JPWO2003088329A1 - レチクル及び光学特性計測方法 - Google Patents

Abstract

投影光学系（１０ａ）の光学特性を計測する光学特性計測方法において、複数個のパターン（ＴＰ）を有するレチクル（９）を供給し、開口（アパーチャー）からの散乱光を前記複数個のパターン（ＴＰ）に向けることにより、前記複数個のパターンに互いに異なる方向から光束を照射し、それにより前記投影光学系（１０ａ）を介して前記複数個のパターンの像を形成し、前記複数個のパターン像のそれぞれの位置を検出し、該検出結果を用いて前記投影光学系の光学特性を求める。これにより、光学系の光学特性、例えば波面収差、を高精度に計測するのに好適な光学特性計測方法及びそれに用いるレチクルを得ることができる。

Description

［技術分野］
本発明は、投影光学系の光学特性を計測する方法及び該方法に用いるレチクルに関し、たとえば半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置の投影光学系の光学特性、例えば波面収差を計測する際に好適なものである。
［従来の技術］
半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下「レチクル」と総称する）のパターンの像を投影光学系（例えば投影レンズ）を介して感光基板上に投影する投影露光装置が使用されている。かかる投影露光装置では、投影光学系の製作上及び設計上残存している収差によるパターンの解像力の低下が大きな問題となっている。
この為、投影光学系の収差等の光学特性を高精度に計測する技術が要望されている。
投影レンズの球面収差、像面（像面湾曲）、非点（非点収差）、コマ（コマ収差）、波面収差などの収差が測定され、実際の評価や検査に用いられており、これらの収差の中でも波面収差が収差そのものであり、この波面収差を一般に使われているＺｅｒｎｉｋｅ多項式等で近似する事により、多項式のファクターである球面収差、像面、非点、コマなどの収差も算出可能である。多種多様なデバイスパターンのプロセスマージンをシミュレーションから予測する上でも波面収差の計測が重要視されている。
波面収差の測定方法が、例えば米国特許第５８２８４５５号，米国特許第５９７８０８５号等で提案されている。これらで提案されている測定方法は、レチクルパターン面に格子状のパターンを設け、この格子状パターンの中心の真下に少し距離をおいてピンホールを設け、更にレチクル上面には格子状パターンの中心の真上に凸レンズを置いた特殊なレチクルを用いている。このレチクルを露光装置の照明系により照明すると、照明系から出た照明光は前記凸レンズにより照明角度（ＮＡ）がσ１以上の照明角度となって、その下にある格子パターンを照射する。格子パターンを通過した光はその下にあるピンホールを透過する。この時ピンホールを通過できる光は前記格子パターンそれぞれの点の位置と前記ピンホールを結んだ角度の光のみに限定されるので、前記格子パターンの各点から出た光は互いに角度が異なる複数の光となって進む。
これら互いに角度の異なる複数の光は、投影レンズの瞳面の互いに異なる位置に到達し、投影レンズの波面収差の影響を受けた状態でウエハー面に達し、格子パターンの各点を結像する。この時、結像した格子パターンの各点の像は異なる波面収差（位相）の影響を受けている。つまり、光線は波面の法線方向に進むため、格子パターンの各点の像は波面上の対応する点の傾き分だけ結像位置が理想位置からシフトすることになる。そこで格子パターンの各点の像の理想格子からのずれを測定することにより瞳面内の各点の波面の傾きを得、様々な数学的手法を用いて波面収差を算出している。
前述した米国特許第５８２８４５５号や米国特許第５９７８０８５号で提案されている波面収差計測方法は、よく知られているハルトマン法に近い方式である。このハルトマン法は、投影レンズの瞳面上にピンホールを置く事によって波面の位置を限定し、そこを通過して結像した光によるパターン像の位置ずれから、波面の傾きを求める。
ハルトマン法では、ピンホールを瞳面に置くことで物体スペクトルは、下記（１）式より、ピンホールフィルターによりある微小な波面領域の情報のみ得ることができる。
Ｅ（ｘ）＝Ｆ−１［Ｇ（ｆ）・ｐ（ｆ）・ｗ（ｆ）］・・・（１）
Ｆ−１・・・フーリエ逆変換
Ｅ（ｘ）・・・像の光振幅関数
Ｇ（ｆ）・・・物体スペクトル
ｗ（ｆ）・・・瞳（波面）関数
ｐ（ｆ）・・・ピンホール関数
ハルトマン法のように瞳面にピンホールを置くことで確実に物体スペクトルの形状をコントロールする事（瞳フィルターリング）が望ましいが、実際の露光装置上では鏡筒のスペースの問題、汚染防止のためのパージ構造の問題などの理由で、コスト的にも困難である
なお、前述した米国特許第５８２８４５５号や米国特許第５９７８０８５号で提案されている方式では、ピンホールフィルターがレチクルの直下にあるので、瞳面上の物体スペクトルは、上記（１）式とは異なり、位相項を含んだフーリエ変換となる。
本発明の目的は、光学系の光学特性、例えば波面収差を高精度に計測するのに好適な光学特性計測方法と該計測方法に用いるレチクルの提供することにある。
又、本発明は、上記２つの米国特許の手法とは全く異なる手法により波面収差等の光学特性を計測することができる光学特性計測方法及び該計測方法に用いるレチクルの提供を目的とする。
この他、本発明は、これらの光学特性計測方法やレチクルが適用できる投影露光装置の提供を目的とする。
［発明の開示］
本発明の第１形態は、投影光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法において、複数個のパターンを有するレチクルを供給し、
開口（アパーチャー）からの散乱光を前記複数個のパターンに向けることにより、前記複数個のパターンに互いに異なる方向から光束を照射し、それにより前記投影光学系を介して前記複数個のパターンの像を形成し、
前記複数個のパターン像のそれぞれの位置を検出し、該検出結果を用いて前記投影光学系の光学特性を求めることを特徴とする。
本発明の第２形態は、第１形態において、前記開口を有する遮光部は前記レチクル上にあることを特徴とする。
本発明の第３形態は、第１形態において、前記開口を有する遮光部は、前記レチクルの上方にあることを特徴とする。
本発明の第４形態は、第２形態又は第３形態において、前記散乱光を形成する散乱部を有することを特徴とする。
本発明の第５形態は、第４形態において、前記散乱部は、前記開口内にあることを特徴とする。
本発明の第６形態は、第４形態において、前記散乱部は、光源と前記開口の間にあることを特徴とする。
本発明の第７形態は、第１〜第６形態において、例えば輪帯状の、中央が周辺よりも暗い有効光源により前記散乱部を照明することを特徴とする請求項１〜６記載の光学特性計測方法。
本発明の第８形態は、第１〜第７形態において、前記開口はピンホールであることを特徴とする請求項１〜７記載の光学特性計測方法。
本発明の第９形態は、第１〜第８形態において、前記パターンは、前記投影光学系の瞳面に所定の周期成分を発生させる開口部と、該開口部の両側に在って且つ前記投影光学系の瞳面において前記周期成分とは異なる周期成分を発生させる周期的な開口部を有することを特徴とする。
本発明の第１０形態は、第１〜第８形態において、前記パターンは、その繰り返し方向に関して、中心から周辺にかけてスペース間のピッチは実質的に一定で且つスペースの幅は徐々に減少し且つ前記投影光学系により前記ライン間が解像しないライン＆スペースを有することを特徴とする。
本発明の第１１形態は、第１〜第８形態は、前記パターンは、実質的に０次光のみを前記投影光学系の像平面へ向けるライン＆スペースを有することを特徴とする。
本発明の第１２形態は、第１〜第１１形態において、前記検出ステップは、前記ライン＆スペースの空中像を光電変換する段階を有することを特徴とする。
本発明の第１３形態は、第１〜第１１形態において、前記検出ステップは、前記ライン＆スペースの像で感光基板を露光する段階と、該感光基板を現像する段階とを有することを特徴とする。
本発明の第１４形態は、第１〜第１４形態において、前記光学特性は波面収差を含むことを特徴とする。
本発明の第１５形態は、第１〜第１４形態のいずれかの計測方法により投影光学系の光学特性を計測するモードを有し、前記レチクルが装置に供給された際に前記テストパターンに照明光を照射する照明系を有することを特徴とする投影露光装置。
本発明の第１６形態は、第１５形態の投影露光装置にデバイス製造用のレチクルを供給し、該レチクルのパターンを基板に露光することを特徴とするデバイス製造方法。
本発明の第１７形態は、基板の表面に形成した複数個のパターンと、前記基板の裏面に形成した、開口を有する遮光部と該開口から散乱光を出すための光散乱部とを有することを特徴とするレチクルである。
本発明の第１８形態は、第１７形態において、前記開口はピンホールであることを特徴とする。
本発明の第１９形態は、第１７形態において、前記光散乱部を前記開口内に有することを特徴とする。
本発明の第２０形態は、投影光学系の光学特性を計測するための計測ユニットであって、基板の表面に複数個のパターンを形成したレチクルと、該レチクルの前記基板の裏面側に設けられた、開口（アパーチャー）を有する遮光部と該開口から散乱光を出すための光散乱部とを有することを特徴とする。
本発明の第２１形態は、第１７形態において、前記開口はピンホールであることを特徴とする。
本発明の第２２形態は、第２０形態において、前記遮光部が前記基板の裏面に形成してあり、前記光散乱部が他の基板上に形成してあることを特徴とする。
本発明の第２３形態は、第２１形態において、前記光散乱部が前記他の基板の前記レチクル側の面に形成してあることを特徴とする。
本発明の第２４形態において、第２０形態において、前記遮光部と前記光散乱部とが他の基板の上に形成してあることを特徴とする。
本発明の第２５形態は、第２３形態において、前記遮光部は前記他の基板の前記レチクル側の面に形成してあり、前記光散乱部は前記他の基板の前記レチクル側とは反対側の面に形成してあることを特徴とする。本発明の第２６形態は、第２３形態において、前記遮光部と前記光散乱部は前記他の基板の前記レチクル側とは反対側の面に形成してあることを特徴とする。
［発明を実施するための最良の形態］
図１は本発明の実施形態１に係る露光装置の要部概略図である。
本実施形態１は、回路パターンを投影光学系により感光基板上に投影する投影露光装置を示している。本実施形態１の露光装置は、本発明に係る光学特性計測方法により光学系（投影レンズ）の波面収差の計測する計測モードを有する。勿論、この光学系は露光装置の製造時に同様の計測が成されてもいい。
図１において、９はテストレチクルである。テストレチクル９は、基板ガラスの下面（表面）上に形成されたパターン群（テストパターン）ＴＰおよび、このガラスの上面（裏面）に形成された開口（ピンホール）ＰＨを備える遮光部とを有している。投影レンズの波面収差の計測は以下のように行われる。
照明光学系の有効光源４からのσ＞１あるいはσ＝１相当の角度の広がりをもった照明光をテストレチクル９上面のピンホールＰＨに照射し、このレチクル９上面のピンホールＰＨ（開口）を通過した光束によりレチクル９下面にあるテストパターンＴＰの各パターンを互いに異なる方向から照明し、これによりテストパターンＴＰの各パターンを投影レンズ１０によって結像し、それぞれらの空中像もしくは感光基板Ｗに転写したそれぞれの転写パターン像ＴＰａの位置（基準位置からのずれ）を公知の測定器により測定する。そして、これらの像の位置情報を使って、瞳面１０ａ内の各像に対応する位置での波面の傾きを計算し、その結果から投影レンズ１０の波面収差を測定する。波面収差が得られれば、公知の手法により球面収差、コマ収差、像面湾曲、非点収差、歪曲収差が求められる。
テストパターンＴＰおよびピンホールＰＨを有する遮光部は、図１のように同一プレートに形成しなくても、互いに異なるプレート上に形成してもいい。要は、位置を測定すべき空中像もしくは転写パターン像ＴＰａが１つ以上存在し、各々の空中像もしくは転写パターン像ＴＰａの位置が対応するパターンの上方にあるピンホールＰＨの中心と当該パターンの中心の間の照明光のレチクル９への入射平面内方向の位置関係に依存して決まる方向（所定の傾斜角且つ所定の方位角）に沿った主光線ＬＰを持つ照明光で照射されれば良い。
テストパターンＴＰを構成する各パターンＴＰＸは、図５Ａに示すような、投影光学系１０の瞳面１０ａに所定の周期成分を発生させる開口部と該開口部の両側に在って且つ前記投影光学系１０の瞳面１０ａにおいて前記周期成分とは異なる周期成分を発生させる周期的な開口部を有し、投影光学系１０の瞳面１０ａを通る実質的に０次光のみが結像に寄与するものや、図５Ｂに示すような、その繰り返し方向に関して、中心から周辺にかけてラインやスペース間のピッチは実質的に一定で且つスペースの幅は徐々に減少しており、そのため投影光学系１０の瞳面１０ａを通る実質的に０次光のみが結像に寄与して、前記投影光学系１０により前記ライン間が解像しないライン＆スペースを有するもの、より成る。
次に、上述した光学特性計測方法により投影光学系の波面収差を計測する計測モードを有する投影露光装置について、本発明の実施形態２として、図２を参照して説明する。
本実施形態２において、投影光学系１０には、レンズを用いた投影光学系（投影レンズ）の他、ミラーを用いた投影光学系、レンズとミラーを組み合わせた投影光学系等が適用できる。
図２において、１は露光光を放射する高圧水銀灯である。光源１から射出された露光光は楕円鏡１ａで集光された後に、インプットレンズ２を経てフライアイレンズ３の入射面３ａに入射する。フライアイレンズ３の後側（テストレチクル９側）焦点面３ｂには多数の２次光源が形成され、これら２次光源から射出された露光光は、可変開口絞り４、第１リレーレンズ５、投影式レチクルブラインド６、第２リレーレンズ７、メインコンデンサーレンズ８を経てテストレチクル９を均一な照度で照明する。フライアイレンズ３の後側焦点面３ｂは投影光学系１０の瞳面１０ａとほぼ共役である。また、開口絞り４の開口径は可変である。
後述する計測方法により得られた計測値（収差）を露光装置本体の制御系にフィードバックすることにより、様様な公知の手段・方法により投影光学系１０の各種収差を補正可能である。たとえば、上記制御系を介して図２に示すように駆動手段１６１により投影光学系１０内にある補正光学系１６２を駆動させたり、上記制御系を介して図１７に示すように波長可変手段１７１でレーザ１７２の発振波長（レーザ光の中心波長）を変えることにより、投影光学系１０の収差の自動補正や自動設定ができる。尚、図１７の投影露光装置の図２の装置とのは、光源としてレーザ１７２を用いた照明系と波長可変手段１７１とを有する点である。
さて、テストレチクル９は、レチクルステージ１８上に載っており、レチクルステージ１８をＸＹ面内で移動させることによりテストレチクル９の位置を変えることができる。スコープ１９はテストレチクル９上のマークと装置本体内にあるレチクル基準マーク２１とを同時に観察することにより、レチクル基準マーク２１に対するテストレチクル９のＸ、Ｙの各方向のずれを計測するためのものである。この計測結果を使ってステージ１８を移動させることによりレチクル９の装置本体（投影光学系１０）への位置合せができる。更に、スコープ１９はテストレチクル９上のあらゆるＸＹ位置に駆動可能な駆動系を持つので、必要ならば、スコープ１９を使って、レチクル９上の任意の位置にあるテストパターン１５の領域を露光光で照明可能である。テストパターン１５は複数のパターンにより構成されており、各パターンは図５Ａや図５Ｂで示す形態を有する。
投影式レチクルブラインド６とテストレチクル９のパターン形成面とは共役であり、投影式レチクルブラインド６の開口によりテストレチクル９上の照明領域が設定される。
テストレチクル９の上面にはピンホール１６を持つ遮光部が形成されており、投影式レチクルブラインド６の開口によりテストレチクル９上の照明領域としてピンホール１６を含む領域を設定し、同領域を照明すると、遮光部のピンホール１６を通過した光束が、テストレチクル９の下面に形成されているテストパターン１５の複数のパターンを互いに異なる方向から照射され、そのテストパターン１５の各パターンは投影光学系１０によって感光基板（ウエハ）Ｗに投影される。
投影光学系１０の像面に結像した各パターンの空中像もしくは感光基板Ｗに転写した各パターンの像（現像したもの、又は潜像）の位置を、公知の測定手段により測定する。
本実施形態においては、ウエハステージ１２上に設けた検出系１１を使ってテストパターン１５の各パターンの空中像の位置を検出する。テストパターン１５の像が、投影光学系１０を介してウエハステージ１２上に載置された検出系１１を構成するプレート１１ａ上に結像される。図３は図２の検出系１１の拡大図である。
図３において、プレート１１ａ、スリット１１ｂ、受光器１１ｃが検出系１１を構成する。プレート１１ａにはスリット１１ｂが形成されており、スリット１１ｂを透過した光は受光器１１ｃにより受光され、電気信号に変換され、不図示の信号線を介して不図示の処理装置に送られ、同装置によりプレート１１ａ上に投影されたパターン像の位置が求められる。
ウエハステージ１２は、投影光学系１０の光軸１０ｂに垂直な面内の任意の位置に検出系１１を位置決めできるＸＹステージ１２ａと投影光学系１０の光軸１０ｂに平行な方向に検出系１１を上下動して検出系１１のフォーカス位置を設定できるＺステージ１２ｂ等より構成されている。
また、本実施形態では検出系１１の光軸１０ｂ方向の位置を検出するためのオートフォーカス系１３が設けられている。オートフォーカス系１３は、検出系１１のプレート１１ａ上に、検出用の例えばスリット状の光パターン（像）を投影光学系１０の光軸１０ｂに対して斜め方向から投影する送光系１３ａと、プレート１１ａからの反射光を用いて上記スリット状の光パターンの像を光電検出器１３ｃ上に再結像する受光系１３ｂとにより構成されている。
プレート１１ａの投影光学系１０の光軸１０ｂ方向の位置が変化すると、受光系１３ｂにおいてその再結像される光パターン像の光電検出器１３ｃ上での位置が変化することから、このパターン像の位置を検出するこにより、プレート１１ａの光軸方向位置が検出できる。光電検出器１３ｃは、その再結像されたパターンの像の位置に応じて変化する信号（フォーカス信号）を生成するから、その信号が所定のレベルに維持されるように制御系１３ｄによってウエハステージ１２中のＺステージ１２ｂを駆動することにより、プレート１１ａ上の表面の光軸１０ｂ方向の位置を所定の位置（投影光学系１０の像面位置）に維持することができる。
また、フォーカス信号は所定の範囲内（光軸１０ｂ方向の所定の範囲内）でプレート１１ａの高さの変化に対してほぼ直線的に変化するので、フォーカス信号のレベルの変動からフォーカス位置の変動を知ることができる。なお、ウエハステージ１２中のＺステージ１２ｂにはそれ自身の投影光学系１０の光軸１０ｂ方向の位置を検出するための高さセンサ（不図示）が組み込まれている。
１４はオフ・アクシスのウエハアライメント系を示し、ウエハアライメント系１４はウエハＷの各ショット領域の近傍に形成されたアライメントマークをそれぞれ検出する。この場合、ウエハアライメント系１４の光軸１４ａと光軸１０ｂとの間の間隔、即ち所謂ベースライン量ＢＤを求めておくことにより、ウエハアライメント系１４で計測したアライメントマークの位置に基づいてウエハ１１の各ショット領域のアライメントを正確に行うことができる。更に、ウエハアライメント系１４は種々のマークの検出をも行うことができる。
本実施形態の露光装置の照明系は、照明の結果、光学系１０の像平面内での位置を測定すべき空中像もしくは転写パターン像が１つ以上存在し、各々の空中像もしくは転写パターン像ＴＰａの位置が対応するパターンの上方にあるピンホールＰＨの中心と当該パターンの中心の間の照明光のレチクル９への入射平面内方向の位置関係に依存して決まる方向（所定の傾斜角且つ所定の方位角）に沿った主光線ＬＰを持つ照明光でテストレチクルを照明できれば良い。
本実施形態においても、テストパターン１５およびピンホール１６を持つ遮光部は、双方共にレチクル上に形成するのではなく、この遮光部は、別のピンホール用のプレート上に形成しても良い。
図１，２においては不図示であるが、実施形態１，２においてピンホール１６の内部には散乱素子が設けてあり、同素子により有効光源からの光を散乱してσ＞１の光線束がピンホール１６から出るように構成してある。また、この種の散乱素子を用いる時に可変絞り４の開口形状として輪帯（円環）状のものを使うことにより中央より周辺の方が明るい有効光源を形成し、この有効光源により散乱素子を照明すると、テストパターン１５を均一に照明することができ、このテストパターン１５を構成する複数のパターンを互いにほぼ強度が同じ光束で互いに異なる方向から照明できる。
図７はテストレチクル９に設けるテストパターン１５の詳細図である。
図７において、２０ａはテストパターン１５構成するマークである。グリッド状のマーク２０ａの幾つかの部分が前述した図５（Ａ）又は図５（Ｂ）に示すパターンＴＰＸより成っている。
マーク２０ａを形成するグリッドの縦横のラインは互いに同一の線幅でデザインされており、それぞれのライン幅は、同ラインが図５Ｂのパターンと同じ場合、例えば２μｍである。
このようなテストパターン１５（マーク２０ａ）中心の真上の、レチクル９のガラス上面に、図１，２で示したとおりピンホール１６があり、σ（コヒーレンス度）が大きな円形の有効光源や輪帯状の有効光源を用い、露光用照明系又はスコープ１９の照明系によりピンホール１６介してテストパターン１５に光を照射する事により、テストパターン１５を構成する各パターンＴＰＸ毎にそれを照明する光束の主光線の傾きを変えると共に各光束の開き角にも制限を加える。なお、「σ」は、照明系のレチクル側開口数を投影光学系のレチクル側開口数で割った値に相当する。
本実施形態では、テストパターン１５に対してσ≧１．０の照明条件を得るために、図９に示す様に、レチクル９のガラス基板９Ｇの裏面（上面）に形成しているピンホール１６内に散乱素子を設けることによりレチクル９を照明する光を散乱させて拡散している。
散乱素子を用いる代わりに、図１０に示すようにピンホール１６の上に凸レンズ１７を配置したり、拡散効果のある格子パターンをピンホール１６内に設けることによりσ≧１．０の照明条件を得ることができる。このような、構造を持つ場合にも、σ（コヒーレンス度）が大きな円形の有効光源や輪帯状の有効光源を用いるのが効果的である。
σ≧１．０の照明条件にて前記テストパターン１５を照明し、テストパターン１５の複数のパターンＴＰＸの投影光学系１０による各像を、ウエハステージ１２上に設けた検出系１１のプレート１１ａ上に結像させ、各像毎に、ウエハステージ１２を水平方向（Ｘ方向やＹ方向）へ移動させ走査しときのプレート１１ａのスリット１１ｂを透過する光の光強度や光量を光電検出器１１ｃにより検出する。ステージ１２（スリット１１ｂ）の各Ｘ，Ｙ位置で検出した光強度もしくは光量を示すところの図４に示す如き検出信号が得られるので、この検出信号の中心位置や重心位置を計算することにより、プレート１１ａ上に結像した、テストパターン１５のマーク２０ａの１ライン、即ちパターンＴＰＸやＴＰＹの中心位置を得る。
このようにして、それぞれが投影光学系１０の瞳面の各位置での波面の状態を指し示す各パターン像の中心位置情報が入手できるので、各パターン像の中心位置情報から瞳面の各位置の波面の傾きを計算し、光学系１０の波面収差を求める。
本実施形態における波面収差計測の手順を図１５のフローチャートに示す。
ところで、検出系１１のスリット１１ｂの長さと幅は、グリッド状マーク２０ａの空中像の格子ピッチ以下で、測定対象とする１ラインのパターンＴＰＸの空中像の隣のパターンＴＰＸの空中像がスリット１１ｂに入らない大きさにしている。また、本実施形態は、縦のラインのパターンＴＰＸの像と横のラインのパターンＴＰＹの像に対し、別個のスリット１１ｂ及び光電検出器１１ｃの対が用意されている形態であるが、スリットと光電検出器を一組だけ持ち、その光強度分布を光電変換するべきパターン像の縦横の向きによってスリットの縦横の向きを切り換えて計測することも可能である。
次に本発明の実施形態３について図１１を用いて説明する。実施形態３の実施形態１，２との違いはテストレチクルの構成のみであり、実施形態３のテストレチクルが搭載される投影露光装置も、図１、図２或いは図１７に示す投影露光装置である。
実施形態３では、実施形態１，２のようにテストレチクル９の基板の上面と下面にそれぞれピンホール１６を持つ遮光部とテストパターン１５（ＴＰ）を形成するのではなく、テストレチクル９を、ピンホール１６を有する遮光部を上面（或いは下面）に形成したピンホールプレート９ａと、テストパターン１５を上面（或いは下面）に形成したパターンプレート９ｂの、２つのプレートにより構成している。
テストパターン１５、ピンホール１６、散乱素子等の拡散手段１８のそれぞれの機能と互いの関係は、実施形態１，２の場合と同じであるので、本実施形態のレチクル或いは計測ユニットを用いても、実施形態１，２と同様に投影光学系の波面収差の計測ができる。
また、光学特性計測ユニットを２つのプレートにより構成する形態として、図１２に示すように、拡散手段としての凸レンズ（正レンズ）１７をピンホール１６の上に配置させたピンホールプレート９ａと、テストパターン１５のマーク ２０ａを上面（或いは下面）に形成したパターンプレート９ｂとを有する形態がある。この際、凸レンズ１７とピンホール１６を有する遮光部は、ピンホールプレート９ａの上面と下面のどちらの面に形成しても良い。
図１、２で示す投影露光装置は、レチクルの汚染を防止する為にレチクル上方に不図示の防塵ガラスが設けてあるので、光学特性計測ユニットを２つのプレートにより構成する形態を採る場合には、同防塵ガラスを着脱可能とし、同防塵ガラスと、同２つのプレートのうちの上側（光源側）のプレート、例えば図１１、１２、２０〜２２のプレート９ａとを、互いに交換可能にすると便利である。
図１１と図１２の光学特性計測ユニットを用いて投影光学系の波面収差を計測する際の計測手順を図１６に従って説明する。
本実施形態での計測手順と実施形態１、２での計測手順（図１５参照）との大きな違いは、ピンホール１６の中心とテストパターン１５の中心を合致させるための位置あわせ動作が組み込まれていることである。
図２に示す露光装置内にあるテストレチクル９（基板の表面（下面）にテストパターン１５が形成され且つ基板の裏面（上面）にピンホール付き遮光部が形成されていない、プレート９ｂ）を、レチクルステージ１８上にロードする。同様に、露光装置内にあるピンホールプレート９ａを上記テストレチクル９とスコープ１９の間にロードする。この時、ピンホールプレート９ａ上にあるピンホール１８又は１６の中心はメカ精度内の誤差で所定のＸＹ位置に設定される。
次に、スコープ１９でテストレチクル９の位置合わせマークとレチクル基準マーク２１とを観察してレチクル９と装置本体の相対位置ずれを検出し、両者の位置合わせを、レチクルステージ２０によってテストレチクル９をＸ、Ｙ方向へ移動させその位置を調整することにより行なう。テストレチクル９の位置合わせ終了後、スコープ１９は波面収差計測の為の観察位置（照明位置）へ移動し、同時にウエハステージ１２上の検出系１１も波面収差計測の為の観察位置（検出位置）である所定の（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標位置に移動する。そして、スコープ１９と検出系１１を使ってテストパターン１５のうちの所定のパターンの像の中心位置の基準位置からのずれ量の計測を行う。更に検出系１１をＺ方向（光軸１０ｂ方向）に所定量移動して先の計測とは異なるＺ（方向）位置での同じ所定のパターンの像の中心位置の基準位置からの位置ずれ量を計測することを、幾つか行う。
この時、計測するパターンは、テストパターン１５を構成する全パターン（格子状マークの全ライン）である必要は無い。ここでは、テストパターン１５の中心に縦と横のラインがあるとして、この縦横の２ラインの各パターンに関して，それらの像の中心位置の基準位置に対する位置（ずれ）を計測する。
投影レンズ１０のテレセン度（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）が理想的な状態であるとして、パターンプレート９ｂのテストパターン１５の中心とピンホールプレート９ａのピンホール１６の中心のＸＹ面内での位置ずれｄｘ、ｄｙは、先のＺ位置ごとの縦横２ラインの各パターン像の位置ずれ量ｄｓｘ／ｄＺ，ｄｓｙ／ｄＺに比例するので、次の式で表すことができる。
ｄｘ＝ｔ・ｍ・ｄｓｘ／ｄＺ
ｄｙ＝ｔ・ｍ・ｄｓｙ／ｄＺ
ｔ・・・ピンホール１６とテストパターン１５間の光学距離
ｍ・・・投影光学系１０の縮小率
ｄｓｘ／ｄＺ，ｄｓｙ／ｄＺ・・・位置ずれフォーカス変化
スコープ１９と検出系１１を用いた計測結果と上記各式から、ピンホール１６とテストパターン１５の位置ずれ量が算出されるから、レチクルステージ２０をこの位置ずれ量分移動させることによりレチクル９のテストパターン１５を移動させ、テストパターン１５の中心とピンホール１６の中心のＸＹ面内での位置合せを行う。この時、スコープ１９をレチクル基準マーク位置まで移動させて、テストレチクルの９の位置合わせマークとレチクル基準マーク２１を観察することによりレチクルステージ２０の移動量を計測し、残差を再度レチクルステージ２０の駆動系にフィードバックするといったクローズドループも可能である。位置ずれ量ｄｘ、ｄｙが許容値内に入るまで、この位置合わせ工程を繰り返し、許容値に入ったら、その後は、図１５のフローと同じ計測手順で投影光学系１０の波面収差の計測を行う。なお、波面収差の計測に露光用の照明系を使う場合には、照明光の邪魔にならないようにスコープ１９を退避させる。
以上実施形態１〜３等の例をあげて、露光装置の照明系と検出系を使用して投影光学系１０の波面収差を計測定する為に用いるテストレチクルの幾つかの実施形態について述べた。
このテストレチクルの各パターンの空中像は数μｍと大きいため、光電検出器１１ｃの代わりに、拡大光学系を組まずに直接、パターンの結像面にＣＣＤやリニアーセンサーを置いて空中像の光強度分布又は光量分布を検出すること可能であり、空中像（パターン像）の光強度分布又は光量分布を検出する際にウエハステージ１２をＸ−Ｙ駆動が不要である。
また、テストパターン１５（ＴＰ）の各パターンの像の位置を検出するのには、他にも、ウエハステージ１２上に設けたフォトクロミック材料の層を形成した基板上に、このパターン像し、オフアクシスアライメント検出系１４を使用して、転写した各パターン像の中心位置を測定することも可能である。この場合、ある種のレジストに各パターン像を転写した場合に比して、現像処理を行う必要がない。
図２に示すように、得られた計測値を本体系にフィードバックすることで駆動手段１６１により投影光学系１０内にある補正光学系１６２を駆動させたり、図１７に示すように、波長可変手段１７１でレーザー１７２からの発振波長の中心波長を変える等の補正手段により露光装置の収差自動補正に適用できる。尚、図１７は実施形態１において、光源として、レーザ１７２を用いた場合を示しており、基本的な構成は図１と同じである。
また、本発明の光学特性計測方法を、他の計測システム例えば干渉計を使う光学特性計測システムのキャリブレーション技術として使用することも可能である。現在は、干渉計を搭載した投影露光装置や、投影露光装置内の投影光学系の収差が計測可能な工具は存在していない。
従って、投影露光装置内における投影レンズの波面収差量は、露光装置生産工場内の干渉計システムでレンズ単体で計測された投影レンズの波面収差量で置き換えられている。つまり干渉計システム上と露光装置本体上の両者間での環境の違い等による投影レンズの波面収差の差を保証する必要がある。
そこで露光装置への負荷やシステム負荷の少ない本方式を使って、露光装置本体上と干渉計システム上の両方で投影レンズの波面収差計測を行い、露光装置生産工場内の干渉計システムによる計測結果（波面収差量）を校正する。
次の実施形態４では、テストパターン１５の各パターンの像を感光基板（ウエハ）Ｗへ転写し、転写した各像を現像して、現像後の各転写像の中心位置を計測する手順を含む光学特性計測方法について説明する。使用するテストパターンは図７と図８とに示す２タイプのパターンであり、共通のテストレチクル９上に形成されている。
レチクル９を用いて投影光学系の光学特性を計測する露光装置は、ここでも、図１、図２、或いは図１７に示す投影露光装置である。
図７のテストパターンは、実施形態１〜３説明したとおり、グリッド状のマークを成すパターン群２０ａで構成してある。パターン群の各パターンＴＰＸ、ＴＰＹは図５Ａや図５Ｂに示す形状を有するが、本実施形態４では、図５Ｂに示す形状を有する、ウエハ上で幅２〜３μｍのパターンを形成するタイプのマークを使用する。
また、このテストパターン１５が表面に形成されたレチクルの裏面にはマーク２０ａの中心と中心位置が一致するピンホールを有する遮光部が形成されている。このレチクルは実施形態１、２と同様に図９や図１０で示す基本構成を有するが、実施形態１，２とは異なり、新たなパターンとして、図８に示すグリッド状のマーク２１ａを持つ。
グリッド状のマーク２１ａは、テストパターン１５の各パターンの相対位置ずれ量を測定するためのリファレンスパターン群であり、テストパターン１５のマーク２０ａとは異なり，その上方（有効光源側）にはピンホールを有する遮光部は無く、照明系からの光束がグリッドマーク２１ａの各リファレンスパターンに均等に照射され、各リファレンスパターンは、互いにほぼ同じ強度の光束で互いに同じ方向から照明され、投影光学系１０を介して感光基板上に結像する。
本実施形態４のテストレチクルの一例の部分的断面図を図１３、図１４に示す。図１３は、テストレチクル９の基板の裏面（上面）にピンホール１６を有する遮光部を形成し、基板の表面（下面）にテストパターンとしてのリファレンスパターン群１８、パターン群２０ａを形成した例である。
図１４は、基板の表面（下面）にテストパターンとしてのリファレンスパターン群１８とパターン群２０ａを形成したパターンプレート９ｂと、別の基板の裏面（上面）にピンホール１６を有する遮光部を形成したピンホールプレート９ａの２枚のプレートを使用した例である。
図１３及び図１４のどちらのレチクルも、ピンホール１６内に散乱素子又は格子パターンを有し、これらピンホール内素子の作用で、σ＞１の条件で、パターン群２０ａを照明する。
次に、本実施形態４の光学特性計測手順を説明する。
通常の照明条件（１．０＞σ＞０．７）でテストレチクル９を照明し、テストパターンのマーク２０ａ、２１ａを照明し、投影光学系１０を介して各パターンの像を感光基板上に投影露光する。
次に、マーク２０ａとマーク２１ａが位置的に重なり合うようにウエハステージ１２、もしくはレチクルステージ２０を移動させ、この位置関係で、通常の照明条件でマーク２０ａおよび２１ａを照明し、散乱素子や格子パターンや凸レンズの作用でσ＞１．０の照明条件でテストパターンを照明し、パターン群２０ａの各パターンに互いに異なる方向から光束を照射し、投影光学系１０を介して各パターンの像を感光基板上に投影露光する。
これらの投影露光により、図６に示すように、マーク２０ａとマーク２１ａの各パターン群の像が感光基板上に転写される。この感光基板を現像した後、対応するパターン像同士の相対位置ずれ量を公知の測定機を使って測定する。得られた相対位置ずれ量を使った計算処理を行って、投影光学系１０の瞳面１０ａにおける波面を求め、光学系１０の波面収差や各種収差（ザイデルの５収差）を得る。また計測した収差の状況を本体系にフィードバックすることにより投影レンズの収差補正が可能である。
更に、図２２に示すように、テストパターン１５およびピンホール１６を同一のレチクル９の異なる像高の数箇所に配置しておけば、互いに異なる複数の像高での波面収差の計測が可能である。
図１３のテストレチクルを用いて計測を行う場合の手順を図１８に、図１４のテストレチクルを用いて計測を行う場合の手順を図１９に示す。ピンホールプレート９ａを使用する露光手順も図１９に示すような手順で行われる。
本発明の実施形態５としてのテストレチクルの他の実施例を図２０に示す。本テストレチクルを用いて投影光学系の光学特性を計測する露光装置は、ここでも、図１、図２、或いは図１７に示す投影露光装置である。
図２０に示すレチクルはピンホール１６を持つ遮光部およびテストパターンのパターン群２０ａをそれぞれ共通のプレート（ガラス）９ｂの上面（裏面）と下面（表面）に形成し、パターン群２０ａをσ＞１．０の照明条件で照明するための光拡散用の散乱素子２２を下面に形成したプレート（ガラス）９ａを、パターンプレート９ｂの上方に配置する例である。拡散用の散乱素子２２として、光を散乱させるすりガラス、光を散乱させるＣＧＨ等の回折格子を用いる。このような光を散乱させる散乱素子２２を用いる場合は、先の実施形態と同様に、照明系において中心よりも周辺の方が明るい有効光源を形成し、その寸法・形状の最適化を行う事によってピンホール１６やテストパターン２０ａ上での照度ムラをなくし、照度分布を均一にする。
この際の照度の均一とは、パターン群２０ａの各パターンを互いに異なる方向から照射する複数の光束の強度が互いにほぼ均一になる状態である。このような状態にすると、各パターン像を露光する際の露光量がほぼ同じになり、各パターン像の線幅が互いに同じにでき、パターン像の位置ずれ検出あるいは収差計測における露光量に依存した誤差を軽減できる。
散乱素子２２を持つプレート９ａの配置位置はテストレチクル９の有効光源側（上方）であれば何処でも良く、図２，１７の投影式レチクルブラインド６の付近やその他照明系の内部の所望の位置に配置できる。また、プレート９ａは、前述したとおり、レチクルステージの真上の防塵ガラスと交換して同防塵ガラス位置に配置するようにすると便利である。なお、防塵ガラスとプレート９ａを保持する部材は、照明系に固定されていても、本体（投影光学系）に保持されていてもいい。
本発明の実施形態６としてのテストレチクルの他の実施例を図２１に示す。本テストレチクルを用いて投影光学系の光学特性を計測する露光装置は、ここでも、図１、図２、或いは図１７に示す投影露光装置である。
図２１に示した例は、図１１と図２０の変形例で、テストパターンのパターン群２０ａはパターンプレートｂの表面（下面）上に形成し、ピンホール１６を持つ遮光部と光拡散用の散乱素子２２とは別のピンホールプレート９ａ上に形成し、プレート９ａをレチクル９ｂの上方に配置したものである。
図２１に示した２つのプレートを持つ構造により、ピンホール１６の中心とパターン群２０ａの中心同士の位置合せをレチクルステージ２０を移動させることにより行える。また、アライメントマーク２３をレチクル９ｂおよびプレート９ａに持たせ、スコープ１９により両者のマークを観察することにより両プレートの相対ずれ量を直接計測することも可能である。
ピンホール１６の中心とテストパターン２０ａ中心間の水平方向のずれは投影レンズ１０の瞳中心からの結像光線ずれとなるため、波面算出を行う際の基準座標（瞳中心基準）と実際に計測された計測ポイントの座標が異なる結果となり、波面収差計測における一つの誤差要因となる。そこで図１１や図２１の計測ユニットのように、ピンホール１６とテストパターン２０ａを互いに異なるプレート上に形成し、レチクルステージ２０で両者の合わせこみを行う事により計測精度を上げることができる。
レチクル９のガラス基板（プレート）の上面と下面にそれぞれピンホール１６を持つ遮光部とテストパターンのパターン群２０ａを配置する場合、図２２に示す様にピンホールとテストパターン２０ａのセットを複数組、隣り合うようにし、且つそれぞれのセットにおいてピンホールの中心とテストパターンの中心を予め互いに異なる量だけ少しずらして設計し、ピンホール１６を持つ遮光部とテストパターンのパターン群２０ａをガラス基板上に形成する。そうする事で，一番ずれの小さなセットを選んで光学特性の計測に使用し、計測精度を上げることが出来る。
［産業上の利用可能性］
以上、本発明によれば、光学系の光学特性、例えば波面収差、を高精度に計測するのに好適な光学特性計測方法及びそれに用いるレチクルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の実施形態１に係る投影露光装置の要部概略図
図２は本発明の実施形態２に係る投影露光装置の概略図
図３は図２の検出系１１の説明図
図４はパターン像の光強度分布の説明図
図５は本発明に係るテストパターンのパターン構成を示す説明図
図６は本発明に係るテストパターンの具体的配置を示す説明図
図７は図６のマーク２０ａを示す説明図
図８は図６のマーク２１ａを示す説明図
図９は本発明に係るテストレチクルの一例の断面図
図１０は本発明に係るテストレチクルの他の例の断面説明図
図１１は本発明に係るテストレチクルの更に別の例の、パターンプレートおよびピンホールプレートの断面説明図
図１２は本発明に係るテストレチクルのパターンプレートおよびピンホールプレートの断面説明図
図１３は本発明に係るテストレチクルの更に別の例の、断面説明図
図１４は本発明に係るテストレチクルの更に別の例の、パターンプレートおよびピンホールプレートの断面説明図
図１５は本発明に係る収差測定のフローチャート図
図１６は本発明に係る収差測定のフローチャート図
図１７は本発明に係る露光装置の他の例を示す概略図
図１８は本発明に係る収差測定のフローチャート図
図１９は本発明に係る収差測定のフローチャート図
図２０は本発明に係るテストレチクルの更に別の例の、パターンプレートおよびピンホールプレートの断面説明図
図２１は本発明に係るテストレチクルの更に別の例の、パターンプレートおよびピンホールプレートの断面説明図
図２２は本発明に係るテストレチクルの更に別の例の、パターンプレートおよびピンホールプレートの断面説明図

Claims (26)

1. 投影光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法において、
   複数個のパターンを有するレチクルを供給し、
   開口（アパーチャー）からの散乱光を前記複数個のパターンに向けることにより、前記複数個のパターンに互いに異なる方向から光束を照射し、それにより前記投影光学系を介して前記複数個のパターンの像を形成し、
   前記複数個のパターン像のそれぞれの位置を検出し、該検出結果を用いて前記投影光学系の光学特性を求めることを特徴とする光学特性計測方法。
2. 前記開口を有する遮光部材は前記レチクル上にあることを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
3. 前記開口を有する遮光部材は、前記レチクルの上方にあることを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
4. 前記散乱光を形成する散乱部を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の光学特性計測方法。
5. 前記散乱部は、前記開口内にあることを特徴とする請求項４に記載の光学特性計測方法。
6. 前記散乱部は、光源と前記開口の間にあることを特徴とする請求項４に記載の光学特性計測方法。
7. 例えば輪帯状の中央が周辺よりも暗い有効光源により前記散乱部を照明することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
8. 前記開口はピンホールであることを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
9. 前記パターンは、前記投影光学系の瞳面に所定の周期成分を発生させる開口部と、該開口部の両側に在って且つ前記投影光学系の瞳面において前記周期成分とは異なる周期成分を発生させる周期的な開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
10. 前記パターンは、その繰り返し方向に関して、中心から周辺にかけてスペース間のピッチは実質的に一定で且つスペースの幅は徐々に減少し且つ前記投影光学系により前記ライン間が解像しないライン＆スペースを有することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
11. 前記パターンは、実質的に０次光のみを前記投影光学系の像平面へ向けるライン＆スペースを有することを特徴とする請求項１に記載の計学特性計測方法。
12. 前記検出ステップは、前記ライン＆スペースの空中像を光電変換する段階を有することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
13. 前記検出ステップは、前記ライン＆スペースの像で感光基板を露光する段階と、該感光基板を現像する段階とを有することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
14. 前記光学特性は波面収差を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
15. 請求項１に記載の計測方法により投影光学系の光学特性を計測するモードを有し、前記レチクルが装置に供給された際に前記テストパターンに照明光を照射する照明系を有することを特徴とする投影露光装置。
16. 請求項１５に記載の投影露光装置にデバイス製造用のレチクルを供給し、該レチクルのパターンを基板に露光することを特徴とするデバイス製造方法。
17. 基板の表面に形成した複数個のパターンと、
    前記基板の裏面に形成した、開口を有する遮光部と該開口から散乱光を出すための光散乱部とを有することを特徴とするレチクル。
18. 前記開口はピンホールであることを特徴とする請求項１７に記載のレチクル。
19. 前記光散乱部を前記開口内に有することを特徴とする請求項１７に記載のレチクル。
20. 投影光学系の光学特性を計測するための計測ユニットであって、基板の表面に複数個のパターンを形成したレチクルと、該レチクルの前記基板の裏面側に設けられた、開口を有する遮光部と該開口から散乱光を出すための光散乱部とを有することを特徴とする計測ユニット。
21. 前記開口はピンホールであることを特徴とする請求項１７に記載のレチクル。
22. 前記遮光部が前記基板の裏面に形成してあり、前記光散乱部が他の基板上に形成してあることを特徴とする請求項２０に記載の計測ユニット。
23. 前記光散乱部が前記他の基板の前記レチクル側の面に形成してあることを特徴とする請求項２１に記載の計測ユニット。
24. 前記遮光部と前記光散乱部とが他の基板の上に形成してあることを特徴とする請求項２０記載の計測ユニット。
25. 前記遮光部は前記他の基板の前記レチクル側の面に形成してあり、前記光散乱部は前記他の基板の前記レチクル側とは反対側の面に形成してあることを特徴とする請求項２３に記載の計測ユニット。
26. 前記遮光部と前記光散乱部は前記他の基板の前記レチクル側とは反対側の面に形成してあることを特徴とする請求項２３に記載の計測ユニット。

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