JP2000294488A - 投影露光装置の波面測定方法、及び投影露光装置 - Google Patents

投影露光装置の波面測定方法、及び投影露光装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】投影露光装置において、露光や環境変化により
微妙に変化する投影光学系の結像性能を把握する為、波
面収差を精度良く、かつ、高速に計測すること。 【解決手段】投影露光装置において、像面光強度測定装
置を配置し、露光負荷や環境変化により光学特性が変化
した状態の投影光学系のフォーカス面における光強度分
布の計測値と、予め記憶している投影光学系の基準状態
の瞳面光強度分布から、投影光学系の波面収差を位相回
復法により算出する機能を備えたことを特徴とする投影
露光装置の波面測定方法、及び投影露光装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マスク上のパター
ンを投影光学系を介して感光性の基板に転写する、半導
体素子を製造する等のリソグラフィ工程で使用される投
影露光装置の波面測定方法、及び投影露光装置に関する
ものある。
【０００２】
【従来の技術】半導体素子等を製造するフォトリソグラ
フィ工程では、レチクルやフォトマスク（以下、レチク
ルと総称する）に形成された回路パターンを感光剤が塗
布された半導体ウエハ等に転写する投影型露光装置が使
用される。この種の露光装置では、レチクル上のパター
ンを所定の倍率（縮小率）で正確にウエハ上に転写する
ことが要求されており、結像性能のよい、収差を抑えた
投影レンズを用いることが重要となってきている。特
に、近年、半導体デバイスの一層の微細化要求により、
投影レンズで転写できる結像性能限界のパターンを転写
することが多くなってきた結果、転写するパターンは光
学系の収差に対しより敏感になっている。その為、投影
レンズの結像性能を測定し、制御したいという要求が生
じ、該測定、制御に対し様々な方法が考案されている。
【０００３】投影レンズの結像性能測定の１つの方法に
位相回復法がある。位相回復法は、主に電子顕微鏡や大
きな収差が存在する天体望遠鏡等の光学系における解像
度向上に用いられてきた方法で、複数位置、例えば、フ
ォーカス面、瞳面、デフォーカス位置等における像の強
度分布から像の位相分布を求め、該位相分布から光学系
の波面収差を算出するものである。
【０００４】通常の位相回復法のアルゴリズムを図4に
示す。まず、計測したフォーカス面での強度分布に、任
意に位相を与えた後、フーリエ変換し、瞳面での複素振
幅分布を求める。次に、得られた複素振幅分布のうち、
位相部はそのままとし、強度部にあたる絶対値のみを実
際の測定値に応じた値（瞳面での強度の平方根）に置き
換えて、該新たな複素振幅分布とする。この新たな複素
振幅分布を逆フーリエ変換し、フォーカス面上での複素
振幅分布を求め、再び、位相部のみそのままとし、強度
を実測値に置き換える。
【０００５】以上の計算を繰り返し行って収束させるこ
とで、フォーカス面及び瞳面での複素振幅分布が算出さ
れる。瞳面での複素振幅分布の位相分布からレンズの波
面収差を算出することができる。
【０００６】またフォトリソグラフィのように瞳面での
強度分布測定が難しい場合、別の方法としてJ.J.A.P V
ol.36 1997 pp.7494-7498の発表がある。この方法で
は図５に示すように瞳面を介して、フォーカス面とデフ
ォーカス面との間で、変換-逆変換を繰り返して、フォ
ーカス面での複素振幅分布とデフォーカスした面での複
素振幅分布を算出し、該算出結果から瞳の位相分布、す
なわち投影光学系の波面収差を求める。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】一般に投影露光装置に
おいては、瞳上の強度分布を直接測定することが難しい
ため、前記位相回復法で投影光学系（投影レンズ）の瞳
の位相分布である波面収差を求める時、フォーカス面と
デフォーカス面の光強度分布を測定することが必要であ
った。
【０００８】光強度分布の測定においては、フォーカス
面とデフォーカス面それぞれにおける光強度分布の計測
時間だけではなく、光強度分布測定装置の移動時間と投
影光学系波面収差算出時間も重要な要素である。該2つ
の時間のいずれかでも大きい場合には、投影光学系が露
光中に露光光吸収により起こす微妙に変動する収差を測
定することが困難である。
【０００９】本発明の目的は、通常の静的な状態だけで
なく、露光により微妙に変化する投影光学系の動的な結
像性能を任意の時間で把握することのできる高速、かつ
高精度な波面収差測定機能を持つ投影露光装置を提供す
ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決する
為、本発明の投影露光装置の波面測定方法、及び投影露
光装置では、露光の基準状態における瞳面光強度分布を
予め求めておくことを特徴としている。露光中の任意の
状態における投影露光レンズの波面収差は任意の状態の
像面光強度分布を測定値と、前記基準状態における瞳面
強度分布を参照しながら位相回復法を用いて求められ
る。尚、ここで任意の状態は基準状態における投影光学
系の光学特性が露光負荷、又は、環境変化（気温、気
圧、湿度、など）に起因して変化した任意の時点での状
態を示す。
【００１１】
【発明の実施の形態】図1〜図３は本発明の実施形態の
説明図である。
【００１２】図3は本発明の実施形態1の投影露光装置の
要部概略図である。同図において2は原板のレチクル
（フォトマスク）で、該レチクル2上の回路パターンが
投影光学系（縮小投影レンズ）1によって、保持手段で
あるXYZステージ4上のウェハー3上に縮小されて結像
し、露光が行われる。投影光学系1は入射側及び出射側
で共にテレセントリックになっている。
【００１３】XYZステージ4は縮小投影レンズ1の光軸方
向（Z方向）及び光軸方向に直交する面内（X−Y面）で
移動可能で、ステージ駆動ユニット5により制御されて
いる。ウェハー回路パターンを転写するとき、不図示の
照明光学系からの光束ILがレチクル2の回路パターンの
転写が行われる画面領域内を照明する。
【００１４】図3では、ウェハー3に隣接する位置にウェ
ハー3の上面と高さがほぼ一致した面を持つ光強度測定
装置8が配置されている。光強度測定装置8により計測さ
れた像面光強度分布データを波面収差演算装置11を用い
て計算することにより、投影光学系1の波面が後述の算
出アルゴリズムで算出される。
【００１５】続いて本発明の実施形態1の図3の投影露光
装置を用いて、位相回復法により投影光学系1の波面収
差を算出する方法を説明する。尚、以下の説明では“状
態1”が基準となる状態、“状態2”は“状態1”の基準
状態における投影光学系の光学特性が露光負荷、又は、
環境変化（気温、気圧、湿度、など）に起因して変化し
た状態を示す。“状態2”で投影光学系の波面収差を測
定するということは任意の時点で投影光学系の性能を把
握できることを意味することになる。
【００１６】本発明では状態1の瞳面の光強度分布|bm|
を、フォーカス面とデフォーカス面の光強度分布を用い
た従来の位相回復法により、予め求めておくことを特徴
としている。一方、露光波長の照明光束ILでレチクル2
のパターンを照明して形成された状態2の像は光強度検
出装置8上に結像され、該光強度分布|am|（フォーカス
面での強度分布）が光強度検出装置8により計測され
る。予め求めてある状態１の瞳面の光強度分布|bm|と、
新たに測定した状態2の光強度分布|am|を用いれば、後
述の位相回復法により投影光学系の波面収差を算出する
ことができる。瞳面の光強度分布はレチクル上のパター
ンと照明光学系の有効光源分布により決定される。ま
た、照明光学系の有効光源分布は強度分布が一定になる
ように管理されているので、状態1と状態2で同一となっ
ている。
【００１７】次に縮小投影レンズ1の波面収差の算出に
ついて、図1を用いて説明する。まず、状態2の像面光強
度分布|am|に任意の初期位相を与え、フーリエ変換を行
なって状態２の瞳面複素振幅分布を求める。次に、得ら
れた状態2の瞳面複素振幅分布のうち、位相部はそのま
まとし、強度部にあたる絶対値のみを既知量である状態
１の瞳面光強度分布|bm|に置き換え、新たな複素振幅分
布とする。この新たな複素振幅分布を逆フーリエ変換
し、フォーカス面上での複素振幅分布を求め、再び、位
相部のみそのままとし、強度を状態1の像面光強度分布|
am|に置き換える。以上が1つの計算ループで、該ループ
終了後、所定の収束条件が満足されなければ続いて再び
フーリエ変換から瞳面複素振幅を求める作業に入る。
【００１８】該計算を繰り返し行って収束させることに
より、状態2におけるフォーカス面及び瞳面での複素振
幅分布が算出され、瞳面での複素振幅の位相分布から、
縮小投影レンズ1の波面収差を算出することができる。
以上の計算では、状態1と状態2における瞳面光強度分布
が、フォーカス面の振幅分布のスペクトルである為、置
き換え可能であることを利用している。
【００１９】上記位相回復法をフローチャートで示した
のが図2である。まず初回ループ時には、状態２のフォ
ーカス面画像を計測し光強度分布|am|を算出するが、計
測で得られるのは光強度分布のみであるため、位相情報
は欠落している。次に、状態2におけるフォーカス面の
光強度分布に初期位相を与えて複素振幅化した後、フー
リエ変換を行ない状態2の瞳上の複素振幅分布に変換す
る。次いで、既知である状態1の瞳面光強度分布|bm|を
呼び出し、位相項をそのままにして状態2の瞳面光強度
分布を状態1の光強度分布に置き換えて新しい複素振幅
分布を作成する。その後、該新しい複素振幅分布に逆フ
ーリエ変換を行って、状態2の像面上の複素振幅分布に
変換する。変換した結果、測定されている状態2の像面
光強度分布と今回の逆フーリエ変換で計算された状態2
の像面光強度分布の差が一定値以下なら計算ループは終
了となり、一定値以上ならループを繰り返す。
【００２０】ループの2回目以降では、状態2の像面光強
度分布を計測する必要はなく、1回目のループで測定し
た状態2の像面光強度分布を呼び出せば良い。2回目以降
の位相の出発値は、前回のループで計算した最終位相値
が用いられる。従って、本計算ループでは既知量である
状態1の瞳面強度|bm|と状態2の像面強度|am|の値を計算
毎に元に戻し、最終的に像面と瞳面のフーリエ変換関係
がマッチングする様に位相分布を収束させることにな
る。
【００２１】以上のように、本実施形態では状態2の像
面光強度分布|am|は最初に1回だけ計測すればよい。従
って、本特許で提案した位相回復法を用いる縮小投影レ
ンズ1の波面収差を求めるステップでは、 1)状態2の像面光強度分布|am|の測定 2)フォーカス面と瞳面の振幅分布置換（FFT・iFFT） という2つの動作を行なえば良い。
【００２２】1)の光強度測定には、CCDを用いた画像計
測やフォトディテクタを用いたナイフエッジ法などが用
いられる。CCD計測に要する時間は1秒以下で、ナイフエ
ッジ法の場合の計測時間はCCD計測の数倍が必要とされ
る。
【００２３】また、2)の振幅分布置換のループは通常、
数十回程度のループを要し、時間的には数秒程度が必要
とされる。
【００２４】ここで、従来の位相回復法と本実施形態と
の波面収差算出時間を比較してみると次のようになる。
【００２５】従来の位相回復法に求められるステップは I ）フォーカス面の像面光強度分布|am|の測定 II ）フォーカス面からデフォーカス面への光強度検出
装置の移動 III）デフォーカス面の像面光強度分布|bm|の測定 IV ）フォーカス面と瞳面の振幅分布置換（FFT・iFFT） となっており、本特許の位相回復法に比べて、II）とII
I）のステップが増えている。
【００２６】I）は1秒以下、II）は数秒程度、III）は1
秒以下、IV）は数秒程度であるため、本特許において提
案した位相回復法を採用すれば、投影光学系（縮小投影
レンズ）の波面測定・算出に必要な時間は従来の約半分
となり、大幅な高速化が実現できることになる。
【００２７】投影光学系の波面収差は、露光負荷、又
は、環境変化（気温、気圧、湿度）に起因して短時間に
微妙に変化しており、波面収差の計測前後においても差
が生じる。このため、計測時間を短縮して変化の影響を
少なくし、投影光学系の性能を任意の時点で時間の関数
として正確に把握することが、投影露光装置にとってま
すます重要になっている。本特許で提案した位相回復法
を用いれば、計測が一回ですむため計測時間を最短とす
ることができ、高精度な波面収差測定が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の投影露光
装置の波面測定方法、及び投影露光装置では、投影光学
系の基準状態の瞳面光強度分布を予め記憶しておくこと
により、基準状態から変化した状態での投影光学系の波
面収差を、画像計測1回という最小回数で求めることが
可能となった。したがって、周囲に状況によって短時間
の間でも微妙に変化する投影光学系の波面収差を任意の
時点で高速、かつ、高精度に算出できるようになり、投
影露光装置の性能向上に大きく寄与することが可能とな
った。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本特許が提案する位相回復法を説明する図
【図２】 本特許が提案する位相回復法を説明するフロ
ーチャート
【図３】 本特許が提案する位相回復法を投影露光装置
において実施した例を示す図
【図４】 従来の位相回復法を説明する図
【図５】 従来の位相回復法を投影露光装置に適用した
場合を説明する図
【符号の説明】
1 投影レンズ 2 レチクル 3 ウエハ 4 ウエハステージ 5 ステージ駆動装置 8 光強度測定装置 11 波面収差演算装置 1L 照明光束 AX 投影レンズの光軸

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第1の物体上に形成されたパターンを投影
    光学系を介して第2の物体上に結像させて露光する投影
    露光装置において、該投影光学系の基準状態の瞳面光強
    度分布を記憶し、該記憶値を用いて該投影光学系の任意
    の状態における波面収差を検出することを特徴とする投
    影露光装置。
  2. 【請求項２】該投影露光装置が、該投影光学系の性能を
    像面で計測する光強度分布測定機を備えていることを特
    徴とする請求項１記載の投影露光装置。
  3. 【請求項３】該投影光学系の前記任意の状態における波
    面収差の算出を位相回復法を用いて行うことを特徴とす
    る請求項2記載の投影露光装置。
  4. 【請求項４】該基準状態の瞳面光強度分布の記憶値を位
    相回復法で求めた値を用いることを特徴とする請求項３
    記載の投影露光装置。
  5. 【請求項５】位相回復法を用いて該投影光学系の波面収
    差の計算の過程毎に瞳面の振幅分布の絶対値として該記
    憶値、像面の振幅分布の絶対値として該光強度分布測定
    機の計測値を用いることを特徴とする請求項３又は４記
    載の投影露光装置。
  6. 【請求項６】第1の物体上に形成されたパターンを投影
    光学系を介して第2の物体上に結像させて露光する投影
    露光装置の投影光学系の波面測定方法において、該投影
    光学系の基準状態の瞳面光強度分布を記憶し、該記憶値
    を用いて任意の状態における該投影光学系の波面を検出
    することを特徴とする投影露光装置の波面測定方法。
  7. 【請求項７】該投影露光装置の波面測定方法において、
    前記任意の状態における該投影光学系の光強度分布を像
    面で計測した値と、該記憶値を用いて算出することを特
    徴とする請求項６記載の投影露光装置の波面測定方法。
  8. 【請求項８】前記任意の状態における該投影露光装置の
    波面の算出を位相回復法を用いて行うことを特徴とする
    請求項７記載の投影露光装置の波面測定方法。
  9. 【請求項９】該基準状態の瞳面光強度分布の記憶値を位
    相回復法で求めた値を用いることを特徴とする請求項８
    記載の投影露光装置の波面測定方法。
  10. 【請求項１０】位相回復法を用いて該投影光学系の波面
    収差の計算の過程毎に瞳の振幅分布の絶対値として該記
    憶値、像面の振幅分布の絶対値として前記任意の状態に
    おける該投影光学系の像面における光強度分布の計測値
    を用いることを特徴とする請求項８又は９記載の投影露
    光装置の波面測定方法。
  11. 【請求項１１】フォーカス面と瞳面がフーリエ・逆フー
    リエの関係にある任意の光学系の波面測定方法におい
    て、該光学系の基準状態の瞳面光強度分布を記憶し、該
    記憶値を用いて任意の状態における該光学系の波面を検
    出することを特徴とする光学系の波面測定方法。
  12. 【請求項１２】該光学系の波面測定方法において、前記
    任意の状態における該光学系の光郷土分布を像面で計測
    した値と、該記憶値を用いて算出することを特徴とする
    請求項１２記載の光学系の波面測定方法。
  13. 【請求項１３】前記任意の状態における該光学系の波面
    の算出を位相回復法を用いて行なうことを特徴とする請
    求項１３記載の光学系の波面測定方法。
  14. 【請求項１４】該基準状態の瞳面光強度分布の位相回復
    法で求めた値を用いることを特徴とする請求項１４記載
    の波面測定方法。
  15. 【請求項１５】位相回復法を用いて該光学系の波面収差
    の計算の過程毎に瞳の振幅分布の絶対値として該記憶
    値、像面の振幅分布の絶対値として前記任意の状態にお
    ける該光学系の像面における光強度分布の計測値を用い
    ることを特徴とする請求項１５又は１６記載の光学系の
    波面測定方法。
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