JP2013077637A - 光学特性計測方法及び装置、パターン板、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検光学系の光学特性を計測する際に、被検光学系に含まれる誤差要因の影響を軽減する。
【解決手段】被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、レチクル基板の表面の遮光膜３２中に形成されるとともに、所定の中心３６から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅを含む計測用パターン３４のその被検光学系による像の強度分布を検出し、その検出された強度分布からその被検光学系の光学特性を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、投影光学系などの被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測技術、その被検光学系の光学特性を計測する際に使用できるパターン板、その光学特性計測技術を用いる露光技術、及びこの露光技術を用いるデバイス製造技術に関する。

例えば半導体素子又は液晶表示素子等のデバイス（電子デバイス又はマイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィー工程で使用されるステッパー又はスキャニングステッパー等の露光装置（投影露光装置）は、常に高い露光精度で露光を行うために、投影光学系の結像特性を所定の状態に維持する必要がある。そのため、従来より露光装置は、オン・ボディで投影光学系の結像特性を計測し、この計測結果に基づいて投影光学系の微調整を行っている。従来の計測方法としては、レチクルに設けた計測用パターンの投影光学系による像の強度分布を例えば像面の高さを変化させながら複数回検出し、この検出結果から位相回復法によって投影光学系の波面収差情報を推定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３０３３０２号公報

従来の計測方法では、投影光学系を含むレチクルと計測用パターンの像の検出面との間の光学系の倍率として想定している値と、実際の倍率との間に誤差がある場合を想定しておらず、計測用パターンの座標が正確であると仮定していた。このため、その光学系の倍率の想定値と実際の倍率との間に誤差があると、波面収差情報の計測精度が低下するおそれがあった。

本発明の態様は、このような事情に鑑み、被検光学系の光学特性を計測する際に、被検光学系に含まれる誤差要因の影響を軽減することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、被検光学系の光学特性を計測する方法において、所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンを含む計測用パターンのその被検光学系による像の強度分布を検出し、その検出された強度分布からその被検光学系の光学特性を求める光学特性計測方法が提供される。
また、第２の態様によれば、露光光でパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、第１の態様の光学特性計測方法を用いてその投影光学系の光学特性を計測する工程を有する露光方法が提供される。

また、第３の態様によれば、被検光学系の光学特性を計測する光学特性計測装置が提供される。この光学特性計測装置は、所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンを含む計測用パターンが形成されたパターン板と、そのパターン板に形成されたその計測用パターンのその被検光学系による像の強度分布を検出する撮像装置と、その検出された強度分布からその被検光学系の光学特性を求める演算装置と、を備えるものである。

また、第４の態様によれば、露光光でパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、第３の態様の光学特性計測装置を備え、その光学特性計測装置を用いてその投影光学系の光学特性を計測する露光装置が提供される。
また、第５の態様によれば、被検光学系の光学特性を計測するために使用されるパターンが形成されたパターン板であって、所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンを含む計測用パターンが形成されたパターン板が提供される。

また、第６の態様によれば、第２の態様による露光方法又は第４の態様による露光装置を用いて感光性基板を露光することと、その露光された感光性基板を処理することと、を含むデバイス製造方法が提供される。

本発明の第１の態様又は第３の態様によれば、所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンの像の位置関係は、被検光学系などの倍率誤差があっても変化しない。従って、その複数のスリット状のパターンの像の強度分布を検出することによって、その被検光学系の光学特性を計測する際に、その被検光学系に含まれる誤差要因の影響が軽減される。

第１の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す一部が切り欠かれた図である。 （Ａ）は図１中の計測用パターンを示す拡大図、（Ｂ）はその計測用パターンの像を示す拡大図である。 波面収差計測方法の一例を示すフローチャートである。 図３のステップＳ４の前半の動作の一例を示すフローチャートである。 図３のステップＳ４の後半の動作の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は変形例の計測用パターンを示す拡大図、（Ｂ）は撮像素子の撮像面が傾斜している状態を示す図である。 （Ａ）は第２の実施形態に係る計測用パターンを示す拡大図、（Ｂ）はその計測用パターンの像を示す拡大図、（Ｃ）はその計測用パターンの像が傾いている状態を示す拡大図である。 （Ａ）は第２の実施形態の変形例の計測用パターンを示す拡大図、（Ｂ）はその計測用パターンの像を示す拡大図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態につき図１〜図５を参照して説明する。図１は本実施形態に係る露光装置（投影露光装置）ＥＸの概略構成を示す。図１において、露光装置ＥＸは、露光用の照明光（露光光）ｉＬでレチクルＲ（マスク）（又はテストレチクルＴＲ、以下同様）のパターンを照明する照明光学系１０、レチクルＲを移動可能に支持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲのパターンの像をウエハＷ（基板）の表面（又は像面）に投影する投影光学系ＰＬ、投影光学系ＰＬの結像特性としての波面収差情報を計測する波面収差計測装置８、投影光学系ＰＬの全体を移動可能に支持する移動機構２４、及び投影光学系ＰＬ内の所定の光学エレメントの位置や姿勢を調整して投影光学系ＰＬの波面収差を調整する調整機構２６を備えている。ウエハＷは、例えば半導体よりなる円板状の基材の表面にフォトレジスト（感光材料）を塗布したものを含む。

また、露光装置ＥＸは、ウエハＷを移動可能に支持するウエハステージＷＳＴ、ウエハステージＷＳＴに設けられた空間像計測系１２、空間像計測系１２から出力される撮像信号を処理して投影光学系ＰＬの波面収差情報を求めるコンピュータよりなる演算装置２８、装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御系２０、及び他の駆動系等を備えている。なお、演算装置２８は、主制御系２０を構成するコンピュータのソフトウェア上の機能であってもよい。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに沿ってＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に平行な方向にＸ軸、図１の紙面に垂直な方向にＹ軸を取って説明する。

まず、照明光ＩＬとしては、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が使用されているが、その外にＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、又は固体レーザ（ＹＡＧレーザ若しくは半導体レーザ等）の高調波等も使用できる。照明光学系１０は、例えば米国特許出願公開第２００３／０２５８９０号明細書などに開示されるように、空間光変調器等を含む光量分布設定機構、オプティカルインテグレータ、及び可変視野絞り等を備え、被照明体のその可変視野絞りで規定される照明領域に、主制御系２０に指定された照明条件（通常照明、複数極照明、輪帯照明、小σ照明等）で照明光ＩＬを照射する。

レチクルステージＲＳＴは、レチクルＲ等を保持してレチクルベース（不図示）のＸＹ面に平行な上面を移動する。不図示のレーザ干渉計で計測されるレチクルステージＲＳＴの位置情報及び主制御系２０の制御情報に基づいて、第１制御系２２ＲがレチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。投影光学系ＰＬは屈折系又は反射屈折系等からなり、投影倍率は例えば縮小倍率（例えば１／４，１／５等）である。なお、例えば露光対象が表示素子用のガラスプレートにフォトレジストを塗布したものである場合には、投影光学系ＰＬとして複数の部分投影光学系をＸ方向に一列又は複数列に配列した光学系を使用することもできる。移動機構２４は投影光学系ＰＬのＺ方向の位置を調整する。移動機構２４及び調整機構２６は主制御系２０によって制御される。

ウエハステージＷＳＴは、ウエハＷを保持してベース部材（不図示）のＸＹ面に平行な上面を移動する。不図示のレーザ干渉計及び／又はエンコーダ装置で計測されるウエハステージＷＳＴの位置情報及び主制御系２０の制御情報に基づいて、第２制御系２２ＷがウエハステージＷＳＴの位置及び速度を制御する。ウエハステージＷＳＴにはウエハＷ及び空間像計測系１２のＺ方向の位置を制御するＺステージ機構（不図示）も設けられている。

空間像計測系１２は、ウエハＷの表面と同じ高さの表面を持つガラス基板１４と、ガラス基板１４の表面に投影される計測用パターン等の像を再結像する結像光学系１６と、その像が再結像される位置に撮像面（空間像計測系１２の検出面）が配置された、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ型等の２次元の撮像素子１８とを有する。一例として、結像光学系１６の倍率は拡大倍率（例えば数倍〜数１０倍程度）である。撮像素子１８から出力される撮像信号が演算装置２８に供給される。なお、結像光学系１６を省略して撮像素子１８の撮像面（検出面）を投影光学系ＰＬの像面に直接配置してもよい。さらに、空間像計測系１２の代わりに、計測用パターン等の像をスリットで相対走査してその像の強度分布を求めるセンサも使用できる。

主制御系２０の記憶装置には、露光動作制御用のプログラム及び投影光学系ＰＬの波面収差情報計測時の制御用プログラムが記憶されており、演算装置２８の記憶装置には、投影光学系ＰＬの波面収差情報計測用のプログラムが記憶されている。
露光装置ＥＸが、例えばスキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査露光型の投影露光装置である場合のウエハＷの露光時の動作につき説明する。この場合、ウエハステージＷＳＴを介してウエハＷを走査開始位置まで移動する動作（ステップ移動）と、レチクルＲのパターンの投影光学系ＰＬによる像でウエハＷの一つのショット領域の一部を露光しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを駆動してレチクルＲ及びウエハＷをＹ方向に同期して移動する動作（走査露光）とを繰り返すことで、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの各ショット領域にレチクルＲのパターンの像が露光される。

また、露光装置ＥＸが例えばステッパーよりなる一括露光型の投影露光装置である場合、ウエハＷを露光するときには、ウエハＷのステップ移動と、レチクルＲのパターンの投影光学系ＰＬによる像でウエハＷの一つのショット領域を露光する動作とを繰り返すことで、ウエハＷの各ショット領域にレチクルＲのパターンの像が露光される。

次に、本実施形態において、投影光学系ＰＬの波面収差情報を計測する際に使用する計測用パターンについて説明する。その波面収差情報の計測時には、一例として、図１に示すように、レチクルステージＲＳＴにレチクルＲの代わりに計測用パターン３４が形成されたテストレチクルＴＲ（パターン板）がロードされる。テストレチクルＴＲは、ガラス基板３０の表面（下面）のパターン領域内の金属膜等の遮光膜３２中の複数の位置に、開口パターンよりなる計測用パターン３４を形成したものである。この場合、テストレチクルＴＲ、空間像計測系１２、ウエハステージＷＳＴ（Ｚステージ機構）、移動機構２４、及び演算装置２８を含んで波面収差計測装置８が構成される。

なお、計測用パターン３４は、回路パターンを露光するためのレチクルＲ（実露光用のレチクル）のパターン領域内の一部に形成しておき、露光工程の間にそのレチクルＲを用いて投影光学系ＰＬの波面収差情報を計測してもよい。さらに、レチクルステージＲＳＴの一部に計測用パターン３４が形成された基準部材を設けておき、テストレチクルＴＲの代わりにその基準部材を使用してもよい。
そして、ウエハステージＷＳＴを駆動することによって、複数の計測用パターン３４のうち計測対象の計測用パターン３４の投影光学系ＰＬによる像が形成される領域（計測ポイント）に空間像計測系１２のガラス基板１４の表面が移動し、撮像素子１８の撮像面（検出面）に計測用パターン３４の像が再結像される。撮像素子１８の撮像信号は演算装置２８に供給される。

図２（Ａ）は図１中の計測用パターン３４を示す拡大図、図２（Ｂ）は計測用パターン３４の投影光学系ＰＬによる像３４Ｐを示す拡大図である。なお、より正確には、図２（Ｂ）は計測用パターン３４の投影光学系ＰＬ及び結像光学系１６を合わせた合成光学系による像であり、合成光学系の倍率に応じて、像３４Ｐは計測用パターン３４より大きくなることがある。

図２（Ａ）において、計測用パターン３４は、遮光膜３２中の中心３６の回りに等角度間隔で複数（図２（Ａ）では５本）の一定の幅を持つ細長い開口パターン（孤立線パターン）よりなるスリットパターン３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ，３８Ｅを配置したものである。本実施形態では、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅは互いに同一形状であり、スリットパターン３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ，３８Ｅの中心線（長手方向に沿って両側のエッジ部から等距離の位置を通る直線）３８Ａｃ，３８Ｂｃ，３８Ｃｃ，３８Ｄｃ，３８Ｅｃは中心３６で交差している。

このとき、図２（Ｂ）に示すように、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅの像３８ＡＰ，３８ＢＰ，３８ＣＰ，３８ＤＰ，３８ＥＰの中心線（不図示）も中心３６に対応する点３６Ｐで交差する。そして、上述の合成光学系の実際の倍率と想定した倍率（倍率の設計値）との間に誤差があると、実際のスリットパターンの像３８ＡＰ〜３８ＥＰの位置は、点線で示す想定した像３８Ａ１，３８Ｂ１，３８Ｃ１，３８Ｄ１，３８Ｅ１の位置から点３６Ｐの半径方向にずれることになる。しかしながら、このように実際の像３８ＡＰ〜３８ＥＰが想定した像３８Ａ１〜３８Ｅ１から半径方向にずれても、像３８ＡＰ〜３８ＥＰの相対角度は変化しないため、その合成光学系の倍率の誤差に影響されることなく、像３８ＡＰ〜３８ＥＰの強度分布を用いて投影光学系ＰＬの波面収差情報を高精度に計測できる。

本実施形態では、計測用パターン３４の像３４Ｐ（スリットパターンの像３８ＡＰ〜３８ＥＰ）は、全体として撮像素子１８の矩形の撮像面（検出面）に収まる大きさであり、１回の撮像によって得られる撮像信号に像３４Ｐの全部の光強度分布情報が含まれている。また、計測用パターン３４の５個のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅは等角度間隔で配置されているため、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅ（及びこれらの像３８ＡＰ〜３８ＥＰ）の方向は７２°（＝３６０°／５）ずつ異なっている。したがって、演算装置２８は、撮像素子１８から供給される撮像信号を処理して、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅの像ごとの強度分布情報を求め、これらの強度分布情報から投影光学系ＰＬの透過波面（投影光学系ＰＬの瞳面を透過する光の波面形状）を７２°間隔で異なる５個の方向に関して求める。さらに、演算装置２８は、それらの透過波面をツェルニケ(Zernike) 多項式にフィッティングさせて、投影光学系ＰＬの波面収差を、ツェルニケ多項式の例えば２次〜３７次までの係数（ツェルニケ係数）Ｚｉ（ｉ＝１〜３７）として求める。なお、２次〜３７次までのツェルニケ多項式は、例えば特開２００６−３０３３０２号公報に記載されている。

本実施形態のように７２°間隔で方向の異なる５種類のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅを用いた場合は、波面収差の５θ成分まで求めることができる。なお、算出可能な収差成分は、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅ（計測用パターン３４）の方向数及び方向の角度によって決まるので、その方向数及び方向の角度は、計測対象とすべき収差成分に応じて決定すればよい。

次に、本実施形態の露光装置ＥＸにおいて、投影光学系ＰＬの波面収差情報（ここでは透過波面）を波面収差計測装置８を用いてオン・ボディで計測する動作の一例につき図３〜図５のフローチャートを参照して説明する。この計測動作は主制御系２０によって制御される。この場合、各方向のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅを通過した照明光ＩＬの透過波面の計測手順は、計測方向が異なるのみで、その他は同じである。そこで、以下では、ある一つのスリットパターン（例えば３８Ａ）の像を用いる一方向の透過波面の計測手順のみを説明する。

図３は、一方向の透過波面の計測動作を示すフローチャートである。この計測の準備工程として、テストレチクルＴＲの計測対象の計測用パターン３４と空間像計測系１２の検出面（撮像面）とは、投影光学系ＰＬ及び結像光学系１６に関して光学的に共役となる位置関係に設定される。以下、各ステップを順に説明する。

（ステップＳ１）
照明光学系ＩＬＳからの照明光ＩＬでテストレチクルＴＲの計測用パターン３４を照明し、計測用パターン３４の投影光学系ＰＬによる像を空間像計測系１２の撮像素子１８で撮像し、撮像信号を演算装置２８に供給する。演算装置２８は、その撮像信号から計測用パターン３４のスリットパターン（ここでは３８Ａ）の像の強度分布のデータ（以下、実測データという。）を求め、この実測データを内部の記憶装置に記憶する。

（ステップＳ２）
投影光学系ＰＬの波面収差条件を、所定量だけ変更する。そのため、計測用パターン３４の像のデフォーカス量Δと、テストレチクルＴＲのパターン面と投影光学系ＰＬの上端の光学部材の表面との間隔Ｄ（以下、レチクル間隔Ｄという。）との組み合わせを変更する。このうち、デフォーカス量Δは、計測用パターン３４の像のベストフォーカス位置と空間像計測系１２の検出面とのＺ方向のずれ量であり、これがある量だけ変化すると波面収差のフォーカス成分がそれに対応する量だけ変化する。また、レチクル間隔Ｄがある量だけ変化すると波面収差の回転対称成分がそれに対応する量だけ変化する。デフォーカス量Δ及びレチクル間隔Ｄをある量だけ変化させるには、それぞれ移動機構２４及びウエハステージＷＳＴのＺステージ機構を対応する量だけ駆動すればよい。

（ステップＳ３）
必要な全ての実測データが取得済みか否かを判定し、取得済みでない場合はステップＳ１に戻り、取得済みであった場合にはステップＳ４に進む。
ここで、必要な全ての実測データとは、予め決められた全ての波面収差条件下で取得された全ての実測データのことを指す。その波面収差条件の数が多いほど、実測データの取得数が増えるので、透過波面の計測精度を高めることができる。ここでは、説明を簡単にするため、波面収差条件を以下の４条件に限定する。

（Ａ１）第１条件…Δ＝０、かつＤ＝０（計測開始時の条件：デフォーカス無し、間隔ずれ無し）。
（Ａ２）第２条件…Δ＝Δ１（ある０以外の量）、かつＤ＝０（デフォーカス有り、間隔ずれ無し）。
（Ａ３）第３条件…Δ＝Δ１、かつＤ＝Ｄ１（ある０以外の量）（デフォーカス有り、間隔ずれ有り）。
（Ａ４）第４条件…Δ＝０、かつＤ＝Ｄ１（デフォーカス無し、間隔ずれ有り）。
また、第ｉ条件（ｉ＝１〜４）で取得される実測データを第ｉ実測データという。このとき、第１条件〜第４条件の各条件下でそれぞれ取得される第１実測データ〜第４実測データの全てが演算装置２８の記憶装置に格納されるまで、ステップＳ１，Ｓ２が繰り返される。

（ステップＳ４）
演算装置２８は、第ｉ実測データ（ｉ＝１〜４）に基づき位相回復演算を行う。位相回復演算は、大まかに分けて以下の６ステップからなる。
（Ｂ１）ステップＳ４１…所定条件下における所定面の光の複素振幅分布を仮定するステップ。

（Ｂ２）ステップＳ４２…第１実測データでそれを修正するステップ。
（Ｂ３）ステップＳ４３…第２実測データでそれを修正するステップ。
（Ｂ４）ステップＳ４４…第３実測データでそれを修正するステップ。
（Ｂ５）ステップＳ４５…第４実測データでそれを修正するステップ。
（Ｂ６）ステップＳ４６…ステップＳ４２〜Ｓ４５からなるループの繰り返し回数を制御するステップ。

（ステップＳ５）
演算装置２８は、ステップＳ４における位相回復演算の結果から、投影光学系ＰＬの透過波面を算出する。なお、ここで算出されるのは、特定方向の透過波面である。その方向は、ステップＳ１で用いられた計測用パターンの方向に対応する。
以下、ステップＳ４を詳細に説明する。

図４、図５は、ステップＳ４の詳細を示すフローチャートである。以下、各ステップを順に説明する。
先ず、第１条件下（Δ＝０，Ｄ＝０）の検出面上の計測用パターン３４の像の複素振幅分布を任意に仮定する（ステップＳ４１）。
次に、その複素振幅分布の位相はそのままに、強度については、第１条件下（Δ＝０，Ｄ＝０）で取得した第１実測データに置換する。つまり、第１実測データによって複素振幅分布を修正する（ステップＳ４２１）。

その複素振幅分布をフーリエ変換し、投影光学系ＰＬの瞳面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４２２）。
さらに、その複素振幅分布の位相項を調整し、第２条件下（Δ＝Δ１，Ｄ＝０）の検出面とフーリエ変換の関係にある面の複素振幅分布に変換する（ステップＳ４２３）。
そして、その複素振幅分布を逆フーリエ変換し、第２条件下（Δ＝Δ１，Ｄ＝０）の検出面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４２４）。

その複素振幅分布の位相はそのままに、強度については、第２条件下（Δ＝Δ１，Ｄ＝０）で取得した第２実測データに置換する。つまり、第２実測データによって複素振幅分布を修正する（ステップＳ４３１）。
また、その複素振幅分布をフーリエ変換し、投影光学系ＰＬの瞳面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４３２）。

その複素振幅分布の位相項を調整し、第３条件下（Δ＝Δ１，Ｄ＝Ｄ１）の検出面とフーリエ変換の関係にある面の複素振幅分布に変換する（ステップＳ４３３）。
その複素振幅分布を逆フーリエ変換し、第３条件下（Δ＝Δ１，Ｄ＝Ｄ１）の検出面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４３４）。
そして、その複素振幅分布の位相はそのままに、強度については、第３条件下（Δ＝Δ１，Ｄ＝Ｄ１）で取得した第３実測データに置換する。つまり、第３実測データによって複素振幅分布を修正する（ステップＳ４４１）。

その複素振幅分布をフーリエ変換し、投影光学系ＰＬの瞳面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４４２）。
その複素振幅分布の位相項を調整し、第４条件下（Δ＝０，Ｄ＝Ｄ１）の検出面とフーリエ変換の関係にある面の複素振幅分布に変換する（ステップＳ４４３）。
さらに、その複素振幅分布を逆フーリエ変換し、第４条件下（Δ＝０，Ｄ＝Ｄ１）の検出面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４４４）。

次に、その複素振幅分布の位相はそのままに、強度については、第４条件下（Δ＝０，Ｄ＝Ｄ１）で取得した第４実測データに置換する。つまり、第４実測データによって複素振幅分布を修正する（ステップＳ４５１）。
その複素振幅分布をフーリエ変換し、投影光学系ＰＬの瞳面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４５２）。

さらに、その複素振幅分布の位相項を調整し、第１条件下（Δ＝０，Ｄ＝０）の検出面とフーリエ変換の関係にある面の複素振幅分布に変換する（ステップＳ４５３）。
その複素振幅分布を逆フーリエ変換し、第１条件下（Δ＝０，Ｄ＝０）の検出面上の複素振幅分布を算出する（ステップＳ４５４）。
そして、以上のステップＳ４２〜Ｓ４５からなるループの繰り返し回数が所定値未満である場合（ステップＳ４６で否となるとき）にはステップＳ４２へ戻り、そのループを繰り返す。一方、それが所定値以上である場合（ステップＳ４６で肯定となるとき）には、ステップＳ５へ進む。

このループが繰り返される毎に、複素振幅分布の位相項が真値に近づく。したがって、そのループが十分な回数だけ繰り返されれば、後段のステップＳ５では、その位相項から特定方向（例えばスリットパターン３８Ａに関する方向）の透過波面を高精度に求めることができる。同様に他のスリットパターン３８Ｂ〜３８Ｅに関する方向に関しても透過波面を高精度に求めることができ、これらの透過波面を合成することによって、例えば２次〜３７次のツェルニケ係数で表される投影光学系ＰＬの波面収差情報を求めることができる。この後、例えば求められた投影光学系ＰＬの波面収差が許容範囲を超えているときには、その波面収差が許容範囲内になるように主制御系２０は調整機構２６を介して投影光学系ＰＬの波面収差を補正する。これによって、その後の露光工程では、ウエハＷにレチクルＲのパターンの像を高精度に露光できる。

また、本実施形態では、波面収差条件を変化させながら計測用パターン３４（スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅ）の像の強度分布データを複数回取得し、かつそれらのデータを用いて位相回復演算を行う。従って、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅが単純な形状であるにも関わらず、多くの波面収差情報（少なくとも複数の方向の透過波面の情報）を取得することができる。つまり、多くの波面収差情報を比較的短時間で取得できる。

また、本実施形態では、波面収差条件を変化させる際に、フォーカス成分（デフォーカス量Δ）だけでなく回転対称成分（レチクル間隔Ｄ）をも変化させるので、フォーカス成分しか変化させない場合と比較すると、計測誤差を小さく抑えることができる。また、本実施形態では、レチクル間隔Ｄを変化させて回転対称成分を変化させているため、その回転対称成分を確実かつ高精度に変化させることができる。
なお、波面収差条件を変化させるために、例えばフォーカス成分（デフォーカス量Δ）だけを変化させてもよい。このとき計測誤差を小さくするためには、フォーカス成分を例えば３段階以上にわたって変化させて、それぞれ計測用パターン３４の像の実測データを取得してもよい。

次に、本実施形態では、計測用パターン３４として中心３６から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅを用いている。この効果につき詳細に説明する。
まず、投影光学系ＰＬ及び空間像計測系１２の結像光学系１６よりなる合成光学系の実際の倍率と想定された倍率（倍率の目標値）との間の誤差をα、空間像計測系１２の検出面の座標原点の並進誤差を表すベクトルを〈δｘ〉とする。また、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅの検出面上の像（以下、スリット像という。）の真の座標を表すベクトルを〈ｘ〉、倍率誤差及び座標原点の並進誤差入りの座標を表すベクトルを〈ｘ’〉とすると、これらの座標間には次の関係がある。
〈ｘ’〉＝（１＋α）〈ｘ〉＋〈δｘ〉 …（１）

この誤差入りの座標で見た全部のスリット像を含む強度分布Ｉ’（〈ｘ’〉）と真の座標でみた強度分布Ｉ（〈ｘ〉）との関係は、次のようになる。

また、ウエハステージＷＳＴのＺ座標がｚ_i（ｉ＝０，１等）のとき、ｋ番目のスリット像のＹ軸に対する傾斜角をθ_k（ｋ＝０，１，…）、このスリット像を含む強度分布をＩ_i（〈ｘ〉）とする。このとき、そのスリット像の中心座標のベクトルを〈ｘ_k〉、スリット像の中心線の法線ベクトルを〈ｎ_k〉（図２（Ｂ）参照）、スリット像からの距離をｗとすると、スリット像からの距離がｗの位置における一次元強度分布ｇ_ik（ｗ）は次のようになる。
ｇ_ik（ｗ）＝ Ｉ_i（〈ｘ_k〉＋ｗ〈ｎ_k〉） …（３）

このため、倍率誤差及び座標原点の並進誤差がある場合の一次元強度分布ｇ’_ik（ｗ）は、次のようになる。さらに、式（４）を倍率誤差・並進誤差なしの一次元強度分布で表すと式（５）になる。

一次元強度分布ｇ_ik（ｗ）から位相回復計算をして求めた波面をＷ（ρcos θ_k、ρsin θ_k）（ρは、−ＮＡ≦ρ≦ＮＡの範囲の離散的な値、ＮＡは投影光学系ＰＬの開口数）とすると、ｇ’_ik（ｗ）から求めた波面Ｗ’（ρcos θ_k，ρsin θ_k）は次のようになる。
Ｗ’（ρcos θ_k，ρsin θ_k）＝Ｗ（（１＋α）ρcos θ_k，（１＋α）ρsin θ_k）＋δＷ（ρcos θ_k，ρsin θ_k） …（６）
式（６）の右辺第一項は、求めたい波面（瞳座標で倍率のみが変更されている波面）で、波面誤差となる右辺第二項は次のようになる。
δＷ（ρcos θ_k，ρsin θ_k）＝−（α〈ｘ_k〉＋〈δｘ〉）・〈ｎ_k〉ρ …（７）

このように、座標誤差がある場合、式（７）のような波面誤差が発生してしまう。ティルト成分は像の平行移動に対応するため通常は他の手段で計測され、波面計測ではティルト成分を除く成分を計測対象とする。よって、式（７）が、ティルト成分のみであれば問題ないが、式（７）は、一般にティルト以外の成分を含む。
本実施形態では、スリットパターン３８Ａ〜３８Ｅの中心線３８Ａｃ〜３８Ｅｃは一点（中心３６）で交わっている。このとき、図２（Ｂ）のスリット像の中心線（不図示）も中心の像３６Ｐで交わっている。そして、像３６Ｐの座標を表すベクトルを〈ｘ_c〉、ｋ番目のスリット像の中心の座標を表すベクトルを〈ｘ_k〉とすると、次の関係が成立する。
〈ｘ_k〉＝〈ｘ_c〉＋Ｌ_k〈ｄ_k〉 …（８）

ただし、Ｌ_kは実数、ベクトル〈ｄ_k〉は、ｋ番目のスリット像の長手方向に平行な単位ベクトルであり、次のようにベクトル〈ｎ_k〉とベクトル〈ｄ_k〉とは直交している。
〈ｎ_k〉・〈ｄ_k〉＝０ …（９）
このとき、〈ｘ_c〉＝（ｘ_c，ｙ_c）、〈δｘ〉＝（δｘ，δｙ）とすると、式（７）の波面誤差は次のようにティルト成分だけであることが分かる。
δＷ（ρcos θ_k，ρsin θ_k）＝−（α〈ｘ_c〉＋〈δｘ〉）・〈ｎ_k〉ρ
＝−ρcos θ_k（αｘ_c＋δｘ）−ρsin θ_k（αｙ_c＋δｙ） …（１０）

このようなティルト成分は像の平行移動に対応し、例えば空間像計測系１２で計測されるスリット像の位置からも求めることができる。従って、投影光学系ＰＬ及び／又は結像光学系１６の倍率誤差があっても、これに影響されることなく投影光学系ＰＬの波面収差情報を高精度に計測できる。
なお、図２（Ａ）では、計測用パターン３４は５本のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅを有するが、計測用パターン３４が有するスリットパターンは２本以上の任意の数でよい。計測用パターン３４がＮ本（Ｎは２以上の整数）のスリットパターンを有するとき、ｋ番目（ｋ＝０，１，…,Ｎ−１）のスリットパターンのＹ軸に対する角度θ_kは、１番目（ｋ＝０）のスリットパターンのＹ軸に対する角度を任意の角度θ₀として、次のようになる。
θ_k＝θ₀＋２π・ｋ／Ｎ（ｒａｄ） …（１１）

また、Ｎ本のスリットパターンの中心の像の座標を表すベクトル〈ｘ_c〉、及びｋ番目のスリット像の中心線の法線ベクトル〈ｎ_k〉（＝cos θ_k，sin θ_k）を用いて、ｋ番目のスリット像の中心線上の座標を表すベクトル〈ｘ〉は次の式に従う。
（〈ｘ〉−〈ｘ_c〉）・〈ｎ_k〉＝０ …（１２）

上述のように本実施形態の投影光学系ＰＬ（被検光学系）の結像特性（光学特性）としての波面収差情報の計測方法は、所定の位置にある中心３６から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリットパターン３８Ａ〜３８Ｅを含む計測用パターン３４の投影光学系ＰＬによる像の強度分布を検出し（ステップＳ１）、その検出された強度分布から投影光学系ＰＬの波面収差情報（透過波面）を求めている（ステップＳ４，Ｓ５）。
また、本実施形態の投影光学系ＰＬの波面収差情報を計測する波面収差計測装置８は、その計測用パターン３４が形成されたテストレチクルＴＲ（パターン板）と、テストレチクルＴＲに形成された計測用パターン３４の投影光学系ＰＬによる像の強度分布を検出する空間像計測系１２（撮像装置）と、その検出された強度分布から投影光学系ＰＬの波面収差情報を求める演算装置２８と、を備えている。

本実施形態の計測方法、計測装置８、又はテストレチクルＴＲ（パターン板）を使えば、投影光学系ＰＬ及び／又は空間像計測系１２の結像光学系１６の倍率誤差の影響はティルト成分以外には現れない。ティルト成分は像の平行移動に対応するので、通常は他の波面成分と区別され、波面計測ではティルト成分を除く成分を計測対象としている。従って、倍率誤差は波面推定誤差を生じさせないため、その倍率誤差に影響されることなく投影光学系ＰＬの波面収差情報を高精度に計測できる。

なお、例えば計測対象の収差成分が低次のツェルニケ係数で表される収差であるような場合には、計測用パターン３４は少なくとも２本の互いに非平行なスリットパターンを有するだけでもよい。
また、投影光学系ＰＬの波面収差情報をより高精度に計測するためには、計測用パターン３４は少なくとも３本のスリットパターンを有することが好ましい。
さらに、波面収差情報をより高精度に計測するために、計測用パターン３４は３本以上の奇数本のスリットパターンを有することが好ましい。奇数本の場合には、等角度間隔で配置したときに、同じ方向になるスリットパターンがないため、計測用パターンの配置が容易で、かつ計測データの演算処理も容易である。これに対して、偶数本の場合には、等角度間隔で配置すると、同じ方向のスリットパターンが生じてしまうため、等角度間隔での配置が困難である。このため、偶数本のスリットパターンを有する場合には、これらを異なる角度間隔で非平行になるように配置すればよい。
また、本実施形態の波面収差情報の計測方法及び波面収差計測装置８は、干渉計やマイクロレンズアレイを用いて波面分割を行うような複雑な検出用の光学系を必要とせず、一般的なＣＣＤ等の撮像素子さえあれば利用できる。従って、計測装置を安価に構築でき、様々な装置に適用可能である。

また、本実施形態の露光方法によれば、ウエハＷにレチクルＲのパターンの像を露光する露光工程の間に、上述の計測方法で投影光学系ＰＬの波面収差情報を計測する計測工程を実施できる。また、露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬの波面収差情報を計測する波面収差計測装置８を備えている。
これらの露光方法又は露光装置ＥＸによれば、投影光学系ＰＬの波面収差情報を高精度に計測できるため、例えばその計測結果に応じて投影光学系ＰＬの波面収差を補正することによって、常に高精度にレチクルＲのパターンの像をウエハＷに露光できる。

なお、本実施形態では次のような変形が可能である。まず、テストレチクルＴＲ（又は実露光用のレチクル若しくはレチクルステージＲＳＴに設けた基準部材等）に形成される計測用パターンとして、図６（Ａ）に示すように、上記の実施形態の図２（Ａ）の計測用パターン３４並びにこの計測用パターン３４を０°とした場合、テストレチクルＴＲのパターン面内で、この計測用パターン３４を９０°、１８０°、及び２７０°回転した計測用パターン３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを使用してもよい。この計測用パターン３４，３４Ａ〜３４Ｃを用いて例えば上記の図３〜図５に示した位相回復法で投影光学系ＰＬの波面収差情報を求めることによって、空間像計測系１２の撮像素子１８のＸ方向及びＹ方向のアスペクト比に起因する縦横倍率誤差が３倍角（３θ）の成分となる。従って、その３θの成分からその縦横倍率誤差を求めることができる。

また、図６（Ｂ）に示すように、空間像計測系１２の撮像素子１８の撮像面１８ａの法線方向と空間像計測系１２の光軸ＡＸＳとの間に角度ずれαがある場合を想定する。このとき、図６（Ａ）の計測用パターン３４，３４Ａ〜３４Ｃを用いて例えば位相回復法で投影光学系ＰＬの波面収差情報を求めることによって、その角度ずれαに起因する誤差が４倍角（４θ）の成分となる。従って、その４θの成分からその角度ずれαを求めることができる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態につき図７（Ａ）〜図７（Ｃ）を参照して説明する。上記の実施形態では投影光学系ＰＬ及び／又は結像光学系１６の倍率誤差がある場合を想定していた。これに対して、計測用パターンが形成された部材（例えばテストレチクルＴＲ、レチクルＲ、又は基準部材等）側の座標と、その計測用パターンの像を撮像する撮像素子１８側の座標との間に傾き誤差がある場合にも、波面収差計測時に計測誤差が生じる恐れがある。そこで、本実施形態では、その２つの座標間に傾き誤差がある場合に、投影光学系ＰＬの波面収差情報を高精度に計測するか、または計測誤差が計測用パターンのスリットパターンの方向等に依らないようにすることを目的とする。

本実施形態でも、図１の波面収差計測装置８を備える露光装置ＥＸを使用するが、投影光学系ＰＬの波面収差情報の計測時に使用するテストレチクルＴＲ（又はレチクルＲ、基準部材等のパターン板）に形成される計測用パターンが異なっている。
図７（Ａ）は本実施形態のテストレチクルＴＲに形成される計測用パターン４０を示す拡大図、図７（Ｂ）は計測用パターン４０の投影光学系ＰＬによる像４０Ｐを示す拡大図である。なお、より正確には、図７（Ｂ）は計測用パターン４０の図１の投影光学系ＰＬ及び結像光学系１６を合わせた合成光学系による像である。

図７（Ａ）において、計測用パターン４０は、遮光膜３２中の中心４２の回りに等角度間隔で複数（図７（Ａ）では５本）の一定幅を持つ細長い開口パターン（孤立線パターン）よりなるスリットパターン４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４４Ｅを配置したものである。本実施形態では、スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅは互いに同一形状（同一の長さ）であり、スリットパターン４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４４Ｅの中心線（長手方向に沿って両側のエッジ部から等距離の位置を通る直線）４４Ａｃ，４４Ｂｃ，４４Ｃｃ，４４Ｄｃ，４４Ｅｃは中心４２で交差している。

さらに、本実施形態において、スリットパターン４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ，４４Ｅの長手方向及び幅方向の中心４４Ａａ，４４Ｂａ，４４Ｃａ，４４Ｄａ，４４Ｅａは、中心４２を中心とする共通の円周４６上に配置されている。この結果、図７（Ｂ）の計測用パターン４０の像４０Ｐを構成する５本のスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの像（スリット像）４４ＡＰ〜４４ＥＰの中心も、中心の像４２Ｐを中心とする共通の円周上にある。
本実施形態でも、空間像計測系１２を用いて計測用パターン４０の像の強度分布のデータを取得し、図３〜図５に示す位相回復法を使用して投影光学系ＰＬの波面収差情報（透過波面）を求める。

この際に、テストレチクルＴＲ側の座標と、図１の撮像素子１８側の座標との間に傾き誤差が存在すると場合、図７（Ｃ）に示すように、スリットパターンの像４４ＡＰ〜４４ＥＰの中心線が想定している中心線４８Ａ〜４８Ｅから外れ、スリット像の強度分布の座標に誤差が生じる。ここで、その傾き誤差をδθ、スリットの中心の像４２Ｐの座標を表すベクトルを〈ｘ_c〉として、傾き誤差がない場合の計測用パターン４０の像４０Ｐを含むベクトル〈ｘ〉で表される位置における強度分布をＩ（〈ｘ〉）とすると、傾き誤差δθがある場合の像の強度分布Ｉ’（〈ｘ〉）は、次のように書ける。

その傾き誤差による座標誤差によって、波面計測誤差が発生する。以下、これを詳述する。まず、ウエハステージＷＳＴのＺ座標がｚ_i（ｉ＝０，１等）のとき、ｋ番目のスリット像のＹ軸に対する傾斜角をθ_k（ｋ＝０，１，…）、そのスリット像の中心座標のベクトルを〈ｘ_k〉、そのスリット像の中心線の法線ベクトルを〈ｎ_k〉（図７（Ｂ）参照）、スリット像からの距離をｗ、そのスリット像の中心線に沿った方向の単位ベクトルを〈ｄ_k〉、その中心線に沿った方向の距離をｖとする。このとき、そのスリット像のうち、次式が所定の許容範囲で成立する範囲（例えば図７（Ｂ）の矩形領域）をスリット像周辺の計測領域５０ｋとする。
Ｉ_i（〈ｘ_k〉＋ｗ〈ｎ_k〉）＝Ｉ_i（〈ｘ_k〉＋ｖ〈ｄ_k〉＋ｗ〈ｎ_k〉） …（２３）

計測領域５０ｋは、像の強度分布Ｉ（〈ｘ〉）が距離ｖに依らない範囲である。その計測範囲５０ｋから、像の強度分布ｇ_ik（ｖ，ｗ）を次のように求める。
ｇ_ik（ｖ，ｗ）＝Ｉ_i（〈ｘ_k〉＋ｖ〈ｄ_k〉＋ｗ〈ｎ_k〉） …（２４）
実際にはノイズ光があり、距離ｖが一定の断面は一様ではないが、強度分布ｇ_ik（ｖ，ｗ）をｖ方向に積算することで、ノイズ光を抑えた上述の式（３）に対応する一次元強度分布ｇ_ik（ｗ）が求められる。

また、強度分布ｇ_ik（ｖ，ｗ）において傾き誤差δθがあるとした場合の強度分布ｇ’_ik（ｖ，ｗ）は、次のように書ける。
ｇ’_ik（ｖ，ｗ）＝ Ｉ_i（Ｒ（δθ）（〈ｘ_k〉＋ｖ〈ｄ_k〉＋ｗ〈ｎ_k〉−〈ｘ_c〉）＋〈ｘ_c〉） …（２５）
傾き誤差δθを微小と考え、式（２５）をδθに関して二次まで展開する。さらに、ｋ番目のスリット像の中心と中心の像４０Ｐとの間のベクトルを次のようにＬ_k〈ｄ_k〉とする（Ｌ_kは実数）。
〈ｘ_k〉−〈ｘ_c〉＝Ｌ_k〈ｄ_k〉 …（２６）

このとき、式（２５）の強度分布ｇ’_ik（ｖ，ｗ）は、傾き誤差のない場合のスリット像から距離ｗの位置における一次元強度分布ｇ_ik（ｗ）を用いて次のように書ける。

このように、傾き誤差δθがゼロでない場合、強度分布ｇ’_ik（ｖ，ｗ）は距離ｖに依存する。すなわち、強度分布ｇ’_ik（ｖ，ｗ）をｖ方向に積算すると、スリット像からの距離が異なる点の強度を平均化することになるので、正確な一次元強度分布が得られない。また、実数Ｌ_kに比例して原点がずれる。これらの誤差により波面推定精度が低下する。
さらに、実数Ｌ_kが角度に依って異なる場合や、平均化する長さがスリット像の角度によって異なる場合には、波面の推定精度が角度によってばらつくことになる。

これに対して本実施形態では、図７（Ａ）に示すように、計測用パターン４０を構成する複数のスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの中心４４Ａａ〜４４Ｅａは共通の円周４６上に存在し、かつスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの長さは互いに同一である。
そこで、図１の空間像計測系１２の撮像素子１８によって全部のスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの像を同時に撮像すると、像全体に傾き誤差があったとしても、個々のスリット像間の相対的な位置と角度の関係は影響を受けない。このため、スリット像からスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの傾きを推定すれば、像全体の傾きを補正することができ、上記のような傾きに起因する誤差を抑えられる。

また、傾き誤差δθを正確に補正できない場合に備え、各スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの中心４４Ａａ〜４４Ｅａが、共通の円周４６上に位置している、すなわち式（２７）中の実数Ｌ_kをスリットパターンの角度θ_kに依らずに一定としている。従って、図７（Ｃ）に示すように、スリットパターンの像４４ＡＰ〜４４ＥＰの中心線の傾き誤差δθがない場合の中心線４８Ａ〜４８Ｅからのずれ角が、全てのスリット像において同程度となるようにできる。各スリット像の中心線からのずれ角は、各スリット像から導出される瞳断面(瞳面の断面)の傾きと比例するので、距離Ｌ_kが一定であれば、各瞳断面の傾き誤差が同程度となる。

また、全てのスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの長さが同一であるため、各スリット像から一次元強度分布を抽出するときの平均化の長さも同一にでき、各スリット像から求められる波面の推定誤差を同程度にできる。
また、本実施形態では、スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの中心線４４Ａｃ〜４４Ｅｃは中心４２で交差しているため、第１の実施形態と同様に、投影光学系ＰＬ及び／又は結像光学系１６の倍率誤差があっても投影光学系ＰＬの波面収差情報を高精度に計測できる。

なお、本実施形態では、スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの中心線４４Ａｃ〜４４Ｅｃは必ずしも中心４２で交差する必要はない。
また、図７（Ａ）では計測用パターン４０は５本のスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅを有するが、計測用パターン４０は複数本のスリットパターンを有するだけでもよい。計測用パターン４０が等角度間隔で配置されたＮ本（Ｎは２、又は３以上の奇数）のスリットパターンを有する場合、ｋ番目（ｋ＝０，１，…，Ｎ−１）のスリットパターンのＹ軸に対する角度θ_kは任意の角度θ₀を用いて次のように表すことができる。
θ_k＝θ₀＋ｋ・Δθ（ｒａｄ） …（２９）
ただし、Δθは以下のとおりである。
Δθ＝２π／Ｎ …（３０）

また、使用する撮像素子１８の画素のピッチ及び配列によっては、画素と同じ方向に向いたスリット像の一次元強度分布の取得精度が十分な精度にならない場合がある。そのようなときは、スリット像の角度は画素配列と同じ角度を避ける必要がある。例えば、画素の配列が正方格子のとき、式（２９）中の角度θ₀は０°又は９０°を避け、例えば１°などにすることが好ましい。

また、角度θ_kのスリット像の中心線上のベクトル〈ｘ〉で表される位置は次式に従う。ただし、〈ｘ_k〉（＝（ｘ_k，ｙ_k））はスリット像の中心のベクトル、〈ｎ_k〉（＝（ｃｏｓθ_k，ｓｉｎθ_k））はそのスリット像の中心線の法線ベクトルである。
（〈ｘ〉−〈ｘ_k〉）・〈ｎ_k〉＝０ …（３１）

傾き誤差δθがある場合、テストレチクルＴＲ上で角度θ₀をもつスリット像の撮像素子１８の撮像面上での角度は（θ₀＋δθ）となる。この傾き誤差を、スリット像の傾きから推定する。例えば、ベストフォーカス位置にある最も鮮明な像の強度分布をＩ₀（ｘ，ｙ）とすると、テストレチクルＴＲ上で、法線の角度がθ_kであるスリットパターンの像の図７（Ｂ）に示す計測領域５０ｋの計測データを抽出し、次の関数Ｓ（ａ，ｂ）の最小化（重みつき最小二乗法）を行えば、スリットパターンの傾きが精度良く求められる。なお、Ｇ_kは計測領域５０ｋを意味する。

すなわち、これをａとｂの関数として停留条件を課すと、撮像素子１８上でのスリット像の傾きａが求められる。このため、次式によって傾き誤差δθが推定できる。
δθ＝π／２＋tan^-1ａ−θ_k …（３３）

全てのスリット像の情報を使うことで、傾き誤差の推定精度を高められる。例えば、各スリット像の周辺部の計測領域５０ｋと、次の式（３４）及び式（３５）で示すようにその強度分布Ｉ₀ ^(k)（ｘ，ｙ）に式（２２）の座標変換Ｒ（−π／２−ｋ・Δθ）を施し、全てのスリット像が同じ向きなるように置きなおす。ただし、〈ｘ〉の原点は撮像素子１８の画面中央、あるいは像強度分布の重心としておく。なお、次式において、Ｇ_k及びＧ’_kはそれぞれ座標変化前及び後の計測領域５０ｋである。

次に、これらのスリット像に共通の傾きａと共通でない切片ｂ_kをパラメータとする次の関数を最小化する。

これによって、共通の傾きａが求まるので、それを角度θ₀と比較すれば、傾き誤差δθが（δθ＝tan^-1ａ−θ₀）と求められる。これを用いて、各スリット像の法線ベクトル〈ｎ_k〉と、それに垂直な単位ベクトル〈ｄ_k〉（＝（sin θ_k，cosθ_k））を設定できる。ただし、次の関係を用いている。
θ_k＝θ₀＋δθ＋ｋ・Δθ …（３７）

また、図７（Ａ）のように、全てのスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの中心線４４Ａｃ〜４４Ｅｃが同一の中心４２を通る場合、中心の像の位置のベクトル〈ｘ_c〉は、切片ｂ_kから次のように計算できる。

ただし、〈ｅ_y〉はＹ軸方向の単位ベクトルである。スリット像の傾きと全スリット像の中心点から、各スリット像の中心点のベクトル〈ｘ_k〉は、次のように推定できる。
〈ｘ_k〉＝〈ｘ_c〉＋Ｌ〈ｄ_k〉 …（３９）
これより、〈ｘ_c〉の誤差は、波面全体のティルト成分にしか寄与しないことが分かる。

一方、傾きの推定誤差は、図７（Ｃ）のように、スリット像を、スリット中心線から時計回り（あるいは反時計回り）の同じ向きにずらすので、波面を計算したときに、高次の波面収差の誤差となり、低次の波面収差にはほとんど影響しない。
上述のように、本実施形態の計測方法又は計測装置を使えば、座標の傾き誤差を補正でき、傾き誤差の波面への影響を抑えることができる。また、傾き誤差補正が不完全な場合でも、傾き誤差の影響が各瞳断面に均等に現れるため、ツェルニケ多項式に展開した場合に高次の波面収差の誤差として表れ、低次の波面収差の精度を確保することができる。一般的な波面収差計測の用途では、高次収差より低次収差の精度が重要なので、この点は利点となる。

次に、本実施形態の変形例として、図８（Ａ）に示すように、中心線が同じ点（中心４２）で交差することなく配置されたスリットパターン４４Ａ〜４４Ｅを有する計測用パターン４０Ａを使用してもよい。この変形例では、スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの角度は３６０°を等角度間隔で分割した角度だけ異なっているが、スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの長さは互いに異なっていてもよい。

この変形例では、図１の撮像素子１８を用いて図８（Ｂ）に示すように、計測用パターン４０Ａの像４０ＡＰを撮像したときに、演算装置２８では、各スリットパターン４４Ａ〜４４Ｅの像４４ＡＰ〜４４ＥＰに関して、撮像面の例えば中央の点５４を中心とする同一の円周５２上の点５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ，５２ｅを含む所定幅の矩形領域５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄ，５６Ｅにおける強度分布のデータを使用する。点５２ａ〜５２ｅはそれぞれスリットパターンの像４４ＡＰ〜４４ＥＰの幅方向の中心に位置している。そして、演算装置２８では、取得した強度分布のデータを用いて位相回復法により投影光学系ＰＬの波面収差情報を求めることによって、座標の傾き誤差の影響を軽減できる。

なお、上記の実施形態では位相回復法により投影光学系ＰＬの波面収差情報を求めているが、計測用パターン３４，４０，４０Ａ等を用いて他の任意の方法で投影光学系ＰＬの結像特性を求めてもよい。

また、上記の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて半導体デバイス等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造する場合、この電子デバイスは、図９に示すように、デバイスの機能・性能設計を行うステップ２２１、この設計ステップに基づいたマスク（レチクル）を製作するステップ２２２、デバイスの基材である基板（ウエハ）を製造するステップ２２３、前述した実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法によりマスクのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、現像した基板の加熱（キュア）及びエッチング工程などを含む基板処理ステップ２２４、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、パッケージ工程などの加工プロセスを含む）２２５、並びに検査ステップ２２６等を経て製造される。

言い換えると、上記のデバイスの製造方法は、上記の実施形態の露光装置ＥＸ又は露光方法を用いて、マスクのパターンを介して基板（ウエハＷ）を露光する工程と、その露光された基板を処理する工程（即ち、基板のレジストを現像し、そのマスクのパターンに対応するマスク層をその基板の表面に形成する現像工程、及びそのマスク層を介してその基板の表面を加工（加熱及びエッチング等）する加工工程）と、を含んでいる。

このデバイス製造方法によれば、投影光学系ＰＬの波面収差等が高精度に補正可能であるため、電子デバイスを高精度に製造できる。
なお、本発明は、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている液浸型露光装置にも適用できる。

また、本発明は、半導体デバイスの製造プロセスへの適用に限定されることなく、例えば、液晶表示素子、プラズマディスプレイ等の製造プロセスや、撮像素子（ＣＭＯＳ型、ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems：微小電気機械システム)、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイス（電子デバイス）の製造プロセスにも広く適用できる。
また、上記の実施形態の波面収差情報の計測方法及び計測装置及び計測用パターンが形成された基板は、露光装置以外の光学装置で光学特性を計測する場合にも使用できる。
このように本発明は上述の実施形態に限定されず、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。

ＥＸ…露光装置、Ｒ…レチクル、ＴＲ…テストレチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、８…波面収差計測装置、１０…照明光学系、１２…空間像計測系、１８…撮像素子、２０…主制御系、２８…演算装置、３４…計測用パターン、３８Ａ〜３８Ｅ…スリットパターン

Claims (25)

1. 被検光学系の光学特性を計測する方法において、
   所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンを含む計測用パターンの前記被検光学系による像の強度分布を検出し、
   前記検出された強度分布から前記被検光学系の光学特性を求めることを特徴とする光学特性計測方法。
2. 前記スリット状のパターンは、少なくとも３つであることを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
3. 前記スリット状のパターンは奇数本であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学特性計測方法。
4. 前記複数のスリット状のパターンの長手方向の中心は前記所定の位置から互いに等しい距離にあることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
5. 前記計測用パターンの像の強度分布を検出するときに、所定の中心から互いに等しい距離にある前記複数のスリット状のパターンの像の長手方向の位置を含む部分の強度分布を検出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
6. 前記被検光学系の波面収差を既知の量ずつ変化させながら前記被検光学系による前記計測用パターンの像の強度分布を複数回検出し、
   前記検出された複数の強度分布を用いて位相回復演算を行って、前記被検光学系の前記光学特性としての波面収差情報を得ることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
7. 前記計測用パターンは、前記複数のスリット状のパターンをそれぞれ異なる角度で回転した複数組のスリット状のパターンを含み、
   前記検出された強度分布を用いて前記波面収差情報を得るときに前記被検光学系の前記光学特性としての波面収差情報を得ることを特徴とする請求項６に記載の光学特性計測方法。
8. 前記計測用パターンは、前記複数のスリット状のパターンをそれぞれ０°、９０°、１８０°、および２７０°回転した形状の４組のスリット状のパターンを含み、
   前記検出された強度分布を用いて前記波面収差情報を得るときに前記被検光学系の直交する２方向の倍率誤差情報をも求めることを特徴とする請求項７に記載の光学特性計測方法。
9. 前記検出された強度分布を用いて前記波面収差情報を得るとき、
   前記計測用パターンの像の強度分布を検出するために使用する撮像装置の撮像面の法線方向と前記被検光学系の光軸との傾斜角情報をも求めることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の光学特性計測方法。
10. 露光光でパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光方法において、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の光学特性計測方法を用いて前記投影光学系の光学特性を計測する工程を有することを特徴とする露光方法。
11. 被検光学系の光学特性を計測する装置において、
    所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンを含む計測用パターンが形成されたパターン板と、
    前記パターン板に形成された前記計測用パターンの前記被検光学系による像の強度分布を検出する撮像装置と、
    前記検出された強度分布から前記被検光学系の光学特性を求める演算装置と、
    を備えることを特徴とする光学特性計測装置。
12. 前記スリット状のパターンは、少なくとも３つであることを特徴とする請求項１１に記載の光学特性計測装置。
13. 前記スリット状のパターンは奇数本であることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の光学特性計測装置。
14. 前記複数のスリット状のパターンの長手方向の中心は前記所定の位置から互いに等しい距離にあることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
15. 前記被検光学系の波面収差を変化させる収差制御装置を備え、
    前記演算装置は、
    前記収差制御装置によって前記被検光学系の波面収差を既知の量ずつ変化させたときに前記撮像装置によって複数回検出される前記被検光学系による前記計測用パターンの像の強度分布を用いて位相回復演算を行って、前記被検光学系の前記光学特性としての波面収差情報を得ることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
16. 前記計測用パターンは、前記複数のスリット状のパターンをそれぞれ異なる角度に回転した形状の複数組のスリット状のパターンを含み、
    前記演算装置は、前記検出された強度分布を用いて前記波面収差情報を得るときに前記被検光学系の前記光学特性としての波面収差情報を得ることを特徴とする請求項１５に記載の光学特性計測装置。
17. 前記計測用パターンは、前記複数のスリット状のパターンをそれぞれ０°、９０°、１８０°、および２７０°回転した形状の４組のスリット状のパターンを含み、
    前記演算装置は、前記検出された強度分布を用いて、前記被検光学系の直交する２方向の倍率誤差情報をも求めることを特徴とする請求項１６に記載の光学特性計測装置。
18. 前記演算装置は、前記検出された強度分布を用いて、前記撮像装置の撮像面の法線方向と前記被検光学系の光軸との傾斜角情報をも求めることを特徴とする請求項１５から請求項１７のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
19. 露光光でパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、
    請求項１１から請求項１８のいずれか一項に記載の光学特性計測装置を備え、
    前記光学特性計測装置を用いて前記投影光学系の光学特性を計測することを特徴とする露光装置。
20. 被検光学系の光学特性を計測するために使用されるパターンが形成されたパターン板であって、
    所定の位置から延びる互いに異なる方向に沿ってそれぞれ配置された複数のスリット状のパターンを含む計測用パターンが形成されたことを特徴とするパターン板。
21. 前記スリット状のパターンは、少なくとも３つであることを特徴とする請求項２０に記載のパターン板。
22. 前記スリット状のパターンは奇数本であることを特徴とする請求項２０又は請求項２１に記載のパターン板。
23. 前記複数のスリット状のパターンの長手方向の中心は前記所定の位置から互いに等しい距離にあることを特徴とする請求項２０から請求項２２のいずれか一項に記載のパターン板。
24. 請求項１０に記載の露光方法を用いて感光性基板を露光することと、
    前記露光された感光性基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。
25. 請求項１９に記載の露光装置を用いて感光性基板を露光することと、
    前記露光された感光性基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。

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