(57)【要約】【課題】計測用の光学系を大型化することなく、投影光学系の光学特性を効率的にかつ高精度に計測する。【解決手段】投影光学系ＰＬの光学特性を計測する計測装置において、物体面の複数の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）に配置される位相マーク２０が形成されたレチクルマーク板ＲＦＭと、計測点Ｐ（ｉ，ｊ）に対応する像面上の位置に配置される周期パターン３９が形成された蛍光膜３５と、位相マーク２０、投影光学系ＰＬ、及び周期パターン３９を通過した照明光ＩＬによって生成される検出光ＤＬを検出面に導くＦＯＰ３７と、検出光ＤＬを検出する撮像素子３８と、を備える。【選択図】図２
2011049286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の光学特性を計測する計測装置において、
前記第１面の複数の計測点に配置される複数の第１パターンが形成された第１パターン形成部材と、
前記第２面の前記複数の計測点に対応する位置に配置される複数の第２パターンが形成された第２パターン形成部材と、
前記複数の第１パターン、前記投影光学系、及び前記複数の第２パターンを通過した照明光によって生成される検出光を検出面に導き、複数の光ファイバーを束ねて形成される導光部材と、
前記検出面に配置される複数の画素を有し、前記導光部材によって導かれる前記検出光を検出する光電検出器と、
前記光電検出器の検出結果を処理して前記光学特性を求める処理装置と、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記導光部材の入射面側に形成され、前記第２パターンを通過した前記照明光を入射して蛍光を発する蛍光膜と、
前記蛍光膜と前記導光部材との間に形成され、前記蛍光を通過させる波長選択膜と、を備え、前記検出光は、前記波長選択膜を通過した前記蛍光であることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記複数の第１パターンのそれぞれは、周期的な位相パターンを含み、
前記複数の第２パターンのそれぞれは、前記位相パターンの前記投影光学系による像の異なる第１部分及び第２部分の像を形成する光を通過させる第１部分パターン及び第２部分パターンを含み、
前記処理装置は、前記投影光学系の複数の位置のフォーカス位置情報を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記照明光の波長をλとしたとき、正又は負の奇数ｎを用いて、前記位相パターンの位相差φは、
φ＝ｎλ／４
であることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記複数の第１パターンの前記位相パターンのピッチが互いに異なることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記複数の第１パターンのそれぞれは、スリットパターンを含み、
前記複数の第２パターンのそれぞれは、前記スリットパターンの前記投影光学系による像が形成される位置に配置される計測方向に非対称なパターンを含み、
前記処理装置は、前記投影光学系のディストーション情報を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
【請求項７】
前記投影光学系と前記第２パターンとの間の空間を含む液浸空間に前記照明光を透過する液体を供給する液体供給装置と、
前記液体の温度を計測する温度センサとを備え、
前記処理装置は、前記温度センサで計測される前記液体の温度に対応させて前記光学特性を求めることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記投影光学系と前記第２パターンとの間の空間を含む液浸空間に前記照明光を透過する液体を供給する液体供給装置を備え、
前記処理装置は、前記複数の計測点に関して求められる前記光学特性に基づいて前記液体中の異物の有無を判定することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の計測装置。
【請求項９】
第１面のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の光学特性を計測する計測方法において、
前記第１面の複数の計測点のそれぞれに第１パターンを配置し、
前記第２面の前記複数の計測点に対応する位置に第２パターンを配置し、
複数の前記第１パターンを照明光で照明し、前記第１パターン、前記投影光学系、及び前記第２パターンを通過した前記照明光によって生成される検出光を、複数の光ファイバーを束ねて形成される導光部材を介して検出面に導き、
前記導光部材によって前記検出面に導かれる前記検出光を複数の画素を有する光電検出器を介して検出し、
前記光電検出器の検出結果を処理して前記光学特性を求める
ことを特徴とする計測方法。
【請求項１０】
前記検出光を前記導光部材を介して前記検出面に導くときに、
前記第２パターンを通過した前記照明光を蛍光膜に通して前記検出光としての蛍光を発生することを特徴とする請求項９に記載の計測方法。
【請求項１１】
複数の前記第１パターンのそれぞれは、周期的な位相パターンを含み、
複数の前記第２パターンのそれぞれは、前記位相パターンの前記投影光学系による像の異なる第１部分及び第２部分の像を形成する光を通過させる第１部分パターン及び第２部分パターンを含み、
前記光学特性として、前記投影光学系の複数の位置のフォーカス位置情報を求めることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の計測方法。
【請求項１２】
前記照明光の波長をλとしたとき、正又は負の奇数ｎを用いて、前記位相パターンの位相差φは、
φ＝ｎλ／４
であることを特徴とする請求項１１に記載の計測方法。
【請求項１３】
前記複数の計測点にある前記第１パターンの前記位相パターンのピッチが互いに異なり、
前記光学特性として前記投影光学系の球面収差を求めることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の計測方法。
【請求項１４】
複数の前記第１パターンのそれぞれは、スリットパターンを含み、
複数の前記第２パターンのそれぞれは、前記スリットパターンの前記投影光学系による像が形成される位置に配置される計測方向に非対称なパターンを含み、
前記光学特性として、前記投影光学系のディストーション情報を求めることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の計測方法。
【請求項１５】
前記導光部材によって導かれる前記検出光を複数の画素を有する光電検出器を介して検出するときに、
前記投影光学系と前記第２パターンとの間の空間を含む液浸空間に前記照明光を透過する液体を供給しつつ、前記液体の温度を計測し、
前記液体の温度に対応させて前記光学特性を求め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計測方法。
【請求項１６】
前記導光部材によって導かれる前記検出光を複数の画素を有する光電検出器を介して検出するときに、
前記投影光学系と前記第２パターンとの間の空間を含む液浸空間に前記照明光を透過する液体を供給し、
前記複数の計測点に関して求められる前記光学特性に基づいて前記液体中の異物の有無を判定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計測方法。
【請求項１７】
投影光学系を介して物体上にパターンを露光する露光装置において、
前記投影光学系の光学特性を計測するために請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の計測装置を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項１８】
投影光学系を介して物体上にパターンを露光する露光方法において、
請求項９から請求項１６のいずれか一項に記載の計測方法を用いて前記投影光学系の光学特性を計測することを特徴とする露光方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の露光装置を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、
前記パターンが形成された前記基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の露光方法を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、
前記パターンが形成された前記基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学系の光学特性を計測する計測技術、この計測技術を用いる露光技術、及びこの露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィ工程で使用される露光装置においては、レチクル等に形成されたパターンを投影光学系を介してウエハ等の基板に高精度に転写するために、投影光学系の光学特性（例えば、ディストーション、像面湾曲、又は波面収差等）を所定の状態に維持する必要がある。そのためには、露光中に例えば定期的に投影光学系の光学特性を高精度に計測する必要がある。
【０００３】
従来の計測技術として、投影光学系を介して形成される位相パターンの像を２つの周期パターンを介してそれぞれ光電センサで検出し、これらの光電センサの検出信号の差分からその位相パターンの像のフォーカス位置（デフォーカス量）を検出する計測装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
また、従来の別の計測技術として、投影光学系を介して形成される２つの線状パターンの像を２つの楔状の開口パターンを介してそれぞれ光電センサで検出し、これらの光電センサの検出信号の差分からその線状パターンの像の横ずれ量（ひいてはディストーション）を検出する計測装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００９／００１８３４号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００９／００１８３５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
投影光学系の光学特性を効率的に計測するためには、投影光学系の像面内における露光領域の全面を覆うような広い領域で複数の計測用パターンの像の状態を一括して計測することが好ましい。しかしながら、従来のように検出光を周期パターン又は開口パターン等の検出用パターンを介して直接複数の光電センサで受光する装置において、受光面積を広くすると、外乱光又は検出対象の像とは異なる像からの光が各光電センサに入射して、計測精度が像面上の検出位置によって異なる恐れがある。
【０００６】
さらに、光電センサは熱源となるため、検出用パターンの熱変形等を抑制するためには、光電センサは像面からできるだけ離して配置することが好ましい。しかしながら、そのために複数の検出用パターンと複数の光電センサとの間にリレーレンズを配置するものとすると、計測装置が大型化する。
本発明はこのような事情に鑑み、計測用の光学系を大型化することなく、投影光学系の光学特性を効率的にかつ高精度に計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による計測装置は、第１面のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の光学特性を計測する計測装置において、その第１面の複数の計測点に配置される複数の第１パターンが形成された第１パターン形成部材と、その第２面のその複数の計測点に対応する位置に配置される複数の第２パターンが形成された第２パターン形成部材と、複数の光ファイバーを束ねて形成され、その複数の第１パターン、その投影光学系、及びその複数の第２パターンを通過した照明光によって生成される検出光を検出面に導く導光部材と、その検出面に配置される受光面を有し、その導光部材によって導かれるその検出光を検出する複数の画素を含む光電検出器と、その光電検出器の検出結果を処理してその光学特性を求める処理装置と、を備えるものである。
【０００８】
また、本発明による計測方法は、第１面のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の光学特性を計測する計測方法において、その第１面の複数の計測点のそれぞれに第１パターンを配置し、その第２面のその複数の計測点に対応する位置に第２パターンを配置し、複数のその第１パターンを照明光で照明し、その第１パターン、その投影光学系、及びその第２パターンを通過したその照明光によって生成される検出光を、複数の光ファイバーを束ねて形成される導光部材を介して検出面に導き、その導光部材によってその検出面に導かれるその検出光を複数の画素を有する光電検出器を介して検出し、その光電検出器の検出結果を処理してその光学特性を求めるものである。
【０００９】
また、本発明による露光装置又は露光方法は、投影光学系を介して物体上にパターンを露光する露光装置又は露光方法において、その投影光学系の光学特性を計測するために本発明の計測装置又は計測方法を用いるものである。
また、本発明によるデバイス製造方法は、本発明の露光装置又は露光方法を用いて基板上に感光層のパターンを形成することと、そのパターンが形成された基板を処理することと、を含むものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明よれば、複数の計測点にある第１パターンの投影光学系による像が、対応する位置にある第２パターン及び導光部材を介して光電検出器で一括して検出される。このように導光部材を介することによって、入射角の大きい外乱光等を排除して、第２パターンの形成面と光電検出器の受光面とを離すことができる。従って、計測用の光学系を大型化することなく、投影光学系の光学特性を効率的にかつ高精度に計測する
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の露光装置を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）は図１の投影光学系の光学特性を計測中の撮像ユニット３２を示す図、（Ｂ）は図２（Ａ）のレチクルマーク板ＲＦＭを示す平面図、（Ｃ）は図２（Ａ）の撮像ユニット３２を示す平面図である。
【図３】（Ａ）は図２（Ｂ）の一つの位相マーク２０を示す拡大平面図、（Ｂ）は位相マーク２０を示す拡大断面図、（Ｃ）は位相マーク２０の像の光強度分布の例を示す図である。
【図４】（Ａ）は図２（Ｃ）の撮像ユニット３２の１組の周期パターン等を示す拡大平面図、（Ｂ）はフォーカス信号の一例を示す図、（Ｃ）は投影光学系ＰＬの像面の計測結果の一例を示す図である。
【図５】光学特性の計測動作及び露光動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】投影光学系の像面を計測中の撮像ユニット３２を示す図である。
【図７】（Ａ）はピッチの異なる３種類の位相マークを示す拡大断面図、（Ｂ）は図７（Ａ）の位相マークの像を検出するための撮像ユニットの３組の周期パターンを示す拡大平面図、（Ｃ）は球面収差を計測中の投影光学系を示す図である。
【図８】第２の実施形態の露光装置の要部を示す一部を切り欠いた図である。
【図９】（Ａ）は第２の実施形態のフォーカス位置の計測結果の一例を示す図、（Ｂ）は図９（Ａ）の計測結果中の異常値を示す図である。
【図１０】（Ａ）は第３の実施形態の露光装置の要部を示す図、（Ｂ）は図１０（Ａ）のレチクルマーク板ＲＦＭを示す平面図、（Ｃ）は図１０（Ａ）の撮像ユニット３２Ａを示す平面図である。
【図１１】図１０（Ｂ）の一つの計測点の近傍の複数の評価用マークを示す拡大平面図である。
【図１２】第３の実施形態の撮像ユニットの１組の検出用パターンを示す拡大平面図である。
【図１３】（Ａ）は図１２の撮像ユニット上に投影される評価用マークの像を示す拡大平面図、（Ｂ）は像の位置ずれ量に対応する検出信号の一例を示す図、（Ｃ）は投影像のディストーションの一例を示す拡大平面図である。
【図１４】電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第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、本実施形態に係るスキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査露光型の露光装置ＥＸの概略構成を示す。図１において、露光装置ＥＸは、露光光源（不図示）と、この露光光源から射出される露光用の照明光（露光光）ＩＬによりレチクルＲ（マスク）を照明する照明光学系ＩＬＳとを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）上に投射する投影光学系ＰＬと、ウエハＷの位置決め及び移動を行うウエハステージＷＳＴと、装置全体の動作を統括制御するコンピュータよりなる主制御系２と、その他の駆動系等とを備えている。
【００１３】
以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに垂直な面（ほぼ水平面）内の直交する２方向にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。本実施形態では、走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ軸に平行な方向（Ｙ方向）である。
【００１４】
露光光源としてはＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）が使用されている。露光光源として、それ以外にＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）などの紫外パルスレーザ光源、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波発生装置、又は水銀ランプ等の放電ランプ等も使用することができる。
照明光学系ＩＬＳは、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されるように、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ、ロッドインテグレータ、回折光学素子など）等を含む照度均一化光学系、レチクルブラインド（可変視野絞り）、及びコンデンサ光学系等を含んでいる。また、通常照明、輪帯照明、又は４極（若しくは２極）照明等の照明条件に応じて、照明光学系ＩＬＳ内の瞳面（照明瞳面）に不図示の設定機構によって対応する開口絞りを設置してもよい。
【００１５】
照明光学系ＩＬＳは、露光時には、レチクルＲのパターン面（下面）のパターン領域上のＸ方向（非走査方向）に細長い矩形の照明領域１８Ｒを照明光ＩＬによりほぼ均一な照度分布で照明する。
レチクルＲはレチクルホルダ（不図示）を介してレチクルステージＲＳＴ上に吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴはレチクルベース１４のＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置され、その上面でＹ方向に一定速度で移動するとともに、Ｘ方向、Ｙ方向の位置及びθｚ方向の回転角の微調整を行う。レチクルステージＲＳＴの少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む２次元的な位置情報は、一例としてＸ軸のレーザ干渉計１６Ｘと、Ｙ軸の２軸のレーザ干渉計１６ＹＡ，１６ＹＢとを含むレチクル側干渉計によって計測され、この計測値がステージ駆動系４及び主制御系２に供給される。ステージ駆動系４は、その位置情報及び主制御系２からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してレチクルステージＲＳＴの速度及び位置を制御する。
【００１６】
レチクルステージＲＳＴの上面にレチクルＲに対してＹ方向に隣接するように、Ｘ方向に細長い矩形の平板状のレチクルマーク板ＲＦＭが固定され、レチクルマーク板ＲＦＭのパターン面（レチクルＲのパターン面と同じ高さの面）に所定の評価用マーク（後述）が形成されている。レチクルステージＲＳＴには、レチクルＲ及びレチクルマーク板ＲＦＭのパターン領域を囲むように照明光ＩＬを通すための開口が形成され、レチクルベース１４の照明領域１８Ｒに対向する領域に照明光ＩＬを通す開口が形成されている。
【００１７】
照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域１８Ｒ内の回路パターンは、両側テレセントリック（又はウエハ側に片側テレセントリック）の投影光学系ＰＬを介して所定の投影倍率（例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で、ウエハＷ上の一つのショット領域ＳＡ上の露光領域１８Ｗ（照明領域１８Ｒと共役な領域）に投影される。ウエハＷは、例えば直径が２００ｍｍ、３００ｍｍ等の円板状のシリコン等の基材上にフォトレジスト（感光剤）を塗布したものである。投影光学系ＰＬは例えば屈折系であるが、反射屈折系等も使用できる。レチクルのパターン面は投影光学系ＰＬの物体面に配置され、ウエハＷの表面（露光面）は投影光学系ＰＬの像面に配置される。
【００１８】
また、露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬのディストーション、像面湾曲、及び球面収差等の光学特性を制御する特性制御機構を備えている。特性制御機構は、投影光学系ＰＬ中の複数のレンズＬ１，Ｌ２の周囲の３箇所に設置されたＺ方向に伸縮可能なピエゾ素子等の駆動素子１２Ａ，１２Ｂと、駆動素子１２Ａ，１２Ｂの駆動量を制御する駆動系１０と、主制御系２からの制御情報に応じて駆動系１０を介してレンズＬ１，Ｌ２の位置及び傾斜角を制御する特性制御系８とを有する。なお、駆動対象のレンズの個数及び配置は、制御対象の結像特性に応じて設定される。
【００１９】
一方、ウエハＷはウエハホルダＷＨを介してウエハステージＷＳＴに吸着保持されている。ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ２４と、この上に設置されウエハＷを保持するウエハホルダＷＨが設けられたＺチルトステージ２２とを含んでいる。ＸＹステージ２４は、ウエハベース２６のＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置され、その上面をＸ方向、Ｙ方向に移動し、必要に応じてθｚ方向の回転角が補正される。Ｚチルトステージ２２は、例えばＺ方向に変位可能な３箇所のＺ駆動部を含むフォーカスレベリング機構（不図示）を有し、このフォーカスレベリング機構を駆動することで、Ｚチルトステージ２２の上面（ウエハＷ）の光軸ＡＸ方向の位置（フォーカス位置又はＺ位置）、及びθｘ方向、θｙ方向の傾斜角を制御可能である。
【００２０】
また、Ｚチルトステージ２２上のウエハホルダＷＨの近傍に、レチクルマーク板ＲＦＭの複数の評価用マークの投影光学系ＰＬによる像の状態を計測するための撮像ユニット３２が固定されている。撮像ユニット３２の上部の検出用パターンが形成された面はウエハＷの表面とほぼ同じ高さに設定され、その検出用のパターンは保護膜３４で覆われている（詳細後述）。
【００２１】
さらに投影光学系ＰＬの側面に、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書等に開示されるものと同様の構成の、ウエハＷの表面等の被検面の複数点でのフォーカス位置（Ｚ位置）を計測する斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ（不図示）が設けられている。ステージ駆動系４は、そのオートフォーカスセンサの計測結果に基づいて、被検面が投影光学系ＰＬの像面に対して所定の関係を維持するように、オートフォーカス方式でＺチルトステージ２２を駆動する。
【００２２】
ウエハステージＷＳＴ（Ｚチルトステージ２２）の少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む２次元的な位置情報が、一例としてＸ軸の２軸のレーザ干渉計２８ＸＰ，２８ＸＦと、Ｙ軸の２軸のレーザ干渉計２８ＹＡ，２８ＹＢとを含むウエハ側干渉計によって計測され、この計測値がステージ駆動系４及び主制御系２に供給される。ステージ駆動系４は、その位置情報及び主制御系２からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介して、ウエハステージＷＳＴのＸＹステージ２４の２次元的な位置を制御する。
【００２３】
また、投影光学系ＰＬの側面において、ウエハＷ上のアライメントマークの位置を計測するための、オフアクシス方式で例えば画像処理方式のウエハアライメント系３０が不図示のフレームに支持されている。また、Ｚチルトステージ２２内に、レチクルＲのアライメントマーク（不図示）等の像を検出する空間像計測系（不図示）が設置されている。空間像計測系及びウエハアライメント系３０の検出結果はアライメント制御系（不図示）に供給され、その検出結果からレチクルＲ等及びウエハＷのアライメントを行うことができる。
【００２４】
露光時には、レチクルＲの照明領域１８Ｒ内のパターンの投影光学系ＰＬによる像をウエハＷ上の一つのショット領域上に露光しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを駆動して、レチクルＲとウエハＷとをＹ方向に投影倍率を速度比として同期して移動することで、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。その後、ウエハステージＷＳＴを駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、その走査露光動作とを繰り返すことによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。
【００２５】
この露光に際して、例えば投影光学系ＰＬに対する照明光ＩＬの積算照射エネルギー及び周囲の気圧（大気圧）等によって投影光学系ＰＬの光学特性が次第に変動するため、その変動量を相殺するように上記の特性制御系８及び駆動素子１２Ａ，１２Ｂ等を含む特性制御機構が駆動される。また、光学特性としてのベストフォーカス位置が変動する場合には、その変動量に応じて例えばＺチルトステージ２２が駆動される。さらに、一例として、その特性制御機構を用いても残存している投影光学系ＰＬの光学特性の変動量（残存収差）を計測するために、レチクルマーク板ＲＦＭ及び撮像ユニット３２を含む計測装置が使用される。即ち、投影光学系ＰＬの光学特性を計測する場合には、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを駆動することによって、図２（Ａ）に示すように、レチクルマーク板ＲＦＭのパターン領域が照明光ＩＬの照明領域１８Ｒに移動され、ウエハステージＷＳＴの撮像ユニット３２の上面が露光領域１８Ｗに移動される。図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は図２（Ａ）のレチクルマーク板ＲＦＭ及び撮像ユニット３２を示す平面図である。
【００２６】
図２（Ｂ）に示すように、レチクルマーク板ＲＦＭの照明領域１８Ｒ内のパターン領域には、Ｘ方向及びＹ方向に所定間隔で、かつＸ方向にＩ行でＹ方向にＪ列に配列されたＩ×Ｊ個の計測点が設定され、そのうちの＋Ｘ方向にｉ番目で＋Ｙ方向にｊ番目の計測点がＰ（ｉ，ｊ）である（１≦ｉ≦Ｉ，１≦ｊ≦Ｊ）。整数Ｉは例えば１０〜２０程度、整数Ｊは例えば５〜１０程度であり、図２（Ｂ）の例では、Ｉ＝１３，Ｊ＝７である。また、各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）に中心が来るようにそれぞれ評価用マークとしての位相マーク２０が形成されている。さらに、そのパターン領域のＸ方向の両端部にアライメントマークＦＭ１，ＦＭ２が形成されている。なお、図２（Ａ）等では、説明の便宜上、計測点Ｐ（ｉ，ｊ）は光軸ＡＸ上に配置されているが、その位置は任意である。
【００２７】
位相マーク２０は、図３（Ａ）の拡大平面図及びその図３（Ｂ）の断面図で示すように、Ｙ方向に細長い矩形の複数の凹部２０ａをＸ方向（計測方向）にピッチ（周期）Ｐ１で形成したものである。凹部２０ａのＸ方向の幅と、これらの間の凸部２０ｂのＸ方向の幅とはほぼ等しい。投影光学系ＰＬの投影倍率をβとして、投影像の段階でのピッチＰ１の値（＝β・Ｐ１）は、例えば数μｍ〜数１０μｍである。また、位相マーク２０に照射される光（照明光ＩＬ）の波長をλとしたとき、正又は負の奇数ｎを用いて、凹部２０ａを通過する光の位相と、凸部２０ｂを通過する光の位相との位相差φは、ほぼ次のように設定されている。この場合、位相差φはほぼ９０°又は２７０°（−９０°）である。
【００２８】
φ＝ｎλ／４  …（１）
なお、本実施形態では、凹部２０ａを通過する光に対する凸部２０ｂを通過する光の位相差φは、ほぼ９０°（ｎ＝…，−７，−３，１，５，…）に設定されている。なお、凹部２０ａを通過する光に対する凸部２０ｂを通過する光の位相差φは、ほぼ２７０°（ｎ＝…，−５，−１，３，７，…）に設定されていてもよい。
【００２９】
この場合、図３（Ｂ）の位相マーク２０が投影光学系ＰＬの物体面上に配置されているものとして、位相マーク２０の投影光学系ＰＬの像のＸ方向の光強度分布は、図３（Ｃ）のＩＡ１，ＩＡ２，ＩＡ３のようになる。図３（Ｃ）において、光強度分布ＩＡ１は、位相マーク２０の像を計測する計測面（後述の検出用パターンが配置される面）が投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置にあるときの分布であり、光強度分布ＩＡ１は位相マーク２０の凹部２０ａ及び凸部２０ｂの像の中心で同じ値のピークとなる。従って、光強度分布ＩＡ１はＸ方向にピッチβ・Ｐ１／２の正弦波状である。
【００３０】
また、光強度分布ＩＡ２は、計測面が投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置に対して＋Ｚ方向（上方）にずれたときの分布であり、光強度分布ＩＡ２は位相マーク２０の凸部２０ｂの像の中心のピークが小さくなる。さらに、光強度分布ＩＡ３は、計測面が投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置に対して−Ｚ方向にずれたときの分布であり、光強度分布ＩＡ３は、位相マーク２０の凹部２０ａの像の中心のピークが小さくなる。さらに、計測面のデフォーカス量が大きくなるほど、凹部２０ａの像のピークと凸部２０ｂの像のピークとの差は大きくなる。撮像ユニット３２は、そのようなデフォーカスの状態による光強度分布ＩＡ１〜ＩＡ３の変化に基づいて受光面のデフォーカス量を計測する。
【００３１】
図２（Ａ）において、撮像ユニット３２は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳよりなる２次元の撮像素子３８と、撮像素子３８の多数の画素がＸ方向及びＹ方向に格子状に配置された検出面３８ａに設置され、多数の可視光を透過する光ファイバーを束ねて形成されたファイバーオプティックプレート（以下、ＦＯＰという。）３７と、ＦＯＰ３７の入射面（上面）に形成された波長選択膜３６と、波長選択膜３６上に形成された蛍光膜３５と、蛍光膜３５の上面（計測面）に形成された検出用パターンとしての複数の周期パターン３９と、これらの周期パターン３９を覆うように蛍光膜３５上に形成された保護膜３４とを備えている。
【００３２】
投影光学系ＰＬを通過した照明光ＩＬは、保護膜３４及び周期パターン３９を介して蛍光膜３５に入射する。蛍光膜３５は、紫外光である照明光ＩＬの照射によって高い変換効率で蛍光としての可視域の検出光ＤＬを発生し、検出光ＤＬ及び変換されなかった紫外光は波長選択膜３６に入射する。波長選択膜３６は検出光ＤＬをＦＯＰ３７側に透過し、変換されなかった紫外光（照明光ＩＬ）を反射する。検出光ＤＬは、ＦＯＰ３７によって入射面における光強度分布を維持した状態で撮像素子３８の多数の画素が配置された検出面３８ａに導かれ、撮像素子３８の検出信号は図１の演算装置６に供給される。演算装置６は、その検出信号を処理して投影光学系ＰＬの所定の結像特性を求める。保護膜３４は、空気や水蒸気から下層の膜を保護する。なお、撮像ユニット３２を液浸露光を行う露光装置に用いる場合には、保護膜３４は耐水性又は撥水性であることが好ましい。
【００３３】
撮像ユニット３２の上面の形状、ひいてはＦＯＰ３７の断面形状、及び撮像素子３８の検出面３８ａの形状は、図２（Ｃ）に示すように、露光領域１８ＷよりもＸ方向及びＹ方向の幅が広く設定されている。露光領域１８ＷのＸ方向の幅は例えば２６ｍｍ程度、Ｙ方向の幅（スリット幅）は例えば８ｍｍ程度であり、撮像素子３８の検出面３８ａは例えばＸ方向の幅が３０ｍｍ程度、Ｙ方向の幅が１０ｍｍ程度でもよい。ＦＯＰ３７は、多数の可視光を透過する外径が３〜６μｍ程度の光ファイバーを入射面と射出面とが同じ配列になるように束ね、入射面及び射出面を研磨したものである。ＦＯＰ３７の高さは例えば数ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。ＦＯＰ３７としては、浜松ホトニクス（株）又はショット社等の製品を使用可能である。撮像素子３８としては、画素サイズが１０μｍ程度又はそれより大きい撮像素子を使用可能である。蛍光膜３５及び波長選択膜３６を合わせた厚さは、横方向の分解能を高く維持するために、ＦＯＰ３７を構成する１つの光ファイバーの直径程度又はこれより薄いことが好ましい。
【００３４】
また、保護膜３４は、例えば二酸化ケイ素の薄膜である。蛍光膜３５は、例えばフッ化物（例えばフッ化ランタン（ＬａＦ3)）の母材に対して遷移金属及び希土類元素から選択される賦活剤（例えばユーロピウム（Ｅｕ））をドープした材料で形成される。なお、賦活剤の濃度は、フッ化物の母材に対して例えば陽イオン比で１モル％〜１０モル％の範囲で設定され、好ましくは約５モル％である。波長選択膜３６は、例えば可視光を透過して紫外光を反射する誘電体多層膜ミラーで構成されている。
【００３５】
撮像ユニット３２の蛍光膜３５の上面に形成された多数の周期パターン３９の中心は、図２（Ｃ）に示すように、レチクルマーク板ＲＦＭの計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の配列を投影光学系ＰＬの投影倍率βで縮小した配列で設定されている計測点Ｑ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｉ，ｊ＝１〜Ｊ）に配置されている。なお、本実施形態の投影光学系ＰＬは倒立像を形成するものとしているため、計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の配列は計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の配列を配列中心に関して反転したものである。投影光学系ＰＬの光学特性の計測時には、レチクルマーク板ＲＦＭの計測点Ｐ（ｉ，ｊ）と投影光学系ＰＬに関して共役な位置に撮像ユニット３２の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）が配置される。
【００３６】
図２（Ｃ）の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）にある周期パターン３９は、図４（Ａ）の拡大図で示すように、遮光膜中にＹ方向に細長い幅β・Ｐ１／２の複数の開口パターン３９ＡａをＸ方向にピッチβ・Ｐ１で形成した第１周期パターン３９Ａと、遮光膜中に開口パターン３９Ａａの間に位置するように、開口パターン３９Ａａに対して位相をずらして配置され、開口パターン３９Ａａと同じ大きさの複数の開口パターン３９ＢａをＸ方向に周期β・Ｐ１で形成した第２周期パターン３９Ｂとを、Ｙ方向に近接して形成したものである。周期パターン３９のＹ方向の長さは、位相マーク２０の像２０ＰのＹ方向の長さよりも或る程度長く設定されている。投影光学系ＰＬの光学特性の計測時には、計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の位相マーク２０の像２０Ｐの−Ｙ方向及び＋Ｙ方向のほぼ１／２の部分が、それぞれ周期パターン３９Ａ及び３９Ｂ上に重ねて形成される。さらに、位相マーク２０の像２０Ｐのうちの凹部２０ａの像２０ａＰが周期パターン３９Ａの開口パターン３９Ａａ内に形成され、凸部２０ｂの像２０ｂＰが周期パターン３９Ｂの開口パターン３９Ｂａ内に形成される。
【００３７】
また、図２（Ａ）の撮像素子３８のうちで、計測点Ｑ（ｉ，ｊ）上の第１周期パターン３９Ａを通過した照明光ＩＬ（実際には蛍光）を検出する複数の画素を画素群３８Ａｉｊと呼び、第２周期パターン３９Ｂを通過した照明光ＩＬ（実際には蛍光）を検出する複数の画素を画素群３８Ｂｉｊと呼ぶ。図１の演算装置６内で図４（Ａ）の画素群３８Ａｉｊ，３８Ｂｉｊの検出信号を処理する部分を演算ユニット６Ａｉｊとすると、演算ユニット６Ａｉｊは、画素群３８Ａｉｊからの検出信号の和と、画素群３８Ｂｉｊからの検出信号の和との差分を各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）に関するフォーカス信号ＳＦｉｊ（ｉ＝１〜Ｉ，ｊ＝１〜Ｊ）として出力する。
【００３８】
図３（Ｃ）を参照して説明したように、周期パターン３９Ａ，３９Ｂの形成面（計測面）が投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置にあるときには、開口パターン３９Ａａ，３９Ｂａ内の光量が同じであり、フォーカス信号ＳＦｉｊは０になる。一方、計測面がベストフォーカス位置より上方にずれると、開口パターン３９Ｂａ内の光量が減少し、計測面がベストフォーカス位置より下方にずれると、開口パターン３９Ａａ内の光量が減少する。従って、フォーカス信号ＳＦｉｊは、図４（Ｂ）に示すように、特に計測面のベストフォーカス位置からのデフォーカス量ΔＺｉｊが小さい範囲では、デフォーカス量ΔＺｉｊにほぼ比例して変化する。図２（Ｃ）の全部の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）において、それぞれフォーカス信号ＳＦｉｊが検出される。そこで、演算装置６内のフォーカス演算部は、全部の演算ユニット６Ａｉｊから出力されるフォーカス信号ＳＦｉｊからそれぞれデフォーカス量ΔＺｉｊを求める。この場合の計測面をデフォーカス量ΔＺｉｊだけ補正した位置が対応する計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるベストフォーカス位置となる。
【００３９】
次に、本実施形態の露光装置ＥＸにおける投影光学系ＰＬの光学特性の計測動作及び露光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。この動作は主制御系２の制御のもとで、露光工程中に例えば定期的に実行される。先ず、図５のステップ１０２において、レチクルステージＲＳＴを駆動して、図２（Ａ）に示すように、レチクルマーク板ＲＦＭの各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の位相マーク２０が照明領域１８Ｒに移動される。この際にアライメントマークＦＭ１，ＦＭ２をウエハステージＷＳＴの空間像計測系（不図示）で検出することで、レチクルマーク板ＲＦＭのアライメントが行われる。次のステップ１０４において、ウエハステージＷＳＴを駆動して、露光領域１８Ｗ内の各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の位相マーク２０の像の位置に撮像ユニット３２の対応する計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の周期パターン３９Ａ及び３９Ｂを移動する。この際に、それまでの光軸ＡＸ上での投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置のＺ座標を０とすると、撮像ユニット３２の蛍光膜３５の上面（周期パターン３９Ａ，３９Ｂが形成された計測面）は、一例として、座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）上でＺ＝０の位置にあるＸＹ平面に平行に設定される。
【００４０】
次のステップ１０６において、各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）において、それぞれ周期パターン３９Ａ及び３９Ｂを通過した照明光ＩＬによって蛍光膜３５で生成される検出光ＤＬ（蛍光）をＦＯＰ３７を介して撮像素子３８に導く。次のステップ１０８において、撮像素子３８の複数の画素群の検出信号を演算ユニット６Ａｉｊに入力し、周期パターン３９Ａ及び３９Ｂを通過する光量の差分に対応するフォーカス信号ＳＦｉｊを検出する。次のステップ１１０において、演算装置６内のフォーカス演算部は、各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるフォーカス信号ＳＦｉｊからそれぞれデフォーカス量ΔＺｉｊ（ひいてはベストフォーカス位置）を求める。さらに、フォーカス演算部は、各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）のデフォーカス量ΔＺｉｊを用いて、最小自乗法によって、レチクルマーク板ＲＦＭの各位相マーク２０の像のベストフォーカス位置を結ぶ曲面（実際の像面）の座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）上での一次近似平面ＩＰＡ（図４（Ｃ）参照）のＺ軸のオフセットＺｏｆ、θｙ方向のチルト角Ｔｘ（ｒａｄ）、及びθｘ方向のチルト角Ｔｙ（ｒａｄ）を算出して記憶する。これらのパラメータを用いてその一次近似平面は次のように表される。
【００４１】
Ｚ＝Ｚｏｆ−Ｔｘ・Ｘ−Ｔｙ・Ｙ  …（２）
次のステップ１１２で、レチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲがロードされ、このアライメントが行われる。次のステップ１１４でウエハステージＷＳＴ上に未露光のウエハ（ウエハＷとする）がロードされ、このアライメントが行われる。次のステップ１１６で、露光装置ＥＸにおいて、ウエハＷの各ショット領域ＳＡにレチクルＲのパターンの像が走査露光される。この際に、ウエハＷの表面の露光領域１８Ｗ内の領域が、式（２）で規定される近似像面に接するように、Ｚチルトステージ２２内のフォーカスレベリング機構が駆動される。これによって、レチクルＲのパターンの像が高解像度でウエハＷの各ショット領域に露光される。
【００４２】
なお、式（２）に従ってフォーカスレベリング機構を駆動する際に、図１のレーザ干渉計２８ＹＡ，２８ＹＢの計測値が変わらないようにチルト角Ｔｙを補正すると、Ｚチルトステージ２２の計測ビームの照射点と露光領域１８Ｗの中心とのＹ方向の間隔ＬＹを用いて、Ｔｙ・ＬＹだけ露光領域１８ＷのＺ位置が変化する。この場合には、そのＺ位置の変化を相殺するようにウエハＷのＺ位置を補正すればよい。これはチルト角Ｔｘに関しても同様である。次のステップ１１８でウエハＷがアンロードされ、次のステップ１２０において露光対象のウエハがなくなるまで、ステップ１１４〜１１８の露光が繰り返される。
【００４３】
本実施形態の作用効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の露光装置ＥＸの計測装置は、物体面（第１面）のパターンの像を像面（第２面）上に形成する投影光学系ＰＬの光学特性を計測する計測装置において、物体面の複数の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）に配置される複数の位相マーク２０（第１パターン）が形成されたレチクルマーク板ＲＦＭ（第１パターン形成部材）と、像面の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）に対応する複数の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）に配置される複数の周期パターン３９Ａ，３９Ｂ（第２パターン）が形成された蛍光膜３５（第２パターン形成部材）と、位相マーク２０、投影光学系ＰＬ、及び周期パターン３９Ａ，３９Ｂを通過した照明光ＩＬによって生成される検出光ＤＬを検出面に導くＦＯＰ３７（導光部材）と、その検出面に配置される複数の画素を有し検出光ＤＬを検出する撮像素子３８と、撮像素子３８の検出信号を処理して各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるデフォーカス量（フォーカス位置情報）等を求める演算装置６とを備えている。
【００４４】
また、その計測装置を用いた計測方法は、ステップ１０２〜１１０の工程によって投影光学系ＰＬのデフォーカス量等を求めている。
本実施形態よれば、複数の計測点にある位相マーク２０の投影光学系ＰＬによる像が、対応する計測点にある周期パターン３９Ａ，３９Ｂ及びＦＯＰ３７を介して撮像素子３８で一括して検出される。このようにＦＯＰ３７を介することによって、入射角の大きい外乱光及び離れた位置にある像からの光等を排除して、周期パターン３９Ａ，３９Ｂを通過した光を高いＳＮ比で検出できる。さらに、周期パターン３９Ａ，３９Ｂの形成面（計測面）と撮像素子３８の検出面３８ａとを離すことができるため、撮像素子３８の発熱の影響が軽減されている。従って、計測用の光学系を大型化することなく、撮像ユニット３２を小型な装置として構成できるとともに、投影光学系ＰＬの露光領域１８Ｗの全面の光学特性を一括して効率的にかつ高精度に計測できる。
【００４５】
なお、所定のパターンが計測点Ｐ（ｉ，ｊ）に配置される場合とは、所定のパターンの中心がほぼ計測点Ｐ（ｉ，ｊ）にある場合の他に、その所定のパターンの中心が計測点Ｐ（ｉ，ｊ）から離れていても、その所定のパターンの像の位置で計測される光学特性がその計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の像の位置で計測される光学特性と実質的に同じであるとみなすことができる場合も含まれる。
【００４６】
（２）また、周期パターン３９は蛍光膜３５上に形成され、蛍光膜３５で発生する可視域の蛍光が波長選択膜３６を介してＦＯＰ３７に入射しているため、照明光ＩＬが紫外光であっても、可視光を伝送するＦＯＰ３７を用いて投影光学系ＰＬの光学特性を計測できる。なお、ＦＯＰ３７が紫外光を高効率に伝送できる場合には、蛍光膜３５及び波長選択膜３６を省略できる。
【００４７】
（３）また、本実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法は、投影光学系ＰＬを介してウエハＷにパターンを露光する露光装置又は露光方法において、本実施形態の計測装置又は計測方法を用いて投影光学系ＰＬの光学特性を計測している。
この場合、計測装置を構成する小型の撮像ユニット３２はウエハステージＷＳＴに容易に組み込むことができるため、オンボディで露光領域１８Ｗ内の全部の計測点における光学特性を一括して高精度に計測できる。従って、その計測結果に応じて、ウエハＷのＺ位置及び傾斜角等を制御することで、レチクルＲのパターンの像をウエハＷ上に高精度に露光できる。
【００４８】
なお、撮像ユニット３２は、ウエハステージＷＳＴとは独立にウエハベース２６の上面を移動する計測ステージ（不図示）等に固定してもよい。
また、レチクルマーク板ＲＦＭの代わりに、位相マーク２０（評価用マーク）が形成されたテストレチクルを使用してもよい。この場合、投影光学系ＰＬの光学特性の計測時には、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が載置される。
【００４９】
なお、上記の実施形態では、投影光学系ＰＬの像面を近似する一次近似平面ＩＰＡ（図４（Ｃ）参照）を求めている。しかしながら、図６に示すように、撮像ユニット３２を用いて、投影光学系ＰＬの露光領域側の複数の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるベストフォーカス位置を求め、これらのベストフォーカス位置から最小自乗法によって近似球面からなる像面ＩＰを求めてもよい。この場合、像面ＩＰの像面湾曲を補正するように、図１の特性制御機構を用いて投影光学系ＰＬのレンズＬ１，Ｌ２等を駆動することによって、像面湾曲を高精度に補正できる。
【００５０】
次に、図７（Ａ）に拡大して示すように、レチクルマーク板ＲＦＭの各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍にそれぞれＸ方向に異なるピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３（Ｐ２＜Ｐ１＜Ｐ３）の位相マーク２０，２０Ａ，２０Ｂを形成しておいてもよい。この場合、撮像ユニット３２の蛍光膜３５の上面の対応する計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍には、図７（Ｂ）に示すように、位相マーク２０の像を検出する２つの周期パターン３９Ａ，３９Ｂ、位相マーク２０Ａの像を検出するＸ方向のピッチβ・Ｐ２の２つの周期パターン３９Ｃ，３９Ｄ、及び位相マーク２０Ｂの像を検出するＸ方向のピッチβ・Ｐ３の２つの周期パターン３９Ｅ，３９Ｆを形成しておく。そして、周期パターン３９Ｃ，３９Ｄの下方の撮像素子３８の画素群の検出信号の和の差分から、位相マーク２０Ａの像のデフォーカス量を計測し、周期パターン３９Ｅ，３９Ｆの下方の撮像素子３８の画素群の検出信号の和の差分から、位相マーク２０Ｂの像のデフォーカス量を計測する。
【００５１】
図７（Ｃ）に示すように、位相マーク２０，２０Ａ，２０Ｂを照明光ＩＬで照明すると、位相マーク２０，２０Ａ，２０Ｂから射出される照明光ＩＬ１，ＩＬ２，ＩＬ３の開き角は、照明光ＩＬ３，ＩＬ１，ＩＬ２の順に大きくなる。従って、照明光ＩＬ１〜ＩＬ３毎に求められるデフォーカス量の変動幅であるΔＺＳから投影光学系ＰＬの球面収差を求めることができる。この球面収差も図１の特性制御機構を用いて投影光学系ＰＬの所定のレンズを駆動することによって補正できる。
【００５２】
[第２の実施形態]
本発明の第２の実施形態につき図８及び図９を参照して説明する。本実施形態は、液浸法で露光を行う露光装置に本発明を適用したものであり、図８において図１及び図２（Ａ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
図８は、本実施形態の露光装置の投影光学系ＰＬの光学特性を計測している状態を示す。図８において、投影光学系ＰＬの物体面にレチクルマーク板ＲＦＭのパターン面が配置され、投影光学系ＰＬの像面側にＺチルトステージ２２（ウエハステージＷＳＴ）に設けられた撮像ユニット３２の周期パターン３９の形成面（計測面）が配置されている。また、投影光学系ＰＬの下端部と撮像ユニット３２の上面（保護膜３４）との間の枠状のノズルヘッド４３で囲まれた液浸空間に、露光時と同様に、液体供給装置４１Ａから配管４２Ａ及び供給口４３ａを介して照明光ＩＬを透過する純水等の液体Ｌｑが供給されている。その液浸空間の液体Ｌｑは、フィルタ部材４５、排出口４３ｂ、及び配管４２Ｂを介して液体回収装置４１Ｂに回収される。液体供給装置４１Ａから供給される液体Ｌｑの温度及び流量は制御部４６によって制御される。液体供給装置４１Ａ等を含む局所液浸機構としては、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている機構を使用できる。
【００５３】
また、ノズルヘッド４３の内側に液体Ｌｑの温度を計測する温度センサ４４が固定され、温度センサ４４の計測値が演算装置６及び制御部４６に供給されている。
本実施形態において、投影光学系ＰＬの光学特性を計測する場合には、一例として、液体Ｌｑの温度をＴ１に設定し、演算装置６では、撮像ユニット３２の撮像素子３８の検出信号を処理して、計測点Ｑ（ｉ，ｊ）毎のデフォーカス量を求め、これらのデフォーカス量から最小自乗法によって式（２）の一次近似平面ＩＰＡ（図４（Ｃ）参照）のオフセットＺｏｆ、及びチルト角Ｔｘ，Ｔｙを求める。次に、液体Ｌｑの温度を次第にΔＴだけ異なる値Ｔ２，Ｔ３，…に設定し、それぞれ同様に像面の一次近似平面ＩＰＡのオフセットＺｏｆ、及びチルト角Ｔｘ，Ｔｙを求める。
【００５４】
その後、演算装置６内のフォーカス演算部では、液体Ｌｑの温度Ｔｉｍの関数として、以下のように一次近似平面ＩＰＡのオフセットＺｏｆ及びチルト角Ｔｘ，Ｔｙを計算するための係数Ａｚ，Ａｔｘ，Ａｔｙ及びＢｚ，Ｂｔｘ，Ｂｔｙの値を決定する。
Ｚｏｆ＝Ａｚ・Ｔｉｍ＋Ｂｚ    …（３Ａ）
Ｔｘ＝Ａｔｘ・Ｔｉｍ＋Ｂｔｘ  …（３Ｂ）
Ｔｙ＝Ａｔｙ・Ｔｉｍ＋Ｂｔｙ  …（３Ｃ）
その後、液浸法を用いてウエハを露光するときには、演算装置６は温度センサ４４で計測される液体の温度Ｔｉｍを取り込む。そして、図５のステップ１１６の像面を近似する平面としては、式（３Ａ）〜（３Ｃ）から計算されるオフセットＺｏｆ及びチルト角Ｔｘ，Ｔｙで定まる平面を用いる。これによって、液体Ｌｑの温度が変動していても、投影光学系ＰＬの像面に対するウエハの表面の合焦精度を向上できる。
【００５５】
なお、例えば液体Ｌｑの温度を変えながら投影光学系ＰＬの像面湾曲等を計測し、像面湾曲等が最も小さくなるように液体Ｌｑの温度Ｔｉｍを設定するようにしてもよい。
また、図８の投影光学系ＰＬと撮像ユニット３２と間の液体Ｌｑ中に微細な泡又はレジスト残滓等の異物が混入していると、それに対応する計測点Ｑ（ｉ，ｊ）における光学特性（ここではデフォーカス量ΔＺｉｊ）の値が平均値から大きく外れる異常値になるため、その異常値を除外することが好ましい。そのためには、計測値が異常値となる計測点Ｑ（ｉ，ｊ）である特異点を次のように判別してもよい。
【００５６】
（１）動的な特異点の判別。動的な特異点とは、或る計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の計測値が或る回の計測時にのみ異常値になる場合である。例えば或る計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるデフォーカス量の計測値が計測を繰り返すうちに図９（Ａ）のように変化するものとする。図９（Ａ）の横軸はｎ回目の計測であることを示し（ｎ＝１，２，…）、縦軸は計測されたデフォーカス量から例えば光軸上のそれまでのベストフォーカス位置を減算して補正したフォーカス位置Ｚｉｊ（ｎｍ）である。この場合、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のｎ回までの計測値の平均値Ａｖをフォーカス位置Ｚｉｊから差し引いて得られるフォーカス位置Ｚｉｊを示す。図９（Ｂ）において、フォーカス位置Ｚｉｊに所定の閾値Ｖｔｈを設け、フォーカス位置Ｚｉｊの値がＶｔｈ／２以上又は−Ｖｔｈ／２以下であるときに、その計測値を異常値ＥＶとみなす。このように異常値ＥＶとみなされた計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の計測値は、例えば式（２）の近似平面を計算するデータからは除外してもよい。これによって、異常値の影響を抑制できる。
【００５７】
（２）静的な特異点の判別。静的な特異点とは、全部の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）のうちで或る計測点の計測値のみが異常値になる場合である。例えば全部の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）のデフォーカス量から図４（Ｃ）に示す一次近似平面ＩＰＡを求めた場合、各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）のデフォーカス量ΔＺｉｊと一次近似平面ＩＰＡとの距離を計算し、この距離が所定の閾値以上となった計測点を静的な特異点とみなす。この場合、特異点とみなされた計測点の計測値を除外して、一次近似平面ＩＰＡを求めてもよい。これによって、異常値の影響を抑制できる。
【００５８】
なお、そのように特異点が検出された場合には、液体Ｌｑ中に異物が混入されているものと判定し、例えば液体Ｌｑを入れ替えてから再度撮像ユニット３２を用いて計測を行うようにしてもよい。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態につき図１０〜図１３を参照して説明する。本実施形態は、投影光学系ＰＬのディストーションを計測する場合に本発明を適用したものであり、図１０（Ａ）〜図１３（Ｃ）において、図２（Ａ）〜図４（Ｃ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５９】
図１０（Ａ）は、本実施形態の露光装置の投影光学系ＰＬの光学特性を計測している状態を示す。図１０（Ａ）において、投影光学系ＰＬの物体面にレチクルマーク板ＲＦＭのパターン面が配置され、投影光学系ＰＬの像面側に撮像ユニット３２Ａの蛍光膜３５が配置され、蛍光膜３５上に複数の検出用パターンが形成されている。本実施形態の撮像ユニット３２Ａは、図２（Ａ）の撮像ユニット３２に対して検出用パターンのみが異なっている。
【００６０】
図１０（Ｂ）に示すように、レチクルマーク板ＲＦＭの照明領域１８Ｒ内の各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）には位相マーク２０が形成されるとともに、計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍に、かつ位相マーク２０に近接して第１及び第２のスリットマーク５１，５２が形成されている。図１１に示すように、第１のスリットマーク５１は、遮光膜中にＸ方向に細長い２本のスリット５１Ａ，５１ＢをＹ方向（計測方向）に所定間隔で形成したものである。第２のスリットマーク５２は、遮光膜中にＹ方向に細長い２本のスリット５２Ａ，５２ＢをＸ方向（計測方向）に所定間隔で形成したものである。
【００６１】
また、図１０（Ｃ）に示すように、撮像ユニット３２Ａの蛍光膜３５上の露光領域１８Ｗ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）には周期パターン３９が形成され、計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍に、図１０（Ｂ）のスリットマーク５１，５２と光学的に共役な位置に計測方向に非対称な第１及び第２の楔型パターン５３，５４が形成されている。なお、以下では位相マーク２０及び周期パターン３９の説明は省略する。
【００６２】
図１０（Ｃ）の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）を含む領域を拡大した図１２に示すように、第１の楔型パターン５３は、遮光膜中に底辺が長い三角形の開口パターン５３Ａａが形成された第１パターン５３Ａと、遮光膜中に開口パターン５３Ａａと対称な形状の開口パターン５３Ｂａが形成された第２パターン５３ＢとをＹ方向に並べて配置したものである。パターン５３Ａ，５３ＢのＸ方向の長さは、図１１のスリット５１Ａ，５１Ｂの像５１ＡＰ，５１ＢＰの長さとほぼ同じであり、開口パターン５３Ａａ，５３ＢａのＹ方向の幅の中央のＹ方向の間隔は、像５１ＡＰ，５１ＢＰの中心のＹ方向の間隔と同じである。さらに、開口パターン５３Ａａ，５３ＢａのＹ方向の幅は、投影光学系ＰＬのディストーションによって像５１ＡＰ，５１ＢＰの位置がＹ方向に変動しても、像５１ＡＰ，５１ＢＰの一部が開口パターン５３Ａａ，５３Ｂａ内に収まるように設定されている。例えば、像５１ＡＰ，５１ＢＰのＹ方向の幅は数μｍ〜２０μｍ程度で、開口パターン５３Ａａ，５３ＢａのＹ方向の高さは像５１ＡＰ，５１ＢＰの幅の２倍から数倍程度である。
【００６３】
同様に、第２の楔型パターン５４は、第１の楔型パターン５３を９０°回転した形状であり、第２の楔型パターン５４は、開口パターン５４Ａａが形成された第１パターン５４Ａと開口パターン５４Ｂａが形成された第２パターン５４ＢとをＸ方向に並べて配置したものである。投影光学系ＰＬのディストーションによって図１１のスリット５２Ａ，５２Ｂの像５２ＡＰ，５２ＢＰの位置がＸ方向に変動しても、像５２ＡＰ，５２ＢＰの少なくとも一部は開口パターン５４Ａａ，５４Ｂａ内に収まる。なお、図１１の位相マーク２０及び図１２の周期パターン３９の構成及び動作は第１の実施形態と同様である。
【００６４】
また、図１０（Ａ）の撮像素子３８のうちで、図１２の第１の楔型パターン５３のパターン５３Ａ，５３Ｂを通過した照明光ＩＬ（実際には蛍光）を検出する複数の画素を画素群３８Ｇｉｊ，３８Ｈｉｊと呼び、第２の楔型パターン５４のパターン５４Ａ，５４Ｂを通過した照明光ＩＬ（実際には蛍光）を検出する複数の画素を画素群３８Ｉｉｊ及び３８Ｊｉｊと呼ぶ。さらに、図１の演算装置６と同様の演算装置内で図１２（Ａ）の画素群３８Ｇｉｊ，３８Ｈｉｊの検出信号を処理する部分を演算ユニット６Ｄｉｊとして、画素群３８Ｉｉｊ，３８Ｊｉｊの検出信号を処理する部分を演算ユニット６Ｅｉｊとする。演算ユニット６Ｄｉｊ（６Ｅｉｊ）は、画素群３８Ｈｉｊ（３８Ｉｉｊ）からの検出信号の和と、画素群３８Ｇｉｊ（３８Ｊｉｊ）からの検出信号の和との差分を各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）に関するディストーション信号ＳＹｉｊ（ＳＸｉｊ）（ｉ＝１〜Ｉ，ｊ＝１〜Ｊ）として出力する。
【００６５】
図１３（Ａ）は、投影光学系ＰＬのディストーションがない場合に、図１２の計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍の楔型パターン５３及び５４上に形成される図１１のスリットマーク５１及び５２の像５１Ｐ及び５２Ｐを示す。図１３（Ａ）において、楔型パターン５３の開口パターン５３Ａａ，５３Ｂａを通過する光量は同じであるため、図１２のディストーション信号ＳＹｉｊは０である。また、投影光学系ＰＬのディストーションによる像５１ＰのＹ方向へのシフト量ＤＹが正である場合には、開口パターン５３Ｂａ内の像５１ＢＰの光量が増加し、開口パターン５３Ａａ内の像５１ＡＰの光量が減少し、ディストーション信号ＳＹｉｊは増加する。これに対して、シフト量ＤＹが負である場合には、ディストーション信号ＳＹｉｊは減少するため、ディストーション信号ＳＹｉｊは、図１３（Ｂ）に示すように、シフト量ＤＹに関してほぼ比例して変化する。
【００６６】
同様に、楔型パターン５４上の像５２ＰのＸ方向へのシフト量ＤＸに対して図１２のディストーション信号ＳＸｉｊは、図１３（Ｂ）に示すようにほぼ比例して変化する。そこで、演算装置内のディストーション演算部は、ディストーション信号ＳＸｉｊ及びＳＹｉｊからスリットマーク５２の像５２ＰのＸ方向へのシフト量ＤＸ及びスリットマーク５１の像５１ＰのＹ方向へのシフト量ＤＹを求める。
【００６７】
図１３（Ｃ）は、撮像ユニット３２Ａの各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍におけるスリットマーク５１，５２の像５１Ｐ，５２Ｐのシフト量ＤＸ，ＤＹを誇張して示したものである。このように各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍における像のシフト量ＤＸ，ＤＹの分布から投影光学系ＰＬの任意の特性のディストーションを求めることができる。
なお、この実施形態では、レチクルマーク板ＲＦＭ側にスリットマーク５１，５２を形成し、撮像ユニット３２Ａ側に楔型パターン５３，５４を形成している。しかしながら、投影光学系ＰＬのディストーションを計測するためには、レチクルマーク板ＲＦＭ側に楔型パターン５３，５４と同様のマークを形成し、撮像ユニット３２Ａ側にスリットマーク５１，５２と同様のパターンを形成しておいてもよい。
【００６８】
なお、この実施形態では、レチクルマーク板ＲＦＭの計測点Ｐ（ｉ，ｊ）上の位相マーク２０及び撮像ユニット３２Ａの周期パターン３９を用いて投影光学系ＰＬのフォーカス位置情報を計測することができる。なお、この実施形態では、レチクルマーク板ＲＦＭの計測点Ｐ（ｉ，ｊ）上の位相マーク２０を省略し、計測点Ｑ（ｉ，ｊ）上の周期パターン３９を省略してもよい。さらに、この実施形態においても、スリットマーク５１，５２をテストレチクルに形成してもよい。
【００６９】
また、上記の実施形態の露光装置又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（又はマイクロデバイス）を製造する場合、電子デバイスは、図１４に示すように、電子デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたレチクル（マスク）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造してレジストを塗布するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置又は露光方法によりレチクルのパターンを基板（感光基板）に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。
【００７０】
言い換えると、このデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置又は露光方法を用いて基板（ウエハ）上に感光層のパターンを形成することと、そのパターンが形成された基板を処理すること（ステップ２２４）とを含んでいる。この際に、上記の実施形態の露光装置又は露光方法によれば、投影光学系ＰＬの光学特性を効率的に高精度に計測できるため、例えばその計測結果に応じて光学特性を補正することによって、レチクルのパターンの像を基板上に高精度に露光できるため、高精度に電子デバイスを製造できる。
【００７１】
なお、上記の実施形態の撮像ユニット３２等は蛍光膜３５を備えているため、撮像ユニット３２等は、露光光として波長１００ｎｍ程度以下の極端紫外光（Extreme Ultraviolet Light:ＥＵＶ光）を用いるＥＵＶ露光装置の投影光学系ＰＬ（反射系）の光学特性を計測する場合にも適用可能である。
また、本発明は、走査型露光装置のみならず、ステッパーのような一括露光型の露光装置の投影光学系の光学特性を計測する場合にも適用可能である。
【００７２】
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、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、若しくはＤＮＡチップ等の各種デバイス、又はマスク（レチクル等）自体を製造するための露光装置にも広く適用できる。
【００７３】
また、本発明は露光装置以外の装置で使用される投影光学系の光学特性を計測する場合も適用可能である。
なお、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。
【符号の説明】
【００７４】
ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、ＲＦＭ…レチクルマーク板、ＲＳＴ…レチクルステージ、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、Ｐ（ｉ，ｊ）…計測点、２…主制御系、６…演算装置、６Ａｉｊ…演算ユニット、８…特性制御系、２０…位相マーク、３２，３２Ａ…撮像ユニット、３５…蛍光膜、３６…波長選択膜、３７…ＦＯＰ（ファイバーオプティックプレート）、３８…２次元の撮像素子、３９…周期パターン、５１，５２…スリットマーク、５３，５４…楔型パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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