JP5448494B2 - 偏光計測装置、露光装置、及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光の偏光状態を計測する偏光計測装置に関する。

近年、投影露光装置の露光性能を向上させるため、液浸露光装置等の高ＮＡ化（高ＮＡ結像）技術が注目されている。高ＮＡ化を実現するには露光光の偏光状態を制御することが重要であり、露光光の偏光制御は、通常、照明光学系、より具体的には照明光学系の瞳近傍で行われる。

しかしながら、照明光学系の瞳近傍で露光光の偏光状態を制御する場合でも、照明光学系の瞳以降の光学系又は投影光学系の影響により、照明光学系の瞳近傍で制御した偏光状態が常に維持されて像面上に到達するとは限らない。例えば、透過率又は反射率を向上させるために、レンズに反射防止膜又は反射ミラーに高反射膜が形成されており、これらは偏光状態を変化させる。また、硝材として用いられる石英や蛍石は複屈折を有するため、偏光状態を変化させる。更に、硝材を保持する鏡筒等のメカ部材の応力によって硝材の有する複屈折は変化し、硝材の複屈折を常に一定に維持させることは困難である。

例えば特許文献１には、レチクルステージの上部に構成された光学系を用いて、露光光の偏光状態、及び、投影光学系の複屈折を計測することが開示されている。また、特許文献２には、投影光学系の製造過程にて投影光学系の複屈折を計測することが開示されている。また、特許文献３には、波長板の位相差量を予め測定し、測定後の波長板を露光装置に搭載することが開示されている。

特開２００７−５９５６６号公報 特開２００６−２１４８５６号公報 特開２００６−１７９６６０号公報

ところで、露光光の偏光状態、及び、投影光学系の複屈折を計測するには、周知の回転位相子法が用いられる。回転位相子法による偏光計測装置では、波長板（λ板）や偏光子等の偏光素子が用いられ、これらの偏光素子は被検光に対して設計通りの光学特性（偏光特性）を有する必要がある。

しかしながら、現在、露光光源として用いられるエキシマレーザのような短波長光に対して、設計通りの偏光特性を有する偏光素子を製造することは困難である。仮に、設計通りの偏光特性を有する波長板を安定的に製造しようとすると、高精度な加工機や成膜装置等が必要となり、コスト面や歩留まり面で好ましくない。設計通りの偏光特性を有さない波長板を用いて偏光計測を行うと、波長板の実際の偏光特性と、偏光状態を算出する際の計算パラメータとして用いられる波長板の偏光特性が異なるため、偏光状態を正確に計測することはできない。

例えば特許文献３のように、予め別の偏光計測装置にて実際に用いられる波長板の偏光特性を計測し、偏光状態を算出する際にはこの計測値を用いることができる。しかし、波長板の偏光特性を正確に計測することは困難であり、また、多くの計測時間が必要となる。また、波長板の偏光特性は、偏光計測装置及び露光装置の環境により変化しうる。このため、予め波長板の偏光特性を計測したとしても、安定的、且つ、正確な偏光計測は困難である。

そこで本発明は、光の偏光状態を高精度に計測可能な偏光計測装置を提供する。

本発明の一側面としての偏光計測装置は、光の偏光状態を計測する偏光計測装置であって、光軸回りに回転して光の偏光状態を変化させる位相子と、前記位相子を通過した光の所定の偏光成分のみを通過させる第一の偏光子と、前記第一の偏光子を通過した光を検出する検出器と、前記位相子の位相差量をパラメータとして前記検出器の検出結果を用いて偏光度を算出し、算出される偏光度が１となる前記位相差量のパラメータの値を求め、求められた位相差量のパラメータの値を用いて前記偏光状態を算出する制御部と、を有し、前記偏光度をＰ、ストークスパラメータをＳ _０ 、Ｓ _１ 、Ｓ _２ 、Ｓ _３ とする場合、該偏光度Ｐは、



により算出される。

本発明の他の側面としての露光装置は、原版のパターンを基板に露光する露光装置であって、光源からの光を用いて前記原版を照明する照明光学系と、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系と、前記原版を照明する露光光の偏光状態、及び、前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系の複屈折の少なくとも一方を計測する前記偏光計測装置とを有する。

本発明の別の側面としてのデバイス製造方法は、前記露光装置を用いて基板を露光するステップと、露光された前記基板を現像するステップとを有する。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、光の偏光状態を高精度に測定可能な偏光計測装置を提供することができる。

実施例１における露光装置の概略構成図である。 実施例１における校正部の概略断面図である。 実施例１における露光装置の別形態の概略構成図である。 実施例２における校正部の概略構成図である。 実施例２における校正部のうちの光学ユニットの概略断面図である。 実施例１において、計算パラメータとしてのλ／４板の位相差量（度）を変化させた場合の偏光度Ｐの算出結果である。 実施例３における露光装置の概略構成図である。 実施例４における露光装置の概略構成図である。 実施例５における露光装置の概略構成図である。 実施例５における偏光子ユニットの概略断面図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本発明の実施例１について説明する。図１は、本実施例における露光装置の概略構成図である。本実施例の露光装置１ａは、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル３０（原版）のパターンをウエハ５０（基板）に露光する投影露光装置である。ただし本実施例は、ステップ・アンド・リピート方式やその他の露光方式による露光装置にも適用可能である。

露光装置１ａは、光源１０、照明光学系２０、レチクル３０を保持するレチクルステージ３５、投影光学系４０、及び、ウエハ５０を保持するウエハステージ５５を有する。また露光装置１ａは、制御部６０、計測部７０、及び、校正部８０を備える。なお、露光装置１ａは、図示しないアライメント検出系やフォーカス検出系等も備えている。露光装置１ａにおいて、制御部６０、計測部７０、及び、校正部８０は、光の偏光状態を計測する偏光計測装置として用いられる。

光源１０は、例えば、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザや波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザなどのエキシマレーザを使用する。ただし、光源１０はエキシマレーザに限定されるものではなく、波長約１５７ｎｍのＦ２レーザ、波長１０ｎｍ乃至１５ｎｍ程度のＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光、水銀ランプやキセノンランプ等のランプを用いてもよい。照明光学系２０は、光源１０からの光を用いてレチクル３０を照明する光学系である。本実施例において、照明光学系２０は、光源１０からの光を光軸に対して対称な形状に整形する整形光学系２２、可干渉距離を低下させるインコヒーレント化光学系２４、偏光状態を制御する偏光制御部２５、及び、レチクル３０を照明する照明系２６を含む。

レチクル３０は回路パターンを有し、レチクルステージ３５により保持及び駆動される。レチクルステージ３５は、レチクル３０を保持すると共に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向及び各軸の回転方向にレチクル３０を駆動する。また本実施例において、レチクルステージ３５は校正部８０を載置し、レチクル３０と同様に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向及び各軸の回転方向に校正部８０を駆動する。なお、図１において、レチクル３０又はウエハ５０の面内での走査方向をｙ軸、その面内での走査方向とは垂直な方向をｘ軸、レチクル３０又はウエハ５０の面に垂直な方向をｚ軸とする。投影光学系４０は、レチクル３０のパターンをウエハ５０に投影する光学系である。投影光学系４０としては、屈折系、反射屈折系、又は、反射系のいずれを用いてもよい。

ウエハ５０は、レチクル３０のパターンが投影（転写）される基板である。ただし、ウエハ５０は、ガラスプレートやその他の基板に置換することもできる。ウエハステージ５５は、ウエハ５０を保持すると共に、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向及び各軸の回転方向にウエハ５０を駆動する。また、ウエハステージ５５は、凹面ミラー７１３をｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向及び各軸の回転方向に駆動可能に保持する。

制御部６０は、ＣＰＵやメモリ等を有し、露光装置１の動作を制御する。制御部６０は、レチクルステージ３５及びウエハステージ５５の周辺に配置されたレーザ干渉計の測定結果に基づいて、レチクルステージ３５及びウエハステージ５５をｎｍオーダーで同期制御する。なお、レーザ干渉計は、レチクルステージ３５及びウエハステージ５５の投影光学系４０の光軸方向（即ち、ｚ軸方向）及び投影光学系４０の光軸に対して垂直な面内（即ち、ｘｙ平面）の位置を測定する。

制御部６０は、後述する計測部７０の動作も制御する。例えば、制御部６０は、レチクルステージ３５やウエハステージ５５を介して、計測部７０の校正時や光の偏光状態の計測時に必要となる校正部８０の駆動や凹面ミラー７１３の駆動を制御する。ここで、偏光状態の計測とは、露光装置１における露光光の偏光状態の計測、及び、投影光学系４０の複屈折の計測を含むものである。制御部６０は、計測部７０の校正時や光の偏光状態の計測時に必要となる算出処理を行う算出部として機能する。例えば、制御部６０は、撮像素子７１１で撮像された画像に基づいて露光光の偏光状態を表すストークスパラメータ、及び、偏光度、あるいは、光学系の複屈折を表すジョーンズ行列を算出する。また制御部６０は、計測部７０による計測部７０と投影光学系４０の全体の複屈折を測定した結果から計測部７０の複屈折を分離して、投影光学系４０の複屈折を算出する。なお、制御部６０による具体的な算出処理については後述する。

計測部７０は、光源１０からの光を投影光学系４０に入射させて、投影光学系４０を通過した光を撮像素子７１１に入射させる結像光学系を含み、投影光学系４０の複屈折を測定する。ただし計測部７０は、上述のように結像光学系を有している。このため、計測部７０の測定結果には、投影光学系４０（被検光学系）の複屈折及び計測部７０（結像光学系）の複屈折の両方が含まれることになる。本実施例において、計測部７０は、ファイバ７０１、ファイバポート７０２、偏光子７０３（第二の偏光子）、ビームエキスパンダ７０５、ハーフミラー７０６ａ、７０６ｂ、及び、対物レンズ７０７を有する。さらに計測部７０は、瞳結像レンズ７０８、λ／４板７０９（位相子）、検光子７１０（第一の偏光子）、撮像素子７１１（検出器）、空間フィルタ７１２、及び、凹面ミラー７１３を有する。また計測部７０は、計測部７０の瞳面と投影光学系４０の瞳面と撮像素子７１１とが光学的に共役関係となるように設計されている。

上述のように、校正部８０は、レチクルステージ３５に載置され、計測部７０の結像光学系の光路に挿脱可能に構成されている。校正部８０は、計測部７０の校正時において、計測部７０の結像光学系の複屈折を測定するために投影光学系４０の物体面側に配置される光学ユニットである。校正部８０は、例えば、複数のミラーや複数のプリズムを含み、計測部７０からの光を反射して投影光学系４０を介さずに計測部７０に戻す。

図２は、本実施例における校正部８０の概略断面図である。図２に示されるように、校正部８０は、凹面ミラー８２、凹面ミラー８４、及び、プリズム８６を有する。凹面ミラー８２は、計測部７０の結像光学系全体の複屈折を測定する際に用いられる。また、凹面ミラー８４及びプリズム８６は、計測部７０の結像光学系のうち復路光学系の複屈折を測定する際に用いられる。本実施例において、プリズム８６は、３つのプリズム８６ａ乃至８６ｃを含み、プリズム８６ａ乃至８６ｃは、ｚ軸に対してそれぞれ異なる角度（例えば、０度、６０度、１２０度）で配置され、所定の直線偏光のみを透過する。従って、プリズム８６ａ乃至８６ｃのそれぞれは、互いに異なる３つの直線偏光を透過する。また、３つのプリズム８６ａ乃至８６ｃのそれぞれに対応して、３つの凹面ミラー８４ａ乃至８４ｃが配置されている。凹面ミラー８４ａ乃至８４ｃは、プリズム８６ａ乃至８６ｃを透過した光をそれぞれ反射して、計測部７０に戻す。

次に、計測部７０及び校正部８０の詳細な構成及び機能と共に、制御部６０による算出処理について説明する。まず、計測部７０の複屈折（システムエラー）の測定方法について説明する。上述のように、複屈折はジョーンズ行列で表される。このため、計測部７０によって計測部７０及び投影光学系４０の全体の複屈折を測定した結果からシステムエラーを分離（除去）するには、行列計算が必要となる。従って、計測部７０の結像光学系を、光源１０からの光を投影光学系４０に入射させる往路光学系と投影光学系４０からの光を撮像素子７１１に入射させる復路光学系とに分離して、往路光学系の複屈折及び復路光学系の複屈折をそれぞれ得る必要がある。本実施例では、計測部７０の結像光学系全体の複屈折を表すジョーンズ行列をＪ＿ｍ、復路光学系の複屈折を表すジョーンズ行列をＪ＿ｒ、往路光学系の複屈折を表すジョーンズ行列をＪ＿ｇとする。

光源１０からの光は、ファイバ７０１を介して、ファイバポート７０２から射出する。ファイバポート７０２から射出した光は、偏光子７０３を透過する。偏光子７０３は、図示しないθステージ上に載置され、光の所定の偏光成分のみを通過させる。θステージで偏光子７０３を回転させることにより、既知の偏光光（直線偏光）を得ることができる。偏光子７０３を透過した光は、光束径を拡大するビームエキスパンダ７０５を介してハーフミラー７０６ａ、７０６ｂで反射され、対物レンズ７０７に入射する。

計測部７０の結像光学系全体の複屈折を測定する際には、レチクルステージ３５に載置された校正部８０が投影光学系４０の物体面側に配置される。具体的には、凹面ミラー８２が対物レンズ７０７の直下に位置し、且つ、対物レンズ７０７の集光位置と凹面ミラー８２の曲率中心とが一致するように校正部８０が配置される。校正部８０に入射した光は、凹面ミラー８２で反射され、対物レンズ７０７、ハーフミラー７０６ａ、７０６ｂ、及び、瞳結像レンズ７０８を介して、θステージ上に載置されたλ／４板７０９（位相子）に入射する。λ／４板７０９は、光軸回りに回転して光の偏光状態を変化させる。λ／４板７０９で変調された光は、検光子７１０（第一の偏光子）を介して撮像素子７１１（検出器）に入射する。検光子７１０は、λ／４板７０９を通過した光の所定の偏光成分のみを通過させる。撮像素子７１１は、検光子７１０を通過した光を検出する。即ち、撮像素子７１１は、検光子７１０の透過軸の角度によって定まる直線偏光成分のみを撮像する。

具体的には、λ／４板７０９を回転させながら撮像素子７１１で撮像を行うと、撮像素子７１１の各画素で検出される光強度が周期的に変化する。回転位相子法では、この周期的な変化を解析することにより、入射光の偏光状態を計測することが可能である。また、撮像素子７１１は、計測部７０の瞳面及び投影光学系４０の瞳面に対して共役に配置されている。このため、撮像素子７１１の各画素に対応した光学系の瞳面を通過した光の偏光状態、及び、複屈折を計測することができる。ただし、撮像素子７１１の各画素における計測及び処理方法は共通であるため、ここでは、特に断りがない限りある一画素における計測及び処理方法についてのみ説明する。

一般的に、光の偏光状態は、ストークスパラメータ（Ｓ_０、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）を用いて表される。ここで、「Ｓ_０」は入射光の全強度、「Ｓ_１」は水平直線偏光及び垂直直線偏光の強度、「Ｓ_２」は４５度直線偏光及び１３５度直線偏光の強度、及び、「Ｓ_３」は右まわり円偏光及び左まわり円偏光の強度をそれぞれ表している。

また、光学系の複屈折を表すジョーンズ行列を求めるには、互いに異なる３つの角度（例えば、０度、６０度、１２０度）を偏光子７０３に設定する。これらの３つの既知の偏光光を光学系に入射して、制御部６０がそれらの入射光のストークスパラメータを計測する。次に、以下の式（１）に従い、それぞれのストークスパラメータから偏光パラメータを算出することにより、ジョーンズ行列を算出する。

偏光パラメータからジョーンズ行列を算出する方法は、例えば特許文献２に開示されているため、詳細な説明は省略する。このようにして、偏光子７０３からλ／４板７０９までの複屈折、即ち、計測部７０の結像光学系全体の複屈折を表すジョーンズ行列Ｊ＿ｍを得ることができる。また、回転位相子法によりジョーンズ行列を計測するには、光強度データからストークスパラメータを算出する際に、実際のλ／４板７０９の位相差量と検光子７１０の消光比を計算パラメータとして用いる必要がある。偏光パラメータからジョーンズ行列を算出する際には、偏光子７０３の設定角度を計算パラメータとして用いる。

また、計測部７０の復路光学系の複屈折を測定する際には、凹面ミラー８４及びプリズム８６が対物レンズ７０７の直下に位置するように、校正部８０が配置される。例えば、凹面ミラー８４ａ及びプリズム８６ａが対物レンズ７０７の直下に位置するように校正部８０を配置した場合、凹面ミラー８４ａで反射される光は、プリズム８６ａの角度によって定まる既知の直線偏光である。従って、対物レンズ７０７、ハーフミラー７０６ａ、７０６ｂ、及び、瞳結像レンズ７０８に対し、プリズム８６ａの角度によって定まる直線偏光を入射した際の偏光パラメータが測定される。同様に、凹面ミラー８４ｂ及びプリズム８６ｂ、及び、凹面ミラー８４ｃ及びプリズム８６ｃのそれぞれが対物レンズ７０７の直下に位置するように校正部８０を配置することで、互いに異なる３つの偏光パラメータを測定することができる。これにより、対物レンズ７０７からλ／４板７０９までの複屈折、即ち、計測部７０の復路光学系の複屈折を表すジョーンズ行列Ｊ＿ｒを得ることができる。

ここで、校正部８０におけるプリズム８６について説明する。本実施例において、プリズム８６としては、ウォラストンプリズムが用いられる。ウォラストンプリズムは、入射光に対して等しい角度で常光と異常光とを分離する。従って、プリズム８６としてウォラストンプリズムを用いる場合、異常光を空間フィルタ７１２で遮光することにより、撮像素子７１１に異常光が入射することを防止する必要がある。

空間フィルタ７１２の開口半径がΔｒである場合、常光と異常光の分離角θＤは、以下の式（２）で表される。

θＤ＝Δｒ／ｆ０ … （２）
式（２）において、ｆ０は、瞳結像レンズ７０８の焦点距離、より詳細には、瞳結像レンズ７０８を構成するレンズのうちハーフミラー７０６ａ、７０６ｂ側に配置されたレンズの焦点距離を表している。

ウォラストンプリズムは、常光も入射光に対して傾いた方向に射出するため、常光が空間フィルタ７１２（の開口）を通過するように、凹面ミラー８４の位置を調整する必要がある。また、ウォラストンプリズムは、分離角θＤが小さい場合、プリズムの接合角を小さくすることができる。従って、ウォラストンプリズムは薄型化が可能であり、プリズム８６として対物レンズ７０７の集光位置の近傍に配置した場合でも、収差の発生を抑制することができる。プリズムは、一般的には、複屈折硝材で構成されるため、集光位置に配置すると結晶軸方向に位相差が生じる。しかし、このような位相差を相殺する複屈折硝材を凹面ミラー８４とプリズム８６との間に配置することにより、収差の発生を抑制することが可能である。なお、本実施例では、プリズム８６としてウォラストンプリズムを用いているが、対物レンズ７０７の開口角が小さい場合には、グラントムソンプリズムやサバール板等に置換してもよい。

偏光子７０３から対物レンズ７０７までの複屈折、即ち、計測部７０の往路光学系の複屈折を表すジョーンズ行列Ｊ＿ｇは、ジョーンズ行列Ｊ＿ｍ、Ｊ＿ｒを用いて、以下の式（３）で算出される。

Ｊ＿ｇ＝Ｊ＿ｒ^−１×Ｊ＿ｍ … （３）
式（３）において、Ｊ＿ｒ^−１は、計測部７０の復路光学系の複屈折を表すジョーンズ行列Ｊ＿ｒの逆行列を表している。

次に、計測部７０によって計測部７０と投影光学系４０の全体の複屈折を測定した結果から、計測部７０の複屈折（システムエラー）を分離（除去）する方法について説明する。計測部７０の結像光学系の光路から校正部８０を退避させ、対物レンズ７０７の焦点位置が投影光学系４０の物点と一致するように対物レンズ７０７を配置する。また、ウエハステージ５５に保持された凹面ミラー７１３の曲率中心と投影光学系４０の結像点とが一致するように凹面ミラー７１３を配置する。

対物レンズ７０７からの光は、投影光学系４０（被検光学系）を通過し、凹面ミラー７１３で垂直反射する。凹面ミラー７１３で垂直反射した光は、投影光学系４０を再び通過し、対物レンズ７０７、ハーフミラー７０６ａ、７０６ｂ、瞳結像レンズ７０８、λ／４板７０９、及び、検光子７１０を介して、撮像素子７１１に入射する。この際、計測部７０と投影光学系４０との全体の複屈折が測定される。

従って、計測部７０と投影光学系４０との全体の複屈折を表すジョーンズ行列をＪ＿ａとすると、投影光学系４０の複屈折を表すジョーンズ行列Ｊ＿ｐは、以下の式（４）で算出される。ただし、行列の累乗根計算は例えば特許文献２に記載されているため、詳細な説明は省略する。

Ｊ＿ｐ＝（Ｊ＿ｒ−１×Ｊ＿ａ×Ｊ＿ｇ−１）１／２ … （４）
このように、本実施例では、計測部７０の往路光学系の複屈折及び復路光学径の複屈折を２回の測定で得ることが可能であり、また、計測部７０と投影光学系４０との全体の複屈折からシステムエラーを分離することができる。従って、本実施例の露光装置１は、投影光学系４０の複屈折を露光装置内で計測することが可能となる。

しかし上述のように、加工誤差のため、λ／４板７０９の位相差量は、設計値通りの位相差量となっていない場合がある。実際のλ／４板７０９の位相差量と計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量との間に誤差が生じていると、ストークスパラメータを正確に計測することができない。即ち、各偏光パラメータ、及び、ジョーンズ行列を正確に計測することができず、投影光学系４０の複屈折を高精度に計測することができない。ストークスパラメータを正確に計測するには、計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を、実際のλ／４板７０９の位相差量に一致させる（λ／４板７０９の位相差量を校正する）必要がある。

そこで本実施例では、以下の式（５）を利用して、計測部７０により得られる光強度データからストークスパラメータを算出する。

ここで「Ｐ」は、入射光の全光量（Ｓ_０）における偏光成分（√（Ｓ_１ ^２＋Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２））の割合を示しており、一般的に偏光度と呼ばれている。式（５）において、入射光が完全偏光であり、且つ、実際のλ／４板７０９の位相差量と計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量とが一致する場合、偏光度Ｐは１となる。偏光度Ｐが１の場合、その光束が完全偏光であることを示し、偏光度Ｐが１未満の場合、その光束が部分偏光であることを示している。偏光子７０３は高い消光比（数十ｄＢ）を有するため、ファイバポート７０２から射出した光のうち、偏光子７０３によりほぼ完全な直線偏光のみが計測部７０に入射する。また、計測部７０には偏光解消効果がある光学素子は含まれていない。このため、計測部７０で計測される光束の偏光度Ｐは、理想的には１となる。

しかし、実際のλ／４板７０９の位相差量と計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量とが異なる場合、計測する光束が完全偏光であっても、式（５）から算出される偏光度Ｐは１にならない。このことを利用し、λ／４板７０９を露光装置１（偏光計測装置）に搭載した状態で、計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を決定する。具体的には、制御部６０は、計測部７０により得られた光強度データからストークスパラメータを算出する際に、計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を変更しながら複数の偏光度Ｐを算出する。そして制御部６０は、偏光度Ｐが１、又は、偏光度Ｐが１に最も近くなるときの位相差量を用いて算出したストークスパラメータを、最終的な結果として採用する。このように、本実施例の制御部６０は、λ／４板７０９を露光装置１（偏光計測装置）に搭載した状態で、λ／４板７０９の位相差量を高精度に決定（補正）する。具体的には、制御部６０は、λ／４板７０９に入射した既知の偏光光に基づいてλ／４板７０９の位相差量を補正する。即ち、制御部６０は、撮像素子７１１で検出される光の偏光度Ｐが１となるようにλ／４板７０９の位相差量を補正する。そして制御部６０は、補正された位相差量を計算パラメータとして用い、ストークスパラメータを算出する。

図６は、本実施例において、計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量（度）を変化させた場合の偏光度Ｐの算出結果である。図６に示されるように、λ／４板７０９の位相差量を８８乃至９６度の間で変化させた場合、偏光度Ｐは０．８乃至１．２程度の間で変化する。そして、λ／４板７０９の位相差量が９２度のときに偏光度Ｐが１となっている。従って、図６に示されるような結果が得られた場合には、λ／４板７０９の位相差量が９２度のときに算出したストークスパラメータを最終結果（位相差量の補正値）として採用する。

なお、実際にストークスパラメータを計測する工程は、計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を変えて偏光度Ｐを算出し、位相差量を決定する工程とは別に行ってもよい。即ち、予め、計測部７０により光強度データを取得し、この光強度データからλ／４板７０９の位相差量を変えて偏光度Ｐを算出して、偏光度Ｐが１となるλ／４板７０９の位相差量の決定しておく。そして再度、計測部７０による光強度データの取得を行い、決定した位相差量を計算パラメータとしてストークスパラメータを計測する。

計測部７０による偏光度Ｐの計測結果が１とならない要因として、λ／４板７０９の位相差量の他に、λ／４板７０９の回転開始位置がずれていることがある。計測部７０によるストークスパラメータの計測では、検光子７１０の透過軸がλ／４板７０９の進相軸（又は、遅相軸）に一致した状態からλ／４板７０９を３６０度回転させて、光強度データを得ることが望ましい。これらの軸が互いに一致しない状態からλ／４板７０９を３６０度回転させ、得られた光強度データからストークスパラメータを計測した場合、誤差を含み偏光度Ｐが１とならないことがある。
これは、偏光子７０３の角度を検光子７１０の透過軸の角度に一致させた場合、実際のλ／４板７０９の位相差量と計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量とが異なることにより、偏光度Ｐが最も敏感に１からずれるためである。一方、検光子７１０の透過軸とλ／４板７０９の進相軸（あるいは遅相軸）とが一致してない場合、偏光度Ｐは最も鈍感に１からずれる。

このように、位相差量の精度低下を抑制するため、λ／４板７０９の位相差量を決定する際には、検光子７１０の透過軸の角度を偏光子７０３の角度と同一に設定することが望ましい。例えば検光子７１０の透過軸が０度である場合、偏光子７０３も０度に設定し、λ／４板７０９を回転させて得られた光強度データからλ／４板７０９の位相差量を決定すればよい。このような構成により、検光子７１０の透過軸がλ／４板７０９の進相軸（あるいは遅相軸）に一致していない場合でも、λ／４板７０９の位相差量を高精度に決定し、さらに、ストークスパラメータを高精度に計測することができる。

また、それぞれのジョーンズ行列（Ｊ＿ｍ、Ｊ＿ｒ、Ｊ＿ａ）の計測における偏光子７０３の設定の全てに対し、計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量の決定を行う必要はなく、少なくとも１つの設定に対して行えばよい。また、λ／４板７０９の位相差量を決定する工程と、実際にストークスパラメータを計測する工程とは別でもよく、実際のストークスパラメータの計測の機会とは別に、λ／４板７０９の位相差量の決定は定期的又は不定期的に実施してもよい。

撮像素子７１１は、二次元的に配置された複数の画素を有する。このため、画素毎に偏光度Ｐを算出し、それらの平均値が１となるように計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を決定することができる。また、画素毎での偏光度Ｐが１となるように画素毎で計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を決定してもよい。画素毎で計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量を決定することで、λ／４板７０９の面内の位相差量の分布による計測精度の低下を抑制することができる。

図３は、上述の露光装置１ａとは別形態である露光装置１ｂの概略構成図である。上述の校正部８０は、レチクルステージ３５に載置されているが、露光装置１ｂのように、校正部８０を投影光学系４０（具体的には、投影光学系４０を構成する鏡筒の入射面）に載置することもできる。この場合、対物レンズ７０７が校正部８０の直上に配置することが可能なように、対物レンズ７０７が駆動可能に構成される。図３では、校正部８０の全体が投影光学系４０に搭載されているが、校正部８０のうちの凹面ミラー８２のみを投影光学系４０に搭載するようにしてもよい。

本実施例では、λ／４板７０９が計測部７０に構成された状態で計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量が決定可能であり、実際のλ／４板７０９の位相差量と計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量とを一致させることができる。このため、高精度、且つ、安定的にストークスパラメータ、及び、投影光学系４０の複屈折を計測することが可能となる。

次に、本発明の実施例２において、計測部７０の複屈折（システムエラー）の校正方法について説明する。図４は、本実施例における校正部の概略構成図である。ここでは実施例１との相違点のみ説明し、同一部箇所についての説明は省略する。

図４に示されるように、本実施例の校正部８００は、互いに異なる角度で配置された３つの光学ユニット８１０ａ乃至８１０ｃを備えて構成される。この場合、光学ユニット８１０ａ乃至８１０ｃのそれぞれを対物レンズ７０７の直下に配置して、互いに異なる３つの偏光パラメータを測定し、ジョーンズ行列を算出する。なお、光学ユニット８１０ａ乃至８１０ｃは、レチクルステージ３５に載置されていてもよいし、投影光学系４０に載置されていてもよい。

図５は、校正部８００のうちの光学ユニット８１０ａの概略断面図である。図５に示されるように、光学ユニット８１０ａは、凹面ミラー８２、折り曲げミラー８１１ａ、レンズ８１２ａ、偏光ビームスプリッタ８１３ａ、及び、反射ミラー８１４ａを有する。本実施例では、凹面ミラー８２は光学ユニット８１０ａに設けられているが、投影光学系４０に設けられていてもよい。上述のように、凹面ミラー８２は、計測部７０の結像光学系全体の複屈折を測定する際に用いられる。折り曲げミラー８１１ａ、レンズ８１２ａ、偏光ビームスプリッタ８１３ａ、及び、反射ミラー８１４ａは、計測部７０の結像光学系のうち復路光学系の複屈折を測定する際に用いられる。なお、光学ユニット８１０ｂ、８１０ｃは、凹面ミラー８２を有していないだけで光学ユニット８１０ａと同様な構成を有しているため、詳細な説明は省略する。

計測部７０の復路光学系の複屈折を測定する際には、折り曲げミラー８１１ａが対物レンズ７０７の直下に位置するように光学ユニット８１０ａが配置される。対物レンズ７０７からの光は、折り曲げミラー８１１ａで垂直な方向に偏向されてレンズ８１２ａに入射する。レンズ８１２ａに入射した光は、平行光となって偏光ビームスプリッタ８１３ａに入射し、偏光ビームスプリッタ８１３ａの角度によって定まる直線偏光のみが反射ミラー８１４ａに入射する。反射ミラー８１４ａに入射した光は垂直反射され、偏光ビームスプリッタ８１３ａ、レンズ８１２ａ、及び、折り曲げミラー８１１ａを介して、対物レンズ７０７に戻る。なお、折り曲げミラー８１１ａ及びレンズ８１２ａは、計測部７０の復路光学系の複屈折に対して十分に小さい複屈折を有する硝材で構成されることが好ましい。これにより、偏光パラメータは、計測部７０の復路光学系に偏光ビームスプリッタ８１３ａで定まる直線偏光を入射した際のものであるとみなすことが可能となる。光学ユニット８１０ｂ、８１０ｃでも同様な測定を行うことで、３つの偏光パラメータから計測部７０の復路光学系のジョーンズ行列Ｊ＿ｒを求めることができる。なお、計測部７０の結像光学系全体の複屈折を表すジョーンズ行列Ｊ＿ｍの測定（算出）方法や計測部７０と投影光学系４０との全体の複屈折からシステムエラーを分離する方法については、上述のとおりである。

本実施例において、光学ユニット８１０ａは反射ミラー８１４ａを有しているが、反射ミラー８１４ａの代わりに偏光ビームスプリッタ８１３ａの射出面（反射ミラー８１４ａに対向している面）に反射膜を形成してもよい。また、偏光ビームスプリッタ８１３ａで反射された光を垂直反射させるのではなく、偏光ビームスプリッタ８１３ａを透過した光を垂直反射させてもよい。

また、計測部７０の復路光学系の複屈折に対して十分に小さい複屈折を有する硝材で折り曲げミラー８１１ａ及びレンズ８１２ａを構成することができない場合、折り曲げミラー８１１ａ、レンズ８１２ａの複屈折を予め測定しておく。そして、折り曲げミラー８１１ａ及びレンズ８１２ａの複屈折に基づいて、計測部７０の復路光学系に入射する光の偏光状態を算出してもよい。

本実施例によれば、校正部８００において光束が平行な位置で偏光ビームスプリッタ等の偏光素子を用いることができるため、偏光素子の光学性能を低下させることなく高精度に投影光学系４０の複屈折を計測することが可能となる。

次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例は、照明光学系２０によりレチクル３０を露光照明する露光光の偏光状態を計測部７０を用いて計測する方法である。本実施例では、上述の実施例１及び実施例２との相違点のみ説明し、同一の構成についての説明は省略する。

レチクル３０面における露光光の偏光状態を計測するには、リレー部９０が用いられる。リレー部９０は、偏光計測装置の一部を構成し、その内部に複数のレンズやミラーが設けられている。リレー部９０は、校正部８０と同様にレチクルステージ３５に搭載可能である。図７を参照して、リレー部９０の構成、及び、リレー部９０と計測部７０とを用いて露光光の偏光状態を計測する方法について説明する。

図７は、本実施例における露光装置１ｃの概略構成図であり、リレー部９０がレチクルステージ３５に載置された状態を示している。リレー部９０は、投影光学系４０の物体面（レチクル３０面）を焦点位置として、照明光学系２０からの光束を平行光とするためのリレーレンズ９１ａを有する。またリレー部９０は、照明光学系２０からの光束を偏向するための折り曲げミラー９２ａ、及び、光束を計測部７０に入射させるための折り曲げミラー９２ｂを有する。さらにリレー部９０は、投影光学系４０の物体面を焦点位置とし、光束を再び投影光学系４０の物体面に集光するためのリレーレンズ９１ｂを有する。

レチクル３０面における露光光の偏光状態を計測する際には、照明光学系２０からの露光光がリレーレンズ９１ａからリレー部９０に入射するように、レチクルステージ３５が駆動される。また計測部７０は、対物レンズ７０７の焦点位置とリレーレンズ９１ｂの焦点位置とが一致するように、対物レンズ７０７を駆動する。この状態で、照明光学系２０は、計測すべき偏光状態で照明を行う。同時に、計測部７０がλ／４板７０９を回転させながら撮像素子７１１で撮像を行うと、撮像素子７１１の各画素で検出される光強度が周期的に変化する。この周期的な変化を解析することにより、照明光の偏光状態を計測することが可能である。

しかし、ここで計測される照明光の偏光状態は、リレー部９０、及び、計測部７０の復路光学系の複屈折の影響を受けている。このため、レチクル３０面での露光光の偏光状態を計測するには、リレー部９０、及び、計測部７０の復路光学系を介して得られた偏光状態の結果から、リレー部９０の複屈折及び計測部７０の復路光学系の複屈折を除去（校正）する必要がある。

計測部７０の復路光学系の複屈折を計測するには、実施例１及び実施例２と同様の方法を用いることができる。リレー部９０の複屈折を計測するには、リレーレンズ９１ａの焦点を曲率中心とする凹面ミラー９３をリレー部９０に取り付ける。計測部７０は、対物レンズ７０７の焦点位置とリレーレンズ９１ｂの焦点位置とが一致するように対物レンズ７０７を駆動し、ファイバ７０１にて照明することで、実施例１と同様の方法で計測部７０とリレー部９０とを合わせた複屈折を計測することができる。また、計測部７０とリレー部９０とを合わせた複屈折の計測結果から、リレー部９０のみの複屈折を計測するためには、実施例１と同様の方法で計測部７０全体の複屈折と、計測部７０の復路光学系の複屈折とを計測し、行列計算することで算出可能である。

レチクル３０面における露光光の偏光状態は、リレー部９０及び計測部７０の復路光学系を介した露光光の偏光状態の計測結果から、リレー部９０及び計測部７０の復路光学系の複屈折の影響を除去（校正）することにより算出される。このような算出は、偏光計測装置の一部を構成する制御部６０により行われる。

計算パラメータとしてのλ／４板７０９の位相差量は、リレー部９０、及び、計測部７０の復路光学系を介して露光光の偏光計測を行う際に得られた光強度データから決定することができる。または、実施例１で説明した計測部７０の校正時の光強度データから決定してもよい。このように、本実施例では、リレー部９０、及び、計測部７０の復路光学系を介して露光光の偏光状態の計測する場合、偏光度Ｐが１となるように決定したλ／４板７０９の位相差量を計算パラメータとして用いることで、高精度、且つ、安定的な計測が可能となる。

次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例は、投影光学系４０の複屈折を計測する形態であり、上述の各実施例との相違点のみ説明する。

図８は、本実施例における露光装置１ｄの概略構成図である。本実施例の露光装置１ｄは、ウエハステージ５５に搭載した計測ユニット１００を用いて投影光学系４０の複屈折を計測する。計測ユニット１００は、投影光学系４０に近い側から、ピンホール１０１、コリメータレンズ１０２、λ／４板１０３（位相子）、偏光子１０４（第一の偏光子）、及び、撮像素子１０５（検出器）を備えて構成される。偏光子１０４は、プリズム８６又は偏光子７０３と同様のものを使用可能であり、λ／４板１０３は不図示の駆動系により光軸回りに回転可能である。また撮像素子１０５は、コリメータレンズ１０２により、投影光学系４０の瞳面と光学的に共役関係であるように配置されている。

本実施例において投影光学系４０の複屈折を計測するには、まず、計測部７０の往路光学系と投影光学系４０とを合わせた複屈折を計測する。偏光子７０３の設定で決まる少なくとも３つの既知の偏光光（直線偏光）を、計測部７０から投影光学系４０（被検光学系）に入射し、各直線偏光においてλ／４板１０３を回転させながら撮像素子１０５で撮像を行う。撮像素子１０５で得られる光強度は、λ／４板１０３の回転により周期的に変化し、この変化を解析することで、各直線偏光入射時のストークスパラメータを計測することができる。更に、各直線偏光入射時のストークスパラメータから、計測部７０の往路光学系と投影光学系４０とを合わせた複屈折を計測することができる。計測部７０の往路光学系と投影光学系４０とを合わせた複屈折の計測結果から、実施例１及び２と同様の方法で計測した計測部７０の往路光学系の複屈折の計測結果を校正（除去）することで、投影光学系４０（被検光学系）のみの複屈折を計測することが可能となる。

次に、本発明の実施例５について説明する。図９は、本実施例における露光装置１ｅの概略構成図である。図９に示されるように、本実施例の露光装置１ｅは、偏光子ユニット１１０を備えることで、より簡単に投影光学系４０の複屈折を計測することが可能である。

図１０は、偏光子ユニット１１０の概略断面図である。図１０に示されるように、偏光子ユニット１１０は、互いに異なる角度の直線偏光のみを透過する少なくとも３つの偏光子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを備えて構成されており、レチクルステージ３５に搭載可能である。偏光子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃとしては、プリズム８６と同様のものを用いることができる。

本実施例では、偏光子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃのいずれかが対物レンズ７０７と投影光学系４０との間に配置されるようにレチクルステージ３５が位置調整される。その状態で計測部７０に照射することにより、投影光学系４０に直線偏光を入射することが可能である。したがって、計測部７０で偏光子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃのそれぞれに対し照射を行うことで、少なくとも３つの直線偏光を投影光学系４０に入射することが可能である。また、位置調整された計測ユニット１００を用いて投影光学系４０を透過した各直線偏光を受光することで、投影光学系４０の複屈折を計測することが可能である。本実施例によれば、計測部７０の複屈折の影響を受けることなく、投影光学系４０の複屈折を計測可能であるため、短時間、且つ、高精度に投影光学系４０の複屈折を計測することができる。

また、計測ユニット１００内のコリメータレンズ１０２の複屈折は小さいことが好ましいが、コリメータレンズ１０２の複屈折の影響が大きい場合は、事前にコリメータレンズ１０２のみの複屈折を計測しておき、投影光学系４０の計測結果を校正すればよい。

また、空間的制約からコリメータレンズ１０２の配置が困難である場合は、コリメータレンズ１０２を配置しなくてもよい。ただし、この場合は、事前にλ／４板１０３と偏光子１０４の光学特性（偏光特性）を計測しておき、投影光学系４０の計測結果を校正すればよい。

次に、上述の各実施例における露光装置の動作について説明する。まず、投影光学系４０の複屈折を計測する。投影光学系４０の複屈折は、上述のように、校正部８０を用いて計測部７０の複屈折（システムエラー）を計測し、計測部７０によって計測部７０と投影光学系４０との全体の複屈折を測定した結果からシステムエラーを分離することで得られる。投影光学系４０の複屈折が計測されると、かかる計測結果に基づいて、投影光学系４０の複屈折が調整される。投影光学系４０の複屈折は、例えば、投影光学系４０を構成する光学素子を光軸周りに回転させたり、光軸方向に駆動したりすることで調整することができる。このように、計測部７０（制御部６０）は、投影光学系４０の複屈折を高精度に計測及び補正することができる。

次に、レチクル３０面における露光光の偏光状態を計測する。レチクル３０面における露光光の偏光状態は、上述のように、リレー部９０と計測部７０を用いて照明光学系２０からの照明光の偏光状態を計測し、この計測結果からリレー部９０と計測部７０の復路光学系との複屈折の影響を除去（校正）することで得られる。レチクル３０面での露光光の偏光状態が計測されると、かかる計測結果に基づいて、露光光の偏光状態が調整される。露光光の偏光状態はレチクル３０のパターンに対し最適な状態となるように偏光制御部２５により行われる。

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。

上述の露光装置が使用する照明光学系の偏光状態、及び、投影光学系の複屈折は高精度に調整されており、優れた結像能力を有する。このため、本実施例のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、上述の露光装置を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ａ〜１ｅ 露光装置
６０ 制御部
７０ 計測部
８０ 校正部
９０ リレー部
７０９ λ／４板
７１０ 検光子
７１１ 撮像素子

Claims (6)

1. 光の偏光状態を計測する偏光計測装置であって、
   光軸回りに回転して光の偏光状態を変化させる位相子と、
   前記位相子を通過した光の所定の偏光成分のみを通過させる第一の偏光子と、
   前記第一の偏光子を通過した光を検出する検出器と、
   前記位相子の位相差量をパラメータとして前記検出器の検出結果を用いて偏光度を算出し、算出される偏光度が１となる前記位相差量のパラメータの値を求め、求められた位相差量のパラメータの値を用いて前記偏光状態を算出する制御部と、を有し、
   前記偏光度をＰ、ストークスパラメータをＳ _０ 、Ｓ _１ 、Ｓ _２ 、Ｓ _３ とする場合、該偏光度Ｐは、
   
   
   
   により算出されることを特徴とする偏光計測装置。
2. 光の所定の偏光成分のみを通過させる第二の偏光子を有し、
   前記第二の偏光子を通過した既知の偏光光は、前記位相子に入射し、
   前記制御部は、前記位相子に入射した前記既知の偏光光に基づいて前記位相差量のパラメータの値を求めることを特徴とする請求項１に記載の偏光計測装置。
3. 前記第二の偏光子は、前記既知の偏光光を被検光学系に入射し、
   前記制御部は、前記被検光学系の複屈折を算出することを特徴とする請求項２記載の偏光計測装置。
4. 前記第二の偏光子と前記第一の偏光子との透過軸が一致した状態で前記位相子を回転させて前記検出器が前記第一の偏光子を通過した光を検出した結果を用いて前記偏光度を算出し、算出される偏光度が１となる前記位相差量のパラメータの値を求めることを特徴とする請求項２記載の偏光計測装置。
5. 原版のパターンを基板に露光する露光装置であって、
   光源からの光を用いて前記原版を照明する照明光学系と、
   前記原版のパターンを前記基板に投影する投影光学系と、
   前記原版を照明する露光光の偏光状態、及び、前記投影光学系の複屈折の少なくとも一方を計測する請求項１乃至４のいずれか一に記載の偏光計測装置と、を有することを特徴とする露光装置。
6. 請求項５記載の露光装置を用い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。