JP2006017485A

JP2006017485A - 面形状測定装置および測定方法、並びに、投影光学系の製造方法、投影光学系及び投影露光装置

Info

Publication number: JP2006017485A
Application number: JP2004193229A
Authority: JP
Inventors: Ikusou Shiyu; 郁葱朱; Katsura Otaki; 桂大滝
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-19

Abstract

【課題】結像レンズを持たないＰＤＩを用いて、高精度に面形状を測定できる形状測定装置及び形状測定方法を提供する。
【解決手段】光源と、該光源から放射される光束をピンホールを有するミラーに集光する集光光学系と、該ピンホールから回折される波面の一部からなる参照光束と該波面の他の一部が被検面で反射され、さらに該ミラーで反射された測定光束との干渉縞を検出する検知器と、検出された干渉縞の強度分布より該被検面の面形状を算出する演算部と、を有する被検面の面形状測定装置であって、
該検知器の有効面の開口数をNAccd、該被検面の照射領域の開口数をNAillu、該被検面の測定領域の開口数をNAtestとするとき、NAccd＞NAillu≧ NAtest または、NAccd≧NAillu＞ NAtestとなされている面形状測定装置を提供する。
【選択図】
図１

Description

本発明は、面形状を高精度に測定するための形状測定装置および測定方法、並びに、投影光学系の製造方法、投影光学系及び投影露光装置に関する。

近年においては、半導体回路素子上のパターンの微細化が進み、さらなる微細化を達成すために今まで以上の短い波長を用いた露光装置が求められており、波長１３ｎｍの軟Ｘ線を用いる投影露光装置の開発製造が進められている。この軟Ｘ線の波長領域においては、投影光学系を構成する光学素子は反射鏡であり、その反射鏡の面形状誤差はnm rms 以下が求められている。反射鏡の面形状の計測には、さらに、高精度、例えば、０．１nm rms程度の測定精度が必要とされる。

従来、面形状の計測には、フィゾー干渉計やトワイマン・グリーン干渉計が用いられてきた。これらの干渉計は、基準面を用い、その基準面と被検面との比較により面形状を計測するため、測定精度は基準面の面精度を超えることが出来なかった。

この問題点を解決する、高精度な基準面を必要としない干渉計として、例えば、特開平2-228505号公報に開示されたものがある。この干渉計は、ピンホールから回折された理想的な球面波を参照光束として面形状の高精度な計測を実現している。(所謂、Point-Diffraction-Interferometer で、以下では、ＰＤＩと称す。）
図３はＰＤＩの構成である。光源１から放射される光束を集光光学系２によりピンホールを有するミラー３（以下、単にピンホール・ミラ−と記す）に集光させ、ピンホールより回折球面波を発生させる。回折された波面の一部からなる参照光束Wrと、該波面の（他の）一部が被検面で反射され、さらに該ミラーで反射された測定光束Ｗmとを干渉させ、干渉縞をCCD７上につくる。この干渉縞を解析することにより、被検面形状を高精度で測定できる。

上記のように、ＰＤＩは、参照波面としてピンホールでの回折により生じた理想的な球面波を用い、面形状の高精度な計測を実現している。従って、ピンホールによっていかに理想的な球面波を生成させるか、被検面で歪んだ波面をいかに乱さずに光電検出器まで伝播させるか、が重要となる。ところが、従来のＰＤＩでは被検面形状を測定する際、結像レンズを用いて被検面を光電検出器（例えばＣＣＤイメージセンサ）上に結像させている。このため、参照波面と測定波面との干渉縞を光電検出器へ導く結像レンズが球面収差、コマ収差、非点収差などの残存収差をもつと、波面歪みを発生させてしまい、結像レンズのもつ波面収差が面形状計測の誤差要因となってしまう。このことは特に軟Ｘ線領域において使用される光学素子の形状測定においては深刻な問題となる。

この問題点を解決する、結像レンズをもたないＰＤＩとして、例えば、“Proceeding of SPIE Vol.4688(2002),p.319”に開示されたものがある。図１に示すようにレーザ光源１から出た光は、レンズ２で集光され、ピンホール・ミラー３に照射され、ピンホール３ｃで回折されて、理想的な球面波として広がって行く。この球面波の一部が、測定用光束として被検面４に照射され、被検面４で反射されてピンホール・ミラー３に再び集光される。測定用光束はさらにピンホール・ミラー３で反射され、検出器であるＣＣＤ７の受光面に到達する。ピンホール３ｃで回折された理想的な球面波の他の一部は、参照用光束として、ＣＣＤ７の受光面に達し、測定用光束と干渉して干渉縞を生じさせる。ＣＣＤ７からの出力は、解析手段であるコンピュータ８に取り込まれて解析され、干渉縞の状態から被検面４の形状が算出される。従来の位相シフト解析法を用いて位相分布を求める。このＰＤＩではピンホールと受光部の間に結像レンズを持たないため、結像レンズの収差や歪曲収差に起因した測定誤差は発生しない。
特開2000-88546号公報（第9頁、第3図） (Ｇ.E.Ｓommargren et.all,Proceeding of SPIE Vol.4688(2002) P.319-327)

しかしながら、上記のような結像レンズを用いない方式によって球面を有する反射鏡の面形状を測定してみると、測定の再現性が悪く、高精度な測定が行えないことが判明した。

本発明はこの様な従来の問題に鑑みてなされたもので、結像レンズを持たないＰＤＩを用いて、高精度に面形状を測定できる形状測定装置及び形状測定方法を提供することを目的としている。

また、本発明は、このＰＤＩを適用することにより高性能な投影光学系の製造方法、高性能な投影光学系、及び高性能な投影露光装置を提供することを目的としている。

本発明は上記測定の再現性の悪さ、それに基づく測定精度の悪さの原因を鋭意検討した結果、本願発明者はその原因が以下に記す点に有ることを見いだした。
結像レンズをもたないＰＤＩでは、被検面とＣＣＤが共役関係を持たないので、被検面から反射してきた光束は回折により拡がってしまうことが原因として考えられる。このため、回折で拡がってしまった位相情報をＣＣＤ上で十分に取り込むことが出来なくなっている。この結果、上記の様な干渉計測においては、面形状を測定する場合の誤差が大きく、被検投影光学系の面形状を正確に測定できないと言う問題点を生じ、それにより高精度投影光学系の製造が困難になり、軟Ｘ線領域での露光装置の製造の安定した性能確保が難しくなっている。

本発明はこの検討結果に基づいて考案されたものであり、その問題点を解決するために、以下に記す手段を用いている。
上記問題点を解決するための本発明の第１の手段は、光源と、該光源から放射される光束をピンホールを有するミラーに集光する集光光学系と、該ピンホールから回折される波面の一部からなる参照光束と該波面の他の一部が被検面で反射され、さらに該ミラーで反射された測定光束との干渉縞を検出する検知器と、検出された干渉縞の強度分布より該被検面の面形状を算出する演算部と、を有する被検面の面形状測定装置であって、
該検知器の有効面の開口数をNAccd、該被検面の照射領域の開口数をNAillu、該被検面の測定領域の開口数をNAtestとするとき、NAccd＞NAillu≧ NAtest または、NAccd≧NAillu＞ NAtestとなされている面形状測定装置である。（請求項１に対応）
なお、本手段において、前記検知器が二次元的に配列された複数の受光素子を有し、
該受光素子は受光領域を制限する微小開口を有することもできる。（請求項６に対応）
本発明の第２の手段は、光源から放射される光束をピンホールを有するミラーに集光し、
該ピンホールから回折される波面の一部からなる参照光束と該波面の他の一部が被検面で反射され、さらに該ミラーで反射された測定光束との干渉縞を検出し、検出された干渉縞の強度分布より該被検面の面形状を算出する、被検面の面形状測定方法であって、
検知器の有効面の開口数をNAccd、該被検面の照射域の開口数をNAillu、該被検面の測定領域の開口数をNAtestとするとき、NAccd＞NAillu≧ NAtest または、NAccd≧NAillu＞ NAtestとなされている面形状測定方法である。

本発明の第３の手段は、複数の反射鏡を有する投影光学系の製造方法であって、
該反射鏡の反射面を所定の面形状に加工する面形状創成工程と、該反射面の面形状を測定する面形状測定工程と、該複数の反射鏡を組み上げる調整工程と、を有し、該面形状測定工程において、第２の手段の面形状測定方法によって該反射面の面形状を測定される投影光学系の製造方法である。

本発明の第４の手段は、第３の手段の製造方法によって製造される投影光学系である。
本発明の第５の手段は、軟Ｘ線を放出する光源、半導体ウェハ上に投影すべき回路パタ−ンを有するレチクルを保持し、移動させるレチクルステ−ジ、該光源から放出された軟Ｘ線を前記レチクルに照射する照明光学系、前記半導体ウェハを保持し、移動させるウェハステージ、前記回路パターンを前記ウェハに投影する、複数の反射鏡を有する投影光学系、前記レチクルステ−ジ及びウェハステ−ジの移動を制御する制御系を有する投影露光装置であって、投影光学系を構成する前記反射鏡の面形状が請求項２記載の面形状測定工程により測定される投影露光装置である。

以上のように、本発明によれば、結像レンズを持たないＰＤＩを用いて、高精度に面形状を測定できる形状測定装置及び形状測定方法を提供することができる。
また、本発明によれば、このＰＤＩを適用することにより高性能な投影光学系の製造方法、高性能な投影光学系、及び高性能な投影露光装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明に関わるＰＤＩの全体概略図である。
本発明の装置構成要素部品自体は図３で説明した従来例の要素部品と同じであるが、再度簡単に記しておく。レ−ザ−光源１，ピンホール・ミラ−３，集光光学系２、ＣＣＤ検出器７を主要な要素部品とし、被検面４の面形状を測定する。本発明の装置の特徴は、測定精度を高めるように、ピンホールから測定面を見込む角度α_illu、被検面に向かう測定光束の拡がり角度α_test、ピンホールから検出器の受光面を見込む角度α_ccdを設定している。即ち、α_ccd＝８．６°、α_illu＝５．７°、α_test＝４．６°である。角度の大小関係として、α_ccd＞α_illu＞α_testが成り立つことがわかる。

本実施例に示す干渉計では、レーザ光源１と被検面４との間に、点光源生成手段であるピンホールを有する反射鏡が設置されている。本実施例におけるピンホール・ミラー３は、図４に示すように、ガラス基板３ｂの表面に金属膜が蒸着されており、金属膜３ａの略中央部にピンホール３ｃがエッチング等によって設けられている。ここで、金属膜３ａは、入射光束が理想的球面波の場合、反射光束も理想的球面波となって射出されるような特性の膜である。また、図４に示す様な構成とせずに、反射鏡に直接微小な穴を空けることも考えられる（例えば、特開２０００−８８５４６明細書参照）。

レーザ光源１から出た光は、レンズ２で集光され、ピンホール・ミラー３に照射され、ピンホール３ｃで回折されて、理想的な球面波ｗ₀として広がって行く。この球面波ｗ₀の一部が、測定用光束として被検面４に照射され、被検面４で反射された波面ｗ₁がピンホール・ミラー３に再び集光される。ピンホール・ミラー３で反射された測定用光束の波面ｗ₂は、検出器であるＣＣＤ７の受光面に到達する。

ピンホール３ｃで回折された理想的な球面波の一部である参照用光束の球面波ｗ₀はそのままＣＣＤ７の受光面に到達し、測定用光束と干渉し干渉縞が生じる。ＣＣＤ７からの出力は、解析手段であるコンピュータ８に取り込まれて解析され、干渉縞の状態から被検面４の形状が算出される。

干渉縞から被検面４の一部の形状を計算するために、本実施例の干渉計では被検面４をピエゾ素子１２で光軸方向に微小に移動することにより（所謂、周知の位相シフト干渉法により）、高精度に被検非球面４の面形状を測定している。

以下に本発明の効果を記す。
図６は、面形状の復元誤差をシミュレートするアルゴリズムを示すフローチャートである。あらかじめ評価被検面の非球面係数の設計値を入力して仮想の評価被検面の原面形状を定める。一方、ＰＤＩで反射面での回折を考慮した計算によってシミュレートして復元される被検面の復元面形状を求める。この復元面形状と原面形状との差を求めることにより、復元誤差を求める。

このＰＤＩにより、開口数の条件を変えて測定して面形状の復元誤差を評価した結果を
以下に示す。ここで、開口数（ＮＡ）とは結像に寄与する光束の範囲を示す。図１で示されるように、光束の集光最大角の半角をαとするとＮＡ＝ｎsinαで定義される。ｎは媒質の屈折率を示す。

表１（１）（２）（３）は、被検面が理想球面形状の場合に、Rtest（被検面曲率半径）= Rccd（ＣＣＤからピンホールまでの距離）=５０mmと同一の条件で、被検面の照射領域の開口数（NAillu）、被検面の測定領域の開口数（NAtest）、検出器の有効面の開口数（NAccd）の値を変えたときの面形状の復元誤差を示している。

表１（１）は、NAillu=NAtestの条件で、NAccdの値を変えたときの面形状の復元誤差を比較して示している。また、図７は、表１（１）NAccd=０．１、NAccd=０．１２５、NAccd=０．１５の場合に対応する「ＣＣＤ画素エリア（横軸）と復元誤差（縦軸）」のグラフを比較して示している。縦軸の単位はnmである。

表１（１）の結果から、NAccd=０．１では復元誤差が６．３７nmrmsであるが、NAccd=０．１２５では復元誤差が２．６５nmrms、NAccd=０．１５では復元誤差が２．０１nmrmsと誤差が低減している。また、図７のグラフ（１）（２）（３）により、復元誤差の振幅はＣＣＤ画素エリアの両端に近づく程大きくなる現象がみられる。また、NAccdが大きくなるほど復元誤差の振幅は小さくなることがわかる。

これはNAccdが大きくなるほど、ＣＣＤで位相情報を取得する範囲が広くなり、精度よく面形状を復元できるからである。すなわち、NAccdが大きい方が回折によって広がった波面情報をより多く取得できるからである。ただし、NAccdを広げると、光量が低下して位相分布の測定そのものは難しくなるので、ダイナミックレンジの広いＣＣＤが必要となる。

表１（２）は、NAccdがNAilluより大きい場合、NAtestの値を変えたときの面形状の復元誤差を示している。表１（２）の結果から、NAtest =０．１では復元誤差が２．０１nmrmsとなるが、NAtest =０．０８では復元誤差が０．０２４nmrmsと誤差が低減している。ここでNAtest =０．１とは被検面の照射領域の開口数１００％を計測した領域の面形状の復元誤差を評価しており、NAtest =０．０８とは、被検面の照射領域の開口数８０％の計測領域の面形状の復元誤差を評価している。

表１（３）は、NAccdがNAilluと等しい場合、NAtestの値を変えたときの面形状の復元誤差を示している。表１（３）の結果から、NAtest =０．１では復元誤差が６．３７nmrmsであるが、NAtest =０．０６７では復元誤差が０．９９nmrmsと誤差が低減している。ここで、NAtest =０．０６７とは、被検面の照射領域の開口数６７％の計測領域の面形状の復元誤差を評価している。

これにより、被検面の測定領域の開口数（NAtest）よりも広い範囲で被検面を研磨しておけば被検面の面形状を高精度に復元できることがわかる。
被検面の照射領域の開口数（NAillu）に比べて被検面の測定領域の開口数（NAtest）が狭い方が精度は高くなるからである。

また、図２は、本実施形態の微小開口を有する光受光部の概略構成図である。
ＣＣＤで位相、振幅情報の取得を行う場合、ＣＣＤ画素サイズが有限なので位相情報が画素面内で平均化されてしまう。これは非球面計測のように画素間の位相変化が大きい場合には必要な情報の変化量を捕捉できず復元誤差の誤差要因となる。図２はこれを避けるためのＣＣＤの構成を示している。受光領域を制限するための微小開口を画素上に設けることにより、ＣＣＤのサンプリング開口によるＯＴＦの劣化を小さくできる。これにより、より高い空間分解能で情報取得ができ、位相の平均化による情報劣化を防ぐことができる。

ＣＣＤ画素が有限のサイズを持っているために、輝度情報が平均化され、被検位相の急激的な変化を捕捉できない恐れがある。したがって、より高い空間分解能で位相と振幅情報を得るのが望ましいからである。

図５に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。
図５は、本実施形態の投影露光装置の概略構成図である。
この投影露光装置に搭載された投影光学系ＰＬの全部又は一部の光学系は、その製造時、上記各実施形態の何れかの干渉測定によって検査されている。そして、投影光学系ＰＬの少なくとも何れかの面、及び／又は投影露光装置の何れかの箇所は、その測定結果に応じて調整されたとする。

上記各実施形態によれば、反射鏡の面形状測定が高精度で行われるので、該複数の反射鏡で汲み上げられる投影レンズ及び／又は投影露光装置は高性能になる。
なお、投影露光装置は、露光光を供給するための光源として、たとえばレーザプラズマＸ線源１０１を備えている。また、上述の本実施形態では、Ｘ線を供給するための光源としてレーザプラズマ光源（ＬＰＰ）を用いているが、これに限定されることなく、光源として、例えば放電プラズマ光源（ＤＰＰ）やシンクロトロン放射（ＳＯＲ）光を用いることもできる。Ｘ線源１０１から射出された光は、照明光学系１０２に入射する。複数の反射鏡から構成された照明光学系１０２を介して、転写すべきパターンが形成された反射型マスクMを照明する。マスクMは、そのパターン面がＸＹ平面に沿って延びるように、Ｙ方向に沿って移動可能なマスクステージ１０４によって保持されている。そして、マスクステージ１０４の移動は、レーザー干渉計１０５により計測されるように構成されている。ウェハWは、その露光面がＸＹ平面に沿って延びるように、Ｘ方向およびＹ方向に沿って二次元的に移動可能なウェハステージ１０６によって保持されている。なお、ウェハステージ１０６の移動は、マスクステージ１０４と同様に、図示を省略したレーザー干渉計により計測されるように構成されている。こうして、マスクステージ１０４およびウェハステージ１０６をＹ方向に沿って移動させながら、すなわち投影光学系ＰＬに対してマスクＭおよびウェハＷをＹ方向に沿って相対移動させながらスキャン露光（走査露光）を行うことにより、ウェハＷの１つの露光領域にマスクＭのパターンが転写される。ここで、ウエハステージ１０６の移動は、レーザー干渉計１０７により計測されるように構成されている。投影光学系ＰＬの投影倍率（転写倍率）が１／４である場合、ウェハステージ１０６の移動速度をマスクステージ１０４の移動速度の１／４に設定して同期走査を行う。

また、ウェハステージ１０６をＸ方向およびＹ方向に沿って二次元的に移動させながら走査露光を繰り返すことにより、ウェハＷの各露光領域にマスクＭのパターンが逐次転写される。

は本発明のＰＤＩを示す概略図であるは本発明の実施例に使用される微小開口を有する光受光部は従来のＰＤＩの一例を示すは第１実施例で用いるピンホール・ミラーを示す図である。はＥＵＶＬ構成の一例を示す図である。は面形状の復元誤差を算出するアルゴリズムを示すフローチャートである。はＣＣＤ画素エリア（横軸）と復元誤差（縦軸）のグラフである。

符号の説明

１レーザー光源
２レンズ
３ピンホール・ミラー
４被検面
６結像レンズ
７ＣＣＤ
８コンピュータ
９スッテッピングモーター
１２ピエゾ素子

Claims

光源と、
該光源から放射される光束をピンホールを有するミラーに集光する集光光学系と、
該ピンホールから回折される波面の一部からなる参照光束と該波面の一部が被検面で反射され、さらに該ミラーで反射された測定光束との干渉縞を検出する検知器と、
検出された干渉縞の強度分布より該被検面の面形状を算出する演算部と、を有する被検面の面形状測定装置であって、
該検知器の有効面の開口数をNAccd、該被検面の照射領域の開口数をNAillu、該被検面の測定領域の開口数をNAtestとするとき、
NAccd＞NAillu≧ NAtest または、NAccd≧NAillu＞ NAtestとなされていることを特徴とする面形状測定装置。
光源から放射される光束をピンホールを有するミラーに集光し、
該ピンホールから回折される波面の一部からなる参照光束と該波面の一部が被検面で反射され、さらに該ミラーで反射された測定光束との干渉縞を検出し、
検出された干渉縞の強度分布より該被検面の面形状を算出する、該被検面の面形状測定方法であって、
検知器の有効面の開口数をNAccd、該被検面の照射領域の開口数をNAillu、該被検面の測定領域の開口数をNAtestとするとき、
NAccd＞NAillu≧ NAtest または、NAccd≧NAillu＞ NAtestとなされていることを特徴とする面形状測定方法。
軟Ｘ線の波長領域において使用される、複数の反射鏡を有する投影光学系の製造方法であって、
該反射鏡の反射面を所定の面形状に加工する面形状創成工程と、
該反射面の面形状を測定する面形状測定工程と、
該複数の反射鏡を組み上げる調整工程と、
を有し、
該面形状測定工程において、請求項２記載の面形状測定方法によって該反射面の面形状を測定することを特徴とする投影光学系の製造方法。
軟Ｘの波長領域において使用される投影光学系であって、
請求項３に記載の投影光学系の製造方法により製造されたことを特徴とする投影光学系。
軟Ｘ線を放出する光源、
半導体ウェハ上に投影すべき回路パタ−ンを有するマスクを保持し、移動させるマスクステ−ジ、
該光源から放出された軟Ｘ線を前記マスクに照射する照明光学系、
前記半導体ウェハを保持し、移動させるウェハステージ、
前記回路パターンを前記ウェハに投影する、複数の反射鏡を有する投影光学系、
前記マスクステ−ジ及びウェハステ−ジの移動を制御する制御系を有する投影露光装置であって、
投影光学系を構成する前記反射鏡の面形状が請求項２記載の面形状測定工程により測定されたものであることを特徴とする投影露光装置。
請求項１記載の面形状測定装置であって、
前記検知器が二次元的に配列された複数の受光素子を有し、
該受光素子は受光領域を制限する微小開口を有することを特徴とする面形状測定装置。