(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系の光学特性を計測するためのテストパターンを持つレチクルであって、
前記テストパターンは、第１開口部と、前記第１開口部の両側に周期的に配置されている複数のライン状の第２開口部と、を持ち、
前記第１開口部からの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部を、前記第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布で打ち消すことにより、前記第１および第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とするレチクル。
【請求項２】
投影光学系の光学特性を計測するためのテストパターンを持つレチクルであって、
前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、
前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、ラインピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、
スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とするレチクル。
【請求項３】
投影光学系の光学特性を計測するためのテストパターンを持つレチクルであって、
前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、
前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、スペースピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、
スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とするレチクル。
【請求項４】
投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、または像面湾曲を計測する方法であって、
テストパターンを斜めから照明して、前記投影光学系でテストパターン像を形成するステップと、
前記テストパターン像の位置を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果に基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、または像面湾曲を求めるステップと、を有し、
前記テストパターンは、第１開口部と、前記第１開口部の両側に周期的に配置されている複数のライン状の第２開口部と、を持ち、
前記第１開口部からの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部を、前記第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布で打ち消すことにより、前記第１および第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、または像面湾曲を計測する方法であって、
テストパターンを斜めから照明して、前記投影光学系でテストパターン像を形成するステップと、
前記テストパターン像の位置を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果に基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、または像面湾曲を求めるステップと、を有し、
前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、
前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、ラインピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、
スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とする方法。
【請求項６】
投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、または像面湾曲を計測する方法であって、
テストパターンを斜めから照明して、前記投影光学系でテストパターン像を形成するステップと、
前記テストパターン像の位置を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果に基づいて、前記投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、または像面湾曲を求めるステップと、を有し、
前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、
前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、スペースピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、
スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
投影光学系の波面収差を計測する方法であって、
１つまたは複数のテストパターンを複数の方向から照明して、前記投影光学系で複数のテストパターン像を形成するステップと、
前記複数のテストパターン像の位置を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果に基づいて、前記投影光学系の波面収差を求めるステップと、を有し
前記テストパターンは、第１開口部と、前記第１開口部の両側に周期的に配置されている複数のライン状の第２開口部と、を持ち、
前記第１開口部からの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部を、前記第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布で打ち消すことにより、前記第１および第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
投影光学系の波面収差を計測する方法であって、
１つまたは複数のテストパターンを複数の方向から照明して、前記投影光学系で複数のテストパターン像を形成するステップと、
前記複数のテストパターン像の位置を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果に基づいて、前記投影光学系の波面収差を求めるステップと、を有し
前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、
前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、ラインピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、
スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
投影光学系の波面収差を計測する方法であって、
１つまたは複数のテストパターンを複数の方向から照明して、前記投影光学系で複数のテストパターン像を形成するステップと、
前記複数のテストパターン像の位置を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果に基づいて、前記投影光学系の波面収差を求めるステップと、を有し
前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、
前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、スペースピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、
スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制される
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テストパターンを持つレチクル及び該レチクルを用いて投影光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法に関し、特に半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等を製造する際の一工程であるリソグラフィー工程に使用される投影露光装置の投影光学系の光学特性、例えばベストフォーカス位置、非点収差、像面湾曲、波面収差を計測する際に好適なものである。
【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製造に係わるリソグラフィ工程においては、フォトマスク又はレチクル（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において、レチクルのパターンを高い解像度で感光基板上に露光するには、その感光基板を投影光学系の最良結像面（ベストフォーカス面）に対して焦点深度の範囲内で合致させた状態で露光を行なう。そのためには、何らかの方法で投影光学系のベストフォーカス面の位置、即ちベストフォーカス位置を求める。また、投影光学系には像高毎にベストフォーカス位置が異なるいわゆる像面（像面湾曲）というものがある。
【０００３】
投影光学系のベストフォーカス位置の計測方法として、主光線の傾斜角が互いに異なる２つの照明光若しくは主光線の傾斜角は互いに等しく入射方向が対称な２つの照明光によって単一のパターンあるいは異なる複数のパターンを照明し、これにより感光基板上に得られる複数のパターン像の間隔を計測するか若しくは感光基板を移動させることで重なった上記複数のパターンの像同士の相対位置ずれを計測し、デフォーカス量と前記間隔もしくは前記相対位置ずれ量の関係を求め、この関係からベストフォーカスを算出する方法が知られている。また、感光基板の投影光学系に対する光軸方向の位置を変えないでベストフォーカス位置を求める方法も知られている。
【０００４】
上記の斜入射照明による計測法はＳＥＭ計測をする必要がなく、高いスループットで簡便にベストフォーカス位置、像面、非点（非点収差）を高い精度で計測可能な方法である。また前記位置ずれ計測に使用するパターンサイズは、同じ様に位置ずれ計測からベストフォーカスや像面、非点測定を行うための、位相を０°と９０°で変えたパターン像の位置ずれを計測する方法や２光束干渉をさせて干渉パターンの位置ずれを計測する方法、に使用するパターンに比べ、大きくてすむので、空中像計測においては拡大結像光学系を使用しなくて良い利点がある。更に上記の記斜入射照明による計測法はデフォーカスに対する位置ずれ敏感度も大きい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記斜入射照明による計測法において得られるパターン像同士の間隔若しくは位置ずれ量とデフォーカス量の関係は、厳密には全くの直線関係ではないことが分かった。原因は、斜入射照明による計測法においては瞳面での物体スペクトル位置のシフトが発生するので、投影レンズの開口絞りにより前記物体スペクトルが非対称に切り取られ、それにより結像面での空中像に非対称な歪が生じるからである。
【０００６】
また前記非対称な物体スペクトルをＡ（ｆ）、投影レンズのＯＴＦをＯ（ｆ）とすれば結像面での像の振幅分布ｆ（ｘ）との関係は、ｆ（ｘ）＝Ｆ−１［Ａ（ｆ）・Ｏ（ｆ）］（Ｆ−１はフーリエ逆変換）となる事から、前記投影レンズの波面収差の影響によっても、空中像に影響を及ぼす事がわかる。
【０００７】
図７に示す曲線２０は球面収差が発生した投影レンズでのデフォーカス（縦軸）に対するパターンの位置ずれ量（横軸）を求めたグラフであり、フォーカスの計測に使用したパターンは図２０に示す従来のマークのパターンである。図２０において、ＣはテストパターンＴＰの開口部の長さを示している。開口部は透過率が１００％に近くなっている。
【０００８】
図７から、従来のパターンでは、明らかに直線性が保たれていない事が分かる。
【０００９】
前述した従来法での斜入射照明によるベストフォーカス計測では、露光装置の投影レンズの波面収差の違いや画角内での像高による波面収差の違いにより、デフォーカス量と、位置ずれ量もしくは間隔の関係は異なるため、毎回、デフォーカス量と、位置ずれ量もしくは間隔の関係を調べる。
【００１０】
また、デフォーカス量と、位置ずれ量もしくは間隔の関係を１次式で近似した場合、ある結像面での位置ずれもしくは間隔量から近似式を使ってデフォーカス量を算出した値は誤差を含むことになる。このことは、今後益々回路の微細化が進む中、簡便にしかもより高い精度が要求される投影光学系の光学特性の計測にとって大きな問題である。
【００１１】
一方、投影レンズの球面収差、像面（像面湾曲）、非点（非点収差）、コマ（コマ収差）、波面収差などの収差が測定され、実際の評価や検査に用いられており、これらの収差の中でも波面収差が収差そのものであり、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事により、多項式のファクターである球面収差、像面、非点、コマなどの収差も算出可能である。多種多様なデバイスパターンのプロセスマージンをシミュレーションから予測する上でも波面収差の計測が重要視されている。
【００１２】
波面収差の測定方法が、例えば米国特許第５８２８４５５号，米国特許第５９７８０８５号等で提案されている。これらで提案されている測定方法は、レチクル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を設け、更にレチクル上面には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レチクルを用いている。このレチクルを露光装置の照明系により照明すると、照明系から出た照明光は前記凸レンズにより照明角度（ＮＡ）がσ１以上の照明角度となって、その下にある格子パターンを照射する。格子パターンを通過した光はその下にあるピンホールを透過する。この時ピンホールを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ので、前記格子パターンの各点から出た光は互いに角度が異なる複数の光となって進む。
【００１３】
これら互いに角度の異なる複数の光は、投影レンズの瞳面の互いに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た状態でウエハー面に達し、格子パターンの各点を結像する。この時、結像した格子パターンの各点の像は異なる波面収差（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、格子パターンの各点の像は波面上の対応する点の傾き分だけ結像位置が理想位置からシフトすることになる。そこで格子パターンの各点の像の理想格子からのずれを測定することにより瞳面内の各点の波面の傾きを得、様々な数学的手法を用いて波面収差を算出している。
【００１４】
前述した米国特許第５８２８４５５号や米国特許第５９７８０８５号で提案されている波面収差計測方法は、よく知られているハルトマン法に近い方式である。このハルトマン法は、投影レンズの瞳面上にピンホールを置く事によって波面の位置を限定し、そこを通過して結像した光によるパターン像の位置ずれから、波面の傾きを求める。
【００１５】
ハルトマン法では、ピンホールを瞳面に置くことで物体スペクトルは、下記式（１）より、ピンホールフィルターによりある微小な波面領域の情報のみ得ることができる。
【００１６】
ハルトマン法のように瞳面にピンホールを置くことで確実に物体スペクトルの形状をコントロールする事（瞳フィルター）が望ましいが、実際の露光装置上では鏡筒のスペースの問題、汚染防止のためのパージ構造の問題などの理由で、コスト的にも困難である。
【００１７】
一方、前述した米国特許第５８２８４５５号や米国特許第５９７８０８５号で提案されている方式では、物体面の直下にピンホールを設けているため、瞳面上の物体スペクトルは下記（１）式とは異なり位相項を含んだフーリエ変換となる。
Ｅ（ｘ）＝Ｆ−１［Ｇ（ｆ）・ｐ（ｆ）・ｗ（ｆ）］・・・（１）
Ｆ−１・・・フーリエ逆変換
Ｅ（ｘ）・・・像の光振幅関数
Ｇ（ｆ）・・・物体スペクトル
ｗ（ｆ）・・・瞳（波面）関数
ｐ（ｆ）・・・ピンホール関数
【００１８】
本発明は、投影光学系の光学特性を高精度に計測することができるテストパターンを有するレチクル及び該レチクルを用いた投影光学系の光学特性の計測方法の提供を目的とする。
【００１９】
又、本発明は、上記２つの米国特許の手法とは全く異なる手法により投影光学系の光学特性を計測することができるテストパターンを有するレチクル及び該レチクルを用いた投影光学系の光学特性の計測方法の提供を目的とする。
【００２０】
特に、本発明は、投影光学系のベストフォーカス位置、非点収差、像面湾曲、波面収差の少なくとも一つを高精度に計測することができるテストパターンを有するレチクル及び該レチクルを用いた投影光学系の光学特性の計測方法の提供を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としてのレチクルは、投影光学系の光学特性を計測するためのテストパターンを持つレチクルであって、前記テストパターンは、第１開口部と、前記第１開口部の両側に周期的に配置されている複数のライン状の第２開口部と、を持ち、前記第１開口部からの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部を、前記第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布で打ち消すことにより、前記第１および第２開口部からの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制されることを特徴とする。
また、本発明の別の一側面としてのレチクルは、投影光学系の光学特性を計測するためのテストパターンを持つレチクルであって、前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、ラインピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制されることを特徴とする。
さらに、本発明の別の一側面としてのレチクルは、投影光学系の光学特性を計測するためのテストパターンを持つレチクルであって、前記テストパターンは、ライン＆スペースを持ち、前記ライン＆スペースのライン幅およびスペース幅は、前記ライン＆スペースの中心から周辺にかけて、スペースピッチが一定で、前記スペース幅が徐々に減少するように設定されており、スペースからの回折光が前記投影光学系の瞳面に形成する振幅分布の一部が互いに打ち消し合い、前記ライン＆スペースからの回折光が前記瞳面に形成する振幅分布のうち高周波成分の振幅が抑制されることを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１に係る、光学系の光学特性の計測方法の説明図である。図１は光学系として、半導体素子製造用の露光装置に用いるマスク（レチクル）１６上のパターンを感光基板（ウエハ）１９上に投影する投影レンズ１７を選び、本発明を適用した場合を示している。
【００２３】
図１において、マスク１６には、テストパターンＴＰとして図２に示した強度分布ｇ（ｘ）を持つパターンを、当該パターンＴＰを照明する照明光の主光線ＬＰの入射方向（平面）に対し直交するように配置する。図２において、横軸はｘ座標、縦軸は強度分布を示している。パターンＭａ、Ｍｂ１、Ｍｂ２は互いに幅の異なる開口部である。
【００２４】
傾斜角σｐを持った照明光ＬＰがマスク１６に配置されたテストパターンＴＰを照射した時にテストパターンＴＰから出る回折光は、投影レンズ１７を透過して該投影レンズの瞳に入射し、投影レンズ１７の瞳面１８を定める開口絞り１８ａの開口に、パターンＴＰの強度分布ｇ（ｘ）の物体スペクトルＧ（ｆ）を形成する。
【００２５】
Ｇ（ｆ）
＝Ｃ＊ｓｉｎｃ（Ｃｆ）＋  ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）［ｅｘｐ［−ｉ２π（−Ｃ／２−Δ１）ｆ  ＋  ｅｘｐ［−ｉ２π（Ｃ／２＋Δ１）ｆ］  −  ｅｘｐ［−ｉ２π（−Ｃ／２＋Δ１）ｆ  −  ｅｘｐ［−ｉ２π（＋Ｃ／２−Δ１）ｆ］］＝Ｃ＊ｓｉｎｃ（Ｃｆ）＋２ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）［ｃｏｓ［２π（Ｃ／２＋Δ１）ｆ］  −  ｃｏｓ［２π（Ｃ／２−Δ１）ｆ］］
＝Ｃ＊ｓｉｎｃ（Ｃｆ）  −  ４ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）＊ｓｉｎ（πＣｆ）＊ｓｉｎ（２πΔ１ｆ）
＝Ａ（ｆ）  −Ｈ１（ｆ）
ｆ．．．．．．周波数
Ｈ１（ｆ）＝４ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）＊ｓｉｎ（πＣｆ）＊ｓｉｎ（２πΔ１ｆ）
Ａ（ｆ）＝Ｃ＊ｓｉｎｃ（Ｃｆ）
【００２６】
Ｈ１（ｆ）のｓｉｎ（πＣｆ）はＡ（ｆ）と同一周期であるため、Ａ（ｆ）の振幅を全周波数領域に渡って小さく押さえることができる。また、Ｈ１（ｆ）の４ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）について、投影レンズ１７（瞳面１８）の光入射側のＮＡ０に対し１／（２ａ１）≧（１＋σｐ）・ＮＡ０／λを満たす十分小さな値ａ１を選んでやれば、投影レンズ１７の瞳面１８領域内において、４ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）は、高周波になれば減少する単なる重み関数と見なすことができる。図３は前記Ａ（ｆ）と、ｓｉｎ（πＣｆ）と、４ａ１＊ｓｉｎｃ（ａ１ｆ）の振る舞いを説明している。
【００２７】
Ｈ１（ｆ）のｓｉｎ（２πΔ１ｆ）についても同様、ｓｉｎ（２πΔ１ｆ）の半周期を投影レンズ１７の瞳面１８の領域以上に与えてやれば極大値を持つ単なる重み関数となる。その条件は、１／（２Δ１）＜（１＋σｐ）・ＮＡ０／λである。図４は前記Ｈ１（ｆ）と、ｓｉｎ（πＣｆ）と、ｓｉｎ（２πΔ１ｆ）の振る舞いを説明している。
【００２８】
ａ１、Δ１を最適化することによりＨ１（ｆ）を整形し、これによってＡ（ｆ）の高周波成分の振幅をできるだけ小さく抑えたい適当な周波数領域内で小さく抑えうるＧ（ｆ）を得ることができる。またａ１、Δ１も同様に、ａ２、Δ２なるパターン整形を追加することによりＨ１（ｆ）＋Ｈ２（ｆ）による最適化も可能である。図５にはＨ１（ｆ）とＨ２（ｆ）の２セットの整形によりその和Ｈ１（ｆ）＋Ｈ２（ｆ）の高周波成分における振幅の減衰傾向が、よりＡ（ｆ）の傾向と一致している事を示している。同様に、Ｈ１（ｆ）＋Ｈ２（ｆ）．．．．．＋Ｈｎ（ｆ）による最適化も可能である。
【００２９】
上記条件を満たすａ１、Δ１により作成された図２に示すテストパターンＴＰの物体スペクトルＧ（ｆ）は、結像面１９の位置および投影レンズ１７の波面収差の影響を受けた状態で結像面１９で結像する。このときの像の振幅分布ｆ（ｘ）は、
ｆ（ｘ）＝Ｆ−１［Ｇ（ｆ）・Ｏ（ｆ）］である。
【００３０】
この時、物体スペクトルＧ（ｆ）は、瞳面１８において前記照明光の主光線ＬＰの傾斜角σｐに対応する位置σｐの点を中心とした、サイズ（半径）が１−σｐの円領域のみでしか振幅を持たないため、前記式より、結像振幅ｆ（ｘ）は前記瞳面１８の小領域（図６の領域２５）における投影レンズ１７の波面収差の影響だけを受けることになる。前記小領域を適当な大きさに設定することにより、デフォーカスによる波面収差の変化は前記小領域の低次周波数にのみ影響を与えるため、像の歪を小さく押さえることができる。従ってデフォーカスに対する前記像の位置変化の関係は、像の歪による影響を受けず、直線的になる。即ち、テストパターンＴＰは、実質的に０次光のみを投影光学系の瞳面を通して像平面へ向けるため、デフォーカスに対する前記像の位置変化の関係が実質的に直線に成る。
【００３１】
図２１は、マスク１６のパターンを感光基板１９上に投影露光する投影露光装置において、互いに入射角（傾斜角）が異なる主光線ＬＰ１、ＬＰ２を持つ２つの照明光をマスク１６上のテストパターンＴＰ（図２参照）に照射し、テストパターンの２つの像ＴＰａを投影光学系１７によってウエハステージ上の感光基板１９上に転写し、２つのパターン像ＴＰａ間の、感光基板１９上への入射平面内（紙面内）における矢印方向の位置ずれΔを測定し、この位置ずれΔに基づいてベストフォーカスを求めている様子を示している。
【００３２】
本実施形態では、デフォーカスおよび投影光学系の波面収差によらず、デフォーカスに対するパターン像の位置ずれの関係が直線性を保つように、テストパターンＴＰのパターン形状をデザインしている。
【００３３】
図６は投影レンズ１７の瞳面１８上の座標（瞳座標）を示している。Ｘ軸、Ｙ軸はそれぞれ瞳の中心Ｏを通る軸であり、その座標は投影レンズ１７の開口数ＮＡ０（瞳面の半径）で規格化した値である。投影レンズ１７の瞳面１８において、主光線ＬＰの入射位置−σｐは瞳中心Ｏから偏芯した位置にある。入射位置−σｐを中心に瞳面１８の境界に接するように描ける最も小さな円２５内のみ光が透過する瞳フィルターを用いて従来のマークでＳｉｍｕｌａｔｉｏｎを行なった結果が図７の曲線２１である。
【００３４】
この曲線２１は、明らかに、この図７の瞳フィルターを使わない従来の方法による曲線２０と比べ、直線性が向上している。この事は、図８に示すように瞳フィルタによって図２０のテストパターンＴＰの物体スペクトル（ｆ＞０）における高周波成分［−（１−σｐ）・ＮＡ０／λ〜（１＋σｐ）・ＮＡ０／λ］を全てカットし、照明光の主光線の瞳面１８での位置σｐを中心に瞳面１８における物体スペクトルの振幅を左右対称にしたことにより、達成された事であると理解できる。
【００３５】
以上より、本実施例では、テストパターンＴＰの物体スペクトルＧ（ｆ）の高周波成分における振幅を前記区間［−（１−σｐ）・ＮＡ０／λ〜（１＋σｐ）・ＮＡ０／λ］内において押さえるもしくは打ち消しあうようテストパターンＴＰの最適化を行うことにより瞳フィルターと同様な効果を得ている。即ち本実施形態においては、投影光学系の開口数ＮＡ、テストパターンＴＰを照射する照明光の主光線の入射角度σｐ（瞳面内位置で０≦σｐ≦１）において、前記照明光の主光線の入射方向に直交する前記テストパターンの物体スペクトルＧ（ｆ）に対し、ｆ区間［（１−２σｐ）・ＮＡ／λ〜ＮＡ／λ］におけるＧ（ｆ）の振幅を打ち消すよう最適化したテストパターンを用いている。
【００３６】
図９は本発明の実施形態２に係る、テストパターンを備えるレチクルが供給される投影露光装置の要部概略図である。実施形態２では、露光装置の投影光学系のベストフォーカス計測方法および像面計測方法を説明する。本実施形態は、レンズ系以外に、ミラー系の投影光学系や、レンズ系とミラー系とを組み合わせた投影光学系（ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ系）にも適用できる。
【００３７】
図９において、１は露光光用の光源（光源手段）である。光源１としては、高圧水銀灯又はエキシマレーザ光源等が使用できる。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３の射出面３ｂである同レンズの後側（レチクル側）焦点面には多数の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。投影式レチクルブラインド６とレチクル９のパターン形成面とは共役であり、投影式レチクルブラインド６によりレチクル９上の照明領域が設定される。レチクル９のパターンは投影光学系１０によって感光材料（ウエハ）Ｗ上に投影される。
【００３８】
計測モード時に使う開口絞り４は、切り替え機構４ａにより図１０に示す開口絞り４ｃと開口絞り４ｄの間で切り替えられるか、あるいは、任意の位置に任意の大きさで開口部４ｐを形成できるように可変開口絞りで構成されている。
【００３９】
露光光に照明されたレチクル９のパターン形成面に形成されたテストパターン１５の像が、投影光学系１０を介して、ウエハステージ１２上に載置された図１１に示すような検出系１１を構成するプレート１１ａ上に結像される。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とほぼ共役である。プレート１１ａにはスリット１１ｂが形成されており、スリット１１ｂを透過した光は受光器１１ｃにより受光され検出（光電変換）される。前記プレート１１ａ、スリット１１ｂ、受光器１１ｃを有する検出系１１（検出器ユニット）はすべてウエハステージ１２上に載置されている。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に平行な方向に上下動でき、従って検出器１１のフォーカス位置を設定できるＺステージ１２ｂ等とにより構成されている。
【００４０】
また、本実施形態では検出系１１（プレート１１ａ）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上の面に例えばスリット状の光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上の面からの反射光を受光して前記スリット状の光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。
【００４１】
プレート１１ａ上の面のフォーカス位置（光軸１０ｂ方向の位置）が変化すると、受光系１３ｂにおいてその再結像される前記スリット状の光パターンの像の受光面内における位置が変化することから、このスリット状の光パターンの結像位置を検出することによってフォーカス位置の変化を検出することができる。
【００４２】
受光系には、その再結像されたスリット状の光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、光電検出器１３ｃ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のＺステージ１２ｂを駆動することにより、プレート１１ａ上の面のフォーカス位置を、所定の位置（投影光学系の像面位置）に維持したり、この位置から変位させたりすることができる。
【００４３】
また、光電検出器１３ｃのフォーカス信号は、所定の範囲内（光軸１０ｂ方向の所定の範囲内）で、プレート１１ａ上の面のフォーカス位置の変化に対してほぼ直線的に変化するので、逆にフォーカス信号のレベル変動からフォーカス位置の変動を知ることができる。更に、ウエハステージ１２中のＺステージ１２ｂにも、Ｚステージ１２ｂの投影光学系１０の光軸１０ｂ方向の位置を検出するための高さセンサ（不図示）が組み込まれている。
【００４４】
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の検出中心１４ｂと光軸１０ｂ間の間隔、即ち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アライメントを正確に行うことができる。更に、ウエハアライメント系１４は種々のマークの検出をも行うことができる。
【００４５】
レチクル９の下面であるパターン形成面にはテストパターン１５が形成してある。このテストパターン１５は、例えば図１２に示すパターンもしくは図１３に示すパターンを用いる。図１２，１３において、テストパターン１５の開口部１５ａは図９の装置の投影レンズ１０で解像されるパターンであり、開口部１５ａの周囲又は両側の周期的開口部１５ｂは投影レンズ１０で解像されないパターンである。
【００４６】
テストパターン１５を有するレチクル９を使った、投影露光装置の投影レンズ１０のベストフォーカスの計測方法は次のとおりである。
【００４７】
前記テストパターン１５に、図１０の開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光を所定方向から照射することにより前記テストパターン１５の像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ａ上に投影し、光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）で前記第１の照明光の入射平面に平行な方向に前記ウエハステージ１２を移動させることにより前記プレート１１ａ上に設けたスリットパターン１１ｂを走査し、このスリットパターンを透過する光を光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１１ｃにより検出する。このとき得られるウエハステージ１２の光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）での各位置（Ｘ、Ｙ）とその各位置での光強度もしくは光量からなる検出信号（図１４）とに基づいて前記プレート１１ａ上に結像したテストパターン１５の像の中心位置を算出する。
【００４８】
更にＺ方向にステージ１２ｂを移動させ、前記開口絞り４ｃを前記開口絞り４ｄに切り替えて、前記テストパターン１５に、前記第一の照明光とは主光線の傾斜角が等しく主光線の入射方向が対称な第二の照明光を照射することにより、前記テストパターン１５の像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ａ上に投影し、光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）で前記第二の照明光の入射平面に平行な方向に前記ウエハステージ１２を移動させることにより前記プレート１１ａ上に設けたスリットパターン１１ｂを走査し、このスリットパターンを透過する光を光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１１ｃにより検出する。このとき得られるウエハステージ１２の光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）での各位置（Ｘ、Ｙ）とその各位置での光強度もしくは光量からなる検出信号（図１４）とに基づいて前記プレート１１ａ上に結像したテストパターン１５の像の中心位置を算出する。
【００４９】
このように相異なるＺ位置毎に前記テストパターン１５の像の中心位置を算出する工程を有すると、Ｚ位置（フォーカス）と算出したテストパターン像中心位置（横ずれのシフト量）の関係はほぼリニアーなため、前記異なる２つの照明光に基づくテストパターン像から算出された、Ｚ位置と前記テストパターン像中心位置の関係についてそれぞれにおいて直線近似処理を行い、得られた２つの直線が交差したＺ位置をベストフォーカス位置として自動検出できる。また、この結果を露光装置にフィードバックすることによりフォーカス位置の自動補正が可能である。またテストパターン１５の空中像の光パターンが数μｍと十分大きいため、上記のステージの走査が必要な光強度検出器もしくは光量検出器の代わりに、ステージに拡大光学系を組み込むまないで結像面に直接ＣＣＤやリニアーセンサーの受光面を設定して空中像を受け、この空中像の中心位置を検出することを経て、ベストフォーカス位置を算出できる。
【００５０】
更に、前記テストパターン１５を同一のレチクル９の光軸からの高さ（像高）が異なった数箇所配置し、前記手法に従い、複数の像高でテストパターンの露光を行い、各像高毎にベストフォーカス位置を求めれば、像面（像面湾曲）の計測が可能で、更には、開口絞り４ｃおよび４ｄの開口の方向を９０度回転させ前記同様な計測を行うことにより非点（非点収差）の計測が可能で、投影光学系１０内にある補正光学系を駆動させることによりこれらの各収差の自動補正を可能としている。この自動補正は検出されたデータを装置内の不図示の信号処理系内で計測を実行し、これを不図示の補正光学系駆動機構に帰還することで可能となる。
【００５１】
次に本発明の実施形態３について説明する。
【００５２】
本実施形態３は、実施形態２に比べ、テストパターンのパターン形状が異なっているだけであり、その他の構成は実施形態２と同じである。
【００５３】
本実施形態３では、テストパターンを感光基板（ウエハ）Ｗへ転写した結果からベストフォーカスを算出する具体例を示す。
【００５４】
テストパターン像の横ずれのシフト量を見るためには、２つのパターンの距離を見る。使用するパターンは実施形態１とは異なり重ねたマークの位置ずれを計測する。図１５及び図１６に、本実施形態で使用する２種類のテストパターンのパターン例を示す。図１５のテストパターン１５１にある４方向のラインと図１６のテストパターン１５２にある４方向のラインは、いずれも同一の線幅でデザインされている。また使用したマスクはバイナリーマスクと呼ばれる位相差のないものを使用した。但し位相差のあるものを使用することも可能である。図１５及び図１６の各テストパターンの線幅方向の断面図および寸法を図１７に示す。図中の寸法は全て結像側（感光基板Ｗ側）換算での寸法（ｎｍ）である。
【００５５】
図１８に、図１７のパターンの物体スペクトル（実線）と、図２のパターンの幅Ｃを２μｍにしたパターンの物体スペクトル（点線）の比較を示す。最適化を行いたい開口数（ＮＡ）の領域Ｎａｌ〜Ｎａｈにおいて、図１７のパターンは振幅が小さく押さえられている事がわかる。また今回使用した投影レンズの開口数（ＮＡ）は０．７３、各照明光の斜入射の入射角度σｐは０．７、照明光の開き角であるσサイズは０．１で行った。
【００５６】
開口絞り４ｃを使ってパターン１５１およびパターン１５２で感光基板を露光し、次にパターン１５１とパターン１５２の各像が互いに重なり合うようにウエハステージを移動させ、絞り４ｃを開口絞り４ｄに切り替えて、開口絞り４ｄを使ってパターン１５１およびパターン１５２で感光基板を露光する。そして、露光されたパターン１５１とパターン１５２の各像の相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。この際、ベストフォーカス位置ではパターン像のシフトが０であると定義すると、フォーカスのずれ量はパターン像間の位置ずれ量として表わされる。
【００５７】
図１９にこのような測定のＳｉｍｕｌａｔｉｏｎの結果を示す。曲線２２がパターン１５１およびパターン１５２を使用した本実施形態３の測定結果であり、前記瞳フィルターを使用した結果（曲線２１）とほぼ同じ直線性を示していることから、その効果を確認できた。これは、本実施形態３のテストパターンは、例えば図１２、図１３、図１５、図１６に示すパターンより成っており、光学系（投影レンズ）の瞳面上で生じる回折パターンが互いに打ち消し合い、高周波成分が減少するパターンを有している。即ち、このテストパターンも、開口部Ｍａと、開口部Ｍａの境界側に光学系の瞳面上において開口部Ｍａとは別の周期成分を発生させる周期開口部Ｍｂ１、Ｍｂ２・・・（図２参照）を有している。従って、このテストパターンは、即ち、テストパターンＴＰは、実質的に０次光のみを投影光学系の瞳面を通して像平面へ向けるので、その投影像がデフォーカスしており且つ光学系に波面収差が存在していても、投影像に非対称な歪が生じない。
【００５８】
以上の各実施形態によれば、テストパターンを斜め照明しても投影光学系の収差の影響を受けないで、ベストフォーカス、非点収差および像面湾曲の計測ができる。またその効果は、様々な測定したいパターン寸法や様々な露光装置の投影レンズのＮＡに対して最適化が可能で、高スループット、高精度な計測が実現できる。
【００５９】
本発明の実施形態４である波面収差計測方法を説明する。ここでは、レチクル上の回路パターンを投影光学系を介して感光基板（ウエハ）上に投影する投影露光装置の当該投影光学系の波面収差を計測する場合について説明する。
【００６０】
本実施形態４は、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、照明光学系およびレチクル９上の特殊な光学素子を介して、主光線ＬＰがある角度および方向をもった照明光を照射し、このレチクル９上のテストパターンＴＰが投影光学系により結像した空中像もしくは感光基板に転写されたテストパターン像ＴＰａの位置を測定する。尚、テストパターンはレチクルでなく、別の基準プレート上に形成したものであっても良い。その際、測定される空中像もしくは感光基板に転写されたパターン像ＴＰａは１つ以上存在し、これら１つ以上の空中像もしくは転写されたパターン像の位置を測定することにより投影光学系の波面収差を測定している。空中像もしくは転写されたパターン像ＴＰａのそれぞれの位置は、前記レチクルや基準プレート上での各パターンの位置に依存し、当該各パターンは各々の位置に依存した方向から互いに異なる方向からる照明光を照射されている。
【００６１】
本実施形態４では、レチクル上に形成されたテストパターンＴＰに、照明光学系により主光線ＬＰの入射方向が所定方向である照明光を照射し、このレチクル上のテストパターンＴＰが投影光学系により結像した空中像もしくは感光基板に転写されたテストパターン像ＴＰａの位置を測定する。次に前記照明光の主光線の入射方向を変えてレチクル上のテストパターンに当該照明光を照射し、このテストパターンが投影光学系により結像した空中像もしくは感光基板に転写されたテストパターン像ＴＰａの位置を測定する。感光基板に転写された各テストパターン像ＴＰａの位置は、感光基板を現像した後、現像後のテストパターン像（レジストパターン）ＴＰａの位置を測定する。
【００６２】
テストパターンＴＰのこのような空中像の位置や現像後のパターン像の位置の測定結果に基づいて、投影光学系の瞳面１０ａ上の波面収差を測定する。
【００６３】
本実施形態のテストパターンＴＰは、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（ライン＆スペース）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に在るラインもしくはスペースのパターンから同周期パターンの外側に在るラインもしくはスペースのパターンに向かって減少するパターンである。このパターンを投影レンズによって結像したパターン像の光強度分布は、ライン間が解像しておらず且つ歪の少ない１つの大きなパターン（像）と見なし得るものとなる。
【００６４】
本実施形態では、この空中像もしくは感光基板上に転写したパターン像の位置をある基準位置からの位置ずれ量として測定し、この位置ずれ量に対応した波面の傾きを求め、これにより波面収差を求めている。
【００６５】
もう少し詳しく言うと、本実施形態４では、前述した構成のテストパターンを使い、斜入射照明により照明された当該テストパターンの像の位置ずれ量と、当該テストパターンに照射した照明光の主光線の照射方向（入射角と方位角）とから、投影レンズの瞳座標上の当該照射方向に対応するある位置での波面の傾きを精度良く求め、これにより波面収差を求めている。
【００６６】
次に本発明に係るテストパターンを用いて投影光学系の波面収差を計測する場合の、投影光学系の瞳面上に形成される、当該テストパターンの物体スペクトルについて述べる。計測の分解能を考えた場合、得たい瞳面上の物体スペクトルはδ関数のような形状が望ましい、ただしδ関数のようにピークだけだと、テストパターンの像が形成されないため実際には投影レンズの開口数ＮＡが０．６〜０．８であることを考慮して、瞳面上で開口数（ＮＡ）０．１内に収まるような形状の、例えば図２２に示す様な形状の、物体スペクトルωが考えられる。
【００６７】
次にこの物体スペクトルの区間を考える。投影レンズの開口数ＮＡが０．７とすると、物体スペクトルの中心を０として−１．４＜ＮＡ＜＋１．４区間で前記物体スペクトルの形状が保たれていれば良い。
【００６８】
以上を踏まえて、後述するピンホールを用いずに、レチクルパターン（テストパターン）形状だけで上記条件を満たすパターンがデザイン可能かについて述べる。対象とする計測方法は先に説明した斜入射照明法である。
【００６９】
図２３は、ラインとスペースのそれぞれの幅がａであり、ライン幅とスペース幅の比が１：１であるライン＆スペースより成る１次元の繰り返しパターンについての光強度分布を示す説明図である。図２３に示す矩形関数をｇ（ｘ）とし、そのフーリエ変換をＧ（ｆ）とすれば、投影光学系の瞳面上での物体スペクトル形状はＧ（ｆ）についてのみ考察すれば良い。このとき、Ｇ（ｆ）は、近似的に次の様に表現できる。
Ｇ（ｆ）＝２ａ２ｃ・ｓｉｎｃ（ａｆ）・Ш（２ａｆ）＊ｓｉｎｃ（ｃｆ）・・・（２）
Ш・・・シャー関数
＊・・・コンボリューション積分
Ｃ・・・パターン長（パターンの長さ）
この（２）式において、ｃ（定数）を無限大にしていくとｓｉｎｃ（ｃｆ）がδ（ｆ）関数になる。すると、Ｇ（ｆ）は、
Ｇ（ｆ）＝２ａ２ｃ・ｓｉｎｃ（ａｆ）・Ш（２ａｆ）・・・（３）
で表され、上記（３）式より、Ｇ（ｆ）は、図２４に示す周期１／（２ａ）でｆ＝ｎ／（２ａ）（ｎは整数）のみで振幅のある物体スペクトルになる。図２４は瞳面上の物体スペクトルを示している。従ってＮＡ＝１／２ａλ（λは露光波長）≧１．６になるようなライン＆スペースの幅ａを選んでやれば、瞳面上での目的のスペクトルを得ることができる。しかしながら、図２５に示すように瞳面の物体スペクトルが例えば空間周波数ｆの区間０＜ｆ＜１／（２ａ）で振幅の無い、つまり高次成分を押さえるだけのｃの大きさを十分大きくとることは、実際、同一像高とみなせる領域（アイソプラナテックパッチ）の観点や計測するパターンの大きさや既存の位置ずれ計測機の仕様や精度から考えて無理がある。そこでｃを大ききとらなくても十分高次成分を押さえる条件を探す。
【００７０】
次に、図２６に示すような光強度分布を有するパターンを考える。先の図２３で示したパターンと異なる点は、ラインのピッチｂが等しい（一定）だが、当該ラインの幅ａを変えられる様自由度を持たせた点である。図２６の矩形関数のフーリエ変換は次の様にも表現できる。
Ｇ（ｆ）＝ａ０・ｓｉｎｃ（ａ０ｆ）＋２Σｉ＝１ｉ＝ｎ  ａｉ・ｓｉｎｃ（ａｉｆ）ｃｏｓ（２πｉｂｆ）・・・（４）
２ｎ・・・ラインの本数
ｂ・・・ピッチ（間隔）
ａ０、ａ１、ａ２・・・ライン幅
【００７１】
ここで、Σｉ  ｐｉ・ｃｏｓ（ｉｆ）のフーリエ級数を考える。このフーリエ級数は以下示すように収束する。
ｉ＝∞
Σｐｉ・ｃｏｓ（ｉｆ）＝｛ｐ・ｃｏｓ（ｆ）−ｐ２｝／｛１−２ｐ・ｃｏｓ（ｆ）＋ｉ＝１ｐ２｝    （但し、｜ｐ｜＜１）      ・・・（５）
【００７２】
本実施形態４では、この（５）式のグラフ形状を目標にテストパターンをデザインしている。そこで（５）式を（４）式に当てはめると、式の展開からデザインしたいテストパターンとそれによって形成される物体スペクトルの関係を得られる。この際、発生した変数がαとＰであり、これらは先のパターンと物体スペクトルを関係づけるうえでの中間変数（橋渡し）となる。Ｐ（０＜Ｐ＜１）を１に近い値でパターンをデザインすると物体スペクトルは急峻になり、より精度の高い計測が可能になる。但し、Ｐのｎ乗ではＰが１に近いため、現実のパターン長Ｃの長さを考えると得られる物体スペクトルは目標のものである（７）式には近づかない。そこで実際にはＰを捨てて、Ｐのｎ乗に近い式で０に早く近づく（９）式を使ってデザインしている。この意味からｎを大きくすることは、（９）式を（８）式のＰが１に近い状態に近づくことから、より急峻なスペクトルが得られる。
【００７３】
この（５）式をグラフにした図が図２７である。図２７のグラフ中のカーブはピーク間でのｆに対する振幅がほぼ一定なオフセットを持った形状になっており、凹凸のない目的のスペクトル形状に近いカーブである事が分かる。またグラフからｎの値が大きくない段階から収束に近づいている事から、パターン全体のパターン長さｃが小さくても十分高次成分を押さえられると言える。そこで、
ａｉ・ｓｉｎｃ（ａｉｆ）〜αｐｉ
ａ０・ｓｉｎｃ（ａ０ｆ）〜２αｐ２／（１＋ｐ２）・・・（６）
と仮定する。（６）式より左辺はｉにおけるｆの関数であり、それに対し右辺は定数である。この事から（６）式はある特定のｆに対してのみでしか成り立たない。ここで有効なｆの範囲について説明すると、前述したように近似を行いたいｆ領域はピーク間であり｜ｆ｜＜１／ｂである。この範囲内ではａｉ＜ｂなため、ａｉ・ｓｉｎｃ（ａｉｆ）は単調減少関数である。またａｉがｂよりも十分小さければａｉ・ｓｉｎｃ（ａｉｆ）はほぼ一定となり、定数と見なせる。以上より（６）式を使って（４）式を書き直すと、｜ｆ｜＜１／ｂの範囲で、ｎ→∞の時
Ｇ（ｆ）→２αｐ２／（１＋ｐ２）＋２α｛ｐ・ｃｏｓ（２πｂｆ）−ｐ２｝／｛１−２ｐ・ｃｏｓ（２πｂｆ）＋ｐ２｝・・・（７）
【００７４】
適当なα、ｐを用いて上記（７）式をグラフにすると図２８になる。図２８は瞳面の物体スペクトルを示している。
次に実際にａｉを求める。上記の仮定より
ａｉ＝αｐｉ
ａ０＝２αｐ２／（１＋ｐ２）・・・（８）とする。
α、ｐの各値を適宜きめれば、ａｉが求まるが、ｐの与え方によって物体スペクトルの形状が異なる。その様子を図７に示す。ｐを０＜ｐ＜１とすると、ｐが１に近ければ近いほど物体スペクトルのピークは急峻になり分解能の高い計測が可能となる。またこの時αは物体スペクトルのＳ／Ｎには効いてこないため、光量を稼ぐため、できるだけ大きくする事が望ましい。
【００７５】
（７）式が成立するのはｎ→∞の時であるため、ｐの値を１に近づけるとαｐｎはなかなか０に近づかず、（７）式に近づかない。図２９に示すグラフは、パターンのラインの本数ｎを増やすに従い高周波成分の振幅が小さく押さえられることを示している。図２９のグラフから、ある程度αｐｎを０に近づけるには、かなりのパターン全体の長さｃが必要になってくることが分かる。そこで実際には（８）式の条件に近い適当なパターン長ｃに収まるような関数を利用する方法をとる事も可能である。
【００７６】
例えばパターン全体の長さをｃ０に収めようとした場合、計測したい投影レンズの開口数ＮＡ０から、前記パターン内のスペースの間隔ｂ０（＜２ＮＡ０／λ）が決まる。すると、ｂ０・ｎ＝ｃ０より、このスペースの数２ｎ＋１が決まる。（８）式のａｉ＝αｐｉを、
ａｉ＝α（１−ｉ／（ｎ＋１））・・・（９）
と、リニアーな減少級数にすることで収束を早めることが可能である。この時ａ０はピーク間（｜ｆ｜＜１／ｂ０）の平均的な値が０になるよう決める。図３０にｐ＝０．９７，ｎ＝２１とした時の（８）式と（９）式の比較を示す。また図３１には両者で作成したパターンでのフーリエ変換をグラフで示す。グラフから（９）式がより優れている事が示される。
【００７７】
本願で開示する波面収差計測法では、以上説明した考え方に従い投影光学系の瞳面上に形成される物体スペクトル形状の最適化を行い得るようデザインされたテストパターンを使用することによって、ハルトマン法のように瞳面或いは結像系内の他の箇所にピンホールを用いなくても、実質的に０次光のみを瞳面を通して像平面に向け、精度の高い波面収差の計測を行っている。
【００７８】
以下、実際にこのようなテストパターンと斜入射照明とを用いた波面収差計測方法について説明する。
【００７９】
本発明の波面収差計測方法の一実施形態を図９、１１、３３を参照して説明する。本実施形態は投影露光装置においてその投影光学系の波面収差を計測する場合を示している。
【００８０】
本実施形態はレンズを用いた投影光学系の他、ミラーを用いた投影光学系やレンズとミラーを組み合わせた投影光学系を搭載した各種投影露光装置に適用できる。
【００８１】
図９の投影露光装置は、先の実施形態で説明したとおりの構成と機能を有する。また、図１１の検出系は１１は、先の実施形態で説明したように、テストパターンの像の位置を検出する為にウエハステージ１２上に載置されている。
【００８２】
図３２は図９の投影露光装置の投影光学系の波面収差を計測するためにテストパターンを斜入射照明する様子を説明するための斜視図である。
【００８３】
図３２において、開口絞り４は駆動系４ａ（図９）により駆動され、たとえば図３３に示すようにその開口部４ｂの位置をＸ−Ｙ方向自由に変えられる。これにより照明光の主光線のレチクル入射角度や方向を自由に変え、投影レンズ１０の瞳面上全域に渡って、瞳面内の計測したい位置に照明光の主光線を集光する事ができる。また開口絞り４は開口径も切り換え可能である。
【００８４】
本実施形態で使用するテストパターンＴＰの詳細図を図３４に示す。図３４のテストパターンＴＰは、前述のコンセプトに基づき、設計波長２４８ｎｍの開口数（ＮＡ）０．７の投影レンズに対して最適化を図ったものである。使用するテストパターンの全体構成は図３５もしくは図３６とした。
【００８５】
テストパターンＴＰに、図３３の開口絞り４により形成される第一の照明光を所定方向から照射することにより前記テストパターンＴＰの像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ａ上に投影し、光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）で前記第１の照明光の入射平面に平行な方向に前記ウエハステージ１２を移動させることにより前記プレート１１ａ上に設けたスリットパターン１１ｂを走査し、このスリットパターンを透過する光を光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１１ｃにより検出する。このとき得られるウエハステージ１２の光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）での各位置（Ｘ、Ｙ）とその各位置での光強度もしくは光量からなる検出信号（図１４）とに基づいて前記プレート１１ａ上に結像したテストパターンＴＰの像ＴＰａの中心位置を算出する。
【００８６】
次に、開口絞り４の開口４ｂの位置を移動させて別の位置に切り替えた状態で、前記第一の照明光の場合と同様の手法により、但しＺ方向の位置は変えずに、光軸方向と直交するＸ，Ｙ平面上で、前記第一照明光とは異なる方向から照明されたテストパターンＴＰの像ＴＰａの中心位置を算出する。更に開口４ｂを移動の移動とパターン像の中心位置算出を繰り替えすことにより、投影レンズ１０の瞳面１０の全てをカバーする。
【００８７】
本実施形態のテストパターン１５の空中像の光パターンも数μｍと十分大きいため、上記のステージの走査が必要な光強度検出器もしくは光量検出器の代わりに、ステージに拡大光学系を組み込むまないで結像面に直接ＣＣＤやリニアーセンサーの受光面を設定して空中像を受け、この空中像の中心位置を検出することを経て、波面収差を計測できる。
【００８８】
以上のようにして得られたテストパターン像ＴＰａの位置情報（位置ずれ情報）は、それぞれ投影レンズ１０の瞳面１０ａ内の対応する位置での波面の傾きを表している。瞳面内の各位置での波面の傾きから波面全体の形状を生成する計算手法は古くから文献等で紹介されている（例えばＨ．Ｔａｋａｊｏ  ａｎｄ  Ｔ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ，“Ｌｅａｓｔ−ｓｑｕａｒｅｓ  ｐｈａｓｅ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｔｈｅ  ｐｈａｓｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ”等）ので、ここでも、テストパターン像ＴＰａの複数の位置情報を使って計算処理によって投影レンズ１０の波面を生成した。なお、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式近似処理を行えば、波面収差を各項のＺｅｒｎｉｋｅ係数で表現できる。
【００８９】
実際にＳｉｍｕｌａｔｉｏｎを行って、ある波面をＺｅｒｎｉｋｅ多項式で与える一方、レチクルパターンＴＰを用いて幾つかの方向から斜入射照明した際のパターン像Ｔｐａの位置ずれを計算して下記のような簡単な演算処理を行うことによりＺｅｒｎｉｋｅ係数を算出し、この算出た結果と上記のＺｅｒｎｉｋｅ多項式で設定したＺｅｒｎｉｋｅ係数との一致度を見た。
【００９０】
上記のＺｅｒｎｉｋｅ多項式で設定した波面は：Ｃ６（０．０５λ）、Ｃ７（０．０５λ）、Ｃ８（０．０２λ）、Ｃ９（０．０３λ）である。このＣｎ（ｎ＝６〜９）はＺｅｒｎｉｋｅ多項式第ｎ項の係数（ｒ＝１で規格化、ｒは瞳極座標系の半径０≦ｒ≦１）である。投影レンズの開口数（ＮＡ）は０．７、斜入射照明の入射角ｒと方位角θの条件はｒ＝０、０．７、０．９、θ＝０、π／２、π、３π／２の計９条件。それぞれの条件における位置ずれをｄｘ１．．．．９、ｄｙ１．．．．９とする。これら各照明条件で照明した際の主光線の通る瞳座標位置における波面の傾斜は、変数変換を用いてｘ、ｙ方向に下記のようにＺｅｒｎｉｋｅ項ごとの和で表せる。
∂Ｗ／∂ｘ＝４ｒｃｏｓθ・Ｃ４
＋２ｒｓｉｎθ・Ｃ６
＋｛６ｒ２ｃｏｓ２θ＋３ｒ２−２｝・Ｃ７＋６ｒ２ｓｉｎθ・ｃｏｓθ・Ｃ８
＋１２ｒｃｏｓθ・｛２ｒ２−１｝・Ｃ９
Ｗは波面収差をしめす。
同様に
∂Ｗ／∂ｙ＝４ｒｓｉｎθ・Ｃ４
＋２ｒｃｏｓθ・Ｃ６
＋６ｒ２ｓｉｎθ・ｃｏｓθ・Ｃ７
＋｛６ｒ２ｓｉｎ２θ＋３ｒ２−２｝・Ｃ８＋１２ｒｓｉｎθ・｛２ｒｒ２−１｝・Ｃ９
【００９１】
以上の事から下記行列方程式を作成し、各Ｃｎ係数を算出した。
【００９２】
【数１】
0004343685.tif 000002
【００９３】
但し、ｄｘｊ，ｄｙｊは斜入射照明の入射角および方位角ｊに対応した像面上の位置ずれ、Ｐｉｊ、ｑｉｊは各ｉＺｅｒｎｉｋｅ項ごとの微係数、ＮＡは投影レンズの開口数、λは波長である。結果を以下に示す。
【００９４】
【表１】
0004343685.tif 000003
【００９５】
これより本計測方法がＺｅｒｎｉｋｅ係数（レンズの収差）を求めるのに十分な計測精度を持つことが分かる。更に本計測方法は、瞳面内の測定ポイント（斜入射照明の数）を増やしていけば更なる精度向上や高次収差の測定も可能であり、逆に得たいＺｅｒｎｉｋｅ係数に着目して瞳面内の測定ポイント（斜入射照明）を選択すれば高いスループットで所望の収差が計測可能となり、露光装置の投影光学系の収差の自動補正にも有効である。
【００９６】
更に、前記テストパターンＴＰを同一のレチクル９に数箇所配置しておけば、上述した手法に従って各パターンの露光を行って各像高毎に波面収差を計測可能となり、投影光学系１０内にある補正光学系を駆動することにより同投影光学系の収差の自動補正を行うことも可能となる。
【００９７】
次に本発明の実施形態５を説明する。この実施形態５では、テストパターンＴＰを感光基板（ウエハ）Ｗへ転写して波面収差の計測を行う具体例を示す。使用するテストパターン１９ａは，実施形態４とは異なり，リファレンスパターンであるマーク２１ａと重ねてみると図３７に示すようになるマーク２０ａであり、これらのマーク同士の位置ずれをマーク２０ａの各グリッドＴＰＸ毎に計測する。図３８にマーク２０ａを含むマーク群１９ａを、図３９にマーク２１ａを含むマーク群１９ｂを示す。
【００９８】
図３８においてグリッドＴＰＸが図３４（Ａ）又は（Ｂ）に示すパターンより成っている。図３８の格子のライン（グリッド）はいずれも同一の線幅でデザインされており、それぞれのライン幅は図３５や図３６と同じにした。
【００９９】
図３９の各マーク２１ａのラインの幅には特に制限は無く、マーク２１ａを感光基板Ｗ上に転写して現像した後のできあがり寸法幅が図３８のグリッド幅とほぼ同じになるようにするのが、マーク２１ａ，２１ｂの転写パターンを計測する計測器のパターン依存性を考慮すると良い。ここでは各マーク２１ａのラインの幅を２μｍとした。
【０１００】
また、図３８のマーク群１９ａ（テストパタ−ン）の上部ガラス面上には、図４０に示すようにマーク群の中心位置と一致する位置にピンホール２１が設けてある。このピンホールは２１は、テストパターンを照明する照明光の主光線の傾きを下部ガラス面上の各マークＴＰＸの配置（位置）ごとに制限を加える作用を有し、先の実施形態４のように照明系の開口絞り４の開口部４ｂの位置を変える必要がなく、大σの照明をレチクル９に対して行うことにより、各マークＴＰＸには同時に互いに異なる方向から照明光が照射され、感光基板Ｗに対し一括で露光される。
【０１０１】
このとき照明系から供給される大σの照明光の入射角度がσ１．０以下であって、計測に照明光の入射角度σが１．０以上必要な場合は、図４０に示すように、更に、ピンホール２１の上部に凸レンズ２２を配置して照明光を更に集光するとい。これにより、投影レンズ１０の瞳面１０ａ全面をカバーできる。また、図４０において、マーク群１９ｂの各マーク２１ａはリファレンスとして用いるので、その上部ガラス面上にピンホールと凸レンズはない。尚、図４０中に示す光線は、マーク群１９ａに入射する複数の照明光のうち最も入射角度が大きい光である。
【０１０２】
次に図４０のレチクル９を用いたテストパターンの露光手順を説明する。通常の照明条件（σ＞０．７）でマーク２０ａおよび２１ａを露光し、次にマーク２０ａと２１ａが重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、同じく通常の照明条件でマーク２０ａおよび２１ａを露光する。そして、感光基板Ｗを現像した後、転写されたマーク２０ａと２１ａの相対位置ずれ量を、各グリッド毎に、測定機を使って測定する。得られた複数の位置ずれ量を計算処理することにより波面を生成し、この波面にＺｅｒｎｉｋｅ多項式等の近似を行って、そこからＺｅｒｎｉｋｅ項ごとに係数を算出することで波面収差を求める。
【０１０３】
また、上記テストパターン（２０ａ、１９ａ，２１ａ、１９ｂ）を同一のレチクルもしくは別レチクル上の数箇所配置しておけば、前記手法に従い露光・測定・計算を行い、各像高毎に波面収差を計測することが出来る。
【０１０４】
【発明の効果】
以上のように各実施形態によれば斜入射照明法と最適化したテストパターンを用いることによって、投影レンズ内にピンホールを設けないで精度の高い波面収差の計測ができる。またその効果は様々な測定したいパターン寸法や様々な露光装置の投影レンズの開口数（ＮＡ）に対して最適化が可能で、高スループット、高精度な計測が可能である。
【０１０５】
更に、波面収差の計測結果を露光装置の収差補正系にフィードバックかけることにより、収差の自動補正または実デバイスに応じた最適化した収差設定が実現できる露光装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態１に係る光学特性計測方法を適用する投影露光装置の要部概略図
【図２】  本発明のテストパターンの１次元の光強度分布の説明図
【図３】  投影光学系の瞳面の物体スペクトル分解図
【図４】  投影光学系の瞳面の物体スペクトル分解図
【図５】  投影光学系の瞳面の物体スペクトル説明図
【図６】  投影光学系の瞳面における説明図
【図７】  光軸方向（Ｚ位置）とパターンの横ずれの関係図
【図８】  投影光学系の瞳面の物体スペクトルの説明図
【図９】  本発明の実施形態２に係る投影露光装置の要部概略図
【図１０】  図９の一部分の説明図
【図１１】  図９の一部分の説明図
【図１２】  本発明のテストパターンの説明図
【図１３】  本発明のテストパターンの説明図
【図１４】  テストパターンの投影面上の光強度分布の説明図
【図１５】  本発明に実施形態３に係るテストパターンの一例の説明図
【図１６】  本発明に実施形態３に係るテストパターンの他の例の説明図
【図１７】  本発明の実施形態３に係るテストパターンの１次元の光強度分布の説明図
【図１８】  投影光学系の瞳面の物体スペクトルの説明図
【図１９】  光軸方向（Ｚ位置）とパターンの横ずれの関係図
【図２０】  物体像の１次元の光強度分布の説明図
【図２１】  本発明のパターンの横ずれの説明図
【図２２】  瞳面の計測用物体スペクトルの説明図
【図２３】  物体像の１次元光強度分布の説明図
【図２４】  瞳面上の物体スペクトルの説明図
【図２５】  瞳面上の物体スペクトルの説明図
【図２６】  物体像の１次元光強度分布の説明図
【図２７】  無限フーリエ級数の説明図
【図２８】  瞳面上の物体スペクトルの説明図
【図２９】  パターン本数と瞳面上の物体スペクトルの関係図
【図３０】  パターン本数とパターン幅の関係図
【図３１】  瞳面上の物体スペクトルの比較説明図
【図３２】  斜入射照明法の説明図
【図３３】  図３２の絞り４の説明図
【図３４】  本発明の実施形態４に係るテストパターンの説明図
【図３５】  実施形態４に係るテストパターンの全体構成図
【図３６】  実施形態４に係るテストパターンの全体構成図
【図３７】  本発明の実施形態５に係るテストパターンの説明図
【図３８】  物体スペクトルを制御したマーク群１９ａの説明図
【図３９】  リファレンスパターンであるマーク群１９ｂの説明図
【図４０】  マーク群１９ａ，１９ｂを持つレチクル９の説明図
【符号の説明】
１６ マスク（レチクル）
１７ 投影レンズ
１８ 瞳面
ＴＰ パターン
【図１】
0004343685.tif 000004
【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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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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