JP3994209B2 - Optical system inspection apparatus and inspection method, and alignment apparatus and projection exposure apparatus provided with the inspection apparatus - Google Patents

Optical system inspection apparatus and inspection method, and alignment apparatus and projection exposure apparatus provided with the inspection apparatus Download PDF

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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系の検査装置および検査方法並びに該検査装置を備えた位置合わせ装置および投影露光装置に関し、特に半導体素子や液晶表示素子等を製造するリソグラフィ工程で用いる投影露光装置の投影光学系や、該投影露光装置に付設された位置合わせ装置のアライメント光学系、更にそのアライメント結果の判定を行うための重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系の収差、焦点位置、光軸ズレなどの検査および補正(調整)に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、半導体素子や液晶表示素子等を製造するリソグラフィ工程で用いる投影露光装置では、マスクに形成されたパターンを投影光学系を介して感光性基板であるウエハ上に転写する。この際、ウエハ上にすでに形成されたパターンに対して、投影光学系を介して形成されるマスクパターンの投影像を、投影露光装置に付設された位置合わせ装置により位置合わせ(アライメント)して、重ね合わせ露光を行う。さらに、投影露光装置に内設または外設された重ね合わせ測定装置により、位置合わせ装置によるアライメント結果の良否を判定する。
【0003】
この場合、たとえば投影光学系に収差が残存していると、マスクパターンの投影像が正確に結像することができず、ウエハ上に歪みのある転写パターンが形成される。また、たとえば位置合わせ装置のアライメント光学系に収差が残存していると、マスクとウエハとの正確な位置合わせを行うことができず、高精度な重ね合わせ露光を行うことができない。さらに、重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系についても、たとえば残留収差があると高精度な重ね合わせ測定を行うことができない。
【0004】
このように、投影露光装置の投影光学系や、位置合わせ装置のアライメント光学系や、更に重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系などをできるだけ理想光学系に近い状態に設定することによりはじめて、投影露光装置や位置合わせ装置や重ね合わせ測定装置などの装置性能を十分に発揮させることができる。こうした光学系の収差、焦点位置、光軸ズレなどを正確に且つ簡易に検査し、検査結果に応じて精密に補正または調整することが近年益々重要になっている。
【0005】
そこで、本出願人は、特開平9−49781号公報において、投影露光装置の投影光学系や、位置合わせ装置のアライメント光学系や、更に重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系などの検査に好適な検査装置を提案している。この検査装置では、例えば位相パターンの像を徐々にデフォーカスさせた際に生じる像の非対称性の変化に注目し、この非対称性の変化に基づいて主にコマ収差、球面収差、および光束ケラレ(光束が遮られること)を正確に検査している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平9−49781号公報に開示された検査装置では、コマ収差や球面収差以外の他の諸収差を正確に(再現性良く)且つ簡易に検査することができなかった。
【0007】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、光学系の様々な収差、焦点位置、光軸ズレなどを正確に且つ簡易に検査することのできる検査装置および検査方法を提供することを目的とする。
また、本発明の検査装置による検出結果に基づいて光学系の収差、焦点位置、光軸ズレなどを補正または調整することによって十分な装置性能を発揮することのできる投影露光装置、位置合わせ装置および重ね合わせ測定装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の第1発明では、位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段と、
前記像検出手段において各デフォーカス状態で検出された前記位相パターンのエッジに対応する像の非対称性の指標であって、式(1)により定義される指標βのデフォーカス量に依存しない一定のオフセット値Bに基づいて、前記位相パターンの形成面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを検査するための検査手段とを備えていることを特徴とする検査装置を提供する。
β=Σ{V iL −V iR /(V max −V min )}/n (1)
ここで、V iL およびV iR は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の周期における左右の信号極小値であり、V max およびV min は信号Vの最大値および最小値であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0009】
第1発明にかかる検査装置において、前記検査手段は、前記像検出手段において1つまたは複数のデフォーカス状態で検出した前記位相パターンのエッジに対応する像の非対称性と、前記位相パターンまたは前記像検出手段をその検出中心の周りに180度回転させた状態で前記像検出手段において1つまたは複数のデフォーカス状態で検出した前記位相パターンのエッジに対応する像の非対称性とに基づいて、前記位相パターンまたは前記像検出手段に起因する像の非対称性の検出誤差を補正して前記光学系を検査することが好ましい。
【0010】
また、本発明の第2発明では、位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段とを備え、
前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第1の位相パターンと、該第1の位相パターンとは異なる位相振幅分布を有し前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第2の位相パターンとを有し、
前記第1の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度と前記第1の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第1のデフォーカス位置と、前記第2の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度と前記第2の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第2のデフォーカス位置との差に基づいて、前記光学系の球面収差を検査するための検査手段をさらに備えていることを特徴とする検査装置を提供する。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0011】
さらに、本発明の第3発明では、位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段とを備え、
前記照明光学系には、照明開口絞りを通過する前記照明光の振幅分布を変更するための照明開口変更手段が設けられ、
前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す位相パターンであり、
前記照明開口変更手段により設定した第1の照明条件の下で照明された前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第1のデフォーカス位置と、前記照明開口変更手段により設定した第2の照明条件の下で照明された前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第2のデフォーカス位置との差に基づいて、前記光学系の球面収差を検査するための検査手段をさらに備えていることを特徴とする検査装置を提供する。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0012】
また、本発明の第4発明では、位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段とを備え、
前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す位相パターンであり、
各デフォーカス状態での、前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αの、前記光学系の視野内の複数の位置における値において、各視野位置に対応するαが0になるデフォーカス位置に基づいて、前記光学系の光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、および像面傾斜のうちの少なくとも1つを検査するための検査手段をさらに備えていることを特徴とする検査装置を提供する。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0013】
なお、第1発明乃至第4発明および各発明の好ましい態様にかかる検査装置においては、前記位相パターンに照射する前記照明光の波長を選択するための照明波長選択手段および前記位相パターンからの結像光束の波長を選択するための結像光束波長選択手段のうちの少なくとも一方を備え、前記照明波長選択手段または前記結像光束波長選択手段によって選択された波長の光に関して前記光学系を検査することが好ましい。
また、選択された波長の光に関して前記光学系を検査するために、前記位相パターンは異なる分光反射率または分光透過率を有する2つ以上の位相パターンを有することが好ましい。
【0014】
また、前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返すデューティ比が1対1の位相パターンであることが好ましい。また、前記位相パターンの透過または反射の振幅位相分布の位相変化量Φは、前記像検出手段で検出する光束の中心波長に対して、
Φ=π(2n−1)/2 (nは自然数)
の条件を満足することが好ましい。
【0015】
また、前記デフォーカス手段は、前記位相パターン、前記光学系の全体または一部、および前記像検出手段のうちの少なくとも1つを前記光学系の光軸に沿って移動させることが好ましい。また、前記デフォーカス手段は、前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度とが等しくなるデフォーカス位置を中心として、前記像検出手段で検出される前記位相パターンの像のデフォーカス範囲を規定することが好ましい。
【0016】
また、本発明の第5発明では、転写パターンが形成されたマスク上に設けられた位相パターンからなる位置合わせマークまたは前記転写パターンの像が転写される感光性基板上に設けられた位相パターンからなる位置合わせマークに照明光を照射するための照明光学系と、前記位置合わせマークからの光束を集光して前記位置合わせマークの像を結像させるための結像光学系とからなるアライメント光学系を有し、前記マスクまたは前記感光性基板の位置決めを行うための位置合わせ装置において、
前記アライメント光学系を検査するために第1発明乃至第4発明および各発明の好ましい態様にかかる検査装置を備え、
前記検査装置による前記アライメント光学系の検査情報に基づいて前記結像光学系の収差を補正するための収差補正手段、前記検査情報に基づいて前記結像光学系の合焦位置を調整するための合焦位置調整手段、前記検査情報に基づいて前記結像光学系の光束ケラレを補正するために前記結像光学系の結像開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させるための結像開口絞り位置調整手段、前記結像光学系の物体面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを補正するために前記照明光学系の照明開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させる照明開口絞り位置調整手段のうちの少なくとも1つをさらに備えていることを特徴とする位置合わせ装置を提供する。
また、本発明の別の観点によれば、マスク上に形成された転写パターンを感光性基板上に露光する露光装置において、前記マスクまたは前記感光性基板の位置決めを行うために第5発明にかかる位置合わせ装置を備えていることが好ましい。
【0017】
また、本発明の別の観点によれば、基板上に形成された第1パターンおよび第2パターンに照明光を照射するための照明光学系と、前記第1パターンおよび前記第2パターンからの光束を集光して前記第1パターンの像および前記第2パターンの像を結像させるための結像光学系とからなる重ね合わせ測定光学系を有し、前記第1パターンと前記第2パターンとの相対位置ずれの測定を行う重ね合わせ測定装置において、
前記重ね合わせ測定光学系を検査するために第1発明乃至第4発明および各発明の好ましい態様にかかる検査装置を備え、
前記検査装置による前記アライメント光学系の検査情報に基づいて前記結像光学系の収差を補正するための収差補正手段、前記検査情報に基づいて前記結像光学系の合焦位置を調整するための合焦位置調整手段、前記検査情報に基づいて前記結像光学系の光束ケラレを補正するために前記結像光学系の結像開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させるための結像開口絞り位置調整手段、前記結像光学系の物体面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを補正するために前記照明光学系の照明開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させる照明開口絞り位置調整手段のうちの少なくとも1つをさらに備えていることが好ましい。
【0018】
また、本発明の別の観点によれば、マスク上に形成された転写パターンを感光性基板上に露光する露光装置において、前記感光性基板上に形成された第1パターンと第2パターンとの相対位置ずれの測定を行うために上記重ね合わせ測定装置を備え、前記重ね合わせ測定装置による相対位置ずれ情報に基づいて、前記マスクまたは前記感光性基板の位置決め補正を行うことが好ましい。
【0019】
また、本発明の第6発明では、転写パターンが形成されたマスクに照明光を照射するための照明光学系と、前記転写パターンの像を感光性基板上に形成するための投影光学系とを備えた投影露光装置において、
前記照明光学系および前記投影光学系を検査するために第1発明乃至第4発明および各発明の好ましい態様にかかる検査装置を備え、
前記検査装置による前記照明光学系および前記投影光学系の検査情報に基づいて前記投影光学系の収差を補正するための収差補正手段、前記検査情報に基づいて前記投影光学系の合焦位置を調整するための合焦位置調整手段、前記検査情報に基づいて前記投影光学系の光束ケラレを補正するために前記投影光学系の結像開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させるための結像開口絞り位置調整手段、前記投影光学系の物体面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを補正するために前記照明光学系の照明開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させる照明開口絞り位置調整手段のうちの少なくとも1つをさらに備えていることを特徴とする投影露光装置を提供する。
【0020】
また、本発明の第7発明によれば、所定の位相パターンの像を形成する結像光学系を含む光学系を検査する方法において、
前記位相パターンに照明光を照射し、
前記結像光学系の光軸方向において異なる複数のデフォーカス位置で前記位相パターンの像を検出し、
前記複数のデフォーカス位置で検出された前記位相パターンのエッジに対応する像の非対称性の指標であって、式(1)により定義される指標βのデフォーカス量に依存しない一定のオフセット値Bに基づいて、前記位相パターンの形成面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを検査することを特徴とする光学系の検査方法を提供する。
β=Σ{V iL −V iR /(V max −V min )}/n (1)
ここで、V iL およびV iR は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の周期における左右の信号極小値であり、V max およびV min は信号Vの最大値および最小値であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0021】
また、本発明の第8発明によれば、位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンの像を形成する結像光学系を含む光学系を検査する方法において、
前記位相パターンは、所定方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第1の位相パターンと、該第1の位相パターンとは異なる位相振幅分布を有し、前記所定方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第2の位相パターンとを有し、
前記照明光学系を介して前記位相パターンに照明光を照射し、
前記位相パターンの像を、前記所定方向に沿った検出方向を有する像検出器を用いて検出し、
前記第1の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度と前記第1の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第1のデフォーカス位置と、前記第2の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度と前記第2の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第2のデフォーカス位置との差に基づいて、前記光学系の球面収差を検査することを特徴とする光学系の検査方法を提供する。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0022】
なお、第8発明の好ましい態様によれば、前記照明光学系は、照明開口絞りを通過する前記照明光の振幅分布を変更可能に構成され、
前記第1のデフォーカス位置を検出する際には、前記照明開口絞りでの前記照明光の振幅分布を第1の振幅分布に設定し、
前記第2のデフォーカス位置を検出する際には、前記照明開口絞りでの前記照明光の振幅分布を前記第1の振幅分布とは異なる第2の振幅分布に設定する。
【0023】
また、本発明の第9発明によれば、所定の位相パターンの像を形成する結像光学系を含む光学系を検査する方法において、
前記位相パターンに照明光を照射し、
所定の検出方向を有する像検出器を用いて前記結像光学系の光軸方向において異なる複数のデフォーカス位置で前記位相パターンの像を検出し、
前記位相パターンは、前記像検出器の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す位相パターンであり、
前記複数のデフォーカス位置での、前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αの、前記光学系の視野内の複数の位置における値において、各視野位置に対応するαが0になるデフォーカス位置に基づいて、前記光学系の光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、および像面傾斜のうちの少なくとも1つを検査することを特徴とする光学系の検査方法を提供する。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明の検査装置および検査方法では、後述の実施例において図3および図4を参照して説明するように、各デフォーカス状態で検出された位相パターンのエッジに対応する像の非対称性の指標βの変化に基づいて、被検光学系のコマ収差および被検光学系における光束ケラレに加えて、位相パターンの形成面の法線に対する照明光の主光線の傾きすなわち照明テレセンを再現性良く容易且つ迅速に検査することができる。具体的には、デフォーカス量Zに依存することのない指標βの一定のオフセット値Bに基づいて照明光の主光線の傾斜量すなわち照明テレセン量を求めることができる。また、デフォーカス量Zに依存してほぼ線形的に変化する指標βを表す直線の傾きCに基づいてコマ収差量を求めることができる。さらに、デフォーカス量Zに依存して折れ線状または湾曲線状に変化する指標βを表す折れ線または湾曲線の折れ曲がり量Dに基づいて光束のケラレ量を求めることができる。
【0025】
この場合、位相パターンをその検出中心の周りに180度回転させた2つの状態で検出した2つの非対称性の指標β1およびβ2に基づいて(たとえばその単純平均値に基づいて)、位相パターンに起因する像の非対称性の指標βの検出誤差を補正することができる。また、CCDのような像検出手段をその検出中心の周りに180度回転させた2つの状態で検出した2つの非対称性の指標β1およびβ2に基づいて(たとえばその単純平均値に基づいて)、位相パターンに起因する像の非対称性の指標βの検出誤差を補正することもできる。
【0026】
また、本発明の検査装置および検査方法では、後述の実施例において図7を参照して説明するように、位相振幅分布(ピッチ)の異なる第1の位相パターンと第2の位相パターンとを用いて、被検光学系の球面収差を再現性良く容易且つ迅速に検査することができる。具体的には、第1の位相パターンの位相の進んだ領域(たとえば反射型凹凸パターンの凸部)に対応する像の光強度と第1の位相パターンの位相の遅れた領域(たとえば反射型凹凸パターンの凹部)に対応する像の光強度とが一致する(指標α=0となる)第1のデフォーカス位置Z1と、第2の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する像の光強度と第2の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する像の光強度とが一致する(指標α=0となる)第2のデフォーカス位置Z2とに基づいて、被検光学系の球面収差の大きさおよび補正状態を求めることができる。
【0027】
さらに、本発明の検査装置および検査方法では、後述の実施例において図8を参照して説明するように、2つの異なる照明条件に対して同一の位相パターンを用いて、被検光学系の球面収差を再現性良く容易且つ迅速に検査することができる。具体的には、第1の照明σ値で照明された位相パターンの位相の進んだ領域に対応する像の光強度と位相パターンの位相の遅れた領域に対応する像の光強度とが一致する(指標α=0となる)第1のデフォーカス位置Z1と、第2の照明σ値で照明された位相パターンの位相の進んだ領域に対応する像の光強度位相パターンの位相の遅れた領域に対応する像の光強度とが一致する第2のデフォーカス位置Z2とに基づいて、被検光学系の球面収差の大きさおよび補正状態を求めることができる。
【0028】
また、本発明の検査装置および検査方法では、後述の実施例において図7および図8を参照して説明するように、各デフォーカス状態での位相パターンの位相の進んだ領域に対応する像の光強度と位相パターンの位相の遅れた領域に対応する像の光強度との差の指標αの変化に基づいて、被検光学系の焦点位置、光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、および像面傾斜のうちの少なくとも1つを再現性良く容易且つ迅速に検査することができる。
【0029】
以上のように、本発明の検査装置および検査方法では、各デフォーカス状態において位相パターンのエッジに対応する像の非対称性(指標β)や位相パターンの凹凸部の像強度の差異(指標α)を計測することにより、光学系のコマ収差、光束ケラレ、照明光の傾斜(照明テレセン)に加え、球面収差、焦点位置、光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、像面傾斜を再現性良く容易且つ迅速に検査することができる。そして、検出した光学系の検査情報に基づいて、光学系の収差や合焦位置に関する補正および調整、照明開口絞りや結像開口絞りに関する位置調整などを効率的且つ適正に行うことにより、当該光学系を理想光学系に限りなく近づけることができる。
【0030】
したがって、本発明の検査装置を投影露光装置や位置合わせ装置や重ね合わせ測定装置などに組み込むことにより、投影露光装置の照明光学系および投影光学系や位置合わせ装置のアライメント光学系や重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系を再現性良く容易且つ迅速に検査するとともに、検査装置による検出結果に基づいて光学系の収差、焦点位置、光軸ズレなどを補正または調整することによって十分な装置性能を発揮させることができる。具体的には、位置合わせ装置ではアライメント光学系に起因する位置検出誤差が低減し、重ね合わせ測定装置では重ね合わせ測定光学系に起因する測定誤差が低減する。また、投影露光装置では、投影光学系の収差が良好に補正され且つその焦点位置や光軸ズレなどが良好に調整されるので、パターン転写性能が向上し、精度の高い重ね合わせ投影露光を行うことが可能になる。
【0031】
以下、本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の第1実施例にかかる検査装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。なお、第1実施例では、投影露光装置に付設されたオフアクシス方式の位置合わせ装置のアライメント光学系(結像光学系および照明光学系)を検査している。
図1では、投影露光装置の投影光学系PLの光軸に対して平行にZ軸が、光軸に垂直な平面内において図1の紙面に平行な方向にX軸が、Z軸およびX軸に垂直な方向にY軸がそれぞれ設定されている。
【0032】
図1に示す投影露光装置は、適当な露光光でマスクとしてのレチクルRを均一に照明するための露光用照明光学系(不図示)を備えている。レチクルRはレチクルステージ101上においてXY平面とほぼ平行に支持されており、そのパターン領域PAには転写すべき回路パターンが形成されている。
レチクルRを透過した光は、投影光学系PLを介して感光基板であるウエハ(またはガラスプレート)Wに達し、ウエハW上にはレチクルRのパターン像が形成される。
【0033】
なお、ウエハWは、ウエハホルダ121を介してZステージ122上においてXY平面とほぼ平行に支持されている。Zステージ122は、ステージ制御系124によって、投影光学系PLの光軸に沿って駆動されるようになっている。
Zステージ122はさらに、XYステージ123上に支持されている。XYステージ123は、同じくステージ制御系124によって、投影光学系PLの光軸に対して垂直なXY平面内において二次元的に駆動されるようになっている。
【0034】
投影露光の際には、パターン領域PAとウエハW上の各露光領域とを光学的に位置合わせ(アライメント)する必要がある。そこで、ウエハW上に形成されたアライメント用の段差マークすなわちウエハマークWMの基準座標系における位置を検出し、その位置情報に基づいてアライメントが行われる。このように、ウエハマークWMの位置を検出してアライメントを行うのに、本発明の位置合わせ装置が使用される。
【0035】
図1に示す位置合わせ装置は、照明光(アライメント光AL)を供給するために、たとえばハロゲンランプのような光源103を備えている。光源103からの光は、たとえば光ファイバーのようなライトガイド104を介して所定位置まで導かれる。ライトガイド104の射出端から射出された照明光は、必要に応じて照明開口絞り127で制限された後、適当な断面形状を有する照明光束となってコンデンサーレンズ129に入射する。
【0036】
コンデンサーレンズ129を介したアライメント光ALは、一旦集光された後、照明視野絞り(不図示)を介して照明リレーレンズ105に入射する。照明リレーレンズ105を介して平行光となったアライメント光ALは、ハーフプリズム106を透過した後、第1対物レンズ107に入射する。第1対物レンズ107で集光されたアライメント光ALは、反射プリズム108の反射面で図中下方に反射された後、ウエハW上に形成されたアライメントマークであるウエハマークWMを照明する。
【0037】
このように、光源103、ライトガイド104、照明開口絞り127、コンデンサーレンズ129、照明視野絞り(不図示)、照明リレーレンズ105、ハーフプリズム106、第1対物レンズ107、および反射プリズム108は、ウエハマークWMに照明光を照射するための照明光学系を構成している。
【0038】
照明光に対するウエハマークWMからの反射光は、反射プリズム108および第1対物レンズ107を介して、ハーフプリズム106に入射する。ハーフプリズム106で図中上方に反射された光は、第2対物レンズ111を介して、指標板112上にウエハマークWMの像を形成する。指標板112を介した光は、リレーレンズ系(113,114)を介して、XY分岐ハーフプリズム115に入射する。そして、XY分岐ハーフプリズム115で反射された光はY方向用CCD116に、XY分岐ハーフプリズム115を透過した光はX方向用CCD117に入射する。なお、リレーレンズ系(113,114)の平行光路中には、必要に応じて結像開口絞り130が配置されている。
【0039】
このように、反射プリズム108、第1対物レンズ107、ハーフプリズム106、第2対物レンズ111、指標板112、リレーレンズ系(113,114)、結像開口絞り130およびハーフプリズム115は、照明光に対するウエハマークWMからの反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。
また、Y方向用CCD116およびX方向用CCD117は、結像光学系を介して形成されたマーク像を検出するための像検出手段を構成している。
【0040】
こうして、Y方向用CCD116およびX方向用CCD117の撮像面には、マーク像が指標板112の指標パターン像とともに形成される。Y方向用CCD116およびX方向用CCD117からの出力信号は、信号処理系118に供給される。さらに、信号処理系118において信号処理(波形処理)により得られたウエハマークWMの位置情報は、主制御系125に供給される。
【0041】
主制御系125は、信号処理系118からのウエハマークWMの位置情報に基づいて、ステージ制御信号をステージ制御系124に出力する。ステージ制御系124は、ステージ制御信号にしたがってXYステージ123を適宜駆動し、ウエハWのアライメントを行う。
なお、主制御系125には、たとえばキーボードのような入力手段126を介して、照明開口絞り127に対する指令や結像開口絞り130に対する指令が供給される。主制御系125は、これらの指令に基づき、駆動系128を介して照明開口絞り127を駆動したり、駆動系131を介して結像開口絞り130を駆動したりする。また、主制御系125は、後述する収差補正指令に基づき、第2対物レンズ111やリレーレンズ113を駆動する。
【0042】
上述したように、ウエハW上にはアライメントマークとしてウエハマークWMが形成されているが、このウエハマークWMはたとえばCCD116の計測方向またはCCD117の計測方向に沿って周期的な位相変化を繰り返すデューティ比が1対1の位相パターンである。こうした位相パターンは、たとえば投影露光装置で露光処理したシリコンウエハをエッチング処理することにより、所望の精度で正確な形状に形成することができる。なお、後述する光学系の収差測定などにおいて鋭敏な検出感度を得るためには、位相パターンの反射振幅位相分布の位相変化量Φが、CCD116および117で検出する光束の中心波長に対して以下の式(a)を満足することが望ましい。
Φ=π(2n−1)/2 (nは自然数) (a)
【0043】
図2は、位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVを、計測方向Sに対してプロットした図であって、位相パターン像の非対称性の指標βを説明するための図である。
第1実施例では、位相パターンからなるウエハマークWMの像が撮像素子であるCCD(116,117)の撮像面に形成される。したがって、図2では、撮像素子(116,117)からの撮像信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVを計測方向Sに対してプロットしている。
【0044】
図2に示すように、積分信号ΣVは、計測方向Sに沿って周期BP(B:結像光学系の倍率,P:ウエハ上における位相パターンWMのピッチ)毎に変化する。第1実施例では、位相パターン像の非対称性を定量化するために、積分信号ΣVの分布においてi番目(図2では2番目)の周期における図中左右の信号極小値(落ち込みエッジ部の信号値)をそれぞれViLおよびViR(i=1,2,3・・・)とする。また、積分信号ΣVの両端部分を除き各周期に亘る全体領域において、信号の最大値および最小値をそれぞれVmax およびVmin とする。
【0045】
そして、位相パターン像の非対称性の指標βを、次の式(1)に基づいて求める。
β=Σ{ViL−ViR/(Vmax −Vmin )}/n (1)
ここで、nは周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0046】
図3および図4は、主制御系125の指令に基づきステージ制御系124がZステージ122を適宜駆動して得られる各デフォーカス状態での位相パターン像の非対称性の指標βの変化とコマ収差や光軸ずれ等との関係を示す図である。
被検光学系(この場合は結像光学系および照明光学系)に残存収差がなく且つ光軸ずれも存在しない理想的な光学調整状態では、図3(a)において直線L1で示すように、デフォーカス量Zに依存することなく指標βは0である。
【0047】
また、被検光学系(この場合は照明光学系)において物体面(すなわちウエハ面)を照射する照明光の主光線が物体面の法線に対して傾斜している場合(以下、「照明テレセンがある場合」という)には、図3(b)において直線L2で示すように、デフォーカス量Zに依存することなく指標βは一定のオフセット値Bをとる。このオフセット値Bは、物体面の法線に対する照明光の主光線の傾斜量すなわち照明テレセン量にほぼ比例する。
【0048】
さらに、被検光学系(この場合は結像光学系)にコマ収差が存在する場合、図4(a)において直線L3で示すように、指標βはデフォーカス量Zに依存してほぼ線形的な変化を示す。そして、この直線L3の傾きCは、コマ収差量にほぼ比例する。
また、被検光学系(この場合も結像光学系)において結像光束のケラレが存在する場合、図4(b)において示すように、指標βはデフォーカス量Zの変化に応じて折れ線(あるいは破線で示すような湾曲した曲線)L4で示すような変動を示す。そして、この折れ線または湾曲線L4の折れ曲がり量Dは、結像光束のケラレ量にほぼ比例する。
【0049】
こうして、位相パターン像をデフォーカスさせて得られる指標βとデフォーカス量Zとの関係から、オフセット値Bにより照明テレセンを、傾きの値Cによりコマ収差を、折れ曲がり量Dから光束ケラレをそれぞれ求めることができる。
また、上述の説明において、位相パターン像を検出する領域を所望の範囲に限定してもよい。すなわち、式(1)において、i=1〜nの範囲を限定してもよい。このように限定することにより、物体面上の任意の位置における被検光学系の照明テレセン、光束ケラレ、コマ収差を検査することができる。更に、視野の各点に対して上述の検査を行うことにより、例えば検出視野内の偏心コマ収差と像高コマ収差とを判別したりすることが可能になる。また、照明テレセンや光束ケラレに関しても同様である。
【0050】
図5は、位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVを、計測方向Sに対してプロットした図であって、位相パターンの凹部に対応する位相パターン像の像強度と凸部に対応する位相パターン像の像強度との差異を定量化した指標αを説明するための図である。このように、図5は図2に対応する図であるが、簡略化のためにコマ収差や光束ケラレが存在しない被検光学系を例示的に想定している。
【0051】
上述したように、第1実施例では、位相パターンからなるウエハマークWMの像が撮像素子であるCCD(116,117)の撮像面に形成される。したがって、図5では、図2と同様に、撮像素子(116,117)からの撮像信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVを計測方向Sに対してプロットしている。図5に示すように、積分信号ΣVは、計測方向Sに沿って周期BP(B:結像光学系の倍率;P:ウエハ上における位相パターンWMのピッチ)毎に変化する。第1実施例では、位相パターンの凹部に対応する位相パターン像の像強度と凸部に対応する位相パターン像の像強度との差異を定量化するために、積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部に対応する積分信号ΣVをVio(i=1,2,3・・・)とし、i番目の位相パターンの凸部に対応する積分信号ΣVをVit(i=1,2,3・・・)とする。
【0052】
そして、位相パターンの凹部および凸部にそれぞれ対応する位相パターン像の像強度の間の差異の指標αを、次の式(2)により求める。
α=Σ{Vit−Vio/(Vit+Vio)}/(2n) (2)
ここで、nは周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
【0053】
図6は、主制御系125の指令に基づきステージ制御系124がZステージ122を適宜駆動して得られる各デフォーカス状態での、位相パターンの凹部および凸部にそれぞれ対応する位相パターン像の像強度の間の差異の指標αの変化と球面収差との関係を示す図である。なお、図6および関連する他の図(図7および図8)において、Z=0は被検光学系の近軸像面位置に対応している。また、α=0は、位相パターンの凹部に対応する位相パターン像の像強度と凸部に対応する位相パターン像の像強度とが等しくなる状態に対応している。
被検光学系(この場合は結像光学系)において球面収差が存在しない場合、指標αはデフォーカス量Zの値に応じてほぼ正比例した変化を示す。すなわち、指標αの変化を示す直線L1において、α=0のときZ=0となる。
【0054】
一方、被検光学系において補正オーバーの球面収差が存在する場合は、指標αの変化を示す直線L2およびL3において、α=0のときのZの値は負となる。また、α=0のときのZの絶対値は、その球面収差量の大きさに応じて大きくなる。すなわち、補正オーバーの球面収差が比較的大きく存在する場合の指標αの変化を示す直線L2がZ軸(α=0の軸線)と交わるときのZの絶対値の方が、補正オーバーの球面収差が比較的小さく存在する場合の指標αの変化を示す直線L3がZ軸と交わるときのZの絶対値よりも大きくなる。このように、補正オーバーの球面収差が存在する場合、位相パターンの凹部に対応する位相パターン像の像強度と凸部に対応する位相パターン像の像強度とが等しくなるデフォーカス位置が、その球面収差量の大きさに応じてZ=0の近軸像面位置から負の方向へ離れる傾向となる。
【0055】
また、被検光学系において補正アンダーの球面収差が存在する場合は、指標αの変化を示す直線L4およびL5において、α=0のときのZの値は正となる。また、α=0のときのZの値は、その球面収差量の大きさに応じて大きくなる。すなわち、補正アンダーの球面収差が比較的大きく存在する場合の指標αの変化を示す直線L4がZ軸(α=0の軸線)と交わるときのZの値の方が、補正アンダーの球面収差が比較的小さく存在する場合の指標αの変化を示す直線L5がZ軸と交わるときのZの値よりも大きくなる。このように、補正アンダーの球面収差が存在する場合、位相パターンの凹部に対応する位相パターン像の像強度と凸部に対応する位相パターン像の像強度とが等しくなるデフォーカス位置が、その球面収差量の大きさに応じてZ=0の近軸像面位置から正の方向へ離れる傾向となる。
【0056】
図7は、周期の異なる2種類の位相パターンに関するデフォーカス量Zと指標αとの関係を示す図であって、(a)は被検光学系において球面収差が存在する場合を、(b)は球面収差が存在しない場合をそれぞれ示している。
周期の小さい位相パターンの方が周期の大きい位相パターンの場合よりもパターンから生じる回折光の回折角度が大きく、球面収差の影響をより受け易い。したがって、被検光学系において球面収差が存在する場合、周期の小さい位相パターンに対して得られる直線L2がZ軸と交差する位置Z2の方が、周期の大きい位相パターンに対して得られる直線L1がZ軸と交差する位置Z1よりもZ=0の近軸像面位置から離れる。
【0057】
一方、被検光学系において球面収差が存在しない場合は、周期の小さい位相パターンに対して得られる直線L2がZ軸と交差する位置Z2も、周期の大きい位相パターンに対して得られる直線L1がZ軸と交差する位置Z1も、Z=0の近軸像面位置と一致する。
以上より、Z2とZ1との差分(Z2−Z1)は被検光学系に残存する球面収差の大きさに比例し、且つ差分(Z2−Z1)の正負の符号は球面収差の補正オーバーおよび補正アンダーに対応していることが分かる。換言すると、周期の異なる2種類の位相パターンを用いて位相パターン像をデフォーカスさせた場合に得られる指標αとデフォーカス量Zとの関係から、上述の差分(Z2−Z1)に基づいて被検光学系の球面収差の大きさおよびその補正状態を求めることができる。
【0058】
図8は、2種類の照明σ値で照明したときの同一位相パターンに関するデフォーカス量Zと指標αとの関係を示す図であって、(a)は被検光学系において球面収差が存在する場合を、(b)は球面収差が存在しない場合をそれぞれ示している。ここで、照明σとは、結像開口数に対する照明開口数の比をいう。
照明σ値が比較的大きい照明の方が照明σ値が比較的小さい照明の場合よりも、位相パターンからの結像光束は球面収差の影響をより受け易い。したがって、被検光学系において球面収差が存在する場合は、照明σ値が大きい場合に得られる直線L2’がZ軸と交差する位置Z2の方が、照明σ値が小さい場合に得られる直線L1’がZ軸と交差する位置Z1よりもZ=0の近軸像面位置から離れる。
【0059】
一方、被検光学系において球面収差が存在しない場合は、照明σ値が大きい場合に得られる直線L2’がZ軸と交差する位置Z2も、照明σ値が小さい場合に得られる直線L1’がZ軸と交差する位置Z1も、Z=0の近軸像面位置と一致する。
以上より、同一位相パターンを2種類の照明σ値で照明する場合においても、周期の異なる2種類の位相パターンを用いる場合と同様に、Z2とZ1との差分(Z2−Z1)は被検光学系に残存する球面収差の大きさに比例し、且つ差分(Z2−Z1)の正負の符号は球面収差の補正オーバーおよび補正アンダーに対応していることが分かる。換言すると、同一位相パターンを2種類の照明σ値で照明して位相パターン像をデフォーカスさせた場合に得られる指標αとデフォーカス量Zとの関係から、上述の差分(Z2−Z1)に基づいて被検光学系の球面収差の大きさおよびその補正状態を求めることができる。
【0060】
また、図7および図8の説明で容易に分かるように、いずれの場合においても被検光学系に球面収差がない場合、指標α=0となるデフォーカス位置が近軸像面のZ位置である。また、被検光学系に球面収差がある場合、第1の周期の位相パターン(第1の照明σ)に対して指標α=0となる第1のデフォーカス位置Z1と第2の周期の位相パターン(第2の照明σ)に対して指標α=0となる第2のデフォーカス位置Z2とに基づいて、近軸像面位置や光軸上非点隔差を求めることができる。
【0061】
また、上述の説明において、位相パターン像を検出する領域を所望の範囲に限定してもよい。すなわち、式(2)において、i=1〜nの範囲を限定してもよい。このように限定することにより(視野の各点に対して上述の検査を行うことにより)、被検光学系の近軸像面位置や光軸上非点隔差の他に、非点収差、像面湾曲や像面傾斜を検査することが可能になる。
【0062】
また、照明光学系の光路中に光学フィルタなどを挿入して位相パターンを照射する照明光の波長を選択したり、分光反射率(透過型の場合には分光透過率)の異なる2つ以上の位相パターンを用意して位相パターンからの反射光(透過型の場合には透過光)の波長を選択したり、結像光学系の光路中に光学フィルタを挿入して位相パターンからの結像光束の波長を選択したりすることによって、所望の波長に関して被検光学系の検査を行うことが可能になる。その結果、すでに説明した各種の単色収差等を波長毎に検査する他に、軸上色収差や軸外色収差を検査することもできる。
【0063】
以上の説明において、位相パターン像の非対称性の指標βを定量化する際に、一周期分の信号の左右極小値ViLおよびViRを用いている。しかしながら、本出願人の出願による特願平7−20325号明細書(特開平8−213306号公報)に開示しているように、一周期分の信号における左右の落ち込みエッジ部の幅を用いて位相パターン像の非対称性の指標βを定量化することもできる。
【0064】
さらにまた、位相パターンの凸部および凹部にそれぞれ対応した位相パターン像の像強度の間の差異の指標αに関しても、本実施例と異なる処理が可能である。図9は、位相パターンの凸部に対応した位相パターン像の像強度と凹部に対応した位相パターン像の像強度とが一致する場合に、位相パターン像の像強度分布において凸部および凹部に対応する像強度波形に角が生じる様子を示す図である。この場合、指標αを直接的に求めることなく、位相パターン像の像強度分布において凸部および凹部に対応する像強度波形に角が生じたデフォーカス位置を位置Z1または位置Z2として採用することもできる。
【0065】
また、指標βを求める際にその正確さを確保するために、1つまたは複数のデフォーカス状態で検出した位相パターンのエッジに対応した像の非対称性の指標β1と、位相パターンをその検出中心の周りに180度回転させた状態で(すなわち本実施例では位相パターンをZ軸周りに180度回転させた状態で)1つまたは複数のデフォーカス状態で検出した前記位相パターンのエッジに対応した像の非対称性の指標β2とをそれぞれ検出し、その平均値βave1を次の式(3)で求めることが望ましい。
βave1=(β1+β2)/2 (3)
被検光学系の検査を行う際の位相パターン像の非対称性の指標βとしてこの平均値βave1を用いることにより、位相パターン自体の非対称性による検出誤差を補正することができる。
【0066】
更に、1つまたは複数のデフォーカス状態で検出した位相パターンのエッジに対応した像の非対称性の指標β1と、撮像素子(本実施例ではCCD116および117)をその検出中心の周りに180度回転させた状態で、1つまたは複数のデフォーカス状態で検出した位相パターンのエッジに対応した像の非対称性の指標β2とをそれぞれ検出し、その平均値βave2を次の式(4)で求めることが望ましい。
βave2=(β1+β2)/2 (4)
被検光学系の検査を行う際の位相パターン像の非対称性の指標βとしてこの平均値βave2を用いることにより、撮像素子自体の非対称性による検出誤差を補正することができる。
【0067】
なお、位相パターン像をデフォーカスして得られる指標βや指標αのデフォーカス量Zに対する感度は、照明σ値、パターンのピッチ、デューティー比、テーパー、段差などに依存する。したがって、これらのパラメーターを適宜選択することにより、実使用状態において最適な検査を行うことができるように検査感度を制御することが望ましい。
【0068】
また、位相パターン像をデフォーカスする際のデフォーカス範囲として、指標αが0になるZ位置を中心にした適当な範囲を選ぶことが望ましい。このようにデフォーカス範囲を選定することにより、指標βの変化の様態を正確に把握することができる。
また、デフォーカス手段としては、位相パターンの形成されたウエハを搭載したZステージを上下に駆動させる手段の他、被検光学系の全体または一部光軸に沿って移動させる手段や、撮像手段のうちの少なくとも一方を被検光学系の光軸に沿って移動させる手段を用いることができる。
【0069】
以上、位相パターン像をデフォーカスしながら位相パターン像のエッジの非対称性の指標βや位相パターンの凹凸部の像強度の差異の指標αを計測することにより、被検光学系のコマ収差、偏心コマ収差、光束ケラレ、照明光の傾斜に加え、球面収差や焦点位置、光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、像面傾斜の任意の波長の光に関する検査を行うことができることを説明した。次に、これらの検査情報(検出結果)に基づいて行われる補正や調整、すなわち被検光学系の収差や合焦位置に関する補正や調整の方法や、照明開口絞りや結像開口絞りに関する位置調整の方法について説明する。
【0070】
まず、照明テレセン(照明光の傾斜)の調整を行うには、照明開口絞り127の位置調整を行う。具体的には、駆動系128を介して照明開口絞り127を光軸に対して垂直方向または並進方向に適宜駆動する。また、ライトガイド104の射出端が照明開口絞りを兼ねているような場合には、ライトガイド104を光軸に対して垂直方向または並進方向に適宜駆動する。さらに、ライトガイド104とコンデンサーレンズ129との間の光路中に、または照明リレーレンズ105とハーフプリズム106との間の光路中に、平行平面板のような光束平行移動手段を設けてもよい。光束平行移動手段として平行平面板を用いる場合、この平行平面板を傾斜させることによって、照明テレセンの調整を行うことができる。
【0071】
一方、結像光束のケラレの調整を行うには、結像開口絞り130の位置調整を行う。具体的には、駆動系131を介して結像開口絞り130を光軸に対して垂直方向または並進方向に適宜駆動する。また、ハーフプリズム106と第2対物レンズ111との間の光路中に、またはリレーレンズ113とリレーレンズ114との間であって結像開口絞り130よりもウエハ側の光路中に、平行平面板のような光束平行移動手段を設けてもよい。光束平行移動手段として平行平面板を用いる場合、この平行平面板を傾斜させることによって、結像光束のケラレの調整を行うこともできる。
【0072】
さらに、結像光学系の球面収差の補正を行うには、例えば第2対物レンズ111やリレーレンズ113を光軸に沿って適宜駆動する。あるいは、第2対物レンズ111とリレーレンズ113との間隔を変化させることにより、結像光学系の球面収差を補正することができる。また、Zステージを駆動してウエハW面と第1対物レンズ107との間隔を変化させることによっても、球面収差を制御することができる。ただしこの場合には、CCDを光軸方向に適当に並進させることにより、CCDの撮像面上での像のデフォーカス分を吸収しなければならない。
【0073】
また、結像光学系の偏心コマ収差は、第2対物レンズ111やリレーレンズ113のレンズ系全体または一部のレンズを光軸に対して垂直に偏心駆動することにより補正が可能である。
なお、合焦位置(焦点位置)に関する調整を行うには、Zステージを光軸方向に適宜駆動すればよい。また、光軸上非点隔差の補正を行うには、X方向のCCDおよびY方向のCCDのうちの少なくとも一方を光軸方向に沿って適宜移動させればよい。
【0074】
さらに、像高コマ収差、像面湾曲、像面傾斜などの収差は、光学設計上の考慮や製造上の管理で通常問題になることは少ない。しかしながら、結像光学系の一部のレンズ系のレンズタイプを変更して入れ替えたり、一部のレンズ系を偏心させたりすることにより、これらの収差も必要に応じて補正することができる。色収差の補正に関しても、これらの収差と同様である。
【0075】
図10は、本発明の第2実施例にかかる検査装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す斜視図である。なお、第1実施例では投影露光装置に付設されたオフアクシス方式の位置合わせ装置の結像光学系および照明光学系を検査しているが、第2実施例では投影露光装置の投影光学系および照明光学系を検査している。また、第1実施例では像検出手段としてCCDを用いているが、第2実施例では像検出手段としてスリットの形成された基準部材と光電検出器とを用いている。
図10では、投影露光装置の投影光学系PLの光軸AXに対して平行にZ軸が、光軸AXに垂直な平面内においてX軸およびY軸が互いに直交するようにそれぞれ設定されている。
【0076】
図10の投影露光装置は、たとえば超高圧水銀ランプからなる光源LPを備えている。光源LPは、回転楕円面からなる反射面を有する集光鏡(楕円鏡)EMの第1焦点位置に位置決めされている。したがって、光源LPから射出された照明光束は、楕円鏡EMの第2焦点位置に光源像(二次光源)を形成する。
【0077】
二次光源からの光は、コリメートレンズGLおよびミラーM1 を介した後、平行光束となってフライアイレンズFLに入射する。
フライアイレンズFLに入射した光束は、フライアイレンズFLを構成する複数のレンズエレメントにより二次元的に分割され、フライアイレンズFLの後側焦点位置(すなわち射出面近傍)に複数の光源像(三次光源)を形成する。
【0078】
複数の光源像からの光束は、フライアイレンズFLの射出面に配置された可変開口絞り12により制限された後、ミラーM2 を介してコンデンサーレンズCLに入射する。コンデンサーレンズCLを介して集光された光は、転写用のパターンが形成されたマスク14を重畳的に均一に照明する。
このように、光源PL、楕円鏡EM、コリメートレンズGL、ミラーM1 、フライアイレンズFL、可変開口絞り12、ミラーM2 、およびコンデンサーレンズCLは、照明光学系11を構成している。
【0079】
露光に際して、マスク14を透過した光束は、投影光学系17を介して感光基板であるウエハ(不図示)に達する。こうして、ウエハ上には、マスク14のパターン像が形成される。ウエハは、投影光学系17の光軸AX(Z方向に平行)に対して垂直なXY平面内において二次元的に移動可能なXYステージ18および投影光学系17の光軸AX方向に沿って移動可能なZステージ13上に支持されている。したがって、ウエハを二次元的に移動させながら露光を行うことにより、ウエハの各露光領域にマスク14のパターンを逐次転写することができる。
【0080】
図10の投影露光装置には、斜入射光方式のオートフォーカス系(22A,22B)が設けられている。斜入射光方式のオートフォーカス系では、送光系22Aがウエハの表面に向かって斜めから光を照射する。ウエハ表面上で正反射された光は受光系22Bで受光され、反射光の位置変化に基づいてウエハのZ方向位置が検出される。
こうして、オートフォーカス系(22A,22B)の作用により、露光に際してウエハ表面を投影光学系17の結像面(マスク14と共役な面)にほぼ一致させることができる。
【0081】
一方、検査に際して、XYステージ18上には、ウエハに代えて基準部材PTおよび受光器23が設置される。そして、オートフォーカス系(22A,22B)およびZステージ13の作用により、基準部材PTの表面を投影光学系17に対して所定のデフォーカス位置に位置決めする。
この場合、まず、オートフォーカス系(22A,22B)を用いて、基準部材PTの表面を投影光学系17の結像面に対してほぼ一致させ、この位置を近軸像面位置(Z=0)とする。次いで、近軸像面位置(Z=0)を基準としてZステージ13を所定量Z(デフォーカス量)だけ駆動することにより、所定のデフォーカス位置に基準部材PTの表面を位置決めすることができる。なお、パターン16や投影光学系17をZ方向に移動させて、デフォーカス状態を形成することもできる。
【0082】
各デフォーカス状態において、マスク14に形成された検査用位相パターン16を透過した光束は、投影光学系17を介して基準部材PTの表面に達する。こうして、基準部材PTの表面には、マスク14の検査用位相パターン像16Aが各デフォーカス状態で形成される。位相パターン像16Aからの光は、基準部材PTの表面に形成されたスリット19を介して受光器23に入射する。
スリット19は、たとえば1本のスリットパターンで形成されている。したがって、位相パターン像16Aとスリット19とを所定方向に相対移動させるスリットスキャン方式により、受光器23において位相パターン像16Aの光強度分布に応じた電気信号を得ることができる。
【0083】
前述したように、第1実施例では像検出手段としてCCDを用いているのに対し、第2実施例では像検出手段としてスリット19の形成された基準部材PTと受光器23とを用いているが、得られた位相パターン像の光強度分布に基づく収差などの検出および検出情報に基づく収差などの補正および調整は第1実施例と同様である。すなわち、第2実施例においても第1実施例と同様に、位相パターン像をデフォーカスしながら位相パターン像のエッジの非対称性の指標βや位相パターンの凹凸部の像強度の差異の指標αを計測することにより、被検光学系(投影光学系17および照明光学系11)のコマ収差、偏心コマ収差、光束ケラレ、照明光の傾斜に加え、球面収差や焦点位置、光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、像面傾斜の任意の波長の光に関する検査を行うことができる。また、これらの検査情報(検出結果)に基づいて、被検光学系の収差や合焦位置や光軸ズレを補正または調整することができる。
【0084】
たとえば、図10の投影露光装置において、投影光学系17の球面収差およびコマ収差を補正するには、投影光学系17を構成する各レンズ成分のうち球面収差やコマ収差に対して敏感なレンズを、光軸AXに対してシフト(移動)させたりチルト(傾斜)させたりする。また、投影光学系17のその他の収差についても、第1実施例と同様の考え方で処理することができる。
一方、図10の投影露光装置において、照明テレセンや光束ケラレなどを適正に調整するには、可変開口絞り12や投影光学系17中の開口絞りを光軸AXに対して適宜駆動する。
【0085】
また、本発明の第3実施例として、重ね合わせ測定装置に対して本発明の検査装置を適用することができる。重ね合わせ測定装置は、たとえば投影露光装置に内設または外設され、感光性基板上に形成された第1パターンと第2パターンとの相対位置ずれの測定を行う装置である。そして、前述した位置合わせ装置のアライメント光学系と重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系とは、光学的に類似な構成を有する。したがって、位置合わせ装置の場合と同様に、重ね合わせ測定光学系の収差などを正確且つ簡易に検査するとともに、その検査情報に基づいて重ね合わせ測定光学系の収差などを良好に補正することができる。
【0086】
なお、本発明の検査装置および検査方法において、位相パターン像の非対称性の検出を、第1実施例のように撮像方式で行ってもよいし、第2実施例のようにスリットによるスキャン方式で行ってもよい。
また、本発明は、透過照明や落射照明(反射照明)のような照明方法の違いには依存しない。
また、本発明の検査装置を、投影露光装置や重ね合わせ測定装置や位置合わせ装置だけでなく、検査すべき光学系を有する他の一般的な装置に適用することができる。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の検査装置および検査方法によれば、各デフォーカス状態において位相パターンのエッジに対応する像の非対称性(指標β)や位相パターンの凹凸部の像強度の差異(指標α)を計測することにより、光学系のコマ収差、偏心コマ収差、光束ケラレ、照明光の傾斜(照明テレセン)に加え、球面収差、焦点位置、光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、像面傾斜を、任意の波長の光に関し再現性良く容易且つ迅速に検査することができる。そして、検出した光学系の検査情報に基づいて、光学系の収差や合焦位置に関する補正および調整、照明開口絞りや結像開口絞りに関する位置調整などを効率的且つ適正に行うことにより、当該光学系を理想光学系に限りなく近づけることができる。
【0088】
したがって、本発明の検査装置を投影露光装置や位置合わせ装置や重ね合わせ測定装置などに組み込むことにより、投影露光装置の照明光学系および投影光学系や位置合わせ装置のアライメント光学系や重ね合わせ測定装置の重ね合わせ測定光学系を再現性良く容易且つ迅速に検査するとともに、検査装置による検出結果に基づいて光学系の収差、焦点位置、光軸ズレなどを補正または調整することによって十分な装置性能を発揮させることができる。具体的には、位置合わせ装置ではアライメント光学系に起因する位置検出誤差が低減し、重ね合わせ測定装置では重ね合わせ測定光学系に起因する測定誤差が低減する。また、投影露光装置では、投影光学系の収差が良好に補正され且つその焦点位置や光軸ズレなどが良好に調整されるので、パターン転写性能が向上し、精度の高い重ね合わせ投影露光を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例にかかる検査装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。
【図2】位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVを、計測方向Sに対してプロットした図であって、位相パターン像の非対称性の指標βを説明するための図である。
【図3】各デフォーカス状態での位相パターン像の非対称性の指標βの変化とコマ収差や光軸ずれ等との関係を示す図である。
【図4】各デフォーカス状態での位相パターン像の非対称性の指標βの変化とコマ収差や光軸ずれ等との関係を示す図である。
【図5】位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVを、計測方向Sに対してプロットした図であって、位相パターンの凹部に対応する位相パターン像の像強度と凸部に対応する位相パターン像の像強度との差異を定量化した指標αを説明するための図である。
【図6】各デフォーカス状態での、位相パターンの凹部および凸部にそれぞれ対応する位相パターン像の像強度の間の差異の指標αの変化と球面収差との関係を示す図である。
【図7】周期の異なる2種類の位相パターンに関するデフォーカス量Zと指標αとの関係を示す図であって、(a)は被検光学系において球面収差が存在する場合を、(b)は球面収差が存在しない場合をそれぞれ示している。
【図8】2種類の照明σ値で照明したときの同一位相パターンに関するデフォーカス量Zと指標αとの関係を示す図であって、(a)は被検光学系において球面収差が存在する場合を、(b)は球面収差が存在しない場合をそれぞれ示している。
【図9】位相パターンの凸部に対応した位相パターン像の像強度と凹部に対応した位相パターン像の像強度とが一致する場合に、位相パターン像の像強度分布において凸部および凹部に対応する像強度波形に角が生じる様子を示す図である。
【図10】本発明の第2実施例にかかる検査装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
LP 光源
EM 楕円鏡
GL コリメートレンズ
FL フライアイレンズ
11 照明光学系
12 可変開口絞り
CL コデンサーレンズ
13 Zステージ
14 マスク
16 検査用パターン
17 投影光学系
18 XYステージ
19 スリット
22 斜入射光方式のオートフォーカス系
23 受光器
104 ライトガイド
106 ハーフプリズム
107 対物レンズ
111 第2対物レンズ
115 分岐プリズム
116、117 CCD
118 信号処理系
121 XYステージ
122 Zステージ
127 照明開口絞り
130 結像開口絞り
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inspection apparatus and inspection method for an optical system, and an alignment apparatus and a projection exposure apparatus including the inspection apparatus, and more particularly to a projection optical system of a projection exposure apparatus used in a lithography process for manufacturing a semiconductor element, a liquid crystal display element, and the like. The alignment optical system of the alignment apparatus attached to the projection exposure apparatus, and the inspection of the aberration, the focal position, the optical axis deviation, etc. of the overlay measurement optical system of the overlay measurement apparatus for determining the alignment result; It relates to correction (adjustment).
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a projection exposure apparatus used in a lithography process for manufacturing semiconductor elements, liquid crystal display elements, and the like, a pattern formed on a mask is transferred onto a wafer that is a photosensitive substrate via a projection optical system. At this time, with respect to the pattern already formed on the wafer, the projection image of the mask pattern formed via the projection optical system is aligned (aligned) by an alignment device attached to the projection exposure apparatus, Perform overlay exposure. Further, the quality of the alignment result obtained by the alignment device is determined by an overlay measurement device that is internally or externally provided in the projection exposure apparatus.
[0003]
In this case, for example, if aberration remains in the projection optical system, the projection image of the mask pattern cannot be accurately formed, and a distorted transfer pattern is formed on the wafer. For example, if aberration remains in the alignment optical system of the alignment apparatus, accurate alignment between the mask and the wafer cannot be performed, and high-precision overlay exposure cannot be performed. Furthermore, with respect to the overlay measurement optical system of the overlay measurement apparatus, for example, if there is residual aberration, highly accurate overlay measurement cannot be performed.
[0004]
As described above, the projection optical system of the projection exposure apparatus, the alignment optical system of the alignment apparatus, and the overlay measurement optical system of the overlay measurement apparatus are set to a state as close to the ideal optical system as possible. The apparatus performance of the exposure apparatus, alignment apparatus, overlay measurement apparatus, etc. can be sufficiently exhibited. In recent years, it has become more and more important to accurately and simply inspect such aberrations, focal positions, and optical axis misalignments of the optical system, and to accurately correct or adjust according to the inspection results.
[0005]
Therefore, the applicant of the present invention is suitable for inspection of the projection optical system of the projection exposure apparatus, the alignment optical system of the alignment apparatus, and the overlay measurement optical system of the overlay measurement apparatus in JP-A-9-49781. Is proposing a simple inspection device. In this inspection apparatus, attention is paid to a change in image asymmetry that occurs, for example, when a phase pattern image is gradually defocused. Based on this change in asymmetry, coma aberration, spherical aberration, and luminous flux vignetting ( It is accurately inspected that the light beam is blocked.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the inspection apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-49781 cannot accurately and easily inspect various aberrations other than coma and spherical aberration (with good reproducibility).
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides an inspection apparatus and an inspection method that can accurately and easily inspect various aberrations, focal positions, optical axis deviations, and the like of an optical system. With the goal.
In addition, a projection exposure apparatus, an alignment apparatus, and an alignment apparatus that can exhibit sufficient apparatus performance by correcting or adjusting aberrations, a focal position, an optical axis shift, and the like of an optical system based on a detection result by the inspection apparatus of the present invention An object of the present invention is to provide an overlay measurement apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problem, in the first invention of the present invention, an illumination optical system for irradiating the phase pattern with illumination light and a light beam from the phase pattern are condensed to form an image of the phase pattern. In an inspection apparatus for inspecting an optical system having an imaging optical system for
  Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
  Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means;
  The asymmetry of the image corresponding to the edge of the phase pattern detected in each defocus state by the image detection means.A constant offset value B that is an index and does not depend on the defocus amount of the index β defined by the equation (1)Based onAnd saidThere is provided an inspection apparatus comprising inspection means for inspecting an inclination of a principal ray of the illumination light with respect to a normal line of a phase pattern forming surface.
β = Σ {V iL -V iR / (V max -V min )} / N (1)
Where V iL And V iR Is the left and right signal minimum values in the i-th period in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. max And V min Are the maximum and minimum values of the signal V, n is the number of periods of the distribution of the integrated signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0009]
In the inspection apparatus according to the first aspect of the invention, the inspection unit includes an asymmetry of an image corresponding to an edge of the phase pattern detected in one or more defocus states by the image detection unit, and the phase pattern or the image. Based on the asymmetry of the image corresponding to the edge of the phase pattern detected in one or more defocus states in the image detection means with the detection means rotated 180 degrees around its detection center, It is preferable to inspect the optical system by correcting a detection error of an image asymmetry caused by a phase pattern or the image detecting means.
[0010]
  In the second invention of the present invention, an illumination optical system for irradiating the phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing a light beam from the phase pattern to form an image of the phase pattern In an inspection apparatus for inspecting an optical system having
  Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
  Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means,
  The phase pattern has a first phase pattern that repeats a periodic phase change along a detection direction of the image detection unit, and a phase amplitude distribution different from the first phase pattern, and is detected by the image detection unit. A second phase pattern that repeats a periodic phase change along the direction,
  The light intensity of the first phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the first phase pattern and the image of the first phase pattern corresponding to the phase delayed region of the first phase pattern Light intensity andThe difference index α between the two becomes 0Corresponds to the first defocus position, the light intensity of the image of the second phase pattern corresponding to the phase advanced region of the second phase pattern, and the phase delayed region of the second phase pattern. The light intensity of the image of the second phase pattern;The difference index α between the two becomes 0The second defocus position andDifferenceIn accordance with the present invention, there is provided an inspection apparatus further comprising inspection means for inspecting the spherical aberration of the optical system.
α = Σ {V it -V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Where V io And V it Is an integral signal corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integral signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction, and n is the distribution of the integral signal ΣV. Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0011]
  Furthermore, in the third invention of the present invention, an illumination optical system for irradiating the phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing the light flux from the phase pattern to form an image of the phase pattern In an inspection apparatus for inspecting an optical system having
  Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
  Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means,
  The illumination optical system is provided with illumination aperture changing means for changing the amplitude distribution of the illumination light passing through the illumination aperture stop,
  The phase pattern is a phase pattern that repeats a periodic phase change along the detection direction of the image detection means,
  In the region where the phase intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern illuminated under the first illumination condition set by the illumination aperture changing means and the phase of the phase of the phase pattern are delayed The light intensity of the corresponding image of the phase pattern andThe difference index α between the two becomes 0The first defocus position, the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern illuminated under the second illumination condition set by the illumination aperture changing means, and the phase The light intensity of the image of the phase pattern corresponding to the phase lag region of the pattern;The difference index α between the two becomes 0The second defocus position andDifferenceIn accordance with the present invention, there is provided an inspection apparatus further comprising inspection means for inspecting the spherical aberration of the optical system.
α = Σ {V it -V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Where V io And V it Is an integral signal corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integral signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction, and n is the distribution of the integral signal ΣV. Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0012]
  In the fourth invention of the present invention, an illumination optical system for irradiating the phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing the light flux from the phase pattern to form an image of the phase pattern In an inspection apparatus for inspecting an optical system having
  Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
  Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means,
  The phase pattern is a phase pattern that repeats a periodic phase change along the detection direction of the image detection means,
  In each defocus state, the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern and the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase delayed region of the phase patternDefocus positions where α corresponding to each visual field position becomes 0 in the values of the difference index α between the visual system at a plurality of positions in the visual field of the optical systemThe optical system further includes inspection means for inspecting at least one of astigmatism on the optical axis, astigmatism, field curvature, and field tilt of the optical system. Provide inspection equipment.
α = Σ {V it -V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Where V io And V it Is an integral signal corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integral signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction, and n is the distribution of the integral signal ΣV. Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0013]
In the inspection apparatus according to the first to fourth inventions and preferred embodiments of each invention, the illumination wavelength selection means for selecting the wavelength of the illumination light to be irradiated onto the phase pattern and the image from the phase pattern. Inspecting the optical system for light having a wavelength selected by the illumination wavelength selection means or the imaging light beam wavelength selection means, comprising at least one of imaging light beam wavelength selection means for selecting the wavelength of the light flux Is preferred.
In order to inspect the optical system for light of a selected wavelength, the phase pattern preferably has two or more phase patterns having different spectral reflectances or spectral transmittances.
[0014]
Moreover, it is preferable that the said phase pattern is a phase pattern of duty ratio which repeats a periodic phase change along the detection direction of the said image detection means to 1: 1. Further, the phase change amount Φ of the amplitude phase distribution of the transmission or reflection of the phase pattern is relative to the center wavelength of the light beam detected by the image detection unit.
Φ = π (2n−1) / 2 (n is a natural number)
It is preferable to satisfy the following conditions.
[0015]
Further, it is preferable that the defocusing unit moves at least one of the phase pattern, the whole or a part of the optical system, and the image detection unit along the optical axis of the optical system. Further, the defocusing means includes a light intensity of the phase pattern image corresponding to a phase advanced region of the phase pattern and a light intensity of the phase pattern image corresponding to a phase delayed region of the phase pattern. It is preferable that the defocus range of the image of the phase pattern detected by the image detecting means is defined around the defocus position where the two are equal.
[0016]
According to the fifth aspect of the present invention, from the alignment mark formed of the phase pattern provided on the mask on which the transfer pattern is formed or the phase pattern provided on the photosensitive substrate onto which the image of the transfer pattern is transferred. Alignment optics comprising an illumination optical system for irradiating illumination light to the alignment mark and an imaging optical system for condensing the light beam from the alignment mark to form an image of the alignment mark In an alignment apparatus for positioning the mask or the photosensitive substrate having a system,
In order to inspect the alignment optical system, the inspection apparatus according to the first to fourth inventions and preferred embodiments of each invention,
Aberration correction means for correcting the aberration of the imaging optical system based on inspection information of the alignment optical system by the inspection device, and for adjusting the in-focus position of the imaging optical system based on the inspection information Focusing position adjusting means, imaging for relatively displacing the position of the imaging aperture stop of the imaging optical system with respect to the optical axis in order to correct the vignetting of the imaging optical system based on the inspection information Aperture stop position adjusting means, and the position of the illumination aperture stop of the illumination optical system is displaced relative to the optical axis in order to correct the inclination of the principal ray of the illumination light with respect to the normal of the object plane of the imaging optical system There is provided an alignment apparatus further comprising at least one of illumination aperture stop position adjusting means.
According to another aspect of the present invention, in an exposure apparatus that exposes a transfer pattern formed on a mask onto a photosensitive substrate, the fifth invention is applied to position the mask or the photosensitive substrate. Preferably, an alignment device is provided.
[0017]
According to another aspect of the present invention, an illumination optical system for irradiating illumination light to the first pattern and the second pattern formed on the substrate, and a light flux from the first pattern and the second pattern And a superposition measuring optical system comprising an imaging optical system for forming an image of the first pattern and an image of the second pattern by focusing the light, and the first pattern and the second pattern In the overlay measurement device that measures the relative displacement of
In order to inspect the overlay measurement optical system, the inspection apparatus according to the first to fourth inventions and preferred embodiments of each invention,
Aberration correction means for correcting the aberration of the imaging optical system based on inspection information of the alignment optical system by the inspection device, and for adjusting the in-focus position of the imaging optical system based on the inspection information Focusing position adjusting means, imaging for relatively displacing the position of the imaging aperture stop of the imaging optical system with respect to the optical axis in order to correct the vignetting of the imaging optical system based on the inspection information Aperture stop position adjusting means, and the position of the illumination aperture stop of the illumination optical system is displaced relative to the optical axis in order to correct the inclination of the principal ray of the illumination light with respect to the normal of the object plane of the imaging optical system It is preferable to further include at least one of illumination aperture stop position adjusting means.
[0018]
According to another aspect of the present invention, in an exposure apparatus for exposing a transfer pattern formed on a mask onto a photosensitive substrate, the first pattern and the second pattern formed on the photosensitive substrate Preferably, the apparatus includes the overlay measurement device for measuring the relative displacement, and performs positioning correction of the mask or the photosensitive substrate based on the relative displacement information from the overlay measurement device.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an illumination optical system for irradiating a mask on which a transfer pattern is formed with illumination light, and a projection optical system for forming an image of the transfer pattern on a photosensitive substrate. In the projection exposure apparatus provided,
In order to inspect the illumination optical system and the projection optical system, the inspection apparatus according to the first to fourth inventions and preferred aspects of each invention is provided,
Aberration correction means for correcting aberration of the projection optical system based on inspection information of the illumination optical system and the projection optical system by the inspection device, and adjusting a focus position of the projection optical system based on the inspection information A focusing position adjusting means for adjusting the position of the imaging aperture stop of the projection optical system relative to the optical axis in order to correct the vignetting of the projection optical system based on the inspection information. An image aperture stop position adjusting unit, and a relative displacement of the position of the illumination aperture stop of the illumination optical system relative to the optical axis in order to correct the inclination of the principal ray of the illumination light with respect to the normal of the object plane of the projection optical system There is provided a projection exposure apparatus further comprising at least one of illumination aperture stop position adjusting means.
[0020]
  According to a seventh aspect of the present invention, in a method for inspecting an optical system including an imaging optical system that forms an image of a predetermined phase pattern,
  Illuminating the phase pattern with illumination light,
  Detecting the image of the phase pattern at a plurality of different defocus positions in the optical axis direction of the imaging optical system;
  The asymmetry of the image corresponding to the edges of the phase pattern detected at the plurality of defocus positions.A constant offset value B that is an index and does not depend on the defocus amount of the index β defined by the equation (1)Based onAnd saidThere is provided an optical system inspection method for inspecting an inclination of a principal ray of the illumination light with respect to a normal line of a phase pattern forming surface.
β = Σ {V iL -V iR / (V max -V min )} / N (1)
Where V iL And V iR Is the left and right signal minimum values in the i-th period in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. max And V min Are the maximum and minimum values of the signal V, n is the number of periods of the distribution of the integrated signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0021]
  According to an eighth aspect of the present invention, in a method for inspecting an optical system including an illumination optical system for irradiating illumination light to a phase pattern and an imaging optical system for forming an image of the phase pattern,
  The phase pattern has a first phase pattern that repeats a periodic phase change along a predetermined direction, a phase amplitude distribution different from the first phase pattern, and a periodic phase along the predetermined direction. A second phase pattern that repeats the change,
  Illuminating the phase pattern with illumination light through the illumination optical system,
  Detecting an image of the phase pattern using an image detector having a detection direction along the predetermined direction;
  The light intensity of the first phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the first phase pattern and the image of the first phase pattern corresponding to the phase delayed region of the first phase pattern Light intensity andThe difference index α between the two becomes 0Corresponds to the first defocus position, the light intensity of the image of the second phase pattern corresponding to the phase advanced region of the second phase pattern, and the phase delayed region of the second phase pattern. The light intensity of the image of the second phase pattern;The difference index α between the two becomes 0The second defocus position andDifferenceBased on the above, there is provided an inspection method of an optical system characterized by inspecting the spherical aberration of the optical system.
α = Σ {V it -V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Where V io And V it Is an integral signal corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integral signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction, and n is the distribution of the integral signal ΣV. Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0022]
According to a preferred aspect of the eighth invention, the illumination optical system is configured to be capable of changing the amplitude distribution of the illumination light passing through the illumination aperture stop,
When detecting the first defocus position, the amplitude distribution of the illumination light at the illumination aperture stop is set to the first amplitude distribution,
When detecting the second defocus position, the amplitude distribution of the illumination light at the illumination aperture stop is set to a second amplitude distribution different from the first amplitude distribution.
[0023]
  According to a ninth aspect of the present invention, in a method for inspecting an optical system including an imaging optical system that forms an image having a predetermined phase pattern,
  Illuminating the phase pattern with illumination light,
  Detecting an image of the phase pattern at a plurality of different defocus positions in an optical axis direction of the imaging optical system using an image detector having a predetermined detection direction;
  The phase pattern is a phase pattern that repeats a periodic phase change along the detection direction of the image detector,
  The light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern and the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase delayed phase of the phase pattern at the plurality of defocus positions. WhenDefocus positions where α corresponding to each visual field position becomes 0 in the values of the difference index α between the visual system at a plurality of positions in the visual field of the optical systemThe optical system inspection method is characterized by inspecting at least one of astigmatism on the optical axis, astigmatism, field curvature, and image plane tilt of the optical system.
α = Σ {V it -V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Where V io And V it Is an integral signal corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integral signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction, and n is the distribution of the integral signal ΣV. Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the inspection apparatus and inspection method of the present invention, as will be described with reference to FIGS. 3 and 4 in the embodiments described later, an index of image asymmetry corresponding to the edge of the phase pattern detected in each defocus state. Based on the change of β, in addition to coma aberration of the test optical system and luminous flux vignetting in the test optical system, the tilt of the chief ray of the illumination light with respect to the normal of the phase pattern forming surface, that is, the illumination telecentric can be easily performed In addition, the inspection can be performed quickly. Specifically, the tilt amount of the principal ray of the illumination light, that is, the illumination telecentric amount can be obtained based on the constant offset value B of the index β that does not depend on the defocus amount Z. Further, the coma aberration amount can be obtained based on the slope C of the straight line representing the index β that changes substantially linearly depending on the defocus amount Z. Furthermore, the amount of vignetting of the luminous flux can be obtained based on the amount of bending D of the broken line or the curved line representing the index β that changes to the shape of a bent line or a curved line depending on the defocus amount Z.
[0025]
In this case, based on the two asymmetry indices β1 and β2 detected in two states rotated 180 degrees around its detection center (eg based on its simple average value) It is possible to correct the detection error of the asymmetry index β of the image to be corrected. Further, based on two asymmetry indexes β1 and β2 detected in two states in which an image detection means such as a CCD is rotated 180 degrees around its detection center (for example, based on its simple average value), It is also possible to correct the detection error of the image asymmetry index β caused by the phase pattern.
[0026]
Further, in the inspection apparatus and inspection method of the present invention, the first phase pattern and the second phase pattern having different phase amplitude distributions (pitch) are used as described with reference to FIG. Thus, the spherical aberration of the optical system to be inspected can be inspected easily and quickly with good reproducibility. Specifically, the light intensity of the image corresponding to the phase-advanced region of the first phase pattern (for example, the convex portion of the reflective concavo-convex pattern) and the region of the phase of the first phase pattern delayed (for example, the reflective concavo-convex region The light intensity of the image corresponding to the first defocus position Z1 where the light intensity of the image corresponding to the (concave portion of the pattern) matches (index α = 0) and the phase-advanced region of the second phase pattern. And the second defocus position Z2 in which the light intensity of the image corresponding to the phase-lag region of the second phase pattern matches (index α = 0), the spherical aberration of the optical system to be tested And the correction state can be obtained.
[0027]
Furthermore, in the inspection apparatus and the inspection method of the present invention, as described with reference to FIG. 8 in the embodiments described later, the spherical surface of the optical system to be tested is used by using the same phase pattern for two different illumination conditions. Aberrations can be inspected easily and quickly with good reproducibility. Specifically, the light intensity of the image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern illuminated with the first illumination σ value matches the light intensity of the image corresponding to the phase delayed region of the phase pattern. The phase of the phase of the light intensity phase pattern of the image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern illuminated with the first defocus position Z1 and the second illumination σ value (index α = 0) The magnitude and correction state of the spherical aberration of the optical system to be measured can be obtained based on the second defocus position Z2 at which the light intensity of the image corresponding to.
[0028]
Further, in the inspection apparatus and the inspection method of the present invention, as will be described with reference to FIGS. 7 and 8 in the embodiments described later, the image corresponding to the advanced region of the phase pattern in each defocus state is obtained. Based on the change in the index α of the difference between the light intensity and the light intensity of the image corresponding to the phase lag region of the phase pattern, the focal position of the test optical system, astigmatism on the optical axis, astigmatism, image At least one of the surface curvature and the image plane inclination can be easily and quickly inspected with high reproducibility.
[0029]
As described above, in the inspection apparatus and the inspection method of the present invention, the image asymmetry (index β) corresponding to the edge of the phase pattern in each defocus state and the difference in image intensity between the uneven portions of the phase pattern (index α). In addition to coma aberration, luminous flux vignetting, and illumination light tilt (illumination telecentric) in the optical system, spherical aberration, focal position, astigmatism on the optical axis, astigmatism, field curvature, and field tilt Can be easily and quickly inspected with good reproducibility. Then, based on the detected inspection information of the optical system, correction and adjustment related to the aberration and focus position of the optical system, position adjustment related to the illumination aperture stop and the imaging aperture stop, and the like are performed efficiently and appropriately. The system can be as close as possible to the ideal optical system.
[0030]
Therefore, by incorporating the inspection apparatus of the present invention into a projection exposure apparatus, alignment apparatus, overlay measurement apparatus, etc., an illumination optical system of the projection exposure apparatus, an alignment optical system of the projection optical system, and an alignment apparatus, and an overlay measurement apparatus In addition, the overlay measurement optical system can be inspected easily and quickly with good reproducibility, and sufficient apparatus performance can be achieved by correcting or adjusting the aberration, focal position, optical axis misalignment, etc. of the optical system based on the detection results of the inspection apparatus. It can be demonstrated. Specifically, the position detection error caused by the alignment optical system is reduced in the alignment apparatus, and the measurement error caused by the overlay measurement optical system is reduced in the overlay measurement apparatus. Further, in the projection exposure apparatus, the aberration of the projection optical system is corrected well and the focal position, the optical axis shift, etc. are adjusted well, so that the pattern transfer performance is improved and highly accurate overlay projection exposure is performed. It becomes possible.
[0031]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a projection exposure apparatus provided with an inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the alignment optical system (imaging optical system and illumination optical system) of the off-axis type alignment apparatus attached to the projection exposure apparatus is inspected.
In FIG. 1, the Z axis is parallel to the optical axis of the projection optical system PL of the projection exposure apparatus, the X axis is parallel to the plane of FIG. 1 in the plane perpendicular to the optical axis, the Z axis and the X axis. The Y axis is set in a direction perpendicular to each other.
[0032]
The projection exposure apparatus shown in FIG. 1 includes an exposure illumination optical system (not shown) for uniformly illuminating a reticle R as a mask with appropriate exposure light. The reticle R is supported on the reticle stage 101 substantially parallel to the XY plane, and a circuit pattern to be transferred is formed in the pattern area PA.
The light transmitted through the reticle R reaches the wafer (or glass plate) W that is a photosensitive substrate through the projection optical system PL, and a pattern image of the reticle R is formed on the wafer W.
[0033]
The wafer W is supported on the Z stage 122 via the wafer holder 121 so as to be substantially parallel to the XY plane. The Z stage 122 is driven by the stage control system 124 along the optical axis of the projection optical system PL.
The Z stage 122 is further supported on the XY stage 123. Similarly, the XY stage 123 is driven two-dimensionally in the XY plane perpendicular to the optical axis of the projection optical system PL by the stage control system 124.
[0034]
In the projection exposure, it is necessary to optically align (align) the pattern area PA and each exposure area on the wafer W. Therefore, the position of the alignment step mark formed on the wafer W, that is, the position of the wafer mark WM in the reference coordinate system is detected, and alignment is performed based on the position information. Thus, the alignment apparatus of the present invention is used to detect and align the position of the wafer mark WM.
[0035]
The alignment apparatus shown in FIG. 1 includes a light source 103 such as a halogen lamp in order to supply illumination light (alignment light AL). Light from the light source 103 is guided to a predetermined position via a light guide 104 such as an optical fiber. The illumination light emitted from the exit end of the light guide 104 is limited by the illumination aperture stop 127 as necessary, and then enters the condenser lens 129 as an illumination light beam having an appropriate cross-sectional shape.
[0036]
The alignment light AL that has passed through the condenser lens 129 is once condensed and then incident on the illumination relay lens 105 via an illumination field stop (not shown). The alignment light AL that has become parallel light through the illumination relay lens 105 passes through the half prism 106 and then enters the first objective lens 107. The alignment light AL collected by the first objective lens 107 is reflected downward by the reflecting surface of the reflecting prism 108 and then illuminates the wafer mark WM, which is an alignment mark formed on the wafer W.
[0037]
As described above, the light source 103, the light guide 104, the illumination aperture stop 127, the condenser lens 129, the illumination field stop (not shown), the illumination relay lens 105, the half prism 106, the first objective lens 107, and the reflection prism 108 are formed on the wafer. An illumination optical system for irradiating the mark WM with illumination light is configured.
[0038]
The reflected light from the wafer mark WM with respect to the illumination light enters the half prism 106 via the reflecting prism 108 and the first objective lens 107. The light reflected upward in the drawing by the half prism 106 forms an image of the wafer mark WM on the index plate 112 via the second objective lens 111. The light passing through the indicator plate 112 enters the XY branch half prism 115 via the relay lens system (113, 114). The light reflected by the XY branch half prism 115 enters the Y direction CCD 116, and the light transmitted through the XY branch half prism 115 enters the X direction CCD 117. An imaging aperture stop 130 is disposed in the parallel optical path of the relay lens system (113, 114) as necessary.
[0039]
As described above, the reflecting prism 108, the first objective lens 107, the half prism 106, the second objective lens 111, the indicator plate 112, the relay lens system (113, 114), the imaging aperture stop 130, and the half prism 115 are used as illumination light. An imaging optical system for forming a mark image based on the reflected light from the wafer mark WM is configured.
The Y-direction CCD 116 and the X-direction CCD 117 constitute image detection means for detecting a mark image formed through the imaging optical system.
[0040]
Thus, a mark image is formed together with the index pattern image of the index plate 112 on the imaging surfaces of the Y direction CCD 116 and the X direction CCD 117. Output signals from the Y direction CCD 116 and the X direction CCD 117 are supplied to a signal processing system 118. Further, the position information of the wafer mark WM obtained by signal processing (waveform processing) in the signal processing system 118 is supplied to the main control system 125.
[0041]
The main control system 125 outputs a stage control signal to the stage control system 124 based on the position information of the wafer mark WM from the signal processing system 118. The stage control system 124 appropriately drives the XY stage 123 in accordance with the stage control signal to align the wafer W.
Note that a command for the illumination aperture stop 127 and a command for the imaging aperture stop 130 are supplied to the main control system 125 via an input unit 126 such as a keyboard. Based on these commands, the main control system 125 drives the illumination aperture stop 127 via the drive system 128 or drives the imaging aperture stop 130 via the drive system 131. The main control system 125 drives the second objective lens 111 and the relay lens 113 based on an aberration correction command described later.
[0042]
As described above, the wafer mark WM is formed as an alignment mark on the wafer W. The wafer mark WM is a duty ratio that repeats a periodic phase change along the measurement direction of the CCD 116 or the measurement direction of the CCD 117, for example. Is a one-to-one phase pattern. Such a phase pattern can be formed into an accurate shape with a desired accuracy by, for example, etching a silicon wafer exposed by a projection exposure apparatus. In order to obtain sharp detection sensitivity in the aberration measurement of the optical system, which will be described later, the phase change amount Φ of the reflected amplitude phase distribution of the phase pattern is as follows with respect to the center wavelength of the light beam detected by the CCDs 116 and 117: It is desirable to satisfy formula (a).
Φ = π (2n−1) / 2 (n is a natural number) (a)
[0043]
FIG. 2 is a diagram in which an integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction is plotted with respect to the measurement direction S, and an asymmetry index β of the phase pattern image is obtained. It is a figure for demonstrating.
In the first embodiment, an image of the wafer mark WM consisting of a phase pattern is formed on the imaging surface of a CCD (116, 117) that is an imaging device. Therefore, in FIG. 2, an integration signal ΣV obtained by integrating the imaging signal V from the imaging element (116, 117) in the non-measurement direction is plotted with respect to the measurement direction S.
[0044]
As shown in FIG. 2, the integration signal ΣV changes along the measurement direction S every period BP (B: magnification of the imaging optical system, P: pitch of the phase pattern WM on the wafer). In the first embodiment, in order to quantify the asymmetry of the phase pattern image, the left and right signal minimum values (the signal of the falling edge portion) in the i-th (second in FIG. 2) period in the distribution of the integral signal ΣV. Value) are ViL and ViR (i = 1, 2, 3,...), Respectively. In addition, the maximum value and the minimum value of the signal are Vmax and Vmin, respectively, in the entire region over each period except for both end portions of the integration signal ΣV.
[0045]
Then, an index β of asymmetry of the phase pattern image is obtained based on the following equation (1).
β = Σ {ViL−ViR / (Vmax−Vmin)} / n (1)
Here, n is the number of periods, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0046]
3 and 4 show changes in the phase pattern image asymmetry index β and coma aberration in each defocus state obtained by the stage control system 124 appropriately driving the Z stage 122 based on the command of the main control system 125. It is a figure which shows the relationship with optical axis deviation.
In an ideal optical adjustment state in which the test optical system (in this case, the imaging optical system and the illumination optical system) has no residual aberration and no optical axis deviation, as shown by a straight line L1 in FIG. The index β is 0 without depending on the defocus amount Z.
[0047]
Further, in the optical system to be tested (in this case, the illumination optical system), when the chief ray of the illumination light that irradiates the object surface (ie, the wafer surface) is inclined with respect to the normal of the object surface (hereinafter referred to as “illumination telecentric” 3), the index β takes a constant offset value B without depending on the defocus amount Z, as indicated by a straight line L2 in FIG. This offset value B is substantially proportional to the amount of inclination of the principal ray of illumination light with respect to the normal of the object plane, that is, the amount of illumination telecentricity.
[0048]
Further, when coma is present in the optical system to be measured (in this case, the imaging optical system), the index β is substantially linear depending on the defocus amount Z, as indicated by a straight line L3 in FIG. Changes. The slope C of the straight line L3 is substantially proportional to the coma aberration amount.
Further, when vignetting of the imaged light beam exists in the test optical system (also in this case, the image forming optical system), the index β is a broken line (in accordance with the change in the defocus amount Z, as shown in FIG. 4B). Or, a curve as indicated by a broken line (L4) is shown. The bending amount D of the bent line or curved line L4 is substantially proportional to the amount of vignetting of the imaging light beam.
[0049]
Thus, from the relationship between the index β obtained by defocusing the phase pattern image and the defocus amount Z, the illumination telecentricity is obtained by the offset value B, the coma aberration is obtained by the inclination value C, and the luminous flux vignetting is obtained from the bending amount D. be able to.
In the above description, the region for detecting the phase pattern image may be limited to a desired range. That is, in the formula (1), the range of i = 1 to n may be limited. By limiting in this way, it is possible to inspect the illumination telecentricity, light flux vignetting, and coma aberration of the optical system under test at an arbitrary position on the object plane. Further, by performing the above-described inspection on each point of the visual field, it is possible to discriminate, for example, the eccentric coma aberration and the image height coma aberration in the detection visual field. The same applies to illumination telecentricity and luminous flux vignetting.
[0050]
FIG. 5 is a diagram in which an integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction is plotted with respect to the measurement direction S, and the phase pattern image corresponding to the concave portion of the phase pattern It is a figure for demonstrating the parameter | index (alpha) which quantified the difference between the image intensity of this and the image intensity of the phase pattern image corresponding to a convex part. As described above, FIG. 5 is a diagram corresponding to FIG. 2, but for the sake of simplification, an optical system to be tested that does not have coma aberration or luminous flux vignetting is assumed.
[0051]
As described above, in the first embodiment, an image of the wafer mark WM including a phase pattern is formed on the imaging surface of the CCD (116, 117) that is an imaging device. Therefore, in FIG. 5, similarly to FIG. 2, the integration signal ΣV obtained by integrating the imaging signal V from the imaging element (116, 117) in the non-measurement direction is plotted with respect to the measurement direction S. As shown in FIG. 5, the integration signal ΣV changes along the measurement direction S every period BP (B: magnification of the imaging optical system; P: pitch of the phase pattern WM on the wafer). In the first embodiment, in order to quantify the difference between the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion of the phase pattern and the image intensity of the phase pattern image corresponding to the convex portion, the i th in the distribution of the integration signal ΣV. The integrated signal ΣV corresponding to the concave portion of the phase pattern is Vio (i = 1, 2, 3...), And the integrated signal ΣV corresponding to the convex portion of the i-th phase pattern is Vit (i = 1, 2, 3). ...).
[0052]
Then, an index α of the difference between the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion and the convex portion of the phase pattern is obtained by the following equation (2).
α = Σ {Vit−Vio / (Vit + Vio)} / (2n) (2)
Here, n is the number of periods, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
[0053]
FIG. 6 shows images of phase pattern images respectively corresponding to the concave and convex portions of the phase pattern in each defocus state obtained by appropriately driving the Z stage 122 by the stage control system 124 based on the command of the main control system 125. It is a figure which shows the relationship between the change of the parameter | index (alpha) of the difference between intensity | strengths, and spherical aberration. In FIG. 6 and other related drawings (FIGS. 7 and 8), Z = 0 corresponds to the paraxial image plane position of the optical system to be measured. Α = 0 corresponds to a state where the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion of the phase pattern is equal to the image intensity of the phase pattern image corresponding to the convex portion.
When there is no spherical aberration in the test optical system (in this case, the imaging optical system), the index α changes substantially in proportion to the value of the defocus amount Z. That is, in the straight line L1 indicating the change of the index α, Z = 0 when α = 0.
[0054]
On the other hand, if there is overcorrected spherical aberration in the test optical system, the value of Z when α = 0 is negative on the straight lines L2 and L3 indicating the change of the index α. Further, the absolute value of Z when α = 0 increases in accordance with the magnitude of the spherical aberration amount. That is, the absolute value of Z when the straight line L2 indicating the change of the index α when the overcorrected spherical aberration exists is intersected with the Z axis (α = 0 axis) is overcorrected spherical aberration. Is larger than the absolute value of Z when the straight line L3 indicating the change in the index α when the angle α is relatively small intersects the Z axis. Thus, when there is an overcorrected spherical aberration, the defocus position where the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion of the phase pattern is equal to the image intensity of the phase pattern image corresponding to the convex portion is the spherical surface. There is a tendency to move away from the paraxial image plane position of Z = 0 in the negative direction according to the magnitude of the aberration amount.
[0055]
Further, when there is undercorrected spherical aberration in the test optical system, the value of Z when α = 0 is positive in the straight lines L4 and L5 indicating changes in the index α. Further, the value of Z when α = 0 increases in accordance with the amount of spherical aberration. That is, when the straight line L4 indicating the change in the index α when the undercorrected spherical aberration is present relatively intersects with the Z axis (the axis of α = 0), the value of Z in the undercorrected spherical aberration is greater. The straight line L5 indicating the change of the index α when it exists relatively small is larger than the value of Z when it intersects the Z axis. Thus, when there is undercorrected spherical aberration, the defocus position where the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion of the phase pattern and the image intensity of the phase pattern image corresponding to the convex portion are equal is the spherical surface. There is a tendency to move away from the paraxial image plane position of Z = 0 in the positive direction according to the magnitude of the aberration amount.
[0056]
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the defocus amount Z and the index α for two types of phase patterns having different periods. FIG. 7A shows the case where spherical aberration exists in the optical system to be tested. Respectively show the cases where there is no spherical aberration.
A phase pattern with a small period has a larger diffraction angle of diffracted light generated from the pattern than a phase pattern with a large period, and is more susceptible to spherical aberration. Therefore, when spherical aberration exists in the test optical system, the straight line L1 obtained with respect to the phase pattern with a longer period is located at the position Z2 where the straight line L2 obtained with respect to the phase pattern with a shorter period intersects the Z axis. Is farther from the paraxial image plane position of Z = 0 than the position Z1 at which it intersects the Z axis.
[0057]
On the other hand, when there is no spherical aberration in the test optical system, the straight line L1 obtained with respect to the phase pattern with a large period also exists at the position Z2 where the straight line L2 obtained with respect to the phase pattern with a small period intersects the Z axis. The position Z1 that intersects the Z axis also coincides with the paraxial image plane position at Z = 0.
From the above, the difference (Z2-Z1) between Z2 and Z1 is proportional to the magnitude of the spherical aberration remaining in the test optical system, and the sign of the difference (Z2-Z1) is the overcorrection and correction of the spherical aberration. It turns out that it corresponds to under. In other words, from the relationship between the index α obtained when the phase pattern image is defocused using two types of phase patterns having different periods and the defocus amount Z, the difference is determined based on the difference (Z2−Z1). The magnitude of the spherical aberration of the inspection optical system and its correction state can be obtained.
[0058]
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the defocus amount Z and the index α for the same phase pattern when illuminated with two types of illumination σ values. FIG. 8A shows spherical aberration in the test optical system. (B) shows the case where there is no spherical aberration. Here, the illumination σ refers to the ratio of the illumination numerical aperture to the imaging numerical aperture.
The illumination light beam from the phase pattern is more susceptible to the influence of spherical aberration in the illumination with a relatively large illumination σ value than in the illumination with a relatively small illumination σ value. Therefore, when spherical aberration exists in the test optical system, the straight line L1 obtained when the illumination σ value is smaller at the position Z2 where the straight line L2 ′ obtained when the illumination σ value is large intersects the Z axis. 'Is further away from the paraxial image plane position of Z = 0 than the position Z1 at which it intersects the Z axis.
[0059]
On the other hand, when there is no spherical aberration in the test optical system, the straight line L1 ′ obtained when the illumination σ value is small is also the position Z2 where the straight line L2 ′ obtained when the illumination σ value is large intersects the Z axis. The position Z1 that intersects the Z axis also coincides with the paraxial image plane position at Z = 0.
As described above, even when illuminating the same phase pattern with two types of illumination σ values, the difference (Z2−Z1) between Z2 and Z1 is the optical to be detected as in the case of using two types of phase patterns having different periods. It can be seen that the positive and negative signs of the difference (Z2−Z1) are proportional to the overcorrection and undercorrection of the spherical aberration, in proportion to the magnitude of the spherical aberration remaining in the system. In other words, from the relationship between the index α and the defocus amount Z obtained when the phase pattern image is defocused by illuminating the same phase pattern with two types of illumination σ values, the above difference (Z2−Z1) is obtained. Based on this, the magnitude of the spherical aberration of the test optical system and its correction state can be obtained.
[0060]
As can be easily understood from the description of FIGS. 7 and 8, in any case, when the optical system under test has no spherical aberration, the defocus position where the index α = 0 is the Z position on the paraxial image plane. is there. When the test optical system has spherical aberration, the first defocus position Z1 at which the index α = 0 with respect to the phase pattern (first illumination σ) of the first period and the phase of the second period Based on the second defocus position Z2 at which the index α = 0 with respect to the pattern (second illumination σ), the paraxial image plane position and the astigmatic difference on the optical axis can be obtained.
[0061]
In the above description, the region for detecting the phase pattern image may be limited to a desired range. That is, in the formula (2), the range of i = 1 to n may be limited. By limiting in this way (by performing the above-described inspection for each point in the field of view), in addition to the paraxial image plane position of the optical system to be examined and the astigmatic difference on the optical axis, astigmatism, image It becomes possible to inspect surface curvature and image plane inclination.
[0062]
In addition, an optical filter or the like is inserted in the optical path of the illumination optical system to select the wavelength of illumination light that irradiates the phase pattern, or two or more spectral reflectances (spectral transmittances in the case of a transmission type) are different. Prepare the phase pattern and select the wavelength of the reflected light from the phase pattern (or transmitted light in the case of the transmissive type), or insert an optical filter in the optical path of the imaging optical system to form the imaged light flux from the phase pattern It is possible to inspect the test optical system with respect to a desired wavelength. As a result, in addition to inspecting the various monochromatic aberrations already described for each wavelength, it is possible to inspect axial chromatic aberration and off-axis chromatic aberration.
[0063]
In the above description, the left and right minimum values ViL and ViR of the signal for one period are used when quantifying the asymmetry index β of the phase pattern image. However, as disclosed in Japanese Patent Application No. 7-20325 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-213306) filed by the applicant of the present application, the widths of the left and right sagging edges in the signal for one cycle are used. It is also possible to quantify the asymmetry index β of the phase pattern image.
[0064]
Furthermore, regarding the index α of the difference between the image intensities of the phase pattern images corresponding to the convex portions and concave portions of the phase pattern, processing different from that of the present embodiment can be performed. FIG. 9 shows that the phase pattern image corresponding to the convex portion of the phase pattern matches the convex portion and the concave portion in the image intensity distribution of the phase pattern image when the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion matches. It is a figure which shows a mode that an angle | corner arises in the image intensity waveform to do. In this case, without directly obtaining the index α, a defocus position where an angle is generated in the image intensity waveform corresponding to the convex part and the concave part in the image intensity distribution of the phase pattern image may be adopted as the position Z1 or the position Z2. it can.
[0065]
Further, in order to ensure the accuracy when the index β is obtained, the image asymmetry index β1 corresponding to the edge of the phase pattern detected in one or a plurality of defocus states, and the phase pattern at the detection center Corresponding to the edge of the phase pattern detected in one or more defocused states (ie, in the present embodiment with the phase pattern rotated 180 degrees around the Z axis) It is desirable to detect the image asymmetry index β2 and obtain the average value βave1 by the following equation (3).
βave1 = (β1 + β2) / 2 (3)
By using this average value βave1 as the asymmetry index β of the phase pattern image when the test optical system is inspected, the detection error due to the asymmetry of the phase pattern itself can be corrected.
[0066]
Further, the image asymmetry index β1 corresponding to the edge of the phase pattern detected in one or a plurality of defocus states and the image sensor (CCDs 116 and 117 in this embodiment) are rotated by 180 degrees around the detection center. In this state, the image asymmetry index β2 corresponding to the edge of the phase pattern detected in one or a plurality of defocus states is detected, and the average value βave2 is obtained by the following equation (4). Is desirable.
βave2 = (β1 + β2) / 2 (4)
By using this average value βave2 as the asymmetry index β of the phase pattern image when the test optical system is inspected, the detection error due to the asymmetry of the image sensor itself can be corrected.
[0067]
The sensitivity of the index β obtained by defocusing the phase pattern image and the index α to the defocus amount Z depends on the illumination σ value, pattern pitch, duty ratio, taper, step, and the like. Therefore, it is desirable to control the inspection sensitivity so that an optimal inspection can be performed in an actual use state by appropriately selecting these parameters.
[0068]
Further, it is desirable to select an appropriate range centered on the Z position where the index α is 0 as the defocus range when the phase pattern image is defocused. By selecting the defocus range in this way, it is possible to accurately grasp the mode of change of the index β.
Further, as the defocusing means, in addition to means for vertically driving the Z stage on which the wafer on which the phase pattern is formed is mounted, means for moving the entire optical system or part of the test optical system along the optical axis, and imaging means Means for moving at least one of them along the optical axis of the test optical system can be used.
[0069]
As described above, the phase pattern image is defocused by measuring the edge asymmetry index β of the phase pattern image and the image intensity difference index α of the uneven portion of the phase pattern image, thereby detecting coma aberration and decentration of the optical system to be detected. In addition to coma aberration, luminous flux vignetting, and tilting of illumination light, it is possible to inspect light of any wavelength such as spherical aberration, focal position, astigmatism on the optical axis, astigmatism, field curvature, and field tilt. Explained. Next, corrections and adjustments performed based on these inspection information (detection results), that is, corrections and adjustment methods related to the aberration and focus position of the optical system under test, and position adjustments related to the illumination aperture stop and imaging aperture stop The method will be described.
[0070]
First, in order to adjust the illumination telecentric (tilt of illumination light), the position of the illumination aperture stop 127 is adjusted. Specifically, the illumination aperture stop 127 is appropriately driven through the drive system 128 in a direction perpendicular to the optical axis or in a translational direction. When the exit end of the light guide 104 also serves as an illumination aperture stop, the light guide 104 is appropriately driven in a direction perpendicular to the optical axis or a translational direction. Further, a light beam parallel moving means such as a plane-parallel plate may be provided in the optical path between the light guide 104 and the condenser lens 129 or in the optical path between the illumination relay lens 105 and the half prism 106. When a parallel plane plate is used as the light beam translation means, the illumination telecentricity can be adjusted by inclining the parallel plane plate.
[0071]
On the other hand, in order to adjust the vignetting of the imaging light beam, the position of the imaging aperture stop 130 is adjusted. Specifically, the imaging aperture stop 130 is appropriately driven in the direction perpendicular to the optical axis or in the translational direction via the drive system 131. Further, the plane-parallel plate is disposed in the optical path between the half prism 106 and the second objective lens 111 or in the optical path between the relay lens 113 and the relay lens 114 and on the wafer side of the imaging aperture stop 130. Such a light beam parallel movement means may be provided. When a parallel plane plate is used as the light beam parallel moving means, the vignetting of the imaging light beam can be adjusted by inclining the parallel plane plate.
[0072]
Furthermore, in order to correct the spherical aberration of the imaging optical system, for example, the second objective lens 111 and the relay lens 113 are appropriately driven along the optical axis. Alternatively, the spherical aberration of the imaging optical system can be corrected by changing the distance between the second objective lens 111 and the relay lens 113. The spherical aberration can also be controlled by driving the Z stage to change the distance between the wafer W surface and the first objective lens 107. However, in this case, it is necessary to absorb the defocused portion of the image on the imaging surface of the CCD by appropriately translating the CCD in the optical axis direction.
[0073]
Further, the decentration coma aberration of the imaging optical system can be corrected by driving the entire lens system of the second objective lens 111 and the relay lens 113 or a part of the lenses to be decentered perpendicularly to the optical axis.
Note that in order to adjust the focus position (focal position), the Z stage may be appropriately driven in the optical axis direction. Further, in order to correct the astigmatic difference on the optical axis, at least one of the CCD in the X direction and the CCD in the Y direction may be appropriately moved along the optical axis direction.
[0074]
In addition, aberrations such as image height coma, field curvature, and field tilt rarely become a common problem in optical design considerations and manufacturing management. However, these aberrations can be corrected as necessary by changing the lens types of some lens systems of the imaging optical system and replacing them, or by decentering some lens systems. The correction of chromatic aberration is the same as these aberrations.
[0075]
FIG. 10 is a perspective view schematically showing a configuration of a projection exposure apparatus including an inspection apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, the imaging optical system and illumination optical system of the off-axis type alignment apparatus attached to the projection exposure apparatus are inspected. In the second embodiment, the projection optical system of the projection exposure apparatus and Inspecting illumination optics. In the first embodiment, a CCD is used as the image detection means. In the second embodiment, a reference member having a slit and a photoelectric detector are used as the image detection means.
In FIG. 10, the Z axis is set parallel to the optical axis AX of the projection optical system PL of the projection exposure apparatus, and the X axis and the Y axis are set to be orthogonal to each other in a plane perpendicular to the optical axis AX. .
[0076]
The projection exposure apparatus in FIG. 10 includes a light source LP made of, for example, an ultrahigh pressure mercury lamp. The light source LP is positioned at the first focal position of a condensing mirror (elliptical mirror) EM having a reflecting surface composed of a spheroidal surface. Therefore, the illumination light beam emitted from the light source LP forms a light source image (secondary light source) at the second focal position of the elliptical mirror EM.
[0077]
The light from the secondary light source passes through the collimating lens GL and the mirror M1, and then enters the fly-eye lens FL as a parallel light beam.
The light beam incident on the fly-eye lens FL is two-dimensionally divided by a plurality of lens elements constituting the fly-eye lens FL, and a plurality of light source images (that is, near the exit surface) at the rear focal position of the fly-eye lens FL (that is, near the exit surface). A tertiary light source).
[0078]
The light beams from the plurality of light source images are limited by the variable aperture stop 12 disposed on the exit surface of the fly-eye lens FL, and then enter the condenser lens CL via the mirror M2. The light condensed through the condenser lens CL uniformly and uniformly illuminates the mask 14 on which the transfer pattern is formed.
Thus, the light source PL, the elliptical mirror EM, the collimating lens GL, the mirror M1, the fly-eye lens FL, the variable aperture stop 12, the mirror M2, and the condenser lens CL constitute the illumination optical system 11.
[0079]
At the time of exposure, the light beam transmitted through the mask 14 reaches a wafer (not shown) which is a photosensitive substrate via the projection optical system 17. Thus, a pattern image of the mask 14 is formed on the wafer. The wafer moves along the optical axis AX direction of the XY stage 18 and the projection optical system 17 that can move two-dimensionally in an XY plane perpendicular to the optical axis AX (parallel to the Z direction) of the projection optical system 17. Supported on a possible Z stage 13. Therefore, by performing exposure while moving the wafer two-dimensionally, the pattern of the mask 14 can be sequentially transferred to each exposure region of the wafer.
[0080]
The projection exposure apparatus shown in FIG. 10 is provided with a grazing incidence light type autofocus system (22A, 22B). In the oblique incidence light type autofocus system, the light transmission system 22A irradiates light obliquely toward the surface of the wafer. The light regularly reflected on the wafer surface is received by the light receiving system 22B, and the position of the wafer in the Z direction is detected based on the change in position of the reflected light.
In this way, the wafer surface can be made to substantially coincide with the image plane of the projection optical system 17 (a plane conjugate with the mask 14) by the action of the autofocus system (22A, 22B).
[0081]
On the other hand, on inspection, a reference member PT and a light receiver 23 are installed on the XY stage 18 instead of the wafer. Then, the surface of the reference member PT is positioned at a predetermined defocus position with respect to the projection optical system 17 by the action of the autofocus system (22A, 22B) and the Z stage 13.
In this case, first, the autofocus system (22A, 22B) is used to make the surface of the reference member PT substantially coincide with the image plane of the projection optical system 17, and this position is the paraxial image plane position (Z = 0). ). Next, the surface of the reference member PT can be positioned at a predetermined defocus position by driving the Z stage 13 by a predetermined amount Z (defocus amount) with reference to the paraxial image plane position (Z = 0). . Note that the pattern 16 and the projection optical system 17 can be moved in the Z direction to form a defocused state.
[0082]
In each defocus state, the light beam transmitted through the inspection phase pattern 16 formed on the mask 14 reaches the surface of the reference member PT via the projection optical system 17. Thus, the inspection phase pattern image 16A of the mask 14 is formed in each defocused state on the surface of the reference member PT. The light from the phase pattern image 16A enters the light receiver 23 through the slit 19 formed on the surface of the reference member PT.
The slit 19 is formed by, for example, a single slit pattern. Therefore, an electrical signal corresponding to the light intensity distribution of the phase pattern image 16A can be obtained in the light receiver 23 by a slit scanning method in which the phase pattern image 16A and the slit 19 are relatively moved in a predetermined direction.
[0083]
As described above, in the first embodiment, the CCD is used as the image detecting means, whereas in the second embodiment, the reference member PT having the slit 19 and the light receiver 23 are used as the image detecting means. However, the detection of the aberration based on the light intensity distribution of the obtained phase pattern image and the correction and adjustment of the aberration based on the detection information are the same as in the first embodiment. That is, in the second embodiment, as in the first embodiment, the phase pattern image edge asymmetry index β and the phase pattern unevenness image intensity difference index α are set while defocusing the phase pattern image. By measuring, in addition to coma aberration, decentering coma aberration, luminous flux vignetting, and tilt of illumination light of the optical system under test (projection optical system 17 and illumination optical system 11), spherical aberration, focal position, astigmatism on the optical axis Thus, it is possible to inspect light having an arbitrary wavelength such as astigmatism, field curvature, and field tilt. Further, based on the inspection information (detection result), it is possible to correct or adjust the aberration, the focus position, and the optical axis deviation of the optical system to be detected.
[0084]
For example, in the projection exposure apparatus of FIG. 10, in order to correct the spherical aberration and the coma aberration of the projection optical system 17, a lens sensitive to the spherical aberration and the coma aberration among the lens components constituting the projection optical system 17 is used. The optical axis AX is shifted (moved) or tilted (tilted). Further, other aberrations of the projection optical system 17 can be processed in the same way as in the first embodiment.
On the other hand, in the projection exposure apparatus shown in FIG. 10, in order to properly adjust the illumination telecentricity, the vignetting, etc., the variable aperture stop 12 and the aperture stop in the projection optical system 17 are appropriately driven with respect to the optical axis AX.
[0085]
Further, as a third embodiment of the present invention, the inspection apparatus of the present invention can be applied to the overlay measurement apparatus. The overlay measurement apparatus is an apparatus that is installed inside or outside the projection exposure apparatus, for example, and measures the relative positional deviation between the first pattern and the second pattern formed on the photosensitive substrate. The alignment optical system of the alignment apparatus described above and the overlay measurement optical system of the overlay measurement apparatus have optically similar configurations. Therefore, as in the case of the alignment apparatus, the aberration of the overlay measurement optical system can be inspected accurately and easily, and the aberration of the overlay measurement optical system can be favorably corrected based on the inspection information. .
[0086]
In the inspection apparatus and inspection method of the present invention, the detection of the asymmetry of the phase pattern image may be performed by an imaging method as in the first embodiment, or by a scanning method using a slit as in the second embodiment. You may go.
In addition, the present invention does not depend on a difference in illumination methods such as transmission illumination or epi-illumination (reflection illumination).
In addition, the inspection apparatus of the present invention can be applied not only to a projection exposure apparatus, an overlay measurement apparatus, and an alignment apparatus, but also to other general apparatuses having an optical system to be inspected.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, according to the inspection apparatus and the inspection method of the present invention, in each defocus state, the image asymmetry (index β) corresponding to the edge of the phase pattern and the difference in the image intensity of the uneven portion of the phase pattern ( By measuring the index α), in addition to coma aberration, decentration coma aberration, luminous flux vignetting, tilt of illumination light (illumination telecentric), spherical aberration, focal position, astigmatism on optical axis, astigmatism, The curvature of field and the tilt of the field can be inspected easily and quickly with high reproducibility for light of an arbitrary wavelength. Then, based on the detected inspection information of the optical system, correction and adjustment related to the aberration and focus position of the optical system, position adjustment related to the illumination aperture stop and the imaging aperture stop, and the like are performed efficiently and appropriately. The system can be as close as possible to the ideal optical system.
[0088]
Therefore, by incorporating the inspection apparatus of the present invention into a projection exposure apparatus, alignment apparatus, overlay measurement apparatus, etc., an illumination optical system of the projection exposure apparatus, an alignment optical system of the projection optical system, and an alignment apparatus, and an overlay measurement apparatus In addition, the overlay measurement optical system can be inspected easily and quickly with good reproducibility, and sufficient apparatus performance can be achieved by correcting or adjusting the aberration, focal position, optical axis misalignment, etc. of the optical system based on the detection results of the inspection apparatus. It can be demonstrated. Specifically, the position detection error caused by the alignment optical system is reduced in the alignment apparatus, and the measurement error caused by the overlay measurement optical system is reduced in the overlay measurement apparatus. Further, in the projection exposure apparatus, the aberration of the projection optical system is corrected well and the focal position, the optical axis shift, etc. are adjusted well, so that the pattern transfer performance is improved and highly accurate overlay projection exposure is performed. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a drawing schematically showing a configuration of a projection exposure apparatus provided with an inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram in which an integrated signal ΣV obtained by integrating a signal V corresponding to the light intensity of a phase pattern image in a non-measurement direction is plotted with respect to a measurement direction S, and an asymmetry index β of the phase pattern image is It is a figure for demonstrating.
FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between a change in an asymmetry index β of a phase pattern image in each defocus state, coma aberration, optical axis deviation, and the like.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a change in an asymmetry index β of a phase pattern image in each defocus state, coma aberration, optical axis deviation, and the like.
FIG. 5 is a diagram in which an integrated signal ΣV obtained by integrating a signal V corresponding to the light intensity of a phase pattern image in a non-measurement direction is plotted with respect to a measurement direction S, and the phase pattern image corresponding to a recess of the phase pattern It is a figure for demonstrating the parameter | index (alpha) which quantified the difference between the image intensity of this and the image intensity of the phase pattern image corresponding to a convex part.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a change in index α of a difference between image intensities of phase pattern images corresponding to a concave portion and a convex portion of a phase pattern and spherical aberration in each defocus state.
7A and 7B are diagrams illustrating a relationship between a defocus amount Z and an index α with respect to two types of phase patterns having different periods, where FIG. 7A illustrates a case where spherical aberration exists in a test optical system; Respectively show the cases where there is no spherical aberration.
FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a defocus amount Z and an index α with respect to the same phase pattern when illuminated with two types of illumination σ values. FIG. 8A shows a spherical aberration in a test optical system. (B) shows the case where there is no spherical aberration.
FIG. 9 corresponds to a convex portion and a concave portion in an image intensity distribution of the phase pattern image when the image intensity of the phase pattern image corresponding to the convex portion of the phase pattern matches the image intensity of the phase pattern image corresponding to the concave portion. It is a figure which shows a mode that an angle | corner arises in the image intensity waveform to do.
FIG. 10 is a perspective view schematically showing a configuration of a projection exposure apparatus including an inspection apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
LP light source
EM elliptical mirror
GL collimating lens
FL fly eye lens
11 Illumination optics
12 Variable aperture stop
CL Codenser lens
13 Z stage
14 Mask
16 Inspection pattern
17 Projection optical system
18 XY stage
19 Slit
22 Oblique incident light autofocus system
23 Receiver
104 Light guide
106 half prism
107 Objective lens
111 Second objective lens
115 branch prism
116, 117 CCD
118 Signal processing system
121 XY stage
122 Z stage
127 illumination aperture stop
130 Imaging aperture stop

Claims (10)

位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段と、
前記像検出手段において各デフォーカス状態で検出された前記位相パターンのエッジに対応する像の非対称性の指標であって、式(1)により定義される指標βのデフォーカス量に依存しない一定のオフセット値Bに基づいて、前記位相パターンの形成面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを検査するための検査手段とを備えていることを特徴とする検査装置。
β=Σ{V iL −V iR /(V max −V min )}/n (1)
ここで、V iL およびV iR は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の周期における左右の信号極小値であり、V max およびV min は信号Vの最大値および最小値であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
Inspection apparatus for inspecting an optical system having an illumination optical system for irradiating a phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing a light beam from the phase pattern to form an image of the phase pattern In
Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means;
An index of asymmetry of the image corresponding to the edge of the phase pattern detected in each defocus state in the image detection means, and is a constant that does not depend on the defocus amount of the index β defined by Expression (1) An inspection apparatus comprising: inspection means for inspecting an inclination of a principal ray of the illumination light with respect to a normal line of the phase pattern forming surface based on an offset value B.
β = Σ {V iL −V iR / (V max −V min )} / n (1)
Here, V iL and V iR is the signal minimum value of the left and right in the i-th period in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image non-measurement direction, V max and V min is the maximum and minimum values of the signal V, n is the number of periods of the distribution of the integrated signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段とを備え、
前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第1の位相パターンと、該第1の位相パターンとは異なる位相振幅分布を有し前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第2の位相パターンとを有し、
前記第1の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度と前記第1の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第1のデフォーカス位置と、前記第2の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度と前記第2の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第2のデフォーカス位置との差に基づいて、前記光学系の球面収差を検査するための検査手段をさらに備えていることを特徴とする検査装置。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
Inspection apparatus for inspecting an optical system having an illumination optical system for irradiating a phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing a light beam from the phase pattern to form an image of the phase pattern In
Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means,
The phase pattern has a first phase pattern that repeats a periodic phase change along a detection direction of the image detection unit, and a phase amplitude distribution different from the first phase pattern, and is detected by the image detection unit. A second phase pattern that repeats a periodic phase change along the direction,
The light intensity of the first phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the first phase pattern and the image of the first phase pattern corresponding to the phase delayed region of the first phase pattern The first defocus position at which the difference index α between the first phase pattern and the second phase pattern is 0, and the second phase pattern image light intensity corresponding to the advanced phase region of the second phase pattern; Based on the difference from the second defocus position where the difference index α between the second phase pattern image and the light intensity of the second phase pattern image corresponding to the phase-lag region of the second phase pattern becomes zero. An inspection apparatus further comprising inspection means for inspecting the spherical aberration of the optical system.
α = Σ {V it −V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Here, V io and V it are integrated signals corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. , N is the number of periods of distribution of the integral signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段とを備え、
前記照明光学系には、照明開口絞りを通過する前記照明光の振幅分布を変更するための照明開口変更手段が設けられ、
前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す位相パターンであり、
前記照明開口変更手段により設定した第1の照明条件の下で照明された前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第1のデフォーカス位置と、前記照明開口変更手段により設定した第2の照明条件の下で照明された前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第2のデフォーカス位置との差に基づいて、前記光学系の球面収差を検査するための検査手段をさらに備えていることを特徴とする検査装置。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
Inspection apparatus for inspecting an optical system having an illumination optical system for irradiating a phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing a light beam from the phase pattern to form an image of the phase pattern In
Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means,
The illumination optical system is provided with illumination aperture changing means for changing the amplitude distribution of the illumination light passing through the illumination aperture stop,
The phase pattern is a phase pattern that repeats a periodic phase change along the detection direction of the image detection means,
In the region where the phase intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern illuminated under the first illumination condition set by the illumination aperture changing means and the phase of the phase of the phase pattern are delayed A first defocus position where a difference index α between the light intensity of the image of the corresponding phase pattern is 0 and the second illumination condition set by the illumination aperture changing means is illuminated. The index α of the difference between the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern and the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase delayed region of the phase pattern is 0. based on the difference between the second defocus position where the inspection apparatus characterized by further comprising an inspection means for inspecting the spherical aberration of the optical system.
α = Σ {V it −V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Here, V io and V it are integrated signals corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. , N is the number of periods of distribution of the integral signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンからの光束を集光して前記位相パターンの像を結像させるための結像光学系とを有する光学系を検査する検査装置において、
前記光学系を介して形成された前記位相パターンの像を検出するための像検出手段と、
前記像検出手段において検出される前記位相パターンの像をデフォーカスさせるためのデフォーカス手段とを備え、
前記位相パターンは、前記像検出手段の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す位相パターンであり、
各デフォーカス状態での、前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αの、前記光学系の視野内の複数の位置における値において、各視野位置に対応するαが0になるデフォーカス位置に基づいて、前記光学系の光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、および像面傾斜のうちの少なくとも1つを検査するための検査手段をさらに備えていることを特徴とする検査装置。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
Inspection apparatus for inspecting an optical system having an illumination optical system for irradiating a phase pattern with illumination light and an imaging optical system for condensing a light beam from the phase pattern to form an image of the phase pattern In
Image detecting means for detecting an image of the phase pattern formed through the optical system;
Defocusing means for defocusing the image of the phase pattern detected by the image detection means,
The phase pattern is a phase pattern that repeats a periodic phase change along the detection direction of the image detection means,
At each defocus state, the light intensity of the image of the phase pattern corresponding to the delay area of the phase of said light intensity of the image of the phase pattern phase pattern corresponding to a region advanced in phase of the phase pattern Astigmatism difference on the optical axis of the optical system based on defocus positions at which α corresponding to each visual field position becomes 0 at values at a plurality of positions in the visual field of the optical system. An inspection apparatus further comprising inspection means for inspecting at least one of astigmatism, field curvature, and field tilt.
α = Σ {V it −V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Here, V io and V it are integrated signals corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. , N is the number of periods of distribution of the integral signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
転写パターンが形成されたマスク上に設けられた位相パターンからなる位置合わせマークまたは前記転写パターンの像が転写される感光性基板上に設けられた位相パターンからなる位置合わせマークに照明光を照射するための照明光学系と、前記位置合わせマークからの光束を集光して前記位置合わせマークの像を結像させるための結像光学系とからなるアライメント光学系を有し、前記マスクまたは前記感光性基板の位置決めを行うための位置合わせ装置において、
前記アライメント光学系を検査するための請求項1乃至4のいずれか1項に記載の検査装置を備え、
前記検査装置による前記アライメント光学系の検査情報に基づいて前記結像光学系の収差を補正するための収差補正手段、前記検査情報に基づいて前記結像光学系の合焦位置を調整するための合焦位置調整手段、前記検査情報に基づいて前記結像光学系の光束ケラレを補正するために前記結像光学系の結像開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させるための結像開口絞り位置調整手段、前記結像光学系の物体面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを補正するために前記照明光学系の照明開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させる照明開口絞り位置調整手段のうちの少なくとも1つをさらに備えていることを特徴とする位置合わせ装置。
Illumination light is irradiated to a positioning mark made of a phase pattern provided on a mask on which a transfer pattern is formed or a positioning mark made of a phase pattern provided on a photosensitive substrate to which an image of the transfer pattern is transferred. An alignment optical system comprising: an illumination optical system for focusing; and an imaging optical system for condensing a light beam from the alignment mark to form an image of the alignment mark; In an alignment device for positioning a conductive substrate,
The inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4 for inspecting the alignment optical system,
Aberration correction means for correcting the aberration of the imaging optical system based on inspection information of the alignment optical system by the inspection device, and for adjusting the in-focus position of the imaging optical system based on the inspection information Focusing position adjusting means, imaging for relatively displacing the position of the imaging aperture stop of the imaging optical system with respect to the optical axis in order to correct the vignetting of the imaging optical system based on the inspection information Aperture stop position adjusting means, and the position of the illumination aperture stop of the illumination optical system is displaced relative to the optical axis in order to correct the inclination of the principal ray of the illumination light with respect to the normal of the object plane of the imaging optical system An alignment apparatus further comprising at least one of illumination aperture stop position adjusting means.
転写パターンが形成されたマスクに照明光を照射するための照明光学系と、前記転写パターンの像を感光性基板上に形成するための投影光学系とを備えた投影露光装置において、
前記照明光学系および前記投影光学系を検査するための請求項1乃至4のいずれか1項に記載の検査装置を備え、
前記検査装置による前記照明光学系および前記投影光学系の検査情報に基づいて前記投影光学系の収差を補正するための収差補正手段、前記検査情報に基づいて前記投影光学系の合焦位置を調整するための合焦位置調整手段、前記検査情報に基づいて前記投影光学系の光束ケラレを補正するために前記投影光学系の結像開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させるための結像開口絞り位置調整手段、前記投影光学系の物体面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを補正するために前記照明光学系の照明開口絞りの位置を光軸に対して相対変位させる照明開口絞り位置調整手段のうちの少なくとも1つをさらに備えていることを特徴とする投影露光装置。
In a projection exposure apparatus comprising an illumination optical system for irradiating illumination light onto a mask on which a transfer pattern is formed, and a projection optical system for forming an image of the transfer pattern on a photosensitive substrate,
The inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4, for inspecting the illumination optical system and the projection optical system,
Aberration correction means for correcting aberration of the projection optical system based on inspection information of the illumination optical system and the projection optical system by the inspection device, and adjusting a focus position of the projection optical system based on the inspection information A focusing position adjusting means for adjusting the position of the imaging aperture stop of the projection optical system relative to the optical axis in order to correct the vignetting of the projection optical system based on the inspection information. Image aperture stop position adjusting means, and relative displacement of the position of the illumination aperture stop of the illumination optical system relative to the optical axis in order to correct the inclination of the principal ray of the illumination light with respect to the normal of the object plane of the projection optical system A projection exposure apparatus, further comprising at least one of illumination aperture stop position adjusting means.
所定の位相パターンの像を形成する結像光学系を含む光学系を検査する方法において、
前記位相パターンに照明光を照射し、
前記結像光学系の光軸方向において異なる複数のデフォーカス位置で前記位相パターンの像を検出し、
前記複数のデフォーカス位置で検出された前記位相パターンのエッジに対応する像の非対称性の指標であって、式(1)により定義される指標βのデフォーカス量に依存しない一定のオフセット値Bに基づいて、前記位相パターンの形成面の法線に対する前記照明光の主光線の傾きを検査することを特徴とする光学系の検査方法。
β=Σ{V iL −V iR /(V max −V min )}/n (1)
ここで、V iL およびV iR は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の周期における左右の信号極小値であり、V max およびV min は信号Vの最大値および最小値であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
In a method for inspecting an optical system including an imaging optical system that forms an image of a predetermined phase pattern,
Illuminating the phase pattern with illumination light,
Detecting the image of the phase pattern at a plurality of different defocus positions in the optical axis direction of the imaging optical system;
A constant offset value B that is an index of asymmetry of the image corresponding to the edge of the phase pattern detected at the plurality of defocus positions and does not depend on the defocus amount of the index β defined by the equation (1). The inspection method of the optical system characterized by inspecting the inclination of the principal ray of the illumination light with respect to the normal line of the surface on which the phase pattern is formed.
β = Σ {V iL −V iR / (V max −V min )} / n (1)
Here, V iL and V iR is the signal minimum value of the left and right in the i-th period in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image non-measurement direction, V max and V min is the maximum and minimum values of the signal V, n is the number of periods of the distribution of the integrated signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
位相パターンに照明光を照射するための照明光学系と前記位相パターンの像を形成する結像光学系を含む光学系を検査する方法において、
前記位相パターンは、所定方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第1の位相パターンと、該第1の位相パターンとは異なる位相振幅分布を有し、前記所定方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す第2の位相パターンとを有し、
前記照明光学系を介して前記位相パターンに照明光を照射し、
前記位相パターンの像を、前記所定方向に沿った検出方向を有する像検出器を用いて検出し、
前記第1の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度と前記第1の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第1の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第1のデフォーカス位置と、前記第2の位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度と前記第2の位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記第2の位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αが0になる第2のデフォーカス位置との差に基づいて、前記光学系の球面収差を検査することを特徴とする光学系の検査方法。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
In a method for inspecting an optical system including an illumination optical system for irradiating illumination light to a phase pattern and an imaging optical system for forming an image of the phase pattern,
The phase pattern has a first phase pattern that repeats a periodic phase change along a predetermined direction, a phase amplitude distribution different from the first phase pattern, and a periodic phase along the predetermined direction. A second phase pattern that repeats the change,
Illuminating the phase pattern with illumination light through the illumination optical system,
Detecting an image of the phase pattern using an image detector having a detection direction along the predetermined direction;
The light intensity of the first phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the first phase pattern and the image of the first phase pattern corresponding to the phase delayed region of the first phase pattern The first defocus position at which the difference index α between the first phase pattern and the second phase pattern is 0, and the second phase pattern image light intensity corresponding to the advanced phase region of the second phase pattern; Based on the difference from the second defocus position where the difference index α between the second phase pattern image and the light intensity of the second phase pattern image corresponding to the phase-lag region of the second phase pattern becomes zero. An inspection method for an optical system, comprising: inspecting a spherical aberration of the optical system.
α = Σ {V it −V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Here, V io and V it are integrated signals corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. , N is the number of periods of distribution of the integral signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
前記照明光学系は、照明開口絞りを通過する前記照明光の振幅分布を変更可能に構成され、
前記第1のデフォーカス位置を検出する際には、前記照明開口絞りでの前記照明光の振幅分布を第1の振幅分布に設定し、
前記第2のデフォーカス位置を検出する際には、前記照明開口絞りでの前記照明光の振幅分布を前記第1の振幅分布とは異なる第2の振幅分布に設定することを特徴とする請求項に記載の光学系の検査方法。
The illumination optical system is configured to be capable of changing an amplitude distribution of the illumination light passing through an illumination aperture stop,
When detecting the first defocus position, the amplitude distribution of the illumination light at the illumination aperture stop is set to the first amplitude distribution,
When detecting the second defocus position, the amplitude distribution of the illumination light at the illumination aperture stop is set to a second amplitude distribution different from the first amplitude distribution. Item 9. An inspection method for an optical system according to Item 8 .
所定の位相パターンの像を形成する結像光学系を含む光学系を検査する方法において、
前記位相パターンに照明光を照射し、
所定の検出方向を有する像検出器を用いて前記結像光学系の光軸方向において異なる複数のデフォーカス位置で前記位相パターンの像を検出し、
前記位相パターンは、前記像検出器の検出方向に沿って周期的な位相変化を繰り返す位相パターンであり、
前記複数のデフォーカス位置での、前記位相パターンの位相の進んだ領域に対応する前記位相パターンの像の光強度と前記位相パターンの位相の遅れた領域に対応する前記位相パターンの像の光強度との間の差異の指標αの、前記光学系の視野内の複数の位置における値において、各視野位置に対応するαが0になるデフォーカス位置に基づいて、前記光学系の光軸上非点隔差、非点収差、像面湾曲、および像面傾斜のうちの少なくとも1つを検査することを特徴とする光学系の検査方法。
α=Σ{V it −V io /(V it +V io )}/(2n) (2)
ここで、V io およびV it は位相パターン像の光強度に応じた信号Vを非計測方向に積分した積分信号ΣVの分布においてi番目の位相パターンの凹部および凸部に対応する積分信号であり、nは積分信号ΣVの分布の周期数であり、Σはi=1〜nまでの総和記号である。
In a method for inspecting an optical system including an imaging optical system that forms an image of a predetermined phase pattern,
Illuminating the phase pattern with illumination light,
Detecting an image of the phase pattern at a plurality of different defocus positions in an optical axis direction of the imaging optical system using an image detector having a predetermined detection direction;
The phase pattern is a phase pattern that repeats a periodic phase change along the detection direction of the image detector,
The light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase advanced region of the phase pattern and the light intensity of the phase pattern image corresponding to the phase delayed phase of the phase pattern at the plurality of defocus positions. Of the difference index α between the optical system and the optical system based on the defocus position at which α corresponding to each visual field position becomes 0 in the values at a plurality of positions in the visual field of the optical system. An inspection method for an optical system, wherein at least one of point difference, astigmatism, field curvature, and field tilt is inspected.
α = Σ {V it −V io / (V it + V io )} / (2n) (2)
Here, V io and V it are integrated signals corresponding to the concave and convex portions of the i-th phase pattern in the distribution of the integrated signal ΣV obtained by integrating the signal V corresponding to the light intensity of the phase pattern image in the non-measurement direction. , N is the number of periods of distribution of the integral signal ΣV, and Σ is a summation symbol from i = 1 to n.
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