(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、この光源からの光を複数の点光源に分割して二次光源を形成すると共に、該二次光源からの照明光をフォトマスクに導く照明光学系と、該フォトマスクに配置されたパターンにより発生した透過光の縮小投影像をウェハ上に転写する投影光学系とから構成される露光装置に対し、前記投影光学系の収差を測定する投影光学系の収差測定方法であって、
前記照明光を回折格子が形成されたフォトマスクに照射する工程と、
前記フォトマスクを通過した０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役な第１の測定面に投影する工程と、
前記二次光源内の任意の一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第１の測定面での投影位置の関係を測定する工程と、
前記０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役、且つ前記第１の測定面とは光軸方向の位置が異なる第２の測定面に投影する工程と、
前記一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第２の測定面の投影位置の関係を測定する工程と、
求められた二つの投影位置の関係から、前記一つの点光源から照射された光線に関する光線収差を求める工程とを含むことを特徴とする投影光学系の収差測定方法。
【請求項２】
光源と、この光源からの光を複数の点光源に分割して二次光源を形成すると共に、該二次光源からの照明光をフォトマスクに導く照明光学系と、該フォトマスクに配置されたパターンにより発生した透過光の縮小投影像をウェハ上に転写する投影光学系とから構成される露光装置に対し、前記投影光学系の収差を測定する投影光学系の収差測定方法であって、
前記照明光を回折格子が形成されたフォトマスクに照射する工程と、
前記フォトマスクを通過した０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役な第１の測定面に投影する工程と、
前記二次光源内の任意の一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第１の測定面での投影位置の関係を測定する工程と、
前記０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役、且つ前記第１の測定面とは光軸方向の位置が異なる第２の測定面に投影する工程と、
前記一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第２の測定面の投影位置の関係を測定する工程と、
求められた二つの投影位置の関係から、前記一つの点光源から照射された光線に関する光線収差を求める工程と、
求められた光線収差から波面収差を求める工程とを含むことを特徴とする投影光学系の収差測定方法。
【請求項３】
複数の点光源に関する前記光線収差をそれぞれ求め、求められた複数の光線収差から波面収差を求め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測定方法。
【請求項４】
前記回折格子は、前記フォトマスクの倍率をＭ、露光波長をλ、前記投影光学系の射出側の開口数をＮＡ、前記照明光学系のコヒーレンスファクタをσとした時、
λ／｛ＮＡ（１＋σ）・Ｍ｝＜ ｐ ＜ λ／（２ＮＡ・σ・Ｍ）
なる周期ｐで透光部と遮光部が繰り返された周期パターンを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【請求項５】
前記回折格子は、ラインアンドスペースパターン、又は正方格子又は市松格子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【請求項６】
前記回折格子は、半導体素子製造において使用される少なくとも１方向に周期性を持つパターンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【請求項７】
前記回折格子は、前記フォトマスク上の露光される領域内に複数個配置され、前記照明光の照射は、該露光される領域に形成された各回折格子のすべてを照射して同一測定面上に投影することを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【請求項８】
前記第１又は第２の測定面に、表面に感光剤が塗布された基板を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【請求項９】
前記第１又は第２の測定面に、前記照明光の照射領域内の光強度分布を測定する光強度検出器を配置することを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【請求項１０】
前記波面収差はゼルニケ収差係数を用いた形で求め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測定方法。
【請求項１１】
前記第１の測定面と第２の測定面とは、ベストフォーカス位置に対して面対称であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影光学系の収差測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子製造のリソグラフィ工程等に用いられる露光装置の光学系の測定方法に関し、特に投影光学系の収差測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子を製作するために用いられる縮小投影型露光装置の投影光学系の収差を、装置を分解することなく簡便に測定する種々の方法が提案されている。収差は大きく２種類に分類することができる。一つは奇関数収差と呼ばれる像の位置ずれを引き起こす収差であり、代表的なものとしてコマ収差がある。もう一つは偶関数収差と呼ばれる像のフォーカス距離のずれを起こす収差で、球面収差がその代表的なものである。
【０００３】
稼動中の露光装置を分解することなく、フォトマスク及びフォトレジストを塗布したシリコンウェーハを用いて簡便に奇関数収差を測定する代表的な方法としては、特許文献１に開示されている方法がある。特許文献１に開示されている方法には、一般に半導体素子製造の検査工程等で使用されている合わせずれ検査装置や光学顕微鏡を用いて簡便に収差量を求めることが可能であるという利点がある。しかし、つぎに述べる測定可能領域の限界が明らかになっている。すなわち、回折角が小さくなって２次以上の回折光が結像に寄与する場合（三光束干渉条件が成り立たない場合）、収差の測定ができない。言い換えると、投影光学系射出瞳の中央付近の領域での波面収差量が測定できないという問題があった。
【０００４】
投影露光すべきパターンの微細化がますます加速している今日では投影光学系の収差が半導体素子パターン形状に与える影響が無視出来なくなっている。半導体素子には微細なパターンや比較的大きいパターン、周期パターンや孤立パターン等さまざまなパターンが混在しており、これらが共通なプロセスマージンをもって投影露光される必要がある。これは投影光学系がその射出瞳全域に渡ってほぼ無収差である露光装置を使用することにより実現される。投影光学系の射出瞳全体にわたる波面収差量の測定は、投影光学系をより無収差系に近づける調整を行うための基礎データとなる。また仮に収差が完全に０にならなくとも半導体デバイスが製造できるよう、高精度にプロセスマージンを予測するための露光シミュレーションに実際の装置の状態を取り込み、収差の半導体素子パターン形状に対する影響の予測や、収差の影響を受けにくい半導体素子パターン形状の設計を可能にする。このような作業を実現するために、前記の波面収差量の測定が、結像状態の良し悪しの装置間比較といったあいまいな相対評価ではなく、光学の理論に基づく波面収差量の絶対値の測定でなければならないことは特許文献１で論じられているとおりである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２３７３１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の投影光学系の収差測定法では、波面収差を高精度に測定することができないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、簡便、且つ高精度に収差量を測定することが可能な投影光学系の収差測定方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【０００９】
（１）本発明に係わる投影光学系の収差測定方法は、光源と、この光源からの光を複数の点光源に分割して二次光源を形成すると共に、該二次光源からの照明光をフォトマスクに導く照明光学系と、該フォトマスクに配置されたパターンにより発生した透過光の縮小投影像をウェハ上に転写する投影光学系とから構成される露光装置に対し、前記投影光学系の収差を測定する投影光学系の収差測定方法であって、前記照明光を回折格子が形成されたフォトマスクに照射する工程と、前記フォトマスクを通過した０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役な第１の測定面に投影する工程と、前記二次光源内の任意の一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第１の測定面での投影位置の関係を測定する工程と、前記０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役、且つ前記第１の測定面とは光軸方向の位置が異なる第２の測定面に投影する工程と、前記一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第２の測定面の投影位置の関係を測定する工程と、求められた二つの投影位置の関係から、前記一つの点光源から照射された光線に関する光線収差を求める工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
（２）本発明に係わる投影光学系の収差測定方法は、光源と、この光源からの光を複数の点光源に分割して二次光源を形成すると共に、該二次光源からの照明光をフォトマスクに導く照明光学系と、該フォトマスクに配置されたパターンにより発生した透過光の縮小投影像をウェハ上に転写する投影光学系とから構成される露光装置に対し、前記投影光学系の収差を測定する投影光学系の収差測定方法であって、前記照明光を回折格子が形成されたフォトマスクに照射する工程と、前記フォトマスクを通過した０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役な第１の測定面に投影する工程と、前記二次光源内の任意の一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第１の測定面での投影位置の関係を測定する工程と、前記０次回折光及び１次回折光を前記投影光学系を用いて、前記光源に共役、且つ前記第１の測定面とは光軸方向の位置が異なる第２の測定面に投影する工程と、前記一つの点光源から照射された光線の０次回折光及び１次回折光の前記第２の測定面の投影位置の関係を測定する工程と、求められた二つの投影位置の関係から、前記一つの点光源から照射された光線に関する光線収差を求める工程と、求められた光線収差から波面収差を求める工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（投影光学系の収差測定方法の原理）
本発明は波面収差測定を、投影光学系の射出瞳のより広い範囲に対して、特に従来では不可能であったレンズ中央に近い領域においても可能にする技術を提供することを目的とする。
【００１２】
露光装置の光学系は収差をもち、そのためパターンサイズに依存したフォーカスずれあるいはパターンの位置ずれや変形が発生する。図１は、フォトマスク上のパターンにより回折して投影光学系に入射した光線が射出瞳を通過して基板に到達する様子を表す図である。図１において、符号１０は投影光学系の射出瞳３１を規定する絞りであり，絞り１０により囲まれる面が射出瞳３１である。また、図１において、１１は投影光学系表面、１２は理想像面、１３は収差がある場合の波面、１４は収差が無い場合の波面（理想波面）、１５は収差が無い場合の回折光、１６は収差がある場合の回折光、１７は理想像点である。また、波面１３と理想波面１４の差が波面収差である。
【００１３】
無収差の場合、すべての回折光１５が理想像点１７に到達し、光の干渉によりフォトマスクに形成されたパターンをウェーハ上に再現する。しかし、収差がある場合、回折光が理想像点１７に収束せず、その結果像のボケや変形が起きる。
【００１４】
図２に、図１中のある１本の回折光１６に着目し、理想的な結像面上に配置された基板上の理想像点１７からずれた点２０に光線が到達する場合を示す。理想像点１７から点２０に向かうベクトル２１が光線収差（横収差）である。
【００１５】
本発明に係わる波面収差測定方法では、光線収差を測定し、その結果から波面収差を導き出す。以下に測定方法の原理を説明する。レンズの波面収差は射出瞳平面上の関数として表すことができる。図３は、瞳座標系及び像面座標系の関係を説明する図である。図３に示すように、ＸＹ平面３０を射出瞳平面とし、この面上の半径１の円内の領域を射出瞳３１とする。射出瞳３１上の点を表す座標系は、射出瞳３１の中心Ｏ’を原点とし、射出瞳３１の半径を１とする規格化座標系とする（以下、単に瞳座標系と記す）。また、光線収差は理想像面（ｘｙ平面）３２上のベクトル値として表す。また、光の進行方向を正Ｚ方向とする。
【００１６】
図４は、瞳座標系と波面収差の定義域を説明する図である。図４は、瞳座標系で示されており、波面収差Ｗは、瞳座標系において次式のような級数の形で表される。
【００１７】
【数２】
0003854231.tif 000002
【００１８】
ここで、０≦ｒ'≦１，−１８０°≦θ'≦１８０°である。Ｗ（ｒ'，θ'）は波面収差関数であり、射出瞳上の点（ｒ'，θ'）（又は（Ｘ，Ｙ）、ここでＸ＝ｒ' cosθ'，Ｙ＝ｒ' sinθ'）における実際の収差をもつ波面と無収差波面との間の光路差を表している。また、この（１）式で、右辺のＲn（ｒ'）Θn（θ'）は任意の直交関数系を使用して表現できるが、一般にはゼルニケ多項式を用いて表現する。収差の種類と大きさはゼルニケ収差係数で表現され、一般には３次から９次までの各収差と１１次の球面収差に対応する３３個の係数が使用される。
【００１９】
“Appllied Optics and Optical Engineering Volume XI”(Shannon, Wyant; Academic Press, Inc.)の１２〜１４頁に示されているようにして、光線収差から波面収差を求めることができる。例えば、図２において、射出瞳上（Ｘn，Ｙn）を通過する光線１６の光線収差２１が（εxn，εyn）であるとき、波面収差Ｗ（Ｘn，Ｙn）と光線収差の関係は次の式で与えられる。
【００２０】
【数３】
0003854231.tif 000003
【００２１】
ここで、ＮＡは投影光学系の射出側の開口数である。
【００２２】
本方法ではこの関係を用いて、計測した光線収差をもとに波面収差を算出する。（１）式をフィッティングのモデル式として最小二乗フィッティングを行うことにより、射出瞳全体で定義される連続関数の形で波面収差を求める。
【００２３】
光線収差を求めるために、本方法においては、照明光学系内の二次光源の構造が微小光源の集合体であることを利用する。二次光源の中のある１つの微小光源から発した光線に着目し、その光線をフォトマスク表面の回折格子を用いて回折光に分割し、その光線の経路を追跡する。ここで、マスクパターンを照射する各微小光源からの光の入射角は、既知であるとする。
【００２４】
まず、回折格子の設計について図５を用いて説明する。図５は、ラインアンドスペースパターンを露光したときの回折と結像を説明する図である。マスク上に描かれた微細なパターン、例えば周期がフォトマスク上でピッチがｐであるラインアンドスペースパターン５０を基板上に投影する場合を考える。図５には、ラインアンドスペースパターン５０において発生する０次回折光５１と±１次回折光５２とが投影光学系の射出瞳５３を通過し、基板上に光学像５４を結ぶ様子を示ししている。この場合、射出瞳５３の面上における回折光の分布は図６のように表される。図６は、射出瞳上の回折光の分布を説明する図である。図６の座標系は瞳座標系であり、射出瞳５３内の、中央に０次回折光６１、右側に＋１次回折光６２、左側に−１次回折光６３が分布している。射出瞳５３の中心と０次回折光６１の中心は一致している。０次回折光６１と±１次回折光６２，６３の中心間の距離６５は、λ／(ｐ・ＮＡ)と表される。ここに、λは露光波長である。また各回折光を表す円の半径６４は、投影光学系のコヒーレンスファクタ（σ値）である。
【００２５】
図５に示したように、射出瞳５３面上の異なる点を通過した回折光５１，５２，５３が、像面上のほぼ同一な位置に到達する。回折光同士の干渉により、フォトマスク上のラインアンドスペースパターン５０と相似な形状の光学像５４が基板上に形成される。
次に、回折光の光線の経路を追跡する方法について図７を用いて説明する。図７では、極端に大きいデフォーカス位置に基板を設置した場合に形成される像を示している。図７に示すように、基板面が極端に大きくデフォーカスした状態では、各回折光５１，５２の基板上での到達位置が異なるため基板上で干渉が起こらず、各回折光が別々の位置７１ａ，７１ｂ，７１ｃに転写される。図７に示すように微小光源を分離して転写させるには、ピンホールカメラを利用すれば良い。本筆頭発明者が特開２０００−２１７３２公報で示した、内部に回折格子を含んだ、適切寸法のピンホールパターン（以下、グレーティングピンホールパターンと表記する）をマスクパターンとして使用すれば、回折光を発生させ、かつ基板面でのその回折光の到達位置を把握することができる。
【００２６】
図８には、微小光源を分離して転写させることが可能なグレーティングピンホールの平面図を示す。図８（ａ）１次元グレーティングピンホール８１、図８（ｂ）は二次元（正方格子）グレーティングピンホール８２、図８（ｃ）は二次元（市松格子）グレーティングピンホール８３を示している。図８において、８１ａ，８２ａ，８３ａは開口領域であり、８１ｂ，８２ｂ，８３ｂは遮光領域である。図８に示したピンホール以外にも、少なくとも１方向に周期性のあるパターンであればグレーティングピンホールの内部構造として使用することができる。例えば、周期性のある、実際に半導体素子製造の際に用いられるパターン（実パターン）であってもよい。
【００２７】
微小光源像の一つ一つが分離して測定できる程度に鮮明な転写像を得るためには、グレーティングピンホールの外形が、高分解を示すピンホールカメラとして機能するサイズでなければならない。ピンホールの大きさとピンホールから像を写すスクリーンまでの距離の間に適切な関係が保たれれば、分解能が極大になる点が存在することが知られている。円形のピンホールを使用する場合、分解能が良好になる半径ｒ（フォトマスク上スケール）は、基板のデフォーカス量をｄ、露光波長をλとして次の（３）式で与えられる。
【００２８】
【数４】
0003854231.tif 000004
【００２９】
ここで、Ｍは投影光学系の縮小率（例えば、１／４）、Ａは１程度の定数である。我々は実験から、Ａが０．５〜１の範囲にあるような状態のｒでその半径が表されるグレーティングピンホールを使用すれば良好な像を得られることを確かめている。
【００３０】
図９は、グレーティングピンホールにより分離された微小光源により露光を行って得られる、レジストパターンの像を示す平面図。図９（ａ）は１次元グレーティングピンホール８１による回折光像９１、図９（ｂ）は二次元（正方格子）グレーティングピンホール８２による回折光像９２、図９（ｃ）は二次元（市松格子）グレーティングピンホール８３による回折光像９３を示している。図９において、破線で示した円９４は光線が絞りにより遮られる境界を表し、境界の外側は基板上には転写されない。
【００３１】
図９に示すように、基板面には個々の微小光源から射出した光の到達点（回折光像）がスポット状に転写されている。各スポットの位置を測定することにより、個々の微小光源から発した光線の基板面における通過位置を把握できる。この測定を、同じ装置状態で基板のデフォーカス値を変えて２回行うと、それら光線が通過する空間内の２点を把握できる。すなわち、光線の直進性から、その光線の基板面近傍における経路を知ることができる。さらに、求めた空間内の２点を結ぶ直線が像面と交わる点の座標を求めることができる。
【００３２】
図１０に例示するように、回折光像１０１同士が重なった場合、微小光源像の位置を計測することが困難になるため、回折光像同士が重ならないことが望ましい。また、本方法では１次回折光の像を測定に使用するため、１次回折光が瞳を通過して基板に到達していなければならない。以上の二つの条件が満たされることが測定可能な条件となる。フォトマスク上の回折格子の周期を適切なものにすれば、二つの条件を満たすことができる。
【００３３】
回折格子の周期ｐが満たすべき条件は、露光波長λ、露光装置の開口数ＮＡ、コヒーレンスファクタσを用いて次の（４）式で表される。
【００３４】
【数５】
0003854231.tif 000005
【００３５】
なお、仮に回折光の像同士が多少重なっていたとしても、重なっていない微小光源像がある場合、それらを使用して領域の測定を行うことは可能である。射出瞳全体に関する光路差を求めるためには回折光を射出瞳内の複数の点を通過させるようにすればよく、その目的で、回折格子の周期を（４）式が満たされる範囲内で変え、また、周期パターンの配列方向の向きを変えた複数のグレーティングピンホールを同時に使用する。
【００３６】
図１１を用いて、０次回折光の光路差と１次回折光の光路差の差の求め方を説明する。図１１（ｂ）は図１１（ａ）の円Ｂ部の拡大図、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）の拡大図である。図１１において、２２３は理想像面である。図１１に示すように、1次回折光２１５の到達位置２１７の測定は、０次回折光２１４の到達位置２１８を基準として行われるため、求められるのは０次回折光の光路差２１２と１次回折光の光路差２１３の差２１０である。ここで、光路差２１２、２１３とは図１１（ｂ），（ｃ）に示すように、収差がない波面２１９と収差がある波面２２０との差である。求めたいのは、図１１（ｃ）に示す、光路差（波面収差）２１３そのものである。真の光路差２１３を求めるためには、図１１（ｂ）に示す、測定に用いた０次回折光自身の光路差２１２を把握しなければならない。例えば、射出瞳の中央を通り、理想像点２１６に到達する光２２２を基準、すなわち光路差０として、他の位置の光路差を求めることができる。なお、仮に基準位置を変えたとしても、その影響はゼルニケ多項式の第１項（定数項）が変わるだけであり、収差として意味があるのは第５項以降であることを考慮すると、波面収差の算出には何ら問題がない。
【００３７】
レンズ波面収差を正確に求めるには、射出瞳の中央に近い位置を通る光の収差も測定する必要がある。前述したように、σを小さく、かつ回折格子の周期を大きくすることにより可能である。二次光源内の任意の１個の微小光源からの光を用いてレジストパターンを形成して測定すれば、射出瞳の中央に近い位置での光路差を測定することができる。使用する微小光源は必ずしも中央にあるものである必要はなく、二次光源中の任意の微小光源を単独で点灯させて収差の測定に使用することもできる。回折光同士の重なりを最小限にでき、好都合である。
【００３８】
グレーティングピンホールを構成する回折格子をデバイスパターンにした場合は、そのデバイスパターンの転写の際に実際に光が通る射出瞳位置に関する光路差を直接測定している。この場合、デバイスパターン転写において光が通る経路のみの収差を直接測定できるという利点がある。
【００３９】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００４０】
（第１の実施形態）
本実施形態では、実際の露光装置の投影光学系の収差測定方法にについて説明する。
本方法の骨子は、二次光源からの照明光をフォトマスクに導き、有限領域を一括照射すると共にこのフォトマスク表面に配置された回折パターンにより発生した０次回折光及び高次回折光を投影光学系に入射させ、投影光学系から射出した各回折光をそれぞれ感光基板上の離れた位置に投影露光させ、感光基板上に形成される０次回折光の像（以下、０次像とする）及び１次回折光の像（以下、１次像とする）の位置を計測し、その結果を用いて露光装置の投影光学系の光線収差（横収差）を計算し、それに基づいて光学系の波面収差を算出することにある。
このようにして求められた波面収差を元に、この露光装置を用いて作られる半導体素子パターンの形状の正確な予測、及び波面収差の影響を受けにくいパターン設計を行うことができる。
【００４１】
図１２は、本発明の第１の実施形態に係わる、フォトマスクに描かれたパターンを基板上に縮小投影する露光装置の概略構成を示す図である。図１２に示すように、レーザ光源ＬＳからの照明光が照明光学系ＩＬに入射する。照明光学系ＩＬは、フライアイレンズＦＥ，照明絞りＩＡ，及びコンデンサレンズＣＬとを具備する。照明光学系ＩＬ内において、照明光は、複数のレンズ素子で構成されたフライアイレンズＦＥに入射する。複数のレンズ素子で構成されたフライアイレンズＦＥの射出側には、照明光は複数の微少光源の集合である二次光源ＳＬＳが形成される。二次光源ＳＬＳの大きさが、照明絞りＩＡにより調節される。二次光源ＳＬＳから射出された照明光が、コンデンサレンズＣＬを介してフォトマスクＲに入射する。フォトマスクＲ上のパターンＲＰにおいて回折光が発生する。その回折光が投影光学系ＰＬに入射する。投影光学系ＰＬから射出した回折光が、基板Ｗ上に到達することによって、パターンＲＰの像が基板Ｗ上に結像投影される。
【００４２】
以下、本発明にて提供される投影光学系の収差測定方法を、６つのステップに分けて説明する。図１３は、本発明の第１の実施形態に係わる投影光学系の収差測定方法の説明に用いるフローチャートである。
【００４３】
（ステップＳ１０１）
図１４（ａ）に示すように、表面にレジスト等の感光剤が塗布された基板Ｗをベストフォーカス位置１１３からデフォーカス量ｚ1だけ移動した位置に設置して、露光を行う。
【００４４】
（ステップＳ１０２）
図１４（ｂ）に示すように、同一基板Ｗをベストフォーカス位置１１３からデフォーカス量ｚ2（≠ｚ1）だけ移動した位置に設置し、更に横方向にも移動させて未露光部が露光領域となるような位置に設置し、露光を行う。
【００４５】
（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０１，Ｓ１０２露光されたレジストを現像し、基板Ｗ上に形成されるレジストパターンを測定する。それぞれ、同一微小光源から発した０次像、１次像の組（ｎ番目の組とする）に着目し、０次像位置を座標原点として１次像の位置を求める。ここではステップＳ１０１で露光された１次像の位置の３次元座標を（ｘ1n，ｙ1n，ｚ1n）ステップＳ１０２で露光された像の位置の3次元座標を（ｘ2n，ｙ2n，ｚ2n）とする。
【００４６】
（ステップＳ１０４）
光線と像面の交点の理想像点からのずれ、すなわち光線収差（εxn，εyn）を次の（５ａ），（５ｂ）式から求める。
【００４７】
【数６】
0003854231.tif 000006
【００４８】
（ステップＳ１０５）
光線収差（εxn，εyn）から、点（Ｘn，Ｙn）における波面収差の勾配を求める。光路差がＷ（Ｘn，Ｙn）であわらされるとし、０次回折光の光線収差が（εxn0，εyn0）ならば、波面収差の勾配∇Ｗ（Ｘn，Ｙn）は次の（６）式で求められる。
【００４９】
【数７】
0003854231.tif 000007
【００５０】
ここで（Ｘn，Ｙn）は回折格子の周期、回折光の次数と符号、及び対応する微小光源の位置から定まる、規格化瞳座標系における回折光の通過点である。０次回折光の光線収差は、瞳の中心のごく近傍で０であるとし、０次回折光の通過位置が瞳の中心近傍でない場合は、別の適切なパターンを用いて、ここに述べた方法で測定した結果を使う。
【００５１】
（ステップＳ１０６）
レジストパターン上近傍にある別の像を使って、ステップＳ１０３〜ステップ１０５）の手順を繰り返し、一定数以上の波面収差の勾配∇・Ｗ（Ｘn，Ｙn）を算出する。射出瞳上の複数の点における波面収差勾配∇Ｗ（Ｘn，Ｙn）が算出される。ここで、一定数とは、後の工程で波面収差Ｗ（Ｘ，Ｙ）を求めるのに十分な数のことである。
【００５２】
（ステップＳ１０７）
すべての波面収差の勾配データ∇・Ｗ（Ｘn，Ｙn），（ｎ＝１〜全微小光源数）から射出瞳全体における波面収差Ｗ（Ｘ，Ｙ）を計算し、この結果をゼルニケ級数に最小二乗フィッティングして、各ゼルニケ収差係数を求める。
【００５３】
（第２の実施形態）
本実施形態では、ベストフォーカス位置に対して、面対称な二つのデフォーカス位置でそれぞれ露光を行う。用いた露光装置は図１２に示したものと同様なので、図示及び説明を省略する。なお、本実施形態では、レーザ光源ＬＳからの照明光の波長λ[μｍ]であり、投影光学系ＰＬの縮小率がＭである露光装置を用いた。
【００５４】
フォトマスクに形成された回折格子の周期が、ｐ／Ｍ[μｍ]のラインアンドスペースであり、半径がｒ[μｍ]のグレーティングピンホールのマスクパターンを用いた。ここでｐは式（７）の条件を満たすように決定した。
【００５５】
【数８】
0003854231.tif 000008
【００５６】
ＮＡは投影光学系ＰＬの射出側の開口数を、σは照明光学系ＩＬのコヒーレンスファクタである。
【００５７】
図１５に示す縦パターン１５０、横パターン１５１、斜めパターン１５２、斜めパターン１５３からなる一組のパターン群を近接して配置したフォトマスクＲを用いる。図１５は、本発明の第２の実施形態に係わる収差測定方法に用いるフォトマスクを示す平面図である。感光基板として、ポジ型フォトレジスト（感光剤）を塗布したシリコンウェーハ（以下ウェーハと表記）を使用した。
【００５８】
先ず、図１６（ａ）に示すように、ベストフォーカス位置１６０からのデフォーカス量−ｄ（＝ｚ1）[μｍ]だけ移動した位置に基板Ｗを設置し、適切な露光量にて静止露光を行う。
【００５９】
続けて、図１６（ｂ）に示すように、同一基板Ｗをベストフォーカス位置１１３からデフォーカス量を＋ｄ（＝ｚ2）[μｍ]だけ移動した位置に設置すると共に、更に横方向にも移動させて未露光部が露光領域となるような位置に設置して静止露光を行う。なお、デフォーカス量＋ｄの露光条件は、デフォーカス量以外の露光条件はデフォーカス量−ｄの露光時と同様にして露光を行う。
【００６０】
この後、現像を行うことにより、デフォーカス位置+ｄ[μｍ]で露光された評価用パターン（以下パターン１と表記）及びデフォーカス位置−ｄ[μｍ]で露光された評価用レジストパターン（以下パターン２と表記）を得る。得られた評価用レジストパターンの平面図を図１７に示す。図１７において、１７０は縦パターン１５０の像により形成された評価用レジストパターン、１７１が横パターン１５１の像により形成された評価用レジストパターン、１７２が斜めパターン１５２の像により形成された評価用レジストパターン、１７３が斜めパターン１５３の像により形成された評価用レジストパターンである。これら評価用レジストパターン１７０〜１７３を、光学顕微鏡とＣＣＤカメラとから構成される撮像装置を用いて観察し、画像を取得する。
【００６１】
以下、縦パターン１５０の像により形成された評価用レジストパターン１７０から収差の大きさを計算する方法について説明する。フォトマスク上のパターンと射出瞳上の回折光の次数及び位置の対応関係を図１８に示す。図１８に示すように、縦パターン１５０が形成されたフォトマスクＲを照明光１８０で照明することにより、射出瞳１８５面上の中央に０次回折光像１８２、紙面右側が＋１次回折光像１８３、紙面左側が−１次回折光像１８４が投影される。また、射出瞳上の回折光の次数と位置及び基板上の像の対応関係を図１９に示す。図１９（ａ）はデフォーカス位置＋ｄで露光を行った場合の基板上の各次数の回折光像を示し、図１９（ｂ）はデフォーカス位置−ｄで露光を行った場合の基板上の各次数の回折光像を示している。図１９に示すように、基板上には、０次回折光像１９０（１９０ａ，ｂ）、＋１次回折光像１９１（１９１ａ，ｂ）、−１次回折光像１９２（１９２ａ，ｂ）が投影される。基板及び射出瞳上にパターンを形成する３個の回折光像は更に微小なパターン（微小光源像）から構成されている。微小パターンは２次光源のフライアイレンズにより作られる輝度分布を反映したものである。
【００６２】
図２０に示すパターンの測定を行う。図２０は、縦パターン１５０の回折光像により、デフォーカス位置＋ｄに設置された感光基板上に形成されるパターンを示す図である。測定に使用できる微小光源像の数は、コヒーレンスファクタσが０．３の場合、図１７（ａ）評価用レジストパターン１７０に示されているとおり、照明アパーチャにより部分的に遮蔽されているものを除けば５３個である。同一微小光源から発した回折光により形成された微小光源像の組合せは、０次・＋１次回折光の組が１６対、０次・−１次回折光の組が１６対、合計で３２対存在する。まず、同一微小光源から発した回折光により形成された１対の微小光源像２００ａ，２０１ａに着目し、微小光源像２００ａの位置を基準とした微小光源像２０１ａの位置（ｘ1，ｙ1）を測定する。
【００６３】
次に、図２１に示されているパターンの測定を行う。図２１は、縦パターン１５０の回折光像により、デフォーカス位置−ｄに設置された感光基板上に形成されるパターンを示す図である。図２０における微小光源像２００ａを形成した光線と同一の光線（同一微小光源から発し、回折次数が同じ光線）が形成する微小光源像２００ｂと、微小光源像２０１ａを形成したものと同一の光線が形成する微小光源像２０１ｂに着目し、像２０１の位置を基準とした像２００の位置（ｘ2，ｙ2）を測定する。微小光源像２００ａ及び微小光源像２００ｂを作る光線が通る射出瞳上の点Ｐは、微小光源像２０１ａ及び２０１ｂを作る光線２１１が通る射出瞳上の点を（Ｘ0，Ｙ0）とすると、回折格子の向き、周期ｐ、露光波長λを考慮すれば、（Ｘ0 + λ /(ｐ・ＮＡ)，Ｙ0）と表される。なお、（Ｘ0，Ｙ0）の値は着目する微小光源の二次光源内の位置から定まる。
【００６４】
以上の測定結果を踏まえると、光線２０２が示す光線収差（εx，εy）は、
【数９】
0003854231.tif 000009
である。したがって、着目する射出瞳上の点（Ｘ0 + λ /(ｐ・ＮＡ)，Ｙ0）における波面収差の勾配∇・Ｗ＝（∂Ｗx／∂ｘ，∂Ｗy／∂ｙ）は次式で与えられる。ここで、（Ｘ0，Ｙ0）における光線収差は０とした。
【００６５】
【数１０】
0003854231.tif 000010
【００６６】
同様の方法を残りの３１組の微小光源像対に対して適用し、射出瞳上３１点に関する波面収差の勾配を求める。また、他の３種のパターン１５１，１５２，１５３の像についても（８）、式（９ａ）、式（９ｂ）を変形して計算し、各計測ポイントにおける波面収差の勾配を求める。
【００６７】
以上の方法で求めた、射出瞳全体にわたる波面収差の勾配を表す離散的なデータに対して積分演算とフィッティングを行うことにより、射出瞳全体に渡る波面収差Ｗ（ｘ，ｙ）をゼルニケ多項式の形で表し、３３個のゼルニケ収差係数を得る。
【００６８】
上記例では射出瞳の中央に近い経路を通る０次回折光の光線収差を基準（０）として計算しているが、この経路に関する光線収差を求めておいて、求められた光線収差の値を上記解析に使用すれば、より正確な結果が得られるため望ましい。
【００６９】
次に、射出瞳の中央付近における光線収差の測定について説明する。図２２に瞳中央付近における光線収差の測定に用いるフォトマスクの例を示す。図２２に示すように、フォトマスク２１０は、内部の回折格子がフォトマスク上の周期が８μｍのラインアンドスペースである半径が１０μｍ（フォトマスク上スケール）のグレーティングピンホール。図２２において、２１１は開口、２１２は遮光領域である。露光波長が０．２４８μｍであるＫｒＦエキシマレーザ光を光源とし、投影光学系の縮小率Ｍが１／４、射出側開口数ＮＡが０．６の露光装置を用いる。また、照明光学系のコヒーレンスファクタσを０．１、すなわち単一微小光源から発した光のみが露光に供される状態とした。縦，横，斜め（４５°），斜め（−４５°）からなる一組のパターン群（図２２には縦のみ表示）を露光領域内の図１５に示すパターン１５０、１５１、１５２、１５３に近接した位置に配置したフォトマスクを用い、デフォーカス量が＋３０μｍ，−３０μｍの位置に感光基板を設置して露光を行った。
【００７０】
同様の手順により、図２３に示すように、デフォーカス量が＋３０μｍの評価用パターン２３１，２３２と、デフォーカス量が−３０μｍの評価用パターン（不図示）を得た。０次回折光２３１及び１次回折光２３２を使用し、前述した方法と同様の手順により、投影光学系の瞳の中心付近に関する光線収差を算出した。なお、取得するレジストパターンには瞳の端２３３の位置が現れないので、別のグレーティングピンホールの露光により瞳２３３の半径（ウェーハ上実スケール）を測定しておく必要がある。次に式（８）、式（９ａ）、式（９ｂ）で表される計算を行って各光路に関する波面収差の勾配を算出した。
【００７１】
この測定では、瞳の中心を通過する０次回折光２３１の光線収差を基準（０）として、光線２３２が通る経路の光線収差を求めている。この光線２３２を基準として、別の光経路に関する光線収差を求めることも可能である。この方法を繰り返し使うことによって、瞳の任意の位置を通る光経路に関する光線収差と波面収差の勾配が、瞳の中心を通過する光を基準として求められる。
【００７２】
なお、第２の実施形態において、図１に示す縦・横・±４５°斜めのラインアンドスペースの代わりに、図１８に示したような正方格子グレーティングピンホール８２、又は市松格子グレーティングピンホール８３を、グレーティングピンホール内部の回折格子として用いても測定ができる。ここで、正方格子８２を使用したときのウェーハ上の回折光像９２は縦ラインアンドスペースの像の形状と横ラインアンドスペースの像の形状を合わせたものである。また、市松格子８３を使用したときのウェーハ上の回折光像９３は斜め４５゜のラインアンドスペースの像の形状と斜め１３５゜のラインアンドスペースの像の形状を合わせたものである。
【００７３】
第２の実施形態において、感光基板として、ポジ型フォトレジストを塗布したウェーハを使用する代わりに、感光基板はフォトレジストを塗布したシリコンウェーハの代わりに、ＣＣＤ等の光強度検出装置と、検出された光強度の位置（分布）を記録する装置、例えばコンピュータを使用しても、同様の測定ができる。
【００７４】
第２の実施形態において、ラインアンドスペースの代わりに、半導体デバイスパターンとして使用される周期パターンを回折格子としても、レンズの収差が測定可能である。通常、半導体デバイス製造工程においては、σ値が大きい照明（例えばσ＝０．７５など）を使うが、本測定のためにはσ値を出来る限り小さくする方が光線の重なりが小さくなるため望ましい。例えば、光源内の任意の微小光源を１個だけ単独で点灯させ、その状態で露光を行って像を得る。
【００７５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内であればグレーティングピンホールの形状やその配置を決めることが可能であり、さらにその他の実施形態及び種々の変更が可能である。
【００７６】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、稼動中の露光装置を停止、分解することなく、通常半導体素子製造に使用されているものと同等のフォトマスク及びフォトレジストを塗布したシリコンウェーハを用いた簡単な測定と、簡単な計算により、投影光学系の射出瞳の中央近傍から端までの広い領域にわたる波面収差量を求めることができる。測定値はゼルニケ多項式による表現ができる、この結果は投影光学系の調整の基礎データとして使用でき、また、この結果をパターン投影露光のシミュレーションに取り込むことによってパターン転写特性を高精度に予測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォトマスク上のパターンにより回折して投影光学系に入射した光線が射出瞳を通過して基板に到達する様子を表す図。
【図２】１本の回折光が理想的な結像面上に配置された基板上の理想像点からずれた点に光線が到達する場合を示す図。
【図３】瞳座標系及び像面座標系の関係を説明する図。
【図４】瞳座標系と波面収差の定義域を説明する図。
【図５】ラインアンドスペースパターンを露光したときの回折と結像を説明する図。
【図６】射出瞳上の回折光の分布を説明する図。
【図７】極端に大きいデフォーカス位置に基板を設置した場合に形成される像を示す図。
【図８】微小光源を分離して転写させることが可能なグレーティングピンホールを示す平面図。
【図９】グレーティングピンホールにより分離された微少光源により露光を行って得られる、レジストパターンの像を示す平面図。
【図１０】回折光像同士が重なった場合を示す図。
【図１１】０次回折光の光路差と１次回折光の光路差の差の求め方の説明に用いる図。
【図１２】第１の実施形態に係わる、フォトマスクに描かれたパターンを基板上に縮小投影する露光装置の概略構成を示す図。
【図１３】第１の実施形態に係わる投影光学系の収差測定方法の説明に用いるフローチャート。
【図１４】第１の実施形態に係わる収差測定方法における、基板の設置位置を示す図。
【図１５】第２の実施形態に係わる収差測定方法に用いるフォトマスクを示す平面図。
【図１６】第２の実施形態に係わる収差測定方法における、基板の設置位置を示す図。
【図１７】評価用レジストパターンを示す平面図。
【図１８】フォトマスク上のパターンと射出瞳上の回折光の次数及び位置の対応関係を示す図。
【図１９】射出瞳上の回折光の次数と位置及び基板上の像の対応関係を示す図。
【図２０】縦パターンの回折光像により、デフォーカス位置＋ｄに設置された感光基板上に形成されるパターンを示す図。
【図２１】縦パターンの回折光像により、デフォーカス位置−ｄに設置された感光基板上に形成されるパターンを示す図。
【図２２】瞳中央付近における光線収差の測定に用いるフォトマスクを示す図。
【図２３】瞳中央付近における光線収差の測定に用いるフォトマスクを用いて露光して得られるレジストパターンを示す図。
【符号の説明】
１１…投影光学系表面
１２…理想像面
１３…波面
１４…無収差波面
１５…回折光
１６…回折光
１７…理想像点
【図１】
0003854231.tif 000011
【図２】
0003854231.tif 000012
【図３】
0003854231.tif 000013
【図４】
0003854231.tif 000014
【図５】
0003854231.tif 000015
【図６】
0003854231.tif 000016
【図７】
0003854231.tif 000017
【図８】
0003854231.tif 000018
【図９】
0003854231.tif 000019
【図１０】
0003854231.tif 000020
【図１１】
0003854231.tif 000021
【図１２】
0003854231.tif 000022
【図１３】
0003854231.tif 000023
【図１４】
0003854231.tif 000024
【図１５】
0003854231.tif 000025
【図１６】
0003854231.tif 000026
【図１７】
0003854231.tif 000027
【図１８】
0003854231.tif 000028
【図１９】
0003854231.tif 000029
【図２０】
0003854231.tif 000030
【図２１】
0003854231.tif 000031
【図２２】
0003854231.tif 000032
【図２３】
0003854231.tif 000033