JP2006133058A - 点回折干渉計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピンホール近傍からの反射光の影響による誤差を低減して安定的・超高精度な球面レンズ、ミラーの絶対形状計測を可能とする点回折干渉計測装置を提供すること。
【解決手段】光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板を振動させることを特徴とする。本発明によれば、光波整形板を振動させることでピンホール近傍からの反射光による干渉縞ノイズを平均化し、ピンホール近傍からの反射光の影響による誤差を低減することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、点回折干渉計における高精度な形状計測、波面収差計測に関するものであり、その中でも特に半導体露光装置用縮小投影光学レンズ、ミラー等の面形状や光学系の波面収差を高精度に計測するための点回折干渉計装置に関するものである。

従来より高精度な球面レンズ、ミラーの形状測定方法として、フィゾー干渉計やトワイマン−グリーン干渉計等を用いるのが一般的であるが、何れも参照となる球面や平面が必要であり、絶対精度は基本的にはこれらの参照球面、参照平面の形状精度で規定されてしまう。通常の製造方法ではＨｅ−Ｎｅレーザ波長をλ（λ＝６３２．８ｎｍ）としてλ／１０〜λ／２０程度を保証するのが限度であると言われている。

一方、半導体露光装置の微細化、高精度化と共に露光光源波長はＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（λ＝１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（λ＝１５７ｎｍ）と短波長化し、更にはＥＵＶ光（Extreme Ultra Violet：λ＝１３．６ｎｍ）までも露光光源として使用されるに至っており、これらの露光装置用の投影光学レンズ、ミラーについては１ｎｍ〜０．１ｎｍの形状精度が求められており、このような精度を達成するためには更にこれより高い精度の計測装置が必要であるが、通常このような精度で計測することは単に再現精度を実現することであっても困難であり、まして絶対精度を保証するということは極めて困難である。

そこで、基準面を必要としない干渉計として、ピンホールによる回折波面を基準とする点回折干渉計（Point Diffraction Interferometer（以下、ＰＤＩと記す））が知られている。この干渉計では、ピンホールの回折により生じた理想的な球面波を基準波面として、球面形状や波面収差の高精度な計測を実現している。このような技術としては特許文献１（図５（ａ）に第１実施例、図５（ｂ）に第２実施例を示す）に示される例がある。

しかしながら、上記従来例では、
（１）ピンホールから曲率半径分の距離は必ず離す必要があるため、空気揺らぎによる精度低下が避けられない
（２）凹面の測定はできても凸面の測定ができない
（３）参照光軸と被測定光軸が大きな角度を持って分離されるために、装置が大型化したり、複雑になる
（４）ピンホール部分に必ずミラーが必要であり、ミラーの汚れや微小な凹凸が測定波面に影響する恐れがある
という問題があった。

又、特に上記従来例の第２実施例では、ピンホールから出る理想球面波の広がりの一部しか使うことができないので、大きな半開角ミラー計測時に難点があった。この問題を解決するために我々はより実用的で高い精度が期待できる方法及び装置として、フィゾー型のＰＤＩ干渉計を提案した。これは、参照面と測定面が同一光軸上に存在するフィゾー干渉計において光源からの光を理想的な球面波変換するピンホールとその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさの窓を有する光波整形板と僅かに偏心を有する単レンズ又はレンズ群があり、ピンホールから出た理想球面波を前記レンズに垂直入反射させ、片側の面からの反射光を前記ピンホール近傍につけた窓を通し、もう一方からの反射光を前記ピンホールに再度通し、これら２つの反射光によって発生する干渉縞像を撮像素子で撮影し、コンピュータで解析するものである。

特開平２−２２８５０５号公報

本発明者が提案した方法では、従来のＰＤＩ干渉計に比べ、安定で高精度な絶対形状の計測を行うことができるが、この精度を劣化させる要因として光波整形板のピンホール近傍からの反射光の影響がある。

従って、本発明では、この光波整形板の反射光の影響を低減することにより、本発明者が提案した方法及び装置の精度を向上させることを目的とする。

従来のＰＤＩにおいてもピンホール近傍からの反射光が測定に影響を及ぼし、測定精度を劣化させる可能性がある。又、ピンホール形状の真円度、アライメントに起因するピンホール回折光の理想球面波からのずれも生じる。

本発明では、これらのピンホール近傍からの反射光、ピンホール形状の真円度、アライメントに起因する測定精度劣化要因を低減することも目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明は、光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板を振動させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板をピンホールを中心に回転させることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板を光軸に対して傾斜させる方向に振動させることを特徴とする。

本発明によれば、ピンホール近傍からの反射光による干渉縞ノイズ、ピンホール形状の真円からのずれ、ピンホールのアライメント誤差を平均化効果により低減することが可能となる。これにより球面の絶対形状計測の精度を向上させることができる。

以下に本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１に本発明の実施の形態１を示す。

図１（ａ）は本発明における光波整形板の１つの例を示し、図１（ｂ）に本発明を利用したフィゾー干渉計の実施の形態を示す。

図１（ｂ）において、１０１は光源であるレーザ、１２１は射出したレーザビームを一旦集光して発散させるレンズ、１２２はレーザ光の進行方向をその偏光方位によって変化させる偏光膜付きのビームスプリッタ、１２３は発散するレーザビームを一旦平行光に変換するコリメータレンズ、１０２は平行光をピンホールに集光する集光レンズ、１０３は図１（ｂ）に図示されるように使用レーザ光の波長程度の直径を有するピンホールとそこから数μｍ〜数百μｍ離れて隣接して空けられた窓を有する光波整形板、１４５は曲率半径中心位置が略等しく設計された片面が凹、もう片面が凸の同心レンズ、１０６はカメラに干渉縞像を結像させる結像レンズ、１０７は撮像装置であるところのCCD カメラ、１３０は電子化された画像データを処理するコンピュータ、１３１は計測画像又は処理画像を映し出すディスプレイ装置である。

光源１０１から射出したレーザ光は、レンズ１２１で一旦集光された後、発散し偏光ビームスプリッタ１２２の作用で進行方向を折り曲げられ、コリメータレンズ１２３で平行光に変換された後、集光レンズ１０２で集光され、光波整形板１０３上にあけられたピンホール１０３ａを通過する。このピンホールは、その直径φｄが使用光源波長をλ、集光レンズ１０２の開口数をＮＡとして、
λ／２＜φｄ＜λ／ＮＡ
程度になっているため、回折理論により入射した波面が収差を持っていてもピンホールを透過することにより無収差の理想球面波に変換される。

この波面は曲率半径中心位置が略等しく設計された片面が凹、もう片面が凸の同心レンズ１０４の凹面側１０４ａと凸面側１０４ｂにほぼ垂直入射し、正反射されてほぼ同じ経路を辿って光波整形板に戻る。

しかし、同心レンズ１０４の同心面１０４ａ，１０４ｂは、一方が僅かに意図的な偏心を持たせてあるため、誇張して描くと、現実の反射面は１０４ａ’のようになっており、１０４ａ’面で反射した光はピンホールに隣接して設けられた窓１０３ｂを通過する。

一方、偏心を有しない面１０４ｂで反射した光は正確に同じ経路を辿り、再びピンホール１０３ａを通過し、干渉した両者の光は偏心分の比較的大きなＴｉｌｔ波面を有する干渉縞として集光レンズ１０２、コリメータレンズ１２３、ビームスプリッタ１２２を経て今度はカメラ側に向かい、結像レンズ１０６を介して撮像装置であるＣＣＤカメラ１０７で撮像され、電子化された画像データは解析コンピュータ１３０で縞解析される。

このとき得られる干渉縞は、面１０４ｂで反射してピンホール１０３ａを通った理想回折球面波を参照として、面１０４ａ’の形状誤差情報のみを持つ波面を干渉させており、ピンホールからカメラに至る光学系の光路は共通光路であるから、結局１０４ａ’面の絶対形状を計測していることに他ならない。

先述の通り、干渉縞には比較的大きなＴｉｌｔ縞が含まれているが、これは数値処理で除去することが可能である。

又、通常高精度な干渉計では干渉縞位相を検出するために参照面をピエゾ素子でλ／２程度動かすことで縞走査する所謂フリンジスキャン法が用いられるが、本実施の形態では、参照面と被測定面が同一部材上にあるため、その他の縞走査手段である波長走査法や、Ｔｉｌｔ縞を利用した空間変調法を使用する必要がある。

波長走査法の場合、光源１を半導体レーザ等の波長走査可能なものに交換すれば良い。又、空間変調法の場合は解析コンピュータ１３０にその解析機能が搭載されていれば良い。

以上の実施の形態において、集光レンズ１０２により集光されたレーザ光は全てが光波整形板１０３のピンホールを通過せず、一部は光波整形板１０３で反射される。この反射はレーザ光の集光点付近で生じているため、反射光はほぼ入射光と同じ方向に反射される。従って、この反射光は同心レンズ１０４の反射面１０４ａ’，１０４ｂで反射された反射光と同じ経路を辿って撮像素子１０７に達してしまう。本来は反射面１０４ａ’，１０４ｂからの反射光のみの干渉縞を観測し解析すべき所に光波整形板１０３からの反射光が加わることにより、反射面１０４ａ’と光波整形板１０３の反射光、反射面１０４ｂと光波整形板１０３の反射光による干渉縞がノイズとして加わってしまう。

ここで、本発明を用いて、この反射光による干渉縞ノイズの影響を低減する方法を説明する。

本発明で用いる光波整形板１０３には窓１０３ｂの他に理想回折球面波を発生するためのピンホール１０３ａが設けてある。ここで、光波整形板駆動機構１３２を用いて光整形板１０３を光軸方向に微小量変位させながらフリンジスキャンを行い形状データ（位相データ）を取得する。この形状データ又は位相データについてコンピュータ上で平均化処理を行う。この光波整形板駆動機構１３２は、光波整形板１０３を後に述べる微小量、周波数で振動することができる機構であればどのようなものでも構わない。例えばピエゾ素子を用いた駆動機構が使用できる。

光波整形板１０３を振動させることでピンホール近傍からの反射光の位相は変化するため、平均化を施すことによりピンホール近傍からの反射光の影響を低減することができる。又、光波整形板１０３が振動するためピンホールのアライメントに起因する誤差も光波整形板の振動により平均化される。この場合、光波整形板１０３の振動振幅に制限はないが、振動振幅を大きくするとピンホールでの回折光強度が小さくなるため振動振幅はλ／２程度にするのが望ましい。但し、この値は使用する集光レンズの収差、被測定物からの反射光強度との比等により変化するので、振動振幅を変化させて最適な振幅値を求めるのが望ましい。又、振動の周波数は、複数回の測定から平均化する場合は少なくとも１回の測定時間内に２回以上の振動数があれば良い。又、１回の測定中で平均化するのであれば少なくとも１バケット取り込み時間内に２回以上の振動数があれば良い。

以上により、ピンホール近傍からの反射光による影響は平均化されて低減する。又、ピンホールのアライメント誤差による影響も低減することができる。

＜実施の形態２＞
図２に本発明の実施の形態２を示す。

干渉計部分の構成は実施の形態１と同じである。光波整形板２０２の構成も実施の形態１と同じであるが、ピンホール２０１（ａ）近傍からの反射光の状態を変化させるための振動の与え方が異なる。本実施の形態では、光波整形板２０２は、図２に示すように、光軸に対して微少角度だけ傾斜させ、フリンジスキャンを行い形状データ（位相データ）を取得する。このときの傾斜角（量）は回折波面が理想球面波になり、且つ、必要な光量を得るために光軸方向から見たピンホール２０１（ａ）) の直径φｄが、λ／２＜φｄ＜λ／ＮＡを満たす範囲内で傾斜させる必要がある。振動の周波数に関しては実施の形態１と同様である。

以上により、ピンホール近傍からの反射光による影響は平均化されて低減する。又、ピンホール形状の真円からのずれ、ピンホールのアライメントに起因する誤差も光波整形板２０２が振動することにより平均化され低減することができる。

＜実施の形態３＞
図３に本発明の実施の形態３を示す。

干渉計部分の構成は実施の形態１と同じである。

光波整形板の形状は、図３に示すように、ピンホール３０１（ｂ）を中心に光軸回りに回転させても被測定物からの反射光を遮らない構造となっている。この光波整形板３０２を測定時にピンホールを中心に光軸回りに回転させ、フリンジスキャンを行い、形状データ（位相データ）を取得する。この場合、光軸方向にピンホールが移動しないため、回転角度の制限はないが、回転精度向上のためなるべく小さな回転角で回すことが望ましい。又、十分な回転精度（理想球面波を得られる程度の面のぶれ量、例としてλ／２以下）が得ることができる場合は、光波整形板３０２をピンホールを中心に一方向に連続回転させても構わない。

以上により、ピンホール３０１（ｂ）近傍からの反射光による影響は平均化されて低減する。又、ピンホール形状の真円からのずれ、ピンホールのアライメントに起因する誤差も光波整形板３０２が回転することにより平均化され低減することができる。更に、本実施の形態では、光波整形板３０２が光軸方向に動かず、且つ、光軸に対して傾斜もしていないため、ピンホール回折光強度が変化しないという特徴がある。

＜実施の形態４＞
図４に本発明の実施の形態４を示す。

干渉計部分の構成は実施の形態１と同じである。

光波整形板の形状は図４に示すようになっており、光波面情報を十分に通過させる窓の代用として光波整形板の外側４０１（ｂ）を利用している。この光波整形板４０２を実施の形態１〜３に示す方法で振動させる。即ち、光軸方向（図４（ａ））、光軸に対して傾斜させる方向（図４（ｂ））、ピンホールを中心に回転させる方向（図４（ｃ））に振動させ、フリンジスキャンを行い形状データ（位相データ）を取得する。

以上により、ピンホール４０１（ａ）近傍からの反射光による影響は平均化されて低減する。又、ピンホールの真円からのずれ、ピンホールのアライメントに起因する誤差も光波整形板４０２が振動、回転することにより平均化され低減することができる。更に、本実施の形態の場合は、光波整形板４０２には光波面情報を十分に通過させる大きさを有する窓が不要なため、光波整形板４０２の製作が容易になる。

（ａ）は本発明の実施の形態１に係る光波整形板の構成図、（ｂ）は同光波整形板を用いたフィゾー型の点回折干渉計の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る光波整形板の構成図である。 本発明の実施の形態２に係る光波整形板の構成図である。：本発明の第3 の実施例 （ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態４に係る光波整形板の構成及び作用説明図である。 （ａ），（ｂ）は従来例を示す図である。

符号の説明

１０１ レーザ光源
１０２ 集光レンズ
１０３，２０２，３０２，４０２ 光波整形板
１０３ａ，２０１ａ，３０１ａ，４０１ａ ピンホール
１０３ｂ，２０１ｂ，３０１ｂ 窓
１０４ 同心レンズ
１０６ 結像レンズ
１０７ 撮像装置
１２１ レンズ
１２２ 偏光ビームスプリッタ
１２３ コリメータ
１３０ コンピュータ
１３１ ディスプレイ
１３２ 光波整形板駆動機構
４０１ｂ 窓に相当する空間

Claims (3)

1. 光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板を振動させることを特徴とする点回折干渉計装置。
2. 光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板をピンホールを中心に回転させることを特徴とする点回折干渉計装置。
3. 光源からの光を一旦集光させるレンズと、集光した光を理想的な球面波に変換する適切なサイズのピンホールとそのピンホールと共にその近傍に光波面情報を十分通過させる大きさを持つ窓を有する光波整形板を有し、この光波整形板を光軸に対して傾斜させる方向に振動させることを特徴とする点回折干渉計装置。

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