JP2004128149A - 収差計測方法、露光方法及び露光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】投影光学系の収差を精度良く計測する。
【解決手段】ウエハステージＷＳＴが＋Ｙ方向に駆動されると、スリット１２２が計測マークＰＭの空間像に対してＹ軸方向に走査される。この走査中に、スリット１２２を通過する照明光ＩＬが、ウエハステージＷＳＴ内の光導出部、ミラー９６、受光レンズ８９を介して光センサ２４で受光され、その光電変換信号Ｐが主制御装置に供給される。主制御装置は、光電変換信号Ｐに基づく計測マークＰＭの空間像に含まれる空間周波数成分のうち、そのマークの周期に対応する１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差に基づいて、投影光学系ＰＬに発生する奇関数収差を算出する。
【選択図】 図３
【解決手段】ウエハステージＷＳＴが＋Ｙ方向に駆動されると、スリット１２２が計測マークＰＭの空間像に対してＹ軸方向に走査される。この走査中に、スリット１２２を通過する照明光ＩＬが、ウエハステージＷＳＴ内の光導出部、ミラー９６、受光レンズ８９を介して光センサ２４で受光され、その光電変換信号Ｐが主制御装置に供給される。主制御装置は、光電変換信号Ｐに基づく計測マークＰＭの空間像に含まれる空間周波数成分のうち、そのマークの周期に対応する１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差に基づいて、投影光学系ＰＬに発生する奇関数収差を算出する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、収差計測方法、露光方法及び露光装置に係り、さらに詳しくは、投影光学系の収差を計測する収差計測方法、該収差計測方法を含む露光方法、及び投影光学系の収差を計測する機能を有する露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）のパターンを、投影光学系を介して表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板上に転写する投影露光装置、例えばステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッパ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が用いられている。
【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感光物体としての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を、基板上の各ショット領域に既に形成されたパターンに正確に重ね合わせて転写可能であることが求められる。かかる重ね合わせ転写を精度良く実行するためには、投影光学系の光学特性が所望の状態に調整されていることが必要不可欠である。
【０００４】
この投影光学系の光学特性を適切に調整するには、まず、その光学特性を正確に計測する必要がある。この光学特性の計測方法として、所定のパターンが形成された計測用マスクを用いて露光を行い、そのパターンの投影像が転写形成された基板を現像することによって得られるレジスト像を計測した計測結果に基づいて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。これに対し、実際に露光を行うことなく、計測用マスクの計測マークが照明光により照明され投影光学系によって投影され形成された計測用パターンの空間像（投影像）を計測し、この計測結果に基づいてその投影光学系の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。かかる空間像の計測及びこれに基づく投影光学系の結像特性の算出については、例えば、特許文献１等に詳細に開示されている。
【０００５】
また、上述の空間像計測法を用い、例えば、ピッチが異なる複数の周期パターンの空間像をそれぞれ計測し、それぞれ空間像の空間周波数成分間の相対的な位置ずれに基づいて投影光学系の結像特性の１つであるコマ収差を計測する方法や、あるピッチの周期パターンの空間像を計測し、その空間周波数成分のうち、そのパターンのピッチに対応する空間周波数を有する基本周波数成分と、その２次の高調波成分との相対的な位置ずれに基づいてそのコマ収差を計測する方法などが開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３等参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２０９０３１号公報（段落００２４−段落００８５、第１図〜第１０図）
【特許文献２】
特開平１１−２９７６１４号公報（段落００１４−段落００７５、第１図〜第９図）
【特許文献３】
特開平１１−２９７６１５号公報（段落００１３−段落０１０１、第１図〜第１１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空間像計測方法を用いてコマ収差を計測する上述の２つの方法には、以下に示す不都合があった。
【０００８】
（１） マスク上におけるピッチが異なる複数の周期パターンの形成位置に、製造誤差、例えば周期パターン同士の形成位置のオフセットがあると、計測された位置ずれ量にそのオフセットが含まれてしまい、そのオフセットがコマ収差の計測精度の低下の原因となる。
【０００９】
（２） 空間像に含まれる２次の高調波成分は、一般的にその成分の大きさが小さいため、周期パターンの製造誤差に対する感度が高く、その製造誤差による影響を受けやすいうえ、空間像を計測する計測器の入力−出力特性の非線形性の影響も受けやすいため、コマ収差の計測精度の向上に限界がある。
【００１０】
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、投影光学系の収差を精度良く計測することができる収差計測方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、マスクのパターンを基板上に精度良く転写することができる露光方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第３の目的は、マスクのパターンを基板上に精度良く転写することができる露光装置を提供することにある。
【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）の収差を計測する収差計測方法であって、前記第１面上に配置された周期パターンを含む少なくとも１つの計測マーク（例えばＰＭ）が照明光（ＩＬ）により照明され前記投影光学系によって前記第２面上に投影されることによって前記第２面上に形成される前記計測マークの空間像（例えばＰＭ’）に対し、所定の計測用パターンを前記第２面上で走査させ、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る第１工程と；前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項（Ｚｉ）の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出する第２工程と；を含む収差計測方法である。
【００１４】
一般に、投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数（Ｗ（ρ、θ）：Ｗは極座標で表わされており、ρは、投影光学系ＰＬの射出瞳の半径方向の規格化された瞳位置、θは角度である。）は、その動径ρと角度θの変数が分離した形で表される完全直交系の動径多項式、例えば、以下の式（１）に示されるフリンジツェルニケの多項式を用いて級数展開することが可能である。
【００１５】
【数１】
【００１６】
ここで、Ｚｉは、投影光学系の諸収差の大きさを表す係数である。なお、一例として第１項〜第３７項までのｆｉを例示すると、次の表１のようになる。
【００１７】
【表１】
【００１８】
上述の表１に示されるように、動径多項式の各項のｆｉ（ρ，θ）は、動径（ρ）と角度（θ）の変数が分離した形で表現される。このうち、動径（ρ）で表される部分を動径関数と呼ぶ。
【００１９】
また、動径多項式の各項は、その動径関数が奇関数であるものと偶関数であるものとに分類することができる。例えば、表１に示されるｆ７及びｆ８については、その動径関数がともに３ρ３−２ρで、奇関数であり、ｆ５及びｆ６は、その動径関数がともにρ２で偶関数となっている。一般に、その角度成分ｍθ（ｍを自然数とする）のｍが奇数である場合には、その動径関数が奇関数となり、ｍが偶数である場合には、その動径関数が偶関数となる。このように、動径関数が奇関数で表される収差を奇関数収差と呼び、偶関数で表される収差を偶関数収差と呼ぶ。
【００２０】
ところで、一般的に、第１面上のパターンを第２面上に投影する投影光学系は、第１面上のパターンからの複数の回折光が第２面上の結像面に集光するように作用する。投影光学系の収差が存在する場合には、それらの回折光が通過する投影光学系の射出瞳における位置がそれぞれ異なるため、第２面上における結像状態がその収差の影響を受ける。特に、その投影光学系に奇関数収差が存在する場合、第２面上における各次の回折光の結像位置は、第２面内方向にずれる（これを横ずれと呼ぶ）。したがって、第１面上の計測マークが周期パターンを含んでいる場合、その周期パターンの周期に対応する空間周波数を基本周波数とすると、第２面上における光強度信号におけるその基本周波数成分と、その奇数次の高調波成分とには、第２面上において相対的な位相差が生ずる。
【００２１】
本出願人は、その基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差と、奇関数収差の収差量がほぼ線形関係にあることをつきとめた。本発明では、その線形関係を利用して、その周期パターンを含む計測マークの空間像に対応する光強度信号を得て、その光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差を計測し、計測された位相差に基づいて投影光学系の奇関数収差の収差量を算出する。このようにすれば、１つの周期パターンだけで奇関数収差を計測することができるため、周期パターンの製造誤差によるオフセットに関わらず、精度良く奇関数収差を求めることができる。
【００２２】
なお、基本周波数成分と偶数次、例えば２次の高調波成分との位相差に基づいて奇関数収差の収差量を求めることも可能であるが、特に、計測マークの周期パターンが、デューティ比が５０％で、その強度が矩形状に変化するようなパターンである場合には、偶数次の高調波成分のスペクトルの大きさがほぼ０となるため、奇数次の高調波成分を用いた方が、周期パターンの製造誤差や空間像を計測する計測器の入力−出力特性に影響を受けにくくなる。そのため、前述の奇関数収差を精度良く算出することができる。
【００２３】
この場合、請求項２に記載の収差計測方法のごとく、前記第２工程では、前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差に基づいて、前記収差量を算出することとすることができる。
【００２４】
これによれば、３次の高調波成分は、奇数次の高調波成分の中で、最もその成分の大きさが大きい成分であるため、その３次の高調波成分を用いれば、基本周波数成分との位相差の周期パターンの製造誤差等に対するＳ／Ｎ比を最も大きくすることができるので、投影光学系の奇関数収差を最も精度良く算出することができる。
【００２５】
上記請求項１又は２に記載の収差計測方法において、請求項３に記載の収差計測方法のごとく、前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であることとすることができる。
【００２６】
また、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項４に記載の収差計測方法のごとく、前記奇関数収差は、コマ収差であることとすることができる。
【００２７】
例えば、フリンジツェルニケ多項式において、３次以上の１θ項の係数（Ｚ７，Ｚ８，Ｚ１４，Ｚ１５，Ｚ２３，Ｚ２４，Ｚ３４，Ｚ３５）等はコマ収差成分を示す。これらは奇関数収差に含まれ、本発明では、奇関数収差としてこれらのコマ収差の収差量を算出することができる。
【００２８】
上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の収差計測方法において、前記第２工程に先立って、前記位相差と前記奇関数収差の収差量との関係を、前記投影光学系の数学モデルを用いたシミュレーションによって算出する第３工程をさらに含むこととすることができる。
【００２９】
また、上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項６に記載の収差計測方法のごとく、前記第１工程を、前記周期パターンの周期がそれぞれ異なる複数の前記計測マークについて実行する第４工程と；計測マーク毎に得られる前記位相差と、各位相差の変化に対応する幾つかの奇関数収差の感度とに基づいて、前記幾つかの奇関数収差の各々の収差量を算出する第５工程と；をさらに含むこととすることができる。
【００３０】
前述のように、奇関数収差には、低次及び高次のコマ収差等が含まれており、低次のコマ収差と高次のコマ収差とを分離する必要がある場合もある。一方、周期が異なる周期パターンでは、０次回折光の進行方向と各次の回折光の進行方向とのなす角度の大きさはそれぞれ異なっており、それぞれの周期によって、同じ次数の回折光の投影光学系の射出瞳上の通過位置も異なる。そのため、周期パターンの周期が異なれば、その周期パターン毎に得られる位相差と、各位相差の変化に対応する各奇関数収差（低次のコマ収差及び高次のコマ収差）の感度とは当然異なったものとなる。したがって、周期パターン毎に求められる位相差と、その周期パターン毎に異なる奇関数収差の感度とを用いれば、それぞれの奇関数収差、例えば低次のコマ収差と高次のコマ収差とを抽出することが可能となる。
【００３１】
上記請求項１〜６のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項７に記載の収差計測方法のごとく、記所定の計測用パターンは、スリットパターンであることとすることができる。
【００３２】
また、上記請求項１〜６のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項８に記載の収差計測方法のごとく、前記所定の計測用パターンは、ピンホールパターンであることとすることができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明は、マスク（Ｒ）のパターンを、投影光学系（ＰＬ）を介して感光物体（Ｗ）上に転写する露光方法であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載の収差計測方法によって、前記投影光学系の収差を計測する工程と；前記計測された収差に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する工程と；前記調整後の前記投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する工程と；を含む露光方法である。
【００３４】
これによれば、請求項１〜８のいずれか一項に記載の収差計測方法によって、投影光学系の奇関数収差を精度良く計測することができ、その計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性を調整することができるため、結像特性が適切な状態に調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体に精度良く転写することが可能となる。
【００３５】
請求項１０に記載の発明は、第１面上のマスク（Ｒ）のパターンを、投影光学系（ＰＬ）を介して第２面上の感光物体（Ｗ）上に転写する露光装置であって、前記第１面上に配置されたマーク形成部材（ＲＦＭ）を照明光により照明する照明ユニット（１２等）と；前記マーク形成部材を介した前記照明光が前記投影光学系により前記第２面上に投射されることにより前記第２面上に形成される前記マーク形成部材に形成された周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークの空間像に対して、所定の計測用パターンを前記第２面上で走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置（５９）と；前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出する処理装置（５０）と；前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置（５０）と；前記照明ユニットからの照明光で前記第１面上に配置されたパターンを照明して前記調整後の前記投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する転写装置（５０）と；を備える露光装置である。
【００３６】
これによれば、空間像計測装置によって計測された光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、投影光学系の奇関数収差が処理装置によって精度良く計測される。さらに、計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性を調整装置によって調整し、結像特性が適切な状態に調整された投影光学系を介してマスクのパターンを転写装置によって感光物体に精度良く転写することが可能となる。
【００３７】
この場合、請求項１１に記載の露光装置のごとく、前記パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージを更に備え、前記マーク形成部材は、前記マスクステージ上に配置された基準マーク板であることとすることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１３に基づいて説明する。
【００３９】
図１には、本発明の一実施形態に係る露光装置１０の概略的な構成が示されている。この露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置、すなわちいわゆるスキャニング・ステッパである。
【００４０】
この露光装置１０は、光源１４及び照明光学系１２を含む照明系（照明ユニット）、マスクとしてのレチクルＲを保持するマスクステージとしてのレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、感光物体としてのウエハＷを保持し、図１に示すＸ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内を自在に移動可能なウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を、装置の一構成部分として備えている。また、上記各構成部分のうち、光源１４及び制御系以外の部分は、実際には、内部の温度、圧力等の環境条件が高精度に制御され一定に維持されている不図示の環境制御チャンバ（エンバイロンメンタル・チャンバ）内に収容されている。
【００４１】
前記光源１４は、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を出力するエキシマレーザ光源である。この光源１４は、実際には、上記環境制御チャンバが設置されるクリーンルームとは別のクリーン度の低いサービスルーム等に設置されており、不図示の送光光学系を介して環境制御チャンバ内部の照明光学系１２に接続されている。光源１４は、主制御装置５０によってそのレーザ発光のオン・オフや、中心波長、スペクトル半値幅、繰り返し周波数などが制御される。なお、光源として、ＫｒＦエキシマレーザ出力（波長２４８ｎｍ）の光源等を用いることもできる。
【００４２】
前記照明光学系１２は、ビーム整形光学系１８、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）としてのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、リレー光学系２８Ａ，２８Ｂ、固定レチクルブラインド３０Ａ、可動レチクルブラインド３０Ｂ、ミラーＭ、及びコンデンサレンズ３２等を備えている。なお、オプティカルインテグレータとして、ロッド型（内面反射型）インテグレータ、あるいは回折光学素子等を用いてもよい。
【００４３】
前記ビーム整形光学系１８内には、光源１４でパルス発光されたレーザビームＬＢの断面形状を、該レーザビームＬＢの光路後方に設けられたフライアイレンズ２２に効率良く入射するように整形するための、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ（いずれも図示省略）等が含まれている。
【００４４】
前記フライアイレンズ２２は、ビーム整形光学系１８から出たレーザビームＬＢの光路上に配置され、レチクルＲを均一な照度分布で照明するために多数の点光源（光源像）からなる面光源、即ち２次光源を形成する。この２次光源から射出されるレーザビームを本実施形態では、「照明光ＩＬ」と呼ぶものとする。
【００４５】
フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近傍には、円板状部材から成る照明系開口絞り板２４が配置されている。この照明系開口絞り板２４には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り（通常絞り）、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り（小σ絞り）、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り（輪帯絞り）、及び変形光源法用に複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り（例えばＳＨＲＩＮＣとも呼ばれる四重極照明絞り）等が配置されている。この照明系開口絞り板２４は、主制御装置５０により制御されるモータ等の駆動装置４０により回転されるようになっており、この回転動作により、いずれかの開口絞りが照明光ＩＬの光路上に主制御装置５０によって選択的に設定される。
【００４６】
照明系開口絞り板２４から出た照明光ＩＬの光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ２６が配置され、更にこの後方の光路上に、レチクルブラインド３０Ａ、３０Ｂを介在させてリレー光学系（２８Ａ，２８Ｂ）が配置されている。
【００４７】
固定レチクルブラインド３０Ａは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置されており、その固定レチクルブラインド３０Ａには、レチクルＲ上の照明領域ＩＡＲを規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド３０Ａの近傍には、走査露光時の走査方向（ここではＹ軸方向とする）と、これに直交する非走査方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ対応する方向とに光学的に対応する位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド３０Ｂが配置されている。走査露光の開始時及び終了時において、主制御装置５０からの指示により、固定レチクルブラインド３０Ａによって規定されている照明領域ＩＡＲが、可動レチクルブラインド３０Ｂによって更に制限されることによって、不要な部分（後述するレチクルＲ上の回路パターン等の転写すべき部分以外の部分）の露光が防止されるようになっている。また、本実施形態では、可動レチクルブラインド３０Ｂは、後述する空間像計測の際の照明領域の設定にも用いられる。
【００４８】
一方、照明光学系１２内のビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの光路上には、集光レンズ４４、及び遠紫外域で感度が良く、かつ光源１４のパルス発光を検出するために高い応答周波数を有するＰＩＮ型フォトダイオード等の受光素子から成るインテグレータセンサ４６が配置されている。
【００４９】
このようにして構成された照明系の作用を簡単に説明すると、光源１４からパルス発光されたレーザビームＬＢは、ビーム整形光学系１８に入射し、ここで後方のフライアイレンズ２２に効率よく入射するようにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ２２に入射する。これにより、フライアイレンズ２２の射出側焦点面（照明光学系１２の瞳面）に２次光源が形成される。この２次光源から射出された照明光ＩＬは、照明系開口絞り板２４上のいずれかの開口絞りを通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプリッタ２６に至る。このビームスプリッタ２６を透過した照明光ＩＬの大部分は、第１リレーレンズ２８Ａを経て固定レチクルブラインド３０Ａの矩形の開口部及び可動レチクルブラインド３０Ｂ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上の照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。
【００５０】
一方、ビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの一部は、集光レンズ４４を介してインテグレータセンサ４６で受光され、インテグレータセンサ４６の光電変換信号が、不図示のピークホールド回路及びＡ／Ｄ変換器を有する信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。本実施形態では、インテグレータセンサ４６の計測値は、露光量制御に用いられる他、投影光学系ＰＬに対する照射量の計算に用いられ、この照射量は、ウエハ反射率（これは、インテグレータセンサの出力と不図示の反射率モニタの出力とに基づいて求めることもできる）とともに、投影光学系ＰＬの照明光吸収による結像特性の変化量の算出にも用いられる。
【００５１】
本実施形態では、主制御装置５０によって、その照射量がインテグレータセンサ４６の出力に基づいて所定の時間間隔で計算され、その計算結果が照射履歴として、後述するメモリ５１内に記憶されるようになっている。
【００５２】
前記レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定されている。これにより、レチクルＲ上に形成された所望の回路パターンは、第１面上に配置された状態となる。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系５６Ｒにより、後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ平面内で２次元的に（Ｘ軸方向及びこれに直交するＹ軸方向及びＸＹ平面に直交するＺ軸回りの回転方向（θｚ方向）に）微少駆動可能であるとともに、レチクルステージＲＳＴの基盤であるレチクルベースＲＢＳ上をＹ軸方向に指定された走査速度で移動可能となっている。
【００５３】
また、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）５４Ｒからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｒが固定されており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置はレチクル干渉計５４Ｒによって、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。ここで、実際には、レチクルステージＲＳＴ上には走査露光時の走査方向（Ｙ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向（Ｘ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、レチクル干渉計５４ＲはＹ軸方向に少なくとも２軸、Ｘ軸方向に少なくとも１軸設けられているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｒ、レチクル干渉計５４Ｒとして示されている。
【００５４】
レチクル干渉計５４ＲからのレチクルステージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に送信される。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示によってレチクルステージ駆動系５６Ｒを介してレチクルステージＲＳＴの移動を制御する。なお、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工して前述の反射面を形成しても良い。
【００５５】
また、レチクルステージＲＳＴの−Ｙ側端部近傍には、空間像計測用マークが形成されたマーク形成部材としてのレチクルフィデューシャルマーク板（以下、「レチクルマーク板」と略述する）ＲＦＭが、レチクルＲと並ぶように配置されている。これにより、レチクルマーク板に形成された後述する計測マークＰＭ（図３参照）も、レチクルＲ上に形成されている回路パターンと同様に、第１面上に配置された状態となる。このレチクルマーク板ＲＦＭは、レチクルＲと同材質のガラス素材、例えば合成石英やホタル石、フッ化リチウムその他のフッ化物結晶などから構成されており、レチクルステージＲＳＴに固定されている。なお、このレチクルマーク板ＲＦＭの具体的構成等については後述する。レチクルステージＲＳＴは、レチクルＲの全面とレチクルマーク板ＲＦＭの全面とが少なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを横切ることができる程度のＹ軸方向の移動ストロークを有している。
【００５６】
また、レチクルステージＲＳＴには、レチクルＲ及びレチクルマーク板ＲＦＭの下方に、開口がそれぞれ形成されている。後述するように、この開口は照明光ＩＬの通路となる。また、レチクルベースＲＢＳの投影光学系ＰＬのほぼ真上の部分（光軸ＡＸを中心とする部分）には、照明光ＩＬの通路となる、少なくとも照明領域ＩＡＲより大きな長方形の開口が形成されている。
【００５７】
また、露光装置１０では、レチクルＲの上方には、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上又はレチクルマーク板ＲＦＭ上のマークと、ウエハステージＷＳＴ上の後述する基準マーク板（不図示）上の基準マークとを同時に観察するための露光波長の光を用いたＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｒｅｔｉｃｌｅ）アライメント系から成る一対のレチクルアライメント顕微鏡（以下、便宜上「ＲＡ顕微鏡」と呼ぶ）が設けられていてもよい。これらのＲＡ顕微鏡の検出信号は、不図示のアライメント制御装置を介して、主制御装置５０に供給されるようになっている。この場合、レチクルＲからの検出光をそれぞれのＲＡ顕微鏡に導くための不図示の偏向ミラーが移動自在に配置され、露光工程が開始されると、主制御装置５０からの指令のもとで、不図示のミラー駆動装置により偏向ミラーが待避される。なお、ＲＡ顕微鏡と同等の構成は、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示されており、公知であるからここでは詳細な説明は省略する。
【００５８】
前記投影光学系ＰＬは、レチクルベースＲＢＳの図１における下方に配置されている。その光軸ＡＸの方向をＺ軸方向とする。投影光学系ＰＬは、ここでは両側テレセントリックな縮小系であり、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置された複数枚、例えば８枚のレンズエレメント１３１、１３２、……、１３８（図２参照）から成る屈折光学系が使用されている。この投影光学系ＰＬの投影倍率は、例えば１／４（又は１／５）等となっている（以下の説明では、１／４であるとする）。このため、照明光学系１２からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上のスリット状照明領域ＩＡＲが照明されると、このレチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介してそのスリット状照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの縮小像（部分倒立像）が表面にフォトレジストが塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲと共役な露光領域ＩＡに形成される。
【００５９】
図２に示されるように、投影光学系ＰＬを構成するレンズエレメント１３１、１３２、……、１３８のうち、その一部、例えばレンズエレメント１３１、１３２は、それぞれ複数の駆動素子（例えばピエゾ素子など）２０によって光軸ＡＸ方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動可能に構成されている。また、レンズエレメント１３４、１３５の間、レンズエレメント１３６、１３７の間には、それぞれ密閉状態とされた第１、第２密閉室３４、３６が形成されている。これら第１、第２密閉室３４、３６内には、不図示のガス供給機構から圧力調整機構４１を介してクリーンな気体、例えば窒素が供給されるようになっている。
【００６０】
本実施形態では、各駆動素子２０に与えられる駆動電圧（駆動素子の駆動量）及び第１、第２密閉室３４、３６内部の気体の圧力（以下、適宜「内部の圧力」又は「内部圧力」という）を調整する圧力調整機構４１が、主制御装置５０からの指令に応じて結像特性補正コントローラ７８により制御される。これによって、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば、像面湾曲、ディストーション、倍率、コマ収差、非点収差、球面収差等が補正される。なお、かかる結像特性を調整する結像特性調整機構は、レンズエレメント１３１のような可動レンズエレメントのみによって構成しても良く、その可動レンズエレメントの数も任意で良い。但し、この場合、可動レンズエレメントの数が、フォーカスを除く、投影光学系ＰＬの結像特性の補正可能な種類に対応するので、補正が必要な結像特性の種類に応じて可動レンズエレメントの数を定めれば良い。
【００６１】
図１に戻り、前記ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ４２と、該ＸＹステージ４２上に搭載されたＺチルトステージ３８とを含んで構成されている。
【００６２】
前記ＸＹステージ４２は、ウエハステージＷＳＴの基盤であるウエハベース１６の上面の上方に不図示のエアベアリングによって例えば数μｍ程度のクリアランスを介して浮上支持されている。さらに、ＸＹステージ４２は、ウエハステージ駆動系５６Ｗを構成する不図示のリニアモータ等によって走査方向であるＹ軸方向（図１における紙面内左右方向）及びこれに直交するＸ軸方向（図１における紙面直交方向）に２次元駆動可能に構成されている。このＸＹステージ４２上にＺチルトステージ３８が搭載され、該Ｚチルトステージ３８上にウエハホルダ２５が載置されている。このウエハホルダ２５によって、ウエハＷが真空吸着等により保持されている。これにより、ウエハＷの表面は、第２面上に配置されることになる。
【００６３】
Ｚチルトステージ３８は、図２に示されるように、３つのＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ（但し、紙面奥側のＺ位置駆動部２７Ｃは不図示）によってＸＹステージ４２上に３点で支持されている。これらのＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃは、Ｚチルトステージ３８下面のそれぞれの支持点を投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に独立して駆動する３つのアクチュエータ（例えばボイスコイルモータなど）２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ（但し、図２における紙面奥側のアクチュエータ２１Ｃは不図示）と、Ｚチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃによる各支持点のアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１ＣによるＺ軸方向の駆動量（基準位置からの変位）を検出するエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ（但し、図２における紙面奥側のエンコーダ２３Ｃは不図示）とを含んで構成されている。
【００６４】
ここで、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃとしては、例えば光学式又は静電容量式等のリニアエンコーダが使用されている。本実施形態では、上記アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって、Ｚチルトステージ３８を、光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）及び光軸に直交する面（ＸＹ面）に対する傾斜方向、すなわちＸ軸回りの回転方向であるθｘ方向、Ｙ軸回りの回転方向であるθｙ方向に駆動する。また、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃで計測されるＺチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃによる各支持点のＺ軸方向の駆動量（基準点からの変位量）は、ステージ制御装置７０及びこれを介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、Ｚチルトステージ３８のＺ軸方向の位置及びレベリング量（θｘ回転量、θｙ回転量）を算出する。なお、図１では、ＸＹステージ４２を駆動するリニアモータ等、及びＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃ（アクチュエータ２１Ａ〜２１Ｃ及びエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ）を含めてウエハステージ駆動系５６Ｗとして示されている。
【００６５】
前記Ｚチルトステージ３８上には、ウエハレーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）５４Ｗからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｗが固定されている。そのため、このウエハ干渉計５４Ｗによって、Ｚチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）のＸＹ面内の位置を、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出することができる。
【００６６】
ここで、実際には、Ｚチルトステージ３８上には、走査露光時の走査方向であるＹ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向であるＸ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これに対応してウエハ干渉計もＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ複数軸設けられ、Ｚチルトステージ３８の５自由度方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、θｘ方向、θｙ方向、θｚ方向）の位置が計測可能となっているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｗ、ウエハ干渉計５４Ｗとして示されている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に供給されるようになっている。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に応じてウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御する。なお、Ｚチルトステージ３８の端面を鏡面加工して前述の反射面を形成するようにしてもよい。
【００６７】
また、Ｚチルトステージ３８の内部には、投影光学系ＰＬの光学特性の計測に用いられる空間像計測装置５９を構成する光学系の一部が配置されている。ここで、この空間像計測装置５９の構成について詳述する。この空間像計測装置５９は、図３に示されるように、Ｚチルトステージ３８に設けられたステージ側構成部分、すなわちパターン形成部材としてのスリット板９０、レンズ８４、８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳＴ外部に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラー９６、受光レンズ８９、光電変換素子から成る光センサ９４等とを備えている。
【００６８】
これを更に詳述すると、スリット板９０は、図３に示されるように、ウエハステージＷＳＴの一端部上面に設けられた上部が開口した突設部５８に対し、その開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれている。このスリット板９０は、平面視長方形の受光ガラス８２の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３が形成され、その反射膜８３の一部に所定の計測用パターンとしての所定幅２Ｄのスリット状の開口パターン（以下、「スリット」と呼ぶ）１２２がパターンニングされている。
【００６９】
前記受光ガラス８２の素材としては、ここでは、ＡｒＦエキシマレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル石などが用いられる。
【００７０】
スリット１２２下方のＺチルトステージ３８内部には、スリット１２２を介して鉛直下向きに入射した照明光束（像光束）の光路を水平に折り曲げるミラー８８を介在させてレンズ８４、８６から成るリレー光学系（８４、８６）が配置されている。また、このリレー光学系（８４、８６）の光路後方のウエハステージＷＳＴの＋Ｙ側の側壁には、リレー光学系（８４、８６）によって所定の光路長分リレーされた照明光束をウエハステージＷＳＴの外部に送光する送光レンズ８７が固定されている。
【００７１】
送光レンズ８７によってウエハステージＷＳＴの外部に送り出される照明光束の光路上には、Ｘ軸方向に所定長さを有するミラー９６が傾斜角４５°で斜設されている。このミラー９６によって、ウエハステージＷＳＴの外部に送り出された照明光束の光路が鉛直上方に向けて９０°折り曲げられるようになっている。この折り曲げられた光路上に送光レンズ８７に比べて大径の受光レンズ８９が配置されている。この受光レンズ８９の上方には、光センサ９４が配置されている。これら受光レンズ８９及び光センサ９４は、所定の位置関係を保ってケース９２内に収納されている。ケース９２は、取付け部材９３を介してウエハベース１６の上面に植設された支柱９７の上端部近傍に固定されている。
【００７２】
前記光センサ９４としては、微弱な光を精度良く検出することが可能な光電変換素子（受光素子）、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ、光電子増倍管）などが用いられる。光センサ９４からの光電変換信号Ｐは、図１の信号処理装置８０を介して主制御装置５０に送られるようになっている。なお、信号処理装置８０は、例えば増幅器、サンプルホルダ、Ａ／Ｄコンバータ（通常１６ビットの分解能のものが用いられる）などを含んで構成することができる。
【００７３】
なお、前述の如く、スリット１２２は反射膜８３に形成されているが、以下においては、便宜上スリット板９０にスリット１２２が形成されているものとして説明を行う。なお、スリット１２２の配置及び寸法については、後述する。
【００７４】
上述のようにして構成された空間像計測装置５９によると、後述する、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測マークＰＭの投影光学系ＰＬを介して得られる投影像（空間像）の計測の際に、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬによって空間像計測装置５９を構成するスリット板９０が照明されると、そのスリット板９０上のスリット１２２を透過した照明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及びレンズ８６、送光レンズ８７を介してウエハステージＷＳＴの外部に導き出される。そして、そのウエハステージＷＳＴの外部に導き出された光は、ミラー９６によって光路が鉛直上方に折り曲げられ、受光レンズ８９を介して光センサ９４によって受光され、該光センサ９４からその受光量に応じた光電変換信号（光量信号）Ｐが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に出力される。
【００７５】
本実施形態では、計測マークの投影像（空間像）の計測がスリットスキャン方式によって実行されるので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８９及び光センサ９４に対して移動することになる。そこで、空間像計測装置５９では、所定の範囲内で移動する送光レンズ８７を介した光がすべて受光レンズ８９に入射するように、各レンズ、及びミラー９６の大きさが設定されている。
【００７６】
このように、空間像計測装置５９では、スリット板９０、レンズ８４、８６、ミラー８８、及び送光レンズ８７により、スリット１２２を介した光をウエハステージＷＳＴ外に導出する光導出部が構成され、受光レンズ８９及び光センサ９４によって、ウエハステージＷＳＴ外へ導出された光を受光する受光部が構成されている。この場合、これら光導出部と受光部とは、機械的に分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、光導出部と受光部とは、ミラー９６を介して光学的に接続される。
【００７７】
すなわち、空間像計測装置５９では、光センサ９４がウエハステージＷＳＴの外部の所定位置に設けられているため、光センサ９４の発熱に起因するウエハ干渉計５４Ｗの計測精度等に及ぼす悪影響を可能な範囲で抑制するようにしている。また、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とがライトガイド等によって接続されていないので、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とがライトガイドによって接続された場合のようにウエハステージＷＳＴの駆動精度が悪影響を受けることはない。
【００７８】
勿論、熱の影響等を無視、あるいは排除できるような場合には、光センサ９４をウエハステージＷＳＴの内部に設けてもよい。なお、空間像計測装置５９を用いて行われる空間像計測方法及び収差計測方法などについては、後に詳述する。
【００７９】
図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハＷ上のアライメントマーク（位置合わせマーク）を検出するマーク検出系としてのオフアクシス・アライメント系ＡＬＧが設けられている。本実施形態では、このアライメント系ＡＬＧとして、画像処理方式のアライメントセンサ、いわゆるＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｉｍａｇｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系が用いられている。このアライメント系ＡＬＧは、アライメント用光源と、ハーフミラー及び対物レンズ群から成る光学系、撮像素子（ＣＣＤ）等を含んで構成されている。アライメント用光源として、ブロードバンドの照明光を出射するハロゲンランプ等が用いられる。このアライメント用光源からの照明光により、光学系を介してウエハＷ上のアライメントマークが照明され、そのアライメントマークからの反射光を、光学系を介して撮像素子が受光する。これにより、撮像素子の受光面に、そのアライメントマークの明視野像が結像される。そして、この明視野像に対応する光電変換信号、すなわちアライメン卜マークの反射像に対応する光強度信号が撮像素子から不図示のアライメント制御装置を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、この光強度信号に基づき、アライメント系ＡＬＧの検出中心を基準とするウエハＷ上のアライメントマークの位置を算出するとともに、その算出結果とそのときのウエハ干渉計５４Ｗの出力であるウエハステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、ウエハ干渉計５４Ｗの光軸で規定されるステージ座標系におけるアライメン卜マークの座標位置を算出するようになっている。
【００８０】
さらに、本実施形態の露光装置１０では、図１に示されるように、照射系６０ａ及び受光系６０ｂから成る斜入射方式の多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）が設けられている。照射系６０ａは、主制御装置５０によってそのオン・オフが制御される光源を有しており、投影光学系ＰＬの結像面に向けて多数のピンホール又はスリットの像を形成するための結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向よりウエハＷの表面に照射する。受光系６０ｂは、それらの結像光束がウエハＷ表面で反射することによって発生する反射光束を受光し、主制御装置５０に対して焦点ずれを検出するための焦点ずれ信号を送信する。なお、この多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）と、同様の多点焦点位置検出系の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報等に開示されているため、その構成についての詳細な説明は省略する。
【００８１】
主制御装置５０は、後述する走査露光時等に、受光系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて、投影光学系ＰＬの焦点ずれが零となるように、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８のＺ軸方向への移動及び傾斜（すなわち、θｘ，θｙ方向の回転）を制御する。すなわち、主制御装置５０は、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を用いてＺチルトステージ３８の移動を制御することにより、照明光ＩＬの照射領域（照明領域ＩＡＲと結像関係）内で投影光学系ＰＬの結像面とウエハＷの表面とを実質的に合致させるオートフォーカス（自動焦点合わせ）及びオートレベリングを実行する。なお、投影光学系ＰＬのフォーカスが変動した場合、主制御装置５０は、例えば、受光系６０ｂ内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に対する傾きを制御することにより、投影光学系ＰＬのフォーカス変動量に応じて多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）に原点の再設定を行ってそのキャリブレーションを行うようになっている。
【００８２】
また、前述した不図示の環境制御チャンバ内の投影光学系ＰＬ近傍には、大気圧変動や、温度変動を検知する環境センサ８１が設けられている。この環境センサ８１による計測結果は主制御装置５０に供給されている。
【００８３】
前記制御系は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）から成る主制御装置５０を中心として、該主制御装置５０の制御下にあるステージ制御装置７０などを含んで構成されている。主制御装置５０には、記憶装置としてのメモリ５１が併設されている。このメモリ５１内には、本実施形態の収差計測方法によって求められた投影光学系ＰＬの奇関数収差の収差量などが記憶される。
【００８４】
次に、本実施形態の露光装置１０における走査露光動作について簡単に説明する。
【００８５】
まず、不図示のレチクル搬送系によりレチクルＲが搬送され、ローディングポジションにあるレチクルステージＲＳＴにレチクルＲが吸着保持される。次に、主制御装置５０は、レチクルＲを用いた露光に最適な照明条件をオペレータの指示に基づいて設定する。
【００８６】
次いで、主制御装置５０の指示の下、ステージ制御装置７０によりウエハステージＷＳＴ及びレチクルステージＲＳＴの位置が制御され、主制御装置５０により、レチクルＲ上に形成された不図示のレチクルアライメントマークの投影像（空間像）が空間像計測装置５９を用いて後述するようにして計測され、レチクルパターン像の投影位置が求められる。すなわち、レチクルアライメントが行われる。なお、レチクルアライメントは、前述の一対のＲＡ顕微鏡（不図示）により、レチクルＲ上の一対のレチクルアライメントマーク（不図示）の像とウエハステージＷＳＴ上の基準マーク板（不図示）に形成されたレチクルアライメント用基準マークの投影光学系ＰＬを介した像とを同時に観察し、両マーク像の相対位置関係と、そのときのレチクル干渉計５４Ｒ及びウエハ干渉計５４Ｗの計測値とに基づいてレチクルパターン像の投影位置を求めることにより行ってもよい。
【００８７】
次に、主制御装置５０によって、スリット板９０がアライメント系ＡＬＧの直下へ位置するように、ウエハステージＷＳＴが移動され、アライメント系ＡＬＧによって空間像計測装置５９の位置基準となるスリット１２２が検出される。主制御装置５０は、このアライメント系ＡＬＧの検出信号及びそのときのウエハ干渉計５４Ｗの計測値、並びに先に求めたレチクルパターン像の投影位置に基づいて、レチクルＲのパターン像の投影位置とアライメント系ＡＬＧとの相対位置、すなわちアライメント系ＡＬＧのベースラインを求める。
【００８８】
かかるベースライン計測が終了すると、主制御装置５０により、例えば特開昭６１−４４４２９号公報などに詳細に開示されるＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）等のウエハアライメントが行われ、ウエハＷ上の全てのショット領域の位置が求められる。なお、このウエハアライメントの際には、ウエハＷ上の複数のショット領域のうちの予め定められた所定のサンプルショットのウエハアライメントマークが、アライメント系ＡＬＧを用いて、前述した如くして計測される（図３参照）。
【００８９】
次いで、主制御装置５０は、上で求めたウエハＷ上の各ショット領域の位置情報及びベースラインに基づいて、干渉計５４Ｗ、５４Ｒからの位置情報をモニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを第１ショット領域の走査開始位置（加速開始位置）に位置決めするとともに、レチクルステージＲＳＴを走査開始位置（加速開始位置）に位置決めして、その第１ショット領域の走査露光を行う。
【００９０】
具体的には、転写装置としての主制御装置５０は、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとをＹ軸方向に互いに逆向きに移動させることによって相対走査を開始させる。両ステージＲＳＴ、ＷＳＴがそれぞれの目標走査速度に達すると、照明光ＩＬによってレチクルＲのパターン領域が照明され始め、走査露光が開始される。なお、この走査露光の開始に先立って、光源１４の発光は開始されており、主制御装置５０によって可動レチクルブラインド３０Ｂの各ブレードの移動がレチクルステージＲＳＴの移動に対して同期制御されている。これにより、レチクルＲ上のパターン領域外への照明光ＩＬの照射は遮光される。
【００９１】
主制御装置５０は、上述の走査露光時には、レチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度ＶｒとウエハステージＷＳＴのＹ軸方向の移動速度Ｖｗとが前述の投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比に維持されるようにレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを同期制御する。
【００９２】
そして、レチクルＲのパターン領域の異なる領域が、照明光ＩＬで逐次照明され、パターン領域全面に対する照明が完了することにより、ウエハＷ上の第１ショット領域の走査露光が終了する。これにより、レチクルＲの回路パターンが投影光学系ＰＬを介して第１ショット領域に縮小転写される。
【００９３】
こうして第１ショット領域の走査露光が終了すると、ウエハステージＷＳＴを次の第２ショット領域の走査開始位置（加速開始位置）へ移動させるショット間のステッピング動作を行う。そして、その第２ショット領域に対する走査露光を上述と同様にして行う。以後、第３ショット領域以降のショット領域に対する走査露光も同様にして行う。
【００９４】
このようにして、ショット間のステッピング動作とショットの走査露光動作とが繰り返され、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全てのショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。
【００９５】
ここで、上記の走査露光中には、投影光学系ＰＬに一体的に取付けられたフォーカスセンサ（６０ａ、６０ｂ）を用いて、前述したオートフォーカス、オートレベリングが行われる。
【００９６】
ところで、上述した走査露光動作において、レチクルＲのパターンとウエハＷ上のショット領域に既に形成されたパターンとを正確に重ね合わせるためには、投影光学系ＰＬの結像特性やベースラインが正確に計測されていること、及び投影光学系ＰＬの結像特性が所望の状態に調整されていることなどが重要である。また、ウエハ上に転写されるパターンの線幅の均一性には、投影光学系ＰＬの結像特性のうち、コマ収差等の奇関数収差が多大な影響を与えるため、その奇関数収差の低減は精度良い露光を実現するために特に重要である。
【００９７】
本実施形態では、上記のコマ収差等の奇関数収差の計測に、前述した空間像計測装置５９が用いられる。以下、この空間像計測装置５９による空間像計測、及び投影光学系ＰＬのコマ収差等の奇関数収差の計測等について詳述する。
【００９８】
図３には、空間像計測装置５９を用いて、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測マークＰＭの空間像が計測されている最中の状態が示されている。なお、レチクルマーク板ＲＦＭに代えて、空間像計測専用のレチクル、あるいはデバイスの製造に用いられるレチクルＲに専用の計測マークを形成したものなどを用いることも可能である。ここで、レチクルマーク板ＲＦＭには、所定の箇所にＹ軸方向に周期性を有するライン部の幅とスペース部の幅との比（デューティ比）が１：１のラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターン（周期パターン）から成る計測マークＰＭが前述のように第１面上に形成されているものとする。
【００９９】
ここで、空間像計測装置５９を用いた空間像計測の方法について簡単に説明する。なお、前提としてスリット板９０には、例えば図４（Ａ）に示されるように、Ｘ軸方向に伸びる所定幅２Ｄのスリット１２２が形成されているものとする。
【０１００】
空間像の計測にあたり、主制御装置５０によって、可動レチクルブラインド３０Ｂが不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、図３に示されるように、レチクルＲの照明光ＩＬの照明領域が計測マークＰＭを含む所定領域のみに制限される。
【０１０１】
この状態で、照明光ＩＬがレチクルマーク板ＲＦＭに照射されると、図４（Ａ）に示されるように、計測マークＰＭによって回折、散乱した光（照明光ＩＬ）は、投影光学系ＰＬにより屈折され、該投影光学系ＰＬの像面に計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。このとき、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測装置５９のスリット板９０上のスリット１２２の＋Ｙ側（−Ｙ側でもよい）に前記空間像ＰＭ’が形成される位置に設定されているものとする。このときの空間像計測装置５９の投影光学系ＰＬ側から見たときの上面図が図４（Ａ）に示されている。
【０１０２】
そして、主制御装置５０によって、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴが図４（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｙ方向に駆動されると、スリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に走査される。この走査中に、スリット１２２を通過する光（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の光導出部、ミラーＭ、受光レンズ８９を介して光センサ２４で受光され、その光電変換信号Ｐが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を計測する。
【０１０３】
図４（Ｂ）には、上記の空間像計測の際に得られる光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例が示されている。
【０１０４】
この場合、空間像ＰＭ’は、スリット１２２の走査方向（Ｙ軸方向）の幅（２Ｄ）の影響で像が平均化する。
【０１０５】
したがって、スリット１２２をｐ（ｙ）とし、空間像の強度分布をｉ（ｙ）とし、観測される光強度信号をｍ（ｙ）とすると、空間像の強度分布ｉ（ｙ）と観測される強度信号ｍ（ｙ）との関係は、以下の式（２）で表される。なお、この式（２）において、強度分布ｉ（ｙ）、強度信号ｍ（ｙ）の単位は、単位長さ当たりの強度であるとする。
【０１０６】
【数２】
【０１０７】
ただし、スリット１２２の関数ｐ（ｙ）は、以下の式（３）で表される。
【０１０８】
【数３】
【０１０９】
すなわち、観測される強度信号ｍ（ｙ）は、スリッ卜ｐ（ｙ）と空間像の強度分布ｉ（ｙ）のコンボリューションになる。
【０１１０】
従って、計測精度の面からは、スリット１２２の走査方向（Ｙ軸方向）の幅（以下、単に「スリット幅」と呼ぶ）２Ｄは小さい程良い。本実施形態のように、フォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ）を光センサ２４として用いる場合には、スリット幅が非常に小さくなっても走査速度を遅くして計測に時間を掛ければ光量（光強度）の検出は可能である。しかしながら、現実には、スループットの面から空間像計測時の走査速度に一定の制約があるため、スリット幅２Ｄがあまりにも小さいと、スリット１２２を透過する光量が小さくなり過ぎて、計測が困難となってしまう。
【０１１１】
なお、実際には、空間像計測装置５９を構成するスリット板９０上には、図５に示されるように、Ｘ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ａと、Ｙ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ｂとが形成されている。ここで、２Ｄは例えば２００ｎｍ以下に設定されており、Ｌは例えば１６μｍであって、計測マークのラインパターンの長さより短くなるように設定されている。また、スリット１２２ｂはスリット１２２ａの−Ｘ側に約４μｍ隔てて配置され、かつ＋Ｙ側に約４μｍ隔てて配置されている。また、ウエハステージＷＳＴの内部の光導出部、ミラーＭ及び受光レンズを介して光センサ２４によりスリット１２２ａ、１２２ｂのいずれを透過した光をも受光が可能になっているものとする。なお、以下では、特に必要が無い限り、スリット１２２ａ、１２２ｂを区別することなくスリット１２２と呼ぶ。
【０１１２】
以上述べたように、空間像計測装置５９を用いた上述の空間像計測動作によって、計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’における光強度分布を計測することができる。本実施形態では、計測された光強度分布に基づいて、投影光学系ＰＬにおける奇関数収差、例えばコマ収差を計測する。なお、奇関数収差には、低次及び高次のコマ収差が含まれているが、低次のコマ収差は高次のコマ収差に比べてレンズエレメントの微小な移動によって容易に変化しうるため、奇関数収差のうち、特に重要なのは低次のコマ収差である。したがって、本実施形態では、低次のコマ収差を、主な計測対象として説明を進める。なお、低次のコマ収差は、フリンジツェルニケ多項式では、第７項Ｚ７及び第８項Ｚ８で表される。
【０１１３】
前述のように、露光装置１０において、ウエハＷ上に転写されるパターンの線幅の均一化を図るには、投影光学系ＰＬのコマ収差を低減することが重要となる。コマ収差は、転写されるパターンの空間像に非対称性を生じさせる。この非対称性は、転写されるパターンの空間像に含まれる空間周波数成分の位相差によってもたらされるものである。
【０１１４】
図６（Ａ）には、露光装置１０の投影光学系ＰＬの数学モデルを用いたシミュレーションによって算出された計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’の詳細な光強度分布が１点鎖線で示されている。図６（Ａ）に示されるグラフにおいて、横軸は、その空間像ＰＭ’のＹ軸方向の位置を示し、縦軸はその位置での光強度を示す。なお、シミュレーション条件として、計測マークＰＭを２．０μｍＬ／Ｓパターン（周期４．０μｍ）とし（投影光学系ＰＬの投影倍率を１／４としているため、空間像ＰＭ’の周期は０．５μｍＬ／Ｓパターン（周期１．０μｍ）となる。なお、以下にシミュレーション条件として示す計測マークＰＭのサイズは、ウエハＷ上に投影されるその空間像ＰＭ’のサイズを示すものとする）、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とし、コヒーレンスファクタσを０．３とし、照明光ＩＬの波長λを１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ光相当）とし、スリット幅２Ｄを２００ｎｍとし、コマ収差の収差量、例えばフリンジツェルニケ多項式におけるＺ８のオフセットを−２０ｍλとし、投影光学系ＰＬのレンズ収差として、位相計測装置（ＰＭＩ）によって計測されたデータを用いた。なお、このグラフには、空間像ＰＭ’の光強度分布の他に、その光強度分布に含まれる空間周波数成分のうち、計測マークＰＭのパターンの周期に対応する基本周波数成分が点線で示されており、その基本周波数成分の３倍の高調波成分、すなわち３次の高調波成分が実線で示されている。
【０１１５】
投影光学系ＰＬに収差が存在すると、その射出瞳の瞳位置によって通過する光に位相差が生じる。さらに、その収差が奇関数収差である場合、各次数の回折光のウエハＷ上の結像位置にいわゆる横ずれが生じる。そのため、図６（Ａ）に示される基本周波数成分と３次の高調波成分との間には、Ｙ軸方向に相対的な位相差が生じている。
【０１１６】
１点鎖線で示される空間像ＰＭ’の光強度分布は、バイアス成分（不図示）、基本周波数成分（点線）、３次の高調波成分（実線）を含む高次の高調波成分との和に対応する。したがって、前述のように基本周波数成分とその高調波成分との間に相対的な位相差があった場合、その光強度分布の分布状態もその位相差に影響を受ける。図６（Ａ）に示されるように、計測マークＰＭの周期パターンに対応して周期的に表れる光強度のピークは、それぞれが左右に２つのピークを有しているが、前述した基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差により、左右のピークは非対称となっている。
【０１１７】
図６（Ｂ）には、図６（Ａ）のグラフにおける光強度分布の１つのピークが拡大して示されている。図６（Ｂ）に示されるように、光強度分布における左右のピークは非対称となっているため、左右のピーク波形を左右のピークの間の光強度の極小値（Ｃ点）で横軸にスライスすることによって形成される左のピーク部分の面積Ａと、右のピーク部分の面積Ｂには差が存在する。したがって、この面積Ａと面積Ｂとの面積差から、投影光学系ＰＬのコマ収差を計測することができる。この面積差に基づいてコマ収差を計測する方法を面積法という。この面積法では、例えば、それらの面積差を、Ａ−Ｂ／ｍａｘ（Ａ，Ｂ）として、面積Ａ、Ｂの大きい方の面積で規格化する（ｍａｘ（Ａ，Ｂ）は、Ａ，Ｂのうちの大きい方を意味する）。
【０１１８】
図７（Ａ）には、このような規格化を用いた面積法におけるコマ収差（フリンジツェルニケ多項式の第８項（Ｚ８））と面積差とのシミュレーション及び実計測による対応関係が示されている。図７（Ａ）に示されるように、このような規格化による面積差は、投影光学系ＰＬのコマ収差に対してＳ字状に若干変化しているのがわかる。
【０１１９】
この面積法では、面積Ａと面積Ｂとの面積差を、面積Ａと面積Ｂとの和で規格化してもよい。図７（Ｂ）には、この規格化を用いた面積法におけるコマ収差（フリンジツェルニケ多項式の第８項（Ｚ８））と面積差とのシミュレーション及び実計測による対応関係が示されている。図７（Ｂ）に示されるように、この規格化によれば、面積差とコマ収差との線形性は、図７（Ａ）で示される規格化によって得られる関係に比べて著しく改善される。なお、図７（Ａ）での計測での再現性は、フリンジツェルニケ多項式におけるＺ８換算で３σ＝１２ｍλであり、図７（Ｂ）での計測では３σ＝１４ｍλであった。
【０１２０】
以上述べたように、投影光学系ＰＬのコマ収差は、上述した面積法でも計測可能である。しかしながら、上述の面積Ａ及び面積Ｂの面積差は、空間像ＰＭ’の光強度分布に含まれる基本周波数成分とその高調波成分との位相差によって生じるものであり、その位相差を直接計測した方が、より高い線形関係（その位相差とコマ収差との関係）のもとで、より高精度に投影光学系ＰＬのコマ収差を計測することができる。
【０１２１】
ところで、投影光学系ＰＬの射出瞳における瞳関数として、低次のコマ収差、例えばフリンジツェルニケ多項式におけるＺ７だけを考慮すると、その瞳関数Ｆ（ξ，η）は、以下の式（４）のように表される。なお、ξ、ηは、投影光学系ＰＬの射出瞳上における直交座標軸である。
【０１２２】
【数４】
【０１２３】
図８（Ａ）には、式（４）に示される投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置と、その瞳位置に対応する位相遅れレベルとの関係が示されている。このグラフにおいて、横軸は規格化された瞳位置ρを示し、縦軸はその瞳位置における位相遅れレベルを示す。図８（Ａ）に示されるように、投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置に対する位相遅れのレベルは、フリンジツェルニケ多項式の第７項Ｚ７に対応しており、その位相差レベルを瞳位置に対する関数として表現すると、その関数は規格化された瞳位置に対して奇関数となっている。
【０１２４】
一方、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’におけるＹ軸方向の複素振幅分布をｏ（ｙ）とし、その空間周波数スペクトルをＯ（ｓ）とする（ｓは、空間周波数軸の流通座標である）。計測マークＰＭの周期パターンに含まれる空間周波数成分のうち、２つの空間周波数成分をそれぞれｆ’、ｆ”とすると、そのスペクトルＯ（ｆ’）、Ｏ（ｆ”）とのビートによって生じる干渉縞に、ある重みを掛けたものを全体の空間周波数で積分したものが計測マークＰＭの空間像の強度分布ｉ（ｙ）となる。この重みをクロスモジュレーション係数（Ｔｈｅ Ｃｒｏｓｓ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）というが、このクロスモジュレーション係数は、以下の式（５）によって定義される。
【０１２５】
【数５】
【０１２６】
ここで、Ｆは、前述のように瞳関数であり（＊は複素共役を示す）、σ（ξ，η）は有効光源である。
【０１２７】
したがって、部分コヒーレント照明による計測マークＰＭの結像式は、以下の式（６）によって表される。
【０１２８】
【数６】
【０１２９】
計測マークＰＭの周期パターンがＬ／ＳパターンでピッチがＰｈ＝１／ｆｈで、５０％デューティ（ラインとスペースの幅が同じ）である場合、その計測マークの空間像のＮ次成分（Ｎは奇数）の強度は、以下の式（７）で示される。ここで、計測マークＰＭの空間像の１次成分、すなわちＮ＝１の成分を基本周波数成分とする。なお、ｆｈは、計測マークＰＭの基本周波数である。
【０１３０】
【数７】
【０１３１】
ここで、ｃ０は、０次のフーリエスペクトルの振幅（複素フーリエ係数）を表し、ｃＮは、Ｎ次のフーリエスペクトルの振幅（複素フーリエ係数）を表す。Ｎ次の高調波の位相ΦｈＮは、以下の式（８）によって示される。
【０１３２】
【数８】
【０１３３】
本実施形態では、１次の基本周波数成分の位相Φｈ１と奇数（Ｎ）次の高調波成分の位相ΦｈＮとの位相差ΦｈＮ−Φｈ１を検出する。この位相差は、例えば、Ｎ＝３とした場合に、以下の式（９）で表される。
【０１３４】
【数９】
【０１３５】
図８（Ｂ）には、Ｎ次の高調波成分と１次の周波数（基本周波数）成分の位相差ΦｈＮ−Φｈ１が示されている。ここで、実線はＮ＝３のときの１次とＮ次の周波数成分の位相差であり、点線はＮ＝５のときの１次とＮ次の周波数成分の位相差である。なお、このグラフの横軸は、規格化空間周波数Ｎｆｈ／ｆｃ＝Ｎｆｈ／（Ｎ．Ａ．／λ）である。この規格化空間周波数は、Ｎ次の回折光の投影光学系ＰＬの射出瞳上における規格化瞳座標上の位置と等価である。なお、このときコヒーレンスファクタσを０としている。図８（Ｂ）に示されるように、Ｎ＝３の方がＮ＝５よりも、投影光学系ＰＬの射出瞳上における規格化瞳座標上の位置に対する感度が高く、また、３次の高調波成分の振幅の方が、５次の高調波成分の振幅も大きいため、基本周波数と５次の高調波成分との位相差より、基本周波数と３次の高調波成分との位相差に基づいてコマ収差を求めた方が、計測結果が良好になると考えられる。
【０１３６】
図９には、σ＝０．３のときの１次の基本周波数とその３次の高調波との位相差の特性が示されている。なお、このグラフでは、ＡｒＦエキシマレーザ相当の波長１９３ｎｍの光に用いられ、開口数（Ｎ．Ａ．）が０．７８の投影光学系ＰＬについて、その投影光学系ＰＬの収差を、位相計測装置（ＰＭＩ）で計測されたデータを収差として使用した場合（▲）、使用しなかった場合（■）の特性も示されている。図９に示されるように、その位相差の特性は、位相計測装置（ＰＭＩ）のデータの使用の有無でほとんど変わっていない。また、σ＝０．３の場合には、瞳座標の端の方では、１次回折光が投影レンズの瞳からはみ出すようになるので、σ＝０の場合（図では点線で示されている）に比べて位相差の増加が抑制されている。
【０１３７】
以上述べたように、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、投影光学系ＰＬのコマ収差とはほぼ線形関係にあり、それらの位相差を計測すれば、投影光学系ＰＬのコマ収差を容易に求めることができるようになる。
【０１３８】
しかし、そのためには、まず、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、投影光学系ＰＬのコマ収差との対応関係を予め求めておく必要がある。本実施形態では、それらの対応関係をシミュレーション又は実際の計測によって予め算出しておく（シミュレーションの場合は、この算出工程が第３工程に対応する）。なお、シミュレーションでは、収差データのオフセット量を変化させて計算を実行し、実際の計測では、例えば主制御装置５０の制御により、結像特性補正コントローラ７８等を用いて、投影光学系ＰＬの実際の投影レンズの傾きを変えて、コマ収差を発生させて計測する。
【０１３９】
図１０（Ａ）には、シミュレーション及び実際の計測によって求められた１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、コマ収差の収差量との関係が示されている。このグラフでは、横軸はフリンジツェルニケ多項式におけるＺ８のレベル、すなわち低次コマ収差の収差量を示し、縦軸は位相差のレベルを示す。また、●は、シミュレーションの値を示し、▲は、実際の計測値を示す。図１０（Ａ）に示されるように、このグラフでは、シミュレーション及び実測値とは、非常に良い一致を見せている。なお、１回のスリットスキャンでの空間像計測による収差の計測再現性（３σ）はフリンジツェルニケ多項式におけるＺ８換算で１６ｍλであった。
【０１４０】
なお、投影光学系ＰＬのコマ収差は、１次の基本周波数成分と２次の高調波成分との位相差を評価量としても計測可能である。しかしながら、デューティ５０％のＬ／Ｓパターンである計測マークＰＭの像の空間周波数成分には、２次の高調波成分が原則的には存在しないため、この場合には、他の周波数成分同士のビートを、２次の高調波成分として用いる。
【０１４１】
上述のように、計測マークが５０％デューティでピッチ（周期）がＰ＝１／ｆｈのＬ／Ｓパターンの場合、Ｏ（ｙ）はフーリエ級数によって以下の式（１０）のように表される。
【０１４２】
【数１０】
【０１４３】
ただし、ｃ０、ｃ１、ｃ３、ｃ５はフーリエ係数であり、それぞれ１／２、１／４、−１／１２、１／２０となる。
【０１４４】
ここで、計測マークを０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチＰ＝１．０μｍ）とし、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とし、コヒーレント照明の場合を考えると、投影光学系ＰＬを実際に通過する高調波は３次までとなるので、式（１０）は、以下の式（１１）に変換される。
【０１４５】
【数１１】
【０１４６】
なお、式（１１）においては、フリンジツェルニケ多項式における第７項Ｚ７は、上述の式（４）に示されるように奇関数となるので、基本周波数成分における収差量をｅｘｐ（ｉφ１）とし、３次の高調波成分における収差量をｅｘｐ（ｉφ３）とした。
【０１４７】
上述の式（１１）より、２次の高調波に相当するビート成分には、１次の基本周波数成分及び３次の高調波成分のビート成分と、１次の基本周波数成分及び１次（−１）の基本周波数成分のビート成分が考えられる。
【０１４８】
ここで、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのビート成分Ｉｈ２＿１＿３は、以下の式（１２）のようになる。
【０１４９】
【数１２】
【０１５０】
このビート成分Ｉｈ２＿１＿３は、コヒーレント照明の場合には、以下の式（１３）のようになる。
【０１５１】
【数１３】
【０１５２】
また、１次の基本周波数成分と１次の基本周波数成分とのビート成分Ｉｈ２＿１＿１は、以下の式（１４）のようになる。
【０１５３】
【数１４】
【０１５４】
このビート成分Ｉｈ２＿１＿１は、コヒーレント照明の場合には、以下の式（１５）のように表される。
【０１５５】
【数１５】
【０１５６】
結果的に、コヒーレント照明においては、２次の高調波成分は、式（１３）で示される１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのビート成分と、式（１５）で示される１次の基本周波数成分と１次の基本周波数成分とのビート成分とのベクトル合成で求めることができ、その位相Φｈ２は、以下の式（１６）で表される。
【０１５７】
【数１６】
【０１５８】
この２次高調波成分の位相の投影光学系ＰＬに対する感度を調べる。計測マークＰＭをデューティ比５０％で、計測マークＰＭのウエハＷ上での投影されるサイズを、０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１．０μｍ）とすると、１次の回折光の投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置はρ＝０．２４７相当となり、３次の回折光の投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置はρ＝０．７４１相当となる。したがって、式（４）より、それぞれの回折光の位相遅れレベルは以下の式（１７）、式（１８）のようになる。
【０１５９】
Ｚ７（ρ＝０．２４７）＝−０．４４９ （１７）
Ｚ７（ρ＝０．７４１）＝−０．２６１ （１８）
【０１６０】
さらに、例えば２０ｍλのコマ収差が発生すると、１次の基本周波数成分の位相遅れφ１は、以下の式（１９）に示すようになり、３次の高調波成分の位相遅れφ３は、以下の式（２０）に示すようになる。
【０１６１】
φ１＝−０．４４９×２０ｍλ＝−３．２３° （１９）
φ３＝−０．２６１×２０ｍλ＝−１．８８° （２０）
【０１６２】
このときの２次の高調波成分の位相Φｈ２は上述の式（１６）より、Φｈ２＝−２１．４７°となり、大幅に増大する。
【０１６３】
図１０（Ｂ）には、１次の基本周波数成分及び２次の高調波成分の位相差と、投影光学系ＰＬのコマ収差との対応関係（●は、シミュレーションによるものであり、▲は、実計測によるものである）が示されている。
【０１６４】
また、図１１には、１次の基本波周波数成分及び２次の高調波成分の位相差と、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分の位相差とを比較した様子が示されている。横軸は、投影光学系ＰＬの射出瞳上の３次高調波の瞳位置を示し、縦軸は、瞳の中心での位相に対するその瞳位置での相対的な位相の変化量を示す。図１１に示されるように、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分の相対的な位相の変化量に比べ、１次の基本波周波数成分及び２次の高調波成分の相対的な位相の変化量は、３次回折光が通過する投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置に応じて著しく変化しているのがわかる。したがって、１次の基本周波数成分及び２次の高調波成分との位相差をコマ収差の評価量として用いるよりも、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分との位相差をコマ収差の評価量として用いた方が、投影光学系ＰＬの射出瞳上の３次回折光の通過位置に関わらず、安定してコマ収差を求めることができる。
【０１６５】
次に、本実施形態における投影光学系ＰＬのコマ収差の算出方法について具体的に説明する。なお、前提として、図１０（Ａ）に示されるような投影光学系ＰＬのコマ収差と１次の基本周波数成分及び３次の高調波成分の位相差との線形関係がメモリ５１に記録されているものとする。
【０１６６】
まず、上述した空間像計測動作で述べたように、主制御装置５０が、ウエハステージ駆動系を介してウエハステージＷＳＴを＋Ｙ方向に駆動してスリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に走査されることによって得られた光電変換信号Ｐは最終的に主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を取得する（第１工程）。
【０１６７】
図１２には、計測された空間像ＰＭ’における光強度分布が示されている。主制御装置５０は、この光強度分布をｉ（ｙ）とすると、計測マークＰＭのウエハＷ上での周期を基準とする基本周波数成分を有するサイン関数及びコサイン関数で表現される２つのフーリエ係数（ａ１、ｂ１）を算出する。
【０１６８】
【数１７】
【０１６９】
また、主制御装置５０は、その基本周波数成分の３倍の高調波成分を有するサイン関数及びコサイン関数で表現できる２つのフーリエ係数（ａ２、ｂ２）を算出する。
【０１７０】
【数１８】
【０１７１】
主制御装置５０は、以上の式（２１）〜式（２４）に示される４つのフーリエ係数を算出し、以下の式（２５）、式（２６）によって、それぞれの成分の位相Φ１、Φ３を算出する。
【０１７２】
【数１９】
【０１７３】
処理装置としての主制御装置５０は、基本周波数成分とその３次の高調波成分の位相差Φ３−Φ１を算出する。そして、主制御装置５０は、メモリ５１に記憶されている図１０（Ａ）に示すような位相差とコマ収差との線形関係から、位相差Φ３−Φ１に対応する奇関数収差、例えばコマ収差を算出する（第２工程）。
【０１７４】
次に、調整装置としての主制御装置５０は、算出されたコマ収差に基づいて、結像特性補正コントローラ７８を駆動して投影光学系ＰＬのコマ収差を調整する。投影光学系ＰＬの結像特性が調整された後に、上述の走査露光動作を実行すれば、レチクルＲ上に形成された回路パターンを精度良くウエハＷ上に転写することができるようになる。
【０１７５】
以上詳細に述べたように、本実施形態では、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の光強度分布を計測し、コマ収差等の奇関数収差と線形関係にある、その光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分と奇数次、例えば３次の高調波成分との位相差に基づいて、奇関数収差の収差量を計測する。このようにすれば、光強度分布のピークにおける左右のピークの面積差や、奇数次の高調波成分同士のビート成分である２次の高調波成分などのそれらの位相差により間接的に発生する現象を計測することなく、コマ収差によって直接的に発生する位相差に基づいて奇関数収差を評価することができるため、奇関数収差を精度良く計測することができる。
【０１７６】
また、上記実施形態では、計測用パターンとして、スリット１２２を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピンホールパターンを用いてもよい。なお、この場合、スリット１２２と同レベルの光量を確保するため、ピンホールパターンの直径は、２倍程度（４００μｍ以下）とすることが望ましい。
【０１７７】
なお、上記実施形態では、フリンジツェルニケ多項式におけるＺ７、Ｚ８で示される低次のコマ収差を計測対象とした。しかしながら、投影光学系ＰＬのレンズによっては、低次のコマ収差とともに、高次のコマ収差も発生することがある。通常では、投影光学系ＰＬの結像特性に対しては、高次のコマ収差よりも低次のコマ収差の影響の方が大きいが、現状では、投影光学系ＰＬのレンズエレメントの傾き、上下動によってコマ収差をより高精度に除去可能となっているため、高次のコマ収差を低次のコマ収差から分離した方が望ましい場合もある。
【０１７８】
そこで、低次のコマ収差と高次のコマ収差とを分離する方法を以下に説明する。なお、この方法では、高次のコマ収差として、フリンジツェルニケ多項式におけるＺ１４、Ｚ１５を対象とする。なお、これらの高次コマ収差が発生しても、前述の１次の基本周波数成分と、奇数次、例えば３次の高調波成分との位相差は変化する。したがって、低次コマ収差と高次コマ収差とが同時に発生している場合、１次の基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差は、Ｚ７及びＺ１４（又はＺ８及びＺ１５）の両方に起因する位相差の合計として計測されることになる。
【０１７９】
そこで、ここでは、計測マークとして、ピッチ（周期）が異なる周期パターンを有する２つの計測マークを用意する。そして、主制御装置５０の制御の下、前述の第１工程を、それぞれの計測マークについて実行し、それぞれの計測マークについての１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差を求める（第４工程）。
【０１８０】
図１３には、１μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ２μｍ）の周期パターンを有する計測マークと、０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１μｍ）の計測マークとを、それぞれ計測マークとした場合における、低次コマ収差（Ｚ７）及び高次コマ収差（Ｚ１４）の収差量に対する感度（シミュレーション）が示されている。図１３（Ａ）には、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差（Ｚ７）の感度が示されており、図１３（Ｂ）には、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差（Ｚ１４）の感度が示されており、図１３（Ｃ）には、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差（Ｚ７）の感度が示されており、図１３（Ｄ）には、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差（Ｚ１４）の感度が示されている。なお、ここで、計測された収差量は、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差に基づく収差量であり、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とし、照明光の波長を１９３ｎｍとし、コヒーレンスファクタσを０．３とし、コマ収差以外の収差の収差量を０としてシミュレーションを行って得た収差量である。
【０１８１】
図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）において、各グラフの直線の傾きは、その条件におけるコマ収差のツェルニケ感度を示している。なお、以下の式（２７）〜式（３０）に、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）における直線の式、すなわちツェルニケ感度の式を示す。
【０１８２】
ｙ＝０．１００２ｘ＋２．８１４８ （２７）
ｙ＝−０．０１９６ｘ＋２．８１１ （２８）
ｙ＝−０．１１４ｘ＋２．８０６７ （２９）
ｙ＝０．０７３ｘ＋２．８０７６ （３０）
【０１８３】
図１３に示されるように、計測マークの周期パターンの周期によって、低次のコマ収差と高次のコマ収差とのツェルニケ感度がそれぞれ異なるので、低次コマ収差（Ｚ７）と高次コマ収差（Ｚ１４）との分離が可能となる。０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１μｍ）での１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差をΦ（Ｌ／Ｓ＝０．５）とし、１．０μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１μｍ）での１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差をΦ（Ｌ／Ｓ＝１．０）とする。さらに、図１３（Ａ）より得られる１．０μｍのＺ７に対するツェルニケ感度α１（＝０．１００２）、図１３（Ｂ）より得られる１．０μｍのＺ１４に対するツェルニケ感度β１（＝−０．０１９６）、図１３（Ｃ）より得られる０．５μｍのＺ７に対するツェルニケ感度α２（＝−０．１１４）、図１３（Ｄ）より得られる０．５μｍのＺ１４に対するツェルニケ感度β２（＝０．０７３）を用いると、以下の式（３１）、式（３２）が得られる。
【０１８４】
Φ（Ｌ／Ｓ＝１．０）＝α１Ｚ７＋β１Ｚ１４ （３１）
Φ（Ｌ／Ｓ＝０．５）＝α２Ｚ７＋β２Ｚ１４ （３２）
【０１８５】
したがって、主制御装置５０によって、式（３１）、（３２）を連立方程式としてそれらを解けば、計測された収差量から、低次コマ収差（Ｚ７）と高次コマ収差（Ｚ１４）とを分離することができる（第５工程）。
【０１８６】
なお、さらに他のコマ収差をＺ７及びＺ１４から分離したい場合、すなわち３つのコマ収差成分を分離する場合には、さらに異なるピッチの周期パターン（計３つの計測パターン）の空間像を計測し、その空間像における１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差を計測すれば、３つの方程式により連立方程式を作成して、それらを解けばよい。
【０１８７】
また、上記実施形態では、レチクルマーク板ＲＦＭに計測マークＰＭだけ形成されているとしたが、他の計測マークを形成しておいてもよい。例えば、その周期方向がＸ軸方向に配置されたＬ／Ｓパターンの計測マークなどを形成し、Ｘ軸方向のスリットスキャン動作を実行して（この場合には、スリット板９０上のスリット１２２ｂを用いる）、空間像を計測するようにしてもよい。
【０１８８】
また、上記実施形態では、空間像計測装置５９の光導出部と受光部とを機械的に分離しているとしたが、これらを可撓な光ファイバケーブルで接続するようにしてもよい。
【０１８９】
また、上記実施形態では、空間像の光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差に基づいて投影光学系のコマ収差を求めたが、前述のように、１次の基本周波数成分とその５次又はさらに高次の奇数次の高調波成分との位相差に基づいて投影光学系のコマ収差を求めるようにしてもよい。しかしながら、それら奇数次の高調波成分の中では、３次の高調波成分の大きさが最も大きいため、３次の高調波成分を用いた方が最も精度良く、コマ収差を求めることができる。
【０１９０】
また、上記実施形態では、奇関数収差としてコマ収差を計測対象としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、フリンジツェルニケ多項式における各項の動径関数が奇関数である収差（例えばＺ１０等）であれば、その収差量を計測可能である。
【０１９１】
また、上記実施形態では、露光用照明光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）などを用いる場合について説明したが、これに限らず、前述のＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、あるいはｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、Ｆ２レーザ光（波長１５７ｎｍ）、銅蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高調波等を露光用照明光として用いることができる。
【０１９２】
また、上記実施形態では、投影光学系として縮小系を用いる場合について説明したが、これに限らず、投影光学系として等倍あるいは拡大系を用いても良いし、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれであっても良い。
【０１９３】
なお、上記実施形態では、本発明がステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、マスクと基板とを静止した状態でマスクのパターンを基板に転写するとともに、基板を順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート型の露光装置等他のタイプの露光装置にも本発明は適用することができる。
【０１９４】
また、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、ＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、ＤＵＶ（遠紫外）光やＶＵＶ（真空紫外）光などを用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶などが用いられる。また、プロキシミティ方式のＸ線露光装置、又は電子線露光装置などでは透過型マスク（ステンシルマスク、メンブレンマスク）が用いられ、マスク基板としてはシリコンウエハなどが用いられる。
【０１９５】
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。
【０１９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の収差計測方法によれば、投影光学系の収差を精度良く計測することができるという効果がある。
【０１９７】
また、本発明の露光方法及び装置によれば、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係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のウエハステージ近傍を拡大し、Ｚチルトステージの駆動装置とともに示す図である。
【図３】図１の空間像計測装置の内部構成を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、スリット板上のスリットを示す図であり、図４（Ｂ）は、空間像計測の際に得られる光電変換信号の一例を示す図である。
【図５】実際のスリット板上のスリットの配置を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、シミュレーションによって算出された計測マークの空間像の詳細な光強度分布を示す図であり、図６（Ｂ）は、その光強度分布の１つのピークを拡大して示す図である。
【図７】図７（Ａ）は、規格化された面積差とコマ収差とのシミュレーション及び実計測による対応関係を示す図であり、図７（Ｂ）は、もう１つの規格化方法で規格化された面積差とコマ収差とのシミュレーション及び実計測による対応関係を示す図である。
【図８】図８（Ａ）は、投影光学系の射出瞳上の瞳位置と、その瞳位置に対応する位相遅れレベルとの関係を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、１次の周波数（基本周波数）成分とそのＮ次の高調波成分との位相差を示すグラフである。
【図９】１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差の特性を示すグラフである。
【図１０】図１０（Ａ）は、シミュレーション及び実際の計測によって求められた１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、コマ収差の収差量との関係を示すグラフであり、図１０（Ｂ）は、シミュレーション及び実際の計測によって求められた１次の基本周波数成分と２次の高調波成分との位相差と、コマ収差の収差量との関係を示すグラフである。
【図１１】１次の基本波周波数成分及び２次の高調波成分の位相差と、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分の位相差とを比較を示すグラフである。
【図１２】計測された空間像ＰＭ’における光強度分布を示すグラフである。
【図１３】図１３（Ａ）は、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差の感度を示すグラフであり、図１３（Ｂ）は、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差の感度を示すグラフであり、図１３（Ｃ）は、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差の感度を示すグラフであり、図１３（Ｄ）は、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差の感度を示すグラフである。
【符号の説明】
１２…照明光学系（照明ユニット）、１４…光源（照明ユニット）、５０…主制御装置（処理装置、調整装置、転写装置）、５９…空間像計測装置、７８…結像特性補正コントローラ、８０…信号処理装置、ＰＭ…計測マーク、ＰＬ…投影光学系、Ｒ…レチクル（マスク）、ＲＦＭ…レチクルマーク板（マーク形成部材）、ＲＳＴ…レチクルステージ、Ｗ…ウエハ（感光物体）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、収差計測方法、露光方法及び露光装置に係り、さらに詳しくは、投影光学系の収差を計測する収差計測方法、該収差計測方法を含む露光方法、及び投影光学系の収差を計測する機能を有する露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子又は液晶表示素子等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）のパターンを、投影光学系を介して表面にフォトレジスト等の感光剤が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の基板上に転写する投影露光装置、例えばステップ・アンド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッパ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が用いられている。
【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感光物体としての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を、基板上の各ショット領域に既に形成されたパターンに正確に重ね合わせて転写可能であることが求められる。かかる重ね合わせ転写を精度良く実行するためには、投影光学系の光学特性が所望の状態に調整されていることが必要不可欠である。
【０００４】
この投影光学系の光学特性を適切に調整するには、まず、その光学特性を正確に計測する必要がある。この光学特性の計測方法として、所定のパターンが形成された計測用マスクを用いて露光を行い、そのパターンの投影像が転写形成された基板を現像することによって得られるレジスト像を計測した計測結果に基づいて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。これに対し、実際に露光を行うことなく、計測用マスクの計測マークが照明光により照明され投影光学系によって投影され形成された計測用パターンの空間像（投影像）を計測し、この計測結果に基づいてその投影光学系の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。かかる空間像の計測及びこれに基づく投影光学系の結像特性の算出については、例えば、特許文献１等に詳細に開示されている。
【０００５】
また、上述の空間像計測法を用い、例えば、ピッチが異なる複数の周期パターンの空間像をそれぞれ計測し、それぞれ空間像の空間周波数成分間の相対的な位置ずれに基づいて投影光学系の結像特性の１つであるコマ収差を計測する方法や、あるピッチの周期パターンの空間像を計測し、その空間周波数成分のうち、そのパターンのピッチに対応する空間周波数を有する基本周波数成分と、その２次の高調波成分との相対的な位置ずれに基づいてそのコマ収差を計測する方法などが開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３等参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２０９０３１号公報（段落００２４−段落００８５、第１図〜第１０図）
【特許文献２】
特開平１１−２９７６１４号公報（段落００１４−段落００７５、第１図〜第９図）
【特許文献３】
特開平１１−２９７６１５号公報（段落００１３−段落０１０１、第１図〜第１１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空間像計測方法を用いてコマ収差を計測する上述の２つの方法には、以下に示す不都合があった。
【０００８】
（１） マスク上におけるピッチが異なる複数の周期パターンの形成位置に、製造誤差、例えば周期パターン同士の形成位置のオフセットがあると、計測された位置ずれ量にそのオフセットが含まれてしまい、そのオフセットがコマ収差の計測精度の低下の原因となる。
【０００９】
（２） 空間像に含まれる２次の高調波成分は、一般的にその成分の大きさが小さいため、周期パターンの製造誤差に対する感度が高く、その製造誤差による影響を受けやすいうえ、空間像を計測する計測器の入力−出力特性の非線形性の影響も受けやすいため、コマ収差の計測精度の向上に限界がある。
【００１０】
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、投影光学系の収差を精度良く計測することができる収差計測方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、マスクのパターンを基板上に精度良く転写することができる露光方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第３の目的は、マスクのパターンを基板上に精度良く転写することができる露光装置を提供することにある。
【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）の収差を計測する収差計測方法であって、前記第１面上に配置された周期パターンを含む少なくとも１つの計測マーク（例えばＰＭ）が照明光（ＩＬ）により照明され前記投影光学系によって前記第２面上に投影されることによって前記第２面上に形成される前記計測マークの空間像（例えばＰＭ’）に対し、所定の計測用パターンを前記第２面上で走査させ、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る第１工程と；前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項（Ｚｉ）の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出する第２工程と；を含む収差計測方法である。
【００１４】
一般に、投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数（Ｗ（ρ、θ）：Ｗは極座標で表わされており、ρは、投影光学系ＰＬの射出瞳の半径方向の規格化された瞳位置、θは角度である。）は、その動径ρと角度θの変数が分離した形で表される完全直交系の動径多項式、例えば、以下の式（１）に示されるフリンジツェルニケの多項式を用いて級数展開することが可能である。
【００１５】
【数１】
ここで、Ｚｉは、投影光学系の諸収差の大きさを表す係数である。なお、一例として第１項〜第３７項までのｆｉを例示すると、次の表１のようになる。
【００１７】
【表１】
上述の表１に示されるように、動径多項式の各項のｆｉ（ρ，θ）は、動径（ρ）と角度（θ）の変数が分離した形で表現される。このうち、動径（ρ）で表される部分を動径関数と呼ぶ。
【００１９】
また、動径多項式の各項は、その動径関数が奇関数であるものと偶関数であるものとに分類することができる。例えば、表１に示されるｆ７及びｆ８については、その動径関数がともに３ρ３−２ρで、奇関数であり、ｆ５及びｆ６は、その動径関数がともにρ２で偶関数となっている。一般に、その角度成分ｍθ（ｍを自然数とする）のｍが奇数である場合には、その動径関数が奇関数となり、ｍが偶数である場合には、その動径関数が偶関数となる。このように、動径関数が奇関数で表される収差を奇関数収差と呼び、偶関数で表される収差を偶関数収差と呼ぶ。
【００２０】
ところで、一般的に、第１面上のパターンを第２面上に投影する投影光学系は、第１面上のパターンからの複数の回折光が第２面上の結像面に集光するように作用する。投影光学系の収差が存在する場合には、それらの回折光が通過する投影光学系の射出瞳における位置がそれぞれ異なるため、第２面上における結像状態がその収差の影響を受ける。特に、その投影光学系に奇関数収差が存在する場合、第２面上における各次の回折光の結像位置は、第２面内方向にずれる（これを横ずれと呼ぶ）。したがって、第１面上の計測マークが周期パターンを含んでいる場合、その周期パターンの周期に対応する空間周波数を基本周波数とすると、第２面上における光強度信号におけるその基本周波数成分と、その奇数次の高調波成分とには、第２面上において相対的な位相差が生ずる。
【００２１】
本出願人は、その基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差と、奇関数収差の収差量がほぼ線形関係にあることをつきとめた。本発明では、その線形関係を利用して、その周期パターンを含む計測マークの空間像に対応する光強度信号を得て、その光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差を計測し、計測された位相差に基づいて投影光学系の奇関数収差の収差量を算出する。このようにすれば、１つの周期パターンだけで奇関数収差を計測することができるため、周期パターンの製造誤差によるオフセットに関わらず、精度良く奇関数収差を求めることができる。
【００２２】
なお、基本周波数成分と偶数次、例えば２次の高調波成分との位相差に基づいて奇関数収差の収差量を求めることも可能であるが、特に、計測マークの周期パターンが、デューティ比が５０％で、その強度が矩形状に変化するようなパターンである場合には、偶数次の高調波成分のスペクトルの大きさがほぼ０となるため、奇数次の高調波成分を用いた方が、周期パターンの製造誤差や空間像を計測する計測器の入力−出力特性に影響を受けにくくなる。そのため、前述の奇関数収差を精度良く算出することができる。
【００２３】
この場合、請求項２に記載の収差計測方法のごとく、前記第２工程では、前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差に基づいて、前記収差量を算出することとすることができる。
【００２４】
これによれば、３次の高調波成分は、奇数次の高調波成分の中で、最もその成分の大きさが大きい成分であるため、その３次の高調波成分を用いれば、基本周波数成分との位相差の周期パターンの製造誤差等に対するＳ／Ｎ比を最も大きくすることができるので、投影光学系の奇関数収差を最も精度良く算出することができる。
【００２５】
上記請求項１又は２に記載の収差計測方法において、請求項３に記載の収差計測方法のごとく、前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であることとすることができる。
【００２６】
また、上記請求項１〜３のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項４に記載の収差計測方法のごとく、前記奇関数収差は、コマ収差であることとすることができる。
【００２７】
例えば、フリンジツェルニケ多項式において、３次以上の１θ項の係数（Ｚ７，Ｚ８，Ｚ１４，Ｚ１５，Ｚ２３，Ｚ２４，Ｚ３４，Ｚ３５）等はコマ収差成分を示す。これらは奇関数収差に含まれ、本発明では、奇関数収差としてこれらのコマ収差の収差量を算出することができる。
【００２８】
上記請求項１〜４のいずれか一項に記載の収差計測方法において、前記第２工程に先立って、前記位相差と前記奇関数収差の収差量との関係を、前記投影光学系の数学モデルを用いたシミュレーションによって算出する第３工程をさらに含むこととすることができる。
【００２９】
また、上記請求項１〜５のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項６に記載の収差計測方法のごとく、前記第１工程を、前記周期パターンの周期がそれぞれ異なる複数の前記計測マークについて実行する第４工程と；計測マーク毎に得られる前記位相差と、各位相差の変化に対応する幾つかの奇関数収差の感度とに基づいて、前記幾つかの奇関数収差の各々の収差量を算出する第５工程と；をさらに含むこととすることができる。
【００３０】
前述のように、奇関数収差には、低次及び高次のコマ収差等が含まれており、低次のコマ収差と高次のコマ収差とを分離する必要がある場合もある。一方、周期が異なる周期パターンでは、０次回折光の進行方向と各次の回折光の進行方向とのなす角度の大きさはそれぞれ異なっており、それぞれの周期によって、同じ次数の回折光の投影光学系の射出瞳上の通過位置も異なる。そのため、周期パターンの周期が異なれば、その周期パターン毎に得られる位相差と、各位相差の変化に対応する各奇関数収差（低次のコマ収差及び高次のコマ収差）の感度とは当然異なったものとなる。したがって、周期パターン毎に求められる位相差と、その周期パターン毎に異なる奇関数収差の感度とを用いれば、それぞれの奇関数収差、例えば低次のコマ収差と高次のコマ収差とを抽出することが可能となる。
【００３１】
上記請求項１〜６のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項７に記載の収差計測方法のごとく、記所定の計測用パターンは、スリットパターンであることとすることができる。
【００３２】
また、上記請求項１〜６のいずれか一項に記載の収差計測方法において、請求項８に記載の収差計測方法のごとく、前記所定の計測用パターンは、ピンホールパターンであることとすることができる。
【００３３】
請求項９に記載の発明は、マスク（Ｒ）のパターンを、投影光学系（ＰＬ）を介して感光物体（Ｗ）上に転写する露光方法であって、請求項１〜８のいずれか一項に記載の収差計測方法によって、前記投影光学系の収差を計測する工程と；前記計測された収差に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する工程と；前記調整後の前記投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する工程と；を含む露光方法である。
【００３４】
これによれば、請求項１〜８のいずれか一項に記載の収差計測方法によって、投影光学系の奇関数収差を精度良く計測することができ、その計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性を調整することができるため、結像特性が適切な状態に調整された投影光学系を介してマスクのパターンを感光物体に精度良く転写することが可能となる。
【００３５】
請求項１０に記載の発明は、第１面上のマスク（Ｒ）のパターンを、投影光学系（ＰＬ）を介して第２面上の感光物体（Ｗ）上に転写する露光装置であって、前記第１面上に配置されたマーク形成部材（ＲＦＭ）を照明光により照明する照明ユニット（１２等）と；前記マーク形成部材を介した前記照明光が前記投影光学系により前記第２面上に投射されることにより前記第２面上に形成される前記マーク形成部材に形成された周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークの空間像に対して、所定の計測用パターンを前記第２面上で走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置（５９）と；前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出する処理装置（５０）と；前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置（５０）と；前記照明ユニットからの照明光で前記第１面上に配置されたパターンを照明して前記調整後の前記投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する転写装置（５０）と；を備える露光装置である。
【００３６】
これによれば、空間像計測装置によって計測された光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、投影光学系の奇関数収差が処理装置によって精度良く計測される。さらに、計測された収差に基づいて、投影光学系の結像特性を調整装置によって調整し、結像特性が適切な状態に調整された投影光学系を介してマスクのパターンを転写装置によって感光物体に精度良く転写することが可能となる。
【００３７】
この場合、請求項１１に記載の露光装置のごとく、前記パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージを更に備え、前記マーク形成部材は、前記マスクステージ上に配置された基準マーク板であることとすることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１〜図１３に基づいて説明する。
【００３９】
図１には、本発明の一実施形態に係る露光装置１０の概略的な構成が示されている。この露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影露光装置、すなわちいわゆるスキャニング・ステッパである。
【００４０】
この露光装置１０は、光源１４及び照明光学系１２を含む照明系（照明ユニット）、マスクとしてのレチクルＲを保持するマスクステージとしてのレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、感光物体としてのウエハＷを保持し、図１に示すＸ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面内を自在に移動可能なウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する制御系等を、装置の一構成部分として備えている。また、上記各構成部分のうち、光源１４及び制御系以外の部分は、実際には、内部の温度、圧力等の環境条件が高精度に制御され一定に維持されている不図示の環境制御チャンバ（エンバイロンメンタル・チャンバ）内に収容されている。
【００４１】
前記光源１４は、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を出力するエキシマレーザ光源である。この光源１４は、実際には、上記環境制御チャンバが設置されるクリーンルームとは別のクリーン度の低いサービスルーム等に設置されており、不図示の送光光学系を介して環境制御チャンバ内部の照明光学系１２に接続されている。光源１４は、主制御装置５０によってそのレーザ発光のオン・オフや、中心波長、スペクトル半値幅、繰り返し周波数などが制御される。なお、光源として、ＫｒＦエキシマレーザ出力（波長２４８ｎｍ）の光源等を用いることもできる。
【００４２】
前記照明光学系１２は、ビーム整形光学系１８、オプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）としてのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、リレー光学系２８Ａ，２８Ｂ、固定レチクルブラインド３０Ａ、可動レチクルブラインド３０Ｂ、ミラーＭ、及びコンデンサレンズ３２等を備えている。なお、オプティカルインテグレータとして、ロッド型（内面反射型）インテグレータ、あるいは回折光学素子等を用いてもよい。
【００４３】
前記ビーム整形光学系１８内には、光源１４でパルス発光されたレーザビームＬＢの断面形状を、該レーザビームＬＢの光路後方に設けられたフライアイレンズ２２に効率良く入射するように整形するための、例えばシリンダレンズやビームエキスパンダ（いずれも図示省略）等が含まれている。
【００４４】
前記フライアイレンズ２２は、ビーム整形光学系１８から出たレーザビームＬＢの光路上に配置され、レチクルＲを均一な照度分布で照明するために多数の点光源（光源像）からなる面光源、即ち２次光源を形成する。この２次光源から射出されるレーザビームを本実施形態では、「照明光ＩＬ」と呼ぶものとする。
【００４５】
フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近傍には、円板状部材から成る照明系開口絞り板２４が配置されている。この照明系開口絞り板２４には、ほぼ等角度間隔で、例えば通常の円形開口より成る開口絞り（通常絞り）、小さな円形開口より成りコヒーレンスファクタであるσ値を小さくするための開口絞り（小σ絞り）、輪帯照明用の輪帯状の開口絞り（輪帯絞り）、及び変形光源法用に複数の開口を偏心させて配置して成る変形開口絞り（例えばＳＨＲＩＮＣとも呼ばれる四重極照明絞り）等が配置されている。この照明系開口絞り板２４は、主制御装置５０により制御されるモータ等の駆動装置４０により回転されるようになっており、この回転動作により、いずれかの開口絞りが照明光ＩＬの光路上に主制御装置５０によって選択的に設定される。
【００４６】
照明系開口絞り板２４から出た照明光ＩＬの光路上に、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッタ２６が配置され、更にこの後方の光路上に、レチクルブラインド３０Ａ、３０Ｂを介在させてリレー光学系（２８Ａ，２８Ｂ）が配置されている。
【００４７】
固定レチクルブラインド３０Ａは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅かにデフォーカスした面に配置されており、その固定レチクルブラインド３０Ａには、レチクルＲ上の照明領域ＩＡＲを規定する矩形開口が形成されている。また、この固定レチクルブラインド３０Ａの近傍には、走査露光時の走査方向（ここではＹ軸方向とする）と、これに直交する非走査方向（Ｘ軸方向）にそれぞれ対応する方向とに光学的に対応する位置及び幅が可変の開口部を有する可動レチクルブラインド３０Ｂが配置されている。走査露光の開始時及び終了時において、主制御装置５０からの指示により、固定レチクルブラインド３０Ａによって規定されている照明領域ＩＡＲが、可動レチクルブラインド３０Ｂによって更に制限されることによって、不要な部分（後述するレチクルＲ上の回路パターン等の転写すべき部分以外の部分）の露光が防止されるようになっている。また、本実施形態では、可動レチクルブラインド３０Ｂは、後述する空間像計測の際の照明領域の設定にも用いられる。
【００４８】
一方、照明光学系１２内のビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの光路上には、集光レンズ４４、及び遠紫外域で感度が良く、かつ光源１４のパルス発光を検出するために高い応答周波数を有するＰＩＮ型フォトダイオード等の受光素子から成るインテグレータセンサ４６が配置されている。
【００４９】
このようにして構成された照明系の作用を簡単に説明すると、光源１４からパルス発光されたレーザビームＬＢは、ビーム整形光学系１８に入射し、ここで後方のフライアイレンズ２２に効率よく入射するようにその断面形状が整形された後、フライアイレンズ２２に入射する。これにより、フライアイレンズ２２の射出側焦点面（照明光学系１２の瞳面）に２次光源が形成される。この２次光源から射出された照明光ＩＬは、照明系開口絞り板２４上のいずれかの開口絞りを通過した後、透過率が大きく反射率が小さなビームスプリッタ２６に至る。このビームスプリッタ２６を透過した照明光ＩＬの大部分は、第１リレーレンズ２８Ａを経て固定レチクルブラインド３０Ａの矩形の開口部及び可動レチクルブラインド３０Ｂ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上の照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。
【００５０】
一方、ビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬの一部は、集光レンズ４４を介してインテグレータセンサ４６で受光され、インテグレータセンサ４６の光電変換信号が、不図示のピークホールド回路及びＡ／Ｄ変換器を有する信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。本実施形態では、インテグレータセンサ４６の計測値は、露光量制御に用いられる他、投影光学系ＰＬに対する照射量の計算に用いられ、この照射量は、ウエハ反射率（これは、インテグレータセンサの出力と不図示の反射率モニタの出力とに基づいて求めることもできる）とともに、投影光学系ＰＬの照明光吸収による結像特性の変化量の算出にも用いられる。
【００５１】
本実施形態では、主制御装置５０によって、その照射量がインテグレータセンサ４６の出力に基づいて所定の時間間隔で計算され、その計算結果が照射履歴として、後述するメモリ５１内に記憶されるようになっている。
【００５２】
前記レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定されている。これにより、レチクルＲ上に形成された所望の回路パターンは、第１面上に配置された状態となる。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系５６Ｒにより、後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ平面内で２次元的に（Ｘ軸方向及びこれに直交するＹ軸方向及びＸＹ平面に直交するＺ軸回りの回転方向（θｚ方向）に）微少駆動可能であるとともに、レチクルステージＲＳＴの基盤であるレチクルベースＲＢＳ上をＹ軸方向に指定された走査速度で移動可能となっている。
【００５３】
また、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルレーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）５４Ｒからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｒが固定されており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置はレチクル干渉計５４Ｒによって、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。ここで、実際には、レチクルステージＲＳＴ上には走査露光時の走査方向（Ｙ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向（Ｘ軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、レチクル干渉計５４ＲはＹ軸方向に少なくとも２軸、Ｘ軸方向に少なくとも１軸設けられているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｒ、レチクル干渉計５４Ｒとして示されている。
【００５４】
レチクル干渉計５４ＲからのレチクルステージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に送信される。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示によってレチクルステージ駆動系５６Ｒを介してレチクルステージＲＳＴの移動を制御する。なお、レチクルステージＲＳＴの端面を鏡面加工して前述の反射面を形成しても良い。
【００５５】
また、レチクルステージＲＳＴの−Ｙ側端部近傍には、空間像計測用マークが形成されたマーク形成部材としてのレチクルフィデューシャルマーク板（以下、「レチクルマーク板」と略述する）ＲＦＭが、レチクルＲと並ぶように配置されている。これにより、レチクルマーク板に形成された後述する計測マークＰＭ（図３参照）も、レチクルＲ上に形成されている回路パターンと同様に、第１面上に配置された状態となる。このレチクルマーク板ＲＦＭは、レチクルＲと同材質のガラス素材、例えば合成石英やホタル石、フッ化リチウムその他のフッ化物結晶などから構成されており、レチクルステージＲＳＴに固定されている。なお、このレチクルマーク板ＲＦＭの具体的構成等については後述する。レチクルステージＲＳＴは、レチクルＲの全面とレチクルマーク板ＲＦＭの全面とが少なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを横切ることができる程度のＹ軸方向の移動ストロークを有している。
【００５６】
また、レチクルステージＲＳＴには、レチクルＲ及びレチクルマーク板ＲＦＭの下方に、開口がそれぞれ形成されている。後述するように、この開口は照明光ＩＬの通路となる。また、レチクルベースＲＢＳの投影光学系ＰＬのほぼ真上の部分（光軸ＡＸを中心とする部分）には、照明光ＩＬの通路となる、少なくとも照明領域ＩＡＲより大きな長方形の開口が形成されている。
【００５７】
また、露光装置１０では、レチクルＲの上方には、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲ上又はレチクルマーク板ＲＦＭ上のマークと、ウエハステージＷＳＴ上の後述する基準マーク板（不図示）上の基準マークとを同時に観察するための露光波長の光を用いたＴＴＲ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｔｈｅ Ｒｅｔｉｃｌｅ）アライメント系から成る一対のレチクルアライメント顕微鏡（以下、便宜上「ＲＡ顕微鏡」と呼ぶ）が設けられていてもよい。これらのＲＡ顕微鏡の検出信号は、不図示のアライメント制御装置を介して、主制御装置５０に供給されるようになっている。この場合、レチクルＲからの検出光をそれぞれのＲＡ顕微鏡に導くための不図示の偏向ミラーが移動自在に配置され、露光工程が開始されると、主制御装置５０からの指令のもとで、不図示のミラー駆動装置により偏向ミラーが待避される。なお、ＲＡ顕微鏡と同等の構成は、例えば特開平７−１７６４６８号公報等に開示されており、公知であるからここでは詳細な説明は省略する。
【００５８】
前記投影光学系ＰＬは、レチクルベースＲＢＳの図１における下方に配置されている。その光軸ＡＸの方向をＺ軸方向とする。投影光学系ＰＬは、ここでは両側テレセントリックな縮小系であり、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置された複数枚、例えば８枚のレンズエレメント１３１、１３２、……、１３８（図２参照）から成る屈折光学系が使用されている。この投影光学系ＰＬの投影倍率は、例えば１／４（又は１／５）等となっている（以下の説明では、１／４であるとする）。このため、照明光学系１２からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上のスリット状照明領域ＩＡＲが照明されると、このレチクルＲを通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介してそのスリット状照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パターンの縮小像（部分倒立像）が表面にフォトレジストが塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲと共役な露光領域ＩＡに形成される。
【００５９】
図２に示されるように、投影光学系ＰＬを構成するレンズエレメント１３１、１３２、……、１３８のうち、その一部、例えばレンズエレメント１３１、１３２は、それぞれ複数の駆動素子（例えばピエゾ素子など）２０によって光軸ＡＸ方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動可能に構成されている。また、レンズエレメント１３４、１３５の間、レンズエレメント１３６、１３７の間には、それぞれ密閉状態とされた第１、第２密閉室３４、３６が形成されている。これら第１、第２密閉室３４、３６内には、不図示のガス供給機構から圧力調整機構４１を介してクリーンな気体、例えば窒素が供給されるようになっている。
【００６０】
本実施形態では、各駆動素子２０に与えられる駆動電圧（駆動素子の駆動量）及び第１、第２密閉室３４、３６内部の気体の圧力（以下、適宜「内部の圧力」又は「内部圧力」という）を調整する圧力調整機構４１が、主制御装置５０からの指令に応じて結像特性補正コントローラ７８により制御される。これによって、投影光学系ＰＬの結像特性、例えば、像面湾曲、ディストーション、倍率、コマ収差、非点収差、球面収差等が補正される。なお、かかる結像特性を調整する結像特性調整機構は、レンズエレメント１３１のような可動レンズエレメントのみによって構成しても良く、その可動レンズエレメントの数も任意で良い。但し、この場合、可動レンズエレメントの数が、フォーカスを除く、投影光学系ＰＬの結像特性の補正可能な種類に対応するので、補正が必要な結像特性の種類に応じて可動レンズエレメントの数を定めれば良い。
【００６１】
図１に戻り、前記ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ４２と、該ＸＹステージ４２上に搭載されたＺチルトステージ３８とを含んで構成されている。
【００６２】
前記ＸＹステージ４２は、ウエハステージＷＳＴの基盤であるウエハベース１６の上面の上方に不図示のエアベアリングによって例えば数μｍ程度のクリアランスを介して浮上支持されている。さらに、ＸＹステージ４２は、ウエハステージ駆動系５６Ｗを構成する不図示のリニアモータ等によって走査方向であるＹ軸方向（図１における紙面内左右方向）及びこれに直交するＸ軸方向（図１における紙面直交方向）に２次元駆動可能に構成されている。このＸＹステージ４２上にＺチルトステージ３８が搭載され、該Ｚチルトステージ３８上にウエハホルダ２５が載置されている。このウエハホルダ２５によって、ウエハＷが真空吸着等により保持されている。これにより、ウエハＷの表面は、第２面上に配置されることになる。
【００６３】
Ｚチルトステージ３８は、図２に示されるように、３つのＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ（但し、紙面奥側のＺ位置駆動部２７Ｃは不図示）によってＸＹステージ４２上に３点で支持されている。これらのＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃは、Ｚチルトステージ３８下面のそれぞれの支持点を投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に独立して駆動する３つのアクチュエータ（例えばボイスコイルモータなど）２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ（但し、図２における紙面奥側のアクチュエータ２１Ｃは不図示）と、Ｚチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃによる各支持点のアクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１ＣによるＺ軸方向の駆動量（基準位置からの変位）を検出するエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ（但し、図２における紙面奥側のエンコーダ２３Ｃは不図示）とを含んで構成されている。
【００６４】
ここで、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃとしては、例えば光学式又は静電容量式等のリニアエンコーダが使用されている。本実施形態では、上記アクチュエータ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって、Ｚチルトステージ３８を、光軸ＡＸ方向（Ｚ軸方向）及び光軸に直交する面（ＸＹ面）に対する傾斜方向、すなわちＸ軸回りの回転方向であるθｘ方向、Ｙ軸回りの回転方向であるθｙ方向に駆動する。また、エンコーダ２３Ａ〜２３Ｃで計測されるＺチルトステージ３８のＺ位置駆動部２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃによる各支持点のＺ軸方向の駆動量（基準点からの変位量）は、ステージ制御装置７０及びこれを介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、Ｚチルトステージ３８のＺ軸方向の位置及びレベリング量（θｘ回転量、θｙ回転量）を算出する。なお、図１では、ＸＹステージ４２を駆動するリニアモータ等、及びＺ位置駆動部２７Ａ〜２７Ｃ（アクチュエータ２１Ａ〜２１Ｃ及びエンコーダ２３Ａ〜２３Ｃ）を含めてウエハステージ駆動系５６Ｗとして示されている。
【００６５】
前記Ｚチルトステージ３８上には、ウエハレーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）５４Ｗからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｗが固定されている。そのため、このウエハ干渉計５４Ｗによって、Ｚチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）のＸＹ面内の位置を、例えば０．５〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出することができる。
【００６６】
ここで、実際には、Ｚチルトステージ３８上には、走査露光時の走査方向であるＹ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向であるＸ軸方向に直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、これに対応してウエハ干渉計もＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ複数軸設けられ、Ｚチルトステージ３８の５自由度方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、θｘ方向、θｙ方向、θｚ方向）の位置が計測可能となっているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡５２Ｗ、ウエハ干渉計５４Ｗとして示されている。ウエハステージＷＳＴの位置情報（又は速度情報）は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に供給されるようになっている。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に応じてウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御する。なお、Ｚチルトステージ３８の端面を鏡面加工して前述の反射面を形成するようにしてもよい。
【００６７】
また、Ｚチルトステージ３８の内部には、投影光学系ＰＬの光学特性の計測に用いられる空間像計測装置５９を構成する光学系の一部が配置されている。ここで、この空間像計測装置５９の構成について詳述する。この空間像計測装置５９は、図３に示されるように、Ｚチルトステージ３８に設けられたステージ側構成部分、すなわちパターン形成部材としてのスリット板９０、レンズ８４、８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳＴ外部に設けられたステージ外構成部分、すなわちミラー９６、受光レンズ８９、光電変換素子から成る光センサ９４等とを備えている。
【００６８】
これを更に詳述すると、スリット板９０は、図３に示されるように、ウエハステージＷＳＴの一端部上面に設けられた上部が開口した突設部５８に対し、その開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれている。このスリット板９０は、平面視長方形の受光ガラス８２の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３が形成され、その反射膜８３の一部に所定の計測用パターンとしての所定幅２Ｄのスリット状の開口パターン（以下、「スリット」と呼ぶ）１２２がパターンニングされている。
【００６９】
前記受光ガラス８２の素材としては、ここでは、ＡｒＦエキシマレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル石などが用いられる。
【００７０】
スリット１２２下方のＺチルトステージ３８内部には、スリット１２２を介して鉛直下向きに入射した照明光束（像光束）の光路を水平に折り曲げるミラー８８を介在させてレンズ８４、８６から成るリレー光学系（８４、８６）が配置されている。また、このリレー光学系（８４、８６）の光路後方のウエハステージＷＳＴの＋Ｙ側の側壁には、リレー光学系（８４、８６）によって所定の光路長分リレーされた照明光束をウエハステージＷＳＴの外部に送光する送光レンズ８７が固定されている。
【００７１】
送光レンズ８７によってウエハステージＷＳＴの外部に送り出される照明光束の光路上には、Ｘ軸方向に所定長さを有するミラー９６が傾斜角４５°で斜設されている。このミラー９６によって、ウエハステージＷＳＴの外部に送り出された照明光束の光路が鉛直上方に向けて９０°折り曲げられるようになっている。この折り曲げられた光路上に送光レンズ８７に比べて大径の受光レンズ８９が配置されている。この受光レンズ８９の上方には、光センサ９４が配置されている。これら受光レンズ８９及び光センサ９４は、所定の位置関係を保ってケース９２内に収納されている。ケース９２は、取付け部材９３を介してウエハベース１６の上面に植設された支柱９７の上端部近傍に固定されている。
【００７２】
前記光センサ９４としては、微弱な光を精度良く検出することが可能な光電変換素子（受光素子）、例えばフォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ、光電子増倍管）などが用いられる。光センサ９４からの光電変換信号Ｐは、図１の信号処理装置８０を介して主制御装置５０に送られるようになっている。なお、信号処理装置８０は、例えば増幅器、サンプルホルダ、Ａ／Ｄコンバータ（通常１６ビットの分解能のものが用いられる）などを含んで構成することができる。
【００７３】
なお、前述の如く、スリット１２２は反射膜８３に形成されているが、以下においては、便宜上スリット板９０にスリット１２２が形成されているものとして説明を行う。なお、スリット１２２の配置及び寸法については、後述する。
【００７４】
上述のようにして構成された空間像計測装置５９によると、後述する、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測マークＰＭの投影光学系ＰＬを介して得られる投影像（空間像）の計測の際に、投影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬによって空間像計測装置５９を構成するスリット板９０が照明されると、そのスリット板９０上のスリット１２２を透過した照明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及びレンズ８６、送光レンズ８７を介してウエハステージＷＳＴの外部に導き出される。そして、そのウエハステージＷＳＴの外部に導き出された光は、ミラー９６によって光路が鉛直上方に折り曲げられ、受光レンズ８９を介して光センサ９４によって受光され、該光センサ９４からその受光量に応じた光電変換信号（光量信号）Ｐが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に出力される。
【００７５】
本実施形態では、計測マークの投影像（空間像）の計測がスリットスキャン方式によって実行されるので、その際には、送光レンズ８７が、受光レンズ８９及び光センサ９４に対して移動することになる。そこで、空間像計測装置５９では、所定の範囲内で移動する送光レンズ８７を介した光がすべて受光レンズ８９に入射するように、各レンズ、及びミラー９６の大きさが設定されている。
【００７６】
このように、空間像計測装置５９では、スリット板９０、レンズ８４、８６、ミラー８８、及び送光レンズ８７により、スリット１２２を介した光をウエハステージＷＳＴ外に導出する光導出部が構成され、受光レンズ８９及び光センサ９４によって、ウエハステージＷＳＴ外へ導出された光を受光する受光部が構成されている。この場合、これら光導出部と受光部とは、機械的に分離されている。そして、空間像計測に際してのみ、光導出部と受光部とは、ミラー９６を介して光学的に接続される。
【００７７】
すなわち、空間像計測装置５９では、光センサ９４がウエハステージＷＳＴの外部の所定位置に設けられているため、光センサ９４の発熱に起因するウエハ干渉計５４Ｗの計測精度等に及ぼす悪影響を可能な範囲で抑制するようにしている。また、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とがライトガイド等によって接続されていないので、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とがライトガイドによって接続された場合のようにウエハステージＷＳＴの駆動精度が悪影響を受けることはない。
【００７８】
勿論、熱の影響等を無視、あるいは排除できるような場合には、光センサ９４をウエハステージＷＳＴの内部に設けてもよい。なお、空間像計測装置５９を用いて行われる空間像計測方法及び収差計測方法などについては、後に詳述する。
【００７９】
図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハＷ上のアライメントマーク（位置合わせマーク）を検出するマーク検出系としてのオフアクシス・アライメント系ＡＬＧが設けられている。本実施形態では、このアライメント系ＡＬＧとして、画像処理方式のアライメントセンサ、いわゆるＦＩＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｉｍａｇｅ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）系が用いられている。このアライメント系ＡＬＧは、アライメント用光源と、ハーフミラー及び対物レンズ群から成る光学系、撮像素子（ＣＣＤ）等を含んで構成されている。アライメント用光源として、ブロードバンドの照明光を出射するハロゲンランプ等が用いられる。このアライメント用光源からの照明光により、光学系を介してウエハＷ上のアライメントマークが照明され、そのアライメントマークからの反射光を、光学系を介して撮像素子が受光する。これにより、撮像素子の受光面に、そのアライメントマークの明視野像が結像される。そして、この明視野像に対応する光電変換信号、すなわちアライメン卜マークの反射像に対応する光強度信号が撮像素子から不図示のアライメント制御装置を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、この光強度信号に基づき、アライメント系ＡＬＧの検出中心を基準とするウエハＷ上のアライメントマークの位置を算出するとともに、その算出結果とそのときのウエハ干渉計５４Ｗの出力であるウエハステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、ウエハ干渉計５４Ｗの光軸で規定されるステージ座標系におけるアライメン卜マークの座標位置を算出するようになっている。
【００８０】
さらに、本実施形態の露光装置１０では、図１に示されるように、照射系６０ａ及び受光系６０ｂから成る斜入射方式の多点焦点位置検出系（６０ａ，６０ｂ）が設けられている。照射系６０ａは、主制御装置５０によってそのオン・オフが制御される光源を有しており、投影光学系ＰＬの結像面に向けて多数のピンホール又はスリットの像を形成するための結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向よりウエハＷの表面に照射する。受光系６０ｂは、それらの結像光束がウエハＷ表面で反射することによって発生する反射光束を受光し、主制御装置５０に対して焦点ずれを検出するための焦点ずれ信号を送信する。なお、この多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）と、同様の多点焦点位置検出系の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４０３号公報等に開示されているため、その構成についての詳細な説明は省略する。
【００８１】
主制御装置５０は、後述する走査露光時等に、受光系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォーカス信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて、投影光学系ＰＬの焦点ずれが零となるように、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してＺチルトステージ３８のＺ軸方向への移動及び傾斜（すなわち、θｘ，θｙ方向の回転）を制御する。すなわち、主制御装置５０は、多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）を用いてＺチルトステージ３８の移動を制御することにより、照明光ＩＬの照射領域（照明領域ＩＡＲと結像関係）内で投影光学系ＰＬの結像面とウエハＷの表面とを実質的に合致させるオートフォーカス（自動焦点合わせ）及びオートレベリングを実行する。なお、投影光学系ＰＬのフォーカスが変動した場合、主制御装置５０は、例えば、受光系６０ｂ内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に対する傾きを制御することにより、投影光学系ＰＬのフォーカス変動量に応じて多点焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）に原点の再設定を行ってそのキャリブレーションを行うようになっている。
【００８２】
また、前述した不図示の環境制御チャンバ内の投影光学系ＰＬ近傍には、大気圧変動や、温度変動を検知する環境センサ８１が設けられている。この環境センサ８１による計測結果は主制御装置５０に供給されている。
【００８３】
前記制御系は、ワークステーション（又はマイクロコンピュータ）から成る主制御装置５０を中心として、該主制御装置５０の制御下にあるステージ制御装置７０などを含んで構成されている。主制御装置５０には、記憶装置としてのメモリ５１が併設されている。このメモリ５１内には、本実施形態の収差計測方法によって求められた投影光学系ＰＬの奇関数収差の収差量などが記憶される。
【００８４】
次に、本実施形態の露光装置１０における走査露光動作について簡単に説明する。
【００８５】
まず、不図示のレチクル搬送系によりレチクルＲが搬送され、ローディングポジションにあるレチクルステージＲＳＴにレチクルＲが吸着保持される。次に、主制御装置５０は、レチクルＲを用いた露光に最適な照明条件をオペレータの指示に基づいて設定する。
【００８６】
次いで、主制御装置５０の指示の下、ステージ制御装置７０によりウエハステージＷＳＴ及びレチクルステージＲＳＴの位置が制御され、主制御装置５０により、レチクルＲ上に形成された不図示のレチクルアライメントマークの投影像（空間像）が空間像計測装置５９を用いて後述するようにして計測され、レチクルパターン像の投影位置が求められる。すなわち、レチクルアライメントが行われる。なお、レチクルアライメントは、前述の一対のＲＡ顕微鏡（不図示）により、レチクルＲ上の一対のレチクルアライメントマーク（不図示）の像とウエハステージＷＳＴ上の基準マーク板（不図示）に形成されたレチクルアライメント用基準マークの投影光学系ＰＬを介した像とを同時に観察し、両マーク像の相対位置関係と、そのときのレチクル干渉計５４Ｒ及びウエハ干渉計５４Ｗの計測値とに基づいてレチクルパターン像の投影位置を求めることにより行ってもよい。
【００８７】
次に、主制御装置５０によって、スリット板９０がアライメント系ＡＬＧの直下へ位置するように、ウエハステージＷＳＴが移動され、アライメント系ＡＬＧによって空間像計測装置５９の位置基準となるスリット１２２が検出される。主制御装置５０は、このアライメント系ＡＬＧの検出信号及びそのときのウエハ干渉計５４Ｗの計測値、並びに先に求めたレチクルパターン像の投影位置に基づいて、レチクルＲのパターン像の投影位置とアライメント系ＡＬＧとの相対位置、すなわちアライメント系ＡＬＧのベースラインを求める。
【００８８】
かかるベースライン計測が終了すると、主制御装置５０により、例えば特開昭６１−４４４２９号公報などに詳細に開示されるＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アライメント）等のウエハアライメントが行われ、ウエハＷ上の全てのショット領域の位置が求められる。なお、このウエハアライメントの際には、ウエハＷ上の複数のショット領域のうちの予め定められた所定のサンプルショットのウエハアライメントマークが、アライメント系ＡＬＧを用いて、前述した如くして計測される（図３参照）。
【００８９】
次いで、主制御装置５０は、上で求めたウエハＷ上の各ショット領域の位置情報及びベースラインに基づいて、干渉計５４Ｗ、５４Ｒからの位置情報をモニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを第１ショット領域の走査開始位置（加速開始位置）に位置決めするとともに、レチクルステージＲＳＴを走査開始位置（加速開始位置）に位置決めして、その第１ショット領域の走査露光を行う。
【００９０】
具体的には、転写装置としての主制御装置５０は、レチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとをＹ軸方向に互いに逆向きに移動させることによって相対走査を開始させる。両ステージＲＳＴ、ＷＳＴがそれぞれの目標走査速度に達すると、照明光ＩＬによってレチクルＲのパターン領域が照明され始め、走査露光が開始される。なお、この走査露光の開始に先立って、光源１４の発光は開始されており、主制御装置５０によって可動レチクルブラインド３０Ｂの各ブレードの移動がレチクルステージＲＳＴの移動に対して同期制御されている。これにより、レチクルＲ上のパターン領域外への照明光ＩＬの照射は遮光される。
【００９１】
主制御装置５０は、上述の走査露光時には、レチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度ＶｒとウエハステージＷＳＴのＹ軸方向の移動速度Ｖｗとが前述の投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比に維持されるようにレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを同期制御する。
【００９２】
そして、レチクルＲのパターン領域の異なる領域が、照明光ＩＬで逐次照明され、パターン領域全面に対する照明が完了することにより、ウエハＷ上の第１ショット領域の走査露光が終了する。これにより、レチクルＲの回路パターンが投影光学系ＰＬを介して第１ショット領域に縮小転写される。
【００９３】
こうして第１ショット領域の走査露光が終了すると、ウエハステージＷＳＴを次の第２ショット領域の走査開始位置（加速開始位置）へ移動させるショット間のステッピング動作を行う。そして、その第２ショット領域に対する走査露光を上述と同様にして行う。以後、第３ショット領域以降のショット領域に対する走査露光も同様にして行う。
【００９４】
このようにして、ショット間のステッピング動作とショットの走査露光動作とが繰り返され、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の全てのショット領域にレチクルＲのパターンが転写される。
【００９５】
ここで、上記の走査露光中には、投影光学系ＰＬに一体的に取付けられたフォーカスセンサ（６０ａ、６０ｂ）を用いて、前述したオートフォーカス、オートレベリングが行われる。
【００９６】
ところで、上述した走査露光動作において、レチクルＲのパターンとウエハＷ上のショット領域に既に形成されたパターンとを正確に重ね合わせるためには、投影光学系ＰＬの結像特性やベースラインが正確に計測されていること、及び投影光学系ＰＬの結像特性が所望の状態に調整されていることなどが重要である。また、ウエハ上に転写されるパターンの線幅の均一性には、投影光学系ＰＬの結像特性のうち、コマ収差等の奇関数収差が多大な影響を与えるため、その奇関数収差の低減は精度良い露光を実現するために特に重要である。
【００９７】
本実施形態では、上記のコマ収差等の奇関数収差の計測に、前述した空間像計測装置５９が用いられる。以下、この空間像計測装置５９による空間像計測、及び投影光学系ＰＬのコマ収差等の奇関数収差の計測等について詳述する。
【００９８】
図３には、空間像計測装置５９を用いて、レチクルマーク板ＲＦＭに形成された計測マークＰＭの空間像が計測されている最中の状態が示されている。なお、レチクルマーク板ＲＦＭに代えて、空間像計測専用のレチクル、あるいはデバイスの製造に用いられるレチクルＲに専用の計測マークを形成したものなどを用いることも可能である。ここで、レチクルマーク板ＲＦＭには、所定の箇所にＹ軸方向に周期性を有するライン部の幅とスペース部の幅との比（デューティ比）が１：１のラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターン（周期パターン）から成る計測マークＰＭが前述のように第１面上に形成されているものとする。
【００９９】
ここで、空間像計測装置５９を用いた空間像計測の方法について簡単に説明する。なお、前提としてスリット板９０には、例えば図４（Ａ）に示されるように、Ｘ軸方向に伸びる所定幅２Ｄのスリット１２２が形成されているものとする。
【０１００】
空間像の計測にあたり、主制御装置５０によって、可動レチクルブラインド３０Ｂが不図示のブラインド駆動装置を介して駆動され、図３に示されるように、レチクルＲの照明光ＩＬの照明領域が計測マークＰＭを含む所定領域のみに制限される。
【０１０１】
この状態で、照明光ＩＬがレチクルマーク板ＲＦＭに照射されると、図４（Ａ）に示されるように、計測マークＰＭによって回折、散乱した光（照明光ＩＬ）は、投影光学系ＰＬにより屈折され、該投影光学系ＰＬの像面に計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成される。このとき、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測装置５９のスリット板９０上のスリット１２２の＋Ｙ側（−Ｙ側でもよい）に前記空間像ＰＭ’が形成される位置に設定されているものとする。このときの空間像計測装置５９の投影光学系ＰＬ側から見たときの上面図が図４（Ａ）に示されている。
【０１０２】
そして、主制御装置５０によって、ウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴが図４（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｙ方向に駆動されると、スリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に走査される。この走査中に、スリット１２２を通過する光（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の光導出部、ミラーＭ、受光レンズ８９を介して光センサ２４で受光され、その光電変換信号Ｐが信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を計測する。
【０１０３】
図４（Ｂ）には、上記の空間像計測の際に得られる光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例が示されている。
【０１０４】
この場合、空間像ＰＭ’は、スリット１２２の走査方向（Ｙ軸方向）の幅（２Ｄ）の影響で像が平均化する。
【０１０５】
したがって、スリット１２２をｐ（ｙ）とし、空間像の強度分布をｉ（ｙ）とし、観測される光強度信号をｍ（ｙ）とすると、空間像の強度分布ｉ（ｙ）と観測される強度信号ｍ（ｙ）との関係は、以下の式（２）で表される。なお、この式（２）において、強度分布ｉ（ｙ）、強度信号ｍ（ｙ）の単位は、単位長さ当たりの強度であるとする。
【０１０６】
【数２】
ただし、スリット１２２の関数ｐ（ｙ）は、以下の式（３）で表される。
【０１０８】
【数３】
すなわち、観測される強度信号ｍ（ｙ）は、スリッ卜ｐ（ｙ）と空間像の強度分布ｉ（ｙ）のコンボリューションになる。
【０１１０】
従って、計測精度の面からは、スリット１２２の走査方向（Ｙ軸方向）の幅（以下、単に「スリット幅」と呼ぶ）２Ｄは小さい程良い。本実施形態のように、フォト・マルチプライヤ・チューブ（ＰＭＴ）を光センサ２４として用いる場合には、スリット幅が非常に小さくなっても走査速度を遅くして計測に時間を掛ければ光量（光強度）の検出は可能である。しかしながら、現実には、スループットの面から空間像計測時の走査速度に一定の制約があるため、スリット幅２Ｄがあまりにも小さいと、スリット１２２を透過する光量が小さくなり過ぎて、計測が困難となってしまう。
【０１１１】
なお、実際には、空間像計測装置５９を構成するスリット板９０上には、図５に示されるように、Ｘ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ａと、Ｙ軸方向に伸びる所定幅２Ｄ、長さＬのスリット１２２ｂとが形成されている。ここで、２Ｄは例えば２００ｎｍ以下に設定されており、Ｌは例えば１６μｍであって、計測マークのラインパターンの長さより短くなるように設定されている。また、スリット１２２ｂはスリット１２２ａの−Ｘ側に約４μｍ隔てて配置され、かつ＋Ｙ側に約４μｍ隔てて配置されている。また、ウエハステージＷＳＴの内部の光導出部、ミラーＭ及び受光レンズを介して光センサ２４によりスリット１２２ａ、１２２ｂのいずれを透過した光をも受光が可能になっているものとする。なお、以下では、特に必要が無い限り、スリット１２２ａ、１２２ｂを区別することなくスリット１２２と呼ぶ。
【０１１２】
以上述べたように、空間像計測装置５９を用いた上述の空間像計測動作によって、計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’における光強度分布を計測することができる。本実施形態では、計測された光強度分布に基づいて、投影光学系ＰＬにおける奇関数収差、例えばコマ収差を計測する。なお、奇関数収差には、低次及び高次のコマ収差が含まれているが、低次のコマ収差は高次のコマ収差に比べてレンズエレメントの微小な移動によって容易に変化しうるため、奇関数収差のうち、特に重要なのは低次のコマ収差である。したがって、本実施形態では、低次のコマ収差を、主な計測対象として説明を進める。なお、低次のコマ収差は、フリンジツェルニケ多項式では、第７項Ｚ７及び第８項Ｚ８で表される。
【０１１３】
前述のように、露光装置１０において、ウエハＷ上に転写されるパターンの線幅の均一化を図るには、投影光学系ＰＬのコマ収差を低減することが重要となる。コマ収差は、転写されるパターンの空間像に非対称性を生じさせる。この非対称性は、転写されるパターンの空間像に含まれる空間周波数成分の位相差によってもたらされるものである。
【０１１４】
図６（Ａ）には、露光装置１０の投影光学系ＰＬの数学モデルを用いたシミュレーションによって算出された計測マークＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’の詳細な光強度分布が１点鎖線で示されている。図６（Ａ）に示されるグラフにおいて、横軸は、その空間像ＰＭ’のＹ軸方向の位置を示し、縦軸はその位置での光強度を示す。なお、シミュレーション条件として、計測マークＰＭを２．０μｍＬ／Ｓパターン（周期４．０μｍ）とし（投影光学系ＰＬの投影倍率を１／４としているため、空間像ＰＭ’の周期は０．５μｍＬ／Ｓパターン（周期１．０μｍ）となる。なお、以下にシミュレーション条件として示す計測マークＰＭのサイズは、ウエハＷ上に投影されるその空間像ＰＭ’のサイズを示すものとする）、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とし、コヒーレンスファクタσを０．３とし、照明光ＩＬの波長λを１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ光相当）とし、スリット幅２Ｄを２００ｎｍとし、コマ収差の収差量、例えばフリンジツェルニケ多項式におけるＺ８のオフセットを−２０ｍλとし、投影光学系ＰＬのレンズ収差として、位相計測装置（ＰＭＩ）によって計測されたデータを用いた。なお、このグラフには、空間像ＰＭ’の光強度分布の他に、その光強度分布に含まれる空間周波数成分のうち、計測マークＰＭのパターンの周期に対応する基本周波数成分が点線で示されており、その基本周波数成分の３倍の高調波成分、すなわち３次の高調波成分が実線で示されている。
【０１１５】
投影光学系ＰＬに収差が存在すると、その射出瞳の瞳位置によって通過する光に位相差が生じる。さらに、その収差が奇関数収差である場合、各次数の回折光のウエハＷ上の結像位置にいわゆる横ずれが生じる。そのため、図６（Ａ）に示される基本周波数成分と３次の高調波成分との間には、Ｙ軸方向に相対的な位相差が生じている。
【０１１６】
１点鎖線で示される空間像ＰＭ’の光強度分布は、バイアス成分（不図示）、基本周波数成分（点線）、３次の高調波成分（実線）を含む高次の高調波成分との和に対応する。したがって、前述のように基本周波数成分とその高調波成分との間に相対的な位相差があった場合、その光強度分布の分布状態もその位相差に影響を受ける。図６（Ａ）に示されるように、計測マークＰＭの周期パターンに対応して周期的に表れる光強度のピークは、それぞれが左右に２つのピークを有しているが、前述した基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差により、左右のピークは非対称となっている。
【０１１７】
図６（Ｂ）には、図６（Ａ）のグラフにおける光強度分布の１つのピークが拡大して示されている。図６（Ｂ）に示されるように、光強度分布における左右のピークは非対称となっているため、左右のピーク波形を左右のピークの間の光強度の極小値（Ｃ点）で横軸にスライスすることによって形成される左のピーク部分の面積Ａと、右のピーク部分の面積Ｂには差が存在する。したがって、この面積Ａと面積Ｂとの面積差から、投影光学系ＰＬのコマ収差を計測することができる。この面積差に基づいてコマ収差を計測する方法を面積法という。この面積法では、例えば、それらの面積差を、Ａ−Ｂ／ｍａｘ（Ａ，Ｂ）として、面積Ａ、Ｂの大きい方の面積で規格化する（ｍａｘ（Ａ，Ｂ）は、Ａ，Ｂのうちの大きい方を意味する）。
【０１１８】
図７（Ａ）には、このような規格化を用いた面積法におけるコマ収差（フリンジツェルニケ多項式の第８項（Ｚ８））と面積差とのシミュレーション及び実計測による対応関係が示されている。図７（Ａ）に示されるように、このような規格化による面積差は、投影光学系ＰＬのコマ収差に対してＳ字状に若干変化しているのがわかる。
【０１１９】
この面積法では、面積Ａと面積Ｂとの面積差を、面積Ａと面積Ｂとの和で規格化してもよい。図７（Ｂ）には、この規格化を用いた面積法におけるコマ収差（フリンジツェルニケ多項式の第８項（Ｚ８））と面積差とのシミュレーション及び実計測による対応関係が示されている。図７（Ｂ）に示されるように、この規格化によれば、面積差とコマ収差との線形性は、図７（Ａ）で示される規格化によって得られる関係に比べて著しく改善される。なお、図７（Ａ）での計測での再現性は、フリンジツェルニケ多項式におけるＺ８換算で３σ＝１２ｍλであり、図７（Ｂ）での計測では３σ＝１４ｍλであった。
【０１２０】
以上述べたように、投影光学系ＰＬのコマ収差は、上述した面積法でも計測可能である。しかしながら、上述の面積Ａ及び面積Ｂの面積差は、空間像ＰＭ’の光強度分布に含まれる基本周波数成分とその高調波成分との位相差によって生じるものであり、その位相差を直接計測した方が、より高い線形関係（その位相差とコマ収差との関係）のもとで、より高精度に投影光学系ＰＬのコマ収差を計測することができる。
【０１２１】
ところで、投影光学系ＰＬの射出瞳における瞳関数として、低次のコマ収差、例えばフリンジツェルニケ多項式におけるＺ７だけを考慮すると、その瞳関数Ｆ（ξ，η）は、以下の式（４）のように表される。なお、ξ、ηは、投影光学系ＰＬの射出瞳上における直交座標軸である。
【０１２２】
【数４】
図８（Ａ）には、式（４）に示される投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置と、その瞳位置に対応する位相遅れレベルとの関係が示されている。このグラフにおいて、横軸は規格化された瞳位置ρを示し、縦軸はその瞳位置における位相遅れレベルを示す。図８（Ａ）に示されるように、投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置に対する位相遅れのレベルは、フリンジツェルニケ多項式の第７項Ｚ７に対応しており、その位相差レベルを瞳位置に対する関数として表現すると、その関数は規格化された瞳位置に対して奇関数となっている。
【０１２４】
一方、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’におけるＹ軸方向の複素振幅分布をｏ（ｙ）とし、その空間周波数スペクトルをＯ（ｓ）とする（ｓは、空間周波数軸の流通座標である）。計測マークＰＭの周期パターンに含まれる空間周波数成分のうち、２つの空間周波数成分をそれぞれｆ’、ｆ”とすると、そのスペクトルＯ（ｆ’）、Ｏ（ｆ”）とのビートによって生じる干渉縞に、ある重みを掛けたものを全体の空間周波数で積分したものが計測マークＰＭの空間像の強度分布ｉ（ｙ）となる。この重みをクロスモジュレーション係数（Ｔｈｅ Ｃｒｏｓｓ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）というが、このクロスモジュレーション係数は、以下の式（５）によって定義される。
【０１２５】
【数５】
ここで、Ｆは、前述のように瞳関数であり（＊は複素共役を示す）、σ（ξ，η）は有効光源である。
【０１２７】
したがって、部分コヒーレント照明による計測マークＰＭの結像式は、以下の式（６）によって表される。
【０１２８】
【数６】
計測マークＰＭの周期パターンがＬ／ＳパターンでピッチがＰｈ＝１／ｆｈで、５０％デューティ（ラインとスペースの幅が同じ）である場合、その計測マークの空間像のＮ次成分（Ｎは奇数）の強度は、以下の式（７）で示される。ここで、計測マークＰＭの空間像の１次成分、すなわちＮ＝１の成分を基本周波数成分とする。なお、ｆｈは、計測マークＰＭの基本周波数である。
【０１３０】
【数７】
ここで、ｃ０は、０次のフーリエスペクトルの振幅（複素フーリエ係数）を表し、ｃＮは、Ｎ次のフーリエスペクトルの振幅（複素フーリエ係数）を表す。Ｎ次の高調波の位相ΦｈＮは、以下の式（８）によって示される。
【０１３２】
【数８】
本実施形態では、１次の基本周波数成分の位相Φｈ１と奇数（Ｎ）次の高調波成分の位相ΦｈＮとの位相差ΦｈＮ−Φｈ１を検出する。この位相差は、例えば、Ｎ＝３とした場合に、以下の式（９）で表される。
【０１３４】
【数９】
図８（Ｂ）には、Ｎ次の高調波成分と１次の周波数（基本周波数）成分の位相差ΦｈＮ−Φｈ１が示されている。ここで、実線はＮ＝３のときの１次とＮ次の周波数成分の位相差であり、点線はＮ＝５のときの１次とＮ次の周波数成分の位相差である。なお、このグラフの横軸は、規格化空間周波数Ｎｆｈ／ｆｃ＝Ｎｆｈ／（Ｎ．Ａ．／λ）である。この規格化空間周波数は、Ｎ次の回折光の投影光学系ＰＬの射出瞳上における規格化瞳座標上の位置と等価である。なお、このときコヒーレンスファクタσを０としている。図８（Ｂ）に示されるように、Ｎ＝３の方がＮ＝５よりも、投影光学系ＰＬの射出瞳上における規格化瞳座標上の位置に対する感度が高く、また、３次の高調波成分の振幅の方が、５次の高調波成分の振幅も大きいため、基本周波数と５次の高調波成分との位相差より、基本周波数と３次の高調波成分との位相差に基づいてコマ収差を求めた方が、計測結果が良好になると考えられる。
【０１３６】
図９には、σ＝０．３のときの１次の基本周波数とその３次の高調波との位相差の特性が示されている。なお、このグラフでは、ＡｒＦエキシマレーザ相当の波長１９３ｎｍの光に用いられ、開口数（Ｎ．Ａ．）が０．７８の投影光学系ＰＬについて、その投影光学系ＰＬの収差を、位相計測装置（ＰＭＩ）で計測されたデータを収差として使用した場合（▲）、使用しなかった場合（■）の特性も示されている。図９に示されるように、その位相差の特性は、位相計測装置（ＰＭＩ）のデータの使用の有無でほとんど変わっていない。また、σ＝０．３の場合には、瞳座標の端の方では、１次回折光が投影レンズの瞳からはみ出すようになるので、σ＝０の場合（図では点線で示されている）に比べて位相差の増加が抑制されている。
【０１３７】
以上述べたように、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、投影光学系ＰＬのコマ収差とはほぼ線形関係にあり、それらの位相差を計測すれば、投影光学系ＰＬのコマ収差を容易に求めることができるようになる。
【０１３８】
しかし、そのためには、まず、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、投影光学系ＰＬのコマ収差との対応関係を予め求めておく必要がある。本実施形態では、それらの対応関係をシミュレーション又は実際の計測によって予め算出しておく（シミュレーションの場合は、この算出工程が第３工程に対応する）。なお、シミュレーションでは、収差データのオフセット量を変化させて計算を実行し、実際の計測では、例えば主制御装置５０の制御により、結像特性補正コントローラ７８等を用いて、投影光学系ＰＬの実際の投影レンズの傾きを変えて、コマ収差を発生させて計測する。
【０１３９】
図１０（Ａ）には、シミュレーション及び実際の計測によって求められた１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、コマ収差の収差量との関係が示されている。このグラフでは、横軸はフリンジツェルニケ多項式におけるＺ８のレベル、すなわち低次コマ収差の収差量を示し、縦軸は位相差のレベルを示す。また、●は、シミュレーションの値を示し、▲は、実際の計測値を示す。図１０（Ａ）に示されるように、このグラフでは、シミュレーション及び実測値とは、非常に良い一致を見せている。なお、１回のスリットスキャンでの空間像計測による収差の計測再現性（３σ）はフリンジツェルニケ多項式におけるＺ８換算で１６ｍλであった。
【０１４０】
なお、投影光学系ＰＬのコマ収差は、１次の基本周波数成分と２次の高調波成分との位相差を評価量としても計測可能である。しかしながら、デューティ５０％のＬ／Ｓパターンである計測マークＰＭの像の空間周波数成分には、２次の高調波成分が原則的には存在しないため、この場合には、他の周波数成分同士のビートを、２次の高調波成分として用いる。
【０１４１】
上述のように、計測マークが５０％デューティでピッチ（周期）がＰ＝１／ｆｈのＬ／Ｓパターンの場合、Ｏ（ｙ）はフーリエ級数によって以下の式（１０）のように表される。
【０１４２】
【数１０】
ただし、ｃ０、ｃ１、ｃ３、ｃ５はフーリエ係数であり、それぞれ１／２、１／４、−１／１２、１／２０となる。
【０１４４】
ここで、計測マークを０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチＰ＝１．０μｍ）とし、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とし、コヒーレント照明の場合を考えると、投影光学系ＰＬを実際に通過する高調波は３次までとなるので、式（１０）は、以下の式（１１）に変換される。
【０１４５】
【数１１】
なお、式（１１）においては、フリンジツェルニケ多項式における第７項Ｚ７は、上述の式（４）に示されるように奇関数となるので、基本周波数成分における収差量をｅｘｐ（ｉφ１）とし、３次の高調波成分における収差量をｅｘｐ（ｉφ３）とした。
【０１４７】
上述の式（１１）より、２次の高調波に相当するビート成分には、１次の基本周波数成分及び３次の高調波成分のビート成分と、１次の基本周波数成分及び１次（−１）の基本周波数成分のビート成分が考えられる。
【０１４８】
ここで、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのビート成分Ｉｈ２＿１＿３は、以下の式（１２）のようになる。
【０１４９】
【数１２】
このビート成分Ｉｈ２＿１＿３は、コヒーレント照明の場合には、以下の式（１３）のようになる。
【０１５１】
【数１３】
また、１次の基本周波数成分と１次の基本周波数成分とのビート成分Ｉｈ２＿１＿１は、以下の式（１４）のようになる。
【０１５３】
【数１４】
このビート成分Ｉｈ２＿１＿１は、コヒーレント照明の場合には、以下の式（１５）のように表される。
【０１５５】
【数１５】
結果的に、コヒーレント照明においては、２次の高調波成分は、式（１３）で示される１次の基本周波数成分と３次の高調波成分とのビート成分と、式（１５）で示される１次の基本周波数成分と１次の基本周波数成分とのビート成分とのベクトル合成で求めることができ、その位相Φｈ２は、以下の式（１６）で表される。
【０１５７】
【数１６】
この２次高調波成分の位相の投影光学系ＰＬに対する感度を調べる。計測マークＰＭをデューティ比５０％で、計測マークＰＭのウエハＷ上での投影されるサイズを、０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１．０μｍ）とすると、１次の回折光の投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置はρ＝０．２４７相当となり、３次の回折光の投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置はρ＝０．７４１相当となる。したがって、式（４）より、それぞれの回折光の位相遅れレベルは以下の式（１７）、式（１８）のようになる。
【０１５９】
Ｚ７（ρ＝０．２４７）＝−０．４４９ （１７）
Ｚ７（ρ＝０．７４１）＝−０．２６１ （１８）
【０１６０】
さらに、例えば２０ｍλのコマ収差が発生すると、１次の基本周波数成分の位相遅れφ１は、以下の式（１９）に示すようになり、３次の高調波成分の位相遅れφ３は、以下の式（２０）に示すようになる。
【０１６１】
φ１＝−０．４４９×２０ｍλ＝−３．２３° （１９）
φ３＝−０．２６１×２０ｍλ＝−１．８８° （２０）
【０１６２】
このときの２次の高調波成分の位相Φｈ２は上述の式（１６）より、Φｈ２＝−２１．４７°となり、大幅に増大する。
【０１６３】
図１０（Ｂ）には、１次の基本周波数成分及び２次の高調波成分の位相差と、投影光学系ＰＬのコマ収差との対応関係（●は、シミュレーションによるものであり、▲は、実計測によるものである）が示されている。
【０１６４】
また、図１１には、１次の基本波周波数成分及び２次の高調波成分の位相差と、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分の位相差とを比較した様子が示されている。横軸は、投影光学系ＰＬの射出瞳上の３次高調波の瞳位置を示し、縦軸は、瞳の中心での位相に対するその瞳位置での相対的な位相の変化量を示す。図１１に示されるように、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分の相対的な位相の変化量に比べ、１次の基本波周波数成分及び２次の高調波成分の相対的な位相の変化量は、３次回折光が通過する投影光学系ＰＬの射出瞳上の瞳位置に応じて著しく変化しているのがわかる。したがって、１次の基本周波数成分及び２次の高調波成分との位相差をコマ収差の評価量として用いるよりも、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分との位相差をコマ収差の評価量として用いた方が、投影光学系ＰＬの射出瞳上の３次回折光の通過位置に関わらず、安定してコマ収差を求めることができる。
【０１６５】
次に、本実施形態における投影光学系ＰＬのコマ収差の算出方法について具体的に説明する。なお、前提として、図１０（Ａ）に示されるような投影光学系ＰＬのコマ収差と１次の基本周波数成分及び３次の高調波成分の位相差との線形関係がメモリ５１に記録されているものとする。
【０１６６】
まず、上述した空間像計測動作で述べたように、主制御装置５０が、ウエハステージ駆動系を介してウエハステージＷＳＴを＋Ｙ方向に駆動してスリット１２２が空間像ＰＭ’に対してＹ軸方向に走査されることによって得られた光電変換信号Ｐは最終的に主制御装置５０に供給される。主制御装置５０は、その光電変換信号Ｐに基づいて空間像ＰＭ’に対応する光強度分布を取得する（第１工程）。
【０１６７】
図１２には、計測された空間像ＰＭ’における光強度分布が示されている。主制御装置５０は、この光強度分布をｉ（ｙ）とすると、計測マークＰＭのウエハＷ上での周期を基準とする基本周波数成分を有するサイン関数及びコサイン関数で表現される２つのフーリエ係数（ａ１、ｂ１）を算出する。
【０１６８】
【数１７】
また、主制御装置５０は、その基本周波数成分の３倍の高調波成分を有するサイン関数及びコサイン関数で表現できる２つのフーリエ係数（ａ２、ｂ２）を算出する。
【０１７０】
【数１８】
主制御装置５０は、以上の式（２１）〜式（２４）に示される４つのフーリエ係数を算出し、以下の式（２５）、式（２６）によって、それぞれの成分の位相Φ１、Φ３を算出する。
【０１７２】
【数１９】
処理装置としての主制御装置５０は、基本周波数成分とその３次の高調波成分の位相差Φ３−Φ１を算出する。そして、主制御装置５０は、メモリ５１に記憶されている図１０（Ａ）に示すような位相差とコマ収差との線形関係から、位相差Φ３−Φ１に対応する奇関数収差、例えばコマ収差を算出する（第２工程）。
【０１７４】
次に、調整装置としての主制御装置５０は、算出されたコマ収差に基づいて、結像特性補正コントローラ７８を駆動して投影光学系ＰＬのコマ収差を調整する。投影光学系ＰＬの結像特性が調整された後に、上述の走査露光動作を実行すれば、レチクルＲ上に形成された回路パターンを精度良くウエハＷ上に転写することができるようになる。
【０１７５】
以上詳細に述べたように、本実施形態では、計測マークＰＭの空間像ＰＭ’の光強度分布を計測し、コマ収差等の奇関数収差と線形関係にある、その光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分と奇数次、例えば３次の高調波成分との位相差に基づいて、奇関数収差の収差量を計測する。このようにすれば、光強度分布のピークにおける左右のピークの面積差や、奇数次の高調波成分同士のビート成分である２次の高調波成分などのそれらの位相差により間接的に発生する現象を計測することなく、コマ収差によって直接的に発生する位相差に基づいて奇関数収差を評価することができるため、奇関数収差を精度良く計測することができる。
【０１７６】
また、上記実施形態では、計測用パターンとして、スリット１２２を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ピンホールパターンを用いてもよい。なお、この場合、スリット１２２と同レベルの光量を確保するため、ピンホールパターンの直径は、２倍程度（４００μｍ以下）とすることが望ましい。
【０１７７】
なお、上記実施形態では、フリンジツェルニケ多項式におけるＺ７、Ｚ８で示される低次のコマ収差を計測対象とした。しかしながら、投影光学系ＰＬのレンズによっては、低次のコマ収差とともに、高次のコマ収差も発生することがある。通常では、投影光学系ＰＬの結像特性に対しては、高次のコマ収差よりも低次のコマ収差の影響の方が大きいが、現状では、投影光学系ＰＬのレンズエレメントの傾き、上下動によってコマ収差をより高精度に除去可能となっているため、高次のコマ収差を低次のコマ収差から分離した方が望ましい場合もある。
【０１７８】
そこで、低次のコマ収差と高次のコマ収差とを分離する方法を以下に説明する。なお、この方法では、高次のコマ収差として、フリンジツェルニケ多項式におけるＺ１４、Ｚ１５を対象とする。なお、これらの高次コマ収差が発生しても、前述の１次の基本周波数成分と、奇数次、例えば３次の高調波成分との位相差は変化する。したがって、低次コマ収差と高次コマ収差とが同時に発生している場合、１次の基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差は、Ｚ７及びＺ１４（又はＺ８及びＺ１５）の両方に起因する位相差の合計として計測されることになる。
【０１７９】
そこで、ここでは、計測マークとして、ピッチ（周期）が異なる周期パターンを有する２つの計測マークを用意する。そして、主制御装置５０の制御の下、前述の第１工程を、それぞれの計測マークについて実行し、それぞれの計測マークについての１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差を求める（第４工程）。
【０１８０】
図１３には、１μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ２μｍ）の周期パターンを有する計測マークと、０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１μｍ）の計測マークとを、それぞれ計測マークとした場合における、低次コマ収差（Ｚ７）及び高次コマ収差（Ｚ１４）の収差量に対する感度（シミュレーション）が示されている。図１３（Ａ）には、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差（Ｚ７）の感度が示されており、図１３（Ｂ）には、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差（Ｚ１４）の感度が示されており、図１３（Ｃ）には、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差（Ｚ７）の感度が示されており、図１３（Ｄ）には、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差（Ｚ１４）の感度が示されている。なお、ここで、計測された収差量は、１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差に基づく収差量であり、投影光学系ＰＬの開口数（Ｎ．Ａ．）を０．７８とし、照明光の波長を１９３ｎｍとし、コヒーレンスファクタσを０．３とし、コマ収差以外の収差の収差量を０としてシミュレーションを行って得た収差量である。
【０１８１】
図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）において、各グラフの直線の傾きは、その条件におけるコマ収差のツェルニケ感度を示している。なお、以下の式（２７）〜式（３０）に、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）における直線の式、すなわちツェルニケ感度の式を示す。
【０１８２】
ｙ＝０．１００２ｘ＋２．８１４８ （２７）
ｙ＝−０．０１９６ｘ＋２．８１１ （２８）
ｙ＝−０．１１４ｘ＋２．８０６７ （２９）
ｙ＝０．０７３ｘ＋２．８０７６ （３０）
【０１８３】
図１３に示されるように、計測マークの周期パターンの周期によって、低次のコマ収差と高次のコマ収差とのツェルニケ感度がそれぞれ異なるので、低次コマ収差（Ｚ７）と高次コマ収差（Ｚ１４）との分離が可能となる。０．５μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１μｍ）での１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差をΦ（Ｌ／Ｓ＝０．５）とし、１．０μｍＬ／Ｓパターン（ピッチ１μｍ）での１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差をΦ（Ｌ／Ｓ＝１．０）とする。さらに、図１３（Ａ）より得られる１．０μｍのＺ７に対するツェルニケ感度α１（＝０．１００２）、図１３（Ｂ）より得られる１．０μｍのＺ１４に対するツェルニケ感度β１（＝−０．０１９６）、図１３（Ｃ）より得られる０．５μｍのＺ７に対するツェルニケ感度α２（＝−０．１１４）、図１３（Ｄ）より得られる０．５μｍのＺ１４に対するツェルニケ感度β２（＝０．０７３）を用いると、以下の式（３１）、式（３２）が得られる。
【０１８４】
Φ（Ｌ／Ｓ＝１．０）＝α１Ｚ７＋β１Ｚ１４ （３１）
Φ（Ｌ／Ｓ＝０．５）＝α２Ｚ７＋β２Ｚ１４ （３２）
【０１８５】
したがって、主制御装置５０によって、式（３１）、（３２）を連立方程式としてそれらを解けば、計測された収差量から、低次コマ収差（Ｚ７）と高次コマ収差（Ｚ１４）とを分離することができる（第５工程）。
【０１８６】
なお、さらに他のコマ収差をＺ７及びＺ１４から分離したい場合、すなわち３つのコマ収差成分を分離する場合には、さらに異なるピッチの周期パターン（計３つの計測パターン）の空間像を計測し、その空間像における１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差を計測すれば、３つの方程式により連立方程式を作成して、それらを解けばよい。
【０１８７】
また、上記実施形態では、レチクルマーク板ＲＦＭに計測マークＰＭだけ形成されているとしたが、他の計測マークを形成しておいてもよい。例えば、その周期方向がＸ軸方向に配置されたＬ／Ｓパターンの計測マークなどを形成し、Ｘ軸方向のスリットスキャン動作を実行して（この場合には、スリット板９０上のスリット１２２ｂを用いる）、空間像を計測するようにしてもよい。
【０１８８】
また、上記実施形態では、空間像計測装置５９の光導出部と受光部とを機械的に分離しているとしたが、これらを可撓な光ファイバケーブルで接続するようにしてもよい。
【０１８９】
また、上記実施形態では、空間像の光強度分布に含まれる１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差に基づいて投影光学系のコマ収差を求めたが、前述のように、１次の基本周波数成分とその５次又はさらに高次の奇数次の高調波成分との位相差に基づいて投影光学系のコマ収差を求めるようにしてもよい。しかしながら、それら奇数次の高調波成分の中では、３次の高調波成分の大きさが最も大きいため、３次の高調波成分を用いた方が最も精度良く、コマ収差を求めることができる。
【０１９０】
また、上記実施形態では、奇関数収差としてコマ収差を計測対象としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、フリンジツェルニケ多項式における各項の動径関数が奇関数である収差（例えばＺ１０等）であれば、その収差量を計測可能である。
【０１９１】
また、上記実施形態では、露光用照明光としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）などを用いる場合について説明したが、これに限らず、前述のＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、あるいはｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）、Ｆ２レーザ光（波長１５７ｎｍ）、銅蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高調波等を露光用照明光として用いることができる。
【０１９２】
また、上記実施形態では、投影光学系として縮小系を用いる場合について説明したが、これに限らず、投影光学系として等倍あるいは拡大系を用いても良いし、屈折系、反射屈折系、及び反射系のいずれであっても良い。
【０１９３】
なお、上記実施形態では、本発明がステップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用された場合について説明したが、これに限らず、マスクと基板とを静止した状態でマスクのパターンを基板に転写するとともに、基板を順次ステップ移動させるステップ・アンド・リピート型の露光装置等他のタイプの露光装置にも本発明は適用することができる。
【０１９４】
また、本発明は、半導体製造用の露光装置に限らず、液晶表示素子などを含むディスプレイの製造に用いられる、デバイスパターンをガラスプレート上に転写する露光装置、薄膜磁気ヘッドの製造に用いられるデバイスパターンをセラミックウエハ上に転写する露光装置、及び撮像素子（ＣＣＤなど）、マイクロマシン、ＤＮＡチップなどの製造に用いられる露光装置などにも適用することができる。また、半導体素子などのマイクロデバイスだけでなく、光露光装置、ＥＵＶ露光装置、Ｘ線露光装置、及び電子線露光装置などで使用されるレチクル又はマスクを製造するために、ガラス基板又はシリコンウエハなどに回路パターンを転写する露光装置にも本発明を適用できる。ここで、ＤＵＶ（遠紫外）光やＶＵＶ（真空紫外）光などを用いる露光装置では一般的に透過型レチクルが用いられ、レチクル基板としては石英ガラス、フッ素がドープされた石英ガラス、螢石、フッ化マグネシウム、又は水晶などが用いられる。また、プロキシミティ方式のＸ線露光装置、又は電子線露光装置などでは透過型マスク（ステンシルマスク、メンブレンマスク）が用いられ、マスク基板としてはシリコンウエハなどが用いられる。
【０１９５】
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。
【０１９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の収差計測方法によれば、投影光学系の収差を精度良く計測することができるという効果がある。
【０１９７】
また、本発明の露光方法及び装置によれば、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係る露光装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１のウエハステージ近傍を拡大し、Ｚチルトステージの駆動装置とともに示す図である。
【図３】図１の空間像計測装置の内部構成を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、スリット板上のスリットを示す図であり、図４（Ｂ）は、空間像計測の際に得られる光電変換信号の一例を示す図である。
【図５】実際のスリット板上のスリットの配置を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、シミュレーションによって算出された計測マークの空間像の詳細な光強度分布を示す図であり、図６（Ｂ）は、その光強度分布の１つのピークを拡大して示す図である。
【図７】図７（Ａ）は、規格化された面積差とコマ収差とのシミュレーション及び実計測による対応関係を示す図であり、図７（Ｂ）は、もう１つの規格化方法で規格化された面積差とコマ収差とのシミュレーション及び実計測による対応関係を示す図である。
【図８】図８（Ａ）は、投影光学系の射出瞳上の瞳位置と、その瞳位置に対応する位相遅れレベルとの関係を示すグラフであり、図８（Ｂ）は、１次の周波数（基本周波数）成分とそのＮ次の高調波成分との位相差を示すグラフである。
【図９】１次の基本周波数成分とその３次の高調波成分との位相差の特性を示すグラフである。
【図１０】図１０（Ａ）は、シミュレーション及び実際の計測によって求められた１次の基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差と、コマ収差の収差量との関係を示すグラフであり、図１０（Ｂ）は、シミュレーション及び実際の計測によって求められた１次の基本周波数成分と２次の高調波成分との位相差と、コマ収差の収差量との関係を示すグラフである。
【図１１】１次の基本波周波数成分及び２次の高調波成分の位相差と、１次の基本波周波数成分及び３次の高調波成分の位相差とを比較を示すグラフである。
【図１２】計測された空間像ＰＭ’における光強度分布を示すグラフである。
【図１３】図１３（Ａ）は、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差の感度を示すグラフであり、図１３（Ｂ）は、１．０μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差の感度を示すグラフであり、図１３（Ｃ）は、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの低次コマ収差の感度を示すグラフであり、図１３（Ｄ）は、０．５μｍＬ／Ｓパターンのときの高次コマ収差の感度を示すグラフである。
【符号の説明】
１２…照明光学系（照明ユニット）、１４…光源（照明ユニット）、５０…主制御装置（処理装置、調整装置、転写装置）、５９…空間像計測装置、７８…結像特性補正コントローラ、８０…信号処理装置、ＰＭ…計測マーク、ＰＬ…投影光学系、Ｒ…レチクル（マスク）、ＲＦＭ…レチクルマーク板（マーク形成部材）、ＲＳＴ…レチクルステージ、Ｗ…ウエハ（感光物体）。
Claims (11)
- 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収差を計測する収差計測方法であって、
前記第１面上に配置された周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークが照明光により照明され前記投影光学系によって前記第２面上に投影されることによって前記第２面上に形成される前記計測マークの空間像に対し、所定の計測用パターンを前記第２面上で走査させ、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る第１工程と；
前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出する第２工程と；を含む収差計測方法。 - 前記第２工程では、
前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と３次の高調波成分との位相差に基づいて、前記収差量を算出することを特徴とする請求項１に記載の収差計測方法。 - 前記動径多項式は、フリンジツェルニケ多項式であることを特徴とする請求項１又は２に記載の収差計測方法。
- 前記奇関数収差は、コマ収差であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の収差計測方法。
- 前記第２工程に先立って、
前記位相差と前記奇関数収差の収差量との関係を、前記投影光学系の数学モデルを用いたシミュレーションによって算出する第３工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の収差計測方法。 - 前記第１工程を、前記周期パターンの周期がそれぞれ異なる複数の前記計測マークについて実行する第４工程と；
計測マーク毎に得られる前記位相差と、各位相差の変化に対応する幾つかの奇関数収差の感度とに基づいて、前記幾つかの奇関数収差の各々の収差量を算出する第５工程と；をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の収差計測方法。 - 前記所定の計測用パターンは、スリットパターンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の収差計測方法。
- 前記所定の計測用パターンは、ピンホールパターンであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の収差計測方法。
- マスクのパターンを、投影光学系を介して感光物体上に転写する露光方法であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の収差計測方法によって、前記投影光学系の収差を計測する工程と；
前記計測された収差に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する工程と；
前記調整後の前記投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する工程と；を含む露光方法。 - 第１面上のマスクのパターンを、投影光学系を介して第２面上の感光物体上に転写する露光装置であって、
前記第１面上に配置されたマーク形成部材を照明光により照明する照明ユニットと；
前記マーク形成部材を介した前記照明光が前記投影光学系により前記第２面上に投射されることにより前記第２面上に形成される前記マーク形成部材に形成された周期パターンを含む少なくとも１つの計測マークの空間像に対して、所定の計測用パターンを前記第２面上で走査し、該走査中に前記所定の計測用パターンを介して得られる前記照明光を光電検出し、前記空間像に対応する光強度信号を得る空間像計測装置と；
前記光強度信号に含まれる基本周波数成分と奇数次の高調波成分との位相差に基づいて、前記投影光学系の射出瞳上の波面収差を示す収差関数を展開することによって得られる動径多項式の各項の動径関数が奇関数で表される奇関数収差の収差量を算出する処理装置と；
前記算出された収差量に基づいて、前記投影光学系の結像特性を調整する調整装置と；
前記照明ユニットからの照明光で前記第１面上に配置されたパターンを照明して前記調整後の前記投影光学系を介して前記パターンを前記感光物体上に転写する転写装置と；を備える露光装置。 - 前記パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージを更に備え、
前記マーク形成部材は、前記マスクステージ上に配置された基準マーク板であることを特徴とする請求項１０に記載の露光装置。
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