JP2011049369A - 光学特性計測装置及びその校正方法、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系の物体面側に光学特性計測装置の計測系を配置し、光学特性計測装置の校正を高精度に行う。
【解決手段】投影光学系ＰＬの波面収差計測装置２０であって、計測用開口１９を有するテストレチクルＲ１と、計測用開口１９及び投影光学系ＰＬを通過し、像面から戻された照明光を投影光学系ＰＬを介して受光して、投影光学系ＰＬの波面を計測する計測系２１と、照明光ＩＬの光路中に挿脱可能に配置され、計測用開口１９を通過した照明光を反射して、計測用開口１９を含む領域を照明する反射拡散球面２４と、計測用開口１９を通過した計測光を計測系２１で受光して、計測系２１の波面を求める計測部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装置の校正技術、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一括露光型又は走査露光型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は、投影光学系の波面収差等の光学特性を所定の状態に維持するために、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像面側に投影し、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形成された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、計測用開口の形成面（物体面）に計測用開口よりも大きい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（計測系）自体の波面収差の計測し、計測装置の校正を行っていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７１５１４号公報

最近では、露光装置のウエハステージ側の構成を簡素化するために、投影光学系の光学特性の計測系を物体面側に配置することが検討されている。このように計測系を物体面側に配置する場合、単に投影光学系の物体面に計測用開口を設置し、像面に反射ミラーを設置し、反射ミラーからの反射光を投影光学系及び計測用開口を介して計測系で受光すると、原理的に反射ミラーからの反射光の像は計測用開口以上には広がらないため、投影光学系の光学特性の影響を抑制して、計測装置の校正を高精度に行うことが困難であった。

また、その反射ミラーを像面からデフォーカスさせることで、その計測用開口を含む領域に照明光を照射することが可能である。しかしながら、この場合には、その計測用開口に戻される反射光の開口数が小さくなり、必要な計測精度を得られない恐れがあった。
本発明は、このような課題に鑑み、投影光学系の物体面側に光学特性計測装置の計測系を配置する場合に、その光学特性計測装置の校正を高精度に行うことを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、第１面のパターンの像を第２面に形成する投影光学系の光学特性を計測する装置において、その第１面側に配置され、計測用開口が形成された開口部材と、その第１面側に配置されたその開口部材を照明光で照明する照明系と、その計測用開口及びその投影光学系を通過し、その第２面から戻されたその照明光の少なくとも一部をその投影光学系及びその計測用開口を介して受光して、その投影光学系の光学特性を計測する計測系と、その照明光の光路中に挿入又は離脱可能に配置され、その計測用開口を通過したその照明光の少なくとも一部を反射し、該反射した光束でその計測用開口を含む領域を照明する第１反射光学系と、その計測用開口を通過した計測光をその計測系で受光して、その計測系の光学特性を計測する計測装置と、を備える光学特性計測装置が提供される。

また、本発明の第２の態様によれば、第１面のパターンの像を第２面に形成する投影光学系の光学特性を計測する装置の校正方法において、その第１面またはその近傍に計測用開口が形成された開口部材を配置する工程と、照明光でその計測用開口を照明する工程と、その照明光の光路中に、その計測用開口を通過したその照明光の少なくとも一部を反射する第１反射部材を挿入する工程と、その第１反射部材で反射したその照明光でその計測用開口を含む領域を照明する工程と、その反射した照明光のうちその計測用開口を通過した計測光を計測系で受光し、その計測系の光学特性を求める工程と、を含む光学特性計測装置の校正方法が提供される。

また、本発明の第３の態様によれば、照明光でパターンを照明し、その照明光でそのパターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光装置において、その投影光学系の光学特性を計測するために本発明の第１の態様による光学特性計測装置を備える露光装置が提供される。
また、本発明の第４の態様によれば、照明光でパターンを照明し、その照明光でそのパターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光方法において、本発明の第２の態様による光学特性計測装置の校正方法を用いて、その投影光学系の光学特性を計測する光学特性計測装置の校正を行う露光方法が提供される。

本発明によれば、第１反射光学系からの反射光で計測用開口を含む領域を照明することができるため、投影光学系の光学特性の影響を抑制して、計測系の光学特性のみを高精度に計測できる。従って、投影光学系の物体面側に計測系を配置する場合に、その光学特性計測装置の校正を高精度に行うことができる。

（Ａ）は第１の実施形態の露光装置の概略構成を示す図、（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）は投影光学系ＰＬの波面収差を計測中の光学系の要部を示す断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）中の計測用開口１９を示す拡大平面図である。 （Ａ）は波面収差計測装置２０を校正しているときの光学系の要部を示す断面図、（Ｂ）は図３（Ａ）中の計測用開口１９を示す拡大平面図、（Ｃ）は図３（Ａ）中の反射拡散球面２４を示す拡大断面図である。 （Ａ）は波面収差計測装置２０の校正動作の一例を示すフローチャート、（Ｂ）は波面収差計測装置２０を用いた計測動作の一例を示すフローチャートである。 反射拡散球面２４の代わりに使用できる拡散反射光学系５１を示す拡大図である。 第２の実施形態の波面収差計測装置２０Ａを示す断面図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態につき図１〜図４を参照して説明する。
図１（Ａ）は本実施形態の露光装置ＥＸの概略構成を示す。図１（Ａ）において、露光装置ＥＸは、露光光源１と、露光光源１からの照明光ＩＬ（露光光）でレチクルＲ（マスク）のパターン面を照明する照明光学系ＩＬＳと、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴと、パターン面（物体面）のパターンの像をウエハＷの表面（像面）に投影する投影光学系ＰＬと、ウエハＷを保持して移動するウエハステージＷＳＴと、装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御系１１と、その他の計測装置及び駆動装置等とを備えている。露光光源１としては、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。

露光光源１から射出されるほぼ直線偏光の照明光ＩＬは、周知のビーム送光系２を介して、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ＩＬＳ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、さらに照明光ＩＬの光量分布を制御するための回折光学素子等を設けてもよい。また、マイクロフライアイレンズ５の代わりに、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、照明光学系ＩＬＳ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、レチクルＲのパターン面（下面）の照明領域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。露光光源１、偏光状態可変部３、及びビーム形状可変部４の動作は、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の照明領域内のパターンは、投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で、ウエハＷの一つのショット領域内の露光領域（照明領域と光学的に共役な領域）に転写露光される。ウエハＷは、シリコン又はＳＯＩ(silicon on insulator)等からなる直径が２００〜４５０ｍｍ程度の平板状の基材の上面にフォトレジスト（感光剤）を塗布したものである。投影光学系ＰＬは、一例として屈折系であるが、その外に反射屈折系等も使用可能である。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行に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。

図１（Ａ）中に切り欠いて示すように、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軸に平行な軸の回り（θｘ方向及びθｙ方向）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（例えば所定の波面収差等）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を吸着保持するレチクルステージ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をウエハホルダ（不図示）を介して吸着保持するウエハステージ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θｘ方向、θｙ方向の傾斜角を制御する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、露光光源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、露光光源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号明細書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の光学特性として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、その結像特性を高精度に計測する必要がある。本実施形態の露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬの結像特性としての波面収差を計測するための波面収差計測装置２０を備えている。波面収差計測装置２０は、レチクルステージＲＳＴの上方、すなわち、本実施形態では、照明光学系ＩＬＳとレチクルステージＲＳＴの間に移動可能に配置され、投影光学系ＰＬの波面収差情報を含む検出信号を得る計測系２１と、テストレチクルＲ１と、テストレチクルＲ１を照明光ＩＬで照明する照明系と、ウエハステージＷＳＴに設けられた反射部材２２と、計測系２１の検出信号を処理して投影光学系ＰＬの波面収差を求める計測部（演算制御部）１７とを備えている。

本実施形態では、その照明系として照明光学系ＩＬＳが兼用されているが、専用の照明系を設けてもよい。計測部１７は、求めた波面収差の情報を主制御系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が目標範囲内に維持されるように、駆動系１２を介してレンズエレメント１４Ａ，１４Ｂ等を駆動する。なお、反射部材２２は、ウエハステージＷＳＴとは独立にウエハベースＷＢ上を移動する計測ステージ等（不図示）に設けてもよい。

投影光学系ＰＬの波面収差計測時には、レチクルステージＲＳＴにレチクルＲの代わりにテストレチクルＲ１がロードされ、計測系２１がレチクルステージＲＳＴ上に移動し、投影光学系ＰＬの露光領域にウエハステージＷＳＴの反射部材２２が移動する。図１（Ｂ）に示すように、テストレチクルＲ１のパターン領域の遮光膜中には、Ｘ方向、Ｙ方向に所定間隔で複数の波面収差計測用の円形の計測用開口１９が形成されている。計測用開口１９の直径は例えば４０μｍ程度である。なお、テストレチクルＲ１の代わりに、レチクルステージＲＳＴのレチクルＲの近傍に固定されるレチクルマーク板等（不図示）に、計測用開口１９を形成してもよい。

反射部材２２の上面はウエハＷの表面と同じ高さに設定されている。反射部材２２は例えば照明光ＩＬを透過するガラス板より形成され、その裏面には照明光ＩＬに対する反射率の低い吸収膜（又は遮光膜）が形成されている。そして、反射部材２２の上面に照明光ＩＬに対して高反射率の金属（例えばクロム等）の膜よりなる円形の微小ミラー２３と、反射拡散球面２４とが隣接して形成されている。微小ミラー２３の投影光学系ＰＬによる物体面側への像２３Ｒ（図２（Ｂ）参照）の直径は、計測用開口１９の直径よりも小さく、例えばその直径の１／２程度である。

後述の図３（Ｃ）に示すように、反射拡散球面２４は、凹の半球面の表面をすりガラス面のように粗く表面加工し、その表面に照明光ＩＬに対して高反射率の金属膜を蒸着したものである。反射拡散球面２４は、入射する照明光をそれぞれほぼ所定の拡散角φｄｆ（ｒａｄ）で拡散する。反射拡散球面２４の半径をｒｄｆとすると、反射拡散球面２４の中心における反射拡散球面２４からの拡散光（反射光）の像２４Ｄの直径Ｄｄｆはほぼ２ｒｄｆ・φｄｆとなる。その像２４Ｄの直径Ｄｄｆは計測用開口１９の像１９Ｗの直径よりも大きく、例えば次のようにその直径の２倍程度である。反射拡散球面２４の半径ｒｄｆは例えば数ｍｍ程度である。

Ｄｄｆ≒２×ｒｄｆ×φｄｆ≒像１９Ｗの直径の２倍 …（１）
また、像２４Ｄは、投影光学系ＰＬの開口数で定まる開き角の照明光ＩＬによって形成される像１９Ｗからの光束をさらに拡散した光束の像（一種の面光源）である。従って、像２４Ｄを形成する光束の開き角（開口数）は、投影光学系ＰＬの開口数で定まる開き角よりも大きくなっているため、その光束を用いて後述のように計測系２１の波面を高精度に計測できる。

図２（Ａ）は、波面収差計測時の図１の投影光学系ＰＬと波面収差計測装置２０の各部材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及び計測系２１のビームスプリッタ３２が配置され、図１の照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬで、ビームスプリッタ３２を介してテストレチクルＲ１が照明される。一例としてテストレチクルＲ１の光軸ＡＸ上にある計測用開口１９の投影光学系ＰＬによる像が反射部材２２上に投影される。そして、計測用開口１９の像内にウエハステージＷＳＴに設けた反射部材２２の微小ミラー２３が設置される。微小ミラー２３からの反射光ＩＬＲは、投影光学系ＰＬを介して、図２（Ｂ）に示すように、計測用開口１９内に微小ミラー２３の像２３Ｒ（一次像）を形成する。

図２（Ａ）において、計測用開口１９を通過した反射光ＩＬＲがビームスプリッタ３２に向かう。計測系２１は、ビームスプリッタ３２と、投影光学系ＰＬを介して計測用開口１９を通過した反射光ＩＬＲのうち、ビームスプリッタ３２で反射された光束（これも反射光ＩＬＲと呼ぶ）をほぼ平行光束に変換する対物レンズ３３とを有する。さらに、計測系２１は、対物レンズ３３からの光束の波面を分割するように多数の微小レンズ３４ａがＹ方向及びＺ方向（投影光学系ＰＬの瞳面におけるＸ方向に対応する方向）に密着して配置されたマイクロレンズアレイ３４と、多数の微小レンズ３４ａによって形成される多数のスポット光（微小ミラー２３の二次像）を受光するＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型等の２次元の撮像素子３５とを有する。さらに、計測系２１は、ビームスプリッタ３２、対物レンズ３３、マイクロレンズアレイ３４、及び撮像素子３５を保持する移動可能な保持部材３１を有する。対物レンズ３３の前側焦点に計測用開口１９の中心が配置され、撮像素子３５の検出信号が計測部１７に供給されている。

保持部材３１のビームスプリッタ３２の上下の面に対向する位置には、照明光ＩＬを通過させる開口が形成されている。保持部材３１は、駆動部３６を介してガイド部材３７に沿ってＸ方向に移動可能である。さらにガイド部材３７は、全体として不図示のガイド部材に沿ってＹ方向に移動可能である。従って、計測系２１（保持部材３１）を駆動部３６を介してＸ方向、Ｙ方向に移動することによって、ビームスプリッタ３２をテストレチクルＲ１の任意の計測対象の計測用開口１９の上方に設置可能である。

上述のように、計測系２１において、対物レンズ３３及びマイクロレンズアレイ３４によって撮像素子３５上に微小ミラー２３の多数の二次像が形成される。その多数の二次像の位置は、投影光学系ＰＬの瞳面における波面が点線で示す波面Ａ１又は実線で示す波面Ａ２等のいずれであるかに応じて変化する。従って、その多数の二次像の方向及び横ずれ量から反射光ＩＬＲの波面を求めることができる。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。

なお、計測系２１自体の波面収差が無視できる場合には、計測系２１を介して計測される波面（波面収差）がそのまま投影光学系ＰＬの波面（波面収差）となる。しかしながら、実際には、計測系２１のビームスプリッタ３２、対物レンズ３４、及びマイクロレンズアレイ３４等にも僅かではあるが波面収差がある。従って、波面収差計測装置２０を用いて投影光学系ＰＬの波面収差を計測する場合には、予め計測系２１のみの波面収差（又は計測系２１のみに起因する反射光ＩＬＲの波面の状態）を計測しておく必要がある。このように計測系２１のみの波面収差（又は波面）を計測することが、波面収差計測装置２０の校正（キャリブレーション）である。

本実施形態では、波面収差計測装置２０の校正時には、図３（Ａ）に示すように、投影光学系ＰＬの像面において、計測用開口１９の中心と投影光学系ＰＬに関して共役な位置に反射部材２２の反射拡散球面２４の中心が設置される。この状態で、計測系２１によって反射光ＩＬＲの波面が計測される。
以下、波面収差計測装置２０の校正時の動作の一例につき図４（Ａ）のフローチャートを参照して説明する。この動作は主制御系１１及び計測部１７によって制御されるとともに、例えば露光工程中に定期的に実行される。

まず、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、図３（Ａ）に示すように、投影光学系ＰＬの物体面の照明領域内の例えば光軸ＡＸ上（光軸ＡＸ外でもよい）の計測用開口１９を照明対象とする。次のステップ１０２において、駆動部３６を介して、計測用開口１９の上方に計測系２１のビームスプリッタ３２を配置し、照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬでビームスプリッタ３２を介して計測用開口１９を照明する。照明光学系ＩＬＳは通常の照明条件で、コヒーレンスファクタ（σ値）が例えば最大に設定される。これによって、計測用開口１９の投影光学系ＰＬによる像１９Ｗが、投影光学系ＰＬの像面の露光領域内に形成される。

これとほぼ並行して、ステップ１０３において、ウエハステージＷＳＴを駆動し、反射部材２２の反射拡散球面２４（反射拡散面）の中心を投影光学系ＰＬの像面の像１９Ｗの位置に設置する。このとき、図３（Ｃ）に拡大して示すように、その像１９Ｗからの照明光ＩＬは、反射拡散球面２４で拡散され、像１９Ｗを覆うように拡散光の像２４Ｄを形成する。従って、反射拡散球面２４からの反射光ＩＬＲは、投影光学系ＰＬを介して、図３（Ｂ）に示すように、テストレチクルＲ１の計測用開口１９を覆うように像２４Ｒを形成する。像２４Ｒを形成する光束は投影光学系ＰＬの物体面側の開口数で定まる広い開き角をほぼ有している。また、像２４Ｒの一部の領域（計測用開口１９内の領域）は、実質的に投影光学系ＰＬの波面収差情報を含まない面光源とみなすことができる。

そして、ステップ１０４において、図３（Ａ）の反射拡散球面２４で反射され、投影光学系ＰＬを介して計測用開口１９上に像２４Ｒを形成する反射光ＩＬＲのうち、計測用開口１９を通過した光束の一部を、計測系２１のビームスプリッタ３２、対物レンズ３３、及びマイクロレンズアレイ３４を介して撮像素子３５で受光する。次のステップ１０５において、計測部１７は、撮像素子３５の検出信号を処理して投影光学系ＰＬの波面収差に影響されない計測系２１の波面収差のみに起因する波面ＷＡ１を求め、この波面（位相分布）ＷＡ１を内部の記憶部に記憶する。

その後、ステップ１０６において、照明光ＩＬの照射を停止させ、反射部材２２（反射拡散球面２４）を照明光ＩＬの光路から退避させることで、波面収差計測装置２０の校正が終了する。
その後、図１（Ａ）の露光装置ＥＸ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の動作の一例につき、図４（Ｂ）のフローチャートを参照して説明する。まず、ステップ１１１において、ステップ１０１と同様に、レチクルステージＲＳＴ上にテストレチクルＲ１をロードし、図２（Ａ）に示すように、投影光学系ＰＬの物体面の計測用開口１９を照明対象とする。次のステップ１１２において、ステップ１０２と同様に、照明光ＩＬでビームスプリッタ３２を介して計測用開口１９を照明し、投影光学系ＰＬの像面に計測用開口１９の像を形成する。

これとほぼ並行して、ステップ１１３において、ウエハステージＷＳＴを駆動し、反射部材２２の微小ミラー２３の中心を計測用開口１９の像の中心に配置する。このとき、微小ミラー２３は計測用開口１９の像よりも小さいため、微小ミラー２３の全面が照明光ＩＬで照明される。そして、微小ミラー２３からの反射光ＩＬＲは、投影光学系ＰＬを介して、図２（Ｂ）に示すように、テストレチクルＲ１の計測用開口１９内に像２３Ｒを形成する。この像２３Ｒを形成する光束は投影光学系ＰＬの波面収差情報を含んでいる。

そして、ステップ１１４において、図２（Ａ）の微小ミラー２３で反射され、投影光学系ＰＬを介して計測用開口１９中に像２３Ｒを形成する反射光ＩＬＲは、計測用開口１９を通過する。そして、計測用開口１９を通過した光束の一部を、計測系２１のビームスプリッタ３２、対物レンズ３３、及びマイクロレンズアレイ３４を介して撮像素子３５で受光する。次のステップ１１５において、計測部１７は、撮像素子３５の検出信号を処理して、投影光学系ＰＬ及び計測系２１の波面収差を含む波面ＷＡ２を求める。この後、照明光ＩＬの照射が停止され、計測系２１及び反射部材２２（微小ミラー２３）を照明光ＩＬの光路から退避させる。

次のステップ１１６において、計測部１７は、ステップ１１５で求めた波面ＷＡ２からステップ１０５で記憶した計測系２１の波面ＷＡ１を差し引いて、次のように投影光学系ＰＬの波面収差のみに起因する波面ＷＡ３を求める。波面ＷＡ３は記憶部に記憶される。
ＷＡ３＝ＷＡ２−ＷＡ１ …（２）
次のステップ１１７において、計測部１７は、波面ＷＡ３から例えばゼルニケ多項式の係数の形で投影光学系ＰＬの波面収差を求める。この波面収差の情報は主制御系１１に供給される。次のステップ１１８において、主制御系１１の結像特性制御部は、駆動系１２を介して投影光学系ＰＬの波面収差を補正する。その後、レチクルステージＲＳＴにレチクルＲがロードされ、ウエハステージＷＳＴに順次ロードされる複数のウエハの各ショット領域にレチクルＲのパターンの像が露光される。この際に、投影光学系ＰＬの波面収差が補正されているため、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を介してウエハ上に露光できる。

本実施形態の効果等は次の通りである。
（１）本実施形態の投影光学系ＰＬの波面収差（光学特性）を計測するための波面収差計測装置２０は、投影光学系ＰＬの物体面（第１面）に配置される計測用開口１９が形成されたテストレチクルＲ１（開口部材）と、テストレチクルＲ１を照明光ＩＬで照明する照明光学系ＩＬＳと、計測用開口１９及び投影光学系ＰＬを通過し、投影光学系ＰＬの像面（第２面）から戻された照明光ＩＬの少なくとも一部を投影光学系ＰＬ及び計測用開口１９を介して受光して、投影光学系ＰＬの波面収差情報を計測する計測系２１とを備えている。さらに、波面収差計測装置２０は、照明光ＩＬの光路中に挿入又は離脱可能に配置され、かつ計測用開口１９を通過した照明光ＩＬの少なくとも一部を反射し、さらに該反射した光束で計測用開口１９を含む領域（像２４Ｒ）を照明する反射部材２２に形成された反射拡散球面２４（第１反射光学系）と、計測用開口１９を通過した光束（計測光）を計測系２１で受光し、計測系２１の波面ＷＡ１を求める計測部１７（計測装置）と、を備えている。

また、波面収差計測装置２０の校正方法は、テストレチクルＲ１の計測用開口１９を投影光学系ＰＬの物体面に配置するステップ１０１と、照明光ＩＬで計測用開口１９を照明するステップ１０２と、照明光ＩＬの光路中に計測用開口１９を通過した照明光ＩＬの大部分（一部でもよい）を反射する反射拡散球面２４を挿入するステップ１０３と、反射拡散球面２４からの反射光ＩＬＲで投影光学系ＰＬを介して計測用開口１９を含む領域を照明する工程（ステップ１０４の前半部）と、計測用開口１９を通過した光束を計測系２１で受光し、計測系２１の波面ＷＡ１を求める工程（ステップ１０４の後半部及びステップ１０５）とを含んでいる。

本実施形態によれば、反射拡散球面２４からの反射光で計測用開口１９を含む領域（像２４Ｒ）を照明することができる。この場合、計測用開口１９を通過する光束は投影光学系ＰＬの波面収差情報を殆ど含まないため、その光束によって計測系２１で求められる波面ＷＡ１は、ほぼ計測系２１のみの波面収差情報を正確に含んでいる。従って、投影光学系ＰＬの物体面側に計測系２１を配置することと、波面収差計測装置２０の校正を高精度に行うこととを両立できる。

なお、計測用開口１９を投影光学系ＰＬの物体面の近傍に配置することも可能である。この場合には、例えば計測用開口１９の像の位置又はこの近傍に反射拡散球面２４の中心を配置することで、計測系２１内の光束の波面を高精度に計測できる。
（２）また、反射部材２２には、投影光学系ＰＬの像面に配置され、計測用開口１９及び投影光学系ＰＬを通過した照明光ＩＬの少なくとも一部を反射し、該反射した照明光で投影光学系ＰＬを介して計測用開口１９の内側の領域（像２３Ｒ）を照明する微小ミラー２３（第２反射光学系）が形成されている。

そして、波面収差計測装置２０を用いた計測方法（校正方法の一部とみなす）は、反射拡散球面２４を照明光ＩＬの光路から離脱するステップ１０６と、計測用開口１９を通過した照明光ＩＬを投影光学系ＰＬに入射させるステップ１１２と、投影光学系ＰＬを通過した照明光ＩＬの一部を微小ミラー２３で反射し、この反射光ＩＬＲで投影光学系ＰＬを介して計測用開口１９の内側の領域（像２３Ｒ）を照明するステップ１１３と、計測用開口１９の内側の領域を通過した光束（計測光）を計測系２１で受光し、計測部１７が計測系２１の検出信号からその光束の波面ＷＡ２を求め、波面ＷＡ２から波面ＷＡ１を差し引いて投影光学系ＰＬの波面ＷＡ３及び波面収差を求めるステップ１１５〜１１７とを含んでいる。

従って、波面収差計測装置２０の校正結果（計測系２１のみの波面ＷＡ１）を用いて計測結果（波面ＷＡ２）を補正することによって、投影光学系ＰＬのみの波面収差を高精度に求めることができる。
（３）また、本実施形態の露光装置ＥＸ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を介してウエハステージＷＳＴで保持されたウエハＷ（物体）を露光する露光装置において、投影光学系ＰＬの波面収差を計測するために波面収差計測装置２０を備えている。この際に、波面収差計測装置２０の校正を高精度に行うことができるため、この校正結果を用いて投影光学系ＰＬの波面収差を高精度に計測でき、レチクルＲのパターンの像を高精度にウエハＷ上に露光できる。

さらに、波面収差計測装置２０のうちでウエハステージＷＳＴ側にあるのは反射部材２２のみであるため、ウエハステージＷＳＴの構成を簡素できる。従って、ウエハステージＷＳＴには例えば照明光ＩＬの露光量モニタ、及びレチクルＲのアライメントマークの計測系（空間像計測系）等を余裕を持って配置可能である。
また、露光装置ＥＸによる露光方法は、本実施形態の波面収差計測装置２０の校正方法を用いて、投影光学系ＰＬの光学特性を計測する波面収差計測装置２０の校正を行うものである。この場合にも、校正後の波面収差計測装置２０を用いて、投影光学系ＰＬの波面収差を高精度に計測できる。

なお、上記の実施形態では、次のような変形が可能である。
（１）上記の実施形態では、反射部材２２はウエハステージＷＳＴに設けられ、校正用の反射拡散球面２４は投影光学系ＰＬの像面又はこの近傍に配置される。しかしながら、図３（Ａ）に２点鎖線で示すように、テストレチクルＲ１のパターン面の下方近傍に反射拡散球面２４０が形成された反射部材２２０を移動可能に設置してもよい。反射拡散球面２４０は、反射拡散球面２４を投影光学系ＰＬの投影倍率βの逆数倍で大きくしたものである。波面収差計測装置２０の校正時には、計測用開口１９の直下に反射拡散球面２４０を配置することで、ビームスプリッタ３２を介して計測用開口１９を通過した照明光ＩＬは、反射拡散球面２４０で反射されて計測用開口１９を含む領域（計測用開口１９に対して直径がほぼ２倍の領域）を照明する。従って、反射拡散球面２４０で反射され、計測用開口１９を通過した光束の波面を計測系２１で計測することによって、上記の実施形態と同様に計測系２１のみの波面を高精度に求めることができる。

また、投影光学系ＰＬの像面側の反射部材２２には微小ミラー２３のみを形成すればよいため、反射部材２２を小型化でき、ウエハステージＷＳＴをより簡素化できる。
（２）上記の実施形態では、波面収差計測装置２０の校正時に計測用開口１９の像の位置に反射拡散球面２４を配置している。しかしながら、反射拡散球面２４の代わりに、図５に示す反射系５１を用いてもよい。反射系５１は、図３（Ａ）の投影光学系ＰＬからの照明光ＩＬを集光する集光レンズ５２と、集光レンズ５２で集光された照明光ＩＬの少なくとも一部を拡散して反射光ＩＬＲとして集光レンズ５２に戻す反射拡散板５３とを有する。この場合、反射拡散板５３における拡散角をφｄｆ、集光レンズ５２の焦点距離をｒｄｆとすると、反射光ＩＬＲの集光レンズ５２による像５１Ｄの大きさは、図３（Ｃ）の反射拡散球面２４からの反射光ＩＬＲの像２４Ｄと同じ大きさに拡大される。

従って、反射拡散球面２４の代わりに反射系５１を用いても、波面収差計測装置２０の校正を高精度に行うことができる。
［第２の実施形態］
次に、本実施形態の第２の実施形態につき図６を参照して説明する。本実施形態でも図１（Ａ）の露光装置ＥＸと同様の露光装置を使用するが、波面収差計測装置２０のうちの計測系２１及び計測部１７の構成が異なっている。以下、図６において、図２（Ａ）に対応する部分には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

図６は、本実施形態において投影光学系ＰＬの波面収差を計測する波面収差計測装置２０Ａの概略構成を示す。図６において、波面収差計測装置２０Ａは、投影光学系ＰＬの物体面に配置されるテストレチクルＲ１と、テストレチクルＲ１を照明光ＩＬで照明する照明光学系（不図示）と、テストレチクルＲ１の上方に配置される計測系２１Ａと、投影光学系ＰＬの像面側でウエハステージＷＳＴに設けられる反射部材２２と、計測系２１Ａの検出信号を処理して投影光学系ＰＬの波面収差を求める計測部１７Ａと、を備えている。

また、計測系２１Ａは、照明光ＩＬをテストレチクルＲ１の計測用開口１９に照射し、投影光学系ＰＬから計測用開口１９を介して戻される反射光ＩＬＲの一部を反射するビームスプリッタ３２と、ビームスプリッタ３２で反射された反射光ＩＬＲの光路上に配置され、Ｚ方向に周期Ｐｇで形成された回折格子４１と、回折格子４１から発生する０次光４２、＋１次回折光４２Ａ、及び−１次回折光４２Ｂ（波面分割された光束）の干渉縞（シアリング干渉縞）を受光する撮像素子３５とを有する。

回折格子４１と計測用開口１９の形成面との間隔（光路長）をＬｇ、撮像素子３５の受光面と計測用開口１９の形成面との間隔（光路長）をＬｃ、照明光ＩＬの波長をλ、所定の整数又は半整数をｎとすると、間隔Ｌｇ，Ｌｃ、周期Ｐｇ、及び波長λは次のいわゆるトールボット(Talbot)条件を満たす。
１／Ｌｇ＋１／（Ｌｃ−Ｌｇ）＝λ／（２・ｎ・Ｐｇ²) …（３）
ｎ（トールボット次数）＝０，１／２，１，３／２，２，… …（４）
なお、トールボット条件の詳細は、「応用光学１（鶴田著）」（p. 178-181，培風館，1990年）に記載されている。トールボット条件は、撮像素子３５の受光面に回折格子４１によるシアリング干渉の干渉縞が高いコントラストで形成されるための条件である。言い換えると、計測系２１Ａはトールボット干渉計を構成している。計測部１７Ａは、撮像素子３５の検出信号からその干渉縞の強度分布を求め、この強度分布からシアリング波面（位相分布）を求め、このシアリング波面から反射光ＩＬＲの波面（波面収差）を求める。

従って、計測系２１Ａのみの波面を求める場合には、計測用開口１９の像の位置に反射拡散球面２４を設置することで、第１の実施形態と同様に、波面収差計測装置２０Ａの校正を高精度に行うことができる。そして、投影光学系ＰＬのみの波面を求める場合には、計測用開口１９の像の位置に微小ミラー２３を設置し、計測された波面から計測系２１Ａのみの波面を差し引けばよい。

なお、計測系２１Ａにおいて、回折格子４１の代わりにＹ方向に周期的に形成された回折格子、又はＹ方向及びＺ方向に周期的に形成された２次元の回折格子を使用してもよい。
なお、上記の各実施形態において、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、計測系２１，２１Ａの代わりに、投影光学系ＰＬの波面収差以外の光学特性を計測する計測系を配置してもよい。
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。

ＥＸ…露光装置、ＩＬＳ…照明光学系、ＰＬ…投影光学系、Ｒ…レチクル、Ｗ…ウエハ、１７，１７Ａ…計測部、１９…計測用開口、２０，２０Ａ…波面収差計測装置、２１，２１Ａ…計測系、２２…反射部材、２３…微小ミラー、２４…反射拡散球面、３４…マイクロレンズアレイ、３５…撮像素子

Claims (14)

1. 第１面のパターンの像を第２面に形成する投影光学系の光学特性を計測する装置において、
   前記第１面側に配置され、計測用開口が形成された開口部材と、
   前記第１面側に配置された前記開口部材を照明光で照明する照明系と、
   前記計測用開口及び前記投影光学系を通過し、前記第２面から戻された前記照明光の少なくとも一部を前記投影光学系及び前記計測用開口を介して受光して、前記投影光学系の光学特性を計測する計測系と、
   前記照明光の光路中に挿入又は離脱可能に配置され、前記計測用開口を通過した前記照明光の少なくとも一部を反射し、該反射した光束で前記計測用開口を含む領域を照明する第１反射光学系と、
   前記計測用開口を通過した計測光を前記計測系で受光して、前記計測系の光学特性を計測する計測装置と、
   を備えることを特徴とする光学特性計測装置。
2. 前記第２面側に配置され、前記計測用開口及び前記投影光学系を通過した前記照明光の少なくとも一部を反射し、該反射した前記照明光で前記投影光学系を介して前記計測用開口の内側の領域を照明する第２反射光学系を備え、
   前記計測装置は、前記投影光学系を介して前記計測用開口の内側の領域を通過した前記照明光を前記計測系で受光して、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請求項１に記載の光学特性計測装置。
3. 前記第１反射光学系は、前記第２面側に配置されるとともに、前記計測用開口及び前記投影光学系を通過した前記照明光の少なくとも一部を前記投影光学系を介して前記計測用開口を含む領域に戻すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学特性計測装置。
4. 前記第１反射光学系は、前記第１面側に配置されるとともに、前記計測用開口を通過した前記照明光の少なくとも一部を前記計測用開口を含む領域に戻すことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学特性計測装置。
5. 前記第１反射光学系は、前記照明光を拡散して反射する球面を有する反射球面部材を含む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光学特性計測装置。
6. 前記第１反射光学系は、前記照明光を集光するレンズと、前記レンズで集光された前記照明光の少なくとも一部を拡散して前記レンズに戻す反射拡散板とを含む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光学特性計測装置。
7. 前記計測系は、前記計測光を波面分割するレンズアレイと、前記レンズアレイで波面分割された前記計測光を受光する撮像素子とを含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
8. 前記計測系は、前記計測光を波面分割する回折格子と、前記回折格子で波面分割された前記計測光を受光する撮像素子とを含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
9. 第１面のパターンの像を第２面に形成する投影光学系の光学特性を計測する装置の校正方法において、
   前記第１面またはその近傍に計測用開口が形成された開口部材を配置する工程と、
   照明光で前記計測用開口を照明する工程と、
   前記照明光の光路中に、前記計測用開口を通過した前記照明光の少なくとも一部を反射する第１反射部材を挿入する工程と、
   前記第１反射部材で反射した前記照明光で前記計測用開口を含む領域を照明する工程と、
   前記反射した照明光のうち前記計測用開口を通過した計測光を計測系で受光し、前記計測系の光学特性を求める工程と、
   を含むことを特徴とする光学特性計測装置の校正方法。
10. 前記第１反射部材を前記照明光の光路から離脱する工程と、
    前記計測用開口を通過した前記照明光を前記投影光学系に入射させる工程と、
    前記投影光学系を通過した前記照明光の少なくとも一部を反射し、該反射した照明光で前記投影光学系を介して前記計測用開口の内側の領域を照明する工程と、
    前記計測用開口の内側の領域を通過した計測光を前記計測系で受光し、前記投影光学系の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９に記載の光学特性計測装置の校正方法。
11. 前記計測用開口を含む領域を照明する工程は、前記計測用開口を通過した前記照明光の少なくとも一部を前記投影光学系を介して前記計測用開口に戻すことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の光学特性計測装置の校正方法。
12. 前記計測用開口を含む領域を照明する工程は、前記計測用開口を通過した前記照明光の少なくとも一部を直接に前記計測用開口に戻すことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の光学特性計測装置の校正方法。
13. 照明光でパターンを照明し、前記照明光で前記パターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光装置において、
    前記投影光学系の光学特性を計測するために請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光学特性計測装置を備えることを特徴とする露光装置。
14. 照明光でパターンを照明し、前記照明光で前記パターン及び投影光学系を介して物体を露光する露光方法において、
    請求項９から請求項１２のいずれか一項に記載の光学特性計測装置の校正方法を用いて、前記投影光学系の光学特性を計測する前記光学特性計測装置の校正を行うことを特徴とする露光方法。

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