JP5197304B2 - 露光装置およびデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原版を照明して該原版のパターンを基板に投影することにより該基板を露光するための光学系を有する露光装置、および、その露光装置を使用してデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。

フォトリソグラフィー技術を用いて半導体デバイスまたは表示デバイスを製造するプロセスにおいて露光装置が使用される。露光装置は、原版（レチクルまたはマスクとも呼ばれる）に形成されたパターンを投影光学系によって基板（例えば、ウエハ、ガラスプレート等）に投影して該基板を露光する。該基板には、感光剤（レジスト）が塗布されていて露光によって該感光剤に原版のパターンが潜像として転写される。該感光剤を現像することによって物理的なパターン（レジストパターン）が形成される。

露光装置によって形成することができる最小の寸法（解像度）は、露光光の波長に比例し、投影光学系の開口数（ＮＡ）に反比例する。したがって、露光光の波長を短くすればするほど、および、ＮＡを上げれば上げるほど、解像度はよくなる。近年では、半導体デバイスのパターンの微細化への要請に伴い、解像度の更なる向上が要求されている。

露光装置の光源は、短波長化に伴ってＫｒＦエキシマレーザー（波長約２４８ｎｍ）からＡｒＦエキシマレーザー（波長約１９３ｎｍ）へと変化してきた。現在は、次の光源としてＦ_２レーザー（波長約１５７ｎｍ）や極端紫外線（ＥＵＶ：Ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光の実現に向けて開発が進められている。

そのような状況において、ＡｒＦエキシマレーザーやＦ_２レーザーを光源として用いながら、更に解像度を向上させる方法として、液浸露光が注目されている。液浸露光とは、投影光学系の基板側（像面側）の媒質を液体にすることによって高ＮＡ化を更に進める技術である。つまり、投影光学系のＮＡは、媒質の屈折率をｎとすると、ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎθであるので、投影光学系と基板との間を空気よりも高い屈折率（ｎ＞１）を有する媒質（液体）で満たすことでＮＡをｎまで大きくすることができる。換言すれば、液浸露光は、基板側からみた投影光学系のＮＡを増加させることで解像度を向上させる技術である。

露光装置は、露光光を受光する複数の光センサを有しており、これらの光センサの出力に基づいて、各種の機械的調整や光学的調整が実施され、各種の動作条件が決定され、これにより基板の露光が最適化される。例えば、照明光学系のσ値（有効光源分布）や投影光学系の瞳透過率分布などが光センサを利用して計測されうる（特許文献１）。

計測された照明系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布を投影光学系の波面収差計測器等のデータと組み合わせることで、正確な結像シミュレーションが可能となる。これにより、照明系と投影系を含めた露光装置としての露光条件を最適化することができる。
特開２００６−１０８６８９号公報

近年の露光装置の技術進歩により、数十ｎｍの解像度が得られるようになっている。解像度が向上することによって、従来は問題視されていなかった項目でも、高精度な計測が必要となってきている。そのような項目としては、照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布を挙げることができる。

露光装置では、不活性ガス等により大気をパージし、光学部品への不純物の付着が抑えられている。しかし、長期間にわたって露光装置が使用されると、光学素子の汚染や劣化により照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布が変化しうる。照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布が変化すると、露光装置の像性能が変化する。露光装置の高解像度化は、照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布の変化を許容できなくしている。

照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布を計測するための計測器を露光装置に搭載した場合において、照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布の変化とともに計測器の特性も変化しうる。したがって、計測器によって計測された照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布の変化には、計測器の特性の変化分が含まれうる。そこで、計測器が露光装置に搭載された状態で該計測器を校正することが望まれるが、現在のところ、そのような校正を行うための技術が提供されていない。なお、照明光学系のσ値や投影光学系の瞳透過率分布を計測するための計測器は、複数の画素が２次元配列された撮像センサを含み、該計測器の校正には、該撮像センサの特性の校正が要求される。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、例えば、撮像センサを含む計測器をそれが露光装置に搭載された状態で校正する技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、原版を照明して該原版のパターンを基板に投影することにより該基板を露光するための光学系を有する露光装置に係り、前記露光装置は、基板を保持する基板ステージに配置された撮像センサを含み、前記光学系および計測パターンを通して前記撮像センサの撮像面に形成される光強度分布に基づいて前記光学系の特性を計測する計測器と、前記撮像面に既知の形状を有する光強度分布を形成するように配置された校正パターンと、前記校正パターンによって前記撮像面に実際に形成された光強度分布と前記校正パターンによって前記撮像面に形成されうる計算上の光強度分布とに基づいて前記計測器を校正する制御部とを備え、前記校正パターンは、前記計測パターンが配置された領域を取り囲むように配置されている。

本発明の第２の側面は、原版を照明して該原版のパターンを基板に投影することにより該基板を露光するための光学系を有する露光装置に係り、前記露光装置は、撮像センサを含み前記光学系を通して前記撮像センサの撮像面に形成される光強度分布に基づいて前記光学系の特性を計測する計測器と、前記撮像面に光強度分布を形成する校正パターンと、前記校正パターンによって前記撮像面に形成された光強度分布に基づいて前記撮像センサの位置、傾き、および前記光学系の光軸周りの回転、の少なくとも１つに起因する計測誤差を補正する制御部とを備える。

本発明の第３の側面は、デバイス製造方法に係り、前記デバイス製造方法は、上記の露光装置によって基板を露光する工程と、前記基板を現像する工程とを含む。

本発明によれば、例えば、撮像センサを含む計測器をそれが露光装置に搭載された状態で校正する技術が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されない。

図１は、本発明の好適な実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。本発明の好適な実施形態の露光装置は、原版を照明して該原版のパターンを基板に投影することにより該基板を露光するための光学系を有する。該光学系は、照明系と投影光学系とを含みうる。

より具体的には、本発明の好適な実施形態の露光装置１００は、照明系１１０と、原版ステージ１２０と、投影光学系１４０と、基板ステージ１５０と、投影調整部１８０と、制御部１９０と、計測器２００とを有する。原版ステージ１２０は、原版１３０および原版側基準板１３１とを保持している。原版１３０は、原版ステージ１２０に設けられた原版チャックによって保持され、プロセスに応じて交換されうる。原版側基準板１３１は、原版ステージ１２０に固定されうる。基板ステージ１５０は、基板チャックを有し、該基板チャックによって基板１７０を保持する。

露光装置１００は、投影光学系１４０の像面側（基板１７０が配置される側）にある最終面の全体又は一部と基板１７０との間に液体１６０が満たされた状態で、原版１３０のパターンが基板１７０に投影され基板１７０が露光されるように構成されうる。このような露光装置は、液浸露光装置と呼ばれる。ただし、本発明の適用は、液浸露光装置に限定されるものではない。また、露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置であるが、本発明は、ステップ・アンド・リピート方式や他の露光方式にも適用されうる。

照明系１１０は、原版１３０を照明するように構成され、光源部と、照明光学系とを有する。光源部は、例えば、レーザーを含みうる。レーザーとしては、例えば、波長が約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長が約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長が約１５７ｎｍのＦ_２レーザーなどのパルスレーザーが好適である。

照明光学系は、光源部から供給される光によって原版１３０を照明する光学系であり、例えば、レンズ、ミラー、ライトインテグレーター、絞り等を含みうる。ライトインテグレーターは、ハエの目レンズ、シリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）、光学ロッド、または回折素子を含みうる。

原版１３０は、例えば、石英製で、その上には基板に転写されるべきパターンが形成されている。原版１３０から射出された回折光は、投影光学系１４０および液体１６０を介して基板１７０に入射する。原版１３０と基板１７０とは、光学的に共役の関係で配置される。

原版１３０と基板１７０を同期走査することにより、原版１３０のパターンが基板１７０に転写される。なお、ステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（即ち、ステッパー）であれば、原版１３０と基板１７０とを静止させた状態で基板１７０が露光される。

原版ステージ１２０は、原版１３０を保持した状態で、不図示の駆動機構に駆動される。原版ステージ１２０および投影光学系１４０は、例えば、床等に載置されたベースフレームにダンパ等を介して支持される鏡筒支持体によって指示されうる。駆動機構は、例えば、リニアモータを含み、ＸＹ方向に原版ステージ１２０を駆動することによって原版１３０を移動させる。

原版ステージ１２０は、原版１３０を保持する領域の近傍に原版側基準板１３１を有する。原版基準板１３１のパターン部４００は、光軸方向における位置が原版１３０のパターン面と同一であってもよいし、異なってもよい。

投影光学系１４０は、原版１３０のパターンからの回折光を基板１７０上に結像させる。投影光学系１４０は、複数のレンズ素子のみからなる光学系であってもよいし、複数のレンズ素子と少なくとも１枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）であってもよい。或いは、投影光学系１４０は、複数のレンズ素子と少なくとも１枚のキノフォームなどの回折光学素子とを有する光学系であってもよいし、他の光学系であってもよい。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材からなる複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。

基板１７０は、例えば、ウエハまたはガラスプレートなどであり、基板１７０には、感光剤（フォトレジスト）が塗布されている。基板ステージ１５０は、基板１７０を保持した状態で不図示の駆動機構（例えば、リニアモータ）によって駆動される。原版ステージ１２０と基板ステージ１５０の位置は、例えば、レーザー干渉計などにより計測されながら、一定の速度比率で駆動されうる。

液体１６０としては、露光光の透過率がよく、投影光学系１４０に汚れを付着させず、レジストプロセスとのマッチングが良い物質が選択される。液体１６０は、投影光学系１４０のＮＡを大きくするために、屈折率が１よりも大きいものが選択される。なお、液体１６０と投影光学系１４０の最終面を形成する屈折部材（レンズ）との間の屈折率の違いは、コーティングによってカバーされうる。

投影調整部１８０は、投影光学系１４０の光学素子を駆動する駆動機構を含み、光学素子の各軸の偏心や傾き、光学素子間の距離を制御することで、投影光学系１４０の波面収差、フォーカス、ディストーションを調整する。

制御部１９０は、例えば、計測器２００を構成する機能、最適な露光条件を演算する機能と、各駆動機構に対して駆動指令を送る機能とを含む。制御部１９０は、計測器２００によって測定された結果に基づいて最適な露光条件を演算し、照明系１１０、原版ステージ１２０の駆動機構、基板ステージ１５０の駆動機構と、投影調整部１８０に対して駆動指令を送る。

計測器２００は、パターン部３００を含み、露光装置１００の光学特性を計測するための計測器であり、投影光学系１４０と計測器２００との間の空間は、液体１６０で満たされうる。光学特性は、例えば、露光領域の照度分布、投影光学系１４０の波面収差、投影光学系１４０の偏光状態、投影光学系１４０の開口数、投影光学系１４０の瞳透過率、照明系１１０の瞳分布、照明σまたは有効光源分布、照明系１１０の偏光状態などを含みうる。この実施形態では、光学特性は、原版側パターン部４００および基板側パターン部３００の少なくとも一方を利用して計測されうる。

光学特性を計測するために原版側パターン部４００に設けられた計測パターン４１０と基板側パターン部３００に設けられた計測パターン３１０は、例えば、ピンホール又は矩形（例えば正方形）の１又は複数の開口、又は、１又は複数の回折格子を含みうる。当該開口は、照明系１１０の光源部が発生する光の波長よりも小さい寸法を有する開口（即ち、理想回折を起こさせる開口）であってもよいし、該波長よりも大きい寸法を有する開口であってもよい。開口（例えば、スリット）や回折格子の向きは、例えば、０°、９０°、４５°、１３５°とすることができるが、それらに限定されることはない。回折格子は、ラインアンドスペースに限定されず、２次元パターンで構成されていてもよい。開口や回折格子は、その周囲が遮光膜で覆われる。

図２は、計測器２００の構成例を示す図である。図２（ａ）は、計測器２００の第１構成例（計測器２００Ａ）を示し、図２（ｂ）は、計測器２００の第２構成例（計測器２００Ｂ）を示している。計測器２００Ａと投影光学系１４０との間の空間は液体１６０で満たされる。計測器２００Ａは、ガラス基板２３０と、平凸レンズ２４０と、撮像センサ２５０とを含む。ガラス基板２３０は、基板側パターン部３００を有する。平凸レンズ２４０は、ガラス基板２３０に対して、光源部が発生する光の波長以下の距離に、近接して配置される。これにより、基板側パターン部３００を通過した光が、ガラス基板２３０の裏面で全反射することが防止される。平凸レンズ２４０と撮像センサ２５０との間の空間は、空気や不活性ガスなどの気体が充填されてもよいし、液体１６０のような高屈折液体が充填されてもよい。

計測器２００は、投影光学系１４０の偏光状態を測定するために、偏光子や検光子を構成してもよい。ガラス基板２３０と平凸レンズ２４０とは、上述のように近接して配置されるのではなく、１つの光学部材で構成されていてもよい。平凸レンズ２４０は、１枚のレンズで構成されている必要はなく、複数枚のレンズで構成されていてもよい。

投影光学系１４０と計測器２００との間の空間を液体で満たさないドライ露光の場合、図２（ｂ）に例示するような計測器２００Ｂが使用されてもよい。計測器２００Ｂは、ガラス基板２３０と、撮像センサ２５０とを有する。計測器２００Ａと同様に、ガラス基板２３０は、基板側パターン部３００を含んでいる。

ガラス基板２３０は、基板側パターン部３００以外の領域が遮光膜によって覆われている。遮光膜は、パターン部３００以外からの迷光をカットするためのものであり、例えば、Ｃｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｉなどの薄膜で構成されうる。遮光膜は、液浸露光装置においては、光が遮光膜に当たっても液体１６０の特性を変化させないものであることが好ましい。

［第１実施形態］
計測器２００を用いて露光装置の光学特性を計測する場合に、計測器２００に搭載された撮像センサ２５０の画素間における感度不均一性や入射角度特性が計測誤差を生じさせる。感度不均一性や入射角度特性を撮像センサ２５０単体で校正したとしても、撮像センサ２５０が計測器２００に組み込まれたときのパターン部３００と画素との位置関係によって決まる入射角度特性は校正されない。従来の露光装置は、既知の照明分布で計測器を照明する機能を有しないので、計測器２００をそれが露光装置に組み込まれた状態で校正することはできなかった。

本発明の第１の実施形態では、露光装置において既知の照明分布を形成して、露光装置に計測器２００が搭載された状態で計測器２００を校正する。これにより、露光装置の光学系の光学特性を高精度に計測することができる。

図３は、計測器２００が露光装置に搭載された状態で計測器２００が有する撮像センサ２５０の感度不均一性と入射角度特性を校正するための構成例を示す図である。基板側パターン部３００は、露光装置の光学系の光学特性を計測するための計測パターン３１０と、撮像センサ２５０（計測器２００）を校正するための校正パターン３２０とを含んでいる。ここでは、露光装置の光学特性として照明系１１０の瞳分布を計測する例を示すが、これを露光装置の他の光学特性の計測にも適用できることは明らかである。なお、この明細書では、露光装置の光学特性を計測するための計測パターン３１０については、計測器２００の構成の一部として考える。撮像センサ２５０（計測器２００）を校正するための校正パターン３２０については、撮像センサ２５０（計測器２００）を校正するための構成の一部として考える。

図４は、基板ステージ１５０側に配置される基板側パターン部３００の詳細な例を示す図である。基板側パターン部３００の計測パターン３１０は、照明系１１０の瞳分布を計測するためのパターンであり、具体的にはピンホールを有するパターンである。計測パターン３１０のピンホールの径は、撮像センサ２５０の受光感度と、該ピンホールの径による幾何ボケと回折ボケによる計測誤差を考慮して最適化されうる。

校正パターン３２０は、複数の微小なピンホールを有するパターンである。校正パターン３２０の各ピンホールの径は、光源が発生する光の波長以下であることが好ましいが、波長と同程度や波長以上であってもよい。ピンホールの径が小さければ小さい程、校正パターン３２０への入射光の特性を打ち消すことができるので、撮像センサ２５０の校正残渣が小さくなる。光源が発生する光の波長以下のピンホールの径では、該光の透過率が小さくなってしまうが、複数のピンホールを配置することで光量を増加させることができる。

図５は、原版ステージ１２０に配置される原版側パターン部４００の詳細な例を示す図である。原版側パターン部４００は、図５（ａ）に例示するように、露光装置の光学特性を計測するための計測パターン４１０として、照明系１１０の瞳分布を計測するための計測パターンを含む。原版側パターン部４００はまた、図５（ｂ）に例示するように、基板側パターン部３００の校正パターン３２０の校正パターン３２０を照明するために、校正パターン３２０に類似した校正パターン４２０を含む。

原版側校正パターン４２０は、基板側校正パターン３２０を照明するために使用される。原版側計測パターン４１０と校正パターン４２０とは、原版ステージ１２０が駆動されることによって選択的に使用される。基板側パターン部３００および原版側パターン部４００は、投影光学系１４０の結像倍率などを考慮して設計される。ここで、原版側パターン部４００のパターン３１０、３２０を基板側パターン部３００のパターン４１０、４２０よりもそれぞれ大きくすることが好ましい。この場合、原版側パターン部４００のパターン３１０、３２０と基板側パターン部３００のパターン４１０、４２０との位置合わせが容易である。

図６は、原版側校正パターン４２０と基板側校正パターン３２０とを用いて計測器２００の撮像センサ２５０を校正する時の配置を示す図である。この実施形態では、照明系１１０によってσの小さい照明モードで校正パターン４２０を照明しているが、σの大きい照明モードで校正パターン４２０を照明してもよい。校正パターン３２０は、校正パターン４２０を透過し投影光学系１４０を透過した光によって照明される。基板ステージ１５０側に配置された基板側校正パターン３２０の複数のピンホールから回折した光が射出され、それらの光が撮像センサ２５０の撮像面上で合成される。該撮像面上に形成される光強度分布は、計算によって求めることができる。照明モードのテレセン誤差をできるだけ抑えておくことで、基板側校正パターン３２０によって形成される計算上の光強度分布における強度誤差を抑えることができ、撮像センサ２５０の校正残渣を小さくすることができる。

撮像センサ２５０（計測器２００）の校正を実施した後、照明系１１０の瞳分布（露光装置の光学特性）の計測が行われる。図７は、照明系１１０の瞳分布を計測する時の配置を示す図である。図７では、輪帯照明における瞳分布の計測の様子が模式的に示されている。

原版ステージ１２０側では、図６に示す校正時は校正パターン４２０が使用され、図７に示す光学特性の計測時は計測パターン４１０が使用される。校正パターン４２０と計測パターン４１０との選択は、原版ステージ１２０が駆動されることによってなされる。基板ステージ１５０側では、校正パターン３２０の内側に計測パターンが配置されているので、校正時と計測時との切り替えにおいて基板ステージ１５０を駆動する必用はない。

この実施形態では、基板ステージ１５０側に配置される図４に例示された基板側パターン部３００では、計測パターン３１０が配置された領域を取り囲むように校正パターン３２０が配置されている。ここで、校正パターン３２０は、計測パターンの外側に対称（典型的には、点対称）に配置された複数のピンホール（光学素子）を有する。計測パターン３１０が配置された領域を取り囲むように校正パターン３２０が配置された構成は、計測時と校正時とで計測パターン３１０と校正パターン３２０との位置関係が変化しない点で優れている。

図９は、図４に例示される基板側パターン部３００の校正パターン３２０によって撮像センサ２５０の撮像面に形成される光強度分布を例示的に示している。校正パターン３２０の各ピンホールで回折した光により破線５１０に示すような光強度分を形成し、これらの合成が実線５２０で示す光強度分布を形成する。各ピンホールから射出される光が干渉を起こさないように、ピンホール間の距離が非干渉距離となるように校正パターン３２０が設計される。ここで、ピンホール距離（５３０）とデフォーカス量（５４０）とが（１）式を満たすように計測器２００が構成されることで、校正残渣を小さくすることができる。なお、ピンホール距離（５３０）は、校正パターン３２０を構成する複数のピンホールのうち計測パターン３１０からの遠いピンホールと計測パターン３１０との距離である。

ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（ピンホール距離／デフォーカス量））＜０．１ ・・・（１）式
計測パターン３１０と校正パターン３２０とは位置が異なるので、それらから射出された光が撮像センサ２５０の画素に入射する角度も異なる。しかしながら、（１）式を満たすことで、計測パターン３１０と校正パターン３２０とからそれぞれ射出された光が撮像センサ２５０の画素に入射する角度がほぼ同一であるとみなすことができる。よって、校正パターン３２０のピンホールからの光によって撮像センサ２５０の撮像面に形成される光強度分布を計測パターン３１０の位置を点光源とする理想回折光の強度分布として計算することができる。このように計算しても、現状の露光装置に要求される照明σの計測精度（例えば、計測精度＜０．００３σ）を満たすことができる。

校正パターン３２０は、複数の微小なピンホールを有する。ここで、校正パターン３２０のピンホールの径が設計値から異なると、撮像センサ２５０の校正残渣が生じる。そこで、校正パターン３２０を含むガラス基板２３０を組み立てる前に、校正パターン３２０のピンホールの径を計測しておく。ここで、複数のピンホールの全ての径を計測する代わりに、複数のピンホールを複数の領域に分割して、それぞれ領域を代表するピンホールの径を計測してもよい。各領域でのピンホールの径の計測結果に規格を設けることで、センサの校正残渣を抑えることができる。計測された径を有するピンホールによって撮像センサ２５０の撮像面に形成されうる計算上の光強度分布と撮像センサ２５０の撮像面に形成される実際の光強度分布とを比較することで、高精度に撮像センサ２５０の校正を実施することができる。

図８は、本発明の好適な実施形態における撮像センサ（計測器）の校正手順および瞳分布（光学特性）の計測手順を示すフローチャートである。図８において、ステップＳ１００１〜Ｓ１００４は、撮像センサ２５０を有する計測器２００の校正手順を示し、ステップＳ１１０１〜Ｓ１１０５は、瞳分布（光学系の光学特性）の計測手順を示している。なお、図８に示す処理は、露光装置に備えられた制御部１９０によって制御される。

ステップＳ１００１では、制御部１９０による制御の下で、原版ステージ１２０と基板ステージ１５０を駆動して原版ステージ１２０側に配置された原版側校正パターン４２０と基板ステージ１５０側に配置された基板側校正パターン３２０とが位置合わせされる。

ステップＳ１００２では、制御部１９０は、照明系１１０の照明モードを撮像センサ２５０の感度特性を校正するための照明モードに設定する。

ステップＳ１００３では、制御部１９０による制御の下で、照明系１１０によって校正パターン４２０および投影光学系１４０を介して校正パターン３２０が照明される。そして、制御部１９０は、校正パターン３２０によって撮像センサ２５０の撮像面に形成される光強度分布（像）を撮像センサ２５０に撮像させて、その光強度分布を画像として取得する。校正パターン３２０によって撮像センサ２５０の撮像面に形成される光強度分布は、校正パターン３２０の構成によって定まる既知の形状を有する光強度分布である。

ステップＳ１００４では、ステップＳ１００３で撮像センサ２５０を利用して取得した光強度分布と、基板側校正パターン３２０のデータに基づいて計算によって得られる光強度分布（理想分布）との比率に基づいて校正用テーブルを生成する。校正用テーブルは、画素毎または単位領域毎に校正値を有する（即ち、校正用テーブルは、校正値の２次元的なマップで構成されうる）。ここで、ステップＳ１００３で撮像センサ２５０を利用して取得した光強度分布における値をＭＶ、校正パターン３２０のデータに基づいて計算によって得られた光強度分布（理想分布）における値をＣＶとする。校正値Ｃは、例えば（２）式で与えられうる。

Ｃ＝ＭＶ／ＣＶ×１００ ・・・（２）式
校正パターン３２０のピンホールの径の実測値は、ステップＳ１００４において、光強度分布を計算で求めるために使用される。例えば、分割された各領域のピンホールの径の代表値または平均値が、点光源で理想回折した光によって撮像面に形成される光強度分布を計算するために使用されうる。なお、校正パターン３２０の複数のピンホールの径の分布に傾斜や不均一性があると、校正残渣となり、瞳計測の結果に非対称性誤差を生じさせうる。そこで、校正パターン３２０の製作時に、ピンホールの径の不均一性を抑える必要がある。

次に、照明系１１０の瞳分布の計測手順を説明する。ステップＳ１１０１では、原版ステージ１２０と基板ステージ１５０を駆動して原版側計測パターン４１０と基板側計測パターン３１０とが位置合わせされる。

ステップＳ１１０２では、制御部１９０は、照明系１１０の照明モードを瞳分布の計測のための照明モードに設定する。

ステップＳ１１０３では、制御部１９０による制御の下で、照明系１１０によって計測パターン４１０および投影光学系１４０を介して計測パターン３１０が照明される。そして、制御部１９０は、計測パターン３１０によって撮像センサ２５０の撮像面に形成される光強度分布（像）を撮像センサ２５０に撮像させて、その光強度分布を画像として取得する。この光強度分布（画像）は、照明系１１０の特性である瞳分布を示す情報を含んでいる。

ステップＳ１１０４では、制御部１９０は、ステップＳ１００４で生成された校正用テーブルを用いて、ステップＳ１１０３で取得した光強度分布（補正前の瞳分布）を補正して照明系１１０の瞳分布を得る。瞳分布を構成する各画素（座標）の値Ｐは、ステップＳ１１０３で取得した光強度分布を構成する画素の値をＩとして、（３）式に従って計算することができる。

Ｐ＝Ｉ／Ｃ×１００
ステップＳ１１０５では、制御部１９０は、ステップ１１０４で補正された瞳分布を用いて、設定されている照明モードにおけるテレセンやσ値などの解析を行う。

上記の例では、原版側校正パターン４２０を通して照明される基板側校正パターン３２０を用いて撮像センサ２５０の撮像面に既知の形状を有する光強度分布が形成される。これに代えて、原版側に配置されたパターンによって撮像センサ２５０の撮像面に既知の形状を有する光強度分布を形成することで、照明系１１０単体の瞳分布の測定が可能である。

図１０は、照明系１１０単体の瞳分布を計測するためのパターンを示す図である。原版基準板１３１のパターン部４００は、理想分布形成パターン４３０を含む。理想分布形成パターン４３０が形成されている領域のサイズは、基板側の計測パターン３１０に合わせて決定する必要がある。なお、理想分布とは、既知の形状を有する光強度分布を意味する。

図１１は、理想分布形成パターン４３０によって撮像センサ２５０の撮像面に理想分布を形成する時の配置を示す図である。照明系１１０によって原版側の理想分布形成パターン４３０が照明され、理想分布形成パターン４３０を通過した光は、基板側の計測パターン３１０を通過して撮像センサ２５０の撮像面に光強度分布を形成する。撮像センサ２５０で撮像された光強度分布と理想分布形成パターン４３０のデータに基づいて計算される理想分布との比率に基づいて照明系１１０の瞳分布計測結果を補正するためのテーブルを生成される。

理想分布形成パターン４３０を用いて撮像センサ２５０を構成する手順は、図８に示すフローチャートと基本的に共通である。異なる点は、ステップＳ１００１において、原版側理想分布形成パターン４３０と基板側計測パターン３１０とを位置合わせすることである。ステップＳ１００４では、ステップＳ１００３で計測された光強度分布と、理想分布形成パターン４３０のデータに基づいて得られる計算上の光強度分布（理想分布）との比率に基づいて校正テーブルが決定される。理想分布形成パターン４３０のデータは、設計値であってもよいし、理想分布形成パターン４３０のピンホールの配置や径を実測したものであってもよい。

原版側に理想分布形成パターン４３０を配置して瞳分布を計測することで、照明系１１０単体の光学特性を計測することができる。さらに、基板側の校正パターン３２０を使った計測を通して得られた校正テーブルと、原版側の理想分布形成パターン４３０を使った計測を通して得られた校正テーブルとに基づいて、投影光学系１４０の瞳透過率分布を求めることができる。この際に、夫々の計測時の調光条件や計測光量が考慮されうる。

以上のように、第１実施形態では、計測器２００を用いた露光装置の光学特性計測において、露光装置の本体上で既知の形状を有する光強度分布を形成し、撮像センサ２５０の校正を実施する。これにより、光学特性の計測時に使用する撮像センサ２５０の画素を直接校正することができ、露光装置の光学特性を高精度に計測することができる。

第１実施形態では、基板側で光学特性を計測する例を示したが、本発明は、原版側で光学特性を計測する場合でも適用されうる。原版側に計測器が配置される場合は、照明系１１０内における原版や基板と光学的に共役な位置にパターンが配置されうる。

第１実施形態では、理想分布を形成するためにピンホールを有するパターンが使用されているが、これは必須ではない。例えば、偏光状態を考慮した補正を行うために、ＨＶスリットが使用されてもよい。０°、４５°、９０°、１３５°のスリットを用意することで、それぞれ偏光状態に対応してスリットを使い分けることができる。それにより、特定方向の振動を持った強度分布のセンサ角度特性を校正することも可能である。その他、ピンホールに代えて、拡散部材または回折素子を使用することができる。

［第２実施形態］
露光装置が長期間稼動した後、照明系１１０のσ値や投影光学系１４０の瞳透過率分布を計測するだけでは、露光装置に変化が起きたのか、計測器２００に変化が起きたのかを切り分けることができない。

本発明の第２実施形態では、露光装置の本体上で計測器２００（撮像センサ２５０）の校正を定期的に又は計画に従って実施する。これにより、露光装置の光学特性の経時変化をモニタすることができる。

露光装置の光学特性の経時変化をモニタするために、制御部１９０は、図８に示すステップ１００１〜Ｓ１００４の処理を定期的に又は計画に従って実施する。ステップ１１０５で解析された結果を、制御部１９０から与える指令値に反映させることで、常に露光条件を最適化することができる。

原版基準板１３１に原版側パターン部を備えるか、撮像センサ２５０の校正用原版を露光装置に常設させておくことで、制御部１９０は、露光装置の径時変化をモニタするための処理を定期的に又は計画に従って実行することができる。図４に例示する基板側校正パターン３２０を用いて定期的に又は計画に従って計測器２００を校正し、その計測器２００によって投影光学系１４０の光学特性を計測することによって、該光学特性の経時変化をモニタできる。また、図１０に例示する理想分布形成パターン４３０を用いて定期的に又は計画に従って計測器２００を校正し、その計測器２００によって照明系１１０単体の光学特性を計測することによって、該光学特性の経時変化をモニタできる。さらに、基板側校正パターン３２０を使って得られた校正テーブルと、原版側理想分布形成パターン４３０を使って得られた校正テーブルとに基づいて、投影光学系１４０の瞳透過率分布を求めることができる。よって、投影光学系１４０の瞳透過率分布の経時変化もモニタできる。

以上のように、第２実施形態では、露光装置本体上で計測器２００（撮像センサ２５０）の校正を定期的に又は計画に従って実施し、その計測器２００を使って露光装置の光学特性を計測することによって該光学特性の経時変化を高精度にモニタすることができる。

［第３実施形態］
撮像センサ２５０の傾きや像面からのデフォーカス量も計測誤差を生じさせる。また、複数の露光装置を用いて一つの製品を製造する場合、該複数の露光装置間における機差調整は特に重要視されている。

計測器２００の組立時に、ガラス基板２３０の厚みと平凸レンズ２４０の厚み、撮像センサ２５０までの距離、撮像センサ２５０の傾き等の項目を計測したとしても、それらの計測誤差分の露光装置間機差は取りきれない。また、長期間にわたる計測器２００の光学特性の計測結果において、露光装置が変化した分と計測器２００の上記の項目の変化した分とを切り分けることは難しい。

本発明の第３実施形態では、露光装置本体上で撮像センサ２５０の傾きおよび撮像センサ２５０のデフォーカス量を計測する。これにより、露光装置の光学特性を高精度に計測することができる。また、一つの基準に対して計測器２００を調整することで、露光装置間の計測器２００の機差を保証することができる。定期的に又は計画に従って計測器２００の調整を実施することで、露光装置の光学特性の経時変化を高精度にモニタすることができる。

図１２は、撮像センサ２５０のデフォーカス量と傾きを計測する時の概念図である。計測器２００は、校正パターン３２０’と、撮像センサ２５０とを含む。校正パターン３２０’を通して撮像センサ２５０の撮像面が照明される。校正パターン３２０’からは、互いに異なる方向に射出される複数の光線が射出される。図１２の概念図では、校正パターン３２０’からの射出角度（撮像面に対する入射角度）が互いに異なる３つの光線が示されている。３つの光線のうちの１つは、射出角度が０°（投影光学系１４０の光軸に平行）であることが好ましい。校正パターン３２０’からの光線の射出角度が既知であれば、撮像センサ２５０に光線が入射する位置が分かる。図６（ａ）を基準として、撮像センサ２５０のデフォーカス量が大きい場合が図６（ｂ）であり、撮像センサ２５０に傾きがある場合が図６（ｃ）である。校正パターン３２０’からの射出角度が既知の３つ以上の光線が撮像センサ２５０のどの位置に入射するかに基づいて、撮像センサ２５０のデフォーカス量と傾きを求めることができる。図６では、撮像センサ２５０に対する光線の入射位置が１次元で示されているが、これを２次元に拡張して考えることで、校正パターン３２０’に対する撮像センサ２５０の回転（光学系の光軸周り（Ｚ軸周り）の回転）も計測することができる。

図１３は、撮像センサ２５０の撮像面に、校正パターン３２０’からの射出角度が既知の５つの光線によって撮像センサ２５０の撮像面の互いに異なる領域に形成される光強度分布（瞳分布）群を例示する図である。ここで、５つの光線によってそれぞれ形成された光強度分布をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと定義する。また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅのそれぞれの重心をＡ（ｘａ，ｙａ）、Ｂ（ｘｂ，ｙｂ）、Ｃ（ｘｃ，ｙｃ）、Ｄ（ｘｄ，ｙｄ）、Ｅ（ｘｅ，ｙｅ）とする。また、ＡとＥの重心間距離をＡＥ、ＢとＥの重心間距離をＢＥ、ＣとＥの重心間距離をＣＥ、ＤとＥの重心間距離をＤＥとする。ＡＥ、ＢＥ、ＣＥ、ＤＥは、（３）式で与えられる。

ＡＥ＝｛（ｘａ−ｘｅ）^２＋（ｙａ−ｙｅ）^２）｝^１／２
ＢＥ＝｛（ｘｂ−ｘｅ）^２＋（ｙｂ−ｙｅ）^２）｝^１／２
ＣＥ＝｛（ｘｃ−ｘｅ）^２＋（ｙｃ−ｙｅ）^２）｝^１／２
ＤＥ＝｛（ｘｄ−ｘｅ）^２＋（ｙｄ−ｙｅ）^２）｝^１／２
・・・（３）式
撮像センサ２５０のデフォーカス量の適正量からＫＮＡのずれをＤＮＡとすると、ＤＮＡは、（４）式で与えられる。なお、［ＡＥ＋ＢＥ＋ＣＥ＋ＤＥ］／４は、ＡＥ、ＢＥ、ＣＥ、ＤＥの平均値を意味する。

ＤＮＡ＝（［ＡＥ＋ＢＥ＋ＣＥ＋ＤＥ］／４−ＫＮＡ） ・・・（４）式
ｙ軸周りの回転を傾きを傾きＸ、ｘ軸周りの回転を傾きＹ、敏感度をＳｘ、Ｓｙとすると、傾きＸおよび傾きＹは、（５）式で与えられる。敏感度Ｓｘ、Ｓｙは、（ＢＥ−ＤＥ）、（ＡＥ−ＣＥ）に対する傾きＸ、傾きＹの敏感度であり、計測器２００の構成に依存する定数である。

傾きＸ＝Ｓ×（ＢＥ−ＤＥ）
傾きＹ＝Ｓ×（ＡＥ−ＣＥ）
・・・（５）式
校正パターン３２０’に対する撮像センサ２５０の回転をθとすると、θは、（６）式で与えられる。

θ＝（ｔａｎ^−１［（ｙｂ−ｙｅ）／（ｘｂ−ｘｅ）］＋ｔａｎ^−１［（−ｘａ＋ｘｅ）／（ｙａ−ｙｅ）］
＋ｔａｎ^−１［（ｙｄ−ｙｅ）／（ｘｄ−ｘｅ）］＋ｔａｎ^−１［（−ｙｃ＋ｙｅ）／（ｘｃ−ｘｅ）］）／４ ・・・（６）式
制御部１９０は、校正パターン３２０’を用いて撮像センサ２５０のデフォーカス量、傾きおよび回転の少なくとも１つを計測する処理を定期的に又は計画に従って実施する。

撮像センサ２５０のデフォーカス量、傾きおよび回転等の情報が特定されると、光線が撮像センサ２５０の各画素に入射する位置がわかる。そこで、制御部１９０は、該デフォーカス量（位置）、傾き、および回転の少なくとも１つに基づいて、露光装置１００の光学特性の計測結果（より具体的には、該デフォーカス量（位置）、傾き、および回転の少なくとも１つに起因する計測誤差。）を補正する。或いは、制御部１９０は、撮像センサ２５０のデフォーカス量、傾きおよび回転の少なくとも１つに基づいて撮像センサ２５０による撮像結果を瞳分布に変換する際に補正を実行してもよい。

図１４は、露光装置において撮像センサ２５０の撮像面に対して既知の入射角度で入射する光線を形成するための原版側校正パターンを例示する図である。校正パターンＨ４４０は、ｘ方向に沿ったスリットを有する回折格子であり、校正パターンＶ４５０は、ｙ方向に沿ったスリットを有する回折格子である。それぞれの回折格子のピッチを測定することで、±１次回折光の入射光線角度が分かる。原版側の校正パターンＨ４４０およびＶ４５０を用いることで、撮像センサ２５０のデフォーカス量と撮像センサ２５０の傾きを露光装置の本体上で計測することができる。

図１５は、計測器２００の撮像センサ２５０のデフォーカス量と傾きを計測する時の配置を示す図である。照明系１１０により、原版側の校正パターンＶ４５０が照明されるる。原版側の校正パターンＶ４５０は、回折格子であるので、０次光と±１次回折光が発生する。投影光学系１４０の瞳内に±１次回折光が飛ぶように、原版側の校正パターンのピッチを決定するとよい。０次光と±１次回折光は、基板側の計測パターン３１０を通過して撮像センサ２５０で撮像される。原版側のパターンを校正パターンＨ４４０に変更して計測することで、基板ステージ１５０に対してＸＹ方向に回折光を飛ばすことができ、図１３に示したような瞳分布７００を得ることができる。

この例では、ＸＹ方向に回折光を発生させているが、４５°と１３５°方向に発生させてもよいし、両方の結果を用いて撮像センサ２５０のデフォーカス量と傾きを計算することもできる。校正パターンを１８０°反転させて計測した結果と反転させずに計測した結果とを平均することで、校正パターンの描画誤差成分を補正してもよい。また、既知の射出角度で校正パターンから射出され、既知の入射角度で撮像センサに入射する光線を形成するために、回折格子に代えてプリズムなども使用してもよい。

原版側の校正パターンＨ４４０およびＶ４５０を原版に形成して校正に用いることで、このような原版を１つの基準原版とみなすことができる。１つの基準原版であれば、複数の露光装置で用いることができるため、計測器２００間の機差を抑えることができる。また、定期的に又は計画に従って撮像センサ２５０のデフォーカス量と傾きの校正を行うことで、露光装置１００の光学特性の経時変化を高精度にモニタできる。

以上のように、第３実施形態では、露光装置本体上で撮像センサ２５０のデフォーカス量や撮像センサ２５０の傾きを計測することで、露光装置の光学特性を高精度に計測することができる。また、一つの基準に対して計測器２００を調整することで、露光装置間の計測器２００の機差を保証することができる。定期的に又は計画に従って計測器２００の調整を実施することで、露光装置の光学特性の経時変化を高精度にモニタすることができる。

［応用例］
本発明の好適な実施形態のデバイス製造方法は、例えば、半導体デバイス、液晶デバイス等のデバイスの製造に好適である。前記方法は、感光剤が塗布された基板を、露光装置を用いて露光する工程と、前記露光された基板を現像する工程とを含みうる。さらに、前記デバイス製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージング等）を含みうる。

本発明の好適な実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。 光学特性を計測するための計測器の構成を例示する図である。 計測器が露光装置に搭載された状態で計測器が有する撮像センサの感度不均一性と入射角度特性を校正するための構成例を示す図である。 基板ステージ側に配置される基板側パターン部の詳細な例を示す図である。 原版ステージに配置される原版側パターン部の詳細な例を示す図である。 原版側校正パターンと基板側校正パターンとを用いて計測器の撮像センサを校正する時の配置を示す図である。 照明系の瞳分布を計測する時の配置を示す図である。 本発明の好適な実施形態における撮像センサ（計測器）の校正手順および瞳分布（光学特性）の計測手順を示すフローチャートである。 図４に例示される校正パターンによって撮像センサの撮像面に形成される光強度分布を例示的に示している。 照明系単体の瞳分布を計測するためのパターンを示す図である。 理想分布形成パターンによって撮像センサの撮像面に理想分布を形成する時の配置を示す図である。 撮像センサのデフォーカス量と傾きを計測する時の概念図である。 撮像センサのデフォーカス量と傾き計測時の瞳分布の模式図である。 露光装置において撮像センサの撮像面に対して既知の入射角度で入射する光線を形成するための原版側校正パターンを例示する図である。 計測器の撮像センサのデフォーカス量と傾きを計測する時の配置を示す図である。

符号の説明

１００ 露光装置
１１０ 照明系
１２０ 原版ステージ
１３０ 原版
１３１ 原版基準プレート
１４０ 投影光学系
１５０ 基板ステージ
１６０ 液体
１７０ 基板
１８０ 投影調整部
１９０ 制御部
２００ 計測器
２３０ ガラス基板
２４０ 平凸レンズ
２５０ 撮像センサ
３００ 基板側のパターン部
３１０ 基板側計測パターン
３２０、３２０’ 基板側校正パターン
４００ 原版側のパターン部
４１０ 原版側計測パターン
４２０ 原版側校正パターン
４３０ 理想分布形成パターン
４４０、４５０ 校正パターン

Claims (10)

1. 原版を照明して該原版のパターンを基板に投影することにより該基板を露光するための光学系を有する露光装置であって、
   基板を保持する基板ステージに配置された撮像センサを含み、前記光学系および計測パターンを通して前記撮像センサの撮像面に形成される光強度分布に基づいて前記光学系の特性を計測する計測器と、
   前記撮像面に既知の形状を有する光強度分布を形成するように配置された校正パターンと、
   前記校正パターンによって前記撮像面に実際に形成された光強度分布と前記校正パターンによって前記撮像面に形成されうる計算上の光強度分布とに基づいて前記計測器を校正する制御部とを備え、
   前記校正パターンは、前記計測パターンが配置された領域を取り囲むように配置されている、
   ことを特徴とする露光装置。
2. 前記校正パターンは、前記計測器の校正時に照明されることによって前記撮像面に既知の形状を有する光強度分布を形成し、
   前記計測パターンは、前記光学系の特性の計測時に照明されることによって前記撮像面に前記光学系の特性を示す情報を含む光強度分布を形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の露光装置。
3. 前記校正パターンは、複数の光学素子を含み、前記複数の光学素子のそれぞれによって前記撮像面に形成される複数の光強度分布が前記撮像面において合成される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の露光装置。
4. 前記光学素子は、ピンホール、スリット、拡散部材および回折素子のいずれかである、
   ことを特徴とする請求項３に記載の露光装置。
5. 前記制御部は、前記校正パターンによって前記撮像面に実際に形成された光強度分布における光強度と前記校正パターンによって前記撮像面に形成されうる計算上の光強度分布における光強度との比率に基づいて、前記撮像センサの各画素の感度特性を校正する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の露光装置。
6. 前記校正パターンおよび前記計測パターンは、基板を保持する基板ステージに配置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光装置。
7. 前記制御部は、前記計測器の校正を定期的に又は計画に従って実行する、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の露光装置。
8. 原版を照明して該原版のパターンを基板に投影することにより該基板を露光するための光学系を有する露光装置であって、
   撮像センサを含み、前記光学系を通して前記撮像センサの撮像面に形成される光強度分布に基づいて前記光学系の特性を計測する計測器と、
   前記撮像面に光強度分布を形成する校正パターンと、
   前記校正パターンによって前記撮像面に形成された光強度分布に基づいて前記撮像センサの位置、傾き、および前記光学系の光軸周りの回転、の少なくとも１つに起因する計測誤差を補正する制御部と、
   を備えることを特徴とする露光装置。
9. 前記校正パターンは、前記撮像面の互いに異なる複数の領域にそれぞれ光強度分布を形成し、
   前記校正パターンによって前記撮像面に形成された複数の光強度分布に基づいて前記撮像センサの位置、傾き、および前記光学系の光軸周りの回転、の少なくとも１つに起因する計測誤差を補正する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の露光装置。
10. デバイス製造方法であって、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の露光装置によって基板を露光する工程と、
    前記基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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