JP2006332562A - 波面収差軌定機及び波面収差測定方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】
投影光学系の波面収差を測定する際に、機械的な振動のために集光点が変動することに起因する誤差を低減する、高輝度ではあるが低ＮＡである光源を波面収差測定に整合させる、非テレセントリックな光学系に対して主光線を整合させる、ことを目的とする。
【解決手段】
集光光束の状態を検出して集光点を制御する、開口数調整ピンホールを配置する、集光光学系中で集光光束を軸はずしとする手段をとる。
【選択図】
図１

Description

本発明は、投影光学系の波面収差の精密計測に関し、特には測定用照明光学系の改良に関するものである。

近年、半導体集積回路素子の微細化に伴い、光の回折限界によって制限される光学系の解像力を向上させるために、従来の紫外線に代わってこれより波長の短いＥＵＶ（Extreme UltraViolet：極端紫外線）を使用した投影リソグラフィ技術が開発されている。

ＥＵＶの波長域でのリソグラフィに使用される投影光学系は多層膜の各界面での反射光の位相を一致させて干渉効果によって高い反射率を得る多層膜がコーティングされたＥＵＶ反射鏡により構成されている。しかしながら、多層膜反射鏡を用いてもその反射率は70％弱であり、露光に必要なエネルギー量を得るためには投影光学系を構成する反射鏡の枚数は少ない方が好ましい。通常、ＥＵＶ露光装置の投影光学系は、収差を低減し、かつ反射鏡の枚数を最低限にしながら、広い露光フィールドを確保するために、輪帯の一部である円弧状の露光フィールドを持つ光学系を用いる。

半導体集積回路の転写に用いられる投影光学系は、精緻な回路パターンを精確に転写させるため、収差を極限まで低減させる必要がある。従って、その投影光学系の製作には、投影光学系の収差を精確に測定する測定機が必要である。

この収差測定機のうちの1つが波面収差測定機である。波面収差の測定には、様々な方法があるが、微小なピンホールによって形成される理想的な球面波を利用する点回折干渉計（ＰＤＩ）（特許文献１参照）や、シアリング干渉計（特許文献２参照）などがある。

また、測定された干渉縞から波面を再現する技術も種々開発されており、例えば、学術書１（Daniel Malacara, Brian J. Thompson篇 Handbook of Optical Engineering, 2001 published by Marcel Dekker, Inc.）に詳述されている。
ＵＳ５，８３５，２１７ 特開２００３−８６５０１号公報 Daniel Malacara, Brian J. Thompson篇 Handbook of Optical Engineering, 2001 published by Marcel Dekker, Inc.

ところで、ＰＤＩでは、理想的な球面波を得るために、利用される微小なピンホールの大きさに制限があり、その大きさは、およそλ／２ＮＡで決まる。（ＮＡは投影光学系の物側のＮＡである）。例えば、ＮＡ=0.0625、波長λ＝13．5nmのＥＵＶ投影光学系においては、約100nmとなる。この結果、このような微小なピンホールを通った光を用いて測定する場合、測定に十分な光量を確保するために非常に輝度の高い光源が必要となる。このような輝度の高い光源には、アンジュレータ(Undulator)タイプの放射光光源がある。しかし、このアンジュレータタイプの光源には以下に様な問題点がある。
１．アンジュレータ光源の輝度は高いが、集光光学系が安定していないと、集光したビームが不規則に振動して輝度が下がることと等価になってしまう。
２．アンジュレータ光源は一般に発散角が小さいため、被検光学系のNAに合わせるためには、非常に大きな倍率の集光光学系を用意する必要がある。

このような問題点を回避するために、高輝度光源としてのアンジュレータを使わなくとも測定ができるシアリング干渉計の検討も行われている。これは、ＰＤＩにおけるピンホールの大きさよりも大きな開口にすることが可能であるので、輝度への要求を下げることができる。しかしながら、より大きな開口を使用する場合、被検光学系の開口を均一に照明する方策が必要になる。また、照明光学系（集光光束）が機械的に安定しないと、開口への照明が不均一になって再現性が劣化してしまう点ではアンジュレータを用いたＰＤＩによる測定と同じ問題を引き起こす。

更に、波面収差の測定は、投影光学系の結像フィールド（光学フィールド）内で複数の点に対して行う必要があり、更に、集光光学系は光源からの光束を被検光学系の設計条件に合わせて被検光学系に入射させる必要がある。特に、ＥＵＶ投影光学系ではマスクとして反射型のものが使用され、照明光学系の配置からテレセントリック光学系にはならない。従って、波面収差を測定する時にも、設計条件の非テレセントリック条件にあう集光光束を入射する必要があり、集光光学系にその対応が求められる。
上述のように、投影光学系用波面計測機では、光源を含む集光光学系に対して以下のような性能が求めら、それを搭載した波面収差測定機が求められている。
１．集光光束が安定して開口（被測定点）を照明すること、
２．集光光学系が被検光学系の光学フィールド全域を均一に照明すること
３. 集光光学系が被検光学系のＮＡに合わせて被検光学系の開口を照明すること。
４．集光光学系の出力ＮＡ（開口数）の調整を安価に、省スペースで行うこと。
５．被検光学系のテレセントリック特性に合わせた集光光束を出力すること。
等の要求がある。
本発明は、以上の通りの従来の波面収差測定機の欠点を克服し、基本的な要求を、満足するものとしてなされたものである。

上記課題を解決するために本発明では以下の手段を用いている。
被検光学系の波面収差を測定する波面収差測定機であって、
光源と、
該光源からの光束を平行光束にするリレー光学系と、
該平行光束を該被検光学系の物面上の被測定点に集光する集光光学系と、
該リレー光学系と該集光光学系との間に置かれた複数の折り返し反射鏡と、
該被検光学系の前段又は後段に配置された、光束を分割する波面分割部材と、
分割された光束間の干渉縞を検出する検出装置と、
を有し、
該反射鏡を回転させる回転機構が該反射鏡に取り付けられており、
該反射鏡の１つと集光光学系上は移動機構上に取り付けられている波面収差測定装置である。

光学系の特性を評価するためには被検光学系の物面上の複数の点から出る光束に対する波面収差を測定する必要があるが、本発明のこの手段を用いることにより、光源からの光束を被検光学系の物面上の被測定点に順次集光し、物面上の複数の被測定点に対する被検光学系の波面収差を容易に測定できるようになる。

また、この装置に集光光束の状態（集光光束が光軸となす角度や集光光束の軸ずれの程度等）や集光光束の収束位置を測定する検出器を取り付ければ集光位置を安定して制御することが可能に可能になり、測定精度の低下を防止できる。この時には、４分割光検出器を用いると光束が光軸となす角度や光束の集光位置測定が容易になる。

上記課題を解決する他の手段は、
被検光学系の波面収差を測定するためのシアリング干渉計であって、
光源と、
該光源からの光束を該被検光学系の物面上の被測定点に集光する集光光学系と、
該被検光学系の前段又は後段に配置された、光束を分割する波面分割部材と、
分割された光束間の干渉縞を検出する検出装置と、
を有し、
該集光光学系は光束のＮＡ（開き角）を調整するためのピンホールを該照明光学系の光束収束位置に有するシアリング干渉計である。

被検光学系の波面収差を測定する場合、被検光学系の開口数（ＮＡ）以上の開口数（光束の開き角）を有する光束を入射する必要がある。アンジュレータのような出力光束の開口数が小さい光源を使用する場合、開口数を大きくする必要があるが、本発明の手段を利用すると簡単な機構で容易に開口数を大きくすることができる。
上記課題を解決するための、他の手段は、
非テレセントリックな光学系の波面収差を測定するための波面収差測定機であって、
光源と、
該光源からの光束を該被検光学系の物面上の被測定点に集光する集光光学系と、
該被検光学系の前段又は後段に配置された、光束を分割する波面分割部材と、
分割された光束間の干渉縞を検出する検出装置と、
を有し、
該集光光学系中には、被検光学系の非テレセントリック特性に合わせて光束を形成するための開口板が置かれている波面収差収差測定機である。

被検光学系の特性を正確に測定するためには被検光学系の結像構造、特に主光線の特定が重要である。ＥＵＶを用いた投影光学系ではマスクとして反射型を使用することになり、照明系の配置から考えてテレセントリックな光学系を採ることは出来ない。従って、このような光学系の波面収差を測定する場合、主光線が光軸とは平行にならないように被検光学系に入射する必要がある。本願発明を用いると、開口板の大きさと配置位置を調整するだけで、この条件を容易に達成できる。

上記課題を解決する他の手段は、
投影光学系の波面収差を測定する波面収差測定方法であって、
光源から出た光束を被検光学系の物面上の被測定点に集光し、
該被測定点より出た光束が該投影光学系を経た後の光束の波面を観察する波面収差測定方法において、
被測定点に集光する集光光束の集光位置を検出し、集光位置を制御しながら前記波面を観察する波面収差測定方法である。

被検光学系の被測定点に光束を集光する時、先に記したように照明光学系の機械的な安定性が不十分であるために、集光光束が位置的に安定しないことがあるが、本願発明のように、集光位置を検出し、位置の制御を行いながら波面の観察を行うと測定精度の低下が阻止される。

上記課題を解決するための更なる他の手段は、
非テレセントリックな投影光学系の波面収差を測定する波面収差測定方法であって、
光源から出た光束を該投影光学系の物面に集光して物面上の開口を照明し、
該開口より出た光束が該投影光学系を経た後の光束の波面を観察する波面収差測定方法において、
該投影光学系の主光線の配置にあうように該光束を調整して物面上の開口に集光させる波面収差測定方法である。

上記本願発明の波面収差測定装置及び測定方法は、光源を含む照明光学系の有する課題、集光位置の安定性、集光光束の開口数の非整合性、主光線の配置の違い、といった課題を解決し、より高精度な測定が要求される投影光学系の測定精度向上に寄与する。

図1は、本発明の集光点走査機構、測定方法を説明する図である。
実施の形態図１（ａ）では、光源として、放射光アンジュレータを用いて被検光学系の波面収差をＰＤＩにより測定する。測定機は、光源１、被検光学系２の配置スペース、検出器３、リレー光学系４、集光光学系５、反射鏡６，７、反射鏡回転機構１４，１５、移動機構１６、ビーム位置センサ８、ビーム角度センサ９，ピンホールアレイ板１０、波面分割用素子（回折格子）１２，参照球面波生成用ピンホール１１と測定波透過用開口の対のアレイ板１３で構成されている。

光源１より出た光はリレー光学系４で平行光にされ、集光光学系５でピンホールアレイ板１０のピンホール１１に収束される。この集光光学系５が無限遠光学系であるため、リレー光学系４から集光光学系５までの距離は自由に変えることができる。従って、反射鏡６と７が光軸となす角度を反射鏡回転機構１４により変化させ、反射鏡７の光軸との角度を反射鏡回転機構１５により変化させ、且つ移動機構１６により位置を変化させると、集光光学系の集光点（ピンホール板１０上のピンホール１１への集光点）を順次走査できる。反射鏡の回転機構や反射鏡の移動機構は公知の機構により実現可能である。集光光学系５及び反射鏡７をピンホールアレイ板上の測定ピンホールに移動させる時の位置合わせは不図示の光波干渉測定により位置制御を行いながら順次行う。この位置の調整に対応して、光束の集光位置の調整が行われる。例えば、光束の角度測定用の光検出器９と光束の集光位置検出用の光検出器８を集光光学系に配置し、この出力を基に行われる。これらの光検出器は基本的にはポジションセンサである。移動機構１６により集光光学系５を移動し、集光光束が位置ズレを生じると光検出器の出力を基にして、集光光束が集光光学系の所定の位置に集光されるようになされる。このような光検出器には例えば４分割光検出器やアナログ的なＰＳＤ（Position Sensitive Detector）を用いることができる。図２に使用する光検出器の例を示す。光検出器９は４つの光センサが、光軸上に円の中心を有する円周上に９０度間隔に配置されたものであり（４分割光検出器）、光検出器８は４つの光センサが中央の小開口を取り囲んで並べられたものである（４分割光検出器）。これらの光センサの出力が所定の値、例えば全て同じ値（差が零）になるように反射鏡の回転角の調整が行われる。

この機構は、測定点の順次操作という機能の他に、被測定点に安定して集光光束を供給するという重要な機能でもある。被測定点に集光される光束の集光位置は光源を含む照明系の機械的な振動により変動するが、その変動を２つの光検出器８，９により検出して反射鏡７（又は／及び６）の角度を制御して常に一定の位置に集光するようにトラッキングをかけるという測定方法が可能になる。

同様な考えに基づく実施の形態を図２（ｂ）に示す。図２（ａ）と異なる点は、反射鏡７と集光光学系５とを別々の移動機構１７，１８により移動させることである。移動機構１７の機能は図２（ａ）の移動機構１６と同様であるが、移動機構１８の機能は反射鏡７をその入射光の方向に移動させることである。このことにより、反射鏡６に取り付ける回転機構が不要になるか、微調程度の回転角を有する回転機構で足り、また反射鏡７に取り付ける回転機構１５も回転角度の範囲が少なくなり、構造が簡単になる利点がある。

次に、図３を参照して、本願発明の収束光束の開口数ＮＡ調整機構を説明する。
図３は集光光学系３４を中心にして記したシアリング干渉計の図である。被検光学系の後方には光束をシアするための回折格子と干渉縞を観察する光検出器が配置されているが、図では省略されている。

光源１より出た光束３１の開口数は小さいが、集光光学系中の光束集光点３３に置かれたピンホール３７により光束は回折され、開口角が大きくなる。開口数が大きくなった光束３９は光学素子３５に収束させられて、被検光学系２の物面に置かれた開口３８に集光される。このように開口数を調整すれば、他の方法、例えば倍率が大きな光学系を介するより遙かに容易に安価に開口数の調整が出来る。

次に、図４を参照して、集光光束の主光線の被検光学系のテレセントリック特性に合わせる装置及び方法を説明する。図４（Ａ）を参照する。光束４１は集光光学素子４５により集光されてピンホール（開口）１１に収束するが、光学素子４５の前段に配置された調整開口により一部が遮断される。この遮断する大きさと位置を調整すると所望の入射角度と集光特性を有する集光光束４２が得られる。

この調整開口板を使用する装置・方法では、収束する光束の一部が遮断される。場合によっては測定光量が不足する場合がある。このような場合には、図４（Ｂ）のように、集光光学素子４５に入射する光束を軸はずしの光束４８にすると、集光光学素子４５を経た光束４９を所定の入射特性を有する光束に変換することが容易に出来る。

半導体装置の高密度化により、その製造技術には高精度な特性測定方法が必要になることは必至である。従って、投影光学系の波面収差を高精度に測定することを可能にする本願発明が産業上利用される可能性は高い。

本願発明の波面収差測定装置の構成図である。 本願発明の光検出器の例を示す図である。 本願発明の開口数調整用のピンホール配置を示す図である。 本願発明の開口数調整法の例を示す図である。

符号の説明

１ ・・・ 光源 ２ ・・・・ 被検光学系
３ ・・・ 検出器 ４ ・・・・ リレー系
５ ・・・ 集光光学系 ６，７ ・・・ 反射鏡
８ ・・・ ビーム位置センサ ９ ・・・ ビーム角度センサ
１０ ・・・・ ピンホールアレイ板 １１ ・・・ 開口（ピンホール）
１０、波面分割用回折格子１２，１４，１５ ・・・ 反射鏡回転装置
１６、１７，１８ ・・・ 移動装置

Claims (7)

1. 被検光学系の波面収差を測定する波面収差測定機であって、
   光源と、
   該光源からの光束を平行光束にするリレー光学系と、
   該平行光束を該被検光学系の物面上の被測定点に集光する集光光学系と、
   該リレー光学系と該集光光学系との間に置かれた複数の折り返し反射鏡と、
   該被検光学系の前段又は後段に配置された、光束を分割する波面分割部材と、
   分割された光束間の干渉縞を検出する検出装置と、
   を有し、
   該反射鏡を回転させる回転機構が該反射鏡に取り付けられており、
   該反射鏡の１つと集光光学系上は移動機構上に取り付けられている
   ことを特徴とする波面収差測定装置。
2. 請求項１に記載された波面収差測定機であって、
   前記集光光学系は、該集光光学系に入射する光束と光軸の関係を測定する検出器と前記集光光学系より出る光束の集光位置を検出する検出器を有している
   ことを特徴とする波面収差測定装置。
3. 請求項２に記載の波面収差測定装置であって、
   前記検出器が４分割光検出器であることを特徴とする波面収差測定器。
4. 被検光学系の波面収差を測定するためのシアリング干渉計であって、
   光源と、
   該光源からの光束を該被検光学系の物面上の被測定点に集光する集光光学系と、
   該被検光学系の前段又は後段に配置された、光束を分割する波面分割部材と、
   分割された光束間の干渉縞を検出する検出装置と、
   を有し、
   該集光光学系は光束のＮＡを調整するためのピンホールを該集光光学系の光束収束位置に有することを特徴とするシアリング干渉計。
5. 非テレセントリックな光学系の波面収差を測定するための波面収差測定機であって、
   光源と、
   該光源からの光束を該被検光学系の物面上の被測定点に集光する集光光学系と、
   該被検光学系の前段又は後段に配置された、光束を分割する波面分割部材と、
   分割された光束間の干渉縞を検出する検出装置と、
   を有し、
   該集光光学系中には、被検光学系の非テレセントリック特性に合わせて光束を集光するための開口板が置かれている
   ことを特徴とする波面収差収差測定機。
6. 投影光学系の波面収差を測定する波面収差測定方法であって、
   光源から出た光束を被検光学系の物面上の被測定点に集光し、
   該被測定点より出た光束が該投影光学系を経た後の光束の波面を観察する波面収差測定方法において、
   前記光束が物面上の被測定点に安定して集光するように制御しながら前記波面を観察することを特徴とする波面収差測定方法。
7. 非テレセントリックな投影光学系の波面収差を測定する波面収差測定方法であって、
   光源から出た光束を該投影光学系の物面に集光して物面上の被測定点を照明し、
   該被測定点より出た光束が該投影光学系を経た後の光束の波面を観察する波面収差測定方法において、
   該投影光学系の主光線の配置にあうように該光束を調整して物面上の開口に集光させることを特徴とする波面収差測定方法

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