JPWO2004059710A1 - 収差計測方法、露光方法及び露光装置 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
≪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。
但し、スリット１２２の関数ｐ（ｙ）は、以下の式（３）で表される。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ここで、上述の式（２０）における係数
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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