(57)【要約】【課題】結晶系の像側を焦点検出系の一部として用いたり、焦点検出系が超高口径で、それに対応して作動距離が非常に短いレンズに使用する時にも確実に作動できるようにする。【解決手段】投影レンズの像平面の近傍に配置された基板の上面からのその像平面のずれを光学的に求めるための焦点検出系を有するマイクロリソグラフィ投影照明系が開示されている。焦点検出系には、結像系の最終光学面と基板の上面との間の中間ゾーン内に配置されて、基板の上面に斜めに入射してそこで反射される少なくとも１つの測定ビームを送り込む系と、基板の上面で反射した後の測定ビームを送り出して検出する系とが含まれる。測定ビームを送り込む系およびそれを送り出す系は、測定ビームがそれを送り出す系に入る前に、測定ビームが基板の上面で少なくとも１回、また、測定目的で用いられる光を反射する結像系の反射面でも少なくとも１回反射するように構成されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学結像系の像平面の近傍に配置される基板の上面からのその像平面のずれを光学的に検出する方法であって、
少なくとも１つの測定光ビームを発生する段階と、
前記結像系の最終光学表面と前記基板表面との間に位置する中間ゾーンに測定ビームを斜めに照射する段階と、
前記基板表面で反射した後の測定ビームを検出する段階とを含み、
前記照射は、測定ビームの検出前に、測定ビームが前記基板表面で少なくとも１回、測定光を反射する結像系の反射面で少なくとも１回反射するようにして行われる方法。
【請求項２】
前記測定ビームは、前記基板表面で１回だけ反射するように進められる請求項１記載の方法。
【請求項３】
測定ビームは、前記基板表面の前方にそれから離して配置された補助反射面で少なくとも１回反射し、該補助反射面は、前記基板表面に斜めに送られた測定ビームを前記基板表面から斜めに離れるように反射することができ、好ましくは測定ビームは、補助反射面として用いられた光学結像系の最終光学素子で少なくとも１回反射する請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
さらに、
平坦な接合面を有する光学結像系の透明光学素子に測定ビームを斜めに送り込む段階を含み、測定ビームを該光学素子に送り込むことによって、測定目的に用いられた光が、前記光学素子を出る前に前記光学素子の少なくとも１つの平坦な接合面で反射し、また、好ましくは測定ビームは前記光学素子に送り込まれて、測定光が前記光学素子から送り出される前に前記光学素子の少なくとも２つの平坦な接合面で反射されるようにした先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
測定ビームは、前記基板表面での少なくとも１回の反射および光学結像系の反射面での少なくとも１回の反射を含む測定経路を検出前に数回にわたって通るように進められる先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
測定目的に用いられる光は、好適な偏向方向を有し、また、好ましくは測定光は、前記基板表面および反射面への入射面にほぼ直交する好適な偏向方向を有する先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
測定目的に用いられる光は、測定ビームが通る経路の８０％を超える部分が光学的に厚い媒質内に位置するように進められる先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
測定ビームは、基板表面上にグリッドの二次元像を形成するために使用され、好ましくは特定の入射角に合わせた遠近法的ゆがみを有する物体グリッドが、基板表面上の反射地点に物体グリッドの像を形成するために使用され、また、物体グリッドの像を分析するために、遠近法的ゆがみを有する分析グリッドが用いられ、物体グリッドおよび分析グリッドの遠近法的ゆがみを互いに適合させることによって、物体グリッドの像を分析グリッド上に重ねることによって、干渉縞模様を形成できるようにし、また、好ましくは台形にゆがませた物体グリッドおよび台形にゆがませた分析グリッドを用いる先行請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
光学結像系、および光学結像系の像平面の近傍に配置される基板の基板表面からのその像平面のずれを光学的に検出するための焦点検出系を有する結像装置、特にマイクロリソグラフィ投影露光系であって、前記焦点検出系は、
基板表面で結像系の最終光学面と基板表面との間に位置する中間ゾーン内へ斜めに反射されるように生成された少なくとも１つの測定ビームを送り込む入力結合系と、
基板表面で反射した後の測定ビームを送り出して検出する出力結合系とを備えており、入力結合系および出力結合系は、測定ビームが出力結合系に入る前に、測定ビームが基板表面で少なくとも１回、また、測定目的に用いられる光を反射する結像系の反射面でも少なくとも１回反射するように構成されている結像装置。
【請求項１０】
前記基板表面の前方にそれから離して配置された少なくとも１つの補助反射面を備えており、該補助反射面は、前記基板表面に斜めに送られた測定ビームを前記基板表面から斜めに離れるように反射することができ、好ましくは少なくとも１つの補助反射面が、光学結像系の出口面で定められた平面と光学結像系の像平面との間に配置されており、かつ／または、少なくとも１つの補助反射面が、光学結像系の最終光学面に設けられている請求項９記載の結像装置。
【請求項１１】
光学結像系の最終光学素子は、測定光を反射するコーティングを有する少なくとも１つの部分を設けた出口面を有しており、好ましくは該コーティングは、光学結像系の作動波長で反射を減少させる請求項９または１０記載の結像装置。
【請求項１２】
前記焦点検出系は、測定ビームを再帰性反射するための少なくとも１つの再帰性反射体を有する請求項９乃至１１のいずれかに記載の結像装置。
【請求項１３】
前記入力結合系は、測定目的に用いられる偏光を生じるように構成されており、好ましくは、第１通過測定経路と、その後の逆方向に通る第２測定経路との間に位置する測定光の好適な偏向方向を回転させる少なくとも１つの偏向回転体を備えた請求項９乃至１２のいずれかに記載の結像装置。
【請求項１４】
前記焦点検出系は、透過ビーム案内素子として、光学結像系の最終光学素子を有する請求項９乃至１３のいずれかに記載の結像装置。
【請求項１５】
前記光学結像系は、境界ゾーンを有する少なくとも１つの最終光学素子を有しており、光軸に対して傾斜した平坦表面が、境界ゾーンの少なくとも一部分に形成され、該平坦面は、前記焦点検出系の測定ビームを送り込むために設けられている請求項９乃至１４のいずれかに記載の結像装置。
【請求項１６】
前記入力結合系は、結像光学素子を使用して基板表面上に結像することができる物体グリッドを有し、前記出力結合系は、分析グリッドと、基板表面上に結像されたグリッドを分析グリッド上に結像する光学結像系とを有しており、物体グリッドおよび分析グリッドを互いに適合させることによって、物体グリッドの像を分析グリッド上に重ねると、干渉縞模様を形成することができ、また、好ましくは物体グリッドおよび分析グリッドを台形にゆがませた請求項９乃至１５のいずれかに記載の結像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学結像系の像平面の近傍に配置される基板の上面からのその像平面のずれを光学的に検出する方法と、この方法を実行するための光学結像系および焦点検出系を有する結像装置、特にマイクロリソグラフィ投影露光系とに関する。
【０００２】
【関連の技術】
数十年にもわたって、マイクロリソグラフィで使用される投影露光系が、半導体装置および他の形式の微小装置の作製に用いられてきた。それらは、光学結像系およびその投影レンズを使用して、マスク上のパターンすなわちレチクルを感光性層で被覆された基板上に超高解像度で縮小倍率にして結像することができ、画面全体にわたって結像が均一に鮮明でなければならない場合、基板の上面が結像系の像平面にできる限りぴったりと一致しなければならない。
【０００３】
約１００ｎｍ以上の精密な特徴を生じるために、像側の開口数ＮＡが高く、たとえばＮＡ＝０．８以上であると共にそれに伴って被写界深度が浅い、紫外線で作動する投影レンズを用いるが、これによって、露光すべき基板を像平面に対して位置決めする正確度が特に厳密に求められる。
【０００４】
基板を光軸に直交する方向（ｘ方向およびｙ方向）に沿って位置決めするために、アラインメント系が用いられる。光軸に平行な像平面（ｚ方向）からの基板の上面のずれや、基板の上面の傾斜を光学的に検出するために、「焦点センサ」とも呼ばれる焦点検出系が使用される。これらの系の幾つかは、基板の上面で結像系の最終光学面と基板の上面との間に位置するスリット形中間域内へ反射すべき少なくとも１つの測定ビームを斜めに投射する光学入力結合系と、基板の上面で反射した後の測定ビームを検出する出力結合系とを有する。この形式の系の場合、測定ビームは鋭角の入射角で基板上面に入射して反射される。測定ビームは、検出されて基板の上面の位置を、必要ならばそれの向きも決定するために使用できるが、基板上面のｚ方向の高さと基板上面の傾斜とによって決まる量だけずらされるであろう。
【０００５】
米国特許第５，７８３，８３３号は、測定に用いられる光の斜入射を用いた上記形式の焦点センサを記載している。しかし、開口数が大きく、それに対応してレンズの出口面と基板の上面との間の作動距離が短い結像系の場合、たいした空間が利用できる状態でないので、集束ビームを十分に大きい入射角で基板の上面に送ることができないという問題を指摘する必要があり、斜めの入射角で入射する光を用いた焦点検出系は、適度の開口数およびそれに対応した大きい作動距離を有する投影レンズだけに用いることができるので、この問題は明らかであろう。
【０００６】
米国特許第５，１９１，２００号は、焦点および傾斜センサを有する他のマイクロリソグラフィ投影レンズを記載している。かすめ角で入射する光が基板上面だけで反射する実施形態に加えて、下方から斜めに入射して測定に用いられる光用の反射面として使用される出口面を有する透明の基準プレートを、投影レンズの最終レンズ素子の真下に配置した実施形態もある。これらの焦点検出系も、結像系の最終光学面と位置決めすべき基板の上面との間に比較的大きい作動距離を必要とする。
【０００７】
さらに、光の波の性質を利用した焦点センサがある。測定ビームは通常、露光すべき基板領域の外側から入射し、それのｚ方向の位置が干渉を使用して決定される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、光学結像系の像平面の近傍に配置される基板の上面および光学結像系の像平面のずれを光学的に検出する方法と、大きい像側開口数および対応の浅い作動距離を有するマイクロリソグラフィ投影レンズに使用するのに適すると共に、基板の露光すべき表面の近傍で使用するのに適した対応の焦点検出系とを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前述の課題および他の課題を解決するために、本発明の１つの形態が、請求項１に従った方法で提供される。対応の結像装置が、請求項９に従って構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、入力結合系および出力結合系間を移動する測定ビームが、基板上面、たとえばウェハに塗布されたフォトレジストの層と光学結像系の像面に面する端部との間をジグザグ状に前後に反射され、これによって、結像系と基板上面との間の距離が短い場合でも、測定ビームを基板の反射面に比較的大きい入射角で投射することができることが予想される。本明細書で使用する「入射角」は、測定ビームが反射する基板上面上の地点での測定ビームの入射方向と基板上面との間の角度として定義される。したがって、本発明は、作動距離が非常に短い投影レンズで、特にＮＡ＝０．８または０．９を超える非常に大きい開口数ＮＡを有する投影レンズでも、斜入射で作動する焦点検出系を用いることができる。現在の技術状態での状況と異なって、本発明は、結像系の出口面のリムの半径に対する作動距離の比の逆タンジェントより大きい入射角を用いることができる。
【００１１】
測定ビームは基板の上面の幾つかの広く間隔を置いた地点に当たることもできるが、基板上面で１回だけ反射するように測定ビームを案内することが好ましい。すると、その１つの反射地点について、基板上面のｚ位置が、必要ならばそれの向きも決定され、その地点は、光軸上に置いても、オフアクシスでもよい。関連の特定用途に関係なく、結像系の１つまたは複数の適当な反射面での反射の回数を選択することができ、たとえば１回または２回でよい。
【００１２】
多くの形式の測定構造に対して、基板上面の方に傾斜角度で送られた測定ビームを傾斜角度で基板上面から離れる方向に反射させる少なくとも１つの反射面を有する少なくとも１つの補助反射体を基板上面の前方にそれから離して設けるようにして、測定ビームを案内すれば、特に好都合であろう。補助反射面は、たとえば、結像系の適当な位置に永久的に取り付けられたミラーまたはプリズムなどの形をとるか、必要ならば、移動できるように取り付けられた焦点検出系の光学素子の一部でもよい。この補助反射面は、たとえば、結像系の出口面によって定められた平面と基板上面の平面との間に配置され、これによって、補助反射面に投射された測定ビームはその表面からまず結像系の反射面へ、次にそこから基板上面上の所望反射地点へ反射され、さらにそこから直接的か、さらなる偏向および／または反射を経て出力結合光学素子に入ることができる。１つまたは複数のそのような補助反射面を設けることができる。測定に用いられる光が結像系の最終光学素子に送り込まれる実施形態の場合、この補助反射面を結像系の最終光学面に設けることもできる。
【００１３】
本発明に従った基板上面の位置および／または向きの検出が、測定ビームをそらせる光学結像系の像側出口の近傍も利用するので、光学結像系の最終光学素子が、測定に用いられる光を反射するコーティングを有する少なくとも１つの部分を備えた出口表面を有することが好ましく、これによって、結像系で測定に用いられる光が反射する時に発生する強度損失が最小限に抑えられるため、強力で有効な信号を得ることができる。このコーティングは好ましくは、露光を行うために用いられる光、すなわち光学結像系の作動波長の光を透過して、焦点検出系の結像に影響を与えないようにする必要がある。このコーティングが反射を減少させる、すなわち、作動波長または露光に用いられる波長に対して反射防止する被膜であって、干渉相互作用を伴わないで結像および焦点検出を高効率で最適化できるようにすることが、特に好都合であろう。露光に用いられる波長は好ましくは紫外線領域、たとえば、約２６０ｎｍ未満の領域に入るものであり、特に１９３ｎｍまたは１５７ｎｍである。測定に用いられる波長は、可視光領域に入るものであり、たとえば、６３３ｎｍであろう。
【００１４】
本発明の別の実施形態は、基板上面での少なくとも１回の反射と光学結像系の反射面での少なくとも１回の反射とを含むビーム経路を数回、たとえば、２回または４回通過してから検出されるように、測定ビームを案内することによって、計測応答度を改善することができる。したがって、焦点検出系の１つの実施形態は、測定ビームを再帰性反射する少なくとも１つの再帰性反射体を有し、これによって計測応答度を大幅に改善することができる。
【００１５】
焦点検出系を設計する時に、光の偏向特性を正しく考慮すれば、さらに好都合な構造が可能になるであろう。偏光を出力するように構成された入力結合系を有する実施形態では、たとえば、測定目的で反射面上の測定ビームの入射場所にほぼ直交する好適な偏向方向を有する光を使用することができる。電界のほぼｓ偏向した成分を使用することによって、反射率が非常に高い状況において反射面を使用することができ、これによって、計測正確度および計測応答度の両方を改善することができる。また、特に多重通過測定ビーム経路を有する実施形態の場合、ｓ偏光およびｐ偏光が交互に測定ビーム経路を通ることができる。それを可能にするために、１つの実施形態は、測定に用いられる光の好適な偏向方向を第１通過測定路と、その後の逆方向に通る第２通過測定経路との間で回転させる偏向回転体を備えている。この方法は、偏向選択光学素子を用いた時、さまざまな好適な偏向方向を有する光を使用して、測定ビーム経路を２回より多く、たとえば、４回も重複通過することができるようにする。
【００１６】
光学結像系の像側端部を焦点検出系のビーム案内素子として使用した場合、特に好適なビーム案内構造が得られるである。そのような実施形態では、入力結合系および／または出力結合系が、像平面に最も接近して平坦な接合面を有する結像系の最終光学素子を有し、測定ビームがその光学素子に斜めに送り込まれることによって、測定ビームが、その光学素子を出る前にその光学素子の平坦な接合面で少なくとも１回反射する。好ましくは少なくとも２回の反射、特に向き合った平坦面での反射を行うことによって、最終光学素子内でジグザグビーム経路を生じることができる。最終光学素子への測定ビームの送り込みを簡単にするために、好ましくはその最終光学素子が境界ゾーンを有し、それの上の少なくとも１カ所に、光軸に対して傾斜した平坦表面が形成され、測定ビームを送り込むために、好ましくはその表面の垂線が、所望の入力結合方向に平行な向きになっている。そして、測定ビームは、その光学素子のほぼ平坦な入口面と、それと向き合った出口面上の平坦ゾーンとの間で反射して、出口表面上の適当な地点で送り出され、基板の上面で反射された後に光学素子内へ戻ってから、必要ならば、その接合面でさらに反射した後に再び光学素子から送り出される。それを送り込む光学素子の表面上の特別な傾斜面をそれの送り出し用に設けることができる。必要ならば、最終光学素子上の適当に準備された地点が測定ビームを再帰性反射して、それを送り出すための特別な表面の必要性をなくすこともでき、その場合、測定ビームを送り込む表面を、それを送り出すためにも使用されるであろう。最終レンズ素子の出口面上に光学的に接触することができる平行平面プレートの形で最終光学素子を形成すれば、好都合であろう。
【００１７】
結像すべき物体を適切に選択することによって、計測応答度を改善するさらなる可能性が生じるであろう。入力結合光学系が単なるスリットか、実質的に一次元で空間的に延在する他の物体を基板の上面上の反射地点上に結像すればよい場合、基板上面に対する小さい入射角は容易に受け入れ可能であろう。しかし、傾斜を検出するには、二次元で空間的に延在する物体を基板上面上に結像し、それらの反射を検出するほうがよく、その場合、たとえば、干渉法を用い、広範囲にわたって得られた結果を分析することによって、分析正確度を相当に改善することができる。
【００１８】
従って、好適な実施形態によれば、入力結合系は、結像光学素子によって基板上面上に結像することができる物体グリッドを有し、出力結合系は、分析グリッドと、基板上に結像されたグリッドを分析グリッド上に結像する結像光学素子とを有する。これらのグリッドを互いに適合させることによって、物体グリッドを分析グリッド上に結像した時、干渉縞模様を形成することができる。遠近法的ゆがみを有する物体グリッドを用い、対応の分析グリッドも遠近法的ゆがみを有し、物体グリッドおよび分析グリッドのゆがみを互いに適合させることによって、それらも干渉縞模様を形成することができるようにした実施形態も特に好都合であって、傾斜入射光に適合することができる。たとえば、台形の物体グリッドを用いることによって、斜めの入射角で照明した時、平行線か、互いに直交する周期方向を有する２組の平行線からなるグリッドを基板上面上に形成することができる。使用される結像光学素子、入力結合光学素子および出力結合光学素子のすべてが同一の焦点長さを有する場合、分析グリッドを物体グリッドと同一の寸法およびレイアウトにすることができ、それによって、それらを非常に低コストで作製することができる。干渉測定と組み合わせて位相ずれを起こそうとする場合、重合模様から周期変化する信号レベルを生じるために、分析グリッドおよび物体グリッドを互いに平行移動させる対応の平行移動装置を設けなければならないであろう。
【００１９】
本発明の上記および他の特徴は、前掲の請求項、発明の詳細な説明および図面に記載されたとおりであり、それらの個々の特徴は、単独か、本発明の実施形態に見られ、他の分野で実施されたサブセットの形などの幾つかで明らかになり、本来的に特許性がある好都合な実施形態を表すであろう。
【００２０】
【実施例】
図１は、ＶＬＳＩ半導体装置の作製に用いられるウェハステッパの形のマイクロリソグラフィ投影露光系１を概略的に示す。投影露光系は、光源として機能する作動波長が１５７ｎｍのエキシマレーザ２を含み、他の作動波長、たとえば、１９３ｎｍまたは２４８ｎｍも可能である。光学列においてエキシマレーザに続く照明系３は、光学列においてそれに続く投影レンズ５のテレセントリック要件に適合させた、明確に画成されて非常に均一に照明された大きい画面を像平面４上に生じる。そのような照明系３は、照明モードを選択するための装置を備えており、図示の例の場合、可変の空間コヒーレンス度を有する従来型照明、環状照明および双極または４重極照明間で切り換えることができる。照明系に続いて、マスク６の保持および操作を行う装置が設けられており、これは、マスクを投影レンズ５の物体平面４上に配置して、走査作動を行うことができるようにその平面上に位置する移動方向７に沿って平行移動させるように構成されている。
【００２１】
「マスク平面」とも呼ばれる物体平面４に続いて縮小レンズ５が位置し、これは、マスクの像を、たとえば、１：４または１：５の縮尺で縮小してフォトレジスト層塗布ウェハ１０上に投影する。基板として機能するウェハ１０は、フォトレジスト層を担持している平坦な上面１１が縮小レンズ５の像平面１２とほぼ一致するように配置されている。ウェハは、ウェハをマスク６に平行に同期平行移動させるために走査駆動装置を含む装置８によって所定位置に保持される。この装置８はまた、ウェハをｚ方向、すなわち投影レンズの光軸１３に平行な方向と、その軸に直交するｘ方向およびｙ方向との両方に平行移動させるために、マニピュレータを備えている。
【００２２】
投影レンズ５には、投影レンズ５の最終光学面を表す平坦な出口面１５を有して、最終透明部材として、すなわち、像平面１２に最も近い表面として、基板の上面１１から作動距離１６だけ上方に配置された（図２を参照）平行平面プレート１４が設けられている。投影レンズ５の像側の開口数が０．８０を超える大きさであるため、出口面１５と基板１１の上面との間のガス充填介在空間１７が非常に狭く、１ｍｍ以下の狭さにすることができる。
【００２３】
投影露光系は、ｘ方向およびｙ方向に沿った位置を調整することによってマスクの像に対してウェハ１０を正確に位置合わせできるように、ここでは詳細に説明しないアラインメント系を含む。投影露光系はまた、投影レンズ５によって形成された光学結像系の像平面１２の近傍に配置されているウェハ１０の上面１１の像平面１２からのずれを光学的に検出するための焦点検出系２０を有する。投影レンズ５に対するウェハ１０の位置は、焦点検出系２０を使用して得られた測定結果に基づいて、たとえば、ウェハをｚ方向に沿って平行移動させるか、投影レンズをウェハホルダ８に対して光軸１３に沿って平行移動させる適当な方法によって補正することができる。
【００２４】
焦点検出系２０は、光源２１と、少なくとも１つの測定ビーム２３を投影レンズ５およびウェハ１０間の介在空間１７に斜めに送り込む入力結合光学素子２２と、基板の上面１１で反射した後の測定ビームを測定する出力結合光学素子２４と、基板の上面１１との相互作用の後の測定ビームの空間的解像検出を行う検出器ユニット２５とを備えている。像平面１２に平行に並べられて、ウェハの上面１１と投影レンズの出口端部１５との間に配置された補助反射面２７を有する補助ミラー２６も設けられている。この補助ミラー２６は、焦点検出系２０の構成部材、たとえば出力結合光学素子２４か、投影レンズ５のいずれかに機械的に固定することができる。特別な取り付け具を用いることもできる。
【００２５】
入力結合光学素子２２の構成要素は、それから出る測定ビームが最初に、基板の上面１１上の、光軸１３に対して偏心配置された反射地点２８に入射角αで斜めに当たるように構成されている。そこから、測定ビームは出口面１５の方向に反射され、光軸１３に対して偏心配置された反射地点２９へ反射される。この出口面１５には、遠紫外線領域内の投影レンズの作動波長では反射防止し、それに当たる可視光線領域内の測定ビーム２３の波長、たとえば、６３３ｎｍで反射するコーティングが塗布されている。したがって、測定ビームは、基板の上面１１の方向に斜めに反射して、基板の上面から一定距離だけ上方に配置された補助ミラーの反射面２７に当たり、それによって測定ビームが出力結合光学素子２４内へそれる。したがって、基板の上面１１上の地点２８で１回反射し、フォトリソグラフィ投影レンズの平坦な出口面１５で補助反射し、両反射は同一の測定ビームにかかわる。補助ミラー２６は、ビームがウェハ１０に２回当たるという不都合を防止する。
【００２６】
投影レンズの出口端部が焦点検出系の反射素子として用いられるので、測定ビーム２３は、入射角αで投射され、この角度は、斜入射を用いる従来の焦点検出系に可能な最大入射角を表して出口面１５のリムの半径１８に対する作動距離１６の比の逆タンジェントに等しいフリンジ角βより大きい。
【００２７】
焦点検出系が基板の上面での１回の反射と、投影レンズの出口面での２回の反射とを使用する第２実施形態を、図３に基づいて説明する。光源、入力結合系、出力結合系および検出器のレイアウトは、図１に示された配置と同様か、同一にすることができる。この系は２つのプリズム１２６’および１２６”を有しており、それらの反射底面１２７’、１２７”は、投影レンズの最終面１１５の外側で、基板の上面１１１とレンズの最終面１１５が通る平面との間の空間内に配置されており、光軸１３に対して対称的であって、補助反射面として機能する。これらのプリズム１２６’および１２６”は、レンズ取り付け部１０５に固着されて、ウェハの上面１１１からわずかな距離だけ上方に取り付けられている。システムは、測定ビーム１２３に対して、ウェハの上面１１１での１回の反射を光軸１１３と一致する地点１２８で行う、したがって光軸と同心状の対称ビーム経路を使用することができ、測定ビームは、入力結合光学素子によって第１プリズム１２６に斜めに入射し、その底面１２７がビームを出口面１１５へ反射し、この出口面１１５には、作動波長で反射防止し、測定に用いられる波長で反射するコーティングが塗布されている。反射ビームは次に、ウェハ上の地点１２８で反射して、再び最終面１１５に当たり、そこで反射してプリズム１２６”に送り込まれ、それによって検出器ユニット１２５の方向へ反射される。
【００２８】
図１および図３に示されたこれらの系の場合、測定に用いられた光は、測定ビームが１回だけ通る経路を通る。測定ビームが通る経路を２回通る第３実施形態を図４に基づいて説明する。その焦点検出系は、測定ビーム２２３を焦点検出系に送り込むと共に、焦点検出系から送り出す光学系２２４を備えている。像平面に平行で、測定に使用される光を基板の上面の方向に斜めにそらせる補助反射面として機能する底面を有するプリズム２２６が、入／出力結合光学素子２２４の、投影レンズ２０５の平坦な出口面２１５の平面と基板の上面２１１との間の側に配置されている。出口面２１５での合計２回の反射と基板の上面２１１の近傍での１回の反射とに続いて、測定に用いられた光は凹面端部ミラー２２７に当たり、これは実質的にそれに入射したすべての光を反射するため、測定に用いられた光は、出口面２１５でのさらに２回の反射と、光軸と一致したウェハの上面の地点２２８での１回の反射の後、入／出力結合光学素子へ戻されるであろう。
【００２９】
この系が測定に用いる光は、それが反射する地点での入射面に直交する偏向方向が好ましい偏光（ｓ偏光）である。測定ビームが経路を２回通ることによって、計測系の応答度が改善される。ｓ偏光を選択することによって、反射率が高い状況において測定ビームの経路上に配置された反射面を利用することができ、これによって強度損失が最小限に抑えられると共に、ｚ方向の計測精度が改善される。さらに、測定結果は、焦点検出系のさまざまな個別構成要素の表面およびウェハの上面で非偏光が反射した時に発生するようなｓ偏向およびｐ偏向成分間の位相ずれの悪影響を受けなくなる。
【００３０】
適当な入力光を用いれば、ｐ偏光だけを使用して測定を行うことができ、この特別な場合には、反射損失を最小限に抑えるために、関係する入射角が、反射が起きる地点でのそれぞれのブルースター角より相当に大きくなるか、相当に小さくなるかのいずれかになるように注意を払わなければならない。
【００３１】
再帰性反射体と組み合わせて偏光を使用することによって基板の上面の中心で１回反射する測定ビームの経路を４回通ることができる実施形態を図５に基づいて説明する。焦点検出系は、複合偏向選択入／出力結合光学素子３２４と、偏向プリズム３３０と、λ／４プレートの形の偏向回転体３３３と組み合わされた再帰性反射体３３２とを備え、偏向プリズム３３０の底面３３１は補助反射面として機能し、基板の上面３１１の上方の、その表面とレンズの出口面３１５を通る平面との間に配置されている。入／出力結合光学系３２４は、第１ミラー３４０と、偏向選択ビームスプリット面３４１を有する偏向ビームスプリッタと、偏向選択強度スプリッタ３４２と、コリメータ光学素子３４３と、第２ミラー３４４と、第３ミラー３４５と、偏向フィルタ３４６と、コリメータ光学素子３４７とを備えている。
【００３２】
第１ミラー３４０に当たる入射面に対してｓ偏向しているレーザ光源からの光を第１ミラーによって偏向選択ビームスプリット面３４１の方向へそらし、それによって強度スプリッタ３４２およびコリメータ光学素子３４３を通して偏向プリズム３３０へ送り込む。基板の上面に斜めに入射した光は、プリズムの底面３３１によって投影レンズの出口面３１５の方向にそらされて、投影レンズの出口面で反射されて、やはりｓ偏向している基板の上面３１１に光軸３１３の近傍で当たる。基板の上面３１１で反射し、出口面３１５で２回目の反射を行った後、測定ビームはλ／４プレート３３３を通過し、これは円偏光を測定ビームの透過平面に対してｐ偏向した光に変換する。このｐ偏光は、強度スプリッタ３４２までは測定ビームと同一経路を通り、その経路には出口面３１５での２回の反射と、基板の上面３１１の中心での１回の反射が含まれる。ｐ偏光を透過する偏向選択強度スプリッタ３４２は、測定ビームをビープスプリット面３４１へ送り、これはｐ偏向ビームを第２ミラー３４４へ送り、ここでビームが反射する。それから、再帰性反射体３３２までのビーム経路をｐ偏光が通った後、２回のλ／４遅れに続いて帰路をｓ偏光が強度スプリッタ３４２まで通る。ここで強度スプリッタがｓ偏光を第３ミラー３４５へ反射し、これがｓ偏光を偏向フィルタ３４６および光学列においてそれに続くコリメータ光学素子３４７の方向へそらして、ここには図示されていない空間解像検出器へ送る。偏向フィルタ３４６は、ｓ偏光だけが検出器に入るようにするために、測定ビームから残留ｐ偏向成分を除去する。ｐ偏光の反射時に発生する強度損失を抑制するために、関係する入射角が反射が起きる地点でのブルースター角より相当に大きくなるか、相当に小さくなるかのいずれかにするレイアウトを構成することが好都合であろう。この特定の実施形態の場合、ｓ偏向およびｐ偏向が交互する２回を超えた、すなわち４回の光反射が、基板の上面３１１で交互に発生する。
【００３３】
レンズの高口径比および関連の短い作動距離と焦点検出系が及ぶ角度範囲との結びつきに打ち勝つためのさらなる可能性を図６および図７に基づいて説明する。それらに記載されている実施形態の場合、フォトリソグラフィレンズの像端部は、測定ビームを案内する焦点検出系の透過素子である。図６に示されたレンズの像端部は、最後から２番目の光学素子として像側に凹面を有する正メニスカスレンズ４０１と、最終素子として基板の上面４１１からわずかな距離に配置される、平坦な入口面４０３および平坦な出口面４０４を有する平行平面プレート４０２とを有する。垂線がそれぞれ測定ビーム４２３の入射または出射方向に平行に並ぶようにした平坦なベベル入力結合面４０５および平坦なベベル出力結合面が、そのプレート４０２の縁部付近に設けられている。入力結合光学素子４２２は、測定ビームを直角入射で入力結合面４０５上に案内してプレート４０２内へ送り込み、そこで測定ビームは、プレートの出口面４０４に塗布されている、測定に用いられる波長で反射する反射コーティング４０７に当たって、それの入口面４０３の方向に反射される。この入口面で反射した後、測定ビームはウェハの上面４１１の方向に伝搬し、出口面４０４でプレート４０２から出て、光軸４１３の近傍の基板の上面４１１の中心に当たる。残りのビーム経路は、光軸に対して対称的であって、測定ビームをプレート４０２に送り込んだ後、プレートの入口面４０３に進み、別の反射コーティング４０７が測定ビームを出力結合面４０６に直交する出口方向に沿って反射して、出力結合光学素子４２４に送り込む。入力結合光学素子４２２および出力結合光学素子４２４のレンズは、発生しうる非点収差を補償できるように構成されている。短い作動距離であると共に、基板の上面４１１に対してほぼ斜入射であるにもかかわらず、プレート４０２内にこのジグザグ状のビーム経路が得られることは明らかである。
【００３４】
この特定の実施形態の場合、このジグザグ状測定ビーム経路を達成できるようにするために、プレート４０２の出口面４０４が、基板の上面に斜めに入射した測定ビームを基板の上面から離れるように反射する補助反射面として機能する。そのような系は、高口径比、たとえば、１以上の口径比を有する投影レンズと組み合わされると、非常に有効である。
【００３５】
図７は、一般的な作動距離がほぼ作動波長またはそれ以下である浸漬フォトリソグラフィおよび／または近距離フォトリソグラフィに使用するのに特に適した実施形態を示す。レンズは、最終光学素子として球形の入口面を有する大径の平凸レンズ５０１を有する。平行平面プレート５０２が、その平坦な出口面上に光学的に接触している。その接触面５０３は、光学的接触状態において、たとえば、１９３ｎｍまたは１５７ｎｍの波長を有する露光用の光を透過するが、たとえば、６３３ｎｍの測定波長の光を反射するため、測定ビームの経路内で発生する角度範囲を、露光に用いられる光の経路に発生するものより小さくすることができる。平坦プレート５０２は、ベベル入力結合面５０５と、反対側のベベル出力結合面と、光軸５１３に近い中央領域が縁部付近の領域より基板の上面５１１に接近している段差付き出口面５０４とを有する。
【００３６】
前述したように、物体は通常、空気または他の気体中に位置し、その像は合成石英ガラスなどの光学材料内にあるので、入力結合面５０５の傾斜配置は光学収差を生じる。測定ビームが通る経路のほとんどが光学的に厚い媒質内にあり、たとえば、測定ビームが通る経路の８０％以上がそのような媒質を通る場合、これらの問題が最小限に抑えられるであろう。図示の例の場合、入力結合光学素子５２２が、ガラス質二酸化珪素で作製されたガラスブロック５３０の出口面にコリメータ光学素子５３１を取り付けたものを有する。これらのテレセントリックコリメータ光学素子５３１は、石英ガラスより高い屈折率を有するＬａＦＳＦまたはＳＦなどの材料で作製されたレンズを有する。これらの光学素子のすべてが接合されて、一体構造体を形成している。この場合、コリメータ光学素子を作製する材料の屈折率とガラスブロックの材料の屈折率との比だけが重要であり、プリズム状のプレート５０２によって導入される光学収差の影響はほぼ除去されるであろう。出力結合光学素子５２４は同様の構造を有するであろう。
【００３７】
本発明による焦点結合系は、結像すべきあらゆる形式および形状の物体に使用するのに適している。たとえば、スリット形物体、すなわち、ほぼ一次元だけに空間的に延在する物体を用いることができる。完全な二次元グリッドを基板の上面に結像するのが特に好都合であり、その場合、たとえば、干渉縞技法と、広領域にわたって展開する分析、すなわち、基板の表面６１１、入力結合系６２２および出力結合系６２４の一部分を概略的に示す図８に基づいて説明するように、互いに直交する２方向を包含する分析を用いることによって、分析精度を大幅に改善することができるであろう。入力結合系は物体グリッド６３０を有し、それが結像レンズ６２１によって基板の表面６１１上に斜めに結像されることによって、物体グリッド６３０の像６３２がその上に現れる。その像は、出力結合系の結像光学系６３３によって分析グリッド６３４上に結像される。基板の表面６１１で反射された物体グリッド６３０の像を分析グリッド６３４上に重ねることによって、干渉縞模様が形成され、これを分析することによって、基板の表面６１１の位置を決定することができる。
【００３８】
レンズ６３１および６３３の主平面は好ましくは、ウェハの平面に平行に配置される。曲率または傾斜などの誤差を無視すれば、分析グリッドの後の信号は厳密に正弦波形になり、基板の表面６１１のｚ位置に対応することによって、データの点ごとの分析が可能になる。しかし、単一の輝度レベルを求めるだけよりも、重合模様をその領域の少なくとも一部分にわたって、すなわち、二次元で分析して空間的に解像すれば、さらにもっと好都合であろう。したがって、図示されていない使用検出器は、たとえば、ＣＣＤチップを有することができる。焦点位置やウェハまたは基板表面６１１の傾斜および／または曲率などのすべての情報が、生じた二次元像に含まれ、分析されるであろう。物体グリッドおよび分析グリッドを互いに周期移動させることによって、残留誤差を最小限に抑えるための位相ずれを発生することができる。たとえば、物体グリッド６３０を圧電変換器によって振動させてもよい。
【００３９】
これらの高精度分析方法の場合、本発明で可能であるような斜入射角が好都合である。入力結合系および出力結合系の結像系は、非常に広い視野角を可能にすると共に、ゆがみおよび他の結像誤差を完全に補正しなければならず、この場合、主平面がウェハの平面に平行でない他の構造を用いることが好都合であろう。たとえば、入力結合系および出力結合系のレンズ６３１および６３３がほぼテレセントリックであって、１：１の結像を行う構造が好都合である。物体グリッドおよび分析グリッドの平面が、ウェハの平面６１１およびレンズ６３１および６３３の主平面と１点で交差することが好都合であろう。
【００４０】
レンズ６３１および６３３は、基板の表面６１１のオフアクシス配置のために、台形ゆがみを示す結像を行う。好ましくは、台形の物体グリッド６３０および分析グリッド６３４を用いて、基板の表面６１１上に矩形のグリッドが得られるようにする。物体グリッドおよび分析グリッドの遠近法的ゆがみを入射角に正しく適合させた場合、全体的に鮮明に合焦した物体グリッドの矩形像６３２が基板の表面６１１上に形成されるが、それを分析グリッド上に結像した時、再び台形になるであろう。レンズ６３１および６３３の焦点長さが等しい場合、分析グリッドは寸法およびレイアウトが物体グリッドと一致し、これはとりわけ、この形式のグリッドの作製を低コストにすることができる。図示の所定方向に沿って集束または拡散するグリッド線を有する線形グリッドの代わりに、ウェハの表面６１１に網状線グリッドなどを形成できるように幾つかの周期方向を有するグリッドも用いることができる。
【００４１】
干渉法を用いることによって、計測応答度を改善するさらに別の可能性が得られる。
【００４２】
したがって、測定領域を通って、数回の反射の後に最終的に出力結合系に達する結像光学素子を使用して平行にしたコリメート（レーザ）ビームを入力結合系に組み込んだ別の好適な実施形態が提供され、この場合、入力結合系および出力結合系が同一であろう。予め適当な位置で、基準ビームを入射ビームから形成する。出射ビームを基準ビームと干渉させて、参照ビームおよび測定ビームの位相を強度変調から決定する。たとえば、高周波位相ずれは測定領域における測定ビームの光路を非常に正確かつ迅速に決定することができるであろう。使用した光は、角変位ではなく光路長の変化を検出するために使用されるので、基板に対する斜入射の利点は少ない。測定ビームをジグザグ経路に沿って案内することによって、近垂直入射を用いることができる。フォトリソグラフィ投影レンズの最終反射光学素子として厚い平行平面プレートを用いることによって、非常に高い口径比および非常に短い作動距離での別の改善が達成されるであろう。入射平面に直交する偏向状態は、干渉法の場合に特に好都合である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った焦点検出系の実施形態を備えたマイクロリソグラフィ投影露光系の概略図である。
【図２】図１に示された焦点検出系の一部の拡大概略図である。
【図３】本発明に従った焦点検出系の第２実施形態の一部の概略図である。
【図４】本発明に従った焦点検出系の第３実施形態の一部の概略図である。
【図５】本発明に従った焦点検出系の第４実施形態の一部の概略図である。
【図６】本発明に従った焦点検出系の第５実施形態の一部の概略図である。
【図７】本発明に従った焦点検出系の第６実施形態の一部の概略図である。
【図８】干渉縞模様を用いて測定を行うための焦点検出系の実施形態の一部の概略図である。
【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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