TW201348888A

TW201348888A - 光學裝置、像差測定方法、及半導體元件之製造方法

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Publication number: TW201348888A
Application number: TW102101929A
Authority: TW
Inventors: 深澤和彥
Original assignee: 尼康股份有限公司
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-12-01
Also published as: WO2013108868A1; JP2015062207A

Abstract

本發明提供一種可高精度地測定曝光裝置之光學系統之像差之裝置。表面檢查裝置1具備：照明系統20，其對具有藉由曝光而設置之圖案之晶圓10之表面進行照明；攝像裝置35，其對來自藉由照明系統20而照明之圖案之光進行檢測；及評價部43，其自藉由攝像裝置35而檢測之光之檢測信號判定對於圖案之曝光時之聚焦狀態，基於該聚焦狀態而求出曝光裝置101之光學系統之像差。

Description

光學裝置、像差測定方法、及半導體元件之製造方法

本發明係關於一種測定曝光裝置之光學系統之像差之裝置及方法。又，本發明係關於一種半導體元件之製造方法。

步進掃描方式之曝光裝置係一面經由遮罩圖案及投影透鏡照射狹縫狀之光，一面使光罩平台(即形成有遮罩圖案之遮罩基板)與晶圓平台(即形成半導體圖案之晶圓)相對移動而掃描(scan)1拍攝區域量，藉此對半導體晶圓進行1拍攝區域量之曝光。

於此種曝光裝置中，較為重要的是控制聚焦位置，利用掃描型電子顯微鏡(SEM，Scanning Electron Microscope)觀察藉由曝光而製作之圖案並求出聚焦狀態。又，作為另一方法，提出有藉由雙重曝光而製作特定之圖案，並根據其偏移量求出聚焦狀態之方法。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]美國專利第6701512號公報

準確地設定曝光時之聚焦狀態在藉由曝光製作圖案方面較為重要。另一方面，於上述方法中，並未考慮到曝光裝置之投影光學系統之像差。先前，為求出像差而使用掃描型電子顯微鏡(SEM)，將藉由曝光而製作之圖案於曝光區域內之複數個部分針對複數個方向測定形狀，根據其測定結果求出像差。然而，於如上所述之先前之方法中，無法使用形成於實際之元件之圖案而測定像差。

本發明係鑒於此種問題而完成者，目的在於提供一種可容易地測定曝光裝置之光學系統之像差之裝置及方法。

為達成此種目的，本發明之光學裝置具備：照明部，其對具有藉由經由投影光學系統之曝光而設置且配置方向或間隔不同之圖案的基板之表面進行照明；檢測部，其對由藉由上述照明部而照明之上述圖案反射之光進行檢測，輸出與該光對應之檢測信號；及測定部，其基於上述檢測信號之與上述不同對應之差異，而測定上述投影光學系統之像差。

又，本發明之像差測定方法係對具有藉由經由投影光學系統之曝光而設置且配置方向或間隔不同之圖案的基板之表面進行照明，檢測由上述所照明之上述圖案反射之光，輸出與該光對應之檢測信號，基於上述檢測信號之與上述不同對應之差異，而測定上述投影光學系統之像差。

根據本發明，可容易地測定曝光裝置之光學系統之像差。

1‧‧‧表面檢查裝置

5‧‧‧平台

10‧‧‧晶圓

10a~10b‧‧‧條件變更晶圓

12‧‧‧重複圖案

12a‧‧‧橫向圖案

12b‧‧‧縱向圖案

12c‧‧‧孔圖案

12d‧‧‧粗圖案

12e‧‧‧細圖案

15a~15e‧‧‧測定用晶圓

16a~16b‧‧‧FEM晶圓

20‧‧‧照明系統(照明部)

30‧‧‧受光系統

35‧‧‧攝像裝置(檢測部)

40‧‧‧圖像處理部

41‧‧‧記憶部

42‧‧‧檢查部

43‧‧‧評價部(測定部)

44‧‧‧硬體控制部

45‧‧‧主控制部

101‧‧‧曝光裝置

圖1係表面檢查裝置之概要構成圖。

圖2係表示於表面檢查裝置之光路上插入有偏光濾光片之狀態的圖。

圖3係半導體晶圓之表面之外觀圖。

圖4係說明重複圖案之凹凸構造之立體圖。

圖5係說明直線偏光之入射面與重複圖案之重複方向之傾斜狀態的圖。

圖6係表示求出曝光裝置之光學系統之像面彎曲之方法的流程圖。

圖7係表示於條件變更晶圓設定之焦點偏移量之表。

圖8係表示條件變更晶圓之一例之圖。

圖9係表示焦點曲線之一例之圖。

圖10係表示拍攝區域內之焦點偏移量之分佈之圖。

圖11(a)、(b)均表示像面彎曲之一例之圖。

圖12係表示像散之說明圖。

圖13(a)係橫向圖案之示意圖，圖13(b)係縱向圖案之示意圖。

圖14係表示求出曝光裝置之光學系統之像散之方法的流程圖。

圖15係孔圖案之示意圖。

圖16係表示球面像差之說明圖。

圖17(a)係粗圖案之示意圖，圖17(b)係細圖案之示意圖。

圖18係表示求出曝光裝置之光學系統之球面像差之方法的流程圖。

圖19係以(a)~(b)之順序表示求出曝光時之聚焦狀態之順序的圖。

圖20係表示焦點偏移量與球面像差之關係之圖。

圖21係表示求出像面彎曲之方法之變形例的流程圖。

圖22係表示擬合之一例之圖。

圖23係表示求出像散之方法之變形例之流程圖。

圖24係表示求出球面像差之方法之變形例之流程圖。

圖25係表示FEM(Focus Exposure Matrix，焦點曝光矩陣)晶圓之一例之圖。

圖26係表示於不同之繞射條件下求出之複數條焦點曲線之圖。

圖27係表示半導體元件製造方法之流程圖。

圖28係表示微影步驟之流程圖。

以下，參照圖式對本發明之一實施形態進行說明。將作為本申請案之光學裝置之一例的表面檢查裝置示於圖1。本實施形態之表面檢查裝置1具備：支持半導體晶圓10(以下稱為晶圓10)之平台5、照明系統20、受光系統30、攝像裝置35、圖像處理部40、記憶部41、檢查部42、評價部43、硬體控制部44及主控制部45。

平台5具有未圖示之旋轉機構。藉由使該旋轉機構之旋轉軸與晶圓10之旋轉對稱軸(通過晶圓之中心之垂線)一致，而於不改變外周位置之情況下可旋轉地支持晶圓10。為方便起見，將由該旋轉形成之晶圓之方向稱為晶圓方位角度。支持於平台5之晶圓10係藉由未圖示之搬送裝置自外部搬送而載置於平台5上，藉由真空吸附而固定保持於平台5上。又，平台5藉由未圖示之傾斜機構，以通過支持晶圓10之支持面之軸為中心，可與晶圓10一併傾斜(傾動)地構成，可調整照明光之入射角(晶圓表面之垂線與照明光線所成之角度)。

照明系統20具有：照明單元21，其射出照明光；及照明側凹面鏡25，其使自照明單元21射出之照明光向晶圓10之表面反射。又，照明單元21具有光源部22、調光部23及導光纖維24。再者，光源部22使用金屬鹵素燈或水銀燈等。調光部23係將來自光源部22之光中具有特定波長之光抽出而調節強度。導光纖維24之射出部配置於照明側凹面鏡25之焦點面，來自調光部23之光自導光纖維24向照明側凹面鏡25射出而成為發散光，於到達至照明側凹面鏡25並反射後成為平行之照明光束且照射於支持於平台5之晶圓10之表面。再者，照明光相對於晶圓10之入射角與出射角之關係可藉由使平台5傾斜(傾動)而使晶圓10之載置角度變化來進行調整。

又，照明側偏光濾光片26可於光路上插拔地設置於導光纖維24與照明側凹面鏡25之間。如圖1所示，於將照明側偏光濾光片26自光路上拔去之狀態下進行利用繞射光之檢查(以下，為方便起見稱為繞射檢查)。另一方面，如圖2所示，於將照明側偏光濾光片26插入於光路上之狀態下進行利用偏光(利用構造性雙折射而產生之偏光狀態之變化)之檢查(以下，為方便起見稱為PER(Pattern Edge Roughness，圖案邊緣粗糙度)檢查)(關於照明側偏光濾光片26之詳情於下文進行敍述)。

受光系統30係以與平台5對向地配設之受光側凹面鏡31為主體而構成，將來自受到照明光之照射時之晶圓10之整面之出射光(反射光或繞射光等)聚集。藉由受光側凹面鏡31而聚集之出射光到達至攝像裝置35之攝像面上，使晶圓10之像成像。

又，受光側偏光濾光片312可於光路上插拔地設置於受光側凹面鏡31與攝像裝置35之間。如圖1所示，於將受光側偏光濾光片32自光路上拔去之狀態下進行繞射檢查。另一方面，如圖2所示，於將受光側偏光濾光片32插入於光路上之狀態下進行PER檢查(關於受光側偏光濾光片32之詳情於下文進行敍述)。

攝像裝置35將形成於攝像面上之晶圓10之像進行光電轉換而生成圖像信號(數位圖像資料)，發送至主控制部45。主控制部45接收自攝像裝置35發送之圖像信號，發送至圖像處理部40。圖像處理部40基於自攝像裝置35發送之圖像信號而進行失真之修正等，生成晶圓10之數位圖像。藉由圖像處理部40進行處理之圖像資料(數位圖像)藉由主控制部45而發送至檢查部42及評價部43。於記憶部41中預先記憶有良品晶圓之圖像資料，檢查部42自主控制部45接收晶圓10之圖像資料與良品晶圓之圖像資料並進行比較，檢查晶圓10之表面之缺陷(異常)之有無。檢查部 42之檢查結果及此時之晶圓10之圖像藉由主控制部45而輸出顯示於未圖示之圖像顯示裝置中。

再者，利用檢查部42產生之晶圓10之檢查結果及圖像資料藉由主控制部45發送至記憶部41並進行記憶。又，利用檢查部42產生之晶圓10之檢查結果及圖像資料亦可藉由主控制部45而自輸出部46向外部(例如半導體製造線之控制系統或曝光裝置等)輸出。評價部43係利用晶圓之圖像資料，判定對於晶圓之曝光時之聚焦狀態，求出曝光裝置101之光學系統之像差(詳情於下文進行敍述)。

主控制部45係經由硬體控制部44而控制照明單元21或平台5之動作。硬體控制部44控制照明單元21之光源部22及調光部23，調節照明光之波長及強度。又，硬體控制部44控制平台5之旋轉機構部(未圖示)，而調整晶圓方位角度。又，硬體控制部44控制平台5之傾斜機構(未圖示)，而調整照明光之入射角及出射角。

晶圓10係藉由曝光裝置101對於最上層之光阻膜投影曝光特定之遮罩圖案並藉由顯影裝置(未圖示)而顯影。顯影後之晶圓10如上所述般，藉由未圖示之搬送裝置，自未圖示之晶圓匣盒或顯影裝置搬送至平台5上。再者，此時，晶圓10係於以晶圓10之圖案或外緣部(凹口或參考面等)為基準進行對準之狀態下，搬送至平台5上。於晶圓10之表面，如圖3所示，複數個晶片區域11縱橫(於圖3之XY方向上)排列。於各晶片區域11中，形成有線圖案或孔圖案等重複圖案12作為半導體圖案。多數情況下於曝光之1拍攝區域中含有複數個晶片區域，但為了於圖3中容易理解，而將1個晶片之區域作為1拍攝區域量之區域。

又，曝光裝置101為上述步進掃描方式之曝光裝置，且以如下方式構成：經由電纜等與本實施形態之表面檢查裝置1之輸出部46電性連接，可基於來自表面檢查裝置1之資料(信號)而進行曝光控制之調整。

為了使用以如上方式構成之表面檢查裝置1進行晶圓10表面之繞射檢查，首先，如圖1所示，將照明側偏光濾光片26及受光側偏光濾光片32自光路上拔去，藉由未圖示之搬送裝置，將晶圓10搬送至平台5上。再者，取得於搬送之途中藉由未圖示之對準機構形成於晶圓10之表面之圖案之位置資訊，可以圖案成為特定之方向(方位)之方式將晶圓10載置於平台5上之特定位置。

其次，以晶圓10之表面上之照明方向與圖案之重複方向一致(於線圖案之情形時，相對於線而正交)之方式使晶圓10旋轉。進而，於將圖案之間距設為P，將照射至晶圓10之表面之照明光之波長設為λ，將照明光之入射角設為θ 1，將n次繞射光之出射角設為θ 2時，於滿足如下之數式1之情形時可接收n次繞射光。因此，藉由硬體控制部44，以照明光之照明波長成為λ，入射角成為θ 1且出射角成為θ 2之方式控制照明單元21之光源部22與調光部23、平台5之傾斜機構(未圖示)等。

[數1]P=n×λ/{sin(θ 1)-sin(θ 2)}

其次，藉由照明系統20將照明光照射至晶圓10之表面。於此種條件下將照明光照射至晶圓10之表面時，來自照明單元21中之光源部22之光通過調光部23，具有特定波長(例如248 nm之波長)之特定強度的照明光自導光纖維24向照明側凹面鏡25射出，由照明側凹面鏡25反射而照射至晶圓10之表面。藉由晶圓10表面之重複圖案而繞射之繞射光藉由受光側凹面鏡31而聚集並到達至攝像裝置35之攝像面上，使晶圓10之像(利用繞射光產生之像)成像。以下，為進行說明，將由晶圓方位角度、照明光之波長、照明光之入射角、繞射光之出射角、繞射次數等之組合所決定之繞射光之條件稱為繞射條件。

攝像裝置35將形成於攝像面上之晶圓10之像進行光電轉換而生成圖像信號，經由主控制部45將圖像信號發送至圖像處理部40。圖像處理部40基於自攝像裝置35發送之圖像信號，生成晶圓10之數位圖像(以下，為方便起見而將基於繞射光之晶圓10之數位圖像稱為繞射圖像)，經由主控制部45將晶圓10之圖像資料發送至檢查部42。檢查部42將自圖像處理部40發送之晶圓10之圖像資料與記憶於記憶部41之良品晶圓之圖像資料進行比較，檢查晶圓10之表面之缺陷(異常)之有無。繼而，將檢查部42之檢查結果及此時之晶圓10之繞射圖像輸出顯示於未圖示之圖像顯示裝置中。

其次，對藉由表面檢查裝置1進行晶圓10表面之PER檢查之情形進行說明。再者，藉由PER檢查而檢查之重複圖案12係如圖4所示般，複數個線部2A沿其短邊方向(X方向)以固定間距P排列之光阻圖案(線圖案)。又，相鄰之線部2A彼此之間為空間部2B。又，將線部2A之排列方向(X方向)稱為「重複圖案12之重複方向」。

此處，將重複圖案12之線部2A之線寬D_A之設計值設為間距P之1/2。於如設計值般形成有重複圖案12之情形時，線部2A之線寬D_A與空間部2B之線寬D_B相等，線部2A與空間部2B之體積比約1：1。相對於此，若形成重複圖案12時之曝光焦點自適當值偏離，則間距P不變化，但線部2A之線寬D_A與設計值不同，並且與空間部2B之線寬D_B亦不同。因此，若曝光焦點自適當值偏離，則線部2A與空間部2B之體積比自約1：1偏離。再者，可認為，線部2A側面以蛇行之方式變形即產生所謂邊緣粗糙度之情形亦與上述情形同樣地體積比自約1：1偏離。

PER檢查係利用如上所述之重複圖案12之線部2A與空間部2B之體積比之變化，而進行重複圖案12之異常檢查者。再者，為使說明變得簡單，將理想之體積比(設計值)設為1：1。存在體積比之變化因每拍攝區域之曝光焦點自適當值之偏離而於晶圓10之每個拍攝區域出現之情況。再者，亦可將體積比稱為剖面形狀之面積比。

於PER檢查中，如圖2所示，照明側偏光濾光片26及受光側偏光濾光片32插入於光路上。照明側偏光濾光片26配設於導光纖維24與照明側凹面鏡25之間，並且其透過軸(偏光軸)設定於特定之方位(例如可獲得p偏光之方位)。藉此，使來自照明單元21之光中對應於透過軸之直線偏光透過。

受光側偏光濾光片32配設於受光側凹面鏡31與攝像裝置35之間，其透過軸之方位係以相對於上述照明側偏光濾光片26之透過軸於光路中正交之方式設定(正交偏光之狀態)。因此，可藉由受光側偏光濾光片32，使來自晶圓10(重複圖案12)之正反射光中振動方向與直線偏光L呈大致直角之偏光成分(例如s偏光之成分)通過，而導引至攝像裝置35。再者，藉由以可使受光側偏光濾光片32圍繞光軸中心旋動，且將經橢圓偏光化之正反射光之短軸方向與受光側偏光濾光片32之透過軸一致之方式進行調整，可提高感光度。於此情形時，調整角度亦為數度且為正交之範疇。

為了藉由表面檢查裝置1進行晶圓10表面之PER檢查，首先，如圖2所示，將照明側偏光濾光片26及受光側偏光濾光片32插入於光路上，藉由未圖示之搬送裝置而將晶圓10搬送至平台5上。再者，取得於搬送之途中藉由未圖示之對準機構而形成於晶圓10之表面之圖案之配置資訊，可將晶圓10以特定之方向載置於平台5上之特定位置。

其次，如圖5所示，以重複圖案12之重複方向相對於晶圓10之表面之照明光(直線偏光L)之振動方向而傾斜45度之方式，使平台5旋轉。進而，如圖2所示，使平台5傾斜為可由受光系統30接收來自照射有照明光之晶圓10之正反射光的傾斜角度(入射角θ 1=出射角θ 2)。再者，此時，藉由硬體控制部44，控制平台5之旋轉機構部(未圖示)或傾斜機構(未圖示)等。

其次，藉由照明系統20對晶圓10之表面照射照明光。於此種條件下對晶圓10之表面照射照明光時，自照明單元21之導光纖維24射出之照明光經由照明側偏光濾光片26及照明側凹面鏡25而成為p偏光之直線偏光L，且照射至晶圓10之表面整體。

此時，直線偏光L之行進方向(到達至晶圓10表面上之任意點之直線偏光L之方向)大致平行於光軸，因此晶圓10之各點上之直線偏光L之入射角度相互相同。此處，入射至晶圓10之直線偏光L為p偏光。又，如圖5所示，重複圖案12之重複方向設定為相對於直線偏光L之入射面為45度之角度。因此，晶圓10之表面之直線偏光L之振動方向與重複圖案12之重複方向所成之角度亦設定為45度。如此設定為45度之角度之目的在於使重複圖案12之檢查之光量為最高。又，若設定為22.5度或67.5度之角度，則檢查之感光度變高。再者，角度並不限定於此，可設定為任意角度方向。

由晶圓10之表面反射之正反射光藉由受光側凹面鏡31聚集且到達至攝像裝置35之攝像面上，使晶圓10之像(反射像)成像。此時，透過重複圖案12，於由底層反射後再次透過重複圖案12時，藉由構造性雙折射使直線偏光L之偏光狀態發生變化。受光側偏光濾光片32可使來自晶圓10(重複圖案12)之正反射光中振動方向與直線偏光L呈大致直角之偏光成分通過(即，抽出直線偏光L之偏光狀態之變化)，並導引至攝像裝置35。其結果為，於攝像裝置35之攝像面，形成利用來自晶圓10之正反射光中振動方向與直線偏光L呈大致直角之偏光成分而產生之晶圓10之反射像。

因此，攝像裝置35係將形成於攝像面上之晶圓10之表面之像(反射像)進行光電轉換而生成圖像信號(數位圖像資料)，經由主控制部45而將圖像信號發送至圖像處理部40。圖像處理部40基於自攝像裝置 35發送之圖像信號，生成晶圓10之數位圖像(以下，為方便起見而將基於藉由構造性雙折射而變化之偏光成分的晶圓10之數位圖像稱為偏光圖像)，經由主控制部45而將晶圓10之圖像資料發送至檢查部42。檢查部42將自圖像處理部40發送之晶圓10之圖像資料與記憶於記憶部41之良品晶圓之圖像資料進行比較，檢查晶圓10之表面之缺陷(異常)之有無。再者，可認為良品晶圓之偏光圖像之信號強度(亮度值)表示最高之信號強度(亮度值)者，因此例如若與良品晶圓進行比較之信號強度變化(亮度變化)大於預先規定之閾值(容許值)，則判定為「異常」，若小於閾值，則判斷為「正常」。繼而，將檢查部42之檢查結果及此時之晶圓10之偏光圖像輸出表示於未圖示之圖像顯示裝置中。

再者，所謂信號強度係與由攝像裝置35之攝像元件檢測之光之強度對應之信號強度，且由照明光強度、由圖案產生之反射(繞射)效率、攝像裝置之感光度等決定。本實施形態中，信號強度係以圖像亮度觀測，因此該兩個詞語實質上指相同者。

又，並不限定於上述繞射檢查及PER檢查，亦可進行基於來自晶圓10表面之正反射光之檢查(以下，為方便起見而稱為正反射檢查)。於進行正反射檢查之情形時，圖像處理部40生成基於來自晶圓10表面之正反射光之數位圖像(以下，為方便起見而稱為正反射圖像)，檢查部42基於由圖像處理部40生成之晶圓10之正反射圖像，檢查晶圓10之表面之缺陷(異常)之有無。

評價部43可使用於使曝光裝置101之焦點偏移量針對每拍攝區域而變化之條件下曝光顯影所得之晶圓之圖像，求出曝光裝置101之繞射光之焦點曲線(表示焦點偏移量與信號強度之關係之曲線)。若利用該焦點曲線求出1個拍攝區域內之每個微小區域中繞射光之信號強度達到極大(最大)的焦點偏移量，則可求出藉由曝光裝置101而投影曝光之圖案之像面(曝光拍攝區域內之聚焦狀態之分佈)。另外，所謂像面彎曲係指平面物體成為並非平面而成像為彎曲面之狀態的透鏡之像差。即，評價部43可藉由根據晶圓之圖像求出曝光拍攝區域內之聚焦狀態之分佈，而求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像面彎曲。

再者，本申請案之發明者發現，於繞射光之情形時，若將線與間隙之占空率設為相對於線為1而間隙為10以上，則信號強度達到極大之焦點偏移量成為最佳焦點。又，所謂極大，例如4次函數具有最大3個極值(向上或向下之波峰)，但係指該等內焦點之計測範圍(最佳焦點附近)內之極大點。

此處，一面參照圖6所示之流程圖一面對求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像面彎曲之方法進行說明。首先，製作使曝光裝置101之焦點偏移量(已知)變化而形成重複圖案之晶圓(步驟ST101)。此時，針對每個曝光拍攝區域使焦點偏移量變化，設定複數個相同焦點偏移量之拍攝區域並將其等散亂地配置。以下，將此種晶圓稱為條件變更晶圓10a(參照圖7及圖8)。

此處，散亂地配置相同焦點偏移量之拍攝區域例如係為了將於晶圓之中央側與外周側之間產生之光阻條件之不同、或掃描曝光時之所謂左右差等的影響相抵消而進行。再者，形成於晶圓上之光阻膜(光阻劑)多數情況下係藉由旋轉塗佈而塗佈形成。因此，有隨著光阻塗佈液藉由旋轉而擴展而使溶劑成分揮發，黏度提高而膜變厚之傾向，於晶圓之中央側與外周側之間產生光阻條件之不同。又，所謂左右差係指例如於將掃描方向設為X方向之情形時，光罩一面向X+方向移動(晶圓向X-方向移動)一面曝光時、與光罩一面向X-方向移動(晶圓向X+方向移動)一面曝光時的差。

本實施形態之條件變更晶圓10a係如圖7所示，將焦點偏移量以每25 nm於-175 nm~+200 nm之範圍內分配成16個階段。再者，於圖7之各拍攝區域中，將每25 nm變更之焦點偏移量之階段以編號(1~16)表示，於階段(焦點偏移量)相同且掃描方向為反方向之情形時標附「'」。例如，由編號12表示之焦點偏移量之拍攝區域係將以相同之焦點偏移量進行之曝光以於光罩移動X+方向/中央側為1個拍攝區域、於光罩移動X+方向/外周側為1個拍攝區域、於光罩移動X-方向/中央側為1個拍攝區域、於光罩移動X-方向/外周側為1個拍攝區域之方式設定4個部分。又，本實施形態中，如此將焦點偏移量以16個階段，且以各焦點偏移量中4個拍攝區域之合計64個拍攝區域，並將其等散亂地配置而製作條件變更晶圓10a。

再者，亦可製作複數個條件變更晶圓，求出焦點曲線。於此情形時，各條件變更晶圓之每個焦點偏移量之拍攝區域配置較佳為以將因焦點偏移以外之條件所致之影響抵消之方式設定。

若製作條件變更晶圓10a，則以與繞射檢查之情形同樣之方式將條件變更晶圓10a搬送至平台5上(步驟ST102)。其次，與繞射檢查之情形同樣地，照明系統20對條件變更晶圓10a之表面照射照明光，攝像裝置35將條件變更晶圓10a之像進行光電轉換而生成圖像信號，經由主控制部45而將圖像信號輸出至圖像處理部40(步驟ST103)。此時，關於條件變更晶圓10a，利用經曝光之遮罩圖案之資訊或繞射條件檢索而求出平台之傾斜角度，以可獲得繞射光之方式進行與繞射檢查之情形相同之設定。所謂繞射條件檢索係指使平台5之傾斜角度於正反射以外之角度範圍內階段性地變化，以各傾斜角度取得圖像，求出圖像變亮、即獲得繞射光之傾斜角度之功能。再者，條件變更晶圓10a之方位角係以曝光之圖案之重複方向(於線與間隙之圖案之情形時為與線正交之方向)與照明方向一致之方式配置。

其次，圖像處理部40基於自攝像裝置35輸入之條件變更晶圓10a之圖像信號，生成條件變更晶圓10a之繞射圖像，針對各焦點偏移量相同之拍攝區域，以像素單位(各拍攝區域所對應之部分之像素彼此)進行信號強度之平均化(步驟ST104)。再者，將利用繞射檢查判斷為缺陷之部分自上述平均化之對象中去除。其次，圖像處理部40係關於藉由平均化而獲得之(即，焦點偏移量相互不同之)所有拍攝區域，分別求出如圖8所示般設定於拍攝區域內之複數個設定區域(由小長方形包圍之區域)A之信號強度之平均值(以下，為方便起見而稱為平均亮度)(步驟ST105)。於至此為止之處理中，相對於在複數個設置於曝光拍攝區域內之設定區域A各者中，將焦點偏移以每25 nm於-175 nm~+200 nm範圍內分配成16個階段時之各者獲得平均亮度。

其次，圖像處理部40經由主控制部45將經平均化之資料發送至評價部43，評價部43針對求出平均亮度之各設定區域A之每一者求出表示焦點偏移與平均亮度之關係之曲線、即焦點曲線(步驟ST106)。再者，將焦點曲線之一例示於圖9。其次，評價部43針對每個設定區域A分別求出以函數近似焦點曲線之近似曲線(步驟ST107)。再者，近似曲線之函數較佳為使用4次函數(4次式)。又，4次函數如以下之數式般表示。

[數2]y=ax⁴+bx³+cx²+dx+e

此處，x為焦點偏移，y為信號強度(平均亮度)，a、b、c、d、e為係數。可使用最小平方法等，求出用以近似焦點曲線之最佳係數a、b、c、d、e。

其次，評價部43針對各設定區域A求出於焦點曲線之近似曲線中平均亮度達到極大之焦點偏移量(步驟ST108)。如此一來，如圖10所示，求出拍攝區域內之繞射光之平均亮度達到極大之焦點偏移量之分佈。根據該焦點偏移量之相對關係，求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像面彎曲(步驟ST109)。此處，將藉由評價部43而求出之像面彎曲之一例示於圖11。

再者，可如上述般計測像面係基於繞射光之強度達到極大之焦點偏移量為最佳焦點的假定，但存在根據圖案而於繞射光之強度達到極大之焦點偏移量與最佳焦點之間存在差之情形。然而，於此種情形時，亦可藉由在拍攝區域內選擇近似之圖案而使繞射光之強度達到極大之焦點偏移量(以下適當稱為極大焦點偏移量)與最佳焦點之差成為固定。因此，可由極大焦點偏移量求出像面彎曲。又，以上述方式求出之像面彎曲例如於轉換為作為像面彎曲之資料的像面之曲率半徑或傾斜量等曝光裝置101可接收之參數後，自評價部43經由輸出部46而輸出至曝光裝置101，且反映於曝光裝置101之像差(像面彎曲)之修正。

又，本實施形態中，藉由求出自投影光學系統(未圖示)之光軸以放射狀延伸之橫向圖案12a(參照圖13(a))之極大焦點偏移量及與橫向圖案正交之縱向圖案12b(參照圖13(b))之極大焦點偏移量，可求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像散。再者，橫向圖案12a如圖13(a)所示般為重複方向與曝光裝置101之掃描方向垂直之(即，與曝光裝置101之狹縫之長邊平行之)線圖案。又，縱向圖案12b如圖13(b)所示般為重複方向相對於橫向圖案12a正交之與橫向圖案12a相同形狀之線圖案。

所謂像散係指光軸外之物點之像未成像為一個像點，自光軸起放射方向(子午)之焦點及與放射方向呈直角之方向(弧矢)之焦點位置不同之像差。再者，此處所謂之像散與非點間隔同義。於具有像散之透鏡中，無法以相同之清晰度連結水平線與垂直線。例如，如圖12所示，自井框狀之物體發出之光於S(弧矢)像點，關於井框之縱線，焦點吻合而形成清晰之像，關於井框之橫線，焦點偏移而形成模糊之像。另一方面，自井框狀之物體發出之光於M(子午)像點，關於井框之橫線，焦點吻合而形成清晰之像，關於井框之縱線，焦點偏移而形成模糊之像。評價部43基於橫向圖案12a之繞射圖像與縱向圖案12b之繞射圖像，而求出各圖案之像面(曝光拍攝區域內之聚焦狀態之分佈)，藉此求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像散。

此處，一面參照圖14所示之流程圖一面對求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像散之方法進行說明。首先，製作形成有橫向圖案12a及縱向圖案12b之條件變更晶圓10b(步驟ST201)。再者，形成有橫向圖案12a及縱向圖案12b之條件變更晶圓10b之拍攝區域之配置如圖7所示般與於測定像面彎曲時使用之條件變更晶圓10a相同。再者，橫向圖案12a與縱向圖案12b較理想為配置於極接近之位置，但若自光軸之距離相等，則亦可稍微分離。又，若條件變更晶圓10a中包含上述橫向圖案12a及縱向圖案12b，則無需製作條件變更晶圓10b而使用條件變更晶圓10a。

其次，與測定像面彎曲之情形同樣地，將條件變更晶圓10b搬送至平台5上(步驟ST202)，相對於橫向圖案12a設置繞射條件而進行拍攝(步驟ST203)。其次，將條件變更晶圓10b旋轉90度，相對於縱向圖案12b設置繞射條件而進行條件變更晶圓10b之拍攝(步驟ST203)。再者，各條件變更晶圓10b之方位角(曝光之圖案相對於照明光之照明方向之姿勢)係以曝光之圖案之重複方向(於線與間隙之圖案之情形時為與線正交之方向)與照明方向一致之方式配置。

其次，圖像處理部40基於自攝像裝置35輸入之圖像信號，生成橫向圖案12a之繞射圖像，針對各焦點偏移量相同之拍攝區域以像素單位(各拍攝區域所對應部分之像素彼此)進行信號強度之平均化。又，圖像處理部40基於自攝像裝置35輸入之圖像信號，生成縱向圖案12b之繞射圖像，針對各焦點偏移量相同之拍攝區域以像素單位進行信號強度之平均化(步驟ST204)。

其次，圖像處理部40對於藉由平均化而獲得之(即，焦點偏移量相互不同之)所有拍攝區域，分別求出設定於拍攝區域內之複數個設定區域之信號強度之平均值(平均亮度)(步驟ST205)。於至此為止之處理中，關於形成有橫向圖案12a之拍攝區域與形成有縱向圖案12b之拍攝區域各者，相對於在複數個設置於各拍攝區域內之設定區域各者中，將焦點偏移以每25 nm於-175 nm~+200 nm之範圍內分配成16個階段時之各者獲得平均亮度。

其次，圖像處理部40將經平均化之資料經由主控制部45發送至評價部43，評價部43針對形成有橫向圖案12a之拍攝區域之每個設定區域，求出表示焦點偏移與平均亮度之關係之曲線、即焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為橫向焦點曲線)。又，評價部43針對形成有縱向圖案12b之拍攝區域之每個設定區域，求出表示焦點偏移與平均亮度之關係之曲線、即焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為縱向焦點曲線)(步驟ST206)。

其次，評價部43針對形成有橫向圖案12a之拍攝區域之每個設定區域，求出以函數近似橫向焦點曲線之近似曲線。又，評價部43針對形成有縱向圖案12b之拍攝區域之每個設定區域，求出以函數近似縱向焦點曲線之近似曲線(步驟ST207)。再者，近似曲線之函數較佳為使用4次函數(4次式)。

其次，評價部43針對形成有橫向圖案12a之拍攝區域之每個設定區域，求出於橫向焦點曲線之近似曲線中平均亮度達到極大之焦點偏移量。又，評價部43針對形成有縱向圖案12b之拍攝區域之每個設定區域，求出於縱向焦點曲線之近似曲線中平均亮度達到極大之焦點偏移量(步驟ST208)。如此一來，關於形成有橫向圖案12a之拍攝區域與縱向圖案12b 各者，求出極大焦點偏移量之分佈。

繼而，評價部43根據橫向圖案12a之極大焦點偏移量及縱向圖案12b之極大焦點偏移量之分佈，求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像散(步驟ST209)。此時，以與光軸正交且包含光軸上之聚焦位置之面為基準，可將線部自光軸沿曝光裝置101之狹縫之長邊方向延伸之縱向圖案12b之像面(聚焦位置)作為弧矢像面而處理，且可將線部相對於縱向圖案12b垂直地延伸之橫向圖案12a之像面(聚焦位置)作為子午像面而處理。如此，自表示橫向圖案12a之像面之極大焦點偏移量與表示縱向圖案12b之像面之極大焦點偏移量而求出像散。

再者，為了如上述般計測像面，較理想為繞射光之強度達到極大之焦點偏移量為最佳焦點。然而，有根據圖案而於繞射光之強度達到極大之焦點偏移量與最佳焦點之間存在差之情形。然而，即便於此種情形時，亦可以與像面彎曲之情形同樣之理由，以上述方式求出像散。又，藉由評價部43所求出之像散之資料自評價部43經由輸出部46而輸出至曝光裝置101，且反映於曝光裝置101之像差(像散)之修正。

如此，根據本實施形態，基於藉由曝光裝置101而曝光之條件變更晶圓10a~10b之圖像，而求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像面彎曲或像散，因此可基於利用實際之曝光中使用之圖案而曝光顯影所得之晶圓之圖像進行像差測定。又，於針對拍攝區域內之每個設定區域求出繞射光之極大亮度(強度)時，針對條件變更晶圓10a~10b上之焦點偏移量不同之每個拍攝區域而求出各設定區域之平均亮度，因此可使因光阻膜等之膜厚變動所產生之影響平均化而降低。如此，可基於利用實際之曝光中使用之圖案而曝光之拍攝區域之圖像而進行像差測定。進而，可使因光阻膜等之膜厚變動所產生之影響平均化而降低，因此可高精度地容易地測定曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像面彎曲或像散。又，此時，可將一面使曝光裝置101之焦點偏移量針對每個拍攝區域而變化一面曝光而形成之圖案之各者於條件變更晶圓10a~10b之表面一併拍攝，因此可實現短時間內之像差測定。

再者，於求出像散時，並不限定於橫向圖案12a及縱向圖案12b，亦可如圖15所示，使用於曝光裝置101之掃描方向及狹縫之長邊方向上縱橫排列之孔圖案12c。若將條件變更晶圓之方位角設定為圖15中之橫向與縱向，分別於相同之繞射條件下拍攝條件變更晶圓，則可獲得與使用橫向圖案12a及縱向圖案12b之情形同樣之效果，可求出像散。

又，橫向圖案12a及縱向圖案12b可自形成於實際之元件之圖案中抽出，亦可使用專用之遮罩圖案進行曝光、顯影。又，橫向圖案12a及縱向圖案12b較佳為相互近接。又，亦可將橫向圖案12a及縱向圖案12b製作成另一晶圓。

又，本實施形態中，具有複數個焦點偏移量相同之拍攝區域，將其等散亂地配置，但即便使用通常用於曝光裝置之調整之所謂FEM晶圓(Focus Exposure Matrix晶圓，焦點曝光矩陣晶圓)，亦可如上述般計測像面而求出像面彎曲或像散。所謂FEM晶圓係藉由使焦點及劑量(曝光能量)以矩陣狀變更而曝光並顯影之晶圓，通常為相同之焦點偏移量且相同劑量之拍攝區域僅一個。因此，無法藉由平均化而使因光阻膜厚變動等所致之影響平均化，因此計測精度稍差，但若使用劑量固定且焦點偏移量不同之拍攝區域，則可求出焦點曲線，可進行像面之計測。

又，亦可根據使曝光裝置101之焦點偏移量針對每個晶圓而變化(於相同之晶圓中，以相同之條件)而曝光並顯影之複數個晶圓之圖像，如上述般求出像面彎曲或像散。如此一來，可降低每次改變拍攝區域位置所產生之動態之控制誤差(晶圓平台之移行誤差或調平誤差、光罩平台之移行誤差或調平誤差、光罩平台與晶圓平台之同步誤差等)，因此可進行更高精度之像差測定。

進而，亦可利用使曝光裝置101之焦點偏移量針對每個晶圓變化而曝光並顯影之複數個晶圓之圖像，求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之球面像差。所謂球面像差係指來自光軸上之物點之具有各種開口的光束或相對於光軸各種平行光束入射至光學系統時，其對應之像點未成像於一點之現象。若為一片凸透鏡，入射高增大，則其成像點之位置短於入射高為零時之成像點(近軸像點)，若為凹透鏡，則相反長於入射高為零時之成像點。例如，如圖16所示，若將入射高為h1、h2、h3之光之成像點分別設為Q1，Q2，Q3，則近軸像點F'至各成像點Q1、Q2、Q3之距離△1、△2、△3分別成為球面像差。

另外，曝光裝置101之曝光光包含大量自光罩(未圖示)出射之1次繞射光(及0次繞射光)。於光罩之圖案間距(週期)相對較大之情形時，亦根據上述數式1可知，若光向光罩之入射角及波長相同，則1次繞射光之出射角變小，因此開口(NA)相對較小之光於晶圓上成像。另一方面，於光罩之圖案間距(週期)相對較小之情形時，若光向光罩之入射角及波長相同，則1次繞射光之出射角變大，因此開口(NA)相對較大之大光於晶圓上成像。本實施形態中，藉由利用該性質，算出相對於晶圓上之粗圖案12d(參照圖17(a))之曝光時之極大焦點偏移量與相對於晶圓上之細圖案12e(參照圖17(b))之曝光時之極大焦點偏移量的差，而求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之球面像差。

此處，一面參照圖18所示之流程圖一面對求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之球面像差之方法進行說明。首先，如圖19(a)所示，取得使曝光裝置101之焦點偏移量針對每個晶圓變化而曝光並顯影的複數個晶圓(此處，例如焦點偏移量為-100 nm、-50 nm、0 nm、+50 nm、+100 nm的5個晶圓15a~15e)之圖像(步驟ST301)。此處，為方便起見，將焦點偏移量不同之5個晶圓15a~15e稱為測定用晶圓15a~15e。

於各測定用晶圓15a~15e之拍攝區域中，如圖17所示，作為重複圖案，設為具有相對較大之第1重複間距P1之粗圖案(線圖案)12d與具有小於第1重複間距P1之第2重複間距P2之重複方向相同之細圖案(線圖案)12e曝光、顯影而成者。再者，粗圖案12d及細圖案12e可自形成於實際之元件之圖案中抽出，亦可使用專用之遮罩圖案進行曝光、顯影。又，粗圖案12d及細圖案12e較佳為相互近接或混合存在。此時，晶圓之照明及攝像等以與繞射檢查之情形同樣之方式進行。但是，自粗圖案12d產生繞射光之第1繞射條件與自細圖案12e產生繞射光之第2繞射條件不同。因此，若為粗圖案12d則以第1繞射條件獲得繞射像，若為細圖案12e則以第2繞射條件獲得繞射像。

又，粗圖案(線圖案)12d之第1重複間距P1與重複方向相同且較細之圖案(線圖案)12e的小於第1重複間距P1之第2重複間距P2較佳為根據半導體裝置之設計值預先求出。如此，於根據設計值預先求出重複間距P1、P2之情形時，藉由使用上述數式1，自已知之重複間距P7、P2與照明光之波長λ，每次均可求出入射角θ 1與出射角θ 2。

又，如上所述，於光罩之圖案間距(週期)相對較大之情形時，亦自上述數式1可知，若光向光罩之入射角及波長相同，則1次繞射光之出射角變小，因此開口(NA)相對較小之光成像於晶圓上。另一方面，於光罩之圖案間距(週期)相對較小之情形時，若光向光罩之入射角及波長相同，則1次繞射光之出射角變大，因此開口(NA)相對較大之光成像於晶圓上。如上述之說明般，藉由算出相對於晶圓上之粗圖案12d(參照圖17(a))之曝光時之極大焦點偏移量與相對於晶圓上之細圖案12e(參照圖17(b))之曝光時之極大焦點偏移量的差，可自圖案間距P1、P2及上述極大焦點偏移量而準確地求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之球面像差。

其次，圖像處理部40自於第1繞射條件下拍攝取得之晶圓之圖像，針對使曝光裝置101之焦點偏移量變化之測定用晶圓15a~15e之每一個，以像素單位求出對應於各拍攝區域之光軸之附近之粗圖案12d之信號強度。又，圖像處理部40自於第2繞射條件下拍攝取得之晶圓之圖像，針對使曝光裝置101之焦點偏移量變化之測定用晶圓15a~15e之每一個，以像素單位求出對應於各拍攝區域之光軸之附近之細圖案12e之信號強度(步驟ST302)。此時，分別求出粗圖案12d之信號強度之平均值與細圖案72e之信號強度之平均值(以下，為方便起見而將該等平均值稱為平均亮度)。

其次，圖像處理部40經由主控制部45而將經平均化之資料發送至評價部43。評價部43例如圖19(b)所示般，求出表示(焦點偏移量相互不同之)各晶圓之粗圖案12d之平均亮度與對應於其之焦點偏移量的關係之曲線、即焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為第1樣本焦點曲線)。又，評價部43求出表示(焦點偏移量相互不同之)各晶圓之細圖案12e之平均亮度與對應於其之焦點偏移量的關係的曲線、即焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為第2樣本焦點曲線)(步驟ST303)。再者，於將第1樣本焦點曲線及第2樣本焦點曲線進行函數近似時，亦較佳為使用4次函數作為近似曲線(步驟ST304)。

其次，評價部43求出第1樣本焦點曲線及第2樣本焦點曲線之近似曲線中平均亮度達到極大之焦點偏移量(極大焦點偏移量)(步驟ST305)。繼而，評價部43求出第1樣本焦點曲線之近似曲線中極大焦點偏移量與第2樣本焦點曲線之近似曲線中極大焦點偏移量的差(步驟ST306)。如此，求出各樣本焦點曲線之近似曲線中平均亮度達到極大之焦點偏移量之差△F(參照圖20)作為球面像差。再者，與求出之球面像差對應之光之入射高係自細圖案12e之間距(例如自曝光裝置101之遮罩圖案出射之1次繞射光之出射角等)而算出。又，利用評價部43求出之球面像差自評價部43經由輸出部46而輸出至曝光裝置101，且反映於曝光裝置101之像差(球面像差)之修正。

再者，為了以上述方式測定球面像差，較理想為繞射光之強度達到極大之焦點偏移量為最佳焦點(即，如圖20所示般線寬成為如設計值之焦點偏移量)。如此，為方便起見而將自極大之焦點偏移量求出焦點曲線之近似曲線之方法成為波峰法。

如此，根據本實施形態，基於藉由曝光裝置101而曝光之測定用晶圓15a~15e之圖像，求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之球面像差，因此可基於由實際曝光中使用之圖案曝光並顯影之晶圓之圖像而進行像差測定。如此，可基於由實際曝光中使用之圖案曝光之晶圓之圖像而進行像差測定，因此可高精度且容易地測定曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之球面像差。又，此時，可一併拍攝各測定用晶圓15a~15e之表面，因此可實現短時間內之像差測定。

再者，於求出球面像差時，並不限定於粗圖案12d及細圖案12e，亦可使用重複間距相互不同之3種以上之重複圖案。如此一來，可求出與複數束光之入射高對應之球面像差。

於上述實施形態中，藉由波峰法進行像差測定，但亦可藉由其他方法進行像差測定。存在根據圖案，焦點曲線之極大值附近形成平坦之形狀之情形。於此情形時，難以精度高地決定信號強度達到極大之焦點偏移量，因此於波峰法中，結果像差之測定精度降低。

此處，將對此種情形有效之方法作為本申請案之變形例進行說明。再者，於變形例中，裝置構成或晶圓之曝光方法等基本上與上述實施形態相同。作為第1變形例，一面參照圖21所示之流程圖一面說明藉由方便起見稱為擬合法之方法進行之像面計測、即像面彎曲之測定之順序。

圖21之步驟ST401~ST405與圖6之步驟ST101~ST105為相同處理。雖省略相同處理之部分之說明，但於步驟ST405之前，相對於分配有焦點偏移之各拍攝區域，針對複數個設定於拍攝區域內之設定區域各者求出平均亮度。其次，圖像處理部40進而相對於分配有焦點偏移之各拍攝區域，將拍攝區域內之所有設定區域之平均值(平均亮度)平均，而求出拍攝區域平均值(步驟ST406)。

其次，圖像處理部40將經平均化之資料經由主控制部45發送至評價部43，評價部43求出表示該拍攝區域平均值與焦點偏移之關係之焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為拍攝區域焦點曲線)，藉由例如4次函數之近似曲線近似所求出之拍攝區域焦點曲線(步驟ST407)。再者，拍攝區域焦點曲線自1個條件變更晶圓僅可獲得1條。

其次，評價部43針對拍攝區域內之每個設定區域，將步驟ST405中求出之相對於各焦點偏移之平均值(平均亮度)與步驟ST407中求出之拍攝區域焦點曲線擬合，求出最一致之拍攝區域焦點曲線之(圖上之)位置(步驟ST408)。此處所謂之擬合，例如可以如下之順序進行。首先，於圖22所示之曲線中，一面使由實線表示之拍攝區域焦點曲線之近似曲線左右移動、即使焦點偏移以例如每1 nm平行移動，一面求出與以菱形之標記所表示之平均亮度之一致度。其次，求出最一致之位置，自原本之拍攝區域焦點曲線之移動量(即焦點偏移之差)成為該設定區域之(表示聚焦狀態)計測值。再者，作為一致度，可求出平均亮度和與該平均亮度相同之焦點偏移之近似曲線之值的差之平方和，求出該平方和成為最小之位置，亦可求出相關係數，求出相關係數成為最大之位置。

於波峰法中，針對每個設定區域求出焦點曲線，自其極大值之焦點偏移求出聚焦狀態，但於擬合法中，求出相對於成為基準之一拍攝區域焦點曲線之每個設定區域之平均亮度之位置之差，而獲得聚焦狀態。繼而，評價部43可藉由求出拍攝區域內之(每個設定區域之)聚焦狀態之分佈，而進行藉由擬合法之像面計測，可根據拍攝區域內之聚焦狀態之分佈而求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像面彎曲(步驟ST409)。再者，亦可使用任意焦點曲線來代替上述拍攝區域焦點曲線。

其次，作為第2變形例，一面參照圖23所示之流程圖一面說明藉由擬合法之像散之測定順序。圖23之步驟ST501~ST505與圖14之步驟ST201~ST205為相同處理。雖省略相同處理之部分之說明，但於步驟ST505之前，關於形成有橫向圖案12a之拍攝區域與形成有縱向圖案12b之拍攝區域各者，相對於分配有焦點偏移之各拍攝區域，針對複數個設定於拍攝區域內之設定區域各者求出平均亮度。

其次，圖像處理部40相對於使焦點偏移變更之橫向圖案12a之各拍攝區域，將拍攝區域內之所有設定區域之平均值(平均亮度)平均，求出橫向圖案12a之拍攝區域平均值。又，圖像處理部40相對於分配有焦點偏移之縱向圖案12b之各拍攝區域，將拍攝區域內之所有設定區域之平均值(平均亮度)平均，求出縱向圖案12b之拍攝區域平均值(步驟ST506)。

其次，圖像處理部40將經平均化之資料經由主控制部45發送至評價部43。評價部43求出表示橫向圖案12a之拍攝區域平均值與焦點偏移之關係之焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為橫向拍攝區域焦點曲線)，由例如4次函數之近似曲線近似所求出之橫向拍攝區域焦點曲線。又，評價部43求出表示縱向圖案12b之拍攝區域平均值與焦點偏移之關係之焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下稱為縱向拍攝區域焦點曲線)，由例如4次函數之近似曲線近似所求出之縱向拍攝區域焦點曲線(步驟ST507)。再者，橫向拍攝區域焦點曲線及縱向拍攝區域焦點曲線分別自1個條件變更晶圓僅可獲得1條。

其次，評價部43針對橫向圖案12a之拍攝區域內之每個設定區域，將步驟ST505中求出之相對於各焦點偏移之平均值(平均亮度)與步驟ST507中求出之橫向拍攝區域焦點曲線擬合，求出最一致之拍攝區域焦點曲線之(圖上之)位置。又，評價部43針對縱向圖案12b之拍攝區域內之每個設定區域，將步驟ST505中求出之相對於各焦點偏移之平均值(平均亮度)之焦點曲線與步驟ST507中求出之縱向拍攝區域焦點曲線擬合，求出最一致之拍攝區域焦點曲線之(圖上之)移動量(步驟ST508)。該移動量成為表示聚焦狀態之測定值，橫向圖案12a之測定值與縱向圖案12b之測定值之差成為像散量。

波峰法中，針對每個設定區域求出焦點曲線，自其極大值之焦點偏移求出聚焦狀態，但於擬合法中，求出相對於成為基準之一拍攝區域焦點曲線之每個設定區域之平均亮度之位置之差，而獲得聚焦狀態。繼而，評價部43可藉由求出橫向圖案12a之拍攝區域內之(每個設定區域之)聚焦狀態之分佈與縱向圖案12b之拍攝區域內之(每個設定區域之)聚焦狀態之分佈，根據各拍攝區域內之聚焦狀態之分佈而求出曝光裝置101之投影光學系統(未圖示)之像散(步驟ST509)。再者，於擬合時，亦可僅使用橫向拍攝區域焦點曲線及縱向拍攝區域焦點曲線中任一者，進行與橫向圖案12a之拍攝區域中之平均亮度之焦點曲線之擬合及與縱向圖案12b之拍攝區域中之平均亮度之焦點曲線之擬合。

其次，作為第3變形例，一面參照圖24所示之流程圖一面對使用上述FEM晶圓及1個測定用晶圓而測定球面像差之方法進行說明。首先，製作使曝光裝置101之焦點偏移量及劑量(曝光量)呈矩陣狀變化而形成有粗圖案12d之FEM晶圓16a(參照圖25)、與以同樣之方式形成有細圖案12e之FEM晶圓16b(參照圖25)(步驟ST601)。此時，例如，如圖25所示，將各FEM晶圓16a、16b之中心之曝光拍攝區域設為最佳焦點及最佳劑量，針對橫向排列之曝光拍攝區域各者使焦點偏移量變化，並且針對縱向排列之曝光拍攝區域各者使劑量變化而曝光並顯影。

其次，拍攝取得形成有粗圖案12d之FEM晶圓16a之繞射圖像及形成有細圖案12e之FEM晶圓16b之繞射圖像(步驟ST602)。為了拍攝取得形成有粗圖案12d之FEM晶圓16a之繞射圖像，而與繞射檢查之情形同樣地，首先，將FEM晶圓16a搬送至平台5上。其次，照明系統20對FEM晶圓16a之表面照射照明光，攝像裝置35將FEM晶圓16a之像光電轉換而生成圖像信號，將圖像信號輸出至圖像處理部40。繼而，圖像處理部40基於自攝像裝置35輸入之FEM晶圓16a之圖像信號，生成形成有粗圖案12d之FEM晶圓16a之繞射圖像。又，於拍攝取得形成有細圖案12e之FEM晶圓16b之繞射圖像之情形時，亦進行相同之處理。此時，關於由晶圓之方位角度、照明波長、入射角及出射角等之組合決定之複數個條件，即關於複數個繞射條件，分別拍攝取得形成有粗圖案12d之FEM晶圓16a之繞射圖像與形成有細圖案12e之FEM晶圓16b之繞射圖像。

再者，於FEM晶圓16a、16b之重複圖案中存在基底層之情形或存在底層不均之情形時，若使用短波長(例如248 nm或313 nm等)之照明光，則可不易受到底層之影響。又，即便為了使照明光成為s偏光而將透過軸設定為特定方位之照明側偏光濾光片26插入於光路上，亦可不易受到底層之影響。又，即便為了僅可接收s偏光之繞射光而將透過軸設定為特定方位之受光側偏光濾光片32插入於光路上，亦可不易受到底層之影響。

其次，圖像處理部40針對於複數個繞射條件下分別拍攝取得之每個繞射圖像，分別求出形成有粗圖案12d之拍攝區域之信號強度。又，圖像處理部40針對於複數個繞射條件下分別拍攝取得之每個繞射圖像，分別求出形成有細圖案12e之拍攝區域之信號強度(步驟ST603)。

其次，圖像處理部40將經平均化之圖像資料經由主控制部 45發送至評價部43。評價部43關於在複數個繞射條件下分別拍攝取得之繞射圖像，針對不同之劑量，求出表示形成有(劑量相互相同且焦點偏移量相互不同之)粗圖案12d之各拍攝區域之信號強度與對應於其之焦點偏移量之關係的曲線、即焦點曲線(為了與其他焦點曲線區分，以下僅稱為樣本焦點曲線)。又，評價部43關於在複數個繞射條件下分別拍攝取得之繞射圖像，針對不同之劑量，求出表示形成有(劑量相互相同且焦點偏移量相互不同之)細圖案12e之各拍攝區域之信號強度與對應於其之焦點偏移量之關係的曲線、即焦點曲線(為與其他焦點曲線區分，以下僅稱為樣本焦點曲線)(步驟ST604)。藉此，可針對不同之劑量，求出分別對應於複數個繞射條件之複數個樣本焦點曲線。又，此時，分別求出樣本焦點曲線之近似曲線。再者，對於近似曲線之函數，較佳為使用4次函數。

其次，評價部43自複數個樣本焦點曲線中，選擇用於求出相對於粗圖案12d之曝光時之聚焦狀態之至少2種樣本焦點曲線、及用於求出相對於細圖案12e之曝光時之聚焦狀態之至少2種樣本焦點曲線(步驟ST605)。此時，例如選擇決定與劑量變化或底層變化之影響較小之繞射條件對應的3種樣本焦點曲線。為了選擇決定3種樣本焦點曲線，首先，自複數個樣本焦點曲線中抽出焦點之變化中存在感光度之樣本焦點曲線。其次，自焦點之變化中存在感光度之樣本焦點曲線中，抽出相對於劑量之變化之感光度較少之樣本焦點曲線。繼而，自焦點之變化中存在感光度且相對於劑量之變化之感光度較少之樣本焦點曲線中，選擇曲線之波峰或波谷之位置(焦點偏移量)相互不同之3種樣本焦點曲線。

以此方式，評價部43選擇決定用於求出相對於粗圖案12d之曝光時之聚焦狀態之3種樣本焦點曲線(為了與其他樣本焦點曲線區分，以下稱為基準樣本焦點曲線)。又，以相同之方式，評價部43選擇決定用於求出相對於細圖案12e之曝光時之聚焦狀態之3種樣本焦點曲線(為了與其他樣本焦點曲線區分，以下稱為像差樣本焦點曲線)。將3種基準樣本焦點曲線D1~D3之一例示於圖26。再者，關於像差樣本焦點曲線，亦獲得相同之焦點曲線。

其次，評價部43將與所決定之3種基準樣本焦點曲線及像差樣本焦點曲線之近似曲線之式相關之資料作為基準資料輸出至記憶部41中並記憶(步驟ST606)。再者，評價部43亦可不限定於基準樣本焦點曲線及像差樣本焦點曲線之近似曲線之式，而將自近似曲線之式求出之表示焦點偏移量與信號強度之關係之資料圖作為基準資料輸出至記憶部41並記憶。

其次，拍攝取得曝光、顯影有粗圖案12d及細圖案12e之1個測定用晶圓(未圖示)之繞射圖像(步驟ST607)。此時，關於與可獲得基準樣本焦點曲線及像差樣本焦點曲線之繞射圖像相同之6種繞射條件，分別拍攝取得測定用晶圓之繞射圖像。再者，晶圓之照明及拍攝等以與繞射檢查之情形相同之方式進行。

其次，圖像處理部40根據繞射圖像之每個像素之信號強度，判定與各像素對應之區域是否為拍攝區域內之曝光時之光軸附近之測定區域(步驟ST608)，抽出形成有粗圖案12d之區域與形成有細圖案12e之區域。

其次，圖像處理部40將圖像資料經由主控制部45發送至評價部43，評價部43根據測定用晶圓之繞射圖像，求出相對於粗圖案12d及細圖案12e之曝光時之聚焦狀態(步驟ST609)。此時，評價部43利用記憶部41中所記憶之基準資料(即基準樣本焦點曲線之近似曲線之式或資料圖)，自可獲得基準樣本焦點曲線之繞射條件下之測定用晶圓之繞射圖像之信號強度，針對每個特定之像素(以單數或複數個像素單位)求出粗圖案12d下之焦點偏移量。又，評價部43利用記憶部41中所記憶之基準資料(即像差樣本焦點曲線之近似曲線之式或資料圖)，自可獲得像差樣本焦點曲線之繞射條件下之測定用晶圓之繞射圖像之信號強度，針對每個特定之像素求出細圖案12e下之焦點偏移量。

於求出焦點偏移量時，於記憶部41中記憶有與3種繞射條件分別對應之基準樣本焦點曲線之近似曲線之式(或資料圖)，因此可自相同條件下分別拍攝取得之測定用晶圓之繞射圖像之信號強度，針對每個特定之像素，分別求出焦點偏移量。再者，焦點曲線為曲線，因此自1個繞射圖像之信號強度算出複數個(視條件為1個)焦點偏移量之候補。相對於此，藉由使用曲線之波峰或波谷之位置(焦點偏移量)相互不同之3種基準樣本焦點曲線，算出之焦點偏移量決定為1個。關於像差樣本焦點曲線，亦以相同之方式，焦點偏移量決定為1個。

具體而言，求出各繞射條件下之信號強度與對應於該條件之近似曲線之差分平方和成為最小的焦點偏移量。再者，亦可針對不同之劑量分別準備3種基準樣本焦點曲線(或像差樣本焦點曲線)，採用差分平方和成為最小之劑量下之焦點偏移量。又，亦可對於曲線之傾斜相對較大之(即，相對於焦點變化之感光度相對較高)條件下之信號強度進行加權。

藉此，可算出粗圖案12d上之焦點偏移量與細圖案12e上之焦點偏移量，可判定相對於粗圖案12d及細圖案12e之曝光時之聚焦狀態。繼而，評價部43可藉由求出粗圖案12d上之焦點偏移量與細圖案12e上之焦點偏移量的差，而求出球面像差(步驟ST610)。

再者，於求出球面像差時，使用3種基準資料(基準樣本焦點曲線及像差樣本焦點曲線)，但並不限定於此，例如亦可為2種基準資料或5種基準資料。

於上述實施形態中，自晶圓之繞射圖像測定像面彎曲、像散及球面像差，但並不限定於此，亦可自晶圓之偏光圖像(PER圖像)求出各種焦點曲線，測定像面彎曲、像散及球面像差。此時，例如於圖6所示之流程圖之步驟ST103中，照明系統20對條件變更晶圓10a之表面照射直線偏光(或橢圓偏光)L作為照明光，攝像裝置35將由條件變更晶圓10a之經偏光變化之成分所產生之反射像光電轉換而生成圖像信號，只要將圖像信號輸出至圖像處理部40即可。又，關於測定用晶圓15a~15e亦同樣。再者，於偏光之情形時，可認為信號強度達到極大之焦點偏移量為最佳焦點，因此可容易地獲知成為最佳焦點之焦點偏移量。又，亦可變更PER之圖案之重複方向與照明之直線偏光之偏光面之關係，或照明側偏光濾光片26之偏光軸與受光側偏光濾光片32之偏光軸之關係來求出焦點檢測精度較高之條件。例如，PER之圖案之重複方向與照明之直線偏光之偏光面亦可未必如上述般設定為45度、22.5度、67.5度。

於上述實施形態中，可一次連續地測定像面彎曲、像散及球面像差之全部，亦可視需要測定像面彎曲、像散及球面像差之一部分。

於上述實施形態中，曝光裝置101為步進掃描方式之曝光裝置，但於不進行曝光裝置101之平台掃描或光罩掃描而進行步進重複曝光時亦可實現相同之像差測定。

繼而，一面參照圖27一面對使用此種曝光裝置101之半導體元件製造方法進行說明。半導體元件(未圖示)係經由如下等步驟而製造：進行元件之功能、性能設計之設計步驟(步驟S701)、基於該設計步驟之製造光罩之光罩製作步驟(步驟S702)、自矽材料製作晶圓之晶圓製作步驟(步驟S703)、藉由曝光等將光罩之圖案轉印於晶圓之(包含曝光步驟、顯影步驟等)微影步驟(步驟S704)、進行元件之組裝之(包含切割步驟、接合步驟、封裝步驟等)組裝步驟(步驟S705)、進行元件之檢查的檢查步驟(步驟S706)。

此處，一面參照圖28一面對微影步驟之詳情進行說明。首先，準備晶圓(步驟S801)，使用未圖示之旋轉塗佈機等塗佈裝置，將光阻劑以成為特定之厚度之方式塗佈於晶圓表面(步驟S802)。此時，對於塗佈結束之晶圓，藉由塗佈裝置內之乾燥裝置使光阻之溶劑成分蒸發凝固。藉由未圖示之搬送裝置將塗佈有光阻劑並凝固之晶圓搬送至曝光裝置101(步驟S803)。搬入至曝光裝置101之晶圓藉由設置於曝光裝置101之對準裝置進行對準(步驟S804)。於對準結束之晶圓，將光罩之圖案縮小曝光(步驟S805)。將曝光結束之晶圓自曝光裝置101移送至未圖示之顯影裝置，進行顯影(步驟S806)。將顯影結束之晶圓放置於表面檢查裝置1，如上述般求出曝光裝置101之投影光學系統之像差，並且進行繞射檢查、偏光檢查，進行製作於晶圓上之圖案之檢查(S807)。於檢查中產生預先規定之基準以上之不良(異常)之晶圓轉送至二次加工(再生處理)，不良(異常)未達基準之晶圓進行蝕刻處理等後處理。再者，步驟S807中所求出之曝光裝置101之投影光學系統之像差係為了曝光裝置101之像差之修正而進行反饋(步驟S808)。藉由進行反饋而修正像差之曝光裝置101，對下一個基板進行曝光。

於本實施形態之半導體元件製造方法中，微影步驟中，使用上述實施形態之曝光裝置101進行圖案之曝光。即，如上所述，於實施藉由曝光裝置101之曝光步驟後，經由顯影裝置(未圖示)之顯影步驟等，藉由表面檢查裝置1，進行表面形成有重複圖案12之晶圓10之表面檢查。此時，藉由表面檢查裝置1測定曝光時之投影光學系統之像差，於曝光裝置101中，根據自表面檢查裝置1輸入之投影光學系統之像差之狀態，修正曝光裝置101之投影光學系統之像差。如此，根據本實施形態之半導體元件製造方法，可以短時間且高精度地計測曝光時之投影光學系統之像差之狀態，因此可更適當地進行曝光裝置101之投影光學系統之像差之設定，可生產性良好地製造高積體度之半導體元件。

再者，上述各實施形態之必要條件可適當組合。又，亦存在不使用部分構成要素之情形。又，於法令容許之範圍內，援用與上述各實施形態及變形例中引用之檢查裝置等相關之所有公開公報及美國專利之揭示並作為本文之記載之一部分。

1‧‧‧表面檢查裝置

5‧‧‧平台

10‧‧‧晶圓

20‧‧‧照明系統(照明部)

21‧‧‧照明單元

22‧‧‧光源部

23‧‧‧調光部

24‧‧‧導光纖維

25‧‧‧照明側凹面鏡

26‧‧‧照明側偏光濾光片

30‧‧‧受光系統

31‧‧‧受光側凹面鏡

32‧‧‧受光側偏光濾光片