JP2000121491A - 光学系の評価方法 - Google Patents

光学系の評価方法

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JP2000121491A
JP2000121491A JP10297846A JP29784698A JP2000121491A JP 2000121491 A JP2000121491 A JP 2000121491A JP 10297846 A JP10297846 A JP 10297846A JP 29784698 A JP29784698 A JP 29784698A JP 2000121491 A JP2000121491 A JP 2000121491A
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wavefront aberration
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projection optical
odd
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Kazumasa Tanaka
一政 田中
Toshihiko Ozawa
稔彦 小澤
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    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/70591Testing optical components
    • G03F7/706Aberration measurement

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】光学系による波面収差に基づいて、光学系の結
像性能をより正確に表現することが出来る評価手法を提
供する。 【解決手段】光学系14の結像性能を評価する方法にお
いて、光学系14を通過した波面収差W(ρ,θ)を瞳
の中央を中心とする回転対称成分Wrot(ρ,θ)と、
奇数対称成分Wodd(ρ,θ)と、偶数対称成分W
evn(ρ,θ)に分離し、分離された前記各成分Wrot
odd、Wevnに基づいて前記光学系の結像性能を評価す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学系の結像性能
の評価方法に関し、特に、光リソグラフィー用露光装置
に使用される投影光学系の結像性能の評価方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】LSI等の半導体素子、液晶表示素子、
または薄膜磁気ヘッド等を製造するための露光装置で
は、マスク、レチクルなどの投影原版上のパターンを、
投影光学系を介して、ウエハ、ガラスプレートなどの感
光性基板上に投影して露光している。投影光学系の形式
としては、露光波長の光を透過・屈折するレンズで構成
された屈折型の投影光学系、露光波長の光を反射するミ
ラーで構成された反射型の投影光学系、レンズとミラー
とを組み合わせた反射屈折型の投影光学系がある。
【0003】近年、半導体素子などの集積度はますます
高まり、すなわち基板上に転写されるパターンは微細化
の一途をたどっている。そのため、露光装置の投影光学
系は、微細なマスクパターンをウエハの感光面上に転写
するために、高解像力で無収差に近い、極めて高い光学
性能が要求されている。この要求を満足するためには、
投影光学系の設計上の光学性能や、投影光学系を構成す
るレンズ等の光学部品の内部均質性や研磨精度などの部
品精度や、個々の光学部品の組み立て調整の精度など
に、非常に高い性能・精度が必要になってきている。そ
れと同時に、組み立てられた投影光学系の現実の結像性
能を評価する手法にも、高い精度が必要になってきてい
る。
【0004】投影光学系の結像性能の評価方法について
は、従来より、ウエハの感光面上に形成されるマスクパ
ターンの空間像を観測して、その空間像に基づいて結像
性能を評価する方法や、ウエハの感光面を形成するレジ
スト上に転写される実際のレジスト像を計測して、その
レジスト像に基づいて結像性能を評価する方法が用いら
れている。そのほかに、投影光学系を通過した波面収差
を計測し、その波面収差の最大値と最小値の差(以下P
−V値という)や、自乗平均平方根(以下RMS値とい
う)などを評価指標として、投影光学系の結像性能を評
価する方法が用いられており、この場合、P−V値やR
MS値が小さいほど優秀な光学系であると考えられてき
た。それ故、既存の「高性能」と称する光学系は、これ
らの値を小さくすることを目的に製造が行われてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波面収
差のP−V値やRMS値の小さな投影光学系を完成する
には非常に長い工期がかかり、そのため量産化が困難で
あった。しかもこのようにして製造された投影光学系
は、波面収差のP−V値やRMS値が同じである場合に
も、空間像や実際のレジスト像を用いた評価では差が生
じる場合が少なくない。すなわち従来の波面収差のP−
V値やRMS値を用いる評価方法では、所望の光学性能
が得られない場合がある。そして、所望の光学性能を達
成していない投影光学系によって感光性基板上にマスク
パターンを転写しても、より高い集積度を持つ半導体素
子等の各種の素子を製造することは困難となる。したが
って本発明は、光学系による波面収差に基づいて、光学
系の結像性能をより正確に表現することが出来る評価手
法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、光学系の結
像性能を評価する方法において、前記光学系を通過した
波面収差を前記光学系の瞳を中心とする回転対称成分
と、奇数対称成分と、偶数対称成分に分離し、分離され
た前記成分に基づいて前記光学系の結像性能を評価する
ことを特徴とする光学系の評価方法である。その際、前
記回転対称成分、奇数対称成分、及び偶数対称成分のそ
れぞれのRMS値(自乗平均平方根)を、前記光学系の
結像性能の評価指標とすることが出来る。
【0007】本発明はまた、投影原版上に形成された所
定のパターンの像を感光性基板上へ投影する投影光学系
の製造方法において、投影光学系の波面収差を測定する
第1工程と;該第1工程にて測定された前記波面収差
を、前記光学系の瞳を中心とする回転対称成分と、奇数
対称成分と、偶数対称成分とに分離する第2工程と;該
第2工程にて分離された前記各成分に基づいて、前記投
影光学系を調整する第3工程と;を有することを特徴と
する製造方法である。本発明は更に、投影原版上に形成
された所定のパターンの像を感光性基板上へ投影露光す
る投影露光装置において、上記の製造方法により製造さ
れた投影光学系を備えることを特徴とする投影露光装置
である。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について具体
的に説明する。図1は、本発明による評価方法を適用し
ようとする投影光学系を備えた露光装置を示す。400
nm以下の特定の波長、例えば248.4nmの波長の
光を発する光源11より発した光束は、照明光学系12
を通過し、マスク13上のパターンPを均一な照度にて
照明する。パターンPを通過した光束は、投影光学系1
4を介して、ウエハ15上の感光面にパターンPの像を
形成し、こうしてパターンPの像がウエハ15上の感光
面に転写される。
【0009】投影光学系14の結像性能を評価するに
は、先ず、投影光学系14を通過した結像波面の波面収
差を測定する。波面収差の測定には、フィゾー型干渉
計、トワイマングリーン型干渉計、シアリング型干渉計
などが用いられる。一例として、図2にフィゾー型干渉
計を示す。光源21から射出した光束は、ハーフプリズ
ム22で反射(又は透過)して、フィゾーレンズ23に
入射する。フィゾーレンズ23に入射した光束のうち、
一部の光束はフィゾーレンズの参照面23aで反射して
参照光となり、往路を逆進してハーフプリズム22に戻
る。フィゾーレンズ23に入射した光束のうち、他の光
束は参照面23aを透過して測定光となる。測定光は、
投影光学系14を通過し、XYステージ25上に載置さ
れた球面鏡24で反射し、往路を逆進してハーフプリズ
ム22に戻る。ハーフプリズム22に入射した参照光と
測定光は、ハーフプリズム22を透過(又は反射)し
て、撮像素子26上に球面鏡24の像を形成する。
【0010】投影光学系14に収差がないときには、測
定光は球面鏡24の各点に同位相で入射し、フィゾーレ
ンズの参照面23aの各点に同位相で戻る。したがって
撮像素子26上の各点で参照光と測定光との位相差が等
しいから、球面鏡24の像は均一な強度分布となる。し
かるに、投影光学系14に収差があるときには、撮像素
子26上の各点で参照光と測定光との位相差が異なるか
ら、球面鏡24の像として干渉縞が観測される。測定光
は投影光学系14を2回通過しているから、干渉縞の位
相差を2で割ることにより、投影光学系14の波面収差
Wを求めることが出来る。
【0011】次いで、投影光学系14の射出瞳面上に座
標系を定めて、得られた波面収差Wをその座標系で表わ
し、更に、直交関数系に展開する。本発明では、波面収
差Wを前記光学系の瞳を中心とする回転対称成分と、奇
数対称成分と、偶数対称成分に分離するから、座標系と
しては極座標を用い、直交関数系としてはツェルニケの
円筒関数を用いる。
【0012】すなわち、射出瞳面上に極座標を定め、得
られた波面収差Wを、 W(ρ,θ) として表わす。ここでρは射出瞳の半径を1に規格化し
た規格化瞳半怪、θは極座標の動径角である。次いで、
波面収差W(ρ,θ)を、ツェルニケの円筒関数系Zn
(ρ,θ)を用いて、 W(ρ,θ)=ΣCnn(ρ,θ) ‥‥(1) と展開する。ここでCnは展開係数である。また、ツェ
ルニケの円筒関数系Zn(ρ,θ)のうち、n=0〜3
5は次の通りである。
【0013】 n:Zn(ρ,θ) 0:1 1:ρcosθ 2:ρsinθ 3:2ρ2− 1 4:ρ2cos2θ 5:ρ2sin2θ 6:(3ρ2−2) ρcosθ 7:(3ρ2−2)ρsinθ 8:6ρ4−6ρ2+1 9:ρ3cos3θ 10:ρ3sin3θ 11:(4ρ2−3)ρ2cos2 θ 12:(4ρ2−3)ρ2sin2θ 13:(10ρ4−12ρ2+3 ) ρcosθ 14:(10ρ4−12ρ2+3) ρsinθ 15:20ρ6 −30ρ4+12ρ2−1 16:ρ4cos4θ 17:ρ4sin4θ 18:(5ρ2−4)ρ3cos3θ 19:(5ρ2−4)ρ3sin3θ 20:(15ρ4−20ρ2+6) ρ2cos2θ 21:(15ρ4−20ρ2+6 ) ρ2sin2θ 22:(35ρ6−60ρ4+30ρ2−4) ρ cosθ 23:(35ρ6−60ρ4+30ρ2−4) ρ sinθ 24:70ρ8−140 ρ6+90ρ4−20ρ2+1 25:ρ5cos5θ 26:ρ5sin5θ 27:(6ρ2−5)ρ4cos4θ 28:(6ρ2−5)ρ4sin4θ 29:(21ρ4−30ρ2+10) ρ3cos3θ 30:(21ρ4−30ρ 2 +10) ρ3sin3θ 31:(56ρ6−104ρ4+60ρ2−10)ρ2c os2θ 32:(56ρ6−104ρ4+60ρ2−10)ρ2sin2θ 33:(126ρ8−280ρ6+210ρ4−60ρ2+5)ρcosθ 34: (126ρ8−280ρ6+210ρ4−60ρ2+5)ρsinθ 35:25 2ρ10−630ρ8+560ρ6−210ρ4+30ρ2−1
【0014】既に述べたように、従来の波面収差Wに基
づく評価手法は、波面収差Wの最大最小の差(P−V
値)やRMS値を評価指標として用いていた。しかしな
がら、P−V値やRMS値による評価では同じ値となる
場合でも、各項の展開係数C0、C1、C2、‥‥の組み
合わせによっては、空間像やレジスト像による評価では
異なる性能を示す場合があった。すなわち波面収差Wの
P−V値やRMS値は、空間像やレジスト像による評価
を必ずしも正確に予測するものではなかった。
【0015】そこで本発明者は、(1)式の各項を、 (a)θを含まない項、すなわち、ある座標での値と、
その座標を瞳の中央を中心として任意の角度だけ回転し
た座標での値とが等しい回転対称な成分 (b)sin(又はcos)θ、sin(又はcos)3θなどの、
動径角θの奇数倍の3角関数を含む項、すなわち、ある
座標での値と、その座標を瞳の中央を中心として360
°の奇数分の1だけ回転した座標での値とが等しい奇数
対称な成分 (c)sin(又はcos)2θ、sin(又はcos)4θなど
の、動径角θの偶数倍の3角関数を含む項、すなわち、
ある座標での値と、その座標を瞳の中央を中心として3
60°の偶数分の1だけ回転した座標での値とが等しい
偶数対称な成分 に分類して検討した。
【0016】すなわち、波面収差Wの回転対称成分、奇
数対称成分、及び偶数対称成分をそれぞれ、 Wrot、Wodd、Wevn とすると、 Wrot(ρ,θ) =C0+C3(2ρ2−1)+C8(6ρ4−6ρ2+1) +C15(20ρ6−30ρ4+12ρ2−1) +C24(70ρ8−140ρ6+90ρ4−20ρ2+1)+‥‥ ‥‥(2) Wodd(ρ,θ) =C1(ρcosθ)+C2(ρsinθ)+C6((3ρ2−2)ρcosθ) +C7((3ρ2−2)ρsinθ)+C9(ρ3cos3θ) +C10(ρ3sin3θ)+‥‥ ‥‥(3) Wevn(ρ,θ) =C4(ρ2cos2θ)+C5(ρ2sin2θ) +C11((4ρ2−3)ρ2cos2θ) +C12((4ρ2−3)ρ2sin2θ)+C16(ρ4cos4θ) +C17(ρ4sin4θ)+‥‥ ‥‥(4) となる。
【0017】(1)式の波面収差Wの自乗平均平方根
(RMS値)をrWとし、(2)式の波面収差の回転対
称成分WrotのRMS値をrrotとし、(3)式の波面収
差の奇数対称成分WoddのRMS値をroddとし、(4)
式の波面収差の偶数対称成分W evnのRMS値をrevn
すると、これらの間には、 (rW2=(rrot2+(rodd2+(revn2 の関係がある。
【0018】rrotが球面収差と相関があることは自明
であるが、本発明者は、roddをコマ収差と関連付け、
evnを非点収差と関連付けて検討したところ、共に強
い相関があることがわかった。したがってこれら3つの
RMS値rrot、rodd、revnを投影光学系の評価指標
として用いることにより、投影光学系によって形成され
る実際の空間像やレジスト像の球面収差、コマ収差、非
点収差と関連付けることができ、より合理的に投影光学
系の設計、調整が可能となった。
【0019】
【実施例1】次に実施例1と実施例2によって、具体的
な評価の例を示す。実施例1では、波面収差の奇数対称
成分のRMS値roddと、コマ収差との関係を示す。先
ず、コマ収差の定量化について説明する。空間像やレジ
スト像を使ったコマ収差の検出法には、古くから様々な
方法が知られている。コマ収差が発生すると像の横ずれ
が起こるが、この横ずれの量は物体構造や空間周波数に
よって異なり、横ずれ量の差からコマ収差を定量化する
ことができる。図3にコマ収差を検出するための物体構
造(マスクパターン)の例を示す。幅Lの5本の遮光パ
ターンを間隔Sで配置する。通常は、間隔Sは線幅Lと
同じ寸法であることが多い。間隔Sと線幅Lとが等しい
ときには、幅L(=S)の線が間隔Sにて無限に並んで
いる細かい物体(空間周波数の高い物体)と、幅9Sの
1つの大きな物体(空間周波数の低い物体)の両方の性
質を併せ持つ。
【0020】次に、投影光学系の調整手法の一例につい
て説明する。投影光学系において波面収差の回転対称成
分が存在する場合、投影光学系を構成している複数の光
学部材同士の間隔のうち、少なくとも1つの間隔を変化
させることによって波面収差の回転対称成分を補正する
ことができる。また、投影光学系において波面収差の奇
数対称成分が存在している場合、この奇数対称成分とコ
マ収差との間で強い相関があり、単純な内コマ、外コマ
であるときには投影光学系中の複数の光学部材の間隔の
うち、少なくとも1つの間隔を変化させることにより、
内コマ、外コマを補正することができる。また、偏心コ
マ(光学部材が光軸に対して偏心または傾くことによる
コマ収差)であるときには、投影光学系中の複数の光学
部材のうち、少なくとも1つの光学部材を光軸に対して
直交方向へ移動させるか、傾けることにより、この偏心
コマを補正できる。
【0021】また、投影光学系において波面収差の偶数
対称成分が存在している場合、この偶数対称成分と非点
収差との間で強い相関があり、単純な像面湾曲による非
点収差であるときには、投影光学系中の複数の光学部材
の間隔のうち、少なくとも1つの間隔を変化させること
により補正できる。また、投影光学系の像面上の中心で
の非点収差(軸上非点収差)であるときには、投影光学
系中の複数の光学部材のうち、少なくとも1つの光学部
材を光軸を中心として回転させることにより補正でき
る。
【0022】図4(a)と(b)に、この物体を投影光
学系で結像させた場合の像面上の光強度分布を示す。こ
のうち同図(a)は、コマ収差がない場合の光強度分布
を示し、同図(b)は、コマ収差がある場合の光強度分
布を示す。5本の線の像のうち、中央の線の像の光強度
幅L3が、ちようどL×m(mは光学系の倍率)になる
光強度でスライスして、このときの5本の線の左端の線
の像の光強度幅をL1とし、右端の線の像の光強度幅を
5と定義すると、空間周波数によってコマ収差による
横ずれ量に差があるので、L1とL5の寸法に差が生じ
る。そこで、たとえばコマ収差Cを、 C≡(L1−L5)/(L1+L5) と定義することにより、光強度分布を利用してコマ収差
量の定量化が可能となる。
【0023】さて本発明者は、(3)式の波面収差の奇
数対称成分Woddの展開係数C1、C 2、C6、‥‥がさま
ざまな値を持ったケースをモンテカルロ法によって模擬
し、各々のケースにおける波面収差の奇数対称成分のR
MS値roddとコマ収差Cを計算した。計算条件は以下
の通りである。 光学系のNA(開口数) 0.60 波長λ 248.4nm 投影光学系の倍率 0.2倍 物体寸法L 1.0μm (中央の線の像の幅L3=0.2μm) データ数 500個
【0024】図5(a)と(b)に、波面収差の奇数対
称成分のRMS値roddと、コマ収差Cとの関係を示
す。このうち同図(a)は、コヒーレンスファクター
(照明光学系と投影光学系のNAの比率)が0.42の
場合であり、同図(b)は、コヒーレンスファクターが
0.75の場合である。また縦軸のエラーバーは、平均
値±1σを表す。同図より明らかなように、投影光学系
の波面収差のうちの奇数対称成分Woddの波面収差のR
MS値roddが、コマ収差と強い相関を持っていること
が確認できた。
【0025】
【実施例2】次に実施例2では、波面収差の偶数対称成
分のRMS値revnと、非点収差との関係を示す。実施
例1と同様に、本発明者は、(4)式の波面収差の偶数
対称成分Wevnの展開係数C4、C5、C11、‥‥がさま
ざまな値を持ったケースをモンテカルロ法によって模擬
し、各々のケースにおける波面収差の偶数対称成分のR
MS値rev nと非点収差を計算した。計算条件は以下の
通りである。 光学系のNA(開口数) 0.60 波長λ 248.4nm 投影光学系の倍率 0.2倍 物体形状 L=S=1.0μmの無限周期パターン データ数 500個
【0026】図5(a)と(b)に、波面収差の偶数対
称成分のRMS値revnと、非点収差との関係を示す。
このうち同図(a)は、コヒーレンスファクターが0.
42の場合であり、同図(b)は、コヒーレンスファク
ターが0.75の場合である。また縦軸のエラーバー
は、平均値±1σを表す。同図より明らかなように、投
影光学系の波面収差のうちの偶数対称成分Wevnの波面
収差のRMS値revnが、非点収差と強い相関を持って
いることが確認できた。なお、以上の説明では、結像性
能を評価しようとする光学系が、露光装置の投影光学系
である場合について説明したが、本発明による評価方法
は明らかに、いかなる種類の結像光学系に対しても適用
することが出来る。
【0027】
【発明の効果】以上のように本発明によって、光学系を
透過した波面収差を瞳の中央を中心とした回転対称成
分、奇数対称成分、偶数対称成分に分離して評価を行う
ことにより、光学系によって形成される実際の空間像や
レジスト像の球面収差、コマ収差、非点収差と関連付け
ることができ、より合理的に光学系の設計、調整が可能
となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体素子等の製造に使用される露光装置の概
略図
【図2】フィゾー型干渉計の波面収差測定の概念図
【図3】コマ収差を検出するための物体構造(マスクパ
ターン)の一例を示す図
【図4】(a)図3の物体をコマ収差がない光学系で結
像させた場合の像面上の光強度分布と、(b)同じくコ
マ収差がある光学系で結像させた場合の像面上の光強度
分布を示す図
【図5】(a)コヒーレンスファクターが0.42の場
合と、(b)コヒーレンスファクターが0.75の場合
の、波面収差の奇数対称成分のRMS値roddとコマ収
差Cとの関係を示す図
【図6】(a)コヒーレンスファクターが0.42の場
合と、(b)コヒーレンスファクターが0.75の場合
の、波面収差の偶数対称成分のRMS値revnと非点収
差との関係を示す図
【符号の説明】
11…光源 12…照明光学系 13…マスク 14…投影光学系 15…ウエハ 21…光源 22…ハーフプリズム 23…フィゾーレン
ズ 23a…参照面 24…球面鏡 25…XYステージ 26…撮像素子 P…パターン

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学系の結像性能を評価する方法におい
    て、前記光学系を通過した波面収差を前記光学系の瞳を
    中心とする回転対称成分と、奇数対称成分と、偶数対称
    成分に分離し、分離された前記各成分に基づいて前記光
    学系の結像性能を評価することを特徴とする光学系の評
    価方法。
  2. 【請求項2】前記回転対称成分、奇数対称成分、及び偶
    数対称成分のそれぞれの自乗平均平方根に基づいて前記
    光学系の結像性能を評価することを特徴とする請求項1
    記載の光学系の評価方法。
  3. 【請求項3】前記光学系は、400nm以下の特定の波
    長域で使用される光リソグラフィー用露光装置の投影光
    学系であることを特徴とする請求項1又は2記載の光学
    系の評価方法。
  4. 【請求項4】投影原版上に形成された所定のパターンの
    像を感光性基板上へ投影する投影光学系の製造方法にお
    いて、 投影光学系の波面収差を測定する第1工程と;該第1工
    程にて測定された前記波面収差を、前記光学系の瞳を中
    心とする回転対称成分と、奇数対称成分と、偶数対称成
    分とに分離する第2工程と;該第2工程にて分離された
    前記各成分に基づいて、前記投影光学系を調整する第3
    工程と;を有することを特徴とする製造方法。
  5. 【請求項5】投影原版上に形成された所定のパターンの
    像を感光性基板上へ投影露光する投影露光装置におい
    て、 請求項4の製造方法により製造された投影光学系を備え
    ることを特徴とする投影露光装置。
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