JP2006080245A - フレア計測方法、露光方法、及びフレア計測用のマスク - Google Patents

Abstract

【課題】 投影光学系のフレアを所定の成分別に計測する。
【解決手段】 開口パターン４３Ａ〜４３Ｄとこの内部に配置された遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄとが形成されたフレア計測用パターン３９Ａの投影光学系を介した像を、フォトレジストの塗布されたウエハ上の一連の複数のショット領域に露光量を次第に大きくしながら順次露光した後、そのウエハを現像する。現像後に得られるレジストパターンより、開口パターン４３Ａ〜４３Ｄの像の部分が感光されるときの露光量と遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像の部分が感光されるときの露光量とを求め、それらの露光量から空間周波数帯域別のフレアの量を求める。
【選択図】 図３

Description

本発明は、第１面上のパターンの像を第２面上に投影する投影光学系のフレアを計測するためのフレア計測技術に関し、例えば半導体集積回路、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのリソグラフィ工程でマスクパターンを基板上に転写するために使用される投影露光装置の投影光学系のフレアを計測する際に使用されるものである。本発明はさらに、フレア計測技術を用いた露光技術、及びフレアを計測する際に使用できるマスクに関する。

例えば半導体集積回路を製造するためのリソグラフィ工程中で、マスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを投影光学系を介して感光基板（感応物体）としてのレジストが塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）の各ショット領域に転写するために、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置及びスキャニングステッパー等の走査露光型の投影露光装置が使用されている。近年の集積回路の一層の微細化に伴い、投影露光装置に要求される転写後のパターンに対する線幅均一性も高まっている。そのため、従来は無視することができた投影光学系のフレアによる線幅均一性の劣化が問題となりつつある。なお、光学系で発生するフレアには大きく分けて、光学系を構成する光学部材（レンズ等）の表面やコーティング膜で小さい角度範囲に発生する前方散乱光に起因する結像には望ましくない迷光（又はかぶり光）であるいわゆるローカルフレア(loca1 flare）と、光学部材のコーティング膜における反射に起因する結像には望ましくない迷光であるいわゆるロングレンジフレアとがある。パターンの線幅均一性の劣化に寄与するのは主にローカルフレアであるため、以下ではフレアとしてローカルフレアを例にとって説明する。

ローカルフレアは、ウエハ上の本来の結像パターンの周辺の例えば数１００ｎｍ〜数１０μｍ程度の幅の範囲内に発生する「かぶり光」である。通常、ローカルフレアの強度は、結像パターンを形成する結像光束の強度に対してほぼ１％程度以下である。このようなローカルフレアによって次のように線幅均一性が劣化する。例えば、転写対象のレチクル上に互いに同一の２つのライン・アンド・スペースパターン（以下、「Ｌ＆Ｓパターン」と言う。）が形成され、これら２つのＬ＆Ｓパターンに近接してそれぞれ互いに大きさの異なる開口パターンが形成されている場合を想定する。そして、そのレチクルのパターンの像をレジストの塗布されたウエハ上に露光して、そのレジストを現像するものとする。

このとき、ローカルフレアが無い理想的な状態では、同一パターンである２つのＬ＆Ｓパターンに対応するレジスト像は同一形状になる。一方、ローカルフレアが存在する場合、大きい開口パターンに近接しているＬ＆Ｓパターンの方がローカルフレアの量が大きくなるため、レジスト像の線幅の変化量が大きくなる。これがローカルフレア起因の線幅のばらつきとなり、これによって露光性能が低下して、露光プロセスの歩留まりが悪化する。このようなローカルフレア起因の線幅のばらつきを低減するためには、ローカルフレアを低減する必要がある。そのためには、ローカルフレアを正確に計測する必要がある。

従来、投影光学系のフレアを計測する方法としては、例えばテストレチクルの照明領域の全面にほぼ均一な分布で複数のほぼ同一形状の矩形の遮光パターンを形成しておき、そのテストレチクルのパターンを投影光学系を介してレジストの塗布されたウエハ上に投影露光する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、露光量を変えて複数回の露光を行ってそれぞれ現像によって得られるレジスト像の形状を計測することによって、それらの遮光パターンに対応する部分が感光されないとき（レジスト像が形成されないとき）の露光量と、それらの遮光パターンに対応する部分が感光されるとき（レジスト像が形成されるとき）の露光量との関係からフレアの量が求められる。
国際公開第０２／０９１６３号パンフレット

従来計測対象としていたローカルフレア等のフレアについては、空間周波数成分のような成分別の評価は特になされていなかった。しかしながら、例えば投影光学系のフレアを補正するような場合には、全部のフレアの情報よりも特定の空間周波数帯域のフレア成分のような成分別の情報の方が役立つことがある。
また、従来のフレア計測時に用いられる遮光パターンは、通常はほぼ矩形のパターンであり、フレアに方向性があるような場合には、計測誤差が発生する恐れがあった。

本発明は斯かる点に鑑み、投影光学系のフレアを所定の成分別に計測できるフレア計測技術を提供することを第１の目的とする。
また、本発明は、投影光学系のフレアに方向性がある場合に、その平均的なフレアを計測できるフレア計測技術を提供することを第２の目的とする。
また、本発明は、投影光学系のフレアを低減させて高い線幅均一性が得られる露光技術を提供することを第３の目的とする。

また、本発明は、投影光学系の所定の成分別のフレア計測に使用できるマスクを提供することを第４の目的とする。

本発明によるフレア計測方法は、第１面上のパターンの像を第２面上に投影する投影光学系（ＰＬ）のフレアを計測するためのフレア計測方法において、その第１面上に配置された開口パターン（４３Ａ〜４３Ｄ）及びこの開口パターンの内部に配置された遮光パターン（４４Ａ〜４４Ｄ）の像をその投影光学系を介してその第２面上に投影する第１工程（ステップ１０１〜１０７）と、その第２面上に投影されたその遮光パターンの周囲におけるその開口パターンの像の光量に基づいてその投影光学系のフレアを求める第２工程（ステップ１０８〜１１０）とを有するものである。

斯かる本発明において、その投影光学系内で発生するフレアのうちでその投影光学系の瞳面における空間周波数の低い成分は、その投影光学系の像面で狭い領域に集光されるのに対して、その瞳面における空間周波数の高い成分は、その像面で広い領域に集光される。このとき、その開口パターン及びその内部の遮光パターンの大きさによって、それぞれその投影光学系内で発生するフレアのその瞳面における空間周波数の最大値及び最小値が実質的に決定されて、そのフレアのうちで空間周波数がその最小値とその最大値との間にある成分が所定の成分としてその像面に達する。そこで、例えばその遮光パターンの周囲におけるその開口パターンの像の光量（透過部の光量）と、その遮光パターンの像の光量（フレアによる光量）との比の値を求めることで、その所定の成分のフレアの量を計測できる。

本発明において一例として、その第１工程は、その開口パターン及びその遮光パターンの像をその第２面上に配置して感光材料の塗布された基板（Ｗ）上に露光量を変えながら複数回投影する工程（ステップ１０４，１０６，１０７）を含み、その第２工程は、その第２面上に投影されたその遮光パターンの像（４４ＡＰ〜４４ＤＰ）によってその感光材料が感光されるまでの露光量と、その開口パターンの像（４３ＡＰ〜４３ＤＰ）によってその感光材料が感光されるまでの露光量との比に基づいてその投影光学系のフレアを求める工程（ステップ１０９，１１０）を含むことができる。

この場合、投影像の光量が少ないときには感光材料が感光されるまでの露光量が多くなるため、その感光材料が感光されるまでの露光量がその投影像の光量に対応している。従って、その感光材料が感光されるまでの露光量を用いることによって、その感光材料の感度を含む形で高精度にフレアを求めることができる。
また、その開口パターン及びその遮光パターンの像をその投影光学系を介して投影する際の露光ビームの波長をλ、その投影光学系の開口数をＮＡとして、計測対象のフレアのその投影光学系の瞳上での振動の回数によって定まる周波数の下限値をｆ１、上限値をｆ２としたとき、一例としてその遮光パターン及びその開口パターンは投影像の直径がそれぞれ次式によって定められるｄ及びＤの円形パターンである。

ｄ＝ｆ１（λ／ＮＡ） …（１Ａ）
Ｄ＝ｆ２（λ／ＮＡ） …（１Ｂ）
ここでは、計測対象のフレアの空間周波数の一つの定義として、その投影光学系の瞳上の光軸を通る直線上でのそのフレアの光量分布の振動の回数をそのフレアの周波数（空間周波数）とする。その周波数は無次元である。そして、（１Ａ）式、（１Ｂ）式は、周波数ｆ１，ｆ２が１の場合にはそのフレアはその投影光学系の像面でほぼ解像度に相当するλ／ＮＡを直径とする領域内に集光され、その周波数ｆ１，ｆ２がｆ（＞１）である場合には、そのフレアはその像面で開口数が（ＮＡ／ｆ）での解像度に相当するｆ（λ／ＮＡ）を直径とする領域内に集光されることを意味する。これによって、計測対象のフレアの空間周波数の上限及び下限を定量的に規定することができる。

また、その開口パターン及びその遮光パターンが円形（望ましくは同心の円形）であるときには、そのフレアに方向性がある場合でも、方向に関して平均化したフレアを計測することができる。
この場合、一例として、その遮光パターンは投影像の直径が１〜３μｍの円形パターンであり、その開口パターンは投影像の直径が１００〜３００μｍの円形パターンである。このとき、露光ビームの波長λを１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ）、開口数ＮＡを０．８５とすると、（１Ａ）式、（１Ｂ）式より計測対象のフレアの周波数の下限ｆ１及び上限ｆ２は次のようになる。この程度の範囲内のフレアが計測できれば、実用上は十分と考えられる。

４≦ｆ１≦１３ …（２Ａ）
４００≦ｆ２≦１３００ …（２Ｂ）
さらに、本発明において、その第１工程は、その第１面上に配置された複数の大きさの異なる開口パターン（４３Ａ〜４３Ｃ）及びこれらの開口パターンの内部にそれぞれ配置された実質的に同じ形状の遮光パターン（４４Ａ〜４４Ｃ）の像をその投影光学系を介してその第２面上に投影する工程を含むことができる。これによって、空間周波数帯域の異なる複数の成分のフレアの計測を行うことができる。

また、本発明による露光方法は、第１物体（Ｒ）のパターンを投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）上に投影露光する露光方法において、本発明のフレア計測方法を用いてその投影光学系のフレアを計測する計測工程（ステップ１０１〜１１０）と、その計測工程での計測結果に基づいてその投影光学系のフレアを補正する補正工程（ステップ１１１）とを有するものである。

この露光方法によれば、本発明のフレア計測方法を用いることにより、その投影光学系のフレアを成分別に正確に計測できる。従って、その補正工程において、例えばその投影光学系中のレンズ等の光学部材の再加工を行うか、又はその光学部材を交換することによって、その投影光学系のフレアを効率的に低減することができる。従って、高い線幅均一性が得られる。

次に、本発明によるマスクは、投影光学系のフレア計測用のマスク（ＴＲ）であって、マスク用の基板上に、開口パターン（４３Ａ〜４３Ｄ）とこの開口パターンの内部に配置された遮光パターン（４４Ａ〜４４Ｄ）とが形成されたものである。このマスクを用いることによって、本発明のフレア計測方法を使用できる。
この場合、一例として、計測対象の投影光学系の投影倍率をβとして、そのマスク用の基板上に、直径が１００〜３００μｍの（１／β）倍で互いに異なる円形の複数の開口パターンと、これら複数の開口パターンの内部にそれぞれ配置された直径が１〜３μｍの（１／β）倍の遮光パターンとが形成される。このとき、上述のように露光ビームとしてＡｒＦエキシマレーザを用い、投影光学系の開口数を０．８５とすると、周波数（空間周波数）の下限が４〜１３程度で周波数の上限が４００〜１３００程度の実用的な範囲のフレアを計測できる。

本発明によれば、開口パターン及びその中の遮光パターンの像を投影光学系を介して投影することによって、その開口パターンで定まる成分とその遮光パターンで定まる成分との間の成分（所定の成分）のフレアを計測することができる。
また、その開口パターン及び遮光パターンが円形パターンである場合には、投影光学系のフレアに方向性があっても、その平均的なフレアを計測することができる。

また、本発明の露光方法によれば、フレアの計測結果に基づいて投影光学系のフレアを補正することによって、転写パターンの線幅均一性を高めることができる。さらに、例えば線幅均一性が悪化したような場合に、本発明の計測工程を実施することで、その原因がその投影光学系のフレアであるか否かを正確に判別できるようになる。さらに、フレアの経時変化も正確に計測できるようになる。従って、露光工程で発生するトラブルヘの適切な対応が可能になる。

以下、本発明の好ましい実施の形態の一例につき図面を参照して説明する。本例は、スキャニングステッパー方式よりなる走査露光型の投影露光装置に装着される投影光学系のフレアを計測するために、本発明を適用したものである。投影光学系のフレアは、例えば投影光学系の組立調整時に、照明光学系と、マスク及びウエハを保持する簡単なステージ機構とを備える検査装置を用いても計測することができる。以下では、実際の投影露光装置を検査装置として使用するものとして説明する。このような実際の投影露光装置を用いるフレアの計測は、例えば露光工程において線幅均一性が低下したような場合に、その要因を解析するために行うことができる。

図１は、フレアが計測される投影光学系ＰＬが装着された投影露光装置の概略構成を示し、この図１において、露光光源６としてはＡｒＦエキシマレーザ光源（波長１９３ｎｍ）が使用されている。なお、露光光源としては、ＫｒＦエキシマレーザ光源（波長２４７ｎｍ）、Ｆ₂ レーザ光源（波長１５７ｎｍ）、Ｋｒ₂ レーザ光源（波長１４６ｎｍ）、Ａｒ₂ レーザ光源（波長１２６ｎｍ）などの紫外パルスレーザ光源、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波発生装置、又は水銀ランプ（ｉ線等）なども使用することができる。

露光時に露光光源６からパルス発光された露光ビームとしての露光光（露光用の照明光）ＩＬは、ミラー７、不図示のビーム整形光学系、第１レンズ８Ａ、ミラー９、及び第２レンズ８Ｂを経て断面形状が所定形状に整形されて、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ又はホモジナイザ）としてのフライアイレンズ１０に入射して、照度分布が均一化される。フライアイレンズ１０の射出面（照明光学系の瞳面）には、露光光の光量分布を円形、複数の偏心領域、輪帯状などに設定して照明条件を決定するための開口絞り（σ絞り）１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄを有する照明系開口絞り部材１１が、駆動モータ１２によって回転自在に配置されている。照明系開口絞り部材１１中の開口絞りを通過した露光光ＩＬは、反射率の小さいビームスプリッタ１４及びリレーレンズ１７Ａを経て、固定視野絞りとしての固定ブラインド１８Ａ及び可動視野絞りとしての可動ブラインド１８Ｂを順次通過する。この場合、可動ブラインド１８Ｂは、マスクとしてのレチクルＲのパターン面（レチクル面）とほぼ共役な面に配置され、固定ブラインド１８Ａは、そのレチクル面と共役な面から僅かにデフォーカスされた面に配置されている。

固定ブラインド１８Ａは、レチクル面の照明領域２１ＲをレチクルＲの走査方向に直交する非走査方向に細長いスリット状の領域に規定するために使用される。可動ブラインド１８Ｂは、レチクルＲの走査方向及び非走査方向に対応する方向にそれぞれ相対移動自在な２対のブレードを備え、露光対象の各ショット領域への走査露光の開始時及び終了時に不要な部分への露光が行われないように、照明領域を走査方向に閉じるために使用される。可動ブラインド１８Ｂは、更に照明領域の非走査方向の中心及び幅を規定するためにも使用される。ブラインド１８Ａ，１８Ｂを通過した露光光ＩＬは、サブコンデンサレンズ１７Ｂ、光路折り曲げ用のミラー１９、及びメインコンデンサレンズ２０を経て、マスクとしてのレチクルＲのパターン領域の照明領域２１Ｒを均一な照度分布で照明する。

一方、ビームスプリッタ１４で反射された露光光は、集光レンズ１５を介して光電センサよりなるインテグレータセンサ１６に受光される。インテグレータセンサ１６の検出信号は露光量制御系３に供給され、露光量制御系３は、その検出信号と予め計測されているビームスプリッタ１４から基板（感光基板）としてのウエハＷまでの光学系の透過率とを用いてウエハＷ上での露光エネルギーを間接的に算出する。露光量制御系３は、その算出結果の積算値及び装置全体の動作を統轄制御する主制御系１からの制御情報に基づいて、ウエハＷ上で適正露光量が得られるように露光光源６の発光動作を制御する。露光光源６、ミラー７，９、レンズ８Ａ，８Ｂ、フライアイレンズ１０、照明系開口絞り部材１１、ビームスプリッタ１４、リレーレンズ１７Ａ、ブラインド１８Ａ，１８Ｂ、サブコンデンサレンズ１７Ｂ、ミラー１９、及びメインコンデンサレンズ２０を含んで照明光学系５が構成されている。

露光光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域２１Ｒ内のパターンは、両側テレセントリックで開口数ＮＡが０．８５程度の投影光学系ＰＬを介して投影倍率β（βは例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で、フォトレジストが塗布されたウエハＷ上の一つのショット領域ＳＡ上の非走査方向に細長いスリット状の露光領域２１Ｗに投影される。投影光学系ＰＬは例えば屈折系であるが、反射屈折系等も使用できる。ウエハＷは、例えば半導体（シリコン等）又はＳＯＩ(silicon on insulator)等の直径が２００〜３００ｍｍ程度の円板状の基板である。レチクルＲのパターン面（レチクル面）及びウエハＷの表面（ウエハ面）がそれぞれ投影光学系の第１面（物体面）及び第２面（像面）に対応している。また、レチクルＲ及びウエハＷをそれぞれ第１物体及び第２物体（感応物体）とみなすこともできる。以下、図１において、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向に直交する非走査方向に沿ってＸ軸を取り、その走査方向に沿ってＹ軸を取って説明する。

先ず、レチクルＲはレチクルステージ２２上に吸着保持され、レチクルステージ２２はレチクルベース２３上でＹ方向に一定速度で移動すると共に、同期誤差を補正するようにＸ方向、Ｙ方向、回転方向に微動して、レチクルＲの走査を行う。レチクルステージ２２の位置は、この上に設けられた移動鏡（不図示）及びレーザ干渉計（不図示）によって計測され、この計測値及び主制御系１からの制御情報に基づいて、ステージ駆動系２は不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してレチクルステージ２２の位置及び速度を制御する。本例では前述したレチクルステージ２２、ステージ駆動系２、駆動機構、及びレーザ干渉計によってレチクルステージ系が構成されている。また、レチクルＲの周辺部の上方には、レチクルアライメント用のレチクルアライメント顕微鏡（不図示）が配置されている。さらに、レチクルステージ２２の近傍には、不図示であるがレチクルステージ２２上のレチクルを交換するレチクルローダ、及び複数のレチクルが収納されたレチクルライブラリが設置され、そのレチクルライブラリ中に投影光学系ＰＬのフレア計測用のパターンが形成されたマスクとしてのテストレチクル（詳細後述）も収納されている。

一方、ウエハＷは、ウエハホルダ２４を介してウエハステージ２８上に吸着保持され、ウエハステージ２８はウエハベース２７上でＹ方向に一定速度で移動すると共に、Ｘ方向、Ｙ方向にステップ移動するＸＹステージ２６と、Ｚチルトステージ２５とを備えている。Ｚチルトステージ２５は、不図示のオートフォーカスセンサによるウエハＷのＺ方向の位置の計測値に基づいて、ウエハＷのフォーカシング及びレベリングを行う。ウエハステージ２８のＸＹ平面内での位置、及びＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回りの回転角はレーザ干渉計（不図示）によって計測され、この計測値及び主制御系１からの制御情報に基づいて、ステージ駆動系２は不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してウエハステージ２８の動作を制御する。本例では前述したウエハホルダ２４、ウエハステージ２８、ステージ駆動系２、駆動機構、及びレーザ干渉計によってウエハステージ系が構成されている。

更に、ウエハステージ２８上のウエハＷの近傍には、露光領域２１Ｗよりも大きい受光面３０Ｂを有する照射量モニタと、ピンホール状の受光面３０Ａを有する照度センサとを含む光量センサ部２９が固定され、光量センサ部２９の２つの検出信号は露光量制御系３に供給されている。また、ウエハステージ２８の上方には、ウエハアライメント用のオフ・アクシス方式のアライメントセンサ３２が配置されており、この検出結果に基づいて主制御系１はウエハＷのアライメントを行う。

露光時には、レチクルステージ２２及びウエハステージ２８を駆動して、露光光ＩＬを照射した状態でレチクルＲとウエハＷ上の一つのショット領域とをＹ方向に同期走査する動作と、ウエハステージ２８を駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とが繰り返される。これによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷ上の各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。

次に、本例の投影光学系ＰＬのフレアを計測するための動作の一例につき説明する。投影光学系のフレアには、前述のように、光学部材の表面やコーティング膜で小さい角度範囲に発生する前方散乱光に起因するいわゆるローカルフレアと、光学部材表面のコーティングでの反射に起因するいわゆるロングレンジフレアとがあり、以下ではローカルフレアを計測対象とする。なお、例えば後述のテストレチクルのパターンの変更等によって、ロングレンジフレアも同様に計測することができる。

先ず、本例のフレア計測用のマスクとしてのテストレチクルＴＲのパターンにつき説明する。図２は、テストレチクルＴＲを図１のレチクルステージ２２上にロードした状態を示し、この図２において、Ｘ方向及びＹ方向はそれぞれ図１のＸ方向（非走査方向）及びＹ方向（走査方向）に対応している。テストレチクルＴＲは図１の露光光ＩＬを透過する合成石英又は蛍石（ＣａＦ₂)等からなる基板のパターン面に、露光光ＩＬに対する透過率の低いクロム等の金属膜よりなる遮光膜を背景として所定パターンを形成したものである。

図２のテストレチクルＴＲのパターン面において、パターンが形成される領域を非走査方向であるＸ方向に挟むようにＹ方向の３箇所に１番目の１対のアライメントマーク３７Ａ，３７Ｄ、２番目の１対のアライメントマーク３７Ｂ，３７Ｅ、及び３番目の１対のアライメントマーク３７Ｃ，３７Ｆが形成されている。４隅に位置するアライメントマーク３７Ａ，３７Ｃ，３７Ｄ，３７Ｆは、それぞれ例えば十字型のマーク３８をＸ方向に２行でＹ方向に３列配置したものであり、中央のアライメントマーク３７Ｂ，３７Ｅはそれぞれそのマーク３８をＸ方向に２個配置したものである。なお、アライメントマーク３７Ａ〜３７Ｆ中のマーク３８の個数は１個以上であればよく、さらにアライメントマーク３７Ａ〜３７Ｆの個数は２個以上であればよい。

また、テストレチクルＴＲのパターンが形成される領域には走査方向であるＹ方向に沿って２箇所に、それぞれ走査露光時の最大の照明領域と実質的に同じ大きさの第１のパターン形成領域３５及び第２のパターン形成領域３６が設定されている。そして、第１のパターン形成領域３５内の−Ｘ方向の端部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所、その中央部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所、及びその＋Ｘ方向の端部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所にそれぞれ互いに同一形状のフレア計測用パターン３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄ，３９Ｅ，３９Ｆ，３９Ｇ，３９Ｈ，３９Ｉが形成されている。この第１のパターン形成領域３５においては、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉ以外の領域は、露光光を透過させないダーク領域（遮光領域）である。

図３は、図２中のフレア計測用パターン３９Ａのパターン構成を示す拡大図であり、この図３のフレア計測用パターン３９Ａにおいて、遮光膜４２を背景としてＸ方向に沿ってそれぞれ直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の円形の開口パターン４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃが形成され、これらの開口パターン４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの中央部にそれぞれ直径が共通にｄ１の円形の遮光パターン４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃが同心に形成されている。また、フレア計測用パターン３９Ａの−Ｘ方向の端部近傍には、直径Ｄ４の開口パターン４３Ｄが形成され、この開口パターン４３Ｄの中央部に直径ｄ２の遮光パターン４４Ｄが同心に形成されている。

ここで、図１のフレア計測対象の投影光学系ＰＬのレチクルからウエハへの投影倍率βは、例えば１／４又は１／５等の縮小倍率であるため、その逆数（１／β）は例えば４又は５等の１より大きい値を取る。その逆数（１／β）を用いて一例として、直径ｄ１，ｄ２，Ｄ１〜Ｄ４は次のように設定される。
ｄ１＝２．３×（１／β）（μｍ），ｄ２＝０．９×（１／β）（μｍ），Ｄ１＝２３×（１／β）（μｍ），Ｄ２＝７０×（１／β）（μｍ），Ｄ３＝２３０×（１／β）（μｍ）、Ｄ４＝７０×（１／β）（μｍ） …（３）
これは、図３のフレア計測用パターン３９Ａを図１の投影光学系ＰＬを介して投影した場合には、直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の開口パターン４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４Ｄの円形の投影像の直径はそれぞれ２３μｍ、７０μｍ、２３０μｍ、７０μｍとなり、直径ｄ１，ｄ２の遮光パターン４４Ａ〜４４Ｃ，４４Ｄの円形の投影像の直径はそれぞれ２．３μｍ及び０．９μｍとなることを意味している。ここで、これらの直径ｄ１，ｄ２，Ｄ１〜Ｄ４と計測されるフレアとの関係について、図１の投影光学系ＰＬを簡略化して示す図４を参照して説明する。

図４において、開口数ＮＡの投影光学系ＰＬの物体面４６（第１面）に図３のフレア計測用パターン３９Ａが配置され、投影光学系ＰＬの像面４７（第２面）に例えば感光材料の塗布されたウエハの露光面が配置される。また、理想的な状態では物体面４６上の１点４６ａからの波長λの露光光ＩＬが、投影光学系ＰＬ内の開口絞りＡＳで規定される瞳（物体面に対する光学的なフーリエ変換面上の光束が通過する領域）を通過して像面４７上の１点４７ａを中心とする領域に集光されるものとする。即ち、点４６ａと点４７ａとは投影光学系ＰＬに関して光学的に共役である。

この場合、投影光学系ＰＬの解像度はほぼλ／ＮＡであるため、像面４７上の点４７ａ上の像の強度分布は直径がほぼλ／ＮＡ程度の円形領域で高くなっている。同様に、投影光学系ＰＬ内で或る方向に発生するフレアも像面４７上でほぼλ／ＮＡを単位とする直径の円形領域に集光される。その円形領域の直径は、投影光学系ＰＬの開口絞りＡＳによって規定される瞳内での空間周波数にほぼ比例する。本例では、投影光学系ＰＬの瞳上の光軸ＡＸを通る直線上での計測対象のフレアの光量分布の振動の回数をそのフレアの空間周波数と定義して、その空間周波数を単に周波数（ここでは無次元）と呼ぶ。

図４において、投影光学系ＰＬ内で像面４７上の点４７ａに向かうような角度で発生する全部のフレアを、瞳上での周波数成分に分解して考える。このとき、光量分布４８（振動回数が１回）で示すように周波数が１のフレアは、点４７ａ上で直径φ１がほぼλ／ＮＡの円形領域に集光され、光量分布４９（振動回数が４回）で示すように周波数が４のフレアは、点４７ａ上で直径φ２がほぼ４×λ／ＮＡの円形領域に集光される。即ち、周波数がｆのフレアに対しては投影光学系ＰＬは開口数が実質的にＮＡ／ｆの光学系として作用するため、そのフレアは像面上でほぼ直径φが次式で定められる円形領域に集光される。

φ＝λ／（ＮＡ／ｆ）＝ｆ（λ／ＮＡ） …（４）
そこで、図３のフレア計測用パターン３９Ａ中の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄのうちの任意の一つの開口パターン（以下、「特定開口パターン」と言う。）の投影像の直径をＤとして、その特定開口パターン内の遮光パターン（遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄのいずれか）の投影像の直径をｄとする。このとき、その特定開口パターンとこの中の遮光パターンとの組み合わせからなるパターンの投影像には、周波数ｆの下限値ｆ１及び上限値ｆ２が次式で定められるフレアが混入できることになる。

ｆ１＝ｄ（ＮＡ／λ） …（５Ａ）
ｆ２＝Ｄ（ＮＡ／λ） …（５Ｂ）
ｆ１≦ｆ≦ｆ２ …（５Ｃ）
この（５Ａ）式、（５Ｂ）式はそれぞれ（１Ａ）式、（１Ｂ）式を周波数ｆ１，ｆ２について解いた式に対応している。このように特定開口パターン及びその中の遮光パターンが同心の円形である場合には、周波数ｆが（５Ｃ）の範囲を満たすフレアを方向に関して平均化したフレアを計測することができる。

本例では露光ビームの波長λは１９３ｎｍ（ＡｒＦエキシマレーザ）、開口数ＮＡは０．８５であり、上述のように図３の開口パターン４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ，４３Ｄの投影像の直径Ｄはそれぞれ２３μｍ、７０μｍ、２３０μｍ、７０μｍであり、遮光パターン４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ及び遮光パターン４４Ｄの直径ｄはそれぞれ２．３μｍ及び０．９μｍであるため、これらの開口パターン及び遮光パターンの投影像を用いて計測されるフレアの周波数の範囲は、（５Ａ）式〜（５Ｃ）式から次の表１のようになる。なお、表１の周波数は小数点以下を四捨五入してある。

この表１において、遮光パターンの投影像の直径ｄが２．３μｍのときのフレアの周波数は１０であるが、これ以下の周波数のフレアの影響は殆ど無いと考えられるために設定された周波数である。また、開口パターンの投影像の直径Ｄが７０のときのフレアの周波数である３０８は、フレアがほぼ飽和すると予想されている周波数である。さらに本例では、遮光パターンの投影像の直径ｄが０．９μｍ（周波数ｆが４）の場合についても計測を行うこととしている。

ＡｒＦエキシマレーザ光のもとで使用される投影光学系ＰＬのフレア計測を行う場合には、遮光パターンは投影像の直径ｄが１〜３μｍの円形パターンであり、開口パターンは投影像の直径Ｄが１００〜３００μｍの円形パターンであれば実用上必要な周波数域のフレアの計測を行うことができる。この場合のフレアの周波数ｆの下限値ｆ１及び上限値ｆ２の範囲は上述の（２Ａ）式及び（２Ｂ）式となる。

図３に戻り、表１から分かるように、フレア計測用パターン３９Ａ内の開口パターン４３Ａと遮光パターン４４Ａとの組み合わせによって周波数ｆが１０から１０１（ほぼ１００）の範囲のフレアを計測でき、開口パターン４３Ｂと遮光パターン４４Ｂとの組み合わせによって周波数ｆが１０から３０８（ほぼ３００）のフレアを計測でき、開口パターン４３Ｃと遮光パターン４４Ｃとの組み合わせによって周波数ｆが１０から１０１２（ほぼ１ｋ）の範囲のフレアを計測でき、開口パターン４３Ｄと遮光パターン４４Ｄとの組み合わせによって周波数ｆが４から３０８（ほぼ３００）のフレアを計測できる。このように周波数帯域が設定されたフレアを所定の成分別のフレアとみなすことができる。

また、図２の第１のパターン形成領域３５内の他のフレア計測用パターン３９Ｂ〜３９Ｉの構成もフレア計測用パターン３９Ａと同じであるため、パターン形成領域３５の中心を図１の投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに合わせることによって、投影光学系ＰＬの視野内の９箇所においてそれぞれ上記の周波数帯域のフレアを計測することができる。
次に、図２の第２のパターン形成領域３６について説明する。第２のパターン形成領域３６内の−Ｘ方向の端部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所、その中央部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所、及びその＋Ｘ方向の端部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所にそれぞれ互いに同一形状の従来型のフレア計測用パターン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ，４０Ｆ，４０Ｇ，４０Ｈ，４０Ｉが形成されている。また、パターン形成領域３６の−Ｙ方向及び＋Ｙ方向の端部の６箇所のフレア計測用パターン４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｆ，４０Ｇ，４０ＩのＹ方向の端部にほぼ接するように、それぞれ第１のパターン形成領域３５内のフレア計測用パターン３９Ａと同じ形状のフレア計測用パターン３９Ａ，３９Ｃ，３９Ｄ，３９Ｆ，３９Ｇ，３９Ｉが形成されている。さらに、パターン形成領域３６のＹ方向の中央部の３箇所のフレア計測用パターン４０Ｂ，４０Ｅ及び４０ＨをそれぞれＹ方向に挟むように、第１のパターン形成領域３５内のフレア計測用パターン３９Ａと同じ形状の１対のフレア計測用パターン３９Ｂ，３９Ｊ、３９Ｅ，３９Ｋ、及び３９Ｈ，３９Ｌが形成されている。

この第２のパターン形成領域３６においては、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌ及び４０Ａ〜４０Ｉ以外の領域は、露光光を透過させないダーク領域（遮光領域）である。ただし、そのテストレチクルＴＲにおいて、その第２のパターン形成領域３６において、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌ及び４０Ａ〜４０Ｉ以外の領域を、露光光を透過するブライト領域（光透過領域）としたものと同じ第３のパターン形成領域（不図示）を形成しておき、このブライト領域を持つパターン形成領域内のフレア計測用パターンの像を用いてフレア計測を行ってもよい。

図９は、従来型のフレア計測用パターン４０Ａの構成を示す拡大図であり、この図９において、フレア計測用パターン４０Ａ内には光透過部を背景として次第に小さくなる１０個の正方形の遮光パターン４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，…，４５Ｈ，４５Ｉ，４５Ｊが形成されている。一例として、遮光パターン４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，…の１辺の長さは、それぞれ７０μｍ、５０μｍ、２０μｍ、１０μｍ、７μｍ、５μｍ、２μｍ、１μｍ、０．７μｍ、０．５μｍに投影倍率の逆数（１／β）を乗じた値である。他のフレア計測用パターン４０Ｂ〜４０Ｉのパターン構成もフレア計測用パターン４０Ａと同じである。フレア計測用パターン４０Ａ〜４０Ｉを用いた場合には、一例として遮光パターン４５Ａ〜４５Ｊの周囲の透過部の投影像によって感光材料が感光されるときの露光量と、遮光パターン４５Ａ〜４５Ｊの投影像（フレア光を含む）によって感光材料が感光されるときの露光量との比の値からフレアの量を計測することができる。

さらに本例では、遮光パターン４５Ａ〜４５Ｊに近接してフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌが形成されているため、その遮光パターン４５Ａ〜４５Ｊを用いるフレア計測とともにフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌを用いたフレア計測を行うことができる。従って、従来型のフレア計測の結果と本発明に基づいたフレア計測の結果との対応付けを行うことも可能となる。

次に、図２の第１のパターン形成領域３５内のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉを用いて、図１の投影光学系ＰＬのフレアを計測する場合の動作の一例につき、図８のフローチャートを参照して説明する。
最初に図８のステップ１０１において、図１の投影露光装置のレチクルステージ２２上に図２のテストレチクルＴＲをロードし、レチクルステージ２２を駆動することによって、露光光ＩＬの照明領域２１Ｒ中にテストレチクルＴＲの第１のパターン形成領域３５を移動させる。この際に不図示のレチクルアライメント顕微鏡によって例えば２箇所のアライメントマーク３７Ｂ，３７Ｅの位置が計測され、この計測結果に基づいてテストレチクルＴＲの位置決めが行われる。この結果、パターン形成領域３５の中心（フレア計測用パターン３９Ｅの中心）がほぼ投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに合致する。さらに、可動ブラインド１８Ｂの非走査方向の幅はパターン形成領域３５の非走査方向の幅に合わせて設定され、可動ブラインド１８Ｂの走査方向の幅は固定ブラインド１８Ａよりも広く設定される。

次のステップ１０２において、図１のウエハステージ２８上にウエハホルダ２４を介してフォトレジストの塗布された未露光のウエハＷをロードする。説明の便宜上、そのフォトレジストはポジ型とするが、ネガ型のフォトレジストも同様に使用できる。そして、ウエハステージ２８を駆動することによって、ウエハＷ上の１番目のショット領域を投影光学系ＰＬの露光領域２１Ｗに移動する。フレア計測時には、テストレチクルＴＲとウエハＷとはそれぞれ静止した状態で露光が行われる。

次のステップ１０３で図１の主制御系１は、露光量制御系３に対して目標露光量Ｅを所定の最小値に設定する。この最小値はウエハＷ上のフォトレジストの感度（適正露光量）よりも小さい値（例えば感度の１／２程度）に設定される。次のステップ１０４で主制御系１は、露光量制御系３に対してその目標露光量Ｅだけ露光光ＩＬを照射するように制御コマンドを発する。これによって、テストレチクルＴＲのパターン形成領域３５内のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの投影光学系ＰＬによる像が、ウエハＷ上にその目標露光量Ｅで露光される。次に主制御系１は、目標露光量Ｅがフォトレジストの感度よりも大きい所定の最大値を超えたかどうかを判定する。この段階では、目標露光量Ｅはまだ低い値であるため、動作はステップ１０６に移行して、主制御系１は、目標露光量Ｅに露光量の増加分であるΔＥを加算する。増加分ΔＥは、例えばフォトレジストの感度の数１０分の１程度に設定される。その後、主制御系１は、ステージ駆動系２を介してウエハステージ２８をステップ移動させて、ウエハＷ上の次の未露光のショット領域を投影光学系ＰＬの露光領域２１Ｗに移動する（ステップ１０７）。

その後、動作はステップ１０４に戻り、ステップ１０６で設定された目標露光量Ｅに基づいて、テストレチクルＴＲのパターン形成領域３５内のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの像がウエハＷ上に露光される。そして、目標露光量Ｅが最大値を超えるまで、ステップ１０５，１０６，１０７，１０４が繰り返されて、ウエハＷ上の一連の複数のショット領域にテストレチクルＴＲのパターン形成領域３５のパターンの像が露光される。

図５はウエハＷのショット配列の一例を示し、この図５において、ウエハＷ上のフォトレジストの塗布された露光面はＸ方向、Ｙ方向に所定ピッチで多数のショット領域５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，…に区分され、これらのショット領域５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，…に順次次第に大きくなる目標露光量Ｅで、図２のテストレチクルＴＲのパターン形成領域３５のパターンの像３５Ｐが露光される。その像３５Ｐは図２のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの像から構成されている。次にステップ１０５において、目標露光量Ｅが上記の最大値を超えた時点で動作はステップ１０８に移行して、ウエハステージ２８からのウエハＷの搬出、不図示の現像装置によるウエハＷのフォトレジストの現像、及び例えば座標計測装置と顕微鏡とを含むレジストパターン計測装置によるウエハＷ上の各ショット領域５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，…内のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの像に対応するレジストパターンの形状（凹凸分布）の計測が行われる。なお、そのレジストパターンの形状の計測は、図１のアライメントセンサ３２を用いて行うことも可能である。

本例のフォトレジストはポジ型であるため、ウエハＷ上の各ショット領域５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，…内のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの像中で露光量がフォトレジストの感度を超えた（感光材料が感光された）部分のみが凹部となる。このレジストパターンの凹凸分布の計測結果は、例えば図１の主制御系１に供給される。そのレジストパターンの形状（凹凸分布）の計測は、図２のパターン形成領域３５内の９箇所のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの投影像に対応してそれぞれ行われる。以下では、そのうちのフレア計測用パターン３９Ａの投影像に対応する部分のレジストパターンの形状の計測結果を処理する場合につき説明する。これは、他のフレア計測用パターン３９Ｂ〜３９Ｉの投影像に対応する部分についても同様に行われる。また、以下のレジストパターンの形状の計測結果の処理は、主制御系１内の演算部のソフトウェアによって実行される。

即ち、それに続くステップ１０９において、主制御系１内の演算部において、図３のフレア計測用パターン３９Ａ内の４個の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄの像の部分であって、かつその中の遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像の周囲の部分でフォトレジストが感光されるとき（遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像が形成されないとき）の露光量Ｅｔｈと、各遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像の部分でフォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｄとが求められる。

図６（Ａ），図６（Ｂ），図６（Ｃ），図６（Ｄ）は、それぞれ目標露光量Ｅが次第に大きくなるときのフレア計測用パターン３９Ａの像３９ＡＰによるレジストパターンの変化の一例を示している。目標露光量Ｅが少ない状態では図６（Ａ）に示すように、その像３９ＡＰ中の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄの像４３ＡＰ〜４３ＤＰはフォトレジストを感光させない（凹のレジストパターンは形成されない）。その状態に対して目標露光量Ｅが大きくなると、図６（Ｂ）に示すように、像３９ＡＰ中の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄの像４３ＡＰ〜４３ＤＰの部分（かつ遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像４４ＡＰ〜４４ＤＰの周囲の部分）が凹のレジストパターンとなる。このときの目標露光量Ｅが開口パターン４３Ａ〜４３Ｄの像の露光量Ｅｔｈとなる。露光量Ｅｔｈは、開口パターン４３Ａ〜４３Ｄ毎に僅かに異なる場合もある。なお、遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像４４ＡＰ〜４４ＤＰの部分には開口パターン４３Ａ〜４３Ｄで発生するフレアが照射されているとともに、フレアの発生量は遮光パターン４４Ｃ及び４４Ｄの像４４ＣＰ，４４ＤＰで最も大きく、遮光パターン４４Ｂ及び４４Ａの像４４ＢＰ，４４ＡＰの順に小さくなる。

そのため、次第に目標露光量Ｅが大きくなると、図６（Ｃ）に示すように、遮光パターン４４Ｃ，４４Ｄの像４４ＣＰ，４４ＤＰの部分が感光されて凹のレジストパターンとなる。そのときの目標露光量Ｅが遮光パターン４４Ｃ，４４Ｄの像の露光量Ｅｄとなる。露光量Ｅｄは遮光パターン４４Ｃ，４４Ｄ毎に異なる値になる。さらに目標露光量Ｅが大きくなると、図６（Ｄ）に示すように、遮光パターン４４Ｂ及び４４Ａの像４４ＢＰ，４４ＡＰの部分が順次感光されて凹のレジストパターンとなる。そのときの目標露光量Ｅが順次遮光パターン４４Ｂ，４４Ａの像の露光量Ｅｄとなる。

次のステップ１１０において、図３のフレア計測用パターン３９Ａ内の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄのそれぞれについて上記の露光量Ｅｔｈ及びＥｄを用いて次式からフレアＦが計算される。本例では、フレアＦは、開口パターン４３Ａ〜４３Ｄ内の遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像でフォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｄに反比例している。
Ｆ＝（Ｅｔｈ／Ｅｄ）×１００（％） …（６）
図７は、露光量Ｅｄの計測結果の一例及びそれに対応するフレアＦを示し、この図７において、横軸は図３の開口パターン４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃの直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の投影像での値（直径）Ｄを示し、縦軸は直径Ｄの開口パターンで計測される露光量Ｅｄ及びフレアＦを示している。図７において、計測値Ａ１，Ａ２，Ａ３がそれぞれ直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の開口パターンでの露光量Ｅｄであり、計測値Ａ１，Ａ２，Ａ３を通る曲線５１が全部の直径Ｄに対する露光量Ｅｄの予測値を示している。また、計算値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３はそれぞれ直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の開口パターンに関して（６）式に基づいて計算されるフレアＦであり、計算値Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を通る曲線５２は、全部の直径Ｄに対するフレアの予測値を示している。この場合、表１より、直径Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３におけるフレアＦの値は、それぞれ周波数帯域が１０〜１０１、１０〜３０８、及び１０〜１０１２のフレアともみなすことができる。周波数帯域が広くなるほどフレアＦは多くなり、周波数帯域の上限が３０８〜１０１２の範囲でフレアＦはほぼ飽和していることが分かる。このように図３のフレア計測用パターン３９Ａを用いることによって、異なる周波数帯域のフレアの量を計測することができる。

なお、図８において、ステップ１０１〜１０５及びステップ１０６、１０７を第１工程とみなし、ステップ１０８〜１１０を第２工程とみなすことも可能である。それに続くステップ１１１において、例えば計測されたフレアＦの量が大きい場合には、投影光学系ＰＬのフレアの補正が行われる。この場合、ステップ１０１〜１１０をフレアの計測工程とみなし、ステップ１１１をフレアの補正工程とみなすこともできる。

この補正工程では、その計測工程でのフレアの計測結果を用いて投影光学系ＰＬのフレア（特にローカルフレア）を補正する。具体的に、投影光学系ＰＬを構成する所定の光学部材（レンズ等）を交換する等によって、投影光学系ＰＬのフレアを低減させる。この際に本例では周波数帯域別のフレアが計測されているため、例えば予め投影光学系ＰＬ中の光学部材とフレアの周波数帯域との関係を求めておくことによって、計測される周波数帯域別のフレアからそのフレアの要因となる光学部材を特定できる場合がある。さらに、その計測されたフレアに基づいて、最終的に得られるデバイスのパターンの線幅が目標値になるように、露光対象のレチクルのパターン（実パターン）の線幅を補正してもよい。

また、例えばその第１工程を投影光学系ＰＬの組立調整中に実行する場合には、投影光学系ＰＬ中の所定の光学部材の再加工等を行うようにしてもよい。
その後、フレアの補正された投影光学系ＰＬを用いて露光工程を実行することによって、最終的に得られる半導体集積回路等のデバイスの線幅均一性を高めることができ、そのデバイスの歩留まりを向上できる。また、例えば露光工程において、線幅均一性が悪化したような場合に、その計測工程を実施することで、その原因がその投影光学系のフレアであるか否かを正確に判別できるようになる。さらに、投影光学系ＰＬのフレアの経時変化も正確に計測できるようになる。従って、露光工程で発生するトラブルヘの適切な対応が可能になる。

また、上記の実施形態では、現像後のレジストパターンの形状（凹凸分布）を計測しているが、例えばウエハ上に塗布されたレジスト像（潜像）の段階でその露光量分布を計測するようにしてもよい。さらに、フォトレジストの代わりに熱感光性樹脂等を用いて、現像を行うことなく潜像から露光量分布を計測し、この計測結果に基づいて（６）式からフレアを求めてもよい。

さらに、図２のテストレチクルＴＲのパターン形成領域３５のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｉの像を図１の投影光学系ＰＬを介してウエハステージ２８上に投影した状態で、ウエハステージ２８をＸ方向及びＹ方向に移動させて、光量センサ部２９のピンホール状の受光面３０Ａでそれらの像を走査して光量を検出してもよい。これによって、図３の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄの像の部分の光量Ｌｔｈと遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの像の部分の光量Ｌｄとを直接計測することができる。この場合、光量Ｌｔｈ及びＬｄと（６）式の露光量Ｅｔｈ及びＥｄとはほぼ逆比例の関係にあるため、次式からフレアを求めることができる。

Ｆ＝（Ｌｄ／Ｌｔｈ）×１００（％） …（７）
これによって、感光材料の塗布及び現像工程を実行することなく、極めて短時間に投影光学系ＰＬのフレアを計測することができる。
また、上記の実施形態では、図３に示すように開口パターン４３Ａ〜４３Ｄ及び遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄは円形パターンであるが、例えば投影光学系ＰＬのＸ方向及びＹ方向のフレアを計測するような場合には、開口パターン４３Ａ〜４３Ｄ及び遮光パターン４４Ａ〜４４ＤをＸ軸及びＹ軸に平行な辺を持つ矩形のパターンとすることも可能である。また、複数の開口パターン４３Ａ〜４３Ｄ及び遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄの代わりに、１つの開口パターンとこの中の遮光パターンとの組み合わせのみを使用するようにしてもよい。

なお、上記の実施形態において、フレア計測時にウエハＷ（基板）上にフォトレジスト（感光材料）を塗布する際には、そのフォトレジストの下面に反射防止膜としての底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ：bottom anti-reflection coating）を塗布しておいてもよい。その底部反射防止コーティングを塗布しておくと、フォトレジストの膜厚のフレアの計測値への影響が極めて小さくなることが本発明者によって確かめられた。従って、フォトレジストの下面に底部反射防止コーティングを施しておくことによって、複数回のフレア計測時にフォトレジストの膜厚が異なるような場合でも、フレアの計測結果の安定性が向上する。そして、投影光学系のフレアを長期間に渡ってモニタするような場合にも、底部反射防止コーティングを施しておくことによって、安定かつ高精度にそのフレアの長期的な変動傾向をモニタすることができる。

次に、本発明の他の実施の形態につき図１０〜図１３を参照して説明する。本例は、投影光学系のローカルフレアとロングレンジフレアとを分離して計測する場合に本発明を適用したものである。本例においても、図１の走査露光型の投影露光装置に装着された状態の投影光学系ＰＬのフレアを計測するものとする。以下、図１０〜図１２において、図２、図３、図９に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。

図１０は、本例のテストレチクルＴＲＡを示し、この図１０において、テストレチクルＴＲＡのパターンが形成される領域にはＹ方向（走査方向）に沿って２箇所に、それぞれ走査露光時の最大の照明領域と実質的に同じ大きさの第１のパターン形成領域３５Ａ及び第２のパターン形成領域３６Ａが設定されている。第１のパターン形成領域３５Ａ内の−Ｘ方向の端部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所、その中央部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所、及びその＋Ｘ方向の端部のＹ方向に等間隔で配置された３箇所にそれぞれ図９のフレア計測用パターン４０Ａと同一形状のフレア計測用パターン４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｅ，４０Ｆ，４０Ｇ，４０Ｈ，４０Ｉが形成されている。また、パターン形成領域３５Ａの−Ｙ方向及び＋Ｙ方向の端部の６箇所のフレア計測用パターン４０Ａ，４０Ｃ，４０Ｄ，４０Ｆ，４０Ｇ，４０ＩのＹ方向の端部にほぼ接するように、それぞれ図３のフレア計測用パターン３９Ａと実質的に同一形状のフレア計測用パターン３９Ａ，３９Ｃ，３９Ｄ，３９Ｆ，３９Ｇ，３９Ｉが形成されている。さらに、パターン形成領域３５ＡのＹ方向の中央部の３箇所のフレア計測用パターン４０Ｂ，４０Ｅ及び４０ＨをそれぞれＹ方向に挟むように、図３のフレア計測用パターン３９Ａと実質的に同一形状の１対のフレア計測用パターン３９Ｂ，３９Ｊ、３９Ｅ，３９Ｋ、及び３９Ｈ，３９Ｌが形成されている。

この第１のパターン形成領域３５Ａにおいては、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌ及び４０Ａ〜４０Ｉ以外の領域は、露光光を透過するブライト領域（光透過領域）である。
また、第２のパターン形成領域３６Ａ内にも、第１のパターン形成領域３５Ａ内と同じ配置で図９のフレア計測用パターン４０Ａと同一形状のフレア計測用パターン４０Ａ〜４０Ｉと、図３のフレア計測用パターン３９Ａと実質的に同一形状のフレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌとが形成されている。ただし、この第２のパターン形成領域３６Ａにおいては、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌ及び４０Ａ〜４０Ｉ以外の領域は、露光光を透過させないダーク領域（遮光領域）である。

次に、本例において、図１の投影光学系ＰＬのローカルフレアとロングレンジフレアとを分離して計測する方法の一例につき説明する。このために、図１のレチクルステージ２２上に図１０のテストレチクルＴＲＡをロードして、アライメントを行う。そして、始めに図１０のテストレチクルＴＲＡ中の第１のパターン形成領域３５Ａ（ブライト領域）を露光対象に選択してから、図８のステップ１０２〜１１０を実行する。そして、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌ及びフレア計測用パターン４０Ａ〜４０Ｉのそれぞれについて、遮光パターンの像の周囲の部分のフォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｔｈと、その遮光パターンの像の部分のフォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｄとから、（６）式よりフレアＦを求める。

次に、図１０のテストレチクルＴＲＡ中の第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）を露光対象に選択してから、図８のステップ１０２〜１１０を実行する。そして、フレア計測用パターン３９Ａ〜３９Ｌ及びフレア計測用パターン４０Ａ〜４０Ｉのそれぞれについて、遮光パターンの像の周囲の部分のフォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｔｈと、その遮光パターンの像の部分のフォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｄとから、（６）式よりフレアＦを求める。本例では、その第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）で求めたフレアＦは、図２のテストレチクルＴＲを用いる実施形態と同様にローカルフレアとなる。

一方、その第１のパターン形成領域３５Ａ（ブライト領域）で求めたフレアＦと、その第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）で求めたフレアＦとの差分がロングレンジフレアとなる。以下、これについて詳細に説明する。
図１１（Ａ）は、図１０のパターン形成領域３５Ａ又は３６Ａ中のフレア計測用パターン３９Ａ（図３参照）中の一つの遮光パターンの像４４ＥＰ及び開口パターンの像４３ＥＰを示す拡大図であり、像４４ＥＰは図３の遮光パターン４４Ａ〜４４Ｄのいずれかの像を示し、像４３ＥＰはその遮光パターンに対応する開口パターン４３Ａ〜４３Ｄのいずれかの像を示している。また、図１１（Ｂ）は、図１０のパターン形成領域３５Ａ又は３６Ａ中のフレア計測用パターン４０Ａ（図９参照）の３つの遮光パターン４５Ｇ，４５Ｆ，４５Ｄの像４５ＧＰ，４５ＦＰ，４５ＤＰを示す拡大図であり、図１１（Ｃ）は図１１（Ｂ）の像に対応するウエハ上での光強度分布の一例を示す図である。図１１（Ｃ）の横軸は像面上の光軸に垂直な方向の位置（像面上ポジション）であり、縦軸はその像面上ポジションにおける光強度である。

また、図１１（Ｃ）の上側の実線の曲線６３が、図１０の第１のパターン形成領域３５Ａ（ブライト領域）中のフレア計測用パターンの像の光強度分布を示し、下側の実線の曲線６１が、図１０の第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）中のフレア計測用パターンの像の光強度分布を示し、ほぼ一定レベルの点線の直線６２は、ロングレンジフレアの光強度を示している。即ち、曲線６３のレベルは曲線６１のレベルに直線６２（ロングレンジフレア）のレベルを加算したものである。このようなロングレンジフレアの影響を受けた光強度分布は、図１１（Ａ）の遮光パターンの像４４ＥＰについても同様に得られる。なお、実際には、遮光パターンの像４５ＧＰ，４５ＦＰ，４５ＤＰの間の光強度が大きい領域でも、曲線６３のレベルは曲線６１のレベルよりも大きくなるが、その差の影響は小さいため、説明の便宜上、遮光パターンの像４５ＧＰ，４５ＦＰ，４５ＤＰの間の光強度が大きい領域では、曲線６３のレベルは曲線６１のレベルと同じものとして表している（以下、図１２でも同様）。

一般にロングレンジフレアの主要因は、投影光学系ＰＬ内のレンズ表面の残存反射による投影光学系ＰＬ内の多重反射である。従って、投影光学系ＰＬ内の多重反射によるロングレンジフレアは、露光領域（露光視野）の全体に広がるとともに、その露光領域内の平均的な光量に比例する。
これに関して、図１０の第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測を行う際には、ロングレンジフレアの量が極めて少ないため、その計測結果（曲線６１）は実質的にローカルフレアのみの計測結果となる。一方、図１０の第１のパターン形成領域３５Ａ（ブライト領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測を行う際には、その計測結果（曲線６３）は、ローカルフレア（曲線６１）にロングレンジフレア（直線６２）をオフセットとして加えた結果となる。

従って、第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測結果からはローカルフレアを求めることができ、第１のパターン形成領域３５Ａ（ブライト領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測結果と、その第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測結果との差分からロングレンジフレアを求めることができる。

図１２は、図１１（Ｂ）の遮光パターンの像４５ＧＰ，４５ＦＰ，４５ＤＰのうちの任意の一つの遮光パターンの像４５Ｐの光強度分布の一部を示し、この図１２において、実線の曲線６１及び６３で表される光強度（又は露光量）のレベルは、遮光パターンの像４５Ｐのエッジ位置から中心にいくほど低くなっている。これは、ロングレンジフレア（直線６２）が広い範囲でほぼ一定であるのに対して、ローカルフレア（曲線６１）は遮光パターンの像４５Ｐのエッジ位置から中心に行くほど少なくなることを意味している。

次に、本例において、ローカルフレア及びロングレンジフレアを具体的に求める方法の一例につき説明する。
図１３は、遮光パターンの像の大きさとそれに対応して計測されたフレア量との関係の一例を示す図であり、図１３において、横軸は図１０のパターン形成領域３５Ａ又は３６Ａ中のフレア計測用パターン４０Ａ（図９参照）中の正方形の遮光パターン４５Ａ〜４５Ｊの像の１辺の幅（以下、「パッド幅」と呼ぶ。）（μｍ）であり、縦軸はそのパッド幅の遮光パターンの像に関して計測されたフレアＦ（％）である。そして、折れ線６５は、第１のパターン形成領域３５Ａ（ブライト領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測結果（ローカルフレアとロングレンジフレアとの和）であり、折れ線６４は、第２のパターン形成領域３６Ａ（ダーク領域）中のフレア計測用パターンの像のフレア計測結果（ローカルフレア）である。また、図１３において、折れ線６４及び６５の折れ点以外の部分を実質的に直線とするために、横軸のパッド幅は対数表示されているとともに、その横軸において、一例として、所定の小さいパッド幅ｄＡは２μｍ、所定の大きいパッド幅ｄＣは７０μｍである。

図１３において、パッド幅がｄＡ以下の領域６６は、収差及びフレアの混在領域で、収差の影響を受け易いため、フレア計測にはあまり適さない。また、パッド幅がｄＡからほぼ１００μｍまでの領域６７は、ダーク領域では実質的にローカルフレアのみが計測できるローカルフレア領域（ブライト領域ではロングレンジフレアも含めて計測される領域）であり、パッド幅がほぼ１００μｍより大きい領域６８は、計測されるフレアがほぼロングレンジフレアのみとなるロングレンジフレア領域である。また、パッド幅が１μｍ（実際には０．５μｍ）程度からｄＣまでの領域６９は、図９の全部の遮光パターン４５Ａ〜４５Ｊを用いてフレア（収差が混在している場合もある）を計測できる領域であり、パッド幅がｄＡ〜ｄＣの範囲の領域７０は、収差の影響を受けることなくローカルフレアとロングレンジフレアとを分離して計測できる領域（例えば「有効計測領域」と呼ぶこともできる。）である。

また、図１３の計測結果から、図１の投影光学系ＰＬのフレアを定量的に求める方法の一例は、パッド幅がｄＡ（本例では２μｍ）の位置での折れ線６４上のフレアＦ１（ダーク領域で計測されたフレア）をローカルフレアとする方法である。この方法では、パッド幅がｄＡの位置での折れ線６５上のフレア（ブライト領域で計測されたフレア）からそのローカルフレアＦ１を差し引いて得られるフレアＦ２が、投影光学系ＰＬのロングレンジフレアとされる。このようにフレアを計測する際のパッド幅（遮光パターンの像の幅）を所定値ｄＡに決めておくことによって、例えば投影光学系ＰＬの長期的なフレア変動を計測する場合にも、ローカルフレア及びロングレンジフレアの変動を互いに独立に定量的に計測できる。

なお、本例では、ローカルフレアとロングレンジフレアとを分離して計測するために図９のフレア計測用パターン４０Ａ〜４０Ｉを用いたが、図３のフレア計測用パターン３９Ａ〜３０Ｌを用いてもよい。この場合にも、それぞれダーク領域でのフレアの計測値とブライト領域でのフレアの計測値とを求めることで、フレアに方向性があるような場合でも正確にローカルフレアとロングレンジフレアとを分離して計測することができる。

なお、上記の実施の形態の投影露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系、投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いて半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいてレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを形成するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、エッチング等の回路パターンを形成するステップ、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）、及び検査ステップ等を経て製造される。

なお、本発明は、走査露光型の投影露光装置のみならず、一括露光型の投影露光装置の投影光学系のフレアを計測する場合にも同様に適用することができる。また、例えば国際公開（ＷＯ）第９９／４９５０４号などに開示される液浸型露光装置で投影光学系のフレアを計測する場合にも本発明を適用することができる。また、本発明によってフレアが計測される投影光学系は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明によってフレアが計測される投影光学系は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。

本発明のフレア計測方法を用いることにより、投影光学系のフレアを正確に計測できるため、例えばその計測結果に基づいてフレアを低減させた投影光学系を用いて露光を行うことによって、各種デバイスを高い線幅均一性で高精度に製造することが可能となる。

本発明の実施形態の一例の投影露光装置を示す斜視図である。 投影光学系のフレア計測用のテストレチクルのパターンの一例を示す平面図である。 図２のパターン形成領域３５内のフレア計測用パターン３９Ａを示す拡大平面図である。 図１の投影光学系ＰＬを簡略化して示す図である。 図２のフレア計測用のテストレチクルのパターンの像が露光されるウエハＷのショット配列の一例を示す平面図である。 図３のフレア計測用パターン３９Ａの像を露光量を変えながら順次ウエハ上に転写して得られる複数のレジストパターンを示す平面図である。 フレア計測用パターンの開口パターンの像の直径と、フォトレジストが感光されるときの露光量Ｅｄ及びフレアＦとの関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態におけるフレア計測動作の一例を示すフローチャートである。 図２のパターン形成領域３６内のフレア計測用パターン４０Ａを示す拡大平面図である。 本発明の他の実施形態で使用されるフレア計測用のテストレチクルのパターンを示す平面図である。 （Ａ）は図１０中のフレア計測用パターン３９Ａ中の一つの遮光パターン及び開口パターンの像を示す拡大図、（Ｂ）は図１０中のフレア計測用パターン４０Ａ中の３つの遮光パターンの像を示す拡大図、（Ｃ）は図１１（Ｂ）の像に対応する光強度分布の一例を示す図である。 図１１（Ｂ）の一つの遮光パターンの像の光強度分布を示す図である。 遮光パターンの像の大きさとフレア量との関係の一例を示す図である。

符号の説明

ＴＲ，ＴＲＡ…テストレチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、１…主制御系、５…照明光学系、２２…レチクルステージ、２８…ウエハステージ、２９…光量センサ部、３５，３６，３５Ａ，３６Ａ…パターン形成領域、３９Ａ〜３９Ｉ，３９Ｊ〜３９Ｌ…フレア計測用パターン、３９ＡＰ…フレア計測用パターンの像、４０Ａ〜４０Ｉ…フレア計測用パターン、４３Ａ〜４３Ｄ…開口パターン、４４Ａ〜４４Ｄ…遮光パターン

Claims (8)

1. 第１面上のパターンの像を第２面上に投影する投影光学系のフレアを計測するためのフレア計測方法において、
   前記第１面上に配置された開口パターン及びこの開口パターンの内部に配置された遮光パターンの像を前記投影光学系を介して前記第２面上に投影する第１工程と、
   前記第２面上に投影された前記遮光パターンの周囲における前記開口パターンの像の光量に基づいて前記投影光学系のフレアを求める第２工程とを有することを特徴とするフレア計測方法。
2. 前記第１工程は、前記開口パターン及び前記遮光パターンの像を前記第２面上に配置して感光材料の塗布された基板上に露光量を変えながら複数回投影する工程を含み、
   前記第２工程は、前記第２面上に投影された前記遮光パターンの像によって前記感光材料が感光されるまでの露光量と、前記開口パターンの像によって前記感光材料が感光されるまでの露光量との比に基づいて前記投影光学系のフレアを求める工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のフレア計測方法。
3. 前記開口パターン及び前記遮光パターンの像を前記投影光学系を介して投影する際の露光ビームの波長をλ、前記投影光学系の開口数をＮＡとして、計測対象のフレアの前記投影光学系の瞳上での振動の回数によって定まる周波数の下限値をｆ１、上限値をｆ２としたとき、
   前記遮光パターン及び前記開口パターンは投影像の直径がそれぞれ次式によって定められるｄ及びＤの円形パターンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のフレア計測方法。
   ｄ＝ｆ１（λ／ＮＡ），Ｄ＝ｆ２（λ／ＮＡ）
4. 前記遮光パターンは投影像の直径が１〜３μｍの円形パターンであり、前記開口パターンは投影像の直径が１００〜３００μｍの円形パターンであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のフレア計測方法。
5. 前記第１工程は、前記第１面上に配置された複数の大きさの異なる開口パターン及びこれらの開口パターンの内部にそれぞれ配置された実質的に同じ形状の遮光パターンの像を前記投影光学系を介して前記第２面上に投影する工程を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のフレア計測方法。
6. 第１物体のパターンを投影光学系を介して第２物体上に投影露光する露光方法において、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のフレア計測方法を用いて前記投影光学系のフレアを計測する計測工程と、
   前記計測工程での計測結果に基づいて前記投影光学系のフレアを補正する補正工程とを有することを特徴とする露光方法。
7. 投影光学系のフレア計測用のマスクであって、
   マスク用の基板上に、開口パターンとこの開口パターンの内部に配置された遮光パターンとが形成されたことを特徴とするフレア計測用のマスク。
8. 計測対象の投影光学系の投影倍率をβとして、
   前記マスク用の基板上に、直径が１００〜３００μｍの（１／β）倍で互いに異なる円形の複数の開口パターンと、該複数の開口パターンの内部にそれぞれ配置された直径が１〜３μｍの（１／β）倍の遮光パターンとが形成されたことを特徴とする請求項７に記載のフレア計測用のマスク。
   

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