JPH0712012B2

JPH0712012B2 - 投影露光装置

Info

Publication number: JPH0712012B2
Application number: JP60278277A
Authority: JP
Inventors: 一明鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1985-12-11
Filing date: 1985-12-11
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: US4920505A; JPS62136821A; DE3642418A1

Description

【発明の詳細な説明】（発明の技術分野）本発明は半導体素子製造用の投影型露光装置に関し、特
に投影光学系の露光光の入射による光学特性の変化に起
因した結像特性変動（投影倍率変動、焦点変動、像面湾
曲等）を補正制御する方式の露光装置に関する。

（発明の背景）縮小、あるいは等倍の投影型露光装置の重要な性能の１
つに重ね合わせ精度があげられる。

この重ね合わせ精度に影響を与える大きな要因に投影光
学系の倍率誤差がある。超LSIに用いられる回路パター
ンは年々集積度が高まり、パターンの線幅等も微細化の
傾向を強め、これに伴って重ね合わせ精度の向上に対す
る要求も強まっている。従って投影倍率を所定の値に保
つ必要性は極めて高くなってきている。ところで投影光
学系の倍率は装置製造時に厳密に調整されて、超LSIの
製造ラインに設置されるが、装置の僅かな温度変化、ク
リーンルーム内の大気の僅かな気圧変動及び温度変化、
あるいは露光に伴なう投影光学系への照明光（露光光）
の入射等により、所定の倍率の近傍で変動することが知
られている。このため、投影光学系の倍率変化に応じた
誤差を自動的に補正して、露光すべきウェハ等の基板上
において一定の倍率を保つように制御する方法が提案さ
れている。その方法としては、投影光学系としての投影
レンズの物体（レチクル）側が非テレセントリック系で
ある場合に、レチクルと投影レンズとの間隔を光軸方向
に変化させる方法、投影レンズ中の特定のレンズエレメ
ントを可動させる方法、又は投影レンズ中の特定の空気
室の気体圧力を調整し、空気室内の屈折率を変化させる
方法等がある。

これらの方法のうち、最後の方法については機械的な可
動部が存在しない点、気体の屈折率変化を用いる点で、
かなり精密な倍率調整が可能である。この圧力制御によ
る倍率調整については、先に本件出願人が出願した特開
昭60-28613号公報に詳細に開示されている。この方式に
よれば、ウェハ上へのパターンの投影像（例えば15mm
角）の大きさを±0.5μｍの範囲内において0.02μｍ程
度の精度で微調整することが可能である。また倍率変動
を起こす要因と同じ要因により、投影レンズの焦点位置
（結像面位置）が光軸方向に変動する、所謂焦点変動も
生じる。この焦点変動についても圧力制御によって同様
に補正し得るが、その他焦点変動についてはウェハを上
下動させる自動焦点合わせ装置により補正することがで
きる。

ところで倍率変動や焦点変動を起こす要因のうち、投影
レンズへの照明光の入射、具体的にはレチクルを透過し
てきた光の入射は、投影レンズの熱の蓄積として扱うこ
とができる。通常の投影レンズでは照明光の波長につい
ては高効率に透過するが、それでも一部はレンズエレメ
ント等に吸収され、熱に変換される。

そして投影レンズの熱の蓄積は、ある時定数を持った熱
拡散現象であるため、倍率、焦点位置等の光学特性に与
える影響は過去からの照明光入射の影響の総和である。
そこで、何らかの方法、例えばレチクルに照明光を照射
したり、中断したりするシャッターの開閉動作から、入
射の履歴情報を作り出し、この情報に基づいて圧力制御
することによって、露光動作中に投影レンズに照明光が
入射することにより生じる光学特性の変動を、圧力制御
によって逐次補正する装置が考えられ、これは本件出願
人が先に出願した特開昭60-78454号公報に詳細に開示さ
れている。この制御方法では投影レンズに入射する照明
光の履歴情報が制御上重要な要素となっている。ここで
言う履歴情報とは、過去における照明光の入射状態等に
基づいて、現時点における投影レンズの光学特性の変動
状態を一義的に特定し得る情報のことである。

ところが、履歴情報は、過去からの照明光入射の影響の
総和であるため、装置稼動中に何らかの原因（停電等）
で履歴情報を失ってしまうと、もはや正常な倍率補正制
御ができないといった欠点があった。また同様に履歴情
報に誤差が生じた場合には、正確な制御が望めないとい
った問題もあった。そこで履歴情報の消失、又は誤りが
生じた時点から、入射履歴の影響が無視できる程度の時
間の間、露光動作を行なわずに投影レンズを冷やし、そ
の後、履歴のない状態から補正制御（露光動作）を再開
するといった解決法も考えられる。しかしながら、この
方法は実際の露光処理（圧力制御等の補正制御）に復起
するまでに長時間を要することになり、生産性の点で好
ましいことではなかった。ある種の装置によって実験し
たところ、安全を見込むと90分以上の冷却期間（すなわ
ち装置のダウンタイム）が必要なことがわかった。

（発明の目的）本発明は上記欠点を解決し、入射履歴に応じた情報が消
失した場合、又はその情報に誤りが生じた場合であって
も、すみやかに高精度な結像特性の補正制御に復元でき
る制御方式を備えた投影露光装置を得ることを目的とす
る。

（発明の概要）本発明は、マスク（レチクルと同義）によって感光基板
（ウェハ等）上にパターンを投影露光する処理の際、投
影光学系への照明光の入射状態に応じて作られる結像特
性の変動を特定し得る予測情報（履歴情報でもよい）を
消失した時点（あるいはその情報に誤りが生じた時点）
で、超LSI製造用の本来の露光処理を一時的に中断し、
時間軸上の離散的な複数点で投影光学系の結像特性の変
動を実測によって検出する変動検出手段と、その検出さ
れた複数の変動値に基づいて、予測情報と結像特性の変
動との一義的な対応関係が壊れた後、実際の結像特性変
動に対応した正しい予測情報を算出する演算手段と、時
間軸上で演算手段による演算が終了した後の時点から、
算出された正しい予測情報に基づいて、変動の補正制御
（圧力制御、焦点制御等）を復元させる復元手段とを設
けることを技術的要点としている。

（実施例）第１図は本発明の第１の実施例による投影型露光装置の
概略的な構成を示す図である。

光源１からの照明光はシャッター２を通り、ミラー３で
反射された後、回路パターン、又はマークRM₁，RM₂を有
するレチクルＲを均一に照明する。そのマークRM₁とRM₂
とはレチクルＲの回路パターン領域の周辺の一定間隔で
離れた２ケ所に形成されている。そしてマークRM₁，RM₂
のみを別個に照明するための光LBを発生する光源（不図
示）と、照明視野を限定するための絞り4a,4bが設けら
れている。さて、レチクルＲ上の回路パターンやマーク
RM₁，RM₂の透過光は投影レンズ５に入射し、所定の結像
面上に回路パターン像やマーク像が形成される。ステー
ジ６は、この結像面と一致するようにウェハＷを保持し
てＸ方向とＹ方向とに２次元移動する。ステージ６の駆
動はモータ７によって行なわれ、ステージ６の位置はレ
ーザ光波干渉計８によって検出される。

このステージ６上には、例えば特開昭60-18738号公報に
開示されているようなスリット板９と光電検出器10とが
設けられている。スリット板９にはマークRM₁の投影像P
₁，又はマークRM₂の投影像P₂の夫々を透過するスリット
が形成されており、その透過光は光電検出器10に受光さ
れる。

さて本実施例では、投影レンズ５の照明光（具体的には
レチクルＲを透過した光）の入射による光学特性（倍
率）の変動を補正するために、圧力調整器20を設ける。
圧力調整器20は、投影レンズ５内の一部で空気室5aの気
体圧力を調整するものであり、特開昭60-78454号公報に
開示されているのと同様に、シャッター２の開閉を制御
するシャッター制御回路21から、シャッター２の開状態
と閉状態との単位時間（サンプリング時間）内における
比（デューティ）を表わす信号S₁（入射状態を表わす信
号）を入力して、結像特性の変動の現時点における予測
情報を作り出し、これに基づいて空気室5aの圧力を調整
する。

この圧力調整器20には、投影レンズ５の倍率変動特性上
の時定数、投影レンズ５を透過した照明光の全体的な光
量、及び圧力調整量に対する倍率変化量（係数）等のデ
ータが予め記憶されている。これらデータと時々刻々変
化し得る予測情報とに基づいて、圧力調整器20は、現時
点における投影レンズ５の倍率変動量を算出し、その変
動量が補正されるような圧力値を算出して、空気室5aの
圧力を制御する。その具体的な制御方法は前記の特開昭
60-78454号公報に詳細に開示されている。

本実施例では、新たにマイクロコンピュータ、又はミニ
コンピュータを含む補正制御系30を設ける。この補正制
御系30のうち、露光処理部300は、ステップ・アンド・
リピート方式の露光制御を行なう部分であり、従来のも
のと同じであるため、本来補正制御系30に含めておくべ
きものではないが、後述の説明を簡単にするため第１図
のように含めて考えるものとする。シーケンスコントロ
ーラ301は実際の回路パターンの露光を行なうか否かの
情報S₂aを露光処理部300に出力するとともに、圧力制御
を実行し続けるか否かの情報S₂bを圧力調整器20に出力
する。データ取り込み部302は、タイマ部303によって定
められた所定の時間間隔毎に、光電検出器10からの光電
信号S₃と干渉計８からの位置情報S₄とを入力して、マー
ク像P₁，P₂の位置関係（間隔）を検出して、倍率の変動
値に対応した実測データを順次記憶していくものであ
る。マーク像P₁，P₂の位置検出の際はステージ６を移動
させる必要があるので、データ取り込み部302は切替え
部304を介してモータ７に駆動情報S₅を送出する。この
切替え部304は、ウェハＷへの回路パターンの露光時に
は露光処理部300からの駆動情報S₆をモータ７に送出し
て、ステップ・アンド・リピート露光するように切り替
えられる。またデータ取り込み部302は、常時タイマ部3
03によって決まる時間間隔で起動するのではなく、予測
情報を消失したとき、又は予測情報に誤まりが生じたか
否かをチェックするときのみ起動すればよいので、その
起動のタイミングをシーケンスコントローラ301からの
情報S₂cに基づいて決定する。

さて、予測情報の復元又は修正を行なうための演算部30
5は、取り込まれた倍率変動のデータに基づいて、例え
ばカーブフィッティング等の手法により、失なわれた予
測情報の復元や、正しい予測情報への修正のための演算
を行なう。復元部306は復元、又は修正された予測情報
（補正された正しい予測情報）を圧力調整器20に送出す
るとともに、所定の時点で、正しい予測情報に基づく圧
力制御の再開、又は正確な圧力制御への移行を指令する
ものである。

またオフセット設定部307は、装置のオペレータが倍率
に一定のオフセット値をのせる場合の入力部分であり、
ここにオフセット値が入力されると、それは圧力調整器
20に送出されて、圧力制御上一定の圧力オフセットが常
時加わるように制御される。

以上のように構成された制御系30の内部は、本発明の機
能を実現するための手段としてブロック化して示してあ
るが、実際にはコンピュータを用いたソフトウェア処理
で実行される。

以上、本実施例の概略的な構成を説明したが、以後の説
明を簡単にするため、まず予測情報を失なった場合の動
作について説明し、その後、予測情報を修正する場合の
動作について説明する。

初めに圧力調整器20の動作について第２図のフローチャ
ート図、及び第３図のタイムチャート図に基づいて簡単
に説明する。このフローチャート図に示したような制御
方法の概略は、先にあげた特開昭60-78454号公報に開示
されている。初期条件として、レチクルＲを透過して投
影レンズ５に入射する全光量値は予め値QDとして計測さ
れて記憶されているものとする。

まずステップ100においてシャッター制御回路21からの
情報S₁があったか否かを判断し、入力があったときはス
テップ101においてデューティ比DTを算出する。このデ
ューティ比とは第３図に示すように、時間軸を一定の等
間隔（例えば10秒）で分割するような時刻t₁，t₂…t₁₂
…を定めたとき、その時間間隔のうちで、シャッター２
が開いていたトータルの時間Tuと、シャッター２が閉じ
ていたトータルの時間Tdとの比である。その時間間隔を
単位時間Toと呼ぶと、To＝Tu＋Tdであり、デューティ比
DTはDT＝Tu/To＝Tu/（Tu＋Td）で算出される。この式か
らも明らかなように単位時間Toの間、シャッター２を開
き続けておけば、Tu＝To,Td＝０であるからデューティ
比DTは１（100％）である。尚、第３図において横軸は
時間ｔを表わし、上段の縦軸は変動量ΔM,下断の縦軸は
デューティ比DT（ただし０≦DT≦１）を表わす。そして
時刻Ts₁で１枚目のウェハに対するステップ・アンド・
リピート方式の露光が開始され、時刻Te₁で１枚目のウ
ェハの露光が終了し、さらに時刻Ts₂で２枚目のウェハ
への露光が開始されるものとする。また変動量ΔM₀は予
め設定されたオフセットであり、照明光の投影レンズ５
への入射により生じる倍率（又は焦点）の変動量はΔM₀
を基準とした量として扱う。この第３図における変動量
ΔＭは入射状態に基づいて推定された単位時間毎の予測
特性であり、投影レンズ５の光学特性の実際の変動量で
はない。圧力制御による補正を行なわないときの実際の
変動量は２点鎖線で示す実特性EVとして表わす。

さて、フローチャート図の説明に戻り、デューティ比DT
が求まった時点でステップ102により、単位時間内にお
いて入射した照明光の積算的なエネルギー量に対応した
変動量ΔM₁を算出する。このとき全光量値QDと、予め実
験等によって求めておいて比例定数Ｓとを用いて、(1)
式のような演算を行なう。

ΔM₁＝Ｓ・QD・DT ………(1) 例えば第３図において、１枚目のウェハへの露光開始時
刻Ts₁は時刻t₁とt₂の間に存在するので、時刻t₁からt₂
までの間の単位時間内におけるデューティ比DTは時刻t₂
においてDTaとして検出され、時刻t₂における予測情報
（以下予測値と呼ぶ）として、変動量ΔM_1・1が(1)式に
基づいて算出される。

次に第２図のステップ103のように、前回の単位時間の
終了時、例えば時刻t₁における変動量の単位時間経過後
の減衰値ΔM₂をメモリから読み出す。第３図のように時
刻t₁における予測値が零の場合は、そのΔM₂の値として
零がメモリに記憶されている。次にステップ104におい
て、トータルの変動量ΔMcを(2)式のように算出する。

ΔMc＝ΔM₁＋ΔM₂ …………(2) 例えば第３図の時刻t₂においては、ΔM₂＝０であるから
ΔMc＝ΔM₁である。次にステップ105のように、単位時
間経過後におけるΔMcの減衰値をΔM₂として算出し、そ
の値をメモリに記憶する。この演算は、(3)式のように
予め実験等によって求めておいた減衰特性(t)を用い
て、(4)式のように行なわれる。

ΔM₂＝ΔMc・(t) …………(4) 例えば第３図において、時刻t₂で変動量ΔMcがΔM_1・1で
あるとすると、次の時刻t₃においては、（４）式からΔ
M_1・1はΔM_2・1まで減衰していることになる。

次にステップ106において、時刻t₂で求まったΔMcに基
づいて、投影レンズ５への照明光の入射により生じた変
動分のみを、圧力制御によって補正する。そして再びス
テップ100から同様の動作を繰り返し実行する。

例えば時刻t₂とt₃の間、時刻t₃とt₄の間、時刻t₄とt₅の
間、及びt₅とt₆の間の各単位時間内では、ウェハ上での
複数のショット露光が規則的な時間間隔で実行されてい
るため、その各単位時間におけるデューティ比DTの夫々
は、ほぼ一定の値DTbである。このため、時刻t₃におい
て決定された変動量ΔMcはΔM_2・1＋ΔM_1・2（ただしΔM
_1・2＝Ｓ・QD・DTb）、時刻t₄において決定された変動量
ΔMcはΔM_2・2＋ΔM_1・3（ただし、ΔM_2・2＝（ΔM_2・1＋Δ
M_1・2）・(t)、ΔM_1・3≒ΔM_1・2）、………のように順
次変動量（予測値）ΔMcは更新されていく。こうして時
刻t₁，t₂，t₃，………の各々におけるΔMcの値をエンベ
ロープとする曲線を定めると、これが実特性EVとほぼ一
致することになる。さらに時刻t₇において検出されたデ
ューティ比DTは、時刻Te₁が時刻t₆とt₇の間に存在する
ため、DTbよりも小さいDTcになる。そして時刻t₈，t₉に
おけるデューティ比DTは、その期間露光が行なわれなか
ったため零である。従って時刻t₈とt₉においては新たな
入射がなく、時刻t₉における変動量ΔMcは、時刻t₇にお
ける変動量ΔMcの単調な減衰値として決まる。さらに２
枚目のウェハの露光処理のときも同様に、時刻t₁₀にお
けるデューティ比DTdに基づく新たな変動量（ΔM₁＝Ｓ
・QD・DTd）を加えて引き続き実行される。

尚、比例定数Ｓはウェハ等の反射率が一定であれば一定
の値であり、また値QDもレチクルＲの交換及びシャッタ
ー２を開いたときの照射光の強度変化がない場合は一定
の値である。

以上までの動作が正常時における圧力調整器20の動作で
あり、ΔM₂又はΔMcが結像特性の変動と一義的に対応す
るような予測情報（予測値）である。

次にそのような予測値を失った場合、具体的には停電の
復旧時、又は装置（圧力制御系等）の誤動作による暴走
に対して装置を一時的にリセットした後の復旧時等にお
いて、圧力制御をすみやかに復起させる動作を説明す
る。ここで説明を簡単にするため、投影レンズ５の置か
れている環境の大気圧および大気温度は一定であると仮
定する。このとき変動の補正制御を実行している場合の
投影レンズ５の実際の変動値ΔＹ(t)は、以下の(5)式の
ように表現される。

ここで、Ceは照明光の入射による特性変化の係数（定数
Ｓに相当する）、Ｅ（τ）は時刻ｔ＝τにおける入射
量、α（ｔ−τ）は時刻ｔでのＥ（τ）の残量とＥ
（τ）との比、ΔYof(t)はオフセット値、そしてΔYcnt
(t)は変動の補正制御値である。

また関数α(t)は、総数をＫとして互いに異なる時定数
をT₁，T₂，……Tkとすると、(6)式のように表現され
る。

この(6)式は先の(3)式で定めた減衰特性にほかならな
い。

さて、正常な状態においては、補正制御値ΔYcnt(t)は
以下の(7)式のように決定されている。

そこでこの(7)式を(5)式に代入すれば、(5)式における
ΔＹ(t)は零になり、正常時においては倍率変化や焦点
変化は零からずれることなく制御されることになる。

さて時刻t₀において予測値とオフセット情報とを失った
とする。そして時刻t₀以降の時刻ｔ′においては新たな
予測値が作られているものとする。すなわち時刻t₀の後
で時刻ｔ′の前の時刻Tiにおいて停電が復旧し、装置の
制御状態が初期状態になり、時刻Tiからデューティ比DT
に基づく新たな予測値が零から作り始められるものとす
る。そして時刻Tiからそのまま露光処理も再開されたも
のとすると、変動特性は第４図に示すように変化する。
第４図において横軸は時間を表わし、縦軸は変動量ΔＭ
を表わし、時刻Tiまではエラー発生時（to）の圧力が保
持され、しかも時刻toでオフセット値も消失してしまう
場合を表わす。時刻Te₁において１枚目のウェハの露光
処理が終了し、時刻Ts₂において２枚目のウェハの露光
処理が開示され、その直後の時刻toで停電が発生したも
のとする。このとき時刻toまでは、デューティ比DTを使
った演算によって求めた正しい予測値ΔMcに基づいて、
照明光の入射による投影レンズ５の倍率変動（又は焦点
変動）の実特性（圧力制御をしない裸の特性）EV₀はほ
ぼ正確に補正され、ウェハ上での投影像の絶対的な倍率
（大きさ）がオフセット値ΔM₀に保たれるように制御さ
れる。ところが時刻to以降においては投影レンズ５の倍
率変動の実特性EV₁は(3)式、又は(6)式で表わされる関
数に従って単調に減衰していく。そして時刻Tiにおいて
装置が復旧した時点で、実特性EV₁に基づいた変動量は
まだ残存しているものとする。時刻Tiから再び露光処理
が開始されると、時刻ｔ′において新たに作られた予測
値は時刻Tiを零としてΔMc′になる。ところが投影レン
ズ５の実特性EV₁は、時刻Tiの残存分から上昇をはじ
め、実特性EV₂のように変化する。ただし時刻Tiでは保
持されていた圧力が標準大気圧760mmHgにリセットされ
る。このため時刻ｔ′における予測値はΔMc′である
が、実特性EV₂の値は実特性EV₁の残存分ΔEV′だけΔM
c′よりも大きい値になり、一義的な対応関係が壊れて
いることがわかる。もちろんこの時点でオフセット値も
零になっているとすれば、ウェハ上での倍率誤差として
はΔEV′＋ΔMoになってしまう。ΔEV′は時間とともに
零に減衰するので、いずれΔMc′は実特性EV₂に一致す
る。ここで時刻Ti（又はto）以降の時刻ｔにおける不完
全な補正制御値（ΔMc′）をΔYcnt′(t)とすると、こ
れは(8)式のように表わされる。

そこで(8)式のΔYcnt′(t)を(5)式のΔYcnt(t)に代入
し、さらに(6)式を代入して整理すると、以下の(9)式が
得られる。

ただしBnは（10）式で表現される。

すなわち時刻toにおいて、それ以前の照明光入射による
予測値を失った場合、その後の補正制御（時刻Tiからの
圧力制御）によって得られる投影レンズ５の倍率変動
（ウェハ上で必要とされる倍率からの誤差）は(9)式の
特性に従うことになり、これは第４図中の実特性ΔEV′
とΔYof(t)との和である。そこで上記(9)式において、
未知のパラメータBn（ｎ＝1,2…ｋ）とΔYof(t)を決定
してやれば再び高精度な圧力制御に復帰することができ
る。

未知のパラメータを決定する場合の有用な手法は最小二
乗法である。そこで最小二乗法を用いて(9)式中の未知
パラメータを決定する方法について述べる。まず、決定
すべきパラメータ数は（ｋ＋１）個あるため、第４図上
の時刻Ti以降の異なる複数時点（ｍ点）で、(9)式で表
現される実特性EV₂上の各変動量ΔＹ（tj）を実際に計
測して求める。ここでｍはｍ≧ｋ＋１であり、ｊ＝
1,2……ｍとすると、時間軸上の離散的な複数点（ｍ
点）における各変動量は ΔＹ（t₁），ΔＹ（t₂）……
ΔＹ（tm）として計測される。

ここで、ｎ＝1,2…ｋとして、関数G₁(n)を（11）式のよ
うに定め、a,bの各々を1,2…ｋとして関数G₂（a,b）を
（12）式のように定める。

この関数G₁(n)，G₂（a,b）を用いると、パラメータBn
（ｎ＝1,2…ｋ）とΔYof(t)（一定値ΔYofとする）とは
次の（13）式によって算出される。

通常、減衰特性を精度よく近似するための時定数は４つ
程度あれば十分であり、ｋ＝４とすると（13）式は５×
５の行列式であり、それ程大きな演算量を必要とせず、
未知のパラメータBn,ΔYof(t)を求めることができる。

尚、（13）式は計測したｊ個のデータΔＹ（tj）の夫々
が同じ誤差を持つ場合の式であるが、各データが異なる
誤差σ（tj）を持つ場合は、以下のように関数を定め、
（17）式によって各パラメータを求める。

（ただし、n,a,bは1,2……ｋ）さて、以上のようにして決定したパラメータB₁，B₂…Bk
及びΔYofを用いて高精度な圧力制御に復帰するための
最も簡単な方法は、先の(6)式を(8)式に代入した（18）
式を作り、この（18）式において、所定の復帰時刻Trで（ただしｎ＝1,2、…ｋであり、δ（τ‐Tr）はデルタ
関数である。）の置きかえを行ない、（18）式のΔYcnt′(t)の値を本
来の正確な予測値に直し、同時に（13）式、又は（17）
式で求めたオフセット値ΔYofをΔYcnt′(t)から減じて
やれば、時刻Trの復帰時からは元の通りの正確な圧力制
御が再開されることになる。

上記（18）式は時刻to（又はTi）以降に作られた新たな
予測値であり、もちろん（18）式のままでは第４図に示
すように、ΔＹ′cnt(t)の値はΔMc′に相当したままで
ある。

従って（19）式を（18）式に代入して求めたΔＹ′cnt
（Tr）を、時刻Trにおける正しい予測値とすれば、それ
以降は元通りの制御を続行することができる。もちろん
オフセット値ΔYofも再現されているので、予め設定さ
れるべきウェハ上での像の大きさも装置のダウン前の状
態に復元される。

以上までの説明は倍率のオフセット値ΔYofも失った場
合であったが、オフセット値はその設定時にフロッピー
ディスク等にバックアップされているものとすると、上
記（13）式、又は（17）式により求める未知のパラメー
タはBn（ただしｎ＝1,2,…ｋ）だけでよく、ｋ個の倍率
変動データΔＹ（tj），（ｊ＝1,2,…ｋ）を計測によっ
て求めるのみの作業で済む。

ここで倍率変動データΔＹ（tj）の求め方について、第
５図のフローチャート図に基づいて説明する。第５図は
第１図に示したデータ取り込み部302の動作を説明する
ものである。停電等の復旧後、又は制御エラー発生時の
リセット後において制御系30の動作が復帰したとき、シ
ーケンスコントローラ301は信号S₂cを出力する。これに
応答して第５図のステップ110が実行され、変数ｊを１
にセットする。このとき切替え部304は第１図のように
セットされ、さらにシャッター２は閉じたままにして、
照明光LBのみがマークRM₁，RM₂を照射する。次にステッ
プ111で、ステージ６の移動（スキャン）が行なわれ
る。この走査はスリット板９のスリットがマーク像P₁，
P₂の夫々を横切るように行なわれる。同時に信号S₃と位
置情報S₄とがデータ取り込み部302に入力し、マーク像P
₁の位置PP₁とマーク像P₂の位置PP₂とが高速演算処理に
よって求められる。

この位置PP₁とPP₂の求め方は、一例として第６図のよう
に行なわれる。第６図において横軸はステージ走査の位
置を表わし、第６図(a)は信号S₃の波形，第６図(b)は信
号S₃を２値化した波形，第６図(c)は干渉計８によって
検出される各波形上の点の位置を表わす。基本的には２
値化した波形の一対の立上り位置と立下り位置との中点
を各々PP₁，PP₂とするものである。尚、この位置PP₁，P
P₂の求め方はこれに限られるものではない。またステッ
プ111が実行されたときの時刻はデータ取り込み部302内
に記憶される。

次にステップ112において、実測した位置PP₁，PP₂に基
づいて、変動データΔＹ（tj）を演算する。マーク像
P₁，P₂はショット中心に対して点対称に位置するので、
マーク像P₁とP₂の設計上の間隔をＬとすると、ΔＹ（t
j）は（20）式によって算出される。

この演算値は干渉計８の計測分解能の1/2に対応した
（例えば0.01μｍ）精度で求めることができる。

次のステップ113において、変数ｊが（ｋ＋１）、又は
ｋになったか否かを判断し、それが真であればデータ取
り込みのシーケンスを終了する。

ステップ113が偽と判断されるとステップ114で変数ｊを
１つだけインクリメントし、次のステップ115に進む。
ステップ115では、タイマ部303から所定時間が経過する
たびに送られてくるフラグを判断し、そのフラグが立つ
までは動作を中断している。そして所定時間経過後は再
びステップ111から繰り返し同様の動作が実行される。
尚、タイマ部303によって設定された所定時間とは、常
に一定値（例えば10秒）としてもよいが、変動の実特性
が露光を行なわない限り減衰特性になることから、それ
にあわせて時間間隔を長くするようにしてもよい。

例えば、ｊ＝１のときの測定時刻とｊ＝２のときの測定
時刻との間隔を５秒としたら、ｊ＝２のときとｊ＝３の
ときとでは10秒の間隔に設定する。そして順次、20秒,4
0秒,80秒…と間隔を広げていくと、測定精度等の点でも
好都合である。またこの時間間隔は厳密なものである必
要はない。

さて、上記のようにして得られたデータΔＹ（tj）はグ
ラフ上に表わすと第７図のようになる。第７図において
横軸は時間を表わし、第７図(a)の縦軸は予測値として
の制御圧力値Ｐを表わし、第７図(b)の縦軸はウェハ面
上での倍率変動値ΔＹ（tj）を表わす。第７図に示した
各特性において、制御すべき圧力値Ｐを零（標準大気圧
760mmHgに制御）にした場合でも、ウェハ上では倍率誤
差零から＋ΔYofの倍率オフセットがもともと存在して
いたものとする。そしてウェハ上でのΔYofの倍率オフ
セットを零にするために、圧力オフセットとして＋Pof
が上のせされているものとする。すなわち投影レンズ単
体では＋Pofに相当する−ΔYof分のオフセットをかけて
使用することになる。また第７図(a)に示すように停電
が発生した時刻toまでは正しい予測値に基づいて正常に
圧力制御されるが、時刻toからは圧力調整器20が空気間
隔5aに通じる電磁弁等を閉状態にするような構成（ノー
マルクローズタイプ）になっている場合を示す。

さて、時刻toまではウェハ上の倍率変動値は零に制御さ
れている。時刻toで圧力値がP₁であったとすると、停電
の復旧後のシステム立上げ時Tiまでは、その圧力値P₁は
保持されている。この時刻toからTiまでの間は投影レン
ズに露光光が通らないから、第７図(b)に示すように投
影レンズ単体の倍率誤差は熱拡散現象による減衰特性EV
₁に従って低下する。このため、ウェハ上の倍率変動値
は零からマイナス方向に低下する。時刻Tiにおいてシス
テムが立ち上がると、圧力調整器20は空気間隔5aを解放
するリセット動作を実行した後、標準大気圧（760mmH
g）に制御する。このため、第７図(a)に示すように、時
刻Tiで圧力値P₁は零まで低下する。第７図(a)では時刻T
iで急激に零まで低下させているが、実際にはある一定
時間をかけて低下させる。これは投影レンズ内のレンズ
エレメントに急激な応力変化を与えないためである。さ
て、時間Tiにおいて、圧力がP₁から零になると、第７図
(b)に示すようにウェハ上での倍率変動値は＋ΔＹ（T
i）まで上昇する。その時点からの変動値には倍率オフ
セット分ΔYofが定常的に含まれている。また、時刻Ti
からは、圧力制御のためにシャッター２の開閉のデュー
ティ比DTに基づいて新たな予測値が作られる。本実施例
では倍率変動の実測値を測定する間、シャッター２が開
くことはないのでDT＝０のデータが単位時間（例えば10
秒）毎に連続して得られる。システムが立ち上がった時
刻Tiから装置自身は計時を開始し、例えば時刻t₁，t₂，
t₃，t₄の４点で各々データΔＹ（t₁），ΔＹ（t₂），Δ
Ｙ（t₃），ΔＹ（t₄）を取り込み記憶する。この間、圧
力調整器20はDT＝０のデータに基づいて圧力制御を行な
う訳であるが、DT＝０の状態が続く限り、実際の圧力値
Ｐは零（760mmHg）のままである。データΔＹ（t₁），
…ΔＹ（t₄）によって決まる特性は、投影レンズ単体の
減衰特性EV₁とオフセット値ΔYofとの代数和として測定
される。そして最後のデータΔＹ（t₄）を取り込んだ
後、第１図に示した演算部305は先の（13）式、又は（1
7）式の演算を行ない、予め定めておいた復帰時刻Trに
おいて、（19）式のような置きかえを行なう。

先に説明した各種演算により、時刻Trにおけるオフセッ
ト値ΔYofと特性EV₁の時刻to以降の残存分による変動値
ΔEV′とが再生される。時刻Trにおいて（19）式のよう
な置きかえが行なわれると、復元部306は倍率オフセッ
ト値ΔYofに相当する圧力オフセット値Pofと、ΔEV′に
相当する圧力値との和の圧力P₂を圧力調整器20に指示す
る。従ってウェハ上での倍率変動値は再び零に補正され
る。圧力調整器20はΔEV′に相当する圧力値が得られる
ような予測値を時刻Trにおける正確な予測値として保持
する。

さて、その後時刻Teから露光処理が開始されたものとす
ると、デューティ比DTは零ではなくなるから、時刻Teか
らは再び圧力値ＰがP₃から上昇して、ウェハ上での倍率
誤差（又は焦点変動）が常に零になるように補正され
る。尚、第７図(a)において時刻Teでオフセット値Pofか
ら上昇する特性EPは、時刻to以降の入射による倍率変動
値の残存分が時刻Teにおいて零のときの圧力制御特性で
ある。また、上記説明において時刻Trの設定はどの時点
でもよい訳であるが、時刻t₄の後（19）式のような置き
かえが可能となるまでの各種演算時間（例えば数秒）を
予め見積り、その演算時間の後のなるべく早い時点にす
ることが、ダウンタイム短縮のためには望ましい。さら
に、第７図に対応させると（19）式、すなわち、の中に示したtoはTiになる。

ところで時刻TrとTeの時間関係は逆になってもかまわな
いが、その場合時刻TeからTrまでの間は不正確な圧力制
御になる。

以上、本実施例では予測情報（予測値）を全く失ってし
まった場合でも倍率変動データΔＹ（tj）の計測時間程
度だけ待つだけで再び元通りの正確な圧力制御に復帰で
きる。またΔＹ（tj）を計測している間、第７図(a)に
示すように圧力値Ｐを零（760mmHg）にするようにした
が、時刻Trまである一定値、例えばP₁に保持したままで
もよい。ただし、時刻Tiからの新たな予測値は作り出し
ておくことが必要である。

次に予測値に誤りが発生した場合について説明するが、
基本的には消失した場合と何ら変わることはない。誤り
が発生したか否かは実際にはリアルタイムに検出するこ
とは難しく、誤りが発生したままでウェハを露光し、そ
のウェハのレジストパターンを検査した時点で発覚する
のが通常である。この場合でも、ウェハへの回路パター
ンの露光を中止し、第７図に示したように倍率変動デー
タΔＹ（tj）を実測し、正しい予測値に置き換えればよ
い。演算式上でいえば、（10）式の右辺中のＥ（τ）
を、正しい入射量と実際の制御に用いていた誤った入射
量との差とすれば、（13），（17），（19）式はそのま
ま成立する。ただし、ｔ＞to（すなわち時刻Ti以降）に
おいては、それ以降の入射状態（シャッターのデューテ
ィ比）のみに基づく正しい予測値が得られているものと
する。

第８図は本発明の第２の実施例による露光装置を示し、
先の第１実施例と異なる点は変動検出手段として自己照
明型のTTLアライメント系を用いることである。

TTLアライメント系は、レチクルＲのマークRM₁，RM₂の
夫々の上方に配置されたミラー50a,50bと、対物光学系5
1a,51bと、テレビカメラ及び照明系を含む光電検出部52
a,52bとで構成され、ステージ６に設けられた基準マー
クFMとマークRM₁（又はRM₂）との重ね合わせの様子を検
出するものである。倍率変動の計測手順としてはまずア
ライメント系（50a,51a,52a）によって基準マークFMと
マークRM₁とが一致して（又は所定の位置関係で）検出
されるようにステージ６を位置決めした後、その位置PP
₁を干渉計８から読み込み記憶する。その後、アライメ
ント系（50b,51b,52b）によって基準マークFMとマークR
M₂とが一致して検出されるようにステージ６を位置決め
した後、その位置PP₂を検出する。あとの演算処理は先
の例と同じである。

次に本発明の第３の実施例を第９図を参照して説明す
る。本実施例が先の第1,第２実施例とは異なる点は、倍
率変動のデータΔＹ（tj）を測定する間、シャッター２
が開き露光光が投影レンズ５に入射することにある。例
えば停電の復旧後、システムが立ち上がった時点で、本
来のレチクルの代りに第９図に示すようなテストレチク
ルRTを装着する。テストレチクルRTには予め定められた
複数の位置にテストマークTMが形成されている。従って
倍率変動の実測値を計測する際は、このテストレチクル
RTの像を投影したまま、第１図に示したスリット板9,光
電センサー10を用いて、テストマークTMの投影位置を検
出すればよい。

この場合、１つのデータΔＹ（tj）を得るのに最低２ケ
所のテストマークTMの像を検出すればよい訳であるが、
測定精度を高めるために、さらに多数のテストマークTM
について検出してもよい。ただし時間的には極く短い間
に検出し終る必要がある。この場合の予測値（圧力制御
値）と実際の変動特性との関係は各々第10図(a)，(b)の
グラフのように表わされる。第10図において横軸は時間
を表わし、第10図(a)の縦軸は予測値としての圧力値Ｐ
を表わし、第10図(b)の縦軸はウェハ上での倍率変動値
ΔＹ（tj）を表わす。時刻to,Ti,t₁，t₂，t₃，t₄,Trの
各意味は先の第７図と同じである。ただし、本実施例に
おける圧力調整器20は、停電が発生した時点で投影レン
ズ５内の圧力を標準大気圧までリークさせてしまうよう
な構成となっている。さらに説明を簡単にするため倍率
オフセット，圧力オフセットはともに零であるものとす
る。

時刻toで圧力P₁に制御されていたものが零（760mmHg）
まで低下したものとすると、その時点でウェハ上での倍
率変動値ΔＹ（tj）は零からΔＹ（to）まで上昇する。
そして時刻Tiでシステムが立ち上がった後、第９図に示
したテストレチクルRTをローディングする。もちろん時
刻Tiからはデューティ比DTに基づく新たな予測値が作ら
れている。テストレチクルRTのローディング後の時刻Te
sにおいてシャッター２を開く。このため時刻Tes以降に
サンプリングされるデューティ比DTは１（100％）にな
る。さて、第10図(b)に示した時刻Tes以降の上昇特性EV
₃は、時刻Tesにおいて倍率変動値ΔＹ（tj）がすでに零
であった場合に生じる投影レンズ単体の倍率変動を示
す。また時刻Tesから上昇する特性EV₄は新しい予測値に
基づいて圧力制御をしなかった場合のウェハ上での倍率
変動値を示す。本実施例では第10図(a)に示すように、
時刻Tesから圧力制御が行なわれ、圧力値は零（例えば7
60mmHg）から上昇する。この圧力制御によって補正され
る変動量は、あくまでも特性EV₃の分だけである。

このため実際のウェハ上での倍率変動値は、第10図(b)
に示すようにΔＹ（t₁），ΔＹ（t₂），ΔＹ（t₃），Δ
Ｙ（t₄）と変化する。すなわちシステム立ち上げ後の新
しい予想値に基づいて圧力制御さえしていれば、第７図
に示した場合と同様に停電時の倍率変動値ΔＹ（to）か
ら単調に減衰する特性が得られる。さて時刻Teeにおい
てシャッター２が閉じるので、圧力値はP₄に達した後、
除々に低下していく。そして時刻Trにおいて復元動作が
行なわれ、時刻Trにおける特性EV₄上の変動値が正しい
予測値として再現され、これに対応した圧力値P₆が設定
される。圧力値P₆が設定された時点でウェハ上の倍率誤
差は零に補正され、以後デューティ比DTに基づく正しい
予測値に従って倍率誤差は零に保たれる。

本実施例ではデータΔＹ（tj）を計測する際に露光が行
なわれるので、圧力制御による補正を加えたが、時刻Ti
からの新たな予測値は作りながら時刻Trまで圧力値を零
（760mmHg）にしたままにしておいてもよい。その場
合、実測されるウェハ上での倍率変動データΔＹ（tj）
は第10図(b)の特性EV₄に沿ったものとなる。そこで特性
EV₄に沿った実測データから特性EV₃に沿った値を差し引
けば、第10図(b)で示した減衰特性上のデータΔＹ
（t₁），ΔＹ（t₂），ΔＹ（t₃），ΔＹ（t₄）が演算に
よって得られる。特性EV₃に沿った値は時刻Tiからの新
たな予測値と一義的に対応している。

以上、本発明の各実施例を説明したが、いずれも時刻Ti
において圧力値Ｐが零（760mmHg）にリセットされる場
合について述べた。しかしながら圧力値Ｐを停電時、又
は暴走時の値（P₁）に保持させたまま、データΔＹ（t
j）を実測する方式にしても同様の効果が得られる。こ
の場合でも時刻Tiを初期値零として時刻Ti以降の新たな
予測値は取得しておく必要がある。また、上記各実施例
では倍率変動の実測値を求めて、それを圧力制御の正確
な復元（補正）に用いたが、それら実測値によって再現
された補正データを、ウェハの上下動による自動焦点合
わせ系に導入すれば、露光光の入射による焦点変動の補
正もただちに正確なものに復元できることになる。さら
に、ステージ上のスリット光電検出器やアライメント光
学系を用いて倍率変動の実測値を求める代りに、焦点変
動の実測値を求める方法でも同様の効果が得られる。こ
の方法を実施するには、例えば、ステージ上のウェハ位
置とは異なる位置に基準平面板を設け、この基準平面に
対してレチクルの投影像が合焦するようにTTL（スルー
ザレンズ）方式で検出しつつ、ステージを上下動させ
る。そしてその合焦したときのステージの上下位置を離
散的な時点で順次計測すればよい。また投影レンズへの
照明光の入射状態はシャッターのデューティ比から求め
ているが、シャッターの開時間や閉時間（例えば50mSe
c）よりも十分早い時間間隔（例えば1mSec）毎に、シャ
ッターが開状態が閉状態かのみを検出して、高速な演算
処理により第３図に示した場合と同様に予測値を得るこ
ともできる。

（発明の効果）以上本発明によれば、入射状態に応じて作られる予測情
報（予測値）に基づいて圧力制御、又は焦点調整を行な
っている際に、停電あるいはシステムの暴走が生じた場
合であっても、光学特性（倍率や焦点位置）の変動を実
測する時間程度待つだけで、すみやかに元通りの補正制
御に復帰でき、装置のダウンタイムを大幅に短縮できる
という効果が得られる。

また実施例によれば、システム立ち上げ後の実測動作中
に、立ち上げ後の新たな予測値（不正確）に基づいて圧
力制御、焦点調整等の補正制御を行なっておけば、実測
値がそのまま正しい予測値への補正量に対応するので演
算処理等が簡単になるといった利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による投影露光装置の構
成を示す図、第２図は光学特性（倍率等）の変動を補正
するための補正制御のフローチャート図、第３図は補正
制御の様子を説明する特性図、第４図は停電時等の倍率
変動の様子を説明する特性図、第５図は倍率変動値を自
動計測するためフローチャート図、第６図は倍率変動値
の検出時の信号処理の様子を示す波形図、第７図は復元
動作の際の圧力変化と倍率変動とを示す特性図、第８図
は本発明の第２の実施例による投影露光装置の構成を示
す図、第９図は本発明の第３の実施例に好適なテストレ
チクルの平面図、第10図は第３の実施例による復元動作
の際の圧力変化と倍率変動とを示す特性図である。〔主要部分の符号の説明〕１……光源,2……シャッター,5……投影レンズ,9……ス
リット板,10……光電センサー,20……圧力調整器,30…
…制御系,302……データ取り込み部,305……演算部,306
……復元部,R……レチクル,RT……テストレチクル,W…
…ウェハ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定のパターンが形成されたマスクに照明
光を照射し、該パターンの像を投影光学系を介して感光
基板上に所定の結像特性で投影する際、前記照明光の投
影光学系への入射状態に応じて作られる前記結像特性の
変動の予測情報に基づいて、該変動を補正制御する手段
を備えた装置において、前記補正制御の過程で前記予測情報と前記結像特性の変
動との対応関係が壊れた際、時間軸上の離散的な複数点
で前記結像特性の変動値を実測により検出する変動検出
手段と；該検出された複数の変動値に基づいて、前記対応関係が
壊れた後の実際の結像特性変動に対応した正しい予測情
報を算出する演算手段と；前記時間軸上で前記演算手段による演算が終了した後の
所定時点から、前記正しい予測情報に基づいて前記補正
制御を復元させる復元手段とを備えたことを特徴とする
投影露光装置。
【請求項２】前記変動検出手段は所定の時間毎に前記結
像特性の変動量に対応した実測データを検出することを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】所定のパターンが形成されたマスクを照明
する照明手段と、該パターン像を感光体上に所定の光学
特性で投影する投影化学系と、前記パターン像の前記感
光体上での結像特性を調整する結像調整手段とを備えた
投影露光装置において、ほぼ一定の時間間隔毎に指令信号を出力する計時回路
と；前記マスクを介して前記投影化学系に前記一定の時間間
隔内に入射する照明エネルギーによって前記投影光学系
に蓄積されるエネルギー量に対応した前記投影光学系の
結像特性の変動量を前記指令信号の発生のたびに算出す
る第１演算部と；前回の指令信号が発生したときの変動予測値に対して前
記一定時間間隔の間に減衰する変動予測値を算出する第
２演算部と；今回の指令信号が発生したときに前記第１演算部による
算出結果と前記第２演算部による算出結果とを加算する
第３演算部と；前記第３演算部による加算結果に基づいて、前記結像特
性の変動量を補正する如く前記結像調整手段を制御する
制御手段と；前記第３演算部の加算結果を変動予測値に更新する更新
手段とを有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項４】前記一定の時間間隔内に入射する照明エネ
ルギーは、前記照明光の遮光と通過とを制御するシャッ
タの前記一定時間間隔内での開閉情報に基づいて求めら
れることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の装
置。
【請求項５】前記シャッタの開閉情報は、前記シャッタ
の開閉の時間比であることを特徴とする特許請求の範囲
第４項に記載の装置。