JP3927774B2 - 計測方法及びそれを用いた投影露光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系のベストフォーカス位置、ベスト像面そして非点収差等を求める計測方法及びそれを用いた投影露光装置に関し、例えば半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置における投影光学系の光学特性を求める場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下「レチクル」と総称する）のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に結像する投影露光装置が使用されている。かかる投影露光装置において、レチクルのパターンを高い解像度で感光基板上に露光するには、その感光基板を投影光学系の最良結像面（ベストフォーカス面）に対して焦点深度の範囲内で合致させた状態で露光を行なう必要がある。そのためには、何らかの方法で投影光学系のベストフォーカス面の位置、即ちベストフォーカス位置を求める必要がある。しかしながら実際の投影光学系は諸収差が存在し、特に非点収差が存在すると、ベストフォーカス位置がパターンから回折した光の飛ぶ方向によって異なってくる。又、投影光学系には像高毎にベストフォーカスの位置が異なるベストフォーカス像面というものがある。
【０００３】
このため従来の投影光学系のベストフォーカス位置や非点収差の計測方法等では、感光基板を投影光学系に対する光軸方向の位置を種々と変えて露光を行い、各位置での感光基板の表面に形成されたレジスト像のＣＤ変化を計測したり、あるいは投影光学系によるパターンの空中像のコントラスト変化を各像高毎に計測し、ベストフォーカス位置を求め像面を計測したり、又はサジタル方向とメリディオナル方向の２つの方向の異なるパターンのベストフォーカス位置差を求めていた。
【０００４】
さらに、レチクル上のクロム（光不透過部）からなるラインパターンの両サイドにあるガラス部（光透過部）に、９０度と０度の異なる位相を持つパターンを使用して、デフォーカスによる結像の歪による位置ずれを利用して、位置ずれとフォーカスの関係からベストフォーカスや直交する２方向のベストフォーカス差を求めて、像面を計測する方法も知られている。
【０００５】
これらは計測結果の定量化が難しく、高精度な計測には困難性を有していた。
【０００６】
そこでさらに、定量化を簡素化できる手法として、２つの異なる主光線の入射角でそれぞれ照明され投影露光された同一あるいは異なるパターンの異なる位置に形成された投影像の間隔とフォーカスの関係から、ベストフォーカス位置を求める方法も知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように定量化の工夫を凝らした手法であっても尚高精度な計測には困難性が有った。なぜなら異なる位置に投影パターン像を形成するのが前提であり、このため投影パターン像間隔が大きくなるとそれだけ検出誤差も必然的に大きくなってしまう一方、この間隔を小さくするには投影パターン像即ちもとのパターン自身も小さくせざるを得ず、今度は加工精度が充分に得られないという問題があったからである。
【０００８】
一方、この手法はベストフォーカス位置計測に限られ、像面の計測の定量化や非点収差の測定には思慮が及んでいなかった。
【０００９】
さらに、計測においてはマスクだけではなく照明系の特別な操作も必要であった。
【００１０】
本発明は、従来知られているこれらの方法では限界のあったより簡易で且つ更に高精度にフォーカス情報を計測できる計測方法およびこれを用いた投影露光装置の提供を目的とする。
【００１１】
これとは別に本発明は、像面計測において簡素且つ高精度な定量化が可能となる計測方法およびこれを用いた投影露光装置の提供を目的とする。
【００１２】
これとは別に本発明は、これらの計測に好適であり、特に照明系の特殊な操作を原理的に不要にできるマスクの提供を目的とする。
【００１３】
この他本発明は、投影光学系の各像高での非点収差を迅速にかつ精度良く検出することができる計測方法の提供を目的とする。
【００１４】
この他本発明は、投影光学系の結像位置等特性をより高精度に計測することができる計測方法及びそれを用いた露光装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の計測方法は、
像投影用光学系のフォーカス情報を計測する計測方法であって、
第１のマークを第１の照明条件で照明し、前記第１のマークを前記光学系を介して投影する工程と、
前記第１のマークとは大きさが異なる第２のマークを、前記第１の照明条件とは主光線の入射方向が異なる第２の照明条件で照明し、前記第２のマークを前記投影光学系を介して前記第１のマークの像が投影された位置に重ねて投影する工程と、
前記重ねられた第１と第２のマークの像の相対的な位置情報に基づき、前記光学系のフォーカス情報を得る工程と、
を有することを特徴としている。
【００１６】
請求項２は請求項１の発明において、
前記第１のマークの投影と第２のマークの投影は、感光体上に前記主光線の入射方向の異なる照明光によるマーク投影を順次行なうことにより実現されることを特徴としている。
【００１７】
請求項３は請求項２の発明において、
前記マーク像間のずれ情報は前記感光体を現像後に計測されることを特徴としている。
【００１９】
請求項４は請求項１〜３のいずれかの発明において、
前記感光体上に前記主光線の入射方向の異なる照明光によるマーク投影を順次行なうことにより実現される主光線の入射方向の異なる照明光は照明光学系内の開口絞りの開成形状を異ならせることにより得られることを特徴としている。
【００２０】
請求項５は請求項１〜４のいずれかの発明において、
前記主光線の入射方向の異なる照明光は照明光学系内の開口絞りの位置を異ならせることにより得られることを特徴としている。
【００２１】
請求項６は請求項５の発明において、
前記開口絞りの位置を照明光学系の光軸に対して軸対称としたことを特徴としている。
【００２２】
請求項７は請求項６の発明において、
前記開口絞りの位置を照明光の波面の傾斜がフラットな瞳面上位置としたことを特徴としている。
【００２３】
請求項８は請求項１〜４のいずれかの発明において、
前記マークは透明基板上に設けられ、前記主光線の入射方向の異なる照明光は前記透明基板のマーク形成面とは反対側の面に設けられた遮光領域中の開口部の配置により得られることを特徴としている。
【００２４】
請求項９は、像投影用光学系のフォーカス情報を計測する計測方法で、
該光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なうことにより、概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像の重ね合わせを実現し、該重ね合わされたマーク像間のずれを測定する第１の工程と、
照明条件の等しい照明光によって重ね合わされたマーク像のずれを測定する第２の工程と、
前記第１と第２の工程で得られるマーク像のずれの情報に基づき前記光学系のフォーカス情報を得ることを特徴としている。
請求項１０は請求項１〜９のいずれかの発明において、
前記マーク像の重ね合わせはフォーカス状態を違えた複数条件下でそれぞれ実施され、それぞれの条件下でのマーク像間のずれの変化から前記光学系のフォーカス情報を得ることを特徴としている。
【００２５】
請求項１１は請求項１０の発明において、
前記マーク像間のずれの変化から直線近似によりベストフォーカス位置を得ることを特徴としている。
【００２６】
請求項１２は請求項１０又は１１の発明において、
前記マーク投影のうち一方は異なる位置に投影される複数のマークを主光線の傾斜の異なる照明光によって照明することにより行なわれ、前記マーク投影のうちの他方によって前記異なる位置に投影された複数のマークのそれぞれにマークを投影して重ね合わせることを特徴としている。
【００２７】
請求項１３は請求項１〜１２のいずれかの発明において、
前記マークは複数像高位置に設けられ、各像高に対応したずれ情報によって前記光学系の像面が計測されることを特徴としている。
【００２８】
請求項１４の発明の投影露光装置は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系のベストフォーカス位置を計測する機能を有することを特徴としている。
【００２９】
請求項１５の発明の投影露光装置は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系の像面を計測する機能を有することを特徴としている。
【００３０】
請求項１６の発明の投影露光装置は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系のオートフォーカスのオフセットを補正する機能を有することを特徴としている。
【００３１】
請求項１７の発明のデバイスの製造方法は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系の調整を行ない、該調整された投影光学系によって感光基板上にパターンの投影露光を行ない、これを現像する工程を経て該基板上に回路形成することを特徴としている。
【００３２】
請求項１８の発明のマスクは、
像投影光学系の計測用に用いられるマスクで、
透明基板と、
開口を有し、該基板面に部分的に設けられた遮光部と、
前記基板の遮光部が設けられた面と反対の面に形成され、前記開口を透過して照射される光の主光線の方向が異なる位置に配置された少なくとも２つのマークと、
前記２つのマークと同じ基板面に形成され、前記遮光部により遮光されない位置に配置された２つのマークと、
を有することを特徴としている。
【００６８】
【発明の実施の形態】
図１〜図１４を用いて、本発明の投影光学系のベストフォーカス面の位置の計測方法の実施形態について説明する。
【００６９】
投影露光装置の概略構成を図１および図２を参照して説明する。本実施例は投影露光装置において投影光学系のベストフォーカス面の位置を計測する場合に本発明を適用したものである。尚、以下の実施例においてはレンズ投影を利用した投影露光装置に適用しているが、ミラー投影を利用したものや、これらを組み合わせて利用したものに適用することも可能である。
【００７０】
図１は本実施例における投影露光装置の概念図を示している。この図１において、１は露光光用の光源である。光源１としては、高圧水銀灯又はエキシマレーザ光源等が使用できる。高圧水銀灯を用いる場合には、光源１から射出された露光光は楕円鏡１ａで集光された後に、インプットレンズ２を経てフライアイレンズ３の入射面３ａに入射する。フライアイレンズ３の射出面３ｂ側の後側（レチクル側）焦点面には多数の２次光源が形成され、これら２次光源から射出された露光光は、開口絞り４、第１リレーレンズ５、投影式レチクルブラインド６、第２リレーレンズ７、メインコンデンサーレンズ８を経てレチクル９を概略均一な照度で照明する。投影式レチクルブラインドとレチクル９のパターン面形成面とは共役であり、投影式レチクルブラインドによりレチクル９上の照明領域が設定される。
【００７１】
開口絞り４は、切り替えにより図３に示す開口絞り４ａまたは４ｂに切り替えられ、あるいは任意の位置に任意の大きさで開口部を形成できるように構成されている。
【００７２】
露光光のもとで、レチクル９のパターン形成面に形成されたパターンの像が、投影光学系１０を介してウエハステージ１２上に載置されたウエハ１１の露光面上に転写される。フライアイレンズ３の後側焦点面は投影光学系１０の瞳面とほぼ共役である。ウエハステージ１２は、詳細は省略するが、投影光学系１０の光軸に垂直な面内の任意の位置にウエハ１１を位置決めするＸＹステージおよび投影光学系１０の光軸に平行な方向でウエハ１１の露光面の位置、即ちフォーカス位置を設定するＺステージ等より構成されている。
【００７３】
また、本実施例ではウエハ１１の露光面のフォーカス位置を検出するためのオートフォーカス系１３が設けられている。オートフォーカス系１３は、ウエハ１１の露光直に例えばスリット状の検出パターンの像を、投影光学系１０の光軸に対して斜めに投影する送光系１３ａと、その露光直からの反射光を受光してその検出パターンの像を再結像する受光系１３ｂとから構成されている。ウエハ１１の露光直のフォーカス位置（高さ位置）が変化すると、その再結像される検出パターンの像の位置が変化することから、この像位置を検出することでフォーカス位置の変化を検出することができる。受光系には、その再結像された検出パターンの位置に応じて変化するフォーカス信号を生成する光電検出器１３ｃが組み込まれ、そのフォーカス信号が所定のレベルに維持されるように制御系１３ｄによってウエハステージ１２中のＺステージを駆動することにより、ウエハ１１の露光直のフォーカス位置を所定の位置（フォーカス状態）に維持することができる。
【００７４】
また、フォーカス信号は所定の範囲内でフォーカス位置の変化に対してほぼ直線的に変化するので、逆にフォーカス信号のレベル変動からフォーカス位置の変動を知ることができる。更にウエハステージ１２中のＺステージにも投影光学系１０の光軸方向の位置を検出するための高さセンサ（不図示）が組み込まれている。
【００７５】
１４はウエハ１１の位置情報を検出する為のオフ・アクシスのウエハアライメント系を示し、構成はよく知られているため詳細は省略してある。ウエハアライメント系１４はウエハ１１の各ショット領域の近傍に形成されたアライメントマークを検出する。
【００７６】
この場合、ウエハアライメント系１４の検出中心とレチクル９の中心の共役像との間の間隔、即ち所謂ベースライン量を求めておくことにより、ウエハアライメント系１４で計測したアライメントマークの位置に基づいてウエハ１１の各ショット領域のアライメントを正確に行なうことができる。更に、ウエハアライメント系１４は種々のマークの検出をも行なうことができる。
【００７７】
図２は図１中のレチクル９の部分的な拡大図を示している。この図２において示されているのは、レチクル９の下側（投影光学系１０側）のパターン形成面に間隔ＤＲで形成された、大きさの異なる矩形マーク９ａおよびマーク９ｂである。
【００７８】
続いて本実施例の計測方法について説明する。
【００７９】
開口絞り４ａおよび４ｂの開口の位置はウエハ面に入射する光の角度（ＮＡ）に相当するため、開口部の位置を光路の中心から離せば、その分入射角度は大きくなり、デフォーカス（Ｚ）に対する横ずれ量も大きくなり、分解能が高くなる。また、開口部の大きさを大きくすると、収差の影響を低減でき平均的な像面位置を決定できる。横ずれのシフト量を見るためには、２つのパターンの距離を見る必要がある。そのため、開口絞り４ａを使ってダミーウエハ上にマーク９ａおよび９ｂを露光し、次にウエハ上に焼き付けられたマーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像が、又はマーク９ａの投影像とマーク９ｂの潜像が、ベストフォーカス状態であれば完全に中心を等しくして重なり合うようにウエハステージをマークの配列方向にＤＲｘ投影倍率だけ移動させ、開口絞り４ｂに切り替えて露光する。
【００８０】
そして、ダミーウエハを現像後、露光により形成されたマーク９ａと９ｂの相対位置ずれ量をたとえば投影露光装置の位置合わせマーク検出系、あるいは装置外の光学顕微鏡等の測定機を使って測定する。この際、ベストフォーカス面において露光された場合は両マークのマーク中心のシフトが０であるので、フォーカスのずれ量はシフト量そのもの（の比例値）として表わされる。この場合、開口絞り４ａでのフォーカスによるシフト変化はほとんどないため、絞り４ｂでのフォーカス変化を見ることができる。
【００８１】
ウエハ平坦度が十分小さく平坦な場合、予めフォーカスに対するシフト量即ちフォーカスに対する位置ずれ変化（以下敏感度と呼ぶ）を求めておけば、ショット内各像高のシフトの差はフォーカスの差に変換され、像面が求まる。さらに、敏感度が像高によらず常に一定でかつシフト量がフォーカスに対しリニアーに変化するフォーカスレンジ内であれば、求めた像面はオートフォーカス系の検出誤差やＺ駆動の誤差に影響されないため、主な誤差要因はウエハ平坦度のみとなる。そのため、ダミーウエハ上で複数ショット各々に対して上記重ね焼きを行い、各ショットで現像後の測定を行なえば、ショット数を増やした分だけ平坦度の誤差が平均化され精度が上がる。
【００８２】
本実施例は特に、照明光の主光線の入射方向を異ならせて投影したマークの像がもともと重なって形成されるようにしてあるので、両者の中心位置間隔はマークの大きさにかかわらずもともと小さく、よって両者のずれにより測定を実行する本方法は測定値に対して発生する誤差も原理的に小さい。即ち測定値に０．１％の誤差が不可避である装置を利用して測定する場合、もともとの想定される測定値が小さいが故に誤差も小さくなるものである。また、マークを必要以上に小さくする必要もないので、マークの形状誤差も不要に増大させる心配もない。
【００８３】
以下に第二実施例の説明を行なう。本実施例においては、開口絞り以外においては第一実施例と同様なので、その他の説明、図面は省略する。また、以降の実施例の説明においても、前出と同様の内容は説明等を省略する。
【００８４】
コマ収差の影響の大きい投影露光装置において先の実施例の開口絞りの組合せで露光した場合、コマ収差の影響を受けてフォーカスシフト量にオフセットが生じてしまう場合がある。これをキャンセルしかつ２倍のフォーカス分解能を得るために、第２実施例では図３に示した開口絞り４ｃおよび４ｄの組合せで先の実施例同様な露光を行なう。開口絞り４ｃと４ｄは照明光学系の光軸に関して互いに軸対称の間係になっており、これによりレンズ収差の奇関数で表わされる成分は全てキャンセルされる。かつ偶関数成分は全て２倍の敏感度になるため、ベストフォーカス位置計測の分解能を２倍に上げることができる。
【００８５】
ところで、球面収差によりベストフォーカスに変化が生じることが知られている。この場合像高内での球面収差の違いが像面を変化させることになる。通常ベストフォーカスを決める手段は様々で、その手段や条件により値は異なってくる。更に球面収差の影響の受け方もその手段や条件により異なる為、そういった手段や条件の影響を受け難い方法で像面（ベストフォーカス）を決定する方法が望まれる。ここではベストフォーカスの定義をガウス像面（近軸像面）と定義し、球面収差の影響を取り除いたベストフォーカスの計測方法について、前の実施例と異なる部分に絞って述べる。
【００８６】
先の第二実施例において、最低次の球面収差が発生した場合の主光線の傾斜角の違いによるベストフォーカスのシフト（ガウス像面からの）を図４に示す。マーク９ａ及び９ｂが露光波長に対し十分大きい場合、開口絞り４ｃで照明されたマーク９ａ，９ｂの回折光はほとんど広がらず主光線の傾斜角で投影露光系１０の瞳面のある微少領域に到達し、その瞳面のある微少領域に対応する投影レンズ１０の波面収差（ここでは球面収差成分のみの波面収差）の影響を受け、その波面の傾斜だけマーク９ａ、９ｂの結像位置（ウエハ）１１において横ずれを生じさせる。
【００８７】
更に先の実施例同様マーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像が重なるようステージを移動させ、開口絞り４ｄにて第２の露光を行う。前述同様マーク９ａ，９ｂの回折光は主光線の傾斜角で投影光学系１０の瞳面のある微少領域に到達し、その瞳面のある微少領域に対応する投影レンズ１０の波面収差（ここでは球面収差成分のみの波面収差）の影響を受け、その波面の傾斜だけマーク９ａ、９ｂの結像位置１１において横ずれを生じさせる。
【００８８】
この際瞳面上の回折光の位置は第１の露光の際の位置に対して、軸対象のため球面収差成分のみの波面の傾斜は投影レンズ１０の光軸に対し対称で等しいため、マーク９ａ、９ｂの結像位置１１において横ずれも反対方向にしかも等しい量発生する。従って現像後重なったマーク９ａ，９ｂの相対位置ずれを計測した場合、本来ベストフォーカス状態であっても両マーク中心間には位置ずれが生じている、即ちベストフォーカスのシフトとなる。
【００８９】
この球面収差によるベストフォーカスシフトの影響を受け難くするには、あらかじめ球面収差による波面の傾斜を計測処理しておく必要がある。波面の傾斜は瞳面上の位置により変化する。瞳面上の位置は通常、投影露光系のＮＡを１として表わされ、この値は照明光の主光線の傾斜角をσ換算した値と一致する。従って開口絞り４ｃ及び４ｄの開口部の位置を波面の傾斜がフラツトな瞳面上の位置になるよう設定することで、球面収差によるベストフォーカスシフトの影響を受けなくすることができる。計算式は以下のように与えられる。
【００９０】
∂Ｗ（Ｒ）／∂Ｒ＝０
Ｗ（Ｒ）＝ａ（６Ｒ4−６Ｒ2＋１）＋ｂ（２０Ｒ6−３０Ｒ4＋１２Ｒ2−１）＋ｃ（７０Ｒ8−１４０Ｒ6＋９０Ｒ4−２０Ｒ2＋１）＋ｄ（２５２Ｒ10−６３９Ｒ8＋５６０Ｒ6−２１０Ｒ4＋３０Ｒ2−１）＋ｅ（９２４Ｒ12−２７７２Ｒ10＋３１５０Ｒ8−１６８０Ｒ6＋４２０Ｒ4−４２Ｒ2＋１）
ここで Ｗ（Ｒ）・・・球面収差成分の波面収差関数
Ｒ・・・投影露光系瞳位置
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ・・・Ｚｅｒｎｉｋ係数
このことから例えば全像高で平均的に波面の傾斜がフラットな瞳面上の位置に開口絞り４ｃ及び４ｄを設定すれば、球面収差による像面への影響を小さくすることができる。
【００９１】
更に各像高毎の波面収差が分かっていれば、以下の式から球面収差によるベストフォーカスのずれを像高毎に補正した像面を算出することができる。
【００９２】
Ｆｃ＝ｋ・∂Ｗ（Ｒｏ）／∂Ｒ
ここでＦｃ・・・ベストフォーカス補正量
ｋ・・・・フオーカス敏感度係数
Ｒｏ・・・照明光の主光線の傾斜角をσ換算した値
なお、木実施例では像面（ベストフォーカス位置分布）を求めることになるので、先の実施例とはレチクルを以下のように異ならせている。
【００９３】
即ちレチクル９の下側のパターン形成面に矩形マーク９ａおよびマーク９ｂを間隔ＤＲで交互に複数組配列すると共に、このような列をこの配列方向とは垂直方向にも複数配列し、レチクル面上に矩形マーク９ａおよびマーク９ｂを２次元配列している。重ね焼きに際しては１回目の露光後に間隔ＤＲでの配列方向にステージをＤＲｘ投影倍率分だけ移動して２回目の露光を行なう。その際の開口絞り４ｃと４ｄの切り換えについては前述と同様である。
【００９４】
このようなレチクルを用いれば、前述実施例のベストフォーカス位置計測方法を各重ね合わせマーク位置について行なうことで、像面データを各像高位置（マクロに見た場合の２マーク形成位置であり、厳密にはダミーウエハ上で重ねられたレチクル上２マークの中心位置）のベストフォーカス位置の分布として得ることができる。
【００９５】
次に開口絞りを変えないで、開口が大きい通常の１つの開口絞りを使用して計測する第四実施例について説明する。
【００９６】
本実施例においては、図５に示したようなマスク（レチクル）を使用し像面を計測する。マスク図５は通常のクロム面に第一又は第三実施例同様の配置で（Ａ）に示すようなマーク１５ａ及びマーク１５ｂが形成されている。ここでは第三実施例同様像面計測用マスクとして説明する。更にこれらマーク１５ａ，１５ｂの反対の面（通常のガラス面）にもクロムもしくは露光光を遮光できる材料で、開口部もしくはホール１５ｃ，１５ｄを形成してある。（Ｂ）はこのマスクの断面模式図である。
【００９７】
開口１５ｃはマーク１５ａをまた開口１５ｄはマーク１５ｂにそれぞれ入射する照明光の光線の傾斜角を制限している。その制限された傾斜角の光線の主光線の傾斜角が異なる、あるいは主光線の傾斜角が等しくかつ入射方向が入射面に対して対象な照明光を照射するよう、以下の条件で形成されている。
【００９８】
ｓ＝（ＮＡul・σａ・ｔ／ｍ）／ｎ
ｑ＝（ＮＡul・ｔ・σｂ／ｍ）／ｎ
ここにｓはマーク１５ａと開口１５ｃの距離あるいはマーク１５ｂと開口１５ｄの距離、ＮＡulは投影レンズの開口数、σａは開口１５ｃあるいは１５ｄの制限した照明光の傾斜角の主光線のσ値、ｔはマスクのガラス厚、ｑは開口１５ｃあるいは１５ｄの直径、σｂは制限する照明光の傾斜角の幅をσ換算した値、ｍは投影光学系の縮小倍率、ｎはマスク材質で決まる屈折率とする。
【００９９】
更にこの時開口１５ｃとマーク１５ｂあるいは開口１５ｄとマーク１５ａの位置関係から決まる入射可能な傾斜角の照明光はあらかじめ照明系の開口絞り５によりカットする、もしくはあらかじめマーク１５ａ，１５ｂと開口１５ｃ，１５ｄの位置関係を次の式を満足するよう形成しておく必要がある。
【０１００】
ｐ≧ＮＡul・ｔ・（σｏ−σａ）／ｍ
ここにｐはマーク１５ａと１５ｂの距離、σｏは照明系の開口絞り４のσ値とする。
【０１０１】
図５の様なマスクを使用し、先の実施例同様１度の露光でダミーウエハ上にマーク１５ａ，１５ｂを露光した後、マーク１５ａの潜像とマーク１５ｂの投影像（あるいはその逆）が重なり合うようにステージを移動させ、同一の開口絞り５で再度マーク１５ａ，１５ｂを露光する。そして、現像後に露光形成されたマーク１５ａと１５ｂの相対位置ずれ量を測定植を使って測定する。この様なマーク１５ａ、１５ｂのマークのペアーおよびこれに対応した開口１５ｃ、１５ｄをマスク上、像高毎に形成しておき、前述した２回の露光により重なり合った１５ａと１５ｂのマークの相対位置ずれ量を像高毎に計測することで、像面計測が可能となる。またこの方法では、照明系のテレセンずれによる影響を考えなくて済む為、より高精度な手法である。
【０１０２】
以上の第一〜第四実施例において、図１に示す投影露光装置によって上記計測とそれに基づく補正処理を行なう場合の（不図示の）制御系による制御フローを図６に示す。
【０１０３】
制御系では感光基板（ダミーウエハ）と前述の形態のレチクルをそれぞれよく知られている搬送系でステージ上にロードし、前述のようにして１回目の露光、ウエハステージ移動によるマーク合わせ、２回目の露光を行う。これは一度でもよいが、本実施例では前述した平均化のため、感光基板上の各ショットにステップアンドリピートで１回目の露光を順次行なった後、ウエハステージ移動によるマーク合わせと２回目の露光を感光基板上の各ショット毎にこれを繰り返す。
【０１０４】
露光された感光基板の現像および他の計測器によるマーク計測は装置外の別システム、あるいはオペレータのマニュアル処理で行われる。工場全体を管理する中央制御系でこれらも他のステップと一括して制御するようにしてもよい。一方これを投影露光装置自身のマーク検出系で行う場合は、現像後の基板のステージヘのロード（不図示）後に検出系でマーク計測を実行させる。
【０１０５】
得られた計測結果を基に制御系内で、各像高点別に、照明条件Ａで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値と照明条件Ｂで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値が算出され、これらの差分から各像高における平均マークずれ量が得られる。これをフォーカス量に換算して投影光学系の像面が算出される。
【０１０６】
得られた像面を元に、たとえばショット照明範囲における平均フォーカス位置を得、これに基づいて現在のオートフォーカス系１３のオフセット値の補正を行なう。更に投影光学系内の不図示の像面補正光学系にフイードバックをかけ、像面補正を行なう。
【０１０７】
図７に測定系のオフセットまで考慮した制御フローの変形例を示す。図７では実際に露光が行なわれるショットの配置を説明する図をフローチャート右側に示してある。
【０１０８】
制御系で感光基板（ダミーウエハ）と前述の形態のレチクルをそれぞれよく知られている搬送系でステージ上にロードするところまでは同様である。そして、前述とは異なり、まず感光基板上の上述測定用のショット以外に複数の別枠のショットを設け、これら別枠ショットも含めてフォーカス位置を変えることなく各ショットにステップアンドリピートで１回目の露光を順次行なう。次にステージを最初の別枠ショット露光位置まで移動し、そこから別枠ショットについては１回目の露光と同じ照明条件（第一、第二、第三実施例においては同じ開口絞り）で前述したマークの重ね合わせが成されるようにステージを移動させ、２回目の露光を行なう。これをステップアンドリピートで順次別枠ショットに実施する。
【０１０９】
尚、第四実施例においては図５に示すようなマーク１５ａ、１５ｂのマークおよびこれに対応した開口１５ｃ、１５ｄの１セットをマーク間隔がＤＲである方向に１列に複数セット配列し、これに隣接して開口１５ｃ、１５ｄに対するマーク１５ａ、１５ｂの配置を逆転させた１セットが平行に１列に複数セット配列されるような配置を設け、且つこれが前述マーク間隔ＤＲである方向に垂直な方向に繰り返される構成のレチクルとしておく。そしてこの別枠ショットの露光においては、隣接する列の同じ照明条件の異なるマークの投影像が感光基板上の潜像に、ベストフォーカス状態で中心が合致する形で重ね合わされて露光が実行されるようにすればよい。
【０１１０】
その後、１回目の露光で順にフォーカス位置を異ならせて露光が成された各ショットに対して、前述各実施例の説明で行なったように、マークの重ねあわせと１回目とは異なる照明条件での２回目の露光が、各ショットにステップアンドリピートで順次実行される。
【０１１１】
露光された感光基板の現像および他の計測器によるマーク計測は装置外の別システム、あるいはオペレータのマニュアル処理で行われる。工場全体を管理する中央制御系でこれらも他のステップと一括して制御するようにしてもよい。一方これを投影露光装置自身のマーク検出系で行なう場合は、現像後の基板のステージヘのロード（不図示）後に検出系でマーク計測を実行させる。
【０１１２】
得られた計測結果を基に制御系内で、各像高点別に、照明条件Ａで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値と照明条件Ｂで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値が算出され、これらの差分から各像高における平均マークずれ量が得られる。一方、同じ照明条件にて重ね焼き露光が行なわれた別枠ショットにおいては、各像高点別に、重ね焼きされた両マーク間の中心位置の全ショット平均値が算出される。本来一致しているべきこれら別枠ショットでのマーク間のずれが本計測系におけるオフセット値となる。各像高毎にずれ量平均値からこのオフセット値を減算し、これをフォーカス量に換算して投影光学系の像面が算出される。
【０１１３】
得られた像面を元に、たとえばショット照明範囲における平均フォーカス位置を得、これに基づいて現在のオートフォーカス系１３のオフセット値の補正を行なう。更に投影光学系内の不図示の像面補正光学系にフィードバックをかけ、像面補正を行なう。
【０１１４】
図８に示すフローチャートは図７に示す制御フローの変形例を示すもので、特に第二、第三実施例の計測方法を実施する際、オフセット値を得るための別枠ショットの露光方法を図７のものとは変えたものである。即ち別枠ショットにおいては１回目露光も２回目露光も開口絞り４ｃ、４ｄのいずれもない大きな開口（開口絞り４）の照明状態でフォーカス位置を変えずに順次露光される。このようにして得られた別枠ショットでのマークずれよりオフセット値が得られるものである。他は同様のため、説明は省略する。
【０１１５】
以下に第五実施例を説明する。本実施例においても、使用する装置構成やレチクル構成、開口絞りは図１〜３に示してあるものと同様であるので、説明等を省略する。
【０１１６】
本実施例では開口絞り４ａおよび４ｂを用いる。前述したように、開口絞り４ａおよび４ｂの開口の位置はウエハ面に入射する光の角度（ＮＡ）に相当するため、開口部の位置をその中心から離せば、その分入射角度は大きくなり、デフォーカス（Ｚ）に対する横ずれ量も大きくなり、分解能が高くなる。また、開口部の大きさを大きくすると、収差の影響を低減でき平均的な像面位置を決定できる。横ずれのシフト量を見るためには、２つのパターンの位置ずれを計測する。
【０１１７】
計測の仕方を説明する。まず、ダミーウエハの１番目のショットに第１の照明条件の開口絞り４ａを使ってマーク９ａおよび９ｂを露光し、次にウエハステージ１２をステップ移動させ、２番目のショットに前記露光とは同じフォーカス位置で露光する。このような露光を繰り返し（ステップアンドリピート）、数ショットに露光する。ここで、ダミーウエハの平坦度は充分高いものとする。
【０１１８】
次に第２の照明条件露光に移る。ウエハステージ１２を前記第１の照明条件の露光の第１ショットに戻りマーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像（あるいはマーク９ａの投影像とマーク９ｂの潜像）の中心がベストフォーカス時に重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、開口絞り４ｂに切り替えて前記第１の照明条件と同様ウエハステージ１２をステップ移動させながら同じ数だけショットを露光する。但しこの際各ショット露光時における高さ位置を所定量ずつ変化させる。その際の各ショットにおけるフォーカス位置（ウエハ高さ位置）は測定され、記憶されている。これにより、後述する後工程の近似処理を可能にしている。
【０１１９】
そして、露光されたマーク９ａと９ｂの相対位置ずれ量を測定植を使ってショット毎に測定する。ベストフォーカス面は位置ずれが０であるので、フォーカスのずれ量は位置ずれとして表わされる。即ち各ショットのマーク間相対位置ずれ量は対応するウエハ高さ位置でのデフォーカス量と１対１対応していることになる。よって位置ずれ量と露光した際のフォーカス位置の関係を直線近似し、その式から位置ずれが０となるフォーカス値を前記近似式から直接求める。この場合、開口絞り４ａでのフォーカスによる位置ずれ変化はほとんどないため、絞り４ｂでのフォーカス変化を見ることができる。
【０１２０】
ここで前記第１の照明条件での露光の際、フォーカス状態を変えずにステッブアンドリピート露光を行なったが、開口絞り４ａでのフォーカスによるシフト変化がほとんど無いとすれば、フォーカスを変えても問題ない。
【０１２１】
更に第三実施例で説明したように、前記９ａ及び９ｂのマークの組みを同一のレチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法に従いベストフォーカスを求めることで、像面の計測が可能となる。フォーカスを変えながら露光する事により、フォーカスに対する位置ずれ変化、即ち敏感度が投影系１０のレンズ収差により各像高位置で一定でない場合、このような敏感度の違いによる誤差なしにベストフォーカスを求めることができる。
【０１２２】
この際フォーカス位置を変化させる事によるフォーカス位置決め（高さ制御）精度の影響が問題となるが、各フォーカス位置それぞれで位置決め精度が影響しており、複数ショットの露光を行なうことで必然的に計測結果は平均化効果を受けている。たとえフォーカスを固定して行なった場合も同様フォーカス位置決め精度の影響を考慮して精度を上げるには数ショット露光し平均化する必要があることを考えれば、本実施例の計測でも露光及び計測の時間は実質的には変わらない。単純に測定ポイント（ショット）数ｎとすると、１／√ｎの平均化効果が期待できる。
【０１２３】
また像面に対しては露光されたショット内のフォーカス位置決め誤差はどの像高でも基本的に同じであるので、位置ずれ誤差は像高毎の敏感度の違いによって発生する。図９に像高による敏感度が１０％ばらついた場合、このような投影光学系を計測したときに像面のバラツキ（計測エラー）がどの程度発生するかをSimulationしだ結果を示す。測定ショット数を増やすことでほとんど像面への影響は無視できる事がわかる。
【０１２４】
更に上記直線近似を行なう際、図１０にあるように実際のカーブは直線にならないため、どのフォーカス範囲で直線近似を行なうかによって像面の測定誤差になってしまう。これについても図１１に示したように実際フォーカス範囲を変えて像面を測定したところ、本実施例のようにフォーカス位置を変化させて得たデータより直線近似を行なって計測を行なった場合は、一概に像面への影響は小さい事がわかる。逆にフォーカス位置を固定して像高で一定の敏感度から像面を算出した場合は、固定したフォーカスの位置により像面にばらつきが存在する。
【０１２５】
第五実施例の場合も第二実施例同様開口絞り４ｃ、４ｄを用いることで、コマ収差の影響を除去し分解能を２倍にすることができる。これを第六実施例として説明する。
【０１２６】
図３に示した開口絞り４ｃおよび４ｄの組合せで先の第五実施例同様な露光を行なう。前述のように開口絞り４ｃおよび４ｄは互いに軸対称の関係になっており、これによりレンズ収差の奇関数で表わされる成分は全てキャンセルされる。かつ偶関数成分は全て２倍の敏感度になるため、フォーカスの分解能を２倍に上げることができる。
【０１２７】
この場合も第五実施例と同様開口絞り４ｃでフォーカスを変えながら数ショット露光を行い、ウエハステージ１２を前記第１の照明条件の露光の第１ショットに戻り、マーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像（又はその逆）の中心がベストフォーカス状態で一致して重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、開口絞り４ｄに切り替えて、前記第１の照明条件の時と同様に各ショットのフォーカス位置を各ショットで前回と同じになるように変化させながら同じ数だけのショットを露光する。
【０１２８】
現像後に露光形成されたマーク９ａと９ｂの相対位置ずれ量を測定機を使ってショット毎に測定する。位置ずれ量と露光した際のフォーカス位置の関係を直線近似し、その式から位置ずれが０となるフォーカス値を前記近似式から直接求める。前記９ａ及び９ｂのマークの組みを同一のレチクルに数箇所配置してあるので、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法に従いベストフォーカスを求めることにより、ベストフォーカス位置の分布としての像面の計測が可能となる。さらに第三実施例で示したように開口絞り４ｃ、４ｄの位置を照明光の波面の傾斜がフラットな瞳面上位置とすれば、より測定精度が向上するものである。
【０１２９】
また、第五実施例において第三実施例で使用したように開口絞りを変更することなく通常の１つの開口絞りを使用し、図５のマスクを用いて計測を実行することも可能である。これを第七実施例として説明する。
【０１３０】
図５の様なレチクルを使用し、マーク１５ａ，１５ｂに開口１５ｃ，１５ｄから照明が十分に照射される照明条件で先の実施例同様フォーカスを変えながらマーク１５ａ，１５ｂを数ショット露光後、ウエハステージ１２を先の第１ショットに戻し、マーク１５ａの潜像と１５ｂの投影像（又はその逆）の中心がベストフォーカス状態で一致して重なり合うようにステージを移動させ、同一の開口絞り４で各ショット毎に先の露光と同じフォーカス位置で再度マーク１５ａ，１５ｂを同じショット数だけ露光する。
【０１３１】
そして、現像後に露光形成されたマーク１５ａと１５ｂの相対位置ずれ量をショット毎に測定植を使って測定する。この様な１５ａ、１５ｂのマークのペアーをレチクル上、像高毎に形成しておき、前述した２回の露光により重なり合った１５ａと１５ｂのマークの相対位置ずれ量を像高毎に計測することで、像面計測が可能となる。またこの方法では、照明系のテレセンずれによる影響を考えなくて済む為、より高精度な計測が可能となる。
【０１３２】
以上の第五〜第七実施例において、図１に示す投影露光装置によって上記計測とそれに基づく補正処理を行なう場合の（不図示の）制御系による制御フローを図１２に示す。図１２では実際に露光が行なわれるショットの配置を説明する図をフローチャート右側に示してある。
【０１３３】
制御系では感光基板（ダミーウエハ）と前述の形態のレチクルをそれぞれよく知られている搬送系でステージ上にロードする。そして、前述の説明にはないが、まず感光基板上の複数の別枠のショットには１回目の露光をフォーカス位置を変えることなく実行し、そのあと前述のようにフォーカス位置を順次変えながら（第五実施例においては同じフォーカス位置で）各ショットにステップアンドリピートで１回目の露光を順次行なう。次にステージを最初の別枠ショット露光位置まで移動し、そこから別枠ショットについては１回目の露光と同じ照明条件（第五、第六実施例においては同じ開口絞り）で且つ１回目と同じフォーカス位置で前述したマークの重ね合わせが成されるようにステージを移動させ、２回目の露光を行なう。これをステップアンドリピートで順次別枠ショットに実施する。
【０１３４】
尚、第七実施例においては図５に示すようなマーク１５ａ、１５ｂのマークおよびこれに対応した開口１５ｃ、１５ｄの１セットをマーク間隔がＤＲである方向に１列に複数セット配列し、これに隣接して開口１５ｃ、１５ｄに対するマーク１５ａ、１５ｂの配置を逆転させた１セットが平行に１列に複数セット配列されるような配置を設け、且つこれが前述マーク間隔ＤＲである方向に垂直な方向に繰り返される構成のレチクルとしておく。そしてこの別枠ショットの露光においては、隣接する列の同じ照明条件の異なるマークの投影像が感光基板上の潜像に、ベストフォーカス状態で中心が合致する形で重ね合わされて露光が実行されるようにすればよい。
【０１３５】
その後、１回目の露光で順にフォーカス位置を異ならせて露光が成された各ショットに対して、前述各実施例の説明で行なったように、マークの重ねあわせと１回目とは異なる照明条件での２回目の露光が、各ショットにおいて１回目のフォーカス位置と同じフォーカス位置にてステップアンドリピートで順次実行される。
【０１３６】
露光された感光基板の現像および他の計測器によるマーク計測は装置外の別システム、あるいはオペレータのマニュアル処理で行われる。工場全体を管理する中央制御系でこれらも他のステップと一括して制御するようにしてもよい。一方これを投影露光装置自身のマーク検出系で行なう場合は、現像後の基板のステージヘのロード（不図示）後に検出系でマーク計測を実行させる。
【０１３７】
得られた計測結果を基に制御系内で、各像高点別に、照明条件Ａで照明されたマークの中心位置に対する照明条件Ｂで照明されたマークの中心位置のずれ量のフォーカス位置変化に伴う変化データが得られる。一方、同じ照明条件且つ同じフォーカス位置にて重ね焼き露光が行なわれた別枠ショットにおいては、各像高点別に、重ね焼きされた両マーク間の中心位置の全ショット平均値が算出される。本来一致しているべきこれら別枠ショットでのマーク間のずれが本計測系におけるオフセット値となる。各像高毎にずれ量計測値からこのオフセット値を減算し、これを基にデフォーカス量とマークずれ量との直線近似を行ない、各像高点で得られたベストフォーカス位置より投影光学系の像面が算出される。
【０１３８】
得られた像面を元に、たとえばショット照明範囲における平均フォーカス位置を得、これに基づいて現在のオートフォーカス系１３のオフセット値の補正を行なう。更に投影光学系内の不図示の像面補正光学系にフイードバックをかけ、像面補正を行なう。
【０１３９】
図１３に示すフローチャートは図１２に示す制御フローの変形例を示すもので、特に第六実施例の計測方法を実施する際、オフセット値を得るための別枠ショットの露光方法を図１２のものとは変えたものである。即ち別枠ショットにおいては１回目露光も２回目露光も開口絞り４ｃ、４ｄのいずれもない大きな開口（開口絞り４）の照明状態でフォーカス位置を変えずに順次露光される。このようにして得られた別枠ショットでのマークずれよりオフセット値が得られるものである。他は同様のため、説明は省略する。
【０１４０】
図１４に本発明の第八実施例の計測方法に使用されるレチクルの部分断面図である。このレチクルは図５に示したレチクルに更にマーク１６ａとマーク１６ｂを配置する。マーク１６ａとマーク１６ｂの間隔はマーク１５ａとマーク１５ｂの間隔に等しい。またマーク１６ａ，１６ｂの上部には何の遮光も無く、ガラスのみである。
【０１４１】
このレチクルを使用して計測を行なう方法について説明する。
【０１４２】
マーク１５ａ，１５ｂに開口１５ｃ，１５ｄから照明が十分に照射される照明条件で先の実施例同様ダミーウエハ上にマーク１５ａ，１５ｂの像を焼き付ける。この際同時に透明ガラスを介して照明されたマーク１６ａ，１６ｂの像もダミーウエハ上に焼き付けられる。フォーカス位置を固定してステップアンドリピートにより各ショット位置にマーク１５ａ，１５ｂ及びマーク１６ａ、１６ｂを数ショット露光する。
【０１４３】
所定ショット数露光終了後、ウエハステージ１２を先の第１ショットに戻す。同一の開口絞り４で今度は各ショット毎にフォーカス位置を所定量ずつ変え、各ショットでマーク１５ａの潜像とマーク１６ａの投影像、及びマーク１５ｂの潜像とマーク１６ｂの投影像が（又はマーク１５ａ，１５ｂの投影像とマーク１６ａ、１６ｂの潜像が）、ベストフォーカス状態で中心を合致させてそれぞれ重なり合うように位置決めしながら、ステップアンドリピートにより再度マーク１５ａ，１５ｂ及びマーク１６ａ、１６ｂを同じショット数だけ露光する。そして、現像後に露光形成されたマーク１５ａと１６ａの相対位置ずれ量（ΔＬ１）及びマーク１５ｂと１６ｂの相対位置ずれ量（ΔＬ２）をショット毎に測定植を使って測定する。
【０１４４】
フォーカス毎に前記計測工程で計測された２つの位置ずれ量の差ΔＬ（ΔＬ＝ＡＬＴ−△Ｌ２）と露光した際のフォーカス値の関係を直線近似し、ΔＬ＝０となる最良結像面を求める。
【０１４５】
これによりマークを重ねて２回露光し、その位置ずれを計測する際の２回の露光の際含まれる２回のフォーカス位置決め精度による誤差をなくすることが出来、より高精度な計測が可能となる。またこの様な１５ａ、１５ｂ及び１６ａ、１６ｂのマークのペアーをレチクル上、像高毎に形成しておき、前述した２回の露光により重なり合った１５ａと１６ａのマークの相対位置ずれ量及びマーク１５ｂと１６ｂの相対位置ずれ量を像高毎に計測することで、より高精度な像面計測も可能となる。また、本実施例の計測方法を図１の投影露光装置において実施する上では、たとえば前述のように図１２に示したような制御フローを利用すればよい。
【０１４６】
尚、以上の実施例では重ね合わせのためにウエハを移動させる形態をとったが、逆にレチクル側を移動する形態としてもよい。また、各実施例において、最終的に重ねあわせに使用されないマーク投影が発生する場合、このマーク投影が行なわれるに際して、マスキングブレード等でこのマークが投影されないようにしてもよい。
【０１４７】
次に、図１および図２を参照して本発明を非点収差（アス）計測に採用した実施形態９について説明する。本実施形態の投影露光装置において投影光学系の非点収差を計測する場合の構成は図１と同様である。
【０１４８】
本実施形態においても図２に示すレチクル９の下側（投影光学系１０側）のパターン形成面に間隔ＤＲで形成した第１、第２のパターン９ａ，９ｂを用いている。
【０１４９】
尚、本実施形態においてマーク９ａとマーク９ｂは同一形状のパターンであっても良い。
【０１５０】
開口絞り４は図３（Ｂ）に示すように２つの開口絞り４ｃ，４ｄを含んでいる。
【０１５１】
図３（Ｂ）に示した開口絞り４ｃの開口４ｃ１及び４ｄの開口４ｄ１の位置は投影系１０の瞳座標（瞳面１０ａ上の座標）における位置に相当する。投影系１０の波面において、前記波面中心（光軸中心）からの距離と角度（方向）で指定した位置での非点収差を計測する上で適当な箇所に開口絞り４ｃ及び４ｄを配置し、レチクル９上には前記開口絞り４からレチクル９に入射する照明光の主光線の入射方向に前記マーク９ａもしくは９ｂのパターンを配置する。但しこの際開口絞り４ａと４ｂは絞り中心に対し互いに対称な関係である。まず第１の照明（第１の照明光）として開口絞り４ｃを使ってマーク９ａおよび９ｂの像を感光基板上に露光する。次にマーク９ａと９ｂの先に焼き付けたものとこれから投影する像とが最終的に感光基板上で重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、第２の照明として開口絞り４ｄに切り替えて同様に露光する。そして露光され重なり合ったマーク９ａと９ｂパターンの相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。この際の位置ずれ量は、フォーカスずれが発生した際に両マーク９ａ、９ｂが位置ずれを起こす方向に対して、基板面内で垂直な方向の位置ずれ成分である。前記マーク９ａ，９ｂのパターンの相対位置ずれ量は開口絞り４ｃおよび４ｄによって制限された光路（第１の照明と第２の照明）が瞳面１０ａを通過したエリアの波面収差の差分と考えられる。
【０１５２】
図１５は投影光学系１０の瞳面１０ａ上における波面と、開口絞り４ｃ，４ｄの開口４ｃ１，４ｄ１を通過した光束の波面とを示した概念図である。
【０１５３】
同図は瞳面１０ａの座標上における対称な波面の一部分同士の傾き差分を示している。
【０１５４】
矢印は各波面の一部分の面内方向の傾きを示している。
【０１５５】
この傾き差分は結像面上において結像位置の（フォーカス変動による像ずれ方向とは垂直な方向、具体的にはサジタル面内方向）ずれ成分として表れることになる。
【０１５６】
この様に瞳中心対称な２箇所の開口を用いることで傾き差分の検出を大きく検出できる。ただし原理的には本発明は２箇所の開口位置が必ずしも瞳中心対称である必要はなく、主光線を違える配置であれば測定は可能である。
【０１５７】
図１６はマスクへの照明光の主光線の入射方向（即ち、開口４ｃ１と４ｄ１の開口絞り中心を対称軸とした配列方向）を種々と変えたときの重ね合わせマーク９ａ，９ｂの位置関係を示す説明図である。
【０１５８】
開口４ｃ１と４ｄ１の配置を絞り中心対称に回転させて主光線の入射方向を変えることによって、瞳面上において両開口の配列方向に対向する（図１５で瞳面上に垂直な対向面として示した）面内での波面の傾き差分がマーク９ａ，９ｂの位置ずれ量として検出されることになる。投影系の非点収差の状況により、開口配列の角度を変えることでマーク９ａ，９ｂの位置ずれ量が種々と変わり、これらを角度成分毎に求めることによって投影光学系の非点収差を求めている。
【０１５９】
その際角度成分毎にマーク９ａ，９ｂの位置ずれ量を測定すべき方向（実施例では開口配列方向に垂直な方向）が変化するので、角度ごとに矩形マーク９ａ，９ｂの向きも、該測定すべき方向に対して垂直な辺が存在するように変化させるのが望ましい。図１６はこの考えに基づいた、各角度測定に対応した矩形マークの向きを示している。
【０１６０】
ここで、開口絞り４ｃ，４ｄにより瞳面１０ａを通過したエリアが瞳中心（光軸中心）に対し対象な位置でかつ等しい大きさであれば、位置ずれに影響を与える収差はＺｅｒｎｉｋｅ多項式であらわされる偶関数成分のみとなる。更に前記位置ずれをベクトル分解して、瞳面１０ａにおける前記開口絞り４ｃおよび４ｄによって制限されたエリア中心同士を結んだ方向（Ｍ）とそれに直行する方向（Ｓ）に分ければ、方向Ｓの位置ずれ量はデフォーカスの影響を受けない非点収差成分のみが抽出された事になる。前記ベクトル分解された方向Ｓの位置ずれ量は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式で表現する場合、２ｎΘ成分のみとなる。ここでｎは整数、Θは瞳面極座標の角度を表わす。例としてＺｅｒｎｉｋｅ多項式の高次を４Θまで考慮するとした場合、２Θと４Θ成分のみが前記位置ずれとして計測され、それ以外の成分は、対称な２つの波面の一部分の傾きの差をとることにより消去される。また前記２Θと４Θ成分の係数と前記位置ずれ量の関係は次のように表わせる。
【０１６１】
△Ｓ（Θ，Ｒ）＝Ａ（Ｒ）＊ｃ ｏ ｓ２Θ−Ｂ（Ｒ）＊ｓｉｎ２Θ＋Ｃ（Ｒ）＊ｃ ｏ ｓ４Θ−Ｄ（Ｒ）＊ｓｉｎ４Θ
Θ・・・瞳面極座標の角度
Ｒ・・・主光線の入射角度をσ換算した値（瞳座標上主光線の瞳中心からの距離）
△Ｓ・・・位置ずれ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・係数
上記式において、ある主光線の入射角度Ｒ０の条件で数ポイント計測しベクトル分解することで方向Ｓの位置ずれを得ることで、以下の方程式が得られる。
【０１６２】
【数１】
【０１６３】
上記（１）〜（４）の方程式を解くことで係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが求まる。また異なる計算方法として、互いに直交する関係の方程式同士から係数を求める方法も考えられる。例えば（１），（４）式から係数Ａ，Ｃを求め、（３），（６）式から係数Ｂ，Ｃを求め、（２），（５）式より係数Ｄを求める。得られた前記係数を新たな非点収差の量と定義することで、コサイン、サイン成分、更には２Θ、４Θ成分の収差をそれぞれ計測する事が可能となり、非点収差をより厳密に計測する事ができる。また前記各係数と従来方式で求めた非点収差との相関関係を調べることにより新たに求めた非点収差の係数を従来法の非点量に変換も可能である。
【０１６４】
図１７は照明光の照射方向を変えて投影露光を行うフローである。フローを順に説明すると
・ 感光基板１１をアライナーステージ上にロード。
・ 重ね合わせマーク９ａ，９ｂが配置されたレチクル（マスク）をアライナーレチクルステージ上にロードする。
・ 照明光の主光線の入射方向（開口配置方向）がｉで所定の射角をもった照明条件（第１の照明）Ａで第１，２のパターンを露光する。一方は測定には使用しない。
・ 位置合わせマーク９ａ，９ｂの既に焼き付けたものと次回焼き付けるものとが像面上で重なるようステージを移動する。
・ １回目と同じ主光線の入射角をもった照明条件Ａで露光する。（ＳｈｏｔＡ）この部分は本来ずれなく焼き付けられているべき部分であり、後でこの部分のずれを系自身のオフセット（ＯＦＴ）として、補正処理に用いる。
・ 照明条件Ａとはπ入射角方向が異なる（開口配置が瞳中心に対して点対称位置にある）が主光線の入射角は等しい照明条件（第２の照明）Ｂで露光する。
【０１６５】
尚、ショットＡ、Ｂの重ね焼きされなかったマークは測定には使用しない。
・ 感光基板を現像後、アライナーもしくは他の計測機でマーク９ａ，９ｂの位置を計測する。
・ 複数のチップの測定値による平均化処理・前述したオフセット計測用部分の計測結果を用いたＯＦＳ補正処理をし、ＳｈｏｔＢの平均の各点のずれ量とＳｈｏｔＡの平均の各点ずれ量を求める。
・ ずれ量をベクトル分解し、アス成分の相対ずれ量を相関係数からアス量に換算する。
・ 照明光の主光線の入射方向ｉをｉ＝ｉ＋８／π回転させて露光エリアを移動させて、同様の工程を行なう。
・ 複数図の計測で得た値を用いて連立方程式を解くだけの数式完了したか否か判断する。
・ 所定の回数の計測が終了したならば連立方程式から成分毎にアスを算出する。
【０１６６】
尚、ここでは不図示であるが、得られた成分ごとのアスに基づいて不図示のアクチュエータで投影光学系内の収差補正用光学系（不図示）を駆動して、アス補正を行なう構成としてもよい。
【０１６７】
図１８（Ａ），（Ｂ）は、投影レンズ内を等間隔で多点測定を行った場合の計測方法におけるウエハ上の転写パターンと計測マークのシフト量からのアスを求める比較例の説明図である。
【０１６８】
図１８（Ａ）に示すように、縦横方向の内側Ｂｏｘと（パターン）７１と同じく縦横方向の外側の格子（パターン）７２との相対ずれを絞り内７０の全面で計測する。計測された横ずれ（相対ずれ）量は、計測した投影レンズ瞳座標位置における波面の傾き（微分値）に相当する。図１８（Ｂ）は計測点における波面の傾きをベクトル表示した図である。
【０１６９】
この際、内側Ｂｏｘ７１もしくは外側格子７２のどちらかは対象投影露光系の波面収差による横ずれが発生していて、もう一方は既にウエハ上に形成されているか収差が既知の別の投影光学系によって焼き付けられており、その配置が既知であり基準となる。即ち該もう一方には計測対象となる投影光学系の波面収差によるずれがない。上記横ずれ量（波面の傾き）から波面そのものを計算し、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式等の近似処理により求めたい収差係数を算出する方法も可能である。
【０１７０】
図１９（Ａ），（Ｂ）は本実施形態によるウエハー上の転写パターン（瞳面上の計測位置と計測マークの関係）と計測マークのシフト量からアスの求め方の説明図である。
【０１７１】
図１９（Ａ）では２通りのパターン配置を示している。左図はマーク自身を既に図１９（Ｂ）上図に示すアス（非点収差）成分とＦｏｃｕｓ成分に分解されたマーク回転が施されている。また右図のような統一されたマーク回転についてもベクトル計算により同様にアス（非点収差）成分とＦｏｃｕｓ成分に分解できる。
【０１７２】
瞳中心に対して点対称な波面を通過した内側Ｂｏｘ（パターン）８１と外側Ｂｏｘ（パターン）８２との相対ずれを絞り内８０の等しい中心からの距離Ｒで全点計測し、計測されたシフトベクトルをアス（非点収差）成分とＦｏｃｕｓ成分に分解し、各計測位置でのアス成分から連立方程式を解くことで、各成分毎のアスをシフトで算出可能となる。
【０１７３】
図１９（Ｂ）は絞り７０の中心からの距離でのアス傾き成分とＦｏｃｕｓ傾き成分を示している。
【０１７４】
更に算出されたアス量がシフトであるため、例えば従来のアス量に換算したい場合は図１９（Ｂ）の下図に示すように従来法と本方式から求めたシフトの相関グラフなどより換算係数を算出して使用することも可能である。
【０１７５】
本発明の計測方法は、上記比較例の方法に比べて、計測ポイントが少なく、短時間で簡単な処理でアスを算出することが可能である。（アスに特化した計測方法である。）
デフォーカスの影響を受けず、マーク（パターン）も大きくプロセス、露光量の影響も少ないため再現性が良い。
【０１７６】
射入射像面計測との併用が可能である。特に像面とアスを同時にしかも短時間で多点計測が可能である。
等の特徴がある。
【０１７７】
本発明の実施形態１０では特殊マスクＭを用いて測定を実施する。本実施形態では図５で示した特殊マスクＭを使用する。 本実施形態１０では、開口絞りを変えないで、１つの開口絞りを使用し、かつ図５に示したようなマスク（レチクル）Ｍを使用し非点収差を計測している。即ち第四実施例で示したのと同様、開口絞り４は制限することなく、ホール１５ｃ，１５ｄで擬似的にそれと同様の効果を得られるようにしたものである。
【０１７８】
この場合マークに対するホール１５ｃ，１５ｄの配置を形成面内で回転方向に変えたものをマスク上の別の位置に設けることで、容易に前述した主光線の入射方向ｉを変えた状態が並行して作り出せる。よって、場所ごとに主光線の入射方向ｉを８／πずつ変えたマーク１５ａ、１５ｂ、ホール１５ｃ、１５ｄの組を一つのマスクに並列して設けることで、前述のようにｉ方向を変更して同様の工程を繰り返すこと無しに、一度のプロセスで瞳面上の対向方向の角度成分別位置ずれ量が求められる。これは状況により、角度成分別測定用に別々のマスクにこれらを分けて形成し、それぞれ別プロセスとして測定を実行してもよい。
【０１７９】
図５の様なマスクＭを使用し、先の実施形態９と同様に一度の露光でマーク１５ａ，１５ｂを露光した後マーク１５ａと１５ｂが重なり合うようにステージ１２を移動させ、同一の開口絞り４で再度マーク１５ａ，１５ｂを露光する。そして、露光されたマーク１５ａと１５ｂの相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。この方法は照明系のテレセントリックのずれによる影響を考えなくて済む為、より高精度な手法である。
【０１８０】
図２０は本実施形態における特殊マスクを用いて２重露光するときのフローである。
【０１８１】
図２０において、
・ 感光基板を（ウエハ）１１をアライナーステージ上にロードする。
・ 重ね合わせマーク１５ａ，１５ｂが配置されたレチクル（マスク）をアライナーレチクルステージ上にロードする。
・ 照明光の主光線の入射角はσ０のまま、重ね合わせマーク１５ａをホール１５ｃを介した部分照明光で（照明条件Ａ）露光する。尚、重ね合わせマーク１５ｂが同時に焼き付けられても、それは測定には使用しない。
・ 位置合わせマーク１５ａの焼き付けられた位置と，位置合わせマーク１５ｂの焼付位置が重なるようステージを移動。
・ 照明光の主光線の入射角はσ０のまま、重ね合わせマーク１５ｂをホール１５ｄを介した部分照明光で（照明条件Ｏ）露光する。（ＳｈｏｔＢ）尚、重ね合わせマーク１５ａが同時に焼き付けられても、それは測定には使用しない。
・ 感光基板を現像後、アライナーもしくは他の計測器でマーク１５ａ，１５ｂ位置ずれを計測。
・ 複数ショットの計測結果を用いた平均化処理の後、位置ずれ量をベクトル分解し、アス成分の相対ずれ量を相関係数からアス量に換算する。
・ 得られた値を用い、連立方程式から成分毎にアスを算出する。
【０１８２】
本実施形態では前述ＯＦＴ処理に関するプロセスは省略しているが、実施形態９と同様に行ってもよい。
【０１８３】
本実施形態のこの他の構成は実施形態９と同様である。
【０１８４】
図２１は本発明の実施形態１１に係る特殊マスクＭの説明図である。
【０１８５】
本実施形態は実施形態１０の図５に示したマスクＭを使用した方法と同様な考え方で、図２１に示したマスクＭを用いて相対位置ずれ量から投影系の非点収差の計測をしている。図２１において図５で示した要素には図符号を付している。
【０１８６】
図５と異なる点は１つの開口部１５Ｃにより照射される露光光で開口部１５Ｃから等間隔に配置されたマーク１５ａ，１５ｂを一度に露光するようにしたことである。このようにしても各マークの照明光の主光線を互いに異ならせることが可能であり、且つこの場合は全て一度に露光が出来るため、照明光の入射方向毎に重ね合わせ露光を繰り返す必要がないだけではなく、入射方向毎に開口部を別設する必要もなくすことができる。なお、この図２１のマスクは前述したベストフォーカス位置計測にも同様に使用できる。
【０１８７】
実際の使用例について図２２に示す。レチクル９上にマーク９ａを同心円上に配置した、マーク群８ａと、少し距離をおきマーク群８ａと等しい大きさの同心円上にマーク９ｂを同じく配置したマーク群８ｂがある。またマーク群８ｂの上部は照明光の入射角を制限するための開口部９Ｃが設けられている。図２２のレチクル９を使用し、通常照明で露光する。但しこの際マーク群８ａを照明した光はマーク群８ｂに回り込まないよう十分な距離と遮光が考慮されている。焼き付けられたマーク群８ａと次に焼き付けるマーク群８ｂが像面上で重なり合うようステージを移動し再度同じく通常照明で露光する。これにより重なり合ったマーク群を全て計測し、照明方向毎に位置ずれの差分△Ｓ（Θ）を計算することができる。以下にその式を記す。
【０１８８】
△Ｓ（Θｉ）＝△ｌ（Θｉ）−△ｌ（Θｉ＋π）
ここに △ｌ（Θｉ）＝ Ｘｉａ−Ｘｉｂ
Ｘｉａ・‥・マーク群８ａのパターン方向ｉ（ｒａｄ）のＳ方向位置ずれ
Ｘｉｂ・・‥ マーク群８ｂのパターン方向ｉ（ｒａｄ）のＳ方向位置ずれ
以上より１つのホール、１回の重ね焼きで前記方程式を解くことが可能で、成分毎に非点収差を計測する事ができる。
【０１８９】
この他の構成は実施形態１０と同様である。
【０１９０】
以上のように本発明の各実施形態の計測方法によれば、２つの異なる照明光の入射角で２つの計測用マークを夫々２度露光し、かつステージ移動により重ね合わせることで相対位置ずれを計測し、高精度な非点収差計測が可能となる。
【０１９１】
又、露光量に対する誤差もなく、計測時間も早く条件だし等もいらないため、より高いスループットの計測方法が達成できる。
【０１９２】
又、フォーカスを含め他の収差に影響を受けないため、手法や条件により値の変わらない非点収差量が規定できる。このことは、より標準的な非点収差の評価につながり、照明条件やパターンの種類毎に行っている現状の検査時間を大幅に改善できる。
という効果を得られる。
【０１９３】
尚、上述第９以降の各実施形態では検出精度向上のために２つのマークを重ね合わせて焼き付ける形態で示したが、これは焼き付けられた際の両者の間隔が既知で、形成精度及び計測精度が保証される状況であれば、離れた位置に焼き付けられた２マークを用いる形態としてもよい。
【０１９４】
上述第９以降の各実施形態では２マークの重ねあわせのためにウエハを移動させる形態をとっているが、逆にレチクル／マスク側を移動させる形態としてもよい。又、各実施例において、最終的に重ねあわせに使用されないマークが投影されるに際して、マスキングブレード等でこのマークが投影されないようにしてもよい。
【０１９５】
次に、上述したベストフォーカス計測方法および像面計測方法及び非点収差計測方法を投影露光装置に適用した実施形態１２を説明する。本実施形態は投影露光装置において投影光学系のベストフォーカス面の位置を自動的に（検出手段を用いて）計測し、補正手段２１で補正する場合を示している。
【０１９６】
図２３（Ａ）において、図１に示した要素と同一要素には同符号を付している。同一要素の説明は省略する。
【０１９７】
本実施形態では露光光のもとで、レチクル９のパターン形成面に形成されたパターンの像が、投影光学系１０を介してウエハステージ１２上に載置されたプレート１１ａ上に結像される（図２３（Ｂ）参照）。フライアイレンズ３の後側焦点面は投影光学系１０の瞳面１０ａとほぼ共役である。 プレート１１ａにはスリット１１ｂが形成されており、スリット１１ｂを透過した光は受光器１１ｃにより受光処理され検出される。
【０１９８】
前記プレート１１ａ、スリット１１ｂ、受光器１１ｃはすべてウエハステージ１２上に載置されており、検出器ユニット（検出系）１１の一要素を構成している。ウエハステージ１２は、投影光学系１０の光軸に垂直な面内の任意の位置に検出系１１を位置決めするＸＹステージ１２ａおよび投影光学系１０の光軸に平行な方向で検出系１１のフォーカス位置を設定するＺステージ１２ｂ等より構成されている。
【０１９９】
また、本実施形態では実施形態１と同様に検出系１１のフォーカス位置を検出するためのオートフォーカス系１３が設けられている。
【０２００】
次に投影光学系１０のベストフォーカス位置の自動検出方法について説明する。
【０２０１】
レチクル９の下側のパターン形成面にテストパターン（ピンホールもしくはライン系のスリット）１５を配置する。前記テストパターン１５に図３（Ｂ）の開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光を照射し前記パターン像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ａ上に結像させ、前記ステージ１２を移動して前記プレート１１ａ上に設けたスリットパターン１１ｂを透過する光を光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１１ｃにより検出する。前記ステージ１２を前記投影光学系１０の光軸方向（Ｚ方向）に移動し、同時に光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）で前記第１の照明光の入射方向と同じ方向にステージ１２を移動させＸ，Ｙ移動に同期して前記スリットパターン１１ｂを透過する光を前記検出器１１ｃにより検出する。図２４はステージ１２のＸ，Ｙ位置とその位置での受光器１１ｃで得られる透過検出光強度もしくは光量からなる検出信号の説明図である。図２４の検出信号に対して前記プレート１１ａ上に結像したテストパターン１５のＸＹ方向における中心位置を算出する。更にＺ方向にステージ１２を移動させ前記同様、Ｚ位置毎にテストパターン１５のＸＹ方向における中心位置を算出する。
【０２０２】
次に図３（Ｂ）の開口絞りを４ｄに切り換へ前記テストパターン１５に第１の照明光とは主光線の傾斜角が等しく入射方向が入射面に対して対称な第２の照明光を照射するよう構成し、前記同様にＺ位置毎に前記テストパターン１５の結像中心位置を算出する。
【０２０３】
このとき、算出されたＺ位置（フォーカス）とテストパターン１５の結像中心位置（横ずれのシフト量）の関係は図２５に示されるようにほぼリニアーとなる。このため、前記異なる２つの照明光から算出されたＺ位置と前記テストパターンの結像中心位置の関係をそれぞれにおいて直線近似処理を行い、得られた２つの直線が交差したＺ位置を自動検出し、フィードバックさせることによりベストフォーカスの自動補正を行っている。
【０２０４】
この時開口絞り４ｃおよび４ｄの開口の位置はウエハ面に入射する光の角度（ＮＡ）に相当するため、開口部の位置をその中心から離せば、その分入射角度は大きくなり、デフォーカス（Ｚ方向）に対する横ずれ量も大きくなり、ベストフォーカス位置検出分解能が高くなる。
【０２０５】
更に前記テストパターン１５を同一のレチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法に従いベストフォーカスを求めれば、像面の計測が可能である。更には、前述の如くフォーカス変動による像ずれ方向と直交する方向のずれ成分は非点収差に起因する波面の傾き差分を示しているので、開口絞り４ｃおよび４ｄの開口の方向を９０度回転させ前記同様な計測を行うことによりこの波面の傾き差分が計測できる。即ちアス（非点収差）の計測が可能で、このとき投影光学系１０内にある補正光学系を補正手段２１で駆動させることにより像面や非点収差の自動補正が可能となる。その際に前述の如く開口方向（主光線入射方向に対応）を切り換え、同時にテストパターンの走査方向も（スリットの場合は更にスリットの方向も）それに応じて変える事で、各方向ごとのデータが得られ、これを前述の（１）〜（６）式に代入してより厳密に非点収差を測定することも可能である。
【０２０６】
図２３（Ｃ）は実施形態１３の受光器の要部外略図である。本実施形態はその他の構成が実施形態１２と同様のため、受光器部分のみ図示して説明する。本実施形態は実施形態１２と同様にレチクル９上にテストパターン（ピンホールもしくはライン系のスリット）１５を配置する。プレート１１ｄ上に開口部１１ｅを設け、テストパターンに図３（Ｂ）の開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光を照射し前記パターン像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ｄ上に結像させ、開口部１１ｅから結像光学系（レンズ系）１１ｆにより再度テストパターン１５の像を１次元もしくは２次元受光面１１ｇ上に結像させ、ステージ１２を移動しながら得られた像をデータ処理系１１ｈにより画像処理することによりテストパターン１５の像の位置検出するよう構成し、前記ステージを前記投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）に移動し、前記プレート１１ａ上に結像したテストパターンの中心位置を算出する。更にＺ方向にステージ１２を移動させ前記同様、Ｚ位置毎にテストパターン１５の中心位置を算出する。
【０２０７】
次に、開口絞りを４ｄに切り換え前記テストパターンに第１の照明光とは主光線の傾斜角が等しく入射方向が入射面に対して対称な第２の照明光を照射するよう構成し、前記同様にＺ位置毎に前記テストパターンの結像中心位置を算出する。
【０２０８】
このとき、算出されたＺ位置（フォーカス）とテストパターン１５の結像中心位置（横ずれのシフト量）の関係は図２５に示されるようにほぼリニアーとなる。このため、前記異なる２つの照明光から算出されたＺ位置と前記テストパターンの結像中心位置の関係それぞれにおいて直線近似処理を行い、得られた２つの直線が交差したＺ位置を自動検出し、フィードバックさせることによりベストフォーカスの自動補正を行っている。
【０２０９】
更に前記テストパターン１５を同一のレチクルに数箇所配置しておけば、実施形態１２と同様、像面の検出ができ、同様に開口絞りの光軸周り９０度回転でアス等の計測ができ、更にはこれらの自動補正ができる。
【０２１０】
図２６は本実施形態１４の要部外略図である。本実施形態は実施形態１２と同様レチクル９上にテストパターン（ピンホールもしくはライン系のスリット）１５を配置する。前記パターン１５に開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光をレンズ５、ビームスプリッター１６、レンズ７，８を介して、照射し前記パターン像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けた反射プレート１１ｉ上に結像させ、前記ステージ１２を移動して前記反射プレート１１ｉにより反射された光は再度投影光学系１０を通り、レチクル９のテストパターン１５付近に結像する。結像した光はテストパターン１５を透過し元の光路を戻り、照明系内に設けられたビームスプリッター１６を介して光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１７により検出する。
【０２１１】
この際デフォーカスによるテストパターン１５の横ずれ量は投影系１０の縮小倍率を１とすれば実施形態１２および１３の２倍程大きく、またベストフォーカス位置では横ずれが０であり、前記テストパターン１５を透過する光強度もしくは光量は最大（遮光パターンの場合は最小）である。そのため検出器１７の変化は図２７に示すように前記反射プレート１１ｉのＺ位置に対してピークをもつ。前記ステージ１２を前記投影光学系１０の光軸方向（Ｚ方向）に移動し、前記反射プレート１１ｉをＺ方向に移動させ、前記Ｚ位置に同期して前記検出器１７の光強度もしくは光量を検出し、図２７に示すＺ位置と光強度もしくは光量の関係から２次近似処理を行いピークを示すＺ位置を求める。
【０２１２】
これにより、実施形態１２，１３と同様にベストフォーカスの位置を検出している。
【０２１３】
更に前記テストパターン１５を同一のレチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い実施形態１２同様、像面の検出ができ、同様に開口絞りの光軸周り９０度回転でアス等の自動計測、更には自動補正が可能となる。
【０２１４】
次に上記説明した投影露光装置を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
【０２１５】
図２８は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（露光制御データ作成）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０２１６】
図２９は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によって回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０２１７】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを低コストに製造することができる。
【０２１８】
【発明の効果】
以上述べたように、光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なうことにより、概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像の重ね合わせを実現し、該重ね合わされたマーク像間のずれ情報によって前記光学系のフォーカス情報を得るようにしたことで、より高い測定精度で且つ簡易に定量化されたフォーカス情報が得られるようになった。
【０２１９】
またこれとは別に、各像高位置に対応して設けられた複数のマークを用意し、各像高位置別に、該光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なって概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像を形成し、該マーク像間の相対位置情報によって前記光学系の各像高位置毎のフォーカス情報を得ることで像面計測するようにしたことで、高い測定精度で且つ簡易に定量化された像面情報が得られるようになった。
【０２２０】
さらにこれとは別に、透明基板と、該基板の一面上に設けられた複数のマークと前記基板の前記マーク形成面とは反対側の面に設けられた遮光部および開口部を有し、前記光学系を介してマーク投影を行なう際に少なくとも２つのマークに対して主光線の入射方向の異なる照明光で照明されるように前記少なくとも２つのマークと前記開口部とを配置したことにより、基本的にマスクだけで投影光学系の計測に際して必要な特定方向からの照明による投影像が得られるようになった。
【０２２１】
更にこれとは別の本発明によれば投影光学系の各像高での非点収差を迅速にかつ精度良く検出することができる計測方法を達成することができる。
【０２２２】
又、更にこれとは別の本発明によれば投影光学系の特性を高精度に計測することができる計測方法及びそれを用いた露光装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施例の投影露光装置の構成図
【図２】 本発明の第一実施例のレチクルに配置されたマーク上面図
【図３】 本発明の第一および第二実施例の照明系開口絞りの図
【図４】 球面収差が発生した場合の主光線の傾斜角の違いによるベストフォーカスのシフトを示したグラフ
【図５】 本発明の第三実施例のレチクルの拡大断面図
【図６】 本発明の第一〜第四実施例における制御フローチャート
【図７】 部分変形例の制御フローチャート
【図８】 部分変形例の制御フローチャート
【図９】 本発明において敏感度が１０％ばらついた場合の像面誤差と測定点との関係を示したグラフ
【図１０】 本発明によるフォーカスと位置ずれの関係を示したグラフ
【図１１】 本発明の直線近似法と従来法による像面のフォーカス位置によるバラツキを示したグラフ
【図１２】 本発明の第五〜第七実施例における制御フローチャート
【図１３】 部分変形例の制御フローチャート
【図１４】 本発明の実施例が適用されるレチクルの更なる変形例を示す拡大側面図
【図１５】 本発明に係る照明光の照明方向と測定方向を示した説明図
【図１６】 本発明が適用される重ね合わせマークの種類を示した説明図
【図１７】 本発明のフローの説明図
【図１８】 従来の計測方法における投影レンズの瞳面の説明図
【図１９】 本発明の計測方法における投影レンズの瞳面の説明図
【図２０】 本発明のフロー説明図
【図２１】 本発明が適用されるレチクルの変形例を示す拡大側面図
【図２２】 本発明が適用されるレチクルの変形例を示す拡大側面図
【図２３】 本発明の実施形態１２の投影露光装置の要部概略図
【図２４】 空中像光強度分布図
【図２５】 Ｚ位置と横ずれの関係図
【図２６】 本発明による装置の構成図
【図２７】 空中像光強度分布図
【図２８】 微小デバイスの製造方法のフローチャート
【図２９】 ウエハプロセスの詳細のフローチャート
【符号の説明】
１ 光源
２ インプットレンズ
３ フライアイレンズ
４ 開口絞り
５ 第１リレーレンズ
６ 投影式レチクルブラインド
７ 第２リレーレンズ
８ メインコンデンサーレンズ
９ レチクル
１０ 投影光学系
１１ ウエハ
１２ ウエハステージ
１３ オートフォーカス系
１４ ウエハアライメント系
１５ テストパターン
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系のベストフォーカス位置、ベスト像面そして非点収差等を求める計測方法及びそれを用いた投影露光装置に関し、例えば半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置における投影光学系の光学特性を求める場合に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマスク又はレチクル（以下「レチクル」と総称する）のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に結像する投影露光装置が使用されている。かかる投影露光装置において、レチクルのパターンを高い解像度で感光基板上に露光するには、その感光基板を投影光学系の最良結像面（ベストフォーカス面）に対して焦点深度の範囲内で合致させた状態で露光を行なう必要がある。そのためには、何らかの方法で投影光学系のベストフォーカス面の位置、即ちベストフォーカス位置を求める必要がある。しかしながら実際の投影光学系は諸収差が存在し、特に非点収差が存在すると、ベストフォーカス位置がパターンから回折した光の飛ぶ方向によって異なってくる。又、投影光学系には像高毎にベストフォーカスの位置が異なるベストフォーカス像面というものがある。
【０００３】
このため従来の投影光学系のベストフォーカス位置や非点収差の計測方法等では、感光基板を投影光学系に対する光軸方向の位置を種々と変えて露光を行い、各位置での感光基板の表面に形成されたレジスト像のＣＤ変化を計測したり、あるいは投影光学系によるパターンの空中像のコントラスト変化を各像高毎に計測し、ベストフォーカス位置を求め像面を計測したり、又はサジタル方向とメリディオナル方向の２つの方向の異なるパターンのベストフォーカス位置差を求めていた。
【０００４】
さらに、レチクル上のクロム（光不透過部）からなるラインパターンの両サイドにあるガラス部（光透過部）に、９０度と０度の異なる位相を持つパターンを使用して、デフォーカスによる結像の歪による位置ずれを利用して、位置ずれとフォーカスの関係からベストフォーカスや直交する２方向のベストフォーカス差を求めて、像面を計測する方法も知られている。
【０００５】
これらは計測結果の定量化が難しく、高精度な計測には困難性を有していた。
【０００６】
そこでさらに、定量化を簡素化できる手法として、２つの異なる主光線の入射角でそれぞれ照明され投影露光された同一あるいは異なるパターンの異なる位置に形成された投影像の間隔とフォーカスの関係から、ベストフォーカス位置を求める方法も知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように定量化の工夫を凝らした手法であっても尚高精度な計測には困難性が有った。なぜなら異なる位置に投影パターン像を形成するのが前提であり、このため投影パターン像間隔が大きくなるとそれだけ検出誤差も必然的に大きくなってしまう一方、この間隔を小さくするには投影パターン像即ちもとのパターン自身も小さくせざるを得ず、今度は加工精度が充分に得られないという問題があったからである。
【０００８】
一方、この手法はベストフォーカス位置計測に限られ、像面の計測の定量化や非点収差の測定には思慮が及んでいなかった。
【０００９】
さらに、計測においてはマスクだけではなく照明系の特別な操作も必要であった。
【００１０】
本発明は、従来知られているこれらの方法では限界のあったより簡易で且つ更に高精度にフォーカス情報を計測できる計測方法およびこれを用いた投影露光装置の提供を目的とする。
【００１１】
これとは別に本発明は、像面計測において簡素且つ高精度な定量化が可能となる計測方法およびこれを用いた投影露光装置の提供を目的とする。
【００１２】
これとは別に本発明は、これらの計測に好適であり、特に照明系の特殊な操作を原理的に不要にできるマスクの提供を目的とする。
【００１３】
この他本発明は、投影光学系の各像高での非点収差を迅速にかつ精度良く検出することができる計測方法の提供を目的とする。
【００１４】
この他本発明は、投影光学系の結像位置等特性をより高精度に計測することができる計測方法及びそれを用いた露光装置の提供を目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の計測方法は、
像投影用光学系のフォーカス情報を計測する計測方法であって、
第１のマークを第１の照明条件で照明し、前記第１のマークを前記光学系を介して投影する工程と、
前記第１のマークとは大きさが異なる第２のマークを、前記第１の照明条件とは主光線の入射方向が異なる第２の照明条件で照明し、前記第２のマークを前記投影光学系を介して前記第１のマークの像が投影された位置に重ねて投影する工程と、
前記重ねられた第１と第２のマークの像の相対的な位置情報に基づき、前記光学系のフォーカス情報を得る工程と、
を有することを特徴としている。
【００１６】
請求項２は請求項１の発明において、
前記第１のマークの投影と第２のマークの投影は、感光体上に前記主光線の入射方向の異なる照明光によるマーク投影を順次行なうことにより実現されることを特徴としている。
【００１７】
請求項３は請求項２の発明において、
前記マーク像間のずれ情報は前記感光体を現像後に計測されることを特徴としている。
【００１９】
請求項４は請求項１〜３のいずれかの発明において、
前記感光体上に前記主光線の入射方向の異なる照明光によるマーク投影を順次行なうことにより実現される主光線の入射方向の異なる照明光は照明光学系内の開口絞りの開成形状を異ならせることにより得られることを特徴としている。
【００２０】
請求項５は請求項１〜４のいずれかの発明において、
前記主光線の入射方向の異なる照明光は照明光学系内の開口絞りの位置を異ならせることにより得られることを特徴としている。
【００２１】
請求項６は請求項５の発明において、
前記開口絞りの位置を照明光学系の光軸に対して軸対称としたことを特徴としている。
【００２２】
請求項７は請求項６の発明において、
前記開口絞りの位置を照明光の波面の傾斜がフラットな瞳面上位置としたことを特徴としている。
【００２３】
請求項８は請求項１〜４のいずれかの発明において、
前記マークは透明基板上に設けられ、前記主光線の入射方向の異なる照明光は前記透明基板のマーク形成面とは反対側の面に設けられた遮光領域中の開口部の配置により得られることを特徴としている。
【００２４】
請求項９は、像投影用光学系のフォーカス情報を計測する計測方法で、
該光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なうことにより、概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像の重ね合わせを実現し、該重ね合わされたマーク像間のずれを測定する第１の工程と、
照明条件の等しい照明光によって重ね合わされたマーク像のずれを測定する第２の工程と、
前記第１と第２の工程で得られるマーク像のずれの情報に基づき前記光学系のフォーカス情報を得ることを特徴としている。
請求項１０は請求項１〜９のいずれかの発明において、
前記マーク像の重ね合わせはフォーカス状態を違えた複数条件下でそれぞれ実施され、それぞれの条件下でのマーク像間のずれの変化から前記光学系のフォーカス情報を得ることを特徴としている。
【００２５】
請求項１１は請求項１０の発明において、
前記マーク像間のずれの変化から直線近似によりベストフォーカス位置を得ることを特徴としている。
【００２６】
請求項１２は請求項１０又は１１の発明において、
前記マーク投影のうち一方は異なる位置に投影される複数のマークを主光線の傾斜の異なる照明光によって照明することにより行なわれ、前記マーク投影のうちの他方によって前記異なる位置に投影された複数のマークのそれぞれにマークを投影して重ね合わせることを特徴としている。
【００２７】
請求項１３は請求項１〜１２のいずれかの発明において、
前記マークは複数像高位置に設けられ、各像高に対応したずれ情報によって前記光学系の像面が計測されることを特徴としている。
【００２８】
請求項１４の発明の投影露光装置は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系のベストフォーカス位置を計測する機能を有することを特徴としている。
【００２９】
請求項１５の発明の投影露光装置は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系の像面を計測する機能を有することを特徴としている。
【００３０】
請求項１６の発明の投影露光装置は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系のオートフォーカスのオフセットを補正する機能を有することを特徴としている。
【００３１】
請求項１７の発明のデバイスの製造方法は、
請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系の調整を行ない、該調整された投影光学系によって感光基板上にパターンの投影露光を行ない、これを現像する工程を経て該基板上に回路形成することを特徴としている。
【００３２】
請求項１８の発明のマスクは、
像投影光学系の計測用に用いられるマスクで、
透明基板と、
開口を有し、該基板面に部分的に設けられた遮光部と、
前記基板の遮光部が設けられた面と反対の面に形成され、前記開口を透過して照射される光の主光線の方向が異なる位置に配置された少なくとも２つのマークと、
前記２つのマークと同じ基板面に形成され、前記遮光部により遮光されない位置に配置された２つのマークと、
を有することを特徴としている。
【００６８】
【発明の実施の形態】
図１〜図１４を用いて、本発明の投影光学系のベストフォーカス面の位置の計測方法の実施形態について説明する。
【００６９】
投影露光装置の概略構成を図１および図２を参照して説明する。本実施例は投影露光装置において投影光学系のベストフォーカス面の位置を計測する場合に本発明を適用したものである。尚、以下の実施例においてはレンズ投影を利用した投影露光装置に適用しているが、ミラー投影を利用したものや、これらを組み合わせて利用したものに適用することも可能である。
【００７０】
図１は本実施例における投影露光装置の概念図を示している。この図１において、１は露光光用の光源である。光源１としては、高圧水銀灯又はエキシマレーザ光源等が使用できる。高圧水銀灯を用いる場合には、光源１から射出された露光光は楕円鏡１ａで集光された後に、インプットレンズ２を経てフライアイレンズ３の入射面３ａに入射する。フライアイレンズ３の射出面３ｂ側の後側（レチクル側）焦点面には多数の２次光源が形成され、これら２次光源から射出された露光光は、開口絞り４、第１リレーレンズ５、投影式レチクルブラインド６、第２リレーレンズ７、メインコンデンサーレンズ８を経てレチクル９を概略均一な照度で照明する。投影式レチクルブラインドとレチクル９のパターン面形成面とは共役であり、投影式レチクルブラインドによりレチクル９上の照明領域が設定される。
【００７１】
開口絞り４は、切り替えにより図３に示す開口絞り４ａまたは４ｂに切り替えられ、あるいは任意の位置に任意の大きさで開口部を形成できるように構成されている。
【００７２】
露光光のもとで、レチクル９のパターン形成面に形成されたパターンの像が、投影光学系１０を介してウエハステージ１２上に載置されたウエハ１１の露光面上に転写される。フライアイレンズ３の後側焦点面は投影光学系１０の瞳面とほぼ共役である。ウエハステージ１２は、詳細は省略するが、投影光学系１０の光軸に垂直な面内の任意の位置にウエハ１１を位置決めするＸＹステージおよび投影光学系１０の光軸に平行な方向でウエハ１１の露光面の位置、即ちフォーカス位置を設定するＺステージ等より構成されている。
【００７３】
また、本実施例ではウエハ１１の露光面のフォーカス位置を検出するためのオートフォーカス系１３が設けられている。オートフォーカス系１３は、ウエハ１１の露光直に例えばスリット状の検出パターンの像を、投影光学系１０の光軸に対して斜めに投影する送光系１３ａと、その露光直からの反射光を受光してその検出パターンの像を再結像する受光系１３ｂとから構成されている。ウエハ１１の露光直のフォーカス位置（高さ位置）が変化すると、その再結像される検出パターンの像の位置が変化することから、この像位置を検出することでフォーカス位置の変化を検出することができる。受光系には、その再結像された検出パターンの位置に応じて変化するフォーカス信号を生成する光電検出器１３ｃが組み込まれ、そのフォーカス信号が所定のレベルに維持されるように制御系１３ｄによってウエハステージ１２中のＺステージを駆動することにより、ウエハ１１の露光直のフォーカス位置を所定の位置（フォーカス状態）に維持することができる。
【００７４】
また、フォーカス信号は所定の範囲内でフォーカス位置の変化に対してほぼ直線的に変化するので、逆にフォーカス信号のレベル変動からフォーカス位置の変動を知ることができる。更にウエハステージ１２中のＺステージにも投影光学系１０の光軸方向の位置を検出するための高さセンサ（不図示）が組み込まれている。
【００７５】
１４はウエハ１１の位置情報を検出する為のオフ・アクシスのウエハアライメント系を示し、構成はよく知られているため詳細は省略してある。ウエハアライメント系１４はウエハ１１の各ショット領域の近傍に形成されたアライメントマークを検出する。
【００７６】
この場合、ウエハアライメント系１４の検出中心とレチクル９の中心の共役像との間の間隔、即ち所謂ベースライン量を求めておくことにより、ウエハアライメント系１４で計測したアライメントマークの位置に基づいてウエハ１１の各ショット領域のアライメントを正確に行なうことができる。更に、ウエハアライメント系１４は種々のマークの検出をも行なうことができる。
【００７７】
図２は図１中のレチクル９の部分的な拡大図を示している。この図２において示されているのは、レチクル９の下側（投影光学系１０側）のパターン形成面に間隔ＤＲで形成された、大きさの異なる矩形マーク９ａおよびマーク９ｂである。
【００７８】
続いて本実施例の計測方法について説明する。
【００７９】
開口絞り４ａおよび４ｂの開口の位置はウエハ面に入射する光の角度（ＮＡ）に相当するため、開口部の位置を光路の中心から離せば、その分入射角度は大きくなり、デフォーカス（Ｚ）に対する横ずれ量も大きくなり、分解能が高くなる。また、開口部の大きさを大きくすると、収差の影響を低減でき平均的な像面位置を決定できる。横ずれのシフト量を見るためには、２つのパターンの距離を見る必要がある。そのため、開口絞り４ａを使ってダミーウエハ上にマーク９ａおよび９ｂを露光し、次にウエハ上に焼き付けられたマーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像が、又はマーク９ａの投影像とマーク９ｂの潜像が、ベストフォーカス状態であれば完全に中心を等しくして重なり合うようにウエハステージをマークの配列方向にＤＲｘ投影倍率だけ移動させ、開口絞り４ｂに切り替えて露光する。
【００８０】
そして、ダミーウエハを現像後、露光により形成されたマーク９ａと９ｂの相対位置ずれ量をたとえば投影露光装置の位置合わせマーク検出系、あるいは装置外の光学顕微鏡等の測定機を使って測定する。この際、ベストフォーカス面において露光された場合は両マークのマーク中心のシフトが０であるので、フォーカスのずれ量はシフト量そのもの（の比例値）として表わされる。この場合、開口絞り４ａでのフォーカスによるシフト変化はほとんどないため、絞り４ｂでのフォーカス変化を見ることができる。
【００８１】
ウエハ平坦度が十分小さく平坦な場合、予めフォーカスに対するシフト量即ちフォーカスに対する位置ずれ変化（以下敏感度と呼ぶ）を求めておけば、ショット内各像高のシフトの差はフォーカスの差に変換され、像面が求まる。さらに、敏感度が像高によらず常に一定でかつシフト量がフォーカスに対しリニアーに変化するフォーカスレンジ内であれば、求めた像面はオートフォーカス系の検出誤差やＺ駆動の誤差に影響されないため、主な誤差要因はウエハ平坦度のみとなる。そのため、ダミーウエハ上で複数ショット各々に対して上記重ね焼きを行い、各ショットで現像後の測定を行なえば、ショット数を増やした分だけ平坦度の誤差が平均化され精度が上がる。
【００８２】
本実施例は特に、照明光の主光線の入射方向を異ならせて投影したマークの像がもともと重なって形成されるようにしてあるので、両者の中心位置間隔はマークの大きさにかかわらずもともと小さく、よって両者のずれにより測定を実行する本方法は測定値に対して発生する誤差も原理的に小さい。即ち測定値に０．１％の誤差が不可避である装置を利用して測定する場合、もともとの想定される測定値が小さいが故に誤差も小さくなるものである。また、マークを必要以上に小さくする必要もないので、マークの形状誤差も不要に増大させる心配もない。
【００８３】
以下に第二実施例の説明を行なう。本実施例においては、開口絞り以外においては第一実施例と同様なので、その他の説明、図面は省略する。また、以降の実施例の説明においても、前出と同様の内容は説明等を省略する。
【００８４】
コマ収差の影響の大きい投影露光装置において先の実施例の開口絞りの組合せで露光した場合、コマ収差の影響を受けてフォーカスシフト量にオフセットが生じてしまう場合がある。これをキャンセルしかつ２倍のフォーカス分解能を得るために、第２実施例では図３に示した開口絞り４ｃおよび４ｄの組合せで先の実施例同様な露光を行なう。開口絞り４ｃと４ｄは照明光学系の光軸に関して互いに軸対称の間係になっており、これによりレンズ収差の奇関数で表わされる成分は全てキャンセルされる。かつ偶関数成分は全て２倍の敏感度になるため、ベストフォーカス位置計測の分解能を２倍に上げることができる。
【００８５】
ところで、球面収差によりベストフォーカスに変化が生じることが知られている。この場合像高内での球面収差の違いが像面を変化させることになる。通常ベストフォーカスを決める手段は様々で、その手段や条件により値は異なってくる。更に球面収差の影響の受け方もその手段や条件により異なる為、そういった手段や条件の影響を受け難い方法で像面（ベストフォーカス）を決定する方法が望まれる。ここではベストフォーカスの定義をガウス像面（近軸像面）と定義し、球面収差の影響を取り除いたベストフォーカスの計測方法について、前の実施例と異なる部分に絞って述べる。
【００８６】
先の第二実施例において、最低次の球面収差が発生した場合の主光線の傾斜角の違いによるベストフォーカスのシフト（ガウス像面からの）を図４に示す。マーク９ａ及び９ｂが露光波長に対し十分大きい場合、開口絞り４ｃで照明されたマーク９ａ，９ｂの回折光はほとんど広がらず主光線の傾斜角で投影露光系１０の瞳面のある微少領域に到達し、その瞳面のある微少領域に対応する投影レンズ１０の波面収差（ここでは球面収差成分のみの波面収差）の影響を受け、その波面の傾斜だけマーク９ａ、９ｂの結像位置（ウエハ）１１において横ずれを生じさせる。
【００８７】
更に先の実施例同様マーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像が重なるようステージを移動させ、開口絞り４ｄにて第２の露光を行う。前述同様マーク９ａ，９ｂの回折光は主光線の傾斜角で投影光学系１０の瞳面のある微少領域に到達し、その瞳面のある微少領域に対応する投影レンズ１０の波面収差（ここでは球面収差成分のみの波面収差）の影響を受け、その波面の傾斜だけマーク９ａ、９ｂの結像位置１１において横ずれを生じさせる。
【００８８】
この際瞳面上の回折光の位置は第１の露光の際の位置に対して、軸対象のため球面収差成分のみの波面の傾斜は投影レンズ１０の光軸に対し対称で等しいため、マーク９ａ、９ｂの結像位置１１において横ずれも反対方向にしかも等しい量発生する。従って現像後重なったマーク９ａ，９ｂの相対位置ずれを計測した場合、本来ベストフォーカス状態であっても両マーク中心間には位置ずれが生じている、即ちベストフォーカスのシフトとなる。
【００８９】
この球面収差によるベストフォーカスシフトの影響を受け難くするには、あらかじめ球面収差による波面の傾斜を計測処理しておく必要がある。波面の傾斜は瞳面上の位置により変化する。瞳面上の位置は通常、投影露光系のＮＡを１として表わされ、この値は照明光の主光線の傾斜角をσ換算した値と一致する。従って開口絞り４ｃ及び４ｄの開口部の位置を波面の傾斜がフラツトな瞳面上の位置になるよう設定することで、球面収差によるベストフォーカスシフトの影響を受けなくすることができる。計算式は以下のように与えられる。
【００９０】
∂Ｗ（Ｒ）／∂Ｒ＝０
Ｗ（Ｒ）＝ａ（６Ｒ4−６Ｒ2＋１）＋ｂ（２０Ｒ6−３０Ｒ4＋１２Ｒ2−１）＋ｃ（７０Ｒ8−１４０Ｒ6＋９０Ｒ4−２０Ｒ2＋１）＋ｄ（２５２Ｒ10−６３９Ｒ8＋５６０Ｒ6−２１０Ｒ4＋３０Ｒ2−１）＋ｅ（９２４Ｒ12−２７７２Ｒ10＋３１５０Ｒ8−１６８０Ｒ6＋４２０Ｒ4−４２Ｒ2＋１）
ここで Ｗ（Ｒ）・・・球面収差成分の波面収差関数
Ｒ・・・投影露光系瞳位置
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ・・・Ｚｅｒｎｉｋ係数
このことから例えば全像高で平均的に波面の傾斜がフラットな瞳面上の位置に開口絞り４ｃ及び４ｄを設定すれば、球面収差による像面への影響を小さくすることができる。
【００９１】
更に各像高毎の波面収差が分かっていれば、以下の式から球面収差によるベストフォーカスのずれを像高毎に補正した像面を算出することができる。
【００９２】
Ｆｃ＝ｋ・∂Ｗ（Ｒｏ）／∂Ｒ
ここでＦｃ・・・ベストフォーカス補正量
ｋ・・・・フオーカス敏感度係数
Ｒｏ・・・照明光の主光線の傾斜角をσ換算した値
なお、木実施例では像面（ベストフォーカス位置分布）を求めることになるので、先の実施例とはレチクルを以下のように異ならせている。
【００９３】
即ちレチクル９の下側のパターン形成面に矩形マーク９ａおよびマーク９ｂを間隔ＤＲで交互に複数組配列すると共に、このような列をこの配列方向とは垂直方向にも複数配列し、レチクル面上に矩形マーク９ａおよびマーク９ｂを２次元配列している。重ね焼きに際しては１回目の露光後に間隔ＤＲでの配列方向にステージをＤＲｘ投影倍率分だけ移動して２回目の露光を行なう。その際の開口絞り４ｃと４ｄの切り換えについては前述と同様である。
【００９４】
このようなレチクルを用いれば、前述実施例のベストフォーカス位置計測方法を各重ね合わせマーク位置について行なうことで、像面データを各像高位置（マクロに見た場合の２マーク形成位置であり、厳密にはダミーウエハ上で重ねられたレチクル上２マークの中心位置）のベストフォーカス位置の分布として得ることができる。
【００９５】
次に開口絞りを変えないで、開口が大きい通常の１つの開口絞りを使用して計測する第四実施例について説明する。
【００９６】
本実施例においては、図５に示したようなマスク（レチクル）を使用し像面を計測する。マスク図５は通常のクロム面に第一又は第三実施例同様の配置で（Ａ）に示すようなマーク１５ａ及びマーク１５ｂが形成されている。ここでは第三実施例同様像面計測用マスクとして説明する。更にこれらマーク１５ａ，１５ｂの反対の面（通常のガラス面）にもクロムもしくは露光光を遮光できる材料で、開口部もしくはホール１５ｃ，１５ｄを形成してある。（Ｂ）はこのマスクの断面模式図である。
【００９７】
開口１５ｃはマーク１５ａをまた開口１５ｄはマーク１５ｂにそれぞれ入射する照明光の光線の傾斜角を制限している。その制限された傾斜角の光線の主光線の傾斜角が異なる、あるいは主光線の傾斜角が等しくかつ入射方向が入射面に対して対象な照明光を照射するよう、以下の条件で形成されている。
【００９８】
ｓ＝（ＮＡul・σａ・ｔ／ｍ）／ｎ
ｑ＝（ＮＡul・ｔ・σｂ／ｍ）／ｎ
ここにｓはマーク１５ａと開口１５ｃの距離あるいはマーク１５ｂと開口１５ｄの距離、ＮＡulは投影レンズの開口数、σａは開口１５ｃあるいは１５ｄの制限した照明光の傾斜角の主光線のσ値、ｔはマスクのガラス厚、ｑは開口１５ｃあるいは１５ｄの直径、σｂは制限する照明光の傾斜角の幅をσ換算した値、ｍは投影光学系の縮小倍率、ｎはマスク材質で決まる屈折率とする。
【００９９】
更にこの時開口１５ｃとマーク１５ｂあるいは開口１５ｄとマーク１５ａの位置関係から決まる入射可能な傾斜角の照明光はあらかじめ照明系の開口絞り５によりカットする、もしくはあらかじめマーク１５ａ，１５ｂと開口１５ｃ，１５ｄの位置関係を次の式を満足するよう形成しておく必要がある。
【０１００】
ｐ≧ＮＡul・ｔ・（σｏ−σａ）／ｍ
ここにｐはマーク１５ａと１５ｂの距離、σｏは照明系の開口絞り４のσ値とする。
【０１０１】
図５の様なマスクを使用し、先の実施例同様１度の露光でダミーウエハ上にマーク１５ａ，１５ｂを露光した後、マーク１５ａの潜像とマーク１５ｂの投影像（あるいはその逆）が重なり合うようにステージを移動させ、同一の開口絞り５で再度マーク１５ａ，１５ｂを露光する。そして、現像後に露光形成されたマーク１５ａと１５ｂの相対位置ずれ量を測定植を使って測定する。この様なマーク１５ａ、１５ｂのマークのペアーおよびこれに対応した開口１５ｃ、１５ｄをマスク上、像高毎に形成しておき、前述した２回の露光により重なり合った１５ａと１５ｂのマークの相対位置ずれ量を像高毎に計測することで、像面計測が可能となる。またこの方法では、照明系のテレセンずれによる影響を考えなくて済む為、より高精度な手法である。
【０１０２】
以上の第一〜第四実施例において、図１に示す投影露光装置によって上記計測とそれに基づく補正処理を行なう場合の（不図示の）制御系による制御フローを図６に示す。
【０１０３】
制御系では感光基板（ダミーウエハ）と前述の形態のレチクルをそれぞれよく知られている搬送系でステージ上にロードし、前述のようにして１回目の露光、ウエハステージ移動によるマーク合わせ、２回目の露光を行う。これは一度でもよいが、本実施例では前述した平均化のため、感光基板上の各ショットにステップアンドリピートで１回目の露光を順次行なった後、ウエハステージ移動によるマーク合わせと２回目の露光を感光基板上の各ショット毎にこれを繰り返す。
【０１０４】
露光された感光基板の現像および他の計測器によるマーク計測は装置外の別システム、あるいはオペレータのマニュアル処理で行われる。工場全体を管理する中央制御系でこれらも他のステップと一括して制御するようにしてもよい。一方これを投影露光装置自身のマーク検出系で行う場合は、現像後の基板のステージヘのロード（不図示）後に検出系でマーク計測を実行させる。
【０１０５】
得られた計測結果を基に制御系内で、各像高点別に、照明条件Ａで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値と照明条件Ｂで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値が算出され、これらの差分から各像高における平均マークずれ量が得られる。これをフォーカス量に換算して投影光学系の像面が算出される。
【０１０６】
得られた像面を元に、たとえばショット照明範囲における平均フォーカス位置を得、これに基づいて現在のオートフォーカス系１３のオフセット値の補正を行なう。更に投影光学系内の不図示の像面補正光学系にフイードバックをかけ、像面補正を行なう。
【０１０７】
図７に測定系のオフセットまで考慮した制御フローの変形例を示す。図７では実際に露光が行なわれるショットの配置を説明する図をフローチャート右側に示してある。
【０１０８】
制御系で感光基板（ダミーウエハ）と前述の形態のレチクルをそれぞれよく知られている搬送系でステージ上にロードするところまでは同様である。そして、前述とは異なり、まず感光基板上の上述測定用のショット以外に複数の別枠のショットを設け、これら別枠ショットも含めてフォーカス位置を変えることなく各ショットにステップアンドリピートで１回目の露光を順次行なう。次にステージを最初の別枠ショット露光位置まで移動し、そこから別枠ショットについては１回目の露光と同じ照明条件（第一、第二、第三実施例においては同じ開口絞り）で前述したマークの重ね合わせが成されるようにステージを移動させ、２回目の露光を行なう。これをステップアンドリピートで順次別枠ショットに実施する。
【０１０９】
尚、第四実施例においては図５に示すようなマーク１５ａ、１５ｂのマークおよびこれに対応した開口１５ｃ、１５ｄの１セットをマーク間隔がＤＲである方向に１列に複数セット配列し、これに隣接して開口１５ｃ、１５ｄに対するマーク１５ａ、１５ｂの配置を逆転させた１セットが平行に１列に複数セット配列されるような配置を設け、且つこれが前述マーク間隔ＤＲである方向に垂直な方向に繰り返される構成のレチクルとしておく。そしてこの別枠ショットの露光においては、隣接する列の同じ照明条件の異なるマークの投影像が感光基板上の潜像に、ベストフォーカス状態で中心が合致する形で重ね合わされて露光が実行されるようにすればよい。
【０１１０】
その後、１回目の露光で順にフォーカス位置を異ならせて露光が成された各ショットに対して、前述各実施例の説明で行なったように、マークの重ねあわせと１回目とは異なる照明条件での２回目の露光が、各ショットにステップアンドリピートで順次実行される。
【０１１１】
露光された感光基板の現像および他の計測器によるマーク計測は装置外の別システム、あるいはオペレータのマニュアル処理で行われる。工場全体を管理する中央制御系でこれらも他のステップと一括して制御するようにしてもよい。一方これを投影露光装置自身のマーク検出系で行なう場合は、現像後の基板のステージヘのロード（不図示）後に検出系でマーク計測を実行させる。
【０１１２】
得られた計測結果を基に制御系内で、各像高点別に、照明条件Ａで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値と照明条件Ｂで照明されたマークの中心位置（のずれ量）の全ショット平均値が算出され、これらの差分から各像高における平均マークずれ量が得られる。一方、同じ照明条件にて重ね焼き露光が行なわれた別枠ショットにおいては、各像高点別に、重ね焼きされた両マーク間の中心位置の全ショット平均値が算出される。本来一致しているべきこれら別枠ショットでのマーク間のずれが本計測系におけるオフセット値となる。各像高毎にずれ量平均値からこのオフセット値を減算し、これをフォーカス量に換算して投影光学系の像面が算出される。
【０１１３】
得られた像面を元に、たとえばショット照明範囲における平均フォーカス位置を得、これに基づいて現在のオートフォーカス系１３のオフセット値の補正を行なう。更に投影光学系内の不図示の像面補正光学系にフィードバックをかけ、像面補正を行なう。
【０１１４】
図８に示すフローチャートは図７に示す制御フローの変形例を示すもので、特に第二、第三実施例の計測方法を実施する際、オフセット値を得るための別枠ショットの露光方法を図７のものとは変えたものである。即ち別枠ショットにおいては１回目露光も２回目露光も開口絞り４ｃ、４ｄのいずれもない大きな開口（開口絞り４）の照明状態でフォーカス位置を変えずに順次露光される。このようにして得られた別枠ショットでのマークずれよりオフセット値が得られるものである。他は同様のため、説明は省略する。
【０１１５】
以下に第五実施例を説明する。本実施例においても、使用する装置構成やレチクル構成、開口絞りは図１〜３に示してあるものと同様であるので、説明等を省略する。
【０１１６】
本実施例では開口絞り４ａおよび４ｂを用いる。前述したように、開口絞り４ａおよび４ｂの開口の位置はウエハ面に入射する光の角度（ＮＡ）に相当するため、開口部の位置をその中心から離せば、その分入射角度は大きくなり、デフォーカス（Ｚ）に対する横ずれ量も大きくなり、分解能が高くなる。また、開口部の大きさを大きくすると、収差の影響を低減でき平均的な像面位置を決定できる。横ずれのシフト量を見るためには、２つのパターンの位置ずれを計測する。
【０１１７】
計測の仕方を説明する。まず、ダミーウエハの１番目のショットに第１の照明条件の開口絞り４ａを使ってマーク９ａおよび９ｂを露光し、次にウエハステージ１２をステップ移動させ、２番目のショットに前記露光とは同じフォーカス位置で露光する。このような露光を繰り返し（ステップアンドリピート）、数ショットに露光する。ここで、ダミーウエハの平坦度は充分高いものとする。
【０１１８】
次に第２の照明条件露光に移る。ウエハステージ１２を前記第１の照明条件の露光の第１ショットに戻りマーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像（あるいはマーク９ａの投影像とマーク９ｂの潜像）の中心がベストフォーカス時に重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、開口絞り４ｂに切り替えて前記第１の照明条件と同様ウエハステージ１２をステップ移動させながら同じ数だけショットを露光する。但しこの際各ショット露光時における高さ位置を所定量ずつ変化させる。その際の各ショットにおけるフォーカス位置（ウエハ高さ位置）は測定され、記憶されている。これにより、後述する後工程の近似処理を可能にしている。
【０１１９】
そして、露光されたマーク９ａと９ｂの相対位置ずれ量を測定植を使ってショット毎に測定する。ベストフォーカス面は位置ずれが０であるので、フォーカスのずれ量は位置ずれとして表わされる。即ち各ショットのマーク間相対位置ずれ量は対応するウエハ高さ位置でのデフォーカス量と１対１対応していることになる。よって位置ずれ量と露光した際のフォーカス位置の関係を直線近似し、その式から位置ずれが０となるフォーカス値を前記近似式から直接求める。この場合、開口絞り４ａでのフォーカスによる位置ずれ変化はほとんどないため、絞り４ｂでのフォーカス変化を見ることができる。
【０１２０】
ここで前記第１の照明条件での露光の際、フォーカス状態を変えずにステッブアンドリピート露光を行なったが、開口絞り４ａでのフォーカスによるシフト変化がほとんど無いとすれば、フォーカスを変えても問題ない。
【０１２１】
更に第三実施例で説明したように、前記９ａ及び９ｂのマークの組みを同一のレチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法に従いベストフォーカスを求めることで、像面の計測が可能となる。フォーカスを変えながら露光する事により、フォーカスに対する位置ずれ変化、即ち敏感度が投影系１０のレンズ収差により各像高位置で一定でない場合、このような敏感度の違いによる誤差なしにベストフォーカスを求めることができる。
【０１２２】
この際フォーカス位置を変化させる事によるフォーカス位置決め（高さ制御）精度の影響が問題となるが、各フォーカス位置それぞれで位置決め精度が影響しており、複数ショットの露光を行なうことで必然的に計測結果は平均化効果を受けている。たとえフォーカスを固定して行なった場合も同様フォーカス位置決め精度の影響を考慮して精度を上げるには数ショット露光し平均化する必要があることを考えれば、本実施例の計測でも露光及び計測の時間は実質的には変わらない。単純に測定ポイント（ショット）数ｎとすると、１／√ｎの平均化効果が期待できる。
【０１２３】
また像面に対しては露光されたショット内のフォーカス位置決め誤差はどの像高でも基本的に同じであるので、位置ずれ誤差は像高毎の敏感度の違いによって発生する。図９に像高による敏感度が１０％ばらついた場合、このような投影光学系を計測したときに像面のバラツキ（計測エラー）がどの程度発生するかをSimulationしだ結果を示す。測定ショット数を増やすことでほとんど像面への影響は無視できる事がわかる。
【０１２４】
更に上記直線近似を行なう際、図１０にあるように実際のカーブは直線にならないため、どのフォーカス範囲で直線近似を行なうかによって像面の測定誤差になってしまう。これについても図１１に示したように実際フォーカス範囲を変えて像面を測定したところ、本実施例のようにフォーカス位置を変化させて得たデータより直線近似を行なって計測を行なった場合は、一概に像面への影響は小さい事がわかる。逆にフォーカス位置を固定して像高で一定の敏感度から像面を算出した場合は、固定したフォーカスの位置により像面にばらつきが存在する。
【０１２５】
第五実施例の場合も第二実施例同様開口絞り４ｃ、４ｄを用いることで、コマ収差の影響を除去し分解能を２倍にすることができる。これを第六実施例として説明する。
【０１２６】
図３に示した開口絞り４ｃおよび４ｄの組合せで先の第五実施例同様な露光を行なう。前述のように開口絞り４ｃおよび４ｄは互いに軸対称の関係になっており、これによりレンズ収差の奇関数で表わされる成分は全てキャンセルされる。かつ偶関数成分は全て２倍の敏感度になるため、フォーカスの分解能を２倍に上げることができる。
【０１２７】
この場合も第五実施例と同様開口絞り４ｃでフォーカスを変えながら数ショット露光を行い、ウエハステージ１２を前記第１の照明条件の露光の第１ショットに戻り、マーク９ａの潜像とマーク９ｂの投影像（又はその逆）の中心がベストフォーカス状態で一致して重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、開口絞り４ｄに切り替えて、前記第１の照明条件の時と同様に各ショットのフォーカス位置を各ショットで前回と同じになるように変化させながら同じ数だけのショットを露光する。
【０１２８】
現像後に露光形成されたマーク９ａと９ｂの相対位置ずれ量を測定機を使ってショット毎に測定する。位置ずれ量と露光した際のフォーカス位置の関係を直線近似し、その式から位置ずれが０となるフォーカス値を前記近似式から直接求める。前記９ａ及び９ｂのマークの組みを同一のレチクルに数箇所配置してあるので、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法に従いベストフォーカスを求めることにより、ベストフォーカス位置の分布としての像面の計測が可能となる。さらに第三実施例で示したように開口絞り４ｃ、４ｄの位置を照明光の波面の傾斜がフラットな瞳面上位置とすれば、より測定精度が向上するものである。
【０１２９】
また、第五実施例において第三実施例で使用したように開口絞りを変更することなく通常の１つの開口絞りを使用し、図５のマスクを用いて計測を実行することも可能である。これを第七実施例として説明する。
【０１３０】
図５の様なレチクルを使用し、マーク１５ａ，１５ｂに開口１５ｃ，１５ｄから照明が十分に照射される照明条件で先の実施例同様フォーカスを変えながらマーク１５ａ，１５ｂを数ショット露光後、ウエハステージ１２を先の第１ショットに戻し、マーク１５ａの潜像と１５ｂの投影像（又はその逆）の中心がベストフォーカス状態で一致して重なり合うようにステージを移動させ、同一の開口絞り４で各ショット毎に先の露光と同じフォーカス位置で再度マーク１５ａ，１５ｂを同じショット数だけ露光する。
【０１３１】
そして、現像後に露光形成されたマーク１５ａと１５ｂの相対位置ずれ量をショット毎に測定植を使って測定する。この様な１５ａ、１５ｂのマークのペアーをレチクル上、像高毎に形成しておき、前述した２回の露光により重なり合った１５ａと１５ｂのマークの相対位置ずれ量を像高毎に計測することで、像面計測が可能となる。またこの方法では、照明系のテレセンずれによる影響を考えなくて済む為、より高精度な計測が可能となる。
【０１３２】
以上の第五〜第七実施例において、図１に示す投影露光装置によって上記計測とそれに基づく補正処理を行なう場合の（不図示の）制御系による制御フローを図１２に示す。図１２では実際に露光が行なわれるショットの配置を説明する図をフローチャート右側に示してある。
【０１３３】
制御系では感光基板（ダミーウエハ）と前述の形態のレチクルをそれぞれよく知られている搬送系でステージ上にロードする。そして、前述の説明にはないが、まず感光基板上の複数の別枠のショットには１回目の露光をフォーカス位置を変えることなく実行し、そのあと前述のようにフォーカス位置を順次変えながら（第五実施例においては同じフォーカス位置で）各ショットにステップアンドリピートで１回目の露光を順次行なう。次にステージを最初の別枠ショット露光位置まで移動し、そこから別枠ショットについては１回目の露光と同じ照明条件（第五、第六実施例においては同じ開口絞り）で且つ１回目と同じフォーカス位置で前述したマークの重ね合わせが成されるようにステージを移動させ、２回目の露光を行なう。これをステップアンドリピートで順次別枠ショットに実施する。
【０１３４】
尚、第七実施例においては図５に示すようなマーク１５ａ、１５ｂのマークおよびこれに対応した開口１５ｃ、１５ｄの１セットをマーク間隔がＤＲである方向に１列に複数セット配列し、これに隣接して開口１５ｃ、１５ｄに対するマーク１５ａ、１５ｂの配置を逆転させた１セットが平行に１列に複数セット配列されるような配置を設け、且つこれが前述マーク間隔ＤＲである方向に垂直な方向に繰り返される構成のレチクルとしておく。そしてこの別枠ショットの露光においては、隣接する列の同じ照明条件の異なるマークの投影像が感光基板上の潜像に、ベストフォーカス状態で中心が合致する形で重ね合わされて露光が実行されるようにすればよい。
【０１３５】
その後、１回目の露光で順にフォーカス位置を異ならせて露光が成された各ショットに対して、前述各実施例の説明で行なったように、マークの重ねあわせと１回目とは異なる照明条件での２回目の露光が、各ショットにおいて１回目のフォーカス位置と同じフォーカス位置にてステップアンドリピートで順次実行される。
【０１３６】
露光された感光基板の現像および他の計測器によるマーク計測は装置外の別システム、あるいはオペレータのマニュアル処理で行われる。工場全体を管理する中央制御系でこれらも他のステップと一括して制御するようにしてもよい。一方これを投影露光装置自身のマーク検出系で行なう場合は、現像後の基板のステージヘのロード（不図示）後に検出系でマーク計測を実行させる。
【０１３７】
得られた計測結果を基に制御系内で、各像高点別に、照明条件Ａで照明されたマークの中心位置に対する照明条件Ｂで照明されたマークの中心位置のずれ量のフォーカス位置変化に伴う変化データが得られる。一方、同じ照明条件且つ同じフォーカス位置にて重ね焼き露光が行なわれた別枠ショットにおいては、各像高点別に、重ね焼きされた両マーク間の中心位置の全ショット平均値が算出される。本来一致しているべきこれら別枠ショットでのマーク間のずれが本計測系におけるオフセット値となる。各像高毎にずれ量計測値からこのオフセット値を減算し、これを基にデフォーカス量とマークずれ量との直線近似を行ない、各像高点で得られたベストフォーカス位置より投影光学系の像面が算出される。
【０１３８】
得られた像面を元に、たとえばショット照明範囲における平均フォーカス位置を得、これに基づいて現在のオートフォーカス系１３のオフセット値の補正を行なう。更に投影光学系内の不図示の像面補正光学系にフイードバックをかけ、像面補正を行なう。
【０１３９】
図１３に示すフローチャートは図１２に示す制御フローの変形例を示すもので、特に第六実施例の計測方法を実施する際、オフセット値を得るための別枠ショットの露光方法を図１２のものとは変えたものである。即ち別枠ショットにおいては１回目露光も２回目露光も開口絞り４ｃ、４ｄのいずれもない大きな開口（開口絞り４）の照明状態でフォーカス位置を変えずに順次露光される。このようにして得られた別枠ショットでのマークずれよりオフセット値が得られるものである。他は同様のため、説明は省略する。
【０１４０】
図１４に本発明の第八実施例の計測方法に使用されるレチクルの部分断面図である。このレチクルは図５に示したレチクルに更にマーク１６ａとマーク１６ｂを配置する。マーク１６ａとマーク１６ｂの間隔はマーク１５ａとマーク１５ｂの間隔に等しい。またマーク１６ａ，１６ｂの上部には何の遮光も無く、ガラスのみである。
【０１４１】
このレチクルを使用して計測を行なう方法について説明する。
【０１４２】
マーク１５ａ，１５ｂに開口１５ｃ，１５ｄから照明が十分に照射される照明条件で先の実施例同様ダミーウエハ上にマーク１５ａ，１５ｂの像を焼き付ける。この際同時に透明ガラスを介して照明されたマーク１６ａ，１６ｂの像もダミーウエハ上に焼き付けられる。フォーカス位置を固定してステップアンドリピートにより各ショット位置にマーク１５ａ，１５ｂ及びマーク１６ａ、１６ｂを数ショット露光する。
【０１４３】
所定ショット数露光終了後、ウエハステージ１２を先の第１ショットに戻す。同一の開口絞り４で今度は各ショット毎にフォーカス位置を所定量ずつ変え、各ショットでマーク１５ａの潜像とマーク１６ａの投影像、及びマーク１５ｂの潜像とマーク１６ｂの投影像が（又はマーク１５ａ，１５ｂの投影像とマーク１６ａ、１６ｂの潜像が）、ベストフォーカス状態で中心を合致させてそれぞれ重なり合うように位置決めしながら、ステップアンドリピートにより再度マーク１５ａ，１５ｂ及びマーク１６ａ、１６ｂを同じショット数だけ露光する。そして、現像後に露光形成されたマーク１５ａと１６ａの相対位置ずれ量（ΔＬ１）及びマーク１５ｂと１６ｂの相対位置ずれ量（ΔＬ２）をショット毎に測定植を使って測定する。
【０１４４】
フォーカス毎に前記計測工程で計測された２つの位置ずれ量の差ΔＬ（ΔＬ＝ＡＬＴ−△Ｌ２）と露光した際のフォーカス値の関係を直線近似し、ΔＬ＝０となる最良結像面を求める。
【０１４５】
これによりマークを重ねて２回露光し、その位置ずれを計測する際の２回の露光の際含まれる２回のフォーカス位置決め精度による誤差をなくすることが出来、より高精度な計測が可能となる。またこの様な１５ａ、１５ｂ及び１６ａ、１６ｂのマークのペアーをレチクル上、像高毎に形成しておき、前述した２回の露光により重なり合った１５ａと１６ａのマークの相対位置ずれ量及びマーク１５ｂと１６ｂの相対位置ずれ量を像高毎に計測することで、より高精度な像面計測も可能となる。また、本実施例の計測方法を図１の投影露光装置において実施する上では、たとえば前述のように図１２に示したような制御フローを利用すればよい。
【０１４６】
尚、以上の実施例では重ね合わせのためにウエハを移動させる形態をとったが、逆にレチクル側を移動する形態としてもよい。また、各実施例において、最終的に重ねあわせに使用されないマーク投影が発生する場合、このマーク投影が行なわれるに際して、マスキングブレード等でこのマークが投影されないようにしてもよい。
【０１４７】
次に、図１および図２を参照して本発明を非点収差（アス）計測に採用した実施形態９について説明する。本実施形態の投影露光装置において投影光学系の非点収差を計測する場合の構成は図１と同様である。
【０１４８】
本実施形態においても図２に示すレチクル９の下側（投影光学系１０側）のパターン形成面に間隔ＤＲで形成した第１、第２のパターン９ａ，９ｂを用いている。
【０１４９】
尚、本実施形態においてマーク９ａとマーク９ｂは同一形状のパターンであっても良い。
【０１５０】
開口絞り４は図３（Ｂ）に示すように２つの開口絞り４ｃ，４ｄを含んでいる。
【０１５１】
図３（Ｂ）に示した開口絞り４ｃの開口４ｃ１及び４ｄの開口４ｄ１の位置は投影系１０の瞳座標（瞳面１０ａ上の座標）における位置に相当する。投影系１０の波面において、前記波面中心（光軸中心）からの距離と角度（方向）で指定した位置での非点収差を計測する上で適当な箇所に開口絞り４ｃ及び４ｄを配置し、レチクル９上には前記開口絞り４からレチクル９に入射する照明光の主光線の入射方向に前記マーク９ａもしくは９ｂのパターンを配置する。但しこの際開口絞り４ａと４ｂは絞り中心に対し互いに対称な関係である。まず第１の照明（第１の照明光）として開口絞り４ｃを使ってマーク９ａおよび９ｂの像を感光基板上に露光する。次にマーク９ａと９ｂの先に焼き付けたものとこれから投影する像とが最終的に感光基板上で重なり合うようにウエハステージ１２を移動させ、第２の照明として開口絞り４ｄに切り替えて同様に露光する。そして露光され重なり合ったマーク９ａと９ｂパターンの相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。この際の位置ずれ量は、フォーカスずれが発生した際に両マーク９ａ、９ｂが位置ずれを起こす方向に対して、基板面内で垂直な方向の位置ずれ成分である。前記マーク９ａ，９ｂのパターンの相対位置ずれ量は開口絞り４ｃおよび４ｄによって制限された光路（第１の照明と第２の照明）が瞳面１０ａを通過したエリアの波面収差の差分と考えられる。
【０１５２】
図１５は投影光学系１０の瞳面１０ａ上における波面と、開口絞り４ｃ，４ｄの開口４ｃ１，４ｄ１を通過した光束の波面とを示した概念図である。
【０１５３】
同図は瞳面１０ａの座標上における対称な波面の一部分同士の傾き差分を示している。
【０１５４】
矢印は各波面の一部分の面内方向の傾きを示している。
【０１５５】
この傾き差分は結像面上において結像位置の（フォーカス変動による像ずれ方向とは垂直な方向、具体的にはサジタル面内方向）ずれ成分として表れることになる。
【０１５６】
この様に瞳中心対称な２箇所の開口を用いることで傾き差分の検出を大きく検出できる。ただし原理的には本発明は２箇所の開口位置が必ずしも瞳中心対称である必要はなく、主光線を違える配置であれば測定は可能である。
【０１５７】
図１６はマスクへの照明光の主光線の入射方向（即ち、開口４ｃ１と４ｄ１の開口絞り中心を対称軸とした配列方向）を種々と変えたときの重ね合わせマーク９ａ，９ｂの位置関係を示す説明図である。
【０１５８】
開口４ｃ１と４ｄ１の配置を絞り中心対称に回転させて主光線の入射方向を変えることによって、瞳面上において両開口の配列方向に対向する（図１５で瞳面上に垂直な対向面として示した）面内での波面の傾き差分がマーク９ａ，９ｂの位置ずれ量として検出されることになる。投影系の非点収差の状況により、開口配列の角度を変えることでマーク９ａ，９ｂの位置ずれ量が種々と変わり、これらを角度成分毎に求めることによって投影光学系の非点収差を求めている。
【０１５９】
その際角度成分毎にマーク９ａ，９ｂの位置ずれ量を測定すべき方向（実施例では開口配列方向に垂直な方向）が変化するので、角度ごとに矩形マーク９ａ，９ｂの向きも、該測定すべき方向に対して垂直な辺が存在するように変化させるのが望ましい。図１６はこの考えに基づいた、各角度測定に対応した矩形マークの向きを示している。
【０１６０】
ここで、開口絞り４ｃ，４ｄにより瞳面１０ａを通過したエリアが瞳中心（光軸中心）に対し対象な位置でかつ等しい大きさであれば、位置ずれに影響を与える収差はＺｅｒｎｉｋｅ多項式であらわされる偶関数成分のみとなる。更に前記位置ずれをベクトル分解して、瞳面１０ａにおける前記開口絞り４ｃおよび４ｄによって制限されたエリア中心同士を結んだ方向（Ｍ）とそれに直行する方向（Ｓ）に分ければ、方向Ｓの位置ずれ量はデフォーカスの影響を受けない非点収差成分のみが抽出された事になる。前記ベクトル分解された方向Ｓの位置ずれ量は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式で表現する場合、２ｎΘ成分のみとなる。ここでｎは整数、Θは瞳面極座標の角度を表わす。例としてＺｅｒｎｉｋｅ多項式の高次を４Θまで考慮するとした場合、２Θと４Θ成分のみが前記位置ずれとして計測され、それ以外の成分は、対称な２つの波面の一部分の傾きの差をとることにより消去される。また前記２Θと４Θ成分の係数と前記位置ずれ量の関係は次のように表わせる。
【０１６１】
△Ｓ（Θ，Ｒ）＝Ａ（Ｒ）＊ｃ ｏ ｓ２Θ−Ｂ（Ｒ）＊ｓｉｎ２Θ＋Ｃ（Ｒ）＊ｃ ｏ ｓ４Θ−Ｄ（Ｒ）＊ｓｉｎ４Θ
Θ・・・瞳面極座標の角度
Ｒ・・・主光線の入射角度をσ換算した値（瞳座標上主光線の瞳中心からの距離）
△Ｓ・・・位置ずれ
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ・・・係数
上記式において、ある主光線の入射角度Ｒ０の条件で数ポイント計測しベクトル分解することで方向Ｓの位置ずれを得ることで、以下の方程式が得られる。
【０１６２】
【数１】
上記（１）〜（４）の方程式を解くことで係数、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが求まる。また異なる計算方法として、互いに直交する関係の方程式同士から係数を求める方法も考えられる。例えば（１），（４）式から係数Ａ，Ｃを求め、（３），（６）式から係数Ｂ，Ｃを求め、（２），（５）式より係数Ｄを求める。得られた前記係数を新たな非点収差の量と定義することで、コサイン、サイン成分、更には２Θ、４Θ成分の収差をそれぞれ計測する事が可能となり、非点収差をより厳密に計測する事ができる。また前記各係数と従来方式で求めた非点収差との相関関係を調べることにより新たに求めた非点収差の係数を従来法の非点量に変換も可能である。
【０１６４】
図１７は照明光の照射方向を変えて投影露光を行うフローである。フローを順に説明すると
・ 感光基板１１をアライナーステージ上にロード。
・ 重ね合わせマーク９ａ，９ｂが配置されたレチクル（マスク）をアライナーレチクルステージ上にロードする。
・ 照明光の主光線の入射方向（開口配置方向）がｉで所定の射角をもった照明条件（第１の照明）Ａで第１，２のパターンを露光する。一方は測定には使用しない。
・ 位置合わせマーク９ａ，９ｂの既に焼き付けたものと次回焼き付けるものとが像面上で重なるようステージを移動する。
・ １回目と同じ主光線の入射角をもった照明条件Ａで露光する。（ＳｈｏｔＡ）この部分は本来ずれなく焼き付けられているべき部分であり、後でこの部分のずれを系自身のオフセット（ＯＦＴ）として、補正処理に用いる。
・ 照明条件Ａとはπ入射角方向が異なる（開口配置が瞳中心に対して点対称位置にある）が主光線の入射角は等しい照明条件（第２の照明）Ｂで露光する。
【０１６５】
尚、ショットＡ、Ｂの重ね焼きされなかったマークは測定には使用しない。
・ 感光基板を現像後、アライナーもしくは他の計測機でマーク９ａ，９ｂの位置を計測する。
・ 複数のチップの測定値による平均化処理・前述したオフセット計測用部分の計測結果を用いたＯＦＳ補正処理をし、ＳｈｏｔＢの平均の各点のずれ量とＳｈｏｔＡの平均の各点ずれ量を求める。
・ ずれ量をベクトル分解し、アス成分の相対ずれ量を相関係数からアス量に換算する。
・ 照明光の主光線の入射方向ｉをｉ＝ｉ＋８／π回転させて露光エリアを移動させて、同様の工程を行なう。
・ 複数図の計測で得た値を用いて連立方程式を解くだけの数式完了したか否か判断する。
・ 所定の回数の計測が終了したならば連立方程式から成分毎にアスを算出する。
【０１６６】
尚、ここでは不図示であるが、得られた成分ごとのアスに基づいて不図示のアクチュエータで投影光学系内の収差補正用光学系（不図示）を駆動して、アス補正を行なう構成としてもよい。
【０１６７】
図１８（Ａ），（Ｂ）は、投影レンズ内を等間隔で多点測定を行った場合の計測方法におけるウエハ上の転写パターンと計測マークのシフト量からのアスを求める比較例の説明図である。
【０１６８】
図１８（Ａ）に示すように、縦横方向の内側Ｂｏｘと（パターン）７１と同じく縦横方向の外側の格子（パターン）７２との相対ずれを絞り内７０の全面で計測する。計測された横ずれ（相対ずれ）量は、計測した投影レンズ瞳座標位置における波面の傾き（微分値）に相当する。図１８（Ｂ）は計測点における波面の傾きをベクトル表示した図である。
【０１６９】
この際、内側Ｂｏｘ７１もしくは外側格子７２のどちらかは対象投影露光系の波面収差による横ずれが発生していて、もう一方は既にウエハ上に形成されているか収差が既知の別の投影光学系によって焼き付けられており、その配置が既知であり基準となる。即ち該もう一方には計測対象となる投影光学系の波面収差によるずれがない。上記横ずれ量（波面の傾き）から波面そのものを計算し、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式等の近似処理により求めたい収差係数を算出する方法も可能である。
【０１７０】
図１９（Ａ），（Ｂ）は本実施形態によるウエハー上の転写パターン（瞳面上の計測位置と計測マークの関係）と計測マークのシフト量からアスの求め方の説明図である。
【０１７１】
図１９（Ａ）では２通りのパターン配置を示している。左図はマーク自身を既に図１９（Ｂ）上図に示すアス（非点収差）成分とＦｏｃｕｓ成分に分解されたマーク回転が施されている。また右図のような統一されたマーク回転についてもベクトル計算により同様にアス（非点収差）成分とＦｏｃｕｓ成分に分解できる。
【０１７２】
瞳中心に対して点対称な波面を通過した内側Ｂｏｘ（パターン）８１と外側Ｂｏｘ（パターン）８２との相対ずれを絞り内８０の等しい中心からの距離Ｒで全点計測し、計測されたシフトベクトルをアス（非点収差）成分とＦｏｃｕｓ成分に分解し、各計測位置でのアス成分から連立方程式を解くことで、各成分毎のアスをシフトで算出可能となる。
【０１７３】
図１９（Ｂ）は絞り７０の中心からの距離でのアス傾き成分とＦｏｃｕｓ傾き成分を示している。
【０１７４】
更に算出されたアス量がシフトであるため、例えば従来のアス量に換算したい場合は図１９（Ｂ）の下図に示すように従来法と本方式から求めたシフトの相関グラフなどより換算係数を算出して使用することも可能である。
【０１７５】
本発明の計測方法は、上記比較例の方法に比べて、計測ポイントが少なく、短時間で簡単な処理でアスを算出することが可能である。（アスに特化した計測方法である。）
デフォーカスの影響を受けず、マーク（パターン）も大きくプロセス、露光量の影響も少ないため再現性が良い。
【０１７６】
射入射像面計測との併用が可能である。特に像面とアスを同時にしかも短時間で多点計測が可能である。
等の特徴がある。
【０１７７】
本発明の実施形態１０では特殊マスクＭを用いて測定を実施する。本実施形態では図５で示した特殊マスクＭを使用する。 本実施形態１０では、開口絞りを変えないで、１つの開口絞りを使用し、かつ図５に示したようなマスク（レチクル）Ｍを使用し非点収差を計測している。即ち第四実施例で示したのと同様、開口絞り４は制限することなく、ホール１５ｃ，１５ｄで擬似的にそれと同様の効果を得られるようにしたものである。
【０１７８】
この場合マークに対するホール１５ｃ，１５ｄの配置を形成面内で回転方向に変えたものをマスク上の別の位置に設けることで、容易に前述した主光線の入射方向ｉを変えた状態が並行して作り出せる。よって、場所ごとに主光線の入射方向ｉを８／πずつ変えたマーク１５ａ、１５ｂ、ホール１５ｃ、１５ｄの組を一つのマスクに並列して設けることで、前述のようにｉ方向を変更して同様の工程を繰り返すこと無しに、一度のプロセスで瞳面上の対向方向の角度成分別位置ずれ量が求められる。これは状況により、角度成分別測定用に別々のマスクにこれらを分けて形成し、それぞれ別プロセスとして測定を実行してもよい。
【０１７９】
図５の様なマスクＭを使用し、先の実施形態９と同様に一度の露光でマーク１５ａ，１５ｂを露光した後マーク１５ａと１５ｂが重なり合うようにステージ１２を移動させ、同一の開口絞り４で再度マーク１５ａ，１５ｂを露光する。そして、露光されたマーク１５ａと１５ｂの相対位置ずれ量を測定機を使って測定する。この方法は照明系のテレセントリックのずれによる影響を考えなくて済む為、より高精度な手法である。
【０１８０】
図２０は本実施形態における特殊マスクを用いて２重露光するときのフローである。
【０１８１】
図２０において、
・ 感光基板を（ウエハ）１１をアライナーステージ上にロードする。
・ 重ね合わせマーク１５ａ，１５ｂが配置されたレチクル（マスク）をアライナーレチクルステージ上にロードする。
・ 照明光の主光線の入射角はσ０のまま、重ね合わせマーク１５ａをホール１５ｃを介した部分照明光で（照明条件Ａ）露光する。尚、重ね合わせマーク１５ｂが同時に焼き付けられても、それは測定には使用しない。
・ 位置合わせマーク１５ａの焼き付けられた位置と，位置合わせマーク１５ｂの焼付位置が重なるようステージを移動。
・ 照明光の主光線の入射角はσ０のまま、重ね合わせマーク１５ｂをホール１５ｄを介した部分照明光で（照明条件Ｏ）露光する。（ＳｈｏｔＢ）尚、重ね合わせマーク１５ａが同時に焼き付けられても、それは測定には使用しない。
・ 感光基板を現像後、アライナーもしくは他の計測器でマーク１５ａ，１５ｂ位置ずれを計測。
・ 複数ショットの計測結果を用いた平均化処理の後、位置ずれ量をベクトル分解し、アス成分の相対ずれ量を相関係数からアス量に換算する。
・ 得られた値を用い、連立方程式から成分毎にアスを算出する。
【０１８２】
本実施形態では前述ＯＦＴ処理に関するプロセスは省略しているが、実施形態９と同様に行ってもよい。
【０１８３】
本実施形態のこの他の構成は実施形態９と同様である。
【０１８４】
図２１は本発明の実施形態１１に係る特殊マスクＭの説明図である。
【０１８５】
本実施形態は実施形態１０の図５に示したマスクＭを使用した方法と同様な考え方で、図２１に示したマスクＭを用いて相対位置ずれ量から投影系の非点収差の計測をしている。図２１において図５で示した要素には図符号を付している。
【０１８６】
図５と異なる点は１つの開口部１５Ｃにより照射される露光光で開口部１５Ｃから等間隔に配置されたマーク１５ａ，１５ｂを一度に露光するようにしたことである。このようにしても各マークの照明光の主光線を互いに異ならせることが可能であり、且つこの場合は全て一度に露光が出来るため、照明光の入射方向毎に重ね合わせ露光を繰り返す必要がないだけではなく、入射方向毎に開口部を別設する必要もなくすことができる。なお、この図２１のマスクは前述したベストフォーカス位置計測にも同様に使用できる。
【０１８７】
実際の使用例について図２２に示す。レチクル９上にマーク９ａを同心円上に配置した、マーク群８ａと、少し距離をおきマーク群８ａと等しい大きさの同心円上にマーク９ｂを同じく配置したマーク群８ｂがある。またマーク群８ｂの上部は照明光の入射角を制限するための開口部９Ｃが設けられている。図２２のレチクル９を使用し、通常照明で露光する。但しこの際マーク群８ａを照明した光はマーク群８ｂに回り込まないよう十分な距離と遮光が考慮されている。焼き付けられたマーク群８ａと次に焼き付けるマーク群８ｂが像面上で重なり合うようステージを移動し再度同じく通常照明で露光する。これにより重なり合ったマーク群を全て計測し、照明方向毎に位置ずれの差分△Ｓ（Θ）を計算することができる。以下にその式を記す。
【０１８８】
△Ｓ（Θｉ）＝△ｌ（Θｉ）−△ｌ（Θｉ＋π）
ここに △ｌ（Θｉ）＝ Ｘｉａ−Ｘｉｂ
Ｘｉａ・‥・マーク群８ａのパターン方向ｉ（ｒａｄ）のＳ方向位置ずれ
Ｘｉｂ・・‥ マーク群８ｂのパターン方向ｉ（ｒａｄ）のＳ方向位置ずれ
以上より１つのホール、１回の重ね焼きで前記方程式を解くことが可能で、成分毎に非点収差を計測する事ができる。
【０１８９】
この他の構成は実施形態１０と同様である。
【０１９０】
以上のように本発明の各実施形態の計測方法によれば、２つの異なる照明光の入射角で２つの計測用マークを夫々２度露光し、かつステージ移動により重ね合わせることで相対位置ずれを計測し、高精度な非点収差計測が可能となる。
【０１９１】
又、露光量に対する誤差もなく、計測時間も早く条件だし等もいらないため、より高いスループットの計測方法が達成できる。
【０１９２】
又、フォーカスを含め他の収差に影響を受けないため、手法や条件により値の変わらない非点収差量が規定できる。このことは、より標準的な非点収差の評価につながり、照明条件やパターンの種類毎に行っている現状の検査時間を大幅に改善できる。
という効果を得られる。
【０１９３】
尚、上述第９以降の各実施形態では検出精度向上のために２つのマークを重ね合わせて焼き付ける形態で示したが、これは焼き付けられた際の両者の間隔が既知で、形成精度及び計測精度が保証される状況であれば、離れた位置に焼き付けられた２マークを用いる形態としてもよい。
【０１９４】
上述第９以降の各実施形態では２マークの重ねあわせのためにウエハを移動させる形態をとっているが、逆にレチクル／マスク側を移動させる形態としてもよい。又、各実施例において、最終的に重ねあわせに使用されないマークが投影されるに際して、マスキングブレード等でこのマークが投影されないようにしてもよい。
【０１９５】
次に、上述したベストフォーカス計測方法および像面計測方法及び非点収差計測方法を投影露光装置に適用した実施形態１２を説明する。本実施形態は投影露光装置において投影光学系のベストフォーカス面の位置を自動的に（検出手段を用いて）計測し、補正手段２１で補正する場合を示している。
【０１９６】
図２３（Ａ）において、図１に示した要素と同一要素には同符号を付している。同一要素の説明は省略する。
【０１９７】
本実施形態では露光光のもとで、レチクル９のパターン形成面に形成されたパターンの像が、投影光学系１０を介してウエハステージ１２上に載置されたプレート１１ａ上に結像される（図２３（Ｂ）参照）。フライアイレンズ３の後側焦点面は投影光学系１０の瞳面１０ａとほぼ共役である。 プレート１１ａにはスリット１１ｂが形成されており、スリット１１ｂを透過した光は受光器１１ｃにより受光処理され検出される。
【０１９８】
前記プレート１１ａ、スリット１１ｂ、受光器１１ｃはすべてウエハステージ１２上に載置されており、検出器ユニット（検出系）１１の一要素を構成している。ウエハステージ１２は、投影光学系１０の光軸に垂直な面内の任意の位置に検出系１１を位置決めするＸＹステージ１２ａおよび投影光学系１０の光軸に平行な方向で検出系１１のフォーカス位置を設定するＺステージ１２ｂ等より構成されている。
【０１９９】
また、本実施形態では実施形態１と同様に検出系１１のフォーカス位置を検出するためのオートフォーカス系１３が設けられている。
【０２００】
次に投影光学系１０のベストフォーカス位置の自動検出方法について説明する。
【０２０１】
レチクル９の下側のパターン形成面にテストパターン（ピンホールもしくはライン系のスリット）１５を配置する。前記テストパターン１５に図３（Ｂ）の開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光を照射し前記パターン像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ａ上に結像させ、前記ステージ１２を移動して前記プレート１１ａ上に設けたスリットパターン１１ｂを透過する光を光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１１ｃにより検出する。前記ステージ１２を前記投影光学系１０の光軸方向（Ｚ方向）に移動し、同時に光軸方向と直交する面内（Ｘ，Ｙ方向）で前記第１の照明光の入射方向と同じ方向にステージ１２を移動させＸ，Ｙ移動に同期して前記スリットパターン１１ｂを透過する光を前記検出器１１ｃにより検出する。図２４はステージ１２のＸ，Ｙ位置とその位置での受光器１１ｃで得られる透過検出光強度もしくは光量からなる検出信号の説明図である。図２４の検出信号に対して前記プレート１１ａ上に結像したテストパターン１５のＸＹ方向における中心位置を算出する。更にＺ方向にステージ１２を移動させ前記同様、Ｚ位置毎にテストパターン１５のＸＹ方向における中心位置を算出する。
【０２０２】
次に図３（Ｂ）の開口絞りを４ｄに切り換へ前記テストパターン１５に第１の照明光とは主光線の傾斜角が等しく入射方向が入射面に対して対称な第２の照明光を照射するよう構成し、前記同様にＺ位置毎に前記テストパターン１５の結像中心位置を算出する。
【０２０３】
このとき、算出されたＺ位置（フォーカス）とテストパターン１５の結像中心位置（横ずれのシフト量）の関係は図２５に示されるようにほぼリニアーとなる。このため、前記異なる２つの照明光から算出されたＺ位置と前記テストパターンの結像中心位置の関係をそれぞれにおいて直線近似処理を行い、得られた２つの直線が交差したＺ位置を自動検出し、フィードバックさせることによりベストフォーカスの自動補正を行っている。
【０２０４】
この時開口絞り４ｃおよび４ｄの開口の位置はウエハ面に入射する光の角度（ＮＡ）に相当するため、開口部の位置をその中心から離せば、その分入射角度は大きくなり、デフォーカス（Ｚ方向）に対する横ずれ量も大きくなり、ベストフォーカス位置検出分解能が高くなる。
【０２０５】
更に前記テストパターン１５を同一のレチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い露光を行い、各像高毎に前記手法に従いベストフォーカスを求めれば、像面の計測が可能である。更には、前述の如くフォーカス変動による像ずれ方向と直交する方向のずれ成分は非点収差に起因する波面の傾き差分を示しているので、開口絞り４ｃおよび４ｄの開口の方向を９０度回転させ前記同様な計測を行うことによりこの波面の傾き差分が計測できる。即ちアス（非点収差）の計測が可能で、このとき投影光学系１０内にある補正光学系を補正手段２１で駆動させることにより像面や非点収差の自動補正が可能となる。その際に前述の如く開口方向（主光線入射方向に対応）を切り換え、同時にテストパターンの走査方向も（スリットの場合は更にスリットの方向も）それに応じて変える事で、各方向ごとのデータが得られ、これを前述の（１）〜（６）式に代入してより厳密に非点収差を測定することも可能である。
【０２０６】
図２３（Ｃ）は実施形態１３の受光器の要部外略図である。本実施形態はその他の構成が実施形態１２と同様のため、受光器部分のみ図示して説明する。本実施形態は実施形態１２と同様にレチクル９上にテストパターン（ピンホールもしくはライン系のスリット）１５を配置する。プレート１１ｄ上に開口部１１ｅを設け、テストパターンに図３（Ｂ）の開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光を照射し前記パターン像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けたプレート１１ｄ上に結像させ、開口部１１ｅから結像光学系（レンズ系）１１ｆにより再度テストパターン１５の像を１次元もしくは２次元受光面１１ｇ上に結像させ、ステージ１２を移動しながら得られた像をデータ処理系１１ｈにより画像処理することによりテストパターン１５の像の位置検出するよう構成し、前記ステージを前記投影光学系の光軸方向（Ｚ方向）に移動し、前記プレート１１ａ上に結像したテストパターンの中心位置を算出する。更にＺ方向にステージ１２を移動させ前記同様、Ｚ位置毎にテストパターン１５の中心位置を算出する。
【０２０７】
次に、開口絞りを４ｄに切り換え前記テストパターンに第１の照明光とは主光線の傾斜角が等しく入射方向が入射面に対して対称な第２の照明光を照射するよう構成し、前記同様にＺ位置毎に前記テストパターンの結像中心位置を算出する。
【０２０８】
このとき、算出されたＺ位置（フォーカス）とテストパターン１５の結像中心位置（横ずれのシフト量）の関係は図２５に示されるようにほぼリニアーとなる。このため、前記異なる２つの照明光から算出されたＺ位置と前記テストパターンの結像中心位置の関係それぞれにおいて直線近似処理を行い、得られた２つの直線が交差したＺ位置を自動検出し、フィードバックさせることによりベストフォーカスの自動補正を行っている。
【０２０９】
更に前記テストパターン１５を同一のレチクルに数箇所配置しておけば、実施形態１２と同様、像面の検出ができ、同様に開口絞りの光軸周り９０度回転でアス等の計測ができ、更にはこれらの自動補正ができる。
【０２１０】
図２６は本実施形態１４の要部外略図である。本実施形態は実施形態１２と同様レチクル９上にテストパターン（ピンホールもしくはライン系のスリット）１５を配置する。前記パターン１５に開口絞り４ｃにより形成される第一の照明光をレンズ５、ビームスプリッター１６、レンズ７，８を介して、照射し前記パターン像を投影光学系１０を通しウエハーステージ１２上に設けた反射プレート１１ｉ上に結像させ、前記ステージ１２を移動して前記反射プレート１１ｉにより反射された光は再度投影光学系１０を通り、レチクル９のテストパターン１５付近に結像する。結像した光はテストパターン１５を透過し元の光路を戻り、照明系内に設けられたビームスプリッター１６を介して光強度検出器もしくは光量検出器等の受光器１７により検出する。
【０２１１】
この際デフォーカスによるテストパターン１５の横ずれ量は投影系１０の縮小倍率を１とすれば実施形態１２および１３の２倍程大きく、またベストフォーカス位置では横ずれが０であり、前記テストパターン１５を透過する光強度もしくは光量は最大（遮光パターンの場合は最小）である。そのため検出器１７の変化は図２７に示すように前記反射プレート１１ｉのＺ位置に対してピークをもつ。前記ステージ１２を前記投影光学系１０の光軸方向（Ｚ方向）に移動し、前記反射プレート１１ｉをＺ方向に移動させ、前記Ｚ位置に同期して前記検出器１７の光強度もしくは光量を検出し、図２７に示すＺ位置と光強度もしくは光量の関係から２次近似処理を行いピークを示すＺ位置を求める。
【０２１２】
これにより、実施形態１２，１３と同様にベストフォーカスの位置を検出している。
【０２１３】
更に前記テストパターン１５を同一のレチクルに数箇所配置しておけば、前記手法に従い実施形態１２同様、像面の検出ができ、同様に開口絞りの光軸周り９０度回転でアス等の自動計測、更には自動補正が可能となる。
【０２１４】
次に上記説明した投影露光装置を利用したデバイスの生産方法の実施例を説明する。
【０２１５】
図２８は微小デバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造のフローを示す。ステップ１（回路設計）では半導体デバイスの回路設計を行なう。ステップ２（露光制御データ作成）では設計した回路パターンに基づいて露光装置の露光制御データを作成する。一方、ステップ３（ウエハ製造）ではシリコン等の材料を用いてウエハを製造する。ステップ４（ウエハプロセス）は前工程と呼ばれ、上記用意した制御データが入力された露光装置とウエハを用いて、リソグラフィ技術によってウエハ上に実際の回路を形成する。次のステップ５（組み立て）は後工程と呼ばれ、ステップ４によって作製されたウエハを用いて半導体チップ化する工程であり、アッセンブリ工程（ダイシング、ボンディング）、パッケージング工程（チップ封入）等の工程を含む。ステップ６（検査）ではステップ５で作製された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行なう。こうした工程を経て半導体デバイスが完成し、これが出荷（ステップ７）される。
【０２１６】
図２９は上記ウエハプロセスの詳細なフローを示す。ステップ１１（酸化）ではウエハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）ではウエハ表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）ではウエハ上に電極を蒸着によって形成する。ステップ１４（イオン打込み）ではウエハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）ではウエハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では上記説明した露光装置によって回路パターンをウエハに焼付露光する。ステップ１７（現像）では露光したウエハを現像する。ステップ１８（エッチング）では現像したレジスト像以外の部分を削り取る。ステップ１９（レジスト剥離）ではエッチングが済んで不要となったレジストを取り除く。これらのステップを繰り返し行なうことによって、ウエハ上に多重に回路パターンが形成される。
【０２１７】
本実施形態の製造方法を用いれば、従来は製造が難しかった高集積度の半導体デバイスを低コストに製造することができる。
【０２１８】
【発明の効果】
以上述べたように、光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なうことにより、概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像の重ね合わせを実現し、該重ね合わされたマーク像間のずれ情報によって前記光学系のフォーカス情報を得るようにしたことで、より高い測定精度で且つ簡易に定量化されたフォーカス情報が得られるようになった。
【０２１９】
またこれとは別に、各像高位置に対応して設けられた複数のマークを用意し、各像高位置別に、該光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なって概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像を形成し、該マーク像間の相対位置情報によって前記光学系の各像高位置毎のフォーカス情報を得ることで像面計測するようにしたことで、高い測定精度で且つ簡易に定量化された像面情報が得られるようになった。
【０２２０】
さらにこれとは別に、透明基板と、該基板の一面上に設けられた複数のマークと前記基板の前記マーク形成面とは反対側の面に設けられた遮光部および開口部を有し、前記光学系を介してマーク投影を行なう際に少なくとも２つのマークに対して主光線の入射方向の異なる照明光で照明されるように前記少なくとも２つのマークと前記開口部とを配置したことにより、基本的にマスクだけで投影光学系の計測に際して必要な特定方向からの照明による投影像が得られるようになった。
【０２２１】
更にこれとは別の本発明によれば投影光学系の各像高での非点収差を迅速にかつ精度良く検出することができる計測方法を達成することができる。
【０２２２】
又、更にこれとは別の本発明によれば投影光学系の特性を高精度に計測することができる計測方法及びそれを用いた露光装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第一実施例の投影露光装置の構成図
【図２】 本発明の第一実施例のレチクルに配置されたマーク上面図
【図３】 本発明の第一および第二実施例の照明系開口絞りの図
【図４】 球面収差が発生した場合の主光線の傾斜角の違いによるベストフォーカスのシフトを示したグラフ
【図５】 本発明の第三実施例のレチクルの拡大断面図
【図６】 本発明の第一〜第四実施例における制御フローチャート
【図７】 部分変形例の制御フローチャート
【図８】 部分変形例の制御フローチャート
【図９】 本発明において敏感度が１０％ばらついた場合の像面誤差と測定点との関係を示したグラフ
【図１０】 本発明によるフォーカスと位置ずれの関係を示したグラフ
【図１１】 本発明の直線近似法と従来法による像面のフォーカス位置によるバラツキを示したグラフ
【図１２】 本発明の第五〜第七実施例における制御フローチャート
【図１３】 部分変形例の制御フローチャート
【図１４】 本発明の実施例が適用されるレチクルの更なる変形例を示す拡大側面図
【図１５】 本発明に係る照明光の照明方向と測定方向を示した説明図
【図１６】 本発明が適用される重ね合わせマークの種類を示した説明図
【図１７】 本発明のフローの説明図
【図１８】 従来の計測方法における投影レンズの瞳面の説明図
【図１９】 本発明の計測方法における投影レンズの瞳面の説明図
【図２０】 本発明のフロー説明図
【図２１】 本発明が適用されるレチクルの変形例を示す拡大側面図
【図２２】 本発明が適用されるレチクルの変形例を示す拡大側面図
【図２３】 本発明の実施形態１２の投影露光装置の要部概略図
【図２４】 空中像光強度分布図
【図２５】 Ｚ位置と横ずれの関係図
【図２６】 本発明による装置の構成図
【図２７】 空中像光強度分布図
【図２８】 微小デバイスの製造方法のフローチャート
【図２９】 ウエハプロセスの詳細のフローチャート
【符号の説明】
１ 光源
２ インプットレンズ
３ フライアイレンズ
４ 開口絞り
５ 第１リレーレンズ
６ 投影式レチクルブラインド
７ 第２リレーレンズ
８ メインコンデンサーレンズ
９ レチクル
１０ 投影光学系
１１ ウエハ
１２ ウエハステージ
１３ オートフォーカス系
１４ ウエハアライメント系
１５ テストパターン
Claims (18)
- 像投影用光学系のフォーカス情報を計測する計測方法であって、
第１のマークを第１の照明条件で照明し、前記第１のマークを前記光学系を介して投影する工程と、
前記第１のマークとは大きさが異なる第２のマークを、前記第１の照明条件とは主光線の入射方向が異なる第２の照明条件で照明し、前記第２のマークを前記投影光学系を介して前記第１のマークの像が投影された位置に重ねて投影する工程と、
前記重ねられた第１と第２のマークの像の相対的な位置情報に基づき、前記光学系のフォーカス情報を得る工程と、
を有することを特徴とする計測方法。 - 前記第１のマークの投影と第２のマークの投影は、感光体上に前記主光線の入射方向の異なる照明光によるマーク投影を順次行なうことにより実現されることを特徴とする請求項１記載の計測方法。
- 前記マーク像間のずれ情報は前記感光体を現像後に計測されることを特徴とする請求項２記載の計測方法。
- 前記感光体上に前記主光線の入射方向の異なる照明光によるマーク投影を順次行なうことにより実現される主光線の入射方向の異なる照明光は照明光学系内の開口絞りの開成形状を異ならせることにより得られることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の計測方法。
- 前記主光線の入射方向の異なる照明光は照明光学系内の開口絞りの位置を異ならせることにより得られることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の計測方法。
- 前記開口絞りの位置を照明光学系の光軸に対して軸対称としたことを特徴とする請求項５記載の計測方法。
- 前記開口絞りの位置を照明光の波面の傾斜がフラットな瞳面上位置としたことを特徴とする請求項６記載の計測方法。
- 前記マークは透明基板上に設けられ、前記主光線の入射方向の異なる照明光は前記透明基板のマーク形成面とは反対側の面に設けられた遮光領域中の開口部の配置により得られることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の計測方法。
- 像投影用光学系のフォーカス情報を計測する計測方法で、
該光学系を介し且つ主光線の入射方向の異なる照明光をそれぞれ用いてマーク投影を行なうことにより、概略結像面において該両照明それぞれによるマーク像の重ね合わせを実現し、該重ね合わされたマーク像間のずれを測定する第１の工程と、
照明条件の等しい照明光によって重ね合わされたマーク像のずれを測定する第２の工程と、
前記第１と第２の工程で得られるマーク像のずれの情報に基づき前記光学系のフォーカス情報を得ることを特徴とする計測方法。 - 前記マーク像の重ね合わせはフォーカス状態を違えた複数条件下でそれぞれ実施され、それぞれの条件下でのマーク像間のずれの変化から前記光学系のフォーカス情報を得ることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の計測方法。
- 前記マーク像間のずれの変化から直線近似によりベストフォーカス位置を得ることを特徴とする請求項１０記載の計測方法。
- 前記マーク投影のうち一方は異なる位置に投影される複数のマークを主光線の傾斜の異なる照明光によって照明することにより行なわれ、前記マーク投影のうちの他方によって前記異なる位置に投影された複数のマークのそれぞれにマークを投影して重ね合わせることを特徴とする請求項１０又は１１記載の計測方法。
- 前記マークは複数像高位置に設けられ、各像高に対応したずれ情報によって前記光学系の像面が計測されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の計測方法。
- 請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系のベストフォーカス位置を計測する機能を有することを特徴とする投影露光装置。
- 請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系の像面を計測する機能を有することを特徴とする投影露光装置。
- 請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系のオートフォーカスのオフセットを補正する機能を有することを特徴とする投影露光装置。
- 請求項１〜１３のいずれかに記載の計測方法を用いて、レチクルパターンを感光基板上に投影する投影光学系の調整を行ない、該調整された投影光学系によって感光基板上にパターンの投影露光を行ない、これを現像する工程を経て該基板上に回路形成することを特徴とするデバイスの製造方法。
- 像投影光学系の計測用に用いられるマスクで、
透明基板と、
開口を有し、該基板面に部分的に設けられた遮光部と、
前記基板の遮光部が設けられた面と反対の面に形成され、前記開口を透過して照射される光の主光線の方向が異なる位置に配置された少なくとも２つのマークと、
前記２つのマークと同じ基板面に形成され、前記遮光部により遮光されない位置に配置された２つのマークと、
を有することを特徴とするマスク。
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