JP5111225B2 - 計測装置、計測方法、露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光強度分布を計測する計測装置、計測方法、計測装置を備えた露光装置、及び、デバイス製造方法に関する。

従来，半導体露光装置に光学系を搭載した状態で光学系の性能を評価するには、レジストを塗布したウエハを用いて、マスクパターンをウエハ上に露光していた。この評価方法では、露光した後、レジストを現像し、現像して形成されたレジスト像をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などで計測する必要があった。このように、この評価方法は、レジスト塗布、現像、計測という複数の工程が必要なため、一回の評価につき、長い時間が必要であり、多くのコストがかかる。

このため、上記評価方法以外に、実際に露光を行うことなく、マスクパターン又は計測用パターンをウエハ面に対応する空中に結像させ、その光強度分布を直接計測器で計測する方法（以下、「空中像計測法」という。）が行われている。この方法の一例として、光源波長より小さいサイズの光強度分布を計測するため、波長より短い幅のスリットを走査（スキャン）し、スリットを透過した光を受光素子で計測するスリットスキャン方式が用いられている（例えば、非特許文献１参照。）。

このようなスリットスキャン方式では、遮光膜に形成されたスリットが用いられ、例えば、ラインアンドスペースパターン（以下、「Ｌ／Ｓパターン」という。）を照明してこれを結像させることにより、周期的な強度分布を有する空中像が形成される。形成された空中像の一部の光はスリットを透過し、スリットを透過した透過光は、遮光膜を支える透明基板を透過した後、受光素子に照射される。受光素子に照射された光は光電変換され、スリット信号として出力される。

遮光膜、透明基板、及び、受光素子で構成される計測センサをステージでＸ軸方向にスキャンし、スキャンステップ毎にスリット信号をモニタする。このスリットをスキャンし、モニタした信号（以下、「スリットスキャン信号」という。）を用いて、空中像を計測する。
Ｗ．Ｎ．Ｐａｒｔｌｏ， Ｃ．Ｈ．Ｆｉｅｌｄｓ ａｎｄ Ｗ．Ｇ．Ｏｌｄｈａｍ， Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ， Ｖｏｌ．１１， ｐｐ．２６８６−２６９１

しかしながら，従来のスリットスキャン方式では、空中像の強度分布変動の周期が短くなった場合、スリットの長手方向が空中像のＬ／Ｓパターンの平行方向とずれていると、スリットスキャン信号の変調度が大きく低下してしまう。

空中像は、例えばＹ軸方向に平行に形成されるＬ／Ｓパターンであり、このとき、光強度分布はＸ軸方向に半周期ＨＰで変調している。空中像のＬ／Ｓパターンに平行な方向と遮光膜上に形成されたスリットの長手方向との間には、ＸＹ平面内において、角度θだけ回転方向に位置ずれが生じている。理想的には、角度θが０であれば、高い変調度のスリットスキャン信号を得ることが可能である。しかし実際には、アライメント誤差などにより、角度θは０とならない。

このような状態で、スリットスキャンを行うと、スリットスキャン信号の変調度は空中像の変調度より低下する。さらに、スリットが、空中像のＬ／Ｓパターン周期にまたがるような角度までずれていると、スリットをスキャンしても、スリットに照射される光量が変化しない。このため、スリットスキャン信号の変調度がほとんどなくなってしまい、計測が不可能となる。このときのスリットとＬ／Ｓパターンのなす角度を臨界角度θcとすると、
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（２ＨＰ／ＳＬ） … （１）
と表すことができる。ここで、ＳＬはスリットの長手方向の長さ（スリット長）で、ＨＰは空中像の光強度分布変動の半周期である。スリットとＬ／Ｓパターンのなす角度が臨界角度θcより小さければ、スリットに照射される光量は、スリットをスキャンすることで変調する。

図２１は、臨界角度θｃとスリット長ＳＬとの関係を示したものである。本図において、縦軸は臨界角度θcであり、横軸はスリット長ＳＬである。図２１に示されるように、スリット長ＳＬが５０μｍ程度の場合、ＨＰが２００ｎｍでは臨界角度θcは１４ｍｒａｄ程度である。しかし、ＨＰが４５ｎｍとなると、臨界角度θｃは２ｍｒａｄ程度と小さくなる。

このように、ＨＰが小さくなると、臨界角度θcが小さくなり、位置ずれの許容度が小さくなる。このため、高い変調度のスリットスキャン信号を得るには、少なくとも臨界角度θcより角度θを小さくするような高精度なアライメントが要求される。

従来は、スリットの角度を変化させながらスリットをスキャンし、最もスキャン信号の変調度が高くなるようにアライメントを調整するなどの手法が用いられていた。しかしながら、この手法は、アライメント時間が長くなる上、変調度がある程度まで高くなると、変調度の変化が少なくなり、アライメント精度が低下するという課題があった。

本発明は、スリットと空中像の位置関係を高速かつ高精度に調整可能な計測装置及び計測方法を提供する。また、本発明は、そのような計測装置を備えた露光装置及び露光装置を用いたデバイス製造方法を提供する。

本発明の一側面としての計測装置は、光学系の物体面に配置されたパターンを照明して該光学系の像面に該パターンの像を形成し、該像面に配置されたスリットを介して該像の光強度分布を計測する計測装置であって、前記光学系の像面に配置されたステージと、前記ステージに搭載され、前記スリットを透過した光を受光する少なくとも二つの受光部を含む受光素子と、前記像の干渉縞に平行な方向と前記スリットの長手方向との間の角度と、該スリットの長手方向において該スリットの中心位置と前記受光素子が受光する光の強度が最大となる位置との間の距離との関係を記憶した記憶部と、前記記憶部に記憶された前記関係に基づいて前記角度を求める演算部と、前記演算部にて求められた前記角度をゼロにするように、前記ステージを回転させるステージ駆動部とを有する。

本発明の他の側面としての計測方法は、光学系の物体面に配置されたパターンを照明して該光学系の像面に該パターンの像を形成し、該像面に配置されたスリットを介して該像の光強度分布を計測する計測方法であって、前記光学系の像面に配置されたステージに搭載された少なくとも二つの受光部を含む受光素子を用いて、前記スリットを透過した光を受光する受光ステップと、前記像の干渉縞に平行な方向と前記スリットの長手方向との間の角度と、該スリットの長手方向において該スリットの中心位置と前記受光素子が受光する光の強度が最大となる位置との間の距離との関係に基づいて、前記角度を求める演算ステップと、前記演算ステップにて求められた前記角度を０にするように、前記ステージを回転させるステージ駆動ステップと、前記ステージを回転させて前記角度を０にしてから、前記像を計測する計測ステップとを有する。

本発明の他の側面としての露光装置は、上述のいずれかの計測装置を備えている。

本発明の他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基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップとを有する。

本発明のその他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、スリットと空中像の位置関係を高速かつ高精度に調整可能な計測装置及び計測方法を提供することができる。また、本発明によれば、そのような計測装置を備えた露光装置及び露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本実施例における計測装置の概略構成を説明する。図１は、本実施例における計測装置の概略構成図である。

図１の計測装置１００において、１０は照明光学系である。照明光学系１０は、不図示の光源からの光を屈折、反射、及び、回折等させて、光をマスク２０に照射する。マスク２０には、クロムなどの遮光膜でパターンが形成されている。パターンが形成されたマスク２０に光が照射されることにより、マスク２０のパターンに依存した透過光及び回折光が発生する。

この透過光及び回折光は、投影光学系３０に照射される。投影光学系３０は、マスク２０のパターンを結像面に結像させる。結像面では、空中像４０が形成される。なお、空中像４０は、不図示の光源、照明光学系１０、マスク２０のパターン、投影光学系３０、これらを保持する機構、及び、計測装置１００の設置環境など、これら全ての要因により影響を受ける。

５０はセンサである。センサ５０は、光学系の像面に配置されたステージ６０に搭載されている。ステージ６０は、ステージ駆動部８０によりＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動されるとともに、Ｚ軸回りに回転駆動される。このため、ステージ６０に搭載されたセンサ５０は、ステージ駆動部８０を用いてＺ軸回りに回転可能に構成されている。

センサ５０には、スリットから透過した光を受光する受光素子が設けられている。センサ５０は、結像面で形成された空中像４０を、スリットを介して受光素子により受光する。受光素子で受光された空中像４０は、光電変換により電気信号に変換され、信号処理部７０に出力される。

信号処理部７０は、センサ５０のスリットからの信号とアライメント開口からの信号とを処理し、これらの信号に応じた制御信号をステージ駆動部８０に出力する。信号処理部７０は、後述のアライメント処理のために、スリットの方向と受光素子が受光した光強度との関係を予め記憶した記憶部、及び、スリットの方向を算出する演算部を備える。

ステージ駆動部８０は、信号処理部７０からの制御信号に基づいて、ステージ６０に駆動信号出力し、ステージ６０をＸＹ方向に駆動する。また、ステージ駆動部８０は、信号処理部７０からの制御信号に基づいて、ステージ６０をＺ軸回りに回転させることができる。

次に、センサ５０について詳細に説明する。

図２は、本実施例におけるセンサ５０の上面図である。センサ５０には、遮光膜５１が取り付けられている。遮光膜５１には、長方形状のスリット５４が形成されている。スリット５４の短手方向（Ｘ軸方向）の幅をＷｓとすると、波長以下のサイズの解像度を得る高精度な空中像計測を行うには、スリット５４の幅Ｗｓを、
Ｗｓ≦λ … （２）
に設定する必要がある。ここで、λは光源の波長である。

また、図２において、スリット５４の長手方向（Ｙ軸方向）の長さをＬｓとすると、スリット５４の長さＬｓは、
Ｌｓ≧１０×λ … （３）
に設定されている。

このように、スリット５４の長さＬｓを波長λより長くすることで、スリット５４から透過した光がスリット５４の長手方向に回折する効果は、短手方向に回折する効果より小さくなる。このため、スリット５４からの長手方向における光の広がり角は、短手方向における光の広がり角より狭くなる。

本実施例では、スリット５４をスキャンしながら、スリット５４から広がった光を複数の受光部で光電変換し、複数の受光部におけるスリットスキャン信号を計測する。この複数のスリットスキャン信号の位相差を用いて、スリット５４と交互に明暗が現れる空中像４０のアライメント信号を算出することが可能となる。

ここで、本実施例の計測方法に用いられるアライメントについて説明する。図３は、スリット５４の短手方向（Ｘ軸方向）におけるセンサ５０の断面図である。ここでは、空中像４０を二光束干渉で形成した場合を考える。

光を遮光する遮光膜５１は、光を透過する透明基板５２上に形成されている。空中像４０は、スリット５４を透過した後、受光素子５３（光電変換部）に照射される。本実施例の受光素子５３は、二次元アレイ状に分割され、複数の受光部を有する。受光素子５３からの出力信号は、信号処理部７０に入力されるとともに、不図示のメモリに記憶される。その後、センサ５０は、サンプリング定理を満たすように、空中像４０の空間周波数より２倍以上高い空間周波数に相当する距離だけ、ステージ駆動部８０によりＸ軸方向に移動される。

この動作を繰り返し行うことで、Ｘ軸方向の光強度分布を計測することが可能である。本実施例では、この動作を繰り返し行うことを、スリットスキャン計測という。ただし、Ｘ軸方向の光強度分布を計測する際、スリット５４の長手方向と空中像４０の縞の方向とが平行になっていない場合、スリットスキャン計測信号の変調度が低下してしまう。このため本実施例では、光強度分布を計測する前に、スリット５４と空中像４０との位置関係を調整する。

図４は、スリット５４の長手方向（Ｙ軸方向）におけるセンサ５０の断面図である。スリット５４を透過した光は、２次元アレイ状に分割された複数の受光部（受光素子５３）に照射される。受光素子５３から出力された信号Ｓ１は、受光素子５３の一部を構成する第一受光部５３１において光電変換された信号である。同様に、信号Ｓ２は、受光素子５３の一部を構成する第二受光部５３２において光電変換された信号である。信号Ｓ１、Ｓ２は、信号処理部７０に入力される。信号処理部７０は、記憶部７１及び演算部７２を備え、信号処理部７０からステージ駆動部８０に出力された信号によりステージ６０がＺ軸回りに駆動され、スリット５４と空中像４０との位置関係が調整される。

第一受光部５３１と第二受光部５３２は、Ｙ軸方向において互いに位置が異なる。なお、本実施例の受光素子５３は、少なくとも二つの受光部を備えていればよく、三つ以上の受光部を備えたものでもよい。

図５は、本実施例におけるセンサ５０の上面図である。本図では、スリット５４０、２次元アレイ状に配置された複数の受光部（第一受光部５３１、第二受光部５３２）、及び、空中像４０の相対的な位置関係を示している。

本実施例のセンサには、長手方向の長さがＬｓであるスリット５４０が設けられている。また、２次元アレイ状の複数の各受光部（第一受光部５３１、第二受光部５３２）は、互いにピッチＰＰだけ離れて配置されている。スリット５４０から透過した光は、第一受光部５３１と第二受光部５３２にて光電変換され、それぞれ、信号Ｓ１と信号Ｓ２を出力する。図５に示されるように、スリット５４０の長手方向と空中像４０の干渉縞の方向（Ｙ軸方向）は、角度εだけずれている。

このような場合、例えば、二光束干渉の空中像４０（干渉縞）に関してスリット５４０から透過する光は、スリット５４０のコニカル回折により、受光素子（複数の受光部）上では、双曲線状の光強度分布を形成する。

ここで、二光束の入射角がＺ軸から±αであるとして、そのうち一方の光束が受光素子に入射することを考える。図６は、本実施例において、スリット５４０の透過光を示す模式図である。図６に示されるスリット５４０は、図５とは異なり、スリット５４０の長手方向がＹ軸に平行になるように配置されている。このとき、角度εは、入射光の入射面４５とＸＹ平面との交線とＸ軸とで形成される角度で表される。入射面４５において、入射光がＺ軸と角度αでスリット５４０に入射するとき、遮光膜５１に形成されたスリット５４０からの回折光は、受光素子５３面上において、（４）式で表される双曲線状に分布する。

図５に示される空中像４０の干渉縞に平行な方向とスリット５４０の長手方向との間の角度εは、Ｙ軸とスリット５４０の長手方向を一致させることにより、式（４）の角度εに対応する。このように、角度εが０でない、すなわち、スリット５４０と光の入射方向が垂直でない場合、空中像４０の干渉縞とスリット５４０の位置関係は、平行からずれることとなる。

図７は、本実施例におけるセンサ５０の上面図である。本図には、受光素子（第一受光部５３１、第二受光部５３２）上での光の強度分布の一例が示されている。

空中像４０の干渉縞の方向に対してスリット５４０の長手方向が平行でない状態（角度εを有する状態）では、受光素子５３上の光の強度は、図７に示される点線の双曲線ＨＢ１上に集中する分布となる。角度εを小さくして角度εを０に近づけると、受光素子５３上では、スリット５４０の長手方向と垂直な直線（実線の直線ＬＬ）上に光が集中する。さらに、角度εを、０を超えて逆方向にずれるように変化させると、Ｘ軸を挟んで反対側の双曲線ＨＢ２上に光が集中する。

ここで、図７に示されるように、スリット５４０は、Ｙ軸に平行に配置されている。また、Ｙ＞０の位置に第二受光部５３２を配置し、Ｙ＜０の位置に第一受光部５３１を配置している。第一受光部５３１から出力される信号をＳ１とし、第二受光部５３２から出力される信号をＳ２とする。このとき、スリット５４０に対する光の入射角度（角度ε）を変化させると、受光素子５３の面上で、光の位置が変化するため、信号Ｓ１、Ｓ２がそれぞれ変化する。

図８は、センサ信号の信号強度と角度εとの関係を示す特性図である。一点鎖線で示される曲線は、信号Ｓ１の信号強度を示し、鎖線で示される曲線は、信号Ｓ２の信号強度を示している。また、信号Ｓ１から信号Ｓ２を減じたＳ１−Ｓ２をモニタすると、実線で示されるようなＳ字カーブ信号となる。このＳ字カーブ信号Ｓ１−Ｓ２の０クロス点が、角度εが０、すなわちスリット５４０の長手方向が入射光の入射面４５と垂直に配置されている状態である。

したがって、このＳ字カーブ信号Ｓ１−Ｓ２に基づいて、光の入射面４５がスリット５４０の長手方向に垂直な方向からどれくらいずれているのか、すなわち角度εを検出することが可能となる。さらに、Ｓ字カーブ信号Ｓ１−Ｓ２が０となるようにスリット又は光の入射方向を制御することで、スリットの長手方向が光の入射面に垂直になるように、スリットを配置することが可能となる。

上述のとおり、光が一方向から入射する場合は、Ｓ字カーブ信号Ｓ１−Ｓ２に基づいて、入射光の方向をモニタ可能である。一方、二光束干渉のような、光が実質的に同一な入射面内の二方向より入射する場合、信号Ｓ１又は信号Ｓ２のいずれか一方、又は、図９に示されるような、信号Ｓ１に信号Ｓ２を加えた信号Ｓ１＋Ｓ２をモニタする。図９は、信号Ｓ１＋Ｓ２の信号強度と角度εとの関係を示す特性図である。信号Ｓ１＋Ｓ２が谷の位置となるようにスリットと入射光の入射方向を制御することで、スリットの長手方向が光の入射面に垂直になるようにスリットを配置することが可能である。

以上の計測と制御を行うことで、二光束干渉により形成される像の方向とスリットの長手方向とを平行に調整することができる。スリットスキャン計測信号は、像の方向とスリットの長手方向とを平行に配置した状態において、高い変調度を得ることが可能となる。

このように、スリットと空中像の縞とのアライメントを行うことで、スリットのアライメントを高精度で高速に実行することができる。このため、アライメントに用いたスリットをスキャンし、計測信号を得ることで、高速で高精度な空中像計測が可能となる。なお、入射する光は二光束に限定されるものではなく、三光束以上の通常の結像状態においてもスリット回折光の数が増加し、回折光が入射光角度分布に対応して拡がることを考慮すると、同様な効果を得ることができる。また、アライメント時には、通常の結像を行う場合に用いる入射光角度分布の一部の光を用いてアライメント信号を得て、通常の結像で得られる空中像干渉縞の方向（空中像が変動する方向と垂直方向）にスリットの長手方向を平行に調整してもよい。

さらに、受光素子５３として、スリット５４０の長手方向に並んで配置された一次元のセンサアレイを用いてもよい。図１０は、一次元状に配列された画素アレイを含むセンサアレイを用いた場合における受光素子面での光の分布図である。

図１０は、スリット５４０と受光素子５３との間の距離ｄが１．５ｍｍの場合に、入射面４５とスリット５４０の長手方向に垂直な方向がなす角度εが変化すると、受光素子面で光がどのように分布するのかを示している。ここで、スリット５４０が形成されている遮光膜５１面の法線方向を基準とした光の入射角αを４５°としている。図１０に示されるように、角度εが変動すると、受光素子面での双曲線の位置が変化する。

スリット５４０の長手方向に並んで配置されている一次元のセンサアレイ５３０は、図６の座標系において、スリット５４０から−Ｚ軸方向に距離ｄ＝１．５ｍｍだけ離れ、スリット５４０からＸ軸方向にＸ０だけ離れている。スリット５４０の位置（Ｘ、Ｚ）を（０、０）とすると、センサアレイ５３０は（Ｘ０、−ｄ）に配置されていることになる。

センサアレイ５３０は、この位置において、Ｙ軸方向における光強度のピーク位置を検出する。角度εが小さい場合、Ｘ軸と光強度のピーク位置との間の距離Ｌ１は、角度εに比例して大きくなる。すなわち、距離Ｌ１と角度εは比例関係となる。

なお、上述のとおり、センサアレイ５３０は、スリット５４０の位置からＸ軸方向にＸ０だけ離れている。これは、スリット５４０からＸ軸方向に離れた位置にセンサアレイ５３０を配置すると、角度εが敏感に検知され、精度が向上するためである。ただし、これに限定されるものではなく、センサアレイ５３０のＸ座標は、スリット５４０のＸ座標と同一（Ｘ＝０）にしてもよい。

図１１は、距離Ｌ１と角度εとの関係を示すグラフである。本図では、入射角α＝４５°、距離ｄ＝１．５ｍｍで、センサアレイが配置されている位置Ｘ０＝２ｍｍの場合における関係を示している。

図１１に示される実線の傾きは、入射角α及び距離ｄで変化するが、予め計測や計算で求めた傾きａを用いて、瞬時に距離Ｌ１からεをε＝Ｌ１／ａにより算出することが可能である。入射光が、二光束や多光束の場合であっても、光強度のピーク位置を入射光束の数だけ検出することで、同様なアライメントが可能となる。このように、スリットのアライメントを高精度で高速に実行することができ、さらには、高速で高精度な空中像計測が可能となる。

次に、本実施例のアライメント処理を用いた計測方法について、図２０のフローチャートを参照しながら説明する。

本実施例の計測方法は、光学系の物体面に配置されたパターンを照明して光学系の像面にパターンの空中像４０を形成し、像面に配置されたスリット５４０を介して空中像４０の光強度分布を計測する計測方法である。

まず、受光ステップＳ１０１において、光学系の像面に配置されたステージ６０に搭載された少なくとも二つの受光部を用いて、スリット５４０を透過した光を受光する。ここで、少なくとも二つの受光部は、例えば、受光素子５３の第一受光部５３１及び第二受光部５３２に相当する。

次に、演算ステップＳ１０２において、空中像４０の干渉縞に平行な方向とスリット５４０の長手方向との間の角度εを求める。ここで、角度εと、スリット５４０の長手方向においてスリット５４０の中心位置と受光素子５３が受光する光の強度が最大となる位置との間の距離との関係は、信号処理部７０の記憶部に予め記憶されている。このため、記憶部に記憶された角度εと前記距離との関係に基づいて、角度εを求める。角度εは、信号処理部７０の演算部により求められる。

そして、ステージ駆動ステップＳ１０３において、演算ステップにて求められた角度εを０にするように、ステージ６０を回転させる。このとき、ステージ駆動部８０は、角度εを０にするようにステージ６０を回転させる。

これらのステップＳ１０１〜Ｓ１０３がアライメント処理ステップであり、これらのステップが完了することにより、空中像４０の干渉縞に平行な方向とスリット５４０の長手方向は一致することになる。

アライメント処理ステップにより、ステージ６０を回転させて角度を０にしてから、計測ステップＳ１０４において、空中像４０の光強度分布を計測する。

以上の計測方法によれば、スリットと空中像の位置関係を高速かつ高精度に調整することができるため、高精度な空中像計測が可能となる。

なお、受光素子５３は、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどの二次元状に配列された画素アレイを含むものであってもよい。この場合は、前述した角度εの算出方法の他、受光素子面での２次元光強度分布を用いたアライメントが可能となる。

図１２は、入射光が二束光の場合に受光素子面に形成される光の強度分布の一例である。図１２に示されるように、受光素子面には、入射面とスリット垂直方向のなす角εにもとづいた双曲線状の強度分布（点線）が形成される。

ここでは、Ｘ＝０、Ｙ＝０のセンサ直下からＸ軸方向に一定の距離±Ｘ０だけ離れた位置におけるＹ軸方向の光強度分布を、二次元のセンサアレイ５３０ａを用いて計測する。Ｘ＝＝±Ｘ０におけるＹ軸方向の光強度分布は、±Ｘ０を通り、Ｙ軸と平行な直線と、点線で示す双曲線との交点に強度ピークを持つ。この強度ピークのＹ方向の距離をＬとすると、Ｘ０とＬより、角度θを算出することができる。算出した角度θが０になるようにスリットと入射面の方向を調整することにより、空中像とスリットをアライメントすることが可能となる。

図１３は、波長１９３ｎｍの光源を用いて二光束干渉による干渉縞を形成し、スリット幅１２０ｎｍ、スリット長５０μｍのスリットから透過した光をＣＣＤで受光した画像である。

スリットと入射面のなす角度εが−３度の場合、図１３（ａ）のような２つの双曲線状の強度分布が得られる。スリットを回転ステージで回転させて、角度εを０にすると、図１３（ｂ）のようにほぼ直線となる。さらにεを変化させ、ε＝３度とすると、図１３（ｃ）のように、図１３（ａ）と同じような２つの双曲線状の強度分布が得られる。

ここで、Ｙ軸からの距離Ｘ０が１．７ｍｍと２．４ｍｍの位置で、双曲線状の強度分布における、Ｙ軸方向の光強度分布を検出し、強度分布ピーク間の距離Ｌを用いて図１２に示す角度θを求める。図１４は、ステージ駆動部８０によりセンサを搭載したステージ６０を回転させ、ステージ回転角θｚに対して角度θがどのように変化するのかを実験により求めた結果を示したものである。距離Ｘ０が１．７ｍｍの場合が実線で、また、距離Ｘ０が２．４ｍｍの場合が点線で表されている。

図１４に示されるように、ステージ回転角θｚを−０．３度としたとき、角度θは０となった。このとき、二光束の干渉縞方向とスリットの長手方向とが平行に位置していることになる。このようなアライメント手法を用いることで、高精度で高速にスリットのアライメントを高精度で高速に実行することができ、さらに、高速で高精度な空中像計測が可能となる。

アライメント用のスリット５４０は単一のスリットに限定されるものではなく、複数のスリットから構成されるものでもよい。図１５は、単一スリットと複数スリットを用いた場合に検出される光強度分布を比較したものである。図１５（ａ）は単一スリットを用いた場合、図１５（ｂ）は複数スリットを用いた場合を示している。

図１５（ｂ）に示されるように、スリット５４０を複数設けると、スリット５４０からの透過光強度分布は、スリットの間隔に従って複数のピークを持つようになる。このため、図１５（ａ）に示される単一スリットの場合と比べてピーク強度が大きくなる。例えば、単一スリットの場合、図１５（ａ）に示されるように、最大の光強度は１である。これに対し、二つのスリットを有する図１５（ｂ）では、最大の光強度は４となり、単一スリットを用いた場合の４倍の光強度を得ることができる。

よって、複数スリットを用いれば、光電変換される光量が増加して信号強度が大きくなるため、信号対雑音比を高めることができる。空中像のパターンが周期的であれば、空中像の周期の整数倍の位置にスリットを配置することで、計測にも用いることが可能である。以上より、電気雑音やステージ振動によるスリットスキャン信号の誤差を低減することが可能となり、再現性の高い空中像の計測装置を提供することが可能となる。

アライメント用のスリットは、実際の空中像を計測するスリットと同一のものに限定されるものではなく、空中像の計測用のスリットとは別にアライメント用のスリットを設けてもよい。図１６は、空中像の計測用のスリットとは別にアライメント用のスリットが設けられているセンサの上面図である。

図１６に示されるように、計測用のスリット５４０とは異なる位置に、第一アライメントスリット５４１及び第二アライメントスリット５４２が配置されている。この場合、計測用のスリット５４０は、スリット形状に限定されるものではなく、例えば、ピンホール形状の開口を用いることもできる。計測用のスリット５４０としてピンホール形状の開口を用いた場合、開口を二次元スキャンすることで、一次元パターンの空中像の他に、二次元パターンの空中像も計測することができる。

図１７は、複数のアライメント用のスリットを互いに異なる角度で配置したセンサの上面図である。図１７に示されるように、第一アライメントスリット５４１と第二アライメントスリット５４２とを互いに異なる角度で配置している。このような構成により、第一アライメントスリット５４１と第二アライメントスリット５４２からの回折光分布を用いて、一度にアライメント角度を算出することができる。よって、より高速なアライメントが可能となり、計測スループットを向上させることができる。

さらには、アライメントスリットを、図１８に示すように、計測スリットと複数の異なる角度で配置してもよい。図１８は、アライメント用のスリットを計測用のスリットと複数の異なる角度で配置したセンサの上面図である。

図１８に示されるように、第一アライメントスリット５４１は、計測用のスリット５４０に対して、それぞれ異なる角度で配置された複数のスリットを有する。同様に、第二アライメントスリット５４２も、計測用のスリット５４０に対して、それぞれ異なる角度で配置された複数のスリットを有する。

これらのアライメントスリットの角度は、予め記憶部に記憶され、予め記憶されたアライメントスリットの角度に従って、アライメント信号を求めてもよい。このとき、計測用のスリットが空中像の縞とほぼ平行となっている場合でも、アライメントスリットでは敏感度の高いアライメント信号を得ることができるため、高精度な空中像計測が可能となる。

図１９は、一般化したスリットスキャン信号の模式図である。図１９（ａ）は、光学系により形成される縞状の空中像強度分布断面図であり、信号強度と位置との関係は、Ｉｎｔ０で示されるように変化する。図１９（ｂ）は、センサ信号とセンサ位置との関係を示している。スリットと空中像のアライメントが合っていない場合、出力されるスリットスキャン信号は、ＳＳ２のように、元の空中像と比較して大きく変調度が低下した信号となる。しかし、本実施例の測定方法を用いて、空中像とスリットと空中像のアライメントを合わせることで、ＳＳ０のような変調度の高い信号を得ることができる。

ただし、スリットスキャン信号は、有限な厚みを有する遮光膜に形成されたスリットを透過した信号として検出されるため、実際の空中像強度分布にスリット透過特性がコンボリューションされた信号となる。この信号を、予め記憶しておいたスリット透過特性を参照するか、又は、コンピュータでスリット透過特性を計算して、デコンボリューションなどの回復処理を行うことで、実際の空中像に近い信号ＳＳ1が計測可能となる。以上の方法により、スリット形状に依存することのない、高精度な空中像計測方法を提供することが可能となる。

変調度が低下したスリットスキャン信号ＳＳ２についても、スリットと空中像のアライメント誤差量を計測することで、スリットスキャン像から実際の空中像に近い信号ＳＳ０へ回復することが可能である。この場合、計測したアライメント誤差に対応するステージ駆動方向と、アライメント誤差が生じている場合のスリット透過特性を予め求めておくか、又は、コンピュータで計算した後、デコンボリューションなどの回復処理を行えばよい。この方法を用いることで、ステージを駆動しスリットと空中像のアライメントを行う時間が省略可能で、一回のスリットスキャン計測で空中像を計測することが可能となる。そのため，より高速な空中像計測方法を提供することが可能となる．
また、回復処理を行う際、光源の波長幅や偏光度、光学系の収差などをあらかじめ求めておくか、又は、光学系から他のセンサなどを用いて得られる計測値を参照することで、回復処理の精度を向上させることができる。

本実施例の計測方法を実行する計測装置は、高速かつ高精度な空中像計測が可能であるため、センサを半導体露光装置などのステージに搭載することで、高精度な光学系の評価が可能となる。よって、半導体露光装置の製造コストの低減や、結像性能の高精度化が可能となる。ただし、本実施例の計測装置におけるセンサは、ステージに搭載する構成に限定されるものではなく、半導体露光装置内ではあるがステージとは別の位置に搭載されていてもよい。また、露光装置に搭載されていなくとも、ウエハ面に相当する位置に本実施例の計測装置を仮に設置し、計測の終了後にこれを取り外すように構成してもよい。

デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、本実施例の計測装置を備えた露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。

したがって、上記実施例によれば、スリットと空中像の位置関係を高速かつ高精度に調整可能な計測装置及び計測方法を提供することができる。このため、変調度の高いスリットスキャン信号が得られ、高精度な空中像計測が可能となり、高精度に光学系の評価を行うことができる。また、上記実施例によれば、このような計測装置を備えた露光装置、及び、露光装置を用いたデバイス製造方法を提供することができる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明した。ただし、本発明は上記実施例として記載された事項に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で適宜変更が可能である。

例えば、本発明は、上記実施例で説明したアライメント処理と、スリットの角度を変化させながらスリットをスキャンして最もスキャン信号の変調度が高くなるようにアライメントを調整する処理とを併用してもよい。この場合、上記実施例のアライメント処理を実行して高速に角度εを求め、その後、スリットの角度を変化させながらスキャン信号の変調度が高くなるように調整する。このような構成によれば、より高精度な角度を高速に求めることができる。

本実施例における計測装置の概略構成図である。 本実施例におけるセンサの上面図である。 スリットの短手方向（Ｘ軸方向）におけるセンサの断面図である。 スリットの長手方向（Ｙ軸方向）におけるセンサの断面図である。 本実施例において、スリット、受光素子、及び、空中像の位置関係を示したセンサの上面図である。 本実施例において、スリットの透過光を示す模式図である。 本実施例において、光の強度分布の一例を示すセンサの上面図である。 センサ信号（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１−Ｓ２）の信号強度と角度εとの関係図である。 センサ信号（Ｓ１＋Ｓ２）の信号強度と角度εとの関係図である。 本実施例において、一次元センサアレイで測定した光の強度分布を示すセンサの上面図である。 Ｘ軸と光強度のピーク位置との間の距離Ｌ１と角度εとの関係図である。 入射光が二束光の場合に受光素子面に形成される光の強度分布である。 スリットから透過した光をＣＣＤで受光した画像である。 図１２の角度θとステージの回転角θｚとの関係図である。 単一スリットと複数スリットを用いた場合に検出される光強度分布の比較図である。 空中像の計測用のスリットとは別にアライメント用のスリットが設けられているセンサの上面図である。 複数のアライメント用のスリットを互いに異なる角度で配置したセンサの上面図である。 アライメント用のスリットを計測用のスリットと複数の異なる角度で配置したセンサの上面図である。 一般化したスリットスキャン信号の模式図である。 本実施例における計測方法のフローチャートである。 臨界角度θｃとスリット長ＳＬとの関係図である。

符号の説明

１０ 照明光学系
２０ マスク
３０ 投影光学系
４０ 空中像
４５ 入射面
５０ 空中像計測センサ
５１ 遮光膜
５２ 透明基板
５３ 受光素子
５３１ 第一受光部
５３２ 第二受光部
５４、５４０ スリット
５４１ 第一アライメントスリット
５４２ 第二アライメントスリット
６０ ステージ
７０ 信号処理部
７１ 記憶部
７２ 演算部
８０ ステージ駆動部
１００ 計測装置

Claims (10)

1. 光学系の物体面に配置されたパターンを照明して該光学系の像面に該パターンの像を形成し、該像面に配置されたスリットを介して該像の光強度分布を計測する計測装置であって、
   前記光学系の像面に配置されたステージと、
   前記ステージに搭載され、前記スリットを透過した光を受光する少なくとも二つの受光部を含む受光素子と、
   前記像の干渉縞に平行な方向と前記スリットの長手方向との間の角度と、該スリットの長手方向において該スリットの中心位置と前記受光素子が受光する光の強度が最大となる位置との間の距離との関係を記憶した記憶部と、
   前記記憶部に記憶された前記関係に基づいて前記角度を求める演算部と、
   前記演算部にて求められた前記角度を０にするように、前記ステージを回転させるステージ駆動部と、を有することを特徴とする計測装置。
2. 前記受光素子は、一次元状に配列された画素アレイを含むことを特徴とする請求項１記載の計測装置。
3. 前記受光素子は、二次元状に配列された画素アレイを含むことを特徴とする請求項１記載の計測装置。
4. 前記スリットは、複数のスリットを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の計測装置。
5. 前記スリットは、アライメント用のスリットと計測用のスリットを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の計測装置。
6. 前記アライメント用のスリットは、異なる角度で配置された２つ以上のスリットを含むことを特徴とする請求項５記載の計測装置。
7. 前記演算部は、予め記憶されているか、又は、コンピュータにより計算された前記スリットの透過特性を用いてスリットスキャン信号を算出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の計測装置。
8. 光学系の物体面に配置されたパターンを照明して該光学系の像面に該パターンの像を形成し、該像面に配置されたスリットを介して該像の光強度分布を計測する計測方法であって、
   前記光学系の像面に配置されたステージに搭載された少なくとも二つの受光部を含む受光素子を用いて、前記スリットを透過した光を受光する受光ステップと、
   前記像の干渉縞に平行な方向と前記スリットの長手方向との間の角度と、該スリットの長手方向において該スリットの中心位置と前記受光素子が受光する光の強度が最大となる位置との間の距離との関係に基づいて、該角度を求める演算ステップと、
   前記演算ステップにて求められた前記角度を０にするように、前記ステージを回転させるステージ駆動ステップと、
   前記ステージを回転させて前記角度を０にしてから、前記像を計測する計測ステップと、を有することを特徴とする計測方法。
9. 請求項１乃至７のいずれか一に記載の計測装置を備えたことを特徴とする露光装置。
10. 請求項９記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
    露光された前記基板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。