(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の物体のパターンの像を投影光学系で第２の物体上に投影し露光する投影露光装置の当該投影光学系の波面測定方法において、
予め算出した前記投影光学系の瞳面における光強度分布を記憶し、
前記投影光学系の像面近傍の光軸に垂直な平面における光強度分布を測定し、
前記記憶した前記瞳面における光強度分布と前記測定した前記平面における光強度分布とを用いて、位相回復法によって前記瞳面における複素振幅分布を算出し、
前記算出した前記瞳面における複素振幅分布から前記投影光学系の波面収差を算出することを特徴とする波面測定方法。
【請求項２】
前記瞳面における光強度分布は、前記投影光学系の像面近傍の光軸に垂直な２つの平面における光強度分布を用いて、予め位相回復法により算出されたものであることを特徴とする請求項１記載の投影露光装置の波面測定方法。
【請求項３】
像面と瞳面がフーリエ・逆フーリエの関係にある光学系の波面測定方法において、
予め算出した前記瞳面における光強度分布を記憶し、
前記像面近傍の光軸に垂直な平面における光強度分布を測定し、
前記記憶した前記瞳面における光強度分布と前記測定した前記平面における光強度分布とを用いて、位相回復法によって前記瞳面における複素振幅分布を算出し、
前記算出した前記瞳面における複素振幅分布から前記光学系の波面収差を算出することを特徴とする波面測定方法。
【請求項４】
前記瞳面における光強度分布は、前記光学系の像面近傍の光軸に垂直な２つの平面における光強度分布を用いて、予め位相回復法により算出されたものであることを特徴とする請求項３記載の波面測定方法。
【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  Vol.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】
請求項１の発明の波面測定方法は、第１の物体のパターンの像を投影光学系で第２の物体上に投影し露光する投影露光装置の当該投影光学系の波面測定方法において、
予め算出した前記投影光学系の瞳面における光強度分布を記憶し、
前記投影光学系の像面近傍の光軸に垂直な平面における光強度分布を測定し、
前記記憶した前記瞳面における光強度分布と前記測定した前記平面における光強度分布とを用いて、位相回復法によって前記瞳面における複素振幅分布を算出し、
前記算出した前記瞳面における複素振幅分布から前記投影光学系の波面収差を算出することを特徴としている。
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記瞳面における光強度分布は、前記投影光学系の像面近傍の光軸に垂直な２つの平面における光強度分布を用いて、予め位相回復法により算出されたものであることを特徴としている。
請求項３の発明の波面測定方法は、像面と瞳面がフーリエ・逆フーリエの関係にある光学系の波面測定方法において、
予め算出した前記瞳面における光強度分布を記憶し、
前記像面近傍の光軸に垂直な平面における光強度分布を測定し、
前記記憶した前記瞳面における光強度分布と前記測定した前記平面における光強度分布とを用いて、位相回復法によって前記瞳面における複素振幅分布を算出し、
前記算出した前記瞳面における複素振幅分布から前記光学系の波面収差を算出することを特徴としている。
請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記瞳面における光強度分布は、前記光学系の像面近傍の光軸に垂直な２つの平面における光強度分布を用いて、予め位相回復法により算出されたものであることを特徴としている。
【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、本実施形態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、本実施形態の位相回復法に比べて、II）とIII）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、本実施形態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。本実施形態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】  本発明が提案する位相回復法を説明する図
【図２】  本発明が提案する位相回復法を説明するフローチャート
【図３】  本発明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
【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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