JP5725681B1 - 干渉計及び位相シフト量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】EUV領域で良好に動作する干渉計及び位相シフト量測定装置を実現する。【解決手段】本発明の干渉計は、照明ビームを発生する照明源（１）と、光源から出射した照明ビームを試料に向けて投射する照明系と、試料から出射した反射ビームを検出器（７）上に結像する結像系とを具える。照明系は、照明ビームから、試料上の所定の距離だけ離間した２つのエリアを互いにコヒーレントに照明する第１及び第２の回折光を発生する第１の回折格子（２）を含み、結像系は試料で反射した第１及び第２の回折光をさらに回折して、所定の距離だけ互いに離れた第３及び第４の回折光を形成する第２の回折格子（６）を含む。検出器上には、第３及び第４の回折光による干渉画像が形成される。試料を支持するステージの傾斜角度を走査することによりフリンジスキャンが行われる。【選択図】図５

Description

本発明は、EUVリソグラフィに好適な干渉計及び位相シフト量測定装置に関するものである。

半導体デバイスの微細化に伴い、EUVリソグラフィ（EUVL）の開発が強く要請されている。このEUVＬでは、放射源として波長が１３．５ｎｍの極端紫外（EUV）光を放出するＥＵＶ光源が用いられ、マスクとして反射型のフォトマスクが用いられる。反射型フォトマスクは、基板上にシリコン層とモリブデン層の多数膜で構成される反射膜が形成され、その上に遮光パターンとして機能する吸収体のパターンが形成されている。一方、EUVLでは、フォトマスクに向けて6°の入射角で露光ビームが投射されるため、吸収体パターンが影を形成し、解像度が低下する問題が指摘されている。この課題を解決するためには、吸収体の膜厚をできるだけ薄くすることが望まれる。一方、吸収体の膜厚が薄くなれば、吸収体の反射率が零とならず、ハーフトーン型位相シフトマスクに用いられているハーフトーン膜と同様な遮光膜となってしまう。そのため、吸収体パターン部で反射した反射光と反射膜で反射した反射光との間にλ／２の位相差を形成する吸収体パターンを形成する方法が有力視されている。反射膜上にλ／２の位相差を形成する吸収体パターンが形成されれば、吸収体から出射した反射光と反射膜で反射した反射光同士がキャンセルし合い、高い解像度を有するEUVLが確立される。他方において、吸収体の位相差がλ／２からずれるにしたがって解像度が低下する不具合が発生する。従って、EUVLにおいては、吸収体パターンの位相シフト量を高精度に測定できる位相シフト量測定装置の開発が急務の課題である。

フォトマスクの位相シフト量を測定する装置として、マッハツェンダ干渉計と波面検出法を利用した測定装置が既知である（例えば、特許文献１参照）。この位相シフト量測定装置では、DUV光を発生する光源を用い、光源から出射した照明ビームを回折格子を介して透過型フォトマスクに向けて投射し、横ずらしビームを形成している。フォトマスクから出射した透過ビームはマッハツェンダ干渉計に入射する。マッハツェンダ干渉計に入射した透過ビームは透過反射型のビームスプリッタにより２本のビームに分割され、一方の光路中に配置したダブルウエッジプリズムによりフリンジスキャンが行われ、１周期分の位相差が導入される。２本のビームは第２のビームスプリッタにより合成されて干渉ビームが形成される。干渉ビームは２次元撮像装置により受光され、位相シフト法により位相シフト量が算出されている。この位相シフト量測定装置は、フリンジスキャンによる波面検出を利用して位相シフト量が算出されるので、複雑な演算処理を行うことなく、高い測定分解能が得られる利点がある。

２つの回折格子を利用した干渉測定装置も既知である（例えば、特許文献２参照）。この既知の測定装置では、結像光学部品２の瞳位置に配置した回折格子（コヒーレントマスク１）に向けてインコヒーレントな光ビーム投射される。回折格子１から出射した０次と＋１次の回折光が透過型の位相シフトマスク４に向けて投射され、位相シフトされたインターフェログラムが形成される。形成されたインターフェログラムは、別の回折格子３上に結像され、さらに、第２の結像光学部品５を介して検出器上に結像される。
特開２００５−８３９７４号公報 特表２００９−５０６３３５号公報

前述したマッハツェンダ干渉計を利用した位相シフト量測定装置は、位相シフト法を利用してフーリエ変換処理により位相シフト量が算出されるので、複雑な演算処理を行うことなく、高い位相差測定分解能が達成される利点がある。一方、マッハツェンダ干渉計おいては、試料から出射した透過ビームを２本のビームに分割するビームスプリッタが必要である。しかし、EUVビームは基板により吸収されるため、基板に半透明膜を形成したビームスプリッタを用いることができない。透過反射型のビームスプリッタの一例として、膜状のビームスプリッタを用いることが想定される。しかし、膜状のビームスプリッタは面精度を維持するのが困難であり、外部振動の影響を受けやすく高精度な位相差測定に適合しない欠点がある。また、マッハツェンダ干渉計では、２個のウエッジプリズムを用いているが、EUVビームを吸収しない光学材料でウエッジプリズムを構成することも困難である。従って、マッハツェンダ干渉計は、EUV領域で適正に動作する部品が存在しないため、実用化するには難点があった。

マッハツェンダ干渉計以外の干渉計として、ノマルスキープリズムやウォラストンプリズムが既知である。これらのプリズムでは、偏光を利用してビーム分割が行われる。しかし、ＥＵＶ領域において、偏光を利用してビーム分割できる適当な光学材料が存在しないため、EUV領域において使用できないのが実情である。また、マイケルソン干渉計やリニック干渉計も既知である。これらの干渉計では、ビームを２分割し、スプリットパス中に試料を配置してスキャンが行われる。しかしながら、スプリットパス中に試料を配置する構成では、分離された光束の伝搬距離が長くなり、干渉光学系の温度がわずかに変化するだけで干渉計の光路長が大きく変化するため、環境温度等の影響を受けやすい欠点があった。従って、フォトマスクのようなサイズの大きな試料の位相差測定には適合しないものである。

上述した２つの回折格子を用いる干渉測定装置では、フリンジスキャンを行うことができないため、位相シフト量を算出するための演算処理が複雑化する欠点があった。特に、逆回折理論を用いて位相差を算出しているため、多数のパラメータを用いた複雑な計算が必要であり、演算処理に大きな負荷がかかる欠点があった。しかも、逆回折理論を用いて位相シフト量が算出されるため、直接的な位相差測定に適合しないものである。

本発明の目的は、EUV領域で良好に動作する干渉計及び位相シフト量測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の目的は、EUV領域で良好に動作すると共に位相シフト法（フリンジスキャン法）を利用して位相差を直接測定することができる干渉計及び位相シフト量測定装置を実現することにある。

本発明による干渉計は、照明ビームを発生する照明源と、照明源から出射した照明ビームを試料に投射し、試料上の所定の距離だけ互いに横ずらしされた２つのエリアを照明する照明系と、前記試料の２つのエリアでそれぞれ反射した反射光を受光する検出器と、前記試料の２つのエリアで反射した反射光を検出器に入射させる結像系とを具える干渉計において、
前記照明系は、前記照明源から出射した照明ビームを回折して、0次光から空間的に分離されると共に回折次数が隣接する第１及び第２の回折光を発生する第１の回折格子を含み、
前記試料上の２つのエリアは、0次光により照明される部位から空間的に離間すると共に互いに部分的に重なり合い、
前記結像系は、前記試料から出射した反射光を回折して、0次光から空間的に分離されると共に回折次数が隣接する第３及び第４の回折光を形成する第２の回折格子を含み、
前記第３及び第４の回折光は前記検出器上において互いに部分的に重なり合うように横ずらしされ、
前記検出器の視野には、第２の回折格子から出射した０次ビームが入射せず、第３の回折光と第４の回折光との干渉画像が形成されることを特徴とする。

本発明では、照明系に、単一の照明ビームから少なくとも２本の高次回折光を発生する第１の回折格子を配置し、第１の回折格子から出射した第１及び第２の回折光により試料上の所定の距離だけ横ずらしした２つのエリアを互いにコヒーレントに照明する。また、結像系にも、少なくとも２本の高次回折光を発生する第２の回折格子を配置し、試料上の２つエリアで反射した反射光を回折して所定の距離だけ互いに横ずらしした第３及び第４の回折光を形成する。これら第３及び第４の回折光により、光検出器上に互いに部分的に重なり合った２つの回折像が形成される。第２の回折格子から出射する第３及び第４の回折光は、試料表面の異なる２つの点を経由する光路間の光路長差に対応する位相差情報を含むので、検出器上には試料上の２点間の構造的な差異に起因する位相差を含む干渉画像が形成される。この結果、２光束干渉計が構成され、試料表面の微細な構造的な変化を干渉画像として検出することが可能になる。すなわち、検出器から出力される輝度信号について種々の信号処理を行うことにより、試料の種々の特性を解析することができる。一例として、フリンジスキャンによる位相シフト法を利用することにより、EUVLに用いられるフォトマスクに形成された吸収体パターンの位相シフト量及び吸収率を測定することが可能である。勿論、干渉像の強度は試料表面の高さ情報を含むので、本発明による干渉計は、試料表面の形状や高さ変位等の測定に利用することも可能である。さらに重要なことは、照明源と検出器との間に配置される全ての光学素子は反射型の素子で構成できるので、EUV波長域で良好に動作する干渉計が実現される。尚、本明細書及び特許請求の範囲において、用語「回折光」は、回折した赤外光、可視光、紫外光、及びＸ線を含むものである。また、用語「光源」は、Ｘ線を放出する放射源、並びに、紫外光、可視光及び赤外光を放出する光源を含むものである。

本発明による干渉計の好適実施例は、前記第１及び第２の回折光は試料上の２つのエリアを互いにコヒーレントに照明し、前記第３及び第４の回折光は、検出器上において互いに部分的に重なり合っていることを特徴とする。本発明では、試料上の２つのエリアを照明する第１及び第２の回折光は同一光源から出射した照明光である。従って、照明光源の特性にかかわらず、試料表面をコヒーレントに照明することができる。この結果、EUVリソグラフィで用いられている露光光源であるSn^＋プラズマ源を照明源として用いることが可能になる。

本発明による干渉計の好適実施例は、第１及び第２の回折格子は、少なくとも２本の高次回折光を発生する位相回折格子により構成したことを特徴とする。本発明者が位相回折格子について種々の解析を行った結果、回折格子を２つの空間周波数成分を含む格子パターンに基づいて設計した場合、単一波長の照明ビームから少なくとも２本の高次回折ビームを発生させることができることが判明した。一例として、格子溝の深さを照明ビームの波長の１／４に設定し、２つの空間周波数の周期の最小公倍数を回折格子の基本周期とし、格子ピッチを２つの空間周波数の周期の論理和、論理積又は排他的論理和に基づいて設定すれば、回折角の異なる２本の高次回折ビームを発生することができる。従って、２つの空間周波数成分を含む格子パターンに基づいて設計された２周波数回折格子を照明系に配置することにより、試料上において互いに所定の距離だけ横ずらしした２つの領域を互いにコヒーレントに照明することができる。また、同一構造の２周波数回折格子を結像系の共役な位置に配置すれば、試料上の２つの点でそれぞれ反射した反射光から、所定の距離だけ互いに横ずらしした２つの回折像が形成され、検出器上には２つの回折像により形成される干渉画像が形成される。２つの空間周波数成分を含む２周波数回折格子は、２本の高次回折光間の空間的な離間距離を任意に設定できるので、差分干渉計のような大きなシアリング量を必要とする干渉測定に有益である。

本発明による干渉計の好適実施例は、第１及び第２の回折格子は同一構造の回折格子により構成され、前記第１の回折格子は照明系の瞳位置又はその近傍に配置され、第２の回折格子は結像系の瞳位置又はその近傍に配置したことを特徴とする。照明系及び結像系にそれぞれ設けた第１及び第２の回折格子を互いに共役な位置に配置すると共に同一構造の回折格子により構成すれば、照明系に設けた第１の回折格子が２光束発生素子として機能し、結像系に設けた第２の回折格子は試料から出射した２本の光ビームを所定の角度でさらに回折し、回折光のうちの２つの光束を干渉させるビーム干渉素子として機能する。これにより、２光束干渉計が実現される。

本発明の干渉計の好適実施例は、試料と第１及び第２の回折格子との間の光路中に対物系が配置され、第１の回折格子から出射した第１及び第２の回折光は対物系を経て試料に入射し、試料で反射した第１及び第２の回折光は前記対物系を介して第２の回折格子に入射することを特徴とする。さらに、この実施例は、対物系は平面鏡と凹面鏡を有する無限遠設定された対物系により構成され、当該対物系の片側半分のエリアは照明系の一部を構成し、残りの半分のエリアは結像系の一部を構成することを特徴とする。対物系として、平面鏡と凹面鏡を組み合わすことにより無限遠焦点を有する対物系が構成されるので、照明系及び結像系の瞳を対物系の外側に形成することができる。この結果、第１及び第２の回折格子を照明系及び結像系の瞳位置にそれぞれ配置することができ、従って、第１及び第２の回折格子を互いに共役な位置に配置することが可能になる。

本発明による位相シフト量測定装置は、フォトマスクに形成された位相シフターの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置であって、
照明ビームを発生する照明源と、照明源から出射した照明ビームをフォトマスクに向けて投射して、フォトマスク上の所定の距離だけ互いに横ずらしされた２つのエリアを照明するする照明系と、前記フォトマスクの２つのエリアで反射した反射光を受光する検出器と、前記フォトマスクの２つのエリアでそれぞれ反射した反射光を検出器に入射させる結像系と、フォトマスクを支持すると共にＸＹ移動機構及び試料を傾斜させるチルト機構を有するステージと、前記検出器から出力される出力信号を受け取り、位相シフターの位相シフト量を算出する信号処理装置とを具え、
前記照明系は、前記照明源から出射した照明ビームを回折して第１及び第２の回折光を発生する第１の回折格子を含み、前記フォトマスクの２つのエリアは第１及び第２の回折光によりそれぞれ照明され、
前記結像系は、前記フォトマスクから出射した反射光を回折して第３及び第４の回折光を形成し、第３及び第４の回折光を前記検出器上において互いに部分的に重なり合うように横ずらしする第２の回折格子を含み、
前記検出器には、前記第３及び第４の回折光による干渉画像が形成され、
前記ステージのチルト機構を用いてフォトマスクを連続的に傾斜させることにより、前記第１の回折光と第２の回折光との間に１周期分の光路長差が導入されてフリンジスキャンないし位相変調が行われ、
前記信号処理装置は、前記検出器からの出力信号の信号強度と前記フリンジスキャン又は位相変調により導入される位相変調量とを用いて位相シフターの位相シフト量を算出することを特徴とする。

本発明による位相シフト量測定装置では、光学系が固定された状態に維持され、ステージを傾斜することによりフリンジスキャンが行われるので、光学系に影響を与えることなく安定したフリンジスキャンが行われる利点が達成される。

本発明による位相シフト量測定装置は、ＥＵＶリソグラフィに用いられるフォトマスクの吸収体パターンの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置であって、
ＥＵＶ域の照明ビームを発生するＸ線源と、Ｘ線源から出射した照明ビームをフォトマスクに向けて投射して、フォトマスク上の所定の距離だけ互いに横ずらしされた２つのエリアを照明するする照明系と、前記フォトマスクの２つのエリアで反射したＸ線ビームを受光する検出器と、前記フォトマスクの２つのエリアでそれぞれ反射したＸ線ビームを検出器に入射させる結像系と、フォトマスクを支持すると共にＸＹ移動機構及びフォトマスクを傾斜させるチルト機構を有するステージと、前記検出器から出力される出力信号を受け取り、吸収体パターンの位相シフト量を算出する信号処理装置とを具え、
前記照明系は、前記Ｘ線源から出射した照明ビームを回折して第１及び第２の回折ビームを発生する第１の回折格子を含み、前記試料の２つのエリアは第１及び第２の回折ビームによりそれぞれ照明され、
前記結像系は、前記フォトマスクから出射した反射ビームを回折して第３及び第４の回折ビームを形成し、第３及び第４の回折ビームを前記検出器上において互いに部分的に重なり合うように横ずらしする第２の回折格子を含み、
前記検出器には、前記第３及び第４の回折ビームによる干渉画像が形成され、
前記ステージのチルト機構を用いてフォトマスクを連続的に傾斜させることにより、前記第１の回折光と第２の回折光との間に１周期分の光路長差が導入されてフリンジスキャンが行われ、
前記信号処理装置は、前記検出器からの出力信号の信号強度と前記フリンジスキャンにより導入される位相変調量とを用いて吸収体パターンの位相シフト量を算出することを特徴とする。

本発明による位相シフト量測定装置の好適実施例は、ＥＵＶ光源として発光ピーク波長が１３．５ｎｍのEUVビームを放出するSn^＋プラズマ源が用いられ、前記Sn^＋プラズマ源と前記第１の回折格子との間のパス中に分光器として作用する回折格子と視野絞りが配置されていることを特徴とする。Sn^＋プラズマ源はEUVLで用いられる実際の照明源である。しかし、波長特性がブロードな波長特性を有する問題がある。この問題を解決するため、Sn^＋プラズマ源と第１の回折格子との間に分光器として作用する回折格子及び視野絞りを配置すれば、１３．５ｎｍからずれた波長のEUV光が視野絞りによりカットされるので、波長が１３．５ｎｍの単一波長のEUVビームを用いて位相シフト量を測定することができる。この結果、実際のEUVLと同一の条件で吸収体パターンの位相シフト量を測定することが可能になる。

本発明では、試料表面の微小な高さ変化を位相差として検出できると共に、照明源から検出器までの光路中に配置される全ての光学素子を反射型の素子で構成できるので、EUV域で有効に動作する干渉計及び位相シフト量測定装置が実現される。さらに、試料を支持するステージを傾斜させることによりフリンジスキャンが行われるので、位相シフト法を利用して位相差を求めることができ、この結果信号処理装置における負荷が増大することなく位相シフト量を高精度に検出することが可能になる。

本発明による干渉計の基本原理を示す図である。 本発明の干渉計に用いられる２周波数回折格子の回折特性を示す図である。 本発明によるフリンジスキャンの形態を示す図である。 本発明による干渉計及び位相シフト量測定装置の具体例を示す図である。 本発明による干渉計及び位相シフト量測定装置の具体例を示す図である。 ２周波数回折格子の構造設計に用いられる設計データを示す図である。 ２周波数回折格子の論理和に基づいて形成した格子パターンを示す図である。 結像系に配置した回折格子により形成される合成画像を示す図である。 撮像装置の視野に形成される画像を示す図である。 マスクステージの一例を示す線図である。 位相シフト量の測定シーケンスを示す図である。 吸収体パターンの吸収率測定のシーケンスを示す図である。

図１は本発明の干渉計の基本原理を示し、図２は本発明の干渉計に用いられる２周波数回折格子の回折特性を示し、図３はフリンジスキャンによる位相変化を示す。図１を参照するに、微小光源として作用する照明源１から単一波長の放射ビームが出射する。放射ビームは第１の回折格子２に入射する。第１の回折格子２は、２つの空間周波数成分を含む格子パターンにより形成され、少なくとも２本の高次回折光を発生する２周波数回折格子で構成する。この２周波数回折格子２は、一例として２つの空間周波数成分の論理和に基づいて設計することにより、０次光、±２０次及び±２１次の全部で５本の回折光を発生する。本発明では、第１の回折格子から出射した５本の回折光のうち、＋２０次及び＋２１次の２本の回折光を、試料上の異なる２つのエリアを照明する第１及び第２の回折光（照明ビーム）として利用する。尚、図面を明瞭にするため、図１及び図３において、試料を照明する第１及び第２の回折光だけを図示し、他の回折光は省略する。第１の回折光（＋２０次の回折光）を実線で示し、第２の回折光（＋２１次の回折光）を破線で示す。第１及び第２の回折光は異なる回折角で出射し、別々の光路を伝搬し、集光レンズ３を介して試料４に入射し、試料上の所定の距離だけ横ずらしした２つの点を互いにコヒーレントに照明する。試料上の２つのエリアを照明する第１及び第２の回折光は同一の照明源から出射した光であるから、試料上の２つのエリアはコヒーレントに照明される。尚、試料上の２つの照明点間の距離を干渉計のシアリング量とする。試料上の２つの照明点で反射した２本の照明ビームは、対物レンズ５により集光され、第２の回折格子６に入射する。

第２の回折格子６は、一例として、第１の回折格子と同一構造の２周波数回折格子で構成され、第１の回折格子２と共役な位置に配置する。すなわち、試料上の照明点から照明系の第１の回折格子までの光路と結像系の第２の回折格子までの光路を対称的な光路として形成する。従って、第２の回折格子６は、試料で反射した第１及び第２の回折光をさらに回折させ、試料で反射した第１及び第２の回折光に対してそれぞれ０次光、±２０次光、±２１次光を発生する。これらの回折光は互いに異なる回折角で伝搬する。本発明では、第２の回折格子から出射した回折光のうち、＋２０次及び＋２１次の回折光を測定に用いられる第３及び第４の回折光とする。試料で反射した第１及び第２の回折光は、第２の回折格子６により回折し、所定の距離（シアリング量）だけ横ずらしされて検出器７に入射する。よって、検出器上には、所定の距離だけ互いに横ずらしした２つの回折像が形成される。検出器に入射する第３及び第４の回折光は、第１の回折格子における作用と同様に、同一光源から出射した回折光であるから、相互に干渉する。従って、検出器上において、２本の回折光間の光路長差に対応した干渉画像が形成される。このように、本発明の干渉計は２光束干渉計を構成する。尚、図１及び図３において、検出器７の上方には、第３及び第４の回折光の位相波形を重ねて示す。

本例では、試料４として、EUVL に用いられるフォトマスクを想定する。EUVLのフォトマスクは、反射膜上に遮光膜として機能する吸収体パターンが形成され、吸収体パターンはλ／４の厚さを有するように設計されている。尚、λはEUVLの露光波長(１３．５ｎｍ)である。図１（Ａ）は試料表面が平坦な場合、すなわち2本の回折光が反射膜に入射した状態を示し、図１（Ｂ）は第1の回折光が反射膜に入射し第２の回折光が吸収体パターン４ａに入射した状態を示す。

第１及び第２の回折光が共に反射膜に入射した場合、これら２本の回折光が伝搬する光路長は同一である。従って、図１（Ａ）に示すように、合成ビームは試料表面に起因する位相差が無いため、検出器には同一位相の干渉画像が形成される。すなわち、第３及び第４の回折光は互いに同一位相となる。これに対して、図１（Ｂ）に示すように、第１の回折光が反射膜上を照明し、第２の回折光が吸収体パターンを照明する場合、検出器に入射する２本の回折光間に吸収体の厚さのほぼ２倍の光路長差が導入される。よって、検出器に入射する２本の回折光間には、吸収体パターンの２倍の厚さに対応した位相差が導入され、図１（Ｂ）の位相波形に示されるように、検出器上には位相差に対応した干渉画像が形成される。本発明では、検出器上に形成される干渉画像を用いて、吸収体パターンの厚さすなわち試料表面の高さの変位量を測定する。

一例として、試料を支持するステージを傾斜させることによりフリンジスキャンを行い、位相シフト法により吸収体パターンの厚さに起因する位相差を検出する。例えば、反射膜上に形成された吸収体パターンにより、第１の回折光と第２の回折光との間にλ／２の位相差が導入されるので、第１及び第２の回折光が共に反射膜上を照明する場合を基準としてλ／２の位相差を含む干渉画像が検出される。一方、ステージを傾斜させた場合、第１の回折光と第２の回折光の見かけの光路長が変化し、第１の回折光と第２の回折光との間に傾斜角に対応した位相差が導入される。従って、ステージの傾斜角度を走査し、フリンジスキャン法により１周期の位相変調を行うことにより、吸収体パターンの位相シフト量が検出される。

図２は、照明系に配置した第１の回折格子の回折作用を示す図である。本発明では、第１及び第２の回折格子として、格子溝の深さがλ／４に設定され、２つの空間周波数成分を含む格子パターンにより形成された回折格子（２周波数回折格子）を用いる。図２（Ａ）は照明系に配置した第１の回折格子の回折作用を示し、図２（Ｂ）は第１の回折格子の回折角と回折光強度との関係を示す。本例では、２周波数回折格子として、０次、±２０次及び±２１次の高次回折光が発生するように設計された反射型位相回折格子を例にして説明する。照明源から出射した放射ビームが第１の回折格子に入射すると、０次光が発生し、さらに０次光を中心にして±２０次及び±２１次の回折光が発生し、合計５つの回折光が発生する。５つの回折光のうち、＋２０次及び＋２１次の高次回折光を第１及び第２の照明ビームとして用い、試料上の一定の距離だけ横ずらしした２つの点をコヒーレントに照明する。尚、＋２０次及び＋２１次の回折光は、０次光に対して十分に大きな回折角で出射するため、＋２０次及び＋２１次の回折光による像を撮像装置の視野中心に配置すれば、０次光の照明領域及び−２０次及び−２１次の照明領域を撮像装置の視野外に位置させることができる。

第２の回折格子６には、試料表面で反射した５つの反射光が入射する。第２の回折格子は、第１の回折格子と同一構造を有し、且つ第１の回折格子と共役な位置に配置される。試料で反射した５つの反射光はそれぞれ回折し、各反射光に対して０次光、±２０次回折光、及び±２１次光の回折光が発生する。これらの回折光のうち、＋２０次及び＋２１次の回折光を測定用の第３及び第４の回折光として検出器に入射させる。試料で反射した第１及び第２の回折光は互いにコヒーレントな反射光であるため、第２の回折格子から出射する第３及び第４の回折光もコヒーレントな回折光である。従って、検出器上には、試料に起因して導入された位相差を含む第３及び第４の回折光による干渉画像が形成される。

図３は本発明のフリンジスキャン方法を説明する図である。本発明では、フリンジスキャンは試料を支持するステージのチルト機構を利用して行う。すなわち、水平位置を基準位置とし、ステージをシアリング方向において傾斜させることにより、第１の回折光（第１の照明ビーム）と第２の回折光（第２の照明ビーム）との間に１周期分の位相差を導入することができる。図３（Ａ）は、ステージが水平の基準位置に設定された状態を示す。この場合、第１の回折光は反射膜を照明し、第２の回折光は吸収体パターンを照明するので、検出器７の上方に図示した位相波形に照明ように、第３の回折光と第４の回折光との間にλ／２の位相差が形成される。図３（Ｂ）は右側に傾斜し、位相変調量として＋λ／２の位相差が導入された状態を示し、図３（Ｃ）は左側に傾斜して−λ／２の位相差が導入された状態を示す。このように、試料を支持するステージをシアリング方向に連続的に傾斜させることにより、２本の回折光について１周期分の位相変調を行うことができる。本発明によるフリンジスキャンは、ステージ及び試料だけが横ずらしし、光学系は静止状態に維持されるので、安定したフリンジスキャンによる位相シフト干渉を行うことができる。

図４及び図５は本発明による干渉計及び位相シフト量測定装置の具体例を示す。図４は撮像装置側から見た主光線をトレースした図であり、図５は同族光線をトレースした図である。本例では、EUVLで用いられるフォトマスクの吸収体パターンの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置及びこれに用いられる２光束干渉計として説明する。勿論、本発明の干渉計は、EUV波長域以外の紫外波長域、可視光域及び赤外光域で動作することもできる。また、測定対象として、反射型フォトマスクの吸収体パターンや透過型フォトマスクのハーフトーン膜の位相シフト量だけでなく、各種光学素子や光学薄膜等の位相差を測定するためにも用いることが可能であり、さらに試料表面の形状や高さ分布を測定するために利用することも可能である。

照明源１０から放射ビームを発生する。本例では、照明源（ＥＵＶ光源）としてSn^＋ プラズマ源を用いる。Sn^＋ プラズマ源は発光ピーク波長が１３．５ｎｍのEUVビームを発生し、EUVLの光源として実際に用いられている。従って、照明源としてSn^＋ プラズマ源を用いれば、実際のEUVLにおける吸収体パターンの位相シフト量をそのまま測定することができる。尚、Sn^＋ プラズマ源以外の放射源、例えばキセノンプラズマ源、フェムト秒レーザ高調波源及びシンクロトロン等のＸ線源を用いることも可能である。また、コヒーレント光を発生する光源及びインコヒーレント光を発生する光源の両方を用いることができる。さらに、DUV波長域や赤外波長域で動作する干渉計として構成する場合、DUV光や赤外光を発生する光源が用いられる。

照明源1０から出射した放射ビームは、第１の回折格子１１に入射する。第１の回折格子１１は、分光器として作用する反射型回折格子とする。Sn^＋プラズマ源は、発光スペクトルに拡がりがあるため、照明源として用いた場合回折角が拡がり、色収差の影響により試料の画像が不鮮明になるおそれがある。そこで、本例では、分光器として機能する回折格子１１を設け、発光ピーク波長のEUV光だけを照明光として利用する。この場合、後段に視野絞りを設けることにより、発光ピーク波長のEUV光だけをフォトマスク上に投射することができる。この際、Sn^＋プラズマの発光ピーク波長のEUV光が照明する領域が視野中で明るい帯状に観察されるので、測定点を明るい帯状領域の中央に位置決めすることにより波長が１３．５ｎｍでの測定が可能になる。

第１の回折格子１１から出射した放射ビームは、軸外楕円面鏡１２で反射し、中間像点に配置した視野絞り１３を通過する。視野絞り１３は矩形の開口部を有し、試料上における照明エリアを規定する作用を果たす。視野絞りを設けることにより、Sn^＋プラズマ源の発光波長から拡がった波長光を遮断し、１３．５ｎｍのピーク発光波長のEUV光だけを照明ビームとして利用することができる。視野絞り１３を通過した放射ビームは非球面凹面鏡１４に入射する。軸外楕円面鏡１２及び非球面凹面鏡１４は、シリコン層とモリブデン層とが交互に積層された多層膜構造体を有する反射鏡により構成され、EUV光に対して高い反射率を有する。放射ビームは、非球面凹面鏡１４によりほぼ平行なビームに変換され、照明系の瞳位置又はその近傍、すなわち対物系の瞳位置に配置した第２の回折格子１５に入射する。この第２の回折格子１５は、図１において説明した第１の回折格子に対応する。

第２の回折格子１５は、２つの空間周波数成分を有する２周波数反射型位相回折格子で構成され、入射した照明ビームから、０次光、±２０次、及び±２１次の回折光を発生する。本例では、＋２０次及び＋２１次の回折光を第１及び第２の回折光（照明ビーム）として利用する。第１及び第２の回折光は、フォトマスク上において、所定のシアリング量だけ横ずらしされた２つの照明エリアを互いにコヒーレントに照明する。

第２の回折光１５から出射した回折光は、対物系１６に入射する。本例では、対物系として、無限遠焦点に設計された対物系を用いる。対物系１６は、２つの非球面凹面鏡１６ａ及び１６ｂと１つの平面鏡１６ｃとで構成され、片側半分のエリア（図面上では左側半分のエリア）は照明系の一部を構成し、残りの片側半分のエリア（図面上では右側の半分のエリア）は結像系の一部を構成する。尚、２つの非球面凹面鏡は、中央に開口部を有する単一の非球面凹面鏡で構成することも可能である。第２の回折格子１５から出射した回折光は、凹面鏡１６ａ及び平面鏡１６ｃでそれぞれ反射してEUVL用のフォトマスク１７に入射する。フォトマスクに対する照明角は６°に設定する。照明角を６°に設定すれば、実際のEUVLにおける露光角と同一の照明角でフォトマスクを照明することができる。

EUVL用のフォトマスク１７は、基板上にシリコン層とモリブデン層とが交互に積層された多層膜構造の反射膜と、その上に形成された吸収体パターンとを有する。吸収体パターンは、遮光パターンとして機能すると共に、反射膜で反射した反射光と吸収体パターンで反射した反射光との間にλ／２の位相差を形成する位相シフターとしても機能する。フォトマスクのパターン形成エリアの外側に吸収体のモニタパターンが形成され、本例では、モニタパターンの位相シフト量を測定する。このモニタパターンは、吸収体パターンの形成プロセスにおいてパターン形成領域の吸収体パターンと共に形成されるので、モニタパターンの位相シフト量を測定することにより、パターン形成エリアの吸収体パターンの位相シフト量を把握することができる。本例では、モニタパターンとして、反射膜上に形成した４μｍ×４μｍの矩形の吸収体パターンを用いる。モニタパターンのサイズ及び形状は一例であり、測定対象であるフォトマスクの特性や測定目的に応じて適宜設定でき、例えば細長いストライプ状のモニタパターンを用いることもできる。

本例では、第１及び第２の回折光のフォトマスク上におけるシフト量（横ずらし量）を５μｍとし、モニタパターン及びその周囲の反射膜のエリアは、互いに５μｍだけ横ずらしした２本の回折光によりコヒーレントに照明される。前記シフト量は、第２の回折格子の格子ピッチの設計値に応じて自在に規定することができる。尚、５μｍのシフト量は一例であり、測定対象や測定目的に応じて適宜設定することができる。本発明では、２本の照明ビームにより互いにコヒーレントに照明された２つの照明エリアから出射した反射光を結像側において干渉させ、検出器上に干渉画像を形成する。そして、モニタパターンから出射した反射光と反射膜から出射した反射光による干渉画像に基づき、位相シフト法を利用して吸収体パターンの位相シフト量及び透過率を測定する。

フォトマスク１７は、マスクステージ１８上に保持する。マスクステージ１８は、ＸＹ移動機構（ＸＹステージ）とチルト機構(チルトステージ)とを有するステージとする。操作者は、ＸＹ移動機構を利用してモニタパターンの像を撮像装置の視野の中央に位置させることができる。また、チルト機構は、第２の回折格子の回折方向に沿って傾斜できるように構成され、フォトマスクの傾斜角度を走査させることによりフリンジスキャンが行われる。すなわち、マスクステージは、例えば水平の位置を基準とし、回折方向において連続的に傾斜角度を変化させることにより、２本の照明ビーム間に１周期分の光路長差が導入されてフリンジスキャンが行われる。尚、マスクステージ１８は、信号処理装置から供給される駆動信号により制御され、ステージの傾斜角度すなわち導入される光路長差（位相変調量）は信号処理装置により制御される。

フォトマスク１７の２つの照明エリアでそれぞれ反射した第１及び第２の回折光は対物系１６に入射し、平面鏡１６ｃ及び凹面鏡１６ｂで反射し、第３の回折格子１９に入射する。第３の回折格子１９は、第２の回折格子１５と同一の構造を有する２周波数反射型位相回折格子で構成され、結像系の瞳位置又はその近傍、すなわち第２の回折格子１５と共役な位置に配置する。この第３の回折格子１９は、図１で説明した第２の回折格子に対応し、フォトマスクで入射した第１及び第２の回折光をそれぞれ回折し、０次、±２０次及び±２１次の回折光を発生する。本例では、第３の回折格子１９から出射した回折光のうち、＋２０次及び＋２１次の回折光を第３及び第４の回折光として測定に利用する。第３の回折格子１９から出射した回折光は、平面鏡２０で反射し、２つの非球面凹面鏡２１及び２２を介して光検出器２３に入射する。光検出器２３上には、所定のシアリング量だけ互いに変位した第３及び第４の回折光の回折像が形成され、２つの回折像の干渉画像が形成される。検出器２３として、１３．５ｎｍのEUV域に感度を有する複数の素子がアレイ状に配列された２次元撮像装置が用いられ、例えばBT-CCDを用いることができる。

撮像装置２３から出力される画像信号は信号処理装置２４に供給される。信号処理装置２４は、ステージのチルト機構によるフリンジスキャンと撮像装置から供給される画像信号とを用い、位相シフト法を利用してモニタパターンの位相シフト量を算出する。

図４及び図５に示す干渉計は、照明源と検出器との間の光路中に配置される光学素子が反射鏡と反射型回折格子により構成されるので、EUV領域で安定して動作する干渉計及び位相シフト量測定装置が実現される。

照明系に設けた第２の反射型位相回折格子の構造設計について説明する。尚、結像系に配置される第３の回折格子は、照明系に配置される第２の回折格子と同一構造の回折格子が用いられる。本例では、第２の反射型位相回折格子の格子パターンは、２つの空間周波数成分の論理和に基づき形成する。すなわち、空間周波数の異なる２つの方形波の論理和により形成される合成波形に基づいて格子パターンを形成する。この場合、回折格子から、０次光、及び＋側及び−側に第１及び第２の高次回折光の合計５つの回折光だけが発生する。本発明では、＋側の第１及び第２の高次回折光を照明ビームとして利用する。尚、論理積により規定される格子波形は、論理和の波形の反転したパターン波形となり、論理和の場合と同一の格子波形が得られる。

図６は２周波数回折格子の構造設計に用いられる設計データを一例として示す。図６（Ａ）は試料上に形成される０次回折像及び２つの高次回折像の位置関係を示す。設計データとして、試料上において、第１及び第２の高次回折光の０次光からの離間距離Ｓ1及びＳ2は、Ｓ1＝１００μｍ及びＳ2＝１０５μｍとする。よって、試料上の０次回折像から１００μｍ離れた位置に第１の高次回折像が形成され、１０５μｍ離れた位置に第２の高次回折像が形成される。そして、第１の高次回折像と第２の高次回折像との変位量Ｓ＝５μｍをシアリング量（シアリング距離）とする。また、対物系の焦点距離はｆ＝２００ｍｍとし、フィールドサイズは８０μｍとする。また、照明光の波長λは、λ＝１３．５ｎｍとする。

回折格子の基本周期ｄ_０は、以下の式で与えられる。
ｄ_０＝ｆ×λ／Ｓ
＝５４０μｍ
第１の空間周波数の格子ピッチｄ_１は、ヤングの式より、以下の式で規定される。
ｄ_１×sinθ＝λ
ｄ_１＝λ×（ｆ／Ｓ1）
＝２７μｍ
第２の空間周波数の格子ピッチｄ_２は以下の式で規定される。
ｄ_２×sinθ＝λ
ｄ_２＝λ×（ｆ／Ｓ2）
＝２７．７１４μｍ

ここで、２つの空間周波数の周期の最小公倍数は回折格子の基本周期とみなすことができる。よって、回折格子の基本周期中に含まれる第１及び第２の空間周波数成分の周期数Ｐ_１及びＰ_２は以下の通りである。
Ｐ_１＝５４０μｍ／２７μｍ
＝２０周期
Ｐ_２＝５４０μｍ／２７．７１４μｍ
＝２１周期
従って、第１の空間周波数成分による回折光は２０次の回折光として出射し、第２の空間周波数成分による回折光は２１次の回折光として出射する。この結果、２周波数回折格子から、０次光、±２０次光、及び±２１次光の５本の回折光だけが発生する。

図６（Ｂ）は、回折角と回折光強度との関係のシミュレーション結果を示す。横軸は回折角方向の位置を示し、縦軸は回折光の強度を示す。２周波数回折格子子から０次光が発生する。さらに、＋側及び−側において、０次光から１００μｍ離れた位置に２０次の回折像が形成され、１０５μｍ離れた位置に２１次の回折像が形成される。シミュレーション結果によれば、０次光並びに±２０次及び±２１次の回折光の強度はほぼ一致している。

図７は、２周波数回折格子の格子パターンの一例を示す。本例では、第１の空間周波数（格子ピッチ：ｄ１）と第２の空間周波数（格子ピッチ：ｄ２）の論理和を求め、得られた論理和を２値化することにより格子パターンを形成する。図７において、横方向は格子溝と直交する方向の位置を示し、縦方向は格子溝の高さを示す。格子パターンの基本周期ｄ_０は５４０μｍとし、１周期の中央においてデューティ比＝５０％となる格子パターンが得られる。尚、本例では、２つの空間周波数の論理和に基づいて格子パターンを形成したが、勿論２つの空間周波数の排他的論理和及び論理積に基づいて格子パターンを形成することも可能である。本発明による２周波数反射型位相回折格子は、リソグラフィによるエッチング処理と多層膜形成処理により製造される。すなわち、ガラス基板に前述した合成波形の格子パターンに基づき、リソグラフィによりλ／４の深さの格子溝をエッチング形成する。その上にモリブデンとシリコンの多層膜構造の反射膜を形成することにより製造される。

次に、結像系に配置した第３の回折格子により１次像面に形成される画像について説明する。図８（Ａ）はフォトマスク上に形成される３つの照明エリアを示し、図８（Ｂ）は第３の回折格子の０次回折作用、±２０次及び±２１次の回折作用によりそれぞれ形成される回折像を示し、図８（Ｃ）は１次像面に形成される合成画像を示す。図８（Ａ）に示すように、フォトマスク上には、０次光による照明エリアが形成される。さらに、０次光から＋側の回折方向に１００μｍ横ずらしした位置に＋２０次の回折光（第１の回折光）による回折像が形成され、１０５μｍ横ずらしした位置に＋２１次の回折光（第２の回折光）による回折像が形成される。これら２０次及び２１次の回折像は部分的に重なり合った照明エリアを形成する。また、−側の回折方向に１００μｍ変位した位置に−２０次の回折像が形成され、１０５μｍ変位した位置に−２１次の回折像が形成される。本例では、＋２０次の回折光及び＋２１次回折光を第１及び第２の回折光として測定に用い、第１の回折光と第２の回折光とが部分的に重なり合った照明エリアを測定に用いる。尚、モニタパターンは＋２０次の回折光及び２１次の回折光が重なり合った照明エリアに含まれるように位置決めする。

３つの照明エリアから出射した反射光は第３の回折格子に入射し、図８（Ｂ）に示す回折像が形成される。１次像面の中央に、フォトマスク上に形成された３つの照明エリアの０次回折像が形成される。

＋側の回折像として、０次回折像から＋側の回折方向に１００μｍ横ずらしした位置に３つの照明エリアの＋２０次の回折光（第３の回折光）による回折像が形成される。さらに、０次回折像から１０５μｍ横ずらしした位置に、３つの照明エリアの＋２１次の回折光（第４の回折光）による回折像が形成される。＋２０次の回折像と＋２１次の回折像は５μｍのシアリング量だけシフトして互いに重なり合う。

さらに、−側の回折像として、０次回折像から−側の回折方向に１００μｍ横ずらしした位置に３つの照明エリアの−２０次の回折像が形成される。さらに、１０５μｍ横ずらしした位置に−２１次の回折作用による３つの照明エリアの回折像が形成される。−２０次の回折像と−２１次の回折像は５μｍのシアリング量だけ横ずらしして重なり合う。

第３の回折格子による０次回折像、＋２０次及び＋２１次の回折像、並びに−２０次及び−２１次の回折像は重ね合わされ、１次像面上において図８（Ｃ）に示す５個の回折像が形成される。これら５つの回折像は、それぞれ離間した像として形成される。本例では、第３の回折格子の＋２０次及び＋２１次の回折像が重なり合った画像を測定に利用する。従って、検出器の視野を、＋２０次及び＋２１次の回折像が重なり合った画像だけが含まれるように設定し、モニタパターンの位相シフト量を測定する。

図９は検出器の視野に形成され、測定に利用される回折像を示す。図９（Ａ）は検出器上に形成される第３の回折格子の＋２０次の回折光（第３の回折光）による回折像を示し、図９（Ｂ）は＋２１次の回折光（第４の回折光）の回折像を示し、図９（Ｃ）は撮像装置上に形成される２０次の回折像と２１次の回折像との重ね合わせ画像を示す。＋２０次及び＋２１次の回折像はモニタパターンの画像を含むと共に、シアリング量だけ互いに横ずらしされている。従って、検出器上には、２つのモニタパターンの像３０ａ及び３０ｂがシアリング量だけ離間した合成画像が形成される。従って、ステージのＸＹ方向の位置を適切に制御して、検出器（撮像装置）の視野３１を２つのモニタパターンの像が含まれるように設定する。図９（Ｄ）は検出器上に形成される撮像画面を示す。２つのモニタパターンの画像３０ａ及び３０ｂは、モニタパターンからの反射光と周囲の反射膜からの反射光との干渉画像であり、モニタパターンの周囲の画像は反射膜で反射した反射光同士の干渉画像である。従って、フリンジスキャンを行ってモニタパターンからの反射光と反射膜からの反射光との干渉画像と反射膜で反射した反射光同士の干渉画像との位相差を測定することによりモニタパターンの位相シフト量を測定することができる。

次に、フォトマスクを支持するマスクステージについて説明する。図１０はマスクステージの一例を示す線図であり、図１０（Ａ）は線図的平面図、図１０（Ｂ）は線図的側面図である。マスクステージは、ＸＹステージ４０とチルトステージ４１とを有する。ＸＹステージ上に３つのアクチュエータ４２ａ〜４２ｃを介してチルトステージ４１を連結し、チルトステージ上にフォトマスク１６を配置する。３つのアクチュエータは矢印方向に横ずらしし、アクチュエータ４２ａ及び４２ｂは同一方向に横ずらしし、アクチュエータ４２ｃは逆方向に変位する。すなわち、アクチュエータ４２ａ及び４２ｂが上方に変位する場合アクチュエータ４２ｃは下方に横ずらしし、アクチュエータ４２ａ及び４２ｂが下方に変位する場合アクチュエータ４２ｃは上方に変位する。従って、ステージの中央部は変位せず、左側及び右側の部分が互いに等量だけ変位する。水平の位置を基準位置とし、例えば左側の部分が上方に横ずらしし右側の部分が下方に変位することにより、第２の回折格子から出射した第１の回折光と第２の回折光との間に１周期分の光路長差が導入されてフリンジスキャンが行われる。

一例として、シアリング量を５μｍに設定し、２πの光路長差を導入する場合、フォトマスク上における２つの測定点の高さの差は６．７５ｎｍ変化する。この場合のフォトマスクの角度変化量は１．３５ｍラジアンであり、チルトステージを制御するアクチュエータを制御することによりフォトマスクの傾斜角を連続的に変化させることができる。本発明では、フリンジスキャン中にステージだけが移動し、光学部材は静止状態に維持されるので、安定な測定が可能になる。

次に、フリンジスキャンによる位相シフト量の測定シーケンスについて説明する。図１１において、左側の図は撮像装置上の撮像画面を示し、右側の図はフリンジスキャンによる位相変調量と干渉画像の輝度値（信号強度）との関係を示す。図１１（Ａ）を参照するに、撮像画面５０上には、モニタパターンの２つの干渉画像５１ａ及び５１ｂが形成される。モニタパターンの干渉画像は、モニタパターンからの反射光とその周囲の反射膜からの反射光との干渉画像である。また、モニタパターンの干渉画像の周囲の画像は、反射膜からの反射光同士の干渉画像である。

測定に際し、撮像装置における測定エリア５２を設定する。測定エリア５２は、画面の中央に位置し、モニタパターンの画像よりも小さいエリアとする。次に、ステージのＸＹ機構を利用して２つのモニタパターンの画像が測定エリア５２の近傍に位置するようにフォトマスクの位置を調整する。この状態において、ステージのチルト機構を利用してフリンジスキャンを行い、１周期分の位相変調を行う。位相変調により導入される変調量と干渉画像の輝度値との関係を右側のグラフに示す。図１１（Ａ）の位相変調データは、反射膜からの反射光同士の干渉画像の位相変調データであり、反射膜上の２つの点間の位相差に基づく変調データである。この位相変調データは、干渉計に含まれる固有の位相変調データである。

続いて、ステージのＸＹ機構を操作し、図１１（Ｂ）に示すように、測定エリア５２がモニタパターンの干渉画像５１ａ中に位置するように位置決めする。この状態において、フリンジスキャンを行い、１周期分の位相変調を行う。位相変調により導入される変調量と輝度値（信号強度）との関係を右側のグラフに示す。図１１（Ｂ）示す位相変調データは、モニタパターンからの反射光と反射膜からの反射光との干渉画像の位相変調データであり、モニタパターンで反射した反射光と反射膜で反射した反射光との光路長差に基づく位相差を含む変調データを示す。従って、信号処理装置に設けた高速フーリエ変換（ＦＦＴ）手段を用いて、検出器からの出力信号と位相変調量について高速フーリエ変換処理を行うことにより、図１１（Ａ）及び（Ｂ）に示す２つの位相変調データを形成することができ、モニタパターンの位相シフト量φが求められる。

次に、吸収体パターンの吸収率の測定について説明する。図１２は吸収体パターンの吸収率測定のシーケンスを示す。吸収体パターンの吸収率を測定する場合、比較的大きなサイズのモニタパターンを用い、モニタパターン同士が重なり合うエリアを形成する。図１２（Ａ）を参照するに、サイズの大きなモニタパターンを用いシアリング距離を比較的短く設定すると、２つのモニタパターンの画像５１ａと５１ｂとが重なり合う重畳エリア５１ｃが形成される。画面の中央に測定エリア５２を設定し、測定エリア付近に重畳エリア５１ｃが位置するようにＸＹステージを操作する。この状態において、フリンジスキャンを行い、変調データを取得する。取得された変調データを右側に示す。

続いて、図１２（Ｂ）に示すように、ＸＹステージを操作して重畳エリア５１ｃ内に測定エリアが位置するように位置決めする。この状態において、位相変調を行う。得られた変調データを図面の右側に示す。

次に、フーリエ変換処理を行って、図１２（Ａ）の右側に示す反射膜同士の干渉画像の変調データの振幅Ｖ1、及び図１２（Ｂ）の右側に示すモニタパターンの重畳画像の変調データの振幅Ｖ2を求める。そして、振幅Ｖ2の2乗値を振幅Ｖ1の２乗値で除算することにより、反射膜の吸収率を基準する吸収体パターンの吸収率を求めることができる。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。
上述した実施例では、EUVLに用いられる反射型フォトマスクを例にして説明したが、勿論、透過型フォトマスクの位相シフターの位相シフト量を測定することも可能である。さらに、上述した実施例では、反射型位相回折格子を用いたが、測定対象物に応じて透過型位相回折格子を用いることも可能である。

１ 照明源
２ 第１の回折格子
３ 集光レンズ
４ 試料
５ 対物レンズ
６ 第２の回折格子
７ 検出器
１０ 照明源
１１ 回折格子
１２ 軸外放物面鏡
１３ 視野絞り
１４ 非球面凹面鏡
１５ 第２の回折格子
１６ 対物系
１６ａ，１６ｂ 非球面凹面鏡
１６ｃ 平面鏡
１７ フォトマスク
１８ ステージ
１９ 第３の回折格子
２０ 平面鏡
２１，２２ 非球面凹面鏡
２３ 検出器
２４ 信号処理装置

Claims (28)

1. 照明ビームを発生する照明源と、照明源から出射した照明ビームを試料に投射し、試料上の所定の距離だけ互いに横ずらしされた２つのエリアを照明する照明系と、前記試料の２つのエリアでそれぞれ反射した反射光を受光する検出器と、前記試料の２つのエリアで反射した反射光を検出器に入射させる結像系とを具える干渉計において、
   前記照明系は、前記照明源から出射した照明ビームを回折して、0次光から空間的に分離されると共に回折次数が隣接する第１及び第２の回折光を発生する第１の回折格子を含み、
   前記試料上の２つのエリアは、0次光により照明される部位から空間的に離間すると共に互いに部分的に重なり合い、
   前記結像系は、前記試料から出射した反射光を回折して、0次光から空間的に分離されると共に回折次数が隣接する第３及び第４の回折光を形成する第２の回折格子を含み、
   前記第３及び第４の回折光は前記検出器上において互いに部分的に重なり合うように横ずらしされ、
   前記検出器の視野には、第２の回折格子から出射した０次ビームが入射せず、第３の回折光と第４の回折光との干渉画像が形成されることを特徴とする干渉計。
2. 請求項１に記載の干渉計において、前記第１及び第２の回折光は試料上の２つのエリアをコヒーレントに照明することを特徴とする干渉計。
3. 請求項１又は２に記載の干渉計において、前記第１及び第２の回折光は試料表面に対して斜めに投射され、
   前記第２の回折格子は試料表面で反射した第１及び第２の回折光を回折することを特徴とする干渉計。
4. 請求項１、２又は３に記載の干渉計において、前記検出器に形成される干渉画像は、前記第１の回折光と第２の回折光との間の伝搬光路長差による位相差情報を含むことを特徴とする干渉計。
5. 請求項１、２又は３に記載の干渉計において、前記検出器に形成される干渉画像は、前記試料表面の高さ変化に対応した位相差情報を含むことを特徴とする干渉計。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の干渉計において、前記第１及び第２の回折格子は、回折次数が隣接する２本の回折光を発生する位相回折格子により構成したことを特徴とする干渉計。
7. 請求項６に記載の干渉計において、前記位相回折格子は、２つの空間周波数成分を含む格子パターンに基づいて形成されていることを特徴とする干渉計。
8. 請求項７に記載の干渉計において、前記格子パターンは、２つの空間周波数成分の論理和により規定されていることを特徴とする干渉計。
9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の干渉計において、前記第１及び第２の回折格子は同一構造の回折格子により構成され、第１の回折格子は照明系の瞳位置又はその近傍に配置され、第２の回折格子は結像系の瞳位置又はその近傍に配置されていることを特徴とする干渉計。
10. 請求項７に記載の干渉計において、前記位相回折格子は、前記照明ビームの波長をλとした場合に、λ／４の深さの格子溝が、２つの空間周波数成分を含む格子パターンに基づいて形成された基板と、基板上に形成した反射膜とを有する反射型位相回折格子としたことを特徴とする干渉計。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載の干渉計において、前記試料と第１及び第２の回折格子との間の光路中に対物系が配置され、第１の回折格子から出射した第１及び第２の回折光は対物系を経て試料に入射し、試料で反射した第１及び第２の回折光は前記対物系を介して第２の回折格子に入射することを特徴とする干渉計。
12. 請求項１１に記載の干渉計において、前記対物系は、平面鏡と凹面鏡を有する無限遠焦点に設定された対物系により構成され、当該対物系の片側半分のエリアは照明系の一部を構成し、残りの半分のエリアは結像系の一部を構成することを特徴とする干渉計。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項に記載の干渉計において、前記照明源と第１の回折格子との間の光路中に視野絞りが配置され、視野絞りの像が試料上に投影されることを特徴とする干渉計。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項に記載の干渉計において、前記試料としてＥＵＶリソグラフィに用いられる反射型フォトマスクが用いられ、前記照明源として、発光ピーク波長が１３．５ｎｍのＥＵＶ光源が用いられることを特徴とする干渉計。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項に記載の干渉計において、前記試料はステージにより支持され、当該ステージは、試料を傾斜させるチルト機構を有し、前記試料の傾斜角度を走査することにより前記第１及び第２の回折光についてフリンジスキャンが行われることを特徴とする干渉計。
16. フォトマスクに形成された位相シフターの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置であって、
    照明ビームを発生する照明源と、照明源から出射した照明ビームをフォトマスクに向けて投射して、フォトマスク上の所定の距離だけ互いに横ずらしされた２つのエリアを照明するする照明系と、前記フォトマスクの２つのエリアで反射した反射光を受光する検出器と、前記フォトマスクの２つのエリアでそれぞれ反射した反射光を検出器に入射させる結像系と、フォトマスクを支持すると共にＸＹ移動機構及び試料を傾斜させるチルト機構を有するステージと、前記検出器から出力される出力信号を受け取り、位相シフターの位相シフト量を算出する信号処理装置とを具え、
    前記照明系は、前記照明源から出射した照明ビームを回折して第１及び第２の回折光を発生する第１の回折格子を含み、前記フォトマスクの２つのエリアは第１及び第２の回折光によりそれぞれ照明され、
    前記結像系は、前記フォトマスクから出射した反射光を回折して第３及び第４の回折光を形成し、第３及び第４の回折光を前記検出器上において互いに部分的に重なり合うように横ずらしする第２の回折格子を含み、
    前記検出器には、前記第３及び第４の回折光による干渉画像が形成され、
    前記ステージのチルト機構を用いてフォトマスクを連続的に傾斜させることにより、前記第１の回折光と第２の回折光との間に１周期分の光路長差が導入されてフリンジスキャンないし位相変調が行われ、
    前記信号処理装置は、前記検出器からの出力信号の信号強度と前記フリンジスキャン又は位相変調により導入される位相変調量とを用いて位相シフターの位相シフト量を算出することを特徴とする位相シフト量測定装置。
17. 請求項１６に記載の位相シフト量測定装置において、前記第１の回折光は測定すべき位相シフター及びその周囲の非位相シフター領域を含む第１のエリアを照明し、前記第２の回折光は第１のエリアから所定の距離だけ横ずらしされると共に前記位相シフター及びその周囲の非位相シフター領域を含む第２のエリアを照明し、
    前記検出器上に形成される干渉画像は、前記位相シフターで反射した第１の回折光と非位相シフター領域で反射した第２の回折光とにより形成される第１の干渉画像と、非位相シフター領域でそれぞれ反射した第１及び第２の回折光により形成される第２の干渉画像とを含み、
    前記信号処理装置は、前記第１の干渉画像と第２の干渉画像との位相差を求め、得られた位相差を位相シフターの位相シフト量として出力することを特徴とする位相シフト量測定装置。
18. 請求項１７に記載の位相シフト量測定装置において、前記検出器として、複数の画素が２次元アレイ状に配列された２次元撮像装置が用いられることを特徴とする位相シフト量測定装置。
19. 請求項１８に記載の位相シフト量測定装置において、前記信号処理装置は、前記第１及び第２の干渉画像の輝度値とフリンジスキャンないし位相変調により導入される位相変調量との関係を示す位相変調データを形成し、前記第１及び第２の干渉画像の位相変調データに基づいて前記位相差を算出することを特徴とする位相シフト量測定装置。
20. 請求項１９に記載の位相シフト量測定装置において、前記検出器上に形成される干渉画像は、さらに、位相シフターで反射した第１及び第２の回折光により形成される第３の干渉画像を含み、
    前記信号処理装置は、前記第２の干渉画像の位相変調データの振幅と第３の干渉画像の位相変調データの振幅とに基づいて位相シフターの吸収率を求めることを特徴とする位相シフト量測定装置。
21. 請求項１６から２０までのいずれか１項に記載の位相シフト量測定装置において、前記フォトマスクは、基板と、基板上に形成した反射膜と、反射膜上に形成され、位相シフターとして機能する吸収体パターンとを有し、ＥＵＶリソグラフィーに用いられるフォトマスクとし、
    前記吸収体パターンの位相シフト量が測定されることを特徴とする位相シフト量測定装置。
22. ＥＵＶリソグラフィに用いられるフォトマスクの吸収体パターンの位相シフト量を測定する位相シフト量測定装置であって、
    ＥＵＶ域の照明ビームを発生するＸ線源と、Ｘ線源から出射した照明ビームをフォトマスクに向けて投射して、フォトマスク上の所定の距離だけ互いに横ずらしされた２つのエリアを照明する照明系と、前記フォトマスクの２つのエリアで反射したＸ線ビームを受光する検出器と、前記フォトマスクの２つのエリアでそれぞれ反射したＸ線ビームを検出器に入射させる結像系と、フォトマスクを支持すると共にＸＹ移動機構及びフォトマスクを傾斜させるチルト機構を有するステージと、前記検出器から出力される出力信号を受け取り、吸収体パターンの位相シフト量を算出する信号処理装置とを具え、
    前記照明系は、前記Ｘ線源から出射した照明ビームを回折して第１及び第２の回折ビームを発生する第１の回折格子を含み、前記試料の２つのエリアは第１及び第２の回折ビームによりそれぞれ照明され、
    前記結像系は、前記フォトマスクから出射した反射ビームを回折して第３及び第４の回折ビームを形成し、第３及び第４の回折ビームを前記検出器上において互いに部分的に重なり合うように横ずらしする第２の回折格子を含み、
    前記検出器には、前記第３及び第４の回折ビームによる干渉画像が形成され、
    前記ステージのチルト機構を用いてフォトマスクを連続的に傾斜させることにより、前記第１の回折ビームと第２の回折ビームとの間に１周期分の光路長差が導入されてフリンジスキャンないし位相変調が行われ、
    前記信号処理装置は、前記検出器からの出力信号の信号強度と前記フリンジスキャン又は位相変調により導入される位相変調量とを用いて吸収体パターンの位相シフト量を算出することを特徴とする位相シフト量測定装置。
23. 請求項２２に記載の位相シフト量測定装置において、前記ＥＵＶ光源として発光ピーク波長が１３．５ｎｍのＥＵＶビームを放出するSn^＋プラズマ源が用いられることを特徴とする位相シフト量測定装置。
24. 請求項２３に記載の位相シフト量測定装置において、前記Sn^＋プラズマ源と第１の回折格子との間のパス中に分光器として作用する回折格子及び視野絞りが配置されていることを特徴とする位相シフト量測定装置。
25. 請求項２２、２３又は２４に記載の位相シフト量測定装置において、前記位相シフト量が測定されるべき吸収体パターンは、フォトマスクのパターン形成領域の外側の反射膜上にモニタパターンとして形成されていることを特徴とする位相シフト量測定装置。
26. 請求項２５に記載の位相シフト量測定装置において、前記検出器として、複数の画素が２次元アレイ状に配列された２次元撮像装置が用いられ、
    前記第１の回折ビームは測定すべきモニタパターン及び反射膜の周囲エリアを含む第１のエリアを照明し、前記第２の回折ビームは第１のエリアから所定の距離だけ横ずらしされると共に前記モニタパターン及び反射膜の周囲エリアを含む第２のエリアを照明し、
    前記検出器上に形成される干渉画像は、前記モニタパターンで反射した第１の回折ビームと反射膜で反射した第２の回折ビームとにより形成される第１の干渉画像と、反射膜でそれぞれ反射した第１及び第２の回折ビームにより形成される第２の干渉画像とを含み、
    前記信号処理装置は、前記第１の干渉画像と第２の干渉画像との位相差を求め、得られた位相差を吸収体パターンの位相シフト量として出力することを特徴とする位相シフト量測定装置。
27. 請求項２６に記載の位相シフト量測定装置において、前記信号処理装置は、前記第１及び第２の干渉画像の輝度値とフリンジスキャンにより導入される位相変調量との関係を示す第１及び第２の位相変調データを形成し、前記第１及び第２の位相変調データに基づいて第１の干渉画像と第２の干渉画像との間の位相差を算出することを特徴とする位相シフト量測定装置。
28. 請求項２７に記載の位相シフト量測定装置において、前記検出器上に形成される干渉画像は、さらに、モニタパターンで反射した第１及び第２の回折ビームにより形成される第３の干渉画像を含み、
    前記信号処理装置は、前記第２の干渉画像の位相変調データの振幅と第３の干渉画像の位相変調データの振幅とに基づいて位相シフターの吸収率を求めることを特徴とする位相シフト量測定装置。
    

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