(57)【要約】【課題】大型で高精度な計測用の光学系を用いることなく、被検光学系の光学特性を高精度に計測する。【解決手段】投影光学系の波面収差の計測方法において、投影光学系を通過した光束を、ガラス球１９中の入射角に応じて全反射を起こす選択的反射面１９Ａａに照射し、ガラス球１９を回転しつつ、選択的反射面１９Ａａを透過した光束をコリメータレンズ２０を介して撮像素子２１で受光し、撮像素子２１で得られる画像データから投影光学系の波面収差を求める。【選択図】図３
2010093055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の光学特性計測方法において、
前記光学系を介した光束を、入射角に応じて透過光の光量が変化する光学層に照射する工程と、
前記光束に対して、前記光学層を複数の角度で傾斜する工程と、
前記光学層の複数の傾斜角に対してそれぞれ前記光学層を透過した前記光束の光量分布情報を計測する工程と、
前記光量分布情報に基づいて前記光学系の光学特性を求める工程と、
を含むことを特徴とする光学特性計測方法。
【請求項２】
前記光学層は、前記光束を透過する球状部材の中心を通る面上、又はこの面の近傍に形成され、
前記光学系を介した光束を、前記球状部材の中心又はこの近傍で集光するように前記光学層に照射することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
【請求項３】
前記球状部材の中心の周りに、前記光学層を傾斜させることを特徴とする請求項２に記載の光学特性計測方法。
【請求項４】
前記球状部材の中心位置の情報を計測する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光学特性計測方法。
【請求項５】
前記光学層は、前記光束を透過する楔型部材の一面に形成され、
前記光学系を介した光束を、ほぼ平行光束に変換して前記光学層に照射することを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
【請求項６】
前記光学層は、全反射を生じる層であり、
前記光量分布情報に基づいて前記光学系の波面収差特性を求めることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
【請求項７】
前記光学層は、偏光膜であり、
前記光量分布情報に基づいて前記光学系の偏光特性を求めることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
【請求項８】
露光光でパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光方法において、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の光学特性計測方法を用いて前記投影光学系の結像特性を計測する工程を含むことを特徴とする露光方法。
【請求項９】
光学系の光学特性計測装置において、
入射角に応じて透過光の光量が変化する光学層を有する光学部材と、
前記光束に対して、前記光学層を傾斜させる傾斜機構と、
前記光学部材の前記光学層を透過した光束の光量分布情報を計測する光量分布計測装置と、
を備えることを特徴とする光学特性計測装置。
【請求項１０】
前記光学部材は、中心を通る面上又はこの面の近傍に前記光学層が形成された球状部材を備え、
前記光学系を介した光束は、前記球状部材の中心又はこの近傍で集光するように前記光学層に照射されることを特徴とする請求項９に記載の光学特性計測装置。
【請求項１１】
前記傾斜機構は、前記球状部材の中心の周りに前記光学層を傾斜させることを特徴とする請求項１０に記載の光学特性計測装置。
【請求項１２】
前記球状部材の中心位置の情報を計測する中心計測装置を備えることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の光学特性計測装置。
【請求項１３】
前記中心計測装置は、前記球状部材の表面に計測光を照射する照射系と、前記表面で反射された前記計測光を波面分割して受光する受光系とを有することを特徴とする請求項１２に記載の光学特性計測装置。
【請求項１４】
前記光学部材は、前記光学層が一面に形成されて、前記光束を透過する楔型部材を有し、
前記光学系を通過した光束を、ほぼ平行光束に変換して前記光学層に照射するコリメータレンズ系を備えることを特徴とする請求項９に記載の光学特性計測装置。
【請求項１５】
前記光量分布計測装置は、前記光学層を透過した光束を伝送する複数の光ファイバと、前記複数の光ファイバで伝送された光束を受光する複数の受光素子とを有することを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
【請求項１６】
前記複数の光ファイバの入射側の端面に蛍光材料を付加したことを特徴とする請求項１５に記載の光学特性計測装置。
【請求項１７】
前記光学層は、全反射を生じる層であり、
前記光量分布計測機構の計測結果に基づいて前記光学系の波面収差特性を求める演算装置を備えることを特徴とする請求項９から請求項１６のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
【請求項１８】
前記光学層は、多層膜であることを特徴とする請求項１７に記載の光学特性計測装置。
【請求項１９】
前記光学層は、偏光膜であり、
前記光量分布計測機構の計測結果に基づいて前記光学系の偏光特性を求める演算装置を備えることを特徴とする請求項９から請求項１６のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
【請求項２０】
露光光でパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光装置において、
請求項９から請求項１９のいずれか一項に記載の光学特性計測装置を備え、
前記光学特性計測装置で前記投影光学系の結像特性を計測することを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系の波面収差等の光学特性を計測する光学特性計測技術、及びこの光学特性計測技術を用いる露光技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイス又は液晶表示素子等のマイクロデバイス（電子デバイス）を製造するためのリソグラフィ工程中で、レチクル（又はフォトマスク等）のパターンを投影光学系を介してレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）の各ショット領域に転写露光するために、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置、又はスキャニングステッパー等の走査露光型の投影露光装置等の露光装置が使用されている。これらの露光装置において、レチクルのパターンの像を高精度に露光するためには、投影光学系の例えば波面収差で表される結像特性を所定の状態に維持する必要がある。そのためには、投影光学系の波面収差を例えばオンボディで高精度に計測する必要がある。
【０００３】
従来の波面収差計測装置としては、レチクル面のピンホールから射出した球面波を、被検光学系である投影光学系に通した後、計測用の対物レンズを用いて平面波に変換し、その平面波をマイクロレンズアレイによって波面分割し、波面分割した各光束を集光して撮像素子上に多数のスポット光を形成する、シャック・ハルトマン（Shack-Hartmann）方式の計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６１２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
露光装置においては近年、投影光学系の開口数（ＮＡ）として非常に大きい値が要求されるようになっている。そのように大きい開口数の投影光学系の波面収差を、従来のシャック・ハルトマン方式の計測装置で高精度に計測するためには、計測用の対物レンズを大型化する必要がある。しかしながら、対物レンズが大型化すると、それを含む計測装置を例えば露光装置のステージに組み込むことが困難になる。
【０００５】
さらに、シャック・ハルトマン方式では、計測用の対物レンズの波面収差が計測結果に直接影響するため、投影光学系の波面収差の計測精度を向上するためには、計測用の対物レンズの波面収差等の光学特性をさらに向上させる必要がある。しかしながら、対物レンズの大型化を抑制して、かつ光学特性を向上させるのは困難である。
本発明は、このような課題に鑑み、大型で高精度な計測用の光学系を用いることなく、被検光学系の光学特性を高精度に計測できる光学特性計測技術、及びこの光学特性計測技術を用いる露光技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による光学特性計測方法は、光学系の光学特性計測方法において、その光学系を介した光束を、入射角に応じて透過光の光量が変化する光学層に照射する工程と、その光束に対して、その光学層を複数の角度で傾斜する工程と、その光学層の複数の傾斜角に対してそれぞれその光学層を透過したその光束の光量分布情報を計測する工程と、その光量分布情報に基づいてその光学系の光学特性を求める工程と、を含むものである。
【０００７】
また、本発明による光学特性計測装置は、光学系の光学特性計測装置において、入射角に応じて透過光の光量が変化する光学層を有する光学部材と、その光束に対して、その光学層を傾斜させる傾斜機構と、その光学部材のその光学層を透過した光束の光量分布情報を計測する光量分布計測装置と、を備えるものである。
【０００８】
また、本発明による露光方法は、露光光でパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光方法において、本発明の光学特性計測方法を用いてその投影光学系の結像特性を計測する工程を含むものである。
また、本発明による露光装置は、露光光でパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光装置において、本発明の光学特性計測装置を備え、その光学特性計測装置でその投影光学系の結像特性を計測するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、光学特性の観測面が、入射角に応じて透過光の光量が変化する光学層となるため、大型で高精度な計測用の光学系を用いることなく、例えば大きい開口数を持つ光学系に対しても高精度に光学特性を計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［第１の実施形態］
以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１〜図５を参照して説明する。
図１は本実施形態の露光装置の概略構成を示す。図１において、露光用の光源１としてＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されているが、その他にＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８ｎｍ）又は水銀ランプ等も使用できる。光源１から射出されるほぼ直線偏光の照明光ＩＬ（露光光）は、周知のビーム送光系２を介して、例えば回転可能な１／２波長板及び１／４波長板等からなり、照明光ＩＬの偏光状態を異なる方向の直線偏光又は円偏光等に変換する偏光状態可変部３に入射する。
【００１１】
偏光状態可変部３を通過した照明光ＩＬは、光束の断面形状を変化させるためのビーム形状可変部４を介して、マイクロフライアイレンズ（又はフライアイレンズ）５に入射する。マイクロフライアイレンズ５の射出面（照明光学系の瞳面）に多数の二次光源からなる面光源が形成される。なお、マイクロフライアイレンズ５の代わりに、回折光学素子やロッドインテグレータ（内面反射型インテグレータ）等のオプティカルインテグレータを使用しても良い。また、その照明光学系の瞳面には、通常照明、輪帯照明、２極照明、変形照明等の種々の照明に切り替えるための可変開口絞り部（不図示）が設置されている。
【００１２】
マイクロフライアイレンズ５から射出された照明光ＩＬは、第１リレー光学系６、レチクルブラインド７、第２リレー光学系８Ａ、コンデンサ光学系８Ｂ、及び光路折り曲げ用のミラー９を介して、転写用のパターンが形成されたレチクルＲを均一な照度分布で照明する。ビーム送光系２からコンデンサ光学系８Ｂ及びミラー９までの部材を含んで照明光学系ＩＬＳが構成されている。光源１、偏光状態可変部３、及びビーム形状可変部４の動作は、コンピュータよりなり装置全体の動作を統括制御する主制御系１１内の照明系制御部によって制御されている。
【００１３】
照明光ＩＬのもとで、レチクルＲのパターンは投影光学系ＰＬを介してレジストが塗布されたウエハＷ上に転写露光される。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行な方向にＸ軸を、図１の紙面に垂直な方向にＹ軸を取って説明する。
本実施形態の投影光学系ＰＬを構成する所定の光学部材、例えばレンズエレメント１４Ａ，１４Ｂは、不図示のレンズ枠及びＺ方向に伸縮可能な３箇所の駆動素子１３Ａ，１３Ｂを介して鏡筒に支持されている。主制御系１１内の結像特性制御部が、駆動系１２を介して駆動素子１３Ａ，１３Ｂを駆動することによって、レンズエレメント１４Ａ，１４ＢのＺ方向の位置、並びにＸ軸及びＹ軸の周りの傾斜角を制御できる。これによって、投影光学系ＰＬの所定の結像特性（例えば波面収差）を補正できる。なお、駆動可能なレンズエレメント１４Ａ，１４Ｂの位置及び個数は、制御対象の結像特性に応じて任意に設定可能である。
【００１４】
次に、レチクルＲはレチクルステージＲＳＴ上に保持され、レチクルステージＲＳＴはレーザ干渉計（不図示）の計測値に基づいて、レチクルベース（不図示）上の光軸ＡＸに垂直な平面内でレチクルＲの移動又は位置決めを行う。一方、ウエハＷはウエハステージＷＳＴに保持され、ウエハステージＷＳＴはレーザ干渉計（不図示）の計測値に基づいて、ウエハベースＷＢ上の光軸ＡＸに垂直な平面内で連続移動及びステップ移動を行う。また、ウエハステージＷＳＴには、不図示のオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させるために、ウエハＷのフォーカス位置（光軸ＡＸ方向の位置）及び傾斜角を制御するＺステージ機構も組み込まれている。
【００１５】
露光時には、主制御系１１内の露光制御部の制御のもとで不図示のアライメント系によってレチクルＲとウエハＷとのアライメントが行われた後、偏光状態可変部３によって照明光ＩＬの偏光状態が所定状態に設定される。その後、光源１の発光を開始して、レチクルＲのパターンを一括露光方式又は走査露光方式で投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の１つのショット領域に転写する動作と、光源１の発光を停止して、ウエハＷをステップ移動する動作とが繰り返される。これによって、ウエハＷ上の全部のショット領域にレチクルＲのパターンの像が転写される。また、本実施形態の露光装置が国際公開第９９／４９５０４号パンフレットに示すような液浸型である場合には、投影光学系ＰＬとウエハＷとの間に不図示の液体供給機構から純水等の液体が供給される。
【００１６】
さて、このような露光に際しては、投影光学系ＰＬの結像特性が所定の状態に調整されている必要がある。そのためには、先ずその結像特性を高精度に計測する必要がある。そこで、ウエハベースＷＢ上にウエハステージＷＳＴと並列に計測ステージＭＳＴが移動可能に載置され、計測ステージＭＳＴには、投影光学系ＰＬの波面収差を計測するための波面収差測定器１８が、回転モータ２６によって９０°回転できるように設置されている。主制御系１１には、波面収差測定器１８の制御等を行う計測部１７が接続されている。
【００１７】
計測部１７は、波面収差測定器１８から供給される検出信号を処理して投影光学系ＰＬの波面収差の情報を求め、求めた情報を主制御系１１内の結像特性制御部に供給する。なお、波面収差測定器１８は、計測ステージＭＳＴに着脱可能に設定されてもよい。また、ウエハステージＷＳＴに波面収差測定器１８を設置してもよい。計測ステージＭＳＴには、レチクルＲのアライメントマークの像の位置を検出する空間像計測系（不図示）も設けられている。
【００１８】
本実施形態において投影光学系ＰＬの波面収差を計測する際には、図２に示すように、レチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲの代わりにテストレチクルＲ１がロードされる。図２において、テストレチクルＲ１のパターン面には、複数のピンホール１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ等が形成されており、照明光ＩＬの照射によって、ピンホール１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ等からそれぞれ照明光ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ等による球面波が投影光学系ＰＬに向けて射出される。照明光ＬＡによる球面波は、投影光学系ＰＬの瞳面（ほぼ開口絞りの配置面）上で、投影光学系ＰＬに波面収差がないときには点線で示す平面波１６となり、波面収差があるときには実線で示す非平面波１６Ａとなる。
【００１９】
さらに、計測ステージＭＳＴ上の波面収差測定器１８は、後述のガラス球１９を備えている。テストレチクルＲ１の例えば中央のピンホール１５Ａを用いる場合、ピンホール１５Ａから射出される照明光ＬＡによって、ピンホール１５Ａの投影光学系ＰＬによる像が形成される位置の近傍に、波面収差測定器１８のガラス球１９の中心（球心）１９Ａｃが設定されるように、計測ステージＭＳＴが位置決めされる。なお、他のピンホール１５Ｂ，１５Ｃ等の像を用いて波面収差を計測してもよい。
【００２０】
図３（Ａ）は図２の波面収差測定器１８を示す図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の右側面図である。図３（Ａ）において、ガラス球１９は、小さいほぼ完全な半球１９Ａと、半球１９Ａと同じ形状の半球の断面上にＸ方向の両端部を除いて所定深さの凹部１９Ｂａを形成した構造の半球１９Ｂとを接着等で貼り合わせた構造である。半球１９Ａ，１９Ｂの外面１９Ａｂ及び１９Ｂｂはほぼ完全な球面を形成し、その球面の中心、即ちガラス球１９の中心（球心）１９Ａｃは半球１９Ａの円形の断面の中心でもある。半球１９Ａ，１９Ｂはそれぞれ照明光ＩＬを透過する石英ガラス又は蛍石（ＣａＦ2 ）等のガラスから形成されている。このような半球１９Ａ，１９Ｂは、容易に極めて高精度に加工することができる。図１の露光装置の照明光ＩＬの光路にドライエアー又は窒素ガスが送風される場合、図３（Ａ）の半球１９Ｂの凹部１９Ｂａ内には空気又は窒素の層（気体層）が形成される。以下では、凹部１９Ｂａに対向する半球１９Ａの円形の断面を選択的反射面１９Ａａと呼び、選択的反射面１９Ａａの法線をＡ２とする。
【００２１】
このとき、照明光ＩＬの波長域において、半球１９Ａの屈折率ｎ１（ほぼ１．５）に対して、凹部１９Ｂａ内の気体層の屈折率ｎ２（ほぼ１．００）はかなり小さい。従って、外面１９Ａｂを透過して選択的反射面１９Ａａに入射する照明光の入射角θが、次式で定義される臨界角θｃ以上になると、図４（Ａ）に示すように透過率Ｔが急激に減少し、照明光は選択的反射面１９Ａａ（又はこの下の凹部１９Ｂａ（気体層））で全反射する。
【００２２】
sin θｃ＝ｎ２／ｎ１    …（１）
この意味で、凹部１９Ｂａを全反射層とも呼ぶ。また、凹部１９Ｂａの深さは、照明光が全反射を起こす範囲内でできるだけ浅くしてもよい。
図３（Ａ）において、通常の露光時には、ガラス球１９は、選択的反射面１９ＡａがＸＹ平面に平行な基準面Ａ１に合致するように保持され、波面収差の計測時には、ガラス球１９は、中心１９Ａｃを通りＹ軸に平行な軸の周りに可変の角度φだけ回転される。図３（Ａ）の状態では、ガラス球１９の外面１９Ａｂに入射する照明光ＬＡのうちの中央及び右端部の照明光ＬＡ２０，ＬＡ３０は選択的反射面１９Ａａ及び外面１９Ｂｂをそのまま透過し、左端部の照明光ＬＡ１０は選択的反射面１９Ａａで全反射されている。
【００２３】
そして、ガラス球１９の外面１９Ｂｂを透過した照明光を平行光束に変換するコリメータレンズ（対物レンズ）２０と、そのほぼ平行光束に変換された照明光を受光する多数の画素がＸ方向、Ｙ方向に所定ピッチで配列されたＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型の２次元の撮像素子２１とが配置されている。この場合、コリメータレンズ２０の前側焦点がガラス球１９の中心１９Ａｃに合致している。なお、投影光学系ＰＬに波面収差があるときには、投影光学系ＰＬを通過した照明光は中心１９Ａｃに完全には集光しないため、コリメータレンズ２０を通過した照明光も完全な平行光束にはならない。さらに、投影光学系ＰＬの瞳面と、撮像素子２１の撮像面とはほぼ共役であり、撮像素子２１の各画素には、投影光学系ＰＬの瞳面内の領域をＸ方向、Ｙ方向に所定ピッチで分割した多数の領域内の対応する領域、又はその近傍の領域を通過した照明光が入射する。
【００２４】
また、図３（Ｂ）に示すように、中心１９Ａｃを通りＹ軸に平行な回転軸２２Ａ，２２Ｂによってガラス球１９はＹ方向の両端部で支持され、回転軸２２Ａ，２２Ｂは不図示のフレームに軸受２３Ａ，２３Ｂを介して回転可能に支持されている。また、回転軸２２Ａを回転する回転モータ２４と、回転軸２２Ｂ（ガラス球１９）の回転角を計測するロータリエンコーダ２５とが設けられている。ロータリエンコーダ２５は、回転軸２２Ｂの端部に固定されたスケール板２５ａと、不図示のフレームに固定された検出部２５ｂとから構成されている。図３（Ｂ）では、入射する照明光ＬＡのうち、中心１９Ａｃを通りＺＹ平面に平行な面内の３つの照明光ＬＡ２１，ＬＡ２０，ＬＡ２２が示されている。ガラス球１９、コリメータレンズ２０、撮像素子２１、回転軸２２Ａ，２２Ｂ、回転モータ２４、及びロータリエンコーダ２５を含んで波面収差測定器１８が構成されている。
【００２５】
ロータリエンコーダ２５の検出部２５ｂの検出信号及び撮像素子２１の検出信号（撮像信号）が計測部１７に供給され、検出部２５ｂで計測されるガラス球１９の回転角及び主制御系１１からの制御情報に応じて、計測部１７は回転モータ２４を介してガラス球１９を回転する。また、計測部１７は、撮像素子２１の検出信号から後述のように投影光学系ＰＬの波面収差を求める。
【００２６】
次に、波面収差測定器１８を用いて投影光学系ＰＬの波面収差を計測する動作の一例につき図５のフローチャートを参照して説明する。この計測動作は、主制御系１１及び計測部１７によって制御される。
先ず、図２に示すように、計測ステージＭＳＴを駆動して、テストレチクルＲ１のピンホール１５Ａの投影光学系ＰＬによる像の位置に波面収差測定器１８のガラス球１９の中心１９Ａｃを合わせる（ステップ１０１）。このためには、例えばピンホール１５Ａの像の位置を、予め計測ステージＭＳＴ内の空間像計測系で検出しておいてもよい。次に、回転モータ２４を介して図３（Ａ）のガラス球１９の回転角φを計測レンジの下限に設定して、図２の照明光（露光光）ＩＬの照射を開始する（ステップ１０２）。その計測レンジの下限とは、照明光ＬＡのうちの左端部の照明光ＬＡ１０がガラス球１９の選択的反射面１９Ａａを透過する角度である。この状態では、撮像素子２１からの検出信号のうち、少なくとも中央の照明光ＬＡ２０から左端部の照明光ＬＡ１０までの照明光に対応する画素の検出信号は所定の閾値レベルよりも大きい値である。その閾値レベルは、例えば全反射が生じていないときの検出信号の平均値の１／２程度である。なお、右端部の照明光ＬＡ３０の近傍の照明光が、選択的反射面１９Ａａで全反射されていてもよい。
【００２７】
その後、回転モータ２４を介してガラス球１９を中心１９Ａｃの周りに時計周りに所定角度Δφだけ回転する（ステップ１０３）。所定角度Δφは、計測分解能であり、波面収差の計測精度等に応じて予め設定されている。そして、計測部１７は、撮像素子２１の各画素の検出信号を取り込み、各画素の検出信号中にその閾値レベルより低下して、選択的反射面１９Ａａで全反射が生じたとみなすことができる信号があるかどうかを判定する（ステップ１０４）。この際に、それまでのレベルがその閾値レベルよりも小さく、今回の計測でその閾値レベルを超えた検出信号については、全反射が解消された照明光の検出信号であるため、特に記憶する必要はない。
【００２８】
ステップ１０４で、閾値レベルより低下した検出信号がないときには、ステップ１０３に戻り、ガラス球１９の回転以降の動作を繰り返す。ステップ１０４で、閾値レベルより低下した検出信号があるときには、ステップ１０５に移行して、その閾値レベルより低下した検出信号を持つ画素（照明光に全反射が生じた画素）の位置と、そのときのガラス球１９の回転角φとを対応させて、計測部１７内のメモリに記憶する。これによって、投影光学系ＰＬの波面収差のＸ方向の変動に対応するデータが得られる。その後、回転角φが計測レンジの上限に達したかどうかを判定する（ステップ１０６）。その上限とは、照明光ＬＡのうちの右端部の照明光ＬＡ３０が選択的反射面１９Ａａで全反射される角度である。回転角φがその上限に達していないときには、ステップ１０３〜１０６の動作が繰り返されて、ガラス球１９をΔφだけ回転するごとに、ガラス球１９の外面１９Ｂｂを透過した照明光に対応する検出信号の変化がモニタされる。
【００２９】
ステップ１０６で、回転角φがその上限に達したときには、ステップ１０７に移行して、図２の回転モータ２６によって波面収差測定器１８をＺ軸に平行な軸の周りに９０°回転する。この結果、波面収差測定器１８の配置は、図３（Ａ）及び（Ｂ）でＸ軸とＹ軸とを入れ換えた配置となり、ガラス球１９はＸ軸に平行な軸の周りに回転される。その後、ステップ１０８において、ステップ１０１〜１０６と同じ動作を繰り返した後、回転モータ２６によって波面収差測定器１８を逆に９０°回転する。これにより投影光学系ＰＬの波面収差のＹ方向の変動に対応するデータが得られる。その後、計測部１７は、ステップ１０５及び１０８で得られたデータ（全反射が生じた画素の位置及び回転角φの情報）と、予め記憶されている基準データとを比較して、投影光学系ＰＬの波面収差を求める（ステップ１０９）。その基準データとは、一例として、露光装置の組立調整直後で、波面収差が極めて小さい状態の投影光学系ＰＬについて、図５のステップ１０１〜１０８までの動作を実行して得られたデータ、又は波面収差をほぼ０とみなしてシミュレーションを行って得られるデータである。
【００３０】
図４（Ｂ）は、その基準データ及び計測されたデータの一例を示す。図４（Ｂ）において、円形の領域は、図３（Ａ）の撮像素子２１の撮像面上で図２の投影光学系ＰＬの瞳に対応する領域である。また、Ｘ方向にほぼ等間隔の点線の複数の直線２７（曲線でもよい）は、図２の投影光学系ＰＬの波面収差が極めて小さい場合に、撮像素子２１の各画素のうちで、全反射が生じたときのガラス球１９の回転角φが同じ値φ１、φ２、…になる画素を連結した直線である。これに対して、実線の複数の曲線２７Ａは、投影光学系ＰＬが波面収差を持つ場合に、その回転角φが同じ値になる画素を連結した曲線である。実際には、直線２７及び曲線２７Ａは、Ｘ方向にもっと細かい間隔で形成される。曲線２７Ａのデータ（基準データ）は計測部１７内のメモリに記憶されている。直線２７に対する曲線２７Ａのシフト量から投影光学系ＰＬの瞳面内の各点のＸ方向の波面収差を求めることができる。
【００３１】
なお、直線２７に対応する波面と、曲線２７Ａに対応する波面との差分を求めることによって、波面収差を求めてもよい。同様に、ステップ１０８で計測されるデータと基準データとを比較することによって、投影光学系ＰＬの瞳面内の各点のＹ方向の波面収差を求めることができる。求められた波面収差の情報は図１の主制御系１１の結像特性制御部に供給される。その結像特性制御部は、その求められた波面収差を補正するように、駆動系１２を介して投影光学系ＰＬのレンズエレメント１４Ａ，１４ＢのＺ方向の位置等を制御する。
【００３２】
本実施形態の作用効果等は次の通りである。
（１）本実施形態では、波面収差測定器１８及び計測部１７を含む計測装置によって投影光学系ＰＬの波面収差を計測している。即ち、その波面収差の計測方法は、投影光学系ＰＬを通過した照明光ＬＡをガラス球１９の選択的反射面１９Ａａ及びその下の凹部１９Ｂｂ（全反射層）に照射するステップ１０２と、回転モータ２４によってガラス球１９を複数の回転角で回転するステップ１０３と、コリメータレンズ２０及び撮像素子２１よりなる計測系を用いて、ガラス球１９の複数の回転角に対して選択的反射面１９Ａａ及び凹部１９Ｂｂを透過した照明光の光量分布を計測するステップ１０５と、その光量分布の情報に基づいて投影光学系ＰＬの波面収差を求めるステップ１０９とを含んでいる。
【００３３】
この実施形態によれば、波面収差の観測面が、ガラス球１９内の選択的反射面１９Ａａとなり、照明光の入射角によって透過光が大きく変化する全反射を用いて各照明光の方向を高感度に検出するため、コリメータレンズ２０は、ガラス球１９からの光をほぼ平行光束に変換する程度の光学性能を有するのみでよい。従って、大型で高精度な計測用の光学系を用いることなく、例えば大きい開口数を持つ投影光学系ＰＬに対しても高精度に波面収差を計測できる。
【００３４】
なお、本実施形態では、傾斜の一態様としてガラス球１９（選択的反射面１９Ａａ）を回転しているが、選択的反射面１９Ａａを中心１９Ａｃの周りに時計方向及び反時計方向に次第に傾斜させて、それぞれ選択的反射面１９Ａａを透過した光量分布を計測してもよい。
（２）また、選択的反射面１９Ａａは、ほぼ完全な球体であるガラス球１９の中心１９Ａｃを通る面（この近傍の面でもよい）上にあり、図２に示すように、テストレチクルＲ１のピンホール１５Ａの像を中心１９Ａｃ又はその近傍に形成し、投影光学系ＰＬを通過した照明光を中心１９Ａｃ又はその近傍に集光している。この場合、ガラス球１９は、球体であるため、波面収差に対して検出系側の斜入射特性（例えば偏光方法による位相変化特性）を考慮しなくともよい、という利点がある。同様の利点は、波面収差の計測の場合のみでなく、後述のように偏光成分別の光量計測を行う場合などにも期待できる。また、ガラス球１９は、容易に極めて高精度に加工が可能である。
【００３５】
従って、投影光学系ＰＬを通過した照明光の波面収差は、ガラス球１９で実質的に変化しないため、投影光学系ＰＬの波面収差を高精度に計測できる。
（３）また、本実施形態では、選択的反射面１９Ａａ又はこの下層での全反射を用いて、ガラス球１９に入射する照明光の方向（ひいては、投影光学系ＰＬの瞳面上での照明光の波面の傾き）を計測しているため、その計測結果から計測部１７によって投影光学系ＰＬの波面収差を求めることができる。なお、計測部１７では計測されたデータ（図４（Ｂ）の曲線２７Ａのデータ）を例えば表示装置に出力し、そのデータからオペレータが投影光学系ＰＬの波面収差を定性的又は定量的に評価してもよい。
【００３６】
（４）本実施形態では、ガラス球１９の回転角をロータリエンコーダ２５で計測しているが、その他に、図３（Ｂ）の回転軸２２Ｂにポリゴンミラーを設け、このポリゴンミラーに照射して反射されるレーザ光を検出することによって、回転軸２２Ｂの回転角を計測してもよい。
（５）本実施形態の波面収差測定器１８で液浸型の露光装置の投影光学系ＰＬの波面収差を計測する場合には、図３（Ａ）のガラス球１９及びコリメータレンズ２０を液浸露光用の液体に浸すことが可能である。これによって、液浸時の投影光学系ＰＬの波面収差を計測できる。
【００３７】
（６）また、本実施形態の露光方法は、照明光ＩＬでレチクルＲを照明し、照明光ＩＬでレチクルＲ及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷを露光する露光方法において、上記の波面収差測定器１８及び計測部１７を用いて、図５の計測方法（計測工程）によって投影光学系ＰＬの波面収差を計測している。従って、例えば定期的にその計測方法を実行することによって、投影光学系ＰＬの結像特性を常に高精度に維持できる。
【００３８】
なお、本実施形態では、図６及び図７に示すような変形が可能である。先ず、図６の第１変形例は、波面収差測定器１８のガラス球１９の中心１９Ａｃの位置を計測する中心計測系を設けたものである。図３（Ａ）に対応する部分に同一符号を付した図６において、コリメータレンズ２０と撮像素子２１との間に、光軸にほぼ４５°で交差するようにハーフミラー３１が設置され、ハーフミラー３１の側面方向に小型のハーフミラー３０、コリメータレンズ２９、及び例えば可視域から赤外域の検出光ＤＬを導くライトガイドの端部等の光源部２８が配置されている。また、ハーフミラー３０の上部に、複数の小型レンズ３２ａを密着して配列した波面分割用のマイクロレンズアレイ３２と、２次元の撮像素子３３とが配置され、撮像素子３３の検出信号も図３（Ｂ）の計測部１７に供給される。この場合、コリメータレンズ２９の焦点距離は、光源部２８から射出された検出光ＤＬが、コリメータレンズ２９、ハーフミラー３０，３１、及びコリメータレンズ２０を介してガラス球１９の中心１９Ａｃの近傍に集光されるように設定されている。従って、この中心計測系はシャック・ハルトマン方式である。
【００３９】
図６において、光源部２８から射出された検出光ＤＬは、コリメータレンズ２９、ハーフミラー３０，３１、及びコリメータレンズ２０を介してガラス球１９の外面１９Ｂｂに入射する。外面１９Ｂｂで反射された検出光ＤＬは、コリメータレンズ２０及びハーフミラー３１，３０を介してマイクロレンズアレイ３２に入射して波面分割が行われる。マイクロレンズアレイ３２の各小型レンズ３２ａに入射した検出光はそれぞれ撮像素子３３の撮像面にスポット光ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３等を形成する。スポット光ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３は、ガラス球１９の外面１９Ｂｂ上の異なる位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を中心とする領域で反射された検出光である。従って、撮像素子３３の検出信号からスポット光ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３の直交する２方向への位置ずれ量を求めることによって、ガラス球１９の外面１９Ｂｂ上の位置Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のＸ軸、Ｙ軸に平行な軸の周りの傾斜角を求めることができ、これらの傾斜角からガラス球１９の中心１９ＡｃのＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置ずれ量を求めることができる。
【００４０】
例えばガラス球１９の回転角φを変えたときに、中心１９Ａｃの位置ずれが生じた場合には、その位置ずれ量に応じて波面収差の計測結果を補正することによって、その位置ずれの影響を相殺できる。なお、中心１９Ａｃの位置ずれが生じた場合に、図２の計測ステージＭＳＴによって、波面収差測定器１８（ガラス球１９）のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の位置を補正し、常にピンホール１５Ａの像の位置にガラス球１９の中心１９Ａｃを合わせるようにしてもよい。これによって、高精度に投影光学系ＰＬの波面収差を計測できる。
【００４１】
このようにシャック・ハルトマン方式の中心計測系を用いることによって、波面収差の計測中であっても、非接触でガラス球１９の中心位置を計測できる。なお、ガラス球１９の中心位置は、別の検出方式の計測系を用いて計測してもよい。
また、図７の第２変形例は、波面収差測定器１８のガラス球１９の選択的反射面１９Ａａの下面に多層膜３４によって全反射層を形成したものである。照明光ＬＡ（露光光）が軟Ｘ線等の波長１００ｎｍ程度以下のＥＵＶ光（極端紫外光）である場合、図３（Ａ）の凹部１９Ｂａ（気体層）では全反射が生じない。これに対して、多層膜３４は、ＥＵＶ光に対して全反射を生じる層である。従って、この第２変形例によれば、露光光としてＥＵＶ光を用いる投影光学系の波面収差を計測できる。なお、ＥＵＶ光は石英ガラス等でも吸収されるため、ＥＵＶ光の減衰を小さくするために、ガラス球１９はできるだけ小さくし、コリメータレンズ２０の代わりにミラー等を使用してもよい。
【００４２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態につき図８（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。本実施形態の波面収差測定器も、図２の計測ステージＭＳＴに波面収差測定器１８の代わりに組み込むことで、投影光学系ＰＬの波面収差を計測できる。なお、図８（Ａ）及び（Ｂ）において図３（Ａ）及び（Ｂ）に対応する部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４３】
図８（Ａ）は本実施形態の波面収差測定器１８Ａの要部を示す図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）の右側面図である。図８（Ａ）において、ガラス球１９の−Ｚ方向側に順次、多数の紫外光を伝播できる光ファイバ３５ａを束ねた光ファイバオプティックプレート３５及び撮像素子２１が配置されている。光ファイバオプティックプレート３５の多数の光ファイバ３５ａの入射端は、ガラス球１９の−Ｚ方向の外面を非接触で覆うように配置され、それらの多数の光ファイバ３５ａの射出端はそれぞれ撮像素子２１の対応する１つ又は複数個の画素の前面に配置されている。さらに、この実施形態でも、図８（Ｂ）に示すように、ガラス球１９は、回転モータ２４によって回転され、その回転角はロータリエンコーダ２５によってモニタされている。
【００４４】
本実施形態においては、ガラス球１９に入射する照明光ＬＡのうち、選択的反射面１９Ａａ及び凹部１９Ｂａ（全反射層）を透過する照明光は、光ファイバオプティックプレート３５を介して撮像素子２１で受光される。また、撮像素子２１で得られる光量分布は、図３（Ａ）の実施形態で得られる光量分布と同じにできる。従って、ガラス球１９を回転して、入射する照明光が全反射されるときの回転角φを撮像素子２１の各画素毎に求めることによって、図３（Ａ）の実施形態と同様に投影光学系ＰＬの波面収差を計測できる。
【００４５】
この実施形態においては、図９の変形例で示すように、光ファイバオプティックプレート３５の入射端に、ＡｒＦエキシマレーザ光等の紫外光の照射によって蛍光を発する蛍光膜３６を塗布してもよい。これによって、光ファイバオプティックプレート３５としては、可視光を伝播する安価な光ファイバ束を使用できるため、波面収差測定器の製造コストを低減できる。
【００４６】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態につき図１０を参照して説明する。本実施形態の波面収差測定器も、図２の計測ステージＭＳＴに波面収差測定器１８の代わりに組み込むことで、投影光学系ＰＬの波面収差を計測できる。なお、図１０において図２に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４７】
図１０は、本実施形態の波面収差測定器１８Ｂで投影光学系ＰＬの波面収差を計測する状態の要部を示す図である。図１０において、波面収差測定器１８Ｂは、投影光学系ＰＬによってピンホール１５Ａの像を形成する照明光ＬＡをほぼ平行光束に変換するコリメータレンズ３７と、コリメータレンズ３７からの光束が照射される楔型プリズム３８と、楔型プリズム３８を透過した光束を受光する２次元の撮像素子３９と、楔型プリズム３８をＹ軸に平行な軸３８ｃの周りに時計周り及び反時計周りに傾斜させる駆動部（不図示）と、撮像素子３９の検出信号を処理する計測部（不図示）とを備えている。
【００４８】
楔型プリズム３８は、光束の入射面３８ｂと射出面３８ａとが非平行であり、入射面３８ｂが入射する光束に対してほぼ垂直になるように配置される。さらに、射出面３８ａの外面の気体層が全反射層であり、入射面３８ｂから射出面３８ａに向かう照明光のうち、射出面３８ａに対する入射角が臨界角以上になった光束は、全反射によって撮像素子３９には入射しなくなる。また、撮像素子３９の各画素には投影光学系ＰＬの瞳面内の対応する領域を通過した照明光が入射する。従って、例えば点線の位置３８Ｒで示すように、楔型プリズム３８の傾斜角を次第に変化させて、撮像素子３９の各画素の検出信号の変化から、全反射が生じる（検出信号が急激に減少する）画素の位置と、このときの楔型プリズム３８の傾斜角とを求めることによって、図３（Ａ）の実施形態と同様に投影光学系ＰＬの波面収差を求めることができる。
【００４９】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態につき図１１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。本実施形態の偏光特性測定器を、図２の計測ステージＭＳＴに波面収差測定器１８の代わりに組み込むことで、投影光学系ＰＬの偏光特性を計測できる。なお、図１１（Ａ）及び（Ｂ）において図３（Ａ）及び（Ｂ）に対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５０】
図１１（Ａ）は本実施形態の偏光特性測定器１８Ｃの要部を示す図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の右側面図である。図１１（Ａ）において、ガラス球１９の選択的反射面１９Ａａの下面には全反射層として偏光子となる偏光膜４０が形成されている。偏光膜４０は、例えばＸ方向に振動する光束又はＹ方向に振動する光束を通過させる膜である。この他の構成は図３（Ａ）の実施形態と同様である。
【００５１】
この実施形態によれば、図３（Ａ）の実施形態と同様に、ガラス球１９を回転しながら撮像素子２１の検出信号を取り込むことによって、例えば投影光学系ＰＬの偏光成分別の波面収差（偏光特性）を求めることができる。
なお、本発明は、投影光学系だけでなく、照明光学系を測定対象とすることができる。また、投影光学系、照明光学系だけでなく、各種の光学装置、例えば、加工装置、検査装置等の光学系を測定対象にすることも可能である。
【００５２】
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスやマスク自体を製造するための露光装置にも広く適用できる。
【００５３】
このように本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１の実施形態の露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図である。
【図２】波面収差測定器１８を用いて投影光学系ＰＬの波面収差を計測している状態の要部を示す図である。
【図３】（Ａ）は図２中の波面収差測定器１８を示す図、（Ｂ）は図３（Ａ）の右側面図である。
【図４】（Ａ）は全反射特性を示す図、（Ｂ）は波面収差の計測結果の一例を示す図である。
【図５】第１の実施形態の波面収差計測方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施形態の第１変形例の要部を示す図である。
【図７】第１の実施形態の第２変形例の要部を示す図である。
【図８】（Ａ）は第２の実施形態の波面収差測定器１８Ａの要部を示す図、（Ｂ）は図８（Ａ）の右側面図である。
【図９】第２の実施形態の変形例を示す図である。
【図１０】第３の実施形態の波面収差測定器１８Ｂの概略構成を示す図である。
【図１１】（Ａ）は第４の実施形態の偏光特性測定器１８Ｃの要部を示す図、（Ｂ）は図１１（Ａ）の右側面図である。
【符号の説明】
【００５５】
ＩＬＳ…照明光学系、ＰＬ…投影光学系、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、１７…計測部、１８，１８Ａ，１８Ｂ…波面収差測定器、１８Ｃ…偏光特性測定器、１９…ガラス球、１９Ａ，１９Ｂ…半球、１９Ａａ…選択的反射面、１９Ｂａ…凹部（全反射層）、２０…コリメータレンズ、２１，３３…撮像素子、２４…回転モータ、２５…ロータリエンコーダ、３２…マイクロレンズアレイ、３４…多層膜、３５…光ファイバオプティックプレート、３６…蛍光膜、３８…楔型プリズム、４０…偏光膜
【図１】
2010093055.tif 000003
【図２】
2010093055.tif 000004
【図３】
2010093055.tif 000005
【図４】
2010093055.tif 000006
【図５】
2010093055.tif 000007
【図６】
2010093055.tif 000008
【図７】
2010093055.tif 000009
【図８】
2010093055.tif 000010
【図９】
2010093055.tif 000011
【図１０】
2010093055.tif 000012
【図１１】
2010093055.tif 000013