JP5538851B2 - 測定装置、露光装置及びデバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置、露光装置及びデバイスの製造方法に関する。

フォトリソグラフィー技術を用いて半導体デバイスを製造する際に、レチクル（マスク）に形成されたパターンを投影光学系によってウエハ等の基板に投影してパターンを転写する露光装置が使用されている。近年では、半導体デバイスの一層の微細化が進んでいるため、露光装置には、レチクルのパターンを所定の倍率で正確にウエハに転写することが要求されている。従って、投影光学系の結像性能を高精度に測定する必要があり、例えば、投影光学系のディストーションを測定するための技術が従来から提案されている（特許文献１参照）。

米国特許第６８１６２４７号明細書

しかしながら、測定対象となる投影光学系の結像性能としては、像面湾曲、ディストーション、波面収差など様々な種類があり、近年では、投影光学系の像面湾曲を測定することが可能な新たな技術の開発が特に望まれている。

そこで、本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被検光学系の像面湾曲を含む結像性能を測定することができる技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての測定装置は、被検光学系の結像性能を測定する測定装置であって、前記被検光学系の物体面に配置され、複数の物体高のそれぞれに応じて配置された周期パターンを有する第１の基準基板と、前記被検光学系の像面に配置され、前記周期パターンからの光を透過する開口を有する第２の基準基板と、前記開口を透過した前記周期パターンからの光の強度を検出する検出部と、前記第１の基準基板及び前記第２の基準基板の少なくとも一方を駆動する駆動部と、前記被検光学系の結像性能を求めるための処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記周期パターンから前記被検光学系の瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光が生じる第１の回折条件において、前記駆動部によって前記第１の基準基板及び前記第２の基準基板の少なくとも一方を前記被検光学系の光軸に垂直な方向に駆動したときに前記検出部で検出される前記周期パターンからの光の強度の変化から前記２つの回折光間の位相差を前記複数の物体高に対応する複数の像高のそれぞれについて求め、前記周期パターンから前記瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光が生じ、且つ、当該２つの回折光のうち少なくとも１つの回折光の前記瞳面に入射する位置が前記第１の回折条件において前記周期パターンから生じる２つの回折光のそれぞれの前記瞳面に入射する位置と異なる第２の回折条件において、前記駆動部によって前記第１の基準基板及び前記第２の基準基板の少なくとも一方を前記光軸に垂直な方向に駆動したときに前記検出部で検出される前記周期パターンからの光の強度の変化から前記２つの回折光間の位相差を前記複数の物体高に対応する複数の像高のそれぞれについて求め、前記第１の回折条件における前記複数の像高での前記２つの回折光間の位相差と前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置、及び、前記第２の回折条件における前記複数の像高での前記２つの回折光間の位相差と前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置に基づいて、前記被検光学系の像面湾曲を含む結像性能を求めることを特徴とする。

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

本発明によれば、例えば、被検光学系の像面湾曲を含む結像性能を測定する技術を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における測定装置の構成を示す概略図である。 図１に示す測定装置の第１の基準基板の構成を示す図である。 図２に示す第１の基準基板の第１の周期パターンを説明するための図である。 図２に示す第１の基準基板の第２の周期パターンを説明するための図である。 図１に示す測定装置の第２の基準基板の構成を示す図である。 図１に示す測定装置による被検光学系の結像性能（ディストーション及び像面湾曲）の測定を説明するためのフローチャートである。 被検光学系の瞳面上における第１の基準基板の周期パターンからの回折光の入射位置を示す図である。 第１の周期パターンのＸ軸方向パターンの投影像のシミュレーション結果を示す図である。 被検光学系の瞳面上における第１の基準基板の周期パターンからの回折光の入射位置を示す図である。 第２の周期パターンのＸ軸方向パターンの投影像のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態における測定装置の構成を示す図である。 図１１に示す測定装置による被検光学系の結像性能（ディストーション及び像面湾曲を含む波面収差）の測定を説明するためのフローチャートである。 本発明の第３の実施形態としての露光装置の構成を示す概略図である。

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。
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態における測定装置１の構成を示す概略図である。測定装置１は、被検光学系ＯＳの複数の結像性能（例えば、ディストーションや像面湾曲）を測定することが可能である。なお、被検光学系ＯＳは、本実施形態では、露光装置に用いられる投影光学系を想定しているが、これに限定されるものではなく、照明光学系など様々な光学系を含む。

測定装置１は、図１に示すように、光源１０と、照明光学系２０と、第１の基準基板３０と、第１のステージ４０と、第２のステージ５０と、第２の基準基板６０と、検出部７０と、処理部８０とを有する。

光源１０から射出された光は、照明光学系２０を介して、適切な照明条件（照明モード）で第１の基準基板３０を照明する。第１の基準基板３０は、第１のステージ４０に支持（固定）され、被検光学系ＯＳの物体面に配置される。第１のステージ４０は、第１の基準基板３０を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動することが可能なように構成される。

図２は、第１の基準基板３０の構成を示す図である。第１の基準基板３０は、図２に示すように、第１の周期パターン３１２及び３１４と、第２の周期パターン３１６及び３１８とを含む周期パターン３１０を有する。なお、第１の周期パターン３１２と第１の周期パターン３１４とは、互いに異なる線幅のパターンを有し、同様に、第２の周期パターン３１６と第２の周期パターン３１８とは、互いに異なる線幅のパターンを有する。周期パターン３１０は、被検光学系ＯＳの結像性能の測定領域を網羅するように、複数の物体高のそれぞれに応じて配置される。また、図２において、周期パターン３１０Ａは画面中心に位置し、本実施形態では、周期パターン３１０Ａの位置を基準位置とする。

第１の基準基板３０は、以下の２つの目的のために、複数の周期パターンを有する。第１の目的は、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を測定する際に必要である異なる回折光を生成するためである。第２の目的は、被検光学系ＯＳに残存する波面収差の影響を考慮して、複数の線幅のパターンにおける結像性能（ディストーションや像面湾曲）を測定するためである。なお、第２の目的に関しては、被検光学系ＯＳの収差の影響を無視できる場合には不要となる。

図２を参照するに、第１の周期パターン３１２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方向に回折光を生成するために、Ｙ軸方向パターン３１２ａ及びＸ軸方向パターン３１２ｂを含む。また、第２の周期パターン３１６は、Ｙ軸方向パターン３１６ａ及びＸ軸方向パターン３１６ｂを含む。なお、第１の周期パターン３１４及び第２の周期パターン３１８のそれぞれも、第１の周期パターン３１２や第２の周期パターン３１６と同様に、Ｙ軸方向パターン及びＸ軸方向パターンを含む。

第１の周期パターン３１２（３１４）及び第２の周期パターン３１６（３１８）で生じる回折光は、以下の第１の条件及び第２の条件を満たすことが必要となる。第１の条件は、第１の周期パターン３１２及び第２の周期パターン３１６のそれぞれが被検光学系ＯＳの瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光を生じることである。これは、２光束干渉による空中像はデフォーカスによってコントラストが変化しないという性質を有するため、像面湾曲が存在する被検光学系ＯＳにおいて画面内一括で空中像を検出する場合に適しているからである。但し、実際には、照明光学系２０が有限のσを有するため、デフォーカスによるコントラストの低下は発生するが、バイナリパターンからの３光束干渉よりも影響を小さくすることが可能である。第２の条件は、第２の周期パターン３１６から生じる２つの回折光のうち少なくとも１つの回折光の被検光学系ＯＳの瞳面に入射する位置が第１の周期パターン３１２から生じる２つの回折光のそれぞれの被検光学系ＯＳの瞳面に入射する位置と異なることである。これは、第１の周期パターン３１２及び第２の周期パターン３１６を用いて得られる２つの回折光間の位相差から回折方向のティルトとデフォーカスの２つを求めるために必要となるからである。

本実施形態の測定装置１においては、上述した２つの条件（回折条件）が重要であるため、かかる条件を満たすように周期パターン３１０及び照明光学系２０の照明条件を設定すればよい。

周期パターン３１０及び照明光学系２０の照明条件について具体的に説明する。第１の周期パターン３１２（３１４）には、図３に示すように、振幅透過率が一定であり、且つ、位相が０又はπとなる位相型の周期パターンを使用する。このような第１の周期パターン３１２を通常照明することによって、被検光学系ＯＳの瞳中心に対称な±１次の回折光が生じる。また、第２の周期パターン３１６（３１８）には、０次の回折光及び＋１次の回折光が生じる周期パターンを使用する。Ｘ軸方向に０次の回折光及び＋１次の回折光のみを生じる理想的な周期パターンの複素振幅透過率ａ（ｘ）は、パターン周期をΛとして、以下の式１で表される。

式１は、振幅と同一の周期で位相も変化する複素振幅透過率に相当する。従って、第２の周期パターン３１６には、式１を近似して、図４に示すように、振幅透過率が２値をとり、且つ、振幅透過率の変化の半周期ごとに位相が０からπの間で変化する位相振幅変調型の周期パターンを使用する。本実施形態では、第２の周期パターン３１６は、０からπ／４ステップで３／４πまで４段階で位相シフトする構造を有する。

第１の基準基板３０（周期パターン３１０）で回折された光（回折光）は、被検光学系ＯＳによって像面側に投影され、第２の基準基板６０に入射する。第２の基準基板６０は、第２のステージ５０に支持（固定）され、被検光学系ＯＳの像面に配置される。第２のステージ５０は、第２の基準基板３０及び後述する検出部７０を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動することが可能なように構成される。

図５は、第２の基準基板６０の構成を示す図である。第２の基準基板６０は、図５に示すように、第１の基準基板３０の周期パターン３１０の配置座標に対応して被検光学系ＯＳの結像倍率だけ縮小した位置（即ち、複数の物体高に対応する複数の像高）に、開口パターン６１０を有する。開口パターン６１０は、本実施形態では、孤立開口パターンであって、第１の基準基板３０の周期パターン３１０を被検光学系ＯＳの像面に投影した像の寸法よりも小さい寸法を有する。また、開口パターン６１０は、第１の周期パターン３１２及び３１４と第２の周期パターン３１６及び３１８のそれぞれのＸ軸方向パターン及びＹ軸方向パターンに対応して、Ｘ軸方向パターン用の開口６１２と、Ｙ軸方向パターン用の開口６１４とを含む。なお、開口パターン６１０は孤立開口パターンに限定されるものではなく、複数の孤立開口パターンを配列した周期開口パターンであってもよい。開口パターン６１０が周期開口パターンである場合には、第１の基準基板３０の周期パターン３１０の周期に応じて、周期開口パターンを変更する必要があるが、開口パターン６１０を透過する光の量（透過光量）の点で有利となる。

検出部７０は、本実施形態では、第２の基準基板６０の開口パターン６１０のそれぞれに応じて配置された複数のフォトディテクタを含み、開口パターン６１０を透過した第１の基準基板３０の周期パターン３１０からの光（回折光）の強度（光量）を検出する。但し、リレーレンズ及びイメージセンサで検出部７０を構成し、開口パターン６１０のそれぞれを透過した周期パターン３１０からの光の強度を一括して検出することも可能である。検出部７０で検出された周期パターン３１０からの光の強度（光量データ）は、処理部８０に入力される。上述したように、第２の基準基板６０及び検出部７０は、第２のステージ４０に固定され、被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動することが可能である。

処理部８０は、第１の基準基板３０及び第２の基準基板６０の少なくとも一方を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動する駆動部として機能する第１のステージ４０及び第２のステージ５０を制御しながら、被検光学系ＯＳの結像性能を求めるための処理を行う。処理部８０は、本実施形態では、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を求めるための処理を行う。

以下、図６を参照して、測定装置１による被検光学系ＯＳの結像性能（ディストーション及び像面湾曲）の測定について説明する。なお、かかる測定は、処理部８０が測定装置１の各部を統括的に制御することによって実行される。

Ｓ１０２では、処理部８０は、第２のステージ５０によって第２の基準基板６０を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動しながら、検出部７０で検出される第１の周期パターン３１２のＸ軸方向パターン３１２ｂからの光の強度を取得する。Ｘ軸方向パターン３１２ｂを有効光源σの通常照明で照明すると、図７に示すように、Ｘ軸方向パターン３１２ｂから被検光学系ＯＳの瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光（±１次の回折光）が生じる。ここで、被検光学系ＯＳの瞳面上における＋１次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_Ｘ１１＝（＋ｐ、０）、−１次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_Ｘ１２＝（−ｐ、０）とする。なお、被検光学系ＯＳの瞳面上における回折光の入射位置は、第１の基準基板３０の周期パターン３１０及び照明光学系２０の照明条件から予め求めることが可能である。また、回折光を計測する計測装置などを用いて、回折光の入射位置を実際に計測することも可能である。

Ｘ軸方向パターン３１２ｂの投影像（空中像）は、Ｘ軸方向パターン用の開口６１２の寸法よりも大きな寸法を有する。従って、第２のステージ４０（第２の基準基板６０）を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動しながら、Ｘ軸方向パターン３１２ｂからの光の強度を検出部７０で検出することで、Ｘ軸方向パターン３１２ｂの投影像を求めることができる。具体的には、Ｘ軸方向パターン３１２ｂの投影像Ｉ（ｘ）は、Ｘ軸方向パターン３１２ｂの像面換算のパターン周期をΛ、第２のステージ４０の位置をｘとして、以下の式２で表される。なお、式２において、積分は有効光源の範囲（半径σの円内）について計算されるものとする。

式２から得られるＸ軸方向パターン３１２ｂの投影像のシミュレーション結果を図８に示す。図８では、縦軸に強度、横軸にＸ軸方向の位置を採用している。また、実線は、被検光学系ＯＳが無収差、即ち、ディストーション及び像面湾曲を含まない（像ずれの影響がない）場合の投影像を示し、破線は、被検光学系ＯＳがディストーション及び像面湾曲（像ずれの影響がある）場合の投影像を示している。

実際には、複数の像高のそれぞれで同時にＸ軸方向パターン３１２ｂの投影像が検出され、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲によって、それぞれの像高で異なる像ずれ量を検出することになる。任意の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）において検出されるＸ軸方向パターン３１２ｂの投影像の周期Λ／２に対する位相φ_ｘ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、以下の式３で表される。なお、処理部８０では、式３で表される位相を全ての像高について求める。

Ｓ１０４では、処理部８０は、第２のステージ５０によって第２の基準基板６０を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動しながら、検出部７０で検出される第２の周期パターン３１６のＸ軸方向パターン３１６ｂからの光の強度を取得する。Ｘ軸方向パターン３１６ｂを有効光源σの通常照明で照明すると、図９に示すように、Ｘ軸方向パターン３１６ｂから被検光学系ＯＳの瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光（０次の回折光及び＋１次の回折光）が生じる。ここで、被検光学系ＯＳの瞳面上における＋１次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_Ｘ２１＝（＋ｐ、０）、０次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_Ｘ２２＝（０、０）とする。また、Ｘ軸方向パターン３１６ｂの投影像Ｉ（ｘ）は、Ｘ軸方向パターン３１６ｂの像面換算のパターン周期をΛ、第２のステージ４０の位置をｘとして、以下の式４で表される。

式４から得られるＸ軸方向パターン３１６ｂの投影像のシミュレーション結果を図１０に示す。図１０では、縦軸に強度、横軸にＸ軸方向の位置を採用している。また、実線は、被検光学系ＯＳが無収差、即ち、ディストーション及び像面湾曲を含まない（像ずれの影響がない）場合の投影像を示し、破線は、被検光学系ＯＳがディストーション及び像面湾曲（像ずれの影響がある）場合の投影像を示している。なお、図８に示すシミュレーションの結果と図１０に示すシミュレーションの結果において、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲の量は同じである。

任意の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）において検出されるＸ軸方向パターン３１６ｂの投影像の周期Λに対する位相φ_ｘ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、以下の式５で表される。なお、処理部８０では、式５で表される位相を全ての像高について求める。

Ｓ１０６では、異なる線幅のＸ軸方向パターン（本実施形態では、第１の周期パターン３１４及び第２の周期パターン３１８のそれぞれのＸ軸方向パターン）を用いて、かかるＸ軸方向パターンからの光の強度を取得するかどうかを判定する。異なる線幅のＸ軸方向パターンからの光の強度を取得する場合には、Ｓ１０２に移行し、異なる線幅のＸ軸方向パターンからの光の強度を取得しない場合には、Ｓ１０８に移行する。

Ｓ１０８では、処理部８０は、第２のステージ５０によって第２の基準基板６０を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動しながら、検出部７０で検出される第１の周期パターン３１２のＹ軸方向パターン３１２ａからの光の強度を取得する。Ｙ軸方向パターン３１２ａを有効光源σの通常照明で照明すると、Ｙ軸方向パターン３１２ａから被検光学系ＯＳの瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光（０次の回折光及び＋１次の回折光）が生じる。ここで、被検光学系ＯＳの瞳面上における＋１次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_ｙ１１＝（０、＋ｐ）、−１次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_ｙ１２＝（０、−ｐ）とする。任意の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）において検出されるＹ軸方向パターン３１２ａの投影像の位相φ_ｙ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、以下の式６で表される。なお、処理部８０では、式６で表される位相を全ての像高について求める。

Ｓ１１０では、処理部８０は、第２のステージ５０によって第２の基準基板６０を被検光学系ＯＳの光軸に垂直な方向に駆動しながら、検出部７０で検出される第２の周期パターン３１６のＹ軸方向パターン３１６ａからの光の強度を取得する。Ｙ軸方向パターン３１６ａを有効光源σの通常照明で照明すると、Ｙ軸方向パターン３１６ａから被検光学系ＯＳの瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光（０次の回折光及び＋１次の回折光）が生じる。ここで、被検光学系ＯＳの瞳面上における＋１次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_ｙ２１＝（０、＋ｐ）、０次の回折光の入射位置（中心位置）をＰ_ｙ２２＝（０、０）とする。任意の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）において検出されるＹ軸方向パターン３１６ａの投影像の位相φ_ｙ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、以下の式７で表される。なお、処理部８０では、式７で表される位相を全ての像高について求める。

Ｓ１１２では、異なる線幅のＹ軸方向パターン（本実施形態では、第１の周期パターン３１４及び第２の周期パターン３１８のそれぞれのＹ軸方向パターン）を用いて、かかるＹ軸方向パターンからの光の強度を取得するかどうかを判定する。異なる線幅のＹ軸方向パターンからの光の強度を取得する場合には、Ｓ１０８に移行し、異なる線幅のＹ軸方向パターンからの光の強度を取得しない場合には、Ｓ１１４に移行する。

Ｓ１１４では、処理部８０は、被検光学系ＯＳの結像性能として、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面を求める。任意の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）における被検光学系ＯＳの波面収差Ｗ（ｓ_ｘ、ｓ_ｙ；Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲で構成されるとすると、以下の式８で表される。式８において、（ｓ_ｘ、ｓ_ｙ）は瞳座標を、ｄＸ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、ｄＹ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）及びｄＺ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）におけるＸ軸方向とＹ軸方向のディストーション及び像面湾曲の量を表す。また、ＮＡは、被検光学系ＯＳの開口数である。

式３、式５及び式８から、ｄＸ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）及びｄＺ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、以下の式９に従って求めることができる。

Ｙ軸方向についても同様に、式６及び式８から、ｄＹ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、以下の式１０に従って求めることができる。

また、式６及び式７から（即ち、式９と同様に）ｄＺ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）を求め、式９から求めたｄＺ（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）と平均化することで、被検光学系ＯＳの像面湾曲を高精度に求めることができる。

また、複数の異なる線幅のパターン（周期パターン）について、かかるパターンからの光の強度を取得している場合には、それらについても同様に被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を求める。これにより、パターンに対する被検光学系ＯＳの結像性能の変化を求めることができる。

本実施形態では、第１の周期パターン３１２から生じる回折光を±１次の回折光とし、第２の周期パターン３１６から生じる回折光を０次の回折光及び＋１次の回折光としている。但し、上述したように、第２の周期パターン３１６から生じる２つの回折光のうち少なくとも１つの回折光の被検光学系ＯＳの瞳面への入射位置が第１の周期パターン３１２から生じる２つの回折光のそれぞれの被検光学系ＯＳの瞳面への入射位置と異なればよい。例えば、被検光学系ＯＳの瞳面における第１の周期パターン３１２からの２つの回折光の入射位置を（ｐ_ｘ１１、０）及び（ｐ_ｘ１２、０）、第２の周期パターン３１４からの２つの回折光の入射位置を（ｐ_ｘ２１、０）、（ｐ_ｘ２２、０）とする。この場合、式９は一般化され、以下の式１１で表される。

式１１は、被検光学系ＯＳの瞳面における第１の周期パターン３１２からの２つの回折光の入射位置と第２の周期パターン３１６からの２つの回折光の入射位置とが同じ（ｐ_ｘ２１＝ｐ_ｘ１１，ｐ_ｘ２２＝ｐ_ｘ１２）でなければ、解を有する。従って、被検光学系ＯＳの瞳面に入射する回折光の位置が異なる複数の回折条件において、回折光間の位相差及び回折光の入射位置に基づいて、被検光学系ＯＳの像面湾曲を求めることが可能である。

このように、本実施形態では、第１の回折条件及び第２の回折条件のそれぞれにおいて、周期パターン３１０からの光の強度の変化を検出し、かかる強度の変化から周期パターン３１０で生じる２つの回折光間の位相差を複数の像高のそれぞれについて求める。そして、第１の回折条件及び第２の回折条件のそれぞれにおける複数の像高での２つの回折光間の位相差、及び、２つの回折光が被検光学系ＯＳの瞳面に入射する位置に基づいて、被検光学系ＯＳの像面湾曲を含む結像性能を求める。従って、測定装置１は、被検光学系ＯＳのディストーションに加えて、被検光学系ＯＳの像面湾曲も全ての像高について一括して求めることができる。なお、第１の回折条件は、本実施形態では、第１の周期パターン３１２及び３１４を使用することに相当し、第２の回折条件は、第２の周期パターン３１６及び３１８を使用することに相当する。
＜第２の実施形態＞
図１１は、本発明の第２の実施形態における測定装置１Ａの構成を示す図である。測定装置１Ａは、基本的には、測定装置１と同様な構成を有するが、被検光学系ＯＳの波面を検出する波面検出部９０を更に有する。波面検出部９０は、第１の波面測定用パターン９２と、回折格子９４と、第２の波面測定用パターン９６と、撮像素子９８とを含む。

光源１０から射出された光は、インコヒーレント化ユニットを含む照明光学系２０を介して、空間コヒーレンスが低減され、適切な照明条件（照明モード）で被検光学系ＯＳの物体面を照明する。

被検光学系ＯＳの物体面には、ピンホールと開口とを含む第１の波面測定用パターン９２が配置される。また、第１の波面測定用パターン９２の上部には、光源１０からの光を分割するための回折格子９４が配置される。なお、第１の波面測定用パターン９２は、例えば、第１のステージ４０に支持され、第１の基準基板３０と交換可能に配置できるように構成される。回折格子９４は、挿脱機構（不図示）によって、照明光学系２０と被検光学系ＯＳの物体面との間に挿脱可能に構成される。

第１の波面測定用パターン９２及び回折格子９４は、回折格子９４で分割された２つの次数の回折光のそれぞれが第１の測定用パターン９２の開口とピンホールを透過するように配置される。かかるピンホールの開口径は、被検光学系ＯＳの回折限界以下であるため、ピンホールを透過した光は、理想球面波に整形されて被検光学系ＯＳに入射する。

被検光学系ＯＳを通過した光は、被検光学系ＯＳの像面に入射する。配置された第２の波面測定用パターン９６に入射する。被検光学系ＯＳの像面には、ピンホールと開口とを含む第２の波面測定用パターン９６が配置される。また、第２の波面測定用パターン９６の下部には、ＣＣＤなどで構成された撮像素子９８が配置される。なお、第２の波面測定用パターン９２及び撮像素子９８は、第２のステージ５０に支持され、第２の基準基板６０及び検出部７０と交換可能に配置できるように構成される。

第１の波面測定用パターン９２の開口を透過した光（以下、「参照光」と称する）は、第２の波面測定用パターン９６のピンホールを透過する。一方、第１の波面測定用パターン９２のピンホールを透過した光（以下、「被検光」と称する）は、第２の波面測定用パターン９６の開口を透過する。

第１の波面測定用パターン９２のピンホールの開口径は、被検光学系ＯＳの回折限界以下であるため、参照光の波面は、理想球面に整形される。また、第２の波面測定用パターン９６の開口の開口径は、被検光学系ＯＳの点像強度分布に対して十分に大きいため、被検光は、被検光学系ＯＳの収差情報を失うことなく、第２の波面測定用パターン９６の開口を透過することができる。従って、被検光は、被検光学系ＯＳに入射する前に理想球面波に整形され、被検光学系ＯＳの通過後、収差情報を失わずに第２の波面測定用パターン９６の開口を透過するため、被検光の波面は、被検光学系ＯＳの波面収差に等しくなる。

撮像素子９８は、第２の波面測定用パターン９６を透過した被検光と参照光との干渉縞（干渉パターン）を撮像する。被検光と参照光とは、像点位置が異なるため、撮像素子９８で撮像される干渉縞にはティルト縞が発生する。撮像素子９８で撮像された干渉縞は、処理部８０に入力される。処理部８０では、干渉縞に発生するティルト縞を利用して、電子モアレ法やＦＦＴ法などによって、被検光学系ＯＳの波面（波面収差）を検出する。なお、第１のステージ４０及び第２のステージ５０のそれぞれは、被検光学系ＯＳの有効画面内で第１の波面測定用パターン９２及び第２の波面測定用パターン９６を駆動することが可能であるため、任意の像高で被検光学系ＯＳの波面を検出することができる。

また、測定装置１Ａは、第１の基準基板３０、第２の基準基板６０及び検出部７０も有しているため、測定装置１と同様に、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を測定することもできる。

処理部８０は、本実施形態では、被検光学系ＯＳの結像性能として、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を含む波面収差を求めるための処理を行う。

以下、図１２を参照して、測定装置１Ａによる被検光学系ＯＳの結像性能（ディストーション及び像面湾曲を含む波面収差）の測定について説明する。なお、かかる測定は、処理部８０が測定装置１Ａの各部を統括的に制御することによって実行される。

Ｓ２０２では、処理部８０は、上述したように、第１の波面測定用パターン９２及び第２の波面測定用パターン９６を用いて、波面検出部９０で検出される被検光学系ＯＳの波面を取得する。なお、被検光学系ＯＳの波面は、Ｓ２０６乃至Ｓ２１８と同様に、複数の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）について取得（検出）する。また、波面検出部９０で検出される被検光学系ＯＳの波面はティルト及びデフォーカスが不定であるため、それらを除去する必要がある。具体的には、波面検出部９０で検出された波面から、その波面のＲＭＳを最小化するティルト成分及びデフォーカス成分を除去する。その結果、波面検出部９０で検出された波面からティルト成分及びデフォーカス成分を除去した第１の波面Ｗ_ｍｅａｓ（Ｓ_ｘ，Ｓ_ｙ；Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）が複数の像高ごとに取得される。

Ｓ２０４では、複数の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）の全てについて、第１の波面Ｗ_ｍｅａｓ（Ｓ_ｘ，Ｓ_ｙ；Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）を取得したかどうかを判定する。複数の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）の全てについて、第１の波面Ｗ_ｍｅａｓ（Ｓ_ｘ，Ｓ_ｙ；Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）を取得していない場合には、次の像高での第１の波面を取得するために、Ｓ２０２に移行する。一方、複数の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）の全てについて、第１の波面Ｗ_ｍｅａｓ（Ｓ_ｘ，Ｓ_ｙ；Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）を取得している場合には、Ｓ２０６に移行する。

図１２に示すＳ２０６乃至Ｓ２１８は、図６に示すＳ１０２乃至Ｓ１１２と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。Ｓ２０６乃至Ｓ２１８では、複数の像高（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）ごとに位相φ_ｘ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、φ_ｘ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、φ_ｙ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）及びφ_ｙ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）が取得される。

Ｓ２１８では、処理部８０は、被検光学系ＯＳの結像性能として、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を含む波面収差を求める。ティルト成分及びデフォーカス成分を含む波面収差Ｗ_ａｌｌは、第１の波面Ｗ_ｍｅａｓ、ティルト波面Ｗ_ｔｉｌｔとデフォーカス波面Ｗ_ｄｅｆの和として、以下の式１２で表される。

φ’_ｘ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ），φ’_ｘ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、φ’_ｙ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）及びφ’_ｙ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）を、以下の式１３で定義する。φ’_ｘ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ），φ’_ｘ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、φ’_ｙ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）及びφ’_ｙ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）は、φ_ｘ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、φ_ｘ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）、φ_ｙ１（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）及びφ_ｙ２（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）を第１の波面Ｗ_ｍｅａｓで補正した位相（位相差）である。

被検光学系ＯＳの瞳面における第１の周期パターン３１２からの２つの回折光の入射位置及び第２の周期パターン３１６からの２つの回折光の入射位置が第１の実施形態と同じであるとする。この場合、式１２及び式１３から、ティルト（ｄＸ、ｄＹ）及びデフォーカス（ｄＺ）は、以下の式１４で表される。

従って、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を含む波面収差は、以下の式１５で表される。なお、被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を含む波面収差は、全ての像高について求める。

このように、本実施形態では、波面検出部９０で検出された波面からその波面のＲＭＳを最小化するティルト成分及びデフォーカス成分を除去して第１の波面を求める（第１の処理）。また、第１の回折条件及び第２の回折条件のそれぞれについて、周期パターン３１０からの２つの回折光のそれぞれが被検光学系ＯＳの瞳面に入射する位置間における第１の波面の位相差を求める（第２の処理）。更に、第１の回折条件及び第２の回折条件のそれぞれについて、第１の波面の位相差と周期パターン３１０からの２つの回折光間の位相差とが一致するティルト成分及びデフォーカス成分を求める（第３の処理）。そして、かかるティルト成分及びデフォーカス成分を第１の波面に加えることで被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を含む波面収差を求める（第４の処理）。

被検光学系ＯＳのディストーション及び像面湾曲を含む波面収差を用いれば、任意のパターン及び照明条件に対して、ディストーション及び像面湾曲を含む結像性能を求めることが可能となるため、被検光学系ＯＳをより厳密に評価することができる。
＜第３の実施形態＞
図１３は、本発明の第３の実施形態としての露光装置８００の構成を示す概略図である。露光装置８００は、例えば、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル８２０のパターンをウエハ８４０に転写する走査型露光装置（スキャナー）である。露光装置８００は、照明装置８１０と、レチクル８２０及び第１の基準基板３０を支持するレチクルステージ８２５と、投影光学系８３０と、ウエハ８４０、第２の基準基板６０及び検出部７０を支持するウエハステージ８４５と、制御部８５０とを有する。なお、露光装置８００には、後述するように、測定装置１が適用されているが、測定装置１Ａも同様に適用可能であることは言うまでもない。

照明装置８１０は、転写用の回路パターンが形成されたレチクル８２０及び第１の基準基板３０を照明し、光源８１２と、照明光学系８１４とを有する。

光源８１２は、例えば、光源としてエキシマレーザーを使用する。エキシマレーザーは、波長約２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長約１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーなどを含む。但し、光源８１２の光源はエキシマレーザーに限定されず、例えば、波長約３６５ｎｍの水銀のｉ線などを使用してもよい。

照明光学系８１４は、レチクル８２０及び第１の基準基板３０を照明する光学系であり、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、位相板、回折光学素子、絞り等を含む。

レチクル８２０は、回路パターンを有し、レチクルステージ８２５に支持及び駆動される。レチクル８２０から発せられた回折光は、投影光学系８３０を介して、ウエハ８４０に投影される。露光装置８００は、スキャナーであるため、レチクル８２０とウエハ８４０を走査することによって、レチクル８２０のパターンをウエハ８４０に転写する。

レチクルステージ８２５は、レチクル８２０及び第１の基準基板３０を支持し、例えば、リニアモータなどを利用して、レチクル８２０及び第１の基準基板３０を駆動する。

投影光学系８３０は、レチクル８２０のパターンをウエハ８４０に投影する光学系である。投影光学系８３０は、屈折系、反射屈折系又は反射系の光学系を使用することができる。

ウエハ８４０は、レチクル８２０のパターンが投影（転写）される基板であり、ウエハステージ８４５に支持及び駆動される。但し、ウエハ８４０の代わりにガラスプレートやその他の基板を用いることもできる。

ウエハステージ８４５は、ウエハ８４０、第２の基準基板６０及び検出部７０を支持し、例えば、リニアモータを利用して、ウエハ８４０、第２の基準基板６０及び検出部７０を駆動する。

制御部８５０は、ＣＰＵ、メモリを有し、露光装置８００の動作を制御する。また、制御部８５０は、本実施形態では、投影光学系８３０の結像性能（ディストーションや像面湾曲など）を求めるための処理を行う。制御部８５０は、求めた投影光学系８３０の結像性能に基づいて、投影光学系８３０を含む露光装置８００の各部を調整する。

露光装置８００では、照明装置８１０、レチクルステージ８２５、ウエハステージ８４５及び制御部８５０のそれぞれは、上述した光源１０、照明光学系２０、第１のステージ４０、第２のステージ５０及び処理部８０として機能する。従って、照明装置８１０、第１の基準基板３０、レチクルステージ８２５、第２の基準基板６０、検出部７０、ウエハステージ８４５及び制御部８５０は、測定装置１を構成し、被検光学系としての投影光学系８３０の結像性能を測定する。

露光装置８００の動作において、まず、投影光学系８３０の結像性能を測定する。投影光学系８３０の結像性能は、上述したように、測定装置１を構成する第１の基準基板３０、レチクルステージ８２５、第２の基準基板６０、検出部７０、ウエハステージ８４５及び制御部８５０によって測定される。投影光学系８３０の結像性能が測定されると、かかる測定結果に基づいて、所定の結像性能を実現するように、投影光学系８３０を含む露光装置８００の各部が調整される。

次いで、レチクル８２０のパターンをウエハ８４０に転写する。なお、投影光学系８３０の物体面及び像面のそれぞれに配置されている第１の基準基板３０及び第２の基準基板６０は、レチクルステージ８２５及びウエハステージ８４５によって、レチクル８２０及びウエハ８４０に置換される。光源８１２から発せられた光束は、照明光学系８１４によってレチクル８２０を照明する。レチクル８２０のパターンを反映する光は、投影光学系８３０によってウエハ８４０上に結像する。この際、投影光学系８３０の結像性能は、所定の結像性能を実現するように調整されている。従って、露光装置８００は、高いスループットで経済性よく高品位なデバイス（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。かかるデバイスは、露光装置８００を用いてフォトレジスト（感光剤）が塗布された基板（ウエハ、ガラスプレート等）を露光する工程と、露光された基板を現像する工程と、その他の周知の工程と、を経ることによって製造される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態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。例えば、本実施形態では、第１の基準基板からの光の強度を検出する際に、被検光学系の光軸に垂直な方向に第２の基準基板を駆動しているが、第２の基準基板を固定して第１の基準基板を駆動してもよい。

Claims (7)

1. 被検光学系の結像性能を測定する測定装置であって、
   前記被検光学系の物体面に配置され、複数の物体高のそれぞれに応じて配置された周期パターンを有する第１の基準基板と、
   前記被検光学系の像面に配置され、前記周期パターンからの光を透過する開口を有する第２の基準基板と、
   前記開口を透過した前記周期パターンからの光の強度を検出する検出部と、
   前記第１の基準基板及び前記第２の基準基板の少なくとも一方を駆動する駆動部と、
   前記被検光学系の結像性能を求めるための処理を行う処理部と、
   を有し、
   前記処理部は、
   前記周期パターンから前記被検光学系の瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光が生じる第１の回折条件において、前記駆動部によって前記第１の基準基板及び前記第２の基準基板の少なくとも一方を前記被検光学系の光軸に垂直な方向に駆動したときに前記検出部で検出される前記周期パターンからの光の強度の変化から前記２つの回折光間の位相差を前記複数の物体高に対応する複数の像高のそれぞれについて求め、
   前記周期パターンから前記瞳面上の２つの位置を通過する２つの回折光が生じ、且つ、当該２つの回折光のうち少なくとも１つの回折光の前記瞳面に入射する位置が前記第１の回折条件において前記周期パターンから生じる２つの回折光のそれぞれの前記瞳面に入射する位置と異なる第２の回折条件において、前記駆動部によって前記第１の基準基板及び前記第２の基準基板の少なくとも一方を前記光軸に垂直な方向に駆動したときに前記検出部で検出される前記周期パターンからの光の強度の変化から前記２つの回折光間の位相差を前記複数の物体高に対応する複数の像高のそれぞれについて求め、
   前記第１の回折条件における前記複数の像高での前記２つの回折光間の位相差と前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置、及び、前記第２の回折条件における前記複数の像高での前記２つの回折光間の位相差と前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置に基づいて、前記被検光学系の像面湾曲を含む結像性能を求めることを特徴とする測定装置。
2. 前記処理部は、前記被検光学系の結像性能として、前記第１の回折条件における前記複数の像高での前記２つの回折光間の位相差と前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置、及び、前記第２の回折条件における前記複数の像高での前記２つの回折光間の位相差と前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置に基づいて、前記被検光学系のディストーションを更に求めることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記被検光学系の波面を検出する波面検出部を更に有し、
   前記処理部は、
   前記波面検出部で検出された波面からその波面のＲＭＳを最小化するティルト成分及びデフォーカス成分を除去して第１の波面を求める第１の処理と、
   前記第１の回折条件及び前記第２の回折条件のそれぞれについて、前記２つの回折光のそれぞれが前記瞳面に入射する位置間における前記第１の波面の位相差を求める第２の処理と、
   前記第１の回折条件及び前記第２の回折条件のそれぞれについて、前記第２の処理で求めた前記第１の波面の位相差と前記２つの回折光間の位相差とを用いてティルト成分及びデフォーカス成分を求める第３の処理と、
   前記第１の処理で求めた前記第１の波面に前記第３の処理で求めたティルト成分及びデフォーカス成分を加えて前記被検光学系のディストーション及び像面湾曲を含む波面収差を求める第４の処理と、
   を行うことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 前記開口は、前記周期パターンを前記被検光学系の像面に投影した像の寸法よりも小さい寸法を有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記周期パターンは、前記第１の回折条件において使用される第１の周期パターンと、前記第２の回折条件において使用される第２の周期パターンとを含み、
   前記第１の周期パターンは、振幅透過率が一定であり、且つ、位相が０又はπとなる位相型の周期パターンであり、
   前記第２の周期パターンは、振幅透過率が２値をとり、且つ、振幅透過率の変化の半周期ごとに位相が０からπの間で変化する位相振幅変調型の周期パターンであることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の測定装置。
6. レチクルのパターンを基板に投影する投影光学系と、
   前記投影光学系を被検光学系として結像性能を測定する測定装置と、
   を有し、
   前記測定装置は、請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の測定装置であることを特徴とする露光装置。
7. 請求項６に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
   露光された前記基板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の製造方法。

Images