投影光学系统的像差测定方法

专利名称：投影光学系统的像差测定方法
相关申请的交叉参考本申请基于2002年2月12日提交的日本专利申请NO.2002-34258，并要求该专利申请的优先权，其全部内容被包含于此以供参考。
作为不分解工作中的曝光装置，用涂布有光掩膜(フォトマスク)以及光致抗蚀剂的硅晶片，简便地测定奇函数像差的代表性的方法，有在特开平11-237310号公报上公开的方法。在特开平11-237310号公报上公开的方法中，具有使用一般在半导体元件制造的检查工艺等中使用的组合偏差检查装置和光学显微镜，可以简便地求出像差量的优点。但是，以下所述的可以测定区域的界限明确。即，在衍射角变小，2次以上的衍射光付与成像的情况下(三光束干涉条件不成立的情况下)，不能测定像差。换言之，存在不能测定在投影光学系统射出孔的中央附近区域的波面像差量这一问题。

发明内容
(1)本发明的投影光学系统的像差测定方法，是一种投影光学系统像差测定方法，包括准备具备光源、在把来自该光源的光分割成多个点光源形成二次光源的同时，把来自该二次光源的照明光引导到光掩膜的有限区域上的照明光学系统、把由被配置在该光掩膜上的图案产生的透过光的缩小投影像转印在晶片上的投影光学系统的曝光装置；将上述照明光一并照射在形成有衍射格子的光掩膜的有限区域上；使用上述投影光学系统，将通过了上述光掩膜的0次衍射光及1次衍射光投影在与上述光源共轭的第1测定面上；测定从上述二次光源内的任意一个点光源照射的光线的0次衍射光及1次衍射光在上述第1测定面上的投影位置的关系；使用上述投影光学系统，把上述0次衍射光以及1次衍射光投影在与上述光源共轭，并且上述光线的光轴方向位置不同的第2测定面上；测定从上述一个点光源照射的光线的0次衍射光及1次衍射光的上述第2测定面的投影位置的关系；根据从求得的两个投影位置的关系，求出与从上述一个点光源照射的光线有关的光线像差。
(2)本发明的投影光学系统的像差测定方法，是一种投影光学系统的像差测定方法包括准备具备光源、在把来自该光源的光分割成多个点光源形成二次光源的同时，把来自该二次光源的照明光引导在光掩膜的有限区域上的照明光学系统、把由被配置在该光掩膜上的图案产生的透过光的缩小投影像转印在晶片上的投影光学系统的曝光装置；将上述照明光一并照射在已形成衍射格子的光掩膜的有限区域上；使用上述投影光学系统，将通过上述光掩膜的0次衍射光及1次衍射光投影在与上述光源共轭的第1测定面上；测定从上述二次光源内的任意一个点光源照射的光线的0次衍射光及1次衍射光在上述第1测定面上的投影位置的关系；使用上述投影光学系统，把上述0次衍射光以及1次衍射光投影在与上述光源共轭，并且上述光线的光轴方向位置不同的第2测定面上；测定从上述一个点光源照射的光线的0次衍射光及1次衍射光的上述第2测定面的投影位置的关系；根据求得的两个投影位置的关系，求出与从上述一个点光源照射的光线有关的光线像差；根据求得的光线像差中求出波面像差。
图2图示了1束衍射光的光线到达从被配置在理想成像面上的基板上的理想像点偏移的点的情况。
图3是说明孔坐标系及像面坐标系的关系的图示。
图4是说明孔坐标系和波面像差的定义域的图示。
图5是说明曝光线和间隔图案(ラインアンドスペ—スパタ—ン)时的衍射和成像的图示。
图6是说明射出孔上的衍射光分布的图示。
图7表示在极大的散焦位置上设置基板的情况下形成的像的图。
图8A～图8C表示可以分离并转印微小光源的光栅针孔(グレ—ティングピンホ—ル)的平面图。
图9A～图9C是示出用由光栅针孔分离的微小光源进行曝光得到的抗蚀剂图案的像的平面图。
图10是示出衍射光像之间重合的情况的图示。
图11是用于说明0次衍射光的光路差和1次衍射光的光路差的差的求法的图示。
图12是示出把实施方式1的描绘在光掩膜上的图案缩小投影在基板上的曝光装置的概略构成的图示。
图13是用于说明实施方式1的投影光学系统的像差测定方法的流程图。
图14A、14B是示出在实施方式1的像差测定方法中的基板的设置位置的图示。
图15是示出在实施方式2的像差测定方法中使用的光掩膜的平面图。
图16A、图16B是示出实施方式2的像差测定方法中的基板的设置位置的图示。
图17A～图17D是示出评价用抗蚀剂图案的平面图。
图18是示出光掩膜上的图案和射出孔上的衍射光的次数以及位置的对应关系的图示。
图19A、19B是示出射出孔上的衍射光的次数和位置以及基板上的像的对应关系的图示。
图20是示出通过纵图案的衍射光像，被形成在设置于散焦位置+d上的感光基板上的图案的图示。
图21是示出通过纵图案的衍射光像，被形成在设置于散焦位置-d上的感光基板上的图案的图示。
图22是示出在孔中央附近的光线像差的测定中使用的光掩膜的图示。
图23是示出通过曝光在孔中央附近的光线像差的测定中使用的光掩膜得到的抗蚀剂图案的图示。
曝光装置的光学系统具有像差，因此产生依赖于图案大小的焦点偏移或者图案的位置偏移和变形。图1是表示由光掩膜上的图案衍射入射到投影光学系统的光线通过射出孔达到基板上的样子的图示。在图1中，符号10是规定投影光学系统的射出孔31的光圈。由光圈10包围的面是射出孔31。另外，在图1中，11是投影光学系统表面，12是理想像面，13是有像差时的波面，14是没有像差时的波面(理想波面)，15是没有像差时的衍射光，16是有像差时的衍射光，17是理想的像点。另外，波面13和理想波面14的差是波面像差。
在无像差的情况下，全部的衍射光15达到理想像点17，通过光的干涉把被形成在光掩膜上的图案再现在晶片上。但是，在有像差的情况下，衍射光不汇聚在理想像点17上，其结果引起像的模糊和变形。
图2表示关注图1中的某1条衍射光16，光线到达从被配置在理想的成像面上的基板上的理想像点17偏移的点20的情况。从理想像点17向点20的向量21是光线像差(横像差)。
在以下说明的波面像差测定方法中，测定光线像差，从其结果导出波面像差。以下说明测定方法的原理。透镜的波面像差可以表示为射出孔平面上的函数。图3是说明孔指标系以及像面坐标系的关系的图示。如图3所示，把XY平面30设为射出孔平面，把该面上的半径1的圆内的区域设为射出孔31。表示射出孔31上的点的坐标系，假设是以射出孔31的中心O’为原点，以射出孔31的半径作为1的标准化坐标系(以下，简称为孔坐标系)。另外，光线像差作为理想像面(xy平面)32上的向量值表示。另外，以光的行进方向为正Z方向。
图4是说明孔坐标系和波面像差的定义域的图示。图4用孔坐标系表示，波面像差W，在孔坐标系中用下式那样的级数形式表示。W(r′,θ′)=ΣnCn·Rn(r′)Θn(θ′)---(1)]]>在此，0≤r’≤1，-180°≤θ’≤180°。W(r’，θ’)是波面像差函数，表示在射出孔上的点(r’，θ’)(或者(X，Y)，在此，X＝r’cos θ’，Y＝r’sin θ’)中的具有实际像差的波面和无像差波面之间的光路差。另外，在该(1)式中，右边的Rn(r’)Θn(θ’)可以使用任意的正交函数关系表达，但一般使用查涅克(ゼルニケ)多项式表达。像差的种类和大小可以用查涅克像差系数表达，一般可以使用与从3次至9次的各像差和11次的球面像差对应的33个系数。
如“Appllied Optics and Optical Engineering Volume XI”(ShannonWyant；Academic Press，Inc.)的12～14页所示，可以从光线像差求出波面像差。例如，在图2中，在通过射出孔上(Xn，Yn)的光线16的光线像差21是(εxn，εyn)时，波面像差W(Xn，Yn)和光线像差的关系用下式给出。∂W∂X(Xn,Yn)=-NA·ϵxn---(2-1)]]>∂W∂Y(Xn,Yn)=-NA·ϵyn---(2-2)]]>即，·W(xn，Yn)＝-NA(εxn-εxn0，εyn-εyn0) (2-3)在此，NA是投影光学系统的射出侧的数值孔径。
在本方法中，使用此关系，以测量出的光线像差为基础计算出波面像差。把(1)式作为拟合的模型表达式(モデル式)进行最小二乘拟合，由此以由射出孔整体定义的连续函数的形式求出波面像差。
为了求出光线像差，在本方法中，利用照明光学系统内的二次光源的构造是微小光源的集合这一点。关注从二次光源中的某1个微小光源发出的光线，用光掩膜表面的衍射格子把该光线分割成衍射光，跟踪该光线的路径。在此，来自照射掩膜图案的各微小光源的光的入射角是已知的。
首先，用图5说明衍射格子的设计。图5是说明曝光线和间隔图案时的衍射和成像的图示。考虑把描绘在掩膜上的微细图案，例如，周期在光掩膜上是间距p的线和间隔图案50投影在基板上的情况。在图5中，展示了在线和间隔图案50中产生的0次衍射光51和±1次衍射光52通过投影光学系统的射出孔53，在基板54上结成光学像54的样子。这种情况下，射出孔53的面上的衍射光的分布如图6所示。图6是说明射出孔上的衍射光的分布的图示。图6的坐标系是孔坐标系，在射出孔53内的，在中央上分布0次衍射光61，在右侧分布+1次衍射光62，在左侧分布-1次衍射光63。射出孔53的中心和0次衍射光61的中心一致。0次衍射光61和±1次衍射光62、63的中心间的距离65表示为λ/(p·NA)。在此λ是曝光波长。另外，表示各衍射光的圆的半径64，是投影光学系统的相干因子(コヒ—レンスファクタ，σ值)。
如图5所示，通过射出孔53面上的不同的点的衍射光51、52、53，到达像面上的大致同一位置。通过衍射光之间的干涉，和光掩膜上的线和间隔图案50相似形状的光学像54被形成在基板上。
以下，用图7说明跟踪衍射光光线的路径的方法。在图7中，表示了在极大的散焦位置上设置有基板的情况下形成的像。如图7所示，在基板面极端地散焦的状态下，因为各衍射光51、52到达基板上的位置不同，所以在基板上不引起干涉，各衍射光被转印在各自的位置71a、71b、71c上。所谓散焦的状态，是指基板和光源共轭的状态。如图7所示为了分离微小光源转印，可以利用针孔照相机。如果把本第一发明者在特开平2000-21732公报(US6,317,198)中展示的，在内部包含有衍射格子的适宜尺寸的针孔图案(以下，称为光栅针孔图案)作为掩膜图案使用，则可以使其产生衍射光，并且掌握在基板面上该衍射光的到达位置。
在图8A～8C中，展示可以分离微小光源转印的光栅针孔81的平面图。图8A展示了1维光栅针孔81。图8B展示了二维(正方格子square grating)光栅针孔82。图8C展示了二维(黑白相间的格子checkerboard pattern)光栅针孔83。在图8A～图8C中，符号81a、82a、83a是开口区域，81b、82b、83b是遮光(opaque)区域。除了图8A～8C所示的针孔以外，如果是至少在1个方向上具有周期性的某种图案，也可以作为光栅针孔的内部构造使用。例如，也可以是具有周期性的在实际的半导体元件制造中使用的图案(实际图案)。
为了得到可以逐一分离测定微小光源像的程序的鲜明的转印像，光栅针孔的外形，必须是具有作为表示高分辨的针孔照相机功能的尺寸。如果在针孔的大小和从针孔到绘制像的屏幕的距离之间保持适宜的关系，则可知存在分解能力极大的点。在使用圆形针孔的情况下，分解能力良好的半径r(光掩膜上尺度，スケ—ル)，在把基板的散焦量设为d，把曝光波长设为λ时由下式(3)给出。r=AλdM---(3)]]>在此，M是投影光学系统的缩小率(例如，1/4)，A是1左右的常数。我们从实验中确认，A在0.5～1的范围中那样的状态的r下，如果使用其半径表示的光栅针孔则可以得到良好的像。
图9A～图9C是展示通过由光栅针孔分离的微小光源进行曝光得到的，抗蚀剂图案的像的平面图。图9A展示采用1维光栅针孔81的衍射光像91。图9B展示采用2维(正方格子)光栅针孔82的衍射光像92。图9C展示采用2维(黑白相间方格)光栅针孔83的衍射光像93。在图9A～9C中，用虚线表示的圆94表示光线被光圈遮挡的边界，边界外侧不能被转印在基板上。
如图9A～9C所示，从各个微小光源射出到基板面上的光的到达点(衍射光像)被转印成点状。通过测定各点的位置，可以掌握从各个微小光源发出的光线在基板面上的通过位置。如果在同一装置状态下改变基板的散焦值进行2次该测定，则可以掌握这些光线通过的空间内的2点。即，根据光线的直进性，可以知道该光线在基板面附近的路径。进而，可以求出连接已求得的空间内的2点的直线和像面相交的点的坐标。
如图10所示，在衍射光像101之间重合的情况下，因为测量微小光源像的位置困难，所以希望衍射光像之间不重合。另外，在本方法中因为在测定中使用1次衍射光的像，所以1次衍射光必须通过孔到达基板。满足以上二个条件成为可以测定的条件。如果把光掩膜上的衍射格子的周期设置成适宜的周期，则可以满足二个条件。
应满足衍射格子的周期p的条件，用曝光波长λ、曝光装置的数值孔径NA、相干因子σ以下式(4)表示。λNA(1+σ)·M<p<λ2NA·σ·M---(4)]]>
进而，即使假设衍射光的像之间有一些重合，在有不重合的微小光源像的情况下，也可以使用它们进行区域的测定。为了求出与射出区域全体有关的光路差，可以设置成衍射光通过射出孔内的多个点，为了此目的，同时使用在满足式(4)的范围中改变衍射格子的周期，另外，改变了周期图案的排列方向的朝向的多个光栅针孔。
用图11A～11C，说明求出0次衍射光的光路差和1次衍射光的光路差的差的方法。图11B是图11A的圆B部的放大图，图11C是图11B的放大图。在图11A中，223是理想像面。如图11A～11C所示，1次衍射光215的到达位置217的测定，因为以0次衍射光214的到达位置218为基准进行，所以求得的是0次衍射光的光路差212和1次衍射光的光路差213的差210。在此，光路差212、213，如图11B、11C所示，是指没有像差的波面219和有像差的波面220的差。想求出是如图11C所示的，光路差(波面像差)213自身。为了求出真的光路差213，必须掌握图11B所示的，在测定中使用的0次衍射光自身的光路差212。例如，通过射出孔的中央，以到达理想像点216的光222为基准，即光路差0，可以求出其他的位置的光路差。进而，即使假设改变了基准位置，其影响只是查涅克多项式的第1项(常数项)被改变，如果考虑作为像差有意义的是第5项以后，则在波面像差的计算中没有任何问题。
为了正确地求出透镜波面像差，还需要测定通过靠近射出孔的中央位置的光的像差。如上所述，可以通过减小σ，并且增大衍射格子的周期进行。如果用来自二次衍射光源内的任意1个微小光源的光形成抗蚀剂图案进行测定，则可以测定在靠近射出孔的中央位置的光路差。所使用的微小光源不需要必须在中央，也可以通过单独点亮二次光源中的任意的微小光源用于像差的测定。可以把衍射光之间的重合设置在最小限度，是合适的。
在把构成光栅针孔的衍射格子设为器件图案的情况下，直接测定与在该器件图案的转印时光实际通过的射出孔位置有关的光路差。这种情况下，具有在器件图案转印中可以直接测定只是光通过的路径的像差的优点。
下面参照


本发明的实施方式(实施方式1)在本实施方式中，说明实际的曝光装置的投影光学系统的像差测定方法。
本发明的要点在于把来自二次光源的照明光导引到光掩膜，在一并照射有限区域的同时，使由被配置在该光掩膜表面上的衍射图案产生的0次衍射光以及高次衍射光入射到投影光学系统，把从投影光学系统射出的各衍射光分别投影曝光在离开感光基板上的位置上，测量形成在感光基板上的0次衍射光的像(以下，设为0次像)以及1次衍射光的像(以下，设为1次像)的位置，用其结果计算曝光装置的投影光学系统的光线像差(横像差)，根据它计算光学系统的波面像差。以这样求出的波面像差为基础，可以进行用该曝光装置制作的半导体元件图案形状的正确的预测，以及可以进行难以接受波面像差的影响的图案设计。
图12是展示本发明的实施方式1的，把被描绘在光掩膜上的图案缩小投影在基板上的曝光装置的概略构成的图示。如图12所示，来自激光光源LS的照明光入射到照明光学系统IL。照明光学系统IL，具备复眼透镜(フライアイレンズ)FE、照明光圈IA，以及聚光透镜CL。在照明光学系统IL内，照明光，入射到由多个透镜元件构成的复眼透镜FE。在由多个透镜元件构成的复眼透镜FE的射出侧，照明光形成是多个微少光源的集合的二次光源SLS。二次光源SLS的大小，由照明光圈IA调节。从二次光源SLS射出的照明光，经由聚光透镜CL入射到光掩膜R上。在光掩膜R上的图案RP中产生衍射光。该衍射光入射到投影光学系统PL。从投影光学系统PL射出的衍射光，通过到达基板W上，图案RP的像被投影成像在基板W上。
以下，分6个步骤说明投影光学系统的像差测定方法。图13是用于说明本发明的实施方式1的投影光学系统的像差测定方法的流程图。
(步骤S101)
如图14A所示，把在表面上涂布有抗蚀剂等的感光剂的基板W设置在从最佳聚焦位置113只移动散焦量Z1的位置上，进行曝光。
(步骤S102)如图14B所示，把同一基板W设置在从最佳聚焦位置113只移动散焦量Z2(≠Z1)的位置上，进而还使其在横方向上移动设置在未曝光部分成为曝光区域的位置上，进行曝光。
(步骤S103)显影在步骤S101、S102曝光后的抗蚀剂，测定被形成在基板W上的抗蚀剂图案。分别关注从同一微小光源发出的0次像、1次像的组(假设为第n组)，把0次像位置作为坐标原点求出1次像的位置。在此把由步骤S101曝光的1次像的位置的3维坐标设置为(X1n，Y1n，Z1n)，把由步骤S102曝光的像的位置的3维坐标设置为(X2n，Y2n，Z2n)。
(步骤S104)从以下的(5a)、(5b)式求出从光线和像面的交点的理想点的偏移，即光线像差(εxn，εyn)。ϵxn=z1nx1n+z2nx1nz1n+z2n---(5a)]]>ϵyn=z1ny2n+z2ny1nz1n+z2n---(5b)]]>(步骤S105)根据光线像差(εxn，εyn)，求出在点(Xn，Yn)中的波面像差的坡度。假设光路差用W(Xn，Yn)表示，如果0次衍射光的光线像差为(εxn0，εyn0)，则波面像差的坡度W(Xn，Yn)用以下的(6式)求出。
·W(Xn，Yn)＝-NA(εxn-εxn0，εyn-εyn0)(6)
在此，(Xn，Yn)是根据衍射格子的周期、衍射光的次数和符号，以及对应的微小光源的位置确定的，在标准化孔坐标系中的衍射光的通过点。0次衍射光的光线像差，假设在孔的最中心附近为0，在0次衍射光的通过位置不在孔的中心附近的情况下，用另一适宜的图案，使用由在此所述的方法测定的结果。
(步骤S106)使用在抗蚀剂图案上附近的另一像，重复步骤S103～步骤105的顺序，算出一定数以上的波面像差的坡度W(Xn，Yn)。算出射出孔上的多个点中的波面像差坡度W(Xn，Yn)。在此，所谓一定数，是指在后面的工序中求出波面像差W(X，Y)用的充分的数。
(步骤S107)从全部的波面像差的坡度数据·W(Xn，Yn)(n＝1～全部微小光源数)计算在射出孔全体中的波面像差W(X，Y)，把其结果最小二乘拟合为查涅克级数，求出各查涅克像差系数。
(实施方式2)在本实施方式中，对最佳聚焦位置，在面对称的二个散焦位置上分别进行曝光。所使用的曝光装置因为和图12所示的装置相同，所以省略图示以及说明。进而，在本实施方式中，使用是来自激光光源LS的照明光的波长λ[μm]，投影光学系统PL的缩小率是M的曝光装置。
被形成在光掩膜上的衍射格子的周期，是p/M[μm]的线和间隔，使用半径是r[μm]的光栅针孔的掩膜图案。在此p确定为满足式(7)的条件。λNA(1+σ)·M<p<λ2NA·σ·M---(7)]]>NA假设是投影光学系统PL的射出侧的数值孔径，σ是照明光学系统IL的相干因子。
使用接近配置有图15所示的由纵图案150、横图案151、斜图案152、斜图案153组成的一组图案群的光掩膜R。图15是展示在本发明的实施方式2的像差测定方法中使用的光掩膜的平面图。作为感光基板，使用涂布有正(ポジ)型光致抗蚀剂(感光剂)的硅晶片(以下称为晶片)。
首先，如图16A所示，把基板W设置在从最佳焦点位置160只移动散焦量-d(＝Z1)[μm]的位置上，以适宜的曝光量进行静止曝光。
接着，如图16B所示，把同一基板W设置在从最佳聚焦位置113只移动散焦量+d(＝Z2)[μm]的位置上的同时，也使其进一步在横方向上移动设置在未曝光部分成为曝光区域的位置上进行静止曝光。进而，散焦量+d的曝光条件，散焦量以外的曝光条件和散焦量-d的曝光时一样，进行曝光。
此后，通过进行显影，得到在散焦位置+d[μm]曝光的评价用图案(以下称为图案1)以及在散焦位置-d[μm]曝光的评价用抗蚀剂图案(以下称为图案2)。得到的评价用抗蚀剂图案的平面图展示在图17A～图17D。图17A，展示由纵图案150的像形成的评价用抗蚀剂图案170。图17B，展示由横图案151的像形成的评价用抗蚀剂图案171。图17C，展示由斜图案152的像形成的评价用抗蚀剂图案172。图17D，展示由斜图案153的像形成的评价用抗蚀剂图案173。用由光学显微镜和CCD照相机构成的摄像装置观察这些评价用抗蚀剂图案170～173，取得图像。在图17A～17D中，用虚线表示的圆174表示光线由光圈遮挡的边界，边界的外侧不能被转印在基板上。
以下，说明根据由纵图案150的像形成的评价用抗蚀剂图案170计算出像差的大小的方法。图18展示光掩膜上的图案和射出孔上的衍射光的次数以及位置的对应关系。如图18所示，通过由照明光180照明形成有纵图案150的光掩膜R，在射出孔185面上的中央，投影0次衍射光像182，在纸面右侧投影+1次衍射光像183，在纸面左侧投影-1次衍射光像184。另外，图19A、19B展示射出孔上的衍射光的次数和位置以及基板上的像的对应关系。图19A展示在散焦位置+d进行曝光的情况下的基板上的各次数的衍射光像。图19B展示在散焦位置-d进行曝光的情况下的基板上的各次数的衍射光像。如图19A、19B所示，在基板上，投影0次衍射光像190(190a、b)，+1次衍射光像191(191a、b)，-1次衍射光像192(192a、b)。在基板以及射出孔上形成图案的3个衍射光像进一步由微小的图案(微小光源像)构成。微小图案是反映由2次光源的复眼透镜制成的亮度分布的图案。在图19A、图19B中，用虚线表示的圆193表示光线被光圈遮挡的边界，边界的外侧不能被转印在基板上。
进行图20所示的图案的测定。图20是展示通过纵图案150的衍射光像，被形成在设置于散焦位置+d的感光基板上的图案的图示。在测定中可以使用的微小光源像的数，在相干因子σ是0.3的情况下，如在图17A所示的评价用抗蚀剂图案170中所示的那样，如果除去被照明孔局部地遮挡的部分则是53个。由从同一微小光源发出的衍射光形成的微小光源的组合，0次·+1次衍射光的组是16对，0次·-1次衍射光的组是16对，合计有32对。首先，关注由从同一微小光源发出的衍射光形成的1对微小光源像200a、201a，测定以微小光源像200a的位置为基准的微小光源像201a的位置(x1，y1)。在图21中，用虚线表示的圆202表示光线被光圈遮挡的边界，边界外侧不能被转印在基板上。
以下，进行图21所示的图案的测定。图21是展示通过纵图案150的衍射光像，被形成在设置于散焦位置-d的感光性基板上的图案的图示。关注和形成图20中的微小光源像200a的光线相同的光线(从同一微小光源发出，衍射次数相同的光线)形成的微小光源像200b，以及和形成微小光源像201a的光线相同的光线形成的微小光源像201b，测定以像201的位置为基准的像200的位置(x2，y2)。形成微小光源像200a以及微小光源像200b的光线通过的射出孔上的点P，如果把形成微小光源像201a以及201b的光线211通过的射出孔上的点设为(X0，Y0)，则如果考虑衍射格子的朝向、周期p、曝光波长λ，则被表示为(X0+λ/(p·NA)，Y0)。进而，(X0，Y0)的值根据关注的微小光源的二次光源内的位置确定。在图21中，用虚线表示的圆203表示光线被光圈遮挡的边界，边界的外侧不能被转印在基板行。
如果根据以上的测定结果，则表示光线的光线像差(εx，εy)是 因而，关注的射出孔上的点(X0+λ/(p·NA)，Y0)中的波面像差的坡度·W＝(Wx/x，Wy/y)由下式给出。在此，(X0，Y0)中的光线像差假设为0。∂wx∂x=-NA·-dx1+dx22d---(9a)]]>∂wy∂y=-NA·-dy1+dy22d---(9b)]]>对于剩下的31组微小光源像对适用同样的方法，求出与射出孔上31点有关的波面像差的坡度。另外，对于另外3种的图案151、152、153的像，也是改变式(8)、式(9a)、式(9b)来计算，求出在各测量点的波面像差的坡度。
通过对用以上方法求出的，表示整个射出孔全体的波面像差的坡度的离散性的数据进行积分计算和拟合，用查涅克多项式的形式表示整个射出孔全体的波面像差W(x，y)，得到33个查涅克像差系数。
在上述例子中虽然是以通过靠近射出孔的中央的路径的0次衍射光的光线像差为基准(0)计算，但在求出与该路径有关的光线像差中，如果在上述解析中使用求得的光线像差的值，则有望得到更正确的结果。
以下，说明在射出孔的中央附近的光线像差的测定。图22展示在孔中央附近的光线像差测定中使用的光掩膜的例子。如图22所示，光掩膜210，是半径10μm(光掩膜上尺度)的光栅针孔，其内部衍射格子是光掩膜上的周期8μm的线和间隔。在图22中，211是开口，212是遮光区域。把曝光波长是0.248μm的KrF激态复合物激光(エキシマレ—ザ)光作为光源，使用投影光学系统的缩小率M是1/4，射出侧数值孔径NA是0.6的曝光装置。另外，把照明光学系统的相干因子σ设置为0.1，即只把从单一微小光源发出的光供给曝光的状态。使用把由纵、横、斜(45°)、斜(-45°)组成的一组图案群(在图22中只显示纵)配置在接近于曝光区域内的图15所示的图案150、151、152、153的位置上的光掩膜，把感光基板设置在散焦量是+30μm、-30μm的位置上进行曝光。
按照同样的顺序，如图23所示，得到散焦量是+30μm的评价用图案231、232，和散焦量是-30μm的评价用图案(未图示)。使用0次衍射光231以及1次衍射光232，通过和上述的方法一样的顺序，计算出与投影光学系统的孔的中心附近有关的光线像差。进而，因为在取得的抗蚀剂图案上不显现孔一端233的位置，所以需要通过另一光栅针孔的曝光，测定孔233的半径(晶片上实际尺度)。以下进行用式(8)、式(9a)、式(9b)表示的计算，算出与各光路有关的波面像差的坡度。
在该测定中，以通过孔的中心的0次衍射光231的光线像差为基准(0)，求出光线232通过的路径的光线像差。以该光线232为基准，还可以求出与另一光路径有关的光线像差。通过反复使用此方法，可以以通过孔中心的光为基准，求出与通过孔的任意位置的光路径有关的光线像差和波面像差的坡度。
进而，在实施方式2中，代替图1所示的纵·横·±45°斜的线和间隔，也可以用如图18所示的正方形格子光栅针孔82，或者黑白相间格子针孔83作为光栅针孔内部的衍射格子来测定。在此，在使用正方形格子82时的晶片上的衍射光像92是使纵线和间隔像的形状和横线和间隔像的形状一致的像。另外使用黑白相间格子83时的晶片上的衍射光像93是使斜45°的线和间隔像的形状和斜135°的线和间隔像的形状一致的像。
在实施方式2中，代替作为感光基板使用涂布有正型光致抗蚀剂的晶片，代替感光基板涂布有光致抗蚀剂的硅晶片，使用CCD等的光强度检测装置、记录被检测出的光强度的位置(分布)的装置，例如计算机，也可以同样测定。
在实施方式2中，代替线和间隔，即使把作为半导体器件图案使用的周期图案作为衍射格子，也可以测定透镜的像差。通常，在半导体器件制造工序中，使用σ值大的照明光(例如σ＝0.75等)，但是为了进行本测定，希望将σ值尽可能小地设置使得光线的重合减小。例如，只单独点亮1个光源内的任意的微小光源，在该状态下曝光得到像。
本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可以确定光栅针孔的形状和其配置，进而可以有其他的实施方式以及各种变更。
对于本领域技术人员会容易地想到附加的优点和修改。因此，本发明在其更宽的方面并不限于在此展示和描述的具体细节和代表实施例。因此，在不脱离如所附权利要求及其等同物所定义的一般发明概念的精神和范围的情况下，可以做出各种修改。
权利要求
1.一种投影光学系统的像差测定方法，包含准备具备光源、在把来自该光源的光分割成多个点光源形成二次光源的同时，把来自该二次光源的照明光引导在光掩膜的有限区域上的照明光学系统、把由被配置在该光掩膜上的图案产生的透过光的缩小投影像转印在晶片上的投影光学系统的曝光装置；将上述照明光一并照射到形成有衍射格子的光掩膜的有限区域；使用上述投影光学系统，将通过上述光掩膜的0次衍射光及1次衍射光投影在与上述光源共轭的第1测定面上；测定从上述二次光源内的任意一个点光源照射的光线的0次衍射光及1次衍射光在上述第1测定面上的投影位置的关系；使用上述投影光学系统，把上述0次衍射光以及1次衍射光投影在与上述光源共轭、并且上述光线的光轴方向位置不同的第2测定面上；测定从上述一个点光源照射的光源的0次衍射光及1次衍射光的上述第2测定面的投影位置关系；根据求得的两个投影位置的关系，求出与从上述一个点光源照射的光线有关的光线像差。
2.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，在把上述光掩膜的倍率设为M，把曝光波长设为λ，把上述投影光学系统的射出侧的数值孔径设为NA，把上述照明光学系统的相干因子设为σ时，包含以符合λNA(1+σ)·M<p<λ2NA·σ·M]]>的周期p重复透光部和遮光部的周期图案。
3.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，是线和间隔图案，或者正方形格子或者黑白相间格子。
4.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，是在半导体元件制造中使用的至少在1方向上具有周期性的图案。
5.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，在上述光掩膜上一并曝光的上述有限区域内被配置多个；上述一并照射，照射被形成在该有限区域上的各衍射格子的全部，投影在同一测定面上。
6.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于在上述测定面上，配置在表面涂布有感光剂的基板。
7.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于在上述测定面上，配置测定上述一并曝光区域内的光强度分布的光强度检测器。
8.权利要求1所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述第1测定面和第2测定面，相对最佳聚焦位置是面对称。
9.一种投影光学系统的像差测定方法，包含准备具备光源、在把来自该光源的光分割成多个点光源形成二次光源的同时，把来自该二次光源的照明光引导在光掩膜的有限区域上的照明光学系统、把由配置在该光掩膜上的图案产生的透过光的缩小投影像转印在晶片上的投影光学系统的曝光装置；将上述照明光一并照射到形成有衍射格子的光掩膜的有限区域；使用上述投影光学系统，将通过上述光掩膜的0次衍射光及1次衍射光投影在与上述光源共轭的第1测定面上；测定从上述二次光源内的任意一个点光源照射的光线的0次衍射光及1次衍射光在上述第1测定面上的投影位置的关系；使用上述投影光学系统，把上述0次衍射光以及1次衍射光投影在与上述光源共轭、并且上述光线的光轴方向位置不同的第2测定面上；测定从上述一个点光源照射的光源的0次衍射光及1次衍射光的上述第2测定面的投影位置的关系；根据求得的两个投影位置的关系，求出与从上述一个点光源照射的光线有关的光线像差；根据求得的光线像差求出波面像差。
10.权利要求9所述的投影光学系统的测定方法，其特征在于分别求出与多个光点源有关的上述光线像差，根据求得的多个光线像差求出波面像差。
11.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，在把上述光掩膜的倍率设为M，把曝光波长设为λ，把上述投影光学系统的射出侧的数值孔径设置为NA，把上述照明光学系统的相干因子设置为σ时，包含以符合λNA(1+σ)·M<p<λ2NA·σ·M]]>的周期p重复透光部和遮光部的周期图案。
12.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，是线和间隔图案，或者正方格子或者黑白相间格子。
13.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，是在半导体元件制造中使用的至少在1方向上具有周期性的图案。
14.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述衍射格子，在上述光掩膜上的一并曝光的上述有限区域内被配置多个；上述一并照射，照射形成在该有限区域上的各衍射格子的全部，投影在同一测定面上。
15.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于在上述测定面上，配置在表面涂布有感光剂的基板。
16.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于在上述测定面上，配置测定上述一并曝光区域内的光强度分布的光强度检测器。
17.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述波面像差以使用了查涅克像差系数的形式求出。
18.权利要求9所述的投影光学系统的像差测定方法，其特征在于上述第1测定面和第2测定面，相对最佳聚焦位置是面对称。
全文摘要
本发明的方法包含将照明光一并照射到形成有衍射格子的光掩膜的有限区域，使该照明光入射到形成在光掩膜上的衍射格子上产生的衍射光入射到投影光学系统，把从该投影光学系统射出的0次衍射光以及1次衍射光，投影在与上述二次光源共轭的测定面上，测定从上述二次光源内的任意一个点光源发出的光线入射到上述衍射格子中发生的0次衍射光以及1次衍射光在上述测定面上的投影位置的位置关系的步骤；在上述光线的光轴方向位置和上述测定面不同的第2测定面上测定上述位置关系的步骤；根据求得的位置关系，求出与用于上述位置关系的测定的光线有关的光线像差的步骤。
文档编号G02B27/44GK1438477SQ03102390
公开日2003年8月27日 申请日期2003年2月12日 优先权日2002年2月12日
发明者福原和也, 佐藤隆 申请人:株式会社东芝