JP2014036123A - 光学特性計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測機構を複雑化することなく、回折格子を用いて得られる干渉縞に基づいて、被検光学系の光学特性を効率的に計測する。
【解決手段】投影光学系ＰＯの光学特性を求める計測方法であって、露光装置の照明系で照明される計測用レチクル４のピンホールアレー６から射出される光を投影光学系ＰＯ及び回折格子１０Ｙに通過させて干渉縞２２Ｙを形成し、干渉縞２２Ｙの変調度の分布を求め、その変調度の分布に基づいて投影光学系ＰＯの射出瞳と共役な瞳像の形状を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検光学系の光学特性を求める光学特性計測技術、こ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方法に関する。

半導体デバイス等を製造するためのリソグラフィー工程で使用される露光装置においては、投影光学系の波面収差を高精度に計測する必要がある。従来の波面収差の計測装置として、投影光学系の物体面に一つ若しくは複数のピンホール等を配置し、このピンホール等から発生する球面波等を投影光学系及び所定の周期性を持つ回折格子に通し、この回折格子から発生する複数の回折光による横ずれした波面の干渉縞を撮像素子で受光するシアリング干渉方式の計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

従来のシアリング干渉方式の計測装置において、干渉縞の強度分布から元の波面を復元する際には、予め例えば投影光学系の像面側に配置される別の計測装置を用いて、投影光学系の瞳面（射出瞳と共役な面）又はその近傍の面にある開口絞りの開口の像の形状（瞳像の形状）を求めておくことが好ましい（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−１０８６９６号公報 特開２０１０−２５１４９５号公報

投影光学系の波面収差を計測する際に、予め瞳像の形状を求めるために投影光学系の像面側に別の計測装置を配置する場合、計測装置を交換する必要があるため、波面収差の計測効率が低下する恐れがあった。さらに、例えば露光装置の基板用のステージ又は計測用のステージに、波面収差の計測装置とともに瞳像の形状を計測するための計測装置を組み込む場合には、ステージが大型化及び複雑化する恐れがあった。

本発明の態様は、このような事情に鑑み、計測機構を複雑化することなく、回折格子を用いて得られる干渉縞に基づいて、被検光学系の光学特性を効率的に計測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求める計測方法であって、光源部からの光を被検光学系及び回折格子を通過させて干渉縞を形成し、その干渉縞の強度変化に関する情報を求め、その強度変化に関する情報に基づいてその被検光学系の射出瞳と共役な被計測領域の形状の情報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、その被検光学系としての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求める計測装置であって、その被検光学系の上流側又は下流側に配置された回折格子と、その被検光学系及びその回折格子を通過した光によって形成される干渉縞の強度分布を検出する検出器と、その検出器で検出された強度分布からその干渉縞の強度変化に関する情報を求め、その強度変化に関する情報に基づいてその被検光学系の射出瞳と共役な被計測領域の形状の情報を求める演算部と、を備える光学特性計測装置が提供される。

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、その投影光学系の光学特性を計測するために、第３の態様の光学特性計測装置を備える露光装置が提供される。
また、第５の態様によれば、第２の態様の露光方法又は第４の態様の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。

本発明の態様によれば、干渉縞の強度変化に関する情報に基づいて被検光学系に関する被計測領域の形状の情報を求めているため、計測機構を複雑化することなく、回折格子を用いて得られる干渉縞に基づいて、被検光学系の光学特性を効率的に計測できる。

実施形態に係る波面収差計測装置を備えた露光装置を示す図である。 （Ａ）は図１中の投影光学系ＰＯ及び計測本体部を示す図、（Ｂ）は図２（Ａ）のピンホールアレー６の一部を示す拡大図、（Ｃ）は別の計測用レチクルのパターンの一部を示す拡大図、（Ｄ）は図２（Ａ）の回折格子の一部を示す拡大図、（Ｅ）は干渉縞の一例を示す図である。 （Ａ）は別の回折格子の一部を示す拡大図、（Ｂ）は別の干渉縞を示す図、（Ｃ）は計測本体部の第１変形例を示す図である。 （Ａ）は被計測面上での干渉縞の検索範囲等を示す図、（Ｂ）は瞳像の形状を計測する第１の方法を示すフローチャートである。 （Ａ）はシア波面による干渉縞を示す図、（Ｂ）は平均化した干渉縞を示す図、（Ｃ）は干渉縞における変調度の一例を示す図、（Ｄ）は２値化した干渉縞を示す図、（Ｅ）は干渉縞の検索範囲を示す図、（Ｆ）は干渉縞形成領域の共通部分を示す図、（Ｇ）は干渉縞形成領域のエッジ位置を示す図である。 （Ａ）はＸシア波面による瞳像のエッジ位置を示す図、（Ｂ）はＹシア波面による瞳像のエッジ位置を示す図である。 瞳像の形状を計測する第２の方法を示すフローチャートである。 投影光学系の波面収差の計測動作の一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は計測本体部の第２変形例を示す図、（Ｂ）は計測本体部の第３変形例を示す図である。 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。

本発明の好ましい実施形態の一例につき図１〜図８を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る露光装置ＥＸの全体構成を概略的に示す。露光装置ＥＸは、一例として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。図１において、露光装置ＥＸは投影光学系ＰＯ（投影ユニットＰＵ）を備えており、以下においては、投影光学系ＰＯの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに直交する面（ほぼ水平面に平行な面）内でレチクルとウエハとが相対走査される方向（走査方向）に沿ってＹ軸を、Ｚ軸及びＹ軸に直交する方向（非走査方向）に沿ってＸ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθstx 、θsty 、及びθstz 方向として説明を行う。

露光装置ＥＸは、照明系ＩＬＳ、照明系ＩＬＳからの露光用の照明光（露光光）ＥＬにより照明されるレチクルＲ（マスク）を保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲから射出された照明光ＥＬをウエハＷ（基板）に投射する投影光学系ＰＯを含む投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持するウエハステージＷＳＴ、装置全体の動作を制御するコンピュータよりなる主制御系１６、及び投影光学系ＰＯの光学特性を計測する計測装置８０を備えている。

照明系ＩＬＳは、例えば米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されるように、光源と、照明光学系とを含み、照明光学系は、回折光学素子又は空間光変調器等を含み通常照明、複数極照明、又は輪帯照明等のための光量分布を形成する光量分布形成光学系、オプティカルインテグレータを含む照度均一化光学系、視野絞り（固定レチクルブラインド及び可動レチクルブラインド）、並びにコンデンサ光学系（いずれも不図示）等を有する。照明系ＩＬＳは、視野絞りで規定されたレチクルＲのパターン面（下面）のＸ方向に細長いスリット状の照明領域ＩＡＲを照明光ＥＬによりほぼ均一な照度で照明する。

照明光ＥＬとしては、一例としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）が用いられている。なお、照明光としては、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）、ＹＡＧレーザ若しくは固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波、又は水銀ランプの輝線（ｉ線等）なども使用できる。
レチクルＲはレチクルステージＲＳＴの上面に真空吸着等により保持され、レチクルＲのパターン面には、回路パターン及びアライメントマークが形成されている。レチクルステージＲＳＴは、例えばリニアモータ等を含むステージ駆動系（不図示）によって、ＸＹ平面内で微少駆動可能であると共に、走査方向（Ｙ方向）に指定された走査速度で駆動可能となっている。

レチクルステージＲＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθstz 方向の回転角を含む）は、レーザ干渉計よりなるレチクル干渉計７２によって、移動鏡７４（又は鏡面加工されたステージ端面）を介して例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計７２の計測値は、主制御系１６に送られる。主制御系１６は、その計測値に基づいて上記のステージ駆動系を制御することで、レチクルステージＲＳＴの位置及び速度を制御する。

図１において、レチクルステージＲＳＴの下方に配置された投影ユニットＰＵは、鏡筒６０と、鏡筒６０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系ＰＯとを含む。投影光学系ＰＯは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β（例えば１／４倍、１／５倍などの縮小倍率）を有する。投影光学系ＰＯの瞳面ＰＰ又はこの近傍の面に例えば可変の開口絞りＡＳが配置されている。開口絞りＡＳよりも下流の光学系による開口絞りＡＳのほぼ円形の開口ＡＳａの像が、投影光学系ＰＯの射出瞳と共役な像（以下、瞳像ともいう。）である。

照明系ＩＬＳからの照明光ＥＬによってレチクルＲの照明領域ＩＡＲが照明されると、レチクルＲを通過した照明光ＥＬにより、投影ユニットＰＵ（投影光学系ＰＯ）を介して照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲのパターンの像が、ウエハＷの一つのショット領域上の露光領域ＩＡ（照明領域ＩＡＲと共役な領域）に形成される。ウエハＷは、例えばシリコン等からなる直径が２００ｍｍから４５０ｍｍ程度の円板状の基材の表面に、フォトレジスト（感光剤）を所定の厚さ（例えば数１０〜２００ｎｍ程度）で塗布した基板を含む。

また、本実施形態では、投影光学系ＰＯの結像特性を補正するために、例えば米国特許出願公開第２００６／２４４９４０号明細書に開示されているように、投影光学系ＰＯ中の所定の複数の光学素子の光軸方向の位置、及び光軸に垂直な平面内の直交する２つの軸の回りの傾斜角を制御する結像特性補正装置２が設けられている。結像特性の補正量に応じて結像特性補正装置２を駆動することで、投影光学系ＰＯの結像特性が所望の状態に維持される。

また、露光装置ＥＸは、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系ＰＯを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子である先端レンズ６６を保持する鏡筒６０の下端部の周囲を取り囲むように、局所液浸装置の一部を構成するノズルユニット６２が設けられている。ノズルユニット６２は、露光用の液体Ｌｑ（例えば純水）を供給可能な供給口と、液体Ｌｑを回収可能な多孔部材（メッシュ）が配置された回収口とを有する。ノズルユニット６２の供給口は、供給流路及び供給管６４Ａを介して、液体Ｌｑを送出可能な液体供給装置（不図示）に接続されている。

液浸法によるウエハＷの露光時に、その液体供給装置から送出された液体Ｌｑは、図１の供給管６４Ａ及びノズルユニット６２の供給流路を流れた後、その供給口より照明光ＥＬの光路空間を含むウエハＷ上の液浸領域に供給される。また、液浸領域からノズルユニット６２の回収口を介して回収された液体Ｌｑは、回収流路及び回収管６４Ｂを介して液体回収装置（不図示）に回収される。なお、液浸タイプの露光装置としない場合には、上記の局所液浸装置は設けなくともよい。

また、ウエハステージＷＳＴは、不図示の複数のエアパッドを介して、ベース盤ＷＢのＸＹ面に平行な上面に非接触で支持されている。また、ウエハステージＷＳＴは、例えば平面モータ、又は直交する２組のリニアモータを含むステージ駆動系１７によってＸ方向及びＹ方向に駆動可能である。露光装置ＥＸは、ウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するためにレーザ干渉計よりなるウエハ干渉計７６及び／又はエンコーダシステム（不図示）を含む位置計測システムを備えている。

ウエハステージＷＳＴの移動面内の位置情報（Ｘ方向、Ｙ方向の位置、及びθstz 方向の回転角を含む）は、その位置計測システムによって例えば０．５〜０．１ｎｍ程度の分解能で常時検出され、その計測値は主制御系１６に送られる。主制御系１６は、その計測値に基づいてステージ駆動系１７を制御することで、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は、Ｘ方向、Ｙ方向に駆動されるステージ本体７０と、ステージ本体７０上に搭載されたウエハテーブルＷＴＢと、ステージ本体７０内に設けられて、ステージ本体７０に対するウエハテーブルＷＴＢ（ウエハＷ）のＺ方向の位置、及びθstx 方向、θsty 方向のチルト角を相対的に微小駆動するＺ・レベリング機構とを備えている。ウエハテーブルＷＴＢの中央の上部には、ウエハＷを真空吸着等によってほぼＸＹ平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ（不図示）が設けられている。

ウエハテーブルＷＴＢの上面には、ウエハホルダ上に載置されるウエハの表面とほぼ同一面となる、液体Ｌｑに対して撥液化処理された表面（又は保護部材）を有し、かつ外形（輪郭）が矩形でその中央部にウエハホルダ（ウエハの載置領域）よりも一回り大きい円形の開口が形成された高平面度の平板状のプレート体６８が設けられている。
また、ウエハステージＷＳＴの上部に、上面がプレート体６８の表面とほぼ同じ高さになるように、投影光学系ＰＯの光学特性を計測するための計測本体部８（詳細後述）が装着されている。そして、投影光学系ＰＯの光学特性の計測時には、一例としてレチクルステージＲＳＴにレチクルＲの代わりに、計測用レチクル４がロードされる。計測装置８０は、照明系ＩＬＳ、計測用レチクル４、計測本体部８、計測本体部８の撮像素子１４Ｙ等（図２（Ａ）参照）から出力される撮像信号を処理して投影光学系ＰＯの光学特性を求める演算装置１２、及び計測本体部８の動作を制御する主制御系１６を有する。演算装置１２は求めた光学特性を主制御系１６に供給する。その光学特性が投影光学系ＰＯの波面収差である場合、主制御系１６は、必要に応じてその計測された波面収差を補正するように、結像特性補正装置２を介して投影光学系ＰＯの結像特性を補正する。

さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲ及びウエハＷのアライメントを行うためのアライメント系、及びウエハＷの表面のＺ位置（フォーカス位置）の分布を計測するオートフォーカスセンサを有する。オートフォーカスセンサの計測値に基づいて、ウエハステージＷＳＴのＺ・レベリング機構を駆動することで、露光中にウエハＷの表面を投影光学系ＰＯの像面に合焦される。

ウエハＷの露光時に、基本的な動作として、ウエハＷのアライメントが行われた後、ウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向への移動（ステップ移動）によって、ウエハＷの露光対象のショット領域が投影光学系ＰＯの露光領域の手前に移動する。そして、主制御系１２の制御のもとで、レチクルＲのパターンの一部の投影光学系ＰＯによる像でウエハＷの当該ショット領域を露光しつつ、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを同期して駆動することによって、投影光学系ＰＯに対してレチクルＲ及びウエハＷを例えば投影倍率を速度比としてＹ方向に走査することによって、当該ショット領域の全面にレチクルＲの転写用パターンの像が走査露光される。このようにステップ移動と走査露光とを繰り返すことによって、ステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの複数のショット領域に対して順次レチクルＲのパターンの像が露光される。

このような露光に際しては、投影光学系ＰＯの波面収差が所定の許容範囲内に収まっている必要がある。そのためには、まず投影光学系ＰＯの波面収差を高精度に計測する必要がある。この際に、投影光学系ＰＯの波面収差を例えばツェルニケ(Zernike) 多項式の係数（ツェルニケ係数）で表す場合、ツェルニケ多項式の規格化円の中心及び半径を正確に表現するために、投影光学系ＰＯの瞳像の形状を正確に計測する必要がある。さらに、波面収差の計測とは別に、例えば投影光学系ＰＯの開口数を計測するような場合にも、投影光学系ＰＯの瞳像の形状を計測する必要がある。本実施形態の露光装置ＥＸが備える計測装置８０は、投影光学系ＰＯの瞳像及び／又は波面収差を含む光学特性の計測を行うことができる。

以下、本実施形態の計測装置８０の構成、及び計測装置８０を用いる計測方法につき説明する。投影光学系ＰＯの瞳像及び／又は波面収差の計測時には、レチクルステージＲＳＴに計測用レチクル４がロードされる。計測用レチクル４のパターン面には、一例として複数の規則的に配列されたピンホールアレー６が形成されている。そして、投影光学系ＰＬの露光領域に計測本体部８の上部が移動し、照明系ＩＬＳから射出された照明光ＥＬがピンホールアレー６及び投影光学系ＰＯを介して計測本体部８に入射する。また、露光装置ＥＸが液浸型であるときには、投影光学系ＰＯの光学特性の計測時にも投影光学系ＰＯと計測本体部８との間に液体Ｌｑを供給してもよい。ただし、液体Ｌｑを供給することなく、投影光学系ＰＯの波面収差を計測してもよい。

一例として、本実施形態の計測本体部８は、Ｘ方向に横ずれした波面の干渉縞を受光するＸ軸の計測本体部８Ｘと、Ｙ方向に横ずれした波面の干渉縞を受光するＹ軸の計測本体部８Ｙとを有する。ただし、計測本体部８として、Ｘ方向に横ずれした波面の干渉縞と、Ｙ方向に横ずれした波面の干渉縞とを同時に受光する機構を使用してもよい。
図２（Ａ）は、投影光学系ＰＯの光学特性計測時の計測用レチクル４、投影光学系ＰＯ、及びＹ軸の計測本体部８Ｙの配列の一例を示す。図２（Ａ）において、計測本体部８Ｙは、ＸＹ平面にほぼ平行に配置されて、Ｙ方向に周期Ｐｇで格子パターンが形成された回折格子１０Ｙと、回折格子１０Ｙからの複数の回折光によるシアリング干渉の干渉縞を検出するＣＣＤ型又はＣＭＯＳ型等の２次元の撮像素子１４Ｙと、回折格子１０Ｙ及び撮像素子１４Ｙを保持する保持部材（不図示）と、この保持部材に対して回折格子１０ＹをＹ方向に微小量（回折格子１０Ｙの１周期〜２周期程度の距離）駆動するピエゾ素子等の駆動素子９Ｙと、を備えている。駆動素子９Ｙの駆動量は図１の主制御系１６により制御され、撮像素子１４Ｙの検出信号は演算装置１２に供給される。なお、駆動素子９Ｙを備えることなく、ウエハステージＷＳＴによって回折格子１０Ｙを計測用レチクル４に対して移動するようにしてもよい。

また、例えば投影光学系ＰＯの瞳像の形状の計測のみを行うような場合には、計測用レチクル４と回折格子１０Ｙとを相対移動する機構を設ける必要はない。
図２（Ａ）の光学系は、シアリング干渉を行うタルボ(Talbot)干渉計である。図２（Ａ）において、投影光学系ＰＯの物体面に計測用レチクル４のピンホールアレー６が設置され、ピンホールアレー６が照明光ＥＬで照明される。ピンホールアレー６は、計測用レチクル４の平板状のガラス基板のパターン面（下面）の金属膜よりなる遮光膜６ｂ中に周期的に形成された複数のピンホール６Ｓよりなる。

図２（Ｂ）に示すように、ピンホールアレー６は、複数のピンホール６ＳをＸ方向、Ｙ方向に周期（ピッチ）Ｐｓ／βで配列したものである。ここで、βは投影光学系ＰＯの投影倍率であり、ピンホールアレー６の投影光学系ＰＯによる像（複数のピンホールの像６ＳＰ）のＸ方向、Ｙ方向の周期はＰｓである。個々のピンホール６Ｓの直径は、一例として回折限界以下程度である。照明光ＥＬの波長λ、投影光学系ＰＯの物体側の開口数ＮＡinを用いると、回折限界はλ／（２ＮＡin）である。

ピンホール６Ｓの直径≦λ／（２ＮＡin） …（Ａ１）
ここで、波長λを１９３ｎｍ、開口数ＮＡinをほぼ０．２５とすると、回折限界はほぼ４００ｎｍとなるため、ピンホール６Ｓの直径は例えば４００ｎｍ程度又はこれより小さい。実際には、一つのピンホール６Ｓを用いるのみでも投影光学系ＰＯの波面収差を計測することができる。ただし、このような多数のピンホール６Ｓが周期的に形成されたピンホールアレー６を使用することで、撮像素子１４上での干渉縞の光量が大きくなるため、高いＳＮ比でシアリング干渉方式の波面計測を行うことができる。

また、ピンホールアレー６の周期Ｐｓ／βは、例えば照明光ＥＬの空間的コヒーレンス長以上である。照明光学系の射出側の開口数ＮＡIL及び波長λを用いて、その空間的コヒーレンス長は、一例として高々、λ／ＮＡILである。従って、周期Ｐｓ／βは次の条件を満たせばよい。
Ｐｓ／β≧λ／ＮＡIL≒λ／ＮＡin …（Ａ２）
この場合、波長λを１９３ｎｍ、開口数ＮＡinを０．２５とすると、空間的コヒーレンス長はほぼ８００ｎｍとなるため、周期Ｐｓ／βは例えば８００ｎｍ程度より大きければよい。ただし、後述のようにピンホールアレー６の像の周期Ｐｓは、さらに所定の条件を満たす必要があるとともに、周期Ｐｓは例えば１μｍ程度以上となる。この場合、投影倍率βを１／４とすると、ピンホールアレー６の周期Ｐｓ／βはほぼ４μｍ程度以上となり、式（Ａ２）の条件は十分に満たされる。

なお、ピンホールアレー６の代わりに、図２（Ｃ）に示すように、例えば遮光膜中にＸ方向、Ｙ方向に周期Ｐｓ／βで形成された複数の幅がほぼＰｓ／（２β）の正方形の開口パターン６ａよりなるパターンアレー６Ａを使用することも可能である。
また、図２（Ａ）において、ピンホールアレー６の投影光学系ＰＯによる像が像面１８上に形成され、この像面１８から−Ｚ方向に距離Ｌｇの位置に回折格子１０Ｙが配置され、この下方で像面１８から距離Ｌｃの位置に撮像素子１４の受光面が配置される。回折格子１０Ｙは、平板状のガラス基板の一面の金属膜等の遮光膜１０Ｙｂ中にＹ方向に周期的に開口パターン１０Ｙａを形成したものである。

図２（Ｄ）に示すように、回折格子１０Ｙの遮光膜１０Ｙｂ中に照明光ＥＬを通す多数のＸ方向に延びたスリット状の開口パターン１０ＹａがＹ方向に周期Ｐｇで形成されている。ピンホールアレー６を通過した照明光ＥＬが投影光学系ＰＯを介して回折格子１０Ｙに入射し、回折格子１０Ｙから発生するＹ方向の＋１次回折光２０ＹＡ、及び−１次回折光２０ＹＢによって、撮像素子１４の受光面ＩＰに図２（Ｅ）に示すように、Ｙ方向のシアリング干渉の干渉縞（フーリエ像）２２Ｙが形成される。なお、回折格子１０Ｙからは０次光（０次回折光）２０等も発生するが、本実施形態では、発生する０次光２０の強度が回折光２０ＹＡ，２０ＹＢの強度に比べて弱い場合を想定している。

受光面ＩＰ上で０次光２０が照射されるほぼ円形の領域を瞳像３０（開口絞りＡＳの開口ＡＳａの像）とみなすことができる。ただし、本実施形態では、瞳像３０は十分に高いＳＮ比では観測されていないものとする。一方、干渉縞２２Ｙが形成される領域（以下、干渉縞形成領域という。）３２Ｙは、Ｙ方向に相対的にシフトした２つの円形領域が重なった領域（両端が尖った楕円状の領域）である。その２つの円形領域のＹ方向のシフト量（Ｙ方向のシア量）は、回折格子１０Ｙの周期等から計算される既知の値として演算装置１２の記憶部に記憶されている。

また、本実施形態において、投影光学系ＰＯのＸ方向のシアリング干渉の干渉縞を検出する場合には、図２（Ａ）において、Ｙ軸の計測本体部８Ｙの代わりにＸ軸の計測本体部８Ｘが配置される。計測本体部８Ｘは、回折格子１０Ｙの代わりに、図３（Ａ）に示すように、遮光膜１０Ｘｂ中にＹ方向に延びたスリット状の開口パターン１０ＸａがＸ方向に周期Ｐｇで形成されたＸ軸の回折格子１０Ｘが配置され、受光面ＩＰに撮像素子１４Ｘが配置される。

そして、撮像素子１４Ｘの受光面ＩＰには、図３（Ｂ）に示すように、回折格子１０Ｘから発生するＸ方向の＋１次回折光２０ＸＡ、及び−１次回折光２０ＸＢによってＸ方向のシアリング干渉の干渉縞２２Ｘが形成される。この場合にも、回折格子１０Ｘから発生する０次光２０の強度は弱いものとする。干渉縞２２Ｘが形成される干渉縞形成領域３２Ｘも、Ｘ方向に相対的にシフトした２つの円形領域が重なった領域（両端が尖った楕円状の領域）である。

干渉縞２２Ｙ及び２２Ｘの強度分布の情報を含む撮像素子１４Ｙ及び１４Ｘの検出信号は演算装置１２に供給される。演算装置１２では、干渉縞２２Ｙ，２２Ｘが形成される楕円状の干渉縞形成領域３２Ｙ，３２Ｘの情報から後述のように瞳像３０の形状を求める。なお、一方のシアリング干渉の干渉縞（例えばＹ方向の干渉縞２２Ｙ）の情報のみから瞳像３０の形状を求めるようにしてもよい。

図２（Ａ）において、回折格子１０Ｙの周期Ｐｇは、回折光の所望の横ずれ量（シア量）に応じて設定されるが、例えば数１００ｎｍ〜数μｍ程度で、例えば１μｍ〜数μｍ程度に設定される。
この場合、撮像素子１４Ｙの受光面に干渉縞２２Ｙが形成されるためには、回折格子１０Ｙの開口パターン１０Ｙａの形成面の像面１８からの距離Ｌｇ、及び撮像素子１４Ｙの受光面の像面１８からの距離Ｌｃは、露光波長λ、回折格子１０Ｙの周期Ｐｇ、及びタルボ次数ｎを用いて、次の条件（タルボ条件）を満たす必要がある。なお、タルボ条件（Talbot条件）の詳細は、「応用光学１（鶴田）」（ｐ.178-181，培風館，１９９０年）に記載されている。

（１／Ｌｇ）＋｛１／（Ｌｃ−Ｌｇ）｝＝λ／（２ｎＰｇ²） …（Ａ３）
なお、ｎ＝０，０．５，１，１．５，２，…である。即ち、タルボ次数ｎは整数又は半整数である。
本実施形態では、Ｌｃ≫Ｌｇが成立するため、式（Ａ３）の代わりに次の近似式を使用することができる。

Ｌｇ＝２ｎ×Ｐｇ²／λ …（Ａ４）
さらに、撮像素子１４Ｙ上に干渉縞が高いコントラストで形成されるためには、ピンホールアレー６の像の周期Ｐｓは、周期Ｐｇ、距離Ｌｇ、距離Ｌｃ、及び所定の整数ｍ（例えば２又は４）を用いて次の条件を満たす必要がある。この条件については、例えば特開２０１１−１０８６９６号公報に開示されている。

Ｐｓ＝｛Ｐｇ／（１−Ｌｇ／Ｌｃ）｝ｍ …（Ａ５）
この条件は、図２（Ａ）において、撮像素子１４Ｙ上の干渉縞２２Ｙ上の或る点２２ａに、ピンホールアレー６の一つのピンホールの像６ＳＰからの光束Ｅ１が到達する場合に、他のピンホールの像６ＳＰからの光束Ｅ２も達する条件である。言い換えると、この条件によって、高いコントラストの干渉縞２２Ｙが形成される。

なお、Ｌｇ／Ｌｃは１よりもかなり小さい値であるため、式（Ａ５）の代わりに次の近似式を使用してもよい。
Ｐｓ＝Ｐｇ×ｍ …（Ａ６）
この式において周期Ｐｇを１μｍ、ｍを２とすると、ピンホールアレー６の像の周期Ｐｓは２μｍとなる。この場合、投影倍率βを１／４として、ピンホールアレー６の周期は８μｍとなる。

式（Ａ４）及び式（Ａ６）の条件のもとで、撮像素子１４Ｙ及び１４Ｘの受光面にそれぞれ形成される干渉縞２２Ｙ及び２２Ｘの強度分布の情報を含む検出信号を順次図１の演算装置１２に取り込み、演算装置１２では、まずそれらの強度分布の情報から投影光学系ＰＯの瞳像の形状の情報を求める。さらに、必要に応じて、演算装置１２は、干渉縞２２Ｙ及び２２Ｘの強度分布の情報から投影光学系ＰＯの波面（波面収差）の情報を求め、求めた情報を主制御系１６に供給する。

なお、図３（Ｃ）の第１変形例の計測本体部８ＹＡで示すように、回折格子１０Ｙから発生する回折光２０ＹＡ，２０ＹＢ等を集光レンズＬＥでほぼ平行光束に変換して撮像素子１４で受光してもよい。この場合には、撮像素子１４の受光面は、投影光学系ＰＯの瞳面（射出瞳が形成される面と共役な面）とほぼ共役である。これは、Ｘ軸の計測本体部８Ｘに関しても同様である（以下、同様）。

また、図９（Ａ）の計測本体部の第２変形例で示すように、回折格子１０Ｙは、投影光学系ＰＯの像面１８の上方に距離Ｌｇの位置に配置することも可能である。この場合には、距離Ｌｇを負の値として扱えばよい。
また、本実施形態のように照明光ＥＬとしてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）のような紫外光が使用される場合には、図９（Ｂ）の第３変形例で示すように、回折格子１０Ｙを投影光学系ＰＯの像面１８に配置することも可能である。この場合には、上記のタルボ条件は満たす必要がない。図９（Ｂ）の変形例では、回折格子１０Ｙから発生する０次光２０の強度がほぼ０になるため、本実施形態のように干渉縞２２Ｙ等から瞳像の形状を求める方法が特に有効である。

次に、計測装置８０を用いて投影光学系ＰＯの瞳像の形状を求めるための基本的な動作につき、図４（Ａ）の撮像素子１４Ｘ（又は１４Ｙ）の受光面ＩＰ（瞳像の形成面）の状態、及び図４（Ｂ）のフローチャートを参照して説明する。なお、図４（Ａ）及び以下で説明する図５（Ａ）等において、受光面ＩＰ上で露光装置のＸ方向及びＹ方向に対応する方向をそれぞれｘ方向及びｙ方向としている。

まず、図４（Ｂ）のステップ１０２において、演算装置１２は、図４（Ａ）の受光面ＩＰにおける干渉縞の検索範囲３８を設定する。検索範囲３８は、一例として、撮像素子１４Ｘ（又は１４Ｙ）の中央の画素の中心を暫定中心Ｃ１として、半径がＲmin 〜Ｒmax の領域であり、検索範囲３８内で干渉縞の後述の変調度が計算される。この際に、ウエハステージＷＳＴの駆動によって、計測本体部８Ｘ（又は８Ｙ）の撮像素子１４Ｘ（又は１４Ｙ）の中央の画素は、投影光学系ＰＯの像面の複数の計測点のうちの一つの計測点に対応する位置に設定されている。また、半径Ｒmin 及びＲmax は、投影光学系ＰＯ内の開口ＡＳａの半径の設定値から計算される暫定的な半径に対して、それぞれ所定の割合だけ小さい半径及び所定の割合だけ大きい半径である。

さらに、本実施形態では、例えばＸ方向のシアリング干渉（シア波面）の干渉縞２２Ｘの干渉縞形成領域３２Ｘは、中央の部分がｘ方向に狭くなっている。そこで、干渉縞２２Ｘの検索範囲３８Ｘは、上記の検索範囲３８の中央部のｘ方向の幅を狭くした範囲としている。同様に、Ｙ方向のシア波面の干渉縞２２Ｙの検索範囲３８Ｙは、上記の検索範囲３８の中央部のｙ方向の幅を狭くした範囲としている。このように検索範囲３８Ｘ，３８Ｙを限定することで、瞳像の形状を求める際の演算時間を短縮できる。ただし、演算時間が長くともよい場合には、撮像素子１４Ｘ（又は１４Ｙ）の全部の受光領域を検索範囲としてもよい。

また、検索対象の干渉縞の周期ｐｅは、一例として、回折格子１０Ｘ（又は１０Ｙ）から発生する±１次回折光の開き角及び回折格子１０Ｘ（又は１０Ｙ）と撮像素子１４Ｘ（又は１４Ｙ）との間隔から定まるシフト量（シア量）から計算される既知の値である。なお、検索対象の干渉縞の周期をその周期ｐｅ、周期ｐｅよりも所定量小さい周期、及び周期ｐｅよりも所定量大きい周期等を含む複数の周期としてもよい。

そして、演算装置１２は、撮像素子１４Ｘ（又は１４Ｙ）から供給される検出信号を用いて、検索範囲３８Ｘ（又は３８Ｙ）内で干渉縞２２Ｘ（又は２２Ｙ）の変調度ＤＭＸ（又はＤＭＹ）を計算する。干渉縞２２Ｘに関して説明すると、干渉縞２２Ｘの強度は撮像素子１４Ｘの画素ｐ（ｉ，ｊ）（ｉ＝０〜Ｉ，ｊ＝０〜Ｊでｉ，Ｊは例えば数１００のオーダの整数）毎に検出されている。ここで、変調度を計算する画素ｐ（ｉ１，ｊ１）の中心座標を（ｘ，ｙ）として、位置（ｘ，ｙ）の近傍における干渉縞２２Ｘの強度Ｉ（ｘ，ｙ）を次式で近似する。なお、Ａ１は正の数、Ａ２はＡ１以下で０以上の数であり、Ａ１及びＡ２は位置（ｘ，ｙ）の関数である。また、ｐｅは干渉縞２２Ｘの上記の検索対象の周期、δは２πより小さい位相である。

Ｉ（ｘ，ｙ）＝Ａ１＋Ａ２・cos(２πｘ／ｐｅ＋δ)≧０ …（１Ａ）
このとき、画素ｐ（ｉ１，ｊ１）における変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）は、一例として以下のように計算する。この変調度は干渉縞の局所的なコントラストとみなすことも可能である。
変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）＝Ａ２／Ａ１ …（１Ｂ）
この場合、０≦Ａ２≦Ａ１で、０＜Ａ１が成立しているため、変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）は次のように０以上で１以下である。

０≦ＤＭＸ（ｘ，ｙ）≦１ …（１Ｃ）
また、位置（ｘ，ｙ）の近傍の領域における干渉縞２２Ｘの最大強度をＩmax 、最小強度をＩmin とすると次式が成立する。
Ｉmax ＝Ａ１＋Ａ２ …（１Ｄ）、 Ｉmin＝Ａ１−Ａ２ …（１Ｅ）
これらの式から、Ａ１＝（Ｉmax ＋Ｉmin ）／２、Ａ２＝（Ｉmax −Ｉmin ）／２、となるため、式（１Ｂ）の変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）は次のように表すことができる。

ＤＭＸ（ｘ，ｙ）＝（Ｉmax ＋Ｉmin ）／（Ｉmax −Ｉmin ） …（１Ｆ）
なお、この式（１Ｆ）を変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）の定義として使用してもよい。この場合、図４（Ａ）に示すように、計算対象の画素ｐ（ｉ１，ｊ１）の位置（ｘ，ｙ）を中心としてｘ方向及びｙ方向の幅Δの局所領域を設定し、この局所領域内の最大強度Ｉmax 及び最小強度Ｉmin を求めてもよい。幅Δは、上記の干渉縞の既知の検索対象の周期ｐｅの２倍程度で、かつ画素の幅のほぼ整数倍であり、拡大図Ｃに示すように、その局所領域内にはｘ方向に２周期程度で明暗が繰り返される。そして、各局所領域内で計測される最大強度Ｉmax 及び最小強度Ｉmin を用いて式（１Ｆ）から変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）を計算してもよい。

同様に、Ｙ方向のシア波面の干渉縞２２Ｙの変調度ＤＭＹは、式（１Ａ）で位置ｘを位置ｙで置き換えた式で強度Ｉ（ｘ，ｙ）を表したときに得られる数Ａ１，Ａ２を用いて式（１Ｂ）から計算できる。また、別の定義として、位置（ｘ，ｙ）を中心とする幅Δの局所領域内の最大強度Ｉmax 及び最小強度Ｉmin を求め（図４（Ａ）の拡大図Ｄに示すように、その領域内にはｙ方向に２周期程度の明暗が繰り返される。）、その最大強度Ｉmax 及び最小強度Ｉmin を用いて式（１Ｆ）から変調度ＤＭＹ（ｘ，ｙ）を計算してもよい。本実施形態では、変調度ＤＭＸ（ｘ，ｙ）（ＤＭＹ（ｘ，ｙ））が所定の閾値以上の領域が干渉縞形成領域３２Ｘ（３２Ｙ）に対応する。

Ｘ方向のシア波面用の検索範囲３８Ｘ内の各画素の値を干渉縞２２Ｘの変調度ＤＭＸで表した分布を変調度分布２２ＸＭと呼び（図４（Ａ）参照）、Ｙ方向のシア波面用の検索範囲３８Ｙ内の各画素の値を干渉縞２２Ｙの変調度ＤＭＹで表した分布を変調度分布２２ＹＭと呼ぶこととする（図５（Ａ）参照）。
次のステップ１０４において、Ｘ方向のシア波面の変調度分布２２ＸＭのエッジ（例えば変調度ＤＭＸが所定の閾値を横切る位置）を検索する。この際に、暫定中心Ｃ１を通りｘ軸に平行な直線を中心として所定の角度範囲のエッジ検索範囲３４Ｘ（図４（Ａ）参照）を設定し、このエッジ検索範囲３４Ｘ内で変調度分布２２ＸＭのエッジを検索する。同様に、Ｙ方向のシア波面の変調度分布２２ＹＭに関しても、暫定中心Ｃ１を通りｙ軸に平行な直線を中心として所定の角度範囲のエッジ検索範囲３４Ｙ（図５（Ｃ）参照）内でエッジ（例えば変調度ＤＭＹが所定の閾値を横切る位置）を検索する。エッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙは例えば±４５°又は±３０°等である。なお、エッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙを設定することなく、検索範囲３８Ｘ，３８Ｙ内でエッジを検索してもよい。

そして、ステップ１０６において、エッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙ内（又は検索範囲３８Ｘ，３８Ｙ内）で、それぞれ変調度ＤＭＸ，ＤＭＹが所定の閾値を横切るときの画素の位置（ｘ，ｙ）の分布（エッジの位置の分布）を取得する。そして、ステップ１０８で、取得したＸ方向及びＹ方向のシア波面の変調度分布２２ＸＭ，２２ＹＭのエッジ位置の分布から瞳像３０の形状を求める。例えば変調度分布２２ＸＭ，２２ＹＭの対称な２箇所のエッジ位置の中心を瞳像３０の中心として、それらのエッジ位置の分布の曲率半径の平均値を瞳像３０の半径とすることによって、瞳像３０の形状としての中心及び半径を求めることができる。さらに、上記のエッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙが例えば±４５°である場合には、瞳像３０の全方向のシフト後の輪郭の情報が得られるため、それらのエッジ位置の分布を回折光の既知のシア量に応じて外側にシフトさせることによって、瞳像３０の形状として、瞳像３０の全体の輪郭の情報を得ることもできる。

次に、瞳像３０の形状として、瞳像３０の中心及び半径を高精度に求める方法の一例につき図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、図７のステップ１１０で、図２（Ｅ）のＸ方向のシア波面の干渉縞２２Ｘの検出信号及び図３（Ｂ）のＹ方向のシア波面の干渉縞２２Ｙの検出信号が順次演算装置１２に供給される。演算装置１２では、式（１Ｂ）又は式（１Ｆ）を用いて、図５（Ａ）に示すように、干渉縞２２Ｘ，２２Ｙの変調度ＤＭＸ，ＤＭＹの分布２２ＸＭ、２２ＹＭを計算する（ステップ１１２）。なお、図５（Ａ）〜（Ｇ）において、変調度等の値が大きいほど明るく表されている。その計算は、図４（Ａ）に示す検索範囲３８Ｘ，３８Ｙ内で行ってもよい。さらに、演算装置１２は以下の一連の演算を行う。すなわち、光学的及び電気的なノイズの影響を軽減するために、変調度ＤＭＸ，ＤＭＹにＸ方向及びＹ方向の移動平均フィルターをかける（ステップ１４）。具体的に、図４（Ａ）の画素ｐ（ｉ，ｊ）のＸ方向のシア波面の変調度をＤＭＸ(i,j) として、複数個（例えば３個）の画素の幅の移動平均フィルターをかけた後の変調度ＤＭＸ(i,j)’は、以下のようになる。

ＤＭＸ(i,j)’＝｛ＤＭＸ(i-1,j)＋ＤＭＸ(i,j)＋ＤＭＸ(i+1,j)｝／３ …（１Ｇ）
同様に、Ｙ方向のシア波面の変調度ＤＭＹ(i,j) にかける移動平均のフィルターは、ｙ方向に配列された複数の画素の変調度の平均値ＤＭＹ(i,j)’を計算するものである。変調度分布２２ＸＭ，２２ＹＭに移動平均フィルターをかけた後の分布を図５（Ｂ）の平均化変調度分布２２ＸＡ，２２ＹＡとする。なお、ノイズが小さい場合には、ステップ１１４は省略できる。

また、それらの分布２２ＸＡ，２２ＹＡ中に暫定中心Ｃ１を設定し（ステップ１１６）、暫定中心Ｃ１に関して回転方向の角度θで半径方向（動径方向）の位置ｒにおける平均化された変調度の分布ＤＭＸ（ｒ，θ）及びＤＭＹ（ｒ，θ）を抽出する（ステップ１１８）。この際に、分布２２ＸＡ，２２ＹＡ中の暫定中心Ｃ１は、ｘ方向及びｙ方向の相対位置がずれていても差し支えない。この場合、変調度の分布ＤＭＸ（ｒ，θ）及びＤＭＹ（ｒ，θ）は、図５（Ｃ）に示すように、エッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙ内でのみ求めてもよい。

そして、暫定中心Ｃ１の回りに所定間隔で設定された複数の角度θｍ（ｍ＝０，１，２，…）に関して、それぞれ変調度の分布ＤＭＸ（ｒ，θｍ）及びＤＭＹ（ｒ，θｍ）の半径方向のエッジの位置ｒｅ_x,m 及びｒｅ_y,m を求める（ステップ１２０）。エッジの位置は、一例として、分布ＤＭＸ（ｒ，θｍ），ＤＭＹ（ｒ，θｍ）の半径方向ｒの傾斜（微分又は差分）の絶対値が最大になる位置である。なお、エッジの位置としては、分布ＤＭＸ（ｒ，θｍ），ＤＭＹ（ｒ，θｍ）の値が、エッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙ内の最大値と最小値との中間の値、又はその範囲内の平均値になる位置などを使用することも可能である。

また、瞳像の中心位置を求めるために、暫定中心Ｃ１の全周に所定間隔で設定された複数の角度において、平均化された変調度の分布ＤＭＸ（ｒ，θ），ＤＭＹ（ｒ，θ）（平均化変調度分布２２ＸＡ，２２ＹＡ）をそれぞれ例えば分布ＤＭＸ（ｒ，θ），ＤＭＹ（ｒ，θ）の平均値を閾値にして２値化して、図５（Ｄ）に示す２値化変調度分布２２ＸＢ，２２ＹＢを求める（ステップ１２２）。そして、２値化変調度分布２２ＸＢ，２２ＹＢのうち、図４（Ａ）に示す検索範囲３８Ｘ，３８Ｙ内で、値が閾値を超えている部分のみを図５（Ｅ）に示す干渉縞形成領域３２Ｘ，３２Ｙとして抽出する。さらに、干渉縞形成領域３２Ｘ，３２Ｙの暫定中心Ｃ１を合致させた状態で、干渉縞形成領域３２Ｘ，３２Ｙが重なっている部分を図５（Ｆ）に示す最大接続領域２２Ｄとして残す（ステップ１２４）。本実施形態では、その最大接続領域２２Ｄ内のｘ方向及びｙ方向の重心の位置を決定し、その重心の位置を瞳像の中心Ｃ２とする（ステップ１２６）。

また、ステップ１２０で求めた変調度の分布ＤＭＸ（ｒ，θｍ）及びＤＭＹ（ｒ，θｍ）の半径方向のエッジの位置ｒｅ_x,m 及びｒｅ_y,m を、ステップ１２６で求めた中心Ｃ２の回りの角度θｋ（ｋ＝０，１，２，…）における中心とエッジとの距離ｒ_x,k 及びｒ_y,k に換算する（ステップ１２８）。
次に、瞳像の半径を求めるために、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すＸ方向及びＹ方向のシア波面の干渉縞形成領域３２Ｘ，３２Ｙのエッジ位置を、フィッティング関数ｆ_x（θ）及びｆ_y（θ）によって瞳像３０の半径Ｒに対応させる（ステップ１３０）。図６（Ａ）、（Ｂ）において、座標（ｘ，ｙ）は瞳像３０の中心Ｃ２が原点になるように表されている。また、干渉縞形成領域３２Ｘ，３２Ｙにおいてエッジ検索範囲３４Ｘ，３４Ｙ内の角度θでの中心Ｃ２からエッジまでの距離をｒ_x（θ）及びｒ_y（θ）で表している。図６（Ａ）のＸ方向のシア波面の干渉縞形成領域３２Ｘのエッジまでの距離ｒ_x（θ）は半径Ｒを用いて以下の式（２Ｃ）で表され、式（２Ｃ）中のフィッティング関数ｆ_x（θ）は式（２Ａ）又は式（２Ｂ）で表される。

式（２Ａ）、（２Ｂ）において、ＮＡは投影光学系ＰＯの開口数、ｎは投影光学系ＰＯと回折格子１０Ｘ，１０Ｙとの間の媒質の屈折率、ｓは±１次回折光の既知のシア量である。また、式（２Ａ）が適用されるｔａｎ投影とは、図２（Ａ）のように回折格子１０Ｘ等と撮像素子１４Ｘ等との間に光学系がない場合を意味し、式（２Ｂ）が適用されるｓｉｎ投影とは、図３（Ｃ）のように回折格子１０Ｙ等と撮像素子１４Ｙ等との間に集光光学系がある場合を意味している。

同様に、図６（Ｂ）のＹ方向のシア波面の干渉縞形成領域３２Ｙのエッジまでの距離ｒ_y（θ）は半径Ｒを用いて以下の式（３Ｃ）で表され、式（３Ｃ）中のフィッティング関数ｆ_y（θ）は式（３Ａ）又は式（３Ｂ）で表される。

そして、式（２Ｃ）及び（３Ｃ）から計算されるエッジまでの距離と、ステップ１２８で変調度の分布から求めたエッジまでの距離ｒ_x,k ，ｒ_y,k との誤差の式（４Ａ）で表される自乗和Ｅ² が最小になるように（最小自乗法で）瞳像３０の半径Ｒを求める。なお、式（４Ａ）において、干渉縞形成領域３２Ｙの角度θｋは角度θｌで表されている。また、式（４Ａ）を最小にする半径Ｒは式（４Ｂ）で計算できる。

このようにして、瞳像３０の中心Ｃ２の位置及び半径Ｒを求められた。その後、求められた瞳像の形状の情報は、例えば演算装置１２内の記憶部に記憶されるとともに、演算装置１２から主制御系１６に出力され、必要に応じて表示装置（不図示）に表示される。

このように本実施形態によれば、干渉縞の変調度の２値化された分布から瞳像３０の中心Ｃ２を求め、その変調度からエッジの位置を求めており、そのエッジの位置とフィッティング関数とを用いて、瞳像３０の半径Ｒを求めているため、シア波面の干渉縞２２Ｘ，２２Ｙの強度分布から瞳像３０の中心及び半径を高精度に求めることができる。
次に、計測装置８０を用いて投影光学系ＰＯの波面収差を計測する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。この計測動作は主制御系１６によって制御される。

まず、ステップ１４２において、図１のレチクルステージＲＳＴに計測用レチクル４をロードし、計測用レチクル４のピンホールアレー６を照明系ＩＬＳの照明領域内の計測位置に移動する。次に、ウエハステージＷＳＴを駆動し、計測本体部８ＸのＸ軸の回折格子１０Ｘの中心をピンホールアレー６の像の中心に移動し（ステップ１４４）、Ｘ方向のシア波面の干渉縞２２Ｘの強度分布を計測し、必要に応じて回折格子１０ＸをＸ方向に所定量移動した状態での干渉縞２２Ｘの強度分布も計測し、検出信号を演算装置１２に取り込む（ステップ１４６）。さらに、計測本体部８ＹのＹ軸の回折格子１０Ｙの中心をピンホールアレー６の像の中心に移動し（ステップ１４８）、Ｙ方向のシア波面の干渉縞２２Ｙの強度分布を計測し、必要に応じて回折格子１０ＹをＹ方向に所定量移動した状態での干渉縞２２Ｙの強度分布も計測し、検出信号を演算装置１２に取り込む（ステップ１５０）。

そして、ステップ１５２において、図７のステップ１１２〜１３２までの動作を行って、瞳像３０（瞳共役像）の中心及び半径を算出する。さらに、例えば特開２０１１−１０８６９６号公報で開示されているような位相シフト法で干渉縞２２Ｙ，２２Ｘを解析する場合を想定する。この場合、演算装置１２は、複数回取り込まれた干渉縞２２Ｙ及び２２Ｘの強度分布に所定の演算を施すことで、投影光学系ＰＯの波面とこれをＹ方向にずらした波面とのシアリング波面（Ｙ方向のシア波面）ΔＷ_y（又はφ_y）、及び投影光学系ＰＯの波面とこれをＸ方向にずらした波面とのシアリング波面（以下、Ｘ方向のシア波面という）ΔＷ_x（又はφ_x）を求め、これらのＸ方向及びＹ方向のシア波面から投影光学系ＰＯの波面を求める（ステップ１５４）。さらに、演算装置１２は、ステップ１５２で求めた瞳像の中心及び半径を用いてツェルニケ多項式の規格化円の中心及び半径を表現する。そして、このようなツェルニケ多項式を用いて、投影光学系ＰＯの波面収差を例えばツェルニケ係数で表現し、求めた波面収差の情報を主制御系１６に供給する（ステップ１５６）。

主制御系１６は、必要に応じて、結像特性補正装置２を用いて投影光学系ＰＯの波面収差を補正する（ステップ１５８）。この後、レチクルステージＲＳＴに実際の露光用のレチクルＲをロードし（ステップ１６０）、ウエハステージＲＳＴに順次載置されるウエハの複数のショット領域にレチクルＲのパターン像を走査露光する（ステップ１６２）。
この際に、瞳像の形状を用いてツェルニケ多項式の規格化円を正確に表現することができ、投影光学系ＰＯの波面収差を高精度に計測できるため、常に投影光学系ＰＯの結像特性を所望の状態に維持して高精度に露光を行うことができる。

上述のように、本実施形態の投影光学系ＰＯの光学特性を求める計測装置８０は、投影光学系ＰＯの下流側に配置された回折格子１０Ｘ，１０Ｙと、投影光学系ＰＯ及び回折格子１０Ｘ，１０Ｙを通過した光によって形成される干渉縞２２Ｘ，２２Ｙの強度分布を検出する撮像素子１４Ｘ，１４Ｙと、撮像素子１４Ｘ，１４Ｙで検出された強度分布から干渉縞２２Ｘ，２２Ｙの変調度の分布ＤＭＸ（ｘ，ｙ），ＤＭＹ（ｘ，ｙ）（強度変化に関する情報）を求め、その変調度の分布に基づいて投影光学系ＰＯの射出瞳と共役な瞳像（被計測領域）の形状を求める演算装置１２と、を備えている。

また、計測装置８０を用いて投影光学系ＰＯの光学特性を求める計測方法は、露光装置の照明系ＩＬＳで照明される計測用レチクル４のピンホールアレー６から射出される光を投影光学系ＰＯ及び回折格子１０Ｘ，１０Ｙに通過させて干渉縞２２Ｘ，２２Ｙを形成し、干渉縞２２Ｘ，２２Ｙの変調度の分布を求めるステップ１０２と、その変調度の分布に基づいて投影光学系ＰＯの射出瞳と共役な瞳像の形状を求めるステップ１０８と、を有する。

本実施形態によれば、別途、投影光学系ＰＯの瞳像の形状を計測する計測装置を用いることなく、計測装置８０を用いて投影光学系ＰＯの瞳像の形状を効率的に計測できる。このため、計測機構を複雑化することなく、回折格子を用いて得られる干渉縞に基づいて、投影光学系ＰＯの光学特性としての瞳像の形状を効率的に計測できる。
また、本実施形態では、その瞳像の形状としてその瞳像の中心及び半径を求めているため、その瞳像の形状を簡単なパラメータで表すことができる。

また、本実施形態では計測装置８０を用いてさらに投影光学系ＰＯの波面（波面収差）を求めているが、例えば投影光学系ＰＯの波面収差を求めることなく、単に投影光学系ＰＯの瞳像の形状を求めるような場合には、その瞳像を例えば外周部の複数のエッジ位置で表してもよい。
また、本実施形態の露光方法は、照明光ＥＬ（露光光）でレチクルＲのパターンを照明し、照明光ＥＬでそのパターン及び投影光学系ＰＯを介してウエハＷ（基板）を露光する露光方法において、投影光学系ＰＯの瞳像の形状及び／又は波面収差を計測するために、本実施形態の計測方法を用いている。また、本実施形態の露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＯの瞳像の形状及び／又は波面収差を計測するために計測装置８０を備えている。
従って、複数の計測装置を用いることなく、簡単な計測機構を用いて、オンボディで露光装置の投影光学系ＰＯの光学特性を計測できる。従って、計測された光学特性を補正することによって、高精度に露光を行うことができる。

また、本実施形態では、Ｘ方向及びＹ方向の干渉縞２２Ｘ，２２Ｙを用いて瞳像の形状を求めているが、例えば一方の干渉縞（２２Ｘ又は２２Ｙ）のみを用いて瞳像の形状（例えば中心及び半径）を求めることも可能である。
また、上記の実施形態では、計測用レチクル４にピンホールアレー６（光源）が形成されている場合の干渉計における波面解析を説明したが、本発明は、周期的面光源を用いたインコヒーレント照明計測系を使用する場合にも適用できる。また、本発明は、単一ピンホールを用いたコヒーレント照明計測系を用いる場合にも適用できる。

また、上記の実施形態では、シア波面から位相シフト法で投影光学系ＰＯの波面を求めているが、投影光学系ＰＯの波面は例えばフーリエ変換法で求めることも可能である。
さらに、上記の実施形態の計測方法及び装置は、タルボ干渉計以外の任意の干渉計を用いてシアリング干渉等による干渉縞を検出して被検光学系の波面収差を計測する場合に適用可能である。この場合、回折格子は投影光学系ＰＯの上流側に配置することも可能である。

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１０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。

言い替えると、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、露光精度を高く維持でき、レチクルのパターンを高精度に基板に露光できるため、電子デバイスを効率的に高精度に製造できる。
なお、上記の実施形態の計測方法及び装置は、ステッパー型の露光装置の投影光学系の波面収差を計測する場合にも適用できる。
また、上記の実施形態では、露光用の照明光ＥＬ（露光光）としてＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）等を用いて屈折系又は反射屈折系等からなる投影光学系を使用する露光装置において、投影光学系の光学特性を計測している。しかしながら、上記の実施形態の計測方法及び装置は、露光光として、波長が１００ｎｍ程度以下で例えば１１〜１５ｎｍ程度の範囲内（例えば１３．５ｎｍ）のＥＵＶ光（Extreme Ultraviolet Light)を用いて、反射系からなる投影光学系を使用する露光装置（ＥＵＶ露光装置）において、投影光学系の光学特性を計測する場合にも適用できる。ＥＵＶ露光装置に適用する場合には、計測本体部の計測用レチクルも反射型である。

さらに、本発明は、露光装置の投影光学系以外の光学系、例えば顕微鏡の対物レンズ、又はカメラの対物レンズ等の光学特性を計測する場合にも適用可能である。
なお、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、ＩＬＳ…照明系、Ｒ…レチクル、ＲＳＴ…レクチルステージ、ＰＯ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、４…計測用レチクル、６…ピンホールアレー、８Ｘ，８Ｙ…計測本体部、９Ｙ…駆動素子、１０Ｘ，１０Ｙ…回折格子、１２…演算装置、１４…撮像素子、１６…主制御系、８０…計測装置

Claims (16)

1. 被検光学系の光学特性を求める計測方法であって、
   光源部からの光を被検光学系及び回折格子を通過させて干渉縞を形成し、
   前記干渉縞の強度変化に関する情報を求め、
   前記強度変化に関する情報に基づいて前記被検光学系の射出瞳と共役な被計測領域の形状の情報を求めることを特徴とする光学特性計測方法。
2. 前記被計測領域の形状の情報として、前記被計測領域の少なくとも一部のエッジ部の位置を求め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. 前記少なくとも一部のエッジ部の位置に基づいて前記被計測領域の中心の位置を求めることを特徴とする請求項２に記載の光学特性計測方法。
4. 前記少なくとも一部のエッジ部の位置に基づいて前記被計測領域の半径を求めることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の光学特性計測方法。
5. 前記干渉縞の強度変化に関する情報として、前記干渉縞の変調度の分布を求め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. 前記被計測領域の形状の情報及び前記干渉縞の強度分布の情報に基づいて前記被検光学系の波面収差情報を求め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. 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６のいずれか一項に記載の光学特性計測方法を用いて、前記被検光学系としての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。
8. 被検光学系の光学特性を求める計測装置であって、
   前記被検光学系の上流側又は下流側に配置された回折格子と、
   前記被検光学系及び前記回折格子を通過した光によって形成される干渉縞の強度分布を検出する検出器と、
   前記検出器で検出された強度分布から前記干渉縞の強度変化に関する情報を求め、前記強度変化に関する情報に基づいて前記被検光学系の射出瞳と共役な被計測領域の形状の情報を求める演算部と、
   を備えることを特徴とする光学特性計測装置。
9. 前記演算部は、前記被計測領域の形状の情報として、前記被計測領域の少なくとも一部のエッジ部の位置を求めることを特徴とする請求項８に記載の光学特性計測装置。
10. 前記演算部は、前記少なくとも一部のエッジ部の位置に基づいて前記被計測領域の中心の位置を求めることを特徴とする請求項９に記載の光学特性計測装置。
11. 前記演算部は、前記少なくとも一部のエッジ部の位置に基づいて前記被計測領域の半径を求めることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の光学特性計測装置。
12. 前記演算部は、前記干渉縞の強度変化に関する情報として、前記干渉縞の変調度の分布を求めることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
13. 前記演算部は、前記被計測領域の形状の情報及び前記干渉縞の強度分布の情報に基づいて前記被検光学系の波面収差情報を求めることを特徴とする請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の光学特性計測装置。
14. 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、
    前記投影光学系の光学特性を計測するために、請求項８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を備えることを特徴とする露光装置。
15. 請求項７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。
16. 請求項１４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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