JPWO2004059710A1 - Aberration measuring method, exposure method, and exposure apparatus - Google Patents

Aberration measuring method, exposure method, and exposure apparatus Download PDF

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Abstract

投影光学系（ＰＬ）の結像特性の１つである偶関数収差の収差量と計測マーク（ＰＭ）の空間像に対応する光強度分布に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさとの関係を利用して、計測マーク（ＰＭ）に対応する光強度信号を得て、その光強度信号に含まれる所定次数、例えば１次の空間周波数成分の大きさを計測し、計測されたその大きさに基づいて投影光学系（ＰＬ）の偶関数収差の収差量を算出する。Relationship between the aberration amount of even function aberration, which is one of the imaging characteristics of the projection optical system (PL), and the magnitude of the spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity distribution corresponding to the aerial image of the measurement mark (PM) Is used to obtain a light intensity signal corresponding to the measurement mark (PM), measure a predetermined order included in the light intensity signal, for example, the magnitude of the primary spatial frequency component, and the measured magnitude Based on the above, the amount of aberration of the even function aberration of the projection optical system (PL) is calculated.

Description

本発明は、収差計測方法、露光方法及び露光装置に係り、さらに詳しくは、投影光学系の収差を計測する収差計測方法、該収差計測方法を含む露光方法、及び投影光学系の収差を計測するのに好適な露光装置に関する。  The present invention relates to an aberration measurement method, an exposure method, and an exposure apparatus. More specifically, the present invention relates to an aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system, an exposure method including the aberration measurement method, and an aberration of the projection optical system. The present invention relates to an exposure apparatus suitable for the above.

従来より、半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）のパターンを、投影光学系を介して、表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板上に転写する投影露光装置、例えばステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッパ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が用いられている。
半導体素子等を製造する場合には、異なる回路パターンを基板上に幾層にも積み重ねて形成する必要があるため、上述のパターンを転写する投影露光装置には、回路パターンが描画されたレチクルを、基板上の各ショット領域に既に形成されたパターンに正確に重ね合わせて転写可能であることが求められている。かかる重ね合わせ転写を精度良く実行するため、その投影露光装置の投影光学系の結像特性が適切に調整されていることが必要不可欠となる。
投影光学系の結像特性を適切に調整するには、まず、その結像特性を正確に計測する必要がある。この結像特性の計測方法として、所定のパターンが形成された計測用マスクを用いて露光を行い、そのパターンの投影像が転写形成された基板を現像することによって得られるレジスト像を計測した計測結果に基づいて結像特性を算出する方法（以下、「焼き付け法」と呼ぶ）が、主として用いられている。これに対し、実際に基板を露光することなく、計測用マスクの計測マークが照明光により照明され投影光学系によって投影され形成された計測用パターンの空間像（投影像）を計測し、この計測結果に基づいてその投影光学系の結像特性を算出する方法（以下、「空間像計測法」と呼ぶ）も行われている。かかる空間像の計測及びこれに基づく投影光学系の結像特性の算出については、例えば、特開平１０−１７０３９９号公報に開示されている。
また、複数の回折格子を照明し、投影光学系を介して得られる各回折格子の像強度を、投影光学系の複数のフォーカス位置にて計測し、その結果に基づいてその投影光学系の波面収差を求める方法が開示されている（例えば、特開２００１−５７３３７号公報及びこれに対応する米国特許第６，３６０，０１２号等参照）。
しかしながら、投影光学系の波面収差を計測する上述の方法には、以下に示す不都合があった。
（１） 複数のフォーカス位置で像強度を計測する必要があり、計測に時間を要する。
（２） 複数の回折格子の像強度をそれぞれ計測する必要があり、計測に時間を要する。
（３） 照明系がコヒーレント照明系であることを前提としているため、照明系のコヒーレンスファクタが大きい場合に、計測精度が低下する。
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、投影光学系の収差を短時間で精度良く計測することができる収差計測方法を提供することにある。
また、本発明の第２の目的は、マスクのパターンを基板上に精度良く転写することができる露光方法を提供することにある。
また、本発明の第３の目的は、マスクのパターンを基板上に精度良く転写することができる露光装置を提供することにある。Conventionally, when a semiconductor element or a liquid crystal display element or the like is manufactured by a photolithography process, a pattern of a photomask or a reticle (hereinafter, collectively referred to as “reticle”) is formed on a surface with a photoresist or the like via a projection optical system. Projection exposure apparatus that transfers onto a substrate such as a wafer or a glass plate coated with a photosensitive agent, such as a step-and-repeat type reduction projection exposure apparatus (so-called stepper), or a step-and-scan type scanning projection. An exposure apparatus (so-called scanning stepper) or the like is used.
When manufacturing a semiconductor element or the like, it is necessary to form different circuit patterns by stacking them on a substrate. Therefore, a projection exposure apparatus for transferring the above pattern includes a reticle on which a circuit pattern is drawn. Therefore, it is required to be able to accurately superimpose and transfer the pattern already formed on each shot area on the substrate. In order to execute such superposition transfer with high accuracy, it is essential that the imaging characteristics of the projection optical system of the projection exposure apparatus are appropriately adjusted.
In order to appropriately adjust the imaging characteristics of the projection optical system, it is first necessary to accurately measure the imaging characteristics. As a method for measuring this imaging characteristic, measurement is performed by measuring a resist image obtained by performing exposure using a measurement mask on which a predetermined pattern is formed and developing a substrate on which a projection image of the pattern is transferred and formed. A method of calculating imaging characteristics based on the result (hereinafter referred to as “baking method”) is mainly used. On the other hand, without actually exposing the substrate, the measurement mark of the measurement mask is illuminated with illumination light and a spatial image (projected image) of the measurement pattern formed by projection by the projection optical system is measured. A method of calculating the imaging characteristics of the projection optical system based on the result (hereinafter referred to as “aerial image measurement method”) is also performed. The measurement of the aerial image and the calculation of the imaging characteristics of the projection optical system based thereon are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-170399.
In addition, a plurality of diffraction gratings are illuminated, and the image intensity of each diffraction grating obtained through the projection optical system is measured at a plurality of focus positions of the projection optical system, and based on the result, the wavefront of the projection optical system is measured. A method for obtaining aberration is disclosed (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-57337 and US Pat. No. 6,360,012 corresponding thereto).
However, the above-described method for measuring the wavefront aberration of the projection optical system has the following disadvantages.
(1) It is necessary to measure the image intensity at a plurality of focus positions, and the measurement takes time.
(2) It is necessary to measure the image intensities of a plurality of diffraction gratings, and the measurement takes time.
(3) Since it is assumed that the illumination system is a coherent illumination system, the measurement accuracy decreases when the coherence factor of the illumination system is large.
The present invention has been made under such circumstances, and a first object thereof is to provide an aberration measuring method capable of accurately measuring the aberration of the projection optical system in a short time.
A second object of the present invention is to provide an exposure method capable of accurately transferring a mask pattern onto a substrate.
A third object of the present invention is to provide an exposure apparatus that can accurately transfer a mask pattern onto a substrate.

本発明は、第１の観点からすると、投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、前記投影光学系の有効視野内に周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して所定の計測用パターンを相対的に走査して該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を行う工程と；前記光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する工程と；を含む第１の収差計測方法である。
一般に、投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数（これをＷ（ρ、θ）とする。Ｗは極座標形式で表されており、ρは投影光学系の射出瞳の半径方向の規格化された瞳位置であり、θは角度である。）は、その動径ρと角度θの変数が分離した形で表される完全直交系の動径多項式、例えば以下の式（１）に示されるフリンジツェルニケの多項式を用いて級数展開することが可能である。

Figure 2004059710
ここで、Ｚｉは、投影光学系の諸収差の大きさを表す係数である。なお、一例として第１項〜第３７項までのｆｉを例示すると、次の表１のようになる。
Figure 2004059710
Figure 2004059710
上記表１に示されるように、動径多項式の各項のｆｉ（ρ，θ）は、動径（ρ）と角度（θ）の変数が分離した形で表現される。このうち、動径（ρ）で表される部分は動径関数と呼ばれる。
また、動径多項式の各項は、その動径関数が奇関数であるものと偶関数であるものとに分類することができる。例えば、表１に示されるｆ７及びｆ８については、その動径関数がともに３ρ３−２ρで、奇関数であり、ｆ５及びｆ６は、その動径関数がともにρ２で、偶関数となっている。このように、その角度成分ｍθ（ｍを０又は自然数とする）のｍが奇数である場合には、その動径関数が奇関数となり、ｍが０又は偶数である場合には、その動径関数が偶関数となる。このように、動径関数が奇関数で表される収差を奇関数収差と呼び、偶関数で表される収差を偶関数収差と呼ぶ。
ところで、一般的に、物面上のパターンの空間像を像面上に投影する投影光学系は、物面上のパターンから発せられた複数の回折光を像面上に集光させ、そのパターンの像を像面上に結像させる。しかしながら、それらの回折光が通過する投影光学系の射出瞳における位置はそれぞれ異なるため、投影光学系の収差が存在する場合には、各回折光の結像状態がその収差の影響を受ける。特に、その投影光学系に偶関数収差が存在する場合、各次の回折光の結像位置は、投影光学系の光軸方向にそれぞれずれるようになる。この場合、その光軸方向に関する如何なる位置も、各次の回折光のうちのいずれかについては、最適な結像位置からずれた位置となる。ある回折光の最適な結像位置からずれた位置では、その回折光による光強度分布に含まれる空間周波数成分の大きさは、最適な結像位置でのその空間周波数成分の大きさよりも小さくなる。
本発明者は、投影光学系の結像特性の１つである偶関数収差の収差量とそのパターンの空間像に対応する光強度分布に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさとが、所定の関係にあることをつきとめた。本発明では、この関係を利用して、周期パターンを含む計測マークに対応する光強度信号を得て、その光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさを計測し、計測された大きさに基づいて投影光学系の偶関数収差の収差量を算出する。このようにすれば、１つの周期パターンの空間像に対応する光強度信号（光強度分布）を、１回計測するだけで偶関数収差の収差量を計測することができるため、短時間で偶関数収差を求めることができる。
また、前述の偶関数収差の収差量とそのパターンの空間像に対応する光強度分布に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさとの関係は、部分コヒーレント照明系を前提として定められたものであるため、本発明を用いれば、照明系のコヒーレンスファクタが大きくても、精度良く偶関数収差を計測することが可能となる。
この場合において、前記算出する工程で算出された偶関数収差の収差量に基づいて前記投影光学系の結像特性を調整したうえで、前記空間像計測及び前記偶関数収差の収差量算出を再び実行し、今回算出された偶関数収差の収差量と前回算出された偶関数収差の収差量との比較結果に基づいて、前記偶関数収差の極性を決定する工程をさらに含むこととすることができる。
空間像計測により計測された光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさは、偶関数収差の収差量に対してほぼ余弦関数状に変化する。余弦関数は偶関数であるため、前記空間像計測及び前記偶関数収差算出を１回実行しただけでは、偶関数収差の収差量の大きさを求めることはできるが、その収差量の極性まで求めることはできない。従って、本発明では、その収差量の極性を仮に決めておいて投影光学系の結像特性を調整し、その調整後に再び前記空間像計測及び前記偶関数収差算出を実行して偶関数収差の収差量を求め、その収差量と前回の収差量とを比較して、偶関数収差の収差量の極性を決定する。具体的には、今回計測された偶関数収差の収差量が前回計測された偶関数収差の収差量よりも小さくなっている場合には、その極性が所期のもの（仮に決めておいた極性）であったと判断し、大きくなっている場合にはその極性が所期のものとは反対であったと判断する。ここで、偶関数収差の収差量の「極性」とは、投影光学系の光軸方向に関するその収差の向きをいう。
また、本発明の第１の収差計測方法において、前記所定次数の空間周波数成分の大きさが最大となる前記投影光学系の光軸方向に関する位置から所定のオフセットを有する位置で、前記空間像計測を実行し、前記所定のオフセットを有する位置における前記偶関数収差の収差量の変化に対する前記所定次数の空間周波数成分の大きさの変化の特性を求め、その特性に基づいて前記偶関数収差の収差量の極性を決定することとすることができる。
これによれば、光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分に着目し、その空間周波数成分の大きさが最大となる投影光学系の光軸方向に関する位置を、例えばシミュレーション等によって求めておく。そして、所定の計測用パターンを走査するその光軸方向の位置を、空間周波数成分の大きさが最大となる位置から所定のオフセットを有する位置に設定したうえで、空間像計測を実行し、さらに、投影光学系の結像特性を調整して偶関数収差の収差量を変化させながら空間像計測を実行し、偶関数収差の収差量の変化に対するその空間周波数成分の大きさの変化の特性を求める。この特性からその偶関数収差の収差量の極性を容易に求めることができる。
この場合において、前記所定のオフセットとして、前記投影光学系の数学モデルを用いたシミュレーションによって算出された前記投影光学系の特性に基づいて決定されたオフセットを用いることとすることができる。
また、この場合において、前記所定次数の空間周波数成分の大きさがほぼ０となるように前記所定のオフセットを決定することとすることができる。
本発明は、第２の観点からすると、投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、前記投影光学系の有効視野内に周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して所定の計測用パターンを相対的に走査して該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置について実行する工程と；前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその所定次数の高調波成分の大きさが最大となる位置との前記投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する工程と；を含む第２の収差計測方法である。
これによれば、前述のように、各次数の回折光の結像位置は、投影光学系の偶関数収差によって投影光学系の光軸方向にずれるようになる。そのため、投影光学系の光軸方向の位置について、上記の空間像計測により得られる光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置と、所定次数の高調波成分の大きさが最大となる位置とに位置ずれが発生する。
本発明者は、投影光学系の結像特性に含まれる偶関数収差の収差量と前述の位置ずれとが、所定の関係にあることをつきとめた。本発明では、この関係を利用して、その周期パターンを含む計測マークに対応する光強度信号を投影光学系の光軸方向に関する複数の位置で得て、その光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置と、所定次数の空間周波数成分の大きさが最大となる位置のその光軸方向に関する位置ずれを計測し、計測された位置ずれに基づいて投影光学系の偶関数収差の収差量を算出する。このようにすれば、１つの周期パターンの空間像に対応する光強度信号を計測するだけで偶関数収差を計測することができるため、周期パターンの製造誤差に関わらず、短時間で精度良く偶関数収差を求めることができる。また、パターンの製造誤差のみならず、偶関数収差の１つであるフォーカス位置を検出するフォーカスセンサのゆらぎなどによる誤差も複数の周波数成分を同時に計測するために相殺されるので、短時間で精度良く偶関数収差を求めることができる。
また、この場合において、前記空間像を、周期パターンの周期が異なる複数の前記計測マークについて実行し、前記収差量の算出に際し、計測マーク毎に得られる前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその高調波成分の大きさが最大となる位置との位置ずれと、前記各計測マークにおける位置ずれの変化に対応する複数の偶関数収差の感度とに基づいて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することとすることができる。
前述のように、偶関数収差には、低次及び高次の球面収差等が含まれており、低次の球面収差と高次の球面収差とを分離する必要がある場合もある。周期が異なる周期パターンでは、０次回折光の進行方向と各次の回折光の進行方向とのなす角度の大きさはそれぞれ異なり、同じ次数の回折光の投影光学系の射出瞳上の通過位置も、それぞれの周期によって異なったものとなる。そのため、周期パターンの周期が異なれば、その周期パターン毎に得られる空間周波数成分の大きさが最大となる位置間の位置ずれと、各位置ずれの変化に対応する複数の偶関数収差（低次の球面収差及び高次の球面収差等）の感度とは当然異なったものとなる。従って、周期パターン毎に求められる位置ずれと、その周期パターン毎に異なる偶関数収差の感度とを用いて、例えばそれらに基づいて作成される連立方程式を解くことによって、それぞれの偶関数収差、例えば低次の球面収差の成分と高次の球面収差の成分とを抽出することが可能となる。
この場合、前記各計測マークにおける前記位置ずれと前記複数の偶関数収差の感度とに基づいて、最小二乗法を用いて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することとすることができる。
本発明の第１、第２の収差計測方法の各々では、前記所定次数は、奇数であることとすることができる。
なお、投影光学系の光軸方向に関して、基本周波数成分の大きさが最大となる位置と、偶数次、例えば２次の高調波成分の大きさが最大となる位置との位置ずれに基づいて偶関数収差の収差量を求めることも可能であるが、特に、計測マークの周期パターンが、デューティが５０％で、その像強度が矩形状に変化するようなパターンである場合には、その偶数次の回折光の強度はほぼ０となる。従って、奇数次の高調波成分を用いた方が、周期パターンの製造誤差や空間像を計測する計測器の入出力特性などの影響を受けにくくなる。また、このような場合、空間像に含まれる偶数次の高調波成分は、複数次数の空間周波数成分のビート成分となるため、例えば５次の高調波成分や７次の高調波成分の存在の有無によって、その大きさが変化し、不安定となる。そのため、奇数次の高調波成分を用いた方が、偶関数収差の収差量を精度良く算出することができる場合が多い。
また、本発明の第１、第２の収差計測方法の各々では、前記偶関数収差は球面収差であることとすることができる。
また、本発明の第１、第２の収差計測方法の各々では、前記計測用パターンは、ピンホールパターンであってもよい。
本発明は、第３の観点からすると、投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、周期が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向と垂直な方向に並列に配置された計測マークを、前記投影光学系の有効視野内に位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記垂直な方向における前記空間像の長さ以上の長さを前記垂直な方向に有する計測用パターンを相対的に走査させながら、前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向に関する少なくとも１つの位置について実行する工程と；前記光強度信号に含まれる前記各周期パターンに対応する空間周波数成分の位相及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する工程と；を含む第３の収差計測方法である。
これによれば、並列に配置された周期が互いに異なる複数の周期パターンを含む計測マークの空間像に対して走査させる計測用パターンの長さを、周期パターンの周期方向に垂直な方向における計測マークの空間像の長さ以上としている。従って、この計測用パターンを用いれば、１回の走査で全ての周期パターンを介した照明光の光強度信号を得ることができるようになる。そのため、投影光学系の収差の計測に要する時間を短縮することができるようになる。
この場合において、前記複数の周期パターンでは、最小周期に対する最大周期の比が３倍以下であることとすることができる。かかる場合には、最大周期の周期パターンに対応する３次の高調波成分と、最小周期の周期パターンに対応する基本周波数成分とが混在して、投影光学系の収差の計測精度が低下するのを防止することができる。
本発明の第３の収差計測方法では、前記収差量の算出に際し、前記光強度信号に含まれる前記各周期パターンに対応する空間周波数成分同士の位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出することとすることができる。
周期パターンの周期に応じ、そのパターンにより発生する回折光の回折角度はそれぞれ異なり、その回折光の射出瞳上の通過位置が、周期パターン毎に異なったものとなる。そのため、それぞれの周期パターンに対応する空間周波数成分の位相はずれるようになる（横ずれ）。従って、計測された光強度信号に含まれる各周期パターンにそれぞれ対応する空間周波数成分の間の位相差を計測すれば、投影光学系の奇関数収差の収差量を求めることができる。
この場合において、前記計測マークに配置された少なくとも３つの周期パターンから選択される一対の周期パターンの組合せにおいてそれぞれ算出される空間周波数成分同士の位相差と、前記各位相差の変化に対応する複数の奇関数収差の感度とに基づいて、前記複数の奇関数収差の各々の収差量を算出することとすることができる。かかる場合には、複数の位相差の変化に対する複数の奇関数収差の感度に基づいて、各奇関数収差の分離が可能となる。
この場合において、前記各位相差と前記複数の奇関数収差の感度とに基づいて、最小二乗法を用いて、前記複数の奇関数収差の各々の収差量を求めることとすることができる。
また、本発明の第３の収差計測方法では、前記複数の周期パターンには、基本周期を有する第１周期パターンと、前記基本周期とは異なる所定周期を有する少なくとも一対の第２周期パターンとが含まれており、前記一対の第２周期パターンは、前記第１周期パターンを挟んで、互いの前記周期方向の位相差がほぼ０となるように配設されていることとすることができる。
これによれば、基本周期を有する第１周期パターンを挟むように、同じ周期を有する一対の第２周期パターンが、周期方向の互いの位相差がほぼ０となるように配設されている。このようにすれば、それらの空間周波数成分の位相差に基づいて奇関数収差の収差量を計測する際に、それらの周期パターンの周期方向と計測用パターンの走査方向との誤差である回転誤差をキャンセルして、奇関数収差を精度良く計測することができる。
また、本発明の第３の収差計測方法では、前記空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置についてそれぞれ実行し、前記光強度信号に含まれる前記複数の周期パターンのうちの第１周期パターンの周期に対応する空間周波数成分の大きさが最大となる位置と前記複数の周期パターンのうちの第２周期パターンの周期に対応する空間周波数成分の大きさが最大となる位置との前記投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出することとすることができる。
これによれば、周期が異なる周期パターンでは、回折光の回折角度がそれぞれ異なるため、その回折光の射出瞳上の通過位置は、周期パターン毎に異なったものとなる。従って、それぞれの周期パターンによって、各次回折光の結像位置が、投影光学系の光軸方向にずれるようになる。すなわち、周期パターンによって、その空間周波数成分の大きさが最大となる投影光学系の光軸方向の位置がずれる。そのため、周期パターン間におけるその位置ずれの大きさを計測すれば、偶関数収差の収差量を求めることができるようになる。
この場合において、前記周期パターン毎に得られる前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその奇数次の高調波成分の大きさが最大となる位置との位置ずれと、前記各周期パターンにおける前記位置ずれの変化に対応する複数の偶関数収差の感度とに基づいて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することとすることができる。かかる場合には、周期パターンの周期の変化に対する偶関数収差との感度に基づいて、例えばそれらに基づいて連立一次方程式を作成し、それを解けば、全体の偶関数収差の収差量を、複数の偶関数収差成分に分離することが可能となる。
この場合において、前記各周期パターンにおける前記位置ずれと前記複数の偶関数収差の感度とに基づいて、最小二乗法を用いて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することとすることができる。
また、本発明の第１、第２、第３の収差計測方法の各々では、前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であり、前記計測用パターンは、スリットパターンであることとすることができる。
本発明は、第４の観点からすると、投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、前記投影光学系の有効視野内に、線幅が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向に混在するように配置された少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を行う工程と；前記光強度信号に含まれる、前記各周期パターンに対応する空間周波数成分の位相及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する工程と；を含む第４の収差計測方法である。
これによれば、計測マークが、線幅の異なる複数の周期パターンを含むので、その空間像の中に、それぞれの周期パターンに対応する大きな空間周波数成分が含まれるようになる。そのため、投影光学系の収差量の指標となるそれらの成分の大きさが大きくなるので、求める収差量の計測値のＳ／Ｎ比を向上させることができるようになり、高精度に収差量を計測することができるようになる。また、計測対象となる複数の空間周波数成分の大きさを均一化させることができるようになるので、光強度信号を計測するための検出装置の非線形性の影響を低減することができるようになり、高精度に収差量を計測することができるようになる。
この場合において、前記各周期パターンは、互いに周期が同一でデューティ比が異なるパターンであることとすることができる。
この場合において、前記各周期パターンの線幅は、前記周期の自然数分の一であることとすることができる。
この場合において、前記計測マークでは、前記複数の周期パターンとして、光透過部と遮光部との比が１：１である第１周期パターンと、光透過部と遮光部との比が１：ｍ（ｍは奇数）の第２周期パターンとが配置されており、前記第１周期パターンの遮光部であって、前記第１周期パターンのみから成る計測マークを用いて前記空間像計測を実行したときに得られる光強度信号に含まれる（ｍ＋１）／２次の空間周波数成分の極性が負である部分に対応する部分に、前記第２周期パターンの光透過部が形成されていることとすることができる。
このようにすれば、第１周期パターンに対応するその高調波成分と、第２周期パターンに対応する基本周波数成分とがその周期方向にほぼ完全に一致ようになり、結果的に、第１周期パターンに対応する高調波成分が強調されるようになる。したがって、その高調波成分のＳ／Ｎ比を向上させることができ、結果的に、投影光学系の収差を精度良く検出することができるようになる。また、基本波と高調波の同時測定は、計測用パターンの位置を計測するための干渉計のゆらぎを相殺することができ、有利である。また、計測用パターンがピンホールパターンのような、複数のパターンを併置不可である場合には特に有用である。
また、本発明の第４の収差計測方法において、前記計測マークでは、前記複数の周期パターンとして、光透過部と遮光部との比が１：１である第１周期パターンと、光透過部と遮光部との比が１：ｍ（ｍは奇数）の第２周期パターンとが配置されており、前記第１周期パターンの光透過部であって、前記第１周期パターンのみから成る計測マークを用いて前記空間像計測を実行したときに得られる光強度信号に含まれる（ｍ＋１）／２次の空間周波数成分の極性が正である部分に対応する部分に、前記第２周期パターンの遮光部が形成されていることとすることができる。
また、本発明の第１〜第４の収差計測方法の各々では、前記計測用パターンとして、互いに長手方向が交差する複数のスリットパターンを含むこととすることができる。
この場合において、前記計測用パターンとして、ピンホールパターンをさらに含むこととすることができる。
この場合において、前記周期方向が互いに交差する複数の前記計測マークを有することとすることができる。
これによれば、計測時間を短縮する場合には、スリットパターンを計測用パターンとして選択すればよく、投影光学系の収差の計測精度をより高めようとする場合には、ピンホールパターンを計測用パターンとして選択し、周期方向が互いに交差する複数の計測マークを用いて、計測マーク毎に投影光学系の収差の計測を行うようにすればよい。すなわち、本発明では、要求される計測時間や計測精度に応じた適切な計測を実行することができる。
また、この場合において、前記スリットパターンと前記ピンホールパターンとは、前記空間像に対して前記スリットパターンを相対的に走査する際に、前記ピンホールパターンが前記空間像に干渉することなく、かつ前記空間像に対して前記ピンホールパターンを相対走査する際に、前記スリットパターンが前記空間像に干渉することのない位置関係となるように配置されていることとすることができる。
これによれば、オペレータがいずれの計測用パターンを選択しても、計測していない方の計測用パターンを通過した光の影響を受けることなく、高精度な収差計測を行うことが可能となる。特に、計測用パターンを通過した光を検出する光センサが１つである場合には、この効果は顕著に現れる。
本発明は、第５の観点からすると、投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、前記投影光学系の有効視野内に周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して所定の計測用パターンを相対的に走査して該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の第１の収差を複数の収差量に設定したときの各々について実行する工程と；前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の、前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量を評価量として少なくとも１つの第２の収差の収差量を算出する工程と；を含む第５の収差計測方法である。
これによれば、計測用パターンを投影光学系の光軸方向に関する複数の位置に位置決めする必要がないため、例えば、その位置決めを行うための検出器（例えばフォーカスセンサ）のゆらぎや非線形性等の計測精度による影響を受けることなく、収差計測を高精度、短時間に実行することができる。
この場合において、前記第２の収差が複数ある場合には、前記空間像計測を、周期パターンの周期が異なる複数の前記計測マークについて実行し、前記収差量の算出に際し、前記計測マーク毎に得られる、前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量と、前記各計測マークにおける複数の第２の収差各々の変化に対する第１の収差換算の前記所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化の割合とに基づいて、前記複数の第２の収差の各々の収差量を算出することとしてもよいし、前記第２の収差が複数ある場合には、前記空間像計測を、複数の光学条件の下で実行し、前記収差量の算出に際し、前記光学条件毎に得られる、前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量と、前記各光学条件における複数の第２の収差各々の変化に対する第１の収差換算の前記所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化の割合とに基づいて、前記複数の第２の収差の各々の収差量を算出することとしてもよい。
本発明の第５の収差計測方法では、前記第１の収差及び前記第２の収差はともに、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差であって、前記第１の収差は前記第２の収差よりも低次の項であることとすることができる。かかる場合には、高次の偶関数収差を高精度、かつ短時間に計測することができる。
本発明の第１〜第５の収差計測方法の各々では、前記光強度信号に含まれる空間周波数成分の振幅を、その大きさの評価量とすることとしてもよいし、前記光強度信号に含まれる空間周波数成分のコントラストを、その大きさの評価量とすることとしてもよい。
ここで、コントラストとは、その空間周波数成分の振幅を、光強度信号に含まれる直流成分で除したものである。このコントラストを評価量とすることによって、例えば照明光の光源の光量変化に対する収差計測への影響を緩和することができるようになる。
本発明の第１〜第５の収差計測方法の各々では、前記計測用パターンは、前記相対走査方向に関してその幅が前記空間像の幅と同程度以下であることとすることができる。
本発明は、第６の観点からすると、マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光方法であって、本発明の第１ないし第５の収差計測方法のいずれかによって、前記投影光学系の収差を計測する工程と；前記計測された収差に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する工程と；前記調整後の前記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。
これによれば、本発明の収差計測方法によって、投影光学系の収差を精度良く計測することができ、その計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性を調整することができるため、結像特性が適切な状態に調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体に精度良く転写することが可能となる。
本発明は、第７の観点からすると、マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；前記光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する処理装置と；前記計測された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える第１の露光装置である。
これによれば、空間像計測装置によって計測された光強度信号に含まれる所定次数の基本周波数成分との大きさに基づいて、投影光学系の偶関数収差が処理装置によって精度良く算出される。さらに、算出された偶関数収差に基づいて、投影光学系の結像特性が調整装置によって調整され、結像特性が適切な状態に調整される。従って、この結像特性が調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体上に精度良く転写することが可能となる。
本発明は、第８の観点からすると、マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向に関する複数の位置について実行する空間像計測装置と；前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその所定次数の高調波成分の大きさが最大となる位置との前記投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する処理装置と；前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える第２の露光装置である。
これによれば、空間像計測装置によって計測された光強度信号から、基本周波数成分の大きさが最大となる位置と所定次数の空間周波数成分の大きさが最大となる位置との投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、投影光学系の偶関数収差が処理装置によって精度良く算出される。さらに、計測された偶関数収差に基づいて、投影光学系の結像特性が調整装置によって調整され、結像特性が適切な状態に調整される。従って、この結像特性が調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体上に精度良く転写することが可能となる。
本発明は、第９の観点からすると、マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、周期が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向と垂直な方向に並列に配置されている少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、前記垂直な方向における前記空間像の長さ以上の長さを前記垂直な方向に有する計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；前記光強度信号に含まれる前記各周期パターンの周期に対応する奇数次の空間周波数成分の位相差及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する処理装置と；前記計測された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える第３の露光装置である。
これによれば、計測用パターンの長さを、周期が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向と垂直な方向に並列に配置されている計測マークの空間像のその垂直な方向の長さ以上としているため、この計測用パターンを用いれば、１回の走査で、すべての周期パターンを介した照明光の光強度信号を得ることができる。このようにすれば、空間像計測装置による１回の空間像計測により、処理装置によって投影光学系の収差を計測することができるようになるので、投影光学系の収差の計測に要する時間を短縮することができるようになる。
本発明は、第１０の観点からすると、マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、線幅が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向に混在するように配置された少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；前記光強度信号に含まれる、前記各周期パターンに対応する空間周波数成分の位相及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する処理装置と；前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える第４の露光装置である。
これによれば、計測マークが、線幅の異なる複数の周期パターンを含むので、その空間像の中に、それぞれの周期パターンに対応する大きな空間周波数成分が含まれるようになる。そのため、投影光学系の収差量の指標となるそれらの成分の大きさが大きくなるので、求める収差量の計測値のＳ／Ｎ比を向上させることができるようになり、高精度に収差量を計測することができるようになる。また、計測対象となる複数の空間周波数成分の大きさを均一化させることができるようになるので、光強度信号を計測するための検出装置の非線形性の影響を低減することができるようになり、高精度に投影光学系の収差量を計測することができるようになる。そして、精度良く計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性が調整装置によって調整されるので、結像特性が適切な状態に調整される。従って、この結像特性が調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体に精度良く転写することが可能となる。
本発明は、第１１の観点からすると、マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の第１の収差を複数の収差量に設定したときの各々について実行する空間像計測装置と；前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の、前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量を評価量として少なくとも１つの第２の収差の収差量を算出する処理装置と；前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える第５の露光装置である。
これによれば、計測用パターンを投影光学系の光軸方向に関する複数の位置に位置決めする必要がないため、例えば、その位置決めを行うための検出器（例えばフォーカスセンサ）のゆらぎや非線形性等の計測精度による影響を受けることなく、収差計測を、空間像計測装置及び処理装置によって、高精度、短時間に実行することができる。そして、精度良く計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性が調整装置によって調整されるので、結像特性が適切な状態に調整される。従って、この結像特性が調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体に精度良く転写することが可能となる。
本発明の第１ないし第５の露光装置の各々では、前記パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージを更に備え、前記マーク形成部材は、前記マスクステージ上に配置された基準マーク板であることとすることができる。According to a first aspect of the present invention, there is provided an aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system, wherein at least one measurement mark including a periodic pattern is positioned in an effective field of view of the projection optical system. Illuminating the measurement mark with illumination light, forming the aerial image of the measurement mark with the projection optical system, and performing predetermined measurement on the aerial image at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system A process of performing spatial image measurement to relatively scan a pattern for detection, photoelectrically detect the illumination light obtained through the measurement pattern during the scan, and obtain a light intensity signal corresponding to the spatial image; The radial diameter of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system based on the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order included in the light intensity signal Function A step of calculating aberration of even function aberration is expressed by a function; a first aberration measuring method comprising.
In general, an aberration function indicating wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system (this is W (ρ, θ). W is expressed in a polar coordinate format, and ρ is a radial direction of the exit pupil of the projection optical system. Is a standardized pupil position, and θ is an angle.) Is a complete orthogonal radial polynomial, for example, the following equation (1): Series expansion can be performed using the Fringe Zernike polynomial shown in FIG.
Figure 2004059710
Where Z i Is a coefficient representing the magnitude of various aberrations of the projection optical system. As an example, f from 1st to 37th terms i Is shown in Table 1 below.
Figure 2004059710
Figure 2004059710
As shown in Table 1 above, f of each term of the radial polynomial i (Ρ, θ) is expressed in a form in which variables of the radius vector (ρ) and the angle (θ) are separated. Of these, the portion represented by the radius (ρ) is called the radius function.
Further, each term of the radial polynomial can be classified into those whose radial function is an odd function and those which are an even function. For example, f shown in Table 1 7 And f 8 For, both radial functions are 3ρ 3 -2ρ, an odd function, f 5 And f 6 Both have their radial functions ρ 2 And it is an even function. Thus, when m of the angular component mθ (m is 0 or a natural number) is an odd number, the radial function is an odd function, and when m is 0 or an even number, the radial diameter is m. The function becomes an even function. As described above, an aberration whose radial function is expressed by an odd function is called an odd function aberration, and an aberration expressed by an even function is called an even function aberration.
By the way, in general, a projection optical system that projects a spatial image of a pattern on the object surface onto the image surface condenses a plurality of diffracted lights emitted from the pattern on the object surface onto the image surface, and the pattern. Are formed on the image plane. However, since the positions at the exit pupil of the projection optical system through which the diffracted light passes are different, the imaging state of each diffracted light is affected by the aberration when there is an aberration of the projection optical system. In particular, when there is even function aberration in the projection optical system, the imaging position of each diffracted light is shifted in the optical axis direction of the projection optical system. In this case, any position in the direction of the optical axis is a position shifted from the optimum imaging position for any one of the diffracted lights of each order. At a position shifted from the optimum imaging position of a certain diffracted light, the magnitude of the spatial frequency component included in the light intensity distribution by the diffracted light is smaller than the magnitude of the spatial frequency component at the optimum imaging position. .
The inventor has determined that the amount of aberration of even function aberration, which is one of the imaging characteristics of the projection optical system, and the magnitude of the spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity distribution corresponding to the spatial image of the pattern are predetermined. I found out that there is a relationship. In the present invention, using this relationship, a light intensity signal corresponding to a measurement mark including a periodic pattern is obtained, and the magnitude of a spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity signal is measured and measured. The amount of aberration of the even function aberration of the projection optical system is calculated based on the size. In this way, the amount of aberration of even function aberration can be measured by measuring the light intensity signal (light intensity distribution) corresponding to the aerial image of one periodic pattern only once. Functional aberration can be obtained.
In addition, the relationship between the aberration amount of the even function aberration and the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order included in the light intensity distribution corresponding to the spatial image of the pattern is determined on the assumption of a partially coherent illumination system. Therefore, even if the present invention is used, even function aberration can be accurately measured even if the coherence factor of the illumination system is large.
In this case, after adjusting the imaging characteristics of the projection optical system based on the aberration amount of the even function aberration calculated in the calculating step, the aerial image measurement and the aberration amount calculation of the even function aberration are performed again. And a step of determining the polarity of the even function aberration based on a comparison result between the aberration amount of the even function aberration calculated this time and the aberration amount of the even function aberration calculated last time. it can.
The magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order included in the light intensity signal measured by the aerial image measurement changes in a substantially cosine function with respect to the aberration amount of the even function aberration. Since the cosine function is an even function, the magnitude of the aberration amount of the even function aberration can be obtained only by executing the aerial image measurement and the even function aberration calculation once, but the polarity of the aberration amount is obtained. It is not possible. Therefore, in the present invention, the polarity of the aberration amount is tentatively determined, the imaging characteristics of the projection optical system are adjusted, and after the adjustment, the aerial image measurement and the even function aberration calculation are performed again to perform even function aberration measurement. An aberration amount is obtained and the aberration amount is compared with the previous aberration amount to determine the polarity of the even aberration aberration amount. Specifically, when the amount of aberration of the even function aberration measured this time is smaller than the amount of aberration of the even function aberration measured last time, the polarity is the expected one (the tentatively determined polarity) If it is larger, the polarity is determined to be opposite to the intended one. Here, the “polarity” of the aberration amount of even function aberration refers to the direction of the aberration with respect to the optical axis direction of the projection optical system.
Further, in the first aberration measurement method of the present invention, the aerial image measurement is performed at a position having a predetermined offset from a position in the optical axis direction of the projection optical system where the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order is maximized. To determine the characteristic of the change in the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order with respect to the change in the amount of aberration of the even function aberration at the position having the predetermined offset, and the aberration of the even function aberration based on the characteristic The polarity of the quantity can be determined.
According to this, paying attention to a spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity signal, the position in the optical axis direction of the projection optical system where the magnitude of the spatial frequency component is maximized is obtained by, for example, simulation. . Then, after setting the position in the optical axis direction for scanning the predetermined measurement pattern to a position having a predetermined offset from the position where the size of the spatial frequency component is maximum, the aerial image measurement is performed, and The aerial image measurement is performed while adjusting the imaging characteristics of the projection optical system to change the aberration amount of the even function aberration, and the characteristics of the change in the magnitude of the spatial frequency component with respect to the change in the aberration amount of the even function aberration are measured. Ask. From this characteristic, the polarity of the aberration amount of the even function aberration can be easily obtained.
In this case, as the predetermined offset, an offset determined based on the characteristics of the projection optical system calculated by simulation using a mathematical model of the projection optical system can be used.
In this case, the predetermined offset can be determined so that the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order is substantially zero.
According to a second aspect of the present invention, there is provided an aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system, wherein at least one measurement mark including a periodic pattern is positioned in an effective field of view of the projection optical system. Illuminating the measurement mark with illumination light, forming the aerial image of the measurement mark with the projection optical system, and performing predetermined measurement on the aerial image at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system The projection optical system performs spatial image measurement by relatively scanning a pattern for scanning, photoelectrically detecting the illumination light obtained through the measurement pattern during scanning, and obtaining a light intensity signal corresponding to the spatial image. A step of executing a plurality of positions in the optical axis direction; a position where the magnitude of the fundamental frequency component included in the light intensity signal is maximized and a position where the magnitude of the harmonic component of the predetermined order is maximized in front The radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system based on the positional deviation in the optical axis direction of the projection optical system is an even function. Calculating an aberration amount of the even-function aberration expressed.
According to this, as described above, the imaging position of each order of diffracted light is shifted in the optical axis direction of the projection optical system due to the even function aberration of the projection optical system. Therefore, with respect to the position in the optical axis direction of the projection optical system, the position where the magnitude of the fundamental frequency component contained in the light intensity signal obtained by the aerial image measurement is the maximum and the magnitude of the harmonic component of the predetermined order are A positional deviation occurs at the maximum position.
The inventor has found that the aberration amount of the even function aberration included in the imaging characteristics of the projection optical system and the above-described positional deviation have a predetermined relationship. In the present invention, using this relationship, the light intensity signal corresponding to the measurement mark including the periodic pattern is obtained at a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system, and the fundamental frequency component included in the light intensity signal is obtained. Measure the positional deviation in the optical axis direction between the position where the magnitude of the maximum and the position where the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order is the maximum, and based on the measured positional deviation, the even function of the projection optical system The amount of aberration is calculated. In this way, even function aberration can be measured simply by measuring the light intensity signal corresponding to the aerial image of one periodic pattern. Functional aberration can be obtained. In addition to pattern manufacturing errors, errors due to fluctuations in the focus sensor that detects the focus position, which is one of even function aberrations, are offset to simultaneously measure multiple frequency components. The even function aberration can be obtained well.
In this case, the aerial image is executed for a plurality of the measurement marks having different periods of a periodic pattern, and when calculating the aberration amount, the fundamental frequency component included in the light intensity signal obtained for each measurement mark is calculated. Based on the positional deviation between the position where the magnitude is maximum and the position where the magnitude of the harmonic component is maximum, and the sensitivity of a plurality of even function aberrations corresponding to the change in positional deviation in each measurement mark, The amount of aberration of each of the plurality of even function aberrations can be calculated.
As described above, even-order aberration includes low-order and high-order spherical aberration and the like, and it may be necessary to separate low-order spherical aberration and high-order spherical aberration. In periodic patterns with different periods, the angle between the traveling direction of the 0th-order diffracted light and the traveling direction of each diffracted light is different, and the passing positions of the same-order diffracted light on the exit pupil of the projection optical system are also different. It will be different for each period. Therefore, if the period of the periodic pattern is different, the positional deviation between the positions where the magnitude of the spatial frequency component obtained for each periodic pattern is the maximum, and a plurality of even function aberrations (low order aberrations) corresponding to each positional deviation change. Naturally, the sensitivity of the spherical aberration and the higher-order spherical aberration is different. Therefore, by using the positional deviation obtained for each periodic pattern and the sensitivity of even function aberrations that differ for each periodic pattern, for example, by solving simultaneous equations created based on them, each even function aberration, for example, It is possible to extract a low-order spherical aberration component and a high-order spherical aberration component.
In this case, the amount of aberration of each of the plurality of even function aberrations is calculated using the least square method based on the positional deviation at each measurement mark and the sensitivity of the plurality of even function aberrations. Can do.
In each of the first and second aberration measurement methods of the present invention, the predetermined order may be an odd number.
It should be noted that with respect to the optical axis direction of the projection optical system, an even number is determined based on a positional deviation between a position where the magnitude of the fundamental frequency component is maximum and a position where the magnitude of the even-order, eg, second-order harmonic component is maximum. The amount of functional aberration can also be obtained. In particular, when the periodic pattern of the measurement mark is a pattern in which the duty is 50% and the image intensity changes to a rectangular shape, the even order The intensity of the diffracted light becomes almost zero. Therefore, the use of odd-order harmonic components is less susceptible to periodic pattern manufacturing errors and input / output characteristics of measuring instruments that measure aerial images. In such a case, even-order harmonic components included in the aerial image become beat components of multiple-order spatial frequency components. For example, the presence of fifth-order harmonic components or seventh-order harmonic components exists. Depending on the presence or absence, its size changes and becomes unstable. Therefore, in many cases, the odd-order harmonic components can be used to accurately calculate the amount of aberration of even function aberration.
In each of the first and second aberration measuring methods of the present invention, the even function aberration can be spherical aberration.
In each of the first and second aberration measurement methods of the present invention, the measurement pattern may be a pinhole pattern.
According to a third aspect of the present invention, there is provided an aberration measuring method for measuring an aberration of a projection optical system, wherein a plurality of periodic patterns having different periods are arranged in parallel in a direction perpendicular to the periodic direction. In a state perpendicular to the aerial image of the measurement mark formed through the projection optical system by illuminating the measurement mark with illumination light in a state of being positioned within the effective field of view of the projection optical system The illumination light obtained through the measurement pattern is photoelectrically detected while relatively scanning a measurement pattern having a length equal to or longer than the length of the aerial image in the vertical direction, and the aerial image is obtained. Executing aerial image measurement for obtaining a corresponding light intensity signal at least at one position in the optical axis direction of the projection optical system; and a sky corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal. A third aberration measuring method comprising: on the basis of at least one of the phase and magnitude of the frequency components, a step to calculate the aberration amount of the projection optical system.
According to this, the length of the measurement pattern to be scanned with respect to the aerial image of the measurement mark including a plurality of periodic patterns having different periods arranged in parallel is measured in the direction perpendicular to the periodic direction of the periodic pattern. More than the length of the aerial image. Therefore, if this measurement pattern is used, it becomes possible to obtain the light intensity signal of the illumination light through all the periodic patterns in one scan. Therefore, the time required for measuring the aberration of the projection optical system can be shortened.
In this case, in the plurality of periodic patterns, the ratio of the maximum period to the minimum period can be three times or less. In such a case, the third-order harmonic component corresponding to the periodic pattern of the maximum period and the fundamental frequency component corresponding to the periodic pattern of the minimum period are mixed, and the measurement accuracy of the aberration of the projection optical system is reduced. Can be prevented.
In the third aberration measurement method of the present invention, when calculating the amount of aberration, the exit pupil of the projection optical system is based on the phase difference between the spatial frequency components corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal. It is possible to calculate the aberration amount of the odd function aberration in which the radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the above wavefront aberration is expressed by an odd function.
Depending on the period of the periodic pattern, the diffraction angle of the diffracted light generated by the pattern is different, and the passing position of the diffracted light on the exit pupil is different for each periodic pattern. Therefore, the phase of the spatial frequency component corresponding to each periodic pattern is shifted (lateral shift). Therefore, if the phase difference between the spatial frequency components corresponding to each periodic pattern included in the measured light intensity signal is measured, the aberration amount of the odd function aberration of the projection optical system can be obtained.
In this case, the phase difference between the spatial frequency components calculated in the combination of a pair of periodic patterns selected from at least three periodic patterns arranged on the measurement mark, and a plurality of changes corresponding to changes in the respective phase differences The amount of aberration of each of the plurality of odd function aberrations can be calculated based on the sensitivity of the odd function aberration. In such a case, each odd function aberration can be separated based on the sensitivity of a plurality of odd function aberrations to a plurality of changes in phase difference.
In this case, the amount of aberration of each of the plurality of odd function aberrations can be obtained using the least square method based on the phase difference and the sensitivity of the plurality of odd function aberrations.
In the third aberration measurement method of the present invention, the plurality of periodic patterns include a first periodic pattern having a fundamental period and at least a pair of second periodic patterns having a predetermined period different from the fundamental period. The pair of second periodic patterns may be arranged so that a phase difference between the periodic directions is substantially zero with the first periodic pattern interposed therebetween.
According to this, a pair of second periodic patterns having the same period is arranged so that the phase difference between the periodic directions becomes substantially zero so as to sandwich the first periodic pattern having the basic period. In this way, when measuring the amount of aberration of odd function aberration based on the phase difference of those spatial frequency components, the rotation error that is the error between the periodic direction of those periodic patterns and the scanning direction of the measurement pattern The odd function aberration can be accurately measured by canceling the above.
In the third aberration measurement method of the present invention, the aerial image measurement is performed for each of a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system, and among the plurality of periodic patterns included in the light intensity signal. The position where the magnitude of the spatial frequency component corresponding to the period of the first periodic pattern is maximized and the position where the magnitude of the spatial frequency component corresponding to the period of the second periodic pattern among the plurality of periodic patterns is maximized. The radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system based on the positional deviation of the projection optical system with respect to the optical axis direction. The amount of aberration of the even function aberration represented by the even function can be calculated.
According to this, since the diffraction angles of the diffracted light are different in the periodic patterns having different periods, the passing positions of the diffracted light on the exit pupil are different for each periodic pattern. Therefore, the imaging position of each diffracted light is shifted in the optical axis direction of the projection optical system by each periodic pattern. That is, the position in the optical axis direction of the projection optical system where the magnitude of the spatial frequency component is maximum is shifted by the periodic pattern. Therefore, if the magnitude of the positional deviation between the periodic patterns is measured, the aberration amount of the even function aberration can be obtained.
In this case, a positional shift between a position where the magnitude of the fundamental frequency component included in the light intensity signal obtained for each periodic pattern is maximized and a position where the magnitude of the odd-order harmonic component is maximized. The amount of aberration of each of the plurality of even function aberrations can be calculated based on the sensitivity of the plurality of even function aberrations corresponding to the change in the positional deviation in each periodic pattern. In such a case, based on the sensitivity with the even function aberration with respect to the change of the period of the periodic pattern, for example, a simultaneous linear equation is created based on the sensitivity, and by solving it, the aberration amount of the entire even function aberration can be calculated. Can be separated into even function aberration components.
In this case, the amount of aberration of each of the plurality of even function aberrations is calculated using a least square method based on the positional deviation in each periodic pattern and the sensitivity of the plurality of even function aberrations. be able to.
In each of the first, second, and third aberration measurement methods of the present invention, the radial polynomial may be a Fringe Zernike polynomial, and the measurement pattern may be a slit pattern. .
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an aberration measuring method for measuring an aberration of a projection optical system, wherein a plurality of periodic patterns having different line widths are arranged in their periodic directions within an effective field of view of the projection optical system. With at least one measurement mark arranged so as to be mixed, the measurement mark is illuminated with illumination light to form an aerial image of the measurement mark with the projection optical system, and light of the projection optical system A predetermined measurement pattern is scanned relative to the aerial image at a position near the image plane in the axial direction, and the illumination light obtained through the measurement pattern is photoelectrically detected during the scanning, Performing aerial image measurement to obtain a light intensity signal corresponding to the aerial image; based on at least one of the phase and magnitude of the spatial frequency component corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal; A fourth aberration measuring method comprising: a step of calculating aberration amount of the projection optical system.
According to this, since the measurement mark includes a plurality of periodic patterns having different line widths, a large spatial frequency component corresponding to each periodic pattern is included in the spatial image. As a result, the magnitude of those components that serve as an index of the amount of aberration of the projection optical system increases, so that the S / N ratio of the measured value of the required amount of aberration can be improved, and the amount of aberration can be accurately determined. It becomes possible to measure. In addition, since the sizes of a plurality of spatial frequency components to be measured can be made uniform, it is possible to reduce the influence of nonlinearity of the detection device for measuring the light intensity signal. The aberration amount can be measured with high accuracy.
In this case, the respective periodic patterns may be patterns having the same period and different duty ratios.
In this case, the line width of each periodic pattern can be a natural number of the period.
In this case, in the measurement mark, as the plurality of periodic patterns, the ratio of the first periodic pattern in which the ratio of the light transmitting part to the light shielding part is 1: 1 and the ratio of the light transmitting part to the light shielding part is 1: m. (M is an odd number) second periodic pattern is arranged, and when the aerial image measurement is performed using a measurement mark that is a light-shielding portion of the first periodic pattern and includes only the first periodic pattern The light transmitting portion of the second periodic pattern is formed in a portion corresponding to a portion where the polarity of the (m + 1) / 2-order spatial frequency component included in the light intensity signal obtained is negative. Can do.
In this way, the harmonic component corresponding to the first periodic pattern and the fundamental frequency component corresponding to the second periodic pattern are almost completely matched in the periodic direction, and as a result, the first period The harmonic component corresponding to the pattern is emphasized. Accordingly, the S / N ratio of the harmonic component can be improved, and as a result, the aberration of the projection optical system can be accurately detected. Further, the simultaneous measurement of the fundamental wave and the harmonic wave is advantageous because it can cancel the fluctuation of the interferometer for measuring the position of the measurement pattern. Moreover, it is particularly useful when the measurement pattern cannot be arranged in parallel, such as a pinhole pattern.
In the fourth aberration measuring method of the present invention, in the measurement mark, as the plurality of periodic patterns, a first periodic pattern in which a ratio of a light transmitting part to a light shielding part is 1: 1, a light transmitting part, A second periodic pattern having a ratio of 1: m (m is an odd number) with respect to the light shielding portion is arranged, and is a light transmitting portion of the first periodic pattern, and includes a measurement mark composed of only the first periodic pattern. And a light shielding portion of the second periodic pattern in a portion corresponding to a portion where the polarity of the (m + 1) / 2-order spatial frequency component included in the light intensity signal obtained when the aerial image measurement is performed. Can be formed.
In each of the first to fourth aberration measurement methods of the present invention, the measurement pattern may include a plurality of slit patterns whose longitudinal directions intersect each other.
In this case, the measurement pattern may further include a pinhole pattern.
In this case, a plurality of the measurement marks whose periodic directions intersect with each other can be provided.
According to this, when the measurement time is shortened, the slit pattern may be selected as the measurement pattern, and when the measurement accuracy of the projection optical system aberration is to be increased, the pinhole pattern is used for the measurement. The aberration of the projection optical system may be measured for each measurement mark by using a plurality of measurement marks that are selected as patterns and whose periodic directions intersect each other. That is, in the present invention, it is possible to perform appropriate measurement according to the required measurement time and measurement accuracy.
Further, in this case, the slit pattern and the pinhole pattern are formed so that the pinhole pattern does not interfere with the aerial image when scanning the slit pattern relative to the aerial image, and When the pinhole pattern is relatively scanned with respect to the aerial image, the slit pattern may be arranged so as to have a positional relationship that does not interfere with the aerial image.
According to this, regardless of the measurement pattern selected by the operator, it becomes possible to perform highly accurate aberration measurement without being affected by the light that has passed through the measurement pattern that has not been measured. . In particular, when there is one optical sensor that detects the light that has passed through the measurement pattern, this effect is prominent.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an aberration measuring method for measuring an aberration of a projection optical system, wherein at least one measurement mark including a periodic pattern is positioned in an effective field of view of the projection optical system. Illuminating the measurement mark with illumination light, forming the aerial image of the measurement mark with the projection optical system, and performing predetermined measurement on the aerial image at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system The projection optical system performs spatial image measurement by relatively scanning a pattern for scanning, photoelectrically detecting the illumination light obtained through the measurement pattern during scanning, and obtaining a light intensity signal corresponding to the spatial image. A step of executing each of the first aberrations when the first aberration is set to a plurality of aberration amounts; a magnitude of a predetermined frequency component included in the light intensity signal when the first aberration is changed by a predetermined amount; Is the largest The change amount of the position and calculating the aberration amount of at least one second aberration as an evaluation quantity; a fifth aberration measuring method comprising.
According to this, since it is not necessary to position the measurement pattern at a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system, for example, fluctuation of a detector (for example, a focus sensor) for performing the positioning, nonlinearity, etc. Aberration measurement can be performed with high accuracy and in a short time without being affected by measurement accuracy.
In this case, when there are a plurality of the second aberrations, the aerial image measurement is performed for a plurality of the measurement marks having different periods of a periodic pattern, and the aberration amount is calculated for each measurement mark. The amount of change in the position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized when the first aberration is changed by a predetermined amount, and a plurality of second aberrations in each measurement mark The amount of aberration of each of the plurality of second aberrations may be calculated based on the rate of change in position where the magnitude of the predetermined frequency component converted to first aberration with respect to each change is maximum. When there are a plurality of the second aberrations, the aerial image measurement is performed under a plurality of optical conditions, and the first aberration is obtained for each of the optical conditions when calculating the aberration amount. Change by a predetermined amount The amount of change in the position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized, and the predetermined aberration-converted first aberration for each change in the plurality of second aberrations in each optical condition The amount of aberration of each of the plurality of second aberrations may be calculated based on the change rate of the position where the magnitude of the frequency component is maximum.
In the fifth aberration measuring method of the present invention, the first aberration and the second aberration are both radial polynomials obtained by developing an aberration function indicating a wavefront aberration on an exit pupil of the projection optical system. The radial function of each term is an even function aberration represented by an even function, and the first aberration may be a lower order term than the second aberration. In such a case, high-order even function aberration can be measured with high accuracy and in a short time.
In each of the first to fifth aberration measurement methods of the present invention, the amplitude of the spatial frequency component included in the light intensity signal may be used as an evaluation amount of the magnitude, or included in the light intensity signal. The contrast of the spatial frequency component to be measured may be used as an evaluation amount of the magnitude.
Here, the contrast is obtained by dividing the amplitude of the spatial frequency component by the DC component included in the light intensity signal. By using this contrast as an evaluation amount, for example, the influence on aberration measurement with respect to a change in the amount of light of illumination light can be reduced.
In each of the first to fifth aberration measurement methods of the present invention, the measurement pattern may have a width equal to or less than the width of the aerial image in the relative scanning direction.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an exposure method for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system, wherein any one of the first to fifth aberration measuring methods of the present invention is used. Measuring the aberration of the projection optical system; adjusting the imaging characteristics of the projection optical system based on the measured aberration; and adjusting the pattern via the adjusted projection optical system. And transferring to the photosensitive object.
According to this, the aberration measurement method of the present invention can accurately measure the aberration of the projection optical system, and the imaging characteristics of the projection optical system can be adjusted based on the measured aberration. The mask pattern can be accurately transferred to the photosensitive object through the projection optical system in which the imaging characteristics are adjusted to an appropriate state.
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided an exposure apparatus for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system, wherein the mark forming member has at least one measurement mark including a periodic pattern formed thereon. An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light; and an optical axis direction of the projection optical system with respect to a spatial image of the measurement mark formed via the projection optical system by illumination by the illumination unit. A light intensity corresponding to the aerial image is detected by relatively scanning a predetermined measurement pattern at a position near the image plane, photoelectrically detecting the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scanning. An aerial image measuring device for obtaining a signal; an aberration function indicating a wavefront aberration on an exit pupil of the projection optical system based on a magnitude of a spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity signal; A processing device for calculating an aberration amount of an even function aberration in which a radial function of each term of a radial polynomial obtained by opening is represented by an even function; and the projection optical system based on the measured aberration amount And an adjusting device for adjusting the imaging characteristics of the first exposure apparatus.
According to this, the even function aberration of the projection optical system is accurately calculated by the processing device based on the magnitude of the fundamental frequency component of the predetermined order included in the light intensity signal measured by the aerial image measurement device. Further, based on the calculated even function aberration, the imaging characteristic of the projection optical system is adjusted by the adjusting device, and the imaging characteristic is adjusted to an appropriate state. Therefore, the mask pattern can be accurately transferred onto the photosensitive object via the projection optical system in which the imaging characteristics are adjusted.
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided an exposure apparatus for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system, wherein the mark forming member has at least one measurement mark including a periodic pattern formed thereon. An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light; and an optical axis direction of the projection optical system with respect to a spatial image of the measurement mark formed via the projection optical system by illumination by the illumination unit. A light intensity corresponding to the aerial image is detected by relatively scanning a predetermined measurement pattern at a position near the image plane, photoelectrically detecting the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scanning. An aerial image measurement device that performs aerial image measurement for obtaining a signal at a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system; and a magnitude of a fundamental frequency component included in the light intensity signal The wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system is shown based on the positional shift in the optical axis direction of the projection optical system between the maximum position and the position where the magnitude of the harmonic component of the predetermined order is maximum. A processor for calculating an aberration amount of an even function aberration in which the radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function is represented by an even function; and based on the calculated aberration amount, And an adjusting device that adjusts the imaging characteristics of the projection optical system.
According to this, from the light intensity signal measured by the aerial image measurement device, the position of the projection optical system between the position where the magnitude of the fundamental frequency component becomes maximum and the position where the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order becomes maximum is obtained. Based on the positional shift in the optical axis direction, the even function aberration of the projection optical system is accurately calculated by the processing device. Furthermore, based on the measured even function aberration, the imaging characteristic of the projection optical system is adjusted by the adjusting device, and the imaging characteristic is adjusted to an appropriate state. Therefore, the mask pattern can be accurately transferred onto the photosensitive object via the projection optical system in which the imaging characteristics are adjusted.
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an exposure apparatus for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system, wherein a plurality of periodic patterns having different periods are perpendicular to their periodic directions. A mark forming member on which at least one measurement mark arranged in parallel is formed; an illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light; and formed through the projection optical system by illumination by the illumination unit Further, for the measurement mark having a length in the vertical direction that is longer than the length of the aerial image in the vertical direction at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system with respect to the aerial image of the measurement mark. An aerial image measurement device that relatively scans a pattern, photoelectrically detects the illumination light obtained through the measurement pattern, and obtains a light intensity signal corresponding to the aerial image. And a processing device for calculating an aberration amount of the projection optical system based on at least one of a phase difference and a magnitude of an odd-order spatial frequency component corresponding to the period of each periodic pattern included in the light intensity signal; A third exposure apparatus comprising: an adjustment device that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system based on the measured aberration amount.
According to this, the length of the measurement pattern is equal to or longer than the length in the vertical direction of the aerial image of the measurement mark in which a plurality of periodic patterns having different periods are arranged in parallel in the direction perpendicular to the periodic direction. Therefore, if this measurement pattern is used, the light intensity signal of the illumination light can be obtained through all the periodic patterns in one scan. In this way, the aberration of the projection optical system can be measured by the processing device by one aerial image measurement by the aerial image measurement device, so the time required for measuring the aberration of the projection optical system is reduced. Will be able to.
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an exposure apparatus for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system, wherein a plurality of periodic patterns having different line widths are mixed in the periodic direction. A mark forming member formed with at least one measurement mark arranged in such a manner; an illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light; and the illumination unit that illuminates the projection unit via the projection optical system. A predetermined measurement pattern is relatively scanned with respect to the aerial image of the measurement mark at a position in the vicinity of the image plane in the optical axis direction of the projection optical system, and obtained through the predetermined measurement pattern during the scan. A spatial image measuring device that photoelectrically detects the illumination light to obtain a light intensity signal corresponding to the aerial image; and a spatial frequency corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal; A processor for calculating an aberration amount of the projection optical system based on at least one of a phase and a magnitude of several components; and an adjustment for adjusting an imaging characteristic of the projection optical system based on the calculated aberration amount And a fourth exposure apparatus.
According to this, since the measurement mark includes a plurality of periodic patterns having different line widths, a large spatial frequency component corresponding to each periodic pattern is included in the spatial image. As a result, the magnitude of those components that serve as an index of the amount of aberration of the projection optical system increases, so that the S / N ratio of the measured value of the required amount of aberration can be improved, and the amount of aberration can be accurately determined. It becomes possible to measure. In addition, since the sizes of a plurality of spatial frequency components to be measured can be made uniform, it is possible to reduce the influence of nonlinearity of the detection device for measuring the light intensity signal. Thus, the aberration amount of the projection optical system can be measured with high accuracy. Since the image formation characteristic of the projection optical system is adjusted by the adjustment device based on the aberration measured with high accuracy, the image formation characteristic is adjusted to an appropriate state. Therefore, the mask pattern can be accurately transferred to the photosensitive object through the projection optical system in which the imaging characteristics are adjusted.
According to an eleventh aspect of the present invention, an exposure apparatus for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system, wherein the mark forming member has at least one measurement mark including a periodic pattern formed thereon. An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light; and an optical axis direction of the projection optical system with respect to a spatial image of the measurement mark formed via the projection optical system by illumination by the illumination unit. A light intensity corresponding to the aerial image is detected by relatively scanning a predetermined measurement pattern at a position near the image plane, photoelectrically detecting the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scanning. An aerial image measurement device that performs aerial image measurement for obtaining a signal for each of the first aberrations of the projection optical system set to a plurality of aberration amounts; and a predetermined amount of the first aberration A processing device that calculates an aberration amount of at least one second aberration using a change amount of a position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized as an evaluation amount; And a adjusting device that adjusts the imaging characteristics of the projection optical system based on the aberration amount.
According to this, since it is not necessary to position the measurement pattern at a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system, for example, fluctuation of a detector (for example, focus sensor) for performing the positioning, nonlinearity, Aberration measurement can be performed with high accuracy and in a short time by the aerial image measurement device and the processing device without being affected by the measurement accuracy. Since the image formation characteristic of the projection optical system is adjusted by the adjusting device based on the aberration measured with high accuracy, the image formation characteristic is adjusted to an appropriate state. Therefore, the mask pattern can be accurately transferred to the photosensitive object via the projection optical system in which the imaging characteristics are adjusted.
Each of the first to fifth exposure apparatuses of the present invention further includes a mask stage for holding the mask on which the pattern is formed, and the mark forming member is a reference mark plate disposed on the mask stage. Can be.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置の概略的な構成を示す図である。
図２は、図１のウエハステージ近傍を拡大し、Ｚチルトステージの駆動装置とともに示す図である。
図３は、図１の空間像計測装置の内部構成を示す図である。
図４Ａは、スリット板上のスリットを示す図であり、図４Ｂは、空間像計測の際に得られる光電変換信号の一例を示す図である。
図５は、実際のスリット板上のスリットの配置を示す図である。
図６は、計測される光強度分布の一例を示す図である。
図７は、投影光学系のフォーカス位置に対する所定次数の空間周波数成分のコントラストカーブの一例を示す図である。
図８Ａは、低次球面収差の収差量の変化と、１次の基本周波数成分のコントラストの変化との関係の一例を示す図であり、図８Ｂは、高次球面収差の収差量と１次の基本周波数成分のコントラストの変化との関係を示す図である。
図９Ａは、各次数の空間周波数成分のコントラストカーブの一例を示す図であり、図９Ｂは、フォーカス差と偶関数収差の収差量との関係の一例を示す図である。
図１０は、規格化された瞳位置に対する偶関数成分の各収差による位相遅れレベルの変化を示す図である。
図１１は、Ｚ９による振幅の調整を説明するための図である。
図１２は、Ｚ９を変化させたときの、空間像強度の基本周波数成分の振幅をシミュレーションで計算したときの計算結果を示す図である。
図１３は、Ｚ１６の収差量とＺ９換算でのピーク位置との相関関係を示す図である。
図１４Ａは、本発明の第３の実施形態に係るレチクルマーク板ＲＦＭ’上の計測マーク群の一例を示す図であり、図１４Ｂは、空間像計測を行う際のスリット板の一例を示す図である。
図１５Ａは、周期が異なる２つのＬ／Ｓパターンにおけるコントラストカーブの一例を示す図であり、図１５Ｂは、フォーカス差と偶関数収差の収差量との関係の一例を示す図である。
図１６Ａは、レチクルマーク板ＲＦＭ”の一例を示す図であり、図１６Ｂは、レチクルマーク板ＲＦＭ”の他の例を示す図であり、図１６Ｃは、レチクルマーク板ＲＦＭ”の他の例を示す図である。
図１７Ａは、レチクルマーク板ＲＦＭ”の他の例を示す図であり、図１７Ｂは、レチクルマーク板ＲＦＭ”の他の例を示す図である。
図１８は、本発明の第４の実施形態における空間像のシミュレーションの解析結果を示すグラフである。
図１９は、２次高調波強調マークの設計方法を示すグラフである。
図２０は、３次高調波強調マークの設計方法を示すグラフである。
図２１は、４次高調波強調マークの設計方法を示すグラフである。
図２２は、５次高調波強調マークの設計方法を示すグラフである。
図２３は、６次高調波強調マークの設計方法を示すグラフである。
図２４は、２次高調波強調マークの空間像シミュレーションの結果を示すグラフである。
図２５は、３次高調波強調マークの空間像シミュレーションの結果を示すグラフである。
図２６Ａは、本発明の第４の実施形態に用いられる計測用パターンを示す図であり、図２６Ｂは、スリットパターンを用いて空間像計測を行う際の様子を示す図である。
図２７は、ピンホールパターンを用いて空間像計測を行う際の様子を示す図である。
図２８は、フォト・マルチプライヤ・チューブの入出力特性を示すグラフである。FIG. 1 is a view showing the schematic arrangement of an exposure apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the wafer stage of FIG. 1 and is shown together with a Z tilt stage driving device.
FIG. 3 is a diagram showing an internal configuration of the aerial image measurement apparatus of FIG.
4A is a diagram illustrating slits on the slit plate, and FIG. 4B is a diagram illustrating an example of a photoelectric conversion signal obtained at the time of aerial image measurement.
FIG. 5 is a diagram showing the arrangement of the slits on the actual slit plate.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a measured light intensity distribution.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a contrast curve of a spatial frequency component of a predetermined order with respect to the focus position of the projection optical system.
FIG. 8A is a diagram showing an example of the relationship between the change in the amount of aberration of low-order spherical aberration and the change in the contrast of the first-order fundamental frequency component, and FIG. 8B shows the amount of aberration of high-order spherical aberration and the first order. It is a figure which shows the relationship with the change of the contrast of a fundamental frequency component.
FIG. 9A is a diagram illustrating an example of a contrast curve of spatial frequency components of each order, and FIG. 9B is a diagram illustrating an example of a relationship between a focus difference and an aberration amount of even function aberration.
FIG. 10 is a diagram illustrating a change in the phase delay level due to each aberration of the even function component with respect to the normalized pupil position.
Figure 11 is a diagram for explaining amplitude adjustment for by Z 9.
Figure 12 is a graph showing the calculation results when calculating the time of changing the Z 9, the amplitude of the fundamental frequency component of the aerial image intensity in the simulation.
FIG. 13 is a diagram showing a correlation between the aberration amount of Z 16 and the peak position in terms of Z 9 .
FIG. 14A is a diagram showing an example of a measurement mark group on a reticle mark plate RFM ′ according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a diagram showing an example of a slit plate when performing aerial image measurement. It is.
FIG. 15A is a diagram illustrating an example of a contrast curve in two L / S patterns having different periods, and FIG. 15B is a diagram illustrating an example of a relationship between a focus difference and an aberration amount of even function aberration.
FIG. 16A is a diagram showing an example of reticle mark plate RFM ″, FIG. 16B is a diagram showing another example of reticle mark plate RFM ″, and FIG. 16C is another example of reticle mark plate RFM ″. FIG.
FIG. 17A is a diagram showing another example of reticle mark plate RFM ″, and FIG. 17B is a diagram showing another example of reticle mark plate RFM ″.
FIG. 18 is a graph showing the analysis results of the aerial image simulation in the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a graph showing a method of designing the second harmonic emphasis mark.
FIG. 20 is a graph showing a method for designing the third harmonic emphasis mark.
FIG. 21 is a graph showing a method for designing a fourth harmonic emphasis mark.
FIG. 22 is a graph showing a method for designing the fifth harmonic emphasis mark.
FIG. 23 is a graph showing a method for designing a sixth harmonic emphasis mark.
FIG. 24 is a graph showing the results of the aerial image simulation of the second harmonic emphasis mark.
FIG. 25 is a graph showing the results of the aerial image simulation of the third harmonic emphasis mark.
FIG. 26A is a diagram illustrating a measurement pattern used in the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 26B is a diagram illustrating a state when aerial image measurement is performed using a slit pattern.
FIG. 27 is a diagram illustrating a state when aerial image measurement is performed using a pinhole pattern.
FIG. 28 is a graph showing the input / output characteristics of the photomultiplier tube.

≪第１の実施形態≫
以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図８Ｂに基づいて説明する。
図１には、本発明の第１の実施形態に係る露光装置１０の概略的な構成が示されている。この露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置、すなわちいわゆるスキャニング・ステッパである。
この露光装置１０は、光源１４及び照明光学系１２を含む照明系（照明ユニット）、マスクとしてのレチクルＲを保持するマスクステージとしてのレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、感光物体としてのウエハＷを保持し図１に示されるＸ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内を自在に移動可能なウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を備えている。また、上記各構成部分のうち、光源１４及び制御系以外の部分は、実際には、内部の温度、圧力等の環境条件が高精度に制御され一定に維持されている不図示の環境制御チャンバ（エンバイロンメンタル・チャンバ）内に収容されている。
前記光源１４としては、ここでは、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を出力するエキシマレーザ光源が用いられている。この光源１４は、実際には、上記環境制御チャンバが設置されるクリーンルームとは別のクリーン度の低いサービスルーム等に設置されており、不図示の送光光学系を介して環境制御チャンバ内部の照明光学系１２に接続されている。光源１４は、主制御装置５０によってそのレーザ発光のオン・オフや、中心波長、スペクトル半値幅、繰り返し周波数などが制御される。なお、光源として、ＫｒＦエキシマレーザ（発振波長２４８ｎｍ）の光源等を用いることもできる。
前記照明光学系１２は、ビーム整形光学系１８、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）としてのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、第１リレーレンズ２８Ａ及び第２リレーレンズ２８Ｂから成るリレー光学系、固定レチクルブラインド３０Ａ、可動レチクルブラインド３０Ｂ、ミラーＭ、及びコンデンサレンズ３２等を備えている。なお、オプティカルインテグレータとして、ロッド型（内面反射型）インテグレータ、あるいは回折光学素子等を用いてもよい。
前記ビーム整形光学系１８内には、光源１４でパルス発光されたレーザビームＬＢの断面形状を、該レーザビームＬＢの光路後方に設けられたフライアイレンズ２２に効率良く入射するように整形するための、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ（いずれも図示省略）等が含まれている。
前記フライアイレンズ２２は、ビーム整形光学系１８から出たレーザビームＬＢの光路上に配置され、レチクルＲを均一な照度分布で照明するために多数の点光源（光源像）からなる面光源、即ち２次光源を形成する。この２次光源から射出されるレーザビームを、以下においては、「照明光ＩＬ」と呼ぶものとする。
フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近傍には、円板状部材から成る照明系開口絞り板２４が配置されている。この照明系開口絞り板２４には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り（通常絞り）、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（例えばＳＨＲＩＮＣとも呼ばれる四重極照明絞り）等が配置されている。この照明系開口絞り板２４は、主制御装置５０により制御されるモータ等の駆動装置４０により回転されるようになっており、この回転動作により、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、この開口絞り板２４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１２内で光源１４とオプティカルインテグレータ２２との間に配置される光学ユニット（成形光学系）を用いて、照明光学系１２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）、即ちレチクルＲの照明条件を変更し、その変更時における光量損失を抑える（照明光の利用効率を向上させる）ようにしても良い。この成形光学系は、例えば照明光学系１２内に交換可能に配置され、かつ照明光学系１２の瞳面上で形状、大きさ及び位置の少なくとも１つが異なる領域にそれぞれ回折光を分布させる複数の回折光学素子と、照明光学系１２の光軸ＡＸと平行な方向に関する間隔が可変な複数のプリズム（例えば円錐型、Ｖ型あるいは角錐型など）と、ズーム光学系（アフォーカル系）とを含むものである。また、本第１の実施形態ではオプティカルインテグレータ２２としてフライアイレンズを用いるものとしているので、不図示のレンズ系によってフライアイレンズにほぼ平行な光束を入射させているが、内面反射型インテグレータ（ロッド・インテグレータ）を用いる場合には、不図示のレンズ系によって照明光ＩＬ（回折光）を集光して内面反射型インテグレータに入射させることになる。このとき、不図示のレンズ系による照明光ＩＬの集光点は内面反射型インテグレータの入射面からずらしておくと良い。
照明系開口絞り板２４から出た照明光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２６が配置され、更にこの後方の光路上に、レチクルブラインド３０Ａ、３０Ｂを介在させてリレー光学系（２８Ａ，２８Ｂ）が配置されている。
固定レチクルブラインド３０Ａは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置されており、その固定レチクルブラインド３０Ａには、レチクルＲ上での照明領域ＩＡＲを規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド３０Ａの近傍には、走査露光時の走査方向（ここではＹ軸方向とする）及び、これに直交する非走査方向（Ｘ軸方向）に光学的にそれぞれ対応する位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド３０Ｂが配置されている。走査露光の開始時及び終了時において、主制御装置５０からの指示により、固定レチクルブラインド３０Ａによって規定されている照明領域ＩＡＲが、可動レチクルブラインド３０Ｂによって更に制限されることによって、不要な部分（後述するレチクルＲ上の回路パターン等の転写すべき部分以外の部分）の露光が防止されるようになっている。また、本第１の実施形態では、可動レチクルブラインド３０Ｂは、後述する空間像計測の際の照明領域の設定にも用いられる。
一方、照明光学系１２内のビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの光路上には、集光レンズ４４、受光素子から成るインテグレータセンサ４６が配置されている。この場合、インテグレータセンサ４６の受光素子としては、例えば遠紫外域で感度が良く、かつ光源１４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型フォトダイオード等が用いられる。
このようにして構成された照明系の作用を簡単に説明すると、光源１４からパルス発光されたレーザビームＬＢは、ビーム整形光学系１８に入射し、ここで後方のフライアイレンズ２２に効率よく入射するようにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ２２に入射する。これにより、フライアイレンズ２２の射出側焦点面（照明光学系１２の瞳面）に２次光源が形成される。この２次光源から射出された照明光ＩＬは、照明系開口絞り板２４上のいずれかの開口絞りを通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプリッタ２６に至る。このビームスプリッタ２６を透過した照明光ＩＬの大部分は、第１リレーレンズ２８Ａを経て固定レチクルブラインド３０Ａの矩形の開口部及び可動レチクルブラインド３０Ｂの開口を通過し、さらに第２リレーレンズ２８Ｂを通過してミラーＭによって光路が垂直下方に折り曲げられた後、コンデンサレンズ３２を経て、レチクルＲ上でのＸ軸方向に細長く延びるスリット状照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。
一方、ビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの一部は、集光レンズ４４を介してインテグレータセンサ４６で受光され、インテグレータセンサ４６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変換器を有する信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。本第１の実施形態では、インテグレータセンサ４６の計測値は、露光量制御に用いられる他、投影光学系ＰＬに対する照射量の計算に用いられ、この照射量は、ウエハ反射率（これは、インテグレータセンサの出力と不図示の反射率モニタの出力とに基づいて求めることもできる）とともに、投影光学系ＰＬの照明光吸収による結像特性の変化量の算出にも用いられる。
本第１の実施形態では、主制御装置５０によって、その照射量がインテグレータセンサ４６の出力に基づいて所定の時間間隔で計算され、その計算結果が照射履歴として、後述するメモリ５１内に記憶されるようになっている。
前記レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定されている。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系５６Ｒにより、後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ平面内で２次元的に（Ｘ軸方向及びこれに直交するＹ軸方向及びＸＹ平面に直交するＺ軸回りの回転方向（θｚ方向）に）微少駆動可能であるとともに、レチクルステージＲＳＴの基盤であるレチクルベースＲＢＳ上をＹ軸方向に指定された走査速度で移動可能となっている。
また、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）５４Ｒからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｒが固定されており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置はレチクル干渉計５４Ｒによって、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。ここで、実際には、レチクルステージＲＳＴ上には走査露光時の走査方向（Ｙ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡（又はレトロリフレクタ）と非走査方向（Ｘ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、レチクル干渉計５４ＲはＹ軸方向に少なくとも２軸、Ｘ軸方向に少なくとも１軸設けられているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｒ、レチクル干渉計５４Ｒとして示されている。
レチクル干渉計５４ＲからのレチクルステージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に送られる。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示により、レチクルステージ駆動系５６Ｒを介してレチクルステージＲＳＴの移動を制御する。なお、移動鏡５２ＲをレチクルステージＲＳＴに固定する代わりに、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工して前述の反射面を形成しても良い。
また、レチクルステージＲＳＴの−Ｙ側端部近傍には、空間像計測用基準マークが形成されたマーク形成部材としてのレチクルフィデューシャルマーク板（以下、「レチクルマーク板」と略述する）ＲＦＭが、レチクルＲと並ぶように配置されている。このレチクルマーク板ＲＦＭは、レチクルＲと同材質のガラス素材、例えば合成石英やホタル石、フッ化リチウムその他のフッ化物結晶などから構成されており、レチクルステージＲＳＴに固定されている。なお、このレチクルマーク板ＲＦＭの具体的構成等については後述する。レチクルステージＲＳＴは、レチクルＲの全面とレチクルマーク板ＲＦＭの全面とが少なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを横切ることができる程度のＹ軸方向の移動ストロークを有している。
また、レチクルステージＲＳＴには、レチクルＲ及びレチクルマーク板ＲＦＭの下方に、開口がそれぞれ形成されている。後述するように、これらの開口は照明光ＩＬの通路となる。また、レチクルベースＲＢＳの投影光学系ＰＬのほぼ真上の部分（光軸ＡＸを中心とする部分）にも、照明光ＩＬの通路となる、少なくとも照明領域ＩＡＲより大きな長方形状の開口が形成されている。
また、露光装置１０では、レチクルＲの上方には、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上又はレチクルマーク板ＲＦＭ上のマークと、ウエハステージＷＳＴ上の後述する基準マーク板（不図示）上の基準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（以下、便宜上「ＲＡ検出系」と呼ぶ）が設けられていてもよい。これらのＲＡ検出系の検出信号は、不図示のアライメント制御装置を介して、主制御装置５０に供給されるようになっている。この場合、レチクルＲからの検出光をそれぞれのＲＡ検出系に導くための不図示の偏向ミラーが移動自在に配置され、露光工程が開始されると、主制御装置５０からの指令のもとで、不図示のミラー駆動装置により偏向ミラーが待避される。なお、ＲＡ検出系と同等の構成は、例えば特開平７−１７６４６８号公報及びこれに対応する米国特許第５，６４６，４１３号等に開示されており、公知であるからここでは詳細な説明を省略する。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記公報及びこれに対応する米国特許における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
前記投影光学系ＰＬは、レチクルベースＲＢＳの図１における下方に配置されている。その光軸ＡＸの方向をＺ軸方向とする。投影光学系ＰＬは、ここでは両側テレセントリックな縮小系であり、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置された複数枚、例えば８枚のレンズエレメント１３１、１３２、……、１３８（図２参照）から成る屈折光学系が使用されている。この投影光学系ＰＬの投影倍率は、例えば１／４（又は１／５）等となっている（以下の説明では、１／４であるとする）。このため、照明光学系１２からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上でのスリット状照明領域ＩＡＲが照明されると、このレチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介してそのスリット状照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの縮小像（部分倒立像）が、表面にフォトレジストが塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲと共役な露光領域ＩＡに形成される（図１参照）。
図２に示されるように、投影光学系ＰＬを構成するレンズエレメント１３１、１３２、……、１３８のうち、その一部、例えばレンズエレメント１３１、１３２は、それぞれ複数の駆動素子（例えばピエゾ素子など）２０によって光軸ＡＸ方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動可能に構成されている。また、レンズエレメント１３４、１３５の間、レンズエレメント１３６、１３７の間には、それぞれ密閉状態とされた第１、第２密閉室３４、３６が形成されている。これら第１、第２密閉室３４、３６内には、不図示のガス供給機構から圧力調整機構４１を介してクリーンな気体、例えば窒素が供給されるようになっている。
本第１の実施形態では、各駆動素子２０に与えられる駆動電圧（駆動素子の駆動量）と、第１、第２密閉室３４、３６内部の気体の圧力（以下、適宜「内部の圧力」又は「内部圧力」という）を調整する圧力調整機構４１とが、主制御装置５０からの指令に応じて結像特性補正コントローラ７８により制御される。これによって、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば、像面湾曲、ディストーション、倍率、コマ収差、非点収差、球面収差等が補正される。なお、係る結像特性を調整する結像特性調整機構は、レンズエレメント１３１のような可動レンズエレメントのみによって構成しても良く、その可動レンズエレメントの数は任意で良い。但し、この場合、可動レンズエレメントの数が、フォーカスを除く、投影光学系ＰＬの結像特性の補正可能な種類に対応するので、補正が必要な結像特性の種類に応じて可動レンズエレメントの数を定めれば良い。このとき、補正が必要な結像特性の種類（数）よりも可動レンズエレメントの数を少なくとも１つ多くし、複数の可動レンズエレメントの駆動による結像特性の調整時に、その少なくとも１つの可動レンズエレメントによって投影光学系ＰＬの波面収差を小さくするようにしても良い。また、本第１の実施形態の結像特性調整機構の構成はこれらに限定されるものではなく任意で構わない。
図１に戻り、前記ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ４２と、該ＸＹステージ４２上に搭載されたＺチルトステージ３８とを含んで構成されている。
前記ＸＹステージ４２は、ウエハステージＷＳＴの基盤であるウエハベース１６の上面の上方に不図示のエアベアリングによって例えば数μｍ程度のクリアランスを介して浮上支持されている。さらに、ＸＹステージ４２は、ウエハステージ駆動系５６Ｗを構成する不図示のリニアモータ等によって走査方向であるＹ軸方向（図１における紙面内左右方向）及びこれに直交するＸ軸方向（図１における紙面直交方向）に２次元駆動可能に構成されている。このＸＹステージ４２上にＺチルトステージ３８が搭載され、該Ｚチルトステージ３８上にウエハホルダ２５が載置されている。このウエハホルダ２５によって、ウエハＷが真空吸着等により保持されている。
Ｚチルトステージ３８は、図２に示されるように、３つのＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ（但し、紙面奥側のＺ位置駆動部２７Ｃは不図示）によってＸＹステージ４２上に３点で支持されている。これらのＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃは、Ｚチルトステージ３８下面のそれぞれの支持点を投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に独立して駆動する３つのアクチュエータ（例えばボイスコイルモータなど）２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ（但し、図２における紙面奥側のアクチュエータ２１Ｃは不図示）と、Ｚチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃによる各支持点のアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１ＣによるＺ軸方向の駆動量（基準位置からの変位）を検出するエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ（但し、図２における紙面奥側のエンコーダ２３Ｃは不図示）とを含んで構成されている。
ここで、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃとしては、例えば光学式又は静電容量式等のリニアエンコーダが使用されている。本第１の実施形態では、上記アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって、Ｚチルトステージ３８を、光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）及び光軸に直交する面（ＸＹ面）に対する傾斜方向、すなわちＸ軸回りの回転方向であるθｘ方向、Ｙ軸回りの回転方向であるθｙ方向に駆動する。また、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃで計測されるＺチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃによる各支持点のＺ軸方向の駆動量（基準点からの変位量）は、ステージ制御装置７０及びこれを介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、Ｚチルトステージ３８のＺ軸方向の位置及びレベリング量（θｘ回転量、θｙ回転量）を算出する。なお、図１では、ＸＹステージ４２を駆動するリニアモータ等、及びＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃ（アクチュエータ２１Ａ〜２１Ｃ及びエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ）がまとめてウエハステージ駆動系５６Ｗとして示されている。
前記Ｚチルトステージ３８上には、ウエハレーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）５４Ｗからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｗが固定されている。ウエハ干渉計５４Ｗによって、Ｚチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）のＸＹ面内の位置が、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出されるようになっている。
ここで、実際には、Ｚチルトステージ３８上には、走査露光時の走査方向であるＹ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向であるＸ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これに対応してウエハ干渉計もＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ複数軸設けられ、Ｚチルトステージ３８の５自由度方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、θｘ方向、θｙ方向、θｚ方向）の位置が計測可能となっているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｗ、ウエハ干渉計５４Ｗとして示されている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に供給されるようになっている。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に応じてウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御する。なお、移動鏡５２ＷをＺチルトステージ３８に固定する代わりに、ウエハステージＷＳＴ、例えばＺチルトステージ３８の端面を鏡面加工して前述の反射面を形成するようにしてもよい。
また、Ｚチルトステージ３８の内部には、投影光学系ＰＬの光学特性の計測に用いられる空間像計測装置５９を構成する光学系の一部が配置されている。ここで、この空間像計測装置５９の構成について詳述する。この空間像計測装置５９は、図３に示されるように、Ｚチルトステージ３８に設けられたステージ側構成部分、すなわちパターン形成部材としてのスリット板９０、レンズ８４、８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳＴ外部に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラー９６、受光レンズ８９、光電変換素子から成る光センサ９４等とを備えている。
これを更に詳述すると、スリット板９０は、図３に示されるように、ウエハステージＷＳＴの一端部上面に設けられた上部が開口した突設部５８に対し、その開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれている。このスリット板９０は、平面視長方形状の受光ガラス８２の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３が形成され、その反射膜８３の一部に所定の計測用パターンとしての所定幅２Ｄのスリット状の開口パターン（以下、「スリット」と呼ぶ）１２２が形成されている。
前記受光ガラス８２の素材としては、ここでは、ＡｒＦエキシマレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル石などが用いられる。
スリット１２２下方のＺチルトステージ３８内部には、スリット１２２を介して鉛直下向きに入射した照明光束（像光束）の光路を水平に折り曲げるミラー８８を介在させてレンズ８４、８６から成るリレー光学系（８４、８６）が配置されている。また、このリレー光学系（８４、８６）の光路後方のウエハステージＷＳＴの＋Ｙ側の側壁には、リレー光学系（８４、８６）によって所定の光路長分リレーされた照明光束をウエハステージＷＳＴの外部に送光する送光レンズ８７が固定されている。
送光レンズ８７によってウエハステージＷＳＴの外部に送り出される照明光束の光路上には、Ｘ軸方向に所定長さを有するミラー９６が傾斜角４５°で斜設されている。このミラー９６によって、ウエハステージＷＳＴの外部に送り出された照明光束の光路が鉛直上方に向けて９０°折り曲げられるようになっている。この折り曲げられた光路上に送光レンズ８７に比べて大径の受光レンズ８９が配置されている。この受光レンズ８９の上方には、光センサ９４が配置されている。これら受光レンズ８９及び光センサ９４は、所定の位置関係を保ってケース９２内に収納されている。ケース９２は、取付け部材９３を介してウエハベース１６の上面に植設された支柱９７の上端部近傍に固定されている。
前記光センサ９４としては、微弱な光を精度良く検出することが可能な光電変換素子（受光素子）、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ、光電子増倍管）などが用いられる。光センサ９４からの光電変換信号Ｐは、図１の信号処理装置８０を介して主制御装置５０に送られるようになっている。なお、信号処理装置８０は、例えば増幅器、サンプルホルダ、Ａ／Ｄコンバータ（通常１６ビットの分解能のものが用いられる）などを含んで構成することができる。
なお、前述の如く、スリット１２２は反射膜８３に形成されているが、以下においては、便宜上スリット板９０にスリット１２２が形成されているものとして説明を行う。なお、スリット１２２の配置及び寸法については、後述する。
上述のようにして構成された空間像計測装置５９によると、後述する、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測マークＰＭの投影光学系ＰＬを介して得られる投影像（空間像）の計測の際に、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬによって空間像計測装置５９を構成するスリット板９０が照明されると、そのスリット板９０上のスリット１２２を透過した照明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及びレンズ８６、送光レンズ８７を介してウエハステージＷＳＴの外部に導き出される。そして、そのウエハステージＷＳＴの外部に導き出された光は、ミラー９６によって光路が鉛直上方に折り曲げられ、受光レンズ８９を介して光センサ９４によって受光され、該光センサ９４からその受光量に応じた光電変換信号（光量信号）Ｐが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に出力される。
本第１の実施形態では、計測マークの投影像（空間像）の計測がスリットスキャン方式によって実行されるので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８９及び光センサ９４に対して移動することになる。そこで、空間像計測装置５９では、所定の範囲内で移動する送光レンズ８７を介した光がすべて受光レンズ８９に入射するように、各レンズ、及びミラー９６の大きさが設定されている。
このように、空間像計測装置５９では、スリット板９０、レンズ８４、８６、ミラー８８、及び送光レンズ８７により、スリット１２２を介した光をウエハステージＷＳＴ外に導出する光導出部が構成され、受光レンズ８９及び光センサ９４によって、ウエハステージＷＳＴ外へ導出された光を受光する受光部が構成されている。この場合、これら光導出部と受光部とは、機械的に分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、光導出部と受光部とは、ミラー９６を介して光学的に接続される。
すなわち、空間像計測装置５９では、光センサ９４がウエハステージＷＳＴの外部の所定位置に設けられているため、光センサ９４の発熱に起因するウエハ干渉計５４Ｗの計測精度等に及ぼす悪影響を可能な範囲で抑制するようにしている。また、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とがライトガイド等によって接続されていないので、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とがライトガイドによって接続された場合のようにウエハステージＷＳＴの駆動精度がそのライトガイドによって悪影響を受けることはない。
勿論、熱の影響等を無視、あるいは排除できるような場合には、光センサ９４をウエハステージＷＳＴの内部に設けてもよい。なお、空間像計測装置５９を用いて行われる空間像計測及び収差計測方法などについては、後に詳述する。
図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハＷ上のアライメントマーク（位置合わせマーク）又は位置制御の基準となる基準マークを検出するマーク検出系としてのオフアクシス・アライメント系ＡＬＧが設けられている。本第１の実施形態では、このアライメント系ＡＬＧとして、画像処理方式のアライメントセンサ、いわゆるＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｉｍａｇｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系が用いられている。このアライメント系ＡＬＧは、アライメント用光源と、ハーフミラー及び対物レンズ群から成る光学系、指標マークが形成されている指標板、撮像素子（ＣＣＤ）等を含んで構成されている。アライメント用光源として、ブロードバンドの照明光を出射するハロゲンランプ等が用いられる。このアライメント用光源からの照明光により、光学系を介してウエハＷ上のアライメントマークが照明され、そのアライメントマークからの反射光を、光学系及び指標板を介して撮像素子が受光する。これにより、撮像素子の受光面に、そのアライメントマークの明視野像（指標マークの像を含む）が結像される。そして、この明視野像に対応する光電変換信号、すなわちアライメントマークの反射像に対応する光強度信号が撮像素子から不図示のアライメント制御装置を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、この光強度信号に基づき、アライメント系ＡＬＧの検出中心（前述の指標マークの中心に相当する）を基準とするウエハＷ上のアライメントマークの位置を算出するとともに、その算出結果とそのときのウエハ干渉計５４Ｗの出力であるウエハステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、ウエハ干渉計５４Ｗの光軸で規定されるステージ座標系におけるアライメントマークの座標位置を算出するようになっている。
さらに、本第１の実施形態の露光装置１０では、図１に示されるように、照射系６０ａ及び受光系６０ｂから成る斜入射方式の多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）が設けられている。照射系６０ａは、主制御装置５０によってそのオン・オフが制御される光源を有しており、投影光学系ＰＬの結像面に向けて多数のピンホール又はスリットの像を形成するための結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向よりウエハＷの表面に照射する。受光系６０ｂは、それらの結像光束がウエハＷ表面で反射することによって発生する反射光束を受光し、主制御装置５０に対して焦点ずれを検出するための焦点ずれ信号を送信する。なお、この多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）と、同様の多点焦点位置検出系の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報及びこれに対応する米国特許第５，４４８，３３２号公報等に開示されているため、その構成についての詳細な説明を省略する。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記各米国特許における開示を援用して本明細書の一部とする。
主制御装置５０は、後述する走査露光時等に、受光系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて、投影光学系ＰＬの焦点ずれが零となるように、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８のＺ軸方向への移動及び傾斜（すなわち、θｘ，θｙ方向の回転）を制御する。すなわち、主制御装置５０は、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を用いてＺチルトステージ３８の移動を制御することにより、照明光ＩＬの照射領域である露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと結像関係にある）内で投影光学系ＰＬの結像面とウエハＷの表面とを実質的に合致させるオートフォーカス（自動焦点合わせ）及びオートレベリングを実行する。なお、投影光学系ＰＬのフォーカスが変動した場合、主制御装置５０は、例えば、受光系６０ｂ内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に対する傾きを制御することにより投影光学系ＰＬのフォーカス変動量に応じて多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）に原点の再設定を行ってそのキャリブレーションを行うようになっている。
また、前述した不図示の環境制御チャンバ内の投影光学系ＰＬ近傍には、大気圧変動や、温度変動を検知する環境センサ８１が設けられている。この環境センサ８１による計測結果は主制御装置５０に供給されている。
前記制御系は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）から成る主制御装置５０を中心として、該主制御装置５０の制御下にあるステージ制御装置７０などを含んで構成されている。また、主制御装置５０が読み書き可能な記憶装置としてのメモリ５１が設けられている。このメモリ５１内には、本第１の実施形態の収差計測方法によって求められた投影光学系ＰＬの収差量などが記憶される。
次に、本第１の実施形態の露光装置１０における走査露光動作について簡単に説明する。
まず、不図示のレチクル搬送系により回路パターンが形成されたレチクルＲが搬送され、ローディングポジションにあるレチクルステージＲＳＴにレチクルＲが吸着保持される。次に、主制御装置５０は、レチクルＲを用いた露光に最適な照明条件をオペレータの指示に基づいて設定する。
次いで、主制御装置５０の指示の下、ステージ制御装置７０によりウエハステージＷＳＴ及びレチクルステージＲＳＴの位置が制御され、主制御装置５０により、レチクルＲ上に形成された不図示のレチクルアライメントマークの投影像（空間像）が空間像計測装置５９を用いて後述するようにして計測され、レチクルパターン像の投影位置が求められる。すなわち、レチクルアライメントが行われる。なお、レチクルアライメントは、前述の一対のＲＡ検出系（不図示）により、レチクルＲ上の一対のレチクルアライメントマーク（不図示）の像とウエハステージＷＳＴ上の基準マーク板（不図示）に形成されたレチクルアライメント用基準マークの投影光学系ＰＬを介した像とを同時に観察し、両マーク像の相対位置関係と、そのときのレチクル干渉計５４Ｒ及びウエハ干渉計５４Ｗの計測値とに基づいてレチクルパターン像の投影位置を求めることにより行ってもよい。
次に、主制御装置５０によって、スリット板９０がアライメント系ＡＬＧの直下へ位置するように、ウエハステージＷＳＴが移動され、アライメント系ＡＬＧによって空間像計測装置５９の位置基準となるスリット１２２が検出される。主制御装置５０は、このアライメント系ＡＬＧの検出信号及びそのときのウエハ干渉計５４Ｗの計測値、並びに先に求めたレチクルパターン像の投影位置に基づいて、レチクルＲのパターン像の投影位置とアライメント系ＡＬＧとの相対位置、すなわちアライメント系ＡＬＧのベースラインを求める。なお、ベースライン計測ではスリット１２２の代わりに、ウエハステージＷＳＴ上の基準マーク板（不図示）に形成されたベースライン計測用基準マークを用いても良い。
かかるベースライン計測が終了すると、主制御装置５０により、例えば特開昭６１−４４４２９号公報及びこれに対応する米国特許４，７８０，６１７号などに詳細に開示されるＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）等のウエハアライメントが行われ、ウエハＷ上の全てのショット領域の位置が求められる。本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、上記各米国特許における開示を援用して本明細書の一部とする。なお、このウエハアライメントの際には、ウエハＷ上の複数のショット領域のうちの予め定められた所定のサンプルショットのウエハアライメントマークが、アライメント系ＡＬＧを用いて、前述したように計測される。
次いで、主制御装置５０は、上で求めたウエハＷ上の各ショット領域の位置情報及びベースラインに基づいて、干渉計５４Ｗ、５４Ｒからの位置情報をモニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを第１ショット領域の走査開始位置（加速開始位置）に移動するとともに、レチクルステージＲＳＴを走査開始位置（加速開始位置）に移動して、その第１ショット領域の走査露光を行う。
具体的には、主制御装置５０は、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとをＹ軸方向に互いに逆向きに移動させることによって相対走査を開始させる。両ステージＲＳＴ、ＷＳＴがそれぞれの目標走査速度に達すると、照明光ＩＬ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。なお、この走査露光の開始に先立って、光源１４の発光は開始されており、主制御装置５０によって可動レチクルブラインド３０Ｂの各ブレードの移動がレチクルステージＲＳＴの移動に対して同期制御されている。これにより、レチクルＲ上のパターン領域外への照明光ＩＬの照射が遮光される。
主制御装置５０は、上述の走査露光時には、レチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度ＶｒとウエハステージＷＳＴのＹ軸方向の移動速度Ｖｗとが前述の投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比に維持されるようにレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを同期制御する。
そして、レチクルＲのパターン領域の異なる領域が、照明光ＩＬ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の回路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。
こうして第１ショット領域の走査露光が終了すると、ウエハステージＷＳＴを次の第２ショット領域の走査開始位置（加速開始位置）へ移動させるショット間のステッピング動作を行う。そして、その第２ショット領域に対する走査露光を上述と同様にして行う。以後、第３ショット領域以降のショット領域に対する走査露光も同様にして行う。
このようにして、ショット間のステッピング動作とショットの走査露光動作とが繰り返され、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全てのショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。
なお、上記の走査露光中には、投影光学系ＰＬに一体的に取付けられた多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を用いて、前述したオートフォーカス、オートレベリングが行われる。
ところで、上述した走査露光動作において、レチクルＲのパターンとウエハＷ上のショット領域に既に形成されたパターンとを正確に重ね合わせるためには、投影光学系ＰＬの収差やベースラインが正確に計測されていること、及び投影光学系ＰＬの結像特性が適切な状態に調整されていることなどが重要である。このような投影光学系ＰＬの収差には、球面収差や、フォーカス等の偶関数収差が含まれる。なお、偶関数収差とは、波面収差を表すフリンジツェルニケ多項式の各項の動径関数が偶関数で表される収差である。
本第１の実施形態では、上記の球面収差等の偶関数収差の計測に、前述した空間像計測装置５９が用いられる。以下、この空間像計測装置５９による空間像計測、及び投影光学系ＰＬの偶関数収差の計測等について詳述する。
図３には、空間像計測装置５９を用いて、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測マークＰＭの空間像が計測されている最中の状態が示されている。なお、レチクルマーク板ＲＦＭに代えて、空間像計測専用のレチクル、あるいはデバイスの製造に用いられるレチクルＲに専用の計測マークを形成したものなどを用いることも可能である。ここで、レチクルマーク板ＲＦＭには、所定の箇所にＹ軸方向に周期性を有するライン部の幅とスペース部の幅との比（デューティ比）が１：１のラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターン（周期パターン）から成る計測マークＰＭが形成されているものとする。なお、このような計測マークＰＭは、レチクルマーク板ＲＦＭ上に複数設けられていても良い。
ここで、空間像計測装置５９を用いた空間像計測の方法について簡単に説明する。なお、スリット板９０には、例えば図４Ａに示されるように、Ｘ軸方向に延びる所定幅２Ｄのスリット１２２が形成されているものとする。
空間像の計測にあたり、主制御装置５０によって、可動レチクルブラインド３０Ｂが不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、図３に示されるように、レチクルＲの照明光ＩＬの照明領域が計測マークＰＭを含む所定領域のみに制限される。
この状態で、照明光ＩＬがレチクルマーク板ＲＦＭに照射されると、図４Ａに示されるように、計測マークＰＭによって回折、散乱した光（照明光ＩＬ）は、投影光学系ＰＬにより屈折され、該投影光学系ＰＬの像面に計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。このとき、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測装置５９のスリット板９０上のスリット１２２の＋Ｙ側（−Ｙ側でもよい）に前記空間像ＰＭ’が形成される位置に設定されているものとする。このときの空間像計測装置５９の投影光学系ＰＬ側から見たときの上面図が図４Ａに示されている。なお、投影光学系ＰＬの投影倍率が１／４であるとすると、この空間像ＰＭ’の周期は、計測マークＰＭのＬ／Ｓパターンの周期の１／４となる。なお、以下の説明では、計測マーク等の周期（ピッチ）は、この空間像の周期を指しているものとする。
そして、主制御装置５０によって、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴが図４Ａ中に矢印Ｆで示されるように＋Ｙ方向に駆動されると、スリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に走査される。この走査中に、スリット１２２を通過する光（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の光導出部、ミラー９６、受光レンズ８９を介して光センサ９４で受光され、その光電変換信号Ｐが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を取得する。
図４Ｂには、上記の空間像計測の際に得られる光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例が示されている。この場合、空間像ＰＭ’は、スリット１２２の走査方向（Ｙ軸方向）の幅（２Ｄ）の影響で像が平均化する。
従って、スリット１２２をｐ（ｙ）とし、空間像の強度分布をｉ（ｙ）とし、観測される光強度信号をｍ（ｙ）とすると、空間像の強度分布ｉ（ｙ）と観測される強度信号ｍ（ｙ）との関係は、以下の式（２）で表される。なお、この式（２）において、強度分布ｉ（ｙ）、強度信号ｍ（ｙ）の単位は、単位長さ当たりの強度であり、ｕ軸は、ｙ軸と同一の座標軸であるとする。

Figure 2004059710
但し、スリット１２２の関数ｐ（ｙ）は、以下の式（３）で表される。
Figure 2004059710
すなわち、観測される強度信号ｍ（ｙ）は、スリットの関数ｐ（ｙ）と空間像の強度分布ｉ（ｙ）とのコンボリューションになる。
従って、計測精度の面からは、スリット１２２の走査方向（Ｙ軸方向）の幅（以下、単に「スリット幅」と呼ぶ）２Ｄは小さい程良い。本第１の実施形態のように、フォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ）を光センサ９４として用いる場合には、スリット幅が非常に小さくなっても走査速度を遅くして計測に時間をかければ光量（光強度）の検出は可能である。しかしながら、現実には、スループットの面から空間像計測時の走査速度に一定の制約があるため、スリット幅２Ｄがあまりにも小さいと、スリット１２２を透過する光量が小さくなり過ぎて、計測が困難となってしまう。
なお、実際には、空間像計測装置５９を構成するスリット板９０上には、図５に示されるように、Ｘ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ａと、Ｙ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ｂとが形成されている。ここで、２Ｄは例えば２００ｎｍ以下に設定されており、Ｌは例えば１６μｍに設定され、図４Ａに示されるように、計測マークのラインパターンの長さより短くなるように設定されている。また、スリット１２２ｂはスリット１２２ａの−Ｘ側及び＋Ｙ側に約４μｍそれぞれ隔てて配置されている。また、空間像計測装置５９では、ウエハステージＷＳＴの内部の光導出部、ミラー９６及び受光レンズ８９を介して、光センサ９４によりスリット１２２ａ、１２２ｂのいずれを透過した光をも受光が可能になっているものとする。なお、以下では、特に必要が無い限り、スリット１２２ａ、１２２ｂを区別することなくスリット１２２と呼ぶ。
以上述べたように、空間像計測装置５９を用いた上述の空間像計測動作によって、計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’における光強度分布を計測することができる。本第１の実施形態では、計測された光強度分布に基づいて、投影光学系ＰＬの偶関数収差、例えば球面収差を計測する。
ここで、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’におけるＹ軸方向の複素振幅分布をｏ（ｙ）とし、その空間周波数スペクトルをＯ（ｓ）とする（ｓは、空間周波数軸の流通座標である）。計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の周期パターンに含まれる空間周波数成分のうち、２つの空間周波数成分をそれぞれｆ’、ｆ”とすると、そのスペクトルＯ（ｆ’）、Ｏ（ｆ”）とのビートによって生じる干渉縞に、ある重みを掛けたものを全体の空間周波数で積分したものが計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の強度分布ｉ（ｙ）となる。この重みをクロスモジュレーション係数（Ｔｈｅ Ｃｒｏｓｓ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）というが、このクロスモジュレーション係数は、以下の式（４）によって定義される。
Figure 2004059710
ここで、Ｆは投影光学系ＰＬの射出瞳における瞳関数であり（＊は複素共役を示す）、σ（ξ，η）は有効光源である。なお、ξ、ηは、投影光学系ＰＬの射出瞳上における直交座標軸である。
従って、部分コヒーレント照明による計測マークＰＭの結像式は、以下の式（５）によって表される。
Figure 2004059710
図４Ａに示されるように、計測マークＰＭの投影像である空間像ＰＭ’の周期がＰｈ＝１／ｆｈであり、５０％デューティ（ラインとスペースの幅が同じ）であるとする。空間像ＰＭ’の周期Ｐｈに対応する空間周波数成分を基本周波数成分とした場合のＮ次の高調波成分（Ｎは奇数）の強度ＩｈＮ＿ｅｖｅｎ（ｙ）は、以下の式（６）で示される。なお、この場合、ｆｈは空間像ＰＭ’の基本周波数である。
Figure 2004059710
従って、投影光学系ＰＬの偶関数収差の収差量をｅｘｐ（ｉφＮ＿ｅｖｅｎ）とすると、コヒーレント照明での前述の強度ＩｈＮ＿ｅｖｅｎ＿ｃｏｈ（ｙ）は、上述の式（６）から、以下の式（７）で示される。
Figure 2004059710
上記式（７）から明らかなように、偶関数収差によって、基本周波数成分のＮ次の高調波成分の位相差は変化せず、その成分の振幅が変化する。従って、本第１の実施形態の収差計測方法では、所定次数（Ｎ次）の空間周波数成分の振幅に基づいて、投影光学系ＰＬの偶関数収差の収差量を算出する。なお、本第１の実施形態では、偶数次、例えば２次の高調波成分の振幅に基づいて、偶関数収差の収差量を求めるようにしてもよい。しかしながら、この場合には、デューティ５０％のＬ／Ｓパターンである計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の空間周波数成分には、２次の高調波成分が原則的には存在しないため、偶数次の高調波成分の振幅に基づいて、他の周波数成分同士のビート成分の合成を、２次の高調波成分として用いる必要がある。
上述のように、計測マークが５０％デューティでピッチ（周期）がＰｈ＝１／ｆｈのＬ／Ｓパターンである場合、Ｏ（ｙ）はフーリエ級数によって以下の式（８）のように表される。なお、計測マークＰＭを０．５μｍＬ／Ｓパターン（空間像ＰＭ’のピッチＰｈが１．０μｍとなるパターン）とし、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とすると、コヒーレント照明の場合を考えると、投影光学系ＰＬを実際に通過する高調波は３次までとなる。また、１次の基本周波数成分の偶関数収差の収差量をｅｘｐ（ｉφ１）及び３次の高調波成分の偶関数収差の収差量をｅｘｐ（ｉφ３）としている。
Figure 2004059710
上記式（８）より、２次の高調波に相当するビート成分には、１次の基本周波数成分及び３次の高調波成分のビート成分と、１次の基本周波数成分及び１次（−１）の基本周波数成分のビート成分とが考えられる。
まず、１次の基本周波数成分同士のビート成分Ｉｈ２＿１＿１＿ｅｖｅｎ（ｙ）は、以下の式（９）のように表される。
Figure 2004059710
このビート成分Ｉｈ２＿１＿１＿ｅｖｅｎ（ｙ）は、コヒーレント照明の場合には、以下の式（１０）（これをＩｈ２＿１＿１＿ｅｖｅｎ＿ｃｏｈ（ｙ）とする）のように表される。
Figure 2004059710
上記式（１０）から、１次同士のビート成分は、偶関数収差に影響を受けないということがわかる。
一方、１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分とのビート成分Ｉｈ２＿１＿３＿ｅｖｅｎ（ｙ）は、以下の式（１１）のように表される。
Figure 2004059710
上記式（１１）に示されるように、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのビート成分の振幅はＴ（ｆｈ、３ｆｈ）の実数部の大きさによって決まる。
このビート成分Ｉｈ２＿１＿３＿ｅｖｅｎ（ｙ）は、コヒーレント照明の場合、１次の基本周波数成分についての収差量をｅｘｐ（ｉφ１）とし、３次の高調波成分についての収差量をｅｘｐ（ｉφ３）とすると、以下の式（１２）のように表される。
Figure 2004059710
上記式（１２）から明らかなように、１次の基本周波数成分の位相φ１と３次の高調波成分の位相φ３の差によって振幅が変化するようになる。
以上述べたように、偶関数収差の収差量の変化によって、２次等の偶数次の高調波成分の振幅も変化するようになるため、その振幅によって偶関数収差の収差量を求めることができるが、偶数次の高調波成分は、複数次数の高調波成分同士のビート成分であるため、例えば５次の高調波成分や７次の高調波成分の存在の有無によって、その振幅が変化し、不安定となり易い。従って、偶数次の高調波成分の振幅を偶関数収差の評価量として用いるよりも、前述の５次、７次の高調波成分に影響を受けない奇数次の高調波成分の振幅を偶関数収差の評価量として用いて直接的に偶関数収差の収差量を求めた方が、より高精度に投影光学系ＰＬの偶関数収差を求めることができる場合が多い。高調波成分として、２次を用いるか３次を用いるかは、高調波成分の状態を考慮して、適宜決定するのが望ましい。
次に、本第１の実施形態における投影光学系ＰＬの偶関数収差の計測方法について具体的に説明する。
まず、上述した空間像計測動作で述べたように、主制御装置５０の指示により、ウエハステージ駆動系がウエハステージＷＳＴを＋Ｙ方向に駆動してスリット１２２が空間像ＰＭ’に対して相対的にＹ軸方向に走査されると、空間像計測装置５９によってその光電変換信号Ｐが得られる。この光電変換信号Ｐは、最終的に主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を取得する（第１工程）。なお、このとき、周期パターンとしてのＬ／Ｓパターンを含む計測マークＰＭは、図３に示されるように、常に投影光学系ＰＬの有効視野内に位置された状態となっている。また、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向に関するスリット１２２（所定の計測用パターン）の位置は、空間像ＰＭ’が、結像する像面の近傍の位置であれば良いものとする。
図６には、計測された空間像ＰＭ’の光強度分布が示されている。図６では、横軸はスリット１２２のＹ軸方向の位置を示し、横軸はそのＹ軸方向の位置にあるときに得られた光強度を示す。図６に示されるように、この空間像ＰＭ’の光強度分布は、Ｙ軸方向に９つのピークを有している。このピークの出現周期は、空間像ＰＭ’の周期に対応している。なお、投影光学系ＰＬのコマ収差等の要因により、空間像ＰＭ’の周期に対応する１次の空間周波数成分と、その３次の高調波成分との間にはＹ軸方向に位相差が生じているため、各ピークがそれぞれ有する２つのピークは非対称となっている。
処理装置としての主制御装置５０は、この光強度分布をｉ（ｙ）とすると、計測マークＰＭのウエハＷ上での周期を基準とする所定次数の空間周波数成分（ここでは１次の基本周波数成分）の振幅を示す以下のサイン関数で表現されるフーリエ係数（ａ１）を算出する（以下の式（１３）参照）。これにより、光強度分布ｉ（ｙ）に含まれる１次の基本周波数成分の大きさ（例えば、振幅あるいはコントラスト等）を抽出することができる。
Figure 2004059710
主制御装置５０は、前述の式（７）に示される例えば１次の基本周波数成分の振幅と偶関数収差との関係に基づいて、振幅の値ａ１に対応する偶関数収差の収差量の大きさを算出する（第２工程）。
次に、調整装置としての主制御装置５０は、算出された偶関数収差の収差量の大きさに基づいて、結像特性補正コントローラ７８を駆動して投影光学系ＰＬの結像特性を調整する。なお、この時点では、偶関数収差の収差量の大きさだけが求められた状態であり、その極性（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向における正負の向き）は未知のままとなっている。本第１の実施形態では、偶関数収差の収差量の極性を所定の向き（投影光学系ＰＬの光軸方向における正負のいずれか）に決めておき、その方向に基づいて投影光学系ＰＬの結像特性を調整する。なお、ここでは、その収差量の極性が正であるとして、主制御装置５０は、その正の収差量をキャンセルするように、結像特性補正コントローラ７８を駆動して投影光学系ＰＬの結像特性を調整するものとする。
次に、主制御装置５０は、ウエハステージ駆動系を介してウエハステージＷＳＴを再び＋Ｙ方向に駆動させる。この駆動により、スリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に走査され、空間像計測装置５９によって光電変換信号Ｐが得られる。得られた光電変換信号Ｐは、最終的に主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を取得する。すなわち、主制御装置５０によって、再び前述の第１工程が実行される。そして、主制御装置５０は、今回の第１工程で得られた光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分の振幅を示す上述の式（１３）で表現されるサイン関数のフーリエ係数（ａ１）を算出する。さらに、主制御装置５０は、上述の式（７）に示される１次の基本周波数成分と偶関数収差の収差量との関係から、振幅の大きさａ１に対応する偶関数収差の収差量の大きさを算出する第２工程を再び実行する。
そして、主制御装置５０は、今回の第２工程で算出された偶関数収差の収差量と、前回の第２工程で算出された偶関数収差の収差量とを比較する。そして、今回算出された収差量が前回算出された収差量よりも大きくなっている場合には、実際の偶関数収差の収差量の極性は、仮に決定されていた偶関数収差の収差量の極性（ここでは正）の逆であるということになる。この場合、主制御装置５０は、改めて、偶関数収差の収差量の極性がここでは負であるとして、その負の収差量をキャンセルするように、投影光学系ＰＬの結像特性を調整する。また、今回算出された収差量が前回算出された収差量よりも小さくなって、所定の収差量以下に収束している場合、前回の投影光学系ＰＬの調整時に仮に決定されていた偶関数収差の収差量の極性（正）は、実際の偶関数収差の収差量に一致していたということになる。この場合、主制御装置５０は、投影光学系ＰＬが、適切に調整されたものと判断してその極性をそのまま正として決定し、偶関数収差の収差量の計測及び投影光学系ＰＬの調整を終了する。なお、今回算出された収差量が前回算出された収差量よりも小さくなっていても、まだ所定の収差量より大きい場合には、第１工程及び第２工程を再び繰り返せば良い。
そして、主制御装置５０が、投影光学系ＰＬの結像特性が調整された後に、上述の走査露光動作を実行すれば、レチクルＲ上に形成された回路パターンを精度良くウエハＷ上に転写することができるようになる。
以上詳細に述べたように、本第１の実施形態の収差計測方法では、偶関数収差の収差量と空間像の所定次数（本第１の実施形態では１次であるが、３次及び５次その他の次数であってもよい）の空間周波数成分の大きさとが所定の関係にあることを利用して、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’に対応する光強度信号を得て、その光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさを計測し、計測されたその大きさに基づいて投影光学系の偶関数収差の収差量を算出する。このようにすれば、１つの周期パターンの空間像を１回計測するだけで、偶関数収差の収差量（少なくともその大きさ）を計測することができるようになるため、短時間に偶関数収差の収差量を計測することができる。なお、収差量を計測するための周期パターンを１つだけとすれば、複数の周期パターンの製造誤差などの外乱要因が収差の計測値に含まれるのを回避することができるので、高精度に投影光学系ＰＬの収差を計測することができる。
また、前述の偶関数収差の収差量とそのパターンの空間像に対応する光強度分布に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさとの関係（上述の式（７）で表される）は、部分コヒーレント照明系を前提として定められたものであるため、照明系のコヒーレンスファクタ（σ値）が大きくても、精度良く偶関数収差を計測することが可能となる。
また、本第１の実施形態の収差計測方法では、第１工程及び第２工程を１回実行した時点では、偶関数収差の収差量の大きさを求めることができるが、その収差量の極性まで求めることはできない。そこで、本第１の実施形態では、投影光学系ＰＬの結像特性の調整後に再び第１工程及び第２工程を実行して偶関数収差の収差量を求め、前回計測された偶関数収差の収差量と比較することによって、偶関数収差の極性を決定する。具体的には、今回計測された偶関数収差の収差量が、前回計測された偶関数収差の収差量よりも小さくなっている場合には、その調整時の極性が所期のものであると判断し、大きくなっている場合には、その調整時の極性が所期のものとは反対であると判断する。このようにすれば、結果的に、投影光学系の結像特性を適切に調整することができるようになる。
なお、本第１の実施形態では、偶関数収差の収差量の極性を正負いずれかに仮に設定したうえで投影光学系ＰＬの結像特性を調整したが、本発明はこれに限定されるものではなく、次に説明するように、偶関数収差の収差量の極性を検出してもよい。
例えば、投影光学系ＰＬの数学モデルを用いたシミュレーションによって、図７に示されるような、その投影光学系ＰＬのフォーカス位置と、光電変換信号Ｐに基づく光強度分布に含まれる所定次数の空間周波数成分のコントラスト（その空間周波数成分を、光強度分布に含まれる直流成分で除したもの）との関係を示す曲線、すなわちコントラストカーブを予め求めておく。ここで、図７では、横軸は投影光学系ＰＬのフォーカス位置を示し、縦軸はそのときの所定次数の空間周波数成分のコントラストを示す。ここでは、所定次数の空間周波数成分が、１次の基本周波数成分であるとする。なお、図７においては、シミュレーション条件として、照明光ＩＬの波長を１９３ｎｍとし、コヒーレンスファクタσを０．１５とし、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．を０．７８とし、空間像ＰＭ’の周期を２００ｎｍとした。また、図７に示すコントラストカーブは、実際の装置における空間像計測によって算出されたものであってもよい。
そして、主制御装置５０は、そのコントラストカーブにおいて、その空間周波数成分のコントラストがほぼ０となるフォーカス位置（例えば図７に示される約０．３μｍの位置、すなわちコントラストの値が最大となる位置から所定のオフセットを有する位置）に、スリット１２２を、ステージ制御装置７０及びウエハステージ駆動系５６Ｗ等を介して位置させる。そして、主制御装置５０は、この状態で、前述の第１工程及び第２工程を実行して、空間像ＰＭ’に対応する１次の基本周波数成分の大きさを上述の式（１３）に基づいて算出し、前述の式（７）に基づいて偶関数収差の収差量の大きさを得る。
次いで、主制御装置５０は、投影光学系ＰＬのフォーカス位置をその位置としたまま、結像特性補正コントローラ７８を介して、投影光学系ＰＬに所望の値の偶関数収差を発生させ、その偶関数収差の収差量の変化と空間像ＰＭ’に対応する光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分のコントラストの変化との関係を求める。
図８Ａ、図８Ｂには、上述の動作によって求められた偶関数収差の収差量の変化と、１次基本周波数のコントラストの変化との関係の一例が示されている。図８Ａには、低次の球面収差Ｚ９の収差量の変化と１次の基本周波数成分のコントラストの変化との関係が示されており、図８Ｂには、高次の球面収差Ｚ１６の収差量と１次の基本周波数成分のコントラストの変化との関係が示されている。両図とも、コヒーレンスファクタσ及び計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の周期パターンの複数の組合せ（コヒーレンスファクタは０．０５及び０．３のいずれか、Ｌ／Ｓパターンのピッチは、０．１２、０．２、０．２５、０．３のいずれか）における各球面収差Ｚ９、Ｚ１６の収差量と１次の基本周波数成分のコントラストとの関係が示されている。
図８Ａ、図８Ｂに示されるように、投影光学系ＰＬのフォーカス位置を１次の基本周波数成分のコントラストが０となる位置に設定しているため、投影光学系ＰＬの偶関数収差を意識的に発生させていない状態、すなわち図８Ａにおける低次球面収差Ｚ９の収差量が０ｍλ、図８Ｂにおける高次球面収差Ｚ１６の収差量が０ｍλである場合には、その１次の基本周波数成分のコントラストは０となっている。この状態で、主制御装置５０は、結像特性補正コントローラ７８を介して、低次球面収差Ｚ９や高次球面収差Ｚ１６の収差量をプラス方向及ぶマイナス方向に発生させながら、その都度、上述した空間像計測装置５９を介して空間像計測を実行し、得られた光強度分布に含まれる１次の空間周波数成分の大きさを求めていく。そのようにすれば、主制御装置５０は、図８Ａ、図８Ｂに示されるような、偶関数収差の収差量に対するコントラストの特性を得ることができる。
この図８Ａ、図８Ｂを参照すると、低次球面収差Ｚ９及び高次球面収差Ｚ１６の収差量がマイナスからプラスに増加するのに比例して１次の空間周波数成分のコントラストが直線的に減少していっているのがわかる。このような、コントラストの変化に対する各偶関数収差の変化の特性から、偶関数収差の収差量を読み取ることができるとともに、その極性を明らかとすることができる。
主制御装置５０は、上述のようにして、求められたオフセット位置における偶関数収差の収差量と１次の基本周波数成分の大きさ（ここではコントラスト）との関係を求め、その関係に基づいて偶関数収差の収差量の極性を決定する。このようにすれば、第１工程において、偶関数収差の収差量の大きさだけでなく、その収差量の極性も決定することができるようになるため、本第１の実施形態のように、トライアル・アンド・エラーによる投影光学系ＰＬの調整によって、偶関数収差を所定の収差量以下に収斂させていくのではなく、１回の投影光学系ＰＬの調整だけで偶関数収差を調整することができるようになる。
なお、この場合、１次の基本周波数成分の大きさ（コントラスト）がほぼ０となるように、所定のオフセット位置を決定したが、発生しうる偶関数収差の収差量は予想することができるので、そこから計測すべきコントラスト値の範囲を予想し、その範囲から、必要な最小限度のフォーカスオフセット量を見積もるようにしてもよい。
また、本第１の実施形態の収差計測方法のように、露光装置の投影光学系ＰＬの収差をオンボディで計測する場合には、投影光学系ＰＬの低次収差が重要な計測対象となる。低次収差とは、一般的には、フリンジツェルニケ多項式においてＺ９までを指す。従来、低次収差の収差量は時間や温度に依存して変化する可能性が高いが、高次収差の収差量は、レンズエレメントの形状の誤差が支配的であって時間や温度によって変化する可能性は低く、投影光学系ＰＬの収差を低減するためには、低次収差の収差量を計測し、低次収差をキャンセルする機能があればよいと考えられてきた。しかしながら、本発明者は、温度変化に対応する投影光学系ＰＬの収差変動を解析した結果、投影光学系ＰＬの光軸に対称な収差、すなわち偶関数収差のうち、低次収差Ｚ９だけでなく、高次収差Ｚ１６、Ｚ２５まで変化することを突きとめた。従って、本第１の実施形態の収差計測方法では、計測された偶関数収差の収差量から、低次収差と高次収差とを分離して、温度変化に応じた球面収差の補正を行うことが望ましい。
その点、上述のように、そのオフセット位置における低次球面収差Ｚ９及び高次球面収差Ｚ１６の特性（図８Ａ、図８Ｂ参照）をそれぞれ求めておけば、低次球面収差の収差量と高次球面収差の収差量とを分離することも可能となる。
なお、本第１の実施形態では、上述のように、その空間周波数成分の振幅をその大きさの評価量としてもよいし、そのコントラストを評価量としてもよい。コントラストとは、その空間周波数成分の振幅を、光強度信号に含まれる直流成分で除したものであり、このコントラストを評価量とすることによって、照明光の光源の光量変化の収差計測への影響を緩和することができるようになる。
また、上記第１の実施形態では、レチクルマーク板ＲＦＭに計測マークＰＭだけ形成されているとしたが、他の計測マークを形成しておいてもよい。例えば、その周期方向がＸ軸方向に配置されたＬ／Ｓパターンの計測マークなどを形成し、Ｘ軸方向のスリットスキャン動作を実行して（この場合には、スリット板９０上のスリット１２２ｂを用いる）、空間像を計測するようにしてもよい。
また、上記第１の実施形態では、空間像計測装置５９の光導出部と受光部とを機械的に分離しているとしたが、これらを可撓な光ファイバケーブルで接続するようにしてもよい。
≪第２の実施形態≫
次に、本発明の第２の実施形態について、図９Ａ、図９Ｂ等に基づいて説明する。
本第２の実施形態に係る露光装置は、投影光学系ＰＬの収差計測の際の主制御装置５０内の動作等が前述の第１の実施形態と相違するのみで、装置構成などは、図１〜図５に示される第１の実施形態の露光装置１０と同一となっている。従って、以下においては、重複説明を避けるため、第１の実施形態との相違点、すなわち投影光学系ＰＬの偶関数収差計測の動作を中心に説明する。また、同様の趣旨から同一若しくは同等の構成部分について同一の符号を用いるとともに、その説明を省略するものとする。
本第２の実施形態の露光装置における投影光学系ＰＬの偶関数収差の計測方法について具体的に説明する。まず、主制御装置５０は、空間像計測動作を実行する。上記第１の実施形態では、スリット板９０を走査させる投影光学系ＰＬの光軸方向の位置、すなわち投影光学系ＰＬのフォーカス位置（所定の計測用パターンとしてのスリット１２２を走査させる位置）を、１箇所に固定して空間像計測を行ったが、本第２の実施形態では、投影光学系ＰＬの光軸方向の複数の位置（以下、「フォーカス位置」と略述する）で、空間像計測を行う（第１工程）。なお、各フォーカス位置における空間像計測動作は、上記第１の実施形態での動作と同一であるため、詳細な説明を省略する。
複数のフォーカス位置における空間像計測動作により、各フォーカス位置で計測された光電変換信号Ｐは、主制御装置５０に送信される。そして、主制御装置５０は、各フォーカス位置における光電変換信号Ｐに基づく光強度分布から、それぞれのフォーカス位置で計測された光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分、その３次の高調波成分、その５次の高調波成分などの大きさ（ここでは、コントラストとする）を抽出する。そして、主制御装置５０は、複数のフォーカス位置におけるそれぞれの周波数成分のコントラストに基づいて、図９Ａに示されるような各次数の空間周波数成分のコントラストカーブを算出する。なお、図９Ａでは、１次の基本周波数成分のコントラストカーブ（実線）と、３次の高調波成分のコントラストカーブ（点線）だけが示されている。
図９Ａでは、横軸はフォーカス位置を示し、縦軸は空間周波数成分のコントラストを示す。図９Ａに示されるように、投影光学系ＰＬに偶関数収差がある場合には、１次の基本周波数成分のコントラストカーブが最大となるフォーカス位置（図９Ａのグラフでは、このフォーカス位置を原点としている）と、３次の高調波成分のコントラストカーブが最大となるフォーカス位置との間には位置ずれ、いわゆるフォーカス差が生じる。
図９Ｂには、フォーカス差と偶関数収差の収差量との関係が示されている。図９Ｂでは、横軸は偶関数収差の収差量を示し、縦軸はその収差量によって発生する１次の基本周波数成分のベストフォーカス位置と３次の高調波成分のベストフォーカス位置とのフォーカス差を示す。図９Ｂに示されるように、偶関数収差の収差量とそれらのベストフォーカス位置同士のフォーカス差とは、比例関係にあり、このフォーカス差を計測すれば、そのときの偶関数収差の収差量を求めることが可能となる。なお、このようなフォーカス差と偶関数収差の収差量との関係は、投影光学系ＰＬの数学モデルを用いた空間像シミュレーションによって求められており、メモリ５１に記憶されているものとする。
従って、処理装置としての主制御装置５０は、図９Ａに示されるような１次の基本周波数成分のコントラストカーブと、３次の高調波成分のコントラストカーブとを求め、それぞれのベストフォーカス位置を求め、ベストフォーカス位置のフォーカス差（図９Ａでは、Ｒ１で示される）を求めた後、そのフォーカス差Ｒ１に対応する偶関数収差の収差量をメモリ５１に記憶された図９Ｂに示されるフォーカス差と偶関数収差の収差量との特性を参照して算出する（第２工程）。
調整装置としての主制御装置５０は、算出された偶関数収差の収差量に基づいて、結像特性補正コントローラ７８を介して投影光学系ＰＬの偶関数収差の収差量を調整する。そして、主制御装置５０が、投影光学系ＰＬの結像特性が調整された後に、上述の走査露光動作を実行すれば、レチクルＲ上に形成された回路パターンを精度良くウエハＷ上に転写することができるようになる。
以上詳細に述べたように、本第２の実施形態の露光装置及びその収差計測方法によれば、空間像に含まれる１次の基本周波数成分のコントラストが最大となるフォーカス位置と、その３次の高調波成分のコントラストが最大となるフォーカス位置との位置ずれ、すなわちフォーカス差を算出すれば、偶関数収差の収差量を算出することができる。なお、このフォーカス差は、符号付きで求められるので、この方法では、収差量の大きさとともにその極性も同時に求めることができる。なお、本第２の実施形態では、収差量を計測するための周期パターンを１つだけとして、複数の周期パターンの製造誤差などの外乱要因が収差の計測に含まれるのを回避することができるので、高精度に投影光学系ＰＬの収差を計測することができる。
ところで、計測された偶関数収差の収差量から低次の球面収差と高次の球面収差とを分離するためには、周期の異なる複数のＬ／Ｓパターンを計測マークとして用意する必要がある。
例えば、レチクルマーク板ＲＦＭ上の計測マークとして、異なる周期を有する２つの周期パターン、それぞれの空間像の周期がそれぞれ０．５μｍと１．０μｍとなるような２つのＬ／Ｓパターンを有する計測マークを用意して、計測マーク毎に前述の第１工程及び第２工程を実行して、それぞれの空間像を計測する。
Ｌ／Ｓパターンの周期によって、低次の球面収差と高次の球面収差とのフォーカス差に関する寄与度、すなわちフォーカス差に対するツェルニケ感度（以下、フォーカス差感度と略述する）がそれぞれ異なる。そのため、低次の球面収差（Ｚ９）と高次の球面収差（Ｚ１６）との分離が可能となる。空間像の周期が１．０μｍとなるＬ／Ｓパターンでの１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのフォーカス差をδＦ（Ｌ／Ｓ＝１．０）とし、空間像の周期が０．５μｍとなるＬ／Ｓパターンでの１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのフォーカス差をδＦ（Ｌ／Ｓ＝０．５）とする。さらに、１．０μｍの低次球面収差Ｚ９に対するフォーカス差感度をα１とし、１．０μｍの高次球面収差Ｚ１６に対するフォーカス差感度をβ１とし、０．５μｍの低次球面収差Ｚ９に対するフォーカス差感度をα２、０．５μｍの高次球面収差Ｚ１６に対するフォーカス差感度をβ２とすると、以下の式（１４）、式（１５）が成立する。
Figure 2004059710
上述したフォーカス差感度は、投影光学系ＰＬの数学モデルを用いた空間像シミュレーションによって求めることができる。以下の表２に、σ＝０．１５、Ｎ．Ａ．＝０．７８、波長１９３ｎｍの場合に空間像シミュレーションによって求められたフォーカス差感度を示す。この表２では、３種類のＬ／Ｓパターンについての、フォーカス差の変化に対する偶関数収差である各球面収差Ｚ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６の感度が表示されている。４つの球面収差Ｚ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６を分離するためには、Ｌ／Ｓパターンの周期及び高調波の次数の組合せであって、少なくとも４種類の組合せについての基本周波数成分とその所定次数（３次又は５次）の高調波成分とのフォーカス差を算出し、そのフォーカス差と、下の表２に示されるその組合せでのツェルニケ感度を用いて連立方程式を作成し、それを解く必要がある。
Figure 2004059710
例えば、０．５μｍＬ／Ｓパターンについての１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのフォーカス差に対するＺ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６のツェルニケ感度をそれぞれα１、β１、γ１、δ１とし、０．７μｍＬ／Ｓパターンについての１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのフォーカス差に対するＺ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６のツェルニケ感度をそれぞれα２、β２、γ２、δ２とし、１．０μｍＬ／Ｓパターンについての１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのフォーカス差に対するＺ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６のツェルニケ感度をそれぞれα３、β３、γ３、δ３とする。また、１．０μｍＬ／Ｓパターンについての１次の基本周波数成分と５次の高調波成分とのフォーカス差に対するＺ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６のツェルニケ感度をそれぞれα４、β４、γ４、δ４とすると、以下の式（１６）〜式（１９）が得られ、これらの式からＺ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６の分離が可能となる。
Figure 2004059710
なお、本第２の実施形態では、求められたフォーカス差の数が、求める球面収差の数よりも多い場合などには、最小二乗法を用いて、各偶関数収差の各々の収差量を求めるようにしてもよい。なお、最小二乗法による収差量の計測方法の詳細については後述する。
また、上記第１、第２の実施形態では、デューティ５０％のＬ／Ｓパターンには、基本的に偶数次の空間周波数成分が存在しないため、所定次数の空間周波数成分として、奇数次の空間周波数成分を用いるのが望ましい。
また、上記第１、第２の実施形態では、計測用パターンとしてスリット１２２を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピンホールパターンを用いてもよい。なお、この場合、スリット１２２と同レベルの光量を確保するため、ピンホールパターンの直径は、その幅の２倍程度（４００ｎｍ以下）とすることが望ましい。
また、上記第２の実施形態では、複数のフォーカス位置においてスリット板９０を走査させて空間像計測を行ったが、投影光学系ＰＬの実際の収差、例えば偶関数収差の一部の収差量を変化させながら、他の偶関数収差の収差量を計測することも可能である。具体的には、例えばＺ９などの低次偶関数収差成分を変化させ、各周波数成分の振幅のピークを与えるＺ９の値を評価量として他の収差、例えばＺ１６等の高次の偶関数収差の収差量を計測することができる。
上記第１、第２の実施形態における露光装置１０に用いられる投影光学系ＰＬのような、最近の半導体露光装置に用いられる投影光学系は、前述のように、収差を補正するための駆動素子２０を内蔵している（図２参照）。この駆動素子２０を駆動し、投影光学系ＰＬのレンズのレンズエレメントを調整することによって、Ｚ９の値を変化させることができる。駆動素子２０は駆動しうる軸数、自由度によって補正しうる収差の種類が異なるが、最新の投影光学系（すなわち、投影光学系ＰＬ）では、駆動素子２０を複数のレンズエレメントについて装備しており、球面収差Ｚ９，Ｚ１６、コマ収差Ｚ７，Ｚ８，Ｚ１４，Ｚ１５、ディストーションＺ２，Ｚ３など多種多様な収差の収差量を所望の値に調整することが可能となっている。
ここで、Ｚ１６の計測方法について説明する。図１０には、規格化された瞳位置に対する偶関数成分の各収差（Ｚ４，Ｚ９，Ｚ１６，Ｚ２５）による位相遅れレベルの変化が示され、図１１には、Ｚ９による振幅の調整を説明するための図が示されている。図１０に示されるように、実線で表されるＺ１６についての位相遅れレベルは、瞳位置の座標値が±０．５２５のところで極値を有しており、その値は０．４４７となっている。瞳位置の座標値０．５２５に位置する１次回折光を発生するパターンとしては、光学系の条件を、Ｎ．Ａ．＝０．７８，σ＝０（コヒーレント照明），λ＝１９３ｎｍとした場合に、ピッチ＝λ／（Ｎ．Ａ．×０．５２５）＝４７１ｎｍとなるので、２３５ｎｍＬ／Ｓパターンが用いられている。このパターンの振幅は、投影光学系ＰＬの収差がＺ１６のみであるとすると、Ｚ１６が０の時に最大となる。このことは、式（７）から明らかである。
フリンジツェルニケ係数相当でＺ１６の収差量がＣ（今のところ未知数のため「Ｃ」と規定している）だけ存在するとした場合、瞳座標０．５２５に位置する１次回折光と０次光との位相差Ａは、Ａ＝Ｃ×１．４４７となる（図１１参照）。この位相差Ａが０となるときに２３５ｎｍＬ／Ｓパターンの空間像の振幅は最大となる。また、位相差Ａは、Ｚ９を変化させることによって任意に設定可能である。
また、図１１に示されるように、Ｚ９相当で１．２Ｃの収差を発生させると、Ｂ＝−Ｃ×１．２２＝−１．４４Ｃの位相差を０次光と１次回折光との位相差に対して発生させることができ、Ｚ１６による位相差Ａを相殺することができる。すなわち、言い換えれば、Ｚ１６の値をＺ９の値から換算可能ということになる。なお、この際には、計測精度を高める観点からすれば、Ｚ９を順次変更した際の空間像の基本波成分の振幅が最大となるＺ９の値から、Ｚ１６の値を換算するのが望ましい。
図１２には、Ｚ９を変化させたときの、空間像強度の基本周波数成分の振幅をシミュレーションで計算したときの計算結果が示されている。このシミュレーションでは、光学系の条件を、Ｎ．Ａ．＝０．７８、σ＝０．１、λ＝１９３ｎｍとし、計測マークを０．２３５μｍＬ／Ｓとした。なお、ここで、Ｚ９を変化させながら振幅の値を順次計測しているのは振幅のピーク位置を高精度に決定するためである。
振幅のピーク位置はＺ９換算で求められる。振幅のピーク位置はＺ１６の量に比例して変化する。図１３にはＺ１６の収差量とＺ９換算でのピーク位置との相関関係が示されている。図１３に示されるように、Ｚ１６の収差量とＺ９換算でのピーク位置とは、ほぼ完全に比例関係にあり、相関係数Ｒ２＝１となっている。Ｚ１６の変化に対するピーク位置の変化の割合は、いわゆるツェルニケ感度で０．９１５７と計算される。なお、この感度はＮ．Ａ．、σ、波長、計測マークによって変化する。
以上述べたように、空間像計測を、投影光学系ＰＬの第１の収差としてのＺ９を複数の収差量に設定して実行し、計測された空間像、すなわち光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量をＺ９換算で求め、これらの位置の変化量を評価量として第２の収差としてのＺ１６を算出することができる。
なお、その他の偶関数成分の収差Ｚ２５，Ｚ３６も計測する場合、計測マークを３種類以上とし、これらの計測マークにおけるツェルニケ感度をＺ１６，Ｚ２５，Ｚ３６に関して求めておき、３種類以上のマークでＺ９換算での振幅のピーク位置δｍを測定し、以下の式（２０）に示されるような連立方程式を解くことによってＺ１６，Ｚ２５，Ｚ３６それぞれの収差量を求めることができる。
Figure 2004059710
ここで、上述の式（２０）における係数
Figure 2004059710
は、各偶関数収差Ｚ１６，Ｚ２５，Ｚ３６の成分の量に対するＺ９相当の振幅のピーク位置の変化の割合、すなわちツェルニケ感度を示す。ツェルニケ感度
Figure 2004059710
は、空間像シミュレーションにより、前もって計算しておくのが一般的であるが、場合によっては投影光学系ＰＬの駆動素子２０を駆動させて収差を変化させて実測しても良い。例えば
Figure 2004059710
は、偶関数収差Ｚ１６に対するＺ９換算の振幅ピーク位置の変化の割合、すなわちツェルニケ感度を示し、空間像シミュレーションによって、偶関数収差Ｚ１６を変化させたときのＺ９換算の振幅ピーク位置の変化の割合から、ツェルニケ感度を求めることができる。
ｍ個のＬ／Ｓパターンの位相差を計測すると、ｍ個の１次式を作成することができる。収差量Ｚ１６，Ｚ２５，Ｚ３６が未知数であり、３つあるとする。一般に未知数をｎとすると、ｍ＝ｎの場合、上述の式（２０）の連立１次方程式を解けばすべての未知数の値を求めることができる。すなわち、３個のＬ／Ｓパターンの位相差を計測すると、収差量Ｚ１６，Ｚ２５，Ｚ３６の値を求めることができる。なお、ｍ≧ｎの場合には、最小二乗法を用いて未知数の値を求めるようにすれば良い。
なお、複数のマークを用いる代わりに、同一マークでσ，Ｎ．Ａ．など他の条件を変えてＺ１６，Ｚ２５，Ｚ３６に対するツェルニケ感度を変化させ、連立方程式を解くことも可能である。
以上、Ｚ９を変化させて偶関数の収差を計測する例を説明したが、投影光学系ＰＬのレンズエレメントの位置、内部の圧力などを変化させて、Ｚ９の代わりに他の偶関数収差成分を変化させて計測を行っても良い。例えばＺ４は、フォーカス（デフォーカス）と等価な収差であるが、投影光学系ＰＬの像面側の焦点距離、即ち光軸ＡＸの方向に関する像面の位置を変化させずにＺ４を投影光学系ＰＬ内の収差変動として与えることが可能である。すなわちＺ４をＺ９の代わりに変化させても良い。
なお、本第２の実施形態では、投影光学系ＰＬと空間像計測装置５９との距離を等距離に保って偶関数収差の計測を行えるので、照明光学系のテレセントリシティ（照明テレセン）が斜めでも、デフォーカス時に像がずれないという特徴がある。このため、投影光学系ＰＬのＺ９をステップさせながら複数のＺ９の発生状態で像コントラストと像位置を同時に計測することで偶関数と奇関数の収差を同時に計測することができる。これは、特にマイクロフライアイレンズを有する照明光学系では重要な特徴である。なぜならば、この照明光学系には０次光をカットする遮光円板が照明光学系の開口数（コヒーレンスファクタσ値）相当で０．０４〜０．０５程度の大きさでその瞳面の中心に位置しているので、照明テレセンを斜めにしないと、照明光学系の開口数（σ値）を小さくする、特に０．０４〜０．０５以下にする場合には照明光ＩＬがけられてしまい、上記計測を実現できないためである。
≪第３の実施形態≫
次に、本発明の第３の実施形態について、図１４Ａ、図１４Ｂ、図１５Ａ、図１５Ｂ等に基づいて説明する。
本第３の実施形態に係る露光装置は、投影光学系ＰＬの収差計測の際の動作が前述の第１、第２の実施形態と相違するが、装置構成などは、一部を除き第１の実施形態の露光装置１０とほぼ同一となっている。従って、重複説明を避けるため、以下においては第１、第２の実施形態との相違点を中心に説明する。また、同様の趣旨から同一若しくは同等の構成部分については、同一の符号を用いるとともに、その説明を省略するものとする。
本第３の実施形態では、マーク保持部材としてのレチクルマーク板と、計測用パターンとしてのスリットの構成が、上記第１、第２の実施形態と異なっている。本第３の実施形態では、図１４Ａ、図１４Ｂに示されるように、レチクルマーク板ＲＦＭの代わりにレチクルマーク板ＲＦＭ’を用い、スリット１２２の代わりに、スリット１２２’を用いる。
図１４Ａには、本第３の実施形態におけるレチクルマーク板ＲＦＭ’上の計測マークの一例が示されている。図１４Ａに示されるように、このレチクルマーク板ＲＦＭ’の計測マークには、第１周期パターンとしての１つのＬ／ＳパターンＬＳ１と、第２周期パターンとしての一対のＬ／ＳパターンＬＳ２と、一対のＬ／ＳパターンＬＳ３とが、その周期方向に直交する方向に並列に配置されている。Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３は、互いに周期が異なるデューティ５０％のパターンである。一対のＬ／ＳパターンＬＳ２は、Ｌ／ＳパターンＬＳ１を挟むように、周期方向の互いの位相差がほぼ０となるように配設され、一対のＬ／ＳパターンＬＳ３も、Ｌ／ＳパターンＬＳ１、ＬＳ２を挟むように、周期方向の互いの位相差がほぼ０となるように配設されている。なお、各Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３は、その周期方向における空間像の全長が１２μｍより小さくなるように設定されており、それぞれのＸ軸方向（Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３の周期方向に垂直な方向）の空間像の長さが２μｍ程度で、各Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３の空間像の隙間が１μｍ程度となるように設定されている。
図１４Ｂには、本第３実施形態の収差計測方法において、空間像計測を行う際のスリット板９０’の一例が示されている。このスリット板９０’には、図１４Ｂに示されるように、Ｘ軸方向に延びる所定幅２Ｄのスリット１２２’が形成されている。スリット１２２’は、そのＸ軸方向の長さがＬ／ＳパターンＬＳ１、ＬＳ２（２つ）、ＬＳ３（２つ）全体の空間像のＸ軸方向の長さ以上となるように形成されている。
本第３実施形態では、周期が異なる複数のＬ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３を並列して配置した計測マークを、上記第１、第２実施形態と同様に（計測マークＰＭと同じように）、それらのパターンを全て投影光学系ＰＬの有効視野内に位置させた状態で、照明光ＩＬにより計測マークを照明する。このようにすれば、投影光学系ＰＬを介して計測マークの空間像が形成される。
主制御装置５０は、図１４Ｂに示されるように、それらの空間像を一括してスリット１２２’にて走査させながら、スリット１２２’を介して得られる計測マークを介した照明光を空間像計測装置５９によって光電検出する（第１工程）。このようにすれば、空間像計測装置５９において、それぞれのＬ／Ｓパターンの空間像の成分を含む合成空間像強度に相当する光強度信号Ｐを検出することができるようになる。主制御装置５０は、空間像計測装置５９より得られた光強度信号Ｐに基づく合成空間像強度を周波数解析することによって、各Ｌ／Ｓパターンに対応する空間周波数成分の大きさを求め、これによって投影光学系ＰＬの収差量を計測し、その収差量に基づいて投影光学系ＰＬの結像特性を調整する。
なお、本第３実施形態では、複数のＬ／Ｓパターンにおける最小周期に対する最大周期の比率は、３倍以下とすることが望ましい。図１４Ａに示されるように、Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３の中では、Ｌ／ＳパターンＬＳ１の周期が最大となっており、Ｌ／ＳパターンＬＳ３の周期が最小となっている。従って、レチクルマーク板ＲＦＭ’では、Ｌ／ＳパターンＬＳ３の周期に対してＬ／ＳパターンＬＳ１の周期が３倍以下となるように設定されている。このようにすれば、空間像計測装置５９によって得られる光強度信号Ｐに基づく光強度分布に含まれる空間周波数成分において、最小周期を有するＬ／ＳパターンＬＳ３による１次の基本周波数成分と、最大周期を有するＬ／ＳパターンＬＳ１による３次の高調波成分とが混在するのを防ぐことができる。例えば、各Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３の空間像の周期の組合せとしては、それらの単位をμｍとすると、それぞれ（ＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３）＝（０．２２５，０．１７５，０．１２５）、（０．２７５，０．２２５，０．１５０）、（０．２７５，０．２５０，０．２００）、（０．４５０，０．３５０，０．３００）、（０．６０，０．４５０，０．３２５）、（０．６００，０．５００，０．４００）などが考えられる。
なお、図１４Ａでは、周期が異なるＬ／ＳパターンとしてＬＳ１〜ＬＳ３だけ示されているが、周期が異なるＬ／Ｓパターンは、４種類以上（例えば、Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３とは周期が異なるＬ／ＳパターンＬＳ４、ＬＳ５等をさらに含むものとする）あっても良い。
まず、投影光学系ＰＬの偶関数収差を計測する場合について説明する。この場合には、上記第２の実施形態と同様に、スリット１２２’を走査する位置を、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向に関する複数の位置に変更しながら、上述した第１工程における空間像計測を実行する。そして、主制御装置５０は、それらの位置でそれぞれ得られた基本周波数成分の大きさ（ここではコントラストとする）に基づいて、各Ｌ／ＳパターンＬＳ１〜ＬＳ３に対応するコントラストカーブを作成する。
図１５Ａには、周期が異なる２つのＬ／ＳパターンＬＳ１、ＬＳ２におけるコントラストカーブの一例が示されている。図１５Ａに示されるように、Ｌ／ＳパターンＬＳ１においてコントラストが最大となる位置と、Ｌ／ＳパターンＬＳ２においてコントラストが最大となる位置との間には位置ずれ、すなわちフォーカス差が生じている。なお、図１５Ａでは、Ｌ／ＳパターンＬＳ１のコントラストカーブが最大となる位置が原点として設定されている。
図１５Ｂには、このフォーカス差と偶関数収差の収差量との関係の一例が示されている。図１５Ｂでは、横軸は偶関数収差の収差量を示し、縦軸はその収差量によって発生するＬ／ＳパターンＬＳ１とＬ／ＳパターンＬＳ２とのフォーカス差を示す。図１５Ｂに示されるように、偶関数収差の収差量とそれらのベストフォーカス位置同士のフォーカス差とは比例関係にあり、このフォーカス差（例えばＲ’）を計測すれば、そのときの偶関数収差の収差量を求めることが可能となる。なお、このようなフォーカス差と偶関数収差の収差量との関係は、投影光学系ＰＬの数学モデルを用いた空間像シミュレーションによって求めることが可能であり、この関係が予めメモリ５１に記憶されているものとする。
主制御装置５０は、各パターンについて図１５Ａに示されるようなコントラストカーブを作成し、それらのカーブの値が最大となる位置の各パターン間の位置ずれ、すなわちフォーカス差を算出し、メモリ５１に記憶された図１５Ｂに示される関係に基づいて、偶関数収差の収差量を求める。
次いで、主制御装置５０は、最も長いピッチのＬ／ＳパターンＬＳ１の第１の基本周波数成分を基準とし、他のＬ／ＳパターンＬＳ２、ＬＳ３、ＬＳ４、ＬＳ５・・・との相対的な前述のフォーカス差をそれぞれ第１フォーカス差δＦ１、第２フォーカス差δＦ２、第３フォーカス差δＦ３、第４フォーカス差δＦ４として前述のようにして求める。これらのフォーカス差と、低次球面収差Ｚ９、高次球面収差Ｚ１６等の複数の偶関数収差（Ｚ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６）との関係は以下の式（２１）に示される連立方程式で表される。主制御装置５０は、この式（２１）を解いて、各偶関数収差（Ｚ９、Ｚ１６、Ｚ２５、Ｚ３６）を求める。
Figure 2004059710
ここで、係数α１〜α４、β１〜β４、γ１〜γ４、δ１〜δ４は、フォーカス差の変化に対する各偶関数収差（球面収差等）の成分の量の感度である。例えば、係数α１は、第１フォーカス差δＦ１（Ｌ／ＳパターンＬＳ１の１次の基本周波数成分と、Ｌ／ＳパターンＬＳ２の１次の基本周波数成分との位相差）の変化に対する低次球面収差Ｚ９の感度を示す。これらの感度は、投影光学系ＰＬの数学モデルを用いた空間像シミュレーションによって前もって計算されたものを用いることができる。
なお、本第３実施形態では、上述のように、各Ｌ／Ｓパターンにおけるフォーカス差に基づいて各偶関数収差を計測したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上記第１の実施形態と同様に、各Ｌ／Ｓパターンに対応する所定次数の空間周波数成分の大きさに基づいて、各偶関数収差を求めるようにしてもよい（投影光学系ＰＬの光軸方向に関して、その空間周波数成分が最大となる位置から所定のオフセットを有する位置でスリットを走査させて空間像計測を行う方法を含む）。
また、図１４Ａに示されるような周期が異なる複数のＬ／Ｓパターンを用いて投影光学系ＰＬの奇関数収差、例えばコマ収差を計測することも可能である。例えば、主制御装置５０は、前述の第１工程を実行し、計測された合成空間像強度を周波数解析することによって各Ｌ／Ｓパターンに対応する空間周波数成分を抽出する。そして、主制御装置５０は、例えば、最も長い周期を有するＬ／ＳパターンＬＳ１に対応する基本周波数成分の位相を基準とし、他のＬ／ＳパターンＬＳ２、ＬＳ３、ＬＳ４、ＬＳ５・・・の基本周波数成分との相対的な位相差をそれぞれ第１位相差Φ１、第２位相差Φ２、第３位相差Φ３、第４位相差Φ４とする。これらの位相差と、低次コマ収差Ｚ７、高次コマ収差Ｚ１４等の複数の奇関数収差（Ｚ７、Ｚ１４、Ｚ２３、Ｚ３４）との関係は以下の式（２２）のように表される。主制御装置５０は、この式（２２）を解いて、各奇関数収差（Ｚ７、Ｚ１４、Ｚ２３、Ｚ３４）を求める。
Figure 2004059710
ここで、係数α１〜α４、β１〜β４、γ１〜γ４、δ１〜δ４は、各奇関数収差（コマ収差）の成分に対する位相差変化の感度である。例えば、係数α１は、低次コマ収差Ｚ７に対する第１位相差Φ１（Ｌ／ＳパターンＬＳ１の１次の基本周波数成分と、Ｌ／ＳパターンＬＳ２の１次の基本周波数成分との位相差）の変化の感度を示す。これらの感度は、投影光学系ＰＬの数学モデルを用いた空間像シミュレーションにより前もって計算されたものを用いることができる。
なお、本第３実施形態では、ｎ個の奇関数収差を計測しようとする場合には、ｎ個以上の位相差を計測すればよい。例えば、６個の奇関数収差を計測しようとする場合には、６個以上の位相差を計測する必要がある。このとき、レチクルマーク板ＲＦＭ’には、必ずしも６個のＬ／Ｓパターンを用意する必要はなく、Ｌ／Ｓパターンは少なくとも４個配設されていればよい。なぜならば、前述のように各位相差の基準を１つのＬ／Ｓパターン（例えばＬ／ＳパターンＬＳ１）に限定する必要はなく、周期が異なるＬ／Ｓパターンを４つ配設しておけば、１組のＬ／Ｓパターンの組合せとして６つの組合せを作成することができ、６つの位相差を計測可能となるからである。
以上述べたように、ｎ個の奇関数収差を計測しようとして、ｎ個の位相差が計測されている場合には、上述のようにｎ個の連立方程式を解くことによって、各奇関数収差の収差量が得られる。ところで、ｎ個より多いｍ個の位相差が計測されている場合には、以下の式（２３）に表されるｍ個の位相差に対応するｍ個の１次方程式から成る連立方程式を作成し、最小二乗法を用いて未知数、すなわち各奇関数収差を求めればよい。
Figure 2004059710
ここで、Ｓｊ（ｊ＝１〜ｎ）は、未知数、すなわち計測対象となる各奇関数収差のいずれかを示し、ａｉｊ（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ）は、各奇関数収差の収差量Ｓｊに対する位相差Φｉ（ｉ＝１〜ｍ）の変化の感度を示す。
最小二乗法による各奇関数収差の収差量の求め方について説明する。上述の式（２３）は、右辺を、ａｉｊ（ｉ＝１〜ｍ、ｊ＝１〜ｎ）を各要素とするｍ行ｎ列の定数行列Ａと、未知数Ｓｊ（ｊ＝１〜ｎ）を要素とするｎ次元ベクトルＳとでまとめて表すことができる。左辺の位相差Φｉ（ｉ＝１〜ｍ）をｍ次元ベクトルΦとしてまとめて表すと、以下の式（２４）のように表される。
Figure 2004059710
最小二乗法は、上記式（２４）のように、ベクトル形式で表現した場合に、ベクトルＡＳ−Φ同士の内積（ＡＳ−Φ、ＡＳ−Φ）を最小とするＳを求める方法である。なお、上述の式（２４）は、以下の式（２５）のように変形される。
Figure 2004059710
ここで、行列ＡＴは、行列Ａの転置行列である。ＡＴＡはｎ次元の正方行列であり、ＡＴΦは、ｎ次元のベクトルであるから、上述の式（２５）は、その解を解くことができ、これによりｎ次元ベクトルＳを求めることができる。ｎ次元ベクトルＳは、以下の式（２６）のように表される。従って、主制御装置５０は、以下の式（２６）を計算して、各奇関数収差の収差量を求める。
Figure 2004059710
なお、このような最小二乗法を用いた、収差計測方法は、前述のように、奇関数収差だけではなく、前述（上記第２の実施形態も含む）の各偶関数収差の計測にも利用できることはいうまでもない。なお、この場合には、上述の式（２３）における連立方程式の左辺は、各Ｌ／Ｓパターン間の位相差ではなく、各パターン間のコントラストが最大となる位置の位置ずれ等になる。
以上詳細に述べたように、本第３の実施形態では、並列に配置された周期が互いに異なる複数の周期パターンＬＳ１、ＬＳ２・・・を含む計測マークの空間像に対して走査させる計測用パターン１２２’の長さを、計測マークの空間像の長さ以上としている。従って、この計測用パターン１２２’を用いれば、１回の走査で、すべての周期パターンを介した照明光の光強度信号を得ることができるようになるため、投影光学系ＰＬの収差（低次、高次球面収差等を含む偶関数収差や低次、高次コマ収差等を含む奇関数収差）の計測時間を短縮することができるようになる。
なお、本第３の実施形態でも、上記第１、第２の実施形態と同様に、その空間周波数成分の振幅をその大きさの評価量としてもよいし、そのコントラストを評価量としてもよい。コントラストとは、その空間周波数成分の振幅を、光強度信号に含まれる直流成分で除したものであり、このコントラストを評価量とすることによって、照明光の光源の光量変化の収差計測への影響を緩和することができるようになる。
≪第４の実施形態≫
次に、本発明の第４の実施形態について、図１６Ａ〜図２８に基づいて説明する。
上記第２の実施形態では、デューティ比が１：１のＬ／Ｓパターンの計測マークの空間像を複数のフォーカス位置で計測して、この空間像に対しフーリエ変換を実行することにより、その空間像に含まれる基本周波数成分と３次高調波成分のフーリエ係数を求め、そのフーリエ係数に基づいて、基本周波数成分と３次高調波成分とのコントラストカーブを求め、それらのコントラストカーブが最大になる位置の位置ずれに基づいて、投影光学系ＰＬの収差量を求めた。
このような高調波成分を用いて投影光学系ＰＬの収差を求める方法では、Ｌ／Ｓパターンのデューティ比の精度が、投影光学系ＰＬの収差量の計測精度に多大な影響を与える。例えば、以下の表３に、デューティ比が異なるＬ／Ｓパターンでの、１次の基本周波数成分とその高調波成分との位相差、いわゆる横ずれ量（この量が、投影光学系ＰＬのコマ収差等の奇関数収差に対応する）の違いを示す。なお、ここでは、照明光ＩＬの波長が１９３ｎｍ、コヒーレンスファクタσが０．３、投影光学系ＰＬの開口数が０．７８、Ｌ／Ｓパターンの空間像の周期が１．０μｍという条件の下、その空間像のラインとスペースとの幅の比を、それぞれ０．５μｍ：０．５μｍ、０．４５μｍ：０．５５μｍ、０．５５μｍ：０．４５μｍとしている。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分と、２次の高調波成分と、３次の高調波成分との振幅比は、０．３１：０．０３２：０．０７１となった。すなわち、空間像に含まれる各空間周波数成分の大きさは、次数が高くなればなるほど小さくなっており、ここでは、３次の高調波成分の大きさは、基本周波数成分の大きさの約３０％程度となっている。
また、このような空間像計測には、前述のように、光電変換素子としてフォト・マルチプライヤ・チューブ（以下、「ＰＭＴ」と略述する）を用いるが、計測される収差量は、このＰＭＴの非線形性による出力電圧の歪みにも影響を受ける。このようなＰＭＴの非線形性を考慮した場合、上述の条件による横ずれ量の計測値は、以下の表４のように表される。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分と、２次の高調波成分と、３次の高調波成分との振幅比は、０．３１：０．０３０：０．０７となった。
また、以下の表５には、照明光ＩＬの波長を２４８ｎｍとし、投影光学系ＰＬの開口数Ｎ．Ａ．を０．８２とし、ＰＭＴの非線形性を考慮しない場合の横ずれ量の計測値が示されている。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分と、２次の高調波成分と、３次の高調波成分との振幅比は、０．３１：０．０５３：０．０４５となった。
また、以下の表６には、照明光ＩＬの波長を２４８ｎｍとし、投影光学系ＰＬの開口数Ｎ．Ａ．を０．８２とし、ＰＭＴの非線形性を考慮した場合の横ずれ量の計測値が示されている。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分と、２次の高調波成分と、３次の高調波成分との振幅比は、０．３１：０．０４８：０．０４６となった。
上記表３〜表６から明らかなように、Ｌ／Ｓパターンのデューティ比が変化すると、そのデューティ比の変化率を大幅に上回る横ずれ量等の感度変化が発生して収差量の計測精度が悪化してしまうという不都合がある。また、ＰＭＴの非線形性により、投影光学系ＰＬの収差量の計測精度に限界があるという不都合もある。
また、上記第１〜第３実施形態では、透過光量が減少してＳ／Ｎ比が悪化するのを防ぎ、計測時間を短縮するという観点から、計測用パターンとして、ピンホールパターンよりも、スリットパターンを用いていた。しかし、投影光学系ＰＬの収差を、より精度良く求めるためには、あらゆる方向に延びる周期パターンの空間周波数成分を計測することが望ましく、所定の計測用パターンをスリットパターンのみとすると、前述のように、計測マークの周期方向が、スリットパターンの長手方向に垂直な方向に限られてしまうという不都合がある。
本第４の実施形態に係る露光装置は、上述の不都合を解決するためのものである。本第４の実施形態に係る露光装置は、その装置構成などは、一部を除き第１の実施形態の露光装置１０とほぼ同一となっている。従って、重複説明を避けるため、以下においては第１〜第３の実施形態との相違点を中心に説明する。また、同様の趣旨から同一若しくは同等の構成部分については、同一の符号を用いるとともに、その説明を省略するものとする。
本第４の実施形態では、マーク保持部材としてのレチクルマーク板と、計測用パターンとしてのスリットの構成が、上記第１〜第３の実施形態と異なっている。本第４の実施形態では、図１６Ａ〜図１６Ｃ又は図１７Ａ、図１７Ｂに示されるレチクルマークＲＦＭ”のうち、いずれか１つのレチクルマーク板ＲＦＭ”を用いる。
図１６Ａには、本第４の実施形態におけるレチクルマーク板ＲＦＭ”上の計測マークの一例が示されている。図１６Ａに示されるように、このレチクルマーク板ＲＦＭ”の計測マークでは、幅４ｄの光透過部（斜線で示される部分）が周期（周期８ｄ）的に設けられており、幅２ｄの光透過部（斜線で示される部分）が、幅ｄの２つの遮光部に挟まれるように周期的（周期８ｄ）に設けられている。従って、この計測マークでは、周期８ｄのデューティ比１：１の基本パターン（第１周期パターン）と、周期８ｄのデューティ比１：３の補助パターン（基本パターンとは線幅が異なる第２周期パターン）とが、それらの周期方向に混在するように配置されているとみなすことができる。
図１６Ｂには、本第４の実施形態におけるレチクルマーク板ＲＦＭ”上の計測マークの他の例が示されている。図１６Ｂに示されるように、このレチクルマーク板ＲＦＭ”の計測マークでは、幅３ｄの光透過部（斜線で示される部分）が周期的（周期６ｄ）に設けられており、幅ｄの光透過部（斜線で示される部分）が、幅ｄの２つの遮光部に挟まれるように周期的（周期６ｄ）に設けられている。従って、この計測マークでは、周期６ｄのデューティ比１：１の基本パターン（第１周期パターン）と、周期６ｄのデューティ比１：５の補助パターン（第２周期パターン）とが、それらの周期方向に混在するように配置されているとみなすことができる。
図１６Ｃには、本第４の実施形態におけるレチクルマーク板ＲＦＭ”上の計測マークの他の例が示されている。図１６Ｃに示されるように、このレチクルマーク板ＲＦＭ”の計測マークでは、幅８ｄの光透過部（斜線で示される部分）が周期的（周期１６ｄ）に設けられており、幅２ｄの２つの光透過部（斜線で示される部分）が、幅２ｄの遮光部を挟んだ状態で、かつ幅ｄの２つの遮光部に挟まれるように周期的（周期１６ｄ）に設けられている。従って、この計測マークでは、周期１６ｄのデューティ比１：１の基本パターン（第１周期パターン）と、周期１６ｄのデューティ比１：７の補助パターン（第２周期パターン）とが、それらの周期方向に混在するように配置されているとみなすことができる。
また、図１７Ａには、本第４の実施形態におけるレチクルマーク板ＲＦＭ”上の計測マークの他の例が示されている。図１７Ａに示されるように、このレチクルマーク板ＲＦＭ”の計測マークでは、幅５ｄの光透過部（斜線で示される部分）が周期的（周期１０ｄ）に設けられており、幅ｄの２つの光透過部（斜線で示される部分）が、幅ｄの遮光部を挟んだ状態で、かつ幅ｄの２つの遮光部に挟まれるように周期的（周期１０ｄ）に設けられている。従って、この計測マークでは、周期１０ｄのデューティ比１：１の基本パターン（第１周期パターン）と、周期１０ｄのデューティ比１：９の補助パターンとが、それらの周期方向に混在するように配置されているとみなすことができる。
図１７Ｂには、本第４の実施形態におけるレチクルマーク板ＲＦＭ”上の計測マークの他の例が示されている。図１７Ｂに示されるように、このレチクルマーク板ＲＦＭ”の計測マークでは、幅１２ｄの光透過部（斜線で示される部分）が周期的（周期２４ｄ）に設けられており、幅２ｄの３つの光透過部（斜線で示される部分）が、それぞれの間隔（遮光部）がそれぞれ２ｄとなり、幅１２ｄの遮光部との間隔（遮光部）がそれぞれｄとなるように周期的（周期２４ｄ）に設けられている。従って、この計測マークでは、周期２４ｄのデューティ比１：１の基本パターン（第１周期パターン）と、周期２４ｄのデューティ比１：１１の補助パターン（第２周期パターン）とが、それらの周期方向に混在するように配置されているとみなすことができる。
次に、図１６Ａ〜図１６Ｃ、図１７Ａ、図１７Ｂに示されるような計測マークの設計方法について説明する。まず、基本パターンだけの計測マークを考慮する。例えば、図１６Ａに示される計測マークを設計する場合には、周期８ｄでデューティ比１：１の基本パターン（幅４ｄの遮光部及び光透過部のみから成る周期パターン）だけの計測マークを考慮する。そして、その計測マークの空間像を、上記第１、第２の実施形態と同様にスリットパターンを走査させて、その計測マークの空間像を、空間像計測装置５９を用いて計測するか、シミュレーションによって解析する。
図１８には、基本パターンのみの計測マークの空間像をシミュレーションで解析したときの解析結果が示されている。図１８に示されるように、太線の矩形波は、レチクルパターン（投影光学系ＰＬの投影倍率によって縮小されている）を示しており、実線Ｑは、投影光学系ＰＬによって実際に結像する空間像を示している。また、点線Ｐは、空間像計測装置５９による走査（スリットスキャン）によって検出される光強度信号Ｐを示している。図１８に示されるように、空間像計測装置５９による走査によって得られた光強度信号Ｐは、実際の空間像をほぼ再現しているとみなすことができる。
光強度信号Ｐをフーリエ変換すると、その所望の空間周波数成分（例えば基本周波数成分、２次〜６次の高調波成分）のフーリエ係数が得られる。そして、所望の空間周波数成分のフーリエ係数を逆フーリエ変換すると、その周波数成分の正弦波が得られる。図１８には、そのようにして得られた基本周波数成分、その２次〜６次の高調波成分が示されている。なお、図１８では、これらの成分を元の計測マークの空間像等とあわせて表示するために、各空間周波数成分の値に０．５だけオフセットが付与されている。なお、この図１８に示されるシミュレーションでは、照明光ＩＬの波長を１９３ｎｍとし、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．を０．８２とし、コヒーレンスファクタσを０．３とし、Ｌ／Ｓパターンの空間像の周期を１．０μｍとした。
次に、補助パターンを形成する場所を特定する。例えば、図１９に示されるように、基本周波数成分が負となっており、２次の高調波成分が正となっている区間に対応する計測マークの部分（ここは遮光部となっている）に、新たに幅２ｄ（周期Ｐ＝８ｄの１／４、すなわちＰ／４）の光透過部を設ける。このようにすれば、基本パターンの周期の１／２の周期を有する補助パターンを形成して、図１６Ａに示されるような計測マークを設計することができる。なお、図１８等では、各成分に０．５のオフセットを与えていることに注意する。
このように、基本周波数成分が負（すなわち基本パターンの遮光部に相当）となっていて、その高調波成分が正となっている区間に対応する部分に補助パターンの光透過部を設ければ、図１６Ａ〜図１６Ｃ、図１７Ａ、図１７Ｂに示されるような計測マークを設計することが可能となる。例えば、図２０に示されるように、基本周波数成分が負となっていて、３次の高調波成分が正となっている区間に対応する部分に補助パターンとして光透過部（Ｐ／６で示される部分）を設ければ、図１６Ｂに示されるような計測マークを設計することができる。また、図２１に示されるように、基本周波数成分が負となっていて、４次の高調波成分が正となっている区間に対応する部分に補助パターンとして光透過部（Ｐ／８で示される部分）を設ければ、図１６Ｃに示されるような計測マークを設計することができる。また、図２２に示されるように、基本周波数成分が負となっていて、５次の高調波成分が正となっている区間に対応する部分に補助パターンとして光透過部（Ｐ／１０で示される部分）を設ければ、図１７Ａに示されるような計測マークを設計することができる。また、図２３に示されるように、基本周波数成分が負となっていて、６次の高調波成分が正となっている区間に対応する部分に補助パターンとして光透過部（Ｐ／１２で示される部分）を設ければ、図１７Ｂに示されるような計測マークを設計することができる。
このように、基本周波数成分が負になっていて、高調波成分が正になっている部分に対応する部分に補助パターンの光透過部を設ければ、基本パターンによる高調波成分と、補助パターンによる空間周波数成分との周期方向の位相差をほぼ０にすることができるようになるため、結果的に、基本パターンに対応する空間像の高調波成分が強調される。なお、以下では、図１６Ａに示されるような２次高調波成分を強調するように設計された計測マークを２次高調波強調マークとし、図１６Ｂに示されるような３次高調波成分を強調するように設計された計測マークを３次高調波強調マークとし、図１６Ｃに示されるような４次高調波成分を強調するように設計された計測マークを４次高調波強調マークとし、図１７Ａに示されるような５次高調波成分を強調するように設計された計測マークを５次高調波強調マークとし、図１７Ｂに示されるような６次高調波成分を強調するように設計された計測マークを６次高調波強調マークとする。
図２４には、ピッチ１．０μｍの２次高調波強調マーク（図１６Ａ）を計測マークとした場合の空間像計測のシミュレーションの結果が示されている。この図２４では、実線が投影光学系ＰＬを介して得られる空間像を示し、点線がスリットスキャンによって得られる空間像を示している。図２４に示されるように、２次高調波強調マークを用いれば、２次の高調波成分の大きさが図１９に示される２次の高調波成分の大きさよりも大きくなり、２次高調波成分がより強調されたものになっている。また、図２５には、ピッチ１．０μｍの３次高調波強調マーク（図１６Ｂ）を計測マークとした場合の空間像計測のシミュレーションの結果が示されている。図２５に示されるように、３次高調波強調マークを用いれば、３次の高調波成分の大きさが図２０に示される３次の高調波成分の大きさよりも大きくなっており、その３次高調波成分がより強調されたものになっている。なお、図２４、図２５に示されるシミュレーション結果はいずれも、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．が０．７８、照明光ＩＬの波長が１９３ｎｍ、コヒーレンスファクタσが０．３の条件で算出されたものである。
また、本第４の実施形態では、空間像計測装置５９を構成するスリット板９０”上には、図２６Ａに示されるように、Ｘ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ａと、Ｙ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ｂと、ピンホールパターン１２３とが形成されている。ここで、２Ｄは例えば２００ｎｍ以下に設定されており、Ｌは例えば１６μｍに設定されている。また、スリット１２２ｂはスリット１２２ａの−Ｘ側及び＋Ｙ側にそれぞれ約４μｍ隔てて配置されている。また、ピンホールパターンの直径は、４００ｎｍ以下（スリット１２２ａ、１２２ｂの約２倍程度）となるように設定されている。
本第４の実施形態では、このようにスリットパターンとピンホールパターンとを組み合わせた計測用パターンを用いて空間像計測動作を実行する。例えば、投影光学系ＰＬのフォーカス管理等を行う場合のような、できるだけ計測時間を短縮することが望まれる場合には、空間像を計測する際には、例えば図２６Ｂに示されるように、スリット１２２ａ（又はスリット１２２ｂ）を計測用パターンとして、空間像計測動作を実行すればよい（図２６Ｂでは、０．２μｍＬ／Ｓパターン（５本）３組のマークの空間像を計測するようになっている）。スリットパターンは、ピンホールパターンに比べて多くの光量を受光可能であり、計測値のＳ／Ｎ比が高く、計測時間の短縮化が可能だからである。なお、計測用パターンとして、スリットを用いる場合、ピンホールパターン１２３は、図２６Ｂに示されるように、走査中の計測マークを介した照明光ＩＬ（空間像）を入射しない位置に配設されている必要がある。すなわち、スリットパターン１２２ａ，１２２ｂとピンホールパターン１２３とは、計測する空間像に対してスリットパターン１２２ａ，１２２ｂを相対的に走査させる際に、ピンホールパターン１２３がその空間像に干渉することなく、かつ空間像に対してピンホールパターン１２３を相対走査する際に、スリットパターン１２２ａ，１２２ｂがその空間像に干渉することのない位置関係となるように配置されている。
また、定期的に投影光学系ＰＬの収差の計測を行う際には、ピンホールパターン１２３を用いて空間像計測を行うのが望ましい。ピンホールパターン１２３を計測用パターンとして用いれば、図２７に示されるように、レチクルマーク板に形成されたあらゆる周期方向の計測マークに対して、計測用パターンを走査させることができるようになるので、投影光学系ＰＬの収差をさらにきめ細かく計測することが可能となり、その収差を精度良く求めることができるからである。
すなわち、本第４の実施形態に係る露光装置では、計測用パターンとしてスリットパターン１２２ａ，１２２ｂとピンホールパターン１２３とを有しているため、その空間像の計測目的、計測時間、計測精度等に合わせて、適宜、計測用パターンを選択して空間像計測を実行することができる。
本第４の実施形態では、前述した図１６Ａ〜図１６Ｃ、図１７Ａ、図１７Ｂに示されるような計測マークを用い、スリット１２２ａ、１２２ｂやピンホールパターン１２３を、計測用パターンとして適宜選択し、上記各実施形態と同様に空間像計測動作を実行し（第１工程）、検出された光強度信号に含まれる基本パターンの周期に相当する基本周波数成分の大きさ又は位相と、補助パターンの周期に相当する高調波成分の大きさ又は位相とに基づいて、投影光学系ＰＬのコマ収差等の奇関数収差又は球面収差等の偶関数収差などを算出する（第２工程）。このようにすれば、単調なＬ／Ｓパターン（基本パターンのみの計測マーク）の空間像を計測するよりも、光強度信号に含まれる高調波成分の大きさが大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が大きくなるので、ＰＭＴの非線形性や計測マークの線幅誤差の計測結果に対する影響を低くすることができる。従って、投影光学系ＰＬの収差を精度良く計測することができるようになる。なお、上記各実施形態で説明したように、第２工程では、奇関数収差の収差量は、前述の基本周波数成分と高調波成分との位相差に基づいて算出することができ、偶関数収差の収差量は、基本周波数成分の大きさ（振幅又はコントラスト）が最大となる位置と、高調波成分の大きさ（振幅又はコントラスト）が最大となる位置との投影光学系ＰＬの光軸ＡＸの方向に関する位置ずれ等に基づいて、算出することができる。
図１６Ａに示される２次高調波強調マークを用い、照明光ＩＬの波長を１９３ｎｍとし、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．を０．７８とした場合のシミュレーションの結果を以下の表７に示す。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分の大きさと、２次の高調波成分の大きさと、３次の高調波成分の大きさとの比は、０．１１：０．１８：０．１７となった。すなわち、前述の表３に示される単純な矩形波の計測マークでの計測結果に比べて、基本周波数成分の大きさは、１／３程度まで減少しているものの、２次の高調波成分の大きさは約６倍、３次の高調波成分の大きさは２倍以上と、高調波成分の大きさは著しく大きくなっている。そして、各空間周波数成分の大きさがほぼ同じ大きさとなっているため、ＰＭＴの非線形性（１０％）の影響が少なくなっている。また、線幅誤差（線幅１００％→９０％）による感度変化（横ずれ量の変化）も著しく減少しており、その感度変化は線幅変化と比例して大きくなる程度となっている。
図１６Ａに示される２次高調波強調マークを用い、照明光ＩＬの波長を２４８ｎｍ（ｋｒＦエキシマレーザの発振波長相当）とし、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．を０．８２とした場合のシミュレーションの結果を以下の表８に示す。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分の大きさと、２次の高調波成分の大きさと、３次の高調波成分の大きさとの比は、０．１３：０．１９：０．１１となった。すなわち、上述の表４に示した単純な矩形波の計測マークに比べて、基本周波数成分の大きさは、１／２程度まで減少しているものの、２次の高調波成分の大きさは約６倍、３次の高調波成分の大きさは２倍以上と、高調波成分の大きさは著しく大きくなっている。そして、各空間周波数成分の大きさがほぼ同じ大きさとなっているため、ＰＭＴの非線形性（１０％）の影響が少なくなっている。また、線幅誤差（線幅１００％→９０％）による感度変化（横ずれ量の変化）も著しく減少しており、その感度変化は線幅変化と比例して大きくなる程度となっている。
図１６Ｂに示される３次高調波強調マークを用い、照明光ＩＬの波長を１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザの発振波長相当）とし、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．を０．７８とした場合のシミュレーションの結果を以下の表９に示す。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分の大きさと、２次の高調波成分の大きさと、３次の高調波成分の大きさとの比は、０．１８：０．１３：０．１６となった。すなわち、上述の表５に示した単純な矩形波の計測マークに比べて、基本周波数成分の大きさは、２／３程度まで減少しているものの、２次の高調波成分の大きさは約２倍、３次の高調波成分の大きさは３倍以上と、高調波成分の大きさは著しく大きくなっている。そして、各空間周波数成分の大きさがほぼ同じ大きさとなっているため、ＰＭＴの非線形性（１０％）の影響が少なくなっている。また、線幅誤差（線幅１００％→９０％）による感度変化（横ずれ量の変化）も著しく減少しており、その感度変化は線幅変化と比例して大きくなる程度となっている。
図１６Ｂに示される３次高調波強調マークを用い、照明光ＩＬの波長を２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザの発振波長相当）とし、投影光学系ＰＬのＮ．Ａ．を０．８２とした場合のシミュレーションの結果を以下の表１０に示す。
Figure 2004059710
なお、このときの基本周波数成分の大きさと、２次の高調波成分の大きさと、３次の高調波成分の大きさとの比は、０．２０：０．１４：０．１０となった。すなわち、上述の表６に示した単純な矩形波の計測マークに比べて、基本周波数成分の大きさは、２／３程度まで減少しているものの、２次の高調波成分の大きさは約２倍、３次の高調波成分の大きさは３倍以上と、高調波成分の大きさは著しく大きくなっている。そして、各空間周波数成分の大きさがほぼ同じ大きさとなっているため、ＰＭＴの非線形性（１０％）の影響が少なくなっている。また、線幅誤差（線幅１００％→９０％）による感度変化（横ずれ量の変化）も著しく減少しており、その感度変化は線幅変化と比例して大きくなる程度となっている。
以上詳細に述べたように、本第４の実施形態によれば、計測マークに空間像の高調波成分に対応する周期の周期パターンが含まれているため、高調波成分の大きさを大きくして、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができるので、ＰＭＴの非線形性や計測マーク（レチクルマーク板など）の製造誤差の影響を低減することができるようになり、投影光学系ＰＬの収差を精度良く計測することができる。
なお、本第４の実施形態では、投影光学系ＰＬの収差の計測をさらに高精度化するため、ＰＭＴの非線形性を予め計測しておき、計測された空間像の所定次数の空間周波数成分の大きさや位相を、計測された非線形性をキャンセルするように補正することも可能である。図２８には、ＰＭＴの入出力特性が示されている。図２８に示されるように、ＰＭＴの入出力特性は線形ではないので、この特性を予め計測しておき、ＰＭＴの出力電圧を補正することができる。
また、計測マークの線幅誤差を予め計測しておけば、収差に対する感度をシミュレーションによって予想可能となる。なお、上述した本第４の実施形態の計測マークのサイズは、すべて投影光学系ＰＬを介して得られる空間像のサイズであり、実際の計測マークのサイズは、投影光学系ＰＬの投影倍率（１／４）の逆数、すなわち４倍程度であるので、既存の検査装置でも、それらの線幅を十分精度良く計測することができる。
なお、本第４の実施形態の計測マークでは、基本パターンの遮光部に補助パターンを設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、基本パターンの光透過部に補助パターン（この場合、補助パターンとしては、遮光部が新たに形成される）を形成するようにしてもよい。また、本第４の実施形態では、透過型マスクを用いたが、反射型マスクでも本発明を適用することができるのは勿論である。
また、図１６Ｃ、図１７Ａ、図１７Ｂに示されるレチクルマーク板では、補助パターンの一部として、２つの光透過部を作成したが、いずれか一方の光透過部はなくてもよい。
また、上記各実施形態の収差計測方法によって計測された収差量に基づいて、投影光学系ＰＬを調整し、本来なら投影光学系ＰＬの収差を０にすることが望ましいが、実際には、投影光学系ＰＬの調整後にも収差が若干残留するようになる。そのため、露光装置１０の運用に関しては、投影光学系ＰＬの調整後に、上記第１の実施形態の収差計測方法を用いて、投影光学系ＰＬに残留した収差を、初期収差量として改めて計測しておく。そして、露光装置１０では、上記第１の実施形態の収差計測方法によって収差の変動を定期的に計測し、経時変化等により収差に変化が生じた場合には、主制御装置５０が、結像特性補正コントローラ７８を介してレンズエレメント１３１…を駆動させてそれらの収差量が初期の収差量に戻るように投影光学系ＰＬの結像特性を調整すればよい。なお、投影光学系ＰＬの少なくとも１つの収差を、零以外の所定値（前述した初期の収差量）に設定してレチクルパターンの転写を行うときなどは、収差量がその所定値に戻るように投影光学系ＰＬの結像特性を調整すれば良い。
一般に、投影光学系ＰＬの収差の経時変化は、投影光学系ＰＬの鏡筒の温度変化による伸び縮み、レンズエレメント１３１…の駆動素子２０のリセット時の位置の微小誤差などによって発生する低次の収差の変化を考慮すればよい。従って、投影光学系ＰＬの調整後の初期収差量を空間像計測によって求め、定期的な収差計測の際に、これを参照することによって低次収差の経時変化を検出し、低次収差の収差量を初期収差量に復帰させればよい。なお、定期的な収差の計測は、レチクルマーク板ＲＦＭ等に形成された計測マークを用いて行うことが計測の安定性の観点から望ましい。
また、上記各実施形態では、コマ収差あるいは球面収差を計測対象としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、フリンジツェルニケ多項式における各項によって示される収差であれば、その収差量を計測することができる。
また、上記各実施形態では、投影光学系ＰＬの投影視野（イメージフィールド）内、特に照明光ＩＬが照射される露光領域（即ち、照明領域と共役な投影領域）内の１つの計測点のみで前述の収差計測を行うものとしたが、露光領域内の複数の計測点にそれぞれ対応する照明領域内の各位置に計測マークを配置して、その計測点毎に収差を計測するようにしても良い。このとき、１つの計測マークのみを用いて複数の計測点での収差計測を行っても良いが、例えば複数の計測点と実質的に同じ配置で複数の計測マークが設けられるレチクルマーク板（又はレチクル）を用いる、あるいは非走査方向（Ｘ軸方向）に所定間隔で複数の計測マークが配置されるレチクルマーク板（又はレチクル）をＹ軸方向にステップ移動することで、前述の露光領域内で２次元に設定される複数の計測点での収差計測を行うようにしても良い。
また、上記各実施形態では計測マークの照明条件について説明していなかったが、例えばコヒーレンスファクタ（σ値）が小さい照明条件（いわゆる小σ照明）とすることが好ましい。このとき、特にσ値は０．１程度以下に設定すると良い。
なお、上記第３の実施形態では、Ｚチルトステージ３８を駆動して複数のフォーカス位置でそれぞれ前述の光強度信号を得るものとしたが、上記第２の実施形態と同様に投影光学系ＰＬの球面収差などを調整して複数の光強度信号を得るようにしても良い。即ち、上記第２及び第３の実施形態に限らず、Ｚチルトステージ３８を駆動する代わりに、投影光学系ＰＬの球面収差などを調整しても良い。さらに、上記各実施形態で用いる空間像計測装置は図３の構成に限られるものではなく任意で良いし、前述の光強度信号を得るためにウエハステージＷＳＴを駆動する代わりに、レチクルステージＲＳＴを駆動しても良い。
また、上記各実施形態では、露光用照明光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）などを用いる場合について説明したが、これに限らず、前述のＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、あるいはｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、Ｆ２レーザ光（波長１５７ｎｍ）、銅蒸気レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザなどの高調波、ＥＵＶ光、硬Ｘ線、電子線やイオンビームなどの荷電粒子線等を露光用照明光として用いることができる。なお、ＥＵＶ光を用いる露光装置では、前述の計測マークが反射型となり、空間像計測装置５９はＥＵＶ光を、例えば蛍光などによって波長変換して前述の光強度信号を得ることになる。
また、上記各実施形態では、投影光学系として縮小系を用いる場合について説明したが、これに限らず、投影光学系として等倍あるいは拡大系を用いても良いし、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれであっても良いし、投影像は倒立像だけでなく、正立像などでも良い。また、上記各実施形態と同様の縮小系を用いる場合に、その投影倍率は１／５、１／６などであっても良く、このような場合には、計測マーク、基準マークのサイズ、配置などを、その投影倍率に応じて定めることが望ましい。
なお、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系ＰＬを露光装置本体に組み込み光学調整をするとともに、多数の機械部品からなるレチクルステージＲＳＴやウエハステージＷＳＴを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより上記各実施形態の露光装置１００を製造することができる。なお、露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
また、上記各実施形態では、本発明がステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、マスクとウエハとを静止した状態でマスクのパターンをウエハに転写するとともに、ウエハを順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート型の露光装置等他のタイプの露光装置にも本発明を適用することができる。
また、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子（ＣＣＤなど）、有機ＥＬ、マイクロマシン、ＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、ＤＵＶ（遠紫外）光やＶＵＶ（真空紫外）光などを用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶などが用いられる。また、プロキシミティ方式のＸ線露光装置、又は電子線露光装置などでは透過型マスク（ステンシルマスク、メンブレンマスク）が用いられ、マスク基板としてはシリコンウエハなどが用いられる。この他、例えば国際公開ＷＯ９９／４９５０４号などに開示される、投影光学系ＰＬとウエハとの間に液体が満たされる液浸型露光装置などに本発明を適用しても良く、この液浸型露光装置では投影光学系ＰＬとスリット板９０との間に液体を満たした状態で前述の計測を行うことが好ましい。また、投影光学系を介してレチクルパターンの転写が行われる露光位置と、ウエハアライメント系によるマーク検出が行われる計測位置（アライメント位置）とにそれぞれウエハステージを配置して、露光動作と計測動作とをほぼ並行して実行可能なツインウエハステージ方式の露光装置などに本発明を適用しても良い。このツインウエハステージ方式の露光装置は、例えば特開平１０−２１４７８３号公報及び対応する米国特許第６，３４１，００７号、あるいは国際公開ＷＯ９８／４０７９１号及び対応する米国特許第６，２６２，７９６号などに開示されており、本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許す限りにおいて、その米国特許の開示を援用して本明細書の記載の一部とする。
半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、この設計ステップに基づいたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した実施形態の露光装置によりレチクルのパターンをウエハに転写するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、検査ステップ等を経て製造される。<< First Embodiment >>
Hereinafter, the 1st Embodiment of this invention is described based on FIGS. 1-8B.
FIG. 1 shows a schematic configuration of an exposure apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention. The exposure apparatus 10 is a step-and-scan type scanning projection exposure apparatus, that is, a so-called scanning stepper.
The exposure apparatus 10 includes an illumination system (illumination unit) including a light source 14 and an illumination optical system 12, a reticle stage RST as a mask stage that holds a reticle R as a mask, a projection optical system PL, and a wafer W as a photosensitive object. A wafer stage WST that is held and can be freely moved in an XY plane including the X axis and the Y axis shown in FIG. 1 and a control system for controlling these are provided. In addition, among the above-described components, portions other than the light source 14 and the control system are actually environmental control chambers (not shown) in which environmental conditions such as internal temperature and pressure are controlled with high accuracy and are maintained constant. (Environmental chamber).
Here, an excimer laser light source that outputs ArF excimer laser light (wavelength 193 nm) is used as the light source 14. The light source 14 is actually installed in a low-cleaning service room or the like other than the clean room in which the environment control chamber is installed. The light source 14 is disposed inside the environment control chamber via a light transmission optical system (not shown). It is connected to the illumination optical system 12. The light source 14 is controlled by the main controller 50 to turn on / off the laser emission, the center wavelength, the spectral half width, the repetition frequency, and the like. A light source such as a KrF excimer laser (oscillation wavelength 248 nm) can also be used as the light source.
The illumination optical system 12 includes a beam shaping optical system 18, a fly-eye lens 22 as an optical integrator (homogenizer), an illumination system aperture stop plate 24, a relay optical system including a first relay lens 28A and a second relay lens 28B. A reticle blind 30A, a movable reticle blind 30B, a mirror M, a condenser lens 32, and the like are provided. As the optical integrator, a rod type (internal reflection type) integrator or a diffractive optical element may be used.
In the beam shaping optical system 18, in order to shape the cross-sectional shape of the laser beam LB pulsed by the light source 14 so as to efficiently enter the fly-eye lens 22 provided behind the optical path of the laser beam LB. For example, a cylinder lens and a beam expander (both not shown) are included.
The fly-eye lens 22 is disposed on the optical path of the laser beam LB emitted from the beam shaping optical system 18, and is a surface light source composed of a number of point light sources (light source images) for illuminating the reticle R with a uniform illuminance distribution. That is, a secondary light source is formed. Hereinafter, the laser beam emitted from the secondary light source is referred to as “illumination light IL”.
An illumination system aperture stop plate 24 made of a disk-shaped member is disposed in the vicinity of the exit-side focal plane of the fly-eye lens 22. The illumination system aperture stop plate 24 is provided with an aperture stop (small aperture) made up of, for example, a normal circular aperture, and an aperture stop (small size) for reducing the σ value that is a coherence factor made up of a small circular aperture at substantially equal angular intervals. σ stop), an annular aperture stop for annular illumination (annular aperture stop), and a modified aperture stop (for example, a quadrupole illumination stop called SHRINC) in which a plurality of openings are arranged eccentrically for the modified light source method ) Etc. are arranged. The illumination system aperture stop plate 24 is rotated by a drive device 40 such as a motor controlled by the main control device 50, and any one of the aperture stops is on the optical path of the illumination light IL by this rotation operation. Selectively set.
Instead of or in combination with the aperture stop plate 24, for example, an illumination optical system using an optical unit (molding optical system) disposed between the light source 14 and the optical integrator 22 in the illumination optical system 12 is used. The light quantity distribution of the illumination light IL (the size and shape of the secondary light source) on the 12 pupil planes, that is, the illumination condition of the reticle R is changed, and the light quantity loss during the change is suppressed (the use efficiency of the illumination light is improved). You may do it. The shaping optical system is, for example, exchangeable in the illumination optical system 12, and a plurality of diffracted lights are distributed in regions where at least one of shape, size, and position is different on the pupil plane of the illumination optical system 12. Includes a diffractive optical element, a plurality of prisms (for example, a cone type, a V type, a pyramid type, etc.) whose interval in the direction parallel to the optical axis AX of the illumination optical system 12 is variable, and a zoom optical system (afocal system). It is a waste. In the first embodiment, since a fly-eye lens is used as the optical integrator 22, a substantially parallel light beam is made incident on the fly-eye lens by a lens system (not shown). When the integrator is used, the illumination light IL (diffracted light) is collected by a lens system (not shown) and is incident on the internal reflection type integrator. At this time, the condensing point of the illumination light IL by a lens system (not shown) is preferably shifted from the incident surface of the internal reflection type integrator.
A beam splitter 26 having a low reflectance and a high transmittance is disposed on the optical path of the illumination light IL emitted from the illumination system aperture stop plate 24, and further, relays are provided on the rear optical path with reticle blinds 30A and 30B interposed therebetween. Optical systems (28A, 28B) are arranged.
The fixed reticle blind 30A is disposed on a surface slightly defocused from the conjugate plane with respect to the pattern surface of the reticle R, and the fixed reticle blind 30A is formed with a rectangular opening that defines the illumination area IAR on the reticle R. Has been. Further, in the vicinity of the fixed reticle blind 30A, a position optically corresponding to a scanning direction at the time of scanning exposure (here, the Y-axis direction) and a non-scanning direction (X-axis direction) orthogonal to the scanning direction. A movable reticle blind 30B having an opening having a variable width is disposed. At the start and end of the scanning exposure, the illumination area IAR defined by the fixed reticle blind 30A is further limited by the movable reticle blind 30B according to instructions from the main controller 50, so that unnecessary portions (described later) Exposure of the circuit pattern on the reticle R other than the portion to be transferred) is prevented. In the first embodiment, the movable reticle blind 30 </ b> B is also used for setting an illumination area for a later-described aerial image measurement.
On the other hand, an integrator sensor 46 including a condenser lens 44 and a light receiving element is disposed on the optical path of the illumination light IL reflected by the beam splitter 26 in the illumination optical system 12. In this case, as the light receiving element of the integrator sensor 46, for example, a PIN photodiode having high sensitivity in the far ultraviolet region and having a high response frequency in order to detect pulsed light emission of the light source 14 is used.
Briefly describing the operation of the illumination system configured in this way, the laser beam LB pulsed from the light source 14 enters the beam shaping optical system 18 where it efficiently enters the rear fly-eye lens 22. After the cross-sectional shape is shaped as described above, the light enters the fly-eye lens 22. Thereby, a secondary light source is formed on the exit-side focal plane of the fly-eye lens 22 (the pupil plane of the illumination optical system 12). The illumination light IL emitted from the secondary light source passes through one of the aperture stops on the illumination system aperture stop plate 24 and then reaches the beam splitter 26 having a high transmittance and a low reflectivity. Most of the illumination light IL transmitted through the beam splitter 26 passes through the first relay lens 28A, the rectangular opening of the fixed reticle blind 30A and the opening of the movable reticle blind 30B, and further passes through the second relay lens 28B. Then, after the optical path is bent vertically downward by the mirror M, the slit-like illumination area IAR extending in the X-axis direction on the reticle R through the condenser lens 32 is illuminated with a uniform illuminance distribution.
On the other hand, a part of the illumination light IL reflected by the beam splitter 26 is received by the integrator sensor 46 via the condenser lens 44, and the photoelectric conversion signal of the integrator sensor 46 is converted into a peak hold circuit and an A / D (not shown). It is supplied to the main controller 50 through a signal processing device 80 having a converter. In the first embodiment, the measurement value of the integrator sensor 46 is used not only for exposure amount control but also for calculation of the irradiation amount for the projection optical system PL, and this irradiation amount is determined by the wafer reflectivity (this is the integrator). It can also be obtained based on the output of the sensor and the output of a reflectance monitor (not shown)), and is also used for calculating the amount of change in imaging characteristics due to the illumination light absorption of the projection optical system PL.
In the first embodiment, the main controller 50 calculates the irradiation amount at predetermined time intervals based on the output of the integrator sensor 46, and the calculation result is stored as an irradiation history in a memory 51 described later. It has become so.
On reticle stage RST, reticle R is fixed by, for example, vacuum suction (or electrostatic suction). Here, the reticle stage RST is two-dimensionally (in the X-axis direction and orthogonal to the X-axis direction) in an XY plane perpendicular to the optical axis AX of the projection optical system PL described later by a reticle stage drive system 56R including a linear motor or the like. It can be finely driven in the Y-axis direction and the rotation direction (θz direction) around the Z-axis orthogonal to the XY plane, and on the reticle base RBS that is the base of the reticle stage RST at a scanning speed specified in the Y-axis direction. It is movable.
A movable mirror 52R that reflects a laser beam from a reticle laser interferometer (hereinafter referred to as “reticle interferometer”) 54R is fixed on the reticle stage RST, and the position of the reticle stage RST in the XY plane is For example, the reticle interferometer 54R always detects with a resolution of about 0.5 to 1 nm. Here, actually, on the reticle stage RST, a movable mirror (or retroreflector) having a reflecting surface orthogonal to the scanning direction (Y-axis direction) at the time of scanning exposure is orthogonal to the non-scanning direction (X-axis direction). The reticle interferometer 54R is provided with at least two axes in the Y-axis direction and at least one axis in the X-axis direction. In FIG. 1, these are typically the movable mirror 52R and the reticle. Shown as interferometer 54R.
Position information of reticle stage RST from reticle interferometer 54R is sent to stage controller 70 and main controller 50 via this. The stage controller 70 controls the movement of the reticle stage RST via the reticle stage drive system 56R according to an instruction from the main controller 50. Instead of fixing the movable mirror 52R to the reticle stage RST, the end surface of the reticle stage RST may be mirror-finished to form the aforementioned reflecting surface.
A reticle fiducial mark plate (hereinafter abbreviated as “reticle mark plate”) RFM as a mark forming member on which an aerial image measurement reference mark is formed is located near the −Y side end of reticle stage RST. Are arranged side by side with the reticle R. The reticle mark plate RFM is made of the same glass material as that of the reticle R, for example, synthetic quartz, fluorite, lithium fluoride and other fluoride crystals, and is fixed to the reticle stage RST. The specific configuration of the reticle mark plate RFM will be described later. Reticle stage RST has a movement stroke in the Y-axis direction such that the entire surface of reticle R and the entire surface of reticle mark plate RFM can cross at least optical axis AX of projection optical system PL.
Openings are formed in reticle stage RST below reticle R and reticle mark plate RFM, respectively. As will be described later, these openings serve as passages for the illumination light IL. Also, a rectangular opening at least larger than the illumination area IAR, which is a passage for the illumination light IL, is formed in a portion almost directly above the projection optical system PL of the reticle base RBS (portion centered on the optical axis AX). ing.
Further, in the exposure apparatus 10, above the reticle R, a mark on the reticle R or on the reticle mark plate RFM via a projection optical system PL and a later-described reference mark plate (not shown) on the wafer stage WST. Even if a pair of reticle alignment detection systems (hereinafter referred to as “RA detection system” for the sake of convenience) comprising a TTR (Through The Reticle) alignment system using light having an exposure wavelength for simultaneously observing the reference mark is provided. Good. The detection signals of these RA detection systems are supplied to the main controller 50 via an alignment controller (not shown). In this case, a deflection mirror (not shown) for guiding the detection light from the reticle R to each RA detection system is movably disposed, and when an exposure process is started, under the command from the main controller 50. The deflecting mirror is retracted by a mirror driving device (not shown). The configuration equivalent to the RA detection system is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-176468 and US Pat. No. 5,646,413 corresponding to this, and is well known, so a detailed description will be given here. Omitted. To the extent permitted by national legislation in the designated or selected countries designated in this international application, the disclosures in the above publications and corresponding US patents are incorporated herein by reference.
The projection optical system PL is disposed below the reticle base RBS in FIG. The direction of the optical axis AX is taken as the Z-axis direction. Here, the projection optical system PL is a double-sided telecentric reduction system, and a plurality of, for example, eight lens elements 13 arranged at predetermined intervals along the direction of the optical axis AX. 1 , 13 2 ............ 13 8 A refractive optical system consisting of (see FIG. 2) is used. The projection magnification of the projection optical system PL is, for example, 1/4 (or 1/5) (in the following description, it is assumed to be 1/4). For this reason, when the slit illumination area IAR on the reticle R is illuminated by the illumination light IL from the illumination optical system 12, the slit light is transmitted through the projection optical system PL by the illumination light IL that has passed through the reticle R. A reduced image (partial inverted image) of the circuit pattern of the reticle R in the illumination area IAR is formed in an exposure area IA conjugate with the illumination area IAR on the wafer W whose surface is coated with a photoresist (see FIG. 1). ).
As shown in FIG. 2, the lens element 13 constituting the projection optical system PL. 1 , 13 2 ............ 13 8 Among them, for example, the lens element 13 1 , 13 2 Are configured to be minutely driven by a plurality of drive elements (for example, piezo elements) 20 in the optical axis AX direction and the tilt direction with respect to the XY plane. The lens element 13 4 , 13 5 During the lens element 13 6 , 13 7 In between, first and second sealed chambers 34 and 36 are formed in a sealed state. A clean gas such as nitrogen is supplied into the first and second sealed chambers 34 and 36 from a gas supply mechanism (not shown) via a pressure adjustment mechanism 41.
In the first embodiment, the drive voltage (drive amount of the drive element) applied to each drive element 20 and the pressure of the gas inside the first and second sealed chambers 34 and 36 (hereinafter referred to as “internal pressure” as appropriate). Or the pressure adjustment mechanism 41 that adjusts the internal pressure) is controlled by the imaging characteristic correction controller 78 in accordance with a command from the main controller 50. This corrects the imaging characteristics of the projection optical system PL, such as field curvature, distortion, magnification, coma aberration, astigmatism, spherical aberration, and the like. The image formation characteristic adjusting mechanism for adjusting the image formation characteristic is the lens element 13. 1 Such a movable lens element may be used alone, and the number of the movable lens elements may be arbitrary. However, in this case, since the number of movable lens elements corresponds to the types that can correct the imaging characteristics of the projection optical system PL, excluding the focus, the movable lens elements can be adjusted according to the types of imaging characteristics that need to be corrected. The number should be determined. At this time, the number of movable lens elements is increased by at least one from the type (number) of imaging characteristics requiring correction, and at least one movable lens is used when adjusting the imaging characteristics by driving a plurality of movable lens elements. The wavefront aberration of the projection optical system PL may be reduced by the element. Further, the configuration of the imaging characteristic adjusting mechanism of the first embodiment is not limited to these and may be arbitrary.
Returning to FIG. 1, the wafer stage WST includes an XY stage 42 and a Z tilt stage 38 mounted on the XY stage 42.
The XY stage 42 is levitated and supported above a top surface of the wafer base 16 that is a base of the wafer stage WST by an air bearing (not shown) through a clearance of about several μm, for example. Furthermore, the XY stage 42 is scanned by a linear motor (not shown) constituting the wafer stage drive system 56W in the Y-axis direction (left and right direction in FIG. 1) as the scanning direction and the X-axis direction (in FIG. 1). It is configured to be capable of two-dimensional driving in the direction orthogonal to the paper surface. A Z tilt stage 38 is mounted on the XY stage 42, and the wafer holder 25 is mounted on the Z tilt stage 38. The wafer W is held by the wafer holder 25 by vacuum suction or the like.
As shown in FIG. 2, the Z tilt stage 38 has three Z position driving units 27A, 27B, and 27C (however, the Z position driving unit 27C on the back side of the drawing is not shown) on the XY stage 42 at three points. It is supported. These Z position driving units 27A to 27C have three actuators (for example, a voice coil motor) that independently drive the respective support points on the lower surface of the Z tilt stage 38 in the optical axis direction (Z axis direction) of the projection optical system PL. ) 21A, 21B, 21C (however, the actuator 21C at the back of the paper in FIG. 2 is not shown) and the actuators 21A, 21B, 21C at the respective support points by the Z position driving units 27A, 27B, 27C of the Z tilt stage 38 The encoders 23A to 23C (however, the encoder 23C on the back side in FIG. 2 in FIG. 2) is configured to detect the driving amount (displacement from the reference position) in the Z-axis direction.
Here, as the encoders 23A to 23C, for example, optical or electrostatic linear encoders are used. In the first embodiment, the actuator 21A, 21B, 21C causes the Z tilt stage 38 to tilt with respect to the optical axis AX direction (Z-axis direction) and the plane orthogonal to the optical axis (XY plane), that is, the X-axis. Driving is performed in the θx direction, which is a rotational direction around, and in the θy direction, which is a rotational direction around the Y axis. Further, the driving amount (displacement amount from the reference point) of each support point in the Z-axis direction by the Z position driving units 27A, 27B, and 27C of the Z tilt stage 38 measured by the encoders 23A to 23C is determined by the stage controller 70 and It is supplied to the main controller 50 through this. The main controller 50 calculates the position and leveling amount (θx rotation amount, θy rotation amount) of the Z tilt stage 38 in the Z-axis direction. In FIG. 1, a linear motor and the like for driving the XY stage 42 and Z position driving units 27A to 27C (actuators 21A to 21C and encoders 23A to 23C) are collectively shown as a wafer stage driving system 56W.
A movable mirror 52W that reflects a laser beam from a wafer laser interferometer (hereinafter referred to as “wafer interferometer”) 54W is fixed on the Z tilt stage 38. The position in the XY plane of the Z tilt stage 38 (wafer stage WST) is always detected by the wafer interferometer 54W with a resolution of, for example, about 0.5 to 1 nm.
Here, actually, on the Z tilt stage 38, a movable mirror having a reflecting surface orthogonal to the Y-axis direction that is the scanning direction at the time of scanning exposure and a reflecting surface orthogonal to the X-axis direction that is the non-scanning direction are provided. Corresponding to this, a plurality of wafer interferometers are also provided in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively, and the 5-degree-of-freedom direction of the Z tilt stage 38 (X-axis direction, Y-axis direction, θx In FIG. 1, these are representatively shown as a movable mirror 52W and a wafer interferometer 54W. Position information (or speed information) of wafer stage WST is supplied to stage controller 70 and main controller 50 via this. Stage controller 70 controls the position of wafer stage WST in the XY plane via wafer stage drive system 56W in accordance with an instruction from main controller 50. Instead of fixing the movable mirror 52W to the Z tilt stage 38, the end surface of the wafer stage WST, for example, the Z tilt stage 38, may be mirror-finished to form the aforementioned reflecting surface.
Further, inside the Z tilt stage 38, a part of the optical system constituting the aerial image measuring device 59 used for measuring the optical characteristics of the projection optical system PL is arranged. Here, the configuration of the aerial image measurement device 59 will be described in detail. As shown in FIG. 3, the aerial image measuring device 59 includes a stage side component provided on the Z tilt stage 38, that is, a relay optical system including a slit plate 90 as a pattern forming member, lenses 84 and 86, an optical path, and the like. A bending mirror 88, a light transmission lens 87, and a component outside the stage provided outside the wafer stage WST, that is, a mirror 96, a light receiving lens 89, an optical sensor 94 including a photoelectric conversion element, and the like are provided.
More specifically, as shown in FIG. 3, the slit plate 90 is viewed from above in a state where the opening is closed against the protruding portion 58 provided on the upper surface of one end of the wafer stage WST. It is inserted. In the slit plate 90, a reflection film 83 also serving as a light shielding film is formed on an upper surface of a light receiving glass 82 having a rectangular shape in plan view, and a slit-like shape having a predetermined width 2D as a predetermined measurement pattern is formed on a part of the reflection film 83. An opening pattern (hereinafter referred to as “slit”) 122 is formed.
As the material of the light receiving glass 82, here, synthetic quartz, fluorite, or the like having good ArF excimer laser light transmission is used.
In the Z tilt stage 38 below the slit 122, a relay optical system (comprising lenses 84, 86) is interposed via a mirror 88 that horizontally folds the optical path of the illumination light beam (image light beam) incident vertically downward through the slit 122. 84, 86) are arranged. In addition, the illumination light beam relayed for a predetermined optical path length by the relay optical system (84, 86) is applied to the + Y side wall of the wafer stage WST behind the optical path of the relay optical system (84, 86). A light transmission lens 87 for transmitting light to the outside is fixed.
A mirror 96 having a predetermined length in the X-axis direction is provided obliquely at an inclination angle of 45 ° on the optical path of the illumination light beam sent out of wafer stage WST by light transmission lens 87. By this mirror 96, the optical path of the illumination light beam sent to the outside of wafer stage WST is bent 90 ° vertically upward. A light receiving lens 89 having a diameter larger than that of the light transmitting lens 87 is disposed on the bent optical path. An optical sensor 94 is disposed above the light receiving lens 89. The light receiving lens 89 and the optical sensor 94 are housed in the case 92 while maintaining a predetermined positional relationship. The case 92 is fixed in the vicinity of the upper end portion of the support column 97 implanted on the upper surface of the wafer base 16 via the mounting member 93.
As the optical sensor 94, a photoelectric conversion element (light receiving element) capable of accurately detecting weak light, for example, a photomultiplier tube (PMT, photomultiplier tube) or the like is used. The photoelectric conversion signal P from the optical sensor 94 is sent to the main control device 50 via the signal processing device 80 of FIG. The signal processing device 80 can be configured to include, for example, an amplifier, a sample holder, an A / D converter (usually having a resolution of 16 bits).
Although the slit 122 is formed in the reflective film 83 as described above, the following description will be made assuming that the slit 122 is formed in the slit plate 90 for convenience. The arrangement and dimensions of the slits 122 will be described later.
According to the aerial image measurement device 59 configured as described above, when a projection image (aerial image) obtained through the projection optical system PL of the measurement mark PM formed on the reticle mark plate RFM, which will be described later, is measured. When the slit plate 90 constituting the aerial image measuring device 59 is illuminated by the illumination light IL transmitted through the projection optical system PL, the illumination light IL transmitted through the slit 122 on the slit plate 90 is converted into the lens 84 and the mirror. 88, a lens 86, and a light transmission lens 87, and are led out of wafer stage WST. The light guided to the outside of the wafer stage WST is bent vertically upward by the mirror 96 and received by the optical sensor 94 through the light receiving lens 89, and the light received from the optical sensor 94 according to the amount of light received. A photoelectric conversion signal (light quantity signal) P is output to the main control device 50 via the signal processing device 80.
In the first embodiment, measurement of the projected image (aerial image) of the measurement mark is executed by the slit scan method. At this time, the light transmission lens 87 is applied to the light receiving lens 89 and the optical sensor 94. Will move. Therefore, in the aerial image measuring device 59, the size of each lens and the mirror 96 is set so that all the light passing through the light transmitting lens 87 that moves within a predetermined range is incident on the light receiving lens 89.
As described above, in the aerial image measurement device 59, the slit plate 90, the lenses 84 and 86, the mirror 88, and the light transmission lens 87 constitute a light deriving unit that derives light from the slit 122 to the outside of the wafer stage WST. The light receiving lens 89 and the optical sensor 94 constitute a light receiving unit that receives light led out of the wafer stage WST. In this case, the light derivation unit and the light receiving unit are mechanically separated. Then, only when the aerial image is measured, the light derivation unit and the light receiving unit are optically connected via the mirror 96.
That is, in the aerial image measurement device 59, since the optical sensor 94 is provided at a predetermined position outside the wafer stage WST, it is possible to adversely affect the measurement accuracy of the wafer interferometer 54W due to heat generation of the optical sensor 94. I try to suppress it in range. In addition, since the outside and the inside of wafer stage WST are not connected by a light guide or the like, the driving accuracy of wafer stage WST is the same as when the outside and inside of wafer stage WST are connected by a light guide. Will not be adversely affected.
Of course, when the influence of heat or the like can be ignored or eliminated, the optical sensor 94 may be provided inside the wafer stage WST. Note that the aerial image measurement and aberration measurement method performed using the aerial image measurement device 59 will be described in detail later.
Returning to FIG. 1, an off-axis alignment system ALG as a mark detection system for detecting an alignment mark (positioning mark) on the wafer W or a reference mark serving as a reference for position control is provided on the side surface of the projection optical system PL. It has been. In the first embodiment, as this alignment system ALG, an image processing type alignment sensor, a so-called FIA (Field Image Alignment) system is used. The alignment system ALG includes an alignment light source, an optical system composed of a half mirror and an objective lens group, an index plate on which index marks are formed, an image sensor (CCD), and the like. A halogen lamp or the like that emits broadband illumination light is used as the alignment light source. The illumination light from the alignment light source illuminates the alignment mark on the wafer W via the optical system, and the image sensor receives the reflected light from the alignment mark via the optical system and the index plate. As a result, a bright field image (including the index mark image) of the alignment mark is formed on the light receiving surface of the image sensor. Then, a photoelectric conversion signal corresponding to the bright field image, that is, a light intensity signal corresponding to the reflected image of the alignment mark is supplied from the image sensor to the main controller 50 via an alignment controller (not shown). Based on this light intensity signal, main controller 50 calculates the position of the alignment mark on wafer W with reference to the detection center of alignment system ALG (corresponding to the center of the aforementioned index mark), and the calculation result The coordinate position of the alignment mark in the stage coordinate system defined by the optical axis of wafer interferometer 54W is calculated based on the positional information of wafer stage WST that is the output of wafer interferometer 54W at that time. Yes.
Furthermore, in the exposure apparatus 10 of the first embodiment, as shown in FIG. 1, an oblique incidence type multipoint focal position detection system (60a, 60b) comprising an irradiation system 60a and a light receiving system 60b is provided. Yes. The irradiation system 60a has a light source whose ON / OFF is controlled by the main control device 50, and forms a large number of pinholes or slit images toward the image plane of the projection optical system PL. The image light beam is applied to the surface of the wafer W from an oblique direction with respect to the optical axis AX. The light receiving system 60 b receives reflected light beams generated by the reflected image light beams reflected from the surface of the wafer W, and transmits a defocus signal for detecting a defocus to the main controller 50. The detailed configurations of the multipoint focal position detection system (60a, 60b) and the similar multipoint focal position detection system are disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-283403 and US Pat. No. 5,448,4 corresponding thereto. Since it is disclosed in Japanese Patent No. 332 and the like, detailed description of its configuration is omitted. The disclosure in each of the above US patents is incorporated herein by reference to the extent permitted by national legislation in the designated or selected country designated in this international application.
The main control device 50 is configured so that the defocus of the projection optical system PL becomes zero based on a defocus signal (defocus signal) from the light receiving system 60b, for example, an S curve signal, at the time of scanning exposure described later. The movement and tilt (that is, rotation in the θx and θy directions) of the Z tilt stage 38 are controlled via the wafer stage drive system 56W. That is, the main controller 50 controls the movement of the Z tilt stage 38 using the multipoint focal position detection system (60a, 60b), thereby exposing the exposure area IA (illumination area IAR and illumination area IAR) that is the irradiation area of the illumination light IL. Autofocusing (automatic focusing) and autoleveling are performed so that the imaging surface of the projection optical system PL substantially matches the surface of the wafer W within the imaging relationship). When the focus of the projection optical system PL changes, the main controller 50 controls the inclination of the projection optical system PL, for example, by controlling the inclination of the reflected light beam of a parallel plate (not shown) in the light receiving system 60b with respect to the optical axis. The origin is reset in the multipoint focus position detection system (60a, 60b) according to the amount, and the calibration is performed.
An environmental sensor 81 for detecting atmospheric pressure fluctuations and temperature fluctuations is provided in the vicinity of the projection optical system PL in the environmental control chamber (not shown). The measurement result by the environment sensor 81 is supplied to the main controller 50.
The control system includes a stage control device 70 under the control of the main control device 50, with a main control device 50 including a workstation (or a microcomputer) as a center. In addition, a memory 51 is provided as a storage device that can be read and written by the main controller 50. In the memory 51, the aberration amount of the projection optical system PL obtained by the aberration measurement method of the first embodiment is stored.
Next, the scanning exposure operation in the exposure apparatus 10 of the first embodiment will be briefly described.
First, reticle R on which a circuit pattern is formed is conveyed by a reticle conveyance system (not shown), and reticle R is sucked and held on reticle stage RST at the loading position. Next, main controller 50 sets an illumination condition optimal for exposure using reticle R based on an instruction from the operator.
Next, under the instruction of the main controller 50, the positions of the wafer stage WST and the reticle stage RST are controlled by the stage controller 70, and the main controller 50 projects a reticle alignment mark (not shown) formed on the reticle R. An image (aerial image) is measured using the aerial image measuring device 59 as described later, and the projection position of the reticle pattern image is obtained. That is, reticle alignment is performed. The reticle alignment is formed on the image of the pair of reticle alignment marks (not shown) on the reticle R and the reference mark plate (not shown) on the wafer stage WST by the pair of RA detection systems (not shown). The reticle alignment reference mark image is simultaneously observed through the projection optical system PL, and the reticle is based on the relative positional relationship between the two mark images and the measurement values of the reticle interferometer 54R and the wafer interferometer 54W at that time. You may carry out by calculating | requiring the projection position of a pattern image.
Next, main controller 50 moves wafer stage WST so that slit plate 90 is positioned directly below alignment system ALG, and slit 122 serving as a position reference for aerial image measurement device 59 is detected by alignment system ALG. The Based on the detection signal of alignment system ALG, the measurement value of wafer interferometer 54W at that time, and the projection position of the reticle pattern image obtained earlier, main controller 50 aligns the projection position of the pattern image of reticle R with the projection position. A relative position with respect to the system ALG, that is, a baseline of the alignment system ALG is obtained. In the baseline measurement, a baseline measurement reference mark formed on a reference mark plate (not shown) on wafer stage WST may be used instead of slit 122.
When such baseline measurement is completed, the EGA (enhanced global alignment) disclosed in detail in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 61-44429 and US Pat. No. 4,780,617 corresponding thereto is performed by the main controller 50. ) And the like are performed, and the positions of all shot areas on the wafer W are obtained. The disclosure in each of the above US patents is incorporated herein by reference to the extent permitted by national legislation in the designated or selected country designated in this international application. In this wafer alignment, the wafer alignment mark of a predetermined sample shot among a plurality of shot areas on the wafer W is measured as described above using the alignment system ALG.
Next, main controller 50 monitors wafer stage WST for the first shot while monitoring position information from interferometers 54W and 54R based on the position information and baseline of each shot area on wafer W obtained above. While moving to the scanning start position (acceleration start position) of the area, the reticle stage RST is moved to the scanning start position (acceleration start position), and scanning exposure of the first shot area is performed.
Specifically, main controller 50 starts relative scanning by moving reticle stage RST and wafer stage WST in directions opposite to each other in the Y-axis direction. When both stages RST and WST reach their respective target scanning speeds, the pattern area of the reticle R starts to be illuminated by the illumination light IL, and scanning exposure is started. Prior to the start of this scanning exposure, the light source 14 starts to emit light, and the main controller 50 controls the movement of each blade of the movable reticle blind 30B in synchronization with the movement of the reticle stage RST. Thereby, the irradiation of the illumination light IL outside the pattern region on the reticle R is shielded.
In the above-described scanning exposure, main controller 50 determines that speed Yr of movement of reticle stage RST in the Y-axis direction and movement speed Vw of wafer stage WST in the Y-axis direction correspond to the projection magnification of projection optical system PL described above. The reticle stage RST and wafer stage WST are synchronously controlled so that the ratio is maintained.
Then, different areas of the pattern area of the reticle R are sequentially illuminated with the illumination light IL, and the illumination of the entire pattern area is completed, thereby completing the scanning exposure of the first shot area on the wafer W. Thereby, the circuit pattern of the reticle R is reduced and transferred to the first shot area via the projection optical system PL.
When the scanning exposure of the first shot area is thus completed, a stepping operation between shots for moving the wafer stage WST to the scanning start position (acceleration start position) of the next second shot area is performed. Then, the scanning exposure for the second shot area is performed in the same manner as described above. Thereafter, the scanning exposure for the shot areas after the third shot area is performed in the same manner.
In this way, the stepping operation between shots and the scanning exposure operation of shots are repeated, and the pattern of the reticle R is transferred to all shot regions on the wafer W by the step-and-scan method.
Note that, during the above-described scanning exposure, the above-described autofocus and autoleveling are performed using the multipoint focus position detection system (60a, 60b) integrally attached to the projection optical system PL.
By the way, in the above-described scanning exposure operation, in order to accurately overlay the pattern of the reticle R and the pattern already formed on the shot area on the wafer W, the aberration and the baseline of the projection optical system PL are accurately measured. It is important that the imaging characteristics of the projection optical system PL are adjusted to an appropriate state. The aberration of the projection optical system PL includes spherical aberration and even function aberration such as focus. The even function aberration is an aberration in which the radial function of each term of the Fringe Zernike polynomial representing the wavefront aberration is represented by an even function.
In the first embodiment, the above-described aerial image measurement device 59 is used for measurement of the even function aberration such as the spherical aberration. Hereinafter, the aerial image measurement by the aerial image measurement device 59, the measurement of the even function aberration of the projection optical system PL, and the like will be described in detail.
FIG. 3 shows a state in which the aerial image of the measurement mark PM formed on the reticle mark plate RFM is being measured using the aerial image measurement device 59. Instead of the reticle mark plate RFM, it is also possible to use a reticle dedicated to aerial image measurement, or a reticle R used for manufacturing a device, on which a dedicated measurement mark is formed. Here, the reticle mark plate RFM has a line-and-space (L / S) ratio of the width of the line portion having a periodicity in the Y-axis direction and the width of the space portion (duty ratio) at a predetermined location is 1: 1. ) It is assumed that a measurement mark PM composed of a pattern (periodic pattern) is formed. A plurality of such measurement marks PM may be provided on the reticle mark plate RFM.
Here, a method of aerial image measurement using the aerial image measurement device 59 will be briefly described. Note that the slit plate 90 is formed with a slit 122 having a predetermined width 2D extending in the X-axis direction, for example, as shown in FIG. 4A.
In measuring the aerial image, the main reticle 50 drives the movable reticle blind 30B through a blind driving device (not shown), and the illumination area of the illumination light IL of the reticle R is measured by the measurement mark PM as shown in FIG. It is limited only to a predetermined area including
In this state, when the illumination light IL is irradiated onto the reticle mark plate RFM, as shown in FIG. 4A, the light diffracted and scattered by the measurement mark PM (illumination light IL) is refracted by the projection optical system PL, A spatial image (projected image) PM ′ of the measurement mark PM is formed on the image plane of the projection optical system PL. At this time, it is assumed that wafer stage WST is set at a position where aerial image PM ′ is formed on the + Y side (or the −Y side) of slit 122 on slit plate 90 of aerial image measurement device 59. . FIG. 4A shows a top view of the aerial image measurement device 59 when viewed from the projection optical system PL side at this time. If the projection magnification of the projection optical system PL is 1/4, the period of the aerial image PM ′ is 1/4 of the period of the L / S pattern of the measurement mark PM. In the following description, it is assumed that the period (pitch) of the measurement mark or the like indicates the period of the aerial image.
When the main controller 50 drives the wafer stage WST in the + Y direction as indicated by the arrow F in FIG. 4A via the wafer stage drive system 56W, the slit 122 is Y with respect to the aerial image PM ′. Scanned in the axial direction. During this scanning, light (illumination light IL) that passes through the slit 122 is received by the optical sensor 94 via the light derivation section in the wafer stage WST, the mirror 96, and the light receiving lens 89, and the photoelectric conversion signal P is processed by signal processing. It is supplied to the main controller 50 via the device 80. The main controller 50 acquires a light intensity distribution corresponding to the aerial image PM ′ based on the photoelectric conversion signal P.
FIG. 4B shows an example of a photoelectric conversion signal (light intensity signal) P obtained at the time of the aerial image measurement. In this case, the aerial image PM ′ is averaged by the influence of the width (2D) of the slit 122 in the scanning direction (Y-axis direction).
Therefore, when the slit 122 is p (y), the aerial image intensity distribution is i (y), and the observed light intensity signal is m (y), the aerial image intensity distribution i (y) is observed. The relationship with the intensity signal m (y) is expressed by the following equation (2). In this equation (2), the unit of the intensity distribution i (y) and the intensity signal m (y) is the intensity per unit length, and the u axis is the same coordinate axis as the y axis.
Figure 2004059710
However, the function p (y) of the slit 122 is expressed by the following equation (3).
Figure 2004059710
That is, the observed intensity signal m (y) is a convolution of the slit function p (y) and the aerial image intensity distribution i (y).
Therefore, in terms of measurement accuracy, the width of the slit 122 in the scanning direction (Y-axis direction) (hereinafter simply referred to as “slit width”) 2D is preferably as small as possible. In the case where a photomultiplier tube (PMT) is used as the optical sensor 94 as in the first embodiment, even if the slit width becomes very small, if the scanning speed is slowed down and the measurement takes time. The amount of light (light intensity) can be detected. However, in reality, since there is a certain restriction on the scanning speed at the time of aerial image measurement from the viewpoint of throughput, if the slit width 2D is too small, the amount of light transmitted through the slit 122 becomes too small and measurement is difficult. turn into.
Actually, on the slit plate 90 constituting the aerial image measuring device 59, as shown in FIG. 5, a slit 122a having a predetermined width 2D and a length L extending in the X-axis direction and in the Y-axis direction are provided. A slit 122b having a predetermined width 2D and a length L is formed. Here, 2D is set to, for example, 200 nm or less, L is set to, for example, 16 μm, and is set to be shorter than the length of the line pattern of the measurement mark as shown in FIG. 4A. The slit 122b is disposed about 4 μm apart on the −X side and the + Y side of the slit 122a. In the aerial image measuring device 59, light transmitted through any of the slits 122a and 122b can be received by the optical sensor 94 via the light deriving unit inside the wafer stage WST, the mirror 96, and the light receiving lens 89. It shall be. In the following description, the slits 122a and 122b are referred to as slits 122 without distinction unless otherwise required.
As described above, the light intensity distribution in the aerial image (projected image) PM ′ of the measurement mark PM can be measured by the above-described aerial image measurement operation using the aerial image measurement device 59. In the first embodiment, even function aberration, for example, spherical aberration, of the projection optical system PL is measured based on the measured light intensity distribution.
Here, the complex amplitude distribution in the Y-axis direction in the spatial image PM ′ of the measurement mark PM is defined as o (y), and the spatial frequency spectrum thereof is defined as O (s) (s is a distribution coordinate on the spatial frequency axis). . Of the spatial frequency components included in the periodic pattern of the spatial image PM ′ of the measurement mark PM, if the two spatial frequency components are f ′ and f ″, respectively, their spectra O (f ′) and O (f ″) An intensity distribution i (y) of the aerial image PM ′ of the measurement mark PM is obtained by integrating an interference fringe generated by a beat multiplied by a certain weight at the entire spatial frequency. The weight is referred to as a cross modulation coefficient, and the cross modulation coefficient is defined by the following equation (4).
Figure 2004059710
Here, F is a pupil function in the exit pupil of the projection optical system PL ( * Is a complex conjugate), and σ (ξ, η) is an effective light source. Note that ξ and η are orthogonal coordinate axes on the exit pupil of the projection optical system PL.
Therefore, the imaging formula of the measurement mark PM by partial coherent illumination is expressed by the following formula (5).
Figure 2004059710
As shown in FIG. 4A, the period of the aerial image PM ′ that is the projection image of the measurement mark PM is P. h = 1 / f h And 50% duty (the width of the line and the space is the same). Period P of aerial image PM ' h The intensity I of the Nth-order harmonic component (N is an odd number) when the spatial frequency component corresponding to is a fundamental frequency component hN_even (Y) is represented by the following formula (6). In this case, f h Is the fundamental frequency of the aerial image PM ′.
Figure 2004059710
Therefore, the aberration amount of the even function aberration of the projection optical system PL is expressed as exp (iφ N_even ), The aforementioned intensity I in coherent illumination hN_even_coh (Y) is expressed by the following expression (7) from the above expression (6).
Figure 2004059710
As is apparent from the above equation (7), the phase difference of the Nth harmonic component of the fundamental frequency component does not change due to the even function aberration, and the amplitude of the component changes. Therefore, in the aberration measurement method of the first embodiment, the aberration amount of the even function aberration of the projection optical system PL is calculated based on the amplitude of the spatial frequency component of the predetermined order (Nth order). In the first embodiment, the aberration amount of the even function aberration may be obtained based on the amplitude of even-order, for example, second-order harmonic components. However, in this case, since the second-order harmonic component does not exist in principle in the spatial frequency component of the spatial image PM ′ of the measurement mark PM that is an L / S pattern with a duty of 50%, Based on the amplitude of the harmonic component, it is necessary to use a combination of beat components of other frequency components as the second harmonic component.
As described above, the measurement mark is 50% duty and the pitch (period) is P. h = 1 / f h In the case of the L / S pattern, O (y) is expressed by the Fourier series as shown in the following formula (8). The measurement mark PM is 0.5 μmL / S pattern (pitch P of the aerial image PM ′. h If the numerical aperture (NA) of the projection optical system PL is 0.78, and considering the case of coherent illumination, the harmonics that actually pass through the projection optical system PL are Up to the third order. Further, the aberration amount of even function aberration of the first order fundamental frequency component is expressed as exp (iφ 1 ) And the third-order harmonic component even function aberration aberration amount exp (iφ 3 ).
Figure 2004059710
From the above equation (8), the beat component corresponding to the second-order harmonic includes the beat component of the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component, the first-order fundamental frequency component, and the first-order (−1 ) Of the fundamental frequency component.
First, the beat component I between the primary fundamental frequency components h2_1_1_even (Y) is expressed as the following formula (9).
Figure 2004059710
This beat component I h2_1_1_even In the case of coherent illumination, (y) is the following expression (10) (which is expressed as I h2_1_1_even_coh (Y)).
Figure 2004059710
From the above equation (10), it can be seen that the first-order beat components are not affected by the even function aberration.
On the other hand, the beat component I of the first fundamental frequency component and its third harmonic component h2_1_3_even (Y) is expressed as the following formula (11).
Figure 2004059710
As shown in the above equation (11), the amplitude of the beat component of the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component is T (f h 3f h ) Is determined by the size of the real part.
This beat component I h2_1_3_even (Y) expresses the aberration amount for the primary fundamental frequency component exp (iφ in the case of coherent illumination. 1 ) And the aberration amount for the third harmonic component is expressed as exp (iφ 3 ), The following expression (12) is obtained.
Figure 2004059710
As is clear from the above equation (12), the phase φ of the primary fundamental frequency component 1 And the phase φ of the third harmonic component 3 The amplitude changes due to the difference between the two.
As described above, since the amplitude of even-order harmonic components such as the second order also changes due to the change in the aberration amount of the even function aberration, the aberration amount of the even function aberration can be obtained from the amplitude. However, since the even-order harmonic component is a beat component between multiple-order harmonic components, for example, the amplitude changes depending on the presence or absence of the fifth-order harmonic component or the seventh-order harmonic component, Prone to instability. Therefore, the amplitude of the odd-order harmonic component that is not affected by the above-described fifth-order and seventh-order harmonic components is used as the even-function aberration, rather than using the even-order harmonic component amplitude as the evaluation amount of the even-order aberration. In many cases, the even function aberration of the projection optical system PL can be obtained with higher accuracy when the aberration amount of the even function aberration is directly obtained by using as an evaluation amount. It is desirable to appropriately determine whether the second order or the third order is used as the harmonic component in consideration of the state of the harmonic component.
Next, a method for measuring the even function aberration of the projection optical system PL in the first embodiment will be specifically described.
First, as described in the above-described aerial image measurement operation, the wafer stage drive system drives the wafer stage WST in the + Y direction according to an instruction from the main controller 50, and the slit 122 is relatively set with respect to the aerial image PM ′. When scanning in the Y-axis direction, the aerial image measuring device 59 obtains the photoelectric conversion signal P. This photoelectric conversion signal P is finally supplied to the main controller 50. The main controller 50 acquires a light intensity distribution corresponding to the aerial image PM ′ based on the photoelectric conversion signal P (first step). At this time, the measurement mark PM including the L / S pattern as the periodic pattern is always in the effective field of the projection optical system PL as shown in FIG. Further, the position of the slit 122 (predetermined measurement pattern) in the direction of the optical axis AX of the projection optical system PL may be a position where the aerial image PM ′ is in the vicinity of the image plane on which the image is formed.
FIG. 6 shows the light intensity distribution of the measured aerial image PM ′. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the position of the slit 122 in the Y-axis direction, and the horizontal axis indicates the light intensity obtained when the slit 122 is located in the Y-axis direction. As shown in FIG. 6, the light intensity distribution of the aerial image PM ′ has nine peaks in the Y-axis direction. The appearance period of this peak corresponds to the period of the aerial image PM ′. Note that due to factors such as coma aberration of the projection optical system PL, there is a phase difference in the Y-axis direction between the first-order spatial frequency component corresponding to the period of the aerial image PM ′ and its third-order harmonic component. As a result, the two peaks of each peak are asymmetric.
When the light intensity distribution is i (y), the main control device 50 as a processing device has a spatial frequency component of a predetermined order (here, the primary fundamental frequency) based on the period of the measurement mark PM on the wafer W. The Fourier coefficient (a1) expressed by the following sine function indicating the amplitude of the component) is calculated (see the following formula (13)). Thereby, the magnitude (for example, amplitude or contrast) of the primary fundamental frequency component included in the light intensity distribution i (y) can be extracted.
Figure 2004059710
Based on the relationship between, for example, the amplitude of the first-order fundamental frequency component and the even function aberration shown in the above equation (7), the main controller 50 increases the aberration amount of the even function aberration corresponding to the amplitude value a1. Is calculated (second step).
Next, the main controller 50 as an adjustment device adjusts the imaging characteristics of the projection optical system PL by driving the imaging characteristics correction controller 78 based on the calculated magnitude of the even function aberration. . At this time, only the magnitude of the even aberration is obtained, and the polarity (positive or negative direction in the direction of the optical axis AX of the projection optical system PL) remains unknown. . In the first embodiment, the polarity of the aberration amount of the even function aberration is determined in a predetermined direction (either positive or negative in the optical axis direction of the projection optical system PL), and the projection optical system PL is determined based on the direction. Adjust the imaging characteristics. Here, assuming that the polarity of the aberration amount is positive, the main controller 50 drives the imaging characteristic correction controller 78 so as to cancel the positive aberration amount, thereby forming an image of the projection optical system PL. The characteristics shall be adjusted.
Next, main controller 50 drives wafer stage WST again in the + Y direction via the wafer stage drive system. By this drive, the slit 122 is scanned in the Y-axis direction with respect to the aerial image PM ′, and the photoelectric conversion signal P is obtained by the aerial image measuring device 59. The obtained photoelectric conversion signal P is finally supplied to the main controller 50. The main controller 50 acquires a light intensity distribution corresponding to the aerial image PM ′ based on the photoelectric conversion signal P. That is, the first process is again executed by the main controller 50. The main controller 50 then calculates the Fourier coefficient (a1) of the sine function expressed by the above equation (13) indicating the amplitude of the primary fundamental frequency component included in the light intensity distribution obtained in the first step. ) Is calculated. Further, the main controller 50 determines the aberration amount of the even function aberration corresponding to the amplitude a1 from the relationship between the primary fundamental frequency component shown in the above equation (7) and the aberration amount of the even function aberration. The second step of calculating the size is executed again.
Then, main controller 50 compares the amount of aberration of even function aberration calculated in the second step this time with the amount of aberration of even function aberration calculated in the previous second step. If the aberration amount calculated this time is larger than the aberration amount calculated last time, the polarity of the aberration amount of the actual even function aberration is the polarity of the aberration amount of the even function aberration that has been temporarily determined. This is the opposite of (in this case, positive). In this case, the main controller 50 again adjusts the imaging characteristics of the projection optical system PL so as to cancel the negative aberration amount, assuming that the polarity of the aberration amount of the even function aberration is negative here. Further, when the aberration amount calculated this time is smaller than the aberration amount calculated last time and converges below a predetermined aberration amount, the even function aberration that was temporarily determined at the time of adjusting the projection optical system PL last time This means that the polarity (positive) of the aberration amount coincided with the actual aberration amount of even function aberration. In this case, main controller 50 determines that projection optical system PL has been appropriately adjusted, determines its polarity as positive as it is, measures the aberration amount of even function aberration, and adjusts projection optical system PL. finish. Even if the aberration amount calculated this time is smaller than the aberration amount calculated last time, if the aberration amount is still larger than the predetermined aberration amount, the first step and the second step may be repeated again.
Then, if the main controller 50 performs the above-described scanning exposure operation after the imaging characteristics of the projection optical system PL have been adjusted, the circuit pattern formed on the reticle R is accurately transferred onto the wafer W. Will be able to.
As described in detail above, in the aberration measurement method of the first embodiment, the aberration amount of the even function aberration and the predetermined order of the aerial image (which is the first order in the first embodiment, but the third order and the fifth order). The light intensity signal corresponding to the spatial image PM ′ of the measurement mark PM is obtained using the fact that the magnitude of the spatial frequency component (which may be of the second or other order) has a predetermined relationship, and the light intensity is obtained. The magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order included in the signal is measured, and the aberration amount of the even function aberration of the projection optical system is calculated based on the measured magnitude. In this way, the aberration amount (at least the magnitude) of the even function aberration can be measured by measuring the aerial image of one periodic pattern only once. The amount of aberration can be measured. If only one periodic pattern is used to measure the amount of aberration, disturbance factors such as manufacturing errors of a plurality of periodic patterns can be avoided from being included in the measured aberration value. The aberration of the projection optical system PL can be measured.
Further, the relationship between the aberration amount of the above-mentioned even function aberration and the magnitude of the spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity distribution corresponding to the spatial image of the pattern (represented by the above-described equation (7)) is Since it is determined on the assumption of a partially coherent illumination system, even if the coherence factor (σ value) of the illumination system is large, even function aberration can be measured with high accuracy.
In the aberration measurement method of the first embodiment, when the first step and the second step are executed once, the magnitude of the aberration amount of the even function aberration can be obtained. Can not ask for. Therefore, in the first embodiment, after adjusting the imaging characteristics of the projection optical system PL, the first step and the second step are performed again to obtain the aberration amount of the even function aberration, and the last measured even function aberration is calculated. The polarity of the even aberration is determined by comparing with the amount of aberration. Specifically, when the aberration amount of the even function aberration measured this time is smaller than the aberration amount of the even function aberration measured last time, the polarity at the time of adjustment is the expected one. If it is judged to be larger, it is judged that the polarity at the time of adjustment is opposite to the intended one. In this way, as a result, the imaging characteristics of the projection optical system can be appropriately adjusted.
In the first embodiment, the imaging characteristic of the projection optical system PL is adjusted after temporarily setting the polarity of the aberration amount of the even function aberration to either positive or negative. However, the present invention is not limited to this. Instead, as described below, the polarity of the aberration amount of the even function aberration may be detected.
For example, by a simulation using a mathematical model of the projection optical system PL, a spatial frequency of a predetermined order included in the light intensity distribution based on the focus position of the projection optical system PL and the photoelectric conversion signal P as shown in FIG. A curve indicating the relationship with the component contrast (the spatial frequency component divided by the direct current component included in the light intensity distribution), that is, a contrast curve is obtained in advance. Here, in FIG. 7, the horizontal axis indicates the focus position of the projection optical system PL, and the vertical axis indicates the contrast of the spatial frequency component of a predetermined order at that time. Here, it is assumed that the spatial frequency component of a predetermined order is a primary fundamental frequency component. In FIG. 7, as simulation conditions, the wavelength of the illumination light IL is 193 nm, the coherence factor σ is 0.15, and the N.D. A. Was set to 0.78, and the period of the aerial image PM ′ was set to 200 nm. Further, the contrast curve shown in FIG. 7 may be calculated by aerial image measurement in an actual apparatus.
Then, main controller 50 determines from the focus position at which the contrast of the spatial frequency component is substantially 0 (for example, the position of about 0.3 μm shown in FIG. 7, that is, the position where the contrast value is maximized) in the contrast curve. The slit 122 is positioned at a position having a predetermined offset via the stage controller 70, the wafer stage drive system 56W, and the like. Then, in this state, main controller 50 executes the first step and the second step described above, and sets the magnitude of the primary fundamental frequency component corresponding to the aerial image PM ′ to the above equation (13). Based on the above equation (7), the magnitude of the aberration amount of the even function aberration is obtained.
Next, main controller 50 generates an even function aberration of a desired value in projection optical system PL via imaging characteristic correction controller 78 while keeping the focus position of projection optical system PL at that position. The relationship between the change in the amount of functional aberration and the change in the contrast of the primary fundamental frequency component included in the light intensity distribution corresponding to the aerial image PM ′ is obtained.
8A and 8B show an example of the relationship between the change in the aberration amount of the even function aberration obtained by the above-described operation and the change in the contrast of the primary fundamental frequency. FIG. 8A shows low-order spherical aberration Z 9 The relationship between the change in the amount of aberration and the change in the contrast of the primary fundamental frequency component is shown, and FIG. 16 The relationship between the amount of aberration and the change in contrast of the primary fundamental frequency component is shown. In both figures, a plurality of combinations of periodic patterns of the coherence factor σ and the aerial image PM ′ of the measurement mark PM (the coherence factor is either 0.05 or 0.3, the pitch of the L / S pattern is 0.12, 0.2, 0.25, or 0.3) each spherical aberration Z 9 , Z 16 The relationship between the amount of aberration and the contrast of the primary fundamental frequency component is shown.
As shown in FIGS. 8A and 8B, since the focus position of the projection optical system PL is set to a position where the contrast of the first-order fundamental frequency component is 0, the even function aberration of the projection optical system PL is conscious. Is not generated, that is, low-order spherical aberration Z in FIG. 8A 9 Aberration amount is 0 mλ, higher order spherical aberration Z in FIG. 8B 16 When the aberration amount is 0 mλ, the contrast of the primary fundamental frequency component is zero. In this state, the main controller 50 passes the low-order spherical aberration Z via the imaging characteristic correction controller 78. 9 And higher order spherical aberration Z 16 In each case, the aerial image measurement is performed via the aerial image measurement device 59, and the first-order spatial frequency component included in the obtained light intensity distribution is generated. Find the size. By doing so, the main controller 50 can obtain the contrast characteristic with respect to the aberration amount of the even function aberration as shown in FIGS. 8A and 8B.
Referring to FIGS. 8A and 8B, the low-order spherical aberration Z 9 And higher order spherical aberration Z 16 It can be seen that the contrast of the primary spatial frequency component decreases linearly in proportion to the increase in the amount of aberration from minus to plus. From the characteristic of the change in each even function aberration with respect to the change in contrast, the amount of aberration of the even function aberration can be read and the polarity can be clarified.
As described above, main controller 50 obtains the relationship between the amount of aberration of even function aberration at the obtained offset position and the magnitude (here, contrast) of the first-order fundamental frequency component, and based on the relationship. The polarity of the aberration amount of the even function aberration is determined. In this way, in the first step, not only the magnitude of the aberration amount of the even function aberration but also the polarity of the aberration amount can be determined. Thus, as in the first embodiment, By adjusting the projection optical system PL by trial and error, the even function aberration is adjusted only by adjusting the projection optical system PL once instead of converging the even function aberration below the predetermined aberration amount. Will be able to.
In this case, the predetermined offset position is determined so that the magnitude (contrast) of the first-order fundamental frequency component is almost zero, but the amount of aberration of even function aberration that can occur can be predicted. Then, a range of contrast values to be measured may be predicted, and the minimum required focus offset amount may be estimated from the range.
Further, when the aberration of the projection optical system PL of the exposure apparatus is measured on-body as in the aberration measurement method of the first embodiment, the low-order aberration of the projection optical system PL is an important measurement target. . In general, low-order aberration is Z in the Fringe Zernike polynomial. 9 Point to. Conventionally, the amount of aberration of low-order aberrations is likely to change depending on time and temperature, but the amount of aberration of high-order aberrations varies with time and temperature because the lens element shape error is dominant. The possibility is low, and in order to reduce the aberration of the projection optical system PL, it has been considered that a function of measuring the amount of low-order aberration and canceling the low-order aberration is sufficient. However, as a result of analyzing the aberration variation of the projection optical system PL corresponding to the temperature change, the present inventor has found that the low order aberration Z out of the aberrations symmetrical to the optical axis of the projection optical system PL, that is, the even function aberration. 9 Not only high-order aberration Z 16 , Z 25 I found out that it changed. Therefore, in the aberration measurement method of the first embodiment, the low-order aberration and the high-order aberration are separated from the measured aberration amount of the even function aberration, and the spherical aberration is corrected according to the temperature change. Is desirable.
In that respect, as described above, the low-order spherical aberration Z at the offset position. 9 And higher order spherical aberration Z 16 If the respective characteristics (see FIGS. 8A and 8B) are respectively obtained, it is possible to separate the aberration amount of the low-order spherical aberration and the aberration amount of the high-order spherical aberration.
In the first embodiment, as described above, the amplitude of the spatial frequency component may be used as the evaluation amount for the magnitude, and the contrast may be used as the evaluation amount. Contrast is obtained by dividing the amplitude of the spatial frequency component by the DC component included in the light intensity signal. By using this contrast as an evaluation amount, the influence of the change in the amount of illumination light on the aberration measurement Can be relaxed.
In the first embodiment, only the measurement mark PM is formed on the reticle mark plate RFM. However, other measurement marks may be formed. For example, an L / S pattern measurement mark whose periodic direction is arranged in the X-axis direction is formed, and a slit scan operation in the X-axis direction is executed (in this case, the slit 122b on the slit plate 90 is Used), an aerial image may be measured.
In the first embodiment, the light lead-out part and the light-receiving part of the aerial image measuring device 59 are mechanically separated. However, they may be connected by a flexible optical fiber cable. Good.
<< Second Embodiment >>
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. 9A, FIG. 9B, and the like.
The exposure apparatus according to the second embodiment is different from the first embodiment only in the operation in the main controller 50 when measuring the aberration of the projection optical system PL. 1 to 5 is the same as the exposure apparatus 10 of the first embodiment. Therefore, in the following, in order to avoid redundant description, the difference from the first embodiment, that is, the operation of even function aberration measurement of the projection optical system PL will be mainly described. In addition, for the same purpose, the same reference numerals are used for the same or equivalent components, and the description thereof is omitted.
A method for measuring the even function aberration of the projection optical system PL in the exposure apparatus of the second embodiment will be specifically described. First, main controller 50 performs an aerial image measurement operation. In the first embodiment, the position in the optical axis direction of the projection optical system PL that scans the slit plate 90, that is, the focus position of the projection optical system PL (the position at which the slit 122 as a predetermined measurement pattern is scanned) is Although the aerial image measurement is performed while being fixed at one place, in the second embodiment, the aerial image is obtained at a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system PL (hereinafter abbreviated as “focus position”). Measurement is performed (first step). Since the aerial image measurement operation at each focus position is the same as the operation in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
The photoelectric conversion signal P measured at each focus position by the aerial image measurement operation at the plurality of focus positions is transmitted to the main controller 50. Then, main controller 50 determines, from the light intensity distribution based on photoelectric conversion signal P at each focus position, the primary fundamental frequency component included in the light intensity distribution measured at each focus position, and its third harmonic. The size of the component, its fifth-order harmonic component, etc. (here, the contrast) is extracted. Then, main controller 50 calculates the contrast curves of the spatial frequency components of the respective orders as shown in FIG. 9A based on the contrasts of the respective frequency components at the plurality of focus positions. In FIG. 9A, only the contrast curve (solid line) of the first-order fundamental frequency component and the contrast curve (dotted line) of the third-order harmonic component are shown.
In FIG. 9A, the horizontal axis indicates the focus position, and the vertical axis indicates the contrast of the spatial frequency component. As shown in FIG. 9A, when there is even function aberration in the projection optical system PL, the focus position at which the contrast curve of the first-order fundamental frequency component is maximized (in the graph of FIG. 9A, this focus position is the origin). ) And a focus position at which the contrast curve of the third harmonic component is maximized, a so-called focus difference occurs.
FIG. 9B shows the relationship between the focus difference and the aberration amount of even function aberration. In FIG. 9B, the horizontal axis indicates the aberration amount of the even function aberration, and the vertical axis indicates the focus difference between the best focus position of the first-order fundamental frequency component and the best focus position of the third-order harmonic component generated by the aberration amount. Indicates. As shown in FIG. 9B, the aberration amount of the even function aberration and the focus difference between the best focus positions are in a proportional relationship. If this focus difference is measured, the aberration amount of the even function aberration at that time is calculated. It can be obtained. It is assumed that the relationship between the focus difference and the aberration amount of the even function aberration is obtained by aerial image simulation using a mathematical model of the projection optical system PL and is stored in the memory 51.
Therefore, the main controller 50 as the processing device obtains the contrast curve of the first-order fundamental frequency component and the contrast curve of the third-order harmonic component as shown in FIG. 9A, and obtains the respective best focus positions. After obtaining the focus difference at the best focus position (indicated by R1 in FIG. 9A), the aberration amount of the even function aberration corresponding to the focus difference R1 is stored in the memory 51 as shown in FIG. 9B. Calculation is performed with reference to the characteristic of the even function aberration and the amount of aberration (second step).
The main controller 50 as an adjusting device adjusts the aberration amount of the even function aberration of the projection optical system PL via the imaging characteristic correction controller 78 based on the calculated aberration amount of the even function aberration. Then, if the main controller 50 performs the above-described scanning exposure operation after the imaging characteristics of the projection optical system PL have been adjusted, the circuit pattern formed on the reticle R is accurately transferred onto the wafer W. Will be able to.
As described above in detail, according to the exposure apparatus and the aberration measurement method thereof according to the second embodiment, the focus position at which the contrast of the primary fundamental frequency component included in the aerial image is maximized, and the third order thereof. If the positional deviation from the focus position at which the contrast of the higher harmonic component becomes the maximum, that is, the focus difference is calculated, the aberration amount of the even function aberration can be calculated. Since this focus difference is obtained with a sign, this method can simultaneously obtain the polarity as well as the amount of aberration. In the second embodiment, only one periodic pattern for measuring the amount of aberration is provided, and disturbance factors such as manufacturing errors of a plurality of periodic patterns can be avoided from being included in the aberration measurement. Therefore, the aberration of the projection optical system PL can be measured with high accuracy.
By the way, in order to separate low-order spherical aberration and high-order spherical aberration from the measured aberration amount of even function aberration, it is necessary to prepare a plurality of L / S patterns having different periods as measurement marks.
For example, as a measurement mark on the reticle mark plate RFM, two periodic patterns having different periods, and two L / S patterns such that the period of each aerial image is 0.5 μm and 1.0 μm, respectively. Are prepared, and the first and second steps described above are executed for each measurement mark to measure each aerial image.
Depending on the period of the L / S pattern, the degree of contribution related to the focus difference between the low-order spherical aberration and the high-order spherical aberration, that is, the Zernike sensitivity to the focus difference (hereinafter abbreviated as focus difference sensitivity), is different. Therefore, low-order spherical aberration (Z 9 ) And higher order spherical aberration (Z 16 ) Can be separated. The focus difference between the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component in the L / S pattern in which the period of the aerial image is 1.0 μm is δF (L / S = 1.0), and the period of the aerial image Let δF (L / S = 0.5) be the focus difference between the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component in the L / S pattern in which is 0.5 μm. Furthermore, a low-order spherical aberration Z of 1.0 μm 9 Focus difference sensitivity to α 1 And higher-order spherical aberration Z of 1.0 μm 16 Focus difference sensitivity to β 1 And low-order spherical aberration Z of 0.5 μm 9 Focus difference sensitivity to α 2 0.5μm higher order spherical aberration Z 16 Focus difference sensitivity to β 2 Then, the following formulas (14) and (15) are established.
Figure 2004059710
The focus difference sensitivity described above can be obtained by aerial image simulation using a mathematical model of the projection optical system PL. In Table 2 below, σ = 0.15, N.I. A. = 0.78, the focus difference sensitivity obtained by aerial image simulation when the wavelength is 193 nm. In Table 2, for each of the three types of L / S patterns, each spherical aberration Z that is an even function aberration with respect to a change in focus difference. 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 The sensitivity of is displayed. Four spherical aberrations Z 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 Is a combination of the period of the L / S pattern and the harmonic order, and the fundamental frequency component and the harmonic component of the predetermined order (third or fifth order) for at least four types of combinations, It is necessary to calculate a focus difference, create a simultaneous equation using the focus difference and the Zernike sensitivity in the combination shown in Table 2 below, and solve it.
Figure 2004059710
For example, Z with respect to the focus difference between the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component for the 0.5 μmL / S pattern. 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 Zernike sensitivity of α 1 , Β 1 , Γ 1 , Δ 1 Z with respect to the focus difference between the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component for the 0.7 μmL / S pattern 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 Zernike sensitivity of α 2 , Β 2 , Γ 2 , Δ 2 Z with respect to the focus difference between the first-order fundamental frequency component and the third-order harmonic component for the 1.0 μmL / S pattern 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 Zernike sensitivity of α 3 , Β 3 , Γ 3 , Δ 3 And Further, Z with respect to the focus difference between the first-order fundamental frequency component and the fifth-order harmonic component for the 1.0 μmL / S pattern. 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 Zernike sensitivity of α 4 , Β 4 , Γ 4 , Δ 4 Then, the following equations (16) to (19) are obtained, and from these equations, Z 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 Can be separated.
Figure 2004059710
In the second embodiment, when the number of obtained focus differences is larger than the number of spherical aberrations to be obtained, the aberration amount of each even function aberration is obtained by using the least square method. You may do it. The details of the aberration amount measuring method by the least square method will be described later.
In the first and second embodiments, since even-order spatial frequency components basically do not exist in the L / S pattern with a duty of 50%, the odd-order space is used as the spatial frequency component of the predetermined order. It is desirable to use frequency components.
In the first and second embodiments, the slit 122 is used as the measurement pattern. However, the present invention is not limited to this, and a pinhole pattern may be used. In this case, in order to secure the same amount of light as the slit 122, it is desirable that the diameter of the pinhole pattern is about twice the width (400 nm or less).
In the second embodiment, the aerial image measurement is performed by scanning the slit plate 90 at a plurality of focus positions. However, an actual aberration of the projection optical system PL, for example, a part of the aberration amount of the even function aberration is obtained. While changing, it is also possible to measure the aberration amount of other even function aberrations. Specifically, for example, Z 9 Z which gives the peak of the amplitude of each frequency component by changing low order even function aberration components such as 9 Other aberrations, for example Z 16 It is possible to measure the aberration amount of higher order even function aberrations such as.
As described above, a projection optical system used in a recent semiconductor exposure apparatus, such as the projection optical system PL used in the exposure apparatus 10 in the first and second embodiments, has a driving element for correcting aberrations. 20 (see FIG. 2). By driving this drive element 20 and adjusting the lens element of the lens of the projection optical system PL, Z 9 The value of can be changed. The drive element 20 has different types of aberrations that can be corrected depending on the number of axes that can be driven and the degree of freedom. Spherical aberration Z 9 , Z 16 , Coma aberration Z 7 , Z 8 , Z 14 , Z 15 , Distortion Z 2 , Z 3 It is possible to adjust the aberration amount of various aberrations to a desired value.
Where Z 16 The measurement method will be described. FIG. 10 shows each aberration (Z of the even function component with respect to the normalized pupil position). 4 , Z 9 , Z 16 , Z 25 ), The phase lag level change is shown in FIG. 9 The figure for demonstrating the adjustment of the amplitude by is shown. As shown in FIG. 10, Z represented by a solid line 16 The phase delay level has an extreme value when the coordinate value of the pupil position is ± 0.525, and its value is 0.447. As a pattern for generating the first-order diffracted light located at the coordinate value 0.525 of the pupil position, the conditions of the optical system are N. A. = 0.78, σ = 0 (coherent illumination), and λ = 193 nm, pitch = λ / (NA × 0.525) = 471 nm, so the 235 nm L / S pattern is used. . The amplitude of this pattern is such that the aberration of the projection optical system PL is Z 16 Z 16 Maximum when 0 is zero. This is clear from equation (7).
Fringe Zernike coefficient equivalent to Z 16 , The phase difference A between the 1st-order diffracted light and the 0th-order light located at the pupil coordinate 0.525 is A = C × 1.447 (see FIG. 11). When this phase difference A becomes 0, the amplitude of the aerial image of the 235 nm L / S pattern becomes maximum. The phase difference A is Z 9 It is possible to arbitrarily set by changing.
In addition, as shown in FIG. 9 When an aberration of 1.2 C is generated, B = −C × 1.2 2 = -1.44C phase difference can be generated with respect to the phase difference between the 0th order light and the 1st order diffracted light, and Z 16 The phase difference A can be canceled out. In other words, Z 16 The value of Z 9 It can be converted from the value of. In this case, from the viewpoint of increasing measurement accuracy, Z 9 Z that maximizes the amplitude of the fundamental wave component of the aerial image 9 From the value of Z 16 It is desirable to convert the value of.
In FIG. 9 The calculation result when the amplitude of the fundamental frequency component of the aerial image intensity is calculated by simulation is shown. In this simulation, the conditions of the optical system are set to N.I. A. = 0.78, σ = 0.1, λ = 193 nm, and the measurement mark was 0.235 μmL / S. Here, Z 9 The reason why the amplitude value is sequentially measured while changing is to determine the peak position of the amplitude with high accuracy.
The peak position of the amplitude is Z 9 Calculated by conversion. The peak position of the amplitude is Z 16 It changes in proportion to the amount of. In FIG. 16 Aberration and Z 9 The correlation with the peak position in terms of conversion is shown. As shown in FIG. 16 Aberration and Z 9 The peak position in terms of conversion is almost completely proportional, and the correlation coefficient R 2 = 1. Z 16 The ratio of the change in the peak position with respect to the change in the so-called Zernike sensitivity is calculated as 0.9157. This sensitivity is N.P. A. , Σ, wavelength, and measurement mark.
As described above, aerial image measurement is performed using Z as the first aberration of the projection optical system PL. 9 Is set to a plurality of aberration amounts, and the measured aerial image, that is, the amount of change in the position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized is Z. 9 Z obtained as a second aberration using the amount of change in these positions as an evaluation amount 16 Can be calculated.
In addition, aberration Z of other even function components 25 , Z 36 When measuring also, make 3 or more types of measurement marks and set Zernike sensitivity for these measurement marks to Z 16 , Z 25 , Z 36 Sought for three or more marks Z 9 Amplitude peak position δ in conversion m And solving the simultaneous equations as shown in the following equation (20), Z 16 , Z 25 , Z 36 Each aberration amount can be obtained.
Figure 2004059710
Here, the coefficient in the above equation (20)
Figure 2004059710
Is the even function aberration Z 16 , Z 25 , Z 36 Z for the amount of ingredients in 9 It shows the rate of change of the peak position of a considerable amplitude, that is, Zernike sensitivity. Zernike sensitivity
Figure 2004059710
Is generally calculated in advance by aerial image simulation. However, in some cases, the driving element 20 of the projection optical system PL may be driven to change the aberration to perform actual measurement. For example
Figure 2004059710
Is the even aberration Z 16 Z against 9 It shows the rate of change of the converted amplitude peak position, that is, Zernike sensitivity, and even function aberration Z 16 Z when changing 9 The Zernike sensitivity can be obtained from the rate of change of the converted amplitude peak position.
When the phase difference of m L / S patterns is measured, m linear expressions can be created. Aberration amount Z 16 , Z 25 , Z 36 Is an unknown and there are three. In general, when n is an unknown, when m = n, the values of all unknowns can be obtained by solving the simultaneous linear equations of the above equation (20). That is, when the phase difference of the three L / S patterns is measured, the aberration amount Z 16 , Z 25 , Z 36 Can be obtained. In the case of m ≧ n, an unknown value may be obtained using the least square method.
Instead of using a plurality of marks, σ, N. A. Change other conditions, etc. 16 , Z 25 , Z 36 It is also possible to solve simultaneous equations by changing the Zernike sensitivity to.
Z 9 Although the example of measuring the aberration of the even function by changing the above has been described, the position of the lens element of the projection optical system PL, the internal pressure, etc. are changed to change Z 9 Instead of this, measurement may be performed by changing other even function aberration components. For example, Z 4 Is an aberration equivalent to focus (defocus), but Z without changing the focal length on the image plane side of the projection optical system PL, that is, the position of the image plane with respect to the direction of the optical axis AX. 4 Can be given as an aberration variation in the projection optical system PL. Z 4 Z 9 You may change it instead of.
In the second embodiment, even function aberration can be measured while keeping the distance between the projection optical system PL and the aerial image measurement device 59 at an equal distance, so that the telecentricity (illumination telecentric) of the illumination optical system is reduced. There is a feature that the image does not shift at the time of defocusing even at an angle. For this reason, the Z of the projection optical system PL 9 Multiple Z while stepping 9 By measuring the image contrast and the image position at the same time, even function and odd function aberrations can be measured simultaneously. This is an important feature particularly in an illumination optical system having a micro fly's eye lens. This is because, in this illumination optical system, a light-shielding disk that cuts zero-order light has a size of about 0.04 to 0.05 corresponding to the numerical aperture (coherence factor σ value) of the illumination optical system. Therefore, if the illumination telecentric is not inclined, the illumination light IL is lost when the numerical aperture (σ value) of the illumination optical system is reduced, particularly when it is 0.04 to 0.05 or less. This is because the above measurement cannot be realized.
<< Third Embodiment >>
Next, a third embodiment of the present invention will be described based on FIGS. 14A, 14B, 15A, 15B, and the like.
The exposure apparatus according to the third embodiment is different from the first and second embodiments described above in the operation of measuring the aberration of the projection optical system PL, but the apparatus configuration is the first except for a part. It is almost the same as the exposure apparatus 10 of the embodiment. Therefore, in order to avoid redundant description, the following description will focus on differences from the first and second embodiments. For the same purpose, the same or equivalent components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In the third embodiment, the configuration of a reticle mark plate as a mark holding member and a slit as a measurement pattern are different from those in the first and second embodiments. In the third embodiment, as shown in FIGS. 14A and 14B, a reticle mark plate RFM ′ is used instead of the reticle mark plate RFM, and a slit 122 ′ is used instead of the slit 122.
FIG. 14A shows an example of a measurement mark on the reticle mark plate RFM ′ in the third embodiment. As shown in FIG. 14A, the measurement mark on the reticle mark plate RFM ′ includes one L / S pattern LS1 as a first periodic pattern, a pair of L / S patterns LS2 as a second periodic pattern, A pair of L / S patterns LS3 are arranged in parallel in a direction perpendicular to the periodic direction. The L / S patterns LS1 to LS3 are patterns with a duty of 50% having different periods. The pair of L / S patterns LS2 are arranged such that the phase difference between the L / S patterns LS1 is almost 0 so that the L / S pattern LS1 is sandwiched therebetween, and the pair of L / S patterns LS3 are also L / S patterns. The LS1 and LS2 are arranged so that the phase difference between them in the periodic direction is almost zero so as to sandwich the LS1 and LS2. Each of the L / S patterns LS1 to LS3 is set so that the total length of the aerial image in the periodic direction is smaller than 12 μm, and each X / axis direction (perpendicular to the periodic direction of the L / S patterns LS1 to LS3). The length of the aerial image in the right direction) is about 2 μm, and the gap between the aerial images of the L / S patterns LS1 to LS3 is set to about 1 μm.
FIG. 14B shows an example of the slit plate 90 ′ when performing aerial image measurement in the aberration measurement method of the third embodiment. As shown in FIG. 14B, the slit plate 90 ′ is formed with a slit 122 ′ having a predetermined width 2D extending in the X-axis direction. The slit 122 ′ is formed such that the length in the X-axis direction is equal to or longer than the length in the X-axis direction of the aerial image of the entire L / S patterns LS1, LS2 (two) and LS3 (two). .
In the third embodiment, a measurement mark in which a plurality of L / S patterns LS1 to LS3 having different periods are arranged in parallel is the same as in the first and second embodiments (same as the measurement mark PM). The measurement mark is illuminated by the illumination light IL in a state where all of these patterns are positioned within the effective field of the projection optical system PL. In this way, a spatial image of the measurement mark is formed via the projection optical system PL.
As shown in FIG. 14B, main controller 50 scans the aerial images collectively with slit 122 ′ and measures the illumination light via the measurement mark obtained through slit 122 ′. Photoelectric detection is performed by the device 59 (first step). In this way, the aerial image measurement device 59 can detect the light intensity signal P corresponding to the combined aerial image intensity including the components of the aerial image of each L / S pattern. The main control device 50 obtains the magnitude of the spatial frequency component corresponding to each L / S pattern by performing frequency analysis on the combined aerial image intensity based on the light intensity signal P obtained from the aerial image measurement device 59, and Is used to measure the aberration amount of the projection optical system PL and adjust the imaging characteristics of the projection optical system PL based on the aberration amount.
In the third embodiment, the ratio of the maximum period to the minimum period in the plurality of L / S patterns is preferably 3 times or less. As shown in FIG. 14A, among the L / S patterns LS1 to LS3, the cycle of the L / S pattern LS1 is the maximum, and the cycle of the L / S pattern LS3 is the minimum. Therefore, on the reticle mark plate RFM ′, the cycle of the L / S pattern LS1 is set to be three times or less than the cycle of the L / S pattern LS3. In this way, in the spatial frequency component included in the light intensity distribution based on the light intensity signal P obtained by the aerial image measuring device 59, the primary fundamental frequency component by the L / S pattern LS3 having the minimum period, and the maximum It is possible to prevent the third harmonic component due to the L / S pattern LS1 having a period from being mixed. For example, as combinations of the periods of the aerial images of the L / S patterns LS1 to LS3, assuming that their units are μm, (LS1, LS2, LS3) = (0.225, 0.175, 0.125), respectively. , (0.275, 0.225, 0.150), (0.275, 0.250, 0.200), (0.450, 0.350, 0.300), (0.60, 0. 450, 0.325), (0.600, 0.500, 0.400), and the like.
In FIG. 14A, only LS1 to LS3 are shown as L / S patterns having different periods, but there are four or more types of L / S patterns having different periods (for example, the period is different from L / S patterns LS1 to LS3). Different L / S patterns LS4, LS5, etc. may be further included).
First, a case where even function aberration of the projection optical system PL is measured will be described. In this case, as in the second embodiment, the space in the first step described above is changed while the position for scanning the slit 122 ′ is changed to a plurality of positions in the direction of the optical axis AX of the projection optical system PL. Perform image measurement. Then, main controller 50 creates a contrast curve corresponding to each of L / S patterns LS1 to LS3 based on the magnitudes of the fundamental frequency components obtained at those positions (here, referred to as contrast).
FIG. 15A shows an example of contrast curves in two L / S patterns LS1 and LS2 having different periods. As shown in FIG. 15A, there is a positional deviation, that is, a focus difference between the position where the contrast is maximum in the L / S pattern LS1 and the position where the contrast is maximum in the L / S pattern LS2. In FIG. 15A, the position where the contrast curve of the L / S pattern LS1 is maximum is set as the origin.
FIG. 15B shows an example of the relationship between the focus difference and the aberration amount of even function aberration. In FIG. 15B, the horizontal axis indicates the aberration amount of the even function aberration, and the vertical axis indicates the focus difference between the L / S pattern LS1 and the L / S pattern LS2 generated by the aberration amount. As shown in FIG. 15B, the amount of aberration of the even function aberration and the focus difference between the best focus positions are proportional to each other. If this focus difference (for example, R ′) is measured, the even function aberration at that time is measured. It is possible to determine the amount of aberration. The relationship between the focus difference and the aberration amount of the even function aberration can be obtained by aerial image simulation using a mathematical model of the projection optical system PL, and this relationship is stored in the memory 51 in advance. It shall be.
The main controller 50 creates a contrast curve as shown in FIG. 15A for each pattern, calculates a positional shift between the patterns where the values of those curves are maximum, that is, a focus difference, and stores it in the memory 51. Based on the stored relationship shown in FIG. 15B, the aberration amount of the even function aberration is obtained.
Next, main controller 50 uses the first fundamental frequency component of L / S pattern LS1 with the longest pitch as a reference, and is relative to the other L / S patterns LS2, LS3, LS4, LS5,. The first focus difference δF 1 , Second focus difference δF 2 , Third focus difference δF 3 , Fourth focus difference δF 4 As described above. These focus differences and low-order spherical aberration Z 9 , Higher order spherical aberration Z 16 Multiple even aberrations (Z 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 ) Is expressed by simultaneous equations shown in the following equation (21). The main controller 50 solves the equation (21) to obtain each even function aberration (Z 9 , Z 16 , Z 25 , Z 36 )
Figure 2004059710
Where the coefficient α 1 ~ Α 4 , Β 1 ~ Β 4 , Γ 1 ~ Γ 4 , Δ 1 ~ Δ 4 Is the sensitivity of the amount of the component of each even function aberration (spherical aberration, etc.) to the change in focus difference. For example, the coefficient α 1 Is the first focus difference δF 1 Low-order spherical aberration Z with respect to a change in (the phase difference between the primary fundamental frequency component of L / S pattern LS1 and the primary fundamental frequency component of L / S pattern LS2) 9 The sensitivity of. As these sensitivities, those previously calculated by aerial image simulation using a mathematical model of the projection optical system PL can be used.
In the third embodiment, as described above, each even function aberration is measured based on the focus difference in each L / S pattern. However, the present invention is not limited to this, and the first embodiment described above. Similarly to the embodiment, each even function aberration may be obtained based on the magnitude of a spatial frequency component of a predetermined order corresponding to each L / S pattern (with respect to the optical axis direction of the projection optical system PL, Including a method of performing aerial image measurement by scanning the slit at a position having a predetermined offset from the position where the spatial frequency component is maximized).
It is also possible to measure an odd function aberration of the projection optical system PL, for example, coma aberration, using a plurality of L / S patterns having different periods as shown in FIG. 14A. For example, main controller 50 executes the first step described above, and extracts a spatial frequency component corresponding to each L / S pattern by performing frequency analysis on the measured combined aerial image intensity. Then, the main controller 50 uses, for example, the phase of the fundamental frequency component corresponding to the L / S pattern LS1 having the longest period as a reference, and the basics of the other L / S patterns LS2, LS3, LS4, LS5. The relative phase difference with the frequency component is expressed as the first phase difference Φ. 1 , Second phase difference Φ 2 , Third phase difference Φ 3 , Fourth phase difference Φ 4 And These phase differences and low-order coma aberration Z 7 , Higher order coma aberration Z 14 Multiple odd-function aberrations (Z 7 , Z 14 , Z 23 , Z 34 ) Is expressed as the following equation (22). The main control device 50 solves the equation (22) to generate each odd function aberration (Z 7 , Z 14 , Z 23 , Z 34 )
Figure 2004059710
Where the coefficient α 1 ~ Α 4 , Β 1 ~ Β 4 , Γ 1 ~ Γ 4 , Δ 1 ~ Δ 4 Is the sensitivity of the phase difference change to each odd-function aberration (coma aberration) component. For example, the coefficient α 1 Is the low-order coma aberration Z 7 The first phase difference Φ 1 The sensitivity of changes in the phase difference between the primary fundamental frequency component of the L / S pattern LS1 and the primary fundamental frequency component of the L / S pattern LS2 is shown. For these sensitivities, those previously calculated by aerial image simulation using a mathematical model of the projection optical system PL can be used.
In the third embodiment, when n odd function aberrations are to be measured, it is only necessary to measure n or more phase differences. For example, when six odd-function aberrations are to be measured, it is necessary to measure six or more phase differences. At this time, it is not always necessary to prepare six L / S patterns on the reticle mark plate RFM ′, and it is sufficient that at least four L / S patterns are provided. This is because it is not necessary to limit the reference of each phase difference to one L / S pattern (for example, L / S pattern LS1) as described above, and if four L / S patterns having different periods are arranged, This is because six combinations can be created as one L / S pattern combination, and six phase differences can be measured.
As described above, when n phase differences are measured in an attempt to measure n odd function aberrations, the n simultaneous equations are solved as described above to solve each odd function aberration. Aberration amount can be obtained. By the way, when m phase differences larger than n are measured, a simultaneous equation composed of m linear equations corresponding to m phase differences represented by the following equation (23) is created. Then, an unknown, that is, each odd function aberration may be obtained using the least square method.
Figure 2004059710
Where S j (J = 1 to n) indicates an unknown number, that is, one of the odd function aberrations to be measured, and a ij (I = 1 to m, j = 1 to n) is the aberration amount S of each odd function aberration. j Phase difference with respect to Φ i The sensitivity of change (i = 1 to m) is shown.
A method of obtaining the aberration amount of each odd function aberration by the least square method will be described. In the above equation (23), the right side is expressed as a ij A constant matrix A having m rows and n columns each having (i = 1 to m, j = 1 to n) and an unknown S j These can be collectively expressed by an n-dimensional vector S having (j = 1 to n) as elements. Left side phase difference Φ i When (i = 1 to m) are collectively expressed as an m-dimensional vector Φ, the following expression (24) is obtained.
Figure 2004059710
The least square method is a method for obtaining S that minimizes the inner product (AS-Φ, AS-Φ) of vectors AS-Φ when expressed in a vector format as in the above equation (24). The above equation (24) is transformed into the following equation (25).
Figure 2004059710
Where matrix A T Is a transposed matrix of the matrix A. A T A is an n-dimensional square matrix, and A T Since Φ is an n-dimensional vector, the above equation (25) can solve the solution, whereby the n-dimensional vector S can be obtained. The n-dimensional vector S is expressed as the following equation (26). Therefore, main controller 50 calculates the following equation (26) to obtain the aberration amount of each odd function aberration.
Figure 2004059710
Note that the aberration measurement method using such a least square method is used not only for the odd-function aberration but also for the measurement of each even-function aberration described above (including the second embodiment) as described above. Needless to say, it can be done. In this case, the left side of the simultaneous equations in the above equation (23) is not the phase difference between the L / S patterns, but the position shift at the position where the contrast between the patterns is maximum.
As described in detail above, in the third embodiment, the measurement pattern that scans the aerial image of the measurement mark including the plurality of periodic patterns LS1, LS2,. The length of 122 ′ is equal to or longer than the length of the aerial image of the measurement mark. Therefore, if this measurement pattern 122 ′ is used, it becomes possible to obtain the light intensity signal of the illumination light through all the periodic patterns in one scan, and therefore the aberration (low order) of the projection optical system PL. Measurement time of even function aberrations including higher order spherical aberration and the like, and odd function aberrations including lower order and higher order coma aberration, etc. can be shortened.
In the third embodiment as well, as in the first and second embodiments, the amplitude of the spatial frequency component may be used as the evaluation amount for the magnitude, and the contrast may be used as the evaluation amount. Contrast is obtained by dividing the amplitude of the spatial frequency component by the DC component included in the light intensity signal. By using this contrast as an evaluation amount, the influence of the change in the amount of illumination light on the aberration measurement Can be relaxed.
<< Fourth Embodiment >>
Next, the 4th Embodiment of this invention is described based on FIG. 16A-FIG.
In the second embodiment, an aerial image of a measurement mark having an L / S pattern with a duty ratio of 1: 1 is measured at a plurality of focus positions, and Fourier transform is performed on the aerial image, thereby obtaining the space. A Fourier coefficient of the fundamental frequency component and the third harmonic component included in the image is obtained, and a contrast curve between the fundamental frequency component and the third harmonic component is obtained based on the Fourier coefficient, and the contrast curve is maximized. Based on the positional deviation, the amount of aberration of the projection optical system PL was obtained.
In the method of obtaining the aberration of the projection optical system PL using such harmonic components, the accuracy of the duty ratio of the L / S pattern greatly affects the measurement accuracy of the aberration amount of the projection optical system PL. For example, Table 3 below shows the phase difference between the primary fundamental frequency component and its harmonic component in the L / S pattern having different duty ratios, so-called lateral shift amount (this amount is coma aberration of the projection optical system PL). (Corresponding to odd function aberrations). Here, under the conditions that the wavelength of the illumination light IL is 193 nm, the coherence factor σ is 0.3, the numerical aperture of the projection optical system PL is 0.78, and the period of the aerial image of the L / S pattern is 1.0 μm. The ratio of the width of the space image line to the space is 0.5 μm: 0.5 μm, 0.45 μm: 0.55 μm, and 0.55 μm: 0.45 μm, respectively.
Figure 2004059710
The amplitude ratio of the fundamental frequency component, the second harmonic component, and the third harmonic component at this time was 0.31: 0.032: 0.071. That is, the magnitude of each spatial frequency component included in the aerial image is smaller as the order is higher. Here, the magnitude of the third harmonic component is about 30 times the magnitude of the fundamental frequency component. %.
In addition, as described above, a photomultiplier tube (hereinafter abbreviated as “PMT”) is used as a photoelectric conversion element for such aerial image measurement. It is also affected by output voltage distortion due to non-linearity. In consideration of such non-linearity of the PMT, the measured value of the lateral deviation amount under the above conditions is expressed as shown in Table 4 below.
Figure 2004059710
At this time, the amplitude ratio of the fundamental frequency component, the second-order harmonic component, and the third-order harmonic component was 0.31: 0.030: 0.07.
Table 5 below shows that the wavelength of the illumination light IL is 248 nm and the numerical aperture N.P. A. The measured value of the lateral deviation when the non-linearity of the PMT is not considered is shown as 0.82.
Figure 2004059710
At this time, the amplitude ratio of the fundamental frequency component, the second-order harmonic component, and the third-order harmonic component was 0.31: 0.053: 0.045.
Table 6 below shows that the wavelength of the illumination light IL is 248 nm and the numerical aperture of the projection optical system PL is N.P. A. The measured value of the amount of lateral deviation when the non-linearity of the PMT is considered is shown as 0.82.
Figure 2004059710
At this time, the amplitude ratio of the fundamental frequency component, the second-order harmonic component, and the third-order harmonic component was 0.31: 0.048: 0.046.
As is apparent from Tables 3 to 6, when the duty ratio of the L / S pattern changes, a sensitivity change such as a lateral shift amount that greatly exceeds the rate of change of the duty ratio occurs, and the measurement accuracy of the aberration amount deteriorates. There is an inconvenience. Further, there is a disadvantage that the measurement accuracy of the aberration amount of the projection optical system PL is limited due to the non-linearity of the PMT.
Moreover, in the said 1st-3rd embodiment, it is a slit rather than a pinhole pattern as a measurement pattern from a viewpoint of preventing transmitted light quantity decreasing and S / N ratio getting worse, and shortening measurement time. A pattern was used. However, in order to obtain the aberration of the projection optical system PL with higher accuracy, it is desirable to measure the spatial frequency component of the periodic pattern extending in all directions, and when the predetermined measurement pattern is only the slit pattern, as described above Furthermore, there is a disadvantage that the periodic direction of the measurement mark is limited to a direction perpendicular to the longitudinal direction of the slit pattern.
The exposure apparatus according to the fourth embodiment is for solving the above-described disadvantages. The exposure apparatus according to the fourth embodiment is substantially the same as the exposure apparatus 10 of the first embodiment except for a part of the apparatus configuration. Therefore, in order to avoid redundant description, the following description will focus on differences from the first to third embodiments. For the same purpose, the same or equivalent components are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
In the fourth embodiment, the configuration of a reticle mark plate as a mark holding member and a slit as a measurement pattern are different from those in the first to third embodiments. In the fourth embodiment, one of the reticle mark plates RFM ″ shown in FIGS. 16A to 16C or FIGS. 17A and 17B is used.
FIG. 16A shows an example of the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ in the fourth embodiment. As shown in FIG. 16A, the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ has a width of 4d. Light transmitting portions (portions indicated by diagonal lines) are provided periodically (period 8d), and the light transmitting portions having a width of 2d (portions indicated by diagonal lines) are sandwiched between two light shielding portions having a width d. Are provided periodically (period 8d). Therefore, in this measurement mark, a basic pattern (first periodic pattern) having a duty ratio of 1: 1 having a period 8d and an auxiliary pattern having a duty ratio 1: 3 having a period 8d (a second periodic pattern having a line width different from that of the basic pattern). ) Are arranged so as to be mixed in the periodic direction.
FIG. 16B shows another example of the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ in the fourth embodiment. As shown in FIG. 16B, in the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″, The light transmission part (part indicated by oblique lines) having a width of 3d is provided periodically (period 6d), and the light transmission part (part indicated by oblique lines) having a width d is sandwiched between two light shielding parts of width d. It is provided periodically (period 6d). Therefore, in this measurement mark, a basic pattern (first cycle pattern) having a duty ratio of 1: 1 having a cycle 6d and an auxiliary pattern (second cycle pattern) having a duty ratio 1: 5 having a cycle 6d are in the cycle direction. Can be considered to be mixed.
FIG. 16C shows another example of the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ in the fourth embodiment. As shown in FIG. 16C, in the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″, The light transmissive portions having a width of 8d (portions indicated by diagonal lines) are provided periodically (period 16d), and the two light transmissive portions having a width of 2d (portions indicated by diagonal lines) sandwich the light shielding portions having a width of 2d. It is provided in a periodic manner (period 16d) so as to be sandwiched between two light shielding portions having a width d. Therefore, in this measurement mark, a basic pattern (first cycle pattern) having a duty ratio of 1: 1 having a cycle 16d and an auxiliary pattern (second cycle pattern) having a duty ratio 1: 7 having a cycle 16d are in their cycle directions. Can be considered to be mixed.
FIG. 17A shows another example of the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 17A, the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ is shown. In FIG. 5, light transmission portions having a width of 5d (portions indicated by diagonal lines) are provided periodically (period 10d), and two light transmission portions having a width d (portions indicated by diagonal lines) are light-shielding portions having a width d. Is provided periodically (period 10d) so as to be sandwiched between two light-shielding portions having a width d. Therefore, in this measurement mark, a basic pattern (first periodic pattern) with a duty ratio of 1: 1 with a period of 10d and an auxiliary pattern with a duty ratio of 1: 9 with a period of 10d are arranged so as to be mixed in the periodic direction. Can be considered.
FIG. 17B shows another example of the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″ in the fourth embodiment. As shown in FIG. 17B, in the measurement mark on the reticle mark plate RFM ″, Light transmission portions (parts indicated by oblique lines) having a width of 12d are provided periodically (period 24d), and three light transmission parts (parts indicated by oblique lines) having a width of 2d are provided at intervals (light shielding parts). Are provided periodically (period 24d) so that the distance from the light shielding part having a width of 12d (light shielding part) is d. Therefore, in this measurement mark, a basic pattern (first cycle pattern) having a duty ratio of 1: 1 having a cycle 24d and an auxiliary pattern (second cycle pattern) having a duty ratio 1:11 having a cycle 24d are in their cycle directions. Can be considered to be mixed.
Next, a method for designing a measurement mark as shown in FIGS. 16A to 16C, FIGS. 17A and 17B will be described. First, the measurement mark of only the basic pattern is considered. For example, when designing the measurement mark shown in FIG. 16A, a measurement mark having only a basic pattern (periodic pattern including only a light-shielding part and a light transmission part having a width of 4d) with a period of 8d and a duty ratio of 1: 1 is considered. . Then, the aerial image of the measurement mark is scanned by the slit pattern in the same manner as in the first and second embodiments, and the aerial image of the measurement mark is measured using the aerial image measuring device 59 or is simulated. Analyze by.
FIG. 18 shows an analysis result when a spatial image of the measurement mark of only the basic pattern is analyzed by simulation. As shown in FIG. 18, a thick rectangular wave indicates a reticle pattern (reduced by the projection magnification of the projection optical system PL), and a solid line Q indicates a space where an image is actually formed by the projection optical system PL. The image is shown. A dotted line P indicates a light intensity signal P detected by scanning (slit scanning) by the aerial image measuring device 59. As shown in FIG. 18, the light intensity signal P obtained by scanning by the aerial image measurement device 59 can be regarded as almost reproducing an actual aerial image.
When the light intensity signal P is Fourier-transformed, a Fourier coefficient of the desired spatial frequency component (for example, fundamental frequency component, second-order to sixth-order harmonic component) is obtained. Then, when a Fourier coefficient of a desired spatial frequency component is inverse Fourier transformed, a sine wave of that frequency component is obtained. FIG. 18 shows the fundamental frequency component thus obtained and its second to sixth harmonic components. In FIG. 18, in order to display these components together with the original spatial image of the measurement mark, an offset of 0.5 is added to the value of each spatial frequency component. In the simulation shown in FIG. 18, the wavelength of the illumination light IL is 193 nm, and the N.I. A. Was 0.82, the coherence factor σ was 0.3, and the aerial image period of the L / S pattern was 1.0 μm.
Next, the place where the auxiliary pattern is formed is specified. For example, as shown in FIG. 19, the portion of the measurement mark corresponding to a section where the fundamental frequency component is negative and the second harmonic component is positive (this is a light shielding portion). In addition, a light transmission part having a width 2d (1/4 of the period P = 8d, that is, P / 4) is newly provided. In this way, it is possible to design the measurement mark as shown in FIG. 16A by forming an auxiliary pattern having a period that is ½ of the period of the basic pattern. Note that in FIG. 18 and the like, an offset of 0.5 is given to each component.
In this way, if the light transmitting portion of the auxiliary pattern is provided in a portion corresponding to a section where the fundamental frequency component is negative (that is, corresponding to the light shielding portion of the basic pattern) and the harmonic component is positive. 16A to 16C, 17A, and 17B can be designed. For example, as shown in FIG. 20, a light transmitting portion (indicated by P / 6) is used as an auxiliary pattern in a portion corresponding to a section in which the fundamental frequency component is negative and the third harmonic component is positive. 16), a measurement mark as shown in FIG. 16B can be designed. Further, as shown in FIG. 21, a light transmitting portion (indicated by P / 8) is provided as an auxiliary pattern in a portion corresponding to a section where the fundamental frequency component is negative and the fourth harmonic component is positive. 16), a measurement mark as shown in FIG. 16C can be designed. Further, as shown in FIG. 22, a light transmission portion (indicated by P / 10) is provided as an auxiliary pattern in a portion corresponding to a section in which the fundamental frequency component is negative and the fifth harmonic component is positive. Measurement portion as shown in FIG. 17A can be designed. Further, as shown in FIG. 23, a light transmitting portion (indicated by P / 12) is provided as an auxiliary pattern in a portion corresponding to a section where the fundamental frequency component is negative and the sixth harmonic component is positive. Measurement portion as shown in FIG. 17B can be designed.
In this way, if the light transmission part of the auxiliary pattern is provided in the part corresponding to the part where the fundamental frequency component is negative and the harmonic component is positive, the harmonic component by the basic pattern and the auxiliary pattern As a result, the phase difference in the period direction with respect to the spatial frequency component can be made substantially zero, and as a result, the harmonic component of the aerial image corresponding to the basic pattern is emphasized. In the following, a measurement mark designed to emphasize the second harmonic component as shown in FIG. 16A will be referred to as a second harmonic enhancement mark, and the third harmonic component as shown in FIG. 16B will be emphasized. The measurement mark designed to be the third harmonic emphasis mark, the measurement mark designed to emphasize the fourth harmonic component as shown in FIG. 16C is the fourth harmonic emphasis mark, and FIG. The measurement mark designed to emphasize the fifth harmonic component as shown in FIG. 5 is used as the fifth harmonic emphasis mark, and the measurement designed to emphasize the sixth harmonic component as shown in FIG. 17B. The mark is a sixth harmonic emphasis mark.
FIG. 24 shows the result of the aerial image measurement simulation when the second harmonic emphasis mark (FIG. 16A) having a pitch of 1.0 μm is used as the measurement mark. In FIG. 24, the solid line indicates the aerial image obtained via the projection optical system PL, and the dotted line indicates the aerial image obtained by slit scanning. As shown in FIG. 24, when the second harmonic emphasis mark is used, the magnitude of the second harmonic component becomes larger than the magnitude of the second harmonic component shown in FIG. The ingredients are more emphasized. FIG. 25 shows the result of aerial image measurement simulation when a third harmonic emphasis mark (FIG. 16B) with a pitch of 1.0 μm is used as a measurement mark. As shown in FIG. 25, when the third harmonic emphasis mark is used, the magnitude of the third harmonic component is larger than the magnitude of the third harmonic component shown in FIG. The second harmonic component is more emphasized. Note that the simulation results shown in FIG. 24 and FIG. A. Is calculated under the conditions of 0.78, the wavelength of the illumination light IL is 193 nm, and the coherence factor σ is 0.3.
In the fourth embodiment, on the slit plate 90 ″ constituting the aerial image measuring device 59, as shown in FIG. 26A, a slit 122a having a predetermined width 2D and a length L extending in the X-axis direction is provided. A slit 122b having a predetermined width 2D and length L extending in the Y-axis direction and a pinhole pattern 123 are formed, where 2D is set to 200 nm or less, for example, and L is set to 16 μm, for example. The slit 122b is disposed about 4 μm apart on the −X side and + Y side of the slit 122a, and the diameter of the pinhole pattern is 400 nm or less (about twice as large as the slits 122a and 122b). It is set to become.
In the fourth embodiment, the aerial image measurement operation is executed using the measurement pattern in which the slit pattern and the pinhole pattern are combined as described above. For example, when it is desired to reduce the measurement time as much as possible, such as when performing focus management of the projection optical system PL, when measuring the aerial image, for example, as shown in FIG. The aerial image measurement operation may be executed using 122a (or slit 122b) as a measurement pattern (in FIG. 26B, the aerial image of three sets of 0.2 μmL / S patterns (five) is measured. ) This is because the slit pattern can receive a larger amount of light than the pinhole pattern, the S / N ratio of the measurement value is high, and the measurement time can be shortened. When a slit is used as the measurement pattern, the pinhole pattern 123 is disposed at a position where the illumination light IL (aerial image) through the measurement mark being scanned is not incident, as shown in FIG. 26B. Need to be. That is, when the slit patterns 122a and 122b and the pinhole pattern 123 scan the slit patterns 122a and 122b relative to the aerial image to be measured, the pinhole pattern 123 does not interfere with the aerial image. Further, when the pinhole pattern 123 is relatively scanned with respect to the aerial image, the slit patterns 122a and 122b are arranged so as to have a positional relationship that does not interfere with the aerial image.
Further, when periodically measuring the aberration of the projection optical system PL, it is desirable to perform aerial image measurement using the pinhole pattern 123. If the pinhole pattern 123 is used as a measurement pattern, as shown in FIG. 27, the measurement pattern can be scanned with respect to measurement marks in any periodic direction formed on the reticle mark plate. This is because the aberration of the projection optical system PL can be measured more finely, and the aberration can be obtained with high accuracy.
That is, since the exposure apparatus according to the fourth embodiment has the slit patterns 122a and 122b and the pinhole pattern 123 as measurement patterns, the aerial image measurement purpose, measurement time, measurement accuracy, etc. In addition, the aerial image measurement can be executed by appropriately selecting a measurement pattern.
In the fourth embodiment, the measurement marks as shown in FIGS. 16A to 16C, 17A, and 17B described above are used, and the slits 122a and 122b and the pinhole pattern 123 are appropriately selected as measurement patterns. The aerial image measurement operation is executed as in the above embodiments (first step), and the magnitude or phase of the fundamental frequency component corresponding to the period of the basic pattern included in the detected light intensity signal and the period of the auxiliary pattern On the basis of the magnitude or phase of the harmonic component corresponding to (2), an odd function aberration such as coma aberration or an even function aberration such as spherical aberration of the projection optical system PL is calculated (second step). In this way, since the magnitude of the harmonic component contained in the light intensity signal is larger than when measuring the aerial image of the monotonous L / S pattern (measurement mark of only the basic pattern), the S / N ratio is increased. Therefore, the influence of the non-linearity of the PMT and the measurement mark line width error on the measurement result can be reduced. Accordingly, the aberration of the projection optical system PL can be accurately measured. As described in the above embodiments, in the second step, the aberration amount of the odd function aberration can be calculated based on the phase difference between the fundamental frequency component and the harmonic component, and the even function aberration. Of the optical axis AX of the projection optical system PL between the position where the magnitude (amplitude or contrast) of the fundamental frequency component is maximum and the position where the magnitude (amplitude or contrast) of the harmonic component is maximum. It can be calculated based on a positional deviation or the like regarding the direction.
The second harmonic emphasis mark shown in FIG. 16A is used, the wavelength of the illumination light IL is set to 193 nm, and the N.I. A. Table 7 below shows the results of the simulation when the value is 0.78.
Figure 2004059710
At this time, the ratio of the magnitude of the fundamental frequency component, the magnitude of the second-order harmonic component, and the magnitude of the third-order harmonic component was 0.11: 0.18: 0.17. That is, although the magnitude of the fundamental frequency component is reduced to about 1/3 compared to the measurement result of the simple rectangular wave measurement mark shown in Table 3, the second harmonic component is reduced. The magnitude is about 6 times, and the magnitude of the third-order harmonic component is twice or more, and the magnitude of the harmonic component is remarkably large. And since the magnitude | size of each spatial frequency component is substantially the same magnitude | size, the influence of the nonlinearity (10%) of PMT has decreased. In addition, the sensitivity change (change in lateral shift amount) due to the line width error (line width 100% → 90%) has been remarkably reduced, and the sensitivity change is increased in proportion to the line width change.
Using the second harmonic emphasis mark shown in FIG. 16A, the wavelength of the illumination light IL is 248 nm (corresponding to the oscillation wavelength of the krF excimer laser), and the N.D. A. Table 8 shows the result of the simulation when the value is 0.82.
Figure 2004059710
At this time, the ratio of the magnitude of the fundamental frequency component, the magnitude of the second-order harmonic component, and the magnitude of the third-order harmonic component was 0.13: 0.19: 0.11. That is, compared with the simple rectangular wave measurement mark shown in Table 4 above, although the magnitude of the fundamental frequency component is reduced to about ½, the magnitude of the second harmonic component is about The magnitude of the harmonic component is remarkably large, with the magnitude of the 6th and 3rd harmonic components being twice or more. And since the magnitude | size of each spatial frequency component is substantially the same magnitude | size, the influence of the nonlinearity (10%) of PMT has decreased. In addition, the sensitivity change (change in lateral shift amount) due to the line width error (line width 100% → 90%) has been remarkably reduced, and the sensitivity change is increased in proportion to the line width change.
Using the third harmonic emphasis mark shown in FIG. 16B, the illumination light IL has a wavelength of 193 nm (corresponding to the oscillation wavelength of ArF excimer laser), and the projection optical system PL has an N.D. A. Table 9 below shows the result of the simulation when the value is 0.78.
Figure 2004059710
At this time, the ratio of the magnitude of the fundamental frequency component, the magnitude of the second harmonic component, and the magnitude of the third harmonic component was 0.18: 0.13: 0.16. That is, although the magnitude of the fundamental frequency component is reduced to about 2/3 as compared with the simple rectangular wave measurement mark shown in Table 5, the magnitude of the second harmonic component is about The magnitude of the harmonic component is remarkably large, with the magnitude of the second and third harmonic components being three times or more. And since the magnitude | size of each spatial frequency component is substantially the same magnitude | size, the influence of the nonlinearity (10%) of PMT has decreased. In addition, the sensitivity change (change in lateral shift amount) due to the line width error (line width 100% → 90%) has been remarkably reduced, and the sensitivity change is increased in proportion to the line width change.
The third harmonic emphasis mark shown in FIG. 16B is used, the wavelength of the illumination light IL is 248 nm (equivalent to the oscillation wavelength of the KrF excimer laser), and the N.I. A. Table 10 below shows the result of the simulation when the value is 0.82.
Figure 2004059710
At this time, the ratio of the magnitude of the fundamental frequency component, the magnitude of the second harmonic component, and the magnitude of the third harmonic component was 0.20: 0.14: 0.10. That is, compared with the simple rectangular wave measurement mark shown in Table 6 above, the magnitude of the fundamental frequency component is reduced to about 2/3, but the magnitude of the second harmonic component is about The magnitude of the harmonic component is remarkably large, with the magnitude of the second and third harmonic components being three times or more. And since the magnitude | size of each spatial frequency component is substantially the same magnitude | size, the influence of the nonlinearity (10%) of PMT has decreased. In addition, the sensitivity change (change in lateral shift amount) due to the line width error (line width 100% → 90%) has been remarkably reduced, and the sensitivity change is increased in proportion to the line width change.
As described above in detail, according to the fourth embodiment, since the measurement mark includes a periodic pattern having a period corresponding to the harmonic component of the aerial image, the magnitude of the harmonic component is increased. Since the S / N ratio can be increased, the effects of PMT nonlinearity and measurement mark (reticle mark plate, etc.) manufacturing errors can be reduced, and the aberration of the projection optical system PL can be accurately controlled. It can measure well.
In the fourth embodiment, in order to further improve the measurement of the aberration of the projection optical system PL, the nonlinearity of the PMT is measured in advance, and the spatial frequency component of a predetermined order of the measured aerial image is measured. It is also possible to correct the magnitude and phase so as to cancel the measured nonlinearity. FIG. 28 shows the input / output characteristics of the PMT. As shown in FIG. 28, since the input / output characteristic of the PMT is not linear, this characteristic can be measured in advance to correct the output voltage of the PMT.
If the line width error of the measurement mark is measured in advance, the sensitivity to aberration can be predicted by simulation. Note that the sizes of the measurement marks in the fourth embodiment described above are all the size of the aerial image obtained via the projection optical system PL, and the actual measurement mark size is the projection magnification (of the projection optical system PL ( Since the reciprocal of ¼), that is, about four times, the line width can be measured with sufficient accuracy even with an existing inspection apparatus.
In the measurement mark of the fourth embodiment, the auxiliary pattern is provided in the light shielding part of the basic pattern. However, the present invention is not limited to this, and the auxiliary pattern (in this case, the light transmitting part of the basic pattern is used). As the auxiliary pattern, a light shielding portion is newly formed). In the fourth embodiment, the transmissive mask is used. However, it is needless to say that the present invention can be applied to a reflective mask.
Further, in the reticle mark plate shown in FIGS. 16C, 17A, and 17B, two light transmission portions are created as part of the auxiliary pattern, but either one of the light transmission portions may not be provided.
In addition, it is desirable to adjust the projection optical system PL based on the aberration amount measured by the aberration measurement method of each of the above-described embodiments so that the aberration of the projection optical system PL is originally zero. Some aberrations remain even after adjustment of the optical system PL. Therefore, regarding the operation of the exposure apparatus 10, after the adjustment of the projection optical system PL, the aberration remaining in the projection optical system PL is again measured as the initial aberration amount by using the aberration measurement method of the first embodiment. deep. In the exposure apparatus 10, the fluctuation of the aberration is periodically measured by the aberration measurement method of the first embodiment, and when the aberration changes due to a change over time, the main controller 50 performs image formation. The lens element 13 is connected via the characteristic correction controller 78. 1 .. Is driven to adjust the imaging characteristics of the projection optical system PL so that their aberration amounts return to the initial aberration amounts. When the reticle pattern is transferred with at least one aberration of the projection optical system PL set to a predetermined value other than zero (the above-mentioned initial aberration amount), the aberration amount returns to the predetermined value. The imaging characteristics of the projection optical system PL may be adjusted.
In general, the time-dependent change in the aberration of the projection optical system PL is caused by the expansion and contraction due to the temperature change of the lens barrel of the projection optical system PL. 1 The change in low-order aberrations caused by a minute position error at the time of resetting of the drive element 20 of. Therefore, the amount of initial aberration after adjustment of the projection optical system PL is obtained by aerial image measurement, and a periodic change in aberration is detected by referring to this during periodic aberration measurement. The amount may be restored to the initial aberration amount. In addition, it is desirable from the viewpoint of measurement stability that periodic aberration measurement is performed using a measurement mark formed on the reticle mark plate RFM or the like.
Further, in each of the above embodiments, coma aberration or spherical aberration is measured, but the present invention is not limited to this, and if the aberration is indicated by each term in the Fringe Zernike polynomial, the aberration amount Can be measured.
In each of the above embodiments, only one measurement point in the projection field of view (image field) of the projection optical system PL, particularly in the exposure region irradiated with the illumination light IL (ie, the projection region conjugate with the illumination region). Although the above-mentioned aberration measurement is performed, a measurement mark is arranged at each position in the illumination area corresponding to each of a plurality of measurement points in the exposure area, and the aberration is measured at each measurement point. good. At this time, aberration measurement at a plurality of measurement points may be performed using only one measurement mark. For example, a reticle mark plate (or a plurality of measurement marks provided in substantially the same arrangement as the plurality of measurement points (or The reticle mark plate (or reticle) on which a plurality of measurement marks are arranged at predetermined intervals in the non-scanning direction (X-axis direction) is stepped in the Y-axis direction by using a reticle) within the exposure area described above. Aberrations may be measured at a plurality of measurement points set in two dimensions.
In the above embodiments, the illumination condition of the measurement mark has not been described. However, for example, an illumination condition with a small coherence factor (σ value) (so-called small σ illumination) is preferable. At this time, the σ value is particularly preferably set to about 0.1 or less.
In the third embodiment, the Z tilt stage 38 is driven to obtain the above-described light intensity signals at a plurality of focus positions, respectively. However, as in the second embodiment, the projection optical system PL is configured as described above. A plurality of light intensity signals may be obtained by adjusting spherical aberration or the like. That is, not limited to the second and third embodiments, instead of driving the Z tilt stage 38, the spherical aberration of the projection optical system PL may be adjusted. Further, the aerial image measurement device used in each of the above embodiments is not limited to the configuration of FIG. 3 and may be arbitrary. Instead of driving wafer stage WST to obtain the above-described light intensity signal, reticle stage RST is used. It may be driven.
In each of the above embodiments, ArF excimer laser light (wavelength 193 nm) or the like is used as the illumination light for exposure. However, the present invention is not limited to this. Wavelength 436 nm), i-line (wavelength 365 nm), F 2 Laser light (wavelength 157 nm), harmonics such as copper vapor laser, YAG laser, and semiconductor laser, EUV light, hard X-rays, charged particle beams such as electron beams and ion beams, and the like can be used as exposure illumination light. In the exposure apparatus using EUV light, the aforementioned measurement mark is a reflection type, and the aerial image measurement apparatus 59 converts the wavelength of the EUV light with, for example, fluorescence to obtain the aforementioned light intensity signal.
In each of the above embodiments, the case where the reduction system is used as the projection optical system has been described. However, the present invention is not limited to this, and the projection optical system may be an equal magnification or enlargement system. The projection image may be not only an inverted image but also an erect image. In the case of using the same reduction system as in the above embodiments, the projection magnification may be 1/5, 1/6, etc. In such a case, the size and arrangement of measurement marks and reference marks Are preferably determined according to the projection magnification.
The illumination optical system and projection optical system PL composed of a plurality of lenses are incorporated into the exposure apparatus body for optical adjustment, and a reticle stage RST and wafer stage WST comprising a large number of mechanical parts are attached to the exposure apparatus body for wiring. The exposure apparatus 100 of each of the above embodiments can be manufactured by connecting a pipe or a pipe and further performing general adjustment (electrical adjustment, operation check, etc.). The exposure apparatus is preferably manufactured in a clean room where the temperature, cleanliness, etc. are controlled.
In each of the above embodiments, the case where the present invention is applied to a step-and-scan projection exposure apparatus has been described. However, the present invention is not limited to this, and the mask pattern is transferred to the wafer while the mask and the wafer are stationary. The present invention can also be applied to other types of exposure apparatuses such as a step-and-repeat type exposure apparatus that sequentially transfers the wafer stepwise.
Further, the present invention is not limited to an exposure apparatus for manufacturing a semiconductor, but is used for manufacturing a display including a liquid crystal display element, etc., an exposure apparatus for transferring a device pattern onto a glass plate, and a device used for manufacturing a thin film magnetic head. The present invention can also be applied to an exposure apparatus that transfers a pattern onto a ceramic wafer, and an exposure apparatus that is used for manufacturing an image sensor (CCD or the like), an organic EL, a micromachine, a DNA chip, and the like. Further, in order to manufacture reticles or masks used in not only microdevices such as semiconductor elements but also light exposure apparatuses, EUV exposure apparatuses, X-ray exposure apparatuses, electron beam exposure apparatuses, etc., glass substrates or silicon wafers, etc. The present invention can also be applied to an exposure apparatus that transfers a circuit pattern. Here, in an exposure apparatus using DUV (far ultraviolet) light, VUV (vacuum ultraviolet) light, or the like, a transmission type reticle is generally used. As a reticle substrate, quartz glass, fluorine-doped quartz glass, meteorite, Magnesium fluoride or quartz is used. Further, in a proximity type X-ray exposure apparatus or an electron beam exposure apparatus, a transmission mask (stencil mask, membrane mask) is used, and a silicon wafer or the like is used as a mask substrate. In addition, the present invention may be applied to, for example, an immersion type exposure apparatus disclosed in International Publication WO99 / 49504 or the like in which a liquid is filled between the projection optical system PL and the wafer. In the exposure apparatus, it is preferable to perform the above-described measurement in a state where the liquid is filled between the projection optical system PL and the slit plate 90. A wafer stage is arranged at each of the exposure position where the reticle pattern is transferred via the projection optical system and the measurement position (alignment position) where the mark is detected by the wafer alignment system. The present invention may be applied to a twin-wafer stage type exposure apparatus that can execute the processes substantially in parallel. This twin wafer stage type exposure apparatus is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-214783 and corresponding US Pat. No. 6,341,007, or International Publication No. WO 98/40791 and corresponding US Pat. No. 6,262,796. As long as the national laws of the designated country designated in this international application or the selected selected country permit, the disclosure of the US patent is incorporated herein by reference.
For semiconductor devices, the step of designing the function and performance of the device, the step of manufacturing a reticle based on this design step, the step of manufacturing a wafer from a silicon material, and transferring the reticle pattern to the wafer by the exposure apparatus of the above-described embodiment And a device assembly step (including a dicing process, a bonding process, and a packaging process), an inspection step, and the like.

以上説明したように、本発明の収差計測方法は、投影光学系の収差の計測に適している。また、本発明の露光方法及び装置は、投影光学系を用いて露光をするのに適している。  As described above, the aberration measuring method of the present invention is suitable for measuring the aberration of the projection optical system. The exposure method and apparatus of the present invention are suitable for exposure using a projection optical system.

Claims (64)

投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、
前記投影光学系の有効視野内に周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して所定の計測用パターンを相対的に走査して該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を行う工程と；
前記光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する工程と；を含む収差計測方法。An aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system,
In a state where at least one measurement mark including a periodic pattern is positioned within an effective field of view of the projection optical system, the measurement mark is illuminated with illumination light to form a spatial image of the measurement mark with the projection optical system, A predetermined measurement pattern is scanned relative to the aerial image at a position near the image plane with respect to the optical axis direction of the projection optical system, and the illumination light obtained through the measurement pattern is scanned during the scanning. Performing aerial image measurement by photoelectric detection and obtaining a light intensity signal corresponding to the aerial image;
Based on the magnitude of the spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity signal, the dynamics of each term of the radial polynomial obtained by developing an aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system. Calculating an aberration amount of the even function aberration in which the radial function is represented by an even function. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記算出する工程で算出された偶関数収差の収差量に基づいて前記投影光学系の結像特性を調整したうえで、前記空間像計測及び前記偶関数収差の収差量算出を再び実行し、今回算出された偶関数収差の収差量と前回算出された偶関数収差の収差量との比較結果に基づいて、前記偶関数収差の極性を決定する工程をさらに含む収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
After adjusting the imaging characteristic of the projection optical system based on the aberration amount of the even function aberration calculated in the calculating step, the aerial image measurement and the aberration amount calculation of the even function aberration are performed again, An aberration measuring method further comprising: determining a polarity of the even function aberration based on a comparison result between the calculated aberration amount of the even function aberration and the aberration amount of the even function aberration calculated last time. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記所定次数の空間周波数成分の大きさが最大となる前記投影光学系の光軸方向に関する位置から所定のオフセットを有する位置で、前記空間像計測を実行し、
前記所定のオフセットを有する位置における前記偶関数収差の収差量の変化に対する前記所定次数の空間周波数成分の大きさの変化の特性を求め、その特性に基づいて前記偶関数収差の収差量の極性を決定することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
Performing the aerial image measurement at a position having a predetermined offset from a position related to the optical axis direction of the projection optical system in which the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order is maximized;
A characteristic of a change in magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order with respect to a change in the aberration amount of the even function aberration at a position having the predetermined offset is obtained, and the polarity of the aberration amount of the even function aberration is determined based on the characteristic. An aberration measuring method characterized by determining. 請求項３に記載の収差計測方法において、
前記所定のオフセットとして、前記投影光学系の数学モデルを用いたシミュレーションによって算出された前記投影光学系の特性に基づいて決定されたオフセットを用いることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 3,
An aberration measuring method, wherein an offset determined based on a characteristic of the projection optical system calculated by a simulation using a mathematical model of the projection optical system is used as the predetermined offset. 請求項４に記載の収差計測方法において、
前記所定次数の空間周波数成分の大きさがほぼ０となるように前記所定のオフセットを決定することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 4,
The aberration measuring method, wherein the predetermined offset is determined so that the magnitude of the spatial frequency component of the predetermined order is substantially zero. 請求項１に記載の収差計測方法において、前記所定次数は、奇数であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1, wherein the predetermined order is an odd number. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記偶関数収差は球面収差であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
The method for measuring aberration, wherein the even function aberration is spherical aberration. 請求項１に記載の収差計測方法において、前記所定の計測用パターンは、ピンホールパターンであることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1, wherein the predetermined measurement pattern is a pinhole pattern. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であり、
前記計測用パターンは、スリットパターンであることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
The radial polynomial is a Fringe Zernike polynomial,
The aberration measurement method, wherein the measurement pattern is a slit pattern. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンとして、互いに長手方向が交差する複数のスリットパターンを含むことを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
An aberration measurement method comprising a plurality of slit patterns whose longitudinal directions intersect with each other as the measurement pattern. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分の振幅を、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
An aberration measuring method, wherein the amplitude of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分のコントラストを、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
An aberration measuring method, wherein a contrast of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項１に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンは、前記相対走査方向に関してその幅が前記空間像の幅と同程度以下であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 1,
The measurement pattern is characterized in that the width of the measurement pattern is about the same as or less than the width of the aerial image in the relative scanning direction. 投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、
前記投影光学系の有効視野内に周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して所定の計測用パターンを相対的に走査して該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置について実行する工程と；
前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその所定次数の高調波成分の大きさが最大となる位置との前記投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する工程と；を含む収差計測方法。An aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system,
In a state where at least one measurement mark including a periodic pattern is positioned within an effective field of view of the projection optical system, the measurement mark is illuminated with illumination light to form a spatial image of the measurement mark with the projection optical system, A predetermined measurement pattern is scanned relative to the aerial image at a position near the image plane with respect to the optical axis direction of the projection optical system, and the illumination light obtained through the measurement pattern is scanned during the scanning. Performing aerial image measurement for a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system by performing photoelectric detection and obtaining a light intensity signal corresponding to the aerial image;
Based on the positional deviation in the optical axis direction of the projection optical system between the position where the magnitude of the fundamental frequency component included in the light intensity signal is maximized and the position where the magnitude of the harmonic component of the predetermined order is maximized. And calculating the aberration amount of even function aberration in which the radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system is represented by an even function. And an aberration measuring method. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記空間像計測を、周期パターンの周期が異なる複数の前記計測マークについて実行し、
前記収差量の算出に際し、前記計測マーク毎に得られる前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその高調波成分の大きさが最大となる位置との位置ずれと、前記各計測マークにおける前記位置ずれの変化に対応する複数の偶関数収差の感度とに基づいて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
The aerial image measurement is performed for a plurality of the measurement marks having different periodic pattern periods,
When calculating the amount of aberration, a positional deviation between a position where the magnitude of the fundamental frequency component included in the light intensity signal obtained for each measurement mark is maximized and a position where the magnitude of the harmonic component is maximized An aberration measuring method, comprising: calculating an aberration amount of each of the plurality of even function aberrations based on sensitivity of the plurality of even function aberrations corresponding to the change of the positional deviation in each measurement mark. 請求項１５に記載の収差計測方法において、
前記各計測マークにおける前記位置ずれと前記複数の偶関数収差の感度とに基づいて、最小二乗法を用いて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を求めることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 15,
An aberration measurement method comprising: obtaining an aberration amount of each of the plurality of even function aberrations using a least square method based on the positional deviation in each measurement mark and the sensitivity of the plurality of even function aberrations. . 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記所定次数は、奇数であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
The aberration measuring method, wherein the predetermined order is an odd number. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記偶関数収差は球面収差であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
The method for measuring aberration, wherein the even function aberration is spherical aberration. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記所定の計測用パターンは、ピンホールパターンであることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
The aberration measurement method according to claim 1, wherein the predetermined measurement pattern is a pinhole pattern. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であり、
前記計測用パターンは、スリットパターンであることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
The radial polynomial is a Fringe Zernike polynomial,
The aberration measurement method, wherein the measurement pattern is a slit pattern. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンとして、互いに長手方向が交差する複数のスリットパターンを含むことを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
An aberration measurement method comprising a plurality of slit patterns whose longitudinal directions intersect with each other as the measurement pattern. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分の振幅を、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
An aberration measuring method, wherein the amplitude of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分のコントラストを、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
An aberration measuring method, wherein a contrast of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項１４に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンは、前記相対走査方向に関してその幅が前記空間像の幅と同程度以下であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 14,
The measurement pattern is characterized in that the width of the measurement pattern is about the same as or less than the width of the aerial image in the relative scanning direction. 投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、
周期が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向と垂直な方向に並列に配置された計測マークを、前記投影光学系の有効視野内に位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記垂直な方向における前記空間像の長さ以上の長さを前記垂直な方向に有する計測用パターンを相対的に走査させながら、前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向に関する少なくとも１つの位置について実行する工程と；
前記光強度信号に含まれる前記各周期パターンに対応する空間周波数成分の位相及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する工程と；を含む収差計測方法。An aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system,
A measurement mark in which a plurality of periodic patterns having different periods are arranged in parallel in a direction perpendicular to the periodic direction is positioned in the effective field of view of the projection optical system, and the measurement mark is illuminated with illumination light. Relative to the aerial image of the measurement mark formed via the projection optical system, the measurement pattern having a length in the vertical direction that is greater than or equal to the length of the aerial image in the vertical direction. And at least one position with respect to the optical axis direction of the projection optical system that performs photoelectric detection of the illumination light obtained via the measurement pattern and obtains a light intensity signal corresponding to the aerial image. A step to perform;
Calculating an aberration amount of the projection optical system based on at least one of a phase and a magnitude of a spatial frequency component corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記複数の周期パターンでは、最小周期に対する最大周期の比が３倍以下であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
In the plurality of periodic patterns, the ratio of the maximum period to the minimum period is three times or less. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記収差量の算出に際し、前記光強度信号に含まれる前記各周期パターンに対応する空間周波数成分同士の位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
When calculating the aberration amount, an aberration function indicating a wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system is developed based on a phase difference between spatial frequency components corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal. An aberration measurement method comprising: calculating an aberration amount of an odd-function aberration in which a radial function of each term of a radial polynomial obtained in this way is expressed by an odd function. 請求項２７に記載の収差計測方法において、
前記計測マークに配置された少なくとも３つの周期パターンから選択される一対の周期パターンの組合せにおいてそれぞれ算出される空間周波数成分同士の位相差と、前記各位相差の変化に対応する複数の奇関数収差の感度とに基づいて、前記複数の奇関数収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 27,
A phase difference between spatial frequency components calculated in a pair of periodic patterns selected from at least three periodic patterns arranged on the measurement mark, and a plurality of odd function aberrations corresponding to the change in each phase difference An aberration measurement method comprising: calculating an aberration amount of each of the plurality of odd function aberrations based on sensitivity. 請求項２８に記載の収差計測方法において、
前記各位相差と前記複数の奇関数収差の感度とに基づいて、最小二乗法を用いて、前記複数の奇関数収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 28, wherein
An aberration measurement method comprising: calculating an aberration amount of each of the plurality of odd function aberrations using a least square method based on the phase differences and the sensitivities of the plurality of odd function aberrations. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記複数の周期パターンには、基本周期を有する第１周期パターンと、前記基本周期とは異なる所定周期を有する少なくとも一対の第２周期パターンとが含まれており、
前記一対の第２周期パターンは、前記第１周期パターンを挟んで、互いの前記周期方向の位相差がほぼ０となるように配設されていることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
The plurality of periodic patterns include a first periodic pattern having a basic period and at least a pair of second periodic patterns having a predetermined period different from the basic period,
The aberration measuring method, wherein the pair of second periodic patterns are arranged such that a phase difference between the periodic directions is substantially zero with the first periodic pattern interposed therebetween. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向における複数の位置についてそれぞれ実行し、
前記光強度信号に含まれる前記複数の周期パターンのうちの第１周期パターンの周期に対応する空間周波数成分の大きさが最大となる位置と前記複数の周期パターンのうちの第２周期パターンの周期に対応する空間周波数成分の大きさが最大となる位置との前記投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
The aerial image measurement is performed for each of a plurality of positions in the optical axis direction of the projection optical system,
The position where the magnitude of the spatial frequency component corresponding to the period of the first period pattern among the plurality of period patterns included in the light intensity signal is maximum and the period of the second period pattern among the plurality of period patterns. An aberration function indicating a wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system is developed based on a positional shift in the optical axis direction of the projection optical system with respect to a position where the magnitude of the spatial frequency component corresponding to An aberration measurement method characterized by calculating an aberration amount of an even function aberration in which the radial function of each term of the radial polynomial obtained by the equation is represented by an even function. 請求項３１に記載の収差計測方法において、
前記周期パターン毎に得られる前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその奇数次の高調波成分の大きさが最大となる位置との位置ずれと、前記各周期パターンにおける前記位置ずれの変化に対応する複数の偶関数収差の感度とに基づいて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 31,
The positional deviation between the position where the magnitude of the fundamental frequency component contained in the light intensity signal obtained for each period pattern is maximized and the position where the magnitude of the odd harmonic component is maximized, and each period An aberration measurement method comprising: calculating an aberration amount of each of the plurality of even function aberrations based on the sensitivity of the plurality of even function aberrations corresponding to the change in the positional deviation in the pattern. 請求項３２に記載の収差計測方法において、
前記各周期パターンにおける前記位置ずれと前記複数の偶関数収差の感度とに基づいて、最小二乗法を用いて、前記複数の偶関数収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 32, wherein
Aberration measurement characterized by calculating an aberration amount of each of the plurality of even function aberrations using a least square method based on the positional deviation in each periodic pattern and the sensitivity of the plurality of even function aberrations. Method. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であり、
前記計測用パターンは、スリットパターンであることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
The radial polynomial is a Fringe Zernike polynomial,
The aberration measurement method, wherein the measurement pattern is a slit pattern. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンとして、互いに長手方向が交差する複数のスリットパターンを含むことを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
An aberration measurement method comprising a plurality of slit patterns whose longitudinal directions intersect with each other as the measurement pattern. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分の振幅を、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
An aberration measuring method, wherein the amplitude of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分のコントラストを、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
An aberration measuring method, wherein a contrast of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項２５に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンは、前記相対走査方向に関してその幅が前記空間像の幅と同程度以下であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 25, wherein
The measurement pattern is characterized in that the width of the measurement pattern is about the same as or less than the width of the aerial image in the relative scanning direction. 投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、
前記投影光学系の有効視野内に、線幅が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向に混在するように配置された少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を行う工程と；
前記光強度信号に含まれる、前記各周期パターンに対応する空間周波数成分の位相及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する工程と；を含む収差計測方法。An aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system,
In the effective field of view of the projection optical system, with the at least one measurement mark arranged such that a plurality of periodic patterns having different line widths are mixed in the periodic direction, the measurement mark is placed by illumination light. Illuminate and form a spatial image of the measurement mark by the projection optical system, and scan a predetermined measurement pattern relative to the spatial image at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system. And a step of photoelectrically detecting the illumination light obtained through the measurement pattern during the scanning and performing aerial image measurement to obtain a light intensity signal corresponding to the aerial image;
Calculating an aberration amount of the projection optical system based on at least one of a phase and a magnitude of a spatial frequency component corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal. 請求項３９に記載の収差計測方法において、
前記各周期パターンは、互いに周期が同一でデューティ比が異なるパターンであることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 39,
Each of the periodic patterns is a pattern having the same period and different duty ratios. 請求項４０に記載の収差計測方法において、
前記各周期パターンの線幅は、前記周期の自然数分の一であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 40,
The aberration measurement method according to claim 1, wherein the line width of each periodic pattern is a fraction of a natural number of the period. 請求項４１に記載の収差計測方法において、
前記計測マークでは、前記複数の周期パターンとして、光透過部と遮光部との比が１：１である第１周期パターンと、光透過部と遮光部との比が１：ｍ（ｍは奇数）の第２周期パターンとが配置されており、
前記第１周期パターンの遮光部であって、前記第１周期パターンのみから成る計測マークを用いて前記空間像計測を実行したときに得られる光強度信号に含まれる（ｍ＋１）／２次の空間周波数成分の極性が負である部分に対応する部分に、前記第２周期パターンの光透過部が形成されていることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 41,
In the measurement mark, as the plurality of periodic patterns, the ratio of the first periodic pattern in which the ratio of the light transmission part to the light shielding part is 1: 1 and the ratio of the light transmission part to the light shielding part is 1: m (m is an odd number). ) Second periodic pattern is arranged,
The (m + 1) / 2 order space included in the light intensity signal obtained when the aerial image measurement is performed using the measurement mark that is the light shielding portion of the first periodic pattern and includes only the first periodic pattern. An aberration measurement method, wherein a light transmission part of the second periodic pattern is formed in a part corresponding to a part where the polarity of a frequency component is negative. 請求項４１に記載の収差計測方法において、
前記計測マークでは、前記複数の周期パターンとして、光透過部と遮光部との比が１：１である第１周期パターンと、光透過部と遮光部との比が１：ｍ（ｍは奇数）の第２周期パターンとが配置されており、
前記第１周期パターンの光透過部であって、前記第１周期パターンのみから成る計測マークを用いて前記空間像計測を実行したときに得られる光強度信号に含まれる（ｍ＋１）／２次の空間周波数成分の極性が正である部分に対応する部分に、前記第２周期パターンの遮光部が形成されていることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 41,
In the measurement mark, as the plurality of periodic patterns, the ratio of the first periodic pattern in which the ratio of the light transmission part to the light shielding part is 1: 1 and the ratio of the light transmission part to the light shielding part is 1: m (m is an odd number). ) Second periodic pattern is arranged,
The light transmission part of the first periodic pattern, which is included in the light intensity signal obtained when the aerial image measurement is performed using the measurement mark composed of only the first periodic pattern. An aberration measuring method, wherein the light shielding portion of the second periodic pattern is formed in a portion corresponding to a portion where the polarity of the spatial frequency component is positive. 請求項３９に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンとして、互いに長手方向が交差する複数のスリットパターンを含むことを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 39,
An aberration measurement method comprising a plurality of slit patterns whose longitudinal directions intersect with each other as the measurement pattern. 請求項４４に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンとして、ピンホールパターンをさらに含むことを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 44,
The aberration measurement method further comprising a pinhole pattern as the measurement pattern. 請求項４５に記載の収差計測方法において、
前記周期方向が互いに交差する複数の前記計測マークを有することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 45, wherein
An aberration measurement method comprising: a plurality of measurement marks whose periodic directions intersect each other. 請求項４５に記載の収差計測方法において、
前記スリットパターンと前記ピンホールパターンとは、前記空間像に対して前記スリットパターンを相対的に走査する際に、前記ピンホールパターンが前記空間像に干渉することなく、かつ前記空間像に対して前記ピンホールパターンを相対走査する際に、前記スリットパターンが前記空間像に干渉することのない位置関係となるように配置されていることを特微とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 45, wherein
When the slit pattern and the pinhole pattern scan the slit pattern relative to the aerial image, the pinhole pattern does not interfere with the aerial image, and the aerial image An aberration measuring method characterized in that when the pinhole pattern is relatively scanned, the slit pattern is disposed so as to have a positional relationship that does not interfere with the aerial image. 請求項３９に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分の振幅を、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 39,
An aberration measuring method, wherein the amplitude of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項３９に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分のコントラストを、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 39,
An aberration measuring method, wherein a contrast of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項３９に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンは、前記相対走査方向に関してその幅が前記空間像の幅と同程度以下であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 39,
The measurement pattern is characterized in that the width of the measurement pattern is about the same as or less than the width of the aerial image in the relative scanning direction. 投影光学系の収差を計測する収差計測方法であって、
前記投影光学系の有効視野内に周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークを位置させた状態で、照明光により前記計測マークを照明して前記投影光学系により前記計測マークの空間像を形成し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で前記空間像に対して所定の計測用パターンを相対的に走査して該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の第１の収差を複数の収差量に設定したときの各々について実行する工程と；
前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の、前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量を評価量として少なくとも１つの第２の収差の収差量を算出する工程と；を含む収差計測方法。An aberration measurement method for measuring an aberration of a projection optical system,
In a state where at least one measurement mark including a periodic pattern is positioned within an effective field of view of the projection optical system, the measurement mark is illuminated with illumination light to form a spatial image of the measurement mark by the projection optical system, A predetermined measurement pattern is scanned relative to the aerial image at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system, and the illumination light obtained through the measurement pattern during the scan Performing aerial image measurement for photoelectric detection and obtaining a light intensity signal corresponding to the aerial image for each of when the first aberration of the projection optical system is set to a plurality of aberration amounts;
When the first aberration is changed by a predetermined amount, the amount of change of the position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized is used as an evaluation amount, and the aberration amount of at least one second aberration An aberration measuring method comprising: calculating the aberration. 請求項５１に記載の収差計測方法において、
前記第２の収差が複数ある場合には、
前記空間像計測を、周期パターンの周期が異なる複数の前記計測マークについて実行し、
前記収差量の算出に際し、前記計測マーク毎に得られる、前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量と、前記各計測マークにおける複数の第２の収差各々の変化に対する第１の収差換算の前記所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化の割合とに基づいて、前記複数の第２の収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 51,
When there are a plurality of the second aberrations,
The aerial image measurement is performed for a plurality of the measurement marks having different periodic pattern periods,
When calculating the amount of aberration, the amount of change in position at which the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized when the first aberration is changed by a predetermined amount, obtained for each measurement mark. And a ratio of a change in position at which the magnitude of the predetermined frequency component converted to the first aberration is maximum with respect to a change in each of the plurality of second aberrations in each measurement mark. An aberration measurement method comprising calculating an aberration amount of each aberration. 請求項５１の記載の収差計測方法において、
前記第２の収差が複数ある場合には、
前記空間像計測を、複数の光学条件の下で実行し、
前記収差量の算出に際し、前記光学条件毎に得られる、前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量と、前記各光学条件における複数の第２の収差各々の変化に対する第１の収差換算の前記所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化の割合とに基づいて、前記複数の第２の収差の各々の収差量を算出することを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 51, wherein
When there are a plurality of the second aberrations,
Performing the aerial image measurement under a plurality of optical conditions;
When calculating the amount of aberration, the amount of change in the position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized when the first aberration is changed by a predetermined amount, obtained for each optical condition. And the ratio of the change in the position where the magnitude of the predetermined frequency component converted to the first aberration is the maximum with respect to the change in each of the plurality of second aberrations in each optical condition. An aberration measurement method comprising calculating an aberration amount of each aberration. 請求項５１に記載の収差計測方法において、
前記第１の収差及び前記第２の収差はともに、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差であって、前記第１の収差は前記第２の収差よりも低次の項であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 51,
In the first aberration and the second aberration, the radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system is an even function. An aberration measurement method, wherein the first aberration is a lower-order term than the second aberration. 請求項５１に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分の振幅を、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 51,
An aberration measuring method, wherein the amplitude of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項５１に記載の収差計測方法において、
前記光強度信号に含まれる空間周波数成分のコントラストを、その大きさの評価量とすることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 51,
An aberration measuring method, wherein a contrast of a spatial frequency component included in the light intensity signal is used as an evaluation amount of the magnitude. 請求項５１に記載の収差計測方法において、
前記計測用パターンは、前記相対走査方向に関してその幅が前記空間像の幅と同程度以下であることを特徴とする収差計測方法。The aberration measurement method according to claim 51,
The measurement pattern is characterized in that the width of the measurement pattern is about the same as or less than the width of the aerial image in the relative scanning direction. マスクのパターンを、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１〜５７のいずれか一項に記載の収差計測方法によって、前記投影光学系の収差を計測する工程と；
前記計測された収差に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する工程と；
前記調整後の前記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。An exposure method for transferring a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system,
A step of measuring aberrations of the projection optical system by the aberration measurement method according to any one of claims 1 to 57;
Adjusting the imaging characteristics of the projection optical system based on the measured aberration;
And a step of transferring the pattern onto the photosensitive object via the adjusted projection optical system. マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、
周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；
前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；
前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；
前記光強度信号に含まれる所定次数の空間周波数成分の大きさに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する処理装置と；
前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える露光装置。An exposure apparatus that transfers a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system,
A mark forming member on which at least one measurement mark including a periodic pattern is formed;
An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light;
A predetermined measurement pattern is relatively positioned at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system with respect to the aerial image of the measurement mark formed through the projection optical system by illumination by the illumination unit. An aerial image measuring device that scans, photoelectrically detects the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scan, and obtains a light intensity signal corresponding to the aerial image;
Based on the magnitude of the spatial frequency component of a predetermined order included in the light intensity signal, the dynamics of each term of the radial polynomial obtained by developing an aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system. A processing device for calculating the amount of aberration of the even function aberration in which the radial function is represented by an even function;
An exposure apparatus comprising: an adjustment device that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system based on the calculated aberration amount. マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、
周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；
前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；
前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の光軸方向に関する複数の位置について実行する空間像計測装置と；
前記光強度信号に含まれる基本周波数成分の大きさが最大となる位置とその所定次数の高調波成分の大きさが最大となる位置との前記投影光学系の光軸方向に関する位置ずれに基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が偶関数で表される偶関数収差の収差量を算出する処理装置と；
前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える露光装置。An exposure apparatus that transfers a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system,
A mark forming member on which at least one measurement mark including a periodic pattern is formed;
An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light;
A predetermined measurement pattern is relatively positioned at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system with respect to the aerial image of the measurement mark formed through the projection optical system by illumination by the illumination unit. A spatial image measurement is performed by scanning, photoelectrically detecting the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scan, and obtaining a light intensity signal corresponding to the aerial image, in the optical axis direction of the projection optical system An aerial image measuring device that executes for a plurality of positions with respect to
Based on the positional shift in the optical axis direction of the projection optical system between the position where the magnitude of the fundamental frequency component included in the light intensity signal is maximized and the position where the magnitude of the harmonic component of the predetermined order is maximized. Processing for calculating the aberration amount of even function aberration in which the radial function of each term of the radial polynomial obtained by developing the aberration function indicating the wavefront aberration on the exit pupil of the projection optical system is represented by an even function With the device;
An exposure apparatus comprising: an adjustment device that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system based on the calculated aberration amount. マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、
周期が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向と垂直な方向に並列に配置されている少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；
前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；
前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、前記垂直な方向における前記空間像の長さ以上の長さを前記垂直な方向に有する計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；
前記光強度信号に含まれる前記各周期パターンの周期に対応する奇数次の空間周波数成分の位相差及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する処理装置と；
前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える露光装置。An exposure apparatus that transfers a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system,
A mark forming member formed with at least one measurement mark in which a plurality of periodic patterns having different periods are arranged in parallel in a direction perpendicular to the periodic direction;
An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light;
With respect to the aerial image of the measurement mark formed through the projection optical system by illumination by the illumination unit, the aerial image in the vertical direction at a position near the image plane with respect to the optical axis direction of the projection optical system. A measurement pattern having a length greater than or equal to the length in the vertical direction is relatively scanned, and the illumination light obtained through the measurement pattern is photoelectrically detected during the scan, and corresponds to the aerial image. An aerial image measuring device for obtaining a light intensity signal;
A processing device that calculates an aberration amount of the projection optical system based on at least one of a phase difference and a magnitude of an odd-order spatial frequency component corresponding to a period of each periodic pattern included in the light intensity signal;
An exposure apparatus comprising: an adjustment device that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system based on the calculated aberration amount. マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、
線幅が異なる複数の周期パターンがそれらの周期方向に混在するように配置された少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；
前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；
前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；
前記光強度信号に含まれる、前記各周期パターンに対応する空間周波数成分の位相及び大きさの少なくとも一方に基づいて、前記投影光学系の収差量を算出する処理装置と；
前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える露光装置。An exposure apparatus that transfers a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system,
A mark forming member on which at least one measurement mark is formed so that a plurality of periodic patterns having different line widths are mixed in the periodic direction;
An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light;
A predetermined measurement pattern is relatively positioned at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system with respect to the aerial image of the measurement mark formed through the projection optical system by illumination by the illumination unit. An aerial image measuring device that scans, photoelectrically detects the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scan, and obtains a light intensity signal corresponding to the aerial image;
A processing device that calculates an aberration amount of the projection optical system based on at least one of a phase and a magnitude of a spatial frequency component corresponding to each periodic pattern included in the light intensity signal;
An exposure apparatus comprising: an adjustment device that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system based on the calculated aberration amount. マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光装置であって、
周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが形成されたマーク形成部材と；
前記マーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；
前記照明ユニットによる照明により前記投影光学系を介して形成された前記計測マークの空間像に対し、前記投影光学系の光軸方向に関する像面近傍の位置で、所定の計測用パターンを相対的に走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測を、前記投影光学系の第１の収差を複数の収差量に設定したときの各々について実行する空間像計測装置と；
前記第１の収差を所定量だけ変化させた場合の、前記光強度信号に含まれる所定周波数成分の大きさが最大となる位置の変化量を評価量として少なくとも１つの第２の収差の収差量を算出する処理装置と；
前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；を備える露光装置。An exposure apparatus that transfers a mask pattern onto a photosensitive object via a projection optical system,
A mark forming member on which at least one measurement mark including a periodic pattern is formed;
An illumination unit that illuminates the mark forming member with illumination light;
A predetermined measurement pattern is relatively positioned at a position near the image plane in the optical axis direction of the projection optical system with respect to the spatial image of the measurement mark formed through the projection optical system by illumination by the illumination unit. The aerial image measurement is performed by scanning, and photoelectrically detecting the illumination light obtained through the predetermined measurement pattern during the scan to obtain a light intensity signal corresponding to the aerial image. An aerial image measuring device that executes for each of the aberrations set to a plurality of aberration amounts;
When the first aberration is changed by a predetermined amount, the amount of change of the position where the magnitude of the predetermined frequency component included in the light intensity signal is maximized is used as an evaluation amount, and the aberration amount of at least one second aberration A processing device for calculating
An exposure apparatus comprising: an adjustment device that adjusts an imaging characteristic of the projection optical system based on the calculated aberration amount. 請求項５９〜６３のいずれか一項に記載の露光装置において、
前記パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージを更に備え、
前記マーク形成部材は、前記マスクステージ上に配置された基準マーク板であることを特徴とする露光装置。In the exposure apparatus according to any one of claims 59 to 63,
A mask stage for holding a mask on which the pattern is formed;
The exposure apparatus, wherein the mark forming member is a reference mark plate arranged on the mask stage.
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