JP2004165307A - 像検出方法、光学特性計測方法、露光方法及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】感光剤が塗布された物体に転写された像を精度良く検出する。
【解決手段】ステップ６０４〜６２０の処理が繰り返し実行され、フォーカス位置がＺ_ｈ−１からＺ_ｈへ（ｈ＝２〜ｈ_ｍａｘ）の変化したときの評価点対応領域の各区画領域のピクセルデータの差分の分散（代表値）がそれぞれ算出される。ステップ６２２では、フォーカス位置がＺ_ｈ−１からＺ_ｈ（ｈ＝２〜ｈ_ｍａｘ）へ変化したときの評価点対応領域の各区画領域のピクセルデータの差分の分散に基づいて、区画領域のフォーカス位置の変化に対するピクセルデータの差分の分散の変化量がスコアＥ_ｉ，ｊとして算出される。スコアＥ_ｉ，ｊに基づいて、その区画領域における像の有無に関する情報が算出され、露光条件の変化に対する像の有無に関する情報の変化に基づいて露光条件の最適値が算出される。
【選択図】 図１６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、像検出方法、光学特性計測方法、露光方法及びデバイス製造方法に係り、更に詳しくは、感光剤が塗布された物体に転写された像の形成状態を検出するための像検出方法、該像検出方法によって投影光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法、該光学特性計測方法によって計測された光学特性を考慮して調整された投影光学系を用いて露光を行う露光方法、及び該露光方法を利用したデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子、液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成されたパターンを、投影光学系を介してレジスト等が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板（以下、適宜「ウエハ」ともいう）上に転写する露光装置が用いられている。この種の装置としては、近年では、スループットを重視する観点から、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、このステッパを改良したステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置などの逐次移動型の露光装置が、比較的多く用いられている。
【０００３】
また、半導体素子（集積回路）等は年々高集積化しており、これに伴い半導体素子等の製造装置である投影露光装置には、一層の高解像力、すなわちより微細なパターンを精度良く転写できることが要求されるようになってきた。投影露光装置の解像力を向上させるためには、投影光学系の光学特性を向上させることが必要であり、従って投影光学系の光学特性（結像特性を含む）を正確に計測し、評価することが重要となっている。
【０００４】
投影光学系の光学特性、例えばパターンの像面の正確な計測は、投影光学系の有効視野内の各評価点（計測点）における最適なフォーカス位置（最良フォーカス位置）を正確に計測できることが前提となる。
【０００５】
従来の投影露光装置における最良フォーカス位置の計測方法としては、主として以下の２つが知られている。
【０００６】
１つは、いわゆるＣＤ／フォーカス法として知られている計測方法である。ここでは、所定のレチクルパターン（例えば、ラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターン等）をテストパターンとして、このテストパターンを投影光学系の光軸方向に関する複数のウエハ位置でテスト用ウエハに転写する。そして、そのテスト用ウエハを現像して得られるレジスト像（転写されたパターンの像）の線幅値を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて計測し、その線幅値と投影光学系の光軸方向に関するウエハ位置（以下、適宜「フォーカス位置」ともいう）との相関関係に基づいて最良フォーカス位置を判断する。
【０００７】
他の１つは、いわゆるＳＭＰフォーカス計測法として知られている計測方法である。ここでは、複数のフォーカス位置で、くさび形マークのレジスト像をウエハ上に形成し、フォーカス位置の違いによるレジスト像の線幅値の変化を長手方向の寸法変化に増幅させて置き換え、ウエハ上のマークを検出するアライメント系などのマーク検出系を用いてレジスト像の長手方向の長さを計測する。そして、フォーカス位置とレジスト像の長さとの相関関係を示す近似曲線の極大値近傍を所定のスライスレベルでスライスし、得られたフォーカス位置の範囲の中点を最良フォーカス位置と判断する。
【０００８】
そして、種々のテストパターンについて、このようにして得られた最良フォーカス位置に基づいて、投影光学系の光学特性である非点収差や像面湾曲等を計測している。
【０００９】
しかし、上述したＣＤ／フォーカス法では、例えばレジスト像の線幅値をＳＥＭで計測するために、ＳＥＭのフォーカス合わせを厳密に行う必要があり、１点当たりの計測時間が非常に長く、多数点での計測をするためには数時間から数十時間が必要とされていた。また、投影光学系の光学特性を計測するためのテスト用パターンも微細化するとともに、投影光学系の有効視野内での評価点の数も増加することが予想される。従って、ＳＥＭを用いた従来の計測方法では、計測結果が得られるまでのスループットが大幅に低下するという不都合があった。また、測定誤差や測定結果の再現性についても、より高いレベルが要求されるようになり、従来の計測方法ではその対応が困難となってきた。さらに、フォーカス位置と線幅値の相関関係を示す近似曲線は、誤差を小さくするために４次以上の近似曲線が用いられており、それには、評価点毎に少なくとも５種類のフォーカス位置に関する線幅値が求められなければならないという制約があった。また、最良フォーカス位置からずれたフォーカス位置（投影光学系の光軸方向に関する＋方向と−方向との両方を含む）での線幅値と最良フォーカス位置での線幅値との差は、誤差を小さくするために１０％以上であることが要求されているが、この条件を満足させることが困難となってきた。
【００１０】
また、上述したＳＭＰフォーカス計測法では、通常、計測を単色光で行うために、レジスト像の形状の違いにより干渉の影響が異なり、それが計測誤差（寸法オフセット）につながることが考えられる。さらに、画像処理にてくさび形マークのレジスト像の長さ計測を行うには、レジスト像の最も細くなる長手方向の両端部分までの情報を詳細に取り込む必要が有り、現状の画像取り込み機器（ＣＣＤカメラ等）の分解能では未だ十分ではないという問題点がある。また、テストパターンが大きいために、投影光学系の有効視野内での評価点の数を増加させることが困難であった。
【００１１】
この他、主として上述のＣＤ／フォーカス法の欠点を改善するものとして、測定用感応基板（以下、ウエハと呼ぶ）の投影光学系の光軸方向に関する位置（投影光学系と基板との光学的位置関係、フォーカス位置とも呼ぶ）又は露光エネルギ量を変化させつつ、測定用パターンを測定用基板上に順次転写して測定用パターンの像が転写された複数の区画領域がマトリクス状に配置された矩形の領域を形成し、そのウエハを現像後にウエハ上の矩形の領域に形成される測定用パターンのレジスト像を撮像し、その撮像データを用いて所定のテンプレートとのパターンマッチングを行い、その結果に基づいて最良フォーカス位置などの最良露光条件を決定する発明が知られている（特許文献１、特許文献２等参照）。これらの特許文献１、特許文献２に開示される発明によると、ＳＭＰ計測法のような現状の画像取り込み機器（ＣＣＤカメラ等）の分解能不足や、投影光学系の有効視野内での評価点の数の増加が困難であるという不都合もない。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２３３４３４号公報
【特許文献２】
国際公開第０２／０２９８７０号パンフレット
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、上記特許文献１、特許文献２等に開示された方法では、露光エネルギ量や投影光学系のフォーカス位置等の露光条件を変化させながら、Ｌ／Ｓパターンをウエハ上に複数転写して、露光条件が異なる複数の転写領域を形成し、その複数の転写領域を検出光学系で一度に検出し、各転写領域のＬ／Ｓパターンの像の形成状態から、露光条件に対するＬ／Ｓパターンの像の形成状態の変化の度合に基づいて最適露光条件を求めている。
【００１４】
しかしながら、投影光学系を介した計測用マスクとウエハとの間の光学的位置関係が、最適な結像関係にある最良フォーカス状態ではなく、投影光学系の光軸方向のウエハの位置が＋方向（投影光学系に近づく方向）にデフォーカスしている状態、すなわちプラスデフォーカス状態では、ウエハの表面に対して斜めに入射する高次回折光の影響などにより、Ｌ／Ｓパターンのレジスト像の厚みが薄くなる現象、いわゆる膜減りが発生する。したがって、異なるフォーカス状態で形成されたＬ／Ｓパターンのレジスト像の高さは、それぞれ異なったものとなる。なお、このようなレジスト像の膜減り現象は、露光エネルギ量を変更した場合にも同様に発生するので、異なる露光エネルギ量で形成されたＬ／Ｓパターンのレジスト像の高さもそれぞれ異なったものとなる。
【００１５】
上記特許文献１、特許文献２等に開示された方法では、前述のように、形成時の露光条件によって転写領域毎にレジスト像の高さが異なっているにも関らず、すべての転写領域のレジスト像の形成状態を検出光学系によって一度に検出しているため、すべての転写領域のレジスト像の形成状態を、最適なフォーカス位置で検出することが困難となっていた。
【００１６】
本発明は、かかる事情の下になされたものであり、その第１の目的は、感光剤が塗布された物体に転写されたパターン像を精度良く検出することができる像検出方法を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の第２の目的は、投影光学系の光学特性を精度良く計測することができる光学特性計測方法を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の第３の目的は、高精度な露光を実現できる露光方法を提供することにある。
【００１９】
また、本発明の第４の目的は、高集積度のデバイスの生産性を向上させることができるデバイス製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、感光剤が塗布された物体（Ｗ_Ｔ）に転写された少なくとも１つの像の形成状態を検出する像検出方法であって、前記像の転写領域（ＤＡ_ｉ，ｊ）に関する情報を、検出光学系（ＡＳ）の光軸方向に関する前記物体と前記検出光学系との間の光学的位置関係を変更しながら前記検出光学系を用いて順次検出する第１工程と；前記検出された前記転写領域に関する情報に基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出する第２工程と；を含む像検出方法である。
【００２１】
これによれば、検出光学系と物体との光学的位置関係（以下、これを「光学的位置関係」と略述する）を変更しながら、転写像の転写領域に関する情報を順次検出する。ここで、「転写領域に関する情報」とは、感光物体上の転写領域がどのような状態で形成されているかを示す情報であり、検出光学系が撮像装置である場合には、その撮像装置による撮像によって得られる転写領域を含む画像データがこれに相当する。複数の光学的位置関係で検出された転写領域に関する情報の中には、最適なフォーカス位置近傍で検出された情報が含まれていると考えられるので、それらの情報に基づけば、像の形成状態に関する情報（例えば、像が形成されているのか否かを示す情報）を精度良く算出することができるようになる。すなわち、本発明では、複数の転写領域に形成された像の高さがそれぞれ異なっており、転写領域毎に検出光学系と物体との最適な光学的位置関係がそれぞれ異なっていたとしても、それぞれの像の高さに対応するいずれかの光学的位置関係で像の形成状態を検出しているため、検出した各転写領域の像の形成状態に関する情報を常に精度良く算出することができる。
【００２２】
ここで、検出対象となる像は、レジスト像に限られず、物体を現像することなく物体上に形成された潜像であっても良いし、あるいはレジスト像が形成された物体をエッチング処理して得られる像（エッチング像）であっても良い。ここで、物体上における像の形成状態を検出するための感光層は、フォトレジストに限らず、光（エネルギ）の照射によって像（潜像及び顕像）が形成されるものであれば良い。例えば、感光層は、光記録層、光磁気記録層などであっても良く、従って、感光層が形成される物体もウエハ又はガラスプレート等に限らず、光記録層、光磁気記録層が形成可能な板等であっても良い。
【００２３】
例えば、検出対象の像が、レジスト像、エッチング像などである場合には、検出光学系としては、ＳＥＭなどの顕微鏡は勿論、例えば露光装置のアライメント検出系、例えばアライメントマークの像を撮像素子上に結像する画像処理方式のアライメント検出系、いわゆるＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｉｍａｇｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系のアライメントセンサを像検出に用いることができる。また、検出対象の像が、潜像である場合には、ＦＩＡ系などを用いることができる。
【００２４】
この場合、請求項２に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記第１工程で検出された転写領域に関する情報の値の総和、平均、分散、標準偏差の少なくとも１つに基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出することとすることができる。
【００２５】
一般に、転写領域において何らかのパターンの像が形成されていれば、光学的位置関係が最適なフォーカス状態にある場合には、その像が形成されている領域と形成されていない領域とでは、それらの領域に関する情報の値が明らかに異なったものとなり、それらの光学的位置関係がフォーカス状態からはずれればはずれるほど、その像が形成されている領域と形成されていない領域とでそれらの領域に関する情報の値の差が明確なものではなくなる。一方、何も像が形成されていない領域については、フォーカス状態であっても、デフォーカス状態であっても、検出されたその領域に関する情報には大きな差は生じない。したがって、複数の光学的位置関係で検出したときに得られる転写領域に関する情報の値の総和、平均、分散、標準偏差は、像が形成されている領域を検出したときと、像が形成されていない領域を検出したときとでは異なるようになるため、それらの少なくとも１つを算出すれば、像の形成状態に関する情報を算出することができる。
【００２６】
この場合、請求項３に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化に基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出することとすることができる。
【００２７】
一般に、実際に像が転写された転写領域に関する情報を、フォーカス状態及びデフォーカス状態で検出した場合、フォーカス状態で検出された転写領域に関する情報の値と、デフォーカス状態で検出された転写領域に関する情報の値とでは、その値に大きな差が生じる。一方、像が実際に形成されていない領域を、フォーカス状態及びデフォーカス状態のいずれで検出しても、検出されたその領域に関する情報の値に大きな差は生じない。したがって、光学的位置関係の変化に対する転写領域に関する情報の値の変化を求め、その変化が大きい場合には、検出した領域に像が形成されているとみなすことができ、その変化が小さい場合には、その領域には像が形成されていないとみなすことができるので、その変化に基づいて像の形成状態に関する情報を求めることができる。
【００２８】
この場合、請求項４に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化に基づいて、複数の前記光学的位置関係から少なくとも１つの前記光学的位置関係を選択し、選択された前記光学的位置関係で検出された前記転写領域に関する情報に基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出することとすることができる。
【００２９】
物体上の転写領域を複数の光学的位置関係で検出した場合、その複数の光学的位置関係のいずれかの位置は、最適フォーカス状態に近い光学的位置関係となる。したがって、複数の位置関係で得られた転写領域に関する情報の中から、例えば最適フォーカス状態に近い光学的位置関係を少なくとも１つ選択し、選択された光学的位置関係で検出された転写領域に関する情報を用いれば、その転写領域での像の形成状態に関する情報を精度良く算出することができる。
【００３０】
この場合、請求項５に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記転写領域に関する情報の値が極大及び極小のいずれか一方となる前記光学的位置関係を、前記像の形成状態に関する情報を算出する前記光学的位置関係として選択することとすることができる。
【００３１】
一般に、光学的位置関係が、デフォーカス状態から最適フォーカス状態に近づいていけばいくほど、転写領域に関する情報の値は大きく又は小さくなっていき、最適フォーカス状態を越え、再びデフォーカス状態になると、その値は逆に小さく又は大きくなっていく。したがって、その情報の値が極大又は極小となる光学的位置関係を選択すれば、最適フォーカス状態に近い光学的位置関係を選択したことになり、その選択された光学的位置関係で検出された転写領域に関する情報を用いれば、その像の形成状態に関する情報を精度良く算出することができる。
【００３２】
上記請求項３に記載の像検出方法において、請求項６に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化の大きさをその転写領域における前記像の形成状態に関する情報とすることとすることができる。
【００３３】
前述のように、光学的位置関係の変化に対する転写領域に関する情報の値の変化を求めることによって、その変化が大きい場合には、その転写領域に像が形成されているとみなすことができ、その変化が小さい場合には、その転写領域には像が形成されていないとみなすことができる。したがって、転写領域に関する情報の値の変化の大きさを、そのままその転写領域における前記像の形成状態に関する情報とすることができる。
【００３４】
上記請求項３〜６のいずれか一項に記載の像検出方法において、請求項７に記載の像検出方法のごとく、前記転写領域に関する情報には、前記転写領域内の複数の検出点においてそれぞれ検出された複数の輝度値が含まれており、前記第２工程では、前記複数の輝度値に基づいてその転写領域の前記像の形成状態に関する情報を算出することとすることができる。
【００３５】
前述のＦＩＡ系等の画像処理方式の検出光学系を用いる場合、その転写領域の像の形成状態に関する情報は、撮像によって得られた画像データから検出される。この画像データは、マトリクス状に配置された複数の画素それぞれについて得られる輝度値の集合体である。すなわち、各画素は複数の転写領域内の複数の輝度値の検出点にそれぞれ対応すると考えられ、この検出点における明るさがその画素の輝度値となるため、その複数の輝度値に基づいて、その転写領域の像の形成状態に関する情報を算出することができる。
【００３６】
この場合、請求項８に記載の像検出方法のごとく、前記第１工程では、前記光学的位置関係を所定間隔で変更する毎に、前記転写領域に関する情報を検出し、前記第２工程では、前記所定間隔だけ異なる２つの前記光学的位置関係で検出された前記転写領域に関する情報に含まれる同一の検出点に関する輝度値同士の差分に基づいて、前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化を算出することとすることができる。
【００３７】
上述のように、像の転写領域を、複数の光学的位置関係で撮像した場合には、それぞれの光学的位置関係についての像の転写領域の画像データが得られ、それらの画像データについてそれぞれ同一の検出点（画素）における輝度値が得られるようになる。光学的位置関係が所定間隔で変化している場合には、光学的位置関係の変化に対する転写領域に関する情報の変化を、それらの複数の光学的位置関係における同一の検出点の輝度値の差分によって求めることができる。
【００３８】
この場合、請求項９に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記転写領域内の検出点毎に算出された差分を平滑化することとすることができる。
【００３９】
上記請求項８又は９に記載の像検出方法において、請求項１０に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記転写領域の少なくとも一部の検出点毎に算出された前記差分に関する代表値を算出することとすることができる。
【００４０】
この場合、請求項１１に記載の像検出方法のごとく、前記第２工程では、前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域の代表値の変化に基づいて、その転写領域における前記像の有無に関する情報を算出することとすることができる。
【００４１】
この場合、請求項１２に記載の像検出方法のごとく、前記第１工程では、異なる露光条件で転写された前記像の複数の転写領域を、前記光学的位置関係を変更しながら前記検出光学系で順次検出し、前記第２工程では、前記各転写領域における前記像の有無に関する情報を算出することとすることができる。
【００４２】
この場合、請求項１３に記載の像検出方法のごとく、前記露光条件の変化に対する前記像の有無に関する情報の変化に基づいて前記露光条件の最適値を算出する第３工程をさらに含むこととすることができる。
【００４３】
上記請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の像検出方法において、請求項１４に記載の像検出方法のごとく、前記代表値は、前記差分の加算値、微分の総和値、分散、及び標準偏差の少なくとも１つであることとすることができる。
【００４４】
なお、本明細書において、同一の検出点に関する輝度値同士の差分の加算値、微分の総和値、分散あるいは標準偏差などの代表値の変化を、適宜「スコア」と呼ぶものとする。
【００４５】
請求項１５に記載の発明は、投影光学系（ＰＬ）の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、前記投影光学系の有効視野内に配置された所定の計測用パターン（ＭＰ_ｎ）を、前記投影光学系を介して、少なくとも１つの露光条件を変更しながら、感光剤が塗布された物体（Ｗ_Ｔ）の異なる領域にそれぞれ順次転写することによって複数の転写領域（ＤＡ_ｉ，ｊ）を形成する転写工程と；請求項１〜１４のいずれか一項に記載の像検出方法を実行する像検出工程と；前記像検出工程で算出された像の形成状態に関する情報に基づいて、前記投影光学系の光学特性を算出する算出工程と；を含む光学特性計測方法である。
【００４６】
これによれば、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の像検出方法を実行することによって、互いに異なる露光条件で形成された所定の計測用パターンの複数の転写領域における像の形成状態に関する情報を精度良く検出することができるので、その情報に基づいて投影光学系の光学特性を精度良く算出することができる。
【００４７】
この場合、請求項１６に記載の光学特性計測方法のごとく、前記露光条件は、前記投影光学系の光軸方向に関する前記物体と前記投影光学系との間の光学的位置関係及び前記転写の際に照射されるエネルギビームのエネルギ量の少なくとも一方であることとすることができる。
【００４８】
かかる場合には、計測用パターンの転写に際しては、露光条件として、すなわち投影光学系の光軸方向に関する物体と投影光学系との光学的位置関係及び物体上に照射されるエネルギビームのエネルギ量の少なくとも一方を変更しながら計測用パターンの像を物体上の複数の領域に順次転写する。この結果、物体上の各領域には、それぞれ転写時の光学的位置関係及び物体上に照射されるエネルギビームのエネルギ量の少なくとも一方が異なる計測用パターンの像が転写されるため、それらの像の形成状態を検出すれば、少なくとも一方の条件についての最適値を算出することができるようになる。
【００４９】
請求項１７に記載の発明は、露光用のエネルギビームをマスクに照射し、前記マスクに形成されたパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光方法であって、請求項１５又は１６に記載の光学特性計測方法によって計測された光学特性を考慮して前記投影光学系を調整する工程と；前記調整された投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する工程と；を含む露光方法である。
【００５０】
これによれば、請求項１５又は１６に記載の光学特性計測方法によって計測された投影光学系の光学特性を考慮して最適な転写が行えるように投影光学系が調整され、その調整された投影光学系を介してマスクに形成されたパターンを物体上に転写するので、微細パターンを感光物体上に高精度に転写することができる。
【００５１】
請求項１８に記載の発明は、リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、前記リソグラフィ工程では、請求項１７に記載の露光方法を用いるデバイス製造方法である。
【００５２】
これによれば、リソグラフィ工程では、請求項１７に記載の露光方法により微細パターンを感光物体上に精度良く転写することができるので、結果的に高集積度のデバイスの生産性（歩留まりを含む）を向上させることが可能となる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１９に基づいて説明する。
【００５４】
図１には、本発明に係る像検出方法、光学特性計測方法及び露光方法を実施するのに好適な一実施形態に係る露光装置１００の概略的な構成が示されている。この露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ（スキャナとも呼ばれる））である。
【００５５】
この露光装置１００は、照明系ＩＯＰ、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に形成されたパターンの像を感光剤（フォトレジスト）が塗布された物体としてのウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持して２次元平面（ＸＹ平面内）を移動するＸＹステージ２０、ＸＹステージ２０を駆動する駆動系２２、及びこれらの制御系等を備えている。この制御系は装置全体を統括制御するマイクロコンピュータ（あるいはワークステーション）などから成る主制御装置２８を中心として構成されている。
【００５６】
前記照明系ＩＯＰは、図２に示されるように、光源１、ビーム整形光学系２、エネルギ粗調器３、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）４、照明系開口絞り板５、ビームスプリッタ６、第１リレーレンズ７Ａ、第２リレーレンズ７Ｂ、視野絞りとしてのレチクルブラインド８（本実施形態では固定レチクルブラインド８Ａと可動レチクルブラインド８Ｂとを含む）、及び光路折り曲げ用のミラーＭ等を備えている。なお、オプティカルインテグレータ４としては、フライアイレンズ、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ることができる。本実施形態では、オプティカルインテグレータ４としてフライアイレンズが用いられているので、以下では、フライアイレンズ４とも呼ぶ。
【００５７】
ここで、この照明系ＩＯＰの上記構成各部について説明する。光源１としては、ＫｒＦエキシマレーザ（発振波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（発振波長１９３ｎｍ）等が使用される。光源１は、実際には、露光装置本体が設置されるクリーンルーム内の床面、あるいは該クリーンルームとは別のクリーン度の低い部屋（サービスルーム）等に設置され、不図示の引き回し光学系を介してビーム整形光学系２の入射端に接続されている。
【００５８】
前記ビーム整形光学系２は、光源１から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４に効率よく入射するように整形するもので、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）等で構成される。
【００５９】
前記エネルギ粗調器３は、ビーム整形光学系２後方のレーザビームＬＢの光路上に配置され、ここでは、回転板３１の周囲に透過率（＝１−減光率）の異なる複数個（例えば６個）のＮＤフィルタ（図２ではその内の２個のＮＤフィルタ３２Ａ、３２Ｄのみが示されている）を配置し、その回転板３１を駆動モータ３３で回転することにより、入射するレーザビームＬＢに対する透過率を１００％から等比級数的に複数段階で切り換えることができるようになっている。駆動モータ３３は、主制御装置２８によって制御される。
【００６０】
前記フライアイレンズ４は、エネルギ粗調器３後方のレーザビーム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、すなわち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以下においては、「照明光ＩＬ」と呼ぶものとする。
【００６１】
前記フライアイレンズ４の射出側焦点面の近傍に、円板状部材から成る照明系開口絞り板５が配置されている。この照明系開口絞り板５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、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２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５は、主制御装置２８により制御されるモータ等の駆動装置５１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照明光ＩＬの光路上に選択的に設定される。なお、照明系開口絞り板５の代わりに、あるいはそれと組み合わせて、例えば照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子、照明光学系の光軸に沿って可動なプリズム（円錐プリズム、多面体プリズムなど）、及びズーム光学系の少なくとも１つを含む光学ユニットを、光源１（具体的にはエネルギ粗調器３）とオプティカルインテグレータ４との間に配置し、オプティカルインテグレータ４がフライアイレンズであるときはその入射面上での照明光ＩＬの強度分布、オプティカルインテグレータ４が内面反射型インテグレータであるときはその入射面に対する照明光ＩＬの入射角度範囲などを可変とすることで、照明光学系の瞳面上での照明光ＩＬの光量分布（２次光源の大きさや形状）、すなわち照明条件の変更に伴う光量損失を抑えることが望ましい。
【００６２】
照明系開口絞り板５後方の照明光ＩＬの光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ６が配置され、更にこの後方の光路上に、前述のレチクルブラインド８を介在させて第１リレーレンズ７Ａ及び第２リレーレンズ７Ｂから成るリレー光学系が配置されている。
【００６３】
前記レチクルブラインド８を構成する固定レチクルブラインド８Ａ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上で照明領域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８Ａの近傍に走査方向（本実施形態では、図１及び図２における紙面内左右方向であるＹ軸方向とする）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８Ｂ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８Ｂを介して照明領域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。さらに、可動レチクルブラインド８Ｂは走査方向と直交する非走査方向に対応する方向に関しても開口部の幅が可変であり、ウエハＷ上に転写すべきレチクルＲのパターンに応じて照明領域の非走査方向の幅を調整できるようになっている。
【００６４】
リレー光学系を構成する第２リレーレンズ７Ｂ後方の照明光ＩＬの光路上には、当該第２リレーレンズ７Ｂを通過した照明光ＩＬをレチクルＲに向けて反射する折り曲げミラーＭが配置されている。
【００６５】
一方、ビームスプリッタ６による反射光路上には、集光レンズ５２を介して光電変換素子よりなるインテグレータセンサ５３が配置されている。このインテグレータセンサ５３としては、例えば遠紫外域で感度があり、且つ光源ユニット１のパルス発光を検出するために高い応答周波数を有するＰＩＮ型のフォトダイオード等を使用することができる。このインテグレータセンサ５３の出力ＤＰと、ウエハＷの表面上での照明光ＩＬの照度（強度）との相関係数（又は相関関数）は予め求められて、主制御装置２８内部のメモリ内に記憶されている。
【００６６】
このようにして構成された照明系ＩＯＰの作用を簡単に説明すると、光源１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２に入射して、ここで後方のフライアイレンズ４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、エネルギ粗調器３に入射する。そして、このエネルギ粗調器３のいずれかのＮＤフィルタを透過したレーザビームＬＢは、フライアイレンズ４に入射する。これにより、フライアイレンズ４の射出側焦点面に前述の２次光源が形成される。この２次光源から射出された照明光ＩＬは、照明系開口絞り板５上のいずれかの開口絞りを通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプリッタ６に至る。このビームスプリッタ６を透過した照明光ＩＬは、第１リレーレンズ７Ａを経てレチクルブラインド８の開口部を通過した後、第２リレーレンズ７Ｂ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、レチクルステージＲＳＴ上に保持されたレチクルＲ上の矩形の照明領域（本実施形態ではＸ軸方向を長手方向としてその中心が照明光学系の光軸と一致）を均一な照度分布で照明する。
【００６７】
一方、ビームスプリッタ６で反射された照明光ＩＬは、集光レンズ５２を介してインテグレータセンサ５３で受光され、インテグレータセンサ５３の光電変換信号が、不図示のピークホールド回路及びＡ／Ｄ変換器を介して出力ＤＰ（ｄｉｇｉｔ／ｐｕｌｓｅ）として主制御装置２８に供給される。
【００６８】
図１に戻り、前記レチクルステージＲＳＴは、照明系ＩＯＰの図１における下方に配置されている。このレチクルステージ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、不図示のレチクルステージ駆動部によって、水平面（ＸＹ平面）内で微小駆動可能であるとともに、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の位置は、レチクルステージＲＳＴ上に固定された移動鏡１２を介して外部のレーザ干渉計１４によって計測され、このレーザ干渉計１４の計測値が主制御装置２８に供給されるようになっている。なお、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工してレーザ干渉計１４の反射面（前述の移動鏡１２の反射面に相当）を形成しても良い。また、移動鏡１２は、走査方向の位置計測に用いられる反射面が少なくとも１つのレトロリフレクタで構成されても良い。
【００６９】
前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に、その光軸ＡＸｐの方向がＸＹ面に直交するＺ軸方向となるように配置されている。この投影光学系ＰＬとしては、ここでは両側テレセントリックな縮小系であって、Ｚ軸方向の共通の光軸ＡＸｐを有する複数枚のレンズエレメント（図示省略）から成る屈折光学系が用いられている。レンズエレメントのうちの特定の複数枚は、主制御装置２８からの指令に基づいて、図示しない結像特性補正コントローラによって制御され、投影光学系ＰＬの光学特性（結像特性を含む）、例えば倍率、ディストーション、コマ収差、及び像面湾曲などを調整できるようになっている。
【００７０】
この投影光学系ＰＬの投影倍率は、例えば１／４（あるいは１／５）などとされている。このため、前述の如く照明光ＩＬによりレチクルＲが均一な照度で照明されると、レチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬにより縮小されて、フォトレジストが塗布されたウエハＷ上に投影され、ウエハＷ上で照明光ＩＬが照射される露光領域（投影光学系ＰＬに関して照明領域と共役な矩形領域）にパターンの縮小像が形成される。
【００７１】
前記ＸＹステージ２０は、実際には不図示のベース上をＹ軸方向に移動するＹステージと、このＹステージ上をＸ軸方向に移動するＸステージとで構成されているが、図１ではこれらが代表的にＸＹステージ２０として示されている。このＸＹステージ２０上にウエハテーブル１８が搭載され、このウエハテーブル１８上に不図示のウエハホルダを介してウエハＷが真空吸着等によって保持されている。
【００７２】
前記ウエハテーブル１８は、ウエハＷを保持するウエハホルダをＺ軸方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動するもので、Ｚ・チルトステージとも称される。このウエハテーブル１８の上面には、移動鏡２４が設けられており、この移動鏡２４にレーザビームを投射して、その反射光を受光することにより、ウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置を計測するレーザ干渉計２６が移動鏡２４の反射面に対向して設けられている。なお、実際には、移動鏡は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移動鏡とが設けられ、これに対応してレーザ干渉計もＸ方向位置計測用のＸレーザ干渉計とＹ方向位置計測用のＹレーザ干渉計とが設けられているが、図１ではこれらが代表して移動鏡２４、レーザ干渉計２６として図示されている。なお、Ｘレーザ干渉計及びＹレーザ干渉計は測長軸を複数有する多軸干渉計であり、ウエハテーブル１８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２６によって、ウエハテーブル１８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、移動鏡２４の代わりにウエハテーブル１８の端面を鏡面加工して反射面として用いても良い。
【００７３】
レーザ干渉計２６の計測値は主制御装置２８に供給され、主制御装置２８はこのレーザ干渉計２６の計測値に基づいて駆動系２２を介してＸＹステージ２０を制御することにより、ウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置（θｚ回転を含む）を制御する。
【００７４】
また、ウエハＷ表面のＺ軸方向の位置及び傾斜量は、例えば特開平６−２８３４０３号公報等に開示される送光系５０ａ及び受光系５０ｂを有する斜入射方式の多点焦点位置検出系から成るフォーカスセンサＡＦＳによって計測されるようになっている。このフォーカスセンサＡＦＳの計測値も主制御装置２８に供給されており、主制御装置２８は、フォーカスセンサＡＦＳの計測値に基づいて駆動系２２を介してウエハテーブル１８をＺ方向、θｘ方向及びθｙ方向に駆動して、投影光学系ＰＬの光軸方向に関するウエハＷの位置及び傾きを制御するようになっている。
【００７５】
このようにしてウエハテーブル１８を介してウエハＷがＸ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙの５自由度方向の位置及び姿勢制御がなされるようになっている。なお、残りのθｚ（ヨーイング）の誤差については、レーザ干渉計２６で計測されたウエハテーブル１８のヨーイング情報に基づいてレチクルステージＲＳＴとウエハテーブル１８との少なくとも一方を回転させることによって補正される。
【００７６】
また、ウエハテーブル１８上には、その表面がウエハＷの表面と同じ高さになるような基準板ＦＰが固定されている。この基準板ＦＰの表面には、後述するアライメント検出系のいわゆるベースライン計測等に用いられる基準マークを含む各種の基準マークが形成されている。
【００７７】
更に、本実施形態では、投影光学系ＰＬの側面に、ウエハＷに形成されたアライメントマークを検出するマーク検出系（検出光学系）としてのオフ・アクシス方式のアライメント検出系ＡＳが設けられている。このアライメント検出系ＡＳとしては、一例としてハロゲンランプ等のブロードバンド（広帯域）光でマークを照明し、このマーク画像を画像処理することによってマーク位置を計測する画像処理方式の結像式アライメントセンサの一種であるＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｉｍａｇｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系が用いられており、基準板ＦＰ上の基準マーク及びウエハ上のアライメントマークのＸ、Ｙ２次元方向の位置計測を行なうことが可能である。
【００７８】
アライメント制御装置１６は、アライメント検出系ＡＳからの情報ＤＳをＡ／Ｄ変換し、このデジタル化された波形信号を演算処理してマーク位置を検出する。この結果は、アライメント制御装置１６から主制御装置２８に供給されるようになっている。
【００７９】
なお、アライメント検出系ＡＳは、上述のＦＩＡ系の他、コヒーレントな検出光を対象に照射し、その対象から発生する散乱光又は回折光を検出するアライメントセンサや、その対象から発生する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などの各種の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もできる。
【００８０】
さらに、本実施形態の露光装置１００では、図示が省略されているが、レチクルＲの上方に、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示される、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上のレチクルマーク又はレチクルステージＲＳＴ上の基準マーク（共に図示省略）と基準板ＦＰ上のマークとを同時に観察するための露光波長の光を用いたＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｒｅｔｉｃｌｅ）アライメント系から成る一対のレチクルアライメント検出系が設けられている。これらのレチクルアライメント検出系の検出信号は、アライメント制御装置１６を介して主制御装置２８に供給されるようになっている。
【００８１】
次に、本発明に係る投影光学系ＰＬの光学特性を計測するのに用いられるレチクルの一例について説明する。
【００８２】
図３には、投影光学系ＰＬの光学特性を計測するのに用いられるレチクルＲ_Ｔの一例が示されている。この図３は、レチクルＲ_Ｔをパターン面側（図１における下面側）から見た平面図である。この図３に示されるように、レチクルＲ_Ｔは、ほぼ長方形のマスク基板としてのガラス基板４２の中央に、クロム等の遮光部材から成るパターン領域ＰＡが形成されている。このパターン領域ＰＡの中心（すなわちレチクルＲ_Ｔの中心（レチクルセンタ）に一致）及びパターン領域ＰＡのＹ軸方向の中央部に位置する仮想の矩形領域ＩＡＲ’内部の４隅の部分の合計５箇所に、例えば２０μｍ角の開口パターン（透過領域）ＡＰ_１〜ＡＰ_５が形成され、当該各開口パターンの中央部にラインアンドスペースパターン（Ｌ／Ｓパターン）から成る計測用パターンＭＰ_１〜ＭＰ_５がそれぞれ形成されている。なお、矩形領域ＩＡＲ’は、前述の照明領域ＩＡＲにほぼ一致する大きさ及び形状となっている。
【００８３】
計測用パターンＭＰ_ｎ（ｎ＝１〜５）のそれぞれは、一例としてＸ軸方向を周期方向とし、線幅約１．３μｍ、長さ約１２μｍ程度の５本のラインパターンが、ピッチ約２．６μｍで配列されたマルチバーパターンによって構成されている。このため、本実施形態では、開口パターンＡＰ_ｎと中心を同じくする、該各開口パターンＡＰ_ｎの約６０％の縮小領域部分に計測用パターンＭＰ_ｎがそれぞれ配置されている。
【００８４】
また、前述のレチクルセンタを通るパターン領域ＰＡのＸ軸方向の両側には、一対のレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２が形成されている。
【００８５】
次に、本実施形態の露光装置１００における投影光学系ＰＬの光学特性の計測方法について、主制御装置２８内のＣＰＵの処理アルゴリズムを簡略化して示す図４及び図５のフローチャートに沿って、かつ適宜他の図面を用いて説明する。
【００８６】
先ず、図４のステップ４０２において、不図示のレチクルローダを介してレチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲ_Ｔをロードするとともに、不図示のウエハローダを介してウエハＷ_Ｔをウエハテーブル１８上にロードする。
【００８７】
次のステップ４０４において、レチクルＲ_Ｔの投影光学系ＰＬに対する位置合わせ、レチクルブラインドの設定などの所定の準備作業を行う。具体的には、まず、ウエハテーブル１８上に設けられた基準板ＦＰの表面に形成されている一対の基準マーク（不図示）の中点が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一致するように、レーザ干渉計２６の計測結果をモニタしつつ駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動する。次いで、レチクルＲ_Ｔの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一致するように、レーザ干渉計１４の計測値に基づいて、レチクルステージＲＳＴの位置を不図示のレチクルステージ駆動部を介して調整する。このとき、例えば、前述のレチクルアライメント検出系（不図示）により投影光学系ＰＬを介してレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２と対応する前記基準マークとの相対位置を検出する。そして、レチクルアライメント検出系によって検出された前記相対位置の検出結果に基づいてレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２と対応する前記基準マークとの相対位置誤差がともに最小となるように不図示のレチクルステージ駆動部を介してレチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置を調整する。これにより、レチクルＲ_Ｔの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸と正確にほぼ一致するとともにレチクルＲ_Ｔの回転角もレーザ干渉計２６の測長軸で規定される直交座標系の座標軸に正確に一致し、前述の照明領域ＩＡＲの中心及びその内部の４隅に計測用パターンＭＰ_１〜ＭＰ_５がそれぞれ配置されることになる。
【００８８】
また、例えば照明光ＩＬの照射領域（照明領域ＩＡＲ）がレチクルＲ_Ｔの矩形領域ＩＡＲ’にほぼ一致するように、照明系ＩＯＰ内の可動レチクルブラインド８Ｂの非走査方向の開口幅を調整する。
【００８９】
このようにして、所定の準備作業が終了すると、次のステップ４０６に移行して、後述する第１領域の露光終了判定用のフラグＦを立てる（Ｆ←１）。
【００９０】
次のステップ４０８では、露光エネルギ量の目標値を初期化する。すなわち、カウンタｊに初期値「１」を設定して露光エネルギ量の目標値Ｐ_ｊをＰ_１に設定する（ｊ←１）。本実施形態では、カウンタｊは、露光エネルギ量の目標値の設定とともに、露光の際のウエハＷ_Ｔの行方向の移動目標位置の設定にも用いられる。なお、本実施形態では、ウエハＷ_Ｔの表面にポジ型レジストが塗布され、例えばポジ型レジストに関する既知の最適露光量を中心として、露光エネルギ量をＰ_１からΔＰ刻みでＰ_Ｎ（一例としてＮ＝２３）まで変化させる（Ｐ_ｊ＝Ｐ_１〜Ｐ_２３）。
【００９１】
次のステップ４１０では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置（Ｚ軸方向の位置）の目標値を初期化する。すなわち、カウンタｉに初期値「１」を設定してウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値Ｚ_ｉをＺ_１に設定する（ｉ←１）。本実施形態では、カウンタｉは、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値の設定とともに、露光の際のウエハＷ_Ｔの列方向の移動目標位置の設定にも用いられる。なお、本実施形態では、例えば投影光学系ＰＬに関する既知の最良フォーカス位置（設計値など）を中心としてウエハＷ_Ｔのフォーカス位置をＺ_１からΔＺ刻みでＺ_Ｍ（一例としてＭ＝１３）まで変化させる（Ｚ_ｉ＝Ｚ_１〜Ｚ_１３）。
【００９２】
従って、本実施形態では、投影光学系ＰＬの光軸方向に関するウエハＷ_Ｔの位置とウエハＷ_Ｔ上に照射される照明光ＩＬのエネルギ量をそれぞれ変更しながら、計測用パターンＭＰ_ｎ（ｎ＝１〜５）をウエハＷ_Ｔ上に順次転写するための、Ｎ×Ｍ（一例として２３×１３＝２９９）回の露光が行われることになる。投影光学系ＰＬの視野内の各評価点に対応するウエハＷ_Ｔ上の領域（以下「評価点対応領域」という）ＤＢ_１〜ＤＢ_５の内の後述する第１領域ＤＣ_１〜ＤＣ_５（図７及び図８参照）には、Ｎ×Ｍ個の計測用パターンＭＰ_ｎが転写されることとなる。
【００９３】
ここで、評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ｎ＝１〜５）内の第１領域ＤＣ_ｎとしているのは、本実施形態では、各評価点対応領域ＤＢ_ｎは、上記のＮ×Ｍ個の計測用パターンＭＰ_ｎが転写される矩形の第１領域ＤＣ_ｎと、該第１領域ＤＣ_ｎを囲む矩形枠状の第２領域ＤＤ_ｎとによって構成されるからである（図８参照）。
【００９４】
なお、この評価点対応領域ＤＢ_ｎ（すなわち第１領域ＤＣ_ｎ）は、投影光学系ＰＬの有効視野（特に前述の露光領域）内でその光学特性を検出すべき複数の評価点に対応している。
【００９５】
ここで、説明は前後するが、便宜上、後述する露光によって、計測用パターンＭＰ_ｎが転写されるウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎについて、図６を用いて説明する。この図６に示されるように、本実施形態では、Ｍ行Ｎ列（１３行２３列）のマトリクス状に配置されたＭ×Ｎ（＝１３×２３＝２９９）個の仮想の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜Ｍ、ｊ＝１〜Ｎ）に計測用パターンＭＰ_ｎがそれぞれ転写され、これら計測用パターンＭＰ_ｎがそれぞれ転写されたＭ×Ｎ個の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊから成る第１領域ＤＣ_ｎがウエハＷ_Ｔ上に形成される。なお、仮想の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊは、図６に示されるように、＋Ｘ方向が行方向（ｊの増加方向）となり、＋Ｙ方向が列方向（ｉの増加方向）となるように配列されている。また、以下の説明において用いられる添え字ｉ，ｊ、及びＭ，Ｎは、上述と同じ意味を有するものとする。
【００９６】
図４に戻り、次のステップ４１２では、ウエハＷ_Ｔ上の各評価点対応領域ＤＢ_ｎ内の仮想の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ここではＤＡ_１，１（図７参照））に計測用パターンＭＰ_ｎの像がそれぞれ転写される位置に、レーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ駆動系２２を介してＸＹステージ２０（ウエハＷ_Ｔ）を移動する。
【００９７】
次のステップ４１４では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置が設定された目標値Ｚ_ｉ（この場合Ｚ_１）と一致するように、フォーカスセンサＡＦＳからの計測値をモニタしながらウエハテーブル１８をＺ軸方向及び傾斜方向に微少駆動する。このとき、複数の計測用パターンＭＰ_ｎの投影位置（前述の評価点に対応）でそれぞれ区画領域ＤＡ_ｉ，ｊのフォーカス位置が目標値Ｚ_ｉに設定されるようにウエハテーブル１８の傾斜制御を行うと良い。
【００９８】
次のステップ４１６では、露光を実行する。このとき、ウエハＷ_Ｔ上の一点における露光エネルギ量（積算露光量）が設定された目標値（この場合Ｐ_１）となるように、露光量制御を行う。この露光エネルギ量の制御方法としては、例えば、次の第１〜第３の方法を、単独で、あるいは適宜組み合わせて用いることができる。
【００９９】
すなわち、第１の方法として、パルスの繰り返し周波数を一定に維持し、エネルギ粗調器３を用いてレーザビームＬＢの透過率を変化させ像面（ウエハ面）に与えられる照明光ＩＬのエネルギ量を調整する。第２の方法として、パルスの繰り返し周波数を一定に維持し、光源１に指示を与えてレーザビームＬＢの１パルス当たりのエネルギを変化させることにより像面（ウエハ面）に与えられる照明光ＩＬのエネルギ量を調整する。第３の方法として、レーザビームＬＢの透過率及びレーザビームＬＢの１パルス当たりのエネルギを一定に維持し、パルスの繰り返し周波数を変更することによって、像面（ウエハ面）に与えられる照明光ＩＬのエネルギ量を調整する。
【０１００】
これにより、図７に示されるように、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_１，１にそれぞれ計測用パターンＭＰ_ｎ及び開口パターンＡＰ_ｎの像が転写される。
【０１０１】
図４に戻り、上記ステップ４１６の露光が終了すると、ステップ４１８において、前述のフラグＦが立っているか、すなわちＦ＝１であるか否かを判断する。この場合、前述したステップ４０６でフラグＦが立てられているので、ここでの判断は肯定され、次のステップ４２０に移行する。
【０１０２】
ステップ４２０では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値がＺ_Ｍ以上であるか否かを判断することにより、所定のＺ範囲での露光が終了したか否かを判断する。ここでは、最初の目標値Ｚ_１での露光が終了しただけなので、ステップ４２２に移行し、カウンタｉを１インクリメントする（ｉ←ｉ＋１）。そして、フォーカス位置の目標値Ｚ_ｉ（ここではＺ_２）をＺ_２（＝Ｚ_１＋ΔＺ）に変更した後、ステップ４１２に戻る。このステップ４１２において、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_２，１に計測用パターンＭＰ_ｎの像がそれぞれ転写される位置にウエハＷ_Ｔが位置決めされるように、ＸＹステージ２０を所定のステップピッチＳＰだけＸＹ面内で所定方向（この場合−Ｙ方向）に移動する。ここで、本実施形態では、上記のステップピッチＳＰが、各開口パターンＡＰ_ｎのウエハＷ_Ｔ上の投影像の寸法とほぼ一致する約５μｍに設定されている。なお、ステップピッチＳＰは、約５μｍに限らないが、５μｍすなわち各開口パターンＡＰ_ｎのウエハＷ_Ｔ上の投影像の寸法以下であることが望ましい。この理由については後述する。
【０１０３】
次のステップ４１４では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置が目標値（この場合Ｚ_２）と一致するように、ウエハテーブル１８をΔＺだけ光軸ＡＸｐの方向にステップ移動し、ステップ４１６において前述と同様にして露光を行い、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_２，１に計測用パターンＭＰ_ｎ及び開口パターンＡＰ_ｎをそれぞれ転写する。但し、ステップピッチＳＰが開口パターンＡＰ_ｎのウエハＷ_Ｔ上の投影像の寸法以下となっているので、各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_２，１と区画領域ＤＡ_２，１との境界部分に開口パターンＡＰ_ｎの像の一部によって形成される枠線は存在しない。
【０１０４】
以後、ステップ４２０における判断が肯定されるまで、すなわちそのとき設定されているウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値がＺ_Ｍであると判断されるまで、ステップ４１８→４２０→４２２→４１２→４１４→４１６のループの処理（判断を含む）を繰り返す。これにより、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_ｉ，１（ｉ＝３〜Ｍ）に計測用パターンＭＰ_ｎ及び開口パターンＡＰ_ｎがそれぞれ転写される。但し、この場合も、隣接する区画領域間の境界には、前述と同様の理由により枠線が存在しない。
【０１０５】
一方、区画領域ＤＡ_Ｍ，１に対する露光が終了し、上記ステップ４２０における判断が肯定されると、ステップ４２４に移行し、そのとき設定されている露光エネルギ量の目標値がＰ_Ｎ以上であるか否かを判断する。ここでは、そのとき設定されている露光エネルギ量の目標値はＰ_１であるため、このステップ４２４における判断は否定され、ステップ４２６に移行する。
【０１０６】
ステップ４２６では、カウンタｊを１インクリメントする（ｊ←ｊ＋１）とともに、露光エネルギ量の目標値にΔＰを加算する（Ｐ_ｊ←Ｐ_ｊ−１＋ΔＰ）。ここでは、露光エネルギ量の目標値をＰ_２（＝Ｐ_１＋ΔＰ）に変更した後、ステップ４１０に戻る。
【０１０７】
その後、ステップ４１０においてウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値がＺ_１に初期化された後、ステップ４１２→４１４→４１６→４１８→４２０→４２２のループの処理（判断を含む）を繰り返す。このループの処理は、ステップ４２０における判断が肯定されるまで、すなわち露光エネルギ量の目標値Ｐ_２での、所定のウエハＷ_Ｔのフォーカス位置範囲（Ｚ_１〜Ｚ_Ｍ）についての露光が終了するまで、繰り返される。これにより、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_ｉ，２（ｉ＝１〜Ｍ）に計測用パターンＭＰ_ｎ及び開口パターンＡＰ_ｎがそれぞれ転写される。但し、この場合も、隣接する区画領域間の境界には、前述と同様の理由により枠線が存在しない。
【０１０８】
一方、露光エネルギ量の目標値Ｐ_２での、所定のウエハＷ_Ｔのフォーカス位置範囲（Ｚ_１〜Ｚ_Ｍ）についての露光が終了すると、ステップ４２０における判断が肯定され、ステップ４２４に移行し、設定されている露光エネルギ量の目標値がＰ_Ｎ以上であるか否かを判断する。この場合、露光エネルギ量の目標値はＰ_２であるため、このステップ４２４における判断は、否定され、ステップ４２６に移行する。ステップ４２６において、カウンタｊを１インクリメントするとともに、露光エネルギ量の目標値Ｐ_ｊにΔＰを加算する（Ｐ_ｊ←Ｐ_ｊ−１＋ΔＰ）。ここでは、露光エネルギ量の目標値をＰ_３（＝Ｐ_２＋ΔＰ）に変更した後、ステップ４１０に戻る。以後、上記と同様の処理（判断を含む）を繰り返す。
【０１０９】
このようにして、所定の露光エネルギ量の範囲（Ｐ_１〜Ｐ_Ｎ）についての露光が終了すると、ステップ４２４における判断が肯定され、図５のステップ４２８に移行する。これにより、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎには、図７に示されるように、それぞれ露光条件が異なるＮ×Ｍ（一例として２３×１３＝２９９）個の計測用パターンＭＰ_ｎの転写像（潜像）が形成される。なお、実際には、上述のようにして、ウエハＷ_Ｔ上に計測用パターンＭＰ_ｎの転写像（潜像）が形成されたＮ×Ｍ（一例として２３×１３＝２９９）個の区画領域が形成された段階で、各第１領域ＤＣ_ｎが形成されるのであるが、上記の説明では、説明を分かり易くするために、第１領域ＤＣ_ｎが予めウエハＷ_Ｔ上にあるかのような説明方法を採用したものである。
【０１１０】
図５のステップ４２８では、前述のフラグＦが降ろされているか、すなわちＦ＝０であるか否かを判断する。ここでは、前記ステップ４０６においてフラグＦが立てられているので、このステップ４２８における判断は否定され、ステップ４３０に移行して、カウンタｉ、ｊをそれぞれ１インクリメントする（ｉ←ｉ＋１、ｊ←ｊ＋１）。これにより、カウンタｉ＝Ｍ＋１、ｊ＝Ｎ＋１となり、露光対象の領域が、図８に示される区画領域ＤＡ_{Ｍ＋１、Ｎ＋１}＝ＤＡ_{１４，２４}となる。
【０１１１】
次のステップ４３２では、フラグＦを降ろし（Ｆ←０）、図４のステップ４１２に戻る。ステップ４１２では、ウエハＷ_Ｔ上の各第１領域ＤＣ_ｎの区画領域ＤＡ_{Ｍ＋１、Ｎ＋１}＝ＤＡ_{１４，２４}に計測用パターンＭＰ_ｎの像がそれぞれ転写される位置にウエハＷ_Ｔを位置決めし、次のステップ４１４に進む。但し、このとき、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値はＺ_Ｍのままなので、特に動作を行うことなく、ステップ４１６に進んで、区画領域ＤＡ_{１４，２４}に対する露光を行う。このとき露光エネルギ量Ｐは、最大露光量Ｐ_Ｎで露光が行われる。
【０１１２】
次のステップ４１８では、フラグＦ＝０となっているので、ステップ４２０、４２４をスキップして、ステップ４２８に移行する。このステップ４２８では、フラグＦが降ろされているか否かを判断するが、ここでは、Ｆ＝０であるので、この判断は肯定され、ステップ４３４に移行する。
【０１１３】
ステップ４３４では、カウンタｉ＝Ｍ＋１、かつカウンタｊ＞０を満足するか否かが判断されるが、このとき、ｉ＝Ｍ＋１、ｊ＝Ｎ＋１であるので、ここでの判断は肯定され、ステップ４３６に移行して、カウンタｊを１デクリメントし（ｊ←ｊ−１）、ステップ４１２に戻る。以後、ステップ４１２→４１４→４１６→４１８→４２８→４３４→４３６のループの処理（判断を含む）を、ステップ４３４における判断が否定されるまで、繰り返し行う。これにより、図８に示される区画領域ＤＡ_{１４，２３}からＤＡ_１４，０まで前述の最大露光量での露光が順次行われる。
【０１１４】
そして、区画領域ＤＡ_１４，０に対する露光が終了すると、ｉ＝Ｍ＋１（＝１４）、ｊ＝０となるので、ステップ４３４における判断が否定され、ステップ４３８に移行する。このステップ４３８では、カウンタｉ＞０、かつカウンタｊ＝０を満足するか否かを判断するが、このとき、ｉ＝Ｍ＋１、ｊ＝０であるので、ここでの判断は肯定され、ステップ４４０に移行して、カウンタｉを１デクリメントし（ｉ←ｉ−１）、ステップ４１２に戻る。以後、ステップ４１２→４１４→４１６→４１８→４２８→４３４→４３８→４４０のループの処理（判断を含む）を、ステップ４３８における判断が否定されるまで、繰り返し行う。これにより、図８の区画領域ＤＡ_１３，０からＤＡ_０，０まで前述の最大露光量で露光が順次行われる。
【０１１５】
そして、区画領域ＤＡ_０，０に対する露光が終了すると、ｉ＝０、ｊ＝０となるので、ステップ４３８における判断が否定され、ステップ４４２に移行する。このステップ４４２では、カウンタｊ＝Ｎ＋１であるか否かが判断されるが、このとき、ｊ＝０であるので、ここでの判断は否定され、ステップ４４４に移行して、カウンタｊをインクリメントし（ｊ←ｊ＋１）、ステップ４１２に戻る。以後、ステップ４１２→４１４→４１６→４１８→４２８→４３４→４３８→４４２→４４４のループの処理（判断を含む）を、ステップ４４２における判断が肯定されるまで、繰り返し行う。これにより、図８の区画領域ＤＡ_０，１からＤＡ_０，２４まで前述の最大露光量で露光が順次行われる。
【０１１６】
そして、区画領域ＤＡ_０，２４に対する露光が終了すると、ｊ＝Ｎ＋１（＝２４）となるので、ステップ４４２における判断が肯定され、ステップ４４６に移行する。このステップ４４６では、カウンタｉ＝Ｍであるか否かが判断されるが、このとき、ｉ＝０であるので、ここでの判断は否定され、ステップ４４８に移行して、カウンタｉを１インクリメントし（ｉ←ｉ＋１）、ステップ４１２に戻る。以後、ステップ４１２→４１４→４１６→４１８→４２８→４３４→４３８→４４２→４４６→４４８のループの処理（判断を含む）を、ステップ４４６における判断が肯定されるまで、繰り返し行う。これにより、図８の区画領域ＤＡ_１，２４からＤＡ_{１３，２４}まで前述の最大露光量で露光が順次行われる。
【０１１７】
そして、区画領域ＤＡ_{１３，２４}に対する露光が終了すると、ｉ＝Ｍ（＝２３）となるので、ステップ４４６における判断が肯定され、これにより、ウエハＷ_Ｔに対する露光が終了する。これにより、ウエハＷ_Ｔ上には、図８に示されるような矩形（長方形）の第１領域ＤＣ_ｎと、これを取り囲む矩形枠状の第２領域ＤＤ_ｎとから成る、評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ｎ＝１〜５）の潜像が形成される。この場合、第２領域ＤＤ_ｎを構成する各区画領域は、明らかに過露光（オーバードーズ）状態となっている。
【０１１８】
このようにしてウエハＷ_Ｔに対する露光が終了すると、図５のステップ４５０に移行する。このステップ４５０では、不図示のウエハアンローダを介してウエハＷ_Ｔをウエハテーブル１８上からアンロードするとともに不図示のウエハ搬送系を用いてウエハＷ_Ｔを露光装置１００にインラインにて接続されている不図示のコータ・デベロッパに搬送する。
【０１１９】
上記のコータ・デベロッパに対するウエハＷ_Ｔの搬送後に、ステップ４５２に進んでウエハＷ_Ｔの現像が終了するのを待つ。このステップ４５２における待ち時間の間に、コータ・デベロッパによってウエハＷ_Ｔの現像が行われる。この現像の終了により、ウエハＷ_Ｔ上には、図８に示されるような矩形（長方形）の第１領域ＤＣ_ｎと、これを取り囲む矩形枠状の第２領域ＤＤ_ｎとから成る、評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ｎ＝１〜５）のレジスト像が形成され、このレジスト像が形成されたウエハＷ_Ｔが投影光学系ＰＬの光学特性を計測するための試料となる。図９には、ウエハＷ_Ｔ上に形成された評価点対応領域ＤＢ_１のレジスト像の一例が示されている。
【０１２０】
この図９では、評価点対応領域ＤＢ_１は、（Ｎ＋２）×（Ｍ＋２）＝２５×１５＝３７５個の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝０〜Ｍ＋１、ｊ＝０〜Ｎ＋１）によって構成され、隣接する区画領域相互間に仕切りの枠のレジスト像が存在するかのように図示されているが、これは個々の区画領域を分かり易くするためにこのようにしたものである。しかし、実際には、隣接する区画領域相互間に仕切りの枠のレジスト像は存在しない。このように枠を無くすことにより、従来問題となっていた、ＦＩＡ系のアライメントセンサなどによる画像取り込みに際して、枠による干渉に起因してパターン部のコントラスト低下が生じるのを防止することができる。このため、本実施形態では、前述のステップピッチＳＰを、各開口パターンＡＰ_ｎのウエハＷ_Ｔ上の投影像の寸法以下となるように設定したのである。
【０１２１】
また、この場合、隣接する区画領域間のマルチバーパターンから成る計測用パターンＭＰ_ｎのレジスト像同士の距離をＬとすると、この距離Ｌは、一方の計測用パターンＭＰ_ｎの像のコントラストに他方の計測用パターンＭＰ_ｎの像の存在が影響を与えない程度の距離とされている。この距離Ｌは、区画領域を撮像する撮像装置（本実施形態の場合、アライメント検出系ＡＳ（ＦＩＡ系のアライメントセンサ））の解像度をＲ_ｆ、計測用パターンの像のコントラストをＣ_ｆ、レジストの反射率、屈折率などを含むプロセスによって定まるプロセスファクタをＰ_ｆ、アライメント検出系ＡＳ（ＦＩＡ系のアライメントセンサ）の検出波長をλ_ｆとした場合に、一例として、Ｌ＝ｆ（Ｃ_ｆ、Ｒ_ｆ、Ｐ_ｆ、λ_ｆ）なる関数で表すことができる。
【０１２２】
なお、プロセスファクタＰ_ｆは、像のコントラストに影響を与えるので、プロセスファクタを含まない関数Ｌ＝ｆ’（Ｃ_ｆ、Ｒ_ｆ、λ_ｆ）なる関数によって距離Ｌを規定しても良い。
【０１２３】
また、図９からもわかるように、矩形（長方形）の第１領域ＤＣ_１を取り囲む矩形枠状の第２領域ＤＤ_１には、パターン残存領域が見当たらない。これは、前述の如く、第２領域ＤＤ_１を構成する各区画領域の露光の際に過露光となる露光エネルギを設定したためである。このようにしたのは、後述する外枠検出の際にその外枠部のコントラストを向上させ、検出信号のＳ／Ｎ比を高くするためである。
【０１２４】
上記ステップ４５２の待ち状態で、不図示のコータ・デベロッパの制御系からの通知によりウエハＷ_Ｔの現像が終了したことを確認すると、ステップ４５４に移行し、不図示のウエハローダに指示を出して、前述のステップ４０２と同様にしてウエハＷ_Ｔをウエハテーブル１８上に再度ロードした後、ステップ４５６の投影光学系の光学特性を算出するサブルーチン（以下、「光学特性計測ルーチン」とも呼ぶ）に移行する。
【０１２５】
この光学特性計測ルーチンでは、まず、図１０のステップ５０２において、カウンタｎを参照して、ウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_ｎのレジスト像がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置にウエハＷ_Ｔを移動する。この移動、すなわち位置決めは、レーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹステージ２０を制御することにより行う。ここで、カウンタｎは、ｎ＝１に初期化されているものとする。従って、ここでは、図９に示されるウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_１のレジスト像がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置にウエハＷ_Ｔが位置決めされる。なお、以下の光学特性計測ルーチンの説明では、評価点対応領域ＤＢ_ｎのレジスト像を、適宜「評価点対応領域ＤＢ_ｎ」と略述するものとする。
【０１２６】
次のステップ５０４では、アライメント検出系ＡＳのフォーカス調整を行う。このようなアライメント検出系ＡＳのフォーカス調整は、例えば特開平１０−２２３５１７号公報に開示されている方法を用いることができる。この方法では、まず、画像信号の収集対象領域外に２つのフォーカス計測用パターン（例えば、スリット像パターン）を投射し、その収集対象領域外で反射されたフォーカス計測用光束を瞳分割プリズム等により２分割して結像させる。そして、フォーカス計測用パターンの結像面におけるフォーカス計測用パターン間の距離を測定し、フォーカス状態に関する情報を得るが、この方法は公知であるので詳細な説明を省略する。主制御装置２８は、アライメント制御装置１６を介して得られるそのフォーカス状態に関する情報に基づいて、駆動系２２を駆動して、ウエハテーブル１８をＺ軸方向に駆動し、評価点対応領域ＤＢ_ｎをアライメント検出系ＡＳの最適フォーカス位置となるように調整する。
【０１２７】
次のステップ５０６では、ウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）のレジスト像を、アライメント検出系ＡＳを用いて撮像し、その撮像データを取り込む。なお、アライメント検出系ＡＳは、レジスト像を自身の有する撮像素子（ＣＣＤ等）のピクセル単位に分割し、ピクセル毎に対応するレジスト像の濃淡を８ビットのデジタルデータ（ピクセルデータ）として主制御装置２８に供給するようになっている。すなわち、前記撮像データは、複数のピクセルデータで構成されている。なお、ここでは、レジスト像の濃度が高くなる（黒に近くなる）につれてピクセルデータの値は大きくなるものとする。
【０１２８】
次のステップ５０８では、アライメント検出系ＡＳからの評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）に形成されたレジスト像の撮像データを整理し、撮像データファイルを作成する。
【０１２９】
次のステップ５１０〜ステップ５１８では、以下に説明するようにして、評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）の外縁である長方形（矩形）の外枠を検出する。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）及び図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）には、外枠検出の様子が順番に示されている。これらの図において、符号ＤＢ_ｎが付された矩形領域が、外枠検出の対象となる評価点対応領域ＤＢ_ｎに相当する。
【０１３０】
まず、ステップ５１０において、境界検出用の直線状のピクセル列、例えば図１２（Ａ）に示される直線ＬＶに沿う直線状のピクセル列のデータ（ピクセル列データ）を前述の撮像データファイルの中から抽出する。これにより、例えば図１２（Ａ）中の波形データＰＤ１に対応するピクセル値を有するピクセル列データが得られる。そして、そのピクセル列のピクセル値（ピクセルデータの値）の平均値と標準偏差（又は分散）に基づいて最適な閾値を求める。そして、閾値と波形データＰＤ１との交点をそれぞれ求め、その求めた各点（ピクセル）の位置を境界位置とする。すなわち、このようにして境界位置（この場合、評価点対応領域ＤＢ_ｎの上辺及び下辺の大まかな位置）を算出する。
【０１３１】
図１０に戻り、次のステップ５１２において、図１２（Ｂ）に示されるように、上記ステップ５１０で求めた上辺より少し下側の横方向（Ｘ軸方向にほぼ平行な方向）の直線ＬＨ１上のピクセル列、及び、求めた下辺より少し上側の横方向の直線ＬＨ２上のピクセル列を用いて、前述のステップ５１０と同様の手法で境界検出を行い、評価点対応領域ＤＢ_ｎの左辺及び右辺上の点を各２点、合計４点求める。図１２（Ｂ）中には、このステップ５１２における境界検出に用いられる、上記直線ＬＨ１上のピクセル列データのピクセル値に対応する波形データＰＤ２、上記直線ＬＨ２上のピクセル列データのピクセル値に対応する波形データＰＤ３がそれぞれ示されている。また、この図１２（Ｂ）中には、ステップ５１２で求められた点Ｑ_１〜Ｑ_４も併せて示されている。
【０１３２】
図１０に戻り、次のステップ５１４では、図１２（Ｃ）に示されるように、上記ステップ５１２で求めた左辺上の２点Ｑ_１、Ｑ_２より少し右側の縦方向の直線ＬＶ１上のピクセル列、及び、求めた右辺上の２点Ｑ_３、Ｑ_４より少し左側の縦方向の直線ＬＶ２上のピクセル列を用いて、前述のステップ５１０と同様の手法で境界検出を行い、評価点対応領域ＤＢ_ｎの上辺及び下辺上の点を各２点、合計４点求める。図１２（Ｃ）中には、このステップ５１４における境界検出に用いられる、上記直線ＬＶ１上のピクセル列データのピクセル値に対応する波形データＰＤ４、上記直線ＬＶ２上のピクセル列データのピクセル値に対応する波形データＰＤ５がそれぞれ示されている。また、この図１２（Ｃ）中には、ステップ５１４で求められた点Ｑ_５〜Ｑ_８も併せて示されている。
【０１３３】
図１０に戻り、次のステップ５１６では、図１３（Ａ）に示されるように、上記ステップ５１２、５１４においてそれぞれ求めた、評価点対応領域ＤＢ_ｎの左辺、右辺、上辺及び下辺上の各２点（Ｑ_１，Ｑ_２）、（Ｑ_３，Ｑ_４）、（Ｑ_５，Ｑ_６）、（Ｑ_７，Ｑ_８）に基づいて、各辺上の２点で決まる直線同士の交点として、矩形領域（長方形領域）である評価点対応領域ＤＢ_ｎの外枠の４頂点ｐ_０’、ｐ_１’、ｐ_２’、ｐ_３’を求める。ここで、この頂点の算出方法について、頂点ｐ_０’を算出する場合を例にとって、図１４に基づいて詳述する。
【０１３４】
図１４に示されるように、頂点ｐ_０’が、境界位置Ｑ_２からＱ_１へ向かうベクトルＫ１のα倍（α＞０）の位置にあり、同時にＱ_５からＱ_６へ向かうベクトルＫ２のβ倍（β＜０）の位置にあるとするとき、次の連立方程式（１）が成り立つ。（ここで、添え字ｘ，ｙは、それぞれ各点のｘ座標、ｙ座標を表す。）
【０１３５】
【数１】

【０１３６】
上記の連立方程式（１）を解けば、頂点ｐ_０’の位置（ｐ_０ｘ’，ｐ_０ｙ’）が求められる。
【０１３７】
残りの頂点ｐ_１’、ｐ_２’、ｐ_３’についても、同様の連立方程式を立て、それを解くことにより、それぞれの位置を求めることができる。
【０１３８】
図１０に戻り、次のステップ５１８では、図１３（Ｂ）に示されるように、上で求めた４頂点ｐ_０’〜ｐ_３’の座標値に基づいて、最小二乗法による長方形近似を行い、回転を含めた評価点対応領域ＤＢ_ｎの外枠ＤＢＦを算出する。
【０１３９】
ここで、このステップ５１８における処理を、図１５に基づいて詳述する。すなわち、このステップ５１８では、４頂点ｐ_０〜ｐ_３の座標値を用いて、最小二乗法による長方形近似を行い、評価点対応領域ＤＢ_ｎの外枠ＤＢＦの幅ｗ、高さｈ、及び回転量θを求めている。なお、図１５において、ｙ軸は紙面の下側が正となっている。
【０１４０】
中心ｐｃの座標を（ｐ_ｃｘ，ｐ_ｃｙ）とすると、長方形の４頂点（ｐ_０，ｐ_ｌ，ｐ_２，ｐ_３）はそれぞれ次式（２）〜（５）のように表せる。
【０１４１】
【数２】

【０１４２】
上記ステップ５１６で求めた４頂点ｐ_０’，ｐ_ｌ’，ｐ_２’，ｐ_３’の各点とそれぞれ対応する上式（２）〜（５）でそれぞれ表される頂点ｐ_０，ｐ_ｌ，ｐ_２，ｐ_３との距離の総和を誤差Ｅ_ｐとする。誤差Ｅ_ｐは、次式（６）、（７）で表せる。
【０１４３】
【数３】

【０１４４】
上記式（６）、（７）を、未知変数ｐ_ｃｘ，ｐ_ｃｙ，ｗ，ｈ，θでそれぞれ偏微分し、その結果が０になるように連立方程式を立て、その連立方程式を解くことによって長方形近似結果が得られる。
【０１４５】
この結果、評価点対応領域ＤＢ_ｎの外枠ＤＢＦが求められた様子が、図１３（Ｂ）に実線にて示されている。
【０１４６】
図１０に戻り、次のステップ５２０では、上で検出した評価点対応領域ＤＢ_ｎの外枠ＤＢＦを、既知の区画領域の縦方向の数＝（Ｍ＋２）＝１５、区画領域の横方向の数＝（Ｎ＋２）＝２５を用いて等分割し、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝０〜１４、ｊ＝０〜２４）の位置情報を求める。すなわち、外枠ＤＢＦを基準として、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊを求める。
【０１４７】
図１３（Ｃ）には、このようにして求められた、第１領域ＤＣ_ｎを構成する各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜１３、ｊ＝１〜２３）が示されている。
【０１４８】
図１０に戻り、次に、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜Ｍ、ｊ＝１〜Ｎ）について、ピクセルデータに関するスコアＥ（以下、適宜「スコアＥ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜Ｍ、ｊ＝１〜Ｎ）」とも呼ぶ）を算出するサブルーチン５２２に移行する。
【０１４９】
本実施形態では、アライメント検出系ＡＳの光軸方向に関するアライメント検出系ＡＳ（即ちその焦点面）とウエハＷ_Ｔとの光学的位置関係を変更しながらアライメント検出系ＡＳを用いて、評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ｎ＝１〜５）をそれぞれの位置関係について撮像する。ここでは、アライメント検出系ＡＳ自体は、その光軸方向（図１におけるＺ軸方向）に固定となっているので、ウエハＷ_ＴのＺ軸方向に移動させることにより、前述の光学的位置関係を変更するものとする。なお、アライメント検出系ＡＳの一部（レンズエレメント、撮像素子など）を移動してその焦点面とウエハＷ_Ｔ（換言すれば、撮像素子の受光面と検出像）との光学的位置関係を変更するようにしても良い。
【０１５０】
本実施形態では、前述の光軸方向のウエハＷ_Ｔに関する位置Ｚ_ｈ’（ｈ＝１〜ｈ_ｍａｘ、ｈ_ｍａｘは２以上の整数）で評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ｎ＝１〜５）を撮像する。なお、Ｚ_ｈ’（ｈ＝１〜ｈ_ｍａｘ）は、Ｚ_１’＜Ｚ_２’＜Ｚ_３’＜・・・＜Ｚ_ｈｍａｘ’であるとし、それぞれの間隔を所定間隔ΔＺ’とする。Ｚ_ｈ’の設定範囲は、図１０のステップ５０４で調整されたときのウエハＷ_Ｔの位置、すなわち、サブルーチン５２２を実行する段階でのウエハＷ_Ｔの位置を中心とする所定の範囲で設定される。ΔＺ’は、ｈ_ｍａｘの実際の値、前述の設定範囲等によって決定される。なお、ｈ_ｍａｘの値、所定の範囲などは、オペレータ等によって主制御装置２８に設定可能となっていても良い。
【０１５１】
このサブルーチン５２２では、図１６に示されるように、ステップ６０２において、本ルーチンで用いるカウンタｈの値（これをｈとする）を「１」に初期化する。次のステップ６０４では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値がＺ_ｈｍａｘ’より大きいか否かを判断し、所定のＺ範囲での撮像が終了したか否かを判断する。ここでは、ｈ＝１であるので、判断は否定され、ステップ６０６に移行する。
【０１５２】
ステップ６０６では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置が設定された目標値Ｚ_ｈ’（ここではＺ_１’）と一致するように、フォーカスセンサＡＦＳからの計測値をモニタしながらウエハテーブル１８をＺ軸方向に微少駆動する。
【０１５３】
次のステップ６０８では、ウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）のレジスト像を、アライメント検出系ＡＳを用いて撮像し、その撮像データを取り込む。次のステップ６１０では、アライメント検出系ＡＳからの評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）に形成されたレジスト像の撮像データを整理し、撮像データファイルｈ（ここでは、撮像データファイル１）を作成する。
【０１５４】
次のステップ６１２では、カウンタｈの値が２以上であるか否かを判断する。ここではｈ＝１であるので、判断は否定され、ステップ６２０に移行する。
【０１５５】
ステップ６２０では、カウンタｈを１インクリメントする（ｈ←ｈ＋１）とともに、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値にΔＺ’を加算し（Ｚ_ｈ’←Ｚ_ｈ−１’＋ΔＺ’）、ステップ６０４に戻る。
【０１５６】
ステップ６０４では、カウンタｈの値がｈ_ｍａｘより大きいか否か、すなわちウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値がＺ_ｈｍａｘ’より大きいか否かを判断することにより、所定のＺ範囲での露光が終了したか否かを判断する。ここでは、ｈ＝２であるので、判断は否定され、ステップ６０６に移行する。
【０１５７】
ステップ６０６では、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置が設定された目標値Ｚ_ｈ’（ここではＺ_２’）と一致するように、フォーカスセンサＡＦＳからの計測値をモニタしながらウエハテーブル１８をＺ軸方向に微少駆動する。
【０１５８】
次のステップ６０８では、ウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）のレジスト像を、アライメント検出系ＡＳを用いて撮像し、その撮像データを取り込む。次のステップ６１０では、アライメント検出系ＡＳからの評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここでは、ＤＢ_１）に形成されたレジスト像の撮像データを整理し、撮像データファイルｈ（ここでは、撮像データファイル２）を作成する。
【０１５９】
次のステップ６１２では、カウンタｈの値が２以上であるか否かを判断する。ここではｈ＝２であるので、判断は肯定され、ステップ６１４に移行する。
【０１６０】
ステップ６１４では、撮像データファイルｈ（ここでは撮像データファイル２）と撮像データファイルｈ−１（ここでは、撮像データファイル１）とが記憶装置から読み出され、それらの同一画素（検出点）のピクセルデータ同士の差分が実行される。
【０１６１】
次のステップ６１６では、ピクセルデータの差分の平滑化処理が実行される。具体的には、各ピクセルデータの差分値が、その周囲のピクセルデータの差分値と著しく異なる場合には、その差分値は、その周囲のピクセルの差分値の全体的な変化に合わせて調整される。一般に、撮像データにはノイズ成分が含まれており、それらのデータを差分すると、そのノイズ成分が強調されるようになる。この平滑化により、そのようなノイズ成分を抑圧することができるようになる。
【０１６２】
次のステップ６１８では、平滑化された各ピクセルデータの差分を、図１０のステップ５２０で算出された各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの差分に分割し、区画領域毎に、その区画領域の少なくとも一部のピクセルデータの差分の分散を算出して、記憶装置に記憶し、ステップ６２０に移行する。ステップ６２０では、カウンタｈを１インクリメントする（ｈ←ｈ＋１）とともに、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値にΔＺ’を加算し（Ｚ_ｈ’←Ｚ_ｈ−１’＋ΔＺ’）、ステップ６０４に戻る。
【０１６３】
なお、撮像された計測対象において、パターン部分と非パターン部分にはコントラスト差がある。パターンが消失した領域内には非パターン領域輝度をもつピクセルだけが存在し、一方、パターンが残存する領域内にはパターン領域輝度をもつピクセルと非パターン領域輝度を持つピクセルとが混在する。本実施形態では、レチクルＲ_Ｔ上で、開口パターンＡＰ_ｎ（ｎ＝１〜５）と中心を同じくする、該各開口パターンの約６０％の縮小領域部分に計測用パターンＭＰ_ｎがそれぞれ配置されている。また、前述の露光の際のステップピッチＳＰが、各開口パターンＡＰ_ｎのウエハＷ_Ｔ上への投影像の寸法とほぼ一致する約５μｍに設定されている。従って、パターン残存区画領域において、計測用パターンＭＰ_ｎは、区画領域ＤＡ_ｉ，ｊと中心を同じくし、該区画領域ＤＡ_ｉ，ｊをほぼ６０％に縮小した範囲（領域）に存在することとなる。
【０１６４】
かかる点を考慮すると、ステップ６１８では、例えば区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜Ｍ、ｊ＝１〜Ｎ）と中心を同じくし、その領域を縮小した範囲の差分だけを考慮して、その範囲内のピクセルデータの差分の分散を求めるだけでもよい。但し、この場合、その縮小率Ａ（％）は以下のように制限される。
【０１６５】
まず、下限については、範囲が狭すぎるとその領域が、パターン部分のみになってしまい、そうするとパターン残存部でもばらつきが小さくなってパターン有無判別には利用できなくなる。この場合には、上述のパターンの存在範囲から明らかなように、Ａ＞６０％である必要がある。また、上限については、当然１００％以下だが、検出誤差などを考慮して１００％より小さい比率にすべきである。これより、縮小率Ａは、６０％＜Ａ＜１００％に定める必要がある。
【０１６６】
本実施形態の場合、パターン部が区画領域の約６０％を占めているため、指定範囲の区画領域に対する比を上げるほどＳ／Ｎ比が上がるものと予想される。
【０１６７】
しかるに、指定範囲内でのパターン部と非パターン部の領域サイズが同じになれば、パターン有無判別のＳ／Ｎ比を最大にすることができる。本実施形態では、幾つかの比率を実験的に確認した結果、例えばＡ＝９０％の場合に最も安定した結果が得られたので、Ａ＝９０％という比率を採用するものとする。勿論Ａは、９０％に限定されるものではなく、計測用パターンＭＰ_ｎと開口パターンＡＰ_ｎとの関係、及びステップピッチＳＰによって決定されるウエハ上の区画領域を考慮して、区画領域に対する計測用パターンＭＰ_ｎの像が占める割合を考慮して定めれば良い。また、この指定範囲は、区画領域と中心を同じくする領域に限定されるものではなく、計測用パターンＭＰ_ｎの像が区画領域内のどの位置に存在するかを考慮して定めれば良い。
【０１６８】
以後、ステップ６０４における判断が肯定されるまで、すなわちそのとき設定されているウエハＷ_Ｔのフォーカス位置の目標値がＺ_ｈｍａｘより大きいと判断されるまで、ステップ６０４→６０６→６０８→６１０→６１２→６１４→６１６→６１８→６２０のループの処理（判断を含む）を繰り返す。これにより、フォーカス位置がＺ_ｈ−１からＺ_ｈへ（ｈ＝３〜ｈ_ｍａｘ）の変化したときの評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここではＤＢ_１）の各区画領域の少なくとも一部のピクセルデータの差分の分散がそれぞれ算出され、記憶装置に記憶される。なお、本実施形態では、この差分の分散が代表値となる。
【０１６９】
ｈ＞ｈ_ｍａｘとなって、ステップ６０４における判断が肯定されると、ステップ６２２に移行する。
【０１７０】
ステップ６２２では、上述のように算出されたフォーカス位置がＺ_ｈからＺ_ｈ−１（ｈ＝２〜ｈ_ｍａｘ）に変化したときの評価点対応領域ＤＢ_ｎ（ここではＤＢ_１）の各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊのピクセルデータの差分の分散に基づいて、その区画領域ＤＡ_ｉ，ｊのフォーカス位置の変化に対するピクセルデータの差分の分散の変化量が算出される。
【０１７１】
図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）には、それぞれ異なる区画領域におけるフォーカス位置の変化に対するピクセルデータの差分の分散の変化が示されている。図１７（Ａ）に示される区画領域には、計測用パターンＭＰ_ｎの像がほとんど存在していないものとし、図１７（Ｂ）に示される区画領域には、計測用パターンＭＰ_ｎの像がほぼ完全に転写されている状態であるものとする。図１７（Ａ）に示されるように、区画領域に計測用パターンＭＰ_ｎの像が存在していない場合には、プラスデフォーカス状態やマイナスデフォーカス状態であっても、フォーカス状態であっても、ピクセルデータの差分の分散の値に変化がほとんど見られない。一方、図１７（Ｂ）に示されるように、区画領域に計測用パターンＭＰ_ｎの像が存在している場合には、プラスデフォーカス状態やマイナスデフォーカス状態である場合には、ピクセルデータの差分の分散の値は低くなっているが、フォーカス状態に近づくにつれて、そのピクセルデータの差分の分散の値が次第に高くなり、最適フォーカス状態近傍で、その値が最大となっているのがわかる。すなわち、計測用パターンＭＰ_ｎの像が形成されている場合には、このフォーカス位置の変化に対するピクセルデータの差分の分散の値の変化が大きくなり、逆に言えば、このフォーカス位置の変化に対するピクセルデータの差分の分散の値の変化量に基づいて、その区画領域に計測用パターンＭＰ_ｎの像の形成状態を推定することが可能となる。
【０１７２】
従って、ステップ６２２では、区画領域毎にフォーカス位置の変化に対する分散の変化量、例えば、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）に示されるような、輝度値の差分の分散の最小値Ｂ_ｍｉｎと最大値Ｂ_ｍａｘの差をその区画領域のスコアＥ_ｉ，ｊとして算出し、記憶装置にそれぞれ記憶する。なお、このスコアＥ_ｉ，ｊについては、図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）に示されるように、各フォーカス位置Ｚ_ｈ’（ｈ＝１〜８）での分散の値をカーブフィットすることによって関数Ｑ＝ｑ（Ｚ）を求め、その関数Ｐの最小値Ｂ_ｍｉｎと最大値Ｂ_ｍａｘの差を求めるのが、計測精度の点から見て望ましい。なお、図１７（Ｂ）では、Ｑ＝ｑ（Ｚ）は、ほぼ三角波状に変化しているが、Ｑ＝ｑ（Ｚ）は、略矩形波状に変化していることもある。
【０１７３】
上記の方法で求めたスコアＥ_ｉ，ｊは、パターンの有無具合を数値として表しているので、所定の閾値で二値化することによってパターン有無の判別を自動的にかつ安定して行うことが可能である。
【０１７４】
ステップ６２２実行後、サブルーチン５２２の処理を終了し、図１１のステップ５２４に移行する。
【０１７５】
次のステップ５２４（図１１）において、区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ毎に上で求めたスコアＥ_ｉ，ｊと所定の閾値ＳＨとを比較して、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊにおける計測用パターンＭＰの像の有無を検出し、検出結果としての判定値Ｆ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜Ｍ、ｊ＝１〜Ｎ）を図示しない記憶装置に保存する。すなわち、このようにして、スコアＥ_ｉ，ｊに基づいて、区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ毎に計測用パターンＭＰ_ｎの像の形成状態を検出する。なお、像の形成状態としては、種々のものが考えられるが、本実施形態では、上述の如く、スコアＥ_ｉ，ｊがパターンの有無具合を数値として表すものであるという点に基づいて、区画領域内にパターンの像が形成されているか否かに着目することとしたものである。
【０１７６】
ここでは、スコアＥ_ｉ，ｊが閾値ＳＨ以上の場合には、計測用パターンＭＰ_ｎの像が形成されていると判断し、検出結果としての判定値Ｆ_ｉ，ｊを「０」とする。一方、スコアＥ_ｉ，ｊが閾値ＳＨ未満の場合には、計測用パターンＭＰ_ｎの像が形成されていないと判断し、検出結果としての判定値Ｆ_ｉ，ｊを「１」とする。図１８には、この検出結果の一例がテーブルデータとして示されている。この図１８は、前述の図９に対応するものである。
【０１７７】
図１８において、例えば、Ｆ_{１２，１６}は、ウエハＷ_ＴのＺ軸方向の位置がＺ_１２で、露光エネルギ量がＰ_１６のときに転写された計測用パターンＭＰ_ｎの像の形成状態の検出結果を意味し、一例として、図１８の場合には、Ｆ_{１２，１６}は、「１」という値になっており、計測用パターンＭＰ_ｎの像が形成されていないと判断されたことを示している。
【０１７８】
なお、閾値ＳＨは、予め設定されている値であり、オペレータが図示しない入出力装置を用いて変更することも可能である。
【０１７９】
次のステップ５２６では、上述の検出結果に基づいて、フォーカス位置毎にパターンの像が形成されている区画領域の数を求める。すなわち、フォーカス位置毎に判定値「０」の区画領域が何個あるかを計数し、その計数結果をパターン残存数Ｔ_ｉ（ｉ＝１〜Ｍ）とする。この際に、周囲の領域と異なる値を持ついわゆる跳び領域は無視する。例えば、図１８の場合には、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置がＺ_１ではパターン残存数Ｔ_１＝８、Ｚ_２ではＴ_２＝１１、Ｚ_３ではＴ_３＝１４、Ｚ_４ではＴ_４＝１６、Ｚ_５ではＴ_５＝１６、Ｚ_６ではＴ_６＝１３、Ｚ_７ではＴ_７＝１１、Ｚ_８ではＴ_８＝８、Ｚ_９ではＴ_９＝５、Ｚ_１０ではＴ_１０＝３、Ｚ_１１ではＴ_１１＝２、Ｚ_１２ではＴ_１２＝２、Ｚ_１３ではＴ_１３＝２である。このようにして、フォーカス位置とパターン残存数Ｔ_ｉとの関係を求めることができる。
【０１８０】
なお、上記の跳び領域が生ずる原因として、計測時の誤認識、レーザのミスファイヤ、ゴミ、ノイズ等が考えられるが、このようにして生じた跳び領域がパターン残存数Ｔ_ｉの検出結果に与える影響を軽減するために、フィルタ処理を行っても良い。このフィルタ処理としては、例えば評価する区画領域を中心とする３×３の区画領域のデータ（判定値Ｆ_ｉ，ｊ）の平均値（単純平均値又は重み付け平均値）を求めることが考えられる。なお、フィルタ処理は、形成状態の検出処理前のデータ（スコアＥ_ｉ，ｊ）に対して行っても勿論良く、この場合には、より有効に跳び領域の影響を軽減できる。
【０１８１】
次のステップ５２８では、パターン残存数からベストフォーカス位置を算出するためのｎ次の近似曲線（例えば４〜６次曲線）を求める。
【０１８２】
具体的には、上記ステップ５２６で検出されたパターンの残存数を、横軸をフォーカス位置とし、縦軸をパターン残存数Ｔ_ｉとする座標系上にプロットする。この場合、図１９に示されるようになる。ここで、本実施形態の場合、ウエハＷ_Ｔの露光にあっては、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊを同一の大きさとし、かつ、行方向で隣接する区画領域間の露光エネルギの差を一定値（＝ΔＰ）とし、列方向で隣接する区画領域間のフォーカス位置の差を一定値（＝ΔＺ）としたので、パターン残存数Ｔ_ｉが露光エネルギ量に比例するものとして扱うことができる。すなわち、図１９において、縦軸は露光エネルギ量Ｐであると考えることもできる。
【０１８３】
上記のプロット後、各プロット点をカーブフィットすることによりｎ次の近似曲線（最小自乗近似曲線）を求める。これにより、例えば図１９に点線で示されるような曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）が求められる。
【０１８４】
図１１に戻り、次のステップ５３０では、上記曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）の極値（極大値又は極小値）の算出を試みるとともに、その結果に基づいて極値が存在するか否かを判断する。そして、極値が算出できた場合には、ステップ５３２に移行して極値におけるフォーカス位置を算出して、その算出結果を光学特性の一つである最良フォーカス位置とするとともに、該最良フォーカス位置を図示しない記憶装置に保存する。
【０１８５】
一方、上記ステップ５３０において、極値が算出されなかった場合には、ステップ５３４に移行して、ウエハＷの位置変化（Ｚの変化）に対応する曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）の変化量が最も小さいフォーカス位置の範囲を算出し、その範囲の中間の位置を最良フォーカス位置として算出し、その算出結果を最良フォーカス位置とするとともに、該最良フォーカス位置を図示しない記憶装置に保存する。すなわち、曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）の最も平坦な部分に基づいてフォーカス位置を算出する。
【０１８６】
ここで、このステップ５３４のようなベストフォーカス位置の算出ステップを設けたのは、計測用パターンＭＰの種類やレジストの種類その他の露光条件によっては、例外的に上述の曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）が明確なピークを持たないような場合がある。このような場合にも、ベストフォーカス位置をある程度の精度で算出できるようにしたものである。
【０１８７】
次のステップ５３６において、前述のカウンタｎを参照して、全ての評価点対応領域ＤＢ_１〜ＤＢ_５について処理が終了したか否かを判断する。ここでは、評価点対応領域ＤＢ_１についての処理が終了しただけであるため、このステップ５３６における判断は否定され、ステップ５３８に進んでカウンタｎをインクリメント（ｎ←ｎ＋１）した後、図１０のステップ５０２に戻り、評価点対応領域ＤＢ_２がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置に、ウエハＷ_Ｔを位置決めする。
【０１８８】
そして、上述したステップ５０４〜５３６までの処理（判断を含む）を再度行い、上述した評価点対応領域ＤＢ_１の場合と同様にして、評価点対応領域ＤＢ_２について最良フォーカス位置を求める。
【０１８９】
そして、評価点対応領域ＤＢ_２について最良フォーカス位置の算出が終了すると、ステップ５３６で全ての評価点対応領域ＤＢ_１〜ＤＢ_５について処理が終了したか否かを再度判断するが、ここでの判断は否定される。以後、ステップ５３４における判断が肯定されるまで、上記ステップ５０２〜５３８の処理（判断を含む）が繰り返される。これにより、他の評価点対応領域ＤＢ_３〜ＤＢ_５について、前述した評価点対応領域ＤＢ_１、ＤＢ_２の場合と同様にして、それぞれ最良フォーカス位置が求められることとなる。
【０１９０】
このようにして、ウエハＷ_Ｔ上の全ての評価点対応領域ＤＢ_１〜ＤＢ_５について最良フォーカス位置の算出がなされると、ステップ５３６での判断が肯定され、ステップ５４０に移行して、上で求めた最良フォーカス位置データに基づいて他の光学特性を算出する。
【０１９１】
例えば、このステップ５４０では、一例として、評価点対応領域ＤＢ_１〜ＤＢ_５における最良フォーカス位置のデータに基づいて、投影光学系ＰＬの像面湾曲を算出する。また、前述した露光領域内の各計測点（評価点）での焦点深度などを求めても良い。
【０１９２】
ここで、本実施形態では、説明の簡略化のため、投影光学系ＰＬの視野内の各評価点に対応するレチクルＲ_Ｔ上の領域に計測用パターンとして前述のパターンＭＰ_ｎのみが形成されていることを前提として、説明を行った。しかし、本発明がこれに限定されないことは勿論である。例えば、レチクルＲ_Ｔ上に、例えば各評価点に対応するレチクルＲ_Ｔ上の領域の近傍に、前述したステップピッチＳＰの整数倍、例えば８倍、１２倍などの間隔で複数の開口パターンＡＰ_ｎを配置し、各開口パターンＡＰ_ｎの内部に、周期方向が異なるＬ／Ｓパターンや、ピッチが異なるＬ／Ｓパターンなど複数種類の計測用パターンをそれぞれ配置しても良い。このようにすると、例えば、各評価点に対応する位置に近接して配置された周期方向が直交する１組のＬ／Ｓパターンを計測用パターンとして得られた最良フォーカス位置から各評価点における非点収差を求めることができる。さらに、投影光学系ＰＬの視野内の各評価点について、上述のようにして算出された非点収差に基づいて最小二乗法による近似処理を行うことにより非点収差面内均一性を求めるとともに、非点収差面内均一性と像面湾曲とから総合焦点差を求めることも可能となる。
【０１９３】
そして、上述のようにして求められた投影光学系ＰＬの光学特性データは、図示しない記憶装置に保存されるとともに、不図示の表示装置の画面上に表示される。これにより、図１１のステップ５４０の処理、すなわち図５のステップ４５６の処理を終了し、一連の光学特性の計測処理を終了する。
【０１９４】
次に、デバイス製造の場合における、本実施形態の露光装置１００による露光動作を説明する。
【０１９５】
前提として、上述のようにして決定された最良フォーカス位置の情報、あるいはこれに加えて他の光学特性、例えば像面湾曲などの収差情報が、不図示の入出力装置を介して主制御装置２８に入力されているものとする。
【０１９６】
例えば、像面湾曲の情報が入力されている場合には、主制御装置２８は、露光に先立って、この光学特性データに基づいて、図示しない結像特性補正コントローラに指示し、例えば投影光学系ＰＬの少なくとも１つの光学素子（本実施形態では、レンズエレメント）の位置（他の光学素子との間隔を含む）あるいは傾斜などを変更することにより、その像面湾曲が補正されるように投影光学系ＰＬの結像特性を可能な範囲で補正する。なお、投影光学系ＰＬの結像特性の調整に用いる光学素子は、レンズエレメントなどの屈折光学素子だけでなく、例えば凹面鏡などの反射光学素子、あるいは投影光学系ＰＬの収差（ディストーション、球面収差など）、特にその非回転対称成分を補正する収差補正板などでも良い。さらに、投影光学系ＰＬの結像特性の補正方法は光学素子の移動に限られるものではなく、例えば光源１を制御して照明光ＩＬの中心波長を僅かにシフトさせる方法、又は投影光学系ＰＬの一部で屈折率を変化させる方法などを単独、あるいは光学素子の移動との組み合わせで採用しても良い。
【０１９７】
そして、主制御装置２８からの指示に応じて、不図示のレチクルローダにより転写対象となる所定の回路パターン（デバイスパターン）が形成されたレチクルＲがレチクルステージＲＳＴ上にロードされる。同様に、不図示のウエハローダにより、ウエハＷがウエハテーブル１８上にロードされる。
【０１９８】
次に、主制御装置２８により、不図示のレチクルアライメント検出系、ウエハテーブル１８上の基準マーク板ＦＰ、アラインメント検出系ＡＳ等を用いて、レチクルアラインメント、ベースライン計測などの準備作業が所定の手順で行われ、これに続いてＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アラインメント）方式などのウエハアライメントが行われる。なお、上記のレチクルアライメント、ベースライン計測等の準備作業については、例えば特開平７−１７６４６８号公報（対応米国特許第５，６４６，４１３号）に詳細に開示され、また、これに続くＥＧＡについては、特開昭６１−４４４２９号公報（対応米国特許第４，７８０，６１７号）に詳細に開示されているので、ここではこれ以上の詳細説明は省略する。
【０１９９】
上記のウエハアライメントが終了すると、以下のようにしてステップ・アンド・スキャン方式の露光動作が行われる。
【０２００】
まず、主制御装置２８は、レチクルＲとウエハＷ、すなわちレチクルステージＲＳＴとＸＹステージ２０とのＹ軸方向の相対走査を開始する。両ステージＲＳＴ、２０がそれぞれの目標走査速度に達し、等速同期状態に達すると、照明系ＩＯＰからの紫外パルス光によってレチクルＲのパターン領域が照明され始め、走査露光が開始される。上記の相対走査は、主制御装置２８が、前述したレーザ干渉計２６及びレーザ干渉計１４の計測値をモニタしつつ、レチクルステージ駆動部（不図示）及び駆動系２２を制御することにより行われる。
【０２０１】
主制御装置２８は、特に上記の走査露光時には、レチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度ＶｒとＸＹステージ２０のＹ軸方向の移動速度Ｖｗとが、投影光学系ＰＬの投影倍率（１／４倍あるいは１／５倍）に応じた速度比に維持されるように同期制御を行う。また、主制御装置２８は、走査露光中に、フォーカスセンサＡＦＳによって検出されたウエハＷのＺ軸方向の位置情報に基づき、前述した光学特性補正後の投影光学系ＰＬの像面の焦点深度の範囲内にウエハＷ（ショット領域）表面の露光領域が収まるように、駆動系２２を介してウエハテーブル１８をＺ軸方向及び傾斜方向に駆動し、ウエハＷのフォーカス・レベリング制御を行う。なお、本実施形態では、ウエハＷの露光動作に先立って、前述した各評価点における最良フォーカス位置に基づいて投影光学系ＰＬの像面を算出し、この像面がフォーカスセンサＡＦＳの検出基準となるようにフォーカスセンサＡＦＳの光学的なキャリブレーション（例えば、受光系５０ｂ内に配置される平行平面板の傾斜角度の調整など）が行われている。勿論、光学的なキャリブレーションを必ずしも行う必要はなく、例えば先に算出した像面とフォーカスセンサＡＦＳの検出基準との偏差に応じたオフセットを考慮して、フォーカスセンサＡＦＳの出力に基づいてウエハＷ表面を像面に一致させるフォーカス動作（及びレベリング動作）を行うようにしても良い。
【０２０２】
そして、レチクルＲのパターン領域の異なる領域が紫外パルス光で逐次照明され、パターン領域全面に対する照明が完了することにより、ウエハＷ上の第１ショット領域の走査露光が終了する。これにより、レチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬを介して第１ショット領域に縮小転写される。
【０２０３】
上述のようにして、第１ショット領域の走査露光が終了すると、主制御装置２８により、駆動系２２を介してＸＹステージ２０がＸ、Ｙ軸方向にステップ移動され、第２ショット領域の露光のための走査開始位置（加速開始位置）に移動される。
【０２０４】
そして、主制御装置２８により、上述と同様に各部の動作が制御され、ウエハＷ上の第２ショット領域に対して上記と同様の走査露光が行われる。
【０２０５】
このようにして、ウエハＷ上のショット領域の走査露光とショット間のステッピング動作とが繰り返し行われ、ウエハＷ上の露光対象ショットの全てにレチクルＲのパターンが順次転写される。
【０２０６】
ウエハＷ上の全露光対象ショットへのパターン転写が終了すると、次のウエハと交換され、上記と同様にアライメント、露光動作が繰り返される。
【０２０７】
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る露光装置における、投影光学系ＰＬの像検出方法、光学特性計測方法によると、矩形枠状の開口パターンＡＰ_ｎと該開口パターンＡＰ_ｎの内部に位置する計測用パターンＭＰ_ｎとが形成されたレチクルＲ_Ｔを、投影光学系ＰＬの物体面側に配置されたレチクルステージＲＳＴ上に搭載し、投影光学系ＰＬの像面側に配置されたウエハＷ_Ｔの投影光学系ＰＬの光軸方向に関する位置（Ｚ）とウエハＷ_Ｔ上に照射される照明光ＩＬのエネルギ量Ｐをそれぞれ変更しながら、ウエハＷ_Ｔを開口パターンＡＰ_ｎのサイズに対応する距離、すなわち開口パターンＡＰ_ｎのウエハＷ_Ｔ上への投影像のサイズ以下のステップピッチＳＰでＸＹ面内を移動しながら計測用パターンＭＰ_ｎをウエハＷ_Ｔ上に順次転写する。これにより、ウエハＷ_Ｔ上には、マトリクス状に配置された複数の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝０〜Ｍ＋１、ｊ＝０〜Ｎ＋１）から成る全体として矩形の評価点対応領域ＤＢ_ｎが形成される。この場合、前述した理由により、ウエハＷ_Ｔ上には、区画領域相互間の境界に従来のような枠線が存在しない複数のマトリクス状配置の複数の区画領域（計測用パターンの像が投影された領域）が形成される（転写工程）。
【０２０８】
そして、ウエハＷ_Ｔの現像後に、該ウエハＷ_Ｔ上に形成された評価点対応領域ＤＢ_ｎを構成する複数の区画領域のうち、第２領域ＤＤ_ｎを除く第１領域ＤＣ_ｎを構成するＮ×Ｍ個の領域における像の形成状態を、アライメント検出系ＡＳの光軸方向に関するアライメント検出系ＡＳとウエハＷ_Ｔとの光学的位置関係、すなわちフォーカス位置を変更しながら順次検出する。複数のフォーカス位置で検出された区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の中には、最適なフォーカス位置付近で検出された情報が含まれているので、それらの情報に基づけば、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの像の形成状態に関する情報を精度良く算出することができるようになる。すなわち、本実施形態では、複数の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに形成された像の高さがそれぞれ異なり、区画領域毎にその領域を検出するための最適フォーカス位置がそれぞれ異なっていたとしても、それぞれの像の高さに対応するフォーカス位置で像の形成状態を検出しているため、検出した各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの像の形成状態に関する情報を常に精度良く算出することができる。
【０２０９】
また、本実施形態では、図１６のサブルーチン５２２において、アライメント検出系ＡＳとウエハＷ_Ｔとの間のフォーカス位置の変化に対する区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化に基づいて、その区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの像の形成状態に関する情報をスコアＥ_ｉ，ｊとして算出する。より具体的には、フォーカス位置の変化に対する区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化の大きさであるスコアＥ_ｉ，ｊをそのままその区画領域ＤＡ_ｉ，ｊにおける像の形成状態に関する情報とする。前述のように、複数のフォーカス位置には、最適フォーカス状態に近い位置も含まれていれば、最適フォーカス状態からほど遠い位置も含まれている。一般に、実際に像が転写された区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値（例えばその区画領域内のピクセルデータ）を、フォーカス状態で検出したときと、デフォーカス状態で検出したときとでは、その値に大きな差が生じる。一方、像が実際に形成されていない領域を、フォーカス状態及びデフォーカス状態のいずれで検出しても、検出されたその区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値に大きな差は生じない。したがって、フォーカス位置の変化に対する区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化をそのままスコアＥ_ｉ，ｊとして求めれば、スコアＥ_ｉ，ｊが大きい場合には、その区画領域に像が形成されているとみなすことができ、スコアＥ_ｉ，ｊが小さい場合には、その区画領域には像が形成されていないとみなすことができる。
【０２１０】
さらに詳細には、本実施形態では、区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報は、ＦＩＡ系の画像処理方式によって検出され、その情報には、区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ内の検出点（画素）においてそれぞれ検出された複数の輝度値が含まれており、図１６のステップ６２２では、それらの複数の輝度値に基づいてその区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの像の形成状態に関する情報を算出する。より具体的には、図１６のステップ６０４〜ステップ６１０では、フォーカス位置Ｚ_ｈ’を所定間隔ΔＺ’で変更する毎に、評価点対応領域ＤＢ_ｎの撮像データファイルｈを作成し（第１工程）、ステップ６１４では、所定間隔ΔＺ’だけ異なる２つのフォーカス位置（Ｚ_ｈ’、Ｚ_ｈ−１’）で撮像された各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報に含まれる同一画素のピクセルデータ同士の差分を求める。
【０２１１】
そして、本実施形態では、ステップ６２２において、それらの差分に基づいて、フォーカス位置Ｚ_ｈ’の変化に対する各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化量をスコアＥ_ｉ，ｊとして算出する。さらに、図１１のステップ５２４において、算出されたスコアＥ_ｉ，ｊに基づいて、各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊにおける像の有無に関する情報を算出する。すなわち、本実施形態では、図１６のステップ６１４、６１６、６１８、６２０及び、図１１のステップ５２４が第２工程となる。さらに、本実施形態では、図１１のステップ５２６〜ステップ５３４において、露光条件の変化に対する像の有無に関する情報の変化に基づいて露光条件の最適値を算出する（第３工程）。
【０２１２】
本実施形態では、パターンの有無具合を数値として表したスコアＥ_ｉ，ｊを用いて像の形成状態をパターン有無情報（二値化情報）に変換して検出するので、パターン有無の判別を自動的にかつ安定して行うことができる。従って、本実施形態では、二値化に際して、閾値は一つだけで足り、複数の閾値を設定しておいて閾値毎にパターンの有無具合を判別するような場合に比べて、像の形成状態の検出に要する時間を短縮することができるとともに、その検出アルゴリズムも簡略化することができる。
【０２１３】
また、主制御装置２８は、上述した区画領域毎の像の形成状態の検出結果、すなわち客観的かつ定量的な上記のスコアＥ_ｉ，ｊ（フォーカス位置に変化に対する輝度値の変化量）を用いた検出結果に基づいて最良フォーカス位置などの投影光学系ＰＬの光学特性を求めている。このため、短時間で精度良く最良フォーカス位置などを求めることが可能となる。従って、この最良フォーカス位置に基づいて決定される光学特性の測定精度及び測定結果の再現性を向上させることができるとともに、結果的に光学特性計測のスループットを向上させることが可能となる。
【０２１４】
また、本実施形態の場合、隣接する区画領域間に枠線が存在しないので、像形成状態の検出対象である複数の区画領域（主として計測用パターンの像の残存する区画領域）において、計測用パターンの像のコントラストが枠線の干渉に起因して低下することがない。このため、それらの複数の区画領域の撮像データとしてパターン部と非パターン部のＳ／Ｎ比の良好なデータを得ることができる。従って、区画領域毎の計測用パターンＭＰの形成状態を精度、再現性良く検出することが可能となる。
【０２１５】
また、本実施形態では、上述の如く、像の形成状態をパターンの有無情報（二値化情報）に変換して検出するので、レチクルＲ_Ｔのパターン領域ＰＡ内に計測用パターンＭＰ_ｎ以外のパターン（例えば、比較用の基準パターンや、位置決め用マークパターン等）を配置する必要がない。また、従来の寸法を計測する方法（ＣＤ／フォーカス法、ＳＭＰフォーカス計測法など）に比べて、計測用パターンを小さくすることができる。このため、評価点の数を増加させることができるとともに、評価点間の間隔を狭くすることが可能となる。結果的に、光学特性の測定精度及び測定結果の再現性を向上させることができる。
【０２１６】
また、本実施形態では、ウエハＷ_Ｔ上に形成される隣接する区画領域間に枠線が存在しないことに鑑み、各評価点対応領域ＤＢ_ｎの外周縁である外枠ＤＢＦを基準として各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの位置を算出する手法を採用している。そして、各評価点対応領域ＤＢ_ｎ内の最外周部に位置する複数の区画領域から成る第２領域ＤＤ_ｎを構成する各区画領域が過露光の領域となるように露光条件の一部としてウエハＷ_Ｔ上に照射される照明光ＩＬのエネルギ量を変更している。これにより、前述の外枠ＤＢＦの検出に際してのＳ／Ｎ比が向上し、外枠ＤＢＦの検出を高精度に行うことができ、この結果、これを基準として各第１領域ＤＣ_ｎを構成する各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊ（ｉ＝１〜Ｍ、ｊ＝１〜Ｎ）の位置を精度良く検出することができる。
【０２１７】
また、本実施形態に係る光学特性計測方法によると、統計処理による近似曲線の算出という客観的、かつ確実な方法を基礎として最良フォーカス位置を算出しているので、安定して高精度かつ確実に光学特性を計測することができる。なお、近似曲線の次数によっては、その変曲点、あるいはその近似曲線と所定のスライスレベルとの複数の交点等に基づいて最良フォーカス位置を算出することは可能である。
【０２１８】
また、本実施形態の露光装置によると、本実施形態に係る光学特性計測方法により精度良く計測された投影光学系ＰＬの光学特性を考慮して最適な転写が行えるように投影光学系ＰＬが露光に先立って調整され、その調整された投影光学系ＰＬを介してレチクルＲに形成されたパターンがウエハＷ上に転写される。更に、上述のようにして決定された最良フォーカス位置を考慮して露光の際のフォーカス制御目標値の設定が行われるので、デフォーカスによる色むらの発生を効果的に抑制することができる。従って、本実施形態に係る露光方法によると、微細パターンをウエハ上に高精度に転写することが可能となる。
【０２１９】
なお、上記実施形態では、フォーカス位置の変化に対する区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化に基づいて、その区画領域ＤＡ_ｉ，ｊにおけるスコアＥ_ｉ，ｊを算出したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ステップ６１０において作成されるｈ_ｍａｘ個の撮像データファイルｈ（ｈ＝１〜ｈ_ｍａｘ）における区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報、すなわち区画領域ＤＡ_ｉ，ｊにおけるピクセルデータの総和、平均、分散、標準偏差の少なくとも１つをスコアＥ_ｉ，ｊとして求め、そのスコアＥ_ｉ，ｊに基づいて、その区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの像の形成状態に関する情報を算出するようにしても良い。
【０２２０】
一般に、区画領域ＤＡ_ｉ，ｊにおいて計測用パターンＭＰ_ｎの像が形成されていれば、フォーカス位置が最適である場合には、その像が形成されている区画領域と形成されていない区画領域とでは、その区画領域におけるピクセルデータの値が明らかに異なったものとなり、デフォーカス状態になればなるほど、その像が形成されている区画領域と形成されていない区画領域とでピクセルデータの値の差が明確なものではなくなる。一方、何も像が形成されていない領域については、その領域をアライメント検出系ＡＳによってフォーカス状態で検出しても、デフォーカス状態で検出しても、検出されたその区画領域に関する情報には大きな差は生じない。したがって、複数のフォーカス位置で検出したときに得られる区画領域のピクセルデータの総和、平均、分散、標準偏差は、像が形成されている区画領域と、像が形成されていない区画領域とで異なるようになる。したがって、例えば、それらの少なくとも１つをスコアＥ_ｉ，ｊとして算出し、それらの値を例えば適当な閾値と比較すれば、その区画領域に像が形成されているか否かを容易に判断することができる。なお、この場合でも、区画領域全体のピクセルデータの総和等を算出するのではなく、計測用パターンＭＰ_ｎの像が形成されていると予想される中央部のみのピクセルデータの総和等を演算するようにしても良い。
【０２２１】
また、上記実施形態では、フォーカス位置の変化に対する区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化（スコアＥ_ｉ，ｊ）を、そのままその区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの像の形成状態に関する情報としたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フォーカス位置の変化に対する区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに関する情報の値の変化（スコアＥ_ｉ，ｊ）に基づいて、複数のフォーカス位置の中から、像の形成状態が良好に検出されている少なくとも１つのフォーカス位置を区画領域毎に選択し、選択されたフォーカス位置で検出されたその区画領域のピクセルデータに基づいて、その区画領域における像の形成状態に関する情報を算出するようにしてもよい。
【０２２２】
評価点対応領域ＤＢ_ｎを複数のフォーカス位置で検出した場合、その複数のフォーカス位置のうちの少なくとも１つのフォーカス位置は、最適フォーカス位置付近の位置となる。したがって、複数のフォーカス位置で得られた区画領域に関する情報の中から、例えば最適フォーカス位置に近いフォーカス位置を少なくとも１つ選択し、選択されたフォーカス位置で検出された区画領域に関する情報を用いれば、その区画領域での像の形成状態に関する情報を精度良く算出することができる。
【０２２３】
例えば、区画領域毎に、図１７（Ｂ）に示されるような、ウエハＷ_Ｔのフォーカス位置に対するその区画領域のピクセルデータ（輝度）の差分の分散の変化を求め、その分散の値が極大又は極小となっているフォーカス位置を選択し、（図１７（Ｂ）では、Ｚ_４又はＺ_５付近で極大となっている）を選択し、選択されたフォーカス位置（Ｚ_４又はＺ_５の少なくとも一方）で検出されたその区画領域内のピクセルデータに基づいて、その区画領域における像の形成状態に関する情報を算出するようにしてもよい。なお、このとき複数のフォーカス位置（例えばＺ_４及びＺ_５）を選択した場合には、それぞれのフォーカス位置で検出されたピクセルデータに基づいて算出された情報の値の平均（重み付け平均を含む）を最終的なその情報の値としても良い。
【０２２４】
一般に、像が形成されている領域を複数のフォーカス位置で撮像した場合、そのフォーカス位置が、デフォーカス状態から最適フォーカス状態に近づいていけばいくほど、その区画領域に関する情報の値は大きく又は小さくなっていき、最適フォーカス位置を越え、再び、デフォーカス状態になると、その値は逆に小さく又は大きくなっていく。したがって、その情報の値が極大又は極小となるフォーカス位置を選択すれば、最適フォーカス位置に近い位置を選択したことになり、その選択されたフォーカス位置で検出された区画領域に関する情報を用いれば、その区画領域における像の形成状態に関する情報を精度良く算出することができる。なお、選択されたフォーカス位置で検出された区画領域に関する情報から、その領域の像の形成状態に関する情報を求めるには、例えば、その領域の少なくとも一部のピクセルデータの加算値、微分の総和値、分散（標準偏差）の少なくとも一方を用いても良いし、テンプレートマッチングを実行して、像が形成されているか否かを判断しても良い。
【０２２５】
なお、上述の方法によれば、区画領域毎に、選択される最適なフォーカス位置を異ならしめることができるため、各区画領域の像の高さが異なっていたとしても、すべての区画領域において像の形成状態を最適フォーカス状態で、精度良く検出することができる。また、前述した像の形成状態に関する情報を得るために、必ずしも最適フォーカス位置又はこれに近いフォーカス位置で検出された区画領域を選択しなくても良く、例えばウエハやレジストの種類などによってはデフォーカス位置で検出された区画領域を選択しても良い。
【０２２６】
また、上記実施形態では、ステップ６１８において、画素毎に算出された差分に関する代表値をそれらの差分の分散としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、代表値は、それらの差分の加算値、微分の総和値、標準偏差であっても良い。
【０２２７】
また、上記実施形態では、アライメント検出系ＡＳの光軸方向に関するウエハＷ_Ｔの位置を変更することによって、アライメント検出系ＡＳとウエハＷ_Ｔとの間の光学的関係を変更したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、アライメント検出系ＡＳがその光軸方向であるＺ軸方向に可動である場合には、アライメント検出系ＡＳ、又はアライメント検出系ＡＳ及びウエハＷ_Ｔの両方をその方向に移動させてそれらの光学的関係を変更するようにしても良い。また、アライメント検出系ＡＳの焦点距離が調節可能であるときには、両者の位置関係を固定としたままで、アライメント検出系ＡＳの焦点距離を一定間隔ずつ変更しながらウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_ｎを撮像するようにしても良い。さらに、アライメント検出系ＡＳの撮像素子を光軸方向に可動として各評価点対応領域ＤＢ_ｎを撮像しても良い。
【０２２８】
なお、上記実施形態では、投影光学系ＰＬの光学特性計測に、本発明の像検出方法を適用したが、例えば、前述の基準板ＦＰやウエハ上のマーク検出（例えば、ベースライン計測やＥＧＡ等のウエハアライメント等）などにも本発明の像検出方法を適用することができることはいうまでもない。
【０２２９】
また、過露光の第２領域ＤＤ_ｎは、ステップ・アンド・リピート方式、ステップ・アンド・スキャン方式、及びステップ・アンド・スティッチ方式のいずれかで、矩形枠状の開口パターンをウエハＷ_Ｔ上に転写することによって形成されることとしても良い。この他、レチクルステージＲＳＴを静止させた状態でそのレチクルステージＲＳＴ上に搭載されたレチクルに形成された開口パターンを照明光ＩＬで照明しながらウエハＷ_Ｔを所定方向に移動して第２領域ＤＤ_ｎを形成しても良い。いずれにしても、上記実施形態と同様に、第２領域ＤＤ_ｎの存在により、その第２領域ＤＤ_ｎの外縁をＳ／Ｎ比の良好な検出信号に基づいて精度良く検出することが可能となる。
【０２３０】
また、第１領域ＤＣ_ｎをウエハＷ_Ｔ上に形成する工程と、第２領域ＤＤ_ｎを形成する工程とは、上記実施形態の場合と反対であっても良い。第１領域ＤＣ_ｎの形成のための露光を、後で行うようにした場合には、例えば感光剤として、化学増幅型レジストなどの高感度レジストを用いる場合に、計測用パターンＭＰ_ｎの像の形成（転写）から現像までの時間を短くできるので、特に好適である。
【０２３１】
また、上記実施形態と同様に、各評価点対応領域ＤＢ_ｎを第１領域ＤＣ_ｎとその周囲の第２領域ＤＤ_ｎとで形成する場合には、前述のステップピッチＳＰを、前述した開口パターンＡＰの投影領域サイズ以下に必ずしも設定しなくても良い。その理由は、これまでに説明した方法で、第２領域ＤＤ_ｎの一部を基準として、第１領域ＤＣ_ｎを構成する各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの位置がほぼ正確に求まるので、その位置の情報を用いることにより、第１領域ＤＣ_ｎにおける像の形成状態の検出をある程度の精度でかつ短時間で行うことができるからである。
【０２３２】
一方、前述のステップピッチＳＰを、前述した開口パターンＡＰの投影領域サイズ以下に設定する場合において、第１領域ＤＣ_ｎの外側に前述の第２領域ＤＤ_ｎを必ずしも形成しなくても良い。かかる場合であっても、上記実施形態と同様にして第１領域ＤＣ_ｎの外枠を検出することが可能であり、この検出した外枠を基準として第１領域ＤＣ_ｎ内の各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの位置を正確に求めることが可能だからである。そして、このようにして求められた各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの位置の情報を用いて、上記実施形態のようなスコア演算により像形成状態を検出する場合に、枠の干渉に起因するパターン部と非パターン部のコントラスト低下のないＳ／Ｎ比の良好な画像データを用いて像形成状態を精度良く検出することが可能となる。
【０２３３】
但し、この場合には、第１領域ＤＣ_ｎ内の最外周の区画領域でパターンが残っている区画領域ＤＡ_ｉ，ｊが並ぶ辺上では境界の誤検出を起こし易くなる。このため、誤検出を起こし難い境界の検出情報を用いて、誤検出を起こし易い境界の検出範囲を限定することによって対処することが望ましい。上記実施形態に則して説明すれば、誤検出を起こし難い区画領域ＤＡ_ｉ，ｊが並ぶ右辺で検出した境界の情報を基に、誤検出を起こし易い区画領域ＤＡ_ｉ，ｊが並ぶ左辺上の境界位置の検出範囲を限定する。また、第１領域ＤＣ_ｎの上下辺上の境界検出では、誤検出を起こし難い右側の検出情報を用いて左側の境界位置の検出範囲を限定することとすれば良い（図９参照）。
【０２３４】
なお、上記実施形態では、ウエハＷ_ＴのステップピッチＳＰを、通常より狭く設定することにより、ウエハＷ_Ｔ上に形成された評価点対応領域を構成する区画領域間に枠が残存しないようにして、枠の干渉によるパターン部のコントラスト低下を防止する場合について説明した。しかし、枠の存在によるパターン部のコントラスト低下は、以下のようにしても防止することができる。
【０２３５】
すなわち、前述の計測用パターンＭＰと同様にマルチバーパターンを含む計測用パターンが形成されたレチクルを用意し、該レチクルをレチクルステージＲＳＴ上に搭載し、ステップ・アンド・リピート方式などで前記計測用パターンをウエハ上に転写し、これにより、隣接する複数の区画領域から成り、各区画領域に転写されたマルチバーパターンとこれに隣接するパターンとが、マルチバーパターンの像のコントラストが前記隣接するパターンによる影響を受けない距離Ｌ以上離れている所定の領域をウエハ上に形成することとしても良い。
【０２３６】
この場合、各区画領域に転写されたマルチバーパターンとこれに隣接するパターンとが、マルチバーパターンの像のコントラストが隣接するパターンによる影響を受けない距離Ｌ以上離れているので、前記所定の領域を構成する複数の区画領域の少なくとも一部の複数の区画領域における像の形成状態を、スコア検出を含むコントラスト検出などの画像処理手法により検出する際に、それぞれの区画領域に転写されたマルチバーパターンの像のＳ／Ｎ比が良好な撮像信号を得ることができる。従って、この撮像信号に基づいて、スコア検出を含むコントラスト検出などの画像処理手法により各区画領域に形成されたマルチバーパターンの像の形成状態を精度良く検出することができる。
【０２３７】
また、上記実施形態では、前述の外枠ＤＢＦの検出の際の境界の検出で、ピクセル列データ（生データ）を用い、そのピクセル値の大小（明暗差）により境界位置を検出する場合について説明したが、これに限らず、ピクセル列データ（グレーレベルの生データ）の微分波形を用いても良い。
【０２３８】
また、上記実施形態では、レチクルＲ_Ｔ上の計測用パターンＭＰ_ｎとして開口パターンＡＰ内の中央部に配置された１種類のＬ／Ｓパターン（マルチバーパターン）を用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されないことは言うまでもない。計測用パターンとしては、周期方向が異なる少なくとも２種類のＬ／Ｓパターンや、孤立線やコンタクトホールなどを用いても良い。計測用パターンＭＰ_ｎとしてＬ／Ｓパターンを用いる場合には、デューティ比及び周期方向は、任意で良い。また、計測用パターンＭＰ_ｎとして周期パターンを用いる場合、その周期パターンは、Ｌ／Ｓパターンだけではなく、例えばドットマークを周期的に配列したパターンでも良い。これは、像の線幅等を計測する従来の方法とは異なり、像の形成状態をスコアで検出しているからである。
【０２３９】
また、上記実施形態では、１種類のスコアに基づいて最良フォーカス位置を求めているが、これに限らす、複数種類のスコアを設定しこれらに基づいて、それぞれ最良フォーカス位置を求めても良く、あるいはこれらの平均値（あるいは重み付け平均値）に基づいて最良フォーカス位置を求めても良い。
【０２４０】
また、上記実施形態では、ピクセルデータを抽出するエリアを矩形としているが、これに限定されるものではなく、例えば、円形や楕円形、あるいは三角形などであっても良い。また、その大きさも任意に設定することができる。すなわち、計測用パターンＭＰ_ｎの形状に合わせて抽出エリアを設定することによりノイズを減少させ、Ｓ／Ｎ比を高くすることが可能である。
【０２４１】
また、上記実施形態では、像の形成状態の検出に１種類の閾値を用いているが、これに限らず、複数の閾値を用いても良い。複数の閾値を求める場合、それぞれの閾値を、スコアと比較することで、区画領域の像の形成状態を検出することとしても良い。この場合、例えば第１の閾値での検出結果から最良フォーカス位置が算出困難な場合に、第２の閾値での形成状態の検出を行い、その検出結果から最良フォーカス位置を求めることなどが可能となる。
【０２４２】
また、予め複数の閾値を設定しておき、閾値毎に最良フォーカス位置を求め、それらの平均値（単純平均値あるいは重み付け平均値）を最良フォーカス位置としても良い。例えば、各閾値に応じて、露光エネルギ量Ｐが極値を示すときのフォーカス位置を順次算出する。そして、各フォーカス位置の平均値を最良フォーカス位置とする。なお、露光エネルギ量Ｐとフォーカス位置Ｚとの関係を示す近似曲線と適当なスライスレベル（露光エネルギ量）との２つの交点（フォーカス位置）を求め、両交点の平均値を、閾値毎に算出し、それらの平均値（単純平均値あるいは重み付け平均値）を最良フォーカス位置としても良い。
【０２４３】
あるいは、閾値毎に最良フォーカス位置を算出し、閾値と最良フォーカス位置との関係において、閾値の変動に対して、最良フォーカス位置の変化が最も小さい区間における最良フォーカス位置の平均値（単純平均値あるいは重み付け平均値）を最良フォーカス位置としても良い。
【０２４４】
また、上記実施形態では、予め設定されている値を閾値として用いているが、これに限定されるものではない。例えば、ウエハＷ_Ｔ上の計測用パターンＭＰ_ｎが転写されていない領域を複数のフォーカス位置で撮像し、得られたスコアを閾値としても良い。
【０２４５】
なお、前述の外枠検出を行わない場合には、評価点対応領域ＤＢ_ｎに形成されたレジスト像を必ずしも１度に撮像する必要はない。例えば、撮像データの分解能を向上させる必要がある場合には、アライメント検出系ＡＳのＦＩＡセンサの倍率を上げ、ウエハテーブル１８をＸＹ２次元方向に所定距離ステッピングさせる動作と、ＦＩＡセンサによるレジスト像のフォーカス位置を変えた複数回の撮像とを交互に順次繰り返すことによって、区画領域毎に撮像データの取り込みを行うこととしても良い。さらに、例えば前述の第１領域と第２領域とで、ＦＩＡセンサによる画像の取り込み回数を異ならせても良く、このようにすることにより計測時間の短縮などを図ることができる。
【０２４６】
なお、上記実施形態の露光装置１００では、主制御装置２８は、図示しない記憶装置に格納されている処理プログラムに従って、前述した投影光学系の光学特性の計測を行うことにより、計測処理の自動化を実現することができる。勿論、この処理プログラムは、他の情報記録媒体（ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ等）に保存されていても良い。さらに、計測を行う時に、図示しないサーバから処理プログラムをダウンロードしても良い。また、計測結果を、図示しないサーバに送付したり、インターネットやイントラネットを介して電子メール及びファイル転送により、外部に通知することも可能である。
【０２４７】
なお、上記実施形態では、計測用パターンＭＰ_ｎをウエハＷ_Ｔ上の各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに転写した後、現像後にウエハＷ_Ｔ上の各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊに形成されるレジスト像をＦＩＡ系のアライメント検出系ＡＳによって撮像し、その撮像データに対して画像処理を行う場合について説明したが、本発明に係る光学特性の計測方法はこれに限定されるものではない。例えば、撮像の対象は、露光の際にレジストに形成された潜像であっても良く、上記像が形成されたウエハを現像し、さらにそのウエハをエッチング処理して得られる像（エッチング像）などに対して行っても良い。また、ウエハなどの物体上における像の形成状態を検出するための感光層は、フォトレジストに限らず、光（エネルギ）の照射によって像（潜像及び顕像）が形成されるものであれば良い。例えば、感光層は、光記録層、光磁気記録層などであっても良く、従って、感光層が形成される物体もウエハ又はガラスプレート等に限らず、光記録層、光磁気記録層などが形成可能な板等であっても良い。
【０２４８】
また、撮像装置として露光装置外に設けられた専用の撮像装置（例えば光学顕微鏡など）を用いても良い。また、画像処理以外の方法で外枠検出を行う場合などに、ＬＳＡ系のアライメントセンサなどを用いることも可能である。さらに、オペレータなどが介在することなく、前述の計測結果（最良フォーカス位置など）に基づいて投影光学系ＰＬの光学特性を調整することができる。すなわち、露光装置に自動調整機能を持たせることが可能となる。
【０２４９】
また、上記実施形態では、パターンの転写の際に変更される露光条件が、投影光学系の光軸方向に関するウエハＷ_Ｔの位置及びウエハＷ_Ｔの面上に照射されるエネルギビームのエネルギ量（露光ドーズ量）である場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、照明条件（マスクの種別を含む）、投影光学系の結像特性など露光に関連する全ての構成部分の設定条件などの何れかであれば良く、また、必ずしも２種類の露光条件を変更しながら露光を行う必要もない。すなわち、一種類の露光条件、例えば投影光学系の光軸方向に関するウエハＷ_Ｔの位置のみを変更しながら、計測用マスクのパターンを感光物体上の複数の領域に転写し、その転写像の形成状態を検出する場合であっても、上記実施形態と同様のスコアを用いたコントラスト計測の手法により、その検出を迅速に行うことができる。
【０２５０】
また、上記実施形態において、最良フォーカス位置とともに最良露光量を決定することもできる。すなわち、露光エネルギ量を低エネルギ量側にも設定して、上記実施形態と同様の処理を行い、露光エネルギ量毎に、その像が検出されたフォーカス位置の幅を求め、該幅が最大となるときの露光エネルギ量を算出し、その場合の露光量を最良露光量とすれば良い。
【０２５１】
また、外枠基準による各区画領域ＤＡ_ｉ，ｊの位置算出を行わないのであれば、ウエハＷ_Ｔ上の評価点対応領域ＤＢ_ｎを、上記実施形態の如く、マトリクス状に配置された複数の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊによって構成する必要はない。すなわち、ウエハＷ_Ｔ上のいずれの位置に計測用パターンＭＰ_ｎの転写像が転写されていても、その撮像データを用いてスコアを求めることは十分に可能だからである。すなわち、撮像データファイルが作成できれば良いからである。また、上記実施形態では、評価点対応領域ＤＢ_ｎを構成するＮ×Ｍ個の区画領域ＤＡ_ｉ，ｊを全て露光するものとしたが、Ｎ×Ｍ個の区画領域の少なくとも１個，即ち曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）の決定に明らかに寄与しない露光条件が設定される区画領域（例えば、図９で右上隅及び右下隅に位置する区画領域など）については露光を行わなくても良く、評価点対応領域ＤＢ_ｎは全体として矩形（マトリクス）となっていなくても良い。
【０２５２】
また、上記実施形態では、ＦＩＡ系で撮像されるレジスト像の画像信号を走査線毎に積算しても良い。例えば、複数のフォーカス位置の中から、区画領域毎に最適フォーカス位置で得られた画像を選択し、選択された画像におけるそれぞれの各区画領域の撮像データを合成して、第１領域ＤＣ_ｎの合成画像を作成する。そして、第１領域ＤＣ_ｎに対応する合成撮像データの所定方向、例えば前述のマトリックスの行方向（Ｘ軸方向）のピクセル列毎のピクセルデータの加算値（Ｘ軸方向の走査線上の輝度値の積算信号）の分布状況を検出する。図２０には、このようにして得られた第１領域ＤＣ_１の撮像データにおけるピクセル列毎のピクセルデータ（ピクセル値）の加算値Ｇの分布曲線Ｇ＝ｇ（Ｚ）の一例が示されている。そこで、この曲線Ｇ＝ｇ（Ｚ）における各ピーク点（図２０中に●で示される）を、カーブフィットすることによりｎ次の近似曲線（最小自乗近似曲線）を求める。これにより、例えば図２０に点線で示されるような曲線Ｇ＝ｈ（Ｚ）が求められる。この曲線Ｇ＝ｈ（Ｚ）と前述の曲線Ｐ＝ｆ（Ｚ）とを比べると明からなように、両者はほぼ同様の形状をしていることがわかる。この場合、所定方向のピクセル列毎のピクセルデータの加算値の分布状況を算出するという簡単な画像処理により、前述の区画領域毎の像の形成状態（例えば有無検出）の検出結果と実質的に等価な分布状況のデータを得ることができる。従って、客観的かつ定量的な撮像データを用いて、前述の区画領域毎の像の形成状態（例えば有無検出）の検出結果を得る場合と同程度の検出精度及び再現性で、より簡易な手法により像の形成状態を検出することができる。
【０２５３】
そして、上記の曲線Ｇ＝ｈ（Ｚ）を用いて、上記実施形態と同様の処理を行うことにより、投影光学系ＰＬの光学特性、例えばベストフォーカス位置などを求めることとすれば良い。このようにしても、上記実施形態と同様に、客観的かつ定量的な撮像データを用いた検出結果に基づいて光学特性が求められるため、従来の方法と比較して光学特性を精度及び再現性良く計測することができる。なお、上述した走査線毎に積算する方法では、区画領域毎に選択された最適フォーカス位置の画像だけを用いたが、複数のフォーカス位置で撮像された第１領域ＤＣ_ｎの撮像データの同一検出点のピクセルデータを全て加算し、それらの加算値をさらに走査線毎に積算し、その積算データに基づいて前述の曲線Ｇ＝ｈ（Ｚ）を作成しても良い。
【０２５４】
さらに、上記実施形態では、外枠のラフ検出を行っても良い。すなわち、最初はラフに外枠を検出して、統計的手法、例えば、境界線のピクセルデータがある正規分布等の分布に従うとして、その正規分布による最尤推定の手法などを用いて、未露光領域と転写領域とのピクセルデータの閾値を求め、高精度に外枠の位置を求めるようにしても良い。
【０２５５】
また、上記実施形態中で説明した外枠検出のアルゴリズムは一例であって、これに限らず、例えば前述した境界検出と同様の手法により、評価点対応領域ＤＢ_ｎの４辺（上辺、下辺、左辺及び右辺）でそれぞれ少なくとも２点を検出することとしても良い。このようにしても、検出された少なくとも８点に基づいて例えば前述と同様の頂点検出、長方形近似などが可能である。また、上記実施形態では、図３に示されるように、開口パターンの内部に遮光部によって計測用パターンＭＰ_ｎが形成された場合について説明したが、これに限らず、図３の場合と反対に、遮光部内に光透過性のパターンから成る計測用パターンを形成しても良い。更に、上記実施形態ではレチクルのパターン領域ＰＡを遮光部としたが、パターン領域ＰＡは光透過部でも良く、この場合は前述の計測用パターンＭＰ_ｎを設けるだけでも良いし、あるいは計測用パターンＭＰ_ｎを囲む遮光性の枠状パターンを一緒に形成しても良い。また、ウエハに塗布するレジストはポジ型に限られるものではなくネガ型でも良い。
【０２５６】
さらに、上記実施形態では、結像特性補正コントローラを介して投影光学系ＰＬの結像特性を調整するものとしたが、例えば、結像特性補正コントローラだけでは結像特性を所定の許容範囲内に制御することができないときなどは、投影光学系ＰＬの少なくとも一部を交換しても良いし、あるいは投影光学系ＰＬの少なくとも１つの光学素子を再加工（非球面加工など）しても良い。また、特に光学素子がレンズエレメントであるときはその偏芯を変更したり、あるいは光軸を中心として回転させても良い。このとき、露光装置１００のアライメントセンサを用いてレジスト像などを検出する場合、主制御装置２８はディスプレイ（モニタ）への警告表示、あるいはインターネット又は携帯電話などによって、オペレータなどにアシストの必要性を通知しても良いし、投影光学系ＰＬの交換箇所や再加工すべき光学素子など、投影光学系ＰＬの調整に必要な情報を一緒に通知すると良い。これにより、光学特性の計測などの作業時間だけでなく、その準備期間も短縮でき、露光装置の停止期間の短縮、すなわち稼働率の向上を図ることが可能となる。また、本実施形態では計測用パターンＭＰ_ｎを静止露光方式でウエハに転写するものとしたが、静止露光方式の代わりに、あるいはそれに加えて走査露光方式で、上記実施形態と全く同様に少なくとも１つの露光条件を変えながら計測用パターンをウエハに転写することでダイナミックな光学特性を求めるようにしても良い。
【０２５７】
さらに、本発明が適用される露光装置の光源は、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザに限らず、Ｆ_２レーザ（波長１５７ｎｍ）、あるいは他の真空紫外域のパルスレーザ光源であっても良い。この他、露光用照明光として、例えば、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ、分布帰還）型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（又はエルビウムとイッテルビウムの両方）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。また、紫外域の輝線（ｇ線、ｉ線等）を出力する超高圧水銀ランプ等を用いても良い。この場合には、ランプ出力制御、ＮＤフィルタ等の減光フィルタ、光量絞り等によって露光エネルギの調整を行えば良い。また、ＥＵＶ光、Ｘ線、あるいは電子線及びイオンビームなどの荷電粒子線を露光ビームとして用いる露光装置に本発明を適用しても良い。
【０２５８】
なお、上記実施形態では、本発明がステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置に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のは勿論である。すなわち、ステップ・アンド・スキャン方式、ステップ・アンド・スティッチ方式またはプロキシミティ方式などの露光装置、あるいはミラープロジェクション・アライナー、及びフォトリピータなどにも好適に適用することができる。
【０２５９】
さらに、投影光学系ＰＬは、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれでもよいし、縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれでも良い。
【０２６０】
さらに、本発明は、半導体素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、液晶表示素子、プラズマディスプレイ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、薄膜磁気へ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、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、有機ＥＬ、及びＤＮＡチップなどの製造、さらにはマスク又はレチクル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。
【０２６１】
《デバイス製造方法》
次に、上記説明した露光装置及び方法を使用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０２６２】
図２１には、デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、ＤＮＡチップ、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートが示されている。図２１に示されるように、まず、ステップ３０１（設計ステップ）において、デバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップ３０２（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３０３（ウエハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
【０２６３】
次に、ステップ３０４（ウエハ処理ステップ）において、ステップ３０１〜ステップ３０３で用意したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップ３０５（デバイス組立ステップ）において、ステップ３０４で処理されたウエハを用いてデバイス組立を行う。このステップ３０５には、ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。
【０２６４】
最後に、ステップ３０６（検査ステップ）において、ステップ３０５で作製されたデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。
【０２６５】
図２２には、半導体デバイスの場合における、上記ステップ３０４の詳細なフロー例が示されている。図２２において、ステップ３１１（酸化ステップ）においてはウエハの表面を酸化させる。ステップ３１２（ＣＶＤステップ）においてはウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ３１３（電極形成ステップ）においてはウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ３１４（イオン打込みステップ）においてはウエハにイオンを打ち込む。以上のステップ３１１〜ステップ３１４それぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
【０２６６】
ウエハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップ３１５（レジスト形成ステップ）において、ウエハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップ３１６（露光ステップ）において、上記実施形態の露光装置及び露光方法によってマスクの回路パターンをウエハに転写する。次に、ステップ３１７（現像ステップ）においては露光されたウエハを現像し、ステップ３１８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップ３１９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
【０２６７】
これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０２６８】
以上のような、本実施形態のデバイス製造方法を用いれば、露光ステップで、上記実施形態の露光装置及び露光方法が用いられるので、前述した光学特性計測方法で精度良く求められた光学特性を考慮して調整された投影光学系を介して高精度な露光が行われ、高集積度のデバイスを生産性良く製造することが可能となる。
【０２６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る像検出方法によれば、感光剤が塗布された物体に転写されたパターン像を精度良く検出することができるという効果がある。
【０２７０】
また、本発明に係る光学特性計測方法によれば、短時間で、精度及び再現性良く投影光学系の光学特性を求めることができるという効果がある。
【０２７１】
また、本発明に係る露光方法によれば、高精度な露光を実現できるという効果がある。
【０２７２】
また、本発明に係るデバイス製造方法によれば、高集積度のデバイスの生産性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の照明系ＩＯＰの具体的構成の一例を説明するための図である。
【図３】投影光学系の光学特性の計測に用いられるレチクルの一例を示す図である。
【図４】光学特性の計測方法を説明するためのフローチャート（その１）である。
【図５】光学特性の計測方法を説明するためのフローチャート（その２）である。
【図６】区画領域の配列を説明するための図である。
【図７】ウエハＷ_Ｔ上に第１領域ＤＣ_ｎが形成された状態を示す図である。
【図８】ウエハＷ_Ｔ上に評価点対応領域ＤＢ_ｎが形成された状態を示す図である。
【図９】ウエハＷ_Ｔ上に形成された評価点対応領域ＤＢ_１のレジスト像の一例を示す図である。
【図１０】図５のステップ４５６（光学特性の算出処理）の詳細を示すフローチャート（その１）である。
【図１１】図５のステップ４５６（光学特性の算出処理）の詳細を示すフローチャート（その２）である。
【図１２】図１２（Ａ）は、ステップ５１０の処理を説明するための図であり、図１２（Ｂ）は、ステップ５１２の処理を説明するための図であり、図１２（Ｃ）はステップ５１４の処理を説明するための図である。
【図１３】図１３（Ａ）は、ステップ５１６の処理を説明するための図であり、図１３（Ｂ）は、ステップ５１８の処理を説明するための図であり、図１３（Ｃ）は、ステップ５２０の処理を説明するための図である。
【図１４】ステップ５１６の頂点検出を説明するための図である。
【図１５】ステップ５１８の長方形検出を説明するための図である。
【図１６】図１０のサブルーチン５２２の詳細を示すフローチャートである。
【図１７】図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）は、それぞれ異なる区画領域のフォーカス位置の変化に対するピクセルデータ（輝度値）の差分の分散の変化を示すグラフである。
【図１８】検出結果の一例を示すテーブルデータ形式の図である。
【図１９】パターン残存数（露光エネルギ量）とフォーカス位置との関係を示す図である。
【図２０】合成された第１領域ＤＣ_１の撮像データにおけるピクセル列毎のピクセルデータ（ピクセル値）の加算値Ｇの分布曲線の一例を示す図である。
【図２１】本発明に係るデバイス製造方法の実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図２２】図２１のステップ３０４における処理のフローチャートである。
【符号の説明】
ＡＳ…アライメント検出系、ＭＰ_ｎ…計測用パターン、ＤＡ_ｉ，ｊ…区画領域、ＤＢ_ｎ…評価点対応領域（所定領域）、ＤＣ_ｎ…第１領域、ＤＤ_ｎ…第２領域、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ（物体、感光物体）、Ｗ_Ｔ…ウエハ（物体）。

Claims (18)

1. 感光剤が塗布された物体に転写された少なくとも１つの像の形成状態を検出する像検出方法であって、
   前記像の転写領域に関する情報を、検出光学系の光軸方向に関する前記物体と前記検出光学系との間の光学的位置関係を変更しながら前記検出光学系を用いて順次検出する第１工程と；
   前記検出された前記転写領域に関する情報に基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出する第２工程と；を含む像検出方法。
2. 前記第２工程では、
   前記第１工程で検出された転写領域に関する情報の値の総和、平均、分散、標準偏差の少なくとも１つに基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出することを特徴とする請求項１に記載の像検出方法。
3. 前記第２工程では、
   前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化に基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出することを特徴とする請求項１に記載の像検出方法。
4. 前記第２工程では、
   前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化に基づいて、複数の前記光学的位置関係から少なくとも１つの前記光学的位置関係を選択し、
   選択された前記光学的位置関係で検出された前記転写領域に関する情報に基づいて、前記像の形成状態に関する情報を算出することを特徴とする請求項３に記載の像検出方法。
5. 前記第２工程では、
   前記転写領域に関する情報の値が極大及び極小のいずれか一方となる前記光学的位置関係を、前記像の形成状態に関する情報を算出する前記光学的位置関係として選択することを特徴とする請求項４に記載の像検出方法。
6. 前記第２工程では、
   前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化の大きさをその転写領域における前記像の形成状態に関する情報とすることを特徴とする請求項３に記載の像検出方法。
7. 前記転写領域に関する情報には、前記転写領域内の複数の検出点においてそれぞれ検出された複数の輝度値が含まれており、
   前記第２工程では、前記複数の輝度値に基づいてその転写領域の前記像の形成状態に関する情報を算出することを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の像検出方法。
8. 前記第１工程では、前記光学的位置関係を所定間隔で変更する毎に、前記転写領域に関する情報を検出し、
   前記第２工程では、前記所定間隔だけ異なる２つの前記光学的位置関係で検出された前記転写領域に関する情報に含まれる同一の検出点に関する輝度値同士の差分に基づいて、前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域に関する情報の値の変化を算出することを特徴とする請求項７に記載の像検出方法。
9. 前記第２工程では、前記転写領域内の検出点毎に算出された前記差分を平滑化することを特徴とする請求項８に記載の像検出方法。
10. 前記第２工程では、
    前記転写領域の少なくとも一部の検出点毎に算出された前記差分に関する代表値を算出することを特徴とする請求項８又は９に記載の像検出方法。
11. 前記第２工程では、
    前記光学的位置関係の変化に対する前記転写領域の代表値の変化に基づいて、その転写領域における前記像の有無に関する情報を算出することを特徴とする請求項１０に記載の像検出方法。
12. 前記第１工程では、異なる露光条件で転写された前記像の複数の転写領域を、前記光学的位置関係を変更しながら前記検出光学系で順次検出し、
    前記第２工程では、前記各転写領域における前記像の有無に関する情報を算出することを特徴とする請求項１１に記載の像検出方法。
13. 前記露光条件の変化に対する前記像の有無に関する情報の変化に基づいて前記露光条件の最適値を算出する第３工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の像検出方法。
14. 前記代表値は、前記差分の加算値、微分の総和値、分散、及び標準偏差の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の像検出方法。
15. 投影光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
    前記投影光学系の有効視野内に配置された所定の計測用パターンを、前記投影光学系を介して、少なくとも１つの露光条件を変更しながら、感光剤が塗布された物体の異なる領域にそれぞれ順次転写することによって複数の転写領域を形成する転写工程と；
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載の像検出方法を実行する像検出工程と；前記像検出工程で算出された像の形成状態に関する情報に基づいて、前記投影光学系の光学特性を算出する算出工程と；を含む光学特性計測方法。
16. 前記露光条件は、前記投影光学系の光軸方向に関する前記物体と前記投影光学系との間の光学的位置関係及び前記転写の際に照射されるエネルギビームのエネルギ量の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１５に記載の光学特性計測方法。
17. 露光用のエネルギビームをマスクに照射し、前記マスクに形成されたパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光方法であって、
    請求項１５又は１６に記載の光学特性計測方法によって計測された光学特性を考慮して前記投影光学系を調整する工程と；
    前記調整された投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する工程と；を含む露光方法。
18. リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
    前記リソグラフィ工程では、請求項１７に記載の露光方法を用いるデバイス製造方法。

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