JP2009053066A - 波面測定干渉計のフォーカス調整方法、波面測定干渉計および投影光学系の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 干渉計におけるフォーカス誤差を低減できて波面の微細なうねりまで高精度に測定する。
【解決手段】 被測定物の干渉計結像光学系による共役位置に干渉計の画像検出器の位置を調整するために、干渉計のフォーカス制御手段を利用して複数の測定面で波面測定を行う。測定した波面データのうち空間周波数が高いうねり成分のみ抽出して、さらに空間周波数毎にパワースペクトル密度で表す。それらを特定の帯域内で積分し、その積分値が最小となる測定位置を算出する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、レンズやミラーなどの光学素子の面形状誤差および光学系の透過波面誤差を高精度に測定する波面測定干渉計のフォーカス調整方法および波面測定干渉計に関する。また本発明は、そのフォーカス調整方法を利用した投影光学系の製造方法に関する。

従来から光学系の透過波面或いは反射波面の測定に干渉計が利用されている。干渉計を利用した光学系の波面測定は、高精度な測定が可能であるため、波面収差を厳密に管理する必要のある光学系の光学特性の測定に好適である。特に半導体素子や液晶デバイス等を製造する際のフォトリソグラフィ工程で使用される露光装置の投影光学系は、サブナノオーダ以下での収差管理を要求されるため、干渉計による波面測定は重要である。

さらに近年では露光光として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）等のＤＵＶ光、さらにはＥＵＶ光を用いる露光装置が用いられている。このような露光装置の投影光学系において、波面収差だけでなく光学系の屈折面および反射面の表面粗さや光学材料の内部屈折率分布に起因して発生するフレアの影響をも管理することが求められている。このフレアの発生原因は、投影光学系内の光学素子の面精度誤差、屈折率分布のうち、特に空間周波数の高い微細なうねり成分にあるため、フレア低減には面精度や屈折率分布を高い空間周波数成分まで高精度に測定する必要がある。

干渉計を利用して光学素子の面形状誤差や光学系の透過波面を空間周波数が高い成分まで高精度に測定、評価する場合、重要となる項目のひとつとして干渉計の結像光学系のフォーカス調整がある。このフォーカス調整方法は、例えば、下記の特許文献に提案されている。特許文献１には、ナイフエッジを被測定面と参照面の間に配置して、ナイフエッジ部による回折誤差を計算し、算出される回折誤差が最適になるように結像光学手段のフォーカスを制御するフォーカス調整方法が提案されている。また、特許文献２には、被検面として同心円状の輪帯パターンを有する校正原器を利用して、各輪帯領域のフォーカスをコントラスト情報から算出、調整する方法が提案されている。
特開２０００−９７６１９号公報 特開２００６−３１７１９９号公報

しかしながら、ナイフエッジを用いる方法では、ナイフエッジとその駆動機構を被測定面と参照面との間に設置することが必要である。その上、被測定面の凹凸、曲率半径、有効径、干渉計の瞳有効径に応じて、その駆動機構を最適化する必要がある。そのため様々な形状の被測定面を測定対象とするような干渉計の場合には、被測定面毎にナイフエッジ機構を再調整する作業が必要となり汎用性の観点から課題がある。さらに被測定面の曲率半径が小さい場合や高ＮＡを有する球面形状等の場合にはナイフエッジの配置が困難な状況もあり、フォーカス調整ができないなどの課題がある。

また同心円状の輪帯パターンを有する校正原器を利用する方法では、被測定面と同じ曲率半径、ＮＡの校正原器が必要であるため、被測定面ごとに校正原器を製作しなければならないという課題がある。
本発明は、干渉計システムと被測定面のみの構成で被測定面の凹凸、曲率半径、ＮＡなどによらず、被測定面の共役像面を検出し、被測定面の微細な波面のうねり成分まで高精度に測定することを例示的目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のフォーカス調整方法は、被測定面で反射した被検光束または被検光学系を透過し反射面で反射した被検光束と参照面で反射した参照光束とが形成する干渉縞を、結像光学系を介して検出器で検出し、前記被測定面の形状または被検光学系の透過波面の形状を前記干渉縞から求める波面測定干渉計におけるフォーカス調整方法であって、前記結像光学系を介して結像される前記被測定面または前記反射面の像面位置と前記検出器の位置との相対位置を可変とする駆動工程と、複数の前記相対位置において波面測定を行う工程と、前記波面測定のデータから高次波面収差成分を抽出し該高次波面収差成分に基づいて前記相対位置のうち最良の位置を決定する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、干渉計システムと被測定面のみの構成で被測定面の凹凸、曲率半径、ＮＡなどによらず、被測定面の共役像面を検出することが可能となる。したがって、被測定面の微細な波面のうねり成分まで高精度に測定することが可能となる。
また本発明によれば、その波面測定を実施するのに適した干渉計を実現することができる。

本発明の干渉計フォーカス調整方法は、干渉計光学系が有する波面誤差成分（いわゆるシステムエラー）のうち、空間周波数が高いうねり成分（高次波面収差成分）を利用する。そして、被測定面または反射面の像面位置（干渉計結像光学系による共役位置）に干渉計の画像検出器の位置を調整する。

そのため、本発明の好ましい実施の形態では、干渉計のフォーカス制御手段を利用して複数の測定面で波面測定を行う工程を備える。また、前記波面測定データから空間周波数が高いうねり成分のみ抽出して、空間周波数成分毎にパワースペクトル密度（ＰＳＤ）で表す工程とを備える。さらに、それらの積分値を算出する工程と、前記積分値を前記複数の測定面毎に算出して、その積分値が最小値となる位置を算出する工程とを有する。この積分値が最小値となる相対位置をベストフォーカス位置として決定する。

また、本発明の好ましい実施の他の形態では、干渉計のフォーカス制御手段を利用して複数の測定面で波面測定を行う工程を備える。また、前記波面測定データを直交関数系でフィッティングしたときの残渣ＲＭＳを算出する工程を備える。さらに、前記残渣ＲＭＳを比較して最小値を示す前記相対位置を算出する工程を備える。この残渣ＲＭＳが最小値を示す前記相対位置をベストフォーカス位置として決定する。

また、本発明の好ましい実施の形態に係る波面測定干渉計は、フォーカス調整するための駆動制御手段と、前記波面測定データの高次波面収差成分からフォーカス調整量を算出する演算手段と、上記のフォーカス調整方法を実施する処理手段とを備える。

本発明は、好ましくは、ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等の微細パターンを有するデバイスを製造するための露光装置の投影光学系または投影光学系を構成する光学素子を製造する際、適用される。
前記投影光学系は、例えば、露光波長が１９３ｎｍ乃至２５０ｎｍのＤＵＶ用の投影光学系、または露光波長が２０ｎｍ以下のＥＵＶ用の投影光学系である。

投影光学系の製造方法は、例えば、上記の波面測定干渉計により投影光学系を構成する光学素子の面形状を測定する工程と、前記測定結果を基に前記面形状を加工する工程とを備える。
または、上記の波面測定干渉計により投影光学系の透過波面収差を測定する工程と、前記測定結果を基に前記投影光学系を構成する光学素子間の間隔および光学素子の偏心を調整する工程と、前記光学素子の面形状を非球面に加工する工程を備える。

以下、本発明を実施例に基づき説明する。
［実施例１］
本発明の第１実施例について図１〜図６を参照して説明する。図１に図示したフィゾー干渉計は、被測定物の面形状を測定する面形状測定装置として用いる。レーザ光源１から射出した光束はビームエキスパンダ２により所望の光束径の平行光束に変換され、ビームスプリッタ３に入射する。ビームスプリッタ３で反射した光束はフィゾーレンズ４へ入射し、参照面５により一部が反射され参照光束となる。一方、参照面５を透過した光束は被測定面６で反射され被検光束となる。参照面５で反射された参照光束と被測定面６で反射された被検光束は、フィゾーレンズ４を再度透過した後、ビームスプリッタ３を今度は透過して結像光学系７により所望の光束径に変換され検出器８の撮像面に入射する。

検出器８の撮像面では被検光束と参照光束により形成される干渉縞が検出される。フィゾーレンズ４もしくは被測定面６を光軸方向へ微少量駆動することで干渉縞の位相を変調し、位相変調量の異なる複数フレームの干渉縞画像を撮像する。撮像された干渉縞画像は処理装置１０へ転送され、位相回復アルゴリズムを用いて被測定面６の面形状データに変換される。

このとき被測定面６の面形状を高空間周波数成分まで精度良く測定するためには、検出器８の撮像面は干渉計の復路光学系により結像される被測定面６の共役像面に一致するようにフォーカス位置を調整する必要がある。干渉計の復路光学系はフィゾーレンズ４、ビームスプリッタ３、結像光学系７から構成される。

被測定面６の共役像面の位置を検出する方法について図１〜３を用いて説明する。図１に図示した投光系９はビームエキスパンダ２、ビームスプリッタ３、フィゾーレンズ４を含む共通光路である。この共通光路９内の光学素子の製造誤差等により発生した波面誤差は、参照面５まで伝搬して、参照面５ではじめて参照光束と被検光束に振幅分割される。この波面誤差は参照面が起点となり参照光束、被検光束によってそれぞれ誤差情報が別経路をたどって検出器８まで伝搬される。

波面誤差成分の中でも、比較的空間周波数が高く、そのうねりの振幅がレーザ光源１の波長λと比較して十分小さいような弱位相成分は、空間を伝搬する距離に応じてうねりの振幅が変動する。図２にその様子を図示する。図２において位置Ｘ＝０に空間ピッチｐ、うねり振幅ａの波面Ｗが存在しているとする。この波面Ｗは距離Ｘ＝（ｎ−１／２）・ｐ^２／λ、（ｎ＝１，２，３‥‥）伝搬した位置では、うねり振幅が最小となる。また、Ｘ＝ｎ・ｐ^２／λ、（ｎは奇数）だけ伝搬した位置では位相振幅がＸ＝０での値と等しくなり、うねりの位相がπ反転する。さらにＸ＝ｎ・ｐ^２／λ、（ｎは偶数）の位置では、うねり振幅、位相ともにＸ＝０での値が再現される。

このようにうねり振幅は伝搬距離Ｘによって周期的に変動し、その振幅の変動周期はうねりの空間ピッチｐおよび光源波長λによって異なる。検出面を任意の位置に固定した場合のうねり振幅の伝達特性を図３に示す。ここでの伝達特性の定義は伝達率＝（距離Ｘだけ伝搬した位置でのうねり振幅）／（Ｘ＝０の位置でのうねり振幅）を空間周波数毎に算出したものである。このグラフの横軸はうねりの空間周波数（空間ピッチの逆数）であり、縦軸はうねり振幅の伝達率を表している。つまり検出面を固定すると空間周波数によって基のうねり振幅成分が再現したり、減衰したり、うねり位相が反転したりという現象が起こる。

この現象を図１の光学系にあてはめて考える。共通光路９で発生した波面誤差のうち、空間周波数が高く、そのうねり振幅が光源の波長と比べて小さい弱位相成分に着目する。波面誤差が参照光束と被検光束に分割される参照面５は、干渉計の復路検出光学系から見ると弱位相成分の起点つまり物点となる。そのためフィゾーレンズ４、ビームスプリッタ３、結像光学系７から構成される干渉計の復路検出光学系の物点位置が参照光路と被検光路で異なる。従ってそれらの共役像もまた物点のズレに対応して異なる位置に結像する。

図４（ａ）は参照光路における参照面５ｒと被測定面６の共役像面の位置関係を図示したものである。図４（ｂ）は被検光路における参照面５ｍと被測定面６の共役像面の位置関係を図示したものであり、参照面５ｍから被測定面６までの往路を展開図で示している。なおビームスプリッタは簡略化のため図示していない。図４（ａ）において５ｒ’は前記復路検出光学系により結像される参照面５ｒの共役像面であり、６’は前記復路検出光学系により結像される被測定面６の共役像面である。さらにｄｒは干渉計検出器側における前記共役像面５ｒ’と６’との位置ズレ量を表す。一方、図４（ｂ）において５ｍ’は被測定面６による５ｍの共役像面であり、さらに５ｍ”は前記復路検出光学系により結像される５ｍ’の共役像面である。そしてｄｍは干渉計検出器側における５ｍ”と６’との位置ズレ量を表す。図１のようなフィゾー干渉計では被測定面６の共役像面６’を中心として、参照光路の参照面５ｒの共役像面５ｒ’と被検光路の参照面５ｍの共役像面５ｍ”は対称的に同じ距離だけずれた位置に結像する特性がある。つまりｄｍ＝−ｄｒとなる。したがって検出器８の撮像面を被測定面６の共役像面６’に一致させて配置した場合、参照光束と被検光束は参照面５で分割された直後の波面誤差形状が、それぞれ等距離伝搬したときの形状となって観測される。つまり弱位相成分に着目するとうねり振幅の伝達率が全空間周波数にわたって被検光束と参照光束で同一になる。このうねり振幅の伝達率が同一になる条件では参照光束と被検光束の位相差として観測される波面のうねり振幅は最も小さい値を示す。この特性を利用して検出器８のフォーカス調整を行う。

図５に調整手順のフローチャートを示す。（手順１）図１に示すフィゾー干渉計の検出器８を駆動機構により光軸方向へ駆動し、複数の位置で波面測定を実施する。（手順２）測定した波面データを図６に示すように、空間周波数毎にパワースペクトル密度（ＰＳＤ）で表す。（手順３）各波面のＰＳＤを周波数ｆ_ｍｉｎからｆ_ｍａｘまで積分する。積分区間は干渉計の投光系共通光路で発生する波面誤差の空間周波数分布によって最適な区間を選択すれば良い。（手順４）ＰＳＤ積分値が最小となる検出器位置を算出する。（手順５）検出器をＰＳＤ積分値が最小となる位置（最良の位置）へ移動する。

また波面データをパワースペクトル密度で表し積分する方法以外に、波面データを例えばＺｅｒｎｉｋｅ係数１６９項でフィッティングして、その残渣成分のＲＭＳ（残渣ＲＭＳ）を評価値として用いても良い。

本実施例では被測定面６は凹面であるが、本手法によれば被測定面の凹凸、曲率半径、ＮＡに依存せずに被測定面の共役像面を検出することが可能である。また本実施例では画像検出器を光軸方向へ駆動して、被測定面の共役像面との相対位置を可変とした。しかし、画像検出器を固定として結像光学系７と画像検出器の間の光路をミラー群で構成し、ミラー駆動により被測定面の共役像面と画像検出器の相対位置を可変としてもよい。また、被測定面の共役像面と検出器８の撮像面との相対位置を変化させることができればその他の駆動形態でも構わない。

［実施例２］
本発明の第２実施例について図７を参照して説明する。図７に図示したフィゾー干渉計は被測定物として被検レンズ（被検光学系）２５の透過波面収差を測定する透過波面測定干渉計として用いる。被検レンズ２５の波面収差を往復光路で測定するため、フィゾーレンズ４を透過した光束が被検レンズ２５に入射、透過した後、反射ミラー（反射面）２６で反射され再度、被検レンズ２５を透過してフィゾーレンズ４へ戻る。被検レンズ２５の波面収差だけを高空間周波数まで高精度に測定するためには、干渉計固有の波面収差と被検レンズ２５の波面収差を分離する必要がある。そのための手法として、反射ミラー２６の被検レンズ２５による共役像２６’の位置に反射ミラー２７を配置して、干渉計固有の波面収差を測定する。こうすると干渉計固有の波面収差の波面位相が反射ミラー２６と反射ミラー２７の間で保たれるため、干渉計固有の波面収差を高精度に分離できることが知られている。

上述の測定を実現するためには反射ミラー２６と反射ミラー２７を正確に共役位置に配置する必要があるので、以下に述べる２つの工程を実施する。第１の工程として、被検レンズ２５がない状態で干渉計固有の波面収差を測定するために、反射ミラー２６の共役像２６’の位置に干渉計固有の波面収差測定用の反射ミラー２７を配置する。この状態で第１の実施例の方法を利用して干渉計のフォーカスを調整する。フォーカスが調整された状態で干渉計固有の波面収差を高空間周波数まで高精度に測定する。このとき波面収差の空間周波数が高い成分は、図３および図６に図示したような空間周波数特性を示す。この空間周波数特性は反射ミラー２７の曲率半径と干渉計結像光学系によって決まる。

次に第２の工程として反射ミラー２７を光路から取除き、被検レンズ２５と反射ミラー２６を配置して、反射ミラー２６と反射ミラー２７が共役配置となっていることを被検レンズ２５の透過波面収差の測定データより確認する。反射ミラー２６と反射ミラー２７が共役配置になっている場合には、透過波面収差測定データの空間周波数が高い成分は、第１の工程で得られた空間周波数特性と同じ極値特性示す。この現象は被検レンズ２５が有する波面収差の高空間周波数成分によらず起こる。したがってこのように両者の空間周波数特性を比較することで反射ミラー２６と反射ミラー２７の共役関係を確認することが可能となる。仮に共役関係が成り立っていない場合には、２つの空間周波数特性から反射ミラー２６もしくは反射ミラー２７の曲率半径を修正して共役関係を成立させることが可能である。一方、反射ミラー２６と反射ミラー２７の共役関係が成立していれば、被検レンズ２５の透過波面測定データから第１の工程で得られた干渉計固有の波面収差成分を減算処理する。これにより、被検レンズ２５のみの透過波面収差を高空間周波数まで高精度に測定することが可能となる。

［実施例３］
本発明の第３実施例について説明する。本実施例は、投影光学系の製造方法についての実施例である。投影光学系はレンズやミラーなどの光学素子から構成されている。各光学素子の面形状を高空間周波数まで測定するために、第１実施例の干渉計を利用する。測定により得られた面形状誤差が低減するように面を加工する。この測定と加工のサイクルを面形状誤差が所望の規格値以下となるまで繰返す。このように面形状誤差が所望の規格値以下となった光学素子を組み合せて投影光学系を組み立てる。次に組み立てた投影光学系を第２実施例の干渉計を利用して、透過波面収差を高空間周波数まで測定する。測定により得られた波面収差が低減するように投影光学系を構成する光学素子間の間隔や光学素子の偏心を調整する。この波面収差測定と調整を波面収差が所望の規格値以下に収まるまで繰返す。

このように本製造方法では、第１実施例および第２実施例の干渉計を使用することで、投影光学系の波面収差を低次から空間周波数の高いうねり成分まで高精度に測定することができ、高性能な投影光学系を製造することが可能となる。

本発明の一実施例に係るフィゾー干渉計の構成図である。 弱位相波面の伝搬を説明する図である。 任意の伝搬距離における弱位相波面の振幅伝達率を示す図である。 （ａ）は参照面（参照光束）と被測定物の共役像面の相対位置を説明する図、（ｂ）は参照面（被検光束）と被測定物の共役像面の相対位置を説明する図である。 図１の干渉計のフォーカス調整の手順を示すフローチャートである。 画像検出器を任意の位置に配置して測定した波面のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示す図である。 透過波面測定干渉計としてのフィゾー干渉計の構成図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２ ビームエキスパンダ
３ ビームスプリッタ
４ フィゾーレンズ
５ 参照面
５ｒ 参照光物体面（参照面）
５ｒ’ 参照光物体面の干渉計光学系による共役像面
５ｍ 被検光物体面（参照面）
５ｍ’ 被検光物体面の被測定物による共役像面
５ｍ” 共役像面５ｍ’の干渉計光学系による共役像面
６ 被測定面
６’ 被測定面の干渉計光学系による共役像面
７ 結像光学系
８ 検出器
９ 投光系共通光路
１０ 処理装置
２１ 参照面を物面とする参照光束の近軸光線
２２ 被測定面を物面とする被検光束の近軸光線
２３ 参照面を物面とする被検光束の近軸光線
２４ フィゾーレンズ透過光の集光位置
２５ 被検レンズ
２６ 反射ミラー
２６’ 反射ミラーの被検レンズによる像
２７ 干渉計固有の波面収差測定用反射ミラー

Claims (8)

1. 被測定面で反射した被検光束または被検光学系を透過し反射面で反射した被検光束と参照面で反射した参照光束とが形成する干渉縞を、結像光学系を介して検出器で検出し、前記被測定面の形状または被検光学系の透過波面の形状を前記干渉縞から求める波面測定干渉計におけるフォーカス調整方法であって、
   前記結像光学系を介して結像される前記被測定面または前記反射面の像面位置と、前記検出器の位置との相対位置を可変とする駆動工程と、
   複数の前記相対位置において波面測定を行う工程と、
   波面測定データから高次波面収差成分を抽出し該高次波面収差成分に基づいて前記相対位置のうちからベストフォーカス位置を決定する工程と、
   を含むことを特徴とするフォーカス調整方法。
2. 前記ベストフォーカス位置の決定方法は、前記波面測定データを空間周波数成分毎にパワースペクトル密度で表し、前記パワースペクトル密度を積分する工程と、前記積分値を比較して最小値を示す前記相対位置を算出する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のフォーカス調整方法。
3. 前記ベストフォーカス位置の決定方法は、前記波面測定データを直交関数系でフィッティングしたときの残渣ＲＭＳを算出する工程と、前記残渣ＲＭＳを比較して最小値を示す前記相対位置を算出する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載のフォーカス調整方法。
4. 被測定面で反射した被検光束または被検光学系を透過し反射面で反射した被検光束と参照面で反射した参照光束とが形成する干渉縞を、結像光学系を介して検出器で検出し、前記被測定面の形状または被検光学系の透過波面を前記干渉縞から求める波面測定干渉計であって、
   フォーカス調整するための駆動制御手段と、
   前記波面測定データの高次波面収差成分からフォーカス調整量を算出する演算手段と、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のフォーカス調整方法を実施する処理手段と、
   を備えることを特徴とする波面測定干渉計。
5. 請求項４に記載の波面測定干渉計により投影光学系を構成する光学素子の面形状を測定する工程と、前記測定結果を基に前記面形状を加工する工程と、を含むことを特徴とする投影光学系の製造方法。
6. 請求項４に記載の波面測定干渉計により投影光学系の透過波面収差を測定する工程と、前記測定結果を基に前記投影光学系を構成する光学素子間の間隔および光学素子の偏心を調整する工程と、前記光学素子の面形状を非球面に加工する工程と、を含むことを特徴とする投影光学系の製造方法。
7. 前記投影光学系は露光波長が１９３ｎｍ乃至２５０ｎｍのＤＵＶ用の投影光学系であることを特徴とする請求項５または６に記載の製造方法。
8. 前記投影光学系は露光波長が２０ｎｍ以下のＥＵＶ用の投影光学系であることを特徴とする請求項５に記載の製造方法。

Images