JP2009272387A - 走査露光装置及びデバイス製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 レチクルを保持するステージ及び基板を保持するステージの少なくとも一方が走査されているときにデフォーカス量を高精度に測定する走査露光装置を提供する。
【解決手段】 本発明の走査露光装置３００は、第１ステージ３２５に配置され測定パターンを有する測定用マスク１０と、第２ステージ３４５に配置される第１測定部２０と、制御部３５０とを備える。第１測定部２０は、開口部を有する遮光部材と、開口部を通過した光を受光する光電変換素子とを含み、第１ステージ３２５と第２ステージ３４５との少なくとも一方を走査し、かつ測定パターンを斜入射照明したときに遮光部材上に形成される光強度分布のうち開口部を通過した光の強度を光電変換素子によって測定する。制御部３５０は、第１測定部２０により測定された光の強度の時間変化に基づいて、第１ステージ３２５及び第２ステージ３４５の少なくとも一方が走査されているときのデフォーカス量を算出する。
【選択図】図２７

Description

本発明は、走査露光装置及びデバイス製造方法に関する。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体メモリや論理回路等の微細な半導体デバイスを製造する際に、投影露光装置が従来から使用されている。投影露光装置は、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影して回路パターンを転写する。近年では、半導体デバイスの微細化への要求に伴い、投影露光装置は露光波長の半分以下の大きさのパターンを露光するようになっており、更なる解像度の向上（即ち、高解像化）が望まれている。

露光装置の高解像化は、一般的には、露光光の短波長化、及び、投影光学系の開口数（ＮＡ）を大きくすること（投影光学系の高ＮＡ化）で実現される。ただし、露光光の短波長化、及び、投影光学系の高ＮＡ化だけで露光装置の高解像化が達成できるわけではなく、露光装置そのものの性能も向上しなければならない。例えば、近年の投影光学系においては、収差が著しく改善されている。また、照明光学系において、従来では無偏光照明であったが、近年では偏光照明を実現している。ここで、偏光照明とは、レチクルのパターンに応じて照明光の偏光状態を制御する照明方式である。

露光装置は、高性能化を維持するために、様々な光学特性を測定する測定器と、かかる測定器の測定結果に基づいて光学特性を補正する補正部とを有する。例えば、露光装置上において、投影光学系の収差を測定し補正することができる露光装置が提案されている。投影光学系の収差の他に測定可能な光学特性として、投影光学系のＮＡ、照明光の偏光状態、像面湾曲、露光量、露光量の均一性、照明光の分布、投影光学系のジョーンズ（Ｊｏｎｅｓ）行列などがある。

露光装置は、ステップ・アンド・リピート方式の露光装置（ステッパー）とステップ・アンド・スキャン方式の露光装置（スキャナー）の２種類に大別される。スキャナーは、ステッパーよりも高ＮＡ化に適しており、近年の高解像化を支える露光装置である。

スキャナーは、レチクルとウエハとをスキャン（走査）することによって、レチクルのパターンをウエハ上に転写する。スキャン中のレチクル面とウエハ面のフォーカス調整が正しくされていないと結像位置がベストフォーカスからずれるため、像がぼけて光学像が劣化する。即ち、スキャン中にデフォーカスが（スキャン像面）が発生する。近年、露光装置の高ＮＡ化に伴い焦点深度（ＤＯＦ）が小さくなっているためフォーカス管理がますます重要になってきている。

投影光学系のベストフォーカス位置を決定する方法として従来行われている方法は、ウエハ焼き込み方式と空間像解析法とである。これらの従来技術は、それぞれ特許文献１及び特許文献２に紹介されている。前者の方法は、レジストが塗布されたウエハ上にテストパターンを露光し、現像後にレジストのパターンを観察する方法である。後者の方法は、投影光学系の物面近傍にテストパターンの空間像を形成し、この空間像をナイフエッジやスリット開口により走査して空間像の強度変化を光電変換し、得られた信号を解析する方法である。
特開２００３−３１８０９０号公報 特開２００２−１４００５号公報

しかしながら、従来技術ではスキャン中のフォーカス位置ずれをリアルタイムで計測することは困難であった。ウエハ焼き込み方式で計測されたフォーカス位置はスキャン中に発生したフォーカス位置ずれが積算されたものであり、リアルタイムなフォーカス位置ではない。また空間像解析法では光学像データを得るために走査する必要があることからフォーカス位置ずれを積算した光学像が測定されると考えられ、同じくリアルタイムなフォーカス位置ではない。また、特許文献１や特許文献２においても、スキャン中の結像位置のずれを測定する方法を開示していない。換言すれば、特許文献１及び２は、スキャン露光が終了して積算された光強度分布、或いは、静止露光した光強度分布を測定している。

そこで、本発明は、レチクルを保持するステージ及び基板を保持するステージの少なくとも一方が走査されているときにデフォーカス量を高精度に測定する走査露光装置を提供することを目的とする。

本発明は、レチクルを保持する第１ステージと基板を保持する第２ステージとを同期して走査させながら投影光学系を介して前記レチクルのパターンを前記基板に投影して転写する走査露光装置であって、前記第１ステージに配置され測定パターンを有する測定用マスクと、前記第２ステージに配置される第１測定部と、制御部と、を備え、前記第１測定部は、開口部を有する遮光部材と、前記開口部を通過した光を受光する光電変換素子とを含み、前記第１ステージと前記第２ステージとの少なくとも一方を走査し、かつ前記測定パターンを斜入射照明したときに前記遮光部材上に形成される光強度分布のうち前記開口部を通過した光の強度を前記光電変換素子によって測定し、前記制御部は、前記第１測定部により測定された光の強度の時間変化に基づいて、前記第１ステージ及び前記第２ステージの少なくとも一方が走査されているときのデフォーカス量を算出する、ことを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、レチクルを保持するステージ及び基板を保持するステージの少なくとも一方が走査されているときにデフォーカス量を高精度に測定する走査露光装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

まず、本発明におけるデフォーカス量を測定するための原理を説明する。かかる測定方法で、走査露光装置（スキャナー）におけるレチクルステージ及び基板ステージの少なくとも一方が走査されているときの像面のデフォーカス量（スキャンデフォーカス量）を測定する。換言すれば、走査露光装置は、レチクルステージが保持するレチクルと基板ステージが保持する基板とのスキャン中における像面を測定する。レチクルステージはレチクルを保持する第１ステージを構成し、基板ステージは基板を保持する第２ステージを構成し、走査露光装置は２つのステージを同期して走査させながら、投影光学系を介してレチクルのパターンを基板に投影して転写する。

図１は、本発明に係る走査露光装置の測定方法を説明するための概略図である。デフォーカス量を測定するための測定装置１は、図１に示すように、測定用マスク１０と、第１測定部２０とを有する。ここで、走査露光装置の露光光の波長をλとし、投影光学系の像側の開口数をＮＡとする。また、照明光学系からレチクルに入射する光束がなす開口数と投影光学系の物体側の開口数との比をσとする。σの値は、照明光学系を構成する様々な部材によって変えることができる。一般的な露光装置においては、最大σは１よりも小さい。また、露光装置においては、投影光学系の像側の開口数ＮＡ及び露光光の波長λは様々な値をとるため、測定用マスク１０や測定部２０のパターンサイズ（周期等）を（λ／ＮＡ）で規格化するとよい。

測定用マスク１０は、フォーカス位置のずれを測定するためのマスクであり、走査露光装置の第１ステージであるレチクルステージに配置される。測定用マスク１０は、投影光学系３３０側に測定パターン１２を有する。測定パターン１２は、フォーカス位置のずれを測定するための特殊パターンであり、後で詳細に説明する。

第１測定部２０は、第２ステージである基板ステージに配置され、レチクルステージと基板ステージとの少なくとも一方を走査したときに、測定パターン１２で回折され投影光学系３３０を介して像面（基板面）に集光（結像）する光束を測定する。具体的には、第１測定部２０は、測定用マスク１０の測定パターン１２が形成する光強度分布の光強度を測定する。第１測定部２０の構成については、後で詳細に説明する。

本実施形態において、レチクルステージに配置された測定パターン１２を有する測定用マスク１０と、基板ステージに配置された測定部２０を同期走査させながら、測定パターン１２が形成する光強度分布の強度を第１測定部２０で測定する。次いで、制御部が第１測定部２０で測定した光強度分布の光強度を解析することでフォーカスの位置ずれを算出することができる。具体的には、光強度の時間変化に基づいて、走査中のデフォーカス量を算出する、もしくは光強度の時間変化に基づいて光強度分布の位置ずれを算出し、光強度分布の位置ずれ量とフォーカス位置の相関からデフォーカス量を算出する
測定用マスク１０及び第１測定部２０について詳細に説明する。測定用マスク１０の測定パターン１２は、例えば、ＷＯ０３／０２１３５２号公報や特許文献１に記載される特殊回折マーク（以下,ＹＡＭＡＴＯマーク）や、ラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）パターンであり、図２に示すような光強度分布を形成する。ただし、測定パターン１２のパターン形状は、Ｌ＆Ｓパターンに限定されるものではなく、ＩＳＯパターンやコンタクトホールパターン等の様様な形状が適用可能である。測定パターン１２の方向についてもレチクルステージと基板ステージとが同期して走査する方向に対して平行（Ｖ）、垂直（Ｈ）、（１／４）π、（３／４）π、（５／４）π、（７／４）π傾斜等様々なパターン配置方向で適用可能である。第１測定部２０についても、同様に、レチクルステージと基板ステージとが同期して走査する方向に対して平行（Ｖ）、垂直（Ｈ）、（１／４）π、（３／４）π、（５／４）π、（７／４）π傾斜等様々な配置方向で適用可能である。ここで、図２は、測定用マスク１０の測定パターン１２が形成する光強度分布の一例を示す図である。これらの測定パターン１２を斜入射照明したときに、デフォーカス量に応じて光強度分布は位置ずれを発生する。図４の（ｂ）に示したとおり、ベストフォーカスでは光強度分布は位置ずれを発生せず、図４の(ａ)、（ｃ）のようにデフォーカスがある場合にはそのデフォーカス量に対応した方向に位置ずれを発生させる。図４は一例として測定用マスク１０の測定パターン１２にＹＡＭＡＴＯマークを使用し、照明系による斜入射照明を用いて結像させた場合の光学像分布の位置ずれとそのときのデフォーカス量の関係を示す。
ＹＡＭＡＴＯマークは、図３に示すようなラインアンドスペースパターンである。ＹＡＭＡＴＯマークは、ラインのピッチが一定で、かつ光が透過するスペースそれぞれの幅が中心のライン又は中心のスペースから外側に向かって減少する周期パターンである。投影光学系３３０を介して結像したＹＡＭＡＴＯマークのパターン像の光強度分布は、ライン間が解像しない歪みの少ない一つの大きなパターンと見なし得るパターンである。(λ／ＮＡ)で規格化した周期Ｐを１未満にした場合、照射する照明光の入射角によっては±１次光が解像には寄与しなくなる。周期Ｐを０．５以下にした場合、照射する照明光の入射角に依らず±１次光は解像には寄与しなくなり、ＹＡＭＡＴＯマークの光強度分布はほぼ０次光のみで形成されると考えることが出来る。例えば、露光波長λが１９３ｎｍ、投影光学系の像側の開口数ＮＡが０.９３であるとき、周期Ｐを０．５（λ／０．９３）以下に設定するとＰ≦１０３.８ｎｍとなる。一次回折光での結像の場合、光学像分布はデフォーカスによって位置ずれが発生するのに加え、光学像自体がボケてしまうために計測が困難である。しかし、ＹＡＭＡＴＯマークは０次光のみであるため光学像のボケは小さく、位置ずれを計測することが出来る。ＹＡＭＡＴＯマークに対して図４で示すような斜入射結像を行った場合、光学像は図示したようにデフォーカス量に対応したシフトを発生させる。このときのデフォーカス量と光強度分布のずれ量（シフト量）の相関を模式的に示したのが図５である。また、このような関係を実現する照明条件の一例として図６のような有効光源形状が挙げられるが、これに限ったものではない。

図７は、第１測定部２０の概略断面図である。第１測定部２０は、図７に示すように、開口部２２を有する遮光部材としての遮光板ＳＢと、開口部２２を通過した光を受光する光強度センサ２４とを含む。光強度センサ２４は、測定パターン１２が遮光部材上に形成した光強度分布のうち開口部２２を通過した光の強度を測定する。開口部２２は、測定用マスク１０の測定パターン１２の形状と対応して、例えば、微小スリット又はピンホールとして形成される。第１測定部２０は、測定用マスク１０の静止時に測定パターン１２によって形成される光強度分布ＡＩの最大光強度に対して２分の１となる位置の近傍に開口部２２が位置するように配置される。光強度センサ２４は、例えば、ＣＣＤやフォトディテクタなどの光電変換素子で構成される。ここで、フォトディテクタとは、光子を電子に変換する光電子効果（光起電力効果、光伝導効果、光電子放射効果など）を利用して光エネルギーを検出する素子であり、ＣＣＤに比べて高速に反応する。また、フォトディテクタの反応速度は高速であることが好ましく、立ち上がり速度が０．１μｓ以下であることが好ましい。
測定用マスク１０と第１測定部２０とのスキャン中に測定パターンによって形成される光強度分布がずれない場合に第１測定部２０によって測定される光強度をＩとする。光強度分布全体が左にずれた場合、第１測定部２０によって測定される光強度はＩ−αとなる。測定パターン１２が形成する光強度分布の形状が予めわかっていれば、光強度分布のずれ量と第１測定部２０によって測定される光強度とを関連づけることが可能となる。図４に示したとおり、デフォーカス量と光強度分布のずれ量がわかっていれば、又はデフォーカス量と光強度との相関が予めわかっていれば、光強度を測定することでデフォーカス量を測定することができる。光強度分布全体が右にずれる場合には、第１測定部２０によって測定される光強度はＩ＋αとなり、左にずれた場合と同様にデフォーカス量を測定することができる。

測定用マスク１０と第１測定部２０とを同期して走査し始めてからの時間をｔとすると、第１測定部２０の出力は時間ｔの関数で表すことができる。ここでは、第１測定部２０の出力をＩ（ｔ）とする。第１測定部２０の出力Ｉ（ｔ）を解析することで、スキャン中のある時間における光強度分布の位置ずれを測定することが可能である。

このように、本実施形態に係る測定装置１及び測定方法では、測定用マスク１０（測定パターン１２）のある位置での光強度分布を時間の関数Ｉ（ｔ）として表すことができる。すなわち、従来技術で測定される光強度分布は、位置による光強度分布であり、本実施形態で測定される光強度分布は、ある位置における光強度分布の時間変化である。換言すれば、測定用マスク１０からみた第１測定部２０の相対位置が動くか動かないか、ということが従来技術と本発明との違いである。

以下、本発明に係る測定装置１及び測定方法の実施例１及至４を説明する。

［実施例１］
実施例１は、斜入射照明法を用い、測定用マスク１０の測定パターン１２として、ＹＡＭＡＴＯマークを用いる。測定用マスク１０の測定パターン１２は、幅ＷのＹＡＭＡＴＯマークで形成された周期ＰＰのくりかえしパターンであり、図８の（ａ）及び（ｂ）に示すように、周期ＰＰの光強度分布ＡＩ１を形成する。また、測定パターン１２が形成する光強度分布ＡＩ１に対して、微小スリットで形成される周期ＰＰの開口部２２を有する遮光板ＳＢを含み、開口部２２の下にはフォトディテクタで構成される光強度センサ２４が配置された測定部２０が複数備えられる。以下では、かかる２つの第１測定部２０を測定部２０Ａ、測定部２０Ｂと称する。図８の（ａ）は、測定用マスク１０の測定パターン１２が形成する光強度分布と測定部２０Ａの開口部２２Ａとの位置関係を示す図である。図８の（ｂ）は、測定用マスク１０の測定パターン１２が形成する光強度分布と測定部２０Ｂの開口部２２Ｂとの位置関係を示す図である。

測定部２０Ａは、図８の（ａ）に示すように、２つのステージの同期走査時に測定パターン１２が形成する光強度分布ＡＩ１において、光強度が最大値となる位置から右にＷ/４だけずれた位置に開口部２２Ａが位置するように配置される。測定部２０Ｂは、図８の（ｂ）に示すように、２つのステージの同期走査時に測定パターン１２が形成する光強度分布ＡＩ１において、光強度が最大値となる位置から左にＷ／４だけずれた位置に開口部２２Ｂが位置するように配置される。また、測定部２０Ａ及び測定部２０Ｂにおいて、開口部２２Ａ及び２２Ｂは、測定用マスク１０の測定パターン１２に平行であり、開口部２２Ａ及び２２Ｂの繰り返し方向と測定パターン１２の繰り返し方向は同じである。

実施例１では、測定パターン１２にＹＡＭＡＴＯマークを使用しており、その光強度分布は光強度が最大値となる位置からＷ/４ずれた位置で傾きが最大となる。従って、測定部２０Ａ及び測定部２０Ｂは、位置ずれに対する光強度の変化に敏感である。

ここで、光強度分布ＡＩ１のずれ量の絶対値がＷ／２以下である場合を考える。光強度分布ＡＩ１が右にずれたとき、測定部２０Ａで測定される光強度は増加し、測定部２０Ｂで測定される光強度は低下する。また、光強度分布ＡＩ１が左にずれたとき、測定部２０Ａで測定される光強度は低下し、測定部２０Ｂで測定される光強度は増加する。このような特性を解析することで、ＹＡＭＡＴＯマークの光学像の位置ずれを測定することが出来る。ＹＡＭＡＴＯマークはデフォーカス量に対してほぼ線形のシフト（光学像の位置ずれ）を発生する。そのため、光強度と光強度分布の位置ずれの相関及び、光強度分布の位置ずれとデフォーカス量の相関を予め明らかにしておけば光強度を解析することでデフォーカス量を測定することができる。

以下にＹＡＭＡＴＯマークの光学像の位置ずれ量Ｓについて詳細を述べる。ＹＡＭＡＴＯマークは０次光のみであるため、波面の法線方向に光束が伝播する。よってＹＡＭＡＴＯマークの光学像の位置ずれ量Ｓは投影光学系の収差量に依存しており、Ｚｅｒｎｉｋｅを用いると式１のようにあらわされる。

Ｓｊ ：光学像位置ずれ ［ｎｍ］
Ｚｅｒｉｊ ：ＹＡＭＡＴＯ Ｚｅｒｎｉｋｅ敏感度 ［ｎｍ/ｍλ］
Ｃｉ ：投影光学系の収差量
ｉ ：Ｚｅｒｎｉｋｅ項次数
ｊ ：斜入射結像のモード
デフォーカス量は、以下の式２のようにＺｅｒｎｉｋｅ項に変換することが出来る。

ｄＺｅｒ：Ｚｅｒｎｉｋｅに換算したレチクル(ウエハ)のデフォーカス量［ｍλ］
ｄｅｆＲ（Ｗ）：レチクル（ウエハ）のデフォーカス量［ｎｍ］
ｄＲ（Ｗ）：レチクル(ウエハ)側デフォーカス敏感度 ［ｎｍ/ｍλ］
よってＹＡＭＡＴＯマークの光学像の位置ずれ量Ｓは、式３のようになる。

スキャン時には投影光学系の収差は変化しないことから発生する光学像の位置ずれ、またはその影響で発生する光学像の強度変化はスキャン中のデフォーカスが変化したことによる。

スキャンデフォーカスによる光強度の変化を高精度に測定するためには、製造誤差によって生じる測定部２０Ａと測定部２０Ｂで計測される光量差及び位置のキャリブレーションが必要である。そこでまず測定部２０Ａと測定部２０Ｂで計測される光量のキャリブレーションについて説明する。測定用マスクと第１測定部２０の開口部２２とは原理的には同じサイズで作成されるべきであるが、実際にはいくらかの誤差が生じると考えられる。誤差が生じた場合、本来ならば同じ光強度が計測されるべき位置関係にあっても異なる光強度を計測してしまい、光強度を解析した際に誤差となってしまう。そこで測定部２０Ａ及び測定部２０Ｂの光量差をキャリブレーションするためには、静止露光中に、測定部２０Ａ及び測定部２０Ｂを少なくとも−ＰＰ／２からＰＰ／２の範囲で動かして位置と光強度との関係を取得しておけばよい。測定用マスク１０と第１測定部２０に製造誤差がない場合、測定部２０Ａ及び測定部２０Ｂで計測した光強度分布ＡＩの全光量は等しくなるはずである。また製造誤差があった場合、測定部２０Ａ及び測定部２０Ｂで計測した光強度分布ＡＩの全光量は異なり、その比は測定部２０Ａと測定部２０Ｂの光量比と考えられるため、計測される光強度に光量比を掛け合わせることで補正することが出来る。位置合わせのキャリブレーションは、上記光量比にて補正を加えた測定部２０Ａと測定部２０Ｂ光強度が等しくなるように位置合わせをすればよい。

以下、レチクルステージをスキャンさせ、基板ステージを固定させた場合に上記の１つの測定用マスク１０と２つの第１測定部２０を用いたときのデフォーカス量の測定について説明する。ここで計測されるデフォーカス量は基板ステージ基準のデフォーカス量である。

測定部２０Ａ乃至測定部２０Ｂは、微小スリットで形成される周期ＰＰの開口部２２Ａ乃至２２Ｂを有する遮光板ＳＢを含み、開口部２２Ａ乃至２２Ｂの下にはフォトディテクタで構成される光強度センサ２４が配置される。開口部２２Ａ乃至２２Ｂの幅は、共にＷ／４以下であることが好ましい。また、測定部２０Ａ及び２０Ｂにおいて、開口部２２Ａ及び２２Ｂは、測定用マスク１０Ａの測定パターン１２Ａに平行であり、開口部２２Ａ及び２２Ｂの繰り返し方向と測定パターン１２Ａの繰り返し方向は同じである。

測定部２０Ａは、図８の（a）に示すように、静止露光時に測定パターン１２が形成する光強度分布ＡＩ１において、光強度が最大値となる位置に対して右側、光強度が最大値の１/２となる位置Ｗ/４に開口部２２Ａが位置するように配置される。測定部２０Ｂは、図８の（ｂ）に示すように、静止露光時に測定パターン１２が形成する光強度分布ＡＩ１において、光強度が最大となる位置に対して左側、且つ、光強度が最大値の１/２となる位置−Ｗ/４に開口部２２Ｂが位置するように配置される。

ここで、測定部２０Ａ乃至測定部２０Ｂから得られる出力結果を考える。まず、測定部２０Ａで測定される光強度をＩ１（ｘ）とし、同様に、測定部２０Ｂで測定される光強度をＩ２（ｘ）とする。

例えば、光強度分布ＡＩ１が一定速度で右にずれていく場合を考える。横軸に光強度分布の位置ｘ、縦軸に測定される光強度Ｉ（ｘ）を採用すると、測定部２０Ａ乃測定部２０Ｂでは、図９に示すような光強度Ｉ１（ｘ）乃至Ｉ２（ｘ）が測定される。ここで、図９は、測定部２０Ａ乃至測定部２０Ｂで測定される光強度Ｉ１（ｘ）乃Ｉ２（ｘ）の一例を示すグラフである。

まず、測定部２０Ａで測定される光強度Ｉ１（ｘ）について考える。位置ｘが０のときに光強度Ｉ１（ｘ）は最大値の１／２となり、光学像分布位置ｘが右に進むにつれて光強度Ｉ１（ｘ）は増加し、Ｗ／４まで移動したときに光強度Ｉ１は最大値となる。その後光強度Ｉ１（ｘ）は減少していきＷ／２まで移動したときに光強度Ｉ１（ｘ）の最大値の１/２となる。反対に光学像分布位置ｘが左に進むにつれて光強度Ｉ１（ｘ）は減少し、―Ｗ／４まで移動したときに光強度Ｉ１は最小値となる。その後光強度Ｉ１（ｘ）は増加していきーＷ／２まで移動したときに光強度Ｉ１（ｘ）の最大値の１/２となる。

次に、測定部２０Ｂで測定される光強度Ｉ２（ｘ）について考える。位置ｘが０のときに光強度Ｉ２（ｘ）は最大値の１／２となり、光学像分布位置ｘが右に進むにつれて光強度Ｉ２（ｘ）は減少し、Ｗ／４まで移動したときに光強度Ｉ２（ｘ）は最小値となる。その後光強度Ｉ２（ｘ）は増大していきＷ／２まで移動したときに光強度Ｉ２（ｘ）の最大値の１/２となる。反対に光学像分布位置ｘが左に進むにつれて光強度Ｉ２（ｘ）は増加し、―Ｗ／４まで移動したときに光強度Ｉ２は最大値となる。その後光強度Ｉ２（ｘ）は減少していきーＷ／２まで移動したときに光強度Ｉ２（ｘ）の最大値の１/２となる。

ここでΔＩ（ｘ）について考える。ΔＩ（ｘ）は光強度Ｉ１(ｘ)と光強度Ｉ２（ｘ）を用いて以下のように定義する。
ΔＩ（ｘ）＝（Ｉ１（ｘ）−Ｉ２（ｘ））／（Ｉ１（ｘ）＋Ｉ２（ｘ））
ΔＩ（ｘ）は式からもわかるとおり、差分を計測光量の和で規格化しているため、計測光量の揺らぎなどには左右されない値となる。
位置ｘが０のときにΔＩ（ｘ）は０となり、光学像分布位置ｘが右に進むにつれてΔＩ（ｘ）は増加し、Ｗ／４まで移動したときにΔＩ（ｘ）は最大値となる。その後ΔＩ（ｘ）は減少していきＷ／２まで移動したときにΔＩ（ｘ）は０となる。反対に光学像分布位置ｘが左に進むにつれてΔＩ（ｘ）は減少し、―Ｗ／４まで移動したときにΔＩ（ｘ）は最小値となる。その後ΔＩ（ｘ）は増加していき-Ｗ／２まで移動したときに０となる。
図４を参照するに、ΔＩ（ｘ）が正の場合、光強度分布は右ずれを意味する。逆にΔＩ（ｘ）が負の場合、光強度分布は左ずれを意味する。

光強度Ｉ１（ｘ）及びＩ２（ｘ）は時間ごとに変化するパラメータであるため、上記のように計測される各パラメータはＩ１（ｘ、ｔ）、Ｉ２（ｘ，ｔ）、ΔＩ（ｘ、ｔ）と換言できる。本実施例ではレチクルステージをスキャンさせ、基板ステージを固定させておこなっているため、以下のように書くことが出来る。

すなわち、光学像の位置ずれは基板ステージに対するレチクルステージのスキャン像面によって発生しており、光強度分布の位置ずれ、もしくはそれに伴う光強度の変化量から基板ステージに対するレチクルステージのスキャン像面を算出することが出来る。上記一連の計測と同様にレチクルステージを固定し、基板ステージをスキャンさせて行うとレチクルステージに対する基板ステージのスキャン像面を算出することができる。

以下に、レチクルステージ及び基板ステージの両方をスキャンさせた場合のスキャン像面の計測について述べる。両方のステージをスキャンさせてスキャン像面を計測する場合場合、測定用マスク１０に含まれる測定パターン１２に対して少なくとも２種類以上の斜入射結像（例えば２種類以上の照明モード）で上記計測を実施する。その時の概略図を図１０に示す。異なる斜入射結像をさせることで形成される光強度分布ＡＩ３、ＡＩ４はそれぞれデフォーカス量によって発生する光学像の位置ずれ量が異なる。これらの相関を模式的に示したのが図１１である。

一つ目の斜入射結像時のＹＡＭＡＴＯマークの光学像のずれ量をＳ１、２つ目の斜入射結像時のＹＡＭＡＴＯマークの光学像のずれ量をＳ２とすると以下のように書ける。

ここでもともとの収差量ＣｉがわかっていればＳｃjを求めることが出来るため、ＳｊよりＳｄjを求めることが出来るので、レチクルステージと基板ステージを同時に駆動した際のスキャンデフォーカスを算出することが出来る。

走査露光装置においては、レチクルを照明する照明領域ＳＲは、図１２に示すように、長方形になっている。照明領域ＳＲの長手方向をｘ方向、短手方向をｙ方向とする。ここで、図１２は、走査露光装置において、レチクルを照明する照明領域ＳＲの一例を示す図である。
走査露光装置は、ｙ方向にレチクルと基板を連続的にスキャン（走査）してレチクルのパターンを基板に露光する。露光領域全面でスキャンデフォーカスを測定するためには、例えば図１３〜図１６に示すような配置に測定用マスク１０と第１測定部２０を配置すればよく、各画角のスキャンデフォーカスを一括して測定することが可能となる。図１３はＹＡＭＡＴＯマークをそれぞれ同じ像高とみなせる距離に配置したものである。図１４は測定部２０Ａと測定部２０Ｂを一組として、ｘ方向は照明領域ＳＲのｘ方向を複数箇所（図１４では７箇所）、ｙ方向にはスキャン領域と同じ、もしくはそれ以上の長さで配置した図である。図１５は２つの第１測定部２０Ａ，２０Ｂに付随した２つの開口部２２Ａ，２２Ｂを示した図である。これらの配置は一例で、ＹＡＭＡＴＯマークもしくはスリットが長い連続したパターンであっても、その他の形態でもかまわない。図１６に示したように測定用マスク１０に各第１測定部に対応した測定パターン１２をｘ、ｙ方向ともに複数配置すれば露光領域全面でのスキャンデフォーカスの変化量を一括で計測することが出来る。
図１４のようにサイズの大きな第１測定部２０を作成した際には、同一の第１測定部２０の中で平坦度を厳しく抑える、もしくは予め第１測定部２０の平坦度データを持って補正必要がある。なぜなら各第１測定部間において平坦度に差が発生した場合、本来計測したいデフォーカス量に第１測定部２０の平坦度が偽デフォーカス量として加わってしまい、スキャンデフォーカスを正しく計測することが出来ないからである。

第１測定部２０の平坦度を抑えられない場合でもスキャン方向のデフォーカスを正しく計測するためには図１７のように第１測定部２０のサイズを小さくし、全画角の計測を同じ部分で計測を行えば平坦度は変化しないため、平坦度誤差を除去することが出来る。図１８に図１７のような第１測定部２０を使用した際の露光領域全面のスキャンデフォーカスを測定する様子を示す。このときもマスク１０には各画角に対応した測定パターン１２Ｃを配置しておく。図１８中の△のマークが測定用マスク１０上の測定パターン１２である。（ａ）が走査開始位置で（ｃ）が計測像高を計測している図である。マスク中心から測定パターン１２Ｃまでの距離を‐ｌ×装置倍率とすると、測定パターン１２Ｃが照明領域ＳＲを通過する際に共役な位置となる第２ステージ位置は＋ｌとなる。そこで図１８の(ａ)のように第１測定部２０を駆動開始位置lに配置し走査を開始すると、（ｂ）のように共役でない像高の位置ずれは計測せず、（ｃ）のように測定パターン１２Ｃに共役な位置の光強度を計測することができる。そのため、目的の像高のスキャンデフォーカス量を計測することができる。このようにして各画角に対応した駆動開始位置のオフセットを使って複数回走査することで全画角のスキャンデフォーカス量を計測することが出来る。

本測定方法では光学像分布の位置ずれを計測しているため、デフォーカスによる光学像の位置ずれとレチクルステージと基板ステージの同期誤差も同時に計測されると予想される。そこで以下ではレチクルステージと基板ステージの同期誤差成分を分離する方法について検討する。

斜入射光を使用した際の光学像分布の位置ずれをＳｓｌ(ｘ)、デフォーカスによる光学像分布の位置ずれＳｄｅｆ（ｘ）、レチクルステージと基板ステージの同期誤差が発生したときの光学像分布の位置ずれをＳｄｉｓｔ(ｓ)とすると以下のような関係になる。
Ｓｓｌ(ｘ)＝Ｓｄｅｆ（ｘ）＋Ｓｄｉｓｔ(ｓ)
レチクルステージと基板ステージとを同期して走査するときに、デフォーカスに起因する光強度分布の位置ずれが発生しない測定条件で、光強度分布の位置ずれを測定する。例えば、測定用マスク１０の測定パターン１２に対して対称な照明光を使用した場合、デフォーカスに対してずれることなく、光強度分布を形成する。よって光強度分布の位置ずれを測定した場合、測定された位置ずれはＳｄｉｓｔ(ｘ)である。

斜入射光を使用した際の測定部２０Ａの光強度をＩ１ｓｌ、測定部２０Ｂの光強度をＩ２ｓｌ、対称な照明光を使用した際の測定部２０Ａの光強度をＩ１ｄｉｓｔ、測定部２０Ａの光強度をＩ２ｄｉｓｔとする。
ΔＩｓｌ＝(Ｉ１ｓｌ−Ｉ２ｓｌ)／(Ｉ１Ｓｌ＋Ｉ２ｓｌ)
ΔＩｄｉｓｔ＝(Ｉ１ｄｉｓｔ−Ｉ２ｄｉｓｔ)／(Ｉ１ｄｉｓｔ＋Ｉ２ｄｉｓｔ)
上記の値よりそれぞれの光強度分布の位置ずれがわかるので
Ｓｓｌ(ｘ)−Ｓｄｉｓｔ（ｘ）＝Ｓｄｅｆ(ｘ)
となり、デフォーカス成分とレチクルステージと基板ステージとの同期誤差に起因する成分とを分離することが出来る。

［実施例２］
ここまで測定パターン１２と第１測定部２０を２組使用場合の方法について述べてきた。次に、少なくとも一つのセンサを、光量をモニターする第２測定部として使用する場合について述べる。
光量モニター用とデフォーカス計測用に２つ以上の測定用マスク１０と測定部を用意する。デフォーカス計測用の測定用マスク１０Ｃ及び第１測定部２０Ｃは実施例１と同じ構成でよい。例えば、図８の（ａ）と同様に測定パターンとしてＷの幅のＹＡＭＡＴＯマークを周期ＰＰで配置する。第１測定部２０Ｃは測定用マスク１０Ｃと共役となる基板ステージ上に配置し、光強度が最大値の１／２となるところにＷ／４ほどの開口部２２Ｃを配置する。光量モニター用にははレチクルステージと基板ステージを走査した際に光量が変化しない測定用マスク１０Ｄと第２測定部２０Ｄを用意する。例えば図１９のように測定用マスク１０ＤにＩＳＯスペースマークを配置し、第２測定部２０Ｄには測定パターンが形成する光強度分布に対してデフォーカス等で光強度分布がずれた場合でも全光量が取れるだけの十分な大きさの開口部２２Ｄを用意する。第１の測定用マスクについてはキャリブレーションのところで行ったように、静止露光中に、第１測定部２０Ｃを少なくとも−Ｗ／２からＷ／２の範囲で動かして位置と光強度との関係を取得しておく(図２０（ａ）)。そのとき第２測定部２０Ｄでは第２の測定パターンからの光量を計測しているが、スリット方向に対して直交した方向に動かしているため、デフォーカスや位置ずれによっては光量が変化しない。第２測定部２０Ｄで光量の揺らぎを計測した場合、それは照明光量の揺らぎとなる(図２０（ｂ）)。第１測定部２０Ｃの光量計測結果を第２測定部２０Ｄの光量計測結果で規格化することで照明光の揺らぎを補正した、光強度分布の位置ずれと第１測定部２０Ｃの強度の相関を得ることが出来る（図２０（ｃ））。

この関係を利用し、第１測定部２０Ｃを測定対象の画角に配置し、第２測定部２０Ｄは同じタイミングで照明光量モニターを行えるように配置する。第１測定部２０Ｃからの測定結果を第２測定部２０Ｄの測定結果で規格化すれば、上述の手順にて第１測定部２０Ｃの強度より光強度分布の位置ずれ量に換算し、デフォーカス量を算出することが出来る。

［実施例３］
実施例３では、測定用マスク１０の測定パターン１２が形成する光強度分布ＡＩに対して、微小スリットで形成される開口部２２を有する遮光板ＳＢを含み、開口部２２の下には光強度センサ２４が配置された第１測定部２０を配置して使用する。
以下に２つの測定用マスク１０と３つの第１測定部２０を用いた場合のスキャンデフォーカス量の測定について説明する。以下では、２つの測定用マスク１０を測定用マスク１０E、測定用マスク１０Fと称し、３つの第１測定部２０を測定部２０E、測定部２０F、測定部２０Gと称する。
測定用マスク１０Eの測定パターン１２Eは、周期ＰＰのＹＡＭＡＴＯパターンの繰り返しであり、図２１（ａ）に示すように、周期ＰＰの正弦波状の光強度分布ＡＩ２を形成する。測定用マスク１０Fの測定パターン１２Ｆは、周期ＰＰのＹＡＭＡＴＯパターンであるが、図２１（ｂ）又は（ｃ）に示すように、周期ＰＰのうちＰＰ／２の領域で光強度がほぼゼロとなる光強度分布ＡＩ３を形成する。ここで、図２１（ａ）は、測定用マスク１０Eの測定パターン１２Ｅが形成する光強度分布ＡＩ２と測定部２０Eの開口部２２Ｆとの位置関係を示す図である。図２１（ｂ）は、測定用マスク１０Fの測定パターン１２Ｆが形成する光強度分布ＡＩ３と測定部２０Ｆの開口部２２Ｆとの位置関係を示す図である。図２１（ｃ）は、測定用マスク１０Ｆの測定パターン１２Ｆが形成する光強度分布ＡＩ３と測定部２０Ｇの開口部２２Ｇとの位置関係を示す図である。

測定部２０E乃至測定部２０Ｇは、微小スリットで形成される周期ＰＰの開口部２２Ｅ乃至２２Ｇを有する遮光板ＳＢを含み、開口部２２Ｅ乃至２２Ｇの下にはフォトディテクタで構成される光強度センサ２４が配置される。開口部２２Ｅ乃至２２Ｇの幅は、ＰＰ／４以下であることが好ましい。また、測定部２０Ｅにおいて、開口部２２Ｅは、測定用マスク１０Eの測定パターン１２Ｅに平行であり、開口部２２Ｅの繰り返し方向と測定パターン１２Ｅの繰り返し方向は同じである。同様に、測定部２０Ｆ及び２０Ｇにおいて、開口部２２Ｆ及び２２Ｇは、測定用マスク１０Ｆの測定パターン１２Ｆに平行であり、開口部２２Ｆ及び２２Ｇの繰り返し方向と測定パターン１２Ｆの繰り返し方向は同じである。
測定部２０Ｅは、図２１（ａ）に示すように、静止露光時に測定パターン１２Ｅが形成する光強度分布ＡＩ２において、光強度が最大値となる位置に開口部２２Ｅが位置するように配置される。測定部２０Ｆは、図２１（ｂ）に示すように、静止露光時に測定パターン１２Ｆが形成する光強度分布ＡＩ３において、光強度が最大値となる位置に対して左側、且つ、光強度がほぼ０となる位置に開口部２２Ｆが位置するように配置される。測定部２０Ｇは、図２１（ｃ）に示すように、静止露光時に測定パターン１２Ｆが形成する光強度分布ＡＩ３において、光強度が最大となる位置に対して右側、且つ、光強度がほぼ０となる位置に開口部２２Ｇが位置するように配置される。

ここで、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇから得られる出力結果を考える。まず、測定部２０Ｅで測定される光強度をＩ１（ｔ）とし、同様に、測定部２０Ｆ及び測定部２０Ｇで測定される光強度をＩ２（ｔ）及びＩ３（ｔ）とする。

例えば、光強度分布ＡＩ２及びＡＩ３が一定速度で０からＰＰまで右にずれていく場合を考え、光強度分布ＡＩ２及びＡＩ３が０からＰＰまでずれていくまでの時間をＴとする。横軸に時間ｔ、縦軸に測定される光強度Ｉ（ｔ）を採用すると、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇでは、図２２に示すような光強度Ｉ１（ｔ）乃至Ｉ３（ｔ）が測定される。ここで、図２２は、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇで測定される光強度Ｉ１（ｔ）乃至Ｉ３（ｔ）の一例を示すグラフである。

まず、測定部２０Ｅで測定される光強度Ｉ１（ｔ）について考える。時間ｔが０のときに光強度Ｉ１（ｔ）は最大値となり、時間ｔが進むにつれて光強度Ｉ１（ｔ）は減少していく。時間ｔがＴ／２のときに光強度Ｉ１（ｔ）は０となり、その後、時間ｔが進むにつれて光強度Ｉ１（ｔ）は増加していく。そして、時間ｔがＴのときに光強度Ｉ１（ｔ）は最大値となる。

次に、測定部２０Ｆで測定される光強度Ｉ２（ｔ）について考える。時間ｔがＴ／２以下であるとき、光強度Ｉ２（ｔ）は０である。時間ｔがＴ／２以上になると光強度Ｉ２（ｔ）は増加し、時間ｔがＴ×（３／４）のときに光強度Ｉ２（ｔ）は最大値となる。時間ｔがＴ×（３／４）以上になると光強度Ｉ２（ｔ）は減少していき、時間ｔがＴのときに光強度Ｉ２（ｔ）は０となる。

最後に、測定部２０Ｇで測定される光強度Ｉ３（ｔ）について考える。時間ｔがＴ／４以下であるとき、光強度Ｉ３（ｔ）は増加し、時間ｔがＴ／４のときに光強度Ｉ３（ｔ）は最大値となる。また、時間ｔがＴ／４以上になると光強度Ｉ３（ｔ）は減少し、時間がＴ／２以上のとき光強度Ｉ３（ｔ）は０になる。

なお、光強度分布ＡＩ２及びＡＩ３が一定速度で０からＰＰまで左にずれていく場合には、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇでは、図２３に示すような光強度Ｉ１（ｔ）乃至Ｉ３（ｔ）が測定される。ここで、図２３は、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇで測定される光強度Ｉ１（ｔ）乃至Ｉ３（ｔ）の一例を示すグラフである。

図２２及び図２３を参照するに、光強度Ｉ１（ｔ）を時間で微分した微分値ｄＩ１（ｔ）／ｄｔが負の場合、光強度Ｉ２（ｔ）の変化は光強度分布の左ずれを意味する。同様に、光強度Ｉ１（ｔ）を時間で微分した微分値ｄＩ１（ｔ）／ｄｔが正の場合、光強度Ｉ３（ｔ）の変化も光強度分布の左ずれを意味する。光強度Ｉ１（ｔ）を時間で微分した微分値ｄＩ１（ｔ）／ｄｔが負の場合、光強度Ｉ３（ｔ）の変化は光強度分布の右ずれを意味し、同様に、微分値ｄＩ１（ｔ）／ｄｔが正の場合、光強度Ｉ２（ｔ）の変化も光強度分布の右ずれを意味する。

このように、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇからの出力と時間変化を解析することによって、換言すれば、時間の関数として表現された光強度を時間で微分することによって、光強度分布の位置ずれ量を算出することができる。

光強度分布の位置ずれ量を算出することが出来れば、光強度分布の位置ずれ量とデフォーカス量との関係からスキャンデフォーカス量を算出することが出来る。

測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇを用いた位置合わせのキャリブレーションについては実施例１と同様のため、ここでは省略する。

露光装置の各画角でのスキャンデフォーカスを計測するためには実施例３においても実施例１と同様にすればよい。照明領域ＳＲのｘ方向を幾つかの領域に分割し（例えば、１１分割すればよい）、各領域に測定用マスク１０と第１測定部２０を配置すれば、各画角のスキャンデフォーカスを一括して測定することが可能となる。

各画角に対応して第１測定部２０（測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇ）を配置した例を図２４（ａ）に示す。図２４（ａ）に示すように、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇは、同じ画角になるように配置することが好ましい。なお、図２４（ａ）に示す第１測定部２０の配置例は一例であり、ｙ方向における測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇの配置は順不同で交換可能である。例えば、図２４（ｂ）に示すように、チェッカーボード状に測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇを配置してもよい。また、測定部２０Ｅ乃至測定部２０Ｇをまとめたユニットを測定ユニットとして構成してもよい。ここで、図２４は、各画角に対応して第１測定部２０を配置した例を示す図である。

［実施例４］
実施例１〜３と同様の計測方法で測定用マスク１０としてＰＳＧ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｇｒａｔｉｎｇ）を使用しても可能である。ＰＳＧについては特開２００２−５５４３５や、optical microlithography ＸＩＶ,SPIE ,vol4346,2001年等に詳細な説明がされている。

これらは２光束干渉を用いて波面の異なる２箇所のそれぞれ光束が通過する部分の位相差を計測することで光学特性を求める方式である。具体的に例を挙げると、図２５に示すマスク上のＬ＆Ｓマークのスペース部（透明部）は２つの異なる段差からなっていて、両者の位相差は９０度になるよう設計されている。通常の小σ照明条件にて前記Ｌ＆Ｓマークを照明すると、Ｌ＆Ｓマークからの回折光は通常のバイナリーマスクを用いたＬ＆Ｓマークの０次、±１次回折光による３光束干渉とは異なり、０次と＋又は−１次回折光による２光束干渉となる。ただしこの時、前記Ｌ＆Ｓマークのピッチは下記条件を満足している。その条件とは前記Ｌ＆Ｓマークの＋又は−１次回折光は投影する光学系のNA絞りを通過するが、それ以外の高次回折光は前記投影する光学系のNA絞りによってケラレ、結像に寄与しない。

次に前記投影レンズに波面収差があると、前記２光束干渉によって形成した像は前記２本の光束がそれぞれ通過した波面のそれぞれの部分の位相の影響を受けることになる。この時互いの光束の位相差があれば、その位相差分だけ前記像の位置がシフトする。従って前記像の位置シフトと波面の通過部分とを知ることで、デフォーカスを求めることができる。

上記計測法を用いた具体的な実施例を以下述べる。測定用マスク１０の測定パターン１２として図２５のようなＬ＆Ｓを使用し、小σ照明条件を照射する。Ｌ＆Ｓのピッチは走査露光装置の露光光の波長をλ、投影光学系の開口数をＮＡとすると、（λ／ＮＡ）で規格化した周期ＰＰの値は０．５未満とする。これに対して第１測定部２０の測定用開口２２のピッチはＰＰ／装置倍率とし、その開口サイズはＰＰ／４とする。これらを使用して実施例１〜３と同様にレチクルステージ及び基板ステージの少なくともどちらか一方をスキャンさせ、そのときの光学像の強度変化を計測する。その強度変化を実施例１〜３の方法で解析し、レチクルステージ及び基板ステージの少なくともどちらか一方、もしくは両方のスキャンデフォーカス量を算出する。

ＰＳＧ以外にも図２６に示す1本のラインパターン（遮光ライン）の左右の位相が０°と１８０°以外の異なる位相で形成されたマークを持つ位相シフトマスクがあり、通常９０°の位相差で形成されている。その位相シフトマスクは、PSFM（Phase Shift Focus Monitor）マスクと呼ばれている。PSFMマスクも位相シフトマスクPSGと同様フォーカスモニターとして市販で使用されている。PSFMも原理的には前記位相シフトマスクPSGと同様に収差に対し位置ズレが発生する。しかし、PSFMは、グレーチングによる２光束干渉とは異なり１本ライン（通常限界解像付近の線幅を使用）なため、投影レンズ瞳面全面に広がった回折光が波面全体の平均的な収差の影響を受け、像の位置ズレを生じるため、敏感度が低い。このマスクを使用しても上記と同様の方法でスキャンデフォーカス量を算出することができるが、詳細は省略する。

以下、本発明に係るデフォーカス量を測定することができる露光装置について説明する。図２７は、本発明に係る露光装置３００の一例を示す概略断面図である。露光装置３００は、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル３２０のパターンを基板３４０に露光する走査露光装置である。走査露光装置３００は、照明装置３１０と、レチクル３２０及び測定用マスク１０を支持するレチクルステージ３２５と、投影光学系３３０と、基板３４０及び第１測定部２０を支持する基板ステージ３４５と、制御部３５０とを有する。露光装置３００において、測定用マスク１０、第１測定部２０及び制御部３５０は、本発明に係る測定方法を実施するための測定装置１を構成する。

照明装置３１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル３２０及び測定用マスク１０を照明し、光源部３１２と、照明光学系３１４とを有する。

光源部３１２は、例えば、光源としてエキシマレーザーを使用する。エキシマレーザーは、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーなどを含む。但し、光源部３１２の光源はエキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約３６５ｎｍの水銀のｉ線などを使用してもよい。

照明光学系３１４は、レチクル３２０及び測定用マスク１０を照明する光学系であり、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、位相板、回折光学素子、絞り等を含む。照明光学系３１４は、レチクル３２０及び測定用マスク１０を所望の有効光源形状（即ち、ダイポール照明、四重極照明、輪帯照明）で照明する機能を有する。

レチクル３２０は、回路パターンを有し、レチクルステージ３２５に支持及び駆動される。レチクル３２０から発せられた回折光は、投影光学系３３０を介して、基板３４０に投影される。露光装置３００は、走査露光装置であるため、レチクル３２０と基板３４０を走査することによって、レチクル３２０のパターンを基板３４０に転写する。

レチクルステージ３２５は、レチクル３２０及び測定用マスク１０を保持し、図示しない移動機構に接続されている。図示しない移動機構は、リニアモーターなどで構成され、レチクルステージ３２５を駆動することでレチクル３２０及び測定用マスク１０を移動させることができる。

投影光学系３３０は、レチクル３２０のパターンを基板３４０に投影する光学系である。また、投影光学系３３０は、測定用マスク１０の測定パターン１２を第１測定部２０に投影する機能も有する。投影光学系３３０は、屈折系、反射屈折系又は反射系の光学系を使用することができる。

本実施形態では、基板３４０としてウエハを用いる。但し、ウエハの代わりにガラスプレート、その他の基板を用いることもできる。基板３４０には、フォトレジストが塗布されている。

基板ステージ３４５は、基板３４０及び測定部２０を保持し、例えば、リニアモーターを利用して基板３４０及び測定部２０を駆動する。

制御部３５０は、ＣＰＵ、メモリを有し、露光装置３００の動作を制御する。制御部３５０は、本実施形態では、第１測定部２０が測定した光強度分布の強度変化に基づいて、レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５とのスキャンデフォーカス量を算出する。更に、制御部３５０は、かかる算出結果に基づいて、レチクルステージ３２５及び基板ステージ３４５のZ駆動を補正する。これにより、レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５とのスキャンデフォーカスを低減することができる。また、レチクルステージ３２５及び基板ステージ３４５のどちらか一方を固定し、測定及びデフォーカス量を算出することが可能である。その場合、レチクルステージ３２５及び基板ステージ３４５のスキャンデフォーカス量をそれぞれ別々に算出及び補正することが可能である。

本発明に係る測定方法を実施するための測定装置１を構成する測定用マスク１０及び第１測定部２０は、上述した通りのいかなる形態をも適用可能であり、ここでの詳細な説明（構成及び測定動作）は省略する。

露光装置３００の動作において、まず、レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５とのスキャンデフォーカスを測定する。レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５とのスキャンデフォーカスは、上述したように、測定装置１を構成する測定用マスク１０及び第１測定部２０を用いて測定される。レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５とのスキャンデフォーカスが測定されると、かかる測定結果に基づいて、レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５との走査中のZ駆動が調整される。これにより、レチクル３２０と基板３４０とのスキャン中に発生するデフォーカスを低減することができる。

次いで、レチクル３２０のパターンを基板３４０に露光する。光源部３１２から発せられた光束は、照明光学系３１４によってレチクル３２０を照明する。レチクル３２０のパターンを反映する光は、投影光学系３３０によって基板３４０上に結像する。この際、レチクル３２０と基板３４０とをスキャンさせるが、上述したように、レチクルステージ３２５と基板ステージ３４５とのZ駆動が高精度に調整されているため、スキャンデフォーカスが低減される。従って、露光装置３００は、優れた露光性能を有し、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

上述の露光装置を用いて基板を露光する工程の後、露光された基板を現像する工程等を経て、半導体集積回路等の半導体デバイスや、マイクロマシン、薄膜磁気ヘッド等の微細なパターンが形成されたデバイスが製造されうる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

デフォーカス量を測定する測定装置の構成を示す概略図である。 測定パターンが形成する光強度分布の一例を示す図である。 測定パターンの一例を示す図である。 測定パターンを照射する照明状態とそのときの光強度分布の一例を示す図である。 図４に示す光強度分布のずれとデフォーカス量との相関を模式的に示す図である。 図４に示す照明状態の一例である。 第１測定部の構成を示す概略断面図である。 測定パターンが形成する光強度分布と第１測定部の開口部との位置関係を示す図である。 ２つの第１測定部で測定される光強度とそれを用いた解析結果の一例を示すグラフである。 測定パターンを照射する照明状態とそのときの光強度分布の一例を示す図である。 図１０で示したそれぞれの照明状態での光強度分布のずれとデフォーカス量の相関を模式的に示す図である。 レチクルを照明する照明領域の一例を示す図である。 露光領域内の各画角に対応して測定用マスクを配置した例を示す図である。 露光領域内の各画角に対応して第１測定部を配置した例を示す図である。 露光領域内の各画角に対応して開口部を配置した例を示す図である。 図１３〜１５に示す測定用マスク及び第１測定部を使用して測定する一例を示す図である。 ｘ方向の各画角に対応して第１測定部を配置した例を示す図である。 図１７に示す第１測定部を使用して計測する一例を示す図である。 光量モニター用の第２測定部の一例を示す図である。 光強度を光量のばらつきで補正したグラフである。 測定パターンが形成する光強度分布と第１測定部の開口部との位置関係を示す図である。 図２０に示す３つの第１測定部で測定される光強度の一例を示すグラフである。 図２０に示す３つの第１測定部で測定される光強度の一例を示すグラフである。 各画角に対応して第１測定部を配置した例を示す図である。 測定パターンの一例を示す図である。 測定パターンの一例を示す図である。 走査露光装置の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１：測定装置
１０：測定用マスク
１２：測定パターン
２０：測定部
２２：開口部
２４：光強度センサ
３００：露光装置
３１０：照明装置
３１２：光源部
３１４：照明光学系
３２０：レチクル
３２５：レチクルステージ
３３０：投影光学系
３４０：基板
３４５：基板ステージ
３５０：制御部
ＢＢ：光束
ＰＵ：瞳面

Claims (10)

1. レチクルを保持する第１ステージと基板を保持する第２ステージとを同期して走査させながら投影光学系を介して前記レチクルのパターンを前記基板に投影して転写する走査露光装置であって、
   前記第１ステージに配置され測定パターンを有する測定用マスクと、
   前記第２ステージに配置される第１測定部と、
   制御部と、
   を備え、
   前記第１測定部は、開口部を有する遮光部材と、前記開口部を通過した光を受光する光電変換素子とを含み、前記第１ステージと前記第２ステージとの少なくとも一方を走査し、かつ前記測定パターンを斜入射照明したときに前記遮光部材上に形成される光強度分布のうち前記開口部を通過した光の強度を前記光電変換素子によって測定し、
   前記制御部は、前記第１測定部により測定された光の強度の時間変化に基づいて、前記第１ステージ及び前記第２ステージの少なくとも一方が走査されているときのデフォーカス量を算出する、ことを特徴とする走査露光装置。
2. 前記測定パターンは、ラインアンドスペースパターンであって、ラインのピッチが一定で、かつ光が透過するスペースそれぞれの幅が中心のライン又は中心のスペースから外側に向かって減少する周期パターンを含み、前記走査露光装置の露光光の波長をλ、前記投影光学系の開口数をＮＡとするとき、前記周期を（λ／ＮＡ）で規格化した値は１未満であることを特徴とする請求項１記載の走査露光装置。
3. 前記第１測定部は、前記第１ステージと前記第２ステージとを同期して走査するときに前記開口部を通過した光の強度が前記光強度分布の最大光強度、最大光強度の２分の１又はゼロとなる位置に前記開口部が位置するように配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の走査露光装置。
4. 前記測定パターンと前記第１測定部との少なくとも一方は、前記第１ステージと前記第２ステージとが同期して走査する方向に対して平行な方向と垂直な方向との少なくとも一方の方向における１つ以上の像高に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査露光装置。
5. 前記制御部は、前記デフォーカス量に加えて前記レチクルと前記基板とのデフォーカスの方向を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の走査露光装置。
6. 前記走査露光装置は、前記第１測定部を複数備え、
   前記制御部は、前記複数の第１測定部により測定された複数の光強度の差分の時間変化に基づいて前記デフォーカス量及び前記デフォーカスの方向を算出することを特徴とする請求項５に記載の走査露光装置。
7. 前記制御部は、前記第１測定部により測定された光強度の時間変化の微分値に基づいて前記デフォーカス量及び前記デフォーカスの方向を算出することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の走査露光装置。
8. 前記走査露光装置は、前記第１ステージと前記第２ステージとの少なくとも一方を走査するときに前記測定パターンを通過した光の光量を測定する第２測定部をさらに備え、
   前記制御部は、前記第１測定部により測定された光強度を前記第２測定部により測定された光量のばらつきで補正し、当該補正された光強度に基づいて前記デフォーカス量を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の走査露光装置。
9. 前記制御部は、
   前記第１ステージと前記第２ステージとを同期して走査するときに、デフォーカスに起因する前記光強度分布の位置ずれが発生しない測定条件で前記第１測定部を用いて測定した、前記測定パターンが前記遮光部材上に形成する光強度分布のうち前記開口部を通過した光の強度の時間変化に基づいて、前記第１ステージと前記第２ステージとの同期走査時の位置ずれを算出し、
   前記算出された位置ずれに基づいて前記デフォーカス量を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の走査露光装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の走査露光装置を用いて基板を露光する工程と、
    前記工程で露光された基板を現像する工程と、
    を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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