JP5084239B2 - 計測装置、露光装置並びにデバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、半導体素子、液晶表示素子、薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に使用される投影露光装置において、良好な像性能を得るために必要なデフォーカス量及び露光量の計測方法及び計測装置に関する。また、計測されたデフォーカス量及び露光量の制御方法に関する。更に、デフォーカス量及び露光量の計測及び制御が可能な露光装置並びにデバイス製造方法に関する。

半導体素子、液晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、マスク又はレチクル（以下「レチクル」という。）のパターン像を投影光学系を介して感光基板上に結像する投影露光装置が用いられている。

近年、半導体素子の高集積化による加工線幅の微細化に伴って、投影露光装置の投影レンズの高ＮＡ化、使用光源波長の短波長化、大画角化が進んでいる。これらを達成する手段として、ほぼ正方形状に近い露光領域をウエハ上に縮小して一括投影露光するステッパーと呼ばれる装置が用いられている。また、露光領域を矩形のスリット形状とし、レチクルとウエハとを相対的に高速走査して、大画面を精度良く露光するスキャナーと呼ばれる走査型露光装置が主流になりつつある。このような状況の中で、投影レンズの高ＮＡ化、露光波長の短波長化により、パターンの許容線幅精度を維持するために、投影露光装置のデフォーカス量や露光量の管理が益々重要となっている。

従来のデフォーカス量の計測方法としては、以下の３つの方法が挙げられる。
（１）特殊なレチクルを用いて、検査マークをウエハ上に露光転写し、その露光した検査マークの位置を計測する（特許文献１及び特許文献２を参照）。
（２）ＬＥＳ（Ｌｉｎｅ Ｅｎｄ Ｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇ：線端後退）を利用したライン長を計測する（特許文献３及び特許文献４を参照）。
（３）レジストの側壁角の情報をＳＥＭや光ＣＤ計測器やＡＦＭを用いて計測する（特許文献５及び特許文献６を参照）。

なお、（２）及び（３）に示す方法では、デフォーカス量の他に同一マークを用いて、露光量の計測が可能である。
特開２００２−５５４３５号公報 特開２００２−２８９４９４号公報 特開平１−１８７８１７号公報 米国特許第５，９６５，３０９号 米国特許第６，１５０，６６４号 特開２００３−１４２３９７号公報

しかしながら、従来の技術では、以下に示す課題があった。

まず、（１）で示される方法では、検査マークを通過した光がウエハ上で非対称な入射角度分布を作り出す必要がある。例えば、特許文献１では、レチクル上の検査マークとして９０度の位相差を施している。また、特許文献２では、レチクルの両面にパターニングする等の特殊なレチクルを用いている。これにより、レチクル上で素子パターンと検査マークとを混在させることが難しく、量産ラインの素子パターンのフォーカス・露光量の計測には適切でなく、投影露光装置の像面湾曲量の定期メンテナンス等に使用されるレベルであった。

また、（２）で示される方法では、特殊なレチクルを必要とせず、比較的安価な計測器で計測が可能である。しかしながら、計測対象のライン長がベストフォーカス位置を中心に、放物線的な挙動を示す。そのため、デフォーカス量の絶対値は計測できるが、その符号が分からなかった。フォーカスの符号を判定するためには、所定量フォーカスを変えて再度露光、ライン長を計測し、そのライン長の増減から判断する必要があった。

また、（３）で示される方法では、（１）及び（２）で示される方法が、光学式の撮像画像により行われるのに対し、光ＣＤ計測器やＡＦＭ等の高価な計測器が必要であり、ＣＤ（クリティカルディメンジョン）方向の計測である。そのため、パターンの微細化に伴って、計測精度にも問題が発生している。

図１８及び図１９を用いて、従来技術とその課題について詳細に説明する。図１８は、デフォーカス量とパターン長の関係を示す図である。横軸はデフォーカス量を表し、縦軸はパターン長を表す。図１９は、特許文献３に開示されているフォーカス量又は露光量の計測方法を説明するための図である。図１９に示されるように、ウエハ上に楔形状の検査マークＲＰが露光転写された後、スリット形状のビームＳＰで矢印方向にスキャンを行い、その回折光強度からパターン長Ｌｙを求める。パターン長Ｌｙは、露光装置のフォーカス位置変化に対して、図１８（ａ）に示すように、ベストフォーカスの位置で最大となり、デフォーカスするにつれ減少する２次関数的な特性がある。予め、このようなフォーカス特性曲線を取得し、検査対象となる露光ウエハの検査マークＲＰのパターン長Ｌｙを計測する。この段階では、図１８（ｂ）に示すように、パターン長Ｌｙ＝Ｌｙ１を計測しただけでは、フォーカスの検査値としてＦ１、Ｆ２の二値があるため、どちらの検査値に対応するかが判定できない。したがって、従来では、図１８（ｃ）に示すように、第１回目の露光から露光装置のフォーカス位置をｄＦだけシフトさせて検査マークを露光し、再度パターン長Ｌｙの計測を行う。２回目のパターン長ＬｙがＬｙ２であれば、第１回目のフォーカス検査値はＦ１であり、Ｌｙ２’であれば、第１回目のフォーカス検査値はＦ２であると判定できる。このように、従来のＬｉｎｅ Ｅｎｄ Ｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇを用いた検査方法では、ベストフォーカス位置を極大値とする２次関数的な特性により、１回の露光だけではフォーカスの符号判定ができない。また、パターン長変化の特性が、ベストフォーカス位置を極値とする２次関数であり、ベストフォーカス付近におけるパターン長の変化が少ないため、フォーカス計測の分解能が低下する。

このように、半導体製造の量産ラインにおいて、フォーカスや露光量を検査し、経時的な変化に対し適切に補正を行うためのインラインフォーカスモニター（又はインライン露光量モニター）として十分な機能を持つ計測方法及び装置が存在しなかった。

本発明は、露光装置のデフォーカス量を計測するのに有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面としての計測装置は、原版のパターンの像を基板に投影する投影光学系を備える露光装置のデフォーカス量を計測する計測装置であって、前記露光装置によって基板上に形成された検査マークの像をセンサで撮像し、前記センサで撮像された前記検査マークの像のエッジ間隔を計測する計測手段と、前記露光装置のデフォーカス量と前記検査マークの像のエッジ間隔との関係を取得する取得手段と、前記露光装置のデフォーカス量を求める処理手段と、を有し、前記計測手段は、前記露光装置の複数のデフォーカス量のそれぞれで前記露光装置によって基板上に形成された前記検査マークの第１の像のエッジ間隔を２つの計測条件のそれぞれで計測し、かつ、前記露光装置のあるデフォーカス量で前記露光装置によって基板上に形成された前記検査マークの第２の像のエッジ間隔を前記２つの計測条件のそれぞれで計測し、前記取得手段は、前記２つの計測条件のそれぞれについて、前記露光装置のデフォーカス量と前記第１の像のエッジ間隔との間の第１の関係を取得し、前記２つの計測条件は、前記第１の関係において前記第１の像のエッジ間隔が前記露光装置の互いに異なるデフォーカス量で極値を持つ２つの計測条件であり、前記処理手段は、前記複数のデフォーカス量のそれぞれと、それに対応する前記第１の像についての前記２つの計測条件での前記エッジ間隔の差分との間の第２の関係と、前記第２の像についての前記２つの計測条件での前記エッジ間隔の差分とに基づいて、前記第２の像に係る検査マークを基板上に形成したときの前記露光装置のデフォーカス量を求める、ことを特徴とする。

本発明によれば、露光装置のデフォーカス量を計測するのに有利な技術を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同様の構成要素については同一の参照番号を付している。
（第１の実施形態）
図５は、本発明の好適な第１の実施の形態に係る投影露光装置を示す図である。投影露光装置１０は、ステップ・アンド・スキャン方式でレチクル１に形成された回路パターンをウエハなどの基板３上に露光する。投影露光装置１０は、サブミクロンやクオーターミクロン以下のリソグラフィ工程に好適である。投影露光装置１０は、図５に示すように、照明装置７００と、レチクル（原版ともいう）１を載置するレチクルステージＲＳと、投影光学系２とを備える。投影露光装置１０はまた、基板３を載置する基板ステージＳＳと、フォーカス・チルト検出系３３と、その演算処理部４００と、アライメント検出光学系１５と、その演算処理部としてのアライメント信号処理系４０２とを有する。制御部１１００は、ＣＰＵやメモリを有し、照明装置７００と、レチクルステージＲＳと、基板ステージＳＳと、フォーカス・チルト検出系３３と、アライメント検出光学系１５と電気的に接続され、投影露光装置１０の各部を制御する。制御部１１００はまた、フォーカス・チルト検出系３３が基板３の表面位置を検出する際の計測値の補正演算及び制御や、アライメント検出光学系１５が基板３の面内方向の位置を検出する際の計測値の補正演算及び制御を行う。

照明装置７００は、光源８００と、照明光学系８０１とを有し、転写用の回路パターンが形成されたレチクル１を照明する。

光源８００としては、例えば、レーザーを使用する。レーザーは、約１９３ｎｍの波長を持つＡｒＦエキシマレーザー、約２４８ｎｍの波長を持つＫｒＦエキシマレーザー等を使用することができる。しかしながら、光源の種類はエキシマレーザーに限られず、例えば、約１５７ｎｍの波長を持つＦ_２レーザーや２０ｎｍ以下の波長を持つＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）光等を使用してもよい。

照明光学系８０１は、光源８００から射出した光束を用いて被照明面を照明する光学系であり、光束を露光に最適な所定の形状の露光スリットに成形し、レチクル１を照明する。照明光学系８０１は、レンズ、ミラー、オプティカルインテグレーター、絞り等を含み、例えば、コンデンサーレンズ、ハエの目レンズ、開口絞り、コンデンサーレンズ、スリット、結像光学系の順で配置された構成を有する。照明光学系８０１は、軸上光、軸外光を問わず、使用することができる。オプティカルインテグレーターは、ハエの目レンズや２組のシリンドリカルレンズアレイ（又はレンチキュラーレンズ）板を重ねることにより構成されるインテグレーターを含む。しかしながら、光学ロッドや回折光学素子に置換されてもよい。

レチクル１は、例えば、石英製であり、その上には転写されるべき回路パターンが形成されている。また、レチクル１は、レチクルステージＲＳに支持され、所定方向に駆動される。レチクル１を通過した回折光は、投影光学系２を通り、基板３上に投影される。レチクル１と基板３とは、光学的に共役の関係に配置される。レチクル１と基板３とを縮小倍率比の速度比率で走査することによって、レチクル１のパターンを基板３上に転写することができる。なお、投影露光装置１０には、光斜入射系のレチクル検出系３６が設けられており、レチクル１は、レチクル検出系３６によって位置が検出され、所定の位置に配置される。

レチクルステージＲＳは、不図示のレチクルチャックを介してレチクル１を支持し、不図示の移動機構に接続されている。この移動機構は、リニアモーター等で構成され、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及び各軸の回転方向にレチクルステージＲＳを駆動することにより、レチクル１を移動させることができる。

投影光学系２は、物体面からの光束を像面に結像する機能を有し、レチクル１に形成されたパターンを経た回折光を基板３上に結像する。投影光学系２は、複数のレンズ素子のみからなる光学系、複数のレンズ素子と少なくとも一枚の凹面鏡とを有する光学系（カタディオプトリック光学系）、複数のレンズ素子と少なくとも一枚のキノフォーム等の回折光学素子とを有する光学系等を使用できる。色収差の補正が必要な場合には、互いに分散値（アッベ値）の異なるガラス材で形成された複数のレンズ素子を使用したり、回折光学素子をレンズ素子と逆方向の分散が生じるように構成したりする。

基板３は、被処理体であり、フォトレジストが表面に塗布されている。なお、本実施形態では、基板３は、フォーカス・チルト検出系３３が位置を検出する被検出体でもある。基板３は、別の実施形態では、液晶基板やその他の被処理体に置き換えることができる。

基板ステージＳＳは、不図示のウエハチャックによって基板３を支持する。基板ステージＳＳは、レチクルステージＲＳと同様に、リニアモーターを利用して、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及び各軸の回転方向に基板３を移動させる。また、レチクルステージＲＳの位置と基板ステージＳＳの位置は、例えば、レーザー干渉計１０１等により監視され、両者は一定の速度比率で駆動される。基板ステージＳＳは、例えば、ダンパを介して床等の上に支持されるステージ定盤上に設けられ、レチクルステージＲＳ及び投影光学系２は、例えば、床等に載置されたベースフレーム上にダンパを介して支持される不図示の鏡筒定盤上に設けられる。

フォーカス・チルト検出系３３は、光学的な計測システムを用いて、露光中の基板３の表面位置（Ｚ方向）の位置情報を検出する。フォーカス・チルト検出系３３は、基板３上の複数の計測すべき計測点に光束を入射し、各々の光束を個別のセンサに導き、異なる位置の位置情報（計測結果）に基づいて露光する面のチルトを検出する。

次に、アライメント検出系について説明する。本実施形態では、アライメント検出系は、アライメント検出のみに用いられるのではなく、フォーカス・露光量検査マークの検出系にも用いられうる。図２は、アライメント検出光学系１５の主要構成要素を示す図である。図２では、Ｘ方向の位置を検出する光学系の例を示しているが、Ｙ方向についてはＺ軸周りに９０度回転したものを用いればよいので、Ｘ方向の検出系で説明することにする。なお、Ｙ方向については、Ｘ方向用のマークをＺ軸周りに９０度回転したものをアライメントマークとして用いればよい。また、Ｘ方向用のマーク及びＹ方向用のマークを検出するためにエリアセンサを用いてもよい。

アライメント検出光学系１５は、照明系１５ｉ及び結像光学系１５ｏで構成され、光源１８からの照明光は、レンズ１９で拡大されて平行光とされ、任意の波長を選択的に透過させる波長選択手段４０を通り、再度レンズ２２で集光される。開口絞り２０を調整することにより照明光のコヒーレンシ（σ）を調整することができる。アパーチャー２３は、基板３と共役な位置に置かれ、基板３上のアライメントマークの周辺領域に不要な光が照明されないように視野絞りの役割を果たす。レンズ２２により集光された光は、再度レンズ２４で平行光にされ、ビームスプリッタ２５で反射され、レンズ２６を通って基板３上のアライメントマーク５０を照明する。アライメントマーク５０からの反射光は、レンズ２６、ビームスプリッタ２５、レンズ２７、２８を通り、ラインセンサ３０で受光される。ラインセンサ３０は、アライメント検出方向と垂直方向にパワーを持つ不図示のシリンドリカルレンズにより集光するよう構成されている。

基板３の表面と共役な位置に設けられた絞り２９により、アライメントマーク５０の所定の領域のみを処理する。アライメントマーク５０は、１００倍〜４００倍程度の結像倍率で拡大され、ラインセンサ３０に結像される。

波長選択手段４０は、図３に示すように、円盤上の同一半径上に１０個のバンドパス干渉フィルタ（Ｆ１〜Ｆ１０）が設けられている。そして、円盤を回転させて、任意のバンドパス干渉フィルタを照明光の光路上に位置決めすることにより、任意の波長をアライメントマークに照明できるよう構成されている。照明波長は、ウエハ上のアライメントの縦構造に応じて最適な波長を選択するように構成されている。アライメントスコープの開口数（ＮＡ）は、０.４〜０.９程度であり、使用波長はレジストを感光しない波長とする。

アライメントマーク５０としては、図１１に示す形状のマークを用いる。図１１（ａ）において、計測方向であるＸ方向に４μｍ、非計測方向であるＹ方向に３０μｍの幅を持つ矩形のマークをＸ方向に２０μｍピッチで４本並べている。アライメントマーク５０は、矩形の輪郭部分を０.６μｍの線幅で囲まれた形状となるようにエッチングされている。なお、実際には、アライメントマーク５０上にレジストが塗布されているが、説明を簡略化するため、図示していない。図１１（ａ）のアライメントマーク５０を用いた場合、アライメント検出光学系１５のレンズのＮＡに入らない大きな角度で、エッジでの散乱光の発生及び干渉により、ラインセンサ３０で撮像された像は、図１２のようになる。図１１（ａ）のアライメントマーク５０は、凹部が暗くなるか又は明るくなる。これは、明視野画像で多く観察される像である。

このように撮像されたアライメントマーク５０の画像は、アライメント信号処理系４０２を用いて、以下のように処理される。アライメントマーク５０の位置は、テンプレートマッチング法を用いて算出している。テンプレートマッチング法は、取得した信号（図１３のＳ）と予め装置で持っているテンプレート（図１３のＴ）との相関演算で、最も相関の高い位置を位置合わせマークの中心として検出する。図１３のＥで示す相関値の関数において、ピーク画素から左右に数画素の領域の重心画素位置を求めることにより、１／１０〜１／５０画素の分解能を達成することができる。テンプレートマッチング法は、数式１に従って行われる。

…（数式１）
ここで、Ｓはセンサで取得した信号、Ｔはテンプレート、Ｅは相関結果をそれぞれ示す。信号Ｓ、テンプレートＴ、相関値Ｅの関係を図示すると、図１３のようになる。図１３では、４本のアライメントマークのうち、１本のアライメントマーク像についての処理結果を示している。以下、同様に他の３本のアライメントマーク像についても、テンプレートマッチング法により、各マーク像のセンサ上での位置を検出する。テンプレートマッチング法により、４本のアライメントマーク像の位置Ｘ１（ｎ）、Ｘ２（ｎ）、Ｘ３（ｎ）、Ｘ４（ｎ）を求める（単位は画素）。ここで、ｎはテンプレート番号である。その後、数式２に従って各マークの平均位置を算出する。
Ｘａ（ｎ）＝[Ｘ１（ｎ）＋Ｘ２（ｎ）＋Ｘ３（ｎ）＋Ｘ４（ｎ）]／４ …（数式２）
各テンプレートで求めたウエハ上のアライメントマーク５０の位置ずれＸｗ（ｎ）は、アライメントスコープ等のアライメント検出光学系１５の結像倍率をＭ、エリアセンサのアライメント計測方向の画素ピッチをＰｘとすると、数式３で表される。
Ｘｗ（ｎ）＝Ｘａ（ｎ）／（Ｐｘ・Ｍ） …（数式３）
数式３に基づいて、ラインセンサ３０で得られたベストフォーカス像信号からのアライメントマークの位置ずれ量Ｘ１を求める。

以上のように、投影露光装置１０では、制御部１１００の制御下で、フォーカス・チルト検出系で検出した基板の面位置情報に基づいて、投影光学系２の光軸の方向における、またはチルトに係る、基板ステージＳＳの位置を制御する。これにより、投影露光装置１０の投影光学系のベストフォーカス面に基板位置を合わせる。そして、アライメント検出系で計測したウエハの面内の位置ずれ量に基づいて、位置合わせを実施した後に、レチクル上のパターンをウエハ上に露光転写する。以上が、投影露光装置１０の主要部の構成と機能の説明である。

次いで、本実施形態におけるフォーカス・露光量の計測方法について説明する。まず、図１０のフローを用いて、本発明の好適な実施形態に係るデフォーカス量・露光量の計測方法及び補正方法について概略を説明する。

ステップＳＴ１０１では、図６に示すようにウエハ上の投影露光装置１０のフォーカス値（フォーカス位置）（Ｆ）と露光量（Ｅ）を変えて、レチクル上の検査マーク（図４）を露光する。そして、ＦＥＭ（Ｆｏｃｕｓ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｍａｔｒｉｘ）ウエハを作成する。この時使用するレチクルは、実素子パターンとスクライブラインに相当する領域に検査マークを形成し、同時に露光するようにされている。

ステップＳＴ１０２では、ウエハ上の実素子パターンを例えばＳＥＭを用いて評価する。そして、実素子パターン形状が設計値となるフォーカス値・露光量又はフォーカス変動及び露光量変動に対して、中心になるフォーカス値・露光量を最適露光条件として、最適フォーカス値Ｆｏ、最適露光量Ｅｏを求める。

ステップＳＴ１０３では、ＦＥＭウエハを投影露光装置１０にロードし、アライメント検出系で、各露光量Ｅ、フォーカス値Ｆで露光した検査マークのライン長Ｌ（Ｅ、Ｆ）を計測し、ライン長Ｌと露光量・フォーカス値との関係式（近似曲線）を算出する。

ステップＳＴ１０４では、デバイスパターンと検査マークの描画されたレチクルを使用し、投影露光装置１０で露光してウエハ上にデバイスパターン及び検査マークを露光する。

ステップＳＴ１０５では、検査マークを計測し、ステップＳＴ１０３で求めた関係式に基づいて、露光量とフォーカス値を決定する。

ステップＳＴ１０６では、計測された露光量・フォーカス値の最適露光条件（Ｅｏ、Ｆｏ）からのずれ量を補正する方向に、投影露光装置１０或いは現像装置、エッチング装置にオフセットを与える。

ステップＳＴ１０７では、次に露光するウエハがあるか否かを判断し、ウエハがある場合は、ステップＳＴ１０４に戻り、露光すべきウエハがなくなるまで繰り返す。

以下、このフローの詳細な実施内容について説明する。図４は、本発明の好適な実施形態で使用するフォーカス値・露光量の検査マーク５５を示す図である。図４に示すように、検査マーク５５は、矩形のライン＆スペースで構成される。ライン幅・スペース幅は共に、基板上の寸法で０.１５μｍとし、基板上のライン長Ｌは４μｍの設計値としている。このライン＆スペースの本数は１０本以上であることが好ましく、矩形パターンの配列方向の長さは、基板上の寸法で３０μｍとしている。ライン＆スペースのデューティ比は、０.５であることが好ましいが、これに限定されない。また、ライン幅、スペース幅については、基板上に露光転写すべき最小パターン幅と同等の幅から３倍程度の幅に設定することが好ましい。更に、図４のパターンを、複数配置するようにしてもよい。例えば、図１１（ｂ）に示すように、図４に示す検査マーク５５をアライメントマークの横方向にピッチを揃えることにより、アライメントマークと共有することもできる。この場合、計測するライン長が増え（図では４つ）、そのライン長の平均値を使用することで計測精度の向上が見込まれる。なお、投影露光装置１０の縮小倍率を１／４とすると、レチクル上での寸法は、ライン幅０.６μｍ、ライン長は１６μｍとなる。

次いで、検査マーク５５の計測方法について説明する。本実施形態では、上述の投影露光装置１０のアライメント検出系を用いて計測を行う。投影露光装置１０上に検査基板を搭載し、アライメント検出光学系１５を用いて、検査マーク５５を撮像する。検査マーク５５は、絞り２９で規定された図４に示す有効処理領域５６内で、アライメント検出光学系１５内のシリンドリカルレンズで集光され、Ｙ方向に積算された信号となる。これにより、図１（ａ）に示すように、検査マークのラインの両側エッジ（５５Ｌ、５５Ｒ）に対応して、少なくとも２つの極値（ピーク又はボトム）を持つ信号波形が得られる。

ライン長を求めるためのエッジ位置の計算方法としては、検査マークのエッジに起因する極値の前後数点を関数近似して、極値の位置を求める方法や、極値付近の信号波形に対して、所定のスライスレベルとの交点の２点の中点を求める方法等を使用すればよい。

図６に示すように、予め、基板上の投影露光装置１０のフォーカス値（Ｆ）と露光量（Ｅ）を変えて検査マークを露光し、ＦＥＭ基板を作成する。この時使用するレチクルは、実素子パターンとスクライブラインに相当する領域に検査マークを形成し、同時に露光するようにされている。

基板上の実素子パターンを、例えば、ＳＥＭを用いて評価する。そして、実素子パターン形状が設計値となるフォーカス値・露光量又はフォーカス変動及び露光量変動に対して、中心になるフォーカス値・露光量を最適露光条件として、最適フォーカス値Ｆｏ、最適露光量Ｅｏを求める。一方、検査マークについては、ＦＥＭ基板を投影露光装置１０にロードし、アライメント検出系で、上述の方法により、各露光量Ｅ、フォーカス値Ｆで露光した検査マークのライン長Ｌ（Ｅ、Ｆ）を計測する。この時、本実施形態では、アライメント検出光学系１５の波長選択手段４０を用いて、各フォーカス位置、各露光量に対する検査マークを、照明波長を変えて計測する。すなわち、図１の（ａ）、（ｂ）に示すように、１つの検査マークに対して、各照明波長毎に異なる信号波形が得られる。例えば、照明波長λ１によるエッジ間隔（ライン長）の計測値をＬ１（Ｅ、Ｆ）として、照明波長λ２によるエッジ間隔（ライン長）の計測値をＬ２（Ｅ、Ｆ）とすれば、図７に示すような特性の曲線が得られる。

図７において、条件１は照明波長λ１、条件２は照明波長λ２にそれぞれ対応する。また、Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ露光量を示す。このように、ライン長Ｌ１とライン長Ｌ２は、デフォーカス量に対して２次関数的な変動を示すと共に、極大値を示すフォーカス位置が、照明波長に応じて異なることが、発明者の実験及びレジストシミュレーションにより明らかになった。図８は、検査マークの矩形エレメント１本のレジスト形状のシミュレーション結果の鳥瞰図である。投影露光装置１０のデフォーカスに対して、−側と＋側では、レジストエッジの後退と共にエッジの傾斜角が変化している。

上部からこのマークを撮像した場合、エッジ上下面での干渉の影響を受けて信号が形成されるため、極大位置となるフォーカス位置が照明波長により異なる。一方、露光量の変化に対しては、照明波長によらず、ライン長はほぼリニアな変動を示す。

次に、このようなフォーカスに対して異なる極大値を持つ、２つのライン長情報（Ｌ１、Ｌ２）を使用することに対する効果について、図９を用いて説明する。図７の特性のうち露光量がＥ１のデータを用いて、Ｌ１とＬ２の差分、すなわち、Ｌ２（Ｅ１、Ｆ）−Ｌ１（Ｅ１、Ｆ）を求めたものが図９である。この差分Ｌ２−Ｌ１は、デフォーカス量に対して、線形な関係を有し（Ｌ１、Ｌ２がフォーカスに対して偶関数であったのに対し、奇関数になる）、デフォーカス量を符号付きで求めることができる。更に、通常のフォーカス計測方法では、ベストフォーカス付近で、検査マーク形状の変化が少なくなり、計測分解能が低減していたが、差分値を用いることにより、デフォーカス量に関係なく、同一の計測分解能が得られる。デフォーカス量１μｍに対して、差分値（Ｌ２−Ｌ１）は約９０ｎｍ変化する。したがって、ライン長の計測精度を２ｎｍ程度とすると、フォーカス計測分解能は（１μｍ／９０）×２により、約２０ｎｍとなる。

以下、数式を使って、具体的に、フォーカス値、露光量の計算方法について詳細に説明する。まず、ＦＥＭ基板を計測して得られた照明波長λ１によるライン長Ｌ１と、照明波長λ２によるライン長Ｌ２を以下の数式４及び数式５で近似する。
Ｌ１（Ｅ、Ｆ）＝ｋ１＋ｋｅ・Ｅ＋ｋｆ１・Ｆ＋ｋｆ・Ｆ^２ …（数式４）
Ｌ２（Ｅ、Ｆ）＝ｋ２＋ｋｅ・Ｅ＋ｋｆ２・Ｆ＋ｋｆ・Ｆ^２ …（数式５）
数式４及び数式５における各係数は、ライン長計測値Ｌ１、Ｌ２とＦＥＭ基板を作成する時に投影露光装置１０に与えた露光量変数Ｅ、フォーカス値Ｆを用いて、最小二乗法により、容易に求めることができる。また、逆にフォーカス値Ｆは、数式５−数式４により、数式６で表される。

Ｆ＝{（Ｌ２−Ｌ１）−（ｋ２−ｋ１）}／（ｋｆ２−ｋｆ１） …（数式６）
一方、露光量Ｅは、数式６を数式４に代入することにより、数式７で表される。

Ｅ＝{Ｌ１−（ｋ１＋ｋｆ１・Ｆ＋ｋｆ・Ｆ^２）}／ｋ１ …（数式７）
したがって、予めＦＥＭ基板により、ライン長Ｌ１（Ｅ、Ｆ）、Ｌ２（Ｅ、Ｆ）の計測を行い、数式４及び数式５における各係数を決定しておく。そして、評価対象の基板の検査マークのライン長Ｌ１ｍ、Ｌ２ｍを計測して、数式６、７のＬ１、Ｌ２に、それぞれＬ１ｍ、Ｌ２ｍを代入することにより、フォーカス値Ｆｍと露光量Ｅｍを求めることができる。更に、最適フォーカス値Ｆｏからの偏差量ΔＦ、最適露光量Ｅｏからの偏差量ΔＥは、以下の数式８及び数式９で表される。
ΔＦ＝Ｆｍ−Ｆｏ …（数式８）
ΔＥ＝Ｅｍ−Ｅｏ …（数式９）
このようにして求めた偏差量ΔＦ、ΔＥに基づいて、これらのずれを補正する方向にフォーカスオフセット・露光量オフセットを投影露光装置１０に与える。これにより、最適な露光条件（Ｅｏ、Ｆｏ）で、レチクル上のパターンが基板上に露光転写されるように補正及び制御を行うことができる。投影露光装置１０へのフィードバック及びフィードフォワードの方法は、上記の方法に限られない。例えば、露光量やデフォーカス量に対して、最適な露光条件から所定の閾値を設けて、その閾値を超える場合にだけ、投影露光装置１０にオフセットを与える方法を用いてもよい。また、フィードバック及びフィードフォワードの対象装置及び装置変数としては、現像装置のＰＥＢ温度・時間を用いてもよく、更には、レジスト現像後に使用するエッチング装置のエッチングパラメータを用いてもよい。

なお、ライン長Ｌ１、Ｌ２と露光量Ｅ、フォーカス値Ｆの関係式は、先に示した関数に限られない。また、本実施形態においては、図４のように矩形パターンがＹ方向に配列したマークをＸ方向検出用のアライメントスコープでＸ方向のエッジ間隔（ライン長）を計測する例を示した。これ以外にも、図４のマークを９０度回転させたＸ方向に配列したマークをＹ方向検出用のアライメントスコープで、Ｙ方向のエッジ間隔（ライン長）を計測してもよい。更に、フォーカス値・露光量の算出においては、Ｘ方向の計測値とＹ方向の計測値の平均値を用いることが望ましい。或いは、露光すべきデバイスパターンの中で最も露光転写精度が厳しいパターンの配列方向にあった検査マークを使用して、フォーカス値・露光量を算出することが望ましい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の好適な第２の実施形態について説明する。上述のように、フォーカスに対する検査マークのライン長計測値変化の特性において、異なる計測条件で計測することにより、ライン長の極値（極大値）を示すフォーカス位置が異なることが分かった。これを達成するための手段として、第１実施形態では、計測装置の照明波長を変える方法を示した。これに対し、本実施形態では、照明波長を変えるのではなく、照明のコヒーレンシを変えている。検査マークは第１の実施形態と同じものを用いるためその説明は省略する。計測装置も図２で示す投影露光装置１０上のアライメントスコープを用いる。図２の絞り２０の径を変えることにより、コヒーレンシσを変えることができる。本実施形態では、１つの検査マークを図１４（ａ）に示すようにσ＝０.９と、同図（ｂ）で示すようにσ＝０.４で計測して、ライン長Ｌに対応するライン長計測値Ｌ１、Ｌ２を得ている。このように、照明系のコヒーレンシσを変えることにより、図７に示すようにデフォーカス量に対する極大位置をシフトさせることが可能である。すなわち、本実施形態では、図７の条件１がσ＝０.９の計測データに対応し、σ＝０.４が条件２に相当する。

以下、この計測データＬ１、Ｌ２を用いたフォーカス・露光量の計算方法及び補正方法は先の第１実施形態に示した方法と同じであるので説明を省略する。
（第３の実施形態）
次に、本発明の好適な第３の実施形態について説明する。本実施形態では、ライン長の極値（極大値）を示すフォーカス位置を異ならせる手段として、１つの検査マークから取得した信号波形の複数の特徴量を用いて、エッジに依存する２つのライン長計測値Ｌ１、Ｌ２を算出する。図１５は、本実施形態に係る信号波形と、波形特徴量及びライン長の計測位置を説明する図である。図２のアライメント検出系で照明波長や照明系のコヒーレンシを固定した状態で、検査マークを計測する。そして、検査マークのエッジに起因するその信号波形のメインローブの間隔をＬ１として計測して、サイドローブの間隔をＬ２として計測する。この場合においても、図７において、条件１がメインローブ間の間隔、条件２がサイドローブ間の間隔として、極大値のフォーカス位置のシフトが発生し、先に示した実施形態と同等の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、サイドローブ及びメインローブのコントラストが、共に必要となるため、小σ化するように（例えば、σ＝０.４以下）、図２における絞り２０を設定することが好ましい。
（第４の実施形態）
次に、本発明の好適な第４の実施形態について説明する。本実施形態では、ライン長の極値（極大値）を示すフォーカス位置を異ならせる手段として、検査マークが２つの特性を持つエレメントから構成されるようにしている。本実施形態で使用する検査マークは、第１〜第３の実施形態で使用した図４の検査マークとは異なり、図１６で示すように、ノコシマーク５５Ｐとヌキマーク５５Ｎの２つにより構成されている。ノコシマーク５５ｐは、基板上でレジスト矩形パターンが配列された形状となっているのに対し、ヌキマーク５５Ｎは、レジストパターンの中にヌキの（レジストが無い）矩形パターンが配列された形状となっている。図１７は、本実施形態における信号波形と、波形特徴量及びライン長の計測位置を説明する図である。図２のアライメント検出系で照明波長や照明系のコヒーレンシを固定した状態で、検査マークを計測する。そして、検査マーク５５のノコシマーク５５ｐのエッジに起因するその信号波形から求めたＬ１と、検査マークのノコシマーク５５ｎのエッジに起因するその信号波形から求めたＬ２を計測する。この場合においても、図７において、条件１がノコシマークのライン長Ｌ１、条件２がヌキマークのライン長Ｌ１として、極大値のフォーカス位置のシフトが発生し、先に示した実施形態と同等の効果を得ることができる。

以上のように、第１〜第４の実施形態により本発明を説明したが、これらの４つの実施形態を組み合わせて実施してもよい。また、２つの異なる計測条件でマーク長情報Ｌ１、Ｌ２を求める例を示したが、計測条件は最低２つ以上が必要であり、更に計測条件を増やすことも可能である。

また、計測条件は上述の方法に限られず、ライン長の極値（極大値）を示すフォーカス位置を異ならせるという発明の特徴を満たす条件であれば、異なる偏光の光を使用する方法や明視野・暗視野を使う方法などを用いてもよい。

更に、計測装置としては、投影露光装置上のアライメント検出系を用いる例を示したが、専用の計測装置を用いてもよい。また、半導体製造ラインで標準的な検査装置として使用されているオーバーレイ精度を評価する重ね合わせ検査装置を用いることもできる。

本発明の好適な第１の実施形態で取得される信号波形を説明する図である。 本発明の好適な第１の実施形態で使用する計測装置を説明する図である。 本発明の好適な第１の実施形態で使用する計測装置の波長可変ユニットの構成を説明する図である。 本発明で使用するフォーカス・露光量検査マークを説明する図である。 本発明で使用する投影露光装置のブロック図である。 本発明で使用するＦＥＭウエハ及び最適露光条件からの偏差を説明する図である。 本発明のポイントである２つの計測条件によるパターン長の違いをを示す図である。 矩形パターンのレジスト形状のデフォーカス特性を示す図である。 デフォーカス量と２つのライン長計測値の差分値との関係を示す図である。 本発明のシーケンスを示すフロー図である。 本発明で使用するアライメントマークの形状を示す図である。 本発明のアライメント信号波形を示す図である。 本発明のアライメント信号波形の処理方法を説明する図である。 本発明の好適な第２の実施形態の信号波形を説明する図である。 本発明の好適な第３の実施形態の信号波形を説明する図である。 本発明の好適な第４の実施形態で使用する検査マークを示す図である。 本発明の好適な第４の実施形態の信号波形を説明する図である。 従来例の課題を説明する図である。 従来例のフォーカス計測方法を説明する図である。

Claims (5)

1. 原版のパターンの像を基板に投影する投影光学系を備える露光装置のデフォーカス量を計測する計測装置であって、
   前記露光装置によって基板上に形成された検査マークの像をセンサで撮像し、前記センサで撮像された前記検査マークの像のエッジ間隔を計測する計測手段と、
   前記露光装置のデフォーカス量と前記検査マークの像のエッジ間隔との関係を取得する取得手段と、
   前記露光装置のデフォーカス量を求める処理手段と、
   を有し、
   前記計測手段は、前記露光装置の複数のデフォーカス量のそれぞれで前記露光装置によって基板上に形成された前記検査マークの第１の像のエッジ間隔を２つの計測条件のそれぞれで計測し、かつ、前記露光装置のあるデフォーカス量で前記露光装置によって基板上に形成された前記検査マークの第２の像のエッジ間隔を前記２つの計測条件のそれぞれで計測し、
   前記取得手段は、前記２つの計測条件のそれぞれについて、前記露光装置のデフォーカス量と前記第１の像のエッジ間隔との間の第１の関係を取得し、
   前記２つの計測条件は、前記第１の関係において前記第１の像のエッジ間隔が前記露光装置の互いに異なるデフォーカス量で極値を持つ２つの計測条件であり、
   前記処理手段は、前記複数のデフォーカス量のそれぞれと、それに対応する前記第１の像についての前記２つの計測条件での前記エッジ間隔の差分との間の第２の関係と、前記第２の像についての前記２つの計測条件での前記エッジ間隔の差分とに基づいて、前記第２の像に係る検査マークを基板上に形成したときの前記露光装置のデフォーカス量を求める、ことを特徴とする計測装置。
2. 前記２つの計測条件は、前記検査マークの照明に関する条件である、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記２つの計測条件は、前記検査マークの像のメインローブ間の間隔を計測することによって前記検査マークの像のエッジ間隔を決定する計測条件と、前記検査マークの像のサイドローブ間の間隔を計測することによって前記検査マークの像のエッジ間隔を決定する計測条件とである、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
4. 原版のパターンを基板に投影する投影光学系と、
   前記原版又は前記基板を保持して位置決めを行うステージと、
   請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置と、
   前記計測装置で計測されたデフォーカス量に基づいて、前記投影光学系の光軸の方向における前記ステージの位置を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする露光装置。
5. 請求項４に記載の露光装置を用いて基板を露光するステップと、
   前記工程で露光された前記基板を現像するステップと、
   を含むことを特徴とするデバイス製造方法。

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