JP4545155B2 - 光結像系の波面測定装置及び方法、及びマイクロリソグラフィ投影露光装置 - Google Patents

Description

本発明は、光結像系の波面測定装置及び方法に関し、そのような装置を有し、投影レンズを有するマイクロリソグラフィ投影露光装置に関する。

波面測定方法及び波面測定装置は、光結像系、特にマイクロリソグラフィ投影露光装置の超高精度な投影レンズの収差を求めるために様々に利用される。波面測定において、表面形状の偏差は、理想的な表面形状を参照して求められる。そのような偏差を、波面収差として表す。結像系の像品質は、そのような収差を求めることによって特徴付けられ、そしてそれは、例えば、ゼルニケ係数を用いて、全てのフィールドポイントで表すことができる。そしてゼルニケ係数のセットは、各フィールドポイントについて求めることができ、そのため場の分布を各ゼルニケ係数について特定することができる。このことは、結像系の全ての収差の空間的に低周波の挙動を完全に記述することを可能とする。

独国特許出願公開第１０１０９９２９号明細書（特許文献１）は、光学系を伝播する波面を生成する２次元構造を備えた波面源と、光学系の後方に置かれた回折格子と、回折格子の後方に配列された空間分解検出器とを有する光学系の波面測定装置について説明している。回折格子が水平方向に移動するシアリング干渉計が波面測定に使用される。

シアリング干渉計の原理にしたがって動作する、上記のタイプの波面測定装置に加えて、シャック−ハルトマン瞳シアリングの原理に基づいた、第２のタイプもしばしば使用される。米国特許第５９７８０８５号明細書（特許文献２）は、波面収差を測定することによって結像レンズ系を解析するために、そのようなシャック−ハルトマンの原理に基づいた方法を説明している。これらの方法では、幾つかの小開口から成る構造を有するレチクルを、物面に挿入する。少なくとも一つの開口を備えた開口絞りが、上記のレチクルから適当な距離だけ離して配置される。レチクルは、レンズ系の像面に開口絞りを通って結像され、そこには、複数の光スポットが生じる。光スポットの構造は、露光層のフォトレジストでコートされたウェハを用いて記録される。そのウェハ上の構造を、参照構造で露光され、ウェハと重ねるようにされた参照プレートと比較することにより、理想的な回折限界の光スポットの中心位置と比較されるように、測定した光スポットの中心位置のずれを求める。これらのずれは、測定されるレンズ系の瞳における波面の傾き、そしてその波面の収差を求めるために使用される。

米国特許第５８２８４５５号明細書（特許文献３）は、シャック−ハルトマンの原理に基づいた、類似の方法について説明している。この方法の一つの実施形態では、光スポットの構造は、クロムコートされた石英ガラスウェハに記録される。個々の理想的な位置を参照しつつ、その構造のずれを、光学測定装置を用いて測定する。ウェハの露光プロセスは、この方法においても同様に必要となる。

独国特許出願公開第１０１０９９２９号明細書 米国特許第５９７８０８５号明細書 米国特許第５８２８４５５号明細書

本発明は、比較的安価で、光結像系の波面測定を可能とする装置及び方法を提供する技術的問題に基づいている。さらに、本発明は、そのような装置を有するマイクロリソグラフィ投影露光装置を製造することに基づいている。

本発明は、請求項１の特徴を有する装置、請求項８の特徴を有する方法及び請求項１２の特徴を有するマイクロリソグラフィ投影露光装置を提供することにより、この問題を解決する。

本発明にしたがった装置は、測定される結像系の物体側に配置され、物体側に周期構造を備えた光学素子と、測定光を用いてその物体側の周期構造を照明する光源ユニットとを有する波面生成ユニットを有する。また、測定される結像系の像側に配置され、像側に周期構造を備えた光学素子と、結像された物体側の周期構造と像側周期構造のオーバレイパターンを検出する検出素子とを有する検出器ユニットも有する。「物体側」、「像側」という用語は、この場合において、それらが、測定される光結像系の光路のそれぞれ上流側あるいは下流側の領域であることを表すということを一般に意味する。波面生成ユニットは、フィールドポイントから発せられる測定光の角度スペクトルを制限するように設計され、その設計は、その都度フィールドポイントの少なくとも幾つかから発せられる測定光が光結像系の瞳面の部分領域のみを照明するようなものであり、少なくとも二つの異なるフィールドポイントに関連する瞳の部分領域は、部分的に重なるか、全く重ならない。測定光を供給するフィールドポイントは、代表的には、物体側の周期構造の適当な透明構造素子で形成される。

物体側周期構造の個々のフィールドポイントと関連する瞳の部分領域間の一意な関係は、重なりのないケースについて最も簡単に導き出すことができる。しかし、そのようなケースは波面測定において必須のものではなく、すなわち、物体側周期構造の隣接領域によって照明される瞳領域は、部分的に重なり得る。重要なことは、十分なサンプリング点数が波面を計算的に構成する瞳面内にあるということだけであり、すなわち、対応する物体側の周期構造領域によって照明される瞳の部分領域は、全体として瞳の十分に広い領域となるということである。

本発明の発展形では、物体側構造を備えた光学素子及び／又は像側周期構造を備えた光学素子は、１以上の周期的方向に沿って水平に移動する移動ユニットに配置される。そのような移動ユニットの使用により、周期構造によって生じるオーバレイパターンは、位相シフトを用いて評価され、このことは高い測定精度を確保する。

本発明の発展形では、光源ユニットは、その都度、関連する、適当な照明角で、物体側周期構造の、フィールドポイントを形成する、１以上の構造素子を照明するように、物体側に周期構造を備えた光学素子の前面から離して配置される１以上の点光源を含む。

本発明のさらなる改良形では、波面生成ユニットは、その関連する照明角が、光結像系の入射側開口数と実質等しくなるように、物体側に周期構造を備えた光学素子の前面から離して配置される単一の点光源を含む。その点光源は、物体側の周期構造全体を照明する。周期構造の構造サイズが、波長と比較して十分に大きくなるように選択された場合、回折された光線の角度範囲は相対的に小さくなり、その構造の隣接するフィールドポイントによって照明された瞳領域は、互いに十分に異なるものとなる。

本発明の発展形では、波面生成ユニットは、物体側に周期構造を備えた光学素子の後方に配置されるピンホールダイアフラムとともに、物体側に周期構造を備えた光学素子の前面に配置される１以上の拡張光源を含む。この場合において、”拡張”という用語は、そのような照明光源で照明されたフィールドポイントが、光結像系の入射側の開口数の角度スペクトルを少なくとも含む放射フィールドを用いて照明されるということを意味する。ピンホールダイアフラムユニットは角度スペクトルを選択し、その結果、各フィールドポイントを、瞳面内の位置に割り当てることができる。この目的のために、ピンホールダイアフラムユニットは、個別のピンホールを含み、この場合において、これは貫通する放射光についての角度方向の望ましい制限を得るために選択される寸法の開口として理解される。光線方向を制限するこれらのピンホールは、例えば、放射光の１次回折光のみを例えば選択的に透過する目的を果たす、回折限界のピンホールよりも一般に寸法が大きいという点で区別される。また、本発明のこの改良形は、光源ユニットが、並べられた１以上の点光源と１以上の拡張光源を有する混合形も含み、拡張光源で照明されたこれらのフィールドポイントは、それぞれ角度スペクトルを選択する目的のためにピンホールダイアフラムユニットのピンホールに割り当てられる。

本発明の発展形では、像側周期構造は、検出素子の検出面上、又は検出素子の検出面に対して水平に移動可能な基板上に配置され、且つ／あるいは検出素子の検出面にオーバレイパターンを結像する検出器光学ユニットがその下流に配置される。検出素子の検出面上に像側周期構造を置く配置は、シンプルでコスト効果のある解である。その周期構造を検出面の前面にある水平移動可能な基板に取り付けた場合、これは検出器を移動させることなしに水平方向に位相をシフトさせる目的に使用することができる。検出される構造のサイズを検出器の空間解像度に適合させることは、下流側に配置された検出器光学ユニットを用いることで達成される。

本発明による装置の発展形では、第１及び第２の周期構造は、それぞれ１以上の周期的方向を持ったモアレ構造を含む。モアレオーバレイパターンは、そのパターンが少なくとも二つの平行でない方向に沿って周期的である場合、二つの空間次元における波面を求めるために十分なディストーション情報の一意な項目を求めることができる。第１及び第２のモアレ構造が、それぞれ１方向にのみ周期的な場合、物体側と像側に並べて、あるいは続けて、異なる周期的方向で、それぞれ二つのモアレ構造を導入することにより、その測定を行うことができる。あるいは、物体側及び／又は像側に二つの周期的方向を備えた一つのモアレ構造を用いることが可能である。

本発明による波面測定方法は、本発明による波面測定装置を使用し、以下に示すステップを有する。そのステップは、光結像系の物体側に構造を備えた光学素子を物面に配置し、像側に構造を備えた光学素子を光結像系の像面に配置するステップと、結像された物体側構造と像側構造のオーバレイパターンを生成し、検出素子を用いてこれらのパターンを検出するステップと、個々のフィールドポイントから照明された瞳の部分領域に対応する異なるサンプリング点において、１以上のオーバレイパターンから波面の空間偏差を計算するステップと、サンプリング点における波面偏差から波面方向を再構成するステップとを有する。

本発明による方法の発展形では、物体側構造を備えた光学素子及び／又は像側構造を備えた光学素子は、異なる位相オフセットを持つオーバレイパターンを生成するために周期的方向に沿って水平に移動され、そのことによって測定精度を向上することが可能となる。

本発明による方法の発展形では、波面測定を行う前に本発明による装置が較正される。ここで、少なくとも２種類の較正方法を用いることができる。１番目のタイプは、測定上理想的でない周期構造の影響を少なくするものであり、２番目のタイプは、関連する光結像系の瞳の部分領域上の物体側周期構造のフィールドポイントの像を改良するものである。

本発明による方法の発展形では、サンプリング点における個々のオーバレイパターンから位相情報を求めるために、入射測定放射光の強度を、そのサンプリング点に対して割り当てられ、周期構造の周期長よりも大きい検出面の領域全体にわたって平均化する。

本発明の好ましい実施形態を、図に示し、以下に説明する。

図１は、マイクロリソグラフィ用投影レンズ５における、本発明による波面測定装置の概略側面図を示す。その装置は、レンズ５の物面に配置された測定レチクル１と、これ以外には図には表されていない波面生成ユニットの一部である、第１の周期的モアレ構造２を有する。簡単化のために、投影レンズ５の第１の入射レンズ１０と第２の出射レンズ１１のみを示す。レンズ５は、レチクル１に付された構造を、レンズ５の像面に置かれ、これ以外には図には表されていない検出器ユニットの一部として第２の周期的モアレ構造４を有する構造キャリア３上へ投影する。

図１に示した波面測定装置は、測定動作と投影露光装置のリソグラフィ露光動作とを高速に切り替えることが可能な方法で、マイクロリソグラフィ投影露光装置、例えば、ウェハスキャナに一体化される。測定レチクルを備えた波面生成ユニットは、半導体の構造形成の目的で使用される照明レチクルと交換可能である。この目的のために、波面生成ユニットを従来型のレチクルステージに一体化することができ、あるいは、その目的のために適切な方法で、後者と交換可能とされる。第２のモアレ構造４を備えた像側構造キャリア３は、同様に、露光プロセスにおいて構造形成されるウェハと交換可能であり、その目的のために構造キャリア３を従来型のウェハステージに検出器ユニットの残りの部分とともに一体化することができる。あるいは、ウェハステージに検出器ユニットを一体化せず、波面測定中、検出器ユニット用ウェハステージと交換可能とすることもできる。

あるいは、投影レンズ５が測定目的のために持ち込まれる、独立した測定ステーションとして、その装置を実装することもできる。波面センサ又は光源モジュールとしても表される、波面生成ユニットと、センサモジュールとしても表される、検出器ユニットは、それぞれ、投影レンズ５の物体側及び像側に、適当なホルダーを用いて測定ステーションに配置される。一体化した形であるいは独立した測定ステーションとして実装された、図示された装置は、他の光結像系の測定にも同様に適していることは明らかである。

装置の動作中、光源ユニット（図１では図示せず）を用いて第１のモアレ構造２を照明するために使用される測定放射光は、第１のモアレ構造２で回折される。図２−４とともに以下で詳細に説明される幾つかのように、波面生成ユニットを適切に設計することにより、個々のフィールドポイント７から発する測定光が確保される。すなわち、モアレ構造２の透明部分領域は、投影レンズ５の瞳面９の割り当てられた部分領域８のみを照明する。図１では、これはバイナリモアレ構造２の透明なフィールドポイント７についての円錐形の放射角スペクトル６として示される。異なる透明フィールドポイント７で照明された瞳の部分領域８は、互いに重ならない。あるいは、その瞳の部分領域８が部分的に重なることも可能である。波面測定において重要なことは、瞳面９内にサンプリング点の十分な数があること、すなわち、測定レチクル１の適切な領域が瞳９の十分に大きな領域にわたって照明し、サンプリング点又は瞳部分領域８が個々のフィールドポイント７又は物体側モアレ構造２の透明な部分領域に対して一意に割り当てられることである。

像側構造キャリア３の面内に生成される、第１のモアレ構造２の像のモアレオーバレイパターンは、第２の、そこに配置される同様のバイナリモアレ構造４を用いて測定放射光によって生成される。このオーバレイパターンは、検出器ユニットを用いて記録され、収差測定、特にディストーションの測定において使用される。説明した測定構成は、投影レンズ５によって投影される各フィールドポイント７の像位置が、モアレオーバレイパターンの周期的方向で求められることを可能にする。理想的な位置に対するこの像位置のオフセットを、適切な較正によって求めることが可能である。

達成可能な測定精度は、測定結果における理想的でないモアレ構造の影響を如何に測定できるかに掛かっている。この目的のために提供される様々な測定方法が、文献上公知となっている。例えば、波面測定装置以外で、例えば座標測定装置を用いて、モアレ構造の絶対値測定を行うことが可能である。モアレ構造の測定誤差を、波面傾斜を計算する場合又はモアレオーバレイパターンの位相から適切に補正されたテスト構造を生成する場合に考慮することができる。代わりとして、あるいはさらに、波面測定の他の方法、例えば、Ｎ．Ｒ．ファーラー等による文献（「レンズ収差の現場測定」、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃ．２０００年、４０００、ｐ．１８−２９）に記載された方法若しくは上記の独国特許出願公開第１０１０９９２９号明細書に開示された方法との比較による較正を実行することが可能である。これらの方法と本発明による方法との差は、以後の測定全てに加えられる較正定数とみなすことができる。

他の較正の変形として、軸上定数の較正の場合、投影レンズを波面測定装置に対して回転させると、実際の収差は回転対称でない範囲で投影レンズとともに一緒に回転する。一方、測定のアーティファクトは回転せずそのままである。これは、特に、軸上のフィールドポイントに対する較正を可能にする。

第１のモアレ構造２が、第２のモアレ構造４との比較においてスケールの誤差を有している場合、この線形位相誤差を、幾つかの区間にわたる位相シフト及びその結果生じた強度信号区間の評価によって求めることができる。

さらに、任意の望ましいフィールドポイントにおいて最初に収差測定が行われ、像面の周期構造及び投影レンズの物面の何れかが互いに対して１以上の周期長まで水平に移動された後、収差測定が繰り返される自己較正方法に使用することが可能である。測定された構造上の差を積分するとともに連続的に構造を移動し、収差測定を繰り返すことにより、例えば、その目的に上記の方法の一つを用いて、補正可能なスケール誤差に至るまで構造の隣接区間における製造誤差を求めることが可能となる。

上記の１以上の方法を用いた、理想的でないモアレ構造によって生じた測定誤差の較正に加えて、区間点と瞳部分領域の割り当てを較正するためにも好適に適用することができる。例えば、「サークルフィット」法をこの目的のために使用することができる。これは、物体側のモアレ構造が像面に投影された場合、光結像系の通常円形である瞳内に位置する部分領域のみが結像されるという事実を利用する。その結果として、物体側モアレ構造と像側モアレ構造とのオーバレイパターンにおいて、位相シフトによる変調は、対応する、円形領域内にのみ発生する。この円形領域を求めるために、適切に選択された変調及び／又は強度基準を、その円の内側丁度若しくは外側丁度に位置する境界ピクセル、すなわち、瞳のエッジを求めるために、像面に配置された検出器の十分に大きな数のサンプリング点で使用する。そして、円の中心位置及び円の半径をフリーパラメータとして、最小二乗法を用いてこれらのピクセルに対して円をフィットする。これは、瞳のエッジだけでなく、瞳の中点に対する、モアレ構造と瞳との一意な割り当てを可能にする。さらに全ての点の割り当ては、適切なモデルを用いて行われる。

「サークルフィット」法の代わりとして、あるいは、「サークルフィット」法に加えて、同じフィールドポイントに対する幾つかの別個の測定において規定されたステップで検出器ユニットの焦点位置を移動させる較正方法を使用することが可能である。検出器ユニットを移動させることによって、正確に規定された球面波面収差が、レンズの収差に加えて生じる。個々の測定間の波面の差は、それによって完全に分かる。収差測定で使用されたサンプリング点は、測定された収差の差が予測された収差の差に対してできるだけ正確に対応するように、ここではたんに瞳位置に割り当てられなければならない。そして、それにより周期構造のフィールドポイントと瞳部分領域間の最適な割り当ては、全てのサンプリング点について実行される。そのような較正技術は、例えば、欧州特許出願公開第１２３１５１７号明細書により詳細に記載されており、さらなる詳細についてはそちらを参照してもよい。

モアレオーバレイパターンの位相は、図１において両方向矢印Ｖ１、Ｖ２で示したように、第１のモアレ構造２及び／又は第２のモアレ構造４を周期的方向に水平に移動させることによって変化させることができる。例えば、Ｇ．Ｔ．レイドによる文献（「測定学におけるモアレ縞」、オプティクスレーザエンジニアリング、１９８４年、第５巻（２）、ｐ．６３−９３）において説明されるように、この位相シフトによって生成される一連の強度値から位相を再構成するために適切なアルゴリズムを使用することができ、そのため、モアレパターンのより完全な評価が可能となり、したがってより正確な波面測定が可能となる。

波面の傾き、すなわち、個々の瞳部分領域８に割り当てられたサンプリング点における波面の傾斜は、第１のモアレ構造２のフィールドポイント７と、例えば、他方の瞳面９の瞳部分領域８との間の一意な割り当てに基づいて、第１のモアレ構造２の個々のフィールドポイント７のピクセルのオフセットから求めることができる。これは、瞳部分領域８によって形成される瞳面９の全てのサンプリング点における波面傾斜における情報を与える。適切な積分法により、波面収差をこれらの傾斜から無関係な定数に至るまで計算することができる。例えば、Ｈ．シュレイバーによる学位論文（「水平シアリング干渉計を用いたＳＩマイクロレンズのキャラクタリゼーション」、１９９８年、ｐ．９８−９９）に記載されているように、最小二乗誤差を求めることにより、ゼルニケ多項式の導関数を波面傾斜に対して一致させることが可能である。さらなる詳細についてはそちらを参照してもよい。あるいは、エルスターによる文献（「広いせん断を用いた水平シアリング干渉縞からの２次元波面完全再構成」、アプライドオプティクス、２０００年、第３９巻、ｐ．５３５３−５３５９）に述べられているように、最小二乗誤差を用いてピクセルに関する積分を実行することも可能である。また、Ｄ．Ｌ．フレイドによる文献（「位相差測定行列に対する波面ディストーションの最小二乗フィッティング」、ジャーナルオプティカルソサエティオブアメリカ、１９７７年、第６７巻、ｐ．３７０−３７５）において説明されているように、フーリエドメインにおいて積分することも可能である。

図２は、測定動作中、第１のモアレ構造２を完全に照明する個々の擬似点光源２０を備えた、図１の装置用波面生成ユニットの概略側面図を示す。構造２全体を照明するために必要とされる照明角が、測定される図１の投影レンズ５の入射側開口数とほぼ対応するように、光源２０はモアレ構造２に近接して配置される。モアレ構造２が測定放射光の波長と比較して十分に大きい場合、その測定放射光の角度スペクトル６は相対的に小さく、隣接するフィールドポイント７によって照明される瞳領域は、互いに十分に離れる。異なるフィールドポイント７で照明された瞳領域の重なりは、擬似点光源２０の中心と個別のフィールドポイント７間の選択角αがより大きくなり、且つ、測定放射光の、個々のフィールドポイント７によって照明された角度スペクトル６の選択開口角γがより小さくなるにつれて減少する。理想的な点光源に対して、開口角γは、光源から放射光照射フィールドポイント７の間隔によってのみ求められ、一方、擬似点光源２０に対して、個々のフィールドポイント７から見られる光源２０の角度範囲βがその役割を果たす。

図３は、図１の装置で代わりに使用可能な波面生成ユニットの概略側面図を示す。その波面生成ユニットは、単一の拡張光源２１と、単一で、適当な狭い透過開口（ピンホールと呼ぶ）を備えたピンホールダイアフラムユニット２３とを有し、その間にモアレ構造２２が配置される。その結果、装置の測定動作中、モアレ構造２２は、投影レンズの入射側開口数の角度スペクトル全体を含む放射フィールドを用いて照明される。ピンホールダイアフラムユニット２３を用いて、フィールドポイント２４の制限された角度スペクトル２５の選択を行う。図３では、フィールドポイント２４で照射された測定放射光の開口角γは、光源２１からモアレ構造２２への間隔と独立しているが、ピンホールダイアフラムユニット２３のピンホールのサイズに依存している。一方において、後者は、可能な限り小さな瞳領域のみが個々のフィールドポイント２４によって照明されるよう小さくすべきである。他方において、その開口は、少なくとも２次のオーダーの回折が透過するように十分大きくなければならず、それによってフィールドポイント２４の結像が確保される。複数のフィールドポイント２４によって照明された瞳領域の重なりは、角度γと、ピンホールダイアフラムユニット２３のピンホールの中点から測定される、二つの隣接するフィールドポイント２４間の角度Ψの関数となる。

図４は、モノリシック光部品として製造され、完全に瞳を満たすインコヒーレント照明を生じる拡散スクリーン２６とピンホールダイアフラム３０を有する図３にしたがったタイプの、波面生成ユニットの実用的な実装例を示す。矢印で示される、照明放射光４６は、拡散スクリーン２６で散乱され、スペーサー層２８でピンホールダイアフラム３０と離されたモアレ構造２７に当たる前に基板２９を透過する。図４の波面生成ユニットの動作モードは、明らかに図３のそれと対応する。そのため、ここで再び詳細を説明する必要はない。

他の実施形態（図示せず）では、物体側の周期構造を備えた光学素子を照明する光源ユニットは、図２のタイプの光源２０を並べて配置した幾つかの擬似点光源を含み、この場合において、それらは全体としてフィールドポイントの幾つかのみを個別に照明するように配置される。さらに他の実施形態では、光源ユニットは、横幅はそれよりも小さいものの、図３のタイプの光源２１を並べて配置した幾つかの拡張光源を含み、そのため各拡張光源は、全体としてフィールドポイントの幾つかのみを照明する。それらによると、ピンホールダイアフラムユニットは、個々の拡張光源によって照明されるフィールドポイントの各グループに対して、それぞれ一つのピンホールを含むことができる。さらに他の実施形態では、光源ユニットが、１以上の点光源と、１以上の拡張光源を有し、全体として、それらがその都度フィールドポイントの関連部分を照明するように働くように並べて配置される混合形態も可能である。拡張光源で照明されるこれらのフィールドポイントには、対応するピンホールダイアフラムユニットによって適当なピンホールが割り当てられ、一方、個々の点光源で照明されるフィールドポイントは、下流に配置されるピンホールダイアフラム構造を必要としない。

モアレ構造を設計する場合に考慮されることとして、一方において、フィールドポイント間の間隔及びグリッドディメンジョンは、多数のサンプリング点を用いて瞳の局所的な走査を可能とするために、できるだけ大きくなるように選択されるべきであるということがある。他方において、モアレのディストーション測定における高い測定精度を確保するために、モアレ構造はアクティブ領域全体にわたってできるだけ多くの区間を持つようにすべきである。すなわち、構造の要素はできるだけ小さくすべきである。モアレのオーバレイパターンから一意なディストーション情報を抽出するために、このパターンを生じるために使用されるモアレ構造は、一つの軸に沿う方向のみに周期性を有するべきである。しかし、波面再構成は、少なくとも二つの軸に沿ったできるだけ多数の点においてディストーションの知見を必要とする。波面の２次元再構成は、以下に説明するモアレ構造によって可能となる。

図５は、図１の装置で使用する目的の、互いに９０°回転した周期的方向を備えた二つのモアレ格子構造４０、４１の平面図を示す。ｘｙｚ座標系のｙ軸方向に沿った波面の傾斜を求めるために、ｙ軸に周期的方向を示す第１のモアレ格子構造４０を備えた素子が図１の投影レンズ５の物面に配置され、結像縮小された同一のモアレ構造を備えた素子が同じレンズの像面に配置され、適切な数の測定が、例えば、その目的にとって適当な移動装置を使用し、第１のモアレ格子構造４０をｙ軸で能動的に移動させることにより、互いに対して二つの構造の水平な移動とともに行われる。その後、ｘ方向に周期的である、第２のモアレ格子構造４１を備えた素子の組を、投影レンズ５の像面と物面に配置し、ｘ軸に沿って波面傾斜が同様に求められる。２方向のディストーションの測定により、波面の２次元再構成を、この目的について既知のアルゴリズムの一つを用いて行うことができる。

図５の一つの格子構造４０を備えた光学素子と他の格子構造４１を備えた光学素子のそれぞれの一組を使用する代わりとして、格子構造を備えた素子の一組のみを使用し、その格子構造を第１の測定と第２の測定の間で９０°回転させることも可能である。

図６は、直交しない、異なる３方向を向いた周期的方向ｙ、ｗ、ｖを備えた三つのモアレ格子構造４２、４３、４４の平面図を示す。上記のように、これらの構造を用いた３回連続のディストーション測定により、２次元波面測定を行うことができる。これは、異なる３方向の周期的方向を使用するため、精度を向上させることが可能となる。

図７は、図１の装置で使用可能な他のモアレ構造の平面図を示し、そのモアレ構造はチェスボード状のモアレパターン４５を含む。そのようなパターンでは、周期構造は、互いに直交する二つの軸ｘ及びｙに沿って結合されている。それぞれにおいて周期的方向の一方に沿った波面傾斜を連続的に求めることにより、ディストーションの一意な情報を抽出することができる。ここで測定される波面傾斜の方向と直交して位相をシフトし、そのため生じるモアレオーバレイパターンの強度全体にわたって平均化することで、周期性は、この直交方向に沿って消失する。代わりとして、あるいはさらに、次々に様々な方向で位相シフトを行うことが可能であり、そのため様々なオーバレイパターンにおいて生じた強度は、個々の位相シフト方向の波面傾斜に関係のある情報のみを含み、他のそれぞれの方向の影響を消すことができる。

また、図５、６及び７に示されたモアレ構造を互いに組み合わせることができることは明らかである。そのため、例えば、図５に示された構造の一つを物体側に、図７に示された構造を像側に使用することもできる。

図８は、図１の装置で使用される、検出素子５２と周期的モアレ構造５０を備えた検出器ユニットを示す。検出素子５２は、モアレオーバレイパターンを並列に読み出す検出面５４を備えたＣＣＤアレイを含む。また、並列に動作しない検出器を使用し、且つ、例えば、下流側に位置するフォトダイオードを備えたピンホールダイアフラムを用いて、イメージフィールドのラスタスキャンにおける空間的な解像度情報を供給することも可能である。この例では、周期構造５０は、検出面５４に直接付され、波面測定の目的のために、図１の投影レンズ５の像面に配置される。

図９は、ＣＣＤ検出素子５２ａの検出面５４ａの前面に水平移動可能な方法で配置されたキャリア若しくは透明基板５１上に周期構造５０ａを備えた他の検出器ユニットを示す。移動ユニット５５を用いて基板５１を移動させることにより、検出器ユニット５２ａが全く移動することなしに、像面において位相をシフトさせることができる。周期構造５０ａは、波面測定の目的のために、図１の投影レンズ５の像面に配置される。

図１０は、さらに他の検出器ユニットを示し、それは、ＣＣＤ検出素子５２ｂと、その上流側に配置され、透明基板５１ａに付された周期構造５０ｂをＣＣＤ検出素子５２ｂの検出面５４ｂ上へ結像する検出器光学ユニット５３とを備える。移動ユニット５５を用いて基板５１ａを移動することにより、像面において位相をシフトさせることができる。検出面５４ｂは、検出器光学ユニット５３の線形な倍率によって拡大された周期構造５０ｂの像を取得し、そのことによって周期構造の構造素子のサイズと検出器の空間解像度とを容易に適合させられる。

図８−１０に示した検出器ユニットでは、個々のサンプリング点における個々のオーバレイパターンからの位相情報を評価する目的のために、そのサンプリング点に割り当てられた、周期構造の周期長よりも大きいＣＣＤアレイのピクセルエリア全体にわたって入射測定放射光の強度は平均化される。これは、望ましい位相情報を抽出できることを確保する。測定精度は、強度を平均するエリアのサイズとともに向上し、そこで後者は可能な限り大きく選択されるべきであるが、適切な数のサンプリング点が瞳面に残ることを確保する必要がある。

波面測定について説明した装置及び方法は、マイクロリソグラフィの投影レンズの測定に限定されず、所望の光結像系を測定するために使用することができる。本発明による波面測定動作は、同時に平行して、すなわち、対象となる全てのフィールドポイントにおいて、波面を測定するために使用できる波面生成ユニット及び検出器ユニットを用いて行われる。あるいは、波面生成及び／又は波面検出をシーケンシャルに、すなわち、個々のフィールドポイントについて連続的に行うように波面測定装置を実装することも可能である。

その装置をウェハスキャナ又はウェハステッパで使用する場合、振動、ドリフト若しくは静止位置の誤差が測定精度に何の影響も及ぼさないように安定的に保持する。レーザを測定放射光を提供するために使用する場合、レーザ強度のゆらぎを、多数のパルスにわたって平均化することによって十分に小さく保つことができ、又は強度をモニタすることで較正することができる。レーザのスペクトルの挙動は、長期間にわたって十分に一定であり、そしてその照明は測定精度の再現性に影響しない。したがって、測定精度は、本質的にモアレオーバレイパターンからの位相計算の精度によって決まる。高精度にするための重要なファクターは、位相をシフトさせる間、像側及び／又は物体側の構造を十分正確に位置決めすること、及び強度が平均化される空間区間の数である。ここで説明した装置の再現可能な測定精度は、低ゼルニケ係数に対して約１ｎｍである。モアレ構造の代わりとして、波面の経路を再構成するために使用できるオーバレイパターンを持つ他の周期構造の本発明による装置を使用することも可能である。

本発明による波面測定装置の概略側面図を示す。 図１の装置における擬似点光源を有する波面生成ユニットの概略側面図を示す。 図２の波面生成ユニットの代わりとなる、図１の装置における、拡張光源とピンホールダイアフラムを有する波面生成ユニットの概略側面図を示す。 図３のタイプの波面生成ユニットの有利な実装形態の概略側面図を示す。 図１の装置で使用する、互いに９０°回転した周期的方向を持つ二つのモアレ格子構造の平面図を示す。 図１の装置で使用する、互いに異なる方向を向いた周期的方向を持つ三つのモアレ格子構造の平面図を示す。 図１の装置で使用する、チェス盤状のモアレパターンを示す。 図１の装置の検出器面上に周期構造を持つ検出器ユニットの概略側面図を示す。 図１の装置の水平移動可能な基板上に周期構造を持つ検出器ユニットの概略側面図を示す。 図１の装置の検出器ユニットを有するリレー光学ユニットの概略側面図を示す。

Claims (11)

1. 光結像系（５）の波面測定装置であって、
   測定される光結像系の物体側に配置され、透明なフィールドポイントを有する物体側周期構造（２）を備えた光学素子（１）と、測定放射光を用いて前記物体側周期構造を照明する光源ユニット（２０、２１）を有する波面生成ユニットと、
   測定される前記光結像系の像側に配置され、像側周期構造（４）を備えた光学素子（３）と、結像された前記物体側周期構造と像側周期構造のオーバレイパターンを検出する検出素子（５２、５２ａ、５２ｂ）を有する検出器ユニットとを有し、
   前記波面生成ユニットは、前記フィールドポイント（７）から放射される測定放射光の角度スペクトルを制限するように設計され、該設計は、少なくとも第１及び第２のフィールドポイントから放射される放射光が、その都度前記光結像系の瞳面（９）の部分領域（８）のみを照明し、且つ前記第１のフィールドポイントに関連する瞳の部分領域と前記第２のフィールドポイントに関連する瞳の部分領域が重ならないか、部分的に重なるような設計であり、
   前記光源ユニットは、適切に制限された角度スペクトルで割り当てられたフィールドポイントを照明するように、前記物体側周期構造を備えた光学素子の前面に離して配置される１以上の点光源を有することを特徴とする、波面測定装置。
2. 光結像系（５）の波面測定装置であって、
   測定される光結像系の物体側に配置され、透明なフィールドポイントを有する物体側周期構造（２）を備えた光学素子（１）と、測定放射光を用いて前記物体側周期構造を照明する光源ユニット（２０、２１）を有する波面生成ユニットと、
   測定される前記光結像系の像側に配置され、像側周期構造（４）を備えた光学素子（３）と、結像された前記物体側周期構造と像側周期構造のオーバレイパターンを検出する検出素子（５２、５２ａ、５２ｂ）を有する検出器ユニットとを有し、
   前記波面生成ユニットは、前記フィールドポイント（７）から放射される測定放射光の角度スペクトルを制限するように設計され、該設計は、少なくとも第１及び第２のフィールドポイントから放射される放射光が、その都度前記光結像系の瞳面（９）の部分領域（８）のみを照明し、且つ前記第１のフィールドポイントに関連する瞳の部分領域と前記第２のフィールドポイントに関連する瞳の部分領域が重ならないか、部分的に重なるような設計であり、
   前記光源ユニットは、その関連する照明角が前記光結像系の入射側開口数と実質的に等しいように、前記物体側周期構造を備えた光学素子の前面に離して配置される単一の点光源（２０）を有することを特徴とする、波面測定装置。
3. 光結像系（５）の波面測定装置であって、
   測定される光結像系の物体側に配置され、透明なフィールドポイントを有する物体側周期構造（２）を備えた光学素子（１）と、測定放射光を用いて前記物体側周期構造を照明する光源ユニット（２０、２１）を有する波面生成ユニットと、
   測定される前記光結像系の像側に配置され、像側周期構造（４）を備えた光学素子（３）と、結像された前記物体側周期構造と像側周期構造のオーバレイパターンを検出する検出素子（５２、５２ａ、５２ｂ）を有する検出器ユニットとを有し、
   前記波面生成ユニットは、前記フィールドポイント（７）から放射される測定放射光の角度スペクトルを制限するように設計され、該設計は、少なくとも第１及び第２のフィールドポイントから放射される放射光が、その都度前記光結像系の瞳面（９）の部分領域（８）のみを照明し、且つ前記第１のフィールドポイントに関連する瞳の部分領域と前記第２のフィールドポイントに関連する瞳の部分領域が重ならないか、部分的に重なるような設計であり、
   前記波面生成ユニットは、更に、１以上のピンホールを備えたピンホールダイアフラムユニット（２３）を有し、
   前記光源ユニットは、一以上の拡張光源（２１）を有し、
   前記物体側周期構造（２）を備えた光学素子（１）は、前記拡張光源（２１）と、前記ピンホールダイアフラムユニット（２３）との間に配置されていることを特徴とする、波面測定装置。
4. 前記物体側構造を備えた光学素子及び／又は前記像側周期構造を備えた光学素子は、１以上の周期的方向に沿って水平移動させる移動ユニット（５５、５５ａ）に配置される、請求項１に記載の装置。
5. 前記像側周期構造は前記検出素子の検出面（５４）に配置されるか、又は、前記像側周期構造は前記検出素子の検出面（５４ａ、５４ｂ）に対して水平に移動可能な基板（５１、５１ａ）上に配置され、且つ／若しくは前記検出素子の検出面上に前記オーバレイパターンを結像する検出器光学ユニット（５３）がその下流側に配置される、請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
6. 前記第１及び第２の周期構造は、それぞれ１又は２の周期的方向を持つモアレ構造（４０、４１、４２、４３、４４、４５）を含む、請求項１〜５の何れか一項に記載の装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の装置を有する光結像系の波面測定方法であって、
   前記光結像系の物面に物体側構造を備えた光学素子を配置し、且つ前記光結像系の像面に像側構造を備えた光学素子を配置するステップと、
   結像された前記物体側周期構造と像側周期構造のオーバレイパターンを生じ、且つ検出素子を用いてこれらのパターンを検出するステップと、
   個々のフィールドポイントで照明された瞳部分領域に対応する異なるサンプリング点における１以上のオーバレイパターンから波面の空間偏差を計算するステップと、
   サンプリング点における前記波面の偏差から波面の経路を再構成するステップと、を含むことを特徴とする方法。
8. 前記物体側構造を備えた光学素子及び／又は前記像側構造を備えた光学素子は、異なる位相オフセットを持つオーバレイパターンを生じるために、周期的方向に沿って水平に移動される、請求項７に記載の方法。
9. 波面検出装置を、波面測定を実行する前に較正する、請求項７又は８に記載の方法。
10. サンプリング点における個々のオーバレイパターンからの位相情報を求めるために、入射した測定放射光の強度を、前記サンプリング点に割り当てられ、前記周期構造の周期長よりも大きい検出面の領域全体にわたって平均化する、請求項７〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 投影レンズと、該投影レンズの波面を測定する請求項１〜６の何れか一項に記載の装置を有することを特徴とする、マイクロリソグラフィ投影露光装置。

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