JPH06117831A - 収差計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 投影露光装置の投影光学系の非対称収差を短
時間に自己計測する。 【構成】 ウエハ１１上のショット領域３４−１，３４
−２にフォーカス位置を固定して、主尺マーク像２８Ｘ
Ｐ，３０ＸＰを露光した後に、ショット領域３４−１，
３４−２でそれぞれフォーカス位置を変えて副尺マーク
像３２ＸＰを露光する。主尺マーク像２８ＸＰ，３０Ｘ
Ｐと副尺マーク像３２ＸＰとの位置ずれ量Δｘ１をフォ
ーカス位置Ｆの関数で近似し、この関数中のフォーカス
位置Ｆについて対称な成分の係数を求める。予め算出し
てあった係数とコマ収差量との関係より、コマ収差量を
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体素子、液
晶表示素子又は薄膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で
製造する際に使用される投影露光装置において、投影光
学系のコマ収差等の非対称収差を求める場合に適用して
好適な収差計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体素子、液晶表示素子又は薄
膜磁気ヘッド等をリソグラフィ工程で製造する際に、フ
ォトマスク又はレチクル（以下「レチクル」と総称す
る）のパターンの像を投影光学系を介して感光基板上に
結像する投影露光装置が使用されている。斯かる投影露
光装置において、レチクルのパターンの像を高精度に感
光基板上に結像して露光するためには、投影光学系の諸
収差をできるだけ抑制する必要がある。

【０００３】そのような投影光学系の諸収差の内で、コ
マ収差等の非対称収差の検査を行う場合、従来は実際に
例えばレジストが塗布されたウエハ上にライン・アンド
・スペースパターン等の検査用のパターンを焼き付けて
いた。そして、そのウエハの現像処理により形成される
検査用のパターンのレジスト像の非対称量を走査型電子
顕微鏡（ＳＥＭ）等を用いて計測し、この計測結果より
投影光学系のコマ収差量等を算出していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の計
測方法においては、実際にウエハ上に検査用のパターン
を露光して現像処理を施すことにより、ウエハ上にレジ
ストパターンを形成し、このレジストパターンの形状を
投影露光装置とは別の高精度な計測装置で計測してい
た。しかしながら、このようにレジストパターンを別の
高精度な計測装置で計測するのでは、全体の計測システ
ムが複雑且つ高価になると共に、収差の計測に時間がか
かり過ぎるという不都合があった。

【０００５】また、投影光学系の非対称収差の特性を計
測するためには、投影光学系の露光フィールド内での計
測点の個数をできるだけ多くするのが望ましいが、従来
のように計測に長い時間がかかるのでは、計測点を多く
するのが困難であった。本発明は斯かる点に鑑み、投影
露光装置の投影光学系の非対称収差を投影露光装置自体
で短時間に計測できる収差計測方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の収差
計測方法は、例えば図１〜図３に示すように、マスクパ
ターン（８）を照明する照明光学系（１，３，６）と、
マスクパターン（８）の像を感光基板（１１）上に投影
する投影光学系（９）と、感光基板（１１）を保持して
感光基板（１１）を投影光学系（９）の光軸に垂直な面
内及び投影光学系（９）の光軸方向で位置決めするステ
ージ（１０）とを有する投影露光装置の投影光学系（１
０）の非対称収差の計測方法において、感光基板（１
１）の投影光学系（９）の光軸方向の位置であるフォー
カス位置を一定にして、マスクパターン（８）としての
第１の計測パターン（２６−１）の像を感光基板（１
１）上の複数のショット領域（３４−１，３４−２）に
投影する第１工程を有する。

【０００７】更に、本発明は、感光基板（１１）の投影
光学系（９）の光軸方向の位置であるフォーカス位置を
変えて、マスクパターン（８）としての第２の計測パタ
ーン（２７−１）の像を感光基板（１１）上の複数のシ
ョット領域（３４−１，３４−２）に投影する第２工程
と、第１の計測パターン（２６−１）の像とそれら各フ
ォーカス位置で投影された第２の計測パターン（２７−
１）の像との位置ずれ量を求める第３工程と、この位置
ずれ量を、そのフォーカス位置の関数で近似する第４工
程とを有し、この関数のそのフォーカス位置に関して対
称な成分から、投影光学系（９）の第１の計測パターン
（２６−１）及び第２の計測パターン（２７−１）が投
影された位置での非対称収差を求めるものである。

【０００８】また、本発明の第２の収差計測方法は、例
えば図１及び図６に示すように、マスク（７）上のパタ
ーンを露光光で照明する照明光学系（１，３，６）と、
そのパターンの像を感光基板（１１）上に投影する投影
光学系（９）と、感光基板（１１）を保持して感光基板
（１１）を投影光学系（９）の光軸に垂直な面内及び投
影光学系（９）の光軸方向で位置決めするステージ（１
０）とを有する投影露光装置の投影光学系（９）の非対
称収差の計測方法において、マスク（７）として計測マ
ーク（３７−１）が形成されたマスク（７Ｂ）を使用
し、ステージ（１０）上に計測マーク（３７−１）とほ
ぼ共役な形状の基準マーク（１９Ｘ，１９Ｙ）が形成さ
れると共に底部からその露光光と同じ波長の照明光で照
明される基準マーク板（１８）を配置した状態で、基準
マーク板（１８）の投影光学系（９）の光軸方向の位置
であるフォーカス位置を一定にして、基準マーク板（１
８）を投影光学系（９）の光軸に垂直な面内で走査し
て、計測マーク（３７−１）の基準マーク板（１８）上
での共役像の位置を検出する第１工程を有する。

【０００９】更に、本発明は、この第１工程でのフォー
カス位置とはそれぞれ異なる複数のフォーカス位置にお
いて、基準マーク板（１８）を投影光学系（９）の光軸
に垂直な面内で走査して、計測マーク（３７−１）の基
準マーク板（１８）上での共役像の位置を検出する第２
工程と、それら第１工程及び第２工程において検出され
た計測マーク（３７−１）の共役像の位置をそれぞれそ
のフォーカス位置の関数で近似する第３工程とを有し、
この関数のそのフォーカス位置に関して対称な成分か
ら、投影光学系（９）の計測マーク（３７−１）が投影
された位置での非対称収差を求めるものである。

【００１０】

【作用】斯かる本発明の収差計測方法の原理につき説明
する。先ず例えば感光基板（１１）側のテレセントリッ
ク性が正しくない場合、ステージ（１０）を駆動して感
光基板（１１）の投影光学系（９）の光軸方向の位置で
あるフォーカス位置を変えて、感光基板（１１）上にマ
スクパターンの像を露光すると、そのフォーカス位置に
比例してそのマスクパターン像の位置は変化する。

【００１１】これに対して、投影光学系（９）による投
影像が、例えば図３（ｂ）に示すようなＸ方向に所定ピ
ッチの格子状のパターン像（３２ＸＰ）であるとして、
投影光学系（９）にＸ方向のコマ収差等の非対称収差が
存在すると、そのパターン像（３２ＸＰ）の位置は、感
光基板（１１）がベストフォーカス位置から遠ざかるに
つれて、デフォーカス方向に関係なく、非対称収差の方
向とは逆の側に移動していくことが分かっている。そこ
で、そのパターン像（３２ＸＰ）の位置をＴｘとして、
一例としてその位置Ｔｘをフォーカス位置Ｆの２次関数
Ｔ１（Ｆ）で表すと、係数ａ，ｂ，ｃを用いて次のよう
になる。 Ｔｘ＝Ｔ１（Ｆ）＝ａＦ² ＋ｂＦ＋ｃ

【００１２】その他に、例えばベストフォーカス位置を
中心とした所定範囲の領域内で、その位置Ｔｘをフォー
カス位置Ｆの余弦関数を含んだ関数Ｔ２（Ｆ）で表す
と、係数α，β，γ，δを用いて次のようになる。 Ｔｘ＝Ｔ２（Ｆ）＝αｃｏｓ（βＦ）＋γＦ＋δ この他にも、その位置Ｔｘはフォーカス位置Ｆの種々の
形の関数として表すことができる。そして、例えば関数
Ｔ１（Ｆ）の中でフォーカス位置Ｆに関して対称な成分
を示す係数ａ又は関数Ｔ２（Ｆ）の中でフォーカス位置
Ｆに関して対称な成分を示す係数αが、それぞれ非対称
収差の量を表すことになる。従って、投影光学系（９）
による投影されるパターン像（３２ＸＰ）の位置Ｔｘを
フォーカス位置の関数として表し、予めフォーカス位置
Ｆに関して対称な成分を示す係数ａ又は係数α等と、非
対称収差の量との関係を求めておくことにより、逆にそ
れら係数ａ又は係数α等の値から非対称収差の量を求め
ることができる。

【００１３】そのような関数Ｔ１（Ｆ）又はＴ２（Ｆ）
等を求めるには、フォーカス位置を変えて投影光学系
（９）によるパターン像（３２ＸＰ）の位置を計測すれ
ばよいが、その計測方法には以下の２通りの方法があ
る。即ち、本発明の第１の収差計測方法では、先ずフォ
ーカス位置を一定にして第１の計測パターン（２６−
１）の像を感光基板（１１）上に露光し、次にフォーカ
ス位置を変えながら第２の計測パターン（２７−１）の
像を露光する。そして、第１の計測パターン（２６−
１）の像の位置を基準として、第２の計測パターン（２
７−１）の像の位置を計測することにより、投影光学系
（９）により投影されるパターン像の位置をフォーカス
位置の関数として求めることができる。この場合、その
第１の計測パターン（２６−１）の像の位置を基準とし
て第２の計測パターン（２７−１）の像の位置を計測す
ることは、特に高精度な走査型電子顕微鏡等を使用する
ことなく、投影露光装置に備えられているアライメント
系等を用いて実行することができる。

【００１４】また、本発明の第２の収差計測方法では、
それぞれ異なる種々のフォーカス位置において、基準マ
ーク板（１８）を投影光学系（９）の光軸に垂直な面内
で走査して、計測マーク（３７−１）の基準マーク板
（１８）上での共役像の位置を検出することにより、投
影光学系（９）により投影されるパターン像の位置がフ
ォーカス位置の関数として求められる。従って、感光基
板（１１）に対する露光を行うことなく、且つ別の高精
度な計測装置を用いることなく、迅速にそのパターン像
の位置をフォーカス位置の関数として求めることができ
る。

【００１５】

【実施例】以下、本発明による収差計測方法の一実施例
につき図１〜図５を参照して説明する。本実施例は、投
影露光装置において投影光学系のコマ収差を計測する場
合に本発明を適用したものである。

【００１６】図１は本実施例の投影露光装置を示し、こ
の図１において、１は露光光用の光源である。光源１と
しては、高圧水銀灯又はエキシマレーザー光源等が使用
できる。光源１から射出された露光光はミラー２で反射
された後に、図示省略されたインプットレンズを経てフ
ライアイレンズ３に入射する。フライアイレンズ３の後
側（レチクル側）焦点面には多数の２次光源が形成さ
れ、これら２次光源から射出された露光光は、ビームス
プリッター４、ミラー５及びコンデンサーレンズ６を経
てレチクル７を均一な照度で照明する。図示省略する
も、フライアイレンズ３とコンデンサーレンズ６との間
にはリレー光学系及びレチクル７と共役な投影式レチク
ルブラインドが配置され、この投影式レチクルブライン
ドによりレチクル７上の照明領域が設定される。

【００１７】露光光のもとで、レチクル７のパターン形
成面に形成されたパターン８の像が、投影光学系９を介
してウエハステージ１０上に載置されたウエハ１１の露
光面上に１／５倍に縮小して転写される。ウエハ１１の
露光面にはレジストが塗布されている。また、照明光学
系中のフライアイレンズ３の後側焦点面は投影光学系９
の瞳面とほぼ共役である。ウエハステージ１０は、投影
光学系９の光軸に垂直な面内の任意の位置にウエハ１１
を位置決めするＸＹステージ及び投影光学系９の光軸に
平行な方向でウエハ１１の露光面の位置、即ちフォーカ
ス位置を設定するＺステージ等より構成されている。ま
た、投影光学系９の光軸に垂直な平面の直交座標をＸ軸
及びＹ軸で表し、ウエハステージ１０上にＸ方向及びＹ
方向に垂直な反射面を有する移動鏡１２を設け、この移
動鏡１２にレーザ干渉計１３から直交する２本のレーザ
ビームを照射することにより、レーザ干渉計１３でウエ
ハステージ１０のＸ座標及びＹ座標を常時計測する。

【００１８】また、本実施例ではウエハ２１の露光面の
フォーカス位置又は後述の基準マーク板１８の表面のフ
ォーカス位置を検出するためのオートフォーカス系が設
けられている。オートフォーカス系は、ウエハ１１の露
光面に例えばスリット状の検出パターンの像を、投影光
学系９の光軸に対して斜めに投影する送光系１４ａと、
その露光面からの反射光を受光してその検出パターンの
像を再結像する受光系１４ｂとより構成されている。ウ
エハ１１の露光面のフォーカス位置が変化すると、その
再結像される検出パターンの像の位置が変化することか
ら、フォーカス位置の変化を検出することができる。受
光系１４ｂには、その再結像された検出パターンの位置
に応じて変化するフォーカス信号を生成する光電検出器
が組み込まれ、そのフォーカス信号が所定のレベルに維
持されるようにウエハステージ１０中のＺステージを駆
動することにより、ウエハ１１の露光面又は基準マーク
板１８のマーク形成面のフォーカス位置を所定の位置に
維持することができる。

【００１９】１５はオフ・アクシス方式のウエハアライ
メント系を示し、このウエハアライメント系１５はウエ
ハ１１の各ショット領域の近傍に形成されたアライメン
トマークを検出する。この場合、ウエハアライメント系
１５の検出中心とレチクル７の中心の共役像との間の間
隔、即ち所謂ベースライン量を求めておくことにより、
ウエハアライメント系１５で計測したアライメントマー
クの位置に基づいてウエハ１１の各ショット領域のアラ
イメントを正確に行うことができる。更に、ウエハアラ
イメント系１５は、例えばウエハ１１の現像により形成
される凹凸のレジストパターン等の種々のマークの検出
をも行うことができる。

【００２０】１６はレーザステップアライメント（以
下、「ＬＳＡ」という）方式のアライメント系を示し、
アライメント系１６から射出されたレーザビームがミラ
ー１７及び投影光学系９を経てウエハ１１上に照射さ
れ、ウエハ１１上に例えばスリット状のビームスポット
が形成される。このビームスポットからの反射光が、投
影光学系９及びミラー１７を経てアライメント系１６に
戻る。そして、アライメント系１６からのビームスポッ
トがウエハ１１上に照射されている状態で、ウエハステ
ージ１０を駆動してウエハ１１とそのビームスポットと
を相対的に走査すると、そのビームスポットとウエハ１
１上の所定の計測用のパターンとが合致したときに所定
の方向に強い回折光等の反射光が生ずる。この反射光を
アライメント系１６で検出することにより、ウエハ１１
上のその所定の計測用のパターンの座標を検出すること
ができる。

【００２１】また、ウエハステージ１０上のウエハ１１
の近くには所定の基準マーク１９が形成された基準マー
ク板１８を取り付ける。更に、フライアイレンズ３の後
側のビームスプリッター４で投影光学系９からの光を反
射した方向で、且つ投影光学系９の瞳面と共役な位置に
光電変換素子２０を配置する。そして、基準マーク板１
８が投影光学系９の露光フィールド内にある状態で、光
源１からの露光光をミラー２１及び集光レンズ２２を介
してライトガイド２３の一端に集束し、ライトガイド２
３の他端から射出される露光光を、集光レンズ２４及び
ミラー２５を介して基準マーク板１８の底部に導く。

【００２２】基準マーク板１８の基準マーク１９は、そ
の露光光により照明され、基準マーク１９を透過した露
光光は投影光学系９、レチクル７のパターン８、コンデ
ンサーレンズ６、ミラー５及びビームスプリッター４を
経て光電変換素子２０の受光面に入射する。光電変換素
子２０からは、レチクル７のパターン８の共役像と基準
マーク１９との重なりの状態に応じた検出信号が出力さ
れる。この検出信号でレーザ干渉形１３の計測値を保持
することにより、基準マーク１９とレチクル７上の所定
の計測マーク等の共役像とが合致するときのウエハステ
ージ１０の座標を求めることができる。なお、図１の基
準マーク板１８は本実施例では使用しない。

【００２３】次に、本実施例で投影光学系９のコマ収差
を求める場合の動作の一例につき説明する。図２（ａ）
は本例で使用されるレチクル７Ａのパターンを示し、こ
の図２（ａ）において、レチクル７Ａのパターン形成面
の９箇所の計測位置に同一の主尺マーク２６−１，２６
−２，‥‥，２６−９を形成し、各主尺マークの中心か
らＸ方向にｄｘ及びＹ方向にｄｙずれた位置にそれぞれ
中心が位置するように同一の副尺マーク２７−１，２７
−２，‥‥，２７−９を形成する。主尺マーク２６−１
は、図２（ｂ）に示すように、遮光部２９Ｘを挟んで、
それぞれＸ方向に６μｍ幅の遮光部と透過部とを交互に
並べてなるライン・アンド・スペースパターン（以下、
「Ｌ／Ｓパターン」という）２８Ｘ及び３０Ｘを配置し
たＸ方向用のマークと、遮光部２９Ｙを挟んで、それぞ
れＹ方向に６μｍ幅の遮光部と透過部とを交互に並べて
なるＬ／Ｓパターン２８Ｙ及び３０Ｙを配置したＹ方向
用のマークとから構成する。

【００２４】また、副尺マーク２７−１は、Ｘ方向に６
μｍ幅のＬ／Ｓパターン３２Ｘを挟んで遮光部３１Ｘ及
び３３Ｘを配置したＸ方向用のマークと、Ｙ方向に６μ
ｍ幅のＬ／Ｓパターン３２Ｙを挟んで遮光部３１Ｙ及び
３３Ｙを配置したＹ方向用のマークとから構成する。こ
の場合、主尺マーク２６−１をＸ方向にｄｘ且つＹ方向
にｄｙだけずらしたときに、遮光部２９Ｘ及び２９Ｙが
それぞれ副尺マーク２７−１のＬ／Ｓパターン３２Ｘ及
び３２Ｙに重なると共に、Ｌ／Ｓパターン２８Ｘ，３０
Ｘ，２８Ｙ及び３０Ｙがそれぞれ副尺マーク２７−１の
遮光部３１Ｘ，３３Ｘ，３１Ｙ及び３３Ｙに重なるよう
にする。

【００２５】次に、図２（ａ）のレチクル７Ａを図１の
レチクル７として装着し、以下の工程により投影光学系
９の非対称収差の計測を行う。 ［第１工程］ウエハ１１の露光面の投影光学系９の光軸
方向の位置、即ちフォーカス位置を投影光学系９のベス
トフォーカス面の位置（ベストフォーカス位置）又はそ
の近傍の位置に設定する。この状態でウエハステージ１
０を駆動して、ウエハ１１の露光面の多数のショット領
域に、それぞれ図２（ａ）のレチクル７Ａの主尺マーク
２６−１〜２６−９の像を露光する。これにより、図３
（ａ）に示すように、ショット領域３４−１の計測領域
３５−１〜３５−９、ショット領域３４−２の計測領域
３６−１〜３６−９及び他のショット領域の各計測領域
にそれぞれ主尺マーク２６−１〜２６−９の像が露光さ
れる。計測領域３５−１〜３５−９のショット領域内で
の相対位置と、計測領域３６−１〜３６−９のショット
領域内での相対位置とはそれぞれ同一である。

【００２６】［第２工程］図３（ａ）のウエハ１１上の
ショット領域３４−１，３４−２及び他のショット領域
に、それぞれフォーカス位置を変えながら図２（ａ）の
副尺マーク２７−１〜２７−９の像を露光する。フォー
カス位置は、ベストフォーカス位置を中心として−３μ
ｍから＋３μｍまでの間で、０．５μｍ間隔で変化させ
る。また、各ショット領域への露光を行う際に、ウエハ
１１の位置をＸ方向にｄｘ／５、Ｙ方向にｄｙ／５だけ
ずらして露光を行う。これにより、図３（ａ）のウエハ
１１上のショット領域３４−１の計測領域３５−１〜３
５−９、ショット領域３４−２の計測領域３６−１〜３
６−９及び他のショット領域の各計測領域に、それぞれ
図２（ａ）の副尺マーク２７−１〜２７−９の像が重ね
て露光される。

【００２７】図３（ｂ）は、図３（ａ）の計測領域３５
−１に２重露光により投影された像を示し、この図３
（ｂ）において、図２（ｂ）の主尺パターン２６−１の
Ｌ／Ｓパターン２８Ｘの像２８ＸＰとＬ／Ｓパターン３
０Ｘの像３０ＸＰとの間に、副尺パターン２７−１のＬ
／Ｓパターン３２Ｘの像３２ＸＰが露光されている。同
様に、主尺パターン２６−１のＬ／Ｓパターン２８Ｙの
像２８ＹＰとＬ／Ｓパターン３０Ｙの像３０ＹＰとの間
に、副尺パターン２７−１のＬ／Ｓパターン３２Ｙの像
３２ＹＰが露光されている。この場合、投影光学系９の
コマ収差及びテレセントリック性の崩れ等により、副尺
パターンのＬ／Ｓパターン像３２ＸＰのＸ方向の中心位
置は、主尺パターンのＬ／Ｓパターン像２８ＸＰ及び３
０ＸＰのＸ方向の中心位置からΔｘ１だけずれている。
また、副尺パターンのＬ／Ｓパターン像３２ＹＰのＹ方
向の中心位置は、主尺パターンのＬ／Ｓパターン像２８
ＹＰ及び３０ＹＰのＹ方向の中心位置からΔｙ１だけず
れている。

【００２８】また、図３（ａ）の他の計測領域３５−２
〜３５−９においても、副尺パターンの像は主尺パター
ンの像に対してＸ方向及びＹ方向にずれている。同様
に、隣のショット領域３４−２の計測領域３６−１〜３
６−９及び他のショット領域の計測領域においても、投
影光学系９のコマ収差及びテレセントリック性の崩れ等
に応じて、副尺パターンの像はそれぞれ主尺パターンの
像に対してＸ方向及びＹ方向にずれている。

【００２９】［第３工程］２重露光されたウエハ１１を
現像し、ウエハ１１上に形成されたレジストパターンの
位置を図１のウエハアライメント系１５で計測する。例
えば図３（ａ）のショット領域３４−１の第１の計測領
域３５−１、ショット領域３４−２の第１の計測領域３
６−１及び他のショット領域の第１の計測領域におい
て、それぞれ副尺パターンの像の主尺パターンの像から
のＸ方向のずれ量である相対位置差Ｐｘを計測する。ま
た、第１の計測領域３５−１、第１の計測領域３６−１
及び他のショット領域の第１の計測領域において、それ
ぞれ副尺パターンの像の主尺パターンの像からのＹ方向
のずれ量である相対位置差Ｐｙを計測する。同様に、他
の計測領域においても、各フォーカス位置での副尺パタ
ーンの像と主尺パターンの像とのＸ方向の相対位置差Ｐ
ｘ及びＹ方向の相対位置差Ｐｙを計測する。

【００３０】［第４工程］例えば第１の計測領域３５−
１、第１の計測領域３６−１及び他のショット領域の第
１の計測領域において計測されたＸ方向の相対位置差Ｐ
ｘを、フォーカス位置Ｆに対してプロットすると、図４
に示すような２次曲線的な曲線が得られる。そこで、係
数ａ，ｂ，ｃで表されるフォーカス位置Ｆの２次関数Ｐ
１（Ｆ）を想定して、例えば最小自乗法により、次のよ
うにその相対位置差Ｐｘを最も良く近似するときの係数
ａ，ｂ及びｃを求める。

【数１】Ｐｘ＝Ｐ１（Ｆ）＝ａＦ² ＋ｂＦ＋ｃ

【００３１】この場合、予め計算により、その２次関数
Ｐ１（Ｆ）の自乗項の係数ａと、計測領域３５−１にお
ける投影光学系９のＸ方向のコマ収差量との関係を求め
ておく。その関係は例えば図５のようになる。従って、
この関係にその近似により得られた係数ａを当てはめる
ことにより、計測領域３５−１における投影光学系９の
Ｘ方向のコマ収差量を求めることができる。また、計測
領域３５−１，３６−１，‥‥において計測されたＹ方
向の相対位置差Ｐｙを、フォーカス位置Ｆの２次関数で
近似した場合の自乗項の係数と、予め求めておいたコマ
収差量との関係より、その計測領域３５−１における投
影光学系９のＹ方向のコマ収差量を求めることができ
る。同様に、相対位置差と予め求めておいた関係とよ
り、図３（ａ）の他の計測領域３５−２〜３５−９にお
ける投影光学系９のＸ方向及びＹ方向のコマ収差量を求
めることができる。

【００３２】このように、本例によれば、ウエハ１１上
の主尺パターンの像の位置と副尺パターンの像の位置と
の相対位置差をウエハアライメント系１５で計測するこ
とにより、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の他の高精度
な計測装置を使用することなく、迅速に投影光学系９の
多数の計測領域でのＸ方向及びＹ方向のコマ収差量を求
めることができる。従って、図３（ａ）に示す計測領域
３５−１〜３５−９の個数を増加させた場合でも、比較
的短時間に投影光学系９の各計測領域でのコマ収差量を
求めることができる。

【００３３】また、本例では２次関数Ｐ１（Ｆ）の自乗
項の係数ａ、即ちフォーカス位置Ｆに関して対称な成分
のみから、コマ収差量を求めているため、２次関数Ｐ１
（Ｆ）の定数項の係数ｃの値にはコマ収差量の計測結果
は影響されない。従って、図２（ａ）の主尺パターン２
６−１〜２６−９の露光時に、ウエハ１１の露光面がベ
ストフォーカス位置から例えば０．５μｍ程度ずれるこ
とにより係数ｃの値が変化しても、コマ収差の方向や大
きさの計測結果にはほとんど影響がない。

【００３４】なお、上述実施例では、ウエハ１１上のレ
ジストに２重露光した後に現像処理を施しているが、潜
像の段階でも像の位置が検出できる感光材（例えば熱可
塑性樹脂等）を使用することにより、その現像処理工程
を省くことができる。また、レチクル７Ａ上に形成され
る計測用マークは、図２（ｂ）の主尺マーク２６−１及
び副尺マーク２７−１に限定されるものではなく、要は
主尺マークの像と副尺マークの像との相対的な位置関係
が求められるものであればよい。更に、例えば図２
（ａ）の１組の主尺マーク２６−１及び副尺マーク２７
−１の形成領域に主尺マーク及び副尺マークを多数組形
成し、各組において計測した副尺マークの像と主尺マー
クの像との相対位置差を平均した結果を、その計測領域
での相対位置差とすることにより、２重露光時のウエハ
ステージ１０のステッピング誤差の影響を小さくするこ
とができる。

【００３５】次に、本発明の他の実施例につき図１及び
図６〜図８を参照して説明する。本実施例も図１の投影
露光装置に適用されるものである。図６（ａ）は本例で
使用されるレチクル７Ｂのパターンを示し、この図６
（ａ）において、レチクル７Ｂのパターン形成面の９箇
所の計測位置に同一のＸ方向用計測マーク３７−１，３
７−２，‥‥，３７−９を形成し、各Ｘ方向用計測マー
クの近傍に同一のＹ方向用計測マーク３８−１，３８−
２，‥‥，３８−９を形成する。Ｘ方向用計測マーク３
７−１は、Ｘ方向に５μｍ幅の遮光部と透過部とを交互
に並べてなるＬ／Ｓパターンより形成し、Ｙ方向用計測
マーク３８−１は、Ｙ方向に５μｍ幅の遮光部と透過部
とを交互に並べてなるＬ／Ｓパターンより形成する。

【００３６】図６（ｂ）は図１の基準マーク板１８上に
形成されたパターンを示し、この図６（ｂ）において、
基準マーク板１８上には、Ｘ方向に１μｍ幅のＬ／Ｓパ
ターンよりなるＸ方向用基準マーク１９Ｘ及びＹ方向に
１μｍ幅のＬ／ＳパターンよりなるＹ方向用基準マーク
１９Ｙを形成する。従って、レチクル７Ｂ上のＸ方向用
計測マーク３７−１〜３７−９とＸ方向用基準マーク１
９Ｘとは投影光学系９に関して共役であり、レチクル７
Ｂ上のＹ方向用計測マーク３８−１〜３８−９とＹ方向
用基準マーク１９Ｙとは投影光学系９に関して共役であ
る。

【００３７】次に、本実施例で投影光学系９のコマ収差
を求める場合の動作の一例につき説明する。この場合、
図６（ａ）のレチクル７Ｂを図１のレチクル７として装
着し、以下の工程により投影光学系９のコマ収差の計測
を行う。 ［第１工程］図１の基準マーク板１８のマーク形成面の
投影光学系９の光軸方向の位置であるフォーカス位置
を、ベストフォーカス位置から−１．５μｍの位置に設
定する。基準マーク板１８のフォーカス位置は、オート
フォーカス系の送光系１４ａ及び受光系１４ｂにより検
出することができる。その後、図１のライトガイド２３
を介して基準マーク板１８の底部側から基準マーク１９
Ｘ及び１９Ｙを露光光で照明した状態で、基準マーク板
１８を投影光学系９の露光フィールド内でＸ方向及びＹ
方向に走査する。

【００３８】この場合、基準マーク板１８のＸ方向用基
準マーク１９Ｘが、レチクル７ＢのＸ方向用計測マーク
３７−１〜３７−９の共役像とＸ方向に合致すると光電
変換素子２０の検出信号が最大になることから、その検
出信号のピークでレーザ干渉計１３の計測座標をサンプ
ルすることにより、Ｘ方向用計測マーク３７−１〜３７
−９の共役像のＸ方向の位置を検出する。同様に、基準
マーク板１８のＹ方向用基準マーク１９Ｙが、レチクル
７ＢのＸ方向用計測マーク３８−１〜３８−９の共役像
とＹ方向に合致すると光電変換素子２０の検出信号が最
大になることから、Ｙ方向用計測マーク３８−１〜３８
−９の共役像のＹ方向の位置を検出する。

【００３９】［第２工程］基準マーク板１８のフォーカ
ス位置を、ベストフォーカス位置から−１．５μｍの位
置から、０．５μｍ間隔で次第にベストフォーカス位置
から＋１．５μｍの位置まで変化させる。そして、各フ
ォーカス位置で上記の第１工程を繰り返して、それぞれ
レチクル７ＢのＸ方向用計測マーク３７−１〜３７−９
の共役像のＸ方向の位置、及びＹ方向用計測マーク３８
−１〜３８−９の共役像のＹ方向の位置を検出する。

【００４０】［第３工程］例えば図６（ａ）のＸ方向用
計測マーク３７−１の投影光学系９による共役像の計測
されたＸ方向の位置と、その共役像の投影光学系９に収
差が無い場合の設計上のＸ方向の位置との差を相対位置
差Ｑｘとして、この相対位置差Ｑｘを、フォーカス位置
Ｆに対してプロットすると、図７に示すような２次曲線
的な曲線が得られる。そこで、係数ｄ，ｅ，ｆで表され
るフォーカス位置Ｆの２次関数Ｑ１（Ｆ）を想定して、
例えば最小自乗法により、次のようにその相対位置差Ｑ
ｘを最も良く近似するときの係数ｄ，ｅ及びｆを求め
る。

【数２】Ｑｘ＝Ｑ１（Ｆ）＝ｄＦ² ＋ｅＦ＋ｆ

【００４１】この場合、予め計算により、その２次関数
Ｑ１（Ｆ）の自乗項の係数ｄと、Ｘ方向用計測マーク３
７−１の投影領域における投影光学系９のＸ方向のコマ
収差量との関係を求めておく。その関係は例えば図８の
ようになる。従って、この関係にその係数ｄを当てはめ
ることにより、その投影領域における投影光学系９のＸ
方向のコマ収差量を求めることができる。また、Ｙ方向
用基準マーク３８−１の共役像のＹ方向の相対位置差Ｑ
ｙを、フォーカス位置Ｆの２次関数で近似した場合の自
乗項の係数と、予め求めておいたコマ収差量との関係よ
り、そのＹ方向用計測マーク３８−１の投影領域におけ
る投影光学系９のＹ方向のコマ収差量を求めることがで
きる。同様に、相対位置差と予め求めておいた関係とよ
り、図６（ａ）の他のＸ方向用計測マーク３７−２〜３
７−９及びＹ方向用計測マーク３８−１〜３８−９のそ
れぞれの投影領域における投影光学系９のＸ方向及びＹ
方向のコマ収差量を求めることができる。

【００４２】このように、本例によれば、ウエハ１１に
対する露光を行うことなく、基準マーク板１８を投影光
学系９の露光フィールド内でＸ方向及びＹ方向に走査す
るだけで、極めて迅速に投影光学系９の多数の計測領域
でのＸ方向及びＹ方向のコマ収差量を求めることができ
る。また、現像プロセスの影響を受けないために、計測
再現性が向上している。

【００４３】なお、基準マーク板１８上に形成する基準
マーク１９Ｘ，１９Ｙ及びレチクル７Ｂ上に形成する計
測マーク３７−１，３８−１はそれぞれＬ／Ｓパターン
に限定されるものではない。例えば計測マーク３７−
１，３８−１を１個の十字型のマークで代用した場合に
は、基準マーク１９Ｘ，１９Ｙも１個の十字型のマーク
で代用することができる。

【００４４】また、上述の２個の実施例においては、相
対位置差Ｐｘ又はＱｘをそれぞれフォーカス位置Ｆの２
次関数で近似していたが、例えばそれら相対位置差Ｐｘ
又はＱｘをそれぞれフォーカス位置Ｆの余弦であるα・
ｃｏｓ（βＦ）（α、βは係数）を含む関数で近似して
もよい。これを一般化すると、フォーカス位置Ｆをベス
トフォーカス位置を原点として表した場合、ｆ（Ｆ）＝
ｆ（−Ｆ）となるようなフォーカス位置Ｆに関して対称
な任意の関数ｆを含む形でそれら相対位置差Ｐｘ又はＱ
ｘを近似する。そして、その関数ｆの係数を求め、予め
求めてあるその関数ｆの係数とコマ収差量との関係にそ
の近似により得られた係数を当てはめることにより、迅
速にコマ収差量を求めることができる。

【００４５】また、本発明の収差計測方法は、投影光学
系のコマ収差の計測時のみならず、一般的に投影像の位
置を計測する手段を備えた装置の光学系の非対称収差を
計測する場合に適用することができる。このように、本
発明は上述実施例に限定されず本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々の構成を取り得る。

【００４６】

【発明の効果】本発明の第１の収差計測方法によれば、
第１の計測パターンの像と各フォーカス位置で投影され
た第２の計測パターンの像との位置ずれ量を求めるだけ
で投影光学系の非対称収差を計測することができるた
め、投影露光装置の投影光学系の非対称収差を投影露光
装置自体で短時間に計測できる利点がある。

【００４７】また、第２の収差計測方法によれば、基準
マーク板を投影光学系の光軸に垂直な面内で走査して、
計測マークのその基準マーク板上での共役像の位置を検
出することにより、投影光学系の非対称収差を計測でき
るので、投影光学系の非対称収差を高速に自己計測でき
る利点がある。また、感光基板に対する露光を行う必要
がないため、計測結果の再現性が向上している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による収差計測方法の実施例が適用され
る投影露光装置を示す構成図である。

【図２】（ａ）は本発明の一実施例で使用されるレチク
ルのパターンを示す平面図、（ｂ）はレチクル上の主尺
マーク及び副尺マークを示す拡大平面図である。

【図３】（ａ）はウエハ上の複数のショット領域を示す
要部の拡大平面図、（ｂ）は図３（ａ）の所定の計測領
域に投影された主尺マーク及び副尺マークの像を示す拡
大平面図である。

【図４】その実施例におけるフォーカス位置と相対位置
差との関係を示す図である。

【図５】その実施例における近似式の自乗項の係数ａと
コマ収差量との関係を示す図である。

【図６】（ａ）は本発明の他の実施例で使用されるレチ
クルのパターンを示す平面図、（ｂ）は基準マーク板上
の基準マークを示す拡大平面図である。

【図７】他の実施例におけるフォーカス位置と相対位置
差との関係を示す図である。

【図８】他の実施例における近似式の自乗項の係数ｄと
コマ収差量との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源 ３ フライアイレンズ ４ ビームスプリッター ６ コンデンサーレンズ ７，７Ｂ，７Ｃ レチクル ９ 投影光学系 １０ ウエハステージ １１ ウエハ １４ａ オートフォーカス系の送光系 １４ｂ オートフォーカス系の受光系 １５ ウエハアライメント系 １８ 基準マーク板 １９Ｘ Ｘ方向用基準マーク １９Ｙ Ｙ方向用基準マーク ２０ 光電変換素子 ２３ ライトガイド ２６−１〜２６−９ 主尺マーク ２７−１〜２７−９ 副尺マーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マスクパターンを照明する照明光学系
   と、前記マスクパターンの像を感光基板上に投影する投
   影光学系と、前記感光基板を保持して前記感光基板を前
   記投影光学系の光軸に垂直な面内及び前記投影光学系の
   光軸方向で位置決めするステージとを有する投影露光装
   置の前記投影光学系の非対称収差の計測方法において、 前記感光基板の前記投影光学系の光軸方向の位置である
   フォーカス位置を一定にして、前記マスクパターンとし
   ての第１の計測パターンの像を前記感光基板上の複数の
   ショット領域に投影する第１工程と、 前記感光基板の前記投影光学系の光軸方向の位置である
   フォーカス位置を変えて、前記マスクパターンとしての
   第２の計測パターンの像を前記感光基板上の前記複数の
   ショット領域に投影する第２工程と、 前記第１の計測パターンの像と前記各フォーカス位置で
   投影された前記第２の計測パターンの像との位置ずれ量
   を求める第３工程と、 該位置ずれ量を、前記フォーカス位置の関数で近似する
   第４工程とを有し、 該関数の前記フォーカス位置に関して対称な成分から、
   前記投影光学系の前記第１の計測パターン及び第２の計
   測パターンが投影された位置での非対称収差を求める事
   を特徴とする収差計測方法。
2. 【請求項２】 マスク上のパターンを露光光で照明する
   照明光学系と、前記パターンの像を感光基板上に投影す
   る投影光学系と、前記感光基板を保持して前記感光基板
   を前記投影光学系の光軸に垂直な面内及び前記投影光学
   系の光軸方向で位置決めするステージとを有する投影露
   光装置の前記投影光学系の非対称収差の計測方法におい
   て、 前記マスクとして計測マークが形成されたマスクを使用
   し、前記ステージ上に前記計測マークとほぼ共役な形状
   の基準マークが形成されると共に底部から前記露光光と
   同じ波長の照明光で照明される基準マーク板を配置した
   状態で、前記基準マーク板の前記投影光学系の光軸方向
   の位置であるフォーカス位置を一定にして、前記基準マ
   ーク板を前記投影光学系の光軸に垂直な面内で走査し
   て、前記計測マークの前記基準マーク板上での共役像の
   位置を検出する第１工程と、 該第１工程でのフォーカス位置とはそれぞれ異なる複数
   のフォーカス位置において、前記基準マーク板を前記投
   影光学系の光軸に垂直な面内で走査して、前記計測マー
   クの前記基準マーク板上での共役像の位置を検出する第
   ２工程と、 前記第１工程及び第２工程において検出された前記計測
   マークの共役像の位置をそれぞれ前記フォーカス位置の
   関数で近似する第３工程とを有し、 該関数の前記フォーカス位置に関して対称な成分から、
   前記投影光学系の前記計測マークが投影された位置での
   非対称収差を求める事を特徴とする収差計測方法。