JP2001201314A - 観察光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被検光学系のリング視野内の周方向各位置を個
別に照明してその被検光学系の光学特性を測定する干渉
計に適用され、その被検光学系の像面から発散する被検
光とその像面近傍の焦点から発散する参照光とによる干
渉光の干渉縞パターンを検出する観察光学系に関し、従
来より簡単な構成でしかも確実に干渉縞パターンを検出
することを目的とする。 【解決手段】前記像面における前記リング視野の像の曲
率中心からその像面の垂直方向にのびる直線上に配置さ
れた撮像素子３３ａと、前記直線の周りに対称な曲面の
少なくとも一部に相当し、かつ前記被検光学系の射出瞳
を前記撮像素子の配置個所に結像させる単数または複数
の反射面１３ｂ、１３ｅとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検光学系のリン
グ視野内の周方向各位置を個別に照明してその被検光学
系の光学特性を測定する干渉計に適用され、その被検光
学系の像面から発散する被検光とその像面近傍の焦点か
ら発散する参照光とによる干渉光の干渉縞パターンを検
出する観察光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】フォトリソグラフィーの技術では、原版
に形成された微細なパターンを正確に基板上に転写する
ことが望まれる。現在、高度な技術の１つに、照明光と
して遠紫外領域の短波長光（波長：１３ｎｍ近傍）を使
用し、投影光学系としてリング視野を有した投影光学系
を使用するものが提案されている。ここで、リング視野
を有した投影光学系とは、例えば、特開昭６３−１６３
３１９号公報に記載される光学系のように、その転写領
域を、光軸外に曲率中心を有する輪帯状の視野（リング
視野という。そのサイズは一般に径方向が数ｍｍ、周方
向が数１０°である。）とするよう設計された投影光学
系である。

【０００３】このように高度な技術に使用される投影光
学系の光学特性は、干渉計によって予め調べられる。こ
の干渉計には、被検光学系としての投影光学系のリング
視野の各位置を照明する照明光学系と、計測の基準とな
る参照光を生成する参照光生成光学系と、その参照光と
被検光学系からの被検光とによる干渉縞パターンを検出
する観察光学系とが備えられる。

【０００４】図３、図４は、従来の干渉計における観察
光学系および参照光生成光学系の周辺を示す図である。
因みに、これらの干渉計は、その参照光生成光学系の原
理（後述する）から「点回折干渉計（PDI：Point Diffr
action Interferometer）」と呼ばれているものであ
る。また、図３、図４に示す被検光学系３１は、リング
視野の各位置からの主光線が像面上で平行光となるテレ
セントリック光学系であるとする。

【０００５】参照光生成光学系３２は、被検光学系３１
とその被検光学系３１の像面３ａとの間に配置され、被
検光学系３１の透過光の一部から参照光を生成するため
に、被検光学系３１側から順に回折格子３２ａ、遮光板
３２ｂ、およびピンホールを配置した参照光生成プレー
ト３２ｃなどを有している。この参照光生成用プレート
３２ｃが配置される位置は、被検光学系３１の像面３ａ
に一致する。

【０００６】観察光学系３３（図３），４３（図４）
は、前記像面３ａから発散する光の光路に配置され、か
つその光路に垂直な撮像面３３ｂを有した撮像素子３３
ａを備える。

【０００７】これら図３、図４に示す構成において、不
図示の照明光学系側から被検光学系３１に入射した理想
的波面の光束は、その被検光学系３１の光学的情報を含
んだ光束となって回折格子３２ａに入射する。そしてこ
の回折格子３２ａにより生成された光束の一部（回折格
子３２ａにて生成された０次光）は、像面３ａに点像を
形成した後被検光（図中実線で示す光束）として撮像素
子３３ａへ到達する。一方、ほかの一部（回折格子３２
ａにて生成された１以降の次数の光）については、その
うち遮光板３２ｂの開口を通過した所定次数の回折光
（図中細線で示す光束）のみが、前記像面３ａに配置さ
れた参照光生成用プレート３２ｃのピンホール上に集光
した後、理想的波面の参照光（図中点線で示す光束）を
生成する。このようにして生成された参照光と被検光と
は、その光路に挿入された撮像素子３３ａの撮像面３３
ｂに干渉縞パターンを形成する。ここで、上記した撮像
素子３３ａは、この干渉縞パターンがその撮像面３３ｂ
の全域に投影されるような位置に挿入されている。

【０００８】なお、光量をバランスさせ、鮮やかな干渉
縞を得ようとする場合には、０次光を参照光とし、１次
光を被検光とするとよい。ところで、上記した被検光学
系３１の測定は、被検光学系３１の視野内の各位置につ
いて行われる。このため、被検光学系３１の物体面３ｂ
には、リング視野３０ｂに対応する領域に複数のピンホ
ール３０ｃを有した測定用プレート３０ａが配置され、
不図示の照明光学系によってそれらのピンホール３０ｃ
が個別に照明されることとなる。

【０００９】このとき、リング視野３０ｂのサイズにも
よるが、一般に照明位置をリング視野３０ｂ内の周方向
に移動させるときには、干渉縞パターンも撮像面３３ｂ
に平行な面内を比較的大きく移動する。このため、その
干渉縞パターンを常に撮像面３３ｂ内に納めておくこと
は難しい。

【００１０】しかも、高分解能かつ高感度を必要とする
観察光学系では、撮像面３３ｂを拡大することは非常に
困難である。このため、例えば、図３に示す観察光学系
３３では、撮像素子３３ａを、像面３ａに平行な面内を
移動可能なｘｙ移動ステージ３３１上に形成して、撮像
面３ｂを干渉縞パターンの形成位置まで適宜移動できる
よう構成している。

【００１１】また、図４に示す観察光学系４３では、像
面３ａと撮像素子３３ａとの間に凹面のミラー４３ｅを
配置し、かつそのミラー４３ｅを入れ子状移動ステージ
４３２によって移動可能に構成している。なお、この入
れ子状移動ステージ４３２は、図５に示すような入れ子
構造をしており、像面３ａに平行な面内を互いに直交す
る２方向に移動可能な内ステージ４３ｆおよび外ステー
ジ４３ｆ’を有する。これらの内ステージ４３ｆおよび
外ステージ４３ｆ’にそれぞれ固定され、移動可能とな
ったミラー４３ｅ、４３ｅ’は、像面３ａにおける点像
の形成位置が変化しても、撮像素子３３ａに対する干渉
光の入射光路を一定に保つことができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３、
図４に示す観察光学系３３，４３では、干渉縞パターン
の投影位置に応じて撮像素子３３ａやミラー４３ｅを移
動させるために、ｘｙ移動ステージ３３１や入れ子状移
動ステージ４３２を大がかりにせざるを得ない。また、
図３に示す観察光学系３３では、波長１３ｎｍ程度の短
波長光が使用される被検光学系３１の測定時など、その
照明光に短波長光が使用される場合には、撮像素子３３
ａは他の光学素子と共に真空中におかれるが、その駆動
系である電気系３３ｇについては、正常に作動するため
にその反対に真空外におかれる必要がある。したがっ
て、両者間には専用の信号授受装置（不図示）による通
信を要することとなり、その結果干渉計の構成の煩雑
化、および通信時に重畳される雑音による検出精度の低
下を招く。

【００１３】さらに、図４に示す観察光学系４３では、
さらに別の問題も生じる。一般に、上記２つのミラー４
３ｅ、４３ｅ’（図５参照）の反射面には、何れも入射
角４５゜の光を反射するために多層膜コーティングが施
されることとなるが、この多層膜コーティングは本来的
に、入射光の振動方向がその反射面の垂直方向に近いほ
ど光の振幅損失を大きくし、入射光の振動方向がその反
射面の水平方向に近いほど光の振幅損失を小さくすると
いう性質を有する。しかし、入れ子状移動ステージ４３
２では光の偏光角が２つのミラー４３ｅ、４３ｅ’の間
で９０゜回転するので、仮に照明光の偏光方向を調整し
て一方のミラーでの高反射率を維持できたとしても、そ
の場合には必ず、他方のミラーでの反射率は十分に得ら
れないこととなる。このような振幅損失は、短波長の光
を使用する場合に特に深刻な問題である。

【００１４】本発明は、このような従来の問題に鑑みて
なされたもので、被検光学系のリング視野に関する光学
特性の測定時において、従来より簡単な構成でしかも確
実に干渉縞パターンを検出することができる観察光学系
を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の観察光
学系は、被検光学系のリング視野の周方向各位置を個別
に照明してその被検光学系の光学特性を測定する干渉計
に適用され、その被検光学系の像面から発散する被検光
とその像面近傍から発散する参照光とによる干渉光の干
渉縞パターンを検出する観察光学系であって、前記像面
における前記リング視野の像の曲率中心からその像面の
垂直方向に延びる直線上に配置された撮像素子と、前記
直線の周りに対称な曲面の少なくとも一部に相当し、か
つ前記被検光学系の射出瞳を前記撮像素子の配置個所に
結像させる単数または複数の反射面とを備えたことを特
徴とする。

【００１６】この観察光学系では、単数または複数の反
射面からなる系は、像面におけるリング視野の曲率中心
から像面の垂直方向に延ばした直線の周りに回転対称性
を有していて、被検光学系の射出瞳を前記撮像素子の配
置個所に結像させる。このとき、測定時にリング視野の
周方向各位置から得られる各干渉光の光束は、その撮像
素子の方向に導かれ、かつその撮像素子の位置にその被
検光学系の光学特性を示す干渉縞パターンを形成する。

【００１７】ここで、被検光学系が象面側でテレセント
リック光学系であるとすると、観察光学系中に、主光線
の全てが集められる。この集められる位置は、前述の直
線上にあり、ここに撮像素子が配置される。このように
すると、全ての主光線が撮像素子上の同一の点に集まる
ようになり、主光線を取り巻く光束にも大きな位置変化
が無くなる。

【００１８】したがって、リング視野の如何なる周位置
を照明しようとも、常に撮像素子は干渉縞パターンをと
らえることができる。この結果、従来のようなｘｙ移動
ステージや入れ子状移動ステージなどを要しない。すな
わち、請求項１に記載の観察光学系は、撮像素子の前段
に所定の形状の反射面を備えるだけの簡単な構成で、確
実に干渉縞パターンを検出することができる。

【００１９】請求項２に記載の観察光学系は、請求項１
に記載の観察光学系において、前記単数または複数の反
射面の面形状は、前記射出瞳の像の大きさが前記撮像素
子の撮像面の大きさに対応するような面形状に調整され
ていることを特徴とする。このような観察光学系では、
測定時にリング視野の周方向各位置から得られる各干渉
光の光束は、撮像素子の配置箇所に常に同じ大きさの干
渉縞パターンを形成する。したがって、リング視野の周
方向のどの位置を照明したときにも、干渉縞パターンは
高い解像度で検出される。

【００２０】請求項３に記載の観察光学系は、請求項１
または請求項２の何れか１項に記載の観察光学系におい
て、前記撮像素子は、前記撮像面の角度が調整可能に構
成されていることを特徴とする。この干渉光学系では、
リング視野内における照明位置を移動させたときに撮像
面への被検光の入射角度が変化しても、撮像面の角度を
傾斜させることができるので、その角度変化による誤差
を抑えることができる。なお、このような照射位置によ
る角度差に対応するだけのわずかな傾斜を実現する機構
は、従来のｘｙ移動ステージや入れ子状移動ステージな
どと異なり、大がかりにはならない。

【００２１】また、被検光学系の射出瞳と撮像面とが一
致していると、被検光学系の光学特性を示す干渉縞パタ
ーンがその撮像面に明瞭に形成される。したがって、高
い精度で干渉縞パターンが検出される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態を説明する。

【００２３】先ず、本発明に係る第１実施形態を、図１
に基づいて説明する。本第１実施形態は、請求項１，請
求項２，請求項３，請求項４に対応する。図１は、本第
１実施形態における観察光学系の構成、およびその周辺
を示す図である。図１において、図３や図４に示す従来
例と同じものについては同一の符号を付して示し、ここ
ではその説明を省略する。

【００２４】先ず、本実施形態の撮像素子３３ａ（ＣＣ
Ｄ等により構成される）は、像面３ａにおけるリング視
野３０ｂの像の曲率中心Ｏからその像面３ａの垂直方向
に延びる直線Ｌ上に、予め配置されている。なお、この
撮像素子３３ａは、撮像面３３ｂの中心をその直線Ｌに
交差させている。そして、観察光学系１３には、参照光
生成光学系３２から射出した被検光（図中実線で示す光
束）および参照光（図中点線で示す光束）を像面３ａ側
に反射する反射面１３ｂを有した第１ミラー１３ａが備
えられる。

【００２５】この第１ミラー１３ａの反射面１３ｂは、
被検光学系３１側に凹形状をした球面または非球面上の
親曲面１４ａの一部に相当する。なお、この親曲面１４
ａの回転対称軸は、前記した直線Ｌと一致している。ま
た、観察光学系１３内の像面３ａ、または像面３ａから
わずかに離れた位置には、前記反射面１３ｂ側に反射面
１３ｅを向けた第２ミラー１３ｄが配置される。

【００２６】この第２ミラー１３ｄの反射面１３ｅは、
直線Ｌに平行な方向に面法線を有した平面反射面、また
は球面若しくは非球面の凹面反射面である。但し、この
うち球面や非球面である場合には、その対称軸が直線Ｌ
に一致する。ここで、反射面１３ｂの前記直線Ｌを基準
とした周方向および径方向の長さは、短くとも、測定時
に形成される点像から発散する各光束をその反射面１３
ｂが確実にとらえ得るような長さとなっている。また、
反射面１３ｂの径方向の長さは、長くとも、第２ミラー
１３ｄから撮像面３３ｂに至る前記各光束の光路を妨げ
ないような長さとなっている。

【００２７】さらに、上記した第１ミラー１３ａの反射
面１３ｂおよび第２ミラー１３ｄの反射面１３ｅの曲率
は、前記被検光学系３１の射出瞳の像が撮像面３３ｂの
撮像範囲とほぼ同じ大きさで結像するような曲率に予め
調整される。そして、上記した撮像素子３３ａの撮像面
３３ｂの角度は、この出射瞳の像全体が撮像面３３ｂ上
に明瞭に結像するよう調整されていることが好ましい。

【００２８】以上説明したように、第１ミラー１３ａお
よび第２ミラー１３ｄからなる系は、少なくともリング
視野３０ｂの開き角度以内においては直線Ｌの周りに回
転対称性を有している。したがって、リング視野３０ｂ
の如何なる周位置を照明しようとも、干渉縞パターン
は、常に撮像面３３ａ上の同じ位置に形成される。

【００２９】すなわち、本第１実施形態では、従来のよ
うにｘｙ移動ステージや入れ子状移動ステージなどがな
いにもかかわらず、干渉縞パターンを常に高い解像度で
確実に検出することができる。なお、反射面１３ｂおよ
び反射面１３ｄのサイズおよび形状は、上記した条件を
満たす他に、照明位置をリング視野３０ｂ内の径方向に
移動させる場合にも、干渉縞パターンが撮像面３３ｂか
ら外れることのないように設定されることが好ましい。

【００３０】また、上記構成においては、リング視野３
０ｂの周方向各位置を照明する際に、干渉縞パターンが
回転することになるが、これに対処するために、ピンホ
ール位置の情報など、照明位置を示す何らかの情報に応
じた演算処理を行って、測定結果が示す干渉縞パターン
に座標変換を行うことが好ましい。また、上記構成にお
いて、照明位置を移動させたときに撮像面３３ｂへの被
検光の入射角度が変化する場合、この角度差の圧縮は、
例えば次の２通りの方法で容易に行うことができる。

【００３１】第１の方法では、上記構成においてさら
に、撮像面３３ｂの角度を傾斜させるために、撮像素子
３３ａの傾斜機構１５を設け、撮像面３３ｂと被検光束
の主光線とが垂直となるような方向へ角度調整を行う。
このような、照射位置による角度差に対応するための傾
斜機構１５は、従来のｘｙ移動ステージ３３１や入れ子
状移動ステージ４３２などと異なり、大がかりにはなら
ないため、容易に実現する。

【００３２】第２の方法では、照明位置の相違による角
度差を何らかの方法で予め調べておき、測定結果に対し
てその角度差に応じた補正演算を施すものである。な
お、上記の各演算は、従来の干渉計において撮像素子３
３ａの後段に備えられる電気系の動作に、その演算に対
応する動作を追加すればよい。以上説明したように本第
１実施形態によれば、従来より簡単な構成で確実に干渉
縞パターンを検出することができる。

【００３３】次に、本発明に係る第２実施形態を、図２
に基づいて説明する。本第２実施形態は、請求項１，請
求項２，請求項３，請求項４に対応する。図２は、本第
２実施形態における観察光学系の構成、およびその周辺
を示す図である。図２において、図１や図３および図４
に示すものと同じものについては同一の符号を付して示
し、ここではその説明を省略する。

【００３４】第２実施形態の観察光学系２３では、第２
ミラー１３ｄを備えない代わりに、参照光生成用プレー
ト３２が配置される位置（像面３ａ）に、第２ミラーと
参照光生成用プレートとが一体型となった一体型プレー
ト２３ｄが配置される。この一体型プレート２３ｄは、
図３、図４、および図１に示す参照光生成用プレート３
２ｃと同様に、遮光板３２ｂの開口を通過した所定次数
の回折光の集光位置に配置したピンホールにより理想的
波面の参照光を生成し、また点像が形成される位置にお
いては被検光として使用される光を透過させるプレート
である。

【００３５】そして、本第２実施形態では、この一体型
プレート２３ｄの第１ミラー１３ａ側、かつ前記した点
像形成位置よりも直線Ｌ側に、反射コーティングが施さ
れる。また、この一体型プレート２３ｄの大きさは、第
１ミラー１３ａにて反射された干渉光（被検光および参
照光）を確実に反射できるような大きさに形成されてい
るものとする。

【００３６】このように、参照光生成用光学系３２にお
いて干渉用マスクを形成する素子（一般にシリコンウエ
ハなどからなる）の所定面に反射コーティングをすれ
ば、参照光生成光学系３２の機能を保ちつつ、第１実施
形態の第２ミラー１３ｄと同じ機能を付加することがで
きる。したがって、第２実施形態によれば、干渉計の部
品点数を抑えつつ、第１実施形態と同様の効果を得るこ
とがことができる。

【００３７】なお、上記各実施形態における第１ミラー
１３ａの形成については、親曲面１４ａを有した親ミラ
ー１４を用意してから前記干渉光の光路に対応する部分
を切り取ることで実現する。また、その光路に対応する
部分の透過率が高くなっているような親ミラー１４を用
意してもよい。また、上記各実施形態においては、撮像
素子に干渉光を導くための反射面の数は２枚となってい
るが、撮像素子の位置に応じて１枚または３つ以上の複
数としてもかまわない。例えば、図１や図２において、
第１ミラー１３ａが反射した干渉光の光路が、参照光生
成光学系３２や被検光学系３１によって妨げられないの
であれば、上記したような第１ミラー１３ａの反射面１
３ｂ一枚によって同様の効果が得られるので、観察光学
系１３の構成がより簡略化される。

【００３８】また、上記各実施形態において、参照光生
成光学系３２の構成は、上記したものに限らず、所望の
波面形状の参照光を生成できるのであれば、如何なる参
照光生成光学系、例えば、像面３ａに形成される点像か
ら発散する光の一部を利用して参照光を生成するものな
どに代えてもよい。また、上記各実施形態では、干渉縞
パターンの検出を撮像素子３３ａによって行っている
が、上記の撮像面３３ｂと同じ面を観察面とするのであ
れば、例えば、撮像素子３３ａに代えて感光フィルムを
配置してもよい。また、別の光学系を介して操作者が直
に観察できるように構成てもよい。

【００３９】また、上記各実施形態では、リング視野を
有した被検光学系の光学特性の測定について説明した
が、他のいかなる光学系の光学特性の測定においても、
その測定対象が、視野全体のリング視野部分である限
り、つまり光軸外の対称軸に関して中心対称性を有する
領域である限りは、本発明は適用しうる。以上のよう
に、本発明による各実施形態の観察光学系によれば、大
がかりなステージを必要としないため簡単な構成にする
ことが可能であり、かつ最終的に取得される信号におけ
る雑音を抑えることもできる。

【００４０】また、各実施形態の観察光学系において
は、光束を、４５°未満の反射角で偏向させるので、振
幅損失を低減させることができる。そしてこの反射角を
０°に近くするほどこの低減効果は高くなる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の観察光学
系によれば、従来より簡単な構成で確実に干渉縞パター
ンを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態における観察光学系の構成、およ
びその周辺を示す図である。

【図２】第２実施形態における観察光学系の構成、およ
びその周辺を示す図である。

【図３】従来の干渉計における観察光学系および参照光
生成光学系の周辺を示す図である。

【図４】従来の干渉計における観察光学系および参照光
生成光学系の周辺を示す図である。

【図５】従来の観察光学系に適用されるミラーと入れ子
状移動ステージとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１３，２３，３３，４３ 観察光学系 １３ａ 第１ミラー １３ｂ，１３ｅ 反射面 １３ｃ 第２ミラー １４ 親ミラー １５ 傾斜機構 １４ａ 親曲面 ２３ｄ 一体型プレート ３ａ 像面 ３ｂ 物体面 ３０ａ 測定用プレート ３０ｂ リング視野 ３０ｃ ピンホール ３１ 被検光学系 ３２ 参照光生成光学系 ３２ａ 回折格子 ３２ｂ 遮光板 ３２ｃ 参照光生成用プレート ３３ａ 撮像素子 ３３ｂ 撮像面 ３３ｇ 電気系 ３３１ ｘｙ移動ステージ ４３２ 入れ子状移動ステージ ４３ｅ，４３ｅ’ ミラー ４３ｆ 内ステージ ４３ｆ’外ステージ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検光学系のリング視野の周方向各位置
   を個別に照明してその被検光学系の光学特性を測定する
   干渉計に適用され、その被検光学系の像面から発散する
   被検光とその像面近傍から発散する参照光とによる干渉
   光の干渉縞パターンを検出する観察光学系であって、 前記像面における前記リング視野の像の曲率中心からそ
   の像面の垂直方向に延びる直線上に配置された撮像素子
   と、 前記直線の周りに対称な曲面の少なくとも一部に相当
   し、かつ前記被検光学系の射出瞳を前記撮像素子の配置
   個所に結像させる単数または複数の反射面とを備えたこ
   とを特徴とする観察光学系。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の観察光学系において、 前記単数または複数の反射面の面形状は、前記射出瞳の
   像の大きさが前記撮像素子の撮像面の大きさに対応する
   ような面形状に調整されていることを特徴とする観察光
   学系。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の観察光
   学系において、 前記撮像素子は、前記撮像面の角度が調整可能に構成さ
   れていることを特徴とする観察光学系。