(57)【要約】【課題】投影光学系の波面収差を高精度に測定する。【解決手段】システムエラーとしての瞳面の位置ずれ量を算出し記憶しておき、投影光学系の波面収差を計算する際に記憶しておいた瞳面の位置ずれ量を反映させる。【選択図】　　　図１６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テストレチクルからの複数の光束の夫々を投影光学系の瞳面内の所定位置を通過させた後に別個に結像させて前記投影光学系の像面内での前記各光束の結像位置を検出するか或いは前記テストレチクルからの複数の光束の夫々を前記瞳面を通過させた後に互いに干渉させて結像させたときの前記像面内での結像位置を検出する段階と、該検出結果を用いて前記投影光学系の波面収差等の光学特性を求める段階とを含む光学特性の測定方法において、前記複数の光束が前記瞳面を通過するときの通過位置に関する誤差情報を検出し、該誤差情報を用いて前記波面収差を求めることを特徴とする光学特性の測定方法。
【請求項２】
テストレチクルと、該テストレチクルからの複数の光束の夫々が投影光学系の瞳面を通過した後に別個に結像したときの前記投影光学系の像面内での前記各光束の結像位置の情報或いは前記テストレチクルからの複数の光束の夫々が前記瞳面を通過した後に互いに干渉して結像したときの前記像面内での結像位置の情報を用いて前記投影光学系の波面収差等の光学特性を演算する手段とを有し、前記演算手段は前記複数の光束が前記瞳面を通過するときの通過位置に関する誤差情報を記憶する部分を有し、該誤差情報を前記波面収差の演算に用いることを特徴とする光学特性測定装置。
【請求項３】
前記投影光学系の所定の収差の発生状態が互いに異なる複数の条件下で、前記テストレチクルからの複数の光束の夫々を投影光学系の瞳面内の所定位置を通過させた後に別個に結像させて前記投影光学系の像面内での前記各光束の結像位置を検出するか或いは前記テストレチクルからの複数の光束の夫々を前記瞳面を通過させた後に互いに干渉させて結像させたときの前記像面内での結像位置を検出し、前記複数の条件のそれぞれでの前記検出結果を使って前記誤差情報を演算することを特徴とする請求項２に記載の光学特性測定装置。
【請求項４】
前記所定の収差は、球面収差、コマ収差、又は非点収差であることを特徴とする請求項３に記載の光学特性測定装置。
【請求項５】
前記複数の条件は、前記結像位置を検出する為の光電変換手段又はレジストを塗布したウエハの前記投影光学系の光軸方向の位置を変えるか、前記テストパターンを結像するための光の波長を変えるか、前記投影光学系の光学素子を駆動することにより形成されることを特徴とする請求項３に記載の光学特性測定装置。
【請求項６】
前記光電変換手段又はレジストを塗布したウエハの前記投影光学系の光軸方向の位置を変えることにより前記所定の収差として球面収差を変化させることを特徴とする請求項４に記載の光学特性測定装置。
【請求項７】
前記テストパターンを結像するための光の波長を変えるか、前記投影光学系の光学素子を駆動することにより、前記所定の収差としてのコマ収差又は非点収差を変化させることを特徴とする請求項３に記載の光学特性測定装置。
【請求項８】
前記テストレチクルは、１像高とみなせる領域にマーク群を配置した基板と該基板の前記領域の中心に対応する位置にピンホールを形成した遮光板とを有し、該遮光板は前記基板と前記投影光学系の間にあることを特徴とする請求項２に記載の光学特性測定装置。
【請求項９】
前記テストレチクルは、１像高とみなせる領域にマーク群を配置した基板と該基板の前記領域の中心に対応する位置にピンホールを形成した遮光板とを有し、該遮光板は前記基板の光入射側にあり、前記マーク群を構成する各マークは実質的に０次光のみが前記瞳面を通過するに入射する格子パターンで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学特性測定装置。
【請求項１０】
前記テストレチクルのマークは、±１次回折光の一方が前記瞳面を実質的に生じない非対称格子パターンで形成されており、前記複数の光束としての前記±１次回折光の他方と０次回折光とが干渉することを特徴とする請求項２に記載の光学特性測定装置。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれか１項記載の光学特性測定装置により投影光学系の波面収差を測定するモードを有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１２】
請求項２〜１０のいずれか１項記載の光学特性測定装置により投影光学系の波面収差を測定し、必要に応じて前記投影光学系の収差を調整することを特徴とする投影露光装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項２〜１０のいずれか１項記載の光学特性測定装置により投影光学系の波面収差を測定し、必要に応じて前記投影光学系の収差を調整した後で、前記投影光学系によりデバイスパターンをウエハに露光し、該露光したウエハを現像することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系の光学特性を測定する方法及び装置に関し、たとえば半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置の投影光学系の光学特性、例えば波面収差、を測定する光学特性測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスをリソグラフィ工程を介して製造する際に、レチクル又はフォトマスク（以下「レチクル」と総称する）のデバイスパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に投影する投影露光装置が使用されている。かかる投影露光装置では、投影光学系の製作誤差等に起因する収差によるデバイスパターンの解像力の低下が問題となっている。
【０００３】
そこで、投影光学系の球面収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差、波面収差などの各種の収差の測定方法が開発され、投影光学系の評価や検査の為に用いられている。これら収差の中で波面収差は投影光学系が持つ収差そのものであるので、この波面収差を一般に使われているＺｅｒｎｉｋｅ多項式等で近似する形で測定するにより、この多項式のファクターである球面収差、像面湾曲、非点収差、コマ収差等を算出することが良く行われている。
【０００４】
投影光学系の波面収差の測定方法の一つが、例えば米国特許第５８２８４５５号，米国特許第５９７８０８５号で提案されている。これらの米国特許で提案されている測定方法は、レチクル下面であるパターン面に格子状のパターンを設け、この格子状パターンの中心の真下に少し距離をおいてピンホールのある遮光板を設け、更にレチクル上面に格子状パターンの中心の真上に凸レンズを置いた特殊なテストレチクルを用意し、このテストレチクルを露光装置のレチクルステージに置き、照明系からの照明光をテストレチクルの凸レンズで集光してσが１以上（σはコヒーレンスファクタ）の照明角度（ＮＡ）でその下にある格子パターンに照射し、格子パターンからの光のうちの所定の光束をその下にあるピンホールを通過させる。ピンホールを通過できる光は格子パターンのそれぞれのパターンの中心とピンホールとを結んだ角度の光束のみに限定される。つまり格子パターンの各点から出た光束は、光軸に対して互いに異なる角度を成すように進行し、投影光学系の瞳面の互いに異なる位置を通過して投影光学系の波面収差の影響を受けた後でウエハに達し、格子パターンの各点を結像する。
【０００５】
この時、格子パターンの各点の像は、瞳面内の通過位置に依存して互いに異なる収差（位相）の影響を受けた各点を結像する光束の波面の理想波面からの傾き分だけ、結像位置が理想位置から像面内でシフトする。よって、結像した格子パターンの各点の理想格子各点からのずれを測定することにより、各点を結像する光束の波面の傾きが得られ、各光束の波面の傾きから数学的手法を用いて波面収差を計算している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者が鋭意検討した結果、上述の波面収差の算出に用いる瞳中心の位置に誤差が生じている為に、波面収差を精度良く計算できていないことが分かった。「瞳中心」は投影光学系の光軸と投影光学系の瞳面が交わる点を言い、レチクルの格子パターン上の複数の点のうち中心の点を結像する光束は、計算上予め決めた瞳中心（座標（０，０））を通過し、他の各点からの光束は、それぞれこの瞳中心から離れた所定の位置（座標（Ｘｉ，Ｙｉ））を通過することを前提に、波面収差の計算を行うのに対し、実際の測定時には、前述の中心の点を結像する光束が瞳中心からずれた位置を通過し他の光束も所定位置からずれた位置を通過しており、実質的に瞳面の位置ずれ（誤差）が生じているからである。このような現象は、レチクルの格子パターン（パターン群）の中心点（位置）とその直下のピンホールの中心（位置）の間に製造誤差により光軸に直交する方向のずれが生じたり、投影光学系の光軸が傾くことにより生じる。
【０００７】
本発明の目的は、投影光学系の光学特性（例えば波面収差）を高精度に測定できる測定方法及び装置の提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の形態は、テストレチクルからの複数の光束の夫々を投影光学系の瞳面内の所定位置を通過させた後に別個に結像させて前記投影光学系の像面内での前記各光束の結像位置を検出するか或いは前記テストレチクルからの複数の光束の夫々を前記瞳面を通過させた後に互いに干渉させて結像させたときの前記像面内での結像位置を検出する段階と、該検出結果を用いて前記投影光学系の波面収差等の光学特性を求める段階とを含む光学特性の測定方法において、前記投影光学系の瞳面の位置ずれ情報等の前記複数の光束が前記瞳面を通過するときの通過位置に関する誤差情報を検出し、該誤差情報を用いて前記波面収差を求めることを特徴とする光学特性測定方法である。
【０００９】
本発明の第２の形態は、テストレチクルと、該テストレチクルからの複数の光束の夫々が投影光学系の瞳面を通過した後に別個に結像したときの前記投影光学系の像面内での前記各光束の結像位置の情報或いは前記テストレチクルからの複数の光束の夫々が前記瞳面を通過した後に互いに干渉して結像したときの前記像面内での結像位置の情報を用いて前記投影光学系の波面収差等の光学特性を演算する手段とを有し、前記演算手段は前記投影光学系の瞳面の位置ずれ情報等の前記複数の光束が前記瞳面を通過するときの通過位置に関する誤差情報を記憶する部分（例えば校正ファイル）を有し、該誤差情報を前記波面収差の演算に用いることを特徴とする光学特性測定装置である。
【００１０】
本発明の第３の形態は、上記の形態において、前記投影光学系の所定の収差の発生状態が互いに異なる複数の条件下で、前記テストレチクルからの複数の光束の夫々を投影光学系の瞳面内の所定位置を通過させた後に別個に結像させて前記投影光学系の像面内での前記各光束の結像位置を検出するか或いは前記テストレチクルからの複数の光束の夫々を前記瞳面を通過させた後に互いに干渉させて結像させたときの前記像面内での結像位置を検出し、前記複数の条件のそれぞれでの前記検出結果を使って前記誤差情報を演算することを特徴とする。このように求めた誤差情報には、前述の、レチクルのテストパターン（パターン群）の中心点とその直下のピンホールの中心の間の光軸に直交する方向の位置ずれや投影光学系の光軸の傾き（テレセントリック性の誤差）等による瞳面（中心）の位置ずれ（誤差）が含まれる。
【００１１】
本発明の第４の形態は、上記の各形態において、前記所定の収差は、球面収差、コマ収差、又は非点収差であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５の形態は、上記の各形態において、前記複数の条件は、前記結像位置を検出する為の光電変換手段又はレジストを塗布したウエハの前記投影光学系の光軸方向の位置を変えるか、前記テストパターンを結像するための光の波長を変えるか、前記投影光学系の光学素子を駆動するか、前記テストレチクルを照明する光学系の光学素子を駆動することにより形成されることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６の形態は、上記の各形態において、前記光電変換手段又はレジストを塗布したウエハの前記投影光学系の光軸方向の位置を変えることにより前記所定の収差として球面収差を変化させることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第７の形態は、上記の各形態において、前記テストパターンを結像するための光の波長を変えるか、前記投影光学系の光学素子を駆動することにより、前記所定の収差としての球面収差又はコマ収差又は非点収差を変化させることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第８の形態は、上記の各形態において、前記テストレチクルは、１像高とみなせる領域にマーク群を配置した基板と該基板の前記領域の中心に対応する位置にピンホールを形成した遮光板とを有し、該遮光板は前記基板と前記投影光学系の間にあることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第９の形態は、前記テストレチクルは、１像高とみなせる領域にマーク群を配置した基板と該基板の前記領域の中心に対応する位置にピンホールを形成した遮光板とを有し、該遮光板は前記基板の光入射側にあり、前記マーク群を構成する各マークは実質的に０次光のみが前記瞳面を通過するに入射する格子パターンで形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第１０の形態は、前記テストレチクルのマークは、±１次回折光の一方が前記瞳面を実質的に生じない非対称格子パターンで形成されており、前記複数の光束としての前記±１次回折光の他方と０次回折光とが干渉することを特徴とする。
【００１８】
なお、第８〜１０の形態において、前記格子パターンが互いに異なる複数の像高毎に形成されており、各像高毎に前記誤差情報が求め、各像高毎に波面収差等の光学特性を演算する際に対応する誤差情報を用いる形態がある。
【００１９】
本発明の第１１の形態は、上記の各形態のいずれかにより投影光学系の光学特性（例えば波面収差）を測定するモードを有することを特徴とする投影露光装置である。
【００２０】
本発明の第１２の形態は、上記の各形態のいずれかにより投影光学系の光学特性（例えば波面収差）を測定し、必要に応じて前記投影光学系の収差を調整することを特徴とする投影露光装置の製造方法である。
【００２１】
本発明の第１３の形態は、上記の各形態のいずれかにより投影光学系の波面収差を測定し、必要に応じて前記投影光学系の収差を調整した後で、前記投影光学系によりデバイスパターンをウエハに露光し、該露光したウエハを現像することを特徴とするデバイス製造方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の光学特性測定方法の基礎となる測定方法を示す説明図である。
【００２３】
図１に示す測定方法は、前述の２つの米国特許における測定方法とは異なり、テストレチクル９の格子パターンＴＰの各パターンとして、実質的に１次回折光が生じず０次（回折）光のみでパターンの結像が行えるような特殊な回折格子マークを用い、且つ、これらのマークを、格子パターンの中心の真上にピンホールＰＨを有する格子パターン上方のピンホールＰＨからの光束によりマーク毎に互いに異なる方向から照明し、各マークを０次光により投影光学系１０を介して感光基板Ｗ上に結像し、結像位置を検出するものである。
【００２４】
図１は投影露光装置の部分的概略図であり、この種の露光装置は、通常、レチクルの回路パターンを投影光学系１０により感光基板Ｗ上に投影するが、ここでは、テストレチクルを露光装置に搭載した状態を示している。なお、回路パターンに加え波面収差等の光学特性測定用のパターンを形成したレチクルもテストレチクルとして使用できる。
【００２５】
図１において、テストレチクル９は、ガラス基板の投影光学系１０側のパターン面に形成されたパターン（マーク）群ＴＰと同ガラス基板のパターン面とは反対側の面に形成されたピンホールＰＨを有する遮光膜（遮光部は不図示）とを備えている。ここでは、テストパターンＴＰおよびピンホールＰＨを同一基板の表裏面に形成したが、ピンホールＰＨをテストパターンが形成されたガラス基板とは別のガラス基板に形成して、両方の基板を互いに近接させて配置することもできる。
【００２６】
４は照明光学系の開口絞りであり、開口絞り４を介して複数の主光線ＬＰを含む照明光がσ＞１かσ＝１に相当するＮＡ（角度の広がり）でピンホールＰＨを照射し、ピンホールＰＨを通過した各主光線によりレチクル９のガラス基板の下面に形成したパターン群ＴＰを照明することにより、パターン群ＴＰの各パターンを投影光学系１０により像面に結像し、像面における空中像ＴＰａを光電変換素子により受けて光電変換したり、像面に感光基板Ｗを置いて各パターン像を転写して現像することにより転写パターン像ＴＰａを形成し、空中像ＴＰａ又は転写パターン像ＴＰａの位置（基準位置からのずれ）を位置測定器によって測定し、その測定結果を使って演算を行うことにより、投影光学系１０の波面収差（ここでは、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式）を測定する。
【００２７】
テストパターンＴＰを構成する前述の回折格子マークは、図５Ａ、図５Ｂに示すような、ライン間又はスペース間のピッチ（間隔）がほぼ一定のライン＆スペースの周期パターンであり且つ光が透過する個々のスペースの幅が回折格子マークの中心のライン又はスペースのおパターンから回折格子マークの外側のパターンに向かって減少するパターンであり、高次回折光を低減させることにより実質的に１次回折光が生じず０次（回折）光のみが生じるようにラインとスペースの幅やピッチが設定してある。
【００２８】
また、少なくとも像面でこのパターンＴＰを１つのラインと見なし得るように、テストパターンＴＰを投影光学系１０により結像したときのパターン像の光強度分布は、その内部のライン間が解像せず且つ歪の少い分布となるようにラインとスペースの幅やピッチが設定してある。
【００２９】
以上説明した波面収差等の光学特性の測定方法に本発明を適用した本発明の実施形態１を説明する。
【００３０】
図２は本実施形態１の投影露光装置の概略図である。この露光装置は、露光装置の製造段階で後述する方法により投影光学系の波面収差が測定され必要に応じて収差の調整をされるものであり、また、実際の使用時にも後述する方法により投影光学系の波面収差が測定され、必要に応じて収差の調整が成されるものである。この露光装置を実際に使用して投影光学系によりデバイスパターンをウエハに露光し、該露光したウエハを現像した後、各種工程を経てよりデバイスが製造される。
【００３１】
図２において、１は露光光用の光源である超高圧水銀灯、水銀灯１から射出された露光光は、楕円鏡１ａで集光された後に、インプットレンズ２を経てフライアイレンズ３の光入射面３ａに入射する。フライアイレンズ３の後側（テストレチクル９側）焦点面３ｂには２次光源が形成され、この２次光源から射出された露光光は、開口絞り４、第１リレーレンズ５、投影式レチクルブラインド６、第２リレーレンズ７、メインコンデンサーレンズ８を経てテストレチクル９を均一な照度で照明する。開口絞り４の開口径と開口形状は切り換え可能である。
【００３２】
露光用の光源は、超高圧水銀灯１以外にも図１５に符番１７１で示すようなＫｒＦエキシマレーザ（波長約２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長約１９３ｎｍ）等のレーザが使える。
【００３３】
投影式レチクルブラインド６の開口とテストレチクル９のパターン形成面とは光学的に共役であり、投影式レチクルブラインド６の開口によりテストレチクル９上の照明領域が設定される。また、フライアイレンズ３の後側焦点面３ｂは投影光学系１０の瞳面１０ａとほぼ共役であり、２次光源の像が瞳面１０ａに形成される。
【００３４】
テストレチクル９はレチクルステージ１８上に載っており、レチクルステージ１８がＸＹ面内で移動することによりテストレチクル９の位置を変えることができる。アライメントスコープ１９はテストレチクル９上のマークと露光装置本体内にあるレチクル基準マーク２１とを同時に観察することにより、レチクル基準マーク２１に対するテストレチクル９のマークのＸＹθのずれを計測し、不図示の駆動系によりレチクルステージを駆動ことにより、レチクル９を露光装置本体（投影光学系１０）に対し位置合わせすることができる。
【００３５】
１４はオフ・アクシスのウエハアライメント系を示し、ウエハアライメント系１４はウエハＷの各ショット領域の近傍に形成されたアライメントマークを検出する。この場合、ウエハアライメント系１４の光軸１４ａと投影光学系１０の光軸１０ｂの中心の間隔、所謂ベースライン量ＢＤを求めておくことにより、ウエハアライメント系１４で計測した幾つかのアライメントマークの位置に基づいてウエハ１１の各ショット領域のレチクルの回路パターン（像）へのアライメントを正確に行うことができる。
【００３６】
アライメントスコープ１９は上記駆動系によりテストレチクル９上のあらゆる位置（任意のＸＹ位置）に移動でき、波面収差を測定する場合にレチクル９上の任意の測定用テストパターン１５を露光光で照明可能である。なお、照明系も、レチクルブラインド６の開口を介してレチクル９上の任意の測定用テストパターン１５を露光光で照明可能である。
【００３７】
テストレチクル９の上面にはピンホールＰＨを有する遮光膜１６が形成されており、露光用の照明系又はアライメントスコープ８によりテストレチクル上面のピンホールをＰＨを照明すると、ピンホール１６を通過した光束が、テストレチクル９の下面に形成されているテストパターン１５をσ≧１の条件で照明し、照明されたテストパターン１５の各パターン（回折格子マーク）は投影光学系１０によって、ウエハステージ１２上に載置されたウエハＷや検出系１１を構成するプレート１１ａ上に結像する。
【００３８】
図３は図２の検出系１１の拡大図である。
【００３９】
プレート１１ａにはスリット１１ｂが形成されており、通常は、プレート１１ａ上面を像面に一致させて、スリット１１ｂを透過した光は受光器１１ｃにより光電変換する。このとき、ウエハステージ１２により検出系１１を像面に沿って走査することによりパターン像を例えば図４に示すような電気信号に変換し、パターン像（の位置）を検出する。
【００４０】
ウエハステージ１２は、投影光学系１０の光軸１０ｂに垂直なＸＹ面内の任意の位置にウエハや検出系１１を位置決めするＸＹステージ１２ｂと投影光学系１０の光軸１０ｂに平行な方向（高さ方向）のウエハＷや検出系１１の位置を設定するＺステージ１２ａ等より構成されている。
【００４１】
ウエハＷや検出系１１のプレート１１ａの光軸方向の位置を検出するためのオートフォーカス系１３が設けられている。オートフォーカス系１３は、検出系１１のプレート１１ａ上に例えばスリット状の検出パターンの像を、投影光学系１０の光軸１０ｂに対して斜めに投影する送光系１３ａと、プレート１１ａ上面やウエハＷからの反射光を受光してその検出パターンの像を再結像し、その位置を検出する受光系１３ｂとより構成されている。
【００４２】
高さ方向に関してプレート１１ａやウエハＷの投影光学系の像面に対する位置が変化すると、受光系１３ｂにおいてその再結像される検出パターンの像の位置が変化することから、このパターン像の位置を検出することによりプレート１１ａやウエハＷの高さの変化を検出することができる。
【００４３】
受光系１３ｂには、その再結像された検出パターンの像の位置に応じて変化するフォーカス信号を生成する光電検出器１３ｃが組み込まれ、そのフォーカス信号が所定のレベルに維持されるように制御系１３ｄによってウエハステージ１２中のＺステージ１２ａを駆動することにより、プレート１１ａ上面やウエハＷの表面を投影光学系１０の像面に一致させることができ、その状態を維持することもできる。更に、フォーカス信号は所定の範囲内（光軸方向の所定の範囲内）でプレート１１ａの高さ方向の位置変化に対してほぼ直線的に変化するので、オートフォーカス系と駆動系を用いることにより、プレート１１ａ上面やウエハＷの表面を投影光学系１０の像面とは異なる任意の高さ（面位置）に設定することもできる。
【００４４】
図７はテストレチクル９に設けるテストパターン１５の詳細図である。図７において、２０ａは使用するテストパターンのマークである。マーク２０ａは、光学系１０の１像高とみなせる範囲内に、全体として格子（グリッド）形状を成し、その多数の一部分ＴＰＸ、ＴＰＹ（不図示）のそれぞれが、前述した図５（Ａ）又は図５（Ｂ）に示す、±１次の高次回折光が瞳面に実質的に発生しない形状を持つ回折格子マークより成っている。
【００４５】
図７のマーク２０ａの格子を形成する縦横のラインはいずれも２μｍの同一の線幅でデザインされている。マーク２０ａのラインの幅には特に制限は無いが、転写パターンを計測する計測器や検出器１１のパターン依存性を考慮して、適宜決めるのが良い。
【００４６】
本実施形態１で用いるテストレチクル９には、図７に示すマーク２０ａがガラス基板の下面の複数箇所（投影光学系の複数の像高に対応）に形成され、ガラス基板の上面の各マーク２０ａ中心に対応する位置のそれぞれにピンホール１６を設けた遮光膜が形成してある。各マーク２０ａの照明には、前述の露光用の照明系かアライメントスコープ１９を用いるが、これらが照明光をσ１．０未満の状態でしか供給できない場合、マーク２０ａをσ≧１．０の条件で照明するために、図９に示す様に、ピンホールＰＨ上に散乱板（拡散板）２２を配置したテストレチクル９を用いる。散乱板は露光光を散乱してσ≧１．０の照明条件を作り、光学測定に必要な全てのマークを互いに異なる方向から照明光で照明する。
【００４７】
例えば、図９に示すテストレチクルを露光光により照明することにより一像高に対応するテストレチクルのマーク２０ａの各パターンＴＰＸ、ＰＴＹを投影光学系１０によりウエハステージ１２上のプレート１１ａ上に結像し、各パターンＰＴＸ、ＰＴＹ毎に、前記ウエハステージ１２をＸＹ面内で移動して前記プレート１１ａ上に設けたスリット１１ｂをパターン像に対して像面に沿って走査することによって受光器１１ｃの出力変化としてパターン像の光強度（光量）分布を検出し、図１に示す計算装置により、検出した光強度分布に基づいてパターンＰＴＸ、ＰＴＹの像の中心位置（Ｘ、Ｙ）を求める。計算装置は、こうして求めた１像高における各パターン像の中心位置、各パターンを結像した光束の投影光学系１０の瞳面１０ａ内座標等から、各光束の波面の傾斜を演算し、ある像高についての投影光学系の波面収差を求める。テストレチクル９には、前述したとおり各像高に対応する位置にマーク２０ａを形成してあるから、測定したい他の像高のマーク２０ａを使用して上述の測定を行うことにより必要な像高全てに関し波面収差を求めることができる。
【００４８】
この際スリット１１ｂの幅は、図７に示すように、テストパターン１５のグリッドの空中像のピッチ以下の長さおよび幅を有し、測定したい１パターンＰＴＸの像以外の像からの光がスリット１１ｂに入らない幅にしている。また、図７に示すとおり、テストパターン１５のグリッドの縦ラインと横ラインの各パターン像に対して別個に縦スリット、横スリットが設定される必要があるので、検出器１１は、１つのスリット１１ｂが少なくとも９０度回転可能か、或いは互いに直交する方向に延びる一対のスリットと各スリットに対応する異なる受光器１１ｃを持ち、計測するパターン像２０ａの縦横の向きによってスリットの方向を切り換えて計測することが可能である。
【００４９】
さて、本実施形態１は、上述した波面収差の測定を、検出器１１のプレート１１ａ上面の光軸方向位置を変化（例えば１μｍづつ変化）させて複数回行って、各光軸方向位置（デフォーカス位置）毎にテストパターン１５の各パターン像（回折格子マーク像）の中心位置を求め、後述する手法により、計算上の投影光学系１０の瞳面の位置ずれ（誤差）をシステムエラーとして演算して記憶し、この誤差を補正するように波面収差の演算を行うものである。
【００５０】
プレート１１ａ上面の光軸方向位置（デフォーカス位置）を少し変化させて波面収差を測定した場合は理想的には波面収差の（Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式）のうち球面収差項だけが影響を受け変化する。しかしながら、波面収差測定時の瞳面の位置（中心位置）が計算上仮定した瞳面の位置（中心位置）からずれて、各パターンを結像する光束の瞳面１０ａ内通過位置に誤差が発生していると、球面収差以外の収差の項にも影響が発生する結果となる。従って、例えば図２中の計算装置により球面収差以外の他の収差の変化と瞳面位置ずれ量との間の相関関係を示す図１１の如きデータを作成し、このデータに基づいて瞳面位置ずれ量を求めることが考えられる。この瞳面の位置ずれ量（誤差）をシステムエラーとして求めるフローを図１３に示す。
【００５１】
また、プレート１１ａ上面の光軸方向位置を変化させて球面収差を変化させる代わりに、図１に示すレンズ駆動手段１６１によりレンズ１６２の光軸方向位置を変化させて特定の収差例えば球面収差、コマ、非点、像面を所定量づつ変化させて、前述の波面収差の測定を行い、図２中の計算装置により、先の収差を発生させた成分に対する前記特定の収差以外の他の収差の変化量と瞳面位置ずれ量の相関関係を示す図１２の如きデータを作成し、このデータに基づいて他の収差が最小となる瞳面位置ずれ量を求めることも考えられる。この瞳面の位置ずれ量（誤差）をシステムエラーとして求めるフローを図１４に示す。
【００５２】
本実施形態１及び後述する実施形態における露光装置の計算装置で行われる、瞳面中心の位置ずれ（システムエラー）を求める計算方法の一例について述べる。この方法は図１１，１２で説明した方法とは異なる、非常に有用な方法である。
【００５３】
2004146454.tif 000003
【００５４】
求めたい波面収差Ｗは、▲１▼式に示すように、Ｚｅｒｎｉｋｅ係数Ｃで表すことができる。実際の瞳面の位置ずれｄｘ、ｄｙが発生した場合のＺｅｒｎｉｋｅ係数をＣ’とすると、▲１▼式から最終的に▲２▼式が得られる。また、▲１▼式と▲２▼式から、▲３▼式が成り立ち、▲３▼式より、求めたいＣｋは既に計測し求まっているＣｋ’およびその他のＣｉ’（ｉは１，２，３．．．．）と未知数ｄｘ、ｄｙの式で表すことができる。ここでＧｘ，ＧｙはＺｅｒｎｉｋｅ多項式をｄｘ、ｄｙの積で展開することによって求めることができる各Ｚｅｒｎｉｋｅ項に対応した行列である（不示図）。従って、例えば、前述したように検出器１１の光軸方向（フォーカス）位置や他の収差（球面、コマ、非点．．．）を変えながらＣｉ’を計測することによって、ある特定の収差変化に対する複数のＣｉ’の変化量ΔＣｉ’ｊ（ｊは異なる複数の条件）を得る。更にこれらΔＣｉ’ｊの複数の変化量の中で本来なら収差変化が起こらない成分ΔＣｐ’ｊについて、ΔＣｐ’ｊ＝０となるような最適なｄｘ、ｄｙを最小自乗法より求めることができ、瞳面のＸ，Ｙ方向の位置ずれ（誤差）ｄｘ、ｄｙが得られる。なお、最小自乗法自体は公知の手法なので、説明は省略する。こうして得られた瞳面の位置ずれ量（誤差）ｄｘ、ｄｙは、システムエラーとして計算装置の校正ファイル等に記憶・格納され、同じテストレチクルを使った波面収差の計算に用いられる。つまり、▲１▼式に代入して使用される。
【００５５】
以上説明した瞳面のＸ，Ｙ方向の位置ずれ（誤差）の計測方法は、図１、２で述べた波面収差測定法以外の測定法にも適用可能であり、前述の米国特許第５８２８４５５号，米国特許第５９７８０８５号に記載の波面収差測定法における瞳面の位置ずれに基づき生じる測定誤差を改善する為に適用できる。
【００５６】
次に本発明の実施形態２を説明する。本実施形態２は、実施形態１がテストパターンの像の位置をウエハステージ１２上に固定した検出器１１（光電変換手段）を用いて検出していたのに対し、テストパターンの像を感光基板（ウエハ）Ｗへ転写して現像することにより転写パターン像を顕在化させた後でパターン位置測定機等により転写パターン像の位置を検出する例である。
【００５７】
本実施形態２では、図７に示すテストパターン１５に加えて図８に示すテスト（基準）パターンをも使う。図７のテストパターン１５やそれを照明するためのレチクル構造は実施形態１で既に説明してあるので、ここでは詳細説明しない。
【００５８】
図８に示すテストパターンは、グリッドマーク２１ａから成り、グリッドマーク２１ａは、先のテストパターン１５の各パターンＰＴＸ、ＰＴＹの相対位置ずれ量を測定するための複数の基準マークを２次元配置した基準マーク群である。テストレチクル９のテストパターン２１ａの上部には、ピンホール付遮光部等の光を制限する部分は無く、照明系又はアライメントスコープ１９からの光束は全ての基準パターンに均等に照射される。
【００５９】
本実施形態２で用いるテストレチクル９の部分的断面図を図１０に示す。図１０に示すようにテストレチクル９のガラス基板の上下面にそれぞれピンホールＰＨ付遮光膜とテストパターン２０ａ（１５），２１ａを形成した。
【００６０】
マーク２０ａに対し最適照明条件でテストパターンであるマーク２０ａ、２１ａを照明して各マーク像を被露光基板Ｗに露光する。次にウエハーステージ１２を移動して先の露光による露光位置と重ならない位置に露光できるように被露光基板の位置を変え、更にＺ方向（光軸方向）にウエハーステージ１２を移動させて所定のフォーカス位置で再度各マーク像を被露光基板Ｗに露光する。この工程を複数の異なるフォーカス位置で繰り返し行う。
【００６１】
次に、既に露光済みのマーク２０ａと２１ａと次に露光するマーク２１ａと２０ａが重なり合うようにウエハステージ１２もしくはレチクルステージ２０を移動させて通常の照明条件でマーク２１ａおよび２０ａを被露光基板Ｗに露光する。基板Ｗを現像後、図６に示すように転写されたマーク２０ａと２１ａの重ね合わせたもののマーク２０ａの各パターンＰＴＸ、ＰＴＹの転写パターン像とグリッドマーク２１ａの転写パターン像の相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。
【００６２】
得られた各パターンＰＴＸ、ＰＴＹの転写像の中心位置（ずれ量）から、前記実施形態同様、波面収差を計測すると同時に瞳面の位置ずれ（誤差）量ｄｘ、ｄｙを演算により求めて校正ファイルなどにシステムエラーとして記憶し、以降の波面収差の計算に使用する。即ち▲１▼式に代入して計算する。
【００６３】
以上の測定フローを図１６に示す。
【００６４】
また、被露光基板Ｗの光軸方向位置を変える（フォーカス位置を変える）代わりに、図１５に示すレンズ駆動手段１６１やレーザ光源１７２及び波長可変手段１７１を使用してレンズ１６２の光軸方向位置を変えたりレーザ光の波長を変えたり、或いはテストレチクルを上下動させたり、投影光学系のレンズとレンズの間の空間の圧力を変えたりすることにより、投影光学系１０の球面収差、コマ収差、非点収差等の特定の収差を所定量づつ変化させて露光を繰り返し、マーク２０ａの各パターンＰＴＸ、ＰＴＹの転写パターン像とグリッドマーク２１ａの転写パターン像を得ることも出来る。この場合の測定フローを図１７に示す。
【００６５】
本実施形態２の瞳面の位置ずれ（誤差）計測方法も、前述の米国特許第５８２８４５５号，米国特許第５９７８０８５号に記載の波面収差測定法における瞳面の位置ずれに基づき生じる測定誤差を改善する為に適用できる。
【００６６】
また実施形態１，２において、波面収差の計測結果を露光装置本体の収差調整機構にフィードバックすることにより投影光学系の収差補正が可能である。同機構としては、図１や図１５に示したレンズ駆動手段１６１やレーザ波長可変手段１７１が挙げられ、他にもレチクルを上下方向に駆動したり、投影光学系のレンズとレンズの間の空間の圧力を変化させたりすることにより、投影光学系の収差を調整できる。
【００６７】
次に本発明の実施形態３を説明する。
【００６８】
投影光学系によるテストパターン像の位置ずれ計測によって投影光学系の波面収差を計測する他の方法として、特開２００２−５５４３５号公報や、Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎ−ｓｉｔｕ　ｔｗｏｂｅａｍ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ（ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ　ＸＩＶ，ＳＰＩＥ，ｖｏｌ４３４６，２００１年Ｊ．Ｐ．Ｋｉｒｋ　ＩＢＭ他）等が示す方法がある。
【００６９】
この方法は２光束干渉を用いて瞳面内２箇所を通過する各波面の位相差を計測することで投影光学系の光学特性を求める方式である。この方法に使うテストレチクルを図１８に示す。図１８に示すテストレチクル（マスク）上のテストパターンのラインアンドスペースマークのスペース部（透明部）は２つの異なる段差からなっていて、両段差を通過する光線間の位相差が９０度になるよう設計されている。通常の小σの照明条件にて前記ラインアンドスペースマークを照明すると、前記ラインアンドスペースマークから出て投影光学系の瞳面に入射する回折光は、通常のバイナリーマスクを用いたラインアンドスペースマークの０次、±１次回折光とは異なり、０次とプラス１次回折光もしくはマイナス１次回折光による２光束だけととなり、投影光学系を通過し干渉して結像する。
【００７０】
投影光学系１０に波面収差があると、前記２光束の干渉によって形成したパターン像は前記２本の光束がそれぞれ通過した波面のそれぞれの部分の位相の影響を受けることになる。この時互いの光束の位相差があれば、その位相差分だけ前記パターン像の位置が理想位置からシフトする。従って前記パターン像の位置シフトと２光束のそれぞれの瞳面内での通過位置とを知ることにより、各光束の波面の同士での位相差を求めることができる。
【００７１】
また、前記ラインアンドスペースマークのピッチを変えたり、マーク自身を回転させたりすることにより、２つの回折光の飛ぶ角度や方向を変えてやることができる。つまり瞳面の通過位置が互いに異なる様様な波面の部分での位相差を求めることができる。このようなテストマークを図１９に示す。
【００７２】
図１９の左側のマーク２００と右側のマーク２０１を重ねて露光することにより、図２０に示したようなマーク２００の一部分だけを残し、Ｂｏｘ　ｔｏ　Ｂｏｘ形状にして内側と外側Ｂｏｘの位置ずれを計測可能な形状にして既存の計測機で計測する。これらＢｏｘマークの詳細に関しては、特開２００２−５５４３５号公報に記載してある。
【００７３】
上記方法により求められた瞳面内のいろいろな場所における波面の位相差情報から、投影光学系の光学特性は算出可能である。しかしながら上記各実施形態や各米国特許の測定方法と同様に、この特開２００２−５５４３５号公報の光学特性測定方法も、瞳面の位置ずれによりシステムエラーが発生する。
【００７４】
この場合のシステムエラーとして考えられる要因として、照明系のレチクル側のテレセントリック性と投影光学系のレチクル側のテレセントリック性のマッチングエラーがある。照明系のテレセントリック性が影響する点が、上記各実施形態や各米国特許の測定方法とは異なるが、前述した各実施形態に示した方法を使って上記システムエラーの測定が可能である。
【００７５】
本実施形態３では、小σの照明条件で図２１のマーク群２０２および２０３を被露光基板に露光する。マーク群２０２は図１９のマーク２００と同じ形状でピッチやマーク自身の回転角が互いに異なった複数のマークの群であり、１像高とみなせる領域内に複数のマークを集めて配置したものである。またマーク群２０３は図１９のマーク２０１と同じ形状でマーク群２０２の各マークに合わせてピッチやマーク自身の回転角を互いに異ならせた複数のマークの集まりである。
マーク群２０２の複数のマーク同士の位置関係とマーク群２０３の複数Ｏマークの位置関係は同じである。
【００７６】
次にウエハステージ１２をＸＹ移動して被露光基板Ｗを異なる場所に移動させ、更に投影光学系１０の光軸方向にウエハステージ１２を移動させて、被露光基板を所定の高さに設定し、通常の小σの照明条件で、マーク群２０２とマーク群２０３とを被露光基板に再度露光する。この工程を複数の異なるデフォーカス位置で繰り返し行う。
【００７７】
次に図２０で説明したようにマーク群２０２とマーク群２０３が重なって露光されるようにウエハステージ１２もしくはレチクルステージ２０を移動させ、通常の小σの照明条件でマーク群２０２および２０３の露光を繰り返す。現像後、図２０に示すように対を成すマーク同士が転写されたマーク群２００、２０１の重ね合わせの相対位置ずれ量を各マーク対毎に測定機を使って測定する。得られた位置ずれ量から波面収差を測定すると同時に瞳面の位置ずれ量（誤差）を算出して校正ファイル等にシステムエラーとして格納し、投影光学系の波面収差を測定する際に同位置ずれ量を使用して波面収差の計算を行う。即ち▲１▼式に代入して計算する。
【００７８】
以上説明した測定フローを図２２に示す。
【００７９】
本実施形態３においても、被露光基板Ｗの光軸方向位置を変化させる代わりに図１５に示すレンズ駆動手段１６１や波長可変手段１７１を使用して特定の収差を所定量づつ変化させてマークの露光を繰り返し、現像後、先と同様得られた位置ずれ量から波面収差を測定すると同時に瞳面の位置ずれ量（誤差）を算出して校正ファイル等にシステムエラーとして格納し、投影光学系の波面収差を測定する際に同位置ずれ量を使用して波面収差の計算を行っても良い。この測定フローを図２３に示す。
【００８０】
上記方法以外にも、照明系のレンズ駆動手段１８１、１８３を使用して照明系レチクル側テレセントリック性を変化させると同時に、互いに異なるテレントリック性の条件下で、前記実施形態同様、被露光基板Ｗの高さを変化させたり、特定の収差を所定量づつ変化させて露光を行い、計測、解析を行うことにより、直接、波面収差の被露光基板の高さ変化（デフォーカス変化）もしくは特定の収差の発生量変化に対する波面収差変化が最も小さくなる照明系のテレセンリック性とその時の投影光学系の波面収差を求めることも可能である。このような測定フローを図２４（基板高さ変化）、図２５（特定収差変化）に示す。
【００８１】
以上の本実施形態３においても、実施形態１、２同様に、波面収差の計測結果を露光装置本体の収差調整機構にフィードバックすることにより投影光学系の収差補正が可能である。同機構としては、図１や図１５に示したレンズ駆動手段１６１やレーザ波長可変手段１７１が挙げられ、他にもレチクルを上下方向に駆動したり、投影光学系のレンズとレンズの間の空間の圧力を変化させたりすることにより、投影光学系の収差を調整できる。
【００８２】
また、本発明の光学特性測定方法は、投影光学系の種類に依存せず、様様な形式の投影光学系の波面収差を測定することができる。一例を挙げれば、レンズ、回折格子等の透明光学素子のみで構成された投影光学系、凹面ミラーと複数のレンズから成る投影光学系、凹面ミラーと凸面ミラーを有する全て或いは大部分がミラーよりなる投影光学系の波面収差の測定が可能である。
【００８３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、投影光学系の光学特性（例えば波面収差）を高精度に測定できる測定方法及び装置の提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】投影光学系の波面収差を測定する方法の一例を示す説明図である。
【図２】本発明の露光装置の一実施形態の概略図である。
【図３】図２の検出系１１の説明図である。
【図４】図２の検出系１１により検出されるマーク像の光強度分布の説明図である。
【図５】本発明に係るテストパターンの一例の説明図である。
【図６】本発明に係るテストパターン同士を重ねて露光した状態を示す説明図である。
【図７】本発明に係るテストパターンを成すグリッドの説明図である。
【図８】本発明に係るテストパターンを成す基準グリッドの説明図である。
【図９】本発明に係るテストレチクルの一例を示す断面図である。
【図１０】本発明に係るテストレチクルの他の例を示す断面図である。
【図１１】瞳ずれに対する波面収差／デフォーカス量の関係を示すグラフである。
【図１２】瞳ずれに対する波面収差／所定収差の関係を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る投影光学系収差測定の一例のフローチャートである。
【図１４】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【図１５】本発明の露光装置の他の実施形態の概略図である。
【図１６】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【図１７】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【図１８】マスクマーク説明図である。
【図１９】マスクマーク説明図である。
【図２０】計測マーク説明図である。
【図２１】マスクマーク群説明図である。
【図２２】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【図２３】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【図２４】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【図２５】本発明に係る投影光学系収差測定の他の例のフローチャートである。
【符号の説明】
１　光源
２　インプットレンズ
３　フライアイレンズ
４　開口絞り
５　第１リレーレンズ
６　投影式レチクルブラインド
７　第２リレーレンズ
８　メインコンデンサーレンズ
９　テストレチクル
１０　投影光学系（投影レンズ）
１１　検出系
１２　ウエハーステージ
１３　オートフォーカス系
１４　ウエハアライメント系
１５　テストパターン
１６　遮光膜
１８　レチクルステージ
１９　アライメントスコープ
２２　散乱板（光拡散用光学部品）
２３　アライメントマーク
９ａ　ピンホールプレート
２０ａ、２１ａ、２００，２０１　テストパターン
１６１、１８１、１８３　レンズ駆動手段
１６２、１８２　レンズ（補正光学系）
１７１　波長可変手段
１７２　レーザ
２０２、２０３　テストパターン群
ＰＨ　ピンホール
ＬＰ　主光線
Ｔｐ　テストパターン
ＴＰａ　テストパターン像
Ｗ　ウエハ
【図１】
2004146454.tif 000004
【図２】
2004146454.tif 000005
【図３】
2004146454.tif 000006
【図４】
2004146454.tif 000007
【図５】
2004146454.tif 000008
【図６】
2004146454.tif 000009
【図７】
2004146454.tif 000010
【図８】
2004146454.tif 000011
【図９】
2004146454.tif 000012
【図１０】
2004146454.tif 000013
【図１１】
2004146454.tif 000014
【図１２】
2004146454.tif 000015
【図１３】
2004146454.tif 000016
【図１４】
2004146454.tif 000017
【図１５】
2004146454.tif 000018
【図１６】
2004146454.tif 000019
【図１７】
2004146454.tif 000020
【図１８】
2004146454.tif 000021
【図１９】
2004146454.tif 000022
【図２０】
2004146454.tif 000023
【図２１】
2004146454.tif 000024
【図２２】
2004146454.tif 000025
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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