JP3774590B2 - 投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法に関し、例えばＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスやＣＣＤ等の撮像デバイスや液晶パネル等の表示デバイスや磁気ヘッド等のデバイスを製造する工程のうち、リソグラフィー工程において使用される投影露光装置や走査型露光装置においてレチクル等の第１物体面上のパターンをウエハ等の第２物体面上に投影光学系により投影する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体デバイスの微細加工技術として、マスク（レチクル）の回路パターン像を投影光学系（投影レンズ）により感光基板上に形成し、感光基板をステップアンドリピート方式またはステップアンドスキャン方式で露光する縮小投影露光装置（ステッパー）や走査型の投影露光装置が種々と提案されている。
【０００３】
この種の露光装置では、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ている。この要求に応えるためには、結像性能のよい、収差を抑えた投影レンズ（投影光学系）を用いることが重要である。特に、近年、半導体デバイスの一層の微細化要求により、投影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、多くなってきており、この結果、転写するパターンは、投影光学系の収差により敏感になってきている。一方で、投影レンズには露光面積の拡大、高ＮＡ化が求められており、これは収差補正をより困難にしている。
【０００４】
こうした状況の中、露光装置に投影レンズを搭載した状態、すなわち実際に露光に使用する状態で、投影レンズの結像性能、中でも波面収差を計測したいとの要求が強くある。
【０００５】
投影レンズの波面収差の計測方法の１つとして、位相回復法がある。位相回復法は、主に電子顕微鏡や大きな収差が存在する天体望遠鏡等における解像度向上に用いられてきた方法で、複数位置、例えば像面，瞳面，デフォーカス位置等における像の強度分布から像の位相分布を求めるものである。その位相分布から光学系の波面収差を算出している。
【０００６】
位相回復法では、実際に計測した像面での像の強度分布を用い、任意に位相を与えた後、フーリエ変換し、瞳面での複素振幅分布を求める。次に、得られた複素振幅分布のうち、位相部はそのままとし、強度部にあたる絶対値のみを実際の測定値に応じた値（瞳面での強度の平方根）に置き換え、これを新たな複素振幅分布とする。この新たな複素振幅分布を逆フーリエ変換し、像面上での複素振幅分布を求め、再び、位相部のみそのままとし、強度を実測値に置き換える。
【０００７】
以上のような計算を繰り返し行うことで、像面及び瞳面での複素振幅分布を算出し、瞳面での複素振幅分布の位相分布から、投影レンズの波面収差を算出している。尚、位相回復法については後に本発明の実施形態において詳述している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
位相回復法により、投影レンズの波面収差を算出する場合、理想的にはコヒーレント照明（σ＝０）の条件下で像の強度分布を計測する必要がある。この為、σ（照明系の開口数／投影レンズの開口数）の値が大きくなるに従い、算出される波面収差の誤差が大きくなる。例えば、波面収差を０．０１λ程度の精度で算出する場合、σ≦０．１とする必要があり、０．０３λ程度と若干精度を落とした場合でもσ≦０．２とする必要がある。一方、レチクル上のパターンをウエハに焼き付ける場合には、部分的コヒーレントな照明条件下でレチクルを照明する。このため、露光装置の照明系は、通常０．２＜σ＜０．９程度であり、σ≦０．２となるような照明系は実装されていない。さらに、露光装置の照明系では、インコヒーレント化するための数々の工夫もされている。
【０００９】
すなわち、実際に露光の際に用いられる照明光学系をそのまま用いて、位相回復法により投影レンズの波面収差を求める場合には、精度上の問題がある。
【００１０】
本発明はマスクのパターンをウエハ上に投影する投影光学系（投影レンズ）の波面収差を高精度に測定することができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の投影露光装置は、光源からの光でレチクルのパターンを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンの像をウエハに投影する投影光学系と、を備える投影露光装置において、
前記投影光学系により投影された特定パターンの像の光強度分布を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段からのデータに基づいて前記投影光学系の波面収差を位相回復法により算出する波面収差算出手段と、を有し、
前記特定のパターンは、前記ウエハを露光する際には使用されない０≦σ≦０．１（σ＝前記照明光学系の開口数／前記投影光学系の開口数）の略コヒーレントな照明条件で前記照明光学系により照明されることを特徴としている。
【００１２】
請求項２の発明の投影露光装置は、光源からの光でレチクルのパターンを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンの像をウエハに投影する投影光学系と、前記レチクルと前記ウエハとの位置合わせをするアライメント光学系と、を備える投影露光装置において、
前記投影光学系により投影された特定パターンの像の光強度分布を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段からのデータに基づいて前記投影光学系の波面収差を位相回復法により算出する波面収差算出手段と、を有し、
前記特定のパターンは、前記ウエハを露光する際には使用されない０≦σ≦０．１（σ＝前記照明光学系の開口数／前記投影光学系の開口数）の略コヒーレントな照明条件で前記アライメント光学系により照明されることを特徴としている。
【００１３】
請求項３の発明のデバイスの製造方法は、請求項１又は２の投影露光装置を用いてウエハを露光してデバイスを製造することを特徴としている。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。同図は第１物体としてのレチクル２面上のパターン（転写用パターン）を投影レンズ１で第２物体としてのウエハ３面上に投影露光する露光装置を示している。本実施形態は従来の位相回復法による波面算出機構を有する露光装置に比べて、光路中から挿脱可能なコヒーレント化光学系１６を露光用照明系１３に追加したことが大きく異なっている。
【００３９】
本実施形態において投影レンズ１の波面収差を求める位相回復法では、まず露光用照明系（照明光学系）１３からの露光波長の照明光束ＩＬでコヒーレント化光学系１６を介してレチクル２または他の物体上のパターン（特定パターン）を照明している。そして、特定パターンの像を投影レンズ１でウエハステージ４に載置した光強度検出手段８上に結像させ、該光強度検出手段８で特定パターン像の強度分布を計測する。次にウエハステージ４をステージ駆動装置５により光軸ＡＸ方向に駆動し、光強度検出手段８上で、特定パターン像がデフォーカスした状態にし、この時の特定パターン像の強度分布を計測する。これらの２つのパターン像の強度分布の結果を用いて、情報処理装置（波面収差測定手段）１１によりフーリエ変換、逆変換等の演算処理を繰り返し行うことにより、投影レンズ１の波面収差を算出している。尚、図１では投影光学系１の光軸上の波面収差を測定する場合を示している。
【００４０】
図２は図１の露光用照明系１３の詳細を説明するための概略図である。図２において超高圧水銀ランプ、エキシマレーザー等の光源１７から出た光束をビームエキスパンダやシリンドリカルレンズ等からなる光束整形部１８により照明光束を所望の形状に整形し、インコヒーレント化部１９に入射させている。
【００４１】
次にインコヒーレント化部１９からのインコヒーレントな光束をズームレンズからなる照明状態調整部２０により照明σ値を調節した後、複数のレンズを２次元的に配列したレンズアレイ（ハエの目光学系）２１を通り、射出側の絞り２２により有効光源を決定し、レンズ系２３に導光している。そしてレンズ系２３からの光束で、コヒーレント化光学系１６を介して所望のσ値でレチクル面２を照明している。
【００４２】
本実施形態では光源１７として、エキシマレーザーを用いている為に、光束整形部１８と照明状態調整部２０との間にオプティカルパイプ等からなるインコヒーレント化部１９を設けているが、光源としてインコヒーレント光を放射する水銀ランプ等を用いたときにはインコヒーレント化部１９は不要である。
【００４３】
位相回復法を用いて投影レンズ１の波面収差を算出するためには、理想的にはコヒーレント照明（σ＝０）でレチクル２上のパターンを照明する必要があり、０＜σとなると算出誤差が発生し、σが大きくなるほど誤差も大きくなる。
【００４４】
一方、半導体デバイス製造用の露光装置の投影レンズ１の波面収差は、通常０．１λ（λ＝波長）以下であり、この波面収差を評価するためには、少なくとも０．０１λ以下で波面収差を算出する必要がある。位相回復法を用いて０．０１λ以下の精度で波面収差を算出するためには、σ≦０．１の光でレチクル上のパターンを照明することが必要である。また、露光を行うことによる環境変化による波面収差の相対的な変化などを定性的に評価する場合でも、０．０３λ程度の精度は必要であり、この場合でも、σ≦０．２の光でレチクル上のパターンを照明する必要がある。
【００４５】
露光用照明系（第１の光学系）１３は、通常、実際の回路パターンをウエハ３に露光する際には部分的コヒーレントまたはインコヒーレントな状態でレチクル２を照明（第１の照明条件）しており、露光用照明系１３のみを用いて、位相回復法を実施した場合、コヒーレント照明とすることができず、露光用照明系１３のσが最も小さくなるようにして計測を行っていた。ところが、通常の半導体デバイス製造用の露光装置に実装されているσは、最も小さいものでも、０．３程度である。この為、位相回復法を用いて充分な精度で波面収差を算出することができなかった。
【００４６】
そこで本実施形態では、波面収差の測定時には、図１に示したようにコヒーレント化光学系１６をレチクル２と露光照明系１３との間に設置し、収束球面波であった照明光束を平行な波面の光束に変換することにより、レチクル２上のパターンをコヒーレント照明または略コヒーレント照明（第２の照明条件）している。これによって、位相回復法による波面収差の算出を高い精度で行うことを可能としている。
【００４７】
なお、本実施形態では、コヒーレント化光学系１６を照明光学系１３につけ加えたが、照明光学系中１３に構成されているレンズ等を取り除いたり、また取り除いた後で別の光学系をつけ加えて、コヒーレント化を実施するようにしても良い。
【００４８】
以上のように本実施形態ではレチクル２のパターンをウエハ３に露光による焼き付ける露光時と位相回復法による投影レンズ１の波面収差算出時とでレチクル２の照明条件を変えている。特に露光時には、部分的コヒーレント光あるいはインコヒーレント光でレチクル２を照明し（第１の照明条件）、位相回復法による波面収差算出時には、レチクル上のパターンをコヒーレント光あるいは略コヒーレント光（σ≦０．２、望ましくはσ≦０．１）で照明し（第２の照明条件）、像面、デフォーカス面での光強度分布を計測して、投影レンズ１の波面収差を求めている。
【００４９】
また、露光時にはコヒーレント化光学系１６を光路中から取り除き、露光照明系１３をそのまま用いて第１の照明条件であるところの部分的コヒーレントな状態でレチクルを照明している。そして、位相回復法を利用した波面収差の測定実施時には、第２の照明条件であるコヒーレント照明あるいは略コヒーレント照明でレチクルを照明するように、露光用照明系から一部の光学系を取り外したり、逆にコヒーレント化光学系１６を追加したり、その両者を行ったりすることにより、精度よく投影光学系の波面収差を算出している。また、空間的コヒーレンシーや光量を露光時と位相回復法実施時とで最適な状態となるように光源を変えることにより、精度よく投影光学系の波面収差を算出している。さらに、露光時と位相回復法実施時とで、別々の照明光学系（第１の光学系と第２の光学系）を使用し、露光時には部分的コヒーレントな状態でレチクルを照明し、位相回復法を利用した投影レンズの波面収差の測定実施時には、コヒーレントあるいは略コヒーレントな状態でレチクルを照明することにより、精度よく投影光学系の波面収差を算出している。
【００５０】
また、第２の光学系として、露光波長の光を用いたレチクルやウエハの位置合わせ用のアライメント光学系またはその一部を用い、その照明条件を（０≦σ≦０．２）とすることにより、露光装置内に新たな光学系を設置せずに、あるいは最小限の光学系の追加で、位相回復法による波面収差を精度よく算出している。また、アライメント光学系の照明条件を、アライメント計測時と位相回復法による波面収差計測時とで変えることで、両者にとって最適な状態で計測している。
【００５１】
図３，図４は各々本実施形態において用いている投影レンズの波面収差を計測する位相回復法のアルゴリズムを示す説明図である。
【００５２】
位相回復法は、主に電子顕微鏡や大きな収差が存在する天体望遠鏡等における解像度向上に用いられてきた方法である。その特徴は、複数位置、例えば像面，瞳面，デフォーカス位置等における像の強度分布から像の位相分布を求め、その位相分布から光学系（投影レンズ）の波面収差を算出している。
【００５３】
まず、図３の位相回復法のアルゴリズムを用いて説明する。まず、計測した像面での像の強度分布を用い、像に任意の位相を与えた後、フーリエ変換し、瞳面での複素振幅分布を求める。次に、得られた複素振幅分布のうち、位相部はそのままとし、強度部にあたる絶対値のみを実際の測定値に応じた値（瞳面での強度の平方根）に置き換え、これを新たな複素振幅分布とする。この新たな複素振幅分布を逆フーリエ変換し、像面上での複素振幅分布を求め、再び、位相部のみをそのままとし、強度を実測値に置き換える。以上のような計算を繰り返し行うことで、像面及び瞳面での像の複素振幅分布を算出し、瞳面での複素振幅分布の位相分布から、レンズの波面収差を算出している。
【００５４】
図４はフォトリソグラフィのように瞳面での強度分布測定が難しい場合の位相回復法のアルゴリズムを示している。図４のアルゴリズムでは瞳面を介して、像面とデフォーカス面との間で、変換−逆変換を繰り返すことで、像面での複素振幅分布とデフォーカスした面での複素振幅分布を算出し、その結果から瞳の位相分布、すなわち投影レンズの波面収差を求めている。
【００５５】
図５は本発明の実施形態２の要部概略図である。図５において図２で示した要素と同一要素には同符号を付している。
【００５６】
本実施形態では、図２に示した露光用照明系１３内の照明状態調整部２０及び絞り２２を露光時と位相回復法の実施時とで照明状態調整部２４と絞り２５に変更することを特徴としている。図２に示したように、露光時の照明条件を決定しているのは、露光用照明系１３内の照明状態調整部２０と絞り２２である。照明状態調整部２０は主としてズーム光学系からなり、露光時の照明条件にあわせて、有効光源の大きさを変えている。
【００５７】
一般的に、実際にパターンをウエハに露光する際の照明条件は、σ０．３〜０．８程度であるので、この範囲をカバーできるようなズーム光学系である。一方、位相回復法では、σ０．２以下、望ましくは０．１以下の略コヒーレントな状態でレチクルを照明する必要がある。最も簡便にσ０．２以下で照明するためには、図２に示した絞り２２を絞ることでσ≦０．２とすることができる。この場合、照明状態調整部２０はσ０．３程度までの光束の広がりがあるため、絞り２２の部分でケラレが発生し、この結果光量が少なくなる場合がある。特にσ０．１以下とすると光量低下が生じ、強度分布を計測する位相回復法では、波面収差の算出精度に影響を及ぼすことがある。また、照明状態調整部２０としてσ０．１〜０．２程度までカバーするようなズーム光学系を用いることも考えられるが、ズーム比を大きくすると照明状態調整部２０が大きく重くなる。また、全てのズームレンズで照度ムラを抑えることが難しくなってくる。
【００５８】
そこで、本実施形態では、図５に示したように位相回復法による投影レンズの波面収差測定実施時には、照明光学系１３内の照明状態調整部を位相回復法用の照明状態調整部２４へ変更し、かつσ０．２以下の絞り２５へ変更している。すなわち、露光時には、σ０．３程度からσ０．８程度まで変化するようなズーム光学系を照明状態調整部２０に用い、位相回復法実施時には、σ０．２以下となるような位相回復法用の照明状態調整部２４を用いることにより、露光及び位相回復のそれぞれにとって最良の状態でレチクルを照明している。これによって、投影レンズ１の波面収差を精度よく算出している。
【００５９】
図６は本発明の実施形態３の要部概略図である。図６において図２で示した要素と同一要素には同符号を付している。
【００６０】
本実施形態では、図６に示したように位相回復法による波面収差測定実施時に、光路中より挿脱可能なミラー２７を絞り２２とレンズ２３との間に挿入し、第２の光源２６から露光波長と同一の波長の光束を出射させ、ミラー２７、レンズ部２３を介して、レチクル２上のパターンをコヒーレントあるいは略コヒーレントな状態で照明している点が図２の実施形態１と異なっている。
【００６１】
露光用の光源１７とは別に位相回復法用の光源２６を設けることで、位相回復法にとって最適な光量でレチクル２を照明することが可能であり、精度よく波面収差を算出することができる。また、図６に示してはいないが、第２の光源２６とミラー２７との間やミラー２７とレンズ部２３との間にレンズ等を配置して、コヒーレント照明でレチクルを照明するようにしてもよい。
【００６２】
図７は本発明の実施形態４の要部概略図である。図７において図１で示した要素と同一要素には同符合を付している。図７では投影光学系１の軸外の波面収差を求める場合を示している。
【００６３】
本実施形態では図７に示したように、露光用照明系１３以外に第２の光学系１４を設けている。そして、位相回復法を用いて投影レンズ１の波面収差を検出する場合には、第２の光学系１４でレチクル２上のパターンを照明するようにしている。また、実露光時には、第２の光学系１４及びミラー１５が、露光光束をけらないように図７の矢印方向に移動し光路中より挿脱可能となっている。さらに第２の照明光学系１４の照明条件をコヒーレント照明（σ＝０）あるいは略コヒーレント照明（σ≦０．２）とすることにより、位相回復法にとって理想的な状態で投影レンズ１の波面収差を算出することを可能としている。
【００６４】
本実施形態では、露光用照明系１３には、なんら改造、変更を加える必要がなく、非常に簡便な方法で位相回復法にとって最適な照明状態とすることを可能としている。また、第２の照明光学系１４の光源としては、露光用の光源と同一のものを用いてもよいし、露光用光源と同一の波長の別の光源を用いてもよい。
【００６５】
図８は本発明の実施形態５の要部概略図である。図８において図１で示した要素と同一要素には同符合を付している。
【００６６】
本実施形態ではレチクル２とウエハ３との位置合わせ（アライメント）を行うアライメント用光学系を利用して、位相回復法による投影レンズ１の波面収差を算出可能としている。図８において、アライメント光学系は、対物レンズ２８、ビームスプリッタ２９、リレー光学系３１、照明系リレー光学系３３、光源３４、センサー３０等とからなる。露光光と同一の波長の光が光源３４より射出され、照明系リレー光学系３３、対物レンズ２８を介してレチクル２上のアライメントマークを照明し、アライメントマークの像を対物レンズ２８、リレー光学系３１を介してセンサー３０に結像させている。また、照明系リレー光学系３３、対物レンズ２８、投影レンズ１を介して、ウエハ３上のアライメントマークを照明し、投影レンズ１、対物レンズ２８、リレー光学系３１を介してセンサー３０上に結像させ、ウエハ上のアライメントマークを観察することもできる。また、リレー光学系３１とセンサー３０との間等にさらに光学系を配置する場合もある。
【００６７】
次に、上記アライメント光学系を用いた位相回復法に関して以下に説明する。アライメント計測時には、通常０．２≦σ≦１．０でアライメントマークを照明する。そこで、図８に示したアライメント光学系に、切替式の絞り３２を照明系リレー光学系３３とビームスプリッタ２９との間に設置し、アライメント時と位相回復法による波面収差測定実施時とで、σ値を切り換え可能とし、位相回復法による波面収差測定実施時には、σ≦０．２とするような絞りに切り換えて、レチクル２上のパターンを照明し、その像の強度分布を光強度測定装置８で計測している。これにより、投影レンズ１の波面収差を算出している。すなわち、図８に示したようにアライメント光学系内に切替式の絞り３２を設置し、アライメント計測時と位相回復法による波面収差測定実施時とで、お互いが最適な照明状態となるように絞りを切り換えることにより、なんら新規の光学系を用いなくとも、高精度で位相回復法を実施し、投影レンズ１の波面収差を算出することを可能としている。また、アライメント光学系の光源３４は、図８では、別光源としたが、露光用光源と同一のものを用いてもよい。また、各実施形態で示した光強度検出装置８は、ＣＣＤのような光センサーをステージ４上に搭載してもよいし、不図示の拡大光学系を用いて、強度分布を拡大した後、光センサーで計測してもよい。
【００６８】
次に本発明の実施形態６について説明する。構成は図８の実施形態５で示したのとほぼ同一である。
【００６９】
本実施形態は実施形態５に比べて、ステージ４が、ｎｍオーダーの高精度で２次元的に駆動できることを利用して、光強度検出装置８として、ナイフエッジ法を用いて像面及びその近傍の光強度分布を計測することが異なっている。ナイフエッジ法を用いることにより、ステージ４上に拡大光学系のような重量物を搭載せずに、光センサーをステージ４上に直接搭載した場合と比較して、光強度分布を高精度で計測することができる。また、拡大光学系とナイフエッジ法とを併用して、光強度分布を高精度で計測するようにしてもよい。
【００７０】
図９は本発明の実施形態７の要部概略図である。図９において図８で示した要素と同一要素には同符合を付している。
【００７１】
本実施形態では、図９に示したようにウエハステージ４上に反射部（凹面ミラー）９を設け、レチクル２上のパターンを投影レンズ１を２回介して中間像面３６上に結像させ、レチクル２側でパターンの像の強度分布を計測し、位相回復法で投影レンズ１の波面収差を計測している。以下にその計測方法を詳細に説明する。
【００７２】
第２の光源３４から露光波長と同一の波長の光束を射出し、照明系リレー光学系３３と切替絞り３２、ビームスプリッタ２９ａ、対物レンズ２８を介して、略コヒーレントな照明条件（σ０．２以下）でレチクル２上のパターンを照明する。レチクル２上のパターンは、投影レンズ１によりウエハ３と同じ高さに結像するが、ウエハステージ４上に構成されたミラー９により反射され、再び投影レンズ１、ハーフミラー７を介して、中間像面３６に結像する。ここで、ミラー９は球面ミラーであり、その曲率中心がウエハ３とほぼ同じ高さになるように構成されている。投影レンズ１を２回介して中間像面３６に結像したレチクル２上のパターンは、拡大光学系３５、ミラー１５、ビームスプリッタ２９ｂ、リレー光学系３１を介して、センサー３０上に拡大されて結像する。また、拡大光学系３５を図面矢印方向へ動かしたり、センサー３０を動かすことにより、フォーカス状態、デフォーカス状態の強度分布を計測する。
【００７３】
以上のような構成をとることにより、投影レンズ１を２回介して強度分布を計測できるため、投影レンズを１回だけ介した方法と比較して、収差の感度を２倍にして計測することが可能である。また、拡大光学系３５を使用して、強度分布を拡大してセンサー３０に結像させるため、精度よく強度分布を計測することができ、波面収差を高精度で算出することが可能である。さらに、ウエハステージ４上には、ミラーを構成するだけでよいため、強度分布を計測するためのセンサー等の重量物を搭載する必要がないという利点もある。さらに、本実施形態では、図８の実施形態５と同様に、アライメント光学系を利用して、位相回復法を行うように構成したため、センサー３０やリレー光学系３１、光源３４、照明系リレー光学系３３、対物レンズ２８等を共用しているため、必要最小限の光学系の追加で位相回復法を実施している。
【００７４】
なお、本実施形態では、ミラー９として球面ミラーを用いたが、反射面がウエハ面とほぼ同じ高さになるような平面ミラーでもよく、この場合、波面収差の成分のうち、球面収差、非点収差などの対称成分のみ、感度が２倍になる。対称成分のみ２倍になる理由は、投影レンズの行き（レチクル側からウエハ側）と帰り（ウエハ側からレチクル側）とで投影レンズを通る光束が、主光線を軸に回転対称になるため、非対称な成分はキャンセルされるためである。また、図９では凹面のミラーが図示されているが、曲率中心がウエハ面とほぼ同じ高さになるような凸面ミラーでもよい。
【００７５】
図１０は本発明の実施形態８の要部概略図である。図１０において図９で示した要素と同一要素には同符合を付している。
【００７６】
本実施形態では、位相回復法により算出された波面収差に基づき、露光装置上で、図１０に示したように投影レンズ１内に設置した収差補正光学系１２により収差補正を行ったり、投影レンズ１内の各レンズの空気間隔等を調整することを特徴とする。これにより、従来と比較して、収差を低減した状態で露光することを可能としている。また、収差補正光学系１２としては、例えば、特開平１０−２４２０４８号公報にあるような同一形状からなる１対の非球面光学素子を非球面が対向するように配置された光学素子などを用いることができる。なお、図１０では、収差補正光学系１２を投影レンズ１の瞳面近傍に設置したが、投影レンズ１とウエハ３間や、投影レンズ１とレチクル２間に設置してもよいし、複数の素子を設置してもよい。
【００７７】
なお、以上の実施形態では、フォーカス面（像面）と１つのデフォーカス面から、投影レンズ１の波面収差を算出したが、フォーカス面（像面）を用いずに２つの異なるデフォーカス面での像の強度分布から算出することも可能である。また、フォーカス面（像面）と複数のデフォーカス面、すなわち３つ以上の位置での像の強度分布を用いて、波面収差を算出することも可能である。また、収差補正光学系として一対の非球面光学素子の例を示したが、これに限るわけではない。例えば、投影レンズ内の複数のレンズを駆動して、収差補正を行ったり、投影レンズとウエハ間や投影レンズとレチクル間に１枚または、２枚以上の平行平板を設置し、それらの平行平板の角度を変化させることなどでも収差を補正することが可能である。
【００７８】
本発明では以上の各実施形態に示す投影露光装置を用いて、マスクとウエハとの相対的な位置検出を行った後に、マスク面上のパターンをウエハ面に転写し、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造している。
【００７９】
本発明によれば、露光時と位相回復法実施時とで照明条件を変えることにより、露光装置本体上において位相回復法により高精度で投影レンズの波面収差を算出することが可能となる。特に位相回復法実施時には、略コヒーレントな状態でレチクルを照明できるように露光用照明系に光学系を追加したり、露光用照明系の一部のみ利用したり、一部を交換するなどの照明光学系の変更により、高精度で波面収差を算出することが可能となる。
【００８０】
また、位相回復法実施時には、露光用照明系とは異なる第２の光学系を用いて、略コヒーレントな状態でレチクルを照明することによっても、露光装置本体上において位相回復法により高精度で投影レンズの波面収差を算出することが可能となる。特に第２の光学系として、アライメント光学系を利用することにより、新規に光学系を設置せずに、露光装置本体上において位相回復法により高精度で投影レンズの波面収差を算出することが可能となる。
【００８１】
さらに、算出された波面収差に基づき、投影レンズの内外に設置された収差補正光学系等を用いて、投影レンズの波面収差を調整することにより、波面収差の極めて少ない状態で露光することが可能となる。
【００８２】
以上の各実施形態は半導体素子製造用のステップアンドリピート方式の投影露光装置について述べてきたが、本発明はその他、スキャン露光装置や、液晶露光装置に適用可能である。
【００８３】
次に上記説明した投影露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法を説明する。
【００８４】
図１０は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或は液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローチャートである。
【００８５】
本実施例においてステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【００８６】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等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）は前行程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【００８７】
次のステップ５（組立）は後行程と呼ばれ、ステップ４によって作製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。
【００８８】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。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。
【００８９】
図１１は上記ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。まず、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）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【００９０】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）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）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【００９１】
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なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００９２】
尚、本実施例の製造方法を用いれば、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、以上のように各要素を特定することにより、マスクのパターンをウエハ上に投影する投影光学系（投影レンズ）の波面収差を高精度に測定することができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 図１の露光用照明系を模式的に示した図
【図３】 本発明に係る位相回復法のアルゴリズム１
【図４】 本発明に係る位相回復法のアルゴリズム２
【図５】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】 本発明の実施形態３の要部概略図
【図７】 本発明の実施形態４の要部概略図
【図８】 本発明の実施形態５または６の要部概略図
【図９】 本発明の実施形態７の要部概略図
【図１０】 本発明の実施形態８の要部概略図
【図１１】 本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図１２】 本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
１：投影レンズ
２：レチクル
３：ウエハ
４：ウエハステージ
５：ステージ駆動装置
６：平面ミラー
７：ハーフミラー
８：光強度測定装置
９：球面ミラー
１０：拡大光学系
１１：情報処理装置
１２：収差補正光学系
１３：露光用照明系（第１の光学系）
１４：第２の光学系
１５：ミラー
１６：コヒーレント化光学系
１７：（第１の）光源
１８：光束整形部
１９：インコヒーレント化部
２０：照明状態調整部
２１：ハエの目光学系
２２：絞り
２３：レンズ部
２４：（位相回復法用）照明状態調整部
２５：絞り
２６：（第２の）光源
２７：ミラー
２８：対物レンズ
２９：ビームスプリッタ
３０：センサー
３１：リレー光学系
３２：切替絞り
３３：照明系リレー光学系
３４：（第２の）光源
３５：拡大光学系
３６：中間像面
ＡＸ：投影レンズの光軸
ＩＬ：照明光束
【発明の属する技術分野】
本発明は投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法に関し、例えばＩＣやＬＳＩ等の半導体デバイスやＣＣＤ等の撮像デバイスや液晶パネル等の表示デバイスや磁気ヘッド等のデバイスを製造する工程のうち、リソグラフィー工程において使用される投影露光装置や走査型露光装置においてレチクル等の第１物体面上のパターンをウエハ等の第２物体面上に投影光学系により投影する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体デバイスの微細加工技術として、マスク（レチクル）の回路パターン像を投影光学系（投影レンズ）により感光基板上に形成し、感光基板をステップアンドリピート方式またはステップアンドスキャン方式で露光する縮小投影露光装置（ステッパー）や走査型の投影露光装置が種々と提案されている。
【０００３】
この種の露光装置では、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ている。この要求に応えるためには、結像性能のよい、収差を抑えた投影レンズ（投影光学系）を用いることが重要である。特に、近年、半導体デバイスの一層の微細化要求により、投影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、多くなってきており、この結果、転写するパターンは、投影光学系の収差により敏感になってきている。一方で、投影レンズには露光面積の拡大、高ＮＡ化が求められており、これは収差補正をより困難にしている。
【０００４】
こうした状況の中、露光装置に投影レンズを搭載した状態、すなわち実際に露光に使用する状態で、投影レンズの結像性能、中でも波面収差を計測したいとの要求が強くある。
【０００５】
投影レンズの波面収差の計測方法の１つとして、位相回復法がある。位相回復法は、主に電子顕微鏡や大きな収差が存在する天体望遠鏡等における解像度向上に用いられてきた方法で、複数位置、例えば像面，瞳面，デフォーカス位置等における像の強度分布から像の位相分布を求めるものである。その位相分布から光学系の波面収差を算出している。
【０００６】
位相回復法では、実際に計測した像面での像の強度分布を用い、任意に位相を与えた後、フーリエ変換し、瞳面での複素振幅分布を求める。次に、得られた複素振幅分布のうち、位相部はそのままとし、強度部にあたる絶対値のみを実際の測定値に応じた値（瞳面での強度の平方根）に置き換え、これを新たな複素振幅分布とする。この新たな複素振幅分布を逆フーリエ変換し、像面上での複素振幅分布を求め、再び、位相部のみそのままとし、強度を実測値に置き換える。
【０００７】
以上のような計算を繰り返し行うことで、像面及び瞳面での複素振幅分布を算出し、瞳面での複素振幅分布の位相分布から、投影レンズの波面収差を算出している。尚、位相回復法については後に本発明の実施形態において詳述している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
位相回復法により、投影レンズの波面収差を算出する場合、理想的にはコヒーレント照明（σ＝０）の条件下で像の強度分布を計測する必要がある。この為、σ（照明系の開口数／投影レンズの開口数）の値が大きくなるに従い、算出される波面収差の誤差が大きくなる。例えば、波面収差を０．０１λ程度の精度で算出する場合、σ≦０．１とする必要があり、０．０３λ程度と若干精度を落とした場合でもσ≦０．２とする必要がある。一方、レチクル上のパターンをウエハに焼き付ける場合には、部分的コヒーレントな照明条件下でレチクルを照明する。このため、露光装置の照明系は、通常０．２＜σ＜０．９程度であり、σ≦０．２となるような照明系は実装されていない。さらに、露光装置の照明系では、インコヒーレント化するための数々の工夫もされている。
【０００９】
すなわち、実際に露光の際に用いられる照明光学系をそのまま用いて、位相回復法により投影レンズの波面収差を求める場合には、精度上の問題がある。
【００１０】
本発明はマスクのパターンをウエハ上に投影する投影光学系（投影レンズ）の波面収差を高精度に測定することができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の投影露光装置は、光源からの光でレチクルのパターンを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンの像をウエハに投影する投影光学系と、を備える投影露光装置において、
前記投影光学系により投影された特定パターンの像の光強度分布を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段からのデータに基づいて前記投影光学系の波面収差を位相回復法により算出する波面収差算出手段と、を有し、
前記特定のパターンは、前記ウエハを露光する際には使用されない０≦σ≦０．１（σ＝前記照明光学系の開口数／前記投影光学系の開口数）の略コヒーレントな照明条件で前記照明光学系により照明されることを特徴としている。
【００１２】
請求項２の発明の投影露光装置は、光源からの光でレチクルのパターンを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンの像をウエハに投影する投影光学系と、前記レチクルと前記ウエハとの位置合わせをするアライメント光学系と、を備える投影露光装置において、
前記投影光学系により投影された特定パターンの像の光強度分布を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段からのデータに基づいて前記投影光学系の波面収差を位相回復法により算出する波面収差算出手段と、を有し、
前記特定のパターンは、前記ウエハを露光する際には使用されない０≦σ≦０．１（σ＝前記照明光学系の開口数／前記投影光学系の開口数）の略コヒーレントな照明条件で前記アライメント光学系により照明されることを特徴としている。
【００１３】
請求項３の発明のデバイスの製造方法は、請求項１又は２の投影露光装置を用いてウエハを露光してデバイスを製造することを特徴としている。
【００３８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。同図は第１物体としてのレチクル２面上のパターン（転写用パターン）を投影レンズ１で第２物体としてのウエハ３面上に投影露光する露光装置を示している。本実施形態は従来の位相回復法による波面算出機構を有する露光装置に比べて、光路中から挿脱可能なコヒーレント化光学系１６を露光用照明系１３に追加したことが大きく異なっている。
【００３９】
本実施形態において投影レンズ１の波面収差を求める位相回復法では、まず露光用照明系（照明光学系）１３からの露光波長の照明光束ＩＬでコヒーレント化光学系１６を介してレチクル２または他の物体上のパターン（特定パターン）を照明している。そして、特定パターンの像を投影レンズ１でウエハステージ４に載置した光強度検出手段８上に結像させ、該光強度検出手段８で特定パターン像の強度分布を計測する。次にウエハステージ４をステージ駆動装置５により光軸ＡＸ方向に駆動し、光強度検出手段８上で、特定パターン像がデフォーカスした状態にし、この時の特定パターン像の強度分布を計測する。これらの２つのパターン像の強度分布の結果を用いて、情報処理装置（波面収差測定手段）１１によりフーリエ変換、逆変換等の演算処理を繰り返し行うことにより、投影レンズ１の波面収差を算出している。尚、図１では投影光学系１の光軸上の波面収差を測定する場合を示している。
【００４０】
図２は図１の露光用照明系１３の詳細を説明するための概略図である。図２において超高圧水銀ランプ、エキシマレーザー等の光源１７から出た光束をビームエキスパンダやシリンドリカルレンズ等からなる光束整形部１８により照明光束を所望の形状に整形し、インコヒーレント化部１９に入射させている。
【００４１】
次にインコヒーレント化部１９からのインコヒーレントな光束をズームレンズからなる照明状態調整部２０により照明σ値を調節した後、複数のレンズを２次元的に配列したレンズアレイ（ハエの目光学系）２１を通り、射出側の絞り２２により有効光源を決定し、レンズ系２３に導光している。そしてレンズ系２３からの光束で、コヒーレント化光学系１６を介して所望のσ値でレチクル面２を照明している。
【００４２】
本実施形態では光源１７として、エキシマレーザーを用いている為に、光束整形部１８と照明状態調整部２０との間にオプティカルパイプ等からなるインコヒーレント化部１９を設けているが、光源としてインコヒーレント光を放射する水銀ランプ等を用いたときにはインコヒーレント化部１９は不要である。
【００４３】
位相回復法を用いて投影レンズ１の波面収差を算出するためには、理想的にはコヒーレント照明（σ＝０）でレチクル２上のパターンを照明する必要があり、０＜σとなると算出誤差が発生し、σが大きくなるほど誤差も大きくなる。
【００４４】
一方、半導体デバイス製造用の露光装置の投影レンズ１の波面収差は、通常０．１λ（λ＝波長）以下であり、この波面収差を評価するためには、少なくとも０．０１λ以下で波面収差を算出する必要がある。位相回復法を用いて０．０１λ以下の精度で波面収差を算出するためには、σ≦０．１の光でレチクル上のパターンを照明することが必要である。また、露光を行うことによる環境変化による波面収差の相対的な変化などを定性的に評価する場合でも、０．０３λ程度の精度は必要であり、この場合でも、σ≦０．２の光でレチクル上のパターンを照明する必要がある。
【００４５】
露光用照明系（第１の光学系）１３は、通常、実際の回路パターンをウエハ３に露光する際には部分的コヒーレントまたはインコヒーレントな状態でレチクル２を照明（第１の照明条件）しており、露光用照明系１３のみを用いて、位相回復法を実施した場合、コヒーレント照明とすることができず、露光用照明系１３のσが最も小さくなるようにして計測を行っていた。ところが、通常の半導体デバイス製造用の露光装置に実装されているσは、最も小さいものでも、０．３程度である。この為、位相回復法を用いて充分な精度で波面収差を算出することができなかった。
【００４６】
そこで本実施形態では、波面収差の測定時には、図１に示したようにコヒーレント化光学系１６をレチクル２と露光照明系１３との間に設置し、収束球面波であった照明光束を平行な波面の光束に変換することにより、レチクル２上のパターンをコヒーレント照明または略コヒーレント照明（第２の照明条件）している。これによって、位相回復法による波面収差の算出を高い精度で行うことを可能としている。
【００４７】
なお、本実施形態では、コヒーレント化光学系１６を照明光学系１３につけ加えたが、照明光学系中１３に構成されているレンズ等を取り除いたり、また取り除いた後で別の光学系をつけ加えて、コヒーレント化を実施するようにしても良い。
【００４８】
以上のように本実施形態ではレチクル２のパターンをウエハ３に露光による焼き付ける露光時と位相回復法による投影レンズ１の波面収差算出時とでレチクル２の照明条件を変えている。特に露光時には、部分的コヒーレント光あるいはインコヒーレント光でレチクル２を照明し（第１の照明条件）、位相回復法による波面収差算出時には、レチクル上のパターンをコヒーレント光あるいは略コヒーレント光（σ≦０．２、望ましくはσ≦０．１）で照明し（第２の照明条件）、像面、デフォーカス面での光強度分布を計測して、投影レンズ１の波面収差を求めている。
【００４９】
また、露光時にはコヒーレント化光学系１６を光路中から取り除き、露光照明系１３をそのまま用いて第１の照明条件であるところの部分的コヒーレントな状態でレチクルを照明している。そして、位相回復法を利用した波面収差の測定実施時には、第２の照明条件であるコヒーレント照明あるいは略コヒーレント照明でレチクルを照明するように、露光用照明系から一部の光学系を取り外したり、逆にコヒーレント化光学系１６を追加したり、その両者を行ったりすることにより、精度よく投影光学系の波面収差を算出している。また、空間的コヒーレンシーや光量を露光時と位相回復法実施時とで最適な状態となるように光源を変えることにより、精度よく投影光学系の波面収差を算出している。さらに、露光時と位相回復法実施時とで、別々の照明光学系（第１の光学系と第２の光学系）を使用し、露光時には部分的コヒーレントな状態でレチクルを照明し、位相回復法を利用した投影レンズの波面収差の測定実施時には、コヒーレントあるいは略コヒーレントな状態でレチクルを照明することにより、精度よく投影光学系の波面収差を算出している。
【００５０】
また、第２の光学系として、露光波長の光を用いたレチクルやウエハの位置合わせ用のアライメント光学系またはその一部を用い、その照明条件を（０≦σ≦０．２）とすることにより、露光装置内に新たな光学系を設置せずに、あるいは最小限の光学系の追加で、位相回復法による波面収差を精度よく算出している。また、アライメント光学系の照明条件を、アライメント計測時と位相回復法による波面収差計測時とで変えることで、両者にとって最適な状態で計測している。
【００５１】
図３，図４は各々本実施形態において用いている投影レンズの波面収差を計測する位相回復法のアルゴリズムを示す説明図である。
【００５２】
位相回復法は、主に電子顕微鏡や大きな収差が存在する天体望遠鏡等における解像度向上に用いられてきた方法である。その特徴は、複数位置、例えば像面，瞳面，デフォーカス位置等における像の強度分布から像の位相分布を求め、その位相分布から光学系（投影レンズ）の波面収差を算出している。
【００５３】
まず、図３の位相回復法のアルゴリズムを用いて説明する。まず、計測した像面での像の強度分布を用い、像に任意の位相を与えた後、フーリエ変換し、瞳面での複素振幅分布を求める。次に、得られた複素振幅分布のうち、位相部はそのままとし、強度部にあたる絶対値のみを実際の測定値に応じた値（瞳面での強度の平方根）に置き換え、これを新たな複素振幅分布とする。この新たな複素振幅分布を逆フーリエ変換し、像面上での複素振幅分布を求め、再び、位相部のみをそのままとし、強度を実測値に置き換える。以上のような計算を繰り返し行うことで、像面及び瞳面での像の複素振幅分布を算出し、瞳面での複素振幅分布の位相分布から、レンズの波面収差を算出している。
【００５４】
図４はフォトリソグラフィのように瞳面での強度分布測定が難しい場合の位相回復法のアルゴリズムを示している。図４のアルゴリズムでは瞳面を介して、像面とデフォーカス面との間で、変換−逆変換を繰り返すことで、像面での複素振幅分布とデフォーカスした面での複素振幅分布を算出し、その結果から瞳の位相分布、すなわち投影レンズの波面収差を求めている。
【００５５】
図５は本発明の実施形態２の要部概略図である。図５において図２で示した要素と同一要素には同符号を付している。
【００５６】
本実施形態では、図２に示した露光用照明系１３内の照明状態調整部２０及び絞り２２を露光時と位相回復法の実施時とで照明状態調整部２４と絞り２５に変更することを特徴としている。図２に示したように、露光時の照明条件を決定しているのは、露光用照明系１３内の照明状態調整部２０と絞り２２である。照明状態調整部２０は主としてズーム光学系からなり、露光時の照明条件にあわせて、有効光源の大きさを変えている。
【００５７】
一般的に、実際にパターンをウエハに露光する際の照明条件は、σ０．３〜０．８程度であるので、この範囲をカバーできるようなズーム光学系である。一方、位相回復法では、σ０．２以下、望ましくは０．１以下の略コヒーレントな状態でレチクルを照明する必要がある。最も簡便にσ０．２以下で照明するためには、図２に示した絞り２２を絞ることでσ≦０．２とすることができる。この場合、照明状態調整部２０はσ０．３程度までの光束の広がりがあるため、絞り２２の部分でケラレが発生し、この結果光量が少なくなる場合がある。特にσ０．１以下とすると光量低下が生じ、強度分布を計測する位相回復法では、波面収差の算出精度に影響を及ぼすことがある。また、照明状態調整部２０としてσ０．１〜０．２程度までカバーするようなズーム光学系を用いることも考えられるが、ズーム比を大きくすると照明状態調整部２０が大きく重くなる。また、全てのズームレンズで照度ムラを抑えることが難しくなってくる。
【００５８】
そこで、本実施形態では、図５に示したように位相回復法による投影レンズの波面収差測定実施時には、照明光学系１３内の照明状態調整部を位相回復法用の照明状態調整部２４へ変更し、かつσ０．２以下の絞り２５へ変更している。すなわち、露光時には、σ０．３程度からσ０．８程度まで変化するようなズーム光学系を照明状態調整部２０に用い、位相回復法実施時には、σ０．２以下となるような位相回復法用の照明状態調整部２４を用いることにより、露光及び位相回復のそれぞれにとって最良の状態でレチクルを照明している。これによって、投影レンズ１の波面収差を精度よく算出している。
【００５９】
図６は本発明の実施形態３の要部概略図である。図６において図２で示した要素と同一要素には同符号を付している。
【００６０】
本実施形態では、図６に示したように位相回復法による波面収差測定実施時に、光路中より挿脱可能なミラー２７を絞り２２とレンズ２３との間に挿入し、第２の光源２６から露光波長と同一の波長の光束を出射させ、ミラー２７、レンズ部２３を介して、レチクル２上のパターンをコヒーレントあるいは略コヒーレントな状態で照明している点が図２の実施形態１と異なっている。
【００６１】
露光用の光源１７とは別に位相回復法用の光源２６を設けることで、位相回復法にとって最適な光量でレチクル２を照明することが可能であり、精度よく波面収差を算出することができる。また、図６に示してはいないが、第２の光源２６とミラー２７との間やミラー２７とレンズ部２３との間にレンズ等を配置して、コヒーレント照明でレチクルを照明するようにしてもよい。
【００６２】
図７は本発明の実施形態４の要部概略図である。図７において図１で示した要素と同一要素には同符合を付している。図７では投影光学系１の軸外の波面収差を求める場合を示している。
【００６３】
本実施形態では図７に示したように、露光用照明系１３以外に第２の光学系１４を設けている。そして、位相回復法を用いて投影レンズ１の波面収差を検出する場合には、第２の光学系１４でレチクル２上のパターンを照明するようにしている。また、実露光時には、第２の光学系１４及びミラー１５が、露光光束をけらないように図７の矢印方向に移動し光路中より挿脱可能となっている。さらに第２の照明光学系１４の照明条件をコヒーレント照明（σ＝０）あるいは略コヒーレント照明（σ≦０．２）とすることにより、位相回復法にとって理想的な状態で投影レンズ１の波面収差を算出することを可能としている。
【００６４】
本実施形態では、露光用照明系１３には、なんら改造、変更を加える必要がなく、非常に簡便な方法で位相回復法にとって最適な照明状態とすることを可能としている。また、第２の照明光学系１４の光源としては、露光用の光源と同一のものを用いてもよいし、露光用光源と同一の波長の別の光源を用いてもよい。
【００６５】
図８は本発明の実施形態５の要部概略図である。図８において図１で示した要素と同一要素には同符合を付している。
【００６６】
本実施形態ではレチクル２とウエハ３との位置合わせ（アライメント）を行うアライメント用光学系を利用して、位相回復法による投影レンズ１の波面収差を算出可能としている。図８において、アライメント光学系は、対物レンズ２８、ビームスプリッタ２９、リレー光学系３１、照明系リレー光学系３３、光源３４、センサー３０等とからなる。露光光と同一の波長の光が光源３４より射出され、照明系リレー光学系３３、対物レンズ２８を介してレチクル２上のアライメントマークを照明し、アライメントマークの像を対物レンズ２８、リレー光学系３１を介してセンサー３０に結像させている。また、照明系リレー光学系３３、対物レンズ２８、投影レンズ１を介して、ウエハ３上のアライメントマークを照明し、投影レンズ１、対物レンズ２８、リレー光学系３１を介してセンサー３０上に結像させ、ウエハ上のアライメントマークを観察することもできる。また、リレー光学系３１とセンサー３０との間等にさらに光学系を配置する場合もある。
【００６７】
次に、上記アライメント光学系を用いた位相回復法に関して以下に説明する。アライメント計測時には、通常０．２≦σ≦１．０でアライメントマークを照明する。そこで、図８に示したアライメント光学系に、切替式の絞り３２を照明系リレー光学系３３とビームスプリッタ２９との間に設置し、アライメント時と位相回復法による波面収差測定実施時とで、σ値を切り換え可能とし、位相回復法による波面収差測定実施時には、σ≦０．２とするような絞りに切り換えて、レチクル２上のパターンを照明し、その像の強度分布を光強度測定装置８で計測している。これにより、投影レンズ１の波面収差を算出している。すなわち、図８に示したようにアライメント光学系内に切替式の絞り３２を設置し、アライメント計測時と位相回復法による波面収差測定実施時とで、お互いが最適な照明状態となるように絞りを切り換えることにより、なんら新規の光学系を用いなくとも、高精度で位相回復法を実施し、投影レンズ１の波面収差を算出することを可能としている。また、アライメント光学系の光源３４は、図８では、別光源としたが、露光用光源と同一のものを用いてもよい。また、各実施形態で示した光強度検出装置８は、ＣＣＤのような光センサーをステージ４上に搭載してもよいし、不図示の拡大光学系を用いて、強度分布を拡大した後、光センサーで計測してもよい。
【００６８】
次に本発明の実施形態６について説明する。構成は図８の実施形態５で示したのとほぼ同一である。
【００６９】
本実施形態は実施形態５に比べて、ステージ４が、ｎｍオーダーの高精度で２次元的に駆動できることを利用して、光強度検出装置８として、ナイフエッジ法を用いて像面及びその近傍の光強度分布を計測することが異なっている。ナイフエッジ法を用いることにより、ステージ４上に拡大光学系のような重量物を搭載せずに、光センサーをステージ４上に直接搭載した場合と比較して、光強度分布を高精度で計測することができる。また、拡大光学系とナイフエッジ法とを併用して、光強度分布を高精度で計測するようにしてもよい。
【００７０】
図９は本発明の実施形態７の要部概略図である。図９において図８で示した要素と同一要素には同符合を付している。
【００７１】
本実施形態では、図９に示したようにウエハステージ４上に反射部（凹面ミラー）９を設け、レチクル２上のパターンを投影レンズ１を２回介して中間像面３６上に結像させ、レチクル２側でパターンの像の強度分布を計測し、位相回復法で投影レンズ１の波面収差を計測している。以下にその計測方法を詳細に説明する。
【００７２】
第２の光源３４から露光波長と同一の波長の光束を射出し、照明系リレー光学系３３と切替絞り３２、ビームスプリッタ２９ａ、対物レンズ２８を介して、略コヒーレントな照明条件（σ０．２以下）でレチクル２上のパターンを照明する。レチクル２上のパターンは、投影レンズ１によりウエハ３と同じ高さに結像するが、ウエハステージ４上に構成されたミラー９により反射され、再び投影レンズ１、ハーフミラー７を介して、中間像面３６に結像する。ここで、ミラー９は球面ミラーであり、その曲率中心がウエハ３とほぼ同じ高さになるように構成されている。投影レンズ１を２回介して中間像面３６に結像したレチクル２上のパターンは、拡大光学系３５、ミラー１５、ビームスプリッタ２９ｂ、リレー光学系３１を介して、センサー３０上に拡大されて結像する。また、拡大光学系３５を図面矢印方向へ動かしたり、センサー３０を動かすことにより、フォーカス状態、デフォーカス状態の強度分布を計測する。
【００７３】
以上のような構成をとることにより、投影レンズ１を２回介して強度分布を計測できるため、投影レンズを１回だけ介した方法と比較して、収差の感度を２倍にして計測することが可能である。また、拡大光学系３５を使用して、強度分布を拡大してセンサー３０に結像させるため、精度よく強度分布を計測することができ、波面収差を高精度で算出することが可能である。さらに、ウエハステージ４上には、ミラーを構成するだけでよいため、強度分布を計測するためのセンサー等の重量物を搭載する必要がないという利点もある。さらに、本実施形態では、図８の実施形態５と同様に、アライメント光学系を利用して、位相回復法を行うように構成したため、センサー３０やリレー光学系３１、光源３４、照明系リレー光学系３３、対物レンズ２８等を共用しているため、必要最小限の光学系の追加で位相回復法を実施している。
【００７４】
なお、本実施形態では、ミラー９として球面ミラーを用いたが、反射面がウエハ面とほぼ同じ高さになるような平面ミラーでもよく、この場合、波面収差の成分のうち、球面収差、非点収差などの対称成分のみ、感度が２倍になる。対称成分のみ２倍になる理由は、投影レンズの行き（レチクル側からウエハ側）と帰り（ウエハ側からレチクル側）とで投影レンズを通る光束が、主光線を軸に回転対称になるため、非対称な成分はキャンセルされるためである。また、図９では凹面のミラーが図示されているが、曲率中心がウエハ面とほぼ同じ高さになるような凸面ミラーでもよい。
【００７５】
図１０は本発明の実施形態８の要部概略図である。図１０において図９で示した要素と同一要素には同符合を付している。
【００７６】
本実施形態では、位相回復法により算出された波面収差に基づき、露光装置上で、図１０に示したように投影レンズ１内に設置した収差補正光学系１２により収差補正を行ったり、投影レンズ１内の各レンズの空気間隔等を調整することを特徴とする。これにより、従来と比較して、収差を低減した状態で露光することを可能としている。また、収差補正光学系１２としては、例えば、特開平１０−２４２０４８号公報にあるような同一形状からなる１対の非球面光学素子を非球面が対向するように配置された光学素子などを用いることができる。なお、図１０では、収差補正光学系１２を投影レンズ１の瞳面近傍に設置したが、投影レンズ１とウエハ３間や、投影レンズ１とレチクル２間に設置してもよいし、複数の素子を設置してもよい。
【００７７】
なお、以上の実施形態では、フォーカス面（像面）と１つのデフォーカス面から、投影レンズ１の波面収差を算出したが、フォーカス面（像面）を用いずに２つの異なるデフォーカス面での像の強度分布から算出することも可能である。また、フォーカス面（像面）と複数のデフォーカス面、すなわち３つ以上の位置での像の強度分布を用いて、波面収差を算出することも可能である。また、収差補正光学系として一対の非球面光学素子の例を示したが、これに限るわけではない。例えば、投影レンズ内の複数のレンズを駆動して、収差補正を行ったり、投影レンズとウエハ間や投影レンズとレチクル間に１枚または、２枚以上の平行平板を設置し、それらの平行平板の角度を変化させることなどでも収差を補正することが可能である。
【００７８】
本発明では以上の各実施形態に示す投影露光装置を用いて、マスクとウエハとの相対的な位置検出を行った後に、マスク面上のパターンをウエハ面に転写し、該ウエハを現像処理工程を介してデバイスを製造している。
【００７９】
本発明によれば、露光時と位相回復法実施時とで照明条件を変えることにより、露光装置本体上において位相回復法により高精度で投影レンズの波面収差を算出することが可能となる。特に位相回復法実施時には、略コヒーレントな状態でレチクルを照明できるように露光用照明系に光学系を追加したり、露光用照明系の一部のみ利用したり、一部を交換するなどの照明光学系の変更により、高精度で波面収差を算出することが可能となる。
【００８０】
また、位相回復法実施時には、露光用照明系とは異なる第２の光学系を用いて、略コヒーレントな状態でレチクルを照明することによっても、露光装置本体上において位相回復法により高精度で投影レンズの波面収差を算出することが可能となる。特に第２の光学系として、アライメント光学系を利用することにより、新規に光学系を設置せずに、露光装置本体上において位相回復法により高精度で投影レンズの波面収差を算出することが可能となる。
【００８１】
さらに、算出された波面収差に基づき、投影レンズの内外に設置された収差補正光学系等を用いて、投影レンズの波面収差を調整することにより、波面収差の極めて少ない状態で露光することが可能となる。
【００８２】
以上の各実施形態は半導体素子製造用のステップアンドリピート方式の投影露光装置について述べてきたが、本発明はその他、スキャン露光装置や、液晶露光装置に適用可能である。
【００８３】
次に上記説明した投影露光装置を利用した半導体デバイスの製造方法を説明する。
【００８４】
図１０は半導体デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、或は液晶パネルやＣＣＤ等）の製造のフローチャートである。
【００８５】
本実施例においてステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行う。ステップ２（マスク製作）では設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。
【００８６】
一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等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）は前行程と呼ばれ、前記用意したマスクとウエハを用いてリソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。
【００８７】
次のステップ５（組立）は後行程と呼ばれ、ステップ４によって作製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。
【００８８】
ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。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。
【００８９】
図１１は上記ステップ４のウエハプロセスの詳細なフローチャートである。まず、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）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。
【００９０】
ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）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）では前記説明した露光装置によってマスクの回路パターンをウエハに焼付露光する。
【００９１】
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なうことによってウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【００９２】
尚、本実施例の製造方法を用いれば、高集積度の半導体デバイスを容易に製造することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、以上のように各要素を特定することにより、マスクのパターンをウエハ上に投影する投影光学系（投影レンズ）の波面収差を高精度に測定することができ、高集積度のデバイスを容易に製造することができる投影露光装置及びそれを用いたデバイスの製造方法を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 図１の露光用照明系を模式的に示した図
【図３】 本発明に係る位相回復法のアルゴリズム１
【図４】 本発明に係る位相回復法のアルゴリズム２
【図５】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図６】 本発明の実施形態３の要部概略図
【図７】 本発明の実施形態４の要部概略図
【図８】 本発明の実施形態５または６の要部概略図
【図９】 本発明の実施形態７の要部概略図
【図１０】 本発明の実施形態８の要部概略図
【図１１】 本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【図１２】 本発明のデバイスの製造方法のフローチャート
【符号の説明】
１：投影レンズ
２：レチクル
３：ウエハ
４：ウエハステージ
５：ステージ駆動装置
６：平面ミラー
７：ハーフミラー
８：光強度測定装置
９：球面ミラー
１０：拡大光学系
１１：情報処理装置
１２：収差補正光学系
１３：露光用照明系（第１の光学系）
１４：第２の光学系
１５：ミラー
１６：コヒーレント化光学系
１７：（第１の）光源
１８：光束整形部
１９：インコヒーレント化部
２０：照明状態調整部
２１：ハエの目光学系
２２：絞り
２３：レンズ部
２４：（位相回復法用）照明状態調整部
２５：絞り
２６：（第２の）光源
２７：ミラー
２８：対物レンズ
２９：ビームスプリッタ
３０：センサー
３１：リレー光学系
３２：切替絞り
３３：照明系リレー光学系
３４：（第２の）光源
３５：拡大光学系
３６：中間像面
ＡＸ：投影レンズの光軸
ＩＬ：照明光束
Claims (3)
- 光源からの光でレチクルのパターンを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンの像をウエハに投影する投影光学系と、を備える投影露光装置において、
前記投影光学系により投影された特定パターンの像の光強度分布を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段からのデータに基づいて前記投影光学系の波面収差を位相回復法により算出する波面収差算出手段と、を有し、
前記特定のパターンは、前記ウエハを露光する際には使用されない０≦σ≦０．１（σ＝前記照明光学系の開口数／前記投影光学系の開口数）の略コヒーレントな照明条件で前記照明光学系により照明されることを特徴とする投影露光装置。 - 光源からの光でレチクルのパターンを照明する照明光学系と、前記レチクルのパターンの像をウエハに投影する投影光学系と、前記レチクルと前記ウエハとの位置合わせをするアライメント光学系と、を備える投影露光装置において、
前記投影光学系により投影された特定パターンの像の光強度分布を検出する光強度検出手段と、
前記光強度検出手段からのデータに基づいて前記投影光学系の波面収差を位相回復法により算出する波面収差算出手段と、を有し、
前記特定のパターンは、前記ウエハを露光する際には使用されない０≦σ≦０．１（σ＝前記照明光学系の開口数／前記投影光学系の開口数）の略コヒーレントな照明条件で前記アライメント光学系により照明されることを特徴とする投影露光装置。 - 請求項１又は２の投影露光装置を用いてウエハを露光してデバイスを製造することを特徴とするデバイスの製造方法。
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