JPH05206003A

JPH05206003A - 投影光学系の特性計測方法

Info

Publication number: JPH05206003A
Application number: JP4037230A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hirukawa; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1993-08-13
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JP3318620B2

Abstract

(57)【要約】【目的】新たな投影露光装置に使用される投影光学系
の結像特性であっても正確に計測又は予測する。【構成】投影光学系の瞳面上の各位置ｒ_i を通過する
光束に関してその投影光学系のフォーカス位置の変化量
δｆ_i を予め求めておき（図２（ａ））、その投影光学
系の特性の計測時に、その投影光学系の瞳面上での各位
置ｒ_i における照度分布Ｐ_i を計測し（図２（ｂ））、
その予め求めておいたフォーカス位置の変化量とその計
測した照度分布との積和演算によりその投影光学系のフ
ォーカス位置の変化量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子又は
液晶表示素子等の製造に用いられる投影露光装置用の投
影光学系の特性計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子又は液晶表示素子等をリソグ
ラフィー技術を用いて製造する際に縮小投影型露光装置
等の投影露光装置が使用される。この種の投影露光装置
の重要な光学的特性の一つに重ね合わせ精度があるが、
これに影響を与える要素として重要なものに投影光学系
の倍率誤差がある。近年、集積回路の集積度が向上して
パターンが微細化され、これに伴って重ね合わせ精度の
向上に対する要求も厳しくなっている。従って、投影倍
率を所定の値に保持する必要性が益々高まっている。同
様に、パターンが微細化され、投影光学系の開口数が大
きくなるの応じて焦点深度が浅くなるために、投影光学
系の結像面（フォーカス位置）の変化を正確に補正する
必要性も高まっている。

【０００３】従来、このような投影光学系の結像特性
は、例えば特開昭６３−５８３４９号公報に開示されて
いるように、被露光基板面での照度に応じて投影光学系
の倍率やフォーカス位置が変化するものとして制御して
いた。この場合の照度の計測においては、投影光学系の
開口絞りは固定のままで、レチクルの照明視野を限定す
るレチクルブラインドも露光データで指定された所定の
形状にセットした状態で照度センサーを用いて基板面で
の照度を計測していた。そして、この計測された照度と
フォーカス位置や投影倍率の変化の関係式から露光光の
照射による各変化量を推定し、例えば投影光学系の内部
に設けた気密部の圧力を調整することにより、フォーカ
ス位置や投影倍率の変化が生じないように制御してい
た。

【０００４】従来の露光技術ではレチクルから投影光学
系に対して射出される透過光及び回折光はほぼ一様であ
った。即ち、レチクルを透過した光は投影光学系の瞳面
の中央を通り、レチクルで回折された光はレチクルのパ
ターンの両側に対称的に射出されて投影光学系の瞳面上
で光軸に関して対称な点を通過する。例えば、縦線の回
折格子パターンでは投影光学系の瞳面の中心から離れた
左右の位置を回折光が通過する。

【０００５】これに関して、投影光学系の投影倍率及び
フォーカス位置の変化は露光光を投影光学系が吸収して
膨張し、その部分の屈折率や曲率が変化するために生じ
ることが分かっている。そして、露光時の投影光学系の
中で露光光を吸収する位置がほぼ一定であるために、投
影光学系への露光光の照射量さえ求められれば、レンズ
系の屈折率等の変化量に起因する投影倍率やフォーカス
位置の変化を十分な精度で求めることができた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、近年、
解像力や焦点深度の向上のために、特公昭６２−５０８
１１号公報に示されるような位相シフト法による投影露
光技術や特願平２−２１８０３０号に開示されているよ
うな所謂斜入射照明による投影露光技術が出現してい
る。これらの新たな投影露光技術では、投影光学系の瞳
面での照度分布は従来の露光技術とは異なり、投影光学
系の瞳面の中心での照度が小さくなっている。

【０００７】これについて図４を参照して説明するに、
図４（ａ）は２個の傾斜した照明光でレチクルを照明す
る場合を示している。この図４（ａ）において、２個の
互いに光軸ＡＸから離れて配置されたオプティカルイン
テグレータとしてのフライアイレンズ３１Ａ及び３１Ｂ
のレチクル側の焦点面にはそれぞれ２次光源像が形成さ
れている。３２は照明光学系を簡略化して示し、一方の
フライアイレンズ３１Ａにより形成された２次光源像か
らの露光光ＩＬ１は照明光学系３２により略々平行光束
に変換されて斜めにレチクル３３を照明し、他方のフラ
イアイレンズ３１Ｂにより形成された２次光源像からの
露光光ＩＬ２も照明光学系３２により略々平行光束に変
換されて斜めにレチクル３３を照明する。

【０００８】この場合、レチクル３３をそのまま透過し
た一方の露光光ＩＬ１は投影光学系３４の瞳面Ｐ１上で
光軸ＡＸから離れた位置を通過してウェハ３５上に入射
し、レチクル３３をそのまま透過した他方の露光光ＩＬ
２は投影光学系３４の瞳面Ｐ１上で光軸ＡＸに対して露
光光ＩＬ１の通過点と対称な位置を通過してウェハ３５
上に入射する。従って、投影光学系３４の瞳面上での照
度Ｓの分布は、図４（ｂ）に示すように、光軸ＡＸの近
傍で小さく光軸ＡＸから離れた２点を中心として大きく
なる。また、２つのフライアイレンズ３１Ａ及び３１Ｂ
の間隔を変化させることにより、その照度Ｓの分布は変
化する。

【０００９】このため、従来の露光技術で露光する場合
と新たな露光技術を用いて露光する場合とでは、投影光
学系への露光光の照射量が同じでも投影光学系中で露光
光が吸収される位置が大きく異なることになる。従っ
て、投影光学系の投影倍率及びフォーカス位置の変化量
も異なってしまうため、従来の制御方法では投影光学系
の結像特性の制御が困難であるという不都合が生じてい
た。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、斜入射照明を行
うような新たな投影露光装置に使用される投影光学系の
結像特性であっても正確に計測又は予測できる投影光学
系の特性計測方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による投影光学系
の特性計測方法は、例えば図１及び図２に示す如く、所
定の照明光により照明されたマスクパターン（１１）の
像を被露光基板（１７）上に投影するための投影光学系
（１２）の特性計測方法において、その投影光学系（１
２）の瞳面上の各位置を通過する光束に関してその投影
光学系（１２）の像面状態の変化率を予め求めておき
（図２（ａ））、その投影光学系（１２）の特性の計測
時に、その投影光学系（１２）の瞳面上での照度分布を
計測し（図２（ｂ））、その予め求めておいた像面状態
の変化率及びその計測した照度分布よりその投影光学系
（１２）の像面状態（図２（ｄ））を推定するようにし
たものである。

【００１２】この場合、その投影光学系（１２）の瞳面
上に開口径及び開口位置が可変の開口絞り（１３）を配
置しておき、その投影光学系（１２）の瞳面上での照度
分布を計測する際に、この開口絞り（１３）の開口位置
及び開口径を変化させながらその被露光基板（１７）の
配置面上での照度分布を計測し、この計測結果よりその
投影光学系（１２）の瞳面上での照度分布を求めるよう
にしてもよい。

【００１３】

【作用】斯かる本発明によれば、例えば投影露光装置の
照明光学系を斜入射照明で使用しており、且つその斜入
射照明の照明光の入射角度を変えたような場合には、そ
の投影光学系（１２）の瞳面上での照度分布を新たに計
測する。そして、予め求めておいた像面状態の変化率と
その計測した照度分布との例えば積和演算により、投影
光学系（１２）の投影倍率又はフォーカス位置等の結像
特性の変化量を正確に推定することができる。そして更
に、この推定量に基づいて投影光学系（１２）の結像特
性を制御することにより、結像特性を所定の状態に維持
することができる。同様に、従来と異なる例えば位相シ
フトレチクル等を用いて投影光学系（１２）の瞳面上で
の照度分布が変化したような場合でも、その投影光学系
（１２）の結像特性の変化量を正確に推定することがで
きる。

【００１４】また、開口位置及び開口径が可変の開口絞
り（１３）を用いた場合には、例えば開口径を小さく絞
った状態でその開口位置を投影光学系（１２）の瞳面上
で２次元的に移動させることにより、投影光学系（１
２）の瞳面上での照度分布を正確且つ迅速に計測するこ
とができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明による投影光学系の特性計測方
法の一実施例につき図１〜図３を参照して説明する。本
例はステップ・アンド・リピート方式の縮小投影型露光
装置（ステッパー）に使用される投影光学系の結像特性
を計測する場合に本発明を適用したものである。図１は
本実施例の縮小投影型露光装置を簡略化して示し、この
図１において、１は高圧水銀灯であり、この高圧水銀灯
１からの露光光は、楕円鏡２で集光されて図示省略した
干渉フィルタを透過した後に、インプットレンズ３及び
反射鏡４を介してオプティカルインテグレータ５に入射
する。

【００１６】オプティカルインテグレータ５による２次
光源像からの露光光は、第１リレーレンズ６、レチクル
ブラインド７、第２リレーレンズ８、反射鏡９及びメイ
ンコンデンサレンズ１０からなる照明光学系を経て、図
示省略したレチクルホルダーに支持されたレチクル１１
を照明する。レチクルブラインド７はレチクル１１のパ
ターン形成面と共役な位置に配置され、オプティカルイ
ンテグレータ５による２次光源像の形成面は投影光学系
１２の瞳面と共役である。そのレチクル１１のパターン
の像は投影光学系１２により、ウェハステージ１６上の
ウェハホルダー上に載置されたウェハ１７上に結像さ
れ、これによりレチクル１１のパターンのウェハ（被露
光基板）１７上への転写が行われる。ウェハステージ１
６は、投影光学系１２の光軸に垂直な面内で２次元的に
ステージ面を移動できるＸＹステージ及び投影光学系１
２の光軸の方向にステージ面を移動できるＺステージ等
より構成され、ＸＹステージの座標はステージ側面部に
固定されたミラー及び図示省略した測長機構により常時
計測されている。

【００１７】また、投影光学系１２の瞳面上には可変開
口絞り１３を配置する。この可変開口絞り１３の開口径
は付属の開口アクチュエータ１４により任意の値に設定
することができ、その可変開口絞り１３の開口位置は開
口位置移動用の２軸のアクチュエータ１５Ａ及び１５Ｂ
により、投影光学系１２の瞳面上の任意の位置に設定す
ることができる。これにより、投影光学系１２の開口数
および開口位置が可変となっている。また、ウェハステ
ージ１６のウェハホルダーの近傍には、照度センサー１
８が設けられている。この照度センサー１８の受光面の
大きさは投影光学系１２のイメージフィールドよりもや
や大きい程度である。

【００１８】また、投影光学系１２には圧力調整器１９
を接続する。この圧力調整器１９により、例えば投影光
学系１２を構成するレンズ群の間隔の内の所定の間隔に
形成された気密部の圧力を調整することにより、投影光
学系１２の投影倍率等を調整することができる。また、
図示省略するも、レチクル１１を投影光学系１２の光軸
方向に微動させる機構及びレチクル１１を投影光学系１
２の光軸に垂直な面に対して僅かに傾斜させる機構を設
ける。このようにレチクル１１を僅かに移動又は傾斜さ
せることによって、例えば投影光学系１２の歪曲収差の
状態等を制御することができる。

【００１９】次に、本実施例で投影光学系の結像特性を
計測する場合の動作につき説明する。先ず、レチクル１
１を図示省略したレチクルホルダー上の所定の位置に載
置した後に、レチクルブラインド７の形状を露光用デー
タファイルに予め記憶させておいた形状にセットする。
この後、開口アクチュエータ１４により可変開口絞り１
３の開口径を絞り、投影光学系１２の開口数を所定の小
さな値とする。そして、アクチュエータ１５Ａ及び１５
Ｂにより可変開口絞り１３の開口位置を変化させなが
ら、各開口位置での照度を照度センサー１８を用いて計
測する。なお、図示省略しているが、投影光学系１２の
開口数や開口位置をエンコーダ等を用いてモニターしな
がら変化させてもよい。これにより、投影光学系１２の
瞳面上での照度分布を求めることができる。

【００２０】また、可変開口絞り１３の開口径を露光に
用いる場合と同一の開口径として、且つ開口位置も同一
として照度センサー１８を用いて照度を求めれば、この
照度の計測値が従来方式で計測される投影光学系１２へ
の照射量となる。このように投影光学系１２への露光光
の照射量と、その瞳面での照度分布が求められれば、投
影光学系１２への照射量に応じた倍率やフォーカス位置
の変化量を従来の照明方式及び通常のレチクルを使用し
た場合について計算し、その値に対して投影光学系１２
の瞳面上での照度分布による倍率及びフォーカス位置の
変化の補正を行う。

【００２１】この補正は次のようにして行う。先ず、図
２（ａ）に示すように、投影光学系１２の瞳面上での中
心（光軸）からの距離ｒ_i （ｉ＝１，２，‥‥，ｎ）に
おける基準の照度での露光光の照射に対するフォーカス
位置の変化量δｆ_i 及び投影倍率の変化量δｍ_i の相関
を前もって計測して、記憶させておく。この計測は例え
ば図３（ａ）に示すような、等しいピッチで種々の方向
を向いた位相格子が形成されたテストレチクル２０を用
いて計測することができる。このテストレチクル２０を
通常のレチクルの代わりに設定して、平行な露光光で垂
直に照明すると、０次光はほぼ消えて±１次光のみが投
影光学系１２に入射する。これら±１次光は、投影光学
系１２の瞳面Ｐ１において光軸からそれぞれｒだけ離れ
た対称な位置を通過してウェハ１７に入射する。

【００２２】この状態で、ウェハ１７を投影光学系１２
の光軸に平行な方向に移動させて且つその光軸に垂直な
面内で少しずつ移動させてテストプリントを繰り返すこ
とにより、投影光学系１２の瞳面上の半径ｒの位置を通
過する露光光に対するベストフォーカス位置及び投影倍
率を検出することができる。これら検出結果の設計値か
らのずれ量がフォーカス位置及び投影倍率の変化量であ
る。そして、テストレチクル２０の代わりに、少しずつ
ピッチの異なる位相格子が形成された多数のテストレチ
クルを順次配置して同様にテストプリントを繰り返すこ
とにより、投影光学系１２の瞳面上での光軸からの距離
ｒ_i （ｉ＝１，２，‥‥，ｎ）における基準の照度での
露光光の照射に対するフォーカス位置の変化量δｆ_i 及
び投影倍率の変化量δｍ_i を計測することができる。

【００２３】なお、図３（ａ）に示す位相格子の代わり
に位相シフトレチクルを用いてもよく、更に傾斜照明を
用いて投影光学系１２の光軸に斜めに露光光を入射させ
るようにしても、同様にフォーカス位置及び投影倍率の
変化量を計測することができる。

【００２４】次に、実際の露光に用いる照明系及びレチ
クルでの照度を、可変開口絞り１３の開口位置の座標
（Ｘ，Ｙ）を種々に変えて照度センサー１８により計測
する。この場合、その計測位置の座標（Ｘ，Ｙ）の瞳面
の中心座標（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）からの距離Ｒは計算により求
められる。この計測結果から図２（ｂ）に示すように、
投影光学系１２の瞳面上での中心からの各距離ｒ_i での
照度Ｐ_i が求められる。

【００２５】これら計測結果より、フォーカス位置の変
化量δＦと倍率の変化量δＭとを次式の積和演算により
計算する。 δＦ＝δｆ₁・Ｐ₁＋δｆ₂・Ｐ₂＋‥‥＋δｆ_n・Ｐ_n δＭ＝δｍ₁・Ｐ₁＋δｍ₂・Ｐ₂＋‥‥＋δｍ_n・Ｐ_n

【００２６】図２（ａ）及び（ｂ）の測定データを用い
てフォーカス位置の変化量δＦを計算した場合の各積δ
ｆ_i ・Ｐ_i を図２（ｃ）に示し、これら各積の和を図２
（ｄ）に示す。このように計算された変化量を打ち消す
ように投影光学系１２の結像特性の制御を行う。図２で
はフォーカス位置の変化量についてのみ示してあるが、
倍率の変化量についても同様である。また、投影光学系
１２の球面収差や像面湾曲（非点収差も含む）の変化を
求めることも可能である。この方法により、露光光とし
て水銀灯のｉ線を用いるステッパーにおいて、照明光学
系の開口数の変化、輪帯照明又は空間周波数変調型の位
相シフトレチクルの使用等に対して、フォーカス位置の
変化量及び倍率の変化量を極めて小さく保つことができ
た。

【００２７】なお、投影光学系１２の瞳面上での照度分
布の計測方法として最も単純な方法は、例えば図３
（ｃ）に示すように、可変開口絞り１３の開口２１の開
口径φを小さく設定して、図１のアクチュエータ１５Ａ
及び１５Ｂを介してその開口φの光軸ＡＸからの距離ｒ
を段階的に変化させる方法である。しかしながら、照度
分布の測定には必ずしも図１の構成の可変開口絞り１３
を使用しなければならないというものではない。

【００２８】例えば図１の可変開口絞り１３からアクチ
ュエータ１５Ａ及び１５Ｂを省略して、図３（ｄ）に示
すように、その開口２１の中心位置を光軸ＡＸに固定し
てもよい。この状態で、開口２１の半径を例えばｒ_i-1
からｒ_i に変化させ、半径がｒ_i での照度から半径がｒ
_i-1 での照度を差し引くことにより、半径がｒ_i での照
度を求めることができる。同様に、各半径での照度をそ
れぞれ計測し、その差を求めることにより、瞳面上の中
心からの各距離毎の照度を容易に求めることができる。

【００２９】更に、本発明はｉ線を用いたステッパーに
限定されるものではなく、他の波長を用いたステッパー
でも使用可能であり、ステッパー以外の投影型の露光装
置にも適用可能である。このように、本発明は上述実施
例に限定されず本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
構成を取り得る。

【００３０】

【発明の効果】本発明の特性計測方法によれば、投影光
学系の瞳面上での照度分布の計測結果と予め求めておい
た像面状態の変化率とより投影光学系の像面状態を推定
することができる。従って、斜入射照明を行うような新
たな投影露光装置に使用される投影光学系の結像特性の
変化であっても正確に計測又は予測できる利点がある。
また、位相シフトレチクルや他の新たな照明技術によっ
て、投影光学系の瞳面での照度分布が従来のものと異な
った場合や、従来型のレチクルと位相シフトレチクルと
が混在しているような場合でも、投影光学系のフォーカ
ス位置や投影倍率の変化を正確に計測できる。

【００３１】また、開口位置及び開口径を変化できる開
口絞りを用いた場合には、投影光学系の瞳面上での照度
分布をより正確に且つ迅速に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投影光学系の特性計測方法の一実
施例の縮小投影型露光装置を示す斜視図である。

【図２】その実施例において投影光学系のフォーカス位
置の変化量を求める場合の手順の説明に供する線図であ
る。

【図３】（ａ）はテストレチクルの一例を示す平面図、
（ｂ）はそのテストレチクルを用いてテストプリントを
行う場合の説明図、（ｃ）は投影光学系の瞳面上の照度
分布を計測する方法の一例の説明図、（ｄ）は投影光学
系の瞳面上の照度分布を計測する方法の他の例の説明図
である。

【図４】（ａ）は斜入射照明を行う場合の光学系の一例
を示す構成図、（ｂ）は斜入射照明の行う場合の投影光
学系の瞳面上での照度分布の一例を示す分布図である。

【符号の説明】

１１レチクル１２投影光学系１３可変開口絞り１４開口アクチュエータ１６ウェハステージ１７ウェハ１８照度センサー１９圧力調整器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の照明光により照明されたマスクパ
ターンの像を被露光基板上に投影するための投影光学系
の特性計測方法において、前記投影光学系の瞳面上の各位置を通過する光束に関し
て前記投影光学系の像面状態の変化率を予め求めてお
き、前記投影光学系の特性の計測時に、前記投影光学系の瞳
面上での照度分布を計測し、前記予め求めておいた像面状態の変化率及び前記計測し
た照度分布より前記投影光学系の像面状態を推定する事
を特徴とする投影光学系の特性計測方法。
【請求項２】前記投影光学系の瞳面上に開口径及び開
口位置が可変の開口絞りを配置しておき、前記投影光学系の瞳面上での照度分布を計測する際に、
前記開口絞りの開口位置及び開口径を変化させながら前
記被露光基板の配置面上での照度分布を計測し、該計測結果より前記投影光学系の瞳面上での照度分布を
求めるようにした事を特徴とする請求項１記載の投影光
学系の特性計測方法。