WO2003105202A1 - 波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置の製造システムおよびその製造方法 - Google Patents

波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置の製造システムおよびその製造方法 Download PDF

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WO2003105202A1
WO2003105202A1 PCT/JP2003/007137 JP0307137W WO03105202A1 WO 2003105202 A1 WO2003105202 A1 WO 2003105202A1 JP 0307137 W JP0307137 W JP 0307137W WO 03105202 A1 WO03105202 A1 WO 03105202A1
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WO
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wavefront aberration
circuit pattern
optical system
exposure
pattern
Prior art date
Application number
PCT/JP2003/007137
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English (en)
French (fr)
Inventor
吉武　康裕
松本　俊一
Original Assignee
株式会社日立製作所
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Publication date
Application filed by 株式会社日立製作所 filed Critical 株式会社日立製作所
Publication of WO2003105202A1 publication Critical patent/WO2003105202A1/ja

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70—Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70483—Information management; Active and passive control; Testing; Wafer monitoring, e.g. pattern monitoring
    • G03F7/70591—Testing optical components
    • G03F7/706—Aberration measurement

Definitions

  • Wavefront aberration measuring apparatus Description Wavefront aberration measuring apparatus, exposure apparatus, semiconductor device manufacturing system, and manufacturing method thereof
  • the present invention relates to a wavefront aberration measuring apparatus, a semiconductor exposure apparatus, and a method of manufacturing a semiconductor device.
  • the present invention relates to a technique for measuring the wavefront aberration of an exposure lens on an exposure apparatus, and a wavefront aberration measuring apparatus utilizing the measured wavefront aberration.
  • TECHNICAL FIELD The present invention relates to an exposure apparatus, a semiconductor device (semiconductor device) manufacturing system, and a manufacturing method thereof. Background art
  • Circuit patterns for semiconductor devices are created by forming a film on a wafer, which is a substrate, coating a resist, which is a photosensitive agent, on the resist, exposing the circuit pattern on the reticle to the resist, developing, and etching the film. Is done. By repeating this series of steps for each layer, a semiconductor device having a multilayer circuit pattern is manufactured. At this time, if the circuit pattern is misaligned during the exposure with respect to the underlying layer pattern, the circuit is disconnected or short-circuited, resulting in a semiconductor device failure.
  • the alignment mark is provided in an area of the end of the exposure area where there is no circuit pattern.
  • the alignment mark is formed with a line width of 2 to 4 m, which is larger than the circuit line width so that it can be resolved by optical detection.
  • the alignment mark since the alignment mark has a low spatial frequency, it is affected by the wavefront aberration near the lens center as shown in Fig. 27 (a). Since the light passing through the lens pupil is bent by an amount proportional to the slope of the wavefront aberration, the position shift particularly when there is an asymmetric wavefront aberration such as coma differs between the circuit pattern and the alignment mark. For this reason, it is necessary to convert the positional deviation measured by the alignment mark into the positional deviation of the circuit pattern and correct it according to the spatial frequency of the circuit pattern and the wavefront aberration of the lens. In addition to the displacement, the best focus position, the transfer magnification, and the like, which change due to the wavefront aberration, need to be corrected according to the wavefront aberration. .
  • the wavefront aberration changes with time. This is because the refractive index of the lens changes due to the temperature and pressure inside the lens, the lens is distorted due to the thermal stress of the lens housing, and the wavelength of the light source drifts. Therefore, the wavefront aberration needs to be measured regularly. Also, if the wavefront aberration can be measured regularly, the wavefront aberration can be kept within a certain allowable range by controlling the partial movement of the element lens that constitutes the exposure lens, the pressure in the lens, and the wavelength of the exposure light source. It is possible.
  • Techniques for that purpose include a phase recovery method, a method for measuring the pattern space image position, and an interferometer. There is a way.
  • the phase recovery method is based on, for example, a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-1959582 (Prior Art 1), in which a wavefront aberration is obtained from an image intensity distribution of a specific pattern at a best focus position and a defocus position. This is a method of calculating by iterative calculation.
  • Pa evening A method for measuring the image space image position is, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-19976 (Prior Art 2), based on the amount of displacement of the image intensity distribution of a specific pattern. This is a method of calculating asymmetric wavefront aberration such as aberration.
  • a method of mounting an interferometer is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-27471 (prior art 3), as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-27471 (prior art 3). This is a method of calculating wavefront aberration from fringes.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-71514 discloses an exposure apparatus provided with an inspection apparatus for measuring a wavefront aberration of an exposure lens (projection optical system). It has been known.
  • the inspection apparatus includes: an illumination unit for illuminating an opening positioned on the object surface of the exposure lens with a numerical aperture equal to or larger than the object-side numerical aperture of the exposure lens; and an illumination unit formed on an image surface of the exposure lens.
  • a wavefront splitting element (micro fly's eye) for splitting light from the primary image of the opening into a wavefront to form a large number of secondary images of the opening; and a number of wavefront splitting elements formed by the wavefront splitting element. It is described that a photoelectric detector is provided for photoelectrically detecting a secondary image. Disclosure of the invention
  • the method for measuring wavefront aberration on the above-described apparatus has the following problems.
  • the phase recovery method of the prior art 1 requires a long time because it is necessary to detect the image intensity distribution at two points, the best focus position and the defor- mation force position. Also, when obtaining the phase distribution by iterative calculation, it may not converge depending on the conditions.
  • the method of measuring the position of the pattern space image according to the prior art 2 is to convert the positional deviation of the pattern space images having different spatial frequencies into a coma aberration coefficient.
  • spherical aberration or astigmatism affecting the best focus position is obtained.
  • Measurement of aberration items other than coma, such as aberration, cannot be performed.
  • the method of mounting the interferometer of the prior art 3 is difficult to apply practically because the rigidity for securing accuracy is increased and the cost is increased due to the complexity of the apparatus.
  • the wavefront aberration of the exposure lens is measured with high accuracy based on positional deviation information from each origin position for measurement detected by the photoelectric detector to the center of gravity of the light amount of each image in the aperture. Points are not fully considered.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems by providing a wavefront aberration measuring apparatus, an exposure apparatus, and a semiconductor, which are capable of measuring a change with time of a wavefront aberration of an exposure lens with high accuracy on a semiconductor exposure apparatus.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus manufacturing system and a method thereof.
  • Another object of the present invention is to provide high-precision exposure by taking into account slight changes in the wavefront aberration of the exposure lens (projection optical system) with time, even if the margin is narrowed due to the miniaturization of semiconductor devices. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing system and a method thereof that can be realized to manufacture an ultra-fine semiconductor device at a high yield.
  • the outline of a typical one of the present invention is as follows.
  • the present invention relates to a wavefront aberration measuring apparatus for measuring a wavefront aberration of an optical system to be measured, wherein the pattern is positioned on an object plane of the optical system to be measured, and generates a light that spreads substantially uniformly on a pupil of the optical system to be inspected.
  • An illumination optical system that illuminates the pattern, a relay lens that forms a conjugate position with the pupil plane of the optical system to be measured, and a conjugate position with the pupil plane of the optical system that is formed by the relay lens.
  • a lens array for disposing a main plane, dividing a wavefront of light from a primary image of the pattern formed on an image plane of the optical system to be measured into a large number of secondary images of the pattern, An image sensor that captures a secondary image of the formed pattern is provided, whereby the wavefront division by the lens array can be made to correspond one-to-one with the pupil plane, and the wavefront aberration measurement can be performed. Exactly It can be carried out to become. Further, the present invention provides an illumination optical system for illuminating a circuit pattern of a reticle mounted on a reticle stage, and a circuit pattern of the reticle illuminated by the illumination optical system.
  • a projection optical system for projecting and exposing the projection optical system onto a substrate to be exposed mounted on a substrate stage, wherein light is generated on the reticle stage, which spreads almost uniformly on a pupil of the projection optical system.
  • a relay lens that forms a conjugate position with the pupil plane of the projection optical system; and a main plane disposed at a conjugate position with the pupil plane of the projection optical system formed by the relay lens.
  • a lens array that forms a large number of secondary images of the pattern by wavefront splitting light from a primary image of the pattern formed on an image plane; and a secondary image of a pattern formed by the lens array in large numbers.
  • Wavefront aberration measuring device configured to include an image pickup device that picks up an image and outputs a large number of pattern signals, and a processing unit that calculates the wavefront aberration of the projection optical system based on the large number of pattern signals obtained from the image pickup device Dress O
  • the light beam obtained when the measured optical system has no wavefront aberration and the light beam obtained when there is the wavefront aberration are: It is characterized by passing through the center.
  • the imaging element is arranged at a focal position of the lens array.
  • the contrast of the converged spot imaged on the image pickup device is improved, so that the spot position can be measured with high accuracy, so that the wavefront aberration can be obtained with high accuracy.
  • the present invention is characterized in that in the wavefront aberration measuring device, a distance between an image plane of the projection optical system and a main plane of the relay lens is a focal length of the relay lens. Accordingly, when there is no wavefront aberration, the light emitted from the relay lens becomes parallel light, is incident on the lens array perpendicularly, and the condensed spot positions on the image sensor are equally spaced.
  • the present invention is characterized in that in the wavefront aberration measuring apparatus, a limiting filter (for example, an aperture) is provided on an incident side of the relay lens. Further, the present invention is characterized in that the illumination optical system includes a condensing optical system that condenses the illumination light on the pattern at least when measuring the wavefront aberration.
  • a limiting filter for example, an aperture
  • the processing means of the wavefront aberration measuring apparatus may include a first pattern position group (XO, Y0) measured in advance in the first state based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor. ) To calculate an error component group (ax, ay) caused by the relay lens and the lens array, and a second state measured based on a large number of pattern signals obtained from the image sensor in the second state.
  • the error component group (ax, ay) calculated above is removed from the pattern position group (X, Y), and the second pattern shift amount group ( ⁇ , ⁇ ) is calculated.
  • the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state is calculated based on the group of shift amounts ( ⁇ , ⁇ ⁇ ). .
  • the processing means calculates the error component group (ax, ay) caused by the relay lens and the lens array
  • the projection optical system in the first state is calculated by another means.
  • the first pattern is calculated based on the measured wavefront aberration W0, and a deviation amount group ( ⁇ , ⁇ ⁇ 0) of the first pattern is calculated, and the measured first pattern position group (X0, Y0) is calculated.
  • the error component group (ax, ay) is calculated by subtracting the calculated first pattern shift amount group ( ⁇ , ⁇ Y 0) from the above.
  • the first circuit in the second state When exposing the second circuit pattern and the second alignment mark on the pattern and the first alignment mark, the amount of misalignment between the first circuit pattern and the second circuit pattern transferred image with respect to the first circuit pattern and the first The position of the second alignment mark transfer image with respect to the alignment mark is calculated and the alignment T
  • the position of the second alignment mark transferred image with respect to the first alignment mark actually measured in step • Corrects the relationship between the calculated position shift of the circuit pattern transfer image and the position shift of the alignment mark transfer image according to the shift amount Calculating means for predicting the position shift correction value of the transfer image of the actual circuit pattern, and feeding back the predicted position correction value of the transfer image of the actual circuit pattern to the exposure apparatus. And a method of manufacturing a semiconductor device.
  • a focus value and an exposure amount are changed according to the wavefront aberration W of the projection optical system in the second state obtained from the exposure apparatus and the processing unit of the wavefront aberration measurement apparatus in the exposure apparatus.
  • the light intensity distribution of the transferred image of the product circuit pattern is calculated, and the product circuit pattern dimensions are calculated based on the calculated light intensity distribution of the transferred image of the product circuit pattern.
  • a calculation method for calculating an optimum exposure amount and an optimum focus value from the relationship of the circle size is
  • the present invention also provides a projection optical system in a second state according to the exposure apparatus and a wavefront aberration W of the projection optical system in a second state obtained from processing means of a wavefront aberration measuring apparatus in the exposure apparatus.
  • FIG. 1 is a view showing an embodiment of an exposure apparatus provided with a wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an arrangement of an optical system of the wavefront aberration measuring apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining spots on the image sensor according to the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a flow for obtaining a spot shift position caused by a measurement system according to the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of obtaining wavefront aberration according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a wavefront aberration measuring apparatus provided with a limiting filter (aperture) according to the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining a measurement reticle (evaluation reticle) provided with the condenser lens according to the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a flow of exposure apparatus correction according to the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining parameters required for calculating a transferred image according to the present invention.
  • FIGS. 10 (a), (b), and (c) are diagrams for explaining illumination conditions according to the present invention.
  • FIGS. 11 (a) and (b) are diagrams for explaining circuit patterns of a first step and a second step according to the present invention, respectively.
  • FIGS. 12 (a) and 12 (b) are diagrams for explaining a difference in wavefront aberration depending on a pattern position according to the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of wavefront aberration according to the present invention.
  • FIG. 14 is a view showing the arrangement of circuit patterns and alignment marks in the first step according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing the arrangement of circuit patterns and alignment marks in the second step according to the present invention.
  • FIGS. 16 (a) and 16 (b) are diagrams showing a circuit pattern and a registration mark after the superposition in the first and second steps according to the present invention, respectively.
  • FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the positional deviation ⁇ of the alignment mark and the positional deviation ⁇ Ex of the circuit pattern according to the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing a temporal change of an alignment inspection data according to the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing a flow of calculating an optimum exposure amount and a focus value according to the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram showing a light intensity distribution of a transferred image according to the present invention.
  • FIG. 21 is a diagram showing the relationship between the focus value F, the line width CD, and the exposure amount E according to the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a process window according to the present invention.
  • FIG. 23 is a view for explaining a dimensional difference between both ends of the line & space according to the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram for explaining the misalignment correction system using the wavefront aberration according to the present invention.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining an exposure condition prediction system using wavefront aberration according to the present invention.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining a circuit pattern design system using wavefront aberration according to the present invention.
  • FIGS. 27 (a) and (b) are diagrams for explaining the relationship between the difference in the optical path and the wavefront aberration depending on the spatial frequency of the pattern according to the present invention.
  • the change with time of the wavefront aberration of the optical lens also becomes a problem, and it is often required to calculate it on a daily or weekly basis. Then, based on the calculated wavefront aberration of the exposure lens, optimization of exposure conditions including a relationship between an exposure amount and focus, optimization of a circuit pattern (0 PC) formed on a reticle, and aberration By performing the Mix & Match correction due to the induced distortion and the positional deviation between the circuit pattern and the alignment mark, it is possible to cope with a narrow margin, that is, a high precision.
  • An exposure apparatus includes, for example, a light source that emits exposure light such as excimer laser light, a shaping optical system that shapes a light beam of substantially parallel light emitted from the light source, and a shaping optical system.
  • a coherence reducing optical system that reduces the coherence of the obtained light beam, a first fly-eye lens that forms a large number of light sources from light beams from the coherence reducing optical system, and a first fly-eye lens.
  • a second fly-eye lens for forming a number of secondary light sources on a surface, an aperture stop for limiting a number of secondary light sources formed by the second fly-eye lens, and a number obtained through the aperture stop
  • An illumination optical system (not shown) having a condenser optical system for uniformly illuminating the reticle on which the wafer is formed is provided, and a substrate stage (X stage 31) having a wafer holder 34 on which the wafer 3 is mounted is provided.
  • a Y stage 32, a Z stage 33, etc. a reticle stage for mounting a reticle, and a reticle pattern (circuit board) on a wafer 3 which is a substrate to be exposed.
  • An exposure lens (reduction projection optical system) 2 for performing reduction projection exposure is provided, and a focusing control system for automatically focusing the surface of the wafer 3 on the image forming surface of the exposure lens 2 is provided.
  • the illumination optical system is not limited to the above configuration.
  • the exposure lens 2 according to the present invention is configured to include a first element lens 21, a pupil 23 and a second element lens 22 as a basic configuration.
  • the light beam from the coherence reduction optical system forms a large number of light sources on the rear focal plane via the first fly-eye lens.
  • the light from these many light sources illuminates the second fly-eye lens in a superimposed manner via the relay optical system, and is applied to the rear focal plane of the second fly-eye lens.
  • a number of secondary light sources are formed. The luminous flux from this secondary light source is limited by an aperture stop arranged near it, and then illuminates the reticle (mask) uniformly and superimposed via a condenser optical system.
  • the light beam transmitted through the reticle pattern (circuit pattern) passes through an exposure lens (compact projection optical system) (measured optical system) 2 to form an image of a circuit pattern (circuit pattern) on a wafer 3 to be exposed. Formed and subjected to reduced projection exposure.
  • the reticle (mask) is placed on a reticle stage via a reticle holder.
  • the reticle stage is driven by the reticle stage control unit based on a command from the main control system.
  • the wafer 3 is placed on a wafer holder 34 on a substrate stage (consisting of an X stage 31, a Y stage 32, a Z stage 33, etc.).
  • the substrate stage (wafer stage) 31 to 33 is driven by the wafer stage control unit based on a command from the main control unit.
  • the movement of the wafer stage is measured by, for example, a laser length measuring device.
  • each of the stages 31 to 33 has a function of moving in the X, Y, and Z directions, and a function of rotating or tilting around the Z axis, the X axis, and the Y axis.
  • the position is controlled by the DA.
  • the surface of the wafer 3 is automatically focused on the image plane 300 of the exposure lens 2 by the focusing control system.
  • the wavefront aberration measuring apparatus 4 includes, for example, a wafer stage 31 to 33 Will be provided above.
  • the wavefront aberration measuring apparatus 4 includes a relay lens 41 for collimating the light beam 93, and a lens array for condensing the light beam 944 collimated by the relay lens 41 onto the image sensor 43. 4 2 and an image sensor 43 that images the positions of the light beams 9441 and 9042 condensed by each of the lens arrays and converts them into signals.
  • the pupil plane 23 of the exposure lens 2 And the main plane of the lens array 42 are conjugated via the relay lens 41.
  • the imaging element 43 The deviation of the spot position ( ⁇ ,, ⁇ ⁇ ) from the aberration-free state at the time of (1) is due to the amount of aberration (first derivative of the wavefront aberration on the pupil 23 corresponding to the lens array) ) / dv), and the aberration amount can be easily calculated.
  • the measurement reticle (evaluation reticle) 1 is mounted on the reticle stage, and the measurement reticle 1 is illuminated by the above-mentioned illumination optical system, the light 910 passing through the pinhole 110 on the measurement reticle 1 is The first element lens 21 of the exposure lens 2 turns into parallel light 90 2, which is condensed via the second element lens 22 at an imaging point A at the same height as the upper surface of the wafer 3. Thereafter, the light beam 903 is incident on the wavefront difference measuring device 4, and the light beam 904 collimated by the relay lens 41 is condensed on the image sensor 43 by the lens array 42.
  • the exposure lens (reduction projection optical system) (measured optical system) 2 has a wavefront aberration 201.
  • the wavefront aberration 201 represents the phase distribution on the pupil 23 of the exposure lens 2, and the incident light beam is bent by an amount proportional to the magnitude of the inclination.
  • the exposure lens 2 does not have the wavefront aberration 201, the light beam 9020 emitted from the first element lens 21 travels straight like the light beam 9021, but the wavefront aberration 20 In the case where there is 1, the light beam 900 out of the first element lens 21 is similar to the light beam 90 22 in proportion to the local inclination of the above wavefront aberration 210. Can be bent.
  • the light beam emitted from the second element lens 22 advances as a light beam 9031, and the light beam 901 is formed by the relay lens 41 and the lens array 42.
  • the image sensor 43 Is detected on the image sensor 43 at the position of, but when there is a wavefront aberration 201, the light beam emitted from the second element lens 22 advances like a light beam 9032, and the image sensor 4 The light is detected at the position of the light beam 9 42 on 1.
  • the distance between the pinhole 1 10 on the measurement reticle 1 and the first element lens 21 is determined by the focal length f 1 of the first element lens 21 and the first element lens 21.
  • the distance of the pupil 23 is f1
  • the distance of the pupil 23 and the second element lens 22 is the focal length f2 of the second element lens 22
  • the image is the second element lens 22 and the upper surface of the wafer 3.
  • the distance of the plane 300 is arranged as f2.
  • the pinhole 1.10 and the imaging plane 300 have a conjugate relationship, and the magnification is represented by f2 / f1.
  • the light ray 910 passing through the center of the pupil 23 is perpendicular to both the measurement reticle 1 and the imaging plane 300, so that the object side, Telecentric on both sides of the image.
  • the advantage of this arrangement is that even if the measurement reticle 1 wafer 3 shifts in the vertical direction, the image position does not shift, that is, the imaging magnification does not change.
  • the wavefront aberration 201 exists, the light beam 910 is no longer perpendicular to the image plane 300, so that the imaging magnification also changes.
  • the relay lens 41 is located at a position apart from the imaging plane 300 by the focal length f3 of the relay lens 41, and the lens array 42 is also located at the position f3 from the relay lens 41.
  • the imaging element 43 is disposed at a position between the lens array 42 and the focal length f 4 of the lens array 42.
  • the pupil 23 and the lens array 42 have a conjugate relationship, and the magnification is f3 / f2.
  • the light beam 9021 without the wavefront aberration 201 and the light beam 9022 in the certain case pass through the center of each lens element of the lens array 42.
  • the wavefront aberration W is represented by the amount of displacement of the spot position ( ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ).
  • the spot position shift amount (ax (i, j), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42, an interferometer or the like (another means) Based on the wavefront aberration W0 ( ⁇ , ⁇ ) of the initial state of the exposure lens 2 measured using It is also easy to calculate the displacement ( ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ).
  • the center of gravity (X (i, j), Y (i, j)) of the spot can be obtained using general image processing. In FIG. 1, the processing obtained by the control / processing system 8 with the image sensor 43 Perform on 431.
  • the position shift amount of the spot measured based on the image 431 acquired by the image sensor 43 of the wavefront aberration measuring device 4 includes the spot shift amount (ax (i (i)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 of the measurement system. , j), ay (i, j)). Therefore, it is necessary to previously determine the spot shift amount (ax (i, j), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 of the measurement system.
  • step 801 the control / processing system 8 measures the spot position (X0 (i, j), Y0 (i, j)) of the exposure lens 2 in the initial state (first state) in the initial state.
  • the image processing described above is performed based on the image 431 acquired by the image sensor 43.
  • step 802 the initial state (the first state) is measured by another means other than the present embodiment, such as a method disclosed in US Pat. No. 5,828,455 (interferometer or the like), which is not measurement on the apparatus.
  • Step 803 the measured value of the wavefront aberration W0 (, 77) of the exposure lens 2 in the input initial state and the above proportional coefficient ((e / 2 ⁇ ) ⁇ ( ⁇ 4 / R)-(f2 / f 3)), the spot shift (AX0 (i, j), ⁇ Y0 (i, j)) in the initial state (first state) is calculated by the above equations (2) and (3). calculate.
  • Step 804 calculates the spot shift position (ax (i ,; J), ay (i, j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42. It is calculated from the following equations (6) and (7).
  • the spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) calculated above indicates a spot position measured by the wavefront aberration measuring device 4 when the exposure lens 2 has no aberration.
  • the control / processing system 8 inputs the measured value of the wavefront aberration W (£, v) of the exposure lens 2 in the initial state, and calculates the proportional coefficient ((person / 27T) ′ (f 4 / R) If ((f 2 / f 3)) is input and stored, it is possible to calculate the spot shift (room X0 (i, j), AY0 (i, j)) in the initial state.
  • the control 'processing system 8 the spot shift position (ax (i, j), ay (i 5 j)) also can be calculated based on equation (6) and (7) Become.
  • the spot shift (mm X0 (i, j), Y0 (i, j)) in the initial state may be calculated by another processing system and input to the control / processing system 8. Also, the calculation of the spot shift position (ax (i, j), ay (i, j)) may be calculated by another processing system and input to the control / processing system 8.
  • the control 'processing system 8 uses the spot shift positions (ax (i, j), ay (i 3 j)) caused by the relay lens 41 and the lens array 42 obtained and stored in advance.
  • the flow for calculating the wavefront aberration of the exposure lens 2 will be described with reference to FIG.
  • step 805 the measurement reticle 1 is set on the reticle stage, and the wafer stage is moved to move the wavefront aberration measuring device 4 to a predetermined position.
  • Positioning and control The processing system 8 measures the spot position (X (i, j), Y (i, j)) based on the image 431 acquired by the image sensor 43 of the wavefront aberration measuring device 4.
  • the control 'processing system 8 IS
  • the control 'processing system 8 receives and stores the proportionality coefficient (( ⁇ / 2 ⁇ ) ⁇ ( ⁇ 4 / R)' (f2 / f3)). in, shift amount calculated using the (AX (iJ), AY (i 3 j)), (2) and (3) below by Ri exposure lens 2 wavefront aberration W (, 7?) with calculate.
  • the wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 changes depending on the position of the pinhole 110 on the measurement reticle 1. Therefore, the wavefront aberration of the exposure lens 2 needs to be measured even for a plurality of pinholes 111 and 112.
  • the aperture 40 is also provided at the entrance of the wavefront aberration measuring device 4.
  • FIG. 6 shows the aperture 40.
  • the control and processing system 8 controls the X-stage 32 and the Y-stage 33 so that the wavefront aberration measuring device 4 comes to the pinholes 110, 111, 112 and other image-forming positions on the measurement reticle 1, and the exposure lens 2
  • the Z stage 31 is controlled so that the distance of the wavefront aberration measuring device 4 becomes constant.
  • the condensing lens 120 is installed on each pinhole of the reticle 1 for measurement at a position separated by the focal length fc. However, during actual exposure, the condenser lens 12 is retracted together with the measurement reticle 1. Of course, the condenser lens 12 may be retracted separately from the measurement reticle 1.
  • This wavefront aberration measuring apparatus is, for example, a host computer (control section) 71 or 72 (of course a host computer) connected to the processing system 8 for controlling the exposure apparatus shown in FIG. 1, FIG. 6 or FIG. It may be 6.)
  • the second circuit pattern is formed on the first circuit pattern (lower layer circuit pattern) formed by exposure and development using the exposure apparatus in the second exposure step using the exposure apparatus. This is a case in which exposure is to be performed by superposing (upper circuit patterns).
  • step 8101 the host computer 71 or 72 reads the dimensional data of the first circuit pattern on the product reticle in the first exposure step from a manufacturing line management system (not shown) via, for example, a network.
  • step 8102 the host computer reads the alignment mark size of the product reticle in the first step (exposure step) from the manufacturing line management system (host computer) 6 via, for example, a network.
  • the dimensions include the width and pitch of the circuit pattern and alignment mark.
  • the host computer 71 or 72 performs the first step in step 8103.
  • the illumination conditions of the exposure apparatus in step 1 are read from the production line management system or the control and processing system 8 of the exposure apparatus in the first step via, for example, a bus or network.
  • step 8104 the host computer controls and processes the above-described wavefront aberration data of the image height of the first circuit pattern portion in the exposure apparatus in the first step in the exposure apparatus in the first step. Read from system 8 via, for example, a bus or network. The method of measuring the wavefront aberration data will be described later.
  • step 8105 the host computer converts the wavefront aberration data of the image height of the alignment mark in the exposure apparatus in the first step from the control and processing system 8 of the exposure apparatus in the first step to, for example, a bus system. Or read via a network.
  • the wavefront aberration of the image height of the first circuit pattern portion and the wavefront aberration data of the image height of the alignment mark portion in the first step are obtained from the wavefront. It shall be obtained by being measured by the aberration measuring device 4.
  • the host computer 1 or 72 reads the circuit pattern dimensions, alignment mark dimensions, illumination conditions (including pupil illuminance distribution), and circuit patterns in the read first step.
  • a transfer image of the circuit pattern and the alignment mark is calculated based on the wavefront aberration of the partial image height and the wavefront aberration of the alignment mark image height. The method of calculating the transfer image will be described later.
  • the upper Gompyu 7 1 or 7 2 is performed in steps 8201 to 8205 in the same way as steps 8101 to 8105 for the first process.
  • the second circuit pattern dimension, alignment mark dimension, illumination conditions (including illuminance distribution above the pupil), the wavefront aberration at the circuit pattern image height and the wavefront aberration at the alignment mark image height are determined using the manufacturing line management system or the second process. Read from the processing system 8 via, for example, a bus or a network.
  • the control and processing system 8 of the exposure apparatus in the second step provide the wavefront aberration data of the image height of the second circuit pattern portion and the wavefront aberration data of the image height of the alignment mark portion in the second step. It shall be obtained by measurement by the wavefront aberration measuring device 4.
  • the upper level In the evening 711 or 72, the circuit pattern dimensions, alignment mark dimensions, illumination conditions, and the wavefront aberration of the circuit pattern image height and the alignment mark image height in the second process read in step 8206 are Based on the wavefront aberration, the transfer image of the circuit pattern and the alignment mark is calculated.
  • step 8301 the host computer 71 determines the calculated positional deviation of the circuit pattern transfer image between the first step and the second step, and the first step and the second step Is calculated. The method of calculating the displacement will be described later. Further, in step 8302, the host computer 71 obtains the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the alignment mark transfer image position shift. Next, in step 8303, the host computer 71 executes the test exposure or the previous exposure in the second step to place a first mark on the first alignment mark as shown in FIG. 16 (b). The position shift ( ⁇ £, ⁇ ⁇ 7) between the first alignment mark and the second alignment mark measured by the alignment inspection device 20 is input to the jerk formed by overlapping the 2 alignment marks.
  • the relationship between the circuit pattern transfer image displacement and the registration mark transfer image displacement is obtained as shown in FIG. 16 (a).
  • the exposure equipment in the second step In step 8304, the exposure is corrected by the correction amount (offset amount) (Cx, Cy) corresponding to the predicted actual positional deviation of the circuit pattern, and the formal exposure or the next exposure is performed.
  • the reading, calculation, and prediction shown in FIG. 8 may be performed not by the host computer 71 but by the control and processing system 8 of the exposure apparatus in the second step.
  • a method of calculating a transferred image will be described with reference to FIG.
  • the illumination conditions (pupil
  • the data of the circuit pattern 101 on the product reticle 10 and the wavefront aberration 201 of the exposure lens 2 are required.
  • the wavefront aberration 201 is measured by the wavefront aberration measuring device 4 described above.
  • An image calculation method using these data is disclosed in, for example, 'Y. Yoshitake et al., SPIE Vol.1463, 1991, ⁇ 678-679'.
  • FIG. 10 (a) shows general illumination, which can be represented by a diameter D1 of an illumination light source image 2010 and a diameter Dep of an image 23 'of an aperture 23 of the exposure lens 2 as a parameter.
  • FIG. 10 (b) shows an illumination condition used when a circuit pattern 101 has phase information other than black and white information, that is, when a so-called phase shift reticle is used, and the ratio of the diameter D2 of the illumination light source image to Dep is It is smaller than Fig. 10 (a).
  • FIG. 10 (c) is called annular illumination, and can be represented by the outer diameter D4, inner diameter D3, and Dep of the illumination light source image 2030. Note that the illumination light source image in FIG.
  • the actual light source image has a non-uniform distribution of light quantity.
  • the actual light source image was measured by the method disclosed in, for example, 'JPKirk and CJProgler, SPIE Vol. 3334, 1998, ⁇ 281-288', and this was used as the actual illumination light source image data. If this is the case, the transfer image calculation accuracy will be further improved.
  • FIG. 11 (a) shows a line & space pattern in the first step, which is composed of a transparent portion 1011 and a light shielding portion 1012.
  • the parameters of the line & space pattern can be represented by the line width L1 of the light shielding portion 1012 and the line & space pitch P1.
  • FIG. 11B shows an example of a hole pattern in the second step, which is composed of a light-shielding portion 1014 and an opening 1013. It can be expressed as the opening width Sx in the X direction, the pitch Px, the opening width Sy in the y direction, and the pitch Py.
  • the light 900 1a emitted from the point 191a of the reticle 11 in FIG. 12 (a) is imaged on the wafer 3 via the exposure lens 2.
  • Point 191a is located at coordinates h1 from lens center 2001.
  • the light 9001b emitted from the point 191b of the reticle 11 in FIG. 12 (b) is focused on the wafer 3 via the exposure lens 2.
  • the point 191b is located at a coordinate position h2 from the lens center 2001.
  • the rays 9001a and the rays 9001b have different incident angles to the element lens 21 in the exposure lens 2, so that the generated wavefront aberrations 201a and 201b are different.
  • Wavefront aberration W (X, y) 201 is an example of coma aberration asymmetric in the X direction, and is three-dimensional data.
  • the wavefront aberration 201 is measured by the above-described wavefront aberration measuring device 4 of the present invention.
  • FIG. 14 is an example of a product reticle in the first step.
  • FIG. 15 shows the circuit pattern 1002 and the alignment mark 1012 on the product reticle in the second step, and their center coordinates are the same as the circuit pattern 1001 and the alignment mark 1011.
  • the 16 shows the positional deviations ( ⁇ , ⁇ y) of the circuit patterns 1001 and 1002 and the positional deviations ( ⁇ , ⁇ ?) Of the alignment marks 1011 and 1012 in the first step and the second step. Show.
  • the positional shift (( ⁇ , AEy), (mm, ⁇ 77)) is calculated by calculating the above-described transfer image shift amount with respect to the circuit pattern of the first and second steps and the alignment mark. It is obtained by taking the difference of
  • the offset ( ⁇ , £ y) is obtained by the following equations (11) and (12).
  • ⁇ ⁇ - ⁇ ... (1 1)
  • ⁇ ⁇ - ⁇ 7 ⁇ ⁇ ⁇ (12)
  • Fig. 17 shows the relationship between mu Ex and ⁇ £. Since ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ and ⁇ , which are the misalignment between the first and second steps, are usually within a small range of 0.2 m or less, the wavefront aberration does not change, and the misalignment relationship is determined only by the offset £ X. The same applies to the Y direction as to the X direction.
  • the method of calculating the correction amount when the result of the alignment inspection is fed back to the exposure apparatus will be described with reference to FIG. First, the average value (Ax, Ay) of the past inspection data ( ⁇ ⁇ , ⁇ 77) is calculated.
  • the correction amount (Cx, Cy) of the circuit pattern position shift is obtained by the following equations (13) and (14).
  • the above-mentioned effects on the optimum conditions of the product and the exposure apparatus depend on the circuit pattern on the product reticle and the wavefront aberration of the exposure apparatus. Therefore, the data of the wavefront difference measuring device according to the present invention and the information of the circuit pattern are used to simulate the exposure. Prediction of optimal light conditions is effective in solving this problem.
  • the host computer 72 for connecting the exposure apparatus or the like or the control system 8 for the exposure apparatus reads the illumination conditions in step 8
  • the condition storage means 7102 stores the dimensions of the product circuit pattern in step 820, and the reticle data is stored in the storage means 710, and in step 8803, the coordinates of the product circuit pattern are stored.
  • the corresponding wavefront aberration is read and stored in the wavefront aberration data storage means 710.
  • Step 8804 the focus value F is set in Step 8804, and in Step 8805, the transfer image of the product circuit pattern is calculated by the method described above. That is, the light intensity distribution 9900 of the transferred image of the product circuit pattern when the focus value F is changed is calculated and stored in the pupil illuminance distribution storage means 7103.
  • the optimum exposure amount 'focus value calculation means 7221 which is the host computer 72 executes the following. That is, the exposure light amount J is set in step 880, and the CD which is the dimension of the product circuit pattern is calculated in step 880. That is, CD, which is the dimension of the product circuit pattern when the exposure amount J is changed, is calculated.
  • the method of calculating the CD will be described with reference to FIG.
  • step 8808 it is checked whether the predetermined exposure change and focus change conditions have been completed. If the exposure change has not been completed, go to step 88 (6, if the focus change has not been completed. In this case, the process returns to step 8804. When all the conditions are completed, the relationship between CD, focus F, and exposure amount E is copied in step 8809.
  • FIG. 21 shows an embodiment of the mapping.
  • the horizontal axis is the focus F and the vertical axis is the dimension CD.
  • the relationship between F and CD is plotted for each exposure amount E.
  • CL is the center of the CD standard
  • CL + 10% indicates + 10% of CD
  • CL-10% indicates ⁇ 0 of 1-10% of CL. (1 ⁇ + 10% and the line crossing CL-10% can be used to plot the relationship between the exposure amount E and the focus F that give each CD. This is shown in FIG. 21.
  • the area between the CL + 10% and CL-10% lines is the so-called process window.
  • the host computer 72 or the control of the exposure apparatus and the processing system 8 obtains the process window shown in FIG. 22 and calculates the square 301 inscribed in the process window at step 8811. Is used to find the center 102 of the square 101.
  • the center 302 of the square 101 is obtained, the optimal exposure amount J opt and the optimal focus value F opt are calculated as optimal conditions, and stored in the optimal exposure amount / focus value storage means 7105. Then, the exposure apparatus 2 performs exposure based on the optimum exposure amount J opt and the optimum focus value F opt calculated as the optimum conditions.
  • a line width difference (LI-L2) may occur between the left and right lines of a continuous line & space. This is shown in Figure 23.
  • the wavefront aberration measurement apparatus 4 of the present invention stores the wavefront aberration data of the exposure apparatus. 2 ma
  • the pattern line width can be calculated by the above-described method using the average of the past several measured values or the latest data. As a result, it is possible to predict the line width difference between the left end and the right end, and from this result, it is possible to correct the pattern width so as to eliminate the line width difference when drawing the circuit pattern of the product reticle.
  • the wafer 3 is formed into a film by the film forming apparatus 51, and the film is flattened by the CMP (Chemical Mechanical Polishing) apparatus 52, and then a resist as a photosensitive agent is applied by the coating and developing apparatus 53. Is done.
  • the circuit pattern is transferred to the photosensitive material on the wafer 3 by the exposure device 2, the photosensitive material is developed again by the coating and developing device 53, and the alignment inspection is performed by the alignment inspection device 20.
  • the etching is performed by the etching device 54, the resist is removed by the resist removing device 55, and a film of the next layer is generated again by the film forming device 51.
  • a semiconductor device semiconductor device
  • the history data of the processing of the substrate 3 to be exposed is transmitted from the above-described manufacturing apparatuses 2, 20, 51 to 55 through 1.
  • the exposure device 2 transmits the type, process, lot number, and the number of the unit used for processing, the reception information such as lighting conditions, the product reticle name, etc. of the wafer 3, and the history storage unit 6 of the host computer 6. 0 Stored in 1
  • the misalignment correction system (upper computer) 71 first, the data of the dimensions and coordinates such as the circuit pattern and the width and pitch of the alignment mark are stored together with the product reticle name in the product reticle data storage means 7101. Registered in.
  • the circuit pattern to be registered can be input manually or from another computer (not shown) .Maintain and improve the yield by selecting the part with the tightest tolerance in the same product reticle. You can set the amount of correction that will be linked.
  • the illumination conditions at the time of exposure are obtained from the history storage unit 601 of the host convenience 6 and stored in the illumination condition storage means 7102.
  • the measured value of the illuminance distribution on the pupil of the exposure lens of the exposure apparatus 2 is stored in the pupil illuminance distribution storage means 7103 by inputting data manually or from another computer (not shown).
  • the illumination condition and the illuminance distribution on the pupil are input data related to the illumination necessary for calculating the transfer image of the circuit pattern and the alignment mark.
  • the wavefront aberration data storage means 7104 stores the wavefront aberration data measured and calculated by the above-described wavefront aberration measurement apparatus for each of a plurality of exposure apparatuses at coordinates (i, j) on the product reticle. Register each time. At the timing when these data are newly registered, the control means 710 issues a position shift amount calculation instruction to the position shift amount calculation means 7121.
  • the wavefront aberration data storage means 7104 the change over time of the wavefront aberration of the exposure lens 2 is measured and stored by the wavefront aberration measuring device, so that the position shift of the upper computer 71
  • the amount calculating means 7 1 2 1 finds the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the mark transfer image position shift and stores the relationship in the position shift relationship storage means 7 10 5 etc. You can do it.
  • the position shift amount calculating means 7 1 2 which is the host computer 7 1, stores the circuit pattern and alignment mark dimensions and coordinate data from the product reticule overnight storage means 7 1 0, and the illumination condition storage means 7 1 0 2 and the input data relating to illumination from the pupil illuminance distribution storage means 7103, and the wavefront aberration data corresponding to the coordinates of the target circuit pattern and the alignment mark from the wavefront aberration data storage means 7104.
  • the above method is used, based on the relationship between the circuit pattern transfer image position shift and the registration mark transfer image position shift, which are calculated and stored with the aging of the wavefront aberration of the exposure lens 2 by the above-described method.
  • the misalignment relation calculating means 7122 which is the host computer 71, calculates the misalignment relation between the circuit pattern and the alignment mark from the calculated misalignment amount (for example, the equations (11) and (12) above).
  • the offset (relationship between ⁇ ,, ⁇ y) indicated by is calculated and registered in the displacement relation storage means 7105. The processing so far is performed in advance before the wafer 3 is started.
  • the control unit 7110 makes an inquiry to the host computer 6 to obtain the exposure apparatus, the product reticle, and the illumination conditions in the first step and the second step registered in the history storage unit 6101. From the exposure apparatus, illumination conditions, and product reticle history information in the first and second steps, the corresponding positional shift relationship is read from the positional shift relationship storage means 7105.
  • control means 710 is configured to execute the alignment inspection data inspected by the alignment inspection device 20 (the positional deviation between the first alignment mark and the second alignment mark actually measured by the alignment inspection device 20).
  • the correction amount calculating means 7123 uses the above-described positional deviation relation (the relation of the offset ( ⁇ , ⁇ y) between ( ⁇ , ⁇ y) and ( ⁇ , Av)), for example, by the above equation (13). Then, the correction amount (Cx, Cy) is calculated based on the equation (14), and the control means 710 sends this data to the host computer 8, and the host computer 6 sends the data to the exposure apparatus 2 at the next exposure. Send the correction amount (Cx, Cy).
  • the exposure apparatus 2 performs correction based on the transmitted correction amount and performs the next exposure.
  • the correction amount calculating means 7 123 refers to the matching inspection data storing means 7 106, and for the corresponding past data, for example, as shown in FIG. Such a process may be performed to determine. Through such processing, a highly accurate correction amount that is not affected by the noise component of the combined inspection can be calculated.
  • the maximum exposure amount and focus value calculation means 7221 which is the exposure condition prediction system 72, are used in steps 8801 to 8808 in the reticle
  • the line width (CD) of the transferred image using the illumination conditions, pupil illuminance distribution, and wavefront aberration is determined while changing the focus and exposure amount.
  • steps 8809 to 8813 the CD determined above and the focus and exposure amount at that time are obtained.
  • the optimum conditions (exposure amount J opt of product circuit pattern, focus optimum value F opt) 302 are calculated by calculating the process window shown in FIG. The difference is that an optimal exposure / focus value storage means 7201 is stored for each product, process, and exposure apparatus.
  • the control unit 720 uses this value (optimal exposure amount 'focus value) as initial condition data when starting a new product or developing multiple exposure devices. It is sent to the exposure apparatus 2 via the computer 6. As a result, in the exposure apparatus 2, the next exposure is performed based on the transmitted optimum exposure amount 'focus value.
  • the control means 730 stores the pupil illuminance distribution and the wavefront aberration measured by the exposure apparatus 2 in the pupil illuminance distribution storage means 710 and the wavefront aberration data storage means 710, respectively.
  • the illuminance distribution on the pupil and the wavefront aberration are read out, and the transfer image is calculated by the above-described method using the circuit pattern and the illumination conditions set by the CAD terminal 731. .
  • the result is displayed on the CAT terminal 731 together with the circuit pattern. According to this system, an optimal pattern correction according to the characteristics of the exposure apparatus 2 becomes possible, so that a desired circuit pattern can be obtained at the time of transfer.
  • the pinhole 110 on the evaluation reticle 1, the relay lens 41, and the lens array are used as the wavefront aberration measuring device.
  • the imaging device 42 and the imaging device 43 it is possible to measure the wavefront aberration of the exposure lens on the exposure apparatus at low cost and all the aberration items.
  • an aperture 40 at the entrance and a condenser lens 120 on the evaluation reticle 1 as a wavefront aberration measuring device, it is possible to measure with a sufficient amount of light without being affected by adjacent pinholes Therefore, it is possible to measure the wavefront aberration of the exposure lens with high accuracy.
  • a high-accuracy exposure apparatus misalignment correction system that considers the difference between the circuit pattern and the alignment mark position shift based on the wavefront aberration data measured by the wavefront aberration measurement apparatus,
  • An exposure condition prediction system and a circuit pattern design system according to the exposure apparatus can be constructed, and ultra-fine semiconductor devices can be manufactured at a high yield.
  • the change over time of the wavefront aberration of an exposure lens can be measured with high accuracy on a semiconductor exposure apparatus.
  • the present invention even if the margin is narrowed due to the miniaturization of the semiconductor device, high-precision exposure can be performed in consideration of a slight temporal change of the wavefront aberration of the exposure lens (reduction projection optical system). It is possible to manufacture ultra-fine semiconductor devices with high yield (

Abstract

本発明は、露光装置において、レチクルステージ上に、投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、該リレーレンズで作られた投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、投影光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とする。

Description

明 細 書 波面収差測定装置、 露光装置並びに半導体装置の製造システムおよびその製 造方法 技術分野
本発明は、 波面収差測定装置と半導体露光装置と半導体デバイスの製造方 法に関し、 特に、 露光レンズの波面収差を露光装置上で計測する技術と、 計 測した波面収差を活用した波面収差測定装置、露光装置並びに半導体装置（半 導体デバイス） の製造システムおよびその製造方法に関する。 背景技術
半導体デバイスの回路パターンは、 基板であるウェハ上に成膜し、 この上 に感光剤であるレジストを塗布、 レチクル上の回路パターンをレジストに露 光し、 現像後、 膜をエッチングすることによって生成される。 この一連のェ 程を各層で繰り返すことによって多層の回路パターンで構成される半導体デ バイスが製造される。 この時、 下地層パターンに対し、 露光時の回路パター ンの位置ずれがあると回路は断線またはショートし、 半導体デバイスの不良 となる。 このため、 露光、 現像後にレジストで形成された合わせマークと下 地層の合わせマークの相対的位置ずれを光学顕微鏡で自動測定し、 ずれ量を 次回露光時、 露光装置にフィードバックして補正する方法がとられている。 通常この合わせマークは露光エリァ端の回路パターンの無い領域に設けられ ている。 また、 合わせマークは光学的検出法で解像可能なように、 回路線幅 と比べて大きく、 2〜4〃mの線幅で形成されている。
ところで、 露光装置のレンズに波面収差があると回路パターンと合わせマ —クの位置ずれに差が生じる。波面収差は第 2 7図に示すようにレンズ瞳（絞 り） 上での露光光の位相変化分布を示す。 像を形成する回折光の角度 0は、 微細で空間周波数が高い回路パターンでは第 2 7図 （b ) に示すように大き くなり、 回折光はレンズ瞳上の端を通るため、 レンズ外周近くの波面収差の 影響を受ける。
一方、 合わせマークは空間周波数が低いため、 第 2 7図 （a ) のようにレ ンズ中心付近の波面収差の影響を受ける。 レンズ瞳を通る光線は波面収差の 傾きに比例した量だけ曲げられるので、 特にコマ収差のような非対称な波面 収差が存在する場合の位置ずれは、 回路パターンと合わせマークで異なる。 このため、 回路パターン空間周波数とレンズの波面収差に応じて、 合わせマ ークで測定した位置ずれを回路パターンの位置ずれに変換して補正する必要 がある。 なお、 波面収差によって変化するものとして、 位置ずれの他に、 ベ ストフォ一カス位置や転写倍率等もあり、 これらも波面収差に応じて補正す る必要がある。 .
ところで、 波面収差は経時変化する。 これは、 レンズ内の温度、 圧力によ つてレンズの屈折率が変化すること、 レンズ筐体の熱応力によりレンズが歪 むこと、 および光源の波長がドリフトすることなどによって変化するためで ある。 従って、 波面収差は定期的に測定する必要がある。 また、 波面収差を 定期的に測定できれば、 露光レンズを構成する要素レンズの一部移動やレン ズ内圧力、 露光光源の波長を制御することにより、 波面収差を一定の許容範 囲に収めることも可能である。
定期的に波面収差を測定するためには、 露光装置上で測定できることが望 ましいが、 そのための技術としては、 位相回復法、 パターン空間像位置を測 定する方法、 および干渉計を搭載する方法がある。
位相回復法は、 例えば、 2 0 0 0— 1 9 5 7 8 2 (従来技術 1 ) に公開さ れているように、 ベストフォーカス位置とデフォーカス位置で特定パターン の像強度分布から波面収差を繰り返し計算により算出する方法である。 パ夕 ーン空間像位置を測定する方法は、 例えば、 特開平 1 1一 2 9 7 6 1 4 (従 来技術 2 ) に開示されているように、 特定パターンの像強度分布の位置ずれ 量からコマ収差等の非対称な波面収差を算出する方法である。 また、 干渉計 を搭載する方法は、 例えば、 特開平 2 0 0 0 - 2 7 7 4 1 1 (従来技術 3 ) にあるように、 レンズを介してウェハ面で反射した光と参照光の干渉縞から 波面収差を算出する方法である。
また、 他の従来技術としては、 特開 2 0 0 2— 7 1 5 1 4 (従来技術 4 ) において、 露光レンズ （投影光学系） の波面収差を測定するための検査装置 を備えた露光装置が知られている。 該検査装置としては、 上記露光レンズの 物体側開口数以上の開口数で上記露光レンズの物体面に位置決めされた開口 部を照明するための照明ュニットと、 上記露光レンズの像面に形成された上 記開口部の一次像からの光を波面分割して上記開口部の二次像を多数形成す るための波面分割素子 （マイクロフライアイ） と、 該波面分割素子により形 成された多数の二次像を光電検出するための光電検出部とを備えることが記 載されている。 発明の開示
ところが、 上記装置上での波面収差測定方法には次のような課題がある。 まず、 従来技術 1の位相回復法では、 ベストフォーカス位置とデフォー力 ス位置の 2力所で像強度分布の検出を行う必要があるため時間がかかる。 ま た、 繰り返し計算によって位相分布を求めるにあたり、 条件によっては収束 しない場合もあり得る。
また、 従来技術 2のパターン空間像位置を測定する方法は、 異なる空間周 波数のパターン空間像の位置ずれをコマ収差係数に換算するものであるが、 ベストフォーカス位置に影響する球面収差や非点収差等、 コマ収差以外の収 差項目が測定できない。 また、 従来技術 3の干渉計を搭載する方法は、 まず精度確保のための剛性 向上や装置複雑化に伴うコスト増大のため、 実際に適用することは難しい。 また、 従来技術 4には、 光電検出部で検出される測定用の各原点位置から 開口部の各像の光量重心位置までの位置ずれ情報に基いて露光レンズの波面 収差を高精度に測定する点について十分考慮されていない。
本発明の目的は、 上記課題を解決すべく、 半導体露光装置上で、 露光レン ズの波面収差の経時変化を、 高精度に測定することができるようにした波面 収差測定装置、 露光装置並びに半導体装置製造システム及びその方法を提供 することにある。
また、本発明の他の目的は、半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化し たとしても、 露光レンズ （投影光学系） の僅かな波面収差の経時変化も考慮 して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できるよ うにした半導体装置製造システム及びその方法を提供することにある。
本発明のうち、 代表的なものの概要を説明すれば、 以下のとおりである。 本発明は、被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、 前記被測定光学系の物体面に位置決めされ、 前記被検査光学系の瞳上にほぼ 均一に拡がる光を発生させるパターンと、 該パターンに対して照明する照明 光学系と、 前記被測定光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、 該リ レーレンズで作られた前記被測定光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、 前記被測定光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面 分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、 該レンズァ レイにより多数形成されたパ夕ーンの二次像を撮像する撮像素子とを備えた ことを特徴とし、 これにより、 レンズアレイによる波面分割が瞳面と 1対 1 に対応させることができ、 波面収差測定を正確に行うことが可能となる。 また、本発明は、レチクルステージ上に載置されたレチクルの回路パターン を照明する照明光学系と、 該照明光学系で照明されたレチクルの回路パター ンを基板ステージ上に載置された被露光基板上に投影露光する投影光学系と を備えた露光装置において、 前記レチクルステージ上に、 前記投影光学系の 瞳上にほぼ均一に拡がる光を発生させるパターンを設け、 前記投影光学系の 瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、 該リレーレンズで作られた前記投影 光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、 前記投影光学系の像面に形成さ れた前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記パターンの二次像を 多数形成するレンズアレイと、 該レンズアレイにより多数形成されたパ夕一 ンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮像素子と、 該撮像素 子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学系の波面収差を算出 する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設けたことを特徴とす o
また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記被測定光学系におい て波面収差がない場合に得られる光線と波面収差がある場合に得られる光線 とが、 前記レンズアレイの各レンズ要素の中心を通るように構成したことを 特徴とする。
また、 本発明は、前記波面収差測定装置において、 前記撮像素子は、 前記レ ンズアレイの焦点位置に配置することを特徴とする。 これにより、 前記撮像 素子上で撮像される集光スポットのコントラストが向上するため、 高精度な スポット位置計測が行えるため、 高精度に波面収差を求めることができる。 また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記投影光学系の像面と 前記リレーレンズの主平面との間の距離は前記リレーレンズの焦点距離であ ることを特徴とする。 これにより、 波面収差がない場合、 前記リレーレンズ 出射後の光が平行光となり、 前記レンズアレイに垂直に入射、 撮像素子上の 集光スポット位置が等間隔となる。 この結果、 スポット位置ずれの基準位置 を等間隔と仮定することができるので、 波面収差算出の演算を簡略化するこ とができる。 また、本発明は、前記波面収差測定装置において、前記リレーレンズの入射 側に制限フィル夕 （例えばアパーチャ） を備えたことを特徴とする。 また、 本発明は、 前記照明光学系において、 少なくとも波面収差測定時に前記パ夕 ーンに照明光を集光する集光光学系を備えたことを特徴とする。
また、 本発明は、 前記波面収差測定装置の処理手段は、 予め第 1の状態に おいて前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第 1 のパターン位置群 （XO, Y0) に応じて前記リレーレンズ及び前記レンズ アレイに起因する誤差成分群 （ax, ay) を算出し、 第 2の状態において 前記撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第 2のパ夕 ーン位置群 （X, Y) から前記算出した誤差成分群 （ax, ay) を除去し て第 2のパターンのずれ量群 （ΔΧ， Δ Υ) を算出し、 該算出した第 2のパ 夕一ンのずれ量群 （ΔΧ, ΔΥ) を基に第 2の状態における前記投影光学系 の波面収差 Wを算出するよう構成したことを特徴とする。.
また、 本発明は、 前記処理手段において、 前記リレーレンズ及び前記レン ズアレイに起因する誤差成分群（ax， ay) を算出する際、別な手段によつ て第 1の状態における前記投影光学系の波面収差 W0を計測し、該計測され た波面収差 W0を基に第 1のパターンのずれ量群 （ΔΧΟ, ΔΥ0) を算出 し、 前記計測された第 1のパターン位置群 （X0， Y0) から前記算出され た第 1のパターンのずれ量群 （ΔΧΟ, Δ Y 0) を減算することによって前 記誤差成分群 （ax， ay) を算出するように構成したことを特徴とする。 また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の 処理手段から得られる第 2の状態における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 第 2の状態で第 1の回路パターンおよぴ第 1の合わせマークの上に第 2の回 路パターンおよび第 2の合わせマークを露光する際の第 1の回路パターン対 する第 2の回路パターン転写像の位置ずれ量と第 1の合わせマークに対する 第 2の合わせマーク転写像の位置ずれ量との関係を算出し、 合わせ検査装置 T
で実測される第 1の合わせマークに対する第 2の合わせマーク転写像の位置 • ずれ量に応じて前記算出された回路パターン転写像の位置ずれと合わせマー ク転写像の位置ずれとの関係を補正して実際の回路パターンの転写像の位置 ずれ補正値を予測し、該予測された実際の回路パターンの転写像の位置補正 値を前記露光装置にフィードバックする計算手段とを備えたことを特徴とす る半導体装置の製造システムおよびその方法である。
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の 処理手段から得られる第 2の状態における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 フォーカス値と露光量を変化させて製品回路パターンの転写像の光強度分布 を算出し、該算出された製品回路パターンの転写像の光強度分布を基に製品 回路パターン寸法を算出し、これらフォーカス値、露光量および製品回路パ夕 ーン寸法の関係から最適露光量および最適フォーカス値を算出する計算手段 とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システムおよびその方法であ る。
また、本発明は、前記露光装置と、該露光装置における波面収差測定装置の 処理手段から得られる第 2の状態における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 第 2の状態における投影光学系で露光される回路パターンの転写像を算出し、 該算出された回路パターンの転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光 学特性を設計する計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造シ ステムおよびその方法である。
以上、 本発明の新規な特徴は、 本明細書の記述および添付図面から明らか になるであろう。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明に係る波面収差測定装置を備えた露光装置の一実施の形 態を示す図である。 S
第 2図は、 本発明に係る波面収差測定装置の光学系の配置を説明するため の図である。
第 3図は、本発明に係る撮像素子上のスポットを説明するための図である。 第 4図は、 本発明に係る計測系起因のスポットシフト位置を求めるフロ一 を説明するための図である。
第 5図は、 本発明に係る波面収差の求め方を説明するための図である。 第 6図は、 本発明に係る制限フィル夕 （アパーチャ） を具備した波面収差 測定装置を説明するための図である。
第 7図は、 本発明に係る集光レンズを具備した計測用レチクル （評価用レ チクル） を説明するための図である。
第 8図は、本発明に係る露光装置補正のフローを説明するための図である。 第 9図は、 本発明に係る転写像算出に必要なパラメ一夕を説明するための 図である。
第 10図 （a) (b) (c) は、 各々本発明に係る照明条件を説明するた めの図である。
第 1 1図 （a) (b) は、 各々本発明に係る第 1の工程と第 2の工程の回 路パターンを説明するための図である。
第 12図 （a) (b) は、 各々本発明に係るパターン位置による波面収差 の違いを説明するための図である。
第 13図は、 本発明に係る波面収差の例を示す図である。
第 14図は、 本発明に係る第 1の工程の回路パターンと合わせマークの配 置を示す図である。
第 15図は、 本発明に係る第 2の工程の回路パターンと合わせマークの配 置を示す図である。
第 16図 （a) (b) は、 各々本発明に係る第 1と第 2の工程の重ね合わ せ後の回路パターンと合わせマークとを示す図である。 第 1 7図は、 本発明に係る合わせマークの位置ずれ Δ £と回路パターンの 位置ずれ△ E xの関係を示す図である。
第 1 8図は、 本発明に係る合わせ検査デ一夕△ の経時変化を示す図であ る。
第 1 9図は、 本発明に係る最適露光量およびフォーカス値の算出フローを 示す図である。
第 2 0図は、 本発明に係る転写像の光強度分布を示す図である。
第 2 1図は、 本発明に係るフォーカス値 Fと線幅 C Dおよび露光量 Eの関 係を示す図である。
第 2 2図は、 本発明に係るプロセスウィンドウを説明する図である。 第 2 3図は、 本発明に係るライン &スペース両端の寸法差を説明するため の図である。
第 2 4図は、 本発明に係る波面収差を用いた合わせずれ補正システムを説 明するための図である。
第 2 5図は、 本発明に係る波面収差を用いた露光条件予測システムを説明 するための図である。
第 2 6図は、 本発明に係る波面収差を用いた回路パターン設計システムを 説明するための図である。
第 2 7図 （a ) ( b ) は、 各々本発明に係るパターンの空間周波数による 光路の違いと波面収差の関係を説明するための図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明に係る露光装置並びに半導体装置設計製造システム及びその方法の 実施の形態について図面を用いて説明する。
近年、半導体デバイスは、 例えば、 0 . 1〃m以下の超微細なパターンにな つてきており、 それに伴って露光において狭マージン化するため、 僅かな露 lO
光レンズ（縮小投影光学系）の波面収差の経時変化も問題となり、それを頻繁 に日単位とか、週単位で算出することが要求されてきている。そして、算出さ れた露光レンズの波面収差に基づいて、 露光量とフォーカスとの関係からな る露光条件の最適化、レチクルに形成された回路パ夕一ン（ 0 P C )の最適化、 収差起因歪みによる M i x & M a t c h補正、 および回路パターンと合 わせマークとの間の位置ずれ補正をすることにより、 狭マージン化、 即ち高 精度化に対応することが可能となる。
そこで、 まず、 本発明に係る露光装置の一実施例について、 第 1図を用い て説明する。
本発明に係る露光装置は、 例えば、 エキシマレ一ザ光等の露光光を出射す る光源と、該光源から出射されたほぼ平行光の光束を整形する整形光学系と、 該整形光学系で整形された光束の可干渉性を低減する可干渉性低減光学系と、 該可干渉性低減光学系からの光束から多数の光源を形成する第 1のフライア ィレンズと、 該第 1のフライアイレンズからの多数の光源を偏向させる偏向 器と、該偏向器で偏向された多数の光源を重畳的に照明するリレー光学系と、 該リレー光学系で重畳的に照明された多数の光源を後側焦点面に多数の二次 光源を形成する第 2のフライアイレンズと、 該第 2のフライアイレンズで形 成された多数の二次光源を制限する開口絞りと、 該開口絞りを通して得られ る多数の二次光源を下側面に所定の回路パターンが形成されたレチクル上に 重畳的に均一に照明するコンデンサー光学系とを有する照明光学系 （図示せ ず）を設け、ウェハ 3を載置するウェハホルダ 3 4を設けた基板ステージ（X ステージ 3 1、 Yステージ 3 2および Zステージ 3 3等から構成される。 ） を設け、 レチクルを載置するレチクルステージを設け、 レチクルのパターン (回路パ夕一ン） を被露光基板であるウェハ 3上に縮小投影露光する露光レ ンズ （縮小投影光学系） 2を設け、 更にウェハ 3の表面を露光レンズ 2の結 像面に自動合焦点制御する合焦点制御系を設けて構成される。 なお、 本発明 において、 照明光学系は、 上記構成に限定されるものではない。 また、 本発 明に係る露光レンズ 2は、 基本構成として、 第 1エレメントレンズ 2 1、 瞳 2 3および第 2エレメントレンズ 2 2を有して構成される。
ところで、例えば、可干渉低減光学系からの光束は、第 1のフライアイレン ズを介してその後側焦点面に多数の光源を形成する。 これら多数の光源から の光は、偏向器で偏向された後、リレー光学系を介して第 2のフライアイレン ズを重畳的に照明し、該第 2のフライアイレンズの後側焦点面に、多数の二次 光源が形成される。 この二次光源からの光束は、 その近傍に配置された開口 絞りにより制限された後、 コンデンサー光学系を介してレチクル （マスク） を重畳的に均一に照明する。
レチクルのパターン （回路パターン） を透過した光束は、 露光レンズ （縮 小投影光学系） （被測定光学系） 2を通して被露光基板であるウェハ 3上に パ夕一ン（回路パターン）の像を形成して縮小投影露光される。レチクル（マ スク）は、 レチクルホルダを介して、 レチクルステージに載置される。なお、 レチクルステージは、 主制御系からの指令に基き、 レチクルステージ制御部 によって駆動される。
一方、ウェハ 3は、基板ステージ （Xステージ 3 1、 Yステージ 3 2および Zステージ 3 3等から構成される。 ） 上のウェハホルダ 3 4に載置されてい る。 基板ステージ （ウェハステージ） 3 1〜3 3は、 主制御部からの指令に 基づき、 ウェハステージ制御部によって駆動される。 このとき、 ウェハステ ージの移動は、 例えばレーザ測長器によって測定される。 このように、 ゥェ ハステ一ジ 3 1〜3 3は、 X— Y— Z方向の移動機能、 Z軸、 X軸及び Y軸 周りの回転若しくはチルト機能を有し、ウェハステージ制御部によりナノォ ―ダで位置制御される。更に、ウェハ 3の表面は、合焦点制御系によって露光 レンズ 2の結像面 3 0 0に自動合焦点制御される。
本発明に係る波面収差測定装置 4は、 例えば、 ウェハステージ 3 1〜3 3 上に設けられことになる。 上記波面収差測定装置 4は、 光線 9 0 3をコリメ —トするリレーレンズ 4 1と、 該リレーレンズ 4 1でコリメ一トされた光線 9 0 4を撮像素子 4 3上に集光するレンズアレイ 4 2と、 レンズアレイの 各々で集光された光線 9 0 4 1及び 9 0 4 2の位置を撮像して信号に変換す る撮像素子 4 3とを備え、 露光レンズ 2の瞳面 2 3と上記レンズアレイ 4 2 の主平面とがリレ一レンズ 4 1を介して共役になるように構成される。 この ように、 露光レンズ （縮小投影光学系） 2の瞳面 2 3と上記レンズアレイ 4 2の主平面とがリレーレンズ 4 1を介して共役になるように構成すると、 撮 像素子 4 3上における無収差時からのスポヅト位置のずれ（Δ Χ , Δ Υ )は、 収差量（レンズアレイに対応する瞳 2 3上の波面収差の一次微分） （3 W ( 、 v ) a w ( ξ , ν ) / d v ) に比例することになり、 収差量を簡単 に算出することが可能となる。
即ち、計測用レチクル（評価用レチクル） 1をレチクルステージに搭載し、 上記照明光学系で計測用レチクル 1を照明すると、 計測用レチクル 1上のピ ンホール 1 1 0を通過した光 9 0 1は、 露光レンズ 2の第 1エレメントレン ズ 2 1で平行光 9 0 2となり、 第 2エレメントレンズ 2 2を介して、 ウェハ 3上面と同一高さの結像点 Aで、 集光される。 この後、 光線 9 0 3は波面収 差測定器 4に入射し、 リレーレンズ 4 1でコリメートされた光線 9 0 4はレ ンズアレイ 4 2によって、 撮像素子 4 3上で集光される。
ここで、 露光レンズ （縮小投影光学系） （被測定光学系） 2に波面収差 2 0 1が存在する場合を考える。 波面収差 2 0 1は露光レンズ 2の瞳 2 3上の 位相分布を表し、傾きの大きさに比例した量だけ入射した光線が曲げられる。 例えば、 露光レンズ 2において、 波面収差 2 0 1が無い場合には、 第 1エレ メントレンズ 2 1を出射した光線 9 0 2 0は光線 9 0 2 1のように直進する が、波面収差 2 0 1がある場合には、第 1エレメントレンズ 2 1を出射した光 線 9 0 2 0は上記波面収差 2 0 1の局所的傾きに比例して光線 9 0 2 2のよ うに曲げられる。 この結果、 波面収差 2 0 1が無い場合には、 第 2エレメン トレンズ 2 2を出射した光線は光線 9 0 3 1のように進み、 リレーレンズ 4 1とレンズアレイ 4 2により、 光線 9 0 1の位置で撮像素子 4 3上で検出 されるが、 波面収差 2 0 1がある場合には、 第 2エレメントレンズ 2 2を出 射した光線は光線 9 0 3 2のように進み、 撮像素子 4 1上において光線 9 0 4 2の位置で検出される。
次に、 計測用レチクル 1、 露光レンズ 2および波面収差測定器 4等の光学 的な配置を第 2図を用いて説明する。 一般的な露光装置の場合、 計測用レチ クル 1上のピンホール 1 1 0と第 1エレメントレンズ 2 1の距離を第 1エレ メントレンズ 2 1の焦点距離 f 1、 第 1エレメントレンズ 2 1と瞳 2 3の距 離を f 1、 瞳 2 3と第 2エレメントレンズ 2 2の距離を第 2エレメントレン ズ 2 2の焦点距離 f 2、 第 2エレメントレンズ 2 2とウェハ 3上面である結 像面 3 0 0の距離を f 2として配置されている。 この結果、 ピンホール 1. 1 0と結像面 3 0 0は共役の関係となり、 倍率は f 2/ f 1で表される。 この 時、 波面収差 2 0 1が無い場合には、 瞳 2 3の中心を通る光線 9 0 1 0は、 計測用レチクル 1にも結像面 3 0 0にも垂直になるので、 物体側、 像側の両 側でテレセントリックとなる。 この配置の長所は、 計測用レチクル 1ゃゥェ ハ 3が上下方向にずれても、 像位置がずれない、 すなわち結像倍率が変わら ないという点である。 但し、 波面収差 2 0 1が存在する場合には、 光線 9 0 1 0が結像面 3 0 0に対して垂直でなくなるため、 結像倍率も変化する。 次に、 本発明に係る波面収差測定器 4の光学的配置について説明する。 リ レーレンズ 4 1は結像面 3 0 0とリレーレンズ 4 1の焦点距離 f 3だけ離れ た位置にあり、 レンズアレイ 4 2も、 リレ一レンズ 4 1から： f 3の位置に置 かれる。 撮像素子 4 3はレンズアレイ 4 2からレンズアレイ 4 2の焦点距離 f 4の位置に配置される。 この結果、 瞳 2 3とレンズアレイ 4 2は共役関係 となり、 倍率は f 3/f 2となる。 これにより（瞳 2 3とレンズアレイ 4 2と をリレーレンズ 41を介して共役関係となるように配置することにより）、波 面収差 201が無い場合の光線 9021と、 ある場合の光線 9022が、 レ ンズアレイ 42の各レンズ要素の中心を通るため、 それそれの光線がレンズ アレイ 42で光路を曲げられることなく撮像素子 43に入射する。 従って、 撮像素子 43上での位置の差 （ΔΧ, ΔΥ) は、 波面収差 201の局所的な 傾きを表すことになる。 波面収差 201によって、 瞳 23上で生じる角度 とレンズアレイ 42上で生じる角度/?の関係は、 次の （1) 式で示すように なる。
β= (f 2/f 3) a ··· ( 1) 更に、 露光レンズ 2の波面収差 W (ξ, ν) は上記角度ひに比例すること から、 波面収差 W (ξ, V) と位置の差 （ΔΧ， ΔΥ) の関係は、 例えば、
'Laser Ray - Tracing versus Hartmann- Shack Sensor ior Measuring Optical Aberrations in the Human Eye、 Journal of Optical Society of America A， Vol.17， 20005 記載より、 次に示す （2) 式および （3) 式となる。
ΔΧ = ((λ/2ττ)·(ΐ 4/R)-(f 2/f 3)) (aW (£,77) ··· (2)
ΔΥ = ((λ/2ττ)·(ΐ 4/R)-(f 2/f 3)) (9W (^,77) /dv) ··· (3) ここに、 人は露光波長、 I ま瞳 23の半径、 （£,?7)は瞳上の座標であり、 Rによってノーマライズされている。 従って、 （2) 式、 （3) 式より偏微 分の項を積分または級数展開することにより波面収差 W (ξ,ν)を求めるこ とができる。
即ち、上記係数（（人 /27T)'(f 4/R)-(f 2/f 3))が定数であるため、波面 収差 W は、撮像素子 43上でのスポヅト位置のずれ量（ΔΧ， ΔΥ) から容易に算出することが可能となる。 また、 逆に、 リレーレンズ 41およ びレンズアレイ 42に起因するスポヅ ト位置ずれ量（ax(i,j)， a y(i，j)) を算出する際において、 干渉計等 （別手段） を用いて計測される露光レンズ 2の初期状態の波面収差 W0 (ξ,ν) を基に、撮像素子 43上でのスポット 位置のずれ量 （ΔΧ, ΔΥ) を算出する際も容易となる。
次に、 撮像素子 43の画像 431を第 3図により説明する。 撮像素子 43 はレンズアレイ 42の焦点上にあるので、 各光線は撮像素子 43上で集光さ れスポット状になる。 ここで、 スポッ トサイズと画素サイズに関して検討す る。 まず、 露光レンズ 2内のエレメントレンズ 21、 22の焦点距離をそれ それ 1=40 Omm、 f 2= 10 Omm、露光レンズ 2のウェハ 3側の開口 数を NA=0. 8、 リレーレンズ 41の焦点距離を f 3= 5 mmとする。 リ レ一レンズ 41は露光レンズ 2より大きな開口数をもつ必要があるため、 実 際には第 1図のような単レンズではなく、 顕微鏡の対物レンズのような複数 レンズからなるレンズである。 露光レンズ 2の瞳 23の半径 Rは、 次に示す (4) 式により、 1 =100*0. 8 = 80 mmとなる。
R = f 2 · NA ··· (4) スポヅトの数はレンズアレイ 42のエレメントレンズの数となるので、 瞳 21の像を 40分割するとレンズアレイ 42のピッチは 8ノ40 = 0. 2m m。 この結果、 レンズアレイ 42のエレメントレンズ 420の半径を 0. 1 mm、 焦点距離 4= 10 mmとすると、 エレメントレンズ 420の開口数 は NA e=0. 1/10 = 0. 01となる。 スポットサイズ dは、 次に示す 解像力の （5) 式より、 d=l. 22*0. 248/0. 01 = 30 mと なる。 ここにおいて、 露光波長 λ= 0. 248 zmとした。
d= 1. 22 · (Λ/ΝΑ e) … ( 5 ) 一方、 撮像素子 43を対角で 1/3インチ、 水平および垂直方向とも 10 00画素とすると、 1画素の大きさ pは 1/3/Λ 2/1000 = 6 /mと なる。 この結果、 1つのスポッ トに対する画素数は、 30/6 = 5画素とな り、 スポット位置計測には十分である。 スポット位置は、 一般的な画像処理 を用いてスポットの重心位置 （X(i,j), Y(i,j)) を求めることができる。 この処理は第 1図において、 制御 ·処理系 8が撮像素子 43で取得した画像 431に対して行う。
ここで、 制御 ·処理系 8の処理フローについて第 4図および第 5図を用い て説明する。 まず、 波面収差測定器 4の撮像素子 43で取得した画像 431 を基に測定されるスポットの位置ずれ量には、 計測系のリレーレンズ 41お よびレンズアレイ 42に起因するスポヅトシフト量（ax(i,j), a y(i,j)) が含まれることになる。 そのため、 予め、 計測系のリレ一レンズ 41および レンズアレイ 42に起因するスポヅトシフト量 （ax(i,j), ay(i,j)) を 求めておく必要がある。
そこで、予め（第 1の状態で）、スポットシフト量（ax(i，j), ay(i5j)) を求める方法について第 4図を用いて説明する。 まず、 制御 ·処理系 8は、 ステップ 801において、 初期状態 （第 1の状態） における露光レンズ 2の スポット位置 （X0(i，j), Y0(i，j)) の計測を、 初期状態で撮像素子 43 で取得した画像 431を基に上述した画像処理により行う。 ステップ 802 では、 装置上での計測ではない、 本実施例とは別の手段、 例えば、 U. S. P. No. 5, 828, 455に開示されているような手段 （干渉計など） により、 初期状態 （第 1の状態） における露光レンズ 2の波面収差 W ( 、 ？?) を計測する。 次に、 ステップ 803において、 入力された初期状態にお ける露光レンズ 2の波面収差 W0 ( 、 77) の計測値と上記比例係数（（え/ 2ττ)·(ί 4/R)-(f 2/f 3))とに基づいて、上記（2)式、 （3)式により、 初期状態（第 1の状態）におけるスポッ トシフト（AX0(i,j),△ Y0(i,j)) を算出する。最後に、ステップ 801およびステヅプ 803の結果を用いて、 ステップ 804により、 リレーレンズ 41およびレンズアレイ 42に起因す るスポットシフト位置（ax(i，； J), ay(i,j))を、次に示す（6)式、 （7) 式から算出する。
ax(i3j) = X0(i3j)-AX0(i5 ) ··· (6) ay(i，j) = Y0(i,j)— AY0(i,j) ··· (7) IT
上記算出されたスポッ トシフト位置 （ax(i,j)， ay(i,j)) は、 露光レ ンズ 2が無収差である場合における波面収差測定器 4で測定されるスポット 位置を示し、 この処理により露光レンズ 2の波面収差 2を測定する準備が完 了することになる。
ところで、 当然、 制御 ·処理系 8は、 初期状態における露光レンズ 2の波 面収差 W (£、 v) の計測値を入力し、 上記比例係数（（人 /27T)'(f 4/R)' (f 2/f 3))を入力して記憶しておけば、 初期状態におけるスポットシフト (厶 X0(i,j)， AY0(i,j))を算出することが可能となる。その結果、制御' 処理系 8は、上記スポットシフト位置（ax(i,j), ay(i5j))も、上記（ 6 ) 式および （7) 式に基づいて算出することが可能となる。 なお、 初期状態に おけるスポヅ トシフト （厶 X0(i,j), 厶 Y0(i，j))の算出は、別の処理系で 算出して制御■処理系 8に入力してもよい。 また、 スポッ トシフト位置 （a x(i,j)， ay(i，j))の算出も、別の処理系で算出して制御 ·処理系 8に入力 してもよい。
次に、 露光レンズ 2の波面収差の経時変化を算出する方法について第 5図 を用いて説明する。例えば、 0. 1〃m以下の超微細なパターンに伴って狭マ 一ジン化するため、僅かな露光レンズ 2の波面収差の経時変化も問題となり、 それを頻繁に （例えば日単位とか、週単位で） 算出する必要がある。 そこで、 制御'処理系 8が、予め求めて記憶しておいたリレ一レンズ 41およびレンズ アレイ 42に起因するスポットシフト位置 （ax(i，j)， ay(i3j)) を用い て、 露光レンズ 2の波面収差を算出するフローについて、 第 5図を用いて説 明する。露光レンズ 2の波面収差を算出する必要が生じた際、まず、ステップ 805において、 計測用レチクル 1をレチクルステージに設置し、 ウェハス テ一ジを移動させて波面収差測定器 4を所定の位置に位置付け、制御 '処理系 8は、 波面収差測定器 4の撮像素子 43で取得した画像 431を基にスポッ ト位置 （X(i，j), Y(i，j)) を計測する。 次に、 制御'処理系 8は、 ステップ IS
806において、 次の （8) 式および （ 9 ) 式によりリレーレンズ 41およ びレンズアレイ 42起因のシフトを補正した、 露光レンズ 2のみに起因する シフト量 （AX(i,j)， AY(i,j)) を算出する。
△ X(i,j) = X(i,j)— ax(i，j) ··· (8) AY(i3j) = Y(i,j)-ay(i,j) ··· (9) 次に、 制御'処理系 8は、 上記比例係数（（λ/2ττ)·(ί 4/R)'(f 2/f 3)) が入力されて記憶されているので、 ステップ 807において、 算出されたシ フト量 （AX(iJ), AY(i3j)) を用いて、 上記 （2) 式および （3) 式よ り露光レンズ 2の波面収差 W ( 、 7? ) を算出する。 以上の処理によって、 計測系の収差を含まない、 露光レンズ 2のみの波面収差を正確に算出するこ とが可能となる。 · ところで、 露光レンズ 2の波面収差 201は、 計測用レチクル 1上のピン ホール 110の位置によって、 変化する。 従って、 露光レンズ 2の波面収差 は複数のピンホール 111、 112でも測定する必要がある。 この時、 隣接 するピンホールの光が波面収差測定器 4に入射すると、 スポット位置算出時 に誤差が発生し得る。 そこで、 波面収差測定器 4の入射口にもアパーチャ 4 0を設ける。 第 6図にアパーチャ 40を示す。 制限フィル夕 （例えばアバ一 チヤ） 40の半径 rpは、 デフォーカス許容量厶 zを 1〃mとすると、 rp = Δζ*ΝΑ=1*0. 8 = 0. 8〃mとなる。 制御 ·処理系 8は、 計測用 レチクル 1上のピンホール 110、 111、 112他の結像位置に波面収差 測定器 4が来るよう、 Xステージ 32および Yステージ 33を制御し、 露光 レンズ 2と波面収差測定器 4の距離が一定となるよう Zステージ 31を制御 する。
一方、 計測用レチクル 1上のピンホール 110を通過した光を用いて計測 するため、 撮像素子 43が十分な SNで検出できるだけの時間をかけ、 光量 を稼く、必要がある。 これは波面収差測定のスループットに繋がる。 これを解 決するため、 計測用レチクル 1のピンホール 110の上方に集光レンズ 12 0を設ける。 これを第 7図に示す。 集光レンズ 120の半径 r cは、 集光レ ンズ 120の焦点距離 f cと露光レンズ 2の開口率 N Aおよび、 縮小率 M = f 2/f 1= 0. 25を用いると、 次の （ 10) 式となる。
r c = f c ■ NA · M ··■ (10) f c = 5mmとすると、 r c二 5*0. 8*0. 25 = lmmとなる。 集 光レンズ 120は計測用レチクル 1の各ピンホール上に焦点距離 f cだけ離 れた位置に設置される。 しかし、 実際露光するときには、 集光レンズ 12が 計測用レチクル 1と一緒に退避されることになる。勿論、集光レンズ 12は、 計測用レチクル 1と別に退避されてもよい。
次に、 本発明に係る波面収差測定装置を用いて、 回路パターンと合わせパ 夕一ンの位置ずれを補正する方法について、 第 8図を参照して説明する。 こ の波面収差測定装置は、 例えば、 第 1図、 第 6図又は第 7図に示す露光装置 の制御 .処理系 8に接続される上位コンピュータ （制御部） 71又は72(勿 論ホストコンピュー夕 6でもよい。 ）によって構成される。 まず、 第 1の露光 工程で露光装置を用いて露光'現像して形成された第 1の回路パターン（下層 回路パターン）の上に第 2の露光工程によって露光装置を用いて第 2の回路 パターン（上層回路パターン）を重ね合わせて露光しょうとする場合である。 まず、 上位コンピュータ 71又は 72は、 ステップ 8101において、 第 1の露光工程における製品レチクル上の第 1の回路パターンの寸法データを 製造ライン管理システム （図示せず） から例えばネットワークを介して読み 込む。 次に、 上位コンピュータは、 ステップ 8102において、 第 1の工程 (露光工程） における製品レチクルの合わせマーク寸法を製造ライン管理シ ステム（ホストコンピュ一夕） 6から例えばネヅトワークを介して読み込む。 上記寸法には回路パ夕一ンおよび合わせマークの幅とピッチを含む。さらに、 上位コンピュータ 71又は 72は、 ステップ 8103において、 第 1の工程 における露光装置の照明条件を製造ライン管理システムまたは第 1の工程の 露光装置の制御 ·処理系 8から例えばバス若しくはネヅトワークを介して読 み込む。 照明条件の例および定義方法については後述する。 また、 上位コン ピュー夕は、 ステップ 8 1 0 4において、 第 1の工程の露光装置における上 記第 1の回路パターン部像高の波面収差データを第 1の工程の露光装置の制 御 ·処理系 8から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。 波面 収差データの測定方法は後述する。 次に、 上位コンピュータは、 ステップ 8 1 0 5において、 第 1の工程の露光装置における上記合わせマーク部像高の 波面収差データを第 1の工程の露光装置の制御 ·処理系 8から例えばバス若 しくはネットワークを介して読み込む。当然、第 1の工程の露光装置の制御 · 処理系 8からは、 第 1の工程における第 1の回路パターン部像高の波面収差 デ一夕と合わせマーク部像高の波面収差データとが波面収差測定器 4で測定 されて得られるものとする。 次に、 上位コンピュータ Ί 1又は 7 2は、 ステ ヅプ 8 1 0 6において、読み込まれた第 1の工程における回路パターン寸法、 合わせマーク寸法、 照明条件（瞳上照度分布も含む）、 回路パターン部像高の 波面収差および合わせマーク部像高の波面収差に基づいて、 回路パターンと 合わせマークの転写像の算出を行う。 転写像の算出方法は後述する。
また、 上位ゴンピュ一夕 7 1又は 7 2は、 ステップ 8 2 0 1から 8 2 0 5 で、 第 1の工程に対するステップ 8 1 0 1から 8 1 0 5と同様に、 第 2のェ 程における第 2の回路パターン寸法、合わせマーク寸法、照明条件（瞳上照度 分布も含む）、回路パターン部像高の波面収差および合わせマーク部像高の波 面収差を製造ライン管理システムまたは第 2の工程の露光装置の制御 ·処理 系 8から例えばバス若しくはネットワークを介して読み込む。 当然、 第 2の 工程の露光装置の制御 ·処理系 8からは、 第 2の工程における第 2の回路パ ターン部像高の波面収差デ一夕と合わせマーク部像高の波面収差データとが 波面収差測定器 4で測定されて得られるものとする。 次に、 上位コンビュ一 夕 7 1又は 7 2は、 ステップ 8 2 0 6において、 読み込まれた第 2の工程に おける回路パターン寸法、 合わせマーク寸法、 照明条件、 回路パターン部像 高の波面収差および合わせマーク部像高の波面収差に基づいて、 回路パ夕一 ンと合わせマークの転写像の算出を行う。
次に、 上位コンピュータ 7 1は、 ステップ 8 3 0 1において、 算出された 第 1の工程と第 2の工程との間の回路パターン転写像の位置ずれと、 第 1の 工程と第 2の工程との間の合わせマークの位置ずれを算出する。 位置ずれ算 出方法については後述する。 さらに、 上位コンピュータ 7 1は、 ステップ 8 3 0 2で、 回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関 係を求める。 次に、 上位コンピュータ 7 1は、 ステップ 8 3 0 3で、 第 2の 工程における試し露光または前回の露光によって、 第 1 6図 （b ) に示す如 く、 第 1の合わせマークの上に第 2の合わせマークが重ねて形成されたゥェ 八に対して合わせ検査装置 2 0で実測された第 1の合わせマークと第 2の合 わせマークとの位置ずれ （△£ , Δ τ7 ) が入力され、 該入力された合わせマ —クの位置ずれ量 （△ ， Α ν ) から、 上記回路パターン転写像位置ずれと 合わせマーク転写像位置ずれの関係によって、 第 1 6図 （a ) に示す如く、 実際の回路パターンの位置ずれ量 （Δ Ε χ , Δ Ε γ ) を予測し、 該予測され る実際の回路パターンの位置ずれ量を例えばネットワークを介して第 2のェ 程の露光装置に送信し （フィードバックし） 、 第 2の工程の露光装置は、 ス テツプ 8 3 0 4で、 フィードバックされた予測される実際の回路パターンの 位置ずれ量に応じた補正量 （オフセット量） （C x， C y ) で補正して正式 の露光または次回の露光が行われることになる。
なお、 第 8図に示す読み込み、 算出、 予測については、 上位コンピュータ 7 1ではなく、 第 2の工程の露光装置の制御 ·処理系 8で行ってもよい。 ここで、 第 9図により転写像の計算方法について説明する。 まず、 対象と なる回路パターンのウェハ 3への転写像の計算を行うためには、照明条件（瞳 上照度分布も含む） 2000、 製品レチクル 10上の回路パターン 101お よび露光レンズ 2の波面収差 201のデータが必要となる。 波面収差 201 は、 上述の波面収差測定器 4によって測定される。 これらのデ一夕を用いた 像計算の方法については、例えば、 'Y.Yoshitakeetal, SPIE Vol.1463, 1991, ρρ678-679' に開示されている。
ここで、第 10図を用いて、照明条件 2000の具体例について説明する。 第 10図 （a) は一般的な照明であり、 パラメ一夕としては照明光源像 20 10の直径 D 1および露光レンズ 2の絞り 23の像 23 ' の直径 D e pで表 すことができる。 第 10図 （b) は、 回路パターン 101として白黒情報以 外に位相情報をもつ場合、 いわゆる位相シフトレチクルを用いる場合に使わ れる照明条件であり、 Depに対する照明光源像の直径 D 2の比が第 10図 (a) に比べて小さい。 第 10図 （c) は輪帯照明と呼ばれるもので、 照明 光源像 2030の外径 D 4および内径 D 3と D e pで表すことができる。 な お、 第 10図の照明光源像は、 理想状態を示すものであるが、 実際の光源像 には光量の不均一な分布がある。 実際の光源像を、 例えば、 'J.P.Kirk and C.J.Progler, SPIE Vol.3334, 1998, ρρ281-288' に開示されている方法で実 測し、 これを実際の照明光源像のデ一夕として用いれば、 転写像の計算精度 はさらに向上する。
次に、 第 9図の回路パターン 101の具体例を第 11図により説明する。 まず、 第 11図 （a) は第 1の工程のライン &スペースパターンであり、 透 明部 1011と遮光部 1012で構成される。 ライン&スペースパターンの パラメ一夕としては、 遮光部 1012であるラインの幅 L 1とライン &スぺ ースのビヅチ P 1で表すことができる。 また、 第 11図 （b) は第 2の工程 におけるホールパターンの例であり、 遮光部 1014と開口部 1013で構 成される。 X方向の開口幅 Sx、 ピッチ Px、 y方向の開口幅 Sy、 ピッチ Pyとして表すことができる。 ここで、 パターンの座標で波面収差 201が異なる理由を第 12図を用い て説明する。 第 12図 （a) のレチクル 11の点 191 aから出た光 900 1 aは露光レンズ 2を介してウェハ 3に結像される。 点 191 aはレンズ中 心 2001から h 1の座標位置にある。 第 12図 （b) のレチクル 11の点 191 bから出た光 9001 bは露光レンズ 2を介してウェハ 3に結像され る。 点 191 bはレンズ中心 2001から h 2の座標位置にある。 光線 90 01 aと光線 9001 bでは露光レンズ 2内のエレメントレンズ 21への入 射角が異なるため、 発生する波面収差 201 a、 201 bは異なったものに なる。
次に、 第 13図に波面収差 201の例を示す。 波面収差 W (X, y) 20 1は X方向に非対称なコマ収差の例であり、 3次元的なデータである。 波面 収差 201は、本発明である、上述の波面収差測定器 4によって測定される。 次に、 第 14図および第 15図により、 製品レチクル 10上での回路パ夕 —ンと合わせマークの配置について説明する。 第 14図は第 1の工程におけ る製品レチクルの例である。 第 15図は第 2の工程における製品レチクル上 の回路パターン 1002と合わせマーク 1012を示し、 それそれの中心座 標は回路パターン 1001および合わせマーク 1011と同じである。 ここで、 第 16図に、 第 1の工程と第 2の工程における回路パターン 10 01、 1002の位置ずれ （ΔΕχ, ΔΕ y) と、 合わせマーク 1011、 1012の位置ずれ（△ ， Δτ?)を示す。位置ずれ（ （ΔΕχ， AEy)、 (厶 ， Δ77) ) は、 上述の転写像シフト量を第 1および第 2の工程の回路 パターンと合わせマークについて算出し、 第 1の工程と第 2の工程の差分を 取ることによって得られる。
次に、 合わせマークと回路パターンの位置ずれの関係の求め方について説 明する。 X方向および Y方向について、 次の （11) 式および （12) 式に よってオフセット （εχ, £ y) を求める。 εχ = ΑΈχ-Αξ … ( 1 1) εγ = ΔΕγ-Δτ7 ■·■ ( 12) 第 17図に厶 Exと Δ£の関係を示す。 第 1の工程と第 2の工程の合わせ ずれである ΔΕχと△ は、 通常 0. 2 m以下と微小範囲なので波面収差 は変化せず、 位置ずれ関係はオフセット £ Xだけで決まる。 Y方向に関して も X方向と同様である。
合わせ検査の結果を露光装置にフィードバックする場合の補正量算出法に ついて第 18図を用いて説明する。 まず、 過去の合わせ検査デ一夕 （Δ^, Δ 77) の平均値 （Ax, Ay) を算出する。 次の （ 13) 式および （ 14) 式により回路パターン位置ずれの補正量 （Cx, Cy) を求める。
Cx = Ax + £ X … ( 13)
Cy = Ay + £ y … ( 14) 次回、 第 2の工程露光時の補正量としては （Cx, Cy) を露光装置にフ ィ一ドバックする。
次に、 本発明に係る露光レンズ 2の波面収差 20 1の別の利用法 （露光量 とフォーカスとの関係からなる露光条件の最適化） について述べる。 新しい 製品の着工時、または既に着工している製品を別の露光装置に展開する場合、 回路パターンを規格内に抑えるための、 露光量、 フォーカス位置の条件出し を行う。 これは、 これらの最適条件が製品、 露光装置によって異なるためで ある。通常は、露光量とフォーカスを変えながら回路パターンの転写を行い、 これを電子線顕微鏡等で線幅測定することにより、 最適な露光量とフォー力 スを判断する。 しかし、 この作業は 1工程行うのに約 5時間要するため、 生 産性の隘路となっている。
上述の製品と露光装置の最適条件に対する影響は、 製品レチクル上の回路 パターンと露光装置の波面収差によっている。 そこで、 本発明に係る波面収 差測定装置のデ一夕と回路パターンの情報から、 シミュレーションによる露 光の最適条件の予測がこの課題の解決に有効となる。
ここで、 第 1 9図から第 2 2図を参照して、 露光装置等を接続する上位コ ンピュー夕 Ί 2または露光装置の制御 ·処理系 8が行う露光の最適条件の予 測方法について述べる。 まず、 第 1 9図および第 2 5図に示すように、 露光 装置等を接続する上位コンピュー夕 7 2または露光装置の制御'処理系 8は、 ステップ 8 8 0 1で照明条件を読み込んで照明条件記憶手段 7 1 0 2に記憶 し、 ステップ 8 8 0 2で製品回路パターン寸法を読み込んでレチクルデ一夕 記憶手段 7 1 0 1に記憶し、 ステップ 8 8 0 3で、 製品回路パターンの座標 に相当する波面収差を読み込んで波面収差データ記憶手段 7 1 0 4に記憶す る。
次に、ステップ 8 8 0 4でフォーカス値 Fを設定し、ステップ 8 8 0 5で、 前述した方法により製品回路パターンの転写像の算出を行う。 即ち、 フォー カス値 Fを変化させた際の製品回路パターンの転写像の光強度分布 9 9 0 0 の算出を行って瞳上照度分布記憶手段 7 1 0 3に記憶する。
次に、 上位コンピュータ 7 2である最適露光量 'フォーカス値算出手段 7 2 2 1は、 次に説明することを実行する。 即ち、 ステップ 8 8 0 6により露 光量 Jを設定し、 ステップ 8 8 0 7により製品回路パターンの寸法である C Dの算出を行う。 即ち、 露光量 Jを変化させた際の製品回路パターンの寸法 である C Dの算出を行う。 ここで、 C Dの算出方法を第 2 0図を用いて説明 する。 ステップ 8 8 0 5で算出した転写像の光強度分布 9 9 0 0に対し、 設 定された露光量 Jに応じたしきい値 J thを与えることにより、現像後の寸法、 C Dを求める。
なお、 転写像の光強度分布 9 9 0 0から、 例えば 「I n s i d e P R O L I T H , クリス A . マック著， 1 9 9 7 1 2 4 - 1 3 5頁」 に記載の ような現像シミュレーションを行い、 現像後の断面プロファイルから現像後 の寸法、 C Dを求めても良い。 次に、 ステップ 8808により、 所定の露光量変化、 フォーカス変化の条 件が終了したかをチェックし、 露光量変化が終了してない場合は、 ステップ 88 ( 6へ、 フォーカス変化が終了してない場合は、 ステップ 8804へ戻 る。 全ての条件が終了した場合は、 ステップ 8809により、 CD、 フォー カス F、 露光量 Eの関係をマヅビングする。
マッピングの実施例を第 21図に示す。 ここに、 横軸はフォーカス F、 縦 軸は寸法 CDであり、 ： Fと CDの関係を各露光量 Eに関してプロヅ トしてい る。 ここに、 CLは CDの規格中心、 CL+ 10%は CLに対して + 10% の CD、 CL— 10%は CLに対して一 10%の〇0を示す。（ 1^+ 10 %、 および CL一 10%をよぎる線から、 それそれの CDを与える露光量 Eおよ びフォーカス Fの関係がプロヅ 卜できる。 この様子を第 21図に示す。 第 2 2図において、 CL+ 10%および CL— 10%の線に囲まれた領域が、 い わゆるプロセスウィンドウである。
上位コンビュ一夕 72または露光装置の制御 ·処理系 8は、 ステップ 88 10において、 第 22図に示したプロセスウィンドウを求め、 ステップ 88 11でプロセスウインドウに内接する四角 301を算出し、 ステップ 881 2で四角 101の中心 102を求める。 ステップ 8813では、 四角 101 の中心 302を求め、 最適露光量 J optおよび最適フォーカス値 F optを最 適条件として算出して、 最適露光量 · フォーカス値記憶手段 7105に記憶 する。 そして、 露光装置 2は、 最適条件として算出された最適露光量 J opt および最適フォーカス値 F optに基いて露光されることになる。
次に、本発明に係る露光レンズ 2の波面収差 201のさらに別の利用法（収 差起因歪みによる Mix&Ma t ch補正） について述べる。 第 13図のよ うな非対称なコマ収差が存在する場合、 連続するライン &スペースの左端と 右端のラインに線幅差 （L I— L2) が生じる場合がある。 この様子を第 2 3図に示す。 本発明の波面収差測定装置 4で露光装置の波面収差デ一夕を蓄 2マ
積しておくことにより、 過去数回測定値の平均、 または最新のデータを用い て、 上述の方法によりパターン線幅を算出することができる。 これにより、 左端と右端の線幅差を予測することが可能で、 この結果から製品レチクルの 回路パターン描画時に、 線幅差が無くなるようパターン幅を補正することが できる。
次に、本発明に係る露光レンズ 2の波面収差 2 0 1のさらに別の利用法（レ チクルに形成された回路パターン （O P C ) の最適化） について述べる。 微 細パターンの場合、 転写像の設計寸法からのずれを修正するために、 製品レ チクル上のパターンに対して 0 P C (Optical Proximity Correction) が施 されている。 これはパターンのコーナ一に微少な四角パターンを付加してコ —ナ一の丸まりや、 パターン長さの短小化を防ぐものである。 O P Cも波面 収差の影響を受けるため、 同様な方法で転写像を予測し、 O P Cパターンの 大きさ、 位置の補正をすることにより、 露光装置に最適、 かつ高精度なパ夕 —ン補正が可能になる。
次に、 本発明の実施例である第 8図に示す処理を実行する合わせずれ補正 システムに関して、 第 2 4図を参照して説明する。
即ち、 半導体装置は成膜装置 5 1によってウェハ 3が成膜され、 C M P (Chemical Mechanical Polishing)装置 5 2によって膜が平坦化された後、 塗 布現像装置 5 3により感光剤であるレジストが塗布される。 次に露光装置 2 によって回路パターンがウェハ 3上の感光剤に転写され、 再び塗布現像装置 5 3によって感光剤の現像が行われた後、 合わせ検査装置 2 0によって合わ せ検査が行われる。 次にエッチング装置 5 4によってエッチングが施された 後、 レジスト除去装置 5 5によってレジストが除去され、 再び次の層の膜が 成膜装置 5 1によって生成される。 このようなプロセスを繰り返すことによ つて半導体装置 （半導体デバイス） は製造される。
ホストコンピュータ （製造ライン管理システム） 6には、 ネットワーク 6 2S
1を介して上述の製造装置 2、 2 0、 5 1 ~ 5 5から被露光基板 3の処理の 来歴データが送られている。 例えば、 露光装置 2からはウェハ 3の品種、 ェ 程、 ロット番号と処理に使われた号機、 照明条件等のレシビデ一夕、 製品レ チクル名等が送信され、 ホストコンピュータ 6の来歴記憶部 6 0 1に保存さ れる
本発明に係る合わせずれ補正システム（上位コンピュー夕） 7 1では、まず、 回路パターン、 合わせマークの幅やピッチといった寸法や座標のデータは製 品レチクル名と共に製品レチクルデ一夕記憶手段 7 1 0 1に登録される。 手 動かまたは図示しない別なコンピュータからデ一夕を入力することができる 登録する回路パターンは、 同一製品レチクル内で一番合わせ裕度の厳しい部 分を選択することにより、 歩留まりの維持、 向上に結びつく補正量を設定す ることができる。 また、 露光時の照明条件はホストコンビユー夕 6の来歴記 憶部 6 0 1からデ一夕を得、 照明条件記憶手段 7 1 0 2に記憶する。 また、 露光装置 2の露光レンズ瞳上照度分布の測定値は、 手動かまたは図示しない 別なコンピュータからデータを入力し、 瞳上照度分布記憶手段 7 1 0 3に保 存される。 照明条件と瞳上照度分布が、 回路パターンと合わせマークの転写 像算出に必要な照明に関する入力データとなる。 一方、 波面収差データ記憶 手段 7 1 0 4には、 上述の波面収差測定装置により測定されて算出された波 面収差データが、 複数ある露光装置毎に、 製品レチクル上の座標 （i， j ) 毎に登録しおく。 これらのデータが新規に登録されたタイミングで制御手段 7 1 0は、位置ずれ量算出指示を位置ずれ量算出手段 7 1 2 1に対して行う。 特に、 波面収差データ記憶手段 7 1 0 4には、 露光レンズ 2の波面収差の経 時変化が波面収差測定装置により測定されて記憶されることになるため、 上 位コンピュータ 7 1である位置ずれ量算出手段 7 1 2 1は、 波面収差が測定 する度に、 回路パターン転写像位置ずれと合わせマ一ク転写像位置ずれの関 係を求めて位置ずれ関係記憶手段 7 1 0 5などに記憶できることになる。 上位コンピュータ 7 1である位置ずれ量算出手段 7 1 2 1は、 製品レチク ルデ一夕記憶手段 7 1 0 1から回路パターンと合わせマークの寸法、 座標デ —夕を、 照明条件記憶手段 7 1 0 2と瞳上照度分布記憶手段 7 1 0 3から照 明に関する入力デ一夕を、 波面収差デ一夕記憶手段 7 1 0 4から対象となる 回路パターン、 合わせマークの座標に相当する波面収差デ一夕を入手し、 上 述した方法により、 露光レンズ 2の波面収差の経時変化に伴って算出されて 記憶された回路パターン転写像位置ずれと合わせマーク転写像位置ずれの関 係を基に、第 1の工程（下層を露光した工程） と第 2の工程（今度露光しょう とする工程）との間の回路パターンの位置ずれ量（Δ Ε χ , Δ Ε y ) と合わせ マークの位置ずれ量 （△ ， A v ) を算出して位置ずれ関係記憶手段 7 1 0 5などに記憶する。 次に、 上位コンピュータ 7 1である位置ずれ関係算出手 段 7 1 2 2は、 算出した位置ずれ量から回路パターンと合わせマークの位置 ずれ関係（例えば上記（ 1 1 )式および（ 1 2 )式で示すオフセヅト （ε χ , ε y ) の関係） を算出して、 位置ずれ関係記憶手段 7 1 0 5等に登録する。 ここまでの処理は、 ウェハ 3を着工する前に予め行われる。
次に、 第 1の工程で露光されたウェハ 3の下層パターンの上に第 2の工程 において上層パターンが露光され、 第 1 6図 （b ) に示すように合わせマ一 クについて検査する合わせ検査装置 2 0から合わせ検査デ一夕（△ ， Δ 77 ) が制御手段 7 1 0に送信された時の処理について説明する。 まず、 制御手段 7 1 0は、 ホストコンピュータ 6に問い合わせを行い、 来歴記憶部 6 0 1に 登録されている第 1の工程および第 2の工程における露光装置、 製品レチク ル、 照明条件を得る。 第 1の工程と第 2の工程の露光装置、 照明条件、 製品 レチクルの来歴情報から、 該当する位置ずれ関係を位置ずれ関係記憶手段 7 1 0 5から読み出す。 尚、 制御手段 7 1 0は、 合わせ検査装置 2 0で検査さ れた合わせ検査データ （合わせ検査装置 2 0で実測された第 1の合わせマ一 クと第 2の合わせマークとの位置ずれ （Δ ， A v ) ) を合わせ検査デ一夕 記憶手段 7 16に登録する。 補正量算出手段 7123は、 上述の位置ずれ関 係 （ （ΔΕχ, ΔΕ y) と （Δ ， Av) との間のオフセット （εχ, ε y) の関係） を用いて、 例えば上記 （ 13) 式および （ 14) 式に基いて補正量 (Cx, Cy) を算出し、 このデ一夕を制御手段 710がホストコンビユー 夕 8に送信し、 ホストコンピュータ 6は次回露光時に露光装置 2に、 この補 正量 （Cx, Cy) を送信する。 その結果、 該露光装置 2において、 送信を 受けた補正量に基いて補正されて次回の露光がなされることになる。ここで、 補正量算出手段 7 123は、 合わせ検査デ一夕記憶手段 7 106に照会し、 該当する過去のデ一夕に対して、 第 18図に示したように、 例えば平均値算 出のような処理を施して求めても良い。 このような処理によって、 合わせ検 査デ一夕のノイズ成分に影響されない高精度な補正量を算出することができ る。
次に、 本発明の別の実施例である、 第 1 9図に示す処理を実行する波面収 差測定装置を用いた露光条件予測システム 72について、 第 25図を参照し て説明する。
大部分は第 24図の合わせずれ補正システム 7 1と同様であるが、 露光条 件予測システム 72である最露光量 ·フォーカス値算出手段 722 1は、 ス テヅプ 8801〜8808において、 レチクルデ一夕、 照明条件、 瞳上照度 分布、 波面収差を用いた転写像の線幅 （CD) をフォーカスおよび露光量を 変えながら求め、 ステップ 8809〜88 13において、 上記求められた C Dとその時のフォーカスおよび露光量を基に第 22図に示すプロセスウイン ドウを算出するなどして最適条件 （製品回路パターンの露光量 J opt, フォ 一カス最適値 F opt) 302を算出し、 この算出された最適条件値を製品、 工程、 露光装置毎に保存する最適露光量 ·フォーカス値記憶手段 7201を 有する点が異なる。 この値 （最適露光量 'フォーカス値） を、 新製品の着工 や露光装置の複数展開時の初期条件データとして制御手段 720からホスト コンピュータ 6を経由して露光装置 2へ送られる。その結果、該露光装置 2に おいて、 送信を受けた最適露光量 ' フォーカス値に基いて次回の露光がなさ れることになる。
次に本発明の別の実施例である回路パターン設計システムを第 2 6図によ り説明する。 制御手段 7 3 0が露光装置 2で測定された瞳上照度分布および 波面収差をそれぞれ瞳上照度分布記憶手段 7 1 0 3と波面収差デ一夕記憶手 段 7 1 0 4に保存しておき、 C A D端末 7 3 1からの要求に伴い、 瞳上照度 分布と波面収差を読み出し、 C A D端末 7 3 1で設定された回路パターンと 照明条件を用いて、 前述の方法により転写像の算出を行う。 その結果を C A T端末 7 3 1上に、回路パターンとともに表示する。このシステムによれば、 露光装置 2の特性に応じた最適なパターン修正が可能になるので、 転写時に 所望の回路パターンを得ることが可能になる。
以上、前述した実施の形態によれば、波面収差測定装置として、評価用レチ クル 1上のピンホール 1 1 0とリレーレンズ 4 1とレンズアレイ (露光レン ズの瞳と共役な位置に設置） 4 2、 および撮像素子 4 3を組み合わせること により、 露光装置上で露光レンズの波面収差を、 低コストで、 全ての収差項 目の測定が可能となる。
また、 波面収差測定装置として、 入射口にアパーチャ 4 0を、 評価用レチ クル 1上に集光レンズ 1 2 0を設けることにより、 隣接ピンホールの影響を 受けることなく、 十分な光量で測定できるので、 露光レンズの波面収差を高 精度に測定することが可能となる。
また、 前述した実施の形態によれば、 波面収差測定装置で測定した波面収 差デ一夕により、 回路パターンと合わせマーク位置ずれの差を考慮した、 高 精度な露光装置合わせずれ補正システムや、 露光条件予測システム、 さらに は露光装置に応じた回路パターン設計システムを構築することができ、 超微 細な半導体装置を高歩留りで製造することができる。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 半導体露光装置上で、 露光レンズの波面収差の経時変化 を、 高精度に測定することができる。
また、 本発明によれば、 半導体装置の超微細化に伴って狭マージン化した としても、 露光レンズ （縮小投影光学系） の僅かな波面収差の経時変化も考 慮して高精度の露光を実現して超微細の半導体装置を高歩留りで製造できる (

Claims

請求の範囲
1 . 被測定光学系の波面収差を測定する波面収差測定装置において、 前記被測定光学系の物体面に位置決めされ、 前記被検査光学系の瞳上にほ ぼ均一に拡がる光を発生させるパターンと、
該パターンに対して照明する照明光学系と、
前記被測定光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、
該リレーレンズで作られた前記被測定光学系の瞳面と共役位置に主平面を 配置し、 前記被測定光学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの 光を波面分割して前記パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、 該レンズアレイにより多数形成されたパターンの二次像を撮像する撮像素 子とを備えたことを特徴とする波面収差測定装置。
2 . 前記被測定光学系において波面収差がない場合に得られる光線と波面収 差がある場合に得られる光線とが、 前記レンズアレイの各レンズ要素の中心 を通るように構成したことを特徴とする請求項 1記載の波面収差測定装置。
3 . レチクルステージ上に載置されたレチクルの回路パターンを照明する照 明光学系と、 該照明光学系で照明されたレチクルの回路パターンを基板ステ ージ上に載置された被露光基板上に投影露光する投影光学系とを備えた露光 装置において、
前記レチクルステージ上に、 前記投影光学系の瞳上にほぼ均一に拡がる光 を発生させるパターンを設け、
前記投影光学系の瞳面と共役位置を作るリレーレンズと、 該リレ一レンズ で作られた前記投影光学系の瞳面と共役位置に主平面を配置し、 前記投影光 学系の像面に形成された前記パターンの一次像からの光を波面分割して前記 パターンの二次像を多数形成するレンズアレイと、 該レンズアレイにより多 数形成されたパターンの二次像を撮像して多数のパターン信号を出力する撮 像素子と、 該撮像素子から得られる多数のパターン信号を基に前記投影光学 系の波面収差を算出する処理手段とを備えて構成した波面収差測定装置を設 けたことを特徴とする露光装置。
4. 前記波面収差測定装置において、 前記被測定光学系において波面収差が ない場合に得られる光線と波面収差がある場合に得られる光線とが、 前記レ ンズアレイの各レンズ要素の中心を通るように構成したことを特徴とする請 求項 3記載の露光装置。
5. 前記波面収差測定装置において、 前記撮像素子は、 前記レンズアレイの 焦点位置に配置することを特徴とする請求項 3記載の露光装置。
6. 前記波面収差測定装置において、 前記投影光学系の像面と前記リレーレ ンズの主平面との間の距離は前記リレーレンズの焦点距離であることを特徴 とする請求項 3記載の露光装置。
7. 前記波面収差測定装置において、 前記リレーレンズの入射側に制限フィ ル夕を備えたことを特徴とする請求項 3記載の露光装置。
8. 前記照明光学系において、 少なくとも波面収差測定時に前記パターンに 照明光を集光する集光光学系を備えたことを特徴とする請求項 3記載の露光
9. 前記波面収差測定装置の処理手段は、 予め第 1の状態において前記撮像 素子から得られる多数のパターン信号を基に計測される第 1のパターン位置 群 （XO, Y0) に応じて前記リレ一レンズ及び前記レンズアレイに起因す る誤差成分群 （ax, ay) を算出し、 第 2の状態において前記撮像素子か ら得られる多数のパターン信号を基に計測される第 2のパターン位置群（X, Y) から前記算出した誤差成分群 （ax, ay) を除去して第 2のパターン のずれ量群 （ΔΧ, Δ Y) を算出し、 該算出した第 2のパターンのずれ量群 (ΔΧ, ΔΥ) を基に第 2の状態における前記投影光学系の波面収差 Wを算 出するよう構成したことを特徴とする請求項 3記載の露光装置。
10. 前記処理手段において、 前記リレーレンズ及び前記レンズアレイに起 因する誤差成分群（ax, ay)を算出する際、別な手段によって第 1の状態 における前記投影光学系の波面収差 W 0を計測し、該計測された波面収差 W 0を基に第 1のパターンのずれ量群 （ΔΧΟ, ΔΥ0) を算出し、 前記計測 された第 1のパ夕一ン位置群 （X0, Y0) から前記算出された第 1のパ夕 —ンのずれ量群 （ΔΧΟ, ΔΥ0) を減算することによって前記誤差成分群 (ax, ay) を算出するように構成したことを特徴とする請求項 9記載の
11. 請求項 3記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第 2の状態 における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 第 2の状態で第 1の回路パ夕一 ンおよび第 1の合わせマークの上に第 2の回路パターンおよび第 2の合わせ マークを露光する際の第 1の回路パターン対する第 2の回路パターン転写像 の位置ずれ量と第 1の合わせマークに対する第 2の合わせマ一ク転写像の位 置ずれ量との関係を算出し、 合わせ検査装置で実測される第 1の合わせマ一 クに対する第 2の合わせマーク転写像の位置ずれ量に応じて前記算出された 回路パターン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を 補正して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測し、該予測さ れた実際の回路パターンの転写像の位置補正値を前記露光装置にフィードバ ックする計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
12. 請求項 9記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第 2の状態 における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 第 2の状態で第 1の回路パター ンおよび第 1の合わせマークの上に第 2の回路パターンおよび第 2の合わせ マークを露光する際の第 1の回路パターン対する第 2の回路パターン転写像 の位置ずれ量と第 1の合わせマークに対する第 2の合わせマーク転写像の位 置ずれ量との関係を算出し、 合わせ検査装置で実測される第 1の合わせマー クに対する第 2の合わせマーク転写像の位置ずれ量に応じて前記算出された 回路パ夕一ン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を 補正して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測し、該予測さ れた実際の回路パターンの転写像の位置補正値を前記露光装置にフィードバ ックする計算手段とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
1 3 . 請求項 3記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第 2の状態 における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 フォーカス値と露光量を変化さ せて製品回路パターンの転写像の光強度分布を算出し、該算出された製品回 路パターンの転写像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出し、 こ れらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適露光 量および最適フォーカス値を算出する計算手段とを備えたことを特徴とする 半導体装置の製造システム。
1 4 . 請求項 9記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第 2の状態 における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 フォーカス値と露光量を変化さ せて製品回路パターンの転写像の光強度分布を算出し、該算出された製品回 路パターンの転写像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出し、 こ れらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適露光 量および最適フォーカス値を算出する計算手段とを備えたことを特徴とする 半導体装置の製造システム。
1 5 . 請求項 3記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第 2の状態 における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 第 2の状態における投影光学系 で露光される回路パターンの転写像を算出し、 該算出された回路パターンの 3Ύ
転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光学特性を設計する計算手段と を備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
1 6 . 請求項 9記載の露光装置と、
該露光装置における波面収差測定装置の処理手段から得られる第 2の状態 における投影光学系の波面収差 Wに応じて、 第 2の状態における投影光学系 で露光される回路パターンの転写像を算出し、 該算出された回路パターンの 転写像に基いてレチクル上の回路パターンの光学特性を設計する計算手段と を備えたことを特徴とする半導体装置の製造システム。
1 7 . 露光装置における投影光学系の波面収差 Wを算出する波面収差算出ス テヅプと、
該波面収差算出ステツプで算出された第 2の状態における投影光学系の波 面収差 Wに応じて、 第 2の状態で第 1の回路パターンおよび第 1の合わせマ —クの上に第 2の回路パターンおよび第 2の合わせマークを露光する際の第 1の回路パターン対する第 2の回路パターン転写像の位置ずれ量と第 1の合 わせマークに対する第 2の合わせマーク転写像の位置ずれ量との関係を算出 する関係算出ステップと、
合わせ検査装置で実測される第 1の合わせマークに対する第 2の合わせマ ーク転写像の位置ずれ量に応じて、 前記関係算出ステップで算出された回路 パターン転写像の位置ずれと合わせマーク転写像の位置ずれとの関係を補正 して実際の回路パターンの転写像の位置ずれ補正値を予測する予測ステップ と、
該予測ステップで予測された実際の回路パターンの転写像の位置補正値を 前記露光装置にフィードバックするステップとを有する露光システムを用い て半導体基板に対して露光して半導体装置を製造することを特徴とする半導 体装置の製造方法。
1 8 . 露光装置における投影光学系の波面収差 Wを算出する波面収差算出ス テツプと、
該波面収差算出ステップで算出された第 2の状態における投影光学系の波 面収差 Wに応じて、 フォーカス値と露光量を変化させて製品回路パターンの 転写像の光強度分布を算出する転写像の光強度分布算出ステツプと、 該転写像の光強度分布算出ステップで算出された製品回路パターンの転写 像の光強度分布を基に製品回路パターン寸法を算出する製品回路パ夕一ン寸 法ステップと、
これらフォーカス値、露光量および製品回路パターン寸法の関係から最適 露光量および最適フォーカス値を算出するステップとを有する露光システム を用いて半導体基板に対して露光して半導体装置を製造する.ことを特徴とす る半導体装置の製造方法。
1 9 . 露光装置における投影光学系の波面収差 Wを算出する波面収差算出ス テップと、
該波面収差算出ステップで算出された第 2の状態における投影光学系の波 面収差 Wに応じて、 第 2の状態における投影光学系で露光される回路パター ンの転写像を算出するステップと、
該ステップで算出された回路パターンの転写像に基いてレチクル上の回路 パターンの光学特性を設計するステップとを有する露光システムを用いて半 導体基板に対して露光して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装 置の製造方法。
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