JPH0230112A

JPH0230112A - 露光条件測定方法

Info

Publication number: JPH0230112A
Application number: JP63180654A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Suwa; 恭一諏訪; Hiroki Tateno; 立野　博貴; Shigeru Hirukawa; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1990-01-31
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JP2712330B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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（１〜５μｍ
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％以下といった極めた厳
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Ｉ′Ｂ
′Ｉ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（例えばシャンター時間）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（Ｘ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ントｉＪｌ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
置でのショント中で線幅が所定量となる露光量をもって
Ｒ通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
ツジ間隔を光学顕微鏡、又は専用２１［１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へストフォー
カス面（最良結像面）は、１５Ｘ１５ａｕ＋＋、又は２
０　Ｘ２０ｍｍ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ントになってい
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つのノ
ヨン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？ｊ！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している。

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
るオートセットアンプの方法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明では、互いに所定の交差角度（θ）で交わるエツ
ジを有する２つの直線状パターンを、２重露光によって
レジスト層に形成し、２つの直線状パターンの重ね合わ
せにより形成されたくさび状、もしくはモアレ状のレジ
スト像の寸法を計測することで間接的に露光条件を測定
するようにした。

そして、感光基板上の異なる複数の部分領域の夫々に、
露光条件（フォーカス、エネルギー量）を変えて順次１
回目の露光（第１の直線状パターンの露光）を行ない、
次にレジスト層にできた潜像に対して、各部分領域毎に
露光条件を変えて２回目の露光（第２の直線パターンの
露光）を行なうようにする。

そして、各部分領域毎に作成されたレジスト像（くさび
状、又はモアレ状）の長さ寸法を計測して比較すること
で、最適な露光条件を決定するようにした。

〔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
、又は先遣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
（、Ｖ！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
の信頬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用するようにすれば
、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ｌ：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！、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Ｔ
Ｐ＋−１ＴＰ、、、ＴＰ、ｃ（総称するときは単にＴＰ
、とする）を、Ｘ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だけ傾いた線幅ゼ、長さＨの３本の直線パタ
ーンを間隔！で並置したパターン群ＴＰ、いＴＰ２．、
ＴＰ、ｃ（総称するときは単にＴＰ、とする）を、Ｘ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ＴＰ、、ＴＰ、の各直線パタ
ーンが先遣へい部（クロム層等）であると、２つのパタ
ーン群ＴＰ、、ＴＰ、がオーバーランプした部分は偏平
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ＴＰ、　、
ＴＰ、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ＴＰ、　、ＴＰ、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、ｌＲｂ、ｌＲ
ｃ　（総称するときにはＩＲとする）を示し、レジスト
パターンＩＲａ　（ｌＲｂ、ｌＲｃ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、Ｘ方向にピンチ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１〜５μｍ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、ｌＲｂ
、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，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ン
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ＴＰ、　、ＴＰ。

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。

Ｌｎｍ−・−一−−（＋）ｔａｎ　θ／２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、ｔａｎ　θ／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［Ｒの長さＬｎｍを
ｌ／ｌａｎ　θ／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〕

簗上公災施炭第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−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−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の開時間をシャン
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Ｒ３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、像側テレセントリンクな投影レンズ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Ｒ３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方向にステンピングさせ、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０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１）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１）ａ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１）ｂ、ビ
ームスプリンタｌｌｃ、及び対物レンズｌＯ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
１）ｂ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ｌｌｃで反射され、瞳リレー系ｌｉｄ、空
間フィルターｌｉｅを通って光電素子１）ｆに受光され
る。空間フィルターｌｉｅ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器に、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１）ｆからの光電信号は、信号処理系Ｉ
２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０．０２
μｍ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１）ｆからの
信号波形をサンプリングする０本実施例では、二のよう
なＴＴＬ方式のウェハアライメント系１）、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ＡＰ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
ば上敷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倍信号する）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２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
倍信号応答して、ステージコントローラ７の制ｉｆｆ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倍信号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
セン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Ｒ３へ搬送される。こ
のテストレチクルＲの周辺３ケ所には、レチクルアライ
メント系５で検出されるマークＲＭ＋　、ＲＭ、　ＳＲ
Ｍ、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３Ｘ３の配置で９ケ所にマー
ク領域ＭＡ＋　、ＭＡｔ　、ＭＡ３　、ＭＡａ　、ＭＡ
ｓ　、ＭＡ、　、ＭＡｔ　、ＭＡ６　、ＭＡ、が形成さ
れている。各マーク領域ＭＡ、−ＭＡ、ｌのｘ、Ｘ方向
の間隔はＳｘ、Ｓｙであり、マーク領域ＭＡ、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ＭＡ、〜Ｍ　Ａ　ｑ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ＴＰ、　
、ＴＰ、がＸ方向に並べて形成される。尚、中心のマー
ク領域Ｍ　Ａ　ｓの直線状パターン群ＴＰ、　、、ＴＰ
、の配置と、他のマーク領域ＭＡ、〜ＭＡ、　、ＭＡ、
〜Ｍ　Ａ　ｑの直線状パターン群ＴＰ、　、ＴＰ、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ＴＰ、　、ＴＰ、の組を設けることによって、
ショット領（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りソグラフィシステム
について第４図を参照して説明してお（。第４図は第２
図に示したステッパー本体１００とコータ・デベロンパ
−（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Ｃ００，１２０の位置Ｆ、
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で待朋する。ステッパー本体１００が
露光動作を始めると、ウェハは位ＷＦｚからステッパー
１００のロードポジションＦ、に搬送され、ウェハステ
ージＳＴ上に受は渡され、露光がｊテなわれる。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，０，１２０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のティク・アウトポジションＦ
、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１２１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Ｆ、に受は渡す。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Ｆ。

に受は渡された現像済みウェハは、ポジションＦ、から
バンファ位置Ｆｔへ搬送され、再びステンパー本体１０
０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
ンパー本体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ＪＲ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ＴＰＴＰ、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
、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８このとき同時に直線状パターン群ＴＰ、の投
影像も焼き付けられるが、その潜像に対する２重露光は
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、Ｘ方向に例えば７×８のマトリック
ス状に計５６シヨツトを設定し、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ＨＪｉ域については、露光
量に一定量ずつオフセン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
方向のシヨ・ント位置に応じて露光時間を、例えば１０
ｍ５ｅｃ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２００　ｍ５ｅｃ）を設定し、ここをオフセント零
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、−１Ｏ１０、＋１０、＋２０、＋３０
ｍ５ｅｃといったオフセント量を設定する。

一方、第６図に示したショット配列で、Ｘ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
ずつオフセン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、Ｘ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、Ｘ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、−１，０１＋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ヘストフォーカス位
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シヨツトの夫々は、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シヨノ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ＴＰ、の潜
像ＴＰ＋’　に対して直線状パターン群ＴＰ、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シヨツ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／ｌＯ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
ヨツ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。Ｃ０Ｄ、１２０は現像後のウェハＷをア
ーム１２４で位置Ｆ、へ搬送した後、位置Ｆｔ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Ｓ下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１）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Ｘ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、Ｘ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Ｉ　Ｒａ−Ｉ　Ｒｄをスポッ
ト光ＳＰで相対走査すると、レジストパターンｌ　Ｒａ
−ＩＲｄのほぼＸ方向に伸びるエツ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〜［
Ｒｄ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１）内の光電素子１）ｆ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Ｓ
Ｐ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ＴＰ、　、ＴＰ、の交差角度θを約３°
とし、各パターンｆｆＴＰ、　、Ｔｐｚ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Ｉ　Ｒａ−Ｉ　Ｒｄ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Ｌｎ
ｍ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Ｓ
Ｐ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ＩＨ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Ｈ１域内の９ケ
所のマーク領域ＭＡ、〜ＭＡ、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は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１
００には、ショット配列のマンプやレチクルＲ内の各マ
ーク領域ＭＡ、〜Ｍ　Ａ　ｑ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
に正確にセントして、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ＩＨ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方向に一定ピンチ（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ＴＰ、　、ＴＰ、を用意しておいてもよい。

このように、スポット光ＳＰの長手力向いっばいにレジ
ストパターンｆＲ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Ｌｌｌ、Ｌ１□・・・、Ｌｌｌ、
Ｌ、・・・、ＬＩｌ、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）ｉｉＪｆ域毎の
長さＬｌｌ、Ｌ１□・・・Ｌａｗ（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
てパターン長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１列に並んだ８つのショット領域から
計測された長さＬ１４、Ｌ１２、Ｌｌｌ４、Ｌ４４、Ｌ
Ｓ４．１−ａ４、Ｌ７４、Ｌａｍの夫々を比較し、この
中で最も長（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Ｌ　４４が最も長かったとすると、フォーカス・
オフセントは−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
ＬＪＩ、１４！、Ｌａ２、Ｌ４４、Ｌ、ａｓ、Ｌ４ｂ％
　Ｌ１２の夫々のうらで、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、露光量オフセントを−１０（ｍｓ
ｅｃ）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ント
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Ｉ！！ｉｎ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Ｉｎの長さＬｎｍを所定の長さＬ
ｐｐと比較するが、長さり、ｐｐ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。この長さり、ｐｐ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
、　　ＴＰ２をレジスト層に２重露光するが、このとき
パターン群ＴＰＩ、ＴＰＺ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ＴＰ、　、ＴＰ、とともに、線幅２、間
隔ｌのライン・アンド・スペースパターンＴＰ、を遮光
部Ｋｓ内に形成しておく、第９図（Ａ）でパターンＴＰ
ユはマーク領域ＭＡｎ内でＸ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ＴＰ、、ＴＰ、の２重露光時に
ウェハステージＳＴをＸ方向にｍ−Ｘρ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
ＴＰ、　、ＴＰ２のいずれか一方、例えばＴＰ、の右端
をＸ軸と平行に線幅ｌで一定長だけパターン群ＴＰ、よ
り伸ばしたパターン群ＴＰ。

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（７）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、ヘ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、各露光条件のもとて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）等を用いて５６個の各ショット領域内にパターン群
ＴＰ、　、ＴＰ！の重ね合わせによるレジストパターン
Ｉｌ’？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）ＴＰ、のレジスト像の線幅を実測する。

次に、同一露光量のもとてレジストパターン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Ｈｉ域（第６図中の横の列）のなかで、Ｌ
／ＳパターンＴＰ。

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−Ｎ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ＩＨ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ＴＰ、　、ＴＰ
、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ｒＲの長さは、幾何数学上は第１０図中の
交点Ｃ１、Ｃｔ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
る長さしは（４）式のように表わされる（縮小率ｍは１
として考える）。

ｆ−□　・ｔａｎ　　θ／２・・・・・・（２）！！、／２＝ｆ・ｃｏｓ　　θ／２・・・・・・（３）ｔａｎθ／　２　　　ｔａｎθ／２　・　ＣＯ３θ／２
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Ｃ，、Ｃ
，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。

Ｌｎｍ＝Ｌ−２Ｇ！：　　　　　　　　−２Ｇ　　＝（
５）ｔａｎ　　θ／２上述のように、測長用ＳＥＭを用いて、Ｌ／Ｓパターン
ＴＰ、の線幅が最も精度よくレジスト層に転写されたと
きの長さり、ｐｐ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ＴＰ、　、’ｒｐｚの重ね合わせ位置がｘ、Ｘ
方向にずれても、２つの交点Ｃ，、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Ｌｎｍ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ＴＰ、　、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
しｐｐ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し条件で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［Ｒ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ＪＲ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■Ｒｏ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０ｆｆ−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ＩＨの計測においては、各モアレ状パターンから
のエンジ敗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０ｆｆ−Ａｘｉｓ方弐の顕微鏡対
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Ｓ
Ｐの長手方向の２ケ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１）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Ｓ
Ｔのステ・ンピング位置をｍ−Ｘｐだけシフトさせるよ
うにしたが、レチクルステージＲ３をＸ方向に正確にＸ
Ｐ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、Ｌつ
のショット領域内の９ケ所にレジストパターンＩＲが形
成されるので、その９ケ所の夫々で同様に露光条件を測
定し、ショット領域の９ケ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１ＡすＣ１桝第１）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Ｒ３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であ
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Ｒ３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２０．２
１は互いに一定間隔だけＸ方向に離れ、ともにステージ
Ｒ３のＸ方向の変位を計測する。干渉計２２はステージ
ＲＳ　Ｏ）　Ｘ方向の変位を計測する。さらに干渉計２
０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Ｍ
Ａｎ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
結ぶ線分と平行なうイン・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ＭＡＳ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Ｘ方向）に
一致させてお（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Ｒ３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ＲＭ！　、ＲＭ、等を
検出して、ｘ−、Ｘ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Ｒ３を光軸ＡＸを中心
に一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α１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（同様に実行する。

次に再度レチクルステージＲ３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
了時の位置から十〇／２（＋、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
α２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【Ｒ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ＴＰ、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α１と２回目
の露光時の回転角度α２の差（α２−α）が所定の交差
角度θと一致していないときは、角度（α２−αｌ）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ＴＰ、、ＴＰ！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１）図のようにレチクルステージＲ３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。

コーしπ実Ｊ１舛次に、レジストパターンＩＲの寸法計測に用いるステッ
パー本体のセンサ一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、
Ｉ４、工５、Ｉ６．１７．１８、ＰＬは第２図中の部材
と同一のものであり、対物レンズ１５、Ｉ６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
関係は破線で示しである。対物レンズ１５、Ｉ６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）ＢＳ、　、ＢＳ。

が斜設され、ウェハ面から対物レンズ１５、Ｉ６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４０
ａ、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
るだめ、ウェハＷ上のレジストパターンＩＪ？の各モア
レ状バク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１）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１）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１５．１Ｇ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Ｓ
Ｐ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Ｂ　Ｓ　ｓを通り、アライメント用
の対物レンズ５４ａと全反射ミラー５４ｂ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ンクレンズの作用で、
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（包収
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Ｓ　Ｐ　＋　となって集光される。対物レンズ５
４ａ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ＳＰ、を設定するこ
とができる。スポット光ＳＰ、は、第２回のアライメン
ト系１）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５４ｂ１
対物レンズ５４ａを介してビームスプリッタＢ　Ｓ　３
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ば、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Ｔ　Ｔ　Ｒアライメント系は、スポ
ット光ＳＰ、がレチクルＲの軸外の位置、例えば軸ＡＸ
、に位置するように可動系５４をセットしておき、ＴＴ
Ｒ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ＳＰ、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Ｓ　Ｐ　＋　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Ｓ
Ｐの結像面（ビームウェスト）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
ＳＴ内の２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のエツ
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
レビカメラで盪像し、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、ＡＰ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５０からのビームＬＢは、紫外域（Ｈｅ−Ｃｄ）か
ら赤色（Ｈｅ−Ｎｅ）までの範囲であるため、ビームス
プリッタＢＳ、　、ＢＳ２をグ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。

主ｑ他生変長炭以上、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）が変化する現象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
ィ方弐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ツジの交点付近に
できる鋭角のくさ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、直線エツ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てのレ
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、リソグラフィ工程に
使われる露光装置や、コータ・デベロッパー（Ｃ，Ｄ、
）をほぼ無人でオートセットアツ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２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
ウェハ上のション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２ｆｆｌｉＦｔ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１）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、ＴＰ、　、ＴＰｚ　、ＴＰｌ、、ＴＰ、ｂ、ＴＰ
Ｉｃ、ＴＰ２ヮ、ＴＰ２ｂ、　ＴＰ２ｃ・・・・・・直
線状パターン群θ・・・・・・交差角度Ｒ・・・・・・レチクルＷ・・・・・・ウェハＩＲ，ＩＲ，、ＩＲａ、ＩＲｂ、ＩＲｃ、ＩＲｄ・・・
・・・レジストパターンｎｍ・・・・・・長さ寸法Ｌ・・・・・・投影レンズＰ・・・・・・スポット光１・・・・・・ウェハ・アライメント系２・・・・・・
　信号処理系

Claims

【特許請求の範囲】

（１）表面にレジスト層を塗布した感光基板を所定の露
光基準面に配置し、該感光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、該感光
基板への露光条件を測定する方法において、前記感光基板上の異なる複数の部分領域の夫々に、第１
の直線状パターンを前記露光条件を変えて順次露光する
第１工程と；前記レジスト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第２の直線状パター
ンを、前記部分領域の夫々に前記露光条件を変えて順次
重ね合わせ露光する第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
よって前記レジスト層に形成されたレジスト像の寸法を
、前記部分領域の夫々について計測する第３工程とを含
み、該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露光条件測定方法。
（２）前記第１工程と第２工程において、個々の部分領
域に対しては前記第１の直線状パターンの露光条件と前
記第２の直線状パターンの露光条件とをほぼ等しくした
ことを特徴とする請求項第１項に記載の方法。
（３）前記露光条件は、前記感光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、前記感光基
板へのエネルギー量の値を第２の条件として含み、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１項、又は第２項
に記載の方法。
（４）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の条件は前記感光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３項に記載の方法。
（５）前記第１及び第２の直線状パターンを重ね合わせ
露光したときに、該２つの直線状パターンの各エッジが
交差する角度を０°以外で４５°以下の鋭角にし、前記
重ね合わせ露光により形成されたレジスト像をくさび状
、もしくはモアレ状にしたことを特徴とする請求項第１
項、又は第３項に記載の方法。
（６）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５項記載
の方法。