JP2008139196A - 光学素子の特性評価方法、光学素子の製造方法、照明光学系、及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】問題となる照度ムラを発生させるような光学部品を検出可能な光学素子の特性評価方法を提供する。
【解決手段】まず、マイクロフライアイレンズ５の光学面すなわち各微小光学面の面形状を計測する（Ｓ１）。次いで、本実施の形態の製造方法では、計測工程Ｓ１で得られた計測結果、すなわちマイクロフライアイレンズ５の各微小光学面の面形状に関する計測データを２階微分して照度ムラ関数を求める（Ｓ２）。照度ムラが問題となるマイクロレンズアレイでは、図に示すように測定データに特異点が現れる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光学素子の特性評価方法、光学素子の製造方法、照明光学系、及び露光装置に関するものである。

半導体製造におけるリソグラフィ工程等に使用される露光装置においては、光源から射出された光束がフライアイレンズに入射し、その後側焦点面に多数の光源からなる二次光源を形成する。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。開口絞りは、所望の照明条件（露光条件）に応じて、二次光源の形状または大きさを所望の形状または大きさに制限する。

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。

このような露光装置では、照度分布の均一性を高めるために、フライアイレンズを構成する微小レンズ要素の数をできるだけ多くすることが必要である。また、開口絞りにおける光量損失を避けるために、所望の形状に近い形状を有する二次光源を形成することが必要である。このため、たとえばフライアイレンズを構成する微小レンズ要素のサイズを非常に小さく設定すること、すなわちマイクロフライアイレンズを用いることが考えられる。

現在開発を進めているマイクロフライアイレンズでは、数十ｎｍオーダーの形状精度（微小光学面の面形状の精度）が設計上要求される。例えば、代表的な設計例によれば、マイクロフライアイレンズ中のすべての微小光学面が互いに同じ形状を有する場合、微小光学面の１０ｎｍの形状変化（形状誤差）に起因して０．１％の照度変化（照度ムラ）が発生する。このため、照野上において照度ムラを０．５％以下に抑えるという所要の仕様（スペック）を達成するには、マイクロフライアイレンズの有効領域内で数十ｎｍという非常に高い加工精度が求められることになる。

光学面の面形状の計測データに基づいて光学面の面形状誤差に起因して発生する照度ムラ（照度分布）を類推する方法は、例えば特開２００５−３０８５１３号公報（特許文献１）に記載されている。これは、光学面の面形状を計測する計測工程と、計測工程の計測結果に基づいて光学面の面形状を微分可能な関数で近似する近似工程と、近似工程で得られた微分可能な関数を２階微分して照度ムラ関数を求める微分工程と、微分工程で得られた照度ムラ関数に基づいて、光学面の面形状誤差に起因して発生する照度ムラを解析的に評価する評価工程とを含むものである。
特開２００５−３０８５１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載される方法では、実際に問題となるような照度ムラが発生するようなマイクロフライアイレンズであっても、微分工程で得られた関数の特異点の大きさが大きくならない場合があり、良品と判定されてしまう場合があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光学部品の光学面の形状を測定して処理することにより、問題となる照度ムラを発生させるような光学部品を検出可能な光学素子の特性評価方法、この光学素子の特性評価方法を使用した光学素子の製造方法、この光学素子の製造方法を使用して製作されたマイクロフライアイレンズを有する照明光学系、及びこの照明光学系を有する露光装置を提供することを課題とする。

前記課題を達成するための第１の手段は、光学素子の光学面の面形状を計測する計測工程と、前記計測工程の計測によって得られた面形状を２階微分する微分工程と、前記微分工程で得られた２階微分値の大きさに基づいて、前記光学面の面形状誤差に起因して発生する照度ムラを解析的に評価する評価工程とを含むことを特徴とする光学素子の特性評価方法である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記微分工程は、前記光学素子のある軸に対して対称形状である面形状を有し、前記計測工程で前記面形状が計測された計測位置のうち、前記光学素子の面上で、前記軸を中心にして放射状に描くことができる一つの線上に並んでいる少なくとも３箇所の計測位置における３箇所の面形状データから２階微分を行い、２階微分値を得る工程であることを特微とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段の特性評価方法に基づいて、前記光学面の面形状誤差に起因して発生する照度ムラを解析的に評価し、その結果に基づいて、前記光学素子を製造する工程を変更する操作を含むことを特徴とする光学素子の製造方法である。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記光学素子が、マイクロフライアイレンズであることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段の光学素子の製造方法を用いて製造されたマイクロフライアイレンズを有することを特徴とする照明光学系である。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段の照明光学系を有することを特徴とする露光装置である。

本発明によれば、光学部品の光学面の形状を測定して処理することにより、問題となる照度ムラを発生させるような光学部品を検出可能な光学素子の特性評価方法、この光学素子の特性評価方法を使用した光学素子の製造方法、この光学素子の製造方法を使用して製作されたマイクロフライアイレンズを有する照明光学系、及びこの照明光学系を有する露光装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態である露光装置の光学系の概要を示す図である。図１において、感光性基板であるウェハＷの法線方向に沿ってＹ軸を、ウェハＷ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、照明光学装置が通常の円形照明を行うように設定されている。

本実施の形態の露光装置は、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、円形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、本発明の実施の形態である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、円形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、且つ輪帯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を中心とする円形状の照野を形成する。

ここで、形成される円形状の照野の大きさ（すなわちその直径）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円形状の照野とほぼ同じ光強度分布を有する円形状の実質的な面光源（以下、「二次光源」という）が形成される。

なお、本実施の形態におけるマイクロフライアイレンズは、対向する２面に複数の微小なシリンドリカルレンズを形成したものである。なお、シリンドリカルレンズの曲率半径の絶対値が最大の方向(又は平坦な方向)をそれぞれ直交するように配置されている。この両面のシリンドリカルレンズを光線が通過することにより二次光源が形成される。

マイクロフライアイレンズ５の後側焦点面に形成された円形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の矩形状の開口部の像を、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、マスクＭ（ひいてはウェハＷ）上に形成される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には転写すべきパターンが形成されており、たとえばパターン領域全体のうちＸ方向に沿って長辺を有し且つＺ方向に沿って短辺を有する矩形状のパターン領域が照明される。以上説明した光学系が、本発明の実施の形態である照明光学系を構成する。

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。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、たとえばＸ方向に沿って長辺を有し且つＺ方向に沿って短辺を有する矩形状の実効露光領域（すなわち静止露光領域）にパターン像が形成される。

上述したように、マスクＭ上の照明領域およびウェハＷ上の実効露光領域は、Ｚ方向に沿って短辺を有する矩形状である。したがって、矩形状の実効露光領域および照明領域の短辺方向すなわちＺ方向に沿ってマスクステージＭＳとウェハステージＷＳとを、ひいてはマスクＭとウェハＷとを同期的に移動（走査）させることにより、ウェハＷ上には実効露光領域の長辺に等しい幅を有し且つウェハＷの走査量（移動量）に応じた長さを有するショット領域に対してマスクパターンが走査露光される。

以下、マイクロフライアイレンズ５によって発生する照度ムラを評価する方法について説明する。まず、マイクロフライアイレンズ５の光学面すなわち各微小光学面の面形状を計測する（Ｓ１）。具体的に、計測工程Ｓ１では、たとえばテーラーホブソン社製の「フォームタリサーフ（商品名）」のような触針式（プローブを用いる接触式）の表面形状計測機を使用して、マイクロフライアイレンズ５の各微小光学面の面形状を計測する。なお、接触式の表面形状計測機に限定されることなく、たとえば原子間力顕微鏡やアコースティックニアフィールド顕微鏡などのような非接触式の手法を用いてマイクロフライアイレンズ５の各微小光学面の面形状を計測することもできる。

なお、計測時における触針又は計測部の走査方向は、計測対象のマイクロフライアイレンズの面形状がある軸に対して対称形状となる部分がある場合、その軸に対して放射方向に計測する。そして、順次取得される高さデータＹ_ｎをＹ_１、Ｙ_２、Ｙ_３、…というように序数を対応づけて、計測データとして保持する。例えば、マイクロフライアイレンズがシリンドリカルレンズである場合、曲率半径の絶対値がもっとも小さい方向（シリンドリカルレンズの法線方向）で断面を見ると対称形状が現れ、また、曲率半径の絶対値が最大の方向（シリンドリカルレンズの母線方向）で断面を見ると対称形状が現れる。

本発明の実施の形態における露光装置が最も照明ムラに強い影響を示す形状誤差は、曲率半径の絶対値が最小の方向で断面を見たときの面形状の誤差である。そこで、計測データを取得する計測位置は、曲率半径の絶対値が最小の方向の一つの線上にある位置を設定する。そして、その線上を移動しながら各位置の高さデータを順次、Ｙ_１、Ｙ_２、Ｙ_３、…というように、ｎ個のデータを取得する。また、このような断面は曲率半径の絶対値の最大の方向にいくつも現れるので、断面毎に高さデータを分類分けして、記録する必要がある。一方、曲率半径の絶対値が最大の方向で、最も高い又は低い高さを持つ部分の各位置の高さデータを順次Ｙ_１、Ｙ_２、Ｙ_３、…と取得することでも、照明ムラに起因する形状誤差を評価するためのデータとして得ることができる。

次いで、本実施の形態の製造方法では、計測工程Ｓ１で得られた計測結果、すなわちマイクロフライアイレンズ５の各微小光学面の面形状に関する計測データを２階微分して照度ムラ関数を求める（Ｓ２）。ここで、２階微分は実際には、差分を用いた数値微分であり、データの計測ピッチをｈ、ｎ番目のデータの値をＹ_ｎとすると、周知のように、Ｙ_ｎ点における２階微分値Ｙ_ｎ”は、
Ｙ_ｎ”＝（Ｙ_ｎ＋１−２Ｙ_ｎ＋Ｙ_ｎ−１）／ｈ^２ …（１）
として求めることができる。このようにして、対称中心に対して放射方向に設定された一つの線上で、隣接する少なくとも３箇所の高さデータＹ_ｎを用いて、該当位置における２階微分値Ｙ_ｎ”を求める。このようにすることで、高さデータＹ_ｎの取得が述続的で無く、隣接したデータに大きな違いが生じていても、その相違量に基づいた２階微分値を得ることができる。面形状データを２階微分すると照度ムラに対応するデータが得られる原理は、特許文献１に記載されているので説明を省略する。

図２に、照明光学系に用いた場合に照度ムラが問題となったマイクロフライアイレンズにおける、単位マイクロレンズの形状を示す。横軸はレンズの中心からの距離、縦軸はＳＡＧ量を示し、２つの破線の間にある領域がマイクロレンズの有効径である。このマイクロレンズの表面形状を曲率半径の絶対値が最小になる方向に１μｍピッチで測定し、（１）式によって２階微分値をとったデータを数値２階微分（実施例）として図３に示す。特許文献１に示される方法を使用し、表面形状測定データを１６次関数で近似し、その２階微分をとったデータを、１６次近似後２階微分（比較例）として同時に示す。

図３を見ると分かるように、実施例においては、レンズの半径が１５０〜１７０μｍの当たりで、データの特異点が現れているが、比較例においては、特に目立った特異点が現れていない。よって、実施例の方が、比較例に比して照度ムラが発生するマイクロフライアイレンズを発見するのに優れていることが分かる。

このように、特異点が発見されれば、ＭＥＭＳ工程におけるマイクロレンズ作成用マスクや金型の形状を、その特異点近傍で修正し、再びマイクロフライアイレンズを作成し、同様の方法で評価を行う工程を、特異点がなくなるまで繰り返すことにより、照度ムラを発生しないマイクロフライアイレンズを製造することができる。

本発明の実施の形態である露光装置の光学系の概要を示す図である。 照明光学系に用いた場合に照度ムラが問題となったマイクロフライアイレンズにおける、単位マイクロレンズの形状を示す図である。 本発明の実施例である光学素子の特性評価方法によって得られたデータと、比較例によって得られたデータとを示す図である。

符号の説明

１…レーザ光源、２…ビームエキスパンダ、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、Ｍ…マスク、ＭＳ…マスクステージ、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウェハ、ＷＳ…ウェハステージ

Claims (6)

1. 光学素子の光学面の面形状を計測する計測工程と、前記計測工程の計測によって得られた面形状を２階微分する微分工程と、前記微分工程で得られた２階微分値の大きさに基づいて、前記光学面の面形状誤差に起因して発生する照度ムラを解析的に評価する評価工程とを含むことを特徴とする光学素子の特性評価方法。
2. 前記微分工程は、前記光学素子のある軸に対して対称形状である面形状を有し、前記計測工程で前記面形状が計測された計測位置のうち、前記光学素子の面上で、前記軸を中心にして放射状に描くことができる一つの線上に並んでいる少なくとも３箇所の計測位置における３箇所の面形状データから２階微分を行い、２階微分値を得る工程であることを特微とする請求項1に記載の光学素子の特性評価方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学素子の特性評価方法に基づいて、前記光学面の面形状誤差に起因して発生する照度ムラを解析的に評価し、その結果に基づいて、前記光学素子を製造する工程を変更する操作を含むことを特徴とする光学素子の製造方法。
4. 前記光学素子が、マイクロフライアイレンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学素子の製造方法。
5. 請求項４に記載の光学素子の製造方法を用いて製造されたマイクロフライアイレンズを有することを特徴とする照明光学系。
6. 請求項５に記載の照明光学系を有することを特徴とする露光装置。

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