(57)【要約】投影光学系（ＰＬ）による所定のパターンの投影像を計測する空間像計測器（５９）と、投影光学系の波面収差を計測する波面計測器（８０）と、を備えており、空間像計測器による計測結果と、波面計測器による計測結果とに基づいて、主制御装置（５０）により、光学系の結像特性が算出される。従って、空間像計測器により計測される空間像の計測結果に含まれる収差の影響が波面収差の計測結果に基づいて主制御装置により補正されるので、結果的に投影光学系の結像特性を精度良く算出することができる。すなわち、この算出結果に基づいて投影光学系の結像特性を調整することで、投影光学系の結像特性を高精度に調整することができる。
2002050506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測光学系の波面収差を計測する波面計測装置であって、
計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；
該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；
前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；
前記受光部と前記受光光学系との間に配置される断熱部材と；を備える波面計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波面計測装置において、
前記筐体は、前記受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部を有することを特徴とする波面計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の波面計測装置において、
前記受光光学系を構成する光学素子の近傍の前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；
前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を更に備えることを特徴とする波面計測装置。
【請求項４】
被計測光学系の波面収差を計測する波面計測装置であって、
計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；
該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；
前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；
前記筐体に設けられ、前記受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部と；を備える波面計測装置。
【請求項５】
請求項４に記載の波面計測装置において、
前記受光光学系を構成する光学素子の近傍の前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；
前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を更に備えることを特徴とする波面計測装置。
【請求項６】
被計測光学系の波面収差を計測する波面計測装置であって、
計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；
該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；
前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；
前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；
前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を備える波面計測装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の波面計測装置の使用方法であって
波面計測に先立って、前記受光部の温度をほぼ飽和状態にする工程を含む波面計測装置の使用方法。
【請求項８】
マスクのパターンを投影光学系を介して基板上に転写する露光装置であって、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の波面計測装置を構成する前記筐体が着脱自在に装着され、前記基板が載置される基板ステージを備える露光装置。
【請求項９】
マスクのパターンを投影光学系を介して基板上に転写する露光装置であって、
請求項２、４、５のいずれか一項に記載の波面計測装置を構成する前記筐体が前記遮熱部を前記投影光学系側に向けた状態で着脱可能であるとともに、前記基板が載置される基板ステージと；
前記基板ステージに装着された前記筐体の位置を計測する位置計測装置と；を備える露光装置。
【請求項１０】
光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、
前記光学系による所定のパターンの投影像を計測する第１工程と；
前記光学系の波面収差を計測する第２工程と；
前記第１及び第２工程の計測結果に基づいて、前記光学系の結像特性を算出する第３工程と；を含む結像特性計測方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の結像特性計測方法において、
前記第３工程では、前記波面収差の計測結果に基づいて、前記投影像の計測結果に含まれる、異なる結像特性成分を分離することを特徴とする結像特性計測方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の結像特性計測方法において、
前記分離される結像特性成分には、歪曲収差成分とコマ収差成分とが含まれることを特徴とする結像特性計測方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の結像特性計測方法において、
前記分離される結像特性成分には、像面湾曲成分と球面収差成分とが含まれることを特徴とする結像特性計測方法。
【請求項１４】
光学系の結像特性を補正する結像特性補正方法であって、
前記光学系の結像特性を、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の結像特性計測方法により計測する計測工程と；
前記計測工程における計測結果に基づいて、前記光学系の結像特性を補正する補正工程と；を含む結像特性補正方法。
【請求項１５】
エネルギビームによりパターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンを投影光学系を介して基板に転写する露光方法であって、
請求項１４に記載の結像特性補正方法により、前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正工程と；
前記結像特性補正工程の後に、前記投影光学系を介して前記パターンを前記基板に転写する転写工程と；を含む露光方法。
【請求項１６】
光学系の結像特性を補正する結像特性補正方法であって、
前記光学系による所定のパターンの投影像を、第１の結像条件の下で計測する第１計測工程と；
前記光学系の波面収差の計測を行う第２計測工程と；
前記第１の結像条件とは異なる第２の結像条件下におけるパターンの投影像を、前記第２計測工程の計測結果に基づいて推測し、該推測結果に応じて、前記第２の結像条件下における前記光学系の結像特性を補正する補正工程と；を含む結像特性補正方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の結像特性補正方法において、
前記第１の結像条件と前記第２の結像条件とでは、照明条件、前記光学系の開口数、及び前記パターンのいずれかが異なることを特徴とする結像特性補正方法。
【請求項１８】
エネルギビームによりパターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンを投影光学系を介して基板に転写する露光方法であって、
請求項１６又は１７に記載の結像特性補正方法により、前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正工程と；
前記結像特性補正工程の後、前記投影光学系を介して前記パターンを前記基板に転写する転写工程と；を含む露光方法。
【請求項１９】
光学系の結像特性を管理する結像特性管理方法であって、
前記光学系によるパターンの投影像を計測する空間像計測を第１のインターバルで実行する空間像計測工程と；
前記光学系の波面収差を計測する波面計測を前記第１のインターバルに比べて大きい第２のインターバルで実行する波面計測工程と；を含む結像特性管理方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の結像特性管理方法において、
直前に行われた前記空間像計測の計測結果と最後に行われた波面収差の計測結果とに基づいて、前記空間像計測結果の変動を予測する予測工程と；
前記予測した空間像の計測結果と直後に行われた空間像の計測結果との比較結果に応じて、前記波面収差の計測必要性の有無を判断する判断工程とを更に含み、
前記波面収差の計測が必要と判断した場合に、前記波面収差の計測を実行することを特徴とする結像特性管理方法。
【請求項２１】
光学系の結像特性を計測する結像特性計測装置であって、
前記光学系による所定のパターンの投影像を計測する空間像計測器と；
前記光学系の波面収差を計測する波面計測器と；
前記空間像計測器による計測結果と、前記波面計測器による計測結果とに基づいて、前記光学系の結像特性を算出する演算装置と；を備える結像特性計測装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の結像特性計測装置において、
前記波面計測器は、
計測時に前記光学系を通った光が入射する受光光学系と；
該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；
前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；
前記受光部と前記受光光学系との間に配置される断熱部材と；を有することを特徴とする結像特性計測装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の結像特性計測装置において、
前記波面計測器は、
計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；
該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；
前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；
前記筐体に設けられ、前記受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部と；を有することを特徴とする結像特性計測装置。
【請求項２４】
請求項２１に記載の結像特性計測装置において、
前記波面計測器は、
計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；
該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；
前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；
前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；
前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を有することを特徴とする結像特性計測装置。
【請求項２５】
請求項２１に記載の結像特性計測装置と；
前記結像特性計測装置による計測結果に基づいて、前記光学系の結像特性を補正する補正装置と；を備える結像特性補正装置。
【請求項２６】
エネルギビームによりパターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンを投影光学系を介して基板に転写する露光装置であって、
前記投影光学系の結像特性を補正する請求項２５に記載の結像特性補正装置と；
前記結像特性補正装置が備える前記空間像計測器及び前記波面計測器を搭載可能で、前記基板を保持する基板ステージと；を備える露光装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の露光装置において、
前記波面計測器は、前記基板ステージに対して着脱自在であることを特徴とする露光装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の露光装置において、
前記マスクが載置されるとともに、前記空間像計測器で計測される計測用パターンが形成された基準部材が設けられた、マスクステージを更に備えることを特徴とする露光装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、波面計測装置及びその使用方法、結像特性計測方法及び装置、結像特性補正方法及び装置、結像特性管理方法、並びに露光方法及び装置に係り、更に詳しくは、所定のパターン像を投影する光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法及び結像特性計測装置、前記結像特性計測方法に好適に用いることができる波面計測装置及びその使用方法、前記結像特性計測方法を含む結像特性補正方法及び前記結像特性計測装置を含んで構成される結像特性補正装置、前記光学系の結像特性を管理する結像特性管理方法、並びに前記結像特性補正装置を含んで構成される露光装置及び前記結像特性補正方法を含む露光方法に関する。
背景技術
従来より、半導体素子、液晶表示素子等を製造するリソグラフィ工程では、ステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッパ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）などの露光装置が用いられている。
近年、これらの露光装置では、半導体素子等の高集積化に伴って回路パターンが微細化し、これに対応して解像力の向上を図るため様々な超解像技術が用いられるようになってきた。これに伴い、使用される投影光学系に対し、その収差を極限まで抑えることが要求されてきている。このため、計測用パターンを投影光学系を介して基板上に投影し、その投影像（空間像）を計測した計測結果や、前記計測用パターンを基板上に焼き付けて得られるレジスト像の線幅等の計測結果に基づく投影光学系の結像特性の評価だけではなく、投影光学系の波面収差を計測し、その結果により、厳密に収差の調整を行う必要が出てきた。
このため、従来においても、投影光学系を露光装置に組み付ける前の投影光学系単体での調整工程において、投影光学系を専用の波面計測機（例えば、干渉計などを用いて、投影光学系の波面収差を計測する大型の計測機）に搭載して、その波面収差を計測し、その計測結果に基づいて厳密に収差を調整することがなされていた。
しかしながら、その後の半導体素子の更なる高集積化に伴い、最近では、投影光学系単体での状態と露光装置本体に組み込んだ後の状態との環境の変化や、露光装置本体に組み込む際の不慮の事故、あるいは出荷直前に計測することによる品質保証の観点から、投影光学系を露光装置本体に組み込んだ後に投影光学系の波面収差を計測する必要が生じてきた。
かかる必要性に応えるべく、投影光学系を露光装置本体に組み込んだ後にその波面収差を計測可能な波面計測装置の研究・開発が露光装置メーカーなどで現在盛んに行われている。
投影光学系を露光装置に搭載した状態（いわゆるオン・ボディ）で、その投影光学系の波面収差を計測できる波面計測装置としては、基板（ウエハ）が載置される基板ステージ（ウエハステージ）に装着するタイプ、あるいはウエハステージと交換するタイプ等が考えられる。
しかるに、波面計測はそれほど頻繁に行う必要はないため、波面計測装置は、通常は殆ど使用されないものである一方、波面計測装置は、それ自体のキャリブレーションを所定間隔で行う必要があるのに加え、高価である。従って、複数の露光装置間で１つの波面計測装置を共用できることが望ましい。かかる理由により、基板ステージに着脱自在に取付け可能なタイプや、基板ステージと交換して使用するタイプなどの、計測時にのみ露光装置に装着する小型の波面計測器が、昨今の開発の主流となっている。
しかしながら、上記の計測時にのみ露光装置に装着する波面計測器は、着脱自在であるが故に、露光装置の通常の使用時には、波面収差を容易、かつ迅速に計測することは難しいことになる。
また、上記の波面計測器は、投影光学系の波面収差を厳密に計測できるが、パターン像の結像位置の計測、具体的には、光軸に垂直な方向の結像位置ずれの計測（いわゆるディストーション計測）、及び光軸方向の結像位置ずれの計測（いわゆる像面計測）を精度良くできる構成とはなっていない。その理由は、次の通りである。
すなわち、上記の波面計測器を用いて例えば上記のディストーション計測を行う場合には、投影光学系の物体面にピンホールが形成されたレチクルを配置し、そのレチクルを露光光で照明し、ピンホールから射出された光を投影光学系及び波面計測器内の受光光学系を介して受光素子で受光しなければならない。このため、ピンホールの位置と波面計測器内の受光光学系を構成する対物レンズの光軸中心とが合っていないと、波面が傾いていないにもかかわらず、波面計測器では波面の傾きとして計測される。すなわち、波面計測器でディストーション計測を高精度に行うためには、波面の傾きを精度良く計測することが不可欠となる。
しかし、波面計測器は、波面の形状を計測するためのものであって、波面全体の傾きを計測するためのものではない。このため、ディストーション計測を行うために必要とされる精度で波面の傾きを計測するほどの性能を有していない。従って、上記ピンホールの結像位置を、十分に高い精度で計測することは難しく、上記のような性能を満足させるためには、波面計測器が必然的に大型化、重量化し、基板ステージに着脱するという本来の目的の達成が困難となる。また、計測性能を上げるために高価となる。
また、上述した波面計測器を用いて上記の像面計測を行う場合を考えると、露光装置に備えられる、基板上の複数の計測点における投影光学系の光軸方向に関する位置を計測する多点焦点検出系（多点ＡＦ系）を用いて波面計測器の光軸方向位置を検出しつつ、計測を行うことが考えられる。
しかしながら、多点焦点検出系の計測ポイントは、所定の間隔を隔てて設定されているため、投影光学系の像面を広範囲にわたって検出している。そのため、投影光学系の像面の任意の位置を正確に計測することは困難である。
かかる理由により、波面計測器は、投影光学系のパターン像の結像位置の計測には、不向きな構成となっている。
また、特にウエハステージに装着するタイプの場合、投影光学系のウエハ側の端面とウエハステージとの間の狭い空間に取り付けなければならず、そのためには、波面計測装置を小型化して、この狭い空間に入れなければならない。その場合、波面計測装置を構成するＣＣＤ等の光電検出器の光電変換時の発熱、あるいは該光電検出器の駆動回路、例えば電荷転送制御回路等の電気回路の発熱が、波面収差の計測に与える影響が問題となる。かかる発熱が波面収差の計測に与える影響は、ウエハステージと交換するタイプにおいても、程度の差こそあれ、同様に問題となる。
上述した発熱が波面収差の計測へ与える影響としては、次の（ａ）〜（ｃ）が代表的に挙げられる。
（ａ）投影光学系の収差が本来の使用時（露光時）と収差計測時とで異なり、露光時における投影光学系の収差を正確に求めることができなくなる。
（ｂ）前記の空間の近傍には、ウエハの水平面内の位置を計測するレーザ干渉計や、ウエハの光軸方向の位置を検出するフォーカス位置検出系などの光学的な位置計測装置が設けられており、波面計測に際しては、これらの位置計測装置が波面計測装置の位置計測に用いられる。しかし、上記の発熱により、それらの位置計測装置の計測ビームにいわゆる空気揺らぎ（温度の揺らぎ）が発生し、結果的に波面収差の計測精度を低下させてしまう。
（ｃ）波面計測装置自体の温度が変化し、安定な波面収差の計測が困難になってしまう。
上記のような熱による、波面計測への影響は、従来の波面計測機においては、発熱源となる構成部分を波面計測に与える影響が問題とならなくなる位置まで遠ざける等して解決していたが、オン・ボディで投影光学系の波面収差を計測する場合には、露光装置の構成上かかる手法を採用することは困難である。
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、被計測光学系の波面収差を高精度に計測することが可能な波面計測装置を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、精度の高い波面収差の計測を実現する波面計測装置の使用方法を提供することにある。
また、本発明の第３の目的は、光学系の結像特性を精度良く計測することが可能な結像特性計測方法を提供することにある。
また、本発明の第４の目的は、光学系の結像特性を精度良く計測することが可能な結像特性計測装置を提供することにある。
また、本発明の第５の目的は、光学系の結像特性を高精度に補正することが可能な結像特性補正方法を提供することにある。
また、本発明の第６の目的は、光学系の結像特性を高精度に補正することが可能な結像特性補正装置を提供することにある。
また、本発明の第７の目的は、光学系の結像特性を高精度に維持する効率的な結像特性管理方法を提供することにある。
また、本発明の第８の目的は、高精度な露光が可能な露光方法を提供することにある。
また、本発明の第９の目的は、高精度な露光が可能な露光装置を提供することにある。
発明の開示
本発明は、第１の観点からすると、被計測光学系の波面収差を計測する波面計測装置であって、計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；前記受光部と前記受光光学系との間に配置される断熱部材と；を備える第１の波面計測装置である。
これによれば、筐体により、受光光学系と受光部とが所定の位置関係で保持されている。また、受光部と受光光学系との間には、断熱部材が配置されている。このため、波面収差の計測に際し、被計測光学系を通った光が、受光光学系を通過した後、受光部を構成する受光素子で受光され光電変換される際に該受光素子が発熱したり、受光部内の電気回路が発熱したりして、受光部から熱が発生するが、この熱が受光光学系に伝達されるのが、断熱部材によって有効に抑制される。従って、受光光学系の温度変化を抑制することができ、これにより波面収差の高精度な計測を長期に渡って安定して行うことが可能となる。
この場合において、前記筐体は、前記受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部を有することとすることができる。本明細書において、「遮熱部」とは、筐体とは別の遮熱板などの遮熱部材、及び筐体の少なくとも一部が断熱性を有する材質（例えばセラミック等）で形成された場合におけるその筐体の一部の、いずれをも包含する概念である。
本発明の第１の波面計測装置では、前記受光光学系を構成する光学素子の近傍の前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を更に備えることとすることができる。
この場合において、前記筐体は、前記受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部を有していても良い。
本発明は、第２の観点からすると、被計測光学系の波面収差を計測する波面計測装置であって、計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；前記筐体に設けられ、前記受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部と；を備える第２の波面計測装置である。
これによれば、筐体により、受光光学系と受光部とが所定の位置関係で保持されている。また、筐体に、受光部からの輻射熱が外部に伝達されるのを防止する遮熱部が設けられている。このため、波面収差の計測に際し、前述のようにして受光部から熱が発生した際に、この熱が輻射熱となって外部に伝達されるのが、遮熱部によって阻止される。この場合、受光部の一側（遮熱部側）に被計測光学系を配置することにより、その被計測光学系の温度上昇による波面収差の変動や、受光部の一側の空間内の気体の温度揺らぎ等を効果的に抑制することができる。従って、所望の状態における被計測光学系の波面収差を精度良く計測することが可能となる。
この場合において、前記受光光学系を構成する光学素子の近傍の前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を更に備えることとすることができる。
本発明は、第３の観点からすると、被計測光学系の波面収差を計測する波面計測装置であって、計測時に前記被計測光学系を通った光が入射する受光光学系と；該受光光学系を介して前記光を受光する受光素子を含む受光部と；前記受光光学系と前記受光部とを所定の位置関係で保持する筐体と；前記筐体に固定された少なくとも１つの温度センサと；前記被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差の計測を行うとともに、その計測中の前記温度センサの測定結果に基づいて所定のタイミングで前記受光光学系単独の波面収差の計測を実行する制御装置と；を備える第３の波面計測装置である。
これによれば、筐体により受光光学系と受光部とが所定の位置関係で保持されており、筐体には少なくとも１つの温度センサが固定されている。被計測光学系及び前記受光光学系全体の波面収差を計測する際には、被計測光学系を通った光が受光光学系を通過し、受光部を構成する受光素子に受光され光電変換される。この際に、該受光素子が発熱したり、受光部内の電気回路が発熱して、受光部から熱が発生する。そして、受光光学系や被計測光学系の温度が変化し、計測される波面収差が変動する。この場合、計測される波面収差の変動は、被計測光学系及び受光光学系の変動が混在したものとなっている。しかるに、上記の波面収差の計測の際に、受光部の発熱により生じた筐体の温度上昇は温度センサにより検知されるので、制御装置では、その温度センサの計測値に基づいて所定のタイミング、例えば筐体すなわち受光光学系の温度の変化が所定の閾値を超えたタイミング毎に受光光学系単独の波面収差の計測を実行することが可能である。この場合、前回の受光光学系単独の波面収差の計測が行われてから次に受光光学系単独の波面収差の計測が行われるまでの間は、受光光学系の波面収差は殆ど変化しないものとみなせる。従って、被計測光学系の波面収差の計測の際に、上記の所定のタイミングで受光光学系単独の波面収差の計測を行い、計測された波面収差（被計測光学系及び受光光学系全体の波面収差）から受光光学系単独の波面収差を差し引くことにより、温度変化の影響を受けず、被計測光学系の波面収差を精度良く計測することが可能となる。
本発明は、第４の観点からすると、上記第１〜第３の波面計測装置のいずれかの使用方法であって、波面収差の計測に先立って、前記受光部の温度をほぼ飽和状態にする工程を含む使用方法である。
これによれば、被計測光学系の波面収差の計測に先立ち、受光部の温度がほぼ飽和状態にされるので、温度が飽和状態に近い状態、すなわち温度がほぼ一定値に収束した状態で被計測光学系の波面収差の計測が開始される。このため、温度変化の影響を殆ど受けず、精度の高い波面収差の計測を実現することができる。
本発明は、第５の観点からすると、マスクのパターンを投影光学系を介して基板上に転写する露光装置であって、上記第１〜第３の波面計測装置のいずれかを構成する前記筐体が着脱自在に装着され、前記基板が載置される基板ステージを備える第１の露光装置である。
これによれば、発生する熱が波面収差計測に与える影響の少ない、上記いずれかの波面計測装置が、基板が載置される基板ステージに着脱自在に装着される。このため、投影光学系の波面収差を高精度に計測することができ、この計測結果を利用することにより、投影光学系を介してマスクのパターンを基板上に精度良く転写することが可能となる。この場合、計測された波面収差に基づいて投影光学系の結像特性を精度良く調整し、その調整後の投影光学系を用いてマスクのパターンを基板上に転写しても良いし、計測された波面収差を考慮してマスクのパターンと基板との位置合わせを行うようにしても良い。
また、波面計測装置は、基板ステージに対して着脱自在であるので、波面収差を計測するときにのみ波面計測装置を基板ステージに装着し、露光時には取り外すことにより、露光時における基板ステージの位置制御性を向上することが可能となる。この点においても、露光精度の向上が可能である。
本発明は、第６の観点からすると、マスクのパターンを投影光学系を介して基板上に転写する露光装置であって、筐体及び遮熱板を備えた上記第１〜第３の波面計測装置を構成する前記筐体が前記遮熱部を前記投影光学系側に向けた状態で着脱可能であるとともに、前記基板が載置される基板ステージと；前記基板ステージに装着された前記筐体の位置を計測する位置計測装置と；を備える第２の露光装置である。
これによれば、波面計測装置を構成する筐体が遮熱部を投影光学系側に向けた状態で基板ステージに装着される。このため、この状態では、受光部の一側に位置する投影光学系の温度上昇による波面収差の変動や、受光部の一側の空間内の気体の温度揺らぎ等を効果的に抑制することができる。また、筐体の位置が位置計測装置によって計測されるが、この計測時における位置計測装置の計測ビームの温度による揺らぎが抑制される。従って、本来の使用時（露光時）と同様の状態における投影光学系の波面収差を精度良く計測することが可能となる。このため、この測定結果を利用することにより、投影光学系を介してマスクのパターンを基板上に精度良く転写することが可能となる。この場合、計測された波面収差に基づいて投影光学系の結像特性を精度良く調整し、その調整後の投影光学系を用いてマスクのパターンを基板上に転写しても良いし、計測された波面収差を考慮してマスクのパターンと基板との位置合わせを行うようにしても良い。また、波面計測装置は、基板ステージに対して着脱自在であるので、波面収差を計測するときにのみ波面計測装置を基板ステージに装着し、露光時には取り外すことにより、露光時における基板ステージの位置制御性を向上することが可能となる。この点においても、露光精度の向上が可能である。
本発明は、第７の観点からすると、光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、前記光学系による所定のパターンの投影像を計測する第１工程と；前記光学系の波面収差を計測する第２工程と；前記第１及び第２工程の計測結果に基づいて、前記光学系の結像特性を算出する第３工程と；を含む結像特性計測方法である。
これによれば、第１工程で光学系による所定のパターンの投影像が計測され、第２工程で光学系の波面収差が計測される。そして、第３工程では第１及び第２工程の計測結果に基づいて光学系の結像特性が算出される。ここで、第１工程で行われる投影像計測（空間像計測）にあっては、収差の影響を受けることで空間像を正確に計測できないという欠点があり、第２工程で行われる波面計測にあっては、それだけでは空間像の計測は正確に行なえないという欠点があるが、第３工程において、第１、第２工程の計測結果に基づいて光学系の結像特性が算出されるので、空間像計測と波面計測とのお互いの欠点が補われ、光学系の結像特性を精度良く求めることが可能となる。
この場合において、前記第３工程では、前記波面収差の計測結果に基づいて、前記投影像の計測結果に含まれる、異なる結像特性成分を分離することとすることができる。
この場合において、前記分離される結像特性成分には、歪曲収差成分とコマ収差成分とが含まれることとしても良いし、像面湾曲成分と球面収差成分とが含まれることとしても良い。
本発明は、第８の観点からすると、光学系の結像特性を補正する結像特性補正方法であって、前記光学系の結像特性を、本発明の結像特性計測方法により計測する計測工程と；前記計測工程における計測結果に基づいて、前記光学系の結像特性を補正する補正工程と；を含む第１の結像特性補正方法である。
これによれば、計測工程で、本発明の結像特性計測方法により光学系の結像特性が計測され、補正工程では、この計測結果に基づいて光学系の結像特性が補正される。この場合、計測工程では、光学系の結像特性を精度良く計測することができるので、この計測結果に基づいて補正工程で光学系の結像特性を高精度に補正することが可能となる。
本発明は、第９の観点からすると、エネルギビームによりパターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンを投影光学系を介して基板に転写する露光方法であって、本発明の第１の結像特性補正方法により、前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正工程と；前記結像特性補正工程の後に、前記投影光学系を介して前記パターンを前記基板に転写する転写工程と；を含む第１の露光方法である。
これによれば、本発明の第１の結像特性補正方法により、投影光学系の結像特性が精度良く補正され、しかる後、エネルギビームによりマスクを照明してそのマスク上のパターンを結像特性が精度良く補正された投影光学系を介して基板上に転写されるので、基板上にはパターンが精度良く転写される。すなわち、高精度な露光が可能となる。
本発明は、第１０の観点からすると、光学系の結像特性を補正する結像特性補正方法であって、前記光学系による所定のパターンの投影像を、第１の結像条件の下で計測する第１計測工程と；前記光学系の波面収差の計測を行う第２計測工程と；前記第１の結像条件とは異なる第２の結像条件下におけるパターンの投影像を、前記第２計測工程の計測結果に基づいて推測し、該推測結果に応じて、前記第２の結像条件下における前記光学系の結像特性を補正する補正工程と；を含む第２の結像特性補正方法である。
これによれば、第１計測工程で、第１の結像条件の下で、光学系による所定のパターンの投影像が計測され、第２計測工程では光学系の波面収差が計測される。そして、補正工程では、第１の結像条件とは異なる第２の結像条件下におけるパターン（第１計測工程で計測されたパターンあるいはその他のパターン）の投影像を、第２計測工程の計測結果（波面収差の計測結果）に基づいて推測し、この推測結果に応じて、第２の結像条件下における光学系の結像特性を補正する。すなわち、第１計測工程で計測されたパターンの投影像の計測結果に基づいてその第１の結像条件下における光学系の結像特性を演算により求めることができ、この結像特性と波面収差の計測結果とを考慮することにより、第２の結像条件下における光学系の結像特性を推測することができ、この推測結果に応じて、第２の結像条件下における光学系の結像特性を補正する。従って、結像条件毎に光学系の空間像計測を行うことなく、結像条件の変更に影響されることなく、光学系の結像特性を高精度に補正することが可能になる。
この場合において、前記第１の結像条件と前記第２の結像条件とでは、照明条件、前記光学系の開口数、及び前記パターンのいずれかが異なることとすることができる。
本発明は、第１１の観点からすると、エネルギビームによりパターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンを投影光学系を介して基板に転写する露光方法であって、本発明の第２の結像特性補正方法により、前記投影光学系の結像特性を補正する結像特性補正工程と；前記結像特性補正工程の後、前記投影光学系を介して前記パターンを前記基板に転写する転写工程と；を含む第２の露光方法である。
これによれば、本発明の第２の結像特性補正方法により、投影光学系の結像特性が補正され、しかる後、エネルギビームによりマスクを照明してそのマスク上のパターンが結像特性が精度良く補正された投影光学系を介して基板上に転写されるので、基板上にはパターンが精度良く転写される。すなわち、高精度な露光が可能となる。これに加え、結像条件の変更に影響を受けることなく、光学系の結像特性を高精度に補正することができるので、結像条件の変更によらず、高精度な露光が可能になる。
本発明は、第１２の観点からすると、光学系の結像特性を管理する結像特性管理方法であって、前記光学系によるパターンの投影像を計測する空間像計測を第１のインターバルで実行する空間像計測工程と；前記光学系の波面収差を計測する波面計測を前記第１のインターバルに比べて大きい第２のインターバルで実行する波面計測工程と；を含む結像特性管理方法である。
これによれば、光学系によるパターンの投影像を計測する空間像計測が第１のインターバルで実行され、光学系の波面収差を計測する波面計測が第１のインターバルに比べて大きい第２のインターバルで実行される。すなわち、光学系の結像特性の変化を、簡易に実行できる空間像計測結果に基づいて管理し、一定期間が経ったときに波面収差の計測を行うことで、計測に手間が掛かる波面収差の計測を、高い頻度で行うことなく、光学系の結像特性を高精度に維持できる。従って、光学系の結像特性を高精度に維持する効率的な結像特性管理が可能となる。
この場合において、直前に行われた前記空間像計測の計測結果と最後に行われた波面収差の計測結果とに基づいて、前記空間像計測結果の変動を予測する予測工程と；前記予測した空間像の計測結果と直後に行われた空間像の計測結果との比較結果に応じて、前記波面収差の計測必要性の有無を判断する判断工程とを更に含み、前記波面収差の計測が必要と判断した場合に、前記波面収差の計測を実行することとすることができる。
本発明は第１３の観点からすると、光学系の結像特性を計測する結像特性計測装置であって、前記光学系による所定のパターンの投影像を計測する空間像計測器と；前記光学系の波面収差を計測する波面計測器と；前記空間像計測器による計測結果と、前記波面計測器による計測結果とに基づいて、前記光学系の結像特性を算出する演算装置と；を備える結像特性計測装置である。
これによれば、演算装置により、所定のパターンの光学系による投影像の空間像計測器による計測結果と、光学系の波面収差の波面計測器による計測結果とに基づいて、光学系の結像特性が算出される。ここで、空間像計測器により計測される空間像は、収差の影響を受けた空間像である。従って、所定のパターンの空間像の計測結果に基づいてその結像位置、ひいては結像特性を求めることができるが、その結像特性は収差の影響を受けている。
そこで、演算装置は、空間像の計測結果に含まれる収差の影響を、波面収差の計測結果に基づいて補正することにより、結果的に光学系の結像特性を精度良く算出することができる。すなわち、本発明の結像特性補正装置では、前述した波面の計測結果と空間像の計測結果とを組み合わせることにより、それぞれの計測の欠点を互いに補うことができる。
この場合において、前記波面計測器としては、例えば、前述の第１〜第３の波面計測装置のいずれをも用いることができる。
本発明は、第１４の観点からすると、本発明の結像特性計測装置と；前記結像特性計測装置による計測結果に基づいて、前記光学系の結像特性を補正する補正装置；とを備える結像特性補正装置である。
これによれば、光学系の結像特性を高精度に計測することが可能な結像特性計測装置による計測結果に基づいて、補正装置により光学系の結像特性が補正されるので、光学系の結像特性を高精度に補正することが可能となる。
本発明は、第１５の観点からすると、エネルギビームによりパターンが形成されたマスクを照明し、前記パターンを投影光学系を介して基板に転写する露光装置であって、前記投影光学系の結像特性を補正する本発明の結像特性補正装置と；前記結像特性補正装置が備える前記空間像計測器及び前記波面計測器を搭載可能で、前記基板を保持する基板ステージと；を備える第３の露光装置である。
これによれば、結像特性補正装置を構成する空間像計測器及び波面計測器が、基板を保持する基板ステージに搭載可能となっている。このため、基板ステージ上に搭載された空間像計測器により、所定のパターンの投影光学系による空間像を空間像計測器で計測し、また、波面計測器により投影光学系の波面収差を計測する。また、これらの計測結果に基づいて演算装置により投影光学系の結像特性を算出する。これにより、投影光学系の結像特性が精度良く算出される。そして、この算出結果に基づいて補正装置により投影光学系の結像特性を補正することにより、投影光学系の結像特性が高精度に補正される。従って、この結像特性の補正が行われた状態で、エネルギビームによりマスクを照明してそのマスク上のパターンを投影光学系を介して基板上に転写することにより、基板上にはパターンが精度良く転写される。すなわち、高精度な露光が可能となる。
この場合において、前記波面計測器は、前記基板ステージに対して着脱自在であることとすることができる。
この場合において、前記マスクが載置されるとともに、前記空間像計測器で計測される計測用パターンが形成された基準部材が設けられた、マスクステージを更に備えることとすることができる。
発明を実施するための最良の形態
《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１には、第１の実施形態に係る露光装置１０の概略構成が示されている。この露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置である。
この露光装置１０は、光源１６及び照明光学系１２等を含む照明系、この照明系から射出されるエネルギビームとしての露光光ＩＬによって照明されるマスクとしてのレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲから射出された露光光ＩＬを基板としてのウエハＷ上に投射する光学系としての投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持する基板ステージとしてのウエハステージＷＳＴ、及びこれらの制御系等を備えている。
光源１６としては、例えば波長１９３ｎｍの紫外パルス光を出力するＡｒＦエキシマレーザ光源（あるいは、波長２４８ｎｍの紫外パルス光を出力するＫｒＦエキシマレーザ光源）が用いられている。この光源１６は、実際には、照明光学系１２の各構成要素及びレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、及びウエハステージＷＳＴ等から成る露光装置本体が収容された不図示のチャンバが設置されたクリーンルームとは別のクリーン度の低いサービスルームに配置されている。この光源１６は、実際には、照明光学系１２に、ビームマッチングユニットと呼ばれる光軸調整用の光学系及びリレー光学系（いずれも図示省略）を含む送光光学系を介して接続されている。なお、光源としてＦ２レーザ光源（出力波長１５７ｎｍ）、その他のパルス光源を用いても良い。
前記照明光学系１２は、ビーム整形光学系１８、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）としてのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、第１リレーレンズ２８Ａ、第２リレーレンズ２８Ｂ、固定レチクルブラインド３０Ａ、可動レチクルブラインド３０Ｂ、光路折り曲げ用のミラーＭ、及びコンデンサレンズ３２等を備えている。
前記ビーム整形光学系１８内には、光源１６でパルス発光されたレーザビームＬＢの断面形状を、該レーザビームＬＢの光路後方に設けられたフライアイレンズ２２に効率良く入射するように整形するための、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ（いずれも図示省略）等が含まれている。また、このビーム整形光学系１８内には、後述する照明系開口絞り板２４による照明開口絞りの設定に応じて、レーザビームの断面積を連続的に変更可能なズーム光学系も含まれている。
前記フライアイレンズ２２は、ビーム整形光学系１８から出たレーザビームＬＢの光路上に配置され、レチクルＲを均一な照度分布で照明するためにその射出側焦点面に多数の点光源（光源像）から成る面光源、即ち２次光源を形成する。この２次光源から射出されるレーザビームを本明細書においては、「露光光ＩＬ」とも呼ぶものとする。なお、オプティカルインテグレータとして、フライアイレンズに代えて、ロッド型（内面反射型）インテグレータ、あるいは回折光学素子などを用いても構わない。
フライアイレンズ２２の射出側焦点面あるいはその近傍に、円板状部材から成る照明系開口絞り板２４が配置されている。この照明系開口絞り板２４には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り（通常照明絞り）、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り（小σ絞り）、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り（輪帯絞り）、及び変形光源法用に複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り（図１では、このうちの２種類の開口絞りのみが図示されている）等が配置されている。この照明系開口絞り板２４は、主制御装置５０により制御されるモータ等の駆動装置４０により回転されるようになっており、これによりいずれかの開口絞りが露光光ＩＬの光路上に選択的に設定される。この開口絞りの選択に応じて、主制御装置５０では、前述したビーム整形光学系１８内部のズームレンズを制御する。これは、例えば、小σ絞りを選択する場合に、それに合わせてレーザビームの断面の大きさを絞ることにより、エネルギロスを防止する等のためである。
照明系開口絞り板２４から出た露光光ＩＬの光路上に、固定レチクルブラインド３０Ａ及び可動レチクルブラインド３０Ｂを介在させて第１リレーレンズ２８Ａ及び第２リレーレンズ２８Ｂから成るリレー光学系が配置されている。
固定レチクルブラインド３０Ａは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置され、レチクルＲ上の照明領域ＩＡＲを規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド３０Ａの近傍に走査方向に対応する方向及び走査方向に垂直な非走査方向に対応する方向の位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド３０Ｂが配置され、走査露光の開始時及び終了時にその可動レチクルブラインド３０Ｂを介して照明領域ＩＡＲを更に制限することによって、不要な部分の露光が防止されるようになっている。
リレー光学系を構成する第２リレーレンズ２８Ｂ後方の露光光ＩＬの光路上には、当該第２リレーレンズ２８Ｂを通過した露光光ＩＬをレチクルＲに向けて反射する折り曲げミラーＭが配置され、このミラーＭ後方の露光光ＩＬの光路上にコンデンサレンズ３２が配置されている。
このようにして構成された照明系の作用を簡単に説明すると、光源１６からパルス発光されたレーザビームＬＢは、ビーム整形光学系１８に入射して、ここで後方のフライアイレンズ２２に効率よく入射するようにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ２２に入射する。これにより、フライアイレンズ２２の射出側焦点面（照明光学系１２の瞳面）に２次光源が形成される。この２次光源から射出された露光光ＩＬは、照明系開口絞り板２４上のいずれかの開口絞りを通過した後、第１リレーレンズ２８Ａを経て固定レチクルブラインド３０Ａの矩形の開口部及び可動レチクルブラインド３０Ｂを通過した後、第２リレーレンズ２８Ｂを通過してミラーＭによって光路が垂直下方に折り曲げられた後、コンデンサレンズ３２を経て、レチクルステージＲＳＴ上に保持されたレチクルＲ上の照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。
前記レチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲが載置され、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、水平面（ＸＹ平面）内で微小駆動可能であるとともに、レチクルステージ駆動部４９によって走査方向（ここでは図１の紙面左右方向であるＹ軸方向とする）に所定ストローク範囲で走査されるようになっている。この走査中のレチクルステージＲＳＴの位置及び回転量は、レチクルステージＲＳＴ上に固定された移動鏡５２Ｒを介して外部のレーザ干渉計５４Ｒによって所定の分解能、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で計測され、このレーザ干渉計５４Ｒの計測値が主制御装置５０に供給されるようになっている。
ここで、実際には、レチクルステージＲＳＴ上にはＹ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とＸ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これらの移動鏡に対応してレチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計とが設けられているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｒ、レーザ干渉計５４Ｒとして示されている。なお、例えば、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工して反射面（移動鏡５２Ｒの反射面に相当）を形成しても良い。また、レチクルステージＲＳＴの走査方向（本実施形態ではＹ軸方向）の位置検出に用いられるＸ軸方向に伸びた反射面を設けても良いし、この代わりに、少なくとも１つのコーナーキューブ型ミラーを用いても良い。
また、レチクルステージＲＳＴ上の所定の位置には、後述する空間像計測に用いられる基準部材としてのレチクル・フィデューシャル・マーク板（以下、「ＲＦＭ板」と略述する）６８が設けられている。このＲＦＭ板６８としては、照明領域ＩＡＲとほぼ同一形状かつほぼ同一面積のガラス基板が用いられ、そのパターン面の所定の位置には、複数の基準マークの他、後述する空間像計測に用いられる計測用マークなどが形成されている。
なお、レチクルＲ及びＲＦＭ板６８に用いる材質は、使用する光源によって使い分ける必要がある。すなわち、ＫｒＦエキシマレーザ光源やＡｒＦエキシマレーザ光源を光源とする場合は、ホタル石などの他、合成石英などを用いることができるが、Ｆ２レーザ光源を用いる場合は、ホタル石、フッ素がドープされた合成石英、あるいは水晶などで形成する必要がある。
前記投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセントリックな縮小系であり、共通のＺ軸方向の光軸を有する複数枚のレンズエレメント７０ａ、７０ｂ、……から構成された屈折光学系が用いられている。この投影光学系ＰＬの瞳面は、前記フライアイレンズ２２により形成される２次光源面と互いに共役な位置関係となっており、レチクルのパターン面とはフーリエ変換の位置関係となっている。また、投影光学系ＰＬとしては、投影倍率βが例えば１／４、１／５、１／６などのものが使用されている。このため、前記の如くして、露光光ＩＬによりレチクルＲ上の照明領域ＩＡＲが照明されると、そのレチクルＲに形成されたパターンが投影光学系ＰＬによって投影倍率βで縮小された像が表面にレジスト（感光剤）が塗布されたウエハＷ上のスリット状の露光領域ＩＡに投影され転写される。
投影光学系ＰＬの瞳面近傍には開口絞り６９が設けられている。この開口絞り６９の開口の大きさは可変となっており、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を自在に調整することができる。開口絞り６９としては、ここでは虹彩絞りが用いられ、不図示の絞り駆動機構により開口絞り６９の開口を変更することにより、投影光学系ＰＬの開口数Ｎ．Ａ．を所定範囲で連続的に変更することができる。絞り駆動機構は、主制御装置５０により制御される。開口絞り６９の開口を通過した回折光が、レチクルＲと互いに共役な位置関係に置かれたウエハＷ上での結像に寄与することになる。
上記複数のレンズエレメントのうち、レチクルＲに最も近いレンズエレメント７０ａを含む複数のレンズエレメントが独立に駆動可能となっている。例えば、レンズエレメント７０ａは、リング状の支持部材７６ａにより支持され、この支持部材７６ａは、伸縮可能な駆動素子、例えばピエゾ素子７４ａ，７４ｂ，７４ｃ（図面奥側の駆動素子７４ｃについては不図示）によって、３点支持されるとともに鏡筒部７６ｂと連通されている。上記の駆動素子７４ａ，７４ｂ，７４ｃによって、レンズエレメント７０ａの周辺３点を独立に、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に移動させることができるようになっている。すなわち、レンズエレメント７０ａを３つの駆動素子７４ａ，７４ｂ，７４ｃの変位量に応じて光軸ＡＸに沿って平行移動させることができるとともに、光軸ＡＸと垂直な平面に対して任意に傾斜させることもできる。その他の駆動可能なレンズエレメントもレンズエレメント７０ａと同様の駆動機構を介して、光軸ＡＸ方向及び傾斜方向に微小駆動可能な構成となっている。本実施形態の場合、レンズエレメント７０ａ等の駆動により、例えばザイデルの５収差（ディストーション、非点収差、コマ収差、球面収差、像面湾曲（フォーカス））などを調整できるようになっている。この場合、駆動可能なレンズエレメントの数だけ、独立な結像特性の補正が可能である。
この場合、上記のレンズエレメント７０ａ等を駆動する駆動素子に与えられる電圧が、主制御装置５０からの指令に基づいて結像特性補正コントローラ７８によって制御され、これによって駆動素子の変位量が制御されるようになっている。また、結像特性補正コントローラ７８は、投影光学系ＰＬの収差を調整するだけではなく、気圧変化、照明光線の吸収などによる投影光学系ＰＬの収差変動に対して、収差を一定に保つ働きをも有している。なお、図１中、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸとは鏡筒部７６ｂに固定されているレンズエレメント７０ｂその他のレンズエレメント（図示省略）の光軸を指す。
なお、露光光ＩＬとしてＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光を用いる場合には、投影光学系ＰＬを構成する各レンズエレメントとしては合成石英やホタル石等を用いることができるが、Ｆ２レーザ光を用いる場合には、この投影光学系ＰＬに使用されるレンズ等の材質は、全てホタル石等のフッ化物結晶が用いられる。
前記ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ１４と、該ＸＹステージ１４上に搭載されたＺチルトステージ５８とを含んで構成されている。
前記ＸＹステージ１４は、ウエハステージ駆動部５６によって走査方向であるＹ軸方向（図１における紙面内左右方向）及びこれに直交するＸ軸方向（図１における紙面直交方向）に２次元駆動されるようになっている。このＸＹステージ１４上に搭載されたＺチルトステージ５８上にウエハホルダ２５を介してウエハＷが真空吸着等により保持されている。Ｚチルトステージ５８は、例えば３つのアクチュエータ（ピエゾ素子又はボイスコイルモータなど）によってウエハＷのＺ軸方向の位置（フォーカス位置）を調整すると共に、ＸＹ平面に対するウエハＷの傾斜角を調整する機能を有する。また、Ｚチルトステージ５８の位置は、鏡面加工されたＺチルトステージ５８の側面を介して外部のレーザ干渉計５４Ｗにより計測され、このレーザ干渉計５４Ｗの計測値が主制御装置５０に供給されるようになっている。
ここで、Ｚチルトステージ５８は、図２の平面図に示されるように、上方から見てほぼ正方形の形状を有しており、その−Ｘ側及び−Ｙ側の側面に、鏡面加工により反射面５５Ｘ、５５Ｙがそれぞれ形成され、これに対応してレーザ干渉計は、Ｘ軸位置計測用の干渉計５４Ｗｘ、Ｙ軸位置計測用干渉計５４Ｗｙがそれぞれ設けられている。また、Ｚチルトステージ５８の＋Ｙ側側面の−Ｘ側端部には、＋Ｙ側に所定量突出した凸部５１が形成されている。この凸部５１の−Ｘ側の側面は、前述した反射面５５Ｘの一部を構成している。
なお、前述の反射面５５Ｘ、５５Ｙに代えて、Ｘ軸に直交する反射面を有するＸ移動鏡と、Ｙ軸に直交する反射面を有するＹ移動鏡とを設けても良い。Ｘ軸位置計測用の干渉計５４Ｗｘ及びＹ軸位置計測用干渉計５４Ｗｙは測長軸を複数有する多軸干渉計であり、Ｚチルトステージ５８のＸ、Ｙ位置の他、回転（ヨーイング（Ｚ軸回りの回転であるθｚ回転）、ピッチング（Ｘ軸回りの回転であるθｘ回転）、ローリング（Ｙ軸回りの回転であるθｙ回転））も計測可能となっている。従って、以下の説明ではレーザ干渉計５４Ｗｘ，５４Ｗｙによって、Ｚチルトステージ５８のＸ、Ｙ、θｚ、θｙ、θｘの５自由度方向の位置が計測されるものとする。また、多軸干渉計は４５°傾いてＺチルトステージ５８の反射面を介して、投影光学系ＰＬが載置される架台（不図示）に設置される反射面にレーザビームを照射し、投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に関する相対位置情報を検出するようにしても良い。
また、Ｚチルトステージ５８の＋Ｙ側側面の＋Ｘ側端部には、投影光学系ＰＬの波面収差を計測するための波面計測装置としての波面計測器８０が、ネジ止めあるいはマグネット等を介して取り外し可能に設けられている。この波面計測器８０は、露光時には、Ｚチルトステージ５８から取り外され、波面収差計測時に限りＺチルトステージ５８に取り付けられるものである。なお、波面計測器８０の構成等については後述する。
前述の凸部５１を設けたのは、図２からも分かるように、波面計測器８０をＺチルトステージ５８に取り付けた際に、波面計測器８０の２次元位置のうち、Ｘ軸方向の位置を、レーザ干渉計５４Ｗｘにより計測できるようにしたものである。これに応じてＺチルトステージ５８のＹ軸方向のストロークが長く設定されている。
次に、波面計測器８０の構成等について、波面計測器８０を断面して示す図３に基づいて説明する。この図３に示されるように、波面計測器８０は、ＸＺ断面がＬ字状の内部空間を有する筐体６２と、該筐体６２の内部に所定の位置関係で配置された複数の光学素子から成る受光光学系４４と、筐体６２の内部の−Ｘ側端部に配置された受光部４２とを備えている。この波面計測器８０としては、ここでは、シャック−ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎ）方式の波面計測器が用いられている。
これを更に詳述すると、前記筐体６２は、ＸＺ断面Ｌ字状の内部空間が形成された中空部材から成り、その最上部（＋Ｚ方向端部）には、筐体６２の上方からの光が筐体の内部空間に向けて入射するように、平面視円形の開口６２ａが形成されている（図２参照）。また、この開口６２ａを下側から覆うようにカバーガラス８２が設けられている。カバーガラス８２の上面には、クロム等の金属の蒸着により中央部に円形の開口を有する遮光膜が形成され、該遮光膜によって投影光学系ＰＬの波面収差の計測の際に周囲からの不要な光が受光光学系４４に入射するのが遮られている。
前記受光光学系４４は、筐体６２の内部のカバーガラス８２の下方に、上から下に順次配置された、対物レンズ６４ａ，リレーレンズ６４ｂ，折り曲げミラー３９と、該折り曲げミラー３９の−Ｘ側に順次配置されたコリメータレンズ６４ｃ、及びマイクロレンズアレイ６６等から構成されている。折り曲げミラー３９は、４５°で斜設されており、該折り曲げミラー３９によって、上方から鉛直下向きに対物レンズ６４ａに対して入射した光の光路がコリメータレンズ６４ｃに向けて折り曲げられるようになっている。なお、この受光光学系４４を構成する各光学部材は、筐体６２の壁の内側に不図示の保持部材を介してそれぞれ固定されている。前記マイクロレンズアレイ６６は、複数の小さな凸レンズ（レンズエレメント）が光路に対して直交する面内にアレイ状に配置されて構成されている。
前記受光部４２は、光を光電変換方式で検出する２次元ＣＣＤ等から成る受光素子４０ａと、該受光素子４０ａを駆動する電気回路４０ｂとを含む。受光素子４０ａは、対物レンズ６４ａに入射し、マイクロレンズアレイ６６から射出される光束のすべてを受光するのに十分な面積の受光面を有している。また、前記電気回路４０ｂは、その機能上、受光素子４０ａの近傍に配置せざるを得ない回路、例えば電荷転送制御回路等の電気回路である。受光素子４０ａから物理的に切り離すことが可能な電気回路３３は、筐体６２から離れた位置に設けられ、電気回路４０ｂとフラットケーブルで接続されている。なお、受光部４２による計測データは電気回路３３を介して波面計測制御装置４８に出力されるようになっている（図１参照）。
このようにして構成された受光光学系４４及び受光部４２等の作用を簡単に説明すると、開口６２ａを介して筐体６２の内部に入射した光束は、対物レンズ６４ａに上方から入射し、リレーレンズ６４ｂを介してミラー３９に達する。そして、この光束は、ミラー３９で光路が９０°折り曲げられ、コリメータレンズ６４ｃで平行光束に変換され、マイクロレンズアレイ６６に入射する。このマイクロレンズアレイ６６に入射した光束は、マイクロレンズアレイ６６を構成する各レンズエレメントを介して受光部４２を構成する受光素子４０ａ上にそれぞれ集光される。そして、受光素子４０ａ上の各集光点に入射した光が受光素子４０ａでそれぞれ光電変換され、該光電変換信号が電気回路４０ｂ、３３等を介して図１の波面計測制御装置４８に送られ、該波面計測制御装置４８では、その光電変換信号に基づいて結像位置を算出するようになっている。
図２に戻り、Ｚチルトステージ５８上の４つのコーナーの内、＋Ｘ方向端部かつ＋Ｙ方向端部のコーナーには、ウエハＷの露光面と同じ高さの受光面を有し、投影光学系ＰＬを通過した露光光ＩＬによる投影像を計測するための空間像計測器５９が設けられている。
この空間像計測器５９は、図２に示されるように、平面視ほぼ円形の円筒状ハウジングを有し、ハウジングの天井面には、合成石英等から成る受光ガラス５７が設けられている。受光ガラス５７の受光面は、十分な大きさでかつ平面度（平坦度）が高く形成されている。これは、空間像計測器５９は、前述した波面計測器８０と比べて構造が簡易で、光学系の精度もほとんど要求されないこと、及び小型でＺチルトステージ５８に対する重量の影響が少なく、取り外しをする必要がないことから、受光ガラス５７の加工面精度を高く設定することが容易だからである。また、この受光ガラス５７の上面には、図４Ａに示されるように、クロム等の金属が蒸着されて遮光膜が形成されている。この遮光膜の中央部に、スリット状の開口（開口パターン）５７ａが形成されている。また、この受光ガラス５７の下方には、空間像計測器５９の内部構成を概略的に示す図４Ｂに示されるように、集光レンズ８１と、この集光レンズ８１の下方に設けられたフォトダイオードあるいはフォトマルチプライヤ等の光センサ８３とが配置されている。なお、空間像計測器５９の構成各部の作用等については、空間像計測方法とともに後に詳述する。
図１に戻り、本実施形態の露光装置１０では、主制御装置５０によってオンオフが制御される光源を有し、投影光学系ＰＬの結像面に向けて多数のピンホール像またはスリットの像を形成するための結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向より照射する照射系６０ａと、それらの結像光束のウエハＷ表面での反射光束を受光する受光系６０ｂとからなる斜入射方式の多点焦点位置検出系（フォーカスセンサ）が設けられている。主制御装置５０では、受光系６０ｂ内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に対する傾きを制御することにより、投影光学系ＰＬのフォーカス変動に応じて焦点検出系（６０ａ、６０ｂ）にオフセットを与えてそのキャリブレーションを行う。これにより、前述の露光領域ＩＡ内で投影光学系ＰＬの像面とウエハＷの表面とがその焦点深度の範囲（幅）内で合致することになる。なお、本実施形態と同様の多点焦点位置検出系（フォーカスセンサ）の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報及びこれに対応する米国特許第５，４４８，３３２号等に開示されている。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
また、主制御装置５０では、後述する波面収差の計測の際に、焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）を用いて波面計測器８０のＺ位置の計測及び位置合わせを行う。
すなわち、これまでの説明から分かるように、ウエハ干渉計５４Ｗｘ，５４Ｗｙ及び焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）とにより、本発明の位置計測装置が構成されている。
走査露光時等に、主制御装置５０では、受光系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて焦点ずれが零となるようにＺチルトステージ５８のＺ位置を不図示の駆動系を介して制御することにより、オートフォーカス（自動焦点合わせ）及びオートレベリングを実行する。なお、焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）によると、ウエハＷの光軸方向の位置だけではなく、ウエハＷのうねり成分も含めた傾斜分も計測でき、これに基づいてその傾斜分を考慮したウエハＷの傾斜制御（オートレベリング）が行われる。
また、不図示ではあるが、前記投影光学系ＰＬの側面には、オフアクシス（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）方式のアライメント検出系が設けられている。このアライメント検出系としては、ここでは、ウエハ上のレジストを感光させないブロードバンドな検出光束を対象マークに照射し、その対象マークからの反射光により受光面に結像された対象マークの像と不図示の指標の像とを撮像素子（ＣＣＤ）等を用いて撮像し、それらの撮像信号を出力する画像処理方式のＦＩＡ（Ｆｉｌｅｄ　Ｉｍａｇｅ　Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系のアライメントセンサが用いられている。このアライメント検出系の出力に基づき、不図示の基準マーク板上の基準マーク、波面計測器８０上の位置合わせマーク、及びウエハ上のアライメントマークなどのＸ、Ｙ２次元方向の位置計測を行なうことが可能である。
なお、アライメント検出系としては、ＦＩＡ系のみでなく、例えばコヒーレントな検出光を対象マークに照射し、その対象マークから発生する散乱光又は回折光を検出したり、その対象マークから発生する２つの回折光（例えば同次数）を干渉させて検出するアライメントセンサを単独であるいは適宜組み合わせて用いることは勿論可能である。
さらに、これも不図示ではあるが、レチクルＲの上方に、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上のレチクルマークと不図示の基準マーク板のマークとを同時に観察するための露光波長を用いたＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｔｈｅ　Ｒｅｔｉｃｌｅ）アライメント光学系から成る一対のレチクルアライメント顕微鏡（以下、便宜上「ＲＡ顕微鏡」と呼ぶ）が設けられている。なお、本実施形態では、例えば特開平７−１７６４６８号公報及びこれに対応する米国特許第５，６４６，４１３号などに詳細に開示されたＲＡ顕微鏡と同様の構成のものが用いられる。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及び米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
制御系は、図１中、制御装置としての主制御装置５０によって主に構成される。主制御装置５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等から成るいわゆるマイクロコンピュータ（又はワークステーション）を含んで構成される。主制御装置５０では、上述した種々の制御を行う他、露光動作が的確に行われるように、例えばレチクルＲとウエハＷの同期走査、ウエハＷのステッピング、露光タイミング等を制御する。
具体的には、前記主制御装置５０は、例えば走査露光時には、レチクルＲがレチクルステージＲＳＴを介して＋Ｙ方向（又は−Ｙ方向）に速度ＶＲ＝Ｖで走査されるのに同期して、ウエハステージＷＳＴを介してウエハＷが露光領域ＩＡに対して−Ｙ方向（又は＋Ｙ方向）に速度ＶＷ＝β・Ｖ（βはレチクルＲからウエハＷに対する投影倍率）で走査されるように、レーザ干渉計５４Ｒ、５４Ｗの計測値に基づいてレチクルステージ駆動部４９、ウエハステージ駆動部５６をそれぞれ介してレチクルステージＲＳＴ、ウエハステージＷＳＴの位置及び速度をそれぞれ制御する。また、ステッピングの際には、主制御装置５０ではレーザ干渉計５４Ｗの計測値に基づいてウエハステージ駆動部５６を介してウエハステージＷＳＴの位置を制御する。
また、本実施形態では、主制御装置５０は、後述するように、空間像計測器５９により計測マーク（マークパターン）の投影像（空間像）の検出を行ったり、波面計測制御装置４８を介して波面計測器８０を用いて波面収差の計測を行ったり、あるいはそれらの計測結果に基づいて投影光学系ＰＬの結像特性の変動量の演算を行ったり、演算結果に基づいて結像特性補正コントローラ７８を介して投影光学系ＰＬの結像特性を調整する等の他、装置全体を統括制御する。
次に、本実施形態の露光装置１０における投影光学系ＰＬの波面収差の計測方法について説明する。なお、以下の説明においては、説明の簡略化のため、波面計測器８０内の受光光学系４４の収差は無視できる程小さいものとする。
まず、通常の露光時には、波面計測器８０は、Ｚチルトステージ５８から取り外されているため、波面計測に際しては、オペレータによりＺチルトステージ５８の側面に対して波面計測器８０を取り付ける作業が行われる。この取付けに際しては、波面計測時に波面計測器８０が、ウエハステージＷＳＴ（Ｚチルトステージ５８）の移動ストローク内に収まるように、所定の基準面（ここでは＋Ｙ側の面）にボルトあるいはマグネット等を介して固定される。
上記の取付け終了後、オペレータによる計測開始のコマンドの入力に応じて、主制御装置５０では、前述のアライメント検出系の下方に波面計測器が位置するように、ウエハステージ駆動部５６を介してウエハステージＷＳＴを移動させる。そして、主制御装置５０では、アライメント検出系により波面計測器８０に設けられた不図示の位置合わせマークを検出し、その検出結果とそのときのレーザ干渉計５４Ｗの計測値とに基づいて位置合わせマークの位置座標を算出し、波面計測器８０の正確な位置を求める。そして、波面計測器８０の位置計測後、主制御装置５０を中心として以下のようにして波面収差の計測が実行される。
ａ．　まず、主制御装置５０は、不図示のレチクルローダによりピンホールパターンが形成された計測用レチクルＲｐ（以下、適宜「レチクルＲｐ」と略述する）をレチクルステージＲＳＴ上にロードする（図５Ａ参照）。このレチクルＲｐは、そのパターン面の照明領域ＩＡＲと同一の領域内の複数点にピンホール（ほぼ理想的な点光源となって球面波を発生するピンホール）が形成された専用のレチクルである。なお、波面収差の計測に際しては、上記の計測用レチクルＲｐに代えて、前述したＲＦＭ板６８に複数のピンホールを予め形成し、これを用いても良い。この他、通常のデバイス用レチクルに、同様のピンホールパターンを配置可能な場合には、これを用いても良い。
なお、ここで用いられるレチクルＲｐには、上面に拡散面を設けるなどして、投影光学系ＰＬの全てのＮ．Ａ．を通過する光線の波面を求めることができるように、すなわち、投影光学系ＰＬの全Ｎ．Ａ．に亘る波面収差が計測されるようになっているものとする。
ｂ．　レチクルＲｐのロード後、主制御装置５０では、前述のＲＡ顕微鏡を用いて、レチクルＲｐに形成されたレチクルアライメントマークを検出し、その検出結果に基づいて、レチクルＲｐを所定の位置に位置合わせする。これにより、レチクルＲｐの中心と投影光学系ＰＬの光軸とがほぼ一致する。
ｃ．　この後、主制御装置５０では、光源１６に制御情報ＴＳを与えてレーザ光を発光させる。これにより、照明光学系１２からの露光光ＩＬが、レチクルＲｐに照射される。そして、レチクルＲｐの複数のピンホールから射出された光が投影光学系ＰＬを介して像面上に集光され、ピンホールの像が像面に結像される。
ｄ．　次に、主制御装置５０は、レチクルＲｐ上のいずれかのピンホール（以下においては、着目するピンホールと呼ぶ）の像が結像する結像点に波面計測器８０の開口６２ａのほぼ中心が一致するように、ウエハレーザ干渉計５４Ｗの計測値をモニタしつつ、ウエハステージ駆動部５６を介してウエハステージＷＳＴを移動する。この際、主制御装置５０では、焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）の検出結果に基づいて、ピンホール像が結像される像面に波面計測器８０のカバーガラス８２の上面を一致させるべく、ウエハステージ駆動部５６を介してウエハステージＷＳＴをＺ軸方向に微少駆動する。これにより、着目するピンホールの像光束がカバーガラス８２の中央の開口を介して受光光学系４４に入射し、受光部４２を構成する受光素子によって受光される。図５Ａには、このようにして波面収差の計測が開始された後の状態が示されている。
これを更に詳述すると、レチクルＲｐ上の着目するピンホールからは球面波が発生し、この球面波が、投影光学系ＰＬ、及び波面計測器８０の受光光学系４４を構成する対物レンズ６４ａ、リレーレンズ６４ｂ、ミラー３９、コリメータレンズ６４ｃを介して平行光束となって、マイクロレンズアレイ６６を照射する。これにより、投影光学系ＰＬの瞳面における波面がマイクロレンズアレイ６６にリレーされ、分割（波面分割）される。そして、このマイクロレンズアレイ６６の各レンズエレメントによってそれぞれの光が受光素子の受光面に集光され、該受光面にピンホールの像がそれぞれ結像される。
このとき、投影光学系ＰＬが、波面収差の無い理想的な光学系であるならば、投影光学系ＰＬの瞳面における波面は理想的な波面（ここでは平面）になり、その結果マイクロレンズアレイ６６に入射する平行光束が平面波となり、その波面は理想的な波面となる筈である。この場合、図６Ａに示されるように、マイクロレンズアレイ６６を構成する各レンズエレメントの光軸上の位置にスポット像（以下、「スポット」とも呼ぶ）が結像する。
しかるに、投影光学系ＰＬには通常、波面収差が存在するため、マイクロレンズアレイ６６に入射する平行光束の波面は理想的な波面からずれ、そのずれ、すなわち波面の理想波面に対する傾きに応じて、図６Ｂに示されるように、各スポットの結像位置がマイクロレンズアレイ６６の各レンズエレメントの光軸上の位置からずれることとなる。この場合、各スポットの基準点（各レンズエレメントの光軸上の位置）からの位置のずれは、波面の傾きに対応している。
ｄ．　そして、受光部４２を構成する受光素子上の各集光点に入射した光（スポット像の光束）が受光素子でそれぞれ光電変換され、該光電変換信号が電気回路４０ｂ、３３等を介して波面計測制御装置４８に送られ、該波面計測制御装置４８では、その光電変換信号に基づいて各スポットの結像位置を算出し、さらに、その算出結果と既知の基準点の位置データとを用いて、位置ずれ（Δξ，Δη）を算出して内部のメモリに格納する。このとき、主制御装置５０から波面計測制御装置４８に対してそのときのレーザ干渉計５４Ｗの計測値（Ｘｉ，Ｙｉ）が供給されている。
ｅ．　上述のようにして、１つの着目するピンホール像の結像点における波面計測器８０による、スポット像の位置ずれの計測が終了すると、波面計測制御装置４８からの通知により、主制御装置５０では、次のピンホール像の結像点に、波面計測器８０の開口６２ａのほぼ中心が一致するように、ウエハステージＷＳＴを移動する。この移動が終了すると、前述と同様にして、主制御装置５０により、光源１６からレーザ光の発光が行われ、同様にして波面計測制御装置４８によって各スポットの結像位置が算出される。以後、他のピンホール像の結像点で同様の計測が順次行われる。
このようにして、必要な計測が終了した段階では、波面計測制御装置４８のメモリには、前述した各ピンホール像の結像点における位置ずれデータ（Δξ，Δη）と、各結像点の座標データ（各ピンホール像の結像点における計測を行った際のレーザ干渉計５４Ｗの計測値（Ｘｉ，Ｙｉ））とが格納されている。
そこで、波面計測制御装置４８では、メモリ内に格納されたピンホール像の結像点に対応する投影光学系ＰＬの瞳面における波面の傾きに対応する位置ずれ（Δξ，Δη）に基づいて、例えば、周知のツェルニケ多項式を用いて、波面を復元する、すなわち波面収差を算出する。なお、この波面収差の算出方法は、周知であるから、詳細な説明は省略するが、位置ずれのみでしか与えられていない波面の傾きをそのまま微分するのは容易ではないため、面形状を級数に展開して、これにフィットすることとしたものである。この場合、級数は直交系（ツェルニケ多項式）を選ぶこと、ツェルニケ多項式は軸対称な面の展開に適した級数であり、円周方向は三角級数に展開すること、波面を極座標系（ρ，θ）で表すこと、及び波面の微分が上記の位置ずれとして検出されるので、フィッティングは微係数について、最小自乗法で行うことなどが、効率的な演算のためのポイントとなる。
なお、ツェルニケ多項式のそれぞれの項はディストーション、フォーカス成分、非点収差、コマ収差、球面収差などの各光学収差に対応しており、しかも低次の項はザイデル収差にほぼ対応することが知られている。従って、ツェルニケ多項式を用いることにより、投影光学系ＰＬの結像性能に起因する各収差を求めることができる。
そして、波面計測制御装置４８では、算出した投影光学系ＰＬの波面収差を、主制御装置５０に供給する。そして、主制御装置５０では、上記波面計測制御装置４８から供給された投影光学系ＰＬ単独の波面収差のデータ、すなわちツェルニケ多項式のそれぞれの項が対応する各光学収差の情報に基づいて、結像特性補正コントローラ７８に指令を与えて、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば、ディストーション、非点収差、コマ収差、球面収差、像面湾曲（フォーカス）などを調整する。
以上のような波面収差の計測及びこれに基づく投影光学系ＰＬの結像特性の微調整は、例えば、露光装置メーカー内で、出荷前に投影光学系ＰＬの最終的な微調整に際しても行われる。すなわち、投影光学系ＰＬは、露光装置１０に搭載される前に、ある程度の調整は終了しており、露光装置１０に搭載した後は最後の微調整を行うのみとなっているので、上述したような波面収差の計測及びこれに基づく投影光学系ＰＬの結像特性の微調整（レンズエレメントの微調整）により最終調整が可能である。その後、波面計測器８０はＺチルトステージ５８から取り外された後、露光装置１０が出荷される。
前述の如く、波面計測器８０は、Ｚチルトステージ５８の側面に常時設置されているわけではない。従って、本実施形態の露光装置１０では、通常の使用時における投影光学系ＰＬの結像特性の補正は、Ｚチルトステージ５８に取り付けられている空間像計測器５９による空間像の計測結果に基づいて、主として行われるようになっている。
次に、空間像計測器５９を用いた空間像の計測方法について説明する。まず、最初に、計測用パターン、ここでは、ラインアンドスペースパターン（以下、「Ｌ／Ｓパターン」と略述する）用いて、その空間像のＸＹ面内の投影位置（結像位置）の計測を行う場合について説明する。
まず、主制御装置５０では、レチクルステージ駆動部４９を介してレチクルステージＲＳＴを図５Ｂに示される位置まで移動するとともに、ウエハステージ駆動部５６を介して、Ｚチルトステージ５８を図５Ｂに示される位置の近傍まで移動する。ここで、前述したＲＦＭ板６８には、Ｙ軸方向に周期性を有するＬ／Ｓパターンから成る計測用マーク（以下、便宜上「マークＰＭ」と記述する）を含む複数の計測用マークが所定の位置関係で形成されているものとする。
この状態で、主制御装置５０では、光源１６に制御情報ＴＳを与えてレーザ光を発光させる。これにより、照明光学系１２からの露光光ＩＬが、ＲＦＭ板６８に照射される。これにより、ＲＦＭ板６８の例えばマークＰＭで発生する回折光が投影光学系ＰＬを介して像面上に集光され、マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が図４Ａに示されるように像面に形成される。
次に、主制御装置５０では、ウエハステージ駆動部５６を介して、Ｚチルトステージ５８を図４Ａにおける左方向（図１における−Ｙ方向）に移動することにより、空間像ＰＭ’に対して空間像計測器５９の開口５７ａが走査され、いわゆるスリットスキャン方式で空間像ＰＭ’が計測される。
この計測中に、受光ガラス５７の開口５７ａを透過した露光光ＩＬが集光レンズ８１を通って光センサ８３の受光面に到達し、該光センサ８３で光電変換が行われる。この光電変換により、光センサ８３から例えば図４Ｃに示されるような光量信号（空間像の像強度信号）が出力される。なお、図４Ｃの横軸は、Ｚチルトステージ５８のＹ軸方向位置であり、前述のウエハ干渉計５４Ｗｙにより計測される座標である。光センサ８３からの光量信号は、主制御装置５０に供給される。
主制御装置５０では、上記の光量信号を関数フィッティング等して空間像ＰＭ’を計測し、その空間像ＰＭ’の計測結果に公知のスライス法その他の処理方法を適用して空間像ＰＭ’の投影光学系ＰＬの光軸に直交するＸＹ面内の結像位置を求める。ここで、スライス法とは、図４Ｃのような空間像の像強度信号を所定のスライスレベルでスライスし、像強度信号とスライスレベルとの交点に基づいてマークＰＭの各ラインのエッジを検出するエッジ検出の手法である。
主制御装置５０では、前述と同様の手順で、ＲＦＭ板６８上の異なる計測用マークについて空間像の計測、及び結像位置の計測を順次行うことにより、複数の計測用マーク（投影光学系ＰＬの有効投影視野内に対応する上記照明領域ＩＡＲ内に分布する計測用マーク）の結像位置の情報を得て、その結果に基づいて所定の演算を行うことにより、例えば投影光学系ＰＬの倍率やディストーション等の結像特性を求める。なお、かかる空間像計測の結果に基づく投影光学系ＰＬの倍率やディストーション等の演算は、例えば、米国特許第５，８４１，５２０号などに詳細に開示されている。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
次に、空間像計測により、投影光学系ＰＬの像面位置（ベストフォーカス位置）を求める方法について、簡単に説明する。この像面位置の検出に際し、主制御装置５０では、焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）の検出結果に基づいて、Ｚチルトステージ５８のＺ位置を所定のステップピッチで変化させながら、上記と同様にしてスリットスキャン方式により計測用マークＰＭの空間像ＰＭ’等を計測する。そして、各Ｚ位置について得られた空間像の像強度信号のうち、例えばコントラストが最大になる像強度信号に対応するＺ位置を像面位置とする。また、主制御装置５０では、かかる像面位置の計測を、異なる計測用マークについて繰り返し行うことで、各計測用マークに対応する点の像面位置を求めることができる。ここで、各点の像面位置の計測に際し、焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）の検出点（計測点）と計測用マークの結像点とが一致しない場合には、焦点検出系（６０ａ，６０ｂ）の計測点間に像面計測点（ポイント）が設定された際に、その点における波面計測器８０のＺ軸方向位置を隣接する計測点における計測結果に基づく補間計算で正確に求めることにより、任意の点における像面を求めることができる。このためには、波面計測器８０の表面（例えばカバーガラス８２）が十分な平面度を有する面となっているとともに、波面計測器８０の表面の傾斜成分（レベリング）が正確に把握されていることが前提となる。なお、補間計算を行わない場合、すなわち、波面計測器８０が波面計測のみを目的とする場合には、上記の平面度や傾斜成分を考慮する必要はない。
また、主制御装置５０では、このようにして得られた各点についての像面位置を最小自乗法などを適用して近似曲面を求めることにより、像面湾曲をも求めることができる。
これまでの説明から容易に想像されるように、空間像計測器５９を構成する集光レンズ８１は単に光を集めるだけのものであり、また、光センサ８３も単に光量を測定するだけのものであるから、波面計測器８０を構成する受光光学系４４、及び受光部４２を構成する受光素子に比べ精度、大きさ、安定性ともに簡易的であるので、全露光装置に搭載することが可能である。
主制御装置５０では、通常使用時、具体的には連続運転中などは、上述のようにして、空間像計測器５９を用いて、ディストーション（倍率を含む）、コマ収差、球面収差、像面等の収差（低次収差）を、例えばロット先頭のウエハの露光の度毎、あるいは１日に１回などというように、定期的な間隔で計測し、その計測結果に基づき、必要に応じて結像特性補正コントローラ７８に指令を与えて、投影光学系ＰＬの結像特性、具体的には上記の低次収差を調整する。
ところで、空間像計測器５９は、パターンの像の結像位置を直接的に計測するものであり、空間像計測器５９で計測される結像位置は、投影光学系ＰＬの複数の収差による複合的な影響を受けた空間像ＰＭ’から求められるものである。また、一般に、照明光学系１２内の照明系開口絞り板２４等によって設定された照明条件が異なれば、空間像計測器５９を用いた空間像計測結果は異なる。これは、例えば照明系開口絞り板２４の開口絞りの設定が異なれば、照明光学系１２の瞳面における光源面の形状が異なり、該光源面からの照明光で照明されるＲＦＭ板６８上の計測用パターンから発生する回折光が投影光学系ＰＬ内を通る光路が、光源面の形状に応じて異なるためである。すなわち、投影光学系ＰＬの一部を通過した光線のみが結像に寄与し、この結像に寄与する光線が光源面の形状によって異なり、しかも実際の投影光学系ＰＬには、必ず収差が存在するためである。同様に、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．絞り６９の開口の変更や、ＲＦＭ板６８上又はレチクル上のパターンの変更等により結像条件が変更される場合には、同様に空間像の計測結果が異なることになる。
ここで、例えば、図７Ａに示されるように投影光学系ＰＬにコマ収差がある場合を考えてみる。この場合、結像条件が異なると、上述した理由により、空間像計測では結像位置が異なって計測される。一方、投影光学系ＰＬのディストーションが異なれば、図７Ａ及び前述の説明から明らかなように、空間像計測では結像位置が異なって計測される。従って、空間像計測による結像位置計測だけでは、コマ収差とディストーションが分離できないこととなる。
また、例えば、図７Ｂに示されるように投影光学系ＰＬに球面収差がある場合を考えてみる。この場合、結像条件が異なると空間像計測では光軸方向の結像位置（像面）が異なって計測される。一方、投影光学系ＰＬの球面収差が異なると、図７Ｂからも明らかなように、空間像計測では光軸方向の結像位置が異なって計測される。従って、空間像計測だけでは、像面湾曲成分と球面収差成分とを区別することが困難である。
上述したような種々の理由から、空間像計測結果のみに基づいて投影光学系ＰＬの結像特性を管理する場合には、結像条件が変更される度毎に、空間像計測を行い、その計測結果に基づいて投影光学系ＰＬの結像特性を調整することが必要となる。そこで、本実施形態では、波面収差計測と空間像計測とを併用することにより、空間像計測による収差成分を区別可能にし、さらに、上述した結像条件の変更の度毎の空間像計測を不要としている。以下、この点について説明する。
まず、オペレータによりＺチルトステージ５８の側面に対して波面計測器８０を取り付ける作業が行われる。この取付け終了後、オペレータによる計測開始のコマンドの入力に応じて、主制御装置５０により、前述した手順で、波面収差の計測が行われる。これにより、前述したように、投影光学系ＰＬの全Ｎ．Ａ．に亘る波面収差が計測され、その計測結果が、主制御装置５０内のメモリに記憶される。
しかる後（あるいは所定時間経過後）、主制御装置５０は、オペレータが予め設定した露光条件の設定ファイル（プロセスプログラムとも呼ばれる）の設定に応じて、照明光学系１２内の照明系開口絞り板２４の開口絞りを選択して照明条件の設定を行い、Ｎ．Ａ．絞り６９を調整することにより投影光学系ＰＬの開口数を設定し、また、転写対象のレチクル又はパターンとして最適なものを選択設定する。すなわち、主制御装置５０では、このようにしてオペレータの設定した結像条件の設定を行う。
上記の照明条件、開口数の設定により、投影光学系ＰＬの内部を通過する光線の光路が異なる。さらに、レチクルのパターン（パターンの形状、あるいは位相シフタの有無、種類等）により発生する回折光が異なるため、これらの組み合わせで投影光学系内ＰＬ内を通過する光線の光路が決定する。
主制御装置５０では、その結像条件の設定の下で、ウエハステージＷＳＴ上の空間像計測器５９を用いて、前述した手順で空間像計測を実行し、その計測結果をメモリ内に記憶する。
ここで、再度、投影光学系ＰＬにコマ収差がある場合を考える。この場合には、投影光学系ＰＬの全Ｎ．Ａ．に渡る波面収差が予め計測され、その計測結果にはコマ収差が含まれている。従って、コマ収差の量は、その波面計測結果、すなわちツェルニケ多項式の各項のうち、コマ収差成分の項に基づいて空間像計測条件及びその計測結果とは無関係に、すなわち結像条件とは無関係に精度良く求められている。従って、主制御装置５０では、波面計測結果と上記の空間像の計測結果とにより、コマ収差成分とディストーション成分とを分離して、両成分を精度良く算出することができる。
同様に、投影光学系ＰＬに球面収差がある場合にも、球面収差は、波面計測結果、すなわちツェルニケ多項式の各項のうち球面収差成分の項から、結像条件とは無関係に精度良く求められているので、主制御装置５０では、波面計測結果と上記の空間像の計測結果とにより、像面湾曲成分と球面収差成分とを分離して、両成分を精度良く算出することができる。
従って、主制御装置５０では、以上のようにして算出した投影光学系ＰＬの結像特性（各種収差）に基づいて、結像特性補正コントローラ７８を介して、投影光学系ＰＬ内の各レンズエレメントを上下動させることにより、投影光学系ＰＬの結像特性を高精度に調整することができる。
また、この場合、上記の波面計測の結果として、投影光学系ＰＬの全Ｎ．Ａ．に亘る波面収差が予め計測されているので、主制御装置５０では、オペレータの指示あるいはプロセスプログラムの設定に従って結像条件を変更した場合であっても、メモリ内に記憶されている上記の空間像の計測結果（結像条件の変更前の空間像の計測結果）と波面収差の計測結果とに基づいて、その結像条件の変更後における空間像、すなわち、パターンの結像状態（及びそれに基づく投影光学系ＰＬの結像特性（諸収差））を計算により求める（推測する）ことができる。従って、主制御装置５０では、その結像条件の変更後における投影光学系ＰＬの諸収差に基づいてディストーション等の収差が最小となるように、結像特性補正コントローラ７８を介して、投影光学系ＰＬ内の各レンズエレメントを上下動させることにより、投影光学系ＰＬの結像特性を高精度に調整することができる。
また、投影光学系ＰＬの結像特性の調整は、投影光学系ＰＬ内のレンズエレメントを移動させる他、これに代えて、あるいはこれに加えて、例えば主制御装置５０が、ウエハＷ及びレチクルＲの少なくとも一方をウエハステージ駆動部５６、レチクルステージ駆動部４９を介してを光軸方向に移動させたり、あるいは光軸に対して傾斜させたりすることによっても行うことができる。さらに、上記各動作に代えて、あるいは上記各動作に加えて、主制御装置５０あるいは結像特性補正コントローラ７８が、光源１６から出力されるレーザ光ＬＢ（露光光ＩＬ）の波長をシフトさせることによっても、投影光学系ＰＬの結像特性の調整は可能である。
以上説明した波面収差計測と空間像計測とを併用する方法によると、結像条件の変更の度毎に、空間像の計測を行うことなく、しかも、結像条件の変更に影響を受けることなく、投影光学系ＰＬの結像特性を精度良く調整することが可能となる。また、一つの結像条件下で、十分繰り返して空間像計測を行ってその平均値等を用いて空間像を求めておくことにより、平均化効果により計測精度が向上し、各回の計測結果に含まれる誤差も低減される。
ところで、投影光学系ＰＬは、露光装置製造時に一度調整を行えば、長期に渡って安定的に使用することができることが望ましく、そのように設計・製造が行われている。しかし、製造時の応力が徐々に解放されたり、工場の用力検査時に空調を停止する等に起因する温度変動及び、装置の振動によって、長期的に見ると結像特性が変化する場合がある。従って、例えば波面収差等の結像特性を頻繁に計測して問題とならないうちに結像特性の調整を行うことが望ましい。
しかし、波面計測器８０は、上述のようにＺチルトステージ５８の側面に常時設けられているわけではないため、頻繁に波面計測を行うことは困難である。一方、空間像計測器は常時Ｚチルトステージ５８上に固定されており、また、空間像計測に用いる計測用パターンが形成されたＲＦＭ板６８も常設されているので、頻繁な空間像計測は可能である。
本実施形態の露光装置１０では、かかる点を考慮して、主制御装置５０では、次のようにして投影光学系ＰＬの結像特性の管理を行っている。以下、この結像特性管理方法について説明する。
すなわち、主制御装置５０では、通常の使用状態、例えば連続運転中には、例えばロットの先頭のウエハの露光開始直前毎、あるいは１日１回などの比較的高い頻度で、Ｚチルトステージ５８に常設されている空間像計測器５９を用いて、前述した手順で空間像計測を実行し、この計測結果に基づいて、投影光学系ＰＬの結像特性の変化を監視し、必要に応じてその空間像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。この程度の頻度で空間像計測を行えば、投影光学系ＰＬの結像特性が変化したかどうかの判断を行うのには十分である。また、倍率、ディストーション、像面湾曲等の空間像計測器で精度良く計れる収差は、低次でより変化しやすいので空間像計測器５９による空間像計測結果のみに基づいて補正しても、問題が無い場合が多い。
但し、結像特性の変動の積算値がある一定の値を超えた場合には、空間像の計測結果のみに基づいて十分な結像特性の補正が困難となる可能性がある。そこで、主制御装置５０では、計測された結像特性の変動の積算値が、ある一定の値を超えた場合に、不図示の表示装置にその旨を表示し、オペレータに波面収差の計測を促す。これにより、オペレータにより波面計測器８０がＺチルトステージ５８の側面に取り付けられ、前述のようにして波面収差の計測が実行される。主制御装置５０では、波面収差の計測結果に基づいて投影光学系ＰＬの結像特性を補正（調整）する。この場合において、万一、補正が不可能な場合には、例えば、その旨を不図示の表示装置に表示することとしても良い。これにより、オペレータは、投影光学系ＰＬの結像特性が異常であることを認識し、その後の適切な対応が可能となる。
また、例えば、前述した結像条件の変更を行う場合などには、主制御装置５０では、直前に行われた空間像計測の計測結果と最後に行われた（前回行われた）波面収差の計測結果とに基づいて、すなわち空間像計測で求められる収差成分と、波面計測で求められた上記収差成分と同一の収差成分（ツェルニケ多項式の項）とを比較することで、その結像条件の変更後の空間像の計測結果を予測する。そして、主制御装置５０では、結像条件の変更を行い、その変更直後に空間像の計測を実行し、その空間像の計測結果と予測した空間像の計測結果との比較を行い、これら両者の誤差が許容値を超えている場合に、不図示の表示装置にその旨を表示し、オペレータに波面収差の計測を促す。
このようにして、主制御装置５０により、投影光学系ＰＬの結像特性の管理が行われるので、投影光学系ＰＬの結像特性を精度良く維持することができるとともに、波面収差の計測に伴う装置のダウンタイムを極力抑えることができる。
なお、波面収差の計測のタイミングとしては、定期的に行うこととしても良く、例えば半年、あるいは１年に１回の保守のときに行うこととしても良い。
これまでの説明から明らかなように、本実施形態では、主制御装置５０によって演算装置が構成され、結像特性補正コントローラ７８によって補正装置が構成されている。また、主制御装置５０、波面計測制御装置４８、空間像計測器５９、及び波面計測器８０等を含んで結像特性計測装置が構成され、この結像特性計測装置と結像特性補正コントローラ７８とによって結像特性補正装置が構成されている。
以上、詳細に説明したように、本実施形態の露光装置１０によると、主制御装置５０により、計測用パターンの投影光学系ＰＬによる投影像ＰＭ’を空間像計測器５９を用いて計測した結果と、投影光学系ＰＬの波面収差を波面計測器８０を用いて計測した結果とに基づいて、投影光学系ＰＬの結像特性が算出される。この際に、主制御装置５０では、空間像の計測結果に含まれる収差の影響を、波面収差の計測結果に基づいて補正することにより、投影光学系ＰＬの結像特性を精度良く算出することができる。
また、上記のようにして高精度に計測された投影光学系ＰＬの結像特性に基づいて、主制御装置５０により結像特性補正コントローラ７８を介して投影光学系ＰＬの結像特性が補正されるので、投影光学系ＰＬの結像特性を高精度に補正することが可能となる。
また、本実施形態に係る露光装置１０によると、露光の際には、上記のようにして投影光学系ＰＬの結像特性の補正が精度良く行われた状態で、前述した走査露光が行われ、露光光ＩＬによりレチクルＲを照明してそのレチクルＲ上のパターンが投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に転写される。従って、ウエハＷ上にはパターンが精度良く転写される。すなわち、高精度な露光が可能となる。
なお、上記実施形態では、説明の簡略化のため、波面計測器８０内の受光光学系４４の収差は無視できる程小さいものとした。しかしながら、かかる収差でさえ無視できない精度高い結像特性の計測が要請される場合には、受光光学系４４単独の波面収差を計測する必要が生じる。かかる観点からなされたのが、次の第２の実施形態である。
《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を、図８〜図１０Ｂに基づいて説明する。ここで、前述した第１の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については、同一の符号を用いるとともに、その説明を簡略し若しくは省略するものとする。
この第２の実施形態は、波面計測器の構成及びこれに応じて波面収差の計測方法などが前述した第１の実施形態と相違するのみである。従って、以下では、かかる相違点を中心として、説明する。
図８には、本第２の実施形態に係る波面計測装置としての波面計測器８０’が装着されたＺチルトステージ５８の平面図が示されている。また、図９には、波面計測器８０’の断面図が示されている。
図９に示されるように、波面計測器８０’は、ＸＺ断面がＬ字状の内部空間を有する第１筐体６２Ａと、該第１筐体６２Ａの内部に所定の位置関係で配置された複数の光学素子から成る受光光学系４４と、第１筐体６２Ａの＋Ｙ側端部に固定された断熱部材３８と、該断熱部材３８の＋Ｙ側に接続された第２筐体６２Ｂと、該第２筐体６２Ｂの内部に設けられた受光部４２とを備えている。
この場合、第１筐体６２Ａと第２筐体６２Ｂと断熱部材３８とによって、波面計測器８０’の筐体６２’が構成されている。この波面計測器８０’は、前述の波面計測器８０と同様のシャック−ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎ）方式の波面計測器である。
これを更に詳述すると、前記第１筐体６２Ａは、Ｌ字状の筒部材から成り、その最上部（＋Ｚ方向端部）には、第１筐体６２Ａの上方からの光が筐体内部に入射するように、平面視円形（図８参照）の開口６２ａ’が形成されている。また、この開口６２ａ’を筒部内側から閉塞するように前述と同様に遮光膜が形成されたカバーガラス２８が設けられている。
また、カバーガラス２８上方の第１筐体６２Ａの上面には、開口６２ａ’を覆うような状態で着脱自在のピンホールマスクＰＨＭが装着されている。このピンホールマスクＰＨＭは、実際には、前述の波面計測制御装置４８によって制御される不図示のスライド機構によって着脱されるようになっている。なお、スライド機構に代えてピンホールマスクＰＨＭをカバーガラス２８上方の第１筐体６２Ａの上面に着脱する回転機構、その他の機構を設けても良い。ここで、ピンホールマスクＰＨＭのパターン面（下面）には、上方から光が照射された場合に、ほぼ理想的な点光源となって球面波を発生するピンホールが形成されている。本実施形態では、このピンホールマスクＰＨＭは、後述するキャリブレーションの際に用いられるものである。
前記受光光学系４４は、第１筐体６２Ａの内部に、前述の第１の実施形態と同様の位置関係で配置された対物レンズ６４ａ，リレーレンズ６４ｂ，折り曲げミラー３９、コリメータレンズ６４ｃ、及びマイクロレンズアレイ６６から構成されている。なお、この受光光学系４４を構成する各光学部材は、第１筐体６２Ａの壁の内側に不図示の保持部材を介してそれぞれ固定されている。
前記断熱部材３８としては、樹脂、セラミック等から成る環状のものが用いられている。この断熱部材３８の形状は、第１筐体６２Ａの断面形状及び第２筐体６２Ｂの断面形状に対応している。
前記第２筐体６２Ｂは、有底筒状部材から成り、前記第１筐体６２Ａの＋Ｙ側に断熱部材３８を介して接続されている。この第２筐体６４の内部には、受光部４２が設けられている。この場合も、受光素子４０ａから物理的に切り離すことが可能な電気回路３３は、第２筐体６２Ｂから離れた位置に設けられ、電気回路４２ｂとフラットケーブルで接続されている。なお、受光部４２による計測データは電気回路３３を介して前述の波面計測制御装置４８に出力されるようになっている。
更に、第１筐体６２の外面の上側には、図９に示されるように、遮熱部としての遮熱板１４４が、第２筐体６２Ｂの上方を覆う状態で取り付け部材４５を介して固定されている。この遮熱板１４４としては、断熱部材３８と同様に、樹脂、セラミック等からなる板状のものが用いられている。なお、この遮熱板１４４を、筐体６２’の外周部をほぼ全周にわたって覆うような構成とすることも可能である。この他、筐体６２’の全体、あるいは一部、例えば第２筐体６２Ｂ、あるいはその一部（受光部４２の上方部）を、樹脂、セラミック等の断熱性の素材により形成しても良い。
上述のようにして構成された受光光学系４４及び受光素子４０によると、開口６２ａ’を介して第１筐体６２Ａの内部に入射した光束は、対物レンズ６４ａ、リレーレンズ６４ｂ、ミラー３９を順次介してコリメータレンズ６４ｃ入射し、該コリメータレンズ６４ｃで平行光束に変換され、マイクロレンズアレイ６６に入射する。このマイクロレンズアレイ６６に入射した光束は、マイクロレンズアレイ６６を構成する各レンズエレメントを介して受光素子４０ａ上にそれぞれ集光される。そして、受光素子４０ａ上の各集光点に入射した光が受光素子４０ａでそれぞれ光電変換され、該光電変換信号が電気回路４０ｂ、３３等を介して波面計測制御装置４８に送られ、該波面計測制御装置４８では、前述と同様にその光電変換信号に基づいて結像位置を算出する。
すなわち、本実施形態では、波面計測器８０’が、ピンホールマスクＰＨＭ、断熱材３８、遮熱板１４４を備えている点が前述の第１の実施形態に係る波面計測器８０と異なり、波面計測器のその他の構成部分、及び露光装置の構成などは第１の実施形態と同様になっている。
次に、本第２の実施形態の露光装置における投影光学系ＰＬの波面収差の計測方法について説明する。
まず、通常の露光時には、波面計測器８０’は、ウエハステージＷＳＴから取り外されているため、波面計測に際しては、前述と同様にして、オペレータによりＺチルトステージ５８の側面に対して波面計測器８０’を取り付ける作業が行われる。
上記の取付け終了後、オペレータによる計測開始のコマンドの入力に応じて、主制御装置５０では、前述のアライメント検出系下方に波面計測器８０’が位置するように、ウエハステージＷＳＴ（ＸＹステージ１４）を移動させる。そして、主制御装置５０では、アライメント検出系により波面計測器８０’に設けられた不図示の位置合わせマークを検出し、その検出結果とそのときのレーザ干渉計５４Ｗの計測値とに基づいて位置合わせマークの位置座標を算出し、波面計測器８０’の正確な位置を求める。そして、波面計測器８０’の位置計測後、主制御装置５０を中心として以下のようにして波面収差の計測が実行される。
まず、主制御装置５０では、図１０Ａに示されるように、投影光学系ＰＬの光軸のほぼ真下に波面計測器８０’の開口６２ａ’の中心（すなわち、対物レンズ６４ａの光軸とほぼ一致）が位置決めされるように、ウエハステージＷＳＴ（ＸＹステージ１４）を移動させる。
次いで、主制御装置５０からの指示に応じて、波面計測制御装置４８が不図示のスライド機構を介して波面計測器８０’にピンホールマスクＰＨＭを装着する。そして、主制御装置５０では、照明系内の光源１６からのレーザ光の発光を開始する。この時点では、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルが搭載されていないものとする。
上記のレーザ光の発光開始により、照明系からの露光光ＩＬが投影光学系ＰＬを介してピンホールマスクＰＨＭに照射される。このとき、投影光学系ＰＬは単にピンホールマスクＰＨＭを照明するための光学系として機能する。この露光光ＩＬの照射により、ピンホールマスクＰＨＭのピンホールから球面波が発生する。そして、この球面波が対物レンズ６４ａ、リレーレンズ６４ｂ、ミラー３９、コリメータレンズ６４ｃを介して平行光束となって、マイクロレンズアレイ６６を照射する。そして、このマイクロレンズアレイ６６の各レンズエレメントによってそれぞれ光が受光素子４０ａの受光面に集光され、該受光面にピンホールの像がそれぞれ結像される。
このとき、受光素子４０ａに至る光路の途中に配置された受光光学系４４が、波面収差の無い理想的な光学系であるならば、マイクロレンズアレイ６６に入射する平行光束は平面波であり、その波面は理想的な波面となる筈である。この場合、前述と同様に、マイクロレンズアレイ６６を構成する各レンズエレメントの光軸上の位置にスポットが結像する。
しかるに、受光光学系４４には通常、波面収差が存在するため、マイクロレンズアレイ６６に入射する平行光束の波面は理想的な波面（ここでは平面）からずれ、そのずれ、すなわち波面の理想波面に対する傾きに応じて、各スポットの結像位置がマイクロレンズアレイ６６の各レンズエレメントの光軸上の位置からずれる。この場合、各スポットの基準点（各レンズエレメントの光軸上の位置）からの位置のずれは、波面の傾きに対応している。
前述の如く、受光素子４０ａ上の各集光点に入射した光（スポット像の光束）が受光素子４０ａでそれぞれ光電変換され、該光電変換信号が電気回路４０ｂ、３３等を介して波面計測制御装置４８に送られ、該波面計測制御装置４８では、その光電変換信号に基づいて各スポットの結像位置を算出し、さらに、その算出結果と既知の基準点の位置データとを用いて、前述した位置ずれ（Δｘ，Δｙ）を算出して内部のメモリに格納する。次いで、５波面計測制御装置４８では、不図示のスライド機構を介して波面計測器８０’からピンホールマスクＰＨＭを取り外す（図１０Ｂ参照）。これにより、波面計測器８０’のキャリブレーションが終了し、この終了が波面計測制御装置４８から主制御装置５０に通知される。
上記の通知を受けると、主制御装置５０は、図１０Ｂに示されるように、不図示のレチクルローダにより前述の計測用レチクルＲｐをレチクルステージＲＳＴ上にロードする。ここでは、計測専用のレチクルＲｐを用いるものとする。
レチクルＲｐのロード後、主制御装置５０では、前述のＲＡ顕微鏡を用いて、レチクルＲｐに形成されたレチクルアライメントマークを検出し、その検出結果に基づいて、レチクルＲｐを所定の位置に位置合わせする。これにより、レチクルＲｐの中心と投影光学系ＰＬの光軸とがほぼ一致する。
この後、前述した第１の実施形態中のｃ．〜ｅ．と同様の手順で、主制御装置５０及び波面計測制御装置４８により、レチクルＲｐ上の複数のピンホールのそれぞれについて、波面計測器８０’を用い、マイクロレンズアレイ６６により受光素子４０ａの受光面上に結像されるスポット像の位置ずれ量（ΔＸｉ、ΔＹｉ）の計測が、行われる。
このようにして、必要な計測が終了した段階では、波面計測制御装置４８のメモリには、前述したキャリブレーション時の位置ずれデータ（Δｘ，Δｙ）と、各ピンホール像の結像点における位置ずれデータ（ΔＸｉ，ΔＹｉ）と、各結像点の座標データ（各ピンホール像の結像点における計測を行った際のレーザ干渉計５４Ｗの計測値（Ｘｉ，Ｙｉ））とが格納されている。
但し、この場合は、波面計測器８０’内部の受光光学系４４の収差をも問題とするので、マイクロレンズアレイ６６に入射する平行光束の波面の理想的な波面からのずれは、分割された投影光学系ＰＬの瞳面における波面の理想的な波面からのずれと、受光光学系４４の波面の理想的な波面からのずれとが重ね合わされたずれとなっている。すなわち、各スポットの基準点（各レンズエレメントの光軸上の位置）からの位置のずれ（ΔＸｉ，ΔＹｉ）は、分割された投影光学系ＰＬの瞳面における波面の傾きに対応する位置ずれ（Δξ，Δη）と、受光光学系４４の波面の傾きに対応する位置ずれ（Δｘ，Δｙ）との和になっている。
そこで、波面計測制御装置４８では、メモリ内に格納された位置ずれデータ（ΔＸｉ，ΔＹｉ）とキャリブレーション時の位置ずれデータ（Δｘ，Δｙ）との差に基づいて、ピンホール像の結像点に対応する投影光学系ＰＬの瞳面における波面の傾きに対応する位置ずれ（Δξ，Δη）を、各ピンホール像毎に算出する。そして、波面計測制御装置４８では、この位置ずれに基づいて、例えば、前述と同様に、ツェルニケ多項式を用いて、波面を復元する、すなわち波面収差を算出する。
なお、上記の説明では、位置ずれデータ（ΔＸｉ，ΔＹｉ）とキャリブレーション時の位置ずれデータ（Δｘ，Δｙ）との差に基づいて、ピンホール像の結像点に対応する投影光学系ＰＬの瞳面における波面の傾きに対応する位置ずれ（Δξ，Δη）を求め、この位置ずれ（Δξ，Δη）に基づいて、投影光学系ＰＬ単独の波面収差を算出することとしたが、これに限らず、位置ずれデータ（ΔＸｉ，ΔＹｉ）に基づいて、上記と同様に、投影光学系ＰＬと受光光学系３２との全体の波面収差を算出し、また、キャリブレーション時の位置ずれデータ（Δｘ，Δｙ）に基づいて受光光学系４４単独の波面収差を算出し、両者の差により、投影光学系ＰＬ単独の波面収差を算出することとしても良い。
そして、波面計測制御装置４８では、算出した投影光学系ＰＬ単独の波面収差を、主制御装置５０に供給する。そして、主制御装置５０では、上記波面計測制御装置４８から供給された投影光学系ＰＬ単独の波面収差のデータ、すなわち、ツェルニケ多項式のそれぞれの項が対応する各光学収差の情報に基づいて、結像特性補正コントローラ７８に指令を与えて、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば、ディストーション、非点収差、コマ収差、球面収差、像面湾曲（フォーカス）などを調整する。すなわち、これまでの説明から明らかなように、波面計測制御装置４８及び主制御装置５０により、本発明の制御装置が構成されている。
本実施形態の露光装置では、露光処理ルーチンに際しては、不図示のレチクル顕微鏡、不図示のオフ・アクシス・アライメント系、及びウエハステージＷＳＴ上の基準マーク等を用いたレチクルアライメント、ベースライン計測等の準備作業が行われた後に、アライメント検出系を用いたウエハＷのファインアライメント（ＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）等）が行われた後、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクルＲのパターンがウエハＷ上の各ショット領域に順次転写される。すなわち、通常のスキャニング・ステッパと同様の手順で、同様の処理が行われるので、詳細説明は省略する。
但し、本第２の実施形態の露光装置では、露光条件の設定の際に、上で説明した投影光学系ＰＬの波面収差の測定及び結像特性の補正が行われる。また、所定枚数のウエハに対する露光が終了する度毎に、上記と同様にして投影光学系ＰＬ単独の波面収差の計測及び波面収差の補正が行われるようになっている。
ところで、本第２の実施形態の露光装置では上述した波面計測の際に、その波面計測精度を向上させるための種々の工夫がなされている。以下、この点について説明する。
すなわち、波面計測器８０’を用いた波面収差の計測、すなわち前述したスポット像の結像位置の位置ずれの計測の際には、受光素子４０ａの光電変換の際の発熱及び電気回路４０ｂの発熱により受光部４２から熱が発生する。しかるに、図９に示されるように、本実施形態では、第１筐体６２Ａと第２筐体６２Ｂとの間に断熱部材３８が設けられているので、該断熱部材３８によって第２筐体６２Ｂ内の受光部４２から発生した熱が第１筐体６２Ａから第２筐体６２Ｂ側に伝達されるのが抑制されている。これにより、第１筐体６２Ａ及びその内部に設けられた光学部材（６４ａ，６４ｂ，６６等）を保持する不図示の保持部材を介して、それらの光学部材へ熱が伝わるのが抑制され、それらの光学部材の温度変動が抑制されている。従って、温度変化に起因する受光光学系４４の波面収差の変動が抑制されている。
また、前述した受光部４２の発熱は、第２筐体６２Ｂからその周囲の空間内の物体に対して輻射熱となって伝達される可能性がある。しかるに、図９に示されるように、本実施形態では、第２筐体６２Ｂの外面の上方に取り付け部材４５を介して遮熱板１４４が固定されているので、該遮熱板１４４によって、少なくとも第２筐体６２Ｂ上方の部材に対しては輻射熱が伝達されないようになっている。従って、露光光ＩＬを用いた収差計測（図１０Ｂ参照）を行う場合に、波面計測器８０’が投影光学系ＰＬの直下に位置しても、投影光学系ＰＬに対する熱の伝達が抑制されるので、投影光学系ＰＬの収差の変動を抑制することが可能となっている。また、投影光学系ＰＬの近傍に設けられた、ウエハＷのＺ方向位置を計測する焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）からの計測ビームに対する温度の影響も抑制されるので、計測ビームの揺らぎによる位置検出精度の低下を抑制することができるようになっている。
また、図９に示されるように、第１筐体６２Ａの形状がＬ字状に形成されているので、受光部４２の上側には受光光学系４４を構成する光学系は一切存在しない。このため、受光光学系４４への空気を媒介した熱の伝達が抑制されている。また、計測時においても、熱源である受光部４２が投影光学系ＰＬの直下に位置するのを防止することができる。この点においても、投影光学系ＰＬへ与える熱の影響を低減することができる。
以上のような工夫により、本第２の実施形態では、波面計測器８０’により、本来の使用時（露光時）とほぼ同様の投影光学系ＰＬの波面収差を、正確かつ安定して計測することが可能となっている。
また、波面計測器８０’は、ウエハステージＷＳＴ（Ｚチルトステージ５８）に着脱自在となっているので、露光時には、これを取り外すことにより、その分ウエハステージＷＳＴの軽量化を図ることができ、これによりウエハステージの位置制御性の向上が可能である。
従って、本実施形態の露光装置によると、結像特性（収差）が精度良く調整された投影光学系ＰＬを用いて、レチクルＲのパターンをウエハＷ上の各ショット領域に高精度に転写することが可能となっている。
また、波面計測器８０’は、Ｚチルトステージ５８に装着可能であることから、特別な駆動装置等を用意しなくても、波面計測器８０’をＸＹ平面内で自在に移動することができるとともに、Ｚ軸方向の位置決めも容易になっている。従って、投影光学系ＰＬの焦点位置に波面計測器８０’の計測面を合わせることができるとともに、投影光学系ＰＬの露光エリア（照明領域ＩＡＲに対応する領域）内の各点の波面収差を計測することが可能となっている。
また、本第２の実施形態の露光装置では、前述の第１の実施形態と同様に、主制御装置５０により、計測用パターンの投影光学系ＰＬによる投影像ＰＭ’を空間像計測器５９を用いて計測した結果と、投影光学系ＰＬの波面収差を波面計測器８０’を用いて計測した結果とに基づいて、投影光学系ＰＬの結像特性を算出することができる。この際、主制御装置５０では、空間像の計測結果に含まれる収差の影響を、波面収差の計測結果に基づいて補正することにより、前述の第１の実施形態と比べて投影光学系ＰＬの結像特性をより精度良く算出することができる。これは、投影光学系ＰＬの波面収差をより高精度に求めることができるからである。
また、上記のようにして高精度に計測された投影光学系ＰＬの結像特性に基づいて、主制御装置５０により結像特性補正コントローラ７８を介して投影光学系ＰＬの結像特性が補正することにより、投影光学系ＰＬの結像特性を高精度に補正することが可能となる。
なお、断熱部材３８は、前述したように環状のものであるが、その開口部の大きさは、マイクロレンズアレイ６６によって集光される光束を遮らなければ如何なる形状であっても良い。従って、断熱部材３８は、上記第２の実施形態のように第１筐体６２Ａと第２筐体６２Ｂとの接続部を必ずしも構成する必要はない。例えば第１筐体６２Ａと第２筐体６２Ｂとから成る筐体、あるいは前述の筐体６２と同様の単一の筐体の内側あるいは外側から溝を形成し、該溝に断熱部材を設けるようにしても良い。要は、断熱部材は、受光部４２と受光光学系４４との間の位置で筐体に固定されていれば良い。
《第３の実施形態》
次に、本発明の第３の実施形態を図１１、図１２Ａ及び図１２Ｂに基づいて説明する。この第２の実施形態は、波面計測器及び波面計測器の使用方法が異なるのみで，その他の部分の構成は前述した第１及び第２の実施形態と同一であるから，重複説明を回避するため、同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用いるとともにその説明を簡略化し若しくは省略する。
図１１には、第３の実施形態に係る波面計測器１８０を断面し、＋Ｙ方向から見た図が示されている。この図１１と上記第２の実施形態に係る波面計測器８０’を示す図９とを比較すると分かるように、波面計測器１８０には、第１筐体６２Ａ外部の対物レンズ６４ａ及びリレーレンズ６４ｂの近傍に設けられ、ケーブルを介して第１筐体６２Ａから離れた位置に存在する電気回路３３に接続された第１温度センサ４６ａと、第１筐体６２Ａ外部のコリメータレンズ６４ｃ近傍に設けられ、前記第１温度センサ４６ａと同様、ケーブルを介して電気回路３３に接続された第２温度センサ４６ｂとを備えているところに特徴を有している。また、波面計測器１８０では、断熱部材が省略されている。
前記第１、第２温度センサ４６ａ，４６ｂは、サーミスタ、抵抗体、あるいは熱伝体等から成り、波面計測器１８０の第１筐体６２の温度を効率良く伝えるように、かつ外気の影響を受けないようにサーマルコンパウンド等で覆われた構成となっている。また、これら第１、第２温度センサ４６ａ，４６ｂは、温度に敏感な光学部材（レンズ）の近くにそれぞれ設置されており、これらの温度センサ４６ａ，４６ｂからのデータは、外部の電気回路３３を介して波面計測制御装置４８（図１参照）へと送られる。
この波面計測器１８０では、受光部４２を構成する電気回路４０ｂに駆動電流が供給されると、受光部４２で熱が発生し、その熱が第２筐体６２Ｂを介して第１筐体６２Ａに伝達される。従って、第１筐体６２Ａの温度が時間とともに図１２Ａに示されるような曲線を描くように変化する。そして、このような温度変化が第１、第２温度センサ４６ａ，４６ｂによってそれぞれ計測される。
以下、これら第１、第２温度センサ４６ａ，４６ｂを用いることにより、上記第１筐体６２Ａの微小な温度変化による計測精度への影響をも抑制することが可能な計測シーケンスについて図１２Ａ及び図１２Ｂに基づいて説明する。なお、上述のように本実施形態では、波面計測器１８０に温度センサが２つ設けられているが、各温度センサの計測値の変化はほぼ同じ挙動を示すことから、以下の説明においては、便宜上、第１温度センサ４６ａ、第２温度センサ４６ｂを纏めて「温度センサ４６」として表すものとする。
図１２Ａに示されるように、時間ｔ０において波面計測器１８０を構成する電気回路４０ｂに対して電流供給を開始すると、初期温度Ｔ０から、実線で示されるように温度が上昇し、この温度変化が温度センサ４６で計測される。この温度上昇により波面計測器１８０を構成する受光光学系４４の収差が変化することが問題であるが、前述した第２の実施形態と同様にして受光光学系４４単独の波面収差の計測を行うことにより、その影響を相殺することができる。すなわち、受光光学系４４単独の波面収差を計測した後、温度変化が十分小さく、波面が殆ど変化しなければ計測誤差にはならない。
このため、図１２Ａの実線が十分に飽和される領域まで待ってから、前述したキャリブレーションを行えば良い。しかし、温度が飽和するまで待つと、待ち時間が長くなる可能性もある。
そこで、図１２Ａに示されるように、波面が殆ど変化しないと思われる許容温度変化量ΔＴを設定し、温度がΔＴ上昇する毎に受光光学系４４単独の波面収差を計測し直す（キャリブレーションする）こととしても良い。また、この図１２Ａから分かるように、電流を供給開始した直後は、温度がΔＴだけ上昇する時間が短く、キャリブレーションを行うだけの時間を確保することができないので、ある程度温度変化が緩やかになった時間ｔ１（温度Ｔ１）のときに受光光学系単独の波面収差の計測（キャリブレーション）を行った後、前述した投影光学系ＰＬの波面収差の計測を開始する。そして、その計測中に、温度がΔＴ上昇した時間ｔ２で、再度受光光学系単独の波面収差を計測（キャリブレーション）した後、投影光学系ＰＬの波面収差の計測を再び開始する。そして、更に温度がΔＴ上昇した時間ｔ３で更にキャリブレーションを行うこととしている。この方法によると、温度が飽和するまでの時間を待たなくても、キャリブレーションを行うことで比較的高精度な投影光学系ＰＬの波面収差の計測が可能となる。
なお、図１２Ａに示される時間ｔ０〜ｔ１までの時間を短縮することが可能な計測シーケンスを採用することもできる。図１２Ｂには、その計測シーケンスにより計測を行った場合の温度変化が実線にて示されている。
図１２Ｂに示されるように、波面計測器１８０をＺチルトステージ５８に取り付ける前に、時間ｔｓから波面計測器１８０の温度がほぼ飽和状態になるまで、受光部を構成する電気回路４０ｂに対して電流を供給しておく。次に、波面計測器１８０の温度がほぼ飽和状態になった時点で、Ｚチルトステージ５８に波面計測器１８０がオペレータにより取り付けられるが、この取り付けの際には、実際には波面計測器１８０からフラットケーブルを一旦はずさなければならないため、電流の供給が一時ストップされ、図１２Ｂに示されるように温度がやや低下する。その後、Ｚチルトステージ５８に対する波面計測器１８０の取り付けが終了した時点（ｔ０）で、波面計測器１８０に再度電流を供給する。
すなわち、Ｚチルトステージ５８に対する波面計測器１８０の取付けが終了したときには、温度センサ４６の計測値は温度Ｔｓとなっているので、Ｚチルトステージ５８に波面計測器１８０を取り付けた後、受光部４２に再度電流を供給し、波面収差の計測が可能となるまでには時間（ｔ０〜ｔ１’）だけかかる。一方で、Ｚチルトステージ５８に波面計測器１８０を取り付けた後、はじめて電流の供給を開始した場合（１点鎖線で示されている）には、波面収差の計測が可能となる温度Ｔ１となるまでに時間（ｔ０〜ｔ１）だけかかる。従って、両者を比べると、先に電流を供給しておくことにより、波面計測器１８０をＺチルトステージ５８に取り付けてから波面計測を実行できるまでの時間を短縮することが可能となる。
なお、このようにして、波面計測を実行するまでの時間を短縮した場合にも、図１２Ａで説明したように、温度がΔＴ変化する毎に、受光光学系４４単独の波面収差のキャリブレーションを行うようにすることが望ましい。
以上説明したように、本第３の実施形態に係る波面計測器１８０は、温度センサ４６ａ，４６ｂを備えていることから、その計測値（温度）に基づいて波面計測のキャリブレーションを行うことにより、より高精度な波面収差計測を行うことが可能となる。また、温度がほぼ飽和状態となる前に計測を行うことができるので、波面計測にかかる時間を短縮することも可能となる。
なお、波面計測器１８０に設けられる温度センサの個数、位置については、上記実施形態に掲げる場合に限らず、任意であって、各光学部材それぞれの近傍に設けても良いし、第１筐体の何処か１箇所に設けるようにしても良い。
なお、本実施形態では、キャリブレーションの実行を管理する基準として温度センサにより計測される温度の変化量を用いるものとしたが、これに限らず、一度温度特性を計測した後は、温度センサではなく時間を計測して、時間を基準とした管理をしても良い。
また、本実施形態のようなシーケンスで波面収差の計測を行う場合には、受光光学系４４の波面収差の変化が大きくなっても、温度に応じてキャリブレーションを行うことにより、投影光学系ＰＬの波面収差の計測結果に与える影響を小さくすることができるので、本第３の実施形態では、断熱部材を省略したものである。但し、本第３の実施形態でも、断熱部材３８を第１筐体と第２筐体の間に設けても構わない。但し、このようにする場合には、図１２Ｂに対応するシーケンスを採用することが、計測時間の短縮という点からは望ましい。
波面計測器１８０の他の部分、及びその他の部分は、前述した第１、第２の実施形態の露光装置と同様に構成されている。従って、本第３の実施形態によっても、前述した第１、第２の実施形態と同等の効果を得ることができる。
なお、上記各実施形態では、空間像の計測結果、波面収差の計測結果に基づいて、露光の際の投影光学系の結像特性を補正（あるいは調整）する場合について説明したが、これに限らず、例えば波面収差の計測結果を考慮して、レチクルＲとウエハＷとのいずれかの目標位置にオフセットを与える等により、レチクルＲとウエハＷとの相対位置を調整しても良く、かかる場合にもレチクルパターンとウエハ上の各ショット領域との重ね合せ精度の向上が可能である。
なお、上記各実施形態では、波面計測器として、シャック−ハルトマン（Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎ）方式の波面計測器、すなわちマイクロレンズアレイ６６を用いた波面計測器を採用したが、本発明がこれに限られるものではなく、図１３Ａ，図１３Ｂに示されるような波面計測器を採用することも可能である。なお、図１３Ａ，図１３Ｂでは、説明を簡略化するため、光軸を折り曲げず一直線とし、受光部についても受光素子のみが図示されている。また、受光光学系についても実際は複数の光学部材を含むものであるが、単一のレンズとして図示されている。
図１３Ａには、波面計測器の第１の変形例が示されている。この波面計測器２８０は、上記各実施形態の波面計測器に採用したマイクロレンズアレイ６６に代えて、シェアリング素子６６’を採用したところに特徴を有している。この波面計測器２８０について簡単に説明すると、受光光学系４４により、投影光学系ＰＬの瞳面における波面がシェアリング素子６６’にリレーされ、シェアリング素子６６’により微小にシフトした像が互いに干渉し合い、受光素子４０ａ上に干渉縞が形成される。そして、隣接した波面同士の干渉は、波面の微分量に相当することから、その計測された値を積分することで、波面を再現することが可能である。
また、図１３Ｂには、波面計測器の第２の変形例が示されている。この波面計測器３８０は、受光光学系４４を通過後、複数（図１３Ｂでは２つ）のレンズ６６Ａ，６６Ｂから成る拡大レンズ系６６”によりピンホール像を結像し、受光素子４０ａ上で計測するものである。この場合、ピンホール像の焦点を微小にずらしながらピンホール像を計測することにより、ピンホール像の点像分布関数（ポイントスプレッドファンクション）が得られるので、これにより波面を求めることが可能となっている。
なお、上記の各波面計測器が採用する方式には、一長一短があり、例えば入手可能な受光素子、光学素子の性能、あるいは波面計測器の大きさ、重量等を考え最適な波面収差計測器を選択すれば良い。いずれも、受光光学系及び受光素子を使う構成であるため、上記実施形態と同様にして高精度な収差計測、収差の調整、ひいては高精度な露光を行うことが可能となる。
なお、波面計測器のＺチルトステージ５８への取り付け位置についても、上記各実施形態のものに限らず、図１４に示されるような配置とすることもできる。すなわち、図２，図８に示されるＺチルトステージ５８のうちの１つの角を切り落とし、図１４に示されるような５角形形状とし、新たにできた面に対して波面計測器８０（８０’、１８０）を設けるようにしても良く、このような配置とすることにより、図２，図８に示されるように、ストロークを得るためにＺチルトステージ５８の一部に凸部５１を設ける必要が無く、しかもＺチルトステージ５８、ひいてはウエハステージＷＳＴの小型化が可能となる。
更に、波面計測器の露光装置への取り付け方についても、上記各実施形態にとらわれず、ウエハステージ（Ｚチルトステージ）に直接設けず、露光装置内にウエハステージとは別の計測用のステージを設置し、これに搭載するようにしても良い。このように計測用のステージを設けることで、各ステージが移動する範囲が大きくなり、装置の床面積（フットプリント）が増えることになるが、波面計測器の取り外し作業が不要となって、調整時間、メンテナンス時間の短縮を図ることができる。また、この計測用のステージとしては、露光用のステージと同様、自ら駆動可能としても良いし、露光用のステージと接続し、必要な時にのみ引っ張られる構成としても良い。更に、計測時に露光用のステージをはずして、波面計測器が設けられたステージと入替えるようにしても良く、この場合には、波面計測器の小型化に対する要求を緩めることができる。
更に、ステージの重量の増加を抑制するため、精度が要求される光学系のみ常時露光用のステージに搭載し、精度が要求されない、又はキャリブレーション可能である受光部のみ計測時に取り付ける方法や、受光部をステージ外部に取付け、空中あるいはファイバで光線をリレーする方法を採用することも可能である。
なお、上記実施形態において、ＡｒＦエキシマレーザ光、あるいはＦ２レーザ光などの波長２００ｎｍ〜１５０ｎｍの帯域に属する真空紫外と呼ばれる波長域の光束を露光光として用いる場合には、酸素や有機物（Ｆ２レーザ光の場合には、それ以外に水蒸気，炭化水素ガス等も含む）による吸収が極めて大きいため、露光光が通る光路上の空間中のこれらのガスの濃度を数ｐｐｍ以下の濃度にまで下げるべく、その光路上の空間の気体を、吸収の少ない、窒素や、ヘリウム等の不活性ガスで置換する（パージする）必要がある。
なお、上記実施形態では、光源としてＦ２レーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ等のパルスレーザ光源を用いるものとしたが、これに限らず、Ａｒ２レーザ光源（出力波長１２６ｎｍ）などの他の真空紫外光源を用いても良い。また、例えば、真空紫外光として上記各光源から出力されるレーザ光に限らず、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバーレーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レーザ光を、例えばエルビウム（Ｅｒ）（又はエルビウムとイッテルビウム（Ｙｂ）の両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、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良い。
なお、上記実施形態では、ステップ・アンド・スキャン方式等の走査型露光装置に本発明が適用された場合について説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されないことは勿論である。すなわちステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置にも本発明は好適に適用できる。
なお、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み、光学調整をするとともに、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより、上記実施形態の露光装置を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
なお、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子（ＣＣＤなど）の製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、ＤＵＶ（遠紫外）光やＶＵＶ（真空紫外）光などを用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶などが用いられる。
なお、半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置によりレチクルのパターンをウエハに転写するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。
産業上の利用可能性
以上、説明したように、本発明の波面計測装置は、被計測光学系の波面収差の計測に適している。また、本発明の波面計測装置の使用方法は、精度の高い波面収差の計測に適している。また、本発明の結像特性計測方法及び装置は、光学系の結像特性を計測するのに適している。また、本発明の結像特性補正方法及び装置は、光学系の結像特性を補正するのに適している。また、本発明の結像特性管理方法は、効率的な結像特性の管理に適している。また、本発明の露光方法及び装置は、基板上に微細パターンを転写するのに適している。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。
図２は、Ｚチルトステージを示す概略平面図である。
図３は、波面計測器を断面して示す図である。
図４Ａ〜図４Ｃは、空間像計測器による計測を説明するための図である。
図５Ａは、波面収差を計測するときの状態を示す図であり、図５Ｂは、投影光学系によるパターンの投影像を計測するときの状態を示す図である。
図６Ａは、光学系に収差が存在しない場合においてマイクロレンズアレイから射出される光束を示す図であり、図６Ｂは、光学系に収差が存在する場合においてマイクロレンズアレイから射出される光束を示す図である。
図７Ａ、図７Ｂは波面計測器を用いて計測される収差を示す図である。
図８は、本発明の第２の実施形態に係るＺチルトステージを示す概略平面図である。
図９は、第２の実施形態に係る波面計測器を断面して示す図である。
図１０Ａ，図１０Ｂは、第２の実施形態における投影光学系の波面収差を計測する方法を説明するための図である。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る波面計測器を断面して示す図である。
図１２Ａは、第１筐体の微小な温度変化をも抑制するための波面計測シーケンスを説明するための図であり、図１２Ｂは、波面計測器をＺチルトステージに取り付けてから計測を開始するまでの時間を短縮するための計測シーケンスを説明するための図である。
図１３Ａ、図１３Ｂは波面計測器の変形例を示す図である。
図１４は、Ｚチルトステージに対する波面計測器の別の配置例を示す図である。
【図１】
2002050506.tif 000003
【図２】
2002050506.tif 000004
【図３】
2002050506.tif 000005
【図４Ａ】
2002050506.tif 000006
【図４Ｂ】
2002050506.tif 000007
【図４Ｃ】
2002050506.tif 000008
【図５Ａ】
2002050506.tif 000009
【図５Ｂ】
2002050506.tif 000010
【図６Ａ】
2002050506.tif 000011
【図６Ｂ】
2002050506.tif 000012
【図７Ａ】
2002050506.tif 000013
【図７Ｂ】
2002050506.tif 000014
【図８】
2002050506.tif 000015
【図９】
2002050506.tif 000016
【図１０Ａ】
2002050506.tif 000017
【図１０Ｂ】
2002050506.tif 000018
【図１１】
2002050506.tif 000019
【図１２Ａ】
2002050506.tif 000020
【図１２Ｂ】
2002050506.tif 000021
【図１３Ａ】
2002050506.tif 000022
【図１３Ｂ】
2002050506.tif 000023
【図１４】
2002050506.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月27日(2002.12.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、
前記光学系による所定のパターンの投影像を計測する第１工程と；
前記光学系の波面収差を計測する第２工程と；
前記第１及び第２工程の計測結果を併用して、前記光学系の結像特性を算出する第３工程と；を含む結像特性計測方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
請求項１０に記載の結像特性計測方法において、
前記第３工程では、前記波面収差の計測結果に基づいて、前記投影像の計測結果では区分が困難な、互いに異なる結像特性成分をそれぞれ分離して、前記光学系の結像特性を算出することを特徴とする結像特性計測方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１６】
光学系の結像特性を補正する結像特性補正方法であって、
前記光学系による所定のパターンの投影像を、第１の結像条件の下で計測する第１計測工程と；
前記光学系の波面収差の計測を行う第２計測工程と；
前記第１の結像条件とは異なる第２の結像条件に変更した際のパターンの投影像の状態を、前記第２の結像条件と、前記第２の結像条件に変更する前に計測された前記第１計測工程の計測結果と、前記第２計測工程の計測結果とに基づいて推測し、該推測結果に応じて、前記第２の結像条件下における前記光学系の結像特性を補正する補正工程と；を含む結像特性補正方法。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２０】
請求項１９に記載の結像特性管理方法において、
前記波面計測工程は、前記第１のインターバルで計測される前記空間像計測結果が所定値を超えた場合に実行されることを特徴とする結像特性管理方法。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２１】
光学系の結像特性を計測する結像特性計測装置であって、
前記光学系による所定のパターンの投影像を計測する空間像計測器と；
前記光学系の波面収差を計測する波面計測器と；
前記空間像計測器による計測結果と、前記波面計測器による計測結果とを併用して、前記光学系の結像特性を算出する演算装置と；を備える結像特性計測装置。
【国際調査報告】
2002050506.tif 000025
2002050506.tif 000026
2002050506.tif 000027
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