JPWO2002042728A1 - 投影光学系の収差計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
高精度に投影光学系の収差を計測できる収差計測方法及び装置である。レチクル（９）上の微少計測パターン（１０ａ）及び大計測パターン（１０ｂ）を互いに可干渉性を有する照明光で照明する。計測パターン（１０ａ及び１０ｂ）を透過した光束はそれぞれ計測対象の投影光学系（ＰＬ）を透過して、基準パターン板（１２）上の大基準パターン（１３ａ）及び微少基準パターン（１３ｂ）上に計測パターンの像を形成する。基準パターン（１３ａ及び１３ｂ）を透過した光束はレンズ系（１５）を経て撮像素子（１６）上に干渉縞を形成する。この干渉縞の状態から投影光学系の波面収差を計測する。
Description
技術分野
本発明は、種々のパターンの像を形成する投影光学系の収差計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置に関し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのフォトリソグラフィ工程中で、マスクパターンを感光基板上に転写するために使用される投影露光装置の投影光学系の収差計測を行う場合に使用して好適なものである。
背景技術
半導体集積回路、液晶ディスプレイ等の電子デバイスの微細パターンを形成するためのフォトリソグラフィ工程では、形成すべきパターンを４〜５倍程度に比例拡大して描画したマスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを、一括露光方式等の投影露光装置（ステッパー等）を用いて被露光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に縮小転写する方法が用いられている。
その微細パターンの転写に使用される投影露光装置においては、半導体集積回路の微細化に対応するために、その露光波長がより短波長側にシフトして来ている。現在、その露光波長はＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍが主流となっているが、より短波長の実質的に真空紫外域（ＶＵＶ：Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）とみなすことができるＡｒＦエキシマレーザの１９３ｎｍも実用化段階に入りつつある。そして、更に短波長の波長１５７ｎｍのＦ２レーザや、波長１２６ｎｍのＡｒ２レーザ等の真空紫外域の露光光源を使用する投影露光装置の提案も行なわれている。
また、短波長化のみでなく、投影露光装置に搭載される投影光学系の開口数（ＮＡ）の増大によっても高解像度化は可能であるので、より一層の大ＮＡ化が行われた投影光学系の開発もなされている。この場合、投影光学系の露光視野（露光フィールド）が小さい方が大ＮＡ化に有利であるので、投影光学系自体の視野を小さくする代わりに、露光中にレチクルとウエハとを相対走査して実質的に大視野を確保するステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光方式の投影露光装置も実用化されている。
これらの投影露光装置の投影光学系には、高解像度実現のために、その残存収差が極めて小さいことが要求される。従って、投影光学系の製造工程では、光の干渉を利用した波面収差計測を行なって残存収差量を露光波長の１／１０００程度の精度で計測し、その計測値に基づいて光学部材の位置関係等の調整を行なっている。このような微少量の収差の計測には、レチクル上の１点を発し投影光学系内の各光路を経てウエハ上の１点に到達するまでの光路長が、各光路によってどのように変化するかで表した、波面収差を計測するのが一般的である。波面収差の計測のために、干渉計の原理を応用したいくつかの方法が実用化及び提案されている。
従来の計測技術の内で、露光波長と同一の波長のレーザを光源とするフィゾー干渉計は、計測精度が高く、投影光学系の波面収差の計測に適している。しかしながら、光源となるレーザには、１ｍ以上の長さである投影光学系の光路の往復距離以上（２ｍ以上）の、進行方向への可干渉距離（時間的コヒーレンス長）が必要とされる。露光波長がＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍの場合には、その波長にほぼ等しく、かつ時間的コヒーレンスの長いレーザ（例えばアルゴンレーザの高調波や半導体レーザの高調波）が使用可能であるが、露光波長がＡｒＦエキシマレーザの１９３ｎｍやＦ２レーザの１５７ｎｍの場合には、その波長と同じ波長の時間的コヒーレンスの長いレーザが存在せず、別の手法による波面収差計測が必要となる。
更に、露光波長が１００ｎｍ程度以下と短くなる極紫外線露光技術（ＥＵＶＬ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）においても、真空紫外域と同様に、計測用の時間的コヒーレンスの長い光源が存在しないため、ＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）と呼ばれる手法の適用が検討されている。ＰＤＩでは、例えば文献１（Ｅｄｉｔａ Ｔｅｊｎｉｌ ｅｔ ａｌ．”Ａｔ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｏｒｙ ｆｏｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂ１５（６），ｐｐ．２４５５−２４６１（１９９７））、及び文献２（Ａ．Ｋ．Ｒａｙ−Ｃｈａｕｄｈｕｒｉ ｅｔ ａｌ．”Ａｔ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ ｃａｍｅｒａ ｆｒｏｍ ｌｏｗ ｔｏ ｍｉｄ−ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐａｃｔ ｌａｓｅｒ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ”：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂ１５（６），ｐｐ．２４６２−２４６６（１９９７））等に開示されているように、先ず、レチクル面上（又はウエハ面上）に設けたピンホールをウエハ側（又はレチクル側）に投影し、その像又はその拡大像を回折格子で分割して微少距離離れた２つ（又は２つ以上）の像を形成する。続いて、１つの回折光に相当する１つの像を、微少ピンホール上に投影し透過させる。また、他の回折光に相当する１つの像を大透過パターンで透過させ、それらの透過光を検出光学系を介して、上記微少ピンホール及び大透過パターンに対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上で干渉させ、干渉縞を形成させる。そして、干渉縞の形状を解析することで、投影光学系の収差が計測される。
ＰＤＩの原理を簡単に説明すると、レチクル上の微少ピンホールを透過した光束は、微少ピンホールによる回折作用により、投影光学系の開口数いっぱいに広がって投影光学系を通過するとともに、それ以前の、即ち照明光学系によって与えられた波面収差情報を失う。像面近傍の回折格子で分割されて形成される２つの像は、ほぼ同様の投影光学系の波面収差情報を含むが、そのうち一方は、像面上に形成された微少ピンホールの回折作用により、再び投影光学系の波面収差情報を失ない、一様な球面波となって微少ピンホールより射出される。しかし、一方の大透過パターンを透過する像からの光束は、投影光学系の波面収差を有しているので、光学的フーリエ変換面（瞳面）上に形成される干渉縞は、投影光学系の波面収差を反映したものとなり、干渉縞の計測により投影光学系の波面収差計測が可能となるのである。ＰＤＩは、ＥＵＶＬ用の投影光学系のみならず、ＡｒＦエキシマレーザやＦ２レーザ等を光源とする露光装置の投影光学系にも原理的には適用可能である。
上記の如くＰＤＩを適用することによって、遠紫外域（波長３００〜２００ｎｍ程度）、真空紫外域（ＶＵＶ：波長２００〜１００ｎｍ程度）、更にはＥＵＶ域（波長１００ｎｍ程度以下）で使用される投影光学系の収差を原理的には計測可能である。しかしながら、従来のＰＤＩを実際に投影光学系の収差計測に適用するには、以下のような問題がある。
即ち、従来のＰＤＩでは、レチクル上のピンホールと、ウエハ面（像面）上のピンホールとが厳密な結像関係を保つように、正確に位置合わせする必要がある。このときに要求される位置合わせ精度は、投影光学系の解像度の１０％程度であり、例えば１００ｎｍの解像度の光学系の場合、１０ｎｍの位置合わせ精度を達成しないと、正確な収差計測ができない。ところが、実際には、投影光学系のディストーションや、収差計測装置自体の計測用のレチクルパターン上のピンホールの位置誤差や、検出光学系の位置制御誤差等により、上記位置合わせ精度を達成することは困難であった。
本発明は斯かる点に鑑み、時間的コヒーレンスの長いレーザを必要とせず、かつ安定度の高い投影光学系の収差計測技術を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、従来技術に比べて高い位置合わせ精度を必要とすることなく、高精度に投影光学系の収差計測を行うことができる収差計測技術を提供することを第２の目的とする。
発明の開示
本発明による第１の投影光学系の収差計測方法は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測方法において、その第１面上に第１の計測パターン（１０ａ）とこの第１の計測パターンよりも大きい第２の計測パターン（１０ｂ）とを配置し、その第２面又はこの第２面に共役な面上に第１の基準パターン（１３ａ）とこの第１の基準パターンよりも小さい第２の基準パターン（１３ｂ）とを配置し、その第１及び第２の計測パターンの像をそれぞれその投影光学系を介してその第１及び第２の基準パターン上に形成し、その２つの基準パターンの配置面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上でその２つの基準パターンを通過した光束の光量分布を計測し、この計測結果よりその投影光学系の収差計測を行うものである。
斯かる本発明においては、その第１及び第２の計測パターンはそれぞれ微少計測パターン及び大計測パターンとも呼ぶことができ、その第１及び第２の基準パターンはそれぞれ大基準パターン及び微少基準パターンとも呼ぶことができる。そして、例えばそれら２つの計測パターンを互いに可干渉性を有する照明光で照明して、その２つの基準パターンの配置面に対する瞳面で両計測パターンを通過した光束を比較すると、その第１の計測パターン（微少計測パターン）とその第１の基準パターン（大基準パターン）とを通過した第１光束は、その投影光学系の通過後のその第１の基準パターンでの回折作用が弱いために、その投影光学系の波面収差情報を持ったままその第１の基準パターンを通過して、概ね平面波となって瞳面に到達する。一方、その第２の計測パターン（大計測パターン）とその第２の基準パターン（微少基準パターン）とを通過した第２光束は、その第２の基準パターンの回折作用によってその投影光学系の波面収差情報が失われて、その第２の基準パターンを起点とする球面波となって射出され、概ね平面波となって瞳面に到達する。
ただし、その第１及び第２の光束の瞳面への入射角は、２つの基準パターンの間隔に応じて異なるため、両光束は入射角の異なる平面波が形成する干渉縞とほぼ同様な干渉縞を瞳面に形成することになる。従って、この干渉縞の形状を計測及び解析することにより、その第１の基準パターン（微少計測パターン）、及びその第１の基準パターン（大基準パターン）を通過した光束の持つ波面収差、即ちその投影光学系の波面収差を計測することが可能である。
本発明において、その第１の基準パターンは、その投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであり、その第２の基準パターンは、その投影光学系の解像限界程度以下の大きさであることが望ましい。この場合の解像限界は像面（第２面）側の解像限界である。これによって、その第１の基準パターンを通過する光束はその投影光学系の波面収差情報を良好に保持し、その第２の基準パターンを通過する光束はその投影光学系の波面収差情報をほぼ完全に失うため、投影光学系の収差を高精度に計測できる。
同様に、その第１の計測パターンは、その投影光学系の解像限界程度以下の大きさであり、その第２の計測パターンは、その投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであることが望ましい。この場合の解像限界は物体面（第１面）側の解像限界である。これによって、その第１の計測パターン（微少計測パターン）を通過する光束はそれまでの光学系（照明光学系等）の波面収差情報をほぼ完全に失い、その第２の計測パターン（大計測パターン）を通過してからその第２の基準パターン（微少基準パターン）を通過する光束もそれまでの光学系の波面収差情報をほぼ完全に失うため、それまでの光学系の特性に影響されることなく、その投影光学系自体の収差を高精度に計測できる。
また、その第１及び第２の計測パターンを相互に可干渉性を持つ光束で照明し、その２つの計測パターンを照明する光束同士の位相関係を変化させつつ、その光量分布の計測を複数回行うことが望ましい。これにより平均化効果で計測精度を高めることができる。
また、その２つの計測パターンをその第１面上の複数の位置に配置し、その投影光学系の収差を複数の位置で計測することが望ましい。
また、その投影光学系の収差計測とは別に、その第１面上にその第１及び第２の計測パターンの代わりに、その第２の計測パターンと同程度以上の大きさの第３及び第４の計測パターン（１０ｃ，１０ｄ）を配置し、その第１及び第２の基準パターン（１３ａ，１３ｂ）が配置されている状態で、この第１及び第２の基準パターンに対して結像関係となる位置にそれぞれこの第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）を配置してその光量分布の計測を行い、この計測結果に基づいてその投影光学系の収差計測結果を補正することが望ましい。
このときに、その第２の基準パターン、及び第３の基準パターン（初期基準パターン）によって、それより前の光学系（投影光学系を含む）の波面収差情報がほぼ完全に失われるため、その基準パターンの配置面からその受光面（瞳面）までの光学系を計測光学系とすると、その光量分布計測によってその計測光学系の波面収差を計測できる。従って、この計測結果分だけ上記の投影光学系の波面収差の計測値を補正することで、その計測方法（計測装置）のキャリブレーションを行うことができ、結果としてその投影光学系の波面収差の計測精度が向上する。
この場合、その第３及び第４の計測パターンは、一体化した大きな透過パターンであってもよい。また、その第４の基準パターンは、その第２の計測パターンのその投影光学系による像と同程度の大きさであることが望ましい。
また、本発明の第２の投影光学系の収差計測方法は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測方法において、その投影光学系を通る照明光を、計測光学系（１５）を介して検出してその投影光学系の収差情報を求めるとともに、その投影光学系、及び大きさが互いに異なる第１及び第２の基準パターン（１３ａ，１３ｂ）を通過する照明光を、その第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）を介して検出してその計測光学系の収差情報を求め、その２つの収差情報に基づいてその投影光学系の収差計測を行うものである。
斯かる発明によれば、その第１の収差計測方法のキャリブレーションを行うことができる。
次に、本発明の第１の投影光学系の収差計測装置は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系（ＰＬ）の収差計測装置において、その第１面に対応する面上に配置された第１の計測パターン（１０ａ）、及びこの第１の計測パターンよりも大きい第２の計測パターン（１０ｂ）と、その２つの計測パターンを照明する照明光学系（８）と、その第２面又はこの第２面に共役な面に対応する面上に配置された第１の基準パターン（１３ａ）、及びこの第１の基準パターンよりも小さい第２の基準パターン（１３ｂ）と、その２つの計測パターンを通過した後、その投影光学系を介してその２つの基準パターンを通過する光束を光学的にフーリエ変換する計測光学系（１５）と、その２つの基準パターンの配置面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上でその２つの基準パターンを通過した光束の光量分布を計測する光量分布検出装置（１６）とを有するものである。
斯かる発明によって本発明の第１の収差計測方法を実施することができる。
この場合、その２つの計測パターンは、その第１面に対応する面上の異なる位置に複数対を配置し、その２つの基準パターン及びその光量分布検出装置を、その複数対の計測パターンの像に対応する位置に順次移動する駆動装置（１４，２０）を設けることが望ましい。これによって、その投影光学系の視野内の複数の位置で収差計測を行うことができる。
また、その２つの計測パターンと交換自在に配置されて、その第２の計測パターンと同程度以上の大きさを持つ第３及び第４の計測パターン（１０ｃ，１０ｄ）と、その２つの基準パターンが配置されている状態で、この２つの基準パターンに対して結像関係となる位置に挿脱自在に配置されて、その第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）とを設けることが望ましい。これらを用いることによって、この投影光学系の収差計測装置のキャリブレーションを行うことができる。
また、その照明光学系は、その第１及び第２の計測パターンを相互に可干渉性を持つ光束で照明することが望ましい。このためには、一例としてその照明光学系は、ピンホール又は回折格子を備えればよい。
また、その照明光学系は、その２つの計測パターンに照射される照明光の位相関係を可変する位相可変装置を有することが望ましい。
次に、本発明の第２の投影光学系の収差計測装置は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測装置において、その投影光学系の収差情報を得るために、その投影光学系を通る照明光を、計測光学系（１５）を介して検出する検出装置（１６）と、その計測光学系の収差情報を計測するときにその投影光学系を通った照明光の光路上に配置される、大きさが互いに異なる第１及び第２の基準パターン（１３ａ，１３ｂ）、及びこの第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）とを備え、その２つの収差情報に基づいてその投影光学系の収差計測を行うものである。
斯かる発明によって、その第１の投影光学系の収差計測装置のキャリブレーションを行うことができる。
次に、本発明の露光装置の製造方法、及び露光方法は、それぞれ第１物体（Ｒ）を露光ビームで照明し、その第１物体のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）上に露光する露光装置の製造方法、及び露光方法において、本発明の何れかの収差計測方法を用いてその投影光学系の収差を計測するものである。
また、本発明の第１の露光装置は、第１物体を露光ビームで照明し、その第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光装置において、本発明の何れかの収差計測装置を備えたものである。
また、本発明の第２の露光装置は、第１物体を露光ビームで照明し、その第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光装置において、本発明の何れかの収差計測方法を用いて計測された収差に基づいて光学素子の交換又は調整が行われた投影光学系を備えたものである。
また、本発明のデバイス製造方法は、本発明の露光装置を用いてマスクパターンをワークピース上に転写する工程を含むものである。
斯かる露光装置の製造方法、露光方法、露光装置、及びデバイス製造方法によれば、例えばその投影光学系の収差の計測結果に応じて、その投影光学系の結像特性を補正することによって、常に高い露光精度が得られる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい第１の実施の形態につき図１〜図６を参照して説明する。本例は、投影露光装置に搭載される投影光学系の収差を計測する場合に本発明を適用したものである。
図１は、本例の投影光学系の収差測定装置を示す概略構成図であり、この図１において、光源１としては、収差計測対象の投影光学系ＰＬで露光時に使用される露光光（露光ビーム）と同じ波長の照明光を発生する光源としての、真空紫外域（ＶＵＶ）のＦ２レーザ（発振波長１５７ｎｍ）が使用されている。それ以外に露光光源（光源１）として、Ａｒ２レーザ（波長１２６ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、ＹＡＧレーザの高調波発生装置、又は半導体レーザの高調波発生装置等の実質的に真空紫外域の光源を使用する場合にも本発明は有効である。更に、光源として、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）や水銀ランプ（ｉ線、ｇ線等）等の光源を使用する場合にも本発明が適用できる。
光源１から射出された照明光ＩＬは、整形光学系３、ビームエキスパンダ５、及び光路折り曲げ用のミラー７等を経て照明光学系８に達する。そして、照明光学系８から射出された照明光ＩＬは、１対の計測パターン１０（詳細後述）等が描画されたレチクル９に入射する。照明光学系８は、１対の計測パターン１０を互いに可干渉な照明光で照明する。そして、計測パターン１０を透過した１対の光束ＩＬａ，ＩＬｂは、収差計測対象の投影光学系ＰＬを経て、光透過性の基準パターン板１２上に計測パターン１０の投影像を形成する。ここで、レチクル９はそのパターン面が投影光学系ＰＬの物体面（第１面）と実質的に一致するように配置され、基準パターン板１２はその表面（基準パターン１３の形成面）が投影光学系ＰＬの像面（第２面）と実質的に一致するように配置されている。本例の投影光学系ＰＬのレチクル９（第１面）から基準パターン板１２（第２面）に対する投影倍率は、一例として１／４、１／５等の縮小倍率である。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
先ず、レチクル９は、不図示のレチクルベース上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されたレチクルステージ２１上に吸着保持されている。そして、本例では、レチクル９の計測パターン１０の投影像を形成する光束を、上記の基準パターン板１２、計測光学系としてのレンズ系１５、光量分布検出装置としてのＣＣＤ型等の２次元の撮像素子１６、及びこれらを収納する箱状のフレーム機構を含む計測機構１４によって検出する。この場合、基準パターン板１２の上面は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直で、レチクル９のパターン面（物体面）に対する共役面（像面）となっており、その上面で計測パターン１０の投影像の形成される位置に１対の基準パターン１３（詳細後述）が形成されている。更にレンズ系１５は、その基準パターン板１２を透過した光束を集光して、その基準パターン板１２の上面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）に、その基準パターン板１２を透過した光束の光学的フーリエ変換像を形成し、撮像素子１６は、その瞳面上での２次元的な光量分布を撮像し、撮像信号を外部の画像処理プロセッサ等の解析装置１９に供給する。
また、計測機構１４は、エアーベリング等を介してベース部材２０上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されており、計測機構１４のＸ方向、Ｙ方向の端部に固定された移動鏡１７、及び対応して配置されたレーザ干渉計１８によって計測機構１４のＸ方向、Ｙ方向の位置、及びＺ軸の回りの回転角等が所定のサンプリングレートで計測されており、計測値が制御装置２３に供給されている。制御装置２３は、計測値に基づいて駆動系２２及び不図示のリニアモータ等の駆動装置を介して計測機構１４の位置を制御する。
本例のレチクル９上には１対の計測パターン１０とそれぞれ同じ複数対の計測パターンが、投影光学系ＰＬの視野内の異なる複数の位置（例えば光軸ＡＸからの距離が異なる複数の位置）に形成されており、それら複数対の計測パターンの投影像の位置に基準パターン１３が順次重なるように計測機構１４が駆動され、各計測パターン対に対して撮像素子１６によって光量分布が検出される。なお、そのようにレチクル９上に複数対の計測パターンを形成する代わりに、レチクル９上には１対の計測パターン１０のみを形成しておき、レチクルステージ２１を駆動してその計測パターン１０を投影光学系ＰＬの視野内の異なる位置に移動して計測を行ってもよい。
解析装置１９は、１対の計測パターン１０、又は異なる位置の複数対の計測パターンに対する瞳面上での２次元的な光量分布情報より投影光学系ＰＬの所定の収差（本例では波面収差）を求め、求めた収差を制御装置２３を介して不図示のホストコンピュータに送信する。その収差が許容範囲を超えているときには、例えばその収差を許容範囲内に収めるように、投影光学系ＰＬ内の所定の光学素子（レンズ、凹面鏡、収差補正板等）の位置の微調整等が行われる。このとき、投影光学系ＰＬの光学素子の再加工或いは交換などを行うようにしてもよい。
なお、投影光学系ＰＬがＡｒＦエキシマレーザ又はＦ２レーザ等のように実質的に真空紫外域の露光光のもとで使用される場合には、光源１からは波長がほぼ２００ｎｍ程度以下の照明光ＩＬが射出されるが、その波長域の照明光ＩＬは、通常の空気（特に酸素）により強い吸収を受ける。そこで、撮像素子１６によって光量分布を検出できるようにするために、光源１から撮像素子１６までの全光路上の気体を、照明光ＩＬの波長に対する吸収性の弱い気体、例えば窒素、又は希ガス（例えばヘリウム、ネオン、アルゴン等）等で置換する必要がある。なお、その光路上の気体を窒素又は希ガスなどで置換する代わりに、その光路を実質的に真空としてもよい。また、照明光学系８、レチクル９、投影光学系ＰＬ、基準パターン板１２、及びレンズ系１５（計測光学系）等で使用する各種光学部材についても、照明光ＩＬを良好に透過する材料（合成石英、所定の不純物をドープした合成石英、又は螢石（ＣａＦ２）など）を使用する必要がある。
続いて本例の計測パターン１０及び計測機構１４等につき図２〜図４を参照して詳細に説明する。
図４（Ａ）は、図１に示した収差計測装置中のレチクル９から撮像素子１６までの部分を示す拡大図であり、この図４（Ａ）において、レチクル９の下面（投影光学系ＰＬ側の面）には、遮光膜を背景として、投影光学系ＰＬのレチクル９側における解像限界程度、又はこれ以下の直径ｄ１の円形透過領域からなる微少計測パターン１０ａと、上記解像限界程度よりも大きい直径ｄ２（ｄ２＞ｄ１）の円形透過領域からなる大計測パターン１０ｂとが、所定の間隔Ｐ１だけ離れて形成されている。図２に、その１対の微少計測パターン１０ａ、及び大計測パターン１０ｂ（図１の１対の計測パターン１０）の拡大図を示す。
投影光学系の解像限界とは、一般に投影光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλとして、近似的に次式で表される。
解像限界＝０．５×λ／ＮＡ …（１）
また、本例の投影光学系ＰＬを含めて通常の投影光学系は、マスクとしてのレチクル上のパターンの像を基板としてのウエハ上に縮小投影するため、レチクル側はウエハ側に対して、４倍から５倍程度の横倍率（結像倍率Ｍ）が掛かっている。そして、投影光学系の開口数に関しても、レチクル側の開口数は、ウエハ側の開口数の１／Ｍとなっている。
本例の投影光学系ＰＬを、例えば露光波長が１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ）で、ウエハ側開口数が０．７５であるとして、その結像倍率Ｍ（基準パターン板１２からレチクル９に対する倍率）が５倍であるならば、レチクル９側の開口数は０．１５であり、（１）式の解像限界は０．１０５μｍ程度となり、レチクル側の解像限界は０．５２３μｍ程度となる。従って、本例の微少計測パターン１０ａの直径ｄ１は、上記解像限界程度以下の０．４μｍ程度以下にすると良い。
一方、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２は、（１）式の解像限界程度よりも大きい値であればよいが、直径ｄ２は望ましくはその解像限界の１０倍程度以上であればよい。その解像限界はレチクル側では０．５２３μｍ程度であるため、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２は、本例ではその１０倍の５μｍ程度以上とすると良い。
そして、本例では計測パターン１０ａ及び１０ｂに相互に可干渉性のある照明光が照射される。この計測パターン１０ａ及び１０ｂからの透過光は、それぞれ投影光学系ＰＬにより集光され、投影光学系ＰＬの像面（ウエハ側）に配置された基準パターン板１２上の大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂ上に投影される。大基準パターン１３ａは、投影光学系ＰＬのウエハ側の解像限界よりも大きく、望ましくはその解像限界の１０倍程度以上の大きさの透過部からなり、微少基準パターン１３ｂはその解像限界程度の大きさの透過部からなる。
図４（Ａ）において、微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの投影像を形成する実線で示す光束ＩＬａ及び破線で示す光束ＩＬｂは、それぞれ大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとを透過する。そして、光束ＩＬａ，ＩＬｂは計測光学系としてのレンズ系１５によって集光され、その基準パターン１３ａ，１３ｂの形成面に対する光学的フーリエ変換面（レンズ系１５の瞳面）上に配置される撮像素子１６上に照射される。上記のように、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとは、相互に可干渉性のある照明光で照明されているので、この２つの計測パターン１０ａ，１０ｂを透過した光束ＩＬａ，ＩＬｂは、その瞳面上の撮像素子１６上に干渉縞を形成することになる。
なお、上記のレチクル側解像限界とウエハ側解像限界との比は、投影光学系ＰＬの結像倍率Ｍに等しく、投影光学系ＰＬの両側の開口数（ＮＡ）の比の逆数に等しい。
本例の投影光学系ＰＬはレチクルのパターンを縮小してウエハ上に転写する縮小光学系であり、その結像倍率Ｍ（ウエハからレチクルに対する倍率）は４倍又は５倍である。しかし、以下の説明においては、簡略化のために投影光学系ＰＬを等倍と仮定し、両側での開口数ＮＡが等しいものとして説明する。なお、以下の説明は、両側での解像限界や開口数を結像倍率に応じて変更することで、縮小光学系においても同様に成り立つことは言うまでもない。
その微少計測パターン１０ａからの透過光は、そのパターンの直径（大きさ）ｄ１に対して、ほぼｓｉｎθ＝λ／ｄ１（λは露光波長）で定まる回折角θの範囲内で回折し、投影光学系ＰＬの中をその回折角に応じた拡がりをもって進行することになる。本例の微少計測パターン１０ａの直径ｄ１は解像限界程度であるため、（１）式よりほぼ次の関係が成立する。
ｓｉｎθ＝λ／ｄ１＝２×ＮＡ …（２）
即ち、微少計測パターン１０ａからの光束ＩＬａは、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡの２倍程度の拡がりをもって、投影光学系ＰＬ中を通過することになる。そのうち ｓｉｎθ≧ＮＡ を満たす角度で拡がる光束は、投影光学系ＰＬの開口絞り１１等により遮蔽されることになるが、微少計測パターン１０ａを透過した光束ＩＬａは、投影光学系ＰＬの開口数いっぱいに拡がって投影光学系ＰＬを通過する。即ち、光束ＩＬａは、微少計測パターン１０ａからの回折作用により、これまでの波面収差（図１の光源１から照明光学系８までの光学系の波面収差）情報を失い、実質的に微少計測パターン１０ａを曲率中心とする理想的な球面波となって、投影光学系ＰＬ中を開口数で制限される上限の大きな拡がり角を持って進むことになる。従って、光束ＩＬａには、投影光学系ＰＬのＮＡ全面にわたる波面収差（光路差）情報が盛り込まれている。
一方、上記の大計測パターン１０ｂはその直径（大きさ）ｄ２が、解像限界程度より大きいので、大計測パターン１０ｂを透過した光束ＩＬｂはあまり回折しない。
両計測パターン１０ａ，１０ｂを透過した光束は、投影光学系ＰＬにより、その像面に配置された基準パターン板１２のパターン面上に集光される。そして、上述の如く、上記微少計測パターン１０ａ及び上記大計測パターン１０ｂの投影像は、それぞれ基準パターン板１２上の大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとを透過して、レンズ系１５の瞳面に配置される撮像素子１６上に干渉縞を形成する。
ここで、計測光学系としてのレンズ系１５の瞳面での、両計測パターン１０ａ，１０ｂからの透過光を比較すると、大計測パターン１０ｂ及び微少基準パターン１３ｂを透過した光束ＩＬ１ｂは、投影光学系ＰＬを通過した後に透過した微少基準パターン１３ｂによって回折作用を受けている。従って、この光束ＩＬ１ｂからは投影光学系ＰＬの波面収差情報は失われ、光束ＩＬ１ｂは微少基準パターン１３ｂから、ここを起点とする球面波となって射出される。そして、レンズ系１５の作用により平面波となって瞳面上の撮像素子１６に到達する。
一方、微少計測パターン１０ａ及び大基準パターン１３ａを透過した光束ＩＬ１ａは、投影光学系ＰＬを通過した後の大基準パターン１３ａでの回折作用が、その大きな直径のために弱いため、投影光学系ＰＬの波面収差情報を持ったまま大基準パターン１３ａを通過し、同じくレンズ系１５の作用により概ね平面波となって瞳面上の撮像素子１６に到達する。
ただし、両光束ＩＬ１ａ，ＩＬ１ｂの瞳面への入射角は、大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとの間隔に応じて異なるため、両光束は入射角の異なる平面波が形成する干渉縞とほぼ同様な干渉縞を瞳面に形成することになる。
従って、この干渉縞の形状を計測及び解析することにより、微少計測パターン１０ａ及び大基準パターン１３ａを透過した光束ＩＬ１ａの持つ波面収差、即ち投影光学系ＰＬの波面収差を計測することが可能である。
ここで基準パターン１３ａ，１３ｂにつき具体的に説明する。即ち、大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂは、基準パターン板１２の投影光学系ＰＬ側の面上に遮光膜を背景として間隔（両パターンの中心距離間隔）Ｐ２で形成されたそれぞれ透過性の直径ｄ３の開口パターン、及び直径ｄ４（ｄ４＜ｄ３）の開口パターンである。図３にその拡大図を示す。また、基準パターン板１２は、大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂが、それぞれ微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの投影光学系ＰＬによる像の結像位置に一致するように位置決めされている。
図４（Ａ）において、大基準パターン１３ａ上には、微少計測パターン１０ａの投影像が形成されることになるが、上述の説明の通り、微少計測パターン１０ａからの光束ＩＬａには、投影光学系ＰＬの波面収差情報が含まれているので、回折作用によってこの波面収差情報が失われないように、大基準パターン１３ａの直径ｄ３を、本例では上記の（１）式のウエハ側での解像限界の１０倍程度以上に設定する。
上記と同様に投影光学系ＰＬの露光波長を１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ）で、ウエハ側開口数を０．７５とすると、ウエハ側の解像限界は０．１０５μｍ程度である。従って、大基準パターン１３ａの直径ｄ３は１０μｍ程度以上とすれば良い。
この結果、微少計測パターン１０ａからの光束ＩＬａは、投影光学系ＰＬの（ウエハ側）開口数の拡がり角を維持したまま、大基準パターン１３ａを通過しで光束ＩＬ１ａとなって、レンズ系１５によって、基準パターン１３ａ，１３ｂに対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上に配置された撮像素子１６上に照射される。
一方、微少基準パターン１３ｂは、ウエハ側での解像限界程度以下の大きさであり、その直径ｄ４は、上記解像限界程度以下の０．０７μｍ程度以下にすると良い。このような微少開口（微少基準パターン１３ｂ）を透過した光束ＩＬ１ｂは、それまで持っていた波面収差（光源１から照明光学系８まで、及び投影光学系ＰＬを含む光学系の波面収差）情報を失い、微少基準パターン１３ｂを曲率中心とする理想的な球面波となって、大きな回折角を持って透過していく。そして、この光束ＩＬ１ｂも、レンズ系１５によって、基準パターン１３ａ，１３ｂに対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上に配置された撮像素子１６上に照射される。
なお、基準パターン１３ａ，１３ｂの中心間隔Ｐ２は、投影光学系ＰＬの結像倍率Ｍ（ウエハからレチクルへの倍率）と上記微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとの間隔Ｐ１に対し、次の関係にあることは言うまでもない。
Ｐ２＝Ｐ１／Ｍ …（３）
また、上記光学的フーリエ変換面（瞳面）とは、基準パターン１３ａ，１３ｂの配置面を発する光線との交点が、その射出位置によらず、射出角のみによって決定される面である。従って、異なる位置に配置された基準パターン１３ａ，１３ｂから発せられる光束のうち、同じ射出角で発せられる光線は、その瞳面上で同じ位置に到達する。
本例においては、レチクル９上の微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂを、相互に可干渉性のある光束で照明しているため、これらの計測パターン１０ａ，１０ｂを透過した２本の光束ＩＬ１ａ，ＩＬ１ｂが照射される撮像素子１６上には、図４（Ｂ）に示すように、両光束の干渉縞２３（光量分布）が形成されることになる。
フーリエ変換光学系であるレンズ系１５の焦点距離をｆ１とすると、干渉縞２３の周期（ピッチ）Ｆ１は次のようになる。
Ｆ１＝λ×ｆ１／Ｐ２ …（４）
ところで、一方の光束ＩＬ１ａには投影光学系ＰＬの波面収差情報が含まれ、他方の光束ＩＬ１ｂは理想的な収差情報を失った光束であるため、上記干渉縞２３の形状は、投影光学系ＰＬの波面収差情報が反映されたものとなっている。具体的には干渉縞２３の微少変形量が、投影光学系ＰＬの波面収差を反映している。従って、この微少変形量を計測することで、投影光学系ＰＬの波面収差を計測することが可能である。
本例においては、図１に示した解析装置１９が、上記微少変形量の計測及び波面収差の算出を行なう。ただし、この処理方法は、公知のＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）法での処理方法と同様であるので説明は省略する。
なお、本例において形成される干渉縞２３の周期Ｆ１や方向性は、微少計測パターン１０ａの投影像と大基準パターン１３ａとの位置合わせ誤差によっても生じるものである。そして、この周期や方向性のずれ量は、波面収差としては開口数の１次量に比例する項であり、像のシフト（ディストーション）に対応している。従って、本例の収差計測装置で、投影光学系のディストーションの計測精度を高めるためには、それらの位置合わせ精度を高める必要がある。しかしながら、逆に、大基準パターン１３ａと微少計測パターン１０ａの投影像との位置合わせ誤差（即ち、レチクル９と基準パターン板１２との位置合わせ誤差）が多少残存していても、その影響は波面収差の計測値中の、開口数の１次量に比例する項のみであるため、開口数の１次量に比例する項以外の項に関する収差を計測する場合には、上記位置合わせ誤差の許容値を大幅に緩くすることができるという利点がある。
この位置合わせ誤差の許容値をより大きくするには、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２と大基準パターン１３ａの直径ｄ３とを大きくすることによって、多少の位置ずれが生じても、微少計測パターン１０ａの透過光ＩＬａが大基準パターン１３ａを透過可能とし、大計測パターン１０ｂの透過光ＩＬｂが微少基準パターン１３ｂを透過可能とすれば良い。ただし、大計測パターン１０ｂの透過光ＩＬｂが大計測パターン１０ｂを透過して不要な透過光が発生するのを防止するために、次の条件を満たす必要がある。
ｄ２＋（Ｍ×ｄ３）＜Ｐ１ …（５）
また、そのために、その間隔Ｐ１の値を大きくしても良い。
例えば上記に例示した、露光波長が１５７ｎｍで、ウエハ側開口数が０．７５のＦ２レーザ光源用の投影光学系の場合には、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２を１５μｍ、大基準パターン１３ａの直径ｄ３を３μｍとし、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとの間隔Ｐ１を２０μｍ程度以上とするとよい。この場合、上記位置合わせ誤差の許容値は、基準パターン１３ａ，１３ｂ側で１μｍ程度以上となり、機械的調整精度に比べて十分なマージンを確保することができる。
更に、投影光学系ＰＬの収差を計測するために従来のＰＤＩ法を使用する際の位置合わせ誤差の許容値は１０ｎｍ程度であるため、本例の位置合わせ誤差の許容値はＰＤＩ法の１００倍程度となり、本例の収差計測は極めて容易に実施することができる。また、本例では間隔Ｐ１が２０μｍ程度以上の２つの計測パターン１０ａ及び１０ｂを互いに可干渉な光束で照明すればよいため、その照明光として特に時間的コヒーレンスの長いレーザ光を使用する必要がなく、この点でも容易に実施することが可能である。
また、焦点距離ｆ１が１０ｍｍであるレンズ系１５を使用すると、干渉縞２３の直径は投影光学系ＰＬの開口数のｆ１倍、即ちＮＡ×ｆ１＝７．５（ｍｍ）であり、千渉縞２３の周期Ｆ１は３９２μｍ程度となる。従って、撮像素子１６として、１辺が２０ｍｍ程度で、画素サイズが２０μｍ程度の通常の撮像素子を用いることによって、この干渉縞２３を高精度に撮像することが可能である。
ところで、図１において、投影光学系ＰＬの視野が狭い場合には、計測機構１４を固定し、投影光学系ＰＬの視野内の１点のみを収差計測可能であれば十分である。しかし、投影光学系ＰＬの視野が広い場合には、計測機構１４をベース部材２０上に搭載し、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内で２次元的に可動とすることが好ましい。これにより、投影光学系ＰＬの視野内の複数箇所で、投影光学系ＰＬの波面収差の計測が可能となる。なお、その際には、計測機構１４の位置はレーザ干渉計１８によって計測される。
また、計測機構１４の位置は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向についても、計測可能であることが望ましい。この計測には、投影露光装置のオートフォーカスセンサとして一般に使用される、斜入射方式の光学式センサを使用すると良い。或いは、ベース部材２０の基準面と計測機構１４との間にレーザ干渉計を配置して、これによってその光軸方向の位置を計測することもできる。
なお、このように計測機構１４を移動する際に、レチクル９上の計測パターン１０が１対である場合には、その計測機構１４の移動に応じてレチクル９（計測パターン１０）も移動する必要がある。このため、計測パターン１０の描画されたレチクル９は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内で２次元的に可動なレチクルステージ２１上に保持されることが望ましい。同様にして、レチクル９の位置もレーザ干渉計等で計測されるべきことは言うまでもない。
なお、図４では、説明を容易にするために、投影光学系ＰＬ等の大きさに比べて大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとの間隔Ｐ２を大きくとっているが、実際には間隔Ｐ２は、投影光学系ＰＬやレンズ系１５の大きさに比べてかなり小さいことは言うまでもない。従って、大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂを透過した各光束ＩＬ１ａ，ＩＬ１ｂは、ほとんど共通の光路（コモンパス）を通って、撮像素子１６に至ることになる。従って、計測光学系としてのレンズ系１５自体の波面収差は、投影光学系ＰＬの波面収差の計測には、ほとんど影響しない。
ただし、投影光学系ＰＬの波面収差を極めて高精度に計測する必要がある場合には、上記計測値から、レンズ系１５の波面収差分を除去する必要がある。そしてそのためには、別途レンズ系１５の波面収差を計測（キャリブレーション）する必要がある。
以下、図５を用いてレンズ系１５の波面収差を計測する方法を説明する。
図５は、図４と同様に、本例の収差計測装置のうちのレチクル９から撮像素子１６までの部分を示す拡大図である。ただし、図５では、図４の計測パターンが形成されたレチクル９の代わりに、その微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂに相当する各位置に、その大計測パターン１０ｂとそれぞれ同程度以上の大きさの透過部よりなる第１及び第２の初期計測パターン１０ｃ，１０ｄの形成されたレチクル９ｂを使用する。ただし、これらの初期計測パターン１０ｃ，１０ｄの直径には特に最適値はなく、十分な透過光量を得られるのであれば、どのような大きさのパターンでも良く、更に２つの初期計測パターン１０ｃ，１０ｄがつながって、一つの大きな透過パターンを形成していても良い。
また、このキャリブレーション計測に際しては、基準パターン板１２の投影光学系ＰＬ側の近傍に、初期基準パターン板３０を配置する。初期基準パターン板３０の基準パターン板１２側には、遮光膜よりなる背景中に、透過パターンよりなる微少初期基準パターン３１ａ及び大初期基準パターン３１ｂが形成されている。前者の微少初期基準パターン３１ａは、隣接する基準パターン板１２上の大基準パターン１３ａの位置に一致して配置され、後者の大初期基準パターン３１ｂは、微少基準パターン１３ｂの位置に一致して配置されている。微少初期基準パターン３１ａの直径は、微少基準パターン１３ｂと同様に、投影光学系ＰＬの解像限界程度以下として、大初期基準パターン３１ｂの直径は、大基準パターン１３ａと同様に、投影光学系ＰＬの解像限界の１０倍程度以上とする。
なお、このような基準パターン板１２及び初期基準パターン板３０の近接した配置は、光学的には互いに結像関係（共役関係）にある配置と実質的に同じであることは言うまでもない。
図５において、初期計測パターン１０ｃ，１０ｄを透過した実線で示す光束ＩＬｃ、及び破線で示す光束ＩＬｄは、それぞれ投影光学系ＰＬと初期基準パターン３１ａ及び３１ｂを介して、基準パターン板１２上の基準パターン１３ａ及び１３ｂに集光する。このとき、双方の透過部（初期基準パターン３１ａ及び基準パターン１３ｂ）の直径が、実質的に投影光学系ＰＬの解像限界程度以下になっているため、双方の回折光ＩＬ１ｃ及びＩＬ１ｄは、ここでそれまでの、即ち照明光学系や投影光学系ＰＬの波面収差情報を失うことになる。
一方で、これらの回折光ＩＬ１ｃ，ＩＬ１ｄは、前述の投影光学系ＰＬの波面収差計測時と同じ光路を経て撮像素子１６に入射し、そこに干渉縞を形成する。従って、このキャリブレーション計測時には、干渉縞の微少変形量には、レンズ系１５の波面収差のみが反映されており、この微少変形量を、図１の解析装置１９により解析することにより、計測光学系としてのレンズ系１５自体の波面収差を算出することができる。
また、前述のようにして計測された投影光学系ＰＬの波面収差から、キャリブレーション計測により求められたレンズ系１５の波面収差を差し引くことで、投影光学系ＰＬの波面収差を、より高精度に求めることが可能になる。
このようなキャリブレーション計測は、投影光学系ＰＬの視野のどの場所で行なっても同様な計測結果となり、本測定装置に搭載する投影光学系ＰＬを交換して別の投影光学系を用いて行なっても同様の結果となる。従って、キャリブレーション計測は、投影光学系ＰＬの波面収差の計測に先立って１度行なえば良く、これにより、キャリブレーション時間を短縮するできる。もちろん、定期的にキャリブレーション計測を行なうことで、キャリブレーション結果の信頼性を高め、より高精度な投影光学系ＰＬの波面収差の計測を行なうこともできる。また、このキャリブレーション計測は投影光学系ＰＬの波面収差の計測後に行っても構わない。
次に、本例の図１の照明光学系８の構成例につき図６を参照して説明する。
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ図４の微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとを有するレチクル９に対する照明光学系８の各種構成例を示し、図６（Ａ）〜（Ｄ）において、２つの計測パターン１０ａ，１０ｂの間隔Ｐ１は、例えば２０〜５０μｍ程度である。
図６（Ａ）の例では、レチクル９より光源側（＋Ｚ方向）に間隔ｈ１だけ離して直径ｄａのピンホール３３の形成されたピンホール板３２を配置する。このピンホール３３からの回折光ＩＬ２は、回折角±λ／ｄａ［ｒａｄ］程度の範囲で拡がるため、レチクル９上で、ｈ１×λ／ｄａ程度の半径の円形領域は、コヒーレントに照明されることになる。ただし、確実な可干渉性を持つのはその１／４程度の範囲であり、全幅でλ／（２×ｄａ）［ｒａｄ］程度の範囲となる。そして、距離Ｐ１離れた微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとをコヒーレントに照明する、即ち相互に可干渉性を有する光束で照明するためには、次の条件を満たせばよい。
Ｐ１＜ｈ１×λ／（２ｄａ） …（６）
これを変形すると、次の条件を満たせば良いことになる。
ｈ１／ｄａ＞２×Ｐ１／λ …（７）
露光波長が１５７ｎｍで、Ｐ１＝２０μｍの場合には、ｈ１／ｄａ＞２５５とすれば良い。即ち、ピンホール３３を、その直径ｄａの２５５倍以上の距離ｈ１だけ計測パターン１０ａ，１０ｂから離して設置すれば良い。例えば、ピンホール３３の直径ｄａを１ｍｍとすると、ピンホール３３を計測パターン１０ａ，１０ｂから＋Ｚ方向に２５５ｍｍ離して設置すれば良い。
また、複数箇所で投影光学系ＰＬの波面収差を計測するには、計測位置に応じた各位置の上に、上記ピンホール３３をそれぞれ設置すれば良い。
また、レチクル９上でのＸ方向（計測パターン１０ａ，１０ｂの配列される方向）での可干渉性は、ピンホール３３のＸ方向の大きさのみによって決まるので、ピンホール３３のＹ方向（図６（Ａ）の紙面に垂直な方向）の大きさは、（７）式の関係で決まる量より大きな値であって良く、その方が照明光量的に有利である。即ち、ピンホール３３の代わりに、Ｘ方向の幅がｄａでＹ方向の幅がそれよりも広いスリットパターンを用いることで、照明光量を大きくできる。
次の図６（Ｂ）の構成例は、レチクル９より光源（＋Ｚ方向）側に間隔ｈ２だけ離してピッチｐｂの回折格子３４を配置したものである。なお、回折格子３４の透過部よりなるスリット３４ａと遮光部３４ｂとの周期方向は、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとが並ぶ方向と一致させるものとする。図６（Ａ）の例と同様の考察により、回折格子３４上の１つのスリット３４ａの幅ｄｂが、次の関係を満たすとき、その１つのスリット３４ａからの照明光は、両計測パターン１０ａ，１０ｂをコヒーレントに照明する。
ｈ２／ｄｂ＞Ｐ１／λ …（８）
また、回折格子３４のピッチｐｂが次の（９）式の関係で規定されるとき、回折格子３４の各スリット３４ａからの照明光は、両計測パターン１０ａ，１０ｂを、すべて一定の位相関係で照明するため、極めて好都合な照明を実現することができる。
ｐｂ＝ｈ２×λ／Ｐ１ …（９）
本例でも露光波長λを１５７ｎｍ、間隔Ｐ１を２０μｍとした場合、上記条件のように回折格子３４を、計測パターン１０ａ，１０ｂから２５５ｍｍ（＝ｈ２）離して設置するとすれば、回折格子３４の各スリット３４ａの幅ｄｂは１ｍｍ以下であればよく、そのピッチｐｂは、２５５（ｍｍ）×０．１５７（μｍ）／２０（μｍ）＝２（ｍｍ）であれば良い。
この場合、複数箇所で投影光学系ＰＬの波面収差を計測するためには、レチクル９の光源側の全面に亘って、回折格子３４を設置すれば良い。
次の図６（Ｃ）の構成例では、絞り（σ絞り）３７の設置された開口絞り３６を、照明光学系中のレチクル９に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）に配置している。即ち、σ絞り３７を通過した照明光ＩＬがコンデンサレンズ系３５を介してレチクル９の計測パターン１０ａ，１０ｂを照明している。このとき、σ絞り３７は、レチクル９に対する照明光ＩＬの入射角度範囲（照明ＮＡ）を規定する。間隔Ｐ１の両計測パターン１０ａ，１０ｂを確実にコヒーレントに照明するためには、次の条件を満たす照明ＮＡとなるように、σ絞り３７を絞ると良い。
λ／（２×照明ＮＡ）＞Ｐ１ …（１０）
上記のように露光波長λが１５７ｎｍで、間隔Ｐ１が２０μｍの場合には、（１０）式より照明ＮＡを、０．００３９以下にすると良い。また、このときのσ絞り３７のＹ方向の大きさは、上記の値より大きくて良いことは図６（Ａ）に示した例の場合と同様である。
図６（Ｄ）の例は、ピッチｐｂでスリット幅ｄｂの回折格子３９を、照明光学系中の、レチクル９に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）に配置している。従って、回折格子３９を通過した照明光ＩＬがコンデンサレンズ系３５を介してレチクル９を照明している。回折格子３９の１つのスリットの幅ｄｂが、図６（Ｃ）の例と同様に開口数として０．００３９以下に相当すれば、間隔Ｐ１の両計測パターン１０ａ，１０ｂをコヒーレントに照明可能である。例えば、コンデンサレンズ系３５の焦点距離ｆｄを４００ｍｍとすると、スリット幅ｄｂを、ｆｄ×開口数＝１．５７（ｍｍ）程度とすれば良いことになる。また、そのピッチｐｂについては、次の関係を満たすことによって、全てのスリットからの間隔Ｐ１離れた２点への照明光の位相関係を同一にすることができる。
ｐｂ＝λ×ｆｄ／Ｐ１ …（１１）
上記のように露光波長λが１５７ｎｍで、間隔Ｐ１が２０μｍの場合には、（１１）式よりピッチｐｂを、０．１５７×４００／２０＝３．１４（ｍｍ）とすればよい。
これらのピンホール３３、σ絞り３７、又は回折格子３４，３９の配置により、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとに照明される光束を、相互に可干渉性を持った光束とすることが可能である。そして、更にこれらの部材を、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとが配列される方向（Ｘ方向）に微少移動させると、その移動量に応じて、上記微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとに照明される照明光の位相関係を変化させることが可能になる。
図６（Ｃ）及び（Ｄ）の例では、このための移動装置として可動ステージ３８が配置されている。即ち、可動ステージ３８は、それぞれ開口絞り３６及び回折格子３９を計測パターン１０ａ，１０ｂの配列方向であるＸ方向に移動することができる。同様に、図６（Ａ）及び（Ｂ）の構成例において、ピンホール３３及び回折格子３４の移動装置を設けてもよい。
このように、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとを照明する照明光の位相関係を変化させると、図４（Ａ）の撮像素子１６上に形成される干渉縞の形状が変化する。その変化は、大きくは干渉縞の周期方向へのシフトであるが、それに応じて縞の微細構造も微妙に変化する。そして、両計測パターン１０ａ，１０ｂを照明する照明光の位相関係を変化させつつ、複数回に亘って、上記の干渉縞の強度分布計測及び解析装置１９での解析を繰り返すことにより、投影光学系ＰＬの波面収差計測及び上記のキャリブレーション計測を、より一層高精度に行なうことが可能になる。
なお、以上の如く照明光学系に設けるピンホールや回折格子は、螢石（ＣａＦ２）等のフッ化物結晶、又は合成石英あるいはフッ素添加の合成石英等からなる基板上に金属薄膜等の遮光部材をパターンニングした部材を使用することができる。また、それらのピンホールや回折格子として、金属薄板等の遮光性の薄板から穴、又は線状パターンをくりぬいた部材を使用することもできる。また、回折格子としては、上記の明暗の回折格子（振幅型の回折格子）の他に、照明光の利用効率を高めるために、凹凸又は屈折率分布に周期性を持たせた位相型の回折格子を使用することもできる。
また、上記の実施の形態によって波面収差の計測が行われた投影光学系の光学素子の調整を行うことによって、投影光学系の波面収差を許容範囲内に追い込むことができる。このように波面収差、及び他の諸収差が許容範囲内になるように調整された投影光学系を投影露光装置に組み込みことによって、微細なパターンを高精度にウエハ等の基板上に転写できる投影露光装置を製造することができる。
次に、本発明の第２の実施の形態につき図７を参照して説明する。図７において図４に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
図７も、図４と同様に、図１の収差計測装置のうちの、レチクル９から撮像素子１６までの部材に対応する部分を示す拡大図であり、この図７において、レチクル９から投影光学系ＰＬの像面４１までの構成は、前述の第１の実施の形態（図４）と同様である。
本例では、基準パターン板１２Ａは、投影光学系ＰＬの像面４１ではなく、像面４１と計測光学系の一部のリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して結像関係（共役）になっている面に配置される。この基準パターン板１２Ａ上の、微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの投影像の位置に、第１の実施の形態と同様にそれぞれ大基準パターン１３Ａａ及び微少基準パターン１３Ａｂが配置されている。本例の計測パターン１０ａ及び１０ｂを透過した光束ＩＬａ及びＩＬｂは、それぞれ像面４１を通過した後、光束ＩＬ３ａ及びＩＬ３ｂとしてリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して基準パターン１３Ａａ及び１３Ａｂに入射する。そして、基準パターン１３Ａａ及び１３Ａｂを透過した各光束ＩＬ４ａ，ＩＬ４ｂは、計測光学系の一部のレンズ系１５ｂによって、基準パターン１３Ａａ，１３Ａｂに対して光学的フーリエ変換の関係となっている面（瞳面）に配置された撮像素子１６上に入射し、ここに干渉縞を形成する。この干渉縞の解析によって投影光学系ＰＬの波面収差を計測できるのは第１の実施の形態と同様である。
本例では、リレー光学系１５ｃから撮像素子１６までの部材、及びこれらを保持するフレーム機構（不図示）より投影光学系ＰＬの収差の計測機構４０が構成されている。
本例でも複数箇所で投影光学系ＰＬの波面収差を計測するためには、リレー光学系１５ｃ，１５ｄ及びレンズ系１５ｂよりなる計測光学系と、基準パターン板１２Ａと、撮像素子１６とを含む計測機構４０は、一体に保持されていることが望ましい。また、計測機構４０は、図１に示した第１の実施の形態と同様に、投影光学系ＰＬの光軸に垂直な面内に可動なベース部材２０上に配置され、その面内での位置計測及び上記光軸方向での位置計測が可能である。
本例では、投影光学系ＰＬの像面４１から基準パターン板１２Ａまでのリレー光学系１５ｃ，１５ｄを採用することで、像面４１から基準パターン板１２Ａに対して等倍より大きい結像倍率（拡大倍率）を持たせることが可能となっている。この結果、基準パターン板１２Ａ上に設ける微少基準パターン１３Ａｂや大基準パターン１３Ａａの直径は、それらを像面４１に設ける場合に比べてその結像倍率分だけ大きくすることができ、それだけ基準パターン板１２Ａの製造が容易になる利点がある。もちろん、本例についても、原理的には上記第１の実施の形態と同様であり、リレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して配置され、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの倍率分だけ拡大された基準パターン１３Ａａ，１３Ａｂは、像面４１に配置される図４の基準パターン１３ａ，１３ｂと同様に作用することは言うまでもない。
ただし、本例では、波面収差計測に使用する微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂを透過した２つの光束ＩＬａ，ＩＬｂが、投影光学系ＰＬを通過した後も、共通でない光路（ＩＬ４ａ，ＩＬ４ｂ）を通り、それぞれ別の波面収差を受けてしまう。大計測パターン１０ｂを透過した光束ＩＬ４ｂについては、微少基準パターン１３Ａｂを通過する際の回折作用で、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差情報を失うが、微少計測パターン１０ａを透過した光束ＩＬ４ａについては、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差情報を持ったまま撮像素子１６上に入射するため、計測される投影光学系ＰＬの波面収差には、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差が混入してしまう。
しかしながら、本例においても上記の図５を参照して説明したキャリブレーションを行って、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差を別途計測することで、投影光学系ＰＬの波面収差をより高精度に計測することが可能である。本例においてそのキャリブレーションを行うためには、図５の第１の実施の形態と同様に、投影光学系ＰＬの像面４１に、計測機構４０側の面に遮光膜を背景として微少初期基準パターン及び大初期基準パターンの透過パターンの形成された、初期基準パターン板を配置すればよい。この場合、その微少初期基準パターンは、大基準パターン１３Ａａとリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して結像関係となる位置に配置し、その大初期基準パターンは、微少基準パターン１３Ａｂとリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して結像関係となる位置に配置する。このとき、その微少初期基準パターン及び大初期基準パターンの直径は、それぞれ微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの直径の、投影光学系ＰＬの結像倍率分の１程度とする。また、レチクル９ａ上の計測パターン１０ａ，１０ｂの代わりに、第１の実施の形態と同様に、図５の微少初期基準パターン３１ａと大初期基準パターン３１ｂに対して結像関係となる位置が、大開口の透過部分となっている初期計測パターンを配置する。
このとき、その微少初期基準パターンからの透過光は、その収差計測時の光路（光束ＩＬ３ａ）と同様に大きな拡がりを持った光路を通ってリレー光学系１５ｃ，１５ｄを通過し、その大初期基準パターンからの透過光は、その収差計測時の光路（光束ＩＬ３ｂ）と同様に小さな拡がりを持った光路を通ってリレー光学系１５ｃ，１５ｄを通過する。また基準パターン板１２Ａを透過した後の両光束の光路も、それぞれその収差計測時の光路と同様である。そして両光束は共に撮像素子１６に入射して干渉縞を形成する。
その結果、微少初期基準パターンからの透過光は、微少初期基準パターンが小さいために投影光学系ＰＬの収差情報を失っている。しかし、大基準パターン１３Ａａ通過時には、その直径が大きく回折作用を受けないため、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差情報は保たれる。従って、微少初期基準パターンからの透過光は、リレー光学系１５ｃ，１５ｄとフーリエ変換光学系としてのレンズ系１５ｂ（光束ＩＬ４ａの光路）の波面収差情報を持って撮像素子１６に入射する。
一方、大初期基準パターンからの透過光は、大初期基準パターンが大きいために投影光学系ＰＬの収差情報を保っているが、微少基準パターン１３Ａｂ通過時に、回折作用によりリレー光学系１５ｃ，１５ｄも含めた光学系の波面収差情報を失う。従って、大初期基準パターンからの透過光は、フーリエ変換光学系としてのレンズ系１５ｂ（光束ＩＬ４ｂの光路）の波面収差情報のみを持って撮像素子１６に入射する。
従って、撮像素子１６上の干渉縞の強度分布を解析することにより、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの収差と、光束ＩＬ４ａ及び光束ＩＬ４ｂの光路の収差との差、並びにそれらの収差の和が算出できる。
この値を、上記投影光学系ＰＬの波面収差の計測値から差し引くことで、投影光学系ＰＬの波面収差を一層高精度に計測することが可能になる。
なお、上記の第１及び第２の実施の形態で、レチクル９，９ｂ、基準パターン板１２，１２Ａ、初期基準パターン板３０等の光学部材は、露光波長の照明光ＩＬを透過する光学材料で形成することは言うまでもない。例えば、ＡｒＦエキシマレーザ用の光学系の収差計測装置であれば、その光学材料としては合成石英やフッ化物結晶等を使用し、Ｆ２レーザ用の光学系の収差計測装置であれば、その光学材料としてはフッ素添加の合成石英やフッ化物等を使用する。基準パターン板１２，１２Ａの背景の遮光膜としては、クロム（Ｃｒ）、又はケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２等）等の薄膜を使用できる。
また、前述した第１及び第２の実施の形態で説明したキャリブレーション計測は、各実施の形態（図４、図７）で説明した収差計測との組み合わせに限られるものではなく、他の収差計測方法（例えばＰＤＩ法など）と組み合わせて用いても構わない。
次に、上記の実施の形態の収差測定装置を搭載した投影露光装置の一例につき図８及び図９を参照して説明する。その基本構成は、通常の投影露光装置と同様である。
図８は、本例の投影露光装置を示し、この図８において、水銀ランプ、ＫｒＦ若しくはＡｒＦエキシマレーザ、又はＦ２レーザ等からなる露光光源１０１を発した露光ビームとしての照明光（露光光）ＩＬは、ミラー１０２、整形光学系１０３、ミラー１０４を経てインプットレンズ１０５に至り、インプットレンズ１０５を通過した照明光ＩＬは、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ、又はホモジナイザ）としてのフライアイレンズ１０６に入射する。フライアイレンズ１０６を射出した照明光ＩＬは、コンデンサレンズ１１３、光路折り曲げ用のミラー１１４、及びコンデンサレンズ１１５を経てマスクとしてのレチクルＲのパターン面（下面）の転写用のパターンを照明する。フライアイレンズ１０６の射出面は、レチクルＲに対する光学的フーリエ変換面となっており、ここに開口絞り板１０７が交換機構としての駆動モータ１０８によって回転自在に配置されている。
図９は、開口絞り板１０７を示し、この図９において、開口絞り板１０７には通常照明用の円形の絞り１０９の他に、変形照明用の複数の開口よりなる絞り１１２、隣接する２つのパターンを互いに可干渉な照明光で照明するためのピンホール状の絞り１１０、及び回折格子の形成された絞り１１１等が配置されている。図８の駆動モータ１０８によって、これらの絞り１０９〜１１２の内の所望の絞り（σ絞り）をフライアイレンズ１０６の射出面に設置できるように構成されている。その絞りによって、レチクルＲへの照明光の入射角度範囲（照明系開口数）を制限することができる。
なお、開口絞り板１０７の代わりに、又はそれと組み合わせて、例えば照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子、照明光学系の光軸に沿って可動なプリズム（円錐プリズム、多面体プリズムなど）、及びズーム光学系の少なくとも１つを含む光学ユニットを、露光光源１０１とオプティカル・インテグレータ（１０６）との間に配置してもよい。この際に、本例のようにオプティカル・インテグレータ（１０６）がフライアイレンズであるときはその入射面上での照明光の強度分布を、オプティカル・インテグレータ（１０６）が内面反射型インテグレータであるときはその入射面に対する照明光の入射角度範囲などをそれぞれ可変とすることで、照明光学系の瞳面上での照明光の光量分布（２次光源の大きさや形状）、即ち照明条件の変更に伴う光量損失を抑えることが望ましい。
図８に戻り、レチクルＲを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して被露光基板としてのウエハＷ上にそのレチクルＲのパターンの像を形成する。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面で図８の紙面に平行にＸ軸を、図８の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
先ず、レチクルＲは、レチクルベース１１７上でＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されたレチクルステージ１１６上に保持され、レチクルステージ１１６の２次元的な位置は、移動鏡１１８Ｍ及びレーザ干渉計１１８によって計測され、この計測値、及び装置全体の動作を統轄制御する主制御系１２０からの制御情報に基づいてレチクルステージ制御系１１９が不図示のリニアモータ等を介してレチクルステージ１１６の位置及び速度を制御する。
一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ（Ｚレベリングステージ）１２１上に保持され、ウエハステージ１２１はウエハベース１２２上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されている。ウエハステージ１２１の２次元的な位置は、移動鏡１２３Ｍ及びレーザ干渉計１２３によって計測されており、この計測値及び主制御系１２０からの制御情報に基づいてウエハステージ制御系１２４が不図示のリニアモータ等を介してウエハステージ１２１のＸ方向、Ｙ方向の位置及び速度を制御する。また、ウエハステージ１２１は、不図示のオートフォーカスセンサ（斜入射方式で光学式のセンサ）からのウエハＷの表面の複数の計測点でのフォーカス位置（光軸ＡＸ方向の位置）の情報に基づいて、露光中にウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、サーボ方式でウエハＷのフォーカス位置及びＸ軸、Ｙ軸の回りの傾斜角を制御する。
露光時には、レチクルＲのパターンの投影光学系ＰＬによる像がウエハＷ上の一つのショット領域に転写される動作と、ウエハＷをステップ移動する動作とがステップ・アンド・リピート方式で繰り返される。このように本例の投影露光装置は、一括露光方式（ステッパー方式）であるが、レチクルステージ１１６にも走査機構を設け、露光時にレチクルＲとウエハＷとを投影光学系ＰＬの倍率を速度比として同期移動する動作と、ウエハＷをステップ移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・スキャン方式よりなる走査露光型の投影露光装置にも本発明が有効であることは言うまでもない。
そして、本例のウエハステージ１２１のウエハホルダ（不図示）の近傍に、図１中の計測機構１４、又は図７の計測機構４０よりなる投影光学系ＰＬの収差計測装置が設置されている。また、不図示のレチクルローダ系によって、レチクルステージ１１６上のレチクルＲは、図１の計測パターン１０が形成されたレチクル９と交換できるように構成されている。このようにレチクルＲをレチクル９と交換して、ウエハステージ１２１を駆動して計測機構１４（又は計測機構４０、以下同様）を投影光学系ＰＬの露光フィールドに移動することによって、上記のように投影光学系ＰＬの波面収差の計測が可能になる。既に説明したように、そのレチクル９上に多数対の計測パターンを配置し、計測機構１４をウエハステージ１２１によって移動させつつ計測を行なうことで、複数箇所での収差計測か可能である。また、その計測に際して、上記のオートフォーカスセンサによって、計測機構１４の投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向の位置を計測することも可能である。
その計測にしては、レチクル９上の計測パターン中の微少計測パターンと大計測パターンとに、相互に可干渉性もった照明光を照射するために、駆動モータ１０８を介してターレット方式の開口絞り板１０７中のピンホール状の絞り１１０、又は回折格子よりなる絞り１１１（図９参照）をフライアイレンズ１０６の射出面に設置すればよい。その他に、絞り１０９を虹彩絞りとして、その開口を上述の条件程度の小絞りとしてもよい。
この場合、ターレット式の開口絞り板１０７の微少回転により、絞り１１０又は１１１の位置を可変とすることができる。これによって、上述のように微少計測パターンと大計測パターンとに照明される照明光の位相を可変とすることができる。なお、開口絞り板１０７の代わりに前述の光学ユニットを用いる場合、例えば回折光学素子の微小回転により大計測パターンと微小計測パターンとで、照明光の位相を可変としてもよい。
また、本例では収差計測機能を有する露光装置、換言すれば計測機構（１４又は４０）がウエハステージ１２１に常設される露光装置について説明したが、収差計測時に計測機構（１４又は４０）をウエハステージ１２１に取り付け可能とするだけでもよいし、あるいはウエハステージ１２１とは別の可動体に計測機構を取り付けるようにしてもよい。後者ではその可動体を露光装置内に常設しておいてもよいし、計測機構と一体に挿脱可能としてもよい。更に、ウエハホルダと実質的に同一の形状、及び同一の大きさで形成されるダミーホルダにその計測機構を組み込み、ウエハホルダとの交換でそのダミーホルダをウエハステージ１２１上に配置して同様に収差計測を行うようにしてもよい。
更に、計測機構（１４又は４０）を全てウエハステージ（２０又は１２１）上に配置しなくてもよく、その一部のみ、例えば基準パターン板１２及びレンズ系１５をウエハステージ上に配置し、このレンズ系１５からの光束をリレー光学系などを用いてウエハステージ外の撮像素子１６に伝送するように構成してもよい。このとき、リレー光学系の波面収差をレンズ系１５と同様に予め計測しておき、投影光学系ＰＬの波面収差からその波面収差分を除去することが好ましい。これは前述の第１、第２の実施形態でも同様である。
また、投影光学系ＰＬは屈折系、反射屈折系、及び反射系の何れでもよいし、その物体面（第１面）から像面（第２面）に対する投影倍率が１以上、即ち等倍系、又は拡大系であってもよい。
なお、以上の実施の形態では全て計測パターンをレチクル（９又はＲ）に形成しておくものとしたが、前述の計測パターンが形成された基準パターン板をレチクルステージ（２１又は１２１）に固定するか、あるいはレチクルステージに直接計測パターンを形成してもよい。
また、以上の実施の形態では全て、前述の如く計測された波面収差に基づき、例えばツェルニケ多項式を用いてディストーション、像面湾曲などにつきその高次成分までも算出するとともに、この計算結果に基づいて投影光学系ＰＬの少なくとも一部を交換又は調整することが好ましい。このとき、投影光学系の光学素子単位でその交換を行ってもよいし、あるいは複数の鏡筒を有する投影光学系ではその鏡筒単位で交換を行ってもよい。また、投影光学系の少なくとも１つの光学素子を再加工してもよく、特にレンズエレメントでは必要に応じてその表面を非球面に加工してもよい。この光学素子は、レンズエレメントなどの屈折光学素子だけでなく、例えば凹面鏡などの反射光学素子、あるいは投影光学系の収差（ディストーション、球面収差など）、特にその非回転対称成分を補正する収差補正板などでもよい。更に、投影光学系の調整では光学素子の位置（他の光学素子との間隔を含む）や傾斜などを変更するだけでもよいし、特に光学素子がレンズエレメントであるときはその偏芯を変更したり、あるいは光軸を中心として回転させてもよい。また、投影光学系ＰＬには少なくとも１つの光学素子を駆動素子（ピエゾ素子など）で駆動して結像特性を調整する機構が組み込まれているので、前述の計算結果によってはこの調整機構だけで結像特性を所定の許容範囲内に抑えるようにしてもよい。
なお、以上の実施の形態では全て、計測パターンを投影光学系ＰＬのレチクル側に配置し、基準パターンを投影光学系ＰＬのウエハ側に配置するものとしたが、この配置を逆転して、計測パターンを投影光学系ＰＬのウエハ側に配置し、基準パターンを投影光学系ＰＬのレチクル側に配置して、光束をウエハ側からレチクル側に向かって通すような構成としても、同様に本発明の収差計測が成立することは言うまでもない。
なお、以上の実施の形態では、第１面上に形成する第１及び第２の計測パターン、第２面上又はその共役面上に形成する第１及び第２の基準パターン、並びに第２面上に形成する微小初期基準パターン及び初期計測パターンの形状は、いずれも円形の透過部であるとしたが、この形状は円形に限られるものではなく、各パターンについて指定した直径程度の大きさを持つパターンであれば、正方形、長方形、正六角形、楕円等の形状であっても良い。例えば正方形、又は正六角形の形状を採用するなら、その外接円の直径を、上記各パターンを円形とした場合の直径程度の値に設定するとよい。
なお、露光用の照明光（露光ビーム）は上記の波長１００〜４００ｎｍ程度の紫外光に限られるものではなく、例えばレーザプラズマ光源又はＳＯＲ（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）リングから発生する軟Ｘ線領域（波長５〜５０ｎｍ）のＥＵＶ光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ）を用いてもよい。ＥＵＶ露光装置では、照明光学系及び投影光学系はそれぞれ複数の反射光学素子のみから構成され、レチクルも反射型が用いられる。従って、収差計測に用いられる、計測用パターンが形成されるレチクルも反射型とされ、計測機構（１４又は４０）内に組み込まれる光学系も反射系とされる。
また、上記の実施の形態の投影露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系、及び波面収差を含む諸収差が良好に補正された投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、波面収差の計測機構（１４又は４０）を組み込んだ後、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いてウエハ上に半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいたレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。
なお、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２０００年１１月２７日付け提出の日本国特願２０００−３５９３８８の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
産業上の利用分野
本発明によれば、例えば近接して配置された２つの計測パターンを照明することによって計測対象の光学系の収差を計測できるため、照明用の光源として時間コヒーレンスの長いレーザを必要としない利点がある。
また、２つの計測パターンと対応する２つの基準パターンとの位置決め精度は、従来のＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）法に比べて大幅に緩くできるため、収差計測を安定に行うことができるとともに、収差を高精度に計測することができる利点がある。
また、第１及び第２の基準パターンと共に、これと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターンを使用する場合には、その投影光学系の収差計測方法及び装置のキャリブレーションを行うことができ、計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態の収差計測装置を示す一部を切り欠いた構成図である。図２は、図１中のレチクル９に形成された計測パターン１０ａ，１０ｂを示す拡大図である。図３は、図１中の基準パターン板１２に形成された基準パターン１３ａ，１３ｂを示す拡大図である。図４において、（Ａ）は図１のレチクル９から撮像素子１６までの部材を示す図、（Ｂ）は図４（Ａ）の撮像素子１６上に形成される干渉縞を示す図である。図５は、図４の計測装置のキャリブレーションを行う場合の配置を示す図である。図６は、図１中の照明光学系８の種々の構成例を示す図である。図７は、本発明の第２の実施の形態の収差計測装置の要部を示す構成図である。図８は、本発明の第１の実施の形態、又は第２の実施の形態の収差計測装置を備えた投影露光装置の一例を示す構成図である。図９は、図８中の絞り（σ絞り）の例を示す図である。
本発明は、種々のパターンの像を形成する投影光学系の収差計測方法及び装置、並びに露光方法及び装置に関し、例えば半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等の各種デバイスを製造するためのフォトリソグラフィ工程中で、マスクパターンを感光基板上に転写するために使用される投影露光装置の投影光学系の収差計測を行う場合に使用して好適なものである。
背景技術
半導体集積回路、液晶ディスプレイ等の電子デバイスの微細パターンを形成するためのフォトリソグラフィ工程では、形成すべきパターンを４〜５倍程度に比例拡大して描画したマスクとしてのレチクル（又はフォトマスク等）のパターンを、一括露光方式等の投影露光装置（ステッパー等）を用いて被露光基板としてのウエハ（又はガラスプレート等）上に縮小転写する方法が用いられている。
その微細パターンの転写に使用される投影露光装置においては、半導体集積回路の微細化に対応するために、その露光波長がより短波長側にシフトして来ている。現在、その露光波長はＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍが主流となっているが、より短波長の実質的に真空紫外域（ＶＵＶ：Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）とみなすことができるＡｒＦエキシマレーザの１９３ｎｍも実用化段階に入りつつある。そして、更に短波長の波長１５７ｎｍのＦ２レーザや、波長１２６ｎｍのＡｒ２レーザ等の真空紫外域の露光光源を使用する投影露光装置の提案も行なわれている。
また、短波長化のみでなく、投影露光装置に搭載される投影光学系の開口数（ＮＡ）の増大によっても高解像度化は可能であるので、より一層の大ＮＡ化が行われた投影光学系の開発もなされている。この場合、投影光学系の露光視野（露光フィールド）が小さい方が大ＮＡ化に有利であるので、投影光学系自体の視野を小さくする代わりに、露光中にレチクルとウエハとを相対走査して実質的に大視野を確保するステップ・アンド・スキャン方式等の走査露光方式の投影露光装置も実用化されている。
これらの投影露光装置の投影光学系には、高解像度実現のために、その残存収差が極めて小さいことが要求される。従って、投影光学系の製造工程では、光の干渉を利用した波面収差計測を行なって残存収差量を露光波長の１／１０００程度の精度で計測し、その計測値に基づいて光学部材の位置関係等の調整を行なっている。このような微少量の収差の計測には、レチクル上の１点を発し投影光学系内の各光路を経てウエハ上の１点に到達するまでの光路長が、各光路によってどのように変化するかで表した、波面収差を計測するのが一般的である。波面収差の計測のために、干渉計の原理を応用したいくつかの方法が実用化及び提案されている。
従来の計測技術の内で、露光波長と同一の波長のレーザを光源とするフィゾー干渉計は、計測精度が高く、投影光学系の波面収差の計測に適している。しかしながら、光源となるレーザには、１ｍ以上の長さである投影光学系の光路の往復距離以上（２ｍ以上）の、進行方向への可干渉距離（時間的コヒーレンス長）が必要とされる。露光波長がＫｒＦエキシマレーザの２４８ｎｍの場合には、その波長にほぼ等しく、かつ時間的コヒーレンスの長いレーザ（例えばアルゴンレーザの高調波や半導体レーザの高調波）が使用可能であるが、露光波長がＡｒＦエキシマレーザの１９３ｎｍやＦ２レーザの１５７ｎｍの場合には、その波長と同じ波長の時間的コヒーレンスの長いレーザが存在せず、別の手法による波面収差計測が必要となる。
更に、露光波長が１００ｎｍ程度以下と短くなる極紫外線露光技術（ＥＵＶＬ：Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）においても、真空紫外域と同様に、計測用の時間的コヒーレンスの長い光源が存在しないため、ＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）と呼ばれる手法の適用が検討されている。ＰＤＩでは、例えば文献１（Ｅｄｉｔａ Ｔｅｊｎｉｌ ｅｔ ａｌ．”Ａｔ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｏｒｙ ｆｏｒ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂ１５（６），ｐｐ．２４５５−２４６１（１９９７））、及び文献２（Ａ．Ｋ．Ｒａｙ−Ｃｈａｕｄｈｕｒｉ ｅｔ ａｌ．”Ａｔ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａ ｖｉｏｌｅｔ ｃａｍｅｒａ ｆｒｏｍ ｌｏｗ ｔｏ ｍｉｄ−ｓｐａｔｉａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐａｃｔ ｌａｓｅｒ ｐｌａｓｍａ ｓｏｕｒｃｅ”：Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂ１５（６），ｐｐ．２４６２−２４６６（１９９７））等に開示されているように、先ず、レチクル面上（又はウエハ面上）に設けたピンホールをウエハ側（又はレチクル側）に投影し、その像又はその拡大像を回折格子で分割して微少距離離れた２つ（又は２つ以上）の像を形成する。続いて、１つの回折光に相当する１つの像を、微少ピンホール上に投影し透過させる。また、他の回折光に相当する１つの像を大透過パターンで透過させ、それらの透過光を検出光学系を介して、上記微少ピンホール及び大透過パターンに対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上で干渉させ、干渉縞を形成させる。そして、干渉縞の形状を解析することで、投影光学系の収差が計測される。
ＰＤＩの原理を簡単に説明すると、レチクル上の微少ピンホールを透過した光束は、微少ピンホールによる回折作用により、投影光学系の開口数いっぱいに広がって投影光学系を通過するとともに、それ以前の、即ち照明光学系によって与えられた波面収差情報を失う。像面近傍の回折格子で分割されて形成される２つの像は、ほぼ同様の投影光学系の波面収差情報を含むが、そのうち一方は、像面上に形成された微少ピンホールの回折作用により、再び投影光学系の波面収差情報を失ない、一様な球面波となって微少ピンホールより射出される。しかし、一方の大透過パターンを透過する像からの光束は、投影光学系の波面収差を有しているので、光学的フーリエ変換面（瞳面）上に形成される干渉縞は、投影光学系の波面収差を反映したものとなり、干渉縞の計測により投影光学系の波面収差計測が可能となるのである。ＰＤＩは、ＥＵＶＬ用の投影光学系のみならず、ＡｒＦエキシマレーザやＦ２レーザ等を光源とする露光装置の投影光学系にも原理的には適用可能である。
上記の如くＰＤＩを適用することによって、遠紫外域（波長３００〜２００ｎｍ程度）、真空紫外域（ＶＵＶ：波長２００〜１００ｎｍ程度）、更にはＥＵＶ域（波長１００ｎｍ程度以下）で使用される投影光学系の収差を原理的には計測可能である。しかしながら、従来のＰＤＩを実際に投影光学系の収差計測に適用するには、以下のような問題がある。
即ち、従来のＰＤＩでは、レチクル上のピンホールと、ウエハ面（像面）上のピンホールとが厳密な結像関係を保つように、正確に位置合わせする必要がある。このときに要求される位置合わせ精度は、投影光学系の解像度の１０％程度であり、例えば１００ｎｍの解像度の光学系の場合、１０ｎｍの位置合わせ精度を達成しないと、正確な収差計測ができない。ところが、実際には、投影光学系のディストーションや、収差計測装置自体の計測用のレチクルパターン上のピンホールの位置誤差や、検出光学系の位置制御誤差等により、上記位置合わせ精度を達成することは困難であった。
本発明は斯かる点に鑑み、時間的コヒーレンスの長いレーザを必要とせず、かつ安定度の高い投影光学系の収差計測技術を提供することを第１の目的とする。
更に本発明は、従来技術に比べて高い位置合わせ精度を必要とすることなく、高精度に投影光学系の収差計測を行うことができる収差計測技術を提供することを第２の目的とする。
発明の開示
本発明による第１の投影光学系の収差計測方法は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測方法において、その第１面上に第１の計測パターン（１０ａ）とこの第１の計測パターンよりも大きい第２の計測パターン（１０ｂ）とを配置し、その第２面又はこの第２面に共役な面上に第１の基準パターン（１３ａ）とこの第１の基準パターンよりも小さい第２の基準パターン（１３ｂ）とを配置し、その第１及び第２の計測パターンの像をそれぞれその投影光学系を介してその第１及び第２の基準パターン上に形成し、その２つの基準パターンの配置面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上でその２つの基準パターンを通過した光束の光量分布を計測し、この計測結果よりその投影光学系の収差計測を行うものである。
斯かる本発明においては、その第１及び第２の計測パターンはそれぞれ微少計測パターン及び大計測パターンとも呼ぶことができ、その第１及び第２の基準パターンはそれぞれ大基準パターン及び微少基準パターンとも呼ぶことができる。そして、例えばそれら２つの計測パターンを互いに可干渉性を有する照明光で照明して、その２つの基準パターンの配置面に対する瞳面で両計測パターンを通過した光束を比較すると、その第１の計測パターン（微少計測パターン）とその第１の基準パターン（大基準パターン）とを通過した第１光束は、その投影光学系の通過後のその第１の基準パターンでの回折作用が弱いために、その投影光学系の波面収差情報を持ったままその第１の基準パターンを通過して、概ね平面波となって瞳面に到達する。一方、その第２の計測パターン（大計測パターン）とその第２の基準パターン（微少基準パターン）とを通過した第２光束は、その第２の基準パターンの回折作用によってその投影光学系の波面収差情報が失われて、その第２の基準パターンを起点とする球面波となって射出され、概ね平面波となって瞳面に到達する。
ただし、その第１及び第２の光束の瞳面への入射角は、２つの基準パターンの間隔に応じて異なるため、両光束は入射角の異なる平面波が形成する干渉縞とほぼ同様な干渉縞を瞳面に形成することになる。従って、この干渉縞の形状を計測及び解析することにより、その第１の基準パターン（微少計測パターン）、及びその第１の基準パターン（大基準パターン）を通過した光束の持つ波面収差、即ちその投影光学系の波面収差を計測することが可能である。
本発明において、その第１の基準パターンは、その投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであり、その第２の基準パターンは、その投影光学系の解像限界程度以下の大きさであることが望ましい。この場合の解像限界は像面（第２面）側の解像限界である。これによって、その第１の基準パターンを通過する光束はその投影光学系の波面収差情報を良好に保持し、その第２の基準パターンを通過する光束はその投影光学系の波面収差情報をほぼ完全に失うため、投影光学系の収差を高精度に計測できる。
同様に、その第１の計測パターンは、その投影光学系の解像限界程度以下の大きさであり、その第２の計測パターンは、その投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであることが望ましい。この場合の解像限界は物体面（第１面）側の解像限界である。これによって、その第１の計測パターン（微少計測パターン）を通過する光束はそれまでの光学系（照明光学系等）の波面収差情報をほぼ完全に失い、その第２の計測パターン（大計測パターン）を通過してからその第２の基準パターン（微少基準パターン）を通過する光束もそれまでの光学系の波面収差情報をほぼ完全に失うため、それまでの光学系の特性に影響されることなく、その投影光学系自体の収差を高精度に計測できる。
また、その第１及び第２の計測パターンを相互に可干渉性を持つ光束で照明し、その２つの計測パターンを照明する光束同士の位相関係を変化させつつ、その光量分布の計測を複数回行うことが望ましい。これにより平均化効果で計測精度を高めることができる。
また、その２つの計測パターンをその第１面上の複数の位置に配置し、その投影光学系の収差を複数の位置で計測することが望ましい。
また、その投影光学系の収差計測とは別に、その第１面上にその第１及び第２の計測パターンの代わりに、その第２の計測パターンと同程度以上の大きさの第３及び第４の計測パターン（１０ｃ，１０ｄ）を配置し、その第１及び第２の基準パターン（１３ａ，１３ｂ）が配置されている状態で、この第１及び第２の基準パターンに対して結像関係となる位置にそれぞれこの第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）を配置してその光量分布の計測を行い、この計測結果に基づいてその投影光学系の収差計測結果を補正することが望ましい。
このときに、その第２の基準パターン、及び第３の基準パターン（初期基準パターン）によって、それより前の光学系（投影光学系を含む）の波面収差情報がほぼ完全に失われるため、その基準パターンの配置面からその受光面（瞳面）までの光学系を計測光学系とすると、その光量分布計測によってその計測光学系の波面収差を計測できる。従って、この計測結果分だけ上記の投影光学系の波面収差の計測値を補正することで、その計測方法（計測装置）のキャリブレーションを行うことができ、結果としてその投影光学系の波面収差の計測精度が向上する。
この場合、その第３及び第４の計測パターンは、一体化した大きな透過パターンであってもよい。また、その第４の基準パターンは、その第２の計測パターンのその投影光学系による像と同程度の大きさであることが望ましい。
また、本発明の第２の投影光学系の収差計測方法は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測方法において、その投影光学系を通る照明光を、計測光学系（１５）を介して検出してその投影光学系の収差情報を求めるとともに、その投影光学系、及び大きさが互いに異なる第１及び第２の基準パターン（１３ａ，１３ｂ）を通過する照明光を、その第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）を介して検出してその計測光学系の収差情報を求め、その２つの収差情報に基づいてその投影光学系の収差計測を行うものである。
斯かる発明によれば、その第１の収差計測方法のキャリブレーションを行うことができる。
次に、本発明の第１の投影光学系の収差計測装置は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系（ＰＬ）の収差計測装置において、その第１面に対応する面上に配置された第１の計測パターン（１０ａ）、及びこの第１の計測パターンよりも大きい第２の計測パターン（１０ｂ）と、その２つの計測パターンを照明する照明光学系（８）と、その第２面又はこの第２面に共役な面に対応する面上に配置された第１の基準パターン（１３ａ）、及びこの第１の基準パターンよりも小さい第２の基準パターン（１３ｂ）と、その２つの計測パターンを通過した後、その投影光学系を介してその２つの基準パターンを通過する光束を光学的にフーリエ変換する計測光学系（１５）と、その２つの基準パターンの配置面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上でその２つの基準パターンを通過した光束の光量分布を計測する光量分布検出装置（１６）とを有するものである。
斯かる発明によって本発明の第１の収差計測方法を実施することができる。
この場合、その２つの計測パターンは、その第１面に対応する面上の異なる位置に複数対を配置し、その２つの基準パターン及びその光量分布検出装置を、その複数対の計測パターンの像に対応する位置に順次移動する駆動装置（１４，２０）を設けることが望ましい。これによって、その投影光学系の視野内の複数の位置で収差計測を行うことができる。
また、その２つの計測パターンと交換自在に配置されて、その第２の計測パターンと同程度以上の大きさを持つ第３及び第４の計測パターン（１０ｃ，１０ｄ）と、その２つの基準パターンが配置されている状態で、この２つの基準パターンに対して結像関係となる位置に挿脱自在に配置されて、その第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）とを設けることが望ましい。これらを用いることによって、この投影光学系の収差計測装置のキャリブレーションを行うことができる。
また、その照明光学系は、その第１及び第２の計測パターンを相互に可干渉性を持つ光束で照明することが望ましい。このためには、一例としてその照明光学系は、ピンホール又は回折格子を備えればよい。
また、その照明光学系は、その２つの計測パターンに照射される照明光の位相関係を可変する位相可変装置を有することが望ましい。
次に、本発明の第２の投影光学系の収差計測装置は、第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測装置において、その投影光学系の収差情報を得るために、その投影光学系を通る照明光を、計測光学系（１５）を介して検出する検出装置（１６）と、その計測光学系の収差情報を計測するときにその投影光学系を通った照明光の光路上に配置される、大きさが互いに異なる第１及び第２の基準パターン（１３ａ，１３ｂ）、及びこの第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターン（３１ａ，３１ｂ）とを備え、その２つの収差情報に基づいてその投影光学系の収差計測を行うものである。
斯かる発明によって、その第１の投影光学系の収差計測装置のキャリブレーションを行うことができる。
次に、本発明の露光装置の製造方法、及び露光方法は、それぞれ第１物体（Ｒ）を露光ビームで照明し、その第１物体のパターンの像を投影光学系（ＰＬ）を介して第２物体（Ｗ）上に露光する露光装置の製造方法、及び露光方法において、本発明の何れかの収差計測方法を用いてその投影光学系の収差を計測するものである。
また、本発明の第１の露光装置は、第１物体を露光ビームで照明し、その第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光装置において、本発明の何れかの収差計測装置を備えたものである。
また、本発明の第２の露光装置は、第１物体を露光ビームで照明し、その第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光装置において、本発明の何れかの収差計測方法を用いて計測された収差に基づいて光学素子の交換又は調整が行われた投影光学系を備えたものである。
また、本発明のデバイス製造方法は、本発明の露光装置を用いてマスクパターンをワークピース上に転写する工程を含むものである。
斯かる露光装置の製造方法、露光方法、露光装置、及びデバイス製造方法によれば、例えばその投影光学系の収差の計測結果に応じて、その投影光学系の結像特性を補正することによって、常に高い露光精度が得られる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の好ましい第１の実施の形態につき図１〜図６を参照して説明する。本例は、投影露光装置に搭載される投影光学系の収差を計測する場合に本発明を適用したものである。
図１は、本例の投影光学系の収差測定装置を示す概略構成図であり、この図１において、光源１としては、収差計測対象の投影光学系ＰＬで露光時に使用される露光光（露光ビーム）と同じ波長の照明光を発生する光源としての、真空紫外域（ＶＵＶ）のＦ２レーザ（発振波長１５７ｎｍ）が使用されている。それ以外に露光光源（光源１）として、Ａｒ２レーザ（波長１２６ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、ＹＡＧレーザの高調波発生装置、又は半導体レーザの高調波発生装置等の実質的に真空紫外域の光源を使用する場合にも本発明は有効である。更に、光源として、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）や水銀ランプ（ｉ線、ｇ線等）等の光源を使用する場合にも本発明が適用できる。
光源１から射出された照明光ＩＬは、整形光学系３、ビームエキスパンダ５、及び光路折り曲げ用のミラー７等を経て照明光学系８に達する。そして、照明光学系８から射出された照明光ＩＬは、１対の計測パターン１０（詳細後述）等が描画されたレチクル９に入射する。照明光学系８は、１対の計測パターン１０を互いに可干渉な照明光で照明する。そして、計測パターン１０を透過した１対の光束ＩＬａ，ＩＬｂは、収差計測対象の投影光学系ＰＬを経て、光透過性の基準パターン板１２上に計測パターン１０の投影像を形成する。ここで、レチクル９はそのパターン面が投影光学系ＰＬの物体面（第１面）と実質的に一致するように配置され、基準パターン板１２はその表面（基準パターン１３の形成面）が投影光学系ＰＬの像面（第２面）と実質的に一致するように配置されている。本例の投影光学系ＰＬのレチクル９（第１面）から基準パターン板１２（第２面）に対する投影倍率は、一例として１／４、１／５等の縮小倍率である。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な面内で図１の紙面に平行にＸ軸を、図１の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
先ず、レチクル９は、不図示のレチクルベース上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されたレチクルステージ２１上に吸着保持されている。そして、本例では、レチクル９の計測パターン１０の投影像を形成する光束を、上記の基準パターン板１２、計測光学系としてのレンズ系１５、光量分布検出装置としてのＣＣＤ型等の２次元の撮像素子１６、及びこれらを収納する箱状のフレーム機構を含む計測機構１４によって検出する。この場合、基準パターン板１２の上面は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直で、レチクル９のパターン面（物体面）に対する共役面（像面）となっており、その上面で計測パターン１０の投影像の形成される位置に１対の基準パターン１３（詳細後述）が形成されている。更にレンズ系１５は、その基準パターン板１２を透過した光束を集光して、その基準パターン板１２の上面に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）に、その基準パターン板１２を透過した光束の光学的フーリエ変換像を形成し、撮像素子１６は、その瞳面上での２次元的な光量分布を撮像し、撮像信号を外部の画像処理プロセッサ等の解析装置１９に供給する。
また、計測機構１４は、エアーベリング等を介してベース部材２０上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されており、計測機構１４のＸ方向、Ｙ方向の端部に固定された移動鏡１７、及び対応して配置されたレーザ干渉計１８によって計測機構１４のＸ方向、Ｙ方向の位置、及びＺ軸の回りの回転角等が所定のサンプリングレートで計測されており、計測値が制御装置２３に供給されている。制御装置２３は、計測値に基づいて駆動系２２及び不図示のリニアモータ等の駆動装置を介して計測機構１４の位置を制御する。
本例のレチクル９上には１対の計測パターン１０とそれぞれ同じ複数対の計測パターンが、投影光学系ＰＬの視野内の異なる複数の位置（例えば光軸ＡＸからの距離が異なる複数の位置）に形成されており、それら複数対の計測パターンの投影像の位置に基準パターン１３が順次重なるように計測機構１４が駆動され、各計測パターン対に対して撮像素子１６によって光量分布が検出される。なお、そのようにレチクル９上に複数対の計測パターンを形成する代わりに、レチクル９上には１対の計測パターン１０のみを形成しておき、レチクルステージ２１を駆動してその計測パターン１０を投影光学系ＰＬの視野内の異なる位置に移動して計測を行ってもよい。
解析装置１９は、１対の計測パターン１０、又は異なる位置の複数対の計測パターンに対する瞳面上での２次元的な光量分布情報より投影光学系ＰＬの所定の収差（本例では波面収差）を求め、求めた収差を制御装置２３を介して不図示のホストコンピュータに送信する。その収差が許容範囲を超えているときには、例えばその収差を許容範囲内に収めるように、投影光学系ＰＬ内の所定の光学素子（レンズ、凹面鏡、収差補正板等）の位置の微調整等が行われる。このとき、投影光学系ＰＬの光学素子の再加工或いは交換などを行うようにしてもよい。
なお、投影光学系ＰＬがＡｒＦエキシマレーザ又はＦ２レーザ等のように実質的に真空紫外域の露光光のもとで使用される場合には、光源１からは波長がほぼ２００ｎｍ程度以下の照明光ＩＬが射出されるが、その波長域の照明光ＩＬは、通常の空気（特に酸素）により強い吸収を受ける。そこで、撮像素子１６によって光量分布を検出できるようにするために、光源１から撮像素子１６までの全光路上の気体を、照明光ＩＬの波長に対する吸収性の弱い気体、例えば窒素、又は希ガス（例えばヘリウム、ネオン、アルゴン等）等で置換する必要がある。なお、その光路上の気体を窒素又は希ガスなどで置換する代わりに、その光路を実質的に真空としてもよい。また、照明光学系８、レチクル９、投影光学系ＰＬ、基準パターン板１２、及びレンズ系１５（計測光学系）等で使用する各種光学部材についても、照明光ＩＬを良好に透過する材料（合成石英、所定の不純物をドープした合成石英、又は螢石（ＣａＦ２）など）を使用する必要がある。
続いて本例の計測パターン１０及び計測機構１４等につき図２〜図４を参照して詳細に説明する。
図４（Ａ）は、図１に示した収差計測装置中のレチクル９から撮像素子１６までの部分を示す拡大図であり、この図４（Ａ）において、レチクル９の下面（投影光学系ＰＬ側の面）には、遮光膜を背景として、投影光学系ＰＬのレチクル９側における解像限界程度、又はこれ以下の直径ｄ１の円形透過領域からなる微少計測パターン１０ａと、上記解像限界程度よりも大きい直径ｄ２（ｄ２＞ｄ１）の円形透過領域からなる大計測パターン１０ｂとが、所定の間隔Ｐ１だけ離れて形成されている。図２に、その１対の微少計測パターン１０ａ、及び大計測パターン１０ｂ（図１の１対の計測パターン１０）の拡大図を示す。
投影光学系の解像限界とは、一般に投影光学系の開口数をＮＡ、露光波長をλとして、近似的に次式で表される。
解像限界＝０．５×λ／ＮＡ …（１）
また、本例の投影光学系ＰＬを含めて通常の投影光学系は、マスクとしてのレチクル上のパターンの像を基板としてのウエハ上に縮小投影するため、レチクル側はウエハ側に対して、４倍から５倍程度の横倍率（結像倍率Ｍ）が掛かっている。そして、投影光学系の開口数に関しても、レチクル側の開口数は、ウエハ側の開口数の１／Ｍとなっている。
本例の投影光学系ＰＬを、例えば露光波長が１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ）で、ウエハ側開口数が０．７５であるとして、その結像倍率Ｍ（基準パターン板１２からレチクル９に対する倍率）が５倍であるならば、レチクル９側の開口数は０．１５であり、（１）式の解像限界は０．１０５μｍ程度となり、レチクル側の解像限界は０．５２３μｍ程度となる。従って、本例の微少計測パターン１０ａの直径ｄ１は、上記解像限界程度以下の０．４μｍ程度以下にすると良い。
一方、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２は、（１）式の解像限界程度よりも大きい値であればよいが、直径ｄ２は望ましくはその解像限界の１０倍程度以上であればよい。その解像限界はレチクル側では０．５２３μｍ程度であるため、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２は、本例ではその１０倍の５μｍ程度以上とすると良い。
そして、本例では計測パターン１０ａ及び１０ｂに相互に可干渉性のある照明光が照射される。この計測パターン１０ａ及び１０ｂからの透過光は、それぞれ投影光学系ＰＬにより集光され、投影光学系ＰＬの像面（ウエハ側）に配置された基準パターン板１２上の大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂ上に投影される。大基準パターン１３ａは、投影光学系ＰＬのウエハ側の解像限界よりも大きく、望ましくはその解像限界の１０倍程度以上の大きさの透過部からなり、微少基準パターン１３ｂはその解像限界程度の大きさの透過部からなる。
図４（Ａ）において、微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの投影像を形成する実線で示す光束ＩＬａ及び破線で示す光束ＩＬｂは、それぞれ大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとを透過する。そして、光束ＩＬａ，ＩＬｂは計測光学系としてのレンズ系１５によって集光され、その基準パターン１３ａ，１３ｂの形成面に対する光学的フーリエ変換面（レンズ系１５の瞳面）上に配置される撮像素子１６上に照射される。上記のように、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとは、相互に可干渉性のある照明光で照明されているので、この２つの計測パターン１０ａ，１０ｂを透過した光束ＩＬａ，ＩＬｂは、その瞳面上の撮像素子１６上に干渉縞を形成することになる。
なお、上記のレチクル側解像限界とウエハ側解像限界との比は、投影光学系ＰＬの結像倍率Ｍに等しく、投影光学系ＰＬの両側の開口数（ＮＡ）の比の逆数に等しい。
本例の投影光学系ＰＬはレチクルのパターンを縮小してウエハ上に転写する縮小光学系であり、その結像倍率Ｍ（ウエハからレチクルに対する倍率）は４倍又は５倍である。しかし、以下の説明においては、簡略化のために投影光学系ＰＬを等倍と仮定し、両側での開口数ＮＡが等しいものとして説明する。なお、以下の説明は、両側での解像限界や開口数を結像倍率に応じて変更することで、縮小光学系においても同様に成り立つことは言うまでもない。
その微少計測パターン１０ａからの透過光は、そのパターンの直径（大きさ）ｄ１に対して、ほぼｓｉｎθ＝λ／ｄ１（λは露光波長）で定まる回折角θの範囲内で回折し、投影光学系ＰＬの中をその回折角に応じた拡がりをもって進行することになる。本例の微少計測パターン１０ａの直径ｄ１は解像限界程度であるため、（１）式よりほぼ次の関係が成立する。
ｓｉｎθ＝λ／ｄ１＝２×ＮＡ …（２）
即ち、微少計測パターン１０ａからの光束ＩＬａは、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡの２倍程度の拡がりをもって、投影光学系ＰＬ中を通過することになる。そのうち ｓｉｎθ≧ＮＡ を満たす角度で拡がる光束は、投影光学系ＰＬの開口絞り１１等により遮蔽されることになるが、微少計測パターン１０ａを透過した光束ＩＬａは、投影光学系ＰＬの開口数いっぱいに拡がって投影光学系ＰＬを通過する。即ち、光束ＩＬａは、微少計測パターン１０ａからの回折作用により、これまでの波面収差（図１の光源１から照明光学系８までの光学系の波面収差）情報を失い、実質的に微少計測パターン１０ａを曲率中心とする理想的な球面波となって、投影光学系ＰＬ中を開口数で制限される上限の大きな拡がり角を持って進むことになる。従って、光束ＩＬａには、投影光学系ＰＬのＮＡ全面にわたる波面収差（光路差）情報が盛り込まれている。
一方、上記の大計測パターン１０ｂはその直径（大きさ）ｄ２が、解像限界程度より大きいので、大計測パターン１０ｂを透過した光束ＩＬｂはあまり回折しない。
両計測パターン１０ａ，１０ｂを透過した光束は、投影光学系ＰＬにより、その像面に配置された基準パターン板１２のパターン面上に集光される。そして、上述の如く、上記微少計測パターン１０ａ及び上記大計測パターン１０ｂの投影像は、それぞれ基準パターン板１２上の大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとを透過して、レンズ系１５の瞳面に配置される撮像素子１６上に干渉縞を形成する。
ここで、計測光学系としてのレンズ系１５の瞳面での、両計測パターン１０ａ，１０ｂからの透過光を比較すると、大計測パターン１０ｂ及び微少基準パターン１３ｂを透過した光束ＩＬ１ｂは、投影光学系ＰＬを通過した後に透過した微少基準パターン１３ｂによって回折作用を受けている。従って、この光束ＩＬ１ｂからは投影光学系ＰＬの波面収差情報は失われ、光束ＩＬ１ｂは微少基準パターン１３ｂから、ここを起点とする球面波となって射出される。そして、レンズ系１５の作用により平面波となって瞳面上の撮像素子１６に到達する。
一方、微少計測パターン１０ａ及び大基準パターン１３ａを透過した光束ＩＬ１ａは、投影光学系ＰＬを通過した後の大基準パターン１３ａでの回折作用が、その大きな直径のために弱いため、投影光学系ＰＬの波面収差情報を持ったまま大基準パターン１３ａを通過し、同じくレンズ系１５の作用により概ね平面波となって瞳面上の撮像素子１６に到達する。
ただし、両光束ＩＬ１ａ，ＩＬ１ｂの瞳面への入射角は、大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとの間隔に応じて異なるため、両光束は入射角の異なる平面波が形成する干渉縞とほぼ同様な干渉縞を瞳面に形成することになる。
従って、この干渉縞の形状を計測及び解析することにより、微少計測パターン１０ａ及び大基準パターン１３ａを透過した光束ＩＬ１ａの持つ波面収差、即ち投影光学系ＰＬの波面収差を計測することが可能である。
ここで基準パターン１３ａ，１３ｂにつき具体的に説明する。即ち、大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂは、基準パターン板１２の投影光学系ＰＬ側の面上に遮光膜を背景として間隔（両パターンの中心距離間隔）Ｐ２で形成されたそれぞれ透過性の直径ｄ３の開口パターン、及び直径ｄ４（ｄ４＜ｄ３）の開口パターンである。図３にその拡大図を示す。また、基準パターン板１２は、大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂが、それぞれ微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの投影光学系ＰＬによる像の結像位置に一致するように位置決めされている。
図４（Ａ）において、大基準パターン１３ａ上には、微少計測パターン１０ａの投影像が形成されることになるが、上述の説明の通り、微少計測パターン１０ａからの光束ＩＬａには、投影光学系ＰＬの波面収差情報が含まれているので、回折作用によってこの波面収差情報が失われないように、大基準パターン１３ａの直径ｄ３を、本例では上記の（１）式のウエハ側での解像限界の１０倍程度以上に設定する。
上記と同様に投影光学系ＰＬの露光波長を１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ）で、ウエハ側開口数を０．７５とすると、ウエハ側の解像限界は０．１０５μｍ程度である。従って、大基準パターン１３ａの直径ｄ３は１０μｍ程度以上とすれば良い。
この結果、微少計測パターン１０ａからの光束ＩＬａは、投影光学系ＰＬの（ウエハ側）開口数の拡がり角を維持したまま、大基準パターン１３ａを通過しで光束ＩＬ１ａとなって、レンズ系１５によって、基準パターン１３ａ，１３ｂに対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上に配置された撮像素子１６上に照射される。
一方、微少基準パターン１３ｂは、ウエハ側での解像限界程度以下の大きさであり、その直径ｄ４は、上記解像限界程度以下の０．０７μｍ程度以下にすると良い。このような微少開口（微少基準パターン１３ｂ）を透過した光束ＩＬ１ｂは、それまで持っていた波面収差（光源１から照明光学系８まで、及び投影光学系ＰＬを含む光学系の波面収差）情報を失い、微少基準パターン１３ｂを曲率中心とする理想的な球面波となって、大きな回折角を持って透過していく。そして、この光束ＩＬ１ｂも、レンズ系１５によって、基準パターン１３ａ，１３ｂに対する光学的フーリエ変換面（瞳面）上に配置された撮像素子１６上に照射される。
なお、基準パターン１３ａ，１３ｂの中心間隔Ｐ２は、投影光学系ＰＬの結像倍率Ｍ（ウエハからレチクルへの倍率）と上記微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとの間隔Ｐ１に対し、次の関係にあることは言うまでもない。
Ｐ２＝Ｐ１／Ｍ …（３）
また、上記光学的フーリエ変換面（瞳面）とは、基準パターン１３ａ，１３ｂの配置面を発する光線との交点が、その射出位置によらず、射出角のみによって決定される面である。従って、異なる位置に配置された基準パターン１３ａ，１３ｂから発せられる光束のうち、同じ射出角で発せられる光線は、その瞳面上で同じ位置に到達する。
本例においては、レチクル９上の微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂを、相互に可干渉性のある光束で照明しているため、これらの計測パターン１０ａ，１０ｂを透過した２本の光束ＩＬ１ａ，ＩＬ１ｂが照射される撮像素子１６上には、図４（Ｂ）に示すように、両光束の干渉縞２３（光量分布）が形成されることになる。
フーリエ変換光学系であるレンズ系１５の焦点距離をｆ１とすると、干渉縞２３の周期（ピッチ）Ｆ１は次のようになる。
Ｆ１＝λ×ｆ１／Ｐ２ …（４）
ところで、一方の光束ＩＬ１ａには投影光学系ＰＬの波面収差情報が含まれ、他方の光束ＩＬ１ｂは理想的な収差情報を失った光束であるため、上記干渉縞２３の形状は、投影光学系ＰＬの波面収差情報が反映されたものとなっている。具体的には干渉縞２３の微少変形量が、投影光学系ＰＬの波面収差を反映している。従って、この微少変形量を計測することで、投影光学系ＰＬの波面収差を計測することが可能である。
本例においては、図１に示した解析装置１９が、上記微少変形量の計測及び波面収差の算出を行なう。ただし、この処理方法は、公知のＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）法での処理方法と同様であるので説明は省略する。
なお、本例において形成される干渉縞２３の周期Ｆ１や方向性は、微少計測パターン１０ａの投影像と大基準パターン１３ａとの位置合わせ誤差によっても生じるものである。そして、この周期や方向性のずれ量は、波面収差としては開口数の１次量に比例する項であり、像のシフト（ディストーション）に対応している。従って、本例の収差計測装置で、投影光学系のディストーションの計測精度を高めるためには、それらの位置合わせ精度を高める必要がある。しかしながら、逆に、大基準パターン１３ａと微少計測パターン１０ａの投影像との位置合わせ誤差（即ち、レチクル９と基準パターン板１２との位置合わせ誤差）が多少残存していても、その影響は波面収差の計測値中の、開口数の１次量に比例する項のみであるため、開口数の１次量に比例する項以外の項に関する収差を計測する場合には、上記位置合わせ誤差の許容値を大幅に緩くすることができるという利点がある。
この位置合わせ誤差の許容値をより大きくするには、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２と大基準パターン１３ａの直径ｄ３とを大きくすることによって、多少の位置ずれが生じても、微少計測パターン１０ａの透過光ＩＬａが大基準パターン１３ａを透過可能とし、大計測パターン１０ｂの透過光ＩＬｂが微少基準パターン１３ｂを透過可能とすれば良い。ただし、大計測パターン１０ｂの透過光ＩＬｂが大計測パターン１０ｂを透過して不要な透過光が発生するのを防止するために、次の条件を満たす必要がある。
ｄ２＋（Ｍ×ｄ３）＜Ｐ１ …（５）
また、そのために、その間隔Ｐ１の値を大きくしても良い。
例えば上記に例示した、露光波長が１５７ｎｍで、ウエハ側開口数が０．７５のＦ２レーザ光源用の投影光学系の場合には、大計測パターン１０ｂの直径ｄ２を１５μｍ、大基準パターン１３ａの直径ｄ３を３μｍとし、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとの間隔Ｐ１を２０μｍ程度以上とするとよい。この場合、上記位置合わせ誤差の許容値は、基準パターン１３ａ，１３ｂ側で１μｍ程度以上となり、機械的調整精度に比べて十分なマージンを確保することができる。
更に、投影光学系ＰＬの収差を計測するために従来のＰＤＩ法を使用する際の位置合わせ誤差の許容値は１０ｎｍ程度であるため、本例の位置合わせ誤差の許容値はＰＤＩ法の１００倍程度となり、本例の収差計測は極めて容易に実施することができる。また、本例では間隔Ｐ１が２０μｍ程度以上の２つの計測パターン１０ａ及び１０ｂを互いに可干渉な光束で照明すればよいため、その照明光として特に時間的コヒーレンスの長いレーザ光を使用する必要がなく、この点でも容易に実施することが可能である。
また、焦点距離ｆ１が１０ｍｍであるレンズ系１５を使用すると、干渉縞２３の直径は投影光学系ＰＬの開口数のｆ１倍、即ちＮＡ×ｆ１＝７．５（ｍｍ）であり、千渉縞２３の周期Ｆ１は３９２μｍ程度となる。従って、撮像素子１６として、１辺が２０ｍｍ程度で、画素サイズが２０μｍ程度の通常の撮像素子を用いることによって、この干渉縞２３を高精度に撮像することが可能である。
ところで、図１において、投影光学系ＰＬの視野が狭い場合には、計測機構１４を固定し、投影光学系ＰＬの視野内の１点のみを収差計測可能であれば十分である。しかし、投影光学系ＰＬの視野が広い場合には、計測機構１４をベース部材２０上に搭載し、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内で２次元的に可動とすることが好ましい。これにより、投影光学系ＰＬの視野内の複数箇所で、投影光学系ＰＬの波面収差の計測が可能となる。なお、その際には、計測機構１４の位置はレーザ干渉計１８によって計測される。
また、計測機構１４の位置は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向についても、計測可能であることが望ましい。この計測には、投影露光装置のオートフォーカスセンサとして一般に使用される、斜入射方式の光学式センサを使用すると良い。或いは、ベース部材２０の基準面と計測機構１４との間にレーザ干渉計を配置して、これによってその光軸方向の位置を計測することもできる。
なお、このように計測機構１４を移動する際に、レチクル９上の計測パターン１０が１対である場合には、その計測機構１４の移動に応じてレチクル９（計測パターン１０）も移動する必要がある。このため、計測パターン１０の描画されたレチクル９は、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直な面内で２次元的に可動なレチクルステージ２１上に保持されることが望ましい。同様にして、レチクル９の位置もレーザ干渉計等で計測されるべきことは言うまでもない。
なお、図４では、説明を容易にするために、投影光学系ＰＬ等の大きさに比べて大基準パターン１３ａと微少基準パターン１３ｂとの間隔Ｐ２を大きくとっているが、実際には間隔Ｐ２は、投影光学系ＰＬやレンズ系１５の大きさに比べてかなり小さいことは言うまでもない。従って、大基準パターン１３ａ及び微少基準パターン１３ｂを透過した各光束ＩＬ１ａ，ＩＬ１ｂは、ほとんど共通の光路（コモンパス）を通って、撮像素子１６に至ることになる。従って、計測光学系としてのレンズ系１５自体の波面収差は、投影光学系ＰＬの波面収差の計測には、ほとんど影響しない。
ただし、投影光学系ＰＬの波面収差を極めて高精度に計測する必要がある場合には、上記計測値から、レンズ系１５の波面収差分を除去する必要がある。そしてそのためには、別途レンズ系１５の波面収差を計測（キャリブレーション）する必要がある。
以下、図５を用いてレンズ系１５の波面収差を計測する方法を説明する。
図５は、図４と同様に、本例の収差計測装置のうちのレチクル９から撮像素子１６までの部分を示す拡大図である。ただし、図５では、図４の計測パターンが形成されたレチクル９の代わりに、その微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂに相当する各位置に、その大計測パターン１０ｂとそれぞれ同程度以上の大きさの透過部よりなる第１及び第２の初期計測パターン１０ｃ，１０ｄの形成されたレチクル９ｂを使用する。ただし、これらの初期計測パターン１０ｃ，１０ｄの直径には特に最適値はなく、十分な透過光量を得られるのであれば、どのような大きさのパターンでも良く、更に２つの初期計測パターン１０ｃ，１０ｄがつながって、一つの大きな透過パターンを形成していても良い。
また、このキャリブレーション計測に際しては、基準パターン板１２の投影光学系ＰＬ側の近傍に、初期基準パターン板３０を配置する。初期基準パターン板３０の基準パターン板１２側には、遮光膜よりなる背景中に、透過パターンよりなる微少初期基準パターン３１ａ及び大初期基準パターン３１ｂが形成されている。前者の微少初期基準パターン３１ａは、隣接する基準パターン板１２上の大基準パターン１３ａの位置に一致して配置され、後者の大初期基準パターン３１ｂは、微少基準パターン１３ｂの位置に一致して配置されている。微少初期基準パターン３１ａの直径は、微少基準パターン１３ｂと同様に、投影光学系ＰＬの解像限界程度以下として、大初期基準パターン３１ｂの直径は、大基準パターン１３ａと同様に、投影光学系ＰＬの解像限界の１０倍程度以上とする。
なお、このような基準パターン板１２及び初期基準パターン板３０の近接した配置は、光学的には互いに結像関係（共役関係）にある配置と実質的に同じであることは言うまでもない。
図５において、初期計測パターン１０ｃ，１０ｄを透過した実線で示す光束ＩＬｃ、及び破線で示す光束ＩＬｄは、それぞれ投影光学系ＰＬと初期基準パターン３１ａ及び３１ｂを介して、基準パターン板１２上の基準パターン１３ａ及び１３ｂに集光する。このとき、双方の透過部（初期基準パターン３１ａ及び基準パターン１３ｂ）の直径が、実質的に投影光学系ＰＬの解像限界程度以下になっているため、双方の回折光ＩＬ１ｃ及びＩＬ１ｄは、ここでそれまでの、即ち照明光学系や投影光学系ＰＬの波面収差情報を失うことになる。
一方で、これらの回折光ＩＬ１ｃ，ＩＬ１ｄは、前述の投影光学系ＰＬの波面収差計測時と同じ光路を経て撮像素子１６に入射し、そこに干渉縞を形成する。従って、このキャリブレーション計測時には、干渉縞の微少変形量には、レンズ系１５の波面収差のみが反映されており、この微少変形量を、図１の解析装置１９により解析することにより、計測光学系としてのレンズ系１５自体の波面収差を算出することができる。
また、前述のようにして計測された投影光学系ＰＬの波面収差から、キャリブレーション計測により求められたレンズ系１５の波面収差を差し引くことで、投影光学系ＰＬの波面収差を、より高精度に求めることが可能になる。
このようなキャリブレーション計測は、投影光学系ＰＬの視野のどの場所で行なっても同様な計測結果となり、本測定装置に搭載する投影光学系ＰＬを交換して別の投影光学系を用いて行なっても同様の結果となる。従って、キャリブレーション計測は、投影光学系ＰＬの波面収差の計測に先立って１度行なえば良く、これにより、キャリブレーション時間を短縮するできる。もちろん、定期的にキャリブレーション計測を行なうことで、キャリブレーション結果の信頼性を高め、より高精度な投影光学系ＰＬの波面収差の計測を行なうこともできる。また、このキャリブレーション計測は投影光学系ＰＬの波面収差の計測後に行っても構わない。
次に、本例の図１の照明光学系８の構成例につき図６を参照して説明する。
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ図４の微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとを有するレチクル９に対する照明光学系８の各種構成例を示し、図６（Ａ）〜（Ｄ）において、２つの計測パターン１０ａ，１０ｂの間隔Ｐ１は、例えば２０〜５０μｍ程度である。
図６（Ａ）の例では、レチクル９より光源側（＋Ｚ方向）に間隔ｈ１だけ離して直径ｄａのピンホール３３の形成されたピンホール板３２を配置する。このピンホール３３からの回折光ＩＬ２は、回折角±λ／ｄａ［ｒａｄ］程度の範囲で拡がるため、レチクル９上で、ｈ１×λ／ｄａ程度の半径の円形領域は、コヒーレントに照明されることになる。ただし、確実な可干渉性を持つのはその１／４程度の範囲であり、全幅でλ／（２×ｄａ）［ｒａｄ］程度の範囲となる。そして、距離Ｐ１離れた微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとをコヒーレントに照明する、即ち相互に可干渉性を有する光束で照明するためには、次の条件を満たせばよい。
Ｐ１＜ｈ１×λ／（２ｄａ） …（６）
これを変形すると、次の条件を満たせば良いことになる。
ｈ１／ｄａ＞２×Ｐ１／λ …（７）
露光波長が１５７ｎｍで、Ｐ１＝２０μｍの場合には、ｈ１／ｄａ＞２５５とすれば良い。即ち、ピンホール３３を、その直径ｄａの２５５倍以上の距離ｈ１だけ計測パターン１０ａ，１０ｂから離して設置すれば良い。例えば、ピンホール３３の直径ｄａを１ｍｍとすると、ピンホール３３を計測パターン１０ａ，１０ｂから＋Ｚ方向に２５５ｍｍ離して設置すれば良い。
また、複数箇所で投影光学系ＰＬの波面収差を計測するには、計測位置に応じた各位置の上に、上記ピンホール３３をそれぞれ設置すれば良い。
また、レチクル９上でのＸ方向（計測パターン１０ａ，１０ｂの配列される方向）での可干渉性は、ピンホール３３のＸ方向の大きさのみによって決まるので、ピンホール３３のＹ方向（図６（Ａ）の紙面に垂直な方向）の大きさは、（７）式の関係で決まる量より大きな値であって良く、その方が照明光量的に有利である。即ち、ピンホール３３の代わりに、Ｘ方向の幅がｄａでＹ方向の幅がそれよりも広いスリットパターンを用いることで、照明光量を大きくできる。
次の図６（Ｂ）の構成例は、レチクル９より光源（＋Ｚ方向）側に間隔ｈ２だけ離してピッチｐｂの回折格子３４を配置したものである。なお、回折格子３４の透過部よりなるスリット３４ａと遮光部３４ｂとの周期方向は、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとが並ぶ方向と一致させるものとする。図６（Ａ）の例と同様の考察により、回折格子３４上の１つのスリット３４ａの幅ｄｂが、次の関係を満たすとき、その１つのスリット３４ａからの照明光は、両計測パターン１０ａ，１０ｂをコヒーレントに照明する。
ｈ２／ｄｂ＞Ｐ１／λ …（８）
また、回折格子３４のピッチｐｂが次の（９）式の関係で規定されるとき、回折格子３４の各スリット３４ａからの照明光は、両計測パターン１０ａ，１０ｂを、すべて一定の位相関係で照明するため、極めて好都合な照明を実現することができる。
ｐｂ＝ｈ２×λ／Ｐ１ …（９）
本例でも露光波長λを１５７ｎｍ、間隔Ｐ１を２０μｍとした場合、上記条件のように回折格子３４を、計測パターン１０ａ，１０ｂから２５５ｍｍ（＝ｈ２）離して設置するとすれば、回折格子３４の各スリット３４ａの幅ｄｂは１ｍｍ以下であればよく、そのピッチｐｂは、２５５（ｍｍ）×０．１５７（μｍ）／２０（μｍ）＝２（ｍｍ）であれば良い。
この場合、複数箇所で投影光学系ＰＬの波面収差を計測するためには、レチクル９の光源側の全面に亘って、回折格子３４を設置すれば良い。
次の図６（Ｃ）の構成例では、絞り（σ絞り）３７の設置された開口絞り３６を、照明光学系中のレチクル９に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）に配置している。即ち、σ絞り３７を通過した照明光ＩＬがコンデンサレンズ系３５を介してレチクル９の計測パターン１０ａ，１０ｂを照明している。このとき、σ絞り３７は、レチクル９に対する照明光ＩＬの入射角度範囲（照明ＮＡ）を規定する。間隔Ｐ１の両計測パターン１０ａ，１０ｂを確実にコヒーレントに照明するためには、次の条件を満たす照明ＮＡとなるように、σ絞り３７を絞ると良い。
λ／（２×照明ＮＡ）＞Ｐ１ …（１０）
上記のように露光波長λが１５７ｎｍで、間隔Ｐ１が２０μｍの場合には、（１０）式より照明ＮＡを、０．００３９以下にすると良い。また、このときのσ絞り３７のＹ方向の大きさは、上記の値より大きくて良いことは図６（Ａ）に示した例の場合と同様である。
図６（Ｄ）の例は、ピッチｐｂでスリット幅ｄｂの回折格子３９を、照明光学系中の、レチクル９に対する光学的フーリエ変換面（瞳面）に配置している。従って、回折格子３９を通過した照明光ＩＬがコンデンサレンズ系３５を介してレチクル９を照明している。回折格子３９の１つのスリットの幅ｄｂが、図６（Ｃ）の例と同様に開口数として０．００３９以下に相当すれば、間隔Ｐ１の両計測パターン１０ａ，１０ｂをコヒーレントに照明可能である。例えば、コンデンサレンズ系３５の焦点距離ｆｄを４００ｍｍとすると、スリット幅ｄｂを、ｆｄ×開口数＝１．５７（ｍｍ）程度とすれば良いことになる。また、そのピッチｐｂについては、次の関係を満たすことによって、全てのスリットからの間隔Ｐ１離れた２点への照明光の位相関係を同一にすることができる。
ｐｂ＝λ×ｆｄ／Ｐ１ …（１１）
上記のように露光波長λが１５７ｎｍで、間隔Ｐ１が２０μｍの場合には、（１１）式よりピッチｐｂを、０．１５７×４００／２０＝３．１４（ｍｍ）とすればよい。
これらのピンホール３３、σ絞り３７、又は回折格子３４，３９の配置により、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとに照明される光束を、相互に可干渉性を持った光束とすることが可能である。そして、更にこれらの部材を、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとが配列される方向（Ｘ方向）に微少移動させると、その移動量に応じて、上記微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとに照明される照明光の位相関係を変化させることが可能になる。
図６（Ｃ）及び（Ｄ）の例では、このための移動装置として可動ステージ３８が配置されている。即ち、可動ステージ３８は、それぞれ開口絞り３６及び回折格子３９を計測パターン１０ａ，１０ｂの配列方向であるＸ方向に移動することができる。同様に、図６（Ａ）及び（Ｂ）の構成例において、ピンホール３３及び回折格子３４の移動装置を設けてもよい。
このように、微少計測パターン１０ａと大計測パターン１０ｂとを照明する照明光の位相関係を変化させると、図４（Ａ）の撮像素子１６上に形成される干渉縞の形状が変化する。その変化は、大きくは干渉縞の周期方向へのシフトであるが、それに応じて縞の微細構造も微妙に変化する。そして、両計測パターン１０ａ，１０ｂを照明する照明光の位相関係を変化させつつ、複数回に亘って、上記の干渉縞の強度分布計測及び解析装置１９での解析を繰り返すことにより、投影光学系ＰＬの波面収差計測及び上記のキャリブレーション計測を、より一層高精度に行なうことが可能になる。
なお、以上の如く照明光学系に設けるピンホールや回折格子は、螢石（ＣａＦ２）等のフッ化物結晶、又は合成石英あるいはフッ素添加の合成石英等からなる基板上に金属薄膜等の遮光部材をパターンニングした部材を使用することができる。また、それらのピンホールや回折格子として、金属薄板等の遮光性の薄板から穴、又は線状パターンをくりぬいた部材を使用することもできる。また、回折格子としては、上記の明暗の回折格子（振幅型の回折格子）の他に、照明光の利用効率を高めるために、凹凸又は屈折率分布に周期性を持たせた位相型の回折格子を使用することもできる。
また、上記の実施の形態によって波面収差の計測が行われた投影光学系の光学素子の調整を行うことによって、投影光学系の波面収差を許容範囲内に追い込むことができる。このように波面収差、及び他の諸収差が許容範囲内になるように調整された投影光学系を投影露光装置に組み込みことによって、微細なパターンを高精度にウエハ等の基板上に転写できる投影露光装置を製造することができる。
次に、本発明の第２の実施の形態につき図７を参照して説明する。図７において図４に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
図７も、図４と同様に、図１の収差計測装置のうちの、レチクル９から撮像素子１６までの部材に対応する部分を示す拡大図であり、この図７において、レチクル９から投影光学系ＰＬの像面４１までの構成は、前述の第１の実施の形態（図４）と同様である。
本例では、基準パターン板１２Ａは、投影光学系ＰＬの像面４１ではなく、像面４１と計測光学系の一部のリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して結像関係（共役）になっている面に配置される。この基準パターン板１２Ａ上の、微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの投影像の位置に、第１の実施の形態と同様にそれぞれ大基準パターン１３Ａａ及び微少基準パターン１３Ａｂが配置されている。本例の計測パターン１０ａ及び１０ｂを透過した光束ＩＬａ及びＩＬｂは、それぞれ像面４１を通過した後、光束ＩＬ３ａ及びＩＬ３ｂとしてリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して基準パターン１３Ａａ及び１３Ａｂに入射する。そして、基準パターン１３Ａａ及び１３Ａｂを透過した各光束ＩＬ４ａ，ＩＬ４ｂは、計測光学系の一部のレンズ系１５ｂによって、基準パターン１３Ａａ，１３Ａｂに対して光学的フーリエ変換の関係となっている面（瞳面）に配置された撮像素子１６上に入射し、ここに干渉縞を形成する。この干渉縞の解析によって投影光学系ＰＬの波面収差を計測できるのは第１の実施の形態と同様である。
本例では、リレー光学系１５ｃから撮像素子１６までの部材、及びこれらを保持するフレーム機構（不図示）より投影光学系ＰＬの収差の計測機構４０が構成されている。
本例でも複数箇所で投影光学系ＰＬの波面収差を計測するためには、リレー光学系１５ｃ，１５ｄ及びレンズ系１５ｂよりなる計測光学系と、基準パターン板１２Ａと、撮像素子１６とを含む計測機構４０は、一体に保持されていることが望ましい。また、計測機構４０は、図１に示した第１の実施の形態と同様に、投影光学系ＰＬの光軸に垂直な面内に可動なベース部材２０上に配置され、その面内での位置計測及び上記光軸方向での位置計測が可能である。
本例では、投影光学系ＰＬの像面４１から基準パターン板１２Ａまでのリレー光学系１５ｃ，１５ｄを採用することで、像面４１から基準パターン板１２Ａに対して等倍より大きい結像倍率（拡大倍率）を持たせることが可能となっている。この結果、基準パターン板１２Ａ上に設ける微少基準パターン１３Ａｂや大基準パターン１３Ａａの直径は、それらを像面４１に設ける場合に比べてその結像倍率分だけ大きくすることができ、それだけ基準パターン板１２Ａの製造が容易になる利点がある。もちろん、本例についても、原理的には上記第１の実施の形態と同様であり、リレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して配置され、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの倍率分だけ拡大された基準パターン１３Ａａ，１３Ａｂは、像面４１に配置される図４の基準パターン１３ａ，１３ｂと同様に作用することは言うまでもない。
ただし、本例では、波面収差計測に使用する微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂを透過した２つの光束ＩＬａ，ＩＬｂが、投影光学系ＰＬを通過した後も、共通でない光路（ＩＬ４ａ，ＩＬ４ｂ）を通り、それぞれ別の波面収差を受けてしまう。大計測パターン１０ｂを透過した光束ＩＬ４ｂについては、微少基準パターン１３Ａｂを通過する際の回折作用で、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差情報を失うが、微少計測パターン１０ａを透過した光束ＩＬ４ａについては、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差情報を持ったまま撮像素子１６上に入射するため、計測される投影光学系ＰＬの波面収差には、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差が混入してしまう。
しかしながら、本例においても上記の図５を参照して説明したキャリブレーションを行って、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差を別途計測することで、投影光学系ＰＬの波面収差をより高精度に計測することが可能である。本例においてそのキャリブレーションを行うためには、図５の第１の実施の形態と同様に、投影光学系ＰＬの像面４１に、計測機構４０側の面に遮光膜を背景として微少初期基準パターン及び大初期基準パターンの透過パターンの形成された、初期基準パターン板を配置すればよい。この場合、その微少初期基準パターンは、大基準パターン１３Ａａとリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して結像関係となる位置に配置し、その大初期基準パターンは、微少基準パターン１３Ａｂとリレー光学系１５ｃ，１５ｄを介して結像関係となる位置に配置する。このとき、その微少初期基準パターン及び大初期基準パターンの直径は、それぞれ微少計測パターン１０ａ及び大計測パターン１０ｂの直径の、投影光学系ＰＬの結像倍率分の１程度とする。また、レチクル９ａ上の計測パターン１０ａ，１０ｂの代わりに、第１の実施の形態と同様に、図５の微少初期基準パターン３１ａと大初期基準パターン３１ｂに対して結像関係となる位置が、大開口の透過部分となっている初期計測パターンを配置する。
このとき、その微少初期基準パターンからの透過光は、その収差計測時の光路（光束ＩＬ３ａ）と同様に大きな拡がりを持った光路を通ってリレー光学系１５ｃ，１５ｄを通過し、その大初期基準パターンからの透過光は、その収差計測時の光路（光束ＩＬ３ｂ）と同様に小さな拡がりを持った光路を通ってリレー光学系１５ｃ，１５ｄを通過する。また基準パターン板１２Ａを透過した後の両光束の光路も、それぞれその収差計測時の光路と同様である。そして両光束は共に撮像素子１６に入射して干渉縞を形成する。
その結果、微少初期基準パターンからの透過光は、微少初期基準パターンが小さいために投影光学系ＰＬの収差情報を失っている。しかし、大基準パターン１３Ａａ通過時には、その直径が大きく回折作用を受けないため、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの波面収差情報は保たれる。従って、微少初期基準パターンからの透過光は、リレー光学系１５ｃ，１５ｄとフーリエ変換光学系としてのレンズ系１５ｂ（光束ＩＬ４ａの光路）の波面収差情報を持って撮像素子１６に入射する。
一方、大初期基準パターンからの透過光は、大初期基準パターンが大きいために投影光学系ＰＬの収差情報を保っているが、微少基準パターン１３Ａｂ通過時に、回折作用によりリレー光学系１５ｃ，１５ｄも含めた光学系の波面収差情報を失う。従って、大初期基準パターンからの透過光は、フーリエ変換光学系としてのレンズ系１５ｂ（光束ＩＬ４ｂの光路）の波面収差情報のみを持って撮像素子１６に入射する。
従って、撮像素子１６上の干渉縞の強度分布を解析することにより、リレー光学系１５ｃ，１５ｄの収差と、光束ＩＬ４ａ及び光束ＩＬ４ｂの光路の収差との差、並びにそれらの収差の和が算出できる。
この値を、上記投影光学系ＰＬの波面収差の計測値から差し引くことで、投影光学系ＰＬの波面収差を一層高精度に計測することが可能になる。
なお、上記の第１及び第２の実施の形態で、レチクル９，９ｂ、基準パターン板１２，１２Ａ、初期基準パターン板３０等の光学部材は、露光波長の照明光ＩＬを透過する光学材料で形成することは言うまでもない。例えば、ＡｒＦエキシマレーザ用の光学系の収差計測装置であれば、その光学材料としては合成石英やフッ化物結晶等を使用し、Ｆ２レーザ用の光学系の収差計測装置であれば、その光学材料としてはフッ素添加の合成石英やフッ化物等を使用する。基準パターン板１２，１２Ａの背景の遮光膜としては、クロム（Ｃｒ）、又はケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２等）等の薄膜を使用できる。
また、前述した第１及び第２の実施の形態で説明したキャリブレーション計測は、各実施の形態（図４、図７）で説明した収差計測との組み合わせに限られるものではなく、他の収差計測方法（例えばＰＤＩ法など）と組み合わせて用いても構わない。
次に、上記の実施の形態の収差測定装置を搭載した投影露光装置の一例につき図８及び図９を参照して説明する。その基本構成は、通常の投影露光装置と同様である。
図８は、本例の投影露光装置を示し、この図８において、水銀ランプ、ＫｒＦ若しくはＡｒＦエキシマレーザ、又はＦ２レーザ等からなる露光光源１０１を発した露光ビームとしての照明光（露光光）ＩＬは、ミラー１０２、整形光学系１０３、ミラー１０４を経てインプットレンズ１０５に至り、インプットレンズ１０５を通過した照明光ＩＬは、オプティカル・インテグレータ（ユニフォマイザ、又はホモジナイザ）としてのフライアイレンズ１０６に入射する。フライアイレンズ１０６を射出した照明光ＩＬは、コンデンサレンズ１１３、光路折り曲げ用のミラー１１４、及びコンデンサレンズ１１５を経てマスクとしてのレチクルＲのパターン面（下面）の転写用のパターンを照明する。フライアイレンズ１０６の射出面は、レチクルＲに対する光学的フーリエ変換面となっており、ここに開口絞り板１０７が交換機構としての駆動モータ１０８によって回転自在に配置されている。
図９は、開口絞り板１０７を示し、この図９において、開口絞り板１０７には通常照明用の円形の絞り１０９の他に、変形照明用の複数の開口よりなる絞り１１２、隣接する２つのパターンを互いに可干渉な照明光で照明するためのピンホール状の絞り１１０、及び回折格子の形成された絞り１１１等が配置されている。図８の駆動モータ１０８によって、これらの絞り１０９〜１１２の内の所望の絞り（σ絞り）をフライアイレンズ１０６の射出面に設置できるように構成されている。その絞りによって、レチクルＲへの照明光の入射角度範囲（照明系開口数）を制限することができる。
なお、開口絞り板１０７の代わりに、又はそれと組み合わせて、例えば照明光学系内に交換して配置される複数の回折光学素子、照明光学系の光軸に沿って可動なプリズム（円錐プリズム、多面体プリズムなど）、及びズーム光学系の少なくとも１つを含む光学ユニットを、露光光源１０１とオプティカル・インテグレータ（１０６）との間に配置してもよい。この際に、本例のようにオプティカル・インテグレータ（１０６）がフライアイレンズであるときはその入射面上での照明光の強度分布を、オプティカル・インテグレータ（１０６）が内面反射型インテグレータであるときはその入射面に対する照明光の入射角度範囲などをそれぞれ可変とすることで、照明光学系の瞳面上での照明光の光量分布（２次光源の大きさや形状）、即ち照明条件の変更に伴う光量損失を抑えることが望ましい。
図８に戻り、レチクルＲを透過した光束は、投影光学系ＰＬを介して被露光基板としてのウエハＷ上にそのレチクルＲのパターンの像を形成する。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面で図８の紙面に平行にＸ軸を、図８の紙面に垂直にＹ軸を取って説明する。
先ず、レチクルＲは、レチクルベース１１７上でＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されたレチクルステージ１１６上に保持され、レチクルステージ１１６の２次元的な位置は、移動鏡１１８Ｍ及びレーザ干渉計１１８によって計測され、この計測値、及び装置全体の動作を統轄制御する主制御系１２０からの制御情報に基づいてレチクルステージ制御系１１９が不図示のリニアモータ等を介してレチクルステージ１１６の位置及び速度を制御する。
一方、ウエハＷは、不図示のウエハホルダを介してウエハステージ（Ｚレベリングステージ）１２１上に保持され、ウエハステージ１２１はウエハベース１２２上にＸ方向、Ｙ方向に移動自在に載置されている。ウエハステージ１２１の２次元的な位置は、移動鏡１２３Ｍ及びレーザ干渉計１２３によって計測されており、この計測値及び主制御系１２０からの制御情報に基づいてウエハステージ制御系１２４が不図示のリニアモータ等を介してウエハステージ１２１のＸ方向、Ｙ方向の位置及び速度を制御する。また、ウエハステージ１２１は、不図示のオートフォーカスセンサ（斜入射方式で光学式のセンサ）からのウエハＷの表面の複数の計測点でのフォーカス位置（光軸ＡＸ方向の位置）の情報に基づいて、露光中にウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面に合焦されるように、サーボ方式でウエハＷのフォーカス位置及びＸ軸、Ｙ軸の回りの傾斜角を制御する。
露光時には、レチクルＲのパターンの投影光学系ＰＬによる像がウエハＷ上の一つのショット領域に転写される動作と、ウエハＷをステップ移動する動作とがステップ・アンド・リピート方式で繰り返される。このように本例の投影露光装置は、一括露光方式（ステッパー方式）であるが、レチクルステージ１１６にも走査機構を設け、露光時にレチクルＲとウエハＷとを投影光学系ＰＬの倍率を速度比として同期移動する動作と、ウエハＷをステップ移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・スキャン方式よりなる走査露光型の投影露光装置にも本発明が有効であることは言うまでもない。
そして、本例のウエハステージ１２１のウエハホルダ（不図示）の近傍に、図１中の計測機構１４、又は図７の計測機構４０よりなる投影光学系ＰＬの収差計測装置が設置されている。また、不図示のレチクルローダ系によって、レチクルステージ１１６上のレチクルＲは、図１の計測パターン１０が形成されたレチクル９と交換できるように構成されている。このようにレチクルＲをレチクル９と交換して、ウエハステージ１２１を駆動して計測機構１４（又は計測機構４０、以下同様）を投影光学系ＰＬの露光フィールドに移動することによって、上記のように投影光学系ＰＬの波面収差の計測が可能になる。既に説明したように、そのレチクル９上に多数対の計測パターンを配置し、計測機構１４をウエハステージ１２１によって移動させつつ計測を行なうことで、複数箇所での収差計測か可能である。また、その計測に際して、上記のオートフォーカスセンサによって、計測機構１４の投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向の位置を計測することも可能である。
その計測にしては、レチクル９上の計測パターン中の微少計測パターンと大計測パターンとに、相互に可干渉性もった照明光を照射するために、駆動モータ１０８を介してターレット方式の開口絞り板１０７中のピンホール状の絞り１１０、又は回折格子よりなる絞り１１１（図９参照）をフライアイレンズ１０６の射出面に設置すればよい。その他に、絞り１０９を虹彩絞りとして、その開口を上述の条件程度の小絞りとしてもよい。
この場合、ターレット式の開口絞り板１０７の微少回転により、絞り１１０又は１１１の位置を可変とすることができる。これによって、上述のように微少計測パターンと大計測パターンとに照明される照明光の位相を可変とすることができる。なお、開口絞り板１０７の代わりに前述の光学ユニットを用いる場合、例えば回折光学素子の微小回転により大計測パターンと微小計測パターンとで、照明光の位相を可変としてもよい。
また、本例では収差計測機能を有する露光装置、換言すれば計測機構（１４又は４０）がウエハステージ１２１に常設される露光装置について説明したが、収差計測時に計測機構（１４又は４０）をウエハステージ１２１に取り付け可能とするだけでもよいし、あるいはウエハステージ１２１とは別の可動体に計測機構を取り付けるようにしてもよい。後者ではその可動体を露光装置内に常設しておいてもよいし、計測機構と一体に挿脱可能としてもよい。更に、ウエハホルダと実質的に同一の形状、及び同一の大きさで形成されるダミーホルダにその計測機構を組み込み、ウエハホルダとの交換でそのダミーホルダをウエハステージ１２１上に配置して同様に収差計測を行うようにしてもよい。
更に、計測機構（１４又は４０）を全てウエハステージ（２０又は１２１）上に配置しなくてもよく、その一部のみ、例えば基準パターン板１２及びレンズ系１５をウエハステージ上に配置し、このレンズ系１５からの光束をリレー光学系などを用いてウエハステージ外の撮像素子１６に伝送するように構成してもよい。このとき、リレー光学系の波面収差をレンズ系１５と同様に予め計測しておき、投影光学系ＰＬの波面収差からその波面収差分を除去することが好ましい。これは前述の第１、第２の実施形態でも同様である。
また、投影光学系ＰＬは屈折系、反射屈折系、及び反射系の何れでもよいし、その物体面（第１面）から像面（第２面）に対する投影倍率が１以上、即ち等倍系、又は拡大系であってもよい。
なお、以上の実施の形態では全て計測パターンをレチクル（９又はＲ）に形成しておくものとしたが、前述の計測パターンが形成された基準パターン板をレチクルステージ（２１又は１２１）に固定するか、あるいはレチクルステージに直接計測パターンを形成してもよい。
また、以上の実施の形態では全て、前述の如く計測された波面収差に基づき、例えばツェルニケ多項式を用いてディストーション、像面湾曲などにつきその高次成分までも算出するとともに、この計算結果に基づいて投影光学系ＰＬの少なくとも一部を交換又は調整することが好ましい。このとき、投影光学系の光学素子単位でその交換を行ってもよいし、あるいは複数の鏡筒を有する投影光学系ではその鏡筒単位で交換を行ってもよい。また、投影光学系の少なくとも１つの光学素子を再加工してもよく、特にレンズエレメントでは必要に応じてその表面を非球面に加工してもよい。この光学素子は、レンズエレメントなどの屈折光学素子だけでなく、例えば凹面鏡などの反射光学素子、あるいは投影光学系の収差（ディストーション、球面収差など）、特にその非回転対称成分を補正する収差補正板などでもよい。更に、投影光学系の調整では光学素子の位置（他の光学素子との間隔を含む）や傾斜などを変更するだけでもよいし、特に光学素子がレンズエレメントであるときはその偏芯を変更したり、あるいは光軸を中心として回転させてもよい。また、投影光学系ＰＬには少なくとも１つの光学素子を駆動素子（ピエゾ素子など）で駆動して結像特性を調整する機構が組み込まれているので、前述の計算結果によってはこの調整機構だけで結像特性を所定の許容範囲内に抑えるようにしてもよい。
なお、以上の実施の形態では全て、計測パターンを投影光学系ＰＬのレチクル側に配置し、基準パターンを投影光学系ＰＬのウエハ側に配置するものとしたが、この配置を逆転して、計測パターンを投影光学系ＰＬのウエハ側に配置し、基準パターンを投影光学系ＰＬのレチクル側に配置して、光束をウエハ側からレチクル側に向かって通すような構成としても、同様に本発明の収差計測が成立することは言うまでもない。
なお、以上の実施の形態では、第１面上に形成する第１及び第２の計測パターン、第２面上又はその共役面上に形成する第１及び第２の基準パターン、並びに第２面上に形成する微小初期基準パターン及び初期計測パターンの形状は、いずれも円形の透過部であるとしたが、この形状は円形に限られるものではなく、各パターンについて指定した直径程度の大きさを持つパターンであれば、正方形、長方形、正六角形、楕円等の形状であっても良い。例えば正方形、又は正六角形の形状を採用するなら、その外接円の直径を、上記各パターンを円形とした場合の直径程度の値に設定するとよい。
なお、露光用の照明光（露光ビーム）は上記の波長１００〜４００ｎｍ程度の紫外光に限られるものではなく、例えばレーザプラズマ光源又はＳＯＲ（Ｓｙｎｃｈｒｏｔｒｏｎ Ｏｒｂｉｔａｌ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）リングから発生する軟Ｘ線領域（波長５〜５０ｎｍ）のＥＵＶ光（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌｉｇｈｔ）を用いてもよい。ＥＵＶ露光装置では、照明光学系及び投影光学系はそれぞれ複数の反射光学素子のみから構成され、レチクルも反射型が用いられる。従って、収差計測に用いられる、計測用パターンが形成されるレチクルも反射型とされ、計測機構（１４又は４０）内に組み込まれる光学系も反射系とされる。
また、上記の実施の形態の投影露光装置は、複数のレンズから構成される照明光学系、及び波面収差を含む諸収差が良好に補正された投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をして、多数の機械部品からなるレチクルステージやウエハステージを露光装置本体に取り付けて配線や配管を接続し、波面収差の計測機構（１４又は４０）を組み込んだ後、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をすることにより製造することができる。なお、その露光装置の製造は温度及びクリーン度等が管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。
また、上記の実施の形態の投影露光装置を用いてウエハ上に半導体デバイスを製造する場合、この半導体デバイスは、デバイスの機能・性能設計を行うステップ、このステップに基づいたレチクルを製造するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、上記の実施の形態の投影露光装置によりアライメントを行ってレチクルのパターンをウエハに露光するステップ、デバイス組み立てステップ（ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程を含む）、及び検査ステップ等を経て製造される。
なお、本発明の露光装置の用途としては半導体デバイス製造用の露光装置に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグフィ工程を用いて製造する際の、露光工程（露光装置）にも適用することができる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。また、明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約を含む２０００年１１月２７日付け提出の日本国特願２０００−３５９３８８の全ての開示内容は、そっくりそのまま引用して本願に組み込まれている。
産業上の利用分野
本発明によれば、例えば近接して配置された２つの計測パターンを照明することによって計測対象の光学系の収差を計測できるため、照明用の光源として時間コヒーレンスの長いレーザを必要としない利点がある。
また、２つの計測パターンと対応する２つの基準パターンとの位置決め精度は、従来のＰＤＩ（Ｐｏｉｎｔ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）法に比べて大幅に緩くできるため、収差計測を安定に行うことができるとともに、収差を高精度に計測することができる利点がある。
また、第１及び第２の基準パターンと共に、これと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターンを使用する場合には、その投影光学系の収差計測方法及び装置のキャリブレーションを行うことができ、計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１の実施の形態の収差計測装置を示す一部を切り欠いた構成図である。図２は、図１中のレチクル９に形成された計測パターン１０ａ，１０ｂを示す拡大図である。図３は、図１中の基準パターン板１２に形成された基準パターン１３ａ，１３ｂを示す拡大図である。図４において、（Ａ）は図１のレチクル９から撮像素子１６までの部材を示す図、（Ｂ）は図４（Ａ）の撮像素子１６上に形成される干渉縞を示す図である。図５は、図４の計測装置のキャリブレーションを行う場合の配置を示す図である。図６は、図１中の照明光学系８の種々の構成例を示す図である。図７は、本発明の第２の実施の形態の収差計測装置の要部を示す構成図である。図８は、本発明の第１の実施の形態、又は第２の実施の形態の収差計測装置を備えた投影露光装置の一例を示す構成図である。図９は、図８中の絞り（σ絞り）の例を示す図である。
Claims (22)
- 第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測方法において、
前記第１面上に第１の計測パターンと該第１の計測パターンよりも大きい第２の計測パターンとを配置し、
前記第２面又は該第２面に共役な面上に第１の基準パターンと該第１の基準パターンよりも小さい第２の基準パターンとを配置し、
前記第１及び第２の計測パターンの像をそれぞれ前記投影光学系を介して前記第１及び第２の基準パターン上に形成し、
前記２つの基準パターンの配置面に対する光学的フーリエ変換面上で前記２つの基準パターンを通過した光束の光量分布を計測し、
該計測結果より前記投影光学系の収差計測を行うことを特徴とする投影光学系の収差計測方法。 - 前記第１の基準パターンは、前記投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであり、前記第２の基準パターンは、前記投影光学系の解像限界程度以下の大きさであることを特徴とする請求の範囲１に記載の収差計測方法。
- 前記第１の計測パターンは、前記投影光学系の解像限界程度以下の大きさであり、前記第２の計測パターンは、前記投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであることを特徴とする請求の範囲１又は２に収差計測方法。
- 前記第１及び第２の計測パターンを相互に可干渉性を持つ光束で照明し、
前記２つの計測パターンを照明する光束同士の位相関係を変化させつつ、
前記光量分布の計測を複数回行うことを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の収差計測方法。 - 前記２つの計測パターンを前記第１面上の複数の位置に配置し、前記投影光学系の収差を複数の位置で計測することを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の収差計測方法。
- 前記投影光学系の収差計測とは別に、
前記第１面上に前記第１及び第２の計測パターンの代わりに、前記第２の計測パターンと同程度以上の大きさの第３及び第４の計測パターンを配置し、
前記第１及び第２の基準パターンが配置されている状態で、該第１及び第２の基準パターンに対して結像関係となる位置にそれぞれ該第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターンを配置して前記光量分布の計測を行い、
該計測結果に基づいて前記投影光学系の収差計測結果を補正することを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の収差計測方法。 - 前記第４の基準パターンは、前記第２の計測パターンの前記投影光学系による像と同程度の大きさであることを特徴とする請求の範囲６に記載の収差計測方法。
- 第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測方法において、
前記投影光学系を通る照明光を、計測光学系を介して検出して前記投影光学系の収差情報を求めるとともに、前記投影光学系、及び大きさが互いに異なる第１及び第２の基準パターンを通過する照明光を、前記第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターンを介して検出して前記計測光学系の収差情報を求め、前記２つの収差情報に基づいて前記投影光学系の収差計測を行うことを特徴とする投影光学系の収差計測方法。 - 第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測装置において、
前記第１面に対応する面上に配置された第１の計測パターン、及び該第１の計測パターンよりも大きい第２の計測パターンと、
前記２つの計測パターンを照明する照明光学系と、
前記第２面又は該第２面に共役な面に対応する面上に配置された第１の基準パターン、及び該第１の基準パターンよりも小さい第２の基準パターンと、
前記２つの計測パターンを通過した後、前記投影光学系を介して前記２つの基準パターンを通過する光束を光学的にフーリエ変換する計測光学系と、
前記２つの基準パターンの配置面に対する光学的フーリエ変換面上で前記２つの基準パターンを通過した光束の光量分布を計測する光量分布検出装置と
を有することを特徴とする投影光学系の収差計測装置。 - 前記第１の計測パターンは、前記投影光学系の解像限界程度以下の大きさであり、前記第２の計測パターンは、前記投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであることを特徴とする請求の範囲９に記載の収差計測装置。
- 前記第１の基準パターンは、前記投影光学系の解像限界の１０倍程度以上の大きさであり、前記第２の基準パターンは、前記投影光学系の解像限界程度以下の大きさであることを特徴とする請求の範囲９又は１０に記載の収差計測装置。
- 前記２つの計測パターンは、前記第１面に対応する面上の異なる位置に複数対が配置され、
前記２つの基準パターン及び前記光量分布検出装置を、前記複数対の計測パターンの像に対応する位置に順次移動する駆動装置を設けたことを特徴とする請求の範囲９又は１０に記載の収差計測装置。 - 前記２つの計測パターンと交換自在に配置されて、前記第２の計測パターンと同程度以上の大きさを持つ第３及び第４の計測パターンと、
前記２つの基準パターンが配置されている状態で、該２つの基準パターンに対して結像関係となる位置に挿脱自在に配置されて、前記第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターンとを設けたことを特徴とする請求の範囲９又は１０に記載の収差計測装置。 - 前記照明光学系は、前記第１及び第２の計測パターンを相互に可干渉性を持つ光束で照明することを特徴とする請求の範囲９又は１０に記載の収差計測装置。
- 前記照明光学系は、ピンホール又は回折格子を有することを特徴とする請求の範囲１４に記載の収差計測装置。
- 前記照明光学系は、前記２つの計測パターンに照射される照明光の位相関係を可変する位相可変装置を有することを特徴とする請求の範囲１４に記載の収差計測装置。
- 第１面上のパターンの像を第２面上に形成する投影光学系の収差計測装置において、
前記投影光学系の収差情報を得るために、前記投影光学系を通る照明光を、計測光学系を介して検出する検出装置と、
前記計測光学系の収差情報を計測するときに前記投影光学系を通った照明光の光路上に配置される、大きさが互いに異なる第１及び第２の基準パターン、及び該第１及び第２の基準パターンと大小関係が逆の第３及び第４の基準パターンとを備え、
前記２つの収差情報に基づいて前記投影光学系の収差計測を行うことを特徴とする投影光学系の収差計測装置。 - 第１物体のパターンの像を第２物体上に投影する投影光学系を有する露光装置の製造方法において、
請求の範囲１、２、又は８に記載の収差計測方法を用いて前記投影光学系の収差を計測することを特徴とする露光装置の製造方法。 - 第１物体を露光ビームで照明し、前記第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光方法において、
請求の範囲１、２、又は８に記載の収差計測方法を用いて前記投影光学系の収差を計測することを特徴とする露光方法。 - 第１物体を露光ビームで照明し、前記第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光装置において、
請求の範囲９又は１０に記載の収差計測装置を備えたことを特徴とする露光装置。 - 第１物体を露光ビームで照明し、前記第１物体のパターンの像を投影光学系を介して第２物体上に露光する露光装置において、
請求の範囲１、２、又は８に記載の収差計測方法を用いて計測された収差に基づいて光学素子の交換又は調整が行われた投影光学系を備えたことを特徴とする露光装置。 - 請求の範囲２０又は２１に記載の露光装置を用いてマスクパターンをワークピース上に転写する工程を含むデバイス製造方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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