수법이 있다. 또한, 상기 광학 부재의 온도(TF)를 목표 온도(T₂)에 단시간으로 가까워지기 위해서는, 제 38도 (b)에 도시한 바와 같이, 예를 들면 상기광학 부재 주위의 기체 설정 온도(T_ij)를 곡선(259a)에 따라 목표 온도(T₂)로 오버 슈트(목표 온도가 낮은 경우에는 언더 슈트)시키면 좋다.

본 발명에 의한 제 9∼12 실시예를 제 32∼36을 참조하여 설명한다. 제 32도는 제 9∼12 실시예에 공통되는 구성을 도시하며, 이것은 제 17도에 대응하는 것이다. 제 17도에 도시한 요소와 대응하는 것에는 동일 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

웨이퍼 스테이지(2)상의 웨이퍼의 부근에는, 결상 특성 계측용 센서(203)가 고정되어 있다. 결상 특성 계측용 센서(203)는, 제 37도 (b)에 도시한 바와 같이, 웨이퍼(W)의 표면과 동일한 높이로 설정된 표면에 직사각형의 개구부(50a)가 설치된 차광막(50)이 고정된 유리 기판(51)과, 상기 개구부(50a)를 통과한 노광용 조명광을 광전 변환하는 광전변환소자(51)와, 상기 광전변환소자(52)로부터의 검출 신호(S1)를 처리하는 신호 처리부(253)을 가지며, 상기 신호 처리부(253)의 처리 결과가 제 32도의 주제어 장치(218)로 공급되고 있다. 본 예에서는, 후술하는 바와 같이, 웨이퍼 스테이지(2)를 구동함으로써, 레티클(R)의 패턴의 투영 이미지를 결상 특성 계측용 센서(203)의 개구부(50a)로 주사하여, 그 때 광전변환소자(52)로부터 출력되는 검출 신호(S1)에서 신호 처리부(253)이 투영광학계(PL9)의 비선형 배율 오차나 이미지면 만곡을 구하도록 되어 있다.

제 33도는 본 발명의 제 9실시예를 도시한 것으로, 제 18도에 대응하는 것이며, 제 18도에 대응하는 부분에는 동일 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.

제 33도에 있어서, 투영광학계(PL9)에는 일부의 형석으로 된 1장 또는 여러장의 렌즈 엘리먼트의 온도를 제어하기 위한 렌즈 제어 장치(213)이 접속되어 있다. 본 예에서는, 환경 변화, 또는 조사량의 내용 등에 따라서, 투영광학계(PL9)의 비선형 배율 오차(고차 배율 오차), 이미지면 만곡, 또는 그러한 양쪽이 악화된 경우에, 주제어장치(218)로부터의 지령에 기초하여 렌즈 온도 제어 장치(213)가 상기한 결상 특성을 보정하게 되어있다. 또한, 상기 비선형 배율 오차, 이미지면 만곡, 또는 그러한 쌍방의 보정에 의해, 투영광학계(PL9)의 선형 배율 오차가 악화되었을 때에는, 상기 선형 배율 오차를 렌즈 제어 장치(12)를 보정하도록 되어 있다.

또한, 렌즈 엘리먼트(36A 및 37A)의 끝단부의 노광용 조명광이 통과하지 않는 영역에, 각각 서미스터 등의 온도 센서(254B 및 254A)가 고정되며, 온도 센서(254A, 254B)의 신호 단자가 온도 검출 장치(255)에 접속되며, 신호 검출 장치(255)에서는 온도 센서(254A, 254B)의 전기 특성의 변화로부터 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 평균 온도를 구한다. 구해진 온도는 렌즈 온도 제어 장치(213b) 및 주제어장치(218)에 공급되며, 렌즈 온도 제어 장치(213b)에서는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)가 검출된 온도가 목표 온도에 도달하도록, 배관(21)을 통해 공급되는 기체의 설정 온도를 세밀하게 제어한다(상세한 것은 후술). 그리고 주제어장치(218)에서는, 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)가 검출된 온도가 목표 온도에 대해 허용 범위내에 포함된 후에, 웨이퍼(W)에 대한 노광을 개시하도록 되어 있다.

상기한 바와 같이 본예에서는, 온도 제어 장치(213a, 213b), 온도 센서(254A, 254B), 온도 검출 장치(255), 배관(19∼22, 23A, 24A)으로부터 제 32도의 렌즈 온도 제어 장치(213)이 구성되어 있다.

다음으로, 본예에서 투영광학계(PL9)의 비선형 배율 오차(고차 배율 오차), 또는 이미지면 만곡을 보정하는 경우의 동작의 일예에 대해 설명한다. 한편, 이하에서는 제 33도의 투영광학계(PL9)내의 형석으로 되는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도 제어에 의해, 비선형 배율 오차, 또는 이미지면 만곡의 한쪽을 보정하는 경우에 대해서 설명하고 있지만, 이것은 투영광학계(PL9)의 사용 조건에 따라, 비선형 배율 오차, 또는 이미지면 만곡의 한쪽만이 크게 악화되는 경우에 대응하고 있다. 그리하여, 비선형 배율 오차, 및 이미지면 만곡의 양쪽이 크게 악화하는 바와 같은 경우에는, 예를 들면, 하나의 수법으로서, 상기 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도를 양방의 결상 특성이 각각 허용 범위가 될 것같은 값으로 설정하면 좋다. 또한, 그와 같은 설정 온도가 존재하지 않은 경우에는, 투영광학계(PL9)내에서 각각 비선형 배율 오차, 및 이미지면 만곡의 보정에 유효한 렌즈 엘리먼트의 온도를 서로 독립적으로 제어하면 좋다.

여기서, 제 37도를 참조하여 투영광학계(PL9)의 디스토션 및 이미지면 만곡의 설계 방법의 일예에 대해 설명한다.

이를 위해, 제 32도의 레티클(R)로서, 조명 영역내에 소정 개수의 쌍(예를 들면 16쌍의)의 평가용 마크가 균등하게 분포하는 테스트 레티클을 사용한다. 이 경우, 각쌍의 평가용 마크는, 각종 이미지 높이가 되는 마크를 포함하는 것이 바람직하다. 상기한 각쌍의 평가용 마크는 X방향 소정 피치로 배열된 라인 앤드 스페이스 패턴으로 이루어진 X축 평가용 마크, 및 상기 평가용 마크를 90°회전한 구성의 Y축 평가용 마크로 구성되며, 그 중 i번째(i＝1∼16)의 Y축 평가용 마크의 투영 이미지MY(i)를 제 37도 (a)에 도시한다.

제 37도 (a)에 있어서, 투영 이미지(MY(i))는 Y방향으로 소정 피치로 명부(P1∼P5)가 배열된 패턴이며, 제 32도의 웨이퍼 스테이지(2)를 구동함으로써, 결상 특성 계측용 센서(203)의 직사각형의 개구부(50a)에서 상기 투영 이미지(MY(i))를 Y방향으로 주사한다. 그 때 제 37도 (b)의 광전변환소자(52)로부터 출력되는 검출 신호(S1)가 신호 처리부(253)의 내부에서 아날로그/디지탈(A/D)변환되어, 웨이퍼 스테이지(2)의 Y좌표에 대응하여 기억된다. 그리고, 상기 검출 신호(S1)의 예를 들면 미분 신호에 기초하여, 상기 투영 이미지(MY(i))의 중점의 Y좌표 및 컨트라스트가 구해지며, 상기 중점의 Y좌표의 설계치로부터의 어긋남으로 상기 이미지 높이에서의 배율 오차가 구해지며, 결상 특성 계측용 센서(3)의 Z좌표를 바꿔 컨트라스트가 가장 높아질 때 Z좌표를 구함으로써, 상기 이미지 높이로의 결상면의 초점 위치가 구해진다. 더욱이, 모든 평가용 마크의 투영 이미지에 대해서 각각 배율 오차, 및 결상면의 초점 위치를 구함으로써, 디스토션(비선형 배율 오차를 포함함), 및 이미지면 만곡이 구해진다.

한편, 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 목표 온도를 결정하는 방법에 대해서는 제 11도 및 제 26도에 관련한 설명을 참조하길 바란다.

다음으로, 실제로 형석의 온도를 상기 목표 온도로 설정하는 방법의 일례에 대해 제 38도∼제 40도를 참조하여 설명한다.

우선, 제 38도 (a)는 시간(t)의 경과에 따른 온도 등의 변화를 도시하며, 상기 도면 제 38도 (a)에 있어서, 점선의 곡선(259)는 제 2도의 렌즈 온도제어장치(213b)로부터 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 37A) 사이의 기체실에 공급되는 기체의 설정 온도(T_ij), 실제 곡선(258)은 상기 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 온도 센서(254A, 254B)에 의해 계측되는 온도(형석의 온도: TF)를 도시한다. 또한 제 38도 (a)에 있어서, 최초의 시점(t₀)에서는 형석의 목표 온도는 t₁이며, 이미 결정된 허용폭(ΔT)를 이용하여, 시점(t₀)에서는 형석의 온도(TF)는 목표 온도(T1)에 대해서 허용 범위(±ΔT)내에 포함되어 있다. 이 경우, 제 32도의 주제어장치(218)내 메모리의 공통 작업 영역(260 : 제 40도 참조)에, 형석의 목표 온도(Ti), 및 허용폭(ΔT) 등이 입력되며, 각종 제어부가 독립적으로 상기 공통 작업 영역(260)내의 데이터를 참조할 수 있도록 되어 있다.

그 후 시점(t₁)에 있어서, 제 39도의 스탭(301)으로 도시한 바와 같이, 본 실시예의 투영광학계의 사용 조건에 따라, 제 33도의 주제어장치(218)내의 온도 제어부에 의해 형석의 목표 온도(T_i)가 T₂(＞T₁)로 변경된 것으로 한다. 상기 목표 온도(T₂)는, 제 40도의 공통 작업 영역(260)내에 입력됨과 동시에, 제 33도의 온도제어장치(213b)로 전달된다.

그 후 스탭(302)에 있어서, 제 33도의 온도제어장치(213b)는, 렌즈 엘리먼트(36A, 37A) 사이에 공급되는 기체(본 실시예에서의 온도 제어 매체)의 온도(이하,「제어 온도」라 부름(T_ij))를 제 38도 (a)에 점선의 곡선(259)에서 도시한바와 같이, 소정의 시간 스탭으로 원래의 목표 온도(T₁)로부터 차례대로 다음 목표 온도(T₂)로 변화시킨다. 또한, 온도제어장치(213b)로는 형석의 온도(TF)도 공급되며, 온도제어장치(213b)에서는 서보 방식으로 상기 형석의 온도(TF)가 목표치(T₂)에 합치되도록, 상기 온도 제어 매체의 제어 온도(T_ij)를 연속적으로 조정한다. 따라서, 실제로는 상기 스탭(302)의 동작은, 노광 동작 중에 연속적으로 실행되어 있다. 상기 경우, 제 33도의 형석으로 된 렌즈 엘리먼트(36A, 36A)의 온도 변화에는 소정의 시정수가 있기 때문에, 상기 형석의 온도(TF)는, 실선(258)으로 도시한 바와 같이 제어 온도(T_ij)보다 늦게 변화한다.

그리하여, 제 39도의 스탭(103)에서 주제어장치(218)내의 온도 제어부는 제 33도의 온도 센서(254A, 254B) 및 온도검출장치(255)를 통해 형석의 실제 온도(TF)를 계측하여, 제 40도에 도시한 주제어장치(218)내의 메모리내 공통 작업 영역(260)으로부터 목표 온도(T_i, 여기서는 T_i＝T₂), 및 허용폭(ΔT)를 판독한다. 연속되는 스탭(304)에서, 상기 온도 제어부는, 상기 형석의 온도(TF)가 다음과 같이 목표 온도에 대한 허용 범위내에 포함되는지의 여부를 판정한다.

｜TF－T_i｜??ΔT

그리고, 상기 형석의 온도(TF)가 상기 허용범위내에 포함되었을 때에는, 스탭(206)으로 이행하여, 상기 온도 제어부는, 상기 공통 작업 영역(260)내의 온도 가변 종료 블록(초기치는 고레벨 "1")의 값을 저레벨 "0"으로 설정한다. 그 후,다시 스탭(303)으로 되돌아가 형석의 온도(TF)를 샘플링한다. 한편, 스탭(304)에서 상기 형석의 온도(TF)가 상기 허용 범위내에 포함되지 않을 때에는, 스탭(305)으로 이행하여, 주제어장치(218)내의 온도 제어부는, 상기 온도 가변 종료 블록치를 고레벨 "1"로 설정한 후, 스탭(303)으로 이행한다. 그 결과, 제 38도 (a)의 예에서는, 시점(t₂)에 있어서, 형석의 온도(TF)가 목표 온도(T₂)에 대한 허용 범위내로 들어가며, 제 40도의 온도 가변 종료 블록이 저레벨 "0"으로 설정된다.

또한, 제 39도의 스탭(301∼306)의 동작과 병렬로, 스탭(311∼316)으로 도시한 바와 같이, 주제어장치(218)내의 노광 제어부에 의한 노광 동작이 수행되고 있다. 즉, 스탭(311)에 있어서, 웨이퍼의 교환이나 새로운 웨이퍼의 정렬 등이 실행된 후, 스탭(312)에 있어서, 주제어장치(218)내의 노광 제어부는 내부의 타이머 시간을 개시시킨다. 그 후 스탭(313)에 있어서, 상기 노광 제어부는 제 40도의 공통 작업 영역(260)내의 온도 가변 종료 블록이 저레벨 "0"(즉, 형석의 온도가 목표에 대한 허용 범위내로 들어감)인지 여부를 조사하여, 상기 온도 가변후 종료 블록이 저레벨 "0"일 때에는, 스탭(314)으로 이행하여 노광을 수행한 후, 다시 스탭(311)으로 되돌아간다.

한편, 스탭(313)에서 상기 온도 가변 종료 블록이 고레벨 "1"일 때에는, 스탭(315)에 있어서, 주제어장치(218)내의 노광 제어부는, 먼저 설정한 타이머의 시간이 소정 허용 시간을 넘어 타임 아웃할 것인지 여부를 조사하며, 또한 타임 아웃하지 않을 경우는 다시 스탭(313)으로 되돌아가, 온도 가변 종료 블록의 값을 조사한다. 그리고, 스탭(315)에서 타임 아웃이 발생했을 때에는, 상기 노광 제어부는 스탭(316)으로 이동하여, 오프레이터 형석의 온도가 목표치에 이르지 않으면 알람 정보를 발생하는 등의 에러 처리를 수행한다.

상기한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 주제어장치(218)내의 메모리내에 있는 공통 작업 영역(260)의 데이터를 통하여 주제어장치(218)내의 온도 제어부와 노광 제어부가 병렬하여 동작함으로서, 투영광학계(PL9)내의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 온도를 목표치로 설정하는 일, 및 상기 온도가 목표치의 허용범위 내로 수용된 후의 노광이 원할하게 실행되게 된다.

또한, 투영광학계(PL9)의 모델에 관하여 실제로 수치 해석한 결과, 형석으로 이루어지는 1개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 ±1℃변화시킴으로서, 최대한 약 ±20㎚정도의 비선형 배율 오차를 보정할 수 있게 된 것을 알 수 있었다. 그리고, 상기 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 온도 제어 분해능으로서는, 0.01℃정도는 가능하기 때문에, 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃ 변화시켜서 비선형 오차를 보정할 경우, 상기 비선형 배율 오차의 보정 분해능은 약 ±0.2㎚(=±20/100 [㎚])가 된다.

마찬가지로, 형석으로 이루어지는 1개의 렌즈 엘리먼트의 온도를 ±1℃변화시킴으로서, 약 ±0.2㎛정도의 이미지면 만곡을 보정할 수 있음을 알 수 있었다. 더욱이, 상기 렌즈 엘리먼트의 온도 제어 분해능으로서는 0.01℃정도는 가능하기 때문에, 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 온도를 1℃정도 변화시켜서 이미지면 만곡을 보정할 경우, 상기 이미지면 만곡 보정의 분해능은 약 ±2㎚(=±0.2/100[㎛])가 된다. 따라서, 실제로 필요한 비선형 배율 오차, 및 이미지면 만곡의 정도에 따라 상기 형석의 온도 허용폭ΔT(제 38도 (a)참조)를 설정하면 좋다.

한편, 제 38도(a)의 예에서는 온도 제어 매체(기체)의 제어 온도(T_ij)를 단순히 원래의 목표온도(T₁)로부터 다음 목표 온도(T₂)에 근접하기 위해서는, 제 38도 (b)의 점선(259A)으로 도시한 바와 같이, 상기 온도 제어 매체의 제어 온도(T_ij)를 다음 목표 온도(T₂)에 대하여 한 번 오버슈트시키면 된다. 이렇게하여, 실선의 곡선(258A)으로 도시한 바와 같이, 형석의 온도(TF)는 제 38도 (a)의 경우보다 빠른 시점(t₃)에 있어서 허용 범위내에 달하며, 노광 공정의 처리량(단위 시간당 웨이퍼의 처리장수)를 향상시킬 수 있다.

역으로, 원래의 목표 온도에 대하여 다음 목표 온도가 더 낮을 때에는, 역으로 제어 온도를 다음 목표 온도에 대하여 한 번 언더 슈트시키면 된다.

또한, 상기한 예에서는 실제로 형석의 온도(TF)를 계측하였으나, 예를 들어 제 38도 (a)에 있어서, 형석의 온도(TF)가 원래의 목표 온도(T₁)로부터 다음 목표 온도(T₂)의 허용범위내로 달할 때까지의 경과 시간(t2-t1)은, 실험적으로 미리 온도의 제어폭(T₂-T₁)의 함수로서 구해둘 수 있다. 그리하여, 상기 온도의 제어폭(T₂-T₁)의 함수를 제 33도의 주제어장치(218)내의 메모리에 기억시켜두고, 주제어장치(218)의 온도 제어부에서는, 온도의 목표치를 변경한 경우에는, 상기 함수에서 정해지는 시간 및 소정의 오프셋 시간을 경과한 후, 형석의 온도가 변경후의 목표치에 대하여 허용 범위내에 포함된 것으로 판정하도록 해도 좋다. 상기 방법에 따르면, 상기 소정의 오프셋 시간동안 노광 공정에 필요한 시간이 길어지나, 온도 센서 등을 생략할 수 있으므로, 장치 구성을 간략화 할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제 10 실시 형태에 관하여 제 34도를 참조하여 설명한다. 제 34도는 제 19도에 대응하는 것으로서, 제 19도에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는 특히 스텝 앤드 스캔 방식의 투영노광장치에 사용하여 적합한 광학계이다.

본 실시예에 있어서도 제 6실시예와 마찬가지로 온도 제어 소자(40A∼40D)로서는, 히터, 또는 펠티에소자 등을 사용할 수 있다. 상기 펠티에 소자는 가열용으로 사용하여도 좋고, 흡열용으로 사용하여도 좋다. 또한, 렌즈 엘리먼트(36B)의 Y방향의 끝단부에 온도 센서(254A, 254B)가 고정되며, 상기 온도 센서(254A, 254B)가 온도검출장치(255)에 접속되고, 온도검출장치(255)로 검출되는 렌즈 엘리먼트(36B)의 온도가 온도제어장치(239)에 공급되고, 온도제어장치(239)는, 검출된 온도가 주제어장치(218)에 지시된 설정 온도가 되도록, 온도 제어 소자(40A∼40D)의 가열 또는 흡열 동작을 제어한다. 따라서, 본 실시예에서는 온도 제어 소자(40A∼40D)가 온도 제어 매체가 된다.

다음으로, 본 발명의 제 11 실시예에 관하여 제 35도를 참조하여 설명한다. 제 35도는 제 20도에 대응하는 것으로서, 제 20도에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 스텝 앤드리피트 방식 및 스텝 앤드 스캔 방식중 어느 투영노광장치에 적용하더라도 적합한 광학계이다.

본 실시예에 있어서는, 렌즈 엘리먼트(36C 및 35C)의 마주보는 단부의 노광용 조명광이 통과하지 않는 영역에, 각각 온도센서(254A 및 254B)가 고정되며, 온도센서(254A, 254B)가 온도검출장치(255)에 접속되며, 온도검출장치(255)로 구해진 렌즈 엘리먼트(36C, 35C)의 온도가 렌즈 온도검출장치(213C) 및 주제어장치(218)에 공급되고 있다. 마찬가지로, 렌즈 엘리먼트(33A, 34A)와 마주보는 단부의 노광용 조명광이 통과하지 않는 영역에, 각각 온도센서(256A, 256B)가 고정되며, 온도센서(256A, 256B)가 온도검출장치(257)에 접속되고, 온도검출장치(257)로 구해진 렌즈 엘리먼트(33A, 34A)의 온도가 렌즈 온도제어장치(213d), 및 주제어장치(218)에 공급되고 있다. 주제어장치(218)로부터의 지령을 바탕으로 하여, 온도제어장치(213c 및 213d)는 각각, 렌즈 엘리먼트(36C 및 33A)의 온도를 목표 온도로 설정하도록 하고 있다.

그리고, 본 실시예에서는 투영광학계(PL11)의 투영 이미지의 결상특성(비선형 배율 오차나 이미지면 만곡)을 보정할 때에는, 온도제어장치(213c)를 통하여 렌즈 엘리먼트(36C)의 온도를 제어하며, 그 때 발생하는 선형배율오차를 온도제어장치(213d)를 통해 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도를 제어하므로서 상쇄시키는 방법을 채용하고 있다. 또한, 이 방법은, 대기압에 의한 결상특성의 변화와, 노광용 조명광의 투영광학계에 대한 조사시의 온도변화에 따른 결상특성이 서로 다르므로, 3차 이상의 배율 오차 또는 디포커스가 크게 남는 경우 등에, 각각에 대응하는 2개소의형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트로 독립적으로 결상특성을 제어하는 경우에도 이용할 수 있다. 즉, 예를 들어 상측의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36C)로 대기압에 의한 비선형배율오차 또는 이미지면만곡을 보정하고, 그것보다 하측에 있는 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트로 조명광의 조사에 따른 비선형배율오차 또는 이미지면만곡을 보정하도록 하여도 좋다.

다음으로, 본 발명의 제 12실시예에 관하여 제 36도를 참조하여 설명한다. 제 36도는 제 21도에 대응하는 것으로서, 제 21도에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계는, 스텝 앤드 리피트 방식 및 스텝 앤드 스캔 방식 중 어느 투영노광장치에 사용하더라도 적합한 광학계이다.

본 실시예에서도, 렌즈 엘리먼트(28A 및 29A)만은 형석으로 형성되며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A) 및 렌즈 프레임(G6)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(43)을 통해 온도제어장치(213e)로부터 가변온도의 기체가 공급되고, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(44)을 통해 온도제어장치(213e)로 되돌아 온다. 또한, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 서로 마주보는 끝단부의 노광용 조명광이 통과하지 않는 영역에, 각각 온도센서(254B, 254A)가 고정되며, 온도센서(254B, 254A)가 온도 검출장치(255)에 접속되고, 온도 검출장치(255)로 구해진 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 온도가 렌즈 온도제어장치(213e) 및 주제어장치(218)에 공급되어 있다.

그리고, 주제어장치(218)로부터의 지령을 바탕으로 하여,온도제어장치(213e)는, 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 온도를 목표 온도로 설정하도록 하고 있다. 또한, 지지대(45, 46)는 서로 독립적으로 구동장치(47)에 의해, 투영광학계(PL12)의 광축(AX)에 평행한 방향으로의 이동 및 원하는 각도의 경사가 가능하도록 구성되어 있다. 구동장치(47)의 동작은, 주제어장치(218)로부터의 지령을 바탕으로 하여 결상특성 제어장치(48)가 제어한다.

본 실시예에서도, 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)의 온도를 온도제어장치(213e)를 통해 제어함으로써, 투영광학계(PL12)의 투영 이미지의 비선형배율오차나 이미지면만곡을 보정하는데, 그 때 발생하는 선형배율오차를 지지대(45, 46)를 통해 렌즈 엘리먼트(37D, 38D)를 경사시키거나, 또는 상하이동시킴으로서 보정한다. 상기 두 개의 지지대(45, 46)의 움직임의 조합에 따라서, 배율 오차 뿐 아니라, 초점 위치의 디포커스, 및 사다리꼴 왜곡형상의 디스토션 등도 보정할 수 있으므로, 비선형 배율 오차 또는, 이미지면 만곡 보정시에 발생하는 다른 수차의 대부분은 온도제어장치(213e), 및 구동장치(47)의 제어를 최적화함으로서 상쇄시킬 수 있다.

본 발명의 제 9 내지 12 실시예에 따르면, 소정의 광학부재의 온도를 제어하고 있기 때문에, 대기압 등의 환경변화, 조광용 조명광의 흡수, 또는 조명조건 변화 등으로 악화되는 투영광학계의 결상특성(특히, 비선형배율오차나 이미지면 만곡 등의 비선형오차)를 보정할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 제어대상의 광학부재 온도가 목표 온도에 대하여 소정의 허용범위내에 포함된 후에 노광 동작을 개시하도록 하고 있으므로, 노광 동작중에는 투영광학계의 결상특성이 원하는 상태로 설정되며, 감광기판상에 투영되는 투영 이미지의 결상특성이 항상 양호하게 유지된다는 이점이 있다.

그리고, 예를 들어 비선형 배율 오차를 보정함으로써 투영 이미지의 중첩 정밀도가 향상될 수 있으며, 이미지면 만곡을 보정함으로써 투영 이미지 전체로서의 초점 심도의 폭을 넓게 할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 보정 대상의 결상특성이 예를 들어 비선형 배율 오차(고차 배율 오차), 및 이미지면 만곡인 것으로 하여, 사용하는 투영광학계에 의해 비선형 배율 오차, 또는 이미지면 만곡의 한 쪽 오차가 클 경우에는, 그 오차가 큰 쪽의 결상특성을 보정하는 데 유효한 광학 부재(렌즈 엘리먼트)의 온도를 제어하면 된다. 또한, 비선형 배율 오차와 이미지면 만곡이 동시에 발생하는 투영광학계에 대해서는, 각각 다른 광학 부재의 온도를 독립적으로 제어하고, 비선형 배율 오차와 이미지면 만곡을 독립적으로 보정해도 좋으나, 상기 양쪽의 결상특성을 보정하는 데 유효한 동일의 광학 부재의 온도를 제어하므로서, 비선형 배율 오차와 이미지면 만곡을 동시에 보정할 수도 있다.

다음으로, 온도제어수단에 의한 제어 대상의 광학 부재의 온도를 계측하는 온도센서를 구비하고, 노광제어수단이 상기 온도센서의 계측치와 목표 온도를 서로 비교하여 노광동작을 개시할 것인가의 여부를 판정할 경우에는, 상기 제어 대상의 광학부재의 온도 측정치를 바탕으로 하여, 신속히 노광동작을 개시할 수 있을 뿐 아니라, 노광동작 중에는 항상 결상특성이 원하는 상태로 설정되어 있다.

한편, 상기 온도제어수단에 의한 제어대상의 광학부재의 온도가 소정의 온도에 이를 때까지의 시간을 기억하는 기억수단을 구비하고, 노광제어수단이 상기 기억수단에 기억되어 있는 시간에 따른 시간이 경과한 후에 감광기판으로의 노광동작을 개시할 때에는, 온도센서 등은 필요하지 않기 때문에 간단한 기구에 의해 노광동작의 개시 타이밍을 결정할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 상기 온도제어수단에 의해 제어대상으로 하는 광학부재의 온도를 목표 온도로 설정할 때에는, 상기 온도제어수단에 의한 중간적인 설정온도(제어온도)를 상기 목표 온도에 대하여 오버슈트 또는 언더슈트시킬 때에는, 상기 광학부재의 온도를 보다 빨리 상기 목표 온도로 설정할 수 있다는 이점이 있다.

다음으로 제 41도 내지 제 45도를 참조하여, 비선형오차를 보정하기 위한 렌즈의 온도제어를 사용하지 않는 실시예를 설명한다. 이하에서 보이는 실시예 제 13 내지 16에 있어서는, 비선형오차의 변화에 대한 기여방향이 서로 반대인 서로다른 유리부재를 조합하여 사용한다.

좀더 상세하게 설명하면, 제 7도는 석영렌즈와 형석렌즈의 관계에도 적합한 것이다. 예를 들어, 두 개의 유리부재 중 제1 유리부재로서 석영을, 제2의 유리부재로서 형석을 사용하며, 상기 제1 유리부재로 투영광학계의 대부분의 렌즈를 구성했을 경우, 투영광학계의 결상특성 중 디스토션에 관하여 생각해 보면, 어떤 조건하에서의 상기 제1 유리부재의 렌즈에 의한 디스토션은, 제 7도(a)의 곡선(61)으로 도시한 바와 같은 비선형 배율 오차가 된다. 이에 반해, 상기 제 2 유리부재의 렌즈에 의한 디스토션은, 제 7도(b)의 곡선(62B)로 도시하는 곡선배율오차의 오프셋분을 가산한 경향을 가진다. 그리하여, 상기 두 개의 유리부재의 렌즈를 조합시켜, 곡선(61)의 비선형 배율 오차를 곡선(62A)의 비션형배율오차로 거의 상쇄됨으로서, 투영광학계의 비선형 배율 오차를 작게할 수 있다. 따라서 상기 조합에 의해, 환경의 변화나 조명광 흡수 등에 의한 비선형 배율 오차가 거의 발생하지 않는 투영광학계를 얻을 수 있다.

단, 이 상태로 그대로 있으면, 선형배율오차가 잔존하기 때문에, 이와 같이 잔존하는 오차를 기체압력제어장치, 또는 렌즈 구동기구 등 선형배율제어수단을 통해 저감시키므로서, 투영광학계의 디스토션을 거의 완전히 제거할 수 있다.

또한, 제 22도도 석영 렌즈와 형석 렌즈의 관계에 적합한 것이다.

어떤 조건하에서의 제1 유리부재의 렌즈에 의한 초점위치 ZF의 이미지 높이H에 따른 분포 경향은, 제 22도(a)의 곡선(61A)으로 도시한 바와 같이 하측으로 볼록한 이미지면 만곡으로 된다. 이에 반해, 제2유리부재의 렌즈에 의한 결상면의 초점위치의 분포는, 제 22(b)의 곡선(62C)으로 도시한 바와 같이, 곡선(61A)와 반대 경향의 상측에 볼록한 이미지면 만곡에, 모든 이미지 높이(H)에서 공통의 오프셋분을 가산한 경향을 가진다.

그리하여, 상기 두 개의 유리부재의 렌즈를 조합시킨 후, 그 사이의 렌즈 프레임, 렌즈경통, 렌즈간 온도차도 고려하여 곡선(61A)의 이미지면 만곡을 곡선(62C)의 이미지면 만곡으로 상쇄시킴으로써, 투영광학계의 비선형적 디포커스인 이미지면 만곡을 작게 할 수 있다. 이와 같이, 환경 변화나 조명광의 흡수 등에 따른 이미지면 만곡이 거의 발생하지 않는 투영광학계를 얻을 수 있다.

또한, 이 상태에서는 결상면의 초점 위치분포에는, 제 22도(c)의 직선(63A)로 도시한 바와 같이, 일정한 오프셋이 잔존해 있다. 그러나, 그와 같은 초점위치의 오프셋은 예를 들어 기판의 높이를 제어하는 스테이지 등의 초점위치제어수단을 통해 기판의 높이를 조정함으로서 거의 완전히 제거할 수 있다.

제 41도는 제 13내지 16 실시예에 공통적인 구성을 도시하며, 이는 제 32도에 대응하는 것이다. 제 32도에 도시한 요소와 대응하는 것에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

다음으로, 제 41도에 있어서, 본 실시예의 투영광학계PL13를 구성하는 복수장의 렌즈 엘리먼트 중의 대부분은 석영으로 이루어지며, 나머지 일부의 렌즈 엘리먼트가 형석으로 형성되며, 상기 석영으로 이루어지는 소정의 한쌍의 렌즈 엘리먼트 간에 형성된 소정의 기체실의 기체압력을 제어하기 위한 렌즈제어장치(412)가 구비되어 있다. 대기압 변화, 혹은 온도 변화 등의 환경 변화 또는 노광용 조명광의 투영광학계PL13에 대한 조사량 내용 등에 따라, 투영광학계PL13의 배율, 결상면의 평균면의 중앙에서의 초점위치(베스트 초점 위치), 이미지면 만곡 등의 결상특성이 변화한 경우에, 주제어장치(418)로부터의 지령을 바탕으로하여 상기 결상특성을 렌즈 제어장치(412)가 보정하도록 되어 있다. 한편, 렌즈 제어장치(412)로서는, 압력제어장치 외에, 예를 들어 석영 혹은 형석으로 이루어지는 소정의 렌즈 엘리먼트의 광축AX방향의 위치나 경사각을 제어하는 렌즈 위치제어장치, 또는 레티클R의 광축AX방향의 위치나 경사각을 제어하는 레티클 위치제어장치 등을 사용하여도 좋다.

또한, 본 실시예에서는 투영광학계(PL13)의 이미지면 만곡을 두 개의 유리부재의 렌즈 엘리먼트를 사용하여 거의 상쇄시킬 때, 결상면의 평균면 중앙에서의 초점 위치에 오프셋이 발생하는 경우가 있으므로, 그와같은 오프셋이 발생했을 때에는 웨이퍼 스테이지(2)를 구동하여 웨이퍼W의 초점위치를 상기 오프셋분 만큼 보정하고, 결상면과 웨이퍼W 표면과의 사이에 디포커스가 발생하는 것을 방지하고 있다.

다음으로, 제 13 실시예에 따른 투영광학계PL13에 관하여, 제 42도 등을 참조하여 설명한다.

제 42도는 제 33도에 대응하는 것으로서, 제 33도에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다. 상기 도면들로부터 확실히 알 수 있는바와 같이, 제 42도에 있어서의 렌즈 엘리먼트의 종류는 제 33도에 있어서의 것과 동일하다.

다음으로, 본 실시예에서 사용되는 투영광학계PL13의 비선형 배율 오차(고차배율오차), 및 이미지면 만곡에 관하여 설명한다. 한편, 이하에서는 제 42도의 투영광학계(PL13)내의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)에 의해, 비선형 배율 오차, 또는 이미지면 만곡의 한 쪽을 상쇄하는 경우에 관하여 설명하고 있으나, 이는 투영광학계(PL13)의 사용조건에 따라, 비선형 배율 오차, 또는 이미지면 만곡의 한 쪽만이 크게 악화할 경우에 대응되어 있다. 그리하여, 비선형 배율 오차, 및 이미지면 만곡의 양쪽이 크게 악화하는 경우에는, 예를 들어 하나의 수법으로서, 투영광학계(PL13)내에서 각각 비선형 배율 오차 및 이미지면 만곡을 보정하는데 효과적인 렌즈 엘리먼트를 형석으로 형성하면 좋다.

본 실시예의 투영광학계(PL13)의 렌즈 엘리먼트의 유리부재는, 석영 및 형석이다. 여기서, 석영은 온도가 상승하더라도 팽창 계수가 작기 때문에 거의 팽창하지 않으나, 굴절율이 커지는 특성을 가지고 있다. 따라서, 제 6도 (b)에 도시한 바와 같이, 석영의 플러스 렌즈(49B)에서는 온도가 상승하면, 결상면(FB)이 상기 렌즈에 근접하는 방향으로 변위한다. 한편, 형석은 온도의 상승으로 팽창하며, 굴절율은 작아지는 특성을 가지고 있다. 그리하여, 제 6도 (a)에 도시한 바와 같이, 형석의 플러스 렌즈(49A)에서는 온도가 상승하면, 석영으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트 및 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트는 서로 온도 변화에 대한 초점위치의 변화에 기여하는 방향이 반대로 되어 있다.

먼저, 투영광학계(PL13)의 결상특성 중 디스토션에 관하여 제 7도 및 제 8도를 참조하여 설명한다. 제 7도 및 제 8도에 있어서, 세로축은 이미지 높이(H), 가로축은 상기 이미지 높이(H)에 있어서의 투영광학계(PL1)의 배율(β)이며, 광축상(H=0)에서의 배율을 설계상의 배율(β₀)로하여 도시되어 있다. 이 경우, 어떤 환경조건하에서, 일정 시간 노광을 계속한 후에 있어서의 투영광학계(PL13)의 석영으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트에 의한 디스토션은, 제 7도 (a)의 곡선(61)으로 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)가 크게됨에 따라서 배율β가 한 번 설계치보다 작아진 후 거의 단조롭게 증대하는 비선형 배율 오차(고차배율오차)가 된다.

이에 대하여, 본 실시예에서는 투영광학계(PL13)의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트에 따른 디스토션을, 제 7도 (a)의 곡선(61)과 거의 반대 특성의 비선형 배율 오차를 가지도록 설정한다. 그러나, 그와같이 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 디스토션을 설정하더라도, 상기 디스토션에는 소정의 선형 배율 오차가 오프셋으로서 중첩된다. 따라서, 투영광학계(PL13)의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트에 의한 디스토션은, 제 7도 (b)의 곡선(62A)으로 도시한 바와 같이, 직선(62B)으로 도시한 선형배율오차에 제 7도 (a)의 곡선(61)과 거의 반대 특성의 비선형 배율 오차를 중첩시킨 특성이 된다.

그리하여, 제 41도의 렌즈 제어장치(412)에서 결상특성을 보정하지 않은 상태에서는, 투영광학계(PL13)의 전체적인 디스토션은, 제 7도 (c)의 직선(63)으로 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)에 따른 배율(β)이 설계치로부터 선형으로 증대하는 선형배율오차로 근사할 수 있는 특성이 된다. 그리하여, 제 41도의 렌즈 제어장치(412)에 의해, 투영광학계(PL13)에 대하여, 제 7도 (c)의 직선(63)에 근사한 잔존배율오차를 거의 상쇄시키는, 직선(64)으로 표시되는 선형 배율 오차를 부여한다. 그 결과, 본 실시예의 투영광학계(PL13)의 디스토션은, 제 8도의 곡선(65)으로 도시하게 되며, 비선형 배율 오차와 함께 선형 배율 오차도 제거된 것이 된다. 또한, 환경 등이 다소 변화하더라도, 제 7도 (a)의 곡선(61)과 제 7도 (b)의 곡선(62A)이 거의 반대 특성으로 변화하기 때문에, 큰 비선형 배율 오차가 나타나는 경우는 없다.

다음으로, 투영광학계(PL13)의 결상특성 중 이미지면 만곡에 관하여 제 22도 및 23도를 참조하여 설명한다. 제 22도 및 제 23도에 있어서, 가로축은 이미지 높이(H)에 있어서의 투영광학계(PL13)의 결상면의 초점 위치(Z_F)이며, 광축상(H=0)에서의 초점 위치를 설계상의 초점 위치로서 표시하고 있다. 이 경우, 어떤 환경조건 하에서 일정 시간 노광을 계속한 후에 있어서의 투영광학계(PL13)의 석영으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트에 따른 결상면은, 제 22(a)의 곡선(61A)으로 도시한 바와 같이, 아래로 볼록한 이미지면 만곡이 된다.

이에 반해, 본 실시예에서는, 투영광학계(PL13)내의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)에 따른 이미지면 만곡을, 제 22도 (a)의 곡선(61A)과 거의 반대 특성의 이미지면 만곡을 갖도록 설정한다. 그러나, 그와같이 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 이미지면 만곡을 설정하더라도, 상기 결상면의 초점 위치에는 이미지 높이(H) 전 범위에서 일정한 오프셋이 중첩된다. 따라서, 투영광학계(PL13)의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트에 의한 결상면의 초점 위치 분포는 제 22도 (b)의 곡선(62C)로 도시한 바와 같이, 소정의 오프셋에 제 22도 (a)의 곡선(61A)과 거의 반대 특성의 이미지면 만곡을 중첩한 특성이 된다.

그리하여, 투영광학계(PL13)의 전체적인 결상면의 초점 위치(Z_F)는, 제 22도 (c)의 직선(63A)으로 도시한 바와 같이, 이미지 높이(H)의 전범위에 걸쳐 거의 일정치로 되며, 웨이퍼(W) 표면과의 사이에서 디포커스가 발생한다. 그리하여, 상기 디포커스분 만큼 웨이퍼(W) 표면의 초점 위치를 보정한다. 이는, 실질적으로 투영광학계(PL13)의 결상면에 대하여, 제 22도 (c)의 직선(64A)로 도시한 바와 같은 초점 위치의 오프셋을 더하는 것을 의미한다. 그 결과, 웨이퍼(W) 표면을 기준으로한 본 실시예의 투영광학계(PL13)의 결상면의 초점 위치(Z_F)의 분포는, 제 23도의 곡선(65A)으로 도시한 바와 같이 되며, 이미지면 만곡과 함께 일정한 디포커스도 제거되어 있다. 따라서, 결상면 전체에서 초점 심도의 폭이 종래의 예에 비해 넓어지며, 투영 이미지가 전체적으로 높은 해상도로 투영노광된다. 환경 등이 변화하더라도, 제 22도 (a)의 곡선(61A)과 제 22도 (b)의 곡선(62C)이 거의 반대 특성으로 변화하기 때문에, 큰 이미지면 만곡이 나타나는 일은 없다.

더욱이, 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)로 이미지면 만곡을 상쇄함으로서, 상기 결상면의 선형 배율 오차(이미지 높이(H)에 비례하여 배율이 변화하는 오차)가 악화될 경우가 있다. 이와같은 선형 배율 오차가 발생한 경우에는, 제 41도의 렌즈제어장치(412)를 통하여 상기 결상면에 대하여, 발생한 선형 배율 오차을 거의 상쇄시킬 수 있는 선형 배율 오차를 부여한다. 그 결과, 본 실시예의 투영광학계(PL13)의 결상특성은 이미지면 만곡도 디스토션도 제거된 양호한 특성이 된다.

한편, 대기압 등의 환경조건 이외에, 노광용 조명광이 투영광학계를 통과할 때의 조사에너지에 의해서도 결상특성이 변화한다. 또한, 제 41도의 조명광학계(14)의 조명조건을 통상적인 상태, 환상조명, 소위 변형광원법, 또는 간섭인자인 σ치가 작은 상태 중에 변환한 경우에도 결상특성이 변화한다. 그리하여, 최종적으로는 예를 들어 조사에너지, 대기압 및 조명조건에 관하여 각각 가장 표준적인 상태를 상정하고, 상기 표준적인 상태에서 비선형 배율 또는 이미지면 만곡이 가장 작아지도록 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36A, 37A)의 형상 등을 설정해두기로 한다. 이렇게하여, 투영노광장치의 사용 상태가 다소 변화하더라도 비선형 배율이나 이미지면 만곡이 특히 커지는 일은 없다.

한편, 본 실시예에서는 노광용 광원으로서 엑시머 레이저 광원이 사용되고 있으나, 노광용 조명광의 조사에너지에 관하여는, 수은 램프의 i선(파장:365㎚)쪽이 엑시머 레이저광에 비해 투영광학계에서의 흡수가 크며, 투영광학계의 비선형 배율 오차나 이미지면 만곡도 크게 변화한다. 따라서, 조사에너지에 관하여 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트로 결상특성을 보정하는 방법은, 오히려 수은 램프의 i선 등을 사용한 투영노광장치(스테퍼 등)에 적용함으로서, 비선형 배율 오차나 이미지면 만곡을 양호하게 저감할 수 있다는 큰 이점이 있다.

또한, 수은램프의 i선을 노광용 조명광으로서 사용할 경우에는, 엑시머 레이저광을 사용할 경우의 형석으로 변하는 유리 부재로서, 불화마그네슘(MaF₂) 또는 불화리튬(LiF₂) 등을 들 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제 14도의 실시예에 관하여 제 43도를 참조하여 설명한다. 제 43도는 제 34도에 대응하는 것으로서, 제 34도에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 본 실시예의 투영광학계도, 스탭 앤드 리피트 방식 또는 스탭 앤드 스캔방식 중 어느 투영노광장치에 사용하더라도 적합한 광학계이다.

이 경우, 렌즈 엘리먼트(36B)만은 형석으로 형성되며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 그 이외의 구성은 제 42도의 예와 동일하다. 본 실시예에 따르면, 1개의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36B)에 의해 그 이외의 렌즈 엘리먼트에 의해 발생하는 비선형 배율 오차 또는 이미지면 만곡을 상쇄시키도록 하고 있으므로, 간단한 구성으로 투영광학계(PL14)의 투영 이미지의 비선형 배율 오차나 이미지면 만곡을 작게 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제 15 실시예에 관하여 제 44도를 참조하여 설명한다. 제 44도는 제 35도에 대응하는 것으로서, 제 35도에 대응하는 부븐에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계도, 스텝 앤드 리피트 방식 또는 스텝 앤드 스캔방식 중 어느 투영노광장치에 사용하더라도 적합한 광학계이다.

이 경우, 렌즈 엘리먼트(33A, 33C)만은 형석으로 형성되며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 이 경우, 상측의 형석의 렌즈 엘리먼트(36C)에 의해 주로 비선형 배율 오차나 또는 이미지면 만곡의 보정이 이루어지며, 하측의 형석의 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도 변화에 의해서 주로 선형 배율 오차의 특성이 변화하도록 되어 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트(33A, 34A) 및 렌즈 프레임(G4)으로 둘러싸인 기체실에는, 배관(42A)을 통해 온도제어장치(413d)로부터 가변온도의 기체가 공급되며, 상기 기체실을 순환한 기체가 배관(42B)을 통해 온도제어장치(413d)으로 복귀되도록 구성되어 있다. 주제어장치(418)로부터의 지령을 바탕으로 하여, 온도제어장치(413d)는 렌즈엘리먼트(33A)의 온도를 목표 온도로 설정하도록 하고 있다.

그리고, 본 실시예에서는 투영광학계(PL15)의 투영 이미지의 결상특성(비선형 배율 오차나 이미지면 만곡)의 보정은, 렌즈엘리먼트(36C)에 의해 수행되며 , 그 때 발생하는 선형 배율 오차를 온도제어장치(413d)를 통해 렌즈 엘리먼트(33A)의 온도를 제어함으로서 상쇄하는 방법을 채용하고 있다. 더욱이 이 방법은, 대기압에 의한 결상특성의 변화와, 노광용 조명광의 투영광학계에 대한 조사시의 온도변화에 따른 결상특성이 서로 다르며, 3차 이상의 배율오차 또는 디포커스가 크게 남을 경우 등에, 각각에 대응하는 2개소의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트로 독립적으로 결상특성을 보정하는 경우에도 이용할 수 있다. 즉, 예를 들어 상측의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(36C)로 대기압에 의한 비선형 배율 오차 또는 이미지면 만곡을 보정하고, 그것을 통해 하측의 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트로 조명광의 조사에 따른 비선형 배율 오차 또는 이미지면 만곡을 보정하도록해도 좋다.

다음으로, 본 발명의 제 16 실시형태에 관하여 제 45도를 참조하여 설명한다. 제 45도는 제 36도에 대응하는 것으로서, 제 36도에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 상세한 설명을 생략한다. 본 실시예의 투영광학계도, 스텝 앤드 리피트 방식 또는 스텝 앤드 스캔방식 중 어느 투영노광장치에 사용하더라도 적합한 광학계이다.

본 실시예에서는 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)만은 형석으로 형성되며, 그 밖의 렌즈 엘리먼트는 석영으로 형성되어 있다. 또한 지지대(45, 46)는 서로 독립적으로 구동장치(47)에 의해 투영광학계(PL14)의 광축(AX)에 평행한 방향으로의 이동및 원하는 각도의 경사가 가능하도록 구성되어 있다. 구동장치(47)의 동작은, 주제어장치(418)로부터의 지령을 바탕으로 하여, 결상특성제어장치(48)가 제어한다.

본 실시예에서도, 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트(28A, 29A)에 의해, 투영광학계(PL16)의 투영 이미지의 비선형 배율 오차나 이미지면 만곡을 보정하지만, 그 때 발생하는 선형 배율 오차를 지지대(45, 46)를 통하여 렌즈 엘리먼트(37D, 38D)를 경사시키거나, 또는 상하이동시킴으로서 보정한다. 상기한 두 개의 지지대(45, 46)의 움직임을 조합시킴으로서, 배율 오차 뿐아니라, 비선형 배율 오차 또는 이미지면 만곡 등을 보정할 때 발생하는 다른 수차의 대부분은 구동장치(47)의 제어를 최적화함으로서 상쇄시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 제 13내지 제 16 실시예에 있어서는, 온도특성이 서로 다른 2종류의 유리 부재로 이루어지는 두 개의 렌즈 엘리먼트군을 조합시킴으로서, 환경에 온도 변화가 있더라도, 초점 위치의 오차, 및 배율 오차가 발생하지 않는 구조로 되어 있다. 단, 실제로는 상기 렌즈 엘리먼트군은, 렌즈 프레임(G1∼G6)이나 투영광학계의 경통(4, 4A) 등에 의해 지지되어 있기 때문에, 환경 온도의 변화에 대한 신축에 대해서는 렌즈엘리먼트 뿐만 아니라, 상기 렌즈 프레임 및 경통의 신축에 대히서도 고려하여 설계할 필요가 있다. 또한, 렌즈 엘리먼트의 유리 부재로서 형석 등을 사용할 경우, 특히 형석은 환경 변화에 대하여 특성(예를 들어 열 팽창량)의 변화가 크다. 이에 반해 석영 등은 그 영향이 작기 때문에, 형석을 사용한 렌즈 엘리먼트군은 온도 제어가 고도의 정밀도로 수행되는 영역에 배치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 13 내지 제 16의 실시예에 따르면, 온도 변화에 대한 초점위치의 변화로의 기여방향이 반대인 두 개의 유리 부재로 이루어지는 2쌍의 렌즈 엘리먼트를 가지고 있기 때문에, 어느 정도의 투영광학계의 주위 대기압 등의 환경 변화, 또는 노광용 조명광의 흡수 등이 있더라도 투영광학계의 초점 위치의 오차, 비선형 배율 오차(고차 배율 오차) 또는 이미지면 만곡 등 비선형오차와 같은 결상특성이 크게 악화하지 않는다는 이점이 있다.

더욱이, 상기 수차 뿐아니라, 코마 수차, 비점수차 등의 수차에 관해서도, 어느 정도의 투영광학계의 주위 대기압 등의 환경변화, 노광용 조명광의 흡수, 또는 조명조건의 변환 등이 있더라도 크게 악화하지 않는다.

또한, 두 개의 유리 부재중 하나의 유리 부재의 렌즈 엘리먼트를 복수장 구비하고, 각 렌즈 엘리먼트마다 서로 다른 결상특성을 보정함으로서, 각종 결상특성을 양호하게 보정할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 소정의 노광용 조명광이, 엑시머 레이저 광원으로부터 사출되는 파장이 100∼300㎚인 범위내의 레이저 빔이며, 두 개의 유리 부재가 석영, 및 형석일 경우에는, 형석으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 비선형 배율 오차 및 이미지면 만곡의 특성이, 각각 석영으로 이루어지는 렌즈 엘리먼트의 비선형 배율 오차 및 이미지면 만곡의 특성과 반대의 경향을 보이기 때문에, 투영광학계의 비선형 배율 오차 및 이미지면 만곡이 억제된다는 이점이 있다.

이 경우, 두 쌍의 렌즈 엘리먼트 중 형석으로 이루어지는 한 쌍의 렌즈 엘리먼트를 상기 투영광학계 중에서, 주위 기체에 대하여 다른 유리 부재로 이루어지는한 개 이상의 렌즈 엘리먼트를 이격시켜 배치하였을 때에는, 주위 기체의 온도가 변화하더라도 형석에 미치는 영향이 적기 때문에, 결상특성이 안정적이라는 이점이 있다.

이하, 본 발명에 의한 제 17 실시예에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예에서는, 레티클상의 패턴을 웨이퍼상의 쇼트 영역에 일괄노광하는 스탭퍼형 투영노광장치에 본 발명을 적용한 것이다.

제 46도는, 본 실시예의 투영노광장치의 개략적인 구성을 도시하는 일부 단면도이다. 동도면에 있어서, 발진파장이 193㎚ 부근에서 협대화된 ArF엑시머 레이저광원 및 조명광의 레티클(501)상의 명도 분포를 균일화하는 플라이아이렌즈 등을 포함한 조명광학계(EL)로부터의 조명광(IL)은, 레티클(501)을 조명하고, 투영광학계(PL)를 통하여, 레티클(501) 하면의 패턴영역(PA)에 형성된 패턴을 웨이퍼(502)상의 각 쇼트영역에 축소투영한다. 조명광(IL)으로서는, ArF엑시머 레이저광 이외에 예를 들어 KrF엑시머 레이저광, 구리 증기 레이저나, YAG레이저의 고주파, 혹은 초고압 수은 램프의 자외선 영역의 휘선(g선, i선 등)을 이용해도 좋다. 이하, 투영광학계(PL)의 광축(AX)에 평행하게 Z축을 잡고, Z축에 수직인 평면내에서, 제 1도의 지면에 평행하게 X축을, 제 1도의 지면에 수직이게 Y축을 두고 설명한다. 한편, 투영광학계(PL)의 구성에 관하여는 후술하기로 한다.

레티클(501)은 도시하지 않은 레티클 홀더를 통하여 레티클 스테이지(501a)상에 올려져 있다. 레티클 스테이지(501a)는 X방향, Y방향, 회전방향으로 레티클(501)의 위치를 정렬한다.

한편, 웨이퍼(502)는 웨이퍼 홀더(509)상에 진공흡착되며, 웨이퍼 홀더(509)는 웨이퍼 스테이지(508)상에 고정되어 있다. 웨이퍼 스테이지(508)는, 웨이퍼(502)를 X방향, Y방향으로 소위 스텝 앤드 리피드 방식으로 구동함과 동시에, 투영광학계(PL)의 가장 양호한 결상면에 대하여, 임의의 방향으로 웨이퍼(502)의 표면을 경사지게 할 수 있고, 또한, 광축(AX) 방향(Z방향)으로 웨이퍼(502)를 미세 이동시킬 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 웨이퍼 스테이지(508)의 XY평면 내에서의 위치는 도시하지 않은 레이저 간섭계에 의해, 예를 들어, 0.01㎛정도의 분해능으로 항상 검출된다. 웨이퍼 스테이지(508)의 위치에 관한 정보(또는, 속도 정보)는 도시하지 않은 주제어계로 보내지고, 주제어계는 상기 위치 정보(또는 속도 정보)를 바탕으로하여 웨이퍼 스테이지(508)의 위치를 제어한다.

여기서, 투영광학계(PL)의 구성에 관하여 설명한다. 본 실시예에서는, 투영광학계(PL)를 구성하는 복수의 렌즈 중에 초점거리, 굴절율 등의 광학 특성의 온도 변화에 따른 변화량(온도 특성)이 다른 렌즈와 서로 다른 유리 부재로 이루어지는 렌즈(이하, 제어가능렌즈 라함)를 1개 또는 복수개 조합하고, 상기 제어가능한 렌즈 중에서, 제어하고자 하는 투영광학계의 결상성능이 상기 렌즈의 광학 특성 변동에 따라 변화하는 렌즈를 선택하여 제어대상렌즈로 한다. 그리고, 상기 제어대상렌즈의 온도를 상기 렌즈에 직접 접촉하는 유체(이하, 「제어용 유체」 라함)에 의해 제어하여, 예를 들어 굴절율을 변화시키고, 투영광학계(PL)의 결상특성을 제어하는 것이다. 동시에, 상기 유체로서 조명광의 에너지 흡수가 적은 물질을 선택하여 조명 에너지의 손실을 방지한다. 본 실시예의 투영광학계(PL)는, 석영 렌즈 및형석 렌즈로 구성되며, 제어대상 렌즈로서 형석 렌즈를 사용하고, 제어용 유체로서 질소 가스를 사용한다.

제 46도에 있어서, 투영광학계(PL)의 렌즈군은 레티클(501)에 가까운 쪽부터 순차적으로 렌즈(503a, 503b, 503c, …503n)로 구성되어 있으며, 상기 복수의 렌즈(503a∼503n)의 외주부는 도시하지 않은 렌즈군을 통해 경통(514)의 내측에 고정되어 있다. 상기 렌즈군은 대부분이 석영으로 형성되어 있으나, 적어도 렌즈(503b)는 형석으로 형성되어 있다. 본 실시예와 같이 원자외선 영역의 조명광을 사용할 경우, 투영광학계에 사용되는 렌즈의 유리 부재로서는 석영, 및 형석 등이 된다. 상기한 재질의 열팽창율은 각각 서로 다르며, 예를 들어 형석은 석영에 비해 굴절율이 변화하기 쉽고, 형석으로 이루어지는 렌즈는 제어대상 렌즈로서 사용할 수 있다.

상기 렌즈(503b), 그 표면측에서 이웃하는 렌즈(503a), 및 경통(504)에 의해 밀폐 공간(512)이 형성되며, 렌즈(503b), 그 이면측에서 이웃하는 렌즈(503c), 및 경통(504)에 의해 밀폐 공간(513)이 형성되어 있다. 공간(512)을 구성하는 경통(504)의 일부에는 외부의 온도조절장치(507)로부터 온도가 조절된 질소(N₂)를 도입하기 위한 도입구(510A)와, 공간(512)중의 질소가스를 배출하기 위한 배출구(511A)가 구비되어 있다. 또한, 공간(513)을 구성하는 경통(504)의 일부에는, 공간(512)의 경우와 마찬가지로, 외부의 온도조절장치(507)로부터 온도가 조절된 질소 가스를 도입하기 위한 도입구(510B)와, 공간(513)중의 질소 가스를 배출하기 위한 배출구(511B)가 구비되어 있다. 공간(512, 513)의 온도를 조절하기 위한 질소 가스는, 외부의 온도조절장치(507)로부터 공급 배관(515)을 통해 도입구(510A, 510B)로부터 각각 공간(512, 513)에 공급되며, 공간(512, 513)의 온도를 제어한 후, 배출구(511A, 511B)로부터 각각 배출되고, 배출 배관(516)을 통해, 온도조절장치(507)에 복귀하도록 구성되어 있다.

또한, 경통(504)의 측벽으로부터 공간(513)의 중앙을 향하여 온도 센서(505)가 돌출되어 있으며, 상기 온도 센서(505)에 의해 공간(513)의 온도가 측정된다. 한편, 온도 센서(505)의 선단은, 투영광학계(PL)의 노광 영역외에 위치하도록 배치된다. 온도 센서(505)의 측정 신호는 외부의 온도측정장치(506)에 공급되어 있으며, 온도조절장치(507)는 온도계측장치(506)에서 계측되는 온도와 목표 온도를 서로 비교하여, 공간(512, 513)에 공급하는 질소 가스의 온도를 조절한다.

본 예에서는, 공간(512, 513)에 공급되는 제어용 유체로서 질소 가스를 사용하고 있지만, 질소 가스에 한정되는 것은 아니며, 이하에 설명하는 조건에 적합한 것이면 어느 것도 사용할 수 있다. 즉, 제어용 유체는, 제어대상인 렌즈, 즉 렌즈(503)의 온도를 조절하기 위해 사용된다. 따라서, 제어용 유체로서는, 기체 및 액체를 함께 사용할 수 있지만, 공간(512, 513)을 구성하는 렌즈 및 경통 등의 재질을 부식하지 않고, 불활성이며, 독성이 없는, 취급이 용이한 물질이 선정된다. 더욱이, 본예에서는 특히 사용되는 노광용 조명광에 대해 광화학적으로 안정됨과 동시에 조명광의 파장 영역 흡수대가 없는 물질을 선택한다.

제 48도는 ArF엑시머 레이저광의 흡수 스펙트럼을 도시하며, 제 48도 (a) 및제 48도 (b)는 각각 공기중 및 질소 가스 중에 있어서 흡수 스펙트럼의 상태를 도시하고 있다. 상기 제 48도 (a), (b)에 있어서 가로축을 파장(λ[㎚]), 세로축은 스펙트럼 강도(I)를 도시한다. 제 48도 (a)의 오목볼록선(521)에 도시한 바와 같이, ArF엑시머 레이저광은, 파장이 약 192.8∼193.7㎚정도의 폭에서 파장이 193.2㎚에 거의 중심을 갖는 스펙트럼을 가지고 있다. 상기 파장대 중의 복수의 좁은 파장대로는 산소(O₂)의 흡수대(Schumann-Runge대)가 존재한다. 제 48도 (a)에서는, 파장이 긴 순서로 상기한 흡수대(a1∼a6)를 도시한다.

또한, ArF엑시머 레이저광을 사용할 경우는, 공진기내에 대역 필터를 삽입하는 등의 방법으로 협대화 처리를 실시하고 있다. 그러나, 상기 협대화 처리를 수행할 때, 제 48도 (a)에 도시한 바와 같이 산소의 흡수대를 완전히 벗어나는 형태로의 협대화는 매우 어려우며, 협대화된 파장 영역에 산소의 흡수대가 중첩되는 것은 피할 수 없다. 따라서, 제어용 유체로서 산소를 포함하는 공기를 사용하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 공기중의 오존(O₃)은 파장이 약 320㎚으로부터 단파장에 걸쳐 넓어지는 하트레이대(Hartley Zone)라 불리는 강한 흡수대를 갖는다. 특히, 상기 오존은 산소보다도 강한 흡수력을 갖는다. 그리하여, 공기중에서 오존을 제거하는 것만으로도 레이저광의 조사 에너지량의 흡수 비율이 크게 감소한다. 따라서, 제어용 유체로서 오존을 제거한 공기를 사용함으로서도, 통상 공기를 사용하는 경우와 비교해서 레이저 에너지를 크게 줄일 수 있다.

한편, 본 예에서 사용되는 질소 가스는, 제 48도 (b)의 오목볼록곡선(522)으로 도시한 바와 같이, ArF엑시머 레이저광의 파장 영역으로는 흡수대가 없으며, 레이저 에너지를 거의 흡수하지 않는다. 또한, 예를 들면 제어용 유체로서 공기를 사용했을 경우에는, 여러번 청정시킨 공기여도 미세하게 잔존하는 암모늄 이온(NH₄ ^＋), 황산 이온(SO₄ ^2－), 및 유기 실란올류 등의 불순물이, 레이저 에너지에 의해 활성화되어 렌즈 표면에 흐릿한 물질이 생성될 위험성이 있다. 그러나, 질소 가스의 경우는, 상기 불순물을 포함하지 않으며, 또한 반응적을 불활성이기 때문에, 흐릿한 물질이 생성되는 일 없이 렌즈 표면이 깨끗하게 보존된다. 질소 가스는 취급이 용이하며, 또한 반응적으로 불활성이며, 특히 안정성에서 우수하다. 그리하여, 대부분의 종류의 조명광에 대한 제어용 유체로서 적절하게 사용된다. 한편, 제어용 유체로는 질소 가스 및 오존을 제거한 공기 이외에 탄소 가스(CO₂)등 각종 기체의 사용이 가능하다. 예를 들면, 탄소 가스는 파장(190㎚, 254㎚) 주변에 흡수대가 있으며, ArF엑시머 레이저광(파장 193㎚)이나 KrF엑시머 레이저광(파장 248㎚)을 사용할 경우는 적당하지 않지만, 조명광으로서 수은 램프의 g선(파장 436㎚), 또는 i선(파장 365㎚)이 사용될 경우는 제어용 유체로서의 사용이 가능하다.

이상과 같이 구성된 본 예의 노광 장치의 동작에 대해 이하에 설명한다. 우선, 이미 제어 대상인 렌즈(503)의 온도(T)와 굴절율(R)의 관계를 구하du, 굴절율(R)을 변수로 하는 함수의 형태로 기억한다. 여기서, 상기 구해진 온도(T)를 나타내는 함수를 함수f(R)로 한다. 또한, 렌즈(503b) 굴절율의 변화량(ΔR)에대한 투영광학계(PL)의 배율 및 디스토션 등의 결상 특성의 변화량(ΔM : 이 경우, 배율이라 함)의 관계를 구하며, 배율의 변화량(ΔM)을 변수로 하는 함수의 형태로 기억한다. 상기 구해진 굴절율의 변화량(ΔR)을 나타내는 함수를 g(ΔM)으로 한다. 다음으로, 대기압, 온도, 및 대기압 온도 등의 환경 데이터의 변동량 및 노광중의 조명광 조사량의 변화량에 대한 투영광학계(PL)의 결상 성능 변화량의 관계를 조사한다. 투영광학계(PL)의 결상 성능을 단시간에 계측하는 수단이 있다면 그것을 이용하여, 실제 노광시에 투영광학계(PL)의 결상 성능의 변화량을 측정하도록 해도 좋다.

다음으로, 실제의 노광시에 있어서 투영광학계(PL)의 결상 특성의 보정 동작에 대해 설명한다. 환경 데이터 및 조명광의 조사량으로부터 현시점에 있어서의 투영광학계(PL)의 결상 특성을 산출한다. 다음으로, 설계시 결상 특성과의 차를 구한다. 그리고 상기 구해진 차를 상쇄하도록, 렌즈(503b)의 목표 온도를 결정한다. 이 경우, 앞서 구해진 함수 g(ΔM)에 의해 투영광학계(PL)의 결상 특성의 변화량에 대한 렌즈(503b)의 굴절율 변화량(ΔR)을 구하며, 상기 굴절율의 변화량(ΔR)에 대해 함수f(R)로 렌즈(503b)의 목표 온도를 구한다.

다음으로, 제 46도의 온도조절장치(507)로부터 소정 온도로 조절된 질소 가스를 공간(512, 513)으로 순환시켜, 렌즈(503)가 목표 온도가 되도록 질소 가스의 온도 및 유량을 제어한다. 한편, 본 예에서는 렌즈(503b)의 온도(평균 온도)를 직접 측정하고 있지 않지만, 온도 센서(505)의 측정 온도가 거의 렌즈(503b)의 목표 온도가 되도록 제어한다. 단, 더욱 정밀한 제어를 필요로 할 경우는, 먼저, 제 46도의 온도 센서(505)의 온도가 렌즈(503b)의 목표 온도가 되도록 온도 장치(507)를 제어한 후, 결상 특성을 측정하면서 미세하게 조절하여, 투영광학계(PL)의 결상 특성이 설계치에 가장 가까운 상태가 될 때의 온도 센서(505)의 측정 온도의 값을 목표치로 제어하도록 하면 좋다.

이상의 동작은, 실제 노광시에는 항상 계속된다. 따라서, 투영광학계(PL)의 노광 공정 전체에 걸쳐 결상 성능이 일정하게 유지되어 있다. 더욱이, 상기의 온도 제어를 질소 가스를 이용함으로서, 종래에는 공기가 들어가던 장소가 질소 가스로 치환되어진다. 이로 인해, 본 예와 같이, 노광용 광원으로서 ArF엑시머 레이저광과 같은 단파장의 광을 이용할 경우에, 산소가 광에너지를 흡수하여 조사 에너지가 감소하는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 공기로 변해 질소 등 화학적 또는 광학적으로 불활성인 기체 혹은 반응성이 적은 유체를 사용하므로, 오존 발생에 의한 폐해는 발생하지 않는다. 또한, 본 예와 같이 조명광으로서 ArF엑시머 레이저광을 이용할 경우뿐만 아니라, 각종 조명광에 대해, 상기 사용되는 조명광의 파장역에 대해 흡수대가 존재하지 않는 유체를 제어용 유체로서 선정하기 때문에, 어떤 조명광이 사용될 경우에도, 조사 에너지가 상기 유체로 흡수되는 일 없이, 웨이퍼(W)상에 효율적으로 조사된다.

다음으로, 본 발명의 제 18 실시예에 대해 제 47도를 참조하여 설명한다. 본 예는 레티클의 하부에 레티클 패턴면에 이물질 부착을 방지하기 위한 페리클(방진막)을 고정하여, 상기 페리클과 레티클 패턴면과의 사이에 밀폐 공간을 형성하고, 상기 밀폐 공간 중에 질소 가스를 봉입함과 동시에, 조명광학계로부터 투영광학계까지의 공간을 밀폐하여, 상기 밀폐 공간에 질소 가스를 봉입하는 것이다. 다른 구성은 제 46도의 예와 동일하며, 동일한 곳에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.

제 47도는, 본 예의 투영노광장치의 개략적인 구성을 도시하며, 상기 제 47도에 있어서, 레티클(501)의 패턴면에 대해 소정 간격에 페리클 프레임(532)을 통해 거의 평행하게 페리클(531)이 설치되어 있다. 페리클(531)은 투명하고 거의 정사각형인 박막으로 구성되며, 상기 페리클(531), 레티클(501), 및 페리클 프레임(532)에 의해 레티클(501)의 패턴 영역(PA)의 전체를 덮는 밀폐 공간(533)이 구성되어 있다. 공간(533)에는 질소 가스가 봉입되어 있다. 상기 밀폐된 공간(533)을 질소 분위기로 하기 위해서는, 레티클을 붙이는 작업시 질소 가스 분위기 중으로 행하던지, 또는 페리클막의 강도가 충분히 클 경우는, 한 번 페리클을 붙인 후에, 레티클, 페리클 프레임, 및 페리클에 의해 형성된 공간을 진공에 가까운 상태로 하여 질소를 봉입하도록 해도 좋다.

또한, 조명 광학계(EL)의 하부 및 투영광학계(PL)의 경통(504)의 상부와 함께 원통형상의 프레임(534)에 고정되어 있으며, 조명광학계(EL)의 하면, 프레임(534), 투영광학계(PL)의 경통(504), 및 투영광학계(PL)의 최상부의 렌즈(503a)에 의해 거의 밀폐된 공간(535)이 형성되어 있다. 상기 공간(535)에는 레티클(501) 및 레티클 스테이지(501a) 등도 포함되어 있다. 상기 공간(535)에는 온도를 조절하기 위한 질소 가스가 순환되고 있다. 질소 가스는 외부의 온도조절장치(536)로부터 공간(535)으로 공급되며, 공간(535)의 내부 온도를 조절한 후, 프레임(534)의 일부에 설치된 배출구(535b)로부터 배출 배관(538)을 통해 온도조절장치(536)로 되돌아가는 공정으로 되어 있다. 또한, 프레임(534)의 일부에는, 공간(535)의 온도를 계측하기 위한 온도 센서(539)가 설치되어 있다. 온도 센서(539)의 측정치는 온도 계측 장치(540)에 공급되며, 온도 장치(536)는 온도 센서(539)의 측정치와 목표 온도를 비교하여, 공간(535)에 공급하는 질소 가스의 온도 및 유량을 제어한다.

한편, 본 예에서는 페리클(531)과 레티클(501)과의 사이 공간(533) 및 조명광학계(EL)와 투영광학계(PL)과의 사이 공간(535)의 두 개의 공간을 설치했지만, 각각 단독으로 구성해도 좋다. 또한, 제 46도의 예와 마찬가지로, 공간(533) 및 공간(535)에 봉입되는 물질은, 질소 가스에 한정되는 것이 아니라, 제 46도의 예와 동일하게 조명광의 종류에 맞춰 각종 성분을 선택하여 사용한다.

이상과 같이 구성된 본 예의 투영노광장치에 의하면, 조명광학계(EL)로부터 사출된 조명광(IL)은, 공기에 접촉하는 일 없이 투영광학계(PL)에 도달한다. 따라서, 제 46도의 예에서 서술한 효과에 더해, 조명광학계(EL)로부터 웨이퍼(502)상에 도달하는 사이에 공기중의 산소로 흡수되는 레이저 에너지의 양이 더욱 감소하여, 광원으로부터의 에너지가 유효하게 이용된다. 또한, 레티클(531)의 공간(533)에 질소가 봉입되어 있기 때문에, 오존이 발생하는 일도 없으며, 오존의 축적에 의해 조명 에너지가 눈에 띄게 흡수되는 등의 폐해도 일어나지 않는다.

또한, 공간(536)의 온도가 제어되고 있기 때문에, 레티클(501)의 온도도 조절된다. 따라서, 예를 들면 레티클(501)의 열팽창에 의한 패턴의 왜곡 또는 결상특성의 변화가 억제되는 효과도 있다.

한편, 상기한 바와 같이 페리클(531)의 공간(533)을, 레티클(501)을 덮는 공간(535)와 별도로 단독으로 설계한 경우에는, 공간(533)을 삽입한 질소 가스가 ArF엑시머 레이저광을 흡수하지 않는 효과와 동시에, 레이저 에너지에 의해 예를 들면 불투명한 물질 등의 불순물이 생성하며, 패턴면의 오염이 발생하는 현상이 제어되는 효과가 있다.

또한, 대기압의 변동에 대해, 레티클(501), 페리클(531), 및 페리클 프레임(532)에 의해 둘러싸인 공간(533)의 내압을 조정하기 위해서, 질소 가스가 삽입된 공간(533)에 일정 정도 바깥 공기가 유통하도록 된 구조로 하는, 즉 페리클 프레임(532)의 일부에 통기공을 설치하는 것도 생각해 볼 수 있다. 이와 같은 구조로 한 경우에는, 공간(533)내에 서서히 산소가 혼합됨으로서, 효과가 저하되는 것도 생각할 수 있다. 상기한 바와 같은 경우에는, 본 예와 같이 레티클(501)을 둘러싼 공간 전체를 질소 가스 분위기로 함으로써, 초기의 목적을 달성할 수 있다. 또한 레티클을 보관하는 장소가 공기에 노출된 분위기일 경우에는, 서서히 산소가 혼입됨으로써, 기대하는 효과를 얻을 수 없다. 따라서, 레티클을 보관하는 장소도 질소 분위기로 하는 것이 바람직하다.

한편, 제 17, 18의 실시예도 스텝퍼형의 투영노광장치에 한정되지 않으며, 레티클과 웨이퍼를 동기하여 주사하고 레티클의 패턴을 웨이퍼상의 쇼트 영역에 순차적으로 전사하는 스탭 앤드 스캔 방식 등의 주사 노광형인 투영 노광 장치로도 동일하게 적용할 수 있다.

본 발명의 제 17 실시예의 투영노광장치에 의하면, 온도가 제어된 유체를 이용하여 투영광학계 중의 일부 렌즈 온도를 제어함으로서, 투영광학계의 결상 특성을 보정한다. 따라서, 예를 들면 환경 변화나 조명광의 조사량 변화에 따른 투영광학계의 결상 성능의 변동을 제어할 수 있다. 또한, 유체로서 조명광의 파장에 대해 흡수대가 없는 유체를 사용하기 위해서, 조명광의 조사 에너지의 로스를 피할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 유체의 온도를 제어하는 것만으로 투영광학계의 결상 특성의 변동을 제어할 수 있다. 또한, 조명광의 파장에 대한 흡수대가 없기 때문에, 온도 제어용 유체에 의해 조명광의 광에너지가 흡수되는 일 없이 기판상에 도달하는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 제 18실시예의 투영노광장치에 의하면, 방진막에 의해 레티클으 패턴면으로의 먼지 부착을 방지할 수 있다. 또한, 조명광을 흡수하지 않은 유체를 봉입하기 위해서, 조명광의 조사 에너지의 손실이 적은 이점이 있다.

본 발명에 따르면, 대기압이나 투영광학계의 주위 온도 등의 환경 변화, 또는 노광용 조명광의 흡수 등에 의해 악화되는 투영광학계의 디스토션, 특히 비선형 배율 오차(고차 배율 오차)를 보정할 수 있으며, 투영광학계 주위의 대기압 등의 환경의 변화, 노광용 조명광의 흡수, 또는 레티클의 만곡 등에 의해 악화되는 투영광학계 결상면의 디포커스, 특히 이미지면 만곡과 같은 비선형적인 디포커스를 보정할 수 있고, 온도 조정에 상관없이, 결상 특성의 보정이 가능한 동시에 환경 조건의 변화에 의해서도 보정된 상태가 실질적으로 변하지 않는다는 효과 등이 있다.

Claims (16)

1. 소정의 조명광 하에서, 마스크에 형성된 패턴을 투영 광학계를 통해 기판에 전사하는 노광 장치에 있어서,

   상기 마스크는 상기 패턴이 형성된 패턴 형성면 위에, 소정 간격 떨어져 배치된 광 투과성 부재를 가지고,

   상기 패턴 형성면과 상기 광 투과성 부재의 공간은, 상기 조명광의 파장에 대한 흡수가 적은 기체 분위기인 것을 특징으로 하는 노광 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 마스크를 상기 조명광 하에서 조명하는 조명광학계와,

   상기 조명광학계와 상기 투영광학계의 사이에 설치되는 챔버를 가지며,

   상기 광투과성 부재를 가지는 상기 마스크는, 상기 챔버 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 챔버 내부는 상기 공간의 기체 분위기와 동일한 기체 분위기인 것을 특징으로 하는 노광 장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 챔버 및 상기 공간의 기체 분위기는, 불활성 가스 분위기인 것을 특징으로 하는 노광 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 공간은, 상기 패턴 형성면과, 상기 광투과성 부재와, 상기 패턴 형성면과 상기 광투과성 부재간에 배치되는 프레임에 의해 포위되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 프레임은, 그 일부에 통기공(기체 통과홀)을 가지는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 챔버에 접속되고, 상기 챔버에 상기 기체를 공급하는 공급 장치를 가지며, 상기 챔버 내부에 공급된 기체가 상기 통기공을 통해, 상기 공간 내부로 유통되는 것을 특징으로 하는 노광 장치.
8. 소정의 조명광 하에서, 마스크에 형성된 패턴을 기판에 전사하는 노광 방법에 있어서,

   패턴이 형성된 면과, 상기 면에 대하여 소정의 간격을 두고 배치된 광투과성부재와의 공간을, 조명광의 파장에 대한 흡수가 적은 기체 분위기로 하고,

   상기 패턴이 형성된 면과 상기 광투과성 부재간의 공간을 상기 기체분위기로 유지한 상태에서, 상기 패턴의 상을 기판위에 전사하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 조명광의 파장에 대한 흡수가 적은 기체는, 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 노광 방법.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 광투과성 부재를 가지는 마스크는, 챔버 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 공간은, 상기 광투과성 부재와, 상기 패턴이 형성된 면과, 상기 광투과성 부재와 상기 패턴 형성면과의 사이에 배치된 프레임에 의해 형성되고,

    상기 공간과 상기 챔버 내부의 공간은, 상기 프레임에 형성된 통기공을 통해 유통되는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
12. 패턴이 형성된 면에 대하여 소정의 간격을 두고 배치된 광투과성 부재와;

    상기 패턴이 형성된 면과, 상기 광투과성 부재간에 배치된 프레임과;

    상기 패턴이 형성된 면과, 상기 광투과성 부재와, 상기 프레임에 의해 포위된 공간으로 밀봉된, 노광 광의 파장에 대한 흡수가 적은 유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 마스크.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 유체는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 마스크.
14. 마스크에 형성된 패턴의 상을 기판에 전사하는 노광 방법에 있어서,

    상기 마스크는 제 12항에 따른 마스크를 이용하는 것을 특징으로 하는 노광 방법.
15. 노광광의 파장에 대한 흡수가 적은 유체의 분위기중에서, 제 12항에 따른 마스크를 제조하는 것을 특징으로 하는 마스크 제조 방법.
16. 패턴이 형성된 면, 상기 면에 대하여 소정의 간격을 두고 배치된 광투과성 부재, 및 상기 패턴이 형성된 면과 상기 광투과성 부재의 사이에 배치된 프레임에 의해 형성된 공간을 진공 흡인하고,

    진공 흡인한 후, 상기 공간으로, 노광 광의 파장에 대한 흡수가 적은 유체를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 마스크 제조 방법.