(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクにおいて、
前記計測パターンは、
第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差する第２方向に交互に配列した第１パターンと、
前記第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差する第２方向に交互に配列した第２パターンと、
前記第１パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第１パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第２方向に関して一方側に光の位相を変化させる第１の位相シフタ部と、
前記第２パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第２パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第２方向に関して他方側に光の位相を変化させる第２の位相シフタ部と
を有することを特徴とするマスク。
【請求項２】
前記第１位相シフタ部及び前記第２位相シフタ部は、前記第１パターンで生じる回折光と前記第２パターンで生じる回折光とを前記第２方向に関して互いに異なる角度に傾けることを特徴とする請求項１に記載のマスク。
【請求項３】
投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクにおいて、
前記計測パターンは、
マスク面内の第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差した第２方向に交互に配列した第１パターンと、
前記第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差した第２方向に交互に配列した第２パターンと、
前記第１パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第１パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第１パターンからの回折光を前記第２方向に関して傾ける第１の位相シフタ部と、
前記第２パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第２パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第２パターンからの回折光を前記第２方向に関して前記第１パターンからの回折光と逆向きに傾ける第２の位相シフタ部とを有することを特徴とするマスク。
【請求項４】
投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクにおいて、
前記計測パターンは、
マスクの面内の第１方向に線状に延びると共に、前記マスクの面内で前記第１方向と交差した第２方向に透過部を挟んで格子状に複数配置した遮光部と、該複数の遮光部の夫々の両側に位置する２箇所の透過部からの光の位相に着目したとき、前記第２方向に関して、該位相が一方側に相対シフトして所定の位相差となるように、各遮光部間の透過部のそれぞれに設けられた位相シフタ部とで構成される第１パターンと、
前記マスクの面内の第１方向に線状に延びると共に、前記マスクの面内で前記第１方向と交差した第２方向に透過部を挟んで格子状に複数配置した遮光部と、該複数の遮光部の夫々の両側に位置する２箇所の透過部からの光の位相に着目したとき、前記第２方向に関して、該位相が他方側に相対シフトして所定の位相差となるように、各遮光部間の透過部のそれぞれに設けられた位相シフタ部とで構成される第２パターンとを備え、
前記第１パターンと前記第２パターンとを前記マスクの面内で並置したことを特徴とするマスク。
【請求項５】
前記第１パターンが有する位相シフタ部及び前記第２パターンが有する位相シフタ部は、前記第１パターンで生じて前記投影光学系を通って結像に使われる１次回折光と前記第２パターンで生じて前記投影光学系を通って結像に使われる１次回折光とを前記第２方向に関して互いに逆向きに傾けることを特徴とする請求項４に記載のマスク。
【請求項６】
前記第１パターン及び前記第２パターンを前記投影光学系により像面側に投影したとき、前記第１パターンの像の位置と前記第２パターンの像との位置とがデフォーカス状態に応じて、互いに異なる方向に変位することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマスク。
【請求項７】
前記第１のパターンと前記第２のパターンとは、前記第１方向と直交する方向に並んで配置されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のマスク。
【請求項８】
前記投影光学系における光束の通過領域に対応する照明領域内に、前記第１パターン及び前記第２パターンの組を、前記照明領域の中心からの距離が異なるように二次元的に複数配置したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のマスク。
【請求項９】
前記第１パターンと前記第２パターンとは、ボックス・イン・ボックスを構成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のマスク。
【請求項１０】
前記第１パターン及び前記第２パターンの前記透過部と前記遮光部とを第１繰返し間隔で形成した第１マークと、前記第１パターン及び前記第２パターンの前記透過部と前記遮光部とを前記第１繰返し間隔よりも粗い第２繰返し間隔で形成した第２マークとを有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のマスク。
【請求項１１】
物体面に配置されたマスクのパターンを像面上に投影する投影光学系の焦点位置を計測する投影光学系の検査方法において、
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマスクを前記物体面に配置し、
前記マスクに形成された第１パターン及び第２パターンを前記投影光学系を介して前記像面側に投影し、
投影された前記第１パターンの像と前記第２パターンの像との位置関係を計測し、
前記計測結果に基づいて、前記投影光学系の焦点位置を計測することを特徴とする投影光学系の検査方法。
【請求項１２】
マスクに形成された回路パターンを投影光学系を介して基板上に投影する露光方法において、
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマスクを前記物体面に配置し、
前記マスクに形成された第１パターン及び第２パターンを前記投影光学系を介して基板上に投影し、
投影された前記第１パターンの像と前記第２パターンの像との位置関係を計測し、
前記計測結果に基づいて、前記投影光学系の結像特性を補正することを特徴とする露光方法。
【請求項１３】
物体面に配置されたマスク上のパターンの像を像面側に投影する投影光学系の結像特性を計測する投影光学系の検査装置において、
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のマスクと、
前記投影光学系を介して、前記像面側に投影される前記第１パターンの像及び前記第２パターン像の位置関係を求める位置検出手段と、
前記位置検出手段の検出結果に基づいて、前記投影光学系の結像特性を計測する計測手段とを備えたことを特徴とする投影光学系の検査装置。
【請求項１４】
前記計測手段は、前記第１、第２パターン毎に予め設定された基準位置と前記位置検出手段で検出された前記第１、第２パターンの像の検出位置との差に基づいて前記投影光学系の結像特性を計測することを特徴とする請求項１３に記載の投影光学系の検査装置。
【請求項１５】
マスク上に形成された回路パターンを投影光学系を介して基板上に投影転写する露光装置において、
請求項１３又は請求項１４に記載の投影光学系の検査装置と、
前記検査装置による投影光学系の結像特性の計測結果に基づいて、該結像特性を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクに関し、加えて、マスク上に形成された回路パターン等を感光性材料の塗布された基板上に投影するための投影光学系の焦点ずれを計測する投影光学系の検査装置、及び検査方法に関するものである。さらに、半導体素子、液晶表示素子、撮像素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスの製造工程におけるフォトリソグラフィー工程で使用される露光装置、及び露光方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の露光装置としては、例えば次のような構成が知られている。すなわち、照明光学系から出射される所定の波長の露光光で、フォトマスク、レチクル等に形成されたパターンを照明する。この照明により形成されたパターンの像を、投影光学系を介して、前記露光光に対して感光性を有するフォトレジストが塗布されたウエハ、ガラスプレート等の基板上に投影転写するようになっている。このような露光装置では、前記マスク上のパターンの像を高精度で基板上に結像させるため、前記投影光学系に残存する諸収差を含む結像特性を計測する検査装置が装備されている。
【０００３】
ここで、前記諸収差のうち、例えば前記投影光学系の光軸方向に焦点位置が変化する縦方向の収差には、前記パターンから出射された光の前記投影光学系における瞳面内を通過する位置と光軸との距離によって焦点位置の異なる球面収差が含まれている。そして、前記検査装置において、この球面収差は、例えば次のような方法により計測されている。
【０００４】
すなわち、ピッチｐの異なる複数のパターンを形成したマスクを用い、各パターンを垂直に照明しつつ、基板の光軸方向における位置を変化させて、各パターンの像を基板上に転写し、各パターン毎の焦点位置を求めるという方法で計測されている。この方法は、回折格子状のパターンから発生するｎ次の回折光の回折角θが、パターンのピッチｐ及び照明光の波長λに対し、
ｐ・ｓｉｎθ  ＝  ｎλ      ……  （１）
の関係を持つことを利用して、前記回折角に応じた焦点位置を求めるものとなっている。そして、この回折角に応じた焦点位置の計測結果から球面収差を求めるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来構成において、前記焦点位置の計測の方法が少なくとも２つある。第１の方法では、前記基板上に転写された各パターンの像を現像し、現像後の各パターンの像の線幅を、例えば走査型電子顕微鏡を用いて計測する。ここで、露光されたパターンの像において、許容される線幅の最大値と最小値との範囲の中心を求める。そして、その範囲の中心に対応する基板の光軸方向位置を焦点位置とするものである。これに対して、第２の方法では、同様に現像された各パターンの像の断面形状を、例えば走査型電子顕微鏡を用いて観察し、最もシャープな立ち上がりを示す像の転写時における基板の光軸方向位置を焦点位置とするものである。
【０００６】
ところが、前記２つの方法で検出された焦点位置間には若干のずれが生じることがあり、いずれの方法による焦点位置の検出結果を採用するかによって、計測される投影光学系の球面収差量が異なったものとなるおそれがある。このため、投影光学系に残存する球面収差の補正の精度が低下し、パターンの像の転写時における精度が低下するおそれがあった。
【０００７】
特に、レチクル上のパターンの像をウエハ上に投影転写する半導体素子は、近年ますます高度集積化する傾向にあり、その回路パターンも非常に微細なものとなっている。このような半導体素子を製造するためには、レチクル上のパターンの像を一層正確に基板上に結像させる必要があって、高精度な球面収差等の収差の計測が要求される。このため、前記従来構成による収差の計測では不十分となるおそれがあるという問題点があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的としては、投影光学系に残存する球面収差等の収差を含む結像特性を、簡単な構成で精度よく計測することができる検査装置及び検査方法を提供することにある。
【０００９】
また、その他の目的としては、投影光学系に残存する球面収差等の収差を含む結像特性を精度よく計測することができる簡単な構成の結像特性計測用マスクを提供することにある。
【００１０】
さらに、その上の目的としては、投影光学系に残存する球面収差等の収差を含む結像特性を精度よく補正して、露光精度の向上を図ることができる露光装置及び露光方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本願請求項１に係る発明のマスクは、投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクにおいて、前記計測パターンは、第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差する第２方向に交互に配列した第１パターンと、前記第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差する第２方向に交互に配列した第２パターンと、前記第１パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第１パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第２方向に関して一方側に光の位相を変化させる第１の位相シフタ部と、前記第２パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第２パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第２方向に関して他方側に光の位相を変化させる第２の位相シフタ部とを有することを要旨とする。
【００１２】
本願請求項２に係る発明のマスクは、請求項１に記載のマスクにおいて、前記第１位相シフタ部及び前記第２位相シフタ部は、前記第１パターンで生じる回折光と前記第２パターンで生じる回折光とを前記第２方向に関して互いに異なる角度に傾けることを要旨とする。
【００１３】
本願請求項３に係る発明のマスクは、投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクにおいて、前記計測パターンは、マスク面内の第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差した第２方向に交互に配列した第１パターンと、前記第１方向に線状に延びる遮光部と透過部とを前記第１方向と交差した第２方向に交互に配列した第２パターンと、前記第１パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第１パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第１パターンからの回折光を前記第２方向に関して傾ける第１の位相シフタ部と、前記第２パターンの透過部のそれぞれに設けられ、前記第２パターンの遮光部の一方側を透過する光と該遮光部の他方側を透過する光との間に位相差を与え、前記第２パターンからの回折光を前記第２方向に関して前記第１パターンからの回折光と逆向きに傾ける第２の位相シフタ部とを有することを要旨とする。
【００１４】
本願請求項４に係る発明のマスクは、投影光学系の焦点位置を求めるための計測パターンを備えるマスクにおいて、前記計測パターンは、マスクの面内の第１方向に線状に延びると共に、前記マスクの面内で前記第１方向と交差した第２方向に透過部を挟んで格子状に複数配置した遮光部と、該複数の遮光部の夫々の両側に位置する２箇所の透過部からの光の位相に着目したとき、、前記第２方向に関して、該位相が一方側に相対シフトして所定の位相差となるように、各遮光部間の透過部のそれぞれに設けられた位相シフタ部とで構成される第１パターンと、前記マスクの面内の第１方向に線状に延びると共に、前記マスクの面内で前記第１方向と交差した第２方向に透過部を挟んで格子状に複数配置した遮光部と、該複数の遮光部の夫々の両側に位置する２箇所の透過部からの光の位相に着目したとき、前記第２方向に関して、該位相が他方側に相対シフトして所定の位相差となるように、各遮光部間の透過部のそれぞれに設けられた位相シフタ部とで構成される第２パターンとを備え、前記第１パターンと前記第２パターンとを前記マスクの面内で並置したことを要旨とする。
【００１５】
本願請求項５に係る発明のマスクは、請求項４に記載のマスクにおいて、前記第１パターンが有する位相シフタ部及び前記第２パターンが有する位相シフタ部は、前記第１パターンで生じて前記投影光学系を通って結像に使われる１次回折光と前記第２パターンで生じて前記投影光学系を通って結像に使われる１次回折光とを前記第２方向に関して互いに逆向きに傾けることを要旨とする。
【００１７】
本願請求項６に係る発明のマスクは、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のマスクにおいて、前記第１パターン及び前記第２パターンを前記投影光学系により像面側に投影したとき、前記第１パターンの像の位置と前記第２パターンの像との位置とがデフォーカス状態に応じて、互いに異なる方向に変位することを要旨とする。
【００１８】
本願請求項７に係る発明のマスクは、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のマスクにおいて、前記第１のパターンと前記第２のパターンとは、前記第１方向と直交する方向に並んで配置されることを要旨とする。
【００１９】
本願請求項８に係る発明のマスクは、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のマスクにおいて、前記投影光学系における光束の通過領域に対応する照明領域内に、前記第１パターン及び前記第２パターンの組を、前記照明領域の中心からの距離が異なるように二次元的に複数配置したことを要旨とする。
【００２０】
本願請求項９に係る発明のマスクは、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のマスクにおいて、前記第１パターンと前記第２パターンとは、ボックス・イン・ボックスを構成することを要旨とする。
【００２１】
本願請求項１０に係る発明のマスクは、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のマスクにおいて、前記第１パターン及び前記第２パターンの前記透過部と前記遮光部とを第１繰返し間隔で形成した第１マークと、前記第１パターン及び前記第２パターンの前記透過部と前記遮光部とを前記第１繰返し間隔よりも粗い第２繰返し間隔で形成した第２マークとを有することを要旨とする。
【００２２】
本願請求項１１に係る発明の投影光学系の検査方法は、物体面に配置されたマスクのパターンを像面上に投影する投影光学系の焦点位置を計測する投影光学系の検査方法において、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマスクを前記物体面に配置し、前記マスクに形成された第１パターン及び第２パターンを前記投影光学系を介して前記像面側に投影し、投影された前記第１パターンの像と前記第２パターンの像との位置関係を計測し、前記計測結果に基づいて、前記投影光学系の焦点位置を計測することを要旨とする投影光学系の検査方法。
【００２３】
本願請求項１２に係る露光方法では、マスクに形成された回路パターンを投影光学系を介して基板上に投影する露光方法において、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマスクを前記物体面に配置し、前記マスクに形成された第１パターン及び第２パターンを前記投影光学系を介して基板上に投影し、投影された前記第１パターンの像と前記第２パターンの像との位置関係を計測し、前記計測結果に基づいて、前記投影光学系の結像特性を補正することを要旨とする。
【００２４】
本願請求項１３に係る投影光学系の検査装置では、物体面に配置されたマスク上のパターンの像を像面側に投影する投影光学系の結像特性を計測する投影光学系の検査装置において、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載のマスクと、前記投影光学系を介して、前記像面側に投影される前記第１パターンの像及び前記第２パターン像の位置関係を求める位置検出手段と、前記位置検出手段の検出結果に基づいて、前記投影光学系の結像特性を計測する計測手段とを備えたことを要旨とする。
【００２５】
本願請求項１４に係る投影光学系の検査装置では、請求項１３に記載の投影光学系の検査装置において、前記計測手段は、前記第１、第２パターン毎に予め設定された基準位置と前記位置検出手段で検出された前記第１、第２パターンの像の検出位置との差に基づいて前記投影光学系の結像特性を計測することを要旨とする。
【００２６】
本願請求項１５に係る露光装置では、マスク上に形成された回路パターンを投影光学系を介して基板上に投影転写する露光装置において、請求項１３又は請求項１４に記載の投影光学系の検査装置と、前記検査装置による投影光学系の結像特性の計測結果に基づいて、該結像特性を補正する補正手段とを備えたことを要旨とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下に、本発明を半導体素子製造用のステップ・アンド・リピート方式の一括露光型露光装置、その露光装置における投影光学系の検査装置、及びその検査装置に用いる結像特性計測用マスクに具体化した第１実施形態について、図１〜図１２に基づいて説明する。なお、この実施形態では、投影光学系に生じる収差として、特に球面収差及びコマ収差を計測する場合を中心に説明している。
【００３５】
まず、露光装置２１の全体構成を、図１に基づいて概略的に説明する。露光光源２２から照射された露光光ＥＬは、コリメータレンズ２３に入射して、ほぼ平行な所定の断面形状の光束に変換される。前記露光光ＥＬは、例えばＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２レーザ等のレーザ光、金属蒸気レーザやＹＡＧレーザ等の高調波、あるいはｇ線、ｈ線、ｉ線等の超高圧水銀ランプの輝線である。
【００３６】
前記コリメータレンズ２３を通過した露光光ＥＬは、ミラー２４を介してフライアイレンズ２５（ロッドレンズでもよい）に入射して多数の光束の合成光束に変換され、その射出側には多数の２次光源像が形成される。このフライアイレンズ２５によって形成される複数の２次光源像の露光光ＥＬは、図示しないターレット板上の所定の開口絞りを通過することにより、照明条件を変更される。
【００３７】
所定の開口絞りを通過した各２次光源像からの露光光ＥＬは、ミラー２６、コンデンサレンズ２７に入射する。コンデンサレンズ２７を通過した露光光ＥＬは、レチクルステージＲＳＴ上に、通常照明時の露光光ＥＬの光軸と直交するように保持されたマスクとしてのレチクルＲに入射する。このレチクルＲ上には、半導体素子等の回路パターン等が描かれている。
【００３８】
このように、前記露光光源２２からコンデンサレンズ２７までの合成系は、レチクルＲ上に形成された回路パターン等を露光光ＥＬにより照明する照明光学系２８を構成している。また、この照明光学系２８は、後述する投影光学系ＰＬの結像特性を計測する際の光発生手段の一部を構成している。そして、前記フライアイレンズ２５から射出される多数の２次光源像はレチクルＲ上で重畳され、レチクルＲが均一な照度で照明されるようになっている。
【００３９】
前記レチクルＲを通過した露光光ＥＬは、例えば両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射する。投影光学系ＰＬは、前記レチクルＲ上の回路パターンを例えば１／５あるいは１／４に縮小した投影像を、表面に前記露光光ＥＬに対して感光性を有するフォトレジストが塗布された基板としてのウエハＷ上に形成する。このウエハＷは、前記投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対してほぼ直交するようにウエハステージＷＳＴ上に保持されている。
【００４０】
ウエハステージＷＳＴは、ウエハステージ駆動部３１により、前記ウエハＷの表面が、投影光学系ＰＬの最適結像面に対し、任意方向に傾斜可能で、かつ投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に微動可能になっている。また、ウエハステージＷＳＴは、任意のショット領域を前記投影光学系ＰＬに対応させるために、前記光軸ＡＸと直交する二方向（Ｘ方向及びＹ方向）にも移動可能に構成されている。
【００４１】
これにより、ウエハＷ上の各ショット領域を一括露光する動作と、次のショット領域まで移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・リピート動作が可能になっている。なお、図１において、前記光軸ＡＸ（Ｚ方向）に直交するとともに紙面と平行な方向をＸ方向とし、光軸ＡＸ及び紙面に直交する方向をＹ方向とする。
【００４２】
前記ウエハステージＷＳＴの端部には、干渉計３２からのレーザビームを反射する移動鏡３３が固定されており、ウエハステージＷＳＴのＸＹ方向の位置は干渉計３２によって、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出される。なお、図１においては、Ｘ方向のみの干渉計３２及び移動鏡３３が示されている。そして、ウエハステージＷＳＴの位置情報は、露光装置２１全体を制御する主制御系３４に送られる。主制御系３４は、この位置情報に基づいて前記ウエハステージ駆動部３１を制御する。
【００４３】
また、前記投影光学系ＰＬを挟むように、照射光学系３５と受光光学系３６とからなる斜入射方式のウエハ位置検出系（焦点検出系）３７が配設されている。前記照射光学系３５は、ウエハＷの表面等に向けてピンホールあるいはスリット像を形成するための結像光束を、前記光軸ＡＸ方向に対して斜め方向より供給するものである。前記受光光学系３６は、その結像光束のウエハＷの表面での反射光束を照射光学系３５側のピンホールあるいはスリットと対応するピンホールあるいはスリットを介して受光するものである。
【００４４】
この焦点検出系３７の構成等は、例えば特開昭６０−１６８１１２号公報に開示されており、ここでの詳細な説明は省略する。前記焦点検出系３７は、予め設定された基準位置に対するウエハＷの表面のＺ方向の位置偏差を検出する。検出されたウエハＷの位置情報は、前記主制御系３４に送られる。主制御系３４は、このウエハＷの位置情報に基づいて、ウエハＷと前記投影光学系ＰＬとが所定の間隔を保つように、前記ウエハステージＷＳＴをＺ方向に駆動する。
【００４５】
前記投影光学系ＰＬの側面には、オフ・アクシス方式のウエハアライメント顕微鏡（ＷＡ顕微鏡）４０が装備されている。そして、このＷＡ顕微鏡４０により、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が検出されるようになっている。
【００４６】
前記ウエハステージＷＳＴ上のウエハＷの近傍には、空間像検出系４１が配備されている。この空間像検出系４１には、ウエハＷの表面の高さとほぼ一致するように設定された基準面と、その基準面上の矩形状の開口の下方に配設されたＣＣＤ等からなる受光センサとを備えている。そして、この受光センサにより、前記開口を通過した露光光ＥＬの強度が測定されて、その露光光ＥＬの光強度分布に関する検出信号が、信号処理部４２を介して前記主制御系３４に入力されるようになっている。
【００４７】
この空間像検出系４１を用いた前記投影光学系ＰＬの結像位置の検出の一例としては、例えば次のようなものが挙げられる。すなわち、所定のパターン、例えばライン・アンド・スペース・パターンの形成されたレチクルＲを用い、そのパターンの像を、投影光学系ＰＬを介して空間像検出系４１の基準面上の開口近傍に投影する。この状態から、ウエハステージＷＳＴを駆動して、パターンの像と開口とを相対移動させつつ、前記受光センサにより開口を通過したパターンの像の光強度分布を検出する。検出された光強度分布に関する信号は主制御系３４に入力され、その信号波形に基づいて前記パターンの像のコントラストが求められる。
【００４８】
このコントラストの計測を、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向の複数位置に前記基準面を相対移動させた状態で繰り返し行い、それらの計測結果のうちで高いコントラストを示す計測位置を前記投影光学系ＰＬにおける最適な結像面の位置とするものである。このような最適結像面の位置に関する情報は、例えば前記焦点検出系３７の基準位置の較正、投影光学系ＰＬの像面内における露光光ＥＬの照度分布計測などに用いられる。
【００４９】
前記投影光学系ＰＬには、その投影光学系ＰＬの鏡筒４５内に保持された複数のレンズエレメント４６の間隔を調整するための結像特性調整部４７が接続されている。また、前記投影光学系ＰＬには、前記鏡筒４５内の圧力（レンズエレメント４６間の圧力）を調整する圧力調整部４８が接続されている。前記主制御系３４は、投影光学系ＰＬに残存し、後述するように計測される球面収差を含む諸収差が補正されるように、結像特性調整部４７及び圧力調整部４８の動作を制御する。このように、これら結像特性調整部４７及び圧力調整部４８は補正手段を構成しており、この補正により前記投影光学系ＰＬの結像特性が補正され、レチクルＲ上のパターンの像の正確な露光が確保されるようになっている。
【００５０】
次に、前記ＷＡ顕微鏡４０及びその関連構成について、図２に基づいて詳細に説明する。
ＷＡ顕微鏡４０は、例えば広波長帯域の光を用いる画像処理方式のアライメント光学系（ＦＩＡ光学系）５１により構成されている。すなわち、照明光源５２からの照明光ＩＬは、ＦＩＡ光学系５１内のハーフミラー５２ａ及びミラー５３で反射され、偏向ミラー５４によって偏向された後、ウエハＷ上に形成されたアライメントマークを照明する。そのアライメントマークからの反射光ＲＬは、同じ光路を通って前記ＦＩＡ光学系５１に戻り、そのＦＩＡ光学系５１内において前記ハーフミラー５２ａを透過し、ハーフプリズム５５に入射する。そして、このハーフプリズム５５において、反射光ＲＬは２つの光束に分割される。
【００５１】
分割された各光束は、それぞれ２次元ＣＣＤよりなるＸ軸用及びＹ軸用の２つの撮像素子５６の撮像面上に前記アライメントマークの像を結像させる。このとき、各撮像素子５６の撮像面には、前記ＦＩＡ光学系５１の内部に配置された指標板５７上の指標マークの像も同時に結像される。この撮像面における受光像は、光電変換により撮像信号に変換されて信号処理装置５８に入力される。この信号処理装置５８において、図１に示す主制御系３４の制御のもとで、前記撮像信号に基づいてアライメントマークの投影像の指標マークに対する位置ずれが求められる。
【００５２】
この場合、前記ＷＡ顕微鏡４０の検出中心と前記レチクルＲの投影領域の中心との間隔であるベースライン量に対する前記指標マークの位置のオフセット量を予め求めておく。そして、このオフセット量とＷＡ顕微鏡４０で計測された指標マークに対するアライメントマークの像の位置ずれ量とに基づいて、前記ウエハステージ駆動部３１によりウエハＷの位置が調整される。これにより、ウエハＷ上の各ショット領域が所定位置に配置され、その各ショット領域のアライメントが正確に行われるようになっている。
【００５３】
次に、前記露光装置２１を含む露光システム全体の概略構成について、図３に基づいて説明する。
露光装置２１には、デベロッパ６１が接続されている。そして、露光装置２１においてウエハＷ上に投影転写された前記レチクルＲ上の回路パターン等の像や、後述する結像特性計測用の位相シフトレチクルＲｐｓ上のパターンの像は、このデベロッパ６１において現像される。
【００５４】
ここで、特に投影光学系ＰＬの結像特性計測時には、現像後のパターンの像の位置が、位置検出手段を構成する前記ＷＡ顕微鏡４０により検出される。この検出結果は計測手段を構成する前記主制御系３４に入力され、投影光学系ＰＬの諸収差を含む結像特性が計測される。そして、この計測結果に基づいて、前記結像特性調整部４７及び圧力調整部４８の動作が制御されて、投影光学系ＰＬの結像特性が補正される。
【００５５】
次に、前記投影光学系ＰＬに残存する球面収差等の収差を含む結像特性を検査する際に用いる結像特性計測用マスクとしての位相シフトレチクルＲｐｓについて説明する。
【００５６】
図４〜図６に示すように、前記位相シフトレチクルＲｐｓには、第１の繰り返し間隔が同一となるマークとしての第１同ピッチマークＭｓｐ１、第２の繰り返し間隔が同一となるマークとしての第２同ピッチマークＭｓｐ２、第１の繰り返し間隔が異なるマークとしての第１異ピッチマークＭｄｐ１、及び第２の繰り返し間隔が異なるマークとしての第２異ピッチマークＭｄｐ２が形成されている。これらのマークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２，Ｍｄｐ１，Ｍｄｐ２は一組として、位相シフトレチクルＲｐｓ上の照明領域の中心と、その中心からの距離が異なった四隅との５箇所に二次元的に配置されている。
【００５７】
前記各マークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２，Ｍｄｐ１，Ｍｄｐ２には、第１パターンとしての内側マークＭｉｐと、第２パターンとしての外側マークＭｏｐとがそれぞれ形成されている。これらのマークＭｉｐ，Ｍｏｐは、外側マークＭｏｐの内側に内側マークＭｉｐが配置された、いわゆるボックス・イン・ボックス・マークとなっている。また、位相シフトレチクルＲｐｓのレチクル基板６４は前記露光光ＥＬを透過する物質、例えばガラス、石英、蛍石等で形成されており、外側マークＭｏｐ及び内側マークＭｉｐはこのレチクル基板６４の一面側（本実施形態では下面側）に形成されている。
【００５８】
前記外側マークＭｏｐは、所定の距離をおいて離間するように配置され、Ｘ方向に沿って延びる一対の第１ライン・アンド・スペース・パターン（第１Ｌ／Ｓパターン）Ｐ１と、所定の距離をおいて離間するように配置され、Ｙ方向に沿って延びる一対の第２ライン・アンド・スペース・パターン（第２Ｌ／Ｓパターン）Ｐ２とからなっている。
【００５９】
前記内側マークＭｉｐは、所定の距離をおいて離間するように配置され、Ｘ方向に沿って延びる一対の第３ライン・アンド・スペース・パターン（第３Ｌ／Ｓパターン）Ｐ３と、所定の距離をおいて離間するように配置され、Ｙ方向に沿って延びる一対の第４ライン・アンド・スペース・パターン（第４Ｌ／Ｓパターン）Ｐ４とからなっている。
【００６０】
次に、各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４の構成について説明する。図４及び図６に示すように、前記各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４は、いずれも複数の透過部Ｐｔ（露光光ＥＬが透過する）及び遮光部Ｐｓ（露光光ＥＬが透過しない）を所定の繰り返し間隔で交互に配列した構成となっている。各遮光部Ｐｓは、レチクル基板６４の表面に形成された、例えばクロム、アルミニウム等の前記露光光ＥＬに対して不透明な物質の層６５によりなっている。各透過部Ｐｔは、不透明な物質の層６５が形成されておらず、前記透明な物質がそのまま露出した状態のレチクル基板６４の表面に一部及びレチクル基板６４の表面上に形成された所定深さの掘り込みによりなっている。
【００６１】
ここで、前記各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４の透過部Ｐｔは、透過部Ｐｔの一端から他端にかけて、レチクル基板６４の表面からの掘り込み量がほぼ一定量ずつ段階的に深く変化するように形成されている。また、外側マークＭｏｐの第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２と、内側マークＭｉｐの第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４とでは、それらの透過部Ｐｔにおける掘り込み量の変化する方向、つまり掘り込みが段階的に深くなる配列方向が逆になるように形成されている。これにより、第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２と、第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４とでは、それらの透過部Ｐｔを透過する露光光ＥＬの位相が互いに逆方向へ段階的に変化されるようになっている。
【００６２】
また、前記第１同ピッチマークＭｓｐ１内、及び第２同ピッチマークＭｓｐ２内では、各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４における透過部Ｐｔと遮光部Ｐｓとの繰り返し間隔（配列ピッチ）が同一となるように構成されている。そして、両同ピッチマークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２間では、第１同ピッチマークＭｓｐ１の配列ピッチが、第２同ピッチマークＭｓｐ２の配列ピッチよりも粗くなるように形成されている。
【００６３】
さらに、前記第１異ピッチマークＭｄｐ１内、及び第２異ピッチマークＭｄｐ２内では、各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４における透過部Ｐｔと遮光部Ｐｓとの配列ピッチが異なるように構成されている。すなわち、第１異ピッチマークＭｄｐ１においては、第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２の配列ピッチが、第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４の配列ピッチよりも細かくなるように形成されている。これに対して、第２異ピッチマークＭｄｐ２においては、第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２の配列ピッチが、第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４の配列ピッチよりも粗くなるように形成されている。
【００６４】
次に、本実施形態における投影光学系ＰＬに残存する球面収差等の収差を含む結像特性の検査方法について説明する。
まず、図１に示すように、前記レチクルステージＲＳＴ上に、光発生手段を構成する結像特性計測用マスクとしての位相シフトレチクルＲｐｓを載置する。ついで、図示しないターレット板上に形成された通常照明用の開口絞りを露光光ＥＬの光路内に対応させて、位相シフトレチクルＲｐｓを露光光ＥＬで垂直に照明する。そして、ウエハステージＷＳＴをＺ方向に駆動させて、ウエハＷの位置を投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に所定量ずつ変化させながら、位相シフトレチクルＲｐｓ上に形成された各マークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２，Ｍｄｐ１，Ｍｄｐ２におけるＬ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４の像を、ウエハＷ上に投影転写する。その後、これらのウエハＷ上に投影転写されたＬ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４の像を、デベロッパ６１において現像する。
【００６５】
この場合、各マークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２，Ｍｄｐ１，Ｍｄｐ２において、外側マークＭｏｐの第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２と、内側マークＭｉｐの第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４とでは、透過部Ｐｔの掘り込み量の変化方向が逆になっている。すなわち、図６に示すように、外側マークＭｏｐの第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２では、同図の右側の透過部Ｐｔほど掘り込み量が深くなっているのに対し、内側マークＭｉｐの第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４では、同図の右側の透過部Ｐｔほど掘り込み量が浅くなっている。
【００６６】
このため、掘り込み量の浅い透過部Ｐｔほど透過する光束に位相遅れが生じる。よって、外側マークＭｏｐの第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２では、各透過部Ｐｔを透過する光束の波面に図６の左側への傾きが生じるのに対して、内側マークＭｉｐの第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４では、各透過部Ｐｔを透過する光束の波面に同図の右側への傾きが生じる。
【００６７】
ここで、前記位相シフトレチクルＲｐｓにおけるＬ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４のピッチをｐ、隣り合う透過部Ｐｔ間の掘り込み段差量をｄ、石英等のレチクル基板６４の屈折率をｎ、露光光ＥＬの波長をλとすると、隣り合う透過部Ｐｔ間の位相差φは、次の（２）式で求められる。
φ＝ｄ（ｎ−１）／λ      ……（２）
この場合、位相シフトレチクルＲｐｓを照明する露光光ＥＬの入射角がθであるときの、ピッチｐのパターンの隣り合った透過部からの光束の位相差φは次の（３）式で求められる。
φ＝ｐ・ｓｉｎθ／λ      ……（３）
よって、この（２）式及び（３）式から、前記位相シフトレチクルＲｐｓでの傾斜照明の効果は、次の（４）式で表されることになる。すなわち、透過部Ｐｔの掘り込み量を段階的に変化させたＬ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４を有する位相シフトレチクルＲｐｓを用いた場合、そのＬ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４を特定の角度で斜入射照明する場合と同等の効果を得ることができる。
ｓｉｎθ＝ｄ（ｎ−１）／ｐ      ……（４）
さらに、斜入射照明におけるパターンからの回折光の発生について考察すると、ピッチｐのパターンからの１次回折光の回折角ψｏは、次の（５）式で求められる。
ｓｉｎψｏ＝λ／ｐ      ……（５）
これに対して、前記露光光ＥＬが位相シフトレチクルＲｐｓの段階的な位相シフト効果によって実質的に傾斜しているとき、０次光と逆の側に発生する１次回折光の回折角ψは、０次光側の符号を＋とすると、次の（６）式で求められる。
0003736271.tif 000002
なお、この場合０次光の回折角θは、ｓｉｎθ＝ｄ（ｎ−１）／ｐである。
【００６８】
ここで、前記回折角ｓｉｎψ及びｓｉｎθとパターンのピッチｐとの関係を、波長λ＝２４８ｎｍ、屈折率ｎ＝１．５０、掘り込み段差量ｄ＝１００ｎｍ及び２００ｎｍの場合について求めると、図７に示すようになる。
【００６９】
同図から明らかなように、透過部Ｐｔの掘り込み段差量ｄが大きいパターンほど、回折角が大きくなるが、掘り込み段差量ｄの同じパターンでは、ピッチｐが粗くなるほど回折角が小さくなることが分かる。また、掘り込み段差量ｄ＝１００ｎｍ及び２００ｎｍの場合において、０次光の回折光と１次光の回折光とのほぼ中間に、仮想的な像位置の傾きがあって、その傾きのいずれかに焦点位置が存在することが分かる。
【００７０】
そこで、前記位相シフトレチクルＲｐｓの各マークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２，Ｍｄｐ１，Ｍｄｐ２にて発生する露光光ＥＬの実際の回折現象について説明する。
まず、各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４のピッチの粗い第１同ピッチマークＭｓｐ１では、図８（ａ）に示すように、外側マークＭｏｐのＬ／ＳパターンＰ２において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して一方側に傾きをもった回折光ＢＬａ１，ＢＬａ２の二光束が発生する。これに対して、内側マークＭｉｐのＬ／ＳパターンＰ４においては、光軸ＡＸに対して他方側に傾きをもった回折光ＢＬｂ１，ＢＬｂ２の二光束が発生する。これらの二組の二光束による像位置の位置ずれを求め、その像の位置が一致する仮想的な焦点位置ＦＡ（ｘ）を求める。
【００７１】
具体的な計測方法としては、ウエハＷ上に投影転写されて、デベロッパ６１において現像された各マークＭｏｐ，Ｍｉｐの像を、位置検出手段としての前記ＷＡ顕微鏡４０の観察視野内にセットし、外側マークＭｏｐの像と内側マークＭｉｐの像との中心位置の差を、ＷＡ顕微鏡４０により計測する。そして、ウエハＷの位置を投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に変化させながら、両マークＭｏｐ，Ｍｉｐの露光を繰り返し行い、それらの像位置の位置ずれが０になる仮想的な焦点位置ＦＡ（ｘ）を求める。
【００７２】
すなわち、各ショット毎にウエハＷの位置を変化させて、両マークＭｏｐ，ＭｉｐをウエハＷ上に投影転写すると、図１０（ａ），（ｃ）に示すように、デフォーカス状態では、外側マークＭｏｐの像と内側マークＭｉｐの像との間に位置ずれが発生する。この両マークＭｏｐ，Ｍｉｐ間の位置ずれを計測して、その測定結果に基づいて、図１０（ｂ）に示すように、位置ずれが０になるベストフォーカス状態の仮想的な焦点位置ＦＡ（ｘ）を求めるものである。
【００７３】
同様に、各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４のピッチの細かい第２同ピッチマークＭｓｐ２では、図８（ｂ）に示すように、外側マークＭｏｐにおいて、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して一方側に傾きをもった回折光ＢＬｃ１，ＢＬｃ２の二光束が発生する。これに対して、内側マークＭｉｐにおいては、光軸ＡＸに対して他方側に傾きをもった回折光ＢＬｄ１，ＢＬｄ２の二光束が発生する。これらの二組の二光束による像位置の位置ずれを求め、その像の位置が一致する仮想的な焦点位置ＦＢ（ｘ）を求める。
【００７４】
この第２同ピッチマークＭｓｐ２の場合には、第１同ピッチマークＭｓｐ１の場合と比較して、各Ｌ／ＳパターンＰ１〜Ｐ４のピッチが細かく形成されているため、各回折光ＢＬｃ１，ＢＬｃ２，ＢＬｄ１，ＢＬｄ２の回折角が、前記回折光ＢＬａ１，ＢＬａ２，ＢＬｂ１，ＢＬｂ２よりも大きくなる。そして、前記投影光学系ＰＬに球面収差が残存する場合には、第１同ピッチマークＭｓｐ１の焦点位置ＦＡ（ｘ）と、第２同ピッチマークＭｓｐ２の焦点位置ＦＢ（ｘ）との間に位置ずれＺｄｉｆｆが発生する。
【００７５】
この焦点位置ＦＡ（ｘ），ＦＢ（ｘ）間の位置ずれＺｄｉｆｆは、前記の場合と同様にＷＡ顕微鏡４０により計測して、その計測結果を主制御系３４に入力する。主制御系３４には、例えば図１１に示すように、前記焦点位置ＦＡ（ｘ），ＦＢ（ｘ）間の位置ずれＺｄｉｆｆと、投影光学系ＰＬの球面収差との関係を表すテーブルデータが記憶されている。主制御系３４は、このテーブルデータに基づいて、前記位置ずれＺｄｉｆｆの計測結果から投影光学系ＰＬの球面収差を求める。
【００７６】
続いて、前記第１及び第２異ピッチマークＭｄｐ１，Ｍｄｐ２について説明する。まず、第１異ピッチマークＭｄｐ１では、外側マークＭｏｐが内側マークＭｉｐよりも細かいピッチで形成されている。このため、図９（ａ）に示すように、外側マークＭｏｐにおいては、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して一方側に大きな回折角の傾きをもった回折光ＢＬｅ１，ＢＬｅ２の二光束が発生する。これに対して、内側マークＭｉｐにおいては、光軸ＡＸに対して他方側に小さな回折角の傾きをもった回折光ＢＬｆ１，ＢＬｆ２の二光束が発生する。これらの二組の二光束による像位置の位置ずれを求め、その像の位置が一致する仮想的な焦点位置ＦＣ（ｘ）を求める。
【００７７】
一方、第２異ピッチマークＭｄｐ２では、外側マークＭｏｐが内側マークＭｉｐよりも粗いピッチで形成されている。このため、図９（ｂ）に示すように、外側マークＭｏｐにおいては、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに対して一方側に小さな回折角の傾きをもった回折光ＢＬｇ１，ＢＬｇ２の二光束が発生する。これに対して、内側マークＭｉｐにおいては、光軸ＡＸに対して他方側に大きな回折角の傾きをもった回折光ＢＬｈ１，ＢＬｈ２の二光束が発生する。これらの二組の二光束による像位置の位置ずれを求め、その像の位置が一致する仮想的な焦点位置ＦＤ（ｘ）を求める。
【００７８】
このとき、前記投影光学系ＰＬにコマ収差が残存する場合には、第１異ピッチマークＭｄｐ１の焦点位置ＦＣ（ｘ）と、第２異ピッチマークＭｄｐ２の焦点位置ＦＤ（ｘ）との間に位置ずれＺｄｉｆｆが発生する。この焦点位置ＦＣ（ｘ），ＦＤ（ｘ）間の位置ずれＺｄｉｆｆは、前記の場合と同様にＷＡ顕微鏡４０により計測して、その計測結果を主制御系３４に入力する。主制御系３４には、例えば図１２に示すように、前記焦点位置ＦＣ（ｘ），ＦＤ（ｘ）間の位置ずれＺｄｉｆｆと、投影光学系ＰＬのコマ収差との関係を表すテーブルデータが記憶されている。主制御系３４は、このテーブルデータに基づいて、前記位置ずれＺｄｉｆｆの計測結果から投影光学系ＰＬのコマ収差を求める。
【００７９】
さらに、前記ウエハＷ上に投影現像された位相シフトレチクルＲｐｓにおける各マークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２，Ｍｄｐ１，Ｍｄｐ２の像の位置等を適宜に比較することにより、前記球面収差及びコマ収差以外の、非点収差、像面湾曲、像面歪曲等の他の収差を計測することもできる。
【００８０】
そして、前記主制御系３４は、これらの諸収差の計測結果に基づいて、結像特性調整部４７または圧力調整部４８の少なくとも一方の動作を制御して、投影光学系ＰＬの諸収差を含む結像特性を補正する。これにより、実露光時におけるレチクルＲ上のパターンの像の正確な露光が確保される。
【００８１】
以上のように構成されたこの第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（イ）  前記露光装置２１では、第１パターンを構成する内側マークＭｉｐの像と第２パターンを構成する外側マークＭｏｐとの像を、その内側マークＭｉｐ及び外側マークＭｏｐからの光の位相をそれぞれ異ならせた状態で、投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に潜像として記録する。そして、現像された両マークＭｉｐ，Ｍｏｐの像の相対位置をウエハアライメント顕微鏡４０で検出し、その検出結果に基づいて投影光学系ＰＬの諸収差を含む結像特性を計測するようになっている。
【００８２】
このため、投影光学系ＰＬに残存する球面収差等の収差を、内側マークＭｉｐと外側マークＭｏｐとの像の相対位置情報として検出することが可能になる。よって、前記従来構成のように、検出方法によって検出結果に微妙なずれの生じる焦点位置の検出を行うことなく、投影光学系ＰＬの収差を含む結像特性をより正確かつ直接的に計測することができる。
【００８３】
（ロ）  前記露光装置２１では、投影光学系ＰＬの諸収差を計測する際に、透過する露光光ＥＬの位相を段階的に変化させる複数の透過部Ｐｔを有する内側マークＭｉｐ及び外側マークＭｏｐを備えた位相シフトレチクルＲｐｓを使用している。そして、前記内側マークＭｉｐの透過部Ｐｔと外側マークＭｏｐの透過部Ｐｔとでは、透過する露光光ＥＬの位相が互いに逆方向へ変化されるようになっている。
【００８４】
このように、位相シフトレチクルＲｐｓを用いることで、前記両マークＭｉｐ，Ｍｏｐの像は、それぞれ二光束干渉で結像することになる。よって、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に生じる収差を含む各マークＭｉｐ，Ｍｏｐの像の結像状態を、前記光軸ＡＸと交差する方向における位置情報として、容易かつ正確に検出することができる。
【００８５】
（ハ）  前記露光装置２１では、位相シフトレチクルＲｐｓの各マークＭｉｐ，Ｍｏｐにおいて、複数の透過部Ｐｔをレチクル基板６４の表面からの掘り込み量を段階的に変化させて形成することにより、それらの透過部Ｐｔを透過する露光光ＥＬの位相に段階的な変化を生じさせるようになっている。また、内側マークＭｉｐと外側マークＭｏｐとの間では、それらの透過部Ｐｔの掘り込み量の変化方向を逆にすることにより、逆方向の位相変化を生じさせるようになっている。
【００８６】
このため、位相シフトレチクルＲｐｓの構成が簡単で容易に製作することができるとともに、この位相シフトレチクルＲｐｓを用いて投影光学系ＰＬの結像特性を精度よく計測することができる。
【００８７】
（ニ）  前記露光装置２１では、位相シフトレチクルＲｐｓ上に、第１パターンを構成する内側マークＭｉｐと第２パターンを構成する外側マークＭｏｐとが、外側マークＭｏｐが内側マークＭｉｐを所定の間隔をおいて挟み込むように配置されている。
【００８８】
ここで、投影光学系ＰＬに球面収差等の収差が残存する場合、両マークＭｉｐ，Ｍｏｐの像は投影光学系ＰＬの像面内において逆方向に移動する。そして、外側マークＭｏｐが内側マークＭｉｐを挟み込むように配置されているため、両マークＭｉｐ，Ｍｏｐの相対位置を計測することで、両マークＭｉｐ，Ｍｏｐの位置ずれを一層精度よく計測することができる。
【００８９】
（ホ）  前記露光装置２１では、位相シフトレチクルＲｐｓ上に第１同ピッチマークＭｓｐ１及び第２同ピッチマークＭｓｐ２が形成され、各同ピッチマークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２にはそれぞれ内側マークＭｉｐ及び外側マークＭｏｐが設けられている。そして、各同ピッチマークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２内では、内側マークＭｉｐと外側マークＭｏｐとの透過部Ｐｔのピッチが同一となるように形成されている。また、両同ピッチマークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２間では、第１同ピッチマークＭｓｐ１の透過部Ｐｔのピッチが、第２同ピッチマークＭｓｐ２の透過部Ｐｔのピッチよりも粗くなるように形成されている。
【００９０】
このため、第１同ピッチマークＭｓｐ１の像と第２同ピッチマークＭｓｐ２の像と位置ずれを検出することによって、投影光学系ＰＬの球面収差を容易かつより正確に計測することができる。
【００９１】
（ヘ）  前記露光装置２１では、位相シフトレチクルＲｐｓ上に第１異ピッチマークＭｄｐ１及び第２異ピッチマークＭｄｐ２が形成され、各異ピッチマークＭｄｐ１，Ｍｄｐ２にはそれぞれ内側マークＭｉｐ及び外側マークＭｏｐが設けられている。そして、第１異ピッチマークＭｄｐ１においては、内側マークＭｉｐの透過部Ｐｔのピッチが外側マークＭｏｐの透過部Ｐｔのピッチよりも粗くなるように形成されている。また、第２異ピッチマークＭｄｐ２においては、内側マークＭｉｐの透過部Ｐｔのピッチが外側マークＭｏｐの透過部Ｐｔのピッチよりも細かくなるように形成されている。
【００９２】
このため、第１異ピッチマークＭｄｐ１の像と第２異ピッチマークＭｄｐ２の像と位置ずれを検出することによって、投影光学系ＰＬのコマ収差を容易かつより正確に計測することができる。
【００９３】
（ト）  前記露光装置２１では、位相シフトレチクルＲｐｓ上に、前記第１同ピッチマークＭｓｐ１、第２同ピッチマークＭｓｐ２、第１異ピッチマークＭｄｐ１、及び第２異ピッチマークＭｄｐ２を一組としたマークが、投影光学系ＰＬにおける露光光ＥＬの通過領域の中心、及びその中心から所定間隔をおいた四隅の５箇所に対応するように、二次元的に配置されている。
【００９４】
このため、照明領域内の複数箇所において、投影光学系ＰＬの球面収差やコマ収差等の収差を含む結像特性を一層正確に計測することができるとともに、像面湾曲等の他の収差を計測することもできる。
【００９５】
（チ）  前記露光装置２１では、内側マークＭｉｐと外側マークＭｏｐとの相対位置の検出に基づいて計測された投影光学系ＰＬの諸収差を含む結像特性が、結像特性調整部４７または圧力調整部４８の少なくとも一方により補正されるようになっている。
【００９６】
このため、投影光学系ＰＬに残存する球面収差等の収差をより正確に計測した上で、その計測結果に基づいて投影光学系ＰＬの結像特性を補正することができて、投影光学系ＰＬの結像特性をより正確に調整することができる。従って、レチクルＲ上のパターンの像をウエハＷ上に転写する実露光時において、一層正確に前記パターンの像をウエハＷ上に結像させることができて、露光精度の向上を図ることができる。
【００９７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００９８】
この第２実施形態では、図１３〜図１５に示すように、位相シフトレチクルＲｐｓに形成された第１及び第２同ピッチマークＭｓｐ１，Ｍｓｐ２、並びに第１及び第２異ピッチマークＭｄｐ１，Ｍｄｐ２において、内側マークＭｉｐ及び外側マークＭｏｐの構成が、前記第１実施形態と異なっている。
【００９９】
すなわち、前記第１実施形態では、内側マークＭｉｐの各第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４により、透過部Ｐｔの掘り込み量を一方側に向かって段階的に変化させた第１パターンが構成されている。また、外側マークＭｏｐの各第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２により、透過部Ｐｔの掘り込み量を他方側に向かって段階的に変化させた第２パターンが構成されている。
【０１００】
これに対して、この第２実施形態においては、外側マークＭｏｐの一方の第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２により第１パターンが構成され、それに隣接する内側マークＭｉｐの一方の第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４により第２パターンが構成されている。さらに、隣接する内側マークＭｉｐの他方の第３及び第４Ｌ／ＳパターンＰ３，Ｐ４により第１パターンが構成され、それに隣接する外側マークＭｏｐの他方の第１及び第２Ｌ／ＳパターンＰ１，Ｐ２により第２パターンが構成されている。つまり、透過部Ｐｔの掘り込み量を一方側に向かって段階的に変化させた第１パターンと、透過部Ｐｔの掘り込み量を反対側に向かって段階的に変化させた第２パターンとが、所定の間隔を介して交互に配置されている。
【０１０１】
よって、この位相シフトレチクルＲｐｓを用いて、各ショット毎にウエハＷの位置を変化させながら、両マークＭｏｐ，ＭｉｐをウエハＷ上に投影転写すると、図１４（ａ），（ｃ）に示すように、デフォーカス状態では、両マークＭｏｐ，Ｍｉｐの像に大きさのずれが発生する。この両マークＭｏｐ，Ｍｉｐ間の大きさずれを前記ＷＡ顕微鏡４０で計測して、その測定結果に基づいて、図１４（ｂ）に示すように、大きさずれが０になるベストフォーカス状態の仮想的な焦点位置ＦＡ（ｘ），ＦＢ（ｘ），ＦＣ（ｘ），ＦＤ（ｘ）を求める。
【０１０２】
そして、図１５に示すように、第１同ピッチマークＭｓｐ１と第２同ピッチマークＭｓｐ２との間において、前記仮想的な焦点位置ＦＡ（ｘ），ＦＢ（ｘ）の位置ずれＺｄｉｆｆを計測する。そして、その計測結果を図１１に示すテーブルデータに照合させることにより、投影光学系ＰＬの球面収差を求める。
【０１０３】
同様に、第１異ピッチマークＭｄｐ１と第２異ピッチマークＭｄｐ２との間において、前記仮想的な焦点位置ＦＣ（ｘ），ＦＤ（ｘ）の位置ずれＺｄｉｆｆを計測する。そして、その計測結果を図１２に示すテーブルデータに照合させることにより、投影光学系ＰＬのコマ収差を求める。
【０１０４】
従って、本実施形態によれば、前記第１実施形態における（イ）〜（ハ）及び（ホ）〜（チ）に記載の効果に加えて、次のような効果を得ることができる。
（リ）  透過部Ｐｔの掘り込み量を一方側に向かって段階的に変化させてなる第１パターンと、透過部Ｐｔの掘り込み量を第１パターンと反対側に向かって段階的に変化させてなる第２パターンとが、所定の間隔を介して交互に配置されている。
【０１０５】
このため、位相シフトレチクルＲｐｓにおけるパターンの構成が簡単であるとともに、両パターンの像の大きさの検出に基づいて、投影光学系ＰＬの収差を含む結像特性をより正確に計測することができる。
【０１０６】
（変更例）
なお、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・  前記各実施形態では、内側マークＭｉｐと外側マークＭｏｐとを位相シフトレチクルＲｐｓ上にボックス・イン・ボックス・マーク状に合成した状態に形成し、両マークＭｉｐ，Ｍｏｐを同時に露光する構成とした。これに対して、内側マークＭｉｐと外側マークＭｏｐとを位相シフトレチクルＲｐｓ上にそれぞれ独立して形成し、両マークＭｉｐ，Ｍｏｐを順次重ね合わせ露光するようにしてもよい。
【０１０７】
・  前記各実施形態では、内側マークＭｉｐ及び外側マークＭｏｐを、複数の透過部Ｐｔでのレチクル基板６４の表面からの掘り込み量を段階的に変化させて形成したが、複数の透過部Ｐｔに屈折率が段階的に変化するシフタを付けた構成にしてもよい。このシフタの形成方法としては、例えば複数の透過部Ｐｔにおいて、レチクル基板６４の表面上にレチクル基板６４とは材質の異なった第３の部材を積層厚さが段階的に変化するように形成する方法がある。また、複数の透過部Ｐｔにおいて、レチクル基板６４の表面に一定深さの掘り込みを形成し、それらの掘り込み内にイオンを濃度が段階的に変化するように注入する方法がある。
【０１０８】
・  前記各実施形態では、内側マークＭｉｐの像と外側マークＭｏｐの像との位置ずれまたは大きさのずれを、ウエハＷ上に転写して現像した後に計測した。これに対して、前記位置ずれまたは大きさのずれを、前記空間像検出系４１を用いて、両マークＭｉｐ，Ｍｏｐの像の光強度分布を検出し、その光強度分布の信号波形から計測してもよい。
【０１０９】
・  前記各実施形態では、内側マークＭｉｐの像と外側マークＭｏｐの像との位置ずれまたは大きさのずれを、ウエハＷ上に転写して現像した後に計測した。これに対して、前記位置ずれまたは大きさのずれを、前記ウエハＷ上で潜像の状態で計測してもよい。
【０１１０】
・  前記各実施形態では、内側マークＭｉｐの像と外側マークＭｏｐの像との位置ずれまたは大きさのずれを、ウエハアライメント顕微鏡４０を用いて計測したが、露光装置２１内に装備された図示しないレチクルアライメント顕微鏡、または露光装置２１の外部に付設された別の走査型電子顕微鏡を用いて計測してもよい。
【０１１１】
・  前記各実施形態では、ウエハアライメント顕微鏡４０で計測されたパターン間の位置ずれまたは大きさのずれＺｄｉｆｆを、予め設定されたテーブルデータに照合させて、投影光学系ＰＬの球面収差またはコマ収差を求めている。これに対して、主制御系３４で予め設定された演算式に基づいて、前記位置ずれまたは大きさのずれＺｄｉｆｆから、球面収差またはコマ収差を算出するようにしてもよい。
【０１１２】
・  また、露光光ＥＬとしては、前記各実施形態で挙げたものの他に、例えばＤＦＢ半導体レーザまたはファイバーレーザから発振される赤外域、可視域の単一波長レーザを、例えばエルビウム（またはエルビウムとイットリビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅する。そして、かつ非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いてもよい。具体的には、前記単一波長レーザの発振波長を、例えば１．５１〜１．５９の範囲内とすると、発生波長が１８９〜１９９ｎｍの範囲内である８倍高調波、または発生波長が１５１〜１５９ｎｍの範囲内である１０倍高調波が出力される。
【０１１３】
・  また、前記各実施形態では、本発明を半導体素子製造用の一括露光型の露光装置に具体化したが、本発明は、例えばステップ・アンド・スキャン方式の走査露光型露光装置、フォトマスク上の回路パターンをガラスプレート上に投影転写する液晶表示素子製造用の露光装置の他、撮像素子、薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイス製造用の露光装置、さらにはレチクル、フォトマスク等を製造するための露光装置等にも具体化してもよい。
【０１１４】
・  また、投影光学系ＰＬは、縮小系のもののみならず等倍系、拡大系のものを用いてもよいとともに、屈折型のもののみならず反射屈折型のものを用いてもよい。
【０１１５】
これらのようにしても、前記各実施形態とほぼ同様の効果が得られる。
次に、前記各実施形態及び変更例から把握できる請求項に記載した以外の技術的思想について、それらの効果とともに以下に記載する。
【０１１６】
（１）  前記第１パターン（Ｍｉｐ）及び第２パターン（Ｍｏｐ）は、前記光束を透過する透過部（Ｐｔ）と前記光束を遮光する遮光部（Ｐｓ）とを有し、前記遮光部（Ｐｓ）を介して隣接する前記透過部（Ｐｔ）を通過する光束における位相の変化量の差がほぼ一定になるように形成したこと特徴とする請求項５に記載の結像特性計測用マスク。
【０１１７】
従って、この（１）に記載の発明によれば、前記請求項５に記載の発明の効果に加えて、第１パターンと２パターンとの間で、それらのパターンを通過する光束に所定の位相変化を生じさせることができるという効果が得られる。
【０１１８】
（２）  前記第１パターン（Ｍｉｐ）及び前記第２パターン（Ｍｏｐ）を、それらの各透過部（Ｐｔ）及び遮光部（Ｐｓ）が一定の方向を指向するとともに、その一方のパターン（Ｍｏｐ）が他方のパターン（Ｍｉｐ）を所定の距離を介して挟み込むように配置したことを特徴とする請求項５〜請求項７、前記（１）のうちいずれか一項に記載の結像特性計測用マスク。
【０１１９】
従って、この（２）に記載の発明によれば、前記請求項５〜請求項７、前記（１）のうちいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、計測用マスクの構成が簡単であるとともに、両パターンの像の位置ずれの検出に基づいて、投影光学系の収差を含む結像特性をより正確に計測することができるという効果が得られる。
【０１２０】
（３）  前記第１パターン（Ｍｉｐ，Ｍｏｐ）と前記第２パターン（Ｍｏｐ，Ｍｉｐ）とを、それらの各透過部（Ｐｔ）及び遮光部（Ｐｓ）が一定の方向を指向するとともに、所定の間隔を介して交互に配置したことを特徴とする請求項５〜請求項７、前記（１）のうちいずれか一項に記載の結像特性計測用マスク。
【０１２１】
従って、この（３）に記載の発明によれば、前記請求項５〜請求項７、前記（１）のうちいずれか一項に記載の発明の効果に加えて、計測用マスクの構成が簡単であるとともに、両パターンの像の大きさの検出に基づいて、投影光学系の収差を含む結像特性をより正確に計測することができるという効果が得られる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本願に係る発明によれば、投影光学系の光軸方向に生じる焦点のずれを、その光軸と交差する方向における位置情報として、容易かつより正確に検出することができて、投影光学系の焦点のずれを精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の検査装置を搭載した露光装置を示す概略構成図。
【図２】  図１の露光装置におけるウエハアライメント顕微鏡を示す概略構成図。
【図３】  図１の露光装置を含む露光システムを示す概略構成図。
【図４】  第１実施形態の計測用レチクルの計測マークを示す平面図。
【図５】  図４の計測マークの配置状態を示す計測用レチクルの平面図。
【図６】  図４（ｂ）の６−６線における部分拡大断面図。
【図７】  ベストフォーカス位置の決定に関する説明図。
【図８】  球面収差の計測方法に関する説明図。
【図９】  コマ収差の計測方法に関する説明図。
【図１０】  球面収差計測時における各マークの観察状態を示す説明図。
【図１１】  球面収差を求めるためのテーブルデータを示す図。
【図１２】  コマ収差を求めるためのテーブルデータを示す図。
【図１３】  第２実施形態の計測用レチクルを示す部分拡大断面図。
【図１４】  第２実施形態の球面収差計測時における各マークの観察状態を示す説明図。
【図１５】  第２実施形態の球面収差の計測方法に関する説明図。
【符号の説明】
２１…露光装置、２８…光発生手段の一部を構成する照明光学系、３４…計測手段を構成する主制御系、４０…位置検出手段を構成するウエハアライメント顕微鏡、４７…補正手段を構成する結像特性調整部、４８…補正手段を構成する圧力調整部、６４…レチクル基板、ＥＬ…露光光、Ｍｓｐ１…第１の繰り返し間隔が同一となるマークとしての第１同ピッチマーク、Ｍｓｐ２…第２の繰り返し間隔が同一となるマークとしての第２同ピッチマーク、Ｍｄｐ１…第１の繰り返し間隔が異なるマークとしての第１異ピッチマーク、Ｍｄｐ２…第２の繰り返し間隔が異なるマークとしての第２異ピッチマーク、Ｍｉｐ…第１パターンとしての内側マーク、Ｍｏｐ…第２パターンとしての外側マーク、ＰＬ…投影光学系、Ｐｓ…遮光部、Ｐｔ…透過部、Ｒ…マスクとしてのレチクル、Ｒｐｓ…結像特性計測用マスクとしての位相シフトレチクル、Ｗ…基板としてのウエハ。
【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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