JP2712330B2

JP2712330B2 - 露光条件測定方法

Info

Publication number: JP2712330B2
Application number: JP63180654A
Authority: JP
Inventors: 恭一諏訪; 博貴立野; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH0230112A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体素子や液晶表示素子等を製造するた
めの露光装置を用いて、所望の露光条件を決定したり、
線幅を測定したりする等のための測定方法に関し、特に
投影露光装置におけるフォーカス条件や露光エネルギー
量の条件を設定するのに好適な測定方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の露光装置では、一定の厚み（１〜５μ
ｍ程度）でレジスト層を塗布した感光基板に、マスクや
レチクルと呼ばれる原版に形成されたパターン（光透過
部と遮光部とによる幾何学的な模様）の像を露光するた
めに、マスクやレチクルの上方から均一な照度分布でほ
ぼ一定の光強度の露光光を所定時間だけ照射する照明
系、あるいはパルス発光型のレーザ光源からの露光光
（パルス光）を、所定の光量積分が得られるまで複数パ
ルスを照射する照明系が設けられている。いずれの場合
も、レチクルのパターン像をレジスト層に対して最適な
露光量で焼き付けるように制御されている。

このような露光量制御は、±３％以下といった極めて
厳しいコントロールが要求されるが、それはレジスト層
に形成されるパターンの線幅を十分な精度でコントロー
ルするためである。

一方、レジスト層にできるパターンの線幅は、プロキ
シミティ方式の場合は、マスクと感光基板との機械的な
間隔、投影方式の場合は感光基板と投影光学系との間
隔、すなわちフォーカス誤差によっても大きく変化す
る。

そこで、感光基板に対する最適な露光条件、特にフォ
ーカス条件と露光量条件の２つを見い出すために、感光
基板へ試し焼きを行なった後、感光基板を現像して、直
線状のパターンの線幅を光学顕微鏡や専用の線幅測定装
置で計測し、設計上の線幅値との比較を行なうか、ある
いはある条件のときに線幅が最も小さくなることを利用
して、最適な露光条件を決定することが行なわれてい
る。

例えば、ステップアンドリピート方式の露光装置で
は、ウェハ等の感光基板上にマトリックス状にショット
領域が形成されるように、ウェハをレチクル（マスク）
に対してステッピングする露光方式を採用している。そ
こで試し焼きにあたって、ウェハ上のショット領域の配
列の横方向（ｘ方向）の並びに関しては、フォーカス値
を一定にして露光量（例えばシャッター時間）を一定量
ずつ変えて露光を行ない、ショット配列の縦方向（ｙ方
向）の並びに関しては、露光量を一定にしてフォーカス
値を一定量（例えば0.25μｍ）ずつ変えて露光を行なう
ことが考えられている。

そして、現像後に形成された各ショット領域内の線状
のレジストパターンの線幅を直に計測し、そのうち、同
一露光量のショット中で最も線幅が小さくなっているシ
ョット領域のフォーカス位置、及びそのフォーカス位置
でのショット中で線幅が所定量となる露光量をもって最
適な露光条件とすることが考えられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記、従来考えられている技術では、例えばテストレ
チクルに形成されたパターンをウェハ等のレジスト層に
転写した後、レジスト層で形成されたパターンの平行な
エッジ間隔を光学顕微鏡、又は専用測定機で計測するた
め、第１には処理速度が極めて遅いといった問題があ
る。特に光学顕微鏡を用いてiTVカメラでレジストパタ
ーンを観察する場合は、顕微鏡のフォーカス合わせを厳
密に行なう必要があり、作業者の疲労は計り知れないも
のがある。また専用の測定機を使う場合は、比較的高精
度に線幅計測が可能であるが、そのような測定機を用意
しなければならないことになる。

第２には、テストレチクル上に形成されたパターンの
製造誤差、特にパターン線幅の誤差による影響が、その
ままレジストパターンの計測値に反映されてしまうとい
った問題である。

一般に、投影型露光装置では投影レンズのベストフォ
ーカス面（最良結像面）は、15×15mm、又は20×20mmと
いった広いフィールド（ショット領域に対応）内でサブ
ミクロンの精度でフラットになっていることは少なく、
フィールド中心と周辺とではミクロンオーダに近い量で
像面湾曲や傾斜を伴っている。

しかも投影レンズ自体の焦点深度も±１μｍ程度と狭
いため、フィールド内全域で平均的にフォーカスが合う
ような最良結像面を決定する必要がある。そこで１つの
ショット領域内の中心や周辺の複数点に、線幅計測用の
直線状パターン、又はランパスマークが焼き込まれるよ
うに、テストレチクル上の複数点にそれらマーク、パタ
ーンが設けられる。この場合、各点に形成したマーク、
パターンの線幅のばらつきがそのまま計測誤差となって
しまい、像面湾曲や傾斜を正確に特定することが難しく
なり、その結果、露光条件のうちのフォーカス条件の決
定があいまいになるといった問題が生じている。

そこで本発明では、上記第１、第２の問題点に鑑み
て、処理速度が速く、テストレチクル等の製造誤差の影
響を受けにくい測定方法を提供することを目的とする。

さらに本発明では、露光装置本体に備えられている感
光基板用のアライメントセンサーを用いて、容易に、か
つ高精度に露光条件を決定して露光装置本体を自己管理
するオートセットアップの方法を提供することを目的と
する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、表面に感応層（レジスト）を設けた感応
基板（Ｗ）を所定の露光基準面に配置し、感応基板にマ
スクのパターンを所定のエネルギー量で露光する露光装
置を用いて、感応基板への露光条件を測定する方法にお
いて、感応基板上の異なる複数の部分領域の夫々に、第１の
直線状パターン（TP₁）と第２の直線状パターン（TP₂）
とを順次露光する工程であって、第１の直線状パターン
の露光条件を変えて露光する第１工程と、第１及び第２
の直線状パターンの重ね合わせ露光によって感応層に形
成されたパターン像（IR）の寸法を、部分領域の夫々に
ついて計測する第２工程とを含み、計測結果に基づいて
露光条件を測定することとした。

また、表面に感応層（レジスト）を設けた感応基板
（Ｗ）を所定の露光基準面に配置し、感応基板にマスク
のパターンを所定のエネルギー量で露光する露光装置を
用いて、感応基板への露光条件を測定する方法におい
て、第１の直線状パターン（TP₁）を感応基板上に露光す
る第１工程と、感応層に形成された第１の直線状パター
ンの潜像に対して所定の角度（θ）で交わるように第２
の直線状パターン（TP₂）を露光する第２工程と、第１
及び第２の直線状パターンの重ね合わせ露光によって感
応層に形成されたパターン像（IR）の寸法を計測する第
３工程とを有し、該計測結果に基づいて、前記露光条件
を測定することとした。

さらに、半導体素子を製造するための露光条件測定方
法において、感応基板（Ｗ）上に連続的に線幅の変化するレジスト
像（IR）を形成する第１工程と、レジスト像を現像する
第２工程と、現像後の感応基板を自動搬送し、現像後の
感応基板に対して素子製造のための次の工程を行うこと
なく、レジスト像の寸法を計測する第３工程とを有する
こととした。

〔作用〕

本発明においては、例えばテストレチクル（あるいは
デバイスレチクル）内に２つの直線状パターンを光透過
部、又は光遮へい部として形成しておき、このパターン
を互いに所定の角度（０°以外で45°以下）で交差する
ようにレジスト層に２重露光し、重ね合わせによってで
きたくさび状、又はモアレ状のレジストパターンの長さ
（線幅方向とは交差する方向の長さ）を計測するように
したため、直接線幅を計測する必要がなく、計測値の信
頼性が向上することになる。

また２つの直線状パターンの機能は、テストレチクル
上に設けた１つの直線状パターンで共有するようにすれ
ば、レチクル製造時のパターン幅の誤差が本質的に除去
されるようになる。

さらに、２つの直線状パターンの夫々を、ラインアン
ドスペース状に（必らずしも1:1にする必要はない）に
複数本用意しておくと、レジスト層にできるくさび状、
モアレ状のレジストパターンも複数本になり、この複数
本のレジストパターンの寸法を計測して平均化すること
で、レチクル上のライン・アンド・スペースのパターン
幅のばらつきを平均化することができ、レチクル製造時
のパターン幅誤差の影響を受けにくくすることができ
る。

そこで、本発明の原理を第１図を参照して説明する。
第１図（Ａ）は２つの直線状パターンの２重露光の様子
を示し、１回目の露光においてはｘ−ｙ座標系のｘ軸に
対して時計回りの方向にθ/2だけ傾いた線幅ｌ、長さＨ
の３本の直線パターンを間隔ｌで並置したパターン群TP
_1a、TP_1b、TP_1c（総称するときは単にTP₁とする）を、
ｙ方向に間隔Dyで配列して露光する。２回目の露光にお
いては、ｘ軸に対して反時計回りの方向にθ/2だけ傾い
た線幅ｌ、長さＨの３本の直線パターンを間隔ｌで並置
したパターン群TP_2a、TP_2b、TP_2c（総称するときは単に
TP₂とする）を、ｙ方向に間隔Dyで配列して２重露光す
る。

ここで各直線状パターン群TP₁、TP₂の各直線パターン
が光遮へい部（クロム層等）であると、２つのパターン
群TP₁、TP₂がオーバーラップした部分は偏平な平行四辺
形（ひし形）の未露光部となり、各直線パターンが光透
過部であると、２つのパターン群TP₁、TP₂のいずれか一
方が転写された部分は、全て露光部となる。本発明で
は、これら直線パターンは光透過部、遮へい部のいずれ
であってもよい。また感光基板のレジスト層はポジレジ
スト、ネガレジストのいずれであってもよい。

第１図（Ｂ）はパターン群TP₁、TP₂の各直線パターン
を遮光部として、ポジレジストを用いた場合に形成され
るレジストパターン（像）IRa、IRb、IRc（総称すると
きにはIRとする）を示し、レジストパターンIRa（IRb、
IRcも同じ）は、ｘ方向に平行に伸びた頂角θの３本の
ひし形（モアレ状、くさび状）のレジスト像が、ｙ方向
にピッチPyで配列される。この場合、ひし形のレジスト
像は現像によって除去されずに、感光基板上に１〜５μ
ｍ程度の厚みで残存したものである。尚、各レジストパ
ターンIRa、IRb、IRcの左右に離れて形成されたくさび
状のレジストパターンIR_Oは、第１図（Ａ）からも明ら
かなように、長さＨの直線パターンの両側でわずかにオ
ーバーラップしてできる未露光部である。

さて、２つの直線状パターン群TP₁、TP₂が互いに位置
ずれなく重ね合わされたものとすると、レジストパター
ンIRのｘ方向の長さLnmは、幾何学的な計算から理論上
の値が導びかれる。理論上の計算式は、交差角θが小さ
いとすると、以下の（１）式で近似できる。

この（１）式からも明らかであるが、２つの直線パタ
ーンの成す角度θの半角θ/2を45°以下の小さな値（例
えば数度以下）にすると、tanθ/2は１以下の小さな値
となり、レジスト層に転写される直線パターンの幅ｌの
変化は、レジストパターンIRの長さLnmを1/tanθ/2（１
以上）倍だけ比例変化させることになる。

本発明では、この原理を用いて形成されたレジストパ
ターンIRの長さを計測することで、そのときの線幅変化
の原因となる露光条件を知ろうとするものである。

〔実施例〕

第１の実施例第２図は、本実施例に使用される縮小投影型露光装置
（ステッパー）の構成を示す図である。

水銀放電灯１等の露光用光源からの光（ｇ線、ｉ線）
は楕円鏡２で集光された後、露光量制御用のシャッター
３を通り、オプチカルインテグレータ４で照度均一化さ
れた後、主コンデンサーレンズCLを介してレチクルＲを
照明する。放電灯１から主コンデンサーレンズCLまで
は、露光用の照明系であって、放電灯１の発光強度がほ
ぼ一定であるとすると、シャッター３の開時間をシャッ
ターコントローラ６で制御することで、常に一定の露光
量が得られる。レチクルＲは２次元（ｘ、ｙ、回転方
向）に微動するレチクルステージRSに保持され、レチク
ルＲのパターン領域に形成された各種パターンの透過光
は、像側テレセントリックな投影レンズPLによってウェ
ハＷ上へ結像投影される。レチクルＲの初期設定は、レ
チクルＲ周辺のアライメントマークを光電検出するレチ
クルアライメント系５からのマーク検出信号に基づい
て、レチクルステージRSを微動することによって行なわ
れる。一方、ウェハステージSTは、ウェハＷを載置し
て、一定量ずつｘ、ｙ方向にステッピングさせ、ウェハ
Ｗ上のショット領域（部分領域）毎に、レチクルＲのパ
ターン領域の像を焼き付けるように移動する。またウェ
ハステージSTは、ウェハＷ上の各種パターン（アライメ
ントマークやレジストパターン）を光電検出する際にも
移動する。このウェハステージSTはステージコントロー
ラ７によって制御され、ステージコントローラ７には駆
動用のモータと、ステージSTの座標値を逐次計測するレ
ーザ干渉計とが設けられている。

ところで、この種のステッパーには、ウェハＷ上の各
種パターン（アライメントマーク等）を検出するための
ウェハアライメント系が設けられている。本実施例で
は、投影レンズPLを介してウェハＷ上にスリット状のス
ポット光を投射し、このスポット光に照射されたマーク
パターンからの光情報、特に回折光や散乱光を再び投影
レンズPLを介して抽出するTTL方式のウェハアライメン
ト系11を設ける。第２図に示すように、He-Ne、Arイオ
ン等のレーザ光源11aからのレーザビームは、シリンド
リカルレンズ等を含むレンズ系11b、ビームスプリッタ1
1c、及び対物レンズ10を介してミラーで折り曲げられて
投影レンズPLの入射瞳の中心を通るように送光される。
レーザビームは投影レンズPLの軸外部分からウェハＷ上
へ垂直に照射され、レンズ系11bの作用でウェハＷ上で
一方向に伸びたスリット状のスポット光となる。また、
ウェハＷからの戻り光は、投影レンズPLを逆進し、対物
レンズ10を介してビームスプリッタ11cで反射され、瞳
リレー系11d、空間フィルター11eを通って光電素子11f
に受光される。空間フィルター11eは投影レンズPLの瞳
とほぼ共役な関係に配置され、ウェハＷからの戻り光の
うち、正反射光を遮断して回折光と散乱光を通す。ここ
で、対物レンズ10を射出したレーザービームは、投影レ
ンズPLの瞳中心で、比較的小さなビーム断面寸法となる
ように、ビームの開口数が定められている。従って投影
レンズPL自体の開口数が大きくても、ウェハＷ上に達し
たビームの開口数は、比較的小さくなる。このことはウ
ェハ上の各種パターンを検出際に、そのビームの焦点深
度が広くなっていることから、フォーカスずれの影響を
受けにくいことを意味する。

さて、光電素子11fからの光電信号は、信号処理系12
に入力し、ここでマーク（パターン）のプロフィールに
対応した波形に基づいて、マーク位置が検出される。こ
のとき信号処理系12は、ステージコントローラ７内のレ
ーザ干渉系からの位置計測パルス（例えば0.02μｍ毎に
１パルス）を使って、スポット光とウェハＷとを相対移
動させたときに得られる光電素子11fからの信号波形を
サンプリングする。本実施例では、このようなTTL方式
のウェハアライメント系11、信号処理系12を用いて、第
１図（Ｂ）に示したレジストパターンIRを自動計測する
ものとする。

ところで、レチクルＲのパターンをウェハＷ上へ焼き
付ける際、投影レンズPLの最良結像面、すなわちレチク
ルＲのパターン像が最もコントラストよく結像している
面と、ウェハＷのレジスト面とを正確に一致させる必要
がある。そのため本実施例では、レジスト層に対して非
感光性の光源14からの光を投射光学系15によって結像光
束にしてウェハＷへ斜め（ウェハ面に対して５°〜20
°）に投射し、その反射光を受光光学系16、スリット17
を介して光電検出器18で受光する斜入射光式焦点検出系
（AFセンサー）を設ける。このAFセンサーは、投影レン
ズPLの最良結像面とウェハＷの表面とが一致したとき、
合焦を表わす信号を検出器18が出力し、最良結像面に対
してウェハ表面が上下（光軸）方向にずれているとき
は、そのずれ量（例えば±数μｍ以内）に対応した信号
を出力する。これら合焦や焦点ずれを表わす信号（AF信
号とする）は、焦点制御ユニット（以下AFユニットとす
る）９によって処理される。

またウェハステージSTには、ウェハＷを光軸方向に微
小移動させるｚステージと、ウェハＷをｘ−ｙ平面内で
微小回転させるθステージも設けられていて、上記AF信
号に応答して、ステージコントローラ７の制御のもとで
Ｚステージを駆動することで、自動焦点合わせが行なわ
れる。尚、AFセンサーの光学系内の一部、又はAFユニッ
ト９内には、AF信号が合焦点を表わす実際のウェハ表面
位置を、投影レンズPLの光軸方向にシフトさせるオフセ
ット部も設けられており、このオフセット部には、主制
御系８から任意のシフト量を設定することができる。

本実施例における２重露光時には、このオフセット部
に所定のシフト量を順次設定していくことになる。

さて、主制御系８は、ステッパー本体の各種動作を統
括制御するのはもちろんのこと、さらに露光条件をオー
トセットするための測定アルゴリズム（タスク）を備え
ている。その機能について詳しくは後述する。

第３図は、露光条件を測定するために好適なテストレ
チクルＲのパターン形状の一例を示すもので、デバイス
レチクルの代りにレチクルステージRSへ搬送される。こ
のテストレチクルＲの周辺３ヶ所には、レチクルアライ
メント系５で検出されるマークRM₁、RM₂、RM₃がデバイ
スレチクルと同一配置で形成され、それらマークの内側
にパターン領域PAが形成される。パターン領域PA内に
は、例えば３×３の配置で９ヶ所にマーク領域MA₁、M
A₂、MA₃、MA₄、MA₅、MA₆、MA₇、MA₈、MA₉が形成されて
いる。各マーク領域MA₁〜MA₉のｘ、ｙ方向の間隔Sx、Sy
であり、マーク領域MA₅はパターン領域PAの中心（レチ
クル中心）に設定される。そして各マーク領域MA₁〜MA₉
の夫々には、第１図（Ａ）で示したような２つの直線状
パターン群TP₁、TP₂がｘ方向に並べて形成される。尚、
中心のマーク領域MA₅の直線状パターン群TP₁、TP₂の配
置と、他のマーク領域MA₁〜MA₄、MA₆〜MA₉の直線状パタ
ーン群TP₁、TP₂の配置とは、ｘ方向に関して逆にしてお
くとよい。

このようにパターン領域PA内の複数の位置に直線状パ
ターン群TP₁、TP₂の組を設けることによって、ショット
領域（投影レンズPLの露光視野）内のそれぞれの点にお
けるフォーカス条件（あるいは線幅）が測定できる。

次に本発明の第１の実施例による測定方法を説明する
が、この方法を実施するのに好適なリングラフィシステ
ムについて第４図を参照して説明しておく。第４図は第
２図に示したステッパー本体100とコータ・デベロッパ
ー（レジスト塗布部と現像部を一体にもつ装置で、以下
C.D.と呼ぶ）120とをインラインで結合した様子を示
し、C.D.120に本実施例の方法の実施を効率よく行なう
ための改良がなされている。まず、これから露光しよう
とするウェハはC.D.120の位置F₁に載置された後、レジ
スト塗布、乾燥部121をへて、バッファ位置F₂で待期す
る。ステッパー本体100が露光動作を始めると、ウェハ
は位置F₂からステッパー100のロードポジションF₃に搬
送され、ウェハステージST上に受け渡され、露光が行な
われる。露光後のウェハはステージSTから取り出され、
アンロードポジションF₄をへて、C.D.120の分岐ポジシ
ョンF₅を通って現像部122へ送られ、ここで現像された
ウェハはC.D.120のテイク・アウトポジションF₆に保存
される。ここで特別に改良した点は、レジスト塗布部12
1と現像部122との間にリニアなガイドレール123を設
け、このガイドレール123に沿って、ウェハを保持して
一次元に移動する搬送アーム124を設けたことである。
アーム124は、現像部122から出てきたウェハを保持した
状態で所定量もち上げ、ガイドレール123に沿って第４
図中で右方へ移動し、そのウェハを分岐ポジションF₅に
受け渡す。このためアーム124は上下動、回転運動可能
に構成されている。分岐ポジションF₅に受け渡された現
像済みウェハは、ポジションF₅からバッファ位置F₂へ搬
送され、再びステッパー本体100ヘローディングされ
る。

従って、このようなC.D.120とインラインを組むこと
によって、露光後に現像したウェハをただちにステッパ
ー本体100へ戻し、レジスト像の観察や各種計測をステ
ッパーのアライメント系を用いて実施することができ
る。

次に、第１の実施例による露光条件の測定方法を、さ
らに第５図、第６図、第７図の夫々を参照して説明す
る。

第５図は本実施例の測定方法の手順を模式的に示した
図であり、第５図（Ａ）は１回目の露光動作、第５図
（Ｂ）は２回目の露光（２重露光）動作、第５図（Ｃ）
は現像によるレジストパターンIRの形成動作、そして第
５図（Ｄ）はレジストパターンIRの寸法計測動作を示
す。

テストレチクルＲ上の１つのマーク領域に着目したと
き、その中の２つの直線状パターン群TP₁、TP₂はｘ方向
にXpだけ離れているものとする。

まず第５図（Ａ）に示すように、直線状パターン群TP
₁の投影像をウェハＷへ焼き付け、レジスト層に潜像を
形成する。このとき同時に直線状パターン群TP₂の投影
像も焼き付けられるが、その潜像に対する２重露光が行
なわないので、ここでは図示していない。

さて、この１回目の露光において、第６図に示すよう
に、ウェハＷ上にｘ、ｙ方向に例えば７×８のマトリッ
クス状に計56ショットを設定し、各ショット領域に対し
て上記テストレチクルＲのパターン領域PAの像をステッ
プアンドリピート方式で順次露光していく。このとき、
ｘ方向に並ぶ７つのショット領域については、露光量に
一定量ずつオフセットを与えるようにする。具体的に
は、第２図に示したシャッターコントローラ６に、ｘ方
向のショット位置に応じて露光時間を、例えば10msecず
つ変える指令を与えればよい。第６図では、ｘ方向のシ
ョット配列の中心のショットには、その露光すべきレジ
スト層に対して適正と思われる露光時間（例えば200mse
c）を設定し、ここをオフセット零として考え、ｘ方向
のショット配列の左から右へ順次、−30、−20、−10、
０、＋10、＋20、＋30msecといったオフセット量を設定
する。

一方、第６図に示したショット配列で、ｙ方向に並ぶ
８つのショット領域については、フォーカス条件に一定
量ずつオフセットを与えるようにする。具体的には第２
図に示したAFユニット９内に設けられているオフセット
部に、ｙ方向のショット位置に応じてフォーカス量を例
えば0.25μｍずつ変える指令を与えればよい。第６図で
は、ｙ方向のショット配列の上から下へ、フォーカス・
オフセット量を−４、−３、−２、−１、０、＋１、＋
２、＋３の８段階に設定してあり、正負の符号はオフセ
ットの方向（ウェハＷが投影レンズPLに近づく方向を
負、逆方向を正）を表わす。ここでフォーカス・オフセ
ット量が零とは、第２図中のAFセンサーで初期設定され
ているベストフォーカス位置の検出点ではあるが、必ら
ずしも投影レンズPLの最良結像面とウェハＷの表面とが
正確に一致（例えば0.25μｍ以内の範囲）している状態
とは限らない。

このように第６図が示した56ショットの夫々は、いず
れも露光条件がわずかずつ異なっており、その条件は主
制御系８内に記憶されて、１回目のステップアンドリピ
ート方式の露光時に、自動的に実行される。

次に第５図（Ｂ）に示すように、２回目の露光を行な
うが、これは単にウェハステージSTのステッピングを、
再び１回目の露光時の56ショットの夫々について同様の
露光条件で実行するだけでよい。ただし、ここで重要な
ことは、第５図（Ｂ）にも示すように、１回目の露光で
レジスト層に形成された直線状パターン群TP₁の潜像T
P₁′に対して直線状パターン群TP₂の投影像が正しく重
ね合わされるように、ウェハステージSTの56ショット分
の各ステッピング位置を１回目の露光時の各位置に対し
てｍ・Xp（ｍは投影レンズPLの縮小率で1/5、1/10等）
だけｘ方向にシフトさせておくことである。この制御は
ステージコントローラ７のレーザ干渉計を用いれば極め
て容易である。

こうして、１回目と同様に露光量オフセットとフォー
カスオフセットとをショット毎に順次変化させて、56シ
ョットの全てについてステップアンドリピート方式で露
光を行なう。尚、上記の露光量やフォーカスのオフセッ
トの段階や、オフセットの幅が任意のものでよいことは
言うまでもない。

以上の操作によって露光されたウェハＷは、第４図に
示したC.D.120へ自動搬送され、レジスト層の現像が行
なわれる。C.D.120は現像後のウェハＷをアーム124で位
置F₅へ搬送した後、位置F₂を介して再びステッパー本体
100へ自動搬送する。ステッパー本体100は、搬送されて
きたウェハＷを再びウェハステージST上へ自動的に載置
する。

次にステッパー本体100は、第５図（Ｄ）に示すよう
に、対物レンズ10を含むTTL方式のウェハアライメント
系11と信号処理系12を使い、スリット状のスポット光SP
とウェハＷ（レジストパターンIR）を相対走査して寸法
計測を行なう。

この計測の様子を第７図（Ａ）、（Ｂ）に示す。スリ
ット状のスポット光SPは、ここではｙ方向に伸びてお
り、長手方向と直交するｘ方向に相対走査するものとす
る。ウェハＷ上の各ショット領域内の例えば中心に形成
されたレジストパターンIRa、IRb、IRc、IRdは、ともに
ｘ方向に細長く伸びた３本のモアレ状パターンを有し、
ｙ方向に所定の間隔で並んでいる。このようなレジスト
パターンIRa〜IRdをスポット光SPで相対走査すると、レ
ジストパターンIRa〜IRdのほぼｘ方向に伸びるエッジか
ら散乱光が発生する。この散乱光は、第７図（Ａ）で紙
面の法線をｚ軸とすると、ｚ−ｙ平面に沿って広がるよ
うな分布で生じる。あるいは、みかけ上、レジストパタ
ーンIRa〜IRdの各モアレ状パターンが回折格子マークに
近似した周期構造となっている場合、その周期に対応し
た回折光成分も発生する。いずれにしろ、それら散乱光
や回折光はウェハアライメント系11内の光電素子11fで
受光され、その光量に応じた光電信号レベルに変換され
る。

第７図（Ｂ）は、その信号レベルの変化とスポット光
SPの走査位置（実際にはウェハステージSTの移動位置）
との関係を示し、ここでは回折光を受光したときの信号
変化を表わす。ここで、２重露光したときの２つの直線
状パターン群TP₁、TP₂の交差角度θを約３°とし、各パ
ターン群TP₁、TP₂のライン・アンド・スペースを回折格
子マークのピッチと同等にしたとき、各レジストパター
ンIRa〜IRdのｘ方向の中心部では回折光が最も多く受光
され、両側の先端部にいくにしたがって受光量が少なく
なる。

そこで信号処理系12は、第７図（Ｂ）のような信号波
形を取り込み、適当なスライスレベルで２値化して信号
波形の長さ、すなわちレジストパターンの長さ寸法Lnm
を検出する。この長さLnmは、ウェハステージSTの位置
検出用のレーザ干渉計の分解能で求められる。

ここでさらに重要なことは、スリット状のスポット光
SPの長手方向に、複数本の同一形状のモアレ状パターン
が形成されることから、スポット光SPが相対走査したと
き、複数本のモアレ状パターンの夫々からの散乱光や回
折光を同時に受光することになるため、個々のモアレ状
パターンの長さがレチクル製造誤差によって、わずかに
ばらついていたとしても、その影響が平均化されること
である。

以上のようなレジストパターンIRの長さ計測を、第６
図に示した各ショット領域の夫々について実行する。例
えば各ショット領域の中心に形成されたレジストパター
ンIRのみを計測する場合は、計測回数（スポット光の相
対走査回数）は56回となり、信号処理系12のアルゴリズ
ムも簡単でよいため、１回につき約１秒として１分以内
に計測が完了する。また各ショット領域内の９ヶ所のマ
ーク領域MA₁〜MA₉の夫々についても計測する場合であっ
ても、約９分で計測が完了する。この時間は、従来のバ
ーニア焼き付け像を目視検査する場合とくらべて格段に
短いことは明らかである。さらに専用の測定機を用いる
従来の線幅計測方式の場合にくらべても、十分短くな
る。例えば専用測定機を使う場合は、測定機本体にウェ
ハ上の計測すべきパターンの位置座標を設定する手間が
必要である。ところが２重露光を行なったステッパー本
体100には、ショット配列のマップやレチクルＲ内の各
マーク領域MA₁〜MA₉の配列座標等が元々記憶されている
ので、現像後のウェハＷをウェハステージSTに正確にセ
ットして、ウェハのグローバルアライメントを行なった
後、ただちにレジストパターンIRの計測動作に移ること
ができる。

尚、２重露光でつくられるレジストパターンIRは、第
８図に示すように、ｙ方向に一定ピッチ（格子ピッチ）
でモアレ状パターンが４本以上並ぶように、直線状パタ
ーン群TP₁、TP₂を用意しておいてもよい。

このように、スポット光SPの長手方向いっぱいにレジ
ストパターンIRができるようにすれば、回折光の量が増
大してS/N比のよい計測ができる。以上の結果、第６図
中に示すように、各ショット領域の中心のレジストパタ
ーンIRの長さがL₁₁、L₁₂…、L₂₁、L₂₂…、L₈₇のように
計測され、主制御系８に記憶される。

次に主制御系８は、計測した各ショット領域毎の長さ
L₁₁、L₁₂…L₈₇（計56個）に基づいて、同一露光量のも
とで最もパターン長Lnmが長くなっていると推定される
フォーカス位置を、最適フォーカス位置として選び、次
にその最適フォーカス位置のもとでパターン長Lnmが、
予め設定しておいた長さLppになると予想される露光量
を最適露光量として選び出す。

本実施例の場合、露光量オフセットが零のときを、ほ
ぼ適正な露光量に近い値としたので、第６図中の露光量
オフセット０の縦の列に並んだ８つのショット領域から
計測された長さL₁₄、L₂₄、L₃₄、L₄₄、L₅₄、L₆₄、L₇₄、L
₈₄の夫々を比較し、この中で最も長くなっているレジス
トパターンIRが形成されたときのフォーカス・オフセッ
トを調べる。このとき例えばL₄₄が最も長かったとする
と、フォーカス・オフセットは−１（−0.25μｍ）であ
る。

次に、フォーカス・オフセットが−１の条件で露光し
た横の列に並んだ７つのショット領域から計測された長
さL₄₁、L₄₂、L₄₃、L₄₄、L₄₅、L₄₆、L₄₇の夫々のうち
で、予め求めておいた適正な長さLppに近いレジストパ
ターンが形成されたときの露光量オフセットを調べる。
このとき例えばL₄₃がLppに最も近いとすると、露光量オ
フセットを−10（msec）にした露光量（190msec）が最
適露光量として求まる。

以上によって露光量オフセットとフォーカス・オフセ
ットが決定されると、主制御系８はそれぞれのオフセッ
ト値を、シャッターコントローラ６とAFユニット９へ出
力し、最適露光時間と最適フォーカス位置を設定する。
この設定が終ると、ステッパー本体100には、C.D.120を
介してデバイス製造用のウェハが次々に送られるととも
に、ステッパー本体100内のテストレチクルＲもデバイ
スレチクルに変換される。

ところで、同一フォーカス条件で最適な露光量を決め
る際、レジストパターンIRの長さLnmを所定の長さLppと
比較するが、長さLppは上述の露光条件決定動作の前
に、２重露光法を併用した特別な手法を用いて予め計測
しておく必要がある。この長さLppを求めるための動作
は、デバイスウェハを露光する前毎に行なう必要はな
く、ステッパー立上げ時等のときに１回だけ行なってお
けばよい。

そこで長さLppの決定法について説明するが、本実施
例では、別の線幅測定機、例えば測長用走査型電子顕微
鏡（以下測長SEMとする）を併用するものとする。

先に説明したのと同様に、２つの直線状パターン群TP
₁、TP₂をレジスト層に２重露光するが、このときパター
ン群TP₁、TP₂の各直線パターンと同一線幅のライン・ア
ンド・スペースパターンを同時に焼き付ける。従って、
テストレチクルＲの各マーク領域MAnの夫々には、例え
ば第９図（Ａ）に示すように、２つの直線状パターン群
TP₁、TP₂とともに、線幅ｌ、間隔ｌのライン・アンド・
スペースパターンTP₃を遮光部K_S内に形成しておく。第
９図（Ａ）でパターンTP₃はマーク領域MAn内でｙ方向に
伸びた直線パターンをｘ方向に配列したもので、マーク
領域MAn内の右側に形成され、パターン群TP₁、TP₂の２
重露光時にウェハステージSTをｘ方向にｍ・Xpだけシフ
トさせたときに２重露光されないように配置されてい
る。

または、第９図（Ｂ）に示すように、直線状パターン
群TP₁、TP₂のいずれか一方、例えばTP₁の右端をｘ軸と
平行に線幅ｌで一定長だけパターン群TP₂より伸ばした
パターン群TP₃にしておくと、２重露光の際の１回目
（又は２回目）の露光時に同時に焼き付けられる。

この第９図（Ａ）又は（Ｂ）のようなパターンを有す
るテストレチクルＲを用いて、第６図で説明したのと同
様に、ベアシリコン基板にポジレジストを所定の厚さで
塗布したウェハを使って、各露光条件のもとで２重露光
を行なって現像する。

そして、ステッパー本体100のウェハアライメント系1
1等を用いて56個の各ショット領域毎にパターン群TP₁、
TP₂の重ね合わせによるレジストパターンIRの長さLnmを
計測し、さらに測長用SEMを用いて、各ショット領域毎
に形成された線幅測定用のライン・アンド・スペースパ
ターン（以下L/Sパターンとする）TP₃のレジスト像の線
幅を実測する。

次に、同一露光量のもとでレジストパターンIRの長さ
Lnmが最も長くなっているフォーカス位置を最適フォー
カス位置とし、この最適フォーカス位置で露光された７
つのショット領域（第６図中の横の列）のなかで、L/S
パターンTP₃のレジスト像の線幅が所定の線幅（例えば
縮小率をｍとして、ｍ・ｌに最も近い値）になっている
ものを選び、この選ばれたショット領域内に形成された
レジストパターンIRの長さLnmを、基準となる長さLppと
して主制御系８に記憶する。

ここで以上のような動作が必要な理由を第10図を参照
して説明する。２つの直線状パターン群TP₁、TP₂が交差
角度θで交わるものとすると、モアレ状のレジストパタ
ーンIRの長さは、幾何数学上は第10図中の交点C₁、C₂の
ｘ方向の間隔であり、近似的には先の（１）式で表わさ
れる。ただし厳密には、以下の（２）式、（３）式の関
係があるため、幾何数学的に求められる長さＬは（４）
式のように表わされる（縮小率ｍは１として考える）。

ところが実際のレジストパターンIRでは、最適な露光
条件のもとでも、両側の頂角θの先端部が交点C₁、C₂に
対して内側に寸法Ｇだけへこむ。この寸法Ｇの大きさは
交差角度θ、レジスト厚、現像条件等によって変わる
が、いずれも一定である場合は、一定の値で再現するこ
とが確認されている。従ってレジストパターンIRの実際
の長さLnmは（５）式で表わされることになる。

上述のように、測長用SEMを用いて、L/SパターンTP₃
の線幅が最も精度よくレジスト層に転写されたときの長
さLppを求めることは、間接的には最適露光条件のとき
の寸法Ｇ（不確定要素）を特定したことに他ならない。

そして、第10図からも明らかなように、２つの直線状
パターンTP₁、TP₂の重ね合わせ位置がｘ、ｙ方向にずれ
ても、２つの交点C₁、C₂のｘ方向の間隔（Ｌ）は全く変
化せず、角度θが一定なら唯一線幅ｌが変化したときの
み、交点C₁、C₂の間隔（Ｌ）、すなわちレジストパター
ンIRの長さLnmが変化することになる。従って最適な線
幅が得られるときの長さLppがわかれば、実測した長さL
nmから逆に線幅の変化量もわかる。

尚、基準となる長さLppは、レジストの厚みが変わる
と、同一の直線状パターン群TP₁、TP₂を用いても変化す
ることがあるので、適当なレジスト厚毎に長さLppを求
めておき、主制御系８に記憶させておくとよい。このよ
うにすれば、あるデバイスウェハを処理するときのレジ
スト塗布と同じ条件でC.D.120を通した試し焼き用のウ
ェハを使って、第５図、第６図のようにして露光条件を
決めるとき、レジストパターンIRの基準となる長さLpp
を、C.D.120からのレジスト厚の検出情報に基づいて主
制御系８が自動的に選定することができる。

以上、本発明の第１の実施例を説明したが、ウェハＷ
上のレジストパターンIRの寸法計測は、第１図（Ｂ）に
示した左右のくさび状パターンIR₀の先端部のｘ方向の
間隔を計測しても同様の効果が得られる。またレジスト
パターンの寸法計測は、ステッパー本体の他のウェハア
ライメント系、例えばレチクルＲの窓を通してウェハ面
を観察するTTR（スルーザレチクル）系や投影レンズPL
とは別に配置したOff-Axis方式の光電的なウェハ顕微鏡
等を用いてもよい。

さらに第７図に示したスポット光SPによるレジストパ
ターンIRの計測においては、各モアレ状パターンからの
エッジ散乱光をより効率よく検出するために、スポット
光SPとなるレーザビームの送光用対物レンズ（投影レン
ズPL、あるいはOff-Axis方式の顕微鏡対物レンズ）の開
口数よりも広がった散乱光を直接受光する光電素子を、
送光用対物レンズの周辺でスポット光SPの長手方向の２
ヶ所に配置してもよい。

また、ステッパー本体のウェハアライメント系11でレ
ジストパターンIRを検出する際、スポット光SPの相対走
査位置を比較的高精度に位置決めしておくために、例え
ば特開昭61-128106号公報に開示されているような回折
格子マーク（スポット光SPの幅とほぼ同等の微小矩形パ
ターンをスポット光長手方向に一定ピッチで配列したも
の）を、２重露光動作の１回目、もしくは２回目に同時
に焼き付けておくとよい。

第１の実施例では２重露光動作の際、ウェハステージ
STのステッピング位置をｍ・Xpだけシフトさせるように
したが、レチクルステージRSをｘ方向に正確にXpだけシ
フトさせてもよい。

また第３図に示したテストレチクルＲを用いると、１
つのショット領域内の９ヶ所にレジストパターンIRが形
成されるので、その９ヶ所の夫々で同様に露光条件を測
定し、ショット領域の９ヶ所で平均的な露光条件を求め
るようにしてもよい。

以上、第１の実施例を使って、ウェハの下地（レジス
ト層の下の層）を酸化膜、アルミニウム、PSG等に変え
た場合について、同様の方法で最適露光条件を導き出
し、その露光条件のもとでパターン露光を行なったとこ
ろ、良好な実験結果が得られた。

第２の実施例第11図は第２の実施例を実施するのに好適なステッパ
ー本体のレチクルステージRSの部分構成を示し、第２図
に示したものと同一の部分には同一の符号をつけてあ
る。ここで投影レンズPLの光軸AXはレチクルＲの中心RC
を通るものとし、レチクルステージＲは３つのレーザ干
渉計20、21、22の夫々で２次元方向と回転方向の位置が
検出されるものとする。そしてレチクルステージRSは、
干渉計20、21、22の各測定値に基づいて、駆動系30を制
御して、レチクルＲの位置決め（ｘ、ｙ、回転方向）を
行なう。２つの干渉計20、21は互いに一定間隔だけｘ方
向に離れ、ともにステージRSのｙ方向の変位を計測す
る。干渉計22はステージRSのｘ方向の変位を計測する。
さらに干渉計20と21の各計測値の差を演算することで、
レチクルＲのｘ−ｙ座標系内での微小回転量が検出され
る。

さて、本実施例では、テストレチクルＲのマーク領域
MAnに設ける直線状パターン群TPを、第12図に示すよう
に１種類にしておく。第12図でパターン群TPはマーク領
域MAnの中心点Q₀とレチクル中心RCとを結ぶ線分と平行
なライン・アンド・スペース状のパターンとされる。
尚、レチクルＲの中心のマーク領域MA₅については、こ
のパターン群TP内の各直線パターンの伸びる方向はどち
らにしてもよいが、例えばｘ方向（又はｙ方向）に一致
させておくとよい。

このようなマーク領域MAnを有するテストレチクルＲ
は、レチクルステージRS上に保持された後、レチクルア
ライメント系５によってマークRM₂、RM₃等を検出して、
ｘ、ｙ方向、及び回転方向に関して正しくアライメント
される。

次に、その状態から、干渉計20、21、22及び駆動系30
を使ってレチクルステージRSを光軸AXを中心に−θ/2だ
け回転させる。第１の実施例に対応させるとθ/2＝1.5
°である。回転停止後、干渉計20、21によって回転角度
α_１を読み取り記憶する。ここで１回目の露光を第１の
実施例と全く同様に実行する。

次に再度レチクルステージRSを光軸AX中心に回転させ
て、第12図に示すように、レチクルアライメント完了時
の位置から＋θ/2（1.5°）だけレチクルＲを回転させ
て位置決めする。そして回転停止後、干渉計20、21によ
って回転角度α_２を読み取り記憶する。

ここで２回目の露光を行なうが、ウェハステージSTの
ステッピング位置は、１回目の露光時と全く同一にして
よい。

以上の動作により、第１の実施例で説明したのと同様
にモアレ状のレジストパターンIRが形成され、このレジ
ストパターンIRの長さLnmを計測すればよい。

尚、第12図に示したマーク領域MAn内にも、第９図で
示した線幅測定用のパターン群TP₃を設けておき、基準
となる長さLppの決定のために用いてもよい。

また、１回目の露光時のレチクル回転角度α_１と２回
目の露光時の回転角度α_２の差（α_２‐α_１）が所定の
交差角度θと一致していないときは、角度（α_２‐
α_１）と角度θの差分に応じて長さLnmの計測値を計算
上で補正しておけばよい。

本実施例によれば、同一の直線状パターン群TPを相対
的に角度θだけ回して２重露光するので、第１の実施例
のように２つのパターン群TP₁、TP₂を２重露光するのと
くらべて、レチクル製造誤差による長さLnmの誤差が低
減されるといった効果がある。

さらに、第11図のようにレチクルステージRSの位置を
干渉計20、21、22でモニターする方式のステッパーで
は、第３図に示したテストレチクルＲを用いたとき、２
重露光の際にそのテストレチクルＲをｘ方向に極めて正
確にXpだけシフトさせることもできる。

第３の実施例次に、レジストパターンIRの寸法計測に用いるステッ
パー本体のセンサー部の変形例について、第13図、第14
図を用いて説明する。

第13図は斜入射光式焦点検出系の一部をレジストパタ
ーンIRからの散乱光の検出系に共用した場合を示し、1
4、15、16、17、18、PLは第２図中の部材と同一のもの
であり、対物レンズ15、16を通る光束は実線で示し、対
物レンズ15、16の瞳epと共役な関係は破線で示してあ
る。対物レンズ15、16の光軸AXa、AXbはウェハＷ上でシ
ョット領域Apiの中心（光軸AX）で交わるように設定さ
れている。そして、AFセンサーとしての投光系14と対物
レンズ15の間、及び受光用の対物レンズ16と受光系17、
18の間には、ビームスプリッタ（望ましくはダイクロイ
ックミラー）BS₁、BS₂が斜設され、ウェハ面から対物レ
ンズ15、16の夫々に入射した散乱光を瞳ep近傍に配置し
た受光素子40a、40bの夫々に導びく。

この第13図の場合、光軸AXa、AXbは紙面内にあるた
め、ウェハＷ上のレジストパターンIRの各モアレ状パタ
ーンの長手方向は紙面と垂直であり、レジストパターン
IRを照射するスポット光SPは、ウェハアライメント系11
から投影レンズPLを介してウェハＷへ達し、紙面内に伸
びているものとする。

一般に第２図で示したウェハアライメント系11は、シ
ョット領域Api（すなわちパターン領域PAの投影像）の
周辺部にスポット光SPを形成するようになっているた
め、対物レンズ15、16の配置からも明らかなように、必
らずしも効率よく散乱光を受けるような配置関係になっ
ていない。

そこで第14図に示すように、レチクルＲの上方からレ
チクルＲのアライメントマークとウェハＷのアライメン
トマークとを検出するTTR（スルーザレチクル）方式の
アライメント系を用いて、ウェハＷ上にスポット光SPを
形成するようにする。第14図において、TTRアライメン
ト系のレーザビーム送光系50からは、He-Neレーザ、He-
Cdレーザ、又はイオンレーザ等から発振されたビームLB
が射出される。このビームLBはビームスプリッタBS₃を
通り、アライメント用の対物レンズ54aと全反射ミラー5
4bを通ってレチクルＲに垂直に照射される。このとき、
送光系50内のビーム光路中に設けられたトーリックレン
ズの作用で、対物レンズ54aを射出したビームLBは、レ
チクルＲのパターン面、もしくはパターン面から一定距
離（色収差分）だけ離れた上方の空間面内に、スリット
状のスポット光SP₁となって集光される。対物レンズ54a
とミラー54bは、レチクルＲと平行なビーム光軸に沿っ
て矢印CCのように一体に可動する可動系54に保持され、
レチクルＲ上のアライメントマークの配置に対応して、
任意の位置にスポット光SP₁を設定することができる。
スポット光SP₁は、第２図のアライメント系11と同様に
投影レンズPLの瞳の中心を通り、ウェハＷ上で再結像さ
れてスポット光SPとなる。レチクルＲのアライメントマ
ークからの戻り光、又はウェハＷのアライメントマーク
からの戻り光は、ミラー54b、対物レンズ54aを介してビ
ームスプリッタBS₃で反射され、TTRアライメント系の受
光系52に入射する。受光系52は、公知の各種手法によっ
て、レチクルＲとウェハＷとのアライメント誤差に関す
る情報を作り出す。

さて、通常この種のTTRアライメント系は、スポット
光SP₁がレチクルＲの軸外の位置、例えば軸AX₁に位置す
るように可動系54をセットしておき、TTR方式のアライ
メントを行なう。

そこで、２重露光によって形成されたレジストパター
ンIRを計測する際、テストレチクルＲ、デバイスレチク
ルのいずれかがセットされる場合は、これをアンロード
しておき、可動系54を投影レンズPLの光軸AXの位置（近
傍でよい）まで繰り出し、第14図のように、スポット光
SP₁がほぼ軸上にくるようにセットする。これによっ
て、投影レンズPLのショット領域APiのほぼ中心にスポ
ット光SPが位置するので、このスポット光SPとレジスト
パターンIRを相対走査すれば、２方向に配置された対物
レンズ15、16の夫々には、ほぼ同等の条件で散乱光が入
射し、受光素子40a、40bの各光電信号を加算した後、第
２図中の信号処理系12で処理すれば、第７図と同様に寸
法Lnmを計測できる。

尚、この場合、スポット光SP₁の光路中にレチクルＲ
が存在しないので、ウェハＷ上でのスポット光SPの結像
面（ビームウエスト）は、レチクルのガラス厚に対応し
て光軸方向にシフトするので、ウェハステージSP内のｚ
ステージをその分だけ上下方向にオフセットさせておけ
ばよい。あるいは、レチクルＲと同じ厚みの透明ガラス
板をレチクルＲの代りに配置してもよい。

本実施例によれば、スポット光SPをウェハＷに対して
ほぼ垂直方向から照射し、レジストパターンIRのエッジ
段差（１〜５μｍ厚のレジスト層）から大きな開口数で
広がる散乱光を極めて効率よく受光することができ、計
測時のS/N比が向上でき、レジストパターンの長さLnmの
測定精度を上げることができる。

また、第13図の構成で、受光素子40a、40bの夫々の位
置に、ビームLBの送光系を配置することで、レジストパ
ターンIRの全体を斜めから暗視野照明し、レジストパタ
ーンIRの暗視野像を投影レンズPLを介してTTRアライメ
ント系の受光系52内に設けられたテレビカメラで撮像
し、テレビ観察してもよい。この場合は、テレビカメラ
からの画像信号を解析することで、レジストパターンの
長さLnmが計測できる。

尚、AFセンサーとしての投光系14は、一般に赤外域の
ビームをウェハへ投射し、TTRアライメント系の送光系5
0からのビームLBは、紫外域（He-Cd）から赤色（He-N
e）までの範囲であるため、ビームスプリッタBS₁、BS₂
をダイクロイックミラーにしておけば、レジストパター
ン計測時にオートフォーカス動作を行ないながら、ウェ
ハＷを移動させることができ、計測精度をより安定させ
ることができる。

その他の変形例以上、本発明の各実施例では、レジストパターンIR
は、現像工程によって露光部と未露光部のいずれか一方
を除去して、微小凹凸のあるものとしたが、２重露光後
にレジスト層に形成されたモアレ状パターンの潜像を光
学的に検出してもよい。この場合は、２重露光によって
全く露光されなかった未露光部と、その他の露光部とで
レジスト層の光学特性（反射率、屈折率）が変化する現
像を利用することになる。

さらに本発明は、投影露光装置に限らず、プロキシミ
ティ方式の露光装置における露光条件の測定にも利用で
きる。プロキシミティ方式の場合は、投影光学系に起因
する露光条件、すなわちフォーカス条件は不要である
が、同等の意味をもつ条件として、マスクとウェハの機
械的なギャップ（例えば20μ〜200μｍ）条件が考えら
れる。

また、２重露光の際、１回目に露光すべき直線状パタ
ーン（１本又は複数本）と、２回目に露光すべき直線状
パターン（１本又は複数本）とは、互いに別のレチクル
に形成しておいてもよい。

さらに２つ（又は１つ）の直線状パターン群は、デバ
イスレチクルの一部に設けておいてもよい。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、ほぼ直線状のパターンの２つ
を、互いに所定の角度で交差させるようにして２重露光
を行なうため、２つのパターンの直線エッジの交点付近
にできる鋭角のくざび状レジスト像が極めて解像力よく
転写できるといった効果がある。例えば、元々くさび状
をしたパターンを感光基板へ露光すると、くさび先端付
近では線幅が微細になり過ぎて、空間周波数が高まり、
特に投影露光法では光の回折現象によって、くさび先端
付近のレジスト像は顕しく乱れた形状（解像不良）にな
ることがある。

本発明では、直線エッジ部のみを角度を変えて２重露
光するので、そのような回折現象は極めて少なく、交差
角度が小さくても十分な解像が得られ、同時に交差角度
を小さくしたことによる線幅変化（露光条件の変化）に
対する計測感度の増大という相乗効果が得られる。

さらに本発明によれば、露光条件を様々に変化させ
て、２重露光を行ない、形成された各露光条件のもとで
のレジスト像の各寸法を計測して、相互に比較すること
で、最適な露光条件を決定できるので、リングラフィ工
程に使われる露光装置や、コータ・デベロッパー（C.
D.）をほぼ無入でオートセットアップすることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による２重露光方法の原
理を模式的に説明する図、第２図は投影型露光装置（ス
テッパー）の構成を示す図、第３図は第１の実施例に好
適に使用されるテストレチクルのパターン配列を示す平
面図、第４図はステッパー本体とコータ・デベロッパー
とをインライン化した様子を示す図、第５図は第１の実
施例による露光条件測定方法の手順を模式的に説明する
斜視図、第６図は露光条件決定のために２重露光された
ウェハ上のショット配列の一例を示す図、第７図はステ
ッパーのアライメント系を用いたレジストパターンの寸
法計測の様子を示す図、第８図はレジストパターンの他
の形状を示す図、第９図はテストレチクル内に形成され
る２重露光用のパターン形状の他の例を示す図、第10図
はレジストパターンの長さ寸法の実測値と計算値のちが
いを説明する図、第11図は第２の実施例を実行するのに
好適なステッパー本体の一部の構成を示す斜視図、第12
図は第２の実施例に好適に使用される直線状パターン群
の形状を示す図、第13図は焦点検出系を一部共用したレ
ジストパターンの検出系の構成を示す図、第14図は、レ
チクルとウェハをアライメントするためのTTRアライメ
ント系の構成を示す図である。〔主要部分の符号の説明〕 TP、TP₁、TP₂、TP_1a、TP_1b、TP_1c、TP_2a、TP_2b、TP_2c…
…直線状パターン群 θ……交差角度Ｒ……レチクルＷ……ウェハ IR、IR₀、IR_a、IR_b、IR_c、IR_d……レジストパターン Lnm……長さ寸法 PL……投影レンズ SP……スポット光 11……ウェハ・アライメント系 12……信号処理系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−187817（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−32614（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−11110（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−2845（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−115830（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−122125（ＪＰ，Ａ) 米国特許4549084（ＵＳ，Ａ) 米国特許4772119（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に感応層を設けた感応基板を所定の露
光基準面に配置し、該感応基板にマスクのパターンを所
定のエネルギー量で露光する露光装置を用いて、該感応
基板への露光条件を測定する方法において、前記感応基板上の異なる複数の部分領域の夫々に、第１
の直線状パターンと第２の直線状パターンとを順次露光
する工程であって、該第１の直線状パターンの露光条件
を変えて露光する第１工程と；前記第１及び第２の直線状パターンの重ね合わせ露光に
よって前記感応層に形成されたパターン像の寸法を、前
記部分領域の夫々について計測する第２工程とを含み、該計測結果に基づいて前記露光条件を測定することを特
徴とする露光条件測定方法。
【請求項２】前記計測した寸法の差異に基づいて前記露
光条件を測定することを特徴とする請求項第１項に記載
の方法。
【請求項３】前記個々の部分領域に対して、前記第２の
直線状パターンの露光条件を変えて露光することを特徴
とする請求項第１項に記載の方法。
【請求項４】前記露光条件は、前記感応基板の表面と前
記露光基準面との微小な間隔値を第１の条件とし、前記
感応基板へのエネルギー量の値を第２の条件として、該
第１の条件と第２の条件との少なくとも一方を含むこと
を特徴とする請求項第１項から第３項に記載の方法。
【請求項５】前記第１工程と第２工程において、前記第
１の条件を一定にして前記第２の条件を変化させて順次
露光する第１モードと、前記第２の条件を一定にして前
記第１の条件を変化させて順次露光する第２モードとの
少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項第４に
記載の方法。
【請求項６】前記露光装置は、前記マスクのパターンの
像を前記露光基準面として規定される最良結像面内に投
影する投影光学系を有し、前記第１の条件は前記感応基板の表面と前記最良結像面
との間隔値に対応したフォーカス量であることを特徴と
する請求項第４項もしくは第５項に記載の方法。
【請求項７】前記第１及び第２の直線状パターンの各エ
ッジが交差する角度を90°以下の鋭角にしたことを特徴
とする請求項第１項から第６項に記載の方法。
【請求項８】前記重ね合わせ露光により形成されたパタ
ーン像をくさび状、もしくはモアレ状にしたことを特徴
とする請求項第７項に記載の方法。
【請求項９】前記第１及び第２の直線状パターンの夫々
は、ほぼ一定のピッチで光透過部と光遮へい部とを交互
に複数配列したことを特徴とする請求項第１項又は第８
項に記載の方法。
【請求項１０】前記感応基板と前記マスクとの少なくと
も一方を移動して、前記第１直線状パターンの潜像に対
して前記第２の直線状パターンを重ね合わせ露光するこ
とを特徴とする請求項第１項又は第７項に記載の方法。
【請求項１１】前記第１の直線状パターンと前記第２直
線状パターンとは一体であり、前記第１の直線状パター
ンが前記第１の直線状パターンの潜像に対して所定の角
度で交わるように前記マスクを回転した後、前記第１の
直線状パターンを露光することを特徴とする請求項第10
項に記載の方法。
【請求項１２】前記第１の直線状パターンと第２の直線
状パターンとを同一のマスク上の異なる部分に、前記所
定の角度だけ互いに傾けて形成したことを特徴とする請
求項第10項に記載の方法。
【請求項１３】表面に感応層を設けた感応基板を所定の
露光基準面に配置し、該感応基板にマスクのパターンを
所定のエネルギー量で露光する露光装置を用いて、該感
応基板への露光条件を測定する方法において、第１の直線状パターンを前記感応基板上に露光する第１
工程と；前記感応層に形成された前記第１の直線状パターンの潜
像に対して所定の角度で交わるように第２の直線状パタ
ーンを露光する第２工程と；前記第１及び第２の直線状パターンの重ね合わせ露光に
よって前記感応層に形成されたパターン像の寸法を計測
する第３工程とを有し、該計測結果に基づいて、前記露
光条件を測定することを特徴とする露光条件測定方法。
【請求項１４】前記露光条件は、少なくとも前記投影光
学系のフォーカス位置と最適露光量との少なくとも１つ
を含むことを特徴とする請求項第13項記載の方法。
【請求項１５】半導体素子を製造するための露光条件測
定方法において、感応基板上に連続的に線幅の変化するレジスト像を形成
する第１工程と；前記レジスト像を現像する第２工程と；現像後の前記感応基板を自動搬送し、該現像後の感応基
板に対して前記素子製造のための次の工程を行うことな
く、前記レジスト像の寸法を計測する第３工程とを有す
ることを特徴とする露光条件測定方法。