JP2004363313A - 位置ずれ計測方法および装置、並びに位置ずれ計測用レチクル - Google Patents

Abstract

【課題】基板上の計測点の数に拘わらず高速に位置ずれを計測可能な位置ずれ計測方法および装置、並びに位置ずれ計測用レチクルを提供する。
【解決手段】ピッチｐ１の第１繰り返しパターン２１を用いて１回目の露光を行い、ピッチｐ１の第２繰り返しパターン２２を用いて２回目の露光を行うことにより、第１繰り返しパターンと第２繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなす計測用の第３繰り返しパターンを基板に形成する工程と、第３繰り返しパターンの回折画像を取り込む工程と、取り込んだ回折画像の輝度情報に基づいて第３繰り返しパターンの線幅を算出する工程と、線幅に基づいて１回目の露光と２回目の露光との相対的な位置ずれ量を算出する工程とを備える。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光装置による１回目の露光と２回目の露光との位置ずれを計測する位置ずれ計測方法および装置、並びに位置ずれ計測用レチクルに関し、特に、露光装置の投影光学系の歪み誤差や露光装置のアライメント誤差などの高精度な計測に好適な位置ずれ計測方法および装置、並びに位置ずれ計測用レチクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子などの製造工程で使用される露光装置の性能を評価するため、露光装置の投影光学系の歪み誤差や露光装置のアライメント誤差などの計測が行われている。これらの計測では、露光装置による１回目の露光と２回目の露光が行われた後で、基板上に形成された専用パターン（大きさは数μｍ程度）の位置ずれ計測が行われ、その結果に基づいて投影光学系の歪み誤差やアライメント誤差などが最終的に算出される。
【０００３】
また、従来の位置ずれ計測は、基板上の数μｍ程度の専用パターンを一視野とする高倍率の計測光学系を用いて、この計測光学系の直下に専用パターンを位置決めし、焦点合わせ動作を行った後、撮像または光学的ビームスキャンなどによりパターン画像を取り込み、パターン画像から抽出した波形データを解析することにより行われる（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１５１５１４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術では、基板上の各計測点ごとに、専用パターンの位置決め動作および焦点合わせ動作とパターン画像の取り込み動作とを行わなければならず、１点の計測に数１０秒程度の長い時間が掛かってしまう。このため、多数点の計測においては、無視できない膨大な計測時間を必要とした。
【０００６】
本発明の目的は、基板上の計測点の数に拘わらず高速に位置ずれを計測可能な位置ずれ計測方法および装置、並びに位置ずれ計測用レチクルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の位置ずれ計測方法は、複数の線状パターンが所定ピッチで配置された第１繰り返しパターンを用いて、基板に対して１回目の露光を行い、複数の線状パターンが前記所定ピッチで配置された第２繰り返しパターンを用いて、前記基板上の前記第１繰り返しパターンを露光した位置に重なるように２回目の露光を行うことにより、前記第１繰り返しパターンと前記第２繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなす計測用の第３繰り返しパターンを、前記基板に形成するパターン形成工程と、前記第３繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込工程と、前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記第３繰り返しパターンの線幅を算出する第１算出工程と、前記線幅に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との位置ずれ量を算出する第２算出工程とを備えたものである。
【０００８】
請求項２に記載の位置ずれ計測方法は、複数の線状パターンが第１ピッチで配置された第１繰り返しパターンと複数の線状パターンが第２ピッチで配置された第２繰り返しパターンとを用いて、基板に対して１回目の露光を行い、複数の線状パターンが前記第１ピッチで配置された第３繰り返しパターンと複数の線状パターンが前記第２ピッチで配置された第４繰り返しパターンとを用いて、前記基板上の前記第１繰り返しパターンを露光した位置に前記第３繰り返しパターンが重なるように、かつ、前記基板上の前記第２繰り返しパターンを露光した位置に前記第４繰り返しパターンが重なるように、２回目の露光を行うことにより、前記第１繰り返しパターンと前記第３繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなすと共に所定方向の計測に関わる第５繰り返しパターン、および、前記第２繰り返しパターンと前記第４繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなすと共に前記所定方向とは逆方向の計測に関わる第６繰り返しパターンを、前記基板に形成するパターン形成工程と、前記第５繰り返しパターンおよび前記第６繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込工程と、前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記第５繰り返しパターンの線幅と前記第６繰り返しパターンの線幅との少なくとも一方を算出する第１算出工程と、前記第１算出工程による算出結果に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との位置ずれ量および位置ずれ方向を算出する第２算出工程とを備えたものである。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の位置ずれ計測方法において、前記パターン形成工程で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第３繰り返しパターンの前記第１ピッチと、前記第２繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンの前記第２ピッチとは、互いに異なり、前記画像取込工程では、前記第１ピッチに応じて設定された条件で前記第５繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込み、前記第２ピッチに応じて設定された条件で前記第６繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込むものである。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の位置ずれ計測方法において、前記パターン形成工程で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第３繰り返しパターンは、線幅が互いに異なり、前記パターン形成工程で用いられる前記第２繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンは、線幅が互いに異なり、前記パターン形成工程の前記１回目の露光で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第２繰り返しパターンからなるパターン群の繰り返し方向のエッジ間隔と、前記２回目の露光で用いられる前記第３繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンからなるパターン群の繰り返し方向のエッジ間隔とは、互いに等しいものである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項２から請求項４の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、前記パターン形成工程の前記１回目の露光で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第２繰り返しパターンは、線幅が互いに等しく、前記パターン形成工程の前記２回目の露光で用いられる前記第３繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンは、線幅が互いに等しいものである。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、前記回折画像の輝度情報と前記線幅との関係を繰り返しピッチごとに予め記憶する記憶工程を備え、前記第１算出工程では、前記関係を参照することにより前記線幅の算出を行うものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、前記パターン形成工程では、前記１回目の露光および前記２回目の露光を行う露光装置の投影光学系の少なくとも周辺部を介して前記１回目の露光を行った後、前記投影光学系の中心部を介して前記２回目の露光を行い、前記第２算出工程による算出結果に基づいて、前記投影光学系の歪み誤差を算出する第３算出工程をさらに備えたものである。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、求項１から請求項６の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、前記パターン計測工程では、前記１回目の露光に際してアライメント用のマークを前記基板に形成し、前記１回目の露光後に前記マークを参照して前記基板を移動させて、前記２回目の露光を行い、前記第２算出工程による算出結果に基づいて、前記１回目の露光および前記２回目の露光を行う露光装置のアライメント誤差を算出する第３算出工程さらにを備えたものである。
【００１４】
請求項９に記載の位置ずれ計測装置は、１回目の露光および２回目の露光により基板に形成され、所定ピッチの２つの露光用繰り返しパターンの重なり部分に応じた形状をなす計測用繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込手段と、前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記計測用繰り返しパターンの線幅を算出する第１算出手段と、前記線幅に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との相対的な位置ずれ量を算出する第２算出手段とを備えたものである。
【００１５】
請求項１０に記載の位置ずれ計測装置は、１回目の露光および２回目の露光により基板に形成され、第１ピッチの２つの露光用繰り返しパターンの重なり部分に応じた形状をなすと共に所定方向の計測に関わる第１計測用繰り返しパターン、および、第２ピッチの２つの露光用繰り返しパターンの重なり部分に応じた形状をなすと共に前記所定方向とは逆方向の計測に関わる第２計測用繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込手段と、前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記第１計測用繰り返しパターンの線幅と前記第２計測用繰り返しパターンの線幅との少なくとも一方を算出する第１算出手段と、前記第１算出手段による算出結果に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との相対的な位置ずれ量および位置ずれ方向を算出する第２算出手段とを備えたものである。
【００１６】
請求項１１に記載の位置ずれ計測用レチクルは、複数の線状パターンが第１ピッチで配置された第１繰り返しパターンと、複数の線状パターンが第２ピッチで配置された第２繰り返しパターンとを含む１回目の露光用の第１パターン群と、複数の線状パターンが前記第１ピッチで配置された第３繰り返しパターンと、複数の線状パターンが前記第２ピッチで配置された第４繰り返しパターンとを含む２回目の露光用の第２パターン群とを備え、前記第１繰り返しパターンの複数の線状パターンと前記第３繰り返しパターンの複数の線状パターンとは、線幅が互いに異なり、前記第２繰り返しパターンの複数の線状パターンと前記第４繰り返しパターンの複数の線状パターンとは、線幅が互いに異なり、前記第１パターン群における線状パターンの繰り返し方向のエッジ間隔と、前記第２パターン群における線状パターンの繰り返し方向のエッジ間隔とは、互いに等しいものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態は、請求項１〜請求項７，請求項９〜請求項１１に対応する。ここでは、半導体素子などの製造工程で使用される露光装置の投影光学系の歪み誤差の計測に好適な位置ずれ計測方法を例に説明する。
【００１８】
第１実施形態の位置ずれ計測方法で使用される位置ずれ計測装置１０は、図１に示すように、基板１１を保持するステージ１２と、ステージ１２上の基板１１に照明光Ｌ１を照射する照明光学系１３と、照明光Ｌ１が照射された基板１１からの回折光Ｌ２を受光する受光光学系（１４〜１６）と、画像処理部１７とで構成されている。
【００１９】
位置ずれ計測装置１０は、露光装置の性能を評価するため、露光装置による１回目の露光と２回目の露光が行われた後で、概略、基板１１上に形成された繰り返しパターン（後述）の線幅変化に基づいて位置ずれ計測を行い、その結果に基づいて投影光学系の歪み誤差を最終的に算出する。
位置ずれ計測装置１０の詳細を説明する前に、図２，図３の位置ずれ計測用レチクル２０の説明、位置ずれ計測用レチクル２０と露光装置（不図示）とを用いた１回目の露光（図４参照）と２回目の露光（図５参照）の説明、これらの露光により基板１１上に形成される繰り返しパターン３１，３２（図６〜図８）の説明を行う。適宜、１回目の露光と２回目の露光とを総じて「２重露光」という。
【００２０】
図２に示すように、位置ずれ計測用レチクル２０には、１回目の露光用のパターン群（２１，２２）が周辺部の４箇所に設けられ、２回目の露光用のパターン群（２３，２４）が中心部の１箇所に設けられる。パターン群（２１，２２）およびパターン群（２３，２４）は、遮光部であり、繰り返し方向が互いに平行である。
位置ずれ計測用レチクル２０は、２重露光の際、露光装置のレチクルステージに載置され、その中心部（２回目の露光用のパターン群（２３，２４）の箇所）が投影光学系の光軸上となるように位置決めされる。このため、パターン群（２３，２４）の像は、投影光学系の中心部を介して基板１１上に投影される。以下の説明では、基板１１上に投影されたパターン群（２３，２４）の像を「パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）」という（図４参照）。
【００２１】
これに対し、位置ずれ計測用レチクル２０の周辺部のパターン群（２１，２２）は、何れも、２重露光の際、投影光学系の光軸から外れた箇所に位置している。このため、パターン群（２１，２２）の像は、投影光学系の周辺部を介して基板１１上に投影される。以下の説明では、基板１１上に投影されたパターン群（２１，２２）の像を「パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）」という（図４参照）。
【００２２】
投影光学系に歪み誤差が残存している場合、基板１１上に投影されたパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）とパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）との相対的な位置関係は、理想的な関係から外れたものとなる。理想的な関係とは、位置ずれ計測用レチクル２０上でのパターン群（２３，２４）とパターン群（２１，２２）との位置関係であり、設計値に相当する。
【００２３】
例えば図２に示すように、パターン群（２３，２４）とパターン群（２１，２２）との位置関係が、各々のエッジの中心点Ｅ１，Ｅ２どうしの間隔Ｄ１，Ｄ２により表される場合、投影光学系に歪み誤差が残存していると、図４に示す基板１１上でのパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）のエッジの中心点Ｅ３とパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）のエッジの中心点Ｅ４との間隔Ｄ３，Ｄ４は、図２の間隔Ｄ１，Ｄ２とは異なることになる。また、一般的には、図４に示す基板１１上の各パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）ごとに、パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）との間隔Ｄ３，Ｄ４が異なる値を示す。
【００２４】
ちなみに、第１実施形態の位置ずれ計測装置１０（図１）は、基板１１上でのパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）とパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）の繰り返し方向の間隔Ｄ３（図４）と、位置ずれ計測用レチクル２０でのパターン群（２１，２２）とパターン群（２３，２４）の繰り返し方向の間隔Ｄ１（図２）との差を「位置ずれ量Δ」として計測するものである。
【００２５】
このような位置ずれ量Δを計測するために、第１実施形態では、位置ずれ計測用レチクル２０と露光装置とを用いた２重露光が行われ、図４に示す基板１１の各パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）の上にパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）が重ねて投影される（図５参照，詳細は後述）。この場合にも、パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）の投影は、投影光学系の中心部を介して行われる。
【００２６】
また、第１実施形態では、図５の右上に例示した通り、位置ずれ量Δが０のときに、基板１１のパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）とパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）との左右エッジどうしを一致させるため、位置ずれ計測用レチクル２０（図２）における周辺部のパターン群（２１，２２）の繰り返し方向のエッジ間隔Ｇ２と、中心部のパターン群（２３，２４）の繰り返し方向のエッジ間隔Ｇ１とを等しく構成した。
【００２７】
このようにエッジ間隔Ｇ１，Ｇ２を等しくするという構成は、基板１１上でのパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）とパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）との位置ずれ方向を計測するために必要な条件の１つである。位置ずれ方向の計測に必要な他の条件については後述する。
既に説明したように、基板１１上のパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）は、投影光学系の中心部を介して投影されるものであり、投影光学系の歪み誤差の影響を受けないと考えられる。このため、第１実施形態では、パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）の位置を基準としたパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）の位置に応じて、位置ずれ方向を定義する。例えば、図５の左上と右下の状態では右方向の位置ずれ、図５の左下の状態では左方向の位置ずれとなる。
【００２８】
なお、基板１１上での所望の計測点（位置ずれを計測したい箇所）の配置に応じて、図２の位置ずれ計測用レチクル２０の周辺部におけるパターン群（２１，２２）の配置が決定される。図２の実線枠２５は１回目の露光範囲に相当し、点線枠２６は２回目の露光範囲に相当する。図４，図５の実線枠２５Ｓは、１回目の露光によるショット領域に相当する。図５の点線枠２６Ｓは、２回目の露光によるショット領域に相当する。
【００２９】
図２，図３を参照し、位置ずれ計測用レチクル２０の周辺部のパターン群（２１，２２）および中心部のパターン群（２３，２４）の具体的な構成を説明する。図３には、パターン群（２１，２２）とパターン群（２３，２４）の左右エッジを揃えて並べた状態が示されている。
パターン群（２１，２２）は、２種類の繰り返しパターン２１，２２からなる。同様に、パターン群（２３，２４）も、２種類の繰り返しパターン２３，２４からなる。これらの繰り返しパターン２１〜２４は、Ｌ／Ｓパターンである。
【００３０】
周辺部のパターン群（２１，２２）を構成する一方（左側）の繰り返しパターン２１は、図３（ａ）に示すように、４本のラインパターン２１Ａからなる。これらのラインパターン２１Ａは、同一形状（線幅ｗ１）であり、その短手方向に沿って一定のピッチｐ１で配列されている。
同様に、周辺部のパターン群（２１，２２）を構成する他方（右側）の繰り返しパターン２２は、４本のラインパターン２２Ａからなる。これらのラインパターン２２Ａは、上記のラインパターン２１Ａと同一形状（線幅ｗ１）であり、その短手方向に沿って上記ピッチｐ１とは異なる一定のピッチｐ２で配列されている。
【００３１】
また、中心部のパターン群（２３，２４）を構成する一方（左側）の繰り返しパターン２３は、図３（ｂ）に示すように、４本のラインパターン２３Ａからなる。これらのラインパターン２３Ａは、同一形状（線幅ｗ２）であり、その短手方向に沿って図３（ａ）の繰り返しパターン２１と同じ一定のピッチｐ１で配列されている。線幅ｗ２は、上記の繰り返しパターン２１，２２の線幅ｗ１よりも太い。
【００３２】
同様に、中心部のパターン群（２３，２４）を構成する他方（右側）の繰り返しパターン２４は、４本のラインパターン２４Ａからなる。これらのラインパターン２４Ａは、上記のラインパターン２３Ａと同一形状（線幅ｗ２）であり、その短手方向に沿って図３（ａ）の繰り返しパターン２２と同じ一定のピッチｐ２で配列されている。
【００３３】
このように、周辺部のパターン群（２１，２２）を構成する２種類の繰り返しパターン２１，２２は、線幅ｗ１が互いに等しく、ピッチｐ１，ｐ２が互いに異なっている。中心部のパターン群（２３，２４）を構成する２種類の繰り返しパターン２３，２４は、線幅ｗ２が互いに等しく、ピッチｐ１，ｐ２が互いに異なっている。
さらに、周辺部のパターン群（２１，２２）の左側に位置する繰り返しパターン２１と中心部のパターン群（２３，２４）の左側に位置する繰り返しパターン２３は、ピッチｐ１が等しく、線幅ｗ１，ｗ２が異なる。周辺部のパターン群（２１，２２）の右側の繰り返しパターン２２と中心部のパターン群（２３，２４）の右側の繰り返しパターン２４は、ピッチｐ２が等しく、線幅ｗ１，ｗ２が異なる。
【００３４】
また、ピッチｐ１の繰り返しパターン２１，２３のうち線幅が狭い方（繰り返しパターン２１）は、その線幅ｗ１がピッチｐ１の１／４程度である。ピッチｐ２の繰り返しパターン２２，２４のうち線幅が狭い方（繰り返しパターン２２）は、その線幅ｗ１がピッチｐ２の１／４程度である。つまり、繰り返しパターン２１〜２４の線幅ｗ１とピッチｐ１，ｐ２は、位置ずれ計測に適切な感度（詳細は後述）を有するように最適化されている。
【００３５】
さらに、ピッチｐ１の繰り返しパターン２１，２３のうち線幅が太い方（繰り返しパターン２３）は、その線幅ｗ２がピッチｐ１の１／２程度である。ピッチｐ２の繰り返しパターン２２，２４のうち線幅が太い方（繰り返しパターン２４）は、その線幅ｗ２がピッチｐ２の１／２程度である。つまり、繰り返しパターン２１〜２４の線幅ｗ２とピッチｐ１，ｐ２は、位置ずれ計測に適切なレンジ（詳細は後述）を有するように最適化されている。
【００３６】
第１実施形態では、例えば、線幅ｗ１を１００ｎｍ、線幅ｗ２を２００ｎｍ、ピッチｐ１を４５０ｎｍ、ピッチｐ２を４００ｎｍとした。
また、周辺部のパターン群（２１，２２）と中心部のパターン群（２３，２４）とは、前述のように、繰り返し方向のエッジ間隔Ｇ１，Ｇ２が互いに等しい。このため、基板１１のパターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）とパターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）との左右エッジどうしを、図５の右上のような位置ずれ量Δ＝０のときに一致させ、図５の右下，左上，左下のような位置ずれ量Δ≠０のときに等量だけシフトさせることができる。
【００３７】
さて次に、上記構成の位置ずれ計測用レチクル２０と露光装置とを用いた２重露光について説明する。
２重露光の際、露光装置のレチクルステージには位置ずれ計測用レチクル２０が載置され、ウエハステージには未露光の基板１１が載置される。基板１１の全面（例えば３００ｍｍφ）の最上層は、レジスト層である。このレジスト層は、光の照射されなかった部分が現像後にパターンとして残るような特性を有している。レチクルステージ上の位置ずれ計測用レチクル２０は、その中心部（パターン群（２３，２４）の箇所）が投影光学系の光軸上に位置決めされる。
【００３８】
そして１回目の露光時、位置ずれ計測用レチクル２０の実線枠２５（図２）の範囲内に含まれる全ての繰り返しパターン２１〜２４（遮光部）が、一括で、図４に示す基板１１上のショット領域（２５Ｓ）内に投影される。ショット領域（２５Ｓ）内に投影された繰り返しパターン２１Ｃ〜２４Ｃは、何れも、光の照射されない部分である。
【００３９】
このとき、位置ずれ計測用レチクル２０の周辺部の繰り返しパターン２１，２２は、投影光学系の周辺部を介して、基板１１上のショット領域（２５Ｓ）内の各計測点に投影される（繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃ参照）。中心部の繰り返しパターン２３，２４は、投影光学系の中心部を介して、基板１１上のショット領域（２５Ｓ）の中心部に投影される（繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃ参照）。
【００４０】
１回目の露光が終了すると、露光装置では、ウエハステージを駆動して基板１１を移動させる。そして、図４に示す基板１１上のショット領域（２５Ｓ）内の各計測点（繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃの投影位置）を順に投影光学系の直下に位置決めし、２回目の露光を行う。ウエハステージの駆動量および基板１１の移動量は、位置ずれ計測用レチクル２０上での設計値の位置差（例えば図２に示す間隔Ｄ１，Ｄ２）を考慮して設定される。
【００４１】
また、２回目の露光時、位置ずれ計測用レチクル２０は、停止状態のままであり、その周辺部（繰り返しパターン２１，２２）が周知のブラインド機能により遮蔽され、中心部の点線枠２６（図２）の範囲に絞り込まれる。そして、点線枠２６の範囲内に含まれる繰り返しパターン２３，２４（遮光部）が、投影光学系の中心部を介して、図５に示す基板１１上の各計測点のショット領域（２６Ｓ）内に投影される。基板１１上に投影された繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃは、光の照射されない部分である。
【００４２】
上記の２重露光の結果、基板１１上の各計測点のショット領域（２６Ｓ）内では、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃの上に、２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃが重ねて投影されたことになる。
ここで、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃは、投影光学系の周辺部を介して投影されるため、投影光学系の歪み誤差の影響を受ける。これに対し、２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃは、投影光学系の中心部を介して投影されるため、投影光学系の歪み誤差の影響を受けない。
【００４３】
したがって、投影光学系に歪み誤差が残存している場合には、図５の左上と左下と右下の状態のように、基板１１上の各計測点ごとに、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃが、２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃに対して位置ずれを起こす（位置ずれ量Δ≠０）。つまり左右エッジどうしが不一致となる。
【００４４】
また、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃと２回目の露光による繰り返しパターン群２３Ｃ，２４Ｃは、何れも、光の照射されない部分である。さらに、基板１１上のレジスト層は、光の照射されなかった部分が現像後にパターンとして残るような特性を有している。
【００４５】
このため、上記の２重露光と現像処理とが終了した後、基板１１上のレジスト層には、２回とも光の照射されなかった部分（つまり１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃと２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃとの重なり部分）が、最終的に繰り返しパターンとして残ることになる。
最終的な繰り返しパターンの形状は、上記の重なり部分の形状と一致する。また、重なり部分の形状は、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃと２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃとの位置ずれ量Δおよび位置ずれ方向により決まる。
【００４６】
次に、図６〜図８を用いて、最終的な繰り返しパターンの線幅と位置ずれ量Δおよび位置ずれ方向との関係を説明する。
図６〜図８の（ａ）は２重露光後の繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃと繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃとの重なり状態を示す上面図であり、重なり部分にハッチングを付してある。図６〜図８の（ｂ）は１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃの断面図であり、（ｃ）は２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃの断面図であり、（ｄ）は最終的な繰り返しパターン３１，３２の断面図である。また、図６には位置ずれ量Δが０の状態、図７には左方向への位置ずれ状態、図８には右方向への位置ずれ状態を例示した。
【００４７】
なお、位置ずれ量Δは、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃと２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃとの左右エッジどうしのずれ量に相当する。また、２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃの位置を基準とし、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃの位置に応じて、位置ずれ方向を定義している。
【００４８】
以下の説明では、適宜、１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃを総じて「第１パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）」、２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃを総じて「第２パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）」、最終的な繰り返しパターン３１，３２を総じて「最終パターン群（３１，３２）」という。
【００４９】
図６に示すように、位置ずれ量Δが０のとき、第１パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）と第２パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）との左右エッジどうしは一致する。このため、左側の繰り返しパターン２１Ｃと繰り返しパターン２３Ｃとの重なり部分（つまり最終的な繰り返しパターン３１）は、細い方の繰り返しパターン２１Ｃと同じ線幅ｗ３（＝ｗ１）となる。また、右側の繰り返しパターン２２Ｃと繰り返しパターン２４Ｃとの重なり部分（つまり最終的な繰り返しパターン３２）は、細い方の繰り返しパターン２２Ｃと同じ線幅ｗ４（＝ｗ１）となる。
【００５０】
このように、位置ずれ量Δが０のときの最終パターン群（３１，３２）は、線幅ｗ３，ｗ４が等しく（ｗ３＝ｗ４＝ｗ１）、ピッチｐ１，ｐ２が異なる２種類の繰り返しパターン３１，３２からなる。位置ずれ量Δが０となるのは、投影光学系に歪み誤差がない場合である。
また、図７に示すように、左方向への位置ずれが生じたとき、第１パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）の左右エッジは第２パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）の左右エッジから左側に外れることになる。このため、左側の繰り返しパターン２１Ｃ，２３Ｃの重なり部分（つまり最終的な繰り返しパターン３１）は、細い方の繰り返しパターン２１Ｃよりも狭い線幅ｗ３（＜ｗ１）となる。また、右側の繰り返しパターン２２Ｃ，２４Ｃの重なり部分（つまり最終的な繰り返しパターン３２）は、細い方の繰り返しパターン２２Ｃと同じ線幅ｗ４（＝ｗ１）となる。
【００５１】
このように、左方向への位置ずれが生じたとき（Δ≠０）の最終パターン群（３１，３２）は、線幅ｗ３，ｗ４が左側で狭く（ｗ３＜ｗ４＝ｗ１）、ピッチｐ１，ｐ２が異なる２種類の繰り返しパターン３１，３２からなる。左方向への位置ずれが生じるのは、投影光学系に左方向への歪み誤差が残存している場合である。また、図８に示すように、右方向への位置ずれが生じたとき、第１パターン群（２１Ｃ，２２Ｃ）の左右エッジは第２パターン群（２３Ｃ，２４Ｃ）の左右エッジから右側に外れることになる。このため、左側の繰り返しパターン２１Ｃ，２３Ｃの重なり部分（つまり最終的な繰り返しパターン３１）は、細い方の繰り返しパターン２１Ｃと同じ線幅ｗ３（＝ｗ１）となる。また、右側の繰り返しパターン２２Ｃ，２４Ｃの重なり部分（つまり最終的な繰り返しパターン３２）は、細い方の繰り返しパターン２２Ｃよりも狭い線幅ｗ４（＜ｗ１）となる。
【００５２】
このように、右方向への位置ずれが生じたとき（Δ≠０）の最終パターン群（３１，３２）は、線幅ｗ３，ｗ４が右側で狭く（ｗ３＝ｗ１＞ｗ４）、ピッチｐ１，ｐ２が異なる２種類の繰り返しパターン３１，３２からなる。右方向への位置ずれが生じるのは、投影光学系に右方向への歪み誤差が残存している場合である。さらに、最終パターン群（３１，３２）のうち、左側の繰り返しパターン３１は、左方向への位置ずれが生じたとき（図７）、その位置ずれ量Δの分だけ線幅ｗ３が狭くなることが分かる。位置ずれ量Δが０のとき（図６）の線幅ｗ１を用いると、左側の繰り返しパターン３１の線幅ｗ３は、次式（１）により表される。
【００５３】
ｗ３＝ｗ１−Δ …（１）
線幅ｗ３の変化の範囲は次の条件式（２）の通りであり、左方向への位置ずれ量Δが次の条件式（３）を満足する範囲で、位置ずれ量Δが線幅ｗ３の変化として現れることになる。
０≦ｗ３≦ｗ１ …（２）
０≦ Δ ≦ｗ１ …（３）
なお、左方向への位置ずれが生じても、右側の繰り返しパターン３２の線幅ｗ４は変化しない。左方向への位置ずれ計測に関わるのは、左側の繰り返しパターン３１のみである。以下の説明では、左側の繰り返しパターン３１を「左シフト計測用パターン３１」という。
【００５４】
また同様に、最終パターン群（３１，３２）のうち、右側の繰り返しパターン３２は、右方向への位置ずれが生じたとき（図８）、その位置ずれ量Δの分だけ線幅ｗ４が狭くなることが分かる。位置ずれ量Δが０のとき（図６）の線幅ｗ１を用いると、右側の繰り返しパターン３２の線幅ｗ４は、次式（４）により表される。
【００５５】
ｗ４＝ｗ１−Δ …（４）
線幅ｗ４の変化の範囲は次の条件式（５）の通りであり、右方向への位置ずれ量Δが次の条件式（６）を満足する範囲で、位置ずれ量Δが線幅ｗ４の変化として現れることになる。
０≦ｗ４≦ｗ１ …（５）
０≦ Δ ≦ｗ１ …（６）
なお、右方向への位置ずれが生じても、左側の繰り返しパターン３１の線幅ｗ３は変化しない。右方向（上記の左方向とは逆方向）への位置ずれ計測に関わるのは、右側の繰り返しパターン３２のみである。以下の説明では、右側の繰り返しパターン３２を「右シフト計測用パターン３２」という。
【００５６】
第１実施形態では、位置ずれ計測用レチクル２０（図２）において、パターン群（２１，２２）とパターン群（２３，２４）とのエッジ間隔Ｇ１，Ｇ２を等しくし、左側の繰り返しパターン２１，２３のピッチｐ１を等しくすると共に線幅ｗ１，ｗ２を異ならせ、右側の繰り返しパターン２２，２４のピッチｐ２を等しくすると共に線幅ｗ１，ｗ２を異ならせたことにより、上記のような左シフト計測用パターン３１と右シフト計測用パターン３２を基板１１上のレジスト層に形成することができ、位置ずれ方向の弁別が可能となった。
【００５７】
図１の位置ずれ計測装置１０による位置ずれ計測は、基板１１上のレジスト層に形成された左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３の変化と、右シフト計測用パターン３２の線幅ｗ４の変化に基づいて行われる。線幅ｗ３，ｗ４と位置ずれ量Δおよび位置ずれ方向との関係は、図９に示すようになる。
例えば、線幅ｗ３，ｗ４が等しい場合（図６）には、位置ずれ量Δが０であると分かる。また、線幅ｗ３の方が線幅ｗ４よりも小さい場合（図７）には、左方向への位置ずれが起きていると分かるため、上記の式（１）に基づいて位置ずれ量Δを算出することができる。同様に、線幅ｗ４の方が線幅ｗ３よりも小さい場合（図８）には、右方向への位置ずれが起きていると分かるため、上記の式（４）に基づいて位置ずれ量Δを算出することができる。
【００５８】
また、図１の位置ずれ計測装置１０による位置ずれ計測のレンジは、左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３が変化し得る条件式（３）の範囲と、右シフト計測用パターン３２の線幅ｗ４が変化し得る条件式（６）の範囲を合計した図９の範囲Ｒであり、位置ずれ計測用レチクル２０（図２，図３）の繰り返しパターン２３，２４の線幅ｗ２に相当する。この位置ずれ計測のレンジ（図９の範囲Ｒ）内で、位置ずれ量Δは、線幅ｗ３，ｗ４の変化に置き換えることができる。
【００５９】
次に、図１の位置ずれ計測装置１０の詳細と、これを用いて行われる線幅ｗ３，線幅ｗ４の測定および位置ずれ計測について説明する。
上記２重露光と現像処理とが終了した基板１１は、位置ずれ計測装置１０のステージ１２上に載置される。基板１１上のレジスト層には、各計測点ごとに、左シフト計測用パターン３１と右シフト計測用パターン３２とが近接して形成されている。左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３と右シフト計測用パターン３２の線幅ｗ４とは、投影光学系の歪み誤差に応じたものとなっている。計測点の数は任意である。
【００６０】
位置ずれ計測装置１０のステージ１２は、不図示のチルト機構により、基板１１の表面に平行（紙面に垂直）な軸１２Ａを中心として所定の角度範囲内でチルト可能である。このステージ１２では、不図示のウエハ搬送装置によって搬送されてきた基板１１を上面に載置し、真空吸着によって固定保持する。また、位置ずれ計測装置１０による位置ずれ計測が終了した基板１１は、ウエハ搬送機構によってステージ１２から回収される。
【００６１】
ここで、ステージ１２のチルト軸１２Ａに平行な方向を「Ｘ方向」とする。また、ステージ１２（基板１１）が水平に保たれた状態での法線（基準法線）に平行な方向を「Ｚ方向」とする。さらに、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向を「Ｙ方向」とする。
【００６２】
照明光学系１３は、ステージ１２の斜め上方に配置されている。つまり、照明光学系１３の光軸Ｏ１は、基準法線（Ｚ方向）に対して所定の角度だけ傾けられている。また、照明光学系１３は、光軸Ｏ１がステージ１２のチルト軸（Ｘ方向）に対して直交するように配置されている。さらに、照明光学系１３は、後側焦点位置が基板１１と略一致するように配置され、基板１１側に対してテレセントリックな光学系となっている。
【００６３】
受光光学系（１４〜１６）は、凹面反射鏡１４と結像レンズ１５と撮像素子１６とで構成された偏心光学系である。凹面反射鏡１４は、ステージ１２の上方に配置される。つまり、凹面反射鏡１４のステージ１２側の光軸Ｏ２がＺ方向に平行となるように配置されている。また、凹面反射鏡１４は、前側焦点位置が基板１１と略一致するように配置されている。このため、受光光学系（１４〜１６）は、基板１１側に対してテレセントリックな光学系となっている。
【００６４】
結像レンズ１５は、凹面反射鏡１４の後側焦点位置と略一致するように、受光光学系（１４〜１６）の瞳位置の近傍に配置されている。撮像素子１６は、複数の画素が２次元配列されたＣＣＤイメージセンサであり、その撮像面を結像レンズ１５の後側焦点位置に略一致させた状態で配置されている。このため、受光光学系（１４〜１６）は、撮像素子１６側に対してもテレセントリックな光学系となっている。なお、撮像素子１６の撮像面は、基板１１の表面に共役である。
【００６５】
上記構成の照明光学系１３から射出される照明光Ｌ１（波長λ）は、ほぼ平行な光であり、ステージ１２上の基板１１の全面に斜め方向から照射される。基板１１の全面には、図５に示すようなショット領域（２５Ｓ）が１つ以上形成されている。照明光学系１３の基板１１側がテレセントリック系であるため、照明光Ｌ１の入射角θｉは、基板１１の全面にわたって一様となる。
【００６６】
基板１１のショット領域（２５Ｓ）内の各計測点に形成された左シフト計測用パターン３１と右シフト計測用パターン３２には、その繰り返し方向に平行な状態で照明光Ｌ１が入射する。そして、各計測点に形成された左シフト計測用パターン３１と右シフト計測用パターン３２から、様々な方向に回折光が発生する。
図１に示した回折光Ｌ２は、受光光学系（１４〜１６）の光軸Ｏ２の方向に発生した一部の回折光（例えば左シフト計測用パターン３１の１次回折光）である。ステージ１２のチルト角度θｔの設定を変更することにより、ピッチｐ１の左シフト計測用パターン３１から発生した回折光（例えば１次回折光）、またはピッチｐ２の右シフト計測用パターン３２から発生した回折光（例えば１次回折光）を、選択的に受光光学系（１４〜１６）に導くことができる。
【００６７】
そして、基板１１から受光光学系（１４〜１６）に導かれた回折光Ｌ２は、凹面反射鏡１４と結像レンズ１５の作用により集光され、撮像素子１６の撮像面に到達する。本実施形態では、撮像素子１６の撮像面に基板１１の全面の回折像が形成されるように、凹面反射鏡１４と結像レンズ１５による光学倍率が設定されている。撮像素子１６の１画素に対応する基板１１上での領域（撮像分解能）は、１ｍｍ以下である。
【００６８】
撮像素子１６は、撮像面に形成された回折像（基板１１の全面の回折像）を一括で撮像して、画像信号を出力する。画像処理部１７は、撮像素子１６からの画像信号に基づいて、基板１１の全面に対応する回折画像を一括で取り込む。この回折画像は、基板１１のレジスト層に形成された左シフト計測用パターン３１または右シフト計測用パターン３２に関するものである。
【００６９】
画像処理部１７に取り込まれる回折画像の選択は、ステージ１２のチルト機構を用いて行われる。つまり、チルト機構によって基板１１をチルトさせることで、ピッチｐ１，ｐ２の異なる左シフト計測用パターン３１または右シフト計測用パターン３２の回折画像を選択的に取り込むことができる。
また、ステージ１２のチルト機構による装置条件（チルト角度θｔ）の設定は、予め作成されたレシピに基づいて行えばよい。レシピは、不図示のメモリに予め記憶されている。
【００７０】
ここで、ステージ１２のチルト角度θｔに関するレシピについて説明する。一般に、チルト角度θｔは、周知の回折条件式（次式（７））を用い、計測対象となる繰り返しパターンの繰り返しピッチｐの設計値から計算で求められ、この計算結果がレシピに登録されている。
ｓｉｎ（θｉ−θｔ） − ｓｉｎ（θｄ＋θｔ）＝ ｍλ／ｐ ……（７）
式（７）は、ステージ１２のチルト角度θｔと、繰り返しパターンの繰り返しピッチｐと、照明光Ｌ１の波長λおよび入射角θｉと、回折光Ｌ２の回折角θｄおよび回折次数ｍ（＝０，１，…）との関係を表した式である。チルト角度θｔの基準は、水平面である。入射角θｉ，回折角θｄ（受光角度）の基準は、基板１１の基準法線（Ｚ方向）である。
【００７１】
そして、予め作成・登録されたレシピを参照し、計測対象の繰り返しパターンの繰り返しピッチｐ（左シフト計測用パターン３１のピッチｐ１または右シフト計測用パターン３２のピッチｐ２）に対応する各々のチルト角度θｔに基づいて、ステージ１２のチルト機構により装置条件を設定することで、同一基板１１上のピッチｐ１，ｐ２が異なる繰り返しパターンの回折画像を選択的に順に取り込むことができる。
【００７２】
このようにして、基板１１の各計測点に形成された左シフト計測用パターン３１または右シフト計測用パターン３２の回折画像を選択的に取り込むと、画像処理部１７では、まず、位置ずれ計測装置１０に固有な感度の不均一性（例えば照明光学系１３の明るさムラなど）を補正する。
そして、補正後の回折画像の輝度情報に基づいて、左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３と右シフト計測用パターン３２の線幅ｗ４とを算出し、この算出結果に基づいて、露光装置での１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｃ，２２Ｃと２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃとの位置ずれ計測を行う。つまり、位置ずれ量Δおよび位置ずれ方向を算出する。
【００７３】
ここで、左シフト計測用パターン３１に関する補正後の回折画像（以下の説明では単に「回折画像」という）を例に、回折画像の輝度情報と、左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３，ピッチｐ１との関係について説明する。この関係は、右シフト計測用パターン３２にも共通である。
基板１１の各計測点のうち、位置ずれ量Δ≠０の箇所（図５の左下および図７参照）では、左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３が、位置ずれ量Δ＝０のときの線幅ｗ１（図５の右上および図６参照）と比べて細くなっている（繰り返し方向とピッチｐ１は不変）。
【００７４】
また、線幅ｗ３が細くなり、線幅ｗ３とピッチｐ１との比率（Ｄｕｔｙ比）が変化すると、左シフト計測用パターン３１での回折効率が変化する。回折効率とは、入射光強度に対する回折光強度の比率のことである。回折光強度は、所定の回折条件を満たす回折光（例えば１次回折光）の強度である。
Ｄｕｔｙ比（＝線幅ｗ３／ピッチｐ１）の変化に対する回折効率の変化の様子をシミュレーションした結果の一例を図１０に示す。図１０は、横軸がＤｕｔｙ比（％）、縦軸が回折効率（任意）を表している。図１０のシミュレーションは、繰り返しピッチが約５００ｎｍで断面形状が矩形のレジストパターン（左シフト計測用パターン３１）を例に行ったものである。
【００７５】
図１０から分かるように、Ｄｕｔｙ比が３０％以下の範囲αと４０％〜８０％の範囲βとの各々で、Ｄｕｔｙ比の変化（つまり左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３の変化）と回折効率の変化とは、ほぼ直線に近い関係となっている。
既に説明したように、第１実施形態では、左シフト計測用パターン３１の形成に関わる２種類の繰り返しパターン２１，２３のうち線幅が狭い方（繰り返しパターン２１）の線幅ｗ１がピッチｐ１の１／４程度である。
【００７６】
この場合、左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３の変化の範囲は、上記の条件式（２）に「ｗ１＝ｐ１×０．２５」を代入することにより、次の条件式（８）を満足することが分かる。また、左シフト計測用パターン３１のＤｕｔｙ比（＝ｗ３／ｐ１）の変化の範囲は、次の条件式（９）を満足することになる。
０≦ｗ３≦ｐ１×０．２５ …（８）
０≦（ｗ３／ｐ１）≦０．２５ …（９）
条件式（９）の範囲は、図１０の範囲αの中に含まれている。このため、Ｄｕｔｙ比の変化（つまり左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３の変化）に起因する回折効率の変化は、ほぼ直線的であることが分かる。また、図１０から分かるように、Ｄｕｔｙ比が小さく（つまり線幅ｗ３が細く）なるほど、左シフト計測用パターン３１での回折効率が低下する。
【００７７】
さらに、左シフト計測用パターン３１への入射光強度を一定とすると、左シフト計測用パターン３１から発生する所定の回折条件を満たす回折光Ｌ２（例えば１次回折光）の強度は、回折効率に比例する。このため、Ｄｕｔｙ比の変化（つまり線幅ｗ３の変化）に起因する回折光強度の変化も、ほぼ直線的となる。そして、Ｄｕｔｙ比が小さく（つまり線幅ｗ３が細く）なるほど、左シフト計測用パターン３１からの回折光強度が減少する。
【００７８】
また、位置ずれ計測装置１０の受光光学系（１４〜１６）の基板１１側がテレセントリック系であるため、左シフト計測用パターン３１から発生する回折光Ｌ２の進行方向は、基板１１の全面にわたって一様となる。したがって、撮像素子１６に入射する回折光Ｌ２の強度は、左シフト計測用パターン３１のＤｕｔｙ比ごと（つまり線幅ｗ３ごと）に一様となる。
【００７９】
さらに、撮像素子１６から出力される画像信号に基づいて画像処理部１７が選択的に取り込んだ左シフト計測用パターン３１の回折画像には、前述の補正処理が施される。その結果、補正後の回折画像の輝度情報には、左シフト計測用パターン３１のＤｕｔｙ比（つまり線幅ｗ３）に関する情報のみが反映され、Ｄｕｔｙ比の変化（つまり線幅ｗ３の変化）に起因する回折画像の輝度の変化も、ほぼ直線的となる（図１０）。
【００８０】
図１０のシミュレーション結果のうち、上記の条件式（９）を満足する部分の直線の傾き（線幅ｗ３の変化と回折画像の輝度の変化との相関係数）は、第１実施形態の位置ずれ計測方法における位置ずれ計測の感度を表す。
この左シフト計測用パターン３１の回折画像（補正後）では、基板１１の全面の各計測点ごとに、左シフト計測用パターン３１の線幅ｗ３の変化が、局所的な輝度変化として現れる。また、各計測点での線幅ｗ３の変化は“線幅が細くなる変化”であり、この線幅変化に起因して回折効率が低下するため、回折画像における輝度変化は“輝度が低下する変化”となる。
【００８１】
画像処理部１７では、左シフト計測用パターン３１（ピッチｐ１）の回折画像の輝度情報と線幅ｗ３との関係（図１０）、および、右シフト計測用パターン３２（ピッチｐ２）の回折画像の輝度情報と線幅ｗ４との関係を、それぞれ、メモりに予め記憶している。そして、各々の関係（例えば図１０）を参照することにより、回折画像の輝度情報から線幅ｗ３，ｗ４を算出し、位置ずれ量Δ，位置ずれ方向を算出する。
【００８２】
線幅ｗ３，ｗ４の算出および位置ずれ量Δ，位置ずれ方向の算出について具体的に説明する。
画像処理部１７は、ステージ１２のチルト角度θｔが“ピッチｐ１に対応する角度”に設定されたとき、左シフト計測用パターン３１の回折画像を選択的に取り込む。また、チルト角度θｔが“ピッチｐ２に対応する角度”に設定されたとき、右シフト計測用パターン３２の回折画像を選択的に取り込む。
【００８３】
そして、２つの回折画像（補正後）の輝度情報のうち、同じ計測点に対応する部分の輝度どうしを比較する。つまり、ある計測点Ｋに形成された左シフト計測用パターン３１と右シフト計測用パターン３２の輝度どうしを比較する。この比較は、基板１１の全面の各計測点ごとに行う。
【００８４】
計測点Ｋでの比較について説明すると、輝度どうしを直接比較するのではなく、左シフト計測用パターン３１の回折画像の計測点Ｋでの輝度から図１０のシミュレーション結果を参照して線幅ｗ３を算出し、右シフト計測用パターン３２の回折画像の計測点Ｋでの輝度から同様のシミュレーション結果を参照して線幅ｗ４を算出し、得られた線幅ｗ３，ｗ４を用いて比較が行われる。
【００８５】
比較の結果、線幅ｗ３，ｗ４が等しい場合（図５の右上および図６）には、計測点Ｋでの位置ずれ量Δが０であると分かる。
また、線幅ｗ３の方が線幅ｗ４よりも小さい場合（図５の左下および図７）には、計測点Ｋでの位置ずれ方向が「左方向」であると分かる。この場合、上記の式（１）に基づいて、計測点Ｋでの位置ずれ量Δを算出する。
【００８６】
さらに、線幅ｗ４の方が線幅ｗ３よりも小さい場合（図５の左上と右下および図８）には、計測点Ｋでの位置ずれ方向が「右方向」であると分かる。この場合、上記の式（４）に基づいて、計測点Ｋでの位置ずれ量Δを算出する。
このようにして、基板１１の各計測点ごとに位置ずれ量Δと位置ずれ方向を算出すると、画像処理部１７は、その算出結果に基づいて投影光学系の歪み誤差を各計測点ごとに算出し、ショット領域（２５Ｓ）内での歪み量マップを作成する。そして、計測処理を終了する。歪み量マップによれば投影光学系のシフト誤差・倍率誤差・回転誤差などを知ることができる。
【００８７】
第１実施形態の位置ずれ計測方法によれば、基板１１の全面に形成された左シフト計測用パターン３１の回折画像を一括視野で取り込むと共に、右シフト計測用パターン３２の回折画像を一括視野で取り込み、２つの回折画像の各計測点の輝度情報から算出した線幅ｗ３，ｗ４を比較することにより、位置ずれ計測を行うため、基板１１上の計測点の数に拘わらず高速に計測可能となる。基板１１の全面におけるショット領域（２５Ｓ）ごとの計測を画像処理能力の範囲内で数秒以内に実行可能となる。
【００８８】
また、第１実施形態の位置ずれ計測方法によれば、例えば図１０のシミュレーション結果を参照して各計測点の線幅ｗ３，ｗ４を算出するため、線幅ｗ３，ｗ４の変化と回折画像の輝度変化との感度を“数階調／１ｎｍ”以上に設定することにより、１ｎｍ以下の高い計測精度で線幅ｗ３，ｗ４を算出できる。したがって、基板１１上の各計測点の位置ずれ計測も１ｎｍ以下の高い精度で行うことができる。
【００８９】
さらに、第１実施形態の位置ずれ計測方法によれば、基板１１の複数のショット領域（２５Ｓ）に対して２重露光を行い、各ショット領域（２５Ｓ）の各計測点ごとに同様の位置ずれ計測を行い、その計測結果を同じショット座標の計測点どうしで平均化することにより、基板１１に起因する誤差を低減し、計測精度を向上させることも容易である。
【００９０】
また、第１実施形態の位置ずれ計測方法によれば、基板１１上のショット領域（２５Ｓ）内の非常に多数の計測点での位置ずれ計測を高速かつ高精度に行えるため、投影光学系の歪み誤差の計測に好適であり、露光装置の検査工程の効率化を図ることができる。
また、第１実施形態の位置ずれ計測方法によれば、１回目の露光用の繰り返しパターン２１，２２の線幅ｗ１が等しく、２回目の露光用の繰り返しパターン２３，２４の線幅ｗ２が等しいため、位置ずれ方向に拘わらず同じ感度とレンジで計測することができる。
【００９１】
さらに、第１実施形態の位置ずれ計測方法によれば、左シフト計測用パターン３１の形成に関わる繰り返しパターン２１，２３のうち線幅が狭い方（２１）の線幅ｗ１をピッチｐ１の１／４程度とし、右シフト計測用パターン３２の形成に関わる繰り返しパターン２２，２４のうち線幅が狭い方（２２）の線幅ｗ１をピッチｐ１の１／４程度としため、高感度な位置ずれ計測が可能となる。
【００９２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は、請求項１〜請求項６，請求項８〜請求項１１に対応する。ここでは、露光装置のアライメント誤差の計測に好適な位置ずれ計測方法を例に説明する。
第２実施形態では、概略、図１１に示す位置ずれ計測用レチクル４０と露光装置とを用いて２重露光が行われ、この２重露光によって基板１１上に形成された繰り返しパターンの線幅変化に基づいて位置ずれ計測が行われ、その結果に基づいて露光装置のアライメント誤差が最終的に算出される。
【００９３】
図１１の位置ずれ計測用レチクル４０には、１回目の露光用の繰り返しパターン２１，２２と、２回目の露光用の繰り返しパターン２３，２４とが、１回目の露光範囲２５内の５箇所にセットで設けられている。各々の箇所で、繰り返しパターン２１，２２と繰り返しパターン２３，２４と相対位置関係は同一である。また、露光範囲２５内には、露光位置合わせ用のアライメントマーク４１，４２も設けられている。
【００９４】
位置ずれ計測用レチクル４０と露光装置とを用いた２重露光では、１回目の露光時、露光範囲２５内に含まれる全ての繰り返しパターン２１〜２４とアライメントマーク４１，４２（遮光部）が、一括で、基板１１上のショット領域に投影される。そして２回目の露光前に現像処理が施される。その結果、図１２に示すショット領域（２５Ｓ）内には、繰り返しパターン２１Ｈ〜２４Ｈとアライメントマーク４１Ｈ，４２Ｈとが形成される。ただし図１２では、繰り返しパターン２３Ｈ，２４Ｈの図示を省略した。
【００９５】
１回目の露光が終了すると、露光装置では、ウエハステージを駆動して基板１１を移動させる。このとき、アライメントマーク４１Ｈ，４２Ｈの位置に基づいて基板１１の微小な位置ずれをモニタし、モニタ結果の位置ずれ量（ｄｘ，ｄｙ）と位置ずれ計測用レチクル４０上での設計値の位置差（Ｄｘ，Ｄｙ）とを合算し、合算結果のステージ位置補正量（ｄｘ＋Ｄｘ，ｄｙ＋Ｄｙ）に基づいて、基板１１を移動させる。
【００９６】
このような露光位置合わせ動作が終了すると、露光装置では、２回目の露光を行う。２回目の露光時、位置ずれ計測用レチクル４０の繰り返しパターン２１，２２とアライメントマーク４１，４２が遮蔽され、５箇所の繰り返しパターン２３，２４が一括で図１３のショット領域（２５Ｓ）に投影される。基板１１上に投影された繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃは、光の照射されない部分である。
【００９７】
そして現像処理が施されると、基板１１上のショット領域（２５Ｓ）内では、２回とも光の照射されなかった部分（つまり１回目の露光による繰り返しパターン２１Ｈ，２２Ｈと２回目の露光による繰り返しパターン２３Ｃ，２４Ｃとの重なり部分）が、最終的な繰り返しパターン（図６〜図８の左シフト計測用パターン３１，右シフト計測用パターン３２）として残ることになる。
【００９８】
第２実施形態において、最終的な繰り返しパターン（３１，３２）の線幅ｗ３，ｗ４の変化は、１回目の露光後で２回目の露光前に行われる位置合わせ補正（アライメント）の残留誤差に起因する。
したがって、図１の位置ずれ計測装置１０を用い、基板１１の全面に形成された左シフト計測用パターン３１の回折画像を一括視野で取り込むと共に、右シフト計測用パターン３２の回折画像を一括視野で取り込み、２つの回折画像の各計測点の輝度情報から算出した線幅ｗ３，ｗ４を比較することにより、基板１１上の計測点の数に拘わらず高速に位置ずれ計測を行うことができる。さらに、位置ずれ計測により各計測点ごとに算出された位置ずれ量Δと位置ずれ方向に基づいて、露光装置のアライメント誤差を算出することができる。
【００９９】
また、第２実施形態の位置ずれ計測方法によれば、基板１１上のショット領域（２５Ｓ）内の非常に多数の計測点での位置ずれ計測を高速かつ高精度に行えるため、露光装置のアライメント誤差の計測に好適であり、露光装置の検査工程の効率化を図ることができる。
【０１００】
さらに、第２実施形態の位置ずれ計測方法によれば、図１１の位置ずれ計測用レチクル４０の中心部に設けられた１つのパターン群（２３，２４）を用いて、第１実施形態と同様の２回目の露光を行うことにより、露光装置の投影光学系の歪み誤差を計測することもできる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図２（または図１１）に示すように、繰り返し方向が互いに平行な繰り返しパターン２１〜２４を用いて２重露光を行い、１軸で位置ずれ計測を行ったが、本発明は２軸で位置ずれ計測を行う場合にも適用可能である。
【０１０１】
この場合、位置ずれ計測用レチクルには、図２（または図１１）の繰り返しパターン２１〜２４を９０度回転させて得られる繰り返しパターンも混在させることが必要であり、位置ずれ計測装置のステージには、基板１１の法線方向を中心軸とする回転機構を設けることが必要となる。
そして、２種類の繰り返し方向が混在する位置ずれ計測用レチクルを用いて２重露光を行う。基板１１の各計測点には、４種類の繰り返しパターン（左シフト計測用，右シフト計測用，上シフト計測用，下シフト計測用）が形成される。このため、ステージの回転機構により基板１１の方位を９０度だけ設定変更し、各々の方位でステージのチルト角度θｔを繰り返しパターンのピッチｐ１，ｐ２に応じて設定変更することにより、４種類の回折画像を選択的に取り込むことができる。さらに、各々の方位ごとに同様の画像処理を施すことにより、２軸で位置ずれ計測を行うことができる。
【０１０２】
また、上記した実施形態では、左シフト計測用パターン３１の形成に関わる繰り返しパターン２１，２３のうち線幅が狭い方（２１）の線幅ｗ１と、右シフト計測用パターン３２の形成に関わる繰り返しパターン２２，２４のうち線幅が狭い方（２２）の線幅ｗ１をピッチｐ１の１／４程度としたが、本発明はこれに限定されない。
【０１０３】
例えば図１０のシミュレーション結果から分かるように、線幅ｗ１は、ピッチｐ１の３０％以下（範囲α内）の任意の値、または、ピッチｐ１の４０％〜８０％（範囲β内）の任意の値に設定しても構わない。これは、ピッチｐ１が約５００ｎｍの場合、線幅ｗ１を１００ｎｍ〜１５０ｎｍの任意の値、または、２００ｎｍ〜４００ｎｍの任意の値に設定することに相当する。
【０１０４】
また、１回目の露光用の繰り返しパターン２１，２２の線幅は、互いに異なっても構わない。同様に、２回目の露光用の繰り返しパターン２３，２４の線幅も、互いに異なっても構わない。１回目の露光用に比べて２回目の露光用の線幅を細くしても構わない。左シフト計測用パターン３１のピッチｐ１と右シフト計測用パターン３２のピッチｐ２との差は、５０ｎｍに限らず、１００ｎｍ程度でもよい。さらに、ピッチｐ１，ｐ２は、同じでも構わない。
【０１０５】
さらに、基板１１上に形成するレジスト層としては、光の照射された部分が現像後にパターンとして残るような特性のものを用いてもよい。この場合、位置ずれ計測用レチクル２０，４０の繰り返しパターン２１〜２４（およびアライメントマーク４１，４２）は、光透過部となる。
また、上記した実施形態では、線幅ｗ３，ｗ４を算出した後に位置ずれ方向を算出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、２つの回折画像の各計測点の輝度の低下に基づいて位置ずれ方向を算出し、輝度が低下している方の回折画像の輝度情報から線幅ｗ３または線幅ｗ４を算出してもよい。
【０１０６】
さらに、上記した実施形態では、位置ずれ計測装置１０に固有な感度の不均一性（例えば照明光学系１３の明るさムラなど）を補正した後の回折画像に基づいて線幅ｗ３，ｗ４の変化を計測したが、本発明はこれに限定されない。例えば、基板１１上のレジスト層の厚さむらなどに起因する広い範囲での輝度変化や、基板１１の反りなどに起因する広い範囲での輝度変化が現れた場合には、それらを補正した後の回折画像に基づいて線幅ｗ３，ｗ４の変化を計測することが好ましい。
【０１０７】
また、上記した実施形態では、基板１１の全面の回折画像を一括視野で取り込むことにより各計測点での位置ずれ計測を行ったが、本発明はこれに限定されない。基板１１の中の部分領域を指定して、その回折画像を一括視野で取り込むことにより、部分領域内の各計測点での位置ずれ計測を行っても構わない。
さらに、上記した実施形態では、ステージ１２のチルト機構によって装置条件（チルト角度θｔ）を設定変更したが、本発明はこれに限定されない。ステージ１２のチルト機構に代えて、照明光学系１３と受光光学系（１４〜１６）にチルト機構を設け、同様に装置条件（チルト角度θｔ）を設定変更してもよい。
【０１０８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板上の計測点の数に拘わらず高速に位置ずれを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位置ずれ計測装置１０の全体構成を示す概略図である。
【図２】位置ずれ計測用レチクル２０の構成を示す概略図である。
【図３】１回目の露光用のパターン群（２１，２２）と２回目の露光用のパターン群（２３，２４）の構成を示す図である。
【図４】位置ずれ計測用レチクル２０による１回目の露光後のショット領域（２５Ｓ）を説明する図である。
【図５】位置ずれ計測用レチクル２０による１回目の露光後のショット領域（２５Ｓ）と２回目の露光後のショット領域（２６Ｓ）を説明する図である。
【図６】位置ずれ量Δ＝０における最終的な繰り返しパターン３１，３２の線幅ｗ３，ｗ４を説明する図である。
【図７】位置ずれ量Δ≠０（左方向）における最終的な繰り返しパターン３１，３２の線幅ｗ３，ｗ４を説明する図である。
【図８】位置ずれ量Δ≠０（右方向）における最終的な繰り返しパターン３１，３２の線幅ｗ３，ｗ４を説明する図である。
【図９】線幅ｗ３，ｗ４と位置ずれ量Δおよび位置ずれ方向との関係を説明する図である。
【図１０】Ｄｕｔｙ比の変化に対する回折効率の変化の様子をシミュレーションした結果である。
【図１１】位置ずれ計測用レチクル４０の構成を示す概略図である。
【図１２】位置ずれ計測用レチクル４０による１回目の露光後のショット領域（２５Ｓ）を説明する図である。
【図１３】位置ずれ計測用レチクル４０による１回目の露光後のショット領域（２５Ｓ）と２回目の露光後のショット領域（２６Ｓ）を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 位置ずれ計測装置
１１ 基板
１２ ステージ
１３ 照明光学系
１４ 凹面反射鏡
１５ 結像レンズ
１６ 撮像素子
１７ 画像処理部
２０，４０ 位置ずれ計測用マスク
２１，２２，２３，２４ 繰り返しパターン
３１ 左シフト計測用パターン
３２ 右シフト計測用パターン
４１，４２ アライメントマーク

Claims (11)

1. 複数の線状パターンが所定ピッチで配置された第１繰り返しパターンを用いて、基板に対して１回目の露光を行い、複数の線状パターンが前記所定ピッチで配置された第２繰り返しパターンを用いて、前記基板上の前記第１繰り返しパターンを露光した位置に重なるように２回目の露光を行うことにより、前記第１繰り返しパターンと前記第２繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなす計測用の第３繰り返しパターンを、前記基板に形成するパターン形成工程と、
   前記第３繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込工程と、
   前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記第３繰り返しパターンの線幅を算出する第１算出工程と、
   前記線幅に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との位置ずれ量を算出する第２算出工程とを備えた
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
2. 複数の線状パターンが第１ピッチで配置された第１繰り返しパターンと複数の線状パターンが第２ピッチで配置された第２繰り返しパターンとを用いて、基板に対して１回目の露光を行い、複数の線状パターンが前記第１ピッチで配置された第３繰り返しパターンと複数の線状パターンが前記第２ピッチで配置された第４繰り返しパターンとを用いて、前記基板上の前記第１繰り返しパターンを露光した位置に前記第３繰り返しパターンが重なるように、かつ、前記基板上の前記第２繰り返しパターンを露光した位置に前記第４繰り返しパターンが重なるように、２回目の露光を行うことにより、前記第１繰り返しパターンと前記第３繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなすと共に所定方向の計測に関わる第５繰り返しパターン、および、前記第２繰り返しパターンと前記第４繰り返しパターンとの重なり部分に応じた形状をなすと共に前記所定方向とは逆方向の計測に関わる第６繰り返しパターンを、前記基板に形成するパターン形成工程と、
   前記第５繰り返しパターンおよび前記第６繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込工程と、
   前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記第５繰り返しパターンの線幅と前記第６繰り返しパターンの線幅との少なくとも一方を算出する第１算出工程と、
   前記第１算出工程による算出結果に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との位置ずれ量および位置ずれ方向を算出する第２算出工程とを備えた
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
3. 請求項２に記載の位置ずれ計測方法において、
   前記パターン形成工程で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第３繰り返しパターンの前記第１ピッチと、前記第２繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンの前記第２ピッチとは、互いに異なり、
   前記画像取込工程では、前記第１ピッチに応じて設定された条件で前記第５繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込み、前記第２ピッチに応じて設定された条件で前記第６繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込む
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
4. 請求項２または請求項３に記載の位置ずれ計測方法において、
   前記パターン形成工程で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第３繰り返しパターンは、線幅が互いに異なり、
   前記パターン形成工程で用いられる前記第２繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンは、線幅が互いに異なり、
   前記パターン形成工程の前記１回目の露光で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第２繰り返しパターンからなるパターン群の繰り返し方向のエッジ間隔と、前記２回目の露光で用いられる前記第３繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンからなるパターン群の繰り返し方向のエッジ間隔とは、互いに等しい
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
5. 請求項２から請求項４の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、
   前記パターン形成工程の前記１回目の露光で用いられる前記第１繰り返しパターンおよび前記第２繰り返しパターンは、線幅が互いに等しく、
   前記パターン形成工程の前記２回目の露光で用いられる前記第３繰り返しパターンおよび前記第４繰り返しパターンは、線幅が互いに等しい
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
6. 請求項１から請求項５の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、
   前記回折画像の輝度情報と前記線幅との関係を繰り返しピッチごとに予め記憶する記憶工程を備え、
   前記第１算出工程では、前記関係を参照することにより前記線幅の算出を行う
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、
   前記パターン形成工程では、前記１回目の露光および前記２回目の露光を行う露光装置の投影光学系の少なくとも周辺部を介して前記１回目の露光を行った後、前記投影光学系の中心部を介して前記２回目の露光を行い、
   前記第２算出工程による算出結果に基づいて、前記投影光学系の歪み誤差を算出する第３算出工程をさらに備えた
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
8. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載の位置ずれ計測方法において、
   前記パターン計測工程では、前記１回目の露光に際してアライメント用のマークを前記基板に形成し、前記１回目の露光後に前記マークを参照して前記基板を移動させて、前記２回目の露光を行い、
   前記第２算出工程による算出結果に基づいて、前記１回目の露光および前記２回目の露光を行う露光装置のアライメント誤差を算出する第３算出工程さらにを備えた
   ことを特徴とする位置ずれ計測方法。
9. １回目の露光および２回目の露光により基板に形成され、所定ピッチの２つの露光用繰り返しパターンの重なり部分に応じた形状をなす計測用繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込手段と、
   前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記計測用繰り返しパターンの線幅を算出する第１算出手段と、
   前記線幅に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との相対的な位置ずれ量を算出する第２算出手段とを備えた
   ことを特徴とする位置ずれ計測装置。
10. １回目の露光および２回目の露光により基板に形成され、第１ピッチの２つの露光用繰り返しパターンの重なり部分に応じた形状をなすと共に所定方向の計測に関わる第１計測用繰り返しパターン、および、第２ピッチの２つの露光用繰り返しパターンの重なり部分に応じた形状をなすと共に前記所定方向とは逆方向の計測に関わる第２計測用繰り返しパターンの回折画像を取り込む画像取込手段と、
    前記回折画像の輝度情報に基づいて、前記第１計測用繰り返しパターンの線幅と前記第２計測用繰り返しパターンの線幅との少なくとも一方を算出する第１算出手段と、
    前記第１算出手段による算出結果に基づいて、前記１回目の露光と前記２回目の露光との相対的な位置ずれ量および位置ずれ方向を算出する第２算出手段とを備えた
    ことを特徴とする位置ずれ計測装置。
11. 複数の線状パターンが第１ピッチで配置された第１繰り返しパターンと、複数の線状パターンが第２ピッチで配置された第２繰り返しパターンとを含む１回目の露光用の第１パターン群と、
    複数の線状パターンが前記第１ピッチで配置された第３繰り返しパターンと、複数の線状パターンが前記第２ピッチで配置された第４繰り返しパターンとを含む２回目の露光用の第２パターン群とを備え、
    前記第１繰り返しパターンの複数の線状パターンと前記第３繰り返しパターンの複数の線状パターンとは、線幅が互いに異なり、
    前記第２繰り返しパターンの複数の線状パターンと前記第４繰り返しパターンの複数の線状パターンとは、線幅が互いに異なり、
    前記第１パターン群における線状パターンの繰り返し方向のエッジ間隔と、前記第２パターン群における線状パターンの繰り返し方向のエッジ間隔とは、互いに等しい
    ことを特徴とする位置ずれ計測用レチクル。

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