(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスク上のテストパターンを、投影光学系を介して結像するステップと、結像したテストパターン像の所定位置からの位置ずれ量を計測するステップと、実デバイスパターンを結像するときの前記投影光学系の収差量を、前記位置ずれ量を用いて算出するステップとを有し、
前記結像するステップにおいて、前記位置ずれ量から前記投影光学系の特定の収差量が求められるように、前記テストパターンからの光の前記投影光学系の瞳での通過領域を決定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】
マスク上のテストパターンを、投影光学系を介して結像するステップと、結像したテストパターン像の所定位置からの位置ずれ量を計測するステップと、実デバイスパターンを結像するときの前記投影光学系の収差量を、前記位置ずれ量を用いて算出するステップとを有し、
前記結像するステップにおいて、前記位置ずれ量から前記投影光学系の特定の収差量が求められるように、前記テストパターンを照明する照明系からの照明光の有効光源分布を決定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３】
前記投影光学系の瞳での通過領域は、前記マスク上のテストパターンを照明する照明系の一部であって、該投影光学系の瞳と共役な位置に配置した開口絞りの開口形状によって決定されていることを特徴とする請求項１の投影光学系の収差計測方法。
【請求項４】
前記投影光学系の瞳での通過領域は、前記テストパターンの光入射側に設けられた遮光パターンの開口形状によって決定されていることを特徴とする請求項１の投影光学系の収差計測方法。
【請求項５】
前記照明系からの照明光の有効光源分布は、前記投影光学系の瞳面と共役な位置に配置した開口絞りの開口形状によって決定されていることを特徴とする請求項２の投影光学系の収差計測方法。
【請求項６】
前記照明系からの照明光の有効光源分布は、前記テストパターンの光入射側に設けられた遮光パターンの開口形状によって決定されていることを特徴とする請求項２の投影光学系の収差計測方法。
【請求項７】
前記開口絞りは、前記投影光学系の光軸を回転軸として回動可能なことを特徴とする請求項３又は５の投影光学系の収差計測方法。
【請求項８】
前記開口絞りは、前記投影光学系の光軸を含む領域と光軸外の領域との光透過状態が異なっており、該光軸外の領域の形状が可変であることを特徴とする請求項３、５又は７の投影光学系の収差計測方法。
【請求項９】
請求項１〜８いずれか１項に記載の収差計測方法を用いて投影光学系の収差を計測する機能を有することを特徴とする投影露光装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の投影露光装置によりデバイスパターンを感光基板上に投影露光するステップと、露光した感光基板を現像するステップとを有し、感光基板上に回路を形成することを特徴とするデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系の収差計測方法に関し、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。
【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】
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、ディストーション、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 measurementinterferometer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。
【０００４】
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、ディストーションなどといった代表的な収差を算出可能である。
【０００５】
またZernike係数を使った実デバイスパターンでのシミュレーション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、本体（露光装置）上でZernike係数を高い精度で計測する事が、強く求められている。
【０００６】
現在報告されている露光装置上でのZernike係数の計測では絶対精度の面で精度が不十分であり、Zernike係数を高次項まで精度よく計測するのは未だに困難がある。また特定のZernike係数を精度良く算出できても、全ての項に対してそれを適用して全Zernike係数を求めることは計測時間を考えた場合適当でない。従って現在の所、全Zernike係数の計測から先の収差量を予測する方法は、実用面から見て存在しないと考える。通常これら球面収差、像面、非点、コマ、ディストーションといった収差量の定義はユーザー毎に異なっている。一般的には実デバイスの標準的なパターン（実デバイスパターン）を露光する条件において、形成されたパターン像の線幅（ＣＤ）から求められる横方向のパターンと縦方向のパターンによるベストフォーカス位置の差（非点）（ＨＶの非点）、像面内でのベストフォーカスのレンジ（像面）、５本バーの左右の端のパターンのＣＤの差（コマ）、異なるパターンサイズでのベストフォーカス位置の差（球面収差）、基準格子からのパターンの位置ずれ（ディストーション）などの評価量で定義される。もしくは特殊な実デバイスや、もっとも厳しい精度が要求されるパターンにおける前記評価量で定義される。
【０００７】
このようにユーザーによって検査の条件や評価量が異なるため、例えばレンズ検査における項目だけでも半導体（デバイス）の微細化や多様化に伴いその数は増え、従来のＳＥＭによるＣＤ測定法による検査では多大な時間が懸ってしまう。更に検査精度についてもＳＥＭによるＣＤ計測による方式では、レジストを含めたプロセスの影響を受けるため、純粋に光学性能だけを検査するという目的や、短波長化のリソグラフィートレンドの中で、プロセスを開発する初期の段階での露光装置の光学性能評価を行う際には、望ましくない。また従来のＣＤ計測による方式では露光量、フォーカス位置などの要因も精度に大きく寄与するため、これらプロセスや露光量、フォーカス位置に影響されない計測方法が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来法であるＳＥＭによるＣＤ計測による計測方法は計測時間の問題や精度の問題をかかえており、その改善や計測方法の置き換えが必要である。しかしながら反面、従来法は実デバイスパターンでの投影光学系の検査である、つまり実際の生産工程の検査と酷似しているため、非常に現実的な検査であり、この結果によって装置の性能の判定を行う事はそのまま製品を流せるため、有効であり今後も継続して行われる計測の方式である。しかしながら前述したように目的が製品を流すためではなく、露光装置の性能判定であったり、計測結果をオフセットとして装置調整にフィードバックするような場合、プロセスその他の誤差要因は排除すべきである。つまり従来のＳＥＭによる実デバイスパターンによる露光装置の検査やその計測値には重要な意味があり、今後も計測の対象となる収差量であるが、プロセスその他の誤差要因を排除し、計測精度の高いしかも計測時間の短い計測方法に改良すべきと考えられる。
【０００９】
一方、現在報告されている本体上での収差計測方法、例えば斜入射照明法では、異なる主光線の傾斜角もしくは入射方向の照明光でレチクル上のパターンをそれぞれ照明し、形成されたそれぞれのパターン像の中心位置による相対位置ずれ量から、像面、非点を計測する方式や、レチクルに９０度の位相差を施した繰り返しパターンをある範囲内でピッチ寸法を振ったものを使用して０次と１次光の２光束干渉で結像させパターン像のピッチ寸法毎の位置ずれを計測することで、像面、非点、コマ、球面収差を算出する方法などがある。しかしながらこれらの方法から求められた収差量は、実際のデバイスに対してどれだけ影響を及ぼすかを判定することはほとんど不可能で、単にある計測方法で計測された収差量でしかなく、相対的な変化量を調べるようなモニターのようなものである。よって従来のＳＥＭ方式に替わる方式にはなり得ない。
【００１０】
ここで述べている従来のＳＥＭ方式に替わる方式とは、あくまで投影光学系の光学的な収差を実デバイスパターンを用いるという条件から見る評価、検査方法について置き換え可能な計測方式であって、ＳＥＭによる他のプロセスまで含む実デバイスパターンの先に述べたような各種収差や、ＣＤ、焦点深度といった評価、検査などについてではない。これらプロセス要因に大きく係わる部分はこの先もＳＥＭ等の計測手段が必要と考える。但し、先の投影光学系の光学的な収差を実デバイスパターンを用いるという条件から見る評価、検査方法はプロセス要因を含まない点で露光装置側に収差補正処理を行わせ、露光装置の補正系による収差補正により、露光装置を実デバイスパターンに最適な状態にすることができる。また非常に高価な露光装置の検収もプロセス要因を排除することにより、明確な判断を下せる点でそのメリットは大きい。更に今後、微細化に伴いＳＥＭのＣＤ計測精度が限界に近づきつつある。またプロセスによってはＥＢの照射などでＣＤが変化し正確に測定できない問題などもある。その様な点においてもパターンに依存しないＣＤ測定以外の方法による計測方法の置き換えが必要である。以上述べたように、様々な実デバイスパターンを用いるという条件に対し、それらと同じ収差量の計測を行う計測方法の開発が必要であり、しかもプロセスに影響を受けない、露光量、フォーカス誤差の小さい精度のより高い且つ計測時間の短い方式でなければならない。
【００１１】
本発明は、投影光学系の収差、特に敏感度を高精度に算出し、高い光学性能で実デバイスパターンを投影するときに好適な投影光学系の収差計測方法の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の収差計測方法は、マスク上のテストパターンを、投影光学系を介して結像するステップと、結像したテストパターン像の所定位置からの位置ずれ量を計測するステップと、実デバイスパターンを結像するときの前記投影光学系の収差量を、前記位置ずれ量を用いて算出するステップとを有し、
前記結像させるステップにおいて、前記位置ずれ量から前記投影光学系の特定の収差量が求められるように、前記テストパターンからの光の前記投影光学系の瞳での通過領域を制限することを特徴としている。
【００１３】
請求項２の発明の収差計測方法は、マスク上のテストパターンを、投影光学系を介して結像するステップと、結像したテストパターン像の所定位置からの位置ずれ量を計測するステップと、実デバイスパターンを結像するときの前記投影光学系の収差量を、前記位置ずれ量を用いて算出するステップとを有し、
前記結像させるステップにおいて、前記位置ずれ量から前記投影光学系の特定の収差量が求められるように、前記テストパターンを照明する照明系からの照明光の有効光源分布を決定することを特徴としている。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記投影光学系の瞳での通過領域の制限は、前記マスク上のテストパターンを照明する照明系の一部であって、該投影光学系の瞳を共役な位置に配置した開口絞りの開口形状を調整することによってなされていることを特徴としている。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記投影光学系の瞳での通過領域の制限は、前記テストパターンの光入射側に設けた遮光パターンの開口形状を調整することによってなされていることを特徴としている。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項２の発明において、前記照明系からの照明光の有効光源分布は、前記投影光学系の瞳面と共役な位置に設けた開口絞りの開口形状を調整することによって決定されることを特徴としている。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項２の発明において、前記照明系からの照明光の有効光源分布は、前記テストパターンの光入射側に設けた遮光パターンの開口形状を調整することによってなされていることを特徴としている。
【００１８】
請求項７の発明は、請求項３又は５の発明において、前記開口絞りは、前記投影光学系の光軸を回転軸として回動可能なことを特徴としている。
【００１９】
請求項８の発明は、請求項３、５又は７の発明において、前記開口絞りは、前記投影光学系の光軸を含む領域と光軸外の領域との光透過状態が異なっており、該光軸外の領域の形状が可変であることを特徴としている。
【００２１】
請求項９の発明の投影露光装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の収差計測方法を用いて投影光学系の収差を計測する機能を有することを特徴としている。
【００２２】
請求項１０の発明のデバイスの製造方法は、請求項９に記載の投影露光装置によりデバイスパターンを感光基板上に投影露光するステップと、露光した感光基板を現像するステップとを有し、感光基板上に回路を形成することを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
投影露光装置の本体上でZenike計測を行い、得られた全Zenike係数から実デバイスパターンを用いたときの収差量（敏感度）を予測する事は原理上可能である。そこで理論的にZenike係数から実デバイスパターンを用いたときの収差量を予測できることから、新たな計測方法を考える上でZenikeを解析することから説明する。以下は表１に示すZenike３６項による多項式を例にとり説明する。本実施形態では特に３６項に限る必要はないが、現状一般に議論されている項という意味から３６項とした。
【００２４】
【表１】
0003796464.tif 000002
【００２５】
実デバイスパターンの結像を評価することで得られる投影光学系の収差量は、その投影光学系の波面収差つまりZernike係数を反映している。これら実デバイスパターンのある結像性能（例えば、ＣＤ、ＣＤ差、フォーカス差、歪など）の評価量とZernike係数の関係はしばしば線形な関係式で表すことができる。例えば図３６は５本バーパターン（白黒パターン）の両端のＣＤ差を数本のレンズにてSimulationより算出した結果と、先のＣＤ差とZernike係数との線形式から計算によりＣＤ差をもとめた結果との相関を示したグラフである。グラフから先の５本バーパターンにおける両端のＣＤ差とZernike係数の関係は十分に線形であると言える。他の例として孤立パターンのベストフォーカスやＨＶの非点、線幅寸法の違いによるベストフォーカス差（ＳＡ）なども図３７、図３８、図３９に示す。これらについても線形な式から十分に収差量の予測が可能であると言える。一般に前述したような評価量とZernike係数が線形な関係である対象については、そのような線形式の係数（Zernike敏感度）を求めてやることで、投影光学系の波面収差をある実デバイスパターンでの（実デバイスパターンを用いたときの）収差量に変換することができる。このZernike敏感度は計測条件もしくは計測の方式（例えば実パターンの寸法、形状、評価量、投影光学系のNA、照明系の照明条件など）に固有なベクトルであり、このベクトルを規格化したベクトルをある実デバイスパターンの収差量を表す単位ベクトルと考えれば、それと同じ単位ベクトルを持つ計測方法は同じ収差量を計測するものとなる。仮に投影レンズの波面収差が先の３６項で全て表現されるとした場合、３６項全てを使って前記内容を数式化すると、
【００２６】
【数１】
0003796464.tif 000003
【００２７】
となる。仮に▲１▼式の
【００２８】
【数２】
0003796464.tif 000004
【００２９】
と同じ単位ベクトルをもった計測方法による評価量をＳ’、規格化係数をｈ’とすると、評価量Ｓ’を測定することにより、▲２▼式から収差量Ｓを直接求めることができる。このことは、仮に求めようとしている収差量が像面、非点などのフォーカス量で、それに対し置き換えようとする他の測定方法の測定値の単位（評価量）が横ずれ量（シフト）で異なっていたとしても▲２▼式により変換されるため、置き換える対象の計測方法
【００３０】
【数３】
0003796464.tif 000005
【００３１】
と同じ単位ベクトルをもったものであれば、どんな他の計測方法でも置き換えが可能となる。
【００３２】
Ｓ  ＝  ｈ／ｈ’・Ｓ’  ・・・▲２▼
上記議論より、ある実デバイスパターンにおける収差計測方法の単位ベクトル
【００３３】
【数４】
0003796464.tif 000006
【００３４】
と同じ単位ベクトルを持つ別の計測方法を設計することにより、様々な実デバイスパターンにおける収差量の計測を置き換えが可能になる。そのような設計可能な別の計測方法として投影光学系の瞳領域の最適化による方式が考えられる。この方式は精度、計測時間の面で非常に優れた計測方法で、投影レンズの瞳位置に対応した像の位置ずれにおけるZernike敏感度を計算もしくは実験からデータベースとして持つことにより、投影光学系の瞳領域およびその領域内での重みを特定の収差に対し最適化することで、前記投影光学系の瞳領域内に光束が通過するような計測系を構築し、前記光束により形成された像（パターン像）の位置ずれを計測することにより先の特定な収差に対し収差量を計測することを特徴としている。本実施形態の場合、具体的な最適化としては、下記連立方程式（３）を行うことである。
【００３５】
【数５】
0003796464.tif 000007
【００３６】
上記連立方程式▲３▼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▲３▼式を満足させることを意味している。よって▲３▼式を満足する計測方法を構築することにより、その計測方法を使って像の位置ずれ量Ｓ’を計測すれば、▲２▼式から被計測用の投影光学系による実デバイスパターンの収差量Ｓを直接計測できることになる。
【００３７】
以上本実施形態は、前述したように投影レンズの瞳位置に対応した像の位置ずれにおけるZernike敏感度を計算もしくは実験からデータベースとして持つことにより、投影光学系の瞳領域およびその領域内での重みを特定な収差に対し最適化することで、前記投影光学系の瞳領域内に光束が通過するような計測系を構築し、前記光束により形成されたパターン像の所定位置からの位置ずれを計測することにより、従来の実デバイスパターンにおけるＳＥＭ測定による収差量の検査をより精度良いしかも検査時間の短い計測方法に置き換えることができる。この計測方法およびその機能を有し計測結果から前記投影光学系の収差を補正し、高い光学性を有す露光装置を達成している。
【００３８】
本実施形態の実デバイスパターンを用いたときの収差計測方法ではレチクル上の回路パターンを投影光学系を介し感光基板（ウエハ）上に投影する投影露光装置に適用し、投影光学系の実デバイスパターンにおける収差量（敏感度）を計測（算出）する。但し、前提条件としてZernikeの次数を３６項までとしているが、この次数はいくらであっても良い。
【００３９】
本実施形態では、投影レンズの瞳面に最適な形状および透過率の開口絞りもしくは瞳フィルターを設けることにより、特定の実デバイスパターンを用いたときの収差を計測している。実際にはレンズ鏡筒構造のスペース的な制約や厳しい環境コントロールの必要性から、瞳面にそのような特殊な開口絞りを様々な実デバイスパターンの収差測定に対してそれぞれ設けることは非常に難しい。そのためここでは瞳フィルターと同様な効果を発揮する方法について説明する。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ＥＬａの開口面に設けられた特殊な形状の照明絞り４および特殊な光学素子をもったレチクルを介して、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によって結像され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。
【００４０】
尚、テストパターンＴＰ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。これら空中像もしくは転写パターンの像の位置を測定することにより投影光学系１０の収差を測定している。前記テストパターンＴＰには、特願２００１−２６４５８１や特願２００１−２６４５８２で提案したパターンが適用できる。例えば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。これら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においてほぼ照明開口絞り４の開口形状（開口部）４ｂに近い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Ｗに転写したパターン像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４ｂは、前記投影レンズ１０の瞳面１０ａ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標準的な実デバイスパターンにおける収差計測方法について最適化を行ったものである。
【００４１】
本実施形態では、レチクル９上に形成されたテストパターンＴＰに最適化を施された開口を有する開口絞り４を有す照明光学系ＥＬａを介して、その主光線ＬＰが照射し、このレチクル９上のテストパターンＴＰが投影光学系１０で結像した空中像を測定もしくは感光基板Ｗにパターン像ＴＰａを転写する。次に前記照明光の開口絞り４を回転させるもしくは異なる開口絞りに変更する事により主光線ＬＰの方向を変えてレチクル９上のテストパターンＴＰが結像した空中像を測定もしくは感光基板Ｗにパターン像ＴＰａを転写する。上記工程を繰り返す事により、転写した複数のパターン像ＴＰａの位置を現像後測定することで投影光学系１０の瞳面１０ａ上の波面収差の特定の実デバイスパターンを用いたときの収差を測定している。前記プロセスについて以下Zernike項ごとに具体的な例を挙げて説明する。
【００４２】
図２は本実施形態の投影露光装置全体の要部概略図である。図１は図２の一部分の斜視図に相当している。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３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。ここで開口絞り４は図にあるように駆動系４ａを持ち、図３に示すようにその開口部４ｂの位置を回転方向に自由に変えられる。これにより照明光の主光線のレチクル入射方向を自由に変え、テストパターン１５とセットで使用することにより選択的に投影レンズ１０の瞳領域に光束を集めることができる。投影式レチクルブラインド６とレチクル９のパターン面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。
【００４３】
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。
【００４４】
露光光のもとで、レチクル９のパターン形成面に形成された前述した構成のテストパターン１５の像が、投影光学系１０を介してウエハステージ１２上に載置された検出系１１を構成するプレート１１ａ上に結像される。図４は検出系１１の拡大図である。
【００４５】
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。図４においてプレート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により受光処理され検出される。前記プレート１１ａ、スリット１１ｂ、受光器１１ｃを構成する検出系１１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に平行な方向で検出系１１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。
【００４６】
また、本実施形態では検出系１１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、このパターン像の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像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、プレート１１ａ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。
【００４７】
また、フォーカス信号は所定の範囲内（光軸方向の所定の範囲内）で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。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１４ａとレチクル９の中心の共役像との間の間隔、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Ｗ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。
【００４８】
図５（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６、図７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１５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を通しウエハステージ１２上に設けたプレート１１ａ上に結像させ、前記ウエハステージ１２を移動して前記プレート１１ａ上に設けたスリットパターン１１ｂ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により検出するよう構成し、前記ウエハステージ１２を前記投影光学系１０の光軸１０ｂ方向（Ｚ方向）に移動し、同時に光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）で前記第１の照明光の入射方向と同じ方向にウエハステージ１２を移動させＸ，Ｙ移動に同期して前記スリットパターン１１ｂを透過する光を前記検出器１１ｃにより検出し、Ｘ，Ｙ位置とその位置での透過検出光強度もしくは光量からなる検出信号を示す図３６〜図３９に対して前記プレート１１ａ上に結像したテストパターン１５の中心位置を算出する。次に開口絞り４の開口部４ｂの位置を回転もしくは開口形状を変更後、前記同様に同一のＺ位置とＸＹ平面上で前記テストパターン１５の結像中心位置を算出する。これによりテストパターン１５の位置ずれ量を求める。更に開口絞り４の開口部４ｂの位置を回転もしくは開口形状を変更後、上記工程を数回繰り返す。ここで使用する照明開口絞り４の開口部４ｂは計測する実デバイスパターンを用いたときの収差によってその形状を異にする。ここでは以下の条件における実デバイスパターンを用いたときの収差に対し具体的に説明を行う。
【００４９】
Ｉ）孤立ラインにおける小σ照明でのＨＶ像面収差
II）孤立ラインにおける輪帯（ＳＩＢ２）照明でのＨＶ像面収差
III）孤立ラインにおける小σ照明でのＨＶ非点収差
IV）孤立ラインにおける輪帯（ＳＩＢ２）照明でのＨＶ非点収差
Ｖ）５本バー両端チャートの輪帯（ＳＩＢ２）照明でのＣＤ差
VI）線幅サイズの違いによる輪帯（ＳＩＢ２）照明での孤立ラインのベストフォーカス差
これらＩ〜VIIに対応した絞り形状例を図８〜図１４に示す。これら絞り形状４ｂ毎に位置ずれZernike敏感度と最適化の目標とした実デバイスパターンを用いたときの収差のZernike敏感度の比較グラフを図１５〜図２２に示す。但し図１５〜図２２は後で述べる図２３に示したＩ〜VIIの評価量ごとに異なるプロセスを経た結果のものである。ここでは投影レンズのＮＡは０．６、波長２４８ｎｍの条件にてSimulationを行った。
【００５０】
Ｉ）孤立ラインにおける小σ照明でのＨＶ像面収差
図２３のイメージ図を使ってＨＶ像面収差について順を追って説明する。評価量は記号Ｆｖ（Ｖパターンベストフォーカス）、Ｆｈ（Ｈパターンベストフォーカス）で示してある。照明系の開口絞り４の開口形状は図８を使用している。始めの開口絞り位置ａ１に対し、開口部（図８）の位置を１８０°回転させた２回目の位置をａ２とすると、両者の開口絞り位置から形成される前記テストパターン１５の像のそれぞれの中心位置から両者の差の位置ずれ量Ｓ（ａ１−ａ２）を得る事ができる。この時位置ずれ量Ｓ（ａ１−ａ２）として２つの量を計測する。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（ａ１−ａ２），ＳＨ（ａ１−ａ２）と表す。次に前記同様位置ａ１の開口位置から９０°回転させた位置ａ３とさらに１８０°回転させた位置ａ４の２つの状態から形成された像の位置ずれ量ＳＶ（ａ３−ａ４），量ＳＨ（ａ３−ａ４）が得られる。これらと、あらかじめ計算より求めたフォーカス変化によるシフト敏感度ｍ，もしくは実験からもとめた先の敏感度ｍにより、どちらからでも以下の計算によりベストフォーカスＦｖ，Ｆｈを求めることができる。
【００５１】
Ｆｖ＝｛ＳＶ（ａ１−ａ２）｝／２ｍ
Ｆｈ＝｛ＳＨ（ａ３−ａ４）｝／２ｍ
これらベストフォーカスＦｖ，ＦｈのうちベストフォーカスＦｖを求めた際のZernike敏感度と目標の実デバイスパターンを用いたときの収差のZernike敏感度比較を図１５に示す。また前記述は、１像高についての計測であるが、これを複数の像高に適用することで像面を求めることができる。
【００５２】
II）孤立ラインにおける輪帯（ＳＩＢ２）照明でのＨＶ像面収差
図２３のイメージ図からＩ）と同様で、評価量は記号Ｆｖ（Ｖパターンベストフォーカス）、Ｆｈ（Ｈパターンベストフォーカス）で示してある。照明系の開口絞り４の開口形状は図９を使用している。Ｉ）と同じプロセスで、始めの開口絞り４の位置ａ１に対し、開口部（図９）の位置を１８０°回転させた２回目の位置をａ２とすると、両者の開口絞り４の位置から形成される前記テストパターン１５の像のそれぞれの中心位置から両者の差の位置ずれ量ＳＶ（ａ１−ａ２）、ＳＨ（ａ１−ａ２）を得る事ができる。次に前記同様位置ａ１の開口位置から９０°回転させた位置ａ３とさらに１８０°回転させた位置ａ４の２つの状態から形成された像の位置ずれ量ＳＶ（ａ３−ａ４），量ＳＨ（ａ３−ａ４）が得られる。これらと、あらかじめ計算より求めたフォーカス変化によるシフト敏感度ｍ，もしくは実験からもとめた先の敏感度ｍにより、どちらからでもＩ）と同じ計算によりベストフォーカスＦｖ，Ｆｈを求めることができる。
【００５３】
Ｆｖ＝｛ＳＶ（ａ１−ａ２）｝／２ｍ
Ｆｈ＝｛ＳＨ（ａ３−ａ４）｝／２ｍ
これらベストフォーカスＦｖ，ＦｈのうちベストフォーカスＦｖを求めた際のZernike敏感度と目標の実デバイスパターンを用いたときの収差のZernike敏感度比較を図１６に示す。また以上は、１像高についての計測であるが、これを複数の像高に適用することで像面を求めることができる。
【００５４】
III）孤立ラインにおける小σ照明でのHV非点収差
図２３より、評価量は記号ＨＶ１およびＨＶ２で示している。各々異なる方式で最適化を行ったケースを示している。ＨＶ１は先のＩ）で使用した開口絞り４の開口形状（図８）を使用し、Ｉ）のプロセス同様に位置ずれＳＶ（ａ１−ａ２）、ＳＨ（ａ３−ａ４）を求める。これらよりＨＶ１を算出する。
【００５５】
ＨＶ１＝｛ＳＶ（ａ１−ａ２）−ＳＨ（ａ３−ａ４）｝／２ｍ
次にＨＶ２は異なる開口絞り４の開口形状（図１０）を使用する。図２３より先のＩ）の入射方向とは異なり、開口位置を相対的に４５°回転させた状態ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４からＩ）と同様なプロセスで位置ずれ量ＳＶ，ＳＨを計測し、以下の計算により求める。
【００５６】
ＨＶ２＝｛−ＳＨ（ｂ１−ｂ２）+ＳＶ（ｂ１−ｂ２）−ＳＨ（ｂ３−ｂ４）−ＳＶ（ｂ３−ｂ４）｝／２ｋ
ここでｋはあらかじめ最適化の際求まる先の▲２▼式にあった係数ｈ／ｈ’であり，もしくは実験からも相関係数（傾き）から求めることが可能である。これらＨＶ１を求めた際のZernike敏感度と目標の実デバイスパターン収差のZernike敏感度比較を図１７に、ＨＶ２については図１８に示す。
【００５７】
IV）孤立ラインにおける輪帯（ＳＩＢ２）照明でのＨＶ非点収差
開口絞り４の開口形状は（図１１）を使用。III）と同じプロセスによりＨＶ１、ＨＶ２を求めることができる。これらＨＶ１を求めた際のZernike敏感度と目標の実デバイスパターン収差のZernike敏感度比較を図１９に、ＨＶ２については図２０に示す。
【００５８】
Ｖ）５本バー両端チャートの輪帯（ＳＩＢ２）照明でのＣＤ差
開口絞り４の開口形状（図１２）を使用。図２３の評価量の記号ＬＲｖ、ＬＲｈで示されている。この場合は前記４つの回転状態と異なり、ＬＲｖ、ＬＲｈそれぞれは１つの回転状態と他の十分大きな（σ＝１相当）円開口との組み合わせから求めている。ｃ１を０°の状態とするとｃ２はそこから９０°回転させた状態である。更にｃ０は十分おおきな円開口である。これらから前記同様なプロセスで位置ずれ量ＳＶ（ｃ１−ｃ０），ＳＨ（ｃ２−ｃ０）を計測する。これらから以下の式によりＬＲｖ、ＬＲｈを算出する。
【００５９】
ＬＲｖ＝ＳＶ（ｃ１−ｃ０）／ｋ
ＬＲｈ＝ＳＶ（ｃ１−ｃ０）／ｋ
図２１にＬＲｖにおけるZernike敏感度と目標の実デバイスパターン収差とのZernike敏感度比較を示す。
【００６０】
VI）線幅サイズの違いによる輪帯（ＳＩＢ２）照明での孤立ラインのベストフォーカス差図２３のイメージ図の評価量、記号ＳＡで示してある。照明系ＥＬａ開口絞り４の開口形状は図１３、図１４の２種類を使用している。線幅サイズの違いによる孤立ラインのベストフォーカス差は２つの異なる線幅それぞれのベストフォーカスを求め、差分を求めてやればよい。またこの収差ではＨ，Ｖの差は発生しないため、Ｖだけを調べてやればよい。従ってＩ）のＳＶを求めた際のプロセスと同様に行う。但し、前記２種類の開口絞りそれぞれで同じプロセスを行い両者の位置ずれ量、ＳＶ（ｄ１−ｄ２），ＳＶ（ｄ３−ｄ４）を計測し以下の式よりＳＡを算出する。
【００６１】
ＳＡ＝ＳＶ（ｄ１−ｄ２）／２ｍ−ＳＶ（ｄ３−ｄ４）／２ｍ’
ｍ，ｍ’は、先のそれぞれ異なる２種類の開口絞りから、あらかじめ計算より求めたフォーカス変化によるシフト敏感度、もしくは実験からもとめた相関係数（敏感度）である。
【００６２】
ＳＡにおけるZernike敏感度および目標の実デバイスパターンを用いたときの収差のZernike敏感度比較を図２２に示す。
【００６３】
以上述べた方式で、実際の投影レンズの数本分について絶対相関を調べた結果を図２４〜図３１に示す。実際に使用したレンズデータはＰＭＩにて測定したZernike係数である。グラフの横軸は実際の投影レンズのＰＭＩデータ（実測値）から前記各種実デバイスパターンを用いたときの評価条件における収差量を光学シミュレーションより求めた値で、縦軸は先と同じＰＭＩデータを用いて本計測方法による光学シミュレーションより得られた数値である。グラフは、それら同じＰＭＩデータに対応する２つの値をプロットしたものである。グラフから相関の傾きはほぼ１を示しており且つ相関の高い結果が得られていることが伺える。
【００６４】
この結果から、本方式による計測方法の置き換えが様々な実プロセスパターンに対する収差計測に対して可能であることが示せた。また先の実施例では開口絞り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。この実施例では検出系１１を使用してパターン像の中心位置を測定したが、他にも装置内のウエハステージ１２上に設けたホトクロ材料基板上に転写したりレジスト潜像を使用して現像することなく、そのまま装置内のオフアクシスアライメント検出系１４を使用してパターン像の中心位置を測定することも可能である。更に照明系の開口絞り４による有効光源の最適化による手段以外にも図３２に示す様にレチクルパターン面の反対のガラス面に照明系の開口絞り４ｂと同様な被計測パターンに対し、最適な有効光源の形状になるよう光束を遮光するよう遮光パターンを付ける方法も可能である。また前記遮光パターンを装置内レチクルステージ上にもちレチクルと組み合わせて使用することも可能である。これらの場合被計測マークと遮光パターンの位置関係は図２３に示す照明モード分作る必要がある。
【００６５】
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あらかじめ本体側で持っている計測された実デバイスパターンの敏感度テーブルから各補正系の補正量に換算することで、投影レンズ１０内にある補正光学系１０ｃを駆動させたり光源手段としてレーザを用いたときは、そのレーザ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。
【００６６】
次に本発明の実施形態２の感光基板（ウエハ）Ｗへの転写によるパターン像の具体例を示す。使用するテストパターンは実施形態１とは異なり、図３３に示す重ねたマークの位置ずれを計測する。図３４および図３５に使用するテストパターンの２種類のマークを示す。
【００６７】
図３４、３５においてグリッドの一部ＴＰＸが前述した図５に示すパターン形状より成っている。
【００６８】
前記図３４、３５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６や図７と同じ形状とした。ここでは２ｕｍのライン幅とした。次に露光手順を説明する。前記露光プロセスと同様、求めるZernike係数によって照明開口絞り４の開口形状４ｂを決め、ある１つの回転位置の状態でマーク１４ａおよび１５ａを露光し、次にマーク１４ａと１５ａが重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、同じく照明開口絞り４の開口形状４ｂで但し今度は回転状態を変えてマーク１４ａおよび１５ａを露光する。この時使用した２つの照明絞りの回転位置の状態は図２３の定義式に従う組み合わせで行う。この工程を図１０で定義した回数分繰り返し行う。そして、これら工程により転写された数個のマーク１４ａと１５ａの相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。得られた位置ずれ量から図２３の定義式の計算処理に従って各種収差量を算出する。
【００６９】
更に前記テストパターン１４ａ、１５ａを同一のレチクルもしくは別レチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法にて収差を計測可能となる。また先と同様、レチクルパターン面よりも照明系に近い面に遮光パターンを設け最適な有効光源を作ることも可能である。また計測結果を本体系にフィードバックすることにより投影レンズの収差補正が可能である。
【００７０】
以上のように各実施形態によれば投影光学系の光が通過する瞳領域の瞳形状を最適化する上で、最適な有効光源の形状と回折光の少ないパターンを組み合わせる事により、実デバイスパターン収差に対し投影光学系の瞳面上に最適な瞳フィルターを作り出す事ができた。そしてこれにより実デバイスパターン収差そのものを精度よく計測することができた。また各実施形態から判るように様々な実デバイスパターンや評価量に対して最適化が可能である。各実施形態における方式は様々な露光装置の投影レンズのＮＡや波長に対して最適化が適用可能で、高スループット、高精度な計測が可能である。更には、露光装置の収差補正系にフィードバックをかけることにより自動補正ができ、実デバイスに応じた最適化な補正が実現できる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば投影光学系の収差、特に敏感度を高精度に算出し、高い光学性能で実デバイスパターンを投影するときに好適な投影光学系の収差計測方法を達成することができる。
【００７２】
この他本発明によれば光学系の光学特性を高精度に計測することができ、この計測方法を搭載した投影露光装置を用いれば高精度なパターンニングを容易に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の投影露光装置の要部概略図
【図２】  本発明の投影露光装置の要部概略図
【図３】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図４】  位置ずれ検出における検出計の説明図
【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】  本発明に係るテストパターンの説明図
【図８】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図９】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図１０】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図１１】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図１２】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図１３】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図１４】  本発明に係る照明系の開口絞りの説明図
【図１５】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図１６】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図１７】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図１８】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図１９】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図２０】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図２１】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図２２】  本発明における投影光学系の瞳面上の最適化の説明図
【図２３】  本発明に係る計測プロセスの説明図
【図２４】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図２５】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図２６】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図２７】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図２８】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図２９】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図３０】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図３１】  本発明における開口絞りを用いたときの評価結果の説明図
【図３２】  本発明に係る他の方式の説明図
【図３３】  本発明に係るテストパターンの説明図
【図３４】  本発明に係るテストパターンの説明図
【図３５】  本発明に係るテストパターンの説明図
【図３６】  実デバイスパターンを用いたときの収差の説明図
【図３７】  実デバイスパターンを用いたときの収差の説明図
【図３８】  実デバイスパターンを用いたときの収差の説明図
【図３９】  実デバイスパターンを用いたときの収差の説明図
【符号の説明】
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
【図１】
0003796464.tif 000008
【図２】
0003796464.tif 000009
【図３】
0003796464.tif 000010
【図４】
0003796464.tif 000011
【図５】
0003796464.tif 000012
【図６】
0003796464.tif 000013
【図７】
0003796464.tif 000014
【図８】
0003796464.tif 000015
【図９】
0003796464.tif 000016
【図１０】
0003796464.tif 000017
【図１１】
0003796464.tif 000018
【図１２】
0003796464.tif 000019
【図１３】
0003796464.tif 000020
【図１４】
0003796464.tif 000021
【図１５】
0003796464.tif 000022
【図１６】
0003796464.tif 000023
【図１７】
0003796464.tif 000024
【図１８】
0003796464.tif 000025
【図１９】
0003796464.tif 000026
【図２０】
0003796464.tif 000027
【図２１】
0003796464.tif 000028
【図２２】
0003796464.tif 000029
【図２３】
0003796464.tif 000030
【図２４】
0003796464.tif 000031
【図２５】
0003796464.tif 000032
【図２６】
0003796464.tif 000033
【図２７】
0003796464.tif 000034
【図２８】
0003796464.tif 000035
【図２９】
0003796464.tif 000036
【図３０】
0003796464.tif 000037
【図３１】
0003796464.tif 000038
【図３２】
0003796464.tif 000039
【図３３】
0003796464.tif 000040
【図３４】
0003796464.tif 000041
【図３５】
0003796464.tif 000042
【図３６】
0003796464.tif 000043
【図３７】
0003796464.tif 000044
【図３８】
0003796464.tif 000045
【図３９】
0003796464.tif 000046