JP2010266418A - 計測方法、計測装置、露光方法、及び露光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非回転対称な光学特性を考慮して、被検光学系の光学特性を高精度に計測する。
【解決手段】投影光学系ＰＬの波面収差の計測装置において、投影光学系ＰＬを通過した光束が照射されるピンホール２１ａを有する開口板２１と、投影光学系ＰＬ及び開口板２１を通過した光束を受光する対物レンズ２２と、対物レンズ２２を介した光束を受光する撮像素子２５と、開口板２１を異なる複数の回転角に設定するアクチュエータ２６と、開口板２１を複数の回転角に設定したときに撮像素子２５を介して検出される複数の光学特性に基づいて非回転対称な光学特性を求める計測部１７とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検光学系の波面収差等の光学特性を計測する光学特性計測技術、その光学特性を計測する方法の校正技術、及びその光学特性計測技術を用いる露光技術に関する。

例えば半導体デバイス等のマイクロデバイス（電子デバイス）を製造するためのリソグラフィ工程中で、レチクル（又はフォトマスク等）のパターンを投影光学系を介してレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）の各ショット領域に転写露光するために、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置、又はスキャニングステッパー等の走査露光型の投影露光装置等の露光装置が使用されている。これらの露光装置において、レチクルのパターンを高精度に転写するためには、投影光学系の波面収差等の結像特性を所定の状態に維持する必要がある。そのためには、投影光学系の結像特性を正確に計測する必要があり、従来より様々な計測装置が使用されている。

例えば投影光学系の波面収差を計測するために、投影光学系を介して計測用開口の一次像を投影し、その一次像からの光束を複数に波面分割し、このように波面分割された複数の光束からそれぞれ二次像を形成し、これらの二次像を光電検出し、例えばこれらの二次像の横シフト量等を求めるシャック・ハルトマン（Shack-Hartmann）方式の計測装置が知られている。この計測装置では、光束を波面分割して複数の二次像を形成する計測用の光学系自体にも僅かな収差が残存している恐れがある。そこで、計測用開口の形成面に所定の校正用開口を設けておき、例えば定期的に、その校正用開口の投影光学系による一次像を所定のピンホールを介して検出し、この検出結果より計測用の光学系（計測装置）の校正を行う技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７１５１４号公報

しかしながら、計測用開口を用いる場合と校正用開口を用いる場合とで、計測結果中に含まれる僅かな非回転対称な波面収差が異なると、校正を正確に行うことができない恐れがある。今後、半導体デバイス等のパターンが益々微細化するのに応じて、投影光学系の結像特性をより高精度に制御するためには、そのような僅かな非回転対称な波面収差をも考慮して、より高精度に投影光学系の波面収差を計測する必要がある。

本発明は、このような課題に鑑み、非回転対称な光学特性を考慮して、被検光学系の光学特性を高精度に計測することを目的とする。

本発明による計測方法は、被検光学系の光学特性の計測方法において、開口が形成された開口板を第１の回転角に設定する工程と、その被検光学系を通過した光束を、その第１の回転角に設定されたその開口板及び計測用光学系を介して検出し、第１の光学特性情報を求める工程と、その開口板をその第１の回転角とは異なる第２の回転角に設定する工程と、その被検光学系を通過した光束を、その第２の回転角に設定されたその開口板及びその計測用光学系を介して検出し、第２の光学特性情報を検出する工程と、その第１及び第２の光学特性情報に基づいて、非回転対称な光学特性情報を求める工程と、を含むものである。

本発明による露光方法は、露光光で投影光学系を介して基板上にパターンを形成する露光方法において、本発明の計測方法を用いて、その投影光学系の光学特性を計測するものである。
また、本発明による校正方法は、被検光学系を通過した光束を、開口が形成された開口板及び計測用光学系を介して検出し、該検出結果に基づいてその被検光学系の光学特性を計測する方法の校正方法において、その開口板及びその計測用光学系の少なくとも一部を含む被回転部を第１の回転角に設定する工程と、その被検光学系を通過した光束を、その第１の回転角に設定されたその開口板及びその計測用光学系を介して検出し、第１の光学特性情報を求める工程と、その被回転部をその第１の回転角とは異なる第２の回転角に設定する工程と、その被検光学系を通過した光束を、その第２の回転角に設定されたその開口板及びその計測用光学系を介して検出し、第２の光学特性情報を検出する工程と、その被回転部をその第１の回転角に設定する工程と、その被検光学系を通過してその開口より小さい領域に集光される計測用光束を、その第１の回転角に設定されたその開口板及びその計測用光学系を介して検出し、第３の光学特性情報を求める工程と、その被回転部をその第２の回転角に設定する工程と、その被検光学系を通過したその計測用光束を、その第２の回転角に設定されたその開口板及びその計測用光学系を介して検出し、第４の光学特性情報を求める工程と、その第１、第２、第３、及び第４の光学特性情報を用いて、非回転対称な光学特性情報を求める工程と、を含むものである。

また、本発明による計測装置は、被検光学系の光学特性の計測装置において、その被検光学系を通過した光束が照射される開口を有する開口板と、その被検光学系及びその開口板を通過した光束を計測する計測用光学系と、その計測用光学系を介した光束を受光する光電センサと、その開口板を第１の回転角及びその第１の回転角と異なる第２の回転角に設定する回転機構と、その回転機構を介して、その開口板をその第１の回転角に設定したときに、その被検光学系を通過した光束を、その開口板、その計測用光学系、及びその光電センサを介して検出して得られる第１の光学特性情報と、その回転機構を介して、その開口板をその第２の回転角に設定したときに、その被検光学系を通過した光束を、その開口板、その計測用光学系、及びその光電センサを介して検出して得られる第２の光学特性情報とに基づいて、第１の非回転対称な光学特性情報を求める演算装置と、を備えるものである。

本発明による露光装置は、露光光で投影光学系を介して基板上にパターンを形成する露光装置において、本発明の計測装置を備え、その計測装置を用いてその投影光学系の光学特性を計測するものである。

本発明によれば、異なる回転角に設定される開口板を介して被検光学系の光学特性を計測しているため、その開口板に起因する非回転対称な光学特性を計測できる。

（Ａ）は実施形態の一例の露光装置の概略構成を示す一部を切り欠いた図、（Ｂ）はテストレチクルのパターンの一例を示す平面図である。 （Ａ）は波面収差測定器１８を用いて投影光学系ＰＬの波面収差を計測する状態を示す断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）中のピンホール２１ａを示す拡大断面図である。 図２（Ａ）の撮像素子２５の受光面に集光される多数のスポット光の配置の一例を示す図である。 （Ａ）は波面収差測定器１８の主な校正動作の一例を示すフローチャート、（Ｂ）は波面収差測定器１８を用いた計測動作（校正動作の一部を含む）の一例を示すフローチャートである。 校正中の波面収差測定器１８を示す断面図である。 （Ａ）は図５中のピンホール２１ａ（開口板２１）を示す拡大平面図、（Ｂ）は図６（Ａ）に対してΔθだけ回転したピンホール２１ａを示す拡大平面図、（Ｃ）は図２（Ａ）中のピンホール２１ａを示す拡大平面図、（Ｄ）は図６（Ｃ）に対してΔθだけ回転したピンホール２１ａを示す拡大平面図である。

以下、本発明の実施形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１（Ａ）は本実施形態の露光装置の概略構成を示す。図１（Ａ）において、露光用の光源１としてＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されているが、その他にＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４８ｎｍ）又は水銀ランプ等も使用できる。光源１から射出されるほぼ直線偏光の照明光（露光光）ＩＬは、周知のビーム送光系２を介して、例えば回転可能な１／２波長板及び１／４波長板等からなり、照明光ＩＬの偏光状態を異なる方向の直線偏光又は円偏光等に変換する偏光状態可変部３に入射する。

偏光状態可変部３を通過した照明光ＩＬは、光束の断面形状を変化させるためのビーム形状可変部４を介して、マイクロフライアイレンズ（又はフライアイレンズ）５に入射する。マイクロフライアイレンズ５の射出面（照明光学系の瞳面）に多数の二次光源からなる面光源が形成される。なお、マイクロフライアイレンズ５の代わりに、回折光学素子やロッドインテグレータ（内面反射型インテグレータ）等のオプティカルインテグレータを使用しても良い。また、その照明光学系の瞳面には、通常照明、輪帯照明、２極照明、変形照明等の種々の照明に切り替えるための可変開口絞り部（不図示）が設置されている。

マイクロフライアイレンズ５から射出された照明光ＩＬは、第１リレー光学系６、レチクルブラインド７、第２リレー光学系８Ａ、コンデンサ光学系８Ｂ、及び光路折り曲げ用のミラー９を介して、転写用のパターンが形成されたレチクルＲを均一な照度分布で照明する。ビーム送光系２からコンデンサ光学系８Ｂ及びミラー９までの部材を含んで照明光学系ＩＬＳが構成されている。光源１、偏光状態可変部３、及びビーム形状可変部４の動作は、コンピュータよりなり装置全体の動作を統括制御する主制御系１１内の照明系制御部によって制御されている。

照明光ＩＬのもとで、レチクルＲのパターンは投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（例えば１／４，１／５等）で、レジストが塗布されたウエハＷ上に転写露光される。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１（Ａ）の紙面に平行な方向にＸ軸を、図１（Ａ）の紙面に垂直な方向にＹ軸を取って説明する。
投影光学系ＰＬを構成する所定の光学部材、例えばレンズエレメント１４Ａ，１４Ｂは、不図示のレンズ枠及びＺ方向に伸縮可能な３箇所の駆動素子１３Ａ，１３Ｂを介して鏡筒に支持されている。主制御系１１内の結像特性制御部が、駆動系１２を介して駆動素子１３Ａ，１３Ｂを駆動することによって、レンズエレメント１４Ａ，１４ＢのＺ方向の位置、並びにＸ軸及びＹ軸の周りの傾斜角を制御できる。これによって、投影光学系ＰＬの所定の結像特性（例えば波面収差）を補正できる。なお、駆動可能なレンズエレメント１４Ａ，１４Ｂの位置及び個数は、制御対象の結像特性に応じて任意に設定可能である。

次に、レチクルＲはレチクルステージＲＳＴ上に保持され、レチクルステージＲＳＴはレーザ干渉計（不図示）の計測値に基づいて、レチクルベース（不図示）上の光軸ＡＸに垂直な平面内でレチクルＲの移動又は位置決めを行う。一方、ウエハＷはウエハステージＷＳＴに保持され、ウエハステージＷＳＴはレーザ干渉計（不図示）の計測値に基づいて、ウエハベースＷＢ上の光軸ＡＸに垂直な平面内で連続移動及びステップ移動を行う。また、ウエハステージＷＳＴには、不図示のオートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウエハＷの表面を投影光学系ＰＬの像面に合焦させるために、ウエハＷのフォーカス位置（光軸ＡＸ方向の位置）及び傾斜角を制御するＺステージ機構も組み込まれている。

露光時には、主制御系１１内の露光制御部の制御のもとで不図示のアライメント系によってレチクルＲとウエハＷとのアライメントが行われた後、偏光状態可変部３によって照明光ＩＬの偏光状態が所定状態に設定される。その後、光源１の発光を開始して、レチクルＲのパターンを一括露光方式又は走査露光方式で投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上の１つのショット領域に転写する動作と、光源１の発光を停止して、ウエハＷをステップ移動する動作とが繰り返される。これによって、ウエハＷ上の全部のショット領域にレチクルＲのパターンの像が転写される。また、本実施形態の露光装置が米国特許出願公開第２００５／２５９２３４号に示すような液浸型である場合には、投影光学系ＰＬとウエハＷとの間に不図示の液体供給機構から純水等の液体が供給される。

さて、このような露光に際しては、投影光学系ＰＬの結像特性が所定の状態に調整されている必要がある。そのためには、先ずその結像特性を高精度に計測する必要がある。そこで、ウエハベースＷＢ上にウエハステージＷＳＴと並列に計測ステージＭＳＴが移動可能に載置され、計測ステージＭＳＴには、投影光学系ＰＬの波面収差を計測するための波面収差測定器１８が設置されている。主制御系１１には、波面収差測定器１８の検出信号の処理等を行う計測部１７が接続されている。

計測部１７は、波面収差測定器１８から供給される検出信号を処理して投影光学系ＰＬの波面収差情報を求め、求めた情報を主制御系１１内の結像特性制御部に供給する。その結像特性制御部は、計測部１７から供給される波面収差情報中の投影光学系ＰＬの波面収差が目標範囲内に維持されるように、駆動系１２を介した駆動素子１３Ａ、１３Ｂの駆動によってレンズエレメント１４Ａ，１４Ｂ等を駆動する。なお、波面収差測定器１８は、計測ステージＭＳＴに着脱可能に保持されていてもよい。また、ウエハステージＷＳＴに波面収差測定器１８を設置してもよい。計測ステージＭＳＴには、レチクルＲのアライメントマークの像の位置を検出する空間像計測系（不図示）も設けられている。

また、レチクルステージＲＳＴの上方にスライド機構（不図示）によって移動可能に拡散板１０が配置されている。投影光学系ＰＬの波面収差の計測時には、照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬの光路に拡散板１０が配置されるとともに、レチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲの代わりに図１（Ｂ）のテストレチクルＲ１がロードされる。なお、必ずしも拡散板１０を使用しなくともよい。

図１（Ｂ）に示すように、テストレチクルＲ１のパターン面の遮光膜中には、Ｘ方向、Ｙ方向に所定間隔で配置された複数の波面収差計測用の円形の開口１９と、これらの開口１９より大きい校正用の円形（又は正方形等でもよい）の開口２０と、複数のアライメントマーク（不図示）とが形成されている。校正用の開口２０は、一例としてそのパターン面のＸ方向の中央部に配置されている。

図２（Ａ）は、波面収差計測時の図１の投影光学系ＰＬと波面収差測定器１８との位置関係の一例を示す。図２（Ａ）において、投影光学系ＰＬの上方に順次テストレチクルＲ１及び拡散板１０が配置され、図１の照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬで拡散板１０が照明され、拡散板１０で拡散された照明光ＩＬでテストレチクルＲ１が照明される。そして、一例としてテストレチクルＲ１の光軸ＡＸ上にある計測用の開口１９の投影光学系ＰＬによる像（一次像）が波面収差測定器１８によって検出される。この場合、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと波面収差測定器１８の光軸とは一致している。なお、計測対象の開口１９の位置が光軸ＡＸ上にない場合には、波面収差測定器１８の光軸は、開口１９の中心と投影光学系ＰＬに関して共役な位置を通りＺ軸に平行となるように位置決めされる。投影光学系ＰＬの波面収差が極めて小さい場合には、投影光学系ＰＬの瞳面（射出瞳と共役な面）における波面は点線Ａ１で示すように平面波であるが、実際には或る程度の波面収差が残存しているため、その波面は実線Ａ２で示すように歪んでいる。

波面収差測定器１８は、光軸ＡＸに垂直な上面を有し、この上面の遮光膜中に照明光ＩＬを通過させる円形のピンホール２１ａが形成された円板状のガラス板よりなる開口板２１と、ピンホール２１ａを通過した光束（ほぼ球面波）をほぼ平行光束に変換する対物レンズ２２と、開口板２１及び対物レンズ２２を一体的に保持する円筒状の保持部材２３とを備えている。開口板２１の上面（ピンホール２１ａの形成面）は、投影光学系ＰＬの像面上に配置される。ピンホール２１ａの中心は、波面収差測定器１８の光軸（対物レンズ２２の光軸）上にある。一例として、ピンホール２１ａの直径は１０μｍ程度であり、計測用の開口１９の像の直径は５〜８μｍ程度であり、図１（Ｂ）の校正用の開口２０の像の直径は３０μｍ程度である。即ち、計測用の開口１９の像は検出用のピンホール２１ａよりも小さく、校正用の開口２０の像はピンホール２１ａよりも大きい。

保持部材２３は、計測ステージＭＳＴの上板ＭＳＴａに設けられた開口に、角度Δθの範囲内で回転可能な状態で嵌合している。角度Δθは例えば５°程度の小さい角度である。保持部材２３に設けられた可動子２６ａと上板ＭＳＴａに設けられた固定子２６ｂとから、保持部材２３を波面収差測定器１８の光軸の回りに角度Δθの範囲内で回転する例えばボイスコイルモータよりなるアクチュエータ２６が構成されている。計測部１７が必要に応じてアクチュエータ２６を介して、保持部材２３（開口板２１及び対物レンズ２２）を図２（Ａ）の状態（初期状態）から＋Ｚ方向から見て反時計回りに角度Δθ回転する。その後、後述の所定動作の終了後に、保持部材２３は−Δθだけ回転して初期状態に戻される。

さらに、波面収差測定器１８は、対物レンズ２２からの光束の波面を分割するように多数の微小レンズ２４ａがＸ方向、Ｙ方向に密着して配置されたマイクロレンズアレイ２４と、多数の微小レンズ２４ａによって形成される多数のスポット光を受光するＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型等の２次元の撮像素子２５とを備えている。撮像素子２５の検出信号が計測部１７に供給されている。

図２（Ａ）において、投影光学系ＰＬの波面収差の計測時には、開口板２１の上面（ピンホール２１ａの形成面）は、テストレチクルＲ１のパターン面と投影光学系ＰＬに関して光学的に共役な面上に配置され、テストレチクルＲ１の計測対象のピンホール１９の像の中心が波面収差測定器１８の光軸（ピンホール２１ａの中心）上に来るように、波面収差測定器１８が位置決めされる。この位置決めは図１（Ａ）の計測ステージＭＳＴの駆動によって行われる。その後、照明光ＩＬの照射を開始すると、テストレチクルＲ１の開口１９の投影光学系ＰＬによる像がピンホール２１ａ内に形成され、対物レンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４によって撮像素子２５上に多数のスポット光が形成される。

図３は、計測時の図２（Ａ）の撮像素子２５の受光面を示す拡大図である。図３に示すように、図２（Ａ）の個々の微小レンズ２４ａ（仮に５行×５列とする）によって集光された光が、それぞれ図２（Ａ）の開口１９の像（二次像）ＩＬＡ，ＩＬＢ，…，ＩＬＹを形成する。これらの像の光量重心をそれぞれ結像位置とすると、例えば各微小レンズ２４ａの光軸上の位置等の所定の基準位置５３Ａ，５３Ｂ，…，５３Ｙから対応する結像位置までの変位を表すベクトル５１Ａ，５１Ｂ，…，５１Ｙが波面収差の情報を含んでいる。撮像素子２５の各画素からの検出信号を画像処理することによって、計測部１７では、一例としてそのベクトル５１Ａ〜５１Ｙの情報を求め、この情報から投影光学系ＰＬを通過した計測光の波面（位相分布）を求める。さらに、この波面の理想波面からのずれを求めることで投影光学系ＰＬの波面収差を求めることができる。なお、このように波面収差を求める方法は、例えば特開２００２−７１５１４号公報にも開示されている。

この場合、図２（Ａ）の波面収差測定器１８の対物レンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４に収差がない場合で、かつ投影光学系ＰＬの収差がない理想的な場合には、ベクトル５１Ａ〜５１Ｙは全て（０，０）となる。しかしながら、実際には、対物レンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４には或る程度の収差が残存しているとともに、波面収差測定器１８における照明光ＩＬの照射熱等の影響によってその残存収差が変動する恐れがある。そこで、本実施形態では、図５に示すように、テストレチクルＲ１の校正用の開口２０を投影光学系ＰＬの物体面に配置し、開口２０の像の位置に波面収差測定器１８のピンホール２１ａを配置して、撮像素子２５を介して図３のベクトル５１Ａ〜５１Ｙに対応するベクトルの情報を求める。この場合に、開口２０の像２０Ｐは、図６（Ａ）に示すようにピンホール２１ａよりも十分に大きいため、ピンホール２１ａからはほぼ理想的な球面波が射出される。従って、そのベクトルの情報から、投影光学系ＰＬの波面収差を含まない、波面収差測定器１８のみに依存する波面（波面収差）を求めることができる。一例として、その波面は基準波面として記憶される。これが波面収差測定器１８の校正（キャリブレーション）である。その後の図２（Ａ）に示す計測時には、求めた波面からその基準波面を差し引くことによって、投影光学系ＰＬのみの波面を計測可能である。

しかしながら、実際にはさらに、図２（Ｂ）に示すように、開口板２１上のピンホール２１ａの段差部には、部分的に微少な塵埃３１が蓄積される恐れがある。このようなピンホール２１ａ内の非回転対称な塵埃３１は、通常は図６（Ｃ）に示すように、計測用の開口１９の像１９の外側にあるため、開口１９を用いた計測時の計測結果には影響しない。ところが、図５に示すように校正用の開口２０を用いた場合には、図６（Ａ）に示すように、塵埃３１が開口２０の像２０Ｐ内に入っているため、その計測結果に塵埃３１（ピンホール２１ａ又は開口板２１の非回転対称性）に起因する非回転対称な波面が混入する。そのため、この計測結果を基準波面とすると、実際の開口１９を用いた計測時には、逆に塵埃３１に起因する非回転対称な波面（符号は反転している）が混入して、これが計測誤差となる。

以下では、そのようなピンホール２１ａ（開口板２１）に起因する非回転対称な波面の混入を防止して、波面収差測定器１８の校正を高精度に行うための本実施形態の校正動作の一例につき図４（Ａ）及び図４（Ｂ）のフローチャートを参照して説明する。なお、図４（Ｂ）の動作は投影光学系ＰＬの波面収差の計測動作でもある。これらの動作は主制御系１１及び計測部１７によって制御される。

先ず、図４（Ａ）のステップ１０１において、図１（Ａ）のレチクルステージＲＳＴ上にテストレチクルＲ１をロードし、その上に拡散板１０を配置し、図５に示すように、投影光学系ＰＬの物体面の計測点（例えば光軸ＡＸ上）に校正用の開口２０を配置し、計測ステージＭＳＴを駆動して、投影光学系ＰＬの像面上で開口２０の像の中心に波面収差測定器１８の開口板２１のピンホール２１ａの中心を合わせる。このとき、図６（Ａ）に示すように、ピンホール２１ａは開口２０の像２０Ｐで覆われており、ピンホール２１ａ内には非回転対称な塵埃３１が堆積しているものとする。この状態で、ステップ１０２において、図５の開口２０を照明光ＩＬで照明し、波面収差測定器１８の撮像素子２５で図３のような多数のスポット光（像）を検出し、計測部１７では各スポット光の基準位置からのずれ量に基づいて、ピンホール２１ａを通過した光束の波面（以下、投影光学系ＰＬの波面という）ＷＡ１を求める。波面ＷＡ１は、例えば投影光学系ＰＬの瞳面上のＸ方向、Ｙ方向の座標上での位相分布である。この場合の波面ＷＡ１には、投影光学系ＰＬ自体の波面は含まれていないため、波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する回転対称な波面をＷ１、波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する非回転対称な波面をＷＮ１、塵埃３１が付着した開口板２１（ピンホール２１ａ）に起因する非回転対称な波面をＷＮ２とすると、計測された波面ＷＡ１は次のように表される。

ＷＡ１＝Ｗ１＋ＷＮ１＋ＷＮ２ …（１）
次のステップ１０３において、計測部１７はアクチュエータ２６及び保持部材２３を介して図６（Ｂ）に示すように、開口板２１及び対物レンズ２２を波面収差測定器１８の光軸の回りに角度Δθだけ回転する。この状態で、ステップ１０４において、図５の開口２０を照明光ＩＬで照明し、撮像素子２５の検出信号を処理して、ピンホール２１ａを通過した光束の波面である投影光学系ＰＬの波面ＷＡ２を求める。角度Δθの回転後の波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する非回転対称な波面をＷＮ１’、塵埃３１が付着した開口板２１に起因する非回転対称な波面をＷＮ２’とすると、計測された波面ＷＡ２は次のように表される。

ＷＡ２＝Ｗ１＋ＷＮ１’＋ＷＮ２’ …（２）
次のステップ１０５において、計測部１７は、計測された波面ＷＡ１，ＷＡ２を用いて、波面収差測定器１８及び開口板２１に起因する非回転対称な波面の和である（ＷＮ１＋ＷＮ２）を波面ＷＡ３として求める。この場合、一例として、未知の係数ｋ１、１以上の整数ｍ、及び投影光学系ＰＬの光軸の回りの角度φ（座標（Ｘ，Ｙ）における角度）を用いて、式（１）における非回転対称な波面（ＷＮ１＋ＷＮ２）を次のように近似的に表す。

ＷＡ３＝ＷＮ１＋ＷＮ２＝ｋ１・cos(ｍφ） …（３）
これに対応して、式（２）における波面（ＷＮ１’＋ＷＮ２’）は次のように表される。
ＷＮ１’＋ＷＮ２’＝ｋ１・cos(ｍ（φ＋Δθ））
＝ＷＡ３・cos(ｍ（φ＋Δθ））／cos(ｍφ） …（４）
そこで、計測部１７は、次のように計測された式（１）の波面ＷＡ１と式（２）の波面ＷＡ２との差分を表し、この式（５）から波面ＷＡ３を計算する。

ＷＡ１−ＷＡ２＝ＷＡ３｛１−cos(ｍ（φ＋Δθ））／cos(ｍφ）｝ …（５）
このように計算された波面ＷＡ３及びステップ１０２で計測された波面ＷＡ１は、計測部１７内の記憶部に記憶される。
次のステップ１０６でアクチュエータ２６及び保持部材２３を介して、開口板２１及び対物レンズ２２を−Δθだけ初期状態まで回転することで、主な校正動作が完了する。

その後、図１（Ａ）の露光装置を用いた露光工程中で投影光学系ＰＬの波面収差を計測する場合には、図４（Ｂ）のステップ１１１において、図１（Ａ）のレチクルステージＲＳＴ上にテストレチクルＲ１をロードし、その上に拡散板１０を配置し、図２（Ａ）に示すように、投影光学系ＰＬの物体面に計測用の開口１９を配置し、計測ステージＭＳＴを駆動して、投影光学系ＰＬの像面上で開口１９の像の中心に波面収差測定器１８の開口板２１のピンホール２１ａの中心を合わせる。このときに、図６（Ｃ）に示すように、開口１９の像１９Ｐはピンホール２１ａ内の塵埃３１とは重ならない位置に形成され、計測される波面には塵埃３１の影響はないものとする。この状態で、ステップ１１２において、図２（Ａ）の開口１９を照明光ＩＬで照明し、波面収差測定器１８の撮像素子２５の検出信号に基づいて、ピンホール２１ａを通過した光束の波面である投影光学系ＰＬの波面ＷＢ１を求める。この場合の波面ＷＢ１には、開口板２１（ピンホール２１ａ）に起因する非回転対称な波面ＷＮ２は含まれていないため、投影光学系ＰＬのみの真の波面Ｗ０、波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する回転対称な波面Ｗ１、及び波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する非回転対称な波面ＷＮ１を用いて、計測された波面ＷＢ１は次のように表される。

ＷＢ１＝Ｗ０＋Ｗ１＋ＷＮ１ …（６）
次のステップ１１３において、計測部１７はアクチュエータ２６及び保持部材２３を介して図６（Ｄ）に示すように、開口板２１及び対物レンズ２２を波面収差測定器１８の光軸の回りに角度Δθだけ回転する。この状態で、ステップ１１４において、図２（Ａ）の開口１９を照明光ＩＬで照明し、撮像素子２５の検出信号を処理して、ピンホール２１ａを通過した光束の波面である投影光学系ＰＬの波面ＷＢ２を求める。角度Δθの回転後の波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する非回転対称な波面ＷＮ１’を用いて、計測された波面ＷＢ２は次のように表される。

ＷＢ２＝Ｗ０＋Ｗ１＋ＷＮ１’ …（７）
次のステップ１１５において、計測部１７は、計測された波面ＷＢ１，ＷＢ２を用いて、波面収差測定器１８（開口板２１を除く）に起因する非回転対称な波面ＷＮ１を波面ＷＢ３として求める。この場合、ステップ１０５と同様に、未知の係数ｋ２、１以上の整数ｍ、及び光軸ＡＸの回りの角度φを用いて、式（６）における非回転対称な波面ＷＮ１を次のように近似的に表す。

ＷＢ３＝ＷＮ１＝ｋ２・cos(ｍφ） …（８）
これに対応して、式（７）における波面ＷＮ１’は次のように表される。
ＷＮ１’＝ｋ２・cos(ｍ（φ＋Δθ））
＝ＷＢ３・cos(ｍ（φ＋Δθ））／cos(ｍφ） …（９）
そこで、計測部１７は、次のように計測された式（６）の波面ＷＢ１と式（７）の波面ＷＢ２との差分を表し、この式（１０）から波面ＷＢ３（＝ＷＮ１）を計算する。

ＷＢ１−ＷＢ２＝ＷＢ３｛１−cos(ｍ（φ＋Δθ））／cos(ｍφ）｝ …（１０）
次のステップ１１６において、計測部１７は、式（３）の波面ＷＡ３から式（８）の波面ＷＢ３を差し引いて、次のように開口板２１に起因する非回転対称な波面ＷＮ２を求めて記憶する。
ＷＡ３−ＷＢ３＝（ＷＮ１＋ＷＮ２）−ＷＮ１＝ＷＮ２ …（１１）
次のステップ１１７において、計測部１７は、ステップ１１２で計測された式（６）の波面ＷＢ１からステップ１０５で記憶した式（１）の波面ＷＡ１を差し引いて次の波面を計算する。

ＷＢ１−ＷＡ１＝（Ｗ０＋Ｗ１＋ＷＮ１）−（Ｗ１＋ＷＮ１＋ＷＮ２）
＝Ｗ０−ＷＮ２ …（１２）
このように、単に波面ＷＢ１から波面ＷＡ１を差し引くと、開口板２１に起因する非回転対称な波面ＷＮ２が逆の符号になって残存してしまう。そこで、式（１２）の波面にさらに式（１１）で求めた波面ＷＮ２を加算することによって、投影光学系ＰＬのみの真の波面Ｗ０を求めることができる。また、この波面Ｗ０を理想波面と比較することで、投影光学系ＰＬの波面収差が求められる。なお、この波面収差はゼルニケ多項式の係数として求めてもよい。この波面Ｗ０（又は波面収差）は計測部１７の記憶部に記憶される。

次のステップ１１８において、アクチュエータ２６及び保持部材２３を介して、開口板２１及び対物レンズ２２を−Δθだけ初期状態まで回転することで、計測動作が完了する。その後、ステップ１１９で計測部１７から主制御系１１の結像特性制御部に投影光学系ＰＬの波面Ｗ０（又は波面収差）の情報を供給し、これに応じて結像特性制御部が駆動系１２を介して投影光学系ＰＬの波面収差を補正する。これによって、常に高精度にレチクルＲのパターンの像を投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に露光できる。

なお、図４（Ｂ）のステップ１１３〜１１６までの動作は、波面収差測定器１８の校正動作の一部とみなすことが可能である。この場合、例えば最初の計測動作のときにステップ１１６で波面ＷＮ２を記憶した後は、次の計測動作ではステップ１１２からステップ１１７に移行して、記憶してある波面ＷＮ２を用いて投影光学系ＰＬの波面Ｗ０を計算してもよい。言い換えれば、ステップ１１３〜１１６の動作は、波面収差測定器１８の開口板２１のピンホール２１ａ内に塵埃が蓄積されると予想される程度の間隔で実行するのみでよい。また、開口板２１の上面は定期的に清掃されるため、ピンホール２１ａの中央部を覆うような状態で塵埃が堆積することはない。

さらに、波面収差測定器１８（開口板２１を除く）の非回転対称な波面収差が無視できる程度に小さい場合には、式（１）及び式（６）における波面ＷＮ１（＝ＷＢ３）が０とみなせるとともに、式（３）の波面ＷＡ３が波面ＷＮ２となるため、図４（Ｂ）のステップ１１３〜１１６及びステップ１１８の動作を省略して、ステップ１１７では、波面ＷＢ１から波面ＷＡ１を差し引き、さらに波面ＷＡ３（＝ＷＮ２）を加えてもよい。

本実施形態の作用効果等は次の通りである。
（１）本実施形態では、テストレチクルＲ１、波面収差測定器１８、及び計測部１７を含む計測装置によって投影光学系ＰＬの波面収差を計測している。その計測装置は、投影光学系ＰＬを通過した光束が照射されるピンホール２１ａを有する開口板２１と、投影光学系ＰＬ及び開口板２１を通過した光束を計測する対物レンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４を含む計測用の光学系と、その光学系を介した光束を受光する撮像素子２５と、開口板２１及び対物レンズ２２を回転角０及び回転角Δθの２つの回転角に設定するアクチュエータ２６と、計測部１７とを備えている。

その計測部１７は、アクチュエータ２６を介して、開口板２１を回転角０に設定したときに（ステップ１０１）、投影光学系ＰＬを通過した光束を、開口板２１、その光学系、及び撮像素子２５を介して検出して得られる波面ＷＡ１（第１の光学特性情報）と（ステップ１０２）、アクチュエータ２６を介して、開口板２１を回転角Δθに設定したときに（ステップ１０３）、投影光学系ＰＬを通過した光束を、開口板２１、その光学系、及び撮像素子２５を介して検出して得られる波面ＷＡ２（第２の光学特性情報）とに基づいて（ステップ１０４）、開口板２１（ピンホール２１ａ内の塵埃３１）及びその計測用の光学系に起因する非回転対称な波面ＷＡ３（第１の非回転対称な光学特性情報）を求めている（ステップ１０５）。また、本実施形態の計測方法は、ステップ１０１〜１０５までの工程を含んでいる。

本発明の計測装置又は計測方法によれば、異なる回転角に設定される開口板２１を介して投影光学系ＰＬの波面を計測しているため、その開口板２１等に起因する非回転対称な波面を計測できる。従って、その非回転対称な波面の補正を行うことで、投影光学系ＰＬの波面を高精度に計測できる。
（２）また、本実施形態のステップ１０１〜１０５までの工程を含む計測装置又は計測方法の校正方法によれば、開口板２１等に起因する非回転対称な波面を求めているため、その非回転対称な波面を補正することで、その計測装置又は計測方法を高精度に校正できる。

（３）また、その実施形態の計測方法は、投影光学系ＰＬを通過した光束を、開口板２１及びその計測用の光学系を介して検出し、この検出結果に基づいて、投影光学系ＰＬ、開口板２１、及びその計測用の光学系を含む光学系の波面ＷＢ１（第３の光学特性情報）を求めるステップ１１１，１１２と、その波面ＷＢ１をその波面ＷＡ３を用いて補正するステップ１１７とを含んでいる。従って、投影光学系ＰＬの波面収差を高精度に計測できる。

（４）また、アクチュエータ２６は、開口板２１及び対物レンズ２２を一体的に回転しているため、回転したときに開口板２１と対物レンズ２２との位置関係を一定に維持できる。しかしながら、アクチュエータ２６は、開口板２１のみを回転するのみでもよい。これらの場合、本実施形態では、開口板２１（さらに対物レンズ２２）を２つの回転角に設定しているが、開口板２１（さらに他の部材を含んでもよい）を３つ以上の異なる回転角に設定可能としてもよい。このように、開口板２１等を３つ以上の異なる回転角に設定してそれぞれ開口板２１のピンホール２１ａを通過した光束の波面を計測することによって、複数の次数の非回転対称な波面を分離して計測可能である。

（５）また、上記の実施形態の計測装置の校正方法は、投影光学系ＰＬの波面収差を計測する方法の校正方法において、開口板２１及び対物レンズ２２（被回転部）を回転角０に設定し、投影光学系ＰＬを通過した光束を、開口板２１、対物レンズ２２、及びマイクロレンズアレイ２４を介して検出し、波面ＷＡ１（第１の光学特性情報）を求めるステップ１０１，１０２と、その被回転部を回転角Δθに設定し、投影光学系ＰＬを通過した光束を、開口板２１等を介して検出し、波面ＷＡ２（第２の光学特性情報）を検出するステップ１０３，１０４と、その被回転部を回転角０に設定し、投影光学系ＰＬを通過してピンホール２１ａより小さい領域に集光される計測用光束を、開口板２１等を介して検出し、波面ＷＢ１（第３の光学特性情報）を求めるステップ１１１，１１２と、その被回転部を回転角Δθに設定し、投影光学系ＰＬを通過した計測用光束を、開口板２１等を介して検出し、波面ＷＢ２（第４の光学特性情報）を求めるステップ１１３，１１４と、波面ＷＡ１，ＷＡ２，ＷＢ１，ＷＢ２を用いて、開口板２１に起因する非回転対称な波面ＷＮ２を求めるステップ１１６と、を含んでいる。

この校正方法によれば、開口板２１のみに起因する非回転対称な波面を求めることができるため、その計測方法を高精度に校正できる。
（６）また、本実施形態の露光装置は、照明光ＩＬでレチクルＲのパターンを照明し、照明光ＩＬでそのパターン及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷを露光する露光装置において、波面収差測定器１８及び計測部１７を含む計測装置を備え、この計測装置によって投影光学系ＰＬの波面収差を計測している。また、本実施形態の露光方法は、本実施形態の計測方法を用いて投影光学系ＰＬの波面収差を計測している。

この場合、その計測装置では波面収差測定器１８の校正を高精度に行うことができるため、波面収差測定器１８の開口板２１（ピンホール２１ａ）に起因する非回転対称な波面に影響されることなく、投影光学系ＰＬの波面収差のみを高精度に計測できる。従って、この計測結果に基づいて、投影光学系ＰＬの結像特性を常に所望の状態に維持できる。
なお、上記の実施形態において、図１（Ａ）の偏光状態可変部３によって照明光ＩＬをＸ方向又はＹ方向の直線偏光に設定し、各偏光成分毎の投影光学系ＰＬの波面収差である偏光特性を求めてもよい。

また、本発明は、投影光学系の波面収差又は偏光特性等の結像特性だけでなく、照明光学系の特性（収差等）等の種々の光学特性を測定対象とすることができる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスやマスク自体を製造するための露光装置にも広く適用できる。

また、本発明は、露光装置の投影光学系及び照明光学系の光学特性の計測のみならず、各種の光学装置、例えば、天体望遠鏡、眼科的検査装置、又は携帯カメラ若しくは携帯電話に備えられる小型カメラの波面収差等の光学特性を計測する際にも同様に適用することができる。
このように本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

ＩＬＳ…照明光学系、ＰＬ…投影光学系、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、１７…計測部、１８…波面収差測定器、１９…計測用の開口、２０…校正用の開口、２１ａ…ピンホール、２１…開口板、２２…対物レンズ、２４…マイクロレンズアレイ、２５…撮像素子、２６…アクチュエータ、３１…塵埃

Claims (15)

1. 被検光学系の光学特性の計測方法において、
   開口が形成された開口板を第１の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過した光束を、前記第１の回転角に設定された前記開口板及び計測用光学系を介して検出し、第１の光学特性情報を求める工程と、
   前記開口板を前記第１の回転角とは異なる第２の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過した光束を、前記第２の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第２の光学特性情報を検出する工程と、
   前記第１及び第２の光学特性情報に基づいて、非回転対称な光学特性情報を求める工程と、
   を含むことを特徴とする計測方法。
2. 前記被検光学系を通過した光束を、前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、該検出結果に基づいて、前記被検光学系、前記開口板、及び前記計測用光学系を含む光学系の第３の光学特性情報を求める工程と、
   該第３の光学特性情報を前記非回転対称な光学特性情報を用いて補正する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
3. 前記開口板を前記第１の回転角及び前記第２の回転角に設定するときに、前記開口板及び前記計測用光学系の少なくとも一部を一体的に回転することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の計測方法。
4. 前記開口板及び前記計測用光学系の少なくとも一部を含む被回転部を前記第１の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過して前記開口より小さい領域に集光される計測用光束を、前記第１の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第４の光学特性情報を求める工程と、
   前記被回転部を前記第２の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過した前記計測用光束を、前記第２の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第５の光学特性情報を求める工程と、
   前記第１及び第２の光学特性情報から求められる非回転対称な光学特性情報と、前記第４及び第５の光学特性情報から求められる非回転対称な光学特性情報とを用いて、前記開口板に起因する非回転対称な光学特性を求める工程と、
   を含むことを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
5. 前記開口板は、前記第１及び第２の回転角を含み、かつ互いに異なる複数の回転角に設定可能であり、
   前記開口板に起因する非回転対称な光学特性を、前記複数の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出される複数の光学特性情報に基づいて求めることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の計測方法。
6. 前記計測用光学系は、前記被検光学系からの光束を波面分割し、分割された複数の光束を集光し、
   前記被検光学系の前記光学特性のうち、波面収差を求めることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の計測方法。
7. 露光光で投影光学系を介して基板上にパターンを形成する露光方法において、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の計測方法を用いて、前記投影光学系の光学特性を計測することを特徴とする露光方法。
8. 被検光学系を通過した光束を、開口が形成された開口板及び計測用光学系を介して検出し、該検出結果に基づいて前記被検光学系の光学特性を計測する方法の校正方法において、
   前記開口板及び前記計測用光学系の少なくとも一部を含む被回転部を第１の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過した光束を、前記第１の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第１の光学特性情報を求める工程と、
   前記被回転部を前記第１の回転角とは異なる第２の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過した光束を、前記第２の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第２の光学特性情報を検出する工程と、
   前記被回転部を前記第１の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過して前記開口より小さい領域に集光される計測用光束を、前記第１の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第３の光学特性情報を求める工程と、
   前記被回転部を前記第２の回転角に設定する工程と、
   前記被検光学系を通過した前記計測用光束を、前記第２の回転角に設定された前記開口板及び前記計測用光学系を介して検出し、第４の光学特性情報を求める工程と、
   前記第１、第２、第３、及び第４の光学特性情報を用いて、非回転対称な光学特性情報を求める工程と、
   を含むことを特徴とする校正方法。
9. 前記第１、第２、第３、及び第４の光学特性情報から求められる前記非回転対称な光学特性情報は、前記開口板に起因するものであることを特徴とする請求項８に記載の校正方法。
10. 被検光学系の光学特性の計測装置において、
    前記被検光学系を通過した光束が照射される開口を有する開口板と、
    前記被検光学系及び前記開口板を通過した光束を計測する計測用光学系と、
    前記計測用光学系を介した光束を受光する光電センサと、
    前記開口板を第１の回転角及び前記第１の回転角と異なる第２の回転角に設定する回転機構と、
    前記回転機構を介して、前記開口板を前記第１の回転角に設定したときに、前記被検光学系を通過した光束を、前記開口板、前記計測用光学系、及び前記光電センサを介して検出して得られる第１の光学特性情報と、前記回転機構を介して、前記開口板を前記第２の回転角に設定したときに、前記被検光学系を通過した光束を、前記開口板、前記計測用光学系、及び前記光電センサを介して検出して得られる第２の光学特性情報とに基づいて、第１の非回転対称な光学特性情報を求める演算装置と、
    を備えることを特徴とする計測装置。
11. 前記演算装置は、
    前記被検光学系を通過した光束を、前記開口板、前記計測用光学系、及び前記光電センサを介して検出した結果より、前記被検光学系、前記開口板、及び前記計測用光学系を含む光学系の第３の光学特性情報を求め、該第３の光学特性情報を前記第１の非回転対称な光学特性情報を用いて補正することを特徴とする請求項１０に記載の計測装置。
12. 前記回転機構は、前記開口板及び前記計測用光学系の少なくとも一部を含む被回転部を一体的に回転することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の計測装置。
13. 前記被検光学系を通過した光束を前記開口よりも小さい領域に集光される計測用光束とする光学部材を備え、
    前記演算装置は、
    前記回転機構を介して前記被回転部を前記第１の回転角に設定したときに、前記被検光学系を通過した前記計測用光束を、前記第１の回転角に設定された前記開口板、前記計測用光学系、及び前記光電センサを介して検出して得られる第４の光学特性情報と、
    前記回転機構を介して前記被回転部を前記第２の回転角に設定したときに、前記被検光学系を通過した前記計測用光束を、前記第２の回転角に設定された前記開口板、前記計測用光学系、及び前記光電センサを介して検出して得られる第５の光学特性情報とに基づいて、第２の非回転対称な光学特性情報を求め、
    前記第１及び第２の非回転対称な光学特性情報を用いて、前記開口板に起因する非回転対称な光学特性を求めることを特徴とする請求項１２に記載の計測装置。
14. 前記計測用光学系は、球面波をほぼ平行光束に変換する集光光学系と、前記集光光学系を通過した光束の波面を分割し、分割された光束をそれぞれ集光する集光素子アレイとを有することを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の計測装置。
15. 露光光で投影光学系を介して基板上にパターンを形成する露光装置において、
    請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載の計測装置を備え、
    前記計測装置を用いて前記投影光学系の光学特性を計測することを特徴とする露光装置。

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