JP2009021450A - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ステージ性能の低下やステージの大型化を招くことなく、波面収差、有効光源分布及び回折光分布などの複数の光学特性を測定することを可能とする露光装置を提供する。
【解決手段】光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンを、ステージに支持された基板に投影する投影光学系と、測定部とを有し、前記測定部は、前記ステージに配置されて前記投影光学系からの光束を透過する面積が互いに異なる複数の開口パターンを含む測定基板と、前記ステージに配置されて前記複数の開口パターンからの光束を受光する光電変換センサとを有し、前記光電変換センサからの出力に基づいて、前記照明光学系で形成される有効光源分布、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布及び前記投影光学系の瞳透過率分布の少なくとも１つと、前記投影光学系の波面収差とが求められることを特徴とする露光装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レチクルのパターンを基板に投影し、かかる基板を露光する露光装置に関する。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体デバイスを製造する際に、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。かかる露光装置は、レチクル上のパターンを所定の倍率（縮小率）で正確にウエハ上に転写することが要求されるため、結像性能のよい、収差を抑えた投影光学系を用いることが重要である。

近年では、半導体デバイスの一層の微細化が進んでいるため、光学系の通常の結像性能を超えるパターンを転写する場合が多くなり、転写されるパターンが光学系の収差に対して敏感になってきている。従って、投影光学系に許容される残存収差量は、ｒｍｓで１０ｍλ以下、最近では、数ｍλに抑える必要がある。

このような状況において、投影光学系単体で収差を保証したとしても、数ｍλ程度の微小な収差量は、経時的に変化してしまう可能性がある。そこで、露光装置に投影光学系を搭載した（組み込んだ）状態で、即ち、実際に露光に使用する状態で、投影光学系の光学性能（特に、波面収差）を測定することが要求されている。

かかる要求に応えるために、投影光学系の波面収差を測定するための点回折干渉計（ＰＤＩ）、線回折干渉計（ＬＤＩ）、ラテラルシアリング干渉計などの干渉計を搭載した露光装置が提案されている（特許文献１乃至３参照）。

一方、露光装置の結像性能は、照明光学系で形成される有効光源分布にも依存することが知られている。例えば、複数の露光装置間で有効光源分布に違いがある場合、同じレチクルを露光したとしても、複数の露光装置間で露光されたパターンの線幅に違いが生じてしまう。そこで、照明光学系で形成される有効光源分布を露光装置上で測定することも要求されている。有効光源分布は、図１２に示すように、照明光学系ＩＳと投影光学系ＰＳとの間に配置した数μｍ乃至数１０μｍのピンホールＰＨから射出した光束を、投影光学系ＰＳを介して、ウエハステージに配置したセンサＬＳで受光することで測定することができる。図１２は、従来の有効光源分布の測定原理を説明するための図である。

更に、実際に露光に使用するレチクルを露光する照明条件で照明した際の投影光学系の瞳面内における光の分布、即ち、レチクルのパターンで回折された光の分布（回折光分布）を測定することも要求されている。レチクル全面での回折光分布を測定することで、露光熱による投影光学系の収差変動を高精度に予測することが可能となる。
特開２００５−２４４１２６号公報 特開２００６−０７３６９７号公報 特開２００６−１０８５９７号公報

しかしながら、波面収差、有効光源分布及び回折光分布の各々を測定するための専用のセンサや測定用パターン（を有する基板）をウエハステージに搭載（配置）すると、ウエハステージの搭載重量が増加し、ステージ性能の低下やステージの大型化を招いてしまう。また、多数のセンサをウエハステージに配置することで、各センサからの発熱が積算されてウエハステージに付加されるため、ステージ性能が更に低下してしまう。

そこで、本発明は、ステージ性能の低下やステージの大型化を招くことなく、波面収差、有効光源分布及び回折光分布などの複数の光学特性を測定することを可能とする露光装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての露光装置は、光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンを、ステージに支持された基板に投影する投影光学系と、測定部とを有し、前記測定部は、前記ステージに配置されて前記投影光学系からの光束を透過する面積が互いに異なる複数の開口パターンを含む測定基板と、前記ステージに配置されて前記複数の開口パターンからの光束を受光する光電変換センサとを有し、前記光電変換センサからの出力に基づいて、前記照明光学系で形成される有効光源分布、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布及び前記投影光学系の瞳透過率分布の少なくとも１つと、前記投影光学系の波面収差とが求められることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、ステージ性能の低下やステージの大型化を招くことなく、波面収差、有効光源分布及び回折光分布などの複数の光学特性を測定することを可能とする露光装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略ブロック図である。露光装置１は、本実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル２０のパターンをウエハ４０に露光する投影露光装置である。但し、露光装置１は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式も適用することができる。

露光装置１は、照明装置１０と、レチクル２０を支持するレチクルステージ２５と、投影光学系３０と、ウエハ４０を支持するウエハステージ４５と、調整部５０と、制御部６０と、測定部７０とを備える。

照明装置１０は、光源１２と、照明光学系１４とを有し、転写用の回路パターンが形成されたレチクル２０を照明する。

光源１２は、例えば、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーや波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーなどのエキシマレーザーを使用する。但し、光源１２はエキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約１５７ｎｍのＦ_２レーザーなどを使用してもよい。

照明光学系１４は、光源１２からの光束を用いてレチクル２０を照明する光学系である。

レチクル２０は、回路パターンを有し、レチクルステージ２５に支持及び駆動される。レチクル２０から発せられた回折光は、投影光学系３０を介して、ウエハ４０に投影される。露光装置１は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるため、レチクル２０とウエハ４０とを走査することによって、レチクル２０のパターンをウエハ４０に投影する。

レチクルステージ２５は、レチクル２０及びレチクル側測定基板７１を支持し、例えば、リニアモータなどを用いて、レチクル２０及びレチクル側測定基板７１を駆動する。レチクルステージ２５は、投影光学系３０の物体面に、レチクル２０とレチクル側測定基板７１とを交換可能に配置する。具体的には、レチクルステージ２５は、レチクル２０のパターンを露光する際にはレチクル２０を投影光学系３０の物体面に配置し、投影光学系３０の波面収差を測定する際にはレチクル側測定基板７１を投影光学系３０の物体面に配置する。

投影光学系３０は、レチクル２０のパターンをウエハ４０に投影する光学系である。投影光学系３０は、屈折系、反射屈折系、反射系を使用することができる。

ウエハ４０は、レチクル２０のパターンが投影（転写）される基板である。但し、ウエハ４０は、ガラスプレートやその他の基板に置換することもできる。ウエハ４０には、フォトレジストが塗布されている。

ウエハステージ４５は、ウエハ４０及びセンサユニット７００を支持し、例えば、リニアモータなどを用いて、ウエハ４０及びセンサユニット７００を駆動する。ウエハステージ４５は、投影光学系３０の像面に、ウエハ４０とセンサユニット７００とを交換可能に配置する。具体的には、ウエハステージ４５は、投影光学系３０の像面に、ウエハ４０とセンサユニット７００とを交換可能に配置する。

調整部５０は、制御部６０に制御され、照明光学系１４及び投影光学系３０の少なくとも一方を調整する。調整部５０は、少なくとも、照明光学系１４で形成される有効光源分布を調整（補正）する機能と、投影光学系３０の波面収差を調整（補正）する機能とを有する。例えば、調整部５０は、投影光学系３０を構成する光学素子を光軸に平行な方向に駆動して投影光学系３０の球面収差を調整する。また、調整部５０は、投影光学系３０を構成する光学素子を光軸に垂直な方向に駆動したり、光軸に対して傾けたりして投影光学系３０のコマ収差を調整する。また、調整部５０は、照明光学系１４を構成する光学素子を駆動したり、絞りや回折光学素子を変更したりして有効光源分布を調整（補正）する。

制御部６０は、図示しないＣＰＵやメモリを有し、露光装置１の動作を制御する。制御部６０は、本実施形態では、後述する測定部７０の測定結果に基づいて、調整部５０を制御する。例えば、制御部６０は、測定部７０による波面収差の測定結果を用いて、投影光学系３０の波面収差が最適となるように、調整部５０を制御する。また、制御部６０は、測定部７０による回折光分布の測定結果を用いて、露光による投影光学系３０の収差変化を予測すると共に、かかる収差変化を露光中において補正するように、調整部５０を制御することもできる。これにより、露光による収差変化が投影光学系３０に発生しても、常に収差を補正しながら最適な状態で露光を続けることが可能となる。また、制御部６０は、測定部７０の有効光源分布の測定結果を用いて、照明光学系１４で形成される有効光源分布が最適となるように、調整部５０を制御する。例えば、有効光源分布が２重極形状である場合、２つの極の偏りを補正することで、露光の際の焦点深度等を最適にすることが可能となる。また、制御部６０は、測定部７０による光学特性（波面収差、有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布など）の測定に関する動作も制御する。例えば、制御部６０は、投影光学系３０の波面収差などの光学特性を測定するための算出処理（光電変換センサ７４０からの出力に基づく算出処理）や光電変換センサ７４０の制御（出力の切り替え等）を行う。

測定部７０は、投影光学系３０の波面収差、照明光学系１４で形成される有効光源分布、レチクル２０のパターンによって発生する回折光分布及び投影光学系３０の瞳透過率分布の少なくとも１つを測定する機能を有する。測定部７０は、本実施形態では、レチクル側測定基板７１と、センサユニット７００とを有する。

レチクル側測定基板７１は、レチクルステージ２５上に配置され、投影光学系３０の波面収差を測定する際に用いられる開口パターンなどを有する。レチクル側測定基板７１の開口パターンについては、投影光学系３０の波面収差の測定方法と共に、後で詳細に説明する。

センサユニット７００は、ウエハステージ４５上に配置され、ウエハ側測定基板７２０と、光電変換センサ７４０と、遮蔽板７６０とを有する。ウエハ側測定基板７２０は、後述するように、矩形形状の開口パターンや円形形状の開口パターンなどの形状又は面積が互いに異なる複数の開口パターンを有する。かかる開口パターンは、投影光学系３０の波面収差、照明光学系１４で形成される有効光源分布、レチクル２０のパターンによって発生する回折光分布及び投影光学系３０の瞳透過率分布などを測定する際に使用される。開口パターンを透過（通過）した光束を光電変換センサ７４０で受光することで、波面収差、有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布などの測定を可能とする。遮蔽板７６０は、投影光学系３０とウエハ側測定基板７２０との間に配置され、光軸に垂直な方向に駆動可能に構成される。遮蔽板７６０は、波面収差、有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布などのうちいずれか１つを測定する際に、測定に使用されない開口パターンに投影光学系３０を通過した光束が入射することを防止する。

ここで、ウエハ側測定基板７２０及び光電変換センサ７４０について詳細に説明する。図２は、ウエハ側測定基板７２０及び光電変換センサ７４０の構成を示す図である。ウエハ側測定基板７２０は、波面収差を測定する際に用いられる開口パターンとして短手方向の幅が互いに異なる一対のスリット７２１（スリット７２１Ａ及びスリット７２１Ｂ）を有する。また、ウエハ側測定基板７２０は、有効光源分布を測定する際に用いられる開口パターンとして１０μｍ乃至９０μｍ程度の径のピンホール７２２を有する。更に、ウエハ側測定基板７２０は、回折光分布を測定する際に用いられる開口パターンとして１０μｍ乃至９０μｍ程度のスリット７２３を有する。なお、一対のスリット７２１、ピンホール７２２及びスリット７２３は、１０μｍ乃至９００μｍ程度の距離に近接して配置されている。これにより、一対のスリット７２１、ピンホール７２２及びスリット７２３から射出される光束を１つの光電変換センサ７４０で受光することが可能となる。

ウエハ側測定基板７２０の厚さを１ｍｍ、ウエハ側測定基板７２０の屈折率を１．５６、ウエハ側測定基板７２０の開口パターン面から光電変換センサ７４０までの距離を２．５ｍｍとすると、ＮＡ＝０．９の光束は、光電変換センサ７４０上でφ７．６ｍｍとなる。また、スリット７２１、ピンホール７２２及びスリット７２３を一直線に配置し、各開口パターンの間隔を０．５ｍｍとする。この場合、光電変換センサ７４０に入射する光束は、スリット７２１、ピンホール７２２及びスリット７２３の各々から射出した光束の光電変換センサ７４０上の有効径ＥＤ１、ＥＤ２及びＥＤ３が重なり合った長径８．６ｍｍ、短径７．６ｍｍの楕円に含まれる。従って、かかる楕円に外接する大きさの面積を有する受光面７４２を光電変換センサ７４０が有していれば、一対のスリット７２１、ピンホール７２２及びスリット７２３の各々から射出する全てのＮＡの光束を受光することができる。具体的には、光電変換センサ７４０は、８．６ｍｍ×７．６ｍｍ以上の大きさの受光面７４２を有するＣＣＤで構成する。この結果、１つのウエハ側測定基板７２０及び１つの光電変換センサ７４０を用いて波面収差、有効光源分布、回折光分布などの複数の光学特性を測定することができる。また、有効光源分布を測定する際に用いられるピンホール７２２及び有効光源分布が既知であるσ１の照明モードを用いることで、投影光学系３０の瞳透過率分布を測定することも可能となる。

以下、投影光学系３０の波面収差、照明光学系１４で形成される有効光源分布、レチクル２０のパターンによって発生する回折光分布及び投影光学系３０の瞳透過率分布の測定方法について説明する。

まず、投影光学系３０の波面収差の測定方法について説明する。図３は、測定部７０を用いた波面収差の測定方法を説明するための図である。なお、図３において、波面収差の測定に関連しない部材及び構成要素は、図示を省略する。

投影光学系３０の波面収差の測定では、投影光学系３０の物体面に、レチクル側測定基板７１、詳細には、レチクル側測定基板７１が有する一対のスリット７１１（スリット７１１Ａ及び７１１Ｂ）が配置される。スリット７１１Ａは、投影光学系３０の物体面側の解像限界以下（即ち、回折限界以下）の短手方向の幅（スリット幅）を有する。スリット７１１Ａのスリット幅ｄは、投影光学系３０の物体面側の開口数をｎａ、波長をλとすると、ｄ≦０．６１×λ／ｎａを満足することが好ましい。一方、スリット７１１Ｂは、スリット７１１Ａと同じスリット幅を有するスリットとしてもよいし、スリット７１１Ａよりも広いスリット幅を有するスリットとしてもよい。なお、スリット７１１Ａとスリット７１１Ｂとは、投影光学系３０の収差が同一とみなせる、所謂、アイソプラナティック領域よりも狭くなるように近接して配置されている。

照明装置１０からの光を用いてスリット７１１Ａ及び７１１Ｂを照明すると、スリット７１１Ａから射出される光は、スリット７１１Ａの短手方向に関して、無収差な波面となる。また、スリット７１１Ｂがスリット７１１Ａよりも広いスリット幅を有する場合には、照明装置１０（照明光学系１４）の収差の影響を含んだ波面の光がスリット７１１Ｂから射出される。

スリット７１１Ａ及び７１１Ｂから射出された光は、投影光学系３０を通過することで、投影光学系３０の収差の影響を波面に受け、投影光学系３０の像面にスリット７１１Ａ及び７１１Ｂの像を形成する。

投影光学系３０の像面には、ウエハ側測定基板７２０の一対のスリット７２１が配置される。この際、投影光学系３０の波面収差の測定に使用しないピンホール７２２及びスリット７２３は、遮蔽板７６０によって遮蔽される。一対のスリット７２１は、スリット７１１Ａの像の位置にスリット７２１Ａが位置し、スリット７１１Ｂの像の位置にスリット７２１Ｂが位置するようにウエハ側測定基板７２０に形成（配置）されている。スリット７２１Ｂは、投影光学系３０の像側の解像限界以下（即ち、回折限界以下）の短手方向の幅（スリット幅）を有する。スリット７２１Ｂのスリット幅Ｄは、投影光学系３０の像面側の開口数をＮＡ、波長をλとすると、Ｄ≦０．６１×λ／ＮＡを満足することが好ましい。一方、スリット７２１Ａは、投影光学系３０の解像限界よりも十分に大きいスリット幅を有する。スリット７２１Ａのスリット幅は、スリット７２１Ｂのスリット幅Ｄの１０倍乃至１００倍程度であることが好ましい。

スリット７２１Ｂ上に結像した光は、投影光学系３０の収差の影響（及びスリット７１１Ｂのスリット幅によっては照明装置１０の収差の影響）を受けた波面の光となっている。但し、スリット７２１Ｂを通過することによって、スリット７２１Ｂの短手方向に関して、無収差な波面が射出される。一方、スリット７２１Ａ上に結像した光は、スリット７２１Ａの短手方向に関して、投影光学系３０の収差の影響のみを受けた波面の光となっている。なお、スリット７２１Ａのスリット幅は十分に広いため、投影光学系３０の収差の影響のみを受けた波面がそのまま射出される。

スリット７２１Ａからの光とスリット７２１Ｂからの光は干渉し、干渉パターン（干渉縞）を形成する。かかる干渉パターンを光電変換センサ７４０の受光面７４２で検出することによって、スリットの短手方向に関する投影光学系３０の波面収差を測定することができる。かかるスリットの短手方向に直交する方向に関する投影光学系３０の波面収差は、スリット７１１Ａ及び７１１Ｂの方向に直交する一対のスリット、及び、スリット７２１Ａ及び７２１Ｂの方向に直交する一対のスリットを用いることで測定することができる。

投影光学系３０の物体面及び像面の各々に一対のスリットを配置する代わりに互いの面積が異なる一対のピンホールを配置し、かかる一対のピンホールの径を上述したスリットの短手方向の幅と同様にすることで、全ての方位の波面収差を測定することも可能である。この場合、レチクル側測定基板７１及びウエハ側測定基板７２０の各々は、一対のピンホールを有する。このように、レチクル側測定基板７１の一対のスリット又はピンホール、及び、ウエハ側測定基板７２０の一対のスリット又はピンホールを用いることで、投影光学系３０の波面収差を測定することができる。

次に、照明光学系１４で形成される有効光源分布の測定方法について説明する。図４は、測定部７０を用いた有効光源分布の測定方法を説明するための図である。なお、図４において、有効光源分布の測定に関連しない部材及び構成要素は、図示を省略する。

有効光源分布の測定では、投影光学系３０の像面に、ウエハ側測定基板７２０のピンホール７２２が配置される。この際、有効光源分布の測定に使用しない一対のスリット７２１及びスリット７２３は、遮蔽板７６０によって遮蔽される。

ウエハ側測定基板７２０のピンホール７２２を、照明光学系１４及び投影光学系３０を介して、ピンホール７２２よりも大きな径を有する光で照明すると、ピンホール７２２を通過した光が光電変換センサ７４０の受光面７４２に入射する。

上述したように、ウエハ側測定基板７２０のピンホール７２２と光電変換センサ７４０の受光面７４２とは、２．５ｍｍ程度離れている。従って、ピンホールカメラの原理によって、照明光学系１４で形成された有効光源分布（の形状）を反映した強度分布が受光面７４２に投影される。但し、光電変換センサ７４０の受光面７４２は、投影光学系３０の像面からデフォーカスした位置に配置されているため、投影光学系３０の瞳面と共役にはなっていない。そこで、光電変換センサ７４０の受光面７４２に投影された強度分布から照明光学系１４の有効光源分布（瞳面での強度分布）を算出するためには、以下の計算処理が必要となる。

ピンホール７２２から射出する光束の中心が光電変換センサ７４０の受光面７４２に入射する位置を０、ピンホール７２２から光電変換センサ７４０の受光面７４２までの距離をＬとする。この場合、ピンホール７２２から角度θを有して射出する光は、光電変換センサ７４０の受光面７４２上でＬ×ｔａｎθの位置に到達する。

一方、光学系の瞳面座標は、ｓｉｎθで定義することができる。換言すれば、ｔａｎθ座標系で得られた光電変換センサ７４０の受光面７４２上の強度分布データをｓｉｎθ座標系での強度分布に変換することで、瞳面での強度分布データを算出することが可能であり、これが照明光学系１４の有効光源分布である。

このように、ウエハ側測定基板７２０のピンホール７２２を用いることで、照明光学系１４で形成される有効光源分布を測定することができる。なお、図５に示すように、ウエハ側測定基板７２０と光電変換センサ７４０との間に、正のパワーを有する光学系（瞳結像光学系）７８０を配置することによって、光電変換センサ７４０の受光面７４２を投影光学系３０の瞳面と共役にすることが可能である。これにより、ｔａｎθ座標系からｓｉｎθ座標系へ変換する計算が不要となり、測定時間を短縮すると共に、計算による誤差の発生を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、光学系７８０に、少なくとも１つの凸レンズを含めることで、ウエハ側測定基板７２０から射出する光束の広がり角を小さくし、光電変換センサ７４０の受光面７４２面上での光束の有効径を小さくすることもできる。これにより、光電変換センサ７４０の受光面７４２を小さくすることができ（即ち、光電変換センサ７４０の小型化を実現し）、光電変換センサ７４０（センサユニット７００）を配置するためのウエハステージ４５上の領域を小さくすることができる。ここで、図５は、ウエハ側測定基板７２０と光電変換センサ７４０との間に配置された光学系７８０を示す図である。

次に、レチクル２０のパターンによって発生する回折光分布の測定方法について説明する。図６は、測定部７０を用いた回折光分布の測定方法を説明するための図である。なお、図６において、回折光分布の測定に関連しない部材及び構成要素は、図示を省略する。

実際に露光に用いるレチクル２０を投影光学系３０の物体面に配置し、実際に露光する照明条件でレチクル２０を照明すると、レチクル２０のパターンに応じて回折光が発生し、投影光学系３０に入射する。これにより、投影光学系３０の瞳面上には、照明条件（有効光源分布）及びレチクル２０からの回折光に応じた強度分布、即ち、回折光分布ＤＬＤが発生する。従って、実際の露光においては、投影光学系３０の瞳面上での強度分布は一様ではなく、照明条件やレチクル２０のパターンに応じて、多様な強度分布となることがわかる。

投影光学系３０の収差は、露光熱の発生等により変化することが知られているが、回折光分布ＤＬＤに応じて露光熱の影響を局所的に強く受ける部分やほとんど影響を受けない部分が存在する。その結果、露光熱による投影光学系３０の収差変化は、回折光分布ＤＬＤに応じて変化する。従って、回折光分布ＤＬＤを測定することで、実際の露光時の投影光学系３０の収差変化を高精度（正確）に予測することが可能となる。

レチクル２０のパターンは領域によって異なるため、回折光分布ＤＬＤを正確に測定するためには、露光全面（レチクル２０の全面）での測定が必要となる。一般的に、１回で露光される面積は、ステップ・アンド・スキャン方式の型露光装置では、ウエハ４０上で最大２６ｍｍ×３３ｍｍと非常に大きい。このような大きな面積から射出した光の全てを一括してウエハステージ４５上に配置した光電変換センサ７４０で受光することができれば、露光全面での回折光分布ＤＬＤを測定することができる。但し、この場合には、５０ｍｍ角程度の受光面７４２を有する光電変換センサ７４０が必要となってしまうため、非現実的である。

そこで、本実施形態では、ウエハ側測定基板７２０のスリット７２３を投影光学系３０の像面に配置し、スリット７２３を通過した光束を光電変換センサ７４０で受光する。この際、回折光分布ＤＬＤの測定に使用しない一対のスリット７２１及びピンホール７２２は、遮蔽板７６０によって遮蔽される。なお、スリット７２３は、走査（スキャン）方向に直交する方向に０．５ｍｍ乃至１ｍｍ程度の長さを有し、走査方向に平行な方向に１０μｍ乃至９０μｍ程度の長さを有する。

具体的には、露光装置１の静止露光エリアの左端にスリット７２３が位置するようにウエハステージ４５を駆動する。次に、レチクル２０を載置したレチクルステージ２５を駆動して、所望の照明条件でレチクル２０を照明しながらレチクル２０を走査する。レチクル２０の走査中には、スリット７２３を駆動せず、スリット７２３から射出する光束を光電変換センサ７４０の受光面７４２で受光する。例えば、スリット７２３の走査方向に直交する方向の長さを１ｍｍ、レチクル２０の走査方向の露光領域の長さを３３ｍｍ（ウエハ４０上で換算）とする。この場合、レチクル２０を１回走査することで、１ｍｍ×３３ｍｍの領域の回折光分布ＤＬＤに応じた強度分布が光電変換センサ７４０で得られる。次に、スリット７２３を１ｍｍだけ右方向に移動させて、レチクル２０を走査しながらスリット７２３から射出する光束を光電変換センサ７４０の受光面７４２で受光する。スリット７２３を移動させる前に得られた強度分布とスリット７２３を移動させた後で得られた強度分布を加算すれば、２ｍｍ×３３ｍｍの領域の回折光分布ＤＬＤに応じた強度分布を得ることができる。従って、走査方向に直交する方向へのスリット７２３の移動とスリット７２３からの光束の受光とを繰り返すことで、露光領域（レチクル２０）の全面での回折光分布ＤＬＤに応じた強度分布を得ることができる。なお、回折光分布の測定においても、光電変換センサ７４０の受光面７４２と投影光学系３０の瞳面は共役ではない。従って、光電変換センサ７４０で測定された強度分布を投影光学系３０の瞳面上の回折光分布に変換するためには、有効光源分布の測定と同様に、ｔａｎθ座標系からｓｉｎθ座標系への変換が必要となる。

このように、ウエハ側測定基板７２０のスリット７２３を用いることで、レチクル２０のパターンによって発生する回折光分布を測定することができる。

また、測定部７０は、投影光学系３０の瞳透過率分布を測定することも可能である。具体的には、まず、投影光学系３０の像面に、ウエハ側測定基板７２０のピンホール７２２を配置し、瞳強度分布が既知であるσ１の照明モードでピンホール７２２を照明する。そして、ピンホール７２２からの光束を光電変換センサ７４０で受光して得られる強度分布をｔａｎθ座標系からｓｉｎθ座標系に変換し、照明光学系１４の瞳面での強度分布で割ることで、投影光学系３０の瞳透過率分布を測定することができる。

本実施形態では、ウエハ側測定基板７２０において、波面収差を測定するための開口パターン、有効光源分布を測定するための開口パターン及び回折光分布を測定するための開口パターンを近接して配置する。これにより、１つのウエハ側測定基板７２０及び１つの光電変換センサ７４０のみを用いて、波面収差、有効光源分布、回折光分布、瞳透過率分布などの複数の光学特性を測定することが可能となる。

また、ウエハ側測定基板７２０は、波面収差、有効光源分布及び回折光分布の各々を測定する専用の開口パターンを有しているが、図７に示すように、波面収差、有効光源分布及び回折光分布の各々を測定する共通の開口パターンを有していてもよい。図７は、波面収差、有効光源分布及び回折光分布の各々を測定する共通の開口パターンとして一対のピンホール７２４（ピンホール７２４Ａ及びピンホール７２４Ｂ）を有するウエハ側測定基板７２０Ａの構成を示す図である。

投影光学系３０の波面収差の測定では、投影光学系３０の像面に、ウエハ側測定基板７２０Ａ、詳細には、ウエハ側測定基板７２０Ａが有する一対のピンホール７２４（ピンホール７２４Ａ及びピンホール７２４Ｂ）が配置される。ピンホール（第１のピンホール）７２４Ａは、投影光学系３０の物体面側の解像限界以下の径、好ましくは、投影光学系３０の像面側の開口数をＮＡ、波長をλとすると、０．６１×λ／ｎａ以下の径を有する。ピンホール（第２のピンホール）７２４Ｂは、１０μｍ乃至９０μｍ程度の径を有する。

一方、投影光学系３０の物体面側には、レチクル側測定基板７１が有する一対のピンホールが配置される。かかる一対のピンホールのうち少なくとも１つのピンホールは、投影光学系３０の物体面側の解像限界以下の径、好ましくは、投影光学系３０の物体面側の開口数をｎａとし、波長をλとすると、０．６１×λ／ｎａ以下の径を有する。他方のピンホールは、投影光学系３０の物体面側の解像限界以下の径を有してもよいし、投影光学系３０の物体面側の解像限界よりも大きい径を有してもよい。

このように、レチクル側測定基板７１の一対のピンホール、及び、ウエハ側測定基板７２０Ａの一対のピンホール７２４（ピンホール７２４Ａ及びピンホール７２４Ｂ）を用いることで、投影光学系３０の波面収差を測定することができる。

また、有効光源分布を測定する場合には、ウエハ側測定基板７２０Ａのピンホール７２４Ａを遮蔽板７６０で遮蔽し、照明光学系１４及び投影光学系３０を介してピンホール７２４Ｂを照明する。これにより、上述したのと同様の原理で、有効光源分布を測定することができる。

また、回折光分布を測定する場合にも、ウエハ側測定基板７２０Ａのピンホール７２４Ｂを用いて、上述したのと同様の原理で、回折光分布を測定することができる。ウエハ側測定基板７２０のスリット７２３の長手方向の長さと比較して、ウエハ側測定基板７２０Ａのピンホール７２４Ａの径が小さい。従って、レチクル２０の全面での回折光分布を測定しようとすると、ピンホール７２４Ａを走査方向に直交する方向に移動させる回数が多くなり、測定時間が増大する可能性がある。但し、レチクル２０の全面での厳密な回折光分布をすることにはならないが、ピンホール７２４Ａを移動させる回数は同じにして、回折光分布を測定をすることもできる。

また、瞳透過率分布を測定する場合には、ウエハ側測定基板７２０Ａのピンホール７２４Ｂを用いて、上述したのと同様の原理で、瞳透過率分布を測定することができる。

このように、互いに径（大きさ）が異なる２つの円形形状の開口パターンをウエハ側測定基板７２０Ａに形成することで、波面収差、有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布の各々を専用の開口パターンを用いずに測定することができる。

なお、ウエハ側測定基板７２０においては、波面収差、有効光源分布及び回折光分布などを測定するための開口パターンの汚れや破損を考慮して、予備の開口パターンを形成することが多い。図８は、図７に示したウエハ側測定基板７２０Ａの一対のピンホール７２４（ピンホール７２４Ａ及びピンホール７２４Ｂ）を複数有するウエハ側測定基板７２０Ｂの構成を示す図である。

波面収差を測定する場合には、複数のピンホール７２４のうちの１つを用いて、上述したのと同様の原理で、波面収差を測定する。また、有効光源分布を測定する場合は、ピンホール７２４のうちピンホール７２４Ｂを用いて、上述したのと同様の原理で、有効光源分布を測定する。

回折光分布を測定する場合には、ウエハ側測定基板７２０Ｂに形成した全てのピンホール７２４を用いる。例えば、図８に示すように、ピンホール７２４をＬ１×Ｌ２の領域に４つ形成した場合を考える。Ｌ１及びＬ２の長さが０．５ｍｍであれば、ピンホール７２４Ｂの全てから射出する光束を光電変換センサ７４０の受光面７４２で一括して受光することができるため、角０．５ｍｍの開口パターンを用いた場合と略等しい測定を行うことが可能である。従って、１つのスリット７２３のみが形成されているウエハ側測定基板７２０を用いた場合と比較して、１回の走査で測定できる領域が拡大され、ピンホール７２４Ｂを移動させる回数を減らすことが可能となる。

また、図９に示すように、ウエハ側測定基板７２０に回折格子パターン７２５を形成することもできる。この場合、シアリング干渉方式を用いて投影光学系３０の波面収差を測定する。ここで、図９は、測定部７０を用いた波面収差の測定方法を説明するための図である。

具体的には、投影光学系３０の物体面に、レチクル側測定基板７１、詳細には、レチクル側測定基板７１が有するピンホール７１３が配置される。ピンホール７１３は、投影光学系３０の物体面側の解像限界以下（即ち、回折限界以下）の径を有する。従って、ピンホール７１３から射出する光束は無収差となり、投影光学系３０に入射する。

投影光学系３０の像面側には、ウエハ側測定基板７２０の回折格子パターン７２５が配置される。投影光学系３０の波面収差の測定に使用しないピンホール７２２及びスリット７２３は、遮蔽板７６０によって遮蔽される。なお、回折格子パターン７２５は、投影光学系３０の像面からデフォーカスした位置に配置される。投影光学系３０から射出した光束は、回折格子パターン７２５によって、例えば、２つ以上の光束に分離され、光電変換センサ７４０の受光面７４２に入射する。これにより、光電変換センサ７４０の受光面７４２上には、干渉パターンが形成されるが、かかる干渉パターンは、同一の波面を横方向にシアさせることによって生じる干渉パターンであり、１つの波面をある方向にシアさせて生じた２つの波面の差分となっている。従って、これをシア方向に積分することで波面収差を算出することが可能となる。

有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率を測定する場合には、上述したように、投影光学系３０の像面に、ウエハ側測定基板７２０のピンホール７２２又はスリット７２３を配置すればよい。なお、ウエハ側測定基板７２０の回折格子パターン７２５を、デフォーカスさせずに投影光学系３０の像面に配置すれば、回折格子パターン７２５の開口を用いて有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布を測定することも可能である。

また、本実施形態では、波面収差、有効光源分布、回折光分布、瞳透過率分布の各々を測定する場合に応じて、光電変換センサ７４０の測定仕様を最適化する（即ち、光電変換センサ７４０からの出力を切り替える）ことができる。光電変換センサ７４０の測定仕様は、例えば、使用する画素（分割数）、蓄積時間、出力ゲイン、階調数などを含む。

まず、波面収差、有効光源分布、回折光分布、瞳透過率分布の各々を測定する場合に応じて、瞳の分割数を変えることが考えられる。例えば、１０００×１０００の画素で構成される受光面７４２を有する光電変換センサ７４０を用いた場合、波面収差を測定する場合には、より高次の収差成分までを測定するために、１０００×１０００の画素の光電変換センサ７４０として用いる。

一方、有効光源分布や回折光分布などは、２００×２００程度の画素（分割数）でも十分に測定できる場合がある。そこで、有効光源分布や回折光分布を測定する場合には、受光面７４２を構成する画素をビニング（選択）して、５×５の画素を１つの画素として測定してもよい。換言すれば、１０００×１０００の画素の光電変換センサ７４０を２００×２００の画素の光電変換センサとして使用する。

なお、５×５の画素をビニングして２５画素を１画素として測定する場合、ビニング後の１画素で受光される光束の光量は２５倍になる。従って、同じエネルギーの光を光電変換センサ７４０に入射させた場合、より微弱な光まで検出することが可能となる。また、１画素あたりの光量が増えることを利用して、光電変換センサ７４０の蓄積時間を短くすることも可能であり、測定時間を短縮することができる。また、光電変換センサ７４０から読み出す情報量が少なくなるため、読み出し及び転送にかかる時間も短縮することが可能となる。従って、測定時間を短くしたり、同じ時間で複数回の測定を行ったりすることが可能となる。また、受光面７４２を構成する画素をビニングすることによって、光電変換センサ７４０からの発熱も抑えることができ、光電変換センサ７４０の測定性能への影響を抑制することも可能である。このように、測定対象に応じて、光電変換センサ７４０の受光面７４２を構成する画素をビニングすることによって、測定時間を短縮したり、複数回の測定における再現性を向上したりすることが可能となる。

次に、蓄積時間について説明する。ＫｒＦエキシマレーザーやＡｒＦエキシマレーザーを光源に用いた露光装置においては、光源はパルス発光のレーザである。従って、光電変換センサ７４０の蓄積時間を変えることで、光電変換センサ７４０に入射するパルス数を変えることが可能である。ＫｒＦエキシマレーザー及びＡｒＦエキシマレーザーでは、１パルスあたりの光量のばらつきが、数％乃至10％弱程度あるため、蓄積パルス数が少ないと光電変換センサ７４０で得られた画像に光量のばらつきが生じる場合がある。また、測定する対象に応じて、光量のばらつきの許容度が異なる。そこで、測定する対象に応じて光電変換センサ７４０の蓄積時間を設定し、光量のばらつきを抑えたい場合には光電変換センサ７４０の蓄積時間を長くし、測定する対象が光量のばらつきに対して鈍感である場合には光電変換センサ７４０の蓄積時間を短くするとよい。

次に、出力ゲインについて説明する。ここで、出力ゲインとは、光電変換センサ７４０からの電気信号を電気的に増幅することを意味している。出力ゲインを上げると（電気的な増幅を増やすと）、ノイズも増幅されてしまうという欠点がある。一方、光電変換センサ７４０からの電気信号が弱い場合、即ち、光量が少ない場合でも、測定が可能となるという利点がある。そこで、低ノイズでの測定が必要な場合には、出力ゲインを低くし、低ノイズでの測定が必要でない場合には、出力ゲインをあげるとよい。これにより、光電変換センサ７４０の蓄積時間を短くし、測定時間を短くすることが可能となる。

次に、階調数について説明する。測定に必要な階調数は、測定する対象によって最適な値が存在する。例えば、瞳透過率分布のように、光量の１％程度の変化を測定する場合であれば、５１２階調程度あれば十分であり、有効光源分布のように、０．１％程度の変化まで測定したい場合には、４０９２階調程度は必要である。測定する対象の全てを満たす階調数を設定してもよいが、その場合、測定する対象によっては不要な情報が増えることとなり、光電変換センサ７４０からの画像の転送に時間がかかったり、処理時間が長くなってしまったりする。従って、測定する対象に応じて、最適な階調数に変更することが好ましい。

このように、波面収差、有効光源分布、回折光分布、瞳透過率分布の各々を測定する場合に応じて、測定に使用する画素をビニングしたり、蓄積時間、ゲイン、及び階調数を変更したりすることで、常に最適な条件で測定することが可能となる。

波面収差、有効光源分布及び回折光分布の各々を測定するための開口パターンをウエハ側測定基板７２０に形成することで、１つの光電変換センサ７４０を用いて波面収差、有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布などの複数の光学特性を測定することができる。また、開口パターンを工夫することで、波面収差、有効光源分布及び回折光分布の各々を測定する専用の開口パターンを形成しなくてもよい。従って、測定部７０は、ウエハステージ４５のステージ性能の低下やウエハステージ４５の大型化を招くことなく、波面収差、有効光源分布、回折光分布及び瞳透過率分布などの複数の光学特性を測定することができる。

露光において、光源１２から発せられた光束は、照明光学系１４によってレチクル２０を照明する。レチクル２０のパターンを反映する光は、投影光学系３０によってウエハ４０上に結像する。露光装置１においては、測定部７０の測定結果に基づいて、波面収差、有効光源分布及び回折光分布などが最適に調整されている。また、ウエハ４０を駆動するウエハステージ４５が優れたステージ性能を維持しているため、レチクル２０とウエハ４０との位置合わせを高精度に行ったり、走査露光に関するウエハ４０の駆動を高精度に行ったりすることができる。従って、露光装置１は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

次に、図１０及び図１１を参照して、露光装置１を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図１０は、デバイス（半導体デバイスや液晶デバイス）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体デバイスの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル製作）では、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。ステップ３（ウエハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は、前工程と呼ばれ、レチクルとウエハを用いてリソグラフィー技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１１は、ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウエハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウエハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってレチクルの回路パターンをウエハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウエハ上に多重の回路パターンが形成される。かかるデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略ブロック図である。 図１に示す露光装置において、センサユニットのウエハ側測定基板及び光電変換センサの構成を示す図である。 図１に示す露光装置の測定部を用いた波面収差の測定方法を説明するための図である。 図１に示す露光装置の測定部を用いた有効光源分布の測定方法を説明するための図である。 図１に示す露光装置の測定部において、ウエハ側測定基板と光電変換センサとの間に配置された光学系を示す図である。 図１に示す露光装置の測定部を用いた回折光分布の測定方法を説明するための図である。 図１に示す露光装置において、センサユニットのウエハ側測定基板の構成を示す図である。 図１に示す露光装置において、センサユニットのウエハ側測定基板の構成を示す図である。 図１に示す露光装置の測定部を用いた波面収差の測定方法を説明するための図である。 デバイスの製造を説明するためのフローチャートである。 図１０に示すステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。 従来の有効光源分布の測定原理を説明するための図である。

符号の説明

１ 露光装置
１０ 照明装置
１２ 光源
１４ 照明光学系
２０ レチクル
２５ レチクルステージ
３０ 投影光学系
４０ ウエハ
４５ ウエハステージ
５０ 調整部
６０ 制御部
７０ 測定部
７１ レチクル側測定基板
７１１、７１１Ａ及び７１１Ｂ スリット
７１３ ピンホール
７００ センサユニット
７２０ ウエハ側測定基板
７２１、７２１Ａ及び７１２Ｂ スリット
７２２ ピンホール
７２３ スリット
７２４、７２４Ａ及び７２４Ｂ ピンホール
７２５ 回折格子パターン
７４０ 光電変換センサ
７４２ 受光面
７６０ 遮蔽板
７８０ 光学系（瞳結像光学系）

Claims (11)

1. 光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、
   前記レチクルのパターンを、ステージに支持された基板に投影する投影光学系と、
   測定部とを有し、
   前記測定部は、
   前記ステージに配置されて前記投影光学系からの光束を透過する面積が互いに異なる複数の開口パターンを含む測定基板と、
   前記ステージに配置されて前記複数の開口パターンからの光束を受光する光電変換センサとを有し、
   前記光電変換センサからの出力に基づいて、前記照明光学系で形成される有効光源分布、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布及び前記投影光学系の瞳透過率分布の少なくとも１つと、前記投影光学系の波面収差とが求められることを特徴とする露光装置。
2. 前記複数の開口パターンは、矩形形状の開口パターン及び円形形状の開口パターンを含むことを特徴とする請求項１記載の露光装置。
3. 前記矩形形状の開口パターンは、前記投影光学系の波面収差を測定する際に用いられる短手方向の幅が互いに異なる一対のスリットと、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布を測定する際に用いられるスリットとを含むことを特徴とする請求項２記載の露光装置。
4. 前記円形形状の開口パターンは、前記照明光学系で形成される有効光源分布を測定する際に用いられることを特徴とする請求項２記載の露光装置。
5. 前記円形形状の開口パターンは、前記投影光学系の波面収差を測定する際に用いられる面積が互いに異なる一対のピンホールを含むことを特徴とする請求項２記載の露光装置。
6. 前記矩形形状の開口パターン及び前記円形形状の開口パターンは、前記矩形形状の開口パターンから射出する光束の前記光電変換センサにおける有効径と前記円形形状の開口パターンから射出する光束の前記光電変換センサにおける有効径とが重なるように配置され、
   前記光電変換センサは、少なくとも、前記矩形形状の開口パターンから射出する光束の前記光電変換センサにおける有効径及び前記円形形状の開口パターンから射出する光束の前記光電変換センサにおける有効径に外接する大きさの面積を有することを特徴とする請求項２記載の露光装置。
7. 前記光電変換センサは、複数の画素を含み、
   前記投影光学系の波面収差、前記照明光学系で形成される有効光源分布、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布及び前記投影光学系の瞳透過率分布の各々を測定する場合に応じて、前記複数の画素のうち使用される画素、前記画素の蓄積時間、出力ゲイン及び階調数が変更されることを特徴とする請求項２記載の露光装置。
8. 光源からの光束を用いてレチクルを照明する照明光学系と、
   前記レチクルのパターンを、ステージに支持された基板に投影する投影光学系と、
   測定部とを有し、
   前記測定部は、
   前記ステージに配置されて前記投影光学系からの光束を透過する開口パターンを含む測定基板と、
   前記ステージに配置されて前記開口パターンからの光束を受光する光電変換センサとを有し、
   前記投影光学系の波面収差、前記照明光学系で形成される有効光源分布、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布及び前記投影光学系の瞳透過率分布の各々を測定する場合に応じて、前記光電変換センサからの出力を切り替えることを特徴とする露光装置。
9. 前記開口パターンは、前記投影光学系の解像限界以下の径の第１のピンホールと、前記投影光学系の解像限界よりも大きい径の第２のピンホールとを含み、
   前記測定部は、前記照明光学系で形成される有効光源分布、前記レチクルのパターンによって発生する回折光分布及び前記投影光学系の瞳透過率分布のうちいずれか１つを測定する際に、前記第１のピンホールに光束が入射することを防止する遮蔽板を有することを特徴とする請求項８記載の露光装置。
10. 前記照明光学系及び前記投影光学系の少なくとも一方を調整する調整部と、
    前記測定部の測定結果に基づいて、前記調整部を制御する制御部とを更に有することを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の露光装置。
11. 請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
    露光された前記基板を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。

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