JP2002022609A

JP2002022609A - 投影露光装置

Info

Publication number: JP2002022609A
Application number: JP2000208681A
Authority: JP
Inventors: Kiyonari Miura; 聖也三浦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系の波面収差を、該投影光学系を投影
露光装置に搭載した状態で、簡易かつ高精度に測定する
ことができる投影露光装置を実現すること。【解決手段】投影光学系の結像位置近傍に被検査パター
ンとして投影光学系の解像限界のパターンより十分大き
いパターンを配置し、該パターンの結像光束のうち、投
影光学系の開口内の十分小さい領域を通過した光束の結
像における像シフト量を、複数個の十分小さい領域で計
測して、前記投影光学系の波面収差量を算出することを
特徴とする投影露光装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子を製造
するリソグラフイ工程で使用される、マスク上のパター
ンを投影光学系を介して感光性の基板に転写する投影露
光装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造におけるフォトリソグ
ラフイ工程では、レチクルやフォトマスク（以下、レチ
クルと総称する）に形成された回路パターンを感光剤が
塗布された半導体ウエハーに転写する投影型露光装置が
使用される。この種の露光装置では、レチクル上のパタ
ーンを所定の倍率（縮小率）で高精度にウエハー上に転
写するため、結像性能のよい、収差を抑えた投影光学系
を用いることが重要である。近年では、半導体デバイス
の一層の微細化要求により、従来の光学系で期待されて
いた結像性能以上に微細なパターンを転写する要求が多
くなってきている。従来以上に微細なパターンの形成で
は、光学系の収差に対する敏感度が高くなっている。一
方で、投影光学系には露光面積の拡大・高NA化が求めら
れており、収差補正をより困難にしている。

【０００３】収差に対する要求が厳しくなっている状況
の中、露光装置に投影光学系を搭載した状態、すなわち
実際に露光に使用する状態で、投影光学系の収差、特に
波面収差を計測したいという要求が生じてきた。波面収
差の計測により、使用状態にそくした精密なレンズ調整
や、収差の影響を受けにくいデバイスの設計が可能とな
るためである。

【０００４】投影光学系の結像性能を露光装置に搭載し
た状態で求める手投としては、実際にパターンを露光・
現像してパターンシフトや形状から収差量を類推する方
法や、バーチャートなど特定の形状をしたパターンのコ
ントラストを求めるやり方などがある。しかしながら、
これらの方法を用いて波面収差を求めることまでは行わ
れていない。干渉計を用いて波面収差を求める方法は投
影光学系の製造段階の検査装置として用いられるのが一
般的で、露光装置に搭載するには技術的及びコスト的に
壁が厚く、実用に至っていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記、実際にパターン
を露光現像してパターンシフトや形状から収差量を類推
する方法では、計測するまでに作業に要する時間やコス
トがかかり、レジストや現像におけるプロセス要因との
切り分けが難しい。また、得られる結果も、特定の収差
を類推するに過ぎず、投影光学系のトータルの収差情報
を得ることは出来ない。一方、バーチャートを用いてコ
ントラストを求めるやりかたで波面収差を求める方法で
は、粗いピッチから解像限界を超えるピッチまで非常に
多数のバーチャートでコントラストを求める必要があ
り、バーチャートの製作上、及び測定労力の点から実用
的ではない。

【０００６】また、干渉計を投影露光装置に搭載するに
はプリズム、ミラー、レンズなどからなる干渉計と干渉
計用のコヒーレンスの良い照明系を、レチクルステージ
あるいはウエハーステージの近傍に配置しなけらはなら
ない。一般に、ウエハーステージやレチクルステージ近
傍の空間には制限が多く、干渉計や干渉計用の照明系の
大ささが制約を受けると同時に、発熱や振動などの面か
らも制約があり、実装上の難度が高い。さらに、近年の
露光波長の短波長化により、露光波長領域において干渉
計に用いることができるコヒーレンスのよい光源は存在
しないか、非常に高額である。このため干渉計方式の収
差測定装置の投影露光装置への搭載は技術的にも、コス
ト的にも現実的でない。

【０００７】本発明は、前述の課題に鑑み、装置上で直
接、投影光学系の波面収差を計測する機能を備えた投影
露光装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の投影露
光装置はレチクルやフォトマスク上の回路パターンを投
影光学系を介して基板上に投影露光する投影露光装置に
おいて、前記投影光学系の物体面または結像面にパター
ンを配置し、前記投影光学系を介して前記パターンの像
を形成させる際、前記投影光学系の開口内に部分領域を
形成し，かつ該部分領域位置を可変とする手段を有し，
該部分領域を通過した光束の結像によって生じる像シフ
ト量を、前記開口内の複数位置に関して計測して、前記
投影光学系の波面収差を算出することを特徴としてい
る。

【０００９】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記投影光学系に照明光を入射させる照明系に前記投影
光学系の開口内の十分小さい領域を通過させることので
きる照明開口可変手投を有するとともに、前記照明開口
可変手段を通過し投影光学系を介して形成された前記像
の位置を検出する受光系を有し、前記照明開口可変手段
の変化に応じて、形成される像シフト量を計測し、複数
個の照明開口の像シフト量情報から前記投影光学系の波
面収差量を算出することを特徴としている。

【００１０】請求項３の発明は請求項１の発明において
前記投影光学系に入射する照明光を前記投影光学系の瞳
より大きな広がりを持つ状態で照明し、前記投影光学系
を介して形成される前記像の位置を検出する受光系に前
記投影光学系の開口内の十分小さい領域を通過させるこ
とのできる受光開口可変手段を有し、前記受光開口手段
の変化に応じて、形成される像シフト量を計測し、複数
個の受光開口の像シフト量情報から投影光学系の波面収
差量を算出することを特徴としている。

【００１１】請求項４の発明は請求項２又は３の発明に
おいて前記像シフト量を観察する前記投影光学系の結像
面に配置されたパターンとして、前記投影レンズのウエ
ハーステージ上で前記投影光学系の結像位置近傍に前記
投影光学系の解像限界のパターンより十分大きい測定用
パターンを配置することを特徴としている。

【００１２】請求項５の発明は請求項２、３又は４の発
明において前記照明系が収差測定用の専用の照明系を持
つことを特徴としている。

【００１３】請求項６の発明は請求項５の発明において
前記照明系がTTRアライメントスコープに構成されてい
ることを特徴としている。

【００１４】請求項７の発明は請求項５の発明において
前記照明系がウエハーステージ側から前記測定用パター
ンを照明することを特徴としている。

【００１５】請求項８の発明は請求項２から７のいずれ
か１項の発明において前記受光系はTTRアライメントス
コープと共通に構成されていることを特徴としている。

【００１６】請求項９の発明は請求項１から６のいずれ
か１項又は８の発明において前記像シフト量計測時、前
記測定用パターンに対応するレチクル上の位置に基準マ
ークを設け、該基準マークと前記測定用パターンの相対
距離から像シフト量を計測することを特徴としている。

【００１７】請求項１０の発明は請求項９記載の発明に
おいて前記基準マークがシングルエッジパターンで構成
されていることを特徴としている。

【００１８】請求項１１の発明は請求項９又は１０の発
明において前記レチクル上の基準マークの位置を前記受
光系において前記投影光学系を介さずに検出することを
特徴としている。

【００１９】請求項１２の発明は請求項１から８のいず
れか１項の発明において前記投影光学系の開口全体を用
いた結像で前記測定用パターンの像の位置を基準位置と
して計測し、前記投影光学系の開口内の十分小さい領域
を通過した光束の結像によって生じる像シフト量を前記
基準位置をもとに計測して、前記投影光学系の波面収差
量を算出することを特徴としている。

【００２０】請求項１３の発明は請求項１〜１２のいず
れか１項の発明において前記照明開口可変手段、あるい
は受光開口可変手段による開口の大きさが光学的に前記
投影光学系の瞳の径の大きさの約1/10付近の径を持つこ
とを特徴としている。

【００２１】請求項１４の発明の投影露光装置はレチク
ルやフォトマスク上の回路パターンを投影光学系を介し
て基板上に投影露光する投影露光装置において、前記投
影光学系の物体面に所定の第１のパターンを配置した
時、前記投影光学系を介した前記第１のパターンの像の
位置をウエハーステージ上に配置された第２のパターン
に重ねて光電検出する機構を備え、前記投影光学系の開
口内に部分領域を形成し，かつ該部分領域位置を可変と
する手段を有し、該部分領域を通過した光束の結像によ
って生じる前記第２のパターンに対する前記第１のパタ
ーンの像シフト量を、前記開口内の複数位置に関して計
測して、前記投影光学系の波面収差を算出することを特
徴としている。

【００２２】請求項１５の発明は請求項１４の発明にお
いて前記光電検出する機構がウエハーステージに載置さ
れていることを特徴としている。

【００２３】請求項１６の発明は請求項１４又は１５の
発明において前記第1のパターンと第2のパターンのピッ
チの比が前記投影光学系の倍率と等しいことを特徴とし
ている。

【００２４】請求項１７の発明は請求項１４、１５又は
１６の発明において前記投影光学系に照明光を入射させ
る照明系に前記投影光学系の開口内の十分小さい領域を
通過させることのできる照明開口可変手投を有するとと
もに、前記照明開口可変手段を通過し投影光学系を介し
て形成された前記像の位置を検出する受光系を有し、前
記照明開口可変手段の変化に応じて、形成される像シフ
ト量を計測し、複数個の照明開口の像シフト量情報から
前記投影光学系の波面収差量を算出することを特徴とし
ている。

【００２５】請求項１８の発明は請求項１７の発明にお
いて前記像シフト量を観察する前記レチクル面に配置さ
れたパターンとして、前記投影光学系の解像限界に対応
するパターンより十分大きい測定用パターンを配置する
ことを特徴としている。

【００２６】請求項１９の発明は請求項１７又は１８の
発明において前記照明系が収差測定用の専用の照明系を
持つことを特徴としている。

【００２７】請求項２０の発明は請求項１７又は１８の
発明において前記照明系が投影露光用の照明系と共用さ
れることを特徴としている。

【００２８】請求項２１の発明は請求項１４から２０の
いずれか１項の発明において記照明開口可変手段により
形成される前記投影光学系の瞳における開口の大きさが
前記投影光学系の瞳の径の約1/10付近の大きさの径を持
つことを特徴としている。

【００２９】請求項２２の発明は請求項１から２１のい
ずれか１項の発明において前記計測された像シフト量よ
り前記投影光学系の光線収差を求め、前記光線収差量か
ら波面収差量を算出することを特徴としている。

【００３０】請求項２３の発明の投影露光装置は照明光
学系に照明されたレチクルやフォトマスク上の回路パタ
ーンを投影光学系を介して基板上に投影露光する投影露
光装置において、前記照明光学系内に該投影光学系の波
面収差測定用の照明開口可変手段を設けたことを特徴と
している。

【００３１】請求項２４の発明の投影露光装置はレチク
ルやフォトマスク上の回路パターンを投影光学系を介し
て基板上に投影露光する投影露光装置において、前記投
影光学系外の該投影光学系瞳共役位置に波面収差測定用
の可変開口を設けたことを特徴としている。

【００３２】請求項２５の発明の波面収差測定方法はレ
チクルやフォトマスク上の回路パターンを投影光学系を
介して基板上に投影露光する投影露光装置の投影光学系
の波面収差を測定する方法であって、前記投影光学系外
の該投影光学計瞳共役位置から前記投影光学系の開口内
に部分領域を設定し、該部分領域を通過した光束の結像
によって生じる像シフト量を、前記開口内の複数位置に
関して計測して、前記投影光学系の波面収差を算出する
ことを特徴としている。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下述べる実施形態では投影光学
系の開口内における複数個の領域の像シフト量情報から
は投影光学系の光線収差が求まるので、該光線収差量か
ら波面収差量を算出することができる。

【００３４】投影光学系の開口内の十分小さい領域を通
過させる結像光束の生成を照明系内に照明開口可変手投
を構成したり、投影光学系の瞳全面を覆うような照明を
行った後に受光系内に配置した受光開口可変手段を用い
て実現する。

【００３５】つまり、先ず投影光学系の開口内の任意の
位置を十分小さい領域の照明条件で照明し、投影光学系
の開口内での回折光分布が十分小さくなる線幅、ピッチ
を持つ測定用の被検査パターンの反射、回折パターンを
投影光学系を介し検出光学系で観察する。続いて、被検
査パターンの像のシフト量を検出して横収差量を計測す
る。該計測を複数個の十分小さい領域の照明条件につい
て行い、投影光学系開口内の位置情報と被検査パターン
のシフト情報に基づいて投影光学系の波面収差を算出す
る。

【００３６】被検査パターン11は投影光学系の結像領域
でアイソプラナティックな領域内に入る大きさを持つパ
ターンで、かつ、該パターンの回折光の分布、すなわち
フーリエ変換が瞳空間内で小さい拡がりしか持たない形
状のパターンとする。パターン11を照明する照明光束も
瞳空間内で限定されるように小さく絞ると、パターンの
像を形成する瞳空間内の光束を小さくすることができ、
瞳内の局所的な光線収差情報（ε,η）を得ることがで
きる。ここで（ε,η）は投影光学系の結線面での光線
収差、いわゆる横収差を示す。

【００３７】一般的に、波面収差φと光線収差（ε,
η）の間には、R'を結像光束が参照球面と交わる位置と
結像面で交わる位置との光路長とすると ε（x,y）=R'∂φ/∂x … 〈１） η（x,y）=R'∂φ/∂y … （２）の関係があるため、(1),(2)式より波面収差φを求める
ことができる。ここで(x,y)は、被検査パターンの結像
面（測定面上）の位置座標で、かつ投影光学系の射出瞳
面の座標である。この関係式の導出は、Max Born，Emil
Wolf, "Principlesof Optics 6^th Edition", Chapter
V, 1993, Pergamon Pressを参照することができる。

【００３８】一般に、R'は収差に依存する量で、式(1),
(2)より波面収差を求めるのは複雑な処理を必要とする
のが通例であった。本特許では式(1),(2)により波面収
差φを実用的な形で求めることを目的としている。

【００３９】図2aは投影光学系の射出瞳、結像面、光強
度分布測定面における波面と、光線の関係を説明した図
である。図中の記号は以下のとおりである。 XYZ：投影光学系10の射出瞳の中心を原点、光軸方向を
Ｚ軸とする座標系。 W：被検査パターン11から出射し投影光学系10により形
成される結像光束の波面で、射出瞳の中心を通るもの。 G：参照球面。 C：投影光学系10の結像面。 D：光強度分布測定装置18の強度分布測定面。 O1：投影光学系10の射出瞳の中心。 O2：参照球面の中心。 P1：被検査パターン11の結像光束が射出瞳面と交わる
点。 P2：被検査パターン11の結像光束が強度分布測定面D
（結像面C）と交わる点。 Q0：被検査パターン11の結像光束の最大NA光束が参照球
面と交わる点。 Q1：被検査パターン11の結像光束が波面Ｗと交わる点。 Q2：被検査パターン11の結像光束が参照球面と交わる
点。 R：参照球面の半径。 R'：距離Ｑ2P2。 φ：投影光学系10の波面収差（光路長Q1Q2）。（ε,η）：光線収差（線分O2P2）。 H0：投影光学系10の射出瞳最大半径。 NA0：投影光学系10の射出瞳最大半径に対応する開口
数。 NA0= H0/R xy座標：投影光学系10の射出瞳最大半径で規格化したXY
座標。

【００４０】X=H0・x，Y=Ｈ0・y H0'：投影光学系10の射出瞳から無収差ででた全光束が
強度分布測定面で交わる領域の最大半径。

【００４１】Ｈ0'=NA0・（L−R）以上のようにすると、前述の波面収差と光線収差の関係
から ε=R' ∂φ/∂X=R ( 1+△R/R)∂φ/∂X η=R' ∂φ/∂Y=R ( 1+△R/R)∂φ/∂Y ただし △R=R'−R と表わすことができる。

【００４２】上式を瞳の最大半径H0で規格化した座標で
表わすと、 ε=(1+△R/R)・R/H0・∂φ/∂x=(1+△R/R)・1/NA0・∂φ/∂x……(3) η=( 1+△R/R)・R/H0・∂φ/∂y=( 1+△R/R)・1/NA0・∂φ/∂y……(4) となる。

【００４３】以上の関係(3)、(4)より、 ΔR/R≪１……（5）とみなせる領域ならば、波面収差と光線収差との関係は
規格化座標 (x,y)で ε(x,y)=1/NA0・∂φ/∂x……(6) η(x,y)=1/NA0・∂φ/∂y……(7) とあらわすことができる。上式(6)、(7)において、NA0
は収差に依存しない固定値であるから、通常の数値積分
によって波面収差を求めることができる。

【００４４】以下、図に基づき、詳細に説明する。

【００４５】図1は本発明の実施形態1を示すものであ
る。

【００４６】10は投影光学系、80、81は通常の投影露光
用の照明系で、80がレーザー光源、81が照明光学系であ
る。照明光学系81から出射した光束は、レチクル12を透
過照明し、レチクル12の下面に形成された微細な回路パ
ターンで回折散乱されて、投影光学系10によりステージ
14上に配置されたウエハー表面近傍に結像される。

【００４７】100は本発明を構成する収差計測光学系ユ
ニットである。本実施形態の収差計測では、投影光学系
と同じ露光波長の光でレチクルを通してウエハー上のパ
ターンを観察し、結像における横収差に相当する結像パ
ターンのシフト量をTTRアライメントスコープで検出す
ることを特徴としている。

【００４８】露光用照明系81から分けられた光は光ファ
イバー90またはレンズやミラーなどで引き回され、収差
計測光学系ユニット100内の計測用照明系91に導かれ
る。計測用照明系91から発せられた光の広がりは投影光
学系の開口全てを覆う大きさであることが望ましい。

【００４９】計測用照明系91から発せられる光は、投影
光学系の開口絞り面、いわゆる瞳面20とほほ共役な位置
に設けられた照明開口位置可変の開口絞りユニット10
1、102にて光束を制限される。101は、各種開口絞りが
形成されたターレット状の絞り板で、102はターレット
絞りを回転させるアクチュエーター及び制御装置であ
る。図6は被検査光学系である投影光学系10の開口領
域、いわゆる瞳面の全域について光線収差を計測する時
のサンプリング開口領域を示した例で、8方位33点の計
測点で計測を行う場合を図示している。

【００５０】図6に対応した照明開口の切り替えの夕一
レット絞りが図7である。ターレット絞り上には照明開
口のサンプリングしたい領域に対応するピンホールを形
成した絞りがサンプリング点数分配置され、102により
タ一レットを順次回転させて切り替えが行われる。

【００５１】上記のようなターレット状の絞り可変装置
は構成はシンプルであるが、サンプリング開口の大きさ
およぴサンプリング位置が固定である。更に高精度な計
測を行うためにはサンプリング点数を密に取る必要があ
る場合も生じる。図8は投影露光装置の照明系などに使
用されるマスキングブレードのように、任意の位置に任
意の大きさの開口を形成できる可動の４枚板により絞り
を構成した実施形態である。図8のように開口位置と大
きさを自在に制御できる開口絞りを用いれば、サンプリ
ング点数を増やしたり、重畳的なサンプリングが可能と
なるため、高精度な計測が可能になる。

【００５２】照明開口位置を制限された照明光束はハー
フミラー103、検出用対物レンズ104やミラー105を介し
てレチクルを照明して透過し、投影露光光束と同様な光
路を程て、ウエハーステージ14上に配置された基準パタ
ーン11を照明する。

【００５３】照明された光は測定用の被検査パターンと
なる基準プレー卜上の基準パターン11で正反射及び回折
され、投影光学系の光束の主光線PL1に対して対称な光
路を経て、受光系を構成する収差計測光学系ユニット10
0へ再度戻ってくる。戻ってきた光はミラー105、対物レ
ンズ104を経てハーフミラー103を透過し、受光開口絞り
106を通過した後、像を拡大する再結像レンズ107にてCC
D等の光電検出センサー108上へ結像される。109は検出
センサーからの信号処理装置である。

【００５４】収差計測光学系ユニット100は投影光学系
の結像領域内の任意の点の計測が可能なようにXY平面内
で移動可能に設定されている。図示しないが、収差計測
光学系ユニット100を左右対称な位置にもう一つ配置し
ても良い。

【００５５】ステージ上に配置された基準パターン11も
XYZ方向に移動可能である。基準パターン11の移動に応
じて収差計測光学系ユニット100をレチクル上の対応点
の位置に移動させて結像性能を測定することにより、投
影光学系10の結像領域内の複数像点で結像性能を計測す
ることができる。

【００５６】光電検出センサー108で検出されるのは横
収差量、即ち基準点となる図2aのO 2点からの像のシフ
ト情報である。像のシフト情報は照明開口位置(x,y)つ
まり投影光学系の射出瞳面の座標に応じて計測されて信
号処理装置109に記憶され、光線収差（ε(x,y), η(x,
y)）が求められる。

【００５７】このようにして得られた光線収差から、前
述の関係式 ε(x,y)=1/NA0・∂φ/∂x……(6) η(x,y)=1/NA0・∂φ/∂y……(7) を用いれば信号処理装置109により、波面収差φ(x,y)が
求められる。

【００５８】図２は光線収差と波面収差の関係を示した
図である。(6)、(7)式に示したように光線収差（横収
差）は波面収差の微分として求められる。従って、開口
内で局所的に波面収差が変化している領域では光線収差
の値が大きい。逆に局所的に求めることのできる光線収
差量を開口領域全面にわたって計測し、積分処理を施せ
ば波面収差に変換することが可能である．投影光学系の
瞳空間内で局所的な光線収差情報を得るには、サンプリ
ング領域が十分に小さいことが好ましい。(6)、(7)式の
関係から波面収差を計算する時、限りなく微小な光束で
像シフト量を計測できれば、計測値をそのまま光線収差
量として用いることができる。しかしながら、実際には
検出光量に伴うS/N比の観点から、ある程度の有限の大
きさの広がりを持つ光束でかつ有限の大きさのパターン
を計測する必要がある。収差計測光学系ユニットの照明
系からの光束の広がりとしては、算出される波面収差の
精度にもよるが、投影光学系の開口の径の1/10以下は必
要である。

【００５９】本発明で測定用の被検査パターンとなる基
準パターン11は、線幅及びスペースを比較的大きくして
回折光を密にし、投影光学系の開口内で広がらないよう
にするとともに、照明光束をなるべく細くして小さい光
束が投影レンズ開口内の所定の部分のみを通るようにす
ることを特徴としている。例えば、露光波長248nmで投
影光学系の開口数が0.75であった場合、測定用パターン
を線幅及びスペースが5μm程度以上の繰り返しパターン
とすれば、回折光の広がりは投影光学系の開口の1/10以
下に納めることができる。

【００６０】図3aは開口数が0.75の投影光学系の瞳空間
内における線幅及びスペース5μｍのパターンの回折光
の様子、図3bは同じパターンをσ0.1で照明した場合の
瞳面強度分布を模式的に表したものである。元のパター
ンの回折光分布を検出するのに有効な照明光束の広がり
はNA 0.1程度となることがわかる。開口中のより細かい
領域を見たい場合には、更に大きい線幅ピッチのパター
ンで、かつ更に小σで照明すれば有効光束が小さくなる
ことが分かる。

【００６１】また、収差計測光学系ユニットの照明光学
系の有効光束の強度分布を予め計測する、あるいは計算
により求めておき、光線収差から波面収差に変換する際
にデコンボルーションすれば、より高精度な変換を行う
ことが可能となる。

【００６２】図5aは測定用の被検査パターンの例を示し
たものである。上記の様な繰り返しパターンをX及びY方
向に配置しておくことで、XY方向またはサジタル／メリ
ジオナルの収差を別々に計測することが出来る。

【００６３】図5bは被検査パターンを挟み込む形でレチ
クル上に形成されている基準マークである。レチクル上
に形成されているため、投影レンズを介さずに反射光を
直接検出光学系に導いて位置を検出できるので、投影光
学系の収差の影響を受けることなく被検査パターンの基
準位置として使用することが出来る。

【００６４】図４は本実施形態で収差計測光学系ユニッ
ト100により得られる測定用の被検査パターン11の像シ
フト信号と、基準マークを同時に観察した時の信号の様
子を示すものである。基準マークの中心位置を基準とし
て用いれば、測定用の被検査パターンのシフト量△Ｌを
求めることができる。

【００６５】本実施形態では被検査パターンの像シフト
計測の基準として、レチクル上に基準マークを設ける方
法を示した。本実施形態の場合は、計測する像高毎に基
準マークを設けた専用のレチクルが必要となる。

【００６６】レチクル上に基準となるマークを形成する
代りに、被検査パターン自体の信号を用いて基準位置を
決定できれば、専用のレチクルを用意する必要が無くな
り、装置自身で投影光学系の収差計測を行うことができ
る。

【００６７】被検査パターンからの基準位置の決定に
は、例えば、投影光学系の瞳面全面の平均収差を用いる
方法がある。この場合は、切り替え照明系の径を投影光
学系の全面開口となるσ1.0の照明条件として照明し、
受光側も全面開口の条件で受光する。収差によるパター
ンの像シフト量が平均化されるため、パターンの基準位
置からのずれは収差の影響が十分無視できるほど小さく
なり、基準として用いることができる。

【００６８】図９は実施形態1で瞳全面の平均収差によ
り基準位置計測を行った時の、光線収差、及び波面収差
を計測するフローチャートである。

【００６９】別の方法として、測定用の被検査パターン
11の外周にシングルエッジのパターンを挟み込むように
配置し、該シングルエッジを基準としても良い。シング
ルエッジは投影光学系の瞳面内に回折光が比較的ブロー
ドに広がるので、瞳面内の収差を平均化する効果を持
ち、収差があっても位置のシフトが起こりにくい。従っ
て、外周のエッジ情報から決めた基準位置に対する被検
査パターンのシフト量から収差量を算出しても良い。

【００７０】本発明の実施形態2を示すのが図10であ
る。図中の番号で実施形態１と同一である部材は図１と
同じ番号で示されている。

【００７１】本実施形態は、第１のパターン150がレチ
クル上に配置されると同時に、投影光学系を介した前記
第１のパターン150の結像面上に第２のパターン151と、
第２のパターン151を透過した光を受光する受光手段111
をステージ14内部に配置したことを特徴としている。ス
テージ14をスキャンすると、第２のパターン151で第１
のパターン150の像をスリットスキャンしたことにな
り、第1のパターン150の像の位置が検出される。

【００７２】第１のパターンの照明は、開口位置及び開
口形状可変機構を有する実施形態１と同様な専用の照明
系が用いられ、マスク上の第1のパターン150が透過照明
される。

【００７３】専用照明系160で開口位置と開口の大きさ
を制限された光束は、レチクル上に形成された投影光学
系の解像限界より十分大きいパターン150を照明する。
パターン150は実施形態1と同じく十分に小さい回折角し
か発生させず、回折光束は投影光学系の開口内の局所的
で十分小さい領域を通ってウエハーステージ側に形成さ
れた像シフト計測用の第2のパターン151上に結像され
る。

【００７４】図11にレチクル上の第１のパターン150と
ウエハー側ステージ上の像シフト計測用スリットパター
ン151の例を示す。ウエハー側の第２のパターン151は第
1のパターン150より十分細いスリットで形成され、スリ
ットのピッチと本数は投影光学系の倍率を換算して第１
のパターンと合わせてある。

【００７５】図11bは投影光学系を介して結像された第1
のパターンの像強度分布で、ウエハー側スリットを通過
した光が光電センサーヘ導かれる様子を示したものであ
る。第２のスリットパターンを一方向にスキャンした時
の信号を表したものが図11cで、第1のパターン全体の平
均的な像パターンの位置が計測され、信号161、162で示
されるように像シフト量が検出できることが分かる。

【００７６】第１のパターンは解像限界より十分大きい
パターン、例えは線幅とピッチが各5μm等である。一
方、ウエハー側に配置する第２のパターンは0.5μm程度
の開口のスリットを配置すれは十分高精度な像プロファ
イルを得ることが可能である。0.5μm程度の開口を持つ
スリットの配置は容易に構成が可能である。

【００７７】別の方法として、第２のパターンを十分大
きい開口を有するシングルエッジにしてナイフエッジス
キャンし、スキャン位置に応じて得られた信号強度を微
分して像プロファイルを計測することもできる。ナイフ
エッジ法では信号変化量が小さいため、高いS/N比と広
いダイナミックレンジが必要とされる。

【００７８】得られた像シフト情報と開口位置、大き
さ、強度分布、像のシフト量の情報から信号処理装置10
9で光線収差量が演算され、波面収差量に換算される過
程は、実施形態1と同様である。

【００７９】図12は本発明の実施形態3で図10の実施形
態2で用いた収差計測用の照明系を投影露光系用の照明
系と共通な構成にした構成である。従って、照明系300
は通常の投影露光用と収差計測時の局所照明の両方の機
能を備えている。なお、図中の部材で前の実施形態と同
一の部材には同じ番号が付されている。

【００８０】レーザー等の単色光源80から発せられた光
束はビーム形状変換器201等で光束を整形されたのちハ
エの目光学系等の均一化素子203に入光する。均一化素
子203の射出面は投影光学系の瞳面とほほ共投で、その
付近に光束切り替え、及び制御手段101、102を構成す
る。ハエの目光学系は複数の小さい光学素子が瞳面を覆
う形で並んでいるため、個々の素子にシャッターを付け
ON/OFFする光束制御を行っても良い。

【００８１】照明系の構成は異なるが、像計測の方法は
実施形態2と同じである。

【００８２】本実施例形態では、収差計測時の局所照明
機能を通常の投影露光用の照明系に持たせることで共通
化しているため、コンパクトな装置構成が可能である。
さらに、実際の投影露光に使用する照明系からの光を用
いているので、実際の露光に近い条件での収差計測が可
能というメリットがある。

【００８３】図13は本発明の実施形態4で、前の実施形
態と同じ部材には同様に同じ番号を示してある。

【００８４】本実施形態は実施形態１の構成に似ている
が、照明系に光束可変手段を設ける代りに受光手段内部
に検出開口制御手投130を設けたことを特徴としてい
る。照明系は投影光学系の開口全面を覆う大きい開口で
照明を行う。

【００８５】図中、専用照明系91は投影光学系の開口20
の全面を覆ういわゆるσ1.0以上の条件でレチクルを照
明する。測定用の比較的大きい線幅を持つ被検査パター
ンからの反射回折光も投影光学系の全面を通って受光系
である計測光学系180に戻ってくる。投影光学系10の開
口20とおおよそ共役な位置に設けられた受光開口制御手
投130により光束の開口位置、及び大きさが制限され、C
CD等の像計測センサー108に結像されて、像シフト量が
検出される。

【００８６】図14は本発明の実施形態5 を示すもので、
前の実施形態と同じ部材には同じ番号を示してある。

【００８７】本実施形態は引き回された光束がステージ
側から基準パターン11を透過照明する構成となっている
ことを特徴としている。実施形態４と同様に照明する側
に開口可変手段はなく、照明系は投影光学系の開口全面
を覆うような大さい開口で照明する。投影光学系の開口
部における光束位置の指定はレチクルを通して検出され
る受光手段内部の検出開口制御手投によって行われる。

【００８８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の投影露光
装置により投影露光装置の本体上で、実際に露光する状
態で前記投影光学系の波面収差を直接測定することが可
能となった。この結果、投影光学系の状態を正確に評価
することが可能となり、投影光学系を装置上でより精密
に調整することが可能となった。また、収差の影響を前
もって把握できるため、収差の状態に応じてのデバイス
の投影露光装置に対する適用の可否を事前に選択するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１を示す図、

【図２】投影光学系の結像点近傍にける光線収差の様
子を説明する図と波面収差と光線収差との関係を示す図

【図３】比較的大きな線幅ピッチのパターンの投影光
学系開口内での回折光光強度分布を示す図（σ=0）と比
較的大きな線幅ピッチのパターンの投影光学系開口内で
の回折光光強度分布を示す図（σ=0.1）

【図４】計測光学系で得られる像プロファイルの図

【図５】計測用の第１のパターンを示す図と基準用の
バターシを示す図

【図６】被検査光学系の開口と計測サンプリング開口
を示す図

【図７】ターレット状に形成された開口切り替え機構
を示す図

【図８】任意の位置、任意の大きさに開口切り替え可
能な機構の例

【図９】本実施例での計測フローを示す図

【図10】本発明の実施形態2における投影露光装置の
構成を示す図

【図１１】実施形態２での信号計測に用いるパターンを
示す図と実施形態２の計測信号と像面近傍の強度分布の
関係を示す図と実施形態２で計測により得られる信号強
度を示す図

【図12】実施形態３における投影露光装置の構成概略
を示す図

【図13】実施形態４における投影露光装置の構成概略
を示す図

【図14】実施形態５における投影露光装置の構成概略
を示す図

【符号の説明】

10 投影光学系 11 測定用の被検査パターン(基準パターン) 12 レチクル 13 ウエハー 14 ウエハーステージ 16 ウエハーチャック 20 投影光学系の開口絞り 50 面位置検出装置 80 レーザー光源 81 照明系 91 計測用照明系 100 計測光学系ユニット 101 可変照明開口 102 照明開口制御手段 103 ハーフミラー 104 計測用対物レンズ 105 ミラー 108 像検出素子 109 信号処理装置 110 光電センサー 130 受光開口制御手段 150 レチクル側の第1のパターン 151 ウエハーステージ側の第2のパターン 160 専用照明系 190,195 照明光束 191 計測光束 201 ビーム形状変換器 203 均一化素子 AX：投影光学系の光軸 XYZ：投影光学系10の射出瞳の中心を原点、光軸方向を
Ｚ軸とする座標系 W：被検査パターン11から出射し投影光学系10により形
成される結像光束の波面で、射出瞳の中心を通るもの G：参照球面 C：投影光学系10の結像面 D：光強度分布測定装置18の強度分布測定面 O1：投影光学系10の射出瞳の中心 O2：参照球面の中心 P1：被検査パターン11の結像光束が射出瞳面と交わる点 P2：被検査パターン11の結像光束が強度分布測定面D
（結像面C）と交わる点 Q0：被検査パターン11の結像光束の最大NA光束が参照球
面と交わる点 Q1：被検査パターン11の結像光束が波面Ｗと交わる点 Q2：被検査パターン11の結像光束が参照球面と交わる点 R：参照球面の半径 R'：距離Ｑ2P2 φ：投影光学系10の波面収差（光路長Q1Q2）（ε,η）：光線収差（線分O2P2） 0：投影光学系10の射出瞳最大半径 A0：投影光学系10の射出瞳最大半径に対応する開口数、
NA0=H0/R y座標：投影光学系10の射出瞳最大半径で規格化したXY
座標 X=H0・x，Y=Ｈ0・y 0'：投影光学系10の射出瞳から無収差ででた全光束が強
度分布測定面で交わる領域の最大半径Ｈ0'=NA0・（L−R）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レチクルやフォトマスク上の回路パター
ンを投影光学系を介して基板上に投影露光する投影露光
装置において、前記投影光学系の物体面または結像面に
パターンを配置し、前記投影光学系を介して前記パター
ンの像を形成させる際、前記投影光学系の開口内に部分
領域を形成し，かつ該部分領域位置を可変とする手段を
有し，該部分領域を通過した光束の結像によって生じる
像シフト量を、前記開口内の複数位置に関して計測し
て、前記投影光学系の波面収差を算出することを特徴と
する投影露光装置。
【請求項２】前記投影光学系に照明光を入射させる照
明系に前記投影光学系の開口内の十分小さい領域を通過
させることのできる照明開口可変手投を有するととも
に、前記照明開口可変手段を通過し投影光学系を介して
形成された前記像の位置を検出する受光系を有し、前記
照明開口可変手段の変化に応じて、形成される像シフト
量を計測し、複数個の照明開口の像シフト量情報から前
記投影光学系の波面収差量を算出することを特徴とする
請求項１記載の投影露光装置。
【請求項３】前記投影光学系に入射する照明光を前記
投影光学系の瞳より大きな広がりを持つ状態で照明し、
前記投影光学系を介して形成される前記像の位置を検出
する受光系に前記投影光学系の開口内の十分小さい領域
を通過させることのできる受光開口可変手段を有し、前
記受光開口手段の変化に応じて、形成される像シフト量
を計測し、複数個の受光開口の像シフト量情報から投影
光学系の波面収差量を算出することを特徴とする請求項
１記載の投影露光装置。
【請求項４】前記像シフト量を観察する前記投影光学
系の結像面に配置されたパターンとして、前記投影レン
ズのウエハーステージ上で前記投影光学系の結像位置近
傍に前記投影光学系の解像限界のパターンより十分大き
い測定用パターンを配置することを特徴とする請求項２
又は３記載の投影露光装置。
【請求項５】前記照明系が収差測定用の専用の照明系
を持つことを特徴とする請求項２、３又は４記載の投影
露光装置。
【請求項６】前記照明系がTTRアライメントスコープ
に構成されていることを特徴とする請求項５記載の投影
露光装置。
【請求項７】前記照明系がウエハーステージ側から前
記測定用パターンを照明することを特徴とする請求項５
記載の投影露光装置。
【請求項８】前記受光系はTTRアライメントスコープ
と共通に構成されていることを特徴とする請求項２〜７
のいずれか１項の投影露光装置。
【請求項９】前記像シフト量計測時、前記測定用パタ
ーンに対応するレチクル上の位置に基準マークを設け、
該基準マークと前記測定用パターンの相対距離から像シ
フト量を計測することを特徴とする請求項１〜６のいず
れか１項又は８記載の投影露光装置。
【請求項１０】前記基準マークがシングルエッジパタ
ーンで構成されていることを特徴とする請求項９記載の
投影露光装置。
【請求項１１】前記レチクル上の基準マークの位置を
前記受光系において前記投影光学系を介さずに検出する
ことを特徴とする請求項９又は１０記載の投影露光装
置。
【請求項１２】前記投影光学系の開口全体を用いた結
像で前記測定用パターンの像の位置を基準位置として計
測し、前記投影光学系の開口内の十分小さい領域を通過
した光束の結像によって生じる像シフト量を前記基準位
置をもとに計測して、前記投影光学系の波面収差量を算
出することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項の
投影露光装置。
【請求項１３】前記照明開口可変手段、あるいは受光
開口可変手段による開口の大きさが光学的に前記投影光
学系の瞳の径の大きさの約1/10付近の径を持つことを特
徴とする請求項１〜１２のいずれか１項の投影露光装
置。
【請求項１４】レチクルやフォトマスク上の回路パタ
ーンを投影光学系を介して基板上に投影露光する投影露
光装置において、前記投影光学系の物体面に所定の第１
のパターンを配置した時、前記投影光学系を介した前記
第１のパターンの像の位置をウエハーステージ上に配置
された第２のパターンに重ねて光電検出する機構を備
え、前記投影光学系の開口内に部分領域を形成し，かつ
該部分領域位置を可変とする手段を有し、該部分領域を
通過した光束の結像によって生じる前記第２のパターン
に対する前記第１のパターンの像シフト量を、前記開口
内の複数位置に関して計測して、前記投影光学系の波面
収差を算出することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１５】前記光電検出する機構がウエハーステ
ージに載置されていることを特徴とする請求項１４記載
の投影露光装置。
【請求項１６】前記第1のパターンと第2のパターンの
ピッチの比が前記投影光学系の倍率と等しいことを特徴
とする請求項１４又は１５記載の投影露光装置。
【請求項１７】前記投影光学系に照明光を入射させる
照明系に前記投影光学系の開口内の十分小さい領域を通
過させることのできる照明開口可変手投を有するととも
に、前記照明開口可変手段を通過し投影光学系を介して
形成された前記像の位置を検出する受光系を有し、前記
照明開口可変手段の変化に応じて、形成される像シフト
量を計測し、複数個の照明開口の像シフト量情報から前
記投影光学系の波面収差量を算出することを特徴とする
請求項１４、１５又は１６の投影露光装置。
【請求項１８】前記像シフト量を観察する前記レチク
ル面に配置されたパターンとして、前記投影光学系の解
像限界に対応するパターンより十分大きい測定用パター
ンを配置することを特徴とする請求項１７記載の投影露
光装置。
【請求項１９】前記照明系が収差測定用の専用の照明
系を持つことを特徴とする請求項１７又は１８記載の投
影露光装置。
【請求項２０】前記照明系が投影露光用の照明系と共
用されることを特徴とする請求項１７又は１８記載の投
影露光装置。
【請求項２１】前記照明開口可変手段により形成され
る前記投影光学系の瞳における開口の大きさが前記投影
光学系の瞳の径の約1/10付近の大きさの径を持つことを
特徴とする請求項１４〜２０のいずれか１項の投影露光
装置
【請求項２２】前記計測された像シフト量より前記投
影光学系の光線収差を求め、前記光線収差量から波面収
差量を算出することを特徴とする請求項１〜２１のいず
れか１項の投影露光装置。
【請求項２３】照明光学系に照明されたレチクルやフ
ォトマスク上の回路パターンを投影光学系を介して基板
上に投影露光する投影露光装置において、前記照明光学
系内に該投影光学系の波面収差測定用の照明開口可変手
段を設けたことを特徴とする投影露光装置。
【請求項２４】レチクルやフォトマスク上の回路パタ
ーンを投影光学系を介して基板上に投影露光する投影露
光装置において、前記投影光学系外の該投影光学系瞳共
役位置に波面収差測定用の可変開口を設けたことを特徴
とする投影露光装置。
【請求項２５】レチクルやフォトマスク上の回路パタ
ーンを投影光学系を介して基板上に投影露光する投影露
光装置の投影光学系の波面収差を測定する方法であっ
て、前記投影光学系外の該投影光学計瞳共役位置から前
記投影光学系の開口内に部分領域を設定し、該部分領域
を通過した光束の結像によって生じる像シフト量を、前
記開口内の複数位置に関して計測して、前記投影光学系
の波面収差を算出することを特徴とする波面収差測定方
法。