JP2015176957A - Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system - Google Patents

Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system Download PDF

Info

Publication number
JP2015176957A
JP2015176957A JP2014051234A JP2014051234A JP2015176957A JP 2015176957 A JP2015176957 A JP 2015176957A JP 2014051234 A JP2014051234 A JP 2014051234A JP 2014051234 A JP2014051234 A JP 2014051234A JP 2015176957 A JP2015176957 A JP 2015176957A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
focus
image
wedge
function
optical system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014051234A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
賢 屋敷
Ken Yashiki
賢 屋敷
裕二 芝
Yuji Shiba
裕二 芝
諏訪 恭一
Kyoichi Suwa
恭一 諏訪
裕一郎 竹内
Yuichiro Takeuchi
裕一郎 竹内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP2014051234A priority Critical patent/JP2015176957A/en
Publication of JP2015176957A publication Critical patent/JP2015176957A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide method and device for measuring the focus characteristic of a projection optical system that can perform high-precision function approximation of a tendency that the length of a projection image of a wedge-shaped projection image varies according to a focus position, and measure the focus characteristic of a projection optical system with high precision.SOLUTION: A wedge-shaped pattern is projected by a projection optical system to form a projection image of the wedge-shaped pattern, and the length in a long-axis direction of the wedge of the projection image or a transfer image of the projection image is measured at each of focus positions Zn of n which are changed in the focal depth direction of the projection optical system by every predetermined amount. When the length in the wedge long-axis direction measured at each of the focus positions Zn of n is represented by Lpn, the length Lpn is defined as a model function f(Zn) containing a trigonometric function having the focus position Zn as a variable. Plural coefficients of the model function f(Zn) are approximately calculated, and a variation characteristic represented by the model function f(Zn) is determined, whereby the best focus position is specified with high precision.

Description

本発明は、投影露光装置等の投影光学系によって投影された微細なパターンの寸法変化の計測結果から、投影光学系のフォーカス特性を計測する方法、及び、計測装置に関するものである。   The present invention relates to a method for measuring a focus characteristic of a projection optical system from a measurement result of a dimensional change of a fine pattern projected by a projection optical system such as a projection exposure apparatus, and a measurement apparatus.

CPU、メモリ、ゲートアレイ、ロジックIC等の半導体デバイスの製造工程では、半導体ウェハ等の基板の表面に多種の材料を用いた積層構造が形成される。その積層構造の殆どの層は、基板の表面に塗布されたフォトレジスト膜に、当該層のパターン(トランジスタの各電極、配線、コンタクトホール等)に対応した紫外線による光パターンを、投影露光装置を用いて露光することで形成される。その際、投影露光装置の投影光学系を介して生成される光パターンの投影像は、例えば、フォトレジスト膜の表面に正確にフォーカシングしている(ピントが合っている)ことが要求される。   In the manufacturing process of a semiconductor device such as a CPU, a memory, a gate array, and a logic IC, a laminated structure using various materials is formed on the surface of a substrate such as a semiconductor wafer. Most layers of the laminated structure have a light exposure pattern by ultraviolet rays corresponding to the pattern of each layer (transistor electrodes, wiring, contact holes, etc.) on the photoresist film applied to the surface of the substrate, and a projection exposure apparatus. It is formed by using and exposing. At that time, it is required that the projected image of the light pattern generated via the projection optical system of the projection exposure apparatus is accurately focused (focused) on the surface of the photoresist film, for example.

近年の最先端の投影露光装置では、露光用の照明光としてArFエキシマレーザ光源からの紫外線(中心波長λが193nm)を使うと共に、投影光学系の像面側の先端レンズと基板のフォトレジスト膜との間に超純水等の液体を介在させる液浸法を使い、投影光学系の像側の開口数(NA)を1.0以上にして解像可能なパターンの最小寸法(線幅等)を数十nm以下にしている。このように、解像度が高い投影露光装置では、露光用照明光の波長λが短く、開口数(NA)が極めて大きいことから、その焦点深度(DOF)の範囲も極めて狭くなる。焦点深度(DOF)は、プロセス定数をk(0<k<1)として、DOF=k・(λ/NA)で表わされる。 In recent state-of-the-art projection exposure apparatuses, ultraviolet rays (center wavelength λ is 193 nm) from an ArF excimer laser light source are used as exposure illumination light, and the front lens on the image plane side of the projection optical system and the photoresist film on the substrate The minimum dimension of the resolvable pattern (line width, etc.) by using an immersion method in which a liquid such as ultrapure water is interposed between the projection optical system and the numerical aperture (NA) on the image side of the projection optical system is 1.0 or more. ) Is set to several tens of nm or less. As described above, in the projection exposure apparatus having a high resolution, the wavelength λ of the illumination light for exposure is short and the numerical aperture (NA) is extremely large, so that the range of the depth of focus (DOF) is extremely narrow. The depth of focus (DOF) is expressed by DOF = k · (λ / NA 2 ) where k is a process constant (0 <k <1).

その種の投影露光装置は、投影光学系によって生成される投影像のベストフォーカス位置(最良像面)と基板の表面(フォトレジスト膜の表面)とを一致させる為に、ベストフォーカス位置と基板の表面とのフォーカスずれを高精度に検出するフォーカスセンサーと、フォーカスセンサーで検出されたフォーカスずれに基づいて、基板を最良像面と垂直な方向(Z方向)に微少移動させる焦点調節機構(所謂、Z位置調整用のZステージ)とを備えている。これによって、基板の表面は焦点深度(DOF)の範囲内に位置付けられ、良好なフォーカス状態でパターン露光が行なわれる。   In such a projection exposure apparatus, in order to match the best focus position (best image plane) of the projection image generated by the projection optical system with the surface of the substrate (surface of the photoresist film), the best focus position and the substrate A focus sensor that detects a focus deviation with respect to the surface with high accuracy, and a focus adjustment mechanism that moves the substrate in a direction (Z direction) perpendicular to the best image plane based on the focus deviation detected by the focus sensor (so-called Z stage for Z position adjustment). As a result, the surface of the substrate is positioned within the range of the depth of focus (DOF), and pattern exposure is performed in a good focus state.

しかしながら、最先端の投影露光装置では、最良像面を含む焦点深度(DOF)の範囲が極めて狭くなり、フォーカスセンサーが最良像面と判断する基板表面のZ方向位置と、投影光学系によって真に生成される最良像面とを常に高精度に合致させておく必要がある。その為には、投影光学系によって真に生成される最良像面のZ位置(フォーカス位置)を精密に求めることが重要になる。   However, in a state-of-the-art projection exposure apparatus, the range of the depth of focus (DOF) including the best image plane is extremely narrow, and the position in the Z direction on the substrate surface that the focus sensor determines to be the best image plane and the projection optical system are true. It is necessary to always match the generated best image plane with high accuracy. For this purpose, it is important to accurately determine the Z position (focus position) of the best image plane that is truly generated by the projection optical system.

そこで、例えば特許文献1に開示されたように、楔状のパターンを設けたレチクル(マスク)を投影露光装置に装着し、楔状のパターンを基板のフォトレジスト膜にフォーカス位置を一定量(ΔZ)ずつ変えながら露光し、露光後の基板を現像してフォーカス位置毎に露光された楔状のパターン(レジスト像)の長さ変化を測定装置(又はアライメント系)によって求め、ベストフォーカス位置(最良像面)を求めることが知られている。レチクル上の楔状のパターンは、楔の頂角が鋭角に設定された細長い線状であることから、露光時のフォーカス位置の僅かな変化によって頂角部は敏感に鈍り、レジスト像となった楔状のパターンの全長はフォーカス位置の変化に応じて高い感度で変化する。   Therefore, for example, as disclosed in Patent Document 1, a reticle (mask) provided with a wedge-shaped pattern is mounted on a projection exposure apparatus, and the wedge-shaped pattern is focused on a photoresist film on a substrate by a certain amount (ΔZ). The exposure is performed while changing, the developed substrate is developed, and the change in the length of the wedge-shaped pattern (resist image) exposed at each focus position is obtained by a measuring device (or alignment system), and the best focus position (best image plane) Is known to seek. The wedge-shaped pattern on the reticle is a long and narrow line with the apex angle of the wedge set at an acute angle, so that the apex angle portion is sensitively dulled by a slight change in the focus position during exposure, and the wedge shape becomes a resist image. The total length of the pattern changes with high sensitivity according to the change of the focus position.

また、特許文献2には、同様の楔状のパターンを用いたフォーカス位置の検出方式において、基板のZ位置を一定量(ΔZ)ずつ変えながら露光して得られた楔状のパターン(レジスト像)の各長さを、Z位置を変数とする関数で曲線近似し、その近似曲線が最大値となっているZ位置をベストフォーカス位置とすることが開示されている。この特許文献2では、レジスト像として得られた楔状のパターンの長さを、露光時のZ位置(フォーカス位置)を変数とする関数で近似(フィッティング)する為のモデル関数として、n次の累乗関数(Z)を使うことが示されている。 Patent Document 2 discloses a wedge-shaped pattern (resist image) obtained by performing exposure while changing the Z position of a substrate by a certain amount (ΔZ) in a focus position detection method using a similar wedge-shaped pattern. It is disclosed that each length is approximated with a function using the Z position as a variable, and the Z position where the approximate curve has the maximum value is set as the best focus position. In Patent Document 2, an nth power is used as a model function for approximating (fitting) the length of a wedge-shaped pattern obtained as a resist image with a function having a Z position (focus position) at the time of exposure as a variable. It is shown that the function (Z n ) is used.

米国特許4908656号公報U.S. Pat. No. 4,908,656 特開平09−082620号公報JP 09-082620 A

しかしながら、最先端の投影露光装置では、焦点深度(DOF)が極めて狭く、解像度が極めて高い(数十nmの解像力を有する)為に、楔状のパターンも微細化してくること、また、レチクル(マスク)をケーラー照明法で照明する照明光学系は、光源像の形状や分布を一般的な円形だけでなく、輪帯、2極、4極等の変形照明法に対応した形状、分布に変更可能な構成となっていることから、特許文献2のようなn次関数をモデルとするフィッティングでは誤差が残ることが判明した。   However, in a state-of-the-art projection exposure apparatus, since the depth of focus (DOF) is extremely narrow and the resolution is extremely high (having a resolution of several tens of nanometers), the wedge-shaped pattern is also miniaturized, and the reticle (mask) ) With the Koehler illumination method, the shape and distribution of the light source image can be changed not only to a general circular shape but also to a shape and distribution corresponding to a modified illumination method such as an annular, dipole, quadrupole, etc. Therefore, it has been found that an error remains in the fitting using an n-order function as a model as in Patent Document 2.

そこで本発明は、楔状のパターン(Wedge Pattern)を用いて、投影光学系のベストフォーカス位置(最良像面の光軸または主光線に沿った方向の位置)を決定する場合等に、基板に露光される楔状のパターン像の長さのフォーカス位置毎の変化傾向を高精度に関数近似(フィッティング)することにより、投影光学系のフォーカス特性を高精度に測定する方法、および測定装置を提供することを目的とする。さらに本発明は、投影露光装置の照明条件(光源像の形状や分布)の違いにも対応して、フォーカス特性を高精度に測定する方法、および測定装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention uses a wedge-shaped pattern to expose the substrate when determining the best focus position of the projection optical system (the position of the best image plane along the optical axis or principal ray). To provide a method and a measuring apparatus for measuring the focus characteristic of a projection optical system with high accuracy by approximating the change tendency of the length of the wedge-shaped pattern image for each focus position with a function approximation (fitting) with high accuracy With the goal. It is another object of the present invention to provide a method and a measuring apparatus for measuring a focus characteristic with high accuracy corresponding to a difference in illumination conditions (shape and distribution of a light source image) of a projection exposure apparatus.

本発明の第1の態様では、投影光学系のフォーカス特性を計測するに当たって、投影光学系の像面側に楔状パターンの像を投影する工程と、投影光学系の焦点深度の方向(光軸または主光線に沿ったZ方向)に所定量ずつ変化させた複数のフォーカス位置の各々で、投影された楔状パターンの像プロファイルを取得する工程と、複数のフォーカス位置毎に、取得された像プロファイルの楔状パターンの鋭角が延びる方向の長さを計測する工程と、
フォーカス位置を変数とする三角関数を含むモデル関数を用いて、計測された像プロファイルの長さのフォーカス位置に対する変化特性を決定する工程と、を含む計測方法が実施される。ここで、三角関数を含むモデル関数とは、正弦関数〔sin(Z)〕や余弦関数〔cos(Z)〕を使って定義可能な関数を意味し、正弦関数をその変数(Z)で除したシンク関数〔sinc(Z)〕も含まれる。
In the first aspect of the present invention, in measuring the focus characteristic of the projection optical system, a step of projecting a wedge-shaped pattern image onto the image plane side of the projection optical system and the direction of the focal depth of the projection optical system (optical axis or A step of acquiring an image profile of a projected wedge-shaped pattern at each of a plurality of focus positions changed by a predetermined amount in the Z direction along the principal ray), and a step of acquiring the acquired image profile for each of the plurality of focus positions. Measuring the length in the direction in which the acute angle of the wedge-shaped pattern extends;
Determining a change characteristic of the length of the measured image profile with respect to the focus position using a model function including a trigonometric function with the focus position as a variable. Here, a model function including a trigonometric function means a function that can be defined using a sine function [sin (Z)] or a cosine function [cos (Z)], and the sine function is divided by the variable (Z). The sync function [sinc (Z)] is also included.

本発明の第2の態様では、投影光学系のフォーカス特性を計測する装置であって、投影光学系による楔状パターンの投影によって形成される楔状パターンの投影像、又はその転写像の楔長軸方向の長さを、投影光学系の焦点深度の方向に所定量ずつ変化させたn個のフォーカス位置の各々で計測する計測装置と、n個のフォーカス位置ごとに計測装置によって計測された楔長軸方向の長さをLpn、複数のフォーカス位置をZnとしたとき、長さLpnがフォーカス位置Znを変数する三角関数を含むモデル関数f(Zn)として定義され、そのモデル関数f(Z)の複数の係数を近似計算して、モデル関数f(Z)で表わされる変化特性を決定する計算機と、を含むフォーカス特性の計測装置が提供される。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring a focus characteristic of a projection optical system, which is a projection image of a wedge-shaped pattern formed by projection of a wedge-shaped pattern by the projection optical system, or a wedge major axis direction of the transferred image. Is measured at each of the n focus positions changed by a predetermined amount in the direction of the depth of focus of the projection optical system, and the wedge long axis is measured by the measurement apparatus at each of the n focus positions. When the length in the direction is Lpn and the plurality of focus positions are Zn, the length Lpn is defined as a model function f (Zn) including a trigonometric function that changes the focus position Zn, and a plurality of the model functions f (Z) are defined. And a calculator for determining a change characteristic represented by the model function f (Z) by approximating the coefficients of the above, and a focus characteristic measuring device.

実施形態では、投影光学系によって投影される楔状パターンの像の長さのフォーカス位置毎の変化特性を、三角関数で表わされるモデル関数によって近似(フィッティング)することにしたので、狭い焦点深度(DOF)の投影光学系であっても、高精度にフォーカス特性を計測することができ、ベストフォーカス位置をより正確に決定することができる。また、三角関数で表わされるモデル関数を使った近似(フィッティング)にすることによって、照明条件(特に光源像の形状や分布)に違いがあっても、高精度にフォーカス特性を計測することができる。   In the embodiment, since the change characteristic for each focus position of the length of the wedge-shaped pattern image projected by the projection optical system is approximated (fitted) by a model function represented by a trigonometric function, a narrow depth of focus (DOF) ) Can measure the focus characteristic with high accuracy and determine the best focus position more accurately. In addition, by using approximation (fitting) using a model function represented by a trigonometric function, the focus characteristics can be measured with high accuracy even if there is a difference in illumination conditions (particularly the shape and distribution of the light source image). .

第1の実施形態によるフォーカス特性の計測方法の概略を説明する図。FIG. 3 is a diagram for explaining an outline of a focus characteristic measurement method according to the first embodiment. 第1の実施形態による計測方法を適用するのに好適な投影露光装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of the projection exposure apparatus suitable for applying the measuring method by 1st Embodiment. 図2の投影露光装置の照明光学系中に設置される変形照明用の光学フィルタの配置を示す図。The figure which shows arrangement | positioning of the optical filter for modified illumination installed in the illumination optical system of the projection exposure apparatus of FIG. 図2の投影露光装置における照明光学系と投影光学系の結像関係と瞳共役の関係を模式的に表わす光路図。FIG. 3 is an optical path diagram schematically showing an imaging relationship between the illumination optical system and the projection optical system and a pupil conjugate relationship in the projection exposure apparatus of FIG. 2. 第1の実施形態における楔状パターン(FWM)の形状の一例を示す図。The figure which shows an example of the shape of the wedge-shaped pattern (FWM) in 1st Embodiment. 図5の楔状パターン(FWM)の長軸方向(y方向)の異なる2つの位置における振幅強度の違いを示す図。The figure which shows the difference in the amplitude intensity | strength in two different positions of the major axis direction (y direction) of the wedge-shaped pattern (FWM) of FIG. 第1の実施形態におけるモデル解析式に基づく楔状パターン(FWM)像の長軸方向の長さのデフォーカス依存性と、市販のシミュレーションソフトによる計算結果とを対比するグラフ。The graph which compares the defocus dependence of the length of the major axis direction of the wedge-shaped pattern (FWM) image based on the model analysis formula in 1st Embodiment, and the calculation result by commercially available simulation software. 傾斜照明(変形照明)時に照明光学系内の瞳内に設定される光源配置の一例を示す図。The figure which shows an example of the light source arrangement | positioning set in the pupil in an illumination optical system at the time of inclination illumination (deformation illumination). 照明光学系内の照明瞳(円形)を正方形(矩形)と仮定した場合の光源分布の設定の一例を示す図。The figure which shows an example of the setting of light source distribution at the time of assuming that the illumination pupil (circle) in an illumination optical system is a square (rectangle). 図9の正方形の照明瞳に設定される光源分布の第1の例を示す図。The figure which shows the 1st example of the light source distribution set to the square illumination pupil of FIG. 図10の正方形の照明瞳での光源分布に対応して投影光学系内の瞳面に生成される結像光束(回折光)の分布を説明する図。FIG. 11 is a diagram for explaining a distribution of imaging light flux (diffracted light) generated on the pupil plane in the projection optical system corresponding to the light source distribution in the square illumination pupil of FIG. 10. 図9の正方形の照明瞳に設定される光源分布の第2の例を示す図。The figure which shows the 2nd example of the light source distribution set to the square illumination pupil of FIG. 図12の正方形の照明瞳での光源分布に対応して投影光学系内の瞳面に生成される結像光束(回折光)の分布を説明する図。FIG. 13 is a view for explaining a distribution of imaging light flux (diffracted light) generated on a pupil plane in the projection optical system corresponding to the light source distribution in the square illumination pupil of FIG. 12. Sinc関数を含むモデル関数でフィッティングした楔状パターンの投影像の長さのフォーカス位置に応じた変化特性と市販のシミュレーションソフトによる計算結果とを対比するグラフ。The graph which compares the change characteristic according to the focus position of the length of the projection image of the wedge-shaped pattern fitted with the model function containing a Sinc function, and the calculation result by commercially available simulation software. 検証実験のために用意されたレチクルの全体パターン配置と楔状パターンの配列との一例を示す図。The figure which shows an example of the whole pattern arrangement | positioning of the reticle prepared for verification experiment, and the arrangement | sequence of a wedge-shaped pattern. 図15のレチクルを用いたテスト露光で得られた7点のフォーカス位置毎の楔パターン像の寸法の実測値に基づいて、楔軸長の変化特性をSinc関数で近似した場合と2次関数で近似した場合とを対比するグラフ。Based on the measured value of the size of the wedge pattern image at each of the seven focus positions obtained by the test exposure using the reticle shown in FIG. 15, the wedge axis length change characteristic is approximated by a Sinc function and a quadratic function. A graph contrasting the case of approximation. 図15のレチクルを用いたテスト露光で得られた9点のフォーカス位置毎の楔パターン像の寸法の実測値に基づいて、楔軸長の変化特性をSinc関数で近似した場合と2次関数で近似した場合とを対比するグラフ。Based on the measured value of the size of the wedge pattern image at each of the nine focus positions obtained by the test exposure using the reticle shown in FIG. 15, the wedge axis length change characteristic is approximated by a Sinc function and a quadratic function. A graph contrasting the case of approximation. 図15のレチクルを用いたテスト露光で得られた11点のフォーカス位置毎の楔パターン像の寸法の実測値に基づいて、楔軸長の変化特性をSinc関数で近似した場合と2次関数で近似した場合とを対比するグラフ。Based on the measured value of the size of the wedge pattern image at each of the 11 focus positions obtained by the test exposure using the reticle shown in FIG. 15, the wedge axis length change characteristic is approximated by a Sinc function and a quadratic function. A graph contrasting the case of approximation. 図15のレチクルを用いたテスト露光で得られた13点のフォーカス位置毎の楔パターン像の寸法の実測値に基づいて、楔軸長の変化特性をSinc関数で近似した場合と2次関数で近似した場合とを対比するグラフ。Based on the measured value of the size of the wedge pattern image for each of the 13 focus positions obtained by the test exposure using the reticle of FIG. 15, the wedge axis length change characteristic is approximated by a Sinc function and a quadratic function. A graph contrasting the case of approximation. 図15のレチクルを用いたテスト露光で得られた15点のフォーカス位置毎の楔パターン像の寸法の実測値に基づいて、楔軸長の変化特性をSinc関数で近似した場合と2次関数で近似した場合とを対比するグラフ。Based on the actually measured value of the size of the wedge pattern image at each of the 15 focus positions obtained by the test exposure using the reticle of FIG. 15, the change characteristic of the wedge axis length is approximated by a Sinc function and a quadratic function. A graph contrasting the case of approximation. 近似(フィッティング)に用いるフォーカス位置毎の楔軸長の実測値の点数に応じたベストフォーカス位置の特定精度の変化傾向を、2次関数、Sinc関数、Cos関数の各々で近似した場合について示すグラフ。The graph which shows about the case where the change tendency of the specific precision of the best focus position according to the score of the measured value of the wedge axis length for every focus position used for approximation (fitting) is approximated by each of the quadratic function, the Sinc function and the Cos function . 第2の実施形態による計測方法又は計測装置が適用される露光装置EXPとコーターデベロッパーC/Dとがインライン接続されたフォトリソグラフィシステムの概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the photolithography system with which the exposure apparatus EXP and the coater developer C / D to which the measuring method or measuring device by 2nd Embodiment is applied were connected in-line. 第2の実施形態による計測装置として、図22の露光装置EXPに搭載されるアライメント系ALGの構成を説明する図。The figure explaining the structure of the alignment system ALG mounted in the exposure apparatus EXP of FIG. 22 as a measuring apparatus by 2nd Embodiment. 図23のアライメント系ALGの撮像素子からの画像信号を処理する画像処理ユニットの構成を説明する図。The figure explaining the structure of the image processing unit which processes the image signal from the image pick-up element of the alignment system ALG of FIG. 第3の実施形態による計測装置として、図22の露光装置EXPに搭載される空間像計測センサーPODの構成を説明する図。The figure explaining the structure of the aerial image measurement sensor POD mounted in the exposure apparatus EXP of FIG. 22 as a measuring apparatus by 3rd Embodiment. 第4の実施形態による光学特性の評価方法として、微細な楔構造のパターンからの0次光の強度分布(グラデーション)を計測する方法を説明する図。FIG. 10 is a diagram for explaining a method of measuring an intensity distribution (gradation) of zero-order light from a fine wedge structure pattern as an optical property evaluation method according to the fourth embodiment. 図27は、図26中のテストパターンDM1、DM2の対をX方向に繰り返し配列して、ドーズ・モニター(又はフォーカス・モニター)として利用する例を説明する図である。FIG. 27 is a diagram for explaining an example in which a pair of test patterns DM1 and DM2 in FIG. 26 is repeatedly arranged in the X direction and used as a dose monitor (or focus monitor).

以下、図面を参照して、本実施の形態を説明する。
〔第1の実施形態〕
以下、本発明におけるフォーカス特性の計測方法の第1実施形態の概略を、図1を参照して説明する。図1において、楔状パターンWMは、テストレチクルTRのパターン形成領域PA内の複数個所に配置される計測パターン領域PG内に形成される。投影露光装置EXPは、ここではステップ&リピート方式のステッパーとし、テストレチクルTRは、投影光学系PLの物面側の投影視野(円形)内に矩形のパターン形成領域PAの全体が内包されるように位置決めされる。複数の計測パターン領域PGは、パターン形成領域PAの中心、すなわち投影光学系PLの投影視野の中心に位置する計測パターン領域PGと、そこから、例えば像高が20%、40%、60%、80%の各位置に配置した複数の計測パターン領域PGとで構成される。
Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
The outline of the first embodiment of the focus characteristic measuring method according to the present invention will be described below with reference to FIG. In FIG. 1, the wedge-shaped pattern WM is formed in measurement pattern regions PG arranged at a plurality of locations in the pattern formation region PA of the test reticle TR. Here, the projection exposure apparatus EXP is a step-and-repeat stepper, and the test reticle TR is such that the entire rectangular pattern formation area PA is included in the projection field (circular) on the object plane side of the projection optical system PL. Is positioned. The plurality of measurement pattern areas PG includes a measurement pattern area PG located at the center of the pattern formation area PA, that is, the center of the projection field of the projection optical system PL, and from there, for example, an image height of 20%, 40%, 60%, It is composed of a plurality of measurement pattern regions PG arranged at 80% positions.

各計測パターン領域PG内に形成される楔状パターンWMは、一例として、長さLで幅Wの細長い菱形(平行四辺形)の楔パターンM1、M2、M3、M4を、幅Wの方向にピッチPで配置したものである。不図示ではあるが、各計測パターン領域PG内には、図1に示した楔状パターンWMの他に、それを90°回転させた楔状パターンWM’も設けられている。一例として、楔状パターンWMを構成する楔パターンM1〜M4は、投影像側の寸法として、長さL=10μm、幅W=0.5μm、ピッチP=1.0μmになるように作成される。従ってこの場合、各楔パターンM1〜M4の長さ方向に延びる頂角の角度θmcは、近似的に、θmc=tan−1(0.5/5)≒5.7°の鋭角となる。 As an example, the wedge-shaped pattern WM formed in each measurement pattern region PG is formed by pitching long diamond-shaped (parallelogram) wedge patterns M1, M2, M3, and M4 having a length L and a width W in the direction of the width W. It is arranged with P. Although not shown, in each measurement pattern region PG, in addition to the wedge-shaped pattern WM shown in FIG. 1, a wedge-shaped pattern WM ′ obtained by rotating it by 90 ° is also provided. As an example, the wedge patterns M1 to M4 constituting the wedge-shaped pattern WM are created such that the dimensions on the projection image side are length L = 10 μm, width W = 0.5 μm, and pitch P = 1.0 μm. Therefore, in this case, the apex angle θmc extending in the length direction of each wedge pattern M1 to M4 is approximately an acute angle of θmc = tan −1 (0.5 / 5) ≈5.7 °.

このような楔状パターンWM(WM’)を有するテストレチクルTRが投影光学系PLの物面側の所定位置に位置決めされると、投影露光装置EXPは、照明光学系を介して、テストレチクルTRのパターン形成領域PAの全体に一様(均一)な照度分布の照明光を照射する。これによって、パターン形成領域PA全体からの光が投影光学系PLに入射し、投影光学系PLの像面側に、楔状パターンWM(WM’)を含むパターン形成領域PAの投影像が生成される。   When the test reticle TR having such a wedge-shaped pattern WM (WM ′) is positioned at a predetermined position on the object surface side of the projection optical system PL, the projection exposure apparatus EXP passes through the illumination optical system and the test reticle TR Illumination light having a uniform (uniform) illuminance distribution is applied to the entire pattern formation area PA. As a result, light from the entire pattern formation area PA enters the projection optical system PL, and a projection image of the pattern formation area PA including the wedge-shaped pattern WM (WM ′) is generated on the image plane side of the projection optical system PL. .

投影光学系PLの像面側には、表面にフォトレジスト層(感光層)が形成されたテスト露光用のウェハTWが配置される。ウェハTWは、露光装置EXP内のウェハホルダ上に吸着保持される。そのウェハホルダは、投影光学系PLの光軸方向(Z方向)に微動可能なZステージ上に設けられ、さらにZステージは投影光学系PLの光軸と直交する像面と平行なXY方向に2次元移動可能なXYステージ上に設けられている。なお、ウェハTWを保持するステージ機構は、XYステージの上にZステージを載せたスタック構造の他に、ウェハを保持してXY方向とZ方向との3次元に移動可能なモノリシック構造等であっても良い。   A test exposure wafer TW having a photoresist layer (photosensitive layer) formed on the surface thereof is disposed on the image plane side of the projection optical system PL. Wafer TW is sucked and held on a wafer holder in exposure apparatus EXP. The wafer holder is provided on a Z stage that can be finely moved in the optical axis direction (Z direction) of the projection optical system PL, and the Z stage is 2 in the XY direction parallel to the image plane orthogonal to the optical axis of the projection optical system PL. It is provided on an XY stage that can move dimensionally. The stage mechanism for holding the wafer TW is not only a stack structure in which the Z stage is placed on the XY stage, but also a monolithic structure that can hold the wafer and move in three dimensions in the XY direction and the Z direction. May be.

ステッパーの場合、ウェハTWのフォトレジスト層の1つのショット領域SAに、楔状パターンWM(WM’)を含むパターン形成領域PAの投影像が所定の露光量(DOSE量)で露光されると、ウェハTWはステージ機構によってX方向或いはY方向にショット領域SAのサイズ以上の距離だけステップ移動され、ウェハTW上の隣のショット領域に再びパターン形成領域PAの投影像が露光される。このとき、各ショット領域に対する露光量(照度×時間)が一定となるように制御されると共に、各ショット領域毎にウェハTWのフォーカス位置(投影光学系PLの焦点深度方向の位置)をΔZずつ変えて、複数のフォーカス位置Z1、Z2、Z3・・・の各々でウェハTWが露光されるようにステージ機構が制御される。   In the case of a stepper, when a projected image of a pattern formation area PA including a wedge-shaped pattern WM (WM ′) is exposed to one shot area SA of the photoresist layer of the wafer TW with a predetermined exposure amount (DOSE amount), the wafer The TW is stepped by a distance equal to or larger than the size of the shot area SA in the X direction or the Y direction by the stage mechanism, and the projection image of the pattern formation area PA is exposed again to the adjacent shot area on the wafer TW. At this time, the exposure amount (illuminance × time) for each shot area is controlled to be constant, and the focus position of the wafer TW (position in the depth of focus direction of the projection optical system PL) is set by ΔZ for each shot area. In other words, the stage mechanism is controlled such that the wafer TW is exposed at each of the plurality of focus positions Z1, Z2, Z3.

このようなフォーカス位置の調整の為に、露光装置EXPは、ウェハTWの表面(フォトレジスト層)のZ方向の位置を高精度に計測するフォーカスセンサーを備えている。典型的なフォーカスセンサーは、ウェハ表面に斜め方向から計測光を投射し、その反射光の受光位置の変化を光電的に検出して、ウェハ表面のZ方向の位置を計測する斜入射光式AFセンサーである。一般に、投影露光装置EXPに設けられるフォーカスセンサーは、ウェハの表面のZ方向(投影光学系PLの焦点深度の方向)の位置情報を、基準位置(原点)からの変位量として出力する。   In order to adjust the focus position, the exposure apparatus EXP includes a focus sensor that measures the position in the Z direction of the surface (photoresist layer) of the wafer TW with high accuracy. A typical focus sensor projects obliquely incident measurement light onto the wafer surface, photoelectrically detects changes in the light receiving position of the reflected light, and measures the position in the Z direction on the wafer surface. It is a sensor. In general, the focus sensor provided in the projection exposure apparatus EXP outputs position information in the Z direction (direction of the focal depth of the projection optical system PL) on the surface of the wafer as a displacement amount from the reference position (origin).

従って、フォーカスセンサーからの計測光がウェハ表面の被計測部に投射されたときに、フォーカスセンサーから出力される変位量は、フォーカスセンサー自体が持っている基準位置(原点)からの変位量であり、投影光学系PLによって投影されるパターン形成領域PA(楔状パターンWM)の投影像の最良像面(ベストフォーカス面)に対するウェハ表面のZ方向の変位量を直接計測したものではない。その為、投影露光装置EXPは、フォーカスセンサー自体が持っている基準位置(原点)のZ位置と投影光学系PLの最良像面のZ位置との偏差(誤差)量をオフセット値として設定したり、その偏差(誤差)量が許容値以下になるように調整したりする機能(フォーカス較正機能)を備えている。   Therefore, when the measurement light from the focus sensor is projected onto the measurement area on the wafer surface, the displacement output from the focus sensor is the displacement from the reference position (origin) of the focus sensor itself. The amount of displacement of the wafer surface in the Z direction with respect to the best image plane (best focus plane) of the projected image of the pattern formation area PA (wedge pattern WM) projected by the projection optical system PL is not directly measured. Therefore, the projection exposure apparatus EXP sets the deviation (error) amount between the Z position of the reference position (origin) held by the focus sensor itself and the Z position of the best image plane of the projection optical system PL as an offset value. And a function (focus calibration function) for adjusting the deviation (error) amount to be equal to or less than an allowable value.

こうして、露光装置EXPによって露光されたウェハTWは現像装置に送られ、所定条件の下でフォトレジスト層の現像が行なわれる。現像後のウェハTWには、例えば、現像後も残るレジスト層によって、楔状パターンWM(楔パターンM1〜M4)の投影像の光学的なプロファイルに対応したレジストパターンWMp(パターンP1、P2、P3、P4)が生成される。ウェハTW上のショット領域毎に露光時のフォーカス位置をΔZずつ変えたため、ベストフォーカス位置からのずれが大きくなるに従って、レジストパターンWMpを構成する各パターンP1、P2、P3、P4の頂角部は鈍って消失し、その結果、レジストパターンWMpの長さLpも小さくなってくる。 Thus, the wafer TW exposed by the exposure apparatus EXP is sent to the developing apparatus, and the photoresist layer is developed under predetermined conditions. The developed wafer TW has resist patterns WMp (patterns P1, P2, P3, P3, P3, P3, P3, P3, P3, P3, P3) corresponding to the optical profile of the projection image of the wedge-shaped pattern WM (wedge patterns M1 to M4), P4) is generated. Since the focus position at the time of exposure is changed by ΔZ for each shot area on the wafer TW, as the deviation from the best focus position increases, the apex angle portions of the patterns P1, P2, P3, and P4 constituting the resist pattern WMp are As a result, the length Lp of the resist pattern WMp becomes smaller.

本実施形態では、露光後のウェハTWを現像することによって、楔状パターンWM(楔パターンM1〜M4)の投影像のプロファイルをレジストパターンWMpとして得ているが、フォトレジストによっては、現像しなくても楔状パターンWM(楔パターンM1〜M4)の投影像のプロファイルを得ることが可能である。例えば、色素入りレジスト等では、紫外線による楔状パターンWM(楔パターンM1〜M4)の投影像が投射されると、感光部分と未感光部分とで光学的なコントラスト差を生じ、所謂潜像として楔状パターンWM(楔パターンM1〜M4)の像プロファイルを観察(計測)することができる。   In this embodiment, by developing the exposed wafer TW, the profile of the projection image of the wedge-shaped pattern WM (wedge patterns M1 to M4) is obtained as the resist pattern WMp. However, depending on the photoresist, the image may not be developed. Also, it is possible to obtain a profile of the projection image of the wedge-shaped pattern WM (wedge patterns M1 to M4). For example, when a projection image of a wedge-shaped pattern WM (wedge patterns M1 to M4) due to ultraviolet rays is projected in a dye-containing resist or the like, an optical contrast difference is generated between a photosensitive portion and an unexposed portion, and a so-called latent image has a wedge shape The image profile of the pattern WM (wedge patterns M1 to M4) can be observed (measured).

こうしてレジストパターンWMp(以降、潜像も含むものとする)が生成されたウェハTWは、露光装置EXPに装着されているアライメント系(撮像素子付の光学顕微鏡等)の下、または独立したウェハ検査装置等に送られ、レジストパターンWMpの長さLpが露光時の複数のフォーカス位置毎に計測される。複数のフォーカス位置Zは、例えば露光装置EXPのフォーカスセンサーが基準位置(原点)としているゼロ位置に対して、正方向と負方向の各々にΔZ=0.2μmずつ変化させた位置とすることができる。フォーカス位置の変化量ΔZの値は、計測対象となる投影光学系PLの焦点深度(DOF)の範囲に応じて決めるのが良い。例えば、理論上の焦点深度の範囲内に、少なくとも3点の異なるフォーカス位置が入るような変化量ΔZに定められる。 The wafer TW on which the resist pattern WMp (hereinafter also including a latent image) has been generated in this way is under an alignment system (such as an optical microscope with an image sensor) mounted on the exposure apparatus EXP or an independent wafer inspection apparatus. The length Lp of the resist pattern WMp is measured for each of a plurality of focus positions during exposure. The plurality of focus positions Z are, for example, positions that are changed by ΔZ = 0.2 μm in each of the positive direction and the negative direction with respect to the zero position set as the reference position (origin) by the focus sensor of the exposure apparatus EXP. it can. The value of the change amount ΔZ of the focus position is preferably determined according to the focal depth (DOF) range of the projection optical system PL to be measured. For example, the change amount ΔZ is set such that at least three different focus positions fall within the theoretical depth of focus range.

ここで、図1中のグラフは、横軸を露光時のウェハTWの表面のフォーカス位置Zとし、縦軸を計測されたレジストパターンWMpの長さLpとした変化特性を表わすグラフであり、黒丸は0.2μmずつ変化するフォーカス位置Z毎に露光されたレジストパターンWMpの長さLpの実測値のプロット点である。図1中のグラフでは、実測値を求めるフォーカス位置Zを、ゼロ位置を含む9点となるように、−0.8μm〜+0.8μmの範囲で0.2μmずつ変えて、レジストパターンWMpを生成している。   Here, the graph in FIG. 1 is a graph showing change characteristics in which the horizontal axis is the focus position Z of the surface of the wafer TW during exposure and the vertical axis is the length Lp of the measured resist pattern WMp. Are plot points of measured values of the length Lp of the resist pattern WMp exposed at each focus position Z that changes by 0.2 μm. In the graph in FIG. 1, the resist pattern WMp is generated by changing the focus position Z for obtaining the actual measurement value by 0.2 μm in a range of −0.8 μm to +0.8 μm so as to be 9 points including the zero position. doing.

計測された9点のレジストパターンWMpの各長さLpの実測値は、フォーカス位置Zを変数としたモデル関数f(Z)のうち、シンク関数Sinc(Z)を使って9点の各実測値との偏差が平均的に最も少なくなるように近似(フィッティング)された変化特性のカーブを決定する。すなわち、シンク関数Sinc(Z)で近似される変化特性を算出する。モデル関数として、シンク関数Sinc(Z)を使うことの理由、従来のn次関数、例えば2次関数で近似した場合と比べてフィッティング精度が高められることについては後述する。   The actually measured values of the lengths Lp of the nine measured resist patterns WMp are the measured values of the nine points using the sink function Sinc (Z) in the model function f (Z) with the focus position Z as a variable. The curve of the change characteristic approximated (fitted) so that the deviation from the average is the smallest is determined. That is, a change characteristic approximated by the sink function Sinc (Z) is calculated. The reason why the sink function Sinc (Z) is used as the model function and the fact that the fitting accuracy is improved as compared with the case of approximation by a conventional n-order function, for example, a quadratic function will be described later.

詳細は後述するが、ここで用いるモデル関数f(Z)は、レジストパターンWMp(投影の像プロファイル)の長さLpを表すものであり、Lp=f(Z)で定義される。さらに、モデル関数f(Z)は、フォーカス位置Zを変数とする正弦関数sin(Z)をフォーカス位置Zで除したシンク関数Sinc(Z)〔=sin(Z)/Z〕である。なお本実施形態では、シンク関数Sinc(Z)のことを、正弦関数によって表わせる関数、正弦関数に基づいて定義される関数、または正弦関数を内在した関数、として扱う。   Although the details will be described later, the model function f (Z) used here represents the length Lp of the resist pattern WMp (projected image profile) and is defined by Lp = f (Z). Further, the model function f (Z) is a sink function Sinc (Z) [= sin (Z) / Z] obtained by dividing the sine function sin (Z) with the focus position Z as a variable by the focus position Z. In the present embodiment, the sink function Sinc (Z) is treated as a function that can be expressed by a sine function, a function that is defined based on the sine function, or a function that has an inherent sine function.

本実施形態のモデル関数f(Z)は、4つの未知数b、b、b、bを含んだ以下のシンク関数Sinc(Z)で定義される。
・・・(1)
実測値Lpは、異なる9点のフォーカス位置Z毎に9個得られているので、露光時の9点のフォーカス位置Z1、Z2、・・・、Z9と、各フォーカス位置Zで得られたレジストパターンWMpの実測値Lp1、Lp2、・・・、Lp9に基づいて、最小二乗近似法等を使って4つの未知数b、b、b、bを算出することができ、従って、シンク関数Sinc(Z)で近似した変化特性(カーブ)が決定できる。
The model function f (Z) of this embodiment is defined by the following sink function Sinc (Z) including four unknowns b 0 , b 1 , b 2 , and b 3 .
... (1)
Since nine actual measurement values Lp are obtained for each of nine different focus positions Z, the nine focus positions Z1, Z2,..., Z9 at the time of exposure and the resist obtained at each focus position Z are obtained. Based on the measured values Lp1, Lp2,..., Lp9 of the pattern WMp, the four unknowns b 0 , b 1 , b 2 , b 3 can be calculated using the least square approximation method or the like. A change characteristic (curve) approximated by the function Sinc (Z) can be determined.

次に、シンク関数Sinc(Z)で近似した変化特性〔式(1)〕上で、長さLpが最大値となるフォーカス位置と、露光装置EXPのフォーカスセンサーがゼロ位置としているフォーカス位置とのZ方向の偏差量、すなわち誤差ΔFeを算出する。求められた誤差ΔFeが、投影光学系PLの真の最良像面(ベストフォーカス面)とフォーカスセンサー自体が有しているZ方向の基準位置(ゼロ位置)のオフセット分である。その誤差ΔFeは、露光装置EXPのフォーカス較正時に補正値として組み込まれる。これにより、実際のデバイス用のウェハを露光する際は、フォーカスセンサーがゼロ位置として計測するウェハ表面のZ位置に対して誤差ΔFeだけシフトさせたZ位置にウェハが位置決めされる為、ウェハの表面は投影光学系PLのベストフォーカス面に正確に合わされる。なお、実際の誤差ΔFeには、フォーカスセンサー自体のオフセット分以外に、ウェハTWをZ方向に微動させるステージ機構の誤差分も含まれる。 Next, on the change characteristic [Equation (1)] approximated by the sync function Sinc (Z), the focus position at which the length Lp is the maximum value and the focus position at which the focus sensor of the exposure apparatus EXP is set to the zero position. A deviation amount in the Z direction, that is, an error ΔFe is calculated. The obtained error ΔFe is the offset between the true best image plane (best focus plane) of the projection optical system PL and the reference position (zero position) in the Z direction of the focus sensor itself. The error ΔFe is incorporated as a correction value during focus calibration of the exposure apparatus EXP. As a result, when the wafer for an actual device is exposed, the wafer is positioned at the Z position shifted by the error ΔFe with respect to the Z position of the wafer surface measured by the focus sensor as the zero position. Is precisely matched to the best focus plane of the projection optical system PL. Note that the actual error ΔFe includes not only the offset of the focus sensor itself but also the error of the stage mechanism that finely moves the wafer TW in the Z direction.

(第1の実施形態に好適な投影露光装置の構成)
図2は、第1の実施形態による計測方法を適用するのに好適な投影露光装置の構成を示す斜視図である。図2の投影露光装置EXPは、レチクルTRのパターン形成領域PA内のパターンの像を、感光基板としてのウェハTW上の複数のショット領域の各々に、ステップ&リピート方式で順次露光するステッパーである。
(Configuration of Projection Exposure Apparatus Suitable for First Embodiment)
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a projection exposure apparatus suitable for applying the measurement method according to the first embodiment. The projection exposure apparatus EXP in FIG. 2 is a stepper that sequentially exposes a pattern image in the pattern formation area PA of the reticle TR to each of a plurality of shot areas on the wafer TW as a photosensitive substrate by a step-and-repeat method. .

水銀ランプやエキシマレーザ光源からの照明ビームEBは、ミラー10で反射された後、ビーム整形光学系12、ビーム強度調整系14、インプットレンズ系16を通って、フライアイレンズ18に入射する。フライアイレンズ18は多数の微小レンズを2次元的に配列したもので、各微小レンズの射出面には照明ビームEBの点光源像が生成される。従って、フライアイレンズ18の射出側には、多数の点光源像が2次元的に密に集合した面光源が形成される。フライアイレンズ18の射出側には、照明条件を切り替える為の幾つかの光学フィルタを装着した回転ターレット20が設けられる。   The illumination beam EB from the mercury lamp or excimer laser light source is reflected by the mirror 10 and then enters the fly-eye lens 18 through the beam shaping optical system 12, the beam intensity adjustment system 14, and the input lens system 16. The fly-eye lens 18 is a two-dimensional array of a large number of microlenses, and a point light source image of the illumination beam EB is generated on the exit surface of each microlens. Accordingly, a surface light source in which a large number of point light source images are two-dimensionally gathered is formed on the exit side of the fly-eye lens 18. On the exit side of the fly-eye lens 18, a rotating turret 20 equipped with several optical filters for switching illumination conditions is provided.

回転ターレット20は、例えば図3に示すように、回転軸20Xの回りに回転可能な円盤の周方向の90度ごとに、異なる光学フィルタ20A、20B、20C、20Dが設けられている。各光学フィルタ20A〜20Dは、フライアイレンズ18の中心光軸(Z軸と平行)と直交する面内(XY面と平行)に配置され、回転軸20Xの回りの回転によって切り替えられて、フライアイレンズ18の射出側に形成される面光源を所定の形状(分布)に制限するものである。光学フィルタ20Aは、フライアイレンズ18の射出側の面光源を所定径の円形に制限するものである。光学フィルタ20Bは面光源を離間した2極に制限する為の2つの開口を有し、光学フィルタ20Cは面光源を離間した4極に制限する為の4つの開口を有し、さらに光学フィルタ20Dは面光源を輪帯状に制限する為の開口を有する。尚、光学フィルタ20Aの円形開口の径は、照明条件の1つである照明シグマ値(0<σ≦1)に応じて決められる。光学フィルタ20B、20C、20Dは、所謂、変形照明法でパターン露光を行なう際に使われる。   For example, as shown in FIG. 3, the rotating turret 20 is provided with different optical filters 20A, 20B, 20C, and 20D every 90 degrees in the circumferential direction of the disk that can rotate around the rotation axis 20X. Each of the optical filters 20A to 20D is disposed in a plane (parallel to the XY plane) orthogonal to the central optical axis (parallel to the Z axis) of the fly-eye lens 18, and is switched by rotation around the rotation axis 20X. The surface light source formed on the exit side of the eye lens 18 is limited to a predetermined shape (distribution). The optical filter 20A limits the surface light source on the emission side of the fly-eye lens 18 to a circle with a predetermined diameter. The optical filter 20B has two openings for limiting the surface light source to two spaced poles, the optical filter 20C has four openings for limiting the surface light source to four spaced poles, and the optical filter 20D. Has an opening for limiting the surface light source to an annular shape. Note that the diameter of the circular aperture of the optical filter 20A is determined according to an illumination sigma value (0 <σ ≦ 1) which is one of illumination conditions. The optical filters 20B, 20C, and 20D are used when pattern exposure is performed by a so-called modified illumination method.

光学フィルタ20A〜20Dのいずれか1つによって形状や分布が制限されたフライアイレンズ18(面光源)からの照明光は、ミラー22で反射されてレンズ系24に入射し、照明ブラインド(照明視野絞り板)26を照射する。レンズ系24は、照明ブラインド26を一様な照度分布の照明光で照射する為に、ケーラー照明法となるように配置される。すなわち、フライアイレンズ18の射出面(面光源または光学フィルタ20A〜20Dの位置)がレンズ系24の前側焦点位置となるように設定され、照明ブラインド26をテレセントリックな状態で照明する。照明ブラインド26の手前に配置された光学系(16〜24)はブラインド照明系を構成し、フライアイレンズ18の射出面(面光源又は光学フィルタ20A〜20Dの位置)は、照明ブラインド26の位置に対してフーリエ変換の関係となる瞳面に配置される。   Illumination light from the fly-eye lens 18 (surface light source) whose shape and distribution is limited by any one of the optical filters 20A to 20D is reflected by the mirror 22 and is incident on the lens system 24. A diaphragm plate 26 is irradiated. The lens system 24 is arranged so as to be a Koehler illumination method in order to irradiate the illumination blind 26 with illumination light having a uniform illuminance distribution. That is, the exit surface of the fly eye lens 18 (the surface light source or the position of the optical filters 20A to 20D) is set to be the front focal position of the lens system 24, and the illumination blind 26 is illuminated in a telecentric state. The optical systems (16 to 24) arranged in front of the illumination blind 26 constitute a blind illumination system, and the exit surface of the fly-eye lens 18 (the position of the surface light source or the optical filters 20A to 20D) is the position of the illumination blind 26. Are arranged on the pupil plane having a Fourier transform relationship.

照明ブラインド26には、ここではレチクルTRのパターン形成領域PA(図1参照)に合わせて矩形の開口26Aが形成されており、この開口26Aを通った照明光は、レンズ系28、ミラー30、及びコンデンサーレンズ32を介してレチクルTRに照射される。レンズ系28、ミラー30、及びコンデンサーレンズ32は、照明ブラインド26の開口26AをレチクルTR上に結像するブラインド結像系を構成し、開口26Aと相似形の照明領域IAがレチクルTR上に形成される。照明領域IAは、レチクルTRのパターン形成領域PAをカバーする大きさに設定される。照明領域IAは、照明ブラインド26の開口26Aと光学的に共役なので、照明領域IA内の照度分布も一様(均一)になっている。   In the illumination blind 26, a rectangular opening 26A is formed in accordance with the pattern formation area PA (see FIG. 1) of the reticle TR, and the illumination light passing through the opening 26A is transmitted through the lens system 28, the mirror 30, The reticle TR is irradiated through the condenser lens 32. The lens system 28, the mirror 30, and the condenser lens 32 constitute a blind imaging system that images the aperture 26A of the illumination blind 26 on the reticle TR, and an illumination area IA similar to the aperture 26A is formed on the reticle TR. Is done. The illumination area IA is set to a size that covers the pattern formation area PA of the reticle TR. Since the illumination area IA is optically conjugate with the opening 26A of the illumination blind 26, the illuminance distribution in the illumination area IA is also uniform (uniform).

レチクルTR上の照明領域IAによって、レチクルTRのパターン形成領域PA(図1参照)が照射されると、パターン形成領域PA中のパターンから発生する結像光束が、両側テレセントリックな投影光学系PLに入射する。この結像光束は、投影光学系PLの瞳面epに配置された開口絞りApを通ってウェハTW上のショット領域SAに達する。その結果、ショット領域SA内には、投影光学系PLの投影倍率、例えば1/4倍で縮小されたパターン形成領域PAと相似形の投影領域が設定され、その投影領域内にパターンの投影像が生成される。   When the pattern formation area PA (see FIG. 1) of the reticle TR is irradiated by the illumination area IA on the reticle TR, the imaging light beam generated from the pattern in the pattern formation area PA is applied to the bilateral telecentric projection optical system PL. Incident. The imaging light beam reaches the shot area SA on the wafer TW through the aperture stop Ap disposed on the pupil plane ep of the projection optical system PL. As a result, a projection area similar to the pattern formation area PA reduced by a projection magnification of the projection optical system PL, for example, 1/4, is set in the shot area SA, and a projection image of the pattern is set in the projection area. Is generated.

レチクルTRは、不図示のレチクルステージによって、投影光学系PLの物面側に支持され、ウェハTWは、2次元移動可能なXYステージ上のZステージ34によって、投影光学系PLの像面側に支持される。ウェハTWのショット領域SAのフォーカス位置(Z方向の位置)は、感光層を感光させない計測光をウェハTWの表面に斜め方向から投射する投光部38Aと、計測光のウェハTWの表面での反射光を受光する受光部38Bとを有する斜入射光式AFセンサーで逐次計測される。 The reticle TR is supported on the object plane side of the projection optical system PL by a reticle stage (not shown), and the wafer TW is moved to the image plane side of the projection optical system PL by a Z stage 34 on an XY stage capable of two-dimensional movement. Supported. The focus position (Z-direction position) of the shot area SA of the wafer TW is such that the measurement light that does not expose the photosensitive layer is projected from the oblique direction onto the surface of the wafer TW, and the measurement light on the surface of the wafer TW. Sequential measurement is performed by an oblique-incidence AF sensor having a light receiving unit 38B that receives reflected light.

受光部38Bは、それ自体が持っているZ方向の基準位置(ゼロ位置)とウェハTWの表面(感光層の上面)とのZ方向の偏差を逐次計測し、Zステージは、その偏差が所定値(ゼロ又は指定された一定値)となるようにサーボ制御される。これによって、ウェハTWの表面(投影領域の部分)は、投影光学系PLからの投影像に対してピントを合わせた状態(フォーカス調整された状態)で露光される。なお、図2のように、投影光学系PLが屈折素子(レンズ)のみで構成される全屈折タイプの場合、投影像のベストフォーカス面は光軸AX(Z軸と平行)と垂直な面(XY面と平行)になるので、フォーカス(ピント)調整は、ベストフォーカス面と感光基板(ウェハTW)の光軸AX方向への相対位置調整、と言える。   The light receiving unit 38B sequentially measures the deviation in the Z direction between the reference position (zero position) in the Z direction itself and the surface of the wafer TW (the upper surface of the photosensitive layer), and the Z stage has a predetermined deviation. Servo-controlled so as to be a value (zero or a specified constant value). Thus, the surface of the wafer TW (projection area portion) is exposed in a state in which the projection image from the projection optical system PL is in focus (a state in which focus adjustment is performed). As shown in FIG. 2, when the projection optical system PL is an all-refractive type composed only of refractive elements (lenses), the best focus plane of the projected image is a plane perpendicular to the optical axis AX (parallel to the Z axis) ( Therefore, the focus (focus) adjustment can be said to be a relative position adjustment in the direction of the optical axis AX between the best focus surface and the photosensitive substrate (wafer TW).

一方、複数の屈折素子と反射ミラーとで構成される反射屈折タイプ、或いは反射ミラーのみで構成される全反射タイプの投影光学系では、光軸AXが投影像のベストフォーカス面と垂直にならない場合もある。その場合、像側でテレセントリックな投影光学系であれば、投影像を生成する結像光束の主光線はベストフォーカス面と垂直になっている。従ってこの場合、フォーカス(ピント)調整は、ベストフォーカス面と感光基板の主光線方向への相対位置調整、と言える。さらに、投影光学系の像側にはベストフォーカス面を挟んで所定幅の焦点深度(DOF)が存在する。焦点深度(DOF)の方向は、投影光学系の光軸方向、或いは結像光束の主光線の方向に規定されるから、フォーカス(ピント)調整は、ベストフォーカス面と感光基板の焦点深度方向への相対位置調整、とも言える。   On the other hand, in a catadioptric projection optical system composed of a plurality of refractive elements and reflective mirrors, or a total reflection type projection optical system composed of only reflective mirrors, the optical axis AX is not perpendicular to the best focus plane of the projected image There is also. In that case, in the case of a telecentric projection optical system on the image side, the principal ray of the imaging light beam for generating the projection image is perpendicular to the best focus plane. Therefore, in this case, the focus (focus) adjustment can be said to be a relative position adjustment in the principal ray direction between the best focus surface and the photosensitive substrate. Further, a depth of focus (DOF) of a predetermined width exists on the image side of the projection optical system with the best focus surface interposed therebetween. Since the direction of the depth of focus (DOF) is defined by the optical axis direction of the projection optical system or the principal ray direction of the imaging light beam, the focus (focus) adjustment is performed in the direction of the focal depth of the best focus surface and the photosensitive substrate. It can also be said that the relative position is adjusted.

以上、図2の投影露光装置EXPでは、投影光学系PLの瞳面epが、ブラインド照明系を構成するフライアイレンズ18の射出側に形成される面光源、又は光学フィルタ20A〜20Dの開口部と光学的に共役になっている。従って、投影光学系PLの瞳面epには、光学フィルタ20A〜20Dのいずれか1つによって制限された形状で面光源の像(0次光)が分布する。さらに結像光束には、レチクルTRのパターンで生じる回折光(1次光、2次光、3次光等)が含まれる為、投影光学系PLの瞳面epには、それら1次光、2次光、3次光等の回折光が、面光源の像(0次光)の分布形状とレチクルTRのパターン形状とに応じて分布する。   As described above, in the projection exposure apparatus EXP of FIG. 2, the pupil plane ep of the projection optical system PL is a surface light source formed on the exit side of the fly-eye lens 18 constituting the blind illumination system, or the openings of the optical filters 20A to 20D. And optically conjugate. Accordingly, the image of the surface light source (0th-order light) is distributed on the pupil plane ep of the projection optical system PL in a shape limited by any one of the optical filters 20A to 20D. Furthermore, since the imaging light beam includes diffracted light (primary light, secondary light, tertiary light, etc.) generated in the pattern of the reticle TR, the primary light, on the pupil plane ep of the projection optical system PL, Diffracted light such as secondary light and tertiary light is distributed according to the distribution shape of the image of the surface light source (0th-order light) and the pattern shape of the reticle TR.

また、図2では省略して示したが、投影光学系PLの近くには、ウェハTW上に形成されたアライメントマークを撮像素子によって観察する画像検出方式のアライメント系ALGが設けられる。このアライメント系ALGには、撮像したアライメントマークの画像波形を解析して、撮像視野内でのアライメントマークのエッジ位置、マーク幅(寸法)や間隔等を求める画像処理機能(波形解析ソフト)が設けられている。そのため、楔状パターンWMに対応したレジストパターンWMpが生成されたウェハTWをZステージ34に載置すれば、レジストパターンWMpをアライメント系ALGの撮像視野内で捕捉して、波形解析ソフトによってレジストパターンWMpの長さLpを実測することができる。   Although omitted in FIG. 2, an image detection type alignment system ALG for observing an alignment mark formed on the wafer TW with an image sensor is provided near the projection optical system PL. This alignment system ALG has an image processing function (waveform analysis software) that analyzes the image waveform of the captured alignment mark and obtains the edge position, mark width (dimension), interval, etc. of the alignment mark within the imaging field of view. It has been. Therefore, if the wafer TW on which the resist pattern WMp corresponding to the wedge-shaped pattern WM is generated is placed on the Z stage 34, the resist pattern WMp is captured within the imaging field of the alignment system ALG, and the resist pattern WMp is captured by the waveform analysis software. Can be actually measured.

(1.楔状パターン長のデフォーカス依存性の解析)
従来の特許文献1、2等では、フォーカス変化と楔状パターンの投影像(レジスト像)の長さ変化(以下、楔パターン像の長さ変化とも呼ぶ)の関係についての物理的な解明が不十分であった。そのため、特許文献2のように、n次の累乗関数で作られたモデル関数で楔長の変化特性を近似して最適焦点位置(ベストフォーカス位置)を求めることが、果たして物理的に有意義であるのか、疑問であった。そこで、以下では、フォーカス位置Zの変化による楔パターン像の長さ変化の特性(デフォーカス依存性)について、光学的な理論を踏まえて解析を行なう。なお、以下の説明では、楔状パターンのことを、フォーカス・ウェッジ・マーク(Focus Wedge Mark)とも呼び、略してFWMと記すこともある。さらに、楔状パターンの投影像(レジスト像WMp)の長さ変化(楔パターン像の長さ変化)のことを、FWM像の長さ変化と呼ぶこともある。
(1. Analysis of defocus dependence of wedge pattern length)
In the conventional patent documents 1 and 2, etc., physical clarification about the relationship between the focus change and the length change of the projection image (resist image) of the wedge-shaped pattern (hereinafter also referred to as the wedge pattern image length change) is insufficient. Met. Therefore, as in Patent Document 2, it is physically significant to obtain the optimum focus position (best focus position) by approximating the change characteristic of the wedge length with a model function created by an nth power function. I was wondering. Therefore, in the following, the characteristics (defocus dependence) of the change in the length of the wedge pattern image due to the change in the focus position Z are analyzed based on the optical theory. In the following description, the wedge-shaped pattern is also called a focus wedge mark (Focus Wedge Mark), and may be abbreviated as FWM. Further, the change in the length of the projection image (resist image WMp) of the wedge pattern (the change in the length of the wedge pattern image) may be referred to as the change in the length of the FWM image.

解析に当たって、図2に示した投影露光装置EXPの照明光学系(ブラインド結像系を含む)と投影光学系PLの幾何光学上の配置を、模式的に図4に示すように定める。照明ブラインド26とレチクルTRとは、ブラインド結像系によって互いに共役な関係になっていることから、ブラインド結像系の内部には照明瞳ipが存在する。この照明瞳ipは、フライアイレンズ18の射出側に生成される光源面、又は光学フィルタ20A(或いは20B、20C、20D)の開口部の面と共役になっている。さらに照明瞳ipは、投影光学系PLの瞳epとも共役であり、照明瞳ipには光学フィルタ20A〜20Dの開口部で制限された形状で光源像が分布する。その照明瞳ipに生成される光源像の振幅強度は、S(ξ)とする。 In the analysis, the geometric optical arrangement of the illumination optical system (including the blind imaging system) and the projection optical system PL of the projection exposure apparatus EXP shown in FIG. 2 is determined as schematically shown in FIG. Since the illumination blind 26 and the reticle TR are in a conjugate relationship with each other by the blind imaging system, an illumination pupil ip exists inside the blind imaging system. The illumination pupil ip is conjugate with the light source surface generated on the exit side of the fly-eye lens 18 or the surface of the opening of the optical filter 20A (or 20B, 20C, 20D). Further, the illumination pupil ip is also conjugate with the pupil ep of the projection optical system PL, and a light source image is distributed on the illumination pupil ip in a shape limited by the openings of the optical filters 20A to 20D. The amplitude intensity of the light source image generated at the illumination pupil ip is S (ξ s , η s ).

物面に配置されるレチクルTRは、透明な石英基板の表面にクロム等の遮光層によってパターンを形成した透過型マスクであり、その透過/遮光に応じたパターンの振幅強度をT(x,y)とする。ウェハTWが配置される投影光学系PLの像面における投影像の振幅強度U(x,y)は、レチクルTRのパターンの振幅強度T(x,y)、照明瞳ipでの光源像の振幅強度S(ξ)、投影光学系PLの各種収差等によって定義される。 The reticle TR arranged on the object surface is a transmission type mask in which a pattern is formed by a light shielding layer such as chromium on the surface of a transparent quartz substrate, and the amplitude intensity of the pattern corresponding to the transmission / light shielding is expressed as T (x, y ). The amplitude intensity U (x, y) of the projection image on the image plane of the projection optical system PL on which the wafer TW is arranged is the amplitude intensity T (x, y) of the pattern of the reticle TR, and the amplitude of the light source image at the illumination pupil ip. It is defined by the intensity S (ξ s , η s ) and various aberrations of the projection optical system PL.

ここで、レチクルTRに形成される楔状パターンWMは、先の図1と同様に、石英のレチクルTR上にクロムの遮光層を蒸着した複数の楔パターン(菱形)M1、M2、・・・によって構成される。理論的な取り扱いを簡略化するために、複数の楔パターン(菱形)M1、M2、・・・(FWM)は、図5のようにレチクルTR上のX方向に沿って、ピッチPで無数に配置されるものとする。図5において、直交座標のX軸方向を楔パターンM1、M2、・・・(FWM)の繰り返し方向(ピッチ方向)とし、Y軸方向を楔パターンM1、M2、・・・(FWM)の頂角が延びる方向とする。各楔パターンM1、M2・・・は、Y方向を長軸とし、X方向を短軸とする菱形であり、短軸方向の最大幅をW、長軸方向の長さをLとする。なお、図5において、説明上、1つの楔パターンM3(遮光層)の中心点をXY座標の原点とする。   Here, the wedge-shaped pattern WM formed on the reticle TR is a plurality of wedge patterns (diamonds) M1, M2,... Formed by depositing a chromium light-shielding layer on the quartz reticle TR, as in FIG. Composed. In order to simplify the theoretical handling, a plurality of wedge patterns (diamonds) M1, M2,... (FWM) are innumerable at a pitch P along the X direction on the reticle TR as shown in FIG. Shall be placed. In FIG. 5, the X-axis direction of the orthogonal coordinates is the wedge pattern M1, M2,... (FWM) repetition direction (pitch direction), and the Y-axis direction is the top of the wedge patterns M1, M2,. The direction in which the corner extends. Each wedge pattern M1, M2,... Is a rhombus having the major axis in the Y direction and the minor axis in the X direction, the maximum width in the minor axis direction is W, and the length in the major axis direction is L. In FIG. 5, for the sake of explanation, the center point of one wedge pattern M3 (light shielding layer) is the origin of the XY coordinates.

楔パターンM1、M2・・・の短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの幾何学的倍率が十分大きい場合、図5中のY軸上(X=0)に関する光強度は、長軸方向での回折効果の影響を無視することができる。このことは、後述の解析計算と数値シミュレーションとの高精度な一致により裏付けられる。従って、図5のY>0(又はY<0)の領域における楔パターンM1、M2・・・(FWM)の光強度は、ピッチ方向(X軸方向)の回折効果により決定される。楔パターンM1、M2・・・(FWM)上で、Y座標が異なりX軸と平行な様々な線を想定すると、楔パターンM1、M2・・・(FWM)は、それらの線のY座標の位置ごとに、異なるピッチ線幅比率(Duty Ratio)を有するライン&スペース(L&S)パターンと捉えることができる。   When the geometric magnification of the length in the major axis direction with respect to the length in the minor axis direction of the wedge patterns M1, M2,... Is sufficiently large, the light intensity on the Y axis (X = 0) in FIG. The influence of the diffraction effect in the axial direction can be ignored. This is supported by a high-precision agreement between an analysis calculation described later and a numerical simulation. Therefore, the light intensity of the wedge patterns M1, M2,... (FWM) in the region of Y> 0 (or Y <0) in FIG. 5 is determined by the diffraction effect in the pitch direction (X-axis direction). Assuming various lines parallel to the X axis on the wedge patterns M1, M2... (FWM), the wedge patterns M1, M2. It can be regarded as a line & space (L & S) pattern having a different pitch line width ratio (Duty Ratio) for each position.

例えば、図5において、各楔パターンM1、M2・・・の幅WとピッチPを、2W=Pの関係にし、楔パターンM1、M2、・・・(遮光層)の間の光透過部(明線)のX方向の間隔をDとすると、Y座標がY=+L/4のX軸と平行な線上でのピッチ線幅比率D/P(デューティ比D/P)は、図6(a)に示すように0.75となる。また、Y座標がY=0のX軸上でのデューティ比D/Pは、図6(b)に示すように0.5となる。なお、図6(a)、(b)の縦軸は、1.0で規格化した振幅強度Tを表わす。   For example, in FIG. 5, the width W and the pitch P of each wedge pattern M1, M2,... Are in a relationship of 2W = P, and the light transmission portion between the wedge patterns M1, M2,. When the interval in the X direction of the bright line) is D, the pitch line width ratio D / P (duty ratio D / P) on the line parallel to the X axis with the Y coordinate Y = + L / 4 is shown in FIG. ) As shown in FIG. Further, the duty ratio D / P on the X axis where the Y coordinate is Y = 0 is 0.5 as shown in FIG. In addition, the vertical axis | shaft of Fig.6 (a), (b) represents the amplitude intensity | strength T normalized by 1.0.

そこで、楔パターンM1、M2・・・(FWM)を、幅Dの明線をピッチPで無限に配列した1次元L&Sパターンとして捉えると、このL&Sパターンの振幅強度Tは、式(2)のように表わされる。
・・・(2)
この式(2)において、mは1以上の回折次数(1、2、・・・)を表わし、λは照明光の波長を表わす。
Therefore, if the wedge patterns M1, M2,... (FWM) are regarded as a one-dimensional L & S pattern in which bright lines of width D are infinitely arranged at a pitch P, the amplitude intensity T of the L & S pattern is expressed by the following equation (2). It is expressed as follows.
... (2)
In the formula (2), m represents a diffraction order (1, 2,...) Of 1 or more, and λ represents the wavelength of illumination light.

(A.コヒーレント照明による結像の場合)
解析のため、投影光学系PLによる楔パターンM1、M2・・・(L&Sパターン)の結像をコヒーレント照明の下で行なう場合、すなわち、ケーラー照明法における光源を面ではなく点とし、レチクルTRへの照明光が開口数を持たない平行光束とした場合を想定する。この場合、投影光学系PLの像面側に投影される楔パターンM1、M2・・・(L&Sパターン)の投影像の振幅強度U(x,y)は、以下の式(3)で表わされる。
・・・(3)
この式(3)において、kは2π/λで定義される波数、φはデフォーカスに伴う波面収差とする。また、式(3)中のNAは、図2に示した投影光学系PLの像側の開口数であり、それは、瞳epに配置された円形の開口絞りApを通過可能な結像光束(0次光と1次以上の回折光を含む)の最大径に対応している。
(A. In the case of imaging with coherent illumination)
For the analysis, when the wedge pattern M1, M2,... (L & S pattern) is imaged under the coherent illumination by the projection optical system PL, that is, the light source in the Koehler illumination method is not a plane but a point, and the reticle TR. Assume that the illumination light is a parallel light beam having no numerical aperture. In this case, the amplitude intensity U (x, y) of the projected image of the wedge patterns M1, M2,... (L & S pattern) projected on the image plane side of the projection optical system PL is expressed by the following equation (3). .
... (3)
In Equation (3), k is a wave number defined by 2π / λ, and φ is a wavefront aberration accompanying defocus. Further, NA in Expression (3) is the numerical aperture on the image side of the projection optical system PL shown in FIG. 2, which is an imaging light beam that can pass through a circular aperture stop Ap arranged in the pupil ep ( Corresponds to the maximum diameter (including zero-order light and first-order or higher-order diffracted light).

ここで、楔パターンM1、M2・・・(L&Sパターン)から生じる0次光の振幅強度をa0とし、1次以上のm次回折光の振幅強度をaとすると、以下の式(4)、(5)のように表わされる。
・・・(4)
・・・(5)
楔パターンM1、M2・・・(L&Sパターン)から生じるm次回折光のうち、±1次回折光までが、投影光学系PLの開口数NA内を通るとすると、式(3)中の積分範囲を定めている開口数NAは、以下の式(6)のように規定される。
・・・(6)
楔パターンM1、M2・・・(L&Sパターン)の結像は、ここでは式(6)の範囲の±1次までの回折光で行われるとしたが、2次以上の高次回折光が入射する場合でも、式(5)等に基づいて同様に解析することができる。
Here, the amplitude intensity of 0-order light generated from the wedge pattern M1, M2 ··· (L & S pattern) and a 0, when the amplitude intensity of the primary or more m-order diffracted light and a m, the following formula (4) (5).
... (4)
... (5)
If m order diffracted light generated from the wedge patterns M1, M2,... (L & S pattern) passes up to ± 1st order diffracted light through the numerical aperture NA of the projection optical system PL, the integration range in Expression (3) is The determined numerical aperture NA is defined as the following equation (6).
... (6)
The wedge patterns M1, M2,... (L & S pattern) are imaged with diffracted light up to ± 1st order in the range of equation (6), but second-order or higher-order diffracted light is incident. Even in the case, it can be similarly analyzed based on the equation (5) or the like.

さて、平行光束をレチクルTRに垂直入射するコヒーレント照明の場合、0次光と±1次光との位相差は、像面でのデフォーカス量Zを用いて、式(7)で表わされる。
・・・(7)
但し、Cは定数、θは以下の式(8)で定義される1次回折光の像面への入射角である。
・・・(8)
Now, in the case of coherent illumination in which a parallel light beam is perpendicularly incident on the reticle TR, the phase difference between the 0th order light and the ± 1st order light is expressed by Expression (7) using the defocus amount Z on the image plane.
... (7)
However, C is a constant, and θ is the incident angle of the first-order diffracted light on the image plane defined by the following formula (8).
... (8)

コヒーレント結像と仮定して定義した先の結像の式(3)に、式(2)、(4)、(5)、(7)、(8)を代入して、その絶対値を以下の式(9)のようにして求めると、デフォーカス収差を考慮した投影像の強度分布(像プロファイル)が求まる。
・・・(9)
レジスト層に転写されたY軸に沿うFWM像の長さLpは、レジスト固有の露光閾値(threshold)と露光量の関係で決定される。例えば、図5に示した楔パターンM3のX軸(短軸)方向の中心における長軸(Y軸)方向の光強度分布I(y)は、式(9)中のxに0を代入することにより、以下の式(10)のように得られる。
・・・(10)
Substituting Equations (2), (4), (5), (7), and (8) into Equation (3) for the previous imaging defined assuming coherent imaging, the absolute value is (9), the intensity distribution (image profile) of the projected image in consideration of the defocus aberration can be obtained.
... (9)
The length Lp of the FWM image along the Y axis transferred to the resist layer is determined by the relationship between the exposure threshold (threshold) inherent to the resist and the exposure amount. For example, the light intensity distribution I (y) in the long axis (Y axis) direction at the center in the X axis (short axis) direction of the wedge pattern M3 shown in FIG. 5 is substituted with 0 in x in the equation (9). Thus, the following equation (10) is obtained.
(10)

さらに、式(10)に式(4)、(5)を代入すると、以下の式(11)のように、Y軸上での光強度分布の変化をFWMの明線の幅DとピッチPで表わす式が得られる。
・・・(11)
但し、kは2π/λで定義される波数であり、y座標はデューティ比D/Pが存在する範囲で有効なので、0≦y<L/2を定義域とする。以上より、楔パターン(FWM)の投影像の長軸方向の長さLpのデフォーカス依存性は、式(11)をデューティ比D/P(y位置に応じて変化)に関する非線型方程式として計算することで求められる。この式(11)は、フォーカス位置Zを変数とするcos関数を含むので、余弦関数で表されるモデル解析式と呼ぶ。なお、デューティ比D/Pは、像側におけるFWMの設計上の長軸方向長さL、1つの楔パターン(遮光)の設計上の幅W、FWMの設計上のピッチPに基づいて、y方向の定義域内では、D/P=(1−W/P)+(2W/L・P)yによって表わされ、さらに、ピッチPと幅WがP=2Wである場合は、D/P=1/2+(1/L)yで表わされる。
Further, when the equations (4) and (5) are substituted into the equation (10), the change in the light intensity distribution on the Y-axis is represented by the width D and the pitch P of the FWM bright line as in the following equation (11). Is obtained.
(11)
However, k is a wave number defined by 2π / λ, and the y coordinate is valid in the range where the duty ratio D / P exists, and therefore 0 ≦ y <L / 2 is defined as the domain. From the above, the defocus dependence of the length Lp in the long axis direction of the projection image of the wedge pattern (FWM) is calculated as a nonlinear equation related to the duty ratio D / P (changes according to the y position). Is required. Since this equation (11) includes a cos function with the focus position Z as a variable, it is called a model analysis equation represented by a cosine function. Note that the duty ratio D / P is determined based on the design length L of the FWM on the image side, the design width W of one wedge pattern (light shielding), and the design pitch P of the FWM. Within the domain of direction, D / P = (1−W / P) + (2W / L · P) y, and when the pitch P and width W are P = 2W, D / P = 1/2 + (1 / L) y.

図7は、図5のようなFWMとして、投影像側でピッチP=1μm、設計上の長さL=10μm、幅W=0.5μmとなる楔状パターンを仮定し、式(11)の余弦関数で表されるモデル解析式を用いたFWM像の長軸方向の長さLpの変化特性(デフォーカス依存性)を、異なる露光量(Dose量)毎に表したグラフである。図7の横軸は、0をベストフォーカス位置としたデフォーカス量Z(μm)表し、縦軸はFWMの投影像の長軸方向の長さLp(μm)を表す。また、◆、■、▲、●で示すプロット点は、ドイツのフランフォーファ研究所より提供されている結像計算ソフト「Dr.Litho」を使って、デフォーカス量を0.1μmずつ変えて数値シミュレーションした結果を表す。   7 assumes a wedge-shaped pattern having a pitch P = 1 μm, a design length L = 10 μm, and a width W = 0.5 μm on the projection image side as an FWM as shown in FIG. It is the graph which represented the change characteristic (defocus dependence) of the length Lp of the major axis direction of the FWM image using the model analysis formula represented by a function for every different exposure amount (Dose amount). The horizontal axis in FIG. 7 represents the defocus amount Z (μm) with 0 as the best focus position, and the vertical axis represents the length Lp (μm) in the major axis direction of the FWM projection image. The plot points indicated by ◆, ■, ▲, and ● are changed by 0.1 μm by using the imaging calculation software “Dr. Litho” provided by the Francofafa Institute in Germany. Represents the result of numerical simulation.

また、図7で前提とする露光条件は、露光波長λが365nmのi線、投影光学系の像側の開口数NAが0.5、照明シグマ値σ=0(コヒーレント照明)とした。なお、式(11)の定義域を0≦y<L/2としたので、図7中の長さLpの変化特性は、式(11)の余弦関数で表されるモデル解析式に基づいて求まるFWM像の長軸方向の長さを2倍にしたものである。この図7のように、式(11)の余弦関数で表されるモデル解析式(近似式)に基づくFWM像の長さLpの変化特性は、結像計算ソフト「Dr.Litho」を使ったシミュレーション結果と良く対応していることが判る。   Further, the exposure conditions premised on FIG. 7 were i-line with an exposure wavelength λ of 365 nm, a numerical aperture NA on the image side of the projection optical system of 0.5, and an illumination sigma value σ = 0 (coherent illumination). Since the domain of the expression (11) is 0 ≦ y <L / 2, the change characteristic of the length Lp in FIG. 7 is based on the model analysis expression represented by the cosine function of the expression (11). The length of the FWM image to be obtained is doubled. As shown in FIG. 7, the imaging calculation software “Dr. Litho” was used as the change characteristic of the length Lp of the FWM image based on the model analysis expression (approximate expression) represented by the cosine function of Expression (11). It turns out that it corresponds well with the simulation result.

以上のことから、FWM像の長軸方向の長さ(Lp)は、式(11)のモデル解析式中のフォーカス位置Zを変数とするcos関数中の定数成分であるデューティ比D/P(y位置に依存)に依存して変わることが判る。すなわち、FWM像の長軸方向の長さ変化特性は、FWMの短軸方向の1次元構造によって決定される。   From the above, the length (Lp) in the major axis direction of the FWM image is the duty ratio D / P (which is a constant component in the cosine function with the focus position Z in the model analysis expression of Expression (11) as a variable. It depends on the y position). That is, the length change characteristic in the major axis direction of the FWM image is determined by the one-dimensional structure in the minor axis direction of the FWM.

(B.傾斜照明による結像の場合)
次に、上述のコヒーレント照明に於ける3光束干渉(0次光と±1次回折光の干渉)による結像状態の解析に基づいて、傾斜照明法(変形照明法)に於ける2光束干渉(典型例では±1次回折光の一方と0次光との干渉)による結像状態の解析を説明する。ここでは、0次光と1次回折光の投影光学系PLの瞳面ep内での位置関係を、以下の式(12)の
範囲とする。
・・・(12)
また、照明コヒーレンスの結像への影響を評価する最も簡単なモデルとして、図8に示すように、照明系の瞳ipにおいて、瞳中心(光軸AXが通る点)に関して点対称な2つの点光源A(ξ)と点光源B(−ξ,−η)ら成る照明条件を想定する。図8において、瞳ipの中心を原点とする直交座標系ξηは、物面や像面のXY座標系と1対1の関係ではないが、座標軸の方向は揃っているので、便宜上、縦軸ηはY方向、横軸ξはX方向とする。
(B. In the case of imaging with tilted illumination)
Next, based on the analysis of the imaging state by the three-beam interference in the above-mentioned coherent illumination (interference between the 0th-order light and the ± 1st-order diffracted light), the two-beam interference in the tilt illumination method (modified illumination method) ( In a typical example, analysis of an imaging state by interference between one of ± first-order diffracted light and zero-order light will be described. Here, the positional relationship of the 0th-order light and the 1st-order diffracted light within the pupil plane ep of the projection optical system PL is set as the range of the following formula (12).
(12)
Further, as the simplest model for evaluating the influence of illumination coherence on image formation, as shown in FIG. 8, in the pupil ip of the illumination system, two points that are point-symmetric with respect to the pupil center (the point through which the optical axis AX passes) Assume an illumination condition consisting of a light source A (ξ s , η s ) and a point light source B (−ξ s , −η s ). In FIG. 8, the orthogonal coordinate system ξ s η s whose origin is the center of the pupil ip is not in a one-to-one relationship with the XY coordinate system of the object plane or the image plane, but the directions of the coordinate axes are aligned, so that it is convenient. The vertical axis η s is the Y direction, and the horizontal axis ξ s is the X direction.

点光源Aからの照明光ILaは、光軸AXに関して傾いた平行光束となってレチクルTRを照射し、点光源Bからの照明光ILbは、光軸AXに関して照明光ILaと対称的な方向に傾いた平行光束となってレチクルTRを照射する。照明光ILaによって投影光学系PLを介して像面に投影される像の振幅強度U(x,y)と、照明光ILbによって投影光学系PLを介して像面に投影される像の振幅強度U(x,y)は、それぞれ以下の式(13)、(14)で表わされる。
・・・(13)
・・・(14)
但し、φ−1、φ、φは、デフォーカスによる波面収差を意味し、デフォーカス量Zを用いると、以下の式(15)、(16)のように表わされる。
・・・(15)
・・・(16)
The illumination light ILa from the point light source A becomes a parallel light beam inclined with respect to the optical axis AX and irradiates the reticle TR, and the illumination light ILb from the point light source B is in a direction symmetrical to the illumination light ILa with respect to the optical axis AX. The reticle TR is irradiated with an inclined parallel light beam. The amplitude intensity U A (x, y) of the image projected onto the image plane via the projection optical system PL by the illumination light ILa and the amplitude of the image projected onto the image plane via the projection optical system PL by the illumination light ILb The intensity U B (x, y) is expressed by the following equations (13) and (14), respectively.
... (13)
(14)
However, φ −1 , φ 0 , and φ 1 mean wavefront aberration due to defocusing, and are expressed as the following equations (15) and (16) when the defocus amount Z is used.
... (15)
... (16)

さらに、式(15)、(16)中の位相成分θ、θは、図8に示した照明瞳ip内での点光源A、Bの位置に対応し、以下の式(17)、(18)のように表わされる。
・・・(17)
・・・(18)
Furthermore, the phase components θ 0 and θ 1 in the equations (15) and (16) correspond to the positions of the point light sources A and B in the illumination pupil ip shown in FIG. 8, and the following equations (17), It is expressed as (18).
... (17)
... (18)

これにより、点光源Aからの照明光によって像面に形成される投影像の光強度分布I(x,y)と、点光源Bからの照明光によって像面に形成される投影像の光強度分布I(x,y)は、以下の式(19)、(20)によって定義される。
・・・(19)
・・・(20)
さらに、点光源Aからの照明光と点光源Bからの照明光とが、空間的及び時間的に互いに干渉性の無い(或いは極めて低い)インコヒーレントな状態であるとすると、点光源A、Bの双方によって像面に生成される投影像の光強度分布I(x,y)は、式(19)、(20)の光強度分布を単純に加算した以下の式(21)で定義される。
・・・(21)
Thereby, the light intensity distribution I A (x, y) of the projection image formed on the image plane by the illumination light from the point light source A and the light of the projection image formed on the image plane by the illumination light from the point light source B The intensity distribution I B (x, y) is defined by the following equations (19) and (20).
... (19)
... (20)
Furthermore, assuming that the illumination light from the point light source A and the illumination light from the point light source B are incoherent in a spatially and temporally incoherent state (or extremely low), the point light sources A and B The light intensity distribution I (x, y) of the projected image generated on the image plane by both of these is defined by the following expression (21) obtained by simply adding the light intensity distributions of expressions (19) and (20). .
(21)

この式(21)のx座標値を0とすると、先の式(10)と同様に、FWM像のY軸(長軸)に沿った光強度分布I(y)が式(22)のように得られる。
・・・(22)
この式(22)は、3光束干渉による結像にて導出した式(11)と係数の違いを除いて物理的に同じ表現である。この式(22)より、図8に示した照明瞳ipの面内のη軸(X軸)方向において、位置ξがξ=λ/2Pの関係にある場合は、式(15)、(16)中の位相成分θ、θがθ=θとなる。それゆえ、式(22)中のフォーカス位置Zを変数とするcos関数はデフォーカス量(Z位置の変化量)に依存しなくなる。従って、光強度分布I(y)はZ方向のある範囲内でほぼ一定となり、大きな焦点深度(DOF)が得られることになる。このことは、純粋な2光束干渉による結像を意味する。
When the x-coordinate value of this equation (21) is 0, the light intensity distribution I (y) along the Y axis (long axis) of the FWM image is represented by equation (22) as in the previous equation (10). Is obtained.
(22)
This expression (22) is physically the same expression except for the difference in coefficient from the expression (11) derived in the image formation by the three-beam interference. From this equation (22), when the position ξ s has a relationship of ξ s = λ / 2P in the η s axis (X axis) direction within the plane of the illumination pupil ip shown in FIG. , (16), the phase components θ 0 and θ 1 become θ 1 = θ 0 . Therefore, the cos function with the focus position Z as a variable in the equation (22) does not depend on the defocus amount (Z position change amount). Therefore, the light intensity distribution I (y) is substantially constant within a certain range in the Z direction, and a large depth of focus (DOF) is obtained. This means imaging by pure two-beam interference.

(C.パーシャル・コヒーレント照明による結像の場合)
しかしながら、実際の投影露光装置では、図8のような点光源A(またはB)からの照明光のみでレチクルTRが照射されることはなく、多数の点光源がある形状で集まった面光源からの照明光によって照射される。そのような照明形態は、パーシャル・コヒーレント照明と呼ばれる。上記の式(22)から、ξ=λ/2P(即ちθ=θ)の関係を満たさない点光源からの照明光によって像面に生成されるFWM像のY軸方向の光強度分布I(y)は、ベストフォーカス位置(Z=0)を中心とするcos関数に則ったデフォーカス特性(FWM像の長軸方向の長さ変化特性)を呈することが判る。
(C. Imaging with partial coherent illumination)
However, in the actual projection exposure apparatus, the reticle TR is not irradiated only with illumination light from the point light source A (or B) as shown in FIG. It is irradiated with illumination light. Such an illumination form is called partial coherent illumination. From the above equation (22), the light intensity distribution in the Y-axis direction of the FWM image generated on the image plane by the illumination light from the point light source that does not satisfy the relationship of ξ s = λ / 2P (that is, θ 1 = θ 0 ). It can be seen that I (y) exhibits defocus characteristics (length change characteristics in the long axis direction of the FWM image) in accordance with the cos function centered on the best focus position (Z = 0).

パーシャル・コヒーレント照明の下での投影像の光強度分布I(y)は、理論的には円形の照明瞳ip内での光源(多数点又は面)の分布形状に基づいて、式(22)を積算(線形加算)することで求められる。しかしながら、円形の照明瞳ip内(又は投影瞳ep内)で任意の光源形状が設定される場合の結像計算(投影像の光強度分布の算出)を解析的に実施するのは困難であるため、パーシャル・コヒーレント照明の下での結像を考える場合は、投影光学系PLの像側の開口数NAに基づいて、一辺の長さが2NAの正方形の瞳開口を仮定する。   The light intensity distribution I (y) of the projection image under partial coherent illumination is theoretically based on the distribution shape of the light sources (multiple points or planes) in the circular illumination pupil ip. Is obtained by integrating (linear addition). However, it is difficult to analytically perform image formation calculation (calculation of the light intensity distribution of the projection image) when an arbitrary light source shape is set within the circular illumination pupil ip (or within the projection pupil ep). Therefore, when imaging under partial coherent illumination is considered, a square pupil aperture having a side length of 2 NA is assumed based on the numerical aperture NA on the image side of the projection optical system PL.

式(22)から明らかなように、光強度分布I(y)のデフォーカス量に対する変化量、所謂、デフォーカス感度は、0次光と1次回折光の位相成分θ、θの差により決まり、その差が大きければ、(cosθ−cosθ)の値も大きくなって、デフォーカス感度も高くなる。感度を決める位相成分θ、θの差は、以下の式(23)のように表わされる。
・・・(23)
As apparent from the equation (22), the amount of change of the light intensity distribution I (y) with respect to the defocus amount, so-called defocus sensitivity, is determined by the difference between the phase components θ 0 and θ 1 of the 0th order light and the 1st order diffracted light. If the difference is large, the value of (cos θ 1 −cos θ 0 ) increases and the defocus sensitivity increases. The difference between the phase components θ 0 and θ 1 that determine the sensitivity is expressed by the following equation (23).
... (23)

解析的な検討のために仮定する正方形の瞳開口は、一例として図9のように設定される。
図9は、光軸AXを中心として、円形の照明瞳ipに包含される正方形の照明瞳ip’を模式的に表し、座標系ξは図8と同じに設定してある。正方形の照明瞳ip’は、ξ軸(X軸)方向(FWMのピッチPの方向)に関して、光軸AXが通る中央の矩形領域a(II)と、その両側の2つの矩形領域a(I)の3つの領域で構成されるものとする。
また、正方形の照明瞳ip’の中心(光軸AX)からξ軸(X軸)方向の辺(η軸と平行)までの長さ、及び、正方形の照明瞳ip’の中心(光軸AX)からη軸(Y軸)方向の辺(ξ軸と平行)までの長さが、開口数NAに対応しているものとする。従って、正方形の照明瞳ip’のη軸(Y軸)方向の長さをLηとすると、ξ軸(X軸)方向の長さもLηとなる。
As an example, a square pupil opening assumed for analytical consideration is set as shown in FIG.
FIG. 9 schematically shows a square illumination pupil ip ′ included in a circular illumination pupil ip around the optical axis AX, and the coordinate systems ξ s and η s are set to be the same as those in FIG. The square illumination pupil ip ′ has a central rectangular area a (II) through which the optical axis AX passes in the ξ s- axis (X-axis) direction (the direction of the pitch P of the FWM), and two rectangular areas a ( It shall be composed of the three areas of I).
The length from the center of the square illumination pupil ip ′ (optical axis AX) to the side in the ξ s axis (X axis) direction (parallel to the η s axis) and the center of the square illumination pupil ip ′ (light It is assumed that the length from the axis AX) to the side in the η s axis (Y axis) direction (parallel to the ξ s axis) corresponds to the numerical aperture NA. Therefore, if the length of the square illumination pupil ip ′ in the η s- axis (Y-axis) direction is Lη, the length in the ξ s- axis (X-axis) direction is also Lη.

ここで、2光束干渉による結像のための点光源A、Bの配置範囲は、以下の式(24)、(25)のように表わされる。
・・・(24)
・・・(25)
さらに、傾斜照明によって純粋な2光束干渉で結像が得られる点光源の位置を、図9中の両側の矩形領域a(I)の光学中心である点C1、C2としたとき、点C1の座標は(−λ/2P,0)、点C2の座標は(λ/2P,0)となり、各矩形領域a(I)のξ軸(X軸)方向の長さLξと、η軸(Y軸)方向の長さLηは、式(26)、(27)で表わされる。
・・・(26)
・・・(27)
以上のような条件で構成される正方形の照明瞳ip’のうち、図10に示すように、照明光が存在しない中央の矩形領域a(II)を挟んでξ軸(X軸)方向に対称的に配置する2つの矩形領域a(I)の各々からの照明光が、実効的な投影露光に寄与する。
Here, the arrangement range of the point light sources A and B for image formation by two-beam interference is expressed as the following formulas (24) and (25).
... (24)
... (25)
Furthermore, when the position of the point light source that can form an image with pure two-beam interference by tilt illumination is the points C1 and C2 that are the optical centers of the rectangular regions a (I) on both sides in FIG. coordinates and (-λ / 2P, 0), the coordinates of the point C2 (λ / 2P, 0) becomes, xi] s axis of each rectangular region a (I) (X-axis) direction of the length Lξ, η s axis The length Lη in the (Y axis) direction is expressed by equations (26) and (27).
... (26)
... (27)
Of the square illumination pupil ip ′ configured under the above conditions, as shown in FIG. 10, in the ξ s- axis (X-axis) direction across the central rectangular area a (II) where no illumination light exists. Illumination light from each of the two rectangular regions a (I) arranged symmetrically contributes to effective projection exposure.

図10において、正方形の照明瞳ip’内の右側の矩形領域a(I)内であって、ξ軸(X軸)上に位置する任意の点(点光源)をC2’とし、この点C2’は光軸AXから距離ξ’に位置するものとする。この場合、点(点光源)C2’からの照明光によって照射されたレチクルTR上のFWMから発生する結像光束は、投影光学系PLの瞳epでは、ξ軸(X軸)方向に沿って、例えば図11のように、0次光、±1次光、と分離して並ぶ。 In FIG. 10, an arbitrary point (point light source) in the rectangular area a (I) on the right side in the square illumination pupil ip ′ and positioned on the ξ s axis (X axis) is defined as C2 ′. C2 ′ is located at a distance ξ s ′ from the optical axis AX. In this case, the imaging light beam generated from the FWM on the reticle TR irradiated by the illumination light from the point (point light source) C2 ′ is along the ξ s axis (X axis) direction in the pupil ep of the projection optical system PL. Thus, for example, as shown in FIG. 11, the zero-order light and the ± first-order light are arranged separately.

図11は、投影光学系PLの円形の投影瞳epの内接するように設定され、正方形の照明瞳ip’と対応させて正方形に設定した投影瞳ep’を表わす。正方形の投影瞳ep’のξ軸(X軸)方向とη軸(Y軸)方向の各大きさは、正方形の照明瞳ip’に対応させて、2NAであるものとする。図10中の点C2’からの照明光によってレチクルTR上のFWMから発生する0次光は、図11のように正方形の投影瞳ep’内では光軸AXから距離ξ’のξ軸(X軸)上の正の範囲に位置する。また、レチクルTR上のFWMから発生する±1次光のうちの、例えば−1次光は、図11のように正方形の投影瞳ep’内では光軸AXから距離(ξ’−λ/P)のξ軸(X軸)上の負の領域に位置する。
従って、正方形の投影瞳ep’内での0次光の座標位置は〔+ξ’,0〕となり、−1次光の座標位置は〔−(ξ’−λ/P),0〕となり、この場合、FWM像は0次光と−1次光との2光束干渉による結像される。尚、FWMからは+1次光も発生するが、それは正方形の投影瞳ep’から外れた位置(図11中では0次光の右側)に向かう為、FWM像の結像には寄与しない。
FIG. 11 shows a projection pupil ep ′ which is set so as to be inscribed in the circular projection pupil ep of the projection optical system PL and set to a square in correspondence with the square illumination pupil ip ′. Each size of the square projection pupil ep ′ in the ξ s- axis (X-axis) direction and the η s- axis (Y-axis) direction is 2NA corresponding to the square illumination pupil ip ′. The zero-order light generated from the FWM on the reticle TR by the illumination light from the point C2 ′ in FIG. 10 is within the square projection pupil ep ′ as shown in FIG. 11, and the ξ s axis at a distance ξ s ′ from the optical axis AX. Located in the positive range on the (X axis). Further, of the ± first-order light generated from the FWM on the reticle TR, for example, the −1st-order light is a distance (ξ s ′ −λ /) from the optical axis AX in the square projection pupil ep ′ as shown in FIG. P) is located in the negative region on the ξ s- axis (X-axis).
Accordingly, the coordinate position of the zero-order light within the square projection pupil ep ′ is [+ ξ s ′, 0], and the coordinate position of the −1st-order light is [− (ξ s ′ −λ / P), 0]. In this case, the FWM image is formed by two-beam interference between the 0th order light and the −1st order light. Note that + 1st order light is also generated from the FWM, but it does not contribute to the formation of the FWM image because it goes to a position outside the square projection pupil ep ′ (on the right side of the 0th order light in FIG. 11).

次に、図9に示した中央の矩形領域a(II)に位置する点光源からの照明光によって、図10、図11の場合と同じFWMを照明した場合を、図12、図13により説明する。図12のように、点光源は、矩形領域a(II)内のξ軸(X軸)上の正の領域に光軸AXから距離ξ’で点C2’として位置するものとする。図13に示すように、0次光は正方形の投影瞳ep’内のξ軸(X軸)上で光軸AXから距離ξ’の位置にあるが、FWMのピッチPは、先の図10、図11と場合と同じである為、0次光から−1次光までのξ軸(X軸)上での距離は図11の場合と同じであり、−1次光は正方形の投影瞳ep’の外側に位置する。従って、照明瞳ip’中の矩形領域a(II)内の点C2’に位置する点光源からの照明光の場合は、レチクルTR上のFWMからの0次光のみが投影光学系PLを通って像面側に投射されるので、FWM像の強度分布を生成しないバイアス光(直流成分)となる。 Next, the case where the same FWM as in the case of FIGS. 10 and 11 is illuminated by the illumination light from the point light source located in the central rectangular area a (II) shown in FIG. 9 will be described with reference to FIGS. To do. As shown in FIG. 12, it is assumed that the point light source is located as a point C2 ′ at a distance ξ s ′ from the optical axis AX in a positive area on the ξ s axis (X axis) in the rectangular area a (II). As shown in FIG. 13, the zero-order light is located at a distance ξ s ′ from the optical axis AX on the ξ s axis (X axis) in the square projection pupil ep ′, but the pitch P of the FWM is 10 and 11, the distance on the ξ s axis (X axis) from the 0th order light to the −1st order light is the same as in FIG. 11, and the −1st order light is square. Is located outside the projection pupil ep ′. Therefore, in the case of illumination light from a point light source located at a point C2 ′ in the rectangular area a (II) in the illumination pupil ip ′, only the 0th order light from the FWM on the reticle TR passes through the projection optical system PL. Therefore, it becomes bias light (DC component) that does not generate the intensity distribution of the FWM image.

以上のことから、矩形領域a(I)と矩形領域a(II)の各々について、先の式(22)を式(24)、式(25)の範囲で積分した光強度分布を加算すると、FWM像の光強度分布I(y)を求めることができる。ここで、矩形領域a(I)に照明光を分布させた場合のFWM像の積分された光強度分布をII(y)、矩形領域a(II)に照明光を分布させた場合のFWM像の積分された光強度分布をIII(y)とすると、FWM像のトータルの光強度分布I(y)は、次の式(28)となる。
・・・(28)
但し、図12、図13のように、矩形領域a(II)に光源が位置する場合は、0次光のみのバイアス強度となるので、積分するまでもなく光強度分布III(y)は一定値となり、以下の式(29)で表わされる。
・・・(29)
この式(29)には、フォーカス位置Zが変数として含まれない為、FWM像の長軸方向の長さのデフォーカス依存性を求める際には、式(28)中の光強度分布III(y)を無視しても構わない。
From the above, for each of the rectangular area a (I) and rectangular area a (II), adding the light intensity distribution obtained by integrating the previous equation (22) in the range of the equations (24) and (25), The light intensity distribution I (y) of the FWM image can be obtained. Here, the integrated light intensity distribution of the FWM image when the illumination light is distributed in the rectangular area a (I) is I I (y), and the FWM when the illumination light is distributed in the rectangular area a (II). When the integrated light intensity distribution of the image is I II (y), the total light intensity distribution I (y) of the FWM image is expressed by the following equation (28).
... (28)
However, as shown in FIGS. 12 and 13, when the light source is located in the rectangular area a (II), only the 0th-order light has a bias intensity, so that the light intensity distribution I II (y) does not need to be integrated. It becomes a constant value and is expressed by the following equation (29).
... (29)
Since the focus position Z is not included as a variable in the equation (29), the light intensity distribution I II in the equation (28) is obtained when obtaining the defocus dependency of the length of the FWM image in the long axis direction. (Y) may be ignored.

一方、矩形領域a(I)に照明光を分布させた場合のFWM像の光強度分布II(y)は、以下の式(30)で表わされる。

・・・(30)
On the other hand, the light intensity distribution I I (y) of the FWM image when the illumination light is distributed in the rectangular area a (I) is expressed by the following equation (30).

... (30)

以上より、平行光束をレチクルTRに垂直入射するコヒーレント照明下での3光束干渉による結像の場合と異なり、照明瞳ip’、投影瞳ep’を正方形(矩形)と仮定すると、パーシャル・コヒーレント照明の下での2光束干渉による結像では、式(30)のように、デフォーカス収差(フォーカス位置Z)に対するFWM像の長軸方向の長さ変化は、単一のsinc関数として振舞うことが判る。そこで、ある条件の下で、式(30)のsinc関数(モデル関数)で近似されるFWM像の長さの変化特性と、結像計算ソフト「Dr.Litho」によるシミュレーション結果とを比較してみる。   As described above, assuming that the illumination pupil ip ′ and the projection pupil ep ′ are square (rectangular), unlike the case of imaging by three-beam interference under coherent illumination in which a parallel light beam is perpendicularly incident on the reticle TR, partial coherent illumination. In the image formation by the two-beam interference under, the length change in the major axis direction of the FWM image with respect to the defocus aberration (focus position Z) can behave as a single sinc function as shown in Expression (30). I understand. Therefore, under a certain condition, the change characteristic of the length of the FWM image approximated by the sinc function (model function) of Expression (30) is compared with the simulation result by the imaging calculation software “Dr. Litho”. View.

図14は、投影光学系PL(1/4縮小)の開口数NAを0.62、波長λを365nm(i線)、照明シグマ値σを0.7として、通常照明(円形の面光源)の場合のFWM像の長軸方向の長さ変化特性を、規定値の0.4倍、0.5倍、0.6倍の露光量(Dose)で露光した場合で表わしたグラフである。なお、規定値とは、レチクルTRの透過部を通って像面側に達する光強度(1.0)を意味する。図14の縦軸はFWM像の長さLp(μm)を表わし、横軸はフォーカス位置Z(Zステージの高さ位置)を表わす。また、FWMの寸法(像側)は、長さLを12.0μm、幅Wを0.28μm、ピッチPを0.56μmとした。また、結像計算ソフト「Dr.Litho」により得られたFWM像の楔長Lpのシミュレーション結果は、◆、●、▲のプロット点で表わす。   FIG. 14 shows normal illumination (circular surface light source) when the numerical aperture NA of the projection optical system PL (1/4 reduction) is 0.62, the wavelength λ is 365 nm (i-line), and the illumination sigma value σ is 0.7. 6 is a graph showing the length change characteristic in the major axis direction of the FWM image in the case of (1) when the exposure amount (Dose) is 0.4 times, 0.5 times, and 0.6 times the specified value. The prescribed value means the light intensity (1.0) that reaches the image plane side through the transmission part of the reticle TR. The vertical axis in FIG. 14 represents the length Lp (μm) of the FWM image, and the horizontal axis represents the focus position Z (the height position of the Z stage). The dimensions of the FWM (image side) were a length L of 12.0 μm, a width W of 0.28 μm, and a pitch P of 0.56 μm. Further, the simulation result of the wedge length Lp of the FWM image obtained by the imaging calculation software “Dr. Litho” is represented by plot points of ◆, ●, and ▲.

図14において、式(30)のように導かれたsinc関数を使ったモデル関数によるFWM像の楔長Lpのデフォーカス依存性は、広いフォーカス範囲に渡ってシミュレーション結果と良く一致している。また、デフォーカス量が大きくなるにつれて、FWM像の楔長Lpは単調に減少するのではなく、ある範囲の値に収束していく傾向にあることが判る。このことから、従来の2乗等の累乗関数(Z)による近似では、ベストフォーカス位置(Z=0)近傍でのFWM像の長さ変化の傾向については良い精度でフィッティング可能であるが、デフォーカス量が大きくなると、途端にフィッティング精度が悪化することが判る。 In FIG. 14, the defocus dependence of the wedge length Lp of the FWM image by the model function using the sinc function derived as in Expression (30) is in good agreement with the simulation results over a wide focus range. It can also be seen that as the defocus amount increases, the wedge length Lp of the FWM image does not decrease monotonously but tends to converge to a certain range of values. For this reason, in the conventional approximation by a power function (Z n ) such as square, it is possible to fit the trend of the length change of the FWM image near the best focus position (Z = 0) with good accuracy. It can be seen that the fitting accuracy deteriorates as the defocus amount increases.

以上のように、照明瞳ip’や投影瞳ep’を正方形と仮定して導かれたsinc関数を含むモデル関数〔式(30)〕は、デフォーカス量が大きくなったフォーカス位置であっても、実際に得られるFWM像(レジスト像)の長軸方向の長さ変化の傾向と良くフィッティングすることが判る。ちなみに、前提とした投影光学系PLのNAや照明光の波長λ等から導かれる理論上の焦点深度DOFに比べると、sinc関数を含むモデル関数によるフィッティングは、焦点深度DOFの2倍程度の広い範囲に渡って精度を維持している。   As described above, the model function [Equation (30)] including the sinc function derived on the assumption that the illumination pupil ip ′ and the projection pupil ep ′ are square is the focus position where the defocus amount is large. It can be seen that the FWM image (resist image) obtained actually fits well with the tendency of the length change in the major axis direction. Incidentally, compared to the theoretical depth of focus DOF derived from the NA of the projection optical system PL and the wavelength λ of the illumination light, the fitting by the model function including the sinc function is about twice as wide as the depth of focus DOF. Maintains accuracy over a range.

(sinc関数を含むモデル関数による近似実験)
次に、以上のようにして得られたsinc関数で構成されるモデル関数式を利用して、実際に計測されるFWM像の長軸方向の寸法データに基づいてベストフォーカス位置を推定する手法を説明する。まず、FWM像の長さ変化特性に基づいて決定されるベストフォーカス位置Zbestを以下の式(31)で定義する。
・・・(31)
ここで、ZoはFWM像の理論的なベストフォーカス位置、ΔZはフォーカス位置の正確度(Accuracy)、3σzはFWM像(レジスト像)の寸法の計測再現性(Precision)とする。
(Approximate experiment using model function including sinc function)
Next, a method of estimating the best focus position based on the dimension data in the major axis direction of the actually measured FWM image by using the model function expression composed of the sinc function obtained as described above. explain. First, the best focus position Z best determined based on the length change characteristic of the FWM image is defined by the following equation (31).
... (31)
Here, Zo is the theoretical best focus position of the FWM image, ΔZ is the accuracy (Accuracy) of the focus position, and 3σz is the measurement reproducibility (Precision) of the dimensions of the FWM image (resist image).

実デバイスパターンの露光プロセスでは、そのデバイスパターンの投影像に適したベストフォーカス位置と、FWM像の理論的なベストフォーカス位置Zoとが僅かに異なることがある。この誤差は、先の図1にて説明した誤差ΔFeのような露光装置のシステム上の誤差とは別に、デバイスパターンの形状やウェハ表面の構造等に応じて変わり得るプロセスオフセットとして露光装置のフォーカス調整機構に補正値として設定される。   In the exposure process of an actual device pattern, the best focus position suitable for the projected image of the device pattern may be slightly different from the theoretical best focus position Zo of the FWM image. This error is the focus of the exposure apparatus as a process offset that can change depending on the shape of the device pattern, the structure of the wafer surface, and the like, in addition to the error on the exposure apparatus system such as the error ΔFe described in FIG. It is set as a correction value in the adjustment mechanism.

実際の露光装置として、株式会社ニコンが製造販売した縮小投影型露光装置NSR−SF155を用いて、FWM像をウェハTWのレジスト層に露光し、現像後のレジスト像を計測して、sinc関数を含むモデル関数のフィッティング精度を確認する実験を行なった。露光に用いた縮小投影型露光装置は、照明光がi線(波長365nm)、投影光学系PLの開口数が0.62、照明シグマ値σが0.7(通常の円形の面光源)、縮小倍率1/4のステッパーである。この場合、フォーカスに関するプロセス定数kを0.5程度とすると、焦点深度DOFは幅で±0.5μm程の範囲となる。このステッパーを用いて、先の図1で説明したのと同様に、フォーカス位置Z(Zステージの位置)を0.2μmずつ変えては、FWMを含むレチクルTRのパターン領域PAをウェハTW上の異なるショット領域に順次露光し、露光されたウェハTWを現像してFWMのレジスト像を得た。   Using the reduction projection type exposure apparatus NSR-SF155 manufactured and sold by Nikon Corporation as an actual exposure apparatus, the FWM image is exposed on the resist layer of the wafer TW, the developed resist image is measured, and the sinc function is calculated. An experiment was conducted to confirm the fitting accuracy of the model function. In the reduction projection type exposure apparatus used for exposure, the illumination light is i-line (wavelength 365 nm), the numerical aperture of the projection optical system PL is 0.62, the illumination sigma value σ is 0.7 (normal circular surface light source), A stepper with a reduction ratio of 1/4. In this case, if the process constant k related to focus is about 0.5, the depth of focus DOF is in the range of about ± 0.5 μm in width. Using this stepper, as described with reference to FIG. 1, the focus area Z (position of the Z stage) is changed by 0.2 μm at a time so that the pattern area PA of the reticle TR including the FWM is changed on the wafer TW. Different shot areas were sequentially exposed, and the exposed wafer TW was developed to obtain an FWM resist image.

従来から、ウェハ上に形成された楔パターンの長軸方向の長さLpの計測データに基づく変化特性のフィッティングには2次関数が使われていたので、以下の実験結果では、比較の為に2次関数(累乗関数)によるフィッティングカーブを示すことにする。2次関数による近似は、偶関数収差であるデフォーカスの効果をプリミティブに反映するが、sinc関数による近似の方が計測データのデフォーカス領域拡大に対してロバスト性を有する。
2次関数によるモデル関数は、以下の式(32)で表されるものとする。
・・・(32)
但し、Lp’はFWM像の長軸方向の長さ(又は実測長)であり、ZはウェハTWのフォーカス位置(ZステージのZ軸方向位置)である。フィッティングにて決定する未知数はa、a、aの3つである。この3つの未知数は、3つ以上の異なるフォーカス位置Z1、Z2、Z3・・・の各々で露光されたFWM像の長軸方向の長さLp1’、Lp2’、Lp3’・・・(実測値)を用いて、最小二乗近似法によって求められる。
Conventionally, a quadratic function has been used for fitting the change characteristics based on the measurement data of the length Lp in the long axis direction of the wedge pattern formed on the wafer. Therefore, in the following experimental results, for comparison A fitting curve based on a quadratic function (power function) will be shown. The approximation by the quadratic function reflects the effect of defocus, which is an even function aberration, on the primitive, but the approximation by the sinc function is more robust to the defocus area expansion of the measurement data.
The model function based on the quadratic function is represented by the following equation (32).
... (32)
However, Lp ′ is the length (or measured length) of the FWM image in the long axis direction, and Z is the focus position of the wafer TW (Z-axis direction position of the Z stage). There are three unknowns a 0 , a 1 , and a 2 determined by the fitting. The three unknowns are the lengths Lp1 ′, Lp2 ′, Lp3 ′,... (Actually measured values) of the FWM image exposed at each of three or more different focus positions Z1, Z2, Z3,. ) Using the least square approximation method.

一方、本実施形態で採用するsinc関数を含むモデル関数は、インコヒーレント照明を前提にして導かれたものであり、先の式(1)と同じであるが、4つの未知数はb、b、b、bを含む以下の式(33)で表されるものとする。
・・・(33)
この4つの未知数は、4つ以上の異なるフォーカス位置Z1、Z2、Z3、Z4・・・の各々で露光されたFWM像の長軸方向の長さLp1、Lp2、Lp3、Lp4・・・(実測値)を用いて、最小二乗近似法によって求められる。なお、式(33)中のシンク関数sinc〔b1(z−b2)〕は、単一周期であり、正弦関数を用いると、sin〔b1(z−b2)〕/〔b1(z−b2)〕と等価である。
On the other hand, the model function including the sinc function employed in the present embodiment is derived on the assumption of incoherent illumination, and is the same as Equation (1) above, but the four unknowns are b 0 , b It shall be represented by the following formula (33) including 1 , b 2 , and b 3 .
... (33)
The four unknowns are the lengths Lp1, Lp2, Lp3, Lp4,... (Measured in the long axis direction of the FWM image exposed at each of four or more different focus positions Z1, Z2, Z3, Z4,. Value), and is obtained by the least square approximation method. Note that the sinc function sinc [b1 (z−b2)] in the equation (33) has a single period, and sin [b1 (z−b2)] / [b1 (z−b2)] when using a sine function. ] Is equivalent.

また、実験に用いたテストレチクルTRのパターン配置の一例を図15に示す。図15において、テストレチクルTRの周辺3ヶ所には、このテストレチクルTRを縮小投影露光装置内の所定位置に搭載した後に、精密位置決めを行なう為のレチクルマークAmが形成される。矩形の枠状の遮光帯SBは、投影光学系PLの物面側の円形の投影視野内に包含されるサイズで形成され、遮光帯SBの内側がパターン形成領域PAとなっている。このパターン形成領域PA内には、X方向に3つ、Y方向に3つの計9つのパターンブロックPG1〜PG9が3×3のマトリックス状に配置され、そのうちの1つのパターンブロックPG5は、投影視野の中心、ここでは投影光学系PLの光軸AXが通る位置に配置される。   An example of the pattern arrangement of the test reticle TR used in the experiment is shown in FIG. In FIG. 15, reticle marks Am for precise positioning are formed at three positions around the test reticle TR after the test reticle TR is mounted at a predetermined position in the reduction projection exposure apparatus. The rectangular frame-shaped light shielding band SB is formed in a size included in a circular projection field on the object surface side of the projection optical system PL, and the inside of the light shielding band SB is a pattern formation region PA. In this pattern formation area PA, a total of nine pattern blocks PG1 to PG9, three in the X direction and three in the Y direction, are arranged in a 3 × 3 matrix, and one of these pattern blocks PG5 has a projection field of view. , In this case, at a position where the optical axis AX of the projection optical system PL passes.

9つのパターンブロックPG1〜PG9の各々には、例えば代表してパターンブロックPG8のように、Y方向をピッチ方向とする2つの楔状パターンFWMx1、FWMx2と、X方向をピッチ方向とする2つの楔状パターンFWMy1、FWMy2とが形成されている。XY方向で対をなす楔状パターンFWMx1とFWMy1、或いは楔状パターンFWMx2とFWMy2は、実験で用いる縮小投影露光装置の投影光学系PLの特性に合わせて、1本の楔パターンの全長Lを12μm、幅Wを0.28μm、ピッチPを0.56μmとした(図5参照)。   Each of the nine pattern blocks PG1 to PG9 includes, for example, two wedge-shaped patterns FWMx1 and FWMx2 whose pitch direction is the Y direction and two wedge-shaped patterns whose pitch direction is the X direction, as representatively, for example, the pattern block PG8. FWMy1 and FWMy2 are formed. The wedge-shaped patterns FWMx1 and FWMy1 or the wedge-shaped patterns FWMx2 and FWMy2 that make a pair in the XY direction have a total length L of 12 μm and a width corresponding to the characteristics of the projection optical system PL of the reduction projection exposure apparatus used in the experiment. W was 0.28 μm and pitch P was 0.56 μm (see FIG. 5).

この図15のようなテストレチクルTRを用い、先の図1で説明したような方法で、ショット露光毎にフォーカス位置Zを0.2μmずつ変えて、テストウェハTW上にパターン形成領域PA(9つのパターンブロックPG1〜PG9を含む)の投影像をステップ&リピート方式で露光する。フォーカス位置Zの変化幅は、焦点深度DOFの幅±0.5μmの約3倍の範囲の−1.4μm〜+1.4μmとし、0.2μm毎の15点のフォーカス位置とした。従って、テストウェハTW上には、フォーカス位置を0.2μmずつ異ならせて露光した15個のショット領域(パターン形成領域PAの像)が並ぶ。   Using the test reticle TR as shown in FIG. 15, the focus position Z is changed by 0.2 μm for each shot exposure by the method described in FIG. 1, and the pattern formation area PA (9) is formed on the test wafer TW. The projection image of (including two pattern blocks PG1 to PG9) is exposed by the step & repeat method. The change width of the focus position Z was set to −1.4 μm to +1.4 μm, which is about three times the width of the focal depth DOF ± 0.5 μm, and 15 focus positions were set every 0.2 μm. Therefore, fifteen shot areas (images of the pattern formation area PA) exposed with different focus positions by 0.2 μm are arranged on the test wafer TW.

露光されたテストウェハTWの現像後、レジスト像として生成された各ショット領域毎のパターンブロックPG1〜PG9に含まれる楔状パターンFWMx1、FWMx2、FWMy1、FWMy2の各々の楔長軸方向の寸法Lpを実測する。そして、1つのパターンブロックPGnに含まれる複数の楔状パターンの実測長Lpの平均値を、FWM像の長さLpとして求めておく。なお、その際、X方向に楔長が変化する楔状パターンFWMx1、FWMx2と、Y方向に楔長が変化する楔状パターンFWMy1、FWMy2とで分けて平均値を求めても良い。   After the development of the exposed test wafer TW, the dimension Lp in the wedge major axis direction of each of the wedge-shaped patterns FWMx1, FWMx2, FWMy1, and FWMy2 included in the pattern blocks PG1 to PG9 for each shot area generated as a resist image is measured. To do. Then, an average value of the actually measured lengths Lp of a plurality of wedge patterns included in one pattern block PGn is obtained as the length Lp of the FWM image. At that time, the average value may be obtained by dividing into wedge-shaped patterns FWMx1 and FWMx2 whose wedge length changes in the X direction and wedge-shaped patterns FWMy1 and FWMy2 whose wedge length changes in the Y direction.

次に、15個のショット領域の各々で、例えばその中心に位置するパターンブロックPG5に着目し、その15個のパターンブロックPG5の各々で求められたFWM像の長さLpを最大のサンプル数15として近似性を評価する。比較の為に、この15個のFWM像の長さLpのうち、フォーカス位置が−0.6μm〜+0.6μmの範囲の7点の各々に対応して得られる7個のFWM像の長さLpを使った近似例(7計測点)、フォーカス位置が−0.8μm〜+0.8μmの範囲の9点の各々に対応して得られる9個のFWM像の長さLpを使った近似例(9計測点)、フォーカス位置が−1.0μm〜+1.0μmの範囲の11点の各々に対応して得られる11個のFWM像の長さLpを使った近似例(11計測点)、及び、フォーカス位置が−1.2μm〜+1.2μmの範囲の13点の各々に対応して得られる13個のFWM像の長さLpを使った近似例(13計測点)、も例示する。   Next, paying attention to, for example, the pattern block PG5 located at the center of each of the 15 shot regions, the length Lp of the FWM image obtained for each of the 15 pattern blocks PG5 is set to the maximum number of samples 15. Assess the closeness. For comparison, the lengths of seven FWM images obtained corresponding to each of the seven points in the range of −0.6 μm to +0.6 μm among the lengths Lp of the 15 FWM images. Approximate example using Lp (7 measurement points), Approximate example using length Lp of 9 FWM images obtained corresponding to each of 9 points in the focus range of -0.8 μm to +0.8 μm (9 measurement points), an approximation example (11 measurement points) using the length Lp of 11 FWM images obtained corresponding to each of 11 points in the range of the focus position from −1.0 μm to +1.0 μm, An example of approximation (13 measurement points) using the length Lp of 13 FWM images obtained corresponding to each of 13 points in the range of the focus position in the range of −1.2 μm to +1.2 μm is also illustrated.

図16は、7計測点の場合に、実測された7個のFWM像の長さLpを、式(32)で定義される2次関数でフィッティングした変化特性と、式(33)で定義されるsinc関数でフィッティングした変化特性とを示すグラフである。7計測点の場合、近似に用いる7個のFWM像の長さLpが、焦点深度DOF(±0.5μm)の範囲内のフォーカス位置Zで得られたものであることから、2次関数で近似した変化特性も、sinc関数で近似した変化特性も、実測値Lpと良く合っている。   FIG. 16 shows a change characteristic obtained by fitting the length Lp of seven actually measured FWM images with a quadratic function defined by the equation (32) in the case of seven measurement points, and is defined by the equation (33). It is a graph which shows the change characteristic fitted with the sinc function. In the case of seven measurement points, the length Lp of the seven FWM images used for approximation is obtained at the focus position Z within the range of the focal depth DOF (± 0.5 μm). Both the approximate change characteristic and the change characteristic approximated by the sinc function are in good agreement with the measured value Lp.

図17は、9計測点の場合に、実測された9個のFWM像の長さLpを、式(32)で定義される2次関数でフィッティングした変化特性と、式(33)で定義されるsinc関数でフィッティングした変化特性とを示すグラフである。9計測点の場合、近似に用いる9個のFWM像の長さLpが、焦点深度DOF(±0.5μm)の範囲から少し外れたフォーカス位置Zで得られたものを含むため、2次関数で近似した変化特性は実測値Lpに対して少し誤差を持ってくる。これに対して、sinc関数で近似した変化特性は実測値Lpと良く合っている。   FIG. 17 shows a change characteristic obtained by fitting the length Lp of nine actually measured FWM images with a quadratic function defined by the equation (32) in the case of nine measurement points, and is defined by the equation (33). It is a graph which shows the change characteristic fitted with the sinc function. In the case of 9 measurement points, since the length Lp of the 9 FWM images used for approximation includes those obtained at the focus position Z slightly outside the range of the focal depth DOF (± 0.5 μm), a quadratic function The change characteristic approximated by (3) brings a slight error with respect to the actual measurement value Lp. On the other hand, the change characteristic approximated by the sinc function matches well with the actual measurement value Lp.

図18は、11計測点の場合に、実測された11個のFWM像の長さLpを、式(32)で定義される2次関数でフィッティングした変化特性と、式(33)で定義されるsinc関数でフィッティングした変化特性とを示すグラフである。11計測点の場合、近似に用いる11個のFWM像の長さLpが、焦点深度DOF(±0.5μm)の範囲を2倍程度外れたフォーカス位置Zで得られたものを含むため、2次関数で近似した変化特性は実測値Lpに対して大きな誤差を持ってくる。これに対して、sinc関数で近似した変化特性は実測値Lpと良く合っている。   FIG. 18 shows a change characteristic obtained by fitting the length Lp of 11 actually measured FWM images with a quadratic function defined by Expression (32) in the case of 11 measurement points, and is defined by Expression (33). It is a graph which shows the change characteristic fitted with the sinc function. In the case of 11 measurement points, the length Lp of 11 FWM images used for approximation includes those obtained at a focus position Z that is about twice out of the range of the depth of focus DOF (± 0.5 μm). The change characteristic approximated by the next function brings a large error with respect to the actual measurement value Lp. On the other hand, the change characteristic approximated by the sinc function matches well with the actual measurement value Lp.

図19は13計測点の場合の特性を示し、実測された13個のFWM像の長さLpを式(32)の2次関数でフィッティングした変化特性と、式(33)のsinc関数でフィッティングした変化特性とを示すグラフである。13計測点の場合、近似に用いる13個のFWM像の長さLpが、焦点深度DOF(±0.5μm)の範囲を大きく外れたフォーカス位置Zで得られたものを含むため、2次関数で近似した変化特性は実測値Lpに対して大きな誤差を持ってくる。これに対して、sinc関数で近似した変化特性は実測値Lpと良く合っている。   FIG. 19 shows the characteristics in the case of 13 measurement points, and the characteristics obtained by fitting the length Lp of 13 actually measured FWM images with a quadratic function of Expression (32) and the fitting with the sinc function of Expression (33). It is a graph which shows the changed characteristic. In the case of 13 measurement points, the length Lp of the 13 FWM images used for approximation includes those obtained at the focus position Z far outside the range of the depth of focus DOF (± 0.5 μm). The change characteristic approximated by (3) brings a large error with respect to the actual measurement value Lp. On the other hand, the change characteristic approximated by the sinc function matches well with the actual measurement value Lp.

図20は15計測点の場合の特性を示し、実測された15個のFWM像の長さLpを式(32)の2次関数でフィッティングした変化特性と、式(33)のsinc関数でフィッティングした変化特性とを示すグラフである。15計測点の場合、近似に用いる15個のFWM像の長さLpとして、焦点深度DOF(±0.5μm)の範囲を約3倍程度外れたフォーカス位置Zで得られたものを含むため、2次関数で近似した変化特性は実測値Lpに対して大きな誤差を持つが、sinc関数で近似した変化特性は大きなデフォーカス位置でも実測値Lpと良く合っている。   FIG. 20 shows the characteristics in the case of 15 measurement points, and the variation characteristics obtained by fitting the length Lp of 15 actually measured FWM images with a quadratic function of Expression (32) and the fitting with the sinc function of Expression (33). It is a graph which shows the changed characteristic. In the case of 15 measurement points, the length Lp of 15 FWM images used for approximation includes those obtained at a focus position Z that is about 3 times out of the range of the depth of focus DOF (± 0.5 μm). Although the change characteristic approximated by the quadratic function has a large error with respect to the actual measurement value Lp, the change characteristic approximated by the sinc function matches well with the actual measurement value Lp even at a large defocus position.

以上のように、式(33)のsinc関数を用いるフォーカス変化特性のフィッティングは、インコヒーレントな照明条件の下で実測値と良く合うことが判る。従って、フォーカス位置を異ならせた多くの実測値Lpを使って、式(33)のsinc関数の4つの係数b0〜b3を最小二乗近似法等によって特定したら、その関数から変化特性上で楔長が最も長くなるフォーカス位置Zを求めれば、それが投影光学系PLの投影視野内の中心部でのベストフォーカス位置となる。   As described above, it can be seen that the fitting of the focus change characteristic using the sinc function of Expression (33) matches well with the actually measured value under the incoherent illumination condition. Therefore, if the four coefficients b0 to b3 of the sinc function of the equation (33) are specified by the least square approximation method or the like using many actually measured values Lp with different focus positions, the wedge length on the change characteristic from the function is determined. If the focus position Z at which is the longest is obtained, it becomes the best focus position at the center in the projection field of the projection optical system PL.

厳密なベストフォーカス位置Zbestは、先の式(31)で定義されるが、図16〜20のようにして求められるsinc関数による変化特性から、式(31)中の理論的なベストフォーカス位置Zoと、フォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZとを算定してみる。その為に、ここでは、フォーカス位置Zを0.2μmずつ変えて露光した15個のショット領域の各々に含まれる9個のパターンブロックPG1〜PG9の全ての楔パターンのレジスト像の楔長の実測値Lpを平均した値を、1つのフォーカス位置Zに対応した実測値とする。 The exact best focus position Z best is defined by the previous equation (31), but from the change characteristic by the sinc function obtained as shown in FIGS. 16 to 20, the theoretical best focus position in the equation (31). Let us calculate Zo and the accuracy ΔZ of the focus position. Therefore, here, the actual measurement of the wedge length of the resist image of all the wedge patterns of the nine pattern blocks PG1 to PG9 included in each of the 15 shot areas exposed by changing the focus position Z by 0.2 μm. A value obtained by averaging the values Lp is set as an actual measurement value corresponding to one focus position Z.

図21は、横軸に計測点数(露光時のフォーカス位置Zの変化点数)を表わし、縦軸に近似関数(2次関数、sinc関数、cos関数)によるフィッティングで決定されるベストフォーカス位置の偏差(誤差)を表わしたグラフであり、ベストフォーカス位置の特定確度の計測点数依存性を表わしたものとなる。図21中のプロット点▲は、式(32)の2次関数によってフィッティングした変化特性から決定されるベストフォーカス位置を表わし、プロット点■は、式(33)のsinc関数によってフィッティングした変化特性から決定されるベストフォーカス位置を表わし、プロット点●は、比較の為に、式(33)のsinc関数をcos関数にした場合のベストフォーカス位置を表わす。また、各プロット点の上下に延びる誤差範囲バーは、9個のパターンブロックPG1〜PG9の各々で得られる楔パターン像の楔長の実測値Lpの標準偏差を表わす。   In FIG. 21, the horizontal axis represents the number of measurement points (the number of changes in the focus position Z during exposure), and the vertical axis represents the deviation of the best focus position determined by fitting with approximation functions (secondary function, sinc function, cos function). It is a graph representing (error) and represents the dependence of the specific accuracy of the best focus position on the number of measurement points. The plot point ▲ in FIG. 21 represents the best focus position determined from the change characteristic fitted by the quadratic function of Expression (32), and the plot point ■ is from the change characteristic fitted by the sinc function of Expression (33). The determined best focus position is represented, and the plot point ● represents the best focus position when the sinc function of Equation (33) is changed to a cos function for comparison. An error range bar extending vertically above and below each plot point represents the standard deviation of the actually measured value Lp of the wedge length of the wedge pattern image obtained in each of the nine pattern blocks PG1 to PG9.

また、図21では、計測点数を5とした場合、即ち、フォーカス位置Zを0.2μmずつ、−0.4μm〜+0.4μmの範囲の5ヶ所に変えて露光した場合のデータも載せてあるが、どの関数を用いた場合も、ベストフォーカス位置の特定精度が低かった。この図21のグラフから、実験対象とした投影露光装置では、ベストフォーカス位置の特定の為に、計測点数を7点以上とすることが良い。そこで、sinc関数で求められたベストフォーカス位置(プロット点■)を、5つの計測点数7〜計測点15でみてみると、平均値で約−30.9nmとなる。従って、この値が先の式(31)中のベストフォーカス位置Zoとなる。さらに、計測点数7〜計測点数15の各々のベストフォーカス位置(sinc関数で近似したプロット点■)の平均値−30.9nmからの偏差(ばらつき)は、先の式(31)中のフォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZに対応し、ΔZ=−3nm〜+2nmの範囲になった。   FIG. 21 also shows data when the number of measurement points is 5, that is, when the exposure is performed by changing the focus position Z by 0.2 μm in five places in the range of −0.4 μm to +0.4 μm. However, the accuracy of specifying the best focus position was low regardless of which function was used. From the graph of FIG. 21, in the projection exposure apparatus used as an experiment target, the number of measurement points is preferably 7 or more in order to specify the best focus position. Therefore, when the best focus position (plot point ■) determined by the sinc function is viewed at five measurement points 7 to 15, the average value is about −30.9 nm. Therefore, this value is the best focus position Zo in the previous equation (31). Furthermore, the deviation (variation) from the average value −30.9 nm of the best focus positions (plot points approximated by the sinc function) of the measurement points 7 to 15 is the focus position in the above equation (31). Corresponding to the accuracy ΔZ of ΔZ = −3 nm to +2 nm.

これに対して、2次関数を用いたフィッティングで求められたベストフォーカス位置(プロット点▲)を、5つの計測点数7〜計測点15でみてみると、平均値としては求まるが、必ずしも正確な値とはならない。そこで、ベストフォーカス位置Zoの平均値をsinc関数のフィッティングから求めた平均値−30.9nmとし、先の式(31)中のフォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZを、計測点数7〜計測点数15の各々のベストフォーカス位置(2次関数で近似したプロット点▲)の平均値−30.9nmからの偏差(ばらつき)とすると、ΔZ=+2nm〜+10nmの範囲になった。   On the other hand, when the best focus position (plot point ▲) obtained by fitting using a quadratic function is viewed at five measurement points 7 to 15, the average value is obtained, but it is not always accurate. Not a value. Therefore, the average value of the best focus position Zo is set to the average value −30.9 nm obtained from the fitting of the sinc function, and the accuracy (Accuracy) ΔZ of the focus position in the above equation (31) is measured from 7 to 7 points. Assuming a deviation (variation) from the average value −30.9 nm of each of the 15 best focus positions (plot points ▲ approximated by a quadratic function), the range was ΔZ = + 2 nm to +10 nm.

また、cos関数を用いたフィッティングによって求められるベストフォーカス位置(プロット点●)Zoの特定精度も、計測点数が少ないうちは、sinc関数を用いたフィッティングによって求められるベストフォーカス位置(プロット点■)Zoの特定精度と遜色がないが、計測点数が多くなると、即ち、デフォーカス範囲が広がるに従って、ベストフォーカス位置Zoの特定精度やフォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZが悪くなってくる。   Also, the best focus position (plot point ●) Zo obtained by fitting using the cos function is the best focus position (plot point ■) Zo obtained by fitting using the sinc function while the number of measurement points is small. However, as the number of measurement points increases, that is, as the defocus range increases, the accuracy of specifying the best focus position Zo and the accuracy (Accuracy) ΔZ of the focus position become worse.

以上のように、sinc関数を用いたフィッティングによって求められるフォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZは、従来の2次関数を用いたフィッティングで求められるフォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZに対し、約1/3に改善されている。さらに、2次関数を用いたフィッティングで求められるベストフォーカス位置Zoの特定は、露光時にフォーカス位置Zを振る点数、即ち計測点数の多少によって、その結果がばらつくのに対し、sinc関数(又はcos関数)を用いたフィッティングで求められるベストフォーカス位置Zoの特定は、計測点数の多少に余り影響されず、比較的に安定している。   As described above, the accuracy (Accuracy) ΔZ of the focus position obtained by the fitting using the sinc function is approximately equal to the accuracy (Accuracy) ΔZ of the focus position obtained by the fitting using the conventional quadratic function. It is improved to 1/3. Further, the best focus position Zo obtained by fitting using a quadratic function varies depending on the number of points at which the focus position Z is shaken at the time of exposure, that is, the number of measurement points, while the sinc function (or cos function). The best focus position Zo determined by fitting using () is relatively stable without being affected by the number of measurement points.

以上、楔状パターンFWMを用いてフォーカス変化特性を求める際、実測値Lpをフィッティングする為の近似関数として、sinc関数(又はcos関数)を採用することは、次の2つの観点から有益である。第一の観点は、フィッティングに使用するデータセット(計測点数毎に取得される楔パターンの像の楔長の実測値Lpのセット)として、デフォーカス領域にまで拡大した場合でもロバスト性を確保できる点である。先の図16〜20の実験結果では、焦点深度DOFの幅の3倍近い範囲に渡ってフォーカス位置を振って露光した場合でも、ベストフォーカス位置を高精度、高確度で特定できる。   As described above, when obtaining the focus change characteristic using the wedge-shaped pattern FWM, it is beneficial from the following two viewpoints to adopt the sinc function (or cos function) as an approximate function for fitting the actual measurement value Lp. The first aspect is that the robustness can be ensured even when the data set used for fitting (a set of measured values Lp of the wedge length of the wedge pattern image acquired for each number of measurement points) is extended to the defocus area. Is a point. In the experiment results shown in FIGS. 16 to 20, the best focus position can be specified with high accuracy and high accuracy even when the exposure is performed with the focus position shifted over a range close to three times the width of the depth of focus DOF.

実際に投影露光装置を使用する現場では、焦点深度DOF範囲内でのみ有効な推定を行なえる2次関数よりも、広いデフォーカス領域、特に焦点深度DOFの範囲から外れたデフォーカス領域での変化特性上のスロープ部分での実測値Lpを利用できるsinc関数の方が、計測環境に柔軟性を与えられると言った利点がある。第二の観点は、傾斜照明法における2光束干渉での投影像やインコヒーレント照明の下での投影像のデフォーカスの影響は、光強度分布として本質的にsinc関数で表わされることから、sinc関数(三角関数)をフィッティング関数とすることが、物理的な現象を端的に反映している点である。   In a field where a projection exposure apparatus is actually used, a change in a defocus area wider than a quadratic function capable of performing an effective estimation only within the focal depth DOF range, particularly in a defocus area outside the focal depth DOF range. The sinc function that can use the actual measurement value Lp in the slope portion on the characteristic has an advantage that the measurement environment can be given flexibility. The second aspect is that the influence of defocusing of a projection image under two-beam interference in the tilt illumination method or a projection image under incoherent illumination is essentially expressed as a light intensity distribution by a sinc function. Making the function (trigonometric function) a fitting function is a point that directly reflects a physical phenomenon.

(sinc関数の周期の設定)
式(33)で定義したsinc関数の周期成分は、同じ投影露光装置を用いても、照明条件、レジスト層の物性(材質や厚み等)、プロセス等によって焦点深度DOFが変化することから、変わってくる。従って、sinc関数の周期成分である式(33)中の係数b1、b2は、実際の楔長の計測データ(Lp)から個別に最適値を求めるようにしても良い。
(Setting the sinc function cycle)
Even if the same projection exposure apparatus is used, the periodic component of the sinc function defined by Expression (33) changes because the DOF changes depending on the illumination conditions, the physical properties (material, thickness, etc.) of the resist layer, and the process. Come. Accordingly, the coefficients b1 and b2 in the equation (33), which are the periodic components of the sinc function, may be individually determined as optimum values from the actual wedge length measurement data (Lp).

(異なる露光装置への適用)
以上の実験では、波長365nmのi線を照明光とする投影光学系PLを用いたが、照明光の波長λや開口数NAが異なる他の露光装置であっても、スケーリング法則によって、sinc関数(又はcos関数)によるフィッティングを使ったフォーカス変化特性(ベストフォーカス位置Zo、フォーカス位置の正確度ΔZ)を見積もることができる。その場合、sinc関数の周期成分は、異なる投影光学系間の開口数NAの比の2乗で変化し、異なる波長λの比で変化するものと仮定できる。また、sinc関数の周期が先の実験の場合に比べて小さくなる場合は、テストウェハTWの露光時のフォーカス位置Zの変化量を小さくして、焦点深度DOFの範囲内で7個の計測点数が存在するように設定するのが望ましい。
(Application to different exposure equipment)
In the above experiment, the projection optical system PL using i-line having a wavelength of 365 nm as illumination light is used. However, even with other exposure apparatuses having different wavelengths λ and numerical aperture NA of illumination light, the sinc function is determined by the scaling law. A focus change characteristic (best focus position Zo, focus position accuracy ΔZ) using fitting by (or cos function) can be estimated. In that case, it can be assumed that the periodic component of the sinc function changes with the square of the ratio of the numerical aperture NA between different projection optical systems and changes with the ratio of different wavelengths λ. If the cycle of the sinc function is smaller than that in the previous experiment, the amount of change in the focus position Z during exposure of the test wafer TW is reduced, and the number of measurement points is 7 within the range of the focal depth DOF. It is desirable to set so that exists.

そこで、先の実験で用いた投影光学系PLの開口数をNA、照明光の波長をλとし、これに対して、ArFエキシマレーザ(波長193nm)を使う最先端の液浸露光装置の投影光学系の開口数をNAArf、照明光の波長をλArfとし、先の実験で求められたフォーカス位置の正確度ΔZをΔZiとすると、ArF液浸露光装置の投影光学系によるフォーカス位置の正確度ΔZArfは、以下の式(34)のような関係で表わされる。尚、先の実験で求められたフォーカス位置の正確度ΔZiは、図17に示したグラフより、−2nm〜+3nm(幅で約5nm)とする。 Therefore, the numerical aperture of the projection optical system PL used in the previous experiment is NA i , and the wavelength of the illumination light is λ i , whereas the state-of-the-art immersion exposure apparatus using an ArF excimer laser (wavelength 193 nm) is used. When the numerical aperture of the projection optical system is NA Arf , the wavelength of illumination light is λ Arf, and the focus position accuracy ΔZ obtained in the previous experiment is ΔZ i , the focus position by the projection optical system of the ArF immersion exposure apparatus The accuracy ΔZ Arf is expressed by a relationship such as the following equation (34). The focus position accuracy ΔZ i obtained in the previous experiment is set to −2 nm to +3 nm (about 5 nm in width) from the graph shown in FIG.

・・・(34)
ここで、ArF液浸露光装置の波長λArfを193nm、開口数NAArfを1.35とすると、ArF液浸露光装置のフォーカス位置の正確度ΔZArfは、−0.34nm〜+0.22(幅で約0.56nm)と見積もれる。
... (34)
Here, when the wavelength λ Arf of the ArF immersion exposure apparatus is 193 nm and the numerical aperture NA Arf is 1.35, the accuracy ΔZ Arf of the focus position of the ArF immersion exposure apparatus is −0.34 nm to +0.22 ( It is estimated that the width is about 0.56 nm.

ArF液浸露光装置によって、実際に楔パターンFWMを投影露光してフォーカス変化特性を実測する場合は、テストレチクルTRに描画される楔パターンFWMの長さL、幅W、ピッチPを、先の条件(像面側での寸法としてL=12μm、W=0.28μm、P=0.56μm)に対して1/5〜1/10程度に比例縮小させることになる。   When the focus change characteristic is actually measured by projecting and exposing the wedge pattern FWM by the ArF immersion exposure apparatus, the length L, width W, and pitch P of the wedge pattern FWM drawn on the test reticle TR are set to It is proportionally reduced to about 1/5 to 1/10 with respect to the conditions (L = 12 μm, W = 0.28 μm, P = 0.56 μm as dimensions on the image plane side).

以上のように、照明瞳ipにおいて照明光が点光源として分布するコヒーレント照明の場合、楔状パターンFWMの投影像のデフォーカスに伴う光強度分布の変化は、三角関数の特に余弦(cos)関数で近似することができる。さらに、照明瞳ip又は投影瞳epを正方形開口と仮定することによって導出されるsinc関数をフィッティングに用いると、コヒーレント照明、2光束干渉による投影露光の為の傾斜照明、及び一般的なインコヒーレント照明の場合であっても、広いデフォーカス範囲に渡って取得される楔状パターンFWMの投影像の楔長実測値Lpを使って、ベストフォーカス位置を高精度、高確度で求めることができる。すなわち、照明条件(照明光の波長、光源の分布や形状、照明σ値等)や露光条件(投影光学系の開口数NA、露光量、レジスト層の厚さや材質等)の相違による影響も含めて、フォーカス変化特性やベストフォーカス位置を精密に求めることができる。   As described above, in the case of coherent illumination in which illumination light is distributed as a point light source at the illumination pupil ip, the change in the light intensity distribution accompanying the defocus of the projection image of the wedge-shaped pattern FWM is a trigonometric function, particularly a cosine function. Can be approximated. Further, when a sinc function derived by assuming that the illumination pupil ip or the projection pupil ep is a square aperture is used for fitting, coherent illumination, tilt illumination for projection exposure by two-beam interference, and general incoherent illumination Even in this case, the best focus position can be obtained with high accuracy and high accuracy by using the wedge length actual measurement value Lp of the projection image of the wedge-shaped pattern FWM acquired over a wide defocus range. In other words, including the effects of illumination conditions (illumination light wavelength, light source distribution and shape, illumination σ value, etc.) and exposure conditions (projection optical system numerical aperture NA, exposure amount, resist layer thickness, material, etc.) Thus, the focus change characteristic and the best focus position can be obtained precisely.

〔第2の実施形態〕
次に、上記のベストフォーカス位置の計測方法を露光装置上で実施する場合の装置構成の一例を、図22、図23により説明する。図22は、半導体素子やICチップ等のデバイスパターンをウェハに投影露光する露光装置EXPと、ウェハにフォトレジストを塗布したり、露光済みのウェハを現像したりするコーターデベロッパーC/Dとをインライン接続したフォトリソグラフィシステムの概略構成を示す。
[Second Embodiment]
Next, an example of an apparatus configuration when the above-described best focus position measurement method is performed on an exposure apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 22 shows inline an exposure apparatus EXP for projecting and exposing a device pattern such as a semiconductor element or an IC chip on a wafer, and a coater developer C / D for applying a photoresist to the wafer or developing an exposed wafer. 1 shows a schematic configuration of a connected photolithography system.

コーターデベロッパーC/Dは、供給ポート部FP1にストックされたウェハの表面にフォトレジスト層を所定の厚さで塗布して乾燥させるコーター部CTRと、レジスト層が形成されたウェハを一時的に保管すると共に、そのウェハを露光装置EXPに搬出したり露光装置EXPから露光済みのウェハを受け取ったりするバッファー部BFPと、露光装置EXPで露光されたウェハを搬入して現像と乾燥を行うと共に、現像後のウェハを回収ポート部FP2に送り出すデベロッパー部DVRとを備える。   The coater / developer C / D temporarily stores a coater CTR for applying a photoresist layer to the surface of the wafer stocked in the supply port FP1 and drying it, and the wafer on which the resist layer is formed. At the same time, the wafer B is carried out to the exposure apparatus EXP and the buffer BFP for receiving the exposed wafer from the exposure apparatus EXP, and the wafer exposed by the exposure apparatus EXP is carried in, developed and dried, and developed. And a developer unit DVR for sending the subsequent wafer to the recovery port unit FP2.

露光装置EXPは、コーターデベロッパーC/Dのバッファー部BFPからレジスト層が形成されたウェハを受け取ってプリアライメントを行なうと共に、露光後のウェハをバッファー部BFPに搬出するウェハ搬送部WTPと、露光すべきウェハを載置してXY方向、およびZ方向に移動可能なウェハステージWST(図2中の34、36)と、デバイス用のレチクルやテストレチクルTRをストックするレチクル保管部RCと、ウェハ上のアライメントマークやウェハステージ上の基準マーク等を撮像し、マーク像の画像解析によってマーク位置(投影光学系PLに対するウェハの位置)を計測するアライメント系ALGと、投影光学系PLの上方(物面側)でレチクルを支持して、XY面で微動可能なレチクルステージRSTと、レチクルに露光用の照明光を照射する照明系ILUとを備える。   The exposure apparatus EXP receives a wafer on which a resist layer is formed from the buffer unit BFP of the coater developer C / D, performs pre-alignment, and exposes the exposed wafer to the buffer unit BFP and the wafer transfer unit WTP. Wafer stage WST (34 and 36 in FIG. 2) that can move the wafer to be moved in the XY and Z directions, reticle storage unit RC that stocks device reticles and test reticles TR, and on the wafer Alignment system ALG that captures the alignment mark and reference mark on the wafer stage and measures the mark position (wafer position relative to projection optical system PL) by image analysis of the mark image, and above projection optical system PL (object surface) A reticle stage RST that supports the reticle on the side) and can be moved finely on the XY plane, and a reticle And a lighting system ILU which irradiates illumination light for exposure to Le.

アライメント系ALGは、例えば図23に示すように、光学顕微鏡と同様に構成される。図23において、アライメント系ALGは、アライメント用の照明光ILaを射出する照明系(ここでは最終レンズのみ示す)200、ウェハ上の照明領域を規定する照明視野絞り202、レンズ系204、照明光ILaと観察光を分離するビームスプリッタ206、ウェハに照明光ILaを投射すると共に、ウェハからの観察光を入射する対物レンズ208とを有する。これらの照明系200、照明視野絞り202、レンズ系204、ビームスプリッタ206は、対物レンズ208の光軸AXaに沿って配置される。   The alignment system ALG is configured similarly to the optical microscope, for example, as shown in FIG. In FIG. 23, an alignment system ALG includes an illumination system (here, only the final lens is shown) 200 that emits alignment illumination light ILa, an illumination field stop 202 that defines an illumination area on the wafer, a lens system 204, and illumination light ILa. And a beam splitter 206 that separates the observation light, and an objective lens 208 that projects the illumination light ILa onto the wafer and enters the observation light from the wafer. These illumination system 200, illumination field stop 202, lens system 204, and beam splitter 206 are arranged along the optical axis AXa of the objective lens 208.

対物レンズ208に入射するウェハからの観察光は、ビームスプリッタ206で反射されて、レンズ系210、光学指標板212、結像レンズ系214を介して、CCDやCMOS等の2次元の撮像素子216の撮像面に達する。これによって、撮像素子216は、ウェハ表面に形成されたマークの拡大像、或いはテストウェハTW上の楔状レジストパターン(図1中のWMp)の拡大像のコントラストに応じた画像信号を出力する。   Observation light from the wafer incident on the objective lens 208 is reflected by the beam splitter 206, and passes through the lens system 210, the optical index plate 212, and the imaging lens system 214, and a two-dimensional image sensor 216 such as a CCD or CMOS. Reach the imaging surface. Thereby, the image sensor 216 outputs an image signal corresponding to the contrast of the enlarged image of the mark formed on the wafer surface or the enlarged image of the wedge-shaped resist pattern (WMp in FIG. 1) on the test wafer TW.

光学指標板212は、透明な石英の平行平板に遮光性の指標パターン(遮光性のライン)を形成したものであり、対物レンズ208、ビームスプリッタ206、及びレンズ系210で構成される結像系によって、ウェハ表面と光学的に共役になるように配置される。従って、光学指標板212の透明部には、ウェハ表面のマークや楔状レジストパターン(WMp)の拡大された空間像(中間像)が形成される。さらに撮像素子216の撮像面は、結像レンズ系214によって、光学指標板212と光学的に共役な位置に配置される。従って、撮像素子216の撮像面には、光学指標板212の指標パターンの像と共に、ウェハ上のマークや楔状レジストパターン(WMp)の拡大された像が生成される。   The optical index plate 212 is obtained by forming a light-shielding index pattern (light-shielding line) on a transparent quartz parallel plate, and an imaging system including an objective lens 208, a beam splitter 206, and a lens system 210. Is arranged so as to be optically conjugate with the wafer surface. Therefore, an enlarged aerial image (intermediate image) of the wafer surface mark and wedge-shaped resist pattern (WMp) is formed on the transparent portion of the optical index plate 212. Further, the imaging surface of the imaging element 216 is arranged at a position optically conjugate with the optical index plate 212 by the imaging lens system 214. Therefore, an enlarged image of the mark on the wafer and the wedge-shaped resist pattern (WMp) is generated on the imaging surface of the imaging element 216 along with the index pattern image of the optical index plate 212.

このようなインライン化されたフォトリソグラフィシステムにおいて、通常のウェハ処理の場合は、供給ポート部FP1内の1枚のウェハが、コーター部CTR、バッファー部BFP、及びウェハ搬送部WTPの順に搬送され、最後にウェハステージWST上に載置されてアライメント後に露光処理される。露光が終わったウェハは、ウェハステージWSTからウェハ搬送部WTP、バッファー部BFP、デベロッパー部DVRの順に送られ、最後に回収ポート部FP2に収納される。   In such an in-line photolithography system, in the case of normal wafer processing, one wafer in the supply port unit FP1 is transferred in the order of the coater unit CTR, the buffer unit BFP, and the wafer transfer unit WTP. Finally, it is placed on wafer stage WST and exposed after alignment. After the exposure, the wafer is sent from wafer stage WST to wafer transport unit WTP, buffer unit BFP, developer unit DVR in this order, and finally stored in recovery port unit FP2.

しかしながら、テストレチクルTRをレチクルステージRSTに載置して、楔状パターンFWMをテストウェハTWに露光した場合、デベロッパー部DVRで現像されたテストウェハTWは、リターン搬送系TPを介して、回収ポート部FP2ではなく、バッファー部BFPに送られる。このリターン搬送系TPは、個別に設けた搬送機構(ロボットアームとレール等)で構成しても良いし、コーター部CTR内の各ユニット部を無処理状態(スキップモード)で送っていく構成であっても良い。   However, when the test reticle TR is placed on the reticle stage RST and the wedge-shaped pattern FWM is exposed on the test wafer TW, the test wafer TW developed by the developer unit DVR is returned to the recovery port unit via the return transport system TP. It is sent to the buffer unit BFP, not to FP2. The return transport system TP may be configured by a transport mechanism (robot arm and rail, etc.) provided individually, or configured to send each unit unit in the coater unit CTR in a non-processed state (skip mode). There may be.

バッファー部BFPに送られた現像済みのテストウェハTWは、露光装置EXPのウェハ搬送部WTPに送られ、プリアライメントされた後にウェハステージWSTに載置される。不図示ではあるが、テストレチクルTRのパターン形成領域PA内の周辺部には、テストウェハTW上に露光されるウェハマークが形成されている。従って、ウェハステージWSTに載置された現像済みのテストウェハTWの各ショット領域には、楔状パターン像(レジスト像)WMpと共に、そのウェハマークのレジスト像(以下、単にウェハマークと呼ぶ)も形成されている。   The developed test wafer TW sent to the buffer unit BFP is sent to the wafer transport unit WTP of the exposure apparatus EXP, pre-aligned, and then placed on the wafer stage WST. Although not shown, a wafer mark to be exposed on the test wafer TW is formed in the peripheral portion in the pattern formation area PA of the test reticle TR. Therefore, in each shot area of the developed test wafer TW placed on the wafer stage WST, a resist image of the wafer mark (hereinafter simply referred to as a wafer mark) is formed along with the wedge-shaped pattern image (resist image) WMp. Has been.

露光装置EXPは、ウェハステージWST上のテストウェハTWのウェハマークを、図23のアライメント系ALGによって検出し、対物レンズ208の観察視野に対するテストウェハTW上のショット領域(又は楔パターンWMp)の位置を、ウェステージWSTのことで、位置座標として設定する。これにより、以降、ウェハステージWSTの位置座標を変えるだけで、テストウェハTW上の計測したい楔パターンWMpを対物レンズ208の観察視野内にもたらすことができる。   The exposure apparatus EXP detects the wafer mark of the test wafer TW on the wafer stage WST by the alignment system ALG in FIG. 23, and the position of the shot region (or wedge pattern WMp) on the test wafer TW with respect to the observation field of the objective lens 208 Is set as a position coordinate by the Westage WST. Thereby, the wedge pattern WMp desired to be measured on the test wafer TW can be brought into the observation field of the objective lens 208 only by changing the position coordinates of the wafer stage WST.

本実施形態では、図23に示したアライメント系ALGの撮像素子216によって、テストウェハTW上の楔状パターン像WMpのプロファイル(楔長軸方向の寸法等)を計測する。その為、露光装置EXPには、図24に示すような画像処理ユニット(CPUを含むボード)が設けられている。画像処理ユニットには、撮像素子216からの画像信号の振幅やオフセットを補正する調整アンプGCA、調整された画像信号の輝度値を少なくとも画素単位でデジタル値に変換するA/DコンバータADC、変換された画像信号のデジタルデータ(デジタル画像データ)を一時的に保存するメモリVRAM、及び、メモリVRAMに保存されたデジタル画像データを用いて、各種の演算処理を所定のプログラムに従って実行するサブ・プロセッサー(計算機)SPCが設けられる。   In the present embodiment, the profile (such as the dimension in the wedge major axis direction) of the wedge-shaped pattern image WMp on the test wafer TW is measured by the imaging device 216 of the alignment system ALG shown in FIG. Therefore, the exposure apparatus EXP is provided with an image processing unit (a board including a CPU) as shown in FIG. The image processing unit includes an adjustment amplifier GCA that corrects the amplitude and offset of the image signal from the image sensor 216, and an A / D converter ADC that converts the luminance value of the adjusted image signal into a digital value at least in pixel units. A memory VRAM that temporarily stores digital data (digital image data) of the image signal, and a sub processor that executes various arithmetic processes according to a predetermined program using the digital image data stored in the memory VRAM. Computer) SPC is provided.

このサブ・プロセッサーSPCは、露光装置EXPのメインコンピュータやリソグラフィシステムのホストコンピュータに有線または無線で接続され、各種の情報のやり取りを行なうと共に、ベストフォーカス位置に対する誤差ΔFe(図1を参照)、或いは式(31)で定義されるベストフォーカス位置Zbestを、Sinc関数によるフィッティングに基づいて求める。本実施形態の場合、テストウェハTWを露光したときのショットマップ情報と、ショットマップに対応した露光時のフォーカス位置情報(フォーカス位置を変える際のZ方向の振り幅、露光時のテストウェハTWのZ位置、フォーカス位置を変える点数等)とが、メインコンピュータからサブ・プロセッサーSPCに送られ、求められたフォーカス誤差ΔFe又はベストフォーカス位置Zbestがメインコンピュータに送られる。 This sub-processor SPC is connected to the main computer of the exposure apparatus EXP and the host computer of the lithography system by wire or wirelessly, and exchanges various types of information, and an error ΔFe (see FIG. 1) with respect to the best focus position, or The best focus position Z best defined by the equation (31) is obtained based on the fitting by the Sinc function. In the case of the present embodiment, shot map information when the test wafer TW is exposed, and focus position information at the time of exposure corresponding to the shot map (the swing width in the Z direction when changing the focus position, the test wafer TW at the time of exposure) The Z position, the number of points for changing the focus position, etc.) are sent from the main computer to the sub processor SPC, and the determined focus error ΔFe or the best focus position Z best is sent to the main computer.

サブ・プロセッサーSPCは、概略的には図1中に示した手順によって、フォーカス誤差ΔFe又はベストフォーカス位置Zbestを、所定のプログラムに従った演算処理によって求めるが、そのプログラムによる処理手順を図24中にステップ250〜255として示す。ステップ250では、メモリVRAMに記憶された楔パターン像WMpのデジタル画像データからノイズ成分を抑制又は除去したり、画像のコントラストを改善したりする前処理が行なわれる。 The sub-processor SPC generally obtains the focus error ΔFe or the best focus position Z best by a calculation process according to a predetermined program according to the procedure shown in FIG. 1, and the processing procedure by the program is shown in FIG. These are shown as steps 250-255. In step 250, preprocessing is performed to suppress or remove noise components or improve image contrast from the digital image data of the wedge pattern image WMp stored in the memory VRAM.

ステップ251では、楔パターン像WMpのデジタル画像データに基づいて、楔パターン像WMpの長軸方向の2ヶ所の終端部の画像位置(画素位置)を検知し、ステップ252では、その終端部の画像位置から楔パターン像WMpの長さLpを算出する。一般に、デジタル画像データは撮像素子216の画素単位で画像信号の波形をサンプリングしている為、撮像素子216の1画素又は画素ピッチがテストウェハTW上でどの程度の実寸になっているかの換算値(μm/画素)を使って、楔パターン像WMpの長さLpを求める。   In step 251, based on the digital image data of the wedge pattern image WMp, the image positions (pixel positions) of the two end portions in the long axis direction of the wedge pattern image WMp are detected. In step 252, the image of the end portion is detected. The length Lp of the wedge pattern image WMp is calculated from the position. In general, since digital image data samples the waveform of an image signal in units of pixels of the image sensor 216, a conversion value indicating how much one pixel or pixel pitch of the image sensor 216 is on the test wafer TW. Using (μm / pixel), the length Lp of the wedge pattern image WMp is obtained.

次のステップ253では、求めた楔パターン像WMpの長さLpを、メインコンピュータからのショットマップ情報やフォーカス位置情報に対応付けて収集し、記憶する。その際、9個のパターンブロックPG1〜PG9(図15参照)の各々について、1つのパターンブロックPGn内に含まれる楔パターン像WMpの全ての長さLpを計測して加算平均したり、楔長軸方向がX方向の楔パターン像WMpとY方向の楔パターン像WMpとで分けて加算平均したりする。或いは、各ショット内の中央に位置するパターンブロックPG5のみについて、そこに含まれる楔パターン像WMpの全ての長さLpを計測して平均値を求めるだけでも良い。   In the next step 253, the obtained length Lp of the wedge pattern image WMp is collected and stored in association with shot map information and focus position information from the main computer. At that time, for each of the nine pattern blocks PG1 to PG9 (see FIG. 15), all the lengths Lp of the wedge pattern image WMp included in one pattern block PGn are measured and averaged, or the wedge length The wedge direction image WMp whose axial direction is the X direction and the wedge pattern image WMp whose Y direction is the Y direction are divided and averaged. Alternatively, only the length Lp of the wedge pattern image WMp included in only the pattern block PG5 located at the center in each shot may be measured to obtain the average value.

次に、ステップ254において、露光時のテストウェハTWのフォーカス位置(すなわちショット位置)毎に計測された楔パターン像WMpの長さLp(平均値)と、先の式(33)で定義されるようなSINC関数に基づいて、最小二乗近似法によって式(33)中の4つの係数b0、b1、b2、b3を算出し、フォーカス位置(Z位置)を変数とする楔パターン像WMpの長さLpの変化特性、すなわちフォーカス変化特性を決定する。その際、先の図21で説明したように、Z方向に異なる複数のフォーカス位置に対応した計測点数は、焦点深度DOFの幅の1倍〜3倍のデフォーカス範囲に渡って7〜15程度の計測点(Z位置)が分布するように設定するのが良い。   Next, in step 254, the length Lp (average value) of the wedge pattern image WMp measured for each focus position (ie, shot position) of the test wafer TW at the time of exposure is defined by the above equation (33). Based on such a SINC function, the four coefficients b0, b1, b2, b3 in the equation (33) are calculated by the least square approximation method, and the length of the wedge pattern image WMp with the focus position (Z position) as a variable is calculated. The change characteristic of Lp, that is, the focus change characteristic is determined. At that time, as described above with reference to FIG. 21, the number of measurement points corresponding to a plurality of focus positions different in the Z direction is about 7 to 15 over a defocus range that is 1 to 3 times the width of the focal depth DOF. It is preferable to set the measurement points (Z positions) to be distributed.

次のステップ255では、式(33)に基づいて決定されたフォーカス変化特性から、楔パターン像WMpの長さLpが最大となっているフォーカス位置(Z位置)を求め、そこをベストフォーカス位置〔式(31)中のZo〕とする。また、露光装置EXPの射入射式AFセンサー(図2中の38A、38B)がゼロ点と検出するフォーカス位置と、求めたベストフォーカス位置(Zo)とに偏差があれば、その偏差分をフォーカス誤差ΔFeとしてメインコンピュータに送る。また、サブ・プロセッサーSPCは、テストウェハTW上の多数の楔パターン像WMpの長さLpの実測データから、式(31)中のフォーカス位置の正確度(Accuracy)ΔZ、或いは計測再現性(Precision)3σzも求められるので、式(31)で定義されるベストフォーカス位置Zbestに関するデータをメインコンピュータに送ることもできる。 In the next step 255, a focus position (Z position) at which the length Lp of the wedge pattern image WMp is maximized is obtained from the focus change characteristic determined based on the equation (33), and the best focus position [ Zo] in the formula (31). Further, if there is a deviation between the focus position detected by the incident-incidence AF sensor (38A, 38B in FIG. 2) of the exposure apparatus EXP as the zero point and the obtained best focus position (Zo), the deviation is focused. The error ΔFe is sent to the main computer. Further, the sub processor SPC obtains the accuracy (Accuracy) ΔZ of the focus position in Expression (31) or the measurement reproducibility (Precision) from the actual measurement data of the length Lp of the multiple wedge pattern images WMp on the test wafer TW. ) 3σz is also obtained, and therefore data relating to the best focus position Z best defined by the equation (31) can be sent to the main computer.

(像面の変形計測への応用)
以上のようにして、ベストフォーカス位置を精密に特定することができるが、テストレチクルTR内には、例えば図15に示したように、投影領域(パターン領域PA)内の異なる位置に複数のパターンブロックPG1〜PG9があることから、各パターンブロックPGnの場所ごとに、式(33)のSINC関数フィッティングを使ってベストフォーカス位置を求めることができる。
(Application to image plane deformation measurement)
As described above, the best focus position can be specified precisely. However, as shown in FIG. 15, for example, a plurality of patterns are provided at different positions in the projection area (pattern area PA) in the test reticle TR. Since there are blocks PG1 to PG9, the best focus position can be obtained for each location of each pattern block PGn using the SINC function fitting of Expression (33).

図24にステップ256として示すように、サブ・プロセッサーSPCは、例えば9個のパターンブロックPG1〜PG9の各位置でベストフォーカス位置を求める付加的なプログラムも備えている。このようなプログラムによると、投影領域(ショット領域)内の9ヶ所の各々でのベストフォーカス位置(Z位置)を面で近似することにより、投影像面の湾曲やゆがみ等の変形を求めることができる。但しその場合、レチクルステージRSTに保持されたテストレチクルTRのパターン面が、理想的な平面から撓んでいることもあるので、その撓み誤差(湾曲誤差)の量によっては、その誤差分を補正する必要もある。そのようにして求められた投影像面の変形情報は、サブ・プロセッサーSPCからメインコンピュータに送られ、デバイスパターンの露光処理の際の補正ファクターの1つとして使われる。   As shown in step 256 in FIG. 24, the sub processor SPC also includes an additional program for obtaining the best focus position at each position of, for example, nine pattern blocks PG1 to PG9. According to such a program, it is possible to obtain deformations such as curvature and distortion of the projected image plane by approximating the best focus position (Z position) at each of the nine positions in the projection area (shot area) with a surface. it can. However, in this case, the pattern surface of the test reticle TR held on the reticle stage RST may be bent from an ideal plane. Therefore, depending on the amount of the bending error (curving error), the error is corrected. There is also a need. The deformation information of the projection image plane obtained in this way is sent from the sub processor SPC to the main computer and used as one of the correction factors in the exposure process of the device pattern.

(第3の実施形態)
以上の説明では、楔状パターンFWMの投影像をレジスト層に露光し、レジスト像として形成された楔パターンWMpのプロファイル(楔長軸方向の長さLp)を計測するとしたが、ウェハステージWSTに、図25に示すような空間像計測センサーPODが組み込まれた露光装置では、その空間像計測センサーPODを用いて、楔状パターンFWMの投影像の光強度分布(プロファイル)を計測することが可能である。
(Third embodiment)
In the above description, the projection image of the wedge-shaped pattern FWM is exposed on the resist layer, and the profile of the wedge pattern WMp (length Lp in the wedge major axis direction) formed as the resist image is measured. In the exposure apparatus incorporating the aerial image measurement sensor POD as shown in FIG. 25, it is possible to measure the light intensity distribution (profile) of the projection image of the wedge-shaped pattern FWM using the aerial image measurement sensor POD. .

図25において、投影光学系PLの最も像面側のレンズGLを射出する楔状パターンFWMからのテレセントリックな結像光束Le1は、ベストフォーカス位置Zoで最もシャープな光強度分布Uwm(楔パターン像WMpに相当)になっている。空間像計測センサーPODは、ベストフォーカス面と平行にウェハステージWSTに設置されたスリット板Gp1と、スリット板Gp1の下方に配置された集光レンズGp2と、スリット板Gp1のスリットSSを透過して集光レンズGp2で集光される結像光束Le1の一部を受光するフォトディテクタPDとを有する。スリット板Gp1のスリットSSは、楔状パターンFWMのピッチ方向と平行な方向に細長く形成され、ウェハステージWSTのX方向またはY方向の移動によって、結像光束Le1の光強度分布Uwmを横切るように設けられる。   In FIG. 25, the telecentric imaging light beam Le1 from the wedge-shaped pattern FWM exiting the lens GL closest to the image plane of the projection optical system PL has the sharpest light intensity distribution Uwm (into the wedge pattern image WMp at the best focus position Zo). Equivalent). The aerial image measurement sensor POD transmits through the slit plate Gp1 disposed on the wafer stage WST in parallel with the best focus surface, the condensing lens Gp2 disposed below the slit plate Gp1, and the slit SS of the slit plate Gp1. A photodetector PD that receives a part of the imaging light beam Le1 collected by the condenser lens Gp2. The slit SS of the slit plate Gp1 is elongated in a direction parallel to the pitch direction of the wedge-shaped pattern FWM, and is provided so as to cross the light intensity distribution Uwm of the imaging light beam Le1 by the movement of the wafer stage WST in the X direction or the Y direction. It is done.

例えば、図25のように楔状パターンFWM(各楔パターンはレチクル上で遮光部とする)のピッチ方向がY方向の場合、スリット板Gp1のスリットSSもY方向に細長く延びるように配置され、楔状パターンFWMの投影像に対してスリット板Gp1のスリットSSがX方向に移動するように、ウェハステージWSTが移動(走査)される。この走査に伴って、フォトディテクタPDから出力される光電信号Issは、楔状パターンFWMの投影像の光強度分布Uwmに対応して、X方向の中央付近で約1/2の強度に落ち込むような波形となって出力される。光電信号Issの強度変化(波形)は、ウェハステージWSTの位置を高精度に計測する測長用レーザ干渉計からの位置計測情報と対応付けてデジタルサンプリングされ、図24中の撮像素子216からの画像信号と同様に、デジタル波形データとしてメモリVRAM等に記憶される。なお、楔状パターンFWMは、個々の楔パターンを透過部とし、その周囲を遮光部としたものでも良い。   For example, as shown in FIG. 25, when the pitch direction of the wedge-shaped pattern FWM (each wedge pattern is a light-shielding portion on the reticle) is the Y direction, the slit SS of the slit plate Gp1 is also arranged so as to be elongated in the Y direction. Wafer stage WST is moved (scanned) so that slit SS of slit plate Gp1 moves in the X direction with respect to the projected image of pattern FWM. Along with this scanning, the photoelectric signal Iss output from the photodetector PD has a waveform that drops to about ½ in the vicinity of the center in the X direction corresponding to the light intensity distribution Uwm of the projection image of the wedge-shaped pattern FWM. Is output. The intensity change (waveform) of the photoelectric signal Iss is digitally sampled in association with the position measurement information from the length measuring laser interferometer that measures the position of the wafer stage WST with high accuracy, and is output from the image sensor 216 in FIG. Similar to the image signal, it is stored as digital waveform data in a memory VRAM or the like. Note that the wedge-shaped pattern FWM may be a pattern in which each wedge pattern is a transmission portion and the periphery thereof is a light-shielding portion.

楔状パターンFWMの投影像の光強度分布Uwmを、ベストフォーカス位置Zoと異なる複数のフォーカス位置(Z位置)で計測する為に、スリット板Gp1のスリット面(表面)を、例えば0.2μmだけZ方向にシフトさせては、スリット板Gp1のスリットSSが結像光束Le1をX方向に走査するように、ウェハステージWSTを制御する。そして、スリット板Gp1のスリットSSが結像光束Le1を走査するたびに出力される光電信号Issの波形データを記憶する。記憶された波形データは、楔状パターンFWMの投影像の長軸方向に関するプロファイル(強度分布)を有し、画像解析処理と同様の処理によって、複数のフォーカス位置(Z位置)ごとに、楔状パターンFWMの投影像の楔長軸方向の長さLpが求められる。その後の処理は、図24に示したステップ253〜255、又はステップ256と同様に実行される。   In order to measure the light intensity distribution Uwm of the projection image of the wedge-shaped pattern FWM at a plurality of focus positions (Z positions) different from the best focus position Zo, the slit surface (front surface) of the slit plate Gp1 is Z by 0.2 μm, for example. The wafer stage WST is controlled so that the slit SS of the slit plate Gp1 scans the imaging light beam Le1 in the X direction. The waveform data of the photoelectric signal Iss output each time the slit SS of the slit plate Gp1 scans the imaging light beam Le1 is stored. The stored waveform data has a profile (intensity distribution) in the major axis direction of the projection image of the wedge-shaped pattern FWM, and the wedge-shaped pattern FWM is obtained for each of a plurality of focus positions (Z positions) by a process similar to the image analysis process. The length Lp of the projected image in the wedge long axis direction is obtained. Subsequent processing is executed in the same manner as Steps 253 to 255 or Step 256 shown in FIG.

(その他の計測装置)
テストウェハTW上にレジスト層として形成された楔パターン像WMpのプロファイル(楔長軸方向の長さLp)を観察して計測する装置としては、露光装置EXPに搭載されているような光学顕微鏡以外に、共焦点顕微鏡、スキャタロメータ、走査電子顕微鏡(SEM)、Heイオン顕微鏡、走査プローブ顕微鏡(SPM)、原子間力顕微鏡(AFM)等が利用できる。これらの観察/測定装置は、一般的には露光装置に組み込まれることなく、スタンドアロンの測定装置としてオフラインで使われる。
(Other measuring devices)
As an apparatus for observing and measuring the profile (length Lp in the wedge long axis direction) of the wedge pattern image WMp formed as a resist layer on the test wafer TW, an apparatus other than an optical microscope mounted on the exposure apparatus EXP is used. In addition, a confocal microscope, a scatterometer, a scanning electron microscope (SEM), a He ion microscope, a scanning probe microscope (SPM), an atomic force microscope (AFM), and the like can be used. These observation / measurement apparatuses are generally not used in an exposure apparatus but are used offline as a stand-alone measurement apparatus.

(第4の実施形態)
以上の各実施形態で、楔状パターンの投影像のプロファイルをレジスト層に転写する方法では、フォーカス位置Zを一定量ずつ変えた複数のショット露光が必要である。その為、各ショット露光の際にレジスト層に与えられる露光エネルギー、いわゆるドーズ(DOSE)量は一定になるように設定される。これは、ショット露光毎にDOSE量のばらつきがあると、楔像(レジスト像)の長軸寸法の長さLpも変化するからである。
(Fourth embodiment)
In each of the above embodiments, the method of transferring the profile of the projection image of the wedge pattern to the resist layer requires a plurality of shot exposures with the focus position Z being changed by a certain amount. Therefore, the exposure energy given to the resist layer in each shot exposure, so-called dose (DOSE) amount, is set to be constant. This is because the length Lp of the major axis dimension of the wedge image (resist image) also changes when the DOSE amount varies for each shot exposure.

このことから、図1又は図5に示したような楔状パターンの投影像のプロファイル変化を利用して、DOSE量の変化を求めるドーズ・モニターを構成することもできる。その場合、フォーカス位置Zは、例えばベストフォーカス位置に固定し、DOSE量をショット露光毎に一定量ずつ変えながらテスト露光を行い、各ショット露光で生成された楔像のプロファイル(楔長軸方向の長さLp)の変化特性(相関式やマップ等)をデータベースとして保存する。実際のデバイス露光作業の際に、露光装置に設定されている指令値通りに正確に露光量が得られているかをモニターする場合、実デバイス用のレチクル内の隅(ストリートライン部やTEGパターン領域等)に楔状パターンを入れておき、現像後の楔パターンのレジスト像の長さLpを計測し、予めデータベースとして保存してあるDOSE量(露光量)と楔像の長さLpとの相関式やマップ等を参照して、当該露光装置が指令値に従った正確な露光量をレジスト層に与えているかを確認することができる。   Therefore, a dose monitor that obtains a change in the DOSE amount by using a profile change of the projection image of the wedge-shaped pattern as shown in FIG. 1 or FIG. 5 can be configured. In this case, the focus position Z is fixed at, for example, the best focus position, the test exposure is performed while changing the DOSE amount by a certain amount for each shot exposure, and the profile of the wedge image generated in each shot exposure (in the wedge long axis direction). The change characteristics (correlation equation, map, etc.) of the length Lp) are stored as a database. When monitoring whether the exposure amount is accurately obtained according to the command value set in the exposure apparatus during actual device exposure work, corners in the reticle for the actual device (street line section and TEG pattern area) Etc.), a wedge pattern is put in, the length Lp of the resist image of the wedge pattern after development is measured, and the correlation formula between the DOSE amount (exposure amount) stored in advance as a database and the length Lp of the wedge image It is possible to check whether the exposure apparatus gives an accurate exposure amount according to the command value to the resist layer with reference to the map and the like.

但し、図1又は図5に示した楔状パターン(WM、FWM)は、ベストフォーカス位置を求める用途(フォーカス・モニター用)の為に最適化されたものである。そこで、ドーズ・モニター用に最適化した楔状パターンの一例を第4の実施形態として、図26を参照して説明する。   However, the wedge-shaped patterns (WM, FWM) shown in FIG. 1 or FIG. 5 are optimized for the purpose of obtaining the best focus position (for focus / monitor). Therefore, an example of a wedge-shaped pattern optimized for dose monitoring will be described as a fourth embodiment with reference to FIG.

図26は、ドーズ・モニター用に最適化した一対のテストパターンDM1、DM2の形状と、ドーズ・モニターとしての計測方法を説明する図である。図26において、テストパターンDM1は、Y方向に直線的に延びたエッジEsを有し、そのエッジEsから+X方向に一定幅の状態でY方向に延びるラインパターン部PDaと、そのラインパターン部PDaの右端から+X方向に一定寸法で突出する鋭角な三角形パターンの複数個をY方向に連続して配置した楔状パターン部PDbとで構成される。テストパターンDM2は、テストパターンDM1から+X方向に間隔SD離して配置され、間隔SDのX方向の中心をY方向に通る中心線に関して、テストパターンDM1を線対称に折り曲げた形状となっている。   FIG. 26 is a diagram for explaining the shape of a pair of test patterns DM1 and DM2 optimized for a dose monitor and a measuring method as a dose monitor. In FIG. 26, the test pattern DM1 has an edge Es linearly extending in the Y direction, and a line pattern portion PDa extending from the edge Es in the Y direction with a constant width in the + X direction, and the line pattern portion PDa. And a wedge-shaped pattern portion PDb in which a plurality of acute-angled triangular patterns protruding with a fixed dimension in the + X direction are continuously arranged in the Y direction. The test pattern DM2 is arranged at a distance SD from the test pattern DM1 in the + X direction, and has a shape in which the test pattern DM1 is bent symmetrically with respect to a center line passing through the center in the X direction of the distance SD in the Y direction.

テストパターンDM1、DM2の楔状パターン部PDbの1つの三角形パターンは、一例として、Y方向の線幅が0.12μm、X方向の長さが4.5μmの線状パターンの先端部の3μmm程度に形成される。その線状パターンのX方向の残りの部分(X方向に1.5μm)によって、ラインパターン部PDaが構成される。このようなテストパターンDM1、DM2が形成されたレチクルTRを投影光学系PLの物面側に配置し、像面側にレジスト層を形成したウェハTWを配置し、ショット露光毎に一定量ずつドーズ量を変えて複数のショット露光を行う。露光後のウェハTWを現像して、レジスト層に転写された各ショット内のテストパターンDM1、DM2のレジスト像を、図23に示したようなアライメント系ALG、或いは同様の観察光学系を介して撮像する。   One triangular pattern of the wedge-shaped pattern portion PDb of the test patterns DM1 and DM2 is, for example, about 3 μmm at the tip of a linear pattern having a Y-direction line width of 0.12 μm and an X-direction length of 4.5 μm. It is formed. The remaining portion of the linear pattern in the X direction (1.5 μm in the X direction) forms a line pattern portion PDa. The reticle TR on which such test patterns DM1 and DM2 are formed is disposed on the object surface side of the projection optical system PL, the wafer TW on which a resist layer is formed is disposed on the image surface side, and a certain amount is dosed for each shot exposure. Multiple shot exposures are performed with varying amounts. The exposed wafer TW is developed, and the resist images of the test patterns DM1 and DM2 in each shot transferred to the resist layer are transferred via an alignment system ALG as shown in FIG. 23 or a similar observation optical system. Take an image.

その際、アライメント系ALG(観察光学系)の撮像素子による水平走査線Svが、図26のように、X方向になるように設定する。すなわち、テストパターンDM1、DM2の楔状パターン部PDbを構成する個々の三角形パターンが延びる方向(楔長軸方向)と、撮像素子の水平走査線Svの方向とを一致させておく。そして、水平走査線Sv毎に得られる画像信号を、複数本の水平走査線に渡って画素単位で垂直走査方向に積算(同期加算)する。   At that time, the horizontal scanning line Sv by the imaging device of the alignment system ALG (observation optical system) is set to be in the X direction as shown in FIG. That is, the direction in which the individual triangular patterns constituting the wedge-shaped pattern portions PDb of the test patterns DM1 and DM2 extend (the wedge major axis direction) and the direction of the horizontal scanning line Sv of the image sensor are made to coincide. Then, the image signals obtained for each horizontal scanning line Sv are accumulated (synchronously added) in the vertical scanning direction in units of pixels over a plurality of horizontal scanning lines.

これによって、積算された画像信号は、図26の下に示したような信号波形FuaまたはFubとなる。信号波形Fuaは、ウェハTW上のレジスト層に対して最も適したドーズ量(露光量)が与えられ、楔状パターン部PDbの先端近くまで三角形パターンのレジスト像が得られている状態である。一方、信号波形Fubは、ウェハTW上のレジスト層に対して少し多めのドーズ量(露光量)が与えられ、楔状パターン部PDbの先端近くでは三角形パターンのレジスト像が消失している状態である。尚、信号波形Fua、Fubは、テストパターンDM1、DM2に対応したレジスト像(或いは下地)の反射率が、その周辺の下地(或いはレジスト層)の反射率に対して低いものとして表してある。   As a result, the integrated image signal has a signal waveform Fua or Fab as shown in the lower part of FIG. The signal waveform Fua is a state in which a dose amount (exposure amount) most suitable for the resist layer on the wafer TW is given, and a resist image having a triangular pattern is obtained near the tip of the wedge-shaped pattern portion PDb. On the other hand, in the signal waveform Fab, a slightly larger dose amount (exposure amount) is given to the resist layer on the wafer TW, and the triangular pattern resist image disappears near the tip of the wedge-shaped pattern portion PDb. . Note that the signal waveforms Fua and Fub are expressed as the reflectance of the resist image (or the ground) corresponding to the test patterns DM1 and DM2 is lower than the reflectance of the surrounding ground (or resist layer).

信号波形Fubの場合、レジスト像となったテストパターンDM1の楔状パターン部PDbの先端は、−X方向にΔXkだけ消失して短くなり、レジスト像となったテストパターンDM2の楔状パターン部PDbの先端は、+X方向にΔXkだけ消失して短くなる。併せて、テストパターンDM1のラインパターン部PDaのエッジEsのレジスト像中の位置は、+X方向にΔXLだけずれ、テストパターンDM2のラインパターン部PDaのエッジEsのレジスト像中の位置は、−X方向にΔXLだけずれる。   In the case of the signal waveform Fab, the tip of the wedge-shaped pattern portion PDb of the test pattern DM1 that has become the resist image disappears by ΔXk in the −X direction and becomes short, and the tip of the wedge-shaped pattern portion PDb of the test pattern DM2 that has become the resist image. Disappears by ΔXk in the + X direction and becomes shorter. In addition, the position in the resist image of the edge Es of the line pattern portion PDa of the test pattern DM1 is shifted by ΔXL in the + X direction, and the position in the resist image of the edge Es of the line pattern portion PDa of the test pattern DM2 is −X. The direction is shifted by ΔXL.

そこで、適正な露光量で得られた信号波形Fua中のテストパターンDM1のレジスト像に対応したボトム状波形部分のX方向の重心位置Ga1と、テストパターンDM2のレジスト像に対応したボトム状波形部分のX方向の重心位置Ga2との間隔距離Lgaを計測する。同様に、オーバー気味の露光量で得られた信号波形Fub中のテストパターンDM1のレジスト像に対応したボトム状波形部分のX方向の重心位置Gb1と、テストパターンDM2のレジスト像に対応したボトム状波形部分のX方向の重心位置Gb2との間隔距離Lgbを計測する。楔状パターン部PDbの先端の各三角形パターンのレジスト像は、露光量の変化に敏感であり、わずかな露光量の変化で三角形パターンの先端のX方向位置は大きく変化する。これに対して、ラインパターン部PDaのエッジEsのレジスト像中でのX方向の位置変化は、露光量の僅かな変化には鈍感である。その為、楔状パターン部PDbの先端のレジスト像中でのX方向の位置変化|ΔXk|と、エッジEsのレジスト像中でのX方向の位置変化|ΔXL|とは、|ΔXk|>|ΔXL|の関係になる。   Therefore, the center-of-gravity position Ga1 in the X direction of the bottom waveform portion corresponding to the resist image of the test pattern DM1 in the signal waveform Fua obtained with an appropriate exposure amount and the bottom waveform portion corresponding to the resist image of the test pattern DM2. The distance Lga from the center of gravity position Ga2 in the X direction is measured. Similarly, the center-of-gravity position Gb1 in the X direction of the bottom waveform portion corresponding to the resist image of the test pattern DM1 in the signal waveform Fab obtained with the overexposure exposure amount, and the bottom shape corresponding to the resist image of the test pattern DM2 The distance Lgb between the waveform portion and the center of gravity position Gb2 in the X direction is measured. The resist image of each triangular pattern at the tip of the wedge-shaped pattern portion PDb is sensitive to a change in exposure amount, and the position in the X direction of the tip of the triangle pattern changes greatly with a slight change in exposure amount. On the other hand, the position change in the X direction in the resist image of the edge Es of the line pattern portion PDa is insensitive to a slight change in the exposure amount. Therefore, the position change | ΔXk | in the X direction in the resist image at the tip of the wedge-shaped pattern portion PDb and the position change | ΔXL | in the X direction in the resist image at the edge Es are | ΔXk |> | ΔXL |

そのため、図26のように、楔状パターン部PDbを互いに向い合わせた一対のテストパターンDM1、DM2を設けると、露光量の僅かな変化を、間隔距離Lga、Lgbの変化として計測することができる。なお、先に説明したように、ラインパターン部PDaのエッジEsに対応したレジスト像の位置は、露光量の変化に鈍感なので、テストパターンDM1、DM2のいずれか一方のみに対応したボトム状波形の重心位置とエッジEsとのX方向の間隔距離から、露光量の変化を求めても良い。なお、一対のテストパターンDM1、DM2は、ラインパターン部PDaのエッジEsを互いに向い合わせた配置としても良く、或いは、テストパターンDM1、DM2の対をX方向に繰り返し配列しても良い。そのような配置例については後述する。   Therefore, as shown in FIG. 26, when a pair of test patterns DM1 and DM2 in which the wedge-shaped pattern portions PDb are opposed to each other are provided, a slight change in the exposure amount can be measured as a change in the interval distances Lga and Lgb. As described above, since the position of the resist image corresponding to the edge Es of the line pattern portion PDa is insensitive to the change in exposure amount, it has a bottom waveform corresponding to only one of the test patterns DM1 and DM2. A change in exposure amount may be obtained from the distance in the X direction between the center of gravity position and the edge Es. Note that the pair of test patterns DM1 and DM2 may be arranged such that the edges Es of the line pattern portion PDa face each other, or a pair of test patterns DM1 and DM2 may be repeatedly arranged in the X direction. Such an arrangement example will be described later.

ところで、図26に示すように、単一の三角形パターンの寸法が、楔の長手方向(X方向)に3μm、楔の最大幅(Y方向)として0.12μm程度であり、そのような三角形パターンをY方向に0.12μmピッチ(周期)で複数密集させた楔状パターン部PDbの場合、アライメント系ALGや他の観察光学系の対物レンズの開口数(NA)の制限によって、楔状パターン部PDbに対応したレジスト像から発生した±1次回折光や他の高次回折光は、観察光学系の瞳でけられて撮像素子に達しないことがある。その為、例え、20nm線幅の解像力を持つ液浸露光装置等によって、楔状パターン部PDbの各三角形パターンが、その形状を概ね留めたレジスト像として生成されたとしても、観察光学系(対物レンズ)を介して撮像素子に達する光のほとんどは、楔状パターン部PDbに対応したレジスト像からの0次光(正規反射光)となり、各三角形パターンの像形状として観察できないことになる。   By the way, as shown in FIG. 26, the dimensions of a single triangular pattern are about 3 μm in the longitudinal direction (X direction) of the wedge and about 0.12 μm as the maximum width (Y direction) of the wedge. In the case of a wedge-shaped pattern portion PDb in which a plurality of dots are densely packed in the Y direction at a pitch of 0.12 μm (period), the wedge-shaped pattern portion PDb is limited by the numerical aperture (NA) of the objective lens of the alignment system ALG and other observation optical systems. ± 1st-order diffracted light and other high-order diffracted light generated from the corresponding resist image may be scattered by the pupil of the observation optical system and do not reach the image sensor. For this reason, even if each triangular pattern of the wedge-shaped pattern portion PDb is generated as a resist image substantially retaining its shape by an immersion exposure apparatus having a resolution of 20 nm line width, the observation optical system (objective lens) Most of the light that reaches the image sensor via () becomes zero-order light (regular reflected light) from the resist image corresponding to the wedge-shaped pattern portion PDb, and cannot be observed as the image shape of each triangular pattern.

しかしながら、楔状パターン部PDbに対応したレジスト像の全体から発生する0次光の強度は、三角形パターンの楔の長手方向に変化することから、X方向に輝度(濃淡)が変化するグラデーション像として観察でき、撮像素子からの画像信号にも、グラデーション像に対応した部分(楔状パターン部PDb)が、図26の信号波形Fua中でなだらかに強度変化するスロープ状となって現れる。楔状パターン部PDbに対応したレジスト像の全体から発生する0次光の強度が楔の長手方向に変化することは、先の図6を用いて式(4)で示したように、0次光の振幅強度a0=D/P(ピッチ線幅比率)から明らかである。 However, since the 0th-order light intensity generated from the entire resist image corresponding to the wedge-shaped pattern portion PDb changes in the longitudinal direction of the wedge of the triangular pattern, it is observed as a gradation image in which the luminance (lightness / darkness) changes in the X direction. In addition, a portion corresponding to the gradation image (wedge pattern portion PDb) also appears in the image signal from the image pickup device in a slope shape in which the intensity gradually changes in the signal waveform Fua in FIG. The fact that the intensity of the 0th-order light generated from the entire resist image corresponding to the wedge-shaped pattern portion PDb changes in the longitudinal direction of the wedge as shown in the equation (4) using FIG. Is clear from the amplitude intensity a 0 = D / P (pitch line width ratio).

以上、本実施形態では、テストパターンとして、第1方向(図26ではX方向)に沿って細長く形成されると共に、第1方向と直交する第2方向(図26ではY方向)の幅が第1方向に沿って減少する楔状パターンを、第2方向に所定の周期で複数配置して構成されたレチクルを用い、そのレチクル上のテストパターンを、投影光学系(結像光学系)の像面側に投影し、テストパターンの投影像の光学プロファイルを感光層に転写することと、観察光学系を介して、感光層に転写された光学プロファイルの全体から発生する0次光の第1方向に沿った強度分布を検出することと、その検出された強度分布に基づいて、感光層に転写されたテストパターンの第1方向に関する結像の忠実度を判定することと、を実行することによって、投影光学系(結像光学系)の光学特性や露光性能を評価する評価方法が得られる。   As described above, in the present embodiment, the test pattern is elongated along the first direction (X direction in FIG. 26), and the width in the second direction (Y direction in FIG. 26) orthogonal to the first direction is the first. Using a reticle configured by arranging a plurality of wedge-shaped patterns decreasing along one direction at a predetermined period in the second direction, a test pattern on the reticle is used as an image plane of a projection optical system (imaging optical system). And projecting the optical profile of the projected image of the test pattern to the photosensitive layer, and in the first direction of the zero-order light generated from the entire optical profile transferred to the photosensitive layer via the observation optical system Detecting an intensity distribution along the line and determining an image fidelity with respect to the first direction of the test pattern transferred to the photosensitive layer based on the detected intensity distribution, Projection optics Evaluation method for evaluating the optical characteristics and exposure performance (imaging optical system) can be obtained.

それによって、レジスト像として形成された1本の楔パターンの長軸方向と直交する線幅(図1、図5中のWに相当)が、観察光学系によって解像できない程度に小さい場合でも、その楔パターンが線幅方向に複数本並んだ全体のパターンから発生する0次光によるグラデーション像(光の強弱による濃淡像)の寸法変化を計測することによって、ドーズ量の変化だけでなく、フォーカス位置の変化もモニターすることができる。すなわち、投影光学系(結像光学系)によるパターンの投影像が、被投影面においてどの位の忠実度を持って投影(転写)されるかを、簡単に計測することができる。   Thereby, even when the line width orthogonal to the major axis direction of one wedge pattern formed as a resist image (corresponding to W in FIGS. 1 and 5) is so small that it cannot be resolved by the observation optical system, By measuring the dimensional change of the gradation image (grayscale image due to the intensity of light) generated by the 0th-order light generated from the entire pattern in which multiple wedge patterns are arranged in the line width direction, not only the change in dose but also the focus Changes in position can also be monitored. That is, it is possible to easily measure how much the projection image of the pattern by the projection optical system (imaging optical system) is projected (transferred) on the projection surface.

(第5の実施形態)
次に、図27を参照して、図26中のテストパターンDM1、DM2の対をX方向に繰り返し配列して、ドーズ・モニター(又はフォーカス・モニター)として利用する例を説明する。図27(A)は、レチクルTR上に形成されるテストパターンDM1、DM2の形状を示し、テストパターンDM1、DM2の対を繰り返しX方向に一定の間隔で配列することにより、ラインパターン部PDaのエッジEs(Y方向に延びる)が互いに向い合った部分Laと、楔状パターン部PDbが互いに向い合った部分LbとがX方向に交互に形成される。ここで、部分LaはX方向に数μm程度(ウェハ上寸法)の線幅を持ってY方向に延びた細線として構成され、部分Lbは楔の三角形の先端間がX方向に数μm程度(ウェハ上寸法)の線幅を持ってY方向に延びた細線として構成される。
(Fifth embodiment)
Next, an example in which a pair of test patterns DM1 and DM2 in FIG. 26 is repeatedly arranged in the X direction and used as a dose monitor (or focus monitor) will be described with reference to FIG. FIG. 27A shows the shapes of the test patterns DM1 and DM2 formed on the reticle TR. By repeatedly arranging the pairs of test patterns DM1 and DM2 at a constant interval in the X direction, the line pattern portion PDa The portions La where the edges Es (extending in the Y direction) face each other and the portions Lb where the wedge-shaped pattern portions PDb face each other are alternately formed in the X direction. Here, the portion La is configured as a thin line extending in the Y direction with a line width of about several μm (on-wafer dimension) in the X direction, and the portion Lb is about several μm in the X direction between the tips of the wedge triangles ( It is configured as a thin line extending in the Y direction with a line width of (on-wafer dimension).

図27(B)は、図27(A)のレチクルTR上に形成されるテストパターンDM1、DM2をレジスト層に露光して現像した後に、アライメント系ALGや同様の観察光学系によって撮像されるテストパターンDM1、DM2のレジスト像DM1’、DM2’の表示画像の一例を示す。CCD等の撮像素子で撮像されるレジスト像DM1’、DM2’のうち、楔状パターン部PDbに対応したレジスト像PDb’はX方向にグラデーションとなって現れ、ラインパターン部PDaのエッジEsに対応したレジスト像Es’はX方向に急峻なコントラストを伴って現れる。なお、図27(A)、(B)において、テストパターンDM1、DM2の寸法や配列は、一例として、細線部分Laと細線部分Lbの線幅がウェハ上寸法で2μm程度、テストパターンDM1とDM2のX方向の繰り返しピッチがウェハ上寸法で6μm程度になるように設定される。この場合、テストパターンDM1、DM2のX方向の全幅はウェハ上では4μm程度になるように設定される。   FIG. 27B shows a test imaged by the alignment system ALG or a similar observation optical system after exposing and developing the test patterns DM1 and DM2 formed on the reticle TR of FIG. 27A on the resist layer. An example of display images of resist images DM1 ′ and DM2 ′ of patterns DM1 and DM2 is shown. Of the resist images DM1 ′ and DM2 ′ picked up by an image pickup device such as a CCD, the resist image PDb ′ corresponding to the wedge-shaped pattern portion PDb appears as a gradation in the X direction and corresponds to the edge Es of the line pattern portion PDa. The resist image Es ′ appears with a steep contrast in the X direction. 27A and 27B, the dimensions and arrangement of the test patterns DM1 and DM2 are, for example, the line widths of the thin line portion La and the thin line portion Lb are about 2 μm on the wafer, and the test patterns DM1 and DM2 The repeat pitch in the X direction is set to be about 6 μm on the wafer. In this case, the entire width of the test patterns DM1 and DM2 in the X direction is set to about 4 μm on the wafer.

図27(C)は、このようなレジスト像DM1’、DM2’を撮像素子の複数の水平走査線Svで走査して同期加算によって得られた画像信号Fuの波形の一例を示す。先に説明したように、互いに向い合った2つのレジスト像Es’で挟まれた細線部分Laの線幅Lgcは、ドーズ量の多少の変化(又はフォーカス位置の変化)に対しては鈍感であり、余り変化しない。これに対して、レジスト像PDb’で挟まれた細線部分Lbの線幅Lgaは、ドーズ量の変化(又はフォーカス位置の変化)に対して敏感であり、露光時のドーズ量に応じて変化する。そこで、図27(C)のような画像信号Fuに基づいて、複数の細線部分Laに対応したレジスト像の各線幅Lgcと、複数の細線部分Lbに対応したレジスト像の各線幅Lgaとを計測し、線幅Lgcの平均値Avcと線幅Lgaの平均値Avaとを求める。そして、線幅Lgcの平均値Avcを基準として、線幅Lgaの平均値Avaの変化特性を求めると、ドーズ量の最適値が判る。   FIG. 27C shows an example of the waveform of the image signal Fu obtained by synchronous addition by scanning such resist images DM1 'and DM2' with a plurality of horizontal scanning lines Sv of the image sensor. As described above, the line width Lgc of the thin line portion La sandwiched between the two resist images Es ′ facing each other is insensitive to a slight change in the dose amount (or a change in the focus position). , Not much change. On the other hand, the line width Lga of the thin line portion Lb sandwiched between the resist images PDb ′ is sensitive to a change in dose (or a change in focus position), and changes according to the dose during exposure. . Therefore, based on the image signal Fu as shown in FIG. 27C, each line width Lgc of the resist image corresponding to the plurality of thin line portions La and each line width Lga of the resist image corresponding to the plurality of thin line portions Lb are measured. The average value Avc of the line width Lgc and the average value Ava of the line width Lga are obtained. Then, when the change characteristic of the average value Ava of the line width Lga is obtained on the basis of the average value Avc of the line width Lgc, the optimum value of the dose amount can be found.

具体的には、図27(A)のテストパターンDM1、DM2を、ドーズ量を一定量ずつ変えて、ウェハTW上の複数のショット領域に順次露光した後、レジスト層を現像する。複数のドーズ量(ショット領域)毎にウェハTW上に形成されたテストパターンDM1、DM2のレジスト像を順次観察して、図27(C)のような画像信号Fuを取得する。各ドーズ量ごとに得られた画像信号Fuを解析して、線幅Lgcの平均値Avcと線幅Lgaの平均値Avaを求める。ドーズ量の変化に対して、線幅Lgcの平均値Avcは緩やかに変化し、線幅Lgaの平均値Avaは大きく変化する。すなわち、細線部分La、Lbに対応したレジスト像の線幅値を縦軸とし、ドーズ量を横軸とした関係グラフを想定すると、線幅Lgcの平均値Avcのドーズ量による変化を表すグラフ線の傾きは小さく、線幅Lgaの平均値Avaのドーズ量による変化を表すグラフ線の傾きは大きくなる。   Specifically, the test patterns DM1 and DM2 in FIG. 27A are sequentially exposed to a plurality of shot areas on the wafer TW while changing the dose amount by a certain amount, and then the resist layer is developed. The resist images of the test patterns DM1 and DM2 formed on the wafer TW for each of a plurality of doses (shot regions) are sequentially observed to obtain an image signal Fu as shown in FIG. The image signal Fu obtained for each dose amount is analyzed to obtain an average value Avc of the line width Lgc and an average value Ava of the line width Lga. As the dose changes, the average value Avc of the line width Lgc changes gradually, and the average value Ava of the line width Lga changes greatly. That is, assuming a relationship graph with the line width value of the resist image corresponding to the thin line portions La and Lb as the vertical axis and the dose amount as the horizontal axis, a graph line representing a change in the average value Avc of the line width Lgc due to the dose amount The slope of the graph line is small, and the slope of the graph line representing the change due to the dose amount of the average value Ava of the line width Lga is large.

以上のように、本実施形態では、楔状パターンを用いて、ドーズ量(又はフォーカス位置)変化に対する線幅変化の感度が高い第1のレジスト像と、ドーズ量(又はフォーカス位置)変化に対する線幅変化の感度が低い第2のレジスト像とを得て、第2のレジスト像の線幅変化を基準として、第1のレジスト像の線幅変化を求めることができるので、より高精度なドーズ・モニター(或いはフォーカス・モニター)が得られる。   As described above, in the present embodiment, using the wedge-shaped pattern, the first resist image having a high sensitivity of the line width change with respect to the dose (or focus position) change and the line width with respect to the dose (or focus position) change. A second resist image having a low change sensitivity can be obtained, and the line width change of the first resist image can be obtained with reference to the line width change of the second resist image. A monitor (or focus monitor) is obtained.

EXP…露光装置、 PL…投影光学系、 TR…テストレチクル、 TW…テストウェハ、 WM、FW、FWM…楔状パターン、 WMp…楔パターン像(レジスト像)、 ip…照明瞳、 ip’ …正方形で規定した照明瞳、 ep…投影瞳、 ep’ …正方形で規定した投影瞳、 Lp…楔パターン像の長軸方向の長さ、 ALG…アライメント系、 PG1〜PG9…パターンブロック、 C/D…コーターデベロッパー、 コーター部…CTR、 デベロッパー部…DVR、 ILU…照明系、 RST…レチクルステージ、 WST…ウェハステージ、 SPC…サブ・プロセッサー、 POD…空間像計測センサー

EXP ... exposure apparatus, PL ... projection optical system, TR ... test reticle, TW ... test wafer, WM, FW, FWM ... wedge pattern, WMp ... wedge pattern image (resist image), ip ... illumination pupil, ip '... square Specified illumination pupil, ep ... projection pupil, ep '... projection pupil defined by a square, Lp ... length in the long axis direction of the wedge pattern image, ALG ... alignment system, PG1 to PG9 ... pattern block, C / D ... coater Developer, Coater part ... CTR, Developer part ... DVR, ILU ... Illumination system, RST ... Reticle stage, WST ... Wafer stage, SPC ... Sub processor, POD ... Aerial image measurement sensor

Claims (16)

投影光学系のフォーカス特性を計測する方法であって、
前記投影光学系の像面側に楔状パターンの像を投影する工程と、
前記投影光学系の焦点深度の方向に所定量ずつ変化させた複数のフォーカス位置の各々で、前記投影された前記楔状パターンの像プロファイルを取得する工程と、
前記複数のフォーカス位置毎に、前記取得された像プロファイルの前記楔状パターンの鋭角が延びる方向の長さを計測する工程と、
前記フォーカス位置を変数とする三角関数を含むモデル関数を用いて、前記計測された像プロファイルの長さの前記フォーカス位置に対する変化特性を決定する工程と、
を含むフォーカス特性の計測方法。
A method for measuring a focus characteristic of a projection optical system,
Projecting an image of a wedge-shaped pattern on the image plane side of the projection optical system;
Obtaining an image profile of the projected wedge-shaped pattern at each of a plurality of focus positions changed by a predetermined amount in the direction of the depth of focus of the projection optical system;
Measuring a length in a direction in which an acute angle of the wedge-shaped pattern of the acquired image profile extends for each of the plurality of focus positions;
Determining a change characteristic of the length of the measured image profile with respect to the focus position using a model function including a trigonometric function having the focus position as a variable;
Measurement method of focus characteristics including
前記像プロファイルを取得する工程は、前記複数のフォーカス位置の各々に感光基板の感光層を設定すると共に、該設定されるフォーカス位置ごとに前記感光層の異なる位置に、前記楔状パターンの像を同一の露光量で投影露光する段階を含み、
前記楔状パターンの像プロファイルを前記感光層に生成する、
請求項1に記載のフォーカス特性の計測方法。
In the step of acquiring the image profile, a photosensitive layer of a photosensitive substrate is set at each of the plurality of focus positions, and the image of the wedge-shaped pattern is made identical at a different position of the photosensitive layer for each set focus position. A step of performing projection exposure with an exposure amount of
Generating an image profile of the wedge-shaped pattern in the photosensitive layer;
The focus characteristic measuring method according to claim 1.
前記モデル関数は、前記フォーカス位置をZ、前記像プロファイルの長さをLpとしたとき、Lp=f(Z)で定義され、前記モデル関数f(Z)は、複数個の未知数を含む正弦関数または余弦関数に基づいて定義される、
請求項1または請求項2に記載のフォーカス特性の計測方法。
The model function is defined as Lp = f (Z) where Z is the focus position and Lp is the length of the image profile. The model function f (Z) is a sine function including a plurality of unknowns. Or defined based on cosine function,
The focus characteristic measuring method according to claim 1.
前記モデル関数f(Z)は、前記フォーカス位置Zを変数とする正弦関数sin(Z)を前記フォーカス位置Zで除したシンク関数Sinc(Z)で定義される、
請求項3に記載のフォーカス特性の計測方法。
The model function f (Z) is defined by a sink function Sinc (Z) obtained by dividing a sine function sin (Z) with the focus position Z as a variable by the focus position Z.
The focus characteristic measuring method according to claim 3.
前記モデル関数f(Z)は、4つの未知数b、b、b、bを含むシンク関数、
f(Z)=b・Sinc〔b・(Z−b)〕+bで定義される、
請求項4に記載のフォーカス特性の計測方法。
The model function f (Z) is a sink function including four unknowns b 0 , b 1 , b 2 , b 3 ,
f (Z) = b 0 · Sinc [b 1 · (Z−b 2 )] + b 3
The focus characteristic measuring method according to claim 4.
前記変化特性を決定する工程は、前記複数のフォーカス位置を互いに異なる4以上のフォーカス位置Zj(j=1,2〜)とし、前記計測する工程において計測される各フォーカス位置Zjでの前記像プロファイルの長さをLpj(j=1,2〜)としたとき、フォーカス位置Zjと長さLpjを用いて、前記モデル関数f(Z)の前記4つの未知数b、b、b、bを算定する段階を含む、
請求項5に記載のフォーカス特性の計測方法。
In the step of determining the change characteristic, the plurality of focus positions are set to four or more focus positions Zj (j = 1 to 2) different from each other, and the image profile at each focus position Zj measured in the measurement step. Is Lpj (j = 1, 2˜), the four unknowns b 0 , b 1 , b 2 , b of the model function f (Z) using the focus position Zj and the length Lpj. Including the step of calculating 3 .
The focus characteristic measuring method according to claim 5.
前記算定された前記4つの未知数b、b、b、bによって規定される前記シンク関数Sinc(Z)の変化特性の値が最も大きくなるフォーカス位置を、前記投影光学系のベストフォーカス位置と判定する、
請求項6に記載のフォーカス特性の計測方法。
The focus position at which the value of the change characteristic of the sink function Sinc (Z) defined by the calculated four unknowns b 0 , b 1 , b 2 , b 3 is the largest is the best focus of the projection optical system. To determine the position,
The focus characteristic measuring method according to claim 6.
前記モデル関数f(Z)は、前記フォーカス位置Zを変数とする余弦関数cos(Z)で定義される、
請求項3に記載のフォーカス特性の計測方法。
The model function f (Z) is defined by a cosine function cos (Z) with the focus position Z as a variable.
The focus characteristic measuring method according to claim 3.
前記投影する工程は、前記楔状パターンを有するマスクを前記投影光学系の物面側に配置する段階と、照明光学系から投射される照度分布が一様な照明光を前記マスクに照射し、前記楔状パターンからの光を前記投影光学系に入射させる段階と、を含み、
前記照明光学系が、前記投影光学系の瞳面と光学的に共役な面またはその近傍面に、所定の形状の光源分布を形成する、
請求項3に記載のフォーカス特性の計測方法。
The projecting step includes a step of arranging a mask having the wedge-shaped pattern on the object surface side of the projection optical system, irradiating the mask with illumination light having a uniform illuminance distribution projected from the illumination optical system, Allowing light from a wedge-shaped pattern to enter the projection optical system,
The illumination optical system forms a light source distribution of a predetermined shape on a surface optically conjugate with the pupil plane of the projection optical system or a surface in the vicinity thereof.
The focus characteristic measuring method according to claim 3.
前記モデル関数f(Z)は、前記フォーカス位置Zを変数とする正弦関数sin(Z)を前記フォーカス位置Zで除したシンク関数Sinc(Z)、又は前記フォーカス位置Zを変数とする余弦関数cos(Z)で定義される、
請求項9に記載のフォーカス特性の計測方法。
The model function f (Z) is a sine function Sinc (Z) obtained by dividing a sine function sin (Z) with the focus position Z as a variable by the focus position Z, or a cosine function cos with the focus position Z as a variable. Defined in (Z),
The focus characteristic measuring method according to claim 9.
前記変化特性を決定する工程は、前記投影する工程の際に設定された前記光源分布の形状に応じて、前記シンク関数Sinc(Z)と前記余弦関数cos(Z)のいずれかのモデル関数を用いて前記変化特性を決定する、
請求項10に記載のフォーカス特性の計測方法。
In the step of determining the change characteristic, one of the model functions of the sinc function Sinc (Z) and the cosine function cos (Z) is determined according to the shape of the light source distribution set in the projecting step. To determine the change characteristic,
The focus characteristic measuring method according to claim 10.
前記像プロファイルを取得する工程において、前記焦点深度の方向に前記所定量ずつ前記フォーカス位置を変化させる範囲を、前記楔状パターンの像を投影する為の照明光の波長λと前記投影光学系の開口数NAに応じて定まる前記焦点深度の幅に対して1倍〜3倍に設定する、
請求項1〜請求項11のうちのいずれか一項に記載のフォーカス特性の計測方法。
In the step of acquiring the image profile, a range in which the focus position is changed by the predetermined amount in the direction of the depth of focus, a wavelength λ of illumination light for projecting the wedge-shaped image, and an aperture of the projection optical system It is set to 1 to 3 times the width of the focal depth determined according to the number NA.
The focus characteristic measuring method according to any one of claims 1 to 11.
前記像プロファイルを取得する工程において、前記焦点深度の方向に前記フォーカス位置を変化させる際の前記所定量は、前記焦点深度の幅内に、少なくとも5つの異なるフォーカス位置が割り当てられるように設定される、
請求項12に記載のフォーカス特性の計測方法。
In the step of acquiring the image profile, the predetermined amount when the focus position is changed in the direction of the depth of focus is set so that at least five different focus positions are allocated within the range of the depth of focus. ,
The focus characteristic measuring method according to claim 12.
投影光学系のフォーカス特性を計測する装置であって、
前記投影光学系による楔状パターンの投影によって形成される前記楔状パターンの投影像、又はその転写像の楔長軸方向の長さを、前記投影光学系の焦点深度の方向に所定量ずつ変化させたn個のフォーカス位置Znの各々で計測する計測装置と、
前記n個のフォーカス位置Znごとに前記計測装置によって計測された前記楔長軸方向の長さをLpnとしたとき、長さLpnがフォーカス位置Znを変数する三角関数を含むモデル関数f(Zn)として定義され、該モデル関数f(Zn)の複数の係数を近似計算して、前記モデル関数f(Zn)で表わされる変化特性を決定する計算機と、
を含むフォーカス特性の計測装置。
An apparatus for measuring a focus characteristic of a projection optical system,
The wedge-shaped pattern projection image formed by projection of the wedge-shaped pattern by the projection optical system, or the length of the transferred image in the wedge major axis direction is changed by a predetermined amount in the direction of the focal depth of the projection optical system. a measuring device for measuring at each of the n focus positions Zn;
When the length in the wedge long axis direction measured by the measuring device for each of the n focus positions Zn is Lpn, the length Lpn includes a model function f (Zn) including a trigonometric function that changes the focus position Zn. A calculator that approximates a plurality of coefficients of the model function f (Zn) and determines a change characteristic represented by the model function f (Zn);
Focus characteristic measuring device including
前記モデル関数f(Zn)は、前記フォーカス位置Znを変数とする正弦関数sin(Zn)を前記フォーカス位置Znで除したシンク関数Sinc(Zn)、又は前記フォーカス位置Znを変数とする余弦関数cos(Zn)で定義される、
請求項14に記載のフォーカス特性の計測装置。
The model function f (Zn) is a sinc function Sinc (Zn) obtained by dividing a sine function sin (Zn) having the focus position Zn as a variable by the focus position Zn, or a cosine function cos having the focus position Zn as a variable. Defined by (Zn),
The focus characteristic measuring apparatus according to claim 14.
前記モデル関数f(Zn)は、4つの係数b、b、b、bを含んで、
Lpn=f(Zn)=b・Sinc〔b・(Zn−b)〕+bで定義され、
前記計算機は、前記計測装置で計測された前記n個の長さLpnを用いて、前記4つの係数b、b、b、bの値を近似計算で決定する第1の演算と、該決定された係数b、b、b、bの値で定義される前記モデル関数f(Zn)の変化特性から、前記長さLpnが最大となるベストフォーカス位置を特定する第2の演算とを実行するプログラムを備える、
請求項15に記載のフォーカス特性の計測装置。
The model function f (Zn) includes four coefficients b 0 , b 1 , b 2 , b 3 ,
Lpn = f (Zn) = b 0 · Sinc [b 1 · (Zn−b 2 )] + b 3 ,
The calculator uses a first calculation for determining the values of the four coefficients b 0 , b 1 , b 2 , and b 3 by an approximate calculation using the n lengths Lpn measured by the measuring device. The best focus position at which the length Lpn is maximized is specified from the change characteristics of the model function f (Zn) defined by the determined values of the coefficients b 0 , b 1 , b 2 , and b 3 . A program for executing the operation of 2;
The focus characteristic measuring apparatus according to claim 15.
JP2014051234A 2014-03-14 2014-03-14 Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system Pending JP2015176957A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014051234A JP2015176957A (en) 2014-03-14 2014-03-14 Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014051234A JP2015176957A (en) 2014-03-14 2014-03-14 Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015176957A true JP2015176957A (en) 2015-10-05

Family

ID=54255901

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014051234A Pending JP2015176957A (en) 2014-03-14 2014-03-14 Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015176957A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9964853B2 (en) Method of determining dose and focus, inspection apparatus, patterning device, substrate and device manufacturing method
US9786044B2 (en) Method of measuring asymmetry, inspection apparatus, lithographic system and device manufacturing method
US9140998B2 (en) Metrology method and inspection apparatus, lithographic system and device manufacturing method
US9535342B2 (en) Metrology method and apparatus, and device manufacturing method
US6636311B1 (en) Alignment method and exposure apparatus using the same
JP4073735B2 (en) Method for measuring aberrations of a projection system of a lithographic apparatus and device manufacturing method
US20130050501A1 (en) Metrology Method and Apparatus, and Device Manufacturing Method
JP4456555B2 (en) Lithographic apparatus, method for measuring characteristics of lithographic apparatus, and computer program
TW201033754A (en) Inspection method and apparatus, lithographic apparatus, lithographic processing cell and device manufacturing method
KR102170147B1 (en) Alternative target design for metrology using modulation technology
JP6393397B2 (en) Lithographic apparatus irradiation dose determining method, inspection apparatus, and device manufacturing method
US20050264827A1 (en) Interferometric measuring device and projection exposure installation comprising such measuring device
KR20190058652A (en) METHOD FOR INSPECTION OF SUBSTRATE, METERING APPARATUS AND LITHOGRAPHY SYSTEM
JPWO2011061928A1 (en) Optical property measuring method, exposure method, and device manufacturing method
KR101370224B1 (en) Measurement apparatus, exposure apparatus, and device fabrication method
JP2011142279A (en) Wavefront aberration measuring method and device, exposing method, and aligner
JP2004146454A (en) Method of measuring optical characteristics
JP2006017485A (en) Device and method for measuring surface shape, manufacturing method of projection optical system, projection optical system, and projection exposing device
US20240036484A1 (en) Method of metrology and associated apparatuses
JP4280521B2 (en) Aberration measuring apparatus and projection exposure apparatus
US20220357672A1 (en) Method for inferring a processing parameter such as focus and associated apparatuses and manufacturing method
JP2003309066A (en) Measuring method for aberration of projection optical system
JP2010034319A (en) Method for measuring wavefront aberration
JP2015176957A (en) Method and device for measuring focus characteristic of projection optical system
JP2006053056A (en) Position measuring method, position measuring instrument, aligner, and device manufacturing method