JP2002014005A - 空間像計測方法、結像特性計測方法、空間像計測装置及び露光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分な精度で空間像を計測することを可能に
する。 【解決手段】 空間像計測器５９のスリット板９０に
は、計測方向（Ｘ軸方向）の幅が（波長λ／投影光学系
の開口数Ｎ．Ａ．）以下でＹ軸方向に伸びるスリット２
２が形成されている。このため、照明光ＩＬによって所
定のパターンＰＭが照明され、該パターンの空間像が投
影光学系ＰＬを介して像面上に形成された状態で、上記
空間像に対してスリット板９０がＸ軸方向に走査される
と、その走査中にスリット２２を透過した光が光電変換
素子２４で光電変換され、その光電変換信号（空間像の
光強度に対応する信号）が出力される。そして、この光
電変換信号に基づいて制御装置により空間像に対応する
光強度分布が計測される。この場合、スリット２２の幅
が（λ／Ｎ．Ａ．）以下とされているため、実用上十分
な、高い精度で空間像を計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間像計測方法、
結像特性計測方法、空間像計測装置及び露光装置に係
り、更に詳しくは、投影光学系より像面に形成される空
間像を計測する空間像計測方法、該空間像計測方法を利
用して投影光学系の結像特性を計測する結像特性計測方
法、前記空間像計測方法を実行するための空間像計測装
置、及び該空間像計測装置を備える露光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子又は液晶表示素子
等をフォトリソグラフィ工程で製造する際に、フォトマ
スク又はレチクル（以下、「レチクル」と総称する）の
パターンを、投影光学系を介して表面にフォトレジスト
等の感光剤が塗布されたウエハ又はガラスプレート等の
基板上に転写する投影露光装置、例えばステップ・アン
ド・リピート方式の縮小投影露光装置（いわゆるステッ
パ）や、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影
露光装置（いわゆるスキャニング・ステッパ）等が用い
られている。

【０００３】ところで、半導体素子等を製造する場合に
は、異なる回路パターンを基板上に幾層にも積み重ねて
形成する必要があるため、回路パターンが描画されたレ
チクルと、基板上の各ショット領域に既に形成されたパ
ターンとを正確に重ね合わせることが重要である。かか
る重ね合せを精度良く行うためには、投影光学系の結像
特性が所望の状態に調整されることが必要不可欠であ
る。

【０００４】この投影光学系の結像特性の調整の前提と
して、結像特性を正確に計測する必要がある。この結像
特性の計測方法として、所定の計測用パターンが形成さ
れた計測用マスクを用いて露光を行い、計測用パターン
の投影像が転写形成された基板を現像して得られるレジ
スト像を計測した計測結果に基づいて結像特性を算出す
る方法（以下、「焼き付け法」と呼ぶ）が、主として用
いられている。この他、実際に露光を行うことなく、計
測用マスクを照明光により照明し投影光学系によって形
成された計測用パターンの空間像（投影像）を計測し、
この計測結果に基づいて結像特性を算出する方法（以
下、「空間像計測法」と呼ぶ）も行われている。

【０００５】従来の空間像計測は、概ね次のようにして
行われていた。すなわち、例えば図３８（Ａ）に示され
るように、正方形開口１２２が形成された開口板１２３
を基板ステージ上に設置し、不図示の投影光学系によっ
て形成された計測用レチクル上の計測用パターンの空間
像ＭＰ’に対して、基板ステージを介して開口板１２３
を矢印Ａの方向に走査し、開口１２２を透過した照明光
を光電変換素子によって受光して光電変換する。この光
電変換により、図３８（Ｂ）に示されるような光電変換
信号（空間像に対応する光強度信号）が得られる。次
に、この図３８（Ｂ）に示されるような光電変換信号の
波形を走査方向に対して微分することで図３８（Ｃ）に
示されるような微分波形を求める。そして、この図３８
（Ｃ）に示されるような微分波形に基づいてフーリエ変
換法などの公知の所定の信号処理を施し、計測マークが
投影された光学像（空間像）を求める。

【０００６】かかる空間像の計測及びこれに基づく投影
光学系のディストーション等の検出については、例え
ば、特開平１０−２０９０３１号公報等などに詳細に開
示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の空間像計測方法にあっては、大きな開口を走査させ
て空間像強度を計測していたことから、図３８（Ｂ）に
示されるように、空間像のプロファイルを特徴付ける空
間周波数成分以外に大きな低周波成分が混在する結果と
なってしまっていた。この一方、後段の信号処理系のダ
イナミックレンジには限りがあり、また、信号処理系の
ダイナミックレンジに対する分解能（例えば、現状では
１６ビット程度）が限られていることから、結果的に、
空間像のプロファイルを反映した信号成分のＳ／Ｎ比が
小さくならざるを得なかった。このため、ノイズに弱
く、空間像から空間像強度信号に変換する際に像プロフ
ァイルの劣化が大きくなってしまい、十分な精度で空間
像を計測することが困難であった。

【０００８】この他、従来においても、主としてパター
ンの結像位置の検出を目的として、スリットをパターン
の空間像に対して走査する装置が、例えば特開昭５８−
７８２３号などに開示されている。しかし、該公報に開
示される装置では、スリット幅は、マスクパターン（基
準パターン）の形状に対応して決定されていた。このた
め、種々の形状（大きさを含む）のパターンの空間像を
正確に計測することは困難であった。

【０００９】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、その第１の目的は、十分な精度で空間像を計測する
ことができる空間像計測方法及び空間像計測装置を提供
することにある。

【００１０】また、本発明の第２の目的は、投影光学系
の結像特性を精度良く計測することができる結像特性計
測方法を提供することにある。

【００１１】また、本発明の第３の目的は、露光精度の
向上を図ることができる露光装置を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】一般に、露光装置に備え
られる投影光学系の解像度（解像力）Ｒは、Rayleighの
式で良く知られているように、Ｒ＝ｋ×λ／Ｎ．Ａ．の
関係（λは照明光の波長、Ｎ．Ａ．は投影光学系の開口
数、ｋはレジストの解像力の他にプロセスによって決定
される定数（プロセス係数）である）で表される。そこ
で、発明者は、かかる点に着目して、種々の実験等を行
った結果、空間像計測に用いられる開口の走査方向の幅
を、照明光の波長λ、投影光学系の開口数Ｎ．Ａ．との
少なくとも一方を考慮して定めることにより、空間像計
測において良好な結果が得られることが判明した。本発
明に係る空間像計測方法は、かかる発明者の得た新規知
見に基づいてなされたものである。

【００１３】請求項１に記載の発明は、投影光学系（Ｐ
Ｌ）によって形成される所定のパターンの空間像を計測
する空間像計測方法であって、照明光（ＩＬ）によって
前記パターンを照明し、該パターンの空間像を前記投影
光学系を介して像面上に形成する工程と；前記投影光学
系の光軸に垂直な２次元平面内で第１方向に延びるとと
もに、これに垂直な前記２次元平面内の第２方向の幅が
前記照明光の波長λを考慮して定められた少なくとも１
つのスリットを有するスリット板（９０）を前記像面近
傍の前記２次元平面内で前記第２方向に走査するととも
に、前記スリットを透過した前記照明光を光電変換して
前記スリットを透過した前記照明光の強度に応じた光電
変換信号を得る工程と；を含む。

【００１４】これによれば、照明光によって所定のパタ
ーンを照明し、該パターンの空間像を投影光学系を介し
て像面上に形成する。そして、この空間像に対して投影
光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１方向に延びる
とともに、これに垂直な前記２次元平面内の第２方向の
幅が照明光の波長λを考慮して定められた少なくとも１
つのスリットを有するスリット板を像面近傍の前記２次
元平面内で第２方向に走査するとともに、スリットを透
過した照明光を光電変換してスリットを透過した照明光
の強度に応じた光電変換信号を得る。そして、この光電
変換信号に所定の処理を施すことにより、空間像（像強
度の分布）を得ることができる。

【００１５】すなわち、スリットスキャン方式により、
所定パターンの空間像を得ることができる。この場合、
スリットの走査方向の幅が照明光の波長を考慮して定め
られているので、十分な精度で空間像を計測することが
可能となる。

【００１６】請求項２に記載の発明は、投影光学系によ
って形成される所定のパターンの空間像を計測する空間
像計測方法であって、照明光によって前記パターンを照
明し、該パターンの空間像を前記投影光学系を介して像
面上に形成する工程と；前記投影光学系の光軸に垂直な
２次元平面内で第１方向に延びるとともに、これに垂直
な前記２次元平面内の第２方向の幅が前記投影光学系の
開口数Ｎ．Ａ．を考慮して定められた少なくとも１つの
スリットを有するスリット板を前記像面近傍の前記２次
元平面内で前記第２方向に走査するとともに、前記スリ
ットを透過した前記照明光を光電変換して前記スリット
を透過した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を得
る工程と；を含む。

【００１７】これによれば、照明光によって所定のパタ
ーンを照明し、該パターンの空間像を投影光学系を介し
て像面上に形成する。そして、この空間像に対して投影
光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１方向に延びる
とともに、これに垂直な前記２次元平面内の第２方向の
幅が投影光学系の開口数Ｎ．Ａ．を考慮して定められた
少なくとも１つのスリットを有するスリット板を像面近
傍の前記２次元平面内で第２方向に走査するとともに、
スリットを透過した照明光を光電変換してスリットを透
過した照明光の強度に応じた光電変換信号を得る。そし
て、この光電変換信号に所定の処理を施すことにより、
空間像（像強度の分布）を得ることができる。

【００１８】すなわち、スリットスキャン方式により、
所定パターンの空間像を得ることができる。この場合、
スリットの走査方向の幅が投影光学系の開口数を考慮し
て定められているので、十分な精度で空間像を計測する
ことが可能となる。

【００１９】上記請求項１及び２に記載の各発明に係る
空間像計測方法において、請求項３に記載の発明の如
く、前記スリットの前記第２方向の幅は、零より大きく
前記照明光の波長λを前記投影光学系の開口数Ｎ．Ａ．
で除した（λ／Ｎ．Ａ．）以下であることが望ましい。
かかる場合には、解像力に影響を与える２つのパラメー
タである波長λ及び開口数Ｎ．Ａ．の両者を考慮してス
リットの走査方向の幅が定められているので、請求項１
及び２に記載の各発明に比べても一層精度良く空間像を
計測することが可能になる。ここで、スリットの走査方
向の幅が、（λ／Ｎ．Ａ．）以下であるとしたのは、第
１に、発明者が、スリットの走査方向の幅（２Ｄとす
る）を、２Ｄ＝ｆ（λ／Ｎ．Ａ．）＝ｎ・（λ／Ｎ．
Ａ．）として、シミュレーション及び実験等を繰り返し
行った結果、係数ｎ＝１とした場合に良好な結果（十分
に実用的な結果）が得られたからであり、第２に、後述
するように、上記の光電変換信号は、スリッ卜と空間像
の強度分布とのコンボリューションになるため、計測精
度の面からは、スリットの走査方向の幅２Ｄは小さい程
良いからである。

【００２０】この場合において、請求項４に記載の発明
の如く、前記スリットの前記第２方向の幅は、前記（λ
／Ｎ．Ａ．）の０．８倍以下であることが一層望まし
い。上述の如く、計測精度の面からは、スリット幅は小
さい程良く、発明者が行ったシミュレーションと実験に
よれば、スリット幅２Ｄがλ／（Ｎ．Ａ．）の８０％以
下であれば、より一層実用的であることが確認された。

【００２１】しかしながら、スループット面からの制約
を考慮すると、２Ｄがあまりに小さいと、スリットを透
過する光強度が小さくなりすぎて、計測が困難となるの
で、ある程度の大きさは必要である。

【００２２】上記請求項１及び２に記載の各発明に係る
空間像計測方法において、請求項５に記載の発明の如
く、前記スリットの前記第２方向の幅は、前記照明光及
び前記パターンの種別を含む照明条件によって定まる解
像限界のラインアンドスペースパターンのピッチである
最小ピッチの半分の奇数倍であることとしても良い。

【００２３】ここで、コンベンショナル照明の下で、位
相シフト法等を用いない通常パターンの場合、上記の最
小ピッチは、ほぼλ／Ｎ．Ａ．となり、位相シフトパタ
ーン、すなわち、位相シフト法を採用した位相シフトマ
スク（位相シフトレチクル）のパターンの場合には、最
小ピッチは、ほぼλ／（２Ｎ．Ａ．）となることが、確
認されている。なお、位相シフトマスクとしては、ハー
フトーン型、レベンソン型などが挙げられる。

【００２４】上記請求項１及び２に記載の各発明に係る
空間像計測方法において、請求項６に記載の発明の如
く、前記スリットの前記第２方向の幅は、前記照明光の
波長をλ、前記投影光学系の開口数をＮ．Ａ．として、
｛λ／（２Ｎ．Ａ．）｝の奇数倍として規定されること
としても良い。

【００２５】上記請求項１〜６に記載の各発明におい
て、請求項７に記載の発明の如く、前記光電変換信号を
フーリエ変換して空間周波数分布を求め、該求めた空間
周波数分布を前記スリットの既知の周波数スペクトルで
割り返して元の空間像のスペクトル分布に変換し、該ス
ペクトル分布を逆フーリエ変換することにより元の空間
像を回復する工程を更に含むこととすることができる。

【００２６】請求項８に記載の発明は、投影光学系の結
像特性を計測する結像特性計測方法であって、照明光に
よって所定のパターンを照明し、該パターンの空間像を
前記投影光学系を介して像面上に形成する工程と；前記
投影光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１方向に延
びる所定幅のスリットを少なくとも１つ有するスリット
板を前記像面近傍の前記２次元平面内で前記第１方向に
垂直な前記第２方向に走査するとともに、前記スリット
を透過した前記照明光を光電変換して前記スリットを透
過した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を得る工
程と；前記光電変換信号に所定の処理を施して前記投影
光学系の結像特性を求める工程と；を含む。

【００２７】これによれば、照明光によって所定のパタ
ーンを照明し、該パターンの空間像を投影光学系を介し
て像面上に形成する。この状態で、投影光学系の光軸に
垂直な２次元平面内で第１方向に延びる所定幅のスリッ
トを少なくとも１つ有するスリット板を像面近傍の前記
２次元平面内で第１方向に垂直な第２方向に走査すると
ともに、スリットを透過した照明光を光電変換してスリ
ットを透過した照明光の強度に応じた光電変換信号を得
る。そして、この光電変換信号に所定の処理を施して投
影光学系の結像特性を求める。

【００２８】すなわち、スリットスキャン方式により、
所定パターンの空間像を得ることができ、この得られた
光電変換信号に所定の処理を施して投影光学系の結像特
性を求めるので、投影光学系の結像特性を精度良く計測
することが可能となる。

【００２９】この場合において、請求項９に記載の発明
の如く、前記パターンは、第２方向に対応する方向に周
期性を有するラインアンドスペースパターンである場合
に、前記光電変換信号の検出を、前記スリット板の前記
光軸方向の位置を変化させつつ複数回繰り返し、前記所
定の処理として、前記繰り返しにより得られた複数の光
電変換信号をそれぞれフーリエ変換し、それぞれの１次
周波数成分と零次周波数成分の振幅比であるコントラス
トを求め、該コントラストが最大となる光電変換信号に
対応する前記光軸方向の位置を検出することにより前記
投影光学系のベストフォーカス位置を検出することとす
ることができる。上記コントラストは、フォーカス位置
（デフォーカス量）に応じて敏感に変化するので、本発
明によれば、投影光学系のベストフォーカス位置を精度
良く、かつ容易に計測（決定）することができる。

【００３０】この場合において、請求項１０に記載の発
明の如く、前記ベストフォーカス位置の検出を、前記投
影光学系の光軸からの距離が異なる複数点に関して繰り
返し行うことにより、前記投影光学系の像面形状を検出
する工程を更に含むこととすることができる。像面、す
なわち、最良結像面は、光軸からの距離が異なる無数の
点（すなわち、いわゆる像の高さが異なる無数の点）に
おけるベストフォーカス点の集合から成る面であるか
ら、ベストフォーカス位置の検出を、前記投影光学系の
光軸からの距離が異なる複数点に関して繰り返し行い、
その検出結果に基づいて統計的処理を行うことにより容
易にかつ正確に像面を求めることが可能になる。

【００３１】上記請求項９に記載の発明に係る結像特性
計測方法において、請求項１１に記載の発明の如く、前
記投影光学系の光軸における前記ベストフォーカス位置
の検出を、異なるピッチの複数の前記ラインアンドスペ
ースパターンについて繰り返し行い、前記各パターンに
対応する前記ベストフォーカス位置の差に基づいて前記
投影光学系の球面収差を求める工程を更に含むこととす
ることができる。球面収差は、光学系の開口収差の１つ
であり、光軸上の物点からの種々の開口を持った光線束
が光学系に入射したとき、その対応した像点が一点に結
像しない現象である。従って、投影光学系の光軸におけ
るベストフォーカス位置の検出を、異なるピッチの複数
のラインアンドスペースパターンついて繰り返し行い、
各パターンに対応するベストフォーカス位置の差に基づ
いて演算により球面収差を簡単に求めることができる。

【００３２】上記請求項８に記載の発明に係る結像特性
計測方法において、請求項１２に記載の発明の如く、前
記パターンは、前記第２方向の幅が前記スリットの前記
第２方向の幅より大きい矩形パターンを少なくとも１つ
含むパターンであり、前記空間像の形成と前記光電変換
信号の検出とを、前記投影光学系のイメージフィールド
内の異なる位置に投影される前記パターンの空間像につ
いて繰り返し行い、前記所定の処理として、前記繰り返
しにより得られた複数の光電変換信号それぞれの位相を
検出し、該位相検出の結果に基づいて前記各光電変換信
号に対応する空間像の位置をそれぞれ算出し、該算出結
果に基づいて前記投影光学系のディストーション及び倍
率の少なくとも一方を求めることとすることができる。

【００３３】ここで、ディストーションとは、イメージ
フィールド内の周辺で本来直線になるべきものが曲った
像になる投影光学系の収差であり、ディストーションに
より倍率誤差がある場合と同様に、パターン像が像面上
の所定の位置からずれて（横ずれして）結像される。

【００３４】本発明によれば、位相検出の手法により、
投影光学系のイメージフィールド内の異なる位置に投影
されるパターンの空間像の位置ずれをそれぞれ精度良く
求めることができるので、結果的にディストーション及
び倍率の少なくとも一方を精度良く計測することができ
る。ここで、パターンは、第２方向の幅がスリットの第
２方向の幅より大きい矩形パターンを少なくとも１つ含
むこととしたのは、パターンの第２方向の幅がスリット
より小さいと、コマ収差等の他の収差の影響により、デ
ィストーションを正確に測定することが困難になるから
である。

【００３５】上記請求項８に記載の発明に係る結像特性
計測方法において、請求項１３に記載の発明の如く、前
記パターンは、前記第２方向の幅が前記スリットの前記
第２方向の幅より大きい矩形パターンを少なくとも１つ
含むパターンである場合に、前記空間像の形成と前記光
電変換信号の検出とを、前記投影光学系のイメージフィ
ールド内の異なる位置に投影される前記パターンの空間
像について繰り返し行い、前記所定の処理として、前記
繰り返しにより得られた複数の光電変換信号それぞれと
所定のスライスレベルとの交点に基づいて前記各光電変
換信号に対応する空間像の位置をそれぞれ算出し、該算
出結果に基づいて前記投影光学系のディストーション及
び倍率の少なくとも一方を求めることとすることができ
る。

【００３６】本発明によれば、スライス法を用いたエッ
ジ検出の手法により、投影光学系のイメージフィールド
内の異なる位置に投影されるパターンの空間像の位置を
それぞれ精度良く求めることができ、結果的にディスト
ーションを精度良く計測することができる。ここで、パ
ターンは、第２方向の幅がスリットの第２方向の幅より
大きい矩形パターンを少なくとも１つ含むこととしたの
は、請求項１２の場合と同様の理由による。

【００３７】上記請求項８に記載の結像特性計測方法に
おいて、請求項１４に記載の発明の如く、前記パターン
は、全体として矩形状で、前記第１方向に周期性を有す
るラインアンドスペースパターンであることとしても良
い。かかる場合には、スリットスキャン方式により、所
定パターンの空間像の検出が行われる際に、スリットが
パターンの周期方向に垂直な方向に相対走査され、結果
的に、そのパターンの全体形状と同形状の矩形パターン
をスリットスキャンしたときと、同様の空間像の信号を
得ることができる。これにより、例えば、最近のＣＭＰ
プロセスにおいて、ディッシングが生じるため形成が困
難とされていた１０μｍ角のＢＯＸマーク（インナーＢ
ＯＸマーク）パターンなどを実際に形成することなく、
かかるマークパターンを用いたときと同等の空間像計測
が可能となる。

【００３８】この場合において、請求項１５に記載の発
明の如く、前記空間像の形成と前記光電変換信号の検出
とを、前記投影光学系のイメージフィールド内の異なる
位置に投影される前記パターンの空間像について繰り返
し行い、前記所定の処理として、前記繰り返しにより得
られた複数の光電変換信号それぞれと所定のスライスレ
ベルとの交点に基づいて前記各光電変換信号に対応する
空間像の位置をそれぞれ算出し、該算出結果に基づいて
前記投影光学系のディストーション及び倍率の少なくと
も一方を求めることとしても良い。

【００３９】上記請求項８に記載の発明に係る結像特性
計測方法において、請求項１６に記載の発明の如く、前
記パターンは、前記第２方向に対応する方向に周期性を
有するラインアンドスペースパターンである場合に、前
記所定の処理として、前記光電変換信号と所定のスライ
スレベルとの交点に基づいて前記各ラインパターンの線
幅異常値を算出し、該算出結果に基づいて前記投影光学
系のコマ収差を求めることとすることができる。

【００４０】コマ収差は、レンズの種々の輪帯で倍率が
異なることによるレンズの収差であり、投影光学系の主
軸から離れた距離の画像の部分に生じる。従って、光軸
から離れた位置では、ラインアンドスペースパターンの
空間像の内、各ラインパターンの線幅はコマ収差に応じ
て異なることになる。従って、スライス法を用いてエッ
ジ検出の手法により各ラインパターンの線幅異常値を検
出する本発明によれば、コマ収差を精度良く、かつ容易
に計測することが可能となる。

【００４１】上記請求項８に記載の発明に係る結像特性
計測方法において、請求項１７に記載の発明の如く、前
記パターンは、前記第２方向に対応する方向に周期性を
有するラインアンドスペースパターンである場合に、前
記所定の処理として、前記光電変換信号の前記各ライン
パターンのピッチに対応する第１基本周波数成分と、前
記ラインアンドスペースパターンの全体の幅に対応する
第２周波数成分との位相差を算出し、該算出結果に基づ
いて前記投影光学系のコマ収差を求めることとすること
ができる。空間像計測の対象となるパターンの走査方向
の幅が狭いほど、コマ収差の影響を大きく受けるので、
ラインアンドスペースパターンの各ラインパターンの空
間像に対するコマ収差の影響と、ラインアンドスペース
パターンの全体を１つのパターンと見た場合のそのパタ
ーンの空間像に対するコマ収差の影響とは相違する。従
って、光電変換信号の各ラインパターンのピッチに対応
する第１基本周波数成分と、ラインアンドスペースパタ
ーンの全体の幅に対応する第２周波数成分との位相差を
算出し、該算出結果に基づいて投影光学系のコマ収差を
求める本発明によれば、位相検出の手法により、投影光
学系のコマ収差を精度良く求めることができる。

【００４２】上記請求項８に記載の発明に係る結像特性
計測方法において、請求項１８に記載の発明の如く、前
記パターンは、前記第２方向に対応する方向に所定間隔
で配置された線幅の異なる少なくとも２種類のラインパ
ターンを有する対称マークパターンである場合、前記所
定の処理として、前記光電変換信号と所定のスライスレ
ベルとの交点に基づいて前記パターンの空間像の対称性
のずれを算出し、該算出結果に基づいて前記投影光学系
のコマ収差を求めることとすることができる。走査方向
の幅が細いラインパターンの空間像ほどコマ収差の影響
により大きく位置ずれする結果、走査方向に対応する方
向に所定間隔で配置された線幅の異なる複数種類のライ
ンパターンを有する対称マークパターンの空間像は、コ
マ収差が大きいほどその対称性が大きくずれる。従っ
て、スライス法を用いたエッジ検出の手法により、前記
対称性マークパターンの空間像の対称性のずれを算出
し、その算出結果に基づいて投影光学系のコマ収差を求
める本発明によれば、投影光学系のコマ収差を精度良く
求めることができる。

【００４３】請求項１９に記載の発明は、投影光学系に
よって形成される所定のパターンの空間像を計測する空
間像計測装置であって、前記パターンの空間像を前記投
影光学系を介して像面上に形成するため、前記パターン
を照明する照明装置（１０）と；前記投影光学系の光軸
に垂直な２次元平面内で第１方向に延びるとともに、こ
れに垂直な第２方向の幅が零より大きく前記照明光の波
長λを前記投影光学系の開口数Ｎ．Ａ．で除した（λ／
Ｎ．Ａ．）以下である、少なくとも１つのスリットを有
するスリット板（９０）と；前記スリット板を透過した
前記照明光を光電変換して、前記スリットを透過した前
記照明光の強度に応じた光電変換信号を出力する光電変
換素子（２４）と；前記照明装置により前記パターンが
照明され、前記像面上に前記空間像が形成された状態
で、前記像面近傍の前記２次元平面内で前記スリット板
を前記第２方向に走査するとともに、前記光電変換素子
からの光電変換信号に基づいて前記空間像に対応する光
強度分布を計測する処理装置（２０）と；を備える。

【００４４】これによれば、照明装置によって所定のパ
ターンが照明され、該パターンの空間像が投影光学系を
介して像面上に形成される。そして、処理装置により、
形成された空間像に対して投影光学系の光軸に垂直な２
次元平面内で第１方向に延びる少なくとも１つのスリッ
トを有するスリット板が像面近傍の前記２次元平面内で
第２方向に走査されるとともに、光電変換素子からの光
電変換信号（走査中にスリットを透過した照明光を光電
変換した電気信号）に基づいて空間像に対応する光強度
分布が計測される。すなわち、このようにして、スリッ
トスキャン方式により、所定パターンの空間像が計測さ
れる。また、この場合、スリット板に形成されたスリッ
トの走査方向の幅が、（λ／Ｎ．Ａ．）以下であるの
で、上記請求項３と同様に、実用上十分な高い精度で空
間像を計測することができる。

【００４５】請求項２０に記載の発明は、マスク（Ｒ）
に形成された回路パターンを投影光学系（ＰＬ）を介し
て基板（Ｗ）に転写する露光装置であって、前記基板を
保持する基板ステージ（ＷＳＴ）と；前記スリット板
（９０）が前記基板ステージと一体で移動可能に構成さ
れた請求項１９に記載の空間像計測装置とを備える。

【００４６】これによれば、スリット板が基板ステージ
と一体で移動可能に構成された請求項１８に記載の空間
像計測装置を備えることから、例えば、マスクに種々の
計測用パターンを形成し、基板ステージと一体でスリッ
ト板を移動させつつ、空間像計測装置により、種々の計
測用パターンの空間像を高精度に計測することが可能に
なる。従って、この計測結果を利用して、例えば投影光
学系の結像特性の初期調整等を行うことにより、結果的
に露光精度の向上が可能となる。

【００４７】この場合において、請求項２１に記載の発
明の如く、前記空間像計測装置を用いて、種々のマーク
パターンの空間像に対応する光強度分布を計測し、その
計測された前記光強度分布のデータに基づいて前記投影
光学系の結像特性を求める制御装置（２０）を更に備え
ることとすることができる。かかる場合には、制御装置
により、種々のマークパターンの空間像に対応する光強
度分布を計測し、その計測された光強度分布のデータに
基づいて投影光学系の結像特性が求められる。そのた
め、必要なときに投影光学系の結像特性を求めることが
可能となり、この求められた結像特性に応じて露光開始
に先立って投影光学系の結像特性を調整することが可能
となる。従って、露光精度の向上が可能となる。

【００４８】上記請求項２０に記載の発明に係る露光装
置において、請求項２２に記載の発明の如く、前記基板
ステージ上のマークの位置を検出するマーク検出系（Ａ
ＬＧ１又はＡＬＧ２）と；前記空間像計測装置を用い
て、前記投影光学系による前記マスクのパターンの投影
位置と前記マーク検出系との相対位置関係を検出する制
御装置を更に備えることとすることができる。かかる場
合には、制御装置により、空間像計測装置を用いて、前
記投影光学系による前記マスクのパターンの投影位置、
すなわち前記パターンの空間像の結像位置とマーク検出
系との相対位置関係（すなわち、マーク検出系のいわゆ
るベースライン量）が検出される。この場合、ベースラ
イン量の計測に当たり、マスクパターンの投影位置を、
空間像計測装置により直接的に計測することができるの
で、基準マーク板とレチクル顕微鏡とを用いてマスクパ
ターンの投影位置を間接的に計測する場合に比べて、精
度の高いベースライン量の計測が可能である。従って、
このベースライン量を用いて、露光時等に基板の位置を
制御することにより、マスクと基板との重ね合せ精度の
向上により露光精度の向上が可能となる。

【００４９】

【発明の実施の形態】《第１の実施形態》以下、本発明
の第１の実施形態を図１ないし図３４に基づいて説明す
る。

【００５０】図１には、第１の実施形態に係る露光装置
１００の概略的な構成が示されている。この露光装置１
００は、ステップ・アンド・スキャン方式の走査型投影
露光装置、すなわちいわゆるスキャニング・ステッパで
ある。

【００５１】この露光装置１００は、光源及び照明光学
系を含む照明系１０、マスクとしてのレチクルＲを保持
するレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、基板と
してのウエハＷを保持してＸＹ平面内を自在に移動可能
な基板ステージとしてのウエハステージＷＳＴ、及びこ
れらを制御する制御系等を備えている。

【００５２】前記照明系１０は、光源、照度均一化光学
系（コリメータレンズ、フライアイレンズ等から成
る）、リレーレンズ系、照明視野絞りとしてのレチクル
ブラインド及びコンデンサレンズ系等（いずれも図１で
は図示省略）を含んで構成されている。

【００５３】前記光源としては、ここでは、一例とし
て、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）又はＡ
ｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を出力するエ
キシマレーザ光源が用いられるものとする。

【００５４】前記レチクルブラインドは、開口形状が固
定の不図示の固定レチクルブラインドと開口形状が可変
の可動レチクルブラインド１２（図１では図示省略、図
２参照）とから構成されている。固定レチクルブライン
ドは、レチクルＲのパターン面に対する共役面から僅か
にデフォーカスした面に配置され、レチクルＲ上の長方
形スリット状の照明領域ＩＡＲを規定する矩形開口が形
成されている。また、可動レチクルブラインド１２は、
固定レチクルブラインドの近傍のレチクルＲのパターン
面に対する共役面に配置され、走査露光時の走査方向
（ここでは、図１における紙面直交方向であるＹ軸方向
とする）及び非走査方向（図１における紙面左右方向で
あるＸ軸方向）にそれぞれ対応する方向の位置及び幅が
可変の開口部を有する。

【００５５】照明系１０によると、光源で発生した露光
光としての照明光（以下、「照明光ＩＬ」と呼ぶ）は不
図示のシャッターを通過した後、照度均一化光学系によ
り照度分布がほぼ均一な光束に変換される。照度均一化
光学系から射出された照明光ＩＬは、リレーレンズ系を
介して前記レチクルブラインドに達する。このレチクル
ブラインドを通過した光束は、リレーレンズ系、コンデ
ンサレンズ系を通過して回路パターン等が描かれたレチ
クルＲの照明領域（Ｘ軸方向に細長く伸びＹ軸方向の幅
が所定幅の長方形スリット状の照明領域）ＩＡＲを均一
な照度で照明する。

【００５６】なお、可動レチクルブラインド１２は、走
査露光の開始時及び終了時に主制御装置２０によって制
御され、照明領域ＩＡＲを更に制限することによって、
不要な部分の露光が防止されるようになっている。ま
た、本実施形態では、可動レチクルブラインド１２が、
後述する空間像計測器による空間像の計測の際の照明領
域の設定にも用いられる。

【００５７】前記レチクルステージＲＳＴ上には、レチ
クルＲが、例えば真空吸着（又は静電吸着）により固定
されている。レチクルステージＲＳＴは、ここでは、リ
ニアモータ等を含む不図示のレチクルステージ駆動系に
より、後述する投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに垂直なＸＹ
平面内で２次元的に（Ｘ軸方向及びこれに直交するＹ軸
方向及びＸＹ平面に直交するＺ軸回りの回転方向（θｚ
方向）に）微少駆動可能であるとともに、不図示のレチ
クルベース上をＹ軸方向に指定された走査速度で移動可
能となっている。このレチクルステージＲＳＴは、レチ
クルＲの全面が少なくとも投影光学系ＰＬの光軸ＡＸを
横切ることができるだけのＹ軸方向の移動ストロークを
有している。

【００５８】レチクルステージＲＳＴ上には、レチクル
レーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）１３
からのレーザビームを反射する移動鏡１５が固定されて
おり、レチクルステージＲＳＴのＸＹ面内の位置はレチ
クル干渉計１３によって、例えば０．５〜１ｎｍ程度の
分解能で常時検出される。ここで、実際には、レチクル
ステージＲＳＴ上には走査露光時の走査方向（Ｙ軸方
向）に直交する反射面を有する移動鏡と非走査方向（Ｘ
軸方向）に直交する反射面を有する移動鏡とが設けら
れ、レチクル干渉計１３はＹ軸方向に１軸、Ｘ軸方向に
は２軸設けられているが、図１ではこれらが代表的に移
動鏡１５、レチクル干渉計１３として示されている。

【００５９】レチクル干渉計１３からのレチクルステー
ジＲＳＴの位置情報は、ワークステーション（又はマイ
クロコンピュータ）から成る主制御装置２０に送られ、
主制御装置２０ではレチクルステージＲＳＴの位置情報
に基づいてレチクルステージ駆動系を介してレチクルス
テージＲＳＴを駆動制御する。

【００６０】前記投影光学系ＰＬは、レチクルステージ
ＲＳＴの図１における下方に配置され、その光軸ＡＸの
方向がＺ軸方向とされ、ここでは両側テレセントリック
な縮小系であり、光軸ＡＸ方向に沿って所定間隔で配置
された複数枚のレンズエレメントから成る屈折光学系が
使用されている。この投影光学系ＰＬの投影倍率は、こ
こでは、一例として１／５となっている。このため、照
明系１０からの照明光ＩＬによってレチクルＲ上のスリ
ット状照明領域ＩＡＲが照明されると、このレチクルＲ
を通過した照明光ＩＬにより、投影光学系ＰＬを介して
そのスリット状照明領域ＩＡＲ内のレチクルＲの回路パ
ターンの縮小像（部分倒立像）が表面にフォトレジスト
が塗布されたウエハＷ上の前記照明領域ＩＡＲに共役な
露光領域ＩＡに形成される。

【００６１】前記ウエハステージＷＳＴは、ステージベ
ース１６上面に沿って例えば磁気浮上型２次元リニアア
クチュエータから成る不図示のウエハステージ駆動系に
より、ＸＹ２次元面内（θｚ回転を含む）で自在に駆動
されるようになっている。ここで、２次元リニアアクチ
ュエータは、Ｘ駆動コイル、Ｙ駆動コイルの他、Ｚ駆動
コイルをも有しているため、ウエハステージＷＳＴは、
Ｚ、θｘ、θｙの３自由度方向にも微少駆動が可能な構
成となっている。

【００６２】ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハホル
ダ２５が載置され、このウエハホルダ２５によってウエ
ハＷが真空吸着（又は静電吸着）によって保持されてい
る。

【００６３】なお、ウエハステージＷＳＴに代えて、リ
ニアモータあるいは平面モータ等の駆動系によってＸＹ
２次元面内でのみ駆動される２次元移動ステージを用い
る場合には、ウエハホルダ２５を、Ｚ、θｘ、θｙの３
自由度方向にボイスコイルモータ等によって微少駆動さ
れるＺ・レベリングテーブルを介してその２次元移動ス
テージ上に搭載すれば良い。

【００６４】前記ウエハステージＷＳＴ上には、ウエハ
レーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）３１か
らのレーザビームを反射する移動鏡２７が固定され、外
部に配置されたウエハ干渉計３１により、ウエハステー
ジＷＳＴのＸＹ面内の位置が例えば０．５〜１ｎｍ程度
の分解能で常時検出されている。

【００６５】ここで、実際には、ウエハステージＷＳＴ
上には、走査露光時の走査方向であるＹ軸方向に直交す
る反射面を有する移動鏡と非走査方向であるＸ軸方向に
直交する反射面を有する移動鏡とが設けられ、ウエハ干
渉計３１はＹ軸方向に１軸、Ｘ軸方向には２軸設けられ
ているが、図１ではこれらが代表的に移動鏡２７、ウエ
ハ干渉計３１として示されている。ウエハステージＷＳ
Ｔの位置情報（又は速度情報）は主制御装置２０に送ら
れ、主制御装置２０では前記位置情報（又は速度情報）
に基づいて不図示のウエハステージ駆動系を介してウエ
ハステージＷＳＴのＸＹ面内の位置を制御する。

【００６６】また、ウエハステージＷＳＴ上には、投影
光学系ＰＬの結像特性の計測に用いられる空間像計測器
５９が設けられている。ここで、この空間像計測器５９
の構成について詳述する。この空間像計測器５９は、図
２に示されるように、ウエハステージＷＳＴの一端部上
面に設けられた上部が開口した突設部５８ａ部分に設け
られている。この空間像計測器５９は、突設部５８ａの
開口を塞ぐ状態で上方から嵌め込まれた平面視長方形の
受光ガラス８２、この受光ガラス８２の上面に形成さ
れ、その一部にスリット２２が形成された遮光膜を兼ね
る反射膜８３、スリット２２下方ウエハステージＷＳＴ
内部に配置されたレンズ８４、８６から成るリレー光学
系、該リレー光学系（８４、８６）によって所定光路長
分だけリレーされる照明光束（像光束）の光路を折り曲
げる折り曲げミラー８８（ここで、レンズ８４、８６、
及びミラー８８によって受光光学系が構成される）、及
び光電変換素子としての光センサ２４等を含んで構成さ
れている。

【００６７】前記受光ガラス８２の素材としては、ここ
では、ＫｒＦエキシマレーザ光、あるいはＡｒＦエキシ
マレーザ光の透過性の良い、合成石英、あるいはホタル
石などが用いられる。また、光センサ２４としては、微
弱な光を精度良く検出することが可能な光電変換素子
（受光素子）、例えばフォトマルチプライヤなどが用い
られる。なお、本実施形態では、受光ガラス８２及び反
射膜８３によって、スリット板が形成されている。以下
の説明においては、受光ガラス８２と反射膜８３とから
成るスリット板を、適宜「スリット板９０」と呼ぶもの
とする。また、前述の如く、スリット２２は反射膜８３
に形成されているが、以下においては、便宜上スリット
板９０にスリット２２が形成されているものとして説明
を行う。

【００６８】本実施形態では、後述する、レチクルＲに
形成された計測用パターンの投影光学系ＰＬを介しての
投影像（空間像）の計測の際に、投影光学系ＰＬを透過
してきた照明光ＩＬによって空間像計測器５９を構成す
るスリット板９０が照明されると、そのスリット板９０
上のスリット２２を透過した照明光ＩＬが上記受光光学
系（８４、８６、８８）を介して光センサ２４で受光さ
れ、該光センサ２４からその受光量に応じた光電変換信
号（光量信号）Ｐが主制御装置２０に出力されるように
なっている。

【００６９】なお、光センサ２４は、必ずしもウエハス
テージＷＳＴの内部に設ける必要はなく、例えば、図３
に示される空間像計測器５９’の如く、光センサ２４を
ウエハステージＷＳＴの外部に配置しても良い。図３に
おいて、ウエハステージＷＳＴには、その上面がウエハ
Ｗの表面とほぼ同一面とされた２つの凸部５８ａ、５８
ｂが設けられている。凸部５８ａには、図２の場合と同
様にして構成されたスリット板９０が設けられ、該スリ
ット板９０下方のウエハステージＷＳＴの内部には、レ
ンズ８４、８６及びミラー８８が図２と同様の位置関係
で配置されている。この場合、ウエハステージＷＳＴの
内部には、ライトガイド８５も収納されている。このラ
イトガイド８５は、その入射端８５ａが、スリット２２
が形成された受光面に共役な位置に配置されている。ま
た、このライトガイド８５の射出端８５ｂは、凸部５８
ｂの上面に固定された送光レンズ８７のほぼ真下に配置
されている。

【００７０】送光レンズ８７の上方には、該送光レンズ
８７に比べて大径の受光レンズ８９が配置されている。
この受光レンズ８９の上方の射出端８５ｂと共役な位置
には、光センサ２４が配置されている。これら受光レン
ズ８９及び光センサ２４は、上記の位置関係を保ってケ
ース９２内に収納され、該ケース９２は不図示の固定部
材に固定されている。

【００７１】この図３の空間像計測器５９’では、後述
する、レチクルＲに形成された計測用パターンの投影光
学系ＰＬを介しての投影像（空間像）の計測の際に、投
影光学系ＰＬを透過してきた照明光ＩＬによって空間像
計測器５９’を構成するスリット板９０が照明される
と、そのスリット板９０上のスリット２２を透過した照
明光ＩＬがレンズ８４、ミラー８８及びレンズ８６を介
してライトガイド８５の入射端８５ａに入射する。ライ
トガイド８５で導かれた光は、その射出端８５ｂから射
出された後、送光レンズ８７を介してウエハステージＷ
ＳＴの外部に導き出される。そして、そのウエハステー
ジＷＳＴの外部に導き出された光は、受光レンズ８９を
介して光センサ２４によって受光され、該光センサ２４
からその受光量に応じた光電変換信号（光量信号）Ｐが
主制御装置２０に出力される。

【００７２】この場合、計測用パターンの投影像の計測
はスリットスキャン方式により行われるので、その際に
は、送光レンズ８７に対して受光レンズ８９及び光セン
サ２４が、移動することになる。そこで、この空間像計
測器５９’では、所定の範囲内で移動する送光レンズ８
７を介した光がすべて受光レンズ８９に入射するよう
に、各レンズの大きさが設定されている。

【００７３】このように、空間像計測器５９’では、ス
リット板９０、レンズ８４、８６、ミラー８８、ライト
ガイド８５及び送光レンズ８７により、スリット２２を
介した光をウエハステージＷＳＴ外に導出する光導出部
が構成され、受光レンズ８９及び光センサ２４によっ
て、ウエハステージＷＳＴ外へ導出された光を受光する
受光部が構成されている。この場合、これら光導出部と
受光部とは、機械的に分離されている。そして、空間像
計測に際してのみ、光導出部と受光部とは、送光レンズ
８７と受光レンズ８９とを介して光学的に接続される。

【００７４】すなわち、空間像計測器５９’では、光セ
ンサ２４がウエハステージＷＳＴの外部の所定位置に設
けられているため、光センサ２４の発熱に起因してレー
ザ干渉計３１の計測精度等に悪影響を与えたりすること
がない。また、ウエハステージＷＳＴの外部と内部とを
ライトガイド等により接続していないので、ウエハステ
ージＷＳＴの外部と内部とがライトガイドにより接続さ
れた場合のようにウエハステージＷＳＴの駆動精度が悪
影響を受けることもない。

【００７５】なお、空間像計測器５９（又は５９’）を
構成するスリット板９０上のスリット２２の形状、寸法
等、及び空間像計測器５９（又は５９’）を用いて行わ
れる空間像計測方法、結像特性の計測方法などについて
は、後に詳述する。

【００７６】図１に戻り、投影光学系ＰＬの側面には、
ウエハＷ上のアライメントマーク（位置合わせマーク）
を検出するマーク検出系としてのオフアクシス・アライ
メント顕微鏡ＡＬＧ１が設けられている。本実施形態で
は、このアライメント顕微鏡ＡＬＧ１として、画像処理
方式のＦＩＡ（ Filed Image Alignment）系のアライメ
ントセンサが用いられている。このアライメント顕微鏡
ＡＬＧ１は、図２に示されるように、アライメント用光
源３２、ハーフミラー３４、第１対物レンズ３６、第２
対物レンズ３８、撮像素子（ＣＣＤ）４０等を含んで構
成されている。ここで、光源３２としては、ブロードバ
ンドの照明光を出射するハロゲンランプ等が用いられ
る。このアライメント顕微鏡ＡＬＧ１では、図４に示さ
れるように、光源３２からの照明光により、ハーフミラ
ー３４、第１対物レンズ３６を介してウエハＷ上のアラ
イメントマークＭｗを照明し、そのアライメントマーク
部分からの反射光を第１対物レンズ３６、ハーフミラー
３４、第２対物レンズ３８を介して撮像素子４０で受光
する。これにより、撮像素子の受光面にアライメントマ
ークＭｗの明視野像が結像される。そして、この明視野
像に対応する光電変換信号、すなわちアライメン卜マー
クＭｗの反射像に対応する光強度信号が撮像素子４０か
ら主制御装置２０に供給される。主制御装置２０では、
この光強度信号に基づき、アライメント顕微鏡ＡＬＧの
検出中心を基準とするアライメントマークＭｗの位置を
算出するとともに、その算出結果とそのときのウエハ干
渉計３１の出力であるウエハステージＷＳＴの位置情報
とに基づいて、ウエハ干渉計３１の光軸で規定されるス
テージ座標系におけるアライメン卜マークＭｗの座標位
置を算出するようになっている。

【００７７】更に、本実施形態の露光装置１００では、
図１に示されるように、主制御装置２０によってオンオ
フが制御される光源を有し、投影光学系ＰＬの結像面に
向けて多数のピンホールまたはスリットの像を形成する
ための結像光束を、光軸ＡＸに対して斜め方向より照射
する照射光学系６０ａと、それらの結像光束のウエハＷ
表面での反射光束を受光する受光光学系６０ｂとから成
る斜入射光式の多点焦点位置検出系（フォーカスセン
サ）が設けられている。主制御装置２０では、投影光学
系ＰＬにフォーカス変動が生じた場合には、受光光学系
６０ｂ内の図示しない平行平板の反射光束の光軸に対す
る傾きを制御することにより、投影光学系ＰＬのフォー
カス変動に応じて焦点位置検出系（６０ａ、６０ｂ）に
オフセットを与えてそのキャリブレーションを行うよう
になっている。なお、本実施形態の焦点位置検出系（６
０ａ、６０ｂ）と同様の多点焦点位置検出系（フォーカ
スセンサ）の詳細な構成は、例えば特開平６−２８３４
０３号公報等に開示されている。

【００７８】主制御装置２０では、後述する走査露光時
等に、受光光学系６０ｂからの焦点ずれ信号（デフォー
カス信号）、例えばＳカーブ信号に基づいて焦点ずれが
零となるようにウエハステージＷＳＴのＺ位置及びピッ
チング量（θｘ回転量）及びローリング量（θｙ回転
量）を、不図示のウエハステージ駆動系を介して制御す
ることにより、オートフォーカス（自動焦点合わせ）及
びオートレベリングを実行する。

【００７９】次に、本実施形態の露光装置１００におけ
る露光工程の動作について簡単に説明する。

【００８０】まず、不図示のレチクル搬送系によりレチ
クルＲが搬送され、ローディングポジションにあるレチ
クルステージＲＳＴに吸着保持される。次いで、主制御
装置２０により、ウエハステージＷＳＴ及びレチクルス
テージＲＳＴの位置が制御され、レチクルＲ上に形成さ
れた不図示のレチクルアライメントマークの投影像（空
間像）が空間像計測器５９を用いて後述するようにして
計測され（図２参照）、レチクルパターン像の投影位置
が求められる。すなわち、レチクルアライメントが行わ
れる。

【００８１】次に、主制御装置２０により、空間像計測
器５９がアライメント顕微鏡ＡＬＧ１の直下へ位置する
ように、ウエハステージＷＳＴが移動され、アライメン
ト光学系ＡＬＧ１によって空間像計測器５９の位置基準
となるスリット２２が検出される。図５には、このアラ
イメント光学系ＡＬＧ１によってスリット２２が検出さ
れている様子が示されている。主制御装置２０では、こ
のアライメント顕微鏡ＡＬＧ１の検出信号及びそのとき
のウエハ干渉計３１の計測値、並びに先に求めたレチク
ルパターン像の投影位置に基づいて、レチクルＲのパタ
ーン像の投影位置とアライメント光学系ＡＬＧ１との相
対位置、すなわちアライメント顕微鏡ＡＬＧ１のベース
ライン量を求める。

【００８２】かかるベースライン計測が終了すると、主
制御装置２０により、例えば特開昭６１−４４４２９号
公報などに詳細に開示されるＥＧＡ（エンハンスト・グ
ローバル・アライメント）等のウエハアライメントが行
われ、ウエハＷ上の全てのショット領域の位置が求めら
れる。なお、このウエハアライメントに際して、ウエハ
Ｗ上の複数のショット領域のうちの予め定められた所定
のサンプルショットのウエハアライメントマークＭｗが
アライメント顕微鏡ＡＬＧ１を用いて、前述した如くし
て計測される（図２参照）。

【００８３】次いで、主制御装置２０では、上で求めた
ウエハＷ上の各ショット領域の位置情報及びベースライ
ン量に基づいて、干渉計３１、１３からの位置情報をモ
ニタしつつ、ウエハステージＷＳＴを第１ショット領域
の走査開始位置に位置決めするとともに、レチクルステ
ージＲＳＴを走査開始位置に位置決めして、その第１シ
ョット領域の走査露光を行う。

【００８４】すなわち、主制御装置２０では、レチクル
ステージＲＳＴとウエハステージＷＳＴとのＹ軸方向逆
向きの相対走査を開始し、両ステージＲＳＴ、ＷＳＴが
それぞれの目標走査速度に達すると、露光光ＥＬによっ
てレチクルＲのパターン領域が照明され始め、走査露光
が開始される。この走査露光の開始に先立って、光源の
発光は開始されているが、主制御装置２０によってレチ
クルブラインドを構成する可動ブラインドの各ブレード
の移動がレチクルステージＲＳＴの移動と同期制御され
ているため、レチクルＲ上のパターン領域外への露光光
ＥＬの照射が遮光されることは、通常のスキャニング・
ステッパと同様である。

【００８５】主制御装置２０では、特に上記の走査露光
時にレチクルステージＲＳＴのＹ軸方向の移動速度Ｖｒ
とウエハステージＷＳＴのＸ軸方向の移動速度Ｖｗとが
投影光学系ＰＬの投影倍率に応じた速度比に維持される
ようにレチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳ
Ｔを同期制御する。

【００８６】そして、レチクルＲのパターン領域の異な
る領域が紫外パルス光で逐次照明され、パターン領域全
面に対する照明が完了することにより、ウエハＷ上の第
１ショット領域の走査露光が終了する。これにより、レ
チクルＲの回路パターンが投影光学系ＰＬを介して第１
ショット領域に縮小転写される。

【００８７】こうして第１ショット領域の走査露光が終
了すると、ウエハステージＷＳＴを第２ショット領域の
走査開始位置へ移動させるショット間のステッピング動
作を行う。そして、その第２ショット領域の走査露光を
上述と同様にして行う。以後、第３ショット領域以降も
同様の動作を行う。

【００８８】このようにして、ショット間のステッピン
グ動作とショットの走査露光動作とが繰り返され、ステ
ップアンドスキャン方式でウエハＷ上の全てのショット
領域にレチクルＲのパターンが転写される。

【００８９】ここで、上記の走査露光中には、投影光学
系ＰＬに一体的に取付けられたフォーカスセンサ（６０
ａ、６０ｂ）によってウエハＷ表面と投影光学系ＰＬ
（その像面）との間隔、ＸＹ平面（像面）に対する傾斜
が計測され、主制御装置２０によってウエハＷ表面と投
影光学系ＰＬとの間隔、平行度が常に一定になるように
ウエハステージＷＳＴが制御される。

【００９０】ところで、上記の走査露光中に、レチクル
ＲのパターンとウエハＷ上のショット領域に既に形成さ
れたパターンとが正確に重ね合わせられるためには、投
影光学系ＰＬの結像特性やベースライン量が正確に計測
されていること、及び投影光学系ＰＬの結像特性が所望
の状態に調整されていることなどが重要である。

【００９１】本実施形態では、上記の結像特性の計測
に、空間像計測器５９又は５９’（以下、代表して「空
間像計測器５９」と記す）が用いられる。以下、この空
間像計測器５９による空間像計測、及び投影光学系ＰＬ
の結像特性の計測等について詳述する。

【００９２】図２には、空間像計測器５９を用いて、レ
チクルＲに形成された計測用パターンの空間像が計測さ
れている最中の状態が示されている。レチクルＲとして
は、空間像計測専用のもの、あるいはデバイスの製造に
用いられるデバイスレチクルに専用の計測用マークを形
成したものなどが用いられる。これらのレチクルの代わ
りに、レチクルステージＲＳＴにレチクルと同材質のガ
ラス素材から成る固定のマーク板（レチクルフィデュー
シャルマーク板とも呼ばれる）を設け、このマーク板に
計測用マーク（計測用パターン）を形成したものを用い
ても良い。

【００９３】ここで、レチクルＲには、図２に示される
ように、所定の箇所にＸ軸方向に周期性を有するライン
アンドスペースマークから成る計測用パターンＰＭが形
成されているものとする。また、空間像計測器５９のス
リット板９０には、図６（Ａ）に示されるように、Ｙ軸
方向に伸びる所定幅２Ｄのスリット２２が形成されてい
るものとする。なお、以下では、ラインアンドスペース
を適宜「Ｌ／Ｓ」と略述する。

【００９４】空間像の計測に当たり、主制御装置２０に
より、可動レチクルブラインド１２が不図示のブライン
ド駆動装置を介して駆動され、レチクルＲの照明光ＩＬ
の照明領域が計測用パターンＰＭ部分のみに規定される
（図２参照）。この状態で、照明光ＩＬがレチクルＲに
照射されると、図２に示されるように、計測用パターン
ＰＭによって回折、散乱した光（照明光ＩＬ）は投影光
学系ＰＬにより屈折され、該投影光学系ＰＬの像面に計
測用パターンＰＭの空間像（投影像）ＰＭ’が形成され
る。このとき、ウエハステージＷＳＴは、空間像計測器
５９のスリット板９０上のスリット２２の＋Ｘ側（又は
−Ｘ側）に前記空間像ＰＭ’が形成される位置に設定さ
れているものとする。このときの空間像計測器５９の平
面図が図６（Ａ）に示されている。

【００９５】そして、主制御装置２０により、ウエハス
テージ駆動系を介してウエハステージＷＳＴが図６
（Ａ）中に矢印Ｆで示されるように＋Ｘ方向に駆動され
ると、スリット２２が空間像ＰＭ’に対してＸ軸方向に
走査される。この走査中に、スリット２２を通過する光
（照明光ＩＬ）がウエハステージＷＳＴ内の受光光学系
（又は図３の場合、光導出部及び受光レンズ）を介して
光センサ２４で受光され、その光電変換信号が主制御装
置２０に供給される。主制御装置２０では、その光電変
換信号に基づいて不図示の信号処理系を介して空間像Ｐ
Ｍ’に対応する光強度分布を計測する。

【００９６】図６（Ｂ）には、上記の空間像計測の際に
得られる光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例が示され
ている。

【００９７】この場合、空間像ＰＭ’はスリット２２の
走査方向（走査露光時の走査方向ではなく、上記の空間
像に対する走査方向、すなわちＸ軸方向）の幅（２Ｄ）
の影響で像が平均化する。

【００９８】従って、スリットをｐ（ｘ）、空間像の強
度分布をｉ（ｘ）、観測される光強度信号をｍ（ｘ）と
すると、空間像の強度分布ｉ（ｘ）と観測される強度信
号ｍ（ｘ）の関係は次の（１）式で表すことができる。
この（１）式において、強度分布ｉ（ｘ）、強度信号ｍ
（ｘ）の単位は単位長さ当たりの強度とする。

【００９９】

【数１】

【０１００】

【数２】

【０１０１】すなわち、観測される強度信号ｍ（ｘ）は
スリッ卜ｐ（ｘ）と空間像の強度分布ｉ（ｘ）のコンボ
リューションになる。

【０１０２】従って、計測精度の面からは、スリットの
走査方向の幅（以下、単に「スリット幅」と呼ぶ）２Ｄ
は小さい程良い。

【０１０３】発明者は、スリット幅２Ｄを、照明光ＩＬ
の波長λ、投影光学系ＰＬの開口数Ｎ．Ａ．の関数ｆ
（λ／Ｎ．Ａ．）として、種々のシミュレーション及び
実験等を繰り返し行った。その結果、スリット幅２Ｄ＝
ｎ・（λ／Ｎ．Ａ．）とし、かつ係数ｎ≦１とした場合
に、十分に実用的であり、特にｎ≦０．８であればより
実用的であることが確認された。ここで、実用的である
とは、空間像→空間像強度信号の変換の際に像プロファ
イルの劣化が少なく、光センサ２４（光電変換素子）以
降の信号処理系には大きなダイナミック・レンジが不要
となり十分な精度が得られることを意味する。

【０１０４】上記の良好な結果の一例を示せば、例え
ば、次の表１のようになる。

【０１０５】

【表１】

【０１０６】上記表１からもわかるように、開口数、波
長によって十分なスリット幅（開口サイズ：表１中の
Ｂ）は異なるが、概略３００ｎｍ以下が適切な値であ
る。この程度のスリットは市販のクロムレチクル（マス
クブランクスとも呼ばれる。）を用いて製作可能であ
る。

【０１０７】クロムレチクルは、通常１００ｎｍ程度の
膜厚のクロム膜が石英基板に蒸着されている。石英基板
は、２．２８６ｍｍ、３．０４８ｍｍ、４．５７２ｍ
ｍ、６．３５ｍｍ厚のものが標準的である。

【０１０８】上述の如く、スリット幅２Ｄは、小さいほ
ど良く、本実施形態のようにフォトマルチプライヤを光
センサ２４として用いる場合には、スリット幅が非常に
小さくなっても走査速度を遅くして計測に時間を掛けれ
ば光量（光強度）の検出は可能である。しかしながら、
現実には、スループットの面から空間像計測時の走査速
度には、一定の制約があるため、スリット幅２Ｄがあま
りにも小さいと、スリット２２を透過する光量が小さく
なり過ぎて、計測が困難となってしまう。

【０１０９】発明者がシミュレーション及び実験等によ
り得た知見によれば、スリット幅２Ｄの最適値は、露光
装置の解像限界ピッチ（Ｌ／Ｓパターンのピッチ）の半
分程度となることが確認された。これについては、後で
更に詳述する。

【０１１０】これまでの説明から明らかなように、本実
施形態では、照明光学系１０、空間像計測器５９（スリ
ット板９０及び光センサ２４を含む）、ウエハステージ
ＷＳＴ及び主制御装置２０によって空間像計測装置が構
成されている。また、この内、主制御装置２０によっ
て、空間像計測装置の一部を成す処理装置が構成されて
いる。

【０１１１】上述した空間像計測装置及び空間像計測方
法は、ａ．ベストフォーカス位置の検出、ｂ．パターン
像の結像位置の検出、ｃ．アライメント顕微鏡ＡＬＧの
ベースライン計測等に用いられる。

【０１１２】本実施形態の露光装置１００におけるｃ．
ベースライン計測については既に説明したので、以下、
上記ａ．ベストフォーカス位置の検出及びｂ．パターン
像の結像位置の検出について、実施例を交えながら説明
する。 〈ベストフォーカス位置の検出〉このベストフォーカス
位置の検出は、例えばＡ．投影光学系ＰＬのベストフォ
ーカス位置の検出及び最良結像面（像面）の検出及び
Ｂ．球面収差測定などの目的に用いられる。

【０１１３】図７〜図１２には、ライン幅０．２μｍ、
デューティ比５０％のＬ／Ｓマークの空間像を前述した
空間像計測方法により計測した場合に対応する結像シミ
ュレーションの結果が示されている。このシミュレーシ
ョンの条件は、照明光の波長２４８ｎｍ、投影光学系の
Ｎ．Ａ．＝０．６８、照明のコヒーレンスファクタσ＝
０．８５で、スリット幅２Ｄ＝０．３μｍである。この
条件は、表１のＢの条件に近い。なお、図７〜図１２に
おいて、横軸はスリットのＸ位置（μｍ）を示し、縦軸
は光強度（エネルギ値）を示す。

【０１１４】図７は、ベス卜フォーカス位置でのシミュ
レーション結果を示す。この図７において、実線で示さ
れる波形Ｐ２は０．２μｍＬ／Ｓの空間像で（１）式の
ｉ（ｘ）に相当し、点線で示される波形Ｐ３がスリット
の走査（空間像計測）によって得られる光強度信号で
（１）式のｍ（ｘ）に相当する。

【０１１５】図８は図７の強度信号Ｐ３、すなわちｍ
（ｘ）をフーリエ変換した際の空間周波数成分を、元の
強度信号Ｐ３とともに示す。図８において、破線で示さ
れる波形Ｐ４は０次周波数成分を、一点鎖線で示される
波形Ｐ５は１次周波数成分を、二点鎖線で示される波形
Ｐ６は２次周波数成分を、実線で示される波形Ｐ７は３
次周波数成分を、それぞれ示す。なお、図８では、Ｐ４
〜Ｐ７は、識別を容易にするため、１．０だけ嵩上げし
て示されている。

【０１１６】図９はベストフォーカス位置から０．２μ
ｍデフォーカスした場合のシミュレーション結果を示
す。この図９において、実線で示される波形Ｐ２は０．
２μｍＬ／Ｓの空間像で（１）式のｉ（ｘ）に相当し、
点線で示される波形Ｐ３がスリットの走査（空間像計
測）によって得られる光強度信号で（１）式のｍ（ｘ）
に相当する。

【０１１７】図１０は図９の強度信号Ｐ３をフーリエ変
換した際の空間周波数成分を、元の強度信号Ｐ３ととも
に示す。図１０において、破線で示される波形Ｐ４は０
次周波数成分を、一点鎖線で示される波形Ｐ５は１次周
波数成分を、二点鎖線で示される波形Ｐ６は２次周波数
成分を、実線で示される波形Ｐ７は３次周波数成分を、
それぞれ示す。なお、図１０では、Ｐ４〜Ｐ７は、識別
を容易にするため、１．０だけ嵩上げして示されてい
る。

【０１１８】図１１はベストフォーカス位置から０．３
μｍデフォーカスした場合のシミュレーション結果を示
す。この図１１において、実線で示される波形Ｐ２は
０．２μｍＬ／Ｓの空間像で（１）式のｉ（ｘ）に相当
し、点線で示される波形Ｐ３がスリットの走査（空間像
計測）によって得られる光強度信号で（１）式のｍ
（ｘ）に相当する。

【０１１９】図１２は図１１の強度信号Ｐ３をフーリエ
変換した際の空間周波数成分を、元の強度信号Ｐ３とと
もに示す。図１２において、破線で示される波形Ｐ４は
０次周波数成分を、一点鎖線で示される波形Ｐ５は１次
周波数成分を、二点鎖線で示される波形Ｐ６は２次周波
数成分を、実線で示される波形Ｐ７は３次周波数成分
を、それぞれ示す。なお、図１２では、Ｐ４〜Ｐ７は、
識別を容易にするため、１．０だけ嵩上げして示されて
いる。

【０１２０】図７と図９とを比較するとわかるように、
０．２μｍのデフォーカスによって明らかに像の形状が
崩れている。また、図９と図１１とを比較すると、デフ
ォーカス量の増大に伴って明らかに像の形状がさらに崩
れていることがわかる。

【０１２１】また、上述のように、光強度信号Ｐ３を周
波数成分に分離すると、いろいろな信号処理が容易に行
える。例えば、１次周波数成分Ｐ５と０次周波数成分Ｐ
４との振幅比、すなわち（１次／０次）の振幅比である
コントラストに着目してみると、図８に示されるベスト
フォーカス位置の場合のコントラストは、０．４３であ
る。また、図１０に示されるベストフォーカス位置から
０．２μｍデフォーカスした場合のコントラストは、
０．２４である。また、図１２に示されるベストフォー
カス位置から０．３μｍデフォーカスした場合のコント
ラストは、０．０４７である。

【０１２２】このように、（１次／０次）の振幅比であ
るコントラストは、フォーカス位置によって敏感に変化
するので強度信号からベストフォーカス位置を決定する
のに便利である。すなわち、ベストフォーカス位置は
（１次／０次）の振幅比であるコントラストが最大とな
るフォーカス位置を求めることによって検出可能であ
る。

【０１２３】そこで、本実施形態では、次のようにして
投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出を行う。

【０１２４】このベストフォーカス位置の検出には、例
えば、ウエハ上でライン幅０．２μｍ（レチクル上で１
μｍ）、デューティ比５０％のＬ／Ｓマークが、計測用
パターンＰＭとして形成された計測用レチクル（便宜上
レチクルＲ’とする）が用いられる。このベストフォー
カス位置の検出は、上述したシミュレーションと全く同
じ条件の下で行われるものとする。

【０１２５】まず、不図示のレチクルローダにより、レ
チクルステージＲＳＴ上にレチクルＲ’がロードされ
る。次に、主制御装置２０では、レチクルＲ’上の計測
用パターンＰＭが、投影光学系ＰＬの光軸上にほぼ一致
するように、レチクルステージＲＳＴを移動する。

【０１２６】次に、主制御装置２０では、照明光ＩＬが
計測用パターンＰＭ部分のみに照射されるように可動レ
チクルブラインド１２を駆動制御して照明領域を規定す
る。この状態で、主制御装置２０では、照明光ＩＬをレ
チクルＲ’に照射して、前述と同様にして、ウエハステ
ージＷＳＴをＸ軸方向に走査しながら空間像計測器５９
を用いて、計測用パターンＰＭの空間像計測を前述と同
様にスリットスキャン方式により行う。この際、主制御
装置２０では、スリット板９０のＺ軸方向の位置（すな
わち、ウエハステージＷＳＴのＺ位置）を変化させつ
つ、複数回繰り返し、各回の光強度信号（光電変換信
号）を内部メモリに記憶する。

【０１２７】そして、主制御装置２０では、前記繰り返
しにより得られた複数の光強度信号（光電変換信号）を
それぞれフーリエ変換し、それぞれの１次周波数成分と
０次周波数成分の振幅比であるコントラストを求める。
そして、主制御装置２０では、そのコントラストが最大
となる光強度信号に対応するウエハステージＷＳＴのＺ
位置（すなわち、スリット板９０のＺ軸方向の位置）を
検出し、この位置を投影光学系ＰＬのベストフォーカス
位置として決定する。前述の如く、コントラストは、フ
ォーカス位置（デフォーカス量）に応じて敏感に変化す
るので、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を精度
良く、かつ容易に計測（決定）することができる。

【０１２８】なお、２次以上の高次の次数の周波数成分
の振幅は一般に小さく、電気的なノイズ、光学的なノイ
ズに対する振幅が十分に取れない場合もあるが、Ｓ／Ｎ
比（シグナル／ノイズ）の点で問題がない場合には高次
の周波数成分の振幅比の変化を観測してもベストフォー
カス位置を求めることができる。計測用パターンである
Ｌ／Ｓマークはライン幅とスペース幅が等しいデューテ
ィ比５０％のパターンであることが望ましいが、それ以
外のデューティ比のマークを用いることも可能である。
発明者が実験等の結果得た知見によれば、Ｌ／Ｓマーク
のラインパターンの配列周期、すなわちマークピッチＰ
_Mは、次の（３）式程度である場合に良好な結果が得ら
れることが判明した。

【０１２９】 Ｐ_M＝λ／Ｎ．Ａ．×（１〜１．２） …（３） なお、上述したコントラストを用いる方法に限らず、光
強度信号Ｐ（（１）式のｍ（ｘ））の微分値が最大とな
るＺ位置（フォーカス位置）を検出する手法によっても
ベストフォーカス位置の検出が可能である。

【０１３０】また、投影光学系ＰＬの像面形状の検出
は、次のようにして行うことができる。

【０１３１】すなわち、この像面形状の検出に際して
は、一例として図１３に示されるように、パターン領域
ＰＡ内に、前述した計測用パターンＰＭと同一寸法同一
周期の計測用パターンＰＭ₁〜ＰＭ_nが形成された計測用
レチクルＲ１が用いられる。

【０１３２】まず、不図示のレチクルローダにより、レ
チクルステージＲＳＴ上にレチクルＲ１がロードされ
る。次に、主制御装置２０では、レチクルＲ１の中央に
存在する計測用パターンＰＭ_kが、投影光学系ＰＬの光
軸上にほぼ一致するように、レチクルステージＲＳＴを
移動する。次に、主制御装置２０では、照明光ＩＬが計
測用パターンＰＭ₁部分のみに照射されるように可動レ
チクルブラインド１２を駆動制御して照明領域を規定す
る。この状態で、主制御装置２０では、照明光ＩＬをレ
チクルＲ１に照射して、前述と同様にして、スリットス
キャン方式により空間像計測器５９を用いて計測用パタ
ーンＰＭ₁の空間像計測及び投影光学系ＰＬのベストフ
ォーカス位置の検出を行い、その結果を内部メモリに記
憶する。

【０１３３】計測用パターンＰＭ₁を用いたベストフォ
ーカス位置の検出が終了すると、主制御装置２０では、
照明光ＩＬが計測用パターンＰＭ₂部分のみに照射され
るように可動レチクルブラインド１２を駆動制御して照
明領域を規定する。この状態で、上記と同様に、スリッ
トスキャン方式で計測用パターンＰＭ₂の空間像計測及
び投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置の検出を行
い、その結果を内部メモリに記憶する。

【０１３４】以後、主制御装置２０では、上記と同様
に、照明領域を変更しつつ、計測用パターンＰＭ₃〜Ｐ
Ｍ_nについて空間像の計測及び投影光学系ＰＬのベスト
フォーカス位置の検出を繰り返し行う。

【０１３５】これにより得られた各ベストフォーカス位
置Ｚ₁、Ｚ₂、……、Ｚ_nに基づいて、所定の統計的処理
を行うことにより、投影光学系ＰＬの像面形状を算出す
る。

【０１３６】投影光学系ＰＬの像面、すなわち、最良結
像面は、光軸からの距離が異なる無数の点（すなわち、
いわゆる像の高さが異なる無数の点）におけるベストフ
ォーカス点の集合から成る面であるから、このような手
法により、像面形状を容易にかつ正確に求めることがで
きる。

【０１３７】以上により、前述したＡ．投影光学系ＰＬ
のベストフォーカス位置の検出及び最良結像面（像面）
の検出を行うことができる。

【０１３８】また、投影光学系ＰＬの球面収差の検出
は、次のようにして行うことができる。

【０１３９】すなわち、この球面収差の検出に際して
は、例えば、図１４に示されるようにパターン領域ＰＡ
内のＸ軸方向のほぼ中央に、Ｙ軸方向に所定距離隔てて
２つの計測用パターンＰＭ１、ＰＭ２が形成された計測
用レチクルＲ２が用いられる。計測用パターンＰＭ１
は、前述した計測用パターンＰＭと同一寸法同一周期の
Ｌ／Ｓパターンである。また、計測用パターンＰＭ２
は、計測用パターンと同一寸法のラインパターンが異な
る周期（例えば、計測用パターンＰＭ１の周期（マーク
ピッチ）の１．５〜２倍程度）でＸ軸方向に並んだＬ／
Ｓパターンである。

【０１４０】まず、不図示のレチクルローダにより、レ
チクルステージＲＳＴ上にレチクルＲ２がロードされ
る。次に、主制御装置２０では、レチクルＲ２上の計測
用パターンＰＭ１が、投影光学系ＰＬの光軸上にほぼ一
致するように、レチクルステージＲＳＴを移動する。次
に、主制御装置２０では、照明光ＩＬが計測用パターン
ＰＭ１部分のみに照射されるように可動レチクルブライ
ンド１２を駆動制御して照明領域を規定する。この状態
で、主制御装置２０では、照明光ＩＬをレチクルＲ２に
照射して、前述と同様にして、スリットスキャン方式に
より空間像計測器５９を用いて計測用パターンＰＭ１の
空間像計測及び投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置
の検出を行い、その結果を内部メモリに記憶する。

【０１４１】計測用パターンＰＭ１を用いたベストフォ
ーカス位置の検出が終了すると、主制御装置２０では、
照明光ＩＬが計測用パターンＰＭ２部分に照射されるよ
うにレチクルステージＲＳＴを−Ｙ方向に所定距離移動
する。この状態で、上記と同様に、スリットスキャン方
式で計測用パターンＰＭ２の空間像計測及び投影光学系
ＰＬのベストフォーカス位置の検出を行い、その結果を
内部メモリに記憶する。

【０１４２】これにより得られた各ベストフォーカス位
置Ｚ₁とＺ₂との差に基づいて、投影光学系ＰＬの球面収
差を演算により算出する。

【０１４３】球面収差は、光学系の開口収差の１つであ
り、光軸上の物点からの種々の開口を持った光線束が光
学系に入射したとき、その対応した像点が１点に結像し
ない現象である。従って、投影光学系の光軸におけるベ
ストフォーカス位置の検出を、異なるピッチの複数のＬ
／Ｓパターンについて繰り返し行い、各パターンに対応
するベストフォーカス位置の差に基づいて演算により球
面収差を簡単に求めることができる。なお、この場合の
ベストフォーカス位置の差の測定精度は３σ＜２０ｎｍ
程度であることが実用上は必要である。

【０１４４】〈パターン像の結像位置の検出〉パターン
像の結像位置の検出は、Ｃ．投影光学系の倍率及びディ
ストーション測定、Ｄ．投影光学系のコマ収差測定、
Ｅ．照明テレセン測定のそれぞれの目的で行われる。

【０１４５】計測用パターン（計測対象となるマーク）
は目的によって様々である。分類すると次の表２のよう
になる。ここで、空間像計測に基づく、投影光学系の結
像特性の計測結果は、前述した焼き付け法による結像特
性の計測結果と基本的に一致することが望ましいので、
表２では、焼き付け計測用マークとともに空間像計測用
マーク（空間像計測用パターン）が示されている。

【０１４６】

【表２】

【０１４７】次に、投影光学系ＰＬの倍率及びディスト
ーション測定について説明する。この投影光学系ＰＬの
倍率及びディストーション測定に際しては、例えば、図
１５に示されるように、パターン領域ＰＡの中心部及び
４角の部分に、合計５個の１５０μｍ角（投影倍率１／
５でウエハ面上では３０μｍ角）の正方形マークから成
る計測用パターンＢＭ₁〜ＢＭ₅が形成された計測用レチ
クルＲ３が用いられる。また、この場合、空間像計測器
５９を構成するスリット板９０上には、図１６に示され
るような、Ｘ軸方向に伸びる所定幅Ｗ、長さＬのスリッ
ト２２ａと、Ｙ軸方向に伸びる所定幅Ｗ、長さＬのスリ
ット２２ｂとが形成されているとともに、ウエハステー
ジＷＳＴの内部の受光光学系及び光センサ２４（又は図
３の光導出部及び受光部）によりスリット２２ａ、２２
ｂのいずれを透過した光をも受光が可能になっているも
のとする。ここで、Ｗは例えば０．３μｍであり、Ｌは
例えば２５μｍである。

【０１４８】まず、不図示のレチクルローダにより、レ
チクルステージＲＳＴ上にレチクルＲ３がロードされ
る。次に、主制御装置２０では、レチクルＲ３の中央に
存在する計測用パターンＢＭ₁の中心が、投影光学系Ｐ
Ｌの光軸上にほぼ一致するように、レチクルステージＲ
ＳＴを移動する。次に、主制御装置２０では、照明光Ｉ
Ｌが計測用パターンＢＭ₁を含む計測用パターンＢＭ₁よ
り一回り大きい矩形領域部分のみに照射されるように可
動レチクルブラインド１２を駆動制御して照明領域を規
定する。この状態で、主制御装置２０では、照明光ＩＬ
をレチクルＲ３に照射する。これにより、図１６に示さ
れるように、計測用パターンＢＭ₁の空間像ＢＭ₁’、す
なわちほぼ３０μ角の正方形状のパターン像が形成され
る。

【０１４９】この状態で、主制御装置２０では、図１６
に矢印Ａで示されるように、ウエハステージＷＳＴをＸ
軸方向に走査しながら空間像計測器５９を用いて計測用
パターンＰＭ₁の空間像計測を行い、その計測により得
られた光強度信号ｍ（ｘ）をメモリに記憶する。次に、
主制御装置２０では、得られた光強度信号ｍ（ｘ）に基
づき、例えば公知の位相検出の手法により、計測用パタ
ーンＰＭ₁の結像位置を求める。ここで、この位相検出
の手法としては、例えば、光強度信号ｍ（ｘ）をフーリ
エ変換して得られる１次周波数成分（これは、正弦波と
みなせる）とこれと同一周波数の基準となる正弦波との
積の例えば１周期分の和を求めるとともに、前記１次周
波数成分とこれと同一周期の基準となる余弦波との積の
例えば１周期分の和を求める。そして、得られた和同士
を除算して得られた商の逆正接（アークタンジェント）
を求めることにより、１次周波数成分の基準信号に対す
る位相差を求め、この位相差に基づいて計測用パターン
ＰＭ₁のＸ位置ｘ₁を求めるという一般的な方法を用いる
ことができる。

【０１５０】次に、主制御装置２０では、ウエハステー
ジＷＳＴをＹ軸方向に走査しながら空間像計測器５９を
用いて計測用パターンＰＭ₁の空間像計測を行い、その
計測により得られた光強度信号ｍ（ｙ）をメモリに記憶
する。そして、上記と同様の位相検出の手法により、計
測用パターンＰＭ₁のＹ位置ｙ₁を求める。そして、主制
御装置２０では、得られた計測用パターンＰＭ₁の座標
値（ｘ₁、ｙ₁）に基づいて、レチクルＲ３の光軸中心に
対する位置ずれを補正する。

【０１５１】上記のレチクルＲ３の位置ずれの補正が終
了すると、主制御装置２０では、照明光ＩＬが計測用パ
ターンＢＭ₂を含む計測用パターンＢＭ₂より一回り大き
い矩形領域部分のみに照射されるように可動レチクルブ
ラインド１２を駆動制御して照明領域を規定する。この
状態で、上記と同様に、スリットスキャン方式で計測用
パターンＢＭ₂の空間像計測及びそのＸＹ位置の計測を
行い、その結果を内部メモリに記憶する。

【０１５２】以後、主制御装置２０では、上記と同様
に、照明領域を変更しつつ、計測用パターンＢＭ₃〜Ｂ
Ｍ₅について空間像の計測及びＸＹ位置の計測を繰り返
し行う。

【０１５３】これにより得られた計測用パターンＢＭ₂
〜ＢＭ₅の座標値（ｘ₂、ｙ₂）、（ｘ ₃、ｙ₃）、（ｘ₄、
ｙ₄）、（ｘ₅、ｙ₅）に基づいて、所定の演算を行うこ
とにより、投影光学系ＰＬの倍率及びディストーション
の少なくとも一方を算出する。

【０１５４】ディストーションとは、イメージフィール
ド内の周辺で本来直線になるべきものが曲った像になる
投影光学系ＰＬの収差であり、このディストーションに
より倍率誤差がある場合と同様にパターン像が像面上の
所定の位置からずれて（横ずれして）結像される。

【０１５５】従って、上述した倍率及びディストーショ
ンの計測方法によると、投影光学系ＰＬのイメージフィ
ールド内の異なる位置に投影される各計測用パターンの
空間像の位置ずれを、位相検出の手法により、それぞれ
精度良く求めることができるので、結果的にディストー
ション及び倍率の少なくとも一方を精度良く計測するこ
とができる。

【０１５６】但し、単一の３０μｍ角のパターン像ＢＭ
_n’（ｎ＝１、２、……、５）をスリットスキャンして
もその像のエッジは２個所しかなく、計測精度が十分得
られない場合もある。このような場合は、コマ収差の影
響を受けることが殆ど無い程度の大きなＬ／Ｓパター
ン、例えば５μｍ以上のライン幅のＬ／Ｓパターン（こ
の空間像は、ライン幅１μｍのＬ／Ｓパターン像とな
る）から成る計測用パターン（便宜上「ＣＭ₁〜ＣＭ₅」
と呼ぶ）が、計測用パターンＢＭ₁〜ＢＭ₅に代えて形成
されたレチクルを用いれば良い。図１７には、このよう
なレチクルを用いて空間像計測を行う際に、スリット板
９０上にその計測用パターンＣＭ₁〜ＣＭ₅の空間像ＣＭ
_n’（ｎ＝１、２、……５）が形成された状態が示され
ている。

【０１５７】なお、上では、位相検出の手法により、計
測用パターンの空間像の位置ずれを計測するものとした
が、これに限らず、前述と同様に、スリットスキャン方
式の空間像計測を投影光学系ＰＬのイメージフィールド
内の異なる位置に投影される計測用パターン（ＢＭ_n又
はＣＭ_n）の空間像（ＢＭ_n’又はＣＭ_n’）について繰
り返し行い、その繰り返しにより得られた複数の光強度
信号ｍ（ｘ）（光電変換信号）それぞれと所定のスライ
スレベルとの交点に基づいて各光電変換信号に対応する
空間像（ＢＭ_n’又はＣＭ_n’）の位置（エッジの位置）
をそれぞれ算出し、該算出結果に基づいて投影光学系Ｐ
Ｌのディストーション及び倍率の少なくとも一方を求め
ることとしても良い。かかる場合には、スライス法を用
いたエッジ検出の手法により、投影光学系ＰＬのイメー
ジフィールド内の異なる位置に投影される空間像（ＢＭ
_n’又はＣＭ_n’）の位置をそれぞれ精度良く求めること
ができ、結果的にディストーション及び倍率の少なくと
も一方を精度良く計測することができる。この場合、設
定されたスライスレベルで各光強度信号が２値化され、
そのスライスレベルの設定が適切な場合には、例えば図
７の波形Ｐ２とＰ３との関係から想像できるように、焼
き付けにより実際に得られるレジスト像のエッジ位置を
計測するのと等価となる。

【０１５８】ところで、現状の露光装置では、投影光学
系のディストーション（倍率を含む）の管理は、基準ウ
エハを用いて次のようにして行われている。ここで、基
準ウエハとは、投影光学系による露光領域内に３０μｍ
角のアウターＢＯＸマークを転写した後、現像工程を経
てエッチングを行い、そのエッチング後にアウターＢＯ
Ｘマークのエッジの位置を光波干渉式座標測定器などで
予め計測しておいたものである。そして、露光装置のデ
ィストーション計測時にはエッチングされた３０μｍ角
のアウターＢＯＸマークの中心に、１０μｍ角のインナ
ーＢＯＸマークのレジスト像を焼き付け、相対位置をレ
ジストレーション測定器などで計測する。

【０１５９】従って、ウエハ上（像面上）で１０μｍ角
のＢＯＸマークの空間像をエッジ検出の手法により検出
することにより、ディストーション計測を行えば、コマ
収差の影響が基準ウエハを用いた上記のディストーショ
ン計測時と同等になり、相対的な差が発生しない。この
ため、上記の基準ウエハを用いたディストーション計測
と同等な精度（accuracy）でディストーションを空間像
から計測できるようになる。

【０１６０】これを実現するために、前述したデバイス
レチクルやレチクルフィデューシャルマーク板に５０μ
ｍ角（ウエハ上１０μｍ角）のインナーＢＯＸマークを
形成することが考えられる。しかるに、最近のＣＭＰプ
ロセスでは、ウエハ上１０μｍ角のマークはディッシン
グが生じるために入れられない。

【０１６１】そこで、発明者は、鋭意検討した結果、ウ
エハ上１０μｍ角のＢＯＸマークの非計測方向（１０μ
ｍである必要はない）をストライプ状に細分化したマー
ク（以下、適宜「擬似ＢＯＸマーク」と呼ぶ）を用い
て、空間像計測を行えば良いとの結論に達した。その理
由は、擬似ＢＯＸマークは、いわゆるＬ/Ｓパターンの
一種であり、その周期方向に垂直な方向に空間像計測器
をスキャンして、スリットスキャン方式により空間像計
測を行えば、得られる信号波形は、ＢＯＸマークの空間
像から得られる信号波形と同様の信号波形が得られるか
らである。

【０１６２】発明者は、図１５に示される計測用レチク
ルＲ３の計測用パターンＢＭ₁〜ＢＭ₅に代えて、計測用
パターンをＸ方向に関してストライプ状に細分化した擬
似ボックスパターンを形成した計測用レチクルＲ３’を
用いて、前述と同様の手順でエッジ検出の手法による投
影光学系ＰＬのディストーション計測を行った結果、各
計測用パターンのＹ位置として、計測用パターンＢＭ_n
のＹ位置と同等の値となることが確認された。これよ
り、Ｙ方向に関して細分化された擬似ボックスパターン
と、Ｘ方向に関して細分化された擬似ボックスパターン
とが形成された計測用レチクルなどを用意し、それぞれ
の計測用パターンをスリット２２ａ，２２ｂで相対走査
することにより、ディストーション計測を行うことがで
きる。

【０１６３】図１８には、上述したＹ方向に関して細分
化された擬似ボックスパターンと、Ｘ方向に関して細分
化された擬似ボックスパターンその他の計測用パターン
が形成されたマークブロック（３００μｍ角）の一例が
示されている。この図１８において、符号ＭＭ１，ＭＭ
２は、例えば５本の５μｍＬ/Ｓマークから成る倍率計
測パターンであり、符号ＭＭ３，ＭＭ４は、例えば２９
本の１μｍＬ/Ｓマークから成るフォーカス計測パター
ンであり、符号ＭＭ５，ＭＭ６は、例えば１１本の２．
５μｍＬ/Ｓマークから成る擬似ボックスパターンであ
る。この図１８のマークブロックは、例えばデバイスレ
チクルやレチクルフィデューシャルマーク板に形成され
る。なお、擬似ボックスパターンの細分化は、例えば
２．５μｍＬ／Ｓ程度（ウエハ上０．５μｍＬ／Ｓ程
度）以下が望ましい。

【０１６４】次に、投影光学系のコマ収差の計測方法に
ついて説明する。コマ収差の計測は、Ｌ／Ｓマークを計
測用パターンとして用いる第１の方法と、Line in Box
マークを計測用パターンとして用いる第２の方法とが代
表的に挙げられる。

【０１６５】（第１の方法）焼き付け法により、コマ収
差を測定する場合に、解像限界付近の小Ｌ／Ｓマーク像
の線幅異常値を用いる方法が知られている。ここで、線
幅異常値とは、焼き付けによって形成されるレジスト像
の非対称の度合いを表す指標となる値である。例えば、
図１９に示される０．２μｍＬ／Ｓマーク（設計値）の
レジスト像を例にとって説明すると、線幅異常値Ａは、
両端のラインパターンの線幅Ｌ１、Ｌ５を用いて、次の
（４）式のように定義される。

【０１６６】

【数３】

【０１６７】Ａは通常３％未満が投影光学系（投影レン
ズ）に望まれる性能である。

【０１６８】空間像計測においてもこのようなＬ／Ｓパ
ターン像の線幅異常値を直接計測することが出来る。こ
の場合は、先に説明したスライス法によるエッジ検出の
手法を用いれば良いが、スライスレベルの決定に当たっ
て、空間像に対応する光強度信号を適当な閾値（スレッ
ショルドレベル）で２値化し、レジスト像の線幅に近づ
けるという簡単なレジスト像シミュレーションを行うこ
とにより、その閾値をスライスレベルとして決定するこ
とが望ましい。

【０１６９】以下、この線幅異常値の計測によるコマ収
差の計測方法について説明する。このコマ収差の計測に
は、例えば図２０に示されるように、パターン領域ＰＡ
の中心と４角の部分の合計５箇所に計測用パターンＤＭ
₁〜ＤＭ₅が形成された計測用レチクルＲ４が用いられ
る。計測用パターンＤＭ₁〜ＤＭ₅としては、ライン幅１
μｍ（ウエハ面上で０．２μｍ）でデューティ比５０％
のＸ軸方向に周期性を有するＬ／Ｓパターンが用いられ
る。また、この場合、空間像計測器５９を構成するスリ
ット板９０及び空間像計測器５９の構成等は、前述した
倍率・ディストーション計測の際と同じ構成となってい
る。

【０１７０】この場合、主制御装置２０では、前述した
倍率・ディストーション計測の際と同様の手順で、レチ
クルアライメント、及び空間像計測を行って、計測用パ
ターンＤＭ₂〜ＤＭ₅の空間像（ＤＭ₂’〜ＤＭ₅’とす
る）に対応する光強度信号ｍ（ｘ）を得る。

【０１７１】そして、この得られた各光強度信号ｍ
（ｘ）と所定のスライスレベルとの交点をそれぞれ求
め、その求められた交点のＸ座標から空間像ＤＭ₂’〜
ＤＭ₅’のそれぞれについて各ラインのライン幅を求
め、このライン幅に基づいてそれぞれの線幅異常値を
（４）式に基づいて算出し、この算出結果に基づいて投
影光学系ＰＬのコマ収差を求める。

【０１７２】コマ収差は、レンズの種々の輪帯で倍率が
異なることによるレンズの収差であり、投影光学系ＰＬ
のイメージフィールド内の主軸から離れた部分に生じ
る。従って、光軸から離れた位置では、Ｌ／Ｓパターン
の空間像の内、各ラインパターンの線幅はコマ収差に応
じて異なることになる。従って、スライス法を用いてエ
ッジ検出の手法により各ラインパターンの線幅異常値を
検出する上記方法によると、コマ収差を精度良く、かつ
容易に計測することが可能となる。

【０１７３】なお、各計測用パターンＤＭ₁〜ＤＭ₅が５
本のラインパターンを含む単独のＬ／Ｓパターンである
ため、線幅異常値の計測精度が不十分である場合には、
各計測用パターンとして、５本のＬ／Ｓパターンが所定
周期で複数組み配置された複合マークパターンを、各計
測用パターンとして用いても良い。図２１には、このよ
うな複合マークパターンが計測用パターン（ＥＭと呼
ぶ）として用いられる場合に、スリット板９０上に計測
用パターンＥＭの空間像ＥＭ’が形成された様子が示さ
れている。

【０１７４】この空間像ＥＭ’は、図２２に示されるよ
うに、２つの基本的な周波数成分、すなわち光電変換信
号の各ラインパターンのピッチに対応する０．４μｍピ
ッチの周波数成分（第１基本周波数成分）ｆ１と、各Ｌ
／Ｓパターンの全体の幅に対応する第２基本周波数成
分、すなわち、ここでは、各Ｌ／Ｓパターンの繰り返し
周期（５本のマークからなるマークグループの配置ピッ
チ）である３．６μｍピッチに対応する周波数成分ｆ２
とを有する。

【０１７５】従って、前述と同様に、主制御装置２０で
は、前述した倍率・ディストーション計測の際と同様の
手順で、レチクルアライメント、及び空間像計測を行っ
て、計測用パターンＥＭ₂〜ＥＭ₅の空間像（ＥＭ₂’〜
ＥＭ₅’とする）に対応する光強度信号ｍ（ｘ）を得た
場合に、各光強度信号の第１基本周波数成分と、第２基
本周波数成分との位相差を前述した位相検出の手法によ
り算出し、該算出結果に基づいて投影光学系ＰＬのコマ
収差を求めることとしても良い。

【０１７６】空間像計測の対象となるパターンの走査方
向の幅が狭いほど、コマ収差の影響を大きく受けるの
で、Ｌ／Ｓパターンの各ラインパターンの空間像に対す
るコマ収差の影響と、Ｌ／Ｓパターンの全体を１つのパ
ターンと見た場合のそのパターンの空間像に対するコマ
収差の影響とは相違する。従って、光電変換信号の各ラ
インパターンのピッチに対応する第１基本周波数成分
と、Ｌ／Ｓパターンの全体の幅に対応する第２基本周波
数成分との位相差を算出し、該算出結果に基づいて投影
光学系のコマ収差を求める上記方法によると、位相検出
の手法により、投影光学系ＰＬのコマ収差を精度良く求
めることができる。なお、この場合マークの配置ピッチ
（上の例では０．４μｍ）と５本のマークからなるマー
クグループの配置ピッチ（上の例では３．６μｍ）の比
率は整数倍とすることが信号処理上からは望ましい。

【０１７７】（第２の方法）次に、コマ収差の第２の測
定方法について説明する。この方法では、図２３（Ａ）
に示されるように、パターン領域ＰＡ内の中心及び４角
の部分の合計５箇所に計測用パターンＦＭ₁〜ＦＭ₅が形
成された計測用レチクルＲ５が用いられる。計測用パタ
ーンＦＭ_n（ｎ＝１、２、……、５）としては、図２３
（Ｂ）に拡大して示されるようなLine in Box Markと呼
ばれるマークパターンが用いられる。このマークパター
ンは、図２３（Ｂ）に示されるように、１辺がＤ１（例
えばＤ１＝１５０μｍ）の正方形パターンの内部に、同
心でかつ１辺がＤ２（例えばＤ２＝１００μｍ）の正方
形のスペースパターン（幅Ｄ３）が形成されたマークパ
ターンである。この計測用パターンＦＭ_nをウエハ上に
焼き付け、現像すると、３０μｍ角のレジスト残しマー
クの中心に２０μｍ角の細溝が同時に形成される。細溝
は（波長／Ｎ．Ａ．）／２以下程度の太さとすることが
望ましく、従ってＤ３は、その５倍以下程度とすること
が望ましい。例えば、Ｄ３は、０．５μｍとされる。

【０１７８】このマーク計測用パターンＦＭ_nを、コマ
収差のある投影光学系で結像すると細線の方が太線より
も横ずれが大きく発生するため、細溝が偏心して対称性
が崩れる。従って、その細溝の偏心量、すなわち対称性
の崩れかたの程度を計測することにより、コマ収差の影
響を知ることができる。

【０１７９】また、この場合、空間像計測器５９を構成
するスリット板９０及び空間像計測器５９の構成等は、
前述した倍率・ディストーション計測の際と同じ構成と
なっている。

【０１８０】そこで、主制御装置２０では、前述した倍
率・ディストーション計測の際と同様の手順で、レチク
ルアライメント、及び空間像計測を行って、計測用パタ
ーンＦＭ₂〜ＦＭ₅の空間像（ＦＭ₂’〜ＦＭ₅’とする）
に対応する光強度信号ｍ（ｘ）を得る。

【０１８１】そして、各光強度信号と所定のスライスレ
ベルとの交点に基づいて計測用パターンの空間像Ｆ
Ｍ₂’〜ＦＭ₅’の対称性のずれを算出し、該算出結果に
基づいて投影光学系ＰＬのコマ収差を求める。

【０１８２】このようにスライス法を用いたエッジ検出
の手法により、計測用パターンＦＭ ₂〜ＦＭ₅の空間像の
対称性のずれを算出し、その算出結果に基づいて投影光
学系ＰＬのコマ収差を求める上記方法によると、投影光
学系ＰＬのコマ収差を精度良く求めることができる。

【０１８３】上記の場合において、スリット板９０上の
スリット２２ａ、２２ｂの配置上、非計測方向のスリッ
卜が空間像と干渉する場合も考えられる。このような場
合、上記計測用マークＦＭ_nに代えて、例えば線幅５０
μｍ程度の太いラインパターンと、例えば線幅０．５〜
０．７５μｍ程度の細いラインパターンが計測方向に所
定間隔（例えば、５０μｍ程度）で並んだ左右対称の１
次元マークを計測用パターンとして用いても良い。

【０１８４】図２４には、このような計測用パターン
（ＧＭ_nとする）の空間像ＧＭ_n’がスリット板９０上に
形成された状態が示されている。この図２４において、
Ｄ４は１０μｍ、Ｄ５は０．１〜０．１５μｍである。
このような空間像ＧＭ_n’に対応する光強度信号を、前
述したスライス法によるエッジ検出の方法により検出す
ることにより、投影光学系ＰＬのコマ収差を検出しても
良い。

【０１８５】走査方向（計測方向）の幅が細いラインパ
ターンの空間像ほどコマ収差の影響により大きく位置ず
れする結果、計測用パターン（ＧＭ_n）のように、走査
方向に対応する方向に所定間隔で配置された線幅の異な
る複数種類のラインパターンを有する対称マークパター
ンの空間像は、コマ収差が大きいほどその対称性が大き
くずれる。

【０１８６】そのため、上記の空間像ＧＭ_n’の対称性
のずれを検出する方法によると、投影光学系ＰＬのコマ
収差を精度良く検出することができる。

【０１８７】勿論、この場合も、計測再現性を向上する
ため、図２５のような繰り返し配置された計測用パター
ンの空間像ＨＭ’を検出することとしても良い。

【０１８８】次に、照明テレセンの測定方法について説
明する。

【０１８９】照明テレセンは像位置がデフォーカスによ
って変化する量を測定して決定する。計測用パターンと
しては、倍率、ディス卜ーション測定と同様にコマ収差
の影響を受けない大きなマークパターンが用いられる。
焼きけ法による場合は、Boxin Box Markあるいは大Ｌ／
Ｓマークが用いられ、ベストフォーカス位置、＋１μｍ
程度のデフォーカス位置、−１μｍ程度のデフォーカス
位置の３点で、それぞれ露光を行い、像位置とフォーカ
ス位置の関係を計測し、照明テレセン（＝（像の横ずれ
量／デフォーカス量））を計算することが行われる。

【０１９０】空間像計測の場合は、焼き付けと同様にコ
マ収差の影響を受けない大きなマークを用い、空間像の
絶対位置を各フォーカス位置で計測し、照明テレセンを
計算する。

【０１９１】以上詳細に説明したように、本第１の実施
形態の露光装置１００によると、スリット幅２Ｄ＝ｎ・
（λ／Ｎ．Ａ．）、ｎ≦０．８であるスリット板９０を
有する空間像計測器５９を備えていることから、この空
間像計測器を用いてレチクルあるいはレチクルフィデュ
ーシャルマーク板上の計測用パターンの空間像計測を行
うことにより、空間像→空間像強度信号の変換の際に像
プロファイルの劣化の少ない高精度な空間像計測が可能
となる。この場合、光センサ２４（光電変換素子）以降
の信号処理系には大きなダイナミック・レンジが不要と
なる。

【０１９２】また、露光装置１００では、主制御装置２
０が、空間像計測器５９を用いて前述のスリットスキャ
ン方式による空間像の計測、及びこの計測結果を用いて
の前述したような投影光学系ＰＬの種々の結像特性の計
測を、高精度に行うことができる。そのため、この結像
特性の計測結果に基づいて、例えば工場内における露光
装置の立ち上げ時等に投影光学系ＰＬの光学性能の調整
を高精度に行うことができる。あるいは、特にディスト
ーションや倍率等については、定期的に上記の計測を行
い、この計測結果に基づいて投影光学系ＰＬの不図示の
結像特性補正装置（例えば、投影光学系を構成する特定
のレンズエレメントをＺ・チルト駆動する装置、あるい
は投影光学系を構成する特定のレンズ間に設けられた気
密室の内圧を調整する装置など）を用いて、ディストー
ションや倍率（特に走査露光時の非走査方向）等を補正
することができる。なお、走査露光時の走査方向の倍率
の補正は、例えば、走査露光時のレチクルとウエハの少
なくとも一方の走査速度を調整することにより行われ
る。

【０１９３】このように、露光装置１００では、例えば
投影光学系の結像特性の初期調整、あるいは、露光開始
に先立って投影光学系の結像特性の調整により、高精度
に結像特性が調整された投影光学系ＰＬを用いて、露光
が行われるので、結果的に露光精度の向上が可能とな
る。

【０１９４】また、露光装置１００では、主制御装置２
０により、空間像計測器５９を用いて、マーク検出系と
してのアライメント顕微鏡ＡＬＧ１のベースライン量の
検出が精度良く行われるので、そのベースライン量を用
いて、露光時等にウエハＷの位置を制御することによ
り、レチクルとウエハとの重ね合せ精度の向上が可能で
あり、この点においても露光精度の向上が可能となって
いる。

【０１９５】なお、上記実施形態では、スリット幅２Ｄ
が、照明光の波長λと投影光学系ＰＬの開口数Ｎ．Ａ．
との両者を考慮して決定されて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。

【０１９６】すなわち、スリット幅２Ｄを、波長λ、開
口数Ｎ．Ａ．のいずれか一方のみを考慮して定めても良
い。このようなスリット幅２Ｄのスリットを有するスリ
ット板を備えた空間像計測器を用いても、上記実施形態
と同様に、スリットスキャン方式により、所定パターン
の空間像（像強度の分布）の精度の高い計測が可能であ
る。

【０１９７】次に、スリット幅（２Ｄ）の決定に関して
更に説明する。ここでは、一例として、フォーカス計測
の場合を採り上げて好適なスリット幅の決定方法に関し
て説明する。

【０１９８】前述の如く、投影光学系のベストフォーカ
ス位置の計測は、スリット板９０のＺ軸方向（光軸方
向）の位置を変化させつつ、計測用パターンの空間像計
測をスリットスキャン方式により複数回繰り返し、これ
により得られた光強度信号の（１次／０次）の振幅比で
あるコントラストが最大となるスリット板９０のＺ位置
（コントラストピークのＺ座標）を検出することにより
求める。

【０１９９】通常、ベストフォーカスの検出に際して
は、スリット板９０を、０．１５μｍのピッチ間隔で、
１５段階（ステップ）程度変化させる。

【０２００】ここで、図２６を用いて上記のベストフォ
ーカス検出の一例について説明する。この図２６は、ス
リット板９０を１３段階（ステップ）でＺ軸方向に変化
させ、各点で得られた１３点のコントラストの計測値
（図２６中の×印）を横軸をＺ軸として示すものであ
る。図２６中に×印で示される１３点のコントラストの
計測値に基づいて、４次程度の近似曲線Ｃを最小二乗法
によって求める。この近似曲線Ｃと、適当な閾値（スレ
ッショルドレベル）ＳＬとの交点を求め、交点間の距離
＝２Ｂの中点をべストフォーカスに対応するＺ座標値と
する。

【０２０１】図２７には、図２６と同様の線図が示され
ている。但し、この図２７では縦軸は、１次成分の振幅
（又は後述するファースト・オーダー）を示す。ここ
で、図２７におけるＷＺ（＝ステップピッチ×データ
数）の範囲を固定にした時のフォーカス検出精度を考え
る。

【０２０２】(1) ショットノイズが支配的な場合 １次成分の振幅をＳとすると、ショットノイズはＳ^1/2
に比例する。１次周波数成分（以下、適宜「１次成分」
と略述する）の振幅のＺに関する曲線の平均傾きは焦点
深度（ＤＯＦ）に反比例するので、各１次成分の振幅の
ノイズがデータのＺ方向へ及ぼす揺らぎをノイズＮとす
れば、 Ｎ∝Ｓ^1/2・ＤＯＦ∝λ・Ｓ^1/2／（Ｎ．Ａ．）² ……（５） の関係がある。ここで、Ｎ．Ａ．は、投影光学系の開口
数である。

【０２０３】しかるに、対象パターンの線幅をＰとする
と、Ｐ∝λ／Ｎ．Ａ．の関係があるので、 Ｓ／Ｎ∝（Ｎ．Ａ．）²・Ｓ^1/2／λ∝λ・Ｓ^1/2／Ｐ ……（６） の関係が成り立つ。ここで、Ｓ／Ｎは、一次成分の振幅
とノイズ振幅との比であるＳ／Ｎ比である。

【０２０４】(2) ダーク・ノイズが支配的な場合 ダーク・ノイズは１次成分の振幅Ｓに依存しない。１次
成分の振幅のＺに関する曲線の平均傾きはＤＯＦに反比
例するので、各１次成分の振幅のノイズがデータのＺ方
向へ及ぼす揺らぎをノイズＮとすれば、 Ｎ∝ＤＯＦ∝λ／（Ｎ．Ａ．）² ……（７） の関係がある。

【０２０５】従って、対象パターンの線幅をＰとして、 Ｓ／Ｎ∝（ＮＡ）²・Ｓ／λ∝λ・Ｓ／Ｐ ……（８） の関係がある。

【０２０６】（６）、（８）式よりスリット幅（２Ｄ）
を最適にする際には、波長と対象パターン・ピッチが決
定していれば、１次成分の振幅Ｓのみに着目すれば良
く、Ｓ／Ｎ比は、ノイズの性質によって１次振幅Ｓの
０．５〜１乗に比例することがわかる。

【０２０７】図２８（Ａ）〜図３１（Ｂ）には、スリッ
ト幅（２Ｄ）の好ましい範囲を求めるためのシミュレー
ション結果の一例が示されている。このうち、図２８
（Ａ）、図２９（Ａ）、図３０（Ａ）及び図３１（Ａ）
は、Ｎ．Ａ．＝０．６８、λ＝２４８ｎｍ、σ＝０．８
５の条件の場合を示す。また、図２８（Ｂ）、図２９
（Ｂ）、図３０（Ｂ）及び図３１（Ｂ）は、Ｎ．Ａ．＝
０．８５、λ＝１９３ｎｍ、σ＝０．８５の条件の場合
を示す。

【０２０８】図２８（Ａ）、（Ｂ）は、フォトマルチプ
ライヤを用いた例を想定して（６）式を適用した場合の
フォーカス検出に関するＳ／Ｎ比を示す。図２８（Ａ）
において、実線（●）、破線（■）、点線（▲）は、計
測用パターンとして、ライン幅Ｌがそれぞれ２００ｎ
ｍ、２２０ｎｍ、２５０ｎｍで、デューティ比がいずれ
も５０％のＬ／Ｓパターンを用いた場合を、それぞれ示
す。図２８（Ｂ）において、実線（●）、破線（■）、
点線（▲）は、計測用パターンとして、ライン幅Ｌがそ
れぞれ１２０ｎｍ、１３０ｎｍ、１４０ｎｍで、デュー
ティ比がいずれも５０％のＬ／Ｓパターンを用いた場合
を、それぞれ示す。

【０２０９】図２９（Ａ）、（Ｂ）は、図２８（Ａ）、
（Ｂ）にそれぞれ対応するコントラストを示す。コント
ラストは、スリット幅が小さいほど大きくなる。０次の
振幅はスリット幅に比例するので、コントラストに０．
３μｍを基準としたスリット幅の比率を乗じたものがフ
ァースト・オーダー（１ｓｔ Ｏｒｄｅｒ）である。こ
れは１次成分の振幅に比例する。

【０２１０】図３０（Ａ）、（Ｂ）には、図２８
（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ対応するファースト・オーダ
ーが、示されている。

【０２１１】図２８（Ａ）、（Ｂ）から、結果的にいず
れの波長、線幅の場合でも、フォーカス検出に最適なス
リッ卜幅（２Ｄ）は、パターンピッチ（＝２Ｌ）の半分
と同じ長さが最適であることが判明した。ピッチに関し
ては小さい程良いが、勿論解像限界以内であることが必
須である。従って、スリット幅の最適値は露光装置の解
像限界ピッチの半分程度となる。

【０２１２】図３１（Ａ）、（Ｂ）は、図２８（Ａ）、
（Ｂ）と同一条件で、（８）式を適用した場合のフォー
カス検出に関するＳ／Ｎ比を示す。

【０２１３】ここで、スリット幅２Ｄの最適化につい
て、更に別の観点から説明する。

【０２１４】空間像計測器のスリットの幅２Ｄ、空間像
の強度分布をｉ（ｘ）とするとスリット透過強度ｍ
（ｘ）は、前述した（１）式を一般化した次の（９）式
で表される。

【０２１５】

【数４】

【０２１６】フォーカス検出は解像限界のＬ／Ｓの強度
像の０次、１次の比（コントラスト）より計算する。空
間像の強度像に含まれる０次成分の強度をａ，１次成分
の強度をｂ・sin（ω₁・ｘ）とすれば、観測されるスリ
ット透過強度ｍ₀（ｘ），ｍ₁（ｘ）は次の（１０）、
（１１）式のようになる。但し、ω₁は、解像限界の空
間周波数である。

【０２１７】

【数５】

【０２１８】

【数６】

【０２１９】（１０）式より、０次成分はスリット幅に
単純に比例し、（１１）式より１次成分は、次の（１
２）式の条件を満足するときに最大になる。

【０２２０】 ω_１Ｄ＝π／２・（２ｎ−１） ……（１２） （但し、ｎ＝１，２，３，…）

【０２２１】（１２）式を満足するとき、Ｄ＝π／（２
ω_１）の奇数倍のときに、１次成分のゲインが最大とな
る（コントラストが最大となる）ので、スリット幅２Ｄ
がπ／ω_１の奇数倍となるとき、すなわち最小マークピ
ッチの半分（以下、適宜「最小ハーフピッチ」と呼ぶ）
の奇数倍であることが望ましい。

【０２２２】また、１次成分のゲインが高く，０次成分
のゲインが低いほど電気系のダイナミックレンジは楽に
なるので、結局、（１２）式でｎ＝１の場合、すなわち
スリット幅２Ｄがπ／ω₁の場合、換言すれば最小ハー
フピッチと一致する場合が最良である。

【０２２３】図３２（Ａ）、（Ｂ）には、スリット幅２
Ｄが最小ハーフピッチの１倍のとき、３倍のときの、シ
ミュレーションデータが、それぞれ示されている。これ
らの図において、実線の曲線ＬＬ１はスリット透過光の
強度信号を示し、一点鎖線ＬＬ２はその微分信号を示
し、破線ＬＬ３は空間像強度を示す。これらの図におい
て、横軸はスリット位置であり、縦軸は信号強度であ
る。

【０２２４】図３３（Ａ）、（Ｂ）には、スリット幅２
Ｄが最小ハーフピッチの５倍のとき、７倍のときの、シ
ミュレーションデータが、それぞれ示されている。これ
らの図において、実線の曲線ＬＬ１はスリット透過光の
強度信号を示し、一点鎖線ＬＬ２はその微分信号を示
し、破線ＬＬ３は空間像強度を示す。これらの図におい
て、横軸はスリット位置であり、縦軸は信号強度であ
る。

【０２２５】図３２（Ａ）、（Ｂ）及び図３３（Ａ）、
（Ｂ）において微分信号ＬＬ１の振幅は、同一振幅とな
っていることがわかる。但し、スリット幅２Ｄ＝最小ハ
ーフピッチ×ｎのｎが１、３、５、７と大きくなるに従
って、信号処理系（光センサ以降の処理系）により大き
なダイナミックレンジが必要となることがわかる。これ
より、スリット幅２Ｄが最小ハーフピッチに一致する場
合が最良であることがわかる。

【０２２６】また、前述した（１）、（２）式をフーリ
エ変換すると、スリットによる平均化効果の周波数特性
が判明する。

【０２２７】

【数７】

【０２２８】図３４には、解像限界の空間周波数をω₁
として、スリット幅２Ｄが解像限界のハーフピッチの
１，３，５倍の時の周波数特性が示されている。この図
３４において、符号ＧＦ５、ＧＦ３、ＧＦ１は、それぞ
れ、スリット幅が最小ハーフピッチの５倍、３倍、１倍
の場合の周波数特性線図を示す。この図３４から明らか
なように、ゲイン（利得）の安定性の面でも、スリット
幅が最小ハーフピッチに一致する場合（ＧＦ１）が、最
良であることがわかる。

【０２２９】《第２の実施形態》次に、本発明の第２の
実施形態について図３５及び図３６に基づいて説明す
る。ここで、前述した第１の実施形態に係る露光装置１
００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、その説明を簡略化し若しくは省
略するものとする。

【０２３０】図３５には、この第２の実施形態に係る露
光装置の構成が一部省略されて示されている。この露光
装置１１０は、マーク検出系としてのアライメント光学
系ＡＬＧ２の構成のみが、露光装置１００と相違する。
そこで、以下においては、この相違点を中心として説明
する。

【０２３１】このアライメント光学系ＡＬＧ２は、図３
５に示されるように、投影光学系ＰＬの側面に設けられ
たオフアクシス方式のレーザ・スキャン式アライメント
センサである。

【０２３２】このアライメント光学系ＡＬＧ２は、図３
５に示されるように、アライメント用光源１３２、ハー
フミラー１３４、第１対物レンズ１３６、第２対物レン
ズ１３８、シリコンフォトダイオード（ＳＰＤ）１４０
等を含んで構成されている。ここで、光源１３２として
は、ヘリウム・ネオンレーザが用いられる。このアライ
メント顕微鏡ＡＬＧ２では、図３５に示されるように、
光源１３２からレーザビームが、ハーフミラー１３４、
第１対物レンズ１３６を介してウエハＷ上のアライメン
トマークＭｗを照明するためのレーザビームスポットを
形成する。レーザビームは通常固定されており、ウエハ
ステージＷＳＴを走査（スキャン）することによってレ
ーザビームとアライメントマークＭｗとを相対走査す
る。

【０２３３】アライメントマークＭｗから発生する散乱
光は第１対物レンズ１３６、ハーフミラー１３４、及び
第２対物レンズ１３８を介してシリコン・フォトダイオ
ードＳＰＤ１４０上に集光されて受光される。顕微鏡Ａ
ＬＧ２には、０次光フィルタが挿入されており暗視野に
なっており、アライメントマークＭｗの存在する位置だ
けで散乱光が検出される。そして、ＳＰＤ１４０が受光
した光の光電変換信号がＳＰＤ１４０から主制御装置２
０に供給される。主制御装置２０では、この光電変換信
号と、そのときのウエハ干渉計３１の出力であるウエハ
ステージＷＳＴの位置情報とに基づいて、干渉計光軸で
規定されるステージ座標系におけるアライメン卜マーク
Ｍｗの座標位置を算出するようになっている。

【０２３４】このようなステージスキャン・タイプのレ
ーザ・スキャン式アライメントセンサのベースラインの
安定性は、レーザのビーム位置の安定性と干渉計の安定
性、及びＳＰＤ〜電気系のゲインの安定性によって決定
する。

【０２３５】ここで、このアライメント顕微鏡ＡＬＧ２
のベースラインの計測について説明する。前提として、
レチクルＲがレチクルステージＲＳＴ上に搭載されてい
るものとする。

【０２３６】まず、主制御装置２０では、前述と同様に
して、レチクルＲ上に形成されたレチクルアライメント
マークＰＭの投影像を、空間像計測器５９を用いて計測
し、レチクルパターン像の投影位置を求める。すなわ
ち、レチクルアライメントを行う。

【０２３７】次に、主制御装置２０では、ウエハステー
ジＷＳＴを移動して、図３６に示されるように、レーザ
ビームスポットに対して空間像計測器５９のスリット２
２を走査し、レーザ光の透過光の強度信号と同時にウエ
ハ干渉計３１の計測値を取り込み、レーザビームプロフ
ァイルを得、それに基づいてビームスポットの位置を求
める。これにより、レチクルＲのパターン像の投影位置
とアライメント光学系ＡＬＧ２のレーザスポット照射位
置との相対位置、すなわちアライメント顕微鏡ＡＬＧ２
のベースライン量を求める。

【０２３８】以上説明した本第２の実施形態に係る露光
装置１１０によると、前述した第１の実施形態の露光装
置１００と、同等の効果を得ることができる。また、こ
の場合も、主制御装置２０により空間像計測器５９を用
いて、アライメント顕微鏡ＡＬＧ２のベースライン量が
検出されるが、このベースライン量の検出に当たり、レ
チクルパターン像の投影位置及びアライメント顕微鏡Ａ
ＬＧ２の位置を、空間像計測器５９により直接的に計測
することができるので、精度の高いベースライン量の計
測が可能である。

【０２３９】なお、空間像計測器５９のスリット板９０
上のスリットの配置は、前述したものに限らず、例えば
図３７（Ａ）に示されるように、前述したスリット２２
ａ、２２ｂの組みに加え、Ｘ軸に対して４５°、１３５
°を成す方向にそれぞれ伸びるスリット２２ｃ、２２ｄ
の組みを加えても良い。勿論、これらのスリット２２
ｃ、２２ｄの長手方向に垂直な方向のスリット幅２Ｄ
は、スリット２２ａ、２２ｂと同様の基準により同様の
寸法に定められる。

【０２４０】この場合、図３７（Ａ）に示されるよう
に、矢印Ｃ方向に空間像計測器５９（ウエハステージＷ
ＳＴ）を走査しつつ、例えば図３７（Ａ）に示される空
間像ＰＭ’ に対してスリット２２ｄを走査することに
より、その空間像に対応する光強度信号を精度良く検出
することができる。また、図３７（Ｂ）に示されるよう
に、矢印Ｄ方向に空間像計測器５９（ウエハステージＷ
ＳＴ）を走査しつつ、例えば図３７（Ｂ）に示される空
間像ＰＭ’ に対してスリット２２ｃを走査することに
より、その空間像に対応する光強度信号を精度良く検出
することができる。

【０２４１】なお、上記の２組のスリット（２２ａ，２
２ｂ）、（２２ｃ，２２ｄ）をスリット板９０上に設け
る場合、それら各組のスリットがある程度離して配置さ
れるため、ウエハステージＷＳＴ内部の受光光学系及び
光センサの構成として、各組のスリットを光学的あるい
は電気的な選択機構によって選択できる構成を採用して
も良い。具体的には、シャッタで光路が切り替え可能な
受光光学系と単一の光電変換素子とを組み合わせても良
いし、受光光学系及び光電変換素子を各組のスリットに
対してそれぞれ設けても良い。

【０２４２】次に、像回復について説明する。

【０２４３】前述した（１）、（２）式より、スリット
スキャンによる平均化は、空間周波数的にはｐ（ｘ）の
フーリエ変換によりどのようなスペクトルかが判明す
る。これは一般に装置関数Ｐ（ｕ）と呼ばれている。装
置関数は前述した（１３）式で示される。

【０２４４】（１３)式の周波数特性の逆特性のフィル
タＰ＿ｉｎｖ（ｕ）は次の（１４）式で示され、これを
観測される空間像の強度信号ｍ（ｘ）のフーリエスペク
トルに乗じてから逆フーリエ変換を行えば像回復が行わ
れる。 Ｐ＿ｉｎｖ（ｕ）＝１／Ｐ（ｕ） …（１４） インコヒーレント結像の光学的伝達関数（ＯＴＦ）の上
限が２Ｎ．Ａ．／λであるから完全な像回復のためには
次の（１５）式を満たす必要がある。

【０２４５】

【数８】

【０２４６】以上のような像回復の手法を用いれば、非
常に細い孤立線の像プロファイルも回復できる。孤立線
は様々な周波数成分を含んでおり、孤立線の空間像を複
数のフォーカスで計測し、これらを用いてレンズの波面
収差を計測することも考えられる。

【０２４７】また、繰り返しパターンであるＬ／Ｓマー
クを像回復することで、レンズの離散的な周波数成分の
波面収差を測定することも考えられる。

【０２４８】これらの波面収差の測定に際しての空間像
計測には、例えば図３７（Ａ）に示される４方向につい
ての空間像の計測が可能な空間像計測器５９を用いるこ
とが望ましい。

【０２４９】なお、上記各実施形態では、本発明がステ
ップ・アンド・スキャン方式の投影露光装置に適用され
た場合について説明したが、これに限らず、マスクと基
板とを静止した状態でマスクのパターンを基板に転写す
るとともに、基板を順次ステップ移動させるステップ・
アンド・リピート型の露光装置にも本発明は適用するこ
とができる。

【０２５０】また、上記各実施形態では、本発明が半導
体製造用の露光装置に適用された場合について説明した
が、これに限らず、例えば、角型のガラスプレートに液
晶表示素子パターンを転写する液晶用の露光装置や、薄
膜磁気へッドを製造するための露光装置などにも本発明
は広く適用できる。

【０２５１】また、上記各実施形態では、露光用照明光
としてＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ
エキシマレーザ光（１９３ｎｍ）などを用いる場合につ
いて説明したが、これに限らず、ｇ線（４３６ｎｍ）、
ｉ線（３６５ｎｍ）、Ｆ₂レーザ光（１５７ｎｍ）、銅
蒸気レーザ、ＹＡＧレーザの高調波等を露光用照明光と
して用いることができる。

【０２５２】また、上記各実施形態では、投影光学系と
して縮小系を用いる場合について説明したが、これに限
らず、投影光学系として等倍あるいは拡大系を用いても
良い。

【０２５３】また、ウエハステージやレチクルステージ
にリニアモータ（米国特許第５，６２３，８５３号又は
米国特許第５，５２８，１１８号の公報参照）を用いる
場合は、エアべアリングを用いたエア浮上型およびロー
レンツ力又はリアクタンス力を用いた磁気浮上型のどち
らを用いても良い。

【０２５４】また、ステージは、ガイドに沿って移動す
るタイブでも良いし、ガイドを設けないガイドレスタイ
プでも良い。

【０２５５】ウエハステージの移動により発生する反力
は、特開平８−１６６４７５号公報（米国特許第５，５
２８，ｌ１８号）に記載されているように、フレーム部
材を用いて機械的に床（大地）に逃がしても良い。

【０２５６】レチクルステージの移動により発生する反
力は、特開平８−３３０２２４号公報（米国特許出願シ
リアルナンバー４１６５５８号）に記載されているよう
に、フレーム部材を用いて機械的に床（大地）に逃がし
ても良い。

【０２５７】複数のレンズから構成される照明光学系、
投影光学系を露光装置本体に組み込み光学調整をすると
ともに、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、更に総合調整（電気調整、動作確認等）をする
ことにより本実施形態の露光装置を製造することができ
る。なお、露光装置の製造は温度およびクリーン度等が
管理されたクリーンルームで行うことが望ましい。

【０２５８】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、前述した実施形態の露光装置によりレ
チクルのパターンをウエハに転写するステップ、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）、検査ステップ等を経て製
造される。

【０２５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る空間
像計測方法及び空間像計測装置によれば、十分な精度で
空間像を計測することができるという効果がある。

【０２６０】また、本発明に係る結像特性計測方法によ
れば、投影光学系の結像特性を精度良く計測することが
できるという従来にない優れた効果がある。

【０２６１】また、本発明に係る露光装置によれば、露
光精度の向上を図ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る露光装置１００の概略的
な構成を示す図である。

【図２】図１のアライメント顕微鏡及び空間像計測器の
内部構成を示す図である。

【図３】光センサをウエハステージの外部に配置した空
間像計測器の変形例を示す図である。

【図４】アライメント顕微鏡によりウエハ上のアライメ
ントマークを検出している様子を示す図である。

【図５】アライメント顕微鏡のベースラインの計測に際
して、アライメント顕微鏡により空間像計測器のスリッ
トを検出している状態を示す図である。

【図６】図６（Ａ）は、空間像の計測に際してスリット
板上に空間像ＰＭ’が形成された状態の空間像計測器を
示す平面図、図６（Ｂ）はその空間像計測の際に得られ
る光電変換信号（光強度信号）Ｐの一例を示す線図であ
る。

【図７】ライン幅０．２μｍ、デューティ比５０％のＬ
／Ｓマークの空間像を計測した場合に対応する結像シミ
ュレーションの結果を示す線図であって、ベス卜フォー
カス位置でのシミュレーション結果を示す線図である。

【図８】図７の強度信号Ｐ３をフーリエ変換した際の空
間周波数成分を、元の強度信号Ｐ３とともに示す線図で
ある。

【図９】ベストフォーカス位置から０．２μｍデフォー
カスした場合のシミュレーション結果を示す線図であ
る。

【図１０】図９の強度信号Ｐ３をフーリエ変換した際の
空間周波数成分を、元の強度信号Ｐ３とともに示す線図
である。

【図１１】ベストフォーカス位置から０．３μｍデフォ
ーカスした場合のシミュレーション結果を示す線図であ
る。

【図１２】図１１の強度信号Ｐ３をフーリエ変換した際
の空間周波数成分を、元の強度信号Ｐ３とともに示す線
図である。

【図１３】像面形状の検出に際して用いられる計測用レ
チクルの一例を示す平面図である。

【図１４】球面収差の検出に際して用いられる計測用レ
チクルの一例を示す平面図である。

【図１５】倍率及びディストーション測定に際して用い
られる計測用レチクルの一例を示す平面図である。

【図１６】倍率及びディストーション測定に際して用い
られる空間像計測器５９を示す平面図である。

【図１７】大きなＬ／Ｓパターンから成る計測用パター
ンが形成されたレチクルを用いて空間像計測を行う際
に、スリット板上にその計測用パターンの空間像Ｃ
Ｍ_n’が形成された状態の空間像計測器を示す平面図で
ある。

【図１８】擬似ボックスパターンその他の計測用パター
ンが形成されたマークブロックの一例を示す図である。

【図１９】コマ収差の第１の計測方法を説明するための
図であって、レジスト像の一例を示す図である。

【図２０】コマ収差の第１の計測方法に用いられる計測
用レチクルの一例を示す平面図である。

【図２１】５本のＬ／Ｓパターンが所定周期で複数組み
配置された複合マークパターンを、各計測用パターンと
して用いた場合にその空間像ＥＭ’がスリット板上に形
成されたときの空間像計測器を示す平面図である。

【図２２】図２１に示される空間像ＥＭ’が、２つの基
本的な周波数成分を有することを説明するための図であ
る。

【図２３】図２３（Ａ）はコマ収差の第２の計測方法に
用いられる計測用レチクルの一例を示す平面図、図２３
（Ｂ）は図２３（Ａ）の各計測用パターンを拡大して示
す図である。

【図２４】線幅の太いラインパターンと線幅の細いライ
ンパターンが計測方向に所定間隔で並んだ左右対称の１
次元マークから成る計測用パターンの空間像ＧＭ_n’が
スリット板上に形成されたときの空間像計測器を示す平
面図である。

【図２５】図２４の場合の１次元マークが繰り返し配置
された計測用パターンの空間像ＨＭ’がスリット板上に
形成されたときの空間像計測器を示す平面図である。

【図２６】スリット板を１３段階（ステップ）でＺ軸方
向に変化させ、各点で得られた１３点のコントラストの
計測値（×印）を横軸をＺ軸として示す図である。

【図２７】スリット板を１３段階（ステップ）でＺ軸方
向に変化させ、各点で得られた１３点の１次成分の振幅
の値（×印）を横軸をＺ軸として示す図である。

【図２８】図２８（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ所定条件
の下で、フォトマルチプライヤを用いた例を想定して
（６）式を適用した場合の、フォーカス検出に関するＳ
／Ｎ比を示すグラフである。

【図２９】図２９（Ａ）、（Ｂ）は、図２８（Ａ）、
（Ｂ）にそれぞれ対応するコントラストを示すグラフで
ある。

【図３０】図３０（Ａ）、（Ｂ）は、図２８（Ａ）、
（Ｂ）にそれぞれ対応するファースト・オーダーを示す
グラフである。

【図３１】図３１（Ａ）、（Ｂ）は、図２８（Ａ）、
（Ｂ）と同一条件で、（８）式を適用した場合のフォー
カス検出に関するＳ／Ｎ比を示すグラフである。

【図３２】図３２（Ａ）、（Ｂ）は、スリット幅が最小
ハーフピッチの１倍のとき、３倍のときの、スリット透
過光の強度信号、その微分信号及び空間像強度のシミュ
レーションデータを、それぞれ示す図である。

【図３３】図３３（Ａ）、（Ｂ）は、スリット幅が最小
ハーフピッチの５倍のとき、７倍のときの、スリット透
過光の強度信号、その微分信号及び空間像強度のシミュ
レーションデータを、それぞれ示す図である。

【図３４】スリット幅が解像限界のハーフピッチの１，
３，５倍の時の周波数特性を示す図である。

【図３５】第２の実施形態に係る露光装置の構成を一部
省略して示す図である。

【図３６】第２の実施形態の露光装置において、アライ
メント顕微鏡ＡＬＧ２のベースライン計測に際して、レ
ーザビームスポットの位置を空間像計測器を用いて計測
しているときの状態を示す図である。

【図３７】空間像計測器のスリット板上のスリットの他
の配置例、及びそのようなスリットが形成された空間像
計測器の使用方法を説明するための図である（図３７
（Ａ）、（Ｂ）。）

【図３８】従来の空間像計測方法について説明するため
の図である（図３８（Ａ）〜（Ｃ））。

【符号の説明】

１０…照明系（照明装置、空間像計測装置の一部）、２
０…主制御装置（制御装置、処理装置、空間像計測装置
の一部）、２２ａ〜２２ｄ…スリット（空間像計測装置
の一部）、２４…光センサ（光電変換素子、空間像計測
装置の一部）、９０…スリット板（空間像計測装置の一
部）、１００…露光装置、ＰＬ…投影光学系、ＩＬ…照
明光、Ｒ…レチクル（マスク）、Ｗ…ウエハ（基板）、
ＷＳＴ…ウエハステージ（基板ステージ）、ＡＬＧ１，
ＡＬＧ２…アライメント顕微鏡（マーク検出系）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｆ 7/22 Ｇ０３Ｆ 7/22 Ｈ Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５２５Ｒ Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 AA07 CC20 DD04 EE08 FF01 GG04 HH06 HH13 LL01 LL28 LL63 MM24 PP12 QQ16 QQ23 QQ41 UU01 UU02 UU05 2G086 HH05 HH07 5F046 BA03 DB05 DB08 FA09 FA16 FB14 FB16

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投影光学系によって形成される所定のパ
   ターンの空間像を計測する空間像計測方法であって、 照明光によって前記パターンを照明し、該パターンの空
   間像を前記投影光学系を介して像面上に形成する工程
   と；前記投影光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１
   方向に延びるとともに、これに垂直な前記２次元平面内
   の第２方向の幅が前記照明光の波長λを考慮して定めら
   れた少なくとも１つのスリットを有するスリット板を前
   記像面近傍の前記２次元平面内で前記第２方向に走査す
   るとともに、前記スリットを透過した前記照明光を光電
   変換して前記スリットを透過した前記照明光の強度に応
   じた光電変換信号を得る工程と；を含む空間像計測方
   法。
2. 【請求項２】 投影光学系によって形成される所定のパ
   ターンの空間像を計測する空間像計測方法であって、 照明光によって前記パターンを照明し、該パターンの空
   間像を前記投影光学系を介して像面上に形成する工程
   と；前記投影光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１
   方向に延びるとともに、これに垂直な前記２次元平面内
   の第２方向の幅が前記投影光学系の開口数Ｎ．Ａ．を考
   慮して定められた少なくとも１つのスリットを有するス
   リット板を前記像面近傍の前記２次元平面内で前記第２
   方向に走査するとともに、前記スリットを透過した前記
   照明光を光電変換して前記スリットを透過した前記照明
   光の強度に応じた光電変換信号を得る工程と；を含む空
   間像計測方法。
3. 【請求項３】 前記スリットの前記第２方向の幅は、零
   より大きく前記照明光の波長λを前記投影光学系の開口
   数Ｎ．Ａ．で除した（λ／Ｎ．Ａ．）以下であることを
   特徴とする請求項１又は２に記載の空間像計測方法。
4. 【請求項４】 前記スリットの前記第２方向の幅は、前
   記（λ／Ｎ．Ａ．）の０．８倍以下であることを特徴と
   する請求項３に記載の空間像計測方法。
5. 【請求項５】 前記スリットの前記第２方向の幅は、前
   記照明光及び前記パターンの種別を含む照明条件によっ
   て定まる解像限界のラインアンドスペースパターンのピ
   ッチである最小ピッチの半分の奇数倍であることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の空間像計測方法。
6. 【請求項６】 前記スリットの前記第２方向の幅は、前
   記照明光の波長をλ、前記投影光学系の開口数をＮ．
   Ａ．として、｛λ／（２Ｎ．Ａ．）｝の奇数倍として規
   定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の空間
   像計測方法。
7. 【請求項７】 前記光電変換信号をフーリエ変換して空
   間周波数分布を求め、該求めた空間周波数分布を前記ス
   リットの既知の周波数スペクトルで割り返して元の空間
   像のスペクトル分布に変換し、該スペクトル分布を逆フ
   ーリエ変換することにより元の空間像を回復する工程を
   更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項
   に記載の空間像計測方法。
8. 【請求項８】 投影光学系の結像特性を計測する結像特
   性計測方法であって、 照明光によって所定のパターンを照明し、該パターンの
   空間像を前記投影光学系を介して像面上に形成する工程
   と；前記投影光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１
   方向に延びる所定幅のスリットを少なくとも１つ有する
   スリット板を前記像面近傍の前記２次元平面内で前記第
   １方向に垂直な第２方向に走査するとともに、前記スリ
   ットを透過した前記照明光を光電変換して前記スリット
   を透過した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を得
   る工程と；前記光電変換信号に所定の処理を施して前記
   投影光学系の結像特性を求める工程と；を含む結像特性
   計測方法。
9. 【請求項９】 前記パターンは、第２方向に対応する方
   向に周期性を有するラインアンドスペースパターンであ
   り、 前記光電変換信号の検出を、前記スリット板の前記光軸
   方向の位置を変化させつつ複数回繰り返し、 前記所定の処理として、前記繰り返しにより得られた複
   数の光電変換信号をそれぞれフーリエ変換し、それぞれ
   の１次周波数成分と零次周波数成分の振幅比であるコン
   トラストを求め、該コントラストが最大となる光電変換
   信号に対応する前記光軸方向の位置を検出することによ
   り前記投影光学系のベストフォーカス位置を検出するこ
   とを特徴とする請求項８に記載の結像特性計測方法。
10. 【請求項１０】 前記ベストフォーカス位置の検出を、
    前記投影光学系の光軸からの距離が異なる複数点に関し
    て繰り返し行うことにより、前記投影光学系の像面形状
    を検出する工程を更に含むことを特徴とする請求項９に
    記載の結像特性計測方法。
11. 【請求項１１】 前記投影光学系の光軸における前記ベ
    ストフォーカス位置の検出を、異なるピッチの複数の前
    記ラインアンドスペースパターンについて繰り返し行
    い、前記各パターンに対応する前記ベストフォーカス位
    置の差に基づいて前記投影光学系の球面収差を求める工
    程を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の結像特
    性計測方法。
12. 【請求項１２】 前記パターンは、前記第２方向の幅が
    前記スリットの前記第２方向の幅より大きい矩形パター
    ンを少なくとも１つ含むパターンであり、 前記空間像の形成と前記光電変換信号の検出とを、前記
    投影光学系のイメージフィールド内の異なる位置に投影
    される前記パターンの空間像について繰り返し行い、 前記所定の処理として、前記繰り返しにより得られた複
    数の光電変換信号それぞれの位相を検出し、該位相検出
    の結果に基づいて前記各光電変換信号に対応する空間像
    の位置をそれぞれ算出し、該算出結果に基づいて前記投
    影光学系のディストーション及び倍率の少なくとも一方
    を求めることを特徴とする請求項８に記載の結像特性計
    測方法。
13. 【請求項１３】 前記パターンは、前記第２方向の幅が
    前記スリットの前記第２方向の幅より大きい矩形パター
    ンを少なくとも１つ含むパターンであり、 前記空間像の形成と前記光電変換信号の検出とを、前記
    投影光学系のイメージフィールド内の異なる位置に投影
    される前記パターンの空間像について繰り返し行い、 前記所定の処理として、前記繰り返しにより得られた複
    数の光電変換信号それぞれと所定のスライスレベルとの
    交点に基づいて前記各光電変換信号に対応する空間像の
    位置をそれぞれ算出し、該算出結果に基づいて前記投影
    光学系のディストーション及び倍率の少なくとも一方を
    求めることを特徴とする請求項８に記載の結像特性計測
    方法。
14. 【請求項１４】 前記パターンは、全体として矩形状
    で、前記第１方向に周期性を有するラインアンドスペー
    スパターンであることを特徴とする請求項８に記載の結
    像特性計測方法。
15. 【請求項１５】 前記空間像の形成と前記光電変換信号
    の検出とを、前記投影光学系のイメージフィールド内の
    異なる位置に投影される前記パターンの空間像について
    繰り返し行い、 前記所定の処理として、前記繰り返しにより得られた複
    数の光電変換信号それぞれと所定のスライスレベルとの
    交点に基づいて前記各光電変換信号に対応する空間像の
    位置をそれぞれ算出し、該算出結果に基づいて前記投影
    光学系のディストーション及び倍率の少なくとも一方を
    求めることを特徴とする請求項１４に記載の結像特性計
    測方法。
16. 【請求項１６】 前記パターンは、前記第２方向に対応
    する方向に周期性を有するラインアンドスペースパター
    ンであり、 前記所定の処理として、前記光電変換信号と所定のスラ
    イスレベルとの交点に基づいて前記各ラインパターンの
    線幅異常値を算出し、該算出結果に基づいて前記投影光
    学系のコマ収差を求めることを特徴とする請求項８に記
    載の結像特性計測方法。
17. 【請求項１７】 前記パターンは、前記第２方向に対応
    する方向に周期性を有するラインアンドスペースパター
    ンであり、 前記所定の処理として、前記光電変換信号の前記各ライ
    ンパターンのピッチに対応する第１基本周波数成分と、
    前記ラインアンドスペースパターンの全体の幅に対応す
    る第２周波数成分との位相差を算出し、該算出結果に基
    づいて前記投影光学系のコマ収差を求めることを特徴と
    する請求項８に記載の結像特性計測方法。
18. 【請求項１８】 前記パターンは、前記第２方向に対応
    する方向に所定間隔で配置された線幅の異なる少なくと
    も２種類のラインパターンを有する対称マークパターン
    であり、 前記所定の処理として、前記光電変換信号と所定のスラ
    イスレベルとの交点に基づいて前記パターンの空間像の
    対称性のずれを算出し、該算出結果に基づいて前記投影
    光学系のコマ収差を求めることを特徴とする請求項８に
    記載の結像特性計測方法。
19. 【請求項１９】 投影光学系によって形成される所定の
    パターンの空間像を計測する空間像計測装置であって、 前記パターンの空間像を前記投影光学系を介して像面上
    に形成するため、前記パターンを照明する照明装置と；
    前記投影光学系の光軸に垂直な２次元平面内で第１方向
    に延びるとともに、これに垂直な第２方向の幅が零より
    大きく前記照明光の波長λを前記投影光学系の開口数
    Ｎ．Ａ．で除した（λ／Ｎ．Ａ．）以下である、少なく
    とも１つのスリットを有するスリット板と；前記スリッ
    ト板を透過した前記照明光を光電変換して、前記スリッ
    トを透過した前記照明光の強度に応じた光電変換信号を
    出力する光電変換素子と；前記照明装置により前記パタ
    ーンが照明され、前記像面上に前記空間像が形成された
    状態で、前記像面近傍の前記２次元平面内で前記スリッ
    ト板を前記第２方向に走査するとともに、前記光電変換
    素子からの光電変換信号に基づいて前記空間像に対応す
    る光強度分布を計測する処理装置と；を備える空間像計
    測装置。
20. 【請求項２０】 マスクに形成された回路パターンを投
    影光学系を介して基板に転写する露光装置であって、 前記基板を保持する基板ステージと；前記スリット板が
    前記基板ステージと一体で移動可能に構成された請求項
    １９に記載の空間像計測装置とを備える露光装置。
21. 【請求項２１】 前記空間像計測装置を用いて、種々の
    マークパターンの空間像に対応する光強度分布を計測
    し、その計測された前記光強度分布のデータに基づいて
    前記投影光学系の結像特性を求める制御装置を更に備え
    ることを特徴とする請求項２０に記載の露光装置。
22. 【請求項２２】 前記基板ステージ上のマークの位置を
    検出するマーク検出系と；前記空間像計測装置を用い
    て、前記投影光学系による前記マスクのパターンの投影
    位置と前記マーク検出系との相対位置関係を検出する制
    御装置を更に備えることを特徴とする請求項２０に記載
    の露光装置。