JP2010073818A - 測定装置、露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検光学系の開口数をより正確に求める。
【解決手段】被検光学系の開口数を測定する測定装置は、前記被検光学系を通過する被検光を反射する反射鏡と、撮像センサを含み、参照光と前記反射鏡によって反射された被検光とによって前記撮像センサの撮像面に干渉縞を形成する干渉計ユニットと、前記干渉計ユニットを制御するとともに、前記撮像センサによって撮像された干渉縞に基づいて前記被検光学系の開口数を計算する制御部とを備える。前記制御部は、前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径（Ｒ）の変化（ΔＲ）に対する前記被検光学系の開口数（ＮＡ）の変化（ΔＮＡ）を示す係数（ΔＮＡ／ΔＲ）に対して前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径（Ｒ）を乗じることによって、前記被検光学系の開口数（ＮＡ）を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検光学系の開口数を測定する測定装置、該測定装置が組み込まれた露光装置、および、該露光装置を用いてデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。

半導体デバイス等のデバイスを製造するための露光装置は、パターンが形成された原版を光で照明し、この原版のパターンを投影光学系によって基板に投影する。これにより、基板上の感光剤に原版のパターンが転写される。投影光学系の解像度は、投影光学系の開口数（ＮＡ）に依存していて、開口数を大きくすると解像度が向上する。したがって、投影光学系の開口数は、投影光学系の性能を示す重要な指標であると言える。
特開２００２−５７８７号公報

投影光学系の開口数を求める方法としては、例えば、投影光学系の解像力Ｒを求め、Ｒ＝λ／ＮＡの関係式に基づいて開口数を計算する方法が知られている（特許文献１）。この方法では、様々な線幅のパターンを投影光学系を介して基板に転写し、これによって形成されるパターンをＳＥＭ等の測定装置を使って測定することで解像力Ｒを求める。しかし、解像力Ｒは、感光剤（フォトレジスト）の特性や投影光学系の収差にも依存するので、開口数を正確に求めることが難しい。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、例えば、被検光学系の開口数をより正確に求めるために好適な技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、被検光学系の開口数を測定する測定装置に係り、前記測定装置は、前記被検光学系を通過する被検光を反射する反射鏡と、撮像センサを含み、参照光と前記反射鏡によって反射された被検光とによって前記撮像センサの撮像面に干渉縞を形成する干渉計ユニットと、前記干渉計ユニットを制御するとともに、前記撮像センサによって撮像された干渉縞に基づいて前記被検光学系の開口数を計算する制御部とを備え、前記制御部は、前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径（Ｒ）の変化（ΔＲ）に対する前記被検光学系の開口数（ＮＡ）の変化（ΔＮＡ）を示す係数（ΔＮＡ／ΔＲ）に対して前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径（Ｒ）を乗じることによって、前記被検光学系の開口数（ＮＡ）を計算する。

本発明の第２の側面は、投影光学系によって原版のパターンを基板に投影し該基板を露光する露光装置に係り、前記露光装置は、前記投影光学系を通過する被検光を反射する反射鏡と、撮像センサを含み、参照光と前記反射鏡によって反射された被検光とによって前記撮像センサの撮像面に干渉縞を形成する干渉計ユニットと、前記干渉計ユニットを制御するとともに、前記撮像センサによって撮像された干渉縞に基づいて前記投影光学系の開口数を計算する制御部とを備え、前記制御部は、前記撮像面における前記投影光学系の瞳の半径（Ｒ）の変化（ΔＲ）に対する前記投影光学系の開口数（ＮＡ）の変化（ΔＮＡ）を示す係数（ΔＮＡ／ΔＲ）に対して前記撮像面における前記投影光学系の瞳の半径（Ｒ）を乗じることによって、前記投影光学系の開口数（ＮＡ）を計算する。

本発明の第３の側面は、デバイス製造方法に係り、前記デバイス製造方法は、感光剤が塗布された基板を請求項５に記載の露光装置を用いて露光する工程と、前記感光剤を現像する工程とを含む。

本発明によれば、例えば、被検光学系の開口数をより正確に求めるために好適な技術が提供される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態の測定装置の概略構成を示す図である。第１実施形態の測定装置は、被検光学系（例えば、露光装置の投影光学系）の波面収差を測定するための干渉計としてフィゾー型干渉計を含むが、他の方式の干渉計を含んでもよい。以下、図１を参照しながら本発明の第１実施形態の測定装置の構成および動作を説明する。

被検光学系１１６で使用される光の波長に近い発振波長を有する可干渉性のよい光を発生する光源（例えば、レーザ光源等）１０１からの光が、干渉計ユニット１０２に導光される。干渉計ユニット１０２の内部では、集光レンズ１０３によって空間フィルター１０４に光が集められる。空間フィルター１０４の径は、コリメータレンズ１０６の開口数（ＮＡ）により定まるエアリーディスク径の１／２程度に設定されうる。これにより、空間フィルター１０４からの出射する光は理想球面波となり、ハーフミラー１０５を透過した後に、コリメータレンズ１０６により平行光に変換されて、干渉計ユニット１０２から出射する。

干渉計ユニット１０２から出射した光は、引き回し光学系１１０のミラー１１１、１１２、１１３を介してＴＳ（透過球面）１１４に入射する。ここで、ＴＳ１１４は、ＴＳ駆動機構ＴＳＤによってＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置が制御される。ＴＳ駆動機構ＴＳＤは、ＴＳ１１４をそれぞれＺ、Ｘ、Ｙ方向に駆動するためのＺステージ１２４、Ｘステージ１２３、Ｙステージ１２２と、ステージ定盤１２１とを含む。ミラー１１１は、ステージ定盤１２１に固定され、ミラー１１３は、Ｙステージ１２２に固定されていてＹ方向に移動し、ミラー１１３は、Ｘステージ１２３に固定されていてＸ方向に移動する。

ＴＳ１１４へ入射し、ＴＳ１１４の最終面であるフィゾー面で反射された光が参照光となる。参照光は、ＴＳ１１４、ミラー１１３、１１２、１１１、引き回し光学系１１０を介して干渉計ユニット１０２に戻る。

ＴＳ１１４を透過した光は、被検光となり、被検光学系１１６の物体面で結像した後に被検光学系１１６に入射し、被検光学系１１６を通過した後に被検光学系１１６の像面に再結像する。被検光は、ＲＳ（反射球面）１１７により反射された後、被検光学系１１６、ＴＳ（透過球面）１１４、ミラー１１３、１１２、１１１、引き回し光学系１１０を介して干渉計ユニット１０２に戻る。ＲＳ（反射球面）１１７は、被検光学系１１６を通過する被検光を反射する反射鏡の一例である。

ＲＳ１１７は、ＲＳ駆動機構ＲＳＤによってＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置が制御される。ＲＳ駆動機構ＲＳＤは、ＲＳ１１７をそれぞれＺ、Ｘ、Ｙ方向に駆動するためのＺステージ１２７、Ｘステージ１２６、Ｙステージ１２５を含む。ＲＳ１１７は、ＲＳ駆動機構ＲＳＤによって被検光学系１１６の任意像高の位置に位置決めされうる。

干渉計ユニット１０２に参照光、被検光として戻ってきた光は、コリメータレンズ１０６を透過した後、ハーフミラー１０５で反射されて空間フィルター１０７に集光される。空間フィルター１０７は、迷光及び急傾斜波面を遮断するためのものである。空間フィルター１０７を通過した参照光および被検光は、結像レンズ１０８により撮像センサ１０９の撮像面にほぼ平行な光束として入射する。これら参照光と被検光との重ね合わせにより撮像センサ１０９の撮像面に干渉縞が形成される。

ＴＳ駆動機構ＴＳＤを構成するＸステージ１２３、Ｙステージ１２２、Ｚステージ１２４の各位置（これは、間接的にＴＳ１１４のＸ、Ｙ、Ｚ位置を示す。）、及び、ＲＳ駆動機構ＲＳＤを構成するＸステージ１２６、Ｙステージ１２５、Ｚステージ１２７の各位置（これは、間接的にＲＳ１１７のＸ、Ｙ、Ｚ位置を示す。）は、レーザ測長器等の高精度な位置計測器によって計測される。当該位置計測器による計測結果に基づいて、位置制御部１３０による制御の下で、ＴＳ駆動機構ＴＳＤを制御するＴＳ駆動制御部１２８、および、ＲＳ駆動機構ＲＳＤを制御するＲＳ駆動制御部１２９は、それぞれＴＳ１１４、ＲＳ１１７の位置を高精度に制御する。

位置制御部１３０は、主制御部１３１からの指令に基づいてＴＳ駆動制御部１２８およびＲＳ駆動制御部１２９を制御して、被検光学系１１６の任意の像高の位置にＴＳ１１４、ＲＳ１１７を移動させることができる。これにより、被検光学系１１６の任意の位置で被検光学系１１６の波面収差を測定することができる。

撮像センサ１０９により撮像された干渉縞は、主制御部１３１に転送される。被検光学系１１６の波面は、フリンジスキャン法に従って撮像される複数の干渉縞に基づいて計算される。

以下、被検光学系１１６の開口数（ＮＡ）を計測する方法の原理を説明する。
まず、被検光学系１１６を通過する被検光を反射する反射鏡であるＲＳ１１７の被検光学系１１６に対する位置を第１状態とし、当該第１状態において撮像センサ１０９の撮像面に形成される第１干渉縞を撮像センサ１０９によって撮像する。次に、被検光学系１１６に対するＲＳ１１７の位置を第１状態から第２状態に変更し、当該第２状態において撮像センサ１０９の撮像面に形成される第２干渉縞を撮像センサ１０９によって撮像する。

より具体的な例を挙げれば、第１状態は、例えば、第１干渉縞としてＮＵＬＬ状態（干渉縞が形成される領域内の全ての画素値が等しい状態）の干渉縞が形成される状態でありうる。第２状態は、例えば、第２干渉縞としてＴＩＬＴ縞が形成される状態でありうる。第１状態から第２状態への変更は、例えば、ＲＳ１１７を被検光学系１１６の像面に沿ってＸ方向にΔＸだけ移動させることによってなされうる。或いは、第１状態から第２状態への変更は、例えば、ＲＳ１１７を被検光学系１１６の像面に沿ってＹ方向にΔＹだけ移動させることによってなされうる。以下では、一例として、ＲＳ１１７を被検光学系１１６の像面に沿ってＸ方向にΔＸだけ移動させることによって第１状態から第２状態に変更するものとして説明する。なお、ΔＸは、第１状態と第２状態との間におけるＲＳ１１７の移動量を示す変数として考えることができる。

次いで、撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径として、第１半径Ｒ１を任意の値に定める。そして、Ｒ１を用いて第１状態において形成される第１干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面と、Ｒ１を用いて第２状態において形成される第２干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面と、の差分である差分波面Ｗ１を計算する。また、撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径として、第２半径Ｒ２（Ｒ１≠Ｒ２）を任意の値に定める。そして、Ｒ２を用いて第１状態において形成される第１干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面と、Ｒ２を用いて第２状態において形成される第２干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面と、の差分である差分波面Ｗ２を計算する。なお、第１半径Ｒ１と第２半径Ｒ２は、波面の計算のために前述のように任意に定めることができる。

ここで、撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径Ｒの変化をΔＲ（＝Ｒ１−Ｒ２）、差分波面の変化をΔＷ（＝Ｗ１−Ｗ２）とする。波面の計算に用いる撮像面における瞳の半径Ｒの変化ΔＲに対する差分波面の変化ΔＷは、式（１）で示される。

ΔＷ／ΔＲ＝（Ｗ１−Ｗ２）／（Ｒ１−Ｒ２） ・・・（１）
一方、ＲＳ１１７をΔＸだけ移動させることによって発生する差分波面Ｗは、被検光学系１１６の開口数をＮＡとして、式（２）で示される。

Ｗ＝ＮＡ・ΔＸ ・・・（２）
式（２）をＮＡについて変形すると、式（３）が得られる。

ＮＡ＝Ｗ／ΔＸ ・・・（３）
撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径Ｒの変化ΔＲに対する開口数ＮＡの変化ΔＮＡを示す係数ΔＮＡ／ΔＲは、式（３）より、式（４）のように表される。

ΔＮＡ／ΔＲ＝（ΔＷ／ΔＲ）／ΔＸ＝（Ｗ１−Ｗ２）／｛（Ｒ１−Ｒ２）・ΔＸ｝ ・・・（４）
よって、式（１）に従って得られるΔＷ／ΔＲと、ＲＳ１１７の移動量ΔＸとに基づいて、式（４）に従って撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径Ｒの変化ΔＲに対する開口数ＮＡの変化ΔＮＡを示す係数ΔＮＡ／ΔＲを得ることができる。

図３は、フリンジスキャンにおける撮像センサ１０９の各画素の出力（画素値）の変化幅を例示的に示す図である。横軸は、撮像センサ１０９の撮像面における位置（画素の座標）である。撮像センサ１０９の撮像面に対して光が入射する領域（即ち、干渉縞が形成される領域）は、撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の領域であり、当該領域の半径Ｒを用いて、被検光学系１１６の開口数ＮＡを式（５）に従って求めることができる。

ＮＡ＝（ΔＮＡ／ΔＲ）×Ｒ ・・・（５）
以下、図２に示すフローチャートを参照しながら被検光学系１１６の開口数（ＮＡ）を測定する動作を説明する。この動作は、主制御部（制御部）１３１によって制御される。

ステップＳ２１０では、主制御部１３１は、被検光学系１１６に対するＲＳ１１７の位置が第１状態になるようにＲＳ駆動機構ＲＳＤを制御し、撮像センサ１０９の撮像面に形成される第１干渉縞のデータを取得する。主制御部１３１はまた、被検光学系１１６に対するＲＳ１１７の位置が第２状態になるようにＲＳ駆動機構ＲＳＤを制御し、撮像センサ１０９の撮像面に形成される第２干渉縞のデータを取得する。

ステップＳ２２０では、半径Ｒ１、Ｒ２、差分波面Ｗ１、Ｗ２、移動量ΔＸに基づいて、式（４）に従って、係数ΔＮＡ／ΔＲを計算する。ここで、差分波面Ｗ１は、半径Ｒ１を用いて第１干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面と半径Ｒ１を用いて第２干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面との差分である。差分波面Ｗ２は、半径Ｒ２を用いて第１干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面と半径Ｒ２を用いて第２干渉縞に基づいて計算される被検光学系１１６の波面との差分である。

ステップＳ２３０では、主制御部１３１は、第１干渉縞および第２干渉縞の少なくとも一方を用いて、又は、撮像センサ１０９によって撮像される別の干渉縞を用いて、撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径Ｒを計算する。

ステップＳ２４０では、主制御部は、式（５）に示されるように、係数ΔＮＡ／ΔＲに対して撮像センサ１０９の撮像面における被検光学系１１６の瞳の半径Ｒを乗じることによって、被検光学系１１６の開口数ＮＡを計算する。

以上の実施形態では、一例として、ＮＵＬＬ縞とＴＩＬＴ縞とに基づいて被検光学系１１６の開口数を求めることを説明した。しかしながら、本発明の原理によれば、被検光学系１１６に対するＲＳ１１７のアライメント状態（位置関係）が異なる少なくとも２つの状態で得られる干渉縞に基づいて被検光学系１１６の開口数を求めることができる。係数ΔＮＡ／ΔＲは、干渉計の構成によって決定される値であるので、被検光学系の開口数の測定の度に求める必要はない。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。この路装置は、原版のパターンを基板に投影する投影光学系を有するとともに、該投影光学系を被検光学系としてその開口数を測定する測定装置が組み込まれている。この測定装置の原理、動作、構成は、第１実施形態に従いうる。

図４において、例えばエキシマレーザー（ＡｒＦエキシマレーザー、ＫｒＦエキシマレーザー）等の光源１から出射した光束は、ビーム整形光学系２により光軸に対して対称なビーム形状に変換され、投影光学系１６の測定の際には、光路切換ミラー３に導光される。光路切換ミラー３は、基板の露光時は、光路外に配置されている。ビーム整形光学系２を出射した光束は、基板の露光時は、インコヒーレント化ユニット４へ入射し、可干渉性が低下された後に照明光学系５を通過し、原版１５を照明する。投影光学系１６は、原版１５のパターンを基板１８に投影する光学系であるとともに、測定装置による測定対象（被検光学系）である。

以下、測定装置の構成を説明する。投影光学系１６の側提示は、ビーム整形光学系２からの光束は、光路切換ミラー３によって反射された後に、引き回し光学系６によって原版１５の配置面の近傍に配置された干渉計ユニット２９の近傍に導光される。引き回し光学系６は、引き回し光学系６から出射した光束は、集光レンズ７により一点に集められる。ここで、集光レンズ７の焦点近傍にはピンホール８が配置されている。ピンホール８を通過した光束は、コリメータレンズ９により平行光へと変換される。ここで、ピンホール８の径はコリメータレンズ９の開口数によって決まるエアリーディスクと同程度に設定されている。この結果、ピンホール８から射出した光束はほぼ理想的な球面波となっている。

コリメータレンズ９からの平行光はハーフミラー１０により反射され、ＸＹＺステージ機構１３に配置された平面ミラー１１を介してＴＳ（透過球面）１２へとへと導かれる。ＴＳ１２は、前述のＴＳ１１４に相当する。

ここで、ＸＹＺステージ機構１３を移動させてＴＳ１２を光路に配置したり、光路から退避させたりすることができる。ＸＹＺステージ機構１３は、前述のＴＳ駆動機構ＴＳＤとして機能しうる。

基板１８を保持する基板ステージ機構としてのＸＹＺステージ機構１９には、ＲＳ２０が配置されている。ＲＳ２０は、前述のＲＳ１１７に相当する。ＲＳ２０の曲率中心は、基板１８の表面と同一の面に一致している。投影光学系１６からの光束は、ＲＳ２０によって反射され、ほぼ同一光路を辿りながら投影光学系１６、ＴＳ１２を通過し、平面ミラー１１を介して干渉計のハーフミラー１０を透過して干渉計ユニット２９に入射する。干渉計ユニット２９は、前述の干渉計ユニット１０２に相当する。

位置制御部３２による制御の下で、ＸＹＺステージ機構１３を制御する駆動制御部３０、および、ＸＹＺステージ機構１９を制御する駆動制御部３１は、それぞれＴＳ１２、ＲＳ２０の位置を高精度に制御する。主制御部（制御部）３３は、位置制御部３２を介してＸＹＺステージ機構１３およびＸＹＺステージ機構１９を制御するとともに、干渉計ユニット２９を制御する。主制御部（制御部）３３は、基板の露光動作を制御するほか、被検光学系としての投影光学系１６の開口数を測定する処理を実行し、その測定の内容は、第１実施形態における主制御部１３１と同様である。

［第３実施形態］
本発明の好適な実施形態のデバイス製造方法は、例えば、半導体デバイス、液晶デバイスの製造に好適であり、感光剤が塗布された基板の該感光剤に上記の露光装置を用いて原版のパターンを転写する工程と、該感光剤を現像する工程とを含みうる。さらに、他の周知の工程（エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を経ることによりデバイスが製造される。

本発明の第１実施形態の測定装置の概略構成を示す図である。 被検光学系の開口数（ＮＡ）を測定する動作の流れを示す図である。 フリンジスキャンにおける撮像センサの各画素の出力（画素値）の変化幅を例示的に示す図である。 本発明の第２実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。

Claims (6)

1. 被検光学系の開口数を測定する測定装置であって、
   前記被検光学系を通過する被検光を反射する反射鏡と、
   撮像センサを含み、参照光と前記反射鏡によって反射された被検光とによって前記撮像センサの撮像面に干渉縞を形成する干渉計ユニットと、
   前記干渉計ユニットを制御するとともに、前記撮像センサによって撮像された干渉縞に基づいて前記被検光学系の開口数を計算する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径（Ｒ）の変化（ΔＲ）に対する前記被検光学系の開口数（ＮＡ）の変化（ΔＮＡ）を示す係数（ΔＮＡ／ΔＲ）に対して前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径（Ｒ）を乗じることによって、前記被検光学系の開口数（ＮＡ）を計算する、
   ことを特徴とする測定装置。
2. 前記反射鏡を駆動する駆動機構を更に備え、
   前記制御部は、前記被検光学系に対する前記反射鏡の位置が第１状態および第２状態になるように前記駆動機構を制御し、
   前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径として第１半径（Ｒ１）を用いて前記第１状態において前記撮像面に形成される第１干渉縞に基づいて計算される前記被検光学系の波面と、前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径として前記第１半径（Ｒ１）を用いて前記第２状態において前記撮像面に形成される第２干渉縞に基づいて計算される前記被検光学系の波面と、の差分である差分波面Ｗ１と、
   前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径として第２半径（Ｒ２）を用いて前記第１干渉縞に基づいて計算される前記被検光学系の波面と、前記撮像面における前記被検光学系の瞳の半径として前記第２半径（Ｒ２）を用いて前記第２干渉縞に基づいて計算される前記被検光学系の波面との差分である差分波面Ｗ２と、
   前記第１状態と前記第２状態との間における前記反射鏡の移動量（ΔＸ）とに基づいて、
   ΔＮＡ／ΔＲ＝（Ｗ１−Ｗ２）／｛（Ｒ１−Ｒ２）・ΔＸ｝
   に従って前記係数（ΔＮＡ／ΔＲ）を計算する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記参照光は、前記被検光学系の物体面に配置された透過球面によって形成され、前記反射鏡は、前記被検光学系の像面に配置された反射球面である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記被検光学系は、露光装置において原版のパターンを基板に投影する投影光学系を含む、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 投影光学系によって原版のパターンを基板に投影し該基板を露光する露光装置であって、
   前記投影光学系を通過する被検光を反射する反射鏡と、
   撮像センサを含み、参照光と前記反射鏡によって反射された被検光とによって前記撮像センサの撮像面に干渉縞を形成する干渉計ユニットと、
   前記干渉計ユニットを制御するとともに、前記撮像センサによって撮像された干渉縞に基づいて前記投影光学系の開口数を計算する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記撮像面における前記投影光学系の瞳の半径（Ｒ）の変化（ΔＲ）に対する前記投影光学系の開口数（ＮＡ）の変化（ΔＮＡ）を示す係数（ΔＮＡ／ΔＲ）に対して前記撮像面における前記投影光学系の瞳の半径（Ｒ）を乗じることによって、前記投影光学系の開口数（ＮＡ）を計算する、
   ことを特徴とする露光装置。
6. デバイス製造方法であって、
   感光剤が塗布された基板を請求項５に記載の露光装置を用いて露光する工程と、
   前記感光剤を現像する工程と、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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