JP2003188080A

JP2003188080A - 結像光学系の結像評価方法、結像光学系、露光装置、露光方法、および観察装置

Info

Publication number: JP2003188080A
Application number: JP2001386886A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ozawa; 稔彦小澤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の結像評価手法の前提条件である均一性
を逸脱する大きな物体構造について結像評価を行うこと
のできる、結像光学系の結像評価方法。【解決手段】結像光学系は点像強度分布がそのピーク
位置から近似的に０とできる範囲内で均一的であるもの
として、結像光学系の結像性能を評価する結像評価量を
計算する結像評価方法。複数の評価対象像点における射
出瞳面内の複素透過率分布（瞳関数）と、光源の瞳面内
複素振幅分布（有効光源分布）とに基づいて、複数の評
価対象像点上に結像する空間像を部分コヒーレントに重
ね合わせ、光学的な均一性が保証されない大域的な領域
における部分コヒーレントな結像評価を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、結像光学系の結像
評価方法、結像光学系、露光装置、露光方法、および観
察装置に関し、特に半導体基板やガラス基板上に微細な
パターンを投影露光する投影露光装置に用いられる投影
光学系やアライメント結像光学系（アライメント系の結
像光学系）の大域的結像評価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、投影露光装置に用いられる投影光
学系やアライメント結像光学系の結像評価手法では、評
価を行いたい領域を複数個の像点に区切り、それぞれの
像点における射出瞳面内の複素透過率分布（以下、「瞳
関数」という）および光源の瞳面内複素振幅分布（以
下、「有効光源分布」という）を求め、この瞳関数と有
効光源分布とからそれぞれの像点における部分コヒーレ
ントなフーリエ（Fourier）結像論に基づく結像評価を
行って、結像光学系（投影光学系を含む）の全体的な結
像性能を把握していた。

【０００３】従来技術におけるこの結像評価手法は、個
々の像点の近傍においては瞳関数および有効光源分布が
十分に均一的（すなわちisoplanatic）であるという前
提条件の元に行われている。したがって、この均一性
（すなわちisoplanatizm）を逸脱しない程度の大きさの
物体に対してのみ、結像計算を行っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
従来の結像評価手法の前提条件である均一性を逸脱する
大きな物体構造について結像評価を行うことが増えてき
た。特に、投影露光装置に用いられるアライメント結像
光学系の結像評価では、均一的な領域の数倍から数十倍
の大きさを持つ物体構造の結像を部分コヒーレントに見
る必要がある。

【０００５】このような場合には、従来の結像評価手法
による個々の像点における部分部分の空間像分布を単純
に重ね合わせることが考えられる。しかしながら、実際
の結像では、隣り合った領域同士での部分コヒーレント
な干渉成分が存在し、上述のように個々の像点における
部分部分の空間像をインコヒーレントに重ね合わせるだ
けではまったく不充分である。

【０００６】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、従来の結像評価手法の前提条件である均一性
を逸脱する大きな物体構造について結像評価を行うこと
のできる、結像光学系の結像評価方法を提供することを
目的とする。また、本発明の結像評価方法で結像評価さ
れた結像光学系、結像光学系を備えた露光装置および観
察装置、並びに結像光学系を用いた露光方法を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１発明では、結像光学系は点像強度分布
がそのピーク位置から近似的に０とできる範囲内で均一
的であるものとして、前記結像光学系の結像性能を評価
する結像評価量を計算する結像評価方法であって、複数
の評価対象像点における射出瞳面内の複素透過率分布
（瞳関数）と、光源の瞳面内複素振幅分布（有効光源分
布）とに基づいて、前記複数の評価対象像点上に結像す
る空間像を部分コヒーレントに重ね合わせ、光学的な均
一性が保証されない大域的な領域における部分コヒーレ
ントな結像評価を行うことを特徴とする、結像光学系の
結像評価方法を提供する。この場合、前記結像光学系
は、両テレセントリックな光学系であることが好まし
い。

【０００８】第１発明の好ましい態様によれば、前記結
像光学系の射出瞳面内の複素透過率分布（瞳関数）およ
び光源の瞳面内複素振幅分布（有効光源分布）が計算領
域の全域では均一でないものとし、前記計算領域を局所
的には光学的な均一性が近似的に成立する微小区間に分
割し、光源を複数個の点光源に近似し、個々の点光源に
よる結像は、各微小区間における局所的な物体面回折光
複素振幅分布と射出瞳面内の複素透過率分布（瞳関数）
と照明光束の入射方向および複素振幅とを考慮して、全
ての微小区間に亘ってコヒーレントに空間像の複素振幅
を加算することにより計算し、前記空間像の複素振幅の
絶対値の２乗を全ての点光源についてインコヒーレント
に加算して部分コヒーレントな大域的空間像強度分布を
得る。

【０００９】あるいは、第１発明の好ましい態様によれ
ば、前記結像光学系の射出瞳面内の複素透過率分布（瞳
関数）は計算領域全域では均一でないが、光源の瞳面内
複素振幅分布（有効光源分布）が計算領域の全域に亘っ
て均一であるものと仮定し、前記計算領域を結像光学系
に関し局所的には光学的な均一性が近似的に成立する微
小区間に分割し、光源を複数個の点光源に近似し、個々
の点光源による結像は、各微小区間における局所的な物
体面回折光複素振幅分布と射出瞳面内の複素透過率分布
（瞳関数）とを考慮して、全ての微小区間に亘ってコヒ
ーレントに空間像の複素振幅を加算することにより計算
し、前記空間像の複素振幅の絶対値の２乗を全ての点光
源についてインコヒーレントに加算して部分コヒーレン
トな大域的空間像強度分布を得る。

【００１０】あるいは、第１発明の好ましい態様によれ
ば、光源の瞳面内複素振幅分布（有効光源分布）は計算
領域全域では均一でないが、前記結像光学系の射出瞳面
内の複素透過率分布（瞳関数）が計算領域の全域に亘っ
て均一であるものと仮定し、前記計算領域を照明光学系
に関し局所的には光学的な均一性が近似的に成立する微
小区間に分割し、光源を複数個の点光源に近似し、個々
の点光源による結像は、各微小区間における局所的な物
体面回折光複素振幅分布と照明光束の入射方向および複
素振幅とを考慮して、全ての微小区間に亘ってコヒーレ
ントに空間像の複素振幅を加算することにより計算し、
前記空間像の複素振幅の絶対値の２乗を全ての点光源に
ついてインコヒーレントに加算して部分コヒーレントな
大域的空間像強度分布を得る。

【００１１】また、第１発明の好ましい態様によれば、
仮想的に周期的な物体構造に対する結像計算を行うもの
とし、得られた大域的空間像強度分布を像スペクトルの
形で保持し、結像評価を物体周期の１周期以内で完結さ
せる。あるいは、仮想的に周期的な物体構造に対する結
像計算を行うものとし且つ光学系の諸収差も物体構造の
１周期で１周期前の収差が再現すると仮定して瞳面内の
積分を離散化し、個々の点光源による結像を高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）を用いることにより計算し、得られた
大域的空間像強度分布を像スペクトルの形で保持し、結
像評価を物体周期の１周期以内で完結させることが好ま
しい。この場合、得られた像スペクトルから空間像強度
分布を得る際に、通常のフーリエ変換を用いて任意座標
における空間像強度を計算することが好ましい。

【００１２】本発明の第２発明では、第１発明の結像評
価方法を用いて結像評価されたことを特徴とする結像光
学系を提供する。

【００１３】第２発明の好ましい態様によれば、光の波
長をλとし、前記計算領域の最周辺像点と中心像点との
距離をＤ_Iとし、前記計算領域の最周辺物点と中心物点
との距離をＤ_Oとしたとき、前記計算領域内の任意の像
点における像側テレセントリシティーＴＬ_Iおよび前記
計算領域内の任意の物点における物側テレセントリシテ
ィーＴＬ_Oが、ＴＬ_I≦０．０６２５×λ／Ｄ_I ＴＬ_O≦０．０６２５×λ／Ｄ_O の条件を満足する。

【００１４】また、第２発明の好ましい態様によれば、
光の波長をλとしたとき、前記計算領域内の任意の２つ
の像点に関する物面と像面との間の光路長差ＯＰＤが、ＯＰＤ≦０．０６２５×λ の条件を満足する。

【００１５】本発明の第３発明では、マスクを照明する
ための照明系と、前記マスクのパターンを感光性基板に
投影露光するための第２発明の結像光学系とを備えてい
ることを特徴とする露光装置を提供する。

【００１６】本発明の第４発明では、マスクを照明する
工程と、第２発明の結像光学系を用いて前記マスクに形
成されたパターンの像を感光性基板上に投影露光する露
光工程とを含むことを特徴とする露光方法を提供する。

【００１７】本発明の第５発明では、第２発明の結像光
学系を備え、該結像光学系を介して形成された物体像を
観察することを特徴とする観察装置を提供する。この場
合、前記結像光学系のパターン検出精度が２０ｎｍ以下
であることが好ましい。

【００１８】本発明の第６発明では、第５発明の観察装
置と、マスクのパターンを感光性基板上へ投影露光する
ための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光
装置を提供する。この場合、前記観察装置は、前記投影
光学系に対して前記マスクと前記感光性基板とを位置合
わせするために、前記マスク上に設けられたマークまた
は前記感光性基板上に設けられたマークを観察すること
が好ましい。

【００１９】本発明の第７発明では、第５発明の観察装
置を用いて前記マスクと前記感光性基板とを位置合わせ
する工程と、前記マスクのパターンを前記感光性基板へ
露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法を
提供する。

【００２０】本発明の第８発明では、結像光学系の結像
性能を評価する結像評価量を計算するプログラムが記録
されている記録媒体であって、前記結像光学系は点像強
度分布がそのピーク位置から近似的に０とできる範囲内
で均一的であるものとし、複数の評価対象像点における
射出瞳面内の複素透過率分布（瞳関数）と、光源の瞳面
内複素振幅分布（有効光源分布）とに基づいて、前記複
数の評価対象像点上に結像する空間像を部分コヒーレン
トに重ね合わせ、光学的な均一性が保証されない大域的
な領域における部分コヒーレントな結像評価を行うプロ
グラムが記録されていることを特徴とする記録媒体を提
供する。

【００２１】本発明の第９発明では、結像光学系の結像
性能を評価する結像評価量を計算するプログラムを含む
信号を搭載している、コンピュータで受信可能な搬送波
であって、前記結像光学系は点像強度分布がそのピーク
位置から近似的に０とできる範囲内で均一的であるもの
とし、複数の評価対象像点における射出瞳面内の複素透
過率分布（瞳関数）と、光源の瞳面内複素振幅分布（有
効光源分布）とに基づいて、前記複数の評価対象像点上
に結像する空間像を部分コヒーレントに重ね合わせ、光
学的な均一性が保証されない大域的な領域における部分
コヒーレントな結像評価を行うプログラムを含む信号を
搭載していることを特徴とする、コンピュータで受信可
能な搬送波を提供する。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、添付図面に
基づいて説明する。本発明においては、従来の結像計算
モデルを見直し、ある範囲で区切られた区間内では従来
と同様な結像となるが、全体的に均一的ではないが部分
コヒーレントな結像が成立するような計算手法を導入す
るものとした。以下、本発明の結像評価方法の基本的事
項について、具体的に説明する。

【００２３】図１は、本発明にかかる結像光学系の結像
評価方法を説明する図である。先ず、図１において、物
面上のＯ点（ｘ_O，ｙ_O）から射出した光束が結像光学系
ＰＬを介して像面上のＩ点（ｘ_I，ｙ_I）に入射し、点像
の複素振幅分布Ｐが形成されるものとする。そして、物
側座標（ｘ_O，ｙ_O）の近傍から像側座標（ｘ_I，ｙ_I）の
近傍への結像は、従来の計算モデルと同様に、限られた
狭い範囲内では均一的であるものと仮定する。

【００２４】この場合、光源を離散的な点光源の集合で
表現することとして、Ｎ番目の点光源による像側座標
（ｘ_I，ｙ_I）の近傍点（ｘ，ｙ）における点像の複素振
幅分布Ｐ_Nは、次の式（１）で計算される。

【００２５】

【数１】

【００２６】ここで、Ｆ_N（ｘ_O，ｙ_O）はＮ番目の点光
源からＯ点に入射する光束の振幅であり、Ｋ_O（ξ，
η）はＯ点からＩ点への瞳関数であり、βはＯ点からＩ
点への倍率である。したがって、物側座標（ｘ_O，ｙ_O）
と像側座標（ｘ_I，ｙ_I）との間には、次の式（２）およ
び（３）に示す関係が成立する。ｘ_I＝ｘ_Oβ （２）ｙ_I＝ｙ_Oβ （３）

【００２７】また、Ｌ_NOはＮ番目の点光源からＯ点に入
射する光束の光路長から（ｓ_NOｘ_Oβ＋ｔ_NOｙ_Oβ）を差
し引いたものであり、（ｓ_NO，ｔ_NO）はＮ番目の点光源
からＯ点に入射する光束のＯ点における入射方向余弦を
像側方向余弦に変換したものである。ところで、光の波
長をλとし、結像光学系ＰＬの開口数をＮＡとしたと
き、複素振幅分布Ｐは（ｘ_I，ｙ_I）の周りにおよそλ／
ＮＡ程度の範囲で有意に分布するが、特に投影露光装置
に用いられる投影光学系やアライメント結像光学系は両
テレセントリックである場合が殆どであり、光学系の射
出瞳は像空間から十分遠方にある。

【００２８】このような両テレセントリックな結像光学
系においては、物点から像点に至る光路長が任意の二像
点間でほぼ等しく、更に光学部品等の光学面が十分に滑
らかに仕上がっていれば、均一的な領域は、次の式
（４）を満足する範囲、即ちλ／ＮＡを超過した範囲ま
で広がっているものと考えられる。Ｐ_N（ｘ_O，ｙ_O：ｘ，ｙ）≒０（４）

【００２９】この仮定の基に、本発明においては、式
（１）に物体の複素振幅透過率Ｏ（ｘ _O，ｙ_O）を掛け合
わせ、座標（ｘ_O，ｙ_O）に付いて積分を行うことによ
り、Ｎ番目の点光源からＯ点に入射する光束によって形
成される空間像の複素振幅分布Ｅ _N（ｘ，ｙ）を次の式
（５）にしたがって計算する。式（５）は、均一性が成
立しない大域における、Ｎ番目の点光源による空間像の
複素振幅分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）を与える基礎式である。

【００３０】

【数２】

【００３１】更に、式（５）中の座標（ｘ_O，ｙ_O）に関
する積分では、（ｘ_O，ｙ_O）が移動するのに伴って、瞳
関数Ｋ_O（ξ，η）、Ｎ番目の点光源に関する光路長Ｌ
_NOおよび入射方向余弦（ｓ_NO，ｔ_NO）も変わるものであ
るが、今（ｘ_O，ｙ_O）を中心に±δｘ、±δｙの範囲で
均一的とみなせるものとすると、物体側の積分領域を２
δｘ、２δｙ毎に区切ってそれぞれの領域内では振幅Ｆ
_N（ｘ_O，ｙ_O）、瞳関数Ｋ_O（ξ，η）、光路長Ｌ_NO、
および入射方向余弦（ｓ_NO，ｔ_NO）は均一とみなすこと
ができる。その結果、式（５）を、次の式（６）に示す
ように簡略化することができる。

【００３２】

【数３】

【００３３】ここで、添え字ｍは区切られたｍ番目の積
分領域に関する諸量であることを意味し、ｍ番目の積分
領域の中点を（ｘ_m，ｙ_m）としている。また、Ｆ_NmはＮ
番目の点光源から点（ｘ_m，ｙ_m）に入射する光束の振幅
であり、Ｋ_m（ξ，η）は点（ｘ_m，ｙ_m）から像面側の
点（ｘ_mβ，ｙ_mβ）への瞳関数であり、（ｓ_Nm，ｔ_Nm）
はＮ番目の点光源から点（ｘ_m，ｙ_m）に入射する光束の
方向余弦を像側の方向余弦に変換したものであり、Ｌ_Nm
はＮ番目の点光源から点（ｘ_m，ｙ_m）に入射する光束の
光路長から（ｓ_Nmｘ_mβ＋ｔ_Nmｙ_mβ）を差し引いたもの
である。

【００３４】特に、光源が十分遠方にあって、射出瞳内
の有効光源分布が座標（ｘ_m，ｙ_m）によらず均一的であ
るならば、Ｌ_Nmは座標原点に対する値Ｌ_Nで代表させる
ことが可能となり、Ｆ_Nmおよび（ｓ_Nm，ｔ_Nm）において
も添え字ｍへの依存性を排除することができ、単にＮ番
目の点光源の諸量であることを示す添え字Ｎのみによっ
てＦ_Nおよび（ｓ_N，ｔ_N）と表すことができる。この仮
定の基では、式（６）を、次の式（７）に示すようにさ
らに簡略化することができる。

【００３５】

【数４】

【００３６】逆に、光源については均一的でないが、瞳
関数については均一的である場合には、式（６）の瞳関
数Ｋ_m（ξ，η）の物点に対する依存性が失われて、単
にＫ（ξ，η）と記述することができる。この場合、式
（６）を、次の式（８）に示すようにさらに簡略化する
ことができる。

【００３７】

【数５】

【００３８】こうして、式（５）または式（６）または
式（７）または式（８）によって計算されるＥ_N（ｘ，
ｙ）、すなわちＮ番目の点光源による空間像の複素振幅
分布から部分コヒーレントな空間像強度分布を求めるに
は、それぞれの複素振幅分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）の絶対値の
２乗を取ってＮについて和を取れば良い。即ち、空間像
強度分布の規格化定数をＣとすれば、空間像強度分布Ｉ
（ｘ，ｙ）は、次の式（９）によって求められる。

【００３９】

【数６】

【００４０】次に、式（６）、式（７）および式（８）
は瞳空間における積分を含んでいるため、実際に数値計
算を行うには少々面倒であり、また計算時間も長くかか
る。そこで、本発明においては、更に物体構造を周期的
なものと仮定し、更に物体構造一周期で光学系の諸収差
も一周期前の収差にもどるという仮想的な計算モデルを
導入し、式（６）、式（７）および式（８）の瞳空間に
おける積分を離散データの和で表現できるようにした。
その結果、式（６）を次の式（１０）に示すように簡略
化することができ、式（７）を次の式（１１）に示すよ
うに簡略化することができ、式（８）を次の式（１２）
に示すように簡略化することができる。

【００４１】

【数７】

【００４２】こうして、式（１０）、式（１１）および
式（１２）において、それぞれの積分式は離散フーリエ
変換に帰着することができ、像空間の座標点を離散化す
ればＦＦＴ（高速フーリエ変換：E. O. Brigham著、宮
川洋・今井秀樹訳、科学技術出版社を参照）を用いて高
速に結像計算を行うことができる。更に仮想的に周期構
造を持った空間像強度分布を計算していることから、式
（９）によって得られる空間像強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を
離散的な像スペクトルで保持することとし、像スペクト
ルを得るに十分な程度の分割数をもって像空間および瞳
空間を分割して計算することにすれば、式（１０）〜式
（１２）の計算をより高速化することができる。この点
については、特願２０００−３０７３８７号明細書に記
述の手法と同じ理由による。もちろん、得られた像スペ
クトルから空間像強度分布を求める際には、通常のフー
リエ変換を使えば任意の像点における空間像強度分布が
得られる。

【００４３】図２は、本発明の各実施形態にかかる結像
評価方法を適用すべき投影光学系を備えた露光装置の構
成およびアライメント結像光学系を備えた位置検出装置
の構成を概略的に示す図である。図２では、露光装置の
投影光学系ＰＬ１の光軸ＡＸ０に対して平行にＺ軸が、
Ｚ軸に垂直な平面内において図２の紙面に平行な方向に
Ｘ軸が、Ｚ軸に垂直な平面内において図２の紙面に垂直
な方向にＹ軸がそれぞれ設定されている。

【００４４】図示の露光装置は、適当な露光光でマスク
（投影原版）としてのレチクルＲを照明するための露光
用照明系ＩＬを備えている。レチクルＲはレチクルステ
ージ３０上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されてお
り、そのパターン領域ＰＡには転写すべき回路パターン
が形成されている。レチクルＲを透過した光は、投影光
学系（結像光学系）ＰＬ１を介して、感光性基板として
のウェハＷに達し、ウェハＷ上にはレチクルＲのパター
ン像が形成される。

【００４５】なお、ウェハＷは、ウェハホルダ３１を介
して、Ｚステージ３２上においてＸＹ平面とほぼ平行に
支持されている。Ｚステージ３２は、ステージ制御系３
４によって、投影光学系ＰＬ１の光軸ＡＸ０に沿ってＺ
方向に駆動されるように構成されている。Ｚステージ３
２はさらに、ＸＹステージ３３上に支持されている。Ｘ
Ｙステージ３３は、同じくステージ制御系３４によっ
て、投影光学系ＰＬ１の光軸ＡＸ０に対して垂直なＸＹ
平面内において二次元的に駆動されるように構成されて
いる。

【００４６】露光装置では、投影露光に先立って、レチ
クルＲ上のパターン領域ＰＡとウェハＷ上の各露光領域
とを光学的に位置合わせ（アライメント）する必要があ
る。そこで、位置検出すべき物体であるウェハＷには、
たとえば段差パターン（ライン・アンド・スペース・パ
ターン）からなるウェハマーク（ウェハライメントマー
ク）ＷＭが形成されている。ウェハマークＷＭの位置を
検出し、ひいてはウェハＷの位置を検出するのに、位置
検出装置が使用される。

【００４７】位置検出装置は、波長帯域幅の広い照明光
（たとえば５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）を供給するための
光源１を備えている。光源１として、ハロゲンランプの
ような光源を使用することができる。光源１から供給さ
れた照明光は、リレー光学系（不図示）を介して、光フ
ァイバーのようなライトガイド２の入射端に入射する。
ライトガイド２の内部を伝搬してその射出端から射出さ
れた照明光は、たとえば円形状の開口部（光透過部）を
有する照明開口絞り３を介して制限された後、コンデン
サーレンズ４に入射する。

【００４８】コンデンサーレンズ４を介した照明光は、
照明すべき物体であるウェハＷの露光面と光学的に共役
に配置された照明視野絞り５を介して、照明リレーレン
ズ６に入射する。照明リレーレンズ６を介した照明光
は、ハーフプリズム７を透過した後、第１対物レンズ８
に入射する。第１対物レンズ８を介した照明光は、反射
プリズム９の反射面で図中下方に（−Ｚ方向に）反射さ
れた後、ウェハＷ上に形成されたウェハマークＷＭを照
明する。照明光に対するウェハマークＷＭからの反射光
（回折光を含む）は、反射プリズム９および第１対物レ
ンズ８を介して、ハーフプリズム７に入射する。

【００４９】ハーフプリズム７で図中上方に（＋Ｚ方向
に）反射された光は、第２対物レンズ１０を介して、指
標板１１上にウェハマークＷＭの像を形成する。指標板
１１を介した光は、リレーレンズ系（１２，１３）を介
して、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４に入射する。そし
て、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４で反射された光はＹ方
向用ＣＣＤ１５に、ＸＹ分岐ハーフプリズム１４を透過
した光はＸ方向用ＣＣＤ１６に入射する。なお、リレー
レンズ系（１２，１３）の平行光路中には、結像開口絞
り１７が配置されている。

【００５０】このように、反射プリズム９、第１対物レ
ンズ８、ハーフプリズム７、第２対物レンズ１０、指標
板１１、リレーレンズ系（１２，１３）、結像開口絞り
１７およびハーフプリズム１４は、照明光に対するウェ
ハマークＷＭからの反射光に基づいてマーク像を形成す
るための結像光学系ＰＬ２を構成している。こうして、
Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ１６の撮像面
には、マーク像が指標板１１の指標パターン像とともに
形成される。Ｙ方向用ＣＣＤ１５およびＸ方向用ＣＣＤ
１６からの出力信号は、信号処理系１８に供給される。

【００５１】さらに、信号処理系１８において信号処理
（波形処理）により得られたウェハマークＷＭの位置情
報は、主制御系３５に供給される。主制御系３５は、信
号処理系１８からのウェハマークＷＭの位置情報に基づ
いて、ステージ制御信号をステージ制御系３４に出力す
る。ステージ制御系３４は、ステージ制御信号にしたが
ってＸＹステージ３３を適宜駆動し、ウェハＷのアライ
メントを行う。

【００５２】なお、主制御系３５には、たとえばキーボ
ードのような入力手段３６を介して、照明開口絞り３に
対する指令や結像開口絞り１７に対する指令が供給され
る。主制御系３５は、これらの指令に基づき、駆動系１
９を介して照明開口絞り３を駆動したり、駆動系２０を
介して結像開口絞り１７を駆動したりする。また、主制
御系３５は、収差補正指令に基づき、第２対物レンズ１
０やリレーレンズ１２を駆動する。

【００５３】図３は、本発明の第１実施形態にかかる結
像評価方法を説明するフローチャートである。図３を参
照すると、第１実施形態の結像評価方法では、まず、評
価計算領域、評価計算領域の分割数（上述の説明ではｍ
個）、および点光源の数（光源の光点数：上述の説明で
はＮ個）を設定する（Ｓ１１）。次いで、評価計算領域
のＬ番目の部分（上述の説明ではｍ番目の領域に対応）
について、瞳関数（射出瞳面内の複素透過率分布：
Ｋ_m）および有効光源分布（光源の瞳面内複素振幅分
布：Ｆ_m）を求める（Ｓ１２）。

【００５４】そして、Ｌ番目の瞳関数および有効光源分
布から、各点光源ごとに計算領域の全体に亘って空間像
の複素振幅分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）を加算・保持（記憶）す
る（Ｓ１３）。こうして、上述の工程Ｓ１２およびＳ１
３を、すべての計算領域について繰り返す（Ｓ１４）。
その結果、各点光源ごとに保持された空間像の複素振幅
分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）から、部分コヒーレントな空間像の
強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を計算することができる（Ｓ１
５）。

【００５５】以上のように、第１実施形態の結像評価方
法は、評価計算領域の個々の部分について瞳関数および
有効光源分布を求めると共に、各点光源毎に計算される
複素振幅分布に計算結果を順次加え、最後に得られた複
素振幅分布全体から空間像強度分布を得る方法である。
第１実施形態の結像評価方法は、パフォーマンスはよい
が、メモリーを消費する。

【００５６】図４は、本発明の第２実施形態にかかる結
像評価方法を説明するフローチャートである。図４を参
照すると、第２実施形態の結像評価方法では、まず、評
価計算領域、評価計算領域の分割数（上述の説明ではｍ
個）、および点光源の数（光源の光点数：上述の説明で
はＮ個）を設定する（Ｓ２１）。次いで、評価計算領域
のＬ番目の部分（上述の説明ではｍ番目の領域に対応）
について、瞳関数（射出瞳面内の複素透過率分布：
Ｋ_m）とＫ番目の点光源（上述の説明ではＮ番目の点光
源に対応）の入射座標（ξ，η）および振幅とを求める
（Ｓ２２）。

【００５７】次いで、Ｌ番目の瞳関数とＫ番目の点光源
の入射座標および振幅とから、計算領域の全体に亘って
空間像の複素振幅分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）を加算・保持する
（Ｓ２３）。そして、上述の工程Ｓ２２およびＳ２３
を、すべての計算領域について繰り返す（Ｓ２４）。こ
うして、Ｋ番目の点光源による空間像強度分布を計算
し、この強度分布を部分コヒーレント像を保持するメモ
リー領域に加算する（Ｓ２５）。そして、上述の工程Ｓ
２５を、すべての点光源について繰り返すことにより、
部分コヒーレントな空間像の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を計
算することができる（Ｓ２６）。

【００５８】以上のように、第２実施形態の結像評価方
法は、評価計算領域それぞれの部分について瞳関数およ
び有効光源分布を先に求めておき、各点光源ごとに複素
振幅分布を求めて、空間像分布に順次加算していく方法
である。第２実施形態の結像評価方法は、メモリーを節
約することができるが、パフォーマンスが悪い。

【００５９】図５は、本発明の第３実施形態にかかる結
像評価方法を説明するフローチャートである。実際の結
像光学系について結像評価を行う場合には、瞳関数の実
測を行う必要があるが、瞳関数の測定は波面収差測定機
によって可能となる。また、有効光源分布を実測するこ
とができればさらに現実的な計算を行うことができるこ
とになるが、有効光源分布の測定においては異なる像点
間でコヒーレントな点光源（光点）が瞳座標の何処にあ
るのかを調べなければならない。第３実施形態にかかる
結像評価方法は、瞳関数の実測および有効光源分布の実
測を前提にしている。

【００６０】図５を参照すると、第３実施形態の結像評
価方法では、まず、瞳関数および有効光源分布を実測し
（Ｓ３１）、瞳関数および有効光源分布の実測データを
データベースに登録する（Ｓ３２）。次いで、評価計算
領域を実測データに合わせ込む（Ｓ３３）。さらに、評
価計算領域のＬ番目の部分（上述の説明ではｍ番目の領
域に対応）について、瞳関数（射出瞳面内の複素透過率
分布：Ｋ_m）および有効光源分布（光源の瞳面内複素振
幅分布：Ｆ_m）をデータベースから読み込む（Ｓ３
４）。

【００６１】そして、Ｌ番目の瞳関数および有効光源分
布から、各点光源ごとに計算領域の全体に亘って空間像
の複素振幅分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）を加算・保持（記憶）す
る（Ｓ３５）。こうして、上述の工程Ｓ３４およびＳ３
５を、すべての計算領域について繰り返す（Ｓ３６）。
その結果、各点光源ごとに保持された空間像の複素振幅
分布Ｅ_N（ｘ，ｙ）から、部分コヒーレントな空間像の
強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を計算することができる（Ｓ３
７）。

【００６２】なお、投影光学系ＰＬ１および結像光学系
ＰＬ２において、計算領域内の任意の像点における像側
テレセントリシティーＴＬ_Iおよび計算領域内の任意の
物点における物側テレセントリシティーＴＬ_Oが、次の
条件式（１３）および（１４）を満足することが望まし
い。ここで、λは使用光の波長である。また、Ｄ_Iは計
算領域の最周辺像点と中心像点との距離であり、Ｄ_Oは
計算領域の最周辺物点と中心物点との距離である。ＴＬ_I≦０．０６２５×λ／Ｄ_I（１３）ＴＬ_O≦０．０６２５×λ／Ｄ_O（１４）

【００６３】また、投影光学系ＰＬ１および結像光学系
ＰＬ２において、計算領域内の任意の２つの像点に関す
る物面と像面との間の光路長差ＯＰＤが、次の条件式
（１５）を満足することが望ましい。ＯＰＤ≦０．０６２５×λ（１５）

【００６４】さらに、結像光学系ＰＬ２において、その
パターン検出精度が２０ｎｍ以下であることが望まし
い。

【００６５】なお、上述の実施形態では、露光装置の投
影光学系および露光装置に搭載された位置検出装置のア
ライメント結像光学系の結像評価に対して本発明を適用
しているが、これに限定されることなく、一般的な結像
光学系の結像評価に本発明を適用することができる。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、従来
計算することのできなかった結像シミュレーション、す
なわち計算領域全域においては均一性の成立しない大領
域における結像シミュレーションを行うことが可能にな
る。換言すれば、本発明では、従来の結像評価手法の前
提条件である均一性を逸脱する大きな物体構造について
結像評価を行うことができる。

【００６７】したがって、本発明の結像評価方法により
結像評価された投影光学系を備えた露光装置および本発
明の結像評価方法により結像評価された投影光学系を用
いた露光方法では、良好な結像性能に基づいて微細パタ
ーンを忠実に転写することができる。また、本発明の結
像評価方法により結像評価された結像光学系を備えた観
察装置では、良好な結像性能に基づいて物体像を高精度
に観察することができる。さらに、本発明の結像評価方
法により結像評価された結像光学系を備えた観察装置を
露光装置に組み込むことにより、マスクと感光性基板と
を高精度に位置合わせ（アライメント）して、良好な投
影露光を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる結像光学系の結像評価方法を説
明する図である。

【図２】本発明の各実施形態にかかる結像評価方法を適
用すべき投影光学系を備えた露光装置の構成およびアラ
イメント結像光学系を備えた位置検出装置の構成を概略
的に示す図である。

【図３】本発明の第１実施形態にかかる結像評価方法を
説明するフローチャートである。

【図４】本発明の第２実施形態にかかる結像評価方法を
説明するフローチャートである。

【図５】本発明の第３実施形態にかかる結像評価方法を
説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１ハロゲンランプ２ライトガイド３照明開口絞り５照明視野絞り７ハーフプリズム８第１対物レンズ９反射プリズム１０第２対物レンズ１１指標板１４ＸＹ分岐ハーフプリズム１５，１６ＣＣＤ１７結像開口絞り１８信号処理系３０レチクルステージ３１ウェハホルダ３２Ｚステージ３３ＸＹステージ３４ステージ制御系３５主制御系３６キーボードＩＬ露光用照明系ＲレチクルＰＡパターン領域ＰＬ１投影光学系ＰＬ２結像光学系ＷウェハＷＭウェハマーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結像光学系は点像強度分布がそのピーク
位置から近似的に０とできる範囲内で均一的であるもの
として、前記結像光学系の結像性能を評価する結像評価
量を計算する結像評価方法であって、複数の評価対象像点における射出瞳面内の複素透過率分
布（瞳関数）と、光源の瞳面内複素振幅分布（有効光源
分布）とに基づいて、前記複数の評価対象像点上に結像
する空間像を部分コヒーレントに重ね合わせ、光学的な
均一性が保証されない大域的な領域における部分コヒー
レントな結像評価を行うことを特徴とする、結像光学系
の結像評価方法。
【請求項２】前記結像光学系は、両テレセントリック
な光学系であることを特徴とする請求項１に記載の結像
評価方法。
【請求項３】前記結像光学系の射出瞳面内の複素透過
率分布（瞳関数）および光源の瞳面内複素振幅分布（有
効光源分布）が計算領域の全域では均一でないものと
し、前記計算領域を局所的には光学的な均一性が近似的に成
立する微小区間に分割し、光源を複数個の点光源に近似し、個々の点光源による結像は、各微小区間における局所的
な物体面回折光複素振幅分布と射出瞳面内の複素透過率
分布（瞳関数）と照明光束の入射方向および複素振幅と
を考慮して、全ての微小区間に亘ってコヒーレントに空
間像の複素振幅を加算することにより計算し、前記空間像の複素振幅の絶対値の２乗を全ての点光源に
ついてインコヒーレントに加算して部分コヒーレントな
大域的空間像強度分布を得ることを特徴とする請求項１
または２に記載の結像評価方法。
【請求項４】前記結像光学系の射出瞳面内の複素透過
率分布（瞳関数）は計算領域全域では均一でないが、光
源の瞳面内複素振幅分布（有効光源分布）が計算領域の
全域に亘って均一であるものと仮定し、前記計算領域を結像光学系に関し局所的には光学的な均
一性が近似的に成立する微小区間に分割し、光源を複数個の点光源に近似し、個々の点光源による結像は、各微小区間における局所的
な物体面回折光複素振幅分布と射出瞳面内の複素透過率
分布（瞳関数）とを考慮して、全ての微小区間に亘って
コヒーレントに空間像の複素振幅を加算することにより
計算し、前記空間像の複素振幅の絶対値の２乗を全ての点光源に
ついてインコヒーレントに加算して部分コヒーレントな
大域的空間像強度分布を得ることを特徴とする請求項１
または２に記載の結像評価方法。
【請求項５】光源の瞳面内複素振幅分布（有効光源分
布）は計算領域全域では均一でないが、前記結像光学系
の射出瞳面内の複素透過率分布（瞳関数）が計算領域の
全域に亘って均一であるものと仮定し、前記計算領域を照明光学系に関し局所的には光学的な均
一性が近似的に成立する微小区間に分割し、光源を複数個の点光源に近似し、個々の点光源による結像は、各微小区間における局所的
な物体面回折光複素振幅分布と照明光束の入射方向およ
び複素振幅とを考慮して、全ての微小区間に亘ってコヒ
ーレントに空間像の複素振幅を加算することにより計算
し、前記空間像の複素振幅の絶対値の２乗を全ての点光源に
ついてインコヒーレントに加算して部分コヒーレントな
大域的空間像強度分布を得ることを特徴とする請求項１
または２に記載の結像評価方法。
【請求項６】仮想的に周期的な物体構造に対する結像
計算を行うものとし、得られた大域的空間像強度分布を像スペクトルの形で保
持し、結像評価を物体周期の１周期以内で完結させることを特
徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結像評
価方法。
【請求項７】仮想的に周期的な物体構造に対する結像
計算を行うものとし且つ光学系の諸収差も物体構造の１
周期で１周期前の収差が再現すると仮定して瞳面内の積
分を離散化し、個々の点光源による結像を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）
を用いることにより計算し、得られた大域的空間像強度分布を像スペクトルの形で保
持し、結像評価を物体周期の１周期以内で完結させることを特
徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の結像評
価方法。
【請求項８】得られた像スペクトルから空間像強度分
布を得る際に、通常のフーリエ変換を用いて任意座標に
おける空間像強度を計算することを特徴とする請求項６
または７に記載の結像評価方法。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれか１項に記載の
結像評価方法を用いて結像評価されたことを特徴とする
結像光学系。
【請求項１０】光の波長をλとし、前記計算領域の最
周辺像点と中心像点との距離をＤ_Iとし、前記計算領域
の最周辺物点と中心物点との距離をＤ_Oとしたとき、前
記計算領域内の任意の像点における像側テレセントリシ
ティーＴＬ_Iおよび前記計算領域内の任意の物点におけ
る物側テレセントリシティーＴＬ_Oが、ＴＬ_I≦０．０６２５×λ／Ｄ_I ＴＬ_O≦０．０６２５×λ／Ｄ_O の条件を満足することを特徴とする請求項９に記載の結
像光学系。
【請求項１１】光の波長をλとしたとき、前記計算領
域内の任意の２つの像点に関する物面と像面との間の光
路長差ＯＰＤが、ＯＰＤ≦０．０６２５×λ の条件を満足することを特徴とする請求項９または１０
に記載の結像光学系。
【請求項１２】マスクを照明するための照明系と、前
記マスクのパターンを感光性基板に投影露光するための
請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の結像光学系と
を備えていることを特徴とする露光装置。
【請求項１３】マスクを照明する工程と、請求項９乃
至１１のいずれか１項に記載の結像光学系を用いて前記
マスクに形成されたパターンの像を感光性基板上に投影
露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法。
【請求項１４】請求項９乃至１１のいずれか１項に記
載の結像光学系を備え、該結像光学系を介して形成され
た物体像を観察することを特徴とする観察装置。
【請求項１５】前記結像光学系のパターン検出精度が
２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１４に記載
の観察装置。
【請求項１６】請求項１４または１５に記載の観察装
置と、マスクのパターンを感光性基板上へ投影露光する
ための投影光学系とを備えていることを特徴とする露光
装置。
【請求項１７】前記観察装置は、前記投影光学系に対
して前記マスクと前記感光性基板とを位置合わせするた
めに、前記マスク上に設けられたマークまたは前記感光
性基板上に設けられたマークを観察することを特徴とす
る請求項１６に記載の露光装置。
【請求項１８】請求項１４または１５に記載の観察装
置を用いて前記マスクと前記感光性基板とを位置合わせ
する工程と、前記マスクのパターンを前記感光性基板へ
露光する露光工程とを含むことを特徴とする露光方法。