(57)【要約】【課題】  サンプル作成作業が短時間かつ簡便で、サンプルの測定も特別な測定機を必要とせず、短時間の測定時間でＺｅｒｎｉｋｅ係数に対応する投影レンズの波面収差量を算出することができる収差測定方法及びそれを用いた露光装置を提供する。【解決手段】  テストパターンを投影光学系を介し基板面上に結像させ、形成したテストパターン像の位置ずれ量から投影光学系の収差を測定する収差計測方法であって、投影光学系の瞳領域の最適化を投影光学系を含む投影露光装置側で行う瞳領域の最適化手段と、位置ずれ測定用のテストパターンが形成された基盤面の裏面にテストパターンを照明する照明光の有効光源の一部を遮光する遮光パターンとを用いて波面収差を測定することを特徴とする収差測定方法。【選択図】  図８
2005302777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テストパターンを投影光学系を介し基板面上に結像させ、形成したテストパターン像の位置ずれ量から投影光学系の収差を測定する収差計測方法であって、投影光学系の瞳領域を最適化することにより、テストパターンを介して投影光学系の最適な瞳領域を通過する光束を、最適化された投影光学系の瞳領域を通過させ、形成したテストパターン像の位置ずれを計測し、収差計測を行うことを特徴とする収差計測方法において、投影光学系の瞳領域の最適化を投影光学系を含む投影露光装置側で行う瞳領域の最適化手段と、位置ずれ測定用のテストパターンが形成された基盤面の裏面にテストパターンを照明する照明光の有効光源の一部を遮光する遮光パターンとによって、行うことを特徴とする収差測定方法。
【請求項２】
投影光学系の瞳領域の最適化を投影光学系を含む投影露光装置側で行う瞳領域の最適化手段と、位置ずれ測定用のテストパターンが形成された基盤面の裏面にテストパターンを照明する照明光の有効光源の一部を遮光する遮光パターンによって、行うことを特徴とする請求項１の収差測定法であって、特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対しその係数を抽出することを特徴とした請求項１の収差計測方法。
【請求項３】
投影光学系の瞳領域の最適化を投影光学系を含む投影露光装置側で行う瞳領域の最適化手段と、位置ずれ測定用のテストパターンが形成された基盤面の裏面にテストパターンを照明する照明光の有効光源の一部を遮光する遮光パターンによって、行うことを特徴とする収差測定法であって、投影露光装置側で行う瞳領域の最適化は、輪帯状の有効光源の内径、外径を変更することよって行うことを特徴とする請求項２の収差測定方法。
【請求項４】
請求項３の輪帯状有効光源の内径、外径の変更は前記露光装置の照明系に内蔵された有効光源可変機構にて行うことを特徴とする収差測定方法。
【請求項５】
前記照明系に、最適化された前記有効光源分布を形成させる照明開口可変手段を有し、前記照明開口可変手段と前記遮光パターンとを介して、形成される像を感光基板上に転写し、転写された潜像もしくはホトクロ像の位置を計測する光学系を有し、前記遮光パターンの形状に応じて、形成される像シフト量を１つ以上計測することにより、前記投影レンズの特定のＺｅｒｎｉｋｅ項の係数を算出することを特徴とした請求項２または３の収差計測方法。
【請求項６】
前記照明系に、最適化された前記有効光源分布を形成させる照明開口可変手段を有し、前記照明開口可変手段と前記遮光パターンとを介して、形成される第一の像を感光基板上に転写、次に結像面のＸＹステージもしくは物体面のレチクルステージを所定量移動させ、前記遮光パターンを介さない第二の像を第１の像に転写し重ね合わせることで、現像した前記重ね合わせマークの位置ずれ量を計測し、前記工程を繰り返す事で、前記前記遮光パターン形状に応じて、形成される前記重ね合わせマークを１つ以上計測することにより、前記投影レンズの特定のＺｅｒｎｉｋｅ項の係数を算出することを特徴とした請求項２または３の収差計測方法。
【請求項７】
前記照明系に、最適化された前記有効光源分布を形成させる照明開口可変手段を有し、前記照明開口可変手段と前記遮光パターンとを介して、形成される像の位置を計測する検出器を有し、前記遮光パターン形状に応じて、形成される像の位置ずれ量を１つ以上計測することにより、前記投影レンズの特定のＺｅｒｎｉｋｅ項の係数を算出することを特徴とした請求項２または３の収差計測方法。
【請求項８】
前記請求項２〜７により計測したＺｅｒｎｉｋｅ係数を投影露光装置の本体系にフィードバックする事により前記投影レンズの収差を補正することを特徴とする投影露光装置。
【請求項９】
請求項１の収差測定法において、前記位置ずれ測定用のテストパターンと、テストパターンを照明する照明光の有効光源を遮光する遮光パターンとが、テストマスク基盤の両面に形成された遮光膜上に形成されていることを特徴とする収差測定方法。または、収差測定を目的としたテストマスク。
【請求項１０】
請求項１の収差測定法において、前記位置ずれ測定用のテストパターンと、テストパターンを照明する照明光の有効光源を遮光する遮光パターンとが、露光機に内蔵され、レチクル面に相当する位置に配置されたプレート上に形成されていることを特徴とする収差測定方法。または露光装置。
【請求項１１】
投影光学系の瞳領域の最適化を投影光学系を含む投影露光装置側で行う瞳領域の最適化手段と、位置ずれ測定用のテストパターンが形成された基盤面の裏面にテストパターンを照明する照明光の有効光源の一部を遮光する遮光パターンによって、特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対しその係数を抽出することを特徴とした請求項２の収差計測方法によって測定したＺｅｒｎｉｋｅ係数と、予め所望の管理パターンに対する各Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に対する最適焦点位置の変化量（Ｚｅｒｎｉｋｅ敏感度）を計算した結果とを用いて行う前記投影露光装置の最適焦点位置管理方法。
【請求項１２】
投影露光装置側で行う瞳領域の最適化は、輪帯状の有効光源の内径、外径を変更することよって行うことを特徴とする請求項１１の最適焦点位置管理方法。
【請求項１３】
測定したＺｅｒｎｉｋｅ係数と、予め所望の管理パターンに対する各Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に対する最適焦点位置の変化量（Ｚｅｒｎｉｋｅ敏感度）を計算した結果とを用いて行う最適焦点位置管理方法であって、測定するＺｅｒｎｉｋｅ係数はデフォーカスに相当する項と低次の非点収差項と低次の球面収差項であることを特徴とする請求項１２の最適焦点位置管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収差計測方法及びそれを用いた投影露光装置に関し、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ー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波面収差やフォーカス等を計測し、補正する際に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、フォトレチクル又はレチクル（以下「レチクル」と総称する）のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に結像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の投影レンズの収差によるデバイスパターンへの影響が今日深刻な問題になっており、レンズ収差計測の重要度が増している。また投影レンズに対する収差の要求は当然厳しく、その検査項目も年々増加する一方で、検査精度の向上だけでなく検査時間の短縮も重要な課題である。
【０００３】
また、特に半導体素子においては、素子を形成するパターンに微細化による素子の性能向上要求が大きく、半導体素子の標準的な技術ロードマップとして作成されているＩＴＲＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｏｕｃｔｏｒｓ）のロードマップでは２年毎に素子パターンの微細化がなされるようなっている。１９９０年代前半までは、半導体素子のパターン寸法は、投影露光装置の露光波長よりも大きく、パターンの微細化要求に応えるためには、投影露光装置の露光光源を変更し、露光波長を短くすることが行われていたが、１９９０年代後半になると、露光波長よりも微細なパターン寸法が要求されるようになり、超解像技術と呼ばれる光学的な解像限界を超えるパターンの投影解像ができるように開発された技術を用いて半導体素子の製造が行われるようになっている。超解像技術を用いた投影露光装置による結像は、投影レンズに収差に非常に敏感で、半導体素子パターン投影像のレチクルパターンに対する忠実性に対する要求を満たすために、投影レンズの収差量としては、露光波長の５／１０００という非常に低収差な投影レンズが必要となっている。
【０００４】
また、超解像技術では、解像力を露光波長以下とするために、レチクルパターンにより生じる回折光の一部のみを使用して投影像を結像したり、レチクルパターンを通過した光の位相差を利用して解像力を高めたりすることが行われるので、パターンの形状によっては、投影レンズの収差の内、ある特定の収差のみがウェハ上に投影された結像パターンの形状に大きく影響するということが発生する。このため、投影レンズの収差をレチクル上のパターン形状に合わせて高精度に調整することも必要となってきている。
【０００５】
これに対し現在様々な方法が提案され、球面収差、像面、非点、コマ、波面収差などの収差測定が実際の評価や検査に用いられている。これら収差測定の中でもＺｅｒｎｉｋｅ係数は波面収差そのものであり、レンズ製造現場では通常干渉計（ＰＭＩ（ｐｈａｓｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ等）を用いて計測を行っている。しかしながら投影露光装置本体上ではスペースの制約が大きく干渉計計測が難しい。そのため干渉計を使わないで波面収差を計測できる方法が検討されている。
【０００６】
一般に波面収差はＺｅｒｎｉｋｅ多項式等で近似する事で、そのファクターである球面収差、像面、非点、コマなどといった代表的な収差を算出可能である。またＺｅｒｎｉｋｅ係数を使った実デバイスパターンでのＳｉｍｕｌａｔｉｏｎの結果からマスクやプロセス更には露光装置へのフィードバックも活発に行われておりその用途は高く、投影露光装置上でＺｅｒｎｉｋｅ係数を高い精度で計測する事を、強く求められている。
【０００７】
波面収差の測定方法としては、特許文献１や特許文献２で示される方式がある。この測定方式は、レチクルパターン面に格子状のパターンがあり、上記パターン中心の真下に少し距離をおいてピンホールがあり、更にレチクルガラス面には上記パターン中心の真上に凸レンズを置いた特殊なレチクルを用いる。露光装置の照明系から出た照明光は前記凸レンズによりσ１以上の幅広い照明角度でその下にある格子パターンを照射する。格子パターンを透過した光はその下にあるピンホールを通過する。
【０００８】
この時通過できる光は前記格子パターンそれぞれの点の位置と前記ピンホールを結んだ角度の光のみに限定される。つまり前記格子パターンの各点から出た光は全く異なる角度の光となって進む。これら角度の異なる光は投影レンズ瞳面上で異なる位置に到達し、投影レンズの波面収差の影響を受けウエハー面上で結像される。この時結像した格子パターンの各点は異なる波面収差（位相）の影響を受けている。つまり光線は波面の法線方向に進むため結像した各点は波面の各点の傾き分だけシフトすることになる。よって前記結像した格子パターンの理想格子からのずれを測定することにより瞳面内各点の波面の傾きが得られ様々な数学的手法から波面を算出することができる。
【０００９】
また、特許文献３で開示された方式がある。この測定方法は、光を遮断する遮光部と、光を通す第一の透明部と、第二の透明部とをもち、第一の透明部を透過した光と第二の透明部を透過した光の位相差が９０°且つ、遮光部と第一、第二透明部の幅の比が２：１：１に構成された回折格子パターンをもつ測定用マスクを用いる。この特殊な回折格子の回折光はプラス１次回折光とマイナス１次回折光の一方が実質的に零となる。したがって、この特殊な回折格子の投影レンズによる投影像は、２次以上の回折光角度が投影レンズ開口数より大きくなるように回折格子のピッチが設定された場合、０次の回折光とプラス１次またはマイナス１次回折光のいずれか一方との２光束干渉像となる。この２光束干渉像の結像位置は、投影レンズのもつ波面収差により０次回折光の位相と１次回折光の位相との間に発生する位相差に応じてシフトする。１次回折光が瞳面上を通過する位置は、回折格子のパターンピッチ、回折格子パターンの配置角度によってコントロールできるので、パターンピッチ、配置角度を変えた複数の回折格子に対する結像位置のシフトを測定することによって投影レンズの波面収差を算出することができる。
【００１０】
さらに、特許文献４で開示された収差測定法がある。この方式は、前記２種の収差測定法と違い、所望のＺｅｒｎｉｋｅ項に対応する収差のみを測定する方法である。この方式は、予め計算で求められた特殊な形状の照明絞りとマスク上のＢＯＸ  ｉｎ  ＢＯＸパターンとを用いる。この方式に用いられる照明絞りの形状は、マスク上のＢＯＸマークの投影レンズによる結像位置ずれが特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対し、その１つの係数に主に依存するように該投影光学系の瞳領域を通過する光束を制限するように予め計算して決定された形状を有している。したがって、特殊な照明絞りを用いてウェハ上に投影したＢＯＸマークの結像位置ずれを特殊な照明絞りを用いないでウェハ上に投影した別のＢＯＸマークの結像位置を基準に測定することにより所望のＺｅｒｎｉｋｅ項に対応する投影レンズの収差を算出することができる。
【特許文献１】米国特許第５８２８４５５号
【特許文献２】米国特許第５９７８０８５号
【特許文献３】特許第３２９７４２３号
【特許文献４】特開２００３−１７８９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１や特許文献２に開示された方式では、測定パターンを透過し投影レンズに入射、ウェハ上への結像に寄与する光がピンホールで照明光のごく一部に制限されるため、測定パターンをウェハ上のレジスト膜に転写するために必要な照明光光量がピンホールを介さない場合に比較し、１００倍以上必要とされ、露光時間が非常に長くなるという問題がある。
【００１２】
さらに、測定パターンである格子状パターン各点の座標は投影レンズ瞳面上の座標と一対一に対応し、Ｚｅｒｎｉｋｅ係数の形で投影レンズ収差を求めるためには瞳面上全ての座標に対する測定を行う必要があるため、一つの測定ポイントに対し、格子パターンの位置ずれを２００点以上測定する必要があり、測定に多大な時間を要するという問題がある。
【００１３】
また、特許文献３の方式では、回折格子のパターンピッチと配置角度によって、投影レンズ瞳面上の収差測定点を調整するため、瞳面上の複数の点での波面収差を測定し、Ｚｅｒｎｉｋｅ係数を算出するには、マスク上に複数の測定マークを配置する必要がある。パターンピッチは被測定レンズの開口数に応じて調整する必要があるため、開口数の違う複数の投影レンズの測定に対応するには、さらに多数の測定マークを予めマスク上に配置しておく必要があり、マスクの準備が煩雑になるという問題点がある。
【００１４】
さらに配置角度を０°あるいは９０°とは異なる角度にした測定マークの測定は一部のオーバーレイ測定機でしか行えないという問題もある。
【００１５】
また、回折格子の２次回折光が投影レンズに入射してしまうと測定マークの位置ずれに誤差が生じ、正しく波面収差が測定できないので、回折格子のパターンピッチは２次回折光角度が投影レンズの開口数より大きくなるにしなければならないという制限があり、投影レンズ瞳全面での波面収差測定は原理上不可能でＺｅｒｎｉｋｅ係数を正確に求めることができないという問題がある。
【００１６】
特許文献４の方式は、２〜４点の測定で所望のＺｅｒｎｉｋｅ係数を正確に求めることができる利点があるが、正確にＺｅｒｎｉｋｅ係数を求めるためには、複数の照明絞りを用意するか、照明絞りを回転する作業を複数回行う必要があり、測定サンプルの作成時間が長くなるという問題点がある。
【００１７】
本発明の目的は、以上の従来技術の問題点を考慮し、サンプル作成作業が短時間かつ簡便で、サンプルの測定も特別な測定機を必要とせず、短時間の測定時間でＺｅｒｎｉｋｅ係数に対応する投影レンズの波面収差量を算出することができる収差測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の収差計測方法はテストパターンを投影光学系を介し基板面上に結像させ、形成したテストパターン像の位置ずれ量から投影光学系の収差を測定する収差計測方法であって、投影光学系の瞳領域を最適化することにより、テストパターンを介して投影光学系の最適な瞳領域を通過する光束を、最適化された投影光学系の瞳領域を通過させ、形成したテストパターン像の位置ずれを計測し、収差計測を行うことを特徴とする収差計測方法において、投影光学系の瞳領域の最適化を投影光学系を含む投影露光装置側で行う瞳領域の最適化手段と、位置ずれ測定用のテストパターンが形成された基盤面の裏面にテストパターンを照明する照明光の有効光源の一部を遮光する遮光パターンを有するマスクとによって、行うことを特徴とする収差測定方法である。
【００１９】
本発明では瞳領域最適化手段を用いることにより所望の収差の測定を行うので、特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対しその係数を抽出することも可能となる。
【００２０】
これにより、多数の測定を行うことなく、短時間の測定作業で所望のＺｅｒｎｉｋｅ項の係数を算出することができる。
【００２１】
また、測定用のテストパターン形状をオーバーレイ測定に一般的用いられるＢＯＸｉｎ  ＢＯＸマークあるいは、Ｂａｒ  ｉｎ  Ｂａｒマークとすることで、特別な測定機を用いないで収差測定が可能となる。
【００２２】
投影露光装置で行う瞳領域最適化は、テストパターンを照明する照明光の有効光源分布を最適化することで行っても良いし、投影レンズの中に瞳フィルターを設けることで行っても良い。
【００２３】
また、有効光源分布の最適化は照明絞りを用いて行うことができる。この場合、マスク裏面に形成された遮光パターンとの組み合わせにより瞳領域の最適化を行うため、マスク裏面の遮光パターンと表面のテストパターンの組み合わせを複数配置しておくことにより、照明絞りを複数用意したり、回転して複数回テストパターンの露光を繰り返すことなく収差測定を行うことができ、テストサンプルの露光作業を簡便にできる。
【００２４】
さらに、最新の露光装置では、超解像技術に用いられる、輪帯照明やダイポール照明といった複数の有効光源形状をマスクを照明する照明光光量を減ずることなく、変化させることのできる有効光源分布可変機構が照明系ユニットの中に内蔵されていることが一般的となっており、この可変ユニットと照明絞りとを組み合わせることにより、照明光量を大幅に減ずることなく瞳領域の最適化が可能であり、テストパターンの露光時間が大幅に長くなることはない。
【００２５】
また、マスク裏面の遮光パターンを投影レンズ開口数に依存せず有効光源の一部を遮光するパターンとすることで測定対象である投影レンズの開口数変化によりマスクを新たに準備することなく収差測定が可能となり、高価なテストマスクを複数準備するというコスト的な問題点も解決される。
【００２６】
さらにテキサスインスツルメンツ社のＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ（以下、ＤＭＤと称する。）など用いて有効光源を任意の形状に変化させることのできる可変装置を露光装置に搭載すれば、照明系絞りも新たに準備することなく任意の収差測定が可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の第一実施例によれば、瞳領域最適化手段を用いることにより所望の収差の測定を行うので、特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対しその係数を抽出することが可能となる。これにより、多数の測定を行うことなく、短時間の測定作業で所望のＺｅｒｎｉｋｅ項の係数を算出することができる。
【００２８】
また、測定用のテストパターン形状をオーバーレイ測定に一般的用いられるＢＯＸ  ｉｎ  ＢＯＸマークあるいは、Ｂａｒ  ｉｎ  Ｂａｒマークとすることで、特別な測定機を用いないで収差測定が可能となる。
【００２９】
また、マスク裏面に形成された遮光パターンとの組み合わせにより瞳領域の最適化を行うため、マスク裏面の遮光パターンと表面のテストパターンの組み合わせを複数配置しておくことにより、照明絞りを複数用意したり、回転して複数回テストパターンの露光を繰り返すことなく収差測定を行うことができ、テストサンプルの露光作業を簡便にできる。
【００３０】
さらにテキサスインスツルメンツ社のＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ（以下、ＤＭＤと称する。）など用いて有効光源を任意の形状に変化させることのできる可変装置を露光装置に搭載すれば、照明系絞りも新たに準備することなく任意の収差測定が可能となる。
【００３１】
また、マスク裏面の遮光パターンを投影レンズ開口数に依存せず有効光源の一部を遮光するパターンとすることで測定対象である投影レンズの開口数変化によりマスクを新たに準備することなく収差測定が可能となり、高価なテストマスクを複数準備するというコスト的な問題点も解決される。
【００３２】
さらに、第二の実施例では、輪帯形状の有効光源の径を変化させてテストパターンの位置ずれ量のデフォーカス成分、球面収差に対する敏感度をコントロールするため、特殊な形状の照明絞りを用意することがなく、露光機の焦点位置の管理が可能となる。また、最新の露光機では輪帯照明の径を任意にコントロールする機構が露光機に内蔵されているため、テストレチクルのみで最適焦点位置を管理することも可能であり、内蔵機構で有効光源形状を変化させるため、絞りを用いる場合のように露光光量を減ずることなく有効光源形状を変化させることが可能となり、測定サンプルの露光時間が大幅に増えることがない。
【００３３】
また、第一、第二の収差測定結果を露光機にフィードバックし、露光機に内蔵された収差補正機構を駆動することにより、より高精度なパターンニングを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施形態を説明する前にＺｅｒｎｉｋｅ係数の計測方法について説明する。
【００３５】
投影露光装置の本体上においてＺｅｒｎｉｋｅ係数計測、特に投影レンズの瞳面に対応するパターンの像の位置ずれを瞳面全面に渡って測定し、Ｚｅｒｎｉｋｅ係数を算出する方式では幾つかの問題が指摘されている。Ｚｅｒｎｉｋｅは直交多項式であるため各Ｚｅｒｎｉｋｅ項は一般に影響を及ぼしあわない。つまり各Ｚｅｒｎｉｋｅ係数は独立に計算が可能で、無限により高次な項を付け加えて計算可能である。しかしながら上記メリットを利用するには、離散的な計測点の集合が直交条件を満たさなければならならず制約も大きい。そこで直交性にこだわらない方法について以下考察する。
【００３６】
実際、主に結像性能に影響をおよぼす項はいわゆる低次項であり、今後デバイスの微細化が進みより高次項の影響を考慮する必要が出てきたとしても、現在一般的に議論されているＺｅｒｎｉｋｅ３６項程で十分と思われる。特に３６項に限る必要性は無いが、現実の投影光学系の低次のＺｅｒｎｉｋｅ項成分と比較し、その高次成分が十分に小さいと見なせる高次項までを考慮すれば良い。言い換えると、直交系でない近似計算を行う計測において、問題となる低次項の係数に影響をおよぼすであろう高次項までに限って近似計算を行う。
【００３７】
表１にＺｅｒｎｉｋｅ３６項の数式表現を示す。ここで記号ＣはＺｅｒｎｉｋｅ係数を示し、その後の数字が項番号を示している。
【００３８】
【表１】
2005302777.tif 000003
【００３９】
仮に投影レンズの波面がこの３６項で全て表現されるとした場合、３６項全てを使ってフィッティングを行える。
【００４０】
【数１】
2005302777.tif 000004
【００４１】
上記行列式（１）を解くことになるが、実際は計測値Ｓｉには誤差が含まれ、更にデータの欠落、測定法の違いや測定法の条件（設計）変更などによる計測点（ｒｉ，θｉ）、ｉ＝１・・・ｑのサンプリングのしかた（測定点数、測定個所）が異なることによって解Ｃｊは影響を受けることになる。
【００４２】
【数２】
2005302777.tif 000005
【００４３】
行列式から見ると、行列Ｚ→Ｚ’とベクトルＳ→Ｓ’の変化がおこり結果として異なる結果を算出する（ベクトルｃ→ｃ’）。上記問題は今まで挙げてきた計測方法共通の問題と言える。これらの問題を避ける方法としては、行列Ｚを固定すること、更に行列Ｚは直交条件を満たしてないので解が一意に決まる対角行列のような形を計測法自身が持つ事が望ましい。
【００４４】
【数３】
2005302777.tif 000006
【００４５】
ここで上記対角行列の、行ベクトル（λ１，０，０，．．０）だけに着目して、次のような方程式による最適化を考える。
【００４６】
【数４】
2005302777.tif 000007
【００４７】
上記連立方程式（２）は計測される投影レンズの瞳座標に対応した任意の位置ｋにおける結像面での像の位置ずれ変化量がＺｅｒｎｉｋｅ項ごとにあらかじめわかっていれば（Ｚｅｒｎｉｋｅ敏感度）、重み係数Ｗｋおよび瞳領域ｋを最適化することで（２）を満足させることを意味している。（２）を満足する計測法を構築することにより、像の位置ずれ量Ｓ１は被計測投影光学系の１項のＺｅｒｎｉｋｅ係数のみを独立に計測する事になる。
【００４８】
【数５】
2005302777.tif 000008
【００４９】
他のＺｅｒｎｉｋｅ項についても同様に重み係数Ｗｋおよび瞳領域ｋを最適化することで独立にＺｅｒｎｉｋｅ係数を抽出可能となる。従って各々異なる計測条件（重み係数Ｗｋおよび瞳領域ｋ）にてＺｅｒｎｉｋｅ係数を計測することにより、Ｚｅｒｎｉｋｅ項同士の干渉のない独立した計測法が実現できる。
【００５０】
ここで像の位置ずれとＺｅｒｎｉｋｅ敏感度の関係について述べておく。波面のスロープもしくは位相差はその瞳位置とＺｅｒｎｉｋｅ係数であらわされる。従ってそれらによって生じる像の位置ずれは、結像の際瞳面を通過した光束の位置（微小な領域）での波面のスロープもしくは位相差に線形である。
Ｓ１＝ｇ・ΣＣｉ・Ｚｉ（ｘ１，ｙ１）      ・・・（３）
Ｓ１．．．瞳座標（ｘ１，ｙ１）に対する位置ずれ
ｇ．．．定数
Ｃｉ．．．Ｚｅｒｎｉｋｅ係数
Ｚｉ（ｘ，ｙ）．．．瞳位置（ｘ、ｙ）でのｉ項のＺｅｒｎｉｋｅ敏感度
【００５１】
前記（３）式より、同様に様々なインコヒーレントな光束が異なる瞳位置を通過、結像するとその合成像ＳＴはその線形性から、
ＳＴ＝ΣＷｋ・Ｓｋ
＝ΣＷｋ  Σｇ・Ｃｉ・Ｚｉ（ｘｋ，ｙｋ）
＝ｇΣＣｉΣＷｋ・Ｚｉ（ｘｋ，ｙｋ）  ・・・（４）
となる。
【００５２】
（４）式から像の位置ずれは、各微小な瞳領域ごとの位置ずれＳｋの総和であり、またそれはあるＺｅｒｎｉｋｅ項ｉについて言えば、瞳位置ｋ毎のＺｅｒｎｉｋｅ敏感度の和にＺｅｒｎｉｋｅ係数を掛けたものである。すなわち、この瞳位置ｋ毎のＺｅｒｎｉｋｅ敏感度の和を最適化することで所望のＺｅｒｎｉｋｅ係数を計測することができる。
【００５３】
以上の考え方を利用したＺｅｒｎｉｋｅ係数計測方法を実施することで、直交条件の問題から生じる像高や絶対値の問題を解決することができる。更に一般に１つの係数を求めるのに１つの計測値でよい為、計測時間を大幅に向上でき、これに関しても解決することができることを、本出願人が先に特許文献４において開示している。
【００５４】
ここで、特許文献４で開示した収差計測法を簡単に説明する。特許文献４の収差測定法の概念図を図１に示す。特許文献４の収差測定法では、投影露光装置の照明系ユニット内に照明絞り４を挿入し、マスク９上のテストパターンＴＰを照明する照明光の有効光源形状を最適化することで、テストパターンＴＰを通過し、投影レンズの瞳面１０ａに達する光束ＬＰの瞳面上を通過する領域に制限を加えている。テストパターンＴＰは、図３に示すようなライン間もしくはスペース間のピッチ（間隔）がほぼ等しい周期パターンであり、かつ光が透過する個々のスペース幅が周期パターンの中心ラインもしくは中心スペースのパターンから外側のパターンに向かって減少する特殊のパターンとなっている。このパターンは透過した光の回折光が通常のスペースパターンと比較して非常に小さいという特性を有している。
【００５５】
この特性により、光束ＬＰが通過する前記投影レンズ瞳面上の制限された領域は、前記照明絞りにより形成された照明光有効光源形状と同じ形状になる。したがって、所望のＺｅｒｎｉｋｅ係数を測定するために瞳領域を最適化するには、最適化したい瞳領域形状と同じ形状の照明絞りを用意すればよいことになる。すなわち、特殊な形状をしたテストパターンＴＰを配置したマスク９と、所望のＺｅｒｎｉｋｅ係数に対応する波面収差によってのみテストパターンＴＰの投影像ＴＰａの位置ずれが起こるように最適化された瞳面領域と同じ形状を持つ照明絞り４とを用いることにより、前記投影レンズの所望のＺｅｒｎｉｋｅ係数を計測することができる。
【００５６】
しかし、実際にＴＰａの位置ずれ計測によりＺｅｒｎｉｋｅ係数を正確に算出するには、照明絞りの取り付け角度を複数回変更してテストパターンの露光を行うか、複数の照明絞りを用意して照明絞りを交換してテストパターンの露光を行う必要がある。このように、特許文献４の収差測定法には、複数回の照明絞りの角度変更と複数回のテストパターンの露光作業が必要になり露光作業が煩雑になるという問題があった。また、照明絞りの角度変更によらず、複数の照明絞りで収差測定を行う場合も、テストパターンの露光は複数回行う必要があり、複数の照明絞りを準備しなければならないという問題もあった。
【００５７】
本発明ではこのような問題点を鑑み、露光作業が簡便で、かつ、複数の照明絞りを準備することなく所望のＺｅｒｎｉｋｅ係数を正確に計測することのできる収差測定法を提案する。
【００５８】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００５９】
図１は本実施形態の投影露光装置の一部分の要部概略図である。図１においてレチクル９上に形成されたパターンもしくはパターン群（テストパターン）ＴＰに照明光学系の開口面に設けられた特殊な形状の照明絞り４とレチクル９のテストパターンＴＰが形成されている面とは反対のレチクル基盤面に形成された遮光パターンＡＰを介して、主光線ＬＰが照射し、このレチクル９上のテストパターンＴＰが投影レンズ１０で結像した空中像もしくは感光基板Ｗに転写したパターン像ＴＰａの位置を測定する。尚、テストパターンＴＰおよび遮光パターンＡＰはレチクル９でなく、投影露光装置に内蔵された別の基準プレート上に形成したものであっても良い。前記テストパターンには、本出願人が先の国際公開番号ＷＯ０３−０２１３５２号公報で提案したライン間もしくはスペース間のピッチ（間隔）がほぼ等しい周期パターンであり、かつ光が透過する個々のスペース幅が周期パターンの中心ラインもしくは中心スペースのパターンから外側のパターンに向かって減少するパターンや他のパターンを用いる。
【００６０】
レチクル９上のテストパターンＴＰを照明する照明光の有効光源形状は、照明開口絞り４と遮光パターンＡＰによって形成される。光源より取り出された照明光は光学素子を介して、照明開口絞り４に達し、開口絞りにより遮光され開口絞り形状の有効光源が形成される。さらに、開口絞り４で形成された有効光源形状をもつ照明光は、レチクル裏面の遮光パターンＡＰによって遮光され、最終的にテストパターンＴＰを照明する照明光の有効光源形状は開口絞り４で形成された形状のうち遮光パターンＡＰを透過する一部のものとなる。図１の図面では、光源から形成される有効光源の形状は円形であるが、開口絞り４により対の三日月形状になり、さらにレチクル裏面の遮光パターンＡＰによって一部が遮光されてテストパターンＴＰを照明する有効光源の形状は右側の三日月形状となる。
【００６１】
国際公開ＷＯ０３／０２１３５２号公報のパターンは回折光を低減することにより、投影レンズ１０の瞳面１０ａにおいて、照明開口絞り形状４とレチクル裏面の遮光パターンＡＰとで形成される有効光源形状と等価の光強度分布を形成することができる。また投影レンズ１０を介し結像したパターン像ＴＰａの光強度分布は、ライン間が解像しない歪の少ない１つの大きなパターンと見なし得るものとなる。この前記空中像もしくは感光基板上に転写したパターン像ＴＰａをある基準からの位置ずれ量として測定している。前記照明開口絞り４の開口形状とレチクル裏面の遮光パターンＡＰによって形成される有効光源形状は、前記投影レンズ１０の瞳面上の各位置に対応してあらかじめ計算により求めておいた位置ずれ量のＺｅｒｎｉｋｅ敏感度のデータベースより特定のＺｅｒｎｉｋｅ項について最適化を行ったものである。
【００６２】
即ち、該テストパターン像の所定位置からの位置ずれ量が特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対し、その１つの係数に主に依存するように該照明系の有効光源分布を設定することや該投影光学系の瞳領域を通過する光束を制限することである。
【００６３】
特に該テストパターン像の所定位置からの位置ずれ量と特定のＺｅｒｎｉｋｅ項に対し、その係数が１：１の関係となるように該照明系の有効光源分布を設定することや該投影光学系の瞳領域を通過する光束を制限するようにしている。
【００６４】
以下、具体的な実施形態を説明する。
【００６５】
図２は本実施形態の投影露光装置全体の概略図である。図１は図２の一部分の斜視図に相当している。
【００６６】
図２において１は露光光用の光源であり、高圧水銀灯やエキシマレーザ等が使用できる。高圧水銀灯を用いる場合には、光源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の入射面３ａに入射する。フライアイレンズの後側（レチクル側）焦点面３ｂには多数の２次光源が形成され、これら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を経てレチクル９を均一な照度で照明する。露光光で照明されるレチクル９のパターンは投影光学系１０によって感光基板（ウエハ）Ｗに投影される。
【００６７】
ウエハステージ１２は、投影光学系１０の光軸１０ｂに垂直な面内の任意の位置に検出系１１を位置決めするＸＹステージ１２ａと投影光学系１０の光軸１０ｂに平行な方向で感光基板Ｗのフォーカス位置を設定するＺステージ１２ｂ等より構成されている。
【００６８】
また、感光基板Ｗのフォーカス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、プレート１１ａ上の結像面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、その結像面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する受光系１３ｂとより構成されている。プレート１１ａ上の結像面のフォーカス位置が変化すると、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、この像位置を検出することでフォーカス位置の変化を検出することができる。受光系１３ｂには、その再結像された検出パターン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１２ｂを駆動することにより、感光基板Ｗ上の結像面のフォーカス位置を所定の位置（フォーカス状態）に維持することができる。
【００６９】
図３（Ａ）（Ｂ）は本実施形態で使用するテストパターンの詳細図である。図５、図６は、使用するテストパターン例である。前記テストパターンに開口絞り４により形成される第一の照明光を照射し、前記テストパターン像を投影光学系１０を通し感光基板Ｗ上に結像させる。図５においてグリッドの一部ＴＰＸが前述した図３に示すパターン形状より成っている。さらに図５のテストパターンの上部に位置するレチクル上部のクロム膜には遮光パターンＡＰが形成されている。一方、図６のテストパターンの上部はクロム膜が除去されており、図６を照明する有効光源はレチクルにより制限されないようになっている。図５のテストパターンと図６のテストパターンが図４に示すようにウェハ上で重ね合わされた形に結像されるように二重露光を行い、図６のパターンを基準として図５の位置ずれを計測する。
【００７０】
以下、更にＺｅｒｎｉｋｅ項Ｃ５、Ｃ６（非点収差）の計測手順を具体的説明する。
【００７１】
図７、図８は、Ｃ５計測に用いるテストパターンユニットの説明図である。図７は、レチクル下面Ｃｒに配置されるテストパターンの配置図である。ユニットは、大きく２つの部分に分かれており、図面の上半分の領域には、図５のテストパターン４ａが十字状に４つ配置されている。図面の下半分には図６のテストパターン５ａがテストパターン４ａと同じように十字状に配置されている。４つの４ａパターンの中心位置と４つの５ａパターンの中心位置とは上下にＹｓだけ離れて配置されており、４ａパターンを露光後にウェハステージ１２をＹｓだけ移動させてから５ａパターンを二重露光することで、全ての４ａ、５ａパターンが図４のように重ね合わされた形で露光されるように４ａ、５ａパターンは配置されている。
【００７２】
図８は、図７のテストパターンが配置されているＣｒ面の裏のＣｒ面に配置される遮光パターンＡＰの配置図である。図８では、扇形状（１／４円）の遮光パターンが４つ十字状に配置されており、それぞれの扇形パターンの頂点と図７のテストパターン４ａの中心とが一致するようになっている。また、遮光パターンの半径Ｒａは投影光学系１０の開口数ＮＡをレチクル上面において半径に換算した値Ｒｎａより大きく作成されている。図８の下半分の領域は、Ｃｒ膜が除去された状態になっており、図７のテストパターン５ａに入射する照明光の有効光源は一切の制限を受けずに５ａパターンを照明するようになっている。
【００７３】
図９、図１０は、Ｃ６計測に用いるテストパターンユニットの説明図である。
【００７４】
図９のテストパターン４ａ、５ａは図７のパターン配置を４５度回転した位置に配置されている。同様に図１０の遮光パターンも図８の配置を４５度回転した位置に配置されており、図１０の下半分の領域は図８同様Ｃｒが除去されている。
【００７５】
図１１、図１２は照明開口絞りの一例を示したものである。図１１の開口絞りは、Ｃ５の計測に用いる開口絞りであり、図１２はＣ６の計測に用いる開口絞りである。
【００７６】
次に二重露光手順を説明する。まず、求めるＺｅｒｎｉｋｅ係数によって照明開口絞り形状４ｂを決める。すなわち、Ｃ５を計測する場合は図１１の、Ｃ６を計測する場合は図１２の開口絞りを用いる。この照明開口絞りとレチクル上の遮光パターンＡＰとで形成される有効光源形状を持つ照明光でマーク４ａおよび５ａを露光し、次にマーク４ａ５ａが重なり合うようにウエハステージ１２をＹｓだけ移動させ、マーク４ａおよび５ａを露光する。このように露光したウェハサンプルを現像じ、レジストパターンを形成後にオーバーレイ測定機で５ａパターンに対する４ａパターンの位置ずれを測定する。この位置ずれ測定結果から収差量が計算される。求める収差量がＣ５の場合は、図７の４つのテストパターンをオーバーレイ測定機で測定し、Ｃ６の場合は、図９の４つのテストパターンを測定する。
【００７７】
以下、Ｃ５を計測する場合についてテストパターンの位置ずれ量から収差量を求める手順を説明する。
【００７８】
図７のテストパターンの内、右側のテストマークの位置ずれ量をｄ１、同じく左側のテストパターンの位置ずれ量をｄ２とし、両者の差をＳ（ｄ１−ｄ２）表す。この時位置ずれ量として２つの量が計測される。１つはＶパターン（Ｘ方向のずれ）でもう１つはそれに直交するＨパターン（Ｙ方向のずれ）である。それぞれＳＶ（ｄ１−ｄ２），ＳＨ（ｄ１−ｄ２）と表せる。次に前記同様上側テストパターンの位置ずれｄ３と、下側テストパターンｄ４の２つの位置ずれ量からＳＶ（ｄ３−ｄ４），ＳＨ（ｄ３−ｄ４）が得られる。これらの位置ずれ測定結果からＣ５は次の様な計算により求めることができる。
Ｃ５＝｛ＳＶ（ｄ１−ｄ２）−ＳＨ（ｄ３−ｄ４）｝／Ｚｅｒ５・・・（１）
【００７９】
ここで、Ｚｅｒ５は、予め、シミュレーション計算または、実験などにより求めたＣ５の発生量に対するテストパターンの位置ずれ量の敏感度係数である。図１３は、この敏感度係数を光学シミュレーション計算から求めた結果である。図１３に示されるようにテストパターンの位置ずれ量は、Ｚｅｒｎｉｋｅ係数の各項のうちＣ５項のみ大きな敏感度をもち、本実施例の計測方法によりＣ５項を精度良く計測できることを示している。
【００８０】
同様に図１２の開口絞りと図９のテストパターンを用いた場合、右上、左下、左上、右下の各テストパターンの位置ずれ量をそれぞれ、ｄ１’，ｄ２’，ｄ３’，ｄ４’とすると、以下の計算によりＣ６が求まる。
Ｃ６＝｛ＳＶ（ｄ１’−ｄ２’）＋ＳＨ（ｄ１’−ｄ２’）＋ＳＶ（ｄ３’−ｄ４’）−ＳＨ（ｄ３’−ｄ４’）｝／Ｚｅｒ６・・・（１）
ここで、Ｚｅｒ６は前記と同様にテストパターン位置ずれ量のＣ６に対する敏感度係数である。前記と同様に光学シミュレーションから求めたＺｅｒ６の結果を図１４に示す。
【００８１】
以上の実施例で述べた方式で、実際の投影レンズ数本分について本実施例の測定結果とＰＭＩで測定したＺｅｒｎｉｋｅ係数の結果との相関を調べた結果を図１５（Ａ）、（Ｂ）に示す。これより本計測方法がＺｅｒｎｉｋｅ係数（レンズ収差）を求めるのに十分な計測精度を持つことが分かる。
【００８２】
また先の実施形態では開口絞り４の開口部４ｂは光を通すか遮光するかのデジタルな選択のみで最適化を行ったが、減光材料などで濃度を変えてやれば、更に精度の高い最適化が行える。そして更に高次の次数を高く設定して最適化を進めていけば、更に高次収差の測定も可能である。
【００８３】
更にテキサスインスツルメンツ社のＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ（以下、ＤＭＤと称する。）などを用いて有効光源を任意の形状に変化させることのできる可変装置を露光装置に搭載すれば、特殊な形状の照明開口絞りを準備することなく最適な有効光源形状を作成することも可能である。
【００８４】
また、投影露光装置で行う瞳領域最適化は、投影レンズの中に瞳フィルターを設けることで行っても良い。
【００８５】
また、得られた計測値を本体系にフィードバックすることで投影レンズ１０内にある補正光学系を駆動させたり、照明光源であるエキシマレーザーからの発振波長の中心波長を変える等の補正手段により露光装置の収差自動補正に適用できる。
【００８６】
次に本発明の実施形態２を説明する。
【００８７】
第一の実施形態で説明したように本発明の計測方法を用いることにより、所望の収差量（Ｚｅｒｎｉｋｅ項）を精度良く測定することができる。しかし、実際の露光装置の運用においては、簡易的に特定の収差量が管理できれば、露光装置の性能を維持管理するには十分な場合が多い。例えば、照明有効光源形状やパターンの違いにより、焦点位置は変化するが、この変化を管理するためには投影レンズのデフォーカス成分と低次の球面収差を測定すればよい。
【００８８】
図１６は、有効光源形状の違いによる焦点位置（最適フォーカス値）の違いの一例を示したグラフである。グラフの横軸は投影レンズ中心から測定点までの距離（像高）を表し、縦軸は各測定点での最適焦点位置を示している。グラフ中、上側の曲線は、図１７の有効光源形状、σ０．２５の小σ照明、での焦点位置の測定像高により変化（像面湾曲形状）を、下側の曲線は、図２５（Ａ）の輪帯照明（外σ０．８５、内σ０．５７）での像面湾曲形状を示している。図１６のグラフのように有効光源形状の違いにより、最適フォーカス値、像面湾曲形状の差異が生じる。この差異は投影レンズの残存球面収差によるものである。図１８は、球面収差によって生じる最適フォーカス値の差異を模式的に説明したものである。図１８では黒矢印、灰色矢印はそれぞれ、輪帯照明、小σ照明におけるレチクルパターンへの照明光の入射から投影レンズによるウェハ面上への結像までの光線の経路を模式的に表している。図１８中の投影レンズの中に描かれている４次曲線は、低次の球面収差、Ｚｅｒｎｉｋｅ項で表した場合Ｃ９項の波面形状を表しており、図１８の投影レンズには残存球面収差があることを示している。
【００８９】
図２５（Ａ）の輪帯照明の場合、レチクル上のパターンに対する照明光は、図１８の黒い矢印で示されるようにレチクル面の法線方向に対し角度の大きな光線のみとなる。一方、図１７の小σ照明の場合は、図１８の灰色の矢印で示されるようにレチクル面の法線方向に対し、角度の小さな光線での照明となる。
【００９０】
輪帯照明の光線、黒矢印は、投影レンズの瞳面上でレンズ中心から離れた位置を通過する。この瞳面上の位置は、球面収差による波面形状変化が少ない位置にあたり、結像は球面収差の影響をほとんど受けない。一方、小σの光線、灰色矢印は、投影レンズ瞳面の中心付近を通過する。この位置は球面収差による波面形状の変化が大きい部分にあたり、図１８の灰色矢印で示すように結像光線は球面収差により曲げられ、焦点位置のずれとなる。
【００９１】
このように、輪帯照明では焦点位置は球面収差の影響をあまり受けず、小σ照明では球面収差の影響で焦点位置ずれが発生する。このことを光学シミュレーション計算で確認した結果が図１９（Ａ）（Ｂ）である。図１９は、各Ｚｅｒｎｉｋｅ項の焦点位置変化に対する寄与率を表しており、デフォーカスを表すＣ４項の寄与率を１としたときの他のＺｅｒｎｉｋｅ項の寄与率を棒グラフで示したものである。図１９（Ａ）は輪帯照明での計算結果であり、（Ｂ）は小σ照明での計算結果となっており、輪帯照明（Ａ）では、球面収差Ｃ９項の寄与率はＣ４の１／１０程度と小さいのに対し、小σ照明（Ｂ）ではＣ９項の寄与率はＣ４項の約１．５倍と大きくなっており、図１８にて模式的に説明した球面収差の焦点位置への影響を裏付けるものとなっている。図１９においてより高次の球面収差、Ｃ１６，Ｃ２５，Ｃ３６項の寄与も大きなものとなっているが、通常この高次の収差成分については投影レンズ製造時に小さな値に抑えられており、実際の焦点位置の変化にはほとんど寄与しない。図２０は、輪帯照明の焦点位置と小σ照明での焦点位置との差異とＣ９項との相関を数本の投影レンズについて確認した結果である。図２０から輪帯照明と小σ照明との焦点位置の差異は、Ｃ９項によって発生していることがわかる。
【００９２】
以上のように、投影レンズの残存球面収差により、照明系の有効光源形状変更に伴う焦点位置の変化が発生するため、露光装置の焦点位置変化を管理するためにはデフォーカス成分（Ｃ４項）と低次の球面収差（Ｃ９項）を測定できればよい。以下に、本発明の収差測定法を用いて簡易的に露光装置の焦点位置を管理する方法を図２１〜図２７に基づいて説明する。
【００９３】
図２１、図２２は、本実施例に用いるレチクル９上のテストパターンの説明図である。ここで用いるレチクル９は前記第一実施例と同じく、レチクル基板上下両面にＣｒ膜を形成し、上面には照明光の有効光源の入射を規制する遮光パターンＡＰを、下面には図３のパターンで構成された図５，６の位置ずれ計測用のテストパターンＴＰが形成されたものである。図２１はレチクル下面のテストパターンＴＰの配置例を示したものであり、図２２はレチクル上面の遮光パターンＡＰの配置例を示したものである。図２２において、遮光パターンＡＰは、前記第一実施例の場合とはことなり、半円形状をしている。これに対し、テストパターンＴＰは、図５の位置ずれ計測マーク４ａが、前記遮光パターンＡＰの弦の中点に対応する位置に十字状に配置されており、このマークからＹ方向にＹｓだけ離れた位置に図６の位置ずれマーク５ａが配置されている。位置ずれマーク６ａの上面のＣｒは除去されており、位置ずれマーク６ａを照明する照明光の有効光源は遮光パターンによる規制をうけないようになっていることも前記第一実施例の場合と同じである。このレチクルのパターン構成は本出願人が特開２００２−２８９４９４号公報で開示したフォーカスモニターを実現するものとなっている。
【００９４】
図２３は、このフォーカスモニターの動作原理を模式的に表した説明図である。図２３において照明絞り４は輪帯形状をしている。ここでは説明を簡易にするために、照明絞りを用いているが、最近の露光機では、絞りによる照明光光量の損失を防ぐために光学部品の組み合わせで輪帯形状の有効光源を作成可能となっており、この機能を用いて図２３の有効光源形状を実現しても良い。レチクル９上には、図２１、図２２のテストパターンおよび遮光パターンが配置されている。図２３においては遮光パターンの内、一つの半円パターンのみが図示されている。照明絞り４で形成された輪帯状の有効光源は、レチクル９上の半円状の遮光パターンＡＰで遮光され、投影レンズ１０の瞳面１０ａでは輪帯の半分の領域のみが有効光源となっている。瞳面１０ａにおいて有効光源が半分のみになると言うことは、幾何光学的に言うと、投影レンズ１０に対し、レチクル９からの光線が角度の偏った斜入射光となることであり、これに応じて、ウェハＷ面上でのテストパターンの結像ＴＰａの主光線もウェハ面に対して斜入射することとなる。このように結像の主光線が斜入射となるため、ウェハ面の高さがｄｚだけ変わった場合、ウェハ面が焦点位置と一致している時の結像位置に対して、図２３のようにｄｓの位置すれが発生する。逆に言うと、テストパターンウェハＷ上への結像ＴＰａの位置ずれｄｓを測定することにより、ウェハ面が焦点位置からのＺ方向のずれている距離ｄｚを求めることができる。実際には、図２１のテストパターン５ａと６ａを前記のように二重露光して６ａの位置を基準にして５ａの位置ずれの測定を行う。６ａパターンの上面には遮光パターンが存在しないので、６ａの結像光はウェハ面に対し斜入射にならず、ウェハ面がＺ方向ずれた場合でも結像の位置ずれは発生しない。
【００９５】
このように、図２１、２２のテストパターンを配置したレチクルを用いることにより、本出願人が特開２００２−２８９４９４号公報で開示したように高精度のフォーカス計測が可能となる。同じテストレチクルを用いて球面収差も測定可能であることを以下に説明する。
【００９６】
図２１、２２のテストレチクルを用いた球面収差の測定原理を図示したものが図２４である。テストレチクルは図２１、図２２に示したものであり、図２４においては断面図として図示されている。また、照明光の有効光源としては、図２５（Ａ）（Ｂ）の２種の形状を用いる。図２５（Ａ）（Ｂ）は、両者とも輪帯照明となっているが、輪帯の径が異なる。図２５（Ａ）は外円の径がσ０．８５、内円の径がσ０．５７、（Ｂ）は外円の径がσ０．６０、内円の径が０．４０となっている。図２４において、黒矢印で示された光線が図２５（Ａ）の照明光に相当し、灰色矢印で示された光線が（Ｂ）の照明光に相当する。図２５の投影レンズ内に描かれた４次曲線は、投影レンズに低次球面収差、Ｚｅｒｎｉｋｅ項Ｃ９が残存している場合の瞳面上での波面形状を表している。レチクルに入射する照明光は図２４のようにレチクル面対し一定の立体角をもって入射するが、レチクルの上面には、遮光パターンＡＰが配置されているため、照明光の内、立体角の半分のものは遮光パターンＡＰで遮られるため、投影レンズにはテストパターンＴＰの照明光の内、半分の領域のみが入射する。図２５（Ａ）の輪帯照明（黒矢印）の場合、この光線は、瞳面上で外側の領域を通過するが、この領域はＣ９項による波面形状の変化が小さい部分に相当し、光線はＣ９項による波面形状の影響をうけることなく投影レンズからウェハに入射する。すなわち、ウェハ面が投影レンズの焦点面に一致している場合、図２４のようにテストパターンの毛一像ＴＰａは位置ずれを起こさない。一方、図２５（Ｂ）の輪帯照明（灰色矢印）の場合、投影レンズに入射した光線は、瞳面の中間位置を通過し、この位置はＣ９項による波面形状の変化が大きな位置に相当するため、光線の進行方向は曲げられ、図２４に示したようにウェハ面上で位置ずれｄｓが発生する。このように一般的に投影レンズの瞳面上の一部のみを通過して結像する場合、結像面で像は位置ずれを起こし、その位置ずれ量は、光線が瞳面で通過する位置での波面の傾きに比例することが知られている。すなわち、像の位置ずれｄｓ’は波面形状をＺｅｒｎｉｋｅ級数Ｚｉ（ρ，θ）で表した場合、
【００９７】
【数６】
2005302777.tif 000009
【００９８】
ここで、ｋは比例定数、（ρ、θ）は極座標で表した瞳面上の座標。
と表すことができる。図２４の場合波面収差はＣ９項のみなので、数４は下記のようになる。
【００９９】
【数７】
2005302777.tif 000010
【０１００】
このように、像の位置ずれｄｓはＺｅｒｎｉｋｅ級数で示される波面収差関数の微分関数に比例する。すなわち、波面収差がある場合、どのような像の位置ずれが発生するかは、瞳面上で照明光が通過する位置において、波面がどのような傾きを示しているかを考えれば直感的に理解できる。図２６（Ａ）（Ｂ）は、図２５（Ａ）（Ｂ）の形状を持つ有効光源でテストパターンを照明した場合の波面収差形状と照明光が瞳面を通過する位置との関係を図示したものである。図２６においては、波面収差としてＺｅｒｎｉｋｅ級数の内、デフォーカスに相当するＣ４項と低次の球面収差に相当するＣ９項とを瞳面上の座標を極座標で表した場合の径方向の座標ρに対しグラフで示したものとなっている。また、グラフ上に図２５（Ａ）（Ｂ）の有効光源で照明した場合の照明光の瞳面の通過位置を帯状の領域として図示している。図２６（Ａ）は図２５（Ａ）の有効光源で照明した場合であるが、この場合は、照明光の通過領域はＣ９項の傾きがほぼ０の領域にあたり、Ｃ９項による位置ずれは、ほとんど発生せず、Ｃ４項による位置ずれがＣ４項の傾きに比例して発生するものと理解できる。一方、図２６（Ｂ）は図２５（Ｂ）の有効光源の場合であるが、この場合は、照明光の通過領域では、Ｃ４項の傾きは正、Ｃ９項の傾きは負であるのでＣ４項による位置ずれとＣ９項による位置ずれは逆向きであると理解できる。実際に光学シミュレーションにより、図２５（Ａ）（Ｂ）の有効光源にて図３（Ｂ）のテストパターンを照明した時の各Ｚｅｒｎｉｋｅ項で表される波面収差の発生量に対する像の位置ずれ量の敏感度を計算し、Ｃ４項に対する敏感度を１．０として他のＺｅｒｎｉｋｅ項に対する位置ずれ量の敏感度を相対値でグラフにしたのが図２７（Ａ）（Ｂ）である。図２７（Ａ）は図２５（Ａ）の有効光源形状に対応した計算結果であり、図２６（Ａ）を用いて説明したように位置ずれ量はＣ９項に対してほとんど敏感度を持たないことがわかる。また、図２７（Ｂ）は図２５（Ｂ）の有効光源形状に対応した計算結果であり、図２６（Ｂ）に基づいて説明したようにＣ４項に対する位置ずれとＣ９に対する位置ずれは逆方向の敏感度を持つことがわかる。図２０で示したように通常、投影レンズにおいては、高次の収差成分は製造時に小さく抑えられており、露光装置のフォーカス値管理を行うには、Ｃ４とＣ９の管理を行えば良い。つまり、図２７において、高次の収差に対する位置ずれ敏感度は、元々の収差量が小さいとみなせるため、無視してよく、図２５（Ａ）の有効光源形状におけるテストパターンの位置ずれ量をｄｓａ、Ｃ４、Ｃ９に対する位置ずれの敏感度をａ４，ａ９、図２５（Ｂ）の有効光源形状における位置すれ量をｄｓｂ、Ｃ４、Ｃ９に対する位置ずれの敏感度をｂ４，ｂ９とすれば、ｄｓａ、ｄｓｂはそれぞれ、
ｄｓａ＝（ａ４×Ｃ４）＋（ａ９×Ｃ９）  ・・・（Ａ）
ｄｓｂ＝（ｂ４×Ｃ４）−（ｂ９×Ｃ９）  ・・・（Ｂ）
ここで、Ｃ４，Ｃ９はＣ４項、Ｃ９項の発生量。
と表すことができる。さらにここで、ａ９の値はａ９、ｂ４、ｂ９に比較して小さいので０とみなせば、Ｃ４、Ｃ９を以下のように求めることができる。
Ｃ４＝ｄｓａ／ａ４
Ｃ９＝（ｄｓｂ−ｂ４×ｄｓａ）／ｂ９
【０１０１】
このように２種の有効光源形状によるテストパターンの位置ずれを測定することにより、デフォーカス成分Ｃ４と低次の球面収差Ｃ９を別々に求めることができ、この測定結果と、図１９のように各有効光源形状でのデバイスパターンでの焦点位置の波面収差に対する敏感度を予め計算した結果があれば、デバイスパターンでの焦点位置を管理することができる。
【０１０２】
本実施例の説明では図２５の輪帯状の有効光源を照明絞りで形成する前提で説明してきたが、前記のように露光機の照明システムに内蔵された光学系やＤＭＤで有効光源を形成しても、同じ効果が得られる。また、図２１に示したテストレチクルでは位置ずれ計測用のテストパターンを十字状に配置してあるため、非点収差による縦パターンと横パターンの焦点位置の差も管理することができる。
【０１０３】
図２１において、テストパターンを任意の角度方向に配置すれば、任意の角度で傾いたパターンの焦点位置の管理も可能である。さらに、Ｃ１６などの更に高次の収差に対する敏感度を考慮し、３種以上の有効光源で位置すれを測定すれば、Ｃ１６以上の収差の管理も可能である。
【０１０４】
また、第一、第二実施例ともにテストレチクルを用いることを前提に説明を行ったが、露光装置内のレチクル面と等価な位置に設けられたテストパターン用のプレートにテストパターンを配置することでも第一、第二実施例の収差測定を実現できる。
【０１０５】
さらに、感光材料を塗布したウェハ上にテストパターンを転写して、テストパターンの転写像の位置ずれをオーバーレイ測定機にて測定することにより収差測定を行うこととしたが、ウェハステージ１２上に設けられた光強度検出系１１を用いて、テストパターン１５の結像位置を検出系１１による光強度検出とウェハステージ１２の位置情報とから測定することによっても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】第一実施例の投影露光装置一部分の要部概略図
【図２】本発明の投影露光装置全体の要部概略図
【図３】本発明に係るテストパターンの説明図
【図４】本発明に係るテストパターンの説明図
【図５】本発明に係るテストパターンの説明図
【図６】本発明に係るテストパターンの説明図
【図７】第一実施例のレチクル上のテストパターン配置説明図
【図８】図７に対応する遮光パターンの配置説明図
【図９】第一実施例のレチクル上のテストパターン配置説明図
【図１０】図９に対応する遮光パターンの配置説明図
【図１１】第一実施例に係る照明系開口絞りの説明図
【図１２】第一実施例に係る照明系開口絞りの説明図
【図１３】図１１の絞りを用いたときの最適化の説明図
【図１４】図１２の絞りを用いたときの最適化の説明図
【図１５】図１１、１２の絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図１６】有効光源形状による最適焦点位置の差異の説明図
【図１７】図１６の小σ照明有効光源形状の説明図
【図１８】図１６の最適焦点位置の差異発生原理の説明図
【図１９】有効光源形状による最適焦点位置変化のＺｅｒｎｉｋｅ敏感度の計算結果
【図２０】低次の球面収差と最適焦点位置の相関の説明図
【図２１】第二実施例のレチクル上のテストパターン配置説明図
【図２２】図２１に対応する遮光パターンの配置説明図
【図２３】第二実施例の投影露光装置一部分の要部概略図
【図２４】第二実施例における球面収差測定原理の説明図
【図２５】第二実施例に用いる輪帯照明の有効光源形状の説明図
【図２６】輪帯照明の照明光が瞳面を通過する領域と波面形状との関係を示した図
【図２７】図２５の輪帯照明における像の位置ずれ量のＺｅｒｎｉｋｅ敏感度の計算結果
【符号の説明】
【０１０７】
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  レチクル
１０  投影光学系
１１  検出系
１２  ウエハーステージ
１３  オートフォーカス系
１４  ウエハーアライメント系
１５  テストパターン
ＬＰ  主光線
ＴＰａ  パターン線
Ｗ  ウエハー
【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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