JP2000019012A

JP2000019012A - 照明系輝度分布計測装置

Info

Publication number: JP2000019012A
Application number: JP10204429A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ozawa; 稔彦小澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系の射出瞳面上の照明系輝度分布を、
高精度に、効率良く測定できる照明系輝度分布計測装置
を提供する。【解決手段】光源１から発せられた光束をマスクパター
ン２１に導く照明光学系２〜１４ｂと、マスクパターン
２１の像を感光性基板Ｗ上の感光面に形成する投影光学
系２２とを備えた投影露光装置の照明光学系２〜１４ｂ
の輝度分布を測定する照明系輝度分布計測装置におい
て、集光光学系２４ａ、２４ｂ、２４ｃと撮像素子２５
とを備え、集光光学系２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、その
前側焦点位置が感光性基板Ｗ上の感光面の位置に配置さ
れ、撮像素子２５は、結像光学素子２４ａ、２４ｂ、２
４ｃの後側焦点位置に配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体や液晶ディ
スプレー等の回路の製造に用いる投影露光装置における
照明光学系の輝度分布を測定する照明系輝度分布計測装
置に関し、特に、投影光学系の射出瞳面上での照明光学
系の輝度分布を測定する照明系輝度分布計測装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】投影露光装置の照明系輝度分布を把握す
ることは、以下の点で重要な意味をもつ。１）照明光学系の精密な評価が可能となる。２）波面収差測定機や結像シミュレーション等による測
定データと組合せることで、極めて正確な結像シミュレ
ーションが可能となる。これによって、照明光学系と投
影光学系を合わせた投影露光装置としての収差を最適化
できる。特に、後者を達成するためには、投影光学系の射出瞳面
上での輝度分布を把握しなければならない。

【０００３】輝度分布を測定する方法としては、以下の
方法が考えられる。１つは、感熱紙を用いる方法であ
る。すなわち、感熱紙を、投影光学系の瞳の付近や、照
明光学系の光源像の付近等に配置して、照明光束の入射
によって感熱紙上に形成される濃淡より輝度分布を把握
していく方法である。もう１つは、円筒状の照度計を用
いる方法である。すなわち、照度計をレチクル面近傍に
配置して、任意の方向に傾け、その方向から入射する照
明光束を取り込み、それ以外の斜入射成分の照明光束を
カットすることによって、輝度分布を把握していく方法
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の輝度分布測定方
法のうち感熱紙による方法は、測定精度が非常に低く
て、高精度の投影露光装置における測定には不適切であ
った。また、この方法では、最終的に投影光学系の射出
瞳面に達する照明光の輝度分布を測定していなかった。
すなわち、投影光学系の収差を含んだ照明光の輝度分布
を測定していなかった。したがって、感熱紙の代わり
に、高精度の撮像素子を用いたとしても、投影光学系の
射出瞳面上での輝度分布を充分に把握することができな
かった。

【０００５】また、照度計による方法においても、レチ
クル面上の照度分布は測定できるが、その作業効率は非
常に悪かった。更に、感熱紙による方法と同様に、投影
光学系の像面に達する照明光の輝度分布を測定していな
かった。ここで、照度計をウエハ面近傍に配置すれば、
射出瞳面上の輝度分布を測定することができる。ところ
が、ウエハ近傍において、照度計を設置して、測定する
充分なスペースを確保することは難しい。更に、レチク
ル面近傍に配置した場合と同様、測定に係る作業効率が
非常に悪い。したがって本発明は、投影光学系の射出瞳
面上の照明系輝度分布を、高精度に、効率良く測定でき
る照明系輝度分布計測装置を提供することを課題とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、すなわち、添付図面に
付した符号をカッコ内に付記すると、本発明は、光源
（１）から発せられた光束をマスクパターン（２１）に
導く照明光学系（２〜１４ｂ）と、マスクパターン（２
１）の像を感光性基板（Ｗ）上の感光面に形成する投影
光学系（２２）とを備えた投影露光装置の照明光学系
（２〜１４ｂ）の輝度分布を測定する照明系輝度分布計
測装置において、集光光学系（２４ａ、２４ｂ、２４
ｃ）と撮像素子（２５）とを備え、集光光学系（２４
ａ、２４ｂ、２４ｃ）は、その前側焦点位置が感光性基
板（Ｗ）上の感光面の位置に配置され、撮像素子（２
５）は、集光光学系（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の後側
焦点位置に配置されたことを特徴とする照明系輝度分布
計測装置である。

【０００７】以上の構成により、投影光学系の射出瞳面
上の照明系輝度分布を撮像素子上にて測定することがで
きる。図４にて、輝度分布測定に係る光束の軌道を、詳
しく説明する。実線は光軸上の光源から発した光束の光
路を示しており、破線は光軸外の光源から発した光束の
光路を示している。光源１を発した光束は、照明光学系
３０を通過して、平行光束となって、レチクルＲをケー
ラー照明する。レチクルＲを透過した光束は、投影レン
ズ前群２２ａを透過した後、投影レンズ前群２２ａの結
像作用により、瞳面Ａに光源像を形成する。瞳面Ａを通
過した光束は、投影レンズ後群２２ｂを透過して、再び
平行光束となった後、像面Ｗ０を照射する。像面Ｗ０を
透過した光束は、ｆｓｉｎθレンズ２４を透過した後、
撮像素子２５上に再び光源像を形成する。

【０００８】ここで、ｆｓｉｎθレンズ２４の焦点距離
をｆとすると、照明光束の像面Ｗ０への入射角θと、瞳
面Ａ上に形成される光源像の位置ｈとの関係は、次式の
ように表される。ｈ＝ｆｒ・ｓｉｎθ 但し、ｆｒ：投影レンズ後群２２ｂの焦点距離したがって、像面Ｗ０に配置する集光光学系として、ｆ
ｓｉｎθレンズ２４を用いれば、撮像素子２５上で測定
される照明系の光源像の輝度分布は、単に、瞳座標に比
例した座標による分布となる。この比例倍率に応じて、
撮像素子２５上の測定データを変換することで、結像シ
ミュレーション等が容易にできる。また、撮像素子２５
は、前述した感熱紙に比べて、測定精度が遥かに高い。
更に、撮像素子２５上に光源像を直接形成するので、測
定に係る作業効率も良い。このように、本発明によれ
ば、照明系輝度分布（投影系を介したときの照明系の光
源像の輝度分布）の測定を正確且つ効率良く行うことが
できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面によっ
て説明する。図１は、本発明による輝度分布計測装置を
備えた投影露光装置の第１実施例を示す。水銀灯１は、
楕円鏡２の一方の焦点位置に配置されている。水銀灯１
からの光束はミラーで反射し、楕円鏡２の他方の焦点位
置に集光され、この焦点位置にシャッター９が配置され
ている。シャッター９を通過した光束は、干渉フィルタ
１０にて使用波長以外の成分を取り除かれ、インプット
レンズ１１にて整形された後、フライアイレンズ１２に
入射し、フライアイレンズ１２の射出面の近傍に多数の
２次光源像を結像する。フライアイレンズ１２の射出面
の近傍には、照明系開口絞り１３が配置されており、本
実施例では、開口絞りレボルバ１３ａに複数種類の開口
絞り１３を取り付けて、相互に切り替えて使用できるよ
うに構成されている。照明系開口絞り１３を通過した光
束は、第１リレーレンズ１４ａを透過して、ビームスプ
リッタ１５に入射している。ビームスプリッタ１５にて
反射された一部の光束は、集光レンズ１６によって集光
されてインテグレータセンサ１７に入射している。

【００１０】ビームスプリッタ１５を透過した光束は、
開口絞り１３のフーリエ変換面に配置された投影式レチ
クルブラインド１８を通過し、更に第２リレーレンズ１
９を透過した後、ブラインド１８の共役面に配置された
レチクルＲを照明している。レチクルＲ上のパターン２
１は、投影レンズ２２によりＸウエハステージ２６上に
載置された感光性基板としてのウエハＷ上に投影され
る。ここで、レチクルＲはレチクルステージ２０に保持
され、レチクルステージ２０は不図示のレチクル駆動系
により２次元に移動可能となっている。

【００１１】また、Ｘウエハステージ２６は、Ｙウエハ
ステージ２７に保持されている。Ｘウエハステージ２６
は、不図示のＸステージ駆動系によりＸ方向に移動可能
となっていて、Ｙウエハステージ２７は、不図示のＹス
テージ駆動系によりＹ方向に移動可能となっている。Ｘ
ウエハステージ２６上には、輝度分布計測装置２３が載
置されている。そして、投影レンズ２２の射出瞳面上の
照明系輝度分布を測定するとき、Ｘステージ駆動系、Ｙ
ステージ駆動系により、投影レンズ２２の直下に、輝度
分布計測装置２３を移動する。ここで、輝度分布計測装
置２３は、Ｘウエハステージ２６に固定されている。但
し、輝度分布計測装置２３を複数用意して、Ｘウエハス
テージ２６に交換可能に配置しても良い。

【００１２】次に、図２にて、輝度分布計測装置２３の
構成を説明する。輝度分布計測装置２３のホルダー２８
の上面にはピンホールＰが設けられている。ピンホール
Ｐは、投影レンズ２２の像面Ｗ０と同じ高さに形成され
ている。ピンホールＰを透過した光束は、集光光学系と
してのｆｓｉｎθレンズ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの集光
作用を受けた後、ＣＣＤ等の撮像素子２５の受光面上に
は光源像が形成される。換言すれば、ここには、照明系
の２次光源像が再結像される。この光源像をデータ処理
することで、射出瞳面上の照明系輝度分布を把握するこ
とができる。ここで、ｆｓｉｎθレンズ２４ａ、２４
ｂ、２４ｃは、前側（投影系側）焦点位置が像面Ｗ０と
なるように配置されており、後側（撮像面側）焦点位置
に撮像素子２５が配置されている。そして、このｆｓｉ
ｎθ光学系は、撮像素子２５の大きさに応じて設計する
ことができるので、装置全体を容易に小型化することが
できる。本実施例における輝度分布計測装置２３の大き
さは、例えば、全長が２０ｍｍ、直径が１０ｍｍ程度と
なり、Ｘウエハステージ２６に、充分に取り付けること
ができる大きさである。

【００１３】ここで、輝度分布計測装置２３のピンホー
ルＰの大きさについて説明する。ピンホールＰは、充分
な分解能にて輝度分布を測定できる程度に大きいことが
好ましい。ここで、輝度分布測定に用いられる撮像素子
２５の１画素の大きさをｋ、光の波長をλ、ｆｓｉｎθ
レンズの焦点距離をＦとしたときに、前者の条件よりピ
ンホールＰの直径Ａは、次式を満たすことが良い。Ａ≧２λＦ／πｋまた、ピンホールＰは、投影レンズ２２の瞳面内照明輝
度分布がほぼ一定となる座標の範囲よりも小さくなけれ
ばならない。ここで、上述の条件より、ピンホールＰの
直径Ａは、極力小さくするべきである。このピンホール
Ｐの直径Ａの上限値をＢとすると、上式は、Ｂ≧Ａ≧２λＦ／πｋとなる。但し、上限値Ｂは、照明光学系の収差補正状況
によって定まる値である。上式に対する具体的な数値例
として、光源にＫｒＦレーザー（波長λ＝０．２４８μ
ｍ）を用いた場合を考える。ＫｒＦレーザーに対して、
充分な感度を持つ撮像素子２５の１画素あたりの大きさ
ｋは１０μｍ程度であり、Ｆ＝２０ｍｍ、更にＢ＝０．
５ｍｍとすると、ピンホールＰの直径Ａは、おおよそ、０．５ｍｍ≧Ａ≧０．３２ｍｍとなる。

【００１４】以上のように、本第１実施例によれば、輝
度分布計測装置２３が、投影レンズ２２の直下に移動可
能に配置されているので、投影レンズ２２の瞳面内照明
輝度分布を効率良く、正確に測定することができる。な
お、輝度分布計測装置２３においては、照明光入射角に
より、ｆｓｉｎθレンズ２４ａ、２４ｂ、２４ｃの各硝
子面への入射角が異なるため、入射角によるエネルギー
透過率の差が生じる。更に、開口効率にも差が生じる場
合がある。したがって、実際の輝度分布を測定するに
は、総合的なエネルギー透過率の補正を行う必要があ
る。このような補正に関して、本第１実施例では、撮像
素子２５で直接得た測定値を、その後、処理装置２８
で、計算によるデータ処理をすることで達成している。

【００１５】また、本第１実施例では、輝度分布計測装
置２３の結像光学素子として、ｆｓｉｎθレンズ２４
ａ、２４ｂ、２４ｃを用いたが、その代わりに、その他
の集光光学系、例えば、ｆｔａｎθレンズを用いても良
い。但しその場合には、瞳座標系への非線形な変換を行
う必要がある。また、本第１実施例では、輝度分布計測
装置２３を、投影レンズ２２の直下に移動可能に配置す
ることで、投影レンズ２２の射出瞳面に達する照明光の
輝度分布を測定しているが、投影レンズ２２の収差が無
視できる装置等においては、輝度分布計測装置２３を、
その前側焦点位置が照明光学系３０の照明位置、すなわ
ちレチクルＲの位置に移動可能に配置することもでき
る。

【００１６】次に、図３にて、本発明による輝度分布計
測装置を備えた投影露光装置の第２実施例を示す。本第
２実施例では、前記第１実施例と異なり、Ｘウエハステ
ージ２６上に、２つの輝度分布計測装置２３ａ、２３ｂ
を載置している。そして、各輝度分布計測装置２３ａ、
２３ｂは、Ｘステージ駆動系、Ｙステージ駆動系によ
り、投影レンズ２２の直下に移動可能となっている。こ
れらの輝度分布計測装置２３ａ、２３ｂは、それぞれ図
２に示すような構成となっているが、その結像倍率は異
なっている。

【００１７】本第２実施例は、投影レンズ２２の開口絞
り径を変化させて輝度分布を測定するときのように、輝
度分布計測装置の結像倍率を変更させるとき有効であ
る。すなわち、前記第１実施例のように、１つの輝度分
布計測装置で結像倍率を変更させる場合、結像光学素子
として倍率可変のズーム光学系を用いるか、着脱可能で
倍率の異なる輝度分布計測装置を交換しながら用いるこ
とになる。しかし、前者の場合は、計測装置が大きくな
ってしまい、後者の場合は、作業効率が悪くなる。

【００１８】本第２実施例では、結像倍率の異なる輝度
分布計測装置２３ａ、２３ｂが併設されており、比較的
小型で、変倍測定時の作業効率の良い装置を提供でき
る。また、本第２実施例においても、前記第１実施例と
同様に、輝度分布計測装置２３ａ、２３ｂが、投影レン
ズ２２の直下に移動可能に配置されているので、投影レ
ンズ２２の瞳面内照明輝度分布を効率良く、正確に測定
することができる。なお、本第２実施例では、輝度分布
計測装置２３ａ、２３ｂを２つ用いたが、それよりも多
い輝度分布計測装置を用いても良い。

【００１９】本発明は、以上にて述べた特許請求の範囲
に限ることはなく、例えば、以下の（１）〜（７）に示
すように構成しても良い。（１）マスクを照明する照明光学系と、前記マスクのパ
ターンの像を感光性基板に投影する投影光学系と、前記
感光性基板を保持しかつ前記投影光学系の像面を横切る
方向に沿って移動する基板ステージとを備えた露光装置
において、前記投影光学系を介して前記照明光学系の輝
度分布を計測する輝度分布計測装置を前記基板ステージ
に配置し、前記輝度分布計測装置は、前記投影光学系に
より形成される像面からの光を集光する集光光学系と、
該集光光学系を介して集光された光を受光する検出器と
を有し、前記集光光学系の前側焦点位置と前記投影光学
系の像面とがほぼ一致すると共に、前記集光光学系の後
側焦点位置と前記検出器の受光面とがほぼ一致すること
を特徴とする露光装置。（２）前記集光光学系は、ｆｓｉｎθ光学系で構成され
ることを特徴とする上記（１）に記載の露光装置。（３）前記照明光学系は、光源からの光に基づき２次光
源を形成し、前記輝度分布計測装置は、前記投影光学系
及び前記集光光学系を介して前記検出器の受光面に形成
される前記２次光源の像に基づいて、前記照明光学系の
輝度分布を計測することを特徴とする上記（１）または
上記（２）に記載の露光装置。（４）前記輝度分布計測装置は、前記集光光学系の前側
焦点位置に配置されたピンホールをさらに有し、前記ピ
ンホールの直径をＡとし、前記集光光学系の焦点距離を
Ｆ、前記検出器の１画素の大きさをｋ、前記照明光学系
から供給される光の波長をλとするとき、以下の条件を
満足することを特徴とする上記（１）乃至上記（３）の
いずれか１つに記載の露光装置。２λＦ／πｋ≦Ａ（５）前記輝度分布計測装置は、前記集光光学系の前側
焦点位置に配置されたピンホールをさらに有し、前記ピ
ンホールの直径をＡとするとき、以下の条件を満足する
ことを特徴とする上記（１）乃至上記（４）のいずれか
１つに記載の露光装置。０．３２ｍｍ≦Ａ≦０．５ｍｍ（６）前記輝度分布計測装置は、前記集光光学系の前側
焦点位置に配置されたピンホールをさらに有し、前記ピ
ンホールの直径をＡとし、前記集光光学系の焦点距離を
Ｆ、前記検出器の１画素の大きさをｋ、前記照明光学系
から供給される光の波長をλとするとき、以下の条件を
満足することを特徴とする上記請求項１乃至請求項６の
いずれか１項に記載の測定装置。２λＦ／πｋ≦Ａ（７）前記輝度分布計測装置は、前記集光光学系の前側
焦点位置に配置されたピンホールをさらに有し、前記ピ
ンホールの直径をＡとするとき、以下の条件を満足する
ことを特徴とする上記請求項１乃至請求項６のいずれか
１項に記載の測定装置。０．３２ｍｍ≦Ａ≦０．５ｍｍ

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明では、投影光学系の
瞳面内照明輝度分布を効率良く、正確に測定できる照明
系輝度分布計測装置を提供することができる。これによ
り、投影露光装置の照明系輝度に、偏りが生じていない
か検査することができる。また、他の方法で測定される
結像光学系の波面収差の測定データと組み合わせて、計
算によるシミュレーションを行えば、投影露光装置の総
合的な結像性能を予見することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による輝度分布計測装置を
備えた投影露光装置を示す図である。

【図２】本発明の第１実施例による輝度分布測定装置を
示す図である。

【図３】本発明の第２実施例による輝度分布計測装置を
備えた投影露光装置を示す図である。

【図４】輝度分布測定に係る光路を示す図である。

【符号の説明】

１…水銀灯２…楕円鏡９…シャッター１０…干渉フィルタ１１…インプットレンズ１２…フライアイレ
ンズ１３…照明系開口絞り１３ａ…開口絞りレ
ボルバ１４ａ…第１リレーレンズ１４ｂ…第２リレー
レンズ１５…ビームスプリッタ１６…集光レンズ１７…インテグレータセンサ１８…投影式レチクルブラインド２０…レチクルステージ２１…レチクルパタ
ーン２２…投影レンズ２２ａ…投影レンズ前群２２ｂ…投影レンズ
後群２３、２３ａ、２３ｂ…輝度分布計測装置２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…ｆｓｉｎθレンズ２５…撮像素子２６…Ｘウエハステ
ージ２７…Ｙウエハステージ２８…処理装置３０…照明光学系Ｒ…レチクルＷ…ウエハＷ０…像面Ａ…瞳面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から発せられた光束をマスクパターン
に導く照明光学系と、前記マスクパターンの像を感光性基板上の感光面に形成
する投影光学系とを備えた投影露光装置の前記照明光学
系の輝度分布を測定する照明系輝度分布計測装置におい
て、集光光学系と撮像素子とを備え、前記集光光学系は、その前側焦点位置が前記感光面の位
置に配置され、前記撮像素子は、前記集光光学系の後側焦点位置に配置
されたことを特徴とする照明系輝度分布計測装置。
【請求項２】前記集光光学系は、ｆｓｉｎθ光学系であ
ることを特徴とする請求項１記載の照明系輝度分布計測
装置。
【請求項３】前記照明系輝度分布計測装置は、前記感光
性基板を保持する基板ステージに固定されたことを特徴
とする請求項１又は２記載の照明系輝度分布計測装置。
【請求項４】前記照明系輝度分布計測装置は、前記感光
性基板を保持する基板ステージに交換可能に配置できる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の照明系輝度分布
計測装置。
【請求項５】前記照明系輝度分布計測装置は、複数の前
記集光光学系を備え、該複数の集光光学系のうちの少なくとも２つは、結像倍
率が異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
項記載の照明系輝度分布計測装置。
【請求項６】前記照明系輝度分布計測装置は、前記撮像
素子での測定データを前記集光光学系のデータに基づい
て補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１
〜５のいずれか１項記載の照明系輝度分布計測装置。