JP3590825B2 - 投影露光装置 - Google Patents
投影露光装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3590825B2 JP3590825B2 JP31379195A JP31379195A JP3590825B2 JP 3590825 B2 JP3590825 B2 JP 3590825B2 JP 31379195 A JP31379195 A JP 31379195A JP 31379195 A JP31379195 A JP 31379195A JP 3590825 B2 JP3590825 B2 JP 3590825B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- photoelectric conversion
- conversion element
- measurement
- image
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
- G03F7/70216—Mask projection systems
- G03F7/70358—Scanning exposure, i.e. relative movement of patterned beam and workpiece during imaging
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程で使用される投影露光装置に関し、特にマスク上のマークの空間像により投影光学系の結像特性を計測する手段を有する投影露光装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、レチクル（又はマスク等）のパターンをウエハ（又はガラスプレート）上に転写するステッパー等の投影露光装置が使用されている。これらの投影露光装置においては、微細なパターンを高精度に前のプロセスで形成されたパターンに重ね合わせ露光する必要があるため、レチクルのウエハ上への投影像の結像特性は高度に調整されていなければならない。このため、結像特性を評価する方法も種々提案されている。
【０００３】
通常、結像特性を評価する方法として、レチクル上のテストパターン（計測用マーク）を評価用のウエハ上に露光し、その後現像によって現れる像を観察するのが一般的であるが、この方法では露光、現像という工程が必要なため、ウエハを載置するステージ上に光電変換素子を設けてテストパターンの空間像を直接観察する方法が提案されている。この方法によれば、装置の初期調整だけではなく、装置の経時変化、大気圧、温度等の外部環境の変化、照明光の結像光学系での吸収、あるいはレチクルへの照明条件の変化等により発生する結像特性の変化を簡単に観察し、場合によっては補正することも可能である。従って、近年の投影露光装置にはこの種の空間像を観察する方式の結像特性測定機構が備えられている場合が多い。
【０００４】
図４（ａ）は、従来の投影露光装置における結像特性測定機構の例を説明するための図を示し、この図４（ａ）において、レチクルＲ上の計測用マーク２０４が露光用の照明光ＩＬによって照明され、投影光学系ＰＬを介して計測用マーク２０４の像がウエハＷを載置するウエハステージＷＳＴ上に固定された基準板２０１上に結像している。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な平面上で図４（ａ）の紙面に平行にＸ軸、その紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。基準板２０１の遮光部の中央部に照明光ＩＬが透過する非計測方向（Ｙ方向）に伸びたスリット２０２が１つあるいは複数個形成されている。スリット２０２は、Ｙ方向に伸びたスリット状の計測用マーク２０４の基準板２０１上への投影像に対してＹ方向にほぼ同じ長さ、Ｘ方向には少し広い幅で形成されており、ウエハステージＷＳＴが計測方向（Ｘ方向）に移動するのと並行して、スリット２０２を介して計測用マーク２０４の像を光電変換素子２０３により受光する。
【０００５】
図４（ｂ）の曲線２０５は、光電変換素子２０３の出力信号の波形を示し、横軸は計測方向の位置（ウエハステージＷＳＴのＸ座標）ｘ、縦軸は出力信号Ｉを表す。この図４（ｂ）において、曲線２０５の信号波形より、結像特性を求める。例えば、適当なスライスレベルＬ１で曲線２０５をスライスしたときの２つの交点Ｓ１，Ｓ２の線幅ａ１より、像のコントラストが求まる。また、最大信号値ｂ１よりコントラストを求めてもよい。基準板２０１を投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に移動しつつコントラストを求めれば、焦点位置、像面湾曲等が求まる。更に、別の計測方向の計測用マークの像を測定すれば非点収差も求まる。また、測定中のウエハステージＷＳＴの座標を同時に取り込むことにより、計測用マークの像の中心位置ｃ１を求めれば、ディストーション等の像の歪みが求められる。
【０００６】
図４（ｃ）は、基準板２０１と計測用マーク２０４の像とを投影光学系ＰＬ側からみた位置関係を示し、この図４（ｃ）において、円形の基準板２０１をＸ方向に走査することにより、図４（ｂ）のように出力信号Ｉが変化する。即ち、計測用マーク２０４の像２０４Ｒが基準板２０１のスリット２０２に近付くに従って光電変換素子２０３の出力信号Ｉが大きくなり、像２０４Ｒの中心とスリット２０２の中心とが重なったとき、光電変換素子２０３の出力信号Ｉが最大となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本方式ではスリット２０２の計測方向の幅に亘り平均化された光量を受光するため、コントラストの比較程度は可能であるが、レチクルＲ上の計測用マーク２０４の像の正確な形状（プロファイル）は判らない。このため、コマ収差等が原因の線幅の微妙な差や、像質が判らないという不都合がある。
【０００８】
また、レチクルの計測用マークの像の形状を測定する方法として、２次元、あるいは１次元の撮像素子で像を直接観察する方法も考えられている。しかし、光電変換素子で直接観察する方法では、現在使用されているような非常に細かい線幅を露光する投影露光装置においては必要な位置分解能が得られない。このため、像を拡大してから光電変換素子で観察する方法が提案されている。
【０００９】
図５（ａ）は、従来の拡大光学系を備えた結像特性測定機構の例を示し、この図５（ａ）において、照明光ＩＬはレチクルＲ上の計測用マーク３０４を照明し、投影光学系ＰＬ、素ガラス及び拡大光学系３０６を介して計測用マーク３０４の像を撮像素子３０３上に結像する。なお、図４の例では１本線の計測用マークの例を示したが、ここでは５本線の計測用マークの例を示す。計測方向（Ｘ方向）に等間隔に並んだ５本の非計測方向（Ｙ方向）に伸びたスリット状の計測用マーク３０４の像は、拡大光学系３０６により更に約２００〜５００倍程度に拡大され、図５（ｂ）示すＹ方向に伸びた５本のスリット状の像からなる計測用マークの像３０４Ｒが得られる。この像３０４ＲのＹ方向の中央部のＡＡ線に沿う断面上で撮像素子３０３に入射する光量分布を図５（ｃ）に示す。
【００１０】
図５（ｃ）の横軸は撮像素子３０３上のＸ方向の位置ｘ、縦軸は撮像素子３０３の各画素からの出力信号（撮像信号）Ｉを表す。この図５（ｃ）の曲線３０７に示すように、像３０４Ｒの５本のスリット像に対応する位置ｘ１ 〜ｘ５ で出力信号Ｉがほぼ同様の最大出力信号値ｂ２となっている。これにより図４（ｂ）の場合と全く同様に、所定のスライスレベルＬ２で曲線３０７をスライスしたときの線幅ａ２、最大出力信号値ｂ２、及び中心位置ｃ２が求められる。図４の例では、スリット２０２の幅で平均化されたものであったのに対して、図５の例では充分小さい画素レベルの分解能で像が得られる。即ち、そのような分解能で像が得られるように拡大光学系３０１の倍率を設定しているので、正確なレチクルの像の形状が求まる。
【００１１】
しかしながら、この図５に示す方法においても、拡大光学系３０３に収差があると投影光学系ＰＬの収差か、拡大光学系３０６の収差かの区別がつかなくなる不都合がある。更に、拡大光学系３０６は比較的大きく、重量もある。このような大きくて重量のある装置をウエハステージＷＳＴ上に搭載すると、ステージ全体が大きく、また重くなり、ステージの制御性が悪化すると共に、測定機構自体も大きくなるという不都合もある。
【００１２】
本発明は斯かる点に鑑み、投影光学系の結像特性が高精度に測定できる投影露光装置を提供することを目的とする。特に、本発明は、計測用マークに対する光量変化及び投影光学系内部での光量変化等が生じても、結像特性の測定に使用される光電変換素子、特にエッジスキャンタイプの光電変換素子のダイナミックレンジ（有効測定範囲）が有効に利用でき、結像特性が高精度に測定できる投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の投影露光装置は、露光用の照明光（ＩＬ）のもとでマスク（Ｒ）上の転写用のパターンの像を感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その基板（Ｗ）をその投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に垂直な平面内で移動する基板ステージ（ＷＳＴ）と、を有する投影露光装置において、その露光用の照明光と同じ波長域の照明光のもとでマスク（Ｒ）上の計測用マーク（ＫＭ）のその投影光学系（ＰＬ）を介した空間像をこの空間像よりも計測方向に幅の広い開口部（９）を介して受光する光電変換素子（１０）と、その基板ステージ（ＷＳＴ）を介してその空間像とその開口部（９）とを計測方向に相対移動させたときにその光電変換素子（１０）から出力される検出信号に基づいてその投影光学系の結像特性を測定する測定手段（１５）と、その光電変換素子（１０）への入射光量をその光電変換素子の有効測定範囲（ダイナミックレンジ）に合わせて調整する光量調整手段（１１；６０２，６０３）と、を設けたものである。
【００１４】
斯かる本発明の第１の投影露光装置によれば、基本的に例えば図６の実施の形態に示すように、計測用マークの像２０４Ｒに対して幅広の開口部４０２を相対走査したときに光電変換素子４０３から得られる検出信号Ｉを用いて、例えばこの検出信号Ｉを微分して位置検出を行う。この方式（エッジスキャン方式）によってその計測用マークの像２０４Ｒの微細な構造も分かるが、それだけでは照明光量の変化に対応できない。そこで、例えば照明条件の変更、あるいは測定するパターンの種類によって、光電変換素子（１０）へ入射する光量が変化するような場合においては、その光量調整手段により常に光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて光量を調節するため、光電変換素子（１０）の有効測定範囲内で計測用マークの空間像に対応する信号成分を大きくできる。従って、その計測用マークの空間像の位置が高精度に測定でき、結果として結像特性を高精度に計測できる。
【００１５】
この場合、その光量調整手段の一例は、その計測用マーク（ＫＭ）に対する照明条件の変化にかかわらず、その光電変換素子（１０）への入射光量をその光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて調整する減光率可変の空間フィルター（３，１１）である。これにより、光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて簡単な構成で入射光量を調節できる。
【００１６】
また、その光量調整手段の別の例は、その計測用マーク（ＫＭ）に対する照明条件の変化にかかわらず、その光電変換素子（１０）への入射光量をその光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて調整するためのその計測用マーク（ＫＭ）の前後に設けられる遮光帯（６０２，６０３）である。計測用マーク（ＫＭ）の前後に設けた遮光帯（６０２，６０３）によって不要な照明光が遮光されて、光電変換素子（１０）の有効測定範囲での信号成分の割合を大きくできる。従って、遮光パターンも高精度に検出できる。
【００１７】
また、本発明による第２の投影露光装置は、露光用の照明光（ＩＬ）のもとでマスク（Ｒ）上の転写用のパターンの像を感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その基板（Ｗ）をその投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に垂直な平面内で移動する基板ステージ（ＷＳＴ）と、を有する投影露光装置において、その露光用の照明光と同じ波長域の照明光のもとでマスク（Ｒ）上の計測用マークのその投影光学系（ＰＬ）を介した空間像をこの空間像よりも計測方向に幅の広い開口部（９）を介して受光する光電変換素子（１０）と、その基板ステージ（ＷＳＴ）を介してその空間像とその開口部（９）とを計測方向に相対移動させたときにその光電変換素子（１０）から出力される検出信号に基づいてその投影光学系（ＰＬ）の結像特性を測定する測定手段（１５）と、を有し、その計測用マーク（６０１）が１本又は複数本の遮光パターン（６０１ａ）よりなり、この遮光パターンの計測方向の前後に投影像にした際に間隔ｄ１で遮光帯（６０２，６０３）が設けられている評価用のマスク（ＴＲ）を使用したときに、その光電変換素子（１０）への入射光量を制限するその開口部（９）の計測方向への幅ｄ２を間隔ｄ１より広くしたものである。
【００１８】
斯かる本発明の第２の投影露光装置によれば、エッジスキャン方式で空間像の計測を行う際に、開口部（９）の計測方向の間隔ｄ２が遮光帯（６０２，６０３）の投影像同士の計測方向の間隔ｄ１より広いため、開口部（９）内に遮光帯（６０２，６０３）のエッジの投影像が必ず収まる状態となる。従って、計測用マークがそのままではＳＮ比が悪化する孤立的な遮光パターンであっても、光電変換素子（１０）への入射光量が調節され、光電変換素子の有効測定範囲出の信号成分の割合が高くなり、結像特性が高精度に測定できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態では後述するように、エッジスキャンタイプのセンサを使用して計測用マークの像を検出するため、先ずエッジスキャンタイプのセンサについて詳細に説明する。
図６（ａ）は、エッジスキャンタイプのセンサを使用する結像特性測定機構を備えた投影露光装置の要部の構成を示す。この図６（ａ）において、ウエハステージＷＳＴ上に開口部４０２が形成された基準板４０１が固定されており、レチクルＲ上に形成された計測用マークとしての非計測（Ｙ方向）に伸びたスリット２０４の投影光学系ＰＬを介した像が、開口部４０２を介して光電変換素子４０３により受光される。
【００２０】
図６（ｂ）は、基準板４０１とレチクルＲ上の計測用マーク２０４の投影像との関係を表す平面図を示し、この図６（ｂ）において、円形の基準板４０１のほぼ中央部にその回りを遮光部４０６に囲まれたほぼ正方形の開口部４０２が設けられている。図４（ｃ）に示すスリット２０２が測定すべき計測用マーク２０４の像２０４Ｒの線幅（計測方向の幅）とほぼ等しいか、やや広い幅であったのに対し、基準板４０１の開口部４０２の計測方向（Ｘ方向）の幅は計測用マークの像２０４Ｒの線幅に対し充分大きいという点が、エッジスキャンタイプが図４の例と大きく異なる点である。また、開口部４０２の底部の光電変換素子４０３の受光部は開口部４０２より広くなっている。図６（ｂ）の状態で図４の例の測定時と同様に、ウエハステージＷＳＴが計測方向（Ｘ方向）に移動するのと並行に、開口部４０２を介してレチクル上の計測用マークの像２０４Ｒを光電変換素子４０３により受光する。
【００２１】
図６（ｃ）の曲線４０７は、光電変換素子４０３の出力信号波形を示し、横軸は開口部４０２の計測方向の位置ｘ、縦軸は出力信号Ｉを表す。この図６（ｃ）において、山形の曲線４０７で示される出力信号Ｉは、開口部４０２の右側のエッジ４０５ａを通過した光量の積分値とみなせるため、この曲線４０７の微分を取ることにより図４（ｂ）の曲線２０５と同様の波形を得ることができる。
【００２２】
図６（ｄ）の曲線４０８は、図６（ｃ）の曲線４０７を位置ｘで微分することにより得られた波形を示し、この図６（ｄ）において、横軸は計測方向の位置ｘ、縦軸は出力信号Ｉの微分値ｄＩ／ｄｘを表す。曲線４０８は中心位置ｃ３に最大値ｂ３を有する波形で示されるが、計測方向の位置ｆ３にも逆方向にピーク、即ち最小値を有する。この逆方向のピークは開口部４０２の左側のエッジ４０５ｂによるものである。
【００２３】
このようにエッジ４０５ａ，４０５ｂを利用する方法により、元の計測用マーク２０４の像２０４Ｒの形状が平均化されることなく正確に再現できる。また、図６の方法は図４及び図５の例と同様に各種測定に用いることができる。この場合、計測用マーク２０４の像２０４Ｒは、エッジ４０５ａの反対側のエッジ４０５ｂから徐々に開口部４０２を出ていく。このため、計測対象の計測用マークの像の計測方向の全長が開口部４０２より長い場合には、開口部４０２を出ていく部分と、入って来る部分が混じりあって測定できない場合がある。例えば図５（ｂ）に示すように、計測対象となる計測用マークが複数のスリット状の基本マークから形成されている場合には、計測用マークの計測方向の幅が広くなる。このような場合には、計測対象の計測用マークの計測方向の幅は制限される。
【００２４】
上記のようなタイプのエッジスキャンタイプのセンサを使用する場合、光電変換素子からの出力信号が積分された形で出力される。
図７（ａ）の曲線４１１は、そのエッジスキャンタイプのセンサを使用した場合の信号波形を示し、横軸は開口部の計測方向の位置ｘ、縦軸は光電変換素子の出力信号Ｉを表す。光電変換素子は、入射光量と出力信号Ｉとが比例する測定可能領域があり、入射光量が線形最大光量を越えると出力信号Ｉが飽和して光量が正しく測定できない。そのときの線形最大光量に対応する出力信号Ｉを線形最大出力信号Ｉｍａｘ とする。このとき、光電変換素子のダイナミックレンジはＩｍａｘ であり、光量調整手段がない場合にはその光電変換素子の最大出力Ｊｍａｘ は、余裕を持つようにその線形最大出力Ｉｍａｘ よりかなり小さい値に設定される。
【００２５】
この図７（ａ）において、階段状の波形で示される曲線４１１は５個の基本マークからなる透過パターンの計測用マークの像に対する出力信号Ｉを示している。この透過パターンの場合は、パターン周辺が遮光帯であるため、光電変換素子から出力される最小出力信号Ｊｍｉｎ はほぼ０となる。この曲線４１１の１つの階段、例えば信号幅ＩＡで示す階段の幅が１個の基本マークからの信号量に相当する。そのため、エッジスキャンタイプでは光電変換素子のダイナミックレンジに対する１パターン（１マーク）当たりの信号幅ＩＡが、図４の従来のスリットセンサ等の場合と比較して小さくなる。光電変換素子の出力信号は、最終的にはデジタル量に変換して信号処理が行われるため、信号量が少ない場合、信号の分解能が低下することになる。従って、光電変換素子等への電気ノイズを考えるとＳＮ比が低下することになり、充分な精度で測定できないという不都合がある。
【００２６】
特に、最近では高い解像度を得るため投影露光装置の照明光学系に各種絞りを挿入して、レチクルへの照明条件を変更する機能が備えられている。この絞りにより照明光の照度が大きく変化し、光電変換素子のダイナミックレンジに対して１パターン当たりの信号量が益々小さくなる状況になってきている。
また、更に近年では解像度を上げるため、露光用として波長の短かいレーザ光、例えば波長２４５ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光、あるいは波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を使用する投影露光装置が開発されているが、これらのレーザ光の光源は波長が短いこと、及びパルス光源であることによって、充分なダイナミックレンジを持つ光電変換素子がなく、適切な対策が望まれている。
【００２７】
次に、計測対象の計測用マークとして、周辺に光線が入射し、パターン部が遮光されている遮光パターンを使用し、エッジスキャンタイプのセンサで信号を取る場合につき説明する。
図７（ｃ）及び図７（ｅ）は、それぞれ遮光パターンを３個及び１個の基本マークで構成した場合の基準板４０１と計測用マークの像との位置関係を示し、図７（ｂ）及び図７（ｄ）は、それらによって得られた光電変換素子での信号波形を示している。なお、図７（ｂ）、（ｄ）において、横軸は開口部４０２の計測方向の位置ｘ、縦軸は光電変換素子４０３の出力信号Ｉを表す。
【００２８】
図７（ｃ）において、３個の基本マークからなる計測対象の遮光パターンの像４０９に対して基準板４０１を矢印で示す計測方向に移動させることにより、出力信号Ｉは図７（ｂ）の曲線４１２のように変化する。この曲線４１２に示すように、パターンの遮光部と透過部の比が１：１のとき、出力信号Ｉの有効領域ＩＹの最小出力信号Ｊｍｉｎ は最大出力信号Ｊｍａｘ のほぼ１／２の大きさであり、且つ最大出力信号Ｊｍａｘ は光電変換素子の線形最大信号Ｉｍａｘ （ダイナミックレンジ）よりかなり小さいため、光電変換素子４０３のダイナミックレンジのかなりの部分が無効領域ＩＤとなる。従って、最も良い条件においても、光電変換素子４０３のダイナミックレンジに対する１パターン当たりの信号量はかなり小さい値となる。
【００２９】
また、図７（ｅ）の計測用マークの像４１０に示すように、１個だけの基本マーク（孤立線）からなる遮光パターンを使用した場合は、開口部４０２が計測用マークの像４１０に対して計測方向に充分広いので、図７（ｄ）の曲線４１３に示すように、出力信号Ｉの変化は極く僅かしか発生せず、出力信号Ｉの有効領域ＩＹの最小出力信号Ｊｍｉｎ は更に大きな値となり、最大出力信号Ｊｍａｘ との間の間隔が更に狭くなる。従って光電変換素子４０３のダイナミックレンジの大半が無効領域ＩＤとなり、ダイナミックレンジの極一部しか利用できないという不都合がある。そこで、以下の実施の形態では、光電変換素子に入射する光量を調整する光量調整手段を設けることによって、光電変換素子のダイナミックレンジを有効に利用する。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態の一例につき図１〜図３を参照して説明する。本例は、レチクル上のパターンを投影光学系を介してウエハ上の各ショット領域に一括露光するステッパー型の投影露光装置に本発明を適用したものである。
図１は、本例の投影露光装置の一部を断面とした概略構成を示し、この図１において、照明用の光源１から射出された照明光ＩＬは、照明光の光束径を調整する照明光整形光学系２に入射する。照明光ＩＬとしては、例えば超高圧水銀ランプの輝線であるｉ線やｇ線、ＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光等のエキシマレーザ光、あるいは、銅蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等が用いられる。本例は、光源１としてより波長の短いエキシマレーザ光源等を使用する場合に特に有効である。
【００３１】
照明光ＩＬは、照明光整形光学系２を通過後、可変ＮＤフィルター３に入射する。可変ＮＤフィルター３は、種々の異なる透過率の複数のＮＤフィルターを回転板上に配置した機構であり、照明光ＩＬに対する透過率を複数段階で切り換えることができ、一般には露光時における露光量の制御を行うのに使用されるが、本例では後述するように投影光学系ＰＬの結像特性の測定時において、光電変換素子１０に入射する光量を調節するためにも兼用される。可変ＮＤフィルター３の回転板の回転角は主制御系１６により制御されている。可変ＮＤフィルター３を通過した照明光ＩＬは更に、フライアイレンズ等を含む照度分布均一化光学系４を通過し、可変絞り５に入射する。可変絞り５は、解像力を増すために、輪帯状照明、あるいは変形照明（傾斜照明）等が可能な構成になっており、例えば、回転板上に通常の円形絞り、半径の小さい円形絞り、輪帯状の絞り、及び光軸から偏心した複数の開口からなる変形光源用の絞り等を配置して構成されている。主制御系１６によりその可変絞り５の回転板の回転角を制御することによってそれらの照明条件が切り換えられるようになっている。
【００３２】
また、可変絞り５により照明系のＮＡ（開口数）も変更できる。この可変絞り５により、照明条件が変化するが、照明光ＩＬを一部遮るため、照度も変化する。可変絞り５を通過した照明光ＩＬは、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッター２０によりその一部が反射され、その一部の照明光が光電変換素子よりなるインテグレータセンサ１９に入射する。インテグレータセンサ１９は光源１からの照明光ＩＬの照度を測定するもので、これも一般には露光時の露光量の制御を行うのに使用されるが、本例では後述するように投影光学系ＰＬの結像特性を測定する際にも使用される。
【００３３】
一方、ビームスプリッター２０を透過した照明光ＩＬは、リレーレンズや可変の視野絞り（レチクルブラインド）等を含むリレーレンズ系６Ａを通過して、ダイクロイックミラー７で下方に反射された後、コンデンサーレンズ６Ｂを介して回路パターン等が描かれたレチクルＲを均一な照度分布で照明する。照明光ＩＬのもとで、レチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬを介して、例えば１／５に縮小されてフォトレジストが塗布されたウエハＷ上の各ショット領域に投影される。なお、本例のレチクルＲは評価用のレチクルであり、回路パターンの代わりに後述のように評価用マークが形成されている。また、図１では説明の都合上ウエハＷ上では結像していない。投影光学系ＰＬの瞳面（レチクルＲに対するフーリエ変換面）には、主制御系１６により不図示の駆動系を介して出入自在に構成された瞳フィルター１８が挿入されている。この瞳フィルター１８は、近年開発された高解像技術の１つで瞳面を通過する照明光ＩＬの一部を遮光するものである。これによっても、ウエハＷ上の照度は変化を受けることになる。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行なＺ軸を取り、光軸ＡＸに垂直な平面上で図１の紙面に平行にＸ軸、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
【００３４】
レチクルＲは不図示のＸ方向、Ｙ方向に移動可能なレチクルステージ上に保持されている。レチクルステージの位置は不図示の干渉計により精密に計測されており、その干渉計の計測値に基づいてレチクルステージの位置が制御されている。また、レチクルＲには計測対象となる複数の計測用マークＫＭが形成されている。なお、更に精密な結像特性の計測を要求される場合には、計測用マークを工夫したレチクルＴＲがレチクルＲに代えて使用されるようになっている。本例では後述するように計測用マークとして遮光パターンを使用する場合の評価用マスクとしてレチクルＴＲが使用される。
【００３５】
ウエハＷは、ウエハステージＷＳＴ上のウエハホルダ１２に真空吸着されている。ウエハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸ方向、Ｙ方向に移動可能に構成されており、これにより、所謂ステップ・アンド・リピート方式で露光が行われる。また、ウエハステージＷＳＴは光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）にも微動でき、ウエハＷ表面のＺ方向の位置に基づき、常に投影光学系ＰＬの像面とウエハＷ表面とが一致するように駆動されている。
【００３６】
そのため本例には、不図示であるが、ウエハＷのＺ方向の位置を検出するための送光光学系及び受光光学系からなる斜入射方式の焦点位置検出系が設けられている。焦点位置検出系はウエハＷの表面の投影光学系ＰＬの結像面に対するＺ方向の位置及び傾斜角の偏差を検出し、ウエハＷの表面と投影光学系ＰＬの結像面とが合致した状態を保ようにウエハステージＷＳＴを駆動するために用いられる。通常、結像面が零点基準となるようにフォーカス信号のキャリブレーションが行われ、受光光学系からのフォーカス信号が０になるようにオートフォーカス及びオートレベリングが行われる。
【００３７】
また、ウエハステージＷＳＴの端部には移動鏡１３が固定されており、外部の干渉計１４及び移動鏡１３によりウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向の位置が例えば０．０１μｍ程度の分解能で高精度に測定される。干渉計１４によって、エッジスキャンタイプのセンサによる結像特性の計測時のウエハステージＷＳＴの位置も正確に計測され、レチクルＲ上の計測用マークＫＭの像の正確な結像位置が求められる。また、前述の焦点位置検出系により基準板８のＺ方向の位置を検出することにより、結像面の焦点位置、像面湾曲等のＺ方向の収差成分も正確に測定できるようになっている。
【００３８】
また、本例の投影露光装置には、投影光学系ＰＬの結像特性を測定するためのエッジスキャンタイプのセンサが設置されている。図１は投影光学系ＰＬの露光フィールドの中心位置にエッジスキャンタイプのセンサが移動し、結像特性の計測を行っている状態を示している。エッジスキャンタイプのセンサについては既に説明したので、ここでは簡単に説明する。結像特性の測定に際し、レチクルＲに形成された計測用マークＫＭが照明光ＩＬにより照明され、投影光学系ＰＬを介してウエハステージＷＳＴ上に固定された基準板８上の開口部９上に計測用マークＫＭの像が結像する。開口部９は遮光帯中に設けられたほぼ正方形の開口パターンであり、開口部９の計測方向（Ｘ方向）の幅は、計測用マークＫＭの計測対象の１本又は複数本のパターン（透過パターンでは透過部、遮光パターンでは遮光部）のウエハステージＷＳ上への投影像の計測方向の幅より広く設定されている。そして、開口部９上の結像光はこの開口部９の真下に設けられた可変ＮＤフィルター１１を経て光電変換素子１０に入射する。光電変換素子１０からは入射する光量に応じた信号が出力される。この場合、基準板８が図６の基準板４０１に相当する。開口部９及び光電変換素子１０がそれぞれ図６の開口部４０２、及び光電変換素子４０３に相当する。基準板８は石英ガラス板等で作られ、開口部９は基準板８上に蒸着した金属膜で囲まれた開口パターンである。光電変換素子１０は例えばフォトダイオード、又はフォトマルチプライアである。
【００３９】
また、光電変換素子１０には増幅率可変のプリアンプが組込まれ、そのプリアンプの増幅率を結像特性検出部１５で制御することによって、光電変換素子１０からの出力信号（以下、プリアンプを介して増幅された信号を意味する）の感度、即ち、１単位の入射光量に対する出力信号の変化量を調整できるようになっている。このように感度を変えることによって、入射光量と出力信号とが比例する測定可能領域での入射光量の上限値である線形最大光量が変化する。これらにより、エッジスキャン方式で評価用マーク像の位置測定を行う。
【００４０】
本例で特に設置された可変ＮＤフィルター１１は、前述の照明光整形光学系２の後に設けられた可変ＮＤフィルター３と同様に、回転板上に透過率が次第に変化する複数個のＮＤフィルターを配置して構成され、その回転板の回転角を制御することによって、光電変換素子１０に入射する光量を調整する。この際に、結像特性検出部１５が、光電変換素子１０の線形最大出力信号に応じて、可変ＮＤフィルター１１の回転板の回転角を制御して入射光量を調整する。光電変換素子１０から出力された信号は、結像特性検出部１５に供給され、結像特性検出部１５はその信号に基づいて評価用マークの像の位置を求め、この位置より投影光学系ＰＬの投影像の結像特性を計算する。また、結像特性検出部１５の計算結果は主制御系１６に供給されており、主制御系１６はその結果に基づき、結像特性検出部１５及び結像特性補正部１７を介して投影光学系ＰＬの結像特性を補正する。
【００４１】
このため、主制御系１６は、干渉計１４及び不図示の焦点位置検出系の出力等結像特性の計算に必要な情報を結像特性検出部１５へ供給する。また、主制御系１６は可変ＮＤフィルター３の透過率を設定し、結像特性検出部１５を介して可変ＮＤフィルター１１の透過率を設定する。結像特性検出部１５で検出された結像特性の情報は、結像特性補正部１７にも供給されている。主制御系１６から補正指令が出されたときには、結像特性補正部１７はこの情報に基づいて、結像特性の設計値からのずれ分を補正して常に投影光学系ＰＬの結像特性を良好に保つように制御している。
【００４２】
この場合、結像特性の補正は投影光学系ＰＬの内部に設けられた補正機構を介して行われる。具体的には図１には示していないが、投影光学系ＰＬを構成するレンズエレメントの一部を光軸ＡＸ方向に駆動する、あるいは傾斜させる、光軸ＡＸに垂直な方向にシフトさせる、又は光軸ＡＸを中心に回転させる等の方法により結像特性を変化させ、結像特性のずれ分を打ち消すように補正する。また、Ｚ方向の像面のずれ（デフォーカス）は、焦点位置検出系のフォーカス信号にオフセットを加えて、ウエハステージＷＳＴをＺ方向に駆動することによって補正できる。
【００４３】
次に、本例の投影露光装置における評価用マークの像の位置の計測動作の一例について説明する。
前述のように、光電変換素子１０に入射する光量は、光源１の発光パワー、可変絞り５で選択される絞り、レチクルＲ上の計測用マークＫＭの種類、及び瞳フィルター１８等による照度変化により決定される。従って、これらの照度の変化量、又は状態が判っていれば光電変換素子１０に入射する光量が算出される。また、より正確に入射光量を求めるには、例えば光電変換素子１０の感度を標準値にし、可変ＮＤフィルター３，１１の透過率をほぼ１００％にして、レチクルＲ上の透過部を介して光電変換素子１０で照明光を受光し、光電変換素子１０の出力信号が線形最大出力信号Ｉｍａｘ を越えるときには可変ＮＤフィルター１１（更には可変ＮＤフィルター３）の透過率を次第に小さくして、光電変換素子１０の出力信号、可変ＮＤフィルター３，１１の透過率、及び計測用マークの種類より入射光量を算出してもよい。このようにして正確に入射光量が求まれば最適な入射光量となるように、可変ＮＤフィルター３，１１等の減光手段、及び光電変換素子１０の感度を調整する。これら３つの調整の全てが必要ではなく、必要な光量調整が可能であればいずれか１つの調整でよい。また、光量調節法はこれら３つの調整方法に限定されず、例えば、可変ＮＤフィルターの代わりに液晶素子、又はチョッパー（高速で遮光するシャッター）のようなものを用いてもよい。以下、入射光量の算出方法の具体例につき説明する。
【００４４】
先ず、光源１と可変絞り５による照度変化はインテグレータセンサ１９により測定できる。この場合、結像特性の計測直前に光源１を露光しない状態で発光させるか、計測直前の照度の測定値を記憶するようにしてもよい。次に、瞳フィルター１８が挿入されているかどうかを調べる。瞳フィルター１８の配置の状態は主制御系１６に記憶されているのでそのメモリーから読み出せばよい。次に、計測対象とするレチクルＲ上の計測用マークＫＭの種類については、予めオペレータが入力すればよく、その場合、線幅、本数、透過パターン又は遮光パターンかの区別等の情報が必要で、これらの情報から、計測用マークＫＭの光透過部の面積が計算でき、レチクルＲを通過する光量が求まる。以上の動作により、可変ＮＤフィルター３，１１により減光されないときの光電変換素子１０への入射光量が求まる。
【００４５】
前述のように、光電変換素子１０には、入射光量と出力信号が比例する測定可能領域があり、或一定光量を越えると出力信号が飽和して入射光量が正しく測定できない。即ち、測定時の入射光量の有効成分の最大値がこの測定可能領域の上限値である線形最大光量であるとき最も有効に光電変換素子１０のダイナミックレンジを使用したことになる。本例においては、このような条件に近いところで測定できるように、減光手段としての可変ＮＤフィルター３，１１を調整する。即ち、予め入射光量と減光手段での調整値との関係を主制御系１６内のメモリーで記憶しておき、入射光量の変化に応じて自動的に減光手段における調整を行う。
【００４６】
このため、先ず、最も入射光量が少ない条件のとき、可変ＮＤフィルター３，１１での透過率を１００％として、プリアンプの増幅率を調整して光電変換素子１０の出力信号が線形最大出力信号となるようにして、光電変換素子１０の感度を最大に設定する。なお、プリアンプの増幅率を調整する代わりに、例えば光電変換素子１０の前に固定のＮＤフィルターを置き、その透過率の調整を行うようにしてもよい。入射光量が最も少ない条件は、例えば光源１の出力が落ちて、可変絞り５で最も透過率の低い絞り（例えば開口数が最小の絞り）を選択し、レチクルＲの計測用マークとして最も線幅の細い１本線の透過パターンを使用し、且つ瞳フィルター１８が挿入された状態である。
【００４７】
このように入射光量が最も少なくなるように調整しておき、入射光量が増える条件では徐々に可変ＮＤフィルター３，１１等で減光していく。入射光量が最も多いとき、その入射光量が光電変換素子１０の測定可能領域に入るように、可能な減光条件で減光手段を予め調整しておく。入射光量が最も多い条件は、例えば光源１の出力が最大（光源の交換直後等）、可変絞り５で最も透過率の高い絞り（例えば開口数が最大の絞り）を選択し、レチクルＲの計測用マークは１本線の遮光パターンでかつ瞳フィルター１８が挿入されていない状態である。以上の方法により、最大入射光量における減光手段での調整値が求められる。
【００４８】
この調整値に基づいて可変ＮＤフィルター３，１１での透過率を設定すると、例えば計測用マークＫＭが５本の透過パターンからなる場合には、光電変換素子１０の出力信号Ｉとして図７（ａ）の曲線４１１と相似な信号が得られる。しかしながら、本例では、出力信号Ｉの最大出力信号Ｊｍａｘ は、入射光量と出力信号Ｉとが比例する測定可能領域内の最大値である線形最大出力信号Ｉｍａｘ とほぼ等しくなっている。そのため、１パターン当たりの信号幅ＩＡは従来よりかなり大きくなり、高いＳＮ比でひいては高精度に位置検出が行われる。
【００４９】
同様に、計測用マークＫＭが例えば３本の遮光パターンからなる場合には、光電変換素子１０の出力信号Ｉとして図７（ｂ）の曲線４１２と相似な信号が得られる。しかしながら、この場合にも、出力信号Ｉの最大出力信号Ｊｍａｘ は線形最大出力信号Ｉｍａｘ とほぼ等しくなり、ダイナミックレンジ（Ｉｍａｘ ）に対する有効領域ＩＹの割合が大きくなって高精度に位置検出が行われる。
【００５０】
この場合、減光手段による減光割合の変化が連続的であれば問題ないが、可変ＮＤフィルター３のように不連続な手段の場合にはその分解能が重要となる。つまり、分解能が粗いと条件によって光電変換素子１０のダイナミックレンジを有効に使用できず、結像特性測定に必要な検出精度が得られなくなる。このため、可変ＮＤフィルター３は必要なだけの種類のＮＤフィルターを装着できるように設計しておき、減光割合の変化が連続に近い状態になるようにすることが望ましい。例えば、粗調用のレボルバー方式の可変ＮＤフィルターと、微調用のレボルバー方式の可変ＮＤフィルターとからなる２段レボルバーを用いて、可変できる減光率のステップを細かくすることができる。
【００５１】
以上、本例の方法によれば、可変ＮＤフィルター３及び可変ＮＤフィルター１１等の減光手段を調節することにより、使用される光電変換素子１０のダイナミックレンジに対して最も適切な光量が供給されるので、光源の変化及び各種の絞りにより光量が変化しても、結像特性が高精度に測定できる。そして、更に結像特性の測定結果に基づいて、結像特性の設計値からのずれ分を例えば結像特性補正部１７を介して補正することによって、結像特性を高精度に所望の状態に維持できる。
【００５２】
次に、本発明の実施の形態の他の例について図２及び図３を参照して説明する。本例は、計測用マークとして遮光パターンを使用した場合に有効な方法である。計測用マークが遮光パターンの場合でも、図１の例による方法によっても、検出信号のＳＮ比を相当に改善できるが、依然として、光電変換素子のダイナミックレンジを有効に使用できない領域が残るという現象は解決されていない。本例は新たなパターン形態を有する遮光パターンを使用することにより、光電変換素子のダイナミックレンジの無効領域をできるだけ少なくするものである。以下、この新たな遮光パターンの例について説明するが、説明の都合上、図２では遮光パターンの計測用マークが基準板上に投影された状態で示す。この場合、本例の計測用マーク６０１は図１の評価用のレチクルＴＲ上に形成されているが、この計測用マークの基準板８への投影像とレチクルＴＲ上の計測用マークとを同一記号で表す。
【００５３】
図２（ａ）は、本例で使用される遮光パターンの一例の投影像の平面図を示し、この図２（ａ）に示すように、非計測方向に伸びた遮光型の１本の基本マーク６０１ａ、及び基本マーク６０１ａの両側の２つの矩形の透過帯６０１ｂ，６０１ｃからなる計測用マーク６０１の計測方向（Ｘ方向）の両側に、遮光帯６０２，６０３を設置したものである。この場合、計測用マーク６０１の計測方向の幅を遮光帯６０２，６０３の間隔ｄ１とみなし、その幅ｄ１と基準板８の開口部９の計測方向の幅ｄ２との間に、ｄ１＜ｄ２の関係が成立するように開口部９を形成する。但し、遮光帯６０２，６０３の像が基本マーク６０１ａの像と重ならないように、遮光帯の間隔ｄ１をその条件を満たす範囲で充分に大きくとる必要がある。これにより、不必要な部分の照明光ＩＬが遮光されるため光電変換素子１０のダイナミックレンジの有効範囲が拡大する。これを図３に基づき光電変換素子１０の出力波形により説明する。なお、以下に説明する図３（ａ）及び図３（ｃ）における横軸は開口部９の計測方向の位置ｘ、縦軸は光電変換素子１０の出力信号Ｉを表す。また、図３（ｂ）及び図３（ｄ）の横軸は計測方向の位置ｘ、縦軸は出力信号Ｉを位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘを表す。また、図３（ａ）〜図３（ｄ）において計測の開始位置を位置ｘ０ で示す。
【００５４】
図３（ａ）の曲線４１３Ａは、図７（ｅ）に示すように遮光帯のない遮光型の１本の基本マークからなる計測用マークを使用した場合の本例の光電変換素子１０の信号波形を表す。この図３（ａ）のように遮光帯の間隔ｄ１と開口部の計測方向の幅ｄ２との間にｄ１＜ｄ２の関係が成立しない場合には、上述の遮光帯によるＳＮ比の改善の効果が期待できない。しかし、図３（ａ）の曲線４１３Ａに示すように、そのような遮光パターンを使用した場合でも、光電変換素子１０で測定される最大出力信号Ｊｍａｘ を光電変換素子１０の線形最大出力信号Ｉｍａｘ とほぼ同じ値に設定することによって、ダイナミックレンジＤＲに対する有効領域ＩＹの割合が大きくなる。それに対して、図２（ａ）に示す基準板８の開口部９の計測方向の幅は遮光パターンである基本マーク６０１ａの計測方向の幅に対して広いためにパターン周辺を透過する光量が常に光電変換素子１０に入射する状態にあるため、最小出力信号Ｊｍｉｎ は最大出力信号Ｊｍａｘ に近い値となり、光電変換素子１０のダイナミックレンジＤＲに対する信号の無効領域ＩＤの割合はかなり大きい。
【００５５】
図３（ｃ）は、図３（ａ）の曲線４１３Ａを位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘを示し、この図３（ｃ）の曲線４１４で示すように、元の信号変化が小さいので波形も小さく、計測マークの中心位置Ｃ４の測定精度も充分でない場合がある。これに対して計測マークの計測方向の両側に遮光帯を設けた本例の遮光パターンを使用したときには、光電変換素子１０のダイナミックレンジＤＲが有効に活用される。
【００５６】
図３（ｂ）は、計測用マークとして本例の図２（ａ）の計測用マーク６０１を使用したときの光電変換素子１０の出力信号Ｉを示し、この図３（ｂ）の曲線６０７に示すように、図２（ａ）に示す透過帯６０１ｂが基準板８の開口部９のエッジ９ａから内側に入ってくるにつれて出力信号Ｉがほぼ値が０の最小出力信号Ｊｍｉｎ から直線的に大きくなり、基本マーク６０１ａがエッジ９ａに差し掛かる位置ｘ１ で出力信号Ｉの増加が一旦止まる。そして、基準マーク６０１ａ全体がエッジ９ａ内に入った位置ｘ２ から透過帯６０１ｃが基準板８の開口部９のエッジ９ａから内側に入ってくるにつれて出力信号Ｉは再び増大し、透過帯６０１ｃ全体が開口部９内に収まった時点で出力信号Ｉは最大出力信号Ｊｍａｘ となる。そして、透過帯６０１ｂ，６０１ｃ全体と開口部９とが重なっている間、一定の最大出力値Ｊｍａｘ を示す。そして、逆のエッジ９ｂから透過帯６０１ｂが出ていくときは逆の波形となる。
【００５７】
図２（ａ）に基づいて前述したように、計測用マーク６０１の計測方向の幅ｄ１と基準マーク部材８の開口部９の計測方向の幅ｄ２との間に、ｄ１＜ｄ２の条件が成立するとき、遮光帯６０２，６０３がある分、曲線６０７の最大出力信号Ｊｍａｘ は図３（ａ）の遮光帯が無い場合の最大出力信号Ｊｍａｘ に比べて小さくなっている。それに対して遮光型の基本マーク６０１ａによる出力信号Ｉの変化量は同じであるため、出力信号Ｉ中の最大出力信号Ｊｍａｘ に対する有効成分の割合が増加している。更に、本例では光電変換素子１０に入射する光量を調節するための可変ＮＤフィルター３、及び可変ＮＤフィルター１１よりなる減光手段を備えている。そのため、最大光量Ｊｍａｘ は、減光手段での減光率を下げることにより光電変換素子１０の線形最大出力信号Ｉｍａｘ に近い値にすることができる。最小出力信号Ｊｍｉｎ は遮光帯６０２，６０３を設けることによりほぼ０となっているため、基本マーク６０１ａに対応する信号成分のダイナミックレンジＤＲに対する比率を高くすることができる。更に、曲線６０７に示すように、光量が変化する領域、即ち出力信号Ｉが変化する位置ｘ１ 〜ｘ２ の間の出力信号Ｉは判明しており、計測用マーク６０１の中心位置Ｃ５が後述する方法により算出されるため、信号処理に必要な出力信号Ｉの最大値は最大出力信号Ｊｍａｘ より小さい出力信号ＪＲ で充分である。これを考慮すれば、更に減光率を下げて、その出力信号信号ＪＲ を線形最大出力信号Ｉｍａｘ まで高めることによって、成分のダイナミックレンジＤＲに対する比率を一層高くすることができ、検出精度を最も高めることができる。
【００５８】
図３（ｄ）の曲線６０８は、図３（ｂ）の曲線６０７を位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘを示す。この図３（ｄ）の曲線６０８は、図２（ａ）の遮光帯６０２，６０３により、図３（ｃ）の曲線４１４に対して一定のオフセットが乗った波形になっているが、一定値のため波形検出上問題にはならない。曲線６０８に示すように、信号出力Ｉの微分信号ｄＩ／ｄｘは、計測開始点ｘ０ から計測用マーク６０１の基本マーク６０１ａが基準板８の開口部９のエッジ９ａに差し掛かる位置ｘ１ まで開口部９と透過帯６０１ｂとの重なりが一定の割合で増加するためほぼ一定値Ｒ１で推移し、位置ｘ１ でＲ１から急速に下降し、位置Ｃ５で０になった後、急速にＲ１まで上昇する波形となっている。この微分信号ｄＩ／ｄｘが０となる中心位置Ｃ５が求める位置となる。エッジ９ａに対向するエッジ９ｂでの微分信号ｄＩ／ｄｘの波形は、エッジ９ａでの波形を左右上下で逆にした最小値が−Ｒ１となる波形となる。この場合、本例の図３（ｄ）の微分信号ｄＩ／ｄｘの変化量である±Ｒ１は、遮光帯を用いない図３（ｃ）の微分信号の変化量より格段に大きくなっているため、高精度に位置検出が行われる。
【００５９】
次に、図２（ａ）の変形例を図２（ｂ）を参照して説明する。
図２（ｂ）は、本例で使用される遮光パターンの変形例の平面図を示し、この図２（ｂ）に示すように、非計測方向に伸びた遮光型の３本の基本マーク６０４ａ〜６０４ｃ及びその両側の２つの矩形の透過帯６０４ｄ，６０１ｅからなる計測用マーク６０４の計測方向（Ｘ方向）の両側に、遮光帯６０５，６０６を設置したものである。この場合、計測用マーク６０４の計測方向の幅ｄ３と図１の基準板８の開口部９の計測方向の幅ｄ２との間に、ｄ３＜ｄ２の関係が成立するように開口部９を形成する。これにより、図２（ａ）の例と同様に不必要な部分の照明光ＩＬが遮光されるため光電変換素子１０のダイナミックレンジの有効範囲が拡大する。
【００６０】
以上、計測用マークが遮光パターンであっても、本例の遮光パターンを用いることにより、光電変換素子１０のダイナミックレンジを有効に活用して、投影光学系ＰＬの結像特性を高精度に検出することができる。
なお、上述の実施の形態では図２に示すように、遮光パターンよりなるマークの両側に遮光帯６０２，６０３等を設けて不要な照明光を除去しているが、例えば図１のリレー光学系６Ａ中の可変の視野絞り（レチクルブラインド）によって、計測用マークＫＭの両側を遮光することによっても同様な効果が得られる。
【００６１】
また、上述の実施の形態はエッジスキャンタイプのセンサを用いる方式に限って説明したが、図１に基づいて説明した方法は図４の従来のスリットスキャン方式で位置検出を行う場合、又は図５に示した２次元、あるいは１次元の撮像素子を用いて位置検出を行う場合にも有効である。
また、上述の実施の形態はレチクルＲ及びウエハＷを静止したままで露光する所謂一括型（ステッパー型）の投影露光装置に本発明を適用したものであるが、本発明はレチクルのパターンの一部を投影光学系を介してウエハ上に投射した状態で、レチクルとウエハとを同期走査してレチクルのパターンをウエハの各ショット領域に逐次露光する、所謂ステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光型の投影露光装置にも同様に適用できる。
【００６２】
このように、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。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の第１の投影露光装置によれば、例えば照明条件の変更、あるいは測定するパターンの種類によって、光電変換素子へ入射する光量が変化するような場合においても、光量調整手段により常に光電変換素子の有効測定範囲を有効に使用することができ、結像特性が高精度に測定できる利点がある。特に、本発明は照明光として光電変換素子の有効測定範囲が狭いＫｒＦエキシマレーザ光及びＡｒＦエキシマレーザ光等のエキシマレーザ光を使用する場合に効果的である。
【００６４】
また、光量調整手段が、計測用マークに対する照明条件の変化にかかわらず、光電変換素子への入射光量を光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整する減光率可変の空間フィルターである場合には、その空間フィルターにより確実に光量を調節できる。
また、光量調整手段が、計測用マークに対する照明条件の変化にかかわらず、光電変換素子への入射光量を光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整するための計測用マークの前後に設けられる遮光帯である場合には、その計測用マークが孤立した遮光パターンであっても、最大光量に対する計測用マークに対応する光量変化分の割合を高めることができる。従って、検出信号のＳＮ比が高まって位置検出精度、ひいては結像特性の測定精度が高まる。
【００６５】
また、本発明の第２の投影露光装置によれば、遮光パターンを使用した場合においても、測定時の移動方向に照明光を遮光する遮光帯により、遮光パターン周辺からの照明光を遮ることができるため、光電変換素子の有効測定範囲を有効に使用でき、結像特性の測定精度が向上する利点がある。また、本発明の第１の投影露光装置の場合と同様に、照明光として光電変換素子の有効測定範囲の狭いエキシマレーザ光を使用する場合に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投影露光装置の実施の形態の一例を示す一部を切り欠いた概略構成図である。
【図２】本発明による投影露光装置の実施の形態の他の例における計測用マークの像及び開口部の関係を示す拡大平面図である。
【図３】図２の計測用マークを使用した場合の出力信号Ｉ及び微分信号ｄＩ／ｄｘを示す波形図である。
【図４】従来のスリットスキャン方式の結像特性測定方法の説明図である。
【図５】従来の撮像素子を用いる方式の結像特性測定方法の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態で使用されるエッジスキャン方式の結像特性測定方法の説明図である。
【図７】図６の結像特性測定方法における出力信号及び計測方法の説明図である。
【符号の説明】
１ 光源
３ 可変ＮＤフィルター
５ 可変絞り
Ｒ レチクル
ＫＭ 計測用マーク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウエハ
８ 基準板
９ 開口部
９ａ エッジ
１０ 光電変換素子
１１ 可変ＮＤフィルター
１５ 結像特性検出部
１６ 主制御系
１７ 結像特性補正部
１９ インテグレータセンサ
６０１，６０４ 計測用マーク
６０１ａ，６０４ａ〜６０４ｃ 基本マーク（遮光パターン）
６０２，６０３，６０４，６０５ 遮光帯
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子、液晶表示素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、又は薄膜磁気ヘッド等を製造するためのフォトリソグラフィ工程で使用される投影露光装置に関し、特にマスク上のマークの空間像により投影光学系の結像特性を計測する手段を有する投影露光装置に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体素子等を製造するためのフォトリソグラフィ工程では、レチクル（又はマスク等）のパターンをウエハ（又はガラスプレート）上に転写するステッパー等の投影露光装置が使用されている。これらの投影露光装置においては、微細なパターンを高精度に前のプロセスで形成されたパターンに重ね合わせ露光する必要があるため、レチクルのウエハ上への投影像の結像特性は高度に調整されていなければならない。このため、結像特性を評価する方法も種々提案されている。
【０００３】
通常、結像特性を評価する方法として、レチクル上のテストパターン（計測用マーク）を評価用のウエハ上に露光し、その後現像によって現れる像を観察するのが一般的であるが、この方法では露光、現像という工程が必要なため、ウエハを載置するステージ上に光電変換素子を設けてテストパターンの空間像を直接観察する方法が提案されている。この方法によれば、装置の初期調整だけではなく、装置の経時変化、大気圧、温度等の外部環境の変化、照明光の結像光学系での吸収、あるいはレチクルへの照明条件の変化等により発生する結像特性の変化を簡単に観察し、場合によっては補正することも可能である。従って、近年の投影露光装置にはこの種の空間像を観察する方式の結像特性測定機構が備えられている場合が多い。
【０００４】
図４（ａ）は、従来の投影露光装置における結像特性測定機構の例を説明するための図を示し、この図４（ａ）において、レチクルＲ上の計測用マーク２０４が露光用の照明光ＩＬによって照明され、投影光学系ＰＬを介して計測用マーク２０４の像がウエハＷを載置するウエハステージＷＳＴ上に固定された基準板２０１上に結像している。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な平面上で図４（ａ）の紙面に平行にＸ軸、その紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。基準板２０１の遮光部の中央部に照明光ＩＬが透過する非計測方向（Ｙ方向）に伸びたスリット２０２が１つあるいは複数個形成されている。スリット２０２は、Ｙ方向に伸びたスリット状の計測用マーク２０４の基準板２０１上への投影像に対してＹ方向にほぼ同じ長さ、Ｘ方向には少し広い幅で形成されており、ウエハステージＷＳＴが計測方向（Ｘ方向）に移動するのと並行して、スリット２０２を介して計測用マーク２０４の像を光電変換素子２０３により受光する。
【０００５】
図４（ｂ）の曲線２０５は、光電変換素子２０３の出力信号の波形を示し、横軸は計測方向の位置（ウエハステージＷＳＴのＸ座標）ｘ、縦軸は出力信号Ｉを表す。この図４（ｂ）において、曲線２０５の信号波形より、結像特性を求める。例えば、適当なスライスレベルＬ１で曲線２０５をスライスしたときの２つの交点Ｓ１，Ｓ２の線幅ａ１より、像のコントラストが求まる。また、最大信号値ｂ１よりコントラストを求めてもよい。基準板２０１を投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向に移動しつつコントラストを求めれば、焦点位置、像面湾曲等が求まる。更に、別の計測方向の計測用マークの像を測定すれば非点収差も求まる。また、測定中のウエハステージＷＳＴの座標を同時に取り込むことにより、計測用マークの像の中心位置ｃ１を求めれば、ディストーション等の像の歪みが求められる。
【０００６】
図４（ｃ）は、基準板２０１と計測用マーク２０４の像とを投影光学系ＰＬ側からみた位置関係を示し、この図４（ｃ）において、円形の基準板２０１をＸ方向に走査することにより、図４（ｂ）のように出力信号Ｉが変化する。即ち、計測用マーク２０４の像２０４Ｒが基準板２０１のスリット２０２に近付くに従って光電変換素子２０３の出力信号Ｉが大きくなり、像２０４Ｒの中心とスリット２０２の中心とが重なったとき、光電変換素子２０３の出力信号Ｉが最大となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本方式ではスリット２０２の計測方向の幅に亘り平均化された光量を受光するため、コントラストの比較程度は可能であるが、レチクルＲ上の計測用マーク２０４の像の正確な形状（プロファイル）は判らない。このため、コマ収差等が原因の線幅の微妙な差や、像質が判らないという不都合がある。
【０００８】
また、レチクルの計測用マークの像の形状を測定する方法として、２次元、あるいは１次元の撮像素子で像を直接観察する方法も考えられている。しかし、光電変換素子で直接観察する方法では、現在使用されているような非常に細かい線幅を露光する投影露光装置においては必要な位置分解能が得られない。このため、像を拡大してから光電変換素子で観察する方法が提案されている。
【０００９】
図５（ａ）は、従来の拡大光学系を備えた結像特性測定機構の例を示し、この図５（ａ）において、照明光ＩＬはレチクルＲ上の計測用マーク３０４を照明し、投影光学系ＰＬ、素ガラス及び拡大光学系３０６を介して計測用マーク３０４の像を撮像素子３０３上に結像する。なお、図４の例では１本線の計測用マークの例を示したが、ここでは５本線の計測用マークの例を示す。計測方向（Ｘ方向）に等間隔に並んだ５本の非計測方向（Ｙ方向）に伸びたスリット状の計測用マーク３０４の像は、拡大光学系３０６により更に約２００〜５００倍程度に拡大され、図５（ｂ）示すＹ方向に伸びた５本のスリット状の像からなる計測用マークの像３０４Ｒが得られる。この像３０４ＲのＹ方向の中央部のＡＡ線に沿う断面上で撮像素子３０３に入射する光量分布を図５（ｃ）に示す。
【００１０】
図５（ｃ）の横軸は撮像素子３０３上のＸ方向の位置ｘ、縦軸は撮像素子３０３の各画素からの出力信号（撮像信号）Ｉを表す。この図５（ｃ）の曲線３０７に示すように、像３０４Ｒの５本のスリット像に対応する位置ｘ１ 〜ｘ５ で出力信号Ｉがほぼ同様の最大出力信号値ｂ２となっている。これにより図４（ｂ）の場合と全く同様に、所定のスライスレベルＬ２で曲線３０７をスライスしたときの線幅ａ２、最大出力信号値ｂ２、及び中心位置ｃ２が求められる。図４の例では、スリット２０２の幅で平均化されたものであったのに対して、図５の例では充分小さい画素レベルの分解能で像が得られる。即ち、そのような分解能で像が得られるように拡大光学系３０１の倍率を設定しているので、正確なレチクルの像の形状が求まる。
【００１１】
しかしながら、この図５に示す方法においても、拡大光学系３０３に収差があると投影光学系ＰＬの収差か、拡大光学系３０６の収差かの区別がつかなくなる不都合がある。更に、拡大光学系３０６は比較的大きく、重量もある。このような大きくて重量のある装置をウエハステージＷＳＴ上に搭載すると、ステージ全体が大きく、また重くなり、ステージの制御性が悪化すると共に、測定機構自体も大きくなるという不都合もある。
【００１２】
本発明は斯かる点に鑑み、投影光学系の結像特性が高精度に測定できる投影露光装置を提供することを目的とする。特に、本発明は、計測用マークに対する光量変化及び投影光学系内部での光量変化等が生じても、結像特性の測定に使用される光電変換素子、特にエッジスキャンタイプの光電変換素子のダイナミックレンジ（有効測定範囲）が有効に利用でき、結像特性が高精度に測定できる投影露光装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の投影露光装置は、露光用の照明光（ＩＬ）のもとでマスク（Ｒ）上の転写用のパターンの像を感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その基板（Ｗ）をその投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に垂直な平面内で移動する基板ステージ（ＷＳＴ）と、を有する投影露光装置において、その露光用の照明光と同じ波長域の照明光のもとでマスク（Ｒ）上の計測用マーク（ＫＭ）のその投影光学系（ＰＬ）を介した空間像をこの空間像よりも計測方向に幅の広い開口部（９）を介して受光する光電変換素子（１０）と、その基板ステージ（ＷＳＴ）を介してその空間像とその開口部（９）とを計測方向に相対移動させたときにその光電変換素子（１０）から出力される検出信号に基づいてその投影光学系の結像特性を測定する測定手段（１５）と、その光電変換素子（１０）への入射光量をその光電変換素子の有効測定範囲（ダイナミックレンジ）に合わせて調整する光量調整手段（１１；６０２，６０３）と、を設けたものである。
【００１４】
斯かる本発明の第１の投影露光装置によれば、基本的に例えば図６の実施の形態に示すように、計測用マークの像２０４Ｒに対して幅広の開口部４０２を相対走査したときに光電変換素子４０３から得られる検出信号Ｉを用いて、例えばこの検出信号Ｉを微分して位置検出を行う。この方式（エッジスキャン方式）によってその計測用マークの像２０４Ｒの微細な構造も分かるが、それだけでは照明光量の変化に対応できない。そこで、例えば照明条件の変更、あるいは測定するパターンの種類によって、光電変換素子（１０）へ入射する光量が変化するような場合においては、その光量調整手段により常に光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて光量を調節するため、光電変換素子（１０）の有効測定範囲内で計測用マークの空間像に対応する信号成分を大きくできる。従って、その計測用マークの空間像の位置が高精度に測定でき、結果として結像特性を高精度に計測できる。
【００１５】
この場合、その光量調整手段の一例は、その計測用マーク（ＫＭ）に対する照明条件の変化にかかわらず、その光電変換素子（１０）への入射光量をその光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて調整する減光率可変の空間フィルター（３，１１）である。これにより、光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて簡単な構成で入射光量を調節できる。
【００１６】
また、その光量調整手段の別の例は、その計測用マーク（ＫＭ）に対する照明条件の変化にかかわらず、その光電変換素子（１０）への入射光量をその光電変換素子（１０）の有効測定範囲に合わせて調整するためのその計測用マーク（ＫＭ）の前後に設けられる遮光帯（６０２，６０３）である。計測用マーク（ＫＭ）の前後に設けた遮光帯（６０２，６０３）によって不要な照明光が遮光されて、光電変換素子（１０）の有効測定範囲での信号成分の割合を大きくできる。従って、遮光パターンも高精度に検出できる。
【００１７】
また、本発明による第２の投影露光装置は、露光用の照明光（ＩＬ）のもとでマスク（Ｒ）上の転写用のパターンの像を感光性の基板（Ｗ）上に投影する投影光学系（ＰＬ）と、その基板（Ｗ）をその投影光学系（ＰＬ）の光軸（ＡＸ）に垂直な平面内で移動する基板ステージ（ＷＳＴ）と、を有する投影露光装置において、その露光用の照明光と同じ波長域の照明光のもとでマスク（Ｒ）上の計測用マークのその投影光学系（ＰＬ）を介した空間像をこの空間像よりも計測方向に幅の広い開口部（９）を介して受光する光電変換素子（１０）と、その基板ステージ（ＷＳＴ）を介してその空間像とその開口部（９）とを計測方向に相対移動させたときにその光電変換素子（１０）から出力される検出信号に基づいてその投影光学系（ＰＬ）の結像特性を測定する測定手段（１５）と、を有し、その計測用マーク（６０１）が１本又は複数本の遮光パターン（６０１ａ）よりなり、この遮光パターンの計測方向の前後に投影像にした際に間隔ｄ１で遮光帯（６０２，６０３）が設けられている評価用のマスク（ＴＲ）を使用したときに、その光電変換素子（１０）への入射光量を制限するその開口部（９）の計測方向への幅ｄ２を間隔ｄ１より広くしたものである。
【００１８】
斯かる本発明の第２の投影露光装置によれば、エッジスキャン方式で空間像の計測を行う際に、開口部（９）の計測方向の間隔ｄ２が遮光帯（６０２，６０３）の投影像同士の計測方向の間隔ｄ１より広いため、開口部（９）内に遮光帯（６０２，６０３）のエッジの投影像が必ず収まる状態となる。従って、計測用マークがそのままではＳＮ比が悪化する孤立的な遮光パターンであっても、光電変換素子（１０）への入射光量が調節され、光電変換素子の有効測定範囲出の信号成分の割合が高くなり、結像特性が高精度に測定できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態では後述するように、エッジスキャンタイプのセンサを使用して計測用マークの像を検出するため、先ずエッジスキャンタイプのセンサについて詳細に説明する。
図６（ａ）は、エッジスキャンタイプのセンサを使用する結像特性測定機構を備えた投影露光装置の要部の構成を示す。この図６（ａ）において、ウエハステージＷＳＴ上に開口部４０２が形成された基準板４０１が固定されており、レチクルＲ上に形成された計測用マークとしての非計測（Ｙ方向）に伸びたスリット２０４の投影光学系ＰＬを介した像が、開口部４０２を介して光電変換素子４０３により受光される。
【００２０】
図６（ｂ）は、基準板４０１とレチクルＲ上の計測用マーク２０４の投影像との関係を表す平面図を示し、この図６（ｂ）において、円形の基準板４０１のほぼ中央部にその回りを遮光部４０６に囲まれたほぼ正方形の開口部４０２が設けられている。図４（ｃ）に示すスリット２０２が測定すべき計測用マーク２０４の像２０４Ｒの線幅（計測方向の幅）とほぼ等しいか、やや広い幅であったのに対し、基準板４０１の開口部４０２の計測方向（Ｘ方向）の幅は計測用マークの像２０４Ｒの線幅に対し充分大きいという点が、エッジスキャンタイプが図４の例と大きく異なる点である。また、開口部４０２の底部の光電変換素子４０３の受光部は開口部４０２より広くなっている。図６（ｂ）の状態で図４の例の測定時と同様に、ウエハステージＷＳＴが計測方向（Ｘ方向）に移動するのと並行に、開口部４０２を介してレチクル上の計測用マークの像２０４Ｒを光電変換素子４０３により受光する。
【００２１】
図６（ｃ）の曲線４０７は、光電変換素子４０３の出力信号波形を示し、横軸は開口部４０２の計測方向の位置ｘ、縦軸は出力信号Ｉを表す。この図６（ｃ）において、山形の曲線４０７で示される出力信号Ｉは、開口部４０２の右側のエッジ４０５ａを通過した光量の積分値とみなせるため、この曲線４０７の微分を取ることにより図４（ｂ）の曲線２０５と同様の波形を得ることができる。
【００２２】
図６（ｄ）の曲線４０８は、図６（ｃ）の曲線４０７を位置ｘで微分することにより得られた波形を示し、この図６（ｄ）において、横軸は計測方向の位置ｘ、縦軸は出力信号Ｉの微分値ｄＩ／ｄｘを表す。曲線４０８は中心位置ｃ３に最大値ｂ３を有する波形で示されるが、計測方向の位置ｆ３にも逆方向にピーク、即ち最小値を有する。この逆方向のピークは開口部４０２の左側のエッジ４０５ｂによるものである。
【００２３】
このようにエッジ４０５ａ，４０５ｂを利用する方法により、元の計測用マーク２０４の像２０４Ｒの形状が平均化されることなく正確に再現できる。また、図６の方法は図４及び図５の例と同様に各種測定に用いることができる。この場合、計測用マーク２０４の像２０４Ｒは、エッジ４０５ａの反対側のエッジ４０５ｂから徐々に開口部４０２を出ていく。このため、計測対象の計測用マークの像の計測方向の全長が開口部４０２より長い場合には、開口部４０２を出ていく部分と、入って来る部分が混じりあって測定できない場合がある。例えば図５（ｂ）に示すように、計測対象となる計測用マークが複数のスリット状の基本マークから形成されている場合には、計測用マークの計測方向の幅が広くなる。このような場合には、計測対象の計測用マークの計測方向の幅は制限される。
【００２４】
上記のようなタイプのエッジスキャンタイプのセンサを使用する場合、光電変換素子からの出力信号が積分された形で出力される。
図７（ａ）の曲線４１１は、そのエッジスキャンタイプのセンサを使用した場合の信号波形を示し、横軸は開口部の計測方向の位置ｘ、縦軸は光電変換素子の出力信号Ｉを表す。光電変換素子は、入射光量と出力信号Ｉとが比例する測定可能領域があり、入射光量が線形最大光量を越えると出力信号Ｉが飽和して光量が正しく測定できない。そのときの線形最大光量に対応する出力信号Ｉを線形最大出力信号Ｉｍａｘ とする。このとき、光電変換素子のダイナミックレンジはＩｍａｘ であり、光量調整手段がない場合にはその光電変換素子の最大出力Ｊｍａｘ は、余裕を持つようにその線形最大出力Ｉｍａｘ よりかなり小さい値に設定される。
【００２５】
この図７（ａ）において、階段状の波形で示される曲線４１１は５個の基本マークからなる透過パターンの計測用マークの像に対する出力信号Ｉを示している。この透過パターンの場合は、パターン周辺が遮光帯であるため、光電変換素子から出力される最小出力信号Ｊｍｉｎ はほぼ０となる。この曲線４１１の１つの階段、例えば信号幅ＩＡで示す階段の幅が１個の基本マークからの信号量に相当する。そのため、エッジスキャンタイプでは光電変換素子のダイナミックレンジに対する１パターン（１マーク）当たりの信号幅ＩＡが、図４の従来のスリットセンサ等の場合と比較して小さくなる。光電変換素子の出力信号は、最終的にはデジタル量に変換して信号処理が行われるため、信号量が少ない場合、信号の分解能が低下することになる。従って、光電変換素子等への電気ノイズを考えるとＳＮ比が低下することになり、充分な精度で測定できないという不都合がある。
【００２６】
特に、最近では高い解像度を得るため投影露光装置の照明光学系に各種絞りを挿入して、レチクルへの照明条件を変更する機能が備えられている。この絞りにより照明光の照度が大きく変化し、光電変換素子のダイナミックレンジに対して１パターン当たりの信号量が益々小さくなる状況になってきている。
また、更に近年では解像度を上げるため、露光用として波長の短かいレーザ光、例えば波長２４５ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光、あるいは波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を使用する投影露光装置が開発されているが、これらのレーザ光の光源は波長が短いこと、及びパルス光源であることによって、充分なダイナミックレンジを持つ光電変換素子がなく、適切な対策が望まれている。
【００２７】
次に、計測対象の計測用マークとして、周辺に光線が入射し、パターン部が遮光されている遮光パターンを使用し、エッジスキャンタイプのセンサで信号を取る場合につき説明する。
図７（ｃ）及び図７（ｅ）は、それぞれ遮光パターンを３個及び１個の基本マークで構成した場合の基準板４０１と計測用マークの像との位置関係を示し、図７（ｂ）及び図７（ｄ）は、それらによって得られた光電変換素子での信号波形を示している。なお、図７（ｂ）、（ｄ）において、横軸は開口部４０２の計測方向の位置ｘ、縦軸は光電変換素子４０３の出力信号Ｉを表す。
【００２８】
図７（ｃ）において、３個の基本マークからなる計測対象の遮光パターンの像４０９に対して基準板４０１を矢印で示す計測方向に移動させることにより、出力信号Ｉは図７（ｂ）の曲線４１２のように変化する。この曲線４１２に示すように、パターンの遮光部と透過部の比が１：１のとき、出力信号Ｉの有効領域ＩＹの最小出力信号Ｊｍｉｎ は最大出力信号Ｊｍａｘ のほぼ１／２の大きさであり、且つ最大出力信号Ｊｍａｘ は光電変換素子の線形最大信号Ｉｍａｘ （ダイナミックレンジ）よりかなり小さいため、光電変換素子４０３のダイナミックレンジのかなりの部分が無効領域ＩＤとなる。従って、最も良い条件においても、光電変換素子４０３のダイナミックレンジに対する１パターン当たりの信号量はかなり小さい値となる。
【００２９】
また、図７（ｅ）の計測用マークの像４１０に示すように、１個だけの基本マーク（孤立線）からなる遮光パターンを使用した場合は、開口部４０２が計測用マークの像４１０に対して計測方向に充分広いので、図７（ｄ）の曲線４１３に示すように、出力信号Ｉの変化は極く僅かしか発生せず、出力信号Ｉの有効領域ＩＹの最小出力信号Ｊｍｉｎ は更に大きな値となり、最大出力信号Ｊｍａｘ との間の間隔が更に狭くなる。従って光電変換素子４０３のダイナミックレンジの大半が無効領域ＩＤとなり、ダイナミックレンジの極一部しか利用できないという不都合がある。そこで、以下の実施の形態では、光電変換素子に入射する光量を調整する光量調整手段を設けることによって、光電変換素子のダイナミックレンジを有効に利用する。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態の一例につき図１〜図３を参照して説明する。本例は、レチクル上のパターンを投影光学系を介してウエハ上の各ショット領域に一括露光するステッパー型の投影露光装置に本発明を適用したものである。
図１は、本例の投影露光装置の一部を断面とした概略構成を示し、この図１において、照明用の光源１から射出された照明光ＩＬは、照明光の光束径を調整する照明光整形光学系２に入射する。照明光ＩＬとしては、例えば超高圧水銀ランプの輝線であるｉ線やｇ線、ＫｒＦエキシマレーザ光やＡｒＦエキシマレーザ光等のエキシマレーザ光、あるいは、銅蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波等が用いられる。本例は、光源１としてより波長の短いエキシマレーザ光源等を使用する場合に特に有効である。
【００３１】
照明光ＩＬは、照明光整形光学系２を通過後、可変ＮＤフィルター３に入射する。可変ＮＤフィルター３は、種々の異なる透過率の複数のＮＤフィルターを回転板上に配置した機構であり、照明光ＩＬに対する透過率を複数段階で切り換えることができ、一般には露光時における露光量の制御を行うのに使用されるが、本例では後述するように投影光学系ＰＬの結像特性の測定時において、光電変換素子１０に入射する光量を調節するためにも兼用される。可変ＮＤフィルター３の回転板の回転角は主制御系１６により制御されている。可変ＮＤフィルター３を通過した照明光ＩＬは更に、フライアイレンズ等を含む照度分布均一化光学系４を通過し、可変絞り５に入射する。可変絞り５は、解像力を増すために、輪帯状照明、あるいは変形照明（傾斜照明）等が可能な構成になっており、例えば、回転板上に通常の円形絞り、半径の小さい円形絞り、輪帯状の絞り、及び光軸から偏心した複数の開口からなる変形光源用の絞り等を配置して構成されている。主制御系１６によりその可変絞り５の回転板の回転角を制御することによってそれらの照明条件が切り換えられるようになっている。
【００３２】
また、可変絞り５により照明系のＮＡ（開口数）も変更できる。この可変絞り５により、照明条件が変化するが、照明光ＩＬを一部遮るため、照度も変化する。可変絞り５を通過した照明光ＩＬは、反射率が小さく透過率の大きなビームスプリッター２０によりその一部が反射され、その一部の照明光が光電変換素子よりなるインテグレータセンサ１９に入射する。インテグレータセンサ１９は光源１からの照明光ＩＬの照度を測定するもので、これも一般には露光時の露光量の制御を行うのに使用されるが、本例では後述するように投影光学系ＰＬの結像特性を測定する際にも使用される。
【００３３】
一方、ビームスプリッター２０を透過した照明光ＩＬは、リレーレンズや可変の視野絞り（レチクルブラインド）等を含むリレーレンズ系６Ａを通過して、ダイクロイックミラー７で下方に反射された後、コンデンサーレンズ６Ｂを介して回路パターン等が描かれたレチクルＲを均一な照度分布で照明する。照明光ＩＬのもとで、レチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬを介して、例えば１／５に縮小されてフォトレジストが塗布されたウエハＷ上の各ショット領域に投影される。なお、本例のレチクルＲは評価用のレチクルであり、回路パターンの代わりに後述のように評価用マークが形成されている。また、図１では説明の都合上ウエハＷ上では結像していない。投影光学系ＰＬの瞳面（レチクルＲに対するフーリエ変換面）には、主制御系１６により不図示の駆動系を介して出入自在に構成された瞳フィルター１８が挿入されている。この瞳フィルター１８は、近年開発された高解像技術の１つで瞳面を通過する照明光ＩＬの一部を遮光するものである。これによっても、ウエハＷ上の照度は変化を受けることになる。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行なＺ軸を取り、光軸ＡＸに垂直な平面上で図１の紙面に平行にＸ軸、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
【００３４】
レチクルＲは不図示のＸ方向、Ｙ方向に移動可能なレチクルステージ上に保持されている。レチクルステージの位置は不図示の干渉計により精密に計測されており、その干渉計の計測値に基づいてレチクルステージの位置が制御されている。また、レチクルＲには計測対象となる複数の計測用マークＫＭが形成されている。なお、更に精密な結像特性の計測を要求される場合には、計測用マークを工夫したレチクルＴＲがレチクルＲに代えて使用されるようになっている。本例では後述するように計測用マークとして遮光パターンを使用する場合の評価用マスクとしてレチクルＴＲが使用される。
【００３５】
ウエハＷは、ウエハステージＷＳＴ上のウエハホルダ１２に真空吸着されている。ウエハステージＷＳＴは、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸ方向、Ｙ方向に移動可能に構成されており、これにより、所謂ステップ・アンド・リピート方式で露光が行われる。また、ウエハステージＷＳＴは光軸ＡＸに平行な方向（Ｚ方向）にも微動でき、ウエハＷ表面のＺ方向の位置に基づき、常に投影光学系ＰＬの像面とウエハＷ表面とが一致するように駆動されている。
【００３６】
そのため本例には、不図示であるが、ウエハＷのＺ方向の位置を検出するための送光光学系及び受光光学系からなる斜入射方式の焦点位置検出系が設けられている。焦点位置検出系はウエハＷの表面の投影光学系ＰＬの結像面に対するＺ方向の位置及び傾斜角の偏差を検出し、ウエハＷの表面と投影光学系ＰＬの結像面とが合致した状態を保ようにウエハステージＷＳＴを駆動するために用いられる。通常、結像面が零点基準となるようにフォーカス信号のキャリブレーションが行われ、受光光学系からのフォーカス信号が０になるようにオートフォーカス及びオートレベリングが行われる。
【００３７】
また、ウエハステージＷＳＴの端部には移動鏡１３が固定されており、外部の干渉計１４及び移動鏡１３によりウエハステージＷＳＴのＸ方向、Ｙ方向の位置が例えば０．０１μｍ程度の分解能で高精度に測定される。干渉計１４によって、エッジスキャンタイプのセンサによる結像特性の計測時のウエハステージＷＳＴの位置も正確に計測され、レチクルＲ上の計測用マークＫＭの像の正確な結像位置が求められる。また、前述の焦点位置検出系により基準板８のＺ方向の位置を検出することにより、結像面の焦点位置、像面湾曲等のＺ方向の収差成分も正確に測定できるようになっている。
【００３８】
また、本例の投影露光装置には、投影光学系ＰＬの結像特性を測定するためのエッジスキャンタイプのセンサが設置されている。図１は投影光学系ＰＬの露光フィールドの中心位置にエッジスキャンタイプのセンサが移動し、結像特性の計測を行っている状態を示している。エッジスキャンタイプのセンサについては既に説明したので、ここでは簡単に説明する。結像特性の測定に際し、レチクルＲに形成された計測用マークＫＭが照明光ＩＬにより照明され、投影光学系ＰＬを介してウエハステージＷＳＴ上に固定された基準板８上の開口部９上に計測用マークＫＭの像が結像する。開口部９は遮光帯中に設けられたほぼ正方形の開口パターンであり、開口部９の計測方向（Ｘ方向）の幅は、計測用マークＫＭの計測対象の１本又は複数本のパターン（透過パターンでは透過部、遮光パターンでは遮光部）のウエハステージＷＳ上への投影像の計測方向の幅より広く設定されている。そして、開口部９上の結像光はこの開口部９の真下に設けられた可変ＮＤフィルター１１を経て光電変換素子１０に入射する。光電変換素子１０からは入射する光量に応じた信号が出力される。この場合、基準板８が図６の基準板４０１に相当する。開口部９及び光電変換素子１０がそれぞれ図６の開口部４０２、及び光電変換素子４０３に相当する。基準板８は石英ガラス板等で作られ、開口部９は基準板８上に蒸着した金属膜で囲まれた開口パターンである。光電変換素子１０は例えばフォトダイオード、又はフォトマルチプライアである。
【００３９】
また、光電変換素子１０には増幅率可変のプリアンプが組込まれ、そのプリアンプの増幅率を結像特性検出部１５で制御することによって、光電変換素子１０からの出力信号（以下、プリアンプを介して増幅された信号を意味する）の感度、即ち、１単位の入射光量に対する出力信号の変化量を調整できるようになっている。このように感度を変えることによって、入射光量と出力信号とが比例する測定可能領域での入射光量の上限値である線形最大光量が変化する。これらにより、エッジスキャン方式で評価用マーク像の位置測定を行う。
【００４０】
本例で特に設置された可変ＮＤフィルター１１は、前述の照明光整形光学系２の後に設けられた可変ＮＤフィルター３と同様に、回転板上に透過率が次第に変化する複数個のＮＤフィルターを配置して構成され、その回転板の回転角を制御することによって、光電変換素子１０に入射する光量を調整する。この際に、結像特性検出部１５が、光電変換素子１０の線形最大出力信号に応じて、可変ＮＤフィルター１１の回転板の回転角を制御して入射光量を調整する。光電変換素子１０から出力された信号は、結像特性検出部１５に供給され、結像特性検出部１５はその信号に基づいて評価用マークの像の位置を求め、この位置より投影光学系ＰＬの投影像の結像特性を計算する。また、結像特性検出部１５の計算結果は主制御系１６に供給されており、主制御系１６はその結果に基づき、結像特性検出部１５及び結像特性補正部１７を介して投影光学系ＰＬの結像特性を補正する。
【００４１】
このため、主制御系１６は、干渉計１４及び不図示の焦点位置検出系の出力等結像特性の計算に必要な情報を結像特性検出部１５へ供給する。また、主制御系１６は可変ＮＤフィルター３の透過率を設定し、結像特性検出部１５を介して可変ＮＤフィルター１１の透過率を設定する。結像特性検出部１５で検出された結像特性の情報は、結像特性補正部１７にも供給されている。主制御系１６から補正指令が出されたときには、結像特性補正部１７はこの情報に基づいて、結像特性の設計値からのずれ分を補正して常に投影光学系ＰＬの結像特性を良好に保つように制御している。
【００４２】
この場合、結像特性の補正は投影光学系ＰＬの内部に設けられた補正機構を介して行われる。具体的には図１には示していないが、投影光学系ＰＬを構成するレンズエレメントの一部を光軸ＡＸ方向に駆動する、あるいは傾斜させる、光軸ＡＸに垂直な方向にシフトさせる、又は光軸ＡＸを中心に回転させる等の方法により結像特性を変化させ、結像特性のずれ分を打ち消すように補正する。また、Ｚ方向の像面のずれ（デフォーカス）は、焦点位置検出系のフォーカス信号にオフセットを加えて、ウエハステージＷＳＴをＺ方向に駆動することによって補正できる。
【００４３】
次に、本例の投影露光装置における評価用マークの像の位置の計測動作の一例について説明する。
前述のように、光電変換素子１０に入射する光量は、光源１の発光パワー、可変絞り５で選択される絞り、レチクルＲ上の計測用マークＫＭの種類、及び瞳フィルター１８等による照度変化により決定される。従って、これらの照度の変化量、又は状態が判っていれば光電変換素子１０に入射する光量が算出される。また、より正確に入射光量を求めるには、例えば光電変換素子１０の感度を標準値にし、可変ＮＤフィルター３，１１の透過率をほぼ１００％にして、レチクルＲ上の透過部を介して光電変換素子１０で照明光を受光し、光電変換素子１０の出力信号が線形最大出力信号Ｉｍａｘ を越えるときには可変ＮＤフィルター１１（更には可変ＮＤフィルター３）の透過率を次第に小さくして、光電変換素子１０の出力信号、可変ＮＤフィルター３，１１の透過率、及び計測用マークの種類より入射光量を算出してもよい。このようにして正確に入射光量が求まれば最適な入射光量となるように、可変ＮＤフィルター３，１１等の減光手段、及び光電変換素子１０の感度を調整する。これら３つの調整の全てが必要ではなく、必要な光量調整が可能であればいずれか１つの調整でよい。また、光量調節法はこれら３つの調整方法に限定されず、例えば、可変ＮＤフィルターの代わりに液晶素子、又はチョッパー（高速で遮光するシャッター）のようなものを用いてもよい。以下、入射光量の算出方法の具体例につき説明する。
【００４４】
先ず、光源１と可変絞り５による照度変化はインテグレータセンサ１９により測定できる。この場合、結像特性の計測直前に光源１を露光しない状態で発光させるか、計測直前の照度の測定値を記憶するようにしてもよい。次に、瞳フィルター１８が挿入されているかどうかを調べる。瞳フィルター１８の配置の状態は主制御系１６に記憶されているのでそのメモリーから読み出せばよい。次に、計測対象とするレチクルＲ上の計測用マークＫＭの種類については、予めオペレータが入力すればよく、その場合、線幅、本数、透過パターン又は遮光パターンかの区別等の情報が必要で、これらの情報から、計測用マークＫＭの光透過部の面積が計算でき、レチクルＲを通過する光量が求まる。以上の動作により、可変ＮＤフィルター３，１１により減光されないときの光電変換素子１０への入射光量が求まる。
【００４５】
前述のように、光電変換素子１０には、入射光量と出力信号が比例する測定可能領域があり、或一定光量を越えると出力信号が飽和して入射光量が正しく測定できない。即ち、測定時の入射光量の有効成分の最大値がこの測定可能領域の上限値である線形最大光量であるとき最も有効に光電変換素子１０のダイナミックレンジを使用したことになる。本例においては、このような条件に近いところで測定できるように、減光手段としての可変ＮＤフィルター３，１１を調整する。即ち、予め入射光量と減光手段での調整値との関係を主制御系１６内のメモリーで記憶しておき、入射光量の変化に応じて自動的に減光手段における調整を行う。
【００４６】
このため、先ず、最も入射光量が少ない条件のとき、可変ＮＤフィルター３，１１での透過率を１００％として、プリアンプの増幅率を調整して光電変換素子１０の出力信号が線形最大出力信号となるようにして、光電変換素子１０の感度を最大に設定する。なお、プリアンプの増幅率を調整する代わりに、例えば光電変換素子１０の前に固定のＮＤフィルターを置き、その透過率の調整を行うようにしてもよい。入射光量が最も少ない条件は、例えば光源１の出力が落ちて、可変絞り５で最も透過率の低い絞り（例えば開口数が最小の絞り）を選択し、レチクルＲの計測用マークとして最も線幅の細い１本線の透過パターンを使用し、且つ瞳フィルター１８が挿入された状態である。
【００４７】
このように入射光量が最も少なくなるように調整しておき、入射光量が増える条件では徐々に可変ＮＤフィルター３，１１等で減光していく。入射光量が最も多いとき、その入射光量が光電変換素子１０の測定可能領域に入るように、可能な減光条件で減光手段を予め調整しておく。入射光量が最も多い条件は、例えば光源１の出力が最大（光源の交換直後等）、可変絞り５で最も透過率の高い絞り（例えば開口数が最大の絞り）を選択し、レチクルＲの計測用マークは１本線の遮光パターンでかつ瞳フィルター１８が挿入されていない状態である。以上の方法により、最大入射光量における減光手段での調整値が求められる。
【００４８】
この調整値に基づいて可変ＮＤフィルター３，１１での透過率を設定すると、例えば計測用マークＫＭが５本の透過パターンからなる場合には、光電変換素子１０の出力信号Ｉとして図７（ａ）の曲線４１１と相似な信号が得られる。しかしながら、本例では、出力信号Ｉの最大出力信号Ｊｍａｘ は、入射光量と出力信号Ｉとが比例する測定可能領域内の最大値である線形最大出力信号Ｉｍａｘ とほぼ等しくなっている。そのため、１パターン当たりの信号幅ＩＡは従来よりかなり大きくなり、高いＳＮ比でひいては高精度に位置検出が行われる。
【００４９】
同様に、計測用マークＫＭが例えば３本の遮光パターンからなる場合には、光電変換素子１０の出力信号Ｉとして図７（ｂ）の曲線４１２と相似な信号が得られる。しかしながら、この場合にも、出力信号Ｉの最大出力信号Ｊｍａｘ は線形最大出力信号Ｉｍａｘ とほぼ等しくなり、ダイナミックレンジ（Ｉｍａｘ ）に対する有効領域ＩＹの割合が大きくなって高精度に位置検出が行われる。
【００５０】
この場合、減光手段による減光割合の変化が連続的であれば問題ないが、可変ＮＤフィルター３のように不連続な手段の場合にはその分解能が重要となる。つまり、分解能が粗いと条件によって光電変換素子１０のダイナミックレンジを有効に使用できず、結像特性測定に必要な検出精度が得られなくなる。このため、可変ＮＤフィルター３は必要なだけの種類のＮＤフィルターを装着できるように設計しておき、減光割合の変化が連続に近い状態になるようにすることが望ましい。例えば、粗調用のレボルバー方式の可変ＮＤフィルターと、微調用のレボルバー方式の可変ＮＤフィルターとからなる２段レボルバーを用いて、可変できる減光率のステップを細かくすることができる。
【００５１】
以上、本例の方法によれば、可変ＮＤフィルター３及び可変ＮＤフィルター１１等の減光手段を調節することにより、使用される光電変換素子１０のダイナミックレンジに対して最も適切な光量が供給されるので、光源の変化及び各種の絞りにより光量が変化しても、結像特性が高精度に測定できる。そして、更に結像特性の測定結果に基づいて、結像特性の設計値からのずれ分を例えば結像特性補正部１７を介して補正することによって、結像特性を高精度に所望の状態に維持できる。
【００５２】
次に、本発明の実施の形態の他の例について図２及び図３を参照して説明する。本例は、計測用マークとして遮光パターンを使用した場合に有効な方法である。計測用マークが遮光パターンの場合でも、図１の例による方法によっても、検出信号のＳＮ比を相当に改善できるが、依然として、光電変換素子のダイナミックレンジを有効に使用できない領域が残るという現象は解決されていない。本例は新たなパターン形態を有する遮光パターンを使用することにより、光電変換素子のダイナミックレンジの無効領域をできるだけ少なくするものである。以下、この新たな遮光パターンの例について説明するが、説明の都合上、図２では遮光パターンの計測用マークが基準板上に投影された状態で示す。この場合、本例の計測用マーク６０１は図１の評価用のレチクルＴＲ上に形成されているが、この計測用マークの基準板８への投影像とレチクルＴＲ上の計測用マークとを同一記号で表す。
【００５３】
図２（ａ）は、本例で使用される遮光パターンの一例の投影像の平面図を示し、この図２（ａ）に示すように、非計測方向に伸びた遮光型の１本の基本マーク６０１ａ、及び基本マーク６０１ａの両側の２つの矩形の透過帯６０１ｂ，６０１ｃからなる計測用マーク６０１の計測方向（Ｘ方向）の両側に、遮光帯６０２，６０３を設置したものである。この場合、計測用マーク６０１の計測方向の幅を遮光帯６０２，６０３の間隔ｄ１とみなし、その幅ｄ１と基準板８の開口部９の計測方向の幅ｄ２との間に、ｄ１＜ｄ２の関係が成立するように開口部９を形成する。但し、遮光帯６０２，６０３の像が基本マーク６０１ａの像と重ならないように、遮光帯の間隔ｄ１をその条件を満たす範囲で充分に大きくとる必要がある。これにより、不必要な部分の照明光ＩＬが遮光されるため光電変換素子１０のダイナミックレンジの有効範囲が拡大する。これを図３に基づき光電変換素子１０の出力波形により説明する。なお、以下に説明する図３（ａ）及び図３（ｃ）における横軸は開口部９の計測方向の位置ｘ、縦軸は光電変換素子１０の出力信号Ｉを表す。また、図３（ｂ）及び図３（ｄ）の横軸は計測方向の位置ｘ、縦軸は出力信号Ｉを位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘを表す。また、図３（ａ）〜図３（ｄ）において計測の開始位置を位置ｘ０ で示す。
【００５４】
図３（ａ）の曲線４１３Ａは、図７（ｅ）に示すように遮光帯のない遮光型の１本の基本マークからなる計測用マークを使用した場合の本例の光電変換素子１０の信号波形を表す。この図３（ａ）のように遮光帯の間隔ｄ１と開口部の計測方向の幅ｄ２との間にｄ１＜ｄ２の関係が成立しない場合には、上述の遮光帯によるＳＮ比の改善の効果が期待できない。しかし、図３（ａ）の曲線４１３Ａに示すように、そのような遮光パターンを使用した場合でも、光電変換素子１０で測定される最大出力信号Ｊｍａｘ を光電変換素子１０の線形最大出力信号Ｉｍａｘ とほぼ同じ値に設定することによって、ダイナミックレンジＤＲに対する有効領域ＩＹの割合が大きくなる。それに対して、図２（ａ）に示す基準板８の開口部９の計測方向の幅は遮光パターンである基本マーク６０１ａの計測方向の幅に対して広いためにパターン周辺を透過する光量が常に光電変換素子１０に入射する状態にあるため、最小出力信号Ｊｍｉｎ は最大出力信号Ｊｍａｘ に近い値となり、光電変換素子１０のダイナミックレンジＤＲに対する信号の無効領域ＩＤの割合はかなり大きい。
【００５５】
図３（ｃ）は、図３（ａ）の曲線４１３Ａを位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘを示し、この図３（ｃ）の曲線４１４で示すように、元の信号変化が小さいので波形も小さく、計測マークの中心位置Ｃ４の測定精度も充分でない場合がある。これに対して計測マークの計測方向の両側に遮光帯を設けた本例の遮光パターンを使用したときには、光電変換素子１０のダイナミックレンジＤＲが有効に活用される。
【００５６】
図３（ｂ）は、計測用マークとして本例の図２（ａ）の計測用マーク６０１を使用したときの光電変換素子１０の出力信号Ｉを示し、この図３（ｂ）の曲線６０７に示すように、図２（ａ）に示す透過帯６０１ｂが基準板８の開口部９のエッジ９ａから内側に入ってくるにつれて出力信号Ｉがほぼ値が０の最小出力信号Ｊｍｉｎ から直線的に大きくなり、基本マーク６０１ａがエッジ９ａに差し掛かる位置ｘ１ で出力信号Ｉの増加が一旦止まる。そして、基準マーク６０１ａ全体がエッジ９ａ内に入った位置ｘ２ から透過帯６０１ｃが基準板８の開口部９のエッジ９ａから内側に入ってくるにつれて出力信号Ｉは再び増大し、透過帯６０１ｃ全体が開口部９内に収まった時点で出力信号Ｉは最大出力信号Ｊｍａｘ となる。そして、透過帯６０１ｂ，６０１ｃ全体と開口部９とが重なっている間、一定の最大出力値Ｊｍａｘ を示す。そして、逆のエッジ９ｂから透過帯６０１ｂが出ていくときは逆の波形となる。
【００５７】
図２（ａ）に基づいて前述したように、計測用マーク６０１の計測方向の幅ｄ１と基準マーク部材８の開口部９の計測方向の幅ｄ２との間に、ｄ１＜ｄ２の条件が成立するとき、遮光帯６０２，６０３がある分、曲線６０７の最大出力信号Ｊｍａｘ は図３（ａ）の遮光帯が無い場合の最大出力信号Ｊｍａｘ に比べて小さくなっている。それに対して遮光型の基本マーク６０１ａによる出力信号Ｉの変化量は同じであるため、出力信号Ｉ中の最大出力信号Ｊｍａｘ に対する有効成分の割合が増加している。更に、本例では光電変換素子１０に入射する光量を調節するための可変ＮＤフィルター３、及び可変ＮＤフィルター１１よりなる減光手段を備えている。そのため、最大光量Ｊｍａｘ は、減光手段での減光率を下げることにより光電変換素子１０の線形最大出力信号Ｉｍａｘ に近い値にすることができる。最小出力信号Ｊｍｉｎ は遮光帯６０２，６０３を設けることによりほぼ０となっているため、基本マーク６０１ａに対応する信号成分のダイナミックレンジＤＲに対する比率を高くすることができる。更に、曲線６０７に示すように、光量が変化する領域、即ち出力信号Ｉが変化する位置ｘ１ 〜ｘ２ の間の出力信号Ｉは判明しており、計測用マーク６０１の中心位置Ｃ５が後述する方法により算出されるため、信号処理に必要な出力信号Ｉの最大値は最大出力信号Ｊｍａｘ より小さい出力信号ＪＲ で充分である。これを考慮すれば、更に減光率を下げて、その出力信号信号ＪＲ を線形最大出力信号Ｉｍａｘ まで高めることによって、成分のダイナミックレンジＤＲに対する比率を一層高くすることができ、検出精度を最も高めることができる。
【００５８】
図３（ｄ）の曲線６０８は、図３（ｂ）の曲線６０７を位置ｘで微分した信号ｄＩ／ｄｘを示す。この図３（ｄ）の曲線６０８は、図２（ａ）の遮光帯６０２，６０３により、図３（ｃ）の曲線４１４に対して一定のオフセットが乗った波形になっているが、一定値のため波形検出上問題にはならない。曲線６０８に示すように、信号出力Ｉの微分信号ｄＩ／ｄｘは、計測開始点ｘ０ から計測用マーク６０１の基本マーク６０１ａが基準板８の開口部９のエッジ９ａに差し掛かる位置ｘ１ まで開口部９と透過帯６０１ｂとの重なりが一定の割合で増加するためほぼ一定値Ｒ１で推移し、位置ｘ１ でＲ１から急速に下降し、位置Ｃ５で０になった後、急速にＲ１まで上昇する波形となっている。この微分信号ｄＩ／ｄｘが０となる中心位置Ｃ５が求める位置となる。エッジ９ａに対向するエッジ９ｂでの微分信号ｄＩ／ｄｘの波形は、エッジ９ａでの波形を左右上下で逆にした最小値が−Ｒ１となる波形となる。この場合、本例の図３（ｄ）の微分信号ｄＩ／ｄｘの変化量である±Ｒ１は、遮光帯を用いない図３（ｃ）の微分信号の変化量より格段に大きくなっているため、高精度に位置検出が行われる。
【００５９】
次に、図２（ａ）の変形例を図２（ｂ）を参照して説明する。
図２（ｂ）は、本例で使用される遮光パターンの変形例の平面図を示し、この図２（ｂ）に示すように、非計測方向に伸びた遮光型の３本の基本マーク６０４ａ〜６０４ｃ及びその両側の２つの矩形の透過帯６０４ｄ，６０１ｅからなる計測用マーク６０４の計測方向（Ｘ方向）の両側に、遮光帯６０５，６０６を設置したものである。この場合、計測用マーク６０４の計測方向の幅ｄ３と図１の基準板８の開口部９の計測方向の幅ｄ２との間に、ｄ３＜ｄ２の関係が成立するように開口部９を形成する。これにより、図２（ａ）の例と同様に不必要な部分の照明光ＩＬが遮光されるため光電変換素子１０のダイナミックレンジの有効範囲が拡大する。
【００６０】
以上、計測用マークが遮光パターンであっても、本例の遮光パターンを用いることにより、光電変換素子１０のダイナミックレンジを有効に活用して、投影光学系ＰＬの結像特性を高精度に検出することができる。
なお、上述の実施の形態では図２に示すように、遮光パターンよりなるマークの両側に遮光帯６０２，６０３等を設けて不要な照明光を除去しているが、例えば図１のリレー光学系６Ａ中の可変の視野絞り（レチクルブラインド）によって、計測用マークＫＭの両側を遮光することによっても同様な効果が得られる。
【００６１】
また、上述の実施の形態はエッジスキャンタイプのセンサを用いる方式に限って説明したが、図１に基づいて説明した方法は図４の従来のスリットスキャン方式で位置検出を行う場合、又は図５に示した２次元、あるいは１次元の撮像素子を用いて位置検出を行う場合にも有効である。
また、上述の実施の形態はレチクルＲ及びウエハＷを静止したままで露光する所謂一括型（ステッパー型）の投影露光装置に本発明を適用したものであるが、本発明はレチクルのパターンの一部を投影光学系を介してウエハ上に投射した状態で、レチクルとウエハとを同期走査してレチクルのパターンをウエハの各ショット領域に逐次露光する、所謂ステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光型の投影露光装置にも同様に適用できる。
【００６２】
このように、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。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の第１の投影露光装置によれば、例えば照明条件の変更、あるいは測定するパターンの種類によって、光電変換素子へ入射する光量が変化するような場合においても、光量調整手段により常に光電変換素子の有効測定範囲を有効に使用することができ、結像特性が高精度に測定できる利点がある。特に、本発明は照明光として光電変換素子の有効測定範囲が狭いＫｒＦエキシマレーザ光及びＡｒＦエキシマレーザ光等のエキシマレーザ光を使用する場合に効果的である。
【００６４】
また、光量調整手段が、計測用マークに対する照明条件の変化にかかわらず、光電変換素子への入射光量を光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整する減光率可変の空間フィルターである場合には、その空間フィルターにより確実に光量を調節できる。
また、光量調整手段が、計測用マークに対する照明条件の変化にかかわらず、光電変換素子への入射光量を光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整するための計測用マークの前後に設けられる遮光帯である場合には、その計測用マークが孤立した遮光パターンであっても、最大光量に対する計測用マークに対応する光量変化分の割合を高めることができる。従って、検出信号のＳＮ比が高まって位置検出精度、ひいては結像特性の測定精度が高まる。
【００６５】
また、本発明の第２の投影露光装置によれば、遮光パターンを使用した場合においても、測定時の移動方向に照明光を遮光する遮光帯により、遮光パターン周辺からの照明光を遮ることができるため、光電変換素子の有効測定範囲を有効に使用でき、結像特性の測定精度が向上する利点がある。また、本発明の第１の投影露光装置の場合と同様に、照明光として光電変換素子の有効測定範囲の狭いエキシマレーザ光を使用する場合に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投影露光装置の実施の形態の一例を示す一部を切り欠いた概略構成図である。
【図２】本発明による投影露光装置の実施の形態の他の例における計測用マークの像及び開口部の関係を示す拡大平面図である。
【図３】図２の計測用マークを使用した場合の出力信号Ｉ及び微分信号ｄＩ／ｄｘを示す波形図である。
【図４】従来のスリットスキャン方式の結像特性測定方法の説明図である。
【図５】従来の撮像素子を用いる方式の結像特性測定方法の説明図である。
【図６】本発明の実施の形態で使用されるエッジスキャン方式の結像特性測定方法の説明図である。
【図７】図６の結像特性測定方法における出力信号及び計測方法の説明図である。
【符号の説明】
１ 光源
３ 可変ＮＤフィルター
５ 可変絞り
Ｒ レチクル
ＫＭ 計測用マーク
ＰＬ 投影光学系
Ｗ ウエハ
８ 基準板
９ 開口部
９ａ エッジ
１０ 光電変換素子
１１ 可変ＮＤフィルター
１５ 結像特性検出部
１６ 主制御系
１７ 結像特性補正部
１９ インテグレータセンサ
６０１，６０４ 計測用マーク
６０１ａ，６０４ａ〜６０４ｃ 基本マーク（遮光パターン）
６０２，６０３，６０４，６０５ 遮光帯
Claims (4)
- 露光用の照明光のもとでマスク上の転写用のパターンの像を感光性の基板上に投影する投影光学系と、前記基板を前記投影光学系の光軸に垂直な平面内で移動する基板ステージとを有する投影露光装置において、
前記露光用の照明光と同じ波長域の照明光のもとでマスク上の計測用マークの前記投影光学系を介した空間像を該空間像よりも計測方向に幅の広い開口部を介して受光する光電変換素子と、
前記基板ステージを介して前記空間像と前記開口部とを計測方向に相対移動させたときに前記光電変換素子から出力される検出信号に基づいて前記投影光学系の結像特性を測定する測定手段と、
前記光電変換素子への入射光量を前記光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整する光量調整手段と、
を設けたことを特徴とする投影露光装置。 - 請求項１記載の投影露光装置であって、
前記光量調整手段は、前記計測用マークに対する照明条件の変化にかかわらず、前記光電変換素子への入射光量を前記光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整する減光率可変の空間フィルターであることを特徴とする投影露光装置。 - 請求項１記載の投影露光装置であって、
前記光量調整手段は、前記計測用マークに対する照明条件の変化にかかわらず、前記光電変換素子への入射光量を前記光電変換素子の有効測定範囲に合わせて調整するための前記計測用マークの前後に設けられる遮光帯であることを特徴とする投影露光装置。 - 露光用の照明光のもとでマスク上の転写用のパターンの像を感光性の基板上に投影する投影光学系と、前記基板を前記投影光学系の光軸に垂直な平面内で移動する基板ステージとを有する投影露光装置において、
前記露光用の照明光と同じ波長域の照明光のもとでマスク上の計測用マークの前記投影光学系を介した空間像を該空間像よりも計測方向に幅の広い開口部を介して受光する光電変換素子と、
前記基板ステージを介して前記空間像と前記開口部とを計測方向に相対移動させたときに前記光電変換素子から出力される検出信号に基づいて前記投影光学系の結像特性を測定する測定手段とを有し、
前記計測用マークが１本又は複数本の遮光パターンよりなり、該遮光パターンの計測方向の前後に投影像の段階で間隔ｄ１で遮光帯が設けられている評価用のマスクを使用したときに、
前記光電変換素子への入射光量を制限する前記開口部の計測方向への幅ｄ２を間隔ｄ１より広くしたことを特徴とする投影露光装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31379195A JP3590825B2 (ja) | 1995-12-01 | 1995-12-01 | 投影露光装置 |
| US08/691,377 US5841520A (en) | 1995-08-09 | 1996-08-02 | Exposure apparatus and method that use mark patterns to determine image formation characteristics of the apparatus prior to exposure |
| KR1019960033727A KR970012020A (ko) | 1995-08-09 | 1996-08-09 | 주사형 노광장치, 주사형 노광방법 및 투영노광장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31379195A JP3590825B2 (ja) | 1995-12-01 | 1995-12-01 | 投影露光装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09153448A JPH09153448A (ja) | 1997-06-10 |
| JP3590825B2 true JP3590825B2 (ja) | 2004-11-17 |
Family
ID=18045579
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31379195A Expired - Lifetime JP3590825B2 (ja) | 1995-08-09 | 1995-12-01 | 投影露光装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3590825B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6522386B1 (en) | 1997-07-24 | 2003-02-18 | Nikon Corporation | Exposure apparatus having projection optical system with aberration correction element |
| AU2958299A (en) * | 1998-03-26 | 1999-10-18 | Nikon Corporation | Exposure method and system, photomask, method of manufacturing photomask, micro-device and method of manufacturing micro-device |
-
1995
- 1995-12-01 JP JP31379195A patent/JP3590825B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09153448A (ja) | 1997-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5841520A (en) | Exposure apparatus and method that use mark patterns to determine image formation characteristics of the apparatus prior to exposure | |
| US6396071B1 (en) | Scanning exposure method and apparatus | |
| JP3379200B2 (ja) | 位置検出装置 | |
| US6411364B1 (en) | Exposure apparatus | |
| JP3265668B2 (ja) | ベストフォーカス位置の算出方法 | |
| US6525817B1 (en) | Inspection method and apparatus for projection optical systems | |
| US20010055103A1 (en) | Exposure method and exposure apparatus | |
| JPH03211813A (ja) | 露光装置 | |
| JP3728613B2 (ja) | 走査型露光装置の調整方法及び該方法を使用する走査型露光装置 | |
| US20020190228A1 (en) | Method for measuring optical feature of exposure apparatus and exposure apparatus having means for measuring optical feature | |
| JPH09237752A (ja) | 投影光学系の調整方法及び該方法を使用する投影露光装置 | |
| US5798838A (en) | Projection exposure apparatus having function of detecting intensity distribution of spatial image, and method of detecting the same | |
| JP4032501B2 (ja) | 投影光学系の結像特性計測方法及び投影露光装置 | |
| JPH10294268A (ja) | 投影露光装置及び位置合わせ方法 | |
| JP3551570B2 (ja) | 走査型露光装置及び露光方法 | |
| JP3506155B2 (ja) | 投影露光装置 | |
| JP3590825B2 (ja) | 投影露光装置 | |
| JPH06267820A (ja) | 位置検出装置 | |
| KR100391345B1 (ko) | 노광방법및스테퍼 | |
| JP3673783B2 (ja) | 収差計測方法及び投影露光装置 | |
| JP2007173689A (ja) | 光学特性計測装置、露光装置、及びデバイス製造方法 | |
| JPH11251218A (ja) | 位置検出方法及び装置、並びに該装置を備えた露光装置 | |
| JP2001185474A (ja) | アライメント方法、アライメント装置、基板、マスク、及び露光装置 | |
| JP3104813B2 (ja) | アライメント装置、投影露光装置、及び素子製造方法 | |
| JPH0949784A (ja) | 投影光学系の検査方法及びその検査に用いられる 照明光学系 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040609 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040712 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040725 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100903 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160903 Year of fee payment: 12 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |