(57)【要約】【課題】実質的にハルトマン法の原理を応用して、簡便に且つ高精度に投影光学系の収差を計測する。【解決手段】マスク配置面３上のパターンを像面１８上に転写する投影光学系１５の収差を計測するために、第１のマスク４の開口パターン５が形成されたパターン面をマスク配置面３に配置し、ステンシルマスクよりなる第２のマスク７の２次元格子パターン群８が形成されたパターン面を、マスク配置面３よりも投影光学系１５側に離れた面に配置する。２枚のマスク４，７を照明したときに、投影光学系１５によって像面１８よりも下方に形成される２次元格子パターン群８の投影像の各パターン像の位置関係から、投影光学系１５の収差を求める。【選択図】        図１
2004172316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面上のパターンを第２面上に投影するための投影光学系の収差計測方法であって、
１個の開口パターンを有する第１パターンを実質的に前記第１面上に配置し、２次元格子状に配置された複数の開口パターンを有する第２パターンを、前記第１パターンに対して前記投影光学系側、又は前記第１パターンに対して前記投影光学系の反対側に所定間隔だけ離れるように配置する工程と、
前記第１及び第２パターンを照明し、前記投影光学系によって前記第２面の近傍に形成される前記第２パターン中の前記２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像の位置関係を計測する工程と、
前記計測された位置関係に基づいて前記投影光学系の収差を求める工程とを有することを特徴とする投影光学系の収差計測方法。
【請求項２】
前記第１及び第２パターンは互いに異なる第１及び第２マスクに形成され、
前記第１及び第２マスクのうち、少なくとも前記投影光学系側に配置されるマスクはステンシルマスクであることを特徴とする請求項１に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項３】
前記ステンシルマスクの厚さは、３μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項４】
前記第２パターンは、前記第１パターンに対して前記投影光学系側に配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項５】
前記第２パターンは、前記第１パターンに対して前記投影光学系の反対側に配置されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項６】
照明用ビームを前記第１パターンの前記開口パターン上に集光することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項７】
前記第１パターンと前記第２パターンとの間隔をＤ、前記投影光学系の投影倍率をαとしたとき、
前記位置関係を計測する工程では、前記第２面からＤ・α２  だけ離れた面、又はこの共役面で前記２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像の位置関係を計測し、
前記収差を求める工程では、前記投影光学系の投影倍率に基づいて算出される計算上の格子に対する前記複数の開口パターンの投影像の位置ずれ量を求めることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項８】
前記位置関係を計測する工程は、
前記第２パターン中の前記２次元格子状に配置された開口パターンの投影像を所定の感光材料に転写する工程と、
前記感光材料に転写された投影像の位置関係を計測する工程とを含むことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の投影光学系の収差計測方法。
【請求項９】
第１面上のパターンを第２面上に投影するための投影光学系の収差計測装置であって、
１個の開口パターンを備え実質的に前記第１面上に配置される第１パターンと、
２次元格子状に配置された複数の開口パターンを備え、前記第１パターンに対して前記投影光学系側、又は前記第１パターンに対して前記投影光学系の反対側に所定間隔だけ離れるように配置される第２パターンと、
前記第１及び第２パターンを照明ビームで照明する照明光学系と、
前記投影光学系によって前記第２面の近傍に形成される前記第２パターン中の前記２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像の位置関係を計測する計測系と、
前記計測系によって計測された位置関係に基づいて前記投影光学系の収差を求める演算系とを有することを特徴とする投影光学系の収差計測装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２パターンは互いに異なる第１及び第２マスクに形成され、
前記第１及び第２マスクのうち、少なくとも前記投影光学系側に配置されるマスクがステンシルマスクであることを特徴とする請求項９に記載の投影光学系の収差計測装置。
【請求項１１】
前記計測系は、
前記第２面の近傍に形成される前記投影像を第３面の近傍にリレーするリレー結像系と、
前記リレー結像系によって形成される像を撮像する撮像素子とを有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の投影光学系の収差計測装置。
【請求項１２】
前記照明光学系は、前記照明用ビームを前記第１パターンの前記開口パターン上に集光する集光部材を有することを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項に記載の投影光学系の収差計測装置。
【請求項１３】
前記第１及び第２パターンと前記集光部材とを一体的に保持する保持部材をさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の投影光学系の収差計測装置。
【請求項１４】
第１物体を照明する照明系と、前記第１物体のパターンの像を第２物体上に投影する投影系とを有する露光装置において、
請求項９〜１３の何れか一項に記載された投影光学系の収差計測装置を備え、
前記収差計測装置の照明光学系として前記第１物体を照明するための照明系を兼用して用い、
前記収差計測装置によって前記投影系の収差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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系の収差計測技術に関し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等のデバイスを製造するためのフォトリソグラフィ工程中で、マスクパターンを感光基板上に転写するために使用される露光装置が有する投影光学系の収差を計測する際に使用して好適なものである。更に、本発明は、その収差計測技術を用いる露光技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路、液晶ディスプレイ等の電子デバイスの微細パターンの形成に際して、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを、投影光学系を介して被露光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に縮小転写する投影露光装置が使用されている。投影露光装置においては、半導体集積回路の微細化に対応するために、その露光ビームの波長（露光波長）がより短波長側にシフトして来ている。現在、その露光ビームとしてはＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）が主流となっているが、より短波長の実質的に真空紫外域のＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）も実用化段階に入りつつある。そして、真空紫外域でも更に短波長の波長１５７ｎｍのＦ２  （フッ素）レーザや、波長１２６ｎｍのＡｒ２  （アルゴン分子）レーザ等を露光光源として使用する投影露光装置の開発も行なわれている。
【０００３】
また、短波長化のみでなく、投影光学系の大開口数化（大ＮＡ化）によって高解像度を達成するための開発もなされている。この場合、投影光学系の露光視野（露光フィールド）が小さい方が大ＮＡ化に有利であるので、投影光学系自体の視野を小さくし、代わりに露光中にマスクとウエハとを相対走査して実質的に大視野を確保する走査露光型の投影露光装置も実用化されている。
【０００４】
これらの投影露光装置に搭載される投影光学系には、高解像度実現のために、その残存収差が極めて小さいことが要求される。従って、投影光学系の製造工程では、光の干渉を利用した波面収差計測を行ない、残存収差量を露光波長の１０００分の１程度の精度で計測し、その計測値に基づいて投影光学系の調整を行なっている。
【０００５】
このような微少量の収差の計測には、レチクル上の１点を発し、投影光学系内の各光路を経てウエハ上の１点に到達するまでの光路長が、各光路によってどのように変化するかで表わした、波面収差を計測するのが一般的である。波面収差の計測のために、干渉計の原理を応用したいくつかの方法が実用化及び提案されている。
【０００６】
一つの方法は、フィゾー干渉計を応用した方式であり、投影光学系を通った光束と参照光とを干渉させ、投影光学系による位相の変化を直接計測するものである。これは計測精度は高いが、その光源には、投影光学系の光路の往復距離に相当する概ね２ｍ以上の可干渉距離（時間的コヒーレント長）が必要である。他にＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）と呼ばれる方法もある。これは、投影光学系を通った点像の光束を２分割し、そのうち一方の光束には微小ピンホールを透過させて、それ以前の波面収差情報を消去し、両光束を再度干渉させて投影光学系の波面収差を計測する方法である。これらの方式は、干渉計であるため専用の光学系や計測装置を必要とする。
【０００７】
一方、投影露光装置上の投影光学系の収差を計測可能とする簡便な方法も提案され実用化されている。その第１の方法は、ＩＳＩ（Ｉｎ−Ｓｉｔｕ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）と呼ばれる方法であり、検査用マスクのパターン面上の格子状パターンと、そのパターンより投影光学系側に近接して配置されるピンホール板とが一体となった専用マスクを投影光学系で露光し、ウエハ上に形成される上記格子状パターンの像のうちの、格子配列各部間の位置関係から投影光学系の収差を計測するものである（例えば、非特許文献１及び非特許文献２参照）。
【０００８】
この方式では、マスクのパターン面に形成される２次元格子パターンを通過した光束は、マスクに近接して配置されるピンホ一ル板上のピンホールを介して投影光学系に入り、ウエハ上にその像を結像転写する。但し、ピンホールの遮蔽によって、投影光学系内の結像光路は、２次元格子パターン上の各部位の位置に応じて異なることになる。従って、２次元格子パターン上の各部位の投影像の位置は、従来より光学系の波面収差計測に使用されているハルトマン法と同様に、投影光学系の波面収差の微分量を反映したものとなる。これより、２次元格子パターン像の各部位の相対位置関係を計測することにより、投影光学系の波面収差の計測が可能となる。
【０００９】
また、第２の方法として、ピンホールと２次元格子状パターンとの位置関係を逆転し、マスクの裏面（パターン面より光源側）にピンホールを配置して、パターン面に形成した２次元格子状パターンをこのピンホールを介して照明する方法（以下、「裏面ピンホール法」と呼ぶ。）も提案されている（例えば、非特許文献３参照）。この方式では、２次元格子状パターンのそれぞれに対応して、投影光学系の光路を完全に分割することはできず、多少のオーバーラップは生じるが、基本的にはＩＳＩ法と同様に、ハルトマンテストの原理に従った波面収差計測が可能となる。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｎａｋｇｅｕｏｎ  Ｓｅｏｎｇ  他，  ”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｌｅｎｓ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｕｓｉｎｇ  Ｉｎ−ｓｉｔｕ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ａｎｄ  ｃ１ａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌｅｎｓ  ｆｏｒ  ｃｏｒｒｅｃｔ  ａｐｐｌｉｃａｔ１ｏｎ”，「Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＳＰＩＥ」，（米国），  ２０００年，  Ｖｏｌ．４０００，  ｐｐ．３０−３９
【非特許文献２】
Ｎｉｇｅ１  Ｆ．Ｆａｒｒａｒ  他，  ”Ｉｎ−ｓｉｔｕ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｌｅｎｓ  ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ”，「Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＳＰＩＥ」，（米国），  ２０００年，  Ｖｏｌ．４０００，  ｐｐ．１８−２９
【非特許文献３】
Ｓｈｕｊｉ  Ｎａｋａｏ    他，  ”Ｓｉｍｐｌｅ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｅｎｓ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  Ｐｉｎｈｏ１ｅ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  ｏｎ  Ｂａｃｋｓｉｄｅ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｍａｓｋ”，「Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＳＰＩＥ」，（米国），  ２００２年，  Ｖｏｌ．４６９１，  ｐｐ．２５−３２
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の計測方法のうち、干渉計方式の計測では、専用の収差計測装置が必要であり、投影露光装置上に搭載された投影光学系の収差を計測することは難しい。また、特にフィゾー干渉計方式は、その波長に近い実用的なコヒーレント光源の無いＦ２  レーザ（波長１５７ｎｍ）等を露光光源とする投影光学系に対しては、適用することは困難である。
【００１２】
一方の、ＩＳＩ法や裏面ピンホール法は、投影露光装置上に搭載された光学系の収差を計測することが可能である。しかしながら、これらの方法は、ピンホール径やマスク上の格子パターンの広がりの問題から、露光光束の分割数に制約があるため、高次の波面収差まで計測することは困難であった。
なお、従来の裏面ピンホール法ではマスクの表面（パターン面）と裏面との双方にパターンを形成して波面収差を計測するため、マスク基板自身の不均一性が波面収差に加算されて計測されてしまうという問題があった。
【００１３】
また、従来のＩＳＩ法及び裏面ピンホール法の何れにおいても、マスク上及びウエハ上で、２次元格子状に配列された、或る程度の広がりを持って分布する複数のパターンを計測対象としている。このため、これらの方法では、マスク上の１点からそれに対応するウエハ上の１点に至る結像光路自体の波面収差を計測することは極めて困難であり、計測される波面収差は、マスク上及びウエハ上で或る程度の広がりを持った領域に対応する結像光路群の平均的な波面収差となっていた。
【００１４】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡便に且つ高精度に投影光学系の収差を計測できる収差計測技術及び露光技術を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、簡便で高精度に、且つ投影露光装置に搭載された投影光学系についても、その収差計測を可能とする収差計測技術及び露光技術を提供することを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による投影光学系の収差計測方法は、第１面（３）上のパターンを第２面（１８）上に投影するための投影光学系（１５）の収差計測方法であって、１個の開口パターン（５；１３）を有する第１パターンを実質的にその第１面上に配置し、２次元格子状に配置された複数の開口パターン（８；１１）を有する第２パターンを、その第１パターンに対してその投影光学系側、又はその第１パターンに対してその投影光学系の反対側に所定間隔だけ離れるように配置する工程と、その第１及び第２パターンを照明し、その投影光学系によってその第２面の近傍に形成されるその第２パターン中のその２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像の位置関係を計測する工程と、その計測された位置関係に基づいてその投影光学系の収差を求める工程とを有するものである。
【００１６】
斯かる本発明において、その第１面は、例えばその面に転写対象のパターンを配置した場合に投影像の収差が最小になる面である。本発明によれば、従来のＩＳＩ法や裏面ピンホール法と同様に、実質的にハルトマン法の原理を応用して収差（特に波面収差）の計測が行なわれる。この際に、実質的に投影光学系の物体面上の１点から発して像面に至る光束を用いて収差が計測されるため、簡便に且つ高精度に収差が計測できる。
【００１７】
この場合、その第１パターン及び第２パターンは互いに異なる第１マスク（４；１２）及び第２マスク（７；９）に形成され、その第１及び第２マスクのうち、少なくともその投影光学系側に配置されるマスクはステンシルマスク（７）であることが望ましい。このステンシルマスクは、縮小投影露光装置や電子線描画装置でのパターン描画と、ＬＳＩの製造に使用されるようなエッチングプロセスとにより製造することができるため、マスク上のパターンを、μｍオーダまで微細化することができる。このマスクパターンの微細化に応じて、照明光束内の分割数を増大することができ、より高次の波面収差の計測を可能とすることができる。
【００１８】
更に、２枚のマスク間の光路は空間となるため、従来の裏面ピンホール法では問題となるマスク基板自体の屈折率不均一性は、全く問題とならない。
また、そのステンシルマスクの厚さは、３μｍ以下であることが望ましい。これによって、貫通孔の側壁での光束の反射が少なくなる。
また、照明用ビームをその第１パターンのその開口パターン上に集光することが望ましい。これによって計測面での照度が向上し、計測時間を短縮できる。
【００１９】
また、その第１パターンとその第２パターンとの間隔をＤ、その投影光学系の投影倍率をαとしたとき、一例として、その位置関係を計測する工程では、その第２面からＤ・α２  だけ離れた面、又はこの共役面でその２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像の位置関係を計測し、その収差を求める工程では、その投影光学系の投影倍率に基づいて算出される計算上の格子に対するその複数の開口パターンの投影像の位置ずれ量を求める。これによって、その第２パターンがその第１面から離れていても、高精度に収差を計測できる。
【００２０】
また、一例として、その位置関係を計測する工程は、その第２パターン中のその２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像を所定の感光材料（２０）に転写する工程と、その感光材料に転写された投影像の位置関係を計測する工程とを含むものである。これによって、実際の転写時の収差が計測できる。
次に、本発明による収差計測装置は、第１面（３）上のパターンを第２面（１８）上に投影するための投影光学系（１５）の収差計測装置であって、１個の開口パターン（５；１３）を備え実質的にその第１面上に配置される第１パターンと、２次元格子状に配置された複数の開口パターン（８；１１）を備え、その第１パターンに対してその投影光学系側、又はその第１パターンに対してその投影光学系の反対側に所定間隔だけ離れるように配置される第２パターンと、その第１及び第２パターンを照明ビームで照明する照明光学系（１）と、その投影光学系によってその第２面の近傍に形成されるその第２パターン中のその２次元格子状に配置された複数の開口パターンの投影像の位置関係を計測する計測系（４１）と、その計測系によって計測された位置関係に基づいてその投影光学系の収差を求める演算系とを有するものである。この収差計測装置によって本発明の収差計測方法が実施できる。
【００２１】
この場合、その第１及び第２パターンは互いに異なる第１及び第２マスクに形成され、その第１及び第２マスクのうち、少なくともその投影光学系側に配置されるマスクがステンシルマスク（７）であることが望ましい。
また、その計測系は、一例として、その第２面の近傍に形成されるその投影像を第３面の近傍にリレーするリレー結像系（４２）と、そのリレー結像系によって形成される像を撮像する撮像素子（４５）とを有するものである。
【００２２】
このように感光材料への露光を介することなく空間像を検出することによって、計測時間の短縮や、感光材料に起因する計測誤差の低減が可能となる。
また、その照明光学系は、その照明用ビームをその第１パターンのその開口パターン上に集光する集光部材（２８；３０）を有することが望ましい。
また、その第１及び第２パターンとその集光部材とを一体的に保持する保持部材（２７，２９）をさらに有することが望ましい。これによって、常に同じ条件で計測を行うことができる。
【００２３】
また、本発明による露光装置は、第１物体を照明する照明系（１）と、その第１物体のパターンの像を第２物体（５２）上に投影する投影系（１５）とを有する露光装置において、本発明の投影光学系の収差計測装置を備え、その収差計測装置の照明光学系としてその第１物体を照明するための照明系を兼用して用い、その収差計測装置によってその投影系の収差を計測するものである。これによって、投影光学系の収差を露光装置に搭載された状態で計測できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１〜図３を参照して説明する。本例は、投影露光装置においてマスクとしてのレチクルのパターンを基板としてのウエハ上に転写するために使用される投影光学系の収差を計測する場合に本発明を適用したものである。
【００２５】
図１（Ａ）は、本例の投影光学系の収差計測装置の概略構成を示す図であり、この収差計測装置としては、一例として投影露光装置の機構部をそのまま使用することができる。図１（Ａ）において、収差計測の対象となる投影光学系１５に対して、本来レチクルのパターン面が配置されるべき面（以下、「本来のマスク配置面」と呼ぶ。）３に、第１のマスク４のパターン面が配置される。第１のマスク４の基板は、そのパターン面（図１（Ａ）では下面）に対して投影光学系１５と反対側（上部）に位置している。
【００２６】
ここで本来のマスク配置面３とは、この面にレチクルのパターン面を設置した際に、投影像の収差が最小になる面を言う。投影光学系１５は、そのレチクルのパターンを、一般にウエハの表面（露光面）が配置される像面に投影する。その際に、その本来のマスク配置面３にレチクルのパターン面を配置し、そのマスク配置面３に対する投影光学系１５の結像面（以下、「本来の像面」と呼ぶ。）１８にウエハの表面を配置した場合に、投影光学系１５の収差が最小となる。すなわち、本来のマスク配置面３は投影光学系１５の物体面である。本来のマスク配置面３及び本来の像面１８がそれぞれ本発明の第１面及び第２面に対応している。以下、投影光学系１５の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１（Ａ）の紙面に平行にＸ軸を、その紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。なお、Ｘ軸及びＹ軸の原点は光軸ＡＸとする。
【００２７】
第１のマスク４のパターン面（本来のマスク配置面３）から、投影光学系１５側に距離Ｚ１だけ離れた位置に、第２のマスク７（正確にはそのパターン面）が配置される。
図１（Ｂ）は第１のマスク４のパターン面を示し、図１（Ｂ）において、第１のマスク４のパターン面はほぼ全面が遮光膜６で覆われ、その中に１個の開口パターン（透過パターン）５が形成されている。開口パターン５の中心は、本実施の形態では一例として、投影光学系１５の光軸ＡＸにほぼ一致するように配置されている。但し、開口パターン５を光軸ＡＸの位置からずらして配置することも可能である。
【００２８】
一方、図１（Ｃ）は第２のマスク７のパターン面（ここでは厚さが全体の１／２となる中央の位置での面）を示す平面図であり、図１（Ｃ）において、第２のマスク７のパターン面を覆う遮光膜には、多数の開口パターン（透過パターン）８ａをＸ方向、Ｙ方向に所定ピッチで２次元格子状に配置してなる２次元格子パターン群８が形成されている。この２次元格子パターン群８の中心８ｃは、第１のマスク４に形成された開口パターン５の中心に対応する位置（即ち、本実施の形態では投影光学系１５の光軸ＡＸ上であり、一般的には開口パターン５の直下となる位置）に配置されている。
【００２９】
本例の第２のマスク７は、薄いステンシルマスクで構成されている。これは、例えば薄いシリコン基板に２次元格子状に配列されるように多数の貫通した開口部を形成したものである。その薄いステンシルマスクは、電子線縮小露光装置用のマスクのように、例えばシリコン基板をエッチング等により３μｍ程度の厚さの薄膜とする工程、それに上記２次元格子状の開口パターン群をリソグラフィにより転写する工程、及びエッチング工程を経て製造することができる。
【００３０】
但し、投影光学系１５の波面収差をそれ程高精度に計測する必要がない場合には、第２のマスク７としては、上記ステンシルマスクの厚さよりも厚い金属板等の遮光性の基板に多数の穴（露光光透過用の開口）を開けたものを使用することもできる。
第１のマスク４に対して投影光学系１５の反対側には、水銀ランプ、ＫｒＦ若しくはＡｒＦ等のエキシマレーザ、又はＦ２  レーザ等を光源とする照明光学系１が配置されている。投影光学系１５の収差計測時には、照明光学系１から第１のマスク４に対して、この投影光学系１５が使用される際の露光波長と同じ波長の照明光２（照明ビーム）が照射される。照明光２のうち、第１のマスク４上の開口部５を透過した光束は、第２のマスク７に入射する。そして、第２のマスク７上の２次元格子パターン群８を透過して、分割された離散的な光束群が投影光学系１５に入射し、これらの光束群は、投影光学系１５内のレンズ群１６の結像作用によって本来の像面１８側に集光される。この場合、この投影光学系１５が投影露光装置に装填された場合には、この本来の像面１８は、ウエハの表面が配置されるべき面である。
【００３１】
また、本来の像面１８の下方に、感光材料としてのレジストが塗布されたウエハ２０を保持する位置決めステージ２２が配置されている。位置決めステージ２２は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向にウエハ２０の位置を調整する。
本例においても、第１のマスク４上の開口パターン５の像は、その本来の像面１８上に形成される。しかしながら、本例の収差計測方法においては、ウエハ２０の表面を本来の像面１８には配置せず、位置決めステージ２２を用いてその表面を本来の像面１８より投影光学系１５から離れる方向（−Ｚ方向）に距離Ｚ２だけ離れた面に配置する。この距離Ｚ２は、以下のように投影光学系１５のマスク配置面から像面への縮小倍率α（一般には１／４又は１／５）の２乗と、上記の第１のマスク４のパターン面と第２のマスク７のパターン面との間隔Ｚ１との積で定まる距離である。
【００３２】
Ｚ２＝Ｚ１×α２
この条件を満たすとき、ウエハ２０の表面には第２のマスク７上の２次元格子パターン群８の像が転写されることになる。
第２のマスク７の２次元格子パターン群８は、第１のマスク４上の開口パターン５を透過した光束のみで照明されるため、２次元格子パターン群８を構成する各開口パターン８ａへの照明光の入射角は、各開口パターン８ａの位置に応じて変化し、且つ一意に定まる。そして、この角度特性は、各開口パターン８ａを透過後の光束についても概ね保存されるため、相互に異なる位置にある各開口パターン８ａの透過光は、相互に異なる射出角で第２のマスク７から射出される。そして、これらの各光束は、投影光学系１５内でそれぞれ異なる光路を通り、それぞれ異なる投影光学系の波面収差を受けてウエハ２０の表面に達する。
【００３３】
図２は、２次元格子パターン群８のウエハ２０表面への転写像３１を示す平面図であり、この図２中の多数のパターン像３１ａ（各開口パターン８ａの像）よりなる転写像３１は、ウエハ２０上に塗布するレジストがポジ型（露光部が溶解するタイプ）であればレジスト溶解部（ウエハ基板面又は凹部）であり、ネガ型（非露光部が溶解するタイプ）であればレジストが残っている部分（凸部）である。図１（Ａ）において、第２のマスク７の２次元格子パターン群８の透過光のうち、ウエハ２０への入射角の正弦が、投影光学系１５の開口数ＮＡより大きい光束については、投影光学系１５中の開口絞り（ＮＡ絞り）１７や、レンズ群１６自体によって遮光され、ウエハ２０に到達できない。従って、ウエハ２０上に形成される転写像３１は、投影光学系１５の開口数ＮＡと上記距離Ｚ２とから、以下の式で表わされる半径Ｒ１の領域１７ａ（図２参照）内にのみ分布する。
【００３４】
Ｒ１＝Ｚ２×ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ＮＡ））
次に、ウエハ２０の表面に形成される２次元格子パターン群８の転写像３１内の各パターン像３１ａの位置関係を計測することにより、ハルトマン法の原理に基づいて、投影光学系１５の波面収差を計測することができる。即ち、２次元格子パターン群８中の特定の開口パターン８ａの像（３１ａ）の位置ずれは、そのパターンから射出される光束が、投影光学系１５を通過する際に受ける波面収差の１次の微分量に比例するため、上記２次元格子パターン群８の転写像３１内の各パターン像３１ａの位置関係から、各パターンの位置に対応する光路での波面収差の１次の微分量が求まる。そして、これを積分することにより、あるいはその微分量と、波面収差関数の微分形式とを関数フィッティングすることにより、投影光学系の波面収差を算出することができる。
【００３５】
なお、図１（Ａ）の装置で実行される本例の収差計測方法は、従来技術の裏面ピンホール法に一見似ているが、裏面ピンホール法と本例の方法とは以下の点で異なっている。
即ち、本例では、マスク４及び７を通過した結像光束１４の外枠は、第２のマスク７が無い場合の、第１のマスク４上の開口パターン５からの透過光束（結像光束）に他ならない。このため、本例の方法で計測される波面収差は、本来のマスク配置面３上の１点から、本来の像面１８上の１点に至る結像光束の波面収差を正確に計測したものになる。一方、従来のＩＳＩ法や裏面ピンホール法で計測される波面収差は、マスク面上及びウエハ面上で、或る程度広がった領域に対応する複数の結像光束の波面収差を平均的に計測したものであるため、本例の計測方法は、従来方法に比べて高精度な計測を実現できる。
【００３６】
また、裏面ピンホール法では、１つの評価用のマスクの裏面（照明光学系側の面）に形成されるピンホールと、パターン面（投影光学系側の面であり、この面が投影光学系に対して、本来のマスク配置面に配置される）との間に、マスク基板が存在するため、その基板内の屈折率の不均一性が、波面収差計測値に誤差を与える。しかしながら、本例においては、第１のマスク４と第２のマスク７との間は空間であり、屈折率不均一性は全く生じないため、一層高精度な波面収差の計測が可能となる。
【００３７】
更に本例においては、第２のマスク７を、望ましくは厚さ３μｍ以下のステンシルマスクで形成するため、その上に形成する２次元格子状パターン８の微細化が可能となる。これにより、ハルトマン法における瞳面分割数の増大が可能となり、投影光学系１５の波面収差の高精度計測が可能となる。
例えば、第１のマスク４の開口パターン５と、第２のマスク７のパターン面との間隔（距離Ｚ１）が１０ｍｍであり、投影光学系１５のマスク側の開口数ＮＡが０．２である場合、開口パターン５を透過した結像光束１４の第２のマスク７上での広がりは、直径４．０８ｍｍとなる。高精度な波面収差計測のために、これを例えば１００分割するには、第２のマスク７上の２次元格子状パターン８は、ピッチが４０μｍ（＝４ｍｍ／１００）程度の微細度が必要となる。従って、２次元格子状パターン８の各開口パターン８ａの大きさ（例えば正方形パターンである場合には一辺の幅）は、その半分の２０μｍ程度以下である必要がある。
【００３８】
このように微細な２次元格子状パターン８を形成するには、第２のマスク７は微細加工性の良い材質のものでなけれぱならない。更に、結像光束１４は、所定の開き角（発散角）を持った光束であるため、そのうち、２次元格子状パターン８内の周辺部のパターンに照射される光束は、垂直入射ではなく、斜入射で２次元格子状パターン８に照射される。このような条件下で、第２のマスク７が、２次元格子状パターン８を構成する各開口パターン８ａの大きさ（例えば幅）に比べて大きな厚さを持ったマスクである場合、上記斜入射光の一部或いは全部が開口パターン８ａの側壁で遮蔽され、この遮蔽によって、ウエハ２０上に投影される開口パターン像の位置がシフトしてしまい、投影光学系１５の収差計測結果に誤差を生じさせてしまう恐れがある。
【００３９】
そこで、第２のマスク７の厚さは可能な限り薄いことが望ましいが、あまりに薄い場合には、マスクとしての遮光性や強度の問題も生じるので、実質的には３μｍ程度以下に抑えることが望ましい。
勿論、投影光学系１５の収差計測を、それ程高精度で行なわなくて良い場合には、第２のマスク７の厚さをこれより大きくすることも可能であり、上記の様により厚い金属板を繰り抜いたものを使用することも可能である。
【００４０】
上記の如く、本例においては、上記の転写された２次元格子状の配列を持つ転写像３１の各パターンの理想的配列からのずれ量を計測することで、投影光学系１５の波面収差の計測が行なわれる。但し、本例のように投影光学系１５が等倍光学系でなく、第２のマスク７上の２次元格子パターン群８の配列を、縦横に等間隔で並ぶ直交配列とする場合、上記理想的配列は、縦横に等間隔で並ぶ直交配列とはならない。
【００４１】
通常の投影光学系は、コマ収差補正の前提となる正弦条件を満たしている。従って、図１（Ａ）において、第１のマスク４上の開口パターン５を発した結像光束１４のうち、第１のマスク４から垂直に射出する主光線（一般的な両側テレセントリックな投影光学系の場合）から、角度φだけ傾いて発する光束は、ウエハ２０に対して垂直に入射する主光線に対して角度θだけ傾いて入射する。
【００４２】
このときφとθの間には、上記縮小倍率αを用いて次の関係がある。
ｓｉｎ  φ＝α×ｓｉｎ  θ                （１）
しかしながら、第１のマスク４上の開口パターン５から第２のマスク７上の２次元格子パターン群８の各開口パターン８ａを見たとき、各開口パターン８ａの主光線に対する角度φは、２次元格子状パターン群８の中心８ｃから各開口パターン８ａまでの距離をＤ１として、次のように表される。
【００４３】
ｔａｎ  φ＝Ｄ１／Ｚ１                （２）
従って、２次元格子状パターン群８の各開口パターン８ａから射出される各光束の射出角φは、ほぼ次のようになる。
φ＝ｔａｎ−１（Ｄ１／Ｚ１）            （３）
この角度φは、ウエハ２０側では、（１）式に従って次の角度θになる。
【００４４】
θ＝ｓｉｎ−１｛（ｓｉｎφ）／α｝                （４）
その結果、本来の像面１８から距離Ｚ２だけ下方に離れたウエハ２０上に形成される第２のマスク７上の各開口パターン８ａの像３１ａは、図２に示すように、転写像３１の中心３１ｃ（本例では光軸ＡＸ）から、以下の距離Ｄ２だけ離れた位置に形成される。
【００４５】
Ｄ２＝Ｚ２×ｔａｎ  θ
図３は、（１）〜（４）式をまとめて、マスク７上の距離Ｄ１（横軸）とウエハ２０上の距離Ｄ２（縦軸）との関係をグラフ化したものを示す。なお、図３では、投影光学系１５の縮小倍率αを１／４倍、第１のマスク５のパターン面と第２のマスク７のパターン面との間隔Ｚ１を１０ｍｍとした場合の関係を示している。また、図３のグラフの横軸（Ｄ１）の最大値である２３００μｍは、（３）式の関係であるｔａｎ  φ＝２３００／１００００より、マスク側の射出角φが１２．９５°となる場合を表わし、これに対応するｓｉｎ  φは、０．２２４である。この射出角φの正弦に対応する、投影倍率αが１／４倍のときのウエハ側の角度θの正弦（開口数ＮＡ）は、（４）式より次のようになる。
【００４６】
ｓｉｎ  θ＝４×０．２２４＝０．８９７
即ち、図３に示したグラフは、１／４倍の投影光学系における、ウエハ側の開口数ＮＡが約０．９までの範囲を例示している。なお、これ以外の条件下でのＤ１とＤ２の関係も、上記（１）〜（４）式から求めることができる。
図３に示した如く、距離Ｄ１と距離Ｄ２とは、両者が比較的小さい場合には概ね比例関係となり、比例定数は次のように縮小倍率αに一致する。
【００４７】
Ｄ２≒α×Ｄ１
しかしながら、距離Ｄ１，Ｄ２は一般には比例関係にはならず、投影光学系１５が縮小投影光学系である場合には、それが無収差の光学系であっても、ウエハ２０上に形成される転写像３１は、周辺のパターンの像ほど、縦横に等間隔で並ぶ直交配列に比べて、遠ざかって形成されることになる。これは、転写像３１内の間隔としては、周辺に行くにつれて各像間の間隔が伸びていくことを意味する。従って、転写像３１内の周辺においては、転写像３１内の配列は、直交配列にならない。
【００４８】
転写像３１内のこのような配列の変形は、結像光学系の樽型ディストーションに似ているが、上述の通り、この変形は本例の収差計測方法において原理的に発生する変形であり、投影光学系１５の収差に起因するものではない。
上記の関係は、投影光学系１５が縮小系である限り、縮小倍率αや距離Ｚ１を変更しても維持される関係である。
【００４９】
一方、投影光学系１５が拡大系である場合には、ウエハ２０上に形成される転写像３１は、周辺のパターンの像ほど、等間隔の直交配列に比べ近づいて形成され、転写像３１内の各像の配列は、所謂糸巻き型ディスト一ションの如く変形する。投影光学系１５が等倍である場合には、マスク７上の距離Ｄ１とウエハ２０上の距離Ｄ２とは比例する。
【００５０】
なお、マスク７上の２次元格子状パターン８の配列と、ウエハ２０上に形成される転写像３１の上記変形は、中心からの距離についてのみ、即ち放射方向にのみ生じるものであり、２次元格子状パターン８の中心８ｃ及び転写像３１の中心３１ｃを中心とする回転方向については、投影光学系１５が無収差である限り、変形を受けない。即ち、マスク７上の各開口パターン８ａの方位角ω１（図１（Ｃ）参照）と、ウエハ２０上に転写されたその各パターン像３１ａの方位角ω２（図２参照）とは、投影光学系１５が無収差である限り等しい。
【００５１】
なお、図１（Ｃ）中の上記方位角ω１は、マスク７上の＋Ｘ方向から＋Ｙ方向への回転方向（本例では反時計周り）を正方向として定義し、図２中の上記方位角ω２は、ウエハ２０上の＋Ｘ方向から＋Ｙ方向への回転方向を正方向として定義している。そして、図２中の上記ウエハ２０上のＸ軸、Ｙ軸の符号は、上記マスク７上で＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向を向いたパターンがウエハ２０上で転写される方向をそれぞれ＋Ｘ方向及び＋Ｙ方向としている。従って、図２に示した如きウエハ２０上の符号は、仮に投影光学系１５が奇数枚の反射鏡を有するものであるなら、その奇数枚の反射鏡の作用により像が裏像（鏡映像）となるために、＋Ｘ方向から時計周りに９０°回った方向が＋Ｙ方向となり（即ち図２とは逆方向）、これに合わせて、方位角ω２の方向も＋Ｘ方向から時計周りに回る方向が正方向となる。
【００５２】
ウエハ２０上に形成された２次元格子パターン群の転写像３１内の各パターン像３１ａの相互の位置関係は、例えば、図２に示すように、レーザスポット３２を、２次元格子に沿ってＸ方向及びＹ方向に走査し、レーザスポット３２が転写像３１の各パターンエッジに照射された際に発生する散乱光を検出し、検出された散乱光量とレーザスポット３２との位置関係に基づいて計測することができる。この計測は、一般的な光波干渉式座標計測装置等を使用して行なうことができる。
【００５３】
この計測では、各パターン像３１ａの位置は、Ｘ座標、Ｙ座標として計測され、計測結果が収差計算用のコンピュータ（演算系）に供給される。このコンピュータでは、一例として以下のような処理が行われる。即ち、上述の通り、投影光学系１５が無収差であっても、各パターン像３１ａの位置は、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔に配列されているとは限らない。そこで、上記（１）〜（４）式で表わされる関係を用いて、各パターン像３１ａの座標が理想的配列からのずれ量に変換される。
【００５４】
そのため、図１（Ｃ）の場合のように、第２のマスク７上の２次元格子状パターン群８が、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔に配列されている場合、計測した各パターン像３１ａに対応する（結像関係となっている）マスク７上の各開口パターン８ａの配列座標（Ｘａ，Ｙａ）からパターン中心８ｃまでの距離Ｄ１を次のように求める。
【００５５】
Ｄ１＝√（Ｘａ２  ＋Ｙａ２  ）        （５）
続いて、図３に示した如き、（１）〜（４）式の関係より、この開口パターン８ａが、無収差の投影光学系１５によって転写されるべきウエハ２０上の位置を求める。この位置は、ウエハ２０上の転写像３１の中心３１ｃから、距離Ｄ２だけ離れた位置となる。この距離Ｄ２と方位角ω２とが分かれば、位置は決定できるが、方位角ω２は、マスク７上でのパターン８ａの方位角ω１に等しいので、以下のようになる。
【００５６】
ω２＝ω１＝ｔａｎ−１（Ｙａ／Ｘａ）    （６）
これより、ウエハ２０上に転写された転写像３１のパターン像３１ａの理想的配列座標（ＸＩ，ＹＩ）は、次のようになる。
ＸＩ＝Ｄ２×ｃｏｓ  （ω２）          （７）
ＹＩ＝Ｄ２×ｓｉｎ  （ω２）          （８）
そして、この理想的配列座標（ＸＩ，ＹＩ）と、ウエハ２０上の各パターン像３１ａの配列座標の計測値（ＸＡ，ＹＢ）との次式で表される差（ΔＸａ，ΔＹａ）が、理想的配列からのずれ量となる。
【００５７】
（△Ｘａ，△Ｙａ）＝（ＸＡ−ＸＩ，ＹＢ−ＹＩ）            （９）
本例では、この理想的配列からのずれ量に基づいて、投影光学系１５の波面収差の微分量を求め、更にそれを積分し、或いは必要に応じて関数フィッティングすることにより、投影光学系１５の波面収差を求める。但し、その詳細については、ハルトマン法に関する文献や、上記ＩＳＩ法や裏面ピンホール法に関する文献で詳細に解説されているので、説明は省略する。
【００５８】
なお、以上の実施の形態では、第２のマスク７上の格子状パターン８は、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔で並ぶ正方格子パターンであり、そのウエハ２０への転写像３１の配列が、その周辺に行くにつれて変形するとしたが、これとは逆に、第２のマスク７上の格子状パターンの配列を、予め所定の条件で変形しておくことで、ウエハ２０上に形成される転写像３１の理想的配列を、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔で並ぶ正方格子とすることもできる。この場合には、上記（１）〜（８）式を用いたウエハ２０上の理想的配列座標の算出を逆に行ない、無収差の投影光学系の使用時にウエハ２０上で正方格子配列を実現するための第２のマスク７上のパターン配列座標を算出し、その配列座標に従って、マスク７上に２次元格子状のパターン群を形成すればよい。この配列は、パターンの外側ほど、間隔が小さくなる配列となるものである。
【００５９】
また、上記の２つの方法の中間的な方法を採用し、マスク７上の２次元格子パターン群８とウエハ２０上に形成される転写像３１との双方に、それらのパターンの中心から外周に離れるにつれて、配列の間隔が変化するようなパターン配列を採用することもできる。この場合にも、マスク７上の２次元格子状のパターン群の中の１つに対する理想的な転写像位置（理想的配列位置）は、それぞれの中心に対して、上記（１）〜（８）式から算出できることは言うまでもなく、その理想的配列位置と、ウエハ２０上の転写像の実際の計測値との差から、投影光学系１５の収差を計測できる。
【００６０】
次に、２次元格子パターン群８の転写像３１を構成するパターン像群の位置関係を計測するための、本発明の第２の実施の形態につき図４を参照して説明する。本例では、基準格子パターンを利用してそのパターン像群の位置関係を計測する。
図４は、図２に対応させて本例の計測方法を説明するための図であり、図４において、転写像３３及び各パターン像３３ａはそれぞれ図２の転写像３１及び各パターン像３１ａに対応している。また、転写像３３の中心３３ｃからパターン像３３ａへの方位角ω３は、図２中の方位角ω２と同様に定義されており、領域１７ｂは図２の領域１７ａに対応している。即ち、図４の転写像３３は、図１（Ａ）の２次元格子状パターン群８の投影光学系１５によるウエハ２０上への像である。本例ではウエハ上の転写像３３に対して、所定の基準格子の原版パターンの投影光学系１５による像（以下、「基準格子」と呼ぶ。）３４を入れ子状に重ね合わせて露光した後、現像を行ってウエハ上に転写像３３及び基準格子３４のレジストパターンを形成する。その後、転写像３３の各パターン像３３ａと基準格子３４との位置関係を、例えば一般的な画像処理型の重ね合わせ精度検査装置（レジストレーション精度検査装置）を使用して計測する。具体的に、図４の転写像３３の左下部分のパターン像と基準格子３４との位置関係は、Ｘ方向に細長い領域３５内の画像から転写像３３と基準格子３４とのＸ方向の位置ずれ量を計測し、Ｙ方向に細長い領域３６内の画像から、転写像３３と基準格子３４とのＹ方向の位置ずれ量を計測することで、計測できる。
【００６１】
本例の基準格子３４は、例えば図１の実施の形態の収差計測装置において、２次元格子パターン群８の転写像３３の露光後に、ウエハ２０の表面を本来の像面１８に設置し直し、基準格子３４の原版パターンの描画されたマスクのパターン面を本来のマスク配置面３に設置して、転写像３３に対してその原版パターンの像を重ね合わせて露光することで形成できる。なお露光順は、基準格子３４を先に露光し、その後に転写像３３を重ね合わせて露光しても良い。これらの場合に本例で使用する収差計測装置には、位置合わせ機構（パターン位置検出用の顕微鏡、並びにウエハを位置決めするステージの計測及び制御機構など）が必要となる。
【００６２】
或いは、本例で使用する収差計測装置において、２次元格子パターン群８の転写像３３を露光した後に、他の露光装置において、基準格子３４を重ね合わせ露光して、図４に示した状態の計測用パターン群（転写像３３及び基準格子３４）を形成することもできる。
以上の方法で形成する基準格子３４の配列は、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔で並ぶ２次元格子であっても良い。但し、第２のマスク７上の２次元格子パターン群８が、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔で並ぶ正方格子パターンである場合、その転写像３３は上記の如く周辺ほど間隔の広いパターンになる。このため、転写像３３の理想的配列位置からのずれ量の算出に際しては、（１）〜（８）式（補正式）に示した如き補正を行なえばよい。この補正は、基準格子３４の配置を補正式に従って周辺で拡大して行なってもよく、転写像３３の配列を補正式に従って周辺で縮小して行なっても良い。
【００６３】
但し、図３に示した通り、開口数ＮＡの大きな投影光学系の場合には、転写像３３の周辺での変形量が大きくなるため、基準格子３４に対して入れ子状に重ね合わせて形成される転写像３３は、周辺部の間隔の不整合により上記入れ子状の関係が崩れ、両パターンが重なってしまう恐れもある。この場合には、基準格子３４の配列を、予め図３に示したグラフの如く基準格子３４の周辺に行くほど、その位置をより外側に補正していくことが望ましい。この際の基準格子３４の配列の補正も、上記の（１）〜（８）式に示された対応関係を適用して行なうことができる。なお、基準格子３４を形成するに際しては、上記の通り、投影光学系１５の通常の結像関係（原版マスクのパターン面は本来のマスク配置面３に、ウエハ２０の表面は本来の結像面１８にそれぞれ配置される）において露光されるため、基準格子３４と上記原版パターンとの関係は、相似形で投影光学系１５の縮小倍率分の１に拡大されたパターンであることに変わりはない。従って、上記（１）〜（８）式に示された対応関係を適用して補正を行なった基準格子３４の形状を、そのまま投影光学系１５の縮小倍率分の１だけ比例拡大したものを原画パターンとして使用すればよい。
【００６４】
なお、基準格子３４を使用する場合にも、上述の第１の実施の形態と同様に、第２のマスク７上の２次元格子パターン群８の配列を所定の条件で正方格子から変形し、ウエハ２０上に形成される転写像３３の理想的配列を、Ｘ方向、Ｙ方向に等間隔で並ぶ正方格子とすることもできる。この場合の所定の変形条件は、前述の第１の実施形態の場合と同様であり、基準格子３４は正方格子を採用すればよい。
【００６５】
また、この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に上記の２つの方法の中間的な方法を採用し、マスク７上の２次元格子パターン群８とウエハ２０上に形成される転写像３３との双方に、配列の間隔が変化するようなパターン配列を採用することもできる。
なお、以上の実施形態において、図１（Ｃ）、図２、及び図４に示すように、２次元格子パターン群８の中心８ｃや、転写像３１，３３の中心３１ｃ，３３ｃは、パターン群やパターン像群を構成する１つのパターン又は１つのパターン像よりなる一つの要素の中心と一致して記載されているが、以上の中心７ｃ，３１ｃ，３３ｃは、それぞれ或る要素の中心と一致している必要はない。
【００６６】
また、転写像３１，３３の中心３１ｃ，３３ｃは、より正確には、投影光学系１５の開口数ＮＡで決まる円形領域１７ａ，１７ｂの中心である。従って、より正確には、中心３１ｃ，３３ｃは円形領域１７ａ，１７ｂ内の転写像３１，３３の配列の計測値に基づいて算出することが望ましい。
ところで、図１（Ａ）の第２のマスク７上の２次元格子パターン群８を照明する光束は、第１のマスク４上の開口パターン５を透過した光束に制限されるため、その照明パワーは、通常の露光方法においてマスクを照明する照明光に比べて、かなり低下したものとなってしまう。これは本例の計測方法に必要な露光時間の増大を招くため、必要に応じて２次元格子パターン群８を照明する照明光束の光量を増大させることが好ましい。
【００６７】
図５（Ａ）は、このような照明光量増大手段の構成例を示す図であり、図５（Ａ）において、第１のマスク４の上面の開口パターン５に対向する領域に、接着剤付きの金属アダプタ等の固定機構２９を介して集光レンズ２８が設けられている。集光レンズ２８により、照明光が開口パターン５に集光し、照明光量の増大と露光時間の短縮が図られる。なお、集光レンズ２８は、光量の増大効果のみでなく、開口パターン５及び２次元格子パターン群８に照射される照明光束の入射角度範囲を増大させる効果もある。従って、本例で計測する投影光学系が、マスク側の開口数ＮＡが大きい光学系である場合にも、投影光学系の最大ＮＡ近傍を通る光束についても（投影光学系の瞳面で最も外周を通る光束についても）、十分な光量を提供可能となり好都合である。
【００６８】
また、集光レンズは、図５（Ｂ）の集光レンズ３０に示すとおり、マスク４の基板の開口パターン５に対向する部分（裏面）を掘り込んで形成することもできる。この掘り込みの形状は、図５（Ｂ）に示した凸レンズの形状に限らず、フレネルレンズや回折光学素子（ＤＯＥ）の形状であっても良い。
更に、図５（Ａ）、図５（Ｂ）の双方に示したとおり、ガラス基板からなる第１のマスク４に対して、支持部材２７を介して所定の位置関係で、ステンシルマスク（又は金属薄板マスク）である第２のマスク７を一体的に支持しても良い。この際に、支持部材２７として枠状部材であるペリクルフレームを使用することもできる。なお、このような一体化は、両マスク４，７についてのみ行い、集光レンズ２８（又は３０）は両マスク４，７とは一体的に支持しないとしても構わない。
【００６９】
また、図６は、上述の第２のマスク７に使用して好適なステンシルマスク７Ａの一例を示し、この図６において、厚さが好ましくは３μｍ以下であるステンシルマスク７Ａは、その周囲に厚さが数１００μｍ以上の保持部７０を有している。そして、保持部７０に囲まれたステンシルマスク７Ａの領域に２次元格子パターン群８が形成されている。このような構成とすると、ステンシルマスク７Ａ全体を３μｍ以下の薄いメンブレンで形成する場合に比べて、ステンシルマスク７Ａの変形を防止でき、その平面度の悪化や面内でのパターン位置の変化を抑制できるため好都合である。
【００７０】
このようなステンシルマスクの製造に適した材料は例えばシリコンウエハ（シリコン単結晶）であり、シリコンウエハを保持部７０とし、これを部分的に水酸化カリウム等でエッチングして薄膜化してステンシルマスク７Ａを形成することができる。なお、このような製造方法としては、縮小型電子線露光装置用のマスク（ステンシルマスク）の製法をそのまま使用することができる。
【００７１】
なお、以上の実施の形態において、図１（Ａ）及び図８（Ａ）の第１のマスク４のパターン面と第２のマスク７のパターン面との間隔Ｚ１として、１０ｍｍを例示したが、この間隔Ｚ１の値はその１０ｍｍに限定されるものではなく、任意の値でよい。
その間隔Ｚ１を大きくとる程、第１のマスク４上の開口パターン５を透過した結像光束１４の、第２のマスク７上での直径が拡大し、結像光束１４を所定の分割数に分割するのに必要な、第２のマスク７上の２次元格子パターン群８の微細度（周期（ピッチ）及び開口パターンサイズ）を緩めることができる。但し、投影光学系１５と、第１のマスク４のパターン面が配置される面である本来のマスク配置面３との間隔が狭い場合には、この間隔Ｚ１も制限されることになる。一方、第２のマスク７上に形成する２次元格子パターン群８として、より微細なパターンが形成可能である場合や、結像光束１４の分割数を上記の第１の実施の形態に例示した１００分割よりも少なく設定する場合には、間隔Ｚ１を上述の１０ｍｍより狭くすることもできる。
【００７２】
また、以上の実施の形態において、第１のマスク４上には１個の開口パターン５が存在するとしたが、これは、その周囲が十分な広さに渡って遮光パターンで覆われた孤立的な開口パターンが存在することを意味しており、必ずしもマスク全面での開口パターンを１個のみに制限するという意味ではない。これに関して、投影光学系１５は所定の有効視野を有する。そして、この有効視野（例えばウエハ側で２６ｍｍ×８ｍｍの形状）の全面に渡って、その波面収差を計測するには、ウエハの表面上で２〜３ｍｍのピッチとなるように、即ち、投影光学系１５が１／４倍の縮小倍率であれば第１のマスク４上で８〜１２ｍｍのピッチで、第１のマスク４上に開口パターン５を複数個Ｘ方向、Ｙ方向に並べて配置することが望ましい。この場合には、第１のマスク４上の各開口パターン１５の垂直下方に相当する第２のマスク７上には、それぞれ２次元格子パターン群８が配置される。
【００７３】
但し、両マスク４，７の間隔Ｚ１が大きい場合、近接する２次元格子パターン群８が部分的に重なってしまう恐れがある。これを回避するためには、間隔Ｚ１を縮小するか、第１のマスク４上での開口パターン５の配列ピッチを拡大すればよい。
次に、本発明の第３の実施の形態につき図７を参照して説明する。図７において図１に対応する部分には同一又は類似の符号を付してその詳細説明を省略する。
【００７４】
図７（Ａ）は、本例の投影光学系の収差計測装置の概略構成を示す図であり、この図７（Ａ）において、収差計測の対象となる投影光学系１５に対して、本来のマスク配置面３に、遮光性の薄板上に微小の開口パターン１３を有する第１のマスク１２のパターン面（ここでは厚さが全体の１／２となる中央の位置での面）を配置する。第１のマスク１２は、金属薄板に微小開口を繰り抜いたものでもよく、ステンシルマスクであっても良い。
【００７５】
そして、第１のマスク１２のパターン面から、距離Ｚ３だけ照明光学系１側に離れた位置に第２のマスク９のパターン面を配置する。第２のマスク９のパターン面（ここでは下面）には、微小開口パターンを２次元格子状に配列してなる２次元格子パターン群１１が形成されている。この第２のマスク９としては、通常のガラス基板に設けた遮光膜に格子パターン群がパターニングされたマスクを使用するが、この第２のマスク９としてもステンシルマスクを使用することもできる。
【００７６】
図７（Ｂ）及び図７（Ｃ）は、それぞれ第１のマスク１２及び第２のマスク９のパターン面を示す平面図であり、第１のマスク１２の開口パターン１３及び第２のマスク９の２次元格子パターン群１１は、それぞれ図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示した第１の実施の形態の開口パターン５及び２次元格子パターン群８の形状と同様である。また、図７（Ｃ）のパターンの中心１１ｃ、方位角ω４、及び距離Ｄ４はそれぞれ図１（Ｃ）の中心８ｃ、方位角ω１、及び距離Ｄ１に対応している。
【００７７】
図７（Ａ）において本例では、位置決めステージ２２を介してウエハ２０の表面を、投影光学系１５の像側の本来の像面１８より距離Ｚ４だけ上方に配置する。この距離Ｚ４は、投影光学系１５の縮小倍率αと、第１のマスク１２のパターン面と第２のマスク９のパターン面との間隔Ｚ３とから次式で定まる距離である。
【００７８】
Ｚ４＝Ｚ３×α２
この条件を満たすとき、ウエハ２０の表面には第２のマスク９上の２次元格子パターン群１１の像が転写されることになる。
本例において、照明光２のうち、第２のマスク９上の２次元格子パターン群１１を透過した光束は、第１のマスク１２上の開口パターン１３を透過して、投影光学系１５へと入射するが、開口パターン１３の大きさが有限であるため、開口パターン１３を透過できるのは、所定の角度範囲をもって２次元格子パターン群１１を透過した光束に限られる。この角度範囲とは、第２のマスク９上の２次元格子パターン群１１上の１つの開口パターンから、第１のマスク１２を見た際に、開口パターン１３が見える角度範囲であり、２次元格子パターン群１１上の１つの開口パターンの位置に依存する。
【００７９】
従って、２次元格子パターン群１１上の１つの開口パターンを透過した光束は、その位置に応じた角度範囲を持つ部分光束（光束の一部）のみが、開口パターン１３を透過して投影光学系１５に入射することができる。上記角度範囲は開口パターン１３透過後もほぼ保存されるので、２次元格子パターン群１１上の異なるパターンを透過した光束は、それぞれ異なる角度で開口パターン１３から射出され、投影光学系１５内を別々の光路で透過することになる。そして、この第２のマスク９上のそれぞれのパターンを源とする各光束は、ウエハ２０上にそれぞれの像を形成する。
【００８０】
この第３の実施の形態では、２次元格子パターン群１１が、本来のマスク配置面３及びそこに配置される開口パターン１３よりも、照明光学系１側に配置される点、及び２次元格子パターン群１１の像が形成される面も、本来の像面１８よりも上方になる点が、それぞれ前述の第１及び第２の実施の形態との相違である。なお、この第３の実施の形態においても、２次元格子パターン群１１はガラス基板上の遮光膜（一般にはクロム膜）中に形成すればよいので、微細加工が容易である。従って、ハルトマン法における投影光学系１５の瞳面分割数を多く取ることが可能であり、高精度な波面収差計測が可能となる。
【００８１】
この第３の実施の形態で、ウエハ２０上に形成される転写像の形状は、図２に示した第１の実施の形態の転写像３１と同様になる。そして、格子状に配列される転写像内の各パターン像相互の位置関係を計測することで、第１の実施の形態と同様に投影光学系１５の収差計測を行なうことができる。また、マスク９上の２次元格子パターン群１１とウエハ２０上に転写される転写像の配列の変形との関係も、第１の実施の形態で述べた（１）〜（８）式で表わされる関係と同様になる。
【００８２】
従って、この第３の実施の形態においても、上述の第１又は第２の実施の形態と同様の方法で、ウエハ２０上に転写される２次元格子パターン群１１の転写像の位置関係を計測し、且つ上記変形の補正を行なうことで、投影光学系１５の波面収差を高精度に計測できる。
なお、図７に示したこの第３の実施の形態は、従来技術のＩＳＩ法の構成に一見似ているが、ＩＳＩ法と本例の方法とは以下の点で異なっている。
【００８３】
本例では、結像光束１４の外枠は、本来のマスク配置面３に配置された第１のマスク１２上の開口パターン１３からの透過光束（結像光束）に他ならない。このため、本例の方法で計測される波面収差は、本来のマスク配置面３上の１点から、本来の像面１８上の１点に至る結像光束の波面収差を正確に計測したものになる。一方、従来のＩＳＩ法や裏面ピンホール法で計測される波面収差は、マスク面上及びウエハ面上で、或る程度広がった領域に対応する複数の結像光束の波面収差を平均的に計測したものであるで、本例の計測方法は、従来方法に比べて高精度な計測を実現できる。
【００８４】
なお、本例では、本来のマスク配置面３に配置する第１のマスク１２をステンシルマスクなどとし、その上方にガラス基板からなる第２のマスク９を配置するとした。しかしながら、必要な波面収差計測精度がそれ程高くない場合には、マスク基板を構成するガラス自体の屈折率均一性が無視できるので、１枚のマスク基板（ガラス基板）の上面に２次元格子パターン群１１を形成し、下面に開口パターン１３を形成して、２枚のマスクパターンを１枚の基板上に形成することもできる。
【００８５】
次に、本発明の第４の実施の形態につき図８を参照して説明する。本例は、投影光学系１５の像側に形成される２次元格子パターン群の像を、ウエハに露光するのではなく、撮像手段によって検出する点が上述の第１の実施の形態と異なっている。以下、図８において、図１に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
【００８６】
図８（Ａ）は本例の収差計測装置の要部を示す図であり、図８（Ａ）において、第１のマスク４の開口パターン５を通過した照明光２によって、第２のマスク７の２次元格子パターン群８の像が投影光学系１５を介して、本来の像面１８から距離Ｚ２だけ下方の面４０上に形成される。本例では、その面４０上の２次元格子パターン群８の像（空間像）を拡大して撮像するための空間像検出系４１が配置されている。空間像検出系４１は、面４０上の像を拡大して面４４上に形成する拡大レンズ系４２と、面４４上の拡大像を撮像するＣＣＤ等の２次元の撮像素子４５とを備えている。即ち、撮像素子４５の撮像面が配置される面４４は、拡大レンズ系４２に関して面４０と結像関係（共役）となっている。一方、本来の像面１８と結像関係となる面は面４３であり、面４３は面４４に対して距離Ｚ５だけ上方に離れている。この距離Ｚ５は、拡大レンズ４２の倍率βと距離Ｚ２とから次のようになる。
【００８７】
Ｚ５＝Ｚ２×β２
図８（Ｂ）は撮像素子４５の撮像面（面４４）を示し、図８（Ｂ）に示す如く、その撮像面には２次元格子パターン群８の像３７が形成される。そして、撮像素子４５からの撮像信号は、不図示の画像解析装置に送られ、ここで画像３７の解析が行なわれ、像３７を構成する各パターン像の理想配列からのずれ量が算出される。本例においても、この理想配列からのずれ量に従って、上述の第１の実施の形態と同様に投影光学系１５の波面収差が求められる。
【００８８】
なお、この場合の像３７の理想配列は、上述の第１から第３の実施の形態の場合とは異なってくる。その理由は、第１から第３の実施の形態には存在しなかった拡大レンズ系４２の作用による。従って、理想配列は、拡大レンズ系４２の設計及び製造誤差によって変化する。拡大レンズ系４２は、投影光学系１５に比べて極めて小型の光学系であるため、製造誤差も少ない。従って、これを無視することができれば、理想配列は、拡大レンズ系４２の設計データから算出できる。
【００８９】
拡大レンズ系４２の製造誤差を無視できない場合には、拡大レンズ系４２を含めた空間像検出系４１の較正（キャリブレーション）が必要となる。このためには、例えば空間像検出系４１の上端面である面４０に、第２のマスク７上の２次元格子パターン群８のこの面への投影像と同じ配列を有する「代替透過マスク」を設置し、代わりに第２のマスク７を除外する。この状態で、照明光学系１、第２のマスク４、及び投影光学系１５を介してその代替透過マスクを照明し、この際に撮像素子４５上に形成される２次元格子パターン群の像（即ち、代替透過マスク上のパターンの像）の位置をもって理想配列とすることができる。このキャリブレーションに際して、代替透過マスク上のパターンの転写像の位置（転写像内の各パターン像の位置関係）を決めるのは、拡大レンズ系４２のみであり、撮像素子４５上に形成される像から拡大レンズ系４２の設計上の誤差及び製造誤差に伴う収差を計測することができる。
【００９０】
なお、このキャリブレーションで使用する代替透過マスク上の２次元格子パターン群の配列と、実際に投影光学系１５の収差計測に際して使用する第２のマスク７上の２次元格子パターン群８の配列との間の関係は、第１の実施の形態で述べた（１）〜（８）式の関係に従っているものであることは言うまでもない。
以上の第４の実施の形態では、波面収差の計測に際してウエハ上のフォトレジストヘの感光及びその現像工程を含まないため計測時間が短縮されると共に、誤差要因を削減できるために計測精度の一層の向上が可能になる。
【００９１】
なお、上記の第４の実施の形態の収差計測装置は、一般的な投影露光装置に組み込んでこれを実現することも可能である。
次に、本発明の第５の実施の形態につき図９を参照して説明する。本例は、上記の実施の形態の収差計測装置をステップ・アンド・スキャン方式よりなる走査露光型の投影露光装置に組み込んだものであり、図９において、図５及び図８に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
【００９２】
図９は、本例の収差計測装置を組み込んだ投影露光装置を示し、この図９において、投影光学系１５の光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図９の紙面に平行にＸ軸を取り、図９の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。先ず、第１のマスク４と第２のマスク７とは、図５の構成例と同様に支持部材２７により一体的に保持され、第１のマスク４の開口パターン５に対向する部分（上面、ここでは照明光学系１側の面）には、集光レンズ３０が埋め込まれて形成されている。そして、第１のマスク４はレチクルステージ５０上に吸着保持されている。このとき、第１のマスク４のパターン面（下面）は、投影光学系１５に対して本来のマスク配置面３に配置される。レチクルステージ５０は、レチクルベース５１上をＸ方向に走査可能に構成されている。
【００９３】
投影光学系１５の像側には、この投影露光装置が露光すべきウエハ５２が、ウエハステージ５３上に吸着保持されている。このウエハステージ５３は、ウエハ５２への露光に際して、レチクルステージ５０の走査に同期して、ウエハベース５４上をＸ方向に走査可能に構成されると共に、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動可能に構成されている。これらのレチクルステージ５０及びウエハステージ５３の走査にあたっては、その位置は不図示のレーザ干渉計で計測され、その結果が不図示の制御系に伝えられて、同期走査が行なわれる。
【００９４】
そして、図８（Ａ）の第４の実施の形態の収差計測装置の空間像検出系４１が、ウエハステージ５３の側面に設置されている。
本例において、投影光学系１５の収差を計測する場合には、ウエハステージ５３を駆動して、空間像検出系４１の先端部が第２のマスク７の２次元格子パターン群８の像が形成される位置に設置された状態で、照明光学系１から第１のマスク４及び第２のマスク７に照明光２が照射される。そして、上記の２次元格子パターン群８の像が、空間像検出系４１内の撮像素子４５で撮像され、その２次元格子パターン群の像内の各部の位置関係より、投影光学系１５の波面収差が計測される。なお、本例においても、投影光学系１５の波面収差の計測に先立って、上記の空間像検出系４１のキャリブレーションを行なうことができることは言うまでもない。
【００９５】
本例においては、投影光学系１５の波面収差の計測時には、レチクルステージ５０及びウエハステージ５３は共に静止した状態とすることが、波面収差計測精度上は好ましい。但し、ウエハ５２への実際の露光動作を想定して、即ち、両ステージ５０，５３の同期誤差や振動等の誤差要因も含めた結像性能を評価する目的であるなら、レチクルステージ５０及びウエハステージ５３を走査しつつ、計測を行なうことも可能である。
【００９６】
また、本例で使用する第１のマスク４及び第２のマスク７は、第１及び第２の実施の形態で使用したマスクと同じとした。これは、一般的な露光装置での使用に際しては、それに具備されるレチクル保持機構の都合上、通常のレチクルと同様にガラス基板からなる第１のマスク４のパターン面を本来のマスク配置面３に一致させる方が、ステンシルマスクをそのマスク配置面３に一致させるより簡単なためである。
【００９７】
但し、本例においても、第２の実施の形態と同様に、本来のマスク配置面３にステンシルマスクよりなる第１のマスクを配置し、その上方にガラス基板からなる第２のマスクを配置することも勿論可能である。そして、通常の露光装置で、このようなマスクを使用するためには、ガラス基板からなる第２のマスクの下にスペーサ部材を設けたり、レチクルステージ５０と第２のマスクとの間にスペーサを挟んだりすれば良い。
【００９８】
なお、第１、第２、及び第３の実施の形態で示した如き、ウエハに塗布されたフォトレジストヘの露光（パターン転写）を介して投影光学系１５の波面収差を計測する方法も、上述の実施の形態のまま、或いは一部の変更により、既存の露光装置に対して適用可能な計測方法であることは言うまでもない。
また、上記の実施の形態の収差計測方法で収差を計測する対象としては、屈折系よりなる投影光学系のみならず、例えば特開２０００−４７１１４号公報に開示されているように、互いに交差する光軸を持つ複数の光学系を持つ反射屈折投影光学系、例えば特願２０００−５９２６８号明細書に開示されているように、レチクルからウエハに向かう光軸を持つ光学系と、その光軸に対してほぼ直交する光軸を持つ反射屈折系とを有し、内部で中間像を２回形成する反射屈折投影光学系、又は例えば国際公開第  ００／３９６２３  号パンフレットに開示されているように、１本の光軸に沿って複数の屈折レンズと、それぞれ光軸の近傍に開口を有する２つの凹面鏡とを配置して構成される直筒型の反射屈折投影光学系なども当然に含めることができる。
【００９９】
なお、上記の実施の形態の投影露光装置（例えば図９の投影露光装置）の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置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を製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、その投影光学系は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
【０１００】
このように本発明は上述の実施の形態に限定されず、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。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明によれば、実質的に投影光学系の物体面の１点から発した光束を用いてハルトマン法で収差を計測できるため、投影光学系の収差を簡便に且つ高精度に計測することができる。
また、第１パターン及び第２パターンを互いに異なるマスクに形成し、その２枚のマスクのうち、少なくともその投影光学系に近い側に配置されるマスクをステンシルマスクより形成した場合には、２つのマスク間の間隔は空間となり、更にマスク上のパターンを微細化できるため、より高次の波面収差の計測を行うことができる。
【０１０２】
また、本発明の露光装置によれば、露光装置に搭載された投影光学系についても、簡便に且つ高精度にその収差を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１の実施の形態の収差計測装置の概略構成を示す図、（Ｂ）は図１（Ａ）中の第１のマスク４のパターン面を示す平面図、（Ｃ）は図１（Ａ）中の第２のマスク７のパターン面を示す平面図である。
【図２】図１（Ａ）中のウエハ２０上に形成される転写像３１を示す図である。
【図３】図１（Ｃ）の距離Ｄ１と図２の距離Ｄ２との関係の一例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の収差計測方法を図２に対応させて説明するための図である。
【図５】（Ａ）は本発明の実施の形態における照明光量増大手段の第１の構成例を示す断面図、（Ｂ）は照明光量増大手段の第２の構成例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるステンシルマスクの構成例を示す斜視図である。
【図７】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態の収差計測装置の概略構成を示す図、（Ｂ）は図７（Ａ）中の第１のマスク１２のパターン面を示す平面図、（Ｃ）は図７（Ａ）中の第２のマスク９のパターン面を示す平面図である。
【図８】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態の収差計測装置の要部を示す図、（Ｂ）は図８（Ａ）中の撮像素子４５の撮像面に形成される像を示す拡大平面図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態の収差計測装置を備えた投影露光装置を示す一部を切り欠いた図である。
【符号の説明】
１…照明光学系、３…本来のマスク配置面、４，１２…第１のマスク、５，１３…開口パターン、７，９…第２のマスク、７Ａ…ステンシルマスク、８，１１…２次元格子パターン群、１５…投影光学系、１８…本来の像面、２０…ウエハ、２８，３０…集光レンズ、３１…転写像、４１…空間像検出系
【図１】
2004172316.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成14年11月20日(2002.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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