JP2004029372A - マスク、結像特性計測方法、露光方法、及びデバイス製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】投影光学系の結像特性を精度良くかつ効率良く計測する。
【解決手段】まず、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる回折格子の山形のパターンをウエハに転写し、ウエハ上に転写像ＴＰ１Ｗを形成する。ウエハ上の転写像ＴＰ１Ｗの転写位置は、そのときのデフォーカス量に比例してＹ軸方向にずれる（ΔＹ）。次に、逆向きの山形のパターンを転写像ＴＰ１Ｗに重ねて転写し、転写像ＴＰ２Ｗを形成する。そして、ウエハ上の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗとの重なり部に形成されたマーク像ＳＭ１の長い方（Ｘ軸方向）の対角線の長さを計測する。この対角線の長さに基づいて、符号付きのデフォーカス量を算出することができる。
【選択図】 図９
【解決手段】まず、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる回折格子の山形のパターンをウエハに転写し、ウエハ上に転写像ＴＰ１Ｗを形成する。ウエハ上の転写像ＴＰ１Ｗの転写位置は、そのときのデフォーカス量に比例してＹ軸方向にずれる（ΔＹ）。次に、逆向きの山形のパターンを転写像ＴＰ１Ｗに重ねて転写し、転写像ＴＰ２Ｗを形成する。そして、ウエハ上の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗとの重なり部に形成されたマーク像ＳＭ１の長い方（Ｘ軸方向）の対角線の長さを計測する。この対角線の長さに基づいて、符号付きのデフォーカス量を算出することができる。
【選択図】 図９
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスク、結像特性計測方法、露光方法、及びデバイス製造方法に係り、更に詳しくは、露光装置の投影光学系の結像特性の計測に用いて好適なマスク、該マスクを用いて投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法、該結像特性計測方法によって計測された投影光学系の結像特性を考慮して露光を行う露光方法、並びに該露光方法を利用してデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子、液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成されたパターンを、投影光学系を介してレジスト等が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の物体（以下、適宜「ウエハ」ともいう）上に転写する露光装置が用いられている。近年では、この種の装置としては、スループットを重視する観点から、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、このステッパを改良したステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置などの逐次移動型の投影露光装置が、比較的多く用いられている。
【０００３】
また、このような露光装置では、露光（レチクルパターンのウエハ上への転写）の際のフォーカスずれや投影光学系の収差によって投影像の精度が大きく変化してしまうため、投影光学系の最良フォーカス位置、収差等の結像特性を精度良く計測する技術が必要とされている。
【０００４】
投影光学系の光学特性、例えばパターンが結像される像面の形状の正確な計測には、投影光学系の視野内の各計測点における最適なフォーカス位置（最良フォーカス位置）を正確に計測できることが前提となる。
【０００５】
最良フォーカス位置を計測する１つの方法が、特開２００２―５５４３５号公報に開示されている。この方法では、＋１次光と−１次光とで回折効率が異なる非対称な回折格子を用い、その非対称回折格子の像の転写位置が投影光学系のデフォーカスに比例して横方向にシフト（横ずれ）することを利用し、その横ずれ量を計測することによって投影光学系の符号つきのデフォーカス量を計測している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の計測方法にあっては、計測対象である非対称回折格子の像の横ずれ量が非常に小さく、例えば、テストレチクル上に形成された非対称回折格子のパターンの製造誤差、特にパターン線幅の誤差による影響などを無視することができないほどに小さいため、符号つきのデフォーカス量を正確に計測するのが困難であるという不都合があった。
【０００７】
また、上記従来の計測方法では、その横ずれ量をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で計測するため、ＳＥＭのフォーカス合わせを厳密に行う必要があった。また、ＳＥＭで計測する場合には、１点当たりの計測時間が非常に長くなり、多数点の計測を行おうとすると、数時間から数十時間が必要となる。
【０００８】
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、投影光学系の結像特性の計測に好適に用いることができるマスクを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、投影光学系の結像特性を精度良くかつ効率良く計測することができる結像特性計測方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の第３の目的は、高精度な露光を実現することができる露光方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第４の目的は、高集積度のデバイスの生産性を向上させることができるデバイス製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターン（ＴＰ１）を含み、同一次数の正側の回折光と負側の回折光（即ち±ｎ次回折光（ｎは自然数））との回折効率が異なる第１マーク（ＳＰ１）と、前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターン（ＴＰ２）を含む第２マーク（ＳＰ２）とが、相互に重ならないように、そのパターン面（ＰＡ）に形成されたマスク基板（４２）を備えるマスク（ＲＴ）である。
【００１３】
このマスクを用いて、例えば投影露光装置の符号つきのデフォーカス量を計測する場合を考える。例えば、第１回目の露光により、第１マークに含まれる第１パターンの配列を物体上に転写し、次いで、第２回目の露光により、第２マークに含まれる第２パターンを、第１パターンの転写像に重ね合わせて転写する。これにより、第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部の像（潜像、レジスト像などを含む。以下「マーク像」という）が形成される。
【００１４】
第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なっているため、物体上の第１パターンの転写像の形成位置は、投影光学系のデフォーカス量に比例して所定軸方向（第１パターンの配列方向）にずれる。第１パターンの転写像の形成位置がずれると、第１パターンと第２パターンとの相対的な所定軸方向の重ね位置が変化し、その重なり部に形成されるマーク像の形状が変化する。したがって、マーク像の形状を計測し、計測されたマーク像の形状と、設計上のマーク像の形状とを比較すれば、そのときの投影光学系の符号つきのデフォーカス量を求めることができる。一般的に、第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向のずれよりも、マーク像の形状の変化の方が観測しやすい。そのため、第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向に沿ったずれ量を計測するよりも、マーク像の形状の変化を計測した方が、符号つきのデフォーカス量をより高精度に計測することができる。
【００１５】
この場合において、マーク像の形状の計測は、物体を現像することなく物体上に形成された潜像に対して行っても良いし、上記マーク像が形成された物体を現像した後、物体上に形成されたレジスト像、あるいはレジスト像が形成された物体をエッチング処理して得られる像（エッチング像）に対して行っても良い。また、第１及び第２パターンの転写像が形成される物体上の感応層はレジスト層に限られるものでなく、例えば光磁気層などでもよい。
【００１６】
また、上記マーク像の形状は観測しやすいため、例えば、その観測に、露光装置に設けられているアライメント検出系（ＬＳＡ系、ＦＩＡ系）などを用いることができる。
【００１７】
また、本発明のマスクは、透過型マスクであってもよいし、反射型マスクであってもよい。
【００１８】
この場合において、第１、第２パターンとしては、種々のパターンが考えられるが、請求項２に記載のマスクのごとく、前記第１パターンおよび前記第２パターンのいずれか一方のパターンは、前記所定軸方向のうちの一方の方向に対して時計回りに角度θ１（９０°＜θ１＜１８０°）を成す第１方向に延びる線状の第１部分と、前記一方の方向に対して時計回りに角度θ２（０°＜θ２＜９０°）を成す第２方向に延びる線状の第２部分とを有する、前記一方の方向に凸の山形のパターンであることとすることができる。この場合、請求項３に記載のマスクのごとく、前記第１パターンおよび前記第２パターンのうちの他方のパターンは、前記第１方向に延びる線状の第１部分と前記第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、前記所定軸方向のうち他方の方向に凸の山形のパターンであるとしてもよいし、請求項４に記載のマスクのごとく、前記第１パターンおよび前記第２パターンのうちの他方のパターンは、前記第１方向および前記第２方向に対し角度（θ１−θ２）／２を成す方向に延びるラインパターンであるとしてもよい。
【００１９】
本明細書において、「山形」とは、異なる方向に延びる２つの線状の部分から構成されている形状を意味し、くの字形やＶ字形、及びそれらを変形（例えば、回転、拡大縮小（全体及び一部分）など）した形状を含む概念である。また、第１部分と第２部分の長さは、必ずしも同一でなくとも良い。
【００２０】
請求項２〜４のいずれか一項に記載のマスクを用いて、第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部に形成されるマーク像は、デフォーカス量に応じて形状が変化する菱形もしくは三角形となるが、第１方向と第２方向との成す角θ１−θ２においては、請求項５に記載のマスクのごとく、θ１−θ２＜９０°であることとすることができる。このようにすれば、デフォーカス量に応じた第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向に沿ったずれ量よりも、マーク像の所定軸方向に垂直な方向の長さの変化量の方が大きくなり、デフォーカス量の計測の分解能が向上する。
【００２１】
上記請求項１〜５のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項６記載のマスクのごとく、前記第１マークには、前記第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率を異ならせるために、入射光の位相を異ならせる第１領域と第２領域とが設けられていることとすることができる。マスクを透過する光の位相をシフトさせる技術としては、例えば、位相シフトマスクがある。この位相シフトマスクとしては、レベンソン型や、ハーフトーン型や、クロムレス型など、様々な形態のものを採用することができる。
【００２２】
この場合、請求項７に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記同一次数の正側の回折光と負側の回折光との一方で回折効率がほぼ零となることとすることができる。これによれば、正側の回折光と負側の回折光のいずれか一方はほぼ完全に消滅し、デフォーカス量に応じた第１パターンの転写像の形成位置のずれ量が大きくなるので、符号つきのデフォーカス量をより高精度に計測することができる。
【００２３】
上記請求項６又は７に記載のマスクにおいて、請求項８に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記第１領域と前記第２領域とで前記同一次数の正側の回折光と負側の回折光との一方での位相差がほぼ（２ｍ＋１）π（ｍは整数）となることとすることができる。
【００２４】
上記請求項６〜８のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項９に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記第１領域と前記第２領域とで前記入射光の位相差を９０°又はこれと同等とすることとすることができる。「９０°又はこれと同等」とは、９０°±（３６０°×ｋ）で表される角度、例えば、４５０°、−２７０°などを指す。なおｋは整数である。
【００２５】
また、上記請求項６〜９のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１０に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記所定軸方向に関する前記第１パターンの幅と前記第１及び第２領域の幅とがほぼ等しいこととすることができる。
【００２６】
また、上記請求項６〜１０のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１１に記載のマスクのごとく、前記所定間隔と、前記第１領域の前記所定軸方向の幅と、前記第２領域の前記所定軸方向の幅との比が４：１：１であることとすることができる。
【００２７】
本発明では、第１マークにおける正側の回折光および負側の回折光のいずれか一方の回折効率がほぼ０であることが望ましい。上述のような諸条件を設定すれば、第１領域から透過する光の±ｎ次の回折光（ｎは自然数）と、第２領域を透過する光の±ｎ次の回折光との位相差は、０°と同等か１８０°と同等かのいずれかとなり、±ｎ次の回折光のいずれか一方を、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とで相殺し、ほぼ完全に消滅させることができる。
【００２８】
また、上記請求項１〜１１のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１２に記載のマスクのごとく、前記第２マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第２パターンを含むこととすることができる。
【００２９】
これによれば、複数のマーク像を形成することができるようになるため、各マーク像の計測値を平均化するなどして、デフォーカス量の計測精度をさらに高めることができる。
【００３０】
この場合、請求項１３に記載のマスクのごとく、前記第２マークでは、前記正側の回折光および前記負側の回折光のうち、前記第１マークにおいて回折効率が大きい方の符号の回折光の回折効率が小さく、前記第１マークにおいて回折効率が小さい方の符号の回折光の回折効率が大きくなるように各回折光の回折効率が設定されている（即ち、前記第１マークと前記第２マークとで回折効率が大きくなる回折光の符号を異ならせる）こととすることができる。
【００３１】
これによれば、第２パターンの転写像の形成位置が、デフォーカス量に応じて第１パターンの転写像の形成位置がずれる方向とは逆の方向にずれるようになるので、デフォーカス量に応じたマーク像の形状の変化量がより大きくなる。そのため、デフォーカス量の計測の分解能が向上する。
【００３２】
上記請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１４に記載のマスクのごとく、第３パターン（ＴＰ３）を含む第３マーク（ＳＰ３）と、前記第３パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターン（ＴＰ４）を含む第４マーク（ＳＰ４）とが、相互に重ならないように、かつ、前記第１マーク及び第２マークにも重ならないように、前記パターン面（ＰＡ）に各々形成されていることとすることができる。
【００３３】
このマスクを用いて投影露光装置の符号付きのデフォーカス量を計測する場合を考える。例えば、第１回目の露光により、第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを物体上に転写し、次いで、第２回目の露光により、第２マークの第２パターンおよび第４マークの第４パターンを、第１パターンの転写像および第３パターンの転写像にそれぞれ重ね合わせて転写する。これにより、第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部の像（潜像、レジスト像などを含む。以下「比較マーク像」という）と、第３パターンと第４パターンとの転写像同士の重なり部の像（潜像、レジスト像などを含む。以下「基準マーク像」という）とが形成される。
【００３４】
前述のように、基準マーク像は、第３パターンと第４パターンの相対的な重ね位置に依存しない一定形状を有しており、比較マーク像は第１パターンと第２パターンの相対的な重ね位置に依存して変化する形状を有している。前述のように、第１パターンの転写像の形成位置は、デフォーカス量に応じて所定軸方向にずれるため、デフォーカス量に応じて比較マーク像の形状が変化する。そこで、基準マーク像と比較マーク像の形状の違いを計測することによって、符号付きのデフォーカス量を求めることができる。
【００３５】
この場合において、請求項１５に記載のマスクのごとく、前記第３パターンは、前記所定軸方向に対して時計回りに角度θ３（９０°＜θ３＜１８０°）を成す第３方向に延びるラインパターンであり、前記第４パターンは、前記所定軸方向に対して時計回りに角度θ４（０°＜θ４＜９０°）を成す前記第４方向に延びるラインパターンであることとすることができる。
【００３６】
これによれば、第３パターンおよび第４パターンの転写像の形成位置がフォーカスずれや他の要因等によって所定軸方向に位置ずれしたとしても、第３パターンと第４パターンとの転写像同士の重なり部に形成される菱形のマーク像は、形状が一定となるので、そのマーク像をデフォーカス量の計測の際の基準とすることができる。このようにすれば、比較マーク像の形状を、設計上のマーク像の形状と比較するのでなく、像形成条件が同一の条件で形成された基準マーク像の形状と比較するので、投影光学系の諸収差や露光条件やレチクル上のパターンの製造誤差などの影響を排除して、より高精度にデフォーカス量を計測することができる。
【００３７】
この場合、第３方向の角度θ３および第４方向の角度θ４については、請求項１６に記載のマスクのごとく、θ１＝θ３およびθ２＝θ４の関係が成立することとしてもよいし、請求項１７に記載のマスクのごとく、θ３−θ４＝（θ１−θ２）／２の関係が成立することとしてもよい。
【００３８】
これによれば、比較マーク像が菱形（一組の対角がθ１−θ２）であっても三角形（底角が（θ１−θ２）／２））であっても、基準マーク像の一組の対角をそれらの角度と同じにすれば、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の形成具合が同程度になり、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響がほぼ同程度になるとみなすことができる。したがって、結果的に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【００３９】
上記請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１８に記載のマスクのごとく、前記第３マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第３パターンを含むこととすることができる。
【００４０】
この場合、請求項１９に記載のマスクのごとく、前記第４マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第４パターンを含むこととすることができる。
【００４１】
さらに、請求項２０に記載のマスクのごとく、前記第３マークは、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比が、前記第１マークと同じであり、前記第４マークは、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比が、前記第２マークと同じであることとすることができる。
【００４２】
これによれば、第１マークの第１パターンの形成位置と第３マークの第３パターンの形成位置とのデフォーカスに起因する所定軸方向のずれ量と、第２マークの第２パターンの形成位置と第４マークの第４パターンの形成位置とのデフォーカスに起因する所定軸方向のずれ量が同じとなる。また、第３マークの各回折光と第１マークの各回折光との回折効率が同じとなり、それらの回折光によるトータルの光の強度が同じとなり、第４マークの各回折光と第２マークの各回折光との回折効率が同じとなるため、それらの回折光によるトータルの光の強度も同じとなる。以上のことから、基準マーク像、比較マーク像の形成精度が同程度となるので、デフォーカス量をさらに精度よく計測することができるようになる。
【００４３】
請求項２１に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマスクを用いて投影光学系（ＰＬ）の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、第１マークの第１パターンを、前記投影光学系を介して物体（Ｗ）上に転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して前記物体上の前記第１パターンの転写像に第２マークの第２パターンを重ねて転写する第２露光工程と；前記物体上の前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成されたマーク像（ＳＭ１）を検出する計測工程と；前記マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００４４】
これによれば、まず、第１露光工程では第１マークの第１パターンを物体上に転写した後、第２露光工程では第２パターンを第１パターンの転写像に重ね合わせて転写する。これにより、第１パターンの転写像に重ね合わせて第２パターンが転写される。上記の第１パターンと第２パターンの転写の結果、物体上の第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部にマーク像（潜像など）が形成される。そして、計測工程ではマーク像が検出され、算出工程ではその検出結果（例えば、前記マーク像の長さ又は形状などに関連する情報）に基づいて投影光学系の結像特性、例えば、符号付きのデフォーカス量が算出される。この場合、マーク像は、第１パターンと第２パターンとの相対的な重ね位置に依存して変化する形状を有している。そこで、そのマーク像を検出し、その検出結果を、デフォーカス量が０であるとき、すなわち第１パターンの転写像の形成位置のずれがないときのマーク像の設計上の値と比較し、それらの差からデフォーカス量が求められる。
【００４５】
すなわち、第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なっているため、物体上の第１パターンの転写像の形成位置は、投影光学系のデフォーカス量に応じて所定軸方向（第１パターンの配列方向）にずれる。第１パターンの転写像の形成位置がずれると、第１パターンと第２パターンとの相対的な所定軸方向の重ね位置が変化し、その重なり部に形成されるマーク像の形状が変化する。したがって、マーク像の形状を計測し、計測されたマーク像の形状と、設計状のマーク像の形状とを比較すれば、そのときの投影光学系の符号つきのデフォーカス量を求めることができる。一般的に、第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向のずれよりも、マーク像の形状の変化の方が観測しやすい。そのため、第１パターン転写像の形成位置の所定軸方向に沿ったずれ量を計測するよりも、マーク像の形状の変化を計測した方が、符号つきのデフォーカス量をより高精度に計測することができる。
【００４６】
請求項２２に記載の発明は、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載のマスクを用いて投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に第２マークの第２パターンを重ねて転写し、前記第３パターンの転写像に第４マークの第４パターンを重ねて転写する第２露光工程と；前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成された比較マーク像（ＳＭ１）を検出し、前記第３パターンと前記第４パターンとの転写像の重なり部に形成された基準マーク像（ＨＭ１）を検出する計測工程と；前記基準マーク像および比較マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００４７】
これによれば、まず、第１露光工程では第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを物体上に転写した後、第２露光工程では、第２マークの第２パターンおよび第４マークの第４パターンを物体上に転写する。これにより、第１パターンおよび第３パターンの転写像に重ね合わせて第２パターンおよび第４パターンがそれぞれ転写される。
【００４８】
上記の第１パターンと第２パターンの転写の結果、物体上の第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部に比較マーク像（潜像など）が形成され、第３パターンと第４パターンの転写の結果、物体上の第３パターンと第４パターンとの転写像同士の重なり部に基準マーク像（潜像など）が形成される。そして、計測工程では比較マーク像と基準マーク像とが検出され、算出工程では、それらの検出結果に基づいて投影光学系の結像特性、例えば、デフォーカス量が算出される。この場合、比較マーク像は、第１パターンと第２パターンとの相対的な重ね位置に依存して変化する形状を有しており、基準マーク像は、第３パターンと第４パターンとの相対的な重ね位置に依存せず一定形状を有している。そこで、比較マーク像と基準マーク像とを検出すれば、それらの検出結果の差に基づいて、符号付きデフォーカス量を求めることができる。すなわち、比較マーク像の形状を、設計上の比較マーク像の形状と比較せずに、実際に比較マーク像とともに形成される基準マーク像の形状と比較して符号つきフォーカス量を求めている。
【００４９】
このようにすれば、比較マーク像の形状を、設計上のマーク像の形状と比較するのでなく、像形成条件が同一の条件で形成された基準マーク像の形状と比較するので、投影光学系の諸収差や露光条件やレチクル上のパターンの製造誤差などの影響を排除して、より高精度に符号付きデフォーカス量を計測することができる。
【００５０】
請求項２３に記載の発明は、投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークに含まれる、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンを重ねて転写する第２露光工程と；前記物体上の第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成されたマーク像を検出する計測工程と；前記マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００５１】
ここで、第１パターンがパターン面に形成されたマスクと、第２パターンがパターン面に形成されたマスクとは、同一のマスクである必要はない。
【００５２】
請求項２４に記載の発明は、投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークに含まれる、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンと、第３パターンとを物体上に前記投影光学系を介して転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンと、前記第３パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターンとを重ねて転写する第２露光工程と；前記物体上の前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成された比較マーク像を検出し、前記第３パターンと前記第４パターンとの転写像の重なり部に形成された基準マーク像を検出する計測工程と；前記基準マーク像および比較マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００５３】
ここで、第１マークおよび第３マークがパターン面に形成されたマスクと、第２パターンおよび第４パターンがパターン面に形成されたマスクとは、同一のマスクである必要はない。
【００５４】
請求項２５に記載の発明は、マスクのパターンを、投影光学系を介して物体上に転写する露光方法であって、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の結像特性計測方法によって前記投影光学系の結像特性を計測する工程と；前記計測された結像特性を考慮して露光の際の各種条件を調整したうえで、前記マスクのパターンを前記物体上に転写する工程と；を含む露光方法である。
【００５５】
これによれば、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の結像特性計測方法によって計測された結像特性によって投影光学系が調整されたうえで、露光が行われるため、微細パターンを物体上に高精度に転写することができる。
【００５６】
請求項２６に記載の発明は、リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、前記リソグラフィ工程では、請求項２５に記載の露光方法を用いることを特徴とするデバイス製造方法である。
【００５７】
これによれば、リソグラフィ工程で、請求項２５に記載の露光方法により微細パターンを物体上に精度良く転写することができるので、結果的に高集積度のデバイス生産性（歩留まりを含む）を向上させることができる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
【００５９】
図１には、本発明に係る結像特性計測方法及び露光方法の実施に好適な一実施形態に係る露光装置１００が示されている。この露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置である。
【００６０】
この露光装置１００は、照明系ＩＯＰ、マスクとしてのレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ（マスクステージ）、レチクルＲに形成されたパターンの像を感光剤（フォトレジスト）が塗布された物体としてのウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持して２次元平面（ＸＹ平面内）を移動するＸＹステージ２０（物体ステージ）、ＸＹステージ２０を駆動する駆動系２２、及びこれらの制御系等を備えている。この制御系は、装置全体を統括制御する主制御装置２８を中心として構成されている。
【００６１】
前記照明系ＩＯＰは、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザなどから成る光源と、オプティカルインテグレータ又はホモジナイザ（フライアイレンズ又はロッド型（内面反射型）インテグレータ、又は回折光学素子など）、リレーレンズ、可変ＮＤフィルタ、コンデンサレンズ、レチクルブラインド（又はマスキングブレード）、及びダイクロイックミラー等（いずれも図示省略）を含む照明光学系とから構成されている。この照明系ＩＯＰは、回路パターン等が描かれたレチクルＲ上のレチクルブラインドで規定された投影光学系ＰＬの視野内でＸ軸方向に細長い長方形のスリット状の照明領域を照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。
【００６２】
前記レチクルステージＲＳＴは、照明系ＩＯＰの図１における下方に配置されている。このレチクルステージＲＳＴ上には不図示のバキュームチャック等を介してレチクルＲが吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、Ｙ軸方向（図１における紙面左右方向）、Ｘ軸方向（図１における紙面直交方向）及びθｚ方向（ＸＹ面に直交するＺ軸回りの回転方向）に微小駆動可能であるとともに、所定の走査方向（ここではＹ軸方向とする）に指定された走査速度で駆動可能となっている。なお、レチクルステージＲＳＴはレチクルＲを少なくとも３自由度（例えば、Ｘ軸及びＹ軸方向とθｚ方向）で微動する微動部と、走査方向に長いストロークを持つ粗動部とを含む構成でもよい。
【００６３】
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）２１からのレーザビームを反射する移動鏡１５が固定されている。レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置はレチクル干渉計２１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Ｙ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡と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、これらの移動鏡に対応してレチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計とが設けられている。しかし、図１ではこれらが代表的に移動鏡１５、レチクル干渉計２１として示されている。ここで、レチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計の一方、例えばレチクルＹ干渉計は、測長軸を２軸有する２軸干渉計であり、このレチクルＹ干渉計の計測値に基づきレチクルステージＲＳＴのＹ位置に加え、θｚ方向も計測できるようになっている。
【００６４】
前記レチクル干渉計２１からのレチクルステージＲＳＴの位置情報は主制御装置２８に送られる。主制御装置２８はこのレチクルステージＲＳＴの位置情報に基づいて駆動系２９を介してレチクルステージＲＳＴを駆動する。
【００６５】
前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に、その光軸ＡＸｐの方向がＸＹ面に直交するＺ軸方向となるように配置されている。この投影光学系ＰＬとしては、ここでは両側テレセントリックな縮小系であってＺ軸方向の共通の光軸ＡＸｐを有する複数枚のレンズエレメントから成る屈折光学系が用いられている。レンズエレメントのうちの特定の複数枚は、主制御装置２８からの指令に基づいて、図示しない結像特性補正コントローラによって制御され、投影光学系ＰＬの光学特性（結像特性を含む）、例えば倍率、ディストーション、コマ収差、及び像面湾曲などを調整できるようになっている。
【００６６】
前記ＸＹステージ２０は、実際には不図示のベース上をＹ軸方向に移動するＹステージと、このＹステージ上をＸ軸方向に移動するＸステージとで構成されているが、図１ではこれらがＸＹステージ２０として示されている。このＸＹステージ２０上にウエハテーブル１８が搭載され、このウエハテーブル１８上に不図示のウエハホルダを介してウエハＷが真空吸着等によって保持されている。
【００６７】
前記ＸＹステージ２０は、走査方向（Ｙ軸方向）の移動のみならず、ウエハＷ上の複数のショット領域を前記照明領域と共役な視野内の投影領域に位置させることができるように、走査方向に直交する非走査方向（Ｘ軸方向）にも移動可能に構成されている。そして、ウエハＷ上の各ショット領域を走査（スキャン）露光する動作と、次ショットの露光のための走査開始位置（加速開始位置）まで移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・スキャン動作を行う。
【００６８】
前記ウエハテーブル１８は、ウエハＷを保持するウエハホルダをＺ軸方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動するものである。このウエハテーブル１８の上面には、移動鏡２４が設けられており、この移動鏡２４にレーザビームを投射して、その反射光を受光することにより、ウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置を計測するレーザ干渉計２６が移動鏡２４の反射面に対向して設けられている。なお、実際には、移動鏡はＸ軸に直交する反射面を有するＸ移動鏡と、Ｙ軸に直交する反射面を有するＹ移動鏡とが設けられ、これに対応してレーザ干渉計もＸ軸方向位置計測用のＸレーザ干渉計とＹ軸方向位置計測用のＹレーザ干渉計とが設けられているが、図１ではこれらが代表して移動鏡２４、レーザ干渉計２６として図示されている。なお、Ｘレーザ干渉計及びＹレーザ干渉計は測長軸を複数有する多軸干渉計であり、ウエハテーブル１８のＸ、Ｙ位置の他、回転（ヨーイング（Ｚ軸回りの回転であるθｚ回転）、ピッチング（Ｘ軸回りの回転であるθｘ回転）、ローリング（Ｙ軸回りの回転であるθｙ回転））も計測可能となっている。従って、以下の説明ではレーザ干渉計２６によって、ウエハテーブル１８のＸ、Ｙ、θｚ、θｙ、θｘの５自由度方向の位置が計測されるものとする。
【００６９】
レーザ干渉計２６の計測値は主制御装置２８に供給され、主制御装置２８はこのレーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹステージ２０を駆動することにより、ウエハテーブル１８の位置制御が行われる。
【００７０】
ウエハＷ表面のＺ軸方向位置及び傾斜量は、例えば特開平６−２８３４０３号公報などに開示される送光系５０ａ及び受光系５０ｂを有する斜入射方式の多点焦点位置検出系から成るフォーカスセンサＡＦＳによって計測されるようになっている。このフォーカスセンサＡＦＳの計測値も主制御装置２８に供給されており、主制御装置２８では、フォーカスセンサＡＦＳの計測値に基づいて駆動系２２を介してウエハテーブル１８を微少駆動して、投影光学系ＰＬの光軸方向に関するウエハＷの位置及び傾きを制御するようになっている。
【００７１】
すなわち、このようにしてウエハテーブル１８を介してウエハＷがＸ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙの５自由度方向の位置及び姿勢制御がなされるようになっている。なお、残りのθｚ（ヨーイング）の誤差については、レーザ干渉計２６で計測されたウエハテーブル１８のヨーイング情報に基づいてレチクルステージＲＳＴとウエハテーブル１８との少なくとも一方を回転させることによって補正される。
【００７２】
また、ウエハテーブル１８上には、その表面がウエハＷの表面と同じ高さになるような基準板ＦＰが固定されている。この基準板ＦＰの表面には、後述するアライメント検出系ＡＳのいわゆるベースライン計測等に用いられる基準マークを含む各種の基準マークが形成されている。
【００７３】
更に、本実施形態では、投影光学系ＰＬの側面に、ウエハＷに形成されたアライメントマークを検出するマーク検出系としてのオフ・アクシス方式のアライメント検出系ＡＳが設けられている。このアライメント検出系ＡＳは、例えば、ＬＳＡ系、及びＦＩＡ系と呼ばれるアライメントセンサを有しており、基準板ＦＰ上の基準マーク及びウエハ上のアライメントマークのＸ、Ｙ２次元方向の位置計測を行なうことが可能である。
【００７４】
ここで、ＬＳＡ系は、レーザ光をマークに照射して、回折・散乱された光を利用してマーク位置を計測する最も汎用性のあるセンサであり、従来から幅広いプロセスウエハに使用されている。ＦＩＡ系は、ハロゲンランプ等のブロードバンド（広帯域）光でマークを照明し、このマーク画像を画像処理することによってマーク位置を計測するセンサであり、アルミ層やウエハ表面の非対称マークに有効に使用される。
【００７５】
アライメント制御装置１６は、アライメント検出系ＡＳからの情報ＤＳをＡ／Ｄ変換し、さらにこのデジタル化された信号を演算処理してマーク位置を検出する。この検出結果は、アライメント制御装置１６から主制御装置２８に供給されるようになっている。
【００７６】
さらに、本実施形態の露光装置１００では、レチクルＲの上方に、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示される、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上のレチクルマークまたはレチクルステージＲＳＴ上の基準マーク（共に図示省略）と基準板ＦＰ上の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（不図示）が設けられている。これらのレチクルアライメント検出系の検出信号は、アライメント制御装置１６を介して主制御装置２８に供給される。露光装置１００で、実際に走査露光を行う際には、これらのレチクルアライメント検出系により、レチクルＲ上のレチクルマークまたはレチクルステージＲＳＴ上の基準マーク（共に図示省略）と基準板ＦＰ上のマークとの相対位置が検出され、そのときのレチクル干渉計２１及びウエハ干渉計２６の測定値とから、レチクル干渉計２１の測長軸によって規定されるレチクルステージＲＳＴの座標系とウエハ干渉計２６の測長軸によって規定されるＸＹステージ２０の座標系との関係が求められることによって、レチクルアライメントが実行される。
【００７７】
次に、本発明に係る投影光学系の結像特性の計測に用いられるレチクルの一例について説明する。
【００７８】
図２には、投影光学系ＰＬの結像特性の計測に用いられるレチクルＲＴの一例が示されている。図２は、レチクルＲＴを、パターン面側（図１における下面側）から見た平面図である。このレチクルＲＴは、ほぼ正方形のマスク物体としてのガラス基板４２の中央に、パターン領域ＰＡが設けられ、そのパターン領域ＰＡ内に、後述する計測用パターンＲＰ１が配置されている。レチクルＲＴのパターン領域ＰＡ内における計測用パターンＲＰ１が配置されていない領域は、遮光パターンとなっている。なお、パターン領域ＰＡの中心、すなわちレチクルＲＴの中心（レチクルセンタ）を通るパターン領域ＰＡのＸ軸方向の両側には、例えば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。また、本実施形態では、パターン領域ＰＡ内で計測用パターンＲＰ１が形成される領域以外を遮光部とするものとしたが、パターン領域ＰＡの内部を光透過部としてその一部に計測用パターンＲＰ１を形成してもよい。
【００７９】
ここで、本実施形態において、レチクルＲＴのパターン領域ＰＡ内に配置される計測用パターンＲＰ１について説明する。パターン領域ＰＡ内にはその一部を光透過部として、例えば、図３に拡大して示されるような計測用パターンＲＰ１が配置されている。この計測用パターンＲＰ１は、投影光学系の結像特性を計測するためのパターンである。計測用パターンＲＰ１では、４種類の回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４が、相互に重ならないように形成されている。
【００８０】
回折格子ＳＰ１（第１マーク）は、Ｙ軸方向（所定軸方向）に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ１（第１パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ１は、―Ｙ方向（所定軸方向のうちの一方の方向）に対し紙面内時計回りに角度θ１（９０°＜θ１＜１８０°）を成す第１方向に延びる線状の第１部分と、―Ｙ方向に対し紙面内時計回りに角度θ２（０°＜θ２＜９０°）を成す第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、−Ｙ方向に凸の全体として山形のパターンである。各パターンＴＰ１は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ１のＹ軸方向の線幅はＬとなっており、Ｌ＝ｄ／２の関係がある。
【００８１】
回折格子ＳＰ２（第２マーク）は、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ２（第２パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ２は、前述の第１方向に延びる線状の第１部分と、前述の第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、＋Ｙ方向（所定軸方向のうちの他方の方向）に凸の全体として山形のパターンである。すなわち、各パターンＴＰ２は、各パターンＴＰ１と逆向きのパターンとなっている。各パターンＴＰ２は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ２のＹ軸方向の線幅は、パターンＴＰ１と同じＬである。後述するように、パターンＴＰ１とパターンＴＰ２とは、互いに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化するような形状となっている。また、本実施形態では、パターンＴＰ１が＋Ｙ方向に凸となっていて、パターンＴＰ２が−Ｙ方向に凸となっていてもよい。すなわち、パターンＴＰ１とパターンＴＰ２との凸のむきが互いに逆であればよい。
【００８２】
回折格子ＳＰ３（第３マーク）は、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ３（第３パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ３は、第３方向（角度θ３）に延びるラインパターンである。各パターンＴＰ３は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ３のＹ軸方向の線幅は、パターンＴＰ１と同じＬである。
【００８３】
回折格子ＳＰ４（第４マーク）は、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ４（第４パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ４は、第４方向（角度θ４）に延びるラインパターンである。各パターンＴＰ４は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ４のＹ軸方向の線幅は、パターンＴＰ１と同じＬである。本実施形態ではθ１＝θ３、θ２＝θ４となっている。後述するように、パターンＴＰ３とパターンＴＰ４とは、互いに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる。
【００８４】
回折格子ＳＰ２、ＳＰ４は、回折格子ＳＰ１、ＳＰ３の紙面下方（−Ｘ方向）に配置されており、パターンＴＰ１およびパターンＴＰ３の中心とパターンＴＰ２およびパターンＴＰ４の中心とはＸ軸方向にΔＲＸだけ離れている。すなわち、回折格子ＳＰ１と回折格子ＳＰ２の位置関係は、回折格子ＳＰ３と回折格子ＳＰ４の位置関係と同一である。
【００８５】
なお、本実施形態においては、計測パターンＲＰ１の形成領域のうち、パターンＴＰ１〜ＴＰ４以外の領域は、光を透過させる光透過部であるとする。また、Ｙ軸方向に関する回折格子ＳＰ１とＳＰ３との間隔、及び回折格子ＳＰ２とＳＰ４との間隔は等しく、かつ回折格子の大きさに応じてその間隔が決定されている。
【００８６】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）には、図２のＹ軸に平行な線分Ａ−Ａ’でレチクルＲＴを切断した場合の回折格子ＳＰ１付近の断面図が示されている。図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示されるように、ガラス基板４２に、パターンＴＰ１の形状を有する遮光部３０が、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配設されることによって、回折格子ＳＰ１が形成されている。各遮光部３０の間を、光を透過させる光透過部３１であるとする。遮光部３０のＹ軸方向の線幅Ｌは、所定の間隔ｄの１／２であるため、光透過部３１のＹ軸方向の線幅もＬとなる。即ち、回折格子ＳＰ１はＹ軸方向に所定間隔（ピッチ）ｄで配列され、かつデューティ比が１：１となるラインアンドスペースパターンである。
【００８７】
レチクルＲＴに紙面上方から垂直に光が入射すると、回折格子ＳＰ１の各光透過部３１を通過した光の回折現象によって、０次光の他に、正側（紙面右側）に進むｎ次光（ｎは自然数）と負側（紙面左側）に進むｎ次光とが発生する。図４（Ａ）、図４（Ｂ）では、説明を簡単にするため、０次光と±１次光が図示されている。なお、紙面下方に直進する０次光と、±１次光とのなす角度αは、所定間隔ｄと照明光ＩＬの波長λによって決定され、ｓｉｎα＝λ／ｄの関係が成立する。
【００８８】
＋１次光と−１次光との回折効率を異ならせるため、回折格子ＳＰ１の光透過部３１の一部には、入射する光の位相をシフトしないで透過する領域（第１領域）と、入射する光の位相をシフトさせて透過する領域（第２領域）とが設けられている。図４では、光透過部３１のＹ軸方向（紙面左右方向）における右半分（幅Ｌ／２）の部分が第１領域となり、左半分（幅Ｌ／２）が第２領域となっている。第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とは位相が異なったものとなる。なお、本実施形態では、第１領域と第２領域とで同一次数の正側の回折光及び負側の回折光（即ち±ｎ次回折光）の一方での位相差をπとするように段差量（深さ）が設定された凹部をガラス基板４２に形成した後、ガラス基板４２に蒸着したクロムなどの遮光層をパターニングすることで、その凹部の一部にパターンＴＰ１を形成し、残りを第１領域としているが、これとは逆に第２領域となるガラス基板４２の一部を上記と同じ凹部とし、パターンＴＰ１が形成されるガラス基板４２の表面の一部を第１領域としてもよい。また、図４では隣接するパターンＴＰ１に挟まれた光透過部の右半分を第１領域、左半分を第２領域としているが、これとは逆に右半分を第２領域、左半分を第１領域としてもよい。さらに、第１領域と第２領域とで±ｎ次回折光の一方での位相差をπとするために、本実施形態では、ガラス基板４２に凹部を設けるものとしているが、例えば誘電体膜などからなる位相シフタをガラス基板４２に形成してもよい。また、第１及び第２領域における±ｎ次回折光の一方での位相差はπに限られるものではなく（２ｍ＋１）π（ｍは整数）であればよい。以上のように、本実施形態の回折格子ＳＰ１の構成は任意で良く、要は±ｎ次回折光の回折効率が異なればよく、特に±ｎ次回折光の一方が実質的になくなる（即ち、第１領域と第２領域とで±ｎ次回折光の一方での位相差がほぼ（２ｍ＋１）πとなる）ことが好ましい。
【００８９】
図４（Ａ）には、第１領域を透過する０次光および−１次光と、第２領域を透過する０次光および−１次光とがそれぞれ示されている。第２領域を透過する光は、第１領域を透過する光よりπ／２だけ位相が早まっている。さらに、−１次光については、第１領域を透過する光の−１次光と、第２領域を透過する光の−１次光との間には、光路差（（Ｌ／２）ｓｉｎα）が発生する。この光路差は、ｓｉｎα＝λ／ｄから（Ｌ／２）×（λ／ｄ）となる。そして、Ｌ＝ｄ／２であるから、この光路差はλ／４となる。この光路差によって、第１領域を透過する光の−１次光と第２領域を透過する光の−１次光との位相差はキャンセルされ、両者は同位相となる。したがって、第１領域を透過する光の−１次光と、第２領域を透過する光の−１次光の間には、結果的に位相差が生じず、−１次光は、両者によって強められる。
【００９０】
一方、図４（Ｂ）には、第１領域を透過する光の０次光および＋１次光と、第２領域を透過する光の０次光および１次光とがそれぞれ示されている。前述のように、第２領域を透過する光は、第１領域を透過する光よりもπ／２だけ位相が早まっている。さらに、＋１次光については、第１領域を透過する光の＋１次光と、第２領域を透過する光の＋１次光の間には光路差（（Ｌ／２）ｓｉｎα）が発生する。したがって、この光路差は、（Ｌ／２）×（λ／ｄ）となる。そして、Ｌ＝ｄ／２であるから、この光路差はλ／４となる。したがって、この光路差λ／４と第１領域および第２領域の位相差とから、第１領域を透過する光の＋１次光と、第２領域を透過する光の＋１次光との間には結果的に位相差πが生じ、＋１次光は、両者によって相殺され、ほぼ消滅する。
【００９１】
すなわち、この回折格子ＳＰ１では、透過する光のうち、＋１次光が消滅し、０次光と−１次光だけが残るようになる。なお、２次以上の光についても−１次光と同様に正側の回折光は消滅し、０次光と負側の回折光とが残るようになる。
【００９２】
本実施形態のように、回折格子ＳＰ１の所定間隔ｄと、第１領域のＹ軸方向の幅（Ｌ／２）と、第２領域のＹ軸方向の幅（Ｌ／２）との比を４：１：１にすれば、第１領域を透過する光の回折光と、第２領域を透過する光の回折光との光路差の絶対値はλ／４となる。そこで、第１領域と第２領域とを透過する光の位相差をπ／２とすれば、第１領域と第２領域との同一次数の正側の回折光と負側の回折光との位相差は、πか０かのいずれかとなり、一方の回折光は消滅し、もう一方の回折光は最も強めあうようになる。
【００９３】
したがって、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の差を最大にするには、本実施形態のように、回折格子の所定間隔ｄと、第１領域のＹ軸方向の幅Ｌ／２と、第２領域の幅Ｌ／２との比を４：１：１にし、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光との位相差をπ／２、又はこれと同等（即ち、２ｍπ（ｍは整数）を加算した値）とするのが望ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、回折格子ＳＰ１における同一次数の正側の回折光と負側の回折光の回折効率が異なるように、回折格子の所定間隔ｄと、第１領域のＹ軸方向の幅と、第２領域の幅との比や、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光との位相差が、設定されていればよい。
【００９４】
図５には、デフォーカスによって回折格子ＳＰ１の転写像がずれる様子が示されている。図５に示されるように、回折格子ＳＰ１では、前述のように＋１次光が消滅しており、ウエハテーブル１８上のウエハＷには、０次光と−１次光によって結像された回折格子ＳＰ１の像が転写される。したがって、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が近いときには、ウエハＷ上の回折格子ＳＰ１の各パターンＴＰ１の転写像の形成位置は−Ｙ方向にずれ、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が遠くなる方向にずれているときには、ウエハＷ上の回折格子ＳＰ１の各パターンＴＰ１の転写像の形成位置は、＋Ｙ方向にずれることになる。なお、本実施形態では、他の回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４の同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率は同じであるとする。
【００９５】
次に、本実施形態の露光装置１００によりレチクルパターンをウエハＷ上に転写して、投影光学系ＰＬの結像特性を計測する際の動作の流れについて簡単に説明する。
【００９６】
まず、ウエハＷが不図示のウエハローダによりウエハテーブル１８上にロードされるとともに、レチクルＲＴが不図示のレチクルローダによりレチクルステージＲＳＴ上にロードされる。
【００９７】
主制御装置２８は、ウエハテーブル１８上に設けられた基準板ＦＰの表面に形成されている一対の基準マーク（不図示）の中点が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一致するように、ウエハテーブル１８を移動する。この移動は、主制御装置２８によりレーザ干渉計２６の計測結果をモニタしつつ駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動することにより行われる。次に、主制御装置２８は、レチクルＲＴの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一致するように、駆動系２９を介してレチクルステージＲＳＴの位置を調整する。このとき、例えば、前述のレチクルアライメント検出系（不図示）により投影光学系ＰＬを介してレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２と対応する前述の基準マークとの相対位置が検出される。
【００９８】
そして、主制御装置２８は、レチクルアライメント検出系によって検出された相対位置の検出結果に基づいてレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２と対応する前述の基準マークとの相対位置誤差がともに最小となるように駆動系２９を介してレチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置を調整する。これにより、レチクルＲＴの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸と正確にほぼ一致するとともにレチクルＲＴの回転角もレーザ干渉計２６の測長軸で規定される直交座標系の座標軸に正確に一致する。ここで、本実施形態では、ウエハ上での照明光ＩＬの照射領域（投影光学系ＰＬに関して前述の照明領域と共役な細長い長方形状の投影領域）の中心（即ち、投影光学系ＰＬの光軸位置）を計測点としてベストフォーカス位置を計測するものとし、レチクルＲＴの中心と投影光学系ＰＬの光軸とが一致すると、計測用パターンＲＰ１はその中心が投影光学系ＰＬの物体面側でその計測点に対応する位置（ここでは光軸位置）とほぼ一致するように配置される。このとき、計測用パターンＲＰ１は、Ｘ軸方向に関して回折格子ＳＰ１、ＳＰ３と回折格子ＳＰ２、ＳＰ４との中心点が光軸位置とほぼ一致し、かつＹ軸方向に関して回折格子ＳＰ１、ＳＰ２と回折格子ＳＰ３、ＳＰ４との中心点が光軸位置とほぼ一致することになる。
【００９９】
次いで、主制御装置２８は、レーザ干渉計２６の計測結果をモニタしつつ駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動することにより、本実施形態では表面に感光剤としてポジ型のレジストが塗布されたウエハＷを投影光学系ＰＬの下方の位置に移動させる。なお、本実施形態の場合、レチクルＲＴの計測用パターンＲＰ１が配置されている領域以外の領域は遮光パターンとなっている。即ちレチクルＲＴ上の照明領域に照射される照明光ＩＬの大部分は投影光学系ＰＬに入射しないので、ウエハＷへの計測用パターンＲＰ１の転写時に照明光ＩＬの照射により投影光学系ＰＬに蓄積される熱エネルギが少なくて済み、その転写時における投影光学系ＰＬの光学特性の変動を最小限に抑えることが可能となっている。但し、レチクルＲＴのパターン領域ＰＡ内で計測用パターンＲＰ１の形成領域以外を遮光パターンではなく光透過部としてもよく、この場合には、ウエハＷへの計測用パターンＲＰ１の転写に先立ち、レチクルＲＴの計測用パターンＲＰ１のみ、あるいは計測用パターンＲＰ１を含む照明領域よりも狭い所定領域のみに照明光ＩＬが照射されるように、照明系ＩＯＰ内の不図示のレチクルブラインドを駆動して、レチクルＲＴ上での照明領域の大きさ及び位置を調整することが好ましい。
【０１００】
この状態で、主制御装置２８は１回目の露光を行う。ここでは、投影光学系ＰＬの結像特性を計測するのが目的であるために、露光中は、レチクルＲＴとウエハＷ、すなわちレチクルステージＲＳＴとＸＹステージ２０は、静止させたままとする。これにより、レチクルＲＴのパターンが投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上のフォトレジスト層に縮小転写される（第１露光工程）。また、このとき通常の露光ドーズ量（すなわち、レジストの感度特性に応じた適正量）で露光を行う。これにより、ウエハＷ上のレジスト層に図６中に点線で示されるような回折格子ＳＰ１、ＳＰ２の像ＳＰ１Ｗ、ＳＰ２Ｗと回折格子ＳＰ３、ＳＰ４の像ＳＰ３Ｗ、ＳＰ４Ｗとが転写される。ここでは、転写像ＳＰ１Ｗ〜ＳＰ４Ｗは、それぞれ回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の転写像に対応している。
【０１０１】
次いで、主制御装置２８は、パターンＴＰ１とパターンＴＰ２との位置関係に基づいて、ＸＹステージ２０を所定軸方向に所定量だけ移動する。図３に示されるように、回折格子ＳＰ１、ＳＰ３の中心と回折格子ＳＰ２、ＳＰ４との中心とは、Ｘ軸方向にΔＲＸだけ離れていることから、投影光学系ＰＬの倍率が、例えば１／４であれば、ΔＲＸ／４の距離だけ−Ｘ方向にＸＹステージ２０を移動する。このとき、主制御装置２８は、レーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動する。
【０１０２】
上述のようにして目的の位置（ΔＲＸ／４だけ−Ｘ方向に移動した位置）へのウエハＷの位置決めが完了すると、主制御装置２８は、前述の露光と同様の露光（２回目の露光）を行う（第２露光工程）。なお、このときも通常の露光ドーズ量で露光を行う。これにより、図６中に実線で示される回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の像がウエハＷ上に転写される。なお、１回目の露光と２回目の露光とで投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に関するウエハＷの位置（フォーカス位置）は等しければよくその位置は任意で構わないが、本実施形態では、フォーカスセンサＡＦＳを用い、例えば、投影光学系ＰＬに関する既知の最良フォーカス位置（設計値など）にウエハＷを設定しておくものとする。また、２回目の露光に先立ってウエハＷを移動させるものとしたが、その代わりに、あるいはそれと組み合わせてレチクルＲＴを移動させてもよい。
【０１０３】
この場合、１回目の露光においてウエハＷ上のレジスト層に転写された回折格子ＳＰ１、ＳＰ３の潜像に回折格子ＳＰ２、ＳＰ４の像がそれぞれ重なる位置に転写される。すなわち、転写像ＳＰ１Ｗに回折パターンＳＰ２の像が、転写像ＳＰ３Ｗに回折格子ＳＰ４の像がそれぞれ重なる位置に転写される。なお、回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の転写像ＳＰ１Ｗ〜ＳＰ４Ｗの中の１つ１つの転写像、すなわちパターンＴＰ１〜ＴＰ４の転写像をそれぞれ転写像ＴＰ１Ｗ〜ＴＰ４Ｗとする。
【０１０４】
そして、２回目の露光が終了すると、主制御装置２８の指示に応じて、不図示のウエハローダによって、ウエハＷは、ウエハテーブル１８上からアンロードされた後、不図示のウエハ搬送系により、露光装置１００にインラインにて接続されている不図示のコータ・デベロッパに搬送される。
【０１０５】
ウエハＷは、このコータ・デベロッパ内で現像される。この現像の終了により、ウエハＷ上には、一例として図７に示されるように、転写像ＴＰ１ＷとＴＰ２Ｗの重なり部に比較マーク像ＳＭ１が、転写像ＴＰ３ＷとＴＰ４Ｗの重なり部に基準マーク像ＨＭ１が形成され、比較マーク像ＳＭ１の配列と、基準マーク像ＨＭ１の配列とが形成される。なお、比較マーク像ＳＭ１と基準マーク像ＨＭ１は、投影光学系ＰＬの結像特性を検出するためのマーク像である。なお、比較マーク像ＳＭ１は、長い方の対角線がＸ軸方向を向いている。そして、比較マーク像ＳＭ１は１組の対角の角度がθである。また、基準マーク像ＨＭ１は四角形の長い方の対角線がＸ軸方向を向いている。さらに、基準マーク像ＨＭ１は比較マーク像ＳＭ１と同様に１組の対角の角度がθである。比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１の一対の対角θの大きさは、θ１−θ２（＝θ３−θ４）となる。
【０１０６】
ここで、基準マーク像ＨＭ１の形状が、重ね位置に依存せずに一定形状であることについて、一例として、図８を用いて説明する。図８（Ａ）には、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が０であった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態が示され、図８（Ｂ）には、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が−Ｙ方向にΔＹであった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態が示されている。また、図８（Ｃ）には、転写像ＴＰ３Ｗの＋Ｙ方向のずれ量がΔＹであった場合の転写像ＴＰ３ＷとＴＰ４Ｗの重なり状態が示されている。なお、本実施形態では、回折格子ＳＰ３および回折格子ＳＰ４の正側の回折光と負側の回折光との回折効率は同じであるため、デフォーカスによって、転写像ＴＰ３Ｗおよび転写像ＴＰ４Ｗの形成位置がずれることはない。
【０１０７】
転写像ＴＰ３Ｗ及び転写像ＴＰ４Ｗは、それぞれ異なる方向に伸びる同一線幅の線状（ラインパターン）の転写像であるため、図８に示されるように、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置がＹ軸方向にずれることによって、転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗとが重なるときの４つの交点（各交点を結んだ形状が基準マーク像ＨＭ１の形状である）の位置はそれぞれ異なった位置となる。しかし、各交点間の距離は変化しないため、基準マーク像ＨＭ１の形状は、重ね位置に依存せず、いずれの場合も同一形状となる。
【０１０８】
一方、比較マーク像ＳＭ１が、重ね位置に依存して変化することについて、一例として、図９を用いて説明する。図９（Ａ）には、転写像ＴＰ１Ｗの形成位置のずれがない場合、すなわちデフォーカス量が０である場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態が示されている。また、図９（Ｂ）には、転写像ＴＰ１Ｗの形成位置のずれ量が−Ｙ方向にΔＹであった場合、すなわち投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が近くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態が示されている。また、図９（Ｃ）には、転写像ＴＰ１ＷのＹ軸方向のずれ量が＋Ｙ方向にΔＹであった場合、すなわち投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が遠くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗの転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態が示されている。ここでは、転写像ＴＰ１Ｗ及び転写像ＴＰ２Ｗがそれぞれ反対向きに凸の山形の像であるために、転写像ＴＰ１Ｗの形成位置がＹ軸方向にずれれば、転写像ＴＰ１ＷとＴＰ２Ｗとが重なるときの交点の数（各交点を結んだ形状が比較マーク像ＳＭ１の形状である）や、各交点間の距離が変化する。従って、比較マーク像ＳＭ１の形状は、重ね位置に依存して変化することとなる。
【０１０９】
なお、比較マーク像ＳＭ１の形状は、角度θの値や、重ね位置のずれ量及びずれ方向により、四角形（菱形や平行四辺形）だけではなく、図９（Ｃ）に示されるように、四角形の一部が欠落した多角形となる場合もある。但し、以下の説明では、比較マーク像ＳＭ１の形状が、四角形の一部が欠落した多角形の場合には、便宜上、欠落がないものとして取り扱うこととする。このような取り扱いをしても、デフォーカス量の計測結果に影響はないからである。
【０１１０】
前述した理由から、基準マーク像ＨＭ１の形状と比較マーク像ＳＭ１の形状とを比較することにより、パターンの重ね位置のＹ軸方向のずれ情報（位置ずれ量）を求めることができる。例えば、正確にパターンの重ね合わせが行われると基準マーク像ＨＭ１と比較マーク像ＳＭ１とが同一形状となるような位置関係に各パターンＴＰ１〜ＴＰ４がパターン領域ＰＡに配置されているものとして、基準マーク像ＨＭ１と比較マーク像ＳＭ１のそれぞれ対応する部分の長さＬＨ１、ＬＳ１を計測し、それぞれの計測値が同じであれば、Ｙ軸方向の重ね合わせのずれ量が０であることがわかり、それぞれの計測値が異なっていれば、Ｙ軸方向に重ね合わせがずれていることを示している。そして、このＹ軸方向のずれ量がデフォーカス量に比例するものであるため、両マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の長さＬＨ１、ＬＳ１の差に基づいてそのデフォーカス量を求めることができる。
【０１１１】
そこで、ウエハＷ上に形成された比較マーク像ＳＭ１及び基準マーク像ＨＭ１の検出（長さ計測）が、以下のようにして行われる（計測工程）。
【０１１２】
本実施形態では、一例としてアライメント検出系ＡＳを用いて基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さ計測を行う。まず、主制御装置２８は、コータ・デベロッパからの現像完了の通知を受け取ると、不図示のウエハ搬送系に指示してウエハＷを露光装置内に搬送し、この搬送されたウエハＷをウエハローダにより再度ウエハテーブル１８上にロードする。
【０１１３】
そして、主制御装置２８は、ウエハＷ上に形成された比較マーク像ＳＭ１をアライメント検出系ＡＳの真下に移動して、例えばＬＳＡ系を用いて、比較マーク像ＳＭ１の長い方の対角線の長さＬＳ１（図７参照）を計測する。なお、楔マーク（菱形マークはその一種）の線長等をＬＳＡ系のセンサで計測する方法は、ＳＭＰ計測技術として広く知られているので、計測方法の詳細については省略する。
【０１１４】
同様にして、主制御装置２８は、基準マーク像ＨＭ１の長い方の対角線の長さＬＨ１（図７参照）を計測する。
【０１１５】
次に、このようにして計測された基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さＬＨ１、ＬＳ１に基づいて、デフォーカス量を求める方法について説明する（算出工程）。
【０１１６】
まず、主制御装置２８は、ＬＳ１及びＬＨ１の計測値を比較し、両者が同一の値であれば、デフォーカス量が０であると判断する。
【０１１７】
一方、主制御装置２８は、ＬＳ１とＬＨ１の計測値が異なる場合には、デフォーカス量が０ではないと判断する。ここで、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１との差分をΔＳＨ１として、デフォーカス量を求める方法について説明する。なお、比較マーク像ＳＭ１が四角形の一部が欠落した多角形である場合は、仮想的に欠落がないとみなすことにより、比較マーク像ＳＭ１を四角形の場合と同様に取り扱うことが可能となる。
【０１１８】
比較マーク像ＳＭ１の短い方の対角線の長さをＤＳ１とすると、ＤＳ１とＬＳ１とは、次の（１）式の関係にある。
【０１１９】
ＤＳ１＝ＬＳ１×ｔａｎ（θ／２） ……（１）
【０１２０】
また、基準マーク像ＨＭ１の短い方の対角線の長さをＤＨ１とすると、ＤＨ１とＬＨ１とは、次の（２）式の関係にある。
【０１２１】
ＤＨ１＝ＬＨ１×ｔａｎ（θ／２） ……（２）
【０１２２】
ここで、ＤＳ１とＤＨ１の差分をΔＤ１とすると、ＬＳ１とＬＨ１の差分であるΔＳＨ１とΔＤ１との関係は、上記（１）式と（２）式とから、次の（３）式で示される。
【０１２３】
ΔＤ１＝ΔＳＨ１×ｔａｎ（θ／２） ……（３）
【０１２４】
このΔＤ１は、転写像ＴＰ１Ｗの中心と転写像ＴＰ２Ｗの中心との距離の２倍と同等の値を有する。そこで、Ｙ軸方向の位置ずれ量をΔＹとすると、ΔＹとΔＤ１との関係は、次の（４）式で示される。
【０１２５】
ΔＤ１＝ΔＹ×２ ……（４）
【０１２６】
従って、上記（３）式と（４）式とから、次の（５）式が得られる。
【０１２７】
ΔＹ＝ΔＳＨ１×ｔａｎ（θ／２）÷２ ……（５）
【０１２８】
そこで、主制御装置２８は、比較マーク像ＳＭ１の長い方の対角線の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長い方の対角線の長さＬＨ１の差分を算出し、この差分と上記（５）式とに基づいてＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹが求まる。
【０１２９】
また、主制御装置２８は、基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１と比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１との大小関係から、ずれの方向（＋Ｙ方向か−Ｙ方向か）を求める。例えば、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１が基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１よりも小さい場合には、図１０（Ａ）に示されるように、パターンＴＰ１Ｗは＋Ｙ方向にシフトしていると判断し、図１０（Ｂ）に示されるように、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１が基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１よりも大きい場合には、パターンＴＰ１Ｗは−Ｙ方向にシフトしていると判断する。すなわち、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＹが同じであっても、比較マーク像ＳＭ１の形状は、Ｙ軸方向の転写像ＴＰ１Ｗの形成位置のＹ軸方向の位置ずれの方向によって異なったものとなる。
【０１３０】
従って、主制御装置２８は、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１が、例えば図１０（Ａ）に示されるような関係であれば、図５に示されるように、回折格子ＳＰ１の転写像ＳＰ１Ｗは＋Ｙ方向にシフトしており、現在のフォーカス位置は最適フォーカス位置よりも−Ｚ方向にあると判断する。また、主制御装置２８は、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１が、例えば図１０（Ｂ）に示されるような関係であれば、回折パターンの転写像ＳＰ１Ｗは−Ｙ方向にシフトしており、現在のフォーカス位置は最適フォーカス位置よりも＋Ｚ方向にあると判断する。
【０１３１】
次に、主制御装置２８は、現在のフォーカス位置と最適フォーカス位置との関係と、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＹから、符号付きデフォーカス量を求める。位置ずれ量ΔＹと符号付きデフォーカス量との関係は、図５に示されるように、比例関係にあるため、符号付きデフォーカス量は、現在のフォーカス位置と最適フォーカス位置との関係と、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＹから簡単に求めることができる。
【０１３２】
なお、上述のような符号付きデフォーカス量の計測方法を応用して、投影光学系ＰＬの結像特性の１つである投影光学系ＰＬの像面（像面湾曲）を求めることもできる。例えば、上述した計測用レチクルＲＴの代わりに、前述のスリット状の照明領域部分に収まるような範囲の領域に、計測用パターンＲＰ１と同様のパターンが、複数形成されたレチクルを用意する。このとき、複数の計測用パターンＲＰ１はウエハ上での照明光ＩＬの照射領域（投影領域）内でベストフォーカス位置を検出すべき複数の計測点にそれぞれ対応して配置されるようにその間隔などが設定される。なお、図２では説明を容易にするため計測用パターンＲＰ１を誇張して大きく示している。そして、そのレチクルを用いて、上述の第１露光工程、第２露光工程を実行すれば、ウエハＷの対応する領域にそれぞれ比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１が形成される。これにより、異なる像高位置で形成された比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１によってデフォーカス量がそれぞれ計測され、それらのデフォーカス量から例えば最小二乗法などを用いて投影光学系ＰＬの像面（像面湾曲）を算出することができる。なお、上述した像面湾曲の計測では、計測用パターンＲＰ１が複数形成されたレチクルを用いて第１露光工程、第２露光工程を実行したが、レチクルＲＴを用いて、前述した複数の計測点でそれぞれ計測用パターンＲＰ１の転写像が形成されるように、レチクルステージＲＳＴを移動して各計測点に対応する位置に計測用パターンＲＰ１を順次配置しながら、上述の第１露光工程、第２露光工程を実行し、異なる像高位置に比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１をそれぞれ形成するようにしてもよい。なお、図１の走査露光装置では走査方向（Ｙ軸方向）と直交する非走査方向（Ｘ軸方向）に関するレチクルステージＲＳＴの移動ストロークが短いので、Ｘ軸方向に離れた複数の計測用パターンＲＰ１をレチクルＲＴに形成するとともに、レチクルステージＲＳＴをＹ軸方向に移動してその複数の位置でそれぞれ前述の第１及び第２露光工程を実行するようにしてもよい。
【０１３３】
本実施形態の露光装置１００では、主制御装置２８が、装置各部を制御して、露光開始に先立って、これまでに説明した結像特性計測方法によって投影光学系ＰＬの結像特性を計測する。そして、主制御装置２８は、その計測された結像特性を考慮して露光の際の各種条件を調整して、ＸＹステージ２０とレチクルステージＲＳＴの同期制御を行いつつ走査露光を行なう。
【０１３４】
なお、露光条件の調整としては、例えば計測された結像特性に基づく投影光学系ＰＬの結像特性を前述の結像特性補正コントローラを介して調整することなどが代表的に挙げられる。また、例えば計測された結像特性がベストフォーカス位置又は像面湾曲などであるときは、走査露光中にレチクルＲとウエハＷとの少なくとも一方のＺ軸方向の位置や傾斜角を調整してもよい。このとき、結像特性補正コントローラによる結像特性の調整を併用しても構わない。
【０１３５】
また、本実施形態の露光装置では、上述した菱形マークの線長の計測結果に基づいて投影光学系ＰＬのベストフォーカスを検出し、この検出結果に基づいてフォーカスセンサＡＦＳのキャリブレーションを精度良く行うことも可能である。
【０１３６】
また、所定の精度範囲内に結像特性の調整ができない場合には、主制御装置２８はディスプレイ（モニター）への警告表示、あるいはインターネット（電子メール等）又は携帯電話などによって、オペレータなどにアシストの必要性を通知するようにしても良い。さらに、この場合に、各駆動系やセンサ類の調整に必要な情報を一緒に通知しても良い。これにより、各種データの計測などの作業時間だけでなく、その準備期間も短縮することができ、露光装置１００の停止期間の短縮、すなわち稼働率の向上を図ることが可能となる。
【０１３７】
なお、上記（５）式を変形すると、次の（６）式となる。
【０１３８】
ΔＳＨ１＝ΔＹ×２÷ｔａｎ（θ／２） ……（６）
【０１３９】
ここで、２÷ｔａｎ（θ／２）をＭとおくと、上記（６）式は次の（７）式となる。
【０１４０】
ΔＳＨ１＝ΔＹ×Ｍ ……（７）
【０１４１】
上記（７）式から、ΔＳＨ１は、ΔＹをＭ倍した値であるといえる。すなわち、本実施形態では、回折パターンの転写像ＳＰ１Ｗの転写位置のＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹを拡大して計測することができる。例えば、量を５０倍（Ｍ＝５０）にするには、角度θを約４．６度に、又、位置ずれ量を１００倍（Ｍ＝１００）にするには、角度θを約２．３度にすれば良い。従って、角度θを変えることによってＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹの拡大率Ｍを任意に設定することが可能となる。このことは、デフォーカス量を拡大して計測ができるということに他ならない。なお、角度θ、すなわち（θ１−θ２）は、９０度より小さい値に設定しておくのが望ましい。
【０１４２】
以上説明したように、本実施形態では、投影光学系の結像特性の１つであるベストフォーカス位置（デフォーカス量）の計測に際し、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置されたパターンＴＰ１を含み、正側の回折光と負側の回折光との回折効率がそれぞれ異なる回折格子ＳＰ１と、パターンＴＰ１に重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化するパターンＴＰ２が、所定間隔ｄで配置されることによって形成された回折格子ＳＰ２と、パターンＴＰ３が所定軸方向に所定間隔で配置されることによって形成された回折格子ＳＰ３と、第３パターンに重ね合わせて転写した際に重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターンが所定間隔で配置されることによって形成された回折格子ＳＰ４とが、相互に重ならないように、そのパターン面に形成されたレチクルＲＴを用いている。
【０１４３】
回折格子ＳＰ１における正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なっているため、パターンＴＰ１の転写像ＴＰ１Ｗの形成位置は、デフォーカス量に応じてＹ軸方向にずれたものとなる。第１パターンの転写像ＴＰ１Ｗの形成位置がＹ軸方向にずれると、比較マーク像ＳＭ１の形状が変化する。したがって、比較マーク像ＳＭ１の形状を計測し、計測された比較マーク像ＳＭ１の形状と、基準マーク像ＨＭ１の形状とを比較すれば、そのときのデフォーカス量（前述した１回目及び２回目の露光時におけるウエハＷのＺ軸方向の位置（フォーカス位置））を求めることができる。一般に、デフォーカスによるパターンＴＰ１のＹ軸方向のずれ量よりも、比較マーク像ＳＭ１の形状の変化量の方が大きいため、パターンＴＰ１の転写像の形成位置の位置ずれ量を計測するよりも、比較マーク像ＳＭ１の形状の変化を計測した方が、計測されるデフォーカス量はより高精度な値となる。
【０１４４】
そして、本実施形態では、各パターンＴＰ１〜ＴＰ４の線幅が等しいために、各パターンＴＰ１〜ＴＰ４の各転写像は、それぞれ同程度の投影光学系ＰＬの収差の影響を受ける。そこで、各パターンＴＰ１〜ＴＰ４の重なり部に形成される基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１における収差の影響は、それぞれほぼ同程度とみなすことができる。従って、基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１のそれぞれ対応する部分の長さから算出されるパターンのＹ軸方向の位置ずれ情報における収差の影響を除くことができ、結果的に、精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。このとき、前述の露光時におけるウエハＷのＺ軸方向の位置はフォーカスセンサＡＦＳにて検出されているので、先に計測されたデフォーカス量が零でないときは、フォーカスセンサＡＦＳの検出値からその計測されたデフォーカス量だけずれた位置をベストフォーカス位置として求めることができる。
【０１４５】
また、基準マーク像ＨＭ１と比較マーク像ＳＭ１は、いずれも一組の対角が同じ角度θとされているので、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の形成具合は同程度であるとともに、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響はほぼ同程度とみなすことができる。従って、結果的に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１４６】
また、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１には、その対角の角度θに応じた倍率で実際のデフォーカス量が拡大されて含まれている。そこで、所定の倍率に対応する角度θが得られるように各パターンＴＰ１、ＴＰ２を配置することにより、従来の方法では、転写像間の距離を計測する計測装置の計測限界（分解能）により計測できなかったわずかなデフォーカス量であっても、特殊な装置を必要とせずに、従来と同じ計測装置（例えば、露光装置のアライメント検出系（ＬＳＡ系、ＦＩＡ系）など）を用いてデフォーカス量を計測することが可能となる。すなわち、見かけ上、デフォーカス量の計測装置の分解能を上げることができる。従って、結果的に更に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１４７】
なお、上記実施形態では、比較マーク像ＳＭ１の形状と、基準マーク像ＨＭ１の形状との比較によって、デフォーカス量を求めたが、レチクルＲＴの代わりに、回折格子ＳＰ１と回折格子ＳＰ２のみが形成されている別のレチクルを用いて、比較マーク像ＳＭ１のみを形成してデフォーカス量を求めるようにしても良い。この場合には、デフォーカス量が０であるときの理想の比較マーク像ＳＭ１の対角線の長さＬＳ１を予め求めておき、計測された比較マーク像ＳＭ１と理想の対角線の長さとを比較すれば、上記実施形態と同様にしてデフォーカス量を求めることができる。なお、この場合には、レチクル上のパターンの製造誤差や、比較マーク像ＳＭ１の頂角θによるレジスト像の形成の具合などを考慮して、計測された比較マーク像ＳＭ１の長さを補正しておくのが望ましいことはいうまでもない。また、この場合、第１露光工程では、回折格子ＳＰ１の各パターンＴＰ１だけが転写され、第２露光工程では、回折格子ＳＰ２の各パターンＴＰ２だけが転写される。
【０１４８】
また、上記実施形態では、回折格子ＳＰ１のみ、正側の回折光と負側の回折光の回折効率が異なるとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４においても、正側の回折光と負側の回折光の回折効率が異なるようにしてもよい。ただし、この場合、回折格子ＳＰ１の正側の回折光と負側の回折光の回折効率の比と、回折格子ＳＰ２の正側の回折光と負側の回折光の回折効率の比とは異なるようにする必要がある。もしこれらの比が同じであれば、デフォーカスによって比較マーク像ＳＭ１の形状が変化しなくなってしまうからである。なお、回折格子ＳＰ２では、正側の回折光および負側の回折光のうち、回折格子ＳＰ１において回折効率が大きい方の回折光の回折効率が小さく、回折格子ＳＰ１において回折効率が小さい方の回折光の回折効率が大きくなるように回折光の回折効率が設定されているのが望ましい。このようにすれば、同じデフォーカス量であっても、回折格子ＳＰ１および回折格子ＳＰ２の転写像の形成位置のずれる方向が反対となり、デフォーカス量の計測の分解能を上げることができるためである。
【０１４９】
また、回折格子ＳＰ３および回折格子ＳＰ４については、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比を任意に設定することができる。なお、回折格子ＳＰ１の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比と、回折格子ＳＰ３の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比とを同じにし、回折格子ＳＰ２の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比と、回折格子ＳＰ４の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比とを同じにしておくのがより望ましい。このようにすれば、比較マーク像ＳＭ１と基準マーク像ＨＭ１とが形成される際の全体的な露光量等の像形成条件を同一として、精度良くデフォーカス量を求めることができるからである。なお、回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４の回折効率を設定する際にも、回折格子ＳＰ１と同様に、透過する光の位相をシフトしない第１領域と透過する光の位相をシフトさせない第２領域とを設ける方法を用いることができることはいうまでもない。
【０１５０】
また、上記実施形態では、投影光学系ＰＬの結像特性計測に際して、第１露光工程と第２露光工程とで、レチクルＲＴ上での照明領域の全体に照明光ＩＬを照射するものとしたが、これに限らず、レチクルＲＴの計測用パターンＲＰ１の形成領域にほぼ一致させて照明領域を設定してもよいし、第１露光工程に先立って回折格子ＳＰ１，ＳＰ３を含む領域にのみ照明光が照射されるような照明領域の設定を行い、第２露光工程に先立って回折格子ＳＰ２，ＳＰ４を含む領域にのみ照明光が照射されるような照明領域の設定を行うようにしても良い。
【０１５１】
また、上記実施形態では、レチクルステージやウエハステージの移動精度を含まないようにするために、第１露光工程および第２露光工程では、レチクルＲＴとウエハＷを静止させて計測用パターンを転写し、光学特性を求めたが、もちろん、走査露光方式にて計測用パターンＲＰ１を転写し、ダイナミックな光学特性を求めるようにしてもよい。
【０１５２】
また、特にウエハを現像処理してレジスト像を得る場合、あるいはレジスト像が形成されたウエハをエッチング処理してエッチング像を得る場合、基準マーク像ＨＭ１における一組の対角と、比較マーク像ＳＭ１における２つの内角とが同じ角度θなので、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の形成具合は同程度であるとともに、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響はほぼ同程度であるとみなすことができる。そこで、精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１５３】
また、上記実施形態では、比較マーク像ＳＭ１を形成するための回折格子ＳＰ１、ＳＰ２のパターンＴＰ１、ＴＰ２は、互いに逆向きの山形のパターンであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、パターンＴＰ１、ＴＰ２のうち、いずれか１つのパターンは、山形ではなくラインパターンであっても良い。
例えば、パターンＴＰ１は、前述の第１方向および第２方向に対し角度（θ１−θ２）／２を成す方向に延びるラインパターンであってもよい。
【０１５４】
この場合、基準マーク像ＨＭ１の形状は、従来どおりそれぞれ一組の対角が角度θである四角形（菱形）となるが、比較マーク像ＳＭ１の形状は、Ｘ軸方向の辺を底辺とし、一対の底角が角度θ／２の二等辺三角形となる。この場合でも、比較マーク像ＳＭ１の形状は、重ね位置に依存して変化する形状となる。比較マーク像ＳＭ１ではＸ軸方向に伸びる底辺の長さを、基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１とすることにより、計測工程と同様にして計測される基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さに基づいて、前述の算出工程と同様にしてデフォーカス量を求めることができる。なお、比較マーク像ＳＭ１が二等辺三角形となる場合については、θ／２＝（θ１−θ２）／２となるので、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の具合は同程度とするとともに、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響はほぼ同程度とするためには、θ３−θ４＝（θ１−θ２）／２の関係が成立させる必要がある。
【０１５５】
また、上記実施形態では、同一スリット幅のラインパターンの重ね合わせ転写で基準マーク像ＨＭ１が形成される場合について述べているが、これに限定されるものではない。例えば、異なる線幅のラインパターンを重ね合わせて転写すると、その重なり部は平行四辺形となるが、これであっても、重ね位置に依存せず一定形状となるため、基準マーク像ＨＭ１として利用することができる。すなわち、重ね合わせて転写した際に、その重なり部に形成される像が重ね位置に依存せず一定形状となれば良く、その形状は限定されない。
【０１５６】
また、上記実施形態では、比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１が格子のスリット数分得られるので、それらの比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１の長さＬＳ１、ＬＨ１の平均値（単純平均又は重み付け平均）を用いることにより、更に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１５７】
また、上記実施形態では、第２マーク〜第４マークをそれぞれ回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４であるとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第２マーク〜第４マークとして、それぞれパターンＴＰ２〜パターンＴＰ４の孤立パターンによって形成されるマークを用いてもよい。すなわち、比較マーク像ＳＭ１と基準マーク像ＨＭ１が少なくとも１つ形成されるようにすれば良い。
【０１５８】
また、上記実施形態では、第１マーク〜第４マークが形成されたレチクルＲＴを用いたが、第１マークのみが形成されたレチクル（レチクルＡ：第１マスク）および第２マークのみが形成されたレチクル（レチクルＢ：第２マスク）の２つのマスクを用いても良く、第１マークおよび第３マークが形成されたレチクル（レチクルＣ：第１マスク）および第２マークおよび第４マークのみが形成されたレチクル（レチクルＤ：第２マスク）の２つのマスクを用いても良い。この場合、第１露光工程では、レチクルＡまたはレチクルＣ（第１マスク）を用いて露光を行い、第２露光工程では、レチクルステージＲＳＴに搭載するレチクルをレチクルＢまたはレチクルＤ（第２マスク）に交換して露光を行えばよい。
【０１５９】
また、上記実施形態では、レチクルＲＴのパターン領域内に計測用パターンＲＰ１を１つだけ配置するものとしたが、パターン領域内の小区域に計測用パターンＲＰ１を幾つか配置し、例えば計測用パターン毎に得られるデフォーカス量の平均値（単純平均値又は重み付け平均値など）を求めるようにしても良い。これによって、更に精度良くデフォーカス量を求めることが可能となる。
【０１６０】
また、形成される菱形マークの向きが種々の向きとなるように、レチクルＲＴ上に、種々の方向を向いた相互に対を成すＬ／Ｓパターン（前述の回折格子に相当し、それぞれを構成するラインパターンの延長線同士が交差角θで交差する）を形成しても良い。このようなレチクルを用いて上述した二重露光による菱形マークの像の形成を行うと、各菱形マークの長さの計測結果に基づいて非点収差をも計測することができる。
【０１６１】
このように、レチクルＲＴ上の計測用パターンの形成の工夫によって、投影光学系ＰＬのデフォーカス量だけでなく、像面湾曲、球面収差、非点収差などの種々の結像特性をも計測することができる。このとき、レチクルＲＴに複数の計測用パターンを形成する代わりに、あるいはそれと組み合わせてレチクルＲＴを移動するようにし、照明光ＩＬの照明領域内の複数の計測点でそれぞれデフォーカス量（ベストフォーカス位置）を求めるようにしてもよい。
【０１６２】
また、上記実施形態では、前述したように、コータ・デベロッパをインライン接続して一連の計測動作を自動的に行うため、人的負荷の低減につながることなど大きなメリットが見込まれる。
【０１６３】
また、上記実施形態では、回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の格子の配列方向がＹ軸方向の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、回折格子ＳＰ１の配列方向は、Ｘ軸方向であっても良いし、Ｘ−Ｙ平面上の他の方向であっても良い。
【０１６４】
さらに、上記実施形態では、基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の対角線の長さＬＨ１、ＬＳ１に基づいてデフォーカス量を計測しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、両マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の対応する部分の長さであれば、デフォーカス量を計測することができる。従って、それぞれ対応する複数の部分の長さに基づいて位置ずれ情報を算出し、それらの平均値（単純平均値又は重み付け平均値）からデフォーカス量を求めても良い。
【０１６５】
また、上記実施形態ではレジスト像の長さを計測するものとしたが、例えば潜像、あるいはレジスト像が形成されたウエハをエッチング処理して得られる像などの長さを計測するようにしても良い。また、上記実施形態では露光装置のアライメント検出系を用いて転写像の長さを計測するものとしたが、露光装置以外、例えば専用の計測装置（レジストレーション測定機など）を用いてもよい。
【０１６６】
さらに、上記実施形態では、転写像の長さをアライメント検出系等により光学的に検出するものとしたが、これに限定されるものではなく、例えばＥＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：電気抵抗を利用した計測法）等で計測しても良い。
【０１６７】
また、第１領域および第２領域の位相差を生じさせるための位相シフトマスクとしては、レベンソン型、ハーフトーン型、クロムレス型など、様々な形態のものを用いることができることはいうまでもない。
【０１６８】
また、上記実施形態では、ウエハに塗布される感光剤としてのフォトレジストとして、ポジ型のフォトレジストを用いたが、ネガ型のフォトレジストを用いても良い。
【０１６９】
また、上記実施形態では、パターンＴＰ１〜ＴＰ４を遮光部としたが、パターンＴＰ１〜ＴＰ４を光透過部とし、その周りを遮光部としても良い。この場合には、ネガ型のフォトレジストを用いるのが望ましい。
【０１７０】
さらに、レチクルに形成される計測用パターンの描画誤差などを予め検出しておき、前述の符号付きデフォーカス量の算出時に、この検出結果を加味してその値の算出を行うようにしても良い。これによって、更に精度良くデフォーカス量を求めることが可能となる。なお、計測用パターンの潜像を検出するときは、コータ・ディベロッパにてウエハに塗布されるレジストの塗布むら（膜厚分布など）を求めておき、この塗布むらを加味してデフォーカス量の算出を行うようにしてもよい。また、計測用パターンのレジスト像（又はエッチング像）を検出するときは、前述の塗布むらに加えて、あるいはその代わりに、現像むらなどを加味してデフォーカス量の算出を行うようにしてもよい。即ち、露光装置以外の処理装置に起因した転写像の長さの変化を求めておき、この変化を加味してデフォーカス量の算出を行ってもよい。また、レチクル（計測用パターン）の描画誤差や露光装置以外の処理装置の影響などを加味してデフォーカス量を算出するとき、計測された転写像の長さを補正してもよいし、あるいは前述したＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹを補正してもよい。
【０１７１】
また、上記実施形態では、本発明がステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に適用された場合について説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されないのは勿論である。すなわち、ステップ・アンド・リピート方式、ステップ・アンド・スティッチ方式、ミラープロジェクション・アライナー、及びフォトリピータなどにも好適に適用することができる。
【０１７２】
特に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置の場合は、第１露光工程及び第２露光工程において、物体ステージ及びマスクステージを静止させて露光することにより、上記実施形態と同様にして、符号付きのデフォーカス量を求めることができる。
【０１７３】
さらに、投影光学系ＰＬは、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれでもよいし、縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれでも良い。また、レチクルは透過型だけでなく反射型でも構わない。
【０１７４】
さらに、本発明が適用される露光装置の光源は、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザに限らず、例えばｇ線やｉ線などを発生する水銀ランプなどの連続光源でもよいし、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）、あるいは他の真空紫外域のパルスレーザ光源であっても良い。この他、露光用照明光として、例えば、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、露光用照明光としてＥＵＶ光などを用いてもよい。この場合には、レチクルとして反射型が用いられる。
【０１７５】
さらに、本発明は、半導体素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、液晶表示素子、プラズマディスプレイ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、薄膜磁気へ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、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどの製造、さらにはマスク又はレチクル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。
【０１７６】
なお、上記実施形態では、符号付きのデフォーカス量の計測に際し、アライメント検出系ＡＳのＬＳＡ系を用いて基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さを計測する場合について説明したが、これに限らず、例えばアライメント検出系ＡＳのＦＩＡ系を用いて各マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の画像を取り込み、その画像信号に基づいて各マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の長さＬＨ１、ＬＳ１の計測を画像処理により計測しても勿論構わない。このようにしても上記実施形態と同様にして符号付きのデフォーカス量を、上記実施形態と同程度あるいはそれ以上の精度で求めることができる。
【０１７７】
《デバイス製造方法》
次に、上述した露光方法を使用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０１７８】
図１１には、デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、ＤＮＡチップ、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートが示されている。図１１に示されるように、まず、ステップ３０１（設計ステップ）において、デバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップ３０２（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３０３（ウエハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
【０１７９】
次に、ステップ３０４（ウエハ処理ステップ）において、ステップ３０１〜ステップ３０３で用意したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップ３０５（デバイス組立ステップ）において、ステップ３０４で処理されたウエハを用いてデバイス組立を行う。このステップ３０５には、ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。
【０１８０】
最後に、ステップ３０６（検査ステップ）において、ステップ３０５で作製されたデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。
【０１８１】
図１２には、半導体デバイスの場合における、上記ステップ３０４の詳細なフロー例が示されている。図１２において、ステップ３１１（酸化ステップ）においてはウエハの表面を酸化させる。ステップ３１２（ＣＶＤステップ）においてはウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ３１３（電極形成ステップ）においてはウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ３１４（イオン打込みステップ）においてはウエハにイオンを打ち込む。以上のステップ３１１〜ステップ３１４それぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
【０１８２】
ウエハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップ３１５（レジスト形成ステップ）において、ウエハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップ３１６（露光ステップ）において、上記実施形態の露光装置１００および露光方法によってマスクの回路パターンをウエハに転写する。次に、ステップ３１７（現像ステップ）においては露光されたウエハを現像し、ステップ３１８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップ３１９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
【０１８３】
これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０１８４】
以上のような、本実施形態のデバイス製造方法を用いれば、露光ステップで、上記実施形態の露光方法が用いられ、前述した結像特性計測方法にて計測された符号付きのデフォーカス量に基づいて精度良くフォーカスが制御されるため、高精度な露光が行われ、高集積度のデバイスを生産性良く製造することが可能となる。
【０１８５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、投影光学系の結像特性の計測に好適に用いることができるマスクを提供することができる。
【０１８６】
また、本発明にかかる結像特性計測方法によれば、投影光学系の結像特性を精度良くかつ効率よく計測することができるという効果がある。
【０１８７】
また、本発明にかかる露光方法によれば、高精度な露光を実現できるという効果がある。
【０１８８】
また、本発明にかかるデバイス製造方法によれば、高集積度のデバイスの生産性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる露光装置１００の構成を概略的に示す図である。
【図２】レチクルＲＴの一例を示す図である。
【図３】計測用パターンＲＰ１を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、レチクルＲＴを切断した場合の回折格子ＳＰ１付近の断面とともに、回折格子ＳＰ１の−１次光を示す図、図４（Ｂ）は、レチクルＲＴを切断した場合の回折格子ＳＰ１付近の断面とともに、回折格子ＳＰ２の＋１次光を示す図である。
【図５】デフォーカスによって回折格子ＳＰ１の転写像の形成位置がずれる様子を示す図である。
【図６】ウエハＷ上の転写像の重ね合わせの様子を示す図である。
【図７】基準マーク像ＨＭ１および比較マーク像ＳＭ１の様子を示す図である。
【図８】図８（Ａ）は、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が０であった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態を示す図、図８（Ｂ）は、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が−Ｙ方向にΔＹであった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態を示す図、図８（Ｃ）は、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が＋Ｙ方向にΔＹであった場合の転写像ＴＰ３ＷとＴＰ４Ｗの重なり状態を示す図である。
【図９】図９（Ａ）は、デフォーカス量が０である場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態を示す図、図９（Ｂ）は、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が近くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態を示す図、図９（Ｃ）は、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が遠くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗの転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、パターンＴＰ１Ｗが＋Ｙ方向にシフトしているときの比較マーク像ＳＭ１の形状とデフォーカス量との関係を示す図、図１０（Ｂ）は、パターンＴＰ１Ｗが−Ｙ方向にシフトしているときの比較マーク像ＳＭ１の形状とデフォーカス量との関係を示す図である。
【図１１】本発明に係るデバイス製造方法の実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図１２】図１１のステップ３０４における処理のフローチャートである。
【符号の説明】
４２…ガラス基板（マスク物体）、ＲＰ１…計測用パターン、ＳＭ１…比較マーク像、ＨＭ１…基準マーク像、ＴＰ１…パターン（第１パターン）、ＴＰ２…パターン（第２パターン）、ＴＰ３…パターン（第３パターン）、ＴＰ４…パターン（第４パターン）、ＳＰ１…回折格子（第１マーク）、ＳＰ２…回折格子（第２マーク）、ＳＰ３…回折格子（第３マーク）、ＳＰ４…回折格子（第４マーク）、ＰＡ…パターン領域（パターン面）、ＰＬ…投影光学系、ＲＴ…レチクル（マスク）、Ｗ…ウエハ（物体）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マスク、結像特性計測方法、露光方法、及びデバイス製造方法に係り、更に詳しくは、露光装置の投影光学系の結像特性の計測に用いて好適なマスク、該マスクを用いて投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法、該結像特性計測方法によって計測された投影光学系の結像特性を考慮して露光を行う露光方法、並びに該露光方法を利用してデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子、液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程では、マスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）に形成されたパターンを、投影光学系を介してレジスト等が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の物体（以下、適宜「ウエハ」ともいう）上に転写する露光装置が用いられている。近年では、この種の装置としては、スループットを重視する観点から、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、このステッパを改良したステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置などの逐次移動型の投影露光装置が、比較的多く用いられている。
【０００３】
また、このような露光装置では、露光（レチクルパターンのウエハ上への転写）の際のフォーカスずれや投影光学系の収差によって投影像の精度が大きく変化してしまうため、投影光学系の最良フォーカス位置、収差等の結像特性を精度良く計測する技術が必要とされている。
【０００４】
投影光学系の光学特性、例えばパターンが結像される像面の形状の正確な計測には、投影光学系の視野内の各計測点における最適なフォーカス位置（最良フォーカス位置）を正確に計測できることが前提となる。
【０００５】
最良フォーカス位置を計測する１つの方法が、特開２００２―５５４３５号公報に開示されている。この方法では、＋１次光と−１次光とで回折効率が異なる非対称な回折格子を用い、その非対称回折格子の像の転写位置が投影光学系のデフォーカスに比例して横方向にシフト（横ずれ）することを利用し、その横ずれ量を計測することによって投影光学系の符号つきのデフォーカス量を計測している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の計測方法にあっては、計測対象である非対称回折格子の像の横ずれ量が非常に小さく、例えば、テストレチクル上に形成された非対称回折格子のパターンの製造誤差、特にパターン線幅の誤差による影響などを無視することができないほどに小さいため、符号つきのデフォーカス量を正確に計測するのが困難であるという不都合があった。
【０００７】
また、上記従来の計測方法では、その横ずれ量をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で計測するため、ＳＥＭのフォーカス合わせを厳密に行う必要があった。また、ＳＥＭで計測する場合には、１点当たりの計測時間が非常に長くなり、多数点の計測を行おうとすると、数時間から数十時間が必要となる。
【０００８】
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、投影光学系の結像特性の計測に好適に用いることができるマスクを提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、投影光学系の結像特性を精度良くかつ効率良く計測することができる結像特性計測方法を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の第３の目的は、高精度な露光を実現することができる露光方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第４の目的は、高集積度のデバイスの生産性を向上させることができるデバイス製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターン（ＴＰ１）を含み、同一次数の正側の回折光と負側の回折光（即ち±ｎ次回折光（ｎは自然数））との回折効率が異なる第１マーク（ＳＰ１）と、前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターン（ＴＰ２）を含む第２マーク（ＳＰ２）とが、相互に重ならないように、そのパターン面（ＰＡ）に形成されたマスク基板（４２）を備えるマスク（ＲＴ）である。
【００１３】
このマスクを用いて、例えば投影露光装置の符号つきのデフォーカス量を計測する場合を考える。例えば、第１回目の露光により、第１マークに含まれる第１パターンの配列を物体上に転写し、次いで、第２回目の露光により、第２マークに含まれる第２パターンを、第１パターンの転写像に重ね合わせて転写する。これにより、第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部の像（潜像、レジスト像などを含む。以下「マーク像」という）が形成される。
【００１４】
第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なっているため、物体上の第１パターンの転写像の形成位置は、投影光学系のデフォーカス量に比例して所定軸方向（第１パターンの配列方向）にずれる。第１パターンの転写像の形成位置がずれると、第１パターンと第２パターンとの相対的な所定軸方向の重ね位置が変化し、その重なり部に形成されるマーク像の形状が変化する。したがって、マーク像の形状を計測し、計測されたマーク像の形状と、設計上のマーク像の形状とを比較すれば、そのときの投影光学系の符号つきのデフォーカス量を求めることができる。一般的に、第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向のずれよりも、マーク像の形状の変化の方が観測しやすい。そのため、第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向に沿ったずれ量を計測するよりも、マーク像の形状の変化を計測した方が、符号つきのデフォーカス量をより高精度に計測することができる。
【００１５】
この場合において、マーク像の形状の計測は、物体を現像することなく物体上に形成された潜像に対して行っても良いし、上記マーク像が形成された物体を現像した後、物体上に形成されたレジスト像、あるいはレジスト像が形成された物体をエッチング処理して得られる像（エッチング像）に対して行っても良い。また、第１及び第２パターンの転写像が形成される物体上の感応層はレジスト層に限られるものでなく、例えば光磁気層などでもよい。
【００１６】
また、上記マーク像の形状は観測しやすいため、例えば、その観測に、露光装置に設けられているアライメント検出系（ＬＳＡ系、ＦＩＡ系）などを用いることができる。
【００１７】
また、本発明のマスクは、透過型マスクであってもよいし、反射型マスクであってもよい。
【００１８】
この場合において、第１、第２パターンとしては、種々のパターンが考えられるが、請求項２に記載のマスクのごとく、前記第１パターンおよび前記第２パターンのいずれか一方のパターンは、前記所定軸方向のうちの一方の方向に対して時計回りに角度θ１（９０°＜θ１＜１８０°）を成す第１方向に延びる線状の第１部分と、前記一方の方向に対して時計回りに角度θ２（０°＜θ２＜９０°）を成す第２方向に延びる線状の第２部分とを有する、前記一方の方向に凸の山形のパターンであることとすることができる。この場合、請求項３に記載のマスクのごとく、前記第１パターンおよび前記第２パターンのうちの他方のパターンは、前記第１方向に延びる線状の第１部分と前記第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、前記所定軸方向のうち他方の方向に凸の山形のパターンであるとしてもよいし、請求項４に記載のマスクのごとく、前記第１パターンおよび前記第２パターンのうちの他方のパターンは、前記第１方向および前記第２方向に対し角度（θ１−θ２）／２を成す方向に延びるラインパターンであるとしてもよい。
【００１９】
本明細書において、「山形」とは、異なる方向に延びる２つの線状の部分から構成されている形状を意味し、くの字形やＶ字形、及びそれらを変形（例えば、回転、拡大縮小（全体及び一部分）など）した形状を含む概念である。また、第１部分と第２部分の長さは、必ずしも同一でなくとも良い。
【００２０】
請求項２〜４のいずれか一項に記載のマスクを用いて、第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部に形成されるマーク像は、デフォーカス量に応じて形状が変化する菱形もしくは三角形となるが、第１方向と第２方向との成す角θ１−θ２においては、請求項５に記載のマスクのごとく、θ１−θ２＜９０°であることとすることができる。このようにすれば、デフォーカス量に応じた第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向に沿ったずれ量よりも、マーク像の所定軸方向に垂直な方向の長さの変化量の方が大きくなり、デフォーカス量の計測の分解能が向上する。
【００２１】
上記請求項１〜５のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項６記載のマスクのごとく、前記第１マークには、前記第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率を異ならせるために、入射光の位相を異ならせる第１領域と第２領域とが設けられていることとすることができる。マスクを透過する光の位相をシフトさせる技術としては、例えば、位相シフトマスクがある。この位相シフトマスクとしては、レベンソン型や、ハーフトーン型や、クロムレス型など、様々な形態のものを採用することができる。
【００２２】
この場合、請求項７に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記同一次数の正側の回折光と負側の回折光との一方で回折効率がほぼ零となることとすることができる。これによれば、正側の回折光と負側の回折光のいずれか一方はほぼ完全に消滅し、デフォーカス量に応じた第１パターンの転写像の形成位置のずれ量が大きくなるので、符号つきのデフォーカス量をより高精度に計測することができる。
【００２３】
上記請求項６又は７に記載のマスクにおいて、請求項８に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記第１領域と前記第２領域とで前記同一次数の正側の回折光と負側の回折光との一方での位相差がほぼ（２ｍ＋１）π（ｍは整数）となることとすることができる。
【００２４】
上記請求項６〜８のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項９に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記第１領域と前記第２領域とで前記入射光の位相差を９０°又はこれと同等とすることとすることができる。「９０°又はこれと同等」とは、９０°±（３６０°×ｋ）で表される角度、例えば、４５０°、−２７０°などを指す。なおｋは整数である。
【００２５】
また、上記請求項６〜９のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１０に記載のマスクのごとく、前記第１マークは、前記所定軸方向に関する前記第１パターンの幅と前記第１及び第２領域の幅とがほぼ等しいこととすることができる。
【００２６】
また、上記請求項６〜１０のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１１に記載のマスクのごとく、前記所定間隔と、前記第１領域の前記所定軸方向の幅と、前記第２領域の前記所定軸方向の幅との比が４：１：１であることとすることができる。
【００２７】
本発明では、第１マークにおける正側の回折光および負側の回折光のいずれか一方の回折効率がほぼ０であることが望ましい。上述のような諸条件を設定すれば、第１領域から透過する光の±ｎ次の回折光（ｎは自然数）と、第２領域を透過する光の±ｎ次の回折光との位相差は、０°と同等か１８０°と同等かのいずれかとなり、±ｎ次の回折光のいずれか一方を、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とで相殺し、ほぼ完全に消滅させることができる。
【００２８】
また、上記請求項１〜１１のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１２に記載のマスクのごとく、前記第２マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第２パターンを含むこととすることができる。
【００２９】
これによれば、複数のマーク像を形成することができるようになるため、各マーク像の計測値を平均化するなどして、デフォーカス量の計測精度をさらに高めることができる。
【００３０】
この場合、請求項１３に記載のマスクのごとく、前記第２マークでは、前記正側の回折光および前記負側の回折光のうち、前記第１マークにおいて回折効率が大きい方の符号の回折光の回折効率が小さく、前記第１マークにおいて回折効率が小さい方の符号の回折光の回折効率が大きくなるように各回折光の回折効率が設定されている（即ち、前記第１マークと前記第２マークとで回折効率が大きくなる回折光の符号を異ならせる）こととすることができる。
【００３１】
これによれば、第２パターンの転写像の形成位置が、デフォーカス量に応じて第１パターンの転写像の形成位置がずれる方向とは逆の方向にずれるようになるので、デフォーカス量に応じたマーク像の形状の変化量がより大きくなる。そのため、デフォーカス量の計測の分解能が向上する。
【００３２】
上記請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１４に記載のマスクのごとく、第３パターン（ＴＰ３）を含む第３マーク（ＳＰ３）と、前記第３パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターン（ＴＰ４）を含む第４マーク（ＳＰ４）とが、相互に重ならないように、かつ、前記第１マーク及び第２マークにも重ならないように、前記パターン面（ＰＡ）に各々形成されていることとすることができる。
【００３３】
このマスクを用いて投影露光装置の符号付きのデフォーカス量を計測する場合を考える。例えば、第１回目の露光により、第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを物体上に転写し、次いで、第２回目の露光により、第２マークの第２パターンおよび第４マークの第４パターンを、第１パターンの転写像および第３パターンの転写像にそれぞれ重ね合わせて転写する。これにより、第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部の像（潜像、レジスト像などを含む。以下「比較マーク像」という）と、第３パターンと第４パターンとの転写像同士の重なり部の像（潜像、レジスト像などを含む。以下「基準マーク像」という）とが形成される。
【００３４】
前述のように、基準マーク像は、第３パターンと第４パターンの相対的な重ね位置に依存しない一定形状を有しており、比較マーク像は第１パターンと第２パターンの相対的な重ね位置に依存して変化する形状を有している。前述のように、第１パターンの転写像の形成位置は、デフォーカス量に応じて所定軸方向にずれるため、デフォーカス量に応じて比較マーク像の形状が変化する。そこで、基準マーク像と比較マーク像の形状の違いを計測することによって、符号付きのデフォーカス量を求めることができる。
【００３５】
この場合において、請求項１５に記載のマスクのごとく、前記第３パターンは、前記所定軸方向に対して時計回りに角度θ３（９０°＜θ３＜１８０°）を成す第３方向に延びるラインパターンであり、前記第４パターンは、前記所定軸方向に対して時計回りに角度θ４（０°＜θ４＜９０°）を成す前記第４方向に延びるラインパターンであることとすることができる。
【００３６】
これによれば、第３パターンおよび第４パターンの転写像の形成位置がフォーカスずれや他の要因等によって所定軸方向に位置ずれしたとしても、第３パターンと第４パターンとの転写像同士の重なり部に形成される菱形のマーク像は、形状が一定となるので、そのマーク像をデフォーカス量の計測の際の基準とすることができる。このようにすれば、比較マーク像の形状を、設計上のマーク像の形状と比較するのでなく、像形成条件が同一の条件で形成された基準マーク像の形状と比較するので、投影光学系の諸収差や露光条件やレチクル上のパターンの製造誤差などの影響を排除して、より高精度にデフォーカス量を計測することができる。
【００３７】
この場合、第３方向の角度θ３および第４方向の角度θ４については、請求項１６に記載のマスクのごとく、θ１＝θ３およびθ２＝θ４の関係が成立することとしてもよいし、請求項１７に記載のマスクのごとく、θ３−θ４＝（θ１−θ２）／２の関係が成立することとしてもよい。
【００３８】
これによれば、比較マーク像が菱形（一組の対角がθ１−θ２）であっても三角形（底角が（θ１−θ２）／２））であっても、基準マーク像の一組の対角をそれらの角度と同じにすれば、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の形成具合が同程度になり、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響がほぼ同程度になるとみなすことができる。したがって、結果的に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【００３９】
上記請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のマスクにおいて、請求項１８に記載のマスクのごとく、前記第３マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第３パターンを含むこととすることができる。
【００４０】
この場合、請求項１９に記載のマスクのごとく、前記第４マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第４パターンを含むこととすることができる。
【００４１】
さらに、請求項２０に記載のマスクのごとく、前記第３マークは、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比が、前記第１マークと同じであり、前記第４マークは、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比が、前記第２マークと同じであることとすることができる。
【００４２】
これによれば、第１マークの第１パターンの形成位置と第３マークの第３パターンの形成位置とのデフォーカスに起因する所定軸方向のずれ量と、第２マークの第２パターンの形成位置と第４マークの第４パターンの形成位置とのデフォーカスに起因する所定軸方向のずれ量が同じとなる。また、第３マークの各回折光と第１マークの各回折光との回折効率が同じとなり、それらの回折光によるトータルの光の強度が同じとなり、第４マークの各回折光と第２マークの各回折光との回折効率が同じとなるため、それらの回折光によるトータルの光の強度も同じとなる。以上のことから、基準マーク像、比較マーク像の形成精度が同程度となるので、デフォーカス量をさらに精度よく計測することができるようになる。
【００４３】
請求項２１に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマスクを用いて投影光学系（ＰＬ）の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、第１マークの第１パターンを、前記投影光学系を介して物体（Ｗ）上に転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して前記物体上の前記第１パターンの転写像に第２マークの第２パターンを重ねて転写する第２露光工程と；前記物体上の前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成されたマーク像（ＳＭ１）を検出する計測工程と；前記マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００４４】
これによれば、まず、第１露光工程では第１マークの第１パターンを物体上に転写した後、第２露光工程では第２パターンを第１パターンの転写像に重ね合わせて転写する。これにより、第１パターンの転写像に重ね合わせて第２パターンが転写される。上記の第１パターンと第２パターンの転写の結果、物体上の第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部にマーク像（潜像など）が形成される。そして、計測工程ではマーク像が検出され、算出工程ではその検出結果（例えば、前記マーク像の長さ又は形状などに関連する情報）に基づいて投影光学系の結像特性、例えば、符号付きのデフォーカス量が算出される。この場合、マーク像は、第１パターンと第２パターンとの相対的な重ね位置に依存して変化する形状を有している。そこで、そのマーク像を検出し、その検出結果を、デフォーカス量が０であるとき、すなわち第１パターンの転写像の形成位置のずれがないときのマーク像の設計上の値と比較し、それらの差からデフォーカス量が求められる。
【００４５】
すなわち、第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なっているため、物体上の第１パターンの転写像の形成位置は、投影光学系のデフォーカス量に応じて所定軸方向（第１パターンの配列方向）にずれる。第１パターンの転写像の形成位置がずれると、第１パターンと第２パターンとの相対的な所定軸方向の重ね位置が変化し、その重なり部に形成されるマーク像の形状が変化する。したがって、マーク像の形状を計測し、計測されたマーク像の形状と、設計状のマーク像の形状とを比較すれば、そのときの投影光学系の符号つきのデフォーカス量を求めることができる。一般的に、第１パターンの転写像の形成位置の所定軸方向のずれよりも、マーク像の形状の変化の方が観測しやすい。そのため、第１パターン転写像の形成位置の所定軸方向に沿ったずれ量を計測するよりも、マーク像の形状の変化を計測した方が、符号つきのデフォーカス量をより高精度に計測することができる。
【００４６】
請求項２２に記載の発明は、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載のマスクを用いて投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に第２マークの第２パターンを重ねて転写し、前記第３パターンの転写像に第４マークの第４パターンを重ねて転写する第２露光工程と；前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成された比較マーク像（ＳＭ１）を検出し、前記第３パターンと前記第４パターンとの転写像の重なり部に形成された基準マーク像（ＨＭ１）を検出する計測工程と；前記基準マーク像および比較マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００４７】
これによれば、まず、第１露光工程では第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを物体上に転写した後、第２露光工程では、第２マークの第２パターンおよび第４マークの第４パターンを物体上に転写する。これにより、第１パターンおよび第３パターンの転写像に重ね合わせて第２パターンおよび第４パターンがそれぞれ転写される。
【００４８】
上記の第１パターンと第２パターンの転写の結果、物体上の第１パターンと第２パターンとの転写像同士の重なり部に比較マーク像（潜像など）が形成され、第３パターンと第４パターンの転写の結果、物体上の第３パターンと第４パターンとの転写像同士の重なり部に基準マーク像（潜像など）が形成される。そして、計測工程では比較マーク像と基準マーク像とが検出され、算出工程では、それらの検出結果に基づいて投影光学系の結像特性、例えば、デフォーカス量が算出される。この場合、比較マーク像は、第１パターンと第２パターンとの相対的な重ね位置に依存して変化する形状を有しており、基準マーク像は、第３パターンと第４パターンとの相対的な重ね位置に依存せず一定形状を有している。そこで、比較マーク像と基準マーク像とを検出すれば、それらの検出結果の差に基づいて、符号付きデフォーカス量を求めることができる。すなわち、比較マーク像の形状を、設計上の比較マーク像の形状と比較せずに、実際に比較マーク像とともに形成される基準マーク像の形状と比較して符号つきフォーカス量を求めている。
【００４９】
このようにすれば、比較マーク像の形状を、設計上のマーク像の形状と比較するのでなく、像形成条件が同一の条件で形成された基準マーク像の形状と比較するので、投影光学系の諸収差や露光条件やレチクル上のパターンの製造誤差などの影響を排除して、より高精度に符号付きデフォーカス量を計測することができる。
【００５０】
請求項２３に記載の発明は、投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークに含まれる、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンを重ねて転写する第２露光工程と；前記物体上の第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成されたマーク像を検出する計測工程と；前記マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００５１】
ここで、第１パターンがパターン面に形成されたマスクと、第２パターンがパターン面に形成されたマスクとは、同一のマスクである必要はない。
【００５２】
請求項２４に記載の発明は、投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークに含まれる、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンと、第３パターンとを物体上に前記投影光学系を介して転写する第１露光工程と；前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンと、前記第３パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターンとを重ねて転写する第２露光工程と；前記物体上の前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成された比較マーク像を検出し、前記第３パターンと前記第４パターンとの転写像の重なり部に形成された基準マーク像を検出する計測工程と；前記基準マーク像および比較マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法である。
【００５３】
ここで、第１マークおよび第３マークがパターン面に形成されたマスクと、第２パターンおよび第４パターンがパターン面に形成されたマスクとは、同一のマスクである必要はない。
【００５４】
請求項２５に記載の発明は、マスクのパターンを、投影光学系を介して物体上に転写する露光方法であって、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の結像特性計測方法によって前記投影光学系の結像特性を計測する工程と；前記計測された結像特性を考慮して露光の際の各種条件を調整したうえで、前記マスクのパターンを前記物体上に転写する工程と；を含む露光方法である。
【００５５】
これによれば、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の結像特性計測方法によって計測された結像特性によって投影光学系が調整されたうえで、露光が行われるため、微細パターンを物体上に高精度に転写することができる。
【００５６】
請求項２６に記載の発明は、リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、前記リソグラフィ工程では、請求項２５に記載の露光方法を用いることを特徴とするデバイス製造方法である。
【００５７】
これによれば、リソグラフィ工程で、請求項２５に記載の露光方法により微細パターンを物体上に精度良く転写することができるので、結果的に高集積度のデバイス生産性（歩留まりを含む）を向上させることができる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１０に基づいて説明する。
【００５９】
図１には、本発明に係る結像特性計測方法及び露光方法の実施に好適な一実施形態に係る露光装置１００が示されている。この露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置である。
【００６０】
この露光装置１００は、照明系ＩＯＰ、マスクとしてのレチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ（マスクステージ）、レチクルＲに形成されたパターンの像を感光剤（フォトレジスト）が塗布された物体としてのウエハＷ上に投影する投影光学系ＰＬ、ウエハＷを保持して２次元平面（ＸＹ平面内）を移動するＸＹステージ２０（物体ステージ）、ＸＹステージ２０を駆動する駆動系２２、及びこれらの制御系等を備えている。この制御系は、装置全体を統括制御する主制御装置２８を中心として構成されている。
【００６１】
前記照明系ＩＯＰは、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザなどから成る光源と、オプティカルインテグレータ又はホモジナイザ（フライアイレンズ又はロッド型（内面反射型）インテグレータ、又は回折光学素子など）、リレーレンズ、可変ＮＤフィルタ、コンデンサレンズ、レチクルブラインド（又はマスキングブレード）、及びダイクロイックミラー等（いずれも図示省略）を含む照明光学系とから構成されている。この照明系ＩＯＰは、回路パターン等が描かれたレチクルＲ上のレチクルブラインドで規定された投影光学系ＰＬの視野内でＸ軸方向に細長い長方形のスリット状の照明領域を照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。
【００６２】
前記レチクルステージＲＳＴは、照明系ＩＯＰの図１における下方に配置されている。このレチクルステージＲＳＴ上には不図示のバキュームチャック等を介してレチクルＲが吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、Ｙ軸方向（図１における紙面左右方向）、Ｘ軸方向（図１における紙面直交方向）及びθｚ方向（ＸＹ面に直交するＺ軸回りの回転方向）に微小駆動可能であるとともに、所定の走査方向（ここではＹ軸方向とする）に指定された走査速度で駆動可能となっている。なお、レチクルステージＲＳＴはレチクルＲを少なくとも３自由度（例えば、Ｘ軸及びＹ軸方向とθｚ方向）で微動する微動部と、走査方向に長いストロークを持つ粗動部とを含む構成でもよい。
【００６３】
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）２１からのレーザビームを反射する移動鏡１５が固定されている。レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置はレチクル干渉計２１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Ｙ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡と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、これらの移動鏡に対応してレチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計とが設けられている。しかし、図１ではこれらが代表的に移動鏡１５、レチクル干渉計２１として示されている。ここで、レチクルＹ干渉計とレチクルＸ干渉計の一方、例えばレチクルＹ干渉計は、測長軸を２軸有する２軸干渉計であり、このレチクルＹ干渉計の計測値に基づきレチクルステージＲＳＴのＹ位置に加え、θｚ方向も計測できるようになっている。
【００６４】
前記レチクル干渉計２１からのレチクルステージＲＳＴの位置情報は主制御装置２８に送られる。主制御装置２８はこのレチクルステージＲＳＴの位置情報に基づいて駆動系２９を介してレチクルステージＲＳＴを駆動する。
【００６５】
前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に、その光軸ＡＸｐの方向がＸＹ面に直交するＺ軸方向となるように配置されている。この投影光学系ＰＬとしては、ここでは両側テレセントリックな縮小系であってＺ軸方向の共通の光軸ＡＸｐを有する複数枚のレンズエレメントから成る屈折光学系が用いられている。レンズエレメントのうちの特定の複数枚は、主制御装置２８からの指令に基づいて、図示しない結像特性補正コントローラによって制御され、投影光学系ＰＬの光学特性（結像特性を含む）、例えば倍率、ディストーション、コマ収差、及び像面湾曲などを調整できるようになっている。
【００６６】
前記ＸＹステージ２０は、実際には不図示のベース上をＹ軸方向に移動するＹステージと、このＹステージ上をＸ軸方向に移動するＸステージとで構成されているが、図１ではこれらがＸＹステージ２０として示されている。このＸＹステージ２０上にウエハテーブル１８が搭載され、このウエハテーブル１８上に不図示のウエハホルダを介してウエハＷが真空吸着等によって保持されている。
【００６７】
前記ＸＹステージ２０は、走査方向（Ｙ軸方向）の移動のみならず、ウエハＷ上の複数のショット領域を前記照明領域と共役な視野内の投影領域に位置させることができるように、走査方向に直交する非走査方向（Ｘ軸方向）にも移動可能に構成されている。そして、ウエハＷ上の各ショット領域を走査（スキャン）露光する動作と、次ショットの露光のための走査開始位置（加速開始位置）まで移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・スキャン動作を行う。
【００６８】
前記ウエハテーブル１８は、ウエハＷを保持するウエハホルダをＺ軸方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動するものである。このウエハテーブル１８の上面には、移動鏡２４が設けられており、この移動鏡２４にレーザビームを投射して、その反射光を受光することにより、ウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置を計測するレーザ干渉計２６が移動鏡２４の反射面に対向して設けられている。なお、実際には、移動鏡はＸ軸に直交する反射面を有するＸ移動鏡と、Ｙ軸に直交する反射面を有するＹ移動鏡とが設けられ、これに対応してレーザ干渉計もＸ軸方向位置計測用のＸレーザ干渉計とＹ軸方向位置計測用のＹレーザ干渉計とが設けられているが、図１ではこれらが代表して移動鏡２４、レーザ干渉計２６として図示されている。なお、Ｘレーザ干渉計及びＹレーザ干渉計は測長軸を複数有する多軸干渉計であり、ウエハテーブル１８のＸ、Ｙ位置の他、回転（ヨーイング（Ｚ軸回りの回転であるθｚ回転）、ピッチング（Ｘ軸回りの回転であるθｘ回転）、ローリング（Ｙ軸回りの回転であるθｙ回転））も計測可能となっている。従って、以下の説明ではレーザ干渉計２６によって、ウエハテーブル１８のＸ、Ｙ、θｚ、θｙ、θｘの５自由度方向の位置が計測されるものとする。
【００６９】
レーザ干渉計２６の計測値は主制御装置２８に供給され、主制御装置２８はこのレーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹステージ２０を駆動することにより、ウエハテーブル１８の位置制御が行われる。
【００７０】
ウエハＷ表面のＺ軸方向位置及び傾斜量は、例えば特開平６−２８３４０３号公報などに開示される送光系５０ａ及び受光系５０ｂを有する斜入射方式の多点焦点位置検出系から成るフォーカスセンサＡＦＳによって計測されるようになっている。このフォーカスセンサＡＦＳの計測値も主制御装置２８に供給されており、主制御装置２８では、フォーカスセンサＡＦＳの計測値に基づいて駆動系２２を介してウエハテーブル１８を微少駆動して、投影光学系ＰＬの光軸方向に関するウエハＷの位置及び傾きを制御するようになっている。
【００７１】
すなわち、このようにしてウエハテーブル１８を介してウエハＷがＸ、Ｙ、Ｚ、θｘ、θｙの５自由度方向の位置及び姿勢制御がなされるようになっている。なお、残りのθｚ（ヨーイング）の誤差については、レーザ干渉計２６で計測されたウエハテーブル１８のヨーイング情報に基づいてレチクルステージＲＳＴとウエハテーブル１８との少なくとも一方を回転させることによって補正される。
【００７２】
また、ウエハテーブル１８上には、その表面がウエハＷの表面と同じ高さになるような基準板ＦＰが固定されている。この基準板ＦＰの表面には、後述するアライメント検出系ＡＳのいわゆるベースライン計測等に用いられる基準マークを含む各種の基準マークが形成されている。
【００７３】
更に、本実施形態では、投影光学系ＰＬの側面に、ウエハＷに形成されたアライメントマークを検出するマーク検出系としてのオフ・アクシス方式のアライメント検出系ＡＳが設けられている。このアライメント検出系ＡＳは、例えば、ＬＳＡ系、及びＦＩＡ系と呼ばれるアライメントセンサを有しており、基準板ＦＰ上の基準マーク及びウエハ上のアライメントマークのＸ、Ｙ２次元方向の位置計測を行なうことが可能である。
【００７４】
ここで、ＬＳＡ系は、レーザ光をマークに照射して、回折・散乱された光を利用してマーク位置を計測する最も汎用性のあるセンサであり、従来から幅広いプロセスウエハに使用されている。ＦＩＡ系は、ハロゲンランプ等のブロードバンド（広帯域）光でマークを照明し、このマーク画像を画像処理することによってマーク位置を計測するセンサであり、アルミ層やウエハ表面の非対称マークに有効に使用される。
【００７５】
アライメント制御装置１６は、アライメント検出系ＡＳからの情報ＤＳをＡ／Ｄ変換し、さらにこのデジタル化された信号を演算処理してマーク位置を検出する。この検出結果は、アライメント制御装置１６から主制御装置２８に供給されるようになっている。
【００７６】
さらに、本実施形態の露光装置１００では、レチクルＲの上方に、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示される、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上のレチクルマークまたはレチクルステージＲＳＴ上の基準マーク（共に図示省略）と基準板ＦＰ上の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（不図示）が設けられている。これらのレチクルアライメント検出系の検出信号は、アライメント制御装置１６を介して主制御装置２８に供給される。露光装置１００で、実際に走査露光を行う際には、これらのレチクルアライメント検出系により、レチクルＲ上のレチクルマークまたはレチクルステージＲＳＴ上の基準マーク（共に図示省略）と基準板ＦＰ上のマークとの相対位置が検出され、そのときのレチクル干渉計２１及びウエハ干渉計２６の測定値とから、レチクル干渉計２１の測長軸によって規定されるレチクルステージＲＳＴの座標系とウエハ干渉計２６の測長軸によって規定されるＸＹステージ２０の座標系との関係が求められることによって、レチクルアライメントが実行される。
【００７７】
次に、本発明に係る投影光学系の結像特性の計測に用いられるレチクルの一例について説明する。
【００７８】
図２には、投影光学系ＰＬの結像特性の計測に用いられるレチクルＲＴの一例が示されている。図２は、レチクルＲＴを、パターン面側（図１における下面側）から見た平面図である。このレチクルＲＴは、ほぼ正方形のマスク物体としてのガラス基板４２の中央に、パターン領域ＰＡが設けられ、そのパターン領域ＰＡ内に、後述する計測用パターンＲＰ１が配置されている。レチクルＲＴのパターン領域ＰＡ内における計測用パターンＲＰ１が配置されていない領域は、遮光パターンとなっている。なお、パターン領域ＰＡの中心、すなわちレチクルＲＴの中心（レチクルセンタ）を通るパターン領域ＰＡのＸ軸方向の両側には、例えば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。また、本実施形態では、パターン領域ＰＡ内で計測用パターンＲＰ１が形成される領域以外を遮光部とするものとしたが、パターン領域ＰＡの内部を光透過部としてその一部に計測用パターンＲＰ１を形成してもよい。
【００７９】
ここで、本実施形態において、レチクルＲＴのパターン領域ＰＡ内に配置される計測用パターンＲＰ１について説明する。パターン領域ＰＡ内にはその一部を光透過部として、例えば、図３に拡大して示されるような計測用パターンＲＰ１が配置されている。この計測用パターンＲＰ１は、投影光学系の結像特性を計測するためのパターンである。計測用パターンＲＰ１では、４種類の回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４が、相互に重ならないように形成されている。
【００８０】
回折格子ＳＰ１（第１マーク）は、Ｙ軸方向（所定軸方向）に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ１（第１パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ１は、―Ｙ方向（所定軸方向のうちの一方の方向）に対し紙面内時計回りに角度θ１（９０°＜θ１＜１８０°）を成す第１方向に延びる線状の第１部分と、―Ｙ方向に対し紙面内時計回りに角度θ２（０°＜θ２＜９０°）を成す第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、−Ｙ方向に凸の全体として山形のパターンである。各パターンＴＰ１は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ１のＹ軸方向の線幅はＬとなっており、Ｌ＝ｄ／２の関係がある。
【００８１】
回折格子ＳＰ２（第２マーク）は、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ２（第２パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ２は、前述の第１方向に延びる線状の第１部分と、前述の第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、＋Ｙ方向（所定軸方向のうちの他方の方向）に凸の全体として山形のパターンである。すなわち、各パターンＴＰ２は、各パターンＴＰ１と逆向きのパターンとなっている。各パターンＴＰ２は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ２のＹ軸方向の線幅は、パターンＴＰ１と同じＬである。後述するように、パターンＴＰ１とパターンＴＰ２とは、互いに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化するような形状となっている。また、本実施形態では、パターンＴＰ１が＋Ｙ方向に凸となっていて、パターンＴＰ２が−Ｙ方向に凸となっていてもよい。すなわち、パターンＴＰ１とパターンＴＰ２との凸のむきが互いに逆であればよい。
【００８２】
回折格子ＳＰ３（第３マーク）は、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ３（第３パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ３は、第３方向（角度θ３）に延びるラインパターンである。各パターンＴＰ３は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ３のＹ軸方向の線幅は、パターンＴＰ１と同じＬである。
【００８３】
回折格子ＳＰ４（第４マーク）は、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置された複数のパターンＴＰ４（第４パターン）を含んでいる。各パターンＴＰ４は、第４方向（角度θ４）に延びるラインパターンである。各パターンＴＰ４は、光を遮光する光遮蔽部（遮光部）となっている。なお、各パターンＴＰ４のＹ軸方向の線幅は、パターンＴＰ１と同じＬである。本実施形態ではθ１＝θ３、θ２＝θ４となっている。後述するように、パターンＴＰ３とパターンＴＰ４とは、互いに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる。
【００８４】
回折格子ＳＰ２、ＳＰ４は、回折格子ＳＰ１、ＳＰ３の紙面下方（−Ｘ方向）に配置されており、パターンＴＰ１およびパターンＴＰ３の中心とパターンＴＰ２およびパターンＴＰ４の中心とはＸ軸方向にΔＲＸだけ離れている。すなわち、回折格子ＳＰ１と回折格子ＳＰ２の位置関係は、回折格子ＳＰ３と回折格子ＳＰ４の位置関係と同一である。
【００８５】
なお、本実施形態においては、計測パターンＲＰ１の形成領域のうち、パターンＴＰ１〜ＴＰ４以外の領域は、光を透過させる光透過部であるとする。また、Ｙ軸方向に関する回折格子ＳＰ１とＳＰ３との間隔、及び回折格子ＳＰ２とＳＰ４との間隔は等しく、かつ回折格子の大きさに応じてその間隔が決定されている。
【００８６】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）には、図２のＹ軸に平行な線分Ａ−Ａ’でレチクルＲＴを切断した場合の回折格子ＳＰ１付近の断面図が示されている。図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示されるように、ガラス基板４２に、パターンＴＰ１の形状を有する遮光部３０が、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配設されることによって、回折格子ＳＰ１が形成されている。各遮光部３０の間を、光を透過させる光透過部３１であるとする。遮光部３０のＹ軸方向の線幅Ｌは、所定の間隔ｄの１／２であるため、光透過部３１のＹ軸方向の線幅もＬとなる。即ち、回折格子ＳＰ１はＹ軸方向に所定間隔（ピッチ）ｄで配列され、かつデューティ比が１：１となるラインアンドスペースパターンである。
【００８７】
レチクルＲＴに紙面上方から垂直に光が入射すると、回折格子ＳＰ１の各光透過部３１を通過した光の回折現象によって、０次光の他に、正側（紙面右側）に進むｎ次光（ｎは自然数）と負側（紙面左側）に進むｎ次光とが発生する。図４（Ａ）、図４（Ｂ）では、説明を簡単にするため、０次光と±１次光が図示されている。なお、紙面下方に直進する０次光と、±１次光とのなす角度αは、所定間隔ｄと照明光ＩＬの波長λによって決定され、ｓｉｎα＝λ／ｄの関係が成立する。
【００８８】
＋１次光と−１次光との回折効率を異ならせるため、回折格子ＳＰ１の光透過部３１の一部には、入射する光の位相をシフトしないで透過する領域（第１領域）と、入射する光の位相をシフトさせて透過する領域（第２領域）とが設けられている。図４では、光透過部３１のＹ軸方向（紙面左右方向）における右半分（幅Ｌ／２）の部分が第１領域となり、左半分（幅Ｌ／２）が第２領域となっている。第１領域を透過する光と第２領域を透過する光とは位相が異なったものとなる。なお、本実施形態では、第１領域と第２領域とで同一次数の正側の回折光及び負側の回折光（即ち±ｎ次回折光）の一方での位相差をπとするように段差量（深さ）が設定された凹部をガラス基板４２に形成した後、ガラス基板４２に蒸着したクロムなどの遮光層をパターニングすることで、その凹部の一部にパターンＴＰ１を形成し、残りを第１領域としているが、これとは逆に第２領域となるガラス基板４２の一部を上記と同じ凹部とし、パターンＴＰ１が形成されるガラス基板４２の表面の一部を第１領域としてもよい。また、図４では隣接するパターンＴＰ１に挟まれた光透過部の右半分を第１領域、左半分を第２領域としているが、これとは逆に右半分を第２領域、左半分を第１領域としてもよい。さらに、第１領域と第２領域とで±ｎ次回折光の一方での位相差をπとするために、本実施形態では、ガラス基板４２に凹部を設けるものとしているが、例えば誘電体膜などからなる位相シフタをガラス基板４２に形成してもよい。また、第１及び第２領域における±ｎ次回折光の一方での位相差はπに限られるものではなく（２ｍ＋１）π（ｍは整数）であればよい。以上のように、本実施形態の回折格子ＳＰ１の構成は任意で良く、要は±ｎ次回折光の回折効率が異なればよく、特に±ｎ次回折光の一方が実質的になくなる（即ち、第１領域と第２領域とで±ｎ次回折光の一方での位相差がほぼ（２ｍ＋１）πとなる）ことが好ましい。
【００８９】
図４（Ａ）には、第１領域を透過する０次光および−１次光と、第２領域を透過する０次光および−１次光とがそれぞれ示されている。第２領域を透過する光は、第１領域を透過する光よりπ／２だけ位相が早まっている。さらに、−１次光については、第１領域を透過する光の−１次光と、第２領域を透過する光の−１次光との間には、光路差（（Ｌ／２）ｓｉｎα）が発生する。この光路差は、ｓｉｎα＝λ／ｄから（Ｌ／２）×（λ／ｄ）となる。そして、Ｌ＝ｄ／２であるから、この光路差はλ／４となる。この光路差によって、第１領域を透過する光の−１次光と第２領域を透過する光の−１次光との位相差はキャンセルされ、両者は同位相となる。したがって、第１領域を透過する光の−１次光と、第２領域を透過する光の−１次光の間には、結果的に位相差が生じず、−１次光は、両者によって強められる。
【００９０】
一方、図４（Ｂ）には、第１領域を透過する光の０次光および＋１次光と、第２領域を透過する光の０次光および１次光とがそれぞれ示されている。前述のように、第２領域を透過する光は、第１領域を透過する光よりもπ／２だけ位相が早まっている。さらに、＋１次光については、第１領域を透過する光の＋１次光と、第２領域を透過する光の＋１次光の間には光路差（（Ｌ／２）ｓｉｎα）が発生する。したがって、この光路差は、（Ｌ／２）×（λ／ｄ）となる。そして、Ｌ＝ｄ／２であるから、この光路差はλ／４となる。したがって、この光路差λ／４と第１領域および第２領域の位相差とから、第１領域を透過する光の＋１次光と、第２領域を透過する光の＋１次光との間には結果的に位相差πが生じ、＋１次光は、両者によって相殺され、ほぼ消滅する。
【００９１】
すなわち、この回折格子ＳＰ１では、透過する光のうち、＋１次光が消滅し、０次光と−１次光だけが残るようになる。なお、２次以上の光についても−１次光と同様に正側の回折光は消滅し、０次光と負側の回折光とが残るようになる。
【００９２】
本実施形態のように、回折格子ＳＰ１の所定間隔ｄと、第１領域のＹ軸方向の幅（Ｌ／２）と、第２領域のＹ軸方向の幅（Ｌ／２）との比を４：１：１にすれば、第１領域を透過する光の回折光と、第２領域を透過する光の回折光との光路差の絶対値はλ／４となる。そこで、第１領域と第２領域とを透過する光の位相差をπ／２とすれば、第１領域と第２領域との同一次数の正側の回折光と負側の回折光との位相差は、πか０かのいずれかとなり、一方の回折光は消滅し、もう一方の回折光は最も強めあうようになる。
【００９３】
したがって、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の差を最大にするには、本実施形態のように、回折格子の所定間隔ｄと、第１領域のＹ軸方向の幅Ｌ／２と、第２領域の幅Ｌ／２との比を４：１：１にし、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光との位相差をπ／２、又はこれと同等（即ち、２ｍπ（ｍは整数）を加算した値）とするのが望ましいが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、回折格子ＳＰ１における同一次数の正側の回折光と負側の回折光の回折効率が異なるように、回折格子の所定間隔ｄと、第１領域のＹ軸方向の幅と、第２領域の幅との比や、第１領域を透過する光と第２領域を透過する光との位相差が、設定されていればよい。
【００９４】
図５には、デフォーカスによって回折格子ＳＰ１の転写像がずれる様子が示されている。図５に示されるように、回折格子ＳＰ１では、前述のように＋１次光が消滅しており、ウエハテーブル１８上のウエハＷには、０次光と−１次光によって結像された回折格子ＳＰ１の像が転写される。したがって、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が近いときには、ウエハＷ上の回折格子ＳＰ１の各パターンＴＰ１の転写像の形成位置は−Ｙ方向にずれ、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が遠くなる方向にずれているときには、ウエハＷ上の回折格子ＳＰ１の各パターンＴＰ１の転写像の形成位置は、＋Ｙ方向にずれることになる。なお、本実施形態では、他の回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４の同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率は同じであるとする。
【００９５】
次に、本実施形態の露光装置１００によりレチクルパターンをウエハＷ上に転写して、投影光学系ＰＬの結像特性を計測する際の動作の流れについて簡単に説明する。
【００９６】
まず、ウエハＷが不図示のウエハローダによりウエハテーブル１８上にロードされるとともに、レチクルＲＴが不図示のレチクルローダによりレチクルステージＲＳＴ上にロードされる。
【００９７】
主制御装置２８は、ウエハテーブル１８上に設けられた基準板ＦＰの表面に形成されている一対の基準マーク（不図示）の中点が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一致するように、ウエハテーブル１８を移動する。この移動は、主制御装置２８によりレーザ干渉計２６の計測結果をモニタしつつ駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動することにより行われる。次に、主制御装置２８は、レチクルＲＴの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸とほぼ一致するように、駆動系２９を介してレチクルステージＲＳＴの位置を調整する。このとき、例えば、前述のレチクルアライメント検出系（不図示）により投影光学系ＰＬを介してレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２と対応する前述の基準マークとの相対位置が検出される。
【００９８】
そして、主制御装置２８は、レチクルアライメント検出系によって検出された相対位置の検出結果に基づいてレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２と対応する前述の基準マークとの相対位置誤差がともに最小となるように駆動系２９を介してレチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置を調整する。これにより、レチクルＲＴの中心（レチクルセンタ）が投影光学系ＰＬの光軸と正確にほぼ一致するとともにレチクルＲＴの回転角もレーザ干渉計２６の測長軸で規定される直交座標系の座標軸に正確に一致する。ここで、本実施形態では、ウエハ上での照明光ＩＬの照射領域（投影光学系ＰＬに関して前述の照明領域と共役な細長い長方形状の投影領域）の中心（即ち、投影光学系ＰＬの光軸位置）を計測点としてベストフォーカス位置を計測するものとし、レチクルＲＴの中心と投影光学系ＰＬの光軸とが一致すると、計測用パターンＲＰ１はその中心が投影光学系ＰＬの物体面側でその計測点に対応する位置（ここでは光軸位置）とほぼ一致するように配置される。このとき、計測用パターンＲＰ１は、Ｘ軸方向に関して回折格子ＳＰ１、ＳＰ３と回折格子ＳＰ２、ＳＰ４との中心点が光軸位置とほぼ一致し、かつＹ軸方向に関して回折格子ＳＰ１、ＳＰ２と回折格子ＳＰ３、ＳＰ４との中心点が光軸位置とほぼ一致することになる。
【００９９】
次いで、主制御装置２８は、レーザ干渉計２６の計測結果をモニタしつつ駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動することにより、本実施形態では表面に感光剤としてポジ型のレジストが塗布されたウエハＷを投影光学系ＰＬの下方の位置に移動させる。なお、本実施形態の場合、レチクルＲＴの計測用パターンＲＰ１が配置されている領域以外の領域は遮光パターンとなっている。即ちレチクルＲＴ上の照明領域に照射される照明光ＩＬの大部分は投影光学系ＰＬに入射しないので、ウエハＷへの計測用パターンＲＰ１の転写時に照明光ＩＬの照射により投影光学系ＰＬに蓄積される熱エネルギが少なくて済み、その転写時における投影光学系ＰＬの光学特性の変動を最小限に抑えることが可能となっている。但し、レチクルＲＴのパターン領域ＰＡ内で計測用パターンＲＰ１の形成領域以外を遮光パターンではなく光透過部としてもよく、この場合には、ウエハＷへの計測用パターンＲＰ１の転写に先立ち、レチクルＲＴの計測用パターンＲＰ１のみ、あるいは計測用パターンＲＰ１を含む照明領域よりも狭い所定領域のみに照明光ＩＬが照射されるように、照明系ＩＯＰ内の不図示のレチクルブラインドを駆動して、レチクルＲＴ上での照明領域の大きさ及び位置を調整することが好ましい。
【０１００】
この状態で、主制御装置２８は１回目の露光を行う。ここでは、投影光学系ＰＬの結像特性を計測するのが目的であるために、露光中は、レチクルＲＴとウエハＷ、すなわちレチクルステージＲＳＴとＸＹステージ２０は、静止させたままとする。これにより、レチクルＲＴのパターンが投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上のフォトレジスト層に縮小転写される（第１露光工程）。また、このとき通常の露光ドーズ量（すなわち、レジストの感度特性に応じた適正量）で露光を行う。これにより、ウエハＷ上のレジスト層に図６中に点線で示されるような回折格子ＳＰ１、ＳＰ２の像ＳＰ１Ｗ、ＳＰ２Ｗと回折格子ＳＰ３、ＳＰ４の像ＳＰ３Ｗ、ＳＰ４Ｗとが転写される。ここでは、転写像ＳＰ１Ｗ〜ＳＰ４Ｗは、それぞれ回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の転写像に対応している。
【０１０１】
次いで、主制御装置２８は、パターンＴＰ１とパターンＴＰ２との位置関係に基づいて、ＸＹステージ２０を所定軸方向に所定量だけ移動する。図３に示されるように、回折格子ＳＰ１、ＳＰ３の中心と回折格子ＳＰ２、ＳＰ４との中心とは、Ｘ軸方向にΔＲＸだけ離れていることから、投影光学系ＰＬの倍率が、例えば１／４であれば、ΔＲＸ／４の距離だけ−Ｘ方向にＸＹステージ２０を移動する。このとき、主制御装置２８は、レーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹステージ２０を移動する。
【０１０２】
上述のようにして目的の位置（ΔＲＸ／４だけ−Ｘ方向に移動した位置）へのウエハＷの位置決めが完了すると、主制御装置２８は、前述の露光と同様の露光（２回目の露光）を行う（第２露光工程）。なお、このときも通常の露光ドーズ量で露光を行う。これにより、図６中に実線で示される回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の像がウエハＷ上に転写される。なお、１回目の露光と２回目の露光とで投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に関するウエハＷの位置（フォーカス位置）は等しければよくその位置は任意で構わないが、本実施形態では、フォーカスセンサＡＦＳを用い、例えば、投影光学系ＰＬに関する既知の最良フォーカス位置（設計値など）にウエハＷを設定しておくものとする。また、２回目の露光に先立ってウエハＷを移動させるものとしたが、その代わりに、あるいはそれと組み合わせてレチクルＲＴを移動させてもよい。
【０１０３】
この場合、１回目の露光においてウエハＷ上のレジスト層に転写された回折格子ＳＰ１、ＳＰ３の潜像に回折格子ＳＰ２、ＳＰ４の像がそれぞれ重なる位置に転写される。すなわち、転写像ＳＰ１Ｗに回折パターンＳＰ２の像が、転写像ＳＰ３Ｗに回折格子ＳＰ４の像がそれぞれ重なる位置に転写される。なお、回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の転写像ＳＰ１Ｗ〜ＳＰ４Ｗの中の１つ１つの転写像、すなわちパターンＴＰ１〜ＴＰ４の転写像をそれぞれ転写像ＴＰ１Ｗ〜ＴＰ４Ｗとする。
【０１０４】
そして、２回目の露光が終了すると、主制御装置２８の指示に応じて、不図示のウエハローダによって、ウエハＷは、ウエハテーブル１８上からアンロードされた後、不図示のウエハ搬送系により、露光装置１００にインラインにて接続されている不図示のコータ・デベロッパに搬送される。
【０１０５】
ウエハＷは、このコータ・デベロッパ内で現像される。この現像の終了により、ウエハＷ上には、一例として図７に示されるように、転写像ＴＰ１ＷとＴＰ２Ｗの重なり部に比較マーク像ＳＭ１が、転写像ＴＰ３ＷとＴＰ４Ｗの重なり部に基準マーク像ＨＭ１が形成され、比較マーク像ＳＭ１の配列と、基準マーク像ＨＭ１の配列とが形成される。なお、比較マーク像ＳＭ１と基準マーク像ＨＭ１は、投影光学系ＰＬの結像特性を検出するためのマーク像である。なお、比較マーク像ＳＭ１は、長い方の対角線がＸ軸方向を向いている。そして、比較マーク像ＳＭ１は１組の対角の角度がθである。また、基準マーク像ＨＭ１は四角形の長い方の対角線がＸ軸方向を向いている。さらに、基準マーク像ＨＭ１は比較マーク像ＳＭ１と同様に１組の対角の角度がθである。比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１の一対の対角θの大きさは、θ１−θ２（＝θ３−θ４）となる。
【０１０６】
ここで、基準マーク像ＨＭ１の形状が、重ね位置に依存せずに一定形状であることについて、一例として、図８を用いて説明する。図８（Ａ）には、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が０であった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態が示され、図８（Ｂ）には、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が−Ｙ方向にΔＹであった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態が示されている。また、図８（Ｃ）には、転写像ＴＰ３Ｗの＋Ｙ方向のずれ量がΔＹであった場合の転写像ＴＰ３ＷとＴＰ４Ｗの重なり状態が示されている。なお、本実施形態では、回折格子ＳＰ３および回折格子ＳＰ４の正側の回折光と負側の回折光との回折効率は同じであるため、デフォーカスによって、転写像ＴＰ３Ｗおよび転写像ＴＰ４Ｗの形成位置がずれることはない。
【０１０７】
転写像ＴＰ３Ｗ及び転写像ＴＰ４Ｗは、それぞれ異なる方向に伸びる同一線幅の線状（ラインパターン）の転写像であるため、図８に示されるように、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置がＹ軸方向にずれることによって、転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗとが重なるときの４つの交点（各交点を結んだ形状が基準マーク像ＨＭ１の形状である）の位置はそれぞれ異なった位置となる。しかし、各交点間の距離は変化しないため、基準マーク像ＨＭ１の形状は、重ね位置に依存せず、いずれの場合も同一形状となる。
【０１０８】
一方、比較マーク像ＳＭ１が、重ね位置に依存して変化することについて、一例として、図９を用いて説明する。図９（Ａ）には、転写像ＴＰ１Ｗの形成位置のずれがない場合、すなわちデフォーカス量が０である場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態が示されている。また、図９（Ｂ）には、転写像ＴＰ１Ｗの形成位置のずれ量が−Ｙ方向にΔＹであった場合、すなわち投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が近くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態が示されている。また、図９（Ｃ）には、転写像ＴＰ１ＷのＹ軸方向のずれ量が＋Ｙ方向にΔＹであった場合、すなわち投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が遠くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗの転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態が示されている。ここでは、転写像ＴＰ１Ｗ及び転写像ＴＰ２Ｗがそれぞれ反対向きに凸の山形の像であるために、転写像ＴＰ１Ｗの形成位置がＹ軸方向にずれれば、転写像ＴＰ１ＷとＴＰ２Ｗとが重なるときの交点の数（各交点を結んだ形状が比較マーク像ＳＭ１の形状である）や、各交点間の距離が変化する。従って、比較マーク像ＳＭ１の形状は、重ね位置に依存して変化することとなる。
【０１０９】
なお、比較マーク像ＳＭ１の形状は、角度θの値や、重ね位置のずれ量及びずれ方向により、四角形（菱形や平行四辺形）だけではなく、図９（Ｃ）に示されるように、四角形の一部が欠落した多角形となる場合もある。但し、以下の説明では、比較マーク像ＳＭ１の形状が、四角形の一部が欠落した多角形の場合には、便宜上、欠落がないものとして取り扱うこととする。このような取り扱いをしても、デフォーカス量の計測結果に影響はないからである。
【０１１０】
前述した理由から、基準マーク像ＨＭ１の形状と比較マーク像ＳＭ１の形状とを比較することにより、パターンの重ね位置のＹ軸方向のずれ情報（位置ずれ量）を求めることができる。例えば、正確にパターンの重ね合わせが行われると基準マーク像ＨＭ１と比較マーク像ＳＭ１とが同一形状となるような位置関係に各パターンＴＰ１〜ＴＰ４がパターン領域ＰＡに配置されているものとして、基準マーク像ＨＭ１と比較マーク像ＳＭ１のそれぞれ対応する部分の長さＬＨ１、ＬＳ１を計測し、それぞれの計測値が同じであれば、Ｙ軸方向の重ね合わせのずれ量が０であることがわかり、それぞれの計測値が異なっていれば、Ｙ軸方向に重ね合わせがずれていることを示している。そして、このＹ軸方向のずれ量がデフォーカス量に比例するものであるため、両マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の長さＬＨ１、ＬＳ１の差に基づいてそのデフォーカス量を求めることができる。
【０１１１】
そこで、ウエハＷ上に形成された比較マーク像ＳＭ１及び基準マーク像ＨＭ１の検出（長さ計測）が、以下のようにして行われる（計測工程）。
【０１１２】
本実施形態では、一例としてアライメント検出系ＡＳを用いて基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さ計測を行う。まず、主制御装置２８は、コータ・デベロッパからの現像完了の通知を受け取ると、不図示のウエハ搬送系に指示してウエハＷを露光装置内に搬送し、この搬送されたウエハＷをウエハローダにより再度ウエハテーブル１８上にロードする。
【０１１３】
そして、主制御装置２８は、ウエハＷ上に形成された比較マーク像ＳＭ１をアライメント検出系ＡＳの真下に移動して、例えばＬＳＡ系を用いて、比較マーク像ＳＭ１の長い方の対角線の長さＬＳ１（図７参照）を計測する。なお、楔マーク（菱形マークはその一種）の線長等をＬＳＡ系のセンサで計測する方法は、ＳＭＰ計測技術として広く知られているので、計測方法の詳細については省略する。
【０１１４】
同様にして、主制御装置２８は、基準マーク像ＨＭ１の長い方の対角線の長さＬＨ１（図７参照）を計測する。
【０１１５】
次に、このようにして計測された基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さＬＨ１、ＬＳ１に基づいて、デフォーカス量を求める方法について説明する（算出工程）。
【０１１６】
まず、主制御装置２８は、ＬＳ１及びＬＨ１の計測値を比較し、両者が同一の値であれば、デフォーカス量が０であると判断する。
【０１１７】
一方、主制御装置２８は、ＬＳ１とＬＨ１の計測値が異なる場合には、デフォーカス量が０ではないと判断する。ここで、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１との差分をΔＳＨ１として、デフォーカス量を求める方法について説明する。なお、比較マーク像ＳＭ１が四角形の一部が欠落した多角形である場合は、仮想的に欠落がないとみなすことにより、比較マーク像ＳＭ１を四角形の場合と同様に取り扱うことが可能となる。
【０１１８】
比較マーク像ＳＭ１の短い方の対角線の長さをＤＳ１とすると、ＤＳ１とＬＳ１とは、次の（１）式の関係にある。
【０１１９】
ＤＳ１＝ＬＳ１×ｔａｎ（θ／２） ……（１）
【０１２０】
また、基準マーク像ＨＭ１の短い方の対角線の長さをＤＨ１とすると、ＤＨ１とＬＨ１とは、次の（２）式の関係にある。
【０１２１】
ＤＨ１＝ＬＨ１×ｔａｎ（θ／２） ……（２）
【０１２２】
ここで、ＤＳ１とＤＨ１の差分をΔＤ１とすると、ＬＳ１とＬＨ１の差分であるΔＳＨ１とΔＤ１との関係は、上記（１）式と（２）式とから、次の（３）式で示される。
【０１２３】
ΔＤ１＝ΔＳＨ１×ｔａｎ（θ／２） ……（３）
【０１２４】
このΔＤ１は、転写像ＴＰ１Ｗの中心と転写像ＴＰ２Ｗの中心との距離の２倍と同等の値を有する。そこで、Ｙ軸方向の位置ずれ量をΔＹとすると、ΔＹとΔＤ１との関係は、次の（４）式で示される。
【０１２５】
ΔＤ１＝ΔＹ×２ ……（４）
【０１２６】
従って、上記（３）式と（４）式とから、次の（５）式が得られる。
【０１２７】
ΔＹ＝ΔＳＨ１×ｔａｎ（θ／２）÷２ ……（５）
【０１２８】
そこで、主制御装置２８は、比較マーク像ＳＭ１の長い方の対角線の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長い方の対角線の長さＬＨ１の差分を算出し、この差分と上記（５）式とに基づいてＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹが求まる。
【０１２９】
また、主制御装置２８は、基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１と比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１との大小関係から、ずれの方向（＋Ｙ方向か−Ｙ方向か）を求める。例えば、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１が基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１よりも小さい場合には、図１０（Ａ）に示されるように、パターンＴＰ１Ｗは＋Ｙ方向にシフトしていると判断し、図１０（Ｂ）に示されるように、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１が基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１よりも大きい場合には、パターンＴＰ１Ｗは−Ｙ方向にシフトしていると判断する。すなわち、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＹが同じであっても、比較マーク像ＳＭ１の形状は、Ｙ軸方向の転写像ＴＰ１Ｗの形成位置のＹ軸方向の位置ずれの方向によって異なったものとなる。
【０１３０】
従って、主制御装置２８は、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１が、例えば図１０（Ａ）に示されるような関係であれば、図５に示されるように、回折格子ＳＰ１の転写像ＳＰ１Ｗは＋Ｙ方向にシフトしており、現在のフォーカス位置は最適フォーカス位置よりも−Ｚ方向にあると判断する。また、主制御装置２８は、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１と基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１が、例えば図１０（Ｂ）に示されるような関係であれば、回折パターンの転写像ＳＰ１Ｗは−Ｙ方向にシフトしており、現在のフォーカス位置は最適フォーカス位置よりも＋Ｚ方向にあると判断する。
【０１３１】
次に、主制御装置２８は、現在のフォーカス位置と最適フォーカス位置との関係と、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＹから、符号付きデフォーカス量を求める。位置ずれ量ΔＹと符号付きデフォーカス量との関係は、図５に示されるように、比例関係にあるため、符号付きデフォーカス量は、現在のフォーカス位置と最適フォーカス位置との関係と、Ｙ軸方向の位置ずれ量ΔＹから簡単に求めることができる。
【０１３２】
なお、上述のような符号付きデフォーカス量の計測方法を応用して、投影光学系ＰＬの結像特性の１つである投影光学系ＰＬの像面（像面湾曲）を求めることもできる。例えば、上述した計測用レチクルＲＴの代わりに、前述のスリット状の照明領域部分に収まるような範囲の領域に、計測用パターンＲＰ１と同様のパターンが、複数形成されたレチクルを用意する。このとき、複数の計測用パターンＲＰ１はウエハ上での照明光ＩＬの照射領域（投影領域）内でベストフォーカス位置を検出すべき複数の計測点にそれぞれ対応して配置されるようにその間隔などが設定される。なお、図２では説明を容易にするため計測用パターンＲＰ１を誇張して大きく示している。そして、そのレチクルを用いて、上述の第１露光工程、第２露光工程を実行すれば、ウエハＷの対応する領域にそれぞれ比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１が形成される。これにより、異なる像高位置で形成された比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１によってデフォーカス量がそれぞれ計測され、それらのデフォーカス量から例えば最小二乗法などを用いて投影光学系ＰＬの像面（像面湾曲）を算出することができる。なお、上述した像面湾曲の計測では、計測用パターンＲＰ１が複数形成されたレチクルを用いて第１露光工程、第２露光工程を実行したが、レチクルＲＴを用いて、前述した複数の計測点でそれぞれ計測用パターンＲＰ１の転写像が形成されるように、レチクルステージＲＳＴを移動して各計測点に対応する位置に計測用パターンＲＰ１を順次配置しながら、上述の第１露光工程、第２露光工程を実行し、異なる像高位置に比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１をそれぞれ形成するようにしてもよい。なお、図１の走査露光装置では走査方向（Ｙ軸方向）と直交する非走査方向（Ｘ軸方向）に関するレチクルステージＲＳＴの移動ストロークが短いので、Ｘ軸方向に離れた複数の計測用パターンＲＰ１をレチクルＲＴに形成するとともに、レチクルステージＲＳＴをＹ軸方向に移動してその複数の位置でそれぞれ前述の第１及び第２露光工程を実行するようにしてもよい。
【０１３３】
本実施形態の露光装置１００では、主制御装置２８が、装置各部を制御して、露光開始に先立って、これまでに説明した結像特性計測方法によって投影光学系ＰＬの結像特性を計測する。そして、主制御装置２８は、その計測された結像特性を考慮して露光の際の各種条件を調整して、ＸＹステージ２０とレチクルステージＲＳＴの同期制御を行いつつ走査露光を行なう。
【０１３４】
なお、露光条件の調整としては、例えば計測された結像特性に基づく投影光学系ＰＬの結像特性を前述の結像特性補正コントローラを介して調整することなどが代表的に挙げられる。また、例えば計測された結像特性がベストフォーカス位置又は像面湾曲などであるときは、走査露光中にレチクルＲとウエハＷとの少なくとも一方のＺ軸方向の位置や傾斜角を調整してもよい。このとき、結像特性補正コントローラによる結像特性の調整を併用しても構わない。
【０１３５】
また、本実施形態の露光装置では、上述した菱形マークの線長の計測結果に基づいて投影光学系ＰＬのベストフォーカスを検出し、この検出結果に基づいてフォーカスセンサＡＦＳのキャリブレーションを精度良く行うことも可能である。
【０１３６】
また、所定の精度範囲内に結像特性の調整ができない場合には、主制御装置２８はディスプレイ（モニター）への警告表示、あるいはインターネット（電子メール等）又は携帯電話などによって、オペレータなどにアシストの必要性を通知するようにしても良い。さらに、この場合に、各駆動系やセンサ類の調整に必要な情報を一緒に通知しても良い。これにより、各種データの計測などの作業時間だけでなく、その準備期間も短縮することができ、露光装置１００の停止期間の短縮、すなわち稼働率の向上を図ることが可能となる。
【０１３７】
なお、上記（５）式を変形すると、次の（６）式となる。
【０１３８】
ΔＳＨ１＝ΔＹ×２÷ｔａｎ（θ／２） ……（６）
【０１３９】
ここで、２÷ｔａｎ（θ／２）をＭとおくと、上記（６）式は次の（７）式となる。
【０１４０】
ΔＳＨ１＝ΔＹ×Ｍ ……（７）
【０１４１】
上記（７）式から、ΔＳＨ１は、ΔＹをＭ倍した値であるといえる。すなわち、本実施形態では、回折パターンの転写像ＳＰ１Ｗの転写位置のＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹを拡大して計測することができる。例えば、量を５０倍（Ｍ＝５０）にするには、角度θを約４．６度に、又、位置ずれ量を１００倍（Ｍ＝１００）にするには、角度θを約２．３度にすれば良い。従って、角度θを変えることによってＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹの拡大率Ｍを任意に設定することが可能となる。このことは、デフォーカス量を拡大して計測ができるということに他ならない。なお、角度θ、すなわち（θ１−θ２）は、９０度より小さい値に設定しておくのが望ましい。
【０１４２】
以上説明したように、本実施形態では、投影光学系の結像特性の１つであるベストフォーカス位置（デフォーカス量）の計測に際し、Ｙ軸方向に所定間隔ｄで配置されたパターンＴＰ１を含み、正側の回折光と負側の回折光との回折効率がそれぞれ異なる回折格子ＳＰ１と、パターンＴＰ１に重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化するパターンＴＰ２が、所定間隔ｄで配置されることによって形成された回折格子ＳＰ２と、パターンＴＰ３が所定軸方向に所定間隔で配置されることによって形成された回折格子ＳＰ３と、第３パターンに重ね合わせて転写した際に重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターンが所定間隔で配置されることによって形成された回折格子ＳＰ４とが、相互に重ならないように、そのパターン面に形成されたレチクルＲＴを用いている。
【０１４３】
回折格子ＳＰ１における正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なっているため、パターンＴＰ１の転写像ＴＰ１Ｗの形成位置は、デフォーカス量に応じてＹ軸方向にずれたものとなる。第１パターンの転写像ＴＰ１Ｗの形成位置がＹ軸方向にずれると、比較マーク像ＳＭ１の形状が変化する。したがって、比較マーク像ＳＭ１の形状を計測し、計測された比較マーク像ＳＭ１の形状と、基準マーク像ＨＭ１の形状とを比較すれば、そのときのデフォーカス量（前述した１回目及び２回目の露光時におけるウエハＷのＺ軸方向の位置（フォーカス位置））を求めることができる。一般に、デフォーカスによるパターンＴＰ１のＹ軸方向のずれ量よりも、比較マーク像ＳＭ１の形状の変化量の方が大きいため、パターンＴＰ１の転写像の形成位置の位置ずれ量を計測するよりも、比較マーク像ＳＭ１の形状の変化を計測した方が、計測されるデフォーカス量はより高精度な値となる。
【０１４４】
そして、本実施形態では、各パターンＴＰ１〜ＴＰ４の線幅が等しいために、各パターンＴＰ１〜ＴＰ４の各転写像は、それぞれ同程度の投影光学系ＰＬの収差の影響を受ける。そこで、各パターンＴＰ１〜ＴＰ４の重なり部に形成される基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１における収差の影響は、それぞれほぼ同程度とみなすことができる。従って、基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１のそれぞれ対応する部分の長さから算出されるパターンのＹ軸方向の位置ずれ情報における収差の影響を除くことができ、結果的に、精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。このとき、前述の露光時におけるウエハＷのＺ軸方向の位置はフォーカスセンサＡＦＳにて検出されているので、先に計測されたデフォーカス量が零でないときは、フォーカスセンサＡＦＳの検出値からその計測されたデフォーカス量だけずれた位置をベストフォーカス位置として求めることができる。
【０１４５】
また、基準マーク像ＨＭ１と比較マーク像ＳＭ１は、いずれも一組の対角が同じ角度θとされているので、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の形成具合は同程度であるとともに、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響はほぼ同程度とみなすことができる。従って、結果的に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１４６】
また、比較マーク像ＳＭ１の長さＬＳ１には、その対角の角度θに応じた倍率で実際のデフォーカス量が拡大されて含まれている。そこで、所定の倍率に対応する角度θが得られるように各パターンＴＰ１、ＴＰ２を配置することにより、従来の方法では、転写像間の距離を計測する計測装置の計測限界（分解能）により計測できなかったわずかなデフォーカス量であっても、特殊な装置を必要とせずに、従来と同じ計測装置（例えば、露光装置のアライメント検出系（ＬＳＡ系、ＦＩＡ系）など）を用いてデフォーカス量を計測することが可能となる。すなわち、見かけ上、デフォーカス量の計測装置の分解能を上げることができる。従って、結果的に更に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１４７】
なお、上記実施形態では、比較マーク像ＳＭ１の形状と、基準マーク像ＨＭ１の形状との比較によって、デフォーカス量を求めたが、レチクルＲＴの代わりに、回折格子ＳＰ１と回折格子ＳＰ２のみが形成されている別のレチクルを用いて、比較マーク像ＳＭ１のみを形成してデフォーカス量を求めるようにしても良い。この場合には、デフォーカス量が０であるときの理想の比較マーク像ＳＭ１の対角線の長さＬＳ１を予め求めておき、計測された比較マーク像ＳＭ１と理想の対角線の長さとを比較すれば、上記実施形態と同様にしてデフォーカス量を求めることができる。なお、この場合には、レチクル上のパターンの製造誤差や、比較マーク像ＳＭ１の頂角θによるレジスト像の形成の具合などを考慮して、計測された比較マーク像ＳＭ１の長さを補正しておくのが望ましいことはいうまでもない。また、この場合、第１露光工程では、回折格子ＳＰ１の各パターンＴＰ１だけが転写され、第２露光工程では、回折格子ＳＰ２の各パターンＴＰ２だけが転写される。
【０１４８】
また、上記実施形態では、回折格子ＳＰ１のみ、正側の回折光と負側の回折光の回折効率が異なるとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４においても、正側の回折光と負側の回折光の回折効率が異なるようにしてもよい。ただし、この場合、回折格子ＳＰ１の正側の回折光と負側の回折光の回折効率の比と、回折格子ＳＰ２の正側の回折光と負側の回折光の回折効率の比とは異なるようにする必要がある。もしこれらの比が同じであれば、デフォーカスによって比較マーク像ＳＭ１の形状が変化しなくなってしまうからである。なお、回折格子ＳＰ２では、正側の回折光および負側の回折光のうち、回折格子ＳＰ１において回折効率が大きい方の回折光の回折効率が小さく、回折格子ＳＰ１において回折効率が小さい方の回折光の回折効率が大きくなるように回折光の回折効率が設定されているのが望ましい。このようにすれば、同じデフォーカス量であっても、回折格子ＳＰ１および回折格子ＳＰ２の転写像の形成位置のずれる方向が反対となり、デフォーカス量の計測の分解能を上げることができるためである。
【０１４９】
また、回折格子ＳＰ３および回折格子ＳＰ４については、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比を任意に設定することができる。なお、回折格子ＳＰ１の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比と、回折格子ＳＰ３の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比とを同じにし、回折格子ＳＰ２の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比と、回折格子ＳＰ４の正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比とを同じにしておくのがより望ましい。このようにすれば、比較マーク像ＳＭ１と基準マーク像ＨＭ１とが形成される際の全体的な露光量等の像形成条件を同一として、精度良くデフォーカス量を求めることができるからである。なお、回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４の回折効率を設定する際にも、回折格子ＳＰ１と同様に、透過する光の位相をシフトしない第１領域と透過する光の位相をシフトさせない第２領域とを設ける方法を用いることができることはいうまでもない。
【０１５０】
また、上記実施形態では、投影光学系ＰＬの結像特性計測に際して、第１露光工程と第２露光工程とで、レチクルＲＴ上での照明領域の全体に照明光ＩＬを照射するものとしたが、これに限らず、レチクルＲＴの計測用パターンＲＰ１の形成領域にほぼ一致させて照明領域を設定してもよいし、第１露光工程に先立って回折格子ＳＰ１，ＳＰ３を含む領域にのみ照明光が照射されるような照明領域の設定を行い、第２露光工程に先立って回折格子ＳＰ２，ＳＰ４を含む領域にのみ照明光が照射されるような照明領域の設定を行うようにしても良い。
【０１５１】
また、上記実施形態では、レチクルステージやウエハステージの移動精度を含まないようにするために、第１露光工程および第２露光工程では、レチクルＲＴとウエハＷを静止させて計測用パターンを転写し、光学特性を求めたが、もちろん、走査露光方式にて計測用パターンＲＰ１を転写し、ダイナミックな光学特性を求めるようにしてもよい。
【０１５２】
また、特にウエハを現像処理してレジスト像を得る場合、あるいはレジスト像が形成されたウエハをエッチング処理してエッチング像を得る場合、基準マーク像ＨＭ１における一組の対角と、比較マーク像ＳＭ１における２つの内角とが同じ角度θなので、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の形成具合は同程度であるとともに、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響はほぼ同程度であるとみなすことができる。そこで、精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１５３】
また、上記実施形態では、比較マーク像ＳＭ１を形成するための回折格子ＳＰ１、ＳＰ２のパターンＴＰ１、ＴＰ２は、互いに逆向きの山形のパターンであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、パターンＴＰ１、ＴＰ２のうち、いずれか１つのパターンは、山形ではなくラインパターンであっても良い。
例えば、パターンＴＰ１は、前述の第１方向および第２方向に対し角度（θ１−θ２）／２を成す方向に延びるラインパターンであってもよい。
【０１５４】
この場合、基準マーク像ＨＭ１の形状は、従来どおりそれぞれ一組の対角が角度θである四角形（菱形）となるが、比較マーク像ＳＭ１の形状は、Ｘ軸方向の辺を底辺とし、一対の底角が角度θ／２の二等辺三角形となる。この場合でも、比較マーク像ＳＭ１の形状は、重ね位置に依存して変化する形状となる。比較マーク像ＳＭ１ではＸ軸方向に伸びる底辺の長さを、基準マーク像ＨＭ１の長さＬＨ１とすることにより、計測工程と同様にして計測される基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さに基づいて、前述の算出工程と同様にしてデフォーカス量を求めることができる。なお、比較マーク像ＳＭ１が二等辺三角形となる場合については、θ／２＝（θ１−θ２）／２となるので、両方の像において、その尖った先端部分に生じるレジスト等の具合は同程度とするとともに、現像処理あるいはエッチング処理におけるプロセスの影響はほぼ同程度とするためには、θ３−θ４＝（θ１−θ２）／２の関係が成立させる必要がある。
【０１５５】
また、上記実施形態では、同一スリット幅のラインパターンの重ね合わせ転写で基準マーク像ＨＭ１が形成される場合について述べているが、これに限定されるものではない。例えば、異なる線幅のラインパターンを重ね合わせて転写すると、その重なり部は平行四辺形となるが、これであっても、重ね位置に依存せず一定形状となるため、基準マーク像ＨＭ１として利用することができる。すなわち、重ね合わせて転写した際に、その重なり部に形成される像が重ね位置に依存せず一定形状となれば良く、その形状は限定されない。
【０１５６】
また、上記実施形態では、比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１が格子のスリット数分得られるので、それらの比較マーク像ＳＭ１および基準マーク像ＨＭ１の長さＬＳ１、ＬＨ１の平均値（単純平均又は重み付け平均）を用いることにより、更に精度良くデフォーカス量を計測することが可能となる。
【０１５７】
また、上記実施形態では、第２マーク〜第４マークをそれぞれ回折格子ＳＰ２〜ＳＰ４であるとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第２マーク〜第４マークとして、それぞれパターンＴＰ２〜パターンＴＰ４の孤立パターンによって形成されるマークを用いてもよい。すなわち、比較マーク像ＳＭ１と基準マーク像ＨＭ１が少なくとも１つ形成されるようにすれば良い。
【０１５８】
また、上記実施形態では、第１マーク〜第４マークが形成されたレチクルＲＴを用いたが、第１マークのみが形成されたレチクル（レチクルＡ：第１マスク）および第２マークのみが形成されたレチクル（レチクルＢ：第２マスク）の２つのマスクを用いても良く、第１マークおよび第３マークが形成されたレチクル（レチクルＣ：第１マスク）および第２マークおよび第４マークのみが形成されたレチクル（レチクルＤ：第２マスク）の２つのマスクを用いても良い。この場合、第１露光工程では、レチクルＡまたはレチクルＣ（第１マスク）を用いて露光を行い、第２露光工程では、レチクルステージＲＳＴに搭載するレチクルをレチクルＢまたはレチクルＤ（第２マスク）に交換して露光を行えばよい。
【０１５９】
また、上記実施形態では、レチクルＲＴのパターン領域内に計測用パターンＲＰ１を１つだけ配置するものとしたが、パターン領域内の小区域に計測用パターンＲＰ１を幾つか配置し、例えば計測用パターン毎に得られるデフォーカス量の平均値（単純平均値又は重み付け平均値など）を求めるようにしても良い。これによって、更に精度良くデフォーカス量を求めることが可能となる。
【０１６０】
また、形成される菱形マークの向きが種々の向きとなるように、レチクルＲＴ上に、種々の方向を向いた相互に対を成すＬ／Ｓパターン（前述の回折格子に相当し、それぞれを構成するラインパターンの延長線同士が交差角θで交差する）を形成しても良い。このようなレチクルを用いて上述した二重露光による菱形マークの像の形成を行うと、各菱形マークの長さの計測結果に基づいて非点収差をも計測することができる。
【０１６１】
このように、レチクルＲＴ上の計測用パターンの形成の工夫によって、投影光学系ＰＬのデフォーカス量だけでなく、像面湾曲、球面収差、非点収差などの種々の結像特性をも計測することができる。このとき、レチクルＲＴに複数の計測用パターンを形成する代わりに、あるいはそれと組み合わせてレチクルＲＴを移動するようにし、照明光ＩＬの照明領域内の複数の計測点でそれぞれデフォーカス量（ベストフォーカス位置）を求めるようにしてもよい。
【０１６２】
また、上記実施形態では、前述したように、コータ・デベロッパをインライン接続して一連の計測動作を自動的に行うため、人的負荷の低減につながることなど大きなメリットが見込まれる。
【０１６３】
また、上記実施形態では、回折格子ＳＰ１〜ＳＰ４の格子の配列方向がＹ軸方向の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、回折格子ＳＰ１の配列方向は、Ｘ軸方向であっても良いし、Ｘ−Ｙ平面上の他の方向であっても良い。
【０１６４】
さらに、上記実施形態では、基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の対角線の長さＬＨ１、ＬＳ１に基づいてデフォーカス量を計測しているが、本発明がこれに限定されるものではなく、両マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の対応する部分の長さであれば、デフォーカス量を計測することができる。従って、それぞれ対応する複数の部分の長さに基づいて位置ずれ情報を算出し、それらの平均値（単純平均値又は重み付け平均値）からデフォーカス量を求めても良い。
【０１６５】
また、上記実施形態ではレジスト像の長さを計測するものとしたが、例えば潜像、あるいはレジスト像が形成されたウエハをエッチング処理して得られる像などの長さを計測するようにしても良い。また、上記実施形態では露光装置のアライメント検出系を用いて転写像の長さを計測するものとしたが、露光装置以外、例えば専用の計測装置（レジストレーション測定機など）を用いてもよい。
【０１６６】
さらに、上記実施形態では、転写像の長さをアライメント検出系等により光学的に検出するものとしたが、これに限定されるものではなく、例えばＥＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：電気抵抗を利用した計測法）等で計測しても良い。
【０１６７】
また、第１領域および第２領域の位相差を生じさせるための位相シフトマスクとしては、レベンソン型、ハーフトーン型、クロムレス型など、様々な形態のものを用いることができることはいうまでもない。
【０１６８】
また、上記実施形態では、ウエハに塗布される感光剤としてのフォトレジストとして、ポジ型のフォトレジストを用いたが、ネガ型のフォトレジストを用いても良い。
【０１６９】
また、上記実施形態では、パターンＴＰ１〜ＴＰ４を遮光部としたが、パターンＴＰ１〜ＴＰ４を光透過部とし、その周りを遮光部としても良い。この場合には、ネガ型のフォトレジストを用いるのが望ましい。
【０１７０】
さらに、レチクルに形成される計測用パターンの描画誤差などを予め検出しておき、前述の符号付きデフォーカス量の算出時に、この検出結果を加味してその値の算出を行うようにしても良い。これによって、更に精度良くデフォーカス量を求めることが可能となる。なお、計測用パターンの潜像を検出するときは、コータ・ディベロッパにてウエハに塗布されるレジストの塗布むら（膜厚分布など）を求めておき、この塗布むらを加味してデフォーカス量の算出を行うようにしてもよい。また、計測用パターンのレジスト像（又はエッチング像）を検出するときは、前述の塗布むらに加えて、あるいはその代わりに、現像むらなどを加味してデフォーカス量の算出を行うようにしてもよい。即ち、露光装置以外の処理装置に起因した転写像の長さの変化を求めておき、この変化を加味してデフォーカス量の算出を行ってもよい。また、レチクル（計測用パターン）の描画誤差や露光装置以外の処理装置の影響などを加味してデフォーカス量を算出するとき、計測された転写像の長さを補正してもよいし、あるいは前述したＹ軸方向の位置ずれ量ΔＹを補正してもよい。
【０１７１】
また、上記実施形態では、本発明がステップ・アンド・スキャン方式の走査型露光装置に適用された場合について説明したが、本発明の適用範囲がこれに限定されないのは勿論である。すなわち、ステップ・アンド・リピート方式、ステップ・アンド・スティッチ方式、ミラープロジェクション・アライナー、及びフォトリピータなどにも好適に適用することができる。
【０１７２】
特に、ステップ・アンド・リピート方式の投影露光装置の場合は、第１露光工程及び第２露光工程において、物体ステージ及びマスクステージを静止させて露光することにより、上記実施形態と同様にして、符号付きのデフォーカス量を求めることができる。
【０１７３】
さらに、投影光学系ＰＬは、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれでもよいし、縮小系、等倍系、及び拡大系のいずれでも良い。また、レチクルは透過型だけでなく反射型でも構わない。
【０１７４】
さらに、本発明が適用される露光装置の光源は、ＫｒＦエキシマレーザやＡｒＦエキシマレーザに限らず、例えばｇ線やｉ線などを発生する水銀ランプなどの連続光源でもよいし、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）、あるいは他の真空紫外域のパルスレーザ光源であっても良い。この他、露光用照明光として、例えば、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、露光用照明光としてＥＵＶ光などを用いてもよい。この場合には、レチクルとして反射型が用いられる。
【０１７５】
さらに、本発明は、半導体素子の製造に用いられる露光装置だけでなく、液晶表示素子、プラズマディスプレイ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、薄膜磁気へ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、撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、及びＤＮＡチップなどの製造、さらにはマスク又はレチクル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。
【０１７６】
なお、上記実施形態では、符号付きのデフォーカス量の計測に際し、アライメント検出系ＡＳのＬＳＡ系を用いて基準マーク像ＨＭ１及び比較マーク像ＳＭ１の長さを計測する場合について説明したが、これに限らず、例えばアライメント検出系ＡＳのＦＩＡ系を用いて各マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の画像を取り込み、その画像信号に基づいて各マーク像ＨＭ１、ＳＭ１の長さＬＨ１、ＬＳ１の計測を画像処理により計測しても勿論構わない。このようにしても上記実施形態と同様にして符号付きのデフォーカス量を、上記実施形態と同程度あるいはそれ以上の精度で求めることができる。
【０１７７】
《デバイス製造方法》
次に、上述した露光方法を使用したデバイスの製造方法の実施形態を説明する。
【０１７８】
図１１には、デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、ＤＮＡチップ、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートが示されている。図１１に示されるように、まず、ステップ３０１（設計ステップ）において、デバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップ３０２（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスクを製作する。一方、ステップ３０３（ウエハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウエハを製造する。
【０１７９】
次に、ステップ３０４（ウエハ処理ステップ）において、ステップ３０１〜ステップ３０３で用意したマスクとウエハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップ３０５（デバイス組立ステップ）において、ステップ３０４で処理されたウエハを用いてデバイス組立を行う。このステップ３０５には、ダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。
【０１８０】
最後に、ステップ３０６（検査ステップ）において、ステップ３０５で作製されたデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。こうした工程を経た後にデバイスが完成し、これが出荷される。
【０１８１】
図１２には、半導体デバイスの場合における、上記ステップ３０４の詳細なフロー例が示されている。図１２において、ステップ３１１（酸化ステップ）においてはウエハの表面を酸化させる。ステップ３１２（ＣＶＤステップ）においてはウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ３１３（電極形成ステップ）においてはウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ３１４（イオン打込みステップ）においてはウエハにイオンを打ち込む。以上のステップ３１１〜ステップ３１４それぞれは、ウエハ処理の各段階の前処理工程を構成しており、各段階において必要な処理に応じて選択されて実行される。
【０１８２】
ウエハプロセスの各段階において、上述の前処理工程が終了すると、以下のようにして後処理工程が実行される。この後処理工程では、まず、ステップ３１５（レジスト形成ステップ）において、ウエハに感光剤を塗布する。引き続き、ステップ３１６（露光ステップ）において、上記実施形態の露光装置１００および露光方法によってマスクの回路パターンをウエハに転写する。次に、ステップ３１７（現像ステップ）においては露光されたウエハを現像し、ステップ３１８（エッチングステップ）において、レジストが残存している部分以外の部分の露出部材をエッチングにより取り去る。そして、ステップ３１９（レジスト除去ステップ）において、エッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。
【０１８３】
これらの前処理工程と後処理工程とを繰り返し行うことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０１８４】
以上のような、本実施形態のデバイス製造方法を用いれば、露光ステップで、上記実施形態の露光方法が用いられ、前述した結像特性計測方法にて計測された符号付きのデフォーカス量に基づいて精度良くフォーカスが制御されるため、高精度な露光が行われ、高集積度のデバイスを生産性良く製造することが可能となる。
【０１８５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、投影光学系の結像特性の計測に好適に用いることができるマスクを提供することができる。
【０１８６】
また、本発明にかかる結像特性計測方法によれば、投影光学系の結像特性を精度良くかつ効率よく計測することができるという効果がある。
【０１８７】
また、本発明にかかる露光方法によれば、高精度な露光を実現できるという効果がある。
【０１８８】
また、本発明にかかるデバイス製造方法によれば、高集積度のデバイスの生産性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる露光装置１００の構成を概略的に示す図である。
【図２】レチクルＲＴの一例を示す図である。
【図３】計測用パターンＲＰ１を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、レチクルＲＴを切断した場合の回折格子ＳＰ１付近の断面とともに、回折格子ＳＰ１の−１次光を示す図、図４（Ｂ）は、レチクルＲＴを切断した場合の回折格子ＳＰ１付近の断面とともに、回折格子ＳＰ２の＋１次光を示す図である。
【図５】デフォーカスによって回折格子ＳＰ１の転写像の形成位置がずれる様子を示す図である。
【図６】ウエハＷ上の転写像の重ね合わせの様子を示す図である。
【図７】基準マーク像ＨＭ１および比較マーク像ＳＭ１の様子を示す図である。
【図８】図８（Ａ）は、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が０であった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態を示す図、図８（Ｂ）は、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が−Ｙ方向にΔＹであった場合の転写像ＴＰ３Ｗと転写像ＴＰ４Ｗの重なり状態を示す図、図８（Ｃ）は、転写像ＴＰ３Ｗの形成位置のＹ軸方向へのずれ量が＋Ｙ方向にΔＹであった場合の転写像ＴＰ３ＷとＴＰ４Ｗの重なり状態を示す図である。
【図９】図９（Ａ）は、デフォーカス量が０である場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態を示す図、図９（Ｂ）は、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が近くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗと転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態を示す図、図９（Ｃ）は、投影光学系ＰＬとウエハＷとの距離が遠くなる方向にフォーカスがずれている場合の転写像ＴＰ１Ｗの転写像ＴＰ２Ｗの重なり状態を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、パターンＴＰ１Ｗが＋Ｙ方向にシフトしているときの比較マーク像ＳＭ１の形状とデフォーカス量との関係を示す図、図１０（Ｂ）は、パターンＴＰ１Ｗが−Ｙ方向にシフトしているときの比較マーク像ＳＭ１の形状とデフォーカス量との関係を示す図である。
【図１１】本発明に係るデバイス製造方法の実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図１２】図１１のステップ３０４における処理のフローチャートである。
【符号の説明】
４２…ガラス基板（マスク物体）、ＲＰ１…計測用パターン、ＳＭ１…比較マーク像、ＨＭ１…基準マーク像、ＴＰ１…パターン（第１パターン）、ＴＰ２…パターン（第２パターン）、ＴＰ３…パターン（第３パターン）、ＴＰ４…パターン（第４パターン）、ＳＰ１…回折格子（第１マーク）、ＳＰ２…回折格子（第２マーク）、ＳＰ３…回折格子（第３マーク）、ＳＰ４…回折格子（第４マーク）、ＰＡ…パターン領域（パターン面）、ＰＬ…投影光学系、ＲＴ…レチクル（マスク）、Ｗ…ウエハ（物体）。
Claims (26)
- 所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンを含み、同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークと、前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンを含む第２マークとが、相互に重ならないように、そのパターン面に形成されたマスク基板を備えるマスク。
- 前記第１パターンおよび前記第２パターンのいずれか一方のパターンは、前記所定軸方向のうちの一方の方向に対して時計回りに角度θ１（９０°＜θ１＜１８０°）を成す第１方向に延びる線状の第１部分と、前記一方の方向に対して時計回りに角度θ２（０°＜θ２＜９０°）を成す第２方向に延びる線状の第２部分とを有する、前記一方の方向に凸の山形のパターンであることを特徴とする請求項１に記載のマスク。
- 前記第１パターンおよび前記第２パターンのうちの他方のパターンは、前記第１方向に延びる線状の第１部分と前記第２方向に延びる線状の第２部分とを有し、前記所定軸方向のうちの他方の方向に凸の山形のパターンであることを特徴とする請求項２に記載のマスク。
- 前記第１パターンおよび前記第２パターンのうちの他方のパターンは、前記第１方向および前記第２方向に対し角度（θ１−θ２）／２を成す方向に延びるラインパターンであることを特徴とする請求項２に記載のマスク。
- θ１−θ２＜９０°であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第１マークには、前記第１マークにおける正側の回折光と負側の回折光との回折効率を異ならせるために、入射光の位相を異ならせる第１領域と第２領域とが設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第１マークは、前記同一次数の正側の回折光と負側の回折光との一方で回折効率がほぼ零となることを特徴とする請求項６に記載のマスク。
- 前記第１マークは、前記第１領域と前記第２領域とで前記同一次数の正側の回折光と負側の回折光との一方での位相差がほぼ（２ｍ＋１）π（ｍは整数）となることを特徴とする請求項６又は７に記載のマスク。
- 前記第１マークは、前記第１領域と前記第２領域とで前記入射光の位相差を９０°又はこれと同等とすることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第１マークは、前記所定軸方向に関する前記第１パターンの幅と前記第１及び第２領域の幅とがほぼ等しいことを特徴とする請求項６〜９のいずか一項に記載のマスク。
- 前記所定間隔と、前記第１領域の前記所定軸方向の幅と、前記第２領域の前記所定軸方向の幅との比が４：１：１であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第２マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第２パターンを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第２マークでは、前記正側の回折光および前記負側の回折光のうち、前記第１マークにおいて回折効率が大きい方の符号の回折光の回折効率が小さく、前記第１マークにおいて回折効率が小さい方の符号の回折光の回折効率が大きくなるように各回折光の回折効率が設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のマスク。
- 第３パターンを含む第３マークと、前記第３パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターンを含む第４マークとが、相互に重ならないように、かつ、前記第１マーク及び第２マークにも重ならないように、前記パターン面に各々形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第３パターンは、前記所定軸方向に対して時計回りに角度θ３（９０°＜θ３＜１８０°）を成す第３方向に延びるラインパターンであり、前記第４パターンは、前記所定軸方向に対して時計回りに角度θ４（０°＜θ４＜９０°）を成す前記第４方向に延びるラインパターンであることを特徴とする請求項１４に記載のマスク。
- θ１＝θ３およびθ２＝θ４の関係が成立することを特徴とする請求項１５に記載のマスク。
- θ３−θ４＝（θ１−θ２）／２の関係が成立することを特徴とする請求項１５に記載のマスク。
- 前記第３マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第３パターンを含むことを特徴とする請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のマスク。
- 前記第４マークは、前記所定間隔で配置された複数の前記第４パターンを含むことを特徴とする請求項１８に記載のマスク。
- 前記第３マークは、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比が前記第１マークと同じであり、前記第４マークは、正側の回折光と負側の回折光との回折効率の比が前記第２マークと同じであることを特徴とする請求項１９に記載のマスク。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマスクを用いて投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、
第１マークの第１パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；
前記投影光学系を介して前記物体上の前記第１パターンの転写像に第２マークの第２パターンを重ねて転写する第２露光工程と；
前記物体上の前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成されたマーク像を検出する計測工程と；
前記マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法。 - 請求項１４〜２０のいずれか一項に記載のマスクを用いて投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、
第１マークの第１パターンおよび第３マークの第３パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；
前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に第２マークの第２パターンを重ねて転写し、前記第３パターンの転写像に第４マークの第４パターンを重ねて転写する第２露光工程と；
前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成された比較マーク像を検出し、前記第３パターンと前記第４パターンとの転写像の重なり部に形成された基準マーク像を検出する計測工程と；
前記基準マーク像および比較マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法。 - 投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、
同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークに含まれる、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンを、前記投影光学系を介して物体上に転写する第１露光工程と；
前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンを重ねて転写する第２露光工程と；
前記物体上の第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成されたマーク像を検出する計測工程と；
前記マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法。 - 投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方法であって、
同一次数の正側の回折光と負側の回折光との回折効率が異なる第１マークに含まれる、所定軸方向に所定間隔で配置された複数の第１パターンと、第３パターンとを物体上に前記投影光学系を介して転写する第１露光工程と；
前記投影光学系を介して、前記第１パターンの転写像に前記第１パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が相対的な重ね位置に依存して変化する第２パターンと、前記第３パターンに重ね合わせて転写した際の重なり部の形状が重ね位置に依存せず一定形状となる第４パターンとを重ねて転写する第２露光工程と；
前記物体上の前記第１パターンと前記第２パターンとの転写像の重なり部に形成された比較マーク像を検出し、前記第３パターンと前記第４パターンとの転写像の重なり部に形成された基準マーク像を検出する計測工程と；
前記基準マーク像および比較マーク像の検出結果に基づいて前記投影光学系の結像特性を算出する算出工程と；を含む結像特性計測方法。 - マスクのパターンを、投影光学系を介して物体上に転写する露光方法であって、
請求項２１〜２４のいずれか一項に記載の結像特性計測方法によって前記投影光学系の結像特性を計測する工程と；
前記計測された結像特性を考慮して露光の際の各種条件を調整したうえで、前記マスクのパターンを前記物体上に転写する工程と；を含む露光方法。 - リソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であって、
前記リソグラフィ工程では、請求項２５に記載の露光方法を用いることを特徴とするデバイス製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2006039148A (ja) * | 2004-07-26 | 2006-02-09 | Toshiba Corp | ホトマスク、それを用いたフォーカス測定方法および半導体装置の製造方法 |
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| CN113596341A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-11-02 | 北京迈格威科技有限公司 | 一种图像拍摄方法、图像处理方法、装置、电子设备 |
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2002
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