(57)【要約】【課題】  被検物を高い精度で計測する干渉計測装置を提供する。【解決手段】  干渉計測装置は、広帯域光を分割し、前記分割された広帯域光の一方を参照面で反射させることで生成された参照光と、前記分割された広帯域光の他方を被検物に斜入射させ該被検物で反射させることで生成された測定光と、を合成して干渉光を生成する光学系と、前記光学系により生成された干渉光を検出する検出器と、前記広帯域光が前記検出器に検出される前に前記広帯域光に空間コヒーレンスを与える光学部材と、を備える。前記光学部材は、前記広帯域光、前記参照光、前記測定光および前記干渉光の光路を含む平面に垂直な第１方向よりも前記光学部材に入射する前記広帯域光の光束の断面と前記平面との交線の方向である第２方向に高い空間コヒーレンスを与える。【選択図】  図１
2015021904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計測装置であって、
広帯域光を分割し、前記分割された広帯域光の一方を参照面で反射させることで生成された参照光と、前記分割された広帯域光の他方を被検物に斜入射させ該被検物で反射させることで生成された測定光と、を合成して干渉光を生成する光学系と、
前記光学系により生成された干渉光を検出する検出器と、
前記広帯域光が前記検出器に検出される前に前記広帯域光に空間コヒーレンスを与える光学部材と、を備え、
前記光学部材は、前記広帯域光、前記参照光、前記測定光および前記干渉光の光路を含む平面に垂直な第１方向よりも前記光学部材に入射する前記広帯域光の光束の断面と前記平面との交線の方向である第２方向に高い空間コヒーレンスを与える、
ことを特徴とする干渉計測装置。
【請求項２】
前記光学系により生成された干渉光を分光する分光部をさらに備え、
前記分光部による波長分解方向が、前記第２方向と平行である、
ことを特徴とする請求項１に記載の干渉計測装置。
【請求項３】
前記光学部材は、前記第１方向および前記第２方向に互いに異なる長さの開口が形成されている開口絞りを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計測装置。
【請求項４】
前記開口絞りは、前記光学系のうち前記広帯域光を前記被検物に入射させる照明光学系の瞳位置に配置されることを特徴とする請求項３に記載の干渉計測装置。
【請求項５】
前記開口絞りの開口の短手方向により決定される開口数ＮＡは、前記広帯域光の中心波長をλｃ、前記被検物への入射角度をθｉｎ、前記被検物の前記第２方向の計測レンジをＺｒとするとき、ＮＡ≦０．６１λｃ／（Ｚｒ・sinθｉｎ）を満たすことを特徴とする請求項３または４に記載の干渉計測装置。
【請求項６】
前記開口絞りの開口の短手方向により決定される開口数ＮＡは、前記広帯域光の中心波長をλｃ、前記被検物への入射角度をθｉｎ、前記被検物の第２方向の計測レンジをＺｒとするとき、ＮＡ≦０．３０５λｃ／（Ｚｒ・sinθｉｎ）を満たすことを特徴とする請求項３または４に記載の干渉計測装置。
【請求項７】
前記光学部材は、前記第１方向および前記第２方向に異なる屈折力を有することを特徴とする請求項１または２に記載の干渉計測装置。
【請求項８】
前記光学部材は、シリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の干渉計測装置。
【請求項９】
前記光学部材は、前記光学系のうち前記測定光と前記参照光とを前記検出器に導く受光光学系に配置されることを特徴とする請求項７または８に記載の干渉計測装置。
【請求項１０】
前記分光部は、回折格子または分散プリズムを含むことを特徴とする請求項２に記載の干渉計測装置。
【請求項１１】
前記検出器は、二次元撮像素子であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項１２】
前記被検物を支持して移動するステージと、前記ステージを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記二次元撮像素子の１フレームの撮像の間、前記被検物を移動させることを特徴とする請求項１１に記載の干渉計測装置。
【請求項１３】
前記広帯域光の前記被検物への入射角度を６０度以上とすることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項１４】
前記干渉計測装置は、前記被検物の表面形状を計測することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項１５】
前記被検物は、半透明膜が形成された基板であり、前記干渉計測装置は、前記半透明膜の膜厚を計測することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の干渉計測装置。
【請求項１６】
基板上にパターンを形成するリソグラフィ装置であって、
基板を保持する基板ステージと、
前記基板ステージに保持された基板の表面形状を計測する請求項１４に記載の干渉計測装置と、
を備える、ことを特徴とするリソグラフィ装置。
【請求項１７】
前記リソグラフィ装置は、基板を計測する計測処理を行う計測ステーションと、前記計測処理が行われた基板に露光処理を行う露光ステーションと、を備えた露光装置を含み、
前記干渉計測装置は、前記計測ステーションに配置される、
ことを特徴とする請求項１６に記載のリソグラフィ装置。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載のリソグラフィ装置を用いて基板上にパターンを形成する工程と、
前記工程でパターンが形成された基板を加工する工程と、
を含むことを特徴とする物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計測装置、リソグラフィ装置および物品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
白色干渉計を用いた表面形状の計測装置では、光源から白色光をビームスプリッタで二つに分割した後に斜入射で被検物と参照面とに入射させる。計測装置は、被検物と参照面とでそれぞれ反射した測定光と参照光とをビームスプリッタで重ね合わせた後、撮像素子で取得した干渉光についてピーク位置の検出を行い、被検物の表面位置を計測する。白色干渉計を用いた表面形状の計測装置は、白色干渉の信号特有の短い可干渉距離と、斜入射による基板表面の反射率の向上との二つの効果により、基板上の膜厚むらやパターンによる表裏面干渉に起因した計測誤差を抑制することができる。特許文献１には、分光方式の白色干渉計を用いた表面形状の計測装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１記載の計測装置は、被検物からの測定光と参照面からの参照光とを干渉させた信号を、分光器と二次元撮像素子を用いて取得する。分光器を介して二次元撮像素子から得られた分光信号は、演算手段においてフーリエ変換され、取得した時間領域の白色干渉信号のピーク位置を検出することで基板の表面位置を計測する。このため、特許文献１記載の計測装置では、ＸＹ平面上の各計測点で被検物をＺ方向に機械的な走査を行わなくても表面形状を高速に計測することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開２００７／００８６０１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、一般に、可干渉距離の短い白色干渉計を用いた表面形状の計測装置においては、空間コヒーレンスが低く、計測レンジが狭いという課題がある。ここで、空間コヒーレンスとは、光軸断面における干渉性を意味する。干渉性には、空間コヒーレンスの他に時間コヒーレンスがあり、空間コヒーレンスが光軸断面における干渉性を示すのに対して、時間コヒーレンスは光軸方向の干渉性、すなわち、干渉する光路長の範囲を示す。本発明が解決する課題は、空間コヒーレンスに関する。斜入射干渉計においては、その原理上、被検物の位置が高さ方向にずれると、測定光が参照光に対して光軸断面においてシフトして位置ずれが発生する（以下では、縦ずれと呼ぶ）。ハロゲン光源や白色ＬＥＤ等の低コヒーレント光源を使用する場合は、この参照光に対する測定光の縦ずれにより空間コヒーレンスが低下するため、コントラストの低下に伴い計測精度が低下する。
【０００６】
参照光に対する測定光の縦ずれに伴う空間コヒーレンスの低下を抑制するために、瞳位置に小さな開口数の開口絞りを配置する方法がある。小さな開口数の開口絞りを配置して、点像のぼけ量を大きくし、参照光と測定光の像面での重なり面積を広くすることで、参照光に対する測定光の縦ずれに伴う空間コヒーレンスの低下を抑制することができる。しかしながら、小さな開口数の開口絞りを配置すると信号強度が低下して、信号のＳ／Ｎ比の低下に伴って計測精度が低下する。このため、斜入射白色干渉計においては、参照光に対する測定光の縦ずれに伴う空間コヒーレンスの低下を抑制すると、信号強度の低下により計測精度が低下するという課題がある。
【０００７】
特許文献１には、分光方式の白色干渉計において瞳位置に、開口が矩形の開口絞りを配置する構成について記載されている。しかし、矩形の開口の短手方向と入射面と光束断面の交線方向の関係、及び分光器における入射面と光束断面の交線方向と波長分解方向の関係については記載されていない。分光方式の白色干渉計において高精度な計測を実現するためには、これらの関係が極めて重要なポイントとなるため、特許文献１の記載内容では、被検物の表面形状を高い精度で計測するには不十分である。
【０００８】
そこで、本発明は、被検物を高い精度で計測する干渉計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、干渉計測装置であって、広帯域光を分割し、前記分割された広帯域光の一方を参照面で反射させることで生成された参照光と、前記分割された広帯域光の他方を被検物に斜入射させ該被検物で反射させることで生成された測定光と、を合成して干渉光を生成する光学系と、前記光学系により生成された干渉光を検出する検出器と、前記広帯域光が前記検出器に検出される前に前記広帯域光に空間コヒーレンスを与える光学部材と、を備え、前記光学部材は、前記広帯域光、前記参照光、前記測定光および前記干渉光の光路を含む平面に垂直な第１方向よりも前記光学部材に入射する前記広帯域光の光束の断面と前記平面との交線の方向である第２方向に高い空間コヒーレンスを与える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被検物を高い精度で計測する干渉計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の干渉計測装置の構成を示す図である。
【図２】干渉計測装置における信号処理方法を示す図である。
【図３】空間コヒーレンスと開口数の関係を表す図である。
【図４】図１のＹＺ平面における構成を示す図である。
【図５】開口絞りの効果を示す図である。
【図６】開口絞りの回転ずれによる影響を示す図である。
【図７】第２実施形態の干渉計測装置の構成を示す図である。
【図８】第２実施形態の干渉計測装置の構成を示す図である。
【図９】第３実施形態の干渉計測装置を使用した計測例を示す図である。
【図１０】第４実施形態の露光装置の構成を示す図である。
【図１１】露光装置の計測と露光のシーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、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。また、以下の実施形態で記載する白色光および白色光源からの光とは、広帯域な波長の光を意味するものであり、必ずしも可視領域の光（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）に限定されるものではない。このため、例えば、近赤外の波長帯域の光（例えば、ＳＬＤ）を用いる光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）においても、本発明を適用できることは言うまでも無い。
【００１３】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態における被検物の表面形状の計測する干渉計測装置２００の構成を示す概略図である。第１実施形態では、空間コヒーレンスを生成するために開口絞り１００を用いた場合について説明する。干渉計測装置２００は、被検物である基板（ウエハ）３を一方向（Ｙ方向）に走査させながら、基板３の高さ方向（Ｚ方向）の位置を検出する装置である。干渉計測装置２００は、広帯域光（白色光）を発するハロゲンランプ又はＬＥＤ（白色ＬＥＤを含む）からなる光源１と、レンズ１３ａと、開口絞り１００と、ビームスプリッタ２ａと、参照面４と、レンズ１３ｂと、分光器５０とを含む。干渉計測装置２００は、また、二次元撮像素子（検出器）５８と二次元撮像素子５８で検出された干渉光の電気信号を処理する処理部４００を有する。
【００１４】
各構成要素の機能ならびに実施形態について説明する。図１において、光源１を発した広帯域光を、開口絞り１００を介した後にビームスプリッタ２ａでほぼ半分の光量の２つの光に分離させ、その一方を参照面４に、他方を基板３にそれぞれ斜入射させる。基板３で反射した測定光と参照面４で反射した参照光とをビームスプリッタ２ｂで合成させ、生成された干渉光を分光器５０と二次元撮像素子５８とで受光する。分光器５０は、入射スリット５６と分光部５７（例えば回折格子）と結像光学系１６（ミラー光学系）とにより構成され、入射スリット５６を通過させた光を回折格子５７に入射させる。分光器５０は、回折格子５７により、干渉光を入射スリット５６の短手方向に対して波長毎に一度に回折させ、空間分解方向の広がりと波長分解方向の広がりとを有する分光信号とする。このため、二次元撮像素子５８は、分光信号を一次元位置情報と波長情報として受光する。
【００１５】
例えば、レジスト等の半透過膜が塗布された基板３上のレジスト表面の形状を計測する場合、レジスト表面の反射率を高くする目的で、基板３への入射角度は、レジストのブリュースター角以上の入射角とすることがきる。例えば、入射角度θｉｎは６０度以上とすることできる。この理由として、入射角度の増加に伴って表面からの反射光の強度が相対的に強くなることが挙げられる。例えば、基板３上に数百ｎｍ程度の薄膜（例えばレジスト）が成膜されている場合、受光系で受光する光にはレジスト表面からの反射光とともにレジスト裏面からの反射光が含まれる。
【００１６】
そこで、レジスト表面からの反射光とレジスト裏面からの反射光とを区別して計測する方法として、基板３への入射角度を大きくすることで、レジスト表面からの反射率を高くする方法が提案されている。これにより、レジスト表面からの反射光を、レジスト裏面からの反射光に対して、相対的に強く検出することができる。特に、基板３上の薄膜に対してブリュースター角（偏光角とも呼ばれる）以上の入射角で光を入射させた場合には特別な効果がある。以下、この特別な効果について説明する。ｐ偏光成分の光は、ブリュースター角を境に位相がπずれるという特徴がある。ここで例えばレジストの屈折率を１．５とすれば、空気／レジスト界面のブリュースター角は５６．３度である。また、基板をＳｉとして、屈折率を３．８とすれば、レジスト／基板界面のブリュースター角は６８．５度である。ここで、例えば入射角度を６０度とすると、スネルの法則を用いて、レジストから基板３への入射角度は３５度となり、レジスト／基板界面のブリュースター角より小さい。更に、入射角度を８９度とし、基板３にすれすれの入射角度で入射させたとしても、レジストから基板３への入射角度は４１度であり、やはりレジスト／基板界面のブリュースター角よりも小さい。
【００１７】
したがって、ｐ偏光成分の光は、空気／レジスト界面の入射角以上で入射させた場合、レジスト表面からの反射光とレジスト／基板界面からの反射光とで位相がπずれることになる。一方、ｓ偏光成分の光は、ブリュースター角の前後での位相変化は無い。この結果、レジスト／基板界面からの反射光による干渉光の位相は、ｐ偏光とｓ偏光で位相がπずれることになる。無偏光の光を使用する場合、その干渉光は、ｐ偏光の干渉光とｓ偏光の干渉光の和になるため、レジスト／基板界面からの反射光による干渉光は打ち消されて、コントラストの低い信号となる。この結果、レジスト表面からの反射光による干渉光に対して、レジスト／基板界面からの反射光による干渉光は、更に微弱なコントラストの信号になるため、レジスト表面の形状計測の精度が向上することになる。ここで、レジストのブリュースター角で入射させると、ｐ偏光のレジスト表面反射光が無くなるので、それよりも大きな入射角度、少なくとも６０度以上の入射角度としうる。なお、詳細は特開２００９−２０４５１２号公報を参照されたい。
【００１８】
光源１の波長帯域としては、４００ｎｍから８００ｎｍの波長を使用しうる。但し、光源１の波長帯域は、この範囲に限定されず、１００ｎｍ以上の帯域が使用でき、基板３上にレジストが構成されている場合は、レジストの感光を防ぐ目的で、基板３上には紫外線（３５０ｎｍ）以下の波長の光を照射しない。ビームスプリッタ２ａには、金属膜や誘電体多層膜など膜をスプリット膜としたキューブ型のブームスプリッタの他に、厚さが１μｍから１０μｍ程度の薄い膜（材質はＳｉＣやＳｉＮなど）で構成されるペリクル型ビームスプリッタを使用することもできる。
【００１９】
参照面４には、面精度が５ｎｍから２０ｎｍ程度のガラス平面ミラーを使用しうる。また、基板３上にレジストが構成されている場合には、参照面４の基板および基板上の膜に、レジストの膜に近い屈折率をもつＳｉＯ２やＳｉＮ、ＳｉＣなど材料を使用しうる。なお、白色干渉においてその可干渉距離は数μｍと短いことから、参照面４には裏面で反射した光が干渉しないように、数μｍ以上の厚さの基板を使用すると良い。又は、測定対象となる基板上の膜に近い屈折率の膜を数μｍ以上の厚さで成膜した基板を使用するとよい。
【００２０】
第１実施形態の分光器５０には、一般的な構成であるCzerny-Turnerタイプを使用することができる。また、干渉光を分光器５０へ導く他の構成として、ファイバを使用しうる。干渉光をファイバの入射端に結像させて、ファイバの出射端からの光を分光器５０へ導くことで、二次元撮像素子５８で分光信号を取得しても良い。なお、第１実施形態においては、分光部５７として回折格子の代わりに分散プリズムを使用しても良い。分散プリズムを使用する場合には、透過スリット板などを使用して光源１からの光の計測範囲を規定することにより、表面位置の計測を精度良く行うことができる。
【００２１】
レンズ１３ａは、光源１を基板３上に結像させる機能を有する。またレンズ１３ｂは、レンズ１３ａにより基板３上に投影された光源像を二次元撮像素子５８上に再度結像させる機能を有する。ここで、レンズ１３ａやレンズ１３ｂは、反射型のミラーで構成しても良い。
【００２２】
二次元撮像素子５８には、例えば、二次元ＣＣＤが用いられる。二次元ＣＣＤは、フォトダイオードの光起電力によって生成された電荷を転送して読み出してイメージ情報を得るものであり、電荷転送の方式によってインターライン転送型やフレーム転送型が知られている。このうち、分光測定を行う本第１実施形態では、開口率が大きく、感度が高いため、信号のＳＮ比が高いフレーム転送型の読み出し回路が採用される。フレーム転送型の二次元ＣＣＤでは、受光した光を各画素で電荷として蓄積した後、全て転送して読み出して、１フレームの読み出しが終了する。このため、分光方式で基板３の表面形状を計測する場合、例えば、透過スリット板３０をそのスリットの長手方向がＸ方向となるように配置し、基板ステージＷＳをＹ方向に走査させることが望ましい。二次元撮像素子５８を用いて、１フレームの撮像が終了するまでに基板ステージＷＳが移動する範囲の分光信号を取得することで、基板３の高さ方向（Ｚ方向）の位置を検出することができる。なお、基板３の全域に渡って計測を行う場合には、基板ステージＷＳを一定方向（Ｙ方向）に走査させて、走査方向と垂直な方向（Ｘ方向）に基板ステージＷＳをΔＸだけステップさせる動作を繰り返し行う。なお、二次元撮像素子５８としては、二次元ＣＣＤを用いる他に、一次元のラインセンサを空間分解方向（Ｘ方向）に複数個配置することで、干渉光を一次元位置情報（Ｘ方向）と波長情報として受光し、基板３の高さ方向（Ｚ方向）の位置を検出しても良い。
【００２３】
続いて、二次元撮像素子５８で受光した干渉信号を処理して、基板３の形状を求める方法について説明する。二次元撮像素子５８で受光した分光信号の例を図２（Ａ）に示す。横軸は波数、縦軸は光強度の出力を示しており、分光器５０を用いて干渉光を波長毎に回折させることで、参照光と測定光との光路長差を周波数の違いに変換した分光信号として二次元撮像素子５８で検出される。処理部４００は、この分光信号に対してフーリエ変換を行い、周波数領域から実空間領域へと変換した後に、実数部分を抽出する（図２（Ｂ））。図２（Ｂ）は、横軸が基板の高さ方向（Ｚ軸方向）に相当する計測値、縦軸が二次元撮像素子５８での光強度の出力を表している。ここで、参照光と測定光との間に可干渉距離範囲内の光路長差Ｚ０が存在する場合、横軸のＺ方向に対してＺ＝０とＺ＝±Ｚ０の位置で白色干渉信号が現れる。この最大ピーク位置の間隔が参照光と測定光の光路長差に相当するため、ピーク位置Ｚ＝Ｚ０を検出することにより基板３の表面高さ情報を取得する（分光方式）。
【００２４】
図２（Ｃ）は、Ｚ＝Ｚ０の位置の白色干渉信号を抽出した図であり、インターフェログラムとも呼ばれる。この白色干渉信号の信号ピークの位置を算出し、それに対応したＺ方向の計測値がその画素での高さ計測値となる。信号ピーク位置の算出においては、信号ピークの位置およびその前後の数点のデータを元に曲線（例えば２次関数）近似することで、図２（Ｃ）の横軸であるＺ軸のサンプリングピッチＺｐの１／１０以下の分解能でピーク位置の算出が可能である。なお、ピークの位置を検出する方法として、米国特許第５３９８１１３号明細書に記載の公知の技術であるＦＤＡ（Frequency Domain Analysis）を使用することもできる。ＦＤＡ法では、フーリエスペクトルの位相勾配を用いて白色干渉信号のピーク位置を求めている。白色干渉計を用いた計測においては、その分解能を決める鍵は，白色干渉信号のピーク位置をいかに正確に求めるかにある。そのため、ＦＤＡ法以外に、位相シフト法やフーリエ変換法により白色干渉縞の包絡線を求め，縞コントラストの最大位置からピーク位置を求める方法、位相クロス法等、いくつかの縞解析法が公知の技術として提案されており、第１実施形態に適用可能である。
【００２５】
このようにして、処理部４００は、図１における基板３のＸ方向に対応する二次元撮像素子５８上の分光信号を処理することにより、基板上のＹ方向のある位置におけるＸ方向に伸びたスリット上の高さ情報を一度に求めることができる。不図示のステージにより基板３をＹ方向に等速にスキャンさせることにより、処理部４００は、二次元撮像素子５８のフレームレートで決まる計測ピッチで基板３の表面形状をＹ方向に計測することができる。また、同時に計測できるＸ方向の領域は、レンズ１３ｂの結像倍率と二次元撮像素子５８の大きさで決まる。したがって、被検物である基板３の大きさに応じて、不図示のＸステージにより基板３を検出領域分だけＸ方向にステップさせた後に、Ｙ方向にスキャンさせる動作を繰り返すことにより、処理部４００は、基板３の全面の高さ情報を求めることができる。
【００２６】
以下では、本発明の特徴である空間コヒーレンスと開口絞り１００との関係について述べる。まず初めに、空間コヒーレンスの低下について説明する。図３は、開口絞り１００の開口数と空間コヒーレンスとの関係を表す図である。図３において、光源１を発した光はレンズ１３ａにより基板３および参照面４に投影され、レンズ１３ｂを介して基板３上の像と参照面４上の像とを二次元撮像素子５８に結像させる。基板３がＺ方向にｄｚだけ変位すると、二次元撮像素子５８上での参照光に対する測定光の変位量Ｚ１は、下記の式１で表すことができる。なお、説明を簡単にするために、結像光学系１３ａ、１３ｂの結像倍率を１としている。また、図３の測定光においては、主光線のみを記載した。
Ｚ１＝２ｄｚ・ｓｉｎ（θｉｎ）・・・（１）
ここで、θｉｎは基板３への入射角度である。
【００２７】
低コヒーレント光源１は、点光源の集合体と考えることができる。したがって、１つの点光源が出射した光が参照光と測定光に分割され、その点像が重なる時にのみ光の干渉が生じる。レンズ１３ｂの結像位置における点像強度分布Ｉ（ｒ）は、開口絞りの円形開口のフラウンホーファー回折での強度分布であり、開口絞り１００の開口数をＮＡとした場合に、下記の式２で表すことが出来る。
2015021904.tif 000003
【００２８】
ここで、ｒは像面における半径、λは波長、Ｊ１は第１種１次ベッセル関数であり、ピーク強度を１に正規化した式である。更に、回折像の強度が最初にゼロになるｒの値ｒ０は以下の式３で与えられる。
ｒ０＝０．６１λ／ＮＡ・・・（３）
【００２９】
式３は、エアリディスク（エアリー像）の半径を示す。参照光に対する測定光の変位量Ｚ１が、エアリディスクの直径を超えると、参照光と測定光の点像が重ならなくなり、光の干渉が生じなくなる。干渉が生じる条件式は、式１、式３を用いて、以下の式４のようになる。
ＮＡ≦０．６１λ／｛ｓｉｎ（θｉｎ）ｄｚ｝・・・（４）
【００３０】
更に、式４は干渉が生じる条件であるが、この範囲内においても、基板３の高さ方向の変位により、参照光に対する測定光の光束断面内の位置ずれが生じて空間コヒーレンスが低下する。空間コヒーレンスが低下すると信号のコントラストが低下し、信号のＳ／Ｎが劣化する。そこで、参照光に対する測定光の光束断面内の位置ずれがエアリディスクの半径に相当する条件式として、下記の式５を使用することもできる。
ＮＡ≦０．３０５λ／｛ｓｉｎ（θｉｎ）ｄｚ｝・・・（５）
【００３１】
したがって、斜入射干渉計においては、基板３のＺ方向への位置変化に伴う空間コヒーレンスの低下を抑制するために、式４あるいは式５を満たすような開口数ＮＡに設定する必要がある。式４、５において、広帯域光を出射する光源を使用する場合、その中心波長λｃをλとすれば良い（λ＝λｃ）。また、干渉計測装置２００の計測レンジを±Ｚｒに設計する場合には、式４、式５のｄｚにＺｒを代入した次の式４’または式５’を満たすように、開口数ＮＡを決定する。
ＮＡ≦０．６１λｃ／（Ｚｒ・sinθｉｎ）・・・（４’）
ＮＡ≦０．３０５λｃ／（Ｚｒ・sinθｉｎ）・・・（５’）
【００３２】
図３に、空間コヒーレンスが低いモード（高ＮＡ）と高いモード（低ＮＡ）の場合における点像強度分布の比較を示す。高ＮＡの場合、点像分布関数のピーク強度は比較的高いものの半径が小さいため、測定光と参照光の重なる範囲が狭く、空間コヒーレンスが低下する。一方で低ＮＡの場合には、点像のぼけ量が大きく、測定光と参照光の重なる範囲が広い。このため、低ＮＡの場合には、空間コヒーレンスの低下を抑制することができ、広いＺレンジ（高さレンジ）を有するが、ＮＡが小さいために点像分布関数のピーク強度が低下して計測精度が低下する。低ＮＡの場合に計測精度が低下する理由には、信号強度の低下に伴って二次元撮像素子の暗電流ノイズや読み出しノイズ、ショットノイズの影響を受けやすくなることが挙げられる。
【００３３】
本実施形態においては、光学系の光束断面において互いに直交する第１方向と第２方向に沿って異なる空間コヒーレンスを与える光学系（空間コヒーレンス生成部）を用いる。本実施形態は、空間コヒーレンス生成部を用いることによって、被検物３の高さ方向への変位に伴う空間コヒーレンスの低下を抑制し、高コントラストかつ高輝度の干渉信号を取得する。第１実施形態では、空間コヒーレンス生成部として、開口絞り１００を使用した。第１実施形態では、開口絞り１００として、例えば、光束断面において互いに直交する２方向に異なる長さ（内径）を有する矩形のスリット開口を用いる場合について述べる。
【００３４】
開口が矩形の開口絞り１００の向きは、開口絞り１００の開口の短手方向を、被検物３における入射面と光束断面との交線方向と一致させる。そして、入射面と光束断面との交線方向を波長分解方向と一致させるように分光部５７を配置する。以下では、斜入射干渉計における矩形のスリット開口１００の向きについて述べる。
【００３５】
開口絞り１００の向きを表す入射面と光束断面の交線方向について説明する。図４は、図１の干渉計測装置２００のＹＺ平面における構成を表す。入射面は、基板３における入射光と反射光とを含む平面を意味し、図４におけるＹＺ平面を指す。入射面は、広帯域光、参照光、測定光および干渉光の光路を含む平面でもある。光束断面は、光束に対して垂直な平面を意味し、斜入射干渉計においては基板３への入射光と反射光の光束断面とでそれぞれ異なる平面を表す。図４において、光源１からの光が基板３に入射する際の光軸方向をＩ１方向、光軸方向とＸ方向とに垂直な方向をＩ２方向とすると、Ｉ２方向はＹＺ平面においてＹ方向から入射角θｉｎだけ回転させた方向に相当する。このため、光源１からの光が基板３に入射する場合、その光束断面は、Ｉ２方向とＸ方向からなるＩ２Ｘ平面となる。したがって、入射面（ＹＺ平面）と光束断面（Ｉ２Ｘ平面）の交線の方向（第２方向）は、Ｉ２方向を意味する。基板３で反射した光を分光器５０に導く場合についても同様に、光軸方向をＩ１’方向、光軸方向とＸ方向に垂直な方向をＩ２’とすると、Ｉ２’方向はＹＺ平面においてＹ方向から入射角（１８０度―θｉｎ）だけ回転させた方向に相当する。従って、入射面と光束断面の交線方向とは、ＹＺ平面とＩ２’Ｘ平面の交線方向であるＩ２’方向を意味する。
【００３６】
続いて、開口絞り１００の開口の短手方向と、入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２方向）と、の関係について設明する。図４の干渉計測装置２００においては、基板３の位置が高さ方向（Ｚ方向）にシフトすると、ビームスプリッタ２ｂで重ね合わせた参照光と測定光とにはＩ２’方向に縦ずれが生じるため、空間コヒーレンスが低下する。ここで、開口絞り１００の開口の短手方向を入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２方向）と一致させた場合、ビームスプリッタ２ｂで重ね合わせた参照光の像と測定光の像とはＩ２’方向へのぼけ量が大きくなり、２つの像が重なる面積が広くなる。したがって、基板３の高さ方向への変位に伴う空間コヒーレンスの低下が抑制される。一方で、開口絞り１００の矩形の開口の長手方向は、光束断面において開口の短手方向と直交する方向、すなわち、Ｘ方向（第１方向）と平行である。Ｘ方向においては基板３の高さ方向への変位に伴う参照光と測定光との像ずれは発生しないため、空間コヒーレンスは低くても問題ない。開口絞り１００の開口の長手方向をＸ方向と平行にすると、大きな開口数により広い範囲の光束を取り込むことができる。すなわち、二次元撮像素子５８は、強い信号強度の干渉光を受光できる。したがって、開口絞り１００の開口の短手方向を入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２方向）と平行とすることにより、二次元撮像素子５８は、高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することができる。
【００３７】
逆に、開口絞り１００の開口の長手方向を入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２方向）と平行とした場合、ビームスプリッタ２ｂで重ね合わせた参照光と測定光の像は、Ｉ２’方向に比べてＸ方向へのぼけ量が大きくなる。参照光と測定光の像のＩ２’方向へのぼけ量が小さく、重なる面積が狭いため、基板３の高さ方向の変位に伴って空間コヒーレンスは低下する。さらに、参照光と測定光の縦ずれが発生しないＸ方向に開口絞り１００の開口の短手方向を一致させると、開口数が小さくなり信号強度が低下する。従って、開口絞り１００の開口の長手方向を入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２方向）と一致させると、高コントラストの干渉信号を取得することができない。
【００３８】
以上から、開口絞り１００の開口の短手方向を入射面と光束断面との交線方向Ｉ２方向と一致させることにより、空間コヒーレンスの低下を抑制しつつ開口絞りの配置に伴う信号強度の低下を抑えることで、高精度な計測を行うことが可能になる。なお、開口絞り１００の開口の短手方向については、式４あるいは式５を満たすような開口数に設定することが望ましい。
【００３９】
次に、分光部５７における入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２’方向）と波長分解方向の関係について説明する。斜入射干渉計において、分光部５７での入射面と光束断面の交線方向を波長分解方向と一致させる場合、分光部５７の空間分解方向は基板３上の入射面に垂直な方向（Ｘ方向）と一致する。したがって、空間分解方向に関して、基板３を二次元撮像素子５８の受光面上にピントを合わせることができる。二次元撮像素子５８で取得される分光信号から、基板３上の入射面に垂直な方向（Ｘ方向）の各領域における高さ方向（Ｚ方向）の位置が求まる。
【００４０】
逆に、分光部５７での入射面と光束断面との交線方向と空間分解方向を一致させる場合は、斜入射の原理上、基板３の像の二次元撮像素子５８の面上に対するピントを、分光部５７の空間分解方向における像面全体で合わせることができない。このため、分光部５７での入射面と光束断面との交線方向と空間分解方向を一致させて高精度な計測を行うためには、シャインプルーフ条件を満たすシャインプルーフ光学系を用いて像面全体でピントを合わせることが必須となる。しかし、シャインプルーフ光学系の適用においては、光学系の構成が複雑になるため、振動などの外乱の影響を受けやすくなるというデメリットがある。従って、斜入射干渉計において高精度な計測を行うためには、分光部５７での入射面と光束断面との交線方向を、波長分解方向と一致させることが好ましい。以上から、開口が矩形の開口絞り１００の向きについては、開口絞り１００の開口の短手方向を入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２方向）と一致させ、かつ分光部５７での入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２’方向）と波長分解方向とを一致させるように配置する。
【００４１】
続いて、第１実施形態の光学系における開口絞り１００の設置場所について説明する。開口絞り１００は、図１のように、光源１からの光を基板３と参照面４へと照明する照明光学系の瞳位置またはその近傍に配置しうる。開口絞り１００は、受光光学系の瞳位置の近傍に配置することもできる。しかし、開口絞り１００を受光光学系の瞳位置の近傍に配置する場合、基板３と参照面４のチルトに起因した測定光と参照光の光束の角度ずれにより、測定光と参照光の光束の一部が開口絞り１００で遮光されることがある。この場合、二次元撮像素子５８で受光される干渉光の信号強度が低下し、二次元撮像素子５８の暗電流ノイズや読み出しノイズ、ショットノイズの影響により計測精度が低下する。したがって、第１実施形態では、開口絞り１００を照明光学系の瞳位置近傍に配置している。なお、基板３と参照面４のチルトに起因した測定光と参照光の光束の角度ずれによる信号強度の低下が無視できるほど小さい場合には、基板３と参照面４からの参照光と測定光を分光器５０へと導く受光光学系の瞳位置近傍に開口絞り１００を配置しても良い。
【００４２】
次に、第１実施形態における矩形の開口絞り１００の効果について説明する。図５に、基板３を高さ方向に変位させた場合に、分光器５０に入射する参照光の像と測定光の像の概略図を示す。図５Ａは、開口絞りを配置しない場合、図５Ｂは、開口が円形の開口絞りを配置した場合、図５Ｃは、開口が矩形の開口絞りを配置した場合をそれぞれ示す。また、分光器５０の受光領域を、基板３の高さ方向への変位に影響されない参照光の中心位置付近に設置した。基板３を高さ方向に変位させた場合には、分光部５７での入射面と光束断面との交線方向（Ｉ２’方向）に参照光と測定光の縦ずれが発生するため、空間コヒーレンスが低下する。図５（Ａ）においては、縦ずれにより参照光と測定光が重ならないため干渉しない。開口が円形の開口絞りを配置した図５（Ｂ）では、点像のぼけ量が大きくなるため、参照光と測定光の空間コヒーレンスの低下を抑制させるが、小さな開口数により信号強度が低下する。したがって、二次元撮像素子５８の暗電流ノイズや読み出しノイズ、ショットノイズの影響を受けやすくなり、計測精度が低下する。開口が矩形の開口絞りを用いた図５（Ｃ）では、参照光と測定光の縦ずれが発生するＩ２’方向にのみ点像のぼけ量を大きくすることで、信号強度の低下を抑えながら空間コヒーレンスの低下を抑制する。このため高コントラストの干渉信号を取得することができる。
【００４３】
ここで、本発明は、基板３の高さ方向への変位に伴う空間コヒーレンスの低下を抑制し、高コントラストの干渉信号を取得することを目的とする。このため、第１実施形態で説明した開口絞り１００の短手方向と入射面と光束断面との交線方向、及び、分光部５７での入射面と光束断面との交線方向と波長分解方向の関係については、十分に高い計測精度が得られる場合には、必ずしも一致させる必要はない。すなわち、光束断面における回転ずれや、光軸方向に対する角度ずれが少し発生した場合についても、計測を行うことができる。図６（Ａ）〜（Ｃ）に、開口絞り１００に光束断面における回転ずれが生じた場合、図６（Ｄ）〜（Ｆ）にＩ１Ｉ２平面での光軸方向に対する角度ずれが生じた場合の概略図を示す。光束断面において回転ずれｄθが発生する場合、Ｉ２方向とＸ方向の実効的な開口数がｄθの大きさに応じて変化する。すなわち、ｄθをＩ２方向からの回転ずれとすると、Ｘ方向ではｄＡＸ＞ｄＢＸ＞ｄＣＸ、Ｉ２方向ではｄＡＩ２＜ｄＢＩ２＜ｄＣＩ２の関係が成り立ち、ｄθが増大するにつれてＩ２方向の開口数は大きくなり、Ｘ方向の開口数は小さくなる。なお、図６において、ｄθが±４５度以上の場合には、開口絞り１００のＩ２方向に比べてＸ方向の開口数が小さくなる。このとき、開口絞り１００の長手方向は入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２方向）に相当するため、高コントラストな干渉信号を取得することができず、計測精度が低下する。したがって、開口絞り１００の光束断面における回転ずれｄθは、要求される計測精度と信号強度を満たす範囲で許容される。
【００４４】
続いて、開口絞り１００の光軸方向に対する角度ずれについて図６（Ｄ）〜（Ｆ）を用いて説明する。図６（Ｄ）〜（Ｆ）は、Ｉ１Ｉ２平面において角度ずれｄφが発生した場合の概略図であり、入射面での光軸方向に対する角度ずれｄφが大きくなるにつれて、Ｉ２方向の実効的な開口数は小さくなる（ｄＤＩ１＜ｄＥＩ１＜ｄＦＩ１）。開口絞り１００において、入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２方向）の開口数が式４あるいは式５を満たすような開口数に比べて小さくなると、信号強度が低下して干渉信号のコントラストが低下する。このため、入射面での光軸方向に対する角度ずれｄφは、要求される計測精度と信号強度を満たす範囲で許容される。なお、ここでは入射面での光軸方向に対する角度ずれについて説明したが、入射面以外の面（不図示）についても、同様のことが言える。
【００４５】
さらに、分光器５０についても、光束断面における回転ずれや光軸方向に対する角度ずれが発生することが考えられる。この場合、基板３上の計測領域に対する計測精度が低下する。従って、分光器５０の光束断面における回転ずれや光軸方向に対する角度ずれは、計測領域において要求される計測精度と信号強度を満たす範囲で許容される。これまで、第１実施形態においては、開口絞り１００に矩形のスリット開口を使用した場合について説明したが、開口絞り１００の形態はこれに限定されるものではなく、例えば、楕円形の開口を用いても良い。
【００４６】
本実施形態によれば、光学系の光束断面において直交する２つの方向に異なる開口数を有する開口絞り１００を配置して、信号強度の低下を抑えながら空間コヒーレンスの低下を抑制することにより、高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することができる。また、これに伴って被検物３の表面形状を高い精度で計測することができる。このため、本実施形態は、高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することが出来る干渉計測装置、および正確に被検物の表面形状を計測できる干渉計測装置を提供することができる。
【００４７】
［第２実施形態］
図７は、第２実施形態における干渉計測装置２００の構成を示す概略図である。第２実施形態では、空間コヒーレンス生成部としてシリンドリカルレンズ１０１を用いた場合について説明する。干渉計測装置２００は、被検物である基板（ウエハ）３の高さ方向（Ｚ方向）の位置を計測する。干渉計測装置２００は、白色光を発する光源１と、コンデンサレンズ１１と、透過スリット板３０と、ビームスプリッタ２ａ，２ｂと、参照面４と、レンズ１２と、シリンドリカルレンズ１０１と、分光器５０と、二次元撮像素子５８と、処理部４００とを含む。ただし、レンズ１２は、図７に示した三枚のレンズ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを意味するものとする。
【００４８】
以下、各構成要素の機能について説明する。光源１から発した光をコンデンサレンズ１１で集光させ、透過スリット板３０とレンズ１２ａ，１２ｂから構成される結像光学系２２を通過させ、ビームスプリッタ２ａで分岐させて基板３と参照面４に入射させる。基板３で反射した測定光と参照面４で反射した参照光をビームスプリッタ２ｂで重ね合わせ、レンズ１２ｃ、シリンドリカルレンズ１０１を通過させて分光器５０へと導く。分光器５０は、入射スリット５６と分光部５７（例えば回折格子）と結像光学系１６（ミラー光学系）により構成され、シリンドリカルレンズ１０１と入射スリット５６を通過させた光を回折格子５７に入射させる。回折格子５７は、干渉光を入射スリット５６の短手方向に対して波長毎に一度に回折させ、空間分解方向の広がりと波長分解方向の広がりとを有する分光信号とする。このため、二次元撮像素子５８は、分光信号を一次元位置情報と波長情報として受光する。
【００４９】
第２実施形態における光源１、ビームスプリッタ２ａ，２ｂ、測定光と参照光の入射角度、及び二次元撮像素子５８については、第１実施形態で記載の内容がそのまま適用できるのでここでは説明を省略する。第２実施形態においては、結像光学系２２により、透過スリット板３０を通過したスリット像を基板３と参照面４の面上に結像させる。透過スリット板３０は、光量の確保や迷光の遮蔽、計測範囲の規定により高い精度で表面位置計測を行うことができるため、第２実施形態では設置している。透過スリット板３０により、光源１から発した白色光は基板３上にスリット像（例えば矩形、円弧状又は６角形等の照明領域）として照明される。
【００５０】
二次元撮像素子５８で受光した分光信号を処理して基板３の形状を求める処理部４００については、第１実施形態で記載の内容がそのまま適用できるのでここでは説明を省略する。第２実施形態では、光学系の光束断面において互いに直交する第１方向と第２方向に沿って異なる屈折力を有する光学部材を用いて、被検物３の高さ方向の位置ずれに伴う空間コヒーレンスの低下を抑制し、高コントラスト／高輝度の干渉信号を取得する。第２実施形態では、空間コヒーレンス生成部として、光束断面において互いに直交する２つの方向に沿って屈折力を持つ方向と屈折力を持たない方向を有するシリンドリカルレンズ１０１を用いる。
【００５１】
シリンドリカルレンズ１０１においては、屈折力を持たない方向を入射面と光束断面との交線方向と一致させ、分光部５７における入射面と光束断面との交線方向を波長分解方向と一致させるように配置する。以下では、シリンドリカルレンズ１０１を用いた場合の配置について述べる。なお、分光部５７における入射面と光束断面との交線方向と、波長分解方向の関係については、第１実施形態に記載した理由から、これらの方向を一致させる。
【００５２】
まず始めに、シリンドリカルレンズ１０１の向きを表す入射面と光束断面との交線方向について説明する。入射面は、入射光と反射光を含む平面を意味し、図７におけるＹＺ平面を指す。光束断面は、光束に対して垂直な平面を意味し、斜入射干渉計においては基板３への入射光の光束断面と反射光の光束断面とでそれぞれ異なる平面を表す。ここで、図７においては、基板３で反射した後に分光器５０に導かれる光の光軸方向をＩ１’方向、光軸方向とＸ方向とに垂直な方向をＩ２’方向とすると、Ｉ２’方向はＹＺ平面においてＹ方向から入射角（１８０度−θｉｎ）だけ回転させた方向に相当する。よって、その光束断面は、Ｉ２’方向とＸ方向とからなるＩ２’Ｘ平面を表す。したがって、入射面と光束断面との交線方向とは、ＹＺ平面とＩ２’Ｘ平面との交線方向であり、Ｉ２’方向を意味する。
【００５３】
斜入射干渉計においては、基板３の高さ方向への変位に伴い、Ｉ１’Ｉ２’平面において参照光と測定光の縦ずれが発生するため、シリンドリカルレンズ１０１に入射する測定光には、参照光に対して角度ずれが生じる。図８には、シリンドリカルレンズ１０１の屈折力を持たない方向を入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２’方向）と一致させた場合の、Ｉ１’Ｉ２’平面とＸＩ１’平面におけるシリンドリカルレンズ１０１、分光器５０、二次元撮像素子５８の構成を示す。この場合、Ｉ１’Ｉ２’平面においては入射スリット５６上で基板３と参照面４は結像されず、点像がぼけた状態で照射されるため、参照光と測定光の重なる面積が広がり、基板３のＺ方向への変位に伴う空間コヒーレンスの低下を抑制できる。一方で、屈折力を持つ方向をＸ方向と一致させると、基板３上で結像させたスリット像が、ＸＩ１’平面において、レンズ１２ｃとシリンドリカルレンズ１０１により入射スリット５６上に結像する。ＸＩ１’平面においては、基板３をＺ方向へ変位しても、参照光と測定光の縦ずれは発生しないことから、基板３と入射スリット５６が結像関係にある状態で高い空間コヒーレンスを有する干渉光を受光できる。従って、シリンドリカルレンズ１０１の屈折力を持たない方向を入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２’方向）と一致させると、高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することができる。
【００５４】
逆に、シリンドリカルレンズ１０１の屈折力を持つ方向を入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２’方向）と一致させた場合、ビームスプリッタ２ｂで重ね合わせた参照光と測定光は、ＸＩ１’平面において点像がぼけた状態で照射される。ＸＩ１’平面においては、参照光と測定光の縦ずれが発生しないため、空間コヒーレンスは変わらずに信号強度が低下する。一方、参照光と測定光の縦ずれが発生するＩ１’Ｉ２’平面においては基板３上と入射スリット５６が結像関係にあるため、基板３の高さ方向の変位に伴って空間コヒーレンスが低下する。従って、シリンドリカルレンズ１０１の屈折力を持つ方向を入射面と光束断面の交線方向（Ｉ２’方向）と一致させると、高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することができない。
【００５５】
以上から、シリンドリカルレンズ１０１の屈折力を持たない方向を入射面と光束断面の交線方向と一致させることにより、空間コヒーレンスの低下を抑制して、斜入射干渉計において高精度な計測を行うことが可能になる。本実施形態の光学系においては、シリンドリカルレンズ１０１を用いて、測定光の縦ずれが発生する方向には、基板３及び参照面４を入射スリット５６及び二次元撮像素子５８に結像させず、重なる面積を広げることで、空間コヒーレンスの低下を抑制する。
【００５６】
なお、本実施形態では、シリンドリカルレンズ１０１を図７に示されるように受光光学系に配置した。しかし、シリンドリカルレンズ１０１を、照明光学系の図７ではレンズ１２ｂが配置されている位置に配置することも可能である。その場合、基板３や参照面４上の透過スリット板３０のスリット像は、参照光と測定光の像ずれ方向には結像されない。そのため、像ずれ方向の参照光と測定光は、それぞれ反射された後、受光光学系のレンズ１２ｃに到達するまで光束径が拡がるため、拡がった光束に対応した大きな受光光学系（例えばレンズ１２ｃ）を配置する必要がある。したがって、シリンドリカルレンズ１０１を図７に示されるように受光光学系に配置する方が、干渉計測装置を小型化できる。また、本実施形態においては、屈折力を有する光学部材として、シリンドリカルレンズ１０１を用いた場合について説明したが、屈折力を有する光学部材の形態はこれに限定されるものではない。シリンドリカルレンズの他に、例えば、トーリックレンズを使用しても良い。
【００５７】
本実施形態によれば、光束断面において直交する第１の方向と第２の方向に沿って異なる屈折力を有する光学部材を配置して、空間コヒーレンスの低下を抑制することで、干渉計測において高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することができる。また、これに伴って被検物の表面形状を高い精度で計測することができる。このため、本実施形態は、高コントラストで高輝度の干渉信号を取得することができ、正確に被検物の表面形状を計測できる干渉計測装置を提供することができる。
【００５８】
［第３実施形態］
続いて、本発明の第３実施形態として膜厚を計測する干渉計測装置について説明する。実施形態１ではウエハの表面形状（高さ）を計測する干渉計測装置を例に述べたが、本実施形態ではウエハ上に形成された半透明膜の膜厚を計測する干渉計測装置について述べる。図９（Ａ）に、被検物として、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜（１．５μｍ）が形成されたウエハの構造の例を示す。なお、本実施形態における装置の構成としては、実施形態１又は２で示した干渉計測装置２００がそのまま適用できるため、説明は省略する。
【００５９】
図９（Ｂ）は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２膜（１．５μｍ）が形成されたサンプルを被検物とした場合に取得される分光信号の例を表す。図９（Ｂ）の分光信号に対して、図２の信号処理を行うことで取得された白色干渉信号を図９（Ｃ）に表す。図９（Ｃ）の白色干渉信号においては、２つのピーク（Ｔ’とＢ’）が存在する。このピーク位置は、図９（Ａ）で示すようにＳｉＯ２の表面反射光Ｔと参照光の光路長差が一致するＺ位置Ｔ’と、ＳｉＯ２とＳｉ基板の界面での反射光Ｂと参照光の光路長差が一致するＺ位置Ｂ’に対応する。反射光Ｔと反射光Ｂの光路長差は、ＳｉＯ２の屈折率をｎ、膜厚をｄとした場合に２ｎｄｃｏｓθで表される。ここで、空気／ＳｉＯ２界面の屈折角をθ、入射角度をθｉｎとした時、スネルの法則より式６の関係が成り立つ。
ｓｉｎθ＝ｎｓｉｎθｉｎ・・・（６）
【００６０】
一方で、ウエハ３のＺ方向の変位に伴う光路長差は、２(Ｂ’−Ｔ’)ｃｏｓθｉｎと表されるので、双方の光路長差が等しいという関係から、膜厚ｄは以下の式により求められる。
ｄ＝(Ｂ’−Ｔ’)ｃｏｓθｉｎ／ｎｃｏｓθ・・・（７）
【００６１】
なお、Ｂ’およびＴ’の位置は、第１実施形態で記したように、例えば２次関数によるフィッティングなどの手法を用いることにより、高精度に求めることが出来る。また、基板ステージＷＳのＹ方向への等速走査により、ウエハ３上の半透明膜の膜厚の計測を行うことが可能となり、ウエハ面上の膜厚分布などの計測が可能である。
【００６２】
さらに、本実施形態の膜厚を計測する干渉計測装置においては、斜入射の白色干渉計を用いることが好ましい。垂直入射（入射角度θ＝９０度）の場合には、半透明膜表面での光の反射率は数％程度と低いため、半透明膜の表面位置を測定することは難しい。ここで、半透明膜表面からの反射光強度は、入射角度の増加に伴って相対的に強くなる特徴がある。従って、半透明膜表面への入射角度を大きくすることで、光の反射率を高め、半透明膜の表面と裏面の位置から膜厚を求めることが望ましい。
【００６３】
［第４実施形態］
図１０は、本発明に係る表面形状を計測する干渉計測装置２００を具備した露光装置のブロック図を示す図である。図１０に示すように、露光装置は、光源部８００と、レチクル３１を載置するレチクルステージＲＳと、投影光学系３２と、ウエハ（基板）３を保持するウエハステージ（基板ステージ）ＷＳと、ウエハステージＷＳ上に配置された基準プレート３９を含む。露光装置は、加えて、表面形状を計測する干渉計測装置２００を有する。干渉計測装置２００は、第１、第２実施形態を適用することが出来る。制御部１１００は、ＣＰＵやメモリを有し、光源部８００、レチクルステージＲＳ、基板ステージとしてのウエハステージＷＳ、干渉計測装置２００と電気的に接続され、露光装置の動作を制御する。制御部１１００は、本実施形態では、干渉計測装置２００におけるウエハ３の表面位置計測値の演算及び制御と、表面位置を検出する際の計測値の補正演算及び制御を行うことができる。なお、本発明に係る干渉計測装置２００は、荷電粒子線描画装置、インプリント装置といった露光装置以外のリソグラフィ装置におけるウエハ３の表面形状の計測に使用することができる。
【００６４】
照明系は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル３１を照明し、光源部８００と、照明光学系８０１とを有する。光源部８００は、例えば、レーザーを使用する。レーザーは、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザーなどを使用することができるが、光源の種類はエキシマレーザーに限定されない。具体的には、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザーや波長２０ｎｍ以下のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光を使用してもよい。
【００６５】
照明光学系８０１は、光源部８００から射出した光束を用いて被照明面を照明する光学系であり、本実施形態では、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、レチクル３１を照明する。照明光学系８０１は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含み、例えば、コンデンサレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサレンズ、スリット、結像光学系の順で配置する。
【００６６】
原版としてのレチクル３１は、例えば、石英製で、その上には転写されるべき回路パターンが形成され、レチクルステージＲＳに支持及び駆動されている。レチクル３１から発せられた回折光は、投影光学系３２を通り、ウエハ３上に投影される。レチクル３１とウエハ３とは、光学的に共役の関係に配置される。レチクル３１とウエハ３を縮小倍率比の速度比で走査することによりレチクル３１のパターンをウエハ３上に転写する。なお、露光装置には、不図示の光斜入射系のレチクル検出器が設けられており、レチクル３１は、レチクル検出器によって位置が検出され、所定の位置に配置される。
【００６７】
レチクルステージＲＳは、図示しないレチクルチャックを介してレチクル３１を支持し、図示しない移動機構に接続されている。移動機構は、リニアモーターなどで構成され、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクルステージＲＳを駆動することでレチクル３１を移動させることができる。
【００６８】
投影光学系３２は、物体面からの光束を像面に投影する機能を有し、本実施形態では、レチクル３１に形成されたパターンを経た回折光をウエハ３上に投影する。投影光学系３２は、複数のレンズ素子からなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一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）、複数のレンズ素子と少なくとも一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等の使用が可能である。
【００６９】
基板としてのウエハ３上には、被処理体であり、フォトレジストが塗布されている。なお、本実施形態では、ウエハ３は、干渉計測装置２００が表面位置を検出する被検物でもある。ウエハ３は、別の実施形態では、液晶基板やその他の基板に置換される。
【００７０】
ウエハステージＷＳは、図示しないウエハチャックによってウエハ３を支持する。ウエハステージＷＳは、レチクルステージＲＳと同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ３を移動させる。また、レチクルステージＲＳの位置とウエハステージＷＳの位置は、例えば、６軸のレーザー干渉計８１などにより監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。
【００７１】
ウエハ３の表面位置（フォーカス）の計測点について説明する。本実施形態では、ウエハ３の全域に渡って、走査方向（Ｙ方向）にウエハステージＷＳを走査しながら、干渉計測装置２００でウエハ面位置を計測し、走査方向と垂直な方向（Ｘ方向）には、ＷＳステージをΔＸだけステップ移動する。続いて、走査方向にウエハ３の表面位置を計測する動作を繰り返し行うことにより、ウエハ全面の形状計測を行うようにしている。なお、高スループット化のためには、複数の干渉計測装置２００を用いて、ウエハ上の異なるポイントの表面位置を同時に計測するようにしても良い。また、ウエハ上の複数の計測すべき点に光束を入射させ、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の高さ計測情報から露光すべき面のチルトを算出しても良い。
【００７２】
次に、構成される本発明の露光装置を用いた露光方法について詳細に説明する。図１１は本実施形態の露光装置を使用する場合の露光方法の全体のシーケンスを示すフローチャートである。まず、Ｓ１でウエハ３を装置に搬入し、Ｓ１０１で、このウエハ３に対してウエハアライメントを行う。ウエハアライメントは、アライメントスコープ（不図示）により、ウエハ上のマークの位置を検出して、露光装置に対するウエハ３のＸＹ平面の位置合わせを行うものである。その後Ｓ１０２で、干渉計測装置２００により、ウエハ３上の所定箇所の表面位置を計測し、このウエハ３の面形状データが露光装置に保存される。Ｓ１０２では、ウエハ３はウエハステージＷＳにより、干渉計測装置２００の下の位置から、投影光学系３２の下の露光位置に第１露光ショットが位置するように移動される。同時に、露光装置の制御部１１００により、上記表面位置の計測結果であるウエハ３の面形状データを元に、第１露光ショットの表面位置データを作成し、露光像面からのずれ量を算出する。そしてこの露光像面からのずれ量に基づいたＺ方向および傾き（チルト）方向へのステージ駆動により、ほぼ露光スリット単位でウエハ表面の高さ方向の位置に合わせこむ動作を行う。
【００７３】
Ｓ１０３では、露光およびウエハステージＷＳのＹ方向への走査が行われる。こうして、第１露光ショットが露光終了するとＳ１０４で未露光ショットの有無を判断し、未露光ショットが有る場合には、Ｓ１０２に戻る。そして第１露光ショットの場合と同様に次の露光ショットの面位置データを処理部４００で作成して、Ｚ方向およびチルト方向へのステージ駆動によりほぼ露光スリット単位でウエハ表面の高さ方向の形状に合わせこむ動作を行いながら露光が行われる。Ｓ１０４で、露光すべきショット（即ち、未露光ショット）がないかどうかを判断し、未露光ショットがなくなるまで、上述の動作を繰り返す。全ての露光ショットの露光が終了したら、Ｓ１０５でウエハ３を回収し、終了する。
【００７４】
ウエハステージＷＳは、シングルステージに限らず、露光処理を行う露光ステーションとウエハ３のアライメントや表面位置の計測といった計測処理を行う計測ステーションの２つを持つ、所謂、ツインステージの構成としても良い。ツインステージの露光装置では、２つのステージが露光ステーション、計測ステーションの間を交互に入れ替わる。この場合、干渉計測装置２００は、計測ステーション側に配置される。
【００７５】
露光装置の計測、加工の基板であるウエハ上には、複雑な回路パターンや、スクライブラインなどが存在するので、反射率分布やローカルチルトなどの発生率が高い。このため、反射率分布やローカルチルトによる計測誤差を低減できる白色干渉計を用いた高精度な表面位置の計測は重要な技術と言える。その中で、白色干渉計を用いた高精度かつ高速に表面形状の計測を実現するためには、参照光と測定光の干渉性に関する本発明の効果は大きいと言える。ウエハ表面の形状を高速かつ高精度に計測できるようになれば、最適露光面とウエハ表面のフォーカス合わせの精度が向上することになり、半導体素子の性能向上や、製造歩止まりの向上にも繋がるという効果がある。
【００７６】
尚、本実施形態においては、露光装置における干渉計測装置２００として適用される場合についてのみ記載した。しかし、本発明は、干渉計測装置２００に限定されず、干渉計測装置２００のフォーカス較正を行うフォーカス較正用装置として使用しても良い。フォーカス較正用装置の場合についても干渉計測装置２００の場合と同様に、空間コヒーレンス生成部を用いて高精度に表面位置を計測し、フォーカス較正を行うことができる。
【００７７】
本実施形態によれば、光束断面において互いに直交する第１方向と第２方向に沿って異なる空間コヒーレンスを有する空間コヒーレンス生成部を用いて、参照光と測定光の空間コヒーレンスの低下を抑制する。これにより、干渉計測において高コントラストで高輝度の干渉信号を得ることができる。また、これに伴って基板の表面位置を高い精度で計測することができる。これにより、小さな焦点深度に対して高いフォーカス精度を実現し、歩留まりの向上を達成する露光装置を提供することが可能となる。
【００７８】
本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、被検物に光を斜めに入射させて、取得した分光干渉信号を元に、被検物の物理情報、化学情報、光学情報を取得する分光方式斜入射白色干渉計に広く適用が可能である
［物品の製造方法］
本発明の実施形態に係る物品の製造方法は、例えば、半導体デバイス等のマイクロデバイスや微細構造を有する素子等の物品を製造するのに好適である。該製造方法は、リソグラフィ装置を用いて基板上にパターンを形成する工程を含む。さらに、該製造方法は、パターンが形成された基板を加工する他の周知の工程（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。本実施形態の物品の製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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