JPH06120117A

JPH06120117A - 結像特性計測方法及び該方法で使用されるマスク

Info

Publication number: JPH06120117A
Application number: JP26465992A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Hirukawa; 茂蛭川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: JP3309865B2

Abstract

(57)【要約】【目的】計測マーク像の位置検出用のセンサーの分解
能を特に向上させることなく、且つピッチの小さい実素
子パターンに対する投影光学系の結像特性をも正確に計
測する。【構成】レチクル２９上の計測マーク３９Ａを、それ
ぞれ計測方向にピッチＰ２のライン・アンド・スペース
パターンよりなる周期的パターン４０Ａ〜４０Ｃをピッ
チＰ１（Ｐ１＞Ｐ２）で配列して形成する。投影光学系
のディストーション計測時には、それら周期的パターン
４０Ａ〜４０Ｃの像をそれぞれ１個の暗線パターンの像
として位置検出を行う。

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
学系のディストーション等の結像特性を計測する場合に
適用して好適な結像特性計測方法に関する。

【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。一般に半導体
素子等は基板上に多数層の回路パターンを重ねて形成さ
れると共に、例えば１層目の回路パターンの露光を行う
投影露光装置と２層目の回路パターンの露光を行う投影
露光装置とが異なる場合もある。従って、回路パターン
の重ね合わせ精度を高精度に維持して、最終的に製造さ
れる半導体素子等の歩留まりを高くするためには、各投
影露光装置において投影光学系の倍率誤差及びディスト
ーション等の結像特性を所定の規格内に維持する必要が
ある。そのためには、先ず投影光学系のそのような結像
特性を正確に計測する必要がある。以下、投影光学系の
結像特性としてディストーションを例にとって説明す
る。

【０００３】従来、投影光学系のディストーションを計
測するためには、図７のようなテストレチクルＲ１が使
用されていた。図７において、テストレチクルＲ１の中
央部には、２本のライン・アンド・スペースパターン１
Ａ及び１Ｂを所定間隔だけ離して配置した基準マーク２
が形成され、テストレチクルＲ１の４隅にはそれぞれ３
本のライン・アンド・スペースパターンよりなる計測マ
ーク３Ａ〜３Ｄが形成されている。これら基準マーク２
及び計測マーク３Ａ〜３Ｄのパターンの計測方向の暗部
又は明部の幅は４〜６μｍであり、この幅はそれら基準
マーク及び計測マークの像の検出を行うセンサーの分解
能に合わせて最適化された値である。

【０００４】そして、ディストーションの計測を行う場
合には、図７の計測マーク３Ａ〜３Ｄを遮蔽した状態
で、図８（ａ）に示すように、感光基板としての例えば
レジストが塗布されたウエハＷをステップアンドリピー
ト方式で位置決めしながら、そのウエハＷ上に図７の基
準マーク２の像２ＡＰ〜２ＤＰが投影光学系を介して露
光される。これらの像２ＡＰ〜２ＤＰの位置は、図７の
計測マーク３Ａ〜３Ｄの像のウエハＷ上での設計上の位
置に合致している。次に、図８（ｂ）に示すように、そ
のウエハＷ上にテストレチクルＲ１の計測マーク３Ａ〜
３Ｄの像を投影光学系を介して重ねて露光する。これに
より、基準マーク像２ＡＰ〜２ＤＰの中にそれぞれ計測
マーク像３ＡＰ〜３ＤＰが露光される。

【０００５】次のそのウエハＷの現像を行うことによ
り、基準マーク像２ＡＰ〜２ＤＰ及び計測マーク像３Ａ
Ｐ〜３ＤＰがレジストの中に凹又は凸のパターンとして
形成される。これら凹又は凸のパターンは例えば顕微鏡
により観察することができる。例えば図８（ｂ）中の基
準マーク像２ＤＰ及び計測マーク像３ＤＰの拡大図を図
９（ａ）に示す。図９（ａ）において、基準マーク像２
ＤＰ及び計測マーク像３ＤＰはそれぞれ数本のライン・
アンド・スペースパターンより形成されている。そし
て、図８（ｂ）に戻り、例えば基準マーク像２ＤＰの中
心と計測マーク像３ＤＰの中心とのＸ方向の差Δｘ１、
基準マーク像２ＡＰの中心と計測マーク像３ＡＰの中心
とのＸ方向の差Δｘ４等を計測することにより、投影光
学系のＸ方向のディストーションを求めることができ
る。

【０００６】次に、従来のレーザステップアライメント
（以下「ＬＳＡ」という）方式の計測マークの例につき
図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は、図７の基
準マーク２としてレチクル上に形成された第１計測マー
ク５を示し、この第１計測マーク５は、クロム蒸着膜等
の遮光部４の中に、一辺の幅がＬの正方形の開口パター
ン５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，‥‥を計測方向に垂直な方向にピ
ッチ２Ｌ程度で並べたものである。各開口パターン５
Ａ，５Ｂ，‥‥の幅Ｌは４〜６μｍ程度である。また、
図１０（ｂ）は図７の計測マーク３Ａ〜３Ｄに相当する
第２計測マーク７を示し、この第２計測マーク７も遮光
部６の中に幅Ｌの正方形の開口パターン７Ａ，７Ｂ，７
Ｃ，‥‥を計測方向と垂直な方向にピッチ２Ｌ程度で並
べたものである。

【０００７】それら第１計測マーク５及び第２計測マー
ク７を順次ウエハ上に露光して現像すると、図１０
（ｃ）に示すように、レジスト膜８の中に凹状に第１計
測マーク像５Ｐ及び第２計測マーク像７Ｐが形成され
る。但し、レジストがネガタイプかポジタイプかに応じ
て、レジスト膜８の部分が凹部となり、計測マーク像５
Ｐ及び７Ｐの部分がレジスト膜になる場合もある。何れ
の場合でも、計測マーク５Ｐ及び７Ｐの検出は容易であ
る。そして、計測方向をＸとすると、図１０（ｃ）に示
すように、Ｘ方向に垂直なＹ方向に延びたスリット状の
レーザスポット９を現像後のウエハ上に照射した状態
で、ウエハをレーザスポット９の方向に走査する。レー
ザスポット９のＸ方向の幅は、計測マーク像５Ｐ又は７
ＰのＸ方向の幅と同程度である。その走査の途中で、計
測マーク像５Ｐ又は７Ｐとレーザスポット９とが合致す
ると、所定の方向に強い回折光が発生することから、計
測マーク像５Ｐ又は７Ｐとレーザスポット９とが合致す
るＸ方向の位置を検出することができる。これにより、
設計上の理想位置にある第１計測マーク像５Ｐから第２
計測マーク７ＰまでのＸ方向の間隔Δｘが求められる。
この間隔Δｘは投影光学系のディストーションに対応す
る。

【０００８】次に、図１１を参照して従来の所謂モアレ
方式の計測マークの例につき説明する。図１１（ａ）に
おいて、計測方向をＹ方向として、Ｙ方向にピッチＱ１
で三角波状の明又は暗のパターン１０Ａ，１０Ｂ，１０
Ｃ，‥‥を並べることにより、図７の基準マーク２とし
てレチクル上に形成された第１計測マークが構成されて
いる。また、分かり易くするため、その第１計測マーク
に重ねて表示しているように、Ｙ方向に、ピッチＱ１で
三角波状の明又は暗のパターン１１Ａ，１１Ｂ，１１
Ｃ，‥‥を並べることにより、図７の計測マーク３Ａ〜
３Ｄに相当する第２計測マーク７が構成されている。ピ
ッチＱ１は図７の計測マーク３Ａのピッチと同程度であ
る。

【０００９】それら第１計測マーク及び第２計測マーク
を順次ウエハ上に露光して現像すると、図１１（ｂ）に
示すように、レジスト膜の中に凹状又は凸状に第１計測
マーク像及び第２計測マーク像の重なり部が菱形のパタ
ーン１２ＡＰ〜１２ＥＰよりなる重なり像１２Ｐとして
残される。各菱形のパターン１２ＡＰ〜１２ＥＰのＸ方
向の長さをＬｘとすると、このＬｘは、図１１（ａ）の
第１計測マークの像と第２計測マークの像とのＹ方向の
横ずれ量をモアレ縞の原理で拡大したものである。従っ
て、図１１（ｃ）に示す検出信号Ｓからその位置の差Ｌ
ｘ１，Ｌｘ２を計測することにより、第１計測マーク像
と第２計測マーク像とのＹ方向の横ずれ量、即ちＹ方向
のディストーションを高精度に計測できる。

【００１０】また、図１１（ｂ）において、重なり像１
２Ｐに対してＸ方向に同様に菱形のパターンよりなる重
なり像１３Ｐ及び１４Ｐが形成されている。そして、そ
の各菱形の長さＸ方向のＬｘを計測するために、Ｙ方向
に延びたスリット状のレーザスポット９を現像後のウエ
ハ上に照射した状態で、ウエハをレーザスポット９の方
向に走査する。その走査の途中で、重なり像１２Ｐ〜１
４Ｐとレーザスポット９とが重なると、所定の方向に回
折光が発生することから、重なり像１２Ｐ〜１４Ｐとレ
ーザスポット９とが重なるそれぞれのＸ方向の位置の差
Ｌｘ１，Ｌｘ２を検出することができる。このＬｘ１，
Ｌｘ２の値と、モアレマークの拡大倍率ｋより、ディス
トレーション量ΔＹ＝（Ｌｘ２−Ｌｘ１）／ｋを高精度
に計測することができる。

【００１１】次に、図１２を参照して従来のボックス・
イン・ボックス方式の計測マークの例につき説明する。
ボックス・イン・ボックス方式は１対のマークでＸ方向
及びＹ方向の位置ずれ量を同時に計測できる方式であ
る。図１２（ａ）は、図７の基準マーク２としてレチク
ル上に形成された第１計測マーク１５を示し、この第１
計測マーク５は、クロム蒸着膜等の遮光部よりなる正方
形のパターンである。また、図１２（ｂ）は図７の計測
マーク３Ａ〜３Ｄに相当する第２計測マーク１６を示
し、この第２計測マーク１６は正方形の遮光パターンの
中央部に正方形の開口（透過性）パターン１７を形成し
たものである。第１計測マーク１５の幅及び第２計測マ
ーク１６の中央の開口パターン１７の幅はそれぞれ４〜
６μｍより大きい値である。

【００１２】それら第１計測マーク１５及び第２計測マ
ーク１６を順次ウエハ上に露光して現像すると、図１２
（ｃ）に示すように、レジスト膜１８の縁部に第１計測
マーク像のエッジ部１５Ｐ及び第２計測マークの中央の
開口パターン１７の像のエッジ部１７Ｐが形成される。
但し、レジストがネガタイプかポジタイプかに応じて、
レジスト膜１８の部分が凹部となる場合もある。そし
て、レーザスポットでそれら計測マーク像をＸ方向及び
Ｙ方向に走査することにより、エッジ部１５ＰのＸ方向
の中央部とエッジ部１７ＰのＸ方向の中央部との位置ず
れ量Δｘ及びエッジ部１５ＰのＹ方向の中央部とエッジ
部１７ＰのＹ方向の中央部との位置ずれ量Δｙを求める
ことができる。これらの位置ずれ量Δｘ及びΔｙより、
それぞれ投影光学系のＸ方向及びＹ方向のディストーシ
ョンが求められる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の投
影光学系のディストーション用の基準マーク又は計測マ
ークは、感光基板上に投影された像を検出するためのセ
ンサーの分解能等に合わせて、それぞれ明部又は暗部の
幅が４〜６μｍに設定されている。これに対して、最近
は半導体素子等の一層の高集積化に対応するべく、実際
に転写対象とされるレチクルの回路パターン等（以下
「実素子パターン」という）のパターンの暗部又は明部
の幅は０．５μｍより小さくなりつつある。このため
に、ディストーション計測用のマークで計測した特性と
実素子パターンに対するディストーションの状態とが異
なり、実素子パターンに対するディストーションが正確
に計測できない不都合があった。

【００１４】また、実素子パターンに対応する特性を計
測するためには、例えば図９（ａ）の計測マーク像２Ｄ
Ｐ及び３ＤＰのピッチを単純に縮小して、図９（ｂ）に
示すような基準マーク像２０Ｐ及び計測マーク像２１Ｐ
を形成することが考えられる。しかしながら、このよう
な微細なパターンに対して、それぞれの直線状のパター
ンの位置を計測して全体の位置ずれ量を計測することは
従来のセンサーでは困難であるという不都合がある。

【００１５】次に、基準マーク又は計測マークの線幅と
実素子パターンの線幅とが異なる場合の結像特性の相違
につき説明しておく。先ず、図１３（ａ）は計測マーク
３Ａが形成されたテストレチクルＲ１を示し、図１３
（ｂ）は実素子パターン１９が形成されたレチクルＲ２
を示す。この場合、計測マークマーク３Ａが暗部又は明
部の幅が４〜６μｍのライン・アンド・スペースパター
ンであり、実素子パターン１９が暗部又は明部の幅が
０．５μｍのライン・アンド・スペースパターンである
とする。また、それらレチクルを照明する露光光ＩＬの
波長をλとして、照明されるパターンのピッチをｐとす
ると、そのパターンからのｎ次回折光の回折角θは次式
を満たす。ｐ・ｓｉｎθ＝ｎ・λ

【００１６】即ち、パターンピッチが微細な程に、同じ
次数の回折光の回折角θは大きくなり、回折光は投影光
学系の瞳面で光軸から遠い位置を通過する。従って、図
１３（ａ）の計測マーク３Ａからの回折光は投影光学系
の瞳面で光軸に近い位置を通過し、図１３（ｂ）の実素
子パターン１９からの回折光は投影光学系の瞳面で光軸
から離れた位置を通過する。その投影光学系を構成する
光学部材の面形状や屈折率が理想的な値から外れている
と、その瞳面上での通過位置の相違により諸収差が発生
する。特に、コマ収差が残存していると、図１３（ｃ）
に示すように、投影光学系ＰＬの瞳面での通過位置によ
り、結像位置が異なり、結果としてディストーションも
異なるものになる。このために、計測マーク３Ａで計測
した特性と実素子パターン１９に対する特性とが異なっ
てしまうものである。

【００１７】但し、従来のコヒーレンスファクター（σ
値）が０．５程度の通常照明による露光光ＩＬを用いた
場合には、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、テス
トレチクルＲ１及びレチクルＲ２のパターンからの回折
光ＤＬ＋及びＤＬ−が共に投影光学系ＰＬの光軸付近を
通過する光を含む。従って、図１４（ａ）のようにパタ
ーンピッチが粗い計測マークからの回折光も、図１４
（ｂ）のようなパターンピッチが小さい実素子パターン
からの回折光も、それぞれ投影光学系ＰＬの瞳面の極め
て広い範囲を通過するため、結像特性の差は極く僅かで
ある。

【００１８】これに対して、照明系のコヒーレンスファ
クターが小さい位相シフト法や、２次光源として光軸か
ら偏心した複数の２次光源を使用する所謂変形光源法等
を使用する場合には、レチクルのパターンからの回折光
が投影光学系の光軸付近を通過する成分をほとんど含ま
ないために、パターンピッチによって投影光学系の結像
特性に大きな差が生ずる。

【００１９】例えば図１５（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ
位相シフト法によるピッチの粗いパターンが形成された
レチクルＲ３及びピッチが小さいパターンが形成された
レチクルＲ４を照明している状態を示す。この場合に
は、ピッチの程度により投影光学系ＰＬの瞳面において
回折光ＤＬ＋及びＤＬ−が通過する位置が異なり、それ
により収差の状態が異なって、それらパターンの結像位
置にも差が生ずる。これは変形光源法を用いた場合もほ
ぼ同様である。

【００２０】これをまとめると、コマ収差のような非対
称収差が残存している投影光学系ＰＬを用いる場合にお
いて、従来のピッチの粗い計測マークを用いてディスト
ーションを計測した場合には、ピッチの小さい実素子パ
ターンに対するディストーションの状態が正確に計測で
きないことになる。従って、感光基板上に多数層の回路
パターンを形成する場合の重ね合わせ精度が低下すると
いう不都合があった。

【００２１】本発明は斯かる点に鑑み、従来の計測マー
ク像の位置検出用のセンサーの分解能を特に向上させる
ことなく、且つピッチの小さい実素子パターンに対する
投影光学系の結像特性をも正確に計測できる結像特性計
測方法を提供することを目的とする。更に本発明は、そ
のような結像特性計測方法に使用できるマスクを提供す
ることをも目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明による結像特性計
測方法は、マスク（２９）に形成された計測用パターン
の像を投影光学系（３１）を介して感光基板（３３）上
に露光し、この露光された計測用パターンの像の計測方
向の位置ずれ量を計測し、この計測された位置ずれ量よ
り投影光学系（３１）の結像特性を計測する方法におい
て、その計測用パターンとして計測方向に共役な方向に
所定ピッチ（Ｐ２）で明部と暗部とが配列された周期的
パターン（４０Ａ）を使用し、感光基板（３３）上に露
光された周期的パターン（４０Ａ）の像の計測方向の位
置ずれ量を計測する際に、周期的パターン（４０Ａ）の
像を全体として１個の暗部よりなるパターンの像とみな
して位置ずれ量を計測するものである。

【００２３】また、本発明によるマスクは、例えば図２
に示すように、それぞれ明部と暗部とが所定ピッチで配
列された周期的パターン（４１，４２）よりなる複数の
パターンユニット（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）をその所
定ピッチ（Ｐ２）より大きな間隔（Ｐ１）で格子状に配
列してなる計測マーク（３９Ａ）を形成したものであ
る。

【００２４】

【作用】斯かる本発明の結像特性計測方法によれば、計
測対象とする実素子パターンの計測方向のパターンピッ
チに対して、マスク（２９）上の計測用パターンとして
の周期的パターン（４０Ａ）のピッチ（Ｐ２）をほぼ同
程度に設定する。また、実素子パターンが更に位相シフ
ト型である場合には、その周期的パターン（４０Ａ）も
例えば図２（ｂ）に示すように位相シフター（４２）を
１ピッチおきに形成することにより位相シフト型とす
る。その周期的パターン（４０Ａ）を使用して投影光学
系の結像特性を計測することにより、実素子パターンに
対する結像特性を正確に求めることができる。

【００２５】また、実素子パターンのピッチが小さい場
合には、分解能が従来と変わらない位置計測用のセンサ
ーでは、その周期的パターン（４０Ａ）の個々の暗部又
は明部の幅を計測することは困難となる。そこで、本発
明では、周期的パターン（４０Ａ）の像を全体として１
個の暗線とみなしてそのエッジ位置又は中央の位置を計
測する。これにより、位置計測用のセンサーの分解能を
向上させることなく、その周期的パターン（４０Ａ）の
像の位置ずれ量を計測することができる。

【００２６】また、周期的パターン（４１，４２）より
なる複数のパターンユニット（４０Ａ，４０Ｂ，４０
Ｃ）をその所定ピッチ（Ｐ２）より大きな間隔（Ｐ１）
で格子状に配列してなる計測マーク（３９Ａ）を形成し
たマスク（２９）を用いて投影光学系（３１）の結像特
性を計測するものとする。この場合、各パターンユニッ
ト（４０Ａ〜４０Ｃ）の像をそれぞれ１個の暗線のパタ
ーンとみなして、それぞれのエッジ又は中央の位置を計
測する。そして、計測された結果を平均化することによ
り、より正確に計測用パターンの像の位置ずれ量を求め
ることができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の種々の実施例につき図１〜図
６を参照して説明する。これら実施例は投影露光装置に
おいて投影光学系のディストーションを計測する場合に
本発明を適用したものである。

【００２８】図１はこれらの実施例で使用される投影露
光装置を示し、この図１において、２２は露光光用の光
源である。光源２２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。高圧水銀灯を用いる場合
には、光源２２から射出された露光光は楕円鏡２３で集
光された後に、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２４に入射する。フライアイレンズ２
４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ＩＬは、
第１リレーレンズ２５、投影式レチクルブラインド２
６、第２リレーレンズ２７、メインコンデンサーレンズ
２８を経てレチクル２９を均一な照度で照明する。投影
式レチクルブラインド２６とレチクル２９のパターン形
成面とは共役であり、投影式レチクルブラインド２６に
よりレチクル２９上の照明領域が設定される。

【００２９】露光光のもとで、レチクル２９のパターン
形成面に形成されたパターン３０の像が、投影光学系３
１を介してウエハステージ３２上に載置されたウエハ３
３の露光面上に転写される。フライアイレンズ２４の後
側焦点面は投影光学系３１の瞳面とほぼ共役である。ウ
エハステージ３２は、投影光学系３１の光軸に垂直な面
内の任意の位置にウエハ３３を位置決めするＸＹステー
ジ及び投影光学系３１の光軸に平行な方向でウエハ３３
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。

【００３０】３４はオフ・アクシスのウエハアライメン
ト系を示し、ウエハアライメント系３４はウエハ３３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３４の検
出中心とレチクル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３４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３３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
３４により本実施例で使用される計測マークの像の位置
検出を行うことができる。

【００３１】３５はレーザステップアライメント（ＬＳ
Ａ）方式のアライメント系を示し、ＬＳＡ方式のアライ
メント系３５からミラー３６及び投影光学系３１を介し
てウエハ３３の露光面に対してレーザビームによるスリ
ット状のビームスポットが投影される。また、このビー
ムスポットに照射された回折格子パターン等から所定の
方向に回折された光が、投影光学系３１及びミラー３６
を介してアライメント系３５に戻る。従って、アライメ
ント系３５からビームスポットをウエハ３３の露光面に
投影している状態でウエハステージ３２を走査すると、
そのビームスポットと所定の計測マーク像等とが合致し
たときに強い反射光がアライメント系３５に戻ることか
ら、その計測マーク像等の位置を検出することができ
る。

【００３２】図２（ａ）は図１中のレチクル２９のパタ
ーンを示し、この図２（ａ）において、レチクル２９の
中央部には、２本の周期的パターン３７Ａ及び３７Ｂを
所定間隔だけ離して配置した基準マーク３８が形成さ
れ、レチクル２９の４隅にはそれぞれ３個の周期的パタ
ーンよりなる計測マーク３９Ａ〜３９Ｄが形成されてい
る。また、例えば計測マーク３９Ａは、図２（ｂ）に示
すように、３個の同一の周期的パターン４０Ａ〜４０Ｃ
を計測方向であるＸ方向にピッチＰ１で配列して構成さ
れている。更に、その内の周期的パターン４０Ａは、ピ
ッチＰ２で全体の幅がＰ１／２程度になるように形成し
たライン・アンド・スペースパターン４１において、そ
の明部（光透過部）に１個おきに位相シフター４２を形
成したものである。位相シフター４２はそこを通過する
露光光の位相を１８０°異ならしめるものである。

【００３３】同様に、基準マーク３８の一方の周期的パ
ターン３７Ａは、図２（ｃ）に示すように、２個の同一
の周期的パターン４３Ａ，４３ＢをピッチＰ１で配列し
て構成されている。更に、その内の周期的パターン４３
Ａは、ピッチＰ２で全体の幅がＰ１／２程度になるよう
に形成したライン・アンド・スペースパターン４１にお
いて、その明部（光透過部）に１個おきに位相シフター
４２を形成したものである。他方の周期的パターン３７
Ｂも同様に周期的パターン４４Ａ及び４４Ｂより構成さ
れている。

【００３４】図２（ｂ）の本例の計測マーク３９Ａを図
３（ｂ）にそのまま示し、それに対応する従来の計測マ
ーク３Ａを図３（ａ）に示す。即ち、従来の計測マーク
３ＡはＸ方向にピッチＰ１で暗線パターン４５Ａ〜４５
Ｃを配置したものである。この場合、従来の計測マーク
３Ａの暗線パターン４５Ａ〜４５Ｃが、本例では計測マ
ーク３９Ａの周期的パターン４０Ａ〜４０Ｃに置き換え
られている。従来のピッチＰ１は１２μｍであり、本実
施例の周期的パターン４０Ａ〜４０Ｃの各ライン・アン
ド・スペースパターン４１のピッチＰ２は１μｍであ
る。

【００３５】次に、図２のレチクル２９を用いて図１の
投影光学系３１のディストーションを計測する場合につ
いて従来例と対比して説明するに、投影光学系３１のデ
ィストーションの計測対象の実素子パターンの線幅は
０．５μｍ（ピッチで１μｍ）とする。また、露光光Ｉ
Ｌの波長を３６５ｎｍ（水銀灯のｉ線）、照明光学系の
開口数ＮＡ_ILを０．１とすると、図３（ａ）の従来の計
測マーク３Ａからの１次回折光の回折角θ１は次のよう
になる。ｓｉｎθ１＝０．３６５／１２＝０．０３０

【００３６】同様に、図３（ｂ）の本例の計測マーク３
９Ａからの１次回折光の回折角θ２は次のようになる。ｓｉｎθ２＝０．３６５／１＝０．３６５次に、開口数ＮＡ_PLが０．５の投影光学系３１でコマ収
差量が０．４μｍあった場合に、図３（ａ）の従来の計
測マーク３Ａ及び図３（ｂ）の本例の計測マーク３９Ａ
を用いて、図３（ｂ）のタイプと同じ空間周波数変調型
の位相シフト法による露光を行ってディストーションの
計測を行った。この場合、本例では図２（ｂ）の計測マ
ーク３９Ａの周期的パターン４０Ａ〜４０Ｃ及び図２
（ｃ）の基準マーク３８の周期的パターン４３Ａ〜４４
Ｂの像をそれぞれ１個の暗線パターンとして、それぞれ
の中央の位置を検出した。

【００３７】これらの像の計測は図１のウエハアライメ
ント系３４等により行うことができる。また、そのウエ
ハアライメント系３４の分解能は図２（ｂ）のピッチＰ
１に共役な長さ程度でよいため、そのウエハアライメン
ト系３４の分解能は従来と同程度でよい。その計測によ
り、従来の計測マーク３Ａによる計測ではディストーシ
ョンはほぼ０μｍであり、本例の計測マーク３９Ａによ
る計測ではディストーションはＸ方向に＋０．１５μｍ
であるという結果が得られた。

【００３８】また、その０．４μｍのコマ収差に基づい
て像のシフト量を計算すると、幅が６μｍのライン・ア
ンド・スペースパターンでは０．０２μｍ、幅が０．５
μｍもライン・アンド・スペースパターンでは０．１８
μｍという結果が得られた。従って、本例の計測マーク
３９Ａを用いることにより、幅０．５μｍの実素子パタ
ーンに対するディストーションをほぼ正確に求めること
ができることが確認された。

【００３９】実際に、幅０．５μｍ相当の実素子パター
ンを露光した所、投影光学系３１の露光フィールドの中
心での重ね合わせ誤差はほぼ０μｍであったが、ディス
トーション計測結果ではＸ方向に＋０．１６μｍの重ね
合わせ誤差が観測された。この誤差はディストーション
成分と方向及び量が同一であり、投影光学系３１のディ
ストーションそのものによる誤差であると考えられる。
これからも、本例により正確に実素子パターンに関する
ディストーションが求められることが分かる。

【００４０】また、所謂変形光源法によりレチクルを照
明する場合には、計測マークとしては図３（ｃ）に示す
ように、それぞれ位相シフターの無いライン・アンド・
スペースパターン４１のみからなる周期的パターン４６
Ａ〜４６Ｃを所定ピッチで配列したパターンを使用すれ
ばよい。同様に、基準マークもライン・アンド・スペー
スパターンのみからなる周期的パターンを配列したパタ
ーンを使用すればよい。また、この計測マークを用いて
ディストーションの計測を行う場合にも、各周期的パタ
ーン４６Ａ〜４６Ｃの投影像はそれぞれ１個の暗線パタ
ーンとみなして位置計測を行うことにより、図１のウエ
ハアライメント系３４等を用いて位置検出を行うことが
できる。

【００４１】次に、図４を参照してレーザステップアラ
イメント（ＬＳＡ）方式の計測マークに本発明を適用し
て得られる計測マークの一例を説明する。図４（ａ）は
本例のＬＳＡ方式の第１計測マーク４７を示し、この第
１計測マーク４７は遮光部４において計測方向であるＸ
方向に垂直なＹ方向に、Ｘ方向にピッチＰ３で形成され
たライン・アンド・スペースパターン４７Ａ，４７Ｂ，
４７Ｃ，‥‥を所定間隔で配列したものである。また、
各ライン・アンド・スペースパターン４７Ａ，４７Ｂ，
‥‥の全体の輪郭は図１０（ａ）の従来例と同じＬであ
る。また、幅Ｌを６μｍとすると、ピッチＰ３は１μｍ
程度である。

【００４２】図４（ｂ）は本例のＬＳＡ方式の第２計測
マーク４８を示し、この第２計測マーク４８も遮光部６
において、Ｘ方向にピッチＰ３で形成されたライン・ア
ンド・スペースパターン４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ，‥‥
をＹ方向に所定間隔で配列したものである。また、各ラ
イン・アンド・スペースパターン４８Ａ，４８Ｂ，‥‥
の全体の輪郭は図１０（ｂ）の従来例と同じＬである。
それら図４（ａ）及び（ｂ）の計測マーク４７及び４８
をウエハ上に順次露光してそのウエハを現像すると、図
４（ｃ）に示すように、第１計測マーク像４７Ｐ及び第
２計測マーク像４８Ｐがレジスト膜８内に形成される。
そして、従来例と同様にＸ方向の幅がＬと共役な長さ程
度のスリット状のビームスポット９に対してそれら計測
マーク像４７Ｐ及び４８ＰをＸ方向に走査することによ
り、Ｘ方向の位置ずれ量Δｘが求められる。

【００４３】次に、図５を参照して所謂モアレ方式の計
測マークに本発明を適用して得られる計測マークの一例
を説明する。図５（ａ）は説明の便宜上、本例のモアレ
方式の第１計測マーク及び第２計測マークを重ねて示
し、この図５（ａ）において、第１計測マークは、それ
ぞれ計測方向であるＹ方向にピッチＱ２で配列された三
角波状の３個の暗線パターンよりなる周期的パターン４
９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ，‥‥をＹ方向にピッチＱ１で配
列して構成されている。ピッチＱ１は図１１（ａ）の従
来例のピッチＱ１と等しく、各周期的パターン４９Ａ，
４９Ｂ，‥‥内でのピッチＱ１は例えば１μｍ程度まで
も可能である。同様に、第２計測マークは、それぞれ計
測方向であるＹ方向にピッチＱ２で配列された三角波状
の３個の暗線パターンよりなる周期的パターン５０Ａ，
５０Ｂ，５０Ｃ，‥‥をＹ方向にピッチＱ１で配列して
構成されている。

【００４４】図５（ａ）の第１計測マーク及び第２計測
マークを順次ウエハ上に露光して現像すると、図５
（ｂ）に示すように、菱型状に分布したパターン５２Ａ
Ｐ〜５２ＥＰよりなる重なり像５２Ｐ、及びこの重なり
像５２Ｐとほぼ同一形状でＸ方向にずれた重なり像５３
Ｐ及び５４Ｐが形成される。そのパターン５２ＡＰのＸ
方向の長さＬｘを計測する場合には、従来例と同様にス
リット状のビームスポット９に対してＸ方向にそれら重
なり像５２Ｐ〜５４Ｐを走査すればよい。これにより、
図５（ｃ）に示すように、重なり像５２Ｐ〜５４Ｐの輪
郭に対応する検出信号Ｓが得られるので、そのＸ方向の
長さＬｘが容易に求められる。これにより、Ｙ方向のデ
ィストーションを高精度に計測できる。

【００４５】次に、図６を参照してボックス・イン・ボ
ックス方式の計測マークに本発明を適用して得られる計
測マークの一例を説明する。図６（ａ）は本例のボック
ス・イン・ボックス方式の第１計測マーク１５を示し、
この第１計測マーク１５は遮光部よりなる正方形のパタ
ーンのＸ方向の周縁部にピッチＰ４でライン・アンド・
スペースパターン５５Ａ及び５５Ｂを形成し、Ｙ方向に
周縁部にピッチＰ５でライン・アンド・スペースパター
ン５６Ａ及び５６Ｂを形成したものである。ピッチＰ４
及びＰ５はそれぞれ１μｍ程度まで可能である。

【００４６】図６（ｂ）は本例のボックス・イン・ボッ
クス方式の第２計測マーク１６を示し、この第２計測マ
ーク１６は基本的に遮光部よりなる正方形のパターン内
に正方形の開口（透過性）パターン１７を形成したもの
である。但し、その他に、その開口パターン１７に近接
する遮光部において、Ｘ方向にピッチＰ４でライン・ア
ンド・スペースパターン５７Ａ及び５７Ｂを形成し、Ｙ
方向にピッチＰ５でライン・アンド・スペースパターン
５８Ａ及び５８Ｂを形成してある。

【００４７】図６（ａ）の第１計測マーク１５及び図６
（ｂ）の第２計測マーク１６をウエハ上に順次露光する
と、図６（ｃ）に示すように、第１計測マーク像１５Ｐ
のエッジ及び第２計測マーク１６の中央の開口パターン
の像１７Ｐのエッジ部とが形成される。更に、例えばＸ
方向にはライン・アンド・スペースパターン５５Ａ，５
５Ｂの像５５ＡＰ，５５ＢＰ及びライン・アンド・スペ
ースパターン５７Ａ，５７Ｂの像５７ＢＰ，５７ＡＰが
形成される。従って、この像はピッチ１μｍの実素子パ
ターンと同程度の収差を受けるので、図６（ｃ）のＸ方
向及びＹ方向の位置ずれ量を計測することにより、Ｘ方
向及びＹ方向のディストーションを計測することができ
る。

【００４８】なお、上述実施例では、現像後のレジスト
パターンの計測により結像特性を求めているが、例えば
熱可塑性樹脂等を感光基板として用いることにより、潜
像段階で計測を行うことができる。更に、例えばウエハ
ステージ３２上に設けた撮像素子により、直接投影像の
形状を検出するようにしてもよい。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。

【００４９】

【発明の効果】本発明の結像特性計測方法によれば、周
期的パターンの像を全体として１個のパターンとして検
出することにより、従来の計測マーク像の位置検出用の
センサーの分解能を特に向上させることなく、且つピッ
チの小さい実素子パターンに対する投影光学系の結像特
性をも正確に計測できる利点がある。また、本発明のマ
スクを用いてその結像特性計測方法で投影光学系の結像
特性を計測することにより、平均化効果でより高精度に
結像特性を計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で使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）は計測マークの拡大平
面図、（ｃ）は基準マークの拡大平面図である。

【図３】（ａ）は従来の計測マークの拡大平面図、
（ｂ）は図２（ｂ）の計測マークの拡大平面図、（ｃ）
は変形光源法に好適な計測マークの一例を示す拡大平面
図である。

【図４】（ａ）はレーザステップアライメント方式に好
適な第１計測マークを示す拡大平面図、（ｂ）はレーザ
ステップアライメント方式に好適な第２計測マークを示
す拡大平面図、（ｃ）はそれら第１計測マーク及び第２
計測マークの投影像を示す拡大平面図である。

【図５】（ａ）はモアレ方式に好適な第１計測マーク及
び第２計測マークを示す拡大平面図、（ｂ）はそれら第
１計測マーク及び第２計測マークの投影図を示す拡大平
面図、（ｃ）はレーザステップアライメント方式により
得られる検出信号を示す波形図である。

【図６】（ａ）はボックス・イン・ボックス方式に好適
な第１計測マークを示す拡大平面図、（ｂ）はボックス
・イン・ボックス方式に好適な第２計測マークを示す拡
大平面図、（ｃ）はそれら第１計測マーク及び第２計測
マークの投影像を示す拡大平面図である。

【図７】従来のテストレチクルのパターンを示す平面図
である。

【図８】（ａ）はウエハ上に基準マーク像を露光した状
態を示す部分平面図、（ｂ）はウエハ上に更に計測マー
ク像を露光した状態を示す部分平面図である。

【図９】（ａ）は従来の基準マーク像及び計測マーク像
を示す拡大平面図、（ｂ）は従来のマークのピッチをそ
のまま小さくした場合を示す拡大平面図である。

【図１０】（ａ）は従来のレーザステップアライメント
方式の第１計測マークを示す拡大平面図、（ｂ）は従来
のレーザステップアライメント方式の第２計測マークを
示す拡大平面図、（ｃ）はそれら第１計測マーク及び第
２計測マークの投影像を示す拡大平面図である。

【図１１】（ａ）は従来のモアレ方式の第１計測マーク
及び第２計測マークを示す拡大平面図、（ｂ）はそれら
第１計測マーク及び第２計測マークの投影図を示す拡大
平面図である。

【図１２】（ａ）は従来のボックス・イン・ボックス方
式の第１計測マークを示す拡大平面図、（ｂ）は従来の
ボックス・イン・ボックス方式の第２計測マークを示す
拡大平面図、（ｃ）はそれら第１計測マーク及び第２計
測マークの投影像を示す拡大平面図である。

【図１３】（ａ）は従来の計測マークからの回折光を示
す光路図、（ｂ）は従来のピッチが小さい実素子パター
ンからの回折光を示す光路図、（ｃ）は投影光学系のコ
マ収差の説明図である。

【図１４】通常の照明方式で照明した場合を示す光路図
である。

【図１５】位相シフト法を用いた場合にレチクルから射
出される回折光を示す光路図である。

【符号の説明】

２２光源２４フライアイレンズ２５第１リレーレンズ２６投影型レチクルブラインド２７第２リレーレンズ２８メインコンデンサーレンズ２９レチクル３１投影光学系３２ウエハステージ３３ウエハ３４ウエハアライメント系３７Ａ，３７Ｂ，４０Ａ〜４０Ｃ周期性パターン３８基準マーク３９Ａ〜３９Ｄ計測マーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスクに形成された計測用パターンの像
を投影光学系を介して感光基板上に露光し、該露光され
た前記計測用パターンの像の計測方向の位置ずれ量を計
測し、該計測された位置ずれ量より前記投影光学系の結
像特性を計測する方法において、前記計測用パターンとして計測方向に共役な方向に所定
ピッチで明部と暗部とが配列された周期的パターンを使
用し、前記感光基板上に露光された前記周期的パターンの像の
計測方向の位置ずれ量を計測する際に、前記周期的パタ
ーンの像を全体として１個の暗部よりなるパターンの像
とみなして位置ずれ量を計測する事を特徴とする結像特
性計測方法。
【請求項２】それぞれ明部と暗部とが所定ピッチで配
列された周期的パターンよりなる複数のパターンユニッ
トを前記所定ピッチより大きな間隔で格子状に配列して
なる計測マークを形成した事を特徴とするマスク。