フォーカステストマスク、フォーカス計測方法、及び露光装置
【課題】投影光学系のフォーカス情報を高い計測再現性で、かつ高い計測効率で計測する。
【解決手段】フォーカステストレチクルＴＲに設けられた３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの外側パターン１４は、それぞれＹ方向に延びた遮光膜よりなるラインパターン１４Ａと、ラインパターン１４Ａの＋Ｘ方向側に設けられ、線幅がラインパターン１４Ａより狭く形成された位相シフト部１５Ｃと、ラインパターン１４Ａの−Ｘ方向側に設けられ、線幅がラインパターン１４Ａより狭く形成された透過部１５Ｂと、位相シフト部１５Ｃの＋Ｘ方向側に設けられた透過部と、を有し、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂの線幅ｂ，ｂ１，ｂ２は互いに異なる。
【解決手段】フォーカステストレチクルＴＲに設けられた３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの外側パターン１４は、それぞれＹ方向に延びた遮光膜よりなるラインパターン１４Ａと、ラインパターン１４Ａの＋Ｘ方向側に設けられ、線幅がラインパターン１４Ａより狭く形成された位相シフト部１５Ｃと、ラインパターン１４Ａの−Ｘ方向側に設けられ、線幅がラインパターン１４Ａより狭く形成された透過部１５Ｂと、位相シフト部１５Ｃの＋Ｘ方向側に設けられた透過部と、を有し、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂの線幅ｂ，ｂ１，ｂ２は互いに異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学系のフォーカス情報（像面情報）を計測するためのパターンが形成されたフォーカステストマスク、このフォーカステストマスクを用いて投影光学系のフォーカス情報を計測するフォーカス計測方法、及びそのフォーカステストマスクを備える露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイス等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィ工程中で使用される露光装置においては、投影光学系の像面（ベストフォーカス位置）の情報であるフォーカス情報を計測するために、投影光学系の物体面にテストマスクを配置するとともに投影光学系の像面に基板等を配置し、そして、テストマスクに設けられた所定の評価用パターンを投影光学系を介して基板等に投影し、その評価用パターンの像の位置ずれ量等を計測することが行われている。
【０００３】
従来の第１の計測方法として、２本の遮光膜よりなるラインパターン間の各ラインパターンの線幅よりも広いスペース部に照明光の位相を変化させる位相変更部を設けた評価用パターンを用い、この評価用パターンの投影光学系による像をフォトレジストが塗布された基板上に露光する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、現像後にその基板に形成される２本のライン状のレジストパターンの間隔からその基板の表面のデフォーカス量、ひいては像面の位置を求めることができる。
【０００４】
また、従来の第２の計測方法として、例えば４本以上の複数の遮光ラインを含み各遮光ラインの外側の位相分布が計測方向に非対称とされた回折格子状の評価用パターンの像と、その複数の遮光ラインの像のうち外側の不要な遮光ラインの像を消すためのトリムパターンの像とをウエハに重ねて露光する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この場合にも、残された中央の複数の遮光ラインの像のシフト量から、ウエハの表面のデフォーカス量を求めることができる。
【０００５】
また、従来の第３の計測方法として、複数のラインパターンの近傍にこれらのラインパターンの線幅よりも広い位相シフト部を設けた評価用パターンの空間像の横ずれ量を計測する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。この場合にも、各ラインパターンの像の横ずれ量から受光面のデフォーカス量を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０４３０５号公報
【特許文献２】特許第３２９７４２３号明細書
【特許文献３】国際公開第２００５／００４２１１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のフォーカス情報の計測方法のうち、第１及び第３の計測方法は、ラインパターンの線幅に比べてそれに接する（又はその近傍の）位相シフト部の幅が広く、計測感度（像の横ずれ量／デフォーカス量）を高めるためにはラインパターンの線幅を狭くすることが好ましい。しかしながら、ラインパターンの線幅を狭くすると、計測再現性が低下する恐れがあるとともに、現像後のレジストパターンの像を観察する場合には、レジストパターンの倒れ等が生じる恐れがある。さらに、そのようにラインパターンの線幅が狭いと、投影光学系の開口数が高い場合に、特にラインパターンの像の投影面がベストフォーカス位置に近い範囲で、計測感度が低下する恐れがある。
【０００８】
また、従来の第２の計測方法は、不要なパターンの像を消すために２回の露光を行う必要があるため、計測効率が低く、かつ計測マークからの０次光と、＋１次光又は−１次光との干渉を用いて計測パターン像を計測するため、計測可能な照明条件が小σに限られるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑み、投影光学系のフォーカス情報を高い計測再現性で、かつ高い計測効率で計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、投影光学系を介して物体上に投影される複数のテストパターンが設けられたフォーカステストマスクが提供される。このフォーカステストマスクにおいて、その複数のテストパターンは、それぞれ第１方向にライン状に延び、光を遮光する第１遮光部と、その第１方向と直交する第２方向に関してその第１遮光部の一方側に設けられ、その第１方向にライン状に延びるとともに、その第２方向に関する線幅がその第１遮光部の線幅より狭く形成され、透過するその光の位相を変化させる第１位相シフト部と、その第２方向に関してその第１遮光部の他方側に設けられ、その第１方向にライン状に延びるとともに、その第２方向に関する線幅がその第１遮光部の線幅より狭く形成され、その光を透過する第１透過部と、その第２方向に関してその第１透過部のその第１遮光部とは反対側に設けられ、その第２方向に関する線幅がその第１透過部より広く形成され、透過するその光の位相を変化させる第２位相シフト部と、を有し、その複数のテストパターンのその第１位相シフト部及びその第１透過部のその第２方向の線幅が互いに異なっている。
【００１０】
また、本発明の第２の態様によれば、投影光学系の像面情報を計測するフォーカス計測方法において、本発明の第１の態様によるフォーカステストマスクをその投影光学系の物体面側に配置する工程と、そのフォーカステストマスクに設けられたそのテストパターンのその投影光学系による像を計測面に投影する工程と、そのテストパターンの像の計測方向の位置情報を計測する工程と、を含むフォーカス計測方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の第３の態様によれば、露光光でマスクのパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、本発明の第１の態様によるフォーカステストマスクを保持するマスクステージと、そのフォーカステストマスクのそのテストパターンのその投影光学系による像を投影させるとともに、そのテストパターンの像の計測方向の位置情報に基づいて、その投影光学系の像面情報を求める制御装置と、を備える露光装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフォーカステストマスクによれば、各テストパターンの第１遮光部に対して第２方向の一方に第１位相部が設けられ、その第２方向の他方に第１透過部及び第２位相部が設けられているため、その第２方向に対応する方向におけるその第１遮光部の像の横ずれ量から、投影光学系の像面に対するデフォーカス量、ひいてはフォーカス情報を高い計測効率で求めることができる。この場合、その第１遮光部の幅は第１位相部の幅よりも広いため、そのフォーカス情報を高い計測再現性で計測できる。さらに、複数のテストパターンの第１位相部及び第１透過部の線幅が互いに異なっているため、各テストパターンの計測レンジを組み合わせることによって、計測レンジを広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の一例に係る露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）はフォーカステストレチクルＴＲを示す平面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍の３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃを示す拡大図である。
【図３】（Ａ）は図２（Ａ）中の一つの評価用パターン１２Ａを示す拡大平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＢＢ線に沿う断面図である。
【図４】（Ａ）はラインパターン１３Ａの像のデフォーカス量と横ずれ量との関係の一例を示す図、（Ｂ）はラインパターン１４Ａの像のデフォーカス量と横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、それぞれ外側パターン１４の像１４Ｐと内側パターン１３の像１３Ｐとの位置ずれ量の変化を示す拡大図である。
【図６】（Ａ）はフォーカステストレチクルＴＲのパターンの像が露光されたウエハＷを示す平面図、（Ｂ）は図６（Ａ）中の一つのショット領域ＳＡｋを示す拡大平面図、（Ｃ）は図６（Ｂ）中の一つの評価用パターン１２Ａの像１２ＡＰを示す拡大図である。
【図７】（Ａ）はラインパターンの線幅と検出レートＲｔ及び計測誤差ＺＥｒとの関係の一例を示す図、（Ｂ）は投影光学系の開口数及びコヒーレンスファクタと計測誤差との関係の一例を示す図である。
【図８】３つの評価用パターンのデフォーカス量と像の横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図９】投影光学系の開口数が大きい場合の種々の評価用パターンのデフォーカス量と像の横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれコヒーレンスファクタが大きい場合の評価用パターンの位相シフト部の線幅と検出レートとの関係を示す図である。
【図１１】フォーカス情報の計測動作の一例を示すフローチャートである。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｂ）はそれぞれ通常照明と異なる照明条件下における評価用パターンの位相シフト部の線幅と検出レートとの関係を示す図である。
【図１３】（Ａ）は第１変形例における評価用パターンの位相シフト部の線幅と検出レートとの関係を示す図、（Ｂ）は第１変形例におけるデフォーカス量と像の横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図１４】第２変形例の評価用パターン６０を示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図１〜図１１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るスキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査露光型の露光装置ＥＸの概略構成を示す。図１において、露光装置ＥＸは、露光光源（不図示）と、この露光光源から射出される照明光（露光光）ＩＬによりレチクルＲ（マスク）を照明する照明光学系ＩＬＳとを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）の表面に投射する投影光学系ＰＬと、ウエハＷの位置決め及び移動を行うウエハステージＷＳＴと、装置全体の動作を統括制御するコンピュータよりなる主制御系２と、その他の駆動系等とを備えている。
【００１５】
以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに垂直な面（ほぼ水平面）内の直交する２方向にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。本実施形態では、走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ軸に平行な方向（Ｙ方向）である。
【００１６】
露光光源としてはＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）が使用されている。露光光源として、それ以外にＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）などの紫外パルスレーザ光源、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波発生装置、又は水銀ランプ等の放電ランプ等も使用することができる。
照明光学系ＩＬＳは、例えば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、回折光学素子等を含み瞳面の光量分布を円形、輪帯状、又は複数極の領域等に設定する光量分布設定光学系、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ、ロッドインテグレータなど）等を含む照度均一化光学系、レチクルブラインド（可変視野絞り）、及びコンデンサ光学系等を含んでいる。
【００１７】
照明光学系ＩＬＳは、レチクルＲのパターン面（レチクル面）において、パターン領域ＰＡ上のＸ方向（非走査方向）に細長い矩形の照明領域１０Ｒを照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域１０Ｒ内の回路パターンは、両側テレセントリック（又はウエハ側に片側テレセントリック）の投影光学系ＰＬを介して所定の投影倍率（例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で、ウエハＷの一つのショット領域ＳＡ上の露光領域１０Ｗ（照明領域１０Ｒと共役な領域）に投影される。ウエハＷは、例えばシリコン半導体又はＳＯＩ(silicon on insulator)等からなる直径が２００〜４５０ｍｍ程度の円板状の基材の表面にフォトレジスト（感光材料）を塗布した基板である。投影光学系ＰＬは例えば屈折系であるが、反射屈折系等も使用できる。
【００１８】
レチクルＲはレチクルホルダ（不図示）を介してレチクルステージＲＳＴ上に吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴはレチクルベースＲＢのＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置され、その上面でＹ方向に一定速度で移動するとともに、Ｘ方向、Ｙ方向の位置及びθｚ方向の回転角の微調整を行う。レチクルステージＲＳＴの少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む２次元的な位置情報は、一例としてＸ軸のレーザ干渉計８Ｘと、Ｙ軸の２軸のレーザ干渉計８ＹＡ，８ＹＢとを含むレチクル側干渉計によって計測され、この計測値がステージ駆動系４及び主制御系２に供給される。ステージ駆動系４は、その位置情報及び主制御系２からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してレチクルステージＲＳＴの速度及び位置を制御する。
【００１９】
一方、ウエハＷはウエハホルダＷＨを介してウエハステージＷＳＴの上部に吸着保持されている。ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ２４と、この上に設置されウエハＷを保持するＺチルトステージ２２とを含んでいる。ＸＹステージ２４は、ウエハベース２６のＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置され、その上面をＸ方向、Ｙ方向に移動し、必要に応じてθｚ方向の回転角が補正される。Ｚチルトステージ２２は、例えばＺ方向に変位可能な３箇所のＺ駆動部（不図示）を個別に駆動して、Ｚチルトステージ２２の上面（ウエハＷ）の光軸ＡＸ方向の位置（Ｚ位置）、及びθｘ方向、θｙ方向の傾斜角を制御する。
【００２０】
図１において、さらに投影光学系ＰＬの側面に、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書等に開示されるものと同様の構成で、照射系３７ａ及び受光系３７ｂを含み、ウエハＷの表面の複数点でのフォーカス位置を計測する斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ３７が設けられている。ステージ駆動系４は、オートフォーカスセンサ３７の計測結果に基づいて、露光時には、ウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面（それまでにテストプリント等によって求められている像面）に合致するように、オートフォーカス方式でＺチルトステージ２２を駆動する。
【００２１】
ウエハステージＷＳＴ（Ｚチルトステージ２２）の少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む２次元的な位置情報が、一例としてＸ軸の２軸のレーザ干渉計３６ＸＰ，３６ＸＦと、Ｙ軸の２軸のレーザ干渉計３６ＹＡ，３６ＹＢとを含むウエハ側干渉計によって計測され、この計測値がステージ駆動系４及び主制御系２に供給される。その位置情報はアライメント制御系６にも供給される。ステージ駆動系４は、その位置情報及び主制御系２からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介して、ウエハステージＷＳＴのＸＹステージ２４の２次元的な位置を制御する。
【００２２】
また、露光装置ＥＸは液浸型であり、投影光学系ＰＬの先端の光学部材とウエハＷとの間の局所的な空間に照明光ＩＬを透過する液体（純水等）を供給して回収する局所液浸機構（不図示）が備えられている。局所液浸機構としては、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている機構を使用してもよい。
【００２３】
また、投影光学系ＰＬの側面において、ウエハＷの表面のアライメントマークの位置を計測するための、オフアクシス方式で例えば画像処理方式のウエハアライメント系３８が不図示のフレームに支持されている。ウエハアライメント系３８の検出結果はアライメント制御系６に供給され、その検出結果からウエハＷのアライメントを行うことができる。さらに、Ｚチルトステージ２２の上部のウエハホルダＷＨの近傍に基準部材２８が固定され、基準部材２８の上面にスリットパターン３０Ａ，３０Ｂ及び基準マーク３２が形成されている。Ｚチルトステージ２２内の基準部材２８の底面に、スリットパターン３０Ａ，３０Ｂを通過した光束を受光する空間像計測系３４が収納され、空間像計測系３４の検出信号がアライメント制御系６に供給されている。空間像計測系３４によって、レチクルＲのアライメントマーク（不図示）の像の位置を計測でき、この計測結果に基づいてレチクルＲのアライメントを行うことができる。さらに、空間像計測系３４は、後述のフォーカステストレチクルＴＲの評価用パターンの像の位置を計測できる。この計測結果は、アライメント制御系６から主制御系２に供給される。さらに、基準部材２８上の基準マーク３２を介して、レチクルＲのパターンの像の中心（露光中心）とウエハアライメント系３８の検出中心との位置関係（ベースライン）を計測できる。
【００２４】
露光時には、投影光学系ＰＬとウエハＷとの間に液体を供給し、レチクルＲの照明領域１０Ｒ内のパターンの投影光学系ＰＬによる像をウエハＷの一つのショット領域上に露光しつつ、レチクルＲとウエハＷとをＹ方向に投影倍率を速度比として同期して移動することで、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。その後、ウエハステージＷＳＴを駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、その走査露光動作とを繰り返すことによって、液浸法を用いたステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。
【００２５】
この露光に際して、ウエハＷの各ショット領域中に投影光学系ＰＬの像面から許容範囲を超えてデフォーカスしている部分があると、その部分に露光される像の結像特性が劣化し、最終的に製造される半導体デバイス等の歩留まりが低下する。そこで、本実施形態では、走査露光時のウエハの各ショット領域（投影光学系ＰＬの露光フィールド）内の所定配列の複数の計測点の位置におけるデフォーカス量（ベストフォーカス位置からのＺ位置のずれ量）である投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測するために、レチクルステージＲＳＴにレチクルＲの代わりに複数の評価用パターンが形成されたフォーカステストレチクルＴＲをロードし、このフォーカステストレチクルＴＲのパターンの像を評価用のウエハに露光する。
【００２６】
図２（Ａ）は、図１のレチクルステージＲＳＴ上に保持された状態のフォーカステストレチクルＴＲのパターン配置を示す。図２（Ａ）において、フォーカステストレチクルＴＲのパターン面（下面）の矩形のパターン領域ＰＡには、一例として、Ｘ方向にＩ行で、Ｙ方向にＪ列で計測点Ｐ（ｉ，ｊ）が設定されている。なお、Ｉ，Ｊは２以上の整数で、ｉ＝１〜Ｉ、ｊ＝１〜Ｊである。そして、各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍に、それぞれ外側パターン１４及び内側パターン１３よりなるいわゆるバー・イン・バー型の第１、第２、及び第３の評価用パターン１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが形成されている。３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃは互いにほぼ同じ形状であるが、後述のように位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂ等の線幅が互いに異なっている（図２（Ｂ）参照）。本実施形態では、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃは、Ｘ方向に７行でＹ方向に９列で配置されている（Ｉ＝７，Ｊ＝９）。また、パターン領域ＰＡのＸ方向の両側に近接して、かつ照明領域１０ＲのＸ方向の幅内に収まる位置にアライメントマークＡＭ１，ＡＭ２が形成されている。
【００２７】
図３（Ａ）は図２（Ａ）の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍の第１の評価用パターン１２Ａを示す。図３（Ａ）において、評価用パターン１２Ａの外側パターン１４（テストパターン）は、Ｘ方向（計測方向）に所定間隔で形成されたＹ方向に細長い矩形の遮光膜（クロム等）からなる２本の同一形状のラインパターン１４Ａ（第１遮光部）及びラインパターン１４Ｂを有する。さらに、外側パターン１４は、一方のラインパターン１４Ａの＋Ｘ方向のエッジ部に沿って順に＋Ｘ方向に配置された位相シフト部１５Ｃ（第１位相シフト部）及び透過部１５Ｄ（第２透過部）と、ラインパターン１４Ａの−Ｘ方向のエッジ部に沿って順に−Ｘ方向に配置された透過部１５Ｂ（第１透過部）及び位相シフト部１５Ａ（第２位相シフト部）とを含んでいる。ラインパターン１４ＡのＸ方向の線幅ａは、ラインパターン１４Ａに接している位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５ＢのＸ方向の幅ｂよりも大きい。また、ラインパターン１４Ａの線幅ａは、照明条件を通常照明に設定して、高精度にデフォーカス量を計測するためには、次のように位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂの幅ｂの４倍以上であることが好ましい。
【００２８】
ａ≧４×ｂ …（１）
また、以下では線幅ａ及び幅ｂの数値は、投影像の段階での数値を示している。この場合、線幅ａは２００ｎｍ以上であることが好ましい。一例として、位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５ＢのＸ方向の幅ｂは５０〜２２０ｎｍの範囲である。本実施例において、幅ｂは５０〜７０ｎｍの範囲内であることが好ましい。その範囲内で幅ｂは例えば６０ｎｍ又は６５ｎｍに設定されている。この場合、ラインパターン１４ＡのＸ方向の線幅ａは２〜３μｍであることが好ましい。ラインパターン１４Ａ、透過部１５Ｂ、位相シフト部１５ＣのＹ方向の長さは、一例としてラインパターン１４Ａの線幅ａの１０〜１５倍である。ラインパターン１４Ａ，１４ＢのＸ方向の間隔は、ラインパターン１４Ａの長さよりも或る程度長く設定されている。
【００２９】
また、位相シフト部１５Ａ及び透過部１５ＤのＸ方向の幅ａはラインパターン１４Ａの線幅と同じである。しかしながら、位相シフト部１５Ａ及び透過部１５ＤのＸ方向の幅は、それらが接している透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの幅ｂよりも広く設定されていればよい。言い換えると、透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５ＣのＸ方向の幅は、それらが接している位相シフト部１５Ａ及び透過部１５Ｄの幅ｂよりも狭く設定されていればよい。
【００３０】
図３（Ａ）のＢＢ線に沿う断面図である図３（Ｂ）に示すように、透過部１５Ｂ，１５ＤはフォーカステストレチクルＴＲのガラス基板の表面のままであり、位相シフト部１５Ａ，１５Ｃは、その表面に例えばエッチングによって形成された深さｄの凹部である。この場合、透過部１５Ｂ，１５Ｄを透過する照明光ＩＬの位相θBDに対して、位相シフト部１５Ａ，１５Ｃを透過する照明光ＩＬの位相θACは、例えば９０°だけ進むように深さｄが設定されている。即ち、位相θBDと位相θACとの位相差δθは９０°であることが好ましい。なお、位相差δθの範囲を０°≦δθ＜３６０°で表す場合、位相差δθは、０°及び１８０°以外の任意の値、例えば、位相差δθは０°〜３０°，１５０°〜２１０°及び３３０°〜３６０°以外の任意の値にすることが好ましい。位相差δθを１８０°以外の値、例えば、位相差δθを上述した１８０°近傍以外の値にするのは、位相差δθが１８０°あるいは１８０°近傍の値になると、例えば位相シフト部１５Ａと透過部１５Ｂとの境界線が暗線として転写されてしまうからである。また、位相差δθを０°及び３６０°近傍以外の値にするのは、デフォーカスに対するパターン１３，１４の像の間隔変化の感度が低いためである。
【００３１】
図３（Ａ）において、外側パターン１４の＋Ｘ方向側のラインパターン１４Ｂの両側にも、ラインパターン１４Ａの両側に設けられた位相シフト部１５Ａ、透過部１５Ｂ、位相シフト部１５Ｃ、及び透過部１５Ｄとほぼ同じ構成の位相シフト部１５Ｋ、透過部１５Ｌ、位相シフト部１５Ｍ、及び透過部１５Ｎが設けられている。ただし、位相シフト部１５Ｋは、Ｘ方向の幅ａの部分とＹ方向の幅ａの部分とを連結した形状であり、透過部１５ＮはＸ方向の幅がａ以上の透過部である点が異なっている。
【００３２】
さらに、外側パターン１４は、Ｘ方向に配列された位相シフト部１５Ａ，１５Ｋ、透過部１５Ｂ，１５Ｌ、ラインパターン１４Ａ，１４Ｂ、位相シフト部１５Ｃ，１５Ｍ、及び透過部１５Ｄ，１５Ｎを一体的に９０°回転した構成の、Ｙ方向に配列された位相シフト部１６Ａ，１５Ｋ、透過部１６Ｂ，１６Ｌ、ラインパターン１４Ｃ，１４Ｄ、位相シフト部１６Ｃ，１６Ｍ、及び透過部１６Ｄ，１６Ｎを有する。
【００３３】
また、評価用パターン１２Ａの内側パターン１３（補助パターン）は、外側パターン１４の２本のラインパターン１４Ａ，１４Ｂの間に対称に配列され、ラインパターン１４Ａ，１４Ｂと同じＸ方向の線幅ａでＹ方向の長さが或る程度短い遮光膜からなる２本のラインパターン１３Ａ（第２遮光部）及びラインパターン１３Ｂを有する。さらに、内側パターン１３は、一方のラインパターン１３Ａの＋Ｘ方向のエッジ部に沿って順に＋Ｘ方向に配置された幅ｂの透過部１５Ｆ（第３透過部）及び直角三角形型の位相シフト部１５Ｇ（第４位相シフト部）と、ラインパターン１３Ａの−Ｘ方向のエッジ部に沿って順に−Ｘ方向に配置された幅ｂの位相シフト部１５Ｅ（第３位相シフト部）及び幅ａの透過部１５Ｄ（第４透過部）とを含んでいる。位相シフト部１５Ｇは、Ｘ方向の平均的な幅が幅ａより広い。また、透過部１５Ｄ（第２透過部及び第４透過部）は、内側パターン１３と外側パターン１４とで共用されている。幅ａ及び幅ｂの条件は、外側パターン１４の場合と同じである。また、透過部１５Ｄ，１５Ｆを透過する照明光ＩＬの位相と、位相シフト部１５Ｅ，１５Ｇを透過する照明光ＩＬの位相との位相差は、上記の位相差δθと同じく、０°及び１８０°以外の任意の値が可能であるが、より好ましい角度は９０°である。
【００３４】
また、内側パターン１３の＋Ｘ方向側のラインパターン１３Ｂの両側にも、ラインパターン１３Ａの両側に設けられた透過部１５Ｄ、位相シフト部１５Ｅ、透過部１５Ｆ、及び位相シフト部１５Ｇとほぼ同じ構成の透過部１５Ｈ、位相シフト部１５Ｉ、透過部１５Ｊ、及び位相シフト部１５Ｋが設けられている。ただし、透過部１５Ｈは、直角三角形型の領域であり、位相シフト部１５Ｋ（第４位相シフト部）は、ラインパターン１４Ｂの位相シフト部（第２位相シフト部）と兼用されている。
【００３５】
さらに、内側パターン１３は、透過部１５Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１５Ｅ，１５Ｉ、ラインパターン１３Ａ，１３Ｂ、透過部１５Ｆ，１５Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを一体的に９０°回転した構成の、Ｙ方向に配列された透過部１６Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１６Ｅ，１６Ｉ、ラインパターン１３Ｃ，１３Ｄ、透過部１６Ｆ，１６Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを有する。ラインパターン１４Ａ及び１３Ａを含んで第１パターン群が構成され、ラインパターン１４Ｂ及び１３Ｂを含んで第２パターン群が構成され、ラインパターン１４Ｃ及び１３Ｃを含んで第３パターン群が構成され、ラインパターン１４Ｄ及び１３Ｄを含んで第４パターン群が構成されている。
【００３６】
即ち、第２パターン群は、透過部１５Ｈ、及びそれぞれＹ方向に伸びた位相シフト部１５Ｉ、ラインパターン１３Ｂ、透過部１５Ｊ、位相シフト部１５Ｋ、透過部１５Ｌ、ラインパターン１４Ｂ、位相シフト部１５Ｍ、透過部１５ＮをＸ方向に配列したものである。また、第３パターン群は、それぞれＸ方向にライン状に延びた位相シフト部１６Ａ、透過部１６Ｂ、ラインパターン１４Ｃ、位相シフト部１６Ｃ、透過部１６Ｄ、位相シフト部１６Ｅ、ラインパターン１３Ｃ、及び透過部１６Ｆと、位相シフト部１５ＧとをＹ方向に配列したものである。また、第４パターン群は、透過部１５Ｈ、及びそれぞれＸ方向に伸びた位相シフト部１６Ｉ、ラインパターン１３Ｄ、透過部１６Ｊ、位相シフト部１５Ｋ、透過部１６Ｌ、ラインパターン１４Ｄ、位相シフト部１６Ｍ、透過部１６ＮをＹ方向に配列したものである。
【００３７】
図２（Ａ）の第２及び第３の評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃは、第１の評価用パターン１２Ａと同様に内側パターン１３及び外側パターン１４から構成されている。図３（Ａ）において、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄの線幅は評価用パターン１２Ａのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄの線幅ａと同じである。ただし、第２の評価用パターン１２Ｂの透過部１５Ｂ，１５Ｆ，１５Ｊ，１５Ｌ，１６Ｂ，１６Ｆ，１６Ｊ，１６Ｌ及び位相シフト部１５Ｃ，１５Ｅ，１５Ｉ，１５Ｍ，１６Ｃ，１６Ｅ，１６Ｉ，１６Ｍの線幅ｂ１（図２（Ｂ）参照）は、対応する評価用パターン１２Ａの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂよりも広く設定されている。さらに、第３の評価用パターン１２Ｃの透過部１５Ｂ，１５Ｆ，１５Ｊ，１５Ｌ，１６Ｂ，１６Ｆ，１６Ｊ，１６Ｌ及び位相シフト部１５Ｃ，１５Ｅ，１５Ｉ，１５Ｍ，１６Ｃ，１６Ｅ，１６Ｉ，１６Ｍの線幅ｂ２は（図２（Ｂ）参照）、対応する評価用パターン１２Ａの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂよりも広く設定されている。従って、次の関係が成立している。
【００３８】
ｂ＜ｂ１＜ｂ２ …（１Ａ）
一例として、評価用パターン１２Ｂの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ１は、１００〜１４０ｎｍの範囲内で例えば１２０ｎｍに設定され、評価用パターン１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ２は、１８０〜２２０ｎｍの範囲内で例えば２００ｎｍに設定される。この場合にも式（１）において、線幅ｂの代わりにｂ１又はｂ２と置いた条件が満足されることが好ましい。即ち、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃにおいても、ラインパターン１３Ａ，１４Ａの線幅は、位相シフト部１５Ｃ等の線幅の４倍以上であることが好ましい。従って、線幅ｂ２が２００ｎｍであれば、ラインパターン１３Ａ，１４Ａの線幅ａは、２００ｎｍより太いことが好ましく、さらに６００ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００３９】
次に、第１の評価用パターン１２Ａの内側パターン１３のラインパターン１３Ａの像、及び外側パターン１４のラインパターン１４Ａの像のデフォーカス量と横ずれ量との関係につき図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して説明する。なお、説明の便宜上、投影光学系ＰＬはＸ方向に倒立像を形成するものとする。
図４（Ａ）に拡大して示すように、ラインパターン１３Ａの−Ｘ方向側の透過部１５Ｄ及び位相シフト部１５Ｅを透過する照明光ＩＬの波面１７Ａは、ほぼ時計回りに傾斜する。同様に、ラインパターン１３Ａの＋Ｘ方向側の透過部１５Ｆ及び位相シフト部１５Ｇを透過する照明光ＩＬの波面１７Ｂも時計回りに傾斜する。従って、ラインパターン１３Ａの両端部を通過する光束の中心の光線（以下、便宜的に主光線という）１７Ｃ，１７Ｄは、ほぼ平行に光軸ＡＸに対して時計回りに傾斜するため、ラインパターン１３Ａの投影光学系ＰＬによる像１３ＡＰのＸ方向の両端部を通過する主光線１７ＣＰ，１７ＤＰは光軸ＡＸに対して反時計回りに傾斜する。従って、投影光学系ＰＬの像面側に配置されたウエハＷの表面がベストフォーカス位置に対して＋Ｚ方向にＦＺだけデフォーカスすると、像１３ＡＰの位置は−Ｘ方向にΔＸだけシフトする。
【００４０】
一方、図４（Ｂ）に拡大して示すように、ラインパターン１４ＡのＸ方向の両側に配置された位相シフト部１５Ａ及び透過部１５Ｂと位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｄとを透過する照明光ＩＬの波面１８Ａ，１８Ｂは、ほぼ反時計回りに傾斜する。従って、ラインパターン１４Ａの両端部を通過する主光線１８Ｃ，１８Ｄは、ほぼ平行に光軸ＡＸに対して反時計回りに傾斜するため、ラインパターン１４Ａの投影光学系ＰＬによる像１４ＡＰのＸ方向の両端部を通過する主光線１８ＣＰ，１８ＤＰは光軸ＡＸに対して時計回りに傾斜する。従って、投影光学系ＰＬの像面側でウエハＷの表面がベストフォーカス位置に対して＋Ｚ方向にＦＺだけデフォーカスすると、像１４ＡＰの位置は＋Ｘ方向にΔＸだけシフトする。
【００４１】
従って、投影光学系ＰＬの像面側でウエハＷの表面がデフォーカスすると、図３（Ａ）の外側パターン１４のＸ方向に配列されたラインパターン１４Ａ，１４Ｂの像と内側パターン１３のラインパターン１３Ａ，１３Ｂの像とはＸ方向に沿って逆方向にシフトする。同様に、そのデフォーカスに対して、外側パターン１４のＹ方向に配列されたラインパターン１４Ｃ，１４Ｄの像と内側パターン１３のラインパターン１３Ｃ，１３Ｄの像とはＹ方向に沿って逆方向にシフトする。
【００４２】
その結果、評価用パターン１２Ａの投影光学系ＰＬによる像をウエハの表面に投影すると、そのウエハの表面がベストフォーカス位置（像面）にあるときには、図５（Ａ）に示すように、評価用パターン１２Ａの外側パターン１４の像１４Ｐ（ラインパターン１４Ａ〜１４Ｄの像１４ＡＰ〜１４ＤＰ）の中心１４Ｑと、内側パターン１３の像１３Ｐ（ラインパターン１３Ａ〜１３Ｄの像１３ＡＰ〜１３ＤＰ）の中心１３Ｑとは同じ位置にある。なお、説明の便宜上、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）及び後述の図６（Ｂ）、図６（Ｃ）等では、投影光学系ＰＬの像がＸ方向、Ｙ方向に正立像であるものとしている。
【００４３】
これに対してウエハの表面が＋Ｚ方向にデフォーカスすると、図５（Ｂ）に示すように、外側パターン１４の像１４Ｐの中心１４Ｑに対して内側パターン１３の像１３Ｐの中心１３Ｑは、−Ｘ方向にＤＸ及び−Ｙ方向にＤＹだけシフトする。また、ウエハの表面が−Ｚ方向にデフォーカスすると、図５（Ｃ）に示すように、外側パターン１４の像１４Ｐの中心１４Ｑに対して内側パターン１３の像１３Ｐの中心１３Ｑは、＋Ｘ方向にＤＸ及び＋Ｙ方向にＤＹだけシフトする。従って、予め例えば実測又はシミュレーションによって、ウエハの表面のデフォーカス量ＦＺに対する像１４Ｐの中心１４Ｑに対する像１３Ｐの中心１３ＱのＸ方向、Ｙ方向のシフト量（間隔の変化量）ＤＸ，ＤＹの割合である以下の検出レートＲｔを求めておけばよい。
【００４４】
Ｒｔ＝ＤＸ／ＦＺ …（２Ａ） 又は Ｒｔ＝ＤＹ／ＦＺ …（２Ｂ）
なお、式（２Ａ）及び（２Ｂ）の平均値を次のように検出レートＲｔとしてもよい。
Ｒｔ＝｛（ＤＸ＋ＤＹ）／２｝／ＦＺ …（３）
なお、検出レートＲｔは定数ではなく、デフォーカス量ＦＺの１次若しくは２次以上の関数でもよく、又は指数関数等の関数であってもよい。仮に式（３）を用いる場合、評価用パターン１２Ａの像を投影し、像１４Ｐに対する像１３Ｐのシフト量ＤＸ，ＤＹを計測し、このシフト量の平均値を検出レートＲｔで除算することによって、その像が投影された計測点におけるデフォーカス量ＦＺ、ひいてはベストフォーカス位置を求めることができる。
【００４５】
次に、図７（Ａ）は、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄの線幅ａ（ｎｍ）と、式（３）の検出レートＲｔ及び予測される最大のデフォーカス量の計測誤差ＺＥｒ（ｎｍ）との関係をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションの条件は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが１、照明光学系ＩＬＳ（照明光ＩＬ）のコヒーレンスファクタ（σ値）が０．２、位相シフト部１５Ｃ，１５Ｅ等の幅ｂが６０ｎｍである。計測誤差ＺＥｒとは、評価用パターン１２Ａの像の位置の計測誤差に起因するデフォーカス量の誤差と、式（３）に対する近似誤差（非線形誤差）との和である。
【００４６】
図７（Ａ）において、各線幅ａの位置にある白色の棒ブラフＢ１は、デフォーカス量ＦＺが±１００ｎｍの場合の検出レートＲｔ、ハッチングされた棒グラフＢ２は、デフォーカス量ＦＺが±２００ｎｍの場合の検出レートＲｔである。また、点線の折れ線Ｃ１は、デフォーカス量ＦＺが±１００ｎｍの範囲の計測誤差（ここでは、非線形誤差）ＺＥｒ（ｎｍ）、実線の折れ線Ｃ２は、デフォーカス量ＦＺが±２００ｎｍの範囲の計測誤差（ここでは、非線形誤差）ＺＥｒ（ｎｍ）である。図７（Ａ）から、線幅ａが６００ｎｍ以上では、検出レートＲｔ（棒グラフＢ１，Ｂ２）及び計測誤差ＺＥｒ（折れ線Ｃ１，Ｃ２）の値が一定になっておるため、投影光学系ＰＬのフォーカス情報の計測精度は一定になる。また、検出レートＲｔの直線性の良好な範囲はデフォーカス量がほぼ±２００ｎｍの範囲内であるが、線幅ａが６００ｎｍ以上でデフォーカス量が±１００ｎｍの範囲内（棒グラフＢ１及び折れ線Ｃ１）では、検出レートＲｔは０．６５を超え、計測誤差（非線形誤差）ＺＥｒは１ｎｍ以下と良好であることがわかる。
【００４７】
さらに、図７（Ｂ）は、デフォーカス量の計測誤差ＺＥｒを、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡ及び照明光ＩＬのコヒーレンスファクタ（σ値）を種々に変えて評価した結果の一例を示す。この場合、ラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ等の線幅ａを１０００ｎｍ、位相シフト部１５Ｃ等の幅ｂを６０ｎｍ、評価用パターン１２Ａの像位置の計測誤差を０．５ｎｍ、デフォーカス量ＦＺを±１００ｎｍとしている。図７（Ｂ）において、曲線で囲まれた領域Ｄ１の計測誤差（非線形誤差と計測再現性の和）ＺＥｒは１〜１．５ｎｍ、領域Ｄ２の計測誤差ＺＥｒは１．５〜２ｎｍ、領域Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、…の計測誤差ＺＥｒはそれぞれ２〜２．５ｎｍ、２．５〜３ｎｍ、３〜３．５ｎｍ、…と、０．５ｎｍずつ多くなっている。図７（Ｂ）より、領域Ｄ１及びＤ２では計測誤差ＺＥｒがほぼ２ｎｍ以下となり、高精度にデフォーカス量を計測できることが分かる。また、領域Ｄ１，Ｄ２における開口数ＮＡとσ値との組み合わせの範囲はかなり広いため、開口数ＮＡが１．３に達するように大きい場合でも、さらに種々の照明条件及び開口数の条件のもとでも、高精度にデフォーカス量を計測できることが分かる。
【００４８】
また、本実施形態では、評価用パターン１２Ａの他に評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃが設けられ、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂに対して評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ１，ｂ２は次第に広く設定されている。一例として、線幅ｂを６５ｎｍ、線幅ｂ１を１２０ｎｍ、線幅ｂ２を２００ｎｍとした場合について、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像のデフォーカス量ＦＺと、対応する評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの内側パターン１３の像と外側パターン１４の像とのＸ方向、Ｙ方向へのシフト量ＳＸＹとの関係をシミュレーションで求めた結果を図８に示す。このシミュレーションの条件は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが０．９２、照明条件がσ値が０．２５の通常照明である。また、図８の横軸はデフォーカス量ＦＺ（ｎｍ）、縦軸はシフト量ＳＸＹ（ｎｍ）であり、曲線Ｃ３、曲線Ｃ４、及び曲線Ｃ５は、それぞれ評価用パターン１２Ａ（線幅ｂ）、評価用パターン１２Ｂ（線幅ｂ１）、及び評価用パターン１２Ｃ（線幅ｂ２）の像の特性を示している。
【００４９】
図８から、デフォーカス量ＦＺがほぼ±４００ｎｍまでの範囲では曲線Ｃ３がほぼ線形であり、デフォーカス量ＦＺがほぼ±４００〜±８００ｎｍの範囲では曲線Ｃ４がほぼ線形であり、デフォーカス量ＦＺがほぼ±８００〜±１６００ｎｍの範囲では曲線Ｃ５がほぼ線形であることが分かる。従って、例えばデフォーカス量が±４００ｎｍまでの範囲では、評価用パターン１２Ａの像のシフト量ＳＸＹからデフォーカス量ＦＺを求め、デフォーカス量が±４００〜±８００ｎｍの範囲では、評価用パターン１２Ｂの像のシフト量ＳＸＹからデフォーカス量ＦＺを求め、デフォーカス量が±８００〜±１６００ｎｍの範囲では、評価用パターン１２Ｃの像のシフト量ＳＸＹからデフォーカス量ＦＺを求めることによって、ほぼ３０００ｎｍ（３μｍ）程度の広い計測レンジ内で投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を高精度に計測できる。
【００５０】
この際に、３種類の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの計測値のうち、評価用パターン１２Ｃの像シフト量の絶対値が予め定めた一定値（例えば２００ｎｍ）以上の場合には、デフォーカス量を評価用パターン１２Ｃの像シフト量から求めてもよい。そして、その値が上記一定値より小さい場合に、評価用パターン１２Ｂの像シフト量の絶対値が別に定めた値（例えば８０ｎｍ）以上ならば、デフォーカス量を評価用パターン１２Ｂの像シフト量から求め、評価用パターン１２Ｂの像シフト量の絶対値が上記の値より小さいときは、デフォーカス量を評価用パターン１２Ａの像シフト量から求めてもよい。
【００５１】
さらに、図９は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを１．３５（液浸時）、照明条件をσ値が０．２５の通常照明とした場合に、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂを次第に変化させて、ウエハの表面のデフォーカス量ＦＺと、内側パターン１３の像に対する外側パターン１４の像のシフト量ＺＸＹとの関係をシミュレーションで求めたものである。図９において、横軸はデフォーカス量ＦＺ（ｎｍ）、縦軸はシフト量ＳＸＹ（ｎｍ）であり、曲線Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５、Ｃ１６、及びＣ１７は、それぞれ位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂが２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、及び１４０ｎｍの場合の関係を表している。図９の曲線Ｃ１１〜Ｃ１７より、開口数ＮＡが１．３５と大きい場合にも、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ，ｂ１，ｂ２をそれぞれ例えば４０ｎｍ、８０ｎｍ、１４０ｎｍに設定することによって、デフォーカス量を±３００ｎｍ程度の広い計測レンジ内で計測できることが分かる。
【００５２】
さらに、図１０（Ａ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを０．９２、照明条件をσ値が０．８０の通常照明とした場合に、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔ（像のシフト量／デフォーカス量）をシミュレーションで求めたものである。また、図１０（Ｂ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを１．３５、照明条件をσ値が０．８０の通常照明とした場合に、位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔをシミュレーションで求めたものである。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）より、σ値が大きい場合にも、線幅ｂと検出レートＲｔとの関係が安定しているため、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ，ｂ１，ｂ３を適切に設定することによって、被検面の投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を広い計測レンジ内で高精度に計測できることが分かる。
【００５３】
次に、本実施形態の露光装置ＥＸにおいて、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測する際の動作の一例につき図１１のフローチャートを参照して説明する。この動作は、主制御系２の制御のもとで、例えば露光工程中で定期的に実行される。
まず、図１１のステップ１０２において、図１のレチクルステージＲＳＴにフォーカステストレチクルＴＲをロードし、そのアライメントを行う。次のステップ１０４において、ウエハステージＷＳＴにフォトレジストが塗布された未露光の評価用のウエハ（ウエハＷとする）をロードする。次のステップ１０６において、図６（Ａ）に示すように、ウエハＷの多数のショット領域ＳＡｋ（ｋ＝１〜Ｋ；Ｋは２以上の整数）に、液浸法でかつ走査露光方式で、図２（Ａ）のフォーカステストレチクルＴＲの多数組の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの投影光学系ＰＬによる像を露光する。この際に、各ショット領域ＳＡｋ毎に露光領域に対する走査方向が＋Ｙ方向ＤＰであるか、又は−Ｙ方向ＤＭであるかが記憶される。また、各ショット領域ＳＡｋには、図６（Ｂ）に拡大して示すように、Ｘ方向、Ｙ方向に配列された各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｉ；ｊ＝１〜Ｊ）の近傍にそれぞれ評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像１２ＡＰ〜１２ＣＰが露光される。そのうちの像１２ＡＰは、図５（Ａ）に示すような外側パターン１４の像１４Ｐ及び内側パターン１３の像１３Ｐから構成されている。
【００５４】
次のステップ１０８において、露光済みのウエハＷをウエハステージＷＳＴからアンロードし、不図示のコータ・デベロッパにおいてウエハＷを現像する。この結果、図６（Ｂ）のウエハＷの各ショット領域ＳＡｋ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍に、図６（Ｃ）の拡大図で示すように、評価用パターン１２Ａの像１２ＡＰを構成する内側パターン１３の像１３Ｐ及び外側パターン１４の像１４Ｐが凹凸のレジストパターンとして形成される。同様に、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの像のレジストパターン（不図示）も形成される。
【００５５】
次のステップ１１０において、現像後のウエハＷを重ね合わせ計測装置（不図示）に搬送し、この重ね合わせ計測装置を用いて、ウエハＷの各ショット領域ＳＡｋ（ｋ＝１〜Ｋ）の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の評価用パターン１２Ａの像１２ＡＰ（図６（Ｃ））において、外側パターン１４の像１４Ｐの中心１４Ｑに対する内側パターン１３の像１３Ｐの中心１３ＱのＸ方向、Ｙ方向のシフト量（ΔＸｉｊ，ΔＹｉｊ）（像の位置関係）を計測する。同様に、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの像に関しても、外側パターン１４の像の中心に対する内側パターン１３の像の中心のＸ方向、Ｙ方向のシフト量（ΔＸｉｊ，ΔＹｉｊ）（像の位置関係）を計測する。これらのシフト量の計測結果は図１の主制御系２に供給される。
【００５６】
次のステップ１１２において、主制御系２内の演算部は、計測された評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像１２ＡＰ等のシフト量（ΔＸｉｊ，ΔＹｉｊ）の平均値を式（３）の既知の検出レートＲｔで除算して、それぞれ当該計測点Ｑ（ｉ，ｊ）でのデフォーカス量ＦＺｉｊを求める。この際に、図８より、評価用パターン１２Ｃの像から計測されたデフォーカス量が±８００〜±１６００ｎｍの範囲では、その計測値をデフォーカス量ＦＺｉｊとする。また、評価用パターン１２Ｂの像から計測されたデフォーカス量が±４００〜±８００ｎｍの範囲では、その計測値をデフォーカス量ＦＺｉｊとする。また、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの像から計測されるデフォーカス量が±４００ｎｍ以内である場合には、評価用パターン１２Ａの像から計測されるデフォーカス量をデフォーカス量ＦＺｉｊとする。
【００５７】
さらに、ステップ１１４において、主制御系２内の演算部は、ウエハＷのショット領域ＳＡｋを露光領域に対する走査方向ＤＰ，ＤＭ別に第１グループ及び第２グループに分け、第１グループのショット領域ＳＡｋ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるデフォーカス量ＦＺｉｊの平均値＜ＦＺｉｊ＞を補間した値を、走査方向ＤＰの露光フィールド内の全面の像面の補正値として記憶する。同様に、第２グループのショット領域ＳＡｋ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるデフォーカス量ＦＺｉｊの平均値＜ＦＺｉｊ＞を補間した値が、走査方向ＤＭの露光フィールド内の全面の像面の補正値として記憶される。
【００５８】
その後、ステップ１１６で図１のレチクルステージＲＳＴにデバイス用のレチクルＲがロードされ、ステップ１１８で、ウエハステージＷＳＴにフォトレジストが塗布されたウエハがロードされる。そして、ステップ１２０において、ウエハに対してステップ１１４で記憶した走査方向別の像面の補正値を用いてオートフォーカスセンサ３７で計測されるＺ位置を補正しながら、ウエハの各ショット領域にレチクルＲのパターンの像を走査露光する。この際に、フォーカステストレチクルＴＲの各評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像に基づいて計測されたデフォーカス量を補正するように、オートフォーカスセンサ３７の計測値が補正されているため、ウエハの表面の投影光学系ＰＬの像面に対する合焦精度が向上している。従って、レチクルＲのパターンの像がウエハの各ショット領域に高精度に露光される。
【００５９】
その後、ステップ１２２で露光済みのウエハがアンロードされ、ステップ１２４で次の露光対象のウエハがあるかどうかを判定し、未露光のウエハがある場合にはステップ１１８〜１２２を繰り返す。そして、ステップ１２４で未露光のウエハが尽きたときに露光工程が終了する。
【００６０】
本実施形態の効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測するためのフォーカステストレチクルＴＲを備えている。フォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃはそれぞれ外側パターン１４（テストパターン）を有する。この外側パターン１４は、それぞれＹ方向（第１方向）にライン状に延びたＸ方向（第２方向）の線幅ａの位相シフト部１５Ａ（第２位相シフト部）、線幅ａより狭い線幅ｂ，ｂ１，ｂ２の透過部１５Ｂ（第１透過部）、線幅ａのラインパターン１４Ａ（第１遮光部）、線幅ｂ，ｂ１，ｂ２の位相シフト部１５Ｃ（第１位相シフト部）、及び幅ａの透過部１５Ｄ（第２透過部）をＸ方向に配列したものである。さらに、評価用パターン１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂ，ｂ１，ｂ２は互いに異なっている。
【００６１】
このフォーカステストレチクルＴＲによれば、ラインパターン１４Ａの＋Ｘ方向側の位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｄを通過する照明光ＩＬの主光線と、ラインパターン１４Ａの−Ｘ方向側の位相シフト部１５Ａ及び透過部１５Ｂを通過する照明光ＩＬの主光線とは、同じ方向に傾斜する。従って、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像を一度露光するのみで、各ラインパターン１４Ａの像のＸ方向の横ずれ量から、その像面の形成面の投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量、ひいてはフォーカス情報を高い計測効率で求めることができる。さらに、ラインパターン１４Ａの線幅ａは位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂの幅ｂよりも広いため、そのフォーカス情報を高い計測再現性で計測できる。さらに、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂ，ｂ１，ｂ２が互いに異なっているため、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの計測レンジを組み合わせることによって、全体として計測レンジを広くできる。
【００６２】
（２）また、本実施形態では、透過部１５ＢのＸ方向の幅ｂ〜ｂ２は位相シフト部１５ＣのＸ方向の幅ｂ〜ｂ２と同じであり、デフォーカスに対するラインパターン１４Ａの像の両端部の横ずれ量がほぼ同じで、その像の線幅はほぼ一定である。
なお、透過部１５ＢのＸ方向の幅と位相シフト部１５ＣのＸ方向の幅とは異なっていてもよい。
【００６３】
また、透過部１５Ｄ（第２透過部）は必ずしも設ける必要はない。
（３）また、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃは、それぞれ外側パターン１４の像の位置ずれを計測するための内側パターン１３（補助パターン）を有する。従って、外側パターン１４の像の位置ずれ量、ひいてはデフォーカス量を高精度に計測できる。
なお、内側パターン１３をテストパターンとみなし、外側パターン１４を補助パターンとみなすことも可能である。
【００６４】
（４）また、その内側パターン１３は、それぞれＹ方向にライン状に延びたＸ方向の幅ａの透過部１５Ｄ（第４透過部）、幅ｂ〜ｂ２の位相シフト部１５Ｅ（第３位相シフト部）、線幅ａのラインパターン１３Ａ（第２遮光部）、幅ｂ〜ｂ２の透過部１５Ｆ（第３透過部）、及び平均的な幅がａ以上の位相シフト部１５Ｇ（第４位相シフト部）をＸ方向に配列したものである。
【００６５】
この内側パターン１３のラインパターン１３ＡのＸ方向の両側の位相分布は、外側パターン１４のラインパターン１４ＡのＸ方向の両側の位相分布と対称であるため、デフォーカスした場合のラインパターン１３Ａの像の横ずれ量の方向と、ラインパターン１４Ａの像の横ずれ量の方向とはＸ方向に沿って逆方向である。従って、デフォーカス量を２倍の感度で、かつオフセットを相殺して高精度に計測できる。
【００６６】
なお、補助パターンとしては、計測感度は低下するが、単なる遮光性のラインパターンを使用することも可能である。
（５）また、本実施形態の投影光学系ＰＬのフォーカス情報の計測方法は、本実施形態のフォーカステストレチクルＴＲを投影光学系ＰＬの物体面に配置するステップ１０２と、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ（外側パターン１４及び内側パターン１３）の投影光学系ＰＬによる像をウエハＷの表面（計測面）に投影するステップ１０６，１０８と、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像の計測方向の位置情報である外側パターン１４の像と内側パターン１３の像との間隔を計測するステップ１１０とを含む。従って、その像の間隔（シフト量）から投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を広い計測レンジで計測できる。
【００６７】
（６）また、その像を投影するステップは、ウエハＷのフォトレジストを現像するステップ１０８を含んでいる。従って、その像の間隔を例えば重ね合わせ計測装置を用いて高精度に計測できる。
（７）また、本実施形態の露光装置ＥＸは、照明光ＩＬでレチクルＲのパターンを照明し、照明光ＩＬでそのパターン及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷ（基板）を露光する露光装置において、フォーカステストレチクルＴＲを保持するレチクルステージＲＳＴと、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの投影光学系ＰＬによる像を投影させるとともに、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像の計測方向の位置情報に基づいて、投影光学系ＰＬの像面の補正値（像面情報）を求める主制御系２（制御装置）とを備えている。
【００６８】
従って、レチクルステージＲＳＴ上のレチクルをフォーカステストレチクルＴＲと交換して、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像を評価用のウエハに露光するのみで、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を効率的に高精度に、かつ広い計測レンジで計測できる。
なお、本実施形態において、外側パターン１４が透過部１５Ｄ及び１６Ｄを備える構成について説明したが、この透過部１５Ｄ及び１６Ｄは、内側パターン１３が備える構成であってもよい。同様に、外側パターン１４が位相シフト部１５Ｋを備える構成について説明したが、この位相シフト部１５Ｋは、内側パターン１３が備える構成であってもよい。
【００６９】
なお、本実施形態では次のような変形が可能である。
（１）本実施形態では、フォーカステストレチクルＴＲの各計測点の近傍にそれぞれ３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃが形成されているが、各計測点の近傍には評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃのうちの２つの評価用パターンのみを形成しておき、２つの評価用パターンの像からデフォーカス量を計測してもよい。これによっても、デフォーカス量の計測レンジを広くできる。
【００７０】
さらに、各計測点の近傍に４個以上の互いに透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅が異なる評価用パターンを形成しておき、これらの評価用パターンの像からデフォーカス量を計測してもよい。
（２）また、本実施形態では、照明条件は通常照明であるが、他の照明条件であっても同様にデフォーカス量が計測できる。
【００７１】
一例として、図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが１．３０の場合に、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔ（像のシフト量／デフォーカス量）をシミュレーションによって求めた結果を示す。また、図１２（Ａ）の場合の照明条件は、外側のσ値が０．９５で、内側のσ値の比率σＲが０．７５の輪帯照明であり、図１２（Ｂ）の場合の照明条件は、σ値が０．９５〜０．７５の範囲で各二次光源の広がり角が３５°の４極照明であり、図１２（Ｃ）の照明条件は、図３（Ａ）のＸ方向に対応する方向に離れた２つの二次光源を用いる２極照明であり、図１２（Ｄ）の照明条件は、図３（Ａ）のＹ方向に対応する方向に離れた２つの二次光源を用いる２極照明である。
【００７２】
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）より、輪帯照明又は４極照明であれば、線幅ｂの広い範囲で検出レートＲｔが安定しているため、デフォーカス量を高精度に広い計測レンジで計測できることが分かる。また、図１２（Ｃ）及び図１２（Ｄ）より、２極照明であっても、検出レートＲｔが比較的安定している範囲内の線幅ｂを持つ評価用パターンを組み合わせることによって、デフォーカス量を高精度に広い計測レンジで計測できることが分かる。
【００７３】
（３）また、本実施形態では、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）のラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄは遮光パターンであるが、ラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄとして、所定の透過率を持ついわゆるハーフトーンパターンを使用してもよい。
一例として、図１３（Ａ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが１．３５で、照明条件が外側のσ値が０．９５で、内側のσ値の比率σＲが０．７５の輪帯照明であり、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄが透過率６％で位相が１８０°遅れるハーフトーンパターンである場合に、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔ（像のシフト量／デフォーカス量）をシミュレーションによって求めた結果を示す。また、図１３（Ｂ）は、同じ条件下で、位相シフト部１５Ｃ（位相が９０°進むものとしている）等の線幅ｂが１６０ｎｍの場合に、デフォーカス量ＦＺ（ｎｍ）と評価用パターン１２Ａの内側パターン１３の像と外側パターン１４の像とのシフト量ＳＸＹ（ｎｍ）をシミュレーションによって求めた結果を示す。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）より、ハーフトーンパターンを用いる場合にも、安定した検出レートＲｔで高精度にデフォーカス量を計測できることが分かる。
【００７４】
（４）また、本実施形態では、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）は、Ｘ方向及びＹ方向に等方的な形状である。しかしながら、例えば図３（Ａ）の２つの評価用パターン１２Ａ，１２Ｂの代わりに、図１４の一つの非等方的な評価用パターン６０を使用することも可能である。
図３（Ａ）に対応する部分に同一符号を付した図１４において、評価用パターン６０は、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘ及び内側パターン１３Ｘと、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙ及び内側パターン１３Ｙとを有する。そして、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘは、Ｘ方向に配列された位相シフト部１５Ａ，１５Ｋ、透過部１５Ｂ，１５Ｌ、ラインパターン１４Ａ，１４Ｂ、位相シフト部１５Ｃ，１５Ｍ、及び透過部１５Ｄ，１５Ｎを有し、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙは、Ｙ方向に配列された位相シフト部１６Ａ，１５Ｋ、透過部１６Ｂ，１６Ｌ、ラインパターン１４Ｃ，１４Ｄ、位相シフト部１６Ｃ，１６Ｍ、及び透過部１６Ｄ，１６Ｎを有する。同様に、Ｘ方向の内側パターン１３Ｘは、透過部１５Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１５Ｅ，１５Ｉ、ラインパターン１３Ａ，１３Ｂ、透過部１５Ｆ，１５Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを有し、Ｙ方向の内側パターン１３Ｙは、Ｙ方向に配列された透過部１６Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１６Ｅ，１６Ｉ、ラインパターン１３Ｃ，１３Ｄ、透過部１６Ｆ，１６Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを有する。
【００７５】
ただし、評価用パターン６０においては、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘ及び内側パターン１３Ｘにおける透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂと、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙ及び内側パターン１３Ｙにおける透過部１６Ｂ及び位相シフト部１６Ｃ等の線幅ｂ１とは異なっている。一例として、線幅ｂは５０〜７０ｎｍの範囲内で例えば６５ｎｍに設定され、線幅ｂ１は１００〜１４０ｎｍの範囲内で例えば１２０ｎｍに設定される。
【００７６】
この結果、図１４の評価用パターン６０の像を投影すると、露光面のデフォーカス量と、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘ及び内側パターン１３Ｘの像のシフト量との関係は、図８の曲線Ｃ３のようになる。一方、露光面のデフォーカス量と、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙ及び内側パターン１３Ｙの像のシフト量との関係は、図８の曲線Ｃ４のようになる。従って、Ｘ方向の像の位置ずれ量から計測されるデフォーカス量と、Ｙ方向の像の位置ずれ量から計測されるデフォーカス量とを組み合わせることによって、広い計測レンジで高精度にデフォーカス量を計測できる。また、このように一つの評価用パターン６０で、異なる線幅ｂ，ｂ１を持つ２つの評価用パターン１２Ａ，１２Ｂを兼用できるため、フォーカステストレチクルＴＲ内の計測点数を容易に多くできる。
【００７７】
（５）また、本実施形態では、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像をウエハに露光し、現像後に形成されるレジストパターンの位置関係を重ね合わせ計測装置を用いて計測している。
しかしながら、露光装置ＥＸは空間像計測系３４を備えている。そこで、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの投影光学系ＰＬによる像（空間像）を図１の空間像計測系３４のスリットパターン３０ＡでＸ方向、Ｙ方向に走査して、空間像計測系３４によってその空間像の光強度分布を計測してもよい。この計測結果から評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの外側パターン１４の像と内側パターン１３の像との間隔を求め、この間隔からデフォーカス量を求めることによって、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を求めることができる。
【００７８】
（６）本実施形態では、フォーカステストレチクルＴＲをレチクルＲと交換してレチクルステージＲＳＴ上にロードしているが、フォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ等を、レチクルステージＲＳＴのレチクルＲが保持される領域に近接した領域に固定されているレチクルマーク板（不図示）に形成しておいてもよい。この場合、必要に応じて、レチクルステージＲＳＴを移動して、そのレチクルマーク板を照明光ＩＬの照明領域に移動することで、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測できる。
【００７９】
（７）また、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）は、内側パターン１３及び外側パターン１４を備えているが、評価用パターン１２Ａ等は、例えば位相シフト部１５Ａ，１５Ｃ、透過部１５Ｂ，１５Ｄ、及びラインパターン１４Ａのみから構成してもよい。さらに、評価用パターン１２Ａ等は、例えば位相シフト部１５Ａ，１５Ｃ、透過部１５Ｂ，１５Ｄ、及びラインパターン１４Ａよりなるテストパターン、並びに例えば位相シフト部１５Ｅ，１５Ｇ、透過部１５Ｄ，１５Ｆ、及びラインパターン１３Ａよりなる補助パターンのみから構成してもよい。
【００８０】
（８）また、上記の実施形態のフォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ（テストパターン）等の像の計測方向の位置情報（像シフト量）を計測する際に、複数の評価用パターンのうち、照明条件、計測感度（検出レートＲｔ）、及び計測レンジ（計測可能範囲）の少なくとも一つの条件に関してより適した、即ちその条件に関する特性が最も良好な評価用パターンの像の計測方向の位置情報を計測してもよい。
【００８１】
なお、本発明は液浸型の露光装置で露光する場合のみならず、液体を介さないドライ露光型の露光装置の投影光学系のフォーカス情報を計測する場合にも適用できる。また、本発明は、走査露光型の露光装置の外に、ステッパー等の一括露光型の露光装置において投影光学系のフォーカス情報を計測する場合にも適用できる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の露光工程にも適用することができる。
【００８２】
さらに、本発明では評価用パターンの透過部と位相シフト部との位相差が９０°に限定されないため、その評価用パターンは、光源から複数の波長、例えば水銀ランプから放射されるｉ線、ｈ線、ｇ線の混合光を用いる投影露光装置のデフォーカス計測にも適用可能である。
また、上記の実施形態のフォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ等（位相シフト部１５Ｃの線幅が互いに異なっている複数の評価用パターン）を用いて、各評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ等毎の計測感度（検出レートＲｔ）及び計測レンジを求めてもよい。そして、その求められた結果から、例えば計測感度及び／又は計測レンジの良好な１〜３種類程度の評価用パターンを実際のデバイス製造用の回路パターンが形成されたレチクル（製品マスク）の一部に形成しておいてもよい。この場合、そのデバイス製造用のレチクルを用いる露光工程中で、必要に応じてその評価用パターンを用いてその実露光用のレチクルのパターンの像のデフォーカス量を計測できる。
【００８３】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【符号の説明】
【００８４】
ＥＸ…露光装置、ＩＬＳ…照明光学系、ＴＲ…フォーカステストレチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、２…主制御系、１２Ａ〜１２Ｃ…評価用パターン、１３…内側パターン、１３Ａ〜１３Ｄ…ラインパターン、１４…外側パターン、１４Ａ〜１４Ｄ…ラインパターン、１５Ａ，１５Ｃ，１５Ｅ…位相シフト部、１５Ｂ，１５Ｄ，１５Ｆ…透過部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影光学系のフォーカス情報（像面情報）を計測するためのパターンが形成されたフォーカステストマスク、このフォーカステストマスクを用いて投影光学系のフォーカス情報を計測するフォーカス計測方法、及びそのフォーカステストマスクを備える露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイス等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィ工程中で使用される露光装置においては、投影光学系の像面（ベストフォーカス位置）の情報であるフォーカス情報を計測するために、投影光学系の物体面にテストマスクを配置するとともに投影光学系の像面に基板等を配置し、そして、テストマスクに設けられた所定の評価用パターンを投影光学系を介して基板等に投影し、その評価用パターンの像の位置ずれ量等を計測することが行われている。
【０００３】
従来の第１の計測方法として、２本の遮光膜よりなるラインパターン間の各ラインパターンの線幅よりも広いスペース部に照明光の位相を変化させる位相変更部を設けた評価用パターンを用い、この評価用パターンの投影光学系による像をフォトレジストが塗布された基板上に露光する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、現像後にその基板に形成される２本のライン状のレジストパターンの間隔からその基板の表面のデフォーカス量、ひいては像面の位置を求めることができる。
【０００４】
また、従来の第２の計測方法として、例えば４本以上の複数の遮光ラインを含み各遮光ラインの外側の位相分布が計測方向に非対称とされた回折格子状の評価用パターンの像と、その複数の遮光ラインの像のうち外側の不要な遮光ラインの像を消すためのトリムパターンの像とをウエハに重ねて露光する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。この場合にも、残された中央の複数の遮光ラインの像のシフト量から、ウエハの表面のデフォーカス量を求めることができる。
【０００５】
また、従来の第３の計測方法として、複数のラインパターンの近傍にこれらのラインパターンの線幅よりも広い位相シフト部を設けた評価用パターンの空間像の横ずれ量を計測する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。この場合にも、各ラインパターンの像の横ずれ量から受光面のデフォーカス量を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０４３０５号公報
【特許文献２】特許第３２９７４２３号明細書
【特許文献３】国際公開第２００５／００４２１１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のフォーカス情報の計測方法のうち、第１及び第３の計測方法は、ラインパターンの線幅に比べてそれに接する（又はその近傍の）位相シフト部の幅が広く、計測感度（像の横ずれ量／デフォーカス量）を高めるためにはラインパターンの線幅を狭くすることが好ましい。しかしながら、ラインパターンの線幅を狭くすると、計測再現性が低下する恐れがあるとともに、現像後のレジストパターンの像を観察する場合には、レジストパターンの倒れ等が生じる恐れがある。さらに、そのようにラインパターンの線幅が狭いと、投影光学系の開口数が高い場合に、特にラインパターンの像の投影面がベストフォーカス位置に近い範囲で、計測感度が低下する恐れがある。
【０００８】
また、従来の第２の計測方法は、不要なパターンの像を消すために２回の露光を行う必要があるため、計測効率が低く、かつ計測マークからの０次光と、＋１次光又は−１次光との干渉を用いて計測パターン像を計測するため、計測可能な照明条件が小σに限られるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑み、投影光学系のフォーカス情報を高い計測再現性で、かつ高い計測効率で計測することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、投影光学系を介して物体上に投影される複数のテストパターンが設けられたフォーカステストマスクが提供される。このフォーカステストマスクにおいて、その複数のテストパターンは、それぞれ第１方向にライン状に延び、光を遮光する第１遮光部と、その第１方向と直交する第２方向に関してその第１遮光部の一方側に設けられ、その第１方向にライン状に延びるとともに、その第２方向に関する線幅がその第１遮光部の線幅より狭く形成され、透過するその光の位相を変化させる第１位相シフト部と、その第２方向に関してその第１遮光部の他方側に設けられ、その第１方向にライン状に延びるとともに、その第２方向に関する線幅がその第１遮光部の線幅より狭く形成され、その光を透過する第１透過部と、その第２方向に関してその第１透過部のその第１遮光部とは反対側に設けられ、その第２方向に関する線幅がその第１透過部より広く形成され、透過するその光の位相を変化させる第２位相シフト部と、を有し、その複数のテストパターンのその第１位相シフト部及びその第１透過部のその第２方向の線幅が互いに異なっている。
【００１０】
また、本発明の第２の態様によれば、投影光学系の像面情報を計測するフォーカス計測方法において、本発明の第１の態様によるフォーカステストマスクをその投影光学系の物体面側に配置する工程と、そのフォーカステストマスクに設けられたそのテストパターンのその投影光学系による像を計測面に投影する工程と、そのテストパターンの像の計測方向の位置情報を計測する工程と、を含むフォーカス計測方法が提供される。
【００１１】
また、本発明の第３の態様によれば、露光光でマスクのパターンを照明し、その露光光でそのパターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、本発明の第１の態様によるフォーカステストマスクを保持するマスクステージと、そのフォーカステストマスクのそのテストパターンのその投影光学系による像を投影させるとともに、そのテストパターンの像の計測方向の位置情報に基づいて、その投影光学系の像面情報を求める制御装置と、を備える露光装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のフォーカステストマスクによれば、各テストパターンの第１遮光部に対して第２方向の一方に第１位相部が設けられ、その第２方向の他方に第１透過部及び第２位相部が設けられているため、その第２方向に対応する方向におけるその第１遮光部の像の横ずれ量から、投影光学系の像面に対するデフォーカス量、ひいてはフォーカス情報を高い計測効率で求めることができる。この場合、その第１遮光部の幅は第１位相部の幅よりも広いため、そのフォーカス情報を高い計測再現性で計測できる。さらに、複数のテストパターンの第１位相部及び第１透過部の線幅が互いに異なっているため、各テストパターンの計測レンジを組み合わせることによって、計測レンジを広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態の一例に係る露光装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】（Ａ）はフォーカステストレチクルＴＲを示す平面図、（Ｂ）は図２（Ａ）の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍の３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃを示す拡大図である。
【図３】（Ａ）は図２（Ａ）中の一つの評価用パターン１２Ａを示す拡大平面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＢＢ線に沿う断面図である。
【図４】（Ａ）はラインパターン１３Ａの像のデフォーカス量と横ずれ量との関係の一例を示す図、（Ｂ）はラインパターン１４Ａの像のデフォーカス量と横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は、それぞれ外側パターン１４の像１４Ｐと内側パターン１３の像１３Ｐとの位置ずれ量の変化を示す拡大図である。
【図６】（Ａ）はフォーカステストレチクルＴＲのパターンの像が露光されたウエハＷを示す平面図、（Ｂ）は図６（Ａ）中の一つのショット領域ＳＡｋを示す拡大平面図、（Ｃ）は図６（Ｂ）中の一つの評価用パターン１２Ａの像１２ＡＰを示す拡大図である。
【図７】（Ａ）はラインパターンの線幅と検出レートＲｔ及び計測誤差ＺＥｒとの関係の一例を示す図、（Ｂ）は投影光学系の開口数及びコヒーレンスファクタと計測誤差との関係の一例を示す図である。
【図８】３つの評価用パターンのデフォーカス量と像の横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図９】投影光学系の開口数が大きい場合の種々の評価用パターンのデフォーカス量と像の横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれコヒーレンスファクタが大きい場合の評価用パターンの位相シフト部の線幅と検出レートとの関係を示す図である。
【図１１】フォーカス情報の計測動作の一例を示すフローチャートである。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｂ）はそれぞれ通常照明と異なる照明条件下における評価用パターンの位相シフト部の線幅と検出レートとの関係を示す図である。
【図１３】（Ａ）は第１変形例における評価用パターンの位相シフト部の線幅と検出レートとの関係を示す図、（Ｂ）は第１変形例におけるデフォーカス量と像の横ずれ量との関係の一例を示す図である。
【図１４】第２変形例の評価用パターン６０を示す拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図１〜図１１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るスキャニングステッパー（スキャナー）よりなる走査露光型の露光装置ＥＸの概略構成を示す。図１において、露光装置ＥＸは、露光光源（不図示）と、この露光光源から射出される照明光（露光光）ＩＬによりレチクルＲ（マスク）を照明する照明光学系ＩＬＳとを備えている。さらに、露光装置ＥＸは、レチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴと、レチクルＲから射出された照明光ＩＬをウエハＷ（基板）の表面に投射する投影光学系ＰＬと、ウエハＷの位置決め及び移動を行うウエハステージＷＳＴと、装置全体の動作を統括制御するコンピュータよりなる主制御系２と、その他の駆動系等とを備えている。
【００１５】
以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸと平行にＺ軸を取り、これに垂直な面（ほぼ水平面）内の直交する２方向にＸ軸及びＹ軸を取り、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸に平行な軸の回りの回転（傾斜）方向をそれぞれθｘ、θｙ、及びθｚ方向として説明を行う。本実施形態では、走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ軸に平行な方向（Ｙ方向）である。
【００１６】
露光光源としてはＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）が使用されている。露光光源として、それ以外にＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）などの紫外パルスレーザ光源、ＹＡＧレーザの高調波発生光源、固体レーザ（半導体レーザなど）の高調波発生装置、又は水銀ランプ等の放電ランプ等も使用することができる。
照明光学系ＩＬＳは、例えば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、回折光学素子等を含み瞳面の光量分布を円形、輪帯状、又は複数極の領域等に設定する光量分布設定光学系、オプティカルインテグレータ（フライアイレンズ、ロッドインテグレータなど）等を含む照度均一化光学系、レチクルブラインド（可変視野絞り）、及びコンデンサ光学系等を含んでいる。
【００１７】
照明光学系ＩＬＳは、レチクルＲのパターン面（レチクル面）において、パターン領域ＰＡ上のＸ方向（非走査方向）に細長い矩形の照明領域１０Ｒを照明光ＩＬによりほぼ均一な照度で照明する。照明光ＩＬのもとで、レチクルＲの照明領域１０Ｒ内の回路パターンは、両側テレセントリック（又はウエハ側に片側テレセントリック）の投影光学系ＰＬを介して所定の投影倍率（例えば１／４，１／５等の縮小倍率）で、ウエハＷの一つのショット領域ＳＡ上の露光領域１０Ｗ（照明領域１０Ｒと共役な領域）に投影される。ウエハＷは、例えばシリコン半導体又はＳＯＩ(silicon on insulator)等からなる直径が２００〜４５０ｍｍ程度の円板状の基材の表面にフォトレジスト（感光材料）を塗布した基板である。投影光学系ＰＬは例えば屈折系であるが、反射屈折系等も使用できる。
【００１８】
レチクルＲはレチクルホルダ（不図示）を介してレチクルステージＲＳＴ上に吸着保持されている。レチクルステージＲＳＴはレチクルベースＲＢのＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置され、その上面でＹ方向に一定速度で移動するとともに、Ｘ方向、Ｙ方向の位置及びθｚ方向の回転角の微調整を行う。レチクルステージＲＳＴの少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む２次元的な位置情報は、一例としてＸ軸のレーザ干渉計８Ｘと、Ｙ軸の２軸のレーザ干渉計８ＹＡ，８ＹＢとを含むレチクル側干渉計によって計測され、この計測値がステージ駆動系４及び主制御系２に供給される。ステージ駆動系４は、その位置情報及び主制御系２からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介してレチクルステージＲＳＴの速度及び位置を制御する。
【００１９】
一方、ウエハＷはウエハホルダＷＨを介してウエハステージＷＳＴの上部に吸着保持されている。ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ２４と、この上に設置されウエハＷを保持するＺチルトステージ２２とを含んでいる。ＸＹステージ２４は、ウエハベース２６のＸＹ平面に平行な上面にエアベアリングを介して載置され、その上面をＸ方向、Ｙ方向に移動し、必要に応じてθｚ方向の回転角が補正される。Ｚチルトステージ２２は、例えばＺ方向に変位可能な３箇所のＺ駆動部（不図示）を個別に駆動して、Ｚチルトステージ２２の上面（ウエハＷ）の光軸ＡＸ方向の位置（Ｚ位置）、及びθｘ方向、θｙ方向の傾斜角を制御する。
【００２０】
図１において、さらに投影光学系ＰＬの側面に、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書等に開示されるものと同様の構成で、照射系３７ａ及び受光系３７ｂを含み、ウエハＷの表面の複数点でのフォーカス位置を計測する斜入射方式の多点のオートフォーカスセンサ３７が設けられている。ステージ駆動系４は、オートフォーカスセンサ３７の計測結果に基づいて、露光時には、ウエハＷの表面が投影光学系ＰＬの像面（それまでにテストプリント等によって求められている像面）に合致するように、オートフォーカス方式でＺチルトステージ２２を駆動する。
【００２１】
ウエハステージＷＳＴ（Ｚチルトステージ２２）の少なくともＸ方向、Ｙ方向の位置、及びθｚ方向の回転角を含む２次元的な位置情報が、一例としてＸ軸の２軸のレーザ干渉計３６ＸＰ，３６ＸＦと、Ｙ軸の２軸のレーザ干渉計３６ＹＡ，３６ＹＢとを含むウエハ側干渉計によって計測され、この計測値がステージ駆動系４及び主制御系２に供給される。その位置情報はアライメント制御系６にも供給される。ステージ駆動系４は、その位置情報及び主制御系２からの制御情報に基づいて、不図示の駆動機構（リニアモータなど）を介して、ウエハステージＷＳＴのＸＹステージ２４の２次元的な位置を制御する。
【００２２】
また、露光装置ＥＸは液浸型であり、投影光学系ＰＬの先端の光学部材とウエハＷとの間の局所的な空間に照明光ＩＬを透過する液体（純水等）を供給して回収する局所液浸機構（不図示）が備えられている。局所液浸機構としては、例えば米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書、又は欧州特許出願公開第１４２０２９８号明細書等に開示されている機構を使用してもよい。
【００２３】
また、投影光学系ＰＬの側面において、ウエハＷの表面のアライメントマークの位置を計測するための、オフアクシス方式で例えば画像処理方式のウエハアライメント系３８が不図示のフレームに支持されている。ウエハアライメント系３８の検出結果はアライメント制御系６に供給され、その検出結果からウエハＷのアライメントを行うことができる。さらに、Ｚチルトステージ２２の上部のウエハホルダＷＨの近傍に基準部材２８が固定され、基準部材２８の上面にスリットパターン３０Ａ，３０Ｂ及び基準マーク３２が形成されている。Ｚチルトステージ２２内の基準部材２８の底面に、スリットパターン３０Ａ，３０Ｂを通過した光束を受光する空間像計測系３４が収納され、空間像計測系３４の検出信号がアライメント制御系６に供給されている。空間像計測系３４によって、レチクルＲのアライメントマーク（不図示）の像の位置を計測でき、この計測結果に基づいてレチクルＲのアライメントを行うことができる。さらに、空間像計測系３４は、後述のフォーカステストレチクルＴＲの評価用パターンの像の位置を計測できる。この計測結果は、アライメント制御系６から主制御系２に供給される。さらに、基準部材２８上の基準マーク３２を介して、レチクルＲのパターンの像の中心（露光中心）とウエハアライメント系３８の検出中心との位置関係（ベースライン）を計測できる。
【００２４】
露光時には、投影光学系ＰＬとウエハＷとの間に液体を供給し、レチクルＲの照明領域１０Ｒ内のパターンの投影光学系ＰＬによる像をウエハＷの一つのショット領域上に露光しつつ、レチクルＲとウエハＷとをＹ方向に投影倍率を速度比として同期して移動することで、当該ショット領域にレチクルＲのパターンの像が走査露光される。その後、ウエハステージＷＳＴを駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作と、その走査露光動作とを繰り返すことによって、液浸法を用いたステップ・アンド・スキャン方式でウエハＷの各ショット領域にレチクルＲのパターン像が露光される。
【００２５】
この露光に際して、ウエハＷの各ショット領域中に投影光学系ＰＬの像面から許容範囲を超えてデフォーカスしている部分があると、その部分に露光される像の結像特性が劣化し、最終的に製造される半導体デバイス等の歩留まりが低下する。そこで、本実施形態では、走査露光時のウエハの各ショット領域（投影光学系ＰＬの露光フィールド）内の所定配列の複数の計測点の位置におけるデフォーカス量（ベストフォーカス位置からのＺ位置のずれ量）である投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測するために、レチクルステージＲＳＴにレチクルＲの代わりに複数の評価用パターンが形成されたフォーカステストレチクルＴＲをロードし、このフォーカステストレチクルＴＲのパターンの像を評価用のウエハに露光する。
【００２６】
図２（Ａ）は、図１のレチクルステージＲＳＴ上に保持された状態のフォーカステストレチクルＴＲのパターン配置を示す。図２（Ａ）において、フォーカステストレチクルＴＲのパターン面（下面）の矩形のパターン領域ＰＡには、一例として、Ｘ方向にＩ行で、Ｙ方向にＪ列で計測点Ｐ（ｉ，ｊ）が設定されている。なお、Ｉ，Ｊは２以上の整数で、ｉ＝１〜Ｉ、ｊ＝１〜Ｊである。そして、各計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍に、それぞれ外側パターン１４及び内側パターン１３よりなるいわゆるバー・イン・バー型の第１、第２、及び第３の評価用パターン１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが形成されている。３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃは互いにほぼ同じ形状であるが、後述のように位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂ等の線幅が互いに異なっている（図２（Ｂ）参照）。本実施形態では、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃは、Ｘ方向に７行でＹ方向に９列で配置されている（Ｉ＝７，Ｊ＝９）。また、パターン領域ＰＡのＸ方向の両側に近接して、かつ照明領域１０ＲのＸ方向の幅内に収まる位置にアライメントマークＡＭ１，ＡＭ２が形成されている。
【００２７】
図３（Ａ）は図２（Ａ）の計測点Ｐ（ｉ，ｊ）の近傍の第１の評価用パターン１２Ａを示す。図３（Ａ）において、評価用パターン１２Ａの外側パターン１４（テストパターン）は、Ｘ方向（計測方向）に所定間隔で形成されたＹ方向に細長い矩形の遮光膜（クロム等）からなる２本の同一形状のラインパターン１４Ａ（第１遮光部）及びラインパターン１４Ｂを有する。さらに、外側パターン１４は、一方のラインパターン１４Ａの＋Ｘ方向のエッジ部に沿って順に＋Ｘ方向に配置された位相シフト部１５Ｃ（第１位相シフト部）及び透過部１５Ｄ（第２透過部）と、ラインパターン１４Ａの−Ｘ方向のエッジ部に沿って順に−Ｘ方向に配置された透過部１５Ｂ（第１透過部）及び位相シフト部１５Ａ（第２位相シフト部）とを含んでいる。ラインパターン１４ＡのＸ方向の線幅ａは、ラインパターン１４Ａに接している位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５ＢのＸ方向の幅ｂよりも大きい。また、ラインパターン１４Ａの線幅ａは、照明条件を通常照明に設定して、高精度にデフォーカス量を計測するためには、次のように位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂの幅ｂの４倍以上であることが好ましい。
【００２８】
ａ≧４×ｂ …（１）
また、以下では線幅ａ及び幅ｂの数値は、投影像の段階での数値を示している。この場合、線幅ａは２００ｎｍ以上であることが好ましい。一例として、位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５ＢのＸ方向の幅ｂは５０〜２２０ｎｍの範囲である。本実施例において、幅ｂは５０〜７０ｎｍの範囲内であることが好ましい。その範囲内で幅ｂは例えば６０ｎｍ又は６５ｎｍに設定されている。この場合、ラインパターン１４ＡのＸ方向の線幅ａは２〜３μｍであることが好ましい。ラインパターン１４Ａ、透過部１５Ｂ、位相シフト部１５ＣのＹ方向の長さは、一例としてラインパターン１４Ａの線幅ａの１０〜１５倍である。ラインパターン１４Ａ，１４ＢのＸ方向の間隔は、ラインパターン１４Ａの長さよりも或る程度長く設定されている。
【００２９】
また、位相シフト部１５Ａ及び透過部１５ＤのＸ方向の幅ａはラインパターン１４Ａの線幅と同じである。しかしながら、位相シフト部１５Ａ及び透過部１５ＤのＸ方向の幅は、それらが接している透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの幅ｂよりも広く設定されていればよい。言い換えると、透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５ＣのＸ方向の幅は、それらが接している位相シフト部１５Ａ及び透過部１５Ｄの幅ｂよりも狭く設定されていればよい。
【００３０】
図３（Ａ）のＢＢ線に沿う断面図である図３（Ｂ）に示すように、透過部１５Ｂ，１５ＤはフォーカステストレチクルＴＲのガラス基板の表面のままであり、位相シフト部１５Ａ，１５Ｃは、その表面に例えばエッチングによって形成された深さｄの凹部である。この場合、透過部１５Ｂ，１５Ｄを透過する照明光ＩＬの位相θBDに対して、位相シフト部１５Ａ，１５Ｃを透過する照明光ＩＬの位相θACは、例えば９０°だけ進むように深さｄが設定されている。即ち、位相θBDと位相θACとの位相差δθは９０°であることが好ましい。なお、位相差δθの範囲を０°≦δθ＜３６０°で表す場合、位相差δθは、０°及び１８０°以外の任意の値、例えば、位相差δθは０°〜３０°，１５０°〜２１０°及び３３０°〜３６０°以外の任意の値にすることが好ましい。位相差δθを１８０°以外の値、例えば、位相差δθを上述した１８０°近傍以外の値にするのは、位相差δθが１８０°あるいは１８０°近傍の値になると、例えば位相シフト部１５Ａと透過部１５Ｂとの境界線が暗線として転写されてしまうからである。また、位相差δθを０°及び３６０°近傍以外の値にするのは、デフォーカスに対するパターン１３，１４の像の間隔変化の感度が低いためである。
【００３１】
図３（Ａ）において、外側パターン１４の＋Ｘ方向側のラインパターン１４Ｂの両側にも、ラインパターン１４Ａの両側に設けられた位相シフト部１５Ａ、透過部１５Ｂ、位相シフト部１５Ｃ、及び透過部１５Ｄとほぼ同じ構成の位相シフト部１５Ｋ、透過部１５Ｌ、位相シフト部１５Ｍ、及び透過部１５Ｎが設けられている。ただし、位相シフト部１５Ｋは、Ｘ方向の幅ａの部分とＹ方向の幅ａの部分とを連結した形状であり、透過部１５ＮはＸ方向の幅がａ以上の透過部である点が異なっている。
【００３２】
さらに、外側パターン１４は、Ｘ方向に配列された位相シフト部１５Ａ，１５Ｋ、透過部１５Ｂ，１５Ｌ、ラインパターン１４Ａ，１４Ｂ、位相シフト部１５Ｃ，１５Ｍ、及び透過部１５Ｄ，１５Ｎを一体的に９０°回転した構成の、Ｙ方向に配列された位相シフト部１６Ａ，１５Ｋ、透過部１６Ｂ，１６Ｌ、ラインパターン１４Ｃ，１４Ｄ、位相シフト部１６Ｃ，１６Ｍ、及び透過部１６Ｄ，１６Ｎを有する。
【００３３】
また、評価用パターン１２Ａの内側パターン１３（補助パターン）は、外側パターン１４の２本のラインパターン１４Ａ，１４Ｂの間に対称に配列され、ラインパターン１４Ａ，１４Ｂと同じＸ方向の線幅ａでＹ方向の長さが或る程度短い遮光膜からなる２本のラインパターン１３Ａ（第２遮光部）及びラインパターン１３Ｂを有する。さらに、内側パターン１３は、一方のラインパターン１３Ａの＋Ｘ方向のエッジ部に沿って順に＋Ｘ方向に配置された幅ｂの透過部１５Ｆ（第３透過部）及び直角三角形型の位相シフト部１５Ｇ（第４位相シフト部）と、ラインパターン１３Ａの−Ｘ方向のエッジ部に沿って順に−Ｘ方向に配置された幅ｂの位相シフト部１５Ｅ（第３位相シフト部）及び幅ａの透過部１５Ｄ（第４透過部）とを含んでいる。位相シフト部１５Ｇは、Ｘ方向の平均的な幅が幅ａより広い。また、透過部１５Ｄ（第２透過部及び第４透過部）は、内側パターン１３と外側パターン１４とで共用されている。幅ａ及び幅ｂの条件は、外側パターン１４の場合と同じである。また、透過部１５Ｄ，１５Ｆを透過する照明光ＩＬの位相と、位相シフト部１５Ｅ，１５Ｇを透過する照明光ＩＬの位相との位相差は、上記の位相差δθと同じく、０°及び１８０°以外の任意の値が可能であるが、より好ましい角度は９０°である。
【００３４】
また、内側パターン１３の＋Ｘ方向側のラインパターン１３Ｂの両側にも、ラインパターン１３Ａの両側に設けられた透過部１５Ｄ、位相シフト部１５Ｅ、透過部１５Ｆ、及び位相シフト部１５Ｇとほぼ同じ構成の透過部１５Ｈ、位相シフト部１５Ｉ、透過部１５Ｊ、及び位相シフト部１５Ｋが設けられている。ただし、透過部１５Ｈは、直角三角形型の領域であり、位相シフト部１５Ｋ（第４位相シフト部）は、ラインパターン１４Ｂの位相シフト部（第２位相シフト部）と兼用されている。
【００３５】
さらに、内側パターン１３は、透過部１５Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１５Ｅ，１５Ｉ、ラインパターン１３Ａ，１３Ｂ、透過部１５Ｆ，１５Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを一体的に９０°回転した構成の、Ｙ方向に配列された透過部１６Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１６Ｅ，１６Ｉ、ラインパターン１３Ｃ，１３Ｄ、透過部１６Ｆ，１６Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを有する。ラインパターン１４Ａ及び１３Ａを含んで第１パターン群が構成され、ラインパターン１４Ｂ及び１３Ｂを含んで第２パターン群が構成され、ラインパターン１４Ｃ及び１３Ｃを含んで第３パターン群が構成され、ラインパターン１４Ｄ及び１３Ｄを含んで第４パターン群が構成されている。
【００３６】
即ち、第２パターン群は、透過部１５Ｈ、及びそれぞれＹ方向に伸びた位相シフト部１５Ｉ、ラインパターン１３Ｂ、透過部１５Ｊ、位相シフト部１５Ｋ、透過部１５Ｌ、ラインパターン１４Ｂ、位相シフト部１５Ｍ、透過部１５ＮをＸ方向に配列したものである。また、第３パターン群は、それぞれＸ方向にライン状に延びた位相シフト部１６Ａ、透過部１６Ｂ、ラインパターン１４Ｃ、位相シフト部１６Ｃ、透過部１６Ｄ、位相シフト部１６Ｅ、ラインパターン１３Ｃ、及び透過部１６Ｆと、位相シフト部１５ＧとをＹ方向に配列したものである。また、第４パターン群は、透過部１５Ｈ、及びそれぞれＸ方向に伸びた位相シフト部１６Ｉ、ラインパターン１３Ｄ、透過部１６Ｊ、位相シフト部１５Ｋ、透過部１６Ｌ、ラインパターン１４Ｄ、位相シフト部１６Ｍ、透過部１６ＮをＹ方向に配列したものである。
【００３７】
図２（Ａ）の第２及び第３の評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃは、第１の評価用パターン１２Ａと同様に内側パターン１３及び外側パターン１４から構成されている。図３（Ａ）において、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄの線幅は評価用パターン１２Ａのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄの線幅ａと同じである。ただし、第２の評価用パターン１２Ｂの透過部１５Ｂ，１５Ｆ，１５Ｊ，１５Ｌ，１６Ｂ，１６Ｆ，１６Ｊ，１６Ｌ及び位相シフト部１５Ｃ，１５Ｅ，１５Ｉ，１５Ｍ，１６Ｃ，１６Ｅ，１６Ｉ，１６Ｍの線幅ｂ１（図２（Ｂ）参照）は、対応する評価用パターン１２Ａの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂよりも広く設定されている。さらに、第３の評価用パターン１２Ｃの透過部１５Ｂ，１５Ｆ，１５Ｊ，１５Ｌ，１６Ｂ，１６Ｆ，１６Ｊ，１６Ｌ及び位相シフト部１５Ｃ，１５Ｅ，１５Ｉ，１５Ｍ，１６Ｃ，１６Ｅ，１６Ｉ，１６Ｍの線幅ｂ２は（図２（Ｂ）参照）、対応する評価用パターン１２Ａの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂよりも広く設定されている。従って、次の関係が成立している。
【００３８】
ｂ＜ｂ１＜ｂ２ …（１Ａ）
一例として、評価用パターン１２Ｂの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ１は、１００〜１４０ｎｍの範囲内で例えば１２０ｎｍに設定され、評価用パターン１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ２は、１８０〜２２０ｎｍの範囲内で例えば２００ｎｍに設定される。この場合にも式（１）において、線幅ｂの代わりにｂ１又はｂ２と置いた条件が満足されることが好ましい。即ち、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃにおいても、ラインパターン１３Ａ，１４Ａの線幅は、位相シフト部１５Ｃ等の線幅の４倍以上であることが好ましい。従って、線幅ｂ２が２００ｎｍであれば、ラインパターン１３Ａ，１４Ａの線幅ａは、２００ｎｍより太いことが好ましく、さらに６００ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００３９】
次に、第１の評価用パターン１２Ａの内側パターン１３のラインパターン１３Ａの像、及び外側パターン１４のラインパターン１４Ａの像のデフォーカス量と横ずれ量との関係につき図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を参照して説明する。なお、説明の便宜上、投影光学系ＰＬはＸ方向に倒立像を形成するものとする。
図４（Ａ）に拡大して示すように、ラインパターン１３Ａの−Ｘ方向側の透過部１５Ｄ及び位相シフト部１５Ｅを透過する照明光ＩＬの波面１７Ａは、ほぼ時計回りに傾斜する。同様に、ラインパターン１３Ａの＋Ｘ方向側の透過部１５Ｆ及び位相シフト部１５Ｇを透過する照明光ＩＬの波面１７Ｂも時計回りに傾斜する。従って、ラインパターン１３Ａの両端部を通過する光束の中心の光線（以下、便宜的に主光線という）１７Ｃ，１７Ｄは、ほぼ平行に光軸ＡＸに対して時計回りに傾斜するため、ラインパターン１３Ａの投影光学系ＰＬによる像１３ＡＰのＸ方向の両端部を通過する主光線１７ＣＰ，１７ＤＰは光軸ＡＸに対して反時計回りに傾斜する。従って、投影光学系ＰＬの像面側に配置されたウエハＷの表面がベストフォーカス位置に対して＋Ｚ方向にＦＺだけデフォーカスすると、像１３ＡＰの位置は−Ｘ方向にΔＸだけシフトする。
【００４０】
一方、図４（Ｂ）に拡大して示すように、ラインパターン１４ＡのＸ方向の両側に配置された位相シフト部１５Ａ及び透過部１５Ｂと位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｄとを透過する照明光ＩＬの波面１８Ａ，１８Ｂは、ほぼ反時計回りに傾斜する。従って、ラインパターン１４Ａの両端部を通過する主光線１８Ｃ，１８Ｄは、ほぼ平行に光軸ＡＸに対して反時計回りに傾斜するため、ラインパターン１４Ａの投影光学系ＰＬによる像１４ＡＰのＸ方向の両端部を通過する主光線１８ＣＰ，１８ＤＰは光軸ＡＸに対して時計回りに傾斜する。従って、投影光学系ＰＬの像面側でウエハＷの表面がベストフォーカス位置に対して＋Ｚ方向にＦＺだけデフォーカスすると、像１４ＡＰの位置は＋Ｘ方向にΔＸだけシフトする。
【００４１】
従って、投影光学系ＰＬの像面側でウエハＷの表面がデフォーカスすると、図３（Ａ）の外側パターン１４のＸ方向に配列されたラインパターン１４Ａ，１４Ｂの像と内側パターン１３のラインパターン１３Ａ，１３Ｂの像とはＸ方向に沿って逆方向にシフトする。同様に、そのデフォーカスに対して、外側パターン１４のＹ方向に配列されたラインパターン１４Ｃ，１４Ｄの像と内側パターン１３のラインパターン１３Ｃ，１３Ｄの像とはＹ方向に沿って逆方向にシフトする。
【００４２】
その結果、評価用パターン１２Ａの投影光学系ＰＬによる像をウエハの表面に投影すると、そのウエハの表面がベストフォーカス位置（像面）にあるときには、図５（Ａ）に示すように、評価用パターン１２Ａの外側パターン１４の像１４Ｐ（ラインパターン１４Ａ〜１４Ｄの像１４ＡＰ〜１４ＤＰ）の中心１４Ｑと、内側パターン１３の像１３Ｐ（ラインパターン１３Ａ〜１３Ｄの像１３ＡＰ〜１３ＤＰ）の中心１３Ｑとは同じ位置にある。なお、説明の便宜上、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）及び後述の図６（Ｂ）、図６（Ｃ）等では、投影光学系ＰＬの像がＸ方向、Ｙ方向に正立像であるものとしている。
【００４３】
これに対してウエハの表面が＋Ｚ方向にデフォーカスすると、図５（Ｂ）に示すように、外側パターン１４の像１４Ｐの中心１４Ｑに対して内側パターン１３の像１３Ｐの中心１３Ｑは、−Ｘ方向にＤＸ及び−Ｙ方向にＤＹだけシフトする。また、ウエハの表面が−Ｚ方向にデフォーカスすると、図５（Ｃ）に示すように、外側パターン１４の像１４Ｐの中心１４Ｑに対して内側パターン１３の像１３Ｐの中心１３Ｑは、＋Ｘ方向にＤＸ及び＋Ｙ方向にＤＹだけシフトする。従って、予め例えば実測又はシミュレーションによって、ウエハの表面のデフォーカス量ＦＺに対する像１４Ｐの中心１４Ｑに対する像１３Ｐの中心１３ＱのＸ方向、Ｙ方向のシフト量（間隔の変化量）ＤＸ，ＤＹの割合である以下の検出レートＲｔを求めておけばよい。
【００４４】
Ｒｔ＝ＤＸ／ＦＺ …（２Ａ） 又は Ｒｔ＝ＤＹ／ＦＺ …（２Ｂ）
なお、式（２Ａ）及び（２Ｂ）の平均値を次のように検出レートＲｔとしてもよい。
Ｒｔ＝｛（ＤＸ＋ＤＹ）／２｝／ＦＺ …（３）
なお、検出レートＲｔは定数ではなく、デフォーカス量ＦＺの１次若しくは２次以上の関数でもよく、又は指数関数等の関数であってもよい。仮に式（３）を用いる場合、評価用パターン１２Ａの像を投影し、像１４Ｐに対する像１３Ｐのシフト量ＤＸ，ＤＹを計測し、このシフト量の平均値を検出レートＲｔで除算することによって、その像が投影された計測点におけるデフォーカス量ＦＺ、ひいてはベストフォーカス位置を求めることができる。
【００４５】
次に、図７（Ａ）は、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄの線幅ａ（ｎｍ）と、式（３）の検出レートＲｔ及び予測される最大のデフォーカス量の計測誤差ＺＥｒ（ｎｍ）との関係をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションの条件は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが１、照明光学系ＩＬＳ（照明光ＩＬ）のコヒーレンスファクタ（σ値）が０．２、位相シフト部１５Ｃ，１５Ｅ等の幅ｂが６０ｎｍである。計測誤差ＺＥｒとは、評価用パターン１２Ａの像の位置の計測誤差に起因するデフォーカス量の誤差と、式（３）に対する近似誤差（非線形誤差）との和である。
【００４６】
図７（Ａ）において、各線幅ａの位置にある白色の棒ブラフＢ１は、デフォーカス量ＦＺが±１００ｎｍの場合の検出レートＲｔ、ハッチングされた棒グラフＢ２は、デフォーカス量ＦＺが±２００ｎｍの場合の検出レートＲｔである。また、点線の折れ線Ｃ１は、デフォーカス量ＦＺが±１００ｎｍの範囲の計測誤差（ここでは、非線形誤差）ＺＥｒ（ｎｍ）、実線の折れ線Ｃ２は、デフォーカス量ＦＺが±２００ｎｍの範囲の計測誤差（ここでは、非線形誤差）ＺＥｒ（ｎｍ）である。図７（Ａ）から、線幅ａが６００ｎｍ以上では、検出レートＲｔ（棒グラフＢ１，Ｂ２）及び計測誤差ＺＥｒ（折れ線Ｃ１，Ｃ２）の値が一定になっておるため、投影光学系ＰＬのフォーカス情報の計測精度は一定になる。また、検出レートＲｔの直線性の良好な範囲はデフォーカス量がほぼ±２００ｎｍの範囲内であるが、線幅ａが６００ｎｍ以上でデフォーカス量が±１００ｎｍの範囲内（棒グラフＢ１及び折れ線Ｃ１）では、検出レートＲｔは０．６５を超え、計測誤差（非線形誤差）ＺＥｒは１ｎｍ以下と良好であることがわかる。
【００４７】
さらに、図７（Ｂ）は、デフォーカス量の計測誤差ＺＥｒを、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡ及び照明光ＩＬのコヒーレンスファクタ（σ値）を種々に変えて評価した結果の一例を示す。この場合、ラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ等の線幅ａを１０００ｎｍ、位相シフト部１５Ｃ等の幅ｂを６０ｎｍ、評価用パターン１２Ａの像位置の計測誤差を０．５ｎｍ、デフォーカス量ＦＺを±１００ｎｍとしている。図７（Ｂ）において、曲線で囲まれた領域Ｄ１の計測誤差（非線形誤差と計測再現性の和）ＺＥｒは１〜１．５ｎｍ、領域Ｄ２の計測誤差ＺＥｒは１．５〜２ｎｍ、領域Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、…の計測誤差ＺＥｒはそれぞれ２〜２．５ｎｍ、２．５〜３ｎｍ、３〜３．５ｎｍ、…と、０．５ｎｍずつ多くなっている。図７（Ｂ）より、領域Ｄ１及びＤ２では計測誤差ＺＥｒがほぼ２ｎｍ以下となり、高精度にデフォーカス量を計測できることが分かる。また、領域Ｄ１，Ｄ２における開口数ＮＡとσ値との組み合わせの範囲はかなり広いため、開口数ＮＡが１．３に達するように大きい場合でも、さらに種々の照明条件及び開口数の条件のもとでも、高精度にデフォーカス量を計測できることが分かる。
【００４８】
また、本実施形態では、評価用パターン１２Ａの他に評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃが設けられ、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂに対して評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ１，ｂ２は次第に広く設定されている。一例として、線幅ｂを６５ｎｍ、線幅ｂ１を１２０ｎｍ、線幅ｂ２を２００ｎｍとした場合について、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像のデフォーカス量ＦＺと、対応する評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの内側パターン１３の像と外側パターン１４の像とのＸ方向、Ｙ方向へのシフト量ＳＸＹとの関係をシミュレーションで求めた結果を図８に示す。このシミュレーションの条件は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが０．９２、照明条件がσ値が０．２５の通常照明である。また、図８の横軸はデフォーカス量ＦＺ（ｎｍ）、縦軸はシフト量ＳＸＹ（ｎｍ）であり、曲線Ｃ３、曲線Ｃ４、及び曲線Ｃ５は、それぞれ評価用パターン１２Ａ（線幅ｂ）、評価用パターン１２Ｂ（線幅ｂ１）、及び評価用パターン１２Ｃ（線幅ｂ２）の像の特性を示している。
【００４９】
図８から、デフォーカス量ＦＺがほぼ±４００ｎｍまでの範囲では曲線Ｃ３がほぼ線形であり、デフォーカス量ＦＺがほぼ±４００〜±８００ｎｍの範囲では曲線Ｃ４がほぼ線形であり、デフォーカス量ＦＺがほぼ±８００〜±１６００ｎｍの範囲では曲線Ｃ５がほぼ線形であることが分かる。従って、例えばデフォーカス量が±４００ｎｍまでの範囲では、評価用パターン１２Ａの像のシフト量ＳＸＹからデフォーカス量ＦＺを求め、デフォーカス量が±４００〜±８００ｎｍの範囲では、評価用パターン１２Ｂの像のシフト量ＳＸＹからデフォーカス量ＦＺを求め、デフォーカス量が±８００〜±１６００ｎｍの範囲では、評価用パターン１２Ｃの像のシフト量ＳＸＹからデフォーカス量ＦＺを求めることによって、ほぼ３０００ｎｍ（３μｍ）程度の広い計測レンジ内で投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を高精度に計測できる。
【００５０】
この際に、３種類の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの計測値のうち、評価用パターン１２Ｃの像シフト量の絶対値が予め定めた一定値（例えば２００ｎｍ）以上の場合には、デフォーカス量を評価用パターン１２Ｃの像シフト量から求めてもよい。そして、その値が上記一定値より小さい場合に、評価用パターン１２Ｂの像シフト量の絶対値が別に定めた値（例えば８０ｎｍ）以上ならば、デフォーカス量を評価用パターン１２Ｂの像シフト量から求め、評価用パターン１２Ｂの像シフト量の絶対値が上記の値より小さいときは、デフォーカス量を評価用パターン１２Ａの像シフト量から求めてもよい。
【００５１】
さらに、図９は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを１．３５（液浸時）、照明条件をσ値が０．２５の通常照明とした場合に、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂを次第に変化させて、ウエハの表面のデフォーカス量ＦＺと、内側パターン１３の像に対する外側パターン１４の像のシフト量ＺＸＹとの関係をシミュレーションで求めたものである。図９において、横軸はデフォーカス量ＦＺ（ｎｍ）、縦軸はシフト量ＳＸＹ（ｎｍ）であり、曲線Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５、Ｃ１６、及びＣ１７は、それぞれ位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂが２０ｎｍ、４０ｎｍ、６０ｎｍ、８０ｎｍ、１００ｎｍ、１２０ｎｍ、及び１４０ｎｍの場合の関係を表している。図９の曲線Ｃ１１〜Ｃ１７より、開口数ＮＡが１．３５と大きい場合にも、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ，ｂ１，ｂ２をそれぞれ例えば４０ｎｍ、８０ｎｍ、１４０ｎｍに設定することによって、デフォーカス量を±３００ｎｍ程度の広い計測レンジ内で計測できることが分かる。
【００５２】
さらに、図１０（Ａ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを０．９２、照明条件をσ値が０．８０の通常照明とした場合に、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔ（像のシフト量／デフォーカス量）をシミュレーションで求めたものである。また、図１０（Ｂ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを１．３５、照明条件をσ値が０．８０の通常照明とした場合に、位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔをシミュレーションで求めたものである。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）より、σ値が大きい場合にも、線幅ｂと検出レートＲｔとの関係が安定しているため、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ，ｂ１，ｂ３を適切に設定することによって、被検面の投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を広い計測レンジ内で高精度に計測できることが分かる。
【００５３】
次に、本実施形態の露光装置ＥＸにおいて、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測する際の動作の一例につき図１１のフローチャートを参照して説明する。この動作は、主制御系２の制御のもとで、例えば露光工程中で定期的に実行される。
まず、図１１のステップ１０２において、図１のレチクルステージＲＳＴにフォーカステストレチクルＴＲをロードし、そのアライメントを行う。次のステップ１０４において、ウエハステージＷＳＴにフォトレジストが塗布された未露光の評価用のウエハ（ウエハＷとする）をロードする。次のステップ１０６において、図６（Ａ）に示すように、ウエハＷの多数のショット領域ＳＡｋ（ｋ＝１〜Ｋ；Ｋは２以上の整数）に、液浸法でかつ走査露光方式で、図２（Ａ）のフォーカステストレチクルＴＲの多数組の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの投影光学系ＰＬによる像を露光する。この際に、各ショット領域ＳＡｋ毎に露光領域に対する走査方向が＋Ｙ方向ＤＰであるか、又は−Ｙ方向ＤＭであるかが記憶される。また、各ショット領域ＳＡｋには、図６（Ｂ）に拡大して示すように、Ｘ方向、Ｙ方向に配列された各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）（ｉ＝１〜Ｉ；ｊ＝１〜Ｊ）の近傍にそれぞれ評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像１２ＡＰ〜１２ＣＰが露光される。そのうちの像１２ＡＰは、図５（Ａ）に示すような外側パターン１４の像１４Ｐ及び内側パターン１３の像１３Ｐから構成されている。
【００５４】
次のステップ１０８において、露光済みのウエハＷをウエハステージＷＳＴからアンロードし、不図示のコータ・デベロッパにおいてウエハＷを現像する。この結果、図６（Ｂ）のウエハＷの各ショット領域ＳＡｋ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の近傍に、図６（Ｃ）の拡大図で示すように、評価用パターン１２Ａの像１２ＡＰを構成する内側パターン１３の像１３Ｐ及び外側パターン１４の像１４Ｐが凹凸のレジストパターンとして形成される。同様に、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの像のレジストパターン（不図示）も形成される。
【００５５】
次のステップ１１０において、現像後のウエハＷを重ね合わせ計測装置（不図示）に搬送し、この重ね合わせ計測装置を用いて、ウエハＷの各ショット領域ＳＡｋ（ｋ＝１〜Ｋ）の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）の評価用パターン１２Ａの像１２ＡＰ（図６（Ｃ））において、外側パターン１４の像１４Ｐの中心１４Ｑに対する内側パターン１３の像１３Ｐの中心１３ＱのＸ方向、Ｙ方向のシフト量（ΔＸｉｊ，ΔＹｉｊ）（像の位置関係）を計測する。同様に、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの像に関しても、外側パターン１４の像の中心に対する内側パターン１３の像の中心のＸ方向、Ｙ方向のシフト量（ΔＸｉｊ，ΔＹｉｊ）（像の位置関係）を計測する。これらのシフト量の計測結果は図１の主制御系２に供給される。
【００５６】
次のステップ１１２において、主制御系２内の演算部は、計測された評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像１２ＡＰ等のシフト量（ΔＸｉｊ，ΔＹｉｊ）の平均値を式（３）の既知の検出レートＲｔで除算して、それぞれ当該計測点Ｑ（ｉ，ｊ）でのデフォーカス量ＦＺｉｊを求める。この際に、図８より、評価用パターン１２Ｃの像から計測されたデフォーカス量が±８００〜±１６００ｎｍの範囲では、その計測値をデフォーカス量ＦＺｉｊとする。また、評価用パターン１２Ｂの像から計測されたデフォーカス量が±４００〜±８００ｎｍの範囲では、その計測値をデフォーカス量ＦＺｉｊとする。また、評価用パターン１２Ｂ，１２Ｃの像から計測されるデフォーカス量が±４００ｎｍ以内である場合には、評価用パターン１２Ａの像から計測されるデフォーカス量をデフォーカス量ＦＺｉｊとする。
【００５７】
さらに、ステップ１１４において、主制御系２内の演算部は、ウエハＷのショット領域ＳＡｋを露光領域に対する走査方向ＤＰ，ＤＭ別に第１グループ及び第２グループに分け、第１グループのショット領域ＳＡｋ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるデフォーカス量ＦＺｉｊの平均値＜ＦＺｉｊ＞を補間した値を、走査方向ＤＰの露光フィールド内の全面の像面の補正値として記憶する。同様に、第２グループのショット領域ＳＡｋ内の各計測点Ｑ（ｉ，ｊ）におけるデフォーカス量ＦＺｉｊの平均値＜ＦＺｉｊ＞を補間した値が、走査方向ＤＭの露光フィールド内の全面の像面の補正値として記憶される。
【００５８】
その後、ステップ１１６で図１のレチクルステージＲＳＴにデバイス用のレチクルＲがロードされ、ステップ１１８で、ウエハステージＷＳＴにフォトレジストが塗布されたウエハがロードされる。そして、ステップ１２０において、ウエハに対してステップ１１４で記憶した走査方向別の像面の補正値を用いてオートフォーカスセンサ３７で計測されるＺ位置を補正しながら、ウエハの各ショット領域にレチクルＲのパターンの像を走査露光する。この際に、フォーカステストレチクルＴＲの各評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像に基づいて計測されたデフォーカス量を補正するように、オートフォーカスセンサ３７の計測値が補正されているため、ウエハの表面の投影光学系ＰＬの像面に対する合焦精度が向上している。従って、レチクルＲのパターンの像がウエハの各ショット領域に高精度に露光される。
【００５９】
その後、ステップ１２２で露光済みのウエハがアンロードされ、ステップ１２４で次の露光対象のウエハがあるかどうかを判定し、未露光のウエハがある場合にはステップ１１８〜１２２を繰り返す。そして、ステップ１２４で未露光のウエハが尽きたときに露光工程が終了する。
【００６０】
本実施形態の効果等は以下の通りである。
（１）本実施形態の露光装置ＥＸは、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測するためのフォーカステストレチクルＴＲを備えている。フォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃはそれぞれ外側パターン１４（テストパターン）を有する。この外側パターン１４は、それぞれＹ方向（第１方向）にライン状に延びたＸ方向（第２方向）の線幅ａの位相シフト部１５Ａ（第２位相シフト部）、線幅ａより狭い線幅ｂ，ｂ１，ｂ２の透過部１５Ｂ（第１透過部）、線幅ａのラインパターン１４Ａ（第１遮光部）、線幅ｂ，ｂ１，ｂ２の位相シフト部１５Ｃ（第１位相シフト部）、及び幅ａの透過部１５Ｄ（第２透過部）をＸ方向に配列したものである。さらに、評価用パターン１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂ，ｂ１，ｂ２は互いに異なっている。
【００６１】
このフォーカステストレチクルＴＲによれば、ラインパターン１４Ａの＋Ｘ方向側の位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｄを通過する照明光ＩＬの主光線と、ラインパターン１４Ａの−Ｘ方向側の位相シフト部１５Ａ及び透過部１５Ｂを通過する照明光ＩＬの主光線とは、同じ方向に傾斜する。従って、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像を一度露光するのみで、各ラインパターン１４Ａの像のＸ方向の横ずれ量から、その像面の形成面の投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量、ひいてはフォーカス情報を高い計測効率で求めることができる。さらに、ラインパターン１４Ａの線幅ａは位相シフト部１５Ｃ及び透過部１５Ｂの幅ｂよりも広いため、そのフォーカス情報を高い計測再現性で計測できる。さらに、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅ｂ，ｂ１，ｂ２が互いに異なっているため、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの計測レンジを組み合わせることによって、全体として計測レンジを広くできる。
【００６２】
（２）また、本実施形態では、透過部１５ＢのＸ方向の幅ｂ〜ｂ２は位相シフト部１５ＣのＸ方向の幅ｂ〜ｂ２と同じであり、デフォーカスに対するラインパターン１４Ａの像の両端部の横ずれ量がほぼ同じで、その像の線幅はほぼ一定である。
なお、透過部１５ＢのＸ方向の幅と位相シフト部１５ＣのＸ方向の幅とは異なっていてもよい。
【００６３】
また、透過部１５Ｄ（第２透過部）は必ずしも設ける必要はない。
（３）また、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃは、それぞれ外側パターン１４の像の位置ずれを計測するための内側パターン１３（補助パターン）を有する。従って、外側パターン１４の像の位置ずれ量、ひいてはデフォーカス量を高精度に計測できる。
なお、内側パターン１３をテストパターンとみなし、外側パターン１４を補助パターンとみなすことも可能である。
【００６４】
（４）また、その内側パターン１３は、それぞれＹ方向にライン状に延びたＸ方向の幅ａの透過部１５Ｄ（第４透過部）、幅ｂ〜ｂ２の位相シフト部１５Ｅ（第３位相シフト部）、線幅ａのラインパターン１３Ａ（第２遮光部）、幅ｂ〜ｂ２の透過部１５Ｆ（第３透過部）、及び平均的な幅がａ以上の位相シフト部１５Ｇ（第４位相シフト部）をＸ方向に配列したものである。
【００６５】
この内側パターン１３のラインパターン１３ＡのＸ方向の両側の位相分布は、外側パターン１４のラインパターン１４ＡのＸ方向の両側の位相分布と対称であるため、デフォーカスした場合のラインパターン１３Ａの像の横ずれ量の方向と、ラインパターン１４Ａの像の横ずれ量の方向とはＸ方向に沿って逆方向である。従って、デフォーカス量を２倍の感度で、かつオフセットを相殺して高精度に計測できる。
【００６６】
なお、補助パターンとしては、計測感度は低下するが、単なる遮光性のラインパターンを使用することも可能である。
（５）また、本実施形態の投影光学系ＰＬのフォーカス情報の計測方法は、本実施形態のフォーカステストレチクルＴＲを投影光学系ＰＬの物体面に配置するステップ１０２と、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ（外側パターン１４及び内側パターン１３）の投影光学系ＰＬによる像をウエハＷの表面（計測面）に投影するステップ１０６，１０８と、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像の計測方向の位置情報である外側パターン１４の像と内側パターン１３の像との間隔を計測するステップ１１０とを含む。従って、その像の間隔（シフト量）から投影光学系ＰＬの像面に対するデフォーカス量を広い計測レンジで計測できる。
【００６７】
（６）また、その像を投影するステップは、ウエハＷのフォトレジストを現像するステップ１０８を含んでいる。従って、その像の間隔を例えば重ね合わせ計測装置を用いて高精度に計測できる。
（７）また、本実施形態の露光装置ＥＸは、照明光ＩＬでレチクルＲのパターンを照明し、照明光ＩＬでそのパターン及び投影光学系ＰＬを介してウエハＷ（基板）を露光する露光装置において、フォーカステストレチクルＴＲを保持するレチクルステージＲＳＴと、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの投影光学系ＰＬによる像を投影させるとともに、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像の計測方向の位置情報に基づいて、投影光学系ＰＬの像面の補正値（像面情報）を求める主制御系２（制御装置）とを備えている。
【００６８】
従って、レチクルステージＲＳＴ上のレチクルをフォーカステストレチクルＴＲと交換して、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像を評価用のウエハに露光するのみで、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を効率的に高精度に、かつ広い計測レンジで計測できる。
なお、本実施形態において、外側パターン１４が透過部１５Ｄ及び１６Ｄを備える構成について説明したが、この透過部１５Ｄ及び１６Ｄは、内側パターン１３が備える構成であってもよい。同様に、外側パターン１４が位相シフト部１５Ｋを備える構成について説明したが、この位相シフト部１５Ｋは、内側パターン１３が備える構成であってもよい。
【００６９】
なお、本実施形態では次のような変形が可能である。
（１）本実施形態では、フォーカステストレチクルＴＲの各計測点の近傍にそれぞれ３つの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃが形成されているが、各計測点の近傍には評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃのうちの２つの評価用パターンのみを形成しておき、２つの評価用パターンの像からデフォーカス量を計測してもよい。これによっても、デフォーカス量の計測レンジを広くできる。
【００７０】
さらに、各計測点の近傍に４個以上の互いに透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃの線幅が異なる評価用パターンを形成しておき、これらの評価用パターンの像からデフォーカス量を計測してもよい。
（２）また、本実施形態では、照明条件は通常照明であるが、他の照明条件であっても同様にデフォーカス量が計測できる。
【００７１】
一例として、図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが１．３０の場合に、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔ（像のシフト量／デフォーカス量）をシミュレーションによって求めた結果を示す。また、図１２（Ａ）の場合の照明条件は、外側のσ値が０．９５で、内側のσ値の比率σＲが０．７５の輪帯照明であり、図１２（Ｂ）の場合の照明条件は、σ値が０．９５〜０．７５の範囲で各二次光源の広がり角が３５°の４極照明であり、図１２（Ｃ）の照明条件は、図３（Ａ）のＸ方向に対応する方向に離れた２つの二次光源を用いる２極照明であり、図１２（Ｄ）の照明条件は、図３（Ａ）のＹ方向に対応する方向に離れた２つの二次光源を用いる２極照明である。
【００７２】
図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）より、輪帯照明又は４極照明であれば、線幅ｂの広い範囲で検出レートＲｔが安定しているため、デフォーカス量を高精度に広い計測レンジで計測できることが分かる。また、図１２（Ｃ）及び図１２（Ｄ）より、２極照明であっても、検出レートＲｔが比較的安定している範囲内の線幅ｂを持つ評価用パターンを組み合わせることによって、デフォーカス量を高精度に広い計測レンジで計測できることが分かる。
【００７３】
（３）また、本実施形態では、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）のラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄは遮光パターンであるが、ラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄとして、所定の透過率を持ついわゆるハーフトーンパターンを使用してもよい。
一例として、図１３（Ａ）は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡが１．３５で、照明条件が外側のσ値が０．９５で、内側のσ値の比率σＲが０．７５の輪帯照明であり、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａのラインパターン１３Ａ〜１３Ｄ，１４Ａ〜１４Ｄが透過率６％で位相が１８０°遅れるハーフトーンパターンである場合に、評価用パターン１２Ａの位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂ（ｎｍ）を次第に変化させて、式（３）の検出レートＲｔ（像のシフト量／デフォーカス量）をシミュレーションによって求めた結果を示す。また、図１３（Ｂ）は、同じ条件下で、位相シフト部１５Ｃ（位相が９０°進むものとしている）等の線幅ｂが１６０ｎｍの場合に、デフォーカス量ＦＺ（ｎｍ）と評価用パターン１２Ａの内側パターン１３の像と外側パターン１４の像とのシフト量ＳＸＹ（ｎｍ）をシミュレーションによって求めた結果を示す。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）より、ハーフトーンパターンを用いる場合にも、安定した検出レートＲｔで高精度にデフォーカス量を計測できることが分かる。
【００７４】
（４）また、本実施形態では、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）は、Ｘ方向及びＹ方向に等方的な形状である。しかしながら、例えば図３（Ａ）の２つの評価用パターン１２Ａ，１２Ｂの代わりに、図１４の一つの非等方的な評価用パターン６０を使用することも可能である。
図３（Ａ）に対応する部分に同一符号を付した図１４において、評価用パターン６０は、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘ及び内側パターン１３Ｘと、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙ及び内側パターン１３Ｙとを有する。そして、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘは、Ｘ方向に配列された位相シフト部１５Ａ，１５Ｋ、透過部１５Ｂ，１５Ｌ、ラインパターン１４Ａ，１４Ｂ、位相シフト部１５Ｃ，１５Ｍ、及び透過部１５Ｄ，１５Ｎを有し、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙは、Ｙ方向に配列された位相シフト部１６Ａ，１５Ｋ、透過部１６Ｂ，１６Ｌ、ラインパターン１４Ｃ，１４Ｄ、位相シフト部１６Ｃ，１６Ｍ、及び透過部１６Ｄ，１６Ｎを有する。同様に、Ｘ方向の内側パターン１３Ｘは、透過部１５Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１５Ｅ，１５Ｉ、ラインパターン１３Ａ，１３Ｂ、透過部１５Ｆ，１５Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを有し、Ｙ方向の内側パターン１３Ｙは、Ｙ方向に配列された透過部１６Ｄ，１５Ｈ、位相シフト部１６Ｅ，１６Ｉ、ラインパターン１３Ｃ，１３Ｄ、透過部１６Ｆ，１６Ｊ、及び位相シフト部１５Ｇ，１５Ｋを有する。
【００７５】
ただし、評価用パターン６０においては、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘ及び内側パターン１３Ｘにおける透過部１５Ｂ及び位相シフト部１５Ｃ等の線幅ｂと、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙ及び内側パターン１３Ｙにおける透過部１６Ｂ及び位相シフト部１６Ｃ等の線幅ｂ１とは異なっている。一例として、線幅ｂは５０〜７０ｎｍの範囲内で例えば６５ｎｍに設定され、線幅ｂ１は１００〜１４０ｎｍの範囲内で例えば１２０ｎｍに設定される。
【００７６】
この結果、図１４の評価用パターン６０の像を投影すると、露光面のデフォーカス量と、Ｘ方向の外側パターン１４Ｘ及び内側パターン１３Ｘの像のシフト量との関係は、図８の曲線Ｃ３のようになる。一方、露光面のデフォーカス量と、Ｙ方向の外側パターン１４Ｙ及び内側パターン１３Ｙの像のシフト量との関係は、図８の曲線Ｃ４のようになる。従って、Ｘ方向の像の位置ずれ量から計測されるデフォーカス量と、Ｙ方向の像の位置ずれ量から計測されるデフォーカス量とを組み合わせることによって、広い計測レンジで高精度にデフォーカス量を計測できる。また、このように一つの評価用パターン６０で、異なる線幅ｂ，ｂ１を持つ２つの評価用パターン１２Ａ，１２Ｂを兼用できるため、フォーカステストレチクルＴＲ内の計測点数を容易に多くできる。
【００７７】
（５）また、本実施形態では、フォーカステストレチクルＴＲの評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの像をウエハに露光し、現像後に形成されるレジストパターンの位置関係を重ね合わせ計測装置を用いて計測している。
しかしながら、露光装置ＥＸは空間像計測系３４を備えている。そこで、評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの投影光学系ＰＬによる像（空間像）を図１の空間像計測系３４のスリットパターン３０ＡでＸ方向、Ｙ方向に走査して、空間像計測系３４によってその空間像の光強度分布を計測してもよい。この計測結果から評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃの外側パターン１４の像と内側パターン１３の像との間隔を求め、この間隔からデフォーカス量を求めることによって、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を求めることができる。
【００７８】
（６）本実施形態では、フォーカステストレチクルＴＲをレチクルＲと交換してレチクルステージＲＳＴ上にロードしているが、フォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ等を、レチクルステージＲＳＴのレチクルＲが保持される領域に近接した領域に固定されているレチクルマーク板（不図示）に形成しておいてもよい。この場合、必要に応じて、レチクルステージＲＳＴを移動して、そのレチクルマーク板を照明光ＩＬの照明領域に移動することで、投影光学系ＰＬのフォーカス情報を計測できる。
【００７９】
（７）また、図３（Ａ）の評価用パターン１２Ａ（１２Ｂ，１２Ｃ）は、内側パターン１３及び外側パターン１４を備えているが、評価用パターン１２Ａ等は、例えば位相シフト部１５Ａ，１５Ｃ、透過部１５Ｂ，１５Ｄ、及びラインパターン１４Ａのみから構成してもよい。さらに、評価用パターン１２Ａ等は、例えば位相シフト部１５Ａ，１５Ｃ、透過部１５Ｂ，１５Ｄ、及びラインパターン１４Ａよりなるテストパターン、並びに例えば位相シフト部１５Ｅ，１５Ｇ、透過部１５Ｄ，１５Ｆ、及びラインパターン１３Ａよりなる補助パターンのみから構成してもよい。
【００８０】
（８）また、上記の実施形態のフォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ（テストパターン）等の像の計測方向の位置情報（像シフト量）を計測する際に、複数の評価用パターンのうち、照明条件、計測感度（検出レートＲｔ）、及び計測レンジ（計測可能範囲）の少なくとも一つの条件に関してより適した、即ちその条件に関する特性が最も良好な評価用パターンの像の計測方向の位置情報を計測してもよい。
【００８１】
なお、本発明は液浸型の露光装置で露光する場合のみならず、液体を介さないドライ露光型の露光装置の投影光学系のフォーカス情報を計測する場合にも適用できる。また、本発明は、走査露光型の露光装置の外に、ステッパー等の一括露光型の露光装置において投影光学系のフォーカス情報を計測する場合にも適用できる。
また、本発明は、半導体デバイス製造用の露光装置への適用に限定されることなく、例えば、角型のガラスプレートに形成される液晶表示素子、若しくはプラズマディスプレイ等のディスプレイ装置用の露光装置や、撮像素子（ＣＣＤ等）、マイクロマシーン、薄膜磁気ヘッド、ＭＥＭＳ(Microelectromechanical Systems)、及びＤＮＡチップ等の各種デバイスを製造するための露光装置にも広く適用できる。更に、本発明は、各種デバイスのマスクパターンが形成されたマスク（フォトマスク、レチクル等）をフォトリソグラフィ工程を用いて製造する際の露光工程にも適用することができる。
【００８２】
さらに、本発明では評価用パターンの透過部と位相シフト部との位相差が９０°に限定されないため、その評価用パターンは、光源から複数の波長、例えば水銀ランプから放射されるｉ線、ｈ線、ｇ線の混合光を用いる投影露光装置のデフォーカス計測にも適用可能である。
また、上記の実施形態のフォーカステストレチクルＴＲに形成された複数の評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ等（位相シフト部１５Ｃの線幅が互いに異なっている複数の評価用パターン）を用いて、各評価用パターン１２Ａ〜１２Ｃ等毎の計測感度（検出レートＲｔ）及び計測レンジを求めてもよい。そして、その求められた結果から、例えば計測感度及び／又は計測レンジの良好な１〜３種類程度の評価用パターンを実際のデバイス製造用の回路パターンが形成されたレチクル（製品マスク）の一部に形成しておいてもよい。この場合、そのデバイス製造用のレチクルを用いる露光工程中で、必要に応じてその評価用パターンを用いてその実露光用のレチクルのパターンの像のデフォーカス量を計測できる。
【００８３】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【符号の説明】
【００８４】
ＥＸ…露光装置、ＩＬＳ…照明光学系、ＴＲ…フォーカステストレチクル、ＰＬ…投影光学系、Ｗ…ウエハ、ＷＳＴ…ウエハステージ、２…主制御系、１２Ａ〜１２Ｃ…評価用パターン、１３…内側パターン、１３Ａ〜１３Ｄ…ラインパターン、１４…外側パターン、１４Ａ〜１４Ｄ…ラインパターン、１５Ａ，１５Ｃ，１５Ｅ…位相シフト部、１５Ｂ，１５Ｄ，１５Ｆ…透過部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系を介して物体上に投影される複数のテストパターンが設けられたフォーカステストマスクであって、
前記複数のテストパターンは、それぞれ、
第１方向にライン状に延び、光を遮光する第１遮光部と、
前記第１方向と直交する第２方向に関して前記第１遮光部の一方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第１遮光部の線幅より狭く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第１位相シフト部と、
前記第２方向に関して前記第１遮光部の他方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第１遮光部の線幅より狭く形成され、前記光を透過する第１透過部と、
前記第２方向に関して前記第１透過部の前記第１遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第１透過部より広く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第２位相シフト部と、を有し、
前記複数のテストパターンの前記第１位相シフト部及び前記第１透過部の前記第２方向の線幅が互いに異なることを特徴とするフォーカステストマスク。
【請求項２】
前記第１透過部の前記第２方向の線幅は、前記第１位相シフト部の前記第２方向の線幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載のフォーカステストマスク。
【請求項３】
前記複数のテストパターンは、それぞれ、
前記第２方向に関して前記第１位相シフト部の前記第１遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第１位相シフト部より広く形成され、前記光を透過する第２透過部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォーカステストマスク。
【請求項４】
前記第２透過部の前記第２方向の線幅は、前記第２位相シフト部の前記第２方向の線幅と同じであることを特徴とする請求項３に記載のフォーカステストマスク。
【請求項５】
前記第１遮光部の前記第２方向の線幅は、前記第１位相シフト部の前記第２方向の線幅の少なくとも４培であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項６】
前記第１遮光部の前記第２方向の線幅は、前記第２透過部の前記第２方向の線幅及び前記第２位相シフト部の前記第２方向の線幅と同じであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のフォーカステストマスク。
【請求項７】
前記第１遮光部の前記投影光学系による像の前記第２方向の線幅は少なくとも２００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項８】
前記複数のテストパターンの像のそれぞれの位置ずれを計測するための補助パターンを有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項９】
前記補助パターンは、
前記第１方向にライン状に延び、光を遮光する第２遮光部と、
前記第２方向に関して前記第２遮光部の一方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第２遮光部の線幅より狭く形成され、
前記光を透過する第３透過部と、
前記第２方向に関して前記第２遮光部の他方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第２遮光部の線幅より狭く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第３位相シフト部と、
前記第２方向に関して前記第３透過部の前記第２遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第３透過部より広く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第４位相シフト部と、
を有することを特徴とする請求項８に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１０】
前記複数のテストパターンは、それぞれ、
前記第２方向に関して前記第１位相シフト部の前記第１遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第１位相シフト部より広く形成され、前記光を透過する第２透過部を有し、
前記補助パターンは、
前記第２方向に関して前記第３位相シフト部の前記第２遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第３位相シフト部より広く形成され、前記光を透過する第４透過部を有することを特徴とする請求項９に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１１】
前記テストパターン及び対応する前記補助パターンで構成される複数のパターン群を有し、
前記複数のパターン群のうち第１パターン群は、前記テストパターンと前記補助パターンとが、前記第２方向の一方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１０に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１２】
前記第２位相シフト部は、前記第４位相シフト部を兼用することを特徴とする請求項１１に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１３】
前記複数のパターン群のうち第２パターン群は、前記第２方向の他方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１４】
前記複数のパターン群のうち第３パターン群は、前記第１方向の一方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１５】
前記複数のパターン群のうち第４パターン群は、前記第１方向の他方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１６】
投影光学系の像面情報を計測するフォーカス計測方法において、
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載のフォーカステストマスクを前記投影光学系の物体面側に配置する工程と、
前記フォーカステストマスクに設けられた前記テストパターンの前記投影光学系による像を計測面に投影する工程と、
前記テストパターンの像の計測方向の位置情報を計測する工程と、
を含むことを特徴とするフォーカス計測方法。
【請求項１７】
前記テストパターンの像の計測方向の位置情報を計測する工程は、
前記フォーカステストマスクに設けられた前記複数のテストパターンのうち、照明条件、計測感度、及び計測可能範囲の少なくとも一つの条件に関してより適したテストパターンの像の前記計測方向の位置情報を計測することを特徴とする請求項１６に記載のフォーカス計測方法。
【請求項１８】
前記フォーカステストマスクは、前記複数のテストパターンの像の位置ずれをそれぞれ計測するための補助パターンを有し、
前記テストパターンの像の前記計測方向の位置情報は、前記テストパターンの像と前記補助パターンの像との前記計測方向の間隔を含むことを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載のフォーカス計測方法。
【請求項１９】
前記テストパターンの前記投影光学系による像を投影する工程は、
前記像を感光基板に投影する工程と、前記感光基板を現像する工程とを含むことを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載のフォーカス計測方法。
【請求項２０】
前記テストパターンの像及び前記補助パターンの像の前記計測方向の位置情報を計測する工程は、前記像の前記計測方向の光強度分布を空間像計測系を用いて計測する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載のフォーカス計測方法。
【請求項２１】
露光光でマスクのパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載のフォーカステストマスクを保持するマスクステージと、
前記フォーカステストマスクの前記テストパターンの前記投影光学系による像を投影させるとともに、前記テストパターンの像の計測方向の位置情報に基づいて、前記投影光学系の像面情報を求める制御装置と、
を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項２２】
前記フォーカステストマスクは、前記マスクステージの前記マスクが保持される領域に近接した領域に保持されることを特徴とする請求項２１に記載の露光装置。
【請求項２３】
前記テストパターンの前記投影光学系による像を検出する空間像計測系を備えることを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の露光装置。
【請求項１】
投影光学系を介して物体上に投影される複数のテストパターンが設けられたフォーカステストマスクであって、
前記複数のテストパターンは、それぞれ、
第１方向にライン状に延び、光を遮光する第１遮光部と、
前記第１方向と直交する第２方向に関して前記第１遮光部の一方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第１遮光部の線幅より狭く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第１位相シフト部と、
前記第２方向に関して前記第１遮光部の他方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第１遮光部の線幅より狭く形成され、前記光を透過する第１透過部と、
前記第２方向に関して前記第１透過部の前記第１遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第１透過部より広く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第２位相シフト部と、を有し、
前記複数のテストパターンの前記第１位相シフト部及び前記第１透過部の前記第２方向の線幅が互いに異なることを特徴とするフォーカステストマスク。
【請求項２】
前記第１透過部の前記第２方向の線幅は、前記第１位相シフト部の前記第２方向の線幅と同じであることを特徴とする請求項１に記載のフォーカステストマスク。
【請求項３】
前記複数のテストパターンは、それぞれ、
前記第２方向に関して前記第１位相シフト部の前記第１遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第１位相シフト部より広く形成され、前記光を透過する第２透過部を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフォーカステストマスク。
【請求項４】
前記第２透過部の前記第２方向の線幅は、前記第２位相シフト部の前記第２方向の線幅と同じであることを特徴とする請求項３に記載のフォーカステストマスク。
【請求項５】
前記第１遮光部の前記第２方向の線幅は、前記第１位相シフト部の前記第２方向の線幅の少なくとも４培であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項６】
前記第１遮光部の前記第２方向の線幅は、前記第２透過部の前記第２方向の線幅及び前記第２位相シフト部の前記第２方向の線幅と同じであることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のフォーカステストマスク。
【請求項７】
前記第１遮光部の前記投影光学系による像の前記第２方向の線幅は少なくとも２００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項８】
前記複数のテストパターンの像のそれぞれの位置ずれを計測するための補助パターンを有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項９】
前記補助パターンは、
前記第１方向にライン状に延び、光を遮光する第２遮光部と、
前記第２方向に関して前記第２遮光部の一方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第２遮光部の線幅より狭く形成され、
前記光を透過する第３透過部と、
前記第２方向に関して前記第２遮光部の他方側に設けられ、前記第１方向にライン状に延びるとともに、前記第２方向に関する線幅が前記第２遮光部の線幅より狭く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第３位相シフト部と、
前記第２方向に関して前記第３透過部の前記第２遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第３透過部より広く形成され、透過する前記光の位相を変化させる第４位相シフト部と、
を有することを特徴とする請求項８に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１０】
前記複数のテストパターンは、それぞれ、
前記第２方向に関して前記第１位相シフト部の前記第１遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第１位相シフト部より広く形成され、前記光を透過する第２透過部を有し、
前記補助パターンは、
前記第２方向に関して前記第３位相シフト部の前記第２遮光部とは反対側に設けられ、前記第２方向に関する線幅が前記第３位相シフト部より広く形成され、前記光を透過する第４透過部を有することを特徴とする請求項９に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１１】
前記テストパターン及び対応する前記補助パターンで構成される複数のパターン群を有し、
前記複数のパターン群のうち第１パターン群は、前記テストパターンと前記補助パターンとが、前記第２方向の一方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１０に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１２】
前記第２位相シフト部は、前記第４位相シフト部を兼用することを特徴とする請求項１１に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１３】
前記複数のパターン群のうち第２パターン群は、前記第２方向の他方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１４】
前記複数のパターン群のうち第３パターン群は、前記第１方向の一方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１５】
前記複数のパターン群のうち第４パターン群は、前記第１方向の他方側から、前記第２透過部、前記第１位相シフト部、前記第１遮光部、前記第１透過部、前記第２位相シフト部、前記第４位相シフト部、前記第３透過部、前記第２遮光部、前記第３位相シフト部、前記第４透過部の順に配列されて形成されることを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか一項に記載のフォーカステストマスク。
【請求項１６】
投影光学系の像面情報を計測するフォーカス計測方法において、
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載のフォーカステストマスクを前記投影光学系の物体面側に配置する工程と、
前記フォーカステストマスクに設けられた前記テストパターンの前記投影光学系による像を計測面に投影する工程と、
前記テストパターンの像の計測方向の位置情報を計測する工程と、
を含むことを特徴とするフォーカス計測方法。
【請求項１７】
前記テストパターンの像の計測方向の位置情報を計測する工程は、
前記フォーカステストマスクに設けられた前記複数のテストパターンのうち、照明条件、計測感度、及び計測可能範囲の少なくとも一つの条件に関してより適したテストパターンの像の前記計測方向の位置情報を計測することを特徴とする請求項１６に記載のフォーカス計測方法。
【請求項１８】
前記フォーカステストマスクは、前記複数のテストパターンの像の位置ずれをそれぞれ計測するための補助パターンを有し、
前記テストパターンの像の前記計測方向の位置情報は、前記テストパターンの像と前記補助パターンの像との前記計測方向の間隔を含むことを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載のフォーカス計測方法。
【請求項１９】
前記テストパターンの前記投影光学系による像を投影する工程は、
前記像を感光基板に投影する工程と、前記感光基板を現像する工程とを含むことを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載のフォーカス計測方法。
【請求項２０】
前記テストパターンの像及び前記補助パターンの像の前記計測方向の位置情報を計測する工程は、前記像の前記計測方向の光強度分布を空間像計測系を用いて計測する工程を含むことを特徴とする請求項１８に記載のフォーカス計測方法。
【請求項２１】
露光光でマスクのパターンを照明し、前記露光光で前記パターン及び投影光学系を介して基板を露光する露光装置において、
請求項１から請求項１５のいずれか一項に記載のフォーカステストマスクを保持するマスクステージと、
前記フォーカステストマスクの前記テストパターンの前記投影光学系による像を投影させるとともに、前記テストパターンの像の計測方向の位置情報に基づいて、前記投影光学系の像面情報を求める制御装置と、
を備えることを特徴とする露光装置。
【請求項２２】
前記フォーカステストマスクは、前記マスクステージの前記マスクが保持される領域に近接した領域に保持されることを特徴とする請求項２１に記載の露光装置。
【請求項２３】
前記テストパターンの前記投影光学系による像を検出する空間像計測系を備えることを特徴とする請求項２１又は請求項２２に記載の露光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２２１３１２（Ｐ２０１１−２２１３１２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９０９７５（Ｐ２０１０−９０９７５）
【出願日】平成２２年４月９日（２０１０．４．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月９日（２０１０．４．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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