JP2000269119A - 露光装置のｎａ測定方法及びｎａ測定用光学部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】露光装置におけるウェハ側の開口数ＮＡを簡便
に測定する。 【解決手段】光源から発せられる光を照明光学系により
光学部材に導き、該光学部材の像を投影光学系によりウ
ェハ上に結像せしめる露光装置に対して、投影光学系の
ウェハ側の実際の開口数ＮＡを測定する露光装置のＮＡ
測定方法において、光学部材の倍率をＭ、露光波長を
λ、照明光学系の前記光学部材側の開口数をＮＡ_illと
したとき、少なくとも１方向に少なくとも２以上の周期
を有する遮光部１及び透光部２からなるライン＆スペー
スの基本パターンが複数配置され、該パターンの周期の
中にｐ₁＜Ｍλ／（ＮＡ＋ＮＡ_ill）＜ｐ₂を満たす周期
ｐ₁とｐ ₂が含まれた光学部材をレチクル面に設置してウ
ェハにパターンを露光し、該露光されたパターンの解像
の有無の境界におけるパターン周期を同定することによ
って、前記開口数ＮＡを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影露光装置のＮ
Ａ測定方法及びＮＡ測定用光学部材に関するもので、特
に露光装置の投影光学系の開口数ＮＡの大きさを測定す
るために用いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスを製作するために用いら
れる縮小投影型露光装置の投影光学系の開口数ＮＡの検
査を、装置全体が組み立てられた後に、装置を解体しな
いで行う方法は過去に殆ど行われていない。過去に行わ
れていた唯一の方法は、レチクルの裏面に微細な孤立パ
ターンかまたは周期パターンを描き、露光して得たレジ
ストパターンから判断する方法である。例えば、Prog1e
rらにより二重露光の方法が報告されている（ＳＰＩＥ
Ｐｒｏｃ．Ｖｏ１．３０５１，ｐｐ．６６０−６７
１）。

【０００３】この二重露光の方法では、まず１回目の露
光で、周囲が遮光領域である中に、孤立した微細なピン
ホールパターンを裏面に描いたマスクで露光する。次に
２回目の露光では、周囲が透光領域である、孤立したド
ットパターンを裏面に描いて露光する。１回目のピンホ
ールパターンと２回目のドットパターンは、マスクを入
れ替えたときに同じ位置にあるように設置位置調整して
露光する。その結果、光源の像がドットパターンにより
転写され、投影光学系の瞳の輪郭の像がピンホールパタ
ーンにより描かれる。既知の光源の大きさを基準にし
て、投影光学系のＮＡが測定できる。

【０００４】しかしながら、この方法には以下の欠点が
あった。

【０００５】（１）上記の二重露光の１回目の露光で、
単独のピンホールを用いて、投影光学系の瞳の全域に到
達する回折光を発生させている。このような回折現象を
起こすためにはピンホールの大きさを極端に小さくしな
ければならない。ここで半径ｒの円形のピンホールを例
にとって考える。投影光学系の瞳全体で、あるしきい値
以上の光強度を保つ条件として、瞳の端の光強度が、中
心の光強度の１／ｅ（＝０．３６，ｅは自然対数の底）
になる場合を仮定する。Ｍをレチクルの倍率、ＮＡを投
影光学系の倍率、λを露光波長とすると、次の関係が成
立する。

【０００６】ｒ＝０．４１Ｍλ／ＮＡ ＮＡ＝０．６、Ｍ＝４のＫｒＦエキシマレーザー露光装
置（λ＝０．２４８μｍ）の場合、ｒ＝０．６８μｍと
なる。レチクルの裏面に存在するこの大きさのサイズの
ピンホールを露光して、レジストを感光させるためには
非常に長い時間を必要とする。実際の実験では、通常半
導体デバイスを作成するときに設定する露光量（光のエ
ネルギー）が約２０ｍＪ／ｃｍ²である露光装置及びフ
ォトレジストに対して、レチクル裏面に設置したｒ＝
２．５μｍのピンホールでフォトレジストの膜減り状態
を作り出すためには、１００００ｍＪ／ｃｍ²という露
光量が必要であった。面積が約１／２７であるｒ＝０．
６８μｍのピンホールを使用するならば、ｒ＝２．５μ
ｍのピンホールの場合の少なくとも２７倍の露光量（２
７００００ｍＪ／ｃｍ²）という露光量が必要であると
見積もられる。このような露光量を加えることは、現実
の露光装置では非常に困難である。

【０００７】（２）膜減りの観測は、コントラストのわ
ずかな違いを見分ける必要がある。瞳の形状を判断には
コンピュータを用いた画像処理が必要であり、手間がか
かる。

【０００８】（３）１回目・２回目の露光両方につい
て、膜減り状態を作り出す必要があるため、露光量の調
節が極めて微妙なものになる。以上のように、彼らの方
法では、露光装置を分解しないで測定するという問題は
解決しているが、簡便な方法とは言い難いものであっ
た。

【０００９】ＮＡの変化は露光装置の性能低下に直結す
るため、高精度なＮＡの調整が求められる。

【００１０】また、シミュレーションと実際の結果の不
一致の原因になるため、正しいプロセスマージン予測、
形状設計に対してもＮＡの正しさが要求されるようにな
ってきている。それにもかかわらず、これまでは装置組
み立て後の投影光学系のＮＡを定量的に測定する手軽な
手段がなく、現実には行われていなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
露光装置の検査方法では、ＮＡを測定する方法はあって
も２重露光が必要であり、またその露光による膜減りを
測定するのは非常に困難で、露光量の調節等の手間もか
かる。

【００１２】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところは、露光装置における
ウェハ側の開口数ＮＡを簡便に測定することのできる露
光装置のＮＡ測定方法及びＮＡ測定用光学部材を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
露光装置のＮＡ測定方法は、光源から発せられる光を照
明光学系により光学部材に導き、該光学部材の像を投影
光学系によりウェハ上に結像せしめる露光装置に対し
て、投影光学系のウェハ側の実際の開口数ＮＡを測定す
る露光装置のＮＡ測定方法において、前記光学部材の倍
率をＭ、露光波長をλ、前記照明光学系の前記光学部材
側の開口数をＮＡ_illとしたとき、少なくとも１方向に
少なくとも２以上の周期を有する基本パターンが複数配
置され、該基本パターンの周期の中にｐ₁＜Ｍλ／（Ｎ
Ａ＋ＮＡ_ill）＜ｐ₂を満たす周期ｐ₁ とｐ₂が含まれた前
記光学部材をレチクル面に設置して前記ウェハに前記複
数の基本パターンを露光し、該露光された転写パターン
の解像の有無の境界におけるパターン周期を同定するこ
とによって、前記開口数ＮＡを求めることを特徴とす
る。

【００１４】本発明の望ましい形態を以下に示す。

【００１５】（１）光学部材の基本パターンは、２次元
格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンで
あり、該２次元格子の縦軸及び横軸が直交する２方向上
に繰り返しパターンが構成されてなる。

【００１６】（２）光学部材は、２次元格子の縦軸及び
横軸がウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの
中心を結ぶ直線に対して平行な方向又は垂直な方向に設
定された繰り返しパターンを有する。

【００１７】（３）光学部材は、２次元格子の縦軸及び
横軸がウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの
中心を結ぶ直線に対して±４５°の角度で交わる二つの
直線に平行な方向に設定された繰り返しパターンを有す
る。

【００１８】（４）光学部材の繰り返しパターンの２次
元格子の縦軸方向及び横軸方向の繰り返し周期が異な
る。

【００１９】（５）光学部材の基本パターンはライン＆
スペースパターンである。

【００２０】（６）複数の基本パターンは、光学部材上
にラインの長手方向の角度を少なくとも２種類以上に変
えて配置されてなる。

【００２１】（７）ラインの長手方向の角度は、ウェハ
のノッチまたはオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ
直線に対して平行、直交または±４５°の角度を持つ。

【００２２】（８）少なくとも２以上の周期を持つ周期
パターンが配置されてなり、該周期パターンの周期の刻
み幅は０．０９０×Ｍμｍ以下である。Ｍはレチクルの
倍率を示す。

【００２３】また、本発明の請求項９に係るＮＡ測定用
光学部材は、所定の方向に所定の周期を有する基本パタ
ーンが複数配置されてなり、かつ複数の基本パターンは
それぞれ０．００９×Ｍμｍ（Ｍ：レチクルの倍率）以
下の刻み幅でそれぞれ異なる周期を有していることを特
徴とする。

【００２４】（作用）本発明の対象とする露光装置は、
照明光学系、光学部材、投影光学系から構成される。こ
こで、開口数をＮＡ_illとしたとき、光源から出た光は
光学部材に到達する。光学部材上には異なる周期を有す
る基本パターンが複数配置されており、この光学部材上
のパターンにより光は回折し、投影光学系に入射する。
投影光学系の開口数は有限であるため、回折光の高次成
分は投影光学系の絞りによって止められ、低次の回折光
のみが投影光学系を通り抜けてウェハに到達する。

【００２５】周期的なパターンが光学部材上に描画され
ているため、回折光は離散的になる。また、光源が有限
の大きさを持つため、各回折光の断面形状は光源の形状
を反映した面積を持つ。１次回折光は、０次回折光の断
面の中央からある一定の距離だけ離れた位置に到達す
る。

【００２６】ここで、ウェハ上に光学部材のパターン像
が形成されるためには、２個以上の回折光を必要とす
る。その理由は、像のコントラストは複数の回折光の干
渉により発生するからである。回折光の位置は周期によ
って定まり、投影光学系の瞳において、瞳の半径を１、
開口数をＮＡ、光の波長をλ、光学部材の倍率をＭとす
ると、回折光間の距離は、 （１／ｐ）・（Ｍλ／ＮＡ） で表される。また、各回折光の大きさ、すなわち半径は
ＮＡ_illとなる。周期が十分に小さく、１次回折光が絞
り（瞳）から外れる場合を考える。この場合、ウェハ上
に転写される像にはコントラストが無く、光が当たった
部分のレジストが一様に感光されるだけである。このよ
うな状態に該当する場合の周期の条件は、幾何学的考察
により ｐ＜Ｍλ／（ＮＡ＋ＮＡ_ill） （１） で表される。次に、周期ｐが上の状態よりも緩和され、
１次回折光が少しでも絞りの内部に入る場合を考える。
照明光の多くの部分から発した光は０次回折光しかウェ
ハに到達しない。一般の露光装置の光学系においては、
同一の点光源から発した光同士は干渉してウェハ上にコ
ントラストを発生させ、異なる点光源から発した光同士
は干渉しないことから、この０次回折光しかウェハに到
達しないところの光源から発した光は干渉を起こさず、
像の形成に寄与しない。しかし、わずかでも１次回折光
が瞳を通過したところの光源から発した光は、同一光源
から発した０次回折光と１次回折光との干渉によりコン
トラストを生じさせ、その結果ウェハ上にパターンが転
写される。

【００２７】以上により、照明光学系の開口数Ｎ
Ａ_ill、レチクルの倍率Ｍ及び光の波長λが正確にわか
っていれば、像のコントラストの有無から投影光学系の
開口数ＮＡが求められることが説明される。例えば周期
ｐ₁のライン＆スペースパターンの転写像にはコントラ
ストがあり、ｐ₁をわずかに変えたｐ₂の周期のライン＆
スペースパターンの転写像にコントラストがない場合
（ここで、ｐ₁＜ｐ₂）は、式（１）を用いてＮＡが次の
ように求められる。

【００２８】 Ｍλ／ｐ₂−ＮＡ_ill＜ＮＡ＜Ｍλ／ｐ₁−ＮＡ_ill これによって、従来のように２重露光の手間を必要とせ
ず１回の露光でＮＡの測定が可能となり、また膜減りの
観察等のように手間のかかる画像処理も必要なく、露光
量の調節の微妙な調節も必要なくコントラストの解像の
有無のみの観察によりＮＡを定量的に測定することがで
きる。この測定は、露光装置を分解する必要なく、普段
稼働しているそのままの状態を測定することができるの
で、比較的簡便かつ迅速に高精度の測定値を得ることが
できる。

【００２９】また、この測定値により露光の解像力や公
称値とのずれが分かるので、投影光学系に修正を加える
か否かの判断が可能となる。また、シミュレーションに
パラメータとして導入することによりデバイスパターン
のプロセスマージン予測を精密に行うことが可能にな
る。

【００３０】また、上記条件におけるＮＡの誤差の範囲
は、次式で表される。

【００３１】 Ｍλ／ｐ₁−Ｍλ／ｐ₂ （２） 従って、測定誤差は、ｐ₁とｐ₂の差を小さくすることが
できれば、いくらでも小さくできる。ここで、投影光学
系のＮＡの値を測定する際に、少なくとも±０．０１の
精度で測定しなければならない。なぜなら、この程度の
誤差が露光装置の光学系に存在すると、露光装置のパタ
ーン結像性能において無視できない影響が発生すると考
えられるからである。

【００３２】従ってこの測定誤差から光学部材に必要と
される基本パターンの周期の刻み幅が上記式より逆算で
きる。露光波長の相違より、ｉ線露光装置、ＫｒＦ露光
装置、ＡｒＦ露光装置において、必要とされる刻み幅は
０．０１３２μｍ以下、０．０１２０μｍ以下、０．０
９０μｍ以下となる。この値は、実現可能と考えられる
ＮＡ_ill、すなわち光源の大きさを規定する絞りの大き
さ（σ値）を全て考慮して最も緩くなる場合を示す。従
って、パターン周期の刻み幅、すなわちパターンピッチ
の増加分を０．０９０μｍ以下にしておけば、全ての露
光装置に対して適用可能である。

【００３３】以上説明したように、パターン周期の刻み
幅を０．０９０μｍ以下に設定したパターンを有する光
学部材を用いることにより、誤差±０．０１以下の精度
で投影光学系のＮＡの測定が可能となる。

【００３４】また、光学部材の基本パターンが、２次元
格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンで
ある場合には、２方向上に繰り返しパターンが形成され
るため、２方向の開口数ＮＡを同時に測定することが可
能となる。このことは、基本パターンがライン＆スペー
スパターンであり、かつライン幅方向の角度を少なくと
も２種類に変えて配置されたパターンを有する光学部材
を用いた場合にも同様の効果を奏する。さらにラインの
長手方向の角度を３種類以上に変えて配置することによ
り、さらに多方向のＮＡの同時測定が可能となり、原理
的には全ての向きのＮＡの測定が可能とである。

【００３５】また、２次元格子上のパターンを用いれ
ば、１回の露光で直交する２方向のＮＡの大きさを測定
できるため、検査の効率が向上する。さらに、２次元格
子パターンであって縦方向と横方向のパターン周期を異
なる値にした基本パターンを配置することにより、投影
光学系の瞳の形状が円ではなく歪んだ形状をしている場
合でも、角度の関数としてのＮＡの高精度の測定が可能
となる。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００３７】（第１実施形態）図１〜図５は本発明の第
１実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明するた
めの図である。本実施形態においてはＫｒＦエキシマレ
ーザー露光装置(λ:０．２４８μｍ、ＮＡ_ill:０．４
５、公称ＮＡ:０．６）に対して本発明を適用した場合
を示し、図１は本実施形態において用いられるレチクル
の平面図であり、図１（ａ）はそのレチクルに用いられ
る基本パターンを示す図であり、図１（ｂ）はレチクル
の構成を示す図である。

【００３８】図１（ａ）に示すように、レチクルの基本
パターンは遮光部１と透光部２からなる２０μｍ角のラ
イン＆スペースパターンであり、寸法比は１：１であ
る。このライン＆スペースパターンは、矢印の方向がノ
ッチの方向に合わせて配置される。このようなライン＆
スペースの基本パターンを図１（ｂ）に示すようにウェ
ハのノッチを下向きにして、ライン長方向を横向きに合
わせ、レチクル（倍率Ｍ：４）上に１１個配置する。

【００３９】レチクルに配置されたこれら１１個の基本
パターンは、それぞれ周期を変えている。図１（ｂ）の
左端に示す基本パターンの周期は０．９０４μｍで、右
へ向かうにつれて０．００８μｍずつ周期を増加させて
おり、右端の基本パターンでは周期が０．９８４μｍで
ある。このようなパターンを描いたレチクルを、デフォ
ーカスを少しずつ変えて露光を行う。

【００４０】このようなパターン露光により得られるレ
ジストパターンの平面図を図２に示す。図２に示すよう
に、レジストパターンは光学顕微鏡の暗視野照明での像
を示している。縦に並んだ数値は、露光装置で設定した
デフォーカス量を示し、横に並んだ数値はレチクル上の
ライン＆スペースパターンの周期を示している。

【００４１】デフォーカスが０．０μｍであるとは、露
光装置の事前チェックの結果得られた、フォーカスチェ
ックパターンにおけるベストフォーカスの位置を表して
いる。ベストフォーカスは、気圧や気温の変化等で容易
に変動するため、事前チェックを行って日々のベストフ
ォーカスの値をあらかじめ求めている。さらに、実際の
露光装置では、レンズの収差等の影響でベストフォーカ
ス位置がパターンサイズや形状に依存して変わるため、
図２のデフォーカス０．０μｍの位置は必ずしも真のベ
ストフォーカスとは限らない。

【００４２】図中、２１に示した空白パターンとは、像
のコントラストが現れていないこと、すなわち一様にレ
ジストが残っているか、または一様に感光して無くなっ
ていることを表す。逆に、２２に示したライン＆スペー
スパターンは、像のコントラストが現れていることを表
し、従って、基本パターンであるライン＆スペースパタ
ーンが形成される。

【００４３】今回得られたレジストパターンから判断し
たベストフォーカスは０．０μｍであり、このとき、ラ
イン＆スペースパターン２２は周期が０．９５２μｍ以
上に限られ、０．９４４μｍ以下のパターンは見られな
い。

【００４４】次に、図２に示す露光結果からＮＡを算出
する手法を露光原理に基づいて図３を用いて説明する。

【００４５】図３は本発明の露光原理を説明するための
図であり、本発明の対象とする露光装置の全体構成を概
略的に示す模式図である。光源からの光３１はレチクル
３２，投影光学系の瞳３３を介してウェハ３４に入射す
る。光源からの光３１がレチクル３２を通過する際に、
レチクル３２に描画された微細パターンにより光は回折
し、０次回折光３５，１次回折光３６，０次・１次回折
光３５，３６よりもさらに高次の高次回折光３７が生じ
る。

【００４６】これら種々の回折光３５〜３７は、高次回
折光３７の一部を除いて投影光学系の瞳３３に入射す
る。すなわち、投影光学系のＮＡは有限であるため、回
折光のうち高次回折光３７の一部は投影光学系の瞳３３
によって止められ、低次の回折光３５，３６のみが投影
光学系を通り抜けてウェハ３４に到達する。レチクル３
２とウェハ３４は投影光学系に関して共役の位置にある
ため、ウェハ３４上にはレチクル３２に描画されたパタ
ーンが再現される。

【００４７】周期的なパターンがレチクル３２上に描画
されている場合は、回折光は離散的になる。離散的な回
折光がウェハ３４上に転写される様子を図４に示す。図
４では、レチクル３２に周期的なパターンとしてライン
＆スペースパターン４１が描かれている場合を示す。

【００４８】このライン＆スペースパターン４１は、周
期がｐ、透光部と遮光部の寸法比が１：１である。この
レチクル３２を通過した回折光は、０次回折光、±１次
回折光、±２次回折光、±３次回折光、…が生じるが、
０次回折光により０次回折パターン４２が、±１次回折
光により±１次回折パターン４３が、±２次回折光によ
り±１次回折パターン４４が、±３次回折光により±３
次回折パターン４５がそれぞれライン＆スペースパター
ン４１のライン長方向の向きと直行する直線上に離散的
に生じる。

【００４９】光源の大きさが点である場合には各回折光
は点になるが、実際の露光装置では光源が有限の大きさ
（開口数はＮＡ_illと表記する）を持つため、各回折光
の形状はその大きさを反映した面積を持つ。０次回折光
はレチクル３２を通過して直進する成分で、一般には全
ての回折光の中で最も強度が大きい。本実施形態で用い
る露光装置は共軸光学系であるため、投影光学系の瞳３
３において０次回折パターン４２の位置は中央になる。

【００５０】１次回折光は、その中央がライン＆スペー
スパターンの向きに直交する直線上にあり、０次回折パ
ターン４２の中央からある一定の距離だけ離れた位置に
到達する。回折光の符号は、投影光学系の瞳３３の中心
を対称の原点として、点対称の位置に２つの回折光が存
在していることを表す。

【００５１】次に、図５を用いてレチクルパターンの像
が形成されるための条件を説明する。図５は０次回折光
及び１次回折光と瞳の位置関係を示す図であり、図５
（ａ）はパターン像が形成されない場合を、図５（ｂ）
はパターン像が形成される場合を示す。図３に示すウェ
ハ３４上でレチクルパターンの像が形成されるために
は、少なくとも２個以上の回折光を必要とする。その理
由は、像のコントラストの発生は、複数の回折光の干渉
により生じるためである。

【００５２】ライン＆スペースパターンの回折光の位置
はその周期ｐによって定まる。ここで、投影光学系の瞳
３３において、瞳の半径を１、開口数をＮＡ、光の波長
をλとすると、回折光間の距離は、１／ｐ・λ／ＮＡで
表される。また、各回折光の大きさ、すなわち回折光の
半径はＮＡ_illとなる。

【００５３】ここで、図５により回折光の半径Ｎ
Ａ_ill、瞳の半径ＮＡ、レチクル上のパターンの周期ｐ
の各パラメータと、像コントラストの発生の関係につい
て考える。図５（ａ）に示すように、周期が小さく ＮＡ＋ＮＡ_ill＜λ／ｐ₁ （１） の条件を満たすｐ₁の場合、幾何学的考察により１次回
折光３６が投影光学系の瞳３３の外に到達し、絞りによ
り遮られることが分かる。これに対して周期が充分大き
く、 ＮＡ＋ＮＡ_ill＞λ／ｐ₂ （２） の条件を満たすｐ₂の場合、同様の考察で１次回折光３
６の一部分が投影光学系の瞳３３の内側に到達し、瞳を
通り抜けることが分かる。

【００５４】前述の通り、像コントラストが発生するた
めには少なくとも２個以上の回折光を必要とするとこ
ろ、図５（ａ）に示すように１次回折光３６が投影光学
系の瞳３３に入らない条件では、像コントラストが生ず
ることなくパターンが形成されない。

【００５５】これに対して図５（ｂ）に示すように０次
回折光３５とともに１次回折光３６がわずかでも投影光
学系の瞳３３に入る場合には、照明光の多くの部分から
発した光は、０次回折光３５しかウェハ３４に到達しな
い。しかし、わずかながら同一点光源から発して０次及
び１次回折光がともにウェハに到達するところの照明光
成分が、レチクルに描かれているライン＆スペースパタ
ーンと同じ縞々のコントラストを生じさせる。従ってウ
ェハ３４上にライン＆スペースパターンが転写される。
この微小なコントラストのある状態は、通常用いられて
いるＳＥＭでは観察し難いが、光学顕微鏡の暗視野照明
を利用すれば容易に観察することができる。

【００５６】以上のことから、照明光学系の大きさＮＡ
_illと、光の波長λが正確にわかっていれば、ライン＆
スペースパターンの像コントラストの有無から、投影光
学系の開口数ＮＡが容易に求められることが説明され
る。すなわち、（１）式と（２）式より λ／ｐ₁−ＮＡ_ill＜ＮＡ＜λ／ｐ₂−ＮＡ_ill （３） となる。ここで、ｐ₁＜ｐ₂である。この条件を満たすＮ
Ａが正確なＮＡとなり、真のＮＡの値はこの条件を満た
しているから、ｐ₁とｐ₂の差が小さければ小さいほど、
ＮＡをより精度良く測定できることになる。

【００５７】次に、基本パターンの周期の刻み幅、すな
わち基本パターンの増加分を０．００８μｍに設定した
理由を説明する。

【００５８】、上記条件におけるＮＡの誤差の範囲は、
次式で表される。

【００５９】 Ｍλ／ｐ₁−Ｍλ／ｐ₂ （２） 従って、測定誤差は、ｐ₁とｐ₂の差を小さくすることが
できれば、いくらでも小さくできる。ここで、投影光学
系のＮＡの値を測定する際に、少なくとも±０．０１の
精度で測定しなければならない。なぜなら、この程度の
誤差が露光装置の光学系に存在すると、露光装置のパタ
ーン結像性能において無視できない影響が発生すると考
えられるからである。

【００６０】従ってこの測定誤差から光学部材に必要と
される基本パターンの周期の刻み幅が上記式より逆算で
きる。露光波長の相違より、ＫｒＦ露光装置において、
必要とされる刻み幅は０．０１２０μｍ以下となる。こ
の値は、実現可能と考えられるσ絞り、すなわち光源の
大きさを規定する絞りの大きさ（σ値）を全て考慮して
最も緩くなる場合を示す。従って、パターン周期の刻み
幅、すなわちパターンピッチの増加分を０．０１２０μ
ｍ以下にしておけば、全ての露光装置に対して適用可能
である。

【００６１】以上説明したように、パターン周期の刻み
幅を０．０１２０μｍ以下に設定したパターンを有する
光学部材を用いることにより、±０．０１以下の精度で
投影光学系の開口数ＮＡの測定が可能となる。

【００６２】なお、以上に示した（１）〜（３）式は、
レチクルの倍率を考慮しない場合、すなわちレチクルが
１倍の場合で説明したが、λをＭ倍することにより、上
記の条件が同様に成立する。

【００６３】また、像の微妙なコントラストを転写する
ために、ベストフォーカスの状態で露光しなければなら
ず、デフォーカスした状態では像のコントラスト低下に
より、１次回折光が投影光学系の瞳３３に入っている場
合でも入っていないと判断しかねない。従って、ベスト
フォーカスが時間とともに変化する事情に対応するた
め、実際に本実施形態を実施するためにはフォーカスの
値を何種類か変えて露光し、その中でコントラストが生
じる最小周期のパターンを判断基準としなければならな
い。

【００６４】以上に示した露光原理を本実施形態に適用
して考えると、次のことが分かる。図２に示すように、
ベストフォーカスの状態において、像コントラストの発
生の境界におけるライン＆スペースパターンの周期は、
０．９４４μｍと０．９５２μｍである。すなわち、
０．９４４μｍのライン＆スペースパターンでは、１次
回折光３６は全て投影光学系の瞳３３の外側にあり、像
コントラストが発生しない。従って、図５（ａ）に示し
た回折光の位置関係を考慮して ＮＡ＜Ｍλ／０．９４４−ＮＡ_ill＝０．６０１ が成り立つ。一方、０．９５２μｍのライン＆スペース
パターンでは、１次回折光３６の一部分が瞳３３の内側
にあると考えられる。図５（ｂ）に示した回折光の位置
関係を考慮して、 ＮＡ＞Ｍλ／０．９５２−ＮＡ_ill＝０．５９２ が成り立つ。

【００６５】以上より、ノッチを下に見た場合の左右方
向のＮＡは、 ０．９５２＜ＮＡ＜０．６０１ であることがわかる。

【００６６】このように本実施形態によれば、露光装置
の投影光学系のウェハ側の開口数を定量的に精密に測定
することができる。従って、得られた開口数より、公称
値とのずれを算出し、投影光学系に修正を加える必要が
あるか否かの判断が可能となる。

【００６７】（第２実施形態）図６〜図９は本発明の第
２実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明するた
めの図である。ＫｒＦエキシマレーザー露光装置(λ:
０．２４８μｍ、ＮＡ_{il l}:０．４５、公称ＮＡ：０．
６)に対して本発明を適用する場合を示す。なお、以下
の実施形態では、第１実施形態と共通する部分について
の詳細な説明は省略する。

【００６８】図６は本実施形態で用いられるレチクルの
基本パターンを示す図である。図６に示した縦、横、右
上左下対角、右下左上対角の４種のライン＆スペースパ
ターンが基本パターンとなる。また、これら４種類の方
向を持つ基本パターンを、第１実施形態と同様にレチク
ル（Ｍ:４)上にそれぞれ周期を変えて配置する。周期を
変えて配置されるレチクルの構成を図７に示す。図７に
示すように、方向の異なる４種類の基本パターンが、そ
れぞれ異なる周期で１１個ごと配置される。この複数の
ライン＆スペースパターンを描いたレチクルを、デフォ
ーカス毎に転写位置を変えて露光を行う。

【００６９】このようなパターン露光により得られるレ
ジストパターンの平面図を図８に示す。図８には各基本
パターンのベストフォーカスの図を抽出したものであ
り、図２と同様のパターンが得られる。２１に示した空
白パターンは、像のコントラストが現れていないことを
表し、逆に、ライン＆スペースパターンは、像のコント
ラストが現れていることを表し、従って基本パターンで
あるライン＆スペースパターンが形成される。

【００７０】レチクル上の周期パターンの向きを変えれ
ば、それに応じて１次回折光の位置も変わる。従って、
上で用いたライン＆スペースパターンの任意の向きに向
けて配置すれば、投影光学系の全ての向きの開口数が測
定できる。これは、すなわち投影光学系の瞳の形状を測
定することと同じ意味である。

【００７１】従って、本実施形態に示した露光結果か
ら、ノッチを下に見た場合の右上左下対角方向のＮＡ
は、 ０．５９２＜ＮＡ＜０．６０１ ノッチを下に見た場合の左右方向のＮＡの大きさは、 ０．５８３＜ＮＡ＜０．５９２ ノッチを下に見た場合の右下左上対角方向のＮＡの大き
さは、 ９．５９２＜ＮＡ＜０．６０１ ノッチを下に見た場合の上下方向のＮＡの大きさは、 ０．６０１＜ＮＡ＜０．６１０ であることがわかる。この投影光学系の瞳の形状を図９
に示す。図９（ａ）は理想的な投影光学系の瞳の形状
を、図９（ｂ）は本実施形態の測定の結果得られた投影
光学系の瞳の形状を示す。図９（ａ）に示すように、理
想的な、すなわち公称の投影光学系の瞳の形状は、直径
０．６μｍの完全な円の形状をしているのに対し、本実
施形態の測定の結果、実際の投影光学系の瞳は縦方向の
直径が０．６０３μｍ、横方向の直径が０．５９３μｍ
という上下に長い楕円形となっていることが分かる。

【００７２】このように本実施形態によれば、第１実施
形態と同様の効果を奏するとともに、投影光学系のウェ
ハ側の開口数ＮＡを一方向のみならず多方向について同
時に求められるため、瞳の形状の概形を知ることができ
る。

【００７３】（第３実施形態）図１０〜図１３は本発明
の第３実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明す
るための図である。ＫｒＦエキシマレーザー露光装置
(ＮＡ：０．６、σ：０．７５、公称ＮＡ:０．６)に対
して本発明を適用する場合を示す。

【００７４】図１０は本実施形態で用いられるレチクル
の基本パターンを示す図である。この図１０に示す基本
パターンを、レチクル（Ｍ：４）上に配置する。この基
本パターンは横方向と縦方向で異なる周期を持つ２次元
周期パターンである。この周期の縦横比を保ったまま、
サイズを変えたパターンを、第１実施形態と同様に周期
を変えて配置する。周期を変えて配置されるレチクルの
構成を図１１に示す。

【００７５】図１１に示すように、レチクル上に一列に
異なる周期のパターンが配置される。数値は、縦と横の
レチクル上の周期を表す。このようなパターンを描いた
レチクルを、デフォーカス毎に転写位置を変えて露光を
行う。フォーカスの値はベストフォーカス近辺で、デフ
ォーカスの刻み幅を０．０５μｍとする。

【００７６】このようなパターン露光により得られるレ
ジストパターンの平面図を図１２に示す。図１２に示す
ように、各周期の２次元周期パターンについて、図２と
同様のパターンが得られる。図１２は露光した結果得ら
れたパターンを示す図である。

【００７７】ベストフォーカスである−０．１５μｍに
着目すると、（ｋ）から（ｈ）までは縦横の格子パター
ン５０が見えるが、それより周期の小さい（ｇ）〜
（ｄ）では横のラインのみ現れており、ライン＆スペー
スパターン２２が見える。さらに周期の小さい（ｃ）〜
（ａ）では像のコントラストが見られず、空白パターン
２１となる。縦のラインが０．９４４μｍ周期以上では
見え、０．９３６μｍ周期以下では見られなかったこと
から、ノッチを下にして横方向の開口数は次のように求
められる。

【００７８】０．６０１＜ＮＡ＜０．６１０ 同様に、横のラインが０．９６０μｍ周期以上では見
え、０．９５２μｍ周期以下では見られなかったことか
ら、ノッチを下にして縦方向の開口数は次のように求め
られる。

【００７９】０．５８３＜ＮＡ＜０．５９２ すなわち、この装置の投影光学系のウェハ側の開口数
は、横に長く縦が短い楕円に近い形状をしていることが
分かる。このウェハ側の開口数を図１３に概略的に示
す。

【００８０】このように、本実施形態では、第２実施形
態と同様に縦方向と横方向のＮＡを測定できる。また、
これら縦方向と横方向のＮＡを複数の方向を持つ周期パ
ターンを配置することなく、１つの周期パターンから同
時に測定できるため、第２実施形態のように複数の方向
を持つ周期パターンを配置する必要が無く、簡便に測定
することが可能となる。また、縦方向と横方向のパター
ン周期を変えて配置することにより、縦方向と横方向で
開口数ＮＡが異なる楕円形状をしている場合にも高精度
のＮＡの測定が可能となる。

【００８１】（第４実施形態）図１４〜図１６は本発明
の第４実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明す
るための図である。ＫｒＦエキシマレーザー露光装置
(ＮＡ：０．６、σ：０．７５、公称ＮＡ:０．６)に対
して本発明を適用する場合を示す。

【００８２】図１４は本実施形態で用いられるレチクル
のパターンを示す図である。図１４に示すように、遮光
部１と透光部２の比が１：１の市松格子の基本パターン
がレチクル上に配置される。この基本パターンは縦と横
で異なる周期を持つパターンである。この図１４に示す
市松格子の基本パターンを縦横比を保ったままサイズを
変えたパターンを、第１実施形態と同様に周期を変えて
配置する。

【００８３】このような市松格子のパターンを通過した
回折光による回折パターンと投影光学系の瞳の模式図を
図１５に示す。図１５に示すように、投影光学系の瞳３
３と同心円上に０次回折パターン４２が現れ、この０次
回折パターン４２の中心から４方向に、かつこの０次回
折パターン４２を囲むように、１次回折パターン４３が
現れる。ノッチを矢印に示す下向きにした場合、１次回
折光は斜めの4方向に現れる。また、０次回折光の中心
と１次回折光の中心の間の距離は、ライン＆スペースパ
ターンの場合の√２倍になるという特徴がある。

【００８４】第１〜第３実施形態と同様に、周期を少し
ずつ変えたパターンをレチクル上に一列に並べて露光す
る。ベストフォーカス条件で得られたレジストパターン
と、それぞれのパターンで使用した市松格子パターンの
周期を図１６に示す。像のコントラストが現れたのは
１．３３２μｍ周期以上のパターンであった。またこの
像のコントラストがなくなる直前まで、縦横のコントラ
ストの現れかたの差は見られなかった。

【００８５】以上から言えることは、まず、右下左上対
角方向の開口数と、右上左下対角方向の開口数に差がな
いことである。また、１．３３２μｍ周期の市松格子パ
ターンのときにコントラストが見えたことより、 ＮＡ＞√２Ｍλ／１．３３２−ＮＡ_ill＝０．６０３ であり、また、１．３２８μｍ周期の市松格子パターン
のときにコントラストが見えなかったことより、 ＮＡ＜√２Ｍλ／１．３２８−ＮＡ_ill＝０．６０６ 以上から、この露光装置の投影光学系のウェハ側の開口
数は、 ０．６０３＜ＮＡ＜０．６０６ であることが分かる。すなわち、公称値より０．８％程
度大きい。

【００８６】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。例えば露光装置としてＫｒＦ露光装置を用いる
場合で示したが、ｉ線露光装置やＡｒＦ露光装置であっ
ても同様に適用可能であることはもちろんである。この
ように露光装置を他の露光装置で置換して本発明を適用
する場合には、露光波長の相違により、必要とされる基
本パターンの周期の刻み幅が異なる。例えばｉ線露光装
置の場合、０．０１３２μｍ以下、ＡｒＦ露光装置の場
合、０．０９０μｍ以下の刻み幅であれば、開口数ＮＡ
を測定誤差±０．０１以下で測定することができる。

【００８７】また、ライン＆スペースパターンと２次元
格子パターン等により実施形態を説明したが、任意の方
向に異なる周期を持つ基本パターンが複数配置されてい
るものであれば、これらパターン種には限定されない。
また、２方向あるいは４方向のＮＡを測定する場合を示
したが、基本パターンの周期的に並ぶ方向をさらに複数
設定した光学部材を用いることにより、さらに多方向の
ＮＡを測定できることはもちろんである。

【００８８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、露
光装置の投影光学系のウェハ側の開口数ＮＡを露光装置
を分解することなく定量的に精密かつ簡便に測定でき、
得られた測定値に基づいて投影光学系に修正を加えるか
否かの判断が可能となる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る露光装置のＮＡ測
定方法に用いられるレチクルの平面図。

【図２】同実施形態におけるパターン露光により得られ
るレジストパターンの平面図。

【図３】本発明の露光原理を説明するための図。

【図４】離散的な回折光がウェハ上に転写される様子を
示す図。

【図５】０次回折光及び１次回折光と瞳の位置関係を示
す図。

【図６】本発明の第２実施形態に係る露光装置のＮＡ測
定方法に用いられるレチクルの平面図。

【図７】同実施形態において周期を変えて配置されるレ
チクルパターンを示す図。

【図８】同実施形態における露光により得られるレジス
トパターンの平面図。

【図９】同実施形態における瞳の形状を示す図。

【図１０】本発明の第３実施形態に係る露光装置のＮＡ
測定方法に用いられるレチクルの平面図。

【図１１】同実施形態において周期を変えて配置される
レチクルパターンを示す図。

【図１２】同実施形態における露光により得られるレジ
ストパターンの平面図。

【図１３】本実施形態で検査された投影光学系のウェハ
側の開口数を示す図。

【図１４】本発明の第４実施形態に係る露光装置のＮＡ
測定方法に用いられるレチクルの平面図。

【図１５】同実施形態における市松格子のパターンを通
過した回折光による回折パターンと投影光学系の瞳の模
式図。

【図１６】同実施形態におけるレチクル上のパターンの
周期及び露光により得られるレジストパターンの平面
図。

【符号の説明】

１…遮光部 ２…透光部 ２１…空白パターン ２２…ライン＆スペースパターン ３１…光源からの光 ３２…レチクル ３３…投影光学系の瞳 ３４…ウェハ ３５…０次回折光 ３６…１次回折光 ３７…高次回折光 ４１…ライン＆スペースパターン ４２…０次回折パターン ４３…±１次回折パターン ４４…±２次回折パターン ４５…±３次回折パターン ５０…格子パターン ５１…市松格子パターン

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発せられる光を照明光学系によ
   り光学部材に導き、該光学部材の像を投影光学系により
   ウェハ上に結像せしめる露光装置に対して、投影光学系
   のウェハ側の実際の開口数ＮＡを測定する露光装置のＮ
   Ａ測定方法において、 前記光学部材の倍率をＭ、露光波長をλ、前記照明光学
   系の前記光学部材側の開口数をＮＡ_illとしたとき、少
   なくとも１方向に少なくとも２以上の周期を有する基本
   パターンが複数配置され、該基本パターンの周期の中に ｐ₁＜Ｍλ／（ＮＡ＋ＮＡ_ill）＜ｐ₂ を満たす周期ｐ₁とｐ₂が含まれた前記光学部材をレチク
   ル面に設置して前記ウェハに前記複数の基本パターンを
   露光し、該露光された転写パターンの解像の有無の境界
   におけるパターン周期を同定することによって、前記開
   口数ＮＡを求めることを特徴とする露光装置のＮＡ測定
   方法。
2. 【請求項２】 前記光学部材の基本パターンは、２次元
   格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンで
   あり、該２次元格子の縦軸及び横軸が直交する２方向上
   に前記繰り返しパターンが構成されてなることを特徴と
   する請求項１に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
3. 【請求項３】 前記光学部材は、前記２次元格子の縦軸
   及び横軸が前記ウェハのノッチ又はオリフラの中央と該
   ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行な方向又は垂直な
   方向に設定された繰り返しパターンを有することを特徴
   とする請求項２に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
4. 【請求項４】 前記光学部材は、前記２次元格子の縦軸
   及び横軸が前記ウェハのノッチ又はオリフラの中央と該
   ウェハの中心を結ぶ直線に対して±４５°の角度で交わ
   る二つの直線に平行な方向に設定された繰り返しパター
   ンを有することを特徴とする請求項２に記載の露光装置
   のＮＡ測定方法。
5. 【請求項５】 前記光学部材の繰り返しパターンの２次
   元格子の縦軸方向及び横軸方向の繰り返し周期が異なる
   ことを特徴とする請求項２に記載の露光装置のＮＡ測定
   方法。
6. 【請求項６】 前記光学部材の基本パターンはライン＆
   スペースパターンであることを特徴とする請求項１に記
   載の露光装置のＮＡ測定方法。
7. 【請求項７】 前記複数の基本パターンは、前記光学部
   材上にラインの長手方向の角度を少なくとも２種類以上
   に変えて配置されてなることを特徴とする請求項６に記
   載の露光装置のＮＡ測定方法。
8. 【請求項８】 前記ラインの長手方向の角度は、前記ウ
   ェハのノッチまたはオリフラの中央と該ウェハの中心を
   結ぶ直線に対して平行、直交または±４５°の角度を持
   つことを特徴とする請求項６に記載の露光装置のＮＡ測
   定方法。
9. 【請求項９】 所定の方向に所定の周期を有する基本パ
   ターンが複数配置されてなり、かつレチクルの倍率をＭ
   とすると、前記複数の基本パターンはそれぞれ０．００
   ９×Ｍμｍ以下の刻み幅でそれぞれ異なる周期を有して
   いることを特徴とするＮＡ測定用光学部材。