JP2010251495A - 光学特性計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象の光学系に関して計測される光強度分布の輪郭が円形でない場合にもその光学系の光学特性を正確に計測する。
【解決手段】投影光学系の開口数を計測する方法において、投影光学系の瞳面と共役な計測領域３４で光強度分布を計測し、その計測された光強度分布の仮の中心ＰＣの回りに、所定角度ｄθ毎に、その光強度分布を複数の領域Ａｉ内の光強度分布に分割し、複数の領域Ａｉ内の光強度分布のそれぞれの半径方向の差分から輪郭を求め、求められた複数の輪郭に基づいてその開口数を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、光学系の光学特性を計測する光学特性計測技術、及びこの光学特性計測技術を用いる露光技術に関する。

半導体素子又は液晶表示素子等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィ工程で、レチクルのパターンを投影光学系を介してウエハ（又はガラスプレート等）上に転写するために使用される露光装置において、投影光学系の解像度等の結像特性を所望の状態に設定するためには、投影光学系の開口数等の光学特性を高精度に計測する必要がある。

従来の投影光学系の開口数の計測方法として、投影光学系の瞳面と共役な位置で光強度分布を計測し、計測された光強度分布を外形中心（外形に基づいた中心）の回りに積分し、この積分（回転積分）によって求められた光強度の半径方向の差分を求め、この差分からその光強度分布の半径方向の輪郭（エッジ部）、ひいては開口数を求める計測方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開第２００５−３２２８５６号公報

従来の投影光学系の開口数の計測方法によれば、光強度分布の輪郭が円形である場合には開口数を正確に計測できる。しかしながら、従来の計測方法では、その計測された光強度分布の輪郭が円形でない場合に、その光強度分布の正確な形状、ひいては投影光学系の開口数等を高精度に計測することができない恐れがあった。
本発明は、このような事情に鑑み、計測対象の光学系に関して計測される光強度分布の輪郭が円形でない場合にも、その光学系の光学特性を正確に計測できる光学特性計測技術、及びこの光学特性計測技術を用いる露光技術を提供することを目的とする。

本発明による光学特性計測方法は、光学系の光学特性を計測する方法において、その光学系の所定面上又はこの面と光学的に共役な面上の計測面で光強度分布を計測する工程と、計測されたその光強度分布に関して設定した仮の中心の回りに、所定角度毎に、その計測された光強度分布を複数の領域の光強度分布に分割する工程と、その複数の領域の光強度分布のそれぞれの半径方向の差分から輪郭を求める工程と、求められたその複数の領域の輪郭に基づいてその光学系の光学特性を求める工程と、を含むものである。

また、本発明による露光方法は、照明光学系からの照明光で投影光学系を介して物体上にパターンを形成する露光方法において、本発明の光学特性計測方法を用いて、その照明光学系及びその投影光学系の少なくとも一方の光学特性を求めるものである。
また、本発明による光学特性計測装置は、光学系の光学特性を計測する装置において、その光学系の所定面上又はこの面と光学的に共役な面上の計測面で計測された光強度分布の情報を記憶する記憶装置と、計測されたその光強度分布に関して設定した仮の中心の回りに、所定角度毎に、その計測された光強度分布を複数の領域の光強度分布に分割する分割手段と、その複数の領域の光強度分布のそれぞれの半径方向の差分から輪郭を求める輪郭特定手段と、その複数の領域の輪郭に基づいてその光学系の光学特性を求める演算手段と、を含むものである。

また、本発明による露光装置は、照明光学系からの照明光で投影光学系を介して物体上にパターンを形成する露光装置において、その照明光学系及びその投影光学系の少なくとも一方の光学特性を求めるために、本発明の光学特性計測装置を備えたものである。

本発明によれば、計測面上で計測された光強度分布を仮の中心の回りに複数の領域の分布に分割し、その複数の領域の分布のそれぞれの半径方向の差分から輪郭を求めている。従って、その光強度分布の輪郭（エッジ部）が円形でない場合にも光学系の光学特性を正確に計測できる。

本発明の実施形態の一例の露光装置の概略構成を示す図である。 図１の投影光学系の開口数情報を計測している開口数計測装置２１の構成を示す図である。 投影光学系の開口数情報を計測する動作の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は計測された光強度分布の一例を示す図、（Ｂ）は計測領域を暫定中心の回りに角度ｄθ毎の複数の扇形の領域Ａｉに分割した状態を示す図、（Ｃ）は図４（Ｂ）中の一つの扇形の領域Ａ１を示す図、（Ｄ）は図４（Ｃ）中の半径方向に幅ｄｒの一つの部分領域Ａ１ｊを示す拡大図である。 （Ａ）は図４（Ｂ）中の扇形の領域Ａ１〜Ａ３内の半径方向に規格化された光強度分布の一例を示す図、（Ｂ）は図５（Ａ）の半径方向の光強度分布の差分を示す図、（Ｃ）はその差分から求めた光強度分布の輪郭の一例を示す図である。 （Ａ）は光強度分布の輪郭に対応する半径Ｒ（θ）の一例を示す図、（Ｂ）は半径Ｒ（θ）のフーリエ変換の０次成分を示す図、（Ｃ）はそのフーリエ変換の１次成分を示す図、（Ｄ）はそのフーリエ変換の２次成分を示す図である。 （Ａ）は光強度分布の仮の中心及び真の中心を示す図、（Ｂ）は光強度分布の楕円率の説明に供する図である。 （Ａ）は実施形態の他の例の光強度分布を示す図、（Ｂ）は図８（Ａ）の光強度分布を複数の扇型の領域の分布に分割する場合を示す図、（Ｃ）は図８（Ｂ）の光強度分布の輪郭を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図１〜図７を参照して説明する。
図１は、本実施形態のスキャニングステッパ−よりなる走査露光型の露光装置（投影露光装置）の構成を示す。図１において、露光装置は、露光用の光源１と、光源１からの露光用の照明光（露光光）ＩＬでレチクルＲ（マスク）のパターン面（下面）のパターンを照明する照明光学系ＩＬＳと、レチクルＲの位置及び速度を制御するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲのパターンの像をフォトレジスト（感光材料）が塗布されたウエハＷ（基板）上に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷの位置及び速度を制御するウエハステージＷＳＴと、ウエハステージＷＳＴに組み込まれて投影光学系ＰＬの開口数情報を計測する開口数計測装置２１と、装置全体の動作を統括制御するコンピュータよりなる主制御系２０とを備えている。以下、図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向は、Ｙ軸に平行な方向（Ｙ方向）である。

光源１としてはＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されている。なお、光源１としては、ＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８ｎｍ）などの他のレーザ光源、ＹＡＧレーザ若しくは固体レーザ（例えば半導体レーザ等）等の高調波発生装置、又は水銀ランプなども使用できる。
光源１から射出された所定の偏光状態の紫外パルス光よりなる照明光ＩＬは、ビームエキスパンダ２により光束の断面形状が所望の形状に変換された後、光路折り曲げ用のミラー３及び偏光状態を制御するための偏光光学系４を介して回折光学素子（Diffractive Optical Element)７Ａに入射する。回折光学素子７Ａは、入射した矩形状の平行光束を回折して、ファーフィールドに光軸に関してほぼ対称な円形の通常照明用の照射領域を形成する。なお、回折光学素子７Ａと交換して配置可能に、輪帯照明用の照射領域、４極照明用の照射領域、及び２極照明用の照射領域を形成するための複数の回折光学素子（不図示）も備えられている。

また、回折光学素子７Ａを介して回折された光束は、前群レンズ系９ａ、凹の円錐面を持つ第１プリズム１０ａと凸の円錐面を持つ第２プリズム１０ｂとからなるアキシコン系１０、及び後群レンズ系９ｂを介して、オプティカルインテグレータとしてのマイクロレンズアレイ１１を照明する。前群レンズ系９ａ及び後群レンズ系９ｂから、所定範囲で焦点距離を連続的に変化させることができるズームレンズ（変倍光学系）９が構成されている。ズームレンズ９は、回折光学素子７Ａの射出面とマイクロレンズアレイ１１の後側焦点面とを光学的にほぼ共役に結んでいる。

回折光学素子７Ａから射出される照明光ＩＬは、ズームレンズ９の後側焦点面（ひいてはマイクロレンズアレイ１１の入射面）において、円形の照射領域に集光される。その照射領域の全体的な大きさは、ズームレンズ９の焦点距離に依存して変化する。例えばズームレンズ９のレンズ系９ａを主制御系２０の指令に基づいて光軸に沿って駆動することで、ズームレンズ９の焦点距離が所望の値に制御される。

また、アキシコン系１０において、第２プリズム１０ｂを主制御系２０の指令に基づいて光軸に沿って駆動し、プリズム１０ａ及び１０ｂの間隔を制御することによって、回折光学素子７Ａから射出された光束のマイクロレンズアレイ１１の入射面における光軸から半径方向の位置を制御できる。一方、上記のズームレンズ１１の焦点距離を制御することによって、一つ又は複数の照射領域の大きさを個別に制御できる。

マイクロレンズアレイ９の後側焦点面が照明光学系ＩＬＳの照明瞳面１２であり、照明瞳面１２は、レチクルＲのパターン面（被照射面）と光学的にフーリエ変換の関係にある。照明瞳面１２には、マイクロレンズアレイ１１への入射光束によって形成される照射領域とほぼ同じ光強度分布を有する二次光源、ここでは回折光学素子７Ａによって形成される円形の実質的な面光源からなる二次光源が形成される。

なお、照明瞳面ＩＰＰの近傍に、その二次光源の形状を整形するための開口が形成された開口絞り（不図示）を配置してもよい。このように開口絞りを用いる場合、回折光学素子７Ａが他の例えば４極照明用又は輪帯照明用の回折光学素子と交換されたときには、その開口絞りも４個の開口を有する開口絞り又は輪帯状の開口が形成された開口絞りと交換される。

マイクロレンズアレイ１１の後側焦点面（照明瞳面１２）を通過した照明光ＩＬは、第１リレーレンズ１３、レチクルブラインド１４（視野絞り）、第２リレーレンズ１５、光路折り曲げ用のミラー１６、及びコンデンサ光学系１７を介して、レチクルＲのパターン面（レチクル面）を重畳的に照明する。ビームエキスパンダ２からコンデンサ光学系１７までの光学部材を含んで照明光学系ＩＬＳが構成されている。この場合、レチクルブラインド１４の配置面は、そのレチクル面の共役面である。

なお、マイクロレンズアレイ１１の代わりにフライアイレンズ等を使用してもよい。
照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域内の所定の回路パターンの像が、両側（又はウエハ側に片側）テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは例えば１／４，１／５等）で、投影光学系ＰＬの像面に配置されたウエハＷ上の複数のショット領域の内の一つのショット領域の露光領域（照明領域と共役な領域）のレジスト層に転写される。投影光学系ＰＬの瞳面ＰＰ（照明瞳面１２と共役な面）には、開口絞りＡＳ（図２参照）が設置されている。なお、本実施形態の投影光学系ＰＬとしては、屈折系の他に、反射屈折系等も使用可能である。

また、レチクルＲは、レチクル面がＸＹ平面と平行な投影光学系ＰＬの物体面に配置されるようにレチクルステージＲＳＴ上に吸着保持され、レチクルステージＲＳＴは、レチクルベース（不図示）上にＹ方向に等速移動可能に、かつ少なくともＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸の回りの回転方向に微動可能に載置されている。レチクルステージＲＳＴの位置情報（回転角も含む）は、レチクルステージ駆動系２３内のレーザ干渉計によって計測されている。レチクルステージ駆動系２３は、その計測情報及び主制御系２０からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構を介してレチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。

一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージＷＳＴ上に吸着保持され、ウエハステージＷＳＴは、ウエハベース（不図示）上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（回転角も含む）は、ウエハステージ駆動系２４内のレーザ干渉計によって計測されている。ウエハステージ駆動系２４は、その計測情報及び主制御系２０からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構を介してウエハステージＷＳＴの位置及び速度を制御する。また、ウエハステージＷＳＴには、不図示のオートフォーカスセンサの計測情報に基づいて、走査露光中に露光領域内でウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込むための合焦機構が組み込まれている。

また、レチクルＲのアライメントを行うためのレチクルアライメント系（不図示）及びウエハＷのアライメントを行うためのウエハアライメント系（不図示）が備えられている。
露光時には、そのアライメントの結果に基づいて、ウエハステージＷＳＴをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動することで、ウエハＷが走査開始位置に移動する。その後、主制御系２０、レチクルステージ駆動系２３、及びウエハステージ駆動系２４の制御のもとで、照明光学系ＩＬＳからレチクルＲに対する照明光ＩＬの照射を開始して、レチクルステージＲＳＴを介して照明領域に対してＹ方向に速度ＶＲでレチクルＲを走査するのに同期して、ウエハステージＷＳＴを介して露光領域に対してウエハＷ上の一つのショット領域を対応する方向に速度β・ＶＲ（βは投影倍率）で走査する走査露光が行われる。そのステップ移動と走査露光とを繰り返すステップ・アンド・スキャン動作によって、ウエハＷ上の全部のショット領域にレチクルＲのパターンの像が転写される。

次に、投影光学系ＰＬの開口数情報を計測する場合には、レチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲの代わりにテストレチクルＲ１がロードされ、一例としてテストレチクルＲ１上に照明光ＩＬを拡散するための拡散板１８が配置される。そして、ウエハステージＷＳＴを駆動することによって、投影光学系ＰＬの露光領域にウエハステージＷＳＴ内の開口数計測装置２１の上面が配置される。

図２は、投影光学系ＰＬの開口数情報の計測時の拡散板１８から開口数計測装置２１までの光学系の構成を示す。図２において、テストレチクルＲ１の遮光膜中に、投影光学系ＰＬの光軸上の位置にピンホール１９が形成されている。また、開口数計測装置２１は、上面の遮光膜中にピンホール３１ａが形成された開口板３１と、ピンホール３１ａを通過した照明光ＩＬを平行光束に変換する対物レンズ３２と、対物レンズ３２で平行光束に変換された照明光ＩＬを受光するＣＣＤ又はＣＭＯＳ等からなる２次元の撮像素子３３とを備えている。ピンホール３１ａは対物レンズ３２の前側焦点面上に配置され、撮像素子３３の撮像面が配置されている計測面ＭＰは対物レンズ３２の後側焦点面上に配置されている。ピンホール３１ａは、ピンホール１９の像よりも大きく設定されている。

投影光学系ＰＬの開口数情報の計測時には、開口板３１の上面（ピンホール３１ａの形成面）が投影光学系ＰＬの像面に合致し、かつピンホール１９の投影光学系ＰＬによる像を開口板３１のピンホール３１ａが囲むように、開口数計測装置２１が計測位置に位置決めされる。この状態で、投影光学系ＰＬの瞳面ＰＰは、開口数計測装置２１の撮像素子３３上の計測面ＭＰと光学的に共役である。計測面ＭＰ上に位置する撮像素子３４の受光部である計測領域３４には、Ｘ方向及びＹ方向に所定周期で多数の画素が配置されている。

この配置で図１の照明光学系ＩＬＳを通常照明で、かつ最もコヒーレンスファクタ（σ値）が大きくなるように設定し、照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬで図２の拡散板１８を照明すると、拡散板１８から射出されるσ値が１よりも大きい広がり角の照明光ＩＬでピンホール１９が照明される。そして、ピンホール１９から射出される照明光ＩＬが、投影光学系ＰＬを介して開口数計測装置２１のピンホール３１ａ中にピンホール１９の像を形成し、ピンホール３１ａを通過した照明光ＩＬが、対物レンズ３２を介して撮像素子３３上の計測領域３４に投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの像に対応する照明光ＩＬの光強度分布を形成する。従って、撮像素子３３の撮像信号を用いてその光強度分布を計測し、この光強度分布に後述の画像処理を施すことによって、開口絞りＡＳの像の正確な形状、ひいては投影光学系ＰＬの正確な開口数等を求めることができる。

主制御系２０には、その撮像信号を処理して投影光学系ＰＬの開口数情報を求めるコンピュータよりなる演算装置２２が連結されている。演算装置２２内の記憶部２２ｍには、投影光学系ＰＬの瞳面ＰＰと開口数計測装置２１の計測面ＭＰとの間の倍率α（例えば縮小倍率）、及び撮像素子３３の多数の画素の配列周期等の情報が記憶されている。撮像素子３３の各画素から読み出された撮像信号は、主制御系２０を介して演算装置２２内の記憶部２２ｍに画像データ（デジタルデータ）として格納される。演算装置２２は、後述の所定の演算を行うための第１演算部２２ａ、第２演算部２２ｂ、及び第３演算部２２ｃを備えている。演算部２２ａ〜２２ｃはコンピュータのソフトウェア上の機能であるが、演算部２２ａ〜２２ｃを個別にハードウェアで構成してもよい。

以下、投影光学系ＰＬの開口数情報を計測するための動作の一例につき図３のフローチャートを参照して説明する。この開口数情報の計測は、例えば露光装置の組み立て調整後又は露光装置のメンテナンス時等に、投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳ（ひいては開口数ＮＡｔ）を所定の値に設定してから行われる。先ず、図３のステップ１０１で、図２に示すようにテストレチクルＲ１がロードされ、その上に拡散板１８が設置される。次のステップ１０２において、開口数計測装置２１のピンホール３１ａがテストレチクルＲ１のピンホール１９の像を囲むように、開口数計測装置２１が計測位置に移動する。次のステップ１０３において、照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬで拡散板１８を介してテストレチクルＲ１のピンホール１９を照明し、開口数計測装置２１の撮像素子３３の計測領域３４に形成される照明光ＩＬの光強度分布を計測し、この光強度分布に対応する撮像信号を画像データとして演算装置２２の記憶部２２ｍに格納する。

図４（Ａ）は、図２の計測領域３４上の光強度分布の一例を示す。図４（Ａ）において、明部は光強度が大きい部分であり、暗部は光強度が小さい部分である。また、図４（Ａ）において、図２のＸ方向及びＹ方向に対応する方向をそれぞれｘ方向及びｙ方向としている。なお、実際にはこれ以降の処理は画像データ上で行われるが、以下では便宜上、計測領域３４内の多数の画素で受光される光強度に対する処理として説明する。

即ち、次のステップ１０４において、演算装置２２の第１演算部２２ａは、記憶部２２ｍから図４（Ａ）の計測領域３４上の光強度分布を示す画像データを読み出し、図４（Ｂ）に示すように、例えば計測領域３４の中心の画素を暫定中心（仮の中心）ＰＣとする。なお、例えば計測された光強度分布がｘ方向及びｙ方向で所定の閾値を超える範囲の中心を暫定中心ＰＣとしてもよい。また、図４（Ｂ）において、点線の円周３５は、図４（Ａ）の光強度分布において、例えば光強度が所定の閾値よりも小さくなる位置という条件で定められた仮の輪郭（光強度が急激に小さくなるエッジ部）を表している。さらに第１演算部２２ａは、計測領域３４を暫定中心ＰＣの回りに角度ｄθの開き角の複数の扇型の領域Ａｉ（ｉ＝１，２，…，Ｉ）に分割する。扇型の領域Ａｉの個数Ｉ（Ｉは２以上の整数）は、一例として６４個、１２８個、２５６個等の後述のＤＦＴ（discrete Fourier Transform）に適した数である。この場合、角度ｄθは３６０°／Ｉとなる。また、扇型の領域Ａｉ内の光強度分布を扇型の分布とも呼ぶ。

次のステップ１０５において、第１演算部２２ａは、全部の扇型の領域Ａｉ内の光強度分布をそれぞれ半径方向に規格化する。この場合、図４（Ｂ）の暫定中心ＰＣに対して半径方向の距離をｒとして、暫定中心ＰＣを通りｘ軸に平行な軸に対して、各扇型の領域Ａｉの中心線が反時計回りになす角度をθｉとする。また、１番目の扇型の領域Ａ１の拡大図を図４（Ｃ）に示す。図４（Ｃ）において、扇型の領域Ａ１を半径方法（ｒ方向）に幅ｄｒ毎にＪ個（Ｊは２以上の整数）の部分領域Ａ１ｊ（ｊ＝１，２，３，…，Ｊ）に分割する。幅ｄｒは、例えば撮像素子３３の画素の配列周期に近い値か又はそれよりも大きい値である。さらに、図４（Ｄ）に示すように、半径ｒが（ｊ−１）ｄｒからｊ・ｄｒの範囲内の部分領域Ａ１ｊ内のｘ方向にｍ番目でｙ方向にｎ番目の画素３６で検出される光強度をＩｍｎ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）として、部分領域Ａ１ｊ内にある画素３６（有効画素）の個数をＮ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）とする。この場合、部分領域Ａ１ｊの外部にある画素３６Ｎの光強度は考慮されない。このとき、部分領域Ａ１ｊの規格化された光強度Ｓ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）は、次のように部分領域Ａ１ｊ内の有効画素の光強度の平均値である。なお、和記号Σｍｎは、有効画素の配列を示す添字ｍ及びｎに関する和を表している。

Ｓ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）＝｛ΣｍｎＩｍｎ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）｝／Ｎ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１） …（１）
また、式（１）の光強度Ｓ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）（ｊ＝０，１，…，Ｊ）をまとめて規格化された光強度Ｓ（ｒ，θ１）と表す。なお、半径ｒが（ｊ−１）ｄｒ〜ｊ・ｄｒまでの領域を複数の計算点に分割し、Ｓ（（ｊ−１）ｄｒ，θ１）及びＳ（ｊ・ｄｒ，θ１）の補間計算によってこれら複数の計算点にも光強度の値を割り当てて得られる光強度を規格化された光強度Ｓ（ｒ，θ１）としてもよい。その１番目の扇型の領域Ａ１と同様に、他の全部の扇型の領域Ａｉに対しても半径方向に規格化された光強度Ｓ（ｒ，θｉ）（規格化された分布）を求めることができる。この各扇型の領域Ａｉ毎の規格化された光強度Ｓ（ｒ，θｉ）は第２演算部２２ｂに供給される。図５（Ａ）に示すように、例えば３個の扇型の領域Ａ１〜Ａ３の規格化された光強度Ｓ（ｒ，θ１）〜Ｓ（ｒ，θ３）は半径ｒが小さい領域では大きく、半径ｒが或る程度大きくなると急激に小さくなる。

次のステップ１０６において、第２演算部２２ｂは、例えば次式から各扇型の領域Ａｉ内の規格化された光強度（規格化された分布）Ｓ（ｒ，θｉ）の半径方向の間隔ｄｒ（図４（Ｃ）の部分領域Ａ１ｊの幅）間の差分ΔＳ（ｒ，θｉ）を計算する。なお、上述のように補間計算で間隔ｄｒよりも狭い間隔で光強度Ｓ（ｒ，θｉ）を計算した場合には、その差分は、間隔ｄｒよりも狭い間隔で計算してもよい。

ΔＳ（ｒ，θｉ）＝Ｓ（ｒ＋ｄｒ，θｉ）−Ｓ（ｒ，θｉ） …（２）
さらに、第２演算部２２ｂは、各扇型の領域Ａｉ毎の差分ΔＳ（ｒ，θｉ）が最小値（極値）となるときの半径ｒの値Ｒ（θｉ）を求める。この値Ｒ（θｉ）が、その領域Ａｉ内の光強度分布の輪郭Ｂｉ（ｉ＝１〜Ｉ）の半径（暫定中心ＰＣからの距離）であり、これらの光強度分布の輪郭Ｂｉの半径Ｒ（θｉ）（ｉ＝１〜Ｉ）は第３演算部２２ｃに供給される。

図５（Ａ）の３個の光強度Ｓ（ｒ，θ１）〜Ｓ（ｒ，θ３）の差分ΔＳ（ｒ，θ１）〜ΔＳ（ｒ，θ３）の計算結果の一例を図５（Ｂ）に示す。図５（Ｂ）において、各差分ΔＳ（ｒ，θ１）〜ΔＳ（ｒ，θ３）の最小値がそれぞれ輪郭Ｂ１〜Ｂ３の半径Ｒ（θ１）〜Ｒ（θ３）である。図５（Ｃ）は、そのように各扇型の領域Ａｉ毎に求めた半径Ｒ（θｉ）の輪郭Ｂｉを計測領域３４内に表示したものである。

次のステップ１０７において、第３演算部２２ｃは、図５（Ｃ）の光強度分布の輪郭Ｂｉの半径Ｒ（θｉ）（ｉ＝１〜Ｉ）に最小２乗法的に適合する円周３５Ａの中心ＧＣ及び半径Ｒ’を求める。その中心ＧＣは、光強度分布の重心であり、半径Ｒ’は重心ＧＣから円周３５Ａまでの平均距離である。次のステップ１０８において、第３演算部２２ｃは、その半径Ｒ’に開口数計測装置２１の対物レンズ３２の倍率αの逆数を乗じて投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳの半径ＲＡＳを求め、この半径ＲＡＳから投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを計算する。この開口数ＮＡの情報は主制御系２０に供給される。主制御系２０では、その開口数ＮＡを実際に設定されている開口絞りＡＳに対応する投影光学系ＰＬの開口数ＮＡｔと比較し、その誤差が許容範囲を超える場合には一例として開口絞りＡＳの駆動量を補正する。

次のステップ１０９において、第３演算部２２ｃは、ステップ１０６で求められた光強度分布の輪郭Ｂｉの半径Ｒ（θｉ）（ｉ＝１〜Ｉ）を、暫定中心ＰＣの回りの角度θを用いて半径Ｒ（θ）とみなし、この半径Ｒ（θ）を角度θに関してフーリエ変換する。この際に、例えばＦＦＴ等のＤＦＴ(discrete Fourier Transform)が使用される。この場合、０次係数ａ０、１次係数ａ１，ｂ１、及び２次係数ａ２，ｂ２等のフーリエ係数を用いると、半径Ｒ（θ）は次のように表されるとともに、そのＤＦＴによってそれらのフーリエ係数の値が決定される。

Ｒ（θ）＝ａ０＋ａ１・cosθ＋ｂ１・sinθ＋ａ２・cos(2θ)＋ｂ２・sin(2θ) …（３）
半径Ｒ（θ）が例えば図６（Ａ）のような角度θ（ｄｅｇ）の関数であるとすると、０次係数ａ０、１次係数ａ１，ｂ１の関数、及び２次係数ａ２，ｂ２の関数はそれぞれ図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、及び図６（Ｄ）に示すような関数となる。なお、半径Ｒ（θ）を３次以上の係数（フーリエ係数）を用いて表してもよい。

次のステップ１１０において、第３演算部２２ｃは、その０次係数ａ０を計測領域３４上の光強度分布の半径Ｒ’とみなし、この半径Ｒ’から投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを計算し、計算結果を主制御系２０に供給する。
次のステップ１１１において、第３演算部２２ｃは、その１次係数ａ１，ｂ１を用いて、図７（Ａ）に示す計測領域３４上の光強度分布の輪郭Ｂｉ（ｉ＝１，２，…）の暫定中心ＰＣから真の中心Ｃまでの距離Ｒｃ及び角度θｃを以下の式から近似的に計算し、計算結果を主制御系２０に供給する。

この場合、角度θｃは、真の中心Ｃを通り＋ｘ方向に向かう直線と、中心Ｃと暫定中心ＰＣとを結ぶ直線とがなす角度である。また、真の中心Ｃと、輪郭Ｂｉとの平均距離がステップ１１０で求めた半径Ｒ’である。

次のステップ１１２において、第３演算部２２ｃは、その２次係数ａ２，ｂ２を用いて、次式から光強度分布の輪郭Ｂｉの楕円率（ここでは、長軸の長さと短軸の長さとの差分、及び長軸方向の角度θｅ）を計算し、計算結果を主制御系２０に供給する。

この場合、図７（Ｂ）に示すように、真の中心Ｃに関して半径Ｒ’の円周３５Ｂに対して、式（３）より決定される楕円３５Ｅの長軸の長さと短軸の長さとの差分が式（６）であり、楕円３５Ｅの長軸方向３７が真の中心Ｃを通り＋ｘ方向に伸びる直線に対してなす角度θｅが式（７）である。

主制御系２０では、一例として第３演算部２２ｃから供給された半径Ｒ’、暫定中心ＰＣから真の中心Ｃまでの距離及び角度、並びに楕円率が所定の許容範囲を超えている場合にはそれに応じた処理（例えば開口絞りＡＳの駆動量の補正等）を行うことができる。
これによって投影光学系ＰＬの開口数情報の計測が終了する。
本実施形態の作用効果等は以下の通りである。

（１）本実施形態の図１の露光装置に備えられ、投影光学系ＰＬの開口数情報（光学特性）を計測する計測装置は、投影光学系ＰＬの瞳面ＰＰと光学的に共役な計測面ＭＰで計測された光強度分布の情報を記憶する演算装置２２内の記憶部２２ｍと、計測されたその光強度分布上に設定した暫定中心ＰＣ（仮の中心）の回りに、角度ｄθ毎に、その光強度分布を複数の扇型の領域Ａｉの光強度分布に分割する第１演算部２２ａ（分割手段）と、複数の扇型の領域Ａｉ内の光強度Ｓ（ｒ，θｉ）のそれぞれの半径方向の差分から輪郭Ｂｉを求める第３演算部２２ｃ（輪郭特定手段）と、その複数の輪郭Ｂｉに基づいて投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを求める第３演算部２２ｃ（演算手段）とを備えている。

また、その計測装置は、計測面ＭＰ上の光強度分布を計測する開口数計測装置２１を備えている。
また、その計測装置を用いて投影光学系ＰＬの開口数情報を計測する計測方法は、計測面ＭＰで光強度分布を計測するステップ１０３と、計測された光強度分布の暫定中心ＰＣの回りに角度ｄθ毎にその光強度分布を複数の扇型の領域Ａｉの分布に分割するステップ１０４と、その複数の扇型の領域Ａｉの光強度分布の半径方向の差分から輪郭Ｂｉ（半径Ｒ（θｉ））を求めるステップ１０６と、求められた複数の輪郭Ｂｉに基づいて投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを求めるステップ１０７，１０８と、を含んでいる。

本実施形態によれば、その計測された光強度分布の輪郭（エッジ部）が円形でない場合にも、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを正確に求めることができる。
なお、本実施形態では、計測領域３４の光強度分布を暫定中心ＰＣの回りに等しい角度ｄθの複数の扇型の領域Ａｉの分布に分割しているが、各扇型の領域Ａｉの角度は互いに異なっていてもよい。

（２）また、ステップ１０４に続いて、複数の扇型の領域Ａｉ内の光強度分布を半径方向に部分領域Ａ１ｊ等毎に平均化することで規格化するステップ１０５が実行されている。従って、各扇型の領域Ａｉ内の光強度分布を半径方向に等しい相対強度で処理できる。
（３）また、ステップ１０７では複数の輪郭Ｂｉから最小二乗法によって光量の重心ＧＣを求め、重心ＧＣから輪郭Ｂｉまでの平均距離を半径Ｒ’として求めている。従って、ステップ１０４で設定する暫定中心ＰＣの位置に関係なく、輪郭Ｂｉに対応する光量分布の中心を正確に決定することができる。

（４）また、第３演算部２２ｃは、ステップ１０９，１１０において、ステップ１０６で求められた複数の輪郭Ｂｉの半径Ｒ（θｉ）に対応する半径Ｒ（θ）を角度θに関してフーリエ変換し、このフーリエ変換によって求められた０次係数ａ０からその輪郭Ｂｉが円周であると仮定した場合の半径Ｒ’を求めている。
従って、計測された光強度分布の輪郭が円形でない場合にも、その光強度分布の輪郭までの真の中心Ｃからの平均距離として半径を高精度に求めることができる。

（５）また、第３演算部２２ｃは、ステップ１１１，１１２において、そのフーリエ変換によって求められた係数ａ１，ｂ１及び係数ａ２，ｂ２を用いて、計測領域３４上の光強度分布の暫定中心ＰＣと真の中心Ｃとの位置関係の情報（式（４）及び（５））、及び光強度分布の輪郭の楕円率の情報（式（６）及び（７））を求めている。従って、その光強度分布の真の中心Ｃの位置を求めることができるとともに、その光強度分布の輪郭が円形でない場合に、その楕円率を求めることができる。

なお、その暫定中心ＰＣと真の中心Ｃとの位置関係及びその楕円率の少なくとも一方を計算するだけでもよい。
また、ステップ１０７及び１０８を実行する場合には、ステップ１０９〜１１２までのフーリエ変換を用いた処理は省略することが可能である。さらに、ステップ１０９〜１１２まで（又はステップ１０９及び１１０のみ）のフーリエ変換を用いた処理を実行する場合には、ステップ１０７及び１０８の処理を省略することが可能である。

（６）また、本実施形態の露光装置は、照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬでレチクルＲを照明し、レチクルＲ及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上にパターンを形成する露光装置において、投影光学系ＰＬの開口数情報を求めるために本実施形態の開口数計測装置２１及び演算装置２２を含む計測装置を備えている。
また、その露光装置による露光方法は、図３の計測方法を用いて投影光学系ＰＬの開口数情報を求めている。

従って、投影光学系ＰＬの開口数を高精度に計測できるため、その開口数を正確に設定することができ、レチクルＲのパターンの像を高精度にウエハＷ上に露光できる。
なお、本実施形態では、投影光学系ＰＬの開口数等を計測しているが、例えば図２において、拡散板１８を照明光ＩＬの光路外に退避させて、開口数計測装置２１の計測領域３４の光強度分布を計測してもよい。この場合には、その光強度分布は、照明光学系ＩＬＳの照明瞳面１２における光強度分布に対応しているため、その光強度分布を上記の実施形態の図３の方法で処理することによって、その光強度分布の輪郭の形状、ひいては照明光学系ＩＬＳの開口数又はコヒーレンスファクタを計測できる。

このように照明光学系ＩＬＳの照明瞳面１２上の光強度分布を計測する場合、その光強度分布は例えば４極照明時のように複数の領域に分かれていてもよい。
図８（Ａ）は、４極照明時に図２の開口数計測装置２１の計測領域３４に形成される光強度分布の一例を示す。図８（Ａ）において、４箇所のほぼ扇型の領域４５Ａ〜４５Ｄで光強度が大きくなる。その領域４５Ａ〜４５Ｄは、例えば図１の所定の回折光学素子（不図示）によって照明瞳面１２に形成される光強度分布に対応している。なお、さらに照明瞳面１２に４つの開口を有する開口絞り（不図示）が配置された場合には、一例として図８（Ａ）の計測領域３４上で点線で示す扇型の領域４６Ａ〜４６Ｄにおいて光強度が大きくなる。

この場合、計測領域３４で計測される光強度分布を、ステップ１０４に対応して、図８（Ｂ）に示すように、例えば中心の画素に対応する暫定中心ＰＣの回りに角度ｄθ毎に設定された複数の扇型の領域Ａｉ内の光強度分布に分割し、各扇型の領域Ａｉ内の光強度分布をステップ１０５のように半径方向に規格化する。その後、図８（Ｃ）に示すように、ステップ１０６に対応して、各扇型の領域Ａｉ内の光強度分布の差分の最大値及び最小値から内側の輪郭ＢＡｉ及び外側の輪郭ＢＢｉ（ｉ＝１，２，…）を求める。このときには、暫定中心ＰＣから輪郭ＢＡｉ及びＢＢｉまでの距離（半径）ＲＡｉ及びＲＢｉが求められる。従って、例えばステップ１０９〜１１１に対応する工程では、例えば内側の輪郭ＢＡｉに対してフーリエ変換法によって真の中心Ｃを求めることができる。さらに、内側の輪郭ＢＡｉの形状及び外側の輪郭ＢＢｉの形状を求めることができるため、この結果から図８（Ａ）の４箇所の領域４５Ａ〜４５Ｄの形状、ひいては図１の照明瞳面１２上での光強度分布の形状を高精度に求めることができる。

また、照明光学系ＩＬＳの照明瞳面１２における光強度分布を計測する場合には、照明瞳面１２上に直接に撮像素子を配置してその光強度分布を計測してもよい。
なお、上記の実施形態ではオプティカルインテグレータとしてマイクロレンズアレイ１１が使用されているが、本発明は、オプティカルインテグレータとして、ロッドインテグレータを用いる場合等にも適用可能である。

なお、本発明は、上述の走査露光型の露光装置で光学特性を計測する場合の他に、ステッパー等の一括露光型の露光装置で光学特性を計測する場合にも適用できる。さらに、本発明は、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている液浸型露光装置で光学特性を計測する場合にも適用できる。

また、本発明は、半導体デバイスの製造プロセスで使用される露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置の製造プロセスや、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム)、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスの製造プロセスで使用される露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の、露光装置にも適用することができる。

また、本発明は、露光装置以外の例えば顕微鏡、又はデジタルカメラの対物レンズ等の開口数等の光学特性を計測する場合にも適用可能である。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。

Ｒ…レチクル、Ｒ１…テストレチクル、１９…ピンホール、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＩＬＳ…照明光学系、７Ａ…回折光学素子、１１…マイクロレンズアレイ、１２…照明瞳面、２０…主制御系、２１…開口数計測装置、２２…演算装置、３３…撮像素子、３４…計測領域、Ａｉ…扇型の領域、Ｂｉ…輪郭

Claims (13)

1. 光学系の光学特性を計測する方法において、
   前記光学系の所定面上又はこの面と光学的に共役な面上の計測面で光強度分布を計測する工程と、
   計測された前記光強度分布に関して設定した仮の中心の回りに、所定角度毎に、計測された前記光強度分布を複数の領域の光強度分布に分割する工程と、
   前記複数の領域の光強度分布のそれぞれの半径方向の差分から輪郭を求める工程と、
   求められた前記複数の領域の前記輪郭に基づいて前記光学系の光学特性を求める工程と、
   を含むことを特徴とする光学特性計測方法。
2. 計測された前記光強度分布を前記複数の領域の光強度分布に分割する工程は、
   分割された前記複数の領域の光強度分布をそれぞれ半径方向に規格化する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
3. 前記光学特性を求める工程は、
   求められた前記複数の領域の前記輪郭から前記光強度分布の光量重心を求める工程と、
   前記光量重心から前記複数の領域の前記輪郭までの距離の平均値を求める工程とを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学特性計測方法。
4. 前記光学特性を求める工程は、
   前記仮の中心から前記複数の領域の前記輪郭までの距離を、前記仮の中心の回りの円周方向に関してフーリエ変換する工程と、
   前記フーリエ変換された結果から前記光強度分布の輪郭を円周と仮定した場合の半径を求める工程とを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学特性計測方法。
5. 前記光学特性を求める工程は、
   前記フーリエ変換された結果から前記光強度分布の輪郭の中心及び楕円率の少なくとも一方を求める工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の光学特性計測方法。
6. 照明光学系からの照明光で投影光学系を介して物体上にパターンを形成する露光方法において、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測方法を用いて、前記照明光学系及び前記投影光学系の少なくとも一方の光学特性を求めることを特徴とする露光方法。
7. 前記光学特性計測方法を用いて、前記投影光学系の開口数を求めることを特徴とする請求項６に記載の露光方法。
8. 光学系の光学特性を計測する装置において、
   前記光学系の所定面上又はこの面と光学的に共役な面上の計測面で計測された光強度分布の情報を記憶する記憶装置と、
   計測された前記光強度分布に関して設定した仮の中心の回りに、所定角度毎に、計測された前記光強度分布を複数の領域の光強度分布に分割する分割手段と、
   前記複数の領域の光強度分布のそれぞれの半径方向の差分から輪郭を求める輪郭特定手段と、
   前記複数の領域の前記輪郭に基づいて前記光学系の光学特性を求める演算手段と、
   を含むことを特徴とする光学特性計測装置。
9. 前記分割手段は、分割された前記複数の領域の光強度分布をそれぞれ半径方向に規格化することを特徴とする請求項８に記載の光学特性計測装置。
10. 前記演算手段は、
    前記複数の領域の前記輪郭から前記光強度分布の光量重心を求め、前記光量重心から前記輪郭までの距離の平均値を求めることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の光学特性計測装置。
11. 前記演算手段は、
    前記仮の中心から前記複数の領域の前記輪郭までの距離を、前記仮の中心の回りの円周方向に関してフーリエ変換し、前記フーリエ変換された結果から前記仮の中心から前記光強度分布の輪郭までの平均距離を求めることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の光学特性計測装置。
12. 前記演算手段は、
    前記フーリエ変換された結果から前記光強度分布の輪郭の中心及び楕円率の少なくとも一方を求めることを特徴とする請求項１１に記載の光学特性計測装置。
13. 照明光学系からの照明光で投影光学系を介して物体上にパターンを形成する露光装置において、
    前記照明光学系及び前記投影光学系の少なくとも一方の光学特性を求めるために、請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の光学特性計測装置を備えたことを特徴とする露光装置。

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