JP2002310611A - 干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 非球面の形状を球面と同じ精度で測定が可能
で、かつ種々の面形状の測定に対応できる干渉計及びそ
れを用いた光学素子を用いた半導体露光装置を得ること 【解決手段】 干渉を利用して光学素子５の面形状を測
定する干渉計１０１において、参照光の波面を変形させ
る参照波面変形システムを有する。また、参照光側に、
弾性変形ミラー２１とあらかじめ素性の分かった基準面
２２を有して、それらからの光束より形成される干渉情
報を用いて、弾性ミラーの変形量をモニターする面変形
量モニター手段１０３を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は干渉計に関し、被検
物として球面から非球面にわたる広範囲な面形状に対応
し高精度で被検物の面形状を測定する際に好適なもので
ある。

【０００２】この他本発明は、マスク上のパターンを感
光性の基板に転写し、半導体素子を製造する等のリソグ
ラフィ工程で使用される投影光学系を構成する各光学素
子（レンズ、フィルター等）の球面や非球面等の面形状
を高精度に測定する際に好適なものである。

【０００３】

【従来の技術】光学系におけるイノベーションは常に新
しい光学素子、あるいは自由度の導入によってもたらさ
れている。この中で非球面の導入による光学性能の改善
は天体望遠鏡の昔から追及されてきた項目の一つである
が、近年、加工法や計測法の改善により、最も精度が要
求される半導体素子製造用の半導体露光装置に導入され
るところにいたった。

【０００４】半導体露光装置における非球面の効果は大
きく分けて３つある。第一の効果は光学素子の枚数の削
減である。短波長化に伴い半導体露光装置の光学系には
石英や蛍石といった高価な材料を使用せざるを得なくな
ってきた。非球面の効果による光学素子の枚数の削減は
製作面及びコスト面で非常に効果が大きい。第二の効果
はコンパクト化である。非球面の効果として光学系を小
型化することが可能となって、やはり製作及びコストに
対する影響が無視できないほど大きい。第３の効果は高
性能化である。高ＮＡ化や、低収差化でますます要求精
度の高くなっている光学系の性能を達成する手段として
非球面の果たす役割は非常に重要となっている。

【０００５】また、最近ではパターンの微細化の加速に
伴って次世代を担う露光方式としてＥＵＶを用いる方式
が本命視されている。ＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）
では従来の光露光で用いられてきた光の波長の１／１０
以下の１３．４ｎｍという短い波長の光を用いて、反射
結像光学系によりレチクル上の像をウェハーに転写す
る。ＥＵＶの領域では波長が短すぎる為、光が透過する
光学部材（透過材料）が存在せず、光学系はレンズを用
いないミラーのみの構成となる。しかしながら、ＥＵＶ
の領域では反射材料も限られており、１面あたりのミラ
ーの反射率は７０％弱しかない。従って、従来のレンズ
を用いた光学系の様に２０枚を越えるような光学系の構
成は光利用効率の面から不可能で、なるべく少ない枚数
で所定の性能を満足する結像光学系を構成しなければな
らない。

【０００６】現在、ＥＵＶの実験機で用いられているの
は３枚または４枚構成のミラー系でＮＡが０．１前後の
ものであるが、将来的には６枚のミラー系構成でＮＡ
０．２５から０．３０前後のシステムがターゲットとな
っている。このような高性能の光学系を少ない枚数で実
現する手段として、実際に高精度な非球面を加工し、計
測し、所定の面形状の光学素子を得ることが従来技術の
壁を打ち破るために必須の技術となってきている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高性能
が得られる設計値が得られても従来の非球面の加工では
非球面の計測精度に限界があり、所定の値以上の非球面
量を持った面は加工できないという問題点があった。該
所定の値は所望の精度で計測できる範囲によって定めら
れる。よく知られているように、計測と加工は一体のも
のであり、良い計測精度がなければ精密な加工を行うこ
とは不可能である。

【０００８】球面形状の計測の技術は光学素子の計測で
最も通常に用いられる技術であるため汎用の装置も製品
として存在しており、絶えざる精度向上の努力により精
度も大幅に向上している。しかしながら測定波長の１０
倍以上の大きな非球面量になると干渉縞の間隔が細かく
なりすぎて球面計測と同じ計測精度を出すことが困難と
なる。通常、大きな非球面方法として機械的あるいは光
学的なプローブを用いて非球面の表面を計測する方法も
知られている。しかしながらプローブ法は種々の形状の
非球面に対応できるフレキシビリティは備えているもの
の、プローブ自体の計測限界や、プローブの位置計測の
安定性などに問題があり、干渉計測法ほどの精度を出す
ことが困難である。

【０００９】本発明は非球面の形状を球面と同じ精度で
測定が可能で、かつ種々の面形状の測定に対応できる干
渉計及びそれを用いられた光学素子を用いた半導体露光
装置の提供を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の干渉計
は干渉を利用して光学素子の面形状を測定する干渉計に
おいて、参照光の波面を変形させる参照波面変形システ
ムを有することを特徴としている。

【００１１】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記参照波面変形システムは、光学素子の面形状を作成
することが出来る面形状が可変の弾性変形ミラーを参照
光側に有することを特徴としている。

【００１２】請求項３の発明は請求項２の発明において
前記参照波面変形システムは参照光側に、前記弾性変形
ミラーとあらかじめ素性の分かった基準面を有し、弾性
変形ミラーと基準面からの光束より形成される干渉情報
を用いて、弾性変形ミラーの変形量をモニターする面変
形量モニタ手段を有することを特徴ととしている。

【００１３】請求項４の発明は請求項３の発明において
参照光側に配置した基準面の形状は不変であることを特
徴としている。

【００１４】請求項５の発明は請求項３の発明において
前記参照波面変形システムで用いる干渉用の光束の波長
は光学素子の面形状の計測に用いる光束の波長と異なる
ことを特徴としている。

【００１５】請求項６の発明の干渉計は干渉を利用して
光学素子の面形状を測定する干渉計において、参照光側
には面形状を変化させることが出来る該弾性変形ミラ
ー、物体光側では面形状の測定基準となる波面を作成す
ることが出来る基準波面発生ユニットを具備することを
特徴としている。

【００１６】請求項７の発明は請求項６の発明において
前記参照光側の弾性変形ミラーと、物体光側の基準波面
発生ユニットを用い、両者の波面から所望の非球面波面
を作成し、参照光の波面と物体光の波面を観察面におい
て干渉させるよう、両者の調整を行うことを特徴として
いる。

【００１７】請求項８の発明は請求項７の発明において
物体光側の基準波面発生ユニットが波面の動径（Ｒ）の
４次を中心とした低次成分を生成し、参照光側の弾性変
形ミラーでは動径（Ｒ）の６次以上の高次成分を生成す
ることを特徴としている。

【００１８】請求項９の発明は請求項６，７又は８の発
明において前記基準波面生成ユニットは球面収差発生手
段を有することを特徴としている。

【００１９】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て前記球面収差発生ユニットは、複数のレンズを有し、
このうち２つのレンズのレンズ間の距離を調整すること
によって球面収差を発生していることを特徴としてい
る。

【００２０】請求項１１の発明は請求項２乃至１０のい
ずれか１項の発明において前記基準波面生成ユニットは
アルバレズレンズを有することを特徴としている。

【００２１】請求項１２の発明は請求項１１の発明にお
いて前記アルバレズレンズは波面の動径の６次以上の波
面成分が測定可能な範囲に調整することを特徴としてい
る。

【００２２】請求項１３の発明は請求項１２の発明にお
いて前記アルバレズレンズは、それが補正する波面の動
径の次数に対応して複数個設けられていることを特徴と
している。

【００２３】請求項１４の発明は請求項１１の発明にお
いて前記アルバレズレンズは波面の動径の４次以上の波
面成分が測定可能な範囲に調整することを特徴としてい
る。

【００２４】請求項１５の発明は請求項６の発明におい
て前記基準波面生成ユニットで可変的に波面を生成する
際に、光軸上、移動する光学部材の位置情報をモニタす
る位置情報モニタ手段を有することを特徴としている。

【００２５】請求項１６の発明は請求項１５の発明にお
いて前記光学部材の移動量に応じて、発生する波面を演
算手段で計算し、基準波面として用いることを特徴とし
ている。

【００２６】請求項１７の発明は請求項３の発明におい
て前記面変形量モニタ手段で用いる干渉用の光束の波長
は光学素子の面形状の計測に用いる光束の波長と同一で
あることを特徴としている。

【００２７】請求項１８の発明は請求項６の発明におい
て物体光側の基準波面発生ユニットが生成する波面の動
径の次数と参照光側の弾性変形ミラーが生成する波面の
動径の次数とは互いに異なっていることを特徴としてい
る。

【００２８】請求項１９の発明の半導体露光装置は請求
項１乃至１８のいずれか１項の干渉計を用いて作成され
た光学素子を用いることによって作成されたことを特徴
としている。

【００２９】請求項２０の発明の面形状測定方法は、請
求項１乃至１８のいずれか１項の干渉計を用いて光学素
子の表面形状を測定することを特徴としている。

【００３０】請求項２１の発明は、請求項２乃至８のい
ずれか１項の発明において参照光側にアルバレズレンズ
を有することを特徴としている。

【００３１】

【発明の実施の形態】通常の球面を測定する干渉計は精
度及び測定再現性などに長足の進歩を見せている。最近
では測定再現性で０．１ｎｍに近づこうという精度を見
せるまでになっており、ＥＵＶ時代の計測装置としても
使用出来る位のレベルに達している。

【００３２】これに対し非球面の面形状の計測は非球面
自体の要望があったにも拘らず、誤差要因が多いと言う
ことで、精度も要求を満たしていなかった。本発明の実
施形態はこの球面と非球面との乖離をなくすことを特徴
としている。このため、本発明の実施形態では精度上の
達成値を球面波にすることを目標として、球面計測用の
光学配置を基礎に非球面を計測する構成を用いている。

【００３３】尚、本発明において非球面とは球面又は平
面でないことを意味している。

【００３４】本発明の実施形態では、非球面の波面を、
参照光の波面と物体光の波面から、正確に合成して作っ
ている。このとき参照光の波面は弾性変形ミラーで作成
し、物体光の波面は光学系の収差をもとに発生させてい
る。

【００３５】参照光側は弾性変形ミラーを用いて自由に
形状を作成できるため、所望の波面を作成することが容
易である。

【００３６】物体光側の基準波面の作成には様々な方法
を用いることが出来るが、以下の考えをもとに光学系の
収差を発生させることにより、汎用性の高いシステムを
構築することが出来る。

【００３７】最近の半導体製造装置における高精度な駆
動の実現、及び計算機の発達は基準位置の収差さえはっ
きりしておれば、該基準位置からオープンループで各エ
レメントを駆動した後に発生する収差を正確に知ること
を可能とする。本発明はこの点を考慮して非球面が球面
からのずれと言う形で定義される以上、該非球面を収差
とみなし、該収差量を収差発生光学系（基準波面発生ユ
ニット）で発生させることによって、所望の非球面形状
を持つ波面を発生させている。

【００３８】本実施形態では任意の形状の非球面を、汎
用で検出できることのできる干渉計を提供している。

【００３９】本実施形態では、参照光側の波面を変形さ
せるシステムを有し、この波面変形に弾性変形ミラーを
用いることを特徴としている。

【００４０】また参照光側の弾性変形ミラーの形状をモ
ニターするための基準面を有し、弾性変形ミラーと基準
面間で弾性変形量モニタ干渉計を構成することを特徴と
している。

【００４１】さらに、参照光側の弾性変形ミラーで作成
した波面と、物体光側で発生させた基準波面によって、
種々の非球面計測を行っている。

【００４２】参照光側で用いる弾性変形ミラーは、例え
ば薄いガラス板をアクチュエーターやピエゾで制御する
ことにより、自由にミラー形状（面形状）を変化させる
ことが出来る構成となっている。この弾性変形ミラーを
参照面として用いることにより、所望の参照波面を作成
している。また、この弾性変形ミラーの面形状をモニタ
ーするために、基準面(例えば平面ミラーや球面原器、
非球面原器)を有し、この弾性変形ミラーと基準面とで
干渉計を構成することによって、変形量を精度良くモニ
ターしている。また、弾性変形ミラーの面形状のモニタ
ーには、計測波長と異なる波長を用いることで、変形量
をモニターしながら、非球面形状の計測を行うことを可
能としている。

【００４３】尚、弾性変形ミラーの面形状のモニターで
計測波長と同一の波長の光を用いても良い。

【００４４】一方物体光側では、非球面形状の計測の基
準となる波面を作成する。この基準波面は光学系の収差
を基準波面作成ユニットによってコントロールして作成
する。

【００４５】次に物体光側で光学系の収差によって基準
波面を作成する場合に関して、説明する。図１の基準波
面作成ユニット３では、非球面を特徴づける非球面形状
の各次数を、球面収差の発生やアルバレズレンズの組み
合わせなどで独立に制御する。対象となる光学系は共軸
であることが多いことから、光学素子は回転対称性を持
っていることが多い。従って球面からのずれは光軸から
の距離（動径）をＲとした時、動径Ｒの４乗以上の偶数
項で表わされる場合が通常である。特に重要なのは動径
Ｒの４乗の項であるが、４乗の項は収差で言うと球面収
差に相当する。そのため、基準波面作成ユニット３で
は、球面収差を故意に所望の値発生させて、非球面の形
状が持っている成分に対応する波面を形成させる。但
し、一般に非球面は動径Ｒの４乗だけでは表わすことが
できない場合が多いため、４乗以上の高次の項に関して
は各次数ごとにアルバレズレンズを利用して制御できる
収差を発生させることで、所望の非球面を構成する波面
を合成することも可能であるし、また、アルバレズレンズ
で４次以上の総ての波面を発生させることも可能であ
る。

【００４６】本実施形態では、参照光側と物体光側でそ
れぞれ非球面波面を作成し、この波面をもとに観察面７
１で波面を干渉させることによって、任意の非球面形状
の測定を可能としている。したがって、参照光の波面を
弾性変形ミラーによって任意に変形させることが出来る
こと、物体光側には、非球面形状測定の基準波面を作成
する「基準波面発生ユニット」を具備することを特徴と
している。

【００４７】本実施形態では、参照光側で弾性変形ミラ
ー、物体光側で基準波面発生ユニットを用いることによ
って、両者の波面を調整して合成するため、種々の非球
面波面を容易に作成することが出来る。従って、装置自
体を基準として様々な非球面を測定することができるた
めに、極めて汎用性を持つ装置を構成している。また、汎
用性があるにも拘らず干渉計測法であるために球面を測
定するのと同じ精度が達成できるため、従来より高精度
で非球面の面形状を測定することが困難であった非球面
の面形状を高精度に測定することができる。

【００４８】次に本発明の実施形態を図を用いて説明す
る。

【００４９】（実施形態１）図１は本発明の実施形態１
の要部概略図である。図１は被検面としての非球面の表
面形状測定法を示している。本実施形態１は参照光側に
弾性変形ミラー２１を用い、物体光側に基準波面発生ユ
ニット３を用い、両者の非球面波面を用いて、被検面５
の非球面形状を測定するものである。そして、特に参照
光側の弾性変形ミラー２１では非球面の高次（波面の動
径Ｒの６乗以上）の波面を作成し、物体光側の基準波面
作成ユニット３では球面収差を発生させ、波面の動径Ｒ
の４乗以上の基準波面を作成する場合を示している。

【００５０】尚、波面の動径Ｒの次数の発生は任意であ
っても良い。

【００５１】図１に示す干渉計は通常トワイマン・グリ
ーンの干渉計といわれる構成をとっている。レーザ光源
１からコリメートされた光（平行光）が干渉計に入ると
ころから図は始まっている。レーザ光源としてはＨｅＮ
ｅ、Ａｒ、ＨｅＣｄ、ＹＡＧの高調波など公知のレーザ
を用いることができる。

【００５２】コリメートされてきた光Ｌａは先ずビーム
スプリッタ１１で波面が分割され、参照光として参照面
を形成する弾性変形ミラー２１へ行く参照光路と、被検
面５のある物体光路とに分割される。

【００５３】その後参照光と物体光をビームスプリッタ
１１で合波し、レンズ６１を介して、ＣＣＤ等の撮像手
段（観察面）７１上に干渉情報を形成し、これより被検
面５の面形状を測定している。

【００５４】まず、参照光側の光路について説明する。

【００５５】参照光路に行った光はビームスプリッタ１
２を通過し、弾性変形ミラー（参照ミラー）２１で反射
して、再びビームスプリッタ１１に戻ってくる。高精度
な計測精度を得るためには位相計測をすることが必須と
なるのでＰＭＩ（Phase Measuring Interferometer）と
言われる手法が適用される。例えば図１の構成では参照
ミラー２１が波長オーダで光軸方向に微小駆動されてい
る。

【００５６】この弾性変形ミラー２１は、図２に示した
ように、例えば薄いガラス板２１ａをアクチュエーター
やピエゾ等の駆動部材２１ｂを駆動手段２１ｃで制御す
ることにより、自由にミラー形状（反射面形状）を変化
させ、所望の非球面波面を作成している。

【００５７】この弾性変形ミラー２１を用いるために
は、この変形量を精度良くモニターする必要がある。ピ
エゾやアクチュエーターの精度では計測精度が不十分の
ため、本システムは、図１に示すように、参照面の変形
量をモニターするためのもう１つの干渉計（変形量モニ
ター干渉計）１０１を参照面側に具備している。被検面
５の非球面形状を計測しながら、参照面の弾性変形ミラ
ー２１の変形量を随時モニターするためには、非球面の
計測波長とは異なる波長を用いることが必要である。

【００５８】非球面形状と弾性変形量の測定精度を比較
すると、非球面形状の方がより高い精度が要求される。
一般的に、波長の短い方が精度良く測定することが出来
るため、、光源１は変形量モニター干渉計１０１側の光
源２より波長が短いレーザー光源を用いる場合を図１に
示している。

【００５９】また、非球面計測と変形量モニターに異な
る波長を用いることで、リアルタイムに測定することが
出来るため、ピエゾやアクチュエーターの不安定成分を
常に検出し、フィードバックをかけることが出来るメリ
ットもある。

【００６０】尚、随時モニタする必要がないときは光源
１と光源２からの光束の波長は同一であっても良い。

【００６１】以下に、この変形量モニター干渉計１０１
について、説明する。光源１より波長の長い光を放射す
る光源２からの光Ｌａ２をコリメートし、ビームスプリ
ッタ１３で反射させたのち、もう１つのビームスプリッ
タ１２で、波面を参照面である弾性変形ミラー２１側
と、基準面２２である平面ミラー側に分割する。

【００６２】弾性変形ミラー２１からの光は再びビーム
スプリッタ１２に戻って反射し、一方基準面２２である
平面ミラーから反射した光はビームスプリッタ１２を透
過する。この２つの波面を干渉させ、レンズ６２、ＣＣ
Ｄ７２を通して参照面２１の弾性変形量を面変形量モニ
タ手段１０３でモニターする。ここで用いたビームスプ
リッタ−１２は、参照面２１の弾性変形量のモニターに
用いる光源２からの光の波面を２つに分割し、非球面計
測に用いる光源１からの光Ｌａの波長は透過するもの
（ダイクロイックミラー）である。

【００６３】さらに、基準面としてあらかじめ素性（面
形状）の分かっている平面ミラー２２を用い、上記に説
明した参照光側の変形量モニター干渉計１０１によって
変形量をモニターしながら、基準面（平面ミラー）２２
と弾性変形ミラー２１を一致させることで、弾性変形ミ
ラー２１の平面キャリブレーションを行う。そして、キ
ャリブレーション後、ピエゾやアクチュエーターによっ
て、弾性変形ミラーの表面形状を変化させ、所望の非球
面波面を形成している。

【００６４】次に、図１の物体光側の光路について説明
する。ビームスプリッタ１１で波面が分割され、物体光
路に分けられた光は基準波面発生ユニット３に入射す
る。基準波面発生ユニット３の構成は種々考えられる
が、図１の構成では主として波面の動径Ｒの４乗に対応
する波面を、基準波面発生ユニット３の中にある光学系
の光軸方向の位置を調整し、球面収差を発生させてい
る。

【００６５】ここではまず球面収差の発生法について説
明する。図１中３２は第１のレンズ、３３は第２のレン
ズである。レンズ３２は図１の構成ではビームスプリッ
タ１１から入射してくる平行光を点Ａに結像する作用を
する。レンズ３２は軸上付近のごく小さい範囲だけ収差
を補正しておけばよいので、収差量をきわめて小さく抑
えることができる。またたとえレンズ３２の収差が微小
のこっていても、微小量であるためオフセット処理でキ
ャンセルすることが可能である。以降の説明ではレンズ
３２の収差は無視することができるとして話を進める。

【００６６】レンズ３３は有限物点に対して収差の良く
補正されたレンズである。例えば顕微鏡の対物レンズの
ようなもので、所定の物像位置関係で収差が良く補正さ
れている。該レンズ３３の結像は従って、所定の関係か
ら外れた位置設定になっていると収差を多く発生する。
干渉計の光学配置では軸上しか使用しないので、所定の
関係からずれて発生する収差は光軸に関し回転対称な収
差、即ち球面収差となる。

【００６７】従ってレンズ３２によって形成される結像
点Ａの位置がレンズ３３の収差が補正されるべき物点の
位置と一致しておれば、レンズ３３を通過後に形成され
る結像位置における収差は極めてよく補正されている。
図中Ｂで示されている点は後続のコリメータ４の収差が
最もよく補正されている位置である。

【００６８】点Ｂの位置が点Ａのレンズ３３による結像
位置に合致すると、図１を構成する総ての光学要素が最
も収差の小さくなる配置されたことになる。このように
レンズ３２、３３、コリメータ４が収差の最も良く補正
される状態となった時、図１の干渉計は「基準状態」に
配置されていると定義する。

【００６９】基準状態についての記述を先に進めると、
レンズ３３によって点Ｂに結像した光は次いでコリメー
タ４に入射し、コリメータ４によって発散波を収束波に
変換されて被検物体５に向かう。コリメータ４は結像点
Ｂに対して収差補正されている光学系であるため、収束
波は収差のない（収差の極めて少ない）波面となって被
検物体５に向かう。即ち基準状態は球面の測定を行うの
に適した配置となっている。基準状態で被検物体として
あらかじめ素性のわかっている基準球面を配置すればレ
ンズ３２からコリメータ４にいたる測定光学系の収差の
オフセットを求めることができる。即ち、基準状態は被
検面として球面の測定に適した状態であり、なおかつ測
定系のオフセットをとる役割を果たす。なお、オフセッ
トの取り方については"Optical Shop Testing"(Malacar
a編)等に詳しいので、ここでは詳述しない。

【００７０】次いで非球面の測定について説明する。本
発明者が測定対象となる非球面の形状を分析したとこ
ろ、非球面の形状は回転対称型の光学系の場合、波面の
動径Ｒの４乗、６乗、８乗、１０乗、…の順番に低次か
ら近似を行っていくことが効率的なことが判明した。従
って、物体光側の基準波面と参照光側の弾性ミラーによ
る波面を作成する際、測定できる範囲内に入るまで動径
Ｒの４乗、６乗、８乗、１０乗、…の順番に低次から波
面を合成している。

【００７１】図１に示した実施形態１では、物体光側に
おいて基準波面発生ユニット３で球面収差を故意に発生
させ、非球面の主に動径Ｒの４乗の項を発生させ（正確
には動径Ｒの４乗だけでなく動径Ｒの４乗以上の高次項
も発生する）、参照光側において弾性変形ミラー２１を
用いて動径Ｒの６乗以上の高次を発生させ、両者の波面
によって種々の非球面波面を作成できる構成となってい
る。

【００７２】ここで物体光側の基準波面発生ユニット３
による球面収差の発生は以下の手順で行われる。レンズ
３３は前に説明したように、レンズ３２の結像点Ａが所
定の物点位置に来た時のみ点Ｂでの収差が補正される。
従って、レンズ３２を光軸方向に動かして点Ａの位置を
レンズ３３の収差が取れる位置からずらすと、結像点の
位置は点Ｂからずれて、しかも球面収差が発生したもの
となる。

【００７３】この間の様子を示したのが図３である。図
３（ａ）はレンズ３３の収差が良く補正されるレンズ配
置で、レンズ３２によって形成される結像位置点Ａがレ
ンズ３３の収差の取れている点３３ｐに結像し、点３３
ｑに結像している。基準状態では点３３ｑがコリメータ
４の収差の補正されている物点位置Ｂに一致している。
次いで図３（ｂ）に示すようにレンズ３２を右に動かす
ことによって結像位置Ａを点３３ｐ１の位置にずらす。
ずらした結果、レンズ３３による結像位置は点３３ｑ１
に移動する。点３３ｐ１と点３３ｑ１は収差の取れた関
係からずれているので球面収差が発生している。本実施
形態ではこの球面収差を非球面の基準波面に利用してい
る。コリメータ４との関係からレンズ３２とレンズ３３
を一体として左側に移動すれば、レンズ３３による結像
位置を球面収差が発生した状態を保ったままで点Ｂに一
致させることができる。一体として移動できるのはレン
ズ３２に入射する光束が平行光束であることによる。

【００７４】基準波面発生ユニット３による球面収差の
発生量はレンズ３２の結像点の移動量及び、移動方向で
量及び符号の双方をコントロールすることができる。従
って、動径Ｒの４乗の項は可変量として扱うことができ
る．本実施形態で目的の１つとするのはオングストロー
ムオーダーまでの測定精度が可能な高精度な測定であ
る。厳密にいうとレンズ３２，３３の位置調整によって
発生する収差は動径Ｒの４乗の項だけではないが、レン
ズ３２，３３の位置さえ精密にわかっていれば、その値
をコンピュータで計算することにより、高次の項まで正
確に発生する収差を計算することができる。計算された
値は高次項も含め、基準波面の値として用いられる。

【００７５】したがって、参照光側の弾性変形ミラー２
１による波面と物体光側の基準波面発生ユニット３によ
る基準波面とを作成する際、参照光側の弾性変形ミラー
２１の形状変化による非球面の波面作成、および物体面
側ではレンズ３２，３３の位置調整による球面収差の発
生を行い、これにより非球面形状が測定できる範囲内に
入るまで動径Ｒの４乗、６乗、８乗、１０乗、…の順番
に低次から波面を合成していくことで、種々の非球面形
状を測定している。

【００７６】また、図１に示した本実施形態１では、レ
ンズ３２の位置検出を行うために、レンズ３２の鏡筒の
位置をモニタするレーザ干渉計(位置情報モニター手段)
１０２を用いている。具体的にはレンズ３２の鏡筒を移
動させる機械部品３２−１に位置をモニタするレーザ干
渉計１０２からの光束３２−２が入射している。レーザ
干渉計の代わりにマグネスケールやエンコーダ等の位置
検出素子を使うことも可能で、該モニタ機能を用いて演
算手段１０４で計算を行うことにより発生する収差量を
正確に知ることができる。

【００７７】一方、レーザ干渉計１０２でモニタできる
のはあくまで相対変位量なので、基準となる位置は別途
決定する必要がある。基準となる位置を決定するために
は前述の「基準状態」を利用する。光学系を基準状態に
おき、被検物体位置に素性のわかっている基準球面を置
く、この状態で収差が予め分かっている基準球面のデー
タに最も近くなるようにレンズ３２，３３、コリメータ
４、基準球面の位置を調整する。

【００７８】調整した後にある許容値以内に入った状態
で、レンズ３２，３３、コリメータ４の調整を終了す
る。この位置が位置検出素子（レーザ干渉計１０２）の
基準位置となる。該基準位置からの駆動量が与える収差
の発生量は、駆動量の測定精度から定まる精度で正確に
計算することができる。レーザ干渉計１０２を用いれば
駆動精度はナノメートルオーダまで可能であるため、発
生する収差の値を知るには十分な精度である。

【００７９】図１にはレンズ３２にしか位置検出素子が
示されていないが、その他の光学素子３３，４，２１な
どにも同様に位置検出素子が配置されている。

【００８０】なお、ここでは、弾性変形ミラーのキャリ
ブレーションおよび変形量モニター時の基準面として平
面ミラーを用いたが、あらかじめ非球面量が測定されて
いる複数の球面原器または非球面原器を用いても良い。

【００８１】例えば図９に示すように球面量または非球
面量が測定されている複数の原器Ａ〜Ｄを用い、その中
から１つを選択して用いても良い。

【００８２】さらに、本実施形態において、物体光側で
はレンズ３２，３３の位置調整による球面収差の発生に
よって基準波面を作成する場合を説明した。球面収差の
発生方法はこれに限ったものではなく、図４に例として
示したような方法でも良い。本実施形態では基準波面発
生ユニット３内のレンズ１３３が平行光入射に対して収
差を発生させる機能を持っている。

【００８３】図４（Ａ）はレンズ１３３を構成する２つ
のレンズ１３３ａ，１３３ｂの間隔ｄを制御することに
よって球面収差の発生量を制御する方式である。間隔ｄ
の変化に伴う結像位置の変化はレンズ１３３全体を移動
することによって調整する。また間隔ｄの基準位置は先
の実施形態と同じくレンズ１３３とコリメータ４、基準
球面を用いて、同じような基準状態を求めることによっ
て行う。

【００８４】図４（Ｂ）はレンズ１３３の後側の位置に
厚さを連続的に変えることのできる全体として平行平板
と成る楔形の２つのプリズム部材１３４，１３５を挿入
した例である。平行平板の厚さを可変にするには２枚の
同じ角度を持つウェッジ１３４，１３５を組み合わせ、
光軸０ａと直交する方向に動かすことによって目的を達
成することができる。この場合の基準位置の調整も先の
実施形態と同じく基準状態をいったん達成することによ
って求めることができる。

【００８５】図４（Ｃ）は厚さの異なる複数の平行平板
を離散的に変えて球面収差を制御する例である。この場
合には該平行平板の厚さを正確に測定することを利用し
て、発生する球面収差を求めることができる。

【００８６】本実施形態では以上の構成により弾性変形
ミラー２１を介した参照波面と、基準波面発生ユニット
３，コリメーター４を通過し，被検面５で反射し，元の
光路を戻った被検波面（信号波面）と、をビームスプリ
ッター１１で合成し，レンズ６１によってＣＣＤ等の撮
像手段７１上に干渉波面を形成し，該撮像手段７１から
の信号（干渉信号）によって被検面５の面形状（面情
報）を測定している。

【００８７】（実施形態２）図５は本発明の実施形態２
の要部概略図である。本実施形態は，被検面として非球
面の測定法を示している。本実施形態２は参照光側に弾
性変形ミラー２１を用い、物体光側に基準波面発生ユニ
ット３を用い、両者の非球面波面を用いて、被検面５の
非球面形状を測定するもので、基本的な構成は実施形態
１と同じである。

【００８８】本実施形態が実施形態１と異なるところ
は、物体光側の「基準波面作成ユニット」３で球面収差
を発生させるとき動径Ｒの４乗以上、の他にさらにアル
バルツレンズを用いて動径Ｒの６乗の波面を作成し、参
照光側の弾性変形ミラー２１では動径Ｒの８乗以上の高
次の波面を作成することである。

【００８９】実施形態１では、物体光側の基準波面作成
ユニット３におけるレンズ３２の位置調整によって主に
動径Ｒの４乗の項の収差である球面収差を発生させる場
合を説明した。しかし、実際の非球面は、このような動
径Ｒの４乗の項のみで表わしきれるものではなく、より
高次の項の導入も必要となる場合がある。レンズ３２の
位置調整だけで動径Ｒの６乗以上の高次の収差を自由に
制御し、非球面の基準波面とすることが難しい場合があ
る。

【００９０】そこで、本実施形態２では実際の非球面に
存在する高次の形状を有する収差を発生させるため、ア
ルバレズレンズ３１を利用している。

【００９１】以下にアルバレズレンズ３１について説明
する。

【００９２】アルバレズレンズ３１は図６に示すように
同一形状の２枚組のレンズ３１ａ１，３１ａ２で、ｆ
（ｘ，ｙ）で示される非球面形状をした面が対抗して近
接して配置されたものである。２枚のレンズ３１ａ１，
３１ａ２の相対ずれがゼロである場合には、アルバレズ
レンズ３１は平行平板と同じ働きをする。ｆ（ｘ，ｙ）
の形を適当に選択すれば２枚のレンズ３１ａ１，３１ａ
２の一方を光軸０ａ方向と垂直のｙ方向にΔ、他方をー
Δ駆動することにより高次の収差を自由に発生させるこ
とができる．例えばｙ方向にずらして６乗の特性を出す
アルバレズレンズの形状ｆ（ｘ，ｙ）は ｆ（ｘ，ｙ）＝ａ（ｘ⁶ｙ＋ｙ⁷／７） とすると、互いに±Δだけｙ方向にずれたアルバレズレ
ンズの透過波面Ｗ（ｘ，ｙ）は、硝材の屈折率をｎとす
ると Ｗ（ｘ，ｙ）≒２ａΔ（ｎ−１）（ｘ⁶＋ｙ⁶） となり、ずらし量Δに比例した波面を形成させることが
できる。ずらし量Δを説明したようにプラスとマイナス
に対称に構成すると、ずらし量Δの偶数次の項が消えて
ずらし量Δの非線形の効果を抑えることができる．発生
する収差の量はずらし量Δを制御することによって調整
することができる．アルバレズレンズ３１を特徴付ける
非球面形状ｆ（ｘ，ｙ）を理想的に作ることは困難であ
るため、製作誤差をキャリブレーションする必要があ
る．キャリブレーションの際には球面収差の場合と同じ
く基準状態と素性のわかっている基準面を用いて、測定
を行いオフセット量を計算する．オフセット量はｆ
（ｘ，ｙ）の誤差、ずれ量Δから発生する非線形効果等
も含めて補正する。またアルバレズレンズの位置は位置
検出素子を各アルバレズレンズに装着して検出を行う。

【００９３】ここで説明したのは波面の動径Ｒの６乗の
項の説明であったが、更に８乗の項、１０乗の項も別の
アルバレズレンズを挿入することによって制御すること
ができる．挿入すべきアルバレズレンズの数は対象とな
る非球面の形状によって異なる。図５では３１が動径Ｒ
の６乗の項を発生させるアルバレズレンズに対応してい
る。

【００９４】以上のように本実施形態２によって、参照
光側に弾性変形ミラー２１を用い、物体光側に基準波面
発生ユニット３を用い、両者の非球面波面を用いて、被
検面５の非球面形状を測定するものであって、特に物体
光側の「基準波面作成ユニット３」では球面収差を発生
することにより主に動径Ｒの４乗（正確には高次も発生
する）、さらにアルバルツレンズ３１を用いて動径Ｒの
６乗の波面を作成し、参照光側の弾性変形ミラー２１で
は高次（動径Ｒの８乗以上）の波面を作成することによ
って、種々の非球面測定を可能にしている。

【００９５】（実施形態３）図７は本発明の実施形態３
の要部概略図である。

【００９６】本実施形態の基本的な構成は実施形態１，
２と同じで、参照光側に弾性変形ミラー２１を用い、物
体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者で作成し
た非球面波面を用いて被検面５の非球面形状を測定する
ものである。特に本実施形態３は物体光側に２つのアル
バレズレンズ３１ａ，３１ｂを用いたことを特徴として
いる。

【００９７】本実施形態では「基準波面作成ユニット
３」で球面収差を発生することにより主に動径Ｒの４乗
以上に比例する球面収差の発生量を制御し、さらにアル
バレズレンズ３１ａが動径Ｒの６乗に比例する波面、も
う１つのアルバレズレンズ３１ｂが動径Ｒの８乗に比例
する波面を作成し、参照光側の弾性変形ミラー２１では
動径Ｒの１０乗以上の高次の波面を作成することによっ
て、種々の非球面測定を可能にしている。アルバレズレ
ンズ３１ａ，３１ｂの基準位置は実施形態１と同じくレ
ンズ３２，３３とコリメータ４、基準球面を用いて、同
じような基準状態を実現した上でアルバレズレンズを挿
入していってオフセットを求めることができる。

【００９８】尚、実施例２と同様に、挿入するアルバレ
ズレンズの数は、対象となる非球面形状によって異な
る。

【００９９】（実施形態４）図８は本発明の実施形態４
の要部概略図である。

【０１００】本実施形態の基本的な構成は実施形態１，
２と同じで、参照光側に弾性変形ミラー２１を用い、物
体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者の非球面
波面を用いて、被検面５の非球面形状を測定するもので
ある。本実施形態は物体光側のアルバレズレンズ３１ａ
に動径Ｒの４乗の収差発生を負担させている。

【０１０１】本実施形態ではレンズ３３が平行光を収差
なく結像させる機能を持っている。図中、アルバレズレ
ンズ３１ａが動径Ｒの４乗に比例する球面収差の発生量
を制御する．アルバレズレンズの基準位置は実施形態１
と同じくレンズ３２，３３とコリメータ４、基準球面を
用いて、同じような基準状態を実現した上でアルバレズ
レンズ３１ａを挿入していってオフセットを求めること
ができる．そして、参照光側に配置した弾性変形ミラー
２１を用いることによって、物体光側のアルバレズレン
ズ３１ａで発生しない動径Ｒの６乗以上の高次項に比例
する収差の発生を行う。

【０１０２】尚、実施例２、実施例３と同様に、挿入す
るアルバレズレンズの数は、対象となる非球面形状によ
って異なる。

【０１０３】(実施形態５)図１０は本発明の実施形態５
の要部概略図である。

【０１０４】本実施形態は実施形態１に比べて参照光の
波面を変形させる参照波面変形システムとして弾性変形
ミラーの代わりにアルバレズレンズ３１と平面ミラー２
１ａを用いている点が異なっているだけであり，その他
の構成は同じである。

【０１０５】本実施形態において，アルバレズレンズ３
１を波面の動径の次数に合わせて複数用いても良い。

【０１０６】尚、本実施形態においてアルバレズレンズ
３１の代わりに波面の動径の所定の次数を発生させるこ
とができるＣＧＨ（Computer Generated Hologram）を
用いても良い。この場合複数のＣＧＨを所望の波面に応
じて取替え、あるいは切換え可能な構成にしてもよい。

【０１０７】以上述べたように本実施形態によれば、参
照光側に波面を変形させることができるシステムを用い
物体光側に基準波面発生ユニットを用い、波面を調整し
て合成するため、種々の基準波面を非球面の形状ごとに
作成することができる。

【０１０８】また、装置自体が基準となるため、原器と
して装置を使うことができる。更に本実施形態は基準と
して発生させる波面を高精度に可変制御できるため、様
々な非球面を測定に対応することができ、極めて汎用性
が高い。又、汎用性があるにも拘らず干渉計測法である
ために球面を測定するのと同じ精度で非球面を測定する
ことができる。

【０１０９】本実施形態によれば、従来より設計値とし
ては存在したが実際には加工が困難であった非球面光学
素子を容易に製作することができる。又、ＥＵＶのよう
に精度が厳しい上に、使うことのできる枚数が限られて
いる光学系で、従来、実際には加工計測上の観点から適
用することのできなかった範囲にある非球面を持つ光学
素子を利用できる。この他、本実施形態によればＥＵＶ
だけでなく従来のＵＶ、ＤＵＶ、ＶＵＶ領域の露光装置
における非球面にも適用することができる。又、非球面
を用いることにより光学系のフレキシビリティが増した
ことで、高精度の半導体露光装置を達成することができ
る。

【０１１０】また、本実施形態によれば半導体露光装置
だけでなく、他の光学装置にも同様に適用することがで
きる．以上の各実施形態の干渉計のうちの１つを用いて
作成された光学素子を第１の物体（レチクル）上に形成
されたパターンを第２の物体（ウエハ）上に結像させて
露光する投影露光装置における投影光学系に用いてい
る。

【０１１１】これによって高い光学性能の投影光学系の
製造を容易にしている。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によれば非球面の形状を球面と同
じ精度で測定が可能で、かつ種々の面形状の測定に対応
できる干渉計及びそれを用いられた光学素子を用いた半
導体露光装置を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の非球面測定の干渉計の実施形態１の
要部概略図

【図２】 図１の変形ミラーの概要図

【図３】 図１の一部分の球面収差の発生を示す説明図

【図４】 本発明に係る種々の球面収差を発生する為の
説明図

【図５】 本発明の非球面測定の干渉計の実施形態２の
要部概略図

【図６】 図５のアルバレズレンズの原理説明図

【図７】 本発明の非球面測定の干渉計の実施形態３の
要部概略図

【図８】 本発明の非球面測定の干渉計の実施形態４の
要部概略図

【図９】 図１の一部分の変形例

【図１０】 本発明の非球面測定の干渉計の実施形態５
の要部概略図

【符号の説明】

１１，１２，１３ ビームスプリッタ ２１ 参照面の弾性変形ミラー ２２ 基準面 ３ 基準波面発生ユニット ３２，３３ レンズ ４ コリメータ ５ 被検物体 ６１，６２ 結像レンズ ７１，７２ ＣＣＤ ３１ａ，３１ｂ アルバレズレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 謙治 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F064 AA09 AA11 BB05 CC04 EE02 FF02 GG11 GG13 GG22 GG70 HH03 HH08 JJ01

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 干渉を利用して光学素子の面形状を測定
   する干渉計において、参照光の波面を変形させる参照波
   面変形システムを有することを特徴とする干渉計。
2. 【請求項２】 前記参照波面変形システムは、光学素子
   の面形状を作成することが出来る面形状が可変の弾性変
   形ミラーを参照光側に有することを特徴とする請求項１
   記載の干渉計．
3. 【請求項３】 前記参照波面変形システムは参照光側
   に、前記弾性変形ミラーとあらかじめ素性の分かった基
   準面を有し、弾性変形ミラーと基準面からの光束より形
   成される干渉情報を用いて、弾性変形ミラーの変形量を
   モニターする面変形量モニタ手段を有することを特徴と
   する請求項２記載の干渉計。
4. 【請求項４】 参照光側に配置した基準面の形状は不変
   であることを特徴とする、請求項３記載の干渉計。
5. 【請求項５】 前記参照波面変形システムで用いる干渉
   用の光束の波長は光学素子の面形状の計測に用いる光束
   の波長と異なることを特徴とする、請求項３記載の干渉
   計。
6. 【請求項６】 干渉を利用して光学素子の面形状を測定
   する干渉計において、参照光側には面形状を変化させる
   ことが出来る該弾性変形ミラー、物体光側では面形状の
   測定基準となる波面を作成することが出来る基準波面発
   生ユニットを具備することを特徴とする干渉計。
7. 【請求項７】 前記参照光側の弾性変形ミラーと、物体
   光側の基準波面発生ユニットを用い、両者の波面から所
   望の非球面波面を作成し、参照光の波面と物体光の波面
   を観察面において干渉させるよう、両者の調整を行うこ
   とを特徴とした請求項６記載の干渉計。
8. 【請求項８】 物体光側の基準波面発生ユニットが波面
   の動径（Ｒ）の４次を中心とした低次成分を生成し、参
   照光側の弾性変形ミラーでは動径（Ｒ）の６次以上の高
   次成分を生成することを特徴ととした請求項７記載の干
   渉計。
9. 【請求項９】 前記基準波面生成ユニットは球面収差発
   生手段を有することを特徴とする請求項６，７又は８記
   載の干渉計。
10. 【請求項１０】 前記球面収差発生ユニットは、複数の
    レンズを有し、このうち２つのレンズのレンズ間の距離
    を調整することによって球面収差を発生していることを
    特徴とする請求項９記載の干渉計．
11. 【請求項１１】 前記基準波面生成ユニットはアルバレ
    ズレンズを有することを特徴とする請求項２乃至１０の
    いずれか１項に記載の干渉計。
12. 【請求項１２】 前記アルバレズレンズは波面の動径の
    ６次以上の波面成分が測定可能な範囲に調整することを
    特徴とする請求項１１記載の干渉計。
13. 【請求項１３】 前記アルバレズレンズは、それが補正
    する波面の動径の次数に対応して複数個設けられている
    ことを特徴とする請求項１２記載の干渉計。
14. 【請求項１４】 前記アルバレズレンズは波面の動径の
    ４次以上の波面成分が測定可能な範囲に調整することを
    特徴とする請求項１１記載の干渉計。
15. 【請求項１５】 前記基準波面生成ユニットで可変的に
    波面を生成する際に、光軸上、移動する光学部材の位置
    情報をモニタする位置情報モニタ手段を有することを特
    徴とする請求項６記載の干渉計。
16. 【請求項１６】 前記光学部材の移動量に応じて、発生
    する波面を演算手段で計算し、基準波面として用いるこ
    とを特徴とする請求項１５記載の干渉計。
17. 【請求項１７】 前記面変形量モニタ手段で用いる干渉
    用の光束の波長は光学素子の面形状の計測に用いる光束
    の波長と同一であることを特徴とする、請求項３記載の
    干渉計。
18. 【請求項１８】 物体光側の基準波面発生ユニットが生
    成する波面の動径の次数と参照光側の弾性変形ミラーが
    生成する波面の動径の次数とは互いに異なっていること
    を特徴とした請求項６記載の干渉計。
19. 【請求項１９】 請求項１乃至１８のいずれか１項の干
    渉計を用いて作成された光学素子を用いることによって
    作成されたことを特徴とする半導体露光装置。
20. 【請求項２０】請求項１乃至１８のいずれか１項の干渉
    計を用いて光学素子の表面形状を測定することを特徴と
    する面形状測定方法。
21. 【請求項２１】参照光側にアルバレズレンズを有するこ
    とを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項に記載の
    干渉計。