JP2003045793A

JP2003045793A - 波面収差計測方法、投影光学系の調整方法及び露光方法、並びに露光装置の製造方法

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Publication number: JP2003045793A
Application number: JP2002134870A
Authority: JP
Inventors: Koji Kaise; 浩二貝瀬
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-02-14
Anticipated expiration: 2022-05-10
Also published as: JP4147574B2

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロレンズアレイを用いることなく、投
影光学系の波面収差を高精度に計測する。【解決手段】レチクルステージＲＳＴ上に搭載された
レチクルＲTを照明光により照明し、複数の計測用パタ
ーン６７_i,jのそれぞれを当該各計測用パターンに個別
に対応して設けられたピンホール状の開口７０_i,j及び
投影光学系ＰＬを介して像面上のＣＣＤエリアイメージ
センサ４５に投影する。これにより、前記イメージセン
サの撮像面には、各計測用パターンの投影像が、投影光
学系の瞳面における波面の理想波面に対する傾きに応じ
てずれた位置に結像され、これの投影像が撮像される。
そして、その撮像結果に基づいて得られる各計測用パタ
ーンの投影位置の基準位置からの位置ずれ量に基づい
て、投影光学系の波面収差を求める。従って、マイクロ
レンズアレイを用いることなく、投影光学系の波面収差
を高精度に計測することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波面収差計測方
法、投影光学系の調整方法及び露光方法、並びに露光装
置の製造方法に係り、さらに詳しくは、第１面上のパタ
ーンを第２面上に投影する投影光学系の波面収差の計測
に好適な波面収差計測方法、該方法によって計測された
波面収差の計測結果に基づいて投影光学系を調整する投
影光学系の調整方法、該調整方法によって調整された投
影光学系を用いてマスクのパターンを基板上に転写する
露光方法、及び前記波面収差計測方法を含む露光装置の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子（ＣＰＵ、ＤＲＡ
Ｍ等）、撮像素子（ＣＣＤ等）及び液晶表示素子、薄膜
磁気ヘッド等を製造するリソグラフィ工程では、基板上
にデバイスパターンを形成する種々の露光装置が用いら
れている。近年においては、半導体素子等の高集積化に
伴い、高いスループットで微細パターンを精度良くウエ
ハ又はガラスプレート等の基板上に形成可能なステップ
・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）やこのステッパに改良を加えたステップ・ア
ンド・スキャン方式の走査型露光装置（いわゆるスキャ
ニング・ステッパ）等の投影露光装置が主として用いら
れている。

【０００３】ところで、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、回路パターンが描画されたレ
チクル（又はマスク）と、基板上の各ショット領域に既
に形成されたパターンとを正確に重ね合わせることが重
要である。かかる重ね合せを精度良く行うためには、投
影光学系の光学特性を正確に計測し、これを所望の状態
に調整し管理する必要がある。

【０００４】従来、投影光学系の光学特性の計測方法と
して、所定の計測用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、計測用パターンの投影像が転写さ
れた基板を現像して得られるレジスト像を計測した計測
結果に基づいて光学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。この
他、実際に露光を行うことなく、計測用マスクを照明光
により照明し投影光学系によって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
いて光学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。

【０００５】従来の露光装置では、いわゆるザイデルの
５収差と呼ばれる球面収差、コマ収差、非点収差、像面
湾曲、歪曲収差（ディストーション）等の低次の収差を
上記焼き付け法又は空間像計測法によって計測し、この
計測結果に基づいて投影光学系の上記諸収差を調整し管
理することが主として行われていた。

【０００６】しかるに、半導体素子は年々高集積化し、
これに伴って露光装置には、より一層の高精度な露光性
能が要求されるようになり、近年では、上記の低次収差
のみを調整するのみでは不十分となっている。従って、
露光装置の製造工場内での組み立て時のみならず、デバ
イス製造工場のクリーンルーム内に設置後においても、
投影光学系の波面収差を計測してより高次の収差を含む
投影光学系の光学特性を維持管理する必要が生じてい
る。

【０００７】波面収差の計測を露光装置の製造後に、計
測する波面収差計測装置として、マイクロレンズアレイ
を用いた、シャックハルトマン方式の波面収差計測器
が、例えば国際公開ＷＯ９９／６０３６１などに開示さ
れている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、波面収
差計測器に要求される程度に高精度でかつ小型のマイク
ロレンズアレイを製造することは、現状の製造技術では
困難である。このため、マイクロレンズアレイを用いる
タイプの波面収差計測器は、その計測精度の向上ととも
に小型化が、現在及び将来の大きな課題となっている。
また、この種の波面収差計測器では、投影光学系の像面
とマイクロレンズアレイとの間に光学系を配置しなけれ
ばならず、計測器の小型化が困難であるとともに、その
光学系の収差などの影響を無視し得ないことがある。

【０００９】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、マイクロレンズアレイを用いる
ことなく、投影光学系の波面収差を高精度に計測するこ
とが可能な波面収差計測方法を提供することにある。

【００１０】本発明の第２の目的は、投影光学系の光学
特性を精度良く調整することが可能な投影光学系の調整
方法を提供することにある。

【００１１】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可能な露光方法を提
供することにある。

【００１２】本発明の第４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可能な露光装置の製
造方法を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１面上のパターンを第２面上に投影する投影光学
系（ＰＬ）の波面収差を計測する波面収差計測方法であ
って、前記第１面上に所定の位置関係で配置された複数
の計測用パターン（６７_i,j）を照明光により照明し、
前記複数の計測用パターンのそれぞれを当該各計測用パ
ターンに個別に対応して設けられたピンホール状の開口
（７０_i,j）及び前記投影光学系を介して前記第２面上
に投影する工程と；前記各計測用パターンの投影像を前
記第２面上に配置された撮像素子で撮像する工程と；前
記撮像結果に基づいて得られる前記各計測用パターンの
投影位置の基準位置からの位置ずれ量に基づいて前記投
影光学系の波面収差を求める工程と；を含む波面収差計
測方法である。

【００１４】これによれば、第１面上に所定の位置関係
で配置された複数の計測用パターンを照明光により照明
し、前記複数の計測用パターンのそれぞれを当該各計測
用パターンに個別に対応して設けられたピンホール状の
開口及び前記投影光学系を介して前記第２面上に投影す
る。これにより、第２面上には、各計測用パターンの投
影像が形成される。この投影像を第２面上に配置された
撮像素子で撮像する。

【００１５】この場合、各計測用パターンの投影像は、
第２面上で投影光学系の瞳面における波面の理想波面に
対する傾きに応じてずれた位置に結像されるので、撮像
素子によりそのずれた位置に結像された投影像が撮像さ
れることとなる。

【００１６】そして、その撮像結果に基づいて得られる
各計測用パターンの投影位置の基準位置からの位置ずれ
量に基づいて、投影光学系の波面収差を求める。従っ
て、本発明によれば、マイクロレンズアレイを用いるこ
となく、投影光学系の波面収差を高精度に計測すること
が可能となる。

【００１７】この場合において、２次元面内に配置され
る投影像を撮像する場合、撮像素子として一次元撮像素
子、例えばＣＣＤラインセンサなどを用い、これを画素
の配列方向に直交する方向に移動しながら撮像すること
とすることができる。しかし、これに限らず、例えば請
求項２に記載の波面収差計測方法の如く、前記撮像素子
は、画素が直交２軸方向にマトリクス状に配列された２
次元撮像素子であり、前記各計測用パターンは、前記直
交２軸方向のいずれかである特定方向に対して所定角度
θ（０°＜θ＜４５°）で交差する所定幅の直線状パタ
ーン部分を含んでいる場合には、前記各計測用パターン
の前記特定方向に関する位置ずれ量は、前記直線状パタ
ーン部分の前記特定方向の位置ずれ量を（１／ｔａｎ
θ）倍に拡大した量の計測結果に基づいて算出され、前
記特定方向に直交する方向の位置ずれ量は、前記直線状
パターン部分の前記特定方向に直交する方向の位置ずれ
量を（１／ｔａｎθ）倍に拡大した量の計測結果に基づ
いて算出されることとすることができる。

【００１８】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の波面収差計測方法を用いて投影光学系の波面収
差を計測する工程と；前記波面収差の計測結果に基づい
て前記投影光学系を調整する工程と；を含む投影光学系
の調整方法である。

【００１９】これによれば、請求項１及び２に記載の各
波面収差計測方法を用いて投影光学系の波面収差を計測
するので、投影光学系の波面収差が精度良く計測され
る。そして、この精度良く計測された波面収差の計測結
果に基づいて投影光学系が調整されるので、投影光学系
の光学特性を精度良く調整することができる。

【００２０】請求項４に記載の発明は、マスク（Ｒ）の
パターンを投影光学系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）上に
転写する露光方法であって、請求項３に記載の調整方法
により前記投影光学系を調整する工程と；前記調整され
た投影光学系を介して前記パターンを前記基板上に転写
する工程と；を含む露光方法である。

【００２１】これによれば、請求項３に記載の調整方法
を用いて投影光学系を調整するので、投影光学系の光学
特性が精度良く調整され、この光学特性が精度良く調整
された投影光学系を用いてマスクのパターンを基板上に
転写するので、マスクのパターンを基板上に精度良く転
写することが可能になる。

【００２２】請求項５に記載の発明は、マスク（Ｒ）の
パターンを投影光学系（ＰＬ）を介して基板（Ｗ）上に
転写する露光装置（１０）の製造方法であって、請求項
１又は２に記載の波面収差計測方法を用いて投影光学系
の波面収差を計測する工程と；前記波面収差の計測結果
に基づいて前記投影光学系を調整する工程と；を含む露
光装置の製造方法である。

【００２３】これによれば、請求項１及び２に記載の各
光学特性計測方法を用いて投影光学系の光学特性を精度
良く計測し、その計測された光学特性に基づいて投影光
学系を調整するので、投影光学系の光学特性（結像特性
を含む）が精度良く調整される。従って、投影光学系の
光学特性が精度良く調整された露光装置が製造され、該
露光装置を用いて露光を行うことにより、マスクのパタ
ーンを投影光学系を介して基板上に精度良く転写するこ
とが可能になる。

【００２４】なお、前記第２面は投影光学系の像面だけ
でなくその共役面をも含み、投影光学系の像面との共役
面を第２面とする場合は、像面と第２面とを共役関係に
する光学系の光学特性を計測しておき、例えばこの計測
結果を用いて前述の位置ずれ量を求める、あるいは投影
光学系の光学特性の計測結果を補正することが好まし
い。これにより、その光学系に起因した光学特性の計測
誤差を低減することができる。このとき、その光学系は
縮小系又は等倍系でも良いが、拡大系として計測用パタ
ーンの投影位置の検出精度の向上を図るようにしても良
い。

【００２５】また、複数の計測用パターンの各投影位置
に対応して、例えば複数の計測用パターンと対応する位
置関係で、複数の撮像素子を第２面上に配置して各撮像
素子により対応する計測用パターンの投影位置（すなわ
ち各撮像素子を基準とする対応する計測用パターンの投
影位置）を計測しても良いし、あるいは少なくとも１つ
の撮像素子を第２面内で移動して各計測用パターンの投
影像を検出しても良い。前者の場合には、複数の撮像素
子の位置関係（間隔など）を計測しておき、例えばこの
計測結果を考慮して、計測用パターン毎に前述の位置ず
れ量を求める、あるいは投影光学系の光学特性の計測結
果を補正することが望ましい。これにより、撮像素子の
位置誤差などに起因した光学特性の計測誤差を低減する
ことができる。一方、後者の場合には、撮像素子の移動
時に生じ得る位置決め誤差を例えば計測用パターンの投
影位置毎に計測しておき、この計測結果を考慮して計測
用パターン毎に前述の位置ずれ量を求める、あるいは投
影光学系の光学特性の計測結果を補正することが望まし
い。これにより、撮像素子の移動時の位置決め誤差など
に起因した光学特性の計測誤差を低減することができ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
〜図７に基づいて説明する。図１には、本発明に係る波
面収差計測方法を実施するための一実施形態に係る露光
装置１０の概略構成が示されている。この露光装置１０
は、露光用光源（以下「光源」という）にパルスレーザ
光源を用いたステップ・アンド・リピート方式の縮小投
影露光装置、すなわちいわゆるステッパである。

【００２７】この露光装置１０は、光源１６及び照明光
学系１２を含む照明系、この照明系からのエネルギビー
ムとしての露光用照明光ＥＬにより照明されるマスクと
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、レチクルＲから出射された露光
用照明光ＥＬを基板としてのウエハＷ上（像面上）に投
射する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持するＺチルトス
テージ５８が搭載された基板ステージとしてのウエハス
テージＷＳＴ、及びこれらの制御系等を備えている。

【００２８】前記光源１６としては、ここでは、ＡｒＦ
エキシマレーザ光源（出力波長１９３ｎｍ）が用いられ
ている。なお、光源１６として、Ｆ₂レーザ光源（出力
波長１５７ｎｍ）等の真空紫外域のパルス光を出力する
光源や、ＫｒＦエキシマレーザ光源（出力波長２４８ｎ
ｍ）などの近紫外域のパルス光を出力する光源などを用
いても良い。

【００２９】前記光源１６は、実際には、照明光学系１
２の各構成要素及びレチクルステージＲＳＴ、投影光学
系ＰＬ、及びウエハステージＷＳＴ等から成る露光装置
本体が収納されたチャンバ１１が設置されたクリーンル
ームとは別のクリーン度の低いサービスルームに設置さ
れており、チャンバ１１にビームマッチングユニットと
呼ばれる光軸調整用光学系を少なくとも一部に含む不図
示の送光光学系を介して接続されている。この光源１６
は、主制御装置５０からの制御情報ＴＳに基づいて、内
部のコントローラにより、レーザ光ＬＢの出力のオン・
オフ、レーザ光ＬＢの１パルスあたりのエネルギ、発振
周波数（繰り返し周波数）、中心波長及びスペクトル半
値幅などが制御されるようになっている。

【００３０】前記照明光学系１２は、シリンダレンズ，
ビームエキスパンダ及びズーム光学系（いずれも不図
示）及び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又は内面反射型インテグレー
タ（本実施形態ではフライアイレンズ）２２等を含むビ
ーム整形・照度均一化光学系２０、照明系開口絞り板２
４、第１リレーレンズ２８Ａ、第２リレーレンズ２８
Ｂ、レチクルブラインド３０、光路折り曲げ用のミラー
Ｍ及びコンデンサレンズ３２等を備えている。

【００３１】前記ビーム整形・照度均一化光学系２０
は、チャンバ１１に設けられた光透過窓１７を介して不
図示の送光光学系に接続されている。このビーム整形・
照度均一化光学系２０は、光源１６でパルス発光され光
透過窓１７を介して入射したレーザビームＬＢの断面形
状を、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダを用
いて整形する。そして、ビーム整形・照度均一化光学系
２０内部の射出端側に位置するフライアイレンズ２２
は、レチクルＲを均一な照度分布で照明するために、前
記断面形状が整形されたレーザビームの入射により、照
明光学系１２の瞳面とほぼ一致するように配置されるそ
の射出側焦点面に多数の点光源（光源像）から成る面光
源（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ＥＬ」と呼
ぶものとする。

【００３２】フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近
傍に、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（図１ではこのうちの２種類の開口絞りの
みが図示されている）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、これによりいずれかの開口絞りが照明光ＥＬの光路
上に選択的に設定され、後述するケーラー照明における
光源面形状が、輪帯、小円形、大円形、あるいは四つ目
等に制限される。なお、本実施形態では開口絞り板２４
を用いて照明光学系の瞳面上での照明光の光量分布（２
次光源の形状や大きさ）、すなわちレチクルＲの照明条
件を変更するものとしたが、開口絞り板２４の代わり
に、あるいはそれと組み合わせて、例えば照明光学系の
光路上に交換して配置される複数の回折光学素子、照明
光学系の光軸に沿って移動可能な少なくとも１つのプリ
ズム（円錐プリズムや多面体プリズムなど）、及びズー
ム光学系の少なくとも１つを含む光学ユニットを光源１
６とオプティカルインテグレータ（フライアイレンズ）
２２との間に配置し、オプティカルインテグレータ（フ
ライアイレンズ）２２の入射面上での照明光の強度分布
あるいは照明光の入射角度範囲を可変として、前述の照
明条件の変更に伴う光量損失を最小限に抑えることが好
ましい。

【００３３】照明系開口絞り板２４から出た照明光ＥＬ
の光路上に、レチクルブラインド３０を介在させて第１
リレーレンズ２８Ａ及び第２リレーレンズ２８Ｂから成
るリレー光学系が配置されている。レチクルブラインド
３０は、レチクルＲのパターン面に対する共役面に配置
され、レチクルＲ上の矩形の照明領域ＩＡＲを規定する
矩形開口が形成されている。ここで、レチクルブライン
ド３０としては、開口形状が可変の可動ブラインドが用
いられており、主制御装置５０によってマスキング情報
とも呼ばれるブラインド設定情報に基づいてその開口が
設定されるようになっている。

【００３４】リレー光学系を構成する第２リレーレンズ
２８Ｂ後方の照明光ＥＬの光路上には、当該第２リレー
レンズ２８Ｂを通過した照明光ＥＬをレチクルＲに向け
て反射する折り曲げミラーＭが配置され、このミラーＭ
後方の照明光ＥＬの光路上にコンデンサレンズ３２が配
置されている。

【００３５】以上の構成において、フライアイレンズ２
２の入射面、レチクルブラインド３０の配置面、及びレ
チクルＲのパターン面は、光学的に互いに共役に設定さ
れ、フライアイレンズ２２の射出側焦点面に形成される
光源面（照明光学系の瞳面）、投影光学系ＰＬのフーリ
エ変換面（射出瞳面）は光学的に互いに共役に設定さ
れ、ケーラー照明系となっている。

【００３６】このようにして構成された照明光学系１２
の作用を簡単に説明すると、光源１６からパルス発光さ
れたレーザビームＬＢは、ビーム整形・照度均一化光学
系に入射して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
の射出端に前述した２次光源が形成される。

【００３７】上記の２次光源から射出された照明光ＥＬ
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、第１リレーレンズ２８Ａを経てレチクルブラ
インド３０の矩形開口を通過した後、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
ルステージＲＳＴ上に保持されたレチクルＲ上の矩形の
照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。

【００３８】前記レチクルステージＲＳＴ上にはレチク
ルＲが装填され、不図示の静電チャック（又はバキュー
ムチャック）等を介して吸着保持されている。レチクル
ステージＲＳＴは、不図示の駆動系により水平面（ＸＹ
平面）内で微小駆動（回転を含む）が可能な構成となっ
ている。また、レチクルステージＲＳＴは、Ｙ軸方向に
ついては、所定のストローク範囲（レチクルＲの長さ程
度）で移動可能な構成となっている。なお、レチクルス
テージＲＳＴの位置は、不図示の位置検出器、例えばレ
チクルレーザ干渉計によって、所定の分解能（例えば
０．５〜１ｎｍ程度の分解能）で計測され、この計測結
果が主制御装置５０に供給されるようになっている。

【００３９】前記投影光学系ＰＬは、例えば両側テレセ
ントリックな縮小系が用いられている。この投影光学系
ＰＬの投影倍率は例えば１／４、１／５あるいは１／６
等である。このため、前記の如くして、照明光ＥＬによ
りレチクルＲ上の照明領域ＩＡＲが照明されると、その
レチクルＲに形成されたパターンが投影光学系ＰＬによ
って前記投影倍率で縮小された像が表面にレジスト（感
光剤）が塗布されたウエハＷ上の矩形の露光領域ＩＡ
（通常は、ショット領域に一致）に投影され転写され
る。

【００４０】投影光学系ＰＬとしては、図１に示される
ように、複数枚、例えば１０〜２０枚程度の屈折光学素
子（レンズ）１３のみから成る屈折系が用いられてい
る。この投影光学系ＰＬを構成する複数枚のレンズ１３
のうち、物体面側（レチクルＲ側）の複数枚（ここで
は、説明を簡略化するために４枚とする）のレンズ１３
₁，１３₂，１３₃，１３₄は、結像特性補正コントローラ
４８によって外部から駆動可能な可動レンズとなってい
る。レンズ１３₁，１３₂，１３₄は、不図示のレンズホ
ルダにそれぞれ保持され、これらのレンズホルダが不図
示の駆動素子、例えばピエゾ素子などにより重力方向に
３点で支持されている。そして、これらの駆動素子に対
する印加電圧を独立して調整することにより、レンズ１
３₁，１３₂，１３₄を投影光学系ＰＬの光軸方向である
Ｚ軸方向にシフト駆動、及びＸＹ面に対する傾斜方向
（すなわちＸ軸回りの回転方向及びＹ軸回りの回転方
向）に駆動可能（チルト可能）な構成となっている。ま
た、レンズ１３₃は、不図示のレンズホルダに保持さ
れ、このレンズホルダの外周部に例えばほぼ９０°間隔
でピエゾ素子などの駆動素子が配置されており、相互に
対向する２つの駆動素子をそれぞれ一組として、各駆動
素子に対する印加電圧を調整することにより、レンズ１
３₃をＸＹ面内で２次元的にシフト駆動可能な構成とな
っている。

【００４１】なお、レチクルＲ、及び投影光学系ＰＬの
光学素子（特にレンズエレメント）はそれぞれ照明光Ｅ
Ｌの波長に応じてその硝材が適宜選択される。例えば、
照明光ＥＬの波長が１９０ｎｍ程度以上（照明光ＥＬが
ＡｒＦエキシマレーザ光、ＫｒＦエキシマレーザ光な
ど）では、合成石英を用いることができる。しかし、例
えば、照明光ＥＬの波長が１８０ｎｍ程度以下（照明光
ＥＬがＦ₂レーザ光など）では、透過率などの点で合成
石英の使用が困難なので、ホタル石などのフッ化物結晶
や不純物（フッ素など）ドープした合成石英などが用い
られる。

【００４２】前記ウエハステージＷＳＴは、ウエハステ
ージ駆動部５６によりＸＹ２次元面内で自在に駆動され
るようになっている。このウエハステージＷＳＴ上に搭
載されたＺチルトステージ５８上にはウエハホルダ２５
を介してウエハＷが静電吸着（あるいは真空吸着）等に
より保持されている。Ｚチルトステージ５８は、ウエハ
ＷのＺ方向の位置（フォーカス位置）を調整すると共
に、ＸＹ平面に対するウエハＷの傾斜角を調整する機能
を有する。また、ウエハステージＷＳＴのＸ、Ｙ位置及
び回転（ヨーイング、ピッチング、ローリングを含む）
は、Ｚチルトステージ５８上に固定された移動鏡５２Ｗ
を介して外部のウエハレーザ干渉計５４Ｗにより計測さ
れ、このウエハレーザ干渉計５４Ｗの計測値が主制御装
置５０に供給されるようになっている。

【００４３】また、Ｚチルトステージ５８上には、ウエ
ハホルダ２５の一側に基準マーク板ＦＭがその表面がほ
ぼウエハＷの表面と同一高さとなるように固定されてい
る。この基準マーク板ＦＭの表面には、不図示のウエハ
アライメント系のいわゆるベースライン計測用の第１基
準マーク及び露光の際のレチクルアライメントに用いら
れる一対の第２基準マークなどが形成されている。

【００４４】さらに、Ｚチルトステージ５８上には、ウ
エハホルダ２５の他側に、後述する波面収差の計測時に
用いられる撮像素子としてのＣＣＤエリアイメージセン
サ４５を有する撮像部４２が設けられている。この撮像
部４２は、図２に示されるように、Ｚチルトステージ５
８上に固定され、上面及び下面が開口した筒状の筐体４
４と、該筐体４４の上面側の開口部を閉塞するホタル石
などのフッ化物結晶から成る受光ガラス４６と、受光ガ
ラス４６に対向してＺチルトステージ５８内部に配置さ
れたレンズ系４３及びＣＣＤエリアイメージセンサ４５
とを備えている。レンズ系４３の上方のＺチルトステー
ジの壁面には、開口５８ａが形成されている。

【００４５】前記受光ガラス４６の表面には、クロム層
から成る遮光膜を兼ねる反射膜５９が形成され、該反射
膜５９の中央にＣＣＤエリアイメージセンサ４５に入射
する光の光路となる開口が形成されている。受光ガラス
４６の表面は、ウエハＷの表面とほぼ同一高さとされて
いる。ＣＣＤエリアイメージセンサ４５の撮像面は、受
光ガラス４６の表面と光学的に共役な面とされている。
また、受光ガラス４６の表面には、前述した第２基準マ
ークと同様の一対のアライメントマーク（不図示）が形
成されている。ＣＣＤエリアイメージセンサ４５から出
力される撮像信号Ｐは、主制御装置５０に供給されるよ
うになっている。

【００４６】露光装置１０の制御系は、図１中、前記主
制御装置５０によって主に構成される。主制御装置５０
は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オ
ンリ・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモ
リ）等からなるいわゆるワークステーション（又はマイ
クロコンピュータ）等から構成され、露光動作が的確に
行われるように、例えば、ウエハステージＷＳＴのショ
ット間ステッピング、露光タイミング等を統括して制御
する。

【００４７】次に、本実施形態の露光装置１０の投影光
学系ＰＬの光学特性の計測の際に用いられる、計測用マ
スクとしての計測用レチクルＲ_Tについて説明する。

【００４８】図３には、この計測用レチクルＲ_Tの概略
斜視図が示されている。また、図４には、レチクルステ
ージＲＳＴ上に装填した状態におけるレチクルＲ_Tの光
軸ＡＸ近傍のＸＺ断面の概略図が、投影光学系ＰＬの模
式図とともに示されている。

【００４９】図３から明らかなように、この計測用レチ
クルＲ_Tの全体形状は、通常のペリクル付きレチクルと
ほぼ同様の形状を有している。この計測用レチクルＲ_T
は、パターン形成部材としてのガラス基板６０、該ガラ
ス基板６０の図３における上面のＸ軸方向中央部に、固
定された長方形板状の形状を有するレンズ取付け部材６
２、ガラス基板６０の図２における下面に取り付けられ
た通常のペリクルフレームと同様の外観を有する枠状部
材から成るスペーサ部材６４、及びこのスペーサ部材６
４の下面に取り付けられた開口板６６等を備えている。

【００５０】前記レンズ取付け部材６２には、Ｙ軸方向
の両端部の一部の帯状の領域を除く、ほぼ全域にマトリ
ックス状配置でｎ個の円形開口６３_i,j（ｉ＝１〜ｐ、
ｊ＝１〜ｑ、ｐ×ｑ＝ｎ）が形成されている。各円形開
口６３_i,jの内部には、Ｚ軸方向の光軸を有する凸レン
ズから成る集光レンズ６５_i,jがそれぞれ設けられてい
る（図３参照）。

【００５１】また、ガラス基板６０とスペーサ部材６４
と開口板６６とで囲まれる空間の内部には、図４に示さ
れるように、補強部材６９が所定の間隔で設けられてい
る。

【００５２】更に、前記各集光レンズ６５_i,jに対向し
て、図４に示されるように、ガラス基板６０の下面に
は、計測用パターン６７_i,jがそれぞれ形成されてい
る。また、開口板６６には、図４に示されるように、各
計測用パターン６７_i,jにそれぞれ対向してピンホール
状の開口７０_i,jが形成されている。このピンホール状
の開口７０_i,jは、例えば直径１００〜１５０μｍ程度
とされる。

【００５３】また、図３に示されるように、ガラス基板
６０のレチクル中心を通るＸ軸上には、レンズ保持部材
６２の両外側に、レチクル中心に関して対称な配置で一
対のレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２が形成
されている。

【００５４】図５には、ガラス基板６０を取り出して、
図３における下面側から見た平面図（底面図）が示され
ている。この図５に示されるように、本実施形態では、
各計測用パターン６７_i,jとして、Ｘ軸方向及びＹ軸方
向に対して所定角度θ（０°＜θ＜４５°）を成すライ
ンパターンから成る網目状（ストリートライン状）のパ
ターンが用いられている。各計測用パターン６７
_i,jは、クロム層をパターニングして形成されたいわゆ
る抜きパターン、すなわちパターンの部分だけ光が透過
するパターンである。

【００５５】なお、計測用パターン６７_i,jは、これに
限られず、その他の形状のパターンを用いても良いが、
少なくともＸ軸方向及びＹ軸方向のいずれかに対して所
定角度θ（０°＜θ＜４５°）で交差する所定幅のライ
ンパターンを含むパターンであることが望ましい。

【００５６】次に、計測用レチクルＲ_Tを用いて、投影
光学系ＰＬの光学特性を計測する際の手順について説明
する。

【００５７】まず、主制御装置５０では、不図示のレチ
クルローダを介して計測用レチクルＲ_Tをレチクルステ
ージＲＳＴ上にロードする。次いで、主制御装置５０で
は、レーザ干渉計５４Ｗの出力をモニタしつつ、ウエハ
ステージ駆動部５６を介してウエハステージＷＳＴを移
動し、前述した受光ガラス４６の表面に形成された一対
のアライメントマーク（不図示）を、予め定められた基
準位置に位置決めする。ここで、この基準位置とは、例
えば一対のアライメントマークの中心が、レーザ干渉計
５４Ｗで規定されるステージ座標系上の原点に一致する
位置に定められている。

【００５８】次に、主制御装置５０では、計測用レチク
ルＲ_T上の一対のレチクルアライメントマークＲＭ１，
ＲＭ２とこれらに対応する受光ガラス４６上のアライメ
ントマークとを、不図示の一対のレチクルアライメント
顕微鏡により同時に観察し、レチクルアライメントマー
クＲＭ１，ＲＭ２の受光ガラス４６上への投影像と、対
応するアライメントマークとの位置ずれ量が、共に最小
となるように、不図示の駆動系を介してレチクルステー
ジＲＳＴをＸＹ２次元面内で微少駆動する。これによ
り、レチクルアライメントが終了し、レチクル中心が投
影光学系ＰＬの光軸にほぼ一致するとともに、計測用レ
チクルＲ_Tの回転ずれも調整される。

【００５９】次に、主制御装置５０では、不図示の斜入
射光式の焦点位置検出系により受光ガラスのＺ位置を計
測し、この計測結果に基づいてＺチルトステージをＺ軸
方向に微小駆動することにより、受光ガラス４６の表面
を投影光学系ＰＬの像面にほぼ一致させる。

【００６０】次に、主制御装置５０では、計測用レチク
ルＲ_Tの集光レンズ６５_i,jの全てが含まれる、レンズ保
持部材６２のＸ軸方向の最大幅以内のＸ軸方向の長さを
有する矩形の照明領域を形成するため、不図示の駆動系
を介してレチクルブラインド３０の開口を設定する。ま
た、これと同時に、主制御装置５０では、駆動装置４０
を介して照明系開口絞り板２４を回転して、所定の開口
絞り、例えば小σ絞りを照明光ＥＬの光路上に設定す
る。このとき、前述した照明光学系内の光学ユニット
（不図示）、例えばズーム光学系などを用いてオプティ
カルインテグレータ（フライアイレンズ）２２に入射す
る照明光の光束径（又は入射角度範囲）を小さくして光
量損失を最小限とすることが望ましい。

【００６１】このような準備作業の後、主制御装置５０
では、制御情報ＴＳを光源１６に与えて、レーザビーム
ＬＢを発光させて、照明光ＥＬをレチクルＲ_Tに照射し
て露光を行う。これにより、図４に示されるように、各
計測用パターン６７_i,jが、対応するピンホール状の開
口７０_i,j及び投影光学系ＰＬを介して同時に受光ガラ
ス４６に投影され、該受光ガラス４６表面及びこれに共
役なＣＣＤエリアイメージセンサ４５の撮像面に、図６
に示されるような各計測用パターン６７_i,jの投影像
（縮小像）６７’_i,jが、所定間隔でＸＹ２次元方向に
沿って所定間隔で形成される。

【００６２】そして、これらの投影像６７’_i,jがＣＣ
Ｄエリアイメージセンサ４５により撮像され、その撮像
信号が主制御装置５０に供給される。そして、主制御装
置５０では、この撮像信号に基づいて、各計測用パター
ン６７_i,jの投影像６７’_i,jの基準位置からのＸ軸方
向、Ｙ軸方向に関する位置ずれ量（Δξ，Δη）を算出
する。

【００６３】ここで、この位置ずれ量（Δξ，Δη）の
算出方法について、図７を参照して詳述する。図７に
は、計測用パターン６７_i,jを構成する１つの正方形枠
状パターン（便宜上「パターン６８」と呼ぶ）の投影像
６８’（図６参照）が取り出して示されている。また、
この図７において、白抜きのパターン像６８”は、位置
ずれがない場合のパターン６８の投影像を示す。すなわ
ち、パターン像６８”の位置は、投影光学系ＰＬに収差
がない場合にパターン６８が投影されるべき位置、すな
わち投影像６８’の基準位置である。

【００６４】この図７の場合、パターン６８の投影位置
の基準位置からの位置ずれ量（Δξ，Δη）は、図７中
に示される通りである。しかしながら、位置ずれ量（Δ
ξ，Δη）は、図７中に示されるＣＣＤエリアイメージ
センサ４５の各画素（すなわち網目の１個１個）と比べ
ると明らかなように、非常に小さい量である。従って、
これらの量Δξ，Δηを直接計測すると、ＣＣＤエリア
イメージセンサとして超高密度なもの（非常に画素数の
多いもの）を用いない限り、計測誤差が大きく十分な計
測精度が得られないおそれがある。しかしながら、超高
密度なＣＣＤエリアイメージセンサは高価であるか、要
求される計測精度によってはこれを達成するものが実存
しないかのいずれかである。

【００６５】しかるに、図７に示される幾何学的関係か
ら明らかなように、Ｘ軸方向の位置ずれ量ΔξとΔＹと
の間、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔηとΔＸとの間には、次
式（１）、（２）の関係が、それぞれ成立する。

【００６６】 ΔＹ＝Δξ／ｔａｎθ ……（１） ΔＸ＝Δη／ｔａｎθ ……（２）

【００６７】この場合において、例えばθ＝１０°とす
ると、１／ｔａｎθ＝５．６７となり、また、θ＝５°
とすると、１／ｔａｎ＝１１．４３となる。従って、Δ
ξ、Δηを計測する代わりに、ΔＹ、ΔＸを計測するこ
とにより、５．６７倍、あるいは１１．４３倍に拡大し
た量を計測することが可能となる。このことは、ＣＣＤ
エリアイメージセンサとして、同一の画素密度のＣＣＤ
エリアイメージセンサを用いて計測した場合に、分解能
が５．６７倍、あるいは１１．４３倍になり、それに応
じて計測精度が向上することを意味する。換言すれば、
同一の分解能で計測する場合に、ＣＣＤエリアイメージ
センサの画素密度は、（１／５．６７）あるいは（１／
１１．４３）程度あれば良いことを意味する。

【００６８】なお、上記の拡大倍率は、角度θが０に近
いほど大きくなり、例えばθ＝１．１５°の場合には、
約５０倍の分解能を得ることが可能になる。

【００６９】なお、図７では、パターン像６８”が基準
位置として想定されているかのような説明をしたが、実
際には、このような必要はなく、図７中のＡ点、Ｂ点な
どの設計上のパターン投影位置の代表点を、基準位置と
してＣＣＤエリアイメージセンサ４５の画素中で定めて
おけば良い。かかる場合には、実際の撮像結果からＡ’
点、Ｂ’点を得、Ａ点と撮像結果とからＤ点を求め、
Ａ’点と撮像結果からＣ点を求め、Ｂ点と撮像結果から
Ｅ点を求め、Ｂ’点と撮像結果とからＦ点を求める。そ
して、このようにして求めたＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆ点の座標に
基づきΔＹ、ΔＸを計測することができる。

【００７０】上述のようにして、主制御装置５０では、
各計測用パターン６７_i,jについて、Ｘ、Ｙ方向の位置
ずれ量を所定倍率に拡大した量（ΔＹ、ΔＸ）をそれぞ
れ計測し、この量（ΔＹ、ΔＸ）をｔａｎθ倍すること
により、目的とする各計測用パターン６７_i,jの位置ず
れ量（Δξ，Δη）を算出するのである。

【００７１】そして、この位置ずれ量（Δξ，Δη）に
基づいて、投影光学系ＰＬの波面を演算により求めるの
であるが、その前提として、位置ずれ量（Δξ，Δη）
と波面との物理的な関係を、図４に基づいて簡単に説明
する。

【００７２】図４に、計測用パターン６７_k,lについ
て、代表的に示されるように、計測用パターン６７_i,j
（６７_k,l）で発生した回折光のうち、ピンホール状の
開口７０ _i,j（７０_k,l）を通過した光は、計測用パター
ン６７_i,j（６７_k,l）のどの位置に由来する光であるか
によって、投影光学系ＰＬの瞳面を通る位置が異なる。
すなわち、当該瞳面の各位置における波面は、その位置
に対応する計測用パターン６７_i,j（６７_k,l）における
位置を介した光の波面と対応している。そして、仮に投
影光学系ＰＬに収差が全くないものとすると、それらの
波面は、投影光学系ＰＬの瞳面では、符号Ｆ₁で示され
るような理想波面（ここでは平面）となるはずである。
しかるに、収差の全く無い投影光学系は実際には存在し
ないため、瞳面においては、例えば、点線で示されるよ
うな曲面状の波面Ｆ₂となる。従って、計測用パターン
６７_i,j（６７_k,l）の像は、ＣＣＤエリアイメージセン
サ４５の撮像面上で波面Ｆ₂の理想波面に対する傾きに
応じてずれた位置に結像される。

【００７３】従って、位置ずれ量（Δξ，Δη）は、波
面の理想波面に対する傾斜をそのまま反映した値にな
り、逆に位置ずれ量（Δξ，Δη）に基づいて波面を復
元することができる。なお、上記の位置ずれ量（Δξ，
Δη）と波面との物理的な関係から明らかなように、本
実施形態における波面の算出原理は、周知のShack-Hart
manの波面算出原理そのものである。

【００７４】次に、上記の位置ずれ量に基づいて、波面
を算出する方法について、簡単に説明する。

【００７５】上述の如く、位置ずれ量（Δξ，Δη）は
波面の傾きに対応しており、これを積分することにより
波面の形状（厳密には基準面（理想波面）からのずれ）
が求められる。波面（波面の基準面からのずれ）の式を
Ｗ（ｘ，ｙ）とし、比例係数をｋとすると、次式
（３）、（４）のような関係式が成立する。

【００７６】

【数１】

【００７７】位置ずれ量のみでしか与えられていない波
面の傾きをそのまま積分するのは容易ではないため、面
形状を級数に展開して、これにフィットするものとす
る。この場合、級数は直交系を選ぶものとする。ツェル
ニケ多項式は軸対称な面の展開に適した級数で、円周方
向は三角級数に展開する。すなわち、波面Ｗを極座標系
（ρ，θ）で表すと、ツェルニケ多項式をＲ_n ^m（ρ）と
して、次式（５）のように展開できる。

【００７８】

【数２】

【００７９】なお、Ｒ_n ^m（ρ）の具体的な形は、周知で
ある（例えば光学の一般的な教科書などに記載されてい
る）ので、詳細な説明は省略する。直交系であるから各
項の係数、Ａ_n ^m，Ｂ_n ^mは独立に決定することができる。
有限項で切ることはある種のフィルタリングを行うこと
に対応する。

【００８０】実際には、その微分が上記の位置ずれ量と
して検出されるので、フィッティングは微係数について
行う必要がある。極座標系（ｘ＝ρｃｏｓθ，ｙ＝ρｓ
ｉｎθ）では、次式（６）、（７）のように表される。

【００８１】

【数３】

【００８２】ツェルニケ多項式の微分形は直交系ではな
いので、フィッティングは最小自乗法で行う必要があ
る。１つの計測用パターンからの情報（ずれの量）はＸ
とＹ方向につき与えられるので、計測用パターンの数を
Ｎ（Ｎは、例えば８１〜４００程度とする）とすると、
上式（３）〜（７）で与えられる観測方程式の数は２Ｎ
（＝１６２〜８００程度）となる。これから例えば２７
の係数を決めるため各係数の誤差はかなり小さくなる
（面の傾きを表すＡ₁ ¹，Ｂ₁ ¹を除けば係数のばらつきは
数ｎｍ程度に収まっている）。

【００８３】ツェルニケ多項式のそれぞれの項は光学収
差に対応する。しかも低次の項はザイデル収差にほぼ対
応する。従って、ツェルニケ多項式を用いることによ
り、投影光学系ＰＬの波面収差を求めることができる。

【００８４】そこで、主制御装置５０では、前述のよう
にして位置ずれ量（Δξ，Δη）を算出した後、所定の
演算プログラムを用いて、位置ずれ量（Δξ，Δη）に
基づいて、前述した原理に従って、各領域Ｓ_i,jに対応
する、すなわち投影光学系ＰＬの視野内の第１計測点〜
第ｎ計測点に対応する波面（波面収差）、ここでは、ツ
ェルニケ多項式の各項の係数、例えば第２項の係数Ｚ₂
〜第３６項の係数Ｚ₃₆を演算する。

【００８５】ところで、本実施形態の露光装置１０で
は、定期的にメンテナンスが行われる。その際に、前述
した計測用レチクルＲ_T及びＣＣＤエリアイメージセン
サ４５等を用いて、前述した手順で波面収差の計測が行
われ、その計測結果に基づいて、投影光学系ＰＬが調整
される。この調整は、例えば、主制御装置５０が波面収
差の計測結果に基づいて、非点収差、コマ収差、ディス
トーション、像面湾曲（又はフォーカス）、球面収差な
どの低次収差、すなわちザイデルの５収差等を求め、こ
れらの収差を補正すべき旨の指令を結像特性補正コント
ローラ４８に与える。これにより、結像特性補正コント
ローラ４８により、可動レンズ１３₁〜１３₄のうちの少
なくとも１つの所定の可動レンズを、少なくとも１自由
度方向に駆動する所定の駆動素子に対する印加電圧が制
御され、前記所定の可動レンズの位置及び姿勢の少なく
とも一方が調整され、投影光学系ＰＬの結像特性、例え
ばディストーション、像面湾曲、コマ収差、球面収差、
及び非点収差等が補正される。

【００８６】この場合において、予め各可動レンズの各
自由度方向の単位駆動量と、波面収差（ツェルニケ多項
式の各項の係数）の変化量との関係を予め求め、これを
データベースとしてメモリ内に記憶しておくとともに、
このデータベースとツェルニケ多項式の各項の係数とに
基づいて結像特性の調整量を演算する調整量演算プログ
ラムを準備しておくこととしても良い。このようにする
と、主制御装置５０では、波面収差の計測結果（ツェル
ニケ多項式の各項の係数の算出値）が得られた時点で、
上記のデータベースとその得られた波面収差の計測結果
とを用いて上記の調整量演算プログラムに従って、可動
レンズ１３₁〜１３₄を各自由度方向に駆動すべき調整量
を演算し、この調整量の指令値を、結像特性補正コント
ローラ４８に与える。これにより、結像特性補正コント
ローラ４８により、可動レンズ１３₁〜１３₄をそれぞれ
の自由度方向に駆動する各駆動素子に対する印加電圧が
制御され、可動レンズ１３₁〜１３₄の位置及び姿勢の少
なくとも一方がほぼ同時に調整され、投影光学系ＰＬの
結像特性、例えばディストーション、像面湾曲、コマ収
差、球面収差、及び非点収差等が補正される。なお、コ
マ収差、球面収差、及び非点収差については、低次のみ
ならず高次の収差をも補正可能である。

【００８７】本実施形態の露光装置１０では、半導体デ
バイスの製造時には、レチクルとしてデバイス製造用の
レチクルＲがレチクルステージＲＳＴ上に装填され、そ
の後、レチクルアライメント及び不図示のウエハアライ
メント系のいわゆるベースライン計測、並びにＥＧＡ
（エンハンスト・グローバル・アライメント）等のウエ
ハアライメントなどの準備作業が行われる。その後、ウ
エハアライメント結果に基づいて、ウエハＷ上の各ショ
ット領域をレチクルパターンの投影位置に位置決めする
ショット間ステッピング動作と露光動作とを繰り返す、
ステップ・アンド・リピート方式の露光が行われる。な
お、露光時の動作等は通常のステッパと異なるところが
ないので、詳細説明については省略する。

【００８８】但し、露光装置１０では、露光に先立っ
て、前述したメンテナンス時、あるいはその他必要なタ
イミングで、前述した投影光学系ＰＬの結像特性の補正
（調整）が行われ、この結像特性補正後の投影光学系Ｐ
Ｌを用いて、上記のステップ・アンド・リピート方式の
露光が行われる。

【００８９】次に、露光装置１０の製造方法について説
明する。露光装置１０の製造に際しては、まず、複数の
レンズ、ミラー等の光学素子などを含む照明光学系１
２、投影光学系ＰＬ、多数の機械部品から成るレチクル
ステージ系やウエハステージ系などを、それぞれユニッ
トとして組み立てるとともに、それぞれユニット単体と
しての所望の性能を発揮するように、光学的な調整、機
械的な調整、及び電気的な調整等を行う。

【００９０】次に、照明光学系１２や投影光学系ＰＬな
どを露光装置本体に組むとともに、レチクルステージ系
やウエハステージ系などを露光装置本体に取り付けて配
線や配管を接続する。

【００９１】次いで、照明光学系１２や投影光学系ＰＬ
については、光学的な調整を更に行う。これは、露光装
置本体への組み付け前と組み付け後とでは、それらの光
学系、特に投影光学系ＰＬの光学特性が微妙に変化する
からである。本実施形態では、この露光装置本体へ組み
込み後に行われる投影光学系ＰＬの光学的な調整に際し
て、前述した計測用レチクルＲ_T及びＣＣＤエリアイメ
ージセンサ４５等を用いて、前述した手順で、投影光学
系ＰＬの波面収差の計測を行う。そして、この波面収差
結果に基づいて、前述のメンテナンス時と同様にして、
ザイデル収差等の補正が行われる。また、より高次の収
差に基づいて必要であればレンズ等の組付けを再調整す
る。なお、再調整により所望の性能が得られない場合な
どには、一部のレンズを再加工する必要も生じる。な
お、投影光学系ＰＬの光学素子の再加工を容易に行うた
め、投影光学系ＰＬを露光装置本体に組み込む前に前述
の波面収差を計測し、この計測結果に基づいて再加工が
必要な光学素子の有無や位置などを特定し、その光学素
子の再加工と他の光学素子の再調整とを並行して行うよ
うにしても良い。

【００９２】その後、更に総合調整（電気調整、動作確
認等）をする。これにより、光学特性が高精度に調整さ
れた投影光学系ＰＬを用いて、レチクルＲのパターンを
ウエハＷ上に精度良く転写することができる、本実施形
態の露光装置１０を製造することができる。なお、露光
装置の製造は温度およ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。

【００９３】以上説明したように、本実施形態による
と、投影光学系ＰＬの波面収差の計測に際し、計測用レ
チクルＲ_TがレチクルステージＲＳＴ上に装填され、レ
チクルアライメントが行われた状態で、計測用レチクル
Ｒ_T上の複数の計測用パターン６７_i,jが照明光で照明さ
れる。これにより、各計測用パターン６７_i,jが、個別
に対応するピンホール状の開口７０_i,j及び投影光学系
ＰＬを介してウエハステージＷＳＴ上に設けられた、投
影光学系ＰＬの像面と共役な面に配置されたＣＣＤエリ
アイメージセンサ４５の撮像面に投影される。このと
き、各計測用パターン６７_i,jの像は、前述の如く、投
影光学系ＰＬによりそれぞれの計測用パターン６７_i,j
を介した光の波面の理想波面に対する傾きに応じてずれ
た位置に結像される。そして、ＣＣＤエリアイメージセ
ンサ４５によりそのずれた位置に結像された各計測用パ
ターン６７_i,jの投影像６７’_i,jが撮像される。

【００９４】そして、主制御装置５０により、その撮像
結果に基づいて得られる各計測用パターンの投影位置の
基準位置からの位置ずれ量に基づいて、所定の演算プロ
グラムに従って投影光学系ＰＬの波面収差が算出され
る。

【００９５】また、本実施形態では、各計測用パターン
６７_i,jとして、Ｘ軸に対して角度θを成し所定幅を有
する複数本の直線状パターンが所定ピッチで配列された
ラインアンドスペースパターンと、Ｙ軸に対して角度θ
を成し所定幅を有する複数本の直線状パターンが所定ピ
ッチで配列されたラインアンドスペースパターンとが、
相互に直交して形成された網目状（ストリートライン
状）のパターンが用いられている。そして、各計測用パ
ターンのＸ軸方向に関する位置ずれ量は、Ｘ軸に対して
角度θを成す直線状パターン部分のＸ軸方向に関する位
置ずれ量を（１／ｔａｎθ）倍に拡大した量の計測結果
に基づいて算出され、Ｙ軸方向に関する位置ずれ量は、
前記直線状パターン部分のＹ軸方向に関する位置ずれ量
を（１／ｔａｎθ）倍に拡大した量の計測結果に基づい
て算出される。従って、実質的に位置ずれ量を上記拡大
倍率に応じた高い分解能で計測することが可能となり、
位置ずれ量の計測精度、ひいては波面収差の計測精度の
向上が可能となる。

【００９６】従って、本実施形態によると、マイクロレ
ンズアレイを用いることなく、投影光学系の波面収差を
高精度に計測することが可能となっている。

【００９７】また、本実施形態によると、メンテナンス
時等において定期的に投影光学系ＰＬの波面収差が精度
良く計測され、この精度良く計測された波面収差の計測
結果に基づいて投影光学系ＰＬが調整されるので、投影
光学系ＰＬの光学特性を精度良く調整することができ
る。

【００９８】そして、本実施形態に係る露光装置による
と、露光に先立って、上述の如くして光学特性が調整さ
れた投影光学系ＰＬを用いて、レチクルＲのパターンが
ウエハＷ上に転写されるので、レチクルＲのパターンを
ウエハＷ上に精度良く転写することが可能になる。

【００９９】さらに、本実施形態によると、露光装置１
０の製造時においても、投影光学系ＰＬを露光装置本体
に組み込んだ後において、前述のように投影光学系ＰＬ
の波面収差が計測され、その計測された波面収差に基づ
いて投影光学系ＰＬを調整するので、投影光学系の結像
特性が精度良く調整される。従って、投影光学系の結像
特性が精度良く調整された露光装置１０が製造され、該
露光装置１０を用いて露光を行うことにより、レチクル
パターンを投影光学系ＰＬを介してウエハ上に精度良く
転写することが可能になる。

【０１００】なお、上記実施形態では、計測用パターン
の基準位置に対する位置ずれ量を１／ｔａｎθ倍に拡大
した量を計測し、これをｔａｎθ倍して求める場合につ
いて説明したが、本発明がこれに限定されるものではな
い。すなわち、ＣＣＤエリアイメージセンサ４５の分解
能が十分に高ければ、位置ずれ量を直接計測しても良
い。かかる場合であっても、マイクロレンズアレイを用
いることなく、上記実施形態と同様に、計測した位置ず
れ量に基づいて投影光学系ＰＬの波面収差を精度良く求
めることは可能である。この場合においても、露光装置
の製造段階、及び製造後のいずれのときにおいても、波
面収差を高精度に計測し、その計測結果に基づいて、投
影光学系ＰＬの光学特性を高精度に調整することができ
る。また、この光学特性が精度良く調整された投影光学
系ＰＬを用いてレチクルパターンをウエハ上に精度良く
転写することができる。また、上記実施形態ではＣＣＤ
エリアイメージセンサ４５の画素を基準として計測用パ
ターンの投影像の位置ずれ量を計測するものとしたが、
例えばＣＣＤエリアイメージセンサ４５の撮像面に近接
して基準パターンを配置し、この基準パターンに対する
計測用パターンの投影像の位置ずれ量を計測するように
しても良い。また、上記実施形態において、レンズ系４
３を拡大系として計測用パターンの投影位置の検出精度
の向上を図るようにしても良い。ＣＣＤエリアイメージ
センサ４５の撮像面に近接して基準パターンを配置する
場合も同様である。

【０１０１】なお、上記実施形態において、投影光学系
ＰＬの像面とＣＣＤエリアイメージセンサ４５とを共役
関係にするレンズ系４３の光学特性を計測しておき、例
えばこの計測結果を用いて前述の位置ずれ量を求める、
あるいは投影光学系の光学特性の計測結果を補正するこ
とが好ましい。これにより、そのレンズ系４３に起因し
た光学特性の計測誤差を低減することができる。

【０１０２】なお、上記実施形態において、ＣＣＤエリ
アイメージセンサ４５に代えて、複数の計測用パターン
の各投影位置に対応して、例えば複数の計測用パターン
と対応する位置関係で、複数の撮像素子を投影光学系の
像面（又はその共役面）に配置して各撮像素子により対
応する計測用パターンの投影位置（すなわち各撮像素子
を基準とする対応する計測用パターンの投影位置）を計
測しても良い。この場合、複数の撮像素子の位置関係
（間隔など）を計測しておき、例えばこの計測結果を考
慮して、計測用パターン毎に前述の位置ずれ量を求め
る、あるいは投影光学系の光学特性の計測結果を補正す
ることが望ましい。これにより、撮像素子の位置誤差な
どに起因した光学特性の計測誤差を低減することができ
る。同様に、ＣＣＤエリアイメージセンサ４５の各画素
の配列を正確に計測しておき、この計測結果を考慮し
て、計測用パターン毎に前述の位置ずれ量を求める、あ
るいは投影光学系の光学特性の計測結果を補正すること
としても良い。

【０１０３】また、上記実施形態では、撮像素子として
２次元撮像素子であるＣＣＤエリアイメージセンサを用
いる場合について説明したが、本発明がこれに限定され
るものではない。すなわち、撮像素子としてＣＣＤライ
ンセンサなどの１次元撮像素子を用い、これを画素の配
列方向とは直交する方向に移動しつつ、計測用パターン
の投影像の撮像を行うことにより、各投影像の投影位置
の基準位置に対する位置ずれ量を計測し、この位置ずれ
量に基づいて投影光学系ＰＬの波面収差を求めることも
可能である。

【０１０４】あるいは、少なくとも１つの撮像素子を第
２面（投影光学系の像面又はこの共役面）内で移動して
各計測用パターンの投影像を検出しても良い。この場合
には、撮像素子の移動時に生じ得る位置決め誤差を例え
ば計測用パターンの投影位置毎に計測しておき、この計
測結果を考慮して計測用パターン毎に前述の位置ずれ量
を求める、あるいは投影光学系の光学特性の計測結果を
補正することが望ましい。これにより、撮像素子の移動
時の位置決め誤差などに起因した光学特性の計測誤差を
低減することができる。

【０１０５】なお、上記実施形態において、計測用レチ
クル上での複数の計測用パターンの位置関係（間隔な
ど）を計測しておき、例えばこの計測結果をも考慮して
投影光学系ＰＬの光学特性を求めることが望ましい。こ
れにより、計測用レチクル上での計測用パターンの位置
誤差（描画誤差）に起因した投影光学系ＰＬの光学特性
の計測誤差を低減することができる。この場合も、上記
と同様に、前述の位置ずれ量を求める際に、計測用パタ
ーンの位置誤差を考慮しても良いし、光学特性の計測結
果を計測用パターンの位置誤差を用いて補正しても良
い。

【０１０６】また、上記実施形態では、投影光学系ＰＬ
の光学特性として波面収差を求める場合について説明し
たが、これに限らず、上記各計測用パターンの投影位置
の所定の基準位置からの位置ずれ量に基づいて、波面収
差以外の光学特性を求めることは可能である。

【０１０７】なお、上記実施形態では、Ｚチルトステー
ジ５８にＣＣＤエリアイメージセンサを有する撮像部４
２が固定的に設けられた場合について説明したが、これ
に限らず、ウエハホルダの交換機構を備える場合（ウエ
ハの搬送系がウエハホルダの搬送系を兼ねる場合を含
む）には、ウエハホルダ２５に撮像素子（ＣＣＤエリア
イメージセンサなど）を組み込み、そのウエハホルダを
前記交換機構により非露光時にウエハステージ上に搭載
し、そのウエハホルダを用いて投影光学系の波面収差を
計測するようにしても良い。この場合、実際の露光に先
立って、その計測に用いたウエハホルダを露光に用いる
ウエハホルダに再度交換するようにすれば良い。また、
上記のウエハホルダには、撮像素子とともに基準照度計
などを組み込むようにしても良い。

【０１０８】また、上記実施形態では、撮像素子（ＣＣ
Ｄエリアイメージセンサ）を、投影光学系の像面の共役
面に配置した状態で、投影像の撮像を行う場合について
説明したが、これに限らず、投影光学系ＰＬの像面近傍
の面（上記実施形態ではＺチルトステージ５８上の受光
ガラスの配置面）に撮像素子を直接配置することとして
も良く、撮像部４２の小型化を図ることができる。更
に、投影光学系ＰＬの投影視野（照明光の照射領域）に
対応して複数の計測用パターンをレチクルに形成するこ
となく、少なくとも１つの計測用パターンをレチクルに
形成するだけでも良く、この場合は投影光学系の物体面
（第１面）内でそのレチクルを移動することになる。こ
のとき、レチクルステージＲＳＴの移動時に生じ得る位
置決め誤差を、例えば計測用パターンを配置すべき位置
毎に計測しておき、この計測結果を用いて計測用パター
ン毎に前述の位置ずれ量を求める、あるいは投影光学系
の光学特性の計測結果を補正することが望ましい。更
に、上記実施形態では計測用レチクルを用いるものとし
たが、例えばレチクルステージＲＳＴ上に少なくとも１
つの計測用パターンを形成するとともに、投影光学系の
光学特性の計測時にピンホールが形成されたプレートを
レチクルのパターン面に近接して配置する、あるいはレ
チクルステージの下面にその計測用パターンに近接して
ピンホール板を設けても良い。すなわち、光学特性の計
測に用いるマスクはマスク又はレチクルに限られるもの
ではなく、例えばレチクルステージなどに設けられるパ
ターン板などであっても良い。

【０１０９】なお、上記実施形態では、本発明がステッ
パに適用された場合について説明したが、これに限ら
ず、例えば米国特許第５，４７３，４１０号等に開示さ
れるマスクと基板とを同期移動してマスクのパターンを
基板上に転写する走査型の露光装置にも適用することが
できる。

【０１１０】露光装置の用途としては半導体製造用の露
光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプ
レートに液晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光
装置や、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシーン及びＤＮＡ
チップなどを製造するための露光装置にも広く適用でき
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。

【０１１１】また、上記実施形態の露光装置の光源は、
Ｆ₂レーザ光源、ＡｒＦエキシマレーザ光源、ＫｒＦエ
キシマレーザ光源などの紫外パルス光源に限らず、ｇ線
（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）などの輝
線を発する超高圧水銀ランプを用いることも可能であ
る。

【０１１２】また、ＤＦＢ半導体レーザ又はファイバー
レーザから発振される赤外域、又は可視域の単一波長レ
ーザ光を、例えばエルビウム（又はエルビウムとイッテ
ルビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増
幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高
調波を用いても良い。また、投影光学系の倍率は縮小系
のみならず等倍および拡大系のいずれでも良い。

【０１１３】なお、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。

【０１１４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の波面収差
計測方法によれば、マイクロレンズアレイを用いること
なく、投影光学系の波面収差を高精度に計測することが
できるという効果がある。

【０１１５】また、本発明の投影光学系の調整方法によ
れば、投影光学系の光学特性を精度良く調整することが
できるという効果がある。

【０１１６】また、本発明の露光方法によれば、マスク
のパターンを基板上に精度良く転写することが可能な露
光方法が提供される。

【０１１７】また、本発明の露光装置の製造方法によれ
ば、マスクのパターンを基板上に精度良く転写すること
が可能な露光装置の製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図
である。

【図２】図１のＺチルトステージを一部破断し、かつ一
部省略して示す拡大図である。

【図３】計測用レチクルを示す概略斜視図である。

【図４】レチクルステージ上に装填した状態における計
測用レチクルの光軸近傍のＸＺ断面の概略図を投影光学
系の模式図とともに示す図である。

【図５】図３のガラス基板を取り出して示す底面図であ
る。

【図６】ＣＣＤエリアイメージセンサの撮像面に形成さ
れる計測用パターンの縮小像（投影像）を示す図であ
る。

【図７】計測用パターンの位置ずれ量を拡大して計測す
る方法を示す図である。

【符号の説明】

１０…露光装置、４５…ＣＣＤエリアイメージセンサ
（撮像素子）、６６…開口板、６７_i,j…計測用パター
ン、７０_i,j…ピンホール状の開口、ＥＬ…照明光、Ｐ
Ｌ…投影光学系、Ｒ…レチクル（マスク）、Ｒ_T…計測
用レチクル（計測用マスク）、Ｗ…ウエハ（基板）。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１面上のパターンを第２面上に投影す
る投影光学系の波面収差を計測する波面収差計測方法で
あって、前記第１面上に所定の位置関係で配置された複数の計測
用パターンを照明光により照明し、前記複数の計測用パ
ターンのそれぞれを当該各計測用パターンに個別に対応
して設けられたピンホール状の開口及び前記投影光学系
を介して前記第２面上に投影する工程と；前記各計測用
パターンの投影像を前記第２面上に配置された撮像素子
で撮像する工程と；前記撮像結果に基づいて得られる前
記各計測用パターンの投影位置の基準位置からの位置ず
れ量に基づいて前記投影光学系の波面収差を求める工程
と；を含む波面収差計測方法。
【請求項２】前記撮像素子は、画素が直交２軸方向に
マトリクス状に配列された２次元撮像素子であり、前記各計測用パターンは、前記直交２軸方向のいずれか
である特定方向に対して所定角度θ（０°＜θ＜４５
°）で交差する所定幅の直線状パターン部分を含み、前記各計測用パターンの前記特定方向に関する位置ずれ
量は、前記直線状パターン部分の前記特定方向の位置ず
れ量を（１／ｔａｎθ）倍に拡大した量の計測結果に基
づいて算出され、前記特定方向に直交する方向の位置ず
れ量は、前記直線状パターン部分の前記特定方向に直交
する方向の位置ずれ量を（１／ｔａｎθ）倍に拡大した
量の計測結果に基づいて算出されることを特徴とする請
求項１に記載の波面収差計測方法。
【請求項３】請求項１又は２に記載の波面収差計測方
法を用いて投影光学系の波面収差を計測する工程と；前
記波面収差の計測結果に基づいて前記投影光学系を調整
する工程と；を含む投影光学系の調整方法。
【請求項４】マスクのパターンを投影光学系を介して
基板上に転写する露光方法であって、請求項３に記載の調整方法により前記投影光学系を調整
する工程と；前記調整された投影光学系を介して前記パ
ターンを前記基板上に転写する工程と；を含む露光方
法。
【請求項５】マスクのパターンを投影光学系を介して
基板上に転写する露光装置の製造方法であって、請求項１又は２に記載の波面収差計測方法を用いて投影
光学系の波面収差を計測する工程と；前記波面収差の計測結果に基づいて前記
投影光学系を調整する工程と；を含む露光装置の製造方
法。