JPWO2007043535A1 - 光学特性計測方法、露光方法及びデバイス製造方法、並びに検査装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

計測用のパターン像を生成することで露光されたウエハ上の複数の区画領域について、撮像により得られた撮像データに含まれる各画素の輝度値の所定の基準値に対する偏差を含む所定の統計量、例えば分散を算出し、その算出された各領域の統計量の算出結果に基づいて投影光学系の光学特性を求める（ステップ５０４、５０６、５１２、５１４）。このため、ＳＥＭなどに比べて分解能の低い顕微鏡、例えば露光装置の結像式アライメントセンサ等の計測装置でも再現性良く計測することが可能になる。

Description

本発明は、光学特性計測方法、露光方法及びデバイス製造方法に係り、更に詳しくは、所定の面上にパターン像を生成する光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法、該光学特性計測方法によって計測された光学特性を考慮して露光を行う露光方法、及び該露光方法を利用したデバイスの製造方法、並びに基板上に形成された複数のパターンを検出する検査装置、及び該検査装置を用いて好適に行うことができる計測方法に関する。

半導体素子（集積回路）等は年々高集積化しており、これに伴い半導体素子等の製造装置であるステッパなどの投影露光装置には、一層の高解像力が要求されるようになってきた。投影露光装置の解像力を向上させるためには、投影光学系の光学性能を向上させることが必要である。従って、投影光学系の光学特性（結像特性を含む）を正確に計測し、評価することが重要となっている。

投影光学系の光学特性、例えばパターンの像面の正確な計測は、投影光学系の視野内の各評価点（計測点）における最良フォーカス位置を正確に計測できることが前提となる。

従来の投影光学系の最良フォーカス位置の計測方法としては、いわゆるＣＤ(Critical Dimension)／フォーカス法が代表的に知られている。この方法では、所定のレチクルパターン（例えば、ラインアンドスペースパターン等）をテストパターンとして、このテストパターンを投影光学系の光軸方向に関する複数の位置でテスト用ウエハに転写する。そして、そのテスト用ウエハを現像して得られるレジスト像（転写されたパターンの像）の線幅値を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて計測し、その線幅値と投影光学系の光軸方向に関するウエハ位置（以下、適宜「フォーカス位置」ともいう）との関係に基づいて、最良フォーカス位置を算出する。

この他、特許文献１などに開示されるいわゆるＳＭＰフォーカス計測法も知られている。この方法では、複数のフォーカス位置で、くさび形マークのレジスト像をウエハ上に形成し、アライメント系などのマーク検出系を用いてレジスト像の長手方向の長さ（フォーカス位置の違いによるレジスト像の線幅値の変化を増幅させたもの）を計測する。そして、フォーカス位置とレジスト像の長さとの関係に基づいて、最良フォーカス位置を算出する。

しかし、上述したＣＤ／フォーカス法では、例えばレジスト像の線幅値をＳＥＭで計測するために、ＳＥＭのフォーカス合わせを厳密に行う必要があり、１点当たりの計測時間が非常に長く、多数点での計測をするためには数時間から数十時間が必要とされていた。また、投影光学系の光学特性を計測するためのテスト用パターンも微細化するとともに、投影光学系の視野内での評価点の数も増加することが予想される。従って、ＳＥＭを用いた従来の計測方法では、計測結果が得られるまでのスループットが大幅に低下してしまう。また、計測誤差や計測結果の再現性についても、より高いレベルが要求されるようになり、従来の計測方法ではその対応が困難となってきた。

一方、上述したＳＭＰフォーカス計測法では、通常、計測を単色光で行うために、レジスト像の形状の違いにより干渉の影響が異なり、それが計測誤差（寸法オフセット）につながるおそれがある。また、画像処理にてくさび形マークのレジスト像の長さ計測を行うには、現状の画像取り込み機器（ＣＣＤカメラ等）の分解能では未だ十分ではない。また、テストパターンが大きいために、評価点の数を増加させることが困難であった。

米国特許第４，９０８，６５６号明細書

本発明は、上述の事情の下になされたもので、第１の観点からすると、所定の面上にパターン像を生成する光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、光学系の前記所定の面側に配置された物体の前記光学系の光軸方向に関する位置を変更しながら、光学系の露光エリア内に計測用のパターン像を生成することで前記物体上の複数の区画領域を順次露光する第１工程と；前記物体上の複数の区画領域を撮像する第２工程と；前記撮像により得られた撮像データを処理して、各区画領域について各画素の輝度値に関する所定の統計量を算出するとともに、算出された各区画領域についての統計量に基づいて前記光学系の光学特性を求める第３工程と；を含む第１の光学特性計測方法である。

これによれば、計測用のパターン像を生成することで露光された物体上の複数の区画領域について、撮像により得られた撮像データに含まれる各画素の輝度値に関する所定の統計量を算出し、その算出された各領域についての統計量に基づいて光学系の光学特性を求める。このため、各区画領域の計測用のパターン像が、複数のパターン像の集合であっても、その複数のパターン像の集合が１つのパターン像として結果的に取り扱われるので、分解能の低い顕微鏡、例えば露光装置の結像式アライメントセンサ等の計測装置でも計測することが可能になる。パターン像の種類（ラインアンドスペース（孤立線、密集線）、コンタクトホール、サイズ及び配列方向など）を問わず、パターン像の生成時の照明条件を問わず、計測が可能になる。

本発明は、第２の観点からすると、本発明の第１の光学特性計測方法を用いて光学系の光学特性を計測する工程と；該光学特性の計測結果を考慮して前記光学系の露光エリア内に所定のパターン像を生成することで物体を露光する工程と；を含む第１の露光方法である。

これによれば、パターン像の種類を問わず、パターン像の生成時の照明条件を問わず、第１の光学特性計測方法を用いて光学系の光学特性が高精度に計測され、その光学特性の計測結果を考慮して前記光学系の露光エリア内に所定のパターン像を生成することで物体が露光される。従って、物体上への高精度なパターン像の生成、すなわち高精度な露光が実現される。

本発明は、第３の観点からすると、光学系及び液体を介して物体上にパターン像を生成する露光装置で用いられる前記光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、少なくとも１つの露光条件を変更しながら、前記物体を前ショット領域の露光に起因する前記液体の温度変動が次ショット領域の露光に影響を与えない程度の所定のステップピッチで順次移動して前記光学系の露光エリア内に計測用のパターン像を生成することで前記物体上の複数の区画領域を順次露光する第１工程と；前記物体上の複数の区画領域における前記計測用のパターン像の形成状態を検出する第２工程と；前記検出結果に基づいて前記光学系の光学特性を求める第３工程と；を含む第２の光学特性計測方法である。

これによれば、少なくとも１つの露光条件を変更しながら、物体を前ショット領域の露光に起因する液体の温度変動が次ショット領域の露光に影響を与えない程度の所定のステップピッチで順次移動して光学系の露光エリア内に計測用のパターン像を生成することで前記物体上の複数の区画領域を順次露光する。このため、各ショットの露光に際して液体の温度安定性を良好に維持することができ、これにより、物体上の複数の区画領域に計測用のパターン像を精度良く形成することができ、この計測用のパターン像の形成状態を検出し、その検出結果に基づいて、光学系の光学特性を求めることが可能になる。

本発明は、第４の観点からすると、本発明の第２の光学特性計測方法を用いて光学系の光学特性を計測する工程と；該光学特性の計測結果を考慮して前記光学系及び液体を介して形成される所定のパターン像で前記物体を露光する工程と；を含む第２の露光方法である。

これによれば、第２の光学特性計測方法を用いて、光学系の光学特性が高精度に計測され、その光学特性の計測結果を考慮して前記光学系及び液体を介して形成される所定のパターン像で前記物体が露光される。従って、光学系及び液体を用いた露光による物体上へ高精度なパターン像の生成が実現される。

リソグラフィ工程において、本発明の第１、第２の露光方法のいずれかにより物体を露光することで、マイクロデバイスの生産性（歩留りを含む）を向上させることができる。従って、本発明は、第５の観点からすると、本発明の第１、第２の露光方法のいずれかにより物体を露光するリソグラフィ工程を含むデバイス製造方法であるとも言える。

本発明は、第６の観点からすると、光学系を介して異なる露光条件下で基板上にそれぞれ形成された複数のパターン像を検出する検査装置であって、前記複数のパターン像を同時に撮像可能な視野を有する撮像装置と；前記撮像装置による前記複数のパターン像の撮像データを用いて前記パターン像のコントラスト情報を算出するとともに、そのコントラスト情報に基づいて前記露光条件の適正値を求める処理装置と、を備える検査装置である。

これによれば、コントラスト情報に基づいて露光条件の適正値を求めるので、ＳＥＭを用いて線幅計測を行う場合のような厳密なフォーカス合わせが不要となり、計測時間の短縮が可能である。

本発明は、第７の観点からすると、光学系を介して異なる露光条件下で基板上にそれぞれ形成された複数のパターン像を検出することで所定の計測を行う計測方法であって、前記複数のパターン像を同時に撮像可能な視野を有する撮像装置を用いて前記複数のパターン像を撮像する工程と；撮像された前記複数のパターン像の撮像データを用いて前記パターン像のコントラスト情報を算出するとともに、そのコントラスト情報に基づいて前記露光条件の適正値を求める工程と；を含む計測方法である。

これによれば、コントラスト情報に基づいて露光条件の適正値を求めるので、ＳＥＭを用いて線幅計測を行う場合のような厳密なフォーカス合わせが不要となり、計測時間の短縮が可能である。

本発明は、第８の観点からすると、投影露光装置のベストフォーカス計測方法であって、前記投影露光装置の解像限界の４倍程度以下の線幅のパターンを含むパターン領域の像をフォーカス位置を変化させつつ、物体上の異なる位置に複数形成する工程と；解像限界が前記投影露光装置の解像限界の１／４よりも大きい検査光学系を用いて、物体に形成された複数の前記パターン領域の像の明暗情報を検出する工程と；前記検出した明暗情報に基づいて、ベストフォーカス位置を算出する工程と；を含むベストフォーカス計測方法である。

本発明は、第９の観点からすると、パターン情報判定方法であって、検査光学系により、前記検査光学系の解像限界以下の周期パターンを含むパターン領域が複数形成されたパターン群の明暗情報を検出する工程と；前記パターン群の中から、前記検出した明暗情報の変化が最大となるパターン領域を判定する工程と；を含むパターン情報判定方法である。

本発明は、第１０の観点からすると、パターン情報判定装置であって、周期パターンを含むパターン領域が複数形成されたパターン群の明暗情報を検出する検査光学系であって、前記周期パターンは、前記検査光学系の解像限界であり；前記パターン群の中から、前記検出した明暗情報の変化が最大となるパターン領域を判定する処理装置と；を備えるパターン情報判定装置である。

第１の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。 投影光学系の光学特性の計測に用いられるレチクルの一例を示す図である。 計測用のパターンＭＰ_nの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る光学特性の計測方法を説明するためのフローチャートである。 区画領域の配列を説明するための図である。 ウエハＷ_T上に評価点対応領域ＤＢ₁〜ＤＢ₅が形成された状態を示す図である。 ウエハＷ_Tを現像後にウエハＷ_T上に形成された評価点対応領域ＤＢ₁のレジスト像の一例を示す図である。 図４のステップ４２６（光学特性の算出処理）の詳細を示すフローチャートである。 最良フォーカス位置の求め方を説明するための図である。 計測用のパターンの一例として、ウエハ上換算値で線幅０．４μｍのラインを、さらに５分割した３本ライン＆２本スペースのパターンを示す図である。 第２の実施形態に係る露光装置の概略構成を示す図である。 ウエハＷ_T上の複数のショット領域に計測用のパターンＭＰ_nの転写像が形成された状態を示す図である。 第３の実施形態に係る検査装置の一例の概略構成を示す図である。

以下、本発明の第１の実施形態を図１〜図９に基づいて説明する。

図１には、第１の実施形態に係る光学特性計測方法及び露光方法を実施するのに好適な露光装置１００の概略的な構成が示されている。この露光装置１００は、ステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ（スキャナとも呼ばれる））である。

この露光装置１００は、照明系ＩＯＰ、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳＴ、レチクルＲに形成されたパターンの像を感光剤（フォトレジスト）が塗布されたウエハＷ上に投影する投影ユニットＰＵ、ウエハＷを保持して２次元平面（ＸＹ平面内）を移動するウエハステージＷＳＴ、該ウエハステージＷＳＴを駆動する駆動系２２、及びこれらの制御系等を備えている。制御系は装置全体を統括制御するマイクロコンピュータ（あるいはワークステーション）などから成る主制御装置２８を中心として構成されている。

前記照明系ＩＯＰは、例えばＡｒＦエキシマレーザ（出力波長１９３ｎｍ）（又はＫｒＦエキシマレーザ（出力波長２４８ｎｍ）など）から成る光源、該光源に送光光学系を介して接続された照明系ハウジング及び該照明系ハウジング内部の照明光学系を含む。照明光学系は、例えば特開２００１−３１３２５０号公報及び対応する米国特許出願公開第２００３／００２５８９０号明細書などに開示されるように、オプティカルインテグレータ等を含む照度均一化光学系、ビームスプリッタ、リレーレンズ、可変ＮＤフィルタ、レチクルブラインド等（いずれも不図示）を含む。この照明光学系は、光源から出力されたレーザビームを整形し、この整形されたレーザビーム（以下、照明光ともいう）ＩＬにより、レチクルＲ上でＸ軸方向（図１における紙面直交方向）に細長く伸びるスリット状の照明領域をほぼ均一な照度で照明する。

前記レチクルステージＲＳＴは、照明系ＩＯＰの図１における下方に配置されている。このレチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲが載置され、不図示のバキュームチャック等を介して吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴは、不図示のレチクルステージ駆動系によって、水平面（ＸＹ平面）内で微小駆動可能であるとともに、走査方向（ここでは図１の紙面内左右方向であるＹ軸方向とする）に所定ストローク範囲で走査されるようになっている。このレチクルステージＲＳＴの位置は、移動鏡（又は鏡面加工した端面）１２を介して外部のレーザ干渉計１４によって計測され、このレーザ干渉計１４の計測値が主制御装置２８に供給されている。

前記投影ユニットＰＵは、レチクルステージＲＳＴの図１における下方に配置され、鏡筒４０と、該鏡筒４０内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子から成る投影光学系ＰＬとを含む。投影光学系ＰＬとしては、ここでは両側テレセントリックな縮小系であって、Ｚ軸方向の共通の光軸ＡＸｐを有する複数枚のレンズエレメント（図示省略）から成る屈折光学系が用いられている。レンズエレメントのうちの特定の複数枚は、主制御装置２８からの指令に基づいて、不図示の結像特性補正コントローラによって制御され、これによって投影光学系ＰＬの光学特性（結像特性を含む）、例えば倍率、ディストーション、コマ収差、及び像面湾曲などが調整されるようになっている。

投影光学系ＰＬの投影倍率は、一例として１／４とされている。このため、前述の如く照明光ＩＬによりレチクルＲが均一な照度で照明されると、その照明領域内のレチクルＲのパターンが投影光学系ＰＬにより縮小されて、フォトレジストが塗布されたウエハＷ上に投影され、ウエハＷ上の被露光領域（ショット領域）の一部にパターンの縮小像が形成される。このとき、投影光学系ＰＬはその視野内の一部（即ち、露光エリアであって、投影光学系ＰＬに関して照明領域と共役な矩形領域）にその縮小像を形成する。なお、前述の結像特性補正コントローラは、投影光学系ＰＬの光学特性、即ちウエハＷ上でのパターン像の結像状態を調整するために、投影光学系ＰＬの少なくとも１つの光学素子（レンズエレメントなど）を移動するものとしたが、その代わりに、あるいはそれと組み合わせて、例えば光源の制御による照明光ＩＬの特性（例えば中心波長、スペクトル幅など）の変更と、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸｐに平行なＺ軸方向に関するウエハＷの移動（及びＸＹ平面に対する傾斜）との少なくとも一方を行うものとしても良い。

前記ウエハステージＷＳＴは、リニアモータなどを含む駆動系２２によって駆動され、ＸＹ平面内を移動するＸＹステージ２０と、該ＸＹステージ２０上に搭載されたウエハテーブル１８とを備えている。このウエハテーブル１８上にウエハホルダを介してウエハＷが真空吸着等によって保持されている。ウエハテーブル１８は、ウエハＷを保持するウエハホルダをＺ軸方向及びＸＹ面に対する傾斜方向に微小駆動するもので、Ｚ・チルトステージとも称される。このウエハテーブル１８の上面には、移動鏡（又は鏡面加工した反射面）２４が設けられており、この移動鏡２４にレーザ干渉計２６からのレーザビーム（測長ビーム）が投射され、その移動鏡２４からの反射光に基づいてウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置情報及び回転情報（ヨーイング（Ｚ軸回りの回転であるθｚ回転）、ピッチング（Ｘ軸回りの回転であるθｘ回転）、ローリング（Ｙ軸回りの回転であるθｙ回転）を含む）が計測される。

レーザ干渉計２６の計測値は主制御装置２８に供給され、主制御装置２８はこのレーザ干渉計２６の計測値に基づいて、駆動系２２を介してウエハステージＷＳＴのＸＹステージ２０を制御することで、ウエハテーブル１８のＸＹ面内の位置（θｚ回転を含む）を制御する。

また、ウエハＷ表面のＺ軸方向の位置及び傾斜量は、例えば特開平６−２８３４０３号公報及びこれに対応する米国特許第５，４４８，３３２号明細書等に開示される送光系５０ａ及び受光系５０ｂを有する斜入射方式の多点焦点位置検出系から成るフォーカスセンサＡＦＳによって計測される。このフォーカスセンサＡＦＳの計測値も主制御装置２８に供給されている。

また、ウエハテーブル１８上には、その表面がウエハＷの表面と同じ高さになるような基準板ＦＰが固定されている。この基準板ＦＰの表面には、次に述べるアライメント検出系ＡＳのいわゆるベースライン計測等に用いられる基準マークなどが形成されている。

本実施形態では、前記投影ユニットＰＵの鏡筒４０の側面に、ウエハＷに形成されたアライメントマークを検出するアライメント検出系ＡＳが設けられている。このアライメント検出系ＡＳとしては、一例としてハロゲンランプ等のブロードバンド（広帯域）光でマークを照明し、このマーク画像を画像処理することによってマーク位置を計測する画像処理方式の結像式アライメントセンサの一種であるＦＩＡ（Field Image Alignment）系が用いられている。このアライメント検出系ＡＳの解像限界は、投影光学系ＰＬの解像限界より大きい（解像度が低い）。

アライメント検出系ＡＳの検出信号ＤＳは、アライメント制御装置１６に供給され、該アライメント制御装置１６は、その検出信号ＤＳをＡ／Ｄ変換し、このデジタル化された波形信号を演算処理してマーク位置を検出する。この結果は、アライメント制御装置１６から主制御装置２８に供給される。

さらに、本実施形態の露光装置１００では、図示が省略されているが、レチクルＲの上方に、例えば特開平７−１７６４６８号公報及びこれに対応する米国特許第５，６４６，４１３号明細書等に開示される、露光波長の光を用いたＴＴＲ（Through The Reticle）アライメント系から成る一対のレチクルアライメント検出系が設けられ、該レチクルアライメント検出系の検出信号は、アライメント制御装置１６を介して主制御装置２８に供給される。

次に、露光装置１００で投影光学系の光学特性を計測するのに用いられるレチクルの一例について説明する。

図２には、投影光学系の光学特性を計測するのに用いられるレチクルＲ_Tの一例が示されている。この図２は、レチクルＲ_Tをパターン面側（図１における下面側）から見た平面図である。この図２に示されるように、レチクルＲ_Tは、矩形（正確には正方形）のガラス基板４２から成り、そのパターン面には不図示の遮光帯によって規定されるほぼ長方形のパターン領域ＰＡが形成されている。本例では、クロム等の遮光部材によってそのパターン領域ＰＡのほぼ全面が遮光部となっている。パターン領域ＰＡの中心（ここではレチクルＲ_Tの中心（レチクルセンタ）に一致）、及びレチクルセンタを中心とし、かつＸ軸方向を長手方向とする仮想の矩形領域ＩＡＲ’内部の４隅の部分の合計５箇所に、所定幅、例えば２７μｍで、所定長さ、例えば１０８μｍの開口パターン（透過領域）ＡＰ₁〜ＡＰ₅が形成され、開口パターンＡＰ₁〜ＡＰ₅に計測用のパターンＭＰ₁〜ＭＰ₅がそれぞれ形成されている。上記矩形領域ＩＡＲ’は、前述の照明領域にほぼ一致する大きさ及び形状となっている。なお、本例（図２の例）ではパターン領域ＰＡのほぼ全面を遮光部としたが、上記矩形領域ＩＡＲ’はＸ軸方向の両端が前述の遮光帯で規定されるので、例えばＹ軸方向の両端にそれぞれ所定幅（例えば遮光帯と同じ幅）の遮光部を設けるだけでも良い。

計測用のパターンＭＰ_n（ｎ＝１〜５）のそれぞれは、図３に拡大して示されるような４種類のラインアンドスペースパターン（以下、「Ｌ／Ｓパターン」と記述する）ＬＳ_Vn、ＬＳ_Hn、ＬＳ_Rn、ＬＳ_Lnを含む。Ｌ／ＳパターンＬＳ_Vn、ＬＳ_Hn、ＬＳ_Rn、ＬＳ_Lnのそれぞれは、所定の線幅、例えば１．６μｍで、所定の長さ、例えば９μｍ程度の３本のラインパターンが所定のピッチ、例えば３．２μｍでそれぞれの周期方向に配列されたマルチバーパターンによって構成されている。この場合、Ｌ／ＳパターンＬＳ_Vn、ＬＳ_Hn、ＬＳ_Rn、ＬＳ_Lnそれぞれの周期方向は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｙ軸に対して＋４５°を成す方向、Ｙ軸に対して−４５°を成す方向となっている。

本実施形態では、図３に示される開口パターンＡＰ_nを四等分した実線と点線で囲まれる正方形領域（２７μｍ×２７μｍ）に、その正方形領域と中心を同じくする、Ｌ／ＳパターンＬＳ_Vn、ＬＳ_Hn、ＬＳ_Rn、ＬＳ_Lnがそれぞれ配置されている。なお、点線で示される正方形領域同士の境界は実際には存在しない。

また、前述のレチクルセンタを通るパターン領域ＰＡのＸ軸方向の両側には、一対のレチクルアライメントマークＲＭ１，ＲＭ２が形成されている（図２参照）。

次に、本実施形態の露光装置１００における投影光学系ＰＬの光学特性の計測方法について、主制御装置２８内のＣＰＵの処理アルゴリズムを簡略化して示す図４のフローチャートに沿って、かつ適宜他の図面を用いて説明する。

先ず、図４のステップ４０２において、不図示のレチクルローダを介してレチクルステージＲＳＴ上にレチクルＲ_Tをロードするとともに、不図示のウエハローダを介してウエハＷ_T（図６参照）をウエハテーブル１８上にロードする。

次のステップ４０４において、レチクルＲ_Tの投影光学系ＰＬに対する位置合わせなどの所定の準備作業を行う。具体的には、前述のレチクルアライメント検出系（不図示）によって、ウエハテーブル１８に設けられた基準板ＦＰの一対の基準マーク（不図示）と、レチクルＲ_Tの一対のレチクルアライメントマークＲＭ１、ＲＭ２とが検出されるように、それぞれレーザ干渉計１４、２６の計測値に基づいてレチクルステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴ（ＸＹステージ２０）を移動する。そして、前述のレチクルアライメント検出系の検出結果に基づいてレチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置（回転を含む）を調整する。これにより、前述の照明領域内にレチクルＲ_Tの矩形領域ＩＡＲ’が設定され、その全面が照明光ＩＬで照射されることとなる。また、本実施形態では投影光学系ＰＬを介してその視野（特に露光エリア）内で計測用のパターンＭＰ_nの投影像（パターン像）が生成される位置が、投影光学系ＰＬの露光エリア内でその光学特性（例えばフォーカス位置）を計測すべき評価点となる。なお、その評価点の数は少なくとも１つで構わないが、本実施形態では前述した露光エリアの中心及び４隅の計５つの評価点が設定されている。

このようにして、所定の準備作業が終了すると、次のステップ４０６に移行して、露光エネルギ量の目標値を最適値に設定する。この露光エネルギ量の最適値は、予め実験又はシミュレーションなどにより求められている。

次のステップ４０８では、第１カウンタのカウント値ｉを初期化する（ｉ←１）。本実施形態では、カウント値ｉは、ウエハＷ_Tのフォーカス位置の目標値Ｚ_iの設定とともに、後述するステップ４１０における露光対象の区画領域ＤＡ_iの設定にも用いられる（図５参照）。本実施形態では、例えば投影光学系ＰＬに関する既知の最良フォーカス位置（設計値など）を中心として、ウエハＷ_Tのフォーカス位置をＺ₁からΔＺ刻みでＺ_M（一例としてＭ＝１５）まで変化させる（Ｚ_i＝Ｚ₁〜Ｚ₁₅）。

従って、本実施形態では、投影光学系ＰＬの光軸方向（Ｚ軸方向）に関するウエハＷ_Tの位置（フォーカス位置）を変更しながら、計測用のパターンＭＰ_n（ｎ＝１〜５）をウエハＷ_T上に順次転写するための、Ｍ回（本例ではＭ＝１５）の露光が行われることになる。本実施形態では投影光学系ＰＬによる開口パターンＡＰ_nの投影領域を計測パターン領域と呼び、その計測パターン領域内に計測用のパターンＭＰ_nの投影像が生成され、各露光によってウエハＷ_T上に開口パターンＡＰ_nが転写されて、計測用のパターンＭＰ_nの転写像を含む区画領域が形成される。このため、投影光学系ＰＬの露光エリア（前述の照明領域に対応）内の各評価点に対応するウエハＷ_T上の領域（以下「評価点対応領域」という）ＤＢ₁〜ＤＢ₅（図６参照）には、１×Ｍ個の計測用のパターンＭＰ_nが転写されることとなる。

ここで、説明は前後するが、便宜上、後述する露光によって、計測用のパターンＭＰ_nが転写されるウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_nについて、図５を用いて説明する。この図５に示されるように、本実施形態では、１行Ｍ列（例えば、１行１５列）のマトリックス状に配置された１×Ｍ＝Ｍ（例えば１×１５＝１５）個の仮想の区画領域ＤＡ_i（ｉ＝１〜Ｍ（例えばＭ＝１５））に計測用のパターンＭＰ_nがそれぞれ転写され、これら計測用のパターンＭＰ_nがそれぞれ転写されたＭ個（例えば１５個）の区画領域ＤＡ_iから成る評価点対応領域ＤＢ_nがウエハＷ_T上に形成される。なお、仮想の区画領域ＤＡ_iは、図５に示されるように、＋Ｘ方向が列方向（ｉの増加方向）となるように配列されている。また、以下の説明において用いられる添え字ｉ及びＭは、上述と同じ意味を有するものとする。

図４に戻り、次のステップ４１０では、フォーカスセンサＡＦＳからの計測値をモニタしながら、ウエハテーブル１８を、Ｚ軸方向（及び傾斜方向）に駆動してウエハＷ_TをＺ軸方向の目標位置Ｚ_i（ここでは、Ｚ₁）に移動するとともに、ＸＹ面内で移動して、ウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_n（ｎ＝１，２、……５）内の仮想の区画領域ＤＡ_i（ここではＤＡ₁（図７参照））を露光して、その仮想の区画領域ＤＡ_i（ここではＤＡ₁）に計測用のパターンＭＰ_nの像をそれぞれ転写する。このとき、ウエハＷ_T上の一点における露光エネルギ量（積算露光量）が設定された目標値となるように、露光量制御を行う。

これにより、図６に示されるように、ウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_nの区画領域ＤＡ₁にそれぞれ計測用のパターンＭＰ_nを含む開口パターンＡＰ_nの像が転写される。

図４に戻り、上記ステップ４１０の露光が終了すると、ステップ４１６に進み、ウエハＷ_Tのフォーカス位置の目標値がＺ_M以上であるか（カウント値ｉ≧Ｍか）否かを判断することにより、所定のＺ範囲での露光が終了したか否かを判断する。ここでは、最初の目標値Ｚ₁での露光が終了しただけなので、ステップ４１８に移行し、カウント値ｉを１インクリメント（ｉ←ｉ＋１）した後、ステップ４１０に戻る。このステップ４１０において、ウエハテーブル１８を、Ｚ軸方向（及び傾斜方向）に駆動してウエハＷ_TをＺ軸方向の目標位置Ｚ₂に移動するとともに、ＸＹ面内で移動して、ウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_n（ｎ＝１，２、……５）内の仮想の区画領域ＤＡ₂を露光して、その仮想の区画領域ＤＡ₂に計測用のパターンＭＰ_nを含む開口パターンＡＰ_nをそれぞれ転写する。このとき、露光開始に先立って、ＸＹステージ２０は所定のステップピッチＳＰ（図５参照）だけＸＹ面内で所定方向（この場合−Ｘ方向）に移動される。ここで、本実施形態では、上記のステップピッチＳＰが、各開口パターンＡＰ_nのウエハＷ_T上の投影像（前述の計測パターン領域に対応）のＸ軸方向寸法とほぼ一致する約６．７５μｍに設定されている。なお、ステップピッチＳＰは、約６．７５μｍに限らないが、隣接する区画領域にそれぞれ転写される計測用のパターンＭＰ_nの像が重ならず、かつ６．７５μｍ、すなわち各開口パターンＡＰ_nのウエハＷ_T上の投影像（前述の計測パターン領域に対応）のＸ軸方向寸法以下であることが望ましい。この理由については後述する。

この場合、ステップピッチＳＰが開口パターンＡＰ_nのウエハＷ_T上の投影像のＸ軸方向寸法以下となっているので、各評価点対応領域ＤＢ_nの区画領域ＤＡ₁と区画領域ＤＡ₂との境界部分に開口パターンＡＰ_nの像の一部によって形成される枠線あるいは未露光領域が存在しない。

以後、ステップ４１６における判断が肯定されるまで、すなわちそのとき設定されているウエハＷ_Tのフォーカス位置の目標値がＺ_Mであると判断されるまで、ステップ→４１６→４１８→４１０のループの処理（判断を含む）を繰り返す。これにより、ウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_nの区画領域ＤＡ_i（ｉ＝３〜Ｍ）に計測用のパターンＭＰ_nを含む開口パターンＡＰ_nがそれぞれ転写される。但し、この場合も、隣接する区画領域間の境界には、前述と同様の理由により枠線あるいは未露光領域が存在しない。

一方、各評価点対応領域ＤＢ_nの区画領域ＤＡ_M（本例ではＤＡ₁₅）に対する露光が終了し、上記ステップ４１６における判断が肯定されると、ステップ４２０に移行する。ステップ４１６における判断が肯定された段階では、ウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_nには、図６に示されるように、それぞれ露光条件（本例ではフォーカス位置）が異なるＭ個（本例ではＭ＝１５）の計測用のパターンＭＰ_nの転写像（潜像）が形成される。なお、実際には、上述のようにして、ウエハＷ_T上に計測用のパターンＭＰ_nの転写像（潜像）が形成されたＭ（本例では１５）個の区画領域が形成された段階で、各評価点対応領域ＤＢ_nが形成されるのであるが、上記の説明では、説明を分かり易くするために、評価点対応領域ＤＢ_nが予めウエハＷ_T上にあるかのような説明方法を採用したものである。

図４に戻り、ステップ４２０では、不図示のウエハアンローダを介してウエハＷ_Tをウエハテーブル１８上からアンロードするとともに、不図示のウエハ搬送系を用いてウエハＷ_Tを露光装置１００にインラインにて接続されている不図示のコータ・デベロッパに搬送する。

上記のコータ・デベロッパに対するウエハＷ_Tの搬送後に、ステップ４２２に進んでウエハＷ_Tの現像が終了するのを待つ。このステップ４２２における待ち時間の間に、コータ・デベロッパによってウエハＷ_Tの現像が行われる。この現像の終了により、ウエハＷ_T上には、図６に示されるような評価点対応領域ＤＢ_n（ｎ＝１〜５）のレジスト像が形成され、このレジスト像が形成されたウエハＷ_Tが投影光学系ＰＬの光学特性を計測するための試料となる。図７には、ウエハＷ_T上に形成された評価点対応領域ＤＢ₁のレジスト像の一例が示されている。

この図７では、評価点対応領域ＤＢ₁は、Ｍ（＝１５）個の区画領域ＤＡ_i（ｉ＝１〜１５）によって構成され、隣接する区画領域相互間に仕切りの枠のレジスト像が存在するかのように図示されているが、これは個々の区画領域を分かり易くするためにこのようにしたものである。しかし、実際には、隣接する区画領域相互間に仕切りの枠のレジスト像は存在しない。このように枠を無くすことにより、前述のアライメント検出系ＡＳなどによる評価点対応領域ＤＢ_ｎの画像取り込みに際して、枠による干渉に起因してパターン部のコントラスト低下が生じるのを防止できる。このため、本実施形態では、前述のステップピッチＳＰを、各開口パターンＡＰ_nのウエハＷ_T上の投影像のＸ軸寸法以下となるように設定したのである。なお、図７中で各区画領域内に点線で示される、Ｌ／Ｓパターンの像が形成された領域（以下、適宜「計測マーク領域」と呼ぶ）同士の境界も実際には存在しない。

上記ステップ４２２の待ち状態で、不図示のコータ・デベロッパの制御系からの通知によりウエハＷ_Tの現像が終了したことを確認すると、ステップ４２４に移行し、不図示のウエハローダに指示を出して、前述のステップ４０２と同様にしてウエハＷ_Tをウエハテーブル１８上に再度ロードした後、ステップ４２６の投影光学系の光学特性を算出するサブルーチン（以下、「光学特性計測ルーチン」とも呼ぶ）に移行する。

この光学特性計測ルーチンでは、まず、図８のステップ５０２において、検出対象の評価点対応領域の番号を示す第２カウンタのカウント値ｎを参照して、ウエハＷ_T上の評価点対応領域ＤＢ_nのレジスト像がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置にウエハＷ_Tを移動する。この移動、すなわち位置決めは、レーザ干渉計２６の計測値をモニタしつつ、駆動系２２を介してＸＹステージ２０を制御することにより行う。ここで、カウント値ｎは、ｎ＝１に初期化されているものとする。従って、ここでは、図７に示される、ウエハＷ_T上の評価点対応領域ＤＢ₁のレジスト像がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置にウエハＷ_Tが位置決めされる。以下の光学特性計測ルーチンの説明では、評価点対応領域ＤＢ_nのレジスト像を、適宜「評価点対応領域ＤＢ_n」と略述するものとする。

次のステップ５０４では、ウエハＷ_T上の評価点対応領域ＤＢ_n（ここでは、ＤＢ₁）のレジスト像を、アライメント検出系ＡＳを用いて撮像し、その撮像データを取り込む。アライメント検出系ＡＳは、レジスト像を自身の有する撮像素子（ＣＣＤ等）のピクセル単位に分割し、ピクセル毎に対応するレジスト像の濃淡を、例えば８ビットのデジタルデータ（ピクセルデータ）として主制御装置２８に供給する。すなわち、前記撮像データは、複数のピクセルデータで構成されている。この場合、レジスト像の濃度が高くなる（黒に近くなる）につれてピクセルデータの値は大きくなるものとする。なお、本実施形態では評価点対応領域ＤＢ_nのサイズが１０１．２５μｍ（Ｘ軸方向）×２７μｍ（Ｙ軸方向）であり、その全体がアライメント検出系ＡＳの検出領域内に設定されるので、評価点対応領域毎にＭ個の区画領域ＤＡ_iを同時に（一括して）撮像可能となっている。

次のステップ５０６では、アライメント検出系ＡＳからの評価点対応領域ＤＢ_n（ここでは、ＤＢ₁）に形成されたレジスト像の撮像データを整理し、撮像データファイルを作成する。

次のステップ５０８では、その撮像データを画像処理して評価点対応領域ＤＢ_n（ここでは、ＤＢ₁）の外縁を検出する。この外縁の検出は、一例として、次のようにして行うことができる。

すなわち、撮像により得られた撮像データに基づき、評価点対応領域ＤＢ_nの輪郭から成る外枠を構成する直線部を検出対象とし、所定大きさの窓領域をその検出対象の直線部にほぼ直交する方向に走査し、該走査中に窓領域内のピクセルデータに基づいて検出対象の直線部の位置を検出する。この場合、外枠の部分のピクセルデータは、その他の部分のピクセルデータと明らかにピクセル値（画素値）が異なるので、例えば窓領域の走査方向の位置が１画素ずつ変化するのに応じた窓領域内のピクセルデータの変化に基づき、検出対象の直線部（外枠の一部）の位置が確実に検出される。この場合において、走査方向は、前記外枠の内側から外側に向かう方向であることが望ましい。最初に前述の窓領域内のピクセルデータに対応するピクセル値のピークが求められたとき、その位置が外枠の位置に確実に一致するので、外枠検出をより確実に行うことができるからである。

このような直線部の検出を、評価点対応領域ＤＢ_nの輪郭から成る外枠を構成する４辺についてそれぞれ行う。この外枠の検出については、例えば特開２００４−１４６７０２号公報に詳細に開示されている。

次のステップ５１０では、上で検出した評価点対応領域ＤＢ_nの外縁、すなわち長方形の枠線の内部を、Ｘ軸方向に関してＭ等分（例えば１５等分）することで、区画領域ＤＡ₁〜ＤＡ_M（ＤＡ₁₅）を求める。すなわち、外縁を基準として、各区画領域（位置情報）を求める。

次のステップ５１２では、各区画領域ＤＡ_i（ｉ＝１〜Ｍ）についての計測マーク領域毎のコントラスト値（あるいは区画領域ＤＡ_i毎のコントラスト値）を算出する。

ここで、計測マーク領域毎のコントラスト値とは、次式（１）で表される統計量、すなわち計測マーク領域についての各画素の輝度値の分散を指す。

ここで、ｘ_kは、計測マーク領域内部のｋ番目の画素の輝度値、ｘ^*は、所定の基準値である。所定の基準値としては、本実施形態では、ウエハＷ_T上の少なくとも１つの区画領域（又は計測マーク領域）内部における計測用のパターンＭＰ_n（具体的には、Ｌ／ＳパターンＬＳ_Vn、ＬＳ_Hn、ＬＳ_Rn、ＬＳ_Ln）の像（計測用のパターン像）が存在しない領域の複数画素の輝度値の平均値（又は単一画素の輝度値）が用いられる。また、Ｎは、計測マーク領域内部の画素の総数である。なお、通常の分散と同様に、所定の基準値ｘ^*を、当該計測マーク領域内部の全画素の輝度値の平均値としても良い。

なお、コントラスト値として、次式（２）で表される計測マーク領域についての各画素の輝度値の標準偏差を用いても良い。

あるいは、コントラスト値として、各計測マーク領域（又は各区画領域）について各画素の輝度値の上記所定の基準値に対する偏差を含むその他の統計量を用いても良い。

なお、ステップ５１２では、各区画領域についてコントラスト値を算出する場合にも、上述と同様の各画素の輝度値の分散、又は標準偏差、あるいはその他の統計量を用いる。

すなわち、ステップ５１２では、前記撮像データファイルから、各区画領域ＤＡ_iの撮像データを抽出し、上式（１）又は（２）を用いて、各区画領域ＤＡ_i（ｉ＝１〜Ｍ）における計測マーク領域毎のコントラスト値（又は区画領域毎のコントラスト値）を算出する。

次のステップ５１４では、上記ステップ５１２で算出したコントラスト値に基づいて、評価点対応領域ＤＢ_nにおける最良フォーカス位置を次のようにして算出し、その最良フォーカス位置を図示しない記憶装置に保存する。すなわち、評価点対応領域ＤＢ_nについて、上記ステップ５１２で算出した計測マーク領域毎のコントラスト値に基づいて、Ｌ／ＳパターンＬＳ_Vn、ＬＳ_Hn、ＬＳ_Rn、ＬＳ_Lnをそれぞれ用いる場合のコントラスト値の平均値を、各区画領域ＤＡ_i（ｉ＝１〜Ｍ）のコントラスト値として算出する。次いで、評価点対応領域ＤＢ_nについて、算出された各区画領域ＤＡ_i（ｉ＝１〜Ｍ）のコントラスト値（又は上記ステップ５１２で算出した区画領域毎のコントラスト値）を、図９に示されるように、横軸をフォーカス値Ｚとするグラフ上にプロットし、そのＭ点（ここでは１５点）のプロット点のうち、コントラスト値が最大となる点Ｃ_i（図９ではＣ₈）に対応するＺ_i（図９ではＺ₈）を、最良フォーカス位置Ｚ_bestとする。あるいは、評価点対応領域ＤＢ_nについて、例えば、図９に示されるように各プロット点を最小二乗近似した近似曲線を描き、その近似曲線と所定のスライスレベルとの２交点の平均値を、最良フォーカス位置Ｚ_bestとしても良い。

次のステップ５１６において、前述のカウント値ｎを参照して、全ての評価点対応領域ＤＢ₁〜ＤＢ₅について処理が終了したか否かを判断する。ここでは、評価点対応領域ＤＢ₁についての処理が終了しただけであるため、このステップ５１６における判断は否定され、ステップ５１８に進んでカウント値ｎを１インクリメント（ｎ←ｎ＋１）した後、ステップ５０２に戻り、評価点対応領域ＤＢ₂がアライメント検出系ＡＳで検出可能となる位置に、ウエハＷ_Tを位置決めする。

そして、上述したステップ５０４〜５１４までの処理（判断を含む）を再度行い、上述した評価点対応領域ＤＢ₁の場合と同様にして、評価点対応領域ＤＢ₂について最良フォーカス位置を求める。

そして、評価点対応領域ＤＢ₂について最良フォーカス位置の算出が終了すると、ステップ５１６で全ての評価点対応領域ＤＢ₁〜ＤＢ₅について処理が終了したか否かを再度判断するが、ここでの判断は否定される。以後、ステップ５１６における判断が肯定されるまで、上記ステップ５０２〜５１８の処理（判断を含む）が繰り返される。これにより、他の評価点対応領域ＤＢ₃〜ＤＢ₅について、前述した評価点対応領域ＤＢ₁の場合と同様にして、それぞれ最良フォーカス位置が求められることとなる。

このようにして、ウエハＷ_T上の全ての評価点対応領域ＤＢ₁〜ＤＢ₅について最良フォーカス位置の算出、すなわち投影光学系ＰＬの露光エリア内で５つの計測用のパターンＭＰ₁〜ＭＰ₅の投影位置となる前述した各評価点での最良フォーカス位置の算出がなされると、ステップ５１６での判断が肯定される。ここで光学特性計測ルーチンを終了しても構わないが、本実施形態ではステップ５２０に移行して、上で求めた最良フォーカス位置データに基づいて他の光学特性を算出する。

例えば、このステップ５２０では、一例として、評価点対応領域ＤＢ₁〜ＤＢ₅における最良フォーカス位置のデータに基づいて、投影光学系ＰＬの像面湾曲を算出する。また、前述した露光エリア内の各評価点での焦点深度などを求めても良い。

ここで、本実施形態では、説明の簡略化のため、各評価点対応領域（各評価点に対応する位置）において４種類のＬ／Ｓパターンの像のコントラスト値の平均値に基づいて単一の最良フォーカス位置を求めるものとしたが、これに限らず、Ｌ／Ｓパターンの像毎のコントラスト値に基づいて、Ｌ／Ｓパターンの周期方向毎に最良フォーカス位置を求めることとしても良い。あるいは、周期方向が直交する１組のＬ／Ｓパターン（ＬＳ_Rnを、ＬＳ_Ln）でそれぞれ得られた最良フォーカス位置から各評価点における非点収差を求めることとしても良い。さらに、投影光学系ＰＬの露光エリア内の各評価点について、上述のようにして算出された非点収差に基づいて、例えば最小二乗法による近似処理を行うことにより非点収差面内均一性を求めるとともに、非点収差面内均一性と像面湾曲とから総合焦点差を求めることも可能である。

そして、上述のようにして求められた投影光学系ＰＬの光学特性データは、図示しない記憶装置に保存されるとともに、不図示の表示装置の画面上に表示される。これにより、図８のステップ５２０の処理、すなわち図４のステップ４２６の処理を終了し、一連の光学特性の計測処理を終了する。

次に、デバイス製造の場合における、本実施形態の露光装置１００による露光動作を説明する。

前提として、上述のようにして決定された最良フォーカス位置の情報、あるいはこれに加えて像面湾曲の情報が、不図示の入出力装置を介して主制御装置２８に入力されているものとする。

例えば、像面湾曲の情報が入力されている場合には、主制御装置２８は、露光に先立って、この光学特性データに基づいて、図示しない結像特性補正コントローラに指示し、例えば投影光学系ＰＬの少なくとも１つの光学素子（本実施形態では、レンズエレメントであるが、光学系の構成によっては、例えば凹面鏡などの反射光学素子、あるいは投影光学系ＰＬ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良い。）の位置（他の光学素子との間隔を含む）あるいは傾斜などを変更することにより、その像面湾曲が補正されるように投影光学系ＰＬの結像特性を可能な範囲で補正する。ここで、投影光学系ＰＬの結像特性の補正方法として、例えば照明光ＩＬの中心波長を僅かにシフトさせる方法、又は投影光学系ＰＬの一部で屈折率を変化させる方法などを単独、あるいは光学素子の移動との組み合わせで採用しても良い。

そして、主制御装置２８によって、不図示のレチクルローダを用いて転写対象となる所定の回路パターン（デバイスパターン）が形成されたレチクルＲがレチクルステージＲＳＴ上にロードされ、同様に、不図示のウエハローダを用いてウエハＷがウエハテーブル１８上にロードされる。

次に、主制御装置２８により、不図示のレチクルアライメント検出系、ウエハテーブル１８上の基準板ＦＰ、アラインメント検出系ＡＳ等を用いて、レチクルアラインメント、ベースライン計測などの準備作業が所定の手順で行われ、これに続いて例えばＥＧＡ（エンハンスト・グローバル・アラインメント）方式などのウエハアライメントが行われる。

上記のウエハアライメントが終了すると、主制御装置２８により、露光装置１００の各部が制御され、ウエハＷ上のショット領域の走査露光とショット間のステッピング動作とが繰り返し行われ、ウエハＷ上の露光対象ショット領域の全てにレチクルＲのパターンが順次転写される。

上記の走査露光中に、主制御装置２８は、フォーカスセンサＡＦＳによって検出されたウエハＷのＺ軸方向の位置情報に基づき、前述した光学特性補正後の投影光学系ＰＬの露光エリア内でその焦点深度の範囲内にウエハＷ（ショット領域）の表面が設定されるように、駆動系２２を介してウエハテーブル１８をＺ軸方向及び傾斜方向に駆動し、ウエハＷのフォーカス・レベリング制御を行う。本実施形態では、ウエハＷの露光動作に先立って、前述した各評価点における最良フォーカス位置に基づいて投影光学系ＰＬの像面が算出されており、この算出結果に基づいて、フォーカスセンサＡＦＳの光学的なキャリブレーション（例えば、受光系５０ｂ内に配置される平行平面板の傾斜角度の調整など）が行われている。これに限らず、例えば先に算出した像面とフォーカスセンサＡＦＳの検出基準との偏差に応じたオフセットを考慮して、フォーカス動作（及びレベリング動作）を行うようにしても良い。

以上説明したように、本実施形態に係る光学特性計測方法によると、計測用のパターンＭＰ_nが転写され露光されたウエハＷ_T上の各評価点対応領域ＤＢ_nの複数の区画領域ＤＡ_iについて、各評価点対応領域ＤＢ_nの撮像により得られた撮像データに含まれる各画素の輝度値に関する所定の統計量、例えば分散又は標準偏差をコントラストとして算出し、その算出された各領域のコントラストの算出結果に基づいて投影光学系ＰＬの各評価点での最良フォーカス位置、及びこの各評価点での最良フォーカス位置から求められる像面湾曲、非点収差等の光学特性を求める。このように、区画領域ＤＡ_iについて各画素の輝度値に関する統計量をコントラストとして算出するので、ＳＥＭなどと比べて分解能の低い顕微鏡、例えば露光装置１００のアライメント系ＡＳ等の計測装置でも計測することが可能になる。これにより、ＳＥＭを用いる場合のような厳密なフォーカス合わせが不要となり、計測時間の短縮が可能である。例えば、上述のように各評価点対応領域ＤＢ_nを同時に撮像せず、区画領域ＤＡ_i毎に撮像する場合であっても、１点当たりの計測時間の短縮が可能である。また、パターン像の種類（ラインアンドスペース（孤立線、密集線）、コンタクトホール、サイズ及び配列方向など）を問わず、計測用のパターンＭＰ_nの投影像（パターン像）の生成時の照明条件を問わず、計測が可能になる。

また、本実施形態では、上述のコントラストを検出するので、レチクルＲ_Tのパターン領域ＰＡ内に計測用のパターンＭＰ_n以外のパターン（例えば、比較用の基準パターン、位置決め用マークパターン等）を配置する必要がない。また、従来の寸法を計測する方法（ＣＤ／フォーカス法、ＳＭＰフォーカス計測法など）に比べて、計測用のパターンを小さくすることができる。このため、評価点の数を増加させることができるとともに、評価点間の間隔を狭くすることが可能となる。結果的に、光学特性の測定精度及び測定結果の再現性を向上させることができる。

また、露光装置１００によると、前述の光学特性計測方法により精度良く計測された投影光学系ＰＬの光学特性を考慮して最適な転写が行えるように、投影光学系ＰＬを介してウエハＷ上に投影されるパターン像の結像状態の調整に関連する動作、例えば投影光学系ＰＬの光学素子の移動などによる結像特性の調整、あるいはフォーカスセンサＡＦＳのキャリブレーションなどが行われた後、投影光学系ＰＬを介してレチクルＲに形成されたパターンがウエハＷ上に転写される。

従って、本実施形態に係る露光方法によると、上述の光学特性計測方法を用いて投影光学系ＰＬの光学特性が高精度に計測され、その光学特性の計測結果を考慮して投影光学系ＰＬの露光エリア内に高精度なパターン像が生成され、高精度な露光（パターン転写）が実現される。

なお、上記実施形態では、計測用のパターンＭＰ_nを構成する各ラインアンドスペースパターンとして、レチクルＲ_T上で３．２μｍピッチ（線幅１．６μｍ）のＬ／Ｓパターンを用いているが、これに限らず、より狭い線幅（又はピッチ）のＬ／Ｓパターンを計測用のパターンとして用いても良い。この場合も、そのＬ／Ｓパターンのピッチ又は線幅（ウエハ上換算値）は、前述のアライメント系ＡＳ等の計測装置（光学系）の解像限界と同程度、ないし大きくなっている。また、例えば、図１０に示されるように、上記実施形態の計測用のパターンＭＰ_nの各Ｌ／Ｓパターンを構成する線幅１．６μｍ（ウエハ上換算値で線幅０．４μｍ）のラインを、さらに５分割した３本ライン＆２本スペースで構成したパターンＭＰ’を、計測用のパターンとして採用しても良い。このパターンＭＰ’の場合、各ライン（Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃など）及び各スペースの幅はウエハ上で８０ｎｍとなる。このようなパターンを使用すると、フォーカス変化に対する「コントラストの変化」が大きくなり、高感度でベストフォーカス位置を検出できるので、より好ましい。この場合、Ｌ／Ｓパターンの各ラインパターンを構成する複数本のラインの線幅（又はピッチ）はウエハ上換算値で、前述のアライメント系ＡＳ等の計測装置（光学系）の解像限界よりも小さく設定されている。また、その複数本のラインの線幅（又はピッチ）はウエハ上換算値で、露光装置１００（投影光学系ＰＬ）の解像限界（本例では、例えば８０ｎｍ）と同程度でもよいし、その解像限界よりも大きくてもよいが、例えばその解像限界の４倍程度（本例では３２０ｎｍ）以下とすることが好ましい。ここで、露光装置１００の解像限界の４倍程度の線幅（又はピッチ）の複数本のラインで各ラインパターンが構成されるＬ／Ｓパターンを用いる場合、高感度のフォーカス計測とは言えないが、前述のアライメント系ＡＳ等の計測装置はその解像限界が高くなくてもよい（高解像度でなくてもよい）。すなわち、低解像度、例えば解像限界が、露光装置１００の解像限界の１／４（本例では３２０ｎｍ）よりも大きい光学系を有する計測装置が使用可能となり、その装置コストなどを抑えることができる。ここで、計測装置の解像限界（光学系の検出分解能）は、例えば３５０ｎｍであり、前述した線幅が４００ｎｍ（ピッチが８００ｎｍ）の計測用のパターン像を解像（検出）可能となっている。なお、高感度のフォーカス計測を行うためには、その複数本のラインの線幅（又はピッチ）はウエハ上換算値で、例えば露光装置１００の解像限界の３倍程度（本例では２４０ｎｍ）以下とすることが好ましい。また、図１０に示したＬ／Ｓパターンを用いる場合、そのＬ／Ｓパターンの線幅（又はピッチ）は上記実施形態（ウエハ上で線幅０．４μｍ、ピッチ０．８μｍ）より大きくても良い。さらに、図１０の計測用のパターンＭＰ’は、Ｌ／Ｓパターンを有するものとしたが、Ｌ／Ｓパターンの代わりに、例えば上記線幅（又はピッチ）の複数本のラインで構成される１本のラインパターンを有するものとしてもよい。

また、上記実施形態では、レチクルＲ_T上の計測用のパターンＭＰ_nとして開口パターンＡＰ_n内に配置された４種類のＬ／Ｓパターン（マルチバーパターン）を用いる場合について説明したが、これに限らず、計測用のパターンとしては、その数又は種類が１つのパターンのみを含むものであっても良いし、Ｌ／Ｓパターンの代わりに、あるいはそれと組み合わせて、孤立線やコンタクトホールなどを用いても良い。また、計測用のパターンＭＰ_nとして周期パターンを用いる場合、その周期パターンは、Ｌ／Ｓパターンだけではなく、例えばドットマークを周期的に配列したパターンでも良い。これは、像の線幅等を計測する従来の方法とは異なり、前述のコントラストを検出しているからである。

また、上記実施形態では評価点対応領域毎にその全体を同時に撮像するものとしたが、例えば１つの評価点対応領域を複数に分けてそれぞれ撮像するようにしても良い。このとき、例えば評価点対応領域の全体をアライメント検出系ＡＳの検出領域内に設定し、評価点対応領域の複数の部分を異なるタイミングで撮像してもよいし、あるいは評価点対応領域の複数の部分を順次アライメント検出系ＡＳの検出領域内に設定してその撮像を行うようにしてもよい。さらに、１つの評価点対応領域ＤＢ_nを構成する複数の区画領域は互いに隣接して形成するものとしたが、例えばその一部（少なくとも１つの区画領域）を、前述したアライメント検出系ＡＳの検出領域の大きさに対応する距離以上離して形成しても良い。また、上記実施形態では評価点対応領域毎に複数の区画領域が一列に配列されるものとしたが、その配列方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に関する位置を、その複数の区画領域で部分的に異ならせても良いし、例えば配列方向（Ｘ軸方向）に関して評価点対応領域の長さがアライメント検出系ＡＳの検出領域のサイズを越えるときなどは、各評価点対応領域で区画領域を複数列（２次元的）に配置しても良い。即ち、評価点対応領域毎にその全体を同時に撮像可能とするように、アライメント検出系ＡＳの検出領域の大きさに応じて複数の区画領域の配置（レイアウト）を決定しても良い。このとき、配列方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に関して隣接する区画領域の境界部分にも前述の枠線あるいは未露光部分が存在しないように、Ｙ軸方向のステップピッチを決定することが望ましい。なお、上記実施形態では静止露光によって計測用のパターンＭＰ_nをウエハＷ_T上に転写するものとしたが、静止露光の代わりに走査露光を用いても良く、この場合にはダイナミックな光学特性を求めることができる。また、本実施形態の露光装置１００を液浸型としても良く、投影光学系及び液体を介して計測用のパターンＭＰ_nの像をウエハ上に転写することで、その液体も含めた投影光学系の光学特性を計測することができる。

なお、上記実施形態では、計測マーク領域毎（又は各画領域ＤＡ_i）のコントラスト値として、計測マーク領域毎（又は各画領域ＤＡ_i）の各画素の輝度値の分散、又は標準偏差、あるいは各計測マーク領域（又は各区画領域）における各画素の輝度値の所定の基準値に対する偏差を含むその他の統計量を用いる場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、上記偏差を含まない、各計測マーク領域（又は各区画領域）における各画素の輝度値に関する情報、例えば計測マーク領域（又は区画領域）のうち、計測用のパターン像を含む所定面積（所定画素数）の領域内での各画素の輝度の総和値、あるいは平均値などの、各画素の輝度に関する何らかの統計量などを、コントラスト情報として採用しても良い。要は、各計測マーク領域（又は各区画領域）で、コントラスト情報の算出に使用する、撮像エリアの面積（画素数など）を、一定にする場合には、各画素の輝度値に関する如何なる統計量を用いても良い。また、例えばその撮像エリアの面積を、計測用のパターン像を包含し、かつ計測マーク領域（又は区画領域）の面積と同程度以下に設定する場合、計測用のパターンの転写時におけるウエハＷ_TのステップピッチＳＰは、各開口パターンＡＰ_nのウエハＷ_T上の投影像（前述の計測パターン領域に対応）のＸ軸方向寸法より大きくしてもよい。

なお、上記実施形態において、例えば、撮像の対象は、露光の際にレジストに形成された潜像であっても良く、上記像が形成されたウエハを現像し、さらにそのウエハをエッチング処理して得られる像（エッチング像）などであっても良い。また、ウエハなどの物体上における像が形成される感光層は、フォトレジストに限らず、光（エネルギ）の照射によって像（潜像及び顕像）が形成されるものであれば良く、例えば、光記録層、光磁気記録層などであっても良い。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を図１１及び図１２に基づいて説明する。ここで、前述した第１の実施形態と同一若しくは同等の構成部分については同一の符号を用いるとともに、その説明を簡略にする、若しくは省略する。

図１１には、第２の実施形態に係る光学特性計測方法及び露光方法を実施するのに好適な露光装置１０００の概略的な構成が示されている。この露光装置１０００は、ステップ・アンド・スキャン方式の縮小投影露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ（スキャナとも呼ばれる））である。

この露光装置１０００は、投影ユニットＰＵの投影光学系ＰＬを構成する最も像面側（ウエハＷ側）の光学素子であるレンズ（以下、「先端レンズ」ともいう）１９１の近傍には、液浸装置１３２を構成する液体供給ノズル１３１Ａと、液体回収ノズル１３１Ｂとが設けられている点及びこれに伴いウエハテーブル１８の構成が一部異なる点、並びに液浸露光が行われる点などが、前述の第１の実施形態の露光装置１００と異なるが、その他の部分の構成等は、露光装置１００と同様になっている。以下では、相違点を中心として説明する。

前記液体供給ノズル１３１Ａは、不図示の供給管を介して不図示の液体供給装置に接続され、前記液体回収ノズル１３１Ｂは、不図示の回収管を介して不図示の液体回収装置に接続されている。本実施形態では、液浸用の液体Ｌｑ（図１１参照）としては、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍの光）が透過する純水（屈折率ｎはほぼ１．４４）を用いるものとする。純水は、半導体製造工場等で容易に大量に入手できると共に、ウエハ上のレジストや光学レンズ等に対する悪影響が少ない利点がある。

前記液体供給ノズル１３１Ａと前記液体回収ノズル１３１Ｂとを含む液浸装置１３２は、主制御装置２８によって制御される。主制御装置２８は、液体供給ノズル１３１Ａを介して先端レンズ１９１とウエハＷとの間に液体Ｌｑを供給するとともに、液体回収ノズル１３１Ｂを介して先端レンズ１９１とウエハＷとの間から液体Ｌｑを回収する。従って、先端レンズ１９１とウエハＷとの間に、一定量の液体Ｌｑ（図１１参照）が保持される。

なお、液浸装置１３２は上記の構成に限らず、例えば、国際公開第９９／４９５０４号パンフレットに開示されるように、ノズルを多数有する構成を採用することとしても良い。また、液浸装置１３２は、前述の液体供給ノズル１３１Ａ、及び液体回収ノズル１３１Ｂの代わりに、照明光ＩＬが通る光路空間に液体Ｌｑを供給するための供給口、露光時にウエハＷの表面が対向して配置される下面、及びその下面に設けられる回収口を有し、その光路空間を液体Ｌｑで満たして液浸空間を形成する部材を含むものとしてもよい。要は、先端レンズ１９１とウエハＷとの間に液体を供給し得るのであれば、いかなる構成でも良い。また、先端レンズ１９１とウエハＷとの間だけでなく、例えば投影光学系ＰＬの先端レンズと隣接する光学素子との間も液体Ｌｑで満たすようにしても良い。これら構成は、例えば国際公開第２００４／０８６４６８号パンフレット（対応米国特許出願公開第２００５／０２８０７９１号明細書）、特開２００４−２８９１２６号公報（対応米国特許第６,９５２,２５３号明細書）、欧州特許出願公開第１,４２０,２９８号明細書、国際公開第２００４／０５５８０３号パンフレット、国際公開第２００４／０５７５９０号パンフレット、及び国際公開第２００５／０２９５５９号パンフレットなどに開示されている。

ウエハテーブル１８上には、ウエハＷを真空吸着等によって保持するウエハホルダ（図１１ではその一部を構成するプレートＰのみ図示）が設けられている。このウエハホルダは、例えば本体部（不図示）と、該本体部の上面に固定され、その中央にウエハＷの直径より０．１〜２ｍｍ程度直径が大きな円形開口が形成されたプレートＰとを備えている。プレートＰの大きな円形開口内部の本体部の領域には、多数のピンが配置されており、その多数のピンによってウエハＷが支持され、その表面がプレートＰとほぼ面一と成る状態で真空吸着されている。プレートＰの一部に前述と同様の基準マーク板（不図示）が設けられている。プレートＰ全面の表面にフッ素系樹脂材料、あるいはアクリル系樹脂材料等の撥液性材料（撥水材料）がコーティングされ、撥液膜が形成されている。また、ウエハＷの表面には、ここでは液浸用の液体Ｌｑに対して撥液性のレジストが塗布され、その塗布されたレジストによりレジスト膜が形成されている。

次に、露光装置１０００における投影光学系ＰＬ及び液体Ｌｑを含む光学系（以下、適宜「光学系ＰＬＬ」と記述する（図１１参照））の光学特性の計測方法について説明する。

この光学系ＰＬＬの光学特性の計測は、基本的には、前述の第１の実施形態と同様の手順に従って行われる。但し、本第２の実施形態では、図４のステップ４１０において２番目以降の区画領域ＤＡ_iを走査露光するためにウエハＷ_Tを移動する際のステップピッチＳＰが約６．７５μｍではなく、ステップ・アンド・スキャン方式で露光を行い、ウエハＷ上の複数のショット領域にそれぞれデバイスパターンを形成する際のステッピング距離、すなわちショット領域のＸ軸方向サイズ、例えば２５ｍｍとなる点、及び露光が液浸露光により行われる点が異なる。従って、ウエハＷ_T上には、図１２に示されるショット領域ＳＡ₄〜ＳＡ₁₈のような計測用のパターンＭＰ₁〜ＭＰ₅がそれぞれ形成された１５個のショット領域（レジスト像）が形成されることとなる。また、この場合、前述のステップ５０２〜５１６の処理に代えて、ショット領域ＳＡ₄〜ＳＡ₁₈のそれぞれについて、計測用のパターンＭＰ₁〜ＭＰ_nの像が形成された領域の撮像データの取り込み、撮像データファイルの作成、各領域の計測マーク領域毎のコントラスト値の算出、この算出結果に基づく評価点毎の最良フォーカス位置の算出が行われる。

その他の処理は、第１の実施形態と同様であるので、詳細説明は省略する。

また、実際のデバイス製造の際の露光のための動作は、液浸露光である点を除き、前述の第1の実施形態と同様である。

以上説明したように、本第２の実施形態に係る光学特性計測方法によると、１つの露光条件、すなわち光軸ＡＸ_p方向に関するウエハＷ_Tの位置を変更しながら、ウエハＷ_Tを露光の際のショット間ステッピングにおけるステッピング距離（すなわちショット領域のＸ軸方向サイズ、例えば２５ｍｍ）で順次移動して光学系ＰＬＬの露光エリア内に計測用のパターンＭＰ_nの像を生成することでウエハＷ_T上の複数の区画領域を順次露光する。この場合、上記のステッピング距離が採用されているので、前述の第１の実施形態と同程度のステップピッチを採用する場合とは異なり、前ショットの露光に起因する液体Ｌｑの温度変動が次ショットの露光に影響を与えることが殆どない。このため、各ショットの露光に際して液体Ｌｑの温度安定性を良好に維持することができる。これにより、ウエハＷ_T上の複数の区画領域に計測用のパターンＭＰ_nの像を精度良く形成することができ、この計測用のパターンＭＰ_nの像の形成状態を検出し、その検出結果に基づいて、光学系の光学特性を精度良く求めることが可能になる。

また、この露光装置１０００における露光方法によると、上述の光学特性計測方法による光学系ＰＬＬ、すなわち投影光学系ＰＬ及び液体Ｌｑを介して形成されるデバイスパターンの像でウエハが露光される。従って、投影光学系ＰＬを用いた液浸露光によるウエハ上へ高精度なパターン像の生成が実現される。

なお、上記第２の実施形態では、計測用のパターンの転写の際に変更される露光条件が、光学系ＰＬＬの光軸方向に関するウエハＷ_Tの位置（フォーカス位置）である場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。その露光条件は、フォーカス位置の他、例えば露光量、パターン像の生成時の照明条件（マスクの種別を含む）、及び光学系ＰＬＬの結像特性などの、露光に関連する全ての構成部分の設定条件などの少なくとも１つを含んでいれれば良い。

また、上記第２の実施形態ではステップピッチを、デバイスパターンの転写時のステッピング距離と実質的に同等に設定するものとしたが、ステップピッチはこれに限定されるものでなく、露光に起因する液体Ｌｑの温度変動が所定の許容範囲内となるように、例えば露光量、ウエハ及び／又はレジストの種類（材質）などに応じて決定すれば良い。さらに、上記第２の実施形態では走査露光によって各区画領域に計測用のパターンＭＰ_nの像を転写するものとしたが、走査露光の代わりに静止露光を用いても良く、この場合にもステップピッチは同様に設定することとなる。

なお、上記第１、第２の実施形態では露光装置のアライメント検出系を用いてウエハ上の各区画領域に形成された像を撮像するものとしたが、露光装置以外、例えば光学的な検査装置などを用いても良い。

《第３の実施形態》
図１３には、上述したコントラスト情報を用いた計測方法が適用される、第３の実施形態に係る検査装置の一例としてウエハ検査装置２０００の概略構成が示されている。この検査装置２０００は、チャンバ２００内に収容され、不図示の駆動装置に駆動され、水平面（ＸＹ面）内で移動するステージＳＴと、該ステージＳＴ上に不図示のバキュームチャックなどを介して保持されたウエハＷ_T’上のパターン（例えばレジストパターン）を撮像する撮像装置３００と、該撮像装置３００による撮像データＤＳ’が供給されるマイクロコンピュータなどを含む演算処理装置４００とを備えている。演算処理装置４００は、前述の駆動装置の制御も行う。

ウエハＷ_T’は、前述の第１の実施形態の露光装置１００によって、前述した図１０の計測用のパターンＭＰ’の像が第１の実施形態と同様の手順で転写され、現像処理が施されたウエハであるとする。

このウエハＷ_T’は、次のａ．、ｂ．の手順で作製される。
ａ．まず、ウエハＷ_T’となる基板（ウエハＷとする）に対して、前述の露光装置１００において主制御装置２８により前述のステップ４０２〜４２０と同様の処理が行われる。これにより、図６と同様の配置で、ウエハＷ表面のレジスト層に評価点対応領域ＤＢ₁〜ＤＢ₅の潜像が形成される。但し、この場合の各区画領域には、図１０の計測用のパターンＭＰ’の像が形成されている。
ｂ．次に、そのウエハＷが、不図示のコータ・デベロッパ（Ｃ／Ｄ）によって現像される。これにより、ウエハＷ_T’の作製が終了する。

ここで、ウエハＷ_T’に形成される計測用のパターン像の各ラインパターンを構成する複数本のラインの線幅（又はピッチ）は、上記第１の実施形態と同様に、露光装置１００の解像限界（本例では、例えば８０ｎｍ）の４倍程度（本例では３２０ｎｍ）以下とすることが好ましい。なお、高感度の計測を行うためには、その複数本のラインの線幅（又はピッチ）は、露光装置１００の解像限界の３倍程度（本例では２４０ｎｍ）以下とすることが好ましく、本実施形態ではその線幅（又はピッチ）が８０ｎｍとなっている。

そして、このウエハＷ_T’が、搬送系によってＣ／Ｄの外部に搬送され、作業者（あるいはロボットなど）によって、検査装置２０００のチャンバ２００の内部に投入され、そのチャンバ２００の内部の搬送系によって、ステージＳＴ上に搭載されている。

検査装置２０００の撮像装置３００は、例えば各評価点対応領域ＤＢ_nの全体を同時に撮像可能な視野を有し、前述の如くその解像限界が、露光装置１００の解像限界（本例では８０ｎｍ）の１／４よりも大きい（解像度が低い）光学系を備えた検査光学系である。本実施形態では、露光装置１００の解像限界（８０ｎｍ）の１／４が３２０ｎｍであるので、検査装置２０００の解像限界（撮像装置３００の検出分解能）は３２０ｎｍよりも大きい、例えば３５０ｎｍであるものとする。なお、計測用のパターン像はその線幅が４００ｎｍ（ピッチが８００ｎｍ）であるので、検査装置２０００はその計測用のパターン像を解像（検出）可能となっている。

検査装置２０００では、演算処理装置４００が、前述のステップ５０２〜５１８と同様の手順で処理を行うことで、露光装置１００の投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を算出する。

この場合も、前述の第１の実施形態と同様に、ＳＥＭを用いる場合のような厳密なフォーカス合わせが不要となり、計測時間の短縮が可能である。例えば、上述のように各評価点対応領域ＤＢ_nを同時に撮像せず、区画領域ＤＡ_i毎、あるいは複数の区画領域単位でその撮像を行う場合であっても、１点当たりの計測時間の短縮が可能である。また、パターン像の種類（ラインアンドスペース（孤立線、密集線）、コンタクトホール、サイズ及び配列方向など）を問わず、計測用のパターンＭＰ_nの投影像（パターン像）の生成時の照明条件を問わず、計測が可能になる。また、この場合も、前述と同様に、前述の偏差を含まない、各計測マーク領域（又は各区画領域）における各画素の輝度値に関する情報、例えば計測マーク領域（又は区画領域）のうち、計測用のパターン像を含む所定面積（所定画素数）の領域内での各画素の輝度の総和値、あるいは平均値などの、各画素の輝度に関する何らかの統計量などを、コントラスト情報として採用しても良い。要は、各計測マーク領域（又は各区画領域）で、コントラスト情報の算出に使用する、撮像エリアの面積（画素数など）を、一定にする場合には、各画素の輝度値に関する如何なる統計量を用いても良い。なお、本第３の実施形態でも上記第１の実施形態と同様に、計測用のパターンの転写時におけるウエハＷ_TのステップピッチＳＰは、各開口パターンＡＰ_nのウエハＷ_T上の投影像のＸ軸方向寸法より大きくしてもよい。

また、本第３の実施形態では、図１０の計測用のパターンＭＰ’が使用されるので、フォーカス変化に対する「コントラストの変化」が大きくなり、高感度でベストフォーカス位置を検出できる。

また、本第３の実施形態では、計測用のパターンの転写の際に変更される露光条件が、フォーカス位置、すなわち投影光学系ＰＬの光軸方向に関するウエハの位置である場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。その露光条件は、フォーカス位置の他、例えば露光量、パターン像の生成時の照明条件（マスクの種別を含む）、及び投影光学系ＰＬの結像特性などの、露光に関連する全ての構成部分の設定条件などの少なくとも１つを含んでいれば良い。なお、上記第１の実施形態における露光条件も同様にフォーカス位置に限定されるものではない。

例えば、光学系（投影光学系ＰＬなど）を介して異なる露光条件（露光量、又は照明条件など）下で基板上にそれぞれ形成された複数のパターン像を、撮像装置３００で検出し、演算処理装置４００で、その撮像装置３００による前記複数のパターン像の撮像データを用いてパターン像のコントラスト情報を算出するとともに、そのコントラスト情報に基づいて前記露光条件の適正値（最適な露光量、又は照明条件など）を求めることができる。

従って、検査装置２０００では、以下のようなパターン情報の判定も可能である。すなわち、例えば上述のウエハＷ_T’と同様の検査試料が、ステージＳＴに搭載されている場合に、演算処理装置４００の管理下で、撮像装置３００（検査光学系）が、該撮像装置３００の解像限界以下の周期パターンを含むパターン領域が複数形成されたパターン群に含まれる各パターン領域の明暗情報を検出する。そして、演算処理装置４００が、上記パターン群の中から、例えば検出した明暗情報（すなわち、コントラスト値）の変化が最大となるパターン領域を判定する。ここで、例えば所定のパターン形成条件（前述の露光条件）の変化に対応して、複数のパターン領域でのコントラスト値が、図９に実線で示されるように、山形に変化し、かつ山の頂点に対応するコントラスト値が取得できていない場合には、演算処理装置４００は、横軸をそのパターン形成条件、縦軸をコントラスト値とする２次元座標系上に各パターン領域のコントラスト値をプロットし、そのプロット点を近似曲線でカーブフィットしてコントラストカーブを描き、例えば内挿補間によりパターン形成条件の適正値、例えば最適値（そのコンロラストカーブの頂点）を算出しても良い。この場合も、一例として、コントラストカーブと所定のスライスレベルとの２交点の平均値を、上記のパターン形成条件の適正値、例えば最適値としても良い。

なお、上記第３の実施形態では、ウエハ検査装置を採りあげて説明したが、本発明の検査装置は、マスク検査装置、広義の線幅計測装置（重ね合わせ計測装置などを含む）などを含む。また、上記第３の実施形態では、検査装置２０００がコータ・デベロッパ（Ｃ／Ｄ）などとは独立に設けられるものとしたが、これに限らず、例えば検査装置２０００をＣ／Ｄとインライン接続してもよいし、あるいは検査装置２０００をＣ／Ｄまたは露光装置などに組み込んでも構わない。さらに、上記第３の実施形態において、演算処理装置４００はその判定結果を、例えばＬＡＮなどのネットワーク（無線又は有線）を介して露光装置（１００、１０００）に送信し、主制御装置２８はその送信された判定結果に基づいて露光条件の設定などを行うこととしてもよい。または、演算処理装置４００による判定結果を、デバイス製造工場（クリーンルーム）内の複数のデバイス製造装置（露光装置などを含む）の管理などを行うホストコンピュータに送り、このホストコンピュータの指示により露光装置（主制御装置２８）が露光条件の設定などを行ってもよい。

なお、上記各実施形態では、撮像方式の計測装置（アライメント検出系ＡＳ、検査装置２０００）を用いてウエハ上のパターン像を検出するものとしたが、この計測装置は受光素子（センサ）がＣＣＤなどの撮像素子に限られるものでなく、例えばラインセンサなどを含むものとしても良い。この場合、ラインセンサは１次元であってもよいが、２次元に配置されるラインセンサを用いることが好ましい。従って、前述のコントラスト情報の算出で使用するデータ（計測装置によるパターン像の計測結果）は撮像データに限られるものではない。さらに、上記各実施形態では、前述の統計量（コントラスト情報、明暗情報）の算出において、所定の基準値として、ウエハ上の少なくとも１つの区画領域（又は計測マーク領域）内で計測用のパターン像が存在しない領域の複数画素の輝度値の平均値（又は単一画素の輝度値）を用いるものとしたが、所定の基準値はこれに限られるものではない。例えば、区画領域（又は計測マーク領域）以外の他の領域における輝度値（平均値を含む）、あるいは区画領域（又は計測マーク領域）における輝度値の平均値などを用いてもよい。また、前述の如く上記偏差を含まない統計量をコントラスト情報として用いてもよいが、例えば計測用のパターン像の線幅（又はピッチ）が計測装置の解像限界（光学系の検出分解能）と同程度あるいは近い場合、計測装置が計測用のパターン像の線幅変化を敏感に検出するのが困難となるため、計測用のパターン像が存在しない領域の輝度値（又はその平均値）を所定の基準値として上記偏差が求められる前述の統計量をコントラスト情報として用いることが好ましい。この場合、計測用のパターン像の各Ｌ／Ｓパターン全体から得られる微妙なオフセット変化がコントラスト値として考慮されることになり、計測精度の向上を図ることができる。

また、上記実施形態では干渉計システム（２６）を用いてウエハステージＷＳＴの位置情報を計測するものとしたが、これに限らず、例えばウエハステージＷＳＴの上面に設けられるスケール（回折格子）を検出するエンコーダシステムを用いてもよい。この場合、干渉計システムとエンコーダシステムの両方を備えるハイブリッドシステムとし、干渉計システムの計測結果を用いてエンコーダシステムの計測結果の較正（キャリブレーション）を行うことが好ましい。また、干渉計システムとエンコーダシステムとを切り替えて用いる、あるいはその両方を用いて、ウエハステージの位置制御を行うようにしてもよい。

また、前述の第１の実施形態などでは投影光学系の光学特性として最良フォーカス位置、像面湾曲、あるいは非点収差を求めるものとしたが、その光学特性はこれらに限られるものでなく他の収差などでも良い。さらに、上記第１、第２の実施形態の露光装置は半導体デバイスの製造用に限られるものでなく、例えばディスプレイ（液晶表示素子など）、撮像素子（ＣＣＤなど）、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン、ＤＮＡチップなど、他のデバイスの製造に用いる露光装置などであっても良く、これらの露光装置に本発明を適用しても良い。

なお、上記第１、第２の実施形態においては、光透過性の基板上に所定の遮光パターン（又は位相パターン・減光パターン）を形成した光透過型マスクを用いたが、このマスクに代えて、例えば米国特許第６，７７８，２５７号明細書に開示されているように、露光すべきパターンの電子データに基づいて、透過パターン又は反射パターン、あるいは発光パターンを形成する電子マスク（可変成形マスクとも呼ばれ、例えば非発光型画像表示素子（空間光変調器）の一種であるＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などを含む）を用いても良い。また、投影光学系は屈折系に限られるものでなく反射屈折系又は反射系でも良いし、縮小系に限られるものでなく等倍系又は拡大系でも良い。さらに、投影光学系による投影像は倒立像と正立像のいずれでも良い。また、国際公開第２００１／０３５１６８号パンフレットに開示されているように、干渉縞をウエハＷ上に形成することによって、ウエハＷ上にデバイスパターンを形成する露光装置（リソグラフィシステム）にも本発明を適用することができる。さらに、例えば特表２００４−５１９８５０号公報（対応米国特許第６,６１１,３１６号明細書）に開示されているように、２つのレチクルのパターンを、投影光学系を介してウエハ上で合成し、１回の走査露光によってウエハ上の１つのショット領域をほぼ同時に二重露光する露光装置にも本発明を適用することができる。要は、光学系の露光エリア内に計測用のパターン像を生成することで物体を露光する露光装置であれば良い。

なお、上記各実施形態ではエネルギビーム（照明光ＩＬなど）が照射される、露光対象の感応性の物体（基板）はウエハに限られるものでなく、ガラスプレート、セラミック基板、あるいはマスクブランクスなど他の物体でもよいし、その形状は円形に限られず矩形などでもよい。

また、本国際出願で指定した指定国又は選択した選択国の国内法令が許容する限りにおいて、上記各実施形態及び変形例で引用した全ての上記公報及び米国特許出願公開明細書における開示を援用して本明細書の記載の一部とする。

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、この設計ステップに基づいたレチクルを製作するステップ、シリコン材料からウエハを製作するステップ、前述した第１、又は第２の実施形態の露光装置により前述の露光方法を実行し、レチクルのパターンをウエハに転写するリソグラフィステップ、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）、検査ステップ等を経て製造される。この場合、リソグラフィステップで、第１、又は第２の実施形態の露光装置を用いて前述の露光方法が実行され、ウエハ上にデバイスパターンが形成されるので、高集積度のデバイスを生産性良く製造することができる。

本発明の光学特性計測方法は、所定の面上にパターン像を生成する光学系、例えば投影露光装置の投影光学系などの光学特性の計測に適している。また、本発明の露光方法及びデバイス製造方法は、マイクロデバイスの製造に適している。本発明の検査装置、計測方法、及びベストフォース位置計測方法は、露光条件の適正値を求めるのに適している。また、本発明のパターン情報判定方法は、ウエハ等の試料に形成されたパターンの形成状態が示す情報の判定に適している。

Claims (28)

1. 所定の面上にパターン像を生成する光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
   光学系の前記所定の面側に配置された物体の前記光学系の光軸方向に関する位置を変更しながら、光学系の露光エリア内に計測用のパターン像を生成することで前記物体上の複数の区画領域を順次露光する第１工程と；
   前記物体上の複数の区画領域を撮像する第２工程と；
   前記撮像により得られた撮像データを処理して、各区画領域について各画素の輝度値に関する所定の統計量を算出するとともに、算出された前記各区画領域についての統計量に基づいて前記光学系の光学特性を求める第３工程と；を含む光学特性計測方法。
2. 請求項１に記載の光学特性計測方法において、
   前記統計量は、各区画領域について各画素の輝度値の所定の基準値に対する偏差を含む統計量である光学特性計測方法。
3. 請求項２に記載の光学特性計測方法において、
   前記所定の基準値は、前記物体上の少なくとも１つの区画領域内部における前記パターン像が存在しない領域の単一画素の輝度値及び複数画素の輝度値の平均値のいずれかである光学特性計測方法。
4. 請求項１に記載の光学特性計測方法において、
   前記所定の統計量は、前記各区画領域についての各画素の輝度値の分散及び標準偏差の少なくとも一方である光学特性計測方法。
5. 請求項１に記載の光学特性計測方法において、
   前記第１工程では、前記第２工程で少なくとも前記光軸方向と直交する所定方向に関して前記物体上の複数の区画領域が同時に撮像可能となるように、前記物体を前記所定方向に順次移動することにより、隣接する複数の区画領域から成る全体として矩形の領域を少なくとも１つ前記物体上に形成する光学特性計測方法。
6. 請求項１に記載の光学特性計測方法において、
   前記第１工程では、少なくとも前記光軸方向と直交する所定方向に関して、前記露光エリア内で前記パターン像が生成される前記区画領域のサイズに対応する距離以下のステップピッチで前記物体を移動する光学特性計測方法。
7. 請求項６に記載の光学特性計測方法において、
   前記物体には、その表面にポジ型のフォトレジストで感光層が形成されるとともに、前記第１工程の後に現像処理を経て前記物体上の各区画領域に撮像対象となる像が形成され、
   前記ステップピッチは、前記物体上で隣接する像間の感光層が前記現像処理により除去されるように設定される光学特性計測方法。
8. 請求項１に記載の光学特性計測方法において、
   前記光学特性は、前記光学系の露光エリア内の計測点における最良フォーカス位置を含む光学特性計測方法。
9. 請求項１に記載の光学特性計測方法において、
   前記第１工程では、前記物体の前記光学系の光軸方向に関する位置を変更しながら、光学系の露光エリア内の複数位置に計測用のパターン像を生成することにより、前記物体上の複数の区画領域を順次露光する光学特性計測方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学特性計測方法を用いて光学系の光学特性を計測する工程と；
    該光学特性の計測結果を考慮して前記光学系の露光エリア内に所定のパターン像を生成することで物体を露光する工程と；を含む露光方法。
11. 請求項１０に記載の露光方法により物体を露光するリソグラフィ工程を含むデバイス製造方法。
12. 光学系及び液体を介して物体上にパターン像を生成する露光装置で用いられる前記光学系の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
    少なくとも１つの露光条件を変更しながら、前記物体を前ショット領域の露光に起因する前記液体の温度変動が次ショット領域の露光に影響を与えない程度の所定のステップピッチで順次移動して前記光学系の露光エリア内に計測用のパターン像を生成することで前記物体上の複数の区画領域を順次露光する第１工程と；
    前記物体上の複数の区画領域における前記計測用のパターン像の形成状態を検出する第２工程と；
    前記検出結果に基づいて前記光学系の光学特性を求める第３工程と；を含む光学特性計測方法。
13. 請求項１２に記載の光学特性計測方法を用いて前記光学系の光学特性を計測する工程と；
    該光学特性の計測結果を考慮して前記光学系及び液体を介して形成される所定のパターン像で前記物体を露光する工程と；を含む露光方法。
14. 請求項１３に記載の露光方法により物体を露光するリソグラフィ工程を含むデバイス製造方法。
15. 光学系を介して異なる露光条件下で基板上にそれぞれ形成された複数のパターン像を検出する検査装置であって、
    前記複数のパターン像を同時に撮像可能な視野を有する撮像装置と；
    前記撮像装置による前記複数のパターン像の撮像データを用いて前記パターン像のコントラスト情報を算出するとともに、そのコントラスト情報に基づいて前記露光条件の適正値を求める処理装置と、を備える検査装置。
16. 請求項１５に記載の検査装置において、
    前記露光条件は、前記光学系の光学特性を含む検査装置。
17. 請求項１５に記載の検査装置において、
    前記処理装置は、前記コントラスト情報の算出に際し、前記撮像装置の画素の出力を規格化する検査装置。
18. 請求項１７に記載の検査装置において、
    前記処理装置は、前記撮像装置の画素の出力を所定の基準値を使って規格化する検査装置。
19. 請求項１８に記載の検査装置において、
    前記基準値は、前記基板上の前記パターン像が存在しない領域の単一画素の輝度値及び複数画素の輝度値の平均値のいずれかである検査装置。
20. 請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の検査装置において、
    前記処理装置は、前記基板上のパターン像が形成された領域についての各画素の輝度値に関する所定の統計量を前記コントラスト情報として算出する検査装置。
21. 請求項２０に記載の検査装置において、
    前記統計量は、分散及び標準偏差の少なくとも一方である検査装置。
22. 光学系を介して異なる露光条件下で基板上にそれぞれ形成された複数のパターン像を検出することで所定の計測を行う計測方法であって、
    前記複数のパターン像を同時に撮像可能な視野を有する撮像装置を用いて前記複数のパターン像を撮像する工程と；
    撮像された前記複数のパターン像の撮像データを用いて前記パターン像のコントラスト情報を算出するとともに、そのコントラスト情報に基づいて前記露光条件の適正値を求める工程と；を含む計測方法。
23. 投影露光装置のベストフォーカス計測方法であって、
    前記投影露光装置の解像限界の４倍程度以下の線幅のパターンを含むパターン領域の像を、フォーカス位置を変化させつつ、物体上の異なる位置に複数形成する工程と；
    解像限界が前記投影露光装置の解像限界の１／４よりも大きい検査光学系を用いて、前記物体上に形成された複数の前記パターン領域の像の明暗情報を検出する工程と；
    前記検出した明暗情報に基づいてベストフォーカス位置を算出する工程と；を含むベストフォーカス計測方法。
24. 請求項２３に記載のベストフォーカス計測方法において、
    前記パターンの線幅は、前記投影露光装置の解像限界の３倍程度以下であるベストフォーカス計測方法。
25. 請求項２３又は２４に記載のベストフォーカス計測方法において、
    前記パターンは、前記線幅の複数のパターン要素からなるベストフォーカス計測方法。
26. パターン情報判定方法であって、
    検査光学系により、前記検査光学系の解像限界以下の周期パターンを含むパターン領域が複数形成されたパターン群の明暗情報を検出する工程と；
    前記パターン群の中から、前記検出した明暗情報の変化が最大となるパターン領域を判定する工程と；を含むパターン情報判定方法。
27. 請求項２６に記載のパターン情報判定方法において、
    前記パターン群は前記検査光学系により同時に検出可能であるパターン情報判定方法。
28. パターン情報判定装置であって、
    周期パターンを含むパターン領域が複数形成されたパターン群の明暗情報を検出する検査光学系と；
    前記パターン群の中から、前記検出した明暗情報の変化が最大となるパターン領域を判定する処理装置と；を備え、前記周期パターンは、前記検査光学系の解像限界以下であるパターン情報判定装置。