(57)【要約】【課題】  投影光学系における露光光の照射に伴う結像特性の変動（照射変動）を有効に補正し、高い露光精度を実現する。【解決手段】  パターンが形成されたマスク及び光学素子を有する投影光学系を介して間欠的に露光光を照射して基板を露光する露光方法であって、  露光時に、投影光学系に生ずる倍率変動のみを該投影光学系に含まれる光学素子を駆動して逐次的に補正し、非露光時に、投影光学系に生ずる収差変動を該光学素子を駆動して逐次的に補正する。【選択図】  図４
2005051147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンが形成されたマスク及び光学素子を有する投影光学系を介して間欠的に露光光を照射して基板を露光する露光方法であって、
露光時に、前記投影光学系に生ずる倍率変動のみを前記光学素子を駆動して逐次的に補正する第１補正工程と、
非露光時に、前記投影光学系に生ずる収差変動を前記光学素子を駆動して逐次的に補正する第２補正工程とを含むことを特徴とする露光方法。
【請求項２】
露光時に、前記投影光学系の焦点位置変動に合わせて前記基板の該投影光学系の光軸に沿う方向の位置を調整する調整工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の露光方法。
【請求項３】
前記投影光学系に入射する光量、大気圧、及び前記投影光学系の特性に基づいて、前記倍率変動、前記収差変動、及び前記焦点位置変動を算出する算出工程を含み、
前記倍率変動の補正、前記収差変動の補正、及び前記焦点位置変動に合わせた前記基板の位置の調整は、前記算出工程の算出結果に基づいて行うことを特徴とする請求項２に記載の露光方法。
【請求項４】
非露光時における前記光学素子の駆動量は、露光時における前記光学素子の駆動量よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の露光方法。
【請求項５】
前記収差変動を補正するための前記光学素子の駆動の目標位置に対して該光学素子の実位置が追従しない間は、次の露光を開始しないことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の露光方法。
【請求項６】
前記投影光学系は複数の光学素子を含み、該光学素子の駆動は、何れか一つの光学素子の駆動に伴って生じる該投影光学系の光学特性の変化を他の光学素子の駆動によって相殺するように行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の露光方法。
【請求項７】
パターンが形成されたマスク、及び光学素子を有する投影光学系を介して、間欠的に露光光を照射して基板を露光する露光装置であって、
前記光学素子を駆動する駆動装置と、
露光時に前記投影光学系に生ずる倍率変動のみを逐次的に補正するために前記光学素子を駆動し、非露光時に前記該投影光学系に生ずる収差変動を逐次的に補正するために前記光学素子を駆動するように前記駆動装置を制御する制御装置とを備えることを特徴とする露光装置。
【請求項８】
前記基板を保持した状態で前記投影光学系の光軸に沿う方向の位置を調整可能な基板ステージを備え、
前記制御装置は、露光時に前記基板ステージを制御して前記投影光学系の焦点位置変動に合わせて前記基板の位置を調整することを特徴とする請求項７に記載の露光装置。
【請求項９】
前記制御装置は、前記投影光学系に入射する光量、大気圧、及び前記投影光学系の特性に基づいて、前記倍率変動、前記収差変動、及び前記焦点位置変動を算出し、当該算出結果に基づいて前記駆動装置及び前記基板ステージを制御することを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
【請求項１０】
非露光時における前記光学素子の駆動量は、露光時における前記光学素子の駆動量よりも大きいことを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の露光装置。
【請求項１１】
前記制御装置は、前記収差変動を補正するための前記光学素子の駆動の目標位置に対して該光学素子の実位置が追従しない間は、次の露光を開始ないように制御することを特徴とする請求項７〜１０の何れか一項に記載の露光装置。
【請求項１２】
前記投影光学系は複数の光学素子を含み、該光学素子の駆動は、何れか一つの光学素子の駆動に伴って生じる該投影光学系の光学特性の変化を他の光学素子の駆動によって相殺するように行うことを特徴とする請求項７〜１１の何れか一項に記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、その他のマイクロデバイスの製造工程の１つとして設けられるフォトグラフィ工程において用いられる露光方法及び露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド、その他のマイクロデバイスは、一般的にフォトリソグラフィ技術を用いて製造される。フォトリソグラフィ技術は、微細なパターンが形成されたマスク又はレチクル（以下、これらを総称するときには「マスク」という）に露光光を照射し、パターンをフォトレジスト等の感光剤が塗布された半導体ウエハや透明ガラス基板等の基板上に転写し、感光剤を現像することで基板表面にレジストパターンを形成し、その基板に対してエッチング等の各種処理を施す技術である。露光装置はマスクのパターンを基板上に転写する際に用いられる。
【０００３】
露光装置としては種々の方式のものが実現されているが、例えば半導体素子を製造する場合には、マスクに形成されたパターン全体を一度に投影し得るイメージフィールドを有する投影光学系を介して基板をステップ・アンド・リピート方式で露光する投影露光装置（所謂、ステッパ）と、マスクと基板とを同期移動させつつ、マスクに形成されたパターンを基板上に逐次走査露光するステップ・アンド・スキャン方式の露光装置とが用いられることが多い。
【０００４】
近年のマイクロデバイスの微細化に伴って、上記の何れの露光装置にも高い露光精度が要求されている。露光精度を向上させるためには、マスクのパターンが形成されている面（以下、パターン面という）と基板表面との共役関係を正確に保つとともに、残存収差が極力低減された状態となるように投影光学系を調整する必要がある。マスクのパターン面と基板表面との共役関係を保つ技術として、投影光学系の焦点位置の変動に応じて、焦点位置に対する基板の位置ずれを補正する技術、及び投影光学系の焦点位置変動に応じて投影光学系に含まれる一部のレンズ群を光軸方向に移動させて投影光学系の焦点位置ずれを補正する技術がある。
【０００５】
また、例えば、以下の特許文献１は、非露光中には基板を投影光学系の光軸方向に移動させて投影光学系の焦点位置に対する基板の位置ずれを補正し、露光中（走査露光中）には投影光学系の光軸方向における基板の位置を変化させずに投影光学系に含まれる一部のレンズ群を光軸方向に移動させて投影光学系の焦点位置ずれを補正する技術を開示している。
【特許文献１】特開平１１−２７４０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、投影光学系に含まれる一部のレンズ群を移動させて投影光学系の焦点位置ずれ、収差、倍率等を補正する技術においては、投影光学系が露光光を吸収して生ずる熱及び大気圧の変動に起因する焦点位置ずれ、収差、倍率等の変動を求め、これを補正するように一部のレンズ群を移動させている。
【０００７】
このとき、焦点位置ずれ等を補正するために投影光学系に含まれる一部のレンズ群を移動させると、レンズ群の移動に伴って投影光学系の結像特性（例えば、像面の平坦性）が悪化することがあるので、レンズ群を移動させるときには複数のレンズ群を移動させて、一つのレンズ群の移動による結像特性の悪化を他のレンズ群の移動によって相殺させるようにしている。
【０００８】
しかしながら、近年においてはスループット（単位時間当たり露光処理することができる基板の枚数）の向上を図るため、露光に用いる光（露光光）の強度が高く設定され、一つのショット領域に対する露光光の照射時間や次のショット領域に移動するための露光光の非照射時間が短縮される傾向にある。このため、収差等を補正するためにレンズ群を目標位置に移動させるよう駆動しても、当該レンズ群の実際の位置が当該目標位置に十分に追従できない場合があるという問題があった。
【０００９】
特に、複数のレンズ群を移動させる場合には、仮に一つのレンズ群が目標位置に対して十分に追従したとしても、一つのレンズ群の移動に合わせて他のレンズ群が十分に追従しなければ、投影光学系の結像特性の悪化は免れない。
【００１０】
このような問題は、露光光の照射に伴う結像特性の変動（以下、照射変動という場合がある）の大きい光学素子（レンズ等）を有する投影光学系において、特に深刻である。
【００１１】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、投影光学系の照射変動を有効に補正し、高い露光精度を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下、この項に示す説明では、本発明を、実施形態を表す図面に示す部材符号に対応付けて説明するが、本発明の各構成要件は、これら部材符号を付した図面に示す部材に限定されるものではない。
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によると、パターンが形成されたマスク（Ｒ）及び光学素子（４２ｂ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ）を有する投影光学系（ＰＬ）を介して間欠的に露光光を照射して基板（Ｗ）を露光する露光方法であって、露光時に、前記投影光学系に生ずる倍率変動のみを前記光学素子を駆動して逐次的に補正する第１補正工程（Ｓ１２）と、非露光時に、前記投影光学系に生ずる収差変動を前記光学素子を駆動して逐次的に補正する第２補正工程（Ｓ１５）とを含む露光方法が提供される。
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明の第２の観点によると、パターンが形成されたマスク（Ｒ）、及び光学素子（４２ｂ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ）を有する投影光学系（ＰＬ）を介して、間欠的に露光光を照射して基板（Ｗ）を露光する露光装置であって、前記光学素子を駆動する駆動装置（４５ｂ、４５ｄ、４５ｅ、４５ｆ、４５ｇ）と、露光時に前記投影光学系に生ずる倍率変動のみを逐次的に補正するために前記光学素子を駆動し、非露光時に前記該投影光学系に生ずる収差変動を逐次的に補正するために前記光学素子を駆動するように前記駆動装置を制御する制御装置（２３、２７）とを備えた露光装置が提供される。
【００１５】
本発明では、露光時（露光光を照射している期間）には収差変動と比較してその変動量が小さい倍率変動のみを光学素子を駆動して補正するようにしたので、光学素子の実際の位置を目標位置に十分に追従させることができる。一方、非露光時（露光光の照射を停止している期間）には変動量が比較的に大きい収差変動を光学素子を駆動して補正するようにしており、露光時に収差変動を補正していないため露光時から非露光時に移行する瞬間は光学素子の駆動量が大きくなり、光学素子の実位置が目標位置に十分に追従できない可能性が高いが、非露光時には結像特性の悪化は問題とはならないとともに、非露光時の収差変動は露光時と比較してその変動量が小さいので、通常は、次の露光が開始されるときまでには光学素子の実位置が目標位置に追従することになると考えられる。従って、非露光時から露光時に移行した直後から該露光時の全期間に渡って、光学素子の実位置が目標位置に十分に追従することになり、追従が不十分であることにより生じていた結像特性の悪化（例えば像面の悪化）が防止される。
【００１６】
なお、本発明の第１の観点に係る露光方法及び第２の観点に係る露光装置において、前記収差変動を補正するための前記光学素子の駆動の目標位置に対して該光学素子の実位置が追従しない間は、次の露光を開始しないようにすることが望ましい。光学素子の実位置が目標位置に追従しない状態で次の露光処理が開始されることが防止するためである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、投影光学系における露光光の照射に伴う結像特性の変動（照射変動）を有効に補正し、高い露光精度を実現することができるようになるという効果がある。特に、照射変動の大きい光学素子を有する投影光学系に対して適用した場合に効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。図１に示す露光装置は、基板としてのウエハＷを二次元的に移動自在なウエハステージ１９上に載置し、このウエハステージ１９によりウエハＷを歩進（ステッピング）させて、マスクとしてのレチクルＲのパターン像をウエハＷ上の各ショット領域に順次露光する動作を繰り返す、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（所謂、ステッパー）である。
【００１９】
なお、本実施形態において、「露光時」又は「露光期間」とは、主として１つのショット領域に対する露光を開始してから当該ショット領域に対する露光を終了するまでの期間をいう。また、「非露光時」又は「非露光期間」とは、主として１つのショット領域に対する露光を終了してから次のショット領域にステッピングさせて当該次のショット領域に対する露光を開始するまでの期間をいう。但し、「非露光時」又は「非露光期間」には、ウエハ交換やその他の理由により露光処理を中断している場合のその中断期間が含まれる場合がある。
【００２０】
以下の説明においては、図１中に示したＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｘ軸及びＺ軸が紙面に対して平行となるよう設定され、Ｙ軸が紙面に対して垂直となる方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。
【００２１】
図１に示した超高圧水銀ランプ１から発生した露光光ＥＬは楕円鏡２で反射されてその第２焦点で一度集光した後、シャッタ３を介してオプティカルインテグレータとしての第１フライアイレンズ５に入射する。シャッタ３は楕円鏡２の第２焦点の近傍に配置されており、モータ４によって露光光ＥＬの光路の閉鎖及び開放を行う。なお、実際には、第１フライアイレンズ５の前段又は後段（本例では前段）にはコリメータレンズ及び干渉フィルター等が配置されており、干渉フィルターにより所定波長の光（例えば波長３６５ｎｍのｉ線）のみが第１フライアイレンズ５を通過するものとする。
【００２２】
第１フライアイレンズ５による複数の光源像からの露光光ＥＬは、振動ミラー６で折り曲げられてオプティカルインテグレータとしての第２フライアイレンズ７に入射する。第２フライアイレンズ７の射出面には多数の２次光源像が形成される。なお、第２フライアイレンズ７の射出面の近傍には、図示を省略したが複数種類の照明系開口絞りが配置されている。また、第２フライアイレンズ７はその射出面（射出側焦点面）が後述する投影光学系ＰＬの瞳面と実質的に共役となる、即ち照明系の瞳面とほぼ一致するように配置されている。
【００２３】
第２フライアイレンズ７から射出された露光光ＥＬは、所定の照明系開口絞りを通過して第１リレーレンズ８を通過した後、透過率が例えば９８％程度のビームスプリッタ９に入射する。ビームスプリッタ９を透過した露光光ＥＬは、レチクルブラインド（照明視野絞り）１０に至る。レチクルブラインド１０は、例えば４枚の可動式のブラインド及びその駆動機構を備えて構成されており、各ブラインドは、露光光ＥＬの光軸ＡＸ１に直交する面内において互いに直交又は平行する方向であって、光軸ＡＸ１に対して進出又は後退するように移動可能とされている。
【００２４】
なお、各ブラインドには位置検出用の光学式のリニアスケール（図示省略）が取り付けられており、このリニアスケールに対向して設けられた光学的読取装置を有する位置検出装置（図示省略）の検出値が後述する主制御系２３に出力されるようになっている。主制御系２３が、これら４枚のブラインドをそれぞれ適宜な位置に設定することにより、各ブラインドの先端縁によって形成される矩形の開口によりレチクルＲ上における照明領域の形状が規定される。レチクルブラインド１０の配置面は、第２フライアイレンズ７の射出面のフーリエ変換面近傍である。すなわち、レチクルブラインド１０の配置面は、レチクルＲのパターン形成面とほぼ光学的に共役である。
【００２５】
レチクルブラインド１０を通過した露光光ＥＬは、第２リレーレンズ１１を通過して折り曲げミラー１２により反射された後、コンデンサーレンズ１３を介してマスクとしてのレチクルＲ上の照明頒域を均一な照度分布で照明する。
【００２６】
レチクルＲは、モータ１４によって投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿った方向に微動可能で、且つその光軸ＡＸに垂直な面内で２次元移動及び微小回転可能なレチクルステージ１５上に載置されている。レチクルステージ１５の端部にはレーザ干渉計１７からのレーザビームを反射する移動鏡１６が固定されており、レチクルステージ１５の２次元的な位置はレーザ干渉計１７によって、所定の分解能で常時検出されており、その検出結果が主制御系２３に出力されている。
【００２７】
レチクルＲ上の照明領域内のパターンは、例えば両側（片側でも良い。）テレセントリックな投影光学系ＰＬを介して投影倍率α（αは例えば１／４、又は１／５等）で基板としてのウエハＷ上の露光フィールドにその像が投影される。露光フィールドに対してウエハＷ上の各ショット領域を位置決めしてからレチクルＲの照明領域に露光光ＥＬを照射して投影光学系ＰＬを介してパターンの像を露光フィールドに投影することで、各ショット領域にパターンが転写される。なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬの瞳面に可変開口絞りＡＳが設けられており、これによって、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを変更できるようになっている。
【００２８】
また、投影光学系ＰＬは、所定の気温（例えば、２５℃）、所定の大気圧（例えば、１気圧）の下で露光光ＥＬの波長に関して最良に収差補正されており、かかる条件下においてレチクルＲとウエハＷとは互いに共役になっている。また、本例の露光装置ではケーラー照明が採用されており、前述した照明系の瞳面に形成される２次光源（多数の光源像からなる面光源）が投影光学系ＰＬの瞳面に結像される。なお、投影光学系ＰＬは複数のレンズ等の光学素子を有し、その光学素子の硝材としては露光光ＥＬの波長に応じて石英、蛍石等の光学材料から選択されている。
【００２９】
ウエハＷは、例えばシリコン基板であり、その表面にはフォトレジスト等の感光剤が塗布されている。ウエハＷはウエハホルダ１８を介して基板ステージとしてのウエハステージ１９上に載置されている。ウエハステージ１９は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内でウエハＷを２次元的に位置決めするＸＹステージ、及びＸＹステージに取り付けられ、ウエハホルダ１８が固定されるテーブルを微動する機構から構成されている。この微動機構は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）と、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの回転方向（θｘ、θｙ及びθｚ方向）にウエハＷを移動する。これにより、投影光学系ＰＬの結像面に対するウエハＷの相対的な位置や傾きが調整可能となっている。なお、微動機構は上記４つの方向に加えてＸ及びＹ方向にもウエハＷを微動可能としてもよい。また、図１ではＸＹステージを駆動するリニアモータ、及びテーブルを駆動するボイスコイルモータ又はＥＩコアなどからなる、ウエハステージ１９のアクチュエータをモータ２２として示している。
【００３０】
ウエハステージ１９の上面の一端にはＬ字型の移動鏡２０が取り付けられ、移動鏡２０の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計２１が配置されている。図１では簡略化して図示しているが、移動鏡２０はＸ軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びＹ軸に垂直な反射面を有する平面鏡より構成されている。また、レーザ干渉計２１は、Ｘ軸に沿って移動鏡２０にレーザビームを照射する２個のＸ軸用のレーザ干渉計及びＹ軸に沿って移動鏡２０にレーザビームを照射するＹ軸用のレーザ干渉計より構成され、Ｘ軸用の１個のレーザ干渉計及びＹ軸用の１個のレーザ干渉計により、ウエハステージ１９のＸ座標及びＹ座標が計測される。また、Ｘ軸用の２個のレーザ干渉計の計測値の差により、ウエハステージ１９のＸＹ平面内における回転角（θｚ方向の回転量）が計測される。なお、移動鏡２０を設ける代わりに、例えばウエハステージ１９の端面（側面）を鏡面加工して形成される反射面を用いてもよい。また、レーザ干渉計２１はＹＺ及びＺＸ平面内でのウエハステージ１９の回転角（θｘ及びθｙ方向の回転量）も計測可能としてもよい。
【００３１】
ウエハステージ１９の２次元的な座標は、レーザ干渉計２１によって、所定の分解能で常時検出されており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の座標によりウエハステージ１９のステージ座標系（静止座標系）が定められる。即ち、レーザ干渉計２１により計測されるウエハステージ１９の座標値が、ステージ座標系上の座標値である。レーザ干渉計２１により計測されたＸ座標、Ｙ座標、及び回転角を示す位置計測信号は主制御系２３に出力される。
【００３２】
主制御系２３は、レーザ干渉計２１から供給された位置計測信号をモニタしつつウエハステージ１９の位置を制御する制御信号をモータ２２へ出力する。また、主制御系２３はシャッタ３の開閉制御、レチクルブラインド１０の駆動制御、露光光ＥＬの強度制御、レチクルステージ１５の駆動制御、及び投影光学系ＰＬの結像特性制御等の各種制御を行う。なお、投影光学系ＰＬの結像特性の調整についての詳細は後述する。
【００３３】
また、ウエハステージ１９上のウエハＷの近傍には、ウエハＷの露光面と同じ高さの受光面を有する光電検出器からなる照射量センサ２４が設置されている。この照射量センサ２４は、その受光面に設けられた透過部から露光光ＥＬを受光して露光フィールド内での照射量を検出するものであり、照射量を測定するときには、ウエハステージ１９を駆動して照射量センサ２４を露光フィールドの中心部に配置させる。照射量センサ２４から出力される検出信号は主制御系２３に供給されており、主制御系２３はその検出信号に基づいて、不図示の露光量制御系を制御してウエハＷ上に照射される露光光ＥＬの強度を制御する。
【００３４】
また、前述した透過率が９８％程度のビームスプリッタ９で反射された光は、不図示の集光レンズ等を介して光電検出器よりなるインテグレータセンサ２５の受光面に集光されている。インテグレータセンサ２５の受光面は、一例としてレチクルＲのパターン形成面及びウエハＷの露光面とほぼ共役であり、インテグレータセンサ２５の検出信号（光電変換信号）は、不図示の露光量制御系を介して光源１の電源系及び主制御系２３に供給されている。
【００３５】
不図示の露光量制御系にはインテグレータセンサ２５の出力信号からウエハＷ上での照射量（単位時間当たりの露光量）を求めるための変換係数等が格納されている。インテグレータセンサ２５の受光面はレチクルＲのパターン面とほぼ共役な位置に配置されているので、第２フライアイレンズ７の射出面に配置された図示しない照明系開口絞りの形状を変えて照明条件を変更した場合でも、インテグレータセンサ２５の検出信号に誤差が生じないようになっている。なお、インテグレータセンサ２５の受光面を、投影光学系ＰＬにおけるレチクルＲのパターンのフーリエ変換面（瞳面）と実質的に共役な観察面に配置して、この観察面を通過する全光束を受光できるようにしても構わない。
【００３６】
更に、本実施形態では、透過率が９８％程度のビームスプリッタ９に関してインテグレータセンサ２５と反対側に光電検出器よりなるウエハ反射率センサ２６が設置されており、ウエハ反射率センサ２６の受光面は不図示のレンズ等によりウエハＷの表面とほぼ共役になっている。この場合、レチクルＲを透過して投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に照射される露光光ＥＬのうちで、ウエハＷでの反射光が、投影光学糸ＰＬ、レチクルＲ等を介してウエハ反射率センサ２６で受光され、この検出信号（光電変換信号）が主制御系２３に供給される。
【００３７】
主制御系２３は、照射量センサ２４の検出信号などから算出される、レチクルＲを介して投影光学系ＰＬに入射する露光光ＥＬの単位時間当たりの光エネルギー、及びウエハ反射率センサ２６の検出信号から算出されるウエハＷでの反射光の単位時間当たりの光エネルギーに基づいて、投影光学系ＰＬを通過する露光光ＥＬの単位時間当たりの光エネルギーを求める。更に、このように求められた光エネルギーに露光時間を乗じて得られる熱エネルギーに基づいて、主制御系２３は投影光学系ＰＬの熱膨張量を予測し、この予測された熱膨張量による投影光学系ＰＬの各結像特性の変化量を求める。
【００３８】
また、投影光学系ＰＬの鏡筒付近には大気圧センサ２８が設けられており、主制御系２３は大気圧センサ２８の検出結果に基づいて大気圧の変動による投影光学系ＰＬの各結像特性の変化量を求める。そして、主制御系２３は、結像特性制御部２７を介して投影光学系ＰＬに設けられた結像特性補正部２９を制御することで、熱膨張による投影光学系ＰＬの各結像特性の変化及び大気圧の変動による投影光学系ＰＬの各結像特性を調整する。なお、上記主制御系２３及び結像特性制御部２７は、本発明にいう制御装置に相当する。
【００３９】
なお、大気圧センサ２８は投影光学系ＰＬの鏡筒の内部と鏡筒の外部との２箇所に設けることが好ましい。このように投影光学系ＰＬの内部と外部との２箇所に大気圧センサ２８を設けるのは、投影光学系ＰＬ内部には、投影光学系ＰＬ外部の空気とは別の気体（例えば、窒素又はヘリウム）が充填又はフローされる場合があるからである。窒素は例えば投影光学系ＰＬ内におけるオゾンの発生を抑えるために用いられ、ヘリウムは空気に比べて屈折率が小さいため、例えば投影光学系ＰＬの結像特性変化を小さくするために用いられる。
【００４０】
また、本実施形態においては、投影光学系ＰＬの結像面に向けてピンホール又はスリット状の像を形成するための結像光束を、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して斜め方向から供給する照射光学系３０ａと、その結像光束のウエハＷ表面での反射光束を受光する受光光学系３０ｂとからなる斜入射方式の焦点位置検出系３０が設けられている。この焦点位置検出系３０により、ウエハＷ表面の結像面に対するＺ方向の位置及び傾斜角を検出してウエハＷと投影光学系ＰＬとの合焦状態を検出することができるようになっている。
【００４１】
更に、レチクルＲ裏面側には、スリット状の像を形成するための結像光束を、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して斜め方向から供給する照射光学系３１ａと、その結像光束のレチクルＲ裏面での反射光束を受光する受光光学系３１ｂとからなる斜入射方式の焦点位置検出系３１が設けられている。この焦点位置検出系３１により、レチクルＲ裏面の結像面に対するＺ方向の位置及び傾斜角を検出してウエハＷとレチクルＲとの共役関係の状態を検出することができるようになっている。
【００４２】
次に、投影光学系ＰＬに設けられた結像特性補正部２９の概略構成及び動作について説明する。図２は、本実施形態の露光装置が備える投影光学系ＰＬの概略構成を示す図であり、図３は、投影光学系の分割鏡筒のうちの一つの分割鏡筒を示す上面図である。なお、図２及び図３においても、図１に示したＸＹＺ直交座標系と同様のＸＹＺ直交座標系を設定して各部材の位置関係について説明する。
【００４３】
図２に示すように、投影光学系ＰＬの鏡筒４０は複数の分割鏡筒４０ａ〜４０ｌを備えており、フランジ４１を介して、図示せぬ露光装置のフレームに支持されている。これら複数の分割鏡筒４０ａ〜４０ｌは、光軸ＡＸ方向に積層されている。そして、本実施形態では、複数の分割鏡筒４０ａ〜４０ｌのうち、分割鏡筒４０ｂ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇにより支持されているレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇは、光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に移動可能かつＸ方向又はＹ方向を軸として傾斜（チルト）可能な可動レンズとなっている。レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇを保持している分割鏡筒４０ｂ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇの構成につき、分割鏡筒４０ｂの構成を代表させて説明する。なお、他の分割鏡筒４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇの構成については、分割鏡筒４０ｂの構成とほぼ同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４４】
分割鏡筒４０ｂは、分割鏡筒４０ｂの（Ｚ方向）上下に位置する分割鏡筒４０ａ，４０ｃと接続される外側環４３ｂと、レンズ４２ｂを保持するレンズ枠４４ｂとを備えている。このレンズ枠４４ｂは、外側環４３ｂに対して光軸方向（Ｚ方向）に移動可能かつＸ軸に平行な軸又はＹ軸に平行な軸の周りでチルト可能となるように、外側環４３ｂに連結されている。また、分割鏡筒４０ｂは、外側環４３ｂに取り付けられたアクチュエータ４５ｂを備えている。このアクチュエータ４５ｂとしては、例えば圧電素子を適用することができる。アクチュエータ４５ｂは、図１に示す結像特性制御部２７の制御の下で、例えば弾性ヒンジから構成される変位拡大機構としてのリンク機構を介してレンズ枠４４ｂを駆動する。このアクチュエータ４５ｂは、分割鏡筒４０ｂの３箇所に取り付けられており、これにより、レンズ枠４４ｂの３箇所が独立に光軸方向（Ｚ方向）へ移動する。なお、上記レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇは、本発明にいう光学素子に相当し、アクチュエータ４５ｂ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ，４５ｇは、本発明にいう駆動装置に相当する。
【００４５】
図３を参照して詳述する。なお、以下の説明では分割鏡筒４０ｂ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ，４０ｇ及びそれを構成する各部材を区別せずにそれらの何れかを指定する場合には、符号の末尾に付される記号「ａ」〜「ｇ」を省略して説明する。図３において、レンズ４２の周縁には、３つの鍔部５１ａ〜５１ｃがＸＹ平面内における方位角１２０°毎に設けられている。そして、レンズ枠４４は、クランプ部５２ａ〜５２ｃを備えており、これらがレンズ４２の３つの鍔部５１ａ〜５１ｃを保持している。そして、レンズ枠４４は、ＸＹ平面内における方位角１２０°ごとの駆動点ＤＰ１〜ＤＰ３の位置で、リンク機構を介して３つのアクチュエータ（不図示）によりＺ方向に沿って独立に駆動される。
【００４６】
ここで、３つのアクチュエータによるＺ方向の駆動量が同じ量である場合は、レンズ枠４４は外側環４３に対しＺ方向（光軸方向）へ移動することとなり、３つのアクチュエータによるＺ方向の駆動量が異なる量である場合は、レンズ枠４４は外側環４３に対しＸ軸に平行な軸又はＹ軸に平行な軸の周りで傾くこととなる。なお、３つのアクチュエータによるＺ方向の駆動量が異なる量である場合には、レンズ枠４４が外側環４３に対しＺ方向（光軸方向）へ移動することもあり得る。図１に示す結像特性補正部２９は以上の構成により実現されている。
【００４７】
さて、図２に戻り、分割鏡筒４０ｂは、外側環４３ｂに取り付けられて、例えば光学式エンコーダ（又は静電容量センサなど）からなる駆動量計測部４６ｂを備えている。この駆動量計測部４６ｂは、図３に示した方位角１２０°ごとの３つの計測点ＭＰ１〜ＭＰ３の位置における外側環４３ｂに対するレンズ枠４４ｂのＺ方向（光軸方向）の移動量を計測する。従って、アクチュエータ４５ｂ及び駆動量計測部４６ｂにより、レンズ枠４４ｂの移動、ひいてはレンズ４２ｂの移動をクローズドループで制御することができる。
【００４８】
図２に示した分割鏡筒４０ａ〜４０ｌのうち、分割鏡筒４０ａ，４０ｃ，４０ｈ，４０ｉ，４０ｊ，４０ｋ，４０ｌにより支持されているレンズ４２ａ，４２ｃ，４２ｈ，４２ｉ，４２ｊ，４２ｋ，４２ｌは、固定レンズとなっている。これらの固定レンズ４２ａ，４２ｃ，４２ｈ，４２ｉ，４２ｊ，４２ｋ，４２ｌを保持している分割鏡筒４０ａ，４０ｃ，４０ｈ，４０ｉ，４０ｊ，４０ｋ，４０ｌの構成につき、分割鏡筒４０ｃの構成を代表させて説明する。なお、分割鏡筒４０ｃ以外の他の分割鏡筒４０ａ，４０ｈ，４０ｉ，４０ｊ，４０ｋ，４０ｌの構成については、分割鏡筒４０ｃの構成とほぼ同様であるため、ここでは説明を省略する。分割鏡筒４０ｃは、分割鏡筒４０ｃの（Ｚ方向）上下に位置する分割鏡筒４０ｂ，４０ｄと接続される外側環４３ｃと、当該外側環４３ｃに取り付けられてレンズ４２ｃを保持するレンズ枠４４ｃとを備えて構成される。
【００４９】
本実施形態においては、アクチュエータ４５として、高精度、低発熱、高剛性及び高クリーン度の圧電素子を使用して、この圧電素子の駆動力を弾性ヒンジからなるリンク機構により拡大させる構成としているため、圧電素子自体のコンパクト化を図れる利点がある。なお、アクチュエータ４５を圧電素子で構成する代わりに、磁歪アクチュエータや流体圧アクチュエータで構成しても良い。また、上記レンズ４２ａ〜４２ｌは単一のレンズ素子から構成されることもあり、複数のレンズ素子を組み合わせたレンズ群からなることもある。
【００５０】
以上の構成の投影光学系ＰＬにおいては、レンズ４２ａ，４２ｃ，４２ｈ，４２ｉ，４２ｊ，４２ｋ，４２ｌの姿勢（光軸ＡＸ方向の位置及びＸＹ平面に対する傾斜）を変えることなくレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの姿勢を可変することができる。本例では結像特性制御部２７によりこれらのレンズの内、１つのレンズの姿勢を調整することにより、又は、複数のレンズの姿勢を互いに関連付けて調整することにより、投影光学系ＰＬで生ずる５つの回転対称な結像特性（収差など）及び５つの偏心収差を個別に補正することができる。なお、ここでいう５つの回転対称な結像特性とは、倍率、ディストーション（歪曲収差）、コマ収差、像面湾曲、及び球面収差をいう。また、５つの偏心収差とは、偏心ディストーション（歪曲収差）、偏心コマ収差、偏心非点収差、及び偏心球面収差をいう。
【００５１】
次に、焦点位置合わせ方法について説明する。まず、レチクルＲとウエハＷとを共役状態に合わせるため、ウエハＷのＺ方向における基準位置を以下に示す方法で求める。まず、所定のマークが描かれたレチクルＲをレチクルステージ１５の所定の場所に搭載して、ウエハステージ１９をＺ方向にステップ送りしつつ、レチクルＲの所定のマークをウエハＷ上に焼き付けて現像する。このウエハＷを光学顕微鏡で観察して焼き付けたマーク形状が最も良好なＺ方向の位置を基準位置とし、そのときのレチクルＲ側の斜入射方式の焦点位置検出系３１及びウエハＷ側の斜入射方式の焦点位置検出系３０の出力を焦点基準位置として主制御系２３の図示しない記憶装置に記憶しておく。これ以降の焦点位置の変動についての補正はこの焦点基準位置に基づいて行われる。なお、上記焼き付けの代わりに、投影光学系ＰＬの像面側でレチクルのマークの投影像を検出して最良な焦点位置を求めるようにしてもよい。
【００５２】
次に、本実施形態におけるウエハステージ１９を用いた焦点位置の補正（調整）方法について説明する。既に説明したように、本実施形態においては、レチクルＲ及びウエハＷはそれぞれレチクルＲ側の斜入射焦点位置検出系３１及びウエハＷ側の斜入射焦点位置検出系３０により、レチクルＲ及びウエハＷの投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向の変位をそれぞれ検出できるようになっている。主制御系２３は、これら斜入射焦点位置検出系３０，３１の検出結果と投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量とを用いて焦点位置合わせを行う。
【００５３】
投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量は、投影光学系ＰＬの特性並びに投影光学系ＰＬに入射する光量及び大気圧に基づいて算出する。投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動は、大別すると２つの要因で生ずる。第１の要因は投影光学系ＰＬ周囲の環境の変動、すなわち大気圧、温度、湿度の変化に基づく結像特性の変化である。第２の要因はウエハＷの露光時に投影光学系ＰＬ自体が露光光ＥＬを吸収して投影光学系ＰＬを構成するレンズの形状や屈折率が変化してしまうことによる結像特性の変化である。なお、露光装置は、通常、温度及び湿度が厳しく管理されたチャンバ内に設置されているため、投影光学系ＰＬの温度及び湿度の変化による結像特性の変化は無視できる場合が多い。
【００５４】
大気圧の変動が要因で生ずる投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動は、大気圧の変動率と投影光学系ＰＬの焦点位置の変化率との関係を予め求めておき、この関係と大気圧センサ２８の検出結果とに基づいて算出する。また、露光光ＥＬの吸収が要因で生ずる投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動は、予めモデル関数を用いて投影光学系ＰＬをモデル化して露光光ＥＬの吸収による焦点位置変動率を求めておき、このモデル関数とインテグレータセンサ２５の検出結果及びウエハ反射率センサ２６の検出結果とに基づいて算出する。なお、投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量を求める方法の詳細については前掲の特許文献１を参照されたい。
【００５５】
ここで、焦点基準位置に対するレチクルＲの変位量をＲｚ、焦点基準位置に対するウエハＷの変位量をＷｚ、投影光学系ＰＬの投影倍率をＭＬ、投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量をＦＬとすると、焦点位置変位量ΔＦは、以下の（１）式で表される。
【００５６】
ΔＦ＝ＦＬ＋Ｒｚ×ＭＬ２−Ｗｚ      ……（１）
【００５７】
上記（１）式の左辺の焦点位置変位量ΔＦが零となるようにウエハステージ１９のＺ方向の位置を調整することで、レチクルＲとウエハＷとの共役関係が保たれる。
【００５８】
また、投影光学系ＰＬは、大気圧の変動又は露光光ＥＬの吸収により上記の焦点位置変動以外に、投影光学系ＰＬの結像特性が変化する。つまり、大気圧等の変動によって、倍率変化が生じるとともに、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、コマ収差、像面湾曲収差、及び球面収差が発生してしまう。本実施形態においては、主制御系２３が上述した投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動に加えて、投影光学系ＰＬの結像特性の変化を、投影光学系ＰＬの特性並びに投影光学系ＰＬに入射する光量及び大気圧に基づいて算出する。
【００５９】
大気圧の変動が要因で生ずる投影光学系ＰＬの結像特性の変化は、大気圧の変動率と、像面湾曲変化、倍率変化、ディストーション変化、コマ収差変化、及び球面収差変化との関係を各々予め求めておき、これらの関係と大気圧センサ２８の検出結果とに基づいて算出する。また、露光光ＥＬの吸収が要因で生ずる投影光学系ＰＬの結像特性は、焦点位置変動を求める場合と同様に、予めモデル関数を用いて投影光学系ＰＬの各収差についてモデル化して露光光ＥＬの吸収による収差の変化をそれぞれ求めておき、これらのモデル関数とインテグレータセンサ２５の検出結果及びウエハ反射率センサ２６の検出結果とに基づいて算出する。
【００６０】
投影光学系ＰＬの結像特性変化（像面湾曲変化ＣＵ、倍率変化Ｍ、ディストーション変化Ｄ、コマ収差変化ＣＯ、球面収差変化ＳＡ）は以下の（２）式で表される。
【００６１】
【数１】
2005051147.tif 000003
【００６２】
但し、上記（２）式中の各項は以下に示す変化を表すものである。
【００６３】
ＣＵＰＲＥＳＳ：大気圧変化による像面湾曲変化
ＭＰＲＥＳＳ  ：大気圧変化による倍率変化
ＤＰＲＥＳＳ  ：大気圧変化によるディストーション変化
ＣＯＰＲＥＳＳ：大気圧変化によるコマ収差変化
ＳＡＰＲＥＳＳ：大気圧変化による球面収差変化
ＣＵＨＥＡＴ ：露光光吸収による像面湾曲変化
ＭＨＥＡＴ   ：露光光吸収による倍率変化
ＤＨＥＡＴ   ：露光光吸収によるディストーション変化
ＣＯＨＥＡＴ ：露光光吸収によるコマ収差変化
ＳＡＨＥＡＴ ：露光光吸収による球面収差変化
【００６４】
また、図２に示した投影光学系ＰＬのレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの移動量Ｇ１〜Ｇ５に対する投影光学系ＰＬの結像特性変化は以下の（３）式で表すことができる。
【００６５】
【数２】
2005051147.tif 000004
【００６６】
上記（３）式中のＣ１１〜Ｃ５５は係数であり、これらは実際にレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇを光軸ＡＸ方向へ移動させて得られた移動量と結像特性変化量との関係から求められる。なお、ここでは、係数Ｃ１１〜Ｃ５５を実験により求める場合について説明したが、投影光学系ＰＬの設計データからシミュレーションにより求めても良い。
【００６７】
主制御系２３は、上記（２）式を用いてインテグレータセンサ２５の検出結果、ウエハ反射率センサ２６の検出結果、及び大気圧センサ２８の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化（像面湾曲変化ＣＵ、倍率変化Ｍ、ディストーション変化Ｄ、コマ収差変化ＣＯ、球面収差変化ＳＡ）を求めている。このため、上記（３）式の関係から、投影光学系ＰＬの結像特性変化を補正するためのレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの移動量Ｇ１〜Ｇ５は以下の（４）式で表すことができる。
【００６８】
【数３】
2005051147.tif 000005
【００６９】
従って、主制御系２３が求めた投影光学系ＰＬの結像特性変化を上記（４）式に代入して得られた移動量Ｇ１〜Ｇ５に基づいて、レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇを駆動すれば、投影光学系ＰＬの結像特性変化を補正することができる。
【００７０】
以上、ウエハステージ１９を用いた焦点位置の補正及び投影光学系ＰＬのレンズの移動による結像特性変化の補正について説明したが、次に、本発明の露光装置の動作について説明する。図４は、駆動されるレンズの位置変化の一例を示す図であって、（ａ）は従来の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示し、（ｂ）は本実施形態の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示す図である。
【００７１】
なお、図４においては、投影光学系ＰＬに含まれるレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの内の何れか２つの位置変化を示しており、ここではレンズ４２ｂ，４２ｄの位置変化として説明する。図４において、符号Ｔｒ１を付した曲線はレンズ４２ｂの位置変化を示し、符号Ｔｒ２を付した曲線はレンズ４２ｄの位置変化を示している。また、図４においては、レンズ４２ａの初期位置を基準としてレンズ４２ｂ，４２ｄの位置変化を図示している。
【００７２】
図４（ａ）に示す従来の方法においては、大気圧の変動及び投影光学系の露光光吸収による結像特性の変化（焦点位置や倍率の変動）に応じて、これを補正するために常時レンズ４２ｂ，４２ｄを移動させている。このとき、例えばレンズ４２ｂの移動によって生ずる投影光学系ＰＬの結像特性の悪化を相殺するようにレンズ４２ｄを駆動している。図４（ａ）を参照すると、露光時においては投影光学系ＰＬにおいて露光光ＥＬの吸収が生じ、投影光学系ＰＬの結像特性の変化が大きいため、レンズ４２ｂ，４２ｄの位置が大きく変化する。また、露光光ＥＬの照射時間が長くなる（即ち、露光光ＥＬの吸収による投影光学系ＰＬの熱蓄積量が多くなる）につれて、レンズ４２ａ，４２ｄの位置変化が徐々に大きくなる。
【００７３】
これに対して、非露光時においてはシャッタ３により露光光ＥＬの照射が停止されて投影光学系ＰＬにおける露光光ＥＬの吸収が生じないため、吸収した熱が放熱されて投影光学系ＰＬの結像特性が徐々に初期の状態に戻る。これに合わせて、レンズ４２ｂ，４２ｄも徐々に初期の位置に向かって移動するよう制御される。再度露光が開始されると、投影光学系ＰＬでの露光光ＥＬの吸収が生じるため、レンズ４２ｂ，４２ｄの位置が大きく変化する。以下、このような動作が繰り返される。
【００７４】
スループットの向上を図る観点から、露光光ＥＬの強度は高く設定されている。このため、非露光期間が終了して露光が開始されると、投影光学系ＰＬに入射する光エネルギー量が急激に変化して露光光ＥＬの吸収量も急激に大きくなり、その結果、投影光学系ＰＬの結像特性が大きく変化する。この結像特性の変化を補正するためにレンズ４２ｂ，４２ｄを駆動しても、結像特性補正部２９の応答特性が遅く、移動させるべき目標位置にレンズ４２ｂ，４２ｄが追従しないことがある。
【００７５】
また、図２及び図３を参照して説明した通り、レンズ４２ｂ，４２ｄは、アクチュエータ４５ｂ，４５ｄによってそれぞれ３点で駆動される。アクチュエータ４５ｂの各々、及びアクチュエータ４５ｄの各々によるＺ方向の駆動量を等しくすれば、レンズ４２ｂ，４２ｄは光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に沿って平行移動する筈である。しかしながら、アクチュエータ４５ｂの各々、及びアクチュエータ４５ｄの各々の特性のばらつきにより、平行移動させようとする場合であってもレンズ４２ｂ，４２ｄが傾斜することがある。この傾斜は駆動量を大きくして単位時間当たりのレンズ４２ｂ，４２ｄの移動量が大きくなると顕著になる。
【００７６】
このため、従来の駆動方法によりレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇを駆動すると、レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇが目標位置に追従せず、又はレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの傾斜が生じてしまって投影光学系ＰＬの結像特性の変化を補正することができず、却って投影光学系ＰＬの結像特性の悪化を引き起こしてしまうという問題があった。また、露光中のレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの駆動量が大きくなると、レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの駆動によって振動が生ずることもある。
【００７７】
かかる問題点を解決するために、本実施形態では露光時にはレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの駆動を極力行わず、非露光時にレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇを駆動して投影光学系ＰＬの結像特性を補正するようにしている。具体的には、露光時に投影光学系ＰＬの倍率の変化のみを補正し、非露光時にその他の結像特性の変化（像面湾曲変化、ディストーション変化、コマ収差変化、球面収差変化）を補正している。
【００７８】
ここで、露光時に倍率変化のみを補正するのは、他の収差に比べて変化量が小さく、レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの少ない移動量で補正することができるためである。また、露光時における投影光学系ＰＬの焦点位置の変動は、ウエハステージ１９を駆動してウエハＷの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）の位置を制御して補正している。なお、図４（ａ）に示した従来の方法との差異を明確にするため、本実施形態の説明においてもレンズ４２ｂ，４２ｄを駆動して投影光学系ＰＬの結像特性を補正する場合を例に挙げて説明する。
【００７９】
図４（ｂ）において、符号ＯＰ１を付した破線で示した曲線がレンズ４２ｂの目標位置を示し、符号ＯＰ２を付した破線で示した曲線がレンズ４２ｄの目標位置を示している。図４（ｂ）を参照すると、露光終了時から所定の時間が経過するまでの間以外において、レンズ４２ｂの目標位置を示す曲線ＯＰ１とレンズ４２ｂの位置変化を示す曲線Ｔｒ１とはほぼ一致し、レンズ４２ｄの目標位置を示す曲線ＯＰ２とレンズ４２ｄの位置変化を示す曲線Ｔｒ２とはほぼ一致していることが分かる。また、レンズ４２ｄはレンズ４２ｂとはほぼ逆の位置変化をしており、本実施形態においても、レンズ４２ｂの移動によって生ずる投影光学系ＰＬの結像特性の悪化を相殺するようにレンズ４２ｄが移動していることが分かる。
【００８０】
レンズ４２ｂ，４２ｄの目標位置は、主制御系２３がインテグレータセンサ２５の検出結果、ウエハ反射率センサ２６の検出結果、及び大気圧センサ２８の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出し、この算出結果を前述した（４）式に代入して求める。なお、上述した通り、露光中は投影光学系ＰＬの倍率の変化のみを補正している。このため、露光中においては、（４）式中の倍率変化Ｍ以外の像面湾曲変化ＣＵ、ディストーション変化Ｄ、コマ収差変化ＣＯ、及び球面収差変化ＳＡの値を零に設定することで、倍率変化Ｍのみを補正しうるレンズの移動量が得られる。
【００８１】
図４（ｂ）を参照すると、レンズ４２ｂ，４２ｄの目標位置を示す曲線ＯＰ１，ＯＰ２は、露光中の変化量はさほど大きくないが、露光終了時において急激に変化し、次の露光終了時まで緩やかに変化している。露光中にレンズ４２ｂ，４２ｄの目標位置の変化が小さいのは投影光学系ＰＬの倍率のみを補正しているからであり、露光終了時点において急激にレンズ４２ｂ，４２ｄの目標位置の変化が大きくなるのは、露光中に行ってはいなかった像面湾曲変化、ディストーション変化、コマ収差変化、及び球面収差変化の補正を開始するからである。
【００８２】
このように、露光終了時点においてレンズ４２ｂ，４２ｄの目標位置は急激に変化するが、レンズ４２ｂ，４２ｄは実際にはこのような急激な目標位置の変化に追従することができない。このため、露光終了時点におけるレンズ４２ｂ，４２ｄの位置変化は符号Ｔｒ１，Ｔｒ２を付した曲線の通り、目標位置を示す曲線ＯＰ１，ＯＰ２からずれた変化を示す。
【００８３】
次に、本実施形態による投影光学系ＰＬの結像特性の補正動作の流れについて説明する。図５は、本実施形態における投影光学系ＰＬの結像特性の補正動作の流れを示すフローチャートである。露光処理が開始されると、まず主制御系２３は不図示の記憶装置に記憶されている露光動作に必要な各種の情報（レシピ）を読み込み、露光処理を行う上で必要となる初期処理を行う。ここにいう、初期処理とは、例えば、レチクルＲの導入、ウエハＷのロード、レチクルＲ上の照明領域の設定、投影光学系ＰＬ（即ち、前述のステージ座標系）に対するウエハステージ１９に対するレチクルＲの位置合わせ（アライメント）、最初に露光すべきショット領域をレチクルＲのパターンの像が投影される位置へ位置合わせする処理等の処理である。
【００８４】
以上の初期処理が終了して、露光光ＥＬをレチクルＲ上の照射領域に照射し、レチクルＲのパターン像が投影光学系ＰＬを介して基板Ｗ上に投影されたとする。主制御系２３は、まず現在露光中であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。ここでは露光中であるため、ステップＳ１０の判断結果は「ＹＥＳ」となり、主制御系２３は、インテグレータセンサ２５の検出結果、ウエハ反射率センサ２６の検出結果、及び大気圧センサ２８の検出結果から投影光学系ＰＬの結像特性変化（像面湾曲変化ＣＵ、倍率変化Ｍ、ディストーション変化Ｄ、コマ収差変化ＣＯ、球面収差変化ＳＡ）を算出する（ステップＳ１１）。
【００８５】
投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出すると、主制御系２３は前述した（４）式を用いて、算出した投影光学系ＰＬの結像特性変化から倍率変化Ｍを補正しうるレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの駆動量（目標位置）を算出し、この駆動量を結像特性制御部２７に出力する。結像特性制御部２７は、主制御系２３から出力された駆動量に基づいてレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの少なくとも１つを駆動し、目標位置に追従させる（ステップＳ１２）。
【００８６】
また、主制御系２３は、インテグレータセンサ２５の検出結果、ウエハ反射率センサ２６の検出結果、及び大気圧センサ２８の検出結果から投影光学系ＰＬ自体の焦点位置変動量ＦＬを算出し、この算出結果と斜入射焦点位置検出系３０，３１の検出結果とを用いて前述した（１）式から焦点位置変位量ΔＦを求める。そして、この焦点位置変位量ΔＦが零となるようにウエハステージ１９を駆動し、ウエハＷの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）の位置（投影光学系ＰＬに対するウエハＷの間隔）を調整する（ステップＳ１３）。この処理を終えると、再びステップＳ１０に戻り、露光中か否かが判断される。
【００８７】
露光処理を行っている間はステップＳ１１〜Ｓ１３の処理が繰り返し行われるため、投影光学系ＰＬの倍率変化が逐次求められてレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇが駆動され、投影光学系ＰＬの倍率変化が逐次補正されるとともに、投影光学系ＰＬの焦点位置に対するウエハＷの位置ずれが逐次求められてウエハステージ１９が駆動され、投影光学系ＰＬの焦点位置に対するウエハＷの位置ずれが逐次補正される。
【００８８】
一方、露光処理が終了して、非露光状態になった場合には、ステップＳ１０の判断結果が「ＮＯ」となる。判断結果が「ＮＯ」になると、投影光学系ＰＬの放熱特性により投影光学系ＰＬの各レンズに蓄えられている熱に起因して生ずる投影光学系ＰＬの結像特性変化及び大気圧の変動による投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出する（ステップＳ１４）。
【００８９】
投影光学系ＰＬの結像特性変化を算出すると、主制御系２３は前述した（４）式を用いて、算出した投影光学系ＰＬの結像特性変化から投影光学系ＰＬで生じている各種収差（像面湾曲、ディストーション、コマ収差、球面収差）を補正しうるレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの駆動量（目標位置）を算出し、この駆動量を結像特性制御部２７に出力する（ステップＳ１５）。なお、投影光学系ＰＬの倍率は露光時において補正しているため、ここでは非露光時において倍率を補正しない場合について説明するが、もちろん非露光時において倍率も併せて補正することが望ましい。また、投影光学系ＰＬの結像特性の変化量は、主制御系２３によって露光期間及び非露光期間の区別なく常時計算されており、主制御系２３は露光期間の終了時点での計算結果を用いて上記補正を行っている。このとき、主制御系２３は結像特性の変化量だけでなく各レンズの駆動量をも、上記期間の区別なく計算しておくようにしてもよい。
【００９０】
次に、一連の露光処理を停止するか否かが主制御系２３において判断される（ステップ１６）。この判断は、例えば、次に処理すべきウエハＷがなかったり、メンテナンス等により露光装置を停止することもあるため設けられる。ステップＳ１６の判断結果が「ＹＥＳ」の場合には、一連の処理が終了する。一方、ステップＳ１６の判断結果が「ＮＯ」である場合には、露光開始時間になったか否かが主制御系２３において判断される（ステップＳ１７）。
【００９１】
ステップＳ１７の判断結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０に戻る。非露光時においては、ステップＳ１０，Ｓ１６，Ｓ１７の判断結果が何れも「ＮＯ」となる。このため、ステップＳ１４，１５の処理が繰り返し行われ、レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇが駆動されて投影光学系ＰＬの各種収差が逐次補正される。
【００９２】
一方、ステップＳ１７において、露光開始時間になった場合（判断結果が「ＹＥＳ」の場合）には、駆動しているレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇが目標位置に追従しているか否かが判断される（ステップＳ１８）。この判断結果が「ＹＥＳ」の場合にはステップＳ１０に戻る。ここでは、露光開始時間になっているため、ステップＳ１０の判断結果は「ＹＥＳ」となり、前述したステップＳ１１〜Ｓ１３の処理が繰り返される。
【００９３】
ステップＳ１８の判断結果が「ＮＯ」の場合には、主制御系２３において非露光期間を延長する処理が行われる（ステップＳ１９）。図６は、目標位置に対するレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの追従特性の一例を示す図である。図６に示す通り、例えばレンズ４２ｂが目標位置を示す曲線ＯＰ１に対して図中符号Ｔｒ１で示す位置変化をし、レンズ４２ｄが目標位置を示す曲線ＯＰ２に対して図中符号Ｔｒ２で示す位置変化をしたとする。
【００９４】
レンズ４２ｂ，４２ｄがこのような位置変化をした場合、非露光期間が終了して露光開始時点になっても、曲線Ｔｒ１と曲線ＯＰ１とが一致しておらず、また曲線Ｔｒ２と曲線ＯＰ２とが一致しておらず、レンズ４２ｂ，４２ｄは目標位置に追従していない。この状態で露光を開始すると、投影光学系ＰＬの結像特性変化の補正が終了しておらず、特に、前述した通り本実施形態においては露光中に倍率の変動のみを補正し、他の収差（像面湾曲、ディストーション、コマ収差、球面収差）を補正していないため、投影光学系ＰＬの結像特性が悪化している状態で露光が行われることになる。
【００９５】
この不具合を防止するため、本実施形態においては、露光開始時間になった場合にレンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇが目標位置に追従しているか否かを判断し、追従していない場合には非露光期間を延長するようにしている。なお、非露光期間の延長は予め定めた時間だけ延長しても良く、レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇが目標位置に追従するまで延長しても良い。結像特性制御部２７では図２に示した駆動量計測部４６ｂの計測結果から各レンズ４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇの駆動量が得られるため、各レンズの実際の駆動量と主制御系２３から出力される駆動量（目標位置）とを比較することで、各レンズが追従しているか否かを示す情報を主制御系２３に出力することができる。
【００９６】
以上説明した通り、本実施形態においては、少ないレンズの移動量で補正することができる投影光学系ＰＬの倍率変化のみを露光時に補正し、他の収差は非露光時に補正するようにしているため、露光開始時に投影光学系に含まれるレンズが目標位置に追従することができずに投影光学系ＰＬの結像特性が悪化している状態で露光処理が開始される事態は生じない。また、露光中におけるレンズの変動量は倍率変化を補正し得る程度で良いため、複数のレンズを駆動するときに互いのレンズが悪影響を及ぼして生ずる投影光学系ＰＬの結像性能の悪化を極力低減することができる。
【００９７】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、上記実施形態では非露光期間中に像面湾曲、ディストーション、コマ収差、及び球面収差を補正するものとしたが、非露光期間中に補正する結像特性はその種類や数がこれに限定されるものでない。上記実施形態では、倍率以外の少なくとも１つの結像特性を含んでいればよいが、露光装置にて補正可能な全ての結像特性としてもよい。このとき、例えばウエハステージ１９によって前述の焦点位置変化を補正してもよい。
【００９８】
また、上記実施形態では前述のステップＳ１３でウエハＷのＺ方向の位置のみを調整するものとしたが、例えば像面湾曲をも考慮して、露光光ＥＬの照射領域内でウエハＷ（１つのショット領域）の表面が投影光学系ＰＬの焦点深度内に設定されるようにウエハＷの傾斜角（θｘ及びθｙ方向の回転量）の調整を行うようにしてもよい。
【００９９】
さらに、上記実施形態では結像特性補正部２９、即ち投影光学系ＰＬのレンズの移動のみによって倍率や各種収差を調整するものとしたが、他の少なくとも１つの補正機構、例えばレチクルＲのＺ方向への移動及び傾斜を行う機構、あるいは露光光ＥＬの波長をシフトさせる機構などを組み合わせて、投影光学系ＰＬの結像特性を調整してもよい。このとき、結像特性補正部２９以外の補正機構でもその補正対象の結像特性を非露光期間中のみ補正するようにしてもよい。
【０１００】
また、上記実施形態では投影光学系ＰＬの物体面側でレチクルＲのパターン面の位置情報を検出する焦点位置検出系３１を設けるものとしたが、この焦点位置検出系３１を設けないでウエハ側の焦点位置検出系３０を用いるだけでもよい。
【０１０１】
例えば、上記実施形態では本発明をステッパーに適用した場合を例に挙げて説明したが、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置にも適用することができる。また、上記実施形態では露光光ＥＬとしてｉ線（波長３６５ｎｍ）を用いていたが、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、若しくはＦ２エキシマレーザ（１５７ｎｍ）から射出されるレーザ光、又は金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等を用いても良い。
【０１０２】
さらに、例えば国際公開（ＷＯ）９９／４６８３５号に開示されているように、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザを、例えばエルビウム（又はエルビウムとイットリビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いてもよい。
【０１０３】
また、レーザプラズマ光源、又はＳＯＲから発生する軟Ｘ線領域、例えば波長１３．４ｎｍ、又は１１．５ｎｍのＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａ  Ｖｉｏｌｅｔ）光を用いるようにしてもよい。さらに、電子線又はイオンビームなどの荷電粒子線を用いてもよい。また、投影光学系は、反射光学系、屈折光学系、及び反射屈折光学系のいずれを用いてもよいし、縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれを用いてもよい。
【０１０４】
さらに、半導体素子の製造に用いられるデバイスパターンをウエハ上に転写する露光装置だけでなく、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられるデバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置等にも本発明を適用することができる。また、露光装置で使用するマスク（レチクル）の製造に用いられる露光装置にも本発明を適用することができる。さらに、例えば国際公開（ＷＯ）９９／４９５０４号に開示される液浸型露光装置にも本発明を適用することができる。また、例えば国際公開（ＷＯ）９８／２４１１５号、９８／４０７９１号に開示されているように、露光動作とアライメント動作（マーク検出動作）とをほぼ並行に可能な２つのウエハステージを備える露光装置にも本発明を適用することができる。
【０１０５】
複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をするとともに、多数の機械部品からなるレチクルステージや基板ステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、さらに総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより本実施形態の露光装置を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルーム内で行うことが望ましい。
【０１０６】
半導体素子は、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいて、レチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを製造するステップ、上述した実施形態の露光装置等によりレチクルのパターンをウエハに露光転写するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る露光装置が備える投影光学系の概略構成を示す図である。
【図３】投影光学系の分割鏡筒のうちの一つの分割鏡筒を示す上面図である。
【図４】駆動されるレンズの位置変化の一例を示す図であって、（ａ）は従来の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示し、（ｂ）は本実施形態の方法により駆動されるレンズの位置変化の一例を示している。
【図５】本発明の実施形態の投影光学系の結像特性の補正動作の流れを示すフローチャートである。
【図６】目標位置に対するレンズの追従特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１９…ウエハステージ（基板ステージ）
２３…主制御系（制御装置）
２７…結像特性制御部（制御装置）
４２ｂ，４２ｄ，４２ｅ，４２ｆ，４２ｇ…レンズ（光学素子）
４５ｂ，４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ，４５ｇ…アクチュエータ（駆動装置）
ＰＬ…投影光学系
Ｒ…レチクル（マスク）
Ｗ…ウエハ（基板）
【図１】
2005051147.tif 000006
【図２】
2005051147.tif 000007
【図３】
2005051147.tif 000008
【図４】
2005051147.tif 000009
【図５】
2005051147.tif 000010
【図６】
2005051147.tif 000011