JP2023058264A - 瞳観察方法、撮像方法、および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結像光学系の周辺に追加光学系を配置する必要のない瞳観察方法、撮像方法、および撮像装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る瞳観察方法は、照明光学系１３および結像光学系１５を備える光学系における瞳観察方法である。本発明に係る瞳観察方法は、照明光学系１３を通過した第１の瞳強度分布を撮像するステップと、照明光学系１３の瞳にピンホールを設置して、瞳をピンホールでスキャンし、ピンホールの位置ごとの結像光学系１５の出射光の強度を、第２の瞳強度分布として測定するステップと、第１の瞳強度分布および第２の瞳強度分布に基づいて、第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、結像光学系１５を通過した第３の瞳強度分布を算出するステップと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、瞳観察方法、撮像方法、および撮像装置に関する。

フォトマスク等の観察対象を観察する光学装置が、像面を観察する機能に加えて瞳を観察する機能を備える場合がある。特許文献１は、ベルトランレンズを用いて光学系を通過した瞳強度分布を測定する技術を開示している。

特開２０１０－２７１１８６号公報 特表２０２０－５２０４８１号公報 特表２０２０－５２２１２４号公報 特表２０１９－５２９９７１号公報 特表２０１６－５３４３８１号公報 特開平０７－３３３１６４号公報

光学装置における瞳強度分布を測定する場合、結像光学系の周辺にミラーやレンズ（例えば、ベルトランレンズ）を含む追加光学系を配置する必要があるという問題がある。特にＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光学系では使用可能な光学素子とそのサイズに制限があるため、追加光学系を適切な位置に配置することは困難であった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、結像光学系の周辺に追加光学系を配置する必要のない瞳観察方法、撮像方法、および撮像装置を提供する。

本発明に係る瞳観察方法は、
照明光学系および結像光学系を備える光学系における瞳観察方法であって、
前記照明光学系を通過した第１の瞳強度分布を撮像するステップと、
前記照明光学系の瞳にピンホールを設置して、前記瞳を前記ピンホールでスキャンし、前記ピンホールの位置ごとの前記結像光学系の出射光の強度を、第２の瞳強度分布として測定するステップと、
前記第１の瞳強度分布および前記第２の瞳強度分布に基づいて、前記第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、前記結像光学系を通過した第３の瞳強度分布を算出するステップと、
を含む。

また、本発明に係る撮像方法は、
照明光学系および結像光学系を備える光学系を用いて観察対象を撮像する撮像方法であって、
前記照明光学系を通過した第１の瞳強度分布を撮像するステップと、
前記照明光学系の瞳にピンホールを設置して、前記瞳を前記ピンホールでスキャンし、前記ピンホールの位置ごとの前記結像光学系の出射光強度を、第２の瞳強度分布として測定するステップと、
前記第１の瞳強度分布および前記第２の瞳強度分布に基づいて、前記第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、前記結像光学系を通過した第３の瞳強度分布を算出するステップと、
前記光学系を用いて前記観察対象を撮像するステップと、
を含む。

また、本発明に係る撮像装置は、
照明光学系および結像光学系を備える光学系と、
前記照明光学系を通過した第１の瞳強度分布を撮像する第１撮像部と、
前記照明光学系の瞳にピンホールを設置して、前記瞳を前記ピンホールでスキャンする瞳制御部と、
前記結像光学系の出射光を検出する第２撮像部と、
前記ピンホールの位置ごとの前記出射光の強度を第２の瞳強度分布として測定する測定部と、
前記第１の瞳強度分布および前記第２の瞳強度分布に基づいて、前記第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、前記結像光学系を通過した第３の瞳強度分布を算出する算出部と、
を備える。

本発明によれば、結像光学系の周辺に追加光学系を配置する必要のない瞳観察方法、撮像方法、および撮像装置を提供できる。

実施形態１にかかる撮像装置の概略構成図である。 実施形態１にかかる撮像装置の構成例を示す概略構成図である。 実施形態１にかかる瞳観察方法の流れを示すフローチャートである。

以下、本実施形態の具体的構成について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。

（実施形態１）
図１は、実施形態１にかかる撮像装置１０の構成を示す概略構成図である。撮像装置１０は、光源１１、瞳制御部１２、照明光学系１３、第１撮像部１４、結像光学系１５、第２撮像部１６、および処理装置１７を備えている。

撮像装置１０は、照明光学系１３および結像光学系１５を含む光学系を用いて観察対象２０を撮像する機能に加え、後述する第３の瞳強度分布を算出する機能を備える。第３の瞳強度分布は、後述する第１の瞳強度分布および後述する第２の瞳強度分布に基づいて算出される。

観察対象２０はステージ（不図示）に搭載されている。観察対象２０は、例えばＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）マスクである。なお、観察対象２０は、フォトマスクに限られるものではなく、その他の観察対象（例えば、ウェーハ）であってもよい。

観察対象２０の撮像時、観察対象２０は、後述する照明光学系１３の照明領域に配置されている。一方、後述する第１の瞳強度分布の撮像時、後述する第１撮像部１４が撮像を行うため、観察対象２０は照明領域から退避されていてもよい。また、後述する第２の瞳強度分布の測定時、後述する第２撮像部１６が測定を行うために、観察対象２０を用いて照明光を反射させてもよい。具体的には、観察対象２０がＥＵＶマスクである場合、ＥＵＶマスクのマルチレイヤを用いて、照明光を反射させてもよい。

光源１１は、照明光Ｌ１１を発生する。光源１１は、ランプ光源、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源、レーザ光源などである。光源１１は、ＥＵＶ光を発生させてもよい。光源１１からの照明光Ｌ１１は、瞳制御部１２に入射する。

瞳制御部１２は、後述する第２の瞳強度分布の測定時、後述する照明光学系１３の瞳にピンホールを設置して、瞳をピンホールでスキャンする。例えば、瞳制御部１２は、照明光Ｌ１１が通過するアパーチャ（不図示）を備えており、アパーチャ（不図示）をピンホールでスキャンする。アパーチャ（不図示）は、複数の光が透過する領域を持ち、任意の瞳分布を実現するプレート、例えばシグマアパーチャプレートを指す。

瞳制御部１２は、図１に示すように、ピンホール１２１１を有するプレート１２１を備えていてもよい。プレート１２１は、照明光Ｌ１１の進行方向に対して垂直に配置される。瞳制御部１２は、プレート１２１を移動させることで、矢印で示されるように、瞳３０をピンホール１２１１でスキャンする。

なお、アパーチャ（不図示）の位置は、図１の瞳制御部１２の内部には限定されない。後述する照明光学系１３の内部に、アパーチャ（不図示）が含まれていてもよい。

照明光学系１３は、照明光Ｌ１１をステージ（不図示）上に導く光学系である。照明光学系１３がＥＵＶ光学系である場合、照明光学系１３は、反射光学系であり、ミラーを用いて照明光Ｌ１１をステージ（不図示）上に導く。

第１撮像部１４は、照明光学系１３を通過した第１の瞳強度分布を撮像する。第１撮像部１４は、撮像素子観察側とも称される。上述の通り、観察対象２０は、このとき撮像領域から退避していてもよい。第１撮像部１４は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の２次元イメージセンサである。第１撮像部１４は、後述する処理装置１７に第１の瞳強度分布を出力する。

第１撮像部１４は、照明光学系１３の出射光の進行方向に対して、観察対象２０より先に配置されている。換言すると、照明光学系１３が観察対象２０より上側に配置されている場合、第１撮像部１４は観察対象２０より下側に配置されており、第１の瞳強度分布を下から撮像する。

第１の瞳強度分布は、後述する第２の瞳強度分布よりも解像度が高い。しかし、第１の瞳強度分布は結像光学系１５を通過した瞳強度分布ではないため、第１の瞳強度分布の撮像は、撮像装置１０の光学系全体の瞳観察方法としては理想的ではない。

結像光学系１５は、観察対象２０によって反射された反射光Ｌ１２を集光し、出射光Ｌ１３を出射する。観察対象２０の撮像時だけでなく、後述する第２の瞳強度分布の測定時にも、反射光Ｌ１２は結像光学系１５を通過する。結像光学系１５は、対物レンズ、反射型対物ミラーであってもよい。

第２撮像部１６は、結像光学系１５の出射光Ｌ１３を検出し、電気信号を処理装置１７に出力する。第２撮像部１６は、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳイメージセンサなどである。第２撮像部１６の検出結果は、観察対象２０の撮像だけでなく、後述する第２の瞳強度分布の測定にも用いられる。

処理装置１７は、プロセッサやメモリなどを備えたコンピュータである。処理装置１７は、測定部１７１および算出部１７２を備えている。

測定部１７１は、第２撮像部１６による検出結果を受け取り、ピンホール１２１１の位置ごとの出射光Ｌ１３の強度を、第２の瞳強度分布として測定する。出射光Ｌ１３の強度は、第２撮像部１６における信号強度の積算値として検出されてもよい。測定部１７１は、第２の瞳強度分布の測定結果を、後述する算出部１７２に出力する。

第２の瞳強度分布は、結像光学系１５を通過した瞳強度分布ではあるが、第１の瞳強度分布よりも解像度が低い。解像度を上げるためにピンホール１２１１のサイズを小さくすると、第２撮像部１６での信号強度が小さくなり、測定精度が低下するからである。したがって、第２の瞳強度分布の測定は、撮像装置１０の光学系の瞳観察方法としては理想的ではない。

算出部１７２は、第１の瞳強度分布および第２の瞳強度分布に基づいて、第３の瞳強度分布を算出する。第３の瞳強度分布は、結像光学系１５を通過した瞳強度分布であり、第２の瞳強度分布よりも解像度が高い。第３の瞳強度分布を算出することにより、撮像装置１０の光学系の瞳をより適切に観察できる。

算出部１７２は、具体的には、第１の瞳強度分布と第２の瞳強度分布の積に基づいて第３の瞳強度分布を算出できる。算出部１７２は、第１の瞳強度分布または第２の瞳強度分布を正規化した後、両者の積を算出してもよい。

撮像装置１０は、第３の瞳強度分布を算出する機能に加えて、観察対象２０を撮像する機能を備える。撮像装置１０によると、第３の瞳強度分布を用いて光学系の瞳の状態を観察し、観察対象２０の撮像が適切に行われているか否かを判断できる。

撮像装置１０は、上述した第１の瞳強度分布および上述した第２の瞳強度分布に基づいて、第３の瞳強度分布を算出する。したがって、撮像装置１０は、結像光学系１５の周辺に追加光学系を配置することなく、適切に瞳を観察できる。換言すると、撮像装置１０によると、光学系の設置空間を最小化しつつ、結像光学系を通過した瞳を観察できる。

次に、図２を参照して、光学系がＥＵＶ光学系である場合について詳細に説明する。図２は、撮像装置１０ａの構成を示す概略図である。撮像装置１０ａは、上述した撮像装置１０の具体例である。観察対象２０は、ＥＵＶマスクであり、照明光を反射するマルチレイヤを備える。ＥＵＶマスクには、ペリクルが取り付けられていてもよい。

撮像装置１０ａは、光源１１、瞳制御部１２、反射光学系１３１、ベンディングミラー１３２、第１撮像部１４、結像光学系１５、第２撮像部１６、および処理装置１７を備えている。図２では、説明の明確化のため、ＸＹＺの３次元直交座標系を示している。なお、Ｚ方向が鉛直方向であり、観察対象２０の厚さ方向と平行な方向である。したがって、Ｚ方向が高さ方向となる。

以下では、図１と異なる点を中心に説明する。光源１１は、ＥＵＶ光を発生するＥＵＶ源である。瞳制御部１２は、図２において瞳制御部１２の上に示すように、ピンホール１２１１を有するプレート１２１を備えている。また、瞳制御部１２は、図２において瞳制御部１２の下に示すように、パターンが形成されたシグマアパーチャプレート１２２を備えている。プレート１２１およびシグマアパーチャプレート１２２は、Ｙ軸に対して垂直に配置される。瞳制御部１２は、第２の瞳強度分布の測定時、プレート１２１をＸＺ面内で移動させることで、照明光Ｌ１１の瞳３０をスキャンする。

反射光学系１３１およびベンディングミラー１３２は、上述した照明光学系１３を構成する。反射光学系１３１およびベンディングミラー１３２は、照明光Ｌ１１を観察対象が配置されたステージ上に導く。

第１撮像部１４は、観察対象２０よりもＺ軸負方向側に位置しており、第１の瞳強度分布を撮像する。図２において第１撮像部１４の下に示す画像は、第１の瞳強度分布Ｐ１を示している。光強度はグレースケールで表されている。第１の瞳強度分布Ｐ１は、白抜き矢印で示すように、シグマアパーチャプレート１２２に形成されたパターンを含んでいる。

結像光学系１５は、観察対象２０で反射された反射光Ｌ１２を集光し、第２撮像部１６に入射させる。第２撮像部１６は、例えば、ＣＣＤセンサである。瞳制御部１２におけるピンホール１２１１の位置と、第２撮像部１６における検出結果に基づいて、第２の瞳強度分布が測定される。図２において結像光学系１５の上に示す画像は、第２の瞳強度分布Ｐ２を示している。第２の瞳強度分布Ｐ２は、第１の瞳強度分布Ｐ１よりも解像度が低い画像である。白抜き矢印で示すように、第２の瞳強度分布Ｐ２は、瞳制御部１２におけるスキャンによって測定される。

処理装置１７は、以下の式（１）および式（２）を用いて、第１の瞳強度分布と、正規化された第２の瞳強度分布との積を、第３の瞳強度分布として算出する。図２において処理装置１７の上に示す画像は、第３の瞳強度分布Ｐ３を示している。点線の領域は瞳に対応している。

Ｐ１（ｘ，ｙ）は第１の瞳強度分布を表し、Ｐ２（ｘ，ｙ）は第２の瞳強度分布を表し、Ｐ３（ｘ，ｙ）は第３の瞳強度分布を表す。ＰＩＤ（ｘ，ｙ）は、正規化した第２の瞳強度分布を表している。Ｐ１（ｘ，ｙ）は、ステージ上での瞳観察結果とも呼ばれる。Ｐ２（ｘ、ｙ）は、ピンホール１２１１の位置つまりプレート１２１の位置（ｘ、ｙ）ごとに、第２撮像部１６の受光範囲全体における光子数をカウントしたものである。

次に、図３を参照して、実施形態にかかる瞳観察方法の流れについて説明する。図３は、実施形態にかかる瞳観察方法の流れを例示するフローチャートである。ステップＳ２０１～ステップＳ２０４は第２の瞳強度分布を測定するステップを示し、ステップＳ１０１は第１の瞳強度分布を測定するステップを示し、ステップＳ３０１は第３の瞳強度分布を算出するステップを示す。ステップＳ２０１～Ｓ２０４とステップＳ１０１の順序は逆であってもよい。観察対象２０はＥＵＶマスクであり、マルチレイヤを備えているものとする。

ステップＳ２０１では、観察対象２０が搭載されたステージを移動させ、照明光Ｌ１１をマルチレイヤで反射させる。なお、ミラー等を用いて照明光Ｌ１１を反射させてもよい。

ステップＳ２０２では、シグマアパーチャプレート１２２をピンホール１２１１でスキャンする。このとき、ステップＳ２０３に示すように、第２撮像部１６に入射された光子数をカウントする。

ステップＳ２０４では、第２の瞳強度分布を決定する。第２の瞳強度分布は、第１の瞳強度分布を較正して第３の瞳強度分布を算出するために用いられる。

ステップＳ１０１では、第１撮像部１４を用いて、第１の瞳強度分布を撮像する。上述の通り、第１の瞳強度分布は、結像光学系を通らない瞳強度分布を表す。ステップＳ１０１の前に、観察対象２０を照明領域から退避させてもよい。

ステップＳ３０１では、第１の瞳強度分布および第２の瞳強度分布に基づいて、第３の瞳強度分布が算出される。第３の瞳強度分布は、結像光学系を通過した瞳の強度分布であり、解像度が第２の瞳強度分布よりも高い。

最後に実施形態にかかる瞳観察方法が奏する効果について説明する。撮像装置において、光学系全体の瞳強度分布を測定するためには、撮像素子の手前の瞳強度分布を測定するのが理想的である。しかし、高倍率の拡大像を得る場合、瞳の物理的な位置が結像光学系の構成物に近いこと、および瞳のサイズが小さいことにより、瞳を直接観察することは困難であった。また、レンズやミラーを光学系に配置して瞳強度分布を撮像素子に投影することも可能であるが、追加光学系を適切な位置に配置することが、物理的に困難であった。

実施形態にかかる瞳観察方法によると、解像度が高い第１の瞳強度分布、および解像度が低い第２の瞳強度分布に基づいて、光学系全体の瞳強度分布を適切に算出できる。特に、透過型レンズを使用することができないＥＵＶ光学系においても、光学系全体の瞳を適切に観察できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

１０、１０ａ 撮像装置
１１ 光源
１２ 瞳制御部
１２１ プレート
１２１１ ピンホール
１２２ シグマアパーチャプレート
１３ 照明光学系
１３１ 反射光学系
１３２ ベンディングミラー
１４ 第１撮像部
１５ 結像光学系
１６ 第２撮像部
１７ 処理装置
１７１ 測定部
１７２ 算出部
２０ 観察対象
３０ 瞳
Ｌ１１ 照明光
Ｌ１２ 反射光
Ｌ１３ 出射光
Ｐ１ 第１の瞳強度分布
Ｐ２ 第２の瞳強度分布
Ｐ３ 第３の瞳強度分布

Claims (9)

1. 照明光学系および結像光学系を備える光学系における瞳観察方法であって、
   前記照明光学系を通過した第１の瞳強度分布を撮像するステップと、
   前記照明光学系の瞳にピンホールを設置して、前記瞳を前記ピンホールでスキャンし、前記ピンホールの位置ごとの前記結像光学系の出射光の強度を、第２の瞳強度分布として測定するステップと、
   前記第１の瞳強度分布および前記第２の瞳強度分布に基づいて、前記第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、前記結像光学系を通過した第３の瞳強度分布を算出するステップと、
   を含む瞳観察方法。
2. 前記光学系は、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光学系である、
   請求項１に記載の瞳観察方法。
3. 前記第２の瞳強度分布を測定するステップは、
   前記第１の瞳強度分布と前記第２の瞳強度分布の積に基づいて、前記第３の瞳強度分布を算出する、
   請求項１または２のいずれかに記載の瞳観察方法。
4. 前記第１の瞳強度分布を撮像するステップは、
   前記照明光学系の出射光の進行方向に対して、観察対象より先に配置された第１撮像部を用いて、前記第１の瞳強度分布を撮像する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の瞳観察方法。
5. 前記第２の瞳強度分布を測定するステップは、
   前記観察対象を用いて前記照明光学系の出射光を反射させ、前記第２の瞳強度分布を測定する、
   請求項４に記載の瞳観察方法。
6. 照明光学系および結像光学系を備える光学系を用いて観察対象を撮像する撮像方法であって、
   前記照明光学系を通過した第１の瞳強度分布を撮像するステップと、
   前記照明光学系の瞳にピンホールを設置して、前記瞳を前記ピンホールでスキャンし、前記ピンホールの位置ごとの前記結像光学系の出射光強度を、第２の瞳強度分布として測定するステップと、
   前記第１の瞳強度分布および前記第２の瞳強度分布に基づいて、前記第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、前記結像光学系を通過した第３の瞳強度分布を算出するステップと、
   前記光学系を用いて前記観察対象を撮像するステップと、
   を含む撮像方法。
7. 前記光学系は、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光学系である、
   請求項６に記載の撮像方法。
8. 照明光学系および結像光学系を備える光学系と
   前記照明光学系を通過した第１の瞳強度分布を撮像する第１撮像部と、
   前記照明光学系の瞳にピンホールを設置して、前記瞳を前記ピンホールでスキャンする瞳制御部と、
   前記結像光学系の出射光を検出する第２撮像部と、
   前記ピンホールの位置ごとの前記出射光の強度を第２の瞳強度分布として測定する測定部と、
   前記第１の瞳強度分布および前記第２の瞳強度分布に基づいて、前記第２の瞳強度分布よりも解像度が高い、前記結像光学系を通過した第３の瞳強度分布を算出する算出部と、
   を備える撮像装置。
9. 前記光学系は、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光学系である、
   請求項８に記載の撮像装置。

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