(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照光と被検面からの光との干渉を用いて前記被検面の非球面形状を測定する測定装置において、
球面収差を有する波面を生成する基準波面生成ユニットと、
前記参照光を生成し、変形可能な参照面を有する光学部材と、変形可能な基準面を有する基準光学部材とを含み、前記参照面の形状に一致するように前記基準面の形状を変形させ、前記参照面からの光と前記基準面からの光とが干渉した光を検出して変形後の前記参照面の形状を測定するための干渉計とを有し、
前記参照光の波面が非球面となるように前記参照面を変形させ、
前記参照面からの参照光と、前記基準波面生成ユニットを通過し前記被検面を反射した光とが干渉した光を検出して前記被検面の形状を測定することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記干渉計は、
前記参照面からの光と前記基準面からの光とが干渉した光を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて、前記参照面又は前記基準面の形状を調整する調整手段とを有すること特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記参照面を変形させる参照面変形手段と、
前記基準面を変形させる基準面変形手段とを有し、
前記参照面からの光と前記基準面からの光とが干渉した光の検出結果に基づいて、前記参照面変形手段又は前記基準面変形手段を制御すること特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
前記参照面からの光と前記基準面からの光との干渉縞を形成する光の波長と前記被検面の形状の測定に用いられる光の波長とは異なることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項５】
前記参照面からの光と前記基準面からの光との干渉縞を形成する光の波長と前記被検面の形状の測定に用いられる光の波長とは同じであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項６】
前記基準光学部材と交換可能に配置される原器を有し、
前記原器からの光と前記参照面からの光とが干渉した光を検出することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項７】
前記原器を複数有し、複数の原器のうち選択された１つの原器が光路内に配置されることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
【請求項８】
前記被検面に入射する光の波長は、前記参照面からの光と前記基準面からの光との干渉縞を形成する光の波長よりも短いことを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
【請求項９】
前記基準波面生成ユニットが生成する波面の動径の次数と前記参照面からの波面の動径の次数とは異なることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記基準波面生成ユニットが生成する波面は動径の４次以上の成分のみを含み、前記参照面からの波面は動径の６次以上の成分のみを含むことを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記基準波面生成ユニットは、複数のレンズと、
前記複数のレンズのうち２つのレンズの距離を調整する調整手段とを有し、
前記調整手段による調整によって前記球面収差を発生していることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項１２】
前記基準波面生成ユニットはアルバレズレンズを有することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項１３】
前記アルバレズレンズが生成する波面は、動径の６次以上の成分のみを含むことを特徴とする請求項１２に記載の測定装置。
【請求項１４】
前記基準波面生成ユニットは前記アルバレズレンズを複数有し、各アルバレズレンズが生成する波面は互いに異なることを特徴とする請求項１２に記載の測定装置。
【請求項１５】
前記アルバレズレンズが生成する波面は、動径の４次以上の成分のみを含むことを特徴とする請求項１２に記載の測定装置。
【請求項１６】
前記調整手段は、
前記レンズを移動する移動手段と、
前記レンズの位置情報をモニタする位置情報モニタ手段とを有することを特徴とする請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１７】
前記レンズの移動量に基づいて、前記基準波面生成ユニットが生成する波面を演算する演算手段を有することを特徴とする請求項１６記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定装置に関し、被検物として球面から非球面にわたる広範囲な面形状に対応し高精度で被検物の面形状を測定する際に好適なものである。
【０００２】
この他本発明は、マスク上のパターンを感光性の基板に転写し、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光学系を構成する各光学素子（レンズ、フィルター等）の球面や非球面等の面形状を高精度に測定する際に好適なものである。
【０００３】
【従来の技術】
光学系におけるイノベーションは常に新しい光学素子、あるいは自由度の導入によってもたらされている。この中で非球面の導入による光学性能の改善は天体望遠鏡の昔から追及されてきた項目の一つであるが、近年、加工法や計測法の改善により、最も精度が要求される半導体素子製造用の半導体露光装置に導入されるところにいたった。
【０００４】
半導体露光装置における非球面の効果は大きく分けて３つある。第一の効果は光学素子の枚数の削減である。短波長化に伴い半導体露光装置の光学系には石英や蛍石といった高価な材料を使用せざるを得なくなってきた。非球面の効果による光学素子の枚数の削減は製作面及びコスト面で非常に効果が大きい。第二の効果はコンパクト化である。非球面の効果として光学系を小型化することが可能となって、やはり製作及びコストに対する影響が無視できないほど大きい。第３の効果は高性能化である。高ＮＡ化や、低収差化でますます要求精度の高くなっている光学系の性能を達成する手段として非球面の果たす役割は非常に重要となっている。
【０００５】
また、最近ではパターンの微細化の加速に伴って次世代を担う露光方式としてＥＵＶを用いる方式が本命視されている。ＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）では従来の光露光で用いられてきた光の波長の１／１０以下の１３．４ｎｍという短い波長の光を用いて、反射結像光学系によりレチクル上の像をウェハーに転写する。ＥＵＶの領域では波長が短すぎる為、光が透過する光学部材（透過材料）が存在せず、光学系はレンズを用いないミラーのみの構成となる。しかしながら、ＥＵＶの領域では反射材料も限られており、１面あたりのミラーの反射率は７０％弱しかない。従って、従来のレンズを用いた光学系の様に２０枚を越えるような光学系の構成は光利用効率の面から不可能で、なるべく少ない枚数で所定の性能を満足する結像光学系を構成しなければならない。
【０００６】
現在、ＥＵＶの実験機で用いられているのは３枚または４枚構成のミラー系でＮＡが０．１前後のものであるが、将来的には６枚のミラー系構成でＮＡ０．２５から０．３０前後のシステムがターゲットとなっている。このような高性能の光学系を少ない枚数で実現する手段として、実際に高精度な非球面を加工し、計測し、所定の面形状の光学素子を得ることが従来技術の壁を打ち破るために必須の技術となってきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高性能が得られる設計値が得られても従来の非球面の加工では非球面の計測精度に限界があり、所定の値以上の非球面量を持った面は加工できないという問題点があった。該所定の値は所望の精度で計測できる範囲によって定められる。よく知られているように、計測と加工は一体のものであり、良い計測精度がなければ精密な加工を行うことは不可能である。
【０００８】
球面形状の計測の技術は光学素子の計測で最も通常に用いられる技術であるため汎用の装置も製品として存在しており、絶えざる精度向上の努力により精度も大幅に向上している。しかしながら測定波長の１０倍以上の大きな非球面量になると干渉縞の間隔が細かくなりすぎて球面計測と同じ計測精度を出すことが困難となる。  通常、大きな非球面の測定方法として機械的あるいは光学的なプローブを用いて非球面の表面を計測する方法が知られている。しかしながらプローブ法は種々の形状の非球面に対応できるフレキシビリティは備えているものの、プローブ自体の計測限界や、プローブの位置計測の安定性などに問題があり、干渉計測法ほどの精度を出すことが困難である。
【０００９】
本発明は非球面の面形状を球面と同じ精度で測定が可能で、かつ種々の面形状の測定に適切に対応できる測定装置の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の測定装置は、
参照光と被検面からの光との干渉を用いて前記被検面の非球面形状を測定する測定装置において、
球面収差を有する波面を生成する基準波面生成ユニットと、
前記参照光を生成し、変形可能な参照面を有する光学部材と、変形可能な基準面を有する基準光学部材とを含み、前記参照面の形状に一致するように前記基準面の形状を変形させ、前記参照面からの光と前記基準面からの光とが干渉した光を検出して変形後の前記参照面の形状を測定するための干渉計とを有し、
前記参照光の波面が非球面となるように前記参照面を変形させ、
前記参照面からの参照光と、前記基準波面生成ユニットを通過し前記被検面を反射した光とが干渉した光を検出して前記被検面の形状を測定することを特徴としている。
【００１１】
請求項２の発明は請求項１の発明において、
前記干渉計は、
前記参照面からの光と前記基準面からの光とが干渉した光を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて、前記参照面又は前記基準面の形状を調整する調整手段とを有すること特徴としている。
【００１２】
請求項３の発明は請求項１の発明において、
前記参照面を変形させる参照面変形手段と、
前記基準面を変形させる基準面変形手段とを有し、
前記参照面からの光と前記基準面からの光とが干渉した光の検出結果に基づいて、前記参照面変形手段又は前記基準面変形手段を制御すること特徴としている。
【００１３】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、
前記参照面からの光と前記基準面からの光との干渉縞を形成する光の波長と前記被検面の形状の測定に用いられる光の波長とは異なることを特徴としている。
【００１４】
請求項５の発明は請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、
前記参照面からの光と前記基準面からの光との干渉縞を形成する光の波長と前記被検面の形状の測定に用いられる光の波長とは同じであることを特徴としている。
【００１５】
請求項６の発明は請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、
前記基準光学部材と交換可能に配置される原器を有し、
前記原器からの光と前記参照面からの光とが干渉した光を検出することを特徴としている。
【００１６】
請求項７の発明は請求項６の発明において、
前記原器を複数有し、複数の原器のうち選択された１つの原器が光路内に配置されることを特徴としている。
【００１７】
請求項８の発明は請求項４の発明において、
球面収差を有する基準波面を生成する基準波面生成ユニットとを有し、
前記被検面に入射する光の波長は、前記参照面からの光と前記基準面からの光との干渉縞を形成する光の波長よりも短いことを特徴としている。
【００１８】
請求項９の発明は請求項１乃至８のいずれか１項の発明において、
前記基準波面生成ユニットが生成する波面の動径の次数と前記参照面からの波面の動径の次数とは異なることを特徴としている。
【００１９】
請求項１０の発明は請求項９の発明において、
前記基準波面生成ユニットが生成する波面は動径の４次以上の成分のみを含み、前記参照面からの波面は動径の６次以上の成分のみを含むことを特徴としている。
【００２０】
請求項１１の発明は請求項１乃至８のいずれか１項の発明において、
前記基準波面生成ユニットは、複数のレンズと、
前記複数のレンズのうち２つのレンズの距離を調整する調整手段とを有し、
前記調整手段による調整によって前記球面収差を発生していることを特徴としている。
【００２１】
請求項１２の発明は請求項１乃至８のいずれか１項の発明において、
前記基準波面生成ユニットはアルバレズレンズを有することを特徴としている。
【００３３】
【発明の実施の形態】
通常の球面を測定する干渉計は精度及び測定再現性などに長足の進歩を見せている。最近では測定再現性で０．１ｎｍに近づこうという精度を見せるまでになっており、ＥＵＶ時代の計測装置としても使用出来る位のレベルに達している。
【００３４】
これに対し非球面の面形状の計測は非球面自体の要望があったにも拘らず、誤差要因が多いと言うことで、精度も要求を満たしていなかった。本発明の実施形態は、この球面と非球面との乖離をなくすことを特徴としている。このため、本発明の実施形態では精度上の達成値を球面波にすることを目標として、球面計測用の光学配置を基礎に非球面を計測する構成を用いている。
【００３５】
尚、本発明において非球面とは球面又は平面でないことを意味している。
【００３６】
本発明の実施形態では非球面の波面を、参照光の波面と物体光の波面から、正確に合成して作っている。このとき参照光の波面は弾性変形ミラー（参照面）で作成し、物体光の波面は光学系の収差をもとに発生させている。
【００３７】
参照光側は２枚の弾性変形ミラーとキャリブレーション用の原器を用いて自由に形状を作成し、所望の波面を作成している。
【００３８】
物体光側の基準波面の作成には様々な方法を用いることが出来るが、以下の考えをもとに光学系の収差を発生させることにより、汎用性の高いシステムを構築することが出来る。
【００３９】
最近の半導体製造装置における高精度な駆動の実現、及び計算機の発達は基準位置の収差さえはっきりしておれば、該基準位置からオープンループで各エレメントを駆動した後に発生する収差を正確に知ることを可能とする。本発明は、この点を考慮して非球面が球面からのずれと言う形で定義される以上、該非球面を収差とみなし、該収差量を収差発生光学系（基準波面発生ユニット）で発生させることによって、所望の非球面形状を持つ波面を発生させている。
【００４０】
本実施形態では、任意の形状の非球面を専用の素子を設けることなく、汎用で検出できるようにしている。
【００４１】
本実施形態では、参照光側の波面を変形させるために２枚の弾性変形ミラー又は更に原器を有し、両者の面形状を変形させることによって、所望の参照面波面を作成している。図１に示したように、前記2枚の弾性変形ミラーは参照面位置と基準面位置に配置され、両者の干渉計(弾性変形量モニター干渉計)を有することで、弾性変形量を制御している。つまり、２枚の弾性変形ミラーの変形量を弾性変形量モニター干渉計によって把握し、該干渉計の精度内で２枚の変形量を交互に制御することで、最終的に所望の参照面形状を作成している。
【００４２】
さらに、このようにして参照光側の弾性変形ミラーを制御することで生成した波面と、物体光側で発生させた基準波面によって、種々の非球面計測を行っている。
【００４３】
参照光側で用いる２枚の弾性変形ミラー２１，２３は、例えば薄いガラス板をアクチュエーターやピエゾ等の参照面変形手段で制御することにより、自由にミラー形状（面形状）を変化させることが出来る変形可能な構成となっている。この弾性変形ミラーを参照面として用いることにより、所望の参照波面を作成している。
【００４４】
この参照面としての弾性変形ミラーの変形量を制御するために、まず基準面位置にあらかじめ形状の把握できている原器２２を配置する。そして、参照面に配置されたこの弾性変形ミラー２１と、基準面位置に配置された原器２２との干渉計（弾性変形量モニター干渉計101）を用いて、参照面の弾性変形ミラー２１を原器２２と等しい形状にしている。
【００４５】
このような原器と弾性変形ミラー２１とのキャリブレーションを行ったあと、基準面位置に配置された原器２２を弾性変形ミラー２３に変更し、即ち基準光学部材と交換可能とし、２枚の弾性変形ミラー２１，２３の形状を干渉計で把握する。そして、両者の面形状を干渉計で計測できる範囲内で交互に変化させ、最終的に参照光の弾性変形ミラー２１が所望の波面を作成できるようにする。
【００４６】
この弾性変形量モニター干渉計に用いる波長は、非球面の面形状を計測する波長と異なる波長である。これによって、弾性変形量をモニターしながら非球面形状の計測を行うことを可能としている。
【００４７】
尚、弾性変形ミラーの面形状のモニターで計測波長と同一の波長の光を用いても良い。
【００４８】
このように参照光側で弾性変形ミラーを２枚用い、交互に変形をつづけていくことによって、球面からのずれが大きい場合も所望の波面を自由に作成している。
【００４９】
一方、物体光側では、非球面計測の基準となる波面を作成している。この基準波面は光学系の収差を基準波面作成ユニット（基準波面生成ユニット）によってコントロールすることで作成している。
【００５０】
次に物体光側で光学系の収差によって基準波面を作成する場合に関して説明する。基準波面作成ユニットでは、非球面を特徴づける非球面形状の各次数を、球面収差の発生やアルバレズレンズの組み合わせなどで独立に制御する。
【００５１】
対象となる光学系は共軸であることが多いことから、光学素子は回転対称性を持っていることが多い。従って球面からのずれは光軸からの距離（動径）をＲとした時、動径Ｒの４乗以上の偶数項で表わされる場合が通常である。特に重要なのは動径Ｒの４乗の項であるが、４乗の項は収差で言うと球面収差に相当する。そのため、基準波面作成ユニットでは、球面収差を故意に所望の値発生させて、非球面の形状が持っている成分に対応する波面を形成させる。但し、一般に非球面は動径Ｒの４乗だけでは表わすことができない場合が多いため、4乗以上の高次の項に関しては各次数ごとにアルバレズレンズを利用して制御できる収差を発生させることで、所望の非球面を構成する波面を合成することも可能であるし、また、アルバレズレンズで４次以上の総ての波面を発生させるようにしている。
【００５２】
本実施形態では、参照光側と物体光側でそれぞれ非球面波面を作成し、この波面をもとに観察面で波面を干渉させることによって、任意の非球面形状の測定を可能としている。したがって、参照光の波面を２枚の弾性変形ミラーを交互に変形させることによって所望の波面を作成することが出来、さらにその変形量を高精度にモニター出来ること、物体光側には、非球面形状測定の基準波面を作成する「基準波面発生ユニット」を具備することを特徴としている。
【００５３】
このように、本実施形態では、参照光側で2枚の弾性変形ミラー、物体光側で基準波面発生ユニットを用いることによって、両者の波面を調整して合成するため、種々の非球面波面を作成している。従って、装置自体を基準として様々な非球面を測定することができるために、極めて汎用性を持つ装置を構成している。また、汎用性があるにも拘らず干渉計測法であるために球面を測定するのと同じ精度が達成できるため、従来より高精度で非球面の面形状を測定することが困難であった非球面の面形状を高精度に測定することができる。
【００５４】
次に本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
【００５５】
［実施形態１］
図１は本発明の実施形態１の要部外略図である。図１は被検面としての非球面の表面形状測定法を示している。本実施形態１は参照光側に２枚の弾性変形ミラー２１，２３を用い、物体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者の非球面波面を用いて、被検面５の非球面形状を測定するものである。そして、特に参照光側の弾性変形ミラー２１，２３では非球面の高次（波面の動径Ｒの６乗以上、即ち６次以上）の波面を作成し、物体光面側の基準波面作成ユニット３では球面収差を発生させ、動径Ｒの４乗以上の基準波面を作成する場合を示している。
【００５６】
図１に示す干渉計は通常トワイマン・グリーンの干渉計といわれる構成をとっている。レーザ光源１からコリメートされた光（平行光）が干渉計に入るところから図は始まっている。レーザ光源１としてはＨｅＮｅ，Ａｒ，ＨｅＣｄ，ＹＡＧの高調波など公知のレーザを用いることができる。
【００５７】
コリメートされてきた光Ｌａは先ずビームスプリッタ11で波面が分割され、参照光として参照面を形成する弾性変形ミラー２１へ行く参照光路と、被検面５のある物体光路とに分割される。その後、参考光と物体光をビームスプリッタ１１で合波して、レンズ６１を介してＣＣＤ等の撮像手段７１上に干渉情報を形成し、これより被検面５の面形状を測定している。
【００５８】
まず、本実施形態の最も特徴となる、参照光側の光路について説明する。
【００５９】
基準となる原器２２と、２枚の弾性変形ミラー２１，２３を用い、弾性変形ミラー２１，２３を交互に調整し変形することで所望の波面を作成するところが、本実施形態の最も特徴となるところである。
【００６０】
参照光路の光はビームスプリッタ１２を通過し、弾性変形ミラー（参照ミラー）２１で反射して、再びビームスプリッタ１１に戻ってくる。高精度な計測精度を得るためには位相計測をすることが必須となるのでＰＭＩ（Phase Measuring Interferometer）と言われる手法が適用される。例えば図１の構成では参照ミラー２１が波長オーダで微小駆動される例が示されている。
【００６１】
この弾性変形ミラー２１，２３は、いずれも図２に示したように、例えば薄いガラス板２１ａをアクチュエーターやピエゾ等の駆動部材２１ｂを駆動手段（参照面変形手段や基準面変形手段）２１ｃで制御することにより、自由にミラー形状（反射面形状）を変化させ、所望の非球面波面を作成することが出来るものである。
【００６２】
この参照面として用いる弾性変形ミラー２１を所望の形状へ制御するためには、この変形量を精度良くモニターする必要がある。ピエゾやアクチュエーターの精度では計測精度が不十分な場合を考慮して、本システムは、図１に示すように、参照面の変形量をモニターするためのもう１つの干渉計（変形量モニター干渉計）１０１を参照面側に具備している。そして、弾性変形ミラー２１からの光束と原器２２または弾性変形ミラー２３からの光束との干渉によって、弾性変形ミラー２１の面形状を制御する。図３は弾性変形量モニター干渉計の説明図である。図３に示すように、基準面位置には原器である平面ミラー２２と弾性変形ミラー（基準光学部材）２３が交換可能となるようになっている。
【００６３】
被検面５の非球面形状を計測しながら、参照面の弾性変形ミラー２１の変形量を随時モニターするためには、非球面の計測波長とは異なる波長を用いることが必要である。
【００６４】
非球面形状と弾性変形量の測定精度を比較すると、非球面形状の方がより高い精度が要求される。一般的に、波長の短い方が精度良く測定することが出来るため、光源１は変形量モニター干渉計１０１側の光源２より波長が短いレーザー光源を用いる場合を図１に示している。
【００６５】
また、非球面計測と変形量モニターに異なる波長を用いることで、リアルタイムに測定することが出来るため、ピエゾやアクチュエーターの不安定成分を常に検出し、フィードバックをかけることが出来るメリットもある。
【００６６】
尚、随時モニタする必要がないときは光源１と光源２からの光束の波長は同一であっても良い。
【００６７】
以下に、図３の弾性変形量モニター干渉計について説明する。レーザー光源２からの光Ｌａ２をコリメートし、ビームスプリッタ１３で反射させたのち、もう１つのビームスプリッタ１２で、波面を参照面位置に置かれた弾性変形ミラー２１側と、基準面位置２２側とに分割する。弾性変形ミラー２１からの光は再びビームスプリッタ１２に戻って反射し、基準面位置２２から反射した光はビームスプリッタ１２を透過する。この２つの波面を干渉させ、ビームスプリッタ１３、レンズ６２を介して、ＣＣＤ７２で干渉情報を検出して、弾性変形ミラー２１の弾性変形量を面変形量モニター手段１０３でモニターする。ここで用いたビームスプリッタ１２は、弾性変形量のモニターに用いる光源２からの光束の波面は２つに分割し、非球面計測に用いる光源１からの光束の波長は透過するものである。
【００６８】
次に、参照面として用いる弾性変形ミラー２１を、所望の面形状に変化させる手順に関して、図４を用いて説明する。
【００６９】
まず最初に、参照面位置２1ａには弾性変形ミラー２１、基準面位置２２ａにはあらかじめ形状が分かっている原器２２を配置する。ここでは原器２２の１例として平面ミラーを用いる場合を示したが、あらかじめ形状が分かっている球面や非球面を原器として用いることも勿論可能である。
【００７０】
そして、両者の形状をモニターすることが出来る干渉計（弾性変形量モニター干渉計１０１）を用いて、参照面の弾性変形ミラー２１の形状を原器２２と一致させることによって、弾性変形ミラー２１のキャリブレーションを行う。
【００７１】
弾性変形ミラー２１の面形状のキャリブレーションを行ったあと、基準面位置２２ａに配置された原器２２を弾性変形ミラー２３に交換し、２枚の弾性変形ミラー２１，２３の形状を干渉計で把握する。そして、基準面位置２２ａにある弾性変形ミラー２３の面形状を制御し、先ほど原器２２とのキャリブレーションを行った参照面位置にある弾性変形ミラー２１の面形状と一致させる。
【００７２】
これで、弾性変形ミラー２１，２３の双方の面形状が原器２２と等しくなる。
【００７３】
次に、参照面位置２１ａの弾性変形ミラー２１を所望の非球面波面に近づけるよう、アクチュエーターの制御によって面形状を変形させる。この変形量は参照面と基準面の干渉(弾性変形量モニター干渉計１０１)によってモニターすることが出来、また制御できる変形量は基準面と参照面との干渉計で計測できる範囲内となる。
【００７４】
さらに、基準面位置２２ａの弾性変形ミラー２３の面形状を基準波面変形手段で制御し、参照面位置２１ａの弾性変形ミラー２１と同じ表面形状にする。
【００７５】
同様に、参照面位置２１ａの弾性変形ミラー２１の面形状を所望の非球面波面に近づけるよう制御し、その後、基準面位置２２ａの弾性変形ミラー２３の面形状を前記弾性変形ミラー２１と同じ表面形状になるよう制御を交互に繰り返す。
【００７６】
そして、最終的に参照面位置２１ａに配置した弾性変形ミラー２１の面形状が所望の非球面波面になるまで、上記のように交互に変形をつづける。
【００７７】
このように２枚の弾性変形ミラー２１，２３の面形状を交互に変形することによって、球面からのずれが大きな波面であっても干渉計を用いながら精度良く変形を行うことができ、最終的に所望の波面を作成している。
【００７８】
2枚の弾性変形ミラー21,23の変形手法は図４に限ったものではなく、両者を交互に変形する際、1回の変形量や繰り返し回数は非球面形状によって異なる。
【００７９】
この２枚の弾性変形ミラーの２１，２３の面形状の変形量をモニターするための弾性変形量モニター干渉計１０１に用いる光源２からの光束の波長は、非球面の面形状計測の光源１からの光束の波長とは異なっている場合、参照光側での弾性変形量のモニターおよび変形量の制御と、被検面５の面形状の測定を同時に行うことが出来る。非球面形状と弾性変形量の測定精度を比較すると、非球面形状の方がより高い精度が要求される。一般的に、波長の短い方が精度良く測定することが出来るため、光源１からの波長は光源２からの波長より短いレーザー光源を用いるのが良い。尚、光源１からの光束と光源２からの光束の波長は同一であっても良い。
【００８０】
本実施例では原器２２として平面ミラーを用いる場合を説明したが、平面から所望の非球面波面を作成するには変形量が多すぎて、時間がかかってしまう。この原器は平面ミラーに限らず、球面ミラーや非球面ミラーなど、形状が把握できているものであればどんなものでも良い。そこで、図５に示したように、弾性変形ミラー２３、１つと原器を複数有し、基準面位置２２ａに配置できるようなシステムにし、最終的に作成したい波面に合わせて原器を１つ選択し、光路内に配置することも可能である。
【００８１】
例えば、球面原器を複数用意しておき、測定したい球面の曲率半径に対応した原器を選択し、球面をもとに所望の非球面波形を作成しても良い。
【００８２】
本システムでは最初のキャリブレーション時に原器２２と弾性変形ミラー２１，２３の表面形状を一致させる。したがって、最も形状が近い原器を用いることで、所望の形状に変形するための変形量を小さくすることが出来、２枚の弾性変形ミラーを交互に制御する回数が少なくなるため、より簡便に所望の参照波面を形成することが出来る。
【００８３】
このように２枚の弾性変形ミラーと原器からの光束に基づく干渉から、参照面位置に配置した弾性変形ミラー２１の面形状を決定することで、所望の参照波面を自由に作成している。
【００８４】
次に、図１物体光側の光路について説明する。
【００８５】
ビームスプリッタ１１で波面が分割され、物体光路に分けられた光は基準波面発生ユニット３に入射する。基準波面発生ユニット３の構成は種々考えられるが、図１の構成では主として波面の動径Ｒの４乗に対応する波面を、基準波面発生ユニット３の中にある光学系の光軸方向の位置を調整し、球面収差を発生させている。
【００８６】
ここではまず球面収差の発生法について説明する。図１中３２は第１のレンズ３３は第２のレンズである。レンズ３２は図１の構成ではビームスプリッタ１１から入射してくる平行光を点Ａに結像する作用をする。レンズ３２は軸上付近のごく小さい範囲だけ収差を補正しておけばよいので、収差量をきわめて小さく抑えることができる。またたとえレンズ３２の収差が微小のこっていても、微小量であるためオフセット処理でキャンセルすることが可能である。以降の説明ではレンズ３２の収差は無視することができるとして話を進める。
【００８７】
レンズ３３は有限物点に対して収差の良く補正されたレンズである。例えば顕微鏡の対物レンズのようなもので、所定の物像位置関係で収差が良く補正されている。該レンズ３３の結像は従って、所定の関係から外れた位置設定になっていると収差を多く発生する。干渉計の光学配置では軸上しか使用しないので、所定の関係からずれて発生する収差は光軸に関し回転対称な収差、即ち球面収差となる。従ってレンズ３２によって形成される結像点Ａの位置がレンズ３３の収差が補正されるべき物点の位置と一致しておれば、レンズ３３を通過後に形成される結像位置における収差は極めてよく補正されている。
【００８８】
図中Ｂで示されている点は後続のコリメータ４の収差が最もよく補正されている位置である。点Ｂの位置が点Ａのレンズ３３による結像位置に合致すると、図１を構成する総ての光学要素が最も収差の小さくなる配置されたことになる。このようにレンズ３２，３３、コリメータ４が収差の最も良く補正される状態となった時、図１の干渉計は「基準状態」に配置されていると定義する。
【００８９】
基準状態についての記述を先に進めると、レンズ３３によって点Ｂに結像した光は次いでコリメータ４に入射し、コリメータ４によって発散波を収束波に変換されて被検物体５に向かう。コリメータ４は結像点Ｂに対して収差補正されている光学系であるため、収束波は収差のない（収差の極めて少ない）波面となって被検物体５に向かう。即ち基準状態は球面の測定を行うのに適した配置となっている。基準状態で被検物体としてあらかじめ素性のわかっている基準球面を配置すればレンズ３２からコリメータ４にいたる測定光学系の収差のオフセットを求めることができる。即ち、基準状態は被検面として球面の測定に適した状態であり、なおかつ測定系のオフセットをとる役割を果たす。なお、オフセットの取り方については "Optical Shop Testing"(Malacara編)等に詳しいので、ここでは詳述しない。
【００９０】
次いで非球面の測定について説明する。本発明者が測定対象となる非球面の形状を分析したところ、非球面の形状は回転対称型の光学系の場合、波面の動径Ｒの４乗、６乗、８乗、１０乗、…の順番に低次から近似を行っていくことが効率的なことが判明した。従って、物体光側の基準波面と参照光側の弾性ミラーによる波面を作成する際、測定できる範囲内に入るまで動径Ｒの４乗、６乗、８乗、１０乗、…の順番に低次から波面を合成している。
【００９１】
図１に示した実施形態１では、物体光側において基準波面発生ユニット３で球面収差を故意に発生させ、非球面の主に動径Ｒの４乗の項を発生させ(正確には動径Ｒの４乗だけでなく動径Ｒの４乗以上も発生する)、参照光側において弾性変形ミラーを用いて動径Ｒの６乗以上の高次を発生させ、両者の波面によって種々の非球面波面を作成できる構成となっている。
【００９２】
ここで物体光側の基準波面発生ユニット３による球面収差の発生は以下の手順で行われる。レンズ３３は前に説明したように、レンズ３２の結像点Ａが所定の物点位置に来た時のみ点Ｂでの収差が補正される。従って、レンズ３２を光軸方向に動かして点Ａの位置をレンズ３３の収差が取れる位置からずらすと、結像点の位置は点Ｂからずれて、しかも球面収差が発生したものとなる。
【００９３】
この間の様子を示したのが図６である。図６（ａ）はレンズ３３の収差が良く補正されるレンズ配置で、レンズ３２によって形成される結像位置点Ａがレンズ３３の収差の取れている点３３ｐに結像し、点３３ｑに結像している。基準状態では点３３ｑがコリメータ４の収差の補正されている物点位置Ｂに一致している。
【００９４】
次いで図６（ｂ）に示すようにレンズ３２を右に動かすことによって結像位置Ａを点３３ｐ１の位置にずらす。ずらした結果、レンズ３３による結像位置は点３３ｑ１に移動する。点３３ｐ１と点３３ｑ１は収差の取れた関係からずれているので球面収差が発生している。本実施形態では、この球面収差を非球面の基準波面に利用している。コリメータ４との関係からレンズ３２とレンズ３３を一体として左側に移動すれば、レンズ３３による結像位置を球面収差が発生した状態を保ったままで点Ｂに一致させることができる。一体として移動できるのはレンズ３２に入射する光束が平行光束であることによる。
【００９５】
基準波面発生ユニット３による球面収差の発生量は、レンズ３２の結像点の移動量及び、移動方向で量及び符号の双方をコントロールすることができる。従って、動径Ｒの４乗の項は可変量として扱うことができる。本実施形態で目的の１つとするのはオングストロームオーダーまでの測定精度が可能な高精度な測定である。厳密にいうとレンズ３２，３３の位置調整によって発生する収差は動径Ｒの４乗の項だけではないが、レンズ３２，３３の位置さえ精密にわかっていれば、その値をコンピュータで計算することにより、高次の項まで正確に発生する収差を計算することができる。計算された値は高次項も含め、基準波面の値として用いられる。
【００９６】
したがって、参照光側は２枚の弾性変形ミラー２１，２３と原器２２とから、弾性変形ミラー２１の面形状を所望に変化させることで非球面の波面作成を作成し、物体光側ではレンズ３２，３３の位置調整による球面収差の発生を行い、非球面形状が測定できる範囲内に入るまで動径Ｒの４乗、６乗、８乗、１０乗、…の順番に低次から波面を合成していくことで、所望の非球面波面を作成し、これらの参照光側と物体光側の波面を調整することによって、種々の非球面形状の測定を可能としている。
【００９７】
また、図１に示した実施形態１では、レンズ３２の位置検出を行うために、レンズ３２の鏡筒の位置をモニタするレーザ干渉計（位置情報モニター手段）１０２を用いている。具体的にはレンズ３２の鏡筒を移動させる機械部品３２−１に位置をモニタするレーザ干渉計１０２からの光束３２−２が入射している。レーザ干渉計の代わりにマグネスケールやエンコーダ等の位置検出素子を使うことも可能で、該モニタ機能を用いて演算手段１０４で計算を行うことにより発生する収差量を正確に知ることができる。
【００９８】
一方、レーザ干渉計１０２でモニタできるのはあくまで相対変位量なので、基準となる位置は別途決定する必要がある。基準となる位置を決定するためには前述の「基準状態」を利用する。光学系を基準状態におき、被検物体位置に素性のわかっている基準球面を置く、この状態で収差が予め分かっている基準球面のデータに最も近くなるようにレンズ３２，３３、コリメータ４、基準球面の位置を調整する。調整した後にある許容値以内に入った状態で、レンズ３２，３３、コリメータ４の調整を終了する。この位置が位置検出素子（レーザ干渉計１０２）の基準位置となる。該基準位置からの駆動量が与える収差の発生量は、駆動量の測定精度から定まる精度で正確に計算することができる。レーザ干渉計１０２を用いれば駆動精度はナノメートルオーダまで可能であるため、発生する収差の値を知るには十分な精度である。
【００９９】
図１にはレンズ３２にしか位置検出素子が示されていないが、その他の光学素子３３，４，２１などにも同様に位置検出素子が配置されている。
【０１００】
さらに、本実施形態１において、物体光側ではレンズ３２，３３の位置調整による球面収差の発生によって基準波面を作成する場合を説明した。球面収差の発生方法はこれに限ったものではなく、図７に例として示したような方法でも良い。本実施形態では基準波面発生ユニット３内のレンズ１３３が平行光入射に対して収差を発生させる機能を持っている。
【０１０１】
図７（Ａ）はレンズ１３３を構成する２つのレンズ１３３ａ、１３３ｂの間隔ｄを制御することによって球面収差の発生量を制御する方式である。間隔ｄの変化に伴う結像位置の変化はレンズ１３３全体を移動することによって調整する。また間隔ｄの基準位置は先の実施形態と同じくレンズ１３３とコリメータ４、基準球面を用いて、同じような基準状態を求めることによって行う。
【０１０２】
図７（Ｂ）はレンズ１３３の後側の位置に厚さを連続的に変えることのできる全体として平行平板となる楔形の２つのプリズム部材１３４，１３５を挿入した例である。平行平板の厚さを可変にするには２枚の同じ角度を持つウェッジ１３４，１３５を組み合わせ、光軸０ａと直交する方向に動かすことによって目的を達成することができる。この場合の基準位置の調整も先の実施形態と同じく基準状態をいったん達成することによって求めることができる。
【０１０３】
図７（Ｃ）は厚さの異なる複数の平行平板を離散的に変えて球面収差を制御する例である。この場合には該平行平板の厚さを正確に測定することを利用して、発生する球面収差を求めることができる。
【０１０４】
本実施形態では以上の構成により弾性変形ミラー２１を介した参照波面と、基準波面発生ユニット３、コリメーター４を通過し、被検面５で反射し、元の光路を戻った被検波面（信号波面）と、をビームスプリッター１１で合成し、レンズ６１によってＣＣＤ等の撮像手段７１上に干渉波面を形成し、該撮像手段７１からの信号（干渉信号）によって被検面５の面形状（面情報）を測定している。
【０１０５】
［実施形態２］
図８は本発明の実施形態２の要部概略図である。
【０１０６】
本実施形態は非球面の測定法を示している。本実施形態２は、参照光側に２枚の弾性変形ミラー２１，２３と原器２２、物体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者の非球面波面を用いて被検面５の非球面形状を測定するもので、基本的な構成は実施形態１と同じである。
【０１０７】
本実施形態が実施形態１と異なるところは、物体光側の基準波面作成ユニット３で球面収差を発生することにより動径Ｒの４乗以上、さらにアルバルツレンズ３１を用い動径Ｒの６乗の波面を作成し、参照光側の弾性変形ミラー２１では動径Ｒの８乗以上の高次の波面を作成することである。
【０１０８】
実施形態１では、物体光側の基準波面作成ユニット３におけるレンズの位置調整によって主に動径Ｒの４乗の項の収差である球面収差を発生させる場合を説明した。しかし、実際の非球面は、このような動径Ｒの４乗の項のみで表わしきれるものではなく、より高次の項の導入も必要となる場合がある。レンズ３２の位置調整だけで動径Ｒの６乗以上の高次の収差を自由に制御し、非球面の基準波面とすることが難しい場合がある。
【０１０９】
そこで、本実施形態２では実際の非球面に存在する高次の形状を有する収差を発生させるため、アルバレズレンズ３１を利用している。
【０１１０】
以下にアルバレズレンズ３１について説明する。
【０１１１】
アルバレズレンズ３１は図９に示すように同一形状の２枚組のレンズ３１ａ１，３２ａ２で、ｆ（ｘ、ｙ）で示される非球面形状をした面が対抗して近接して配置されたものである。２枚のレンズ３１ａ１，３２ａ２の相対ずれがゼロである場合には、アルバレズレンズ３１は平行平板と同じ働きをする。ｆ（ｘ、ｙ）の形を適当に選択すれば２枚のレンズ３１ａ１，３２ａ２の一方を光軸０ａ方向と垂直のｙ方向にΔ、他方をーΔ駆動することにより高次の収差を自由に発生させることができる。例えばｙ方向にずらして６乗の特性を出すアルバレズレンズの形状ｆ（ｘ、ｙ）は、
ｆ（ｘ、ｙ）＝ａ（ｘ6ｙ＋ｙ7／７）
とすると、互いに±Δだけｙ方向にずれたアルバレズレンズの透過波面Ｗ（ｘ，ｙ）は、硝材の屈折率をｎとすると、
Ｗ（ｘ、ｙ）≒２ａΔ（ｎ−１）（ｘ6＋ｙ6）
となり、ずらし量Δに比例した波面を形成させることができる。ずらし量Δを説明したようにプラスとマイナスに対称に構成すると、ずらし量Δの偶数次の項が消えてずらし量Δの非線形の効果を抑えることができる。発生する収差の量はずらし量Δを制御することによって調整することができる。
【０１１２】
アルバレズレンズ３１を特徴付ける非球面形状ｆ（ｘ、ｙ）を理想的に作ることは困難であるため、製作誤差をキャリブレーションする必要がある。キャリブレーションの際には球面収差の場合と同じく基準状態と素性のわかっている基準面を用いて、測定を行いオフセット量を計算する。オフセット量はｆ（ｘ、ｙ）の誤差、ずれ量Δから発生する非線形効果等も含めて補正する。 またアルバレズレンズの位置は位置検出素子を各アルバレズレンズに装着して検出を行う。
【０１１３】
ここで説明したのは波面の動径Ｒの６乗の項の説明であったが、更に８乗の項、１０乗の項も別のアルバレズレンズを挿入することによって制御することができる。挿入すべきアルバレズレンズの数は対象となる非球面の形状によって異なる。図９では３１が動径Ｒの６乗の項を発生させるアルバレズレンズに対応している。
【０１１４】
以上のように本実施形態２によって、参照光側に弾性変形ミラー２１を用い、物体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者の非球面波面を調整することによって、被検面５の非球面形状を測定するものであって、特に物体光側の基準波面作成ユニット３では球面収差を発生することにより主に動径Ｒの４乗(正確には高次も発生する)、さらにアルバルツレンズ３１を用いて動径Ｒの６乗の波面を作成し、参照光側の弾性変形ミラー２１では高次(動径Ｒの８乗以上)の波面を作成することによって、種々の非球面測定を可能にすることが出来るのである。
【０１１５】
この参照光側において、弾性変形ミラー２１での高次(動径Ｒの８乗以上)の波面作成の際は、実施形態１と同様に、基準面位置に配置した原器２２と弾性変形ミラー２３を用い、２つの弾性変形ミラー２１，２３を交互に変形させることで、最終的に弾性変形ミラー２１から所望の波面を作成する。
【０１１６】
［実施形態３］
図１０は本発明の実施形態３の要部概略図である。
【０１１７】
本実施形態の基本的な構成は実施形態１、２と同じで、参照光側に弾性変形ミラー２１を用い、物体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者で作成した非球面波面を用いて被検面５の非球面形状を測定するものである。特に本実施形態３は物体光側に２つのアルバレズレンズ３１ａ、３１ｂを用いたことを特徴としている。尚、実施例２と同様に、挿入するアルバレズレンズの数は、対象となる非球面形状によって異なる。
【０１１８】
本実施形態では、基準波面作成ユニット３で球面収差を発生することにより主に動径Ｒの４乗以上に比例する球面収差の発生量を制御し、さらにアルバルツレンズ３１ａが動径Ｒの６乗に比例する収差、もう１つのアルバルツレンズ３１ｂが動径Ｒの８乗に比例する波面を作成し、参照光側の弾性変形ミラー２１では動径Ｒの１０乗以上の高次の波面を作成することによって、種々の非球面測定を可能にしている。アルバレズレンズ３１ａ，３１ｂの基準位置は実施形態１と同じくレンズ３２，３３とコリメータ４、基準球面を用いて、同じような基準状態を実現した上でアルバレズレンズを挿入していってオフセットを求めることができる。
【０１１９】
この参照光側において、弾性変形ミラー２１での高次(動径Ｒの１０乗以上)の波面作成の際は、実施形態１と同様に、基準面位置に配置した原器２２と弾性変形ミラー２３を用い、２つの弾性変形ミラー２１，２３を交互に変形させることで、最終的に弾性変形ミラー２１から所望の波面を作成する。
【０１２０】
［実施形態４］
図１１は本発明の実施形態４の要部概略図である。
【０１２１】
本実施形態の基本的な構成は実施形態１、２と同じで、参照光側に弾性変形ミラー２１を用い、物体光側に基準波面発生ユニット３を用い、両者の非球面波面を用いて、被検面５の非球面形状を測定するものである。本実施形態は物体光側のアルバレズレンズ３１ａに動径Ｒの４乗の収差発生を負担させている。
【０１２２】
本実施形態ではレンズ３３が平行光を収差なく結像させる機能を持っている。図中、アルバレズレンズ３１ａが動径Ｒの４乗に比例する球面収差の発生量を制御する。アルバレズレンズの基準位置は実施形態１と同じくレンズ３２，３３とコリメータ４、基準球面を用いて、同じような基準状態を実現した上でアルバレズレンズ３１ａを挿入していってオフセットを求めることができる。
【０１２３】
そして、参照光側に配置した弾性変形ミラー２１を用いることによって、物体光側のアルバレズレンズ３１ａで発生しない動径Ｒの６乗以上の高次項に比例する収差の発生を行う。
【０１２４】
この参照光側において、弾性変形ミラー２１での高次(動径Ｒの６乗以上)の波面作成の際は、実施形態１と同様に、基準面位置に配置した原器２２と弾性変形ミラー２３を用い、２つの弾性変形ミラー２１，２３を交互に変形させることで、最終的に弾性変形ミラー２１から所望の波面を作成する。
【０１２５】
以上の各実施形態の干渉計のうちの１つを用いて作成された光学素子を第１の物体（レチクル）上に形成されたパターンを第２の物体（ウエハ）上に結像させて露光する投影露光装置における投影光学系に用いている。
【０１２６】
これによって高い光学性能の投影光学系の製造を容易にしている。
【０１２７】
以上述べたように本実施形態によれば、参照光側に原器と２枚の弾性変形ミラーを配置し、物体光側の基準波面発生ユニットを配置し、両者によって波面を調整して合成するため、種々の基準波面を作成することができる。
【０１２８】
また、装置自体が基準となるため、原器として装置を使うことができる。更に本実施形態は基準として発生させる波面を高精度に可変制御できるため、様々な非球面を測定に対応することができ、極めて汎用性が高い。汎用性があるにも拘らず干渉計測法であるために球面を測定するのと同じ精度で非球面も測定することができる。
【０１２９】
本実施形態によれば、従来の設計値としては存在したが実際には加工が困難であった非球面光学素子も製作することができる。又、ＥＵＶのように精度が厳しい上に、使うことのできる枚数が限られている光学系で、従来、実際には加工計測上の観点から適用することのできなかった範囲にある非球面を持つ光学素子を利用でき、装置構成上多大なメリットがある。
【０１３０】
又、本実施形態によればＥＵＶだけでなく従来のＵＶ、ＤＵＶ、ＶＵＶ領域の露光装置における非球面にも適用することができる。非球面を用いることにより光学系のフレキシビリティが増したことで、半導体露光装置に対して大きな効果をもたらすことができる。
【０１３１】
また、本実施形態による非球面の応用は半導体露光装置だけでなく、他の光学装置にも同様に適用することができる。
【０１３２】
【発明の効果】
本発明によれば、非球面の面形状を球面と同じ精度で測定が可能で、かつ種々の面形状の測定に適切に対応できる干渉計及びそれを用いられた光学素子を用いた半導体露光装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非球面測定の干渉計の実施形態１の要部概略図
【図２】図１の変形ミラーの概要図
【図３】図１の一部分の弾性変形量モニター干渉計の説明図
【図４】図１の参照面である弾性変形ミラーの形状制御の説明図
【図５】図１の基準面位置において、複数の原器から選択する場合の説明図
【図６】図１において球面収差の発生を示す説明図
【図７】図１において種々の球面収差を発生する為の説明図
【図８】本発明の非球面測定の干渉計の実施形態２の説明図
【図９】図８のアルバレズレンズの原理説明図
【図１０】本発明の非球面測定の干渉計の実施形態３の要部概略図
【図１１】本発明の非球面測定の干渉計の実施形態４の要部概略図
【符号の説明】
１１，１２，１３    ビームスプリッタ
２１    参照面位置の弾性変形ミラー
２２    基準面位置の原器
２３    基準面位置の弾性変形ミラー
３      基準波面発生ユニット
３２，３３    レンズ
４      コリメータ
５      被検物体
６１、６２    結像レンズ
７１，７２    ＣＣＤ
３１ａ，３１ｂ    アルバレズレンズ
【図１】
0004590124.tif 000002
【図２】
0004590124.tif 000003
【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】
0004590124.tif 000009
【図９】
0004590124.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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