JPWO2005004211A1 - フォーカステストマスク、フォーカス測定方法、及び露光装置 - Google Patents

Abstract

このフォーカステストマスクには、投影光学系（ＰＬ）を介してウエハ（Ｗ）上に投影されるテストパターンが設けられており、このテストパターンは、計測方向に並んで配置された複数のラインパターン（１２ａ〜１２ｆ）と、複数のラインパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、通過する光の位相をずらすための位相シフト部（１３）と、ラインパターンの像のずれを測定する際の基準となる像を得るための基準パターン（１１ａ〜１１ｄ）とを有し、これら複数のラインパターンの間隔が、それぞれのラインパターンを孤立線と等価とみなすことができる間隔に設定されている。

Description

本発明は、半導体分野で使用される露光マスク、フォーカスの測定方法、及び露光装置に関する。
本願は、２００３年０７月０３日に出願された特願２００３−１９０７９１号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来から、テストレチクルに設けられたテストパターンを投影光学系を介して基板上に形成し、その形成されたマークを計測することによって投影光学系の結像特性を計測することが行われている。近年においては、より厳しいフォーカス精度が要求されており、投影光学系のフォーカス位置も、より高精度な測定方法が要求されている。
従来のフォーカス測定方法、及びフォーカステストパターンとしては、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５３００７８６、日本国特許第３２９７４２３号の２つの文献に開示された技術が知られている。
Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ．５３００７８６におけるフォーカス測定方法は、いわゆるレベンソン型の位相シフトマスクを用い、孤立線状のパターンをデフォーカス状態で露光することによってその孤立線状のパターンの像が横方向（投影光学系の光軸に垂直な方向）に移動する現象を利用したフォーカス測定方法である。
図７は、この測定方法でフォーカス位置を測定する際に用いられるフォーカス測定パターンの一例を示す。このパターンを露光すると、一般的にボックスインボックスマーク状のパターンが形成される。このパターンをデフォーカス状態で露光すると、内側の矩形状パターン（ボックスパターン）の位置と外側の矩形状パターン（ボックスパターン）の位置とが逆方向にずれる。これらのボックスパターンの相対的な位置関係を計測することによって、露光時のデフォーカス量を測定することができる。
しかしながら、このボックスパターンの計測では、測定するパターンの本数が直交する２方向においてそれぞれ２本ずつしかなく、露光装置内に配置されたアライメント系の撮像素子で計測すると、計測精度が低いと認識されている。これを解決するために、測定パターンの多数本化が行われている。具体的には、ボックスインボックスマークのようにエッジで測定マークを作るのではなく、ラインを複数本並べた形状のバーインバーマークが挙げられる。これによってボックスインボックスの２倍の本数の測定パターンを計測することが可能となる。
しかしながら、この測定方法においては、実際には２回露光を行い、多数の回折格子パターンの一部を切り出して測定パターンを形成している。このため、デフォーカス量が大きくて位置ずれが回折格子ピッチの半分を超えると測定できなくなる欠点がある。
日本国特許第３２９７４２３号におけるフォーカス測定方法は、回折格子パターンにおける＋１次光と−１次光の回折効率を異ならせて（理想的には、一方を零とする）非対称回折格子パターンとするもので、この非対称回折格子パターンをデフォーカス状態で露光すると、非対称回折格子パターンの像が横方向に移動する現象を利用したものである。
この測定方法でフォーカス位置を測定する際に用いられるフォーカス測定パターンの一例を図８Ａに示す。基準パターンが大きな孤立パターン２１ａ、２１ｂである場合、非対称回折格子パターン１０をデフォーカス状態で露光すると、非対称回折格子パターン１０の像の位置が、孤立パターン２１ａ、２１ｂの像の位置に対して例えば矢印方向へずれる。また、図８Ｂに示すように、基準パターンが回折格子パターン（２２ａ、２２ｂ）であっても良く、図８Ｃに示すように、基準パターンが非対称回折格子パターン（２３ａ、２３ｂ）であっても構わない。
しかしながら、この非対称回折格子パターンにおいては、±１次回折光の何れか一方をほぼ零とするため、パターンを基板上に露光する際の露光量が不足してしまう可能性がある。例えば、マスクと基板とを相対走査して露光する走査型露光装置の場合、スキャンスピードを遅くする必要があり、通常の回路パターンの露光条件とは異なってしまうため、実際の露光時の状態とは異なる結果が生じる恐れがある。
本発明は上記の如き問題点に鑑みてなされたもので、実際の露光条件と同じ条件でパターンを露光でき、且つ露光装置内に設けられた撮像素子によって計測可能なテストパターンを有するフォーカステストマスク、それを用いた測定方法、及び露光装置を提供することを目的とする。

上述の如き課題を解決するため、本発明は、投影光学系を介して基板上に投影されるテストパターンが設けられたフォーカステストマスクであって、このテストパターンは、計測方向に並んで配置された複数のラインパターンと、複数のラインパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、通過する光の位相をずらすための位相シフト部と、ラインパターンの像のずれを測定する際の基準となる像を得るための基準パターンとを有し、複数のラインパターンの間隔が、それぞれのラインパターンを孤立線と等価とみなすことができる大きさに設定されているフォーカステストマスクを提供する。
本発明によれば、複数のラインパターンをそれぞれ孤立線として形成することができ、複数のラインパターンの像の位置を検出することによって高精度に基準パターンの像との位置ずれを計測することができる。
なお、複数のラインパターンは、異なる複数の間隔を持って配置されていてもよいし、すべてが等間隔に並んで配置されていても良い。
また、複数のラインパターンは、間隔ｄ２で配置された２本のラインパターンからなる一対のラインパターンが、間隔ｄ２よりも大きな間隔ｄ３で複数配置された構成としても良い。
また、ラインパターンの間隔は、ラインパターンの幅の１０倍よりも大きく設定されていることが望ましい。
また、ラインパターンの間隔は、ラインパターンからの２次以上の回折光も投影光学系を介した結像に用いられる大きさを有することが望ましい。
また、本発明のフォーカステストマスクは、複数種類のテストパターンを備え、テストパターンを構成するラインパターンの線幅が、テストパターンの種類毎にそれぞれ異なることが望ましい。これによって、用いられる露光装置の条件（例えば投影光学系のＮＡ等）に応じて最適な線幅のラインパターンを選択することができる。
また、本発明は、フォーカステストマスク上のパターンを、露光装置の投影光学系を介して投影し、その投影像のずれを測定することによって投影光学系のフォーカス位置を測定するフォーカス測定方法であって、フォーカステストマスクとして上記のような特徴を有するフォーカステストマスクを用意する準備工程と、投影されたラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距離を測定する測定工程とを有するフォーカス測定方法を提供する。
本発明のフォーカス測定方法は、測定工程に先立って、フォーカステストマスクのパターンの投影像を基板上に露光する露光工程を有し、測定工程は、基板上に形成されたラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距離を測定することが望ましい。
このとき、測定工程は、露光装置内に設けられた撮像素子によって基板上に形成されたラインパターンの像を撮像し、画像処理することによって行われることが望ましい。
また、本発明は、フォーカステストマスクに設けられたパターンを投影光学系を介して投影し、その投影像のずれを測定することによって投影光学系のフォーカス位置を測定する露光装置であって、投影光学系を介して投影された、上記のような特徴を有するフォーカステストマスクの像を検出し、ラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距離を測定する測定装置を有する。
なお、フォーカステストマスクは、回路パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージ上に、マスクを保持する保持部とは異なる位置に設けられた基準板であっても良い。
また、測定装置は、投影光学系を介して基板上に投影され基板上に形成されたパターンの像を検出することが望ましい。
また、測定装置は、投影光学系を介して投影されたパターンの空間像を検出することが望ましい。
本願発明によれば、実際の露光条件と同じ条件でパターンを露光でき、且つ露光装置内に設けられているアライメント顕微鏡によって計測可能なテストパターンを有するフォーカステストマスク、それを用いた測定方法、及び露光装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態における露光装置の概略構成図を示す平面図である。
図２は、本発明の一実施形態におけるテストレチクルの平面図。
図３Ａは、本発明のフォーカステストパターンの一実施形態を示す平面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示すパターンの断面図であり、図３Ｃは、図３Ａに示すパターンを光電検出装置で検出したときの検出信号を示す図である。
図４Ａは、本発明のフォーカステストパターンの別の実施形態を示す平面図であり、図４Ｂは、図４Ａに示すパターンの断面図である。
図５は、本発明のフォーカステストパターンの別の実施形態を示す平面図である。
図６は、本発明のフォーカステストパターンの別の実施形態を示す平面図である。
図７は、従来のフォーカステストパターンの一例を示す平面図である。
図８Ａは、基準パターンが大きな孤立パターンである場合のフォーカステストパターンの一例を示す平面図であり、図８Ｂは、基準パターンが回折格子パターンである場合のフォーカステストパターンの一例を示す平面図であり、図８Ｃは、基準パターンが非対称回折格子パターンである場合のフォーカステストパターンの一例を示す平面図である。

以下に、本発明を半導体素子製造に用いられる走査露光方式の露光装置に具体化した一実施形態について、図１ないし図６に基づいて説明する。
図１に示すように、本実施形態の露光装置ＥＸは、マスクとしてのレチクルＲ上に描画された回路パターンを基板としてのウエハＷ上に投影転写するものである。露光光源、コリメータレンズ、干渉フィルター、フライアイレンズ及び開口絞り（σ絞り）等を含む照明光学系２９から照射された露光光ＥＬは、ビームスプリッタ３０で反射される。露光光ＥＬは、例えばＫｒＦ、ＡｒＦ、Ｆ２等のエキシマレーザ光、金属蒸気レーザやＹＡＧレーザの高調波、あるいはｇ線、ｈ線、ｉ線等の超高圧水銀ランプの輝線である。ビームスプリッタ３０で反射された露光光ＥＬは、リレーレンズ３１ａ、３１ｂ、レチクルブラインド３２、ミラー３３、コンデンサレンズ３４を介して半導体素子等の回路パターン等が描かれたレチクルＲ（又はフォーカステストパターンが描かれたフォーカステストレチクルＴＲ）に入射し、レチクルＲの照明領域をほぼ均一な照度で照明する。
レチクルＲは、ベース３８上に設けられたマスクステージとしてのレチクルステージＲＳＴに真空吸着されている。このレチクルステージＲＳＴは、露光光ＥＬの光軸に対して直交する平面内でレチクルＲを位置決めするために、ベース３８上をエアベアリング等を介して２次元方向に微動可能に保持されている。
レチクルステージＲＳＴの端部には、干渉計４０からのレーザビームを反射する移動鏡４１が固定されている。この干渉計４０によって、レチクルステージＲＳＴのスキャン方向の位置が、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出され、その位置情報はレチクルステージ制御部４２に送られる。レチクルステージ制御部４２は、レチクルステージＲＳＴの位置情報に基づいて不図示のレチクルステージ駆動部を制御し、レチクルステージＲＳＴを移動させる。
また、レチクルステージＲＳＴ上には、投影光学系ＰＬの結像特性を計測するためのテストパターンが設けられた基準板４３が設けられている。この基準板４３のパターン形成面は、レチクルＲのパターン形成面とほぼ同じ高さになるように設けられている。
レチクルＲを通過した露光光ＥＬは、例えば両側テレセントリックな投影光学系ＰＬに入射する。投影光学系ＰＬは、そのレチクルＲ上の回路パターンを例えば１／５あるいは１／４に縮小した投影像を、表面に露光光ＥＬに対して感光性を有するフォトレジストが塗布されたウエハＷ上に形成する。
ここで、レチクルＲ上の照明領域が、レチクルブラインド３２で長方形（スリット）状に整形される。そして、レチクルＲを露光時に＋Ｙ方向に速度Ｖｒで走査することにより、レチクルＲ上の回路パターンをスリット状の照明領域で一端側から他端側に向かって逐次照明する。ここで、ウエハＷはレチクルＲとは倒立結像関係にあるため、レチクルＲとは反対方向（−Ｙ方向）に速度ＶｗでレチクルＲの走査に同期して走査される。これにより、ウエハＷのショット領域の全面が露光可能となる。走査速度の比Ｖｗ／Ｖｒは投影光学系ＰＬの縮小倍率に応じたものになっており、レチクルＲ上の回路パターンがウエハＷ上の各ショット領域上に正確に縮小転写される。
ウエハＷはウエハホルダ４５に真空吸着され、ウエハホルダ４５を介して基板ステージとしてのウエハステージＷＳＴ上に保持されている。ウエハホルダ４５は図示しない駆動部により、投影光学系ＰＬの最適結像面に対し、任意方向に傾斜可能で、かつ投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向（Ｚ方向）に微動可能になっている。また、ウエハステージＷＳＴは、モータ等からなるウエハステージ駆動部４６により、走査方向（Ｙ方向）の移動のみならず、複数のショット領域に対し任意に移動できるように走査方向に垂直な方向（Ｘ方向）にも移動可能に構成されている。これにより、ウエハＷ上の各ショット領域を走査露光する動作と、次の走査露光の開始位置まで移動する動作とを繰り返すステップ・アンド・スキャン動作が可能になっている。
ウエハステージＷＳＴの端部には、干渉計４７からのレーザビームを反射する移動鏡４８が固定されており、ウエハステージＷＳＴのＸＹ方向の位置は干渉計４７によって、例えば０．０１μｍ程度の分解能で常時検出される。ウエハステージＷＳＴの位置情報（または速度情報）はウエハステージ制御部４９に送られ、ウエハステージ制御部４９はこの位置情報（または速度情報）に基づいてウエハステージ駆動部４６を制御する。
また、ウエハステージＷＳＴ上には、転写露光の基準位置、ここでは投影光学系ＰＬの露光フィールドの中心に対するレチクルＲの相対位置を検出するための基準マークを備えた基準板５０が設けられている。この基準板５０は、ウエハＷの表面とほぼ同じ高さになるように設けられている。
投影光学系ＰＬの近傍両側には、投光系５７及び受光系５８から構成され、ウエハＷの高さ位置（投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ方向における位置）情報を得る焦点位置検出系（５７，５８）が設けられている。投光系５７からの計測ビームはウエハＷ上に照射され、ウエハＷで反射した計測ビームは受光系５８内の光電検出器によって受光される。受光系５８は、光電検出器の検出信号に基づいてウエハＷの高さ位置情報を検出し、主制御系７０に供給する。主制御系７０は、この高さ位置情報に基づいて、ウエハステージＷＳＴの高さ位置及び傾きを調整し、ウエハＷの表面を投影光学系の結像面に合致させる。また、主制御系は、所定のオフセット量を焦点検出系（５７，５８）に対して与えることができる。
投影光学系ＰＬの側方には、ウエハＷ上に投影されるパターン像の結像状態及び基準板５０上のＷＡ基準マークを検出するための光電検出装置５１が設けられている。この光電検出装置５１は、ディストーションに関する情報を計測する計測デバイス及び光電検出デバイスを構成し、撮像素子５２によりウエハＷ上のパターン像及び基準板５０上の基準マークを撮像して検出する撮像方式となっている。
この光電検出装置５１は、ハロゲンランプ、コンデンサレンズ、光ファイバ、干渉フィルタ、及びレンズ系等を含む照明光学系５４を有する。ハロゲンランプから照射された広帯域の照明光ＩＬは、干渉フィルタによりフォトレジスト層の感光波長域及び赤外波長域の光がカットされる。そして、照明光学系５４から照射された照明光ＩＬは、ビームスプリッタ５５、ミラー、プリズム、及び対物レンズからなる対物光学系５６に入射する。対物光学系５６から射出された照明光ＩＬが、投影光学系ＰＬの照明視野を遮光しないようにウエハＷをほぼ垂直に照射する。
この照射によりウエハＷ上の投影領域が照明され、その照明に応じて当該領域から反射された反射光ＲＬは対物光学系５６、ビームスプリッタ５５を介して撮像素子５２に導かれる。撮像素子５２内には、図示しない透明窓及びレンズ系が設けられており、反射光ＲＬは透明窓内に結像され、その結像はレンズ系を介して撮影された後に撮像信号に光電変換される。この撮像信号は主制御系７０に供給され、その撮像信号を波形処理することにより、ウエハＷ上に設けられたパターン像の位置情報が算出される。なお、この光電検出装置５１は、ウエハＷ上に設けられたアライメントマークや、テストレチクルＲに設けられたテストパターンをウエハＷ上に露光したときのテストパターン像の計測にも用いられる。
また、主制御系７０には、キーボードやバーコードリーダ等の入力デバイス７１が接続されている。この入力デバイス７１を介して、ウエハＷのサイズ、投影倍率、レチクルブラインド３２の開度（照明スリット幅）の値、目標露光量、走査速度、標準パターン像（ディストーションを有しない正常なパターン像）に関する情報、光電検出装置５１による計測条件等の各種情報を主制御系７０に入力可能となっている。
また、主制御系７０には、記憶デバイス及びパラメータ算出デバイスとしてのハードディスク部７２が接続されている。主制御系７０は、光電検出装置５１で算出されたテストパターン像の位置ズレに関する情報に基づいて、投影光学系の最良結像面（ベストフォーカス面）に関する情報を得、これを基板上の位置に対応してハードディスク部７２に記憶する。そして、このように算出されたベストフォーカス面の位置に関する情報は、ハードディスク部７２内においてショット領域毎に区画された基準データファイルに格納されるようになっている。
次に、本実施形態のフォーカステストマスク、及びそれを用いた測定方法について、図２〜図４に基づいて説明する。
図２は、本発明におけるフォーカステストレチクルＴＲを示す。フォーカステストレチクルＴＲのパターンエリア内には、３行×３列のフォーカステストパターンＦＴＰ１１，ＦＴＰ１２，ＦＴＰ１３，ＦＴＰ２１，ＦＴＰ２２，ＦＴＰ２３，ＦＴＰ３１，ＦＴＰ３２，ＦＴＰ３３が設けられている。それぞれのフォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３は、Ｘ方向に伸びるパターンとＹ方向に伸びるパターンとから構成されている。ここで例えばフォーカステストパターンＦＴＰ１１のＸ方向に伸びるパターンを図３Ａ、その断面図を図３Ｂに示す。
図３Ａに示すように、フォーカステストパターンＦＴＰ１１は、両端に主尺１ａ、１ｂが設けられ、その間に副尺１ｃが設けられている。図３Ａにおける左側の主尺１ａは、４本のラインパターン１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが並んで設けられており、パターン１１ａと１１ｂとが一方のペア、パターン１１ｃと１１ｄとが他方のペアになっている。各ペアにおけるラインパターンの間隔ｄ２と、各ペア間の間隔ｄ３とは異なる値となっている。右側の主尺１ｂも同様の構成であるのでここでは説明を省略する。
また、副尺１ｃは、６本のラインパターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆが並んで設けられており、パターン１２ａと１２ｂとが第１のペア、パターン１２ｃと１２ｄとが第２のペア、パターン１２ｅと１２ｆとが第３のペアになっている。各ペアにおけるラインパターンの間隔ｄ２と、各ペア間の間隔ｄ３とは異なる値となっている。
次に、具体的な寸法を以下に説明する。各ラインパターン１１ａ〜１１ｄ、１２ａ〜１２ｆは、それぞれ同じ幅ｄ１を有し、ｄ１＝０．１μｍ（マイクロメートル）である。各ペアのパターン間隔ｄ２は、約５μｍ（マイクロメートル）であり、各ペア間の間隔ｄ３は約１２μｍ（マイクロメートル）となっている。このように、パターンの線幅に比較して、パターン間やペア間の間隔は非常に大きくなっており、各ラインパターンがそれぞれ孤立パターンとほぼ等価となっている。各ラインパターンを独立パターンとほぼ等価にするためには、例えば、各パターンの間隔をパターン線幅ｄ１の１０倍以上にすれば良い。このことによって、各ラインパターンが独立した一つのパターンとなり、各ラインパターンの２次以上の回折光も、投影光学系ＰＬを介してラインパターン像として結像される。
なお、本実施形態において、主尺１ａ，１ｂおよび副尺１ｃを同一の線幅ｄ１で形成しているのは、このように構成することによって、より高い感度でデフォーカス量を検出することができるためである。しかしながら、主尺１ａ，１ｂを構成するラインパターンの線幅と、副尺１ｃを構成するラインパターンの線幅とを異ならせても構わない。
図３Ａ，図３Ｂにおいて、主尺１ａ、１ｂの各ラインパターンの右側には、それぞれ位相シフト部１３が設けられている。これらの位相シフト部１３は、通過する光の位相を９０°ずらすように構成されている。また、副尺１ｃの各ラインパターンの左側にも同様に、通過する光の位相を９０°ずらす位相シフト部１３が設けられている。このように、主尺１ａ、１ｂと副尺１ｃに設けられた位相シフト部１３の位置が逆であるため、デフォーカスした状態でフォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３を露光すると、位置がシフトする方向がそれぞれ逆方向となる。
このようなフォーカステストパターンＦＴＰ１１をウエハＷ上に露光して出来た像を、図１に示す露光装置内の光電検出装置５１で検出する。そのときの検出信号を図３Ｃに示す。図３Ｃは、光電検出装置５１の撮像素子５２で撮像されたフォーカステストパターンの画像を、所定の走査線で走査した時の信号強度の分布である。図３Ｃから分かるように、各ラインパターンの部分で検出信号の強度が低くなっている。本例では、主尺が合計８本、副尺が合計６本あるので、これらのボトムＢ１〜Ｂ１４の部分の位置をそれぞれ検出することにより、平均化効果によって主尺と副尺との相対的な位置関係を精度良く検出することが可能となる。主制御系７０は、この主尺１ａ，１ｂと副尺１ｃとの位置ずれ情報から、ベストフォーカス位置からどれだけずれた位置でフォーカステストパターンを露光したのか、即ちベストフォーカス位置がどこであるかを算出する。
図２に戻り、フォーカステストレチクルＴＲには、各フォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３の近傍に、ボックスパターンＢＰ１１，ＢＰ１２，ＢＰ１３，ＢＰ２１，ＢＰ２２，ＢＰ２３，ＢＰ３１，ＢＰ３２，ＢＰ３３が設けられている。このボックスパターンも先のフォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３と同様に、投影光学系のベストフォーカス位置を計測するためのものである。ボックスパターンＢＰ１１を図４Ａ、その断面図を図４Ｂに示す。
図４Ａ、図４Ｂに示すように、外側のボックスパターン２ａと内側のボックスパターン２ｃとは、それぞれ２本のラインパターン１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄから構成されている。各ペアにおけるラインパターンの間隔ｄ２と、各ペア間の間隔ｄ３とは先の図３Ａと同じ値である。また、外側のボックスパターン２ａにおいては、各ラインパターン１４ａ、１４ｂの右側に位相シフト部１３が設けられ、内側のボックスパターン２ｂにおいては、各ラインパターン１４ｃ、１４ｄの左側に位相シフト部１３が設けられている。
このようなボックスパターンにおいても、デフォーカス状態でパターンを露光すると、外側のボックスパターン２ａの位置ズレ方向と内側のボックスパターン２ｂの位置ズレ方向とが逆方向になるので、これらのボックスパターンの相対位置関係を光電検出装置５１で検出することによって、投影光学系ＰＬのベストフォーカス位置を計測することができる。
なお、図２ないし図４においては、ラインパターンの線幅を１種類しか開示していないが、複数の線幅のパターンをそれぞれ設けておくことが望ましい。すなわち、ラインパターンの線幅がそれぞれ異なる複数種類のフォーカステストパターンをフォーカステストレチクルＴＲに設けておく。このことにより、例えば、フォーカス計測する露光装置の条件（例えば、投影光学系のＮＡの値等）に応じて、計測するパターンの線幅を選択することができ、デフォーカス量に応じた位置ずれの感度が最も高い線幅のラインパターンを用いることができる。尚、ラインパターンの線幅に応じて、ラインパターン間隔ｄ２、ｄ３を変更しても良い。
次に、このフォーカステストレチクルＴＲを用いて投影光学系のベストフォーカス位置を計測するシーケンスについて説明する。
まず、フォーカステストレチクルＴＲをレチクルステージＲＳＴ上に配置する。次に、焦点検出装置５７，５８でテストウエハを所定のＺ位置に配置し、テストウエハ上の複数のショット領域に対して、順次テストレチクルＴＲ上のフォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３，及びボックスパターンＢＴ１１〜３３を露光する。
次に、このテストウエハを不図示のコータデベロッパで現像処理し、各テストパターンを形成する。その後、再びテストウエハを露光装置に搬送し、ウエハステージＷＳＴ上に載置する。主制御系７０は、テストウエハの全面に焼き付けられた任意のテストパターン（例えば、フォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３）を、各ショット毎に順次光電検出装置５１の撮像素子５２で撮像する。撮像されたテストパターンの位置情報（主尺と副尺の相対位置関係）は、主制御系７０に送られる。
主制御系７０は、各ショット領域内に配置されたそれぞれのテストパターンの位置情報からショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカスオフセット量を検出する。また、主制御系７０は、このショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカスオフセット量の検出結果から、投影光学系ＰＬの最適結像面に対するウエハＷの被露光面の位置ずれ（結像面ずれ量）を検出し、ハードディスク７２に記憶させる。そして、実際の回路パターンを露光処理する際には、ハードディスク７２に記憶されているフォーカスオフセット量および結像面ずれ量を呼び出し、これを用いてウエハＷのＺ方向位置および姿勢を補正することで、ウエハＷを真のベストフォーカス位置および最適結像面に配置することが可能となる。
また、主制御系７０は、ショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカスオフセット量と、そのフォーカスオフセット量を検出するために用いたフォーカステストパターンの種類とを対応付けてハードディスク７２に記憶させておく。そして、フォーカステストパターンの種類毎に検出結果を分類し、さらにそのフォーカステストパターンのショット領域内の位置も加味して、投影光学系ＰＬの性能計測を行う。例えば、主制御系７０は、Ｘ軸方向に平行なラインパターンを有するフォーカステストパターンを用いた検出結果と、Ｙ軸方向に平行なラインパターンを有するフォーカステストパターンを用いた検出結果との２種類に検出結果を分類し、その結果にショット領域内における位置情報を加えて、ショット領域内における非点収差の状態を検出する。あるいは、主制御系７０は、ハードディスク７２に記憶させたショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカスオフセット量の検出結果から、投影光学系ＰＬの結像面の形状（像面湾曲や像面傾斜）を検出することもできる。このように、主制御系７０は、フォーカステストレチクルＴＲと協働して、露光装置ＥＸ、特に投影光学系ＰＬの性能計測を行うことができる。
本実施形態におけるフォーカステストパターンは、図２ないし図４に示すものに限らず、例えば図５に示すように、主尺３ａ、３ｂ、及び副尺３ｃの各ラインパターンが、全て同じピッチで並んでいても良い。この場合においても、各ラインパターンが孤立線と等価となるように、ラインパターン間隔を充分に空けておく必要がある。また、図６に示すように、主尺４ａ，４ｂのラインパターンに位相シフト部が形成されていなくても良い。尚、図５、図６においては、図２〜図４と同じ部材に対して同じ符号を付している。
さらに、本実施形態においては、テストレチクルＴＲ上にフォーカステストパターンＦＴＰ１１〜３３やボックスパターンＢＰ１１〜３３が設けられている例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば図１に示すレチクルステージＲＳＴ上に設けられた基準板４３上にこれらのパターンが設けられていても良い。すなわち、テストレチクルがレチクルステージに予め設けられているような構成でも良い。このような構成によれば、回路パターンが設けられた実レチクルからテストレチクルに交換する作業が不用となり、任意のタイミングで基準板４３を用いてベストフォーカス位置のチェックを行うことができ、スループット上有利になる。
さらに、本実施形態においては、ウエハＷに露光されたテストパターンのレジスト像を光電検出装置５１で検出し、テストパターンの位置情報を検出する例を説明したが、これに限られず、他の検出方法を用いることもできる。例えば、光が透過するスリットと、スリットを透過した光を検出する光電センサとで構成された空間像計測装置を投影光学系ＰＬの結像面近傍、例えばウエハステージＷＳＴ上に設け、これを用いてテストパターンの空間像を計測することによりテストパターンの位置情報（主尺と副尺との相対位置関係）を求めるようにしてもよい。これによれば、テストパターンの位置検出に際し、ウエハＷを露光し、現像する必要がない。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限るものではなく、特許請求の範囲に記載されている範囲内で、例えばパターン線幅の寸法、形状、及び配置等、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付のクレームの範囲によってのみ限定される。
産業上の利用の可能性
本発明は、投影光学系を介して基板上に投影されるパターンが設けられたフォーカステストマスクであって、計測方向に並んで配置された複数のラインパターンと、前記複数のラインパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、通過する光の位相をずらすための位相シフト部と、前記ラインパターンの像のずれを測定する際の基準となる像を得るための基準パターンとを有し、前記複数のラインパターンの間隔が、前記ラインパターンの幅よりも充分に大きいフォーカステストマスクに関する。
本発明は、フォーカステストマスク上のパターンを露光装置の投影光学系を介して基板上に投影し、その投影像のずれを測定することによって基板のデフォーカス量を測定するフォーカス測定方法であって、前記フォーカステストマスクとして上記の特徴を有するフォーカステストマスクを用意し、前記基板上に形成された前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な距離を測定することを特徴とするフォーカス測定方法に関する。
本発明は、フォーカステストマスクに設けられたパターンを投影光学系を介して基板上に投影し、その投影像のずれを測定することによって基板のデフォーカス量を測定する露光装置であって、上記の構成を有するフォーカステストマスクと、基板上に形成されたラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距離を測定する測定装置とを有する露光装置に関する。
本願発明によれば、実際の露光条件と同じ条件でパターンを露光でき、且つ露光装置内に設けられているアライメント顕微鏡によって計測可能なテストパターンを有するフォーカステストマスク、それを用いた測定方法、及び露光装置を提供することができる。

Claims (14)

1. 投影光学系を介して基板上に投影されるテストパターンが設けられたフォーカステストマスクであって、
   前記テストパターンは、
   計測方向に並んで配置された複数のラインパターンと、
   前記複数のラインパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、通過する光の位相をずらすための位相シフト部と、
   前記ラインパターンの像のずれを測定する際の基準となる像を得るための基準パターンとを有し、
   前記複数のラインパターンの間隔は、それぞれのラインパターンを孤立線と等価とみなすことができる大きさに設定されている。
2. 請求項１に記載のフォーカステストマスクにおいて、前記複数のラインパターンは、異なる複数の間隔を持って配置されている。
3. 請求項１に記載のフォーカステストマスクにおいて、前記複数のラインパターンは、すべてが等間隔に並んで配置されている。
4. 請求項２に記載のフォーカステストマスクにおいて、前記複数のラインパターンは、間隔ｄ２で配置された２本のラインパターンからなる一対のラインパターンが、間隔ｄ２よりも大きな間隔ｄ３で複数配置されて構成される。
5. 請求項１に記載のフォーカステストマスクにおいて、前記ラインパターンの間隔は、前記ラインパターンの幅の１０倍よりも大きく設定されている。
6. 請求項１に記載のフォーカステストマスクにおいて、前記ラインパターンの間隔は、前記ラインパターンからの２次以上の回折光も前記投影光学系を介した結像に用いられる大きさを有する。
7. 請求項１に記載のフォーカステストマスクは、複数種類の前記テストパターンを備え、前記テストパターンを構成する前記ラインパターンの線幅は、前記テストパターンの種類毎にそれぞれ異なる。
8. フォーカステストマスク上のパターンを、露光装置の投影光学系を介して投影し、その投影像のずれを測定することによって前記投影光学系のフォーカス位置を測定するフォーカス測定方法であって、
   前記フォーカステストマスクとして、請求項１に記載のフォーカステストマスクを用意する準備工程と、
   前記投影された前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な距離を測定する測定工程とを有する。
9. 請求項８記載のフォーカス測定方法において、前記測定工程に先立って、前記フォーカステストマスクのパターンの投影像を基板上に露光する露光工程を有し、
   前記測定工程は、前記基板上に形成された前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な距離を測定する。
10. 請求項９に記載のフォーカス測定方法において、前記測定工程は、前記露光装置内に設けられた撮像素子によって前記基板上に形成された前記ラインパターンの像を撮像し、画像処理することによって行われる。
11. フォーカステストマスクに設けられたパターンを投影光学系を介して投影し、その投影像のずれを測定することによって前記投影光学系のフォーカス位置を測定する露光装置であって、
    前記投影光学系を介して投影された、請求項１に記載のフォーカステストマスクの像を検出し、前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な距離を測定する測定装置を有する。
12. 請求項１１に記載の露光装置において、前記フォーカステストマスクは、回路パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージ上に、前記マスクを保持する保持部とは異なる位置に設けられた基準板である。
13. 請求項１１に記載の露光装置において、前記測定装置は、前記投影光学系を介して基板上に投影され前記基板上に形成された前記パターンの像を検出する。
14. 請求項１１に記載の露光装置において、前記測定装置は、前記投影光学系を介して投影された前記パターンの空間像を検出する。

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