JP4095566B2 - 光学素子を評価する方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、光学素子の評価に係り、特に、定在波を利用して多層膜が形成された光学素子（例えば、ミラー）を評価する方法、並びに、かかる評価結果を利用した光学素子の製造方法及びそれを用いた光学装置に関する。本発明は、例えば、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体チップ、液晶パネルなどの表示素子、磁気ヘッドなどの検出素子、ＣＣＤなどの撮像素子といった各種デバイスを波長２乃至４０ｎｍの露光光を利用して露光する投影露光装置に使用される多層膜ミラーの評価及び製造、かかる光学素子を有する光学系の調整に好適である。

従来、半導体メモリや論理回路などの微細な半導体素子を製造するための焼き付け（リソグラフィー）方法として、紫外線を用いた縮小投影露光が行われてきた。しかし半導体素子は急速に微細化しており、紫外光を用いたリソグラフィーでは限界がある。５０ｎｍを下回るような非常に微細な回路パターンを効率よく焼き付けるために、紫外線よりも更に波長が短い波長１３．５ｎｍ程度の極端紫外（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ：ＥＵＶ）光を用いた露光装置（以下、「ＥＵＶ露光装置」という。）が開発されている。

ＥＵＶ露光装置は、ミラーなどの反射型光学素子をその光学系に使用し、その反射型光学素子の表面には光学定数の異なる２種類の物質を交互に積層した多層膜が形成される。多層膜は、例えば、精密な形状に研磨されたガラス基板の表面にモリブデン（Ｍｏ）とシリコン（Ｓｉ）を交互に積層する。その層の厚さは、たとえばＭｏ層の厚さは３ｎｍ、Ｓｉ層の厚さは４ｎｍ程度である。２種類の物質の層の厚さを加えたものは膜周期と呼ばれ、上記例では膜周期は７ｎｍである。

このような多層膜ミラーにＥＵＶ光を入射すると、特定の波長のＥＵＶ光が反射される。入射角をθ、ＥＵＶ光の波長をλ、膜周期をｄとすると干渉条件を満たすλを中心とした狭いバンド幅のＥＵＶ光だけが効率よく反射される。このときのバンド幅は０．６〜１ｎｍ程度である。干渉条件は近似的には以下のブラッグの式の関係式で表現できるが、精密には物質中での屈折等の影響により、この式から求めた値より微小にずれることがある。

投影光学系の反射面の面形状は非常に高い精度であることが要求される。例えば、投影光学系を構成するミラーの枚数をｎ、ＥＵＶ光の波長をλとすると許容される形状誤差σ（ｒｍｓ値）は以下のマレシャルの式で与えられる。

例えば、６枚反射鏡で波長１３ｎｍの系の場合、σ＝０．１９ｎｍとなる。また分解能３０ｎｍのパターン転写を行う場合に投影光学系全系に許容される波面収差量は０．４ｎｍ程度である。

投影光学系を製造方法は、多層膜ミラーの形成工程、形状計測工程、鏡筒への組み込み工程、波面収差調整工程を含む。

多層膜ミラー形成工程は、まず、可視光を用いた干渉計により形状計測を繰り返しながら基板を研磨し、所定の形状の基板を作製する。次に、基板表面に多層膜を成膜する。この際、実際に光学系として機能する際にミラー面内それぞれの位置の多層膜に入射する光の角度と波長を考慮し、最適な膜厚分布とする。

形状計測工程は、多層膜の成膜が終わった多層膜ミラーの表面形状を再び可視光を用いた干渉計により計測を行うと共に、多層膜表面の面形状が所定の形状（即ち、上述の形状誤差σ）を満足しているかどうかを判断する。所定の面形状を有しないと判断された多層膜ミラーは、成膜が不成功であるため、多層膜を剥離して多層膜を再度形成する。

鏡筒への組み込み工程は、形状計測工程において所定の面形状を有すると判断された多層膜ミラーを鏡筒に組込み、ミラー相互の間隔や傾きを調整し、投影光学系が完成する。

波面収差調整工程では、投影光学系の波面収差を調整する。反射による光の位相変化が一定値であれば、ミラーで反射した反射光の波面は、入射光の波面とミラー形状とから求めることができるが、実際には多層膜ミラーで反射した反射光の位相変化は、光の波長、入射角、膜構造によって異なる。このため、可視光によって幾何学的な表面形状を計測しても、ＥＵＶ光を入射した場合の反射光面を正確に求めることはできない。このため、ＥＵＶ光を用いて多層膜ミラー又は投影光学系の反射光面を直接計測する方法が限定的に実施されている。例えば、ＥＵＶ光を用いて多層膜ミラー反射光面を直接計測する手段として、ピンホールにより球面波を生じさせる点回折干渉計（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：ＰＤＩ）は従来から知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。

その他の従来技術として、Ｘ線多層膜ミラーの層構造及び界面粗さの情報をＸ線定在波スペクトルの形状から取得する方法も知られている（例えば、特許文献３及び４参照）。

また、物質中での電子のエネルギー損失に関するデータが非特許文献１の開示に開示されている。多層膜の反射率と反射光の位相の関係については、モデル計算が非特許文献２に開示されている。更に、多層膜表面の光電効果については非特許文献３に開示されている。
特開２００１−２２７９０９号公報 特開２０００−９７６２０号公報 特開２００２−２４３６６９号公報 特開２０００−５５８４１号公報 中井洋太他、「１０ｋｅＶ以下の電子に対する物質の阻止能」、応用物理第５１巻第３号、２７９頁、１９８２年３月 Ｊ．Ｈ． Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ ａｎｄ Ｔ．Ｗ． Ｂａｒｂｅｅ， "Ｌａｙｅｒｅｄ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｓ Ｂｒａｇｇ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｘ−Ｒａｙｓ ａｎｄ Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ： Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄＰｒｅｄｉｃｔｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２０， ３０２７ （１９８１） Ｍｉｃｈａｅｌ Ｅ． Ｍａｌｉｎｏｗｓｋｉ，Ｃｈｉｐ Ｓｔｅｉｎｈａｕｓ，Ｗ． Ｍｉｌｅｓ Ｃｌｉｆｔ，Ｌｅｏｎａｒｄ Ｅ． Ｋｌｅｂａｎｏｆｆ，Ｓｔａｎｌｅｙ Ｍｒｏｗｋａ， Ｒｅｇｉｎａ Ｓｏｕｆｌｉ"Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｏ／Ｓｉ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｍｉｒｒｏｒｓ ｂｙ Ｓｉ ｓｕｒｆａｃｅ ｃａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ"Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ４６８８，Ｐａｇｅ ４４２−４５３， Ｊｕｌ ２００２．

しかし、ＰＤＩ法は、一点から発散する光が一点に収束するような光学系を必要とするため、凸面は計測することができず、凹面でも非球面量が大きい非球面は計測することが困難であるという問題を有する。このため、投影光学系を構成する全てのミラーに適用することは不可能であり、測定可能な一部のミラーに対して限定的に適用することしかできない。

従って、残りのミラーに関しては、入射光面と反射光面との関係を実測することはできず、これらのミラーで波面収差が発生する可能性があり、これらのミラーを組み合わせた鏡筒で所定の光学性能を満足することは難しかった。また、ＰＤＩ法において、正確な球面波を発生させるために用いるピンホールの大きさは数十ｎｍと非常に微小であるために製作が困難であるという問題がある。更にその微小なピンホールに充分な量のＥＵＶ光を導入する必要があるので、非常に高輝度の光源を用いる必要があり、測定システムが非常に大型で高価なものとなるという問題もある。

また、特許文献３は、多層膜ミラーの層形状を簡易に測定できるものの反射光の波面は位相を考慮しなければ求めることができないため、反射光の波面を正しく求めることができず、波面収差の調整において十分ではなかった。波面収差の調整が不十分であれば所望の解像度が得られないという問題を有する。

そこで、本発明は、任意の形状を有する光学素子の入射光から見た形状や入射光と反射光との関係を正確、簡易かつ安価に測定することを可能とする光学素子の評価方法を提供することを例示的目的とする。

本発明の一側面としての評価方法は、多層膜が形成された反射型光学素子の評価方法であって、前記光学素子に波長２乃至４０ｎｍの光を入射させた際に前記多層膜から放出される二次放射線を計測し、該計測値に基づいて前記多層膜へ入射する光と前記多層膜から反射する光との位相差を算出するステップを有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての評価方法は、多層膜が形成された反射型光学素子の評価方法であって、前記多層膜の表面にレジストを塗布するステップと、前記レジストが塗布された前記光学素子に波長２乃至４０ｎｍの光を入射させて当該レジストを露光するステップと、前記露光されたレジストの残膜分布を計測し、該計測値に基づいて前記多層膜へ入射する光と前記多層膜から反射する光との位相差を算出するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての評価方法は、複数の多層膜ミラーを有する結像光学系の評価方法であって、前記結像光学系の前記複数の多層膜ミラーにレジストを塗布するステップと、前記レジストが塗布された前記結像光学系に、波長２乃至４０ｎｍの光を実際に前記結象光学系を使用する条件で入射させて当該レジストを露光するステップと、前記露光されたレジストの残膜分布を計測し、該計測値に基づいて前記多層膜へ入射する光と前記多層膜から反射する光との位相差を算出するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の別の側面としての露光装置は、上述の方法で評価された反射型光学素子を有し、レチクルのパターンを被露光体に露光する。

本発明の別の側面としてのデバイス製造方法は、上述の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、露光された前記被処理体現像するステップとを有することを特徴とする。

本発明の光学素子の評価方法及び装置によれば、光学素子の入射光面と反射光面との関係をより簡易かつ安価に測定することができる。

図３を参照して、本実施形態の反射型光学素子の製造方法の主要部について説明する。ここで、図３は、本実施形態の反射型光学素子の製造方法１０００の主要部を示すフローチャートである。まず、所定形状の基板上に所定の膜厚を有する多層膜を形成する（ステップ１００２）。

次いで、多層膜の面形状の測定を行う（ステップ１００４）。この際、従来の形状計測工程が多層膜表面の幾何学的な面形状のみを計測していたのに対して、本実施形態では、以下に詳述するように、多層膜反射面の幾何学的な面形状に加え、入射光と反射光の位相差に基づく等価的な反射面の面形状も算出している。後者を算出するに際しては、所定形状の基板上に所定の膜厚を有する多層膜が形成された反射型光学素子（例えば、多層膜ミラー）の多層膜に波長２乃至４０ｎｍの光（例えば、ＥＵＶ光やＸ線）が入射した際に、多層膜の表面近傍で形成された定在波による励起により多層膜から放出される二次放射線（蛍光Ｘ線、光電子等）を計測し、該計測値に基づいて入射光と反射光との位相差を決定し、かかる位相差を利用して後述する「等価的な反射面」の面形状を決定する。なお、ここで二次放射線とは、放射線源が直接放出した放射線（一次放射線）と物質との相互作用によって発生した放射線のことをいい、蛍光Ｘ線、光電子を含む。

次に、「等価的な反射面」の面形状の設計値あるいは理想的な形状からの差（誤差）が許容範囲（例えば、上述の形状誤差σ）内にあるかどうかを判断する（ステップ１００６）。ステップ１００６は、許容範囲にないと判断すれば、多層膜の形成が不適当であるとみなして多層膜を剥離し（ステップ１００８）、ステップ１００２に帰還する。一方、ステップ１００６は、許容範囲にあると判断すれば、多層膜の形成が適当であるとみなして当該光学素子を鏡筒などに対して必要な組み込みを行うと共に波面収差の調整を行う（ステップ１０１０）。本実施形態では、このように、位相差に起因する等価的な反射面の面形状を計測して形状計測精度を高め、その後に反射光の波面を算出したり、波面収差を調整したりすることを容易にしている。

光の波面は、電磁場振動の位相の等しい面として定義され、幾何光学的に表現された光線とは直交する。平行な光束の波面は、光の進行方向と直交する平面であり、このような光束は平面波と呼ばれる。

まず、単純化のため、入射角０°の平面波が平面ミラーで反射される場合を考える。入射角０°なので、波面はミラー表面と平行な平面である。ミラー表面での反射における位相差、即ち、反射光と入射光の位相差がミラー表面の至る所で一定である場合、入射光は反射において一定量の位相変化を受ける。このため、反射光の波面（＝等位相面）はやはりミラー表面に平行な平面となる。

次に、平面波が、表面が平面でないミラーで反射される場合、ミラー表面での反射における位相差がミラー表面の至る所で一定であれば、反射光は一定の位相変化を受けるが、ミラー面の凹凸によって光路差が生じるので、反射光の波面（＝等位相面）は平面からずれる。ミラー面のある位置がｈだけ盛り上がっている場合、反射光の波面はそれに対応する位置で２ｈだけ盛り上がった（ミラー面から離れた）形状になる。

また、平面ミラーであってもミラー表面での反射により生じる位相差がミラー表面の一部で異なる場合、反射光は場所により異なる位相変化を受けるので、反射光の波面（＝等位相面）は平面からずれた形状となる。平面ミラー上のある場所で反射における位相差が、その周囲の場所に比べてδ（ｒａｄ）だけ大きい場合、この場所で反射した反射光の波面は、周囲の場所で反射した波面に比べて、ミラー面よりδλ／２πだけ盛り上がった（ミラー面から離れた）形状になる。ここで、λは入射光の波長である。この場合、表面での反射における位相差が一定であるが、ミラー面がδλ／４πだけ盛り上がったミラーで反射したのと等価である。
このように、表面での反射における位相差をミラー形状に換算したミラー形状のことを「等価的な反射面」と呼ぶ。

更に、平面波が、表面が平面ではなく、反射により生じる位相差が面内で一定ではないミラーで反射される場合について考える。ミラー面のある位置で形状がｈだけ盛り上がり、更に、この位置で反射における位相差がその周囲の場所に比べてδ（ｒａｄ）だけ大きい場合、上記二例の重ね合わせとなって、反射光面の形状は、２ｈ＋δλ／２πだけ盛り上がった（ミラー面から離れた）形状になる。この場合、等価的な反射面は、（ｈ＋δλ／４π）だけ盛り上がった形状になる。

入射角θが０°でない場合には、幾何学的な光路差を補正すれば同様な考え方が成り立つため、一般的には、等価的な反射面は、ｈ＋δλ／（４πｃｏｓθ）と補正すればよい。このように、従来の形状計測工程では、ｈのみを測定していたのに対して、本実施形態ではｈ＋δλ／（４πｃｏｓθ）を算出し、これを形状誤差σと比較している。また、従来は、位相差δを正しく測定できなかったが、本実施形態では以下に説明するように位相差δを簡単かつ正確に測定することを可能にしている。なお、ここまでの説明では単純化のため、平面波が入射する場合について説明したが、入射光が平面波でなく
球面波やそれに収差が重畳したような場合でも、充分小さい領域を考えれば平面波で近似できるので、上記説明は同様に成り立つ。

多層膜に単色で平行なＥＵＶ光を入射した場合、この多層膜で反射されたＥＵＶ光は入射光に対して位相差を有する。また多層膜内部や外部では入射光と反射光とが干渉し、定在波が発生する。本発明では、定在波を利用して上記位相差δを求めたり、入射光の波面と反射光の波面との関係を正確に測定したりする。その方法について以下で詳細に述べる。

多層膜にＥＵＶ光を入射し、ＥＵＶ光が反射する場合、入射光と反射光との位相差は多層膜構造や多層膜を構成する物質の光学定数、入射角、ＥＵＶ光の波長などによって変化する。入射するＥＵＶ光の電場強度をＥ０、振幅反射率をｒとした時、反射光の電場振幅はｒ×Ｅ０となる。入射光と反射光の位相差δについて入射光と反射光とが重ね合わされた電場の振幅Ｅは次式で与えられる。

電場強度は振幅の自乗に比例すること、光の反射率Ｒは振幅反射率ｒの自乗であることから、多層膜表面の（入射光と反射光が干渉して生成する定在波の）電場強度Ｉと入射光の電場強度Ｉ０の比（電場強度比）Ｉ／Ｉ０は次式で与えられる。

数式４から逆に、多層膜表面の電場強度と入射光の電場強度の比Ｉ／Ｉ０及び反射率Ｒを取得すれば位相差δを求めることができる。反射率Ｒは、入射光の強度と反射光の強度を測定して両者の比を取ることで容易に測定することができる。多層膜表面の電場強度と入射光の電場強度の比Ｉ／Ｉ０を計測する方法については以下に詳細に説明する。

真空中の物質にＥＵＶ光が照射されると、光の一部はその物質に吸収され、光電効果を起し、電子が放出される。このとき、放出される光電子の量はその位置での電場強度に比例する。そこで、図４に示すように、多層膜のＥＵＶ光照射領域の近傍にマイクロチャンネルプレートや電子増倍管などの光電子検出器を設けて光電子の量を計測する。

物質のごく表面で光電効果が起きた場合には、放出された電子は殆どエネルギーを失うことなく真空中に放出される。この現象は外部光電効果と呼ばれる。一方、物質の内部（表面からおよそ１ｎｍより深い位置）で光電効果が起きた場合には、放出された電子は周囲の原子と非弾性衝突しエネルギーを急速に失い、真空中まで出て来ることは殆どない。また真空中に放出されたとしても、原子から放出された時のエネルギーの大部分を失って低いエネルギーの電子となって放出される。（非特許文献１参照）。このため、外部光電効果によって真空中に放出される電子の量は、物質の最表面近傍（表面からおよそ１ｎｍより浅い領域）の電場強度に比例する。所定の入射角θ０、所定の波長λ０で高い反射率を得るように構成された多層膜に、ブラッグの条件を満たす入射角θ０で波長λ０のＥＵＶ光を入射した場合、表面から真空中に放出される光電子の量ＱＲは、入射光と反射光との干渉によって生じた物質の最表面近傍における定在波の電場強度に比例する。

また、真空中の物質にＥＵＶ光が照射されると、光の一部はその物質に吸収され、光電子だけでなく、その他のニ次放射線として例えば蛍光Ｘ線が放出される。このとき、放出される蛍光Ｘ線の量もその位置での電場強度に比例する。そこで、図４に示す検出器としてＸ線検出器を用いて、蛍光Ｘ線の量を計測することとし、前述のＱＲとして蛍光Ｘ線の量を用いても良い。

蛍光Ｘ線のエネルギーは、それを放出する原子に固有のエネルギーを有しており、蛍光Ｘ線を分光し特定のエネルギーを有するＸ線の強度のみを計測することで、特定の原子の位置における電場強度を計測することができる。

従って、多層膜の最表面に、多層膜を構成する元素とは異なる元素から成る薄膜を設けておき、この元素に固有の蛍光Ｘ線の強度を計測すれば、多層膜表面近傍の電場強度を計測することができる。

この多層膜に、入射角θ０から大きく異なる入射角で波長λ０のＥＵＶ光を入射した場合、干渉によって反射光の強度を強め合う条件から外れるので、反射率は非常に低くなり、反射光の強度は入射光の強度に比べて非常に小さくなる。このとき多層膜表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量Ｑ０は、入射光の電場強度にほぼ比例する。但しこのとき、入射角が９０度に近くなると全反射が起きることによって反射率が高くなるので、入射角は９０度に近くない方がよい。

図６は、反射率と電場強度比の入射角依存性の例を示すグラフである。電場強度比とは、多層膜表面の電場強度と入射光の電場強度の比である。この例では、波長１３．５ｎｍである。入射角１０°で反射率がピークとなるよう最適化された多層膜を用いている。この例では入射角がおよそ２０度〜７０度の範囲において、反射率が入射角１０度でのピーク反射率（約７０％）の１０分の１以下になっており、規格化した電場強度は１に近い値となっている。すなわち、入射角がおよそ２０度〜７０度の範囲において、多層膜表面の電場強度は入射光の電場強度にほぼ等しくなっている。このような角度範囲でこのとき多層膜表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量Ｑ０は、入射光の電場強度にほぼ比例する。ここで示した例とは異なる入射角で反射率がピークとなる多層膜に対しても、同様に、ピークとなる入射角とは大きく異なり反射率が低くなる角度において多層膜表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量Ｑ０は、入射光の電場強度にほぼ比例する。

そこで、多層膜に、ブラッグの条件を満たして高い反射率が得られる入射角と、ブラッグの条件を満たさずに反射率がそれに比べて非常に低くなる入射角との２つの条件でＥＵＶ光を照射し、真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量ＱＲ、Ｑ０を求めれば、以下の式によって多層膜表面の（定在波の）電場強度Ｉと入射光の電場強度Ｉ０の比を求めることができる。

入射角の異なる２つの測定条件の間で入射光の強度が変動する可能性がある場合には、入射光強度を計測する検出器を設け、入射光強度で真空中に放出される電子の量を規格化して入射光強度が変動に伴う誤差を抑制することが可能である。すなわち、図１に示した測定装置を用いて、所定の入射角θ０、所定の波長λ０で高い反射率を得るように構成された多層膜に、ブラッグの条件を満たす入射角θ０で波長λ０のＥＵＶ光を入射した場合、表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量ＱＲ、を測定する際にビーム強度モニタ（１４）で測定されたビーム強度をＩ０Ｒとする。

この多層膜に、入射角θ０から大きく異なる入射角で波長λ０のＥＵＶ光を入射した場合、干渉によって反射光の強度を強め合う条件から外れるので、反射率は非常に低くなり、反射光の強度は入射光の強度に比べて非常に小さくなる。このとき多層膜表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量Ｑ0を測定する際にビーム強度モニタ（１４）で測定されたビーム強度をＩ０0とする。真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量を入射光強度で規格化して次式のようにすることにより、入射光強度の変動に伴う誤差を抑制することが可能である。

ブラッグの条件を満たす多層膜に、ブラッグの条件を満たす波長λ０からずれた波長λのＥＵＶ光を入射角θ０で射した場合、干渉によって反射光の強度を強めあう条件から外れるので、反射率は非常に低くなり、反射光の強度は入射光の強度に比べて非常に小さくなる。例えば、図８の例では、波長１２．８〜１４ｎｍを外れた波長域では、反射率がピークの反射率に比べて１０分の１以下と、非常に小さな値になっている。

このとき多層膜表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量ＱＬは、入射光の電場強度にほぼ比例する。但し、このとき用いる波長とブラッグの条件を満たす波長λ０とが離れすぎると、光電子または蛍光Ｘ線の放出効率（単位入射光子数当たりに放出される光電子または蛍光Ｘ線数）がずれてくるので、あまり離れていない波長を用いることが望ましい。具体的には、多層膜表面を構成する元素の吸収端波長を境に光電子または蛍光Ｘ線の放出効率量は急激に変化するので、多層膜表面を構成する元素の吸収端波長を越えない範囲で波長を変えることが望ましい。

そこで、波長を変えながら多層膜にＥＵＶ光を照射し、高い反射率が得られる波長と、反射室がそれに比べて非常に低くなる波長との２つの波長での、真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量ＱＲ、ＱＬを求めれば、次式から多層膜表面の電場強度Ｉと入射光の電場強度Ｉ０の比を求めることができる。

異なる角度で測定する場合と同様に、波長の異なる２つの条件の測定の間で入射光の強度が変動する可能性がある場合には、入射光強度を計測する検出器を設け、入射光強度で真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量を規格化して入射光強度が変動に伴う誤差を抑制することが可能である。

多層膜の最表面を構成する物質と同一物質で構成された単層膜にＥＵＶ光を入射した場合、反射率は非常に低くなり、反射光の強度は入射光の強度に比べて非常に小さくなる。このとき単層膜表面から真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量Ｑ００は、入射光の電場強度にほぼ比例する。そこで、多層膜に、高い反射率が得られる入射角でＥＵＶを照射したときに真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量ＱＲと、多層膜の最表面を構成する物質と同一物質で構成された単層膜にＥＵＶ光を入射した場合に真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量Ｑ００を求めれば、次式から多層膜表面の電場強度Ｉと入射光の電場強度Ｉ０の比を求めることもできる。

この場合にも同様に、２つの測定の間で入射光の強度が変動する可能性がある場合には、入射光強度を計測する検出器を設け、入射光強度で真空中に放出される光電子または蛍光Ｘ線の量を規格化して入射光強度が変動に伴う誤差を抑制することが可能である。

次に、以下の式により位相δを算出する。

位相差の余弦から位相差を求める際に、位相差に２πの整数倍の不確定性があるが、連続的に測定した領域内であるいは波長変化に対して位相差が連続につながるようにすればよい。また位相差の正負の不確定性があるが、多層膜の反射ピーク近傍で正の傾きを持つようにすればよい。

以上述べたような方法により、多層膜表面の電場強度と入射光の電場強度の比Ｉ／Ｉ０および反射率Ｒを測定することにより、入射光の位相と反射光の位相差δを求めることができる。次に、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求める方法について説明する。

多層膜の表面形状（即ち、上述のｈ）は、当業界で既知の方法、例えば、スタイラス（触針）を表面に接触させて形状を機械的に直接測定する方法、可視光や紫外光を用いた干渉計による方法等により精度良く計測することができる。

ミラー表面での反射において入射光と反射光の位相差δが、ミラーの面で一定であり入射角にも依存しない場合には、通常の光線追跡法や回折積分法を用いて、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができる。（例えば、鶴田匡夫 応用光学Ｉ（１９９０年７月発行）を参照のこと。）
ミラー表面での反射において入射光と反射光の位相差δが、ミラーの面内で変化したり、入射角に依存したりする場合には、多層膜表面で光路長がδλ／２πだけ付加するとして回折積分法等を用いれば、多層膜形状から、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができる。

あるいは、図７に示すように、ミラー面上の座標をｘ，ｙ、多層膜ミラーの幾何学的な面形状をｈ（ｘ，ｙ）、ＸＹ平面に対するミラー法線の傾きをφ（ｘ，ｙ）、ＥＵＶ光のミラー面に対する入射角分布をθ（ｘ，ｙ）、ＥＵＶ光としての入射光と反射光の位相差をδ（ｘ，ｙ，λ，θ）としたとき、多層膜をＥＵＶ光で見た時の等価的な面形状は次式で表される。この等価的な面形状を用いて、光線追跡法によって反射光の波面あるいは反射光の光線を求めてもよい。ここで、図７は、多層膜ミラーの反射面形状の測定方法を説明するための概略断面図である。

このように、本実施形態によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差δを求め、多層膜表面の幾何学的な面形状の計測結果（即ち、ｈ）と位相差δとから、ＥＵＶ光から見た等価的な反射面の形状としてのｈ＋δλ／（４πｃｏｓθ）、あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めている。従来の形状測定はｈのみを求めているのに対して、本実施形態の形状測定ではｈ＋δλ／（４πｃｏｓθ）を求めているので、ＥＵＶ光から見ると形状測定の精度が向上している。この結果、本実施形態は、その後の波面収差の調整を容易にしている。また、本実施形態によれば、通常の反射率測定装置に光電子または蛍光Ｘ線検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。

これらの原理は様々なパターンに応用することができる。それらの例は、以下の実施例において明らかにされるであろう。

図１は、本実施例の計測装置１の概略ブロック図である。シンクロトロン放射光光源や、レーザープラズマ光源、放電プラズマ光源などのＥＵＶ光源１０から放射されたＥＵＶ光は分光器１２により所定の波長だけが取り出され、単色化される。単色化されたＥＵＶビームは測定対象としての多層膜ミラー（又は試料）ＭＬや検出器２４、２６が設置された測定室２０に導かれる。測定室２０は大気によるＥＵＶ光の減衰や光電子の散乱、あるいは多層膜表面への汚染付着を防止するために、真空ポンプなどの排気手段２１によって超高真空領域まで排気されている。測定対象としての多層膜ミラーＭＬは回転及び並進移動可能なステージ２２の上に固定されており、単色化されたＥＵＶビームが、多層膜ミラーＭＬの所定の位置に所定の角度で入射するようになっている。多層膜ミラーＭＬによって反射されたＥＵＶビームは、ＥＵＶ光検出器２４に導かれ、反射光の強度が計測される。検出器２４は、フォトダイオード、光電子増倍管、ＣＣＤなどを使用することができる。ステージ２２により多層膜ミラーＭＬを退避させ、検出器２４に単色化されたＥＵＶビームを直接入射することで入射光のビーム強度を計測することもできるようになっている。検出器２４の出力は、電荷増幅器を用いて電圧信号に変換し、更にアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ））１８を用いてデジタル化したのちにコンピュータなどの演算部１６に取り込む。多層膜ミラーＭＬで反射された反射光のビーム強度と、入射光のビーム強度の比を計算することによって演算部１６は反射率Ｒを求めることができる。

光源１０から放射される光強度の時間変動を補正するために、測定室２０に導かれる単色のＥＵＶ光の強度を測定する入射光モニタ１４が設けられている。放射光光源を用いる場合には、光源の電子蓄積リングの電流を測定することで入射光モニタとしてもよい。

多層膜ミラーＭＬの近傍には光電子を検出する検出器２６が設置されている。検出器２６は、電子増倍管やマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）などを使用することができる。放出された光電子が取り込まれやすいように、検出器２６の入射電極は、多層膜ミラーＭＬに対して正電位になるように設定されている。多層膜ミラーＭＬの表面から放出された光電子が電子増倍管やＭＣＰに入射すると、内部に印加された高電圧により電子増倍作用をうけ、増幅された電荷信号として出力される。これを電荷増幅器を用いて電圧信号に変換し、更にアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）１８を用いてデジタル化したのちに演算部１６に取り込む。

本実施例では、以下の手続によって反射光の位相を計測する。

まず、ステージ２２により試料ＭＬを退避し、入射光の強度を検出器２４で測定する。このとき分光器１２から出射するＥＵＶ光の波長λを変えながら、波長走査を行い、入射光の強度の波長依存性を測定する。入射光の強度をＩ_Ｒ０（λ）、その測定の際の入射光強度モニタの出力をＩ_００（λ）とする。

次に、ステージ２２により単色化されたＥＵＶビームが、多層膜ミラーＭＬの所定の位置に所定の角度で入射するように設定し、反射光の強度を検出器で測定する。同時に、検出器２６によって、試料表面から放出される光電子の量を測定する。このとき分光器１２の波長設定を変えながら、波長走査を行い、反射光の強度の波長依存性と、試料ＭＬの表面から放出される光電子の量の波長依存性とを同時に測定する。このとき、多層膜試料で反射された光強度をＩ_Ｒ１（λ）、多層膜試料の測定された光電子放出量をＱ_Ｓ（λ）、その測定の際の入射光強度モニタの出力をＩ_０１（λ）とする。

次に、参照試料ＲＳとして多層膜の最上層を構成する物質で構成された単層膜ミラーの光電子放出量を計測する。参照試料（又は単層膜ミラー）ＲＳの単層膜の厚さは、光電子の脱出深さより充分厚く、また測定しようとする光の透過率が充分小さいことが望ましく、光の波長が１３．５ｎｍ程度であれば、ＭｏやＳｉ、ルテニウム（Ｒｕ）などの場合、数百ｎｍ以上の厚さがあればよい。多層膜の最上層がＳｉの場合、Ｓｉウェハを使用してもよい。

多層膜試料ＭＬについて行ったのと同様な方法で参照試料ＲＳに対し、試料表面から放出される光電子の量の波長依存性を測定する。試料表面での電場は、入射光の電場と反射光の電場とを足しあわせたものであるが、単層膜ミラーＲＳの反射率はＥＵＶ光に対して非常に低いため、単層膜表面の電場強度は入射光の電場強度にほぼ等しい。このとき、参照試料の測定された光電子放出量の波長依存性をＱ_Ｒ（λ）、その測定の際の入射光強度モニタの出力をＩ_０２（λ）とする。

多層膜ミラーＭＬの反射率の波長依存性Ｒ（λ）は以下の式で与えられる。

多層膜ミラーＭＬの光電子放出量の参照試料ＲＳの光電子放出量との比の波長依存性Ｆ（λ）は以下の式で与えられる。

Ｆ（λ）は、多層膜ミラーＭＬの光電子放出量が、単層膜ミラーＲＳに比較して何倍になっているかを示すパラメータである。単層膜表面の電場強度は入射光の電場強度にほぼ等しいので、多層膜ミラー試料の光電子放出量の単層膜試料の光電子放出量との比Ｆ（λ）は、多層膜表面の電場強度が入射光の電場強度の何倍になっているかを示す量（電場強度比）に等しい。反射率と電場強度比の波長依存性の測定結果の例を図８に示す。

代替的に、波長を変えながら多層膜にＥＵＶ光を照射し、高い反射率が得られる波長（この実施例においては１３．５ｎｍ）と、反射率がそれに比べて非常に低くなる波長（この実施例においては１２．５又は１４．５ｎｍ）との２つの波長での、真空中に放出される電子の量Ｑ_Ｒ、Ｑ_Ｌを求め、次式により、多層膜ミラー試料の光電子放出量が、単層膜ミラーに比較して何倍になっているかを示すパラメータを求めて電場強度比としてもよい。

次に、以下の式により位相δ（λ）を算出する。

位相差δの余弦から位相差δを求める際に、位相差δに２πの整数倍の不確定性があるが、連続的に測定した領域内であるいは波長変化に対して位相差δが連続につながるようにすればよい。また位相差δの正負の不確定性があるが、多層膜の反射ピーク近傍の波長域で位相の波長依存性が正の傾きを持つように設定すればよい。このようにして求めた入射光と反射光の位相差δの波長依存性を図９に示す。

次に、可視光あるいは紫外光を用いたフィゾー干渉計、ミラウ干渉計などにより、多層膜試料の表面形状を計測する。表面形状計測と定在波による位相計測は、どちらを先に行っても構わないし、同時でもよい。

次に、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状、即ち、δλ／（４πｃｏｓθ）及びｈ＋δλ／（４πｃｏｓθ）を算出する。

図１０に多層膜の構造の一例を示す。この例では、多層膜最下層に段差が生じており、Ｂ部はＡ部に比べて高くなっている。膜周期を６ｎｍ、入射するＥＵＶ光の波長を１２ｎｍ、入射角を０°、Ｂ部の段差を１．５ｎｍとする。可視光を用いた干渉計で形状を計測すると、Ｂ部はＡ部に比較して１．５ｎｍ高く計測される。また先に述べた定在波を用いた位相計測では、Ａ部とＢ部との間で位相差は認められない。従って、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状は、Ｂ部がＡ部に比較して１．５ｎｍ高くなっている。これより、この多層膜に平面波を入射した場合、反射光の波面は、Ｂ部がＡ部に比較して３ｎｍすなわち１／４波長だけ進んだ形状になることがわかる。

図１１に多層膜の構造の別の例を示す。この例では、多層膜最上層に段差が生じており、Ｄ部はＣ部に比べて高くなっている。膜周期を６ｎｍ、入射するＥＵＶ光の波長を１２ｎｍ、入射角を０°、Ｄ部の段差を１．５ｎｍとする。可視光を用いた干渉計で形状を計測すると、Ｄ部はＣ部に比較して１．５ｎｍ高く計測される。また先に述べた定在波を用いた位相計測では、Ｄ部とＣ部との間で位相差がπ／２あることがわかる。従って、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状は表面形状と反射位相差で打ち消し合い平面になる。これより、この多層膜に平面波を入射した場合、反射光の波面は平面となることがわかる。

上述の実施例によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。また、通常の反射率測定装置に光電子検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。更に、入射光モニタを用いて光源や分光器等の不安定性に伴う入射光の不安定性を補正しているので、それらの不安定性に起因する誤差を抑制して高精度な計測をする事が可能となった。本実施例はＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

本実施例では、実施例１に示したのと同様の計測装置１を使用する。本実施例では、以下の手続によって反射光の位相を計測する。まず、ステージ２２が多層膜ミラーＭＬを退避し、入射光の強度を検出器２４で測定する。このとき分光器１２から出射するＥＵＶ光の波長λを変えながら、波長走査を行い、入射光の強度の波長依存性を測定する。入射光強度をＩ_Ｒ０（λ）、その測定の際の入射光強度モニタの出力をＩ_００（λ）とする。次に、単色化されたＥＵＶビームが、多層膜ミラーＭＬの所定の位置に所定の角度で入射するように設定し、反射光の強度を検出器で測定する。同時に、検出器２６によって、試料ＭＬ表面から放出される光電子の量を測定する。このとき分光器１２の波長設定を変えながら、波長走査を行い、反射光の強度の波長依存性と、試料ＭＬ表面から放出される光電子の量の波長依存性とを同時に測定する。このとき、多層膜試料で反射された光強度をＩ_Ｒ１（λ）、多層膜試料の測定された光電子放出量をＱ_Ｓ（λ）、その測定の際の入射光強度モニタの出力をＩ_０１（λ）とする。多層膜ミラーＭＬの反射率の波長依存性Ｒ（λ）は上述した数式１１で与えられる。

一方、多層膜ミラー試料の光電子放出量の波長依存性Ｇ（λ）は次式で与えられる。

これは、多層膜ミラー試料の光電子放出量と入射光子数との比を示すパラメータである。光子１個あたりの光電子放出量は、多層膜最上層を構成する物質の吸収端波長の近傍以外の波長域ではほぼ一定値であるので、Ｇ（λ）は多層膜表面の電場強度が入射光の電場強度の何倍になっているかを示す量（電場強度比）である。反射率と光電子放出量Ｇの波長依存性の測定結果の例を図１１に示す。

次に、多層膜のモデル計算により位相δ（λ）を算出する。多層膜の反射率と反射光の位相に関しては、モデル計算によって求めることができる。モデル計算は、例えば、非特許文献２に記載されている。

多層膜の各界面にフレネルの式を適用し、界面の前後で入射波、透過波、反射波それぞれの電場の複素振幅の関係を各界面に対して求める。この関係から漸化式を立て、多層膜の基板側から始めて最終的に多層膜最表面の入射波と反射波の電場の複素振幅の関係すなわち複素反射率を算出する。複素反射率の虚部より位相が求まる。

その結果から、表面の定在波の電場強度を求める。計算するモデルとして、モリブデンとシリコンの多層膜の最上層のシリコンの厚さとをパラメータとする。図１３に計算結果の例を示す。モリブデンとシリコンの多層膜の最上層のシリコンの厚さが０，２，４，６ｎｍの場合それぞれについて、反射率と、表面の電場強度比をプロットしてある。最上層のシリコンの厚さが変化しても反射率は殆ど変化しない。一方、表面の電場強度比は最上層のシリコンの厚さに応じて顕著に変化する。

フィテッィングはまず、計算モデルのモリブデンとシリコンの多層膜の膜周期（モリブデンとシリコンの厚さの和）を変化させ、反射率の計測値が計算値と一致するように最適な膜周期を求める。

次に、計算モデルの最上層のシリコンの厚さを変化させ、電場強度比が測定値と一致するように最適なシリコン厚さを求める。このとき、電場強度比の絶対値については不確定性があるので、電場強度比の波長依存性が一致するようにする。すなわち、観測された電場強度比に定数をかけたものが計算値と一致するように、定数と最上層シリコンの厚さを決める。この際、例えば観測された電場強度比に定数をかけたものとモデル計算により求めた電場強度比の差の自乗和を評価関数として、パラメータを変化させこの評価関数の値が最小になるようにフィッティングを行う。

こうして実測値を最も良く再現する計算モデルを決定する。次に、この決定したモデルで多層膜の反射光の位相を求める。この位相をもって、計測した多層膜試料ＭＬの入射光と反射光の位相差とする。本実施例では、最上層のシリコンの厚さが６ｎｍのモデルが最も実測値に一致する。このモデルにより位相を求めると図１４のようになる。

多層膜上の各点でこの方法を行い、各点の位相を計測し、多層膜ミラー面形状計測結果とあわせて、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、この多層膜にＥＵＶ光を入射した場合の反射光の波面を求めることができる。

本実施例によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。また、本実施例によれば、通常の反射率測定装置に光電子検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。入射光モニタを用いて光源や分光器等の不安定性に伴う入射光の不安定性を補正しているので、それらの不安定性に起因する誤差を抑制して高精度な計測をすることが可能となった。

更に、モデル計算との比較を行うことにより、参照試料ＲＳの表面から放出される光電子の量の波長依存性を測定しなくても、入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、測定がより簡略化される。また、参照試料ＲＳの表面から放出される光電子の量の波長依存性を測定する場合にも、更に、モデル計算との比較を行って入射光と反射光の位相差を求めてもよい。この方法によれば、入射光と反射光の位相差をより精密に求めることが可能となる。

本実施例は、ＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

本実施例では、多層膜ミラーＭＳにＥＵＶ光を照射し、ＥＵＶ光の反射率と放出される光電子の量とを同時に計測する。この時、試料に対するＥＵＶ光の入射角を変化させて、反射率と光電子の量の入射角依存性を計測する。図１５に計測結果の例を示す。多層膜のモリブデンとシリコンをあわせた膜厚は８ｎｍ、ＥＵＶ光の波長は１３．５ｎｍである。この結果と次式により位相差を算出する。

放出された光電子量から電場強度を換算するためには、実施例１と同様に参照試料ＲＳを用いるか、放出された光電子の量を試料ＭＬの反射率が低い入射角での光電子放出量で規格化し、電場強度比を求める。この例の場合、入射角０°あるいは５０°付近での光電子放出量を用いて規格化すればよい。代替的に、光子１個あたりの光電子放出量は、多層膜最上層を構成する物質の吸収端波長の近傍以外の波長域ではほぼ一定値であるので、波長を少しずらし、多層膜の反射率が非常に低くなる波長で測定した光電子放出量で規格化してもよい。

多層膜上の各点でこの方法を行い、各点の位相を計測し、多層膜ミラー面形状計測結果とあわせて、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、この多層膜にＥＵＶ光を入射した場合の反射光の波面を求めることができる。

本実施例によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。また、本実施例によれば、通常の反射率測定装置に光電子検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。本実施例はＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

以下、図１６を参照して、本発明の計測装置１Ａを説明する。ここで、図１６は、本実施例の計測装置１Ａの概略ブロック図である。本実施例では、実施例１に示す計測装置１の構成と同様であるが、測定室２０Ａは大気によるＥＵＶ光の減衰や蛍光Ｘ線の吸収、あるいは多層膜表面への汚染付着を防止するために、真空ポンプなどの排気手段２１によって超高真空領域まで排気されている。また、多層膜ミラーＭＬの近傍には蛍光Ｘ線を検出する検出器２６Ａが設置されている。検出器２６Ａには半導体Ｘ線検出器（ＳＳＤ）や冷却ＣＣＤ、マイクロカロリメータ等を用いることができる。この検出器は、蛍光Ｘ線の光子のエネルギーを分別できる特性を持っていること、すなわち蛍光Ｘ線のスペクトルを計測できるかあるいは、特定のエネルギー範囲のＸのみの強度を計測できるようになっていることが望ましい。

多層膜試料の最表面は、多層膜の下層を構成する物質とは異なる特定の物質からなる層が設けられている。例えば、モリブデンとシリコンからなる多層膜の表面にルテニウムの数ナノメートルの厚さの層が設けられている。Ｘ線検出器は、この最上層を構成する元素に固有の特性Ｘ線のみ検出するように、検出するエネルギー範囲が設定されている。

通常、多層膜ミラーの最上層には、多層膜の酸化やコンタミネーションの付着を防止する為のキャップ層としてルテニウムや炭素からなる薄膜が設けてあり、この層を構成する元素に固有の特性Ｘ線のみ検出するように、検出するエネルギー範囲が設定されていてもよい。

本実施例では、実施例１と同様の手続によって反射光の位相を計測する。この場合、測定は、実施例１では、試料の表面から放出される光電子の量を測定していたが、本実施例では試料の表面から放出される蛍光Ｘ線の量を測定して位相を計測している。また、本実施例のＸ線検出器は、多層膜の最上層を構成する元素に固有の特性Ｘ線のみ検出するように、検出するエネルギー範囲が設定されているので、検出される蛍光Ｘ線の強度は多層膜最表面の電場強度に比例する。

上述の実施例によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。また、通常の反射率測定装置に蛍光Ｘ線検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。更に、入射光モニタを用いて光源や分光器等の不安定性に伴う入射光の不安定性を補正しているので、それらの不安定性に起因する誤差を抑制して高精度な計測をする事が可能となった。本実施例はＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

本実施例では、実施例４に示したのと同様の計測装置１Ａを使用する。本実施例では、多層膜表面から放出される光電子を検出する。図５に示すように、光電子検出器としてマイクロチャンネルプレートを用いる。ここで、図５は多層膜表面の電場強度比を測定するための模式図である。多層膜サンプルにＥＵＶ光が照射され、光電効果により放出された光電子はＭＣＰに入射する。光電子を効率的に捕集する為に、ＭＰの入射側の面には多層膜に対してプラスの電位、例えばプラス100から500ボルト程度の電位になるよう、電圧が印加されている。

ＭＣＰ内部には電子加速の為の2000から6000ボルト程度の強い電位差が与えてあり、入射した電子を106から108程度に増幅し、出射面から放出される。この電子はＭＣＰ出射面に対してさらにプラスの電位に保たれた蛍光板に衝突し、可視光の蛍光を発生する。この蛍光を光検出器、例えばフォトダイオードや光電子増倍管で検出する。ＭＣＰ出射面は電子を加速する為プラスの高電圧に保たれており、蛍光板は電子をひきつける為にさらにプラスの高電圧、例えば多層膜に対してプラス3000〜8000ボルト程度に保たれている。しかし、蛍光面で可視光に変換するので、光検出器は任意の電位に設定することができる。例えば、光検出器は多層膜と同程度の電位に保てばよい。

電子を増幅しそのまま検出する場合、検出器の出力がプラスの高電圧になるので、信号処理系に入力する為にはコンデンサで直流的には切断し、時間的に変化する交流成分のみを入力する手法が用いられる。この方法はレーザープラズマや放電プラズマ光源のような時間的に変動するパルス光源においては有効である。しかしシンクロトロン放射光（ＳＲ）のような時間的に連続した光を光源に用いる場合、このコンデンサで直流成分を遮断する方法は使えない。しかし、前述のようにＭＣＰから出力された電子を蛍光体に照射し発生する蛍光を光検出器で検出する構成の場合、光検出器は多層膜と同程度の電位に保つことができるので、そのまま信号処理系に入力することができるという利点を持つ。

本実施例では、計測装置１Ａを使用して実施例２と同様の手続によって反射光の位相を計測する。そのため、詳述は省略する。

本実施例によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。また、本実施例によれば、通常の反射率測定装置に光電子検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。入射光モニタを用いて光源や分光器等の不安定性に伴う入射光の不安定性を補正しているので、それらの不安定性に起因する誤差を抑制して高精度な計測をすることが可能となった。

更に、モデル計算との比較を行うことにより、参照試料ＲＳの表面から放出される光電子の量の波長依存性を測定しなくても、入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、測定がより簡略化される。また、参照試料ＲＳの表面から放出される光電子の量の波長依存性を測定する場合にも、更に、モデル計算との比較を行って入射光と反射光の位相差を求めてもよい。この方法によれば、入射光と反射光の位相差をより精密に求めることが可能となる。

本実施例は、ＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

本実施例では、実施例３と同様の手続によって多層膜ミラーＭＳにＥＵＶ光を照射し、ＥＵＶ光の反射率と放出される蛍光Ｘ線量とを同時に計測する。この場合、測定は、実施例３では、試料の表面から放出される光電子の量を測定していたが、本実施例では試料の表面から放出される蛍光Ｘ線の量を測定して位相を計測している。

本実施例によれば、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。また、本実施例によれば、通常の反射率測定装置に蛍光Ｘ線検出器を付加しただけの計測装置によって、容易に入射光と反射光の位相差を求めることが可能であり、従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。本実施例はＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

本実施例では、実施例４で使用した計測装置１Ａを使用する。但し、多層膜試料の最表面は、レジストが塗布されているものとする。

図１７を参照して、本実施例の反射光の位相を説明する。ここで、図１７は、多層膜ミラーＭＬＡの入射光と反射光の位相及び位相変化による透過的な形状変化を求めるためのブロック図である。本実施例では、以下の手続によって反射光の位相を計測する。ステージ２２Ａにより単色化されたＥＵＶビームが、多層膜ミラーＭＬＡの所定の位置に所定の角度で入射するように設定し、一定時間ＥＵＶ光を照射する。次に、多層膜試料を測定室から取り出し、レジストを現像する。次にレジストの残膜分布を計測する。レジストの残膜は多層膜表面の電場強度に依存して変わるので、レジストの残膜分布から多層膜ミラーの表面の電場強度分布を求めることができる。多層膜の反射光と入射光の位相差が至る所一定で反射率も一定であれば、レジストの残膜は一定となる。逆に、反射率がほぼ一定であれば、レジストの残膜の分布が多層膜の反射光と入射光の位相差の分布を示すことになる。

次に、実施例４と同様の手続によって多層膜の反射率分布を計測する。レジストの残膜分布から求めた電場強度分布と、ＥＵＶ反射率分布とから、式に基き多層膜の反射光と入射光の位相差を算出する。

上述の実施例によれば、多層膜表面に塗布したレジストの露光を行い現像後の残膜を計測することによって、多層膜にＥＵＶ光を入射した際に生じる定在波を利用して、入射光と反射光の位相差を求めることが可能になった。更に、多層膜表面形状の計測結果と位相差とから、ＥＵＶ光で見た等価的な反射面の形状あるいは、多層膜で反射したＥＵＶ光の波面を求めることができるようになった。従来のＰＤＩ等の干渉計測法と比べて非常に小規模な装置で高精度の計測が可能となった。本実施例はＥＵＶ領域の光について説明したが、他の波長域の光、例えばＸ線についても同様に適用することができ、同様な効果を得ることができる。

結象光学系で用いられる多層膜ミラーにおいて、実際に用いられる条件でミラー面内各点に入射するＥＵＶ光の波長と入射角においては、入射光と反射光との間の位相差はミラー面内至る所同じであることが望ましい。したがって、結象光学系で用いられる多層膜ミラーにレジストを塗布したものに対して、実際に結象光学系として用いられる条件でミラー面内各点に入射するＥＵＶ光の波長と入射角とほぼ等しい条件でＥＵＶ光を照射した場合には、レジストは一様に露光され、現像後の残膜も一様となる。仮に残膜にむらがあった場合には、その部分の多層膜で位相の乱れが生じていることを示すことになる。すなわち、結象光学系で用いられる多層膜ミラーにレジストを塗布したものに対して、実際に結象光学系として用いられる条件でミラー面内各点に入射するＥＵＶ光の波長と入射角とほぼ等しい条件でＥＵＶ光を照射しレジストを露光することにより、ミラー面内の反射光の位相の乱れを評価することができる。広い面積を一度に評価することが出来、高い生産性が得られえる。

以下、図２を参照して、本発明のＥＵＶ露光装置１００を説明する。図２は、ＥＵＶ露光装置の概略断面図である。ＥＵＶ露光装置１００は露光光としてＥＵＶ光（例えば、波長１３．５ｎｍ）を用いてスキャン方式で露光を行う露光装置である。図２を参照するに、露光装置１００は、ＥＵＶ光源部１１０、照明光学系１２０、反射型レチクル（マスク）１３０、レチクルステージ１３２、投影光学系１４０、ウェハ１５０、ウェハステージ１５２を有し、照明光学系１２０からウェハステージ１５２までを真空チャンバーＶＣ２に収納する。

ＥＵＶ光源部１１０は、真空チャンバーＶＣ１に配置されたターゲット供給システム１１２によって集光位置１１３に供給されたターゲットに高強度のパルスレーザー光ＰＬを図示しないレーザー光源から図示しない集光光学系を介して照射し、高温のプラズマを発生させ、これから放射される、波長約１３．５ｎｍのＥＵＶ光を利用する。より詳しくは、ＥＵＶ光源１１０は、ターゲットに高輝度の励起パルスレーザーを照射することにより、そのターゲットが高温のプラズマ状態に励起され、そのプラズマが冷却する際に等方的に放出する赤外から紫外、ＥＵＶ光までの波長帯の光の中から、集光ミラー１１４がＥＵＶ光を集光して、これを露光光として使用する。

パルスレーザー光ＰＬは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーやエキシマレーザーなどである。真空チャンバーＶＣ１は、大気に対する透過率の小さいＥＵＶ光に対して真空雰囲気環境を確保する。パルスレーザー光ＰＬは、真空チャンバーＶＣ１に設けられた窓１１１を介して集光位置１１３に集光される。ターゲットは、発生させるＥＵＶ光波長によるが、Ｃｕ、Ｌｉ、Ｚｎなどの金属薄膜、Ｘｅなどの不活性ガス、液滴などが用いられ、ガスジェット等のターゲット供給システム１１２により真空容器ＶＣ１に供給される。供給されたターゲットの全てがプラズマ化に寄与しないため、ターゲット供給システム１１２は
残りのターゲットを回収するターゲット回収システムを備えている。

真空チャンバーＶＣ２に導入されたＥＵＶ光は、照明光学系１２０を介して、所定のパターンを有するマスク１３０を照明する。照明光学系１２０はＥＵＶ光を伝播してマスク１３０を照明する機能を有し、複数のミラーと、オプティカルインテグレータと、アパーチャとを有する。オプティカルインテグレータはレチクル１３０を均一に所定の開口数で照明する役割を持っている。アパーチャは、レチクル１３０と共役な位置に設けられ、レチクル１３０面で照明される領域を円弧状に限定する。

反射型マスク１３０により選択的に反射されたＥＵＶ光は、数枚の反射ミラーで構成された投影光学系１４０によってレジストが塗布されたウェハ１５０に縮小投影され、マスク１３０上のパターンをウェハ１５０に転写する。

マスク１３０への照明領域及びウェハ１５０の投影像は、投影光学系１４０の収差を抑えた良好な像を得るために極めて狭い同一像高の円弧状の範囲に限定されるため、マスク１３０に形成されたパターン全てをウェハ１５０に露光するために、露光装置１００はレチクルステージ１３２とウェハステージ１５２が同期してスキャンしながら露光を行う、いわゆるスキャン露光方式を採用している。

集光ミラー１１２、照明光学系１２０、反射型レチクル１３０及び投影光学系１４０はＥＵＶ光を効率良く反射させるために基板上にＭｏとＳｉ等による多層膜が数十ペア成膜されており、その表面粗さは、反射率の低下を抑えるために標準偏差で０．１ｎｍオーダーのものが要求されている。更に、投影光学系１４０の反射ミラーにおいては、上記表面粗さに加えて、形状精度も同様に標準偏差で０．１ｎｍオーダーのものが要求されており、極めて高精度な光学系が必要である。このような反射形光学素子に本発明の評価方法を適用してＥＵＶ光から見て高精度の面形状を有する多層膜を形成することができる。また、投影光学系１４０の波面収差は本実施形態の評価方法を適用することによって適当に調節されている。

次に、図１８及び図１９を参照して、上述の露光装置を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図１８は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの設計を行う。ステップ２（マスク製作）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。ステップ４（ウェハプロセス）は前工程と呼ばれ、マスクとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）では、ステップ５で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。

図１９は、図１８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、上述の露光装置によってマスクの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。ステップ１８（エッチング）では、現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）では、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施形態のデバイス製造方法によれば、波面収差が適切に調節された光学系を使用することにより、所望の解像度を有する高品位のデバイスを製造することができる。このように、かかる露光装置を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面として機能するものである。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されずその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。

本発明の一実施形態としての多層膜ミラーの入射光と反射光との位相差及び位相変化による等価的な形状変化を求めるためのブロック図である。 本実施形態のＥＵＶ露光装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態の光学素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 本実施形態で使用される多層膜表面の電場強度比を測定するための模式図である。 本実施形態で使用される多層膜表面の電場強度比を測定するための模式図である。 反射率と電場強度比の入射角依存性の例を示すグラフである。 多層膜ミラーの反射面形状の測定方法を説明するための概略断面図である。 実施例１で求められた反射率と電場強度比の波長依存性の測定結果の例を示すグラフである。 実施例１で求められた入射光と反射光の位相差の波長依存性の例を示すグラフである。 実施例１で使用される多層膜の構造の一例を示す概略断面図である。 実施例１で使用される多層膜の構造の別の例を示す概略断面図である。 実施例２で使用される反射率と光電子放出量の波長依存性の測定結果の例を示すグラフである。 実施例２で使用されるモデル計算による膜厚、波長、電場強度比及び反射率の関係の例を示すグラフである。 実施例２で使用されるモデル計算による膜厚、波長、位相及び反射率の関係の例を示すグラフである。 実施例３で使用される入射角、反射率及び電場強度比の関係の例を示すグラフである。 本発明の別の実施形態としての多層膜ミラーの入射光と反射光との位相差及び位相変化による等価的な形状変化を求めるためのブロック図である。 本発明の一実施形態としての多層膜ミラーの入射光と反射光との位相差及び位相変化による等価的な形状変化を求めるためのブロック図である。 デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。 図１８に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１ 計測装置
１０ ＥＵＶ光源
１２ 分光器
１４ ビーム強度モニタ
１６ 演算部
１８ 電荷増幅部
２０ 測定室
２２ ステージ
２４ 光強度検出器
２６ 蛍光Ｘ線検出器
１００ 露光装置
１２０ 照明光学系
１３０ マスク（レチクル）
１４０ 投影光学系

Claims (19)

1. 多層膜が形成された反射型光学素子の評価方法であって、
   前記光学素子に波長２乃至４０ｎｍの光を入射させた際に前記多層膜から放出される二次放射線を計測し、該計測値に基づいて前記多層膜へ入射する光と多層膜から反射する光との位相差を算出するステップを有することを特徴とする方法。
2. 前記光学素子の面形状を計測するステップと、
   前記計測ステップと前記決定ステップとで得られた値を基に、前記光学素子で反射された前記反射光の波面を決定するステップとを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜から放出される二次放射線の前記光学素子への前記光の入射角依存性を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜から放出される二次放射線の前記光学素子への前記光の波長依存性を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
5. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜の干渉条件を満足する入射角とは異なる角度で前記光を前記多層膜に入射して前記多層膜から放出される二次放射線を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
6. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜の干渉条件を満足する波長とは異なる波長で前記光を前記多層膜に入射して前記多層膜から放出される二次放射線を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
7. 前記位相差を決定するステップは、
   前記多層膜の干渉条件を満足する前記光を前記多層膜に入射して前記多層膜から放出される第１の二次放射線の量を測定するステップと、
   前記第１の二次放射線の量を測定する際の前記多層膜に入射する光の第１の強度を測定するステップと、
   前記多層膜の干渉条件を満足する波長とは異なる波長で前記光を前記多層膜に入射して前記多層膜から放出される第２の二次放射線の量を測定するステップと、
   前記第２の二次放射線の量を測定する際の前記多層膜に入射する光の第２の強度を測定するステップとを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
8. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜の最上層と同一材料からなる参照試料に前記光を入射した場合に前記参照試料の表面から放出される二次放射線を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
9. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜の反射率と前記反射光の位相に関するモデル計算によって実測値をフィッティングするステップを有することを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の方法。
10. 前記二次放射線は、光電子であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の方法。
11. 前記位相差を決定するステップは、前記多層膜から放出される光電子を加速及び／又は増幅した後に蛍光体に照射し、当該蛍光体から放射される光を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記二次放射線は、蛍光Ｘ線であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の方法。
13. 前記多層膜の最上層は、当該最上層以外の層と異なる特定の物質からなることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか一項記載の方法。
14. 多層膜が形成された反射型光学素子の評価方法であって、
    前記多層膜の表面にレジストを塗布するステップと、
    前記レジストが塗布された前記光学素子に波長２乃至４０ｎｍの光を入射させて当該レジストを露光するステップと、
    前記露光されたレジストの残膜分布を計測し、該計測値に基づいて前記多層膜へ入射する光と前記多層膜から反射する光との位相差を算出するステップと、を有することを特徴とする方法。
15. 複数の多層膜ミラーを有する結像光学系の評価方法であって、
    前記結像光学系の前記複数の多層膜ミラーにレジストを塗布するステップと、
    前記レジストが塗布された前記結像光学系に、波長２乃至４０ｎｍの光を実際に前記結像光学系を使用する条件で入射させて当該レジストを露光するステップと、
    前記露光されたレジストの残膜分布を計測し、該計測値に基づいて前記多層膜へ入射する光と前記多層膜から反射する光との位相差を算出するステップと、を有することを特徴とする方法。
16. 前記条件は、前記光の波長であることを特徴とする請求項１５の方法。
17. 前記条件は、前記光の前記結像光学系への入射角であることを特徴とする請求項１５の方法。
18. 請求項１乃至１７のうちいずれか一項に記載の方法で評価された反射型光学素子を有し、レチクルのパターンを被露光体に露光する露光装置。
19. 請求項１８記載の露光装置を用いて被露光体を露光するステップと、
    当該露光された被露光体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。