JP2006245454A - 光強度分布の評価方法、照明光学装置およびその調整方法、露光装置、および露光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 たとえば照明光学装置の照明瞳面に形成される光強度分布を、その外形だけでなく不均一な分布も考慮して実効的に等価で均一な光強度分布として評価する。
【解決手段】 結像光学系を含む光学系の瞳面に形成された所定の光強度分布を、この所定の光強度分布と実効的に等価で均一な光強度分布として評価する方法。所定の光強度分布と結像光学系の瞳関数とに基づいて光学伝達関数を算出する算出工程（Ｓ２，Ｓ３）と、算出工程で得られた光学伝達関数に基づいて、実効的に等価で均一な光強度分布を規定するパラメータを決定する決定工程（Ｓ４）とを含む。
【選択図】 図７

Description

本発明は、光強度分布の評価方法、照明光学装置およびその調整方法、露光装置、および露光方法に関する。さらに詳細には、本発明は、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスをリソグラフィー工程で製造するための露光装置の照明瞳面に形成される光強度分布の評価に関する。

この種の典型的な露光装置においては、光源から射出された光束が、オプティカルインテグレータとしてのフライアイレンズ（またはマイクロレンズアレイ）を介して、多数の光源からなる実質的な面光源としての二次光源（一般には照明瞳面における所定の光強度分布）を形成する。二次光源からの光束は、フライアイレンズの後側焦点面の近傍に配置された開口絞りを介して制限された後、コンデンサーレンズに入射する。

コンデンサーレンズにより集光された光束は、所定のパターンが形成されたマスクを重畳的に照明する。マスクのパターンを透過した光は、投影光学系を介してウェハ上に結像する。こうして、ウェハ上には、マスクパターンが投影露光（転写）される。なお、マスクに形成されたパターンは高集積化されており、この微細パターンをウェハ上に正確に転写するにはウェハ上において均一な照度分布を得ることが不可欠である。

従来、フライアイレンズの後側焦点面に円形形状の二次光源を形成し、その大きさを変化させて照明のコヒーレンシィσ（σ値＝開口絞り径／投影光学系の瞳径、あるいはσ値＝照明光学系の射出側開口数／投影光学系の入射側開口数）を変化させる技術が注目されている。また、フライアイレンズの後側焦点面に輪帯状や４極状の二次光源を形成し、投影光学系の焦点深度や解像力を向上させる技術が注目されている（たとえば特許文献１を参照）。

特開２００２−２３１６１９号公報

一般に、フライアイレンズの後側焦点面すなわち照明瞳面に形成される二次光源（実質的な面光源）の光強度分布が均一（光強度が二次光源の全体に亘って一定）であれば、二次光源の形状および大きさと結像性能との関係を把握すること、すなわち二次光源の形状および大きさに基づいて結像性能を評価することが容易である。しかしながら、露光装置において実際に得られる二次光源は、均一ではなく変化の比較的大きい光強度分布を有する。

具体的に、たとえば円形照明の場合、図１１に示すように、照明瞳面に形成される実際の光強度分布（瞳強度分布）は、設計段階において幾何光学的な仕様の下に決まる理想的なトップハット形状の強度分布（図中破線で示す）とは異なり、図中実線で示すような周辺のぼけた外形形状になり、トップ部も平坦にはならない。このため、ユーザーは、理想的なトップハット形状ではない実際の瞳強度分布の外径等を変更させることによって、所望の結像性能をターゲットに照明条件の最適化を試行錯誤的に行っている。

照明条件と結像性能との関係は、実際に所定の照明条件下で所定のマスクを用いてテスト露光を行うことによって実験的に知ることができるし、結像シミュレーションを用いてその傾向を知ることもできる。しかしながら、テスト露光や結像シミュレーションを繰り返して照明条件を最適化する手法は、所望の結像性能を達成するのに多大な手間および時間を要する。照明条件と結像性能との関係を正しく評価することができない場合、異なる２つの露光装置の間で解像線幅のばらつきが発生し易い。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、たとえば照明光学装置の照明瞳面に形成される光強度分布を、その外形だけでなく不均一な分布も考慮して実効的に等価で均一な光強度分布として評価することのできる評価方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、たとえば照明光学装置の照明瞳面に形成される光強度分布を実効的に等価で均一な光強度分布として評価する評価方法を用いて、照明瞳面の光強度分布を高精度に調整することのできる調整方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、たとえば照明瞳面の光強度分布が高精度に調整された照明光学装置を用いて、微細パターンを忠実に投影露光することのできる露光装置および露光方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、結像光学系を含む光学系の瞳面に形成された所定の光強度分布を、該所定の光強度分布と実効的に等価な特定光強度分布として評価する方法であって、
前記所定の光強度分布と前記結像光学系の瞳関数とに基づいて光学伝達関数を算出する算出工程と、
前記算出工程で得られた前記光学伝達関数に基づいて、前記実効的に等価な特定光強度分布を規定するパラメータを決定する決定工程とを含むことを特徴とする評価方法を提供する。

本発明の第２形態では、光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置の調整方法において、
前記照明光学装置の照明瞳面に形成される実質的な面光源の光強度分布を計測する計測工程と、
第１形態の評価方法を用いて前記計測工程で計測された前記光強度分布を評価する評価工程と、
前記評価工程の評価結果に基づいて前記光強度分布を調整する調整工程とを含むことを特徴とする調整方法を提供する。

本発明の第３形態では、第２形態の調整方法により調整されたことを特徴とする照明光学装置を提供する。

本発明の第４形態では、第３形態の照明光学装置を備え、前記結像光学系の物体面に設定される所定のパターンを、前記結像光学系の像面に設定される感光性基板上へ投影露光することを特徴とする露光装置を提供する。

本発明の第５形態では、第３形態の照明光学装置を用いて、前記結像光学系の物体面に設定される所定のパターンを、前記結像光学系の像面に設定される感光性基板上へ投影露光することを特徴とする露光方法を提供する。

本発明の典型的な態様では、たとえば結像光学系を含む光学系の瞳面に形成された実際の光強度分布と結像光学系の瞳関数とに基づいて光学伝達関数を算出する。そして、算出された光学伝達関数に基づいて、実際の光強度分布と実効的に等価で均一な光強度分布を規定するパラメータを決定する。具体的に、瞳面に形成されたほぼ輪帯状の光強度分布と実効的に等価で均一な輪帯状の光強度分布の外径や輪帯比（内径／外径）などを求める。

こうして、本発明では、たとえば照明光学装置の照明瞳面に形成される光強度分布（瞳強度分布）を、その外形だけでなく不均一な分布も考慮して実効的に等価で均一な光強度分布として評価することができ、ひいては照明瞳面の光強度分布を高精度に調整することができる。したがって、本発明の露光装置および露光方法では、照明瞳面の光強度分布が高精度に調整された照明光学装置を用いて、微細パターンを忠実に投影露光することができ、ひいては良好なデバイスを製造することができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。また、図２は、図１の露光装置に搭載された計測装置の内部構成を概略的に示す図である。図１において、感光性基板であるウェハＷの表面の法線方向に沿ってＹ軸を、ウェハＷの表面に平行な面内において互いに直交する２つの方向に沿ってＸ軸およびＺ軸をそれぞれ設定している。なお、図１では、照明光学装置が輪帯照明を行うように設定されている。

本実施形態の露光装置は、露光光（照明光）を供給するためのレーザ光源１を備えている。レーザ光源１として、たとえば２４８ｎｍの波長の光を供給するＫｒＦエキシマレーザ光源や１９３ｎｍの波長の光を供給するＡｒＦエキシマレーザ光源などを用いることができる。レーザ光源１から射出されたほぼ平行光束は、Ｘ方向に沿って細長く延びた矩形状の断面を有し、一対のレンズ２ａおよび２ｂからなるビームエキスパンダ２に入射する。各レンズ２ａおよび２ｂは、図１の紙面内（ＹＺ平面内）において負の屈折力および正の屈折力をそれぞれ有する。したがって、ビームエキスパンダ２に入射した光束は、図１の紙面内において拡大され、所定の矩形状の断面を有する光束に整形される。

整形光学系としてのビームエキスパンダ２を介したほぼ平行光束は、輪帯照明用の回折光学素子３を介して、ズームレンズ４に入射する。ズームレンズ４の後側焦点面の近傍には、マイクロフライアイレンズ５の入射面が位置決めされている。一般に、回折光学素子は、基板に露光光（照明光）の波長程度のピッチを有する段差を形成することによって構成され、入射ビームを所望の角度に回折する作用を有する。具体的には、回折光学素子３は、光軸ＡＸに沿って入射した矩形状の平行光束を、輪帯状の断面を有する発散光束に変換する。

回折光学素子３は、照明光路に対して挿脱自在に構成され、且つ円形照明用の回折光学素子や４極照明用の回折光学素子と切り換え可能に構成されている。マイクロフライアイレンズ５は、縦横に且つ稠密に配列された多数の微小レンズ（光学要素）からなる光学部材である。一般に、マイクロフライアイレンズは、たとえば平行平面ガラス板にＭＥＭＳ技術（リソグラフィー＋エッチング等）を応用して多数の微小光学面を同時形成することによって構成される。こうして、回折光学素子３を介した光束は、ズームレンズ４を介して、波面分割型のオプティカルインテグレータとしてのマイクロフライアイレンズ５の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とする輪帯状の照野を形成する。

ここで、形成される輪帯状の照野の大きさ（すなわちその外径）は、ズームレンズ４の焦点距離に依存して変化する。マイクロフライアイレンズ５に入射した光束は多数の微小レンズにより二次元的に分割され、光束が入射した各微小レンズの後側焦点面には光源がそれぞれ形成される。こうして、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面には、マイクロフライアイレンズ５への入射光束によって形成される輪帯状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する輪帯状の実質的な面光源（以下、「二次光源」という）が形成される。

マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面（すなわち照明瞳面）に形成された輪帯状の二次光源からの光束は、コンデンサー光学系６の集光作用を受けた後、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）と光学的に共役な面に配置されたマスクブラインド７を重畳的に照明する。こうして、マスクブラインド７には、マイクロフライアイレンズ５を構成する各微小レンズの形状と相似な矩形状の照野が形成される。マスクブラインド７の矩形状の開口部（光透過部）を介した光束は、結像光学系８の集光作用を受けた後、所定のパターンが形成されたマスクＭを重畳的に照明する。

このように、結像光学系８は、マスクブラインド７の矩形状開口部の像を、マスクステージＭＳにより支持されたマスクＭ上に形成することになる。すなわち、マスクブラインド７は、転写すべきパターンが形成されたマスクＭ（ひいてはウェハＷ）上に形成される矩形状の照明領域を規定するための視野絞りを構成している。マスクＭのパターンを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して、感光性基板であるウェハＷ上にマスクパターンの像を形成する。

投影光学系ＰＬは、その瞳位置またはその近傍に配置されて可変開口部を有する開口絞りＡＳを有し、マスクＭ側およびウェハＷ側の双方にほぼテレセントリックに構成されている。したがって、投影光学系ＰＬの瞳位置には照明光学系（２〜８）の照明瞳面における二次光源の像が形成され、投影光学系ＰＬを介した光によってウェハＷがケーラー照明される。

すなわち、ウェハステージＷＳにより支持されたウェハＷ上には、マスクＭ上での矩形状の照明領域に光学的に対応するように、矩形状の露光領域（または静止露光領域）にパターン像が形成される。こうして、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと直交する平面（ＸＺ平面）内においてウェハＷを二次元的に駆動制御しながら一括露光またはスキャン露光を行うことにより、ウェハＷの各露光領域にマスクＭのパターンが逐次露光される。

なお、回折光学素子３に代えて円形照明用の回折光学素子を照明光路中に設定することによって通常の円形照明を行うことができる。円形照明用の回折光学素子は、光軸ＡＸに沿って入射した矩形状の平行光束を、円形形状の断面を有する発散光束に変換する。したがって、円形照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ５の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした円形形状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面にも、その入射面に形成された円形形状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する円形形状の二次光源が形成される。

また、回折光学素子３に代えて４極照明用の回折光学素子を照明光路中に設定することによって４極照明を行うことができる。４極照明用の回折光学素子は、光軸ＡＸに沿って入射した矩形状の平行光束を、４極状の断面を有する発散光束に変換する。したがって、４極照明用の回折光学素子を介した光束は、マイクロフライアイレンズ５の入射面に、たとえば光軸ＡＸを中心とした４極状の照野を形成する。その結果、マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面にも、その入射面に形成された４極状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する４極状の二次光源が形成される。

さらに、回折光学素子３に代えて、他の複数極照明用の回折光学素子を照明光路中に設定することによって、様々な複数極照明（２極照明、８極照明など）を行うことができる。同様に、回折光学素子３に代えて、適当な特性を有する回折光学素子を照明光路中に設定することによって、様々な形態の変形照明を行うことができる。

本実施形態の露光装置は、投影光学系ＰＬの瞳面における光強度分布に対応する光強度分布を計測するための計測装置１０を備えている。図２を参照すると、計測装置１０は、ピンホール部材１０ａと、集光レンズ１０ｂと、たとえば二次元ＣＣＤのような光検出器１０ｃとを有する。ここで、ピンホール部材１０ａは、投影光学系ＰＬの像面位置（すなわち露光に際してウェハＷの被露光面が位置決めされるべき高さ位置）に配置されている。そして、ピンホール部材１０ａは集光レンズ１０ｂの前側焦点位置に配置され、光検出器１０ｃは集光レンズ１０ｂの後側焦点位置に配置されている。

したがって、光検出器１０ｃの検出面は、投影光学系ＰＬの瞳面（開口絞りＡＳの位置またはその近傍）と光学的に共役な位置に配置されている。計測装置１０では、投影光学系ＰＬを通過した光は、ピンホール部材１０ａのピンホールを通過し、集光レンズ１０ｂの集光作用を受けた後、光検出器１０ｃの検出面に達する。こうして、光検出器１０ｃの検出面には、投影光学系ＰＬの瞳面における光強度分布に対応する光強度分布が形成される。その結果、計測装置１０は、投影光学系ＰＬを通過した光に基づいて、照明光学系（２〜８）の照明瞳面（マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面）と光学的に共役な面における光強度分布を計測する。なお、計測装置１０のさらに詳細な構成および作用については、たとえば特開２０００−１９０１２号公報を参照することができる。

照明光学系（２〜８）の照明瞳面に（ひいては投影光学系ＰＬの瞳面に）形成される光強度分布（瞳強度分布）が理想的なトップハット形状であれば、例えば円形照明の場合には円形形状の瞳強度分布の外径（半径）だけで一意的に照明条件が決まり、輪帯照明の場合には輪帯状の瞳強度分布の外径（外側半径）と内径（内側半径）とにより（あるいは外径と輪帯比（内径／外径）とにより）一意的に照明条件が決まる。しかしながら、実際の露光装置において実現される瞳強度分布は、そのような簡単なパラメータだけで表現することのできない複雑な光強度分布になる。

例えば円形照明の場合、ほぼ円形形状の実際の瞳強度分布と実効的（結像性能的）に等価で均一な円形形状の瞳強度分布（すなわち理想的なトップハット形状の円形瞳強度分布）を求めることができれば、実際の瞳強度分布の照明条件を、実効的に等価な円形瞳強度分布を規定する１つのパラメータ（たとえば外径）だけで表現することができ、照明条件の最適化等に役立つはずである。同様に、輪帯照明の場合にも、ほぼ輪帯状の実際の瞳強度分布と実効的に等価で均一な輪帯状の瞳強度分布（すなわち理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布）を求めることができれば、実際の瞳強度分布の照明条件を、実効的に等価な輪帯瞳強度分布を規定する２つのパラメータ（たとえば外径および輪帯比）だけで表現することができ、照明条件の最適化等に役立つはずである。

以下、輪帯照明（円形照明を含む概念）を例にとって、結像光学系としての投影光学系ＰＬを含む光学系（２〜ＰＬ）の瞳面（投影光学系ＰＬの瞳面）に形成された光強度分布（瞳強度分布）を、これと実効的に等価で均一な光強度分布として評価するアルゴリズムについて説明する。まず、理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布を規定するパラメータとして、規格化外側半径値σ（外側半径／投影光学系ＰＬの最大瞳半径）、および輪帯比γ（内側半径／外側半径）を用いる。

ここで、規格化外側半径値σの定義域は０＜σ≦１であり、輪帯比γの定義域は０≦γ＜１であり、輪帯比γ＝０が円形照明における実効的に等価な円形瞳強度分布に対応する。上述したように実効的に等価な瞳強度分布として理想的なトップハット形状を前提としているので、規格化外側半径値σおよび輪帯比γの２つのパラメータにより輪帯照明条件（円形照明条件を含む）が一意的に決まる。

次に、理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布と投影光学系ＰＬの結像性能との関係について説明する。この関係を求めることは、たとえば投影光学系ＰＬが無収差であることを前提として、部分コヒーレント下での光学伝達関数（ＯＴＦ）を算出することに帰着する。図３は、投影光学系ＰＬの瞳位置での瞳結像を説明する光路図である。図３では、照明光学系（２〜８）の照明瞳面（マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面）に形成された二次光源からの光が、マスクＭの単一周波数パターンによって一方向に回折（図３では例えば＋一次回折光のみを示す）されて投影光学系ＰＬの瞳位置で結像する様子を示している。

マスクＭのパターンの周波数が低い場合、すなわちパターンのピッチが比較的大きい場合、図４（ａ）に示すように、輪帯状の二次光源からの光はマスクＭのパターンで回折され、開口絞りＡＳで遮られることなく投影光学系ＰＬの瞳を完全に通過する。この場合、マスクＭのパターンは、投影光学系ＰＬの像面に設置されるウェハＷ上においてコントラスト１で結像する。マスクＭのパターンの周波数がある程度高くなり、パターンのピッチが比較的小さくなると、図４（ｂ）に示すように、輪帯状の二次光源からの光は開口絞りＡＳで部分的に遮られ、投影光学系ＰＬの瞳を部分的に通過するようになる。この場合、ウェハＷ上に結像するマスクパターンのコントラストは、投影光学系ＰＬの瞳を通過する二次光源像の面積比率に依存する。

マスクＭのパターンの周波数がさらに高くなり、パターンのピッチがさらに小さくなると、図４（ｃ）に示すように、輪帯状の二次光源からの光は開口絞りＡＳで完全に遮られ、投影光学系ＰＬの瞳を全く通過しなくなる。この場合、マスクＭのパターンは、投影光学系ＰＬの像面に設置されるウェハＷ上に結像しなくなる。ウェハＷ上に結像するマスクパターンのコントラストが０になる境界での周波数（空間周波数）はカットオフ周波数と呼ばれる。すなわち、カットオフ周波数よりも高い周波数成分を持った物体（細かいパターン）は結像しない。

こうして、マスクＭのパターンの規格化周波数を横軸に、結像コントラストを縦軸にプロットすることにより、理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布（円形瞳強度分布を含む）と投影光学系ＰＬの結像性能との関係を表わす光学伝達関数曲線（ＯＴＦ曲線）が得られる。以下、規格化周波数について簡単に説明する。マスクＭ上の所定の周波数によるパターンのピッチをｐとし、使用光の波長をλとすると、投影光学系ＰＬの瞳面ではｐ×sinθ＝λで決まるような回折角度θで結像する。ピッチｐの逆数が空間周波数であるため、空間周波数μ＝sinθ／λと表現することができる。

一方、投影光学系ＰＬの瞳半径をｒとし、マスクＭと投影光学系ＰＬの瞳面との間の部分光学系の実効的な焦点距離をｆとし、瞳枠の外縁に回折するような回折角度をΘとすると、ｒ＝ｆ×sinΘという関係が成り立つ。sinΘ（＝ｒ／ｆ）は物体空間での最大開口数ＮＡに相当するので、回折角度Θになるようなマスクパターンの空間周波数μ₀は、μ₀＝sinΘ／λ＝ＮＡ／λと表わされる。規格化空間周波数（規格化周波数）は、マスクパターンの実際の空間周波数μを上記の空間周波数μ₀で規格化されたものである。したがって、ＯＴＦ曲線の横軸に示す規格化空間周波数の値にＮＡ／λを掛けた値が実際の空間周波数になる。

図５は、規格化外側半径値σを０．１，０．５，１．０と変化させたときの理想的なトップハット形状の円形瞳強度分布と結像性能との関係を表わすＯＴＦ曲線を示す図である。また、図６は、規格化外側半径値σを１に固定し輪帯比γを０，０．５，０．９と変化させたときの理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布と結像性能との関係を表わすＯＴＦ曲線を示す図である。したがって、図５におけるσ＝１．０のＯＴＦ曲線は、図６におけるγ＝０のＯＴＦ曲線と一致している。

図５および図６に示すＯＴＦ曲線は一例であり、規格化外側半径値σおよび輪帯比γの２つのパラメータによって規定される理想的なトップハット形状の様々な輪帯瞳強度分布と結像性能との関係を表わす多数のＯＴＦ曲線が得られる。ただし、これらのＯＴＦ曲線が理想的なトップハット形状の瞳強度分布と結像性能との関係を全て表わしているわけではなく、単一周波数成分を持った物体、もしくは複数周波数成分を持った低コントラスト物体に関して結像性能を十分に議論できる指標であるに過ぎず、一般のマスクパターン（レチクルパターン）に関してはあくまで一次近似にしかならない。

一方、理想的なトップハット形状でない実際のほぼ輪帯状（またはほぼ円形形状）の瞳強度分布に関しても同様に、ＯＴＦ曲線を算出することが可能である。具体的に、ＯＴＦ曲線ＯＴＦ（ｘ，ｙ）は、実際に測定されたほぼ輪帯状（またはほぼ円形形状）の瞳強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）と投影光学系ＰＬの瞳関数（無収差を前提とする場合には円形開口関数）とのコンボリューション計算により算出される。実際の瞳強度分布は光軸に関して回転非対称であるが、実際の瞳強度分布を簡単のために回転対称な瞳強度分布に近似すれば、コンボリューション計算によって得られる二次元的なＯＴＦ曲線も光軸に関して回転対称になり、光軸を含む任意の一断面を取り出すことによって、理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布に関して得られたＯＴＦ曲線と同じ形態で表わすことができる。

こうして、実際のほぼ輪帯状の瞳強度分布について計算されたＯＴＦ曲線と類似するＯＴＦ曲線が得られる理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布を規定する２つのパラメータ、規格化外側半径値σおよび輪帯比γを求め、ひいては実際のほぼ輪帯状の瞳強度分布と実効的に等価で均一な輪帯瞳強度分布を求めることができる。２つのパラメータσおよびγを求めるための具体的な手順としては、２つのパラメータσおよびγをそれぞれ変化させて得られる多数のＯＴＦ曲線群から、実際のほぼ輪帯状の瞳強度分布について計算により得られたＯＴＦ曲線と類似するＯＴＦ曲線を見つけるというアプローチになる。

一例として、各周波数成分に対応する２つのＯＴＦ値の差分の二乗和を評価関数と定義し、この評価関数が最小になる２つのＯＴＦ曲線をターゲットとして求めるのが、一般的な関数フィッティング手法である。ただし、ＯＴＦ曲線は単調減少関数であり、高周波成分に対応するＯＴＦ値の類似度（フィッティング精度）の方が低周波成分に対応するＯＴＦ値の類似度よりも重要であることを考えると、たとえば周波数を重みにした差分の自乗和を評価関数と定義することが好ましい。

以下、図７を参照して、本実施形態の計測装置を用いて計測されたほぼ輪帯状の光強度分布の評価方法を含む調整方法について説明する。図７を参照すると、本実施形態の調整方法では、たとえば計測装置１０を用いて、投影光学系ＰＬを通過した光に基づいて照明光学系（２〜８）の照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布を計測する（Ｓ１）。本実施形態では、輪帯照明時に照明光学系（２〜８）の照明瞳面に形成される輪帯状の二次光源に対応して計測されるほぼ輪帯状の光強度分布の評価および調整に対して本発明を例示的に適用するものとする。

次いで、本実施形態の調整方法では、計測工程Ｓ１で計測されたほぼ輪帯状の光強度分布を、瞳面内の座標を用いる関数により近似する（Ｓ２）。近似工程Ｓ２では、上述したように、簡単のために光軸に関して回転対称な瞳強度分布に近似することができる。次いで、近似工程Ｓ２で関数表示された光強度分布と投影光学系ＰＬの瞳関数とのコンボリューションにより光学伝達関数を算出する（Ｓ３）。算出工程Ｓ３では、たとえば投影光学系ＰＬが無収差のときの瞳関数を用いて光学伝達関数を算出し、計測されたほぼ輪帯状の瞳強度分布に対応するＯＴＦ曲線を得る。

さらに、本実施形態の調整方法では、算出工程Ｓ３で得られたＯＴＦ曲線（光学伝達関数曲線）に基づいて、計測されたほぼ輪帯状の瞳強度分布と実効的に等価で均一な輪帯瞳強度分布を規定するパラメータを決定する（Ｓ４）。決定工程Ｓ４では、上述したように、計測された（実際の）ほぼ輪帯状の瞳強度分布について計算されたＯＴＦ曲線と類似するＯＴＦ曲線が得られる理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布を規定する２つのパラメータ、すなわち規格化外側半径値σおよび輪帯比γを求める。

具体的には、２つのパラメータσおよびγをそれぞれ変化させて得られる多数のＯＴＦ曲線群から、実際のほぼ輪帯状の瞳強度分布について計算により得られたＯＴＦ曲線と類似するＯＴＦ曲線を見つけるために、たとえば各周波数成分に対応する２つのＯＴＦ値の差分の二乗和（あるいは周波数を重みにした差分の自乗和）を評価関数と定義し、この評価関数が最小になる２つのＯＴＦ曲線をターゲットとして求める。こうして、図８に示すように、実際のほぼ輪帯状の光強度分布８１を、これと実効的に等価で均一な輪帯瞳強度分布８２として評価することができる。

最後に、評価工程（Ｓ２〜Ｓ４）の評価結果に基づいて、照明光学系（２〜８）の照明瞳面に形成される光強度分布を調整する（Ｓ５）。具体的に、調整工程Ｓ５では、照明光学系（２〜８）の照明瞳面と光学的に共役な面におけるほぼ輪帯状の光強度分布と実効的に等価で均一な輪帯瞳強度分布のパラメータ（σおよびγ）を参照し、露光装置への入力設定値に応答して所望のパラメータを有する実効的に等価で均一な輪帯瞳強度分布が二次光源として照明光学系（２〜８）の照明瞳面（ひいては投影光学系ＰＬの瞳面）に形成されるように光学調整を行う。

以上のように、本実施形態では、照明光学装置（１〜ＰＬ）の照明瞳面に形成される光強度分布（瞳強度分布）を、その外形だけでなく不均一な分布も考慮して実効的に等価で均一な光強度分布として評価することができ、ひいては照明瞳面の光強度分布を高精度に調整することができる。したがって、本実施形態の露光装置では、照明瞳面の光強度分布が高精度に調整された照明光学装置（１〜ＰＬ）を用いて、微細パターンを忠実に投影露光することができる。

すなわち、本実施形態では、照明瞳面に形成される光強度分布（瞳強度分布）の外形に加えて不均一な分布も考慮して実効的に等価で均一な光強度分布として評価された二次光源の形状および大きさ（輪帯状の瞳強度分布の場合にはその外径、内径、輪帯比など）に基づいて結像特性を正しく評価することができるので、異なる２つの露光装置の間での解像線幅のばらつきを良好に抑えることができ、ひいては号機間のマッチングを良好に図ることができる。

なお、上述の説明では、ほぼ輪帯状の光強度分布（ほぼ円形形状の光強度分布を含む）の評価に対して本発明を適用している。しかしながら、これに限定されることなく、複数極状（２極状、４極状、８極状など）の光強度分布の評価に対しても同様に本発明を適用することができる。たとえば複数の円形形状の実質的な面光源からなる複数極状の光強度分布の場合、パラメータとして、実効的に等価で均一な複数極状の光強度分布を構成する単極の光強度分布の中心と光軸との距離および単極の光強度分布の外径（大きさ）などを求める。

また、上述の説明では、実際の瞳強度分布を、実効的に等価で均一な光強度分布として評価している。しかしながら、評価のターゲットにする光強度分布は均一に限定されることなく、例えば所定のガウシアン強度分布を評価のターゲットにすることもできる。

上述の実施形態にかかる露光装置では、照明光学装置によってマスク（レチクル）を照明し（照明工程）、投影光学系を用いてマスクに形成された転写用のパターンを感光性基板に露光する（露光工程）ことにより、マイクロデバイス（半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等）を製造することができる。以下、上述の実施形態の露光装置を用いて感光性基板としてのウェハ等に所定の回路パターンを形成することによって、マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法の一例につき図９のフローチャートを参照して説明する。

先ず、図９のステップ３０１において、１ロットのウェハ上に金属膜が蒸着される。次のステップ３０２において、その１ロットのウェハ上の金属膜上にフォトレジストが塗布される。その後、ステップ３０３において、上述の実施形態の露光装置を用いて、マスク上のパターンの像がその投影光学系を介して、その１ロットのウェハ上の各ショット領域に順次露光転写される。その後、ステップ３０４において、その１ロットのウェハ上のフォトレジストの現像が行われた後、ステップ３０５において、その１ロットのウェハ上でレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことによって、マスク上のパターンに対応する回路パターンが、各ウェハ上の各ショット領域に形成される。その後、更に上のレイヤの回路パターンの形成等を行うことによって、半導体素子等のデバイスが製造される。上述の半導体デバイス製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する半導体デバイスをスループット良く得ることができる。

また、上述の実施形態の露光装置では、プレート（ガラス基板）上に所定のパターン（回路パターン、電極パターン等）を形成することによって、マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得ることもできる。以下、図１０のフローチャートを参照して、このときの手法の一例につき説明する。図１０において、パターン形成工程４０１では、上述の実施形態の露光装置を用いてマスクのパターンを感光性基板（レジストが塗布されたガラス基板等）に転写露光する、所謂光リソグラフィー工程が実行される。この光リソグラフィー工程によって、感光性基板上には多数の電極等を含む所定パターンが形成される。その後、露光された基板は、現像工程、エッチング工程、レジスト剥離工程等の各工程を経ることによって、基板上に所定のパターンが形成され、次のカラーフィルター形成工程４０２へ移行する。

次に、カラーフィルター形成工程４０２では、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）に対応した３つのドットの組がマトリックス状に多数配列されたり、またはＲ、Ｇ、Ｂの３本のストライプのフィルターの組を複数水平走査線方向に配列したカラーフィルターを形成する。そして、カラーフィルター形成工程４０２の後に、セル組み立て工程４０３が実行される。セル組み立て工程４０３では、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板、およびカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルター等を用いて液晶パネル（液晶セル）を組み立てる。

セル組み立て工程４０３では、例えば、パターン形成工程４０１にて得られた所定パターンを有する基板とカラーフィルター形成工程４０２にて得られたカラーフィルターとの間に液晶を注入して、液晶パネル（液晶セル）を製造する。その後、モジュール組み立て工程４０４にて、組み立てられた液晶パネル（液晶セル）の表示動作を行わせる電気回路、バックライト等の各部品を取り付けて液晶表示素子として完成させる。上述の液晶表示素子の製造方法によれば、極めて微細な回路パターンを有する液晶表示素子をスループット良く得ることができる。

なお、上述の実施形態では、図１に示すような特定の構成を有する照明光学装置に対して本発明を適用しているが、照明光学装置の具体的な構成については様々な変形例が可能である。また、上述の実施形態では、露光光としてＫｒＦエキシマレーザ光（波長：２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ光（波長：１９３ｎｍ）を用いているが、これに限定されることなく、他の適当なレーザ光源に対して本発明を適用することもできる。

本発明の実施形態にかかる露光装置の構成を概略的に示す図である。 図１の露光装置に搭載された計測装置の内部構成を概略的に示す図である。 投影光学系の瞳位置での瞳結像を説明する光路図である。 輪帯状の二次光源からの光がマスクパターンで回折されて投影光学系の瞳位置に形成する二次光源像を概略的に示す図である。 規格化外側半径値σを０．１，０．５，１．０と変化させたときの理想的なトップハット形状の円形瞳強度分布と結像性能との関係を表わすＯＴＦ曲線を示す図である。 規格化外側半径値σを１に固定し輪帯比γを０，０．５，０．９と変化させたときの理想的なトップハット形状の輪帯瞳強度分布と結像性能との関係を表わすＯＴＦ曲線を示す図である。 本実施形態の計測装置を用いて計測されたほぼ輪帯状の光強度分布の評価方法を含む調整方法の工程を概略的に示すフローチャートである。 実際のほぼ輪帯状の瞳強度分布を実効的に等価で均一な輪帯瞳強度分布として評価した一例を模式的に示す図である。 マイクロデバイスとしての半導体デバイスを得る際の手法のフローチャートである。 マイクロデバイスとしての液晶表示素子を得る際の手法のフローチャートである。 照明瞳面に形成される実際の円形形状の光強度分布が理想的なトップハット形状ではなく周辺のぼけた外形形状になる様子を模式的に示す図である。

符号の説明

１ レーザ光源
３ 回折光学素子
４ ズームレンズ
５ マイクロフライアイレンズ
６ コンデンサー光学系
７ マスクブラインド
８ 結像光学系
１０ 計測装置
１０ａ ピンホール部材
１０ｂ 集光レンズ
１０ｃ 光検出器（二次元ＣＣＤ）
Ｍ マスク
ＭＳ マスクステージ
ＰＬ 投影光学系
ＡＳ 開口絞り
Ｗ ウェハ
ＷＳ ウェハステージ

Claims (14)

1. 結像光学系を含む光学系の瞳面に形成された所定の光強度分布を、該所定の光強度分布と実効的に等価な特定光強度分布として評価する方法であって、
   前記所定の光強度分布と前記結像光学系の瞳関数とに基づいて光学伝達関数を算出する算出工程と、
   前記算出工程で得られた前記光学伝達関数に基づいて、前記実効的に等価な特定光強度分布を規定するパラメータを決定する決定工程とを含むことを特徴とする評価方法。
2. 前記算出工程では、前記結像光学系が無収差のときの瞳関数を用いることを特徴とする請求項１に記載の評価方法。
3. 前記算出工程に先立って前記瞳面に形成された前記所定の光強度分布を計測する計測工程をさらに含み、
   前記算出工程は、前記計測工程で得られた光強度分布を、前記瞳面内の座標を用いる関数により近似する近似工程を有し、該近似工程で関数表示された光強度分布と前記結像光学系の瞳関数とのコンボリューションにより前記光学伝達関数を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の評価方法。
4. 前記特定光強度分布は均一な光強度分布であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の評価方法。
5. 前記瞳面に形成された前記所定の光強度分布はほぼ円形形状であり、
   前記決定工程は、前記パラメータとして、円形形状で均一な光強度分布の外径を求める工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の評価方法。
6. 前記瞳面に形成された前記所定の光強度分布はほぼ輪帯形状であり、
   前記決定工程は、前記パラメータとして、輪帯形状で均一な光強度分布の外径および輪帯比（内径／外径）を求める工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の評価方法。
7. 前記瞳面に形成された前記所定の光強度分布は複数極状であり、
   前記決定工程は、前記パラメータとして、複数極状で均一な光強度分布を構成する単極の光強度分布の中心と前記光学系の光軸との距離および前記単極の光強度分布の外径を求める工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の評価方法。
8. 光源からの光束に基づいて被照射面を照明する照明光学装置の調整方法において、
   前記照明光学装置の照明瞳面に形成される実質的な面光源の光強度分布を計測する計測工程と、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の評価方法を用いて前記計測工程で計測された前記光強度分布を評価する評価工程と、
   前記評価工程の評価結果に基づいて前記光強度分布を調整する調整工程とを含むことを特徴とする調整方法。
9. 前記計測工程では、前記被照射面を通過した光に基づいて前記照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布を計測することを特徴とする請求項８に記載の調整方法。
10. 請求項８または９に記載の調整方法により調整されたことを特徴とする照明光学装置。
11. 請求項１０に記載の照明光学装置を備え、前記結像光学系の物体面に設定される所定のパターンを、前記結像光学系の像面に設定される感光性基板上へ投影露光することを特徴とする露光装置。
12. 前記計測工程では、前記結像光学系を通過した光に基づいて前記照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布を計測することを特徴とする請求項１１に記載の露光装置。
13. 請求項１０に記載の照明光学装置を用いて、前記結像光学系の物体面に設定される所定のパターンを、前記結像光学系の像面に設定される感光性基板上へ投影露光することを特徴とする露光方法。
14. 前記計測工程では、前記結像光学系を通過した光に基づいて前記照明瞳面と光学的に共役な面における光強度分布を計測することを特徴とする請求項１３に記載の露光方法。

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