(57)【要約】【課題】可干渉距離の短い露光光源を使用したフィゾー干渉計において、波長板、偏光素子を組合せることで干渉光束と不要光束の偏光方向を直交させ分離することで、Ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙの良い２光束干渉縞を得て波面測定速度を向上させる。【解決手段】フィゾー面より前の光路長付与部において、分割した光束のうち一方の偏光状態をλ／４波長板を使用して他方の光束に対して直行させ、かつフィゾー面と被検レンズの間にλ／４波長板を配置することで干渉２光束と非干渉２光束の偏光状態を直交させる。さらに偏光分離素子を用いてこれら光束を分離する。【選択図】　　　　図１
2004077207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源であるレ−ザから放射された光束を、フィゾー干渉計を構成する半透過参照面（以後フィゾー面と呼ぶ）に入射する前に２光束に分離・再結合するためのビ−ムスプリッタと、２光束が分離している間の光路長差が光源の可干渉距離以上で且つフィゾー干渉計の光路長との差が光源の可干渉距離以内になるように配置されたミラ−からなる光路長差付与部を設けたフィゾー干渉計において、前記光路長付与部にて一方の光束の偏光方向をもう一方の光束に対して直交させる手段と、前記フィゾー面と被測定対象との間にλ／４波長板を有することを特徴とした干渉測定装置。
【請求項２】
前記光源は可干渉距離の短いＫｒＦ，ＡｒＦ，Ｆ２エキシマレーザ光源であることを特徴とした請求項１記載のフィゾー干渉測定装置。
【請求項３】
前記フィゾー干渉計を搭載したことを特徴とした半導体露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は被測定対象の光路長が長く、その上測定に使用できる光源の波長が限定されながらかつ可干渉距離の短い光源を使用して、高精度の波面測定が要求される干渉測定及び干渉測定装置とそれを搭載した半導体露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可干渉距離の短い光源を使用して干渉測定を行う場合、参照光路と被検光路の光路長差を光源の可干渉距離以下に一致させる必要がある。そのためトワイマン・グリーン干渉計などのように参照光路と測定光路を分割せざるを得ず、測定対象の光路長が長い場合、振動や空気ゆらぎの影響を受けやすくなるため波面の測定精度は低下してしまう。そこで可干渉距離の短い光源でも共通光路で安定したフィゾー干渉を実現する方法が提案されている。図５にその測定原理を示す。
【０００３】
この方法では可干渉距離の短い光源１０１から発した光束を、フィゾー干渉計においてフィゾー面１１２よりも前の光学系１０５で分割し、それら２光束に予めフィゾー面１１２から球面ミラー１１４までの往復光路長分の光路長差を付与した後、再結合した光束を集光レンズ１０６でピンホール１０７上に集光し、通過させることで同一波面となるように波面を整形して、その後にフィゾー面１１２へと２光束を入射させる。この場合再結合された光束は共通光路となるため、振動やゆらぎの影響をトワイマン・グリーン干渉計などに比べて低減することが可能となり、可干渉距離の短い光源でも高精度な干渉測定が実現できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述したフィゾー干渉では半透過のフィゾー面１１２に光路長差を付与した２光束Ｌ１，Ｌ２が到達し、それぞれの光束が反射および透過するため、干渉縞撮像用カメラ１１６にはＬ１ｒ，Ｌ２ｒ，Ｌ１ｔ，Ｌ２ｔの４光束が到達することになる。このうち光路長差付与部で長光路側を透過して参照面で反射する光束Ｌ１ｒと、光路長差付与部で短光路側を透過し、参照面も透過して被測定対象から戻ってくる光束Ｌ２ｔは、光路長差が光源の可干渉距離以下となるように光路長差を付与しているので干渉して干渉縞を生じる。
【０００５】
しかしこれら干渉する２光束以外に光路長差付与部で長光路側を透過し、参照面も透過して被測定対象から戻ってくる光束Ｌ１ｔと、光路長差付与部で短光路側を透過して参照面で反射する光束Ｌ２ｒの２光束は他の光束と干渉しないので、バックグラウンド光として干渉光に重畳されてしまう。その結果干渉縞のＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙがトワイマングリーン干渉計のような２光束干渉と比較すると原理的に半分になってしまうため、高精度を要求される波面測定には不利となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では光路長差付与部において分割した光束の一方をλ／２波長板もしくはλ／４波長板を使用して偏光状態を他方の光束の偏光状態に対して直交させた後に２光束を再結合して、なおかつ参照面と被測定対象との間にλ／４波長板を配置することで光束がλ／４波長板を往復で透過した際に入射光に対して出射光の偏光状態を９０°回転させることで、干渉する２光束と背景光となる非干渉２光束の偏光状態を直交させる。さらに偏光が直交した干渉光束と非干渉光束を偏光素子などを用いて分離し、干渉２光束のみをカメラ側に取り出すことで２光束干渉と同等なＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙの干渉縞を得ることが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１に本発明の第１の実施例を示す。
【０００８】
図１において低コヒーレンス光源、例えばＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２等のエキシマレーザ露光光源１から出射した光束は、光路長差付与部６に入射する。光路長差付与部６で光束はビームスプリッタ２によりミラー４に向かう光束Ｌ１とミラー５に向かう光束Ｌ２に分離される。光束Ｌ１の光路にはλ／４波長板を配置し、λ／４波長板透過−ミラー４反射−λ／４波長板透過した光束Ｌ１の偏光状態を光束Ｌ２に対して直交させる。ビームスプリッタ２に戻った光束Ｌ１は、ミラー５を反射しビームスプリッタ２に戻る光束Ｌ２と再度結合される。この時ビームスプリッタ２とミラー４までの光路長はビームスプリッタ２とミラー５までの光路長より、後述の参照平面１２と反射球面ミラー１６間の光路長Ｄだけ長くなるように設置してある。
【０００９】
従ってビームスプリッタ２を透過した光束Ｌ１と反射した光束Ｌ２はともに波面整形光学系１０へ向かうが、光束Ｌ２は光束Ｌ１に対して光路長２Ｄだけ進んでいる。
【００１０】
再結合された２光束は集光レンズ７によりピンホール８上に集光される。ここでピンホール８の直径を集光レンズ７の開口数により決まるエアリーディスク直径の１／２程度にすれば、ピンホール８からの射出光は球面波とみなすことができ、光路長付与部６で生じた光束Ｌ１と光束Ｌ２の波面の差異を除去することができる。ピンホール８を射出した２光束はコリメータレンズ９で平行光束にされた後、ビームスプリッタ１１を透過し、参照平面板１２へ入射する。光束Ｌ１、Ｌ２はともに参照平面で一部は反射してＬ１ｒ，Ｌ２ｒとなりビームスプリッタ１１に向かい、残りは参照平面１２を透過してＬ１ｔ，Ｌ２ｔとなる。
【００１１】
参照平面１２とコリメータレンズ１４との間にはλ／４波長板を配置し、参照平面１２を透過した光束Ｌ１ｔ，Ｌ２ｔの偏光状態を変換する。その後コリメータレンズ１４、被検レンズ１５を透過して球面ミラー１６を反射した光束は、同経路を戻って再びλ／４波長板を透過してビームスプリッタ１１へ戻る。λ／４波長板を往復で透過した光束Ｌ１ｔ，Ｌ２ｔはλ／４波長板入射前と出射後とでは偏光状態が９０°回転される。
【００１２】
ビームスプリッタ１１へ戻り反射される４光束のうち、光束Ｌ１ｒと光束Ｌ２ｔとは光路長差が光源の可干渉距離以下になっているので干渉する。さらに偏光状態が他の２光束Ｌ１ｔとＬ２ｒとは直交しているので偏光分離素子１７（例えば偏光ビームスプリッタやローションプリズムなど）を利用して、これら不要光束と分離することが可能となる。分離された干渉２光束Ｌ１ｒ，Ｌ２ｔは結像レンズ１８により光束径を所望の倍率に変換され、なおかつ２光束により生じる干渉縞像はカメラ１９面上に結像される。従ってカメラ１９で得られる干渉縞画像は、Ｌ１ｒ，Ｌ２ｔの２光束から得られる縞画像となり、縞のＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙが向上することになる。
【００１３】
（第２の実施例）
図２に本発明の第２の実施例を示す。
【００１４】
実施例１において示した光路長付与部の光学系を本実施例では下記のように変更する。
【００１５】
露光光源１から発した光束を光路長付与部３６に入射する。光路長差付与部３６で光束はビームスプリッタ３１によりミラー３４に向かう光束Ｌ１と偏光ビームスプリッタ３２に向かう光束Ｌ２に分離される。光束Ｌ１の光路にはλ／２波長板を配置し、λ／２波長板を透過した光束Ｌ１の偏光状態が光束Ｌ２に対して直交するようにする。偏光を回転させた光束Ｌ１はミラー３４、ミラー３５を介して偏光ビームスプリッタ３２で反射され、ビームスプリッタ３１、偏光ビームスプリッタ３２を透過する光束Ｌ２と再度結合される。この時Ｌ１の光路長はＬ２の光路長より、参照平面１２と反射球面ミラー１６間の光路長Ｄの２倍だけ長くなるように設置してある。再結合された２光束は波面整形光学系１０へと導かれる。以後は実施例１と同光路をたどる。
【００１６】
（第３の実施例）
図３に本発明の第３の実施例を示す。図３は第１および２の実施例で示した本発明の干渉測定装置を搭載した半導体露光装置の概略図である。
【００１７】
図３において、例えばＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２等のエキシマレーザ等の露光用光源３０１から出射した光束は、ビーム整形光学系３０２により光軸に対して対称なビーム形状に変換される。その後光路切換えミラー３０３は通常の露光時は光路外に配置されていて、ビーム整形光学系３０２を出射した光束はインコヒーレント化ユニット３０４へ入射し、可干渉性を低下させた後に照明光学系３０５を透過し、レチクル面３１８を照明する。
【００１８】
一方、光路切換えミラー３０３は、露光時以外に光路中に配置される。光路切換えミラー３０３により反射された光束は光路長差付与部３０６へと導かれ、ビームスプリッタで分割された後、被測定対象である露光装置投影レンズの往復光路長だけ２光束間に光路長差を付与する。この時一方の光束の偏光状態をλ／２波長板もしくはλ／４波長板を使用して、他方の光束に対して偏光状態を直交させてから２光束を再び結合する。結合された光束は引き回し光学系３０７へと導かれ、レチクル面３１８の近傍に配置された干渉計３１７付近へと導光される。引き回し光学系３０７から出射した光束は集光レンズ３０８により１点に集光される。ここで集光レンズ３０８の焦点近傍にはピンホール３０９が配置されていて、ピンホール３０９を透過した光束は、コリメータレンズ３１０により平行光へと変換される。ここでピンホール３０９の径は、集光レンズ３０８の開口数によって決まるエアリーディスク径の１／２程度に設定されている。
【００１９】
この結果、光路長差を付与した２光束が光路長付与部３０６および引き回し系３０７で受ける波面の歪は、ピンホール３０９を通過することによってほぼ理想的な球面波へと変換される。またコリメータレンズ３１０はほぼ無収差に設計製作されているので、コリメータレンズ３１０からの光束はほぼ理想的な平面波となって出射する。コリメータレンズ３１０からの平行光はハーフミラー３１１により反射されＸＹＺステージ３１３上に配置された参照平面３１４、λ／４波長板３１５、コリメータレンズ３１６へと導かれる。
【００２０】
参照平面３１４への光束の経路に関しては図４を用いて詳細に説明する。ハーフミラー３１１により反射された光束４０６は固定ミラー４０４によりｙ軸方法に折り曲げられ、その後ｙステージ４０１上に配置されたミラー４０５によりｘ軸方向に反射される。さらにｘステージ４０２上に配置されたミラー３１２によりｚ軸方向へ向きを変え、ｚステージ４０３上に配置された参照平面３１４へ入射する。参照平面３１４に入射した２光束の一部は参照平面３１４で反射し同経路をたどってハーフミラー３１１へ戻り透過する。参照平面３１４を透過した光束はλ／４波長板３１５で偏光状態を変換された後、コリメータレンズ３１６により図３におけるレチクル面３１８に集光される。
【００２１】
以上説明した経路をたどりＸＹＺステージ３１３を移動させることによりハーフミラー３１１で反射された光束をレチクル面３１８面上の任意の点に集光することが可能となる。レチクル面３１８に集光された光束は投影レンズ３１９によりウェハー面３２０に再結像される。ここでウェハーステージ３２２の上或いは内部には球面ミラー３２３が配置されている。ここで球面ミラー３２３の曲率中心はウェハー面３２０とほぼ一致している。投影レンズ３１９からの光束は球面ミラー３２３によって反射され、ほぼ同一光路をたどって投影レンズ３１９、コリメータレンズ３１６と戻り、再びλ／４波長板３１５を透過して偏光状態が変換され、往復の透過で偏光状態が９０°回転される。これら光束は参照平面３１４で反射した２光束と同経路をたどって、干渉計３１７のハーフミラー３１１に戻り透過する。
【００２２】
ハーフミラー３１１を透過した４光束のうち、光路長差が光源の可干渉距離以下となり干渉する２光束と、その他の２光束とは偏光状態が互いに直交しているので、偏光分離素子３２４を使用して（例えば偏光ビームスプリッタやローションプリズムなど）、これら光束を分離する。このうち干渉している２光束は結像レンズ３２５により所望のビーム径に変換されると同時にカメラ３２６上に干渉縞が結像される。カメラ３２６により撮像された干渉縞画像は図中には示していないが計算機などへ取り込み、縞画像処理を施して被検レンズ３１９の透過波面形状を得る。
【００２３】
また他方の非干渉２光束は集光レンズ３２７により指標３２９上にスポットを形成し、指標面上でのスポット横ズレをカメラ３３１により観察して、参照平面３１４および被検レンズ３１９からの戻り光の傾きをモニターするアライメント系として使用できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば低コヒーレンス光源を使用したフィゾー干渉計において、干渉光束と非干渉光束とを分離することが可能となり、２光束干渉と同等なＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙの干渉縞が得られるので、従来法よりも高精度な波面測定が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１の実施例の概略図
【図２】本発明第２の実施例の概略図
【図３】本発明第３の実施例の概略図
【図４】第３の実施例におけるレチクル面への光束の経路を示す詳細図
【図５】可干渉距離の短い光源を使用したフィゾー干渉計の概略図
【符号の説明】
１：露光光源
２：ビームスプリッタ
３：λ／４波長板
４：反射ミラー
５：反射ミラー
６：光路長差付与部
７：集光レンズ
８：空間フィルター
９：コリメータレンズ
１０：波面整形光学系
１１：ハーフミラー
１２：参照平面板
１３：λ／４波長板
１４：コリメータレンズ
１５：被検レンズ
１６：球面ミラー
１７：偏光分離素子
１８：干渉縞結像光学系
１９：カメラ
２０：集光レンズ
２１：反射ミラー
２２：指標
２３：結像レンズ
２４：カメラ
３１：ビームスプリッタ
３２：偏光ビームスプリッタ
３３：λ／２波長板
３４：反射ミラー
３５：反射ミラー
３６：光路長付与部
３０１：露光光源
３０２：ビーム整形光学系
３０３：光路切換えミラー
３０４：インコヒーレント化ユニット
３０５：照明光学系
３０６：光路長差付与部
３０７：引き回し光学系
３０８：集光レンズ
３０９：空間フィルター
３１０：コリメータレンズ
３１１：ハーフミラー
３１２：反射ミラー
３１３：ＸＹＺステージ
３１４：参照平面板
３１５：λ／４波長板
３１６：コリメータレンズ
３１７：干渉計ユニット
３１８：レチクル面
３１９：投影レンズ
３２０：ウエハー面
３２１：ウェハーチャック
３２２：ウェハーステージ
３２３：球面ミラー
３２４：偏光分離素子
３２５：結像レンズ
３２６：カメラ
３２７：集光レンズ
３２８：反射ミラー
３２９：指標
３３０：結像レンズ
３３１：カメラ
４０１：ｙステージ
４０２：ｘステージ
４０３：ｚステージ
４０４：反射ミラー
４０５：反射ミラー
４０６：ハーフミラー３１１からの光束
１０１：低コヒーレント光源
１０２：ビームスプリッタ
１０３：反射ミラー
１０４：反射ミラー
１０５：光路長差付与部
１０６：集光レンズ
１０７：空間フィルター
１０８：コリメータレンズ
１０９：波面整形光学系
１１０：ビームスプリッタ
１１１：フィゾーレンズ
１１２：フィゾー面
１１３：被検レンズ
１１４：球面ミラー
１１５：結像レンズ
【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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