JP4976670B2 - 露光装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、露光装置に係り、特に、半導体ウェハ用の単結晶基板、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）用のガラス基板などの被処理体を露光する露光装置における露光光及び投影光学系の偏光状態の計測に関する。

フォトリソグラフィー（焼き付け）技術を用いて半導体素子を製造する際に、レチクル（マスク）に描画された回路パターンを投影光学系によってウェハ等に投影して回路パターンを転写する投影露光装置が従来から使用されている。

投影露光装置の露光性能を決定する要素には、解像度、重ね合わせ精度（オーバーレイ精度）及びスループットの３つの重要な要素がある。近年、かかる３つの要素のうち、特に、解像力に関して、投影光学系の液浸化による高ＮＡ化が注目されている。投影光学系のＮＡを大きくすることは、像面からの垂線と入射光の進行方向との成す角が大きくなることを意味しており、高ＮＡ結像と呼ばれる。

高ＮＡ結像では、露光光の偏光状態が重要となる。例えば、ラインとスペースが繰り返されているような、所謂、ライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）パターンを露光する場合を考える。Ｌ＆Ｓパターンは、平面波の２光束干渉によって形成される。２光束の入射方向ベクトルを含む面を入射平面とし、入射平面に垂直な偏光をＳ偏光、入射平面に平行な偏光をＰ偏光とする。２光束の入射方向ベクトルの互いに成す角が９０度の場合、Ｓ偏光は干渉するのでＬ＆Ｓパターンに応じた光強度分布が像面上に形成される。一方、Ｐ偏光は干渉しない（干渉の効果が打ち消される）ので光強度分布は一定となり、Ｌ＆Ｓパターンに応じた光強度分布が像面上に形成されることはない。Ｓ偏光とＰ偏光が混在していると、Ｓ偏光だけのときよりもコントラストが悪い光強度分布が像面上に形成され、Ｐ偏光の割合が大きくなると像面上の光強度分布のコントラストが低下し、最終的には、パターンが形成されなくなる。

このため、露光光の偏光を制御してコントラストを向上させる必要がある。偏光制御された露光光は、十分なコントラストの光強度分布を像面上に形成することができ、より微細なパターンを露光することが可能となる。

露光光の偏光制御は、照明光学系、詳細には、照明光学系の瞳で行われる。偏光照明は、あるパターンに対して有効な形状であり、且つ、最適な偏光方向を有する有効光源で照明することが求められている。例えば、Ｙ方向パターンの場合に対しては、偏光方向をＹ方向に有するＸダイポール照明が有効である。また、様々な方向のパターンが混在する場合に対しては、輪帯の円周方向に偏向方向を有するタンジェンシャル照明が有効である。

しかしながら、照明光学系の瞳で露光光の偏光を制御したとしても、照明光学系の瞳以降の光学系、若しくは、投影光学系の影響によって、照明光学系の瞳で制御した偏光状態が常に維持されて像面上に到達するとは限らない。例えば、透過率又は反射率を向上させるために、レンズに反射防止膜又は反射ミラーに高反射膜を形成しているが、偏光方向によって反射率が異なり、位相差が加わることで偏光状態を変化させる要素を有している。また、露光光の短波長化に伴って、石英や蛍石の結晶部材が硝材に使用されており、これらの硝材は複屈折を有しているため、偏光状態を変化させてしまう。更に、硝材を保持する鏡筒などのメカ部材の応力によって、硝材の有する複屈折は変化するため、硝材の複屈折を常に一定に維持させることは極めて困難である。

従って、露光装置としての偏光状態、即ち、投影光学系の偏光状態を計測することが必要であり、例えば、ウェハステージ上に計測手段を構成し、投影光学系のウェハ側において偏光状態を計測することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、解像力の向上、及び、ＣＤ（クリティカルディメンション）制御では、照明光学系の有効光源分布の計測及び制御に対する重要性も再認識されている。照明光学系の有効光源分布とは、例えば、ケーラー照明が用いられる投影露光装置において、投影光学系の入射瞳面の大きさに対する入射瞳面上での光源像の大きさ、形状及び強度分布を意味する。かかる有効光源形状の計測でも、ウェハステージ上に計測手段を構成し、投影光学系を介して有効光源形状を計測することが知られている。
特開２００４−６１５１５号公報

このように、近年の投影露光装置では、露光装置上での偏光状態を高精度に計測することが必須事項となってきている。しかしながら、ウェハステージ上に計測手段を構成する従来技術は、近年の投影露光装置に適用する上で様々な問題を含んでいる。

最も大きな問題は、照明光学系と投影光学系の各々の要因による露光装置上での偏光状態への影響を分離して計測することができないことである。従来技術におけるウェハ面上での照明光学系及び投影光学系（以下、「露光光学系」と称する。）の偏光状態の計測は、通常、レチクルを配置しない状態（０次光のみの状態）で行われる。このような計測では、照明光学系の偏光状態と投影光学系の偏光状態とが打ち消しあって、見かけ上は良好な偏光状態として計測される場合がある。しかしながら、実際のパターン転写では、照明光学系と投影光学系との間にレチクルが配置される。従って、レチクル上の回路パターンを照明すると、そのまま透過する０次光の他に、回路パターンによって高次回折光が発生する。これらの０次光及び高次回折光の各々が、投影光学系内を異なる光路で通過して、ウェハ上に集光し、パターン像を形成する。そのため、ウェハ面上での偏光状態の計測では、良好な偏光状態と計測されても、高次回折光それぞれの光路の偏光状態が異なり、その結果、結像性能が非対称となり、解像不良を引き起こす可能性がある。

また、ウェハステージ上のスペースの制約から、高精度な偏光計測を可能にするために必要な光学部品を配置することができない。例えば、レンズの外形周辺では保持による内部応力が発生し、硝材の複屈折を変化させてしまうため、計測手段で発生する偏光状態の変化による測定誤差が含まれてしまう問題がある。

また、ウェハステージ上のスペースの制約から、計測手段内に偏光子や位相子を配置することができない。従って、投影光学系の偏光状態の計測は、照明光学系で偏光制御した照明光を、偏光計測の機能を有さないウェハステージ上の計測手段で計測することになるため、位相変化を含めた高精度な偏光計測を行うことができないという問題がある。

更に、液浸化による高ＮＡ化に対応して、計測手段も高ＮＡ化が必要となるが、高ＮＡ化された計測手段をウェハステージ上に構成することが困難であるという問題もある。

そこで、本発明は、露光装置上において、照明光学系や投影光学系の光学特性（特に、偏光状態）を高精度に計測することができる露光装置を提供する。

上記目的を達成するために本発明の一側面としての露光装置は、レチクルのパターンの像をステージに載置された被処理体に投影する投影光学系を備える露光装置であって、位相子、偏光素子および光検出器を有し、偏光状態を測定する偏光状態測定手段と、前記ステージに配置され、前記投影光学系から射出された光を反射し、前記投影光学系に該光を再び入射させるミラーと、レチクルステージと、前記レチクルステージに載置されたレチクルを照明する照明光学系と、前記レチクルと交換可能に前記レチクルステージに載置され、入射光を前記偏光状態測定手段に導く光学ユニットと、を有し、前記光学ユニットを前記レチクルステージに載置した状態において、前記偏光状態測定手段は、光源から射出し、前記投影光学系、前記ミラー、前記投影光学系、前記光学ユニット、前記位相子および前記偏光素子を順に介した光を前記光検出器を用いて検出することにより、前記投影光学系の瞳透過率分布の偏光特性を測定することを特徴とする。

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

本発明によれば、露光装置上において、照明光学系や投影光学系の光学特性（特に、偏光状態）を高精度に計測することができる露光装置を提供することができる。

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

図１は、本発明の一側面としての露光装置１の構成を示す概略断面図である。

図１において、１０は、照明装置である。照明装置１０は、レーザー等の光源部１２と、照明系引き回し部１４と、マスキングブレード１６と、照明光学系１８とから構成される。

光源部１２からの光は、照明光学系１８を介して、所望の照明モード、所望の偏光状態及び所望の照度分布となり、レチクルステージ２５に載置されたレチクル２０を照明する。また、照明光学系１８は、開口を可変とするマスキングブレード１６によって、レチクル２０上の照明領域を所望の領域に限定することができる。

レチクル２０の下面には、パターンが形成されている。かかるパターンからの回折光が、投影光学系３０を介して、ウェハステージ４５に載置されたウェハ４０上に結像される。これにより、レチクル２０のパターンが転写される。なお、ウェハ４０にはフォトレジストが塗布されている。

露光装置１は、レチクルストッカー５０を有している。レチクルストッカー５０は、レチクル２０のパターンと異なるパターンを有する複数のレチクル２０Ａや、後述する光学ユニット１００、１００Ａ及び１００Ｂを収納する。露光装置１は、露光工程に応じて、図示しないレチクル交換手段を介して、レチクルストッカー５０に収納されたレチクル２０Ａや光学ユニット１００、１００Ａ及び１００Ｂと、レチクルステージ２５に載置されたレチクル２０とを交換することができる。

６０は、コマンドを入力するコンソールを含めた制御部である。制御部６０は、照明装置１０、レチクルステージ２５及びウェハステージ４５を始め、図示しないレチクル交換手段など露光装置１の全体を制御する。

光学ユニット１００は、後述するように、内部に複数の光学素子などが構成されている。光学ユニット１００は、照明光学系１８や投影光学系３０の各々の光学特性、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体の光学特性を計測する際に用いられる。光学ユニット１００は、レチクル２０と略同等の形状を有し、レチクル２０と同様に、露光装置１のレチクルステージ２５に載置することができる。なお、図１では、光学ユニット１００は、レチクルストッカー５０に収納されている。

ここで、図２を参照して、光学ユニット１００の具体的な構成及び光学ユニット１００及び観察光学系２００を用いた照明光学系１８の光学特性の計測について説明する。図２は、光学ユニット１００が、レチクルステージ２５に載置された状態を示す部分断面図である。

図２では、レチクル２０の上面の位置をＡ面（２点鎖線）として示し、レチクル２０の下面の位置をＢ面（２点鎖線）で示している。Ａ面で示したレチクル２０の上面は、通常のレチクル２０ではブランク面の位置に相当する。Ｂ面で示したレチクル２０の下面は、通常のレチクル２０では、レチクル２０に取り付けられたペリクル面の位置に相当する。

光学ユニット１００は、内部に光学素子を有する。具体的には、光学ユニット１００は、ピンホールを有するマスク１０１と、フーリエ変換レンズ１０２と、折り曲げミラー１０３ａ及び１０３ｂと、リレー光学系１０４とを有する。

光学ユニット１００は、露光装置１に自動的に搬入及び搬出ができるように（即ち、レチクルステージ２５に載置させることができるように）、上面を略Ａ面の位置とし、下面を略Ｂ面の位置とする。但し、光学ユニット１００は、露光装置１に自動的に搬入及び搬出することができれば、Ａ面から若干上下した位置を上面とし、Ｂ面から若干上下した位置を下面としても構わない。

光学ユニット１００をレチクルステージ２５に載置した状態での照明光学系１８の偏光光学特性（偏光状態）の計測について説明する。照明光学系１８は、図２に示すように、Ｃ面を照明する。Ｃ面は、レチクル２０の（硝材の）厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置である。

光学ユニット１００は、上述したように、ピンホール１０１を有し、かかるピンホール１０１は、Ｃ面に位置することが好ましい。ピンホール１０１をＣ面からデフォーカスさせると、照明光学系１８の照明領域の周辺部で照度分布がぼけてくる。従って、ピンホール１０１をＣ面からデフォーカスさせた構成の場合には、光学ユニット１００を用いた光学特性の計測を、照明光学系の照明領域の照度分布が均一な領域に対して行う必要がある。なお、ピンホール１０１をＣ面からデフォーカスさせることで、光学ユニット１００をコンパクトにすることができる。

ピンホール１０１を通過した光束は、フーリエ変換レンズ１０２によって、略平行光束となる。フーリエ変換レンズ１０２を通過した光束（平行光束）は、折り曲げミラー１０３ａで反射（偏向）され、Ｄ面に照明光学系１８の有効光源分布の像を形成する。なお、Ｄ面は、像面であるＣ面に対して瞳面となっている。

Ｄ面に形成された有効光源分布の像は、リレー光学系１０４及び折り曲げミラー１０３ｂを介して、Ｅ面に有効光源分布の像を再び形成する。なお、Ｅ面は、後述する観察光学系２００の観察面であり、Ｃ面と同様に、レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置である。

リレー光学系１０４は、入射側（Ｄ面側）及び射出側（Ｅ面側）共に、テレセントリックな光学系であることが好ましい。リレー光学系１０４をテレセントリックな光学系とすることで、リレー光学系１０４を構成する光学素子等の許容製造誤差によるＥ面での結像倍率誤差を最小に抑えることが可能となる。リレー光学系１０４の構成は、一般的に、ビームエキスパンダーとして知られている。

偏光状態測定手段である観察光学系２００は、レチクル面を観察する光学系である。観察光学系２００は、レチクル２０上の位置合わせ用マーク及びレチクルステージ２５に載置された図示しない基準プレートの位置合わせマークを検出し、レチクル２０とレチクルステージ２５との相対的な位置合わせに用いられる。また、観察光学系２００は、レチクル２０上の位置合わせ用マーク及びウェハステージ４５に載置された図示しない基準プレートの位置合わせマークを検出し、レチクル２０とウェハステージ４５との相対的な位置合わせにも用いられる。

観察光学系２００は、本実施形態では、Ｅ面に形成された有効光源分布の像を検出（観察）する。詳細には、Ｅ面に形成された有効光源分布の像は、観察光学系２００において、対物レンズ２０１に入射し、対物レンズ２０１の瞳面Ｆ上で集光光束となる。対物レンズ２０１を通過した光束（集光光束）は、折り曲げミラー２０２で反射（偏向）され、レンズ２０３を介して平行光束となる。レンズ２０３を通過した光束（平行光束）は、Ｇ面に有効光源分布の像を形成する。なお、対物レンズ２０１とレンズ２０３とから構成される光学系は、上述したリレー光学系１０４と同様な理由で、入射側（Ｅ面側）及び出射側（Ｇ面側）共に、テレセントリックな光学系であることが好ましい。

光検出器としての２次元画像検出素子（ＣＣＤ等）２０４は、Ｇ面に配置され、対物レンズ２０１、折り曲げミラー２０２及びレンズ２０３を介して形成された有効光源分布の像を検出（観察）する。また、レンズ２０３と２次元画像検出素子２０４との間には、透過光に複屈折を付与する位相子２４０と偏光子２６０とを配置する。なお、図２に示すように、入射側から、位相子２４０、偏光素子２６０の順に配置する。これにより、偏光計測が可能となる。

光学ユニット１００及び観察光学系２００を用いた偏光計測について説明する。２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布は、振幅Ｅｘ及びＥｙ、及び、位相差δの関数である。この関数の未知数は３つ（振幅Ｅｘ及びＥｙ、及び、位相差δ）である。従って、独立な３つ以上の偏光状態で光強度分布を計測することが、入射光の偏光状態を計測するために必要となる。

独立な３つ以上の偏光状態は、例えば、図３に示すように、位相子２４０を、透過光に異なる位相差を付与する３つの位相子２４２ａ乃至２４２ｃをプレート２４４上に配置させた構成にすることで実現することができる。プレート２４４をスライドさせ、光路中に配置する位相子２４２ａ乃至２４２ｃを変えることによって、独立な３つ以上の偏光状態を実現する。ここで、図３は、位相子２４０の構成の一例を示す概略平面図である。

図４に示すように、位相子２４０を回転可能に構成し、位相子２４０の回転角度を３つ以上に変化させることで、独立な３つ以上の偏光状態を実現することもできる。図４は、位相子２４０の構成の一例を示す概略平面図である。

また、位相子２４０をλ／２波長板とλ／４波長板の２つの波長板から構成し、各々を回転可能にすることでも独立な３つ以上の偏光状態を実現することができる。

更に、位相子２４０をＰＥＭ（光弾性変調器）で構成し、かかるＰＥＭに３つ以上の応力を加えることで、透過光の偏光状態に３つ以上の位相差を付与し、独立な３つ以上の偏光状態を実現してもよい。なお、ＰＥＭを構成する応力複屈折を示す部材に均一に応力を加えるために、応力部材を共振させて位相変調させることが知られている。また、ＰＥＭは、光路内で所定角度回転（図４に示す矢印と同じ回転方向）させた状態で配置する必要がある。従って、部材に加える応力を一定とし、ＰＥＭの回転角度を３つ以上に変化させることで、独立な３つ以上の偏光状態を実現することもできる。

偏光素子２６０は、特許第３２８８９７６号に提案されているような平行平板状の偏光子、入射角度をブリュースター角近傍に傾けた平行平板状の偏光ビームスプリッター、或いは、プリズム型の偏光ビームスプリッター等を使用する。偏光素子２６０は、本実施形態では、固定された状態で構成されている。但し、偏光素子２６０は、回転可能な構成であっても構わない。

位相子２４０及び偏光素子２６０は、入射光が平行光束となる光路中に配置することが好ましい。この場合の観察光学系２００の構成を図５に示す。観察光学系２００は、上述したように、レチクル２０上の位置合わせ用マークなどを検出するために用いられる。この時の検出（観察）光の光路を点線として図５に示す。以下、レチクル２０の位置合わせ用マークを検出する場合において、観察光学系２００の内部を光束がどのように通過するかについて説明する。

図５を参照するに、まず、観察光学系２００が有する図示しない光源からの照明光で、Ｅ面上の位置合わせ用マークＡＭを照明する。位置合わせ用マークＡＭから反射したＮＡを有する光束（検出光）が対物レンズ２０１に入射する。

対物レンズ２０１を通過した光束は、略平行光束となり、折り曲げミラー２０２で反射され、レンズ２０３に入射する。レンズ２０３を通過した光束は、ＮＡを有する集光光束となり、位相子２４０及び偏光子２６０を介して、２次元画像検出素子２０４上に位置合わせ用マークＡＭの像を形成する。

位置合わせ用マークＡＭを検出する際に、光束が略平行光束となるのは、折り曲げミラー２０２を挟んで、対物レンズ２０１とレンズ２０３との間である。これに対して、上述したように、光学ユニット１００を用いた計測の場合では、Ｅ面と対物レンズ２０１との間、及び、レンズ２０３から２次元画像検出素子２０４との間において、光束が略平行光束となる。

従って、位置合わせ用マークＡＭを検出する場合と、光学ユニット１００を用いた計測の場合では、光束が略平行光束となる位置が異なることになる。そのため、光学ユニット１００を用いた計測の場合には、２次元画像検出素子２０４の直前の略平行光束となる空間に、位相子２４０及び偏光素子２６０を配置することが好ましい。

但し、位相子２４０及び偏光素子２６０は、一般的に、極めて狭いＮＡの範囲（数度程度）でしか、良好な偏光透過特性を得ることができない。従って、位相子２４０及び偏光素子２６０を観察光学系２００の内部に固定すると、位置合わせ用マークＡＭを検出する際に、偏光透過光束が非対称な強度分布を有し、２次元画像検出素子２０４で計測誤差を生じさせる場合がある。そこで、位置合わせ用マークＡＭを検出する際には、対物レンズ２０１とレンズ２０３との間に偏光解消素子２０５を配置することが可能な構成にする。これにより、位相子２４０及び偏光素子２６０を通過する光束は無偏光となり、位相子２４０及び偏光素子２６０を良好な透過特性で通過することが可能である。また、光学ユニット１００を用いた計測の場合には、光路中に位相子２４０及び偏光素子２６０に配置し、位置合わせ用マークＡＭを検出する場合には、光路中から位相子２４０及び偏光素子２６０を退避させる構成であってもよい。

なお、偏光素子２６０と２次元画像検出素子２０４との間に、多数の光学系が配置される場合には、かかる光学系による複屈折の影響を排除するために、偏光素子２６０の直後に偏光解消素子２０６を配置することが好ましい。２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布は、無偏光となっても問題はない。また、偏光素子２６０と２次元画像検出素子２０４との間に光学系がない場合でも、２次元画像検出素子２０４での検出が、光束の偏光状態で変わるようであれば、偏光素子２６０の直後に偏光解消素子２０６を配置するとよい。

光学ユニット１００及び観察光学系２００を用いて、照明光学系１８の光学特性を計測するためには、光学ユニット１００と観察光学系２００の有する計測オフセットを予め測定しておく必要がある。計測オフセットとは、光学ユニット１００及び観察光学系２００（計測系）に起因する偏光状態の変化である。かかる偏光状態の変化は、光学ユニット１００及び観察光学系２００を構成する光学素子、即ち、ミラーの反射率特性、レンズの反射防止膜の特性、レンズ硝材の有する複屈折分布、レンズの保持により生じる応力複屈折などによって生じる。

図６及び図７を参照して、計測オフセットの測定について説明する。図６は、計測オフセットの１つである透過率差を測定する際の露光装置１の構成を示す概略断面図である。図７は、計測オフセットの測定について説明するためのフローチャートである。なお、以下では、光学ユニット１００と観察光学系２００とを含めて計測系と称する。

まず、光学ユニット１００をレチクルステージ２５に載置し（ステップ１００２）、レチクルステージ２５及び観察光学系２００を測定位置に移動させる（ステップ１００４）。

次に、照明光学系１８において、σ＝１以上、且つ、無偏光（ランダム偏光）の照明光を設定する（ステップ１００６及び１００８）。次いで、ステップ１００６及びステップ１００８で設定した照明光で光学ユニット１００のピンホール１０１を照明し、計測系の計測オフセットを測定する（ステップ１０１０）。このとき、照明光は、ピンホール１０１を均一な強度分布で照明すると共に、照明光の有効光源が少なくともσ＝１以下において均一の強度分布であるものとする。更に、図６に示すように、偏光解消素子７２及び照度分布均一化素子７４を照明光学系１８と光学ユニット１００との間に配置し、照明光の無偏光（ランダム偏光）状態及び有効光源分布の均一化を向上させることが好ましい。

図６に示す状態において、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布は、位相子２４０の状態（回転や選択等）に関わらず、一定状態として認識されるべきものである。位相子２４０の状態によって、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布がそれぞれ異なる場合は、上述した計測オフセットが生じているためである。最後に、位相子２４０の状態毎に、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布を、計測オフセット（計測値の補正用データ）として制御部６０の図示しないメモリーに記憶させる（ステップ１０１２）。

また、図６に示す偏光解消素子７２を偏光子に置き換える事により、計測系単独の偏光特性も計測可能であり、計測オフセットとして制御部６０の図示しないメモリーに記憶させる事が可能となる。

照明光学系１８の光学特性は、レチクルステージ２５に載置させた光学ユニット１００及び観察光学系２００を用いて、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布より算出される。この際、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布から、予め測定した位相子２４０の状態に応じた計測オフセットを演算で除去し、照明光学系１８の光学特性を算出する。なお、照明光学系１８の偏光光学特性を計測する場合は、上述したように、位相子２４０を少なくとも３つ以上の状態に変化させて得られる光強度分布を用いて算出する。

実施例１で計測することができる光学特性は、照明光学系１８の有効光源分布の情報、及び、かかる有効光源分布の偏光特性（位相情報、振幅情報）である。

実施例２では、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体（露光光学系）の光学特性の計測について説明する。

露光光学系の光学特性の計測には、図８に示すように、光学ユニット１００Ａを用いる。光学ユニット１００Ａは、図２に示す光学ユニット１００と比較して、ハーフミラー１０５を有し、ハーフミラー１０５の後段にピンホール１０１を配置した点が異なる。ここで、図８は、露光光学系の光学特性の計測に用いられる光学ユニット１００Ａをレチクルステージ２５に載置した状態の露光装置１を示す概略断面図である。

図８を参照するに、照明光学系１８からの光束は、ハーフミラー１０５を透過し、投影光学系３０に入射する。なお、投影光学系３０には、開口絞り３２が配置されている。開口絞り３２は、投影光学系３０の性能を保証するために、最大開口数を制限する。

照明光学系１８からの光束は、開口絞り３２を通過し、ウェハステージ４５側の像面Ｊに集光する。このとき、投影光学系３０の最大開口での光学特性を測定するために、照明光学系１８からの照明光は、投影光学系３０の開口数以上の大きさ（σ＝１以上）で照明することが好ましい。

ウェハステージ４５には、球面ミラー８２が構成されており、投影光学系３０の光学特性を測定する場合には、球面ミラー８２の曲率中心が、像面Ｊの光束の集光点に一致するように、ウェハステージ４５を駆動させる。換言すれば、図８に示すように、球面ミラー８２の曲率中心と像面Ｊの光束の集光点とが一致するように、球面ミラー８２を配置する。

球面ミラー８２で反射された光束は、投影光学系３０内を、往路と同じ位置を通過して、ハーフミラー１０５に戻る。ハーフミラー１０５で反射された光束は、Ｃ面（レチクル２０の厚みを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）と光学的に共役なＫ面に集光する。なお、Ｋ面は、Ｊ面とも光学的に共役である。

Ｋ面には、ピンホール１０１が配置されており、ピンホール１０１を通過した光束は、フーリエ変換レンズ１０２により、Ｄ面上に照明系１８の有効光源分布の像、及び、投影光学系３０の瞳面Ｈに位置する開口絞り３２の像を形成する。Ｄ面は、像面であるＣ面に対して瞳面となっている。

なお、Ｄ面以降の説明については、実施例１と同様であるため省略する。

実施例１では、Ｄ面上で得られる光学特性は、照明光学系１８のみのものであり、照明光学系１８のみの光学特性を計測した。一方、実施例２では、Ｄ面上で得られる光学特性は、照明光学系１８と投影光学系３０とを複合したものであり、詳細には、照明光学系１８の光学特性に投影光学系３０の往路と復路の２つ光学特性が複合されている。従って、実施例２では、Ｄ面上で得られる光学特性＝照明光学系１８の光学特性＋投影光学系３０の光学特性＋投影光学系３０の光学特性となる。

投影光学系３０の光学特性と照明光学系１８の光学特性とを分離するには、照明光学系１８の光学特性を予め計測して（実施例１）、制御部６０のメモリーに記憶させておく。これにより、模式的に表現すると（投影光学系３０の光学特性）＋（投影光学系３０の光学特性）＝（Ｄ面上で得られる光学特性）−（照明光学系１８の光学特性）とされ、投影光学系３０の光学特性が計測可能となる。ただし、偏光特性に関しては行列式で表されるため、計算方法に注意が必要である。

実施例２において、投影光学系３０の光学特性とは、投影光学系３０の瞳透過率分布の情報、及び、瞳透過率分布の偏光特性（位相情報及び振幅情報）である。

図９及び図１０を参照して、実施例２での計測オフセットの測定について説明する。図９は、実施例２での計測オフセットを測定する際の露光装置１の構成を示す概略断面図である。図１０は、実施例２での計測オフセットの測定について説明するためのフローチャートである。

まず、光学ユニット１００Ａをレチクルステージ２５に載置する（ステップ１００２Ａ）。ステップ１００４乃至ステップ１００６の説明については、実施例１と同様であるため省略する。

次いで、図９に示すように、光学ユニット１００Ａの後段に球面ミラー７６を配置する（ステップ１００９）。このとき、球面ミラー７６の曲率中心が、Ｃ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）上の光束の集光点に一致するように配置する。なお、計測オフセットを測定する際に使用する球面ミラー７６は、着脱式の構成としてユーザーが配置してもよいし、自動的に配置される構成としてもよい。更に、実施例１と同様に、偏光解消素子７２及び照度分布均一化素子７４を照明光学系１８と光学ユニット１００との間に配置し、照明光の無偏光（ランダム偏光）状態及び有効光源分布の均一化を向上させることが好ましい。

次いで、ステップ１００６及びステップ１００８で設定した照明光で光学ユニット１００Ａを照明し、計測系の計測オフセットを測定する（ステップ１０１０）。そして、位相子２４０の状態毎に、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布を、計測オフセット（計測値の補正用データ）として制御部６０の図示しないメモリーに記憶させる（ステップ１０１２）。最後に、球面ミラー７６を光路外に移動させる（ステップ１０１４）。

計測オフセットの測定は、定期メンテナンスとして、例えば、年に１又は２回程度行われる。しかしながら、偏光計測を行う場合、折り返しミラー１０３ｂ、ハーフミラー１０５、レンズ２０３及び偏光素子２６０の特性が吸湿やデポ（無機物、有機物）などによって変化し、計測オフセットが敏感に経時変化を起こす懸念がある。

そこで、光学ユニット１００Ａの後段に球面ミラー７６を配置せず、図１１に示すように、ウェハステージ４５に構成された平面ミラー８４を用いて、計測オフセットの経時変化を校正してもよい。平面ミラー８４は、像面Ｊに一致するように配置される。ここで、図１１は、平面ミラー８４によって計測オフセットの経時変化を分離する際の露光装置１の構成を示す概略断面図である。

ハーフミラー１０５を透過して投影光学系３０に達する光束の往路と復路について見てみると、図１１に実線と点線で示すように、平面ミラー８４で反射された後、往路と復路が入れ替わり、中心光束のみ往路と復路が一致する。従って、平面ミラー８４を用いた測定では、投影光学系３０の光学特性が中心対称なものとして計測されることになる。

平面ミラー８４を用いた測定の際に、予め測定していた計測オフセットを除いても、２次元画像検出素子２０４で検出される光強度分布に非対称成分が残っていれば、かかる非対称成分は経時変化によって生じた成分と考えられる。この非対称成分を、予め測定しておいた計測オフセットに加え、改めて計測系の計測オフセットとする。

平面ミラー８４をウェハステージ４５に構成しておくことにより、光学ユニット１００Ａをレチクルステージ２５に載置したままの状態で、平面ミラー８４を用いた非対称成分の計測を行うことができる。

図１２は、計測オフセットの経時変化の校正を説明するためのフローチャートである。なお、計測オフセットは、球面ミラー７６を用いて予め計測オフセットＯｆｓとして記憶しているものとする。

まず、光学ユニット１００Ａをレチクルステージ２５に載置し（ステップ２００２）、レチクルステージ２５及び観察光学系２００を測定位置に移動させる（ステップ２００４）。

次いで、照明光学系１８において、照明光を測定条件（例えば、σ＝１以上、且つ、無偏光（ランダム偏光））に設定する（ステップ２００６）。そして、ウェハステージ４５を駆動し、平面ミラー８４を像面Ｊの位置に配置する（ステップ２００８）。

平面ミラー８４を像面Ｊの位置に配置した状態において、ステップ２００６で設定した照明光を用いて、光強度分布を２次元画像検出素子２０４で検出し、検出値を制御部６０のメモリーに記憶させる（ステップ２０１０）。更に、ステップ２０１０での検出値から非対称成分のみを抽出し、抽出結果をＯｆｓ（Ｏｄｄ）として制御部６０のメモリーに記憶する（ステップ２０１２）。

次に、ステップ２０１２で記憶した抽出結果を用いて、予め計測した計測オフセットを校正する（ステップ２０１４）。具体的には、計測オフセットを、計測オフセットＯｆｓから計測オフセットＯｆｓ−Ｏｆｓ（Ｏｄｄ）に校正する。そして、球面ミラー８２の曲率中心が、像面Ｊの光束の集光点に一致するように球面ミラー８２を配置し（ステップ２０１６）、計測オフセットＯｆｓ−Ｏｆｓ（Ｏｄｄ）を用いながら露光光学系の光学特性を計測する。

なお、実施例２では、２次元画像検出素子２０４において、照明光学系１８の有効光源の像と、投影光学系３０の開口絞り３２の像とを検出することができる。従って、露光光学系のテレセン度を測定し、かかる測定結果に基づいて、テレセン度を調整することも可能である。

詳細には、まず、光学ユニット１００Ａをレチクルステージ２５に載置し、球面ミラー８２を所定の位置に配置する。次いで、照明光学系１８において、σ＝１以上に設定し、２次元画像検出素子２０４で検出される投影光学系３０の開口絞り３２の像から内径中心を求める。更に、照明光学系１８において、σを所定の条件に設定し、２次元画像検出素子２０４で検出される照明光学系１８の有効光源の像から光量分布の強度重心を求める。次に、開口絞り３２の像の内径中心と、有効光源の像の光量分布の強度重心との差を求める。かかる差分の値を、投影光学系３０の軸上及び軸外の複数の位置において求める。そして、かかる差分の値が最小となるように、照明光学系１８の図示しないテレセン度調整機構を介して、テレセン度を調整する。なお、投影光学系３０の軸上及び軸外の開口絞り３２の内径を求めることで、ＮＡの大きさ、ＮＡの歪み、軸上と軸外とのＮＡ差などを求めることもできる。

図１３は、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体（露光光学系）の光学特性の計測に専用化した偏光状態測定手段である観察光学系２００Ａの構成を示す概略断面図である。観察光学系２００Ａを用いる場合には、光学ユニット１００Ａを用いることなく、投影光学系３０の光学特性を計測することができる。

観察光学系２００Ａは、観察光学系２００と比較して、検出（観察）用の光源２０５と、折り曲げミラー２０６と、ハーフミラー２０７とを更に有する。光源２０５から射出された光束は、折り曲げミラー２０６で反射される。折り曲げミラー２０６で反射された光束は、ハーフミラー２０７及び折り曲げミラー２０６で更に反射され、対物レンズ２０１に入射する。

光源２０５から射出した光束は、略平行光束として対物レンズ２０１に入射し、Ｃ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）に集光する。図示されていないがC面にはピンホールが構成されている。このピンホールはレチクル面上にパターニングされたもの、または開口を持った金属板でもよい。Ｃ面を通過した光束は、投影光学系３０を介して、ウェハステージ４５上の球面ミラー８２に達し、球面ミラー８２で反射される。なお、球面ミラー８２で反射された光束がＣ面に戻ってくるまでの説明は、実施例２（図８）と同様であるため省略する。

Ｃ面に戻ってきた光束は、フーリエ変換レンズである対物レンズ２０１を通過し、Ｇ面に配置されている２次元画像検出素子２０４に、投影光学系３０の瞳面Ｈに位置する開口絞り３２の像を形成する。Ｇ面は、像面であるＣ面に対して瞳面となっている。なお、光束がハーフミラー２０７を透過する以外は、実施例１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

実施例３において、投影光学系３０の光学特性とは、投影光学系３０の瞳透過率分布の情報、及び、瞳透過率分布の偏光特性（位相情報及び振幅情報）である。更に、実施例２と同様に、投影光学系３０の軸上及び軸外の開口絞り３２の内径を求めることで、ＮＡの大きさ、ＮＡの歪み、軸上と軸外とのＮＡ差などを求めることもできる。

図１４は、実施例３での計測オフセットを測定する際の露光装置１の構成を示す概略断面図である。計測オフセットを測定する際には、実施例２（図９）と同様に、球面ミラー７６をＣ面に配置する。実施例３では、偏光解消素子７２及び照度分布均一化素子７４を、観察光学系２００Ａに配置している。偏光解消素子７２及び照度分布均一化素子７４は、観察光学系２００Ａの計測光路（Ｃ面から戻ってきた光束が通過する航路）以外に配置する。なお、計測オフセットの測定の説明は、実施例２（図９）と同様であるため省略する。

実施例３でも、図１１を参照して実施例２で説明したように、平面ミラー８４を用いて、計測オフセットの経時変化を校正することができる。

図１５は、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体（露光光学系）の光学特性の計測に専用化した光学ユニット１００Ｂの構成を示す概略断面図である。光学ユニット１００Ｂは、図２に示す光学ユニット１００と比較して、光学素子の構成が異なる。光学ユニット１００Ｂは、観察光学系２００Ａに専用化した構成を有する。具体的には、光学ユニット１００Ｂは、リレー光学系１０４を有さず、フーリエ変換レンズ１０６を更に有する。

図１５を参照するに、照明光学系１８からの照明光は、ピンホール１０１を照明する。ピンホール１０１を通過した光束は、フーリエ変換レンズ１０２を介して、略平行光束となる。フーリエ変換レンズ１０２を通過した光束は、折り曲げミラー１０３ａで反射（偏向）され、Ｄ面に照明光学系１８の有効光源分布の像を形成する。Ｄ面は、像面であるＣ面に対して瞳面となっている。

Ｄ面に形成された有効光源分布の像は、折り曲げミラー１０３ｂで反射（偏向）され、フーリエ変換レンズ１０６によって、Ｅ面に集光する。なお、Ｅ面以降の説明については、実施例３（図１３）と同様であるため省略する。また、計測オフセットの測定の説明は、実施例１（図６）と同様であるため省略する。

照明光学系１８では、２次光源である最終ハエの目レンズより後段の光学系の光学特性が、パターン転写の像性能に大きく影響する。

図１６を参照して、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体（露光光学系）の光学特性に専用化した観察光学系２００Ａを用いた照明光学系１８の光学特性の計測について説明する。実施例５は、実施例４と比較して、観察光学系２００Ａの検出（観察）用の光源２０５を用いる点が異なる。ここで、図１６は、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体（露光光学系）の光学特性に専用化した光学ユニット１００Ｂ及び観察光学系２００Ａを有する露光装置１の構成を示す概略断面図である。

図１６を参照するに、観察光学系２００Ａの光源２０５を射出した光束は、観察光学系２００Ａから光学ユニット１００Ｂに入射し、ピンホール１０１を（図１６では下方から）照明する。ピンホール１０１を通過した光束は、照明光学系１８のマスキング光学系（後群）１８ａに入光する。

マスキング光学系（後群）１８ａから射出した光束は、折り曲げミラー１８ｂで反射（偏向）され、マスキング光学系（前群）１８ｃに入射する。マスキング光学系（前群）１８を通過した光束は、マスキングブレード１６の開口部を抜けて、コリメータ光学系１８ｄに入射する。

ここで、照明光学系１８における光学的な共役面について説明する。

Ｌ面は、Ｃ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）の瞳面となっている。また、Ｌ面とＮ面とは光学的に共役な面となっている。Ｎ面は、ハエの目レンズ１８ｆの射出面に一致している。Ｍ面は、Ｃ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）と光学的に共役な面である。マスキングブレード１６は、Ｍ面に配置されている。

コリメータ光学系１８ｄから射出した光は、ハエの目レンズ１８ｆの射出面（Ｎ面）近傍に配置された平面ミラー１８ｅで反射され、往路と同じ復路を通って、ピンホール１０１に戻り集光する。

ピンホール１０１に戻った光束は、光学ユニット１００Ｂを介して、観察光学系２００Ａに戻り、２次元画像検出素子２０４に照明光学系１８の瞳面Ｌ（Ｎ面も共役）の像を形成する。Ｇ面は、Ｅ面に対して瞳面となっている。

図１６に示す構成を用いれば、実施例２（図８）及び実施例３（図１３）の投影光学系３０と同様に、照明光学系１８の瞳透過率分布の情報、及び、瞳透過率分布の偏光特性（位相情報、振幅情報）を計測することができる。

更に、照明光学系１８が図示しない開口絞りを有する場合は、照明光学系１８の軸上及び軸外の開口絞りの像の内径を求めることで、開口絞りのＮＡ（大きさ）、ＮＡの歪み、軸上と軸外とのＮＡ差などを求めることができる。

なお、平面ミラー１８ｅの配置されている位置には、通常、照明装置１０の有効光源分布の形状を変化させる開口絞りなどがターレットに配置されている。
従って、ターレットの１つに平面ミラー１８ｅを配置しておけば、実施例５の計測を自動的に行うことが可能となる。

図１７は、実施例５での計測オフセットを測定する際の露光装置１の構成を示す概略断面図である。

実施例２（図９）と同様に、球面ミラー７６をＣ面に配置する。但し、実施例５では、図１７に示すように、球面ミラー７６を上下逆向きに配置する。また、偏光解消素子７２及び照度分布均一化素子７４は、実施例３（図１４）と同様に、観察光学系２００Ａに配置する。計測オフセットの測定の説明は、実施例２（図９）、及び、実施例３（図１４）と同様であるため省略する。

実施例６では、照明装置１０に光学素子の劣化が生じた場合に、劣化した光学素子だけを部分的に交換することについて説明する。なお、投影光学系３０は、部分的に光学素子を交換すると結像性能が変化してしまうため、一般的に、投影光学系３０の全体を交換する。

図１８及び図１９は、照明光学系１８の光学特性を、部分的に分けて計測することを説明するための図である。図１８は、マスキング光学系（前群）１８ｃ、折り曲げミラー１８ｂ及びマスキング光学系（後群）１８ａの瞳透過率分布の情報、及び、瞳透過率分布の偏光特性（位相情報、振幅情報）を計測する場合を示している。図１８は、図１６と比較して、球面ミラー１９を、Ｃ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）と光学的に共役なＭ面に配置している点が異なる。

図１８では、光学特性の非対称成分の劣化は、折り曲げミラー１８ｂによるものと判断する。また、光学特性の対称成分の劣化はマスキング光学系（前群）１８ｃ及びマスキング光学系（後群）１８ａによるものと判断する。このような判断に基づいて、交換する（即ち、劣化した）光学素子（部位）を決定する。

図１９は、折り曲げミラー１８ｂ及びマスキング光学系（後群）１８ａの瞳透過率分布の情報、及び、瞳透過率分布の偏光特性（位相情報、振幅情報）を計測する場合を示している。図１９は、図１６と比較して、平面ミラー１８ｅを、Ｃ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）の瞳面であるＬ面に配置している点が異なる。

図１９では、光学特性の非対称成分の劣化は、折り曲げミラー１８ｂによるものと判断する。また、光学特性の対称成分の劣化は、マスキング光学系（後群）１８ａによるものと判断する。このような判断に基づいて、交換する（即ち、劣化した）光学素子（部位）を決定する。

実施例６（即ち、図１８及び図１９に示した計測）を実施例５（図１６に示した計測）と合せて実施すれば、ハエの目レンズ１８ｆより後段の光学系のどの部分を交換すればよいか判断することが可能となる。ここで、ハエの目レンズ１８ｆより後段の光学系とは、コリメータ光学系１８ｄ、マスキング光学系（前群）１８ｃ、折り曲げミラー１８ｂ、マスキング光学系（後群）１８ａである。

実施例７では、光学素子を保持する際の応力歪みに起因する複屈折の変化を抑えることができる光学ユニット１００Ｃについて説明する。図２０は、光学ユニット１００Ｃの構成を示す概略断面図である。

実施例７（図２０）の光学ユニット１００Ｃは、実施例１（図２）の光学ユニット１００に改良を加えたものである。光学ユニット１００Ｃは、フーリエ変換レンズ１０２及びリレー光学系１０４の光軸が位置するＰ面を、レチクル上面（Ａ面）とレチクル下面（Ｂ面）の略中間としていることを特徴とする。更に、光学ユニット１００Ｃは、フーリエ変換レンズ１０２及びリレー光学系１０４のレンズ径が最大となるように配置していることを特徴とする。

本発明者は、図示しない保持機構による応力複屈折の影響は、レンズの接触位置からレンズ外形の約１０％の領域に及ぶことを発見した。

図２０において、フーリエ変換レンズ１０２及びリレー光学系１０４は、少なくとも１０ｍｍのレンズ径を確保することができるため、応力複屈折の影響が発生する領域は、外径から片側２ｍｍ程度と考えれば十分である。従って、図２０において、レンズ中の光線の通る径を、レンズ外形の半分以下（６ｍｍ以下）にまで小さくすれば、光束（透過光束）が応力複屈折の影響を受けることはない。

そこで、図２１に示すような、表面にピンホール１０１が形成された内面反射型ミラー１０９を使用する。内面反射型ミラー１０９は、４５度に傾いた面の内面で光束を全反射する。内面反射型ミラー１０９は、射出面にクロムが蒸着され、エッチングによってピンホール１０１が形成されている。従って、内面反射型ミラー１０９は、ミラーとピンホールの２つの機能を有する。ここで、図２１は、内面反射型ミラー１０９の構成を示す概略斜視図である。

実施例７（図２０）では、内面反射型ミラー１０９の入射面をＣ面（レチクル２０の厚さを考慮した光学的にレチクル２０のパターン面に相当する位置）近傍に配置している。更に、内面反射型ミラー１０９に形成されたピンホール１０１の位置をＣ面からデフォーカスした位置であるＫ面としている。これにより、ピンホール１０１の位置であるＫ面を、フーリエ変換レンズ１０２に極力近づけることが可能となり、レンズ径の拡大を防止することができる。勿論、ピンホール１０１と内面反射型ミラー１０９とを別体として構成しても何ら問題はない。

実施例８では、例えば、ミューラー行列から偏光状態を求めるなど、偏光光学特性を高精度に計測する場合について説明する。図２２は、偏光光学特性を高精度に計測する場合の露光装置１の構成を示す概略断面図である。

偏光光学特性を高精度に計測する場合には、図２２に示すように、観察光学系２００Ａの光路中に偏光制御素子２８０を配置し、検出（観察）する光束の偏光状態を切り替えて計測することが好ましい。

偏光制御素子２８０は、λ／２波長板とλ／４波長板の２つの波長板から構成される。偏光制御素子２８０は、２つの波長板の各々を回転することができるように構成する。偏光制御素子２８０は、回転角度を変えることにより、光束の偏光状態を直線偏光（Ｘ方向）、直線偏光（Ｙ方向）、直線偏光（４５度方向）、円偏光の４つの偏光状態にする。

このような４つの偏光状態の光束の各々に対して、更に、位相子２４０の回転などによって独立な３つ以上の偏光状態を付与し、２次元画像検出素子２０４で光強度分布を検出する。これにより、投影光学系３０の偏光光学特性を表すミューラー行列を求めることが可能となる。

更に、偏光制御素子２８０に偏光解消素子を構成し、光束の偏光状態を無偏光（ランダム偏光）を含めた５つの状態として計測を行ってもよい。但し、偏光解消素子は、光路中に挿脱可能に構成することが必要となる。

実施例９では、光学ユニット１００と露光装置１の露光領域における像高との関係について説明する。図２３及び図２４は、光学ユニット１００を示す概略上面図である。なお、光学ユニット１００Ａ乃至１００Ｃの場合も同様であるため、光学ユニット１００を例に説明する。

光学ユニット１００は、図２３及び図２４に示すように、複数のユニット光学系１００ａ乃至１００ｅを構成している。ユニット光学系１００ａ乃至１００ｅは、例えば、ピンホール１０１、フーリエ変換レンズ１０２、リレー光学系１０４などの光学ユニット１００の内部に構成される光学系を示すものである。

図２３及び図２４において、「ＩＮ側」と示した黒丸は、図２における照明光学系１８からの光束が入射する入射側を示し、「ＯＵＴ側」と示した２重丸は、図２における観察光学系２００で検出（観察）を行う検出側を示している。

図２３は、露光装置１がスキャナーである場合を示しており、露光領域をＥＸＡで示した。露光領域ＥＸＡ内の軸上の位置にユニット光学系１００ｃを配置し、等間隔にユニット光学系１００ａ、１００ｂ、１００ｄ及び１００ｅを５つの像高（像高ＩＰ１乃至ＩＰ５）に配置する。例えば、ユニット光学系１００ａの像高ＩＰ１での光学特性を計測する場合は、観察光学系２００をＸ方向に移動して、ユニット光学系１００ａの「ＯＵＴ側」と示した２重丸の位置を検出する。

図２４は、露光装置１がステッパーである場合を示しており、露光領域をＥＸＡ’で示した。露光領域ＥＸＡ’内で、Ｙ方向に計測位置を変えたい場合は、光学ユニット１００が載置されたレチクルステージ２５をＹ方向に駆動し、観察光学系２００をＸ方向に移動する。そして、ユニット光学系１００ａの「ＯＵＴ側」と示した２重丸の位置を検出する。

また、像高ＩＰ１乃至像高ＩＰ５に配置されたユニット光学系１００ａ乃至１００ｅをカートリッジ式とし、光学ユニット１００内の各像高位置で填め変え可能な構成としてもよい。このようなカートリッジ構成とすることで、ユニット光学系１００ａ乃至１００ｅの計測の相対誤差をなくすことができる。例えば、軸上である像高ＩＰ３に配置されたユニット光学系１００ｃを像高ＩＰ１乃至像高ＩＰ５に付け替えて、全像高を同一のユニット光学系１００ｃで計測すればよい。
また、像高ＩＰ１をユニット光学系１００ａで計測した結果と、像高ＩＰ１をユニット光学系１００ｃで計測した結果を比較する。このような比較を像高ＩＰ２、像高ＩＰ４及び像高ＩＰ５に対しても同様に行い、各像高に対して、ユニット光学系１００ｃを基準とした計測差を制御部６０のメモリーに記憶する。そして、例えば、像高ＩＰ１をユニット光学系１００ａで計測した結果から、ユニット光学系１００ｃを基準とした計測差をオフセットとして差し引く。これにより、全像高を同一のユニット光学系１００ｃで計測した場合と同等の効果を得ることが可能となる。

実施例１０では、照明光学系１８及び投影光学系３０の全体（露光光学系）の結像性能の最適化について説明する。図２５は、露光光学系の結像性能の最適化を説明するためのフローチャートである。なお、照明光学系１８の光学特性を計測するための光学ユニット１００（又は１００Ｂ、１００Ｃ）、及び、投影光学系３０の光学特性を測定するための光学ユニット１００Ａは、レチクルストッカー５０に予め収納されているものとする。

図２５を参照するに、まず、照明光学系１８の光学特性を計測するための光学ユニット１００をレチクルステージ２５に載置し（ステップ３００２）、レチクルステージ２５及び観察光学系２００を測定位置に移動させる（ステップ３００４）。

次いで、パターン転写（露光時）を行う際のＪＯＢに設定される照明条件を設定し（ステップ３００６）、照明光学系１８の光学特性を計測する（ステップ３００８）。ステップ３００８で計測した光学特性が良好であるかどうか判断し（ステップ３０１０）、良好でなければ、照明光学系１８の光学特性を調整し（ステップ３０１２）、ステップ３００８に戻る。ステップ３００８で計測した光学特性が良好であれば、照明光学系１８の有効光源特性Ａを制御部６０のメモリーに記憶する（ステップ３０１４）。

次に、投影光学系３０の光学特性を測定するための照明条件（σ＝１以上）を設定する（ステップ３０１６）。この状態において、照明光学系１８の光学特性を計測し、計測値をＪとして制御部６０のメモリーに記憶する（ステップ３０１８）。

次いで、光学ユニット１００を搬出し、投影光学系３０の光学特性を計測するための光学ユニット１００Ａをレチクルステージ２５に載置する（ステップ３０２０）。また、レチクルステージ２５及び観察光学系２００を測定位置に移動させる（ステップ３０２２）。この状態において、光学特性を計測し、計測値をＫとして制御部６０のメモリーに記憶する（ステップ３０２４）。

次いで、計測値Ｊ及び計測値Ｋから投影光学系３０の光学特性を算出する（ステップ３０２６）。実施例２で説明したように、投影光学系３０の光学特性は、露光光学系の計測値Ｋと、照明光学系１８の光学特性である計測値Ｊを用いて、演算を行うことで求めることができる。

ステップ３０２６で算出した投影光学系３０の光学特性が良好であるかどうか判断し（ステップ３０２８）、良好でなければ、投影光学系３０の光学特性を調整し（ステップ３０３０）、ステップ３０２４に戻る。ステップ３０２６で算出した投影光学系３０の光学特性が良好であれば、投影光学系３０の光学特性Ｂを制御部６０のメモリーに記憶する（ステップ３０３２）。

次に、レチクル２０のパターン情報、照明光学系１８の有効光源特性Ａ、及び、投影光学系３０の光学特性Ｂに基づいて、パターンの結像性能のシミュレーションを行う（ステップ３０３４）。ステップ３０３４のシミュレーションによる結像性能が良好であるかどうか判断する（ステップ３０３６）。かかる判断は、目標とする結像性能との比較によって行う。また、目標とする結像性能の比較は、ＣＤ均一性やＨＶ差、ＯＰＥ計算などを含む。

シミュレーションによる結像性能が良好でなければ、シミュレーションによって、照明光学系１８の調整量及び投影光学系３０の調整量を算出する（ステップ３０３８）。更に、ステップ３０３８で算出した調整量に基づいて、照明光学系１８及び投影光学系３０を調整する（ステップ３０４０）。なお、照明光学系１８及び投影光学系３０の調整は、投影光学系３０の収差、開口数の調整、テレセン度の調整、有効光源分布の形状、強度の調整、及び、有効光源の偏光度の調整などを含む。これらを露光領域内の複数箇所に対して最適化する。

シミュレーションによる結像性能が良好であれば、レチクルステージ２５から投影光学系３０の光学特性を計測するための光学ユニット１００Ａを搬出する（ステップ３０４２）。また、ステップ３０４０の照明光学系１８及び投影光学系３０の調整が終了した場合もステップ３０４２に進む。

また、図２５に示した露光光学系の結像性能の最適化は、照明光学系１８の瞳位置と投影光学系３０の瞳位置との相対位置をあわせることも可能である。図２６は、照明光学系１８の瞳位置と投影光学系３０の瞳位置との相対位置をあわせるためのステップを含む露光光学系の結像性能の最適化を説明するためのフローチャートである。

図２６に示す最適化は、図２５に示した最適化と比較して、ステップ３０３２とステップ３０３６との間に、ステップ３１０２乃至ステップ３１１２を加えている。以下、ステップ３１０２乃至ステップ３１１２について説明する。

投影光学系３０の光学特性Ｂを制御部６０のメモリーに記憶したら（ステップ３０３２）、照明光学系１８において、パターン転写（露光時）を行う際のＪＯＢに設定される照明条件を設定する（ステップ３１０２）。

次に、投影光学系３０の開口絞り３２の像から求められる投影光学系３０の瞳中心位置と、照明光学系１８の有効光源強度分布から求められる照明光学系１８の有効光源中心（瞳中心位置）との相対位置を測定する（ステップ３１０４）。

照明光学系１８の瞳中心位置と投影光学系３０の瞳中心位置との相対位置が良好でなければ、照明光学系１８の有効光源位置を調整し（ステップ３１０８）、ステップ３１０４に戻る。このとき、照明光学系１８の有効光源位置の調整は、軸上及び軸外の複数点に対して合致誤差を振り分ける最適化が行われるものとする。

照明光学系１８の瞳中心位置と投影光学系３０の瞳中心位置との相対位置が良好であれば、投影光学系３０の開口中心と、照明光学系１８の有効光源中心の相対位置情報をＣとして、制御部６０のメモリーに記憶する（ステップ３１１０）。

次に、レチクル２０のパターン情報、照明光学系１８の有効光源特性Ａ、投影光学系３０の光学特性Ｂ、及び、相対位置情報Ｃに基づいて、パターンの結像性能のシミュレーションを行う（ステップ３１１２）。ステップ３１１２のシミュレーションによる結像性能が良好であるかどうか判断するステップ（ステップ３０３６）以降は同じである。

実施例１１では、照明光学系１８の光学特性は光学ユニットを用いて計測し、投影光学系３０の光学特性は光学ユニットを用いないで計測する場合について説明する。実施例１１では、光学ユニットを１つだけしか用いないため、計測時間の短縮を図ることができる。図２７は、実施例１１での露光光学系の結像性能の最適化を説明するためのフローチャートである。図２８及び図２９は、実施例１１で用いられる、即ち、図２７に示す露光光学系の結像性能の最適化に用いられる光学ユニット１００Ｄを示す概略上面図である。

図２７に示す最適化は、図２５に示した最適化と比較して、ステップ３０１４とステップ３２０６（投影光学系３０の光学特性の計測）との間で、投影光学系３０の光学特性を計測するための光学ユニット１００Ａを用いていない点が異なる。

また、ステップ３００２において、レチクルステージ２５に載置される光学ユニットは、図２８及び図２９に示す光学ユニット１００Ｄである。

光学ユニット１００Ｄは、図２３及び図２４に示した光学ユニット１００と比較して、素通しの開口部１３０を更に有する。光学ユニット１００Ｄを用いて照明光学系１８の光学特性を計測する場合は、図２３に示すように、露光装置１の露光領域ＥＸＡを「ＩＮ側」を示す黒丸に合致させ、観察光学系２００Ａを「ＯＵＴ側」を示す２重丸に合致させる。かかる状態で、照明光学系１８の光学特性を計測する（ステップ３００８）。

実施例１１では、投影光学系３０の光学特性の計測を実施例３（図１３）に示した構成で行う。そこで、観察光学系２００Ａの検出（観察）光の照明条件を、投影光学系３０の光学特性を計測するための照明条件（σ＝１以上）に設定する（ステップ３２０２）。

次に、光学ユニット１００Ｄをレチクルステージ２５に載置したままの状態で、投影光学系３０の光学特性を計測するために、レチクルステージ２５を移動させる（ステップ３２０４）。具体的には、図２９に示すように、露光装置１の露光領域ＥＸＡを開口部１３０に合致させる。この状態で、観察光学系２００Ａを「ＯＵＴ側」を示す２重丸に合致させ、投影光学系３０の光学特性を計測する（ステップ３２０６）。投影光学系３０の光学特性が良好であるかどうか判断するステップ（ステップ３０２８）以降は同じである。

なお、実施例１乃至１１では、観察光学系２００は、露光装置１に備え付けられていたが、光学ユニット１００に構成することができれば、光学ユニット１００に備え付けられていてもよい。この場合、光学ユニット１００に計測用の電源を内蔵し、計測結果を光学ユニット１００に構成されたメモリーに記憶したり、ワイヤレスで制御部６０に送信したりする構成としてもよい。

また、実施例１乃至１１では、無偏光（ランダム偏光）の光を用いて計測オフセットを計測したが、特定（既知）の偏光状態の光をあわせて用いてもよい。例えば、図６又は図１７に示した偏光解消素子７２に加え、位相子も同じ場所に入れ替え可能な構成とする。かかる構成によって、挿入する位相子の種類、回転角度を変えることにより、光の偏光状態を直線偏光（Ｘ方向）、直線偏光（Ｙ方向）、直線偏光（４５度方向）、円偏光の４つの偏光状態にすることができる。そして、無偏光（ランダム偏光）の状態とあせた５つの状態で、計測オフセットの計測を行うものである。これにより、計測オフセットをより高精度に求めることが可能となる。なお、挿入する位相子は、λ／２波長板とλ／４波長板の２つの波長板から構成し、各々が回転可能な構成であるとよい。

また、観察光学系２００Ａに、干渉計の機能を付加することで、投影光学系３０の波面収差、及び、偏光波面収差の情報も計測することが可能となる。

以上、説明したように、レチクル２０と同形状の光学ユニット１００乃至１００Ｄを使用すれば、露光装置１に新たなスペースを必要とせず、観察光学系２０を介して、照明光学系及び／又は投影光学系の光学特性を計測することができる。なお、高ＮＡの露光装置の光学特性、投影光学系のウェハ側がウェット（液浸）又はドライに関わらず、高精度に偏光状態を計測することができる。

また、露光光学系を構成する照明光学系と投影光学系の各々の光学特性を調整することが可能であるだけではなく、照明光学系と投影光学系をあわせた状態での光学特性の計測及び調整が可能となる。

また、照明光学系の劣化した（即ち、交換が必要な）光学素子を正確に特定することができる。

また、露光装置１において、計測した照明光学系１８の光学特性と投影光学系３０の光学特性を用いた結像性能のシミュレーションを行うことが可能であり、照明光学系と投影光学系の調整状態を最適な状態に設定することができる。

露光において、光源部１２から発せられた光束は、照明光学系１８によりレチクル２０を、例えば、ケーラー照明する。レチクル２０を通過してレチクルパターンを反映する光は投影光学系３０によりウェハ４０に結像される。露光装置１は、上述したように、照明光学系１８及び投影光学系３０の光学特性を最適な状態に設定することができる。また、露光装置１は、偏光状態を高精度に計測することが可能である。従って、かかる計測結果を照明光学系にフィードバックして偏光状態を補正するなどして所望の偏光状態を再現性よく形成することができる。これにより、露光装置１は、高いスループットで経済性よく従来よりも高品位なデバイス（半導体素子、ＬＣＤ素子、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッドなど）を提供することができる。

次に、図３０及び図３１を参照して、上述の露光装置１を利用したデバイス製造方法の実施例を説明する。図３０は、デバイス（ＩＣやＬＳＩなどの半導体チップ、ＬＣＤ、ＣＣＤ等）の製造を説明するためのフローチャートである。ここでは、半導体チップの製造を例に説明する。ステップ１（回路設計）では、デバイスの回路設計を行う。ステップ２（レチクル製作）では、設計した回路パターンを形成したレチクルを製作する。ステップ３（ウェハ製造）では、シリコンなどの材料を用いてウェハを製造する。ステップ４（ウェハプロセス）は、前工程と呼ばれ、レチクルとウェハを用いてリソグラフィー技術によってウェハ上に実際の回路を形成する。ステップ５（組み立て）は、後工程と呼ばれ、ステップ４によって作成されたウェハを用いて半導体チップ化する行程であり、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で作成された半導体デバイスの動作確認テスト、耐久性テストなどの検査を行う。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。

図３１は、ステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。ステップ１１（酸化）では、ウェハの表面を酸化させる。ステップ１２（ＣＶＤ）では、ウェハの表面に絶縁膜を形成する。ステップ１３（電極形成）では、ウェハ上に電極を蒸着などによって形成する。ステップ１４（イオン打ち込み）では、ウェハにイオンを打ち込む。ステップ１５（レジスト処理）では、ウェハに感光剤を塗布する。ステップ１６（露光）では、露光装置１によってレチクルの回路パターンをウェハに露光する。ステップ１７（現像）では、露光したウェハを現像する。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うことによってウェハ上に多重に回路パターンが形成される。本実施形態のデバイス製造方法によれば、従来よりも高品位のデバイスを製造することができる。このように、露光装置１を使用するデバイス製造方法、並びに結果物としてのデバイスも本発明の一側面を構成する。

最後に、上記説明の計測ＮＡは０.８５以上である事が望ましい。偏光計測が必要な偏光照明はＮＡ０.８５以上の露光方法で効果的に用いられるためである。

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

本発明の一側面としての露光装置の構成を示す概略断面図である。 図１に示す光学ユニットが、レチクルステージに載置された状態を示す部分断面図である。 図２に示す位相子の構成の一例を示す概略平面図である。 図２に示す位相子の構成の一例を示す概略平面図である。 図１に示す観察光学系の構成の一例を示す概略断面図である。 実施例１での計測オフセットを測定する際の露光装置の構成を示す概略断面図である。 実施例１での計測オフセットの測定について説明するためのフローチャートである。 露光光学系の光学特性の計測に用いられる光学ユニットをレチクルステージに載置した状態の露光装置を示す概略断面図である。 実施例２での計測オフセットを測定する際の露光装置の構成を示す概略断面図である。 実施例２での計測オフセットの測定について説明するためのフローチャートである。 平面ミラーによって計測オフセットの経時変化を分離する際の露光装置の構成を示す概略断面図である。 計測オフセットの経時変化の校正を説明するためのフローチャートである。 露光光学系の光学特性の計測に専用化した観察光学系の構成を示す概略断面図である。 実施例３での計測オフセットを測定する際の露光装置の構成を示す概略断面図である。 露光光学系の光学特性の計測に専用化した光学ユニットの構成を示す概略断面図である。 露光光学系の光学特性に専用化した光学ユニット及び観察光学系を有する露光装置の構成を示す概略断面図である。 実施例５での計測オフセットを測定する際の露光装置の構成を示す概略断面図である。 照明光学系の光学特性を、部分的に分けて計測することを説明するための図である。 照明光学系の光学特性を、部分的に分けて計測することを説明するための図である。 光学素子を保持する際の応力歪みに起因する複屈折の変化を抑えることができる光学ユニットの構成を示す概略断面図である。 図２０に示す内面反射型ミラーの構成を示す概略斜視図である。 偏光光学特性を高精度に計測する場合の露光装置の構成を示す概略断面図である。 露光装置がスキャナーである場合の光学ユニットを示す概略上面図である。 露光装置がステッパーである場合の光学ユニットを示す概略上面図である。 露光光学系の結像性能の最適化を説明するためのフローチャートである。 露光光学系の結像性能の最適化を説明するためのフローチャートである。 実施例１１での露光光学系の結像性能の最適化を説明するためのフローチャートである。 実施例１１で用いられる光学ユニットを示す概略上面図である。 実施例１１で用いられる光学ユニットを示す概略上面図である。 デバイスの製造を説明するためのフローチャートである。 図３０に示すステップ４のウェハプロセスの詳細なフローチャートである。

符号の説明

１ 露光装置
１８ 照明光学系
２０ レチクル
２５ レチクルステージ
４０ ウェハ
４５ ウェハステージ
６０ 制御部
７２ 偏光解消素子
７４ 照度分布均一化素子
７６ 球面ミラー
８２ 球面ミラー
８４ 平面ミラー
１００ 光学ユニット
１０１ ピンホール
１０２ フーリエ変換レンズ
１０３ａ及び１０３ｂ 折り曲げミラー
１０４ リレー光学系
１００Ａ 光学ユニット
１０５ ハーフミラー
１００Ｂ 光学ユニット
１０６ フーリエ変換レンズ
１００Ｃ 光学ユニット
１０９ 内面反射型ミラー
１００Ｄ 光学ユニット
１３０ 開口部
２００ 観察光学系
２０１ 対物レンズ
２０２ 折り曲げミラー
２０３ レンズ
２０４ ２次元画像検出素子（光検出器）
２０５ 偏光解消素子
２４０ 位相子
２６０ 偏光素子
２００Ａ 観察光学系
２０５ 光源
２０６ 折り曲げミラー
２０７ ハーフミラー

Claims (6)

1. レチクルのパターンの像をステージに載置された被処理体に投影する投影光学系を備える露光装置であって、
   位相子、偏光素子および光検出器を有し、偏光状態を測定する偏光状態測定手段と、
   前記ステージに配置され、前記投影光学系から射出された光を反射し、前記投影光学系に該光を再び入射させるミラーと、
   レチクルステージと、
   前記レチクルステージに載置されたレチクルを照明する照明光学系と、
   前記レチクルと交換可能に前記レチクルステージに載置され、入射光を前記偏光状態測定手段に導く光学ユニットと、を有し、
   前記光学ユニットを前記レチクルステージに載置した状態において、前記偏光状態測定手段は、光源から射出し、前記投影光学系、前記ミラー、前記投影光学系、前記光学ユニット、前記位相子および前記偏光素子を順に介した光を前記光検出器を用いて検出することにより、前記投影光学系の瞳透過率分布の偏光特性を測定することを特徴とする露光装置。
2. 前記位相子および前記偏光素子のうちの少なくとも一方は光軸を中心として回転可能に構成され、
   前記偏光状態測定手段は、前記位相子と前記偏光素子との相対的な回転角度の異なる少なくとも３つの状態を設定するための設定手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載の露光装置。
3. 前記ミラーは、球面ミラー又は平面ミラーであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項記載の露光装置。
4. 前記光学ユニットは、両側がテレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項１記載の露光装置。
5. 前記偏光状態測定手段は、前記レチクルの位置またはその近傍、前記レチクルの共役位置またはその近傍、前記被処理体の位置またはその近傍、あるいは前記被処理体の共役位置またはその近傍に位置決め可能なピンホール部材を有し、
   前記ピンホール部材のピンホールを通過した光を用いて前記偏光状態を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の露光装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項記載の露光装置を用いて被処理体を露光するステップと、
   露光された前記被処理体を現像するステップとを有することを特徴とするデバイス製造方法。