表面形状測定装置及び露光装置
【課題】単純な構成で高精度に被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置及び露光装置を提供する。
【解決手段】表面形状測定装置は、光源からの白色光をモスアイ形状の反射防止部を有するプリズムを用いて基板と参照面に８０度以上の入射角で入射させ、白色干渉光を得る。波長選択が可能な光学フィルターを用いて白色干渉光を複数の単一光による干渉光に分解する。その複数の干渉光に対して高速フーリエ変換を行いパワースペクトル分布を求め、スペクトルのピーク位置情報を用いて基板の表面形状を測定する。
【解決手段】表面形状測定装置は、光源からの白色光をモスアイ形状の反射防止部を有するプリズムを用いて基板と参照面に８０度以上の入射角で入射させ、白色干渉光を得る。波長選択が可能な光学フィルターを用いて白色干渉光を複数の単一光による干渉光に分解する。その複数の干渉光に対して高速フーリエ変換を行いパワースペクトル分布を求め、スペクトルのピーク位置情報を用いて基板の表面形状を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置及び露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原版と基板を同期走査するステップアンドスキャン方式を使用して、原版パターンを投影光学系を介して基板に露光する走査型露光装置は従来から知られている（例えば、特許文献１を参照）。走査型露光装置では、基板表面を露光中に投影光学系の像面位置に実時間で合わせ込む必要があるために、被露光位置が走査領域である露光スリットに差し掛かる前に基板の表面位置（高さ）と傾きを斜入射光を利用して計測する（例えば、特許文献２を参照）。
【０００３】
また、基板表面形状の情報を含む白色干渉光を、複数の単一波長による干渉光に分解して光電変換し、得られた複数の干渉信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、基板表面形状を求める方法を基板の表面形状に適用することができる。測定原理は、非特許文献１に開示されている。白色干渉光を単一波長による干渉光に分離する方法として、互いに波長透過特性の異なるガラスフィルターを複数用意し、その組み合わせを変える方法、あるいは、光源であるレーザーの波長を可変にする方法が知られている。
【特許文献１】米国特許第４８６１１６２号明細書
【特許文献２】特開平０６−２６０３９１号公報
【非特許文献１】郭 志徹他、「波長走査干渉計における信号処理」、精密光学会誌、日本、社団法人精密光学会、２００３年、第６９巻第６号第８３１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の高解像度の要請からフォーカス及びチルトの計測にも高い精度が要求されており、従来の斜入射光を利用した計測方法では、基板の周辺パターンの影響やレジストの厚さむらによって所期の計測精度が得られなくなってきた。この場合、基板への入射角を８０度以上にすれば基板の縦構造に起因する問題は解決することはできるが、光学系が複雑かつ大型になり、光路長が長くなることにより、外乱の影響を受け易くなる。
【０００５】
一方、白色干渉光を使用した表面形状測定装置において、ガラスフィルターによる分離は光学系の一部に可動部を設けなければならないので表面形状測定装置が複雑になる。また、レーザーの発信波長を可変にする方法も、やはり表面形状測定装置が複雑化する。
【０００６】
そこで、本発明は、単純な構成で高精度に被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置及び露光装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての表面形状測定装置は、被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置において、白色光を発する光源と、前記光源からの前記白色光を二光束に分割する光束分割手段と、当該光束分割手段によって分割されて前記被測定物体に向かう一方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第１反射防止部を有する第１プリズムと、当該光束分割手段によって分割されて参照光学素子の参照面に向かう他方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第２反射防止部を有する第２プリズムと、前記第１プリズムを経た前記被測定物体の表面形状の情報を含む反射光である物体光と前記第２プリズムを経た前記参照面の表面形状の情報を含む反射光である参照光とを重ね合わせて白色干渉光を生成する重ね合わせ手段と、前記白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離するリオフィルターと、前記リオフィルターが分離した前記白色干渉光を光電変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力からパワースペクトルの分布を求め、当該パワースペクトルのピーク位置の情報を用いて前記基板の表面形状を求める演算部と、を有することを特徴とする。かかる表面形状測定装置を有する露光装置も本発明の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単純な構成で高精度に被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置及び露光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
以下、図１〜図６を参照して、実施例１の露光装置１について説明する。露光装置１は、原版（マスク又はレチクル）Ｒと基板（ウエハや液晶基板）Ｗとを同期走査して、原版パターンを投影光学系３を介して基板Ｗに露光する走査型露光装置である。投影光学系３は、原版パターンを基板に縮小投影する。なお、図１は、原版を照明する照明装置（光源及び照明光学系）は省略している。
【００１１】
図１において、基板Ｗは、計測用ステージ５と露光用ステージ（基板ステージ）６との間をチャック７に吸着された状態で搬送される。露光用ステージ６では、投影光学系３によって導かれた原版Ｒからの光が基板Ｗ上に投影される。チャック７上では基板Ｗの位置計測のためのチャックマーク９が設けられ、計測用ステージ５では、チャックマーク９と基板Ｗとの３次元的な位置関係がアライメント検出系８を用いて計測される。その後、基板Ｗを吸着したままチャック７が露光用ステージ６に移動する。露光用ステージ６では、チャックマーク９の３次元的な位置がアライメント検出系８によって計測され、その計測結果及び基板Ｗとチャックマーク９との位置関係情報とを用いて露光用ステージ６における基板Ｗの３次元的な位置（ＸＹＺ方向の位置）が把握される。計測用ステージ５の周辺には表面形状測定装置１０Ａが配置されている。表面形状測定装置１０Ａは、被測定物体としての基板Ｗの表面形状を測定する。露光装置１は、図示しないコントローラを含み、表面形状測定装置の測定結果に基づいて原版Ｒと基板Ｗを同期走査する際に基板Ｗの投影光学系３の光源方向（Ｚ方向）の位置をステージ６を介して調節する。
【００１２】
図２は、表面形状測定装置１０Ａの断面図である。表面形状測定装置１０Ａは、光源１１、投光光学系１２、ミラー１３、ハーフミラー１４ａ及び１４ｂ、プリズム２０Ａ及び２０Ｂ、光学フィルター１６、制御部１７、撮像素子１８、記憶部１９ａ、演算部１９ｂを有する。
【００１３】
光源１１は、白色光を発する。白色光は、ある波長幅を有した光を意味し、白色の光を意味しない。光源１１は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを使用することができる。基板Ｗ上のレジストは白色光によっては感光しない。本実施例では、光源１１は、波長可変レーザーを使用しないので表面形状測定装置１０Ａの構成は単純になる。
【００１４】
投光光学系１２は、白色光を所望の形状に成形する。ミラー１３は白色光を偏向する。ハーフミラー１４ａは、光源１１からの白色光を二光束に分割する光束分割手段として機能する。
【００１５】
プリズム（第１プリズム）２０Ａは、ハーフミラー１４ａによって分割されて基板Ｗに向かう一方の光束の入射角を大きくし、白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ（Ｍｏｔｈ−ｅｙｅ）形状の反射防止部（第１反射防止部）を有する。ハーフミラー１４ａを透過した光は、プリズム２０Ａに入射し、プリズム２０Ａの出射面で屈折した光は、基板Ｗに対して角度θ（θ≧８０度）の入射角で斜め方向から入射する。なお、「プリズム２０Ａの出射面」とは、図２に示す二等辺三角形の形状をしたプリズム２０Ａの底辺部を意味する。入射角θは、基板Ｗの表面に垂直な高さ方向（Ｚ方向）となす光線の角度である。
【００１６】
図３は、図２における基板Ｗと入射光との関係を示す斜視図であり、基板Ｗ上の複数のショット領域をカバーすべく広範の領域Ａを照明している。図１において、基板Ｗを反射した光は再度プリズム２０Ａに入射し、プリズム２０Ａの斜辺からプリズム２０Ａの外に出射し、ハーフミラー１４ｂに到達する。
【００１７】
プリズム（第２プリズム）２０Ｂは、ハーフミラー１４ａによって分割されて参照光学素子１５の参照面１５ａに向かう他方の光束の入射角を大きくし、白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状の反射防止部（第２反射防止部）を有する。プリズム２０Ｂはプリズム２０Ａと同一構造を有する。図１において、参照面１５ａを反射した光は再度プリズム２０Ｂに入射し、プリズム２０Ｂの斜辺からプリズム２０Ｂの外に出射し、ハーフミラー１４ｂに到達する。
【００１８】
ハーフミラー１４ｂは、プリズム２０Ａを経た基板Ｗの表面形状の情報を含む反射光である物体光と、プリズム２０Ｂを経た参照面１５ａの表面形状の情報を含む反射光である参照光とを重ね合わせて白色干渉光を生成する重ね合わせ手段として機能する。
【００１９】
白色干渉光は、波長選択が可能な光学フィルター１６を透過し、受光光学系４１を介して撮像素子（検出部）１８に入射する。
【００２０】
本実施例の光学フィルター１６は白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離するリオフィルター（ＬｙｏｔＦｉｌｔｅｒ）である。リオフィルターは特定波長の光だけを透過するフィルターである。リオフィルターは、透過する直線偏光の振動方向を平行にした複数個の偏光子の列の間に光学軸が端面に平行で厚さが２ｎｄ（ｎ＝０、１、２、・・・）の結晶板（例えば、水晶板）を光学軸が偏光子の振動方向に４５°をなすように配置した構成を有する。計測用ステージ５が、基板Ｗの表面に垂直な方向（Ｚ方向）に基板Ｗを駆動することによって光学フィルター１６は、白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離する。このように、本実施例では、白色干渉光を複数の単一の波長の干渉光に分離する際に、ガラスフィルターを使用せず、本来備わっている計測用ステージ５を可動部としている。これにより、光学系の一部に可動部を設ける必要はなく、表面形状測定装置１０Ａの構成は単純になる。
【００２１】
撮像素子１８は、ＣＣＤから構成され、光学フィルター１６が分離した前記白色干渉光を光電変換する光電変換素子として機能する。
【００２２】
撮像素子１８が出力する光電変換信号は、基板Ｗの表面形状に関する情報を有する干渉信号であり、記憶部１９ａに記録される。演算部１９ｂは、記憶部１９ａが格納したデータからパワースペクトルの分布を求め、パワースペクトルのピーク位置の情報を用いて基板Ｗの表面形状を求める。
【００２３】
以下、プリズム２０Ａについて説明する。なお、上述したように、プリズム２０Ｂはプリズム２０Ａと同一構造を有するため、その説明を省略する。図４（ａ）は、プリズム２０Ａの側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部の拡大図である。プリズム２０Ａの底辺部には、プリズム２０Ａを構成する屈折率Ｎのガラスと同じ屈折率、あるいは同等の屈折率を有する部材で構成され、その立体形状が測定光の波長以下のオーダーのモスアイ形状を有する反射防止部２２Ａが付加されている。モスアイ形状は、表面に数百ナノメートルスケールで規則的な突起配列を有する構造であり、微細凹凸の頂点における周期Ｐと測定光の波長λとの間に次式が成立する。
【００２４】
【数１】
【００２５】
微細凹凸パターンを物品の表面に設けると外界（空気）との境界部における急激で不連続な屈折率変化を、図４（ｃ）に示す連続的で漸次推移する屈折率変化に変えることができるため、プリズム２０Ａの底辺部分における光反射が減る。特に、反射防止部２２Ａは、プリズム２０Ａの底辺を出射する光、あるいは、プリズム２０Ａの底辺に入射する物体光は、８０度以上で入出射する光に対して最適化されている。反射防止部２２Ａは、図４（ａ）に示す円錐形状の複数の突起２３ＡがＸＹ平面で隙間無く（密に）配列されている形状を有する。しかし、別の実施例では、反射防止部２２Ｂは、図４（ｄ）に示すように、円錐台形状の複数の突起２３ＢがＸＹ平面で間隔Ｓをもって配列されている形状を有する。図４（ｄ）において、Ｐ＝５００ｎｍ、Ｓ＝３３０ｎｍ、ｈ＝４３０ｎｍ、ｔ＝１００ｎｍとした時、λ＝７８０ｎｍ近辺での光に対して透過率６０％以上の光量の光を得ることができる。
【００２６】
次に、撮像素子１８で検出される干渉信号に基づいて、演算部１９ｂが基板Ｗの表面形状を求める方法について説明する。図２において、光源１１から発せられた白色光のうち、ある特定の波長に着目し、その波長を有する光束の基板Ｗからの物体光の強度をｉｏ、参照面１５ａからの参照光の強度をｉＲとし、図３の測定点Ｐの位置をＰ（ｘ’、ｙ’）とする。すると、測定点Ｐでの干渉信号の強度は数式１で表すことができる。ここで、Ｈ（ｘ’、ｙ’）は、基板Ｗ上の点Ｐ（ｘ’、ｙ’）の基準面からの距離であり、２π／λで与えられる波数である。
【００２７】
【数２】
【００２８】
再び、図２を参照するに、ハーフミラー１４ｂ以降で発生した白色干渉光に対して、光学フィルター１６によって分離された、複数の単一の波長による干渉光の干渉信号を撮像素子１８にて検出する。光電検出する干渉光の波長を離散的に変化されば、測定面上のある一点、例えば、図３の測定点Ｐでの時系列の干渉信号ｉ（ｎΔｔ）は、Ｈの逆数を周期とする周期関数となる。そして、この時系列の干渉信号ｉ（ｔ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、その結果であるパワースペクトルにおけるピーク値は、測定点の高さに応じて変化する結果となる。ここで、パワースペクトルのピーク値を有する周波数をｆｐｅａｋとすると測定点Ｐでの絶対高さＨは数式２で求めることができる。ここで、高さ計測の最小分解能Δｈは光学フィルター１６による波長変化の幅によって決まる数値である。
【００２９】
【数３】
【００３０】
図５及び図６に、上記方法に従って求めた、測定点Ｐの高さ計測の結果を示す。図５は、数式４で表される波数ｋを８．８７４から１３．９７４の範囲（λの変化に換算すると０．７０８μｍ〜０．４５０μｍ）で０．０２ステップで変化させた時の各ステップ毎に得られる干渉信号のＰの位置での強度である。
【００３１】
【数４】
【００３２】
ｋの値を変化させる手段は、光学フィルター１６を用いて行い、ｋの最大値、最小値及びステップ量（波長の変化幅）等は制御部１７で任意に設定することができる。
【００３３】
図６は、点Ｐの位置における波数変化に対する干渉信号の強度にＦＦＴを行い、スペクトル分布を示したグラフである。図６において、スペクトルが最大値となる時のｋの値はガウス曲線法にて求めた。そして、その値をｋＭａｘ＝１６．９００とし、ｋのステップ量Δｋ、基板Ｗへの物体光の入射角θ、ＦＦＴのサンプリング回数Ｓｎから求められる表面形状の高さ方向の分解能Δｈを数式５で求める。
【００３４】
【数５】
【００３５】
図３の測定点Ｐの高さＨｐは以下に示す式から５８．７２ｕｍという結果を得た。ここで、Δｋ＝0.02、θ＝８０度、Ｓｎ＝２５６とした。数式６において、ｋMaxは数式４においてピークを与える波長λによって求まるｋである。
【００３６】
【数６】
【００３７】
上記に述べた高さ計測は、図３の測定点Ｐでの結果であるが、測定点Ｐ以外の任意の場所で同様な高さ計測を行えば、二次元領域の高さ計測が可能となる。本実施例は、光学フィルター１６を、物体光と参照光がそれぞれの反射面である基板Ｗ、及び参照面１５ａを反射した後の光路中に設置したが、この設置位置に限定されない。例えば、光学フィルター１６は、物体光、参照光が反射面に到達する前の光路中、例えば、ミラー１３とハーフミラー１４ａの間の光路中に設置してもよい。
【００３８】
このように、演算部１９ｂは、パワースペクトルの分布を求め、特定位置についてピークを与える波長を選択し、数式６から基板Ｗの表面形状を求める。なお、光学フィルター１６が与える波長は離散的であるために、本実施例の演算部１９ｂは、離散的な計測点の間を補完している。
【実施例２】
【００３９】
以下、図７〜図１１を参照して、実施例２について説明する。本実施例も図１に示す露光装置１を共通に使用することができるが、本実施例は、表面形状測定装置１０Ａの代わりに表面形状測定装置１０Ｂを使用する。表面形状測定装置１０Ｂは、表面形状測定装置１０Ａにマルチカンチレバーユニット３０を更に有する点で相違する。
【００４０】
マルチカンチレバーユニット３０は、平板状の保持部３１と、複数のカンチレバー３５と、を有し、プリズム２０Ａと基板Ｗとの間に設けられている。
【００４１】
保持部３１は、平板形状を有し、ハーフミラー１４ａによって分割された一方の光束の光路に対応する部分に点線で示す直方体形状の穴３２を有する。
【００４２】
複数のカンチレバー３５は、保持部３１の底面３１ａに取り付け部３６ａにおいて片持ち支持された基部３６と、基部３６に固定されて基板Ｗの表面に接触可能な計測プローブ３７と、を各々有する。計測プローブ３７は、取り付け部３６ａとは反対の端部である基部３６の先端に取り付けられている。計測プローブ３７は、本実施例では円錐形状を有し、円錐の先端部が下になるように（即ち、底円において）基部３６に取り付けられている。本実施例では、物体光は、カンチレバー３５の基部３６の背面３６ｂから反射された光である。背面３６ｂにおける反射位置３６ｃは、基部３６の背面３６ｂの略中央部であるが、測定したいのは、背面３６ｂにおいてヘッド部である計測プローブ３７が取り付けられている部分とは裏側のヘッド位置３６ｄである。このため、本実施例の演算部１９ｂは、実際の反射位置３６ｃをヘッド位置３６ｄに変換するためのキャリブレーションを行う。
【００４３】
図７は、マルチカンチレバーユニット３０の複数のカンチレバー３５の配置例を示している。例えば、一辺が３５ｍｍの正方形領域内にカンチレバー３５を１ｍｍ間隔で縦横に各３６個（合計１２９６個）配置している。本実施例は、このようにカンチレバー３５を複数配列したものをマルチカンチレバーと呼んでいる。図７では、複数のカンチレバー３５は二次元的に配置されているが、一次元的に配置されてもよい。
【００４４】
カンチレバー３５は、市販の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に使用されており、測定対象とカンチレバー３５との間に作用する原子間力（ファンデルワールス力）を利用して測定対象のＺ方向（紙面垂直方向）位置を測定する。
【００４５】
図１２（ａ）に示すような従来のフォーカス・チルト検出系１００においては、斜入射照明光（複数の光束）Ｌでマルチマーク１０２を照明し、そこからの光を投射光学系１０４が基板表面に投射し、受光光学系１０６がその反射光を受光する。基板表面（正しくは基板に塗布されたレジスト表面）に高入射角度で照明光Ｌを入射させ、反射光をガルバノミラー１０８で走査させ、スリット１１０を透過した光を検出部１１２で光電変換する。検出部１１２の出力の信号を信号処理し、図１２（ｂ）に示すように、デフォーカス信号がベストフォーカス信号となるように基板Ｗを矢印で示す光軸方向に駆動してフォーカス制御を行う。また、異なる位置の高さ計測情報から露光すべき基板面のチルトを算出する。
【００４６】
しかし、図１３に示すように、周辺回路パターンやスクライブライン近傍においては、レジストＲＳ表面の段差は焦点深度に比べて小さいが、フォーカス計測にとってはその計測結果に大きな誤差が発生してしまう。誤差は、レジスト表面の傾斜角度の影響により、フォーカス検出系に用いる測定光の基板からの反射光がレジスト内の多重反射やレジスト表面形状の影響を受けた屈折により、正反射角度からのずれが発生することに起因する。また、ＩＣパターンの粗密の違いによっても反射率に差が生じる。そのため、フォーカス・チルト検出系１００は、照明光Ｌの角度を８０度以上として信号歪を軽減してオフセットの発生を防いでいるが、代わりに、光学系の引き廻しが複雑で大型になり、光路長が長くなって外乱の影響を受け易くなる。
【００４７】
本実施例では、原子間力を利用することにより、光学的なオフセットの発生を防止することができ、基板上に塗布されたレジストの表面形状（表面高さの変化）を正確に計測することができる。
【００４８】
図８は、複数のカンチレバー３５が基板表面を計測している様子を示す側面図である。カンチレバー３５の計測方式は光テコ方式と呼ばれ、計測プローブ３７と基板Ｗ表面との間に作用する原子間力によって基板Ｗ表面の高さ位置に応じて上下移動する。カンチレバー３５の基部３６の背面３６ｂに斜入射光Ｌ１を入射させ、カンチレバー３５の背面３６ｂからの反射光をＣＣＤ等の光検出器３９によって検出することにより、カンチレバー３５の高さ、即ち、基板Ｗの表面形状を計測する。
【００４９】
図９は、マルチカンチレバーユニット３０を有する表面形状測定装置１０Ｂの断面図である。光源１１から発せられた測定光Ｌ３は、ミラー１３により偏向され、マルチスポット発生部４０によって分割され、ハーフミラー１４ａで、物体光と参照光の２方向に光路が分割される。ハーフミラー１４ａを透過した物体光はプリズム２０Ａを透過して、マルチカンチレバーユニット３０の背面３６ｂに斜入射光Ｌ１として入射される。プリズム２０Ａは反射防止部２２Ａを有し、プリズム２０Ａの底辺部分を光が透過する際に、その入出射角度が８０度以上の超斜入射角度の場合でも光量を損失することなく各カンチレバー３５の背面３６ｂに光を照射することができる。
【００５０】
カンチレバー３５の背面３６ｂからの反射光は、ハーフミラー１４ｂ、光学フィルター１６を透過し、受光光学系４１により撮像素子１８の受光面へと導かれる。一方、ハーフミラー１４ａが分割した他方の光は、プリズム２０Ｂを透過し、８０度以上の超斜入射角度で参照面１５ａに照射され、その反射光はハーフミラー１４ｂを反射し、光学フィルター１６、受光光学系４１を経て撮像素子１８の受光面へと導かれる。市販のＡＦＭは光検出器として四分割センサーが用いるが、本実施例は、二次元撮像素子（例えば、エリア型ＣＣＤ等）を用いる。
【００５１】
基板Ｗの高さに応じてカンチレバー３５の背面３６ｂの高さ（Ｚ方向）位置は変化するので、各カンチレバー３５の高さを、実施例１で述べた方法で測定すれば基板Ｗの表面形状を測定することができる。例えば、１つのカンチレバー３５に着目すると、カンチレバー３５の背面３６ｂに８０度以上の超斜入射角度で照射された物体光と、参照面１５ａに超斜入射された参照光を、ハーフミラー１４ｂ以降で重ね合わせて白色干渉光を生成する。そして、光学フィルター１６を用いて白色干渉光から、単一波長による干渉光を時系列的に複数の波長において分離して光電変換を行い、各波長毎の干渉信号を記憶部１９ａに記憶する。演算部１９ｂは、これらの複数の干渉信号に対してＦＦＴを行い、パワースペクトルのピーク位置を有する波数ｋＭａｘ（＝２π／λｎ、ｎはサンプリング回数）を求める。そして、波数ｋＭａｘと数式５及び６で求められる高さ方向の分解能の値からカンチレバー３５の背面３６ｂの高さ変化を求めることができ、即ち、基板Ｗの表面形状を知ることができる。
【００５２】
ここで、図１０及び図１１を用いて、カンチレバー３５による基板Ｗの表面形状測定の原理を説明する。図１０に示すように、ある任意の位置を基準としたＺ方向におけるカンチレバー３５の位置（例えば、カンチレバー３５の背面３６ｂの位置）を位置Ｃ、基板Ｗの計測点の表面位置を位置ｄとすると、両者の関係は図１１に示すようになる。図１１は、位置Ｃに保持したカンチレバー３５に基板Ｗを徐々に近接させた場合のカンチレバー３５の位置Ｃと基板Ｗの表面位置ｄとの関係を示すグラフ（フォースカーブ）である。ここで、図１０中のＺ方向（図中上方向）が正方向である。
【００５３】
カンチレバー３５が基板Ｗから充分離れている場合は、基板Ｗをカンチレバー３５に近づけてもカンチレバー３５の位置Ｃは変化しない。しかし、ある程度まで近接して基板Ｗの表面位置が位置ｄ１になると（このとき、カンチレバー３５のプローブ３７と基板Ｗの表面とは所定距離となっている）、双方に原子間力が作用し始めて互いに引き合う。その後、基板Ｗが更にカンチレバー３５に近づくと、カンチレバー３５が引力で基板表面へと引きつけられ、カンチレバー３５の位置Ｃの値が徐々に小さくなる（引力領域）。更に、基板Ｗがカンチレバー３５に近づき、基板Ｗの表面位置が位置ｄ２になると、今度は原子間力によって双方が逆に反発し合う。基板Ｗが更にカンチレバー３５に近づくと、カンチレバー３５が斥力で基板表面から遠ざかろうとし、カンチレバー３５の位置Ｃの値が急激に大きくなる（斥力領域）。本実施例は、この斥力領域における反発特性を利用するためにカンチレバー３５と基板Ｗとの距離ｄ２以下となるように配置する。もちろん引力領域における引力特性を利用することも可能であるが、引力領域では１つのカンチレバー３５の位置Ｃに対して対応する基板Ｗの位置が複数となる場合がある。従って、カンチレバー３５の位置Ｃから一義的に基板Ｗの位置が決定されない場合があるので注意が必要である。カンチレバー３５と基板Ｗとの距離を設定するに際しては、基板Ｗの表面形状の高さバラツキを考慮する必要がある。基板Ｗの表面形状の高さバラツキの値よりもカンチレバー３５と基板Ｗとの距離を小さくしてしまうと、カンチレバー３５のプローブ３７が基板表面に接触してしまう虞があるからである。
【００５４】
実施例２は、マルチカンチレバーユニット３０を用いて非光学的な計測と光学的な計測とを組み合わせている。このため、基板上に塗布されたレジストの表面形状を光学的な方法のみによって計測する際に生じるオフセットが発生せず、ナノメートルオーダーでの高精度計測を行うことができる。
【００５５】
以上説明した表面形状測定装置１０Ａ及び１０Ｂは、構成が単純かつ小型で、超斜入射光であっても光量の損失が少ない光学系を構成することができる。また、波長を選択するための光学系も可動部を簡素化することができる。以上の一連の効果により、基板表面に塗布されたレジストによる計測誤差を受けることなく、縮小される焦点深度に対し高いフォーカス補正精度を達成し、一枚の基板あたりの歩留まり向上を得ることが可能である。
【００５６】
なお、本実施例のデバイス製造方法は以下のようになる。即ち、デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、前述のいずれかの実施例の露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１の露光装置の断面図である。
【図２】図１に示す露光装置の表面形状測定装置の断面図である。
【図３】図２に示す表面形状測定装置の基板と物体光との関係を異なる角度から見た斜視図である。
【図４】図４（ａ）は図３に示すプリズムの側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の部分拡大図、図４（ｃ）は屈折率変化を示す図、図４（ｄ）は図４（ｂ）の変形例の側面図である。
【図５】図３に示す測定点の高さ計測の結果を示す図である。
【図６】図３に示す測定点の高さ計測の結果を示す図である。
【図７】実施例２の表面形状測定装置のカンチレバーの配置を示す図である。
【図８】複数のカンチレバーが基板表面を計測している様子を示す側面図である。
【図９】実施例２の表面形状測定装置の断面図である。
【図１０】図９の表面形状測定装置のカンチレバーの断面図である。
【図１１】カンチレバーと基板との距離とカンチレバーの位置との関係を示すグラフである。
【図１２】従来のフォーカス・チルト検出系の図である。
【図１３】図１２に示すフォーカス・チルト検出系の問題を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０Ａ、１０Ｂ 表面形状測定装置
１１ 光源
１４ａ、１４ｂ ハーフミラー
１６ 光学フィルター
１７ 制御部
１８ 撮像素子（光電変換素子）
１９ａ 記憶部
１９ｂ 演算部
２０Ａ、２０Ｂ プリズム
３０ マルチカンチレバーユニット
３２ カンチレバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状測定装置及び露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原版と基板を同期走査するステップアンドスキャン方式を使用して、原版パターンを投影光学系を介して基板に露光する走査型露光装置は従来から知られている（例えば、特許文献１を参照）。走査型露光装置では、基板表面を露光中に投影光学系の像面位置に実時間で合わせ込む必要があるために、被露光位置が走査領域である露光スリットに差し掛かる前に基板の表面位置（高さ）と傾きを斜入射光を利用して計測する（例えば、特許文献２を参照）。
【０００３】
また、基板表面形状の情報を含む白色干渉光を、複数の単一波長による干渉光に分解して光電変換し、得られた複数の干渉信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、基板表面形状を求める方法を基板の表面形状に適用することができる。測定原理は、非特許文献１に開示されている。白色干渉光を単一波長による干渉光に分離する方法として、互いに波長透過特性の異なるガラスフィルターを複数用意し、その組み合わせを変える方法、あるいは、光源であるレーザーの波長を可変にする方法が知られている。
【特許文献１】米国特許第４８６１１６２号明細書
【特許文献２】特開平０６−２６０３９１号公報
【非特許文献１】郭 志徹他、「波長走査干渉計における信号処理」、精密光学会誌、日本、社団法人精密光学会、２００３年、第６９巻第６号第８３１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の高解像度の要請からフォーカス及びチルトの計測にも高い精度が要求されており、従来の斜入射光を利用した計測方法では、基板の周辺パターンの影響やレジストの厚さむらによって所期の計測精度が得られなくなってきた。この場合、基板への入射角を８０度以上にすれば基板の縦構造に起因する問題は解決することはできるが、光学系が複雑かつ大型になり、光路長が長くなることにより、外乱の影響を受け易くなる。
【０００５】
一方、白色干渉光を使用した表面形状測定装置において、ガラスフィルターによる分離は光学系の一部に可動部を設けなければならないので表面形状測定装置が複雑になる。また、レーザーの発信波長を可変にする方法も、やはり表面形状測定装置が複雑化する。
【０００６】
そこで、本発明は、単純な構成で高精度に被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置及び露光装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての表面形状測定装置は、被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置において、白色光を発する光源と、前記光源からの前記白色光を二光束に分割する光束分割手段と、当該光束分割手段によって分割されて前記被測定物体に向かう一方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第１反射防止部を有する第１プリズムと、当該光束分割手段によって分割されて参照光学素子の参照面に向かう他方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第２反射防止部を有する第２プリズムと、前記第１プリズムを経た前記被測定物体の表面形状の情報を含む反射光である物体光と前記第２プリズムを経た前記参照面の表面形状の情報を含む反射光である参照光とを重ね合わせて白色干渉光を生成する重ね合わせ手段と、前記白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離するリオフィルターと、前記リオフィルターが分離した前記白色干渉光を光電変換する光電変換素子と、前記光電変換素子の出力からパワースペクトルの分布を求め、当該パワースペクトルのピーク位置の情報を用いて前記基板の表面形状を求める演算部と、を有することを特徴とする。かかる表面形状測定装置を有する露光装置も本発明の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単純な構成で高精度に被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置及び露光装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
以下、図１〜図６を参照して、実施例１の露光装置１について説明する。露光装置１は、原版（マスク又はレチクル）Ｒと基板（ウエハや液晶基板）Ｗとを同期走査して、原版パターンを投影光学系３を介して基板Ｗに露光する走査型露光装置である。投影光学系３は、原版パターンを基板に縮小投影する。なお、図１は、原版を照明する照明装置（光源及び照明光学系）は省略している。
【００１１】
図１において、基板Ｗは、計測用ステージ５と露光用ステージ（基板ステージ）６との間をチャック７に吸着された状態で搬送される。露光用ステージ６では、投影光学系３によって導かれた原版Ｒからの光が基板Ｗ上に投影される。チャック７上では基板Ｗの位置計測のためのチャックマーク９が設けられ、計測用ステージ５では、チャックマーク９と基板Ｗとの３次元的な位置関係がアライメント検出系８を用いて計測される。その後、基板Ｗを吸着したままチャック７が露光用ステージ６に移動する。露光用ステージ６では、チャックマーク９の３次元的な位置がアライメント検出系８によって計測され、その計測結果及び基板Ｗとチャックマーク９との位置関係情報とを用いて露光用ステージ６における基板Ｗの３次元的な位置（ＸＹＺ方向の位置）が把握される。計測用ステージ５の周辺には表面形状測定装置１０Ａが配置されている。表面形状測定装置１０Ａは、被測定物体としての基板Ｗの表面形状を測定する。露光装置１は、図示しないコントローラを含み、表面形状測定装置の測定結果に基づいて原版Ｒと基板Ｗを同期走査する際に基板Ｗの投影光学系３の光源方向（Ｚ方向）の位置をステージ６を介して調節する。
【００１２】
図２は、表面形状測定装置１０Ａの断面図である。表面形状測定装置１０Ａは、光源１１、投光光学系１２、ミラー１３、ハーフミラー１４ａ及び１４ｂ、プリズム２０Ａ及び２０Ｂ、光学フィルター１６、制御部１７、撮像素子１８、記憶部１９ａ、演算部１９ｂを有する。
【００１３】
光源１１は、白色光を発する。白色光は、ある波長幅を有した光を意味し、白色の光を意味しない。光源１１は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを使用することができる。基板Ｗ上のレジストは白色光によっては感光しない。本実施例では、光源１１は、波長可変レーザーを使用しないので表面形状測定装置１０Ａの構成は単純になる。
【００１４】
投光光学系１２は、白色光を所望の形状に成形する。ミラー１３は白色光を偏向する。ハーフミラー１４ａは、光源１１からの白色光を二光束に分割する光束分割手段として機能する。
【００１５】
プリズム（第１プリズム）２０Ａは、ハーフミラー１４ａによって分割されて基板Ｗに向かう一方の光束の入射角を大きくし、白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ（Ｍｏｔｈ−ｅｙｅ）形状の反射防止部（第１反射防止部）を有する。ハーフミラー１４ａを透過した光は、プリズム２０Ａに入射し、プリズム２０Ａの出射面で屈折した光は、基板Ｗに対して角度θ（θ≧８０度）の入射角で斜め方向から入射する。なお、「プリズム２０Ａの出射面」とは、図２に示す二等辺三角形の形状をしたプリズム２０Ａの底辺部を意味する。入射角θは、基板Ｗの表面に垂直な高さ方向（Ｚ方向）となす光線の角度である。
【００１６】
図３は、図２における基板Ｗと入射光との関係を示す斜視図であり、基板Ｗ上の複数のショット領域をカバーすべく広範の領域Ａを照明している。図１において、基板Ｗを反射した光は再度プリズム２０Ａに入射し、プリズム２０Ａの斜辺からプリズム２０Ａの外に出射し、ハーフミラー１４ｂに到達する。
【００１７】
プリズム（第２プリズム）２０Ｂは、ハーフミラー１４ａによって分割されて参照光学素子１５の参照面１５ａに向かう他方の光束の入射角を大きくし、白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状の反射防止部（第２反射防止部）を有する。プリズム２０Ｂはプリズム２０Ａと同一構造を有する。図１において、参照面１５ａを反射した光は再度プリズム２０Ｂに入射し、プリズム２０Ｂの斜辺からプリズム２０Ｂの外に出射し、ハーフミラー１４ｂに到達する。
【００１８】
ハーフミラー１４ｂは、プリズム２０Ａを経た基板Ｗの表面形状の情報を含む反射光である物体光と、プリズム２０Ｂを経た参照面１５ａの表面形状の情報を含む反射光である参照光とを重ね合わせて白色干渉光を生成する重ね合わせ手段として機能する。
【００１９】
白色干渉光は、波長選択が可能な光学フィルター１６を透過し、受光光学系４１を介して撮像素子（検出部）１８に入射する。
【００２０】
本実施例の光学フィルター１６は白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離するリオフィルター（ＬｙｏｔＦｉｌｔｅｒ）である。リオフィルターは特定波長の光だけを透過するフィルターである。リオフィルターは、透過する直線偏光の振動方向を平行にした複数個の偏光子の列の間に光学軸が端面に平行で厚さが２ｎｄ（ｎ＝０、１、２、・・・）の結晶板（例えば、水晶板）を光学軸が偏光子の振動方向に４５°をなすように配置した構成を有する。計測用ステージ５が、基板Ｗの表面に垂直な方向（Ｚ方向）に基板Ｗを駆動することによって光学フィルター１６は、白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離する。このように、本実施例では、白色干渉光を複数の単一の波長の干渉光に分離する際に、ガラスフィルターを使用せず、本来備わっている計測用ステージ５を可動部としている。これにより、光学系の一部に可動部を設ける必要はなく、表面形状測定装置１０Ａの構成は単純になる。
【００２１】
撮像素子１８は、ＣＣＤから構成され、光学フィルター１６が分離した前記白色干渉光を光電変換する光電変換素子として機能する。
【００２２】
撮像素子１８が出力する光電変換信号は、基板Ｗの表面形状に関する情報を有する干渉信号であり、記憶部１９ａに記録される。演算部１９ｂは、記憶部１９ａが格納したデータからパワースペクトルの分布を求め、パワースペクトルのピーク位置の情報を用いて基板Ｗの表面形状を求める。
【００２３】
以下、プリズム２０Ａについて説明する。なお、上述したように、プリズム２０Ｂはプリズム２０Ａと同一構造を有するため、その説明を省略する。図４（ａ）は、プリズム２０Ａの側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部の拡大図である。プリズム２０Ａの底辺部には、プリズム２０Ａを構成する屈折率Ｎのガラスと同じ屈折率、あるいは同等の屈折率を有する部材で構成され、その立体形状が測定光の波長以下のオーダーのモスアイ形状を有する反射防止部２２Ａが付加されている。モスアイ形状は、表面に数百ナノメートルスケールで規則的な突起配列を有する構造であり、微細凹凸の頂点における周期Ｐと測定光の波長λとの間に次式が成立する。
【００２４】
【数１】
【００２５】
微細凹凸パターンを物品の表面に設けると外界（空気）との境界部における急激で不連続な屈折率変化を、図４（ｃ）に示す連続的で漸次推移する屈折率変化に変えることができるため、プリズム２０Ａの底辺部分における光反射が減る。特に、反射防止部２２Ａは、プリズム２０Ａの底辺を出射する光、あるいは、プリズム２０Ａの底辺に入射する物体光は、８０度以上で入出射する光に対して最適化されている。反射防止部２２Ａは、図４（ａ）に示す円錐形状の複数の突起２３ＡがＸＹ平面で隙間無く（密に）配列されている形状を有する。しかし、別の実施例では、反射防止部２２Ｂは、図４（ｄ）に示すように、円錐台形状の複数の突起２３ＢがＸＹ平面で間隔Ｓをもって配列されている形状を有する。図４（ｄ）において、Ｐ＝５００ｎｍ、Ｓ＝３３０ｎｍ、ｈ＝４３０ｎｍ、ｔ＝１００ｎｍとした時、λ＝７８０ｎｍ近辺での光に対して透過率６０％以上の光量の光を得ることができる。
【００２６】
次に、撮像素子１８で検出される干渉信号に基づいて、演算部１９ｂが基板Ｗの表面形状を求める方法について説明する。図２において、光源１１から発せられた白色光のうち、ある特定の波長に着目し、その波長を有する光束の基板Ｗからの物体光の強度をｉｏ、参照面１５ａからの参照光の強度をｉＲとし、図３の測定点Ｐの位置をＰ（ｘ’、ｙ’）とする。すると、測定点Ｐでの干渉信号の強度は数式１で表すことができる。ここで、Ｈ（ｘ’、ｙ’）は、基板Ｗ上の点Ｐ（ｘ’、ｙ’）の基準面からの距離であり、２π／λで与えられる波数である。
【００２７】
【数２】
【００２８】
再び、図２を参照するに、ハーフミラー１４ｂ以降で発生した白色干渉光に対して、光学フィルター１６によって分離された、複数の単一の波長による干渉光の干渉信号を撮像素子１８にて検出する。光電検出する干渉光の波長を離散的に変化されば、測定面上のある一点、例えば、図３の測定点Ｐでの時系列の干渉信号ｉ（ｎΔｔ）は、Ｈの逆数を周期とする周期関数となる。そして、この時系列の干渉信号ｉ（ｔ）を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、その結果であるパワースペクトルにおけるピーク値は、測定点の高さに応じて変化する結果となる。ここで、パワースペクトルのピーク値を有する周波数をｆｐｅａｋとすると測定点Ｐでの絶対高さＨは数式２で求めることができる。ここで、高さ計測の最小分解能Δｈは光学フィルター１６による波長変化の幅によって決まる数値である。
【００２９】
【数３】
【００３０】
図５及び図６に、上記方法に従って求めた、測定点Ｐの高さ計測の結果を示す。図５は、数式４で表される波数ｋを８．８７４から１３．９７４の範囲（λの変化に換算すると０．７０８μｍ〜０．４５０μｍ）で０．０２ステップで変化させた時の各ステップ毎に得られる干渉信号のＰの位置での強度である。
【００３１】
【数４】
【００３２】
ｋの値を変化させる手段は、光学フィルター１６を用いて行い、ｋの最大値、最小値及びステップ量（波長の変化幅）等は制御部１７で任意に設定することができる。
【００３３】
図６は、点Ｐの位置における波数変化に対する干渉信号の強度にＦＦＴを行い、スペクトル分布を示したグラフである。図６において、スペクトルが最大値となる時のｋの値はガウス曲線法にて求めた。そして、その値をｋＭａｘ＝１６．９００とし、ｋのステップ量Δｋ、基板Ｗへの物体光の入射角θ、ＦＦＴのサンプリング回数Ｓｎから求められる表面形状の高さ方向の分解能Δｈを数式５で求める。
【００３４】
【数５】
【００３５】
図３の測定点Ｐの高さＨｐは以下に示す式から５８．７２ｕｍという結果を得た。ここで、Δｋ＝0.02、θ＝８０度、Ｓｎ＝２５６とした。数式６において、ｋMaxは数式４においてピークを与える波長λによって求まるｋである。
【００３６】
【数６】
【００３７】
上記に述べた高さ計測は、図３の測定点Ｐでの結果であるが、測定点Ｐ以外の任意の場所で同様な高さ計測を行えば、二次元領域の高さ計測が可能となる。本実施例は、光学フィルター１６を、物体光と参照光がそれぞれの反射面である基板Ｗ、及び参照面１５ａを反射した後の光路中に設置したが、この設置位置に限定されない。例えば、光学フィルター１６は、物体光、参照光が反射面に到達する前の光路中、例えば、ミラー１３とハーフミラー１４ａの間の光路中に設置してもよい。
【００３８】
このように、演算部１９ｂは、パワースペクトルの分布を求め、特定位置についてピークを与える波長を選択し、数式６から基板Ｗの表面形状を求める。なお、光学フィルター１６が与える波長は離散的であるために、本実施例の演算部１９ｂは、離散的な計測点の間を補完している。
【実施例２】
【００３９】
以下、図７〜図１１を参照して、実施例２について説明する。本実施例も図１に示す露光装置１を共通に使用することができるが、本実施例は、表面形状測定装置１０Ａの代わりに表面形状測定装置１０Ｂを使用する。表面形状測定装置１０Ｂは、表面形状測定装置１０Ａにマルチカンチレバーユニット３０を更に有する点で相違する。
【００４０】
マルチカンチレバーユニット３０は、平板状の保持部３１と、複数のカンチレバー３５と、を有し、プリズム２０Ａと基板Ｗとの間に設けられている。
【００４１】
保持部３１は、平板形状を有し、ハーフミラー１４ａによって分割された一方の光束の光路に対応する部分に点線で示す直方体形状の穴３２を有する。
【００４２】
複数のカンチレバー３５は、保持部３１の底面３１ａに取り付け部３６ａにおいて片持ち支持された基部３６と、基部３６に固定されて基板Ｗの表面に接触可能な計測プローブ３７と、を各々有する。計測プローブ３７は、取り付け部３６ａとは反対の端部である基部３６の先端に取り付けられている。計測プローブ３７は、本実施例では円錐形状を有し、円錐の先端部が下になるように（即ち、底円において）基部３６に取り付けられている。本実施例では、物体光は、カンチレバー３５の基部３６の背面３６ｂから反射された光である。背面３６ｂにおける反射位置３６ｃは、基部３６の背面３６ｂの略中央部であるが、測定したいのは、背面３６ｂにおいてヘッド部である計測プローブ３７が取り付けられている部分とは裏側のヘッド位置３６ｄである。このため、本実施例の演算部１９ｂは、実際の反射位置３６ｃをヘッド位置３６ｄに変換するためのキャリブレーションを行う。
【００４３】
図７は、マルチカンチレバーユニット３０の複数のカンチレバー３５の配置例を示している。例えば、一辺が３５ｍｍの正方形領域内にカンチレバー３５を１ｍｍ間隔で縦横に各３６個（合計１２９６個）配置している。本実施例は、このようにカンチレバー３５を複数配列したものをマルチカンチレバーと呼んでいる。図７では、複数のカンチレバー３５は二次元的に配置されているが、一次元的に配置されてもよい。
【００４４】
カンチレバー３５は、市販の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に使用されており、測定対象とカンチレバー３５との間に作用する原子間力（ファンデルワールス力）を利用して測定対象のＺ方向（紙面垂直方向）位置を測定する。
【００４５】
図１２（ａ）に示すような従来のフォーカス・チルト検出系１００においては、斜入射照明光（複数の光束）Ｌでマルチマーク１０２を照明し、そこからの光を投射光学系１０４が基板表面に投射し、受光光学系１０６がその反射光を受光する。基板表面（正しくは基板に塗布されたレジスト表面）に高入射角度で照明光Ｌを入射させ、反射光をガルバノミラー１０８で走査させ、スリット１１０を透過した光を検出部１１２で光電変換する。検出部１１２の出力の信号を信号処理し、図１２（ｂ）に示すように、デフォーカス信号がベストフォーカス信号となるように基板Ｗを矢印で示す光軸方向に駆動してフォーカス制御を行う。また、異なる位置の高さ計測情報から露光すべき基板面のチルトを算出する。
【００４６】
しかし、図１３に示すように、周辺回路パターンやスクライブライン近傍においては、レジストＲＳ表面の段差は焦点深度に比べて小さいが、フォーカス計測にとってはその計測結果に大きな誤差が発生してしまう。誤差は、レジスト表面の傾斜角度の影響により、フォーカス検出系に用いる測定光の基板からの反射光がレジスト内の多重反射やレジスト表面形状の影響を受けた屈折により、正反射角度からのずれが発生することに起因する。また、ＩＣパターンの粗密の違いによっても反射率に差が生じる。そのため、フォーカス・チルト検出系１００は、照明光Ｌの角度を８０度以上として信号歪を軽減してオフセットの発生を防いでいるが、代わりに、光学系の引き廻しが複雑で大型になり、光路長が長くなって外乱の影響を受け易くなる。
【００４７】
本実施例では、原子間力を利用することにより、光学的なオフセットの発生を防止することができ、基板上に塗布されたレジストの表面形状（表面高さの変化）を正確に計測することができる。
【００４８】
図８は、複数のカンチレバー３５が基板表面を計測している様子を示す側面図である。カンチレバー３５の計測方式は光テコ方式と呼ばれ、計測プローブ３７と基板Ｗ表面との間に作用する原子間力によって基板Ｗ表面の高さ位置に応じて上下移動する。カンチレバー３５の基部３６の背面３６ｂに斜入射光Ｌ１を入射させ、カンチレバー３５の背面３６ｂからの反射光をＣＣＤ等の光検出器３９によって検出することにより、カンチレバー３５の高さ、即ち、基板Ｗの表面形状を計測する。
【００４９】
図９は、マルチカンチレバーユニット３０を有する表面形状測定装置１０Ｂの断面図である。光源１１から発せられた測定光Ｌ３は、ミラー１３により偏向され、マルチスポット発生部４０によって分割され、ハーフミラー１４ａで、物体光と参照光の２方向に光路が分割される。ハーフミラー１４ａを透過した物体光はプリズム２０Ａを透過して、マルチカンチレバーユニット３０の背面３６ｂに斜入射光Ｌ１として入射される。プリズム２０Ａは反射防止部２２Ａを有し、プリズム２０Ａの底辺部分を光が透過する際に、その入出射角度が８０度以上の超斜入射角度の場合でも光量を損失することなく各カンチレバー３５の背面３６ｂに光を照射することができる。
【００５０】
カンチレバー３５の背面３６ｂからの反射光は、ハーフミラー１４ｂ、光学フィルター１６を透過し、受光光学系４１により撮像素子１８の受光面へと導かれる。一方、ハーフミラー１４ａが分割した他方の光は、プリズム２０Ｂを透過し、８０度以上の超斜入射角度で参照面１５ａに照射され、その反射光はハーフミラー１４ｂを反射し、光学フィルター１６、受光光学系４１を経て撮像素子１８の受光面へと導かれる。市販のＡＦＭは光検出器として四分割センサーが用いるが、本実施例は、二次元撮像素子（例えば、エリア型ＣＣＤ等）を用いる。
【００５１】
基板Ｗの高さに応じてカンチレバー３５の背面３６ｂの高さ（Ｚ方向）位置は変化するので、各カンチレバー３５の高さを、実施例１で述べた方法で測定すれば基板Ｗの表面形状を測定することができる。例えば、１つのカンチレバー３５に着目すると、カンチレバー３５の背面３６ｂに８０度以上の超斜入射角度で照射された物体光と、参照面１５ａに超斜入射された参照光を、ハーフミラー１４ｂ以降で重ね合わせて白色干渉光を生成する。そして、光学フィルター１６を用いて白色干渉光から、単一波長による干渉光を時系列的に複数の波長において分離して光電変換を行い、各波長毎の干渉信号を記憶部１９ａに記憶する。演算部１９ｂは、これらの複数の干渉信号に対してＦＦＴを行い、パワースペクトルのピーク位置を有する波数ｋＭａｘ（＝２π／λｎ、ｎはサンプリング回数）を求める。そして、波数ｋＭａｘと数式５及び６で求められる高さ方向の分解能の値からカンチレバー３５の背面３６ｂの高さ変化を求めることができ、即ち、基板Ｗの表面形状を知ることができる。
【００５２】
ここで、図１０及び図１１を用いて、カンチレバー３５による基板Ｗの表面形状測定の原理を説明する。図１０に示すように、ある任意の位置を基準としたＺ方向におけるカンチレバー３５の位置（例えば、カンチレバー３５の背面３６ｂの位置）を位置Ｃ、基板Ｗの計測点の表面位置を位置ｄとすると、両者の関係は図１１に示すようになる。図１１は、位置Ｃに保持したカンチレバー３５に基板Ｗを徐々に近接させた場合のカンチレバー３５の位置Ｃと基板Ｗの表面位置ｄとの関係を示すグラフ（フォースカーブ）である。ここで、図１０中のＺ方向（図中上方向）が正方向である。
【００５３】
カンチレバー３５が基板Ｗから充分離れている場合は、基板Ｗをカンチレバー３５に近づけてもカンチレバー３５の位置Ｃは変化しない。しかし、ある程度まで近接して基板Ｗの表面位置が位置ｄ１になると（このとき、カンチレバー３５のプローブ３７と基板Ｗの表面とは所定距離となっている）、双方に原子間力が作用し始めて互いに引き合う。その後、基板Ｗが更にカンチレバー３５に近づくと、カンチレバー３５が引力で基板表面へと引きつけられ、カンチレバー３５の位置Ｃの値が徐々に小さくなる（引力領域）。更に、基板Ｗがカンチレバー３５に近づき、基板Ｗの表面位置が位置ｄ２になると、今度は原子間力によって双方が逆に反発し合う。基板Ｗが更にカンチレバー３５に近づくと、カンチレバー３５が斥力で基板表面から遠ざかろうとし、カンチレバー３５の位置Ｃの値が急激に大きくなる（斥力領域）。本実施例は、この斥力領域における反発特性を利用するためにカンチレバー３５と基板Ｗとの距離ｄ２以下となるように配置する。もちろん引力領域における引力特性を利用することも可能であるが、引力領域では１つのカンチレバー３５の位置Ｃに対して対応する基板Ｗの位置が複数となる場合がある。従って、カンチレバー３５の位置Ｃから一義的に基板Ｗの位置が決定されない場合があるので注意が必要である。カンチレバー３５と基板Ｗとの距離を設定するに際しては、基板Ｗの表面形状の高さバラツキを考慮する必要がある。基板Ｗの表面形状の高さバラツキの値よりもカンチレバー３５と基板Ｗとの距離を小さくしてしまうと、カンチレバー３５のプローブ３７が基板表面に接触してしまう虞があるからである。
【００５４】
実施例２は、マルチカンチレバーユニット３０を用いて非光学的な計測と光学的な計測とを組み合わせている。このため、基板上に塗布されたレジストの表面形状を光学的な方法のみによって計測する際に生じるオフセットが発生せず、ナノメートルオーダーでの高精度計測を行うことができる。
【００５５】
以上説明した表面形状測定装置１０Ａ及び１０Ｂは、構成が単純かつ小型で、超斜入射光であっても光量の損失が少ない光学系を構成することができる。また、波長を選択するための光学系も可動部を簡素化することができる。以上の一連の効果により、基板表面に塗布されたレジストによる計測誤差を受けることなく、縮小される焦点深度に対し高いフォーカス補正精度を達成し、一枚の基板あたりの歩留まり向上を得ることが可能である。
【００５６】
なお、本実施例のデバイス製造方法は以下のようになる。即ち、デバイス（半導体集積回路素子、液晶表示素子等）は、前述のいずれかの実施例の露光装置を使用して感光剤を塗布した基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、その基板を現像する工程と、他の周知の工程と、を経ることにより製造される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１の露光装置の断面図である。
【図２】図１に示す露光装置の表面形状測定装置の断面図である。
【図３】図２に示す表面形状測定装置の基板と物体光との関係を異なる角度から見た斜視図である。
【図４】図４（ａ）は図３に示すプリズムの側面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の部分拡大図、図４（ｃ）は屈折率変化を示す図、図４（ｄ）は図４（ｂ）の変形例の側面図である。
【図５】図３に示す測定点の高さ計測の結果を示す図である。
【図６】図３に示す測定点の高さ計測の結果を示す図である。
【図７】実施例２の表面形状測定装置のカンチレバーの配置を示す図である。
【図８】複数のカンチレバーが基板表面を計測している様子を示す側面図である。
【図９】実施例２の表面形状測定装置の断面図である。
【図１０】図９の表面形状測定装置のカンチレバーの断面図である。
【図１１】カンチレバーと基板との距離とカンチレバーの位置との関係を示すグラフである。
【図１２】従来のフォーカス・チルト検出系の図である。
【図１３】図１２に示すフォーカス・チルト検出系の問題を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０Ａ、１０Ｂ 表面形状測定装置
１１ 光源
１４ａ、１４ｂ ハーフミラー
１６ 光学フィルター
１７ 制御部
１８ 撮像素子（光電変換素子）
１９ａ 記憶部
１９ｂ 演算部
２０Ａ、２０Ｂ プリズム
３０ マルチカンチレバーユニット
３２ カンチレバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置において、
白色光を発する光源と、
前記光源からの前記白色光を二光束に分割する光束分割手段と、
当該光束分割手段によって分割されて前記被測定物体に向かう一方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第１反射防止部を有する第１プリズムと、
当該光束分割手段によって分割されて参照光学素子の参照面に向かう他方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第２反射防止部を有する第２プリズムと、
前記第１プリズムを経た前記被測定物体の表面形状の情報を含む反射光である物体光と前記第２プリズムを経た前記参照面の表面形状の情報を含む反射光である参照光とを重ね合わせて白色干渉光を生成する重ね合わせ手段と、
前記白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離するリオフィルターと、
前記リオフィルターが分離した前記白色干渉光を光電変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の出力からパワースペクトルの分布を求め、当該パワースペクトルのピーク位置の情報を用いて前記基板の表面形状を求める演算部と、
を有することを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記表面形状測定装置は、前記被測定物体の表面に垂直な方向に前記被測定物体を駆動するステージを更に有し、前記ステージが前記被測定物体を前記方向に駆動することによって前記リオフィルターは前記白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記リオフィルターは、前記重ね合わせ手段と前記光電変換素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記リオフィルターは、前記光源と前記光束分割手段との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記一方の光束の光路に対応する部分に穴を有する保持部と、
前記保持部に片持ち支持された基部と、当該基部に固定されて前記被測定物体に接触可能な計測プローブと、を各々有する複数のカンチレバーと、
を有し、前記第１プリズムと前記被測定物体との間に設けられたマルチカンチレバーユニットを更に有し、
前記物体光は、前記カンチレバーの前記基部から反射された光であることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記リオフィルターが分離する波長の最小値、最大値及び波長の変化幅を設定する制御部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
原版と基板を同期走査して前記原版のパターンを前記基板に露光する露光装置であって、
被測定物体としての前記基板の表面形状を測定する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の表面形状測定装置と、
前記表面形状測定装置の測定結果に基づいて前記原版と前記基板を同期走査する際に前記基板の位置を調節する基板ステージと、
を有することを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項７に記載の露光装置を使用して基板を露光する工程と、
露光された前記基板を現像する工程と、
を有することを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項１】
被測定物体の表面形状を測定する表面形状測定装置において、
白色光を発する光源と、
前記光源からの前記白色光を二光束に分割する光束分割手段と、
当該光束分割手段によって分割されて前記被測定物体に向かう一方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第１反射防止部を有する第１プリズムと、
当該光束分割手段によって分割されて参照光学素子の参照面に向かう他方の光束の入射角を大きくし、前記白色光の波長以下の周期で形成されてモスアイ形状を有する第２反射防止部を有する第２プリズムと、
前記第１プリズムを経た前記被測定物体の表面形状の情報を含む反射光である物体光と前記第２プリズムを経た前記参照面の表面形状の情報を含む反射光である参照光とを重ね合わせて白色干渉光を生成する重ね合わせ手段と、
前記白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離するリオフィルターと、
前記リオフィルターが分離した前記白色干渉光を光電変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子の出力からパワースペクトルの分布を求め、当該パワースペクトルのピーク位置の情報を用いて前記基板の表面形状を求める演算部と、
を有することを特徴とする表面形状測定装置。
【請求項２】
前記表面形状測定装置は、前記被測定物体の表面に垂直な方向に前記被測定物体を駆動するステージを更に有し、前記ステージが前記被測定物体を前記方向に駆動することによって前記リオフィルターは前記白色干渉光を複数の波長毎に離散的に分離することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
前記リオフィルターは、前記重ね合わせ手段と前記光電変換素子との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
前記リオフィルターは、前記光源と前記光束分割手段との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
前記一方の光束の光路に対応する部分に穴を有する保持部と、
前記保持部に片持ち支持された基部と、当該基部に固定されて前記被測定物体に接触可能な計測プローブと、を各々有する複数のカンチレバーと、
を有し、前記第１プリズムと前記被測定物体との間に設けられたマルチカンチレバーユニットを更に有し、
前記物体光は、前記カンチレバーの前記基部から反射された光であることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
前記リオフィルターが分離する波長の最小値、最大値及び波長の変化幅を設定する制御部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
原版と基板を同期走査して前記原版のパターンを前記基板に露光する露光装置であって、
被測定物体としての前記基板の表面形状を測定する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の表面形状測定装置と、
前記表面形状測定装置の測定結果に基づいて前記原版と前記基板を同期走査する際に前記基板の位置を調節する基板ステージと、
を有することを特徴とする露光装置。
【請求項８】
請求項７に記載の露光装置を使用して基板を露光する工程と、
露光された前記基板を現像する工程と、
を有することを特徴とするデバイス製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２７６２６９（Ｐ２００９−２７６２６９Ａ）
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２９２３１（Ｐ２００８−１２９２３１）
【出願日】平成２０年５月１６日（２００８．５．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月２６日（２００９．１１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１６日（２００８．５．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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