(57)【要約】【課題】半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化したとしても、露光レンズ（投影光学系）の僅かな波面収差の経時変化も考慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できるようにした波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。【解決手段】露光装置において、レチクルステージ上に、投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、投影光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とする。【選択図】　図２
2004014764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、
前記被測定光学系の物体面に位置決めされ、前記被検査光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンと、
該パターンに対して照明する照明光学系と、
前記被測定光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、
該リレーレンズで作られた前記被測定光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、前記被測定光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、
該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする波面収差測定装置。
【請求項２】
前記被測定光学系において波面収差がない場合に得られる光線と波面収差がある場合に得られる光線とが、前記レンズアレイの各レンズ要素の中心を通るように構成したことを特徴とする請求項１記載の波面収差測定装置。
【請求項３】
レチクルステージ上に載置されたレチクルの回路パターンを照明する照明光学系と、該照明光学系で照明されたレチクルの回路パターンを基板ステージ上に載置された被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光装置において、前記レチクルステージ上に、前記投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、
前記投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、
該リレーレンズで作られた前記投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、前記投影光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、
該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、
該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とする露光装置。
【請求項４】
前記波面収差測定装置において、前記被測定光学系において波面収差がない場合に得られる光線と波面収差がある場合に得られる光線とが、前記レンズアレイの各レンズ要素の中心を通るように構成したことを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項５】
前記波面収差測定装置において、前記撮像素子は、前記レンズアレイの焦点位置に配置することを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項６】
前記波面収差測定装置において、前記投影光学系の像面と前記リレーレンズの主平面との間の距離は前記リレーレンズの焦点距離であることを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項７】
前記波面収差測定装置において、前記リレーレンズの入射側に制限フィルタを備えたことを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項８】
前記照明光学系において、少なくとも波面収差測定時に前記パターンに照明光を集光する集光光学系を備えたことを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項９】
前記波面収差測定装置の処理手段は、予め第１の状態において前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第１のパターン位置群（Ｘ０，Ｙ０）に応じて前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起因する誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出し、第２の状態において前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第２のパターン位置群（Ｘ，Ｙ）から前記算出した誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を除去して第２のパターンのずれ量群（ΔＸ，ΔＹ）を算出し、該算出した第２のパターンのずれ量群（ΔＸ，ΔＹ）を基に第２の状態における前記投影光学系の波面収差Ｗを算出するよう構成したことを特徴とする請求項３記載の露光装置。
【請求項１０】
前記処理手段において、前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起因する誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出する際、別な手段によって第１の状態における前記投影光学系の波面収差Ｗ０を計測し、該計測された波面収差Ｗ０を基に第１のパターンのずれ量群（ΔＸ０，ΔＹ０）を算出し、前記計測された第１のパターン位置群（Ｘ０，Ｙ０）から前記算出された第１のパターンのずれ量群（ΔＸ０，ΔＹ０）を減算することによって前記誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出するように構成したことを特徴とする請求項９記載の露光装置。
【請求項１１】
請求項３または９記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態で第１の回路パターンおよび第１の合わせマークの上に第２の回路パターンおよび第２の合わせマークを露光する際の第１の回路パターン対する第２の回路パターン転写像の位置ずれ量と第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量との関係を算出し、合わせ検査装置で実測される第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量に応じて前記算出された回路パターン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を補正して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測し、該予測された実際の回路パターンの転写像の位置補正値を前記露光装置にフィードバックする計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１２】
請求項３または９記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、フォーカス値と露光量を変化させて製品回路パターンの転写像の光強度分布を算出し、該算出された製品回路パターンの転写像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出し、これらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適露光量および最適フォーカス値を算出する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１３】
請求項３または９記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態における投影光学系で露光される回路パターンの転写像を算出し、該算出された回路パターンの転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光学特性を設計する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
【請求項１４】
露光装置における投影光学系の波面収差Ｗを算出する波面収差算出ステップと、
該波面収差算出ステップで算出された第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態で第１の回路パターンおよび第１の合わせマークの上に第２の回路パターンおよび第２の合わせマークを露光する際の第１の回路パターン対する第２の回路パターン転写像の位置ずれ量と第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量との関係を算出する関係算出ステップと、
合わせ検査装置で実測される第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量に応じて、前記関係算出ステップで算出された回路パターン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を補正して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測する予測ステップと、
該予測ステップで予測された実際の回路パターンの転写像の位置補正値を前記露光装置にフィードバックするステップとを有する露光システムを用いて半導体基板に対して露光して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
露光装置における投影光学系の波面収差Ｗを算出する波面収差算出ステップと、
該波面収差算出ステップで算出された第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、フォーカス値と露光量を変化させて製品回路パターンの転写像の光強度分布を算出する転写像の光強度分布算出ステップと、
該転写像の光強度分布算出ステップで算出された製品回路パターンの転写像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出する製品回路パターン寸法ステップと、
これらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適露光量および最適フォーカス値を算出するステップとを有する露光システムを用いて半導体基板に対して露光して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
露光装置における投影光学系の波面収差Ｗを算出する波面収差算出ステップと、
該波面収差算出ステップで算出された第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態における投影光学系で露光される回路パターンの転写像を算出するステップと、
該ステップで算出された回路パターンの転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光学特性を設計するステップとを有する露光システムを用いて半導体基板に対して露光して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波面収差測定装置と半導体露光装置と半導体デバイスの製造方法に関し、特に、露光レンズの波面収差を露光装置上で計測する技術と、計測した波面収差を活用した波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置（半導体デバイス）の製造システムおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの回路パターンは、基板であるウエハ上に成膜し、この上に感光剤であるレジストを塗布、レチクル上の回路パターンをレジストに露光し、現像後、膜をエッチングすることによって生成される。この一連の工程を各層で繰り返すことによって多層の回路パターンで構成される半導体デバイスが製造される。この時、下地層パターンに対し、露光時の回路パターンの位置ずれがあると回路は断線またはショートし、半導体デバイスの不良となる。このため、露光、現像後にレジストで形成された合わせマークと下地層の合わせマークの相対的位置ずれを光学顕微鏡で自動測定し、ずれ量を次回露光時、露光装置にフィードバックして補正する方法がとられている。通常この合わせマークは露光エリア端の回路パターンの無い領域に設けられている。また、合わせマークは光学的検出法で解像可能なように、回路線幅と比べて大きく、２〜４μｍの線幅で形成されている。
【０００３】
ところで、露光装置のレンズに波面収差があると回路パターンと合わせマークの位置ずれに差が生じる。波面収差は図２７に示すようにレンズ瞳（絞り）上での露光光の位相変化分布を示す。像を形成する回折光の角度θは、微細で空間周波数が高い回路パターンでは図２７（ｂ）に示すように大きくなり、回折光はレンズ瞳上の端を通るため、レンズ外周近くの波面収差の影響を受ける。
【０００４】
一方、合わせマークは空間周波数が低いため、図２７（ａ）のようにレンズ中心付近の波面収差の影響を受ける。レンズ瞳を通る光線は波面収差の傾きに比例した量だけ曲げられるので、特にコマ収差のような非対称な波面収差が存在する場合の位置ずれは、回路パターンと合わせマークで異なる。このため、回路パターン空間周波数とレンズの波面収差に応じて、合わせマークで測定した位置ずれを回路パターンの位置ずれに変換して補正する必要がある。なお、波面収差によって変化するものとして、位置ずれの他に、ベストフォーカス位置や転写倍率等もあり、これらも波面収差に応じて補正する必要がある。
【０００５】
ところで、波面収差は経時変化する。これは、レンズ内の温度、圧力によってレンズの屈折率が変化すること、レンズ筐体の熱応力によりレンズが歪むこと、および光源の波長がドリフトすることなどによって変化するためである。従って、波面収差は定期的に測定する必要がある。また、波面収差を定期的に測定できれば、露光レンズを構成する要素レンズの一部移動やレンズ内圧力、露光光源の波長を制御することにより、波面収差を一定の許容範囲に収めることも可能である。
【０００６】
定期的に波面収差を測定するためには、露光装置上で測定できることが望ましいが、そのための技術としては、位相回復法、パターン空間像位置を測定する方法、および干渉計を搭載する方法がある。
【０００７】
位相回復法は、例えば、２０００−１９５７８２（従来技術１）に公開されているように、ベストフォーカス位置とデフォーカス位置で特定パターンの像強度分布から波面収差を繰り返し計算により算出する方法である。パターン空間像位置を測定する方法は、例えば、特開平１１−２９７６１４（従来技術２）に開示されているように、特定パターンの像強度分布の位置ずれ量からコマ収差等の非対称な波面収差を算出する方法である。また、干渉計を搭載する方法は、例えば、特開平２０００−２７７４１１（従来技術３）にあるように、レンズを介してウエハ面で反射した光と参照光の干渉縞から波面収差を算出する方法である。
【０００８】
また、他の従来技術としては、特開２００２−７１５１４（従来技術４）において、露光レンズ（投影光学系）の波面収差を測定するための検査装置を備えた露光装置が知られている。該検査装置としては、上記露光レンズの物体側開口数以上の開口数で上記露光レンズの物体面に位置決めされた開口部を照明するための照明ユニットと、上記露光レンズの像面に形成された上記開口部の一次像からの光を波面分割して上記開口部の二次像を多数形成するための波面分割素子（マイクロフライアイ）と、該波面分割素子により形成された多数の二次像を光電検出するための光電検出部とを備えることが記載されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記装置上での波面収差測定方法には次のような問題点がある。
【００１０】
まず、従来技術１の位相回復法では、ベストフォーカス位置とデフォーカス位置の２カ所で像強度分布の検出を行う必要があるため時間がかかる。また、繰り返し計算によって位相分布を求めるにあたり、条件によっては収束しない場合もあり得る。
【００１１】
また、従来技術２のパターン空間像位置を測定する方法は、異なる空間周波数のパターン空間像の位置ずれをコマ収差係数に換算するものであるが、ベストフォーカス位置に影響する球面収差や非点収差等、コマ収差以外の収差項目が測定できない。
【００１２】
また、従来技術３の干渉計を搭載する方法は、まず精度確保のための剛性向上や装置複雑化に伴うコスト増大のため、実際に適用することは難しい。
【００１３】
また、従来技術４には、光電検出部で検出される測定用の各原点位置から開口部の各像の光量重心位置までの位置ずれ情報に基いて露光レンズの波面収差を高精度に測定する点について十分考慮されていない。
【００１４】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、半導体露光装置上で、露光レンズの波面収差の経時変化を、高精度に測定することができるようにした波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化したとしても、露光レンズ（投影光学系）の僅かな波面収差の経時変化も考慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できるようにした半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のうち、代表的なものの概要を説明すれば、以下のとおりである。
【００１７】
本発明は、被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、前記被測定光学系の物体面に位置決めされ、前記被検査光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンと、該パターンに対して照明する照明光学系と、前記被測定光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた前記被測定光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、前記被測定光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とし、これにより、レンズアレイによる波面分割が瞳面と１対１に対応させることができ、波面収差測定を正確に行うことが可能となる。
【００１８】
また、本発明は、レチクルステージ上に載置されたレチクルの回路パターンを照明する照明光学系と、該照明光学系で照明されたレチクルの回路パターンを基板ステージ上に載置された被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光装置において、前記レチクルステージ上に、前記投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、前記投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた前記投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、前記投影光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記被測定光学系において波面収差がない場合に得られる光線と波面収差がある場合に得られる光線とが、前記レンズアレイの各レンズ要素の中心を通るように構成したことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記撮像素子は、前記レンズアレイの焦点位置に配置することを特徴とする。これにより、前記撮像素子上で撮像される集光スポットのコントラストが向上するため、高精度なスポット位置計測が行えるため、高精度に波面収差を求めることができる。
【００２１】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記投影光学系の像面と前記リレーレンズの主平面との間の距離は前記リレーレンズの焦点距離であることを特徴とする。これにより、波面収差がない場合、前記リレーレンズ出射後の光が平行光となり、前記レンズアレイに垂直に入射、撮像素子上の集光スポット位置が等間隔となる。この結果、スポット位置ずれの基準位置を等間隔と仮定することができるので、波面収差算出の演算を簡略化することができる。
【００２２】
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記リレーレンズの入射側に制限フィルタ（例えばアパーチャ）を備えたことを特徴とする。また、本発明は、前記照明光学系において、少なくとも波面収差測定時に前記パターンに照明光を集光する集光光学系を備えたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、前記波面収差測定装置の処理手段は、予め第１の状態において前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第１のパターン位置群（Ｘ０，Ｙ０）に応じて前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起因する誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出し、第２の状態において前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第２のパターン位置群（Ｘ，Ｙ）から前記算出した誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を除去して第２のパターンのずれ量群（ΔＸ，ΔＹ）を算出し、該算出した第２のパターンのずれ量群（ΔＸ，ΔＹ）を基に第２の状態における前記投影光学系の波面収差Ｗを算出するよう構成したことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、前記処理手段において、前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起因する誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出する際、別な手段によって第１の状態における前記投影光学系の波面収差Ｗ０を計測し、該計測された波面収差Ｗ０を基に第１のパターンのずれ量群（ΔＸ０，ΔＹ０）を算出し、前記計測された第１のパターン位置群（Ｘ０，Ｙ０）から前記算出された第１のパターンのずれ量群（ΔＸ０，ΔＹ０）を減算することによって前記誤差成分群（ａｘ，ａｙ）を算出するように構成したことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態で第１の回路パターンおよび第１の合わせマークの上に第２の回路パターンおよび第２の合わせマークを露光する際の第１の回路パターン対する第２の回路パターン転写像の位置ずれ量と第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量との関係を算出し、合わせ検査装置で実測される第１の合わせマークに対する第２の合わせマーク転写像の位置ずれ量に応じて前記算出された回路パターン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を補正して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測し、該予測された実際の回路パターンの転写像の位置補正値を前記露光装置にフィードバックする計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法である。
【００２６】
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、フォーカス値と露光量を変化させて製品回路パターンの転写像の光強度分布を算出し、該算出された製品回路パターンの転写像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出し、これらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適露光量および最適フォーカス値を算出する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法である。
【００２７】
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第２の状態における投影光学系の波面収差Ｗに応じて、第２の状態における投影光学系で露光される回路パターンの転写像を算出し、該算出された回路パターンの転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光学特性を設計する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法である。
【００２８】
以上、本発明の新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る露光装置並びに半導体装置設計製造システム及びその方法の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００３０】
近年、半導体デバイスは、例えば、０．１μｍ以下の超微細なパターンになってきており、それに伴って露光において狭マージン化するため、僅かな露光レンズ（縮小投影光学系）の波面収差の経時変化も問題となり、それを頻繁に日単位とか、週単位で算出することが要求されてきている。そして、算出された露光レンズの波面収差に基づいて、露光量とフォーカスとの関係からなる露光条件の最適化、レチクルに形成された回路パターン（ＯＰＣ）の最適化、収差起因歪みによるＭｉｘ　＆　Ｍａｔｃｈ補正、および回路パターンと合わせマークとの間の位置ずれ補正をすることにより、狭マージン化、即ち高精度化に対応することが可能となる。
【００３１】
そこで、まず、本発明に係る露光装置の一実施例について、図１を用いて説明する。
【００３２】
本発明に係る露光装置は、例えば、エキシマレーザ光等の露光光を出射する光源と、該光源から出射されたほぼ平行光の光束を整形する整形光学系と、該整形光学系で整形された光束の可干渉性を低減する可干渉性低減光学系と、該可干渉性低減光学系からの光束から多数の光源を形成する第１のフライアイレンズと、該第１のフライアイレンズからの多数の光源を偏向させる偏向器と、該偏向器で偏向された多数の光源を重畳的に照明するリレー光学系と、該リレー光学系で重畳的に照明された多数の光源を後側焦点面に多数の二次光源を形成する第２のフライアイレンズ（図示せず）と、該第２のフライアイレンズで形成された多数の二次光源を制限する開口絞りと、該開口絞りを通して得られる多数の二次光源を下側面に所定の回路パターンが形成されたレチクル上に重畳的に均一に照明するコンデンサー光学系とを有する照明光学系（図示せず）を設け、ウエハ３を載置するウエハホルダ３４を設けた基板ステージ（Ｘステージ３１、Ｙステージ３２およびＺステージ３３等から構成される。）を設け、レチクルを載置するレチクルステージを設け、レチクルのパターン（回路パターン）を被露光基板であるウエハ３上に縮小投影露光する露光レンズ（縮小投影光学系）２を設け、更にウエハ３の表面を露光レンズ２の結像面に自動合焦点制御する合焦点制御系を設けて構成される。なお、本発明において、照明光学系は、上記構成に限定されるものではない。また、本発明に係る露光レンズ２は、基本構成として、第１エレメントレンズ２１、瞳２３および第２エレメントレンズ２２を有して構成される。
【００３３】
ところで、例えば、可干渉低減光学系からの光束は、第１のフライアイレンズを介してその後側焦点面に多数の光源を形成する。これら多数の光源からの光は、偏向器で偏向された後、リレー光学系を介して第２のフライアイレンズを重畳的に照明し、該第２のフライアイレンズの後側焦点面に、多数の二次光源が形成される。この二次光源からの光束は、その近傍に配置された開口絞りにより制限された後、コンデンサー光学系を介してレチクル（マスク）を重畳的に均一に照明する。
【００３４】
レチクルのパターン（回路パターン）を透過した光束は、露光レンズ（縮小投影光学系）（被測定光学系）２を通して被露光基板であるウエハ３上にパターン（回路パターン）の像を形成して縮小投影露光される。レチクル（マスク）は、レチクルホルダを介して、レチクルステージに載置される。なお、レチクルステージは、主制御系からの指令に基き、レチクルステージ制御部によって駆動される。
【００３５】
一方、ウエハ３は、基板ステージ（Ｘステージ３１、Ｙステージ３２およびＺステージ３３等から構成される。）上のウエハホルダ３４に載置されている。基板ステージ（ウエハステージ）３１〜３３は、主制御部からの指令に基づき、ウエハステージ制御部によって駆動される。このとき、ウエハステージの移動は、例えばレーザ測長器によって測定される。このように、ウエハステージ３１〜３３は、Ｘ−Ｙ−Ｚ方向の移動機能、Ｚ軸、Ｘ軸及びＹ軸周りの回転若しくはチルト機能を有し、ウエハステージ制御部によりナノオーダで位置制御される。更に、ウエハ３の表面は、合焦点制御系によって露光レンズ２の結像面３００に自動合焦点制御される。
【００３６】
本発明に係る波面収差測定装置４は、例えば、ウエハステージ３１〜３３上に設けられことになる。上記波面収差測定装置４は、光線９０３をコリメートするリレーレンズ４１と、該リレーレンズ４１でコリメートされた光線９０４を撮像素子４３上に集光するレンズアレイ４２と、レンズアレイの各々で集光された光線９０４１及び９０４２の位置を撮像して信号に変換する撮像素子４３とを備え、露光レンズ２の瞳面２３と上記レンズアレイ４２の主平面とがリレーレンズ４１を介して共役になるように構成される。このように、露光レンズ（縮小投影光学系）２の瞳面２３と上記レンズアレイ４２の主平面とがリレーレンズ４１を介して共役になるように構成すると、撮像素子４３上における無収差時からのスポット位置のずれ（ΔＸ，ΔＹ）は、収差量（レンズアレイに対応する瞳２３上の波面収差の一次微分）（∂Ｗ（ξ、η）／∂ξ，∂Ｗ（ξ、η）／∂η）に比例することになり、収差量を簡単に算出することが可能となる。
【００３７】
即ち、計測用レチクル（評価用レチクル）１をレチクルステージに搭載し、上記照明光学系で計測用レチクル１を照明すると、計測用レチクル１上のピンホール１１０を通過した光９０１は、露光レンズ２の第１エレメントレンズ２１で平行光９０２となり、第２エレメントレンズ２２を介して、ウエハ３上面と同一高さの結像点Ａで、集光される。この後、光線９０３は波面収差測定器４に入射し、リレーレンズ４１でコリメートされた光線９０４はレンズアレイ４２によって、撮像素子４３上で集光される。
【００３８】
ここで、露光レンズ（縮小投影光学系）（被測定光学系）２に波面収差２０１が存在する場合を考える。波面収差２０１は露光レンズ２の瞳２３上の位相分布を表し、傾きの大きさに比例した量だけ入射した光線が曲げられる。例えば、露光レンズ２において、波面収差２０１が無い場合には、第１エレメントレンズ２１を出射した光線９０２０は光線９０２１のように直進するが、波面収差２０１がある場合には、第１エレメントレンズ２１を出射した光線９０２０は上記波面収差２０１の局所的傾きに比例して光線９０２２のように曲げられる。この結果、波面収差２０１が無い場合には、第２エレメントレンズ２２を出射した光線は光線９０３１のように進み、リレーレンズ４１とレンズアレイ４２により、光線９０４１の位置で撮像素子４３上で検出されるが、波面収差２０１がある場合には、第２エレメントレンズ２２を出射した光線は光線９０３２のように進み、撮像素子４１上において光線９０４２の位置で検出される。
【００３９】
次に、計測用レチクル１、露光レンズ２および波面収差測定器４等の光学的な配置を図２を用いて説明する。一般的な露光装置の場合、計測用レチクル１上のピンホール１１０と第１エレメントレンズ２１の距離を第１エレメントレンズ２１の焦点距離ｆ１、第１エレメントレンズ２１と瞳２３の距離をｆ１、瞳２３と第２エレメントレンズ２２の距離を第２エレメントレンズ２２の焦点距離ｆ２、第２エレメントレンズ２２とウエハ３上面である結像面３００の距離をｆ２として配置されている。この結果、ピンホール１１０と結像面３００は共役の関係となり、倍率はｆ２／ｆ１で表される。この時、波面収差２０１が無い場合には、瞳２３の中心を通る光線９０１０は、計測用レチクル１にも結像面３００にも垂直になるので、物体側、像側の両側でテレセントリックとなる。この配置の長所は、計測用レチクル１やウエハ３が上下方向にずれても、像位置がずれない、すなわち結像倍率が変わらないという点である。但し、波面収差２０１が存在する場合には、光線９０１０が結像面３００に対して垂直でなくなるため、結像倍率も変化する。
【００４０】
次に、本発明に係る波面収差測定器４の光学的配置について説明する。リレーレンズ４１は結像面３００とリレーレンズ４１の焦点距離ｆ３だけ離れた位置にあり、レンズアレイ４２も、リレーレンズ４１からｆ３の位置に置かれる。撮像素子４３はレンズアレイ４２からレンズアレイ４２の焦点距離ｆ４の位置に配置される。この結果、瞳２３とレンズアレイ４２は共役関係となり、倍率はｆ３／ｆ２となる。これにより（瞳２３とレンズアレイ４２とをリレーレンズ４１を介して共役関係となるように配置することにより）、波面収差２０１が無い場合の光線９０２１と、ある場合の光線９０２２が、レンズアレイ４２の各レンズ要素の中心を通るため、それぞれの光線がレンズアレイ４２で光路を曲げられることなく撮像素子４３に入射する。従って、撮像素子４３上での位置の差（ΔＸ，ΔＹ）は、波面収差２０１の局所的な傾きを表すことになる。波面収差２０１によって、瞳２３上で生じる角度αとレンズアレイ４２上で生じる角度βの関係は、次の（１）式で示すようになる。
【００４１】
β＝（ｆ２／ｆ３）α　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
更に、露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ，η）は上記角度αに比例することから、波面収差Ｗ（ξ，η）と位置の差（ΔＸ，ΔＹ）の関係は、例えば、‘Ｌａｓｅｒ　Ｒａｙ−Ｔｒａｃｉｎｇ　ｖｅｒｓｕｓ　Ｈａｒｔｍａｎｎ−Ｓｈａｃｋ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｕｍａｎ　Ｅｙｅ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　Ａ，　Ｖｏｌ．１７，　２０００’記載より、次に示す（２）式および（３）式となる。
【００４２】
ΔＸ＝（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））（∂Ｗ（ξ，η）／∂ξ）　・・・（２）
ΔＹ＝（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））（∂Ｗ（ξ，η）／∂η）　・・・（３）
ここに、λは露光波長、Ｒは瞳２３の半径、（ξ，η）は瞳上の座標であり、Ｒによってノーマライズされている。従って、（２）式、（３）式より偏微分の項を積分または級数展開することにより波面収差Ｗ（ξ，η）を求めることができる。
【００４３】
即ち、上記係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））が定数であるため、波面収差Ｗ（ξ，η）は、撮像素子４３上でのスポット位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）から容易に算出することが可能となる。また、逆に、リレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポット位置ずれ量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を算出する際において、干渉計等（別手段）を用いて計測される露光レンズ２の初期状態の波面収差Ｗ０（ξ，η）を基に、撮像素子４３上でのスポット位置のずれ量（ΔＸ，ΔＹ）を算出する際も容易となる。
【００４４】
次に、撮像素子４３の画像４３１を図３により説明する。撮像素子４３はレンズアレイ４２の焦点上にあるので、各光線は撮像素子４３上で集光されスポット状になる。ここで、スポットサイズと画素サイズに関して検討する。まず、露光レンズ２内のエレメントレンズ２１、２２の焦点距離をそれぞれｆ１＝４００ｍｍ、ｆ２＝１００ｍｍ、露光レンズ２のウエハ３側の開口数をＮＡ＝０．８、リレーレンズ４１の焦点距離をｆ３＝５ｍｍとする。リレーレンズ４１は露光レンズ２より大きな開口数をもつ必要があるため、実際には図１のような単レンズではなく、顕微鏡の対物レンズのような複数レンズからなるレンズである。露光レンズ２の瞳２３の半径Ｒは、次に示す（４）式により、Ｒ＝１００＊０．８＝８０ｍｍとなる。
【００４５】
Ｒ＝ｆ２・ＮＡ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（４）
スポットの数はレンズアレイ４２のエレメントレンズの数となるので、瞳２１の像を４０分割するとレンズアレイ４２のピッチは８／４０＝０．２ｍｍ。この結果、レンズアレイ４２のエレメントレンズ４２０の半径を０．１ｍｍ、焦点距離ｆ４＝１０ｍｍとすると、エレメントレンズ４２０の開口数はＮＡｅ＝０．１／１０＝０．０１となる。スポットサイズｄは、次に示す解像力の（５）式より、ｄ＝１．２２＊０．２４８／０．０１＝３０μｍとなる。ここにおいて、露光波長λ＝０．２４８μｍとした。
【００４６】
ｄ＝１．２２・（λ／ＮＡｅ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
一方、撮像素子４３を対角で１／３インチ、水平および垂直方向とも１０００画素とすると、１画素の大きさｐは１／３／√２／１０００＝６μｍとなる。この結果、１つのスポットに対する画素数は、３０／６＝５画素となり、スポット位置計測には十分である。スポット位置は、一般的な画像処理を用いてスポットの重心位置（Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ））を求めることができる。この処理は図１において、制御・処理系８が撮像素子４３で取得した画像４３１に対して行う。
【００４７】
ここで、制御・処理系８の処理フローについて図４および図５を用いて説明する。まず、波面収差測定器４の撮像素子４３で取得した画像４３１を基に測定されるスポットの位置ずれ量には、計測系のリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））が含まれることになる。そのため、予め、計測系のリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を求めておく必要がある。
【００４８】
そこで、予め（第１の状態で）、スポットシフト量（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を求める方法について図４を用いて説明する。まず、制御・処理系８は、ステップ８０１において、初期状態（第１の状態）における露光レンズ２のスポット位置（Ｘ０（ｉ，ｊ），Ｙ０（ｉ，ｊ））の計測を、初期状態で撮像素子４３で取得した画像４３１を基に上述した画像処理により行う。ステップ８０２では、装置上での計測ではない、本実施例とは別の手段、例えば、ＵＳＰＮｏ．５，８２８，４５５に開示されているような手段（干渉計など）により、初期状態（第１の状態）における露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ、η）を計測する。次に、ステップ８０３において、入力された初期状態における露光レンズ２の波面収差Ｗ０（ξ、η）の計測値と上記比例係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））とに基づいて、上記（２）式、（３）式により、初期状態（第１の状態）におけるスポットシフト（ΔＸ０（ｉ，ｊ），ΔＹ０（ｉ，ｊ））を算出する。最後に、ステップ８０１およびステップ８０３の結果を用いて、ステップ８０４により、リレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を、次に示す（６）式、（７）式から算出する。
【００４９】
ａｘ（ｉ，ｊ）＝Ｘ０（ｉ，ｊ）−ΔＸ０（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　・・・（６）
ａｙ（ｉ，ｊ）＝Ｙ０（ｉ，ｊ）−ΔＹ０（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　・・・（７）
上記算出されたスポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））は、露光レンズ２が無収差である場合における波面収差測定器４で測定されるスポット位置を示し、この処理により露光レンズ２の波面収差２を測定する準備が完了することになる。
【００５０】
ところで、当然、制御・処理系８は、初期状態における露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ、η）の計測値を入力し、上記比例係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））を入力して記憶しておけば、初期状態におけるスポットシフト（ΔＸ０（ｉ，ｊ），ΔＹ０（ｉ，ｊ））を算出することが可能となる。その結果、制御・処理系８は、上記スポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））も、上記（６）式および（７）式に基づいて算出することが可能となる。なお、初期状態におけるスポットシフト（ΔＸ０（ｉ，ｊ），ΔＹ０（ｉ，ｊ））の算出は、別の処理系で算出して制御・処理系８に入力してもよい。また、スポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））の算出も、別の処理系で算出して制御・処理系８に入力してもよい。
【００５１】
次に、露光レンズ２の波面収差の経時変化を算出する方法について図５を用いて説明する。例えば、０．１μｍ以下の超微細なパターンに伴って狭マージン化するため、僅かな露光レンズ２の波面収差の経時変化も問題となり、それを頻繁に（例えば日単位とか、週単位で）算出する必要がある。そこで、制御・処理系８が、予め求めて記憶しておいたリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２に起因するスポットシフト位置（ａｘ（ｉ，ｊ），ａｙ（ｉ，ｊ））を用いて、露光レンズ２の波面収差を算出するフローについて、図５を用いて説明する。露光レンズ２の波面収差を算出する必要が生じた際、まず、ステップ８０５において、計測用レチクル１をレチクルステージに設置し、ウエハステージを移動させて波面収差測定器４を所定の位置に位置付け、制御・処理系８は、波面収差測定器４の撮像素子４３で取得した画像４３１を基にスポット位置（Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ））を計測する。次に、制御・処理系８は、ステップ８０６において、次の（８）式および（９）式によりリレーレンズ４１およびレンズアレイ４２起因のシフトを補正した、露光レンズ２のみに起因するシフト量（ΔＸ（ｉ，ｊ），ΔＹ（ｉ，ｊ））を算出する。
【００５２】
ΔＸ（ｉ，ｊ）＝Ｘ（ｉ，ｊ）−ａｘ（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（８）
ΔＹ（ｉ，ｊ）＝Ｙ（ｉ，ｊ）−ａｙ（ｉ，ｊ）　　　　　　　　　　　　　　　・・・（９）
次に、制御・処理系８は、上記比例係数（（λ／２π）・（ｆ４／Ｒ）・（ｆ２／ｆ３））が入力されて記憶されているので、ステップ８０７において、算出されたシフト量（ΔＸ（ｉ，ｊ），ΔＹ（ｉ，ｊ））を用いて、上記（２）式および（３）式より露光レンズ２の波面収差Ｗ（ξ、η）を算出する。以上の処理によって、計測系の収差を含まない、露光レンズ２のみの波面収差を正確に算出することが可能となる。
【００５３】
ところで、露光レンズ２の波面収差２０１は、計測用レチクル１上のピンホール１１０の位置によって、変化する。従って、露光レンズ２の波面収差は複数のピンホール１１１、１１２でも測定する必要がある。この時、隣接するピンホールの光が波面収差測定器４に入射すると、スポット位置算出時に誤差が発生し得る。そこで、波面収差測定器４の入射口にもアパーチャ４０を設ける。図６にアパーチャ４０を示す。制限フィルタ（例えばアパーチャ）４０の半径ｒｐは、デフォーカス許容量Δｚを１μｍとすると、ｒｐ＝Δｚ＊ＮＡ＝１＊０．８＝０．８μｍとなる。制御・処理系８は、計測用レチクル１上のピンホール１１０、１１１、１１２他の結像位置に波面収差測定器４が来るよう、Ｘステージ３２およびＹステージ３３を制御し、露光レンズ２と波面収差測定器４の距離が一定となるようＺステージ３１を制御する。
【００５４】
一方、計測用レチクル１上のピンホール１１０を通過した光を用いて計測するため、撮像素子４３が十分なＳＮで検出できるだけの時間をかけ、光量を稼ぐ必要がある。これは波面収差測定のスループットに繋がる。これを解決するため、計測用レチクル１のピンホール１１０の上方に集光レンズ１２０を設ける。これを図７に示す。集光レンズ１２０の半径ｒｃは、集光レンズ１２０の焦点距離ｆｃと露光レンズ２の開口率ＮＡおよび、縮小率Ｍ＝ｆ２／ｆ１＝０．２５を用いると、次の（１０）式となる。
【００５５】
ｒｃ＝ｆｃ・ＮＡ・Ｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１０）
ｆｃ＝５ｍｍとすると、ｒｃ＝５＊０．８＊０．２５＝１ｍｍとなる。集光レンズ１２０は計測用レチクル１の各ピンホール上に焦点距離ｆｃだけ離れた位置に設置される。しかし、実際露光するときには、集光レンズ１２が計測用レチクル１と一緒に退避されることになる。勿論、集光レンズ１２は、計測用レチクル１と別に退避されてもよい。
【００５６】
次に、本発明に係る波面収差測定装置を用いて、回路パターンと合わせパターンの位置ずれを補正する方法について、図８を参照して説明する。この波面収差測定装置は、例えば、図１、図６又は図７に示す露光装置の制御・処理系８に接続される上位コンピュータ（制御部）７１又は７２（勿論ホストコンピュータ６でもよい。）によって構成される。まず、第１の露光工程で露光装置を用いて露光・現像して形成された第１の回路パターン（下層回路パターン）の上に第２の露光工程によって露光装置を用いて第２の回路パターン（上層回路パターン）を重ね合わせて露光しようとする場合である。
【００５７】
まず、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８１０１において、第１の露光工程における製品レチクル上の第１の回路パターンの寸法データを製造ライン管理システム（図示せず）から例えばネットワークを介して読み込む。次に、上位コンピュータは、ステップ８１０２において、第１の工程（露光工程）における製品レチクルの合わせマーク寸法を製造ライン管理システム（ホストコンピュータ）６から例えばネットワークを介して読み込む。上記寸法には回路パターンおよび合わせマークの幅とピッチを含む。さらに、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８１０３において、第１の工程における露光装置の照明条件を製造ライン管理システムまたは第１の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。照明条件の例および定義方法については後述する。また、上位コンピュータは、ステップ８１０４において、第１の工程の露光装置における上記第１の回路パターン部像高の波面収差データを第１の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。波面収差データの測定方法は後述する。次に、上位コンピュータは、ステップ８１０５において、第１の工程の露光装置における上記合わせマーク部像高の波面収差データを第１の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。当然、第１の工程の露光装置の制御・処理系８からは、第１の工程における第１の回路パターン部像高の波面収差データと合わせマーク部像高の波面収差データとが波面収差測定器４で測定されて得られるものとする。次に、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８１０６において、読み込まれた第１の工程における回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件（瞳上照度分布も含む）、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差に基づいて、回路パターンと合わせマークの転写像の算出を行う。転写像の算出方法は後述する。
【００５８】
また、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８２０１から８２０５で、第１の工程に対するステップ８１０１から８１０５と同様に、第２の工程における第２の回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件（瞳上照度分布も含む）、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差を製造ライン管理システムまたは第２の工程の露光装置の制御・処理系８から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。当然、第２の工程の露光装置の制御・処理系８からは、第２の工程における第２の回路パターン部像高の波面収差データと合わせマーク部像高の波面収差データとが波面収差測定器４で測定されて得られるものとする。次に、上位コンピュータ７１又は７２は、ステップ８２０６において、読み込まれた第２の工程における回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差に基づいて、回路パターンと合わせマークの転写像の算出を行う。
【００５９】
次に、上位コンピュータ７１は、ステップ８３０１において、算出された第１の工程と第２の工程との間の回路パターン転写像の位置ずれと、第１の工程と第２の工程との間の合わせマークの位置ずれを算出する。位置ずれ算出方法については後述する。さらに、上位コンピュータ７１は、ステップ８３０２で、回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係を求める。次に、上位コンピュータ７１は、ステップ８３０３で、第２の工程における試し露光または前回の露光によって、図１６（ｂ）に示す如く、第１の合わせマークの上に第２の合わせマークが重ねて形成されたウエハに対して合わせ検査装置２０で実測された第１の合わせマークと第２の合わせマークとの位置ずれ（Δξ，Δη）が入力され、該入力された合わせマークの位置ずれ量（Δξ，Δη）から、上記回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係によって、図１６（ａ）に示す如く、実際の回路パターンの位置ずれ量（ΔＥｘ，ΔＥｙ）を予測し、該予測される実際の回路パターンの位置ずれ量を例えばネットワークを介して第２の工程の露光装置に送信し（フィードバックし）、第２の工程の露光装置は、ステップ８３０４で、フィードバックされた予測される実際の回路パターンの位置ずれ量に応じた補正量（オフセット量）（Ｃｘ，Ｃｙ）で補正して正式の露光または次回の露光が行われることになる。
なお、図８に示す読み込み、算出、予測については、上位コンピュータ７１ではなく、第２の工程の露光装置の制御・処理系８で行ってもよい。
【００６０】
ここで、図９により転写像の計算方法について説明する。まず、対象となる回路パターンのウエハ３への転写像の計算を行うためには、照明条件（瞳上照度分布も含む）２０００、製品レチクル１０上の回路パターン１０１および露光レンズ２の波面収差２０１のデータが必要となる。波面収差２０１は、上述の波面収差測定器４によって測定される。これらのデータを用いた像計算の方法については、例えば、‘Ｙ．Ｙｏｓｈｉｔａｋｅ　ｅｔ　ａｌ，　ＳＰＩＥ　Ｖｏｌ．１４６３，　１９９１，　ｐｐ６７８−６７９’に開示されている。
【００６１】
ここで、図１０を用いて、照明条件２０００の具体例について説明する。図１０（ａ）は一般的な照明であり、パラメータとしては照明光源像２０１０の直径Ｄ１および露光レンズ２の絞り２３の像２３’の直径Ｄｅｐで表すことができる。図１０（ｂ）は、回路パターン１０１として白黒情報以外に位相情報をもつ場合、いわゆる位相シフトレチクルを用いる場合に使われる照明条件であり、Ｄｅｐに対する照明光源像の直径Ｄ２の比が図１０（ａ）に比べて小さい。図１０（ｃ）は輪帯照明と呼ばれるもので、照明光源像２０３０の外径Ｄ４および内径Ｄ３とＤｅｐで表すことができる。なお、図１０の照明光源像は、理想状態を示すものであるが、実際の光源像には光量の不均一な分布がある。実際の光源像を、例えば、‘Ｊ．Ｐ．Ｋｉｒｋ　ａｎｄ　Ｃ．Ｊ．Ｐｒｏｇｌｅｒ，　ＳＰＩＥ　Ｖｏｌ．３３３４，　１９９８，　ｐｐ２８１−２８８’に開示されている方法で実測し、これを実際の照明光源像のデータとして用いれば、転写像の計算精度はさらに向上する。
【００６２】
次に、図９の回路パターン１０１の具体例を図１１により説明する。まず、図１１（ａ）は第１の工程のライン＆スペースパターンであり、透明部１０１１と遮光部１０１２で構成される。ライン＆スペースパターンのパラメータとしては、遮光部１０１２であるラインの幅Ｌ１とライン＆スペースのピッチＰ１で表すことができる。また、図１１（ｂ）は第２の工程におけるホールパターンの例であり、遮光部１０１４と開口部１０１３で構成される。ｘ方向の開口幅Ｓｘ、ピッチＰｘ、ｙ方向の開口幅Ｓｙ、ピッチＰｙとして表すことができる。
【００６３】
ここで、パターンの座標で波面収差２０１が異なる理由を図１２を用いて説明する。図１２（ａ）のレチクル１１の点１９１ａから出た光９００１ａは露光レンズ２を介してウエハ３に結像される。点１９１ａはレンズ中心２００１からｈ１の座標位置にある。図１２（ｂ）のレチクル１１の点１９１ｂから出た光９００１ｂは露光レンズ２を介してウエハ３に結像される。点１９１ｂはレンズ中心２００１からｈ２の座標位置にある。光線９００１ａと光線９００１ｂでは露光レンズ２内のエレメントレンズ２１への入射角が異なるため、発生する波面収差２０１ａ、２０１ｂは異なったものになる。
【００６４】
次に、図１３に波面収差２０１の例を示す。波面収差Ｗ（ｘ，ｙ）２０１はｘ方向に非対称なコマ収差の例であり、３次元的なデータである。波面収差２０１は、本発明である、上述の波面収差測定器４によって測定される。
【００６５】
次に、図１４および図１５により、製品レチクル１０上での回路パターンと合わせマークの配置について説明する。図１４は第１の工程における製品レチクルの例である。図１５は第２の工程における製品レチクル上の回路パターン１００２と合わせマーク１０１２を示し、それぞれの中心座標は回路パターン１００１および合わせマーク１０１１と同じである。
【００６６】
ここで、図１６に、第１の工程と第２の工程における回路パターン１００１、１００２の位置ずれ（ΔＥｘ，ΔＥｙ）と、合わせマーク１０１１、１０１２の位置ずれ（Δξ，Δη）を示す。位置ずれ（（ΔＥｘ，ΔＥｙ）、（Δξ，Δη））は、上述の転写像シフト量を第１および第２の工程の回路パターンと合わせマークについて算出し、第１の工程と第２の工程の差分を取ることによって得られる。
【００６７】
次に、合わせマークと回路パターンの位置ずれの関係の求め方について説明する。Ｘ方向およびＹ方向について、次の（１１）式および（１２）式によってオフセット（εｘ，εｙ）を求める。
【００６８】
εｘ＝ΔＥｘ−Δξ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）
εｙ＝ΔＥｙ−Δη　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１２）
図１７にΔＥｘとΔξの関係を示す。第１の工程と第２の工程の合わせずれであるΔＥｘとΔξは、通常０．２μｍ以下と微小範囲なので波面収差は変化せず、位置ずれ関係はオフセットεｘだけで決まる。Ｙ方向に関してもＸ方向と同様である。
【００６９】
合わせ検査の結果を露光装置にフィードバックする場合の補正量算出法について図１８を用いて説明する。まず、過去の合わせ検査データ（Δξ，Δη）の平均値（Ａｘ，Ａｙ）を算出する。次の（１３）式および（１４）式により回路パターン位置ずれの補正量（Ｃｘ，Ｃｙ）を求める。
【００７０】
Ｃｘ＝Ａｘ＋εｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１３）
Ｃｙ＝Ａｙ＋εｙ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１４）
次回、第２の工程露光時の補正量としては（Ｃｘ，Ｃｙ）を露光装置にフィードバックする。
【００７１】
次に、本発明に係る露光レンズ２の波面収差２０１の別の利用法（露光量とフォーカスとの関係からなる露光条件の最適化）について述べる。新しい製品の着工時、または既に着工している製品を別の露光装置に展開する場合、回路パターンを規格内に抑えるための、露光量、フォーカス位置の条件出しを行う。これは、これらの最適条件が製品、露光装置によって異なるためである。通常は、露光量とフォーカスを変えながら回路パターンの転写を行い、これを電子線顕微鏡等で線幅測定することにより、最適な露光量とフォーカスを判断する。しかし、この作業は１工程行うのに約５時間要するため、生産性の隘路となっている。
【００７２】
上述の製品と露光装置の最適条件に対する影響は、製品レチクル上の回路パターンと露光装置の波面収差によっている。そこで、本発明に係る波面収差測定装置のデータと回路パターンの情報から、シミュレーションによる露光の最適条件の予測がこの課題の解決に有効となる。
【００７３】
ここで、図１９から図２２を参照して、露光装置等を接続する上位コンピュータ７２または露光装置の制御・処理系８が行う露光の最適条件の予測方法について述べる。まず、図１９および図２５に示すように、露光装置等を接続する上位コンピュータ７２または露光装置の制御・処理系８は、ステップ８８０１で照明条件を読み込んで照明条件記憶手段７１０２に記憶し、ステップ８８０２で製品回路パターン寸法を読み込んでレチクルデータ記憶手段７１０１に記憶し、ステップ８８０３で、製品回路パターンの座標に相当する波面収差を読み込んで波面収差データ記憶手段７１０４に記憶する。
【００７４】
次に、ステップ８８０４でフォーカス値Ｆを設定し、ステップ８８０５で、前述した方法により製品回路パターンの転写像の算出を行う。即ち、フォーカス値Ｆを変化させた際の製品回路パターンの転写像の光強度分布９９００の算出を行って瞳上照度分布記憶手段７１０３に記憶する。
【００７５】
次に、上位コンピュータ７２である最適露光量・フォーカス値算出手段７２２１は、次に説明することを実行する。即ち、ステップ８８０６により露光量Ｊを設定し、ステップ８８０７により製品回路パターンの寸法であるＣＤの算出を行う。即ち、露光量Ｊを変化させた際の製品回路パターンの寸法であるＣＤの算出を行う。ここで、ＣＤの算出方法を図２０を用いて説明する。ステップ８８０５で算出した転写像の光強度分布９９００に対し、設定された露光量Ｊに応じたしきい値Ｊｔｈを与えることにより、現像後の寸法、ＣＤを求める。
【００７６】
なお、転写像の光強度分布９９００から、例えば「Ｉｎｓｉｄｅ　ＰＲＯＬＩＴＨ，クリス　Ａ．マック著，１９９７　１２４−１３５頁」に記載のような現像シミュレーションを行い、現像後の断面プロファイルから現像後の寸法、ＣＤを求めても良い。
【００７７】
次に、ステップ８８０８により、所定の露光量変化、フォーカス変化の条件が終了したかをチェックし、露光量変化が終了してない場合は、ステップ８８０６へ、フォーカス変化が終了してない場合は、ステップ８８０４へ戻る。全ての条件が終了した場合は、ステップ８８０９により、ＣＤ、フォーカスＦ、露光量Ｅの関係をマッピングする。
【００７８】
マッピングの実施例を図２１に示す。ここに、横軸はフォーカスＦ、縦軸は寸法ＣＤであり、ＦとＣＤの関係を各露光量Ｅに関してプロットしている。ここに、ＣＬはＣＤの規格中心、ＣＬ＋１０％はＣＬに対して＋１０％のＣＤ、ＣＬ−１０％はＣＬに対して−１０％のＣＤを示す。ＣＬ＋１０％、およびＣＬ−１０％をよぎる線から、それぞれのＣＤを与える露光量ＥおよびフォーカスＦの関係がプロットできる。この様子を図２１に示す。図２２において、ＣＬ＋１０％およびＣＬ−１０％の線に囲まれた領域が、いわゆるプロセスウインドウである。
【００７９】
上位コンピュータ７２または露光装置の制御・処理系８は、ステップ８８１０において、図２２に示したプロセスウインドウを求め、ステップ８８１１でプロセスウインドウに内接する四角３０１を算出し、ステップ８８１２で四角１０１の中心１０２を求める。ステップ８８１３では、四角１０１の中心３０２を求め、最適露光量Ｊｏｐｔおよび最適フォーカス値Ｆｏｐｔを最適条件として算出して、最適露光量・フォーカス値記憶手段７１０５に記憶する。そして、露光装置２は、最適条件として算出された最適露光量Ｊｏｐｔおよび最適フォーカス値Ｆｏｐｔに基いて露光されることになる。
【００８０】
次に、本発明に係る露光レンズ２の波面収差２０１のさらに別の利用法（収差起因歪みによるＭｉｘ　＆　Ｍａｔｃｈ補正）について述べる。図１３のような非対称なコマ収差が存在する場合、連続するライン＆スペースの左端と右端のラインに線幅差（Ｌ１−Ｌ２）が生じる場合がある。この様子を図２３に示す。本発明の波面収差測定装置４で露光装置の波面収差データを蓄積しておくことにより、過去数回測定値の平均、または最新のデータを用いて、上述の方法によりパターン線幅を算出することができる。これにより、左端と右端の線幅差を予測することが可能で、この結果から製品レチクルの回路パターン描画時に、線幅差が無くなるようパターン幅を補正することができる。
【００８１】
次に、本発明に係る露光レンズ２の波面収差２０１のさらに別の利用法（レチクルに形成された回路パターン（ＯＰＣ）の最適化）について述べる。微細パターンの場合、転写像の設計寸法からのずれを修正するために、製品レチクル上のパターンに対してＯＰＣ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ　Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）が施されている。これはパターンのコーナーに微少な四角パターンを付加してコーナーの丸まりや、パターン長さの短小化を防ぐものである。ＯＰＣも波面収差の影響を受けるため、同様な方法で転写像を予測し、ＯＰＣパターンの大きさ、位置の補正をすることにより、露光装置に最適、かつ高精度なパターン補正が可能になる。
【００８２】
次に、本発明の実施例である図８に示す処理を実行する合わせずれ補正システムに関して、図２４を参照して説明する。
即ち、半導体装置は成膜装置５１によってウエハ３が成膜され、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）装置５２によって膜が平坦化された後、塗布現像装置５３により感光剤であるレジストが塗布される。次に露光装置２によって回路パターンがウエハ３上の感光剤に転写され、再び塗布現像装置５３によって感光剤の現像が行われた後、合わせ検査装置２０によって合わせ検査が行われる。次にエッチング装置５４によってエッチングが施された後、レジスト除去装置５５によってレジストが除去され、再び次の層の膜が成膜装置５１によって生成される。このようなプロセスを繰り返すことによって半導体装置（半導体デバイス）は製造される。
【００８３】
ホストコンピュータ（製造ライン管理システム）６には、ネットワーク６１を介して上述の製造装置２、２０、５１〜５５から被露光基板３の処理の来歴データが送られている。例えば、露光装置２からはウエハ３の品種、工程、ロット番号と処理に使われた号機、照明条件等のレシピデータ、製品レチクル名等が送信され、ホストコンピュータ６の来歴記憶部６０１に保存される。
【００８４】
本発明に係る合わせずれ補正システム（上位コンピュータ）７１では、まず、回路パターン、合わせマークの幅やピッチといった寸法や座標のデータは製品レチクル名と共に製品レチクルデータ記憶手段７１０１に登録される。手動かまたは図示しない別なコンピュータからデータを入力することができる。登録する回路パターンは、同一製品レチクル内で一番合わせ裕度の厳しい部分を選択することにより、歩留まりの維持、向上に結びつく補正量を設定することができる。また、露光時の照明条件はホストコンピュータ６の来歴記憶部６０１からデータを得、照明条件記憶手段７１０２に記憶する。また、露光装置２の露光レンズ瞳上照度分布の測定値は、手動かまたは図示しない別なコンピュータからデータを入力し、瞳上照度分布記憶手段７１０３に保存される。照明条件と瞳上照度分布が、回路パターンと合わせマークの転写像算出に必要な照明に関する入力データとなる。一方、波面収差データ記憶手段７１０４には、上述の波面収差測定装置により測定されて算出された波面収差データが、複数ある露光装置毎に、製品レチクル上の座標（ｉ，ｊ）毎に登録しおく。これらのデータが新規に登録されたタイミングで制御手段７１０は、位置ずれ量算出指示を位置ずれ量算出手段７１２１に対して行う。特に、波面収差データ記憶手段７１０４には、露光レンズ２の波面収差の経時変化が波面収差測定装置により測定されて記憶されることになるため、上位コンピュータ７１である位置ずれ量算出手段７１２１は、波面収差が測定する度に、回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係を求めて位置ずれ関係記憶手段７１０５などに記憶できることになる。
【００８５】
上位コンピュータ７１である位置ずれ量算出手段７１２１は、製品レチクルデータ記憶手段７１０１から回路パターンと合わせマークの寸法、座標データを、照明条件記憶手段７１０２と瞳上照度分布記憶手段７１０３から照明に関する入力データを、波面収差データ記憶手段７１０４から対象となる回路パターン、合わせマークの座標に相当する波面収差データを入手し、上述した方法により、露光レンズ２の波面収差の経時変化に伴って算出されて記憶された回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関係を基に、第１の工程（下層を露光した工程）と第２の工程（今度露光しようとする工程）との間の回路パターンの位置ずれ量（ΔＥｘ，ΔＥｙ）と合わせマークの位置ずれ量（Δξ，Δη）を算出して位置ずれ関係記憶手段７１０５などに記憶する。次に、上位コンピュータ７１である位置ずれ関係算出手段７１２２は、算出した位置ずれ量から回路パターンと合わせマークの位置ずれ関係（例えば上記（１１）式および（１２）式で示すオフセット（εｘ，εｙ）の関係）を算出して、位置ずれ関係記憶手段７１０５等に登録する。ここまでの処理は、ウエハ３を着工する前に予め行われる。
【００８６】
次に、第１の工程で露光されたウエハ３の下層パターンの上に第２の工程において上層パターンが露光され、図１６（ｂ）に示すように合わせマークについて検査する合わせ検査装置２０から合わせ検査データ（Δξ，Δη）が制御手段７１０に送信された時の処理について説明する。まず、制御手段７１０は、ホストコンピュータ６に問い合わせを行い、来歴記憶部６０１に登録されている第１の工程および第２の工程における露光装置、製品レチクル、照明条件を得る。第１の工程と第２の工程の露光装置、照明条件、製品レチクルの来歴情報から、該当する位置ずれ関係を位置ずれ関係記憶手段７１０５から読み出す。尚、制御手段７１０は、合わせ検査装置２０で検査された合わせ検査データ（合わせ検査装置２０で実測された第１の合わせマークと第２の合わせマークとの位置ずれ（Δξ，Δη））を合わせ検査データ記憶手段７１６に登録する。補正量算出手段７１２３は、上述の位置ずれ関係（（ΔＥｘ，ΔＥｙ）と（Δξ，Δη）との間のオフセット（εｘ，εｙ）の関係）を用いて、例えば上記（１３）式および（１４）式に基いて補正量（Ｃｘ，Ｃｙ）を算出し、このデータを制御手段７１０がホストコンピュータ８に送信し、ホストコンピュータ６は次回露光時に露光装置２に、この補正量（Ｃｘ，Ｃｙ）を送信する。その結果、該露光装置２において、送信を受けた補正量に基いて補正されて次回の露光がなされることになる。ここで、補正量算出手段７１２３は、合わせ検査データ記憶手段７１０６に照会し、該当する過去のデータに対して、図１８に示したように、例えば平均値算出のような処理を施して求めても良い。このような処理によって、合わせ検査データのノイズ成分に影響されない高精度な補正量を算出することができる。
【００８７】
次に、本発明の別の実施例である、図１９に示す処理を実行する波面収差測定装置を用いた露光条件予測システム７２について、図２５を参照して説明する。
【００８８】
大部分は図２４の合わせずれ補正システム７１と同様であるが、露光条件予測システム７２である最露光量・フォーカス値算出手段７２２１は、ステップ８８０１〜８８０８において、レチクルデータ、照明条件、瞳上照度分布、波面収差を用いた転写像の線幅（ＣＤ）をフォーカスおよび露光量を変えながら求め、ステップ８８０９〜８８１３において、上記求められたＣＤとその時のフォーカスおよび露光量を基に図２２に示すプロセスウインドウを算出するなどして最適条件（製品回路パターンの露光量Ｊｏｐｔ、フォーカス最適値Ｆｏｐｔ）３０２を算出し、この算出された最適条件値を製品、工程、露光装置毎に保存する最適露光量・フォーカス値記憶手段７２０１を有する点が異なる。この値（最適露光量・フォーカス値）を、新製品の着工や露光装置の複数展開時の初期条件データとして制御手段７２０からホストコンピュータ６を経由して露光装置２へ送られる。その結果、該露光装置２において、送信を受けた最適露光量・フォーカス値に基いて次回の露光がなされることになる。
【００８９】
次に本発明の別の実施例である回路パターン設計システムを図２６により説明する。制御手段７３０が露光装置２で測定された瞳上照度分布および波面収差をそれぞれ瞳上照度分布記憶手段７１０３と波面収差データ記憶手段７１０４に保存しておき、ＣＡＤ端末７３１からの要求に伴い、瞳上照度分布と波面収差を読み出し、ＣＡＤ端末７３１で設定された回路パターンと照明条件を用いて、前述の方法により転写像の算出を行う。その結果をＣＡＴ端末７３１上に、回路パターンとともに表示する。このシステムによれば、露光装置２の特性に応じた最適なパターン修正が可能になるので、転写時に所望の回路パターンを得ることが可能になる。
【００９０】
以上、前述した実施の形態によれば、波面収差測定装置として、評価用レチクル１上のピンホール１１０とリレーレンズ４１とレンズアレイ（露光レンズの瞳と共役な位置に設置）４２、および撮像素子４３を組み合わせることにより、露光装置上で露光レンズの波面収差を、低コストで、全ての収差項目の測定が可能となる。
【００９１】
また、波面収差測定装置として、入射口にアパーチャ４０を、評価用レチクル１上に集光レンズ１２０を設けることにより、隣接ピンホールの影響を受けることなく、十分な光量で測定できるので、露光レンズの波面収差を高精度に測定することが可能となる。
【００９２】
また、前述した実施の形態によれば、波面収差測定装置で測定した波面収差データにより、回路パターンと合わせマーク位置ずれの差を考慮した、高精度な露光装置合わせずれ補正システムや、露光条件予測システム、さらには露光装置に応じた回路パターン設計システムを構築することができ、超微細な半導体装置を高歩留りで製造することができる。
【００９３】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体露光装置上で、露光レンズの波面収差の経時変化を、高精度に測定することができる効果を奏する。
また、本発明によれば、半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化したとしても、露光レンズ（縮小投影光学系）の僅かな波面収差の経時変化も考慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る波面収差測定装置を備えた露光装置の一実施の形態を示す図。
【図２】本発明に係る波面収差測定装置の光学系の配置を説明するための図。
【図３】本発明に係る撮像素子上のスポットを説明するための図。
【図４】本発明に係る計測系起因のスポットシフト位置を求めるフローを説明するための図。
【図５】本発明に係る波面収差の求め方を説明するための図。
【図６】本発明に係る制限フィルタ（アパーチャ）を具備した波面収差測定装置を説明するための図。
【図７】本発明に係る集光レンズを具備した計測用レチクル（評価用レチクル）を説明するための図。
【図８】本発明に係る露光装置補正のフローを説明するための図。
【図９】本発明に係る転写像算出に必要なパラメータを説明するための図。
【図１０】本発明に係る照明条件を説明するための図。
【図１１】本発明に係る第１の工程と第２の工程の回路パターンを説明するための図。
【図１２】本発明に係るパターン位置による波面収差の違いを説明するための図。
【図１３】本発明に係る波面収差の例を示す図。
【図１４】本発明に係る第１の工程の回路パターンと合わせマークの配置を示す図。
【図１５】本発明に係る第２の工程の回路パターンと合わせマークの配置を示す図。
【図１６】本発明に係る第１と第２の工程の重ね合わせ後の回路パターンと合わせマークを示す図。
【図１７】本発明に係る合わせマークの位置ずれΔξと回路パターンの位置ずれΔＥｘの関係を示す図。
【図１８】本発明に係る合わせ検査データΔξの経時変化を示す図。
【図１９】本発明に係る最適露光量およびフォーカス値の算出フローを示す図。
【図２０】本発明に係る転写像の光強度分布を示す図。
【図２１】本発明に係るフォーカス値Ｆと線幅ＣＤおよび露光量Ｅの関係を示す図。
【図２２】本発明に係るプロセスウインドウを説明する図。
【図２３】本発明に係るライン＆スペース両端の寸法差を説明するための図。
【図２４】本発明に係る波面収差を用いた合わせずれ補正システムを説明するための図。
【図２５】本発明に係る波面収差を用いた露光条件予測システムを説明するための図。
【図２６】本発明に係る波面収差を用いた回路パターン設計システムを説明するための図。
【図２７】本発明に係るパターンの空間周波数による光路の違いと波面収差の関係を説明するための図。
【符号の説明】
１…計測用レチクル（評価用レチクル）、１１０、１１１、１１２…ピンホール（パターン）、１２０…集光レンズ、２…露光レンズ（投影光学系：被測定光学系）、２０…合わせ検査装置、２１…第１のエレメントレンズ、２…第２のエレメントレンズ、２３…瞳、２０１…波面収差、３…ウエハ（被露光基板）、３１…Ｚステージ、３２…Ｘステージ、３３…Ｙステージ、４…波面収差測定器、４０…制限フィルタ（アパーチャ）、４１…リレーレンズ、４２…レンズアレイ、４３…撮像素子、４３１…撮像した画像、５１…成膜装置、５２…ＣＭＰ装置、５３…塗布現像装置、５４…エッチング装置、５５…レジスト除去装置、６…ホストコンピュータ、７１…合わせずれ補正システム（上位コンピュータ）、７２…露光条件予測システム（上位コンピュータ）、７３…回路パターン設計システム、。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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