CN100350326C - 模板、投影曝光设备、器件制造方法及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及模板、投影曝光设备、器件制造方法及测量方法。该模板(16)具有测试图案(TP)，用于测量投影光学系统(17)的光学特征，具有能减少或者抑制在所述投影光学系统光瞳平面(18)处的光谱的高频分量的图案。沿着一个方向或者多个方向将照射光投射在模板(16)的测试图案上，检测由沿着多个方向投射形成的测试图案(TP)影像的位置，并且据此，测量投影光学系统(17)的光学特征。

Description

模板、投影曝光设备、器件制造方法及测量方法

技术领域

本发明涉及具有测试图案的模板(reticle)以及利用这种模板测量投影光学系统中的光学特征的光学特征测量方法。尤其是，本发明适合用于测量例如在光刻方法中使用的投影曝光设备的投影光学系统的诸如最佳焦点位置、象散、场曲率或者波前像差等光学特征，其中所述光刻方法是用于制造半导体器件、液晶显示器、薄膜磁头等的方法之一。

背景技术

用于制造半导体器件、液晶显示器或薄膜磁头的光刻方法例如采用了投影曝光设备，在该设备中，光掩膜或模板(以下称之为模板)的影像通过投影光学系统成像在感光基底上。在这种投影曝光设备中，为了确保模板的图案以高分辨率转移到感光基底上，应当将感光基底在聚焦深度范围内与投影光学系统的最佳成像平面(最佳焦点平面)对准的情况下进行曝光。为此，应当采用某些方法检测投影光学系统的最佳焦点平面的位置、也就是最佳焦点位置。另外，投影光学系统具有一个其最佳焦点位置与影像高度不同的所谓像平面(场曲率)。

以下是用于测量投影光学系统的最佳焦点位置的一种已知方法。用具有不同倾斜角的主光线的两个照射光或者用具有相同倾斜角但是沿对称方向入射的两个照射光照射单个图案或者多个图案。然后，测量由此在感光基底上获得的多个图案影像的间隔，或者测量通过移动感光基底而获得的彼此叠加的多个图案的影像之间的相对位置偏移。然后检测散焦量和上述间隔或者相对位置偏移之间的关系，并且根据这种关系计算最佳焦点。还有另外一种方法，其中不用相对于投影光学系统的光轴方向改变感光基底的位置就能检测出最佳焦点位置。

上述基于倾斜入射照射的方法不需要SEM测量，它是一种测量最佳焦点位置、像平面和象散(象散像差)的简单而且高效和高精度的测量方法。另外，相对于为了测量最佳焦点位置、像平面和象散而测量具有0-90度的相位变化的图案影像位置的方法(该方法与基于位置偏移的测量相类似)或者测量两个光束的干涉所产生的干涉图案的位置偏移的方法中所用的图案来讲，要用于上述位置偏移测量的图案的尺寸可以更大。因此，关于空间影像测量，其一个优点是不必利用放大成像光学系统。另外，上述基于倾斜入射照射的测量方法对涉及散焦的位置偏移有很高的灵敏度。

但是，已经发现，散焦量和位置偏移量或者根据上述基于倾斜入射照射的测量方法获得的图案影像之间的间隔之间的关系从严格意义上来讲不是绝对的线性关系。其原因在于，由于在基于倾斜入射照射的测量中发生物光谱(object spectrum)位置在光瞳平面处的移位，因此物光谱被投影透镜的孔径光阑不对称地切割，从而在成像平面处的空间影像中产生不对称的畸变。

另外，当不对称的物光谱表示为A(f)，投影透镜的OTF表示为O(f)时，则与在成像平面处的影像的振幅分布f(x)之间的关系表示为f(x)＝F-1[A(f)·O(f)](F-1是傅立叶逆变换)。从中也可以看出，投影透镜的波前像差会影响空间影像。

在图7中的曲线20是检测的图案位置偏移量(横轴)相对于其中所产生球面象差的投影透镜的散焦(纵轴)的曲线。用于焦点测量的图案是图20所示的传统标记的图案。在图20中，在C处表示测试图案TP的开口的长度。该开口透射率接近100％。

从图7中可以看出，利用传统的图案，很明显其线性度受到破坏。

在基于前述传统方法的倾斜入射照射的最佳焦点测量中，由于曝光设备的投影透镜的波前像差之间的差异，或由于依赖于视角内的影像高度的波前像差的差异，散焦量和位置偏移量之间的关系是不同的。因此必须每次都检查散焦量和位置偏移量或间隔之间的关系。

另外，当散焦量和位置偏移量或间隔之间的关系可以用线性表达式来近似时，通过利用近似表达式从在一定的成像平面处的位置偏移或者间隔量计算出的散焦量的数值包含误差。这对于测量在电路更加小型化的未来趋势中所需要的更简单和更精确的投影光学系统的光学特征来说是一个严重问题。

另一方面，测量出投影透镜的像差例如球面像差、成像平面(场曲率)、象散(象散像差)、彗差(彗形像差)、波前像差等，并将其用于实际评估或检查。在这些像差中，波前像差是真正的像差。通过根据例如通常采用的泽尔尼克(Zernike)多项式来近似该波前像差，可以计算出作为该多项式的因子的球面像差、成像平面、象散、彗差等。因此波前像差的测量对于通过模拟来预测大量各种器件图案的加工裕度来说也是非常重要的。

例如US5828455和US5978085提出了波前像差的测量方法。在这些专利所提出的测量方法中，在模板图案表面上形成类似格栅的图案，同时刚好在类似格栅的图案的中央之下设置小孔，它们之间保留有小的间隙。另外，在模板的上表面，有一个特殊的模板，它具有刚好设置在类似格栅的图案中央之上的凸面透镜。利用曝光设备的照射系统来照射该模板，从照射系统发出的照射光照射设置在其下的格栅图案，并且照射角(NA)不小于由凸面透镜所限定的角度。穿过该格栅图案的光线穿过设置在其下的小孔。此处，可以穿过小孔的光线仅限于具有将小孔和格栅图案上的各点位置连线条所限定的角度的光线。因此，从格栅上各点发出的光束作为具有不同角度的多束光线前进。

这些具有不同角度的光线照射在投影透镜的光瞳平面上的不同位置上，并同时受到投影透镜的波前像差的影响，它们到达晶片表面，从而将格栅图案的各点成像在那里。此处，如此成像的格栅图案的各点的影像已经受到波前像差(相位)的不同影响。更具体的说，由于光线按照垂直于波前的方向前进，因此格栅图案的每个点的影像的成像位置从理想位置按照由波前上的对应点的倾斜所确定的量发生移位。考虑到这一点，测量格栅图案的每个点的影像与理想格栅的偏移，并据此获得波前在光瞳平面中各点处的倾斜量。然后，通过利用各种算法，计算波前像差。

在前述US5828455和US5978085中提出的波前像差测量方法类似于现有技术中已知的哈特曼(Hartman)方法。在Hartman方法中，在投影透镜的光瞳平面处设置小孔，由此限制波前位置，并根据穿过其中的光所形成的图案影像的位置偏移检测波前的倾斜。

在Hartman方法中，在光瞳平面处设置小孔，从而关于物光谱，根据以下等式(1)，由于小孔的过滤，只能获得与一定的小波前区相关的信息。

希望通过在光瞳平面处设置小孔(即光瞳滤光器)来主动控制物光谱的形状，如Hartman方法中一样。但是，在实际的曝光设备中，例如由于镜头筒的空间或者由于防止污染所必须的净化结构，并且因为成本的原因，难以实现这一点。

另一方面，在前述US5828455和US5978085提出的方法中，刚好在物体表面之下设置小孔。因此在光瞳平面上的物光谱(与以下等式(1)不同)对应于包括相位项的傅立叶变换。

E(x)＝F-1[G(f)·p(f)·w(f)]

F-1：傅立叶逆变换

E(x)：影像的光振幅函数

G(f)：物光谱

w(f)：光瞳(波前)函数

p(f)：小孔函数

本发明的一个目的是提供一种具有测试图案的模板，利用该模板可以非常精确地测量出投影光学系统的光学特征，还提供一种利用这种模板测量投影光学系统的光学特征的方法。

本发明的另一个目的是提供一种具有测试图案的模板，利用该模板根据完全不同于前述两篇美国专利中所示的方法可以测量投影光学系统的光学特征，还提供一种利用这种模板测量投影光学系统的光学特征的方法。

特别是，本发明的一个目的在于提供一种具有测试图案的模板，利用该模板可以非常精确地测量出投影光学系统的最佳焦点位置、象散像差、场曲率以及波前像差中的至少一种，还提供一种利用这种模板测量投影光学系统的光学特征的方法。

发明内容

本发明的第一方面涉及一种具有测试图案的模板，用于测量投影光学系统的光学特征，其特征在于，在所述测试图案中，具有能有效降低或者抑制在所述投影光学系统的光瞳平面处的光谱的高频分量的图案。

本发明的第二方面与第一方面相关，其特征在于，在所述测试图案中，具有多个线条和多个空白，从而由此产生的多束衍射光在光瞳平面处彼此部分抵消，由此降低或者抑制高频分量。

本发明的第三方面与第一方面相关，其特征在于，所述测试图案中具有开口，用于在所述投影光学系统的光瞳平面处产生预定周期的分量，在所述开口的相对两侧形成周期性的开口，用于在所述投影光学系统的光瞳平面处产生与所述周期性分量不同的周期性分量。

本发明的第四方面与第一方面相关，其特征在于所述投影光学系统具有波前像差，所述测试图案所具有的形状使得即使所述测试图案通过所述投影光学系统形成的影像是散焦的也基本不产生任何非对称影像畸变。

本发明的第五方面与第一方面相关，其特征在于该光学特征是最佳焦点位置、象散像差以及场曲率中的一种或者多种。

本发明的第六方面涉及一种具有测试图案的模板，用于测量投影光学系统的光学特征，其特征在于，在所述测试图案中，具有多个线条和多个空白，用于使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

本发明的第七方面涉及一种具有测试图案的模板，用于测量投影光学系统的光学特征，其特征在于，在所述测试图案中，具有多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，线条的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小。

本发明的第八方面涉及一种具有测试图案的模板，用于测量投影光学系统的光学特征，其特征在于，在所述测试图案中，具有多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小。

本发明的第九方面与第七和第八方面相关，其特征在于线条和空白包括的图案使得相邻的线条在所述测量的时候不能被所述投影光学系统所分辨。

本发明的第十方面与第一至第九方面相关，其特征在于，通过在模板的测试图案上投射照射光，并通过检测由此形成的测试图案的影像的位置，测量投影光学系统的光学特征。

本发明的第十一方面与第一至第九方面相关，其特征在于，通过从一个方向或者多个方向在模板的测试图案上投射照射光，并通过分别检测根据沿多个方向投射而形成的测试图案的影像的位置，测量投影光学系统的光学特征。

本发明的第十二方面与第一方面相关，其特征在于该多个方向包括彼此关于包括光轴的预定平面对称的两个方向。

本发明的第十三方面与第十至第十二方面相关，其特征在于，其中所述投影光学系统的数值孔径是NA，投射的照射光的主光线的入射角是σp(0≤σp≤1)，关于与照射光的主光线的入射方向正交的所述测试图案的物光谱G(f)形成所述测试图案，从而在是[(1-2σp)·NA/λ至NA/λ]的区f中消除G(f)的振幅。

本发明的第十四方面涉及一种投影曝光设备，其特征在于具有用于根据第十至第十三方面中任意一个的光学特征测量方法测量投影光学系统的光学特征的模式，并具有在有测试图案的模板提供给该设备的时候用于在测试图案上投射照射光的照射系统。

本发明的第十五方面涉及一种器件制造方法，其特征在于将用于器件制造的模板提供到如第十四方面所述的投影曝光设备，并将模板上的图案转移到基底上。

本发明的第十六方面涉及一种波前像差测量方法，用于测量投影光学系统的波前像差，其特征在于：制备这样一种模板，该模板具有多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，线条的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨；将光通量从不同的方向投射在线条和空白上，由此通过所述投影光学系统形成线条和空白的多个影像；以及

检测该多个影像的各个位置，利用检测结果，来检测所述投影光学系统的波前像差。

本发明的第十七方面涉及一种波前像差测量方法，用于测量投影光学系统的波前像差，其特征在于：制备这样一种模板，该模板具有多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨；将光通量从不同的方向投射在线条和空白上，由此通过所述投影光学系统形成线条和空白的多个影像；以及

检测该多个影像的各个位置，利用检测结果，来检测所述投影光学系统的波前像差。

本发明的第十八方面涉及一种波前像差测量方法，用于测量投影光学系统的波前像差，其特征在于：

制备这样一种模板，该模板具有多个图案，每个图案包括多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，线条的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨；

将光通量从不同的方向投射在该多个图案上，由此通过所述投影光学系统形成所述图案的多个影像；以及

检测该多个图案影像的各个位置，利用检测结果，来检测所述投影光学系统的波前像差。

本发明的第十九方面涉及一种波前像差测量方法，用于测量投影光学系统的波前像差，其特征在于：

制备这样一种模板，该模板具有多个图案，每个图案包括多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨；

将光通量从不同的方向投射在该多个图案上，由此通过所述投影光学系统形成所述图案的多个影像；以及

检测该多个图案影像的各个位置，利用检测结果，来检测所述投影光学系统的波前像差。

本发明的第二十方面涉及一种光学特征测量方法，用于测量投影光学系统的光学特征，其特征在于：

提供一种具有测试图案的模板，同时提供一种具有开口的部件；

通过所述开口从倾斜的方向将光通量投射在所述测试图案上，由此通过所述投影光学系统形成该图案的影像；以及

检测图案影像的位置，利用检测结果，检测所述投影光学系统的光学特征，

其中，所述测试图案具有多个线条和多个空白，用于使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

本发明的第二十一方面涉及一种波前像差的测量方法，用于测量投影光学系统的波前像差，其特征在于：提供一种具有多个图案的模板，同时提供一种具有开口的部件；

通过所述开口从不同的方向将光通量投射在所述多个图案上，由此通过所述投影光学系统形成该多个图案的影像；以及

检测图案影像的各自位置，利用检测结果，检测所述投影光学系统的波前像差，

其中，所述测试图案具有多个线条和多个空白，用于使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

本发明的第二十二方面与第二十或者第二十一方面相关，其特征在于具有所述开口的部件设置在模板上。

本发明的第二十三方面与第二十二方面相关，其特征在于该模板具有设置在所述开口上的凸透镜。

本发明的第二十四方面与第十六至第二十一方面相关，其特征在于该图案具有多个线条和多个空白，其中在重复方向上从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨。

本发明的第二十五方面与第十六至十九方面相关，其特征在于该图案具有多个线条和多个空白，用于使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

本发明的第二十六方面与第十六方面至第二十一方面相关，其特征在于所述检测步骤包括光电转换线条和空白的空间影像的步骤。

本发明的第二十七方面与第十六方面至第二十一方面相关，其特征在于所述检测步骤包括将感光基底曝光于该线条和空白的影像的步骤，以及显影该感光基底的步骤。

本发明的第二十八方面涉及一种投影曝光设备，其特征在于具有用于根据第十六至第二十七方面中任意一个的测量方法测量投影光学系统的波前像差的模式，并具有在将有测试图案的模板提供给该设备的时候用于在测试图案上投射照射光的照射系统。

本发明的第二十九方面涉及一种器件制造方法，其特征在于将用于器件制造的模板提供到如第二十八方面所述的投影曝光设备，并将模板上的图案转移到基底上。

附图说明

图1为投影曝光设备的主要部分的示意图，其中采用根据本发明实施方案1的光学特征测量方法；

图2显示出本发明的测试图案的一维光强度分布；

图3显示出在投影光学系统光瞳平面上的分解物光谱；

图4显示出在投影光学系统光瞳平面上的分解物光谱；

图5显示出在投影光学系统光瞳平面上的物光谱；

图6显示出投影光学系统的光瞳平面；

图7显示出光轴方向(Z位置)和图案的横向偏移之间的关系；

图8显示出在投影光学系统光瞳平面上的物光谱；

图9显示出为根据本发明实施方案2的投影曝光设备的主要部分的示意图；

图10显示出图9的一部分；

图11显示出图9的一部分；

图12显示出本发明的测试图案；

图13显示出本发明的测试图案；

图14显示出在测试图案投影平面上的光强度分布；

图15显示出根据本发明实施方案3的测试图案的示例；

图16显示出根据本发明实施方案3的测试图案的另一示例；

图17显示出根据本发明实施方案3的测试图案的一维光强度分布；

图18显示出在投影光学系统光瞳平面上的物光谱；

图19显示出光轴方向(Z位置)和图案的横向偏移之间的关系；

图20显示出物体影像的移位光强度分布；

图21显示出根据本发明的图案的横向偏移；

图22显示出在光瞳平面上测量物光谱；

图23显示出物体影像的一维光强度分布；

图24显示出在光瞳平面上的物光谱；

图25显示出光瞳平面上的物光谱；

图26显示出物体影像的一维光强度分布；

图27显示出无穷傅立叶级数；

图28显示出光瞳平面上的物光谱；

图29显示出图案的数量和光瞳平面上的物光谱之间的关系；

图30显示出图案数量和图案宽度之间的关系；

图31显示出光瞳平面上的物光谱的比较例；

图32显示出倾斜入射照射方法；

图33显示出图32中的光阑4；

图34显示出根据本发明实施方案4的测试图案；

图35显示出根据实施方案4的测试图案的总体结构；

图36显示出根据实施方案4的测试图案的总体结构；

图37显示出根据本发明的实施方案5的测试图案；

图38显示出其物光谱受控的标记组19a；

图39显示出作为对照图案的标记组19b；

图40显示出具有标记组19a和19b的模板9。

具体实施方式

图1表示根据本发明的实施方案1用于光学系统的光学特征测量方法。在图1显示的情况中，作为光学系统，选择用于将掩膜(模板)16的图案投射在感光基底(晶片)19上的投影透镜17来用在半导体器件制造的曝光设备中，本发明适用于这种情况。

在图1中，掩膜16上形成有图案，作为测试图案TP，具有如图2所示的强度分布g(x)，该图案设置成与照射图案TP用的照射光的主光线LP的入射方向(平面)正交。在图2中，横坐标的轴表示x坐标，而纵坐标的轴表示强度分布。图案Ma、Mb1和Mb2是具有不同宽度的开口。

当用倾斜角为σp的照射光LP照射掩膜16时，由掩膜16上的测试图案TP会产生衍射光，该光线穿过投影透镜17，并进入投影透镜的光瞳。它在限定投影透镜17的光瞳平面18的孔径光阑18a的开口处产生图案TP的强度分布g(x)的物光谱G(f)，

G(f)＝

C*sinc(Cf)+a1*sinc(a1f)[exp[-i2π(-C/2-Δ1)f+

exp[-i2π(C/2+Δ1)f]-exp[-i2π(-C/2+Δ1)f-exp[

-i2π(+C/2-Δ1)f]]

＝C*sinc(Cf)+2a1*sinc(a1f)[cos[2π(C/2+Δ1)f]

-cos[2π(C/2-Δ1)f]]

＝C*sinc(Cf)-4a1*sinc(a1f)*sin(πCf)*sin(2πΔ1f)

＝A(f)-H1(f)

f：频率

H1(f)＝4a1*sinc(a1f)*sin(πCf)*sin(2πΔ1f)

A(f)＝C*sinc(Cf)

由于H1(f)的sin(πCf)具有与A(f)同样的周期，因此在整个频率区域内，A(f)的振幅可以被抑制为一个小的值。而且，对于H1(f)的4a1*sinc(a1f)，如果相对于在投影透镜光进入一侧(光瞳18)处的NA0而选择满足1/(2a1)≥(1+σp)·NA0/λ的足够小的值a1，则在投影透镜17的光瞳平面18的区域内，4a1*sinc(a1f)可以被认为是纯粹权函数，它随着频率的升高而降低。图3表示上述A(f)、sin(πCf)和4a1*sinc(a1f)的作用。

同样，对于H1(f)的sin(2πΔ1f)，如果使sin(2πΔ1f)的半周期不小于投影透镜17的光瞳平面18的区域，则它变为具有最大值的纯粹权函数。其条件是1/(2Δ1)＜(1+σp)·NA0/λ。图4表示上述H1(f)、sin(πCf)和sin(2πΔ1f)的作用。

通过优化a1和Δ1，可以对H1(f)整形，并且据此，可以获得G(f)。利用该G(f)，A(f)的高频分量的振幅(它应当被尽可能的抑制为一个小的值)可以在适当的频率区域内被抑制为一个小数值。而且，关于a1和Δ1，同样，通过加入图案整形例如a2和Δ2，可以基于H1(f)+H2(f)进行优化。图5表示通过由两组H1(f)和H2(f)进行的整形，H1(f)+H2(f)之和的高频分量中的振幅衰减倾向更加与A(f)的倾向一致。同样，也可以根据H1(f)+H2(f)…+Hn(f)进行优化。

在a1和Δ1满足上述条件的基础上所产生的、如图2所示的测试图案TP的物光谱G(f)成像在成像平面19处，同时受到投影透镜17的波前像差以及成像平面19的位置的影响。此处，影像的振幅分布f(x)是：

f(x)＝F-1[G(f)·O(f)]

因为对应于照射光的主光线LP的倾斜角σp，在光瞳平面18上，物光谱G(f)只在以位置σp为中心的尺寸(半径)为1-σp的圆形区域内具有振幅，所以从上述公式得出，成像振幅f(x)仅在光瞳平面18上的一个小区域(图6的区域25)内受到投影透镜17的波前像差的影响。通过给该小区域设定适当的尺寸，可以将影像的畸变减小到一个小的数值。因此，关于影像的任何位置变化与散焦之间的关系而言，它不受到影像畸变的影响，是线性的。更具体的说，因为测试图案TP通过投影光学系统的光瞳平面基本仅将零阶光射向像平面，因此影像中的位置变化与散焦之间的关系变为基本是线性的。

图21表示用于将掩膜16上的图案投射和转移到感光基底19上的投影曝光设备，其中具有不同入射角(倾斜角)的主光线LP1和LP2的两束照射光投射在掩膜16上的测试图案TP上(见图2)；其中测试图案的两个影像Tpa由投影光学系统17转移到晶片台上的感光基底19上；其中测量感光基底19上的入射平面(图面)中的两个图案影像Tpa之间的关于箭头所示方向的位置偏移Δ；并且根据该位置偏移Δ检测最佳焦点。

在该实施方案中，测试图案TP的图案形状被设计为能够确保图案影像的位置偏移相对于散焦的关系保持其线性，而与投影光学系统的散焦和波前像差无关。

图6表示投影透镜17的光瞳平面18上的坐标(光瞳坐标)。X轴和Y轴分别是穿过光瞳中心O的轴，坐标表示已经关于投影透镜17的数值孔径NA0(光瞳平面的半径)而标准化的数值。在投影透镜17的光瞳平面18处，主光线LP的入射位置-σp偏离光瞳中心O。根据传统的标记并且利用光瞳滤光器进行模拟，其中该光瞳滤光器被设置成使得光线只能穿过关于入射位置-σp所能画出的并且邻接光瞳平面18的边界的最小圆圈25，图7中的曲线表示其结果。

很明显，与不使用图7的光瞳滤光器的传统方法的曲线20相比较，曲线21在其直线性方面获得了改进。这是可以理解的，因为是通过图20所示的测试图案TP的物光谱(f＞0)高频分量[-(1-σp)·NA0/λ至(1+σp)·NA0/λ]都被光瞳滤光器的装置例如图8所示的装置截取、并且通过使在光瞳平面18处的物光谱的振幅关于光瞳平面18上的照射光的主光线的位置σp横向对称来实现的。

如上所述，在该实施方案中，测试图案TP被优化，从而测试图案TP的物光谱G(f)的高频分量中的振幅在上述[-(1-σp)·NA0/λ至(1+σp)·NA0/λ]部分中被抑制或者消除，并且据此，获得了类似于光瞳滤光器的效果。更具体的说，该实施方案使用了优化的测试图案，从而关于投影光学系统的数值孔径以及照射测试图案TP的照射光的主光线的入射角σp(在光瞳平面中的位置处0≤σp≤1)，以及关于与照射光的主光线的入射方向正交的测试图案的物光谱G(f)，在属于[(1-2σp)·NA/λ至NA/λ]的部分f中的G(f)的振幅被消除。

图9是本发明实施方案2的投影曝光设备的主要部分的示意图，其中提供有带测试图案的模板。在实施方案2中，根据用于曝光设备中的投影光学系统的最佳焦点测量方法和像平面测量方法进行描述。该实施方案不仅可以用于透镜系统，而且可以用于具有反射镜系统的投影光学系统或者具有透镜与反射镜系统相结合的投影光学系统(反折射系统)。

在图9中，1表示曝光光源(光源装置)。关于光源1，可以使用例如高压汞灯或者准分子激光光源。当使用高压汞灯时，从该光源1发出的曝光光线由椭圆反射镜1a收集，然后该光线穿过输入透镜2并进入蝇眼透镜3的光进入表面3a。在蝇眼透镜3的后(模板侧)聚焦表面处，产生大量的辅助光源，其中该表面是其光线射出表面3b。从这些辅助光源发出的曝光光线通过孔径光阑4、第一中继透镜5、投影类型的模板遮光物6、第二中继透镜7、以及主聚光透镜8前进，并且以均匀的照度照射在模板9上。投影类型的模板遮光物6以及模板9的带有图案的表面被设置成彼此共轭，从而投影类型的模板遮光物6限定了模板9上的照射区域。模板9的图案通过投影光学系统10投射在感光材料(晶片)W上。

要用于测量模式的孔径光阑4被设置成为通过切换机制4a的装置而使得图10中所示的孔径光阑4c和4d可以互换使用。或者，通过提供可变的孔径光阑，从而孔径4p可以被限定在任意位置和具有任意尺寸。

在模板9的承载图案的表面上由曝光光线照射而形成的测试图案15的影像被成像在构成检测系统11的板11a上，例如图11所示。板11a安装在晶片台12上。蝇眼透镜3的后聚焦表面3b大致与投影光学系统10的光瞳表面10a共轭。板11a中形成有狭缝11b，穿过狭缝11b的光线由光接收器11c所接收，由此它被检测到(光电转换)。检测系统11(检测单元)包括板11a、狭缝11b以及光接收器11c，它全部安装在晶片台12上。晶片台12包括用于将检测系统11定位在与投影光学系统10的光轴10b垂直的平面内的任意位置处的X-Y台12a、以及可以沿着与投影光学系统10的光轴10b平行的方向上下移动的Z台12b，由此设定检测器11的焦点位置。

在该实施方案中，有一个自动聚焦系统13，用于检测检测系统11(板11a)的焦点位置。该自动聚焦系统13包括光发送系统13a，用于将类似狭缝的光图案影像例如关于投影光学系统10的光轴10b倾斜地投射在板11a的顶表面上，还包括光接收系统13b，用于接收来自板11a的顶表面的反射光，以对类似光狭缝的光图案影像进行再成像。

如果板11a的顶表面的焦点位置(沿着光轴10b方向的位置)发生变化，在光接收系统13b中，当再成像在光接收表面上时，类似狭缝的光图案的影像的位置发生变化。因此通过检测类似狭缝的光图案的成像位置，可以检测焦点位置中的任何变化。

光接收系统具有光电检测器13c，以产生根据当再成像时类似狭缝的光图案的位置而变化的焦点信号。控制系统13d驱动晶片台12的Z台12b，从而来自光电检测器13c的焦点信号保持在预定水平。由此，板11a的顶表面的焦点位置可以保持在预定位置(投影光学系统的像平面位置)，或者它可以从该位置移动。

来自光电检测器13c的焦点信号基本线性地发生变化，板11a的顶表面的焦点位置在预定范围(沿光轴10b方向的预定范围)内发生变化。因此，相反，可以从焦点信号水平中的变化来检测焦点位置的变化。另外，晶片台12的Z台12b采用了高度传感器(未显示)，用于检测Z台12b相对于投影光学系统10的光轴10b方向的位置。

14表示离轴晶片对准系统。该晶片对准系统14检测在晶片W的各目标区附近形成的对准标记。在这种情况下，通过提前检测光轴10b和晶片对准系统14的检测中心14b之间的空白，也就是所谓的基线条长度BD，可以根据晶片对准系统14所测量的对准标记位置来进行晶片11的每个目标区的准确对准。另外，晶片对准系统14可以有效用来检测各种标记。

在模板9的承载图案的表面(底表面)上形成的是测试图案15。关于该测试图案15，利用图12所示的图案或者例如图13所示的图案。在图12和13中，测试图案15的开口15a是要由图9所示的设备的投影透镜10所分辨的图案。围绕着开口15a或者在其相对两侧形成的周期性开口15b是不能被投影透镜10所分辨的图案。

以下是采用具有测试图案15的模板9，用于投影曝光设备的投影透镜10的最佳焦点测量方法。

由图10所示的孔径光阑4限定的第一照射光从预定方向投射至测试图案15，测试图案15的影像通过投影光学系统10投射在晶片台12上所安装的板11a上。通过沿着与光轴方向正交的平面(X和Y方向)并且沿着与前述第一照射光的入射平面平行的方向移动晶片台12，对板11a上设置的狭缝图案11b进行扫描。利用光接收器11c例如光强度检测器或者光量检测器来检测穿过该狭缝图案的光。然后，根据在当时获得的与光轴方向正交的平面(X和Y方向)内的晶片台12的各位置(X，Y)，以及根据在这些位置处与光强度或者光量对应的检测信号(图14)，计算成像在板11a上的测试图案的影像的中央位置。

然后，沿着Z方向移动平台12b，孔径光阑14c与孔径光阑14b互换。然后将第二照射光投射在测试图案15上，该第二照射光的主光线具有与第一照射光同样的倾斜角，但是其入射方向与第一照射光对称。由此，将测试图案15的影像通过投影光学系统10投射在晶片台12上所安装的板11a上。通过沿着与光轴方向正交的平面(X和Y方向)并且沿着与前述第二照射光的入射平面平行的方向移动晶片台12，对板11a上设置的狭缝图案11b进行扫描。利用光接收器11c例如光强度检测器或者光量检测器来检测穿过该狭缝图案的光。然后，根据在当时获得的与光轴方向正交的平面(X和Y方向)内的晶片台12的各位置(X，Y)，以及根据在这些位置处与光强度或者光量对应的检测信号(图14)，计算成像在板11a上的测试图案的影像的中央位置。

通过提供计算测试图案15的影像在每个不同Z位置处的中央位置的上述方法，由于Z位置(焦点)和测试图案影像的所计算的中央位置(横向偏移的移位量)之间的关系大致为线性，可以关于Z位置和根据利用上述两个不同的照射光所提供的测试图案影像所计算的测试图案影像的中央位置之间的每个关系进行线性近似。而且，可以自动检测如此获得的两个直线彼此相交的Z位置，以作为最佳焦点位置。另外上述结果可以反馈给曝光设备，由此可以获得焦点位置的自动校正。另外，由于测试图案15的空间影像的光图案足够大至几微米，代替需要上述平台扫描的光强度检测器或者光量检测器的是，可以直接在成像平面处设定CCD或线性传感器的光接收表面以接收空间影像，而不需要在该平台中引入放大光学系统。通过检测该空间影像的中央位置，可以计算最佳焦点位置。

另外，所述的测试图案15可以在具有距离光轴为不同高度(影像高度)的多个位置处在一个和同样的模板上形成。可以根据前述工艺针对不同的影像高度来进行测试图案的曝光，并且对于每个影像高度，可以检测最佳焦点位置。这样可以测量像平面(场曲率)。另外，孔径光阑4c和4d的开口方向可以旋转90度，并可以进行类似的测量。这样可以测量象散(象散像差)。通过启动在投影光学系统10中设置的校正光学系统，可以进行例如上述的各种像差的自动校正。通过在该设备的信号处理系统(未显示)中进行检测数据的测量并且通过将结果反馈给校正光学系统驱动机构(未显示)，可以进行这种自动校正。

以下，描述本发明的实施方案3。

与实施方案2相比，实施方案3的区别之处仅在于测试图案的图案形状。其余部分具有与实施方案2同样的结果。

在实施方案3中，对由测试图案转移到感光基底(晶片)W上的结果计算最佳焦点的特定实施例进行描述。

为了检测测试图案影像的横向偏移的位移量，应当检测两个图案之间的距离。所使用的图案与实施方案1的不同，测量叠置的标记之间的位置偏移。图15和16表示两种类型的测试图案的图案示例，它们用于该实施方案。在图15的测试图案151中所示的沿着四个方向的直线以及在图16中的测试图案152中所示的沿着四个方向的直线被设计为具有同样的线条宽。而且，关于所使用的掩膜，使用没有相差的所谓双态掩膜(binary mask)。但是可以使用具有相差的掩膜。图17表示沿着图15和16的每个测试图案的线条宽方向的尺寸和截面视图。图中所示的尺寸(mm)都是就在成像侧(感光基底W侧)转换后而言的。

图18表示图17的图案的物光谱(实线条)和其中图2内的图案宽度C被设定为2微米的图案的物光谱(虚线条)之间的比较。可以看出，在应当进行优化的数值孔径(NA)区域Na1-Nah，图17的图案的振幅被抑制为一个小数值。所使用的投影透镜的数值孔径(NA)是0.73，每个照射光的倾斜入射的入射角σp是0.7，对应于照射光的开口角度的σ的大小是0.1。

通过使用孔径光阑4c，用图案151和152对感光基底进行曝光。然后，移动晶片台，从而图案151和152的影像彼此叠置。然后用孔径光阑4d与孔径光阑4c交换，通过使用孔径光阑4d，用图案151和152对感光基底进行曝光。随后，通过使用测量工具，测量曝光后的图案151和152的影像之间的相对位置偏移。此处，如果限定图案影像的移位对于最佳焦点位置是0，则焦点偏移可以用图案影像之间的位置偏移来表示。

图19表示这种测量的模拟结果。曲线22表示实施方案3的利用图案151和152的测量结果。由于它显示了与利用上述光瞳滤光器的结果(曲线21)基本相同的直线度，因此已经证实了其有益效果。更具体的说，实施方案3的测试图案包括例如图12、12、15或16所示的图案，并且它包括用于使得在光学系统(投影透镜)的光瞳平面上产生的衍射图案彼此抵消以减少高频分量的图案。也就是，在光学系统的光瞳平面上，该测试图案也设有开口Ma，以及在与开口Ma的边界处的周期性开口Mb1、Mb2……(见图2)，用于产生与开口Ma不同的周期性分量。因此，该测试图案，也就是，测试图案TP，用于基本只将零阶光通过投影光学系统的光瞳平面射向像平面。为此，即使投影的影像是散焦的，并且该光学系统具有波前像差，但是在投射的影像中不产生非对称畸变。

根据上述这些实施方案，即使倾斜地照射测试图案，也可以测量最佳焦点、象散像差和场曲率而不受投影光学系统的影响。另外，可以针对要测量的各种图案尺寸或者曝光设备的投影透镜的各种数值孔径(NA)来优化其有益效果。可以进行高效和高精度的测量。

以下，根据本发明的实施方案4描述波前像差测量方法。此处，参考对用于将模板的电路图案投射在感光基底(晶片)上的投影曝光设备的投影光学系统的波前像差进行测量的情况进行描述。

在实施方案4中，对于在模板9上形成的图案或者图案组(测试图案)TP，通过照射光学系统以及模板上设置的特定光学元件来投射其主光线具有一定角度和一定方向的照射光。然后，测量测试图案影像Tpa的位置，该影像可以是将模板9的测试图案TP通过投影光学系统成像而限定的空间影像，或者可以是转移到感光基底上的影像。测试图案可以不设置在模板上，它可以在分开的参考板上形成。此处，关于要测量的空间影像或者转移到感光基底上的图案影像Tpa，可以是一个以上。因此，通过测量一个以上的空间影像或者转移的图案影像的位置，可以测量投影光学系统的波前。各空间影像或者转移的图案影像Tpa的位置依赖于模板或者参考板上的图案的位置，这些图案由来自取决于图案位置的不同方向的照射光照射。

在实施方案4中，对于在模板上形成的测试图案TP，通过照射光学系统来投射具有其入射方向沿着预定方向延伸的主光线LP的照射光。然后，测量测试图案影像Tpa的位置，该影像可以是将模板的测试图案TP通过投影光学系统成像而限定的空间影像，或者可以是转移到感光基底上的影像。随后，在改变照射光的主光线的入射方向的同时，将照射光投射在模板上的测试图案上。然后测量测试图案影像Tpa的位置，该影像可以是将模板的测试图案TP通过投影光学系统成像而限定的空间影像，或者可以是转移到感光基底上的影像。关于转移到感光基底上的每个测试图案影像Tpa的位置，在该感光基底显影之后，测量所显影的测试图案影像(抗蚀剂图案)Tpa的位置。

根据关于测试图案TP的空间影像的位置或者其显影的图案影像的位置的测量结果，测量在投影光学系统的光瞳平面10a上的波前像差。

该实施方案的测试图案TP包括周期性图案(线条和空白图案)，其中线条的或者空白的节距(周期)基本是均匀的。另外，光线可以穿过的空白的各自的宽度沿着从在周期性图案的中心处的线条或空白图案朝着在该周期性图案的外周处的线条或空白图案的方向是降低的。在该图案由投影透镜成像时获得的图案影像的光强度分布中，相邻的线条是不可分辨的，而且，它可以被认为是具有小畸变的单个大图案(影像)。

在该实施方案中，测量该空间影像或者转移到感光基底上的图案影像的位置，作为距离一定参考位置的位置偏移量。然后检测于与位置偏移量对应的波前倾斜，据此，检测波前像差。

更详细的说，实施方案4采用具有上述结构的测试图案。根据由倾斜入射的照射所照射的测试图案影像的位置偏移量以及投射在测试图案上的照射光的主光线的投射方向(入射角和方位角)，能以良好的精确度检测与该投射方向相对应的一定位置处、在投影透镜的光瞳坐标上的波前倾斜。据此，检测波前像差。

以下，描述要在投影光学系统的光瞳平面上形成的测试图案的物光谱，其中利用本发明的测试图案来测量投影光学系统的波前像差。如果考虑测量的分辨率，要获得的光瞳平面上的物光谱影像理想地是应当具有如δ函数的形状。但是应当指出，仅有如δ函数的峰，不产生测试图案的影像。实际上，考虑到投影透镜的数值孔径NA是0.6至0.8的数量级，它可以是如具有容纳在光瞳平面上0.1的数值孔径(NA)内的形状的物光谱ω，例如图22所示。

以下考虑用于这种物光谱的部分。当投影透镜的数值孔径NA是0.7，而物光谱的中心取作0时，则物光谱的形状足以保持在-1.4＜NA＜+1.4的部分中。

考虑到这一点，以下将描述是否可以设计出仅基于下面将要描述的模板图案(测试图案)而不使用小孔就能满足上述条件的图案。要采用的测量方法是前述的倾斜入射照射方法。

图23表示包括线条和空白的一维重复图案的光强度分布，其中每个线条和每个空白的宽度是a，其中线条宽度和空白宽度的关系是1∶1。如果图23所示的矩形函数是g(x)，则投影光学系统的光瞳平面上的物光谱形状足以被认为仅与G(f)相关。此处，G(f)可以近似表达如下。

G(f)＝2a2C·sinc(af)·III(2af)*sinc(cf)      (2)

III：剪切函数

*：卷积积分

C：图案长度(图案的长度)

在上述公式(2)中，随着C(常数)无限增大，sinc(cf)变为δ(f)函数。然后，G(f)表达如下：

G(f)＝2a2c·sinc(af)·III(2af)               (3)

从上述公式，在图24所示的周期1/2(a)处，G(f)变为振幅仅有f＝n/(2a)(n是整数)的物光谱。图24表示在光瞳平面上的物光谱。因此，通过选择满足NA＝1/2aλ≥1.6(λ是曝光光谱)的线条和空白宽度a，可以在光瞳平面上获得理想的光谱。但是，对于光瞳平面上的物光谱例如图25所示的，使c具有足够的尺寸以避免0＜f＜1/(2a)的空间频率部分f中的振幅、也就是抑制高阶分量是不切实际的，当从可以被认为是同样影像高度的区域(等晕块，isoplanatic patch)的观点考虑，或者就要被测量的图案的尺寸或者目前能得到的位置偏移测量工具的规格或者精度而言时，尤其是这样。考虑到这一点，需要能确保抑制高阶分量而不使c大的条件。

以下，考虑具有例如图26所示的光强度分布的图案。其与图23所示的图案的不同之处在于，尽管线条的节距b是均匀的(恒定的)，但是线条的宽度a的变化有一定的自由度。图26所示的矩形函数的傅立叶变换可以表示如下：

G(f)＝a0·sinc(a0f)+2∑i＝1  i＝n ai·sinc(aif)cos(2πibf)(4)

2n：线条的数量

b：节距(空白)

a0、a1、a2：线条宽

此处，考虑∑ipi·cos(if)的傅立叶级数。该傅立叶级数收敛如下：

i＝∞

∑pi·cos(if)＝{p·cos(f)-p2}/{1-2p·cos(f)+

i＝1

p2}   (其中|p|＜1)                    (5)

在实施方案4中，以上述公式(5)的曲线形状作为目标设计测试图案。因此，当公式(5)用于公式(4)时，从公式的展开，可以获得要设计的测试图案和要由此产生的物光谱之间的关系。此处，所产生的变量是α和p，它们是用于将前述图案与物光谱彼此相关的中间变量(中介)。当将p(0＜p＜1)保持为接近1的数值的同时设计图案的时候，物光谱变陡，可以进行更高精度的测量。但是，利用p的n次幂，由于p接近1，就实际的图案长度C而言，要获得的物光谱不近似于公式(7)，即目标。考虑到这一点，实际上，舍弃p，采用近似于p的n次幂并且快速接近0的公式(9)来设计。在这种意义上，n越大表示公式(9)接近于公式(8)中的p变为接近1的状态，因此，可由此获得更陡的光谱。

对公式(5)绘制的曲线图如图27所示。可以看出，图27的曲线的形状中，峰之间的对f的振幅涉及大致恒定地偏离，它们是接近没有不规则性的理想光谱的曲线。而且，从图中可以看出，由于即使在n的数值不大的阶段处要接近收敛，因此可以说，即使整个图案的图案长度c小，但是可以充分抑制高阶分量。考虑到这一点，设定

ai·sinc(aif)～αpi

a0·sinc(a0f)～2αp2/(1+p2)              (6)

从公式(6)，左手侧是f关于i的函数，而右手侧是常数。公式(6)仅适用于特定的f。此处，将解释f的有效范围。应当进行上述近似的f区在峰之间，并且|f|＜1/b。由于ai＜b保持在这个范围内，因此ai·sinc(aif)是单调下降函数。而且，如果ai足够小于b，则ai·sinc(aif)变为基本恒定，并且它可以被认为是恒定的。从上面可以看出，如果利用公式(6)重新写公式(4)，它在|f|＜1/b的范围内并且当n→∞时为下式：

G(f)→2αp2/(1+p2)+2α{p·cos(2πbf)-p2}

/{1-2p·cos(2πbf)+p2}                      (7)

其中利用适当的α和p对公式(7)画图，结果例如图28所示。图28表示在光瞳平面上的物光谱。

随后，实际确定ai。从上述设定中，

ai＝αpi

a0＝2αp2/(1+p2)                      (8)

通过适度地选择α和p的值，确定ai。但是，根据给出的p，物光谱的形状发生变化。图7显示了这一点。如果p为0＜p＜1，物光谱的峰变为更陡，如果p接近1，则可以进行更高分辨率的测量。而且，由于α对物光谱的S/N无效，因此理想的是使得其尽可能大以保持光量。

由于公式(7)在n→∞时适用，因此如果p接近1，则αpn无疑接近0，公式(7)是不可达到的。图29的曲线表示，随着图案的线条的数量的增加，高阶分量的振幅被抑制为一个小的数值。从图29中的曲线可以看出，为了使得αpn在某种程度上接近于0，对整个图案需要相当长的c。考虑到这一点，实际上，可以利用一个函数，利用该函数，可以保持为接近公式(8)的条件的适当图案长度c。

例如，如果整个图案的长度应当保持为c0，则从要被测量的投影透镜的数值孔径NA0，确定在上述图案内的空白的周期b0(＜2NA0/λ)。然后，从b0·n＝c0，确定空白的数量，即2n+1。当公式(8)中的ai＝αpi取为

ai＝α(1-i/(n+1))                           (9)

时，也就是作为线性递减级数，则可以便于收敛。此处，a0被确定为使得峰间隙(|f|＜1/b0)的平均值变为等于0。图30表示当p＝0.197和n＝21时公式(8)和公式(9)之间的比较。而且，图31表示利用由此产生的图案的傅立叶变换。从该图中可以看出公式(9)更好。

本申请中披露的波前像差的测量方法采用的测试图案被根据上述想法设计为使得要在投影光学系统的光瞳平面上产生的物光谱的形状被优化。由此，基本只有零阶光可以穿过光瞳平面射向像平面，而不象在Hartman方法中一样使用光瞳平面上的或者在成像系统中的任意其它位置处的小孔，从而确保了波前像差的高精度测量。

以下对波前像差测量方法进行描述，其中实际使用这种测试图案和倾斜入射照射。

参考图9、11和33，解释根据本发明的波前像差测量方法的实施方案。该实施方案涉及这样一种情况，其中在投影曝光设备中，测量其投影光学系统的波前像差。

该实施方案不仅适用于具有采用透镜的投影光学系统的投影曝光设备，而且适用于具有采用反射镜或者结合采用透镜和反射镜的投影光学系统的各种投影曝光设备。

图9中所示的投影曝光设备具有参考前述实施方案已经描述的结构和功能。而且，图11所示的检测系统安装在晶片台12上，用于检测测试图案的影像的位置，如在前面的实施方案中所描述的。

图32是用于解释测试图案的倾斜入射照射方式的透视图，用于测量图9中的投影曝光设备的投影光学系统的波前像差。

在图32中，通过驱动系统4a(图9)驱动孔径光阑4，从而如图33所示，例如，其开口4b的位置可以沿着X和Y方向自由变化。利用这种设置，模板入射角或者照射光的主光线的方向可以自由变化。因此，在投影透镜10的整个光瞳平面上，可以将照射光的主光线集中在正要进行测量的理想位置上。而且，孔径光阑4具有可变的孔径直径。

图34表示用于该实施方案的测试图案TP的细节。图34的测试图案已经根据前述想法针对设计波长248nm和0.7的数值孔径(NA)的投影透镜进行了优化。要使用的测试图案具有例如图35或36所示的一般结构。

由图33所示的孔径光阑4限定的第一照射光从预定方向投射至测试图案TP，测试图案TP的影像通过投影光学系统10投射在晶片台12上所安装的板11a上。通过沿着与光轴方向正交的平面(X和Y方向)并且沿着与前述第一照射光的入射平面平行的方向移动晶片台12，对板11a上设置的狭缝图案11b进行扫描。利用光接收器11c例如光强度检测器或者光量检测器来检测穿过该狭缝图案的光。然后，根据在当时获得的与光轴方向正交的平面(X和Y方向)内的晶片台12的各位置(X，Y)，以及根据在这些位置处与光强度或者光量对应的检测信号(图14)，计算成像在板11a上的测试图案的影像Tpa的中央位置。

然后，将孔径光阑4的孔径4b的位置移动到另一个位置。在这种状态下，通过与第一照射光类似的过程、但是不改变沿着Z方向的位置，利用来自与第一照射光不同方向的光照射该测试图案TP。然后计算测试图案的影像Tpa在与光轴方向正交的X-Y平面上的中央位置。另外，重复孔径4b位置的移位和图案影像的中央位置的计算，直至覆盖投影透镜10的整个光瞳平面10。

由于在该实施方案中测试图案15的空间影像的光图案也足够大至几微米，代替需要上述平台扫描的光强度检测器或者光量检测器的是，可以直接在成像平面处设定CCD或线性传感器的光接收表面以接收空间影像，而不需要在该平台中引入放大光学系统。通过检测该空间影像的中央位置，可以计算最佳焦点位置。

如此获得的测试图案影像Tpa的位置信息(位置偏移信息)带有在与投影透镜10的光瞳平面上各位置对应的位置处的波前的倾斜。用于根据波前在光瞳平面内各位置处的倾斜产生作为整体的波前形状的计算方法是在文献等中讨论过的传统方法，例如H.Takajo和T.Takahashi的“Least-squares phase estimation from the phasedifference”。因此在这种情况下，通过利用测试图案影像Tpa的多个位置信息，产生投影透镜10的波前。应当指出，如果进行Zernike多项式近似处理，可以就在每个项处的Zernike系数来表达波前像差。

实际上，进行模拟，并通过Zernike多项式给出一定的波前。另一方面，在使用测试图案TP的同时，计算从某些方向进行的倾斜入射照射所形成的图案影像Tpa的位置偏移。通过如下简单的计算操作，计算Zernike系数。然后检查计算结果和通过上述Zernike多项式设定的Zernike系数之间的一致程度。

如上述Zernike多项式所设定的波前是C6(0.05λ)、C7(0.05λ)、C8(0.02λ)和C9(0.03λ)。此处Cn(n＝6-9)表示Zernike多项式(如关于r＝1而标准化，其中r是光瞳极坐标的半径，并且0≤r≤1)第n项的系数。投影透镜的数值孔径(NA)是0.7，倾斜入射照射的入射角r和方位角θ是r＝0.07和0.9，θ＝0、π/2、π和3π/2，因此总共9个条件。在这些条件下的位置偏移表示为dx1，…，和dx9和dy1，…，和dy9。当在这些照射条件下照射时，在每个光瞳坐标位置处的波长的倾斜可以用沿着X和Y方向的每个Zernike项中的和来表示，同时使用如下参数变换：

$\∂W/\∂x=4r\cos \mathrm{\θ}\·C4+2r\sin \mathrm{\θ}\·C6+\{6r2\cos 2\mathrm{\θ}$

$+3r2-2\}\·C7+6r2\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\θ}\·C8+12r\cos \mathrm{\θ}\·\{2r2-1\}\·C9$

其中W是波前像差

类似的，

$\∂W/\∂y=4r\sin \mathrm{\θ}\·C4+2r\cos \mathrm{\θ}\·C6+6r\sin \mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\θ}\·C7+\{6r2\sin 2\mathrm{\θ}$

$+3r2-2\}\·C8+12r\sin \mathrm{\θ}\·\{2\mathrm{rr}2-1\}\·C9$

根据上述公式，准备如下矩阵公式，并计算各Cn系数。

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{dx}1\\ \mathrm{dx}2\\ .\\ .\\ \mathrm{dx}9\\ \mathrm{dy}1\\ \mathrm{dy}2\\ .\\ .\\ \mathrm{dy}9\end{array}\right]=\mathrm{\λ}/\mathrm{NA}\·\left[\begin{array}{ccccc}p41& p61& p71& p81& p91\\ p42& p62& p72& p82& p92\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ p49& p69& p79& p89& p99\\ q41& q61& q71& q81& q91\\ q42& q62& q72& q82& q92\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ q49& q69& q79& q89& q99\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{C}_4\\ C_6\\ C_7\\ C_8\\ C_9\end{array}\right]$

此处dxj和dyj是与倾斜入射照射的入射角和方位角j对应的光瞳平面上的位置偏移，pij和qij是各Zernike项的精细系数( fine coefficient)，NA是投影透镜的数值孔径，λ是波长。结果如下。

表1

计算结果

	设定透镜波前(λ)	本发明NA 0.64	本发明NA 0.73	光瞳滤光器NA 0.73
					C6系数C7系数C8系数C9系数	0.050.050.020.03	0.0500.0470.0190.028	0.0500.0500.0170.029	0.0500.0500.0200.030

从上表可以看出，该测量方法对于检测Zernike系数(透镜像差)具有足够的测量精度。另外，在该测量方法中，如果光瞳平面上测量点的数量(也就是倾斜入射照射的数量)加大，则精度会更加改进或者可以测量更高阶的像差。相反，如果选择光瞳平面上测量点(倾斜入射照射)，同时特别注意正要获得的Zernike系数，则可以以更高的处理量测量所需的像差。这能有效用于曝光设备中投影光学系统的像差自动校正。

另外，可以在模板9的多个位置处设置多个测试图案。在这种情况下，根据上述程序，可以进行这些图案的曝光，并且可以测量在不同影像高度处的波前像差。因此，通过启动投影光学系统10中的校正光学系统，可以实现投影光学系统的自动像差校正。

以下，描述本发明的实施方案5。该实施方案5将参考将测试图案TP转移到感光基底(晶片)W上并且测量波前像差的具体示例来描述。要使用的测试图案19a与实施方案4的不同，它包括标记20a，当其与标记21a(参考图案)叠置时可以从图37中看出。关于标记20a的每个格栅TPX，测量这些标记之间的位置偏移。图38表示包括标记20a的标记组19a，而图39表示包括标记21a的标记组19b。

在图38中，每个格栅TPX具有图34(A)或34(B)所示的图案。图38的栅线条(格栅)被设计为具有同样的线条宽，该线条宽与图35或图36的相同。

关于图39的每个标记21a的线条宽，没有特别的限制。当考虑用于测量标记21a和21b的转移图案的测量工具的图案依赖性时，在标记21a的转移影像(转移到感光基底上)显影之后要限定的线条宽应当优选大致与图38的格栅宽度一样。此处每个标记21a的线条宽是2微米。

设置在图38所示的标记组19a(测试图案)的上玻璃表面上的是小孔21，它设置在与图40所示的标记组的中央位置相一致的位置上。该小孔21用于：与标记TPX在下玻璃表面上的每处布置(位置)相关，对照射光的主光线的倾斜进行限制。不必如实施方案4一样对照射系统的孔径光阑4的孔径4b的位置进行移位。当对模板9进行大σ照射时，可以用来自不同方向的照射光同时照射标记TPX，这些标记同一批转移到感光基底上。

此处，如果要从照射系统提供的大σ照射光的入射角不大于σ1.0、并且其中照射光的入射角σ不小于1.0是测量所必须的，如图40所示，则可以在小孔21上设置凸透镜22来更多地收集照射光。在这种情况下，作为投影透镜10的整体的光瞳平面10a可以被覆盖。另外，在图40中，由于标记组19b的每个标记21a用作参考，则在其上表面上没有小孔或凸透镜。应当指出，图40所示的光线表示在照射在标记组19b中的多个照射光中具有最大入射角的光。

以下描述利用图40的模板9的测试图案的曝光顺序。标记20a和21a在普通照射条件(σ＞0.7)下进行曝光。随后，移动晶片台12，从而标记20a和21a彼此叠置，这些标记在普通照射条件下进行类似曝光。然后显影感光基底，其后，关于每个格栅，使用测量工具来测量如此转移的标记20a和21a之间的相对位置偏移。通过对如此获得的多个位置偏移进行计算处理，产生波前。关于该波前，进行例如Zernike多项式的近似。然后，计算Zernike项的系数，并且检测波前像差。

上述测试图案(20a、19a、21a、19b)可以在一个以及同一个模板或者分开的模板上的多个位置处设置。在这种情况下，该程序包括可以按照上述方式进行的曝光、测量和计算，可以测量不同影像高度的波前像差。

工业实用性

根据上述各实施方案，采用倾斜入射照射以及优化的测试图案，由此可以完成高精度的波前像差测量，而不使用投影透镜中的小孔。对于要测量的各种图案尺寸或者曝光设备的投影透镜的各种数值孔径(NA)，可以优化有益效果。因此可以进行高效和高精度的测量。

另外，当波前像差的测量结果反馈给曝光设备的校正系统时，可以获得用于自动像差校正的曝光设备或者优化用于实际设备的像差设定。

Claims (28)

1.一种具有测试图案的模板，用于测量投影光学系统的光学特征，其特征在于，所述测试图案具有能有效减少或者抑制在所述投影光学系统光瞳平面处的光谱的高频分量的图案，其中，所述测试图案具有多个线条和多个空白，其产生的多束衍射光在光瞳平面处彼此部分抵消，由此减少或者抑制高频分量。

2.如权利要求1所述的模板，其特征在于，所述测试图案具有开口，用于在所述投影光学系统的光瞳平面处产生预定的周期性分量，在所述开口的相对两侧形成周期性的开口，用于在所述投影光学系统的光瞳平面处产生与所述周期性分量不同的周期性分量。

3.如权利要求1所述的模板，其特征在于所述投影光学系统具有波前像差，所述测试图案所具有的形状使得即使所述测试图案通过所述投影光学系统形成的影像是散焦的，但是基本不产生非对称影像畸变。

4.如权利要求1所述的模板，其特征在于该光学特征是最佳焦点位置、象散像差以及场曲率中的一种或者多种。

5.如权利要求1所述的模板，其特征在于，所述测试图案的所述多个线条和多个空白被配置为使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

6.如权利要求1所述的模板，其特征在于，在所述多个线条和多个空白的重复方向从中央到周边，线条的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小。

7.如权利要求6所述的模板，其特征在于线条和空白包括的图案使得相邻的线条在所述测量的时候不能被所述投影光学系统所分辨。

8.如权利要求1所述的模板，其特征在于，在多个线条和多个空白的重复方向从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小。

9.一种光学特征测量方法，其特征在于，通过在如权利要求1-8任一项的模板的测试图案上投射照射光，并通过检测由此形成的测试图案的影像的位置，测量该投影光学系统的光学特征。

10.如权利要求9的光学特征测量方法，其特征在于，当所述投影光学系统的数值孔径是NA，投射的照射光的主光线的入射角是σp(0≤σp≤1)时，针对与照射光的主光线的入射方向正交的所述测试图案的物光谱G(f)形成所述测试图案，从而在是[(1-2σp)·NA/λ至NA/λ]的区f中消除G(f)的振幅。

11.如权利要求9所述的光学特征测量方法，其特征在于，通过从一个方向或者多个方向在所述测试图案上投射照射光，并通过分别检测根据沿多个方向投射而形成的测试图案的影像的位置，测量该投影光学系统的光学特征。

12.如权利要求11的光学特征测量方法，其特征在于所述多个方向包括彼此关于包括光轴的预定平面对称的两个方向。

13.如权利要求9所述的光学特征测量方法，其特征在于：

所述模板还具有具有开口的挡光部件；

通过所述开口从倾斜的方向将所述照射光投射在所述测试图案上，由此通过所述投影光学系统形成该图案的影像。

14.如权利要求13的测量方法，其特征在于该模板具有设置在所述开口上的凸透镜。

15.如权利要求13的测量方法，其特征在于在该图案具有的多个线条和多个空白中，在其重复方向以及从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨。

16.如权利要求13的测量方法，其特征在于所述多个影像的各个位置的检测包括光电转换所述图案的空间影像的步骤。

17.如权利要求13的测量方法，其特征在于所述多个影像的各个位置的检测包括将感光基底曝光于所述图案的影像的步骤，以及显影该感光基底的步骤。

18.一种投影曝光设备，其特征在于具有用于根据权利要求9中所述的光学特征测量方法测量投影光学系统的光学特征的模式，并具有在有测试图案的模板提供给该设备的时候用于在测试图案上投射照射光的照射系统。

19.一种器件制造方法，其特征在于将用于器件制造的模板提供给如权利要求18所述的投影曝光设备，并将模板上的图案转移到基底上。

20.一种波前像差测量方法，用于测量投影光学系统的波前像差，其特征在于：

提供一种具有至少一个测试图案的模板，同时提供一种具有开口的部件；

通过所述开口从不同的方向将光通量投射在所述多个图案上，由此通过所述投影光学系统形成该多个图案的影像；以及

检测图案影像的各自位置，利用检测结果，检测所述投影光学系统的波前像差，

其中，每一个测试图案具有多个线条和多个空白，用于使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

21.如权利要求20所述的波前像差测量方法，其特征在于：在所述线条和空白的重复方向从中央到周边，线条的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨。

22.如权利要求20所述的波前像差测量方法，其特征在于：在所述线条和空白的重复方向从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨。

23.如权利要求20的测量方法，其特征在于具有所述开口的部件设置在模板上。

24.如权利要求20的测量方法，其特征在于该模板具有设置在所述开口上的凸透镜。

25.如权利要求20的测量方法，其特征在于在该图案具有的多个线条和多个空白中，在其重复方向以及从中央到周边，空白的节距基本是恒定的，而空白的宽度逐渐减小，并且相邻的线条不能被所述投影光学系统所分辨。

26.如权利要求21或22的测量方法，其特征在于该图案具有多个线条和多个空白，用于使得基本只有零阶光射向所述投影光学系统的像平面。

27.如权利要求20-22任一项的测量方法，其特征在于所述多个影像的各个位置的检测包括光电转换所述图案的空间影像的步骤。

28.如权利要求20-22任一项的测量方法，其特征在于所述多个影像的各个位置的检测包括将感光基底曝光于所述图案的影像的步骤，以及显影该感光基底的步骤。

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