JPH11297614A

JPH11297614A - コマ収差測定装置および該装置を備えた投影露光装置

Info

Publication number: JPH11297614A
Application number: JP10114160A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nagayama; 匡長山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】簡素な機構により被検光学系の残存コマ収差
を精度良く計測する。【解決手段】並列的に配置された複数のパターンを有
するパターン群の空間像とナイフエッジパターンとを計
測方向に沿って相対移動させて、パターン群を形成する
各パターンの空間像の強度分布の合成からなる合成空間
像強度分布を検出する。そして、得られた合成空間像強
度分布に基づいて被検光学系の残存コマ収差量を検出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はコマ収差測定装置お
よび該装置を備えた投影露光装置に関し、特に半導体素
子または液晶表示素子等をリソグラフィー工程で製造す
る際に使用される投影露光装置における投影光学系の残
存コマ収差量の計測に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、投影露光装置における投影光
学系の残存コマ収差量の計測方法として、ウエハ上に塗
布されたレジスト（感光部材）上に限界解像線幅に近い
５本ラインマークからなるマスクパターン像を投影露光
し、現像した後に残存したレジスト像の線幅を走査型電
子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定し、５つのボトム線幅のうち
両端の２つの線幅差から残存コマ収差量を求める方法が
ある。この方法では、投影露光装置の通常の焼き付けと
同様の過程でコマ収差計測用のパターンを焼き付けるた
め、特にコマ収差計測用の特別の機構を付設する必要も
なく投影光学系の残存コマ収差量を計測することができ
る。

【０００３】また、投影光学系単体での製造調整時に
は、干渉計とミラーとを用いて投影光学系の波面収差を
測定することにより投影光学系の残存コマ収差量を計測
する方法や、投影光学系を介して形成されたマスクパタ
ーン空間像を結像光学系を介して２次元撮像素子に拡大
投影することにより空間像の劣化から投影光学系の残存
コマ収差量を計測する方法などが用いられている。干渉
計を用いる方法および空間像を用いる方法の使用は、製
造段階および調整段階における投影光学系の検査に限ら
れている。

【０００４】また、走査型電子顕微鏡を用いる方法、干
渉計を用いる方法および空間像を用いる方法において、
計測することのできる収差はコマ収差に限定されること
なく、計測可能な諸収差の１つとしてコマ収差が位置づ
けられている。さらに、これらの方法により計測された
残存コマ収差量を規格内に追い込むことができるように
投影光学系には収差調整機構が設けられ、この収差調整
機構の作用により投影光学系の収差調整が良好になされ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、最終的
に製造された投影露光装置において装置に組み込まれた
投影光学系の残存コマ収差量を計測するには、焼き付け
られたレジスト像を走査型電子顕微鏡で観察するしかな
かった。この方法はレジスト像を用いた非常に直接的な
方法であるが、レジスト像の良否を判定するのに、焼き
付け、現像、ＳＥＭ測定、計算処理などの多くの過程が
必要になり、非常に多くの時間および手間を要する。ま
た、ＳＥＭによるＣＤ（Critical Dimension) ボトム線
幅測定は完全には自動化されておらず、測定者に起因す
る誤差の発生も考えられる。

【０００６】一方、干渉計を用いる方法では、波面収差
測定装置の構成が大がかりであるため、この装置を投影
露光装置に組み込むと投影露光装置の本来の機能を損な
う可能性がある。また、波面収差測定装置の光学的な構
成が投影露光装置の光学的な構成とかなり異なるため、
最終的な製品としての投影露光装置に波面収差測定装置
を搭載することは現状では困難である。さらに、投影露
光装置に波面収差測定装置を搭載したとしても、投影露
光装置の重要な構成要素である超高速可動ウエハステー
ジやメイン照明光学系に対して波面収差測定装置が大き
な負荷を及ぼすものと考えられる。超高速可動ウエハス
テージやメイン照明光学系についてはより高性能を目指
した技術開発が現在も続いており、上述のような負荷は
回避することが望ましい。

【０００７】また、マスクパターン空間像を結像光学系
を介して２次元撮像素子に拡大投影する方法では、空間
像を画像検出するために、ウエハステージの内部に空間
像検出用の結像光学系および２次元撮像素子を搭載しな
ければならない。一般に、ウエハステージの内部空間は
限られており、ウエハステージの内部に搭載される結像
光学系の大きさも制約を受けることになる。したがっ
て、結像光学系は、小型の光学系である必要がある。一
方、結像光学系は、投影光学系を介して形成された空間
像からの光に基づいて像を再形成する光学系である。し
たがって、結像光学系では、その性質上、投影光学系と
比較して十分小さな収差しか許容されない。その結果、
結像光学系を十分小型化することは困難であり、十分小
型化することのできない結像光学系をウエハステージの
内部に搭載して空間像の画像検出により投影光学系のコ
マ収差量を計測する方法は現実的ではない。

【０００８】また、高速度で移動を繰り返すウエハステ
ージの内部に上述のようにほぼ無収差の結像光学系を搭
載した場合、発生する振動や熱の結像光学系への影響を
無視することができない。この観点においても、結像光
学系をウエハステージの内部に搭載して空間像の画像検
出により投影光学系のコマ収差量を計測する方法は現実
的ではない。

【０００９】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、たとえば投影露光装置においてパターンの焼
き付け、現像、ＳＥＭ測定、計算処理などの作業を実際
に行うことなく、簡素な機構により投影光学系の残存コ
マ収差量を精度良く計測することのできるコマ収差測定
装置、該コマ収差測定装置を備えた投影露光装置、およ
び該投影露光装置を用いた半導体デバイスの製造方法を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１発明では、被検光学系の残存コマ収差
量を計測するためのコマ収差測定装置において、前記被
検光学系の結像面に位置決めされ、計測方向と交差する
方向に沿ったエッジラインを有するナイフエッジパター
ンが形成された計測部材と、前記計測方向に沿って並列
的に配置された複数のパターンを有するパターン群が形
成された基準部材が前記被検光学系の物体面に設定され
ることにより、前記被検光学系の結像面に形成される前
記パターン群の空間像からの光を前記ナイフエッジパタ
ーンを介して検出するための光電検出手段と、前記被検
光学系の結像面に形成される前記パターン群の空間像と
前記ナイフエッジパターンとを前記計測方向に沿って相
対移動させるための相対移動手段と、前記相対移動手段
により前記パターン群の空間像と前記ナイフエッジパタ
ーンとを相対移動させたときの前記光電検出手段からの
光量変化情報に基づいて、前記パターン群の空間像の強
度分布として、前記パターン群を形成する各パターンの
空間像の強度分布の合成からなる合成空間像強度分布を
検出するための強度分布検出手段と、前記強度分布検出
手段において得られた合成空間像強度分布に基づいて前
記被検光学系の残存コマ収差量を検出するための処理系
とを備えていることを特徴とするコマ収差測定装置を提
供する。

【００１１】第１発明の好ましい態様によれば、前記パ
ターン群は、第１のピッチＰ１を有するラインアンドス
ペースパターンからなる第１パターンと、前記第１のピ
ッチＰ１よりも大きく且つ前記第１のピッチＰ１の整数
倍のピッチとは実質的に異なる第２のピッチＰ２を有す
るラインアンドスペースパターンからなる第２パターン
とを有し、前記第１パターンのピッチＰ１とライン本数
との積は、前記第２パターンのピッチＰ２とライン本数
との積とほぼ等しい。また、前記処理系は、前記強度分
布検出手段において得られた合成空間像強度分布を信号
処理することにより、前記パターン群を形成する少なく
とも２つのパターンの各々に関して、前記結像面に形成
されるパターン像のピッチを基準とする所定の空間周波
数に対するフーリエ係数をそれぞれ求め、求めた各フー
リエ係数に基づいて前記少なくとも２つのパターンに関
する前記空間周波数成分間での前記結像面上の相対位置
ずれを算出し、算出した前記相対位置ずれに基づいて被
検光学系の残存コマ収差量を検出することが好ましい。

【００１２】また、本発明の第２発明によれば、第１発
明のコマ収差測定装置と、マスクを照明するための照明
光学系と、前記マスクに形成された転写用パターンの像
を感光性基板上に投影するための投影光学系とを備え、
前記コマ収差測定装置は、前記被検光学系としての前記
投影光学系の残存コマ収差量を計測することを特徴とす
る投影露光装置を提供する。第２発明の好ましい態様に
よれば、前記相対移動手段は、前記感光性基板を保持し
且つ前記投影光学系に対して移動可能な基板ステージを
有し、前記コマ収差測定装置の前記計測部材は、前記基
板ステージ上において前記感光位基板の露光面に対応す
る位置に設けられている。また、前記処理系からの出力
に基づいて前記投影光学系に残存するコマ収差を補正す
るための補正系がさらに配置されていることが好まし
い。

【００１３】また、本発明の第３発明によれば、第２発
明の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する方
法において、前記投影光学系の物体面に前記計測用パタ
ーンが形成された前記基準部材を設定し、前記コマ収差
測定装置によって前記投影光学系に残存するコマ収差を
計測する計測工程と、前記投影光学系に残存するコマ収
差を補正する補正工程と、前記投影光学系の物体面に転
写用パターンが形成された転写用マスクを設定し、該転
写用マスクを前記照明光学系により照明する露光用照明
工程と、前記投影光学系を介して前記転写用マスクのパ
ターンを前記感光性基板に露光する露光工程とを含むこ
とを特徴とする半導体デバイスの製造方法を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明では、たとえば計測方向に
沿って並列的に配置された複数のパターンを有するパタ
ーン群が形成された基準部材を被検光学系の物体面に位
置決めするとともに、計測方向と交差する方向（たとえ
ば直交する方向）に沿ったエッジラインを有するナイフ
エッジパターンが形成された計測部材を被検光学系の結
像面に位置決めする。そして、被検光学系の結像面に形
成されるパターン群の空間像とナイフエッジパターンと
を所定方向に沿って相対移動させながら、被検光学系の
結像面に形成されたパターン対の空間像からの光をナイ
フエッジパターンを介して光電検出する。

【００１５】こうして、パターン群の空間像とナイフエ
ッジパターンとの相対スキャンに伴って検出される光量
変化情報に基づいて、パターン群の空間像の強度分布と
して、パターン群を形成する各パターンの空間像の強度
分布の合成からなる合成空間像強度分布が検出される。
そして、検出された合成空間像強度分布に基づいて被検
光学系の残存コマ収差量が検出される。さらに具体的に
は、計測用パターンとして２つのパターンからなるパタ
ーン対を用いる場合、検出された合成空間像強度分布は
信号処理され、パターン対を形成する２つのパターンの
各々に関して、結像面に形成されるパターン像のピッチ
を基準とする所定の空間周波数に対するフーリエ係数が
それぞれ求められる。次いで、その求められた各フーリ
エ係数に基づいて２つのパターンに関する空間周波数成
分間での結像面上の相対位置ずれが算出され、その算出
された相対位置ずれに基づいて被検光学系の残存コマ収
差量が計測される。

【００１６】このように、本発明によれば、簡素な機構
により被検光学系の残存コマ収差量を精度良く計測する
ことができる。特に、本発明のコマ収差測定装置を投影
露光装置に搭載した場合、パターンの焼き付け、現像、
ＳＥＭ測定、計算処理などの作業を実際に行うことなく
簡素な機構により、被検光学系である投影光学系の残存
コマ収差量を精度良く計測することができる。すなわ
ち、投影光学系のＮＡや、照明光学系のＮＡや、照明条
件（通常照明、輪帯照明、変形照明など）を変更し、投
影光学系の結像に重要な影響が及んだとしても、投影光
学系の残存コマ収差量を容易に随時計測することができ
る。その結果、計測した残存コマ収差量に基づいて投影
光学系の収差調整を行い、収差状態の良好な投影光学系
を介して良好な半導体デバイスを製造することができ
る。

【００１７】本発明の実施例を、添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明の実施例にかかるコマ収差測定
装置を備えた投影露光装置の構成を概略的に示す図であ
る。図１では、投影光学系１０の光軸ＡＸに平行にＺ軸
が、投影光学系１０の光軸ＡＸに垂直な面内において図
１の紙面に平行にＸ軸が、投影光学系１０の光軸ＡＸに
垂直な面内において図１の紙面に垂直にＹ軸がそれぞれ
設定されている。

【００１８】図１の投影露光装置は、露光光源として、
たとえば水銀ランプからなる光源１を備えている。な
お、露光光として、例えば水銀ランプのｇ線やｉ線など
の輝線や、ＫｒＦ、ＡｒＦなどを媒体としたエキシマレ
ーザ光などを用いることができる。光源１は、回転楕円
面からなる反射面を有する楕円反射鏡２の第１焦点位置
に位置決めされている。したがって、光源１から射出さ
れた照明光束は、楕円反射鏡２の第２焦点位置３に光源
像を形成する。

【００１９】楕円反射鏡２の第２焦点位置３に形成され
た光源像からの光束は、インプットレンズ４によりほぼ
平行な光束に変換された後、所望の波長域の光束のみを
透過するバンドパスフィルター（不図示）に入射する。
バンドパスフィルターで選択された露光波長（たとえば
波長３６５ｎｍのｉ線、または波長４３６ｎｍのｇ線
等）の照明光は、フライアイインテグレータ５に入射す
る。フライアイインテグレータ５に入射した光束は、フ
ライアイインテグレータ５を構成する複数のレンズエレ
メントにより分割され、フライアイインテグレータ５の
射出側の焦点面に複数の光源像からなる二次光源を形成
する。

【００２０】二次光源からの光束は、フライアイインテ
グレータ５の射出側の焦点面の近傍に配置された開口絞
り６により制限された後、コンデンサーレンズ７および
折り曲げミラー８を介して、下面に所定のパターンが形
成されたマスク９を重畳的に照明する。マスク９は、Ｘ
Ｙ平面内においてマスクステージ１２上に支持されてい
る。マスクステージ１２のＸＹ座標、ひいてはマスク９
のＸＹ座標は、不図示のマスクステージ用レーザ干渉計
により常時計測されている。マスク９のパターンを透過
した光束は、投影光学系１０を介して、感光性基板であ
るウエハ１１に達する。こうして、ウエハ１１上には、
マスク９のパターン像が形成される。

【００２１】ウエハ１１は、ウエハホルダ１３を介して
ＸＹ平面内においてウエハステージ１４上に支持されて
いる。ウエハステージ１４は、ＸＹ平面内において二次
元的にウエハ１１の位置決めを行うＸＹステージ、Ｚ方
向に沿ってウエハ１１の位置決めを行うＺステージ、お
よびウエハ１１の傾斜角の補正を行うレベリングステー
ジ等から構成されている。なお、ＸＹステージ、Ｚステ
ージおよびレベリングステージは、処理系４３により駆
動系４５を介して駆動制御されるように構成されてい
る。また、ウエハステージ１４のＸＹ座標、ひいてはウ
エハ１１のＸＹ座標は、不図示のウエハステージ用レー
ザ干渉計により常時計測されている。

【００２２】したがって、駆動系４５を介してウエハス
テージ１４を、ひいてはウエハ１１を二次元的に駆動制
御しながら投影露光を行うことにより、ウエハ１１の各
露光領域にマスク９のパターンを逐次転写することがで
きる。ウエハステージ１４上のウエハホルダ１３の近傍
には、たとえば光透過性のガラス基板からなるステージ
基板１５が設けられている。なお、ステージ基板１５の
上面は、ウエハ１１の露光面とほぼ同じ高さ（Ｚ方向に
ほぼ同じ位置）に設定されている。ステージ基板１５の
上面には、所定のナイフエッジパターンが形成されてい
るが、その詳細については後述する。

【００２３】また、ウエハステージ１４の上方には、ウ
エハ１１の表面（すなわち露光面）の位置またはステー
ジ基板１５の表面（すなわち上面）の位置を検出するた
めの焦点検出系が設けられている。この焦点検出系は、
ウエハ１１の表面またはステージ基板１５の表面に斜め
から光を照射するための照射部４０と、ウエハ１１の表
面またはステージ基板１５の表面からの反射光の位置を
検出するための焦点検出部４１とで構成されている。焦
点検出部４１は、ウエハ１１の表面またはステージ基板
１５の表面からの反射光の位置に基づいて、ウエハ１１
の表面またはステージ基板１２の表面の位置（Ｚ方向の
高さ位置）を検出する。なお、焦点検出部４１からの検
出信号は、処理系４３へ供給される。

【００２４】図２は、投影光学系の残存コマ収差量の計
測に際して用いられる計測用マスクに形成された収差計
測用パターンを模式的に示す図である。図２に示すよう
に、計測用マスクの下面には、一対のラインアンドスペ
ース（以下、「Ｌ／Ｓ」と表記する）パターンからなる
パターン対が計測用パターンとして多数形成されてい
る。各パターン対は、ピッチの異なる２つのＬ／Ｓパタ
ーンをピッチ方向に並列的に配置することによって構成
されている。なお、図２において、黒線部分は光透過部
であり、白色部分は遮光部である。各パターン対の構成
的特徴については、図３を参照して後述する。

【００２５】多数のパターン対は４つのパターン群に分
けられ、各パターン群はＭ個のパターン対を有する。ま
た、各パターン群は、ピッチ方向がＸ軸に対してそれぞ
れ０度、４５度、９０度、１３５度の方向を向くように
配列されている。したがって、各パターン対をＬＳ(m,
n) （ｍ＝１〜Ｍ，ｎ＝０，４５，９０，１３５）と表
記することができる。すなわち、ピッチ方向がＸ軸に対
して０度の方向を向いた第１パターン群は、Ｍ個のパタ
ーン対ＬＳ(1,0) 、ＬＳ(2,0) ・・・ＬＳ(M,0)を有す
る。また、ピッチ方向がＸ軸に対して４５度の方向を向
いた第２パターン群は、Ｍ個のパターン対ＬＳ(1,45)、
ＬＳ(2,45)・・・ＬＳ(M,45)を有する。以下、ピッチ方
向がＸ軸に対して９０度の方向を向いた第３パターン群
およびピッチ方向がＸ軸に対して１３５度の方向を向い
た第４パターン群についても同様である。これら４つの
パターン群は、計測用マスクの下面においてＮ個の位置
に配置されている。

【００２６】図３は、各パターン対の構成的特徴につい
て説明する図である。図３において斜線で示す部分は遮
光部３０であり、遮光部３０はたとえば露光光に対する
遮光性を有するクロムなどの蒸着膜により形成されてい
る。図３に示すように、各パターン対には、図中鉛直方
向に沿って延びた矩形状の光透過部（ライン）３１が図
中水平方向に沿ってピッチＰ１でＪ１本（図３では６
本）だけ配列された第１パターンと、図中鉛直方向に沿
って延びた矩形状の光透過部３２が図中水平方向に沿っ
てピッチＰ２でＪ２本（図３では１０本）だけ配列され
た第２パターンとが、各パターンのピッチ方向が互いに
平行になるように並列的に配置されている。

【００２７】２つのパターンのピッチＰ１およびＰ２
は、Ｐ１＞Ｐ２およびＰ１≠ｋＰ２（ｋは自然数）の条
件を満たしている。さらに、２つのパターンの「ライン
本数×ピッチ」は等しい、すなわちＰ１×Ｊ１＝Ｐ２×
Ｊ２という条件も満たしている。また、２つのパターン
はその位置関係が座標計測されており、各パターン間の
位置ズレは容易に知ることができる。なお、本実施例で
は各パターンにおいて、ピッチ方向に沿った各光透過部
（ライン）の幅と２つの光透過部の間に形成される各遮
光部（スペース）の幅とは等しくしている。換言する
と、各パターンのピッチは各光透過部（ライン）の幅の
２倍であり、そのデューティ比（ライン／ピッチ）は
０．５である。しかし、特にデューテイ比は０．５に限
る必要はない。

【００２８】なお、信号の後処理のために、各パターン
群において、各パターン対のいずれか一方のパターンの
ピッチと等しいピッチを有するパターンを含むパターン
対が存在するように構成することが望ましい。すなわ
ち、たとえば３個のパターン対を含む各パターン群（Ｍ
＝３）において第１パターン対ＬＳ(1,n) がピッチＰ１
およびＰ２を有する場合、第１例として第２パターン対
ＬＳ(2,n) がピッチＰ１およびＰ３を有し、第３パター
ン対ＬＳ(3,n) がピッチＰ１およびＰ４を有することが
望ましい。また、第２例として、第２パターン対ＬＳ
(2,n) がピッチＰ１およびＰ３を有し、第３パターン対
ＬＳ(3,n) がピッチＰ３およびＰ４を有することが望ま
しい。さらに、第３例として、第２パターン対ＬＳ(2,
n) がピッチＰ１およびＰ３を有し、第３パターン対Ｌ
Ｓ(3,n) がピッチＰ２およびＰ４を有することが望まし
い。Ｍ＝３以外の場合でも同様である。

【００２９】図４は、ステージ基板の上面に形成された
ナイフエッジパターンを示す図である。図４に示すよう
に、ステージ基板１５の上面は全体的に遮光部（図中斜
線で示す）５０で覆われ、この遮光部５０の所定位置に
２つの正方形状の光透過部５１および５２が形成されて
いる。遮光部５０は、たとえば露光光に対する遮光性を
有するクロムなどの蒸着膜により形成されている。

【００３０】正方形状の光透過部５１の対向する２つの
辺５１ａおよび５１ｂはＸ軸に対して９０度の方向を向
くように配置され、他の対向する２つの辺５１ｃおよび
５１ｄはＸ軸に対して０度の方向を向くように配置され
ている。一方、正方形状の光透過部５２の対向する２つ
の辺５２ａおよび５２ｂはＸ軸に対して１３５度の方向
を向くように配置され、他の対向する２つの辺５２ｃお
よび５２ｄはＸ軸に対して４５度の方向を向くように配
置されている。したがって、辺５１ａおよび５１ｂを挟
む遮光部５０および光透過部５１の部分は、辺５１ａお
よび５１ｂからなるナイフエッジ（エッジライン）の法
線がＸ軸に対して０度の方向を向いたナイフエッジパタ
ーンＫＥ(0) を構成している。

【００３１】また、辺５１ｃおよび５１ｄを挟む遮光部
５０および光透過部５１の部分は、辺５１ｃおよび５１
ｄからなるナイフエッジの法線がＸ軸に対して９０度の
方向を向いたナイフエッジパターンＫＥ(90)を構成して
いる。さらに、辺５２ａおよび５２ｂを挟む遮光部５０
および光透過部５２の部分は、辺５２ａおよび５２ｂか
らなるナイフエッジの法線がＸ軸に対して４５度の方向
を向いたナイフエッジパターンＫＥ(45)を構成してい
る。また、辺５２ｃおよび５２ｄを挟む遮光部５０およ
び光透過部５２の部分は、辺５２ｃおよび５２ｄからな
るナイフエッジの法線がＸ軸に対して１３５度の方向を
向いたナイフエッジパターンＫＥ(135) を構成してい
る。

【００３２】再び図１を参照すると、ステージ基板１５
の図中下方には、投影光学系１０を介して形成される計
測用パターンの空間一次像からの光を集光して計測用パ
ターンの空間二次像を形成するための集光光学系１６が
設けられている。集光光学系１６の図中下方には、集光
光学系１６による空間二次像の形成面に位置決めされた
受光面を有する受光センサ１８が設けられている。受光
センサ１８の出力は、処理系４３に供給される。なお、
集光光学系１６は、収差が良好に補正された光学系であ
る必要はなく、空間一次像からの光を受光センサ１８の
受光面上にほぼ集光する程度の光学系で十分である。ま
た、受光センサ１８は、受光する光束に対して十分広い
面積を有し、受光面の感度ムラおよび受光光に対する角
度方向の感度ムラの少ないことが望ましい。なお、本実
施例では、集光光学系１６の光路中に空間一次像からの
光を拡散するための拡散板１７が配置されているので、
受光センサ１８で受光する際の受光面の感度ムラの影響
を抑制することができる。

【００３３】次に、本実施例において、投影光学系１０
を介してその結像面に形成される計測用パターンの空間
像の強度分布（強度−位置）を検出し、検出した空間像
強度分布に基づいて投影光学系１０の残存コマ収差量を
計測する動作について説明する。まず、図２に示す計測
用マスクをマスクステージ１２上に載置して、図１に示
すように、計測用マスクのパターン面を投影光学系１０
の物体面と一致するように設定する。そして、計測用マ
スクのパターンの空間像強度分布の検出に際して、投影
光学系１０の下方にステージ基板１５が位置するよう
に、駆動系４５を介してウエハステージ１４を移動させ
る。この状態において、ステージ基板１５上には、投影
光学系１０を介して計測用マスクのパターン空間像が形
成される。

【００３４】この状態で、駆動系４５を介してウエハス
テージ１４を所定方向に沿って移動させることによっ
て、計測用パターンのうちの所定のパターン群の空間像
に対してステージ基板１５上の所定のナイフエッジパタ
ーンを走査しながら、ナイフエッジパターンを介した空
間像からの光を集光光学系１６および拡散板１７を介し
て受光センサ１８で受光する。こうして、処理系４３で
は、受光センサ１８からの出力に基づいて、空間像に対
応した光量分布（光量−時間）が得られる。処理系４３
では、得られた光量分布を時間で微分することによっ
て、空間像の時間に関する強度分布（強度−時間）を検
出する。

【００３５】さらに、処理系４３では、空間像の時間に
関する強度分布とウエハステージ用のレーザ干渉計から
の位置情報とに基づいて時間情報を位置情報に換算し、
空間像の位置に関する強度分布（強度−位置）すなわち
空間像強度分布を検出する。こうして得られる空間像強
度分布は、投影光学系１０を介してその結像面に形成さ
れる空間像の実際の強度分布と良く一致している。本実
施例では、時分割で光量分布を取得して時間に関する強
度分布を得た後、干渉計の位置情報に基づいて位置に関
する強度分布を検出するものとしているが、別の手法で
あっても良い。例えば、ステージを駆動しながら干渉計
の位置情報を非常に短い時間間隔で継続的に取り込み、
所望のステージ位置に達したとき同時に受光素子から信
号電圧取り込みを行うことにより、直接位置に関する強
度分布を得ることができる。なお、本実施例では、ピッ
チの異なる２つのＬ／Ｓパターンをピッチ方向に並列的
に配置することによって各パターン対を構成しているの
で、各パターン対の空間像強度分布は第１パターンの空
間像強度分布と第２パターンの空間像強度分布との合成
強度分布となる。

【００３６】図５は、図３に示すパターン対の合成空間
像強度分布を示す図である。図５に示すように、検出さ
れる合成空間像強度分布は、ピッチＰ１の第１パターン
の周期的な空間像強度分布とピッチＰ２の第２パターン
の周期的な空間像強度分布との合成からなるため、全体
的に周期的ではない。ここで、後述する処理系４３の合
成空間像強度分布検出部４３ａにて検出される図５の合
成空間像強度分布に含まれるパターン対の情報並びにパ
ターン対の最適な各ピッチの組合せについて図６を参照
しながら説明する。

【００３７】図６は、投影光学系が無収差であるとき
の、図３に示すパターン対の第１パターン空間像の空間
周波数分布および第２パターン空間像の空間周波数分布
を示す図である。図６において、縦軸は振幅を、横軸は
空間周波数（１／Ｐ３間隔）を示している。図６の実線
で示す第１パターン空間像の空間周波数分布と図６の点
線で示す第２パターン空間像の空間周渡数分布とを合成
した合成空間周波数分布を、逆フーリエ変換すると、図
５に示す合成空間像強度分布となる。換言すれば、図５
に示すパターン対の合成空間像強度分布をフーリエ変換
するとパターン対の合成空間像の空間周波数分布を得る
ことができる。

【００３８】ここで、図６に示す空間周波数を示すため
のピッチＰ３は、図３に示すパターン対を構成する各パ
ターン（３１，３２）の「ライン本数×ピッチ」の値の
２倍で定義されるものである。したがって、図３に示す
パターン対を構成する各パターン（３１，３２）は、前
述のように、「ライン本数×ピッチ」が互いに等しくな
るように選択されているため、第１パターン３１の像の
ピッチをｐ１とし、第２パターン３２の像のピッチをｐ
２とし、第１パターン３１の像の本数をｊ１とし、第２
パターン３２の像の本数をｊ２とするとき、１／ｐ１＝
１２／Ｐ３（＝２×ｊ１／Ｐ３）および１／ｐ２＝２０
／Ｐ３（＝２×ｊ２／Ｐ３）の関係が成立する。なお、
第１パターン３１の像のピッチｐ１と第１パターン３１
のピッチＰ１との間、および第２パターン３２の像のピ
ッチｐ２と第２パターン３２のピッチＰ２との間には、
投影光学系１０の結像倍率をβとすると、ｐ１＝β×Ｐ
１およびｐ２＝β×Ｐ２の関係が成立している。

【００３９】図６において実線で示す空間周波数分布
は、第１パターン空間像の空間周波数分布であり、第１
パターン像のピッチｐ１から定まる空間周波数（１／ｐ
１＝１２／Ｐ３）を１次成分とし、そのｍ倍（ｍは自然
数）で定められる空間周波数（ｍ／ｐ１＝１２ｍ／Ｐ
３）に主極大または０点を有する。また、図６において
破線で示す空間周波数分布は、第２パターン空間像の空
間周波数分布であり、第２パターン像のピッチｐ２から
定まる空間周波数（１／ｐ２＝２０／Ｐ３）を１次成分
とし、そのｍ倍（ｍは自然数）で定められる空間周波数
（ｍ／ｐ２＝２０ｍ／Ｐ３）に主極大または０点を有す
る。したがって、計測用マスク上のパターン対を構成す
る各パターンは、「ライン本数×ピッチ」が互いに等し
くなるように構成されることによって、お互いのパター
ンによる影響を格段に小さくできることが図６から理解
できる。

【００４０】ところで、本実施例では、計測用マスクの
Ｎ個の位置に４つのパターン群ＬＳ(m,0) 、ＬＳ(m,4
5)、ＬＳ(m,90)およびＬＳ(m,135) がそれぞれ配置され
ている。したがって、各位置において、４つのパターン
群ＬＳ(m,0) 、ＬＳ(m,45)、ＬＳ(m,90)およびＬＳ(m,1
35) の各空間像と、ナイフエッジパターンＫＥ(0) 、Ｋ
Ｅ(45)、ＫＥ(90)およびＫＥ(135) とを対応する方向に
それぞれ相対スキャンさせることになる。この相対スキ
ャンは、ＸＹ平面においてＬ／Ｓパターンのピッチ方向
に駆動系（不図示）を介してマスクステージ１２を移動
させて（すなわち空間像を移動させて）行っても良い
し、あるいはＸＹ平面においてナイフエッジパターンの
エッジラインの法線方向に駆動系４５を介してウエハス
テージ１４を移動させて（すなわちナイフエッジを移動
させて）行っても良い。

【００４１】こうして、投影光学系１０の結像面上の各
位置Ｌ（ｍ，ｎ）（ただし、ｍ＝１〜Ｍ、ｎ＝０、４
５、９０、１３５）に形成される４つのパターン群（Ｌ
Ｓ(m,0) 、ＬＳ(m,45)、ＬＳ(m,90)、ＬＳ(m,135) ）の
空間像の各々に対する合成空間像強度分布を得ることが
できる。なお、合成空間像強度分布は、４つのすべての
方向について計測することもできるし、各位置でのサジ
タル方向とメリディオナル方向との２方向について計測
することもできる。また、パターン群に対してナイフエ
ッジパターンが相対的に回転誤差をもつ場合には、マス
クステージを微小回転させてナイフエッジパターンに合
わせ込めばよい。

【００４２】以上においては、図２および図３に示され
るように、複数のパターン対を持つ計測用マスク上の各
パターン群（ＬＳ(m,0) 、ＬＳ(m,45)、ＬＳ(m,90)、Ｌ
Ｓ(m,135) ）を用いて、投影光学系１０を介して得られ
る各パターン群の空間像を図４に示すナイフエッジパタ
ーンを走査させながら受光センサー１８にて各パターン
群の合成空間像強度分布を光電検出する手法並びに各パ
ターン群中におけるパターン対を構成する２つのパター
ンの最適な講成について説明した。

【００４３】次に、以下において、受光センサー１８か
らの出力に基づいて処理系４３での動作について説明す
る。処理系４３内の空間像強度分布検出部４３ａは、投
影光学系１０の結像面内の各位置Ｌ（ｍ，ｎ）に形成さ
れた各パターン群の合成空間像を光電検出する受光セン
サー１８からの出力（計測結果）に基づいて、デジタル
処理により微分・スムージング処理を行い、不要なノイ
ズ成分を除去した各合成空間像強度分布データを得る
（図５参照）。

【００４４】その次に、処理系４３内のフーリエ係数導
出部４３ｂは、まず、合成空間像強度分布検出部４３ａ
から出力される各パターン群での多数の合成空間像強度
分布（図５参照）に関するデータに基づいて、各合成空
間像強度分布の中心位置をウエハステージ用レーザ干渉
計を介して電気的に検出する。一例として、フーリエ係
数導出部４３ｂは、図５に示されるあるパターン対の合
成空間像強度分布の両端のピーク位置Ａ、Ｂを電気的に
検出し、（Ａ＋Ｂ）／２の関係から得られる中点を電気
的に求め、各パターン対の合成空間像強度分布毎に各合
成空間像強度分布の中心位置Ｃを求める。そして、これ
らの中心位置Ｃは各パターン対の合成空間像強度分布の
基準位置とされる。

【００４５】同時に、フーリエ係数導出部４３ｂにて得
られる各合成空間像強度分布の基準位置は、干渉計４７
によって位置検出されるウエハステージ１４の２次元的
な座標位置に関する位置情報に基づいて、ウエハステー
ジ１４の２次元的な座標位置上での対応づけが行われ
る。ここで、説明を分かりやすくするために、図３に示
すパターン対（３１、３２）と図５に示す合成空間像強
度分布を代表させて、フーリエ係数導出部４３ｂにおけ
るフーリエ係数の算出について説明する。今、図３に示
すパターン対での第１パターン３１および第２パターン
３２は、それぞれｘ方向に沿って周期的なピッチ（Ｐ
１、Ｐ２）を有しているものと仮定し、図５に示す合成
空間像強度分布の情報はウエハステージ１４をｘ方向へ
移動させたことにより受光センサー１８および合成空間
像強度分布検出部４３ａを介してフーリエ係数導出部４
３ｂに出力されたものであると仮定する。

【００４６】図５に示す合成空間像強度分布を位置ｘの
関数としてｉ（ｘ）とし、ウエハステージ１４の座標位
置における図５に示す合成空間像強度分布の中心位置
（基準位置）Ｃを原点とする。すると、以下に示すよう
に、図３に示す第１パターン３１においては、第１パタ
ーン３１の像のピッチｐ１を基準とする空間周波数（１
／ｐ１）を持つサイン関数およびコサイン関数で表現で
きる２つのフーリエ係数（ａ１、ａ２）を得ることがで
きる。また、以下に示すように、図３に示す第２パター
ン３２においては、第２パターン３２の像のピッチｐ２
を基準とする空間周波数（１／ｐ２）に関する２つのフ
ーリエ係数（ｂ１、ｂ２）を得ることができる。

【００４７】

【数１】

【００４８】したがって、フーリエ係数導出部４３ｂ
は、以上にて述べたフーリエ係数導出手法によって各パ
ターン群における各パターン対毎の４つのフーリエ係数
を算出する。さて、次に、フーリエ係数導出部４３ｂか
ら出力される各パターン群における各パターン対毎の４
つのフーリエ係数の情報に関するデータに基づいて、位
置ずれ検出部４３ｃは、それぞれ原点からの位相ずれ成
分に対応するパターンのピッチを掛け合わせることによ
り、投影光学系１０の結像面での位置ずれを算出する。
すなわち、位置ずれ検出部４３ｃは、各パターン対の合
成空間像強度分布の中心位置（基準位置）としての原点
位置がらの各パターン対中の各パターンのピッチを基本
空間周波数とする位置ずれ量（Δ１、Δ２）をそれぞれ
算出し、各パターン対中の各パターンのピッチに関する
基本空間周波数成分間の相対位置ずれ量（投影光学系１
０の結像面での各パターン対間の相対位置ずれ量）Δを
求める。

【００４９】例えば、前述した４つのフーリエ係数（ａ
１、ａ２、ｂ１、ｂ２）を例として挙げると、合成空間
像強度分布の中心位置（基準位置）としての原点位置か
らの第１パターン３１の像の空間周波数（１／ｐ１）の
位置のずれ量Δ１および合成空間像強度分布の中心位置
（基準位置）としての原点位置からの第２パターン３２
の像の空間周波数（１／ｐ１）の位置のずれ量Δ２は、
角度の単位をラジアンとして以下のようになる。 Δ１＝（ｐ１／２π）・tan ^-1（ｂ１／ａ１） Δ２＝（ｐ２／２π）・tan ^-1（ｂ２／ａ２）

【００５０】また、計測マスク上に形成される各パター
ン対における第１パターン３１と第２パターン３２との
相対的な位置関係に関する情報Δ０は予め処理系４３の
内部の記憶部（位置ずれ検出部４３ｃ内部の記憶部）に
記憶されている。その理由としては、計測マスクの製造
誤差等の要因により、第１パターン３１の位置（第１パ
ターンの中心位置）と第２パターン３２の位置（第２パ
ターンの中心位置）との相対的な位置関係がずれる可能
性が大きい。このため、不図示の座標測定装置等のパタ
ーン位置計測装置を用いて、計測マスク上に形成される
各パターン対における第１パターン３１と第２パターン
３２との設計値に対する相対的な位置ずれ量を予め計測
し、その計測値は処理系４３の内部の記憶部に記憶され
る。

【００５１】なお、計測マスク上に形成される各パター
ン対における第１パターン３１と第２パターン３２との
相対的なズレ量をδ０とし、投影光学系１０の結像倍率
をβとするとき、投影光学系１０によって形成される第
１パターン３１の像と第２パターン３２の像との相対的
なズレ量Δ０は、Δ０＝β×δ０の関係で表現できる。
以上のことから、最終的に、各パターン対の内の一方の
第１パターンによる空間周波数成分（１／Ｐ１）から得
られる空間像の位置ずれΔ１と、他方の第２のパターン
による空間周波数成分（１／Ｐ２）から得られる空間像
の位置ずれ△２との相対的位置ずれ量Δ１２は、以下の
関係式で示すように、計測マスク上に形成される各パタ
ーン対における第１パターン３１と第２パターン３２と
の相対的な位置誤差Δ０でオフセットすることにより、
精度良く検出される。 Δ１２＝Δ１−Δ２−Δ０

【００５２】ところで、本実施例では各パターン対の２
つのパターンのピッチとライン本数とが前述の２つの条
件を満たすように構成されている。この場合には、図６
の空間周波数分布が示すように、空間周波数１／ｐ１
（＝１２／Ｐ３）における振幅（フーリエ係数）は、ほ
ぼ第１パターン像に起因する成分だけになっており、第
２パターン像に起因する成分は非常に少なく、空間周波
数１／ｐ２（＝２０／Ｐ３）における振幅（フーリエ係
数）は、ほぼ第２パターン像に起因する成分だけになっ
ており、第１パターン像に起因する成分は非常に少な
い。これは、投影光学系に収差が発生している場合でも
同様である。

【００５３】よって、２つのパターン像を同時に計測し
て合成空間像強度分布を得たにもかかわらず、空間周波
数１／Ｐ１成分の位置ズレは第１パターン像の空間周波
数１／ｐ１成分の位置ズレとなり、空問周波数１／Ｐ２
成分の位置ズレは第２パターン像の空間周波数１／ｐ２
成分の位置ズレとなる。このように、互いに影響される
ことが無いため、第１パターン像の空間周波数１／ｐ１
成分と第２パターン像の空間周波数１／ｐ２成分との間
の結像面での相対位置ズレ（以下、「ピッチ間の位置ズ
レ」とする）を高精度に検出することができる。また、
本実施例においては２つのパターン対を同時に計測する
ため、それぞれ独立に計測したときに比ベ、干渉計の揺
らぎの影響による計測精度劣化を排除できる。

【００５４】次いで、処理系４３内のコマ収差検出部４
３ｄにおいて、相対位置ずれ検出部４３ｃで得られた各
パターン対の２つのピッチ間の相対位置ずれを統合し
て、多数のピッチ間の相対位置ずれ関係を求めることが
できる。本実施例のように、各パターン群において各パ
ターン対のいずれか一方のパターンのピッチと等しいピ
ッチを有するパターンを含むように構成することによ
り、ある１つのピッチを基準として図７に示すような各
ピッチ間の相対ずれ関係が得られるので都合が良い。こ
こで、相対位置ずれ関係について説明する。例えば、３
個のパターン対を含むパターン群（Ｍ＝３）において、
第１パターン対ＬＳ（１，ｎ）がピッチＰ１およびＰ２
を有し、第２パターン対ＬＳ（２，ｎ）がピッチＰ１お
よびＰ３を有し、第３パターン対ＬＳ（３，ｎ）がピッ
チＰ１およびＰ４を有している場合、前述した通り、結
像面における各相対ずれ量Δ（例えば、Δ１２、Δ１
３、Δ１４）を求めることができる。

【００５５】ここで、例えば、第１乃至第３パターン対
の一部を構成するピッチＰ１を持つパターンが投影光学
系１０の結像面に形成される時のパターン像のピッチｐ
１を０．８μｍとし、第１パターン対の一部を構成する
ピッチＰ２を持つパターンが投影光学系１０の結像面に
形成される時のパターン像のピッチｐ２を１．２μｍと
し、第２パターン対の一部を構成するピッチＰ３を持つ
パターンが投影光学系１０の結像面に形成される時のパ
ターン像のピッチｐ３を２μｍとし、第３パターン対の
一部を構成するピッチＰ４を持つパターンが投影光学系
１０の結像面に形成される時のパターン像のピッチｐ４
を３μｍとする。そして、横軸をピッチとし縦軸を相対
ずれ量とし、グラフの基準となるピッチとして例えばｐ
１をとり、その相対位置ずれ量を零とする。その後、ピ
ッチｐ１を基準とした各ピッチ毎の相対位置ずれ量を求
めれば、図７（ｂ）に示すように、複数ピッチに対する
相対位置ずれ関係が得られる。

【００５６】なお、各パターン対のピッチの組合せが変
わり、第２パターン対ＬＳ（２，ｎ）がピッチＰ１およ
びＰ３を有し、第３パターン対ＬＳ（３，ｎ）がピッチ
Ｐ３およびＰ４を有している場合や、第２パターン対Ｌ
Ｓ（２，ｎ）がピッチＰ１およびＰ３を有し、第３パタ
ーン対ＬＳ（３，ｎ）がピッチＰ２およびＰ４を有して
いる場合等でも、前記構成を満たしていれば良い。以上
の方法でより多くのピッチ間の相対位置ずれ関係を求
め、グラフ表示した例が図７（ａ）であり、図７（ａ）
ではコマ収差が残存している例を示している。また、図
７（ａ）では全体の傾向を表すために、計測点間を滑ら
かな線で結んで表示している。ここで、図７（ａ）に示
す縦軸の絶対位置は重要ではなく、計測した最小ピッチ
の値を零としておく。したがって、コマ収差検出部４３
ｄは、相対位置ずれ検出部４３ｃからの各パターン群で
の各パターン対毎の位置ずれ情報に基づいて、図７
（ａ）に示される関係を求める。

【００５７】次に、コマ収差検出部４３ｄは、図７
（ａ）に示される関係から最小位置ずれ関係の最小ピッ
チの値（ここでは零）を基準とし、各ピッチ成分での相
対位置ずれ量の平均値と分散値を求め、さらに平均値か
ら最小ピッチの値（ここでは零）を引いたときの符号を
求める。このとき、この求められた分散値および符号
は、投影光学系１０を介してその結像面において発生す
るコマ収差の大きさおよびその符号との間に相関関係を
有する。したがって、コマ収差検出部４３ｄは、所定の
適切な関数（１次関数等）を用いて、求めた分散値およ
び符号から投影光学系１０の残存コマ収差量を算出す
る。このように、投影光学系１０の結像面上の各位置Ｌ
（ｍ，ｎ）（ｍ＝１〜Ｍ，ｎ＝０，４５，９０，１３
５）に形成されるパターン対の像での計測を繰り返すこ
とにより、投影光学系１０の残存コマ収差量を計測する
ことができる。また、最小ピッチは投影光学系で解像で
きる最小ピッチに近い方が望ましい。

【００５８】なお、以上においては、処理系４３では図
２に示した４つのパターン群を用いることで投影光学系
１０に残存する１つのコマ収差量を計測することについ
て説明したが、実際の計測用マスクには、図２に示した
４つのパターン群がぞれぞれ異なる位置にＮ個形成され
ている。したがって、計測マスク上の異なる位置に形成
された４つのパターン群をそれぞれ用いて、処理系４３
は以上にて述べた処埋をＮ回行い、Ｎ個のコマ収差量を
検出する。

【００５９】一般的に、たとえば投影光学系のような被
検光学系のコマ収差の状態は、物体面上の１点から出た
光線が像面上に到達する際に発生する横収差量が開口数
（ＮＡ）の２乗に比例して大きくなるような分布を有す
る低次成分（ザイデルの５収差で定義されるコマ収差と
同様の収差形状であり３次コマ収差とも言う）と、この
低次成分に加算され横収差分布にうねりを生じさせる高
次成分とに区分される。低次成分および高次成分は、設
計値においても若干は残存しているが、各成分の量は必
要十分に小さく補正されていることが多い。

【００６０】一方、被検光学系である投影光学系の製造
時および実使用時においては、一般的に以下のような収
差発生要因があると考えられる。低次コマ収差は、レン
ズ製造時にはレンズ曲率半径誤差、レンズ間隔誤差、レ
ンズ（またはレンズ群）偏心誤差、屈折率誤差により発
生する成分であり、実使用時には設置温度変化や大気圧
変動（環境の屈折率変化）等の微少変化時に発生する成
分である。一方、高次コマ収差は、製造時にはレンズ表
面の凹凸などのような曲率半径誤差以外の成分や屈折率
のレンズ内不均一分布誤差により発生する成分であり、
実使用時には温度分布のレンズ内不均一等により発生す
る成分であると言われている。また、製造時の誤差成分
は静的なものであり製造以後には変動はしないが、実使
用時の誤差成分は動的なものであり性能の変動要因にな
り得るものである。ただし動的な変動要因としては、コ
マ収差変動は一般的に小さく、倍率変動の方が圧倒的に
大きく問題になることが多い。

【００６１】本実施例によるコマ収差計測はコマ収差と
相関関係のある測定値（分散値および符号）を求めるも
のであるが、求める測定値と低次コマ収差の変化とは非
常に良い相関関係を示し、特に微少発生領域では相関関
係を一次関数で良好に近似することができる。但し、こ
の相関関係は、照明系の照明条件（照明ＮＡや変形照
明）によって変化するという性質を持っている。

【００６２】なお、被検光学系である投影光学系１０に
おいて低次コマ収差成分しか発生していない場合には、
照明条件の変化により前記相関関係自体は変化するが、
投影光学系１０の収差調整機構等により低次コマ収差成
分をほぼ０に補正することができれば、コマ収差自体が
ほぼ０となるため照明条件の違いに関わりなく前記分散
値はほぼ０になる。換言すると、ある照明条件におい
て、投影光学系１０のコマ収差をほぼ０に調整すること
ができれば、他の照明条件においても同様に投影光学系
１０のコマ収差はほぼ０になり得る。つまり、前記相関
関係の定数項は照明条件の違いに関わらず０であり、一
次係数（傾き）のみ異なると考えられる。また、このよ
うな低次コマ収差調整機構は、投影光学系１０を構成す
る光学部品の間隔調整や偏心・ティルト調整、レンズ内
部圧力の部分変更等により容易に実現される。

【００６３】一方、投影光学系１０において高次コマ収
差成分が残存している場合には、ある照明条件で前記分
散値がほぼ０になるように調整しても、他の照明条件に
おいては前記分散値は０にならない。これは、高次コマ
収差成分が残存している場合には前記相関関係の定数項
が０でなく、照明条件に依存して変化することを意味し
ている。各照明条件毎に前記相関関係の定数項を求める
ことができれば、求めた定数項が残存高次コマ収差量の
指標となり得る。例えば、使用する照明条件毎に前記一
次係数を予め求めておけば、各照明条件毎に前記分散値
および符号を計測することにより前記定数項を算出する
ことができる。一次係数を求める方法としては、低次コ
マ収差のみ発生させた場合の光学シミュレーションで求
める方法でも良いし、前記低次コマ収差調整機構にて確
実に低次コマ収差を一定量だけ変化させ、その時の前記
分散値変化を測定し一次係数を求める方法でも良い。本
実施例では、コマ収差検出部４３ｄにおいて、高次コマ
収差の検出を行う。

【００６４】本実施例において、コマ収差検出部４３ｄ
で高次コマ収差が検出された場合の調整法として、投影
光学系１０内の複数の光学部品間隔を変化させる方法
や、投影光学系１０の少なくとも１つのレンズ面または
平面板等を補正研磨する方法などが考えられる。また、
投影光学系１０のような被検光学系のＮＡを変化させて
も、照明条件の変更と同様に相関関係の変化が見られる
が、照明条件の変更と同様に扱うことができる。

【００６５】なお、上記記述ではコマ収差と相関のある
測定値として、平均値からの分散値と最小ピッチと平均
値の間の符号を用いているが、他の方法であっても構わ
ない。例えば、図７に示す各ピッチに対する相対位置関
係を線形近似または多項式近似をして、各係数を利用し
ても構わない。例えば、最小二乗直線近似した場合に
は、その傾きおよび符号がコマ収差の量および符号と相
関がありコマ収差量を計測することができる。また、よ
り簡易的な方法として前記分散値の代わりに１つのパタ
ーン対で求められた位置ズレ量を使用することも可能で
ある。ただし、この場合はコマ収差の変化に対して十分
に分解能があり効果的なパターン対を設定する必要があ
る。

【００６６】さて、処理系４３内のコマ収差検出部４３
ｄにより得られた結果が良好でない場合、すなわち投影
光学系１０の結像面でのコマ収差が悪化している場合に
は、処理系４３内に設けられた補正量算出部４３ｅは、
コマ収差検出部４３ｄにより得られた結果に基づいて、
投影光学系１０のコマ収差を補正するために、投影光学
系１０を構成するレンズ素子等の光学素子（Ｌ₁ 、Ｌ
₂ ）の補正量を算出する。そして、この補正量算出部４
３ｅは、算出した結果に基づき、駆動系４６を介して投
影光学系１０中の光学素子（Ｌ₁ 、Ｌ₂ ）を投影光学系
１０の光軸方向へ移動させたり、光学素子（Ｌ₁ 、Ｌ
₂ ）を投影光学系１０の光軸と直交する面内に移動させ
たり、光学素子（Ｌ₁ 、Ｌ₂ ）を投影光学系１０の光軸
に対して傾斜するように移動させたりして、投影光学系
１０のコマ収差を補正する。

【００６７】以上のように、投影光学系１０の結像面に
おけるコマ収差特性（あるいは結像特性）が補正される
工程が完了すると、次に、露光の工程（フォトリソグラ
フィ工程）に移行する。まず、露光工程では、投影光学
系１０の物体面に設定されている計測用マスクを実際の
露光用マスク９に交換し、マスクステージ１２を介して
露光用マスク９を投影光学系１０の物体面に設定する。
そして、感光性基板としてのウエハ１１がウエハステー
ジ１４を介して投影光学系１０の結像面に設定される
と、照明光学系（１〜８）によって露光用マスク９が照
明される。そして、露光用マスク９のパターンが投影光
学系１０を介してウエハ１１上に転写（露光）される。

【００６８】なお、以上の露光の工程（フォトリソグラ
フィ工程）を経たウエハ１１は、現像する工程を経てか
ら現像したレジスト以外の部分を除去するエッチングの
工程、エッチングの工程後の不要なレジストを除去する
レジスト除去の工程等を経る。そして、露光、エッチン
グ、レジスト除去の工程を繰り返して、ウエハプロセス
が終了する。その後、ウエハプロセスが終了すると、実
際の組立工程にて、焼き付けられた回路毎にウエハを切
断してチップ化するダイシング、各チップに配線等を付
与するボンディイング、各チップ毎にパッケージングす
るパッケージング等の各工程を経て、最終的にＬＳＩ等
の半導体デバイスが製造される。

【００６９】以上の説明では、露光装置を用いたウエハ
プロセスでのフォトリソグラフィ工程によりＬＳＩ等の
半導体デバイスを製造する例を示したが、露光装置を用
いたフォトリソグラフィ工程によって、液晶表示素子、
薄膜磁気ヘッド、撮像素子（ＣＣＤ等）等の半導体デバ
イスも製造することができる。このように、本実施例で
は、投影露光装置にコマ収差測定装置を搭載しているの
で、パターンの焼き付け、現像、ＳＥＭ測定、計算処理
などの作業を実際に行うことなく簡素な機構により、被
検光学系である投影光学系の残存コマ収差量を精度良く
計測することができる。すなわち、投影光学系のＮＡ
や、照明光学系のＮＡや、照明条件（通常照明、輪帯照
明、変形照明など）を変更し、投影光学系の結像に重要
な影響が及んだとしても、投影光学系の残存コマ収差量
を容易に随時計測することができる。その結果、計測し
た残存コマ収差量に基づいて投影光学系の収差調整を行
い、収差状態の良好な投影光学系を介して良好な半導体
デバイスを製造することができる。

【００７０】なお、上述の実施例では、ウエハステージ
１４に受光センサ１８を内蔵し、ウエハステージ１４の
内部で受光するタイプのコマ収差測定装置に本発明を適
用しているが、ライトガイドなどを用いてウエハステー
ジ１４の外部で受光するタイプのコマ収差測定装置に本
発明を適用することもできる。図８は、ウエハステージ
の外部で受光する第１タイプのコマ収差測定装置を備え
た投影露光装置の構成を概略的に示す図である。図８の
変形例では、投影光学系１０の結像面に形成された空間
像からの光がステージ基板１５のナイフエッジパターン
を介して集光光学系８１に入射する。集光光学系８１を
介した光は、ミラー８２で反射された後、たとえば光フ
ァイバーのようなライトガイド８３の入射端に入射す
る。ライトガイド８３の内部を伝搬した光は、その射出
端まで導かれ、射出端に近接して配置された受光センサ
８４に達する。受光センサ８４の出力は、図示を省略し
た処理系４３へ供給される。こうして、第１タイプのコ
マ収差測定装置においても上述の実施例と同様に、投影
光学系１０の残存コマ収差量が計測される。

【００７１】図９は、ウエハステージの外部で受光する
第２タイプのコマ収差測定装置を備えた投影露光装置の
構成を概略的に示す図である。図９の変形例では、投影
光学系１０の結像面に形成された空間像からの光がステ
ージ基板１５のナイフエッジパターンを介して集光光学
系９１に入射する。集光光学系９１およびその内部に配
置された拡散板９２を介した光は、たとえば光ファイバ
ーのようなライトガイド９３の入射端に入射する。ライ
トガイド９３の射出端から射出された光は、たとえば一
対のレンズからなるリレー光学系の一方のレンズ９４お
よびウエハステージ１４に形成された開口部を介してウ
エハステージ１４の外部へ導き出される。

【００７２】ウエハステージ１４の外部へ導き出された
光は、リレー光学系の一方のレンズ９５を介して受光セ
ンサ９６に達する。ここで、ライトガイド９３の射出端
と受光センサ９６の受光面とは、リレー光学系（９４、
９５）を介して共役に配置されている。受光センサ９６
の出力は、図示を省略したコマ収差測定装置の処理系４
３へ供給される。こうして、第２タイプのコマ収差測定
装置においても上述の実施例と同様に、投影光学系１０
の残存コマ収差量が計測される。

【００７３】また、第２タイプのコマ収差測定装置を備
えた投影露光装置では、ウエハステージ１４の外部に配
置されたレンズ９５および受光センサ９６からなるユニ
ットと、ウエハステージ１４の内部に配置された集光レ
ンズ９１、ライトガイド９３およびレンズ９４からなる
ユニットとが機械的に分離され、コマ収差の計測に際し
てのみ光学的に接続されるように構成されている。した
がって、第２タイプでは、第１タイプとは異なり、ライ
ドガイドがウエハステージの負荷を及ぼすことがなく、
且つライトガイドの使用により送光自由度が高いという
利点を有する。

【００７４】上述の実施例および変形例では、投影露光
装置に本発明のコマ収差測定装置を搭載しているが、他
の一般系な被検光学系の残存コマ収差量を計測するため
のコマ収差測定装置に本発明を適用することもできる。
また、上述の実施例では、計測用パターンとして２つの
パターンからなるパターン対を用いているが、並列的に
配置された３つ以上のパターンからなるパターン群を用
いることもできる。さらに、上述の実施例では、計測方
向と直交する方向に沿ったエッジラインを有するナイフ
エッジパターンを用いているが、計測方向と実質的な角
度で交差する方向に沿ったエッジラインを有するナイフ
エッジパターンを用いることもできる。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のコマ収差
測定装置によれば、簡素な機構により被検光学系の残存
コマ収差量を精度良く計測することができる。特に、本
発明のコマ収差測定装置を投影露光装置に搭載した場
合、パターンの焼き付け、現像、ＳＥＭ測定、計算処理
などの作業を実際に行うことなく投影光学系の残存コマ
収差量を精度良く計測することができる。すなわち、投
影光学系のＮＡや、照明光学系のＮＡや、照明条件（通
常照明、輪帯照明、変形照明など）を変更し、投影光学
系の結像に重要な影響が及んだとしても、投影光学系の
残存コマ収差量を容易に随時計測することができる。そ
の結果、計測した残存コマ収差量に基づいて投影光学系
の収差調整を行い、収差状態の良好な投影光学系を介し
て良好な半導体デバイスを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかるコマ収差測定装置を備
えた投影露光装置の構成を概略的に示す図である。

【図２】投影光学系の残存コマ収差量の計測に際して用
いられる計測用マスクに形成された収差計測用パターン
を模式的に示す図である。

【図３】各パターン対の構成的特徴について説明する図
である。

【図４】図１のステージ基板の上面に形成されたナイフ
エッジパターンを示す図である。

【図５】図３に示すパターン対の合成空間像強度分布を
示す図である。

【図６】投影光学系が無収差であるときの、図３に示す
パターン対の第１パターン空間像の空間周波数分布およ
び第２パターン空間像の空間周波数分布を示す図であ
る。

【図７】パターン空間像の各ピッチに対する位置ズレの
関係を示す図である。

【図８】ウエハステージの外部で受光する第１タイプの
コマ収差測定装置を備えた投影露光装置の構成を概略的
に示す図である。

【図９】ウエハステージの外部で受光する第２タイプの
コマ収差測定装置を備えた投影露光装置の構成を概略的
に示す図である。

【符号の説明】

１光源２楕円反射鏡３第２焦点位置４インプットレンズ５フライアイインテグレータ６開口絞り７コンデンサーレンズ８折り曲げミラー９マスク１０投影光学系１１ウエハ１２マスクステージ１３ウエハホルダ１４ウエハステージ１５ステージ基板１６集光光学系１７拡散板１８受光センサ４０照射部４１焦点検出部４３処理系４５、４６駆動系

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検光学系の残存コマ収差量を計測する
ためのコマ収差測定装置において、前記被検光学系の結像面に位置決めされ、計測方向と交
差する方向に沿ったエッジラインを有するナイフエッジ
パターンが形成された計測部材と、前記計測方向に沿って並列的に配置された複数のパター
ンを有するパターン群が形成された基準部材が前記被検
光学系の物体面に設定されることにより、前記被検光学
系の結像面に形成される前記パターン群の空間像からの
光を前記ナイフエッジパターンを介して検出するための
光電検出手段と、前記被検光学系の結像面に形成される前記パターン群の
空間像と前記ナイフエッジパターンとを前記計測方向に
沿って相対移動させるための相対移動手段と、前記相対移動手段により前記パターン群の空間像と前記
ナイフエッジパターンとを相対移動させたときの前記光
電検出手段からの光量変化情報に基づいて、前記パター
ン群の空間像の強度分布として、前記パターン群を形成
する各パターンの空間像の強度分布の合成からなる合成
空間像強度分布を検出するための強度分布検出手段と、前記強度分布検出手段において得られた合成空間像強度
分布に基づいて前記被検光学系の残存コマ収差量を検出
するための処理系とを備えていることを特徴とするコマ
収差測定装置。
【請求項２】前記パターン群は、第１のピッチＰ１を
有するラインアンドスペースパターンからなる第１パタ
ーンと、前記第１のピッチＰ１よりも大きく且つ前記第
１のピッチＰ１の整数倍のピッチとは実質的に異なる第
２のピッチＰ２を有するラインアンドスペースパターン
からなる第２パターンとを有し、前記第１パターンのピッチＰ１とライン本数との積は、
前記第２パターンのピッチＰ２とライン本数との積とほ
ぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載のコマ収差測
定装置。
【請求項３】前記処理系は、前記強度分布検出手段に
おいて得られた合成空間像強度分布を信号処理すること
により、前記パターン群を形成する少なくとも２つのパ
ターンの各々に関して、前記結像面に形成されるパター
ン像のピッチを基準とする所定の空間周波数に対するフ
ーリエ係数をそれぞれ求め、求めた各フーリエ係数に基
づいて前記少なくとも２つのパターンに関する前記空間
周波数成分間での前記結像面上の相対位置ずれを算出
し、算出した前記相対位置ずれに基づいて被検光学系の
残存コマ収差量を検出することを特徴とする請求項１ま
たは２に記載のコマ収差測定装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
コマ収差測定装置と、マスクを照明するための照明光学
系と、前記マスクに形成された転写用パターンの像を感
光性基板上に投影するための投影光学系とを備え、前記コマ収差測定装置は、前記被検光学系としての前記
投影光学系の残存コマ収差量を計測することを特徴とす
る投影露光装置。
【請求項５】前記相対移動手段は、前記感光性基板を
保持し且つ前記投影光学系に対して移動可能な基板ステ
ージを有し、前記コマ収差測定装置の前記計測部材は、前記基板ステ
ージ上において前記感光位基板の露光面に対応する位置
に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の投
影露光装置。
【請求項６】前記処理系からの出力に基づいて前記投
影光学系に残存するコマ収差を補正するための補正系が
さらに配置されていることを特徴とする請求項４または
５に記載の投影露光装置。
【請求項７】請求項４乃至６のいずれか１項に記載の
投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する方法に
おいて、前記投影光学系の物体面に前記計測用パターンが形成さ
れた前記基準部材を設定し、前記コマ収差測定装置によ
って前記投影光学系に残存するコマ収差を計測する計測
工程と、前記投影光学系に残存するコマ収差を補正する補正工程
と、前記投影光学系の物体面に転写用パターンが形成された
転写用マスクを設定し、該転写用マスクを前記照明光学
系により照明する露光用照明工程と、前記投影光学系を介して前記転写用マスクのパターンを
前記感光性基板に露光する露光工程とを含むことを特徴
とする半導体デバイスの製造方法。