WO2014098220A1 - 評価方法及び装置、加工方法、並びに露光システム - Google Patents

評価方法及び装置、加工方法、並びに露光システム Download PDF

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和彦 深澤
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Definitions

  • the present invention relates to an evaluation technique for a substrate having a structure provided by processing under a plurality of processing conditions, a processing technique and an exposure technique using the evaluation technique, and a device manufacturing technique using the processing technique.
  • a dose amount (exposure amount), a focus position (a defocus amount of a substrate to be exposed with respect to an image plane of a projection optical system)
  • a plurality of exposure conditions such as the exposure wavelength must be managed with high accuracy.
  • a pattern for evaluation of a reticle is illuminated with illumination light whose chief ray is inclined, and an image of the pattern is displayed on a plurality of substrates while changing the height of the substrate on a stage.
  • a method is known in which each shot is sequentially exposed, a lateral shift amount of a resist pattern obtained by development after exposure is measured, and a focus position at the time of exposure of each shot is evaluated from this measurement result (for example, Patent Documents) 1).
  • the measurement result also includes the influence of variation in the dose amount to some extent.
  • An aspect of the present invention has been made in view of such problems, and uses a substrate having a structure provided by processing under a plurality of processing conditions (for example, exposure conditions).
  • the object is to evaluate one of the processing conditions with high accuracy.
  • an illumination unit that illuminates a substrate having a structure provided by machining under a plurality of machining conditions including the first and second machining conditions with illumination light; and A detection unit that detects light generated from the processing surface of the substrate by illumination light, and the detection unit under a plurality of evaluation conditions in which at least one of the illumination condition of the illumination unit and the detection condition of the detection unit is different
  • An evaluation device includes an estimation unit that estimates at least one of the first processing condition and the second processing condition when processing the substrate based on the detection result obtained by the above.
  • the exposure unit including the projection optical system that exposes the pattern on the surface of the substrate and the evaluation device of the first mode are estimated by the estimation unit of the evaluation device.
  • An exposure system is provided that corrects a processing condition in the exposure unit in accordance with the first processing condition.
  • the substrate having the structure provided by processing under a plurality of processing conditions including the first and second processing conditions is illuminated with illumination light, and the illumination light emits the substrate
  • the light generated from the processing surface of the substrate is detected, and from the processing surface under a plurality of evaluation conditions in which at least one of the illumination condition of the illumination light and the detection condition of the light generated from the processing surface is different
  • an evaluation method for estimating at least one of the first processing condition and the second processing condition when processing the substrate based on the detection result obtained by detecting the generated light is provided.
  • a pattern is provided by processing on the surface of the substrate, the first processing condition of the substrate is estimated using the evaluation method of the third aspect, and is estimated by the evaluation method.
  • a processing method is provided that corrects the processing conditions during exposure of the substrate in accordance with the first processing conditions.
  • it is a device manufacturing method which has the processing process which provides a pattern on the surface of a board
  • a device manufacturing method having a processing step of providing a pattern on the surface of the substrate, wherein the processing method according to the fourth aspect is used in the processing step according to the device to be manufactured.
  • a device manufacturing method that stores an arithmetic expression to be applied in order to suppress a change amount with respect to a change in the second processing condition.
  • one processing condition among the plurality of processing conditions can be evaluated with high accuracy.
  • (A) is a figure which shows the whole structure of the evaluation apparatus which concerns on embodiment
  • (b) is a block diagram which shows a device manufacturing system.
  • (A) is a figure which shows the evaluation apparatus by which the polarizing filter was inserted on the optical path
  • (b) is a top view which shows an example of the pattern of the surface of a semiconductor wafer.
  • (A) is an enlarged perspective view showing the concavo-convex structure of the repeating pattern
  • (b) is a diagram showing the relationship between the incident surface of the linearly polarized light and the periodic direction (or repeating direction) of the repeating pattern. It is a flowchart which shows an example of the method (condition extraction) which calculates
  • A is a plan view showing an example of the conditioned wafer 10
  • (b) is an enlarged view showing one shot
  • (c) is an enlarged view showing an example of an arrangement of a plurality of setting areas in the shot.
  • It is a figure which shows the image of the wafer imaged on the several diffraction conditions.
  • (A) is a figure which shows several focus change curves
  • (b) is a figure which shows several dose change curves.
  • A) And (b) is a figure which shows the focus change curve and dose change curve which were measured on two diffraction conditions, respectively.
  • (A) is a figure which shows the residual of a focus position
  • (b) is a figure which shows the difference of a dose amount.
  • (A) is a figure which shows an example of distribution of the dose amount of a wafer surface
  • (b) is a figure which shows an example of distribution of the focus value of a wafer surface.
  • (A) is a flowchart which shows the principal part of the other example of condition determination
  • (b) is a flowchart which shows the principal part of the evaluation method of a focus value.
  • (A) And (b) is a figure which shows the dose change curve and focus change curve which were measured on two diffraction conditions, respectively.
  • FIG. (A) is an enlarged cross-sectional view showing the main part of the wafer
  • (b) is an enlarged cross-sectional view showing the main part of another wafer
  • (c) is an enlarged cross-sectional view showing the wafer in the subsequent step of FIG. 14 (b)
  • (D) is an enlarged sectional view showing a part of the pattern formed on the wafer
  • (e) is a diagram showing two spacer change curves and their residuals
  • (f) is two etching change curves and their differences.
  • FIG. (A) is a flowchart which shows an example of condition determination of 2nd Embodiment
  • (b) is a flowchart which shows the evaluation method of the etching of 2nd Embodiment. It is a flowchart which shows a semiconductor device manufacturing method.
  • FIG. 1A shows an evaluation apparatus 1 according to this embodiment
  • FIG. 1B shows a device manufacturing system DMS according to this embodiment
  • a device manufacturing system DMS includes a thin film forming apparatus (not shown) that forms a thin film on the surface (wafer surface) of a semiconductor wafer (hereinafter simply referred to as a wafer) that is a semiconductor substrate, and a resist for the wafer surface.
  • An evaluation apparatus 1 is provided that evaluates exposure conditions in the exposure apparatus 100 as processing conditions.
  • the exposure apparatus 100 for example, an immersion type scanning stepper (scanning projection exposure apparatus) disclosed in Patent Document 2 incorporated by reference is used.
  • the device manufacturing system DMS includes an etching apparatus that processes the developed wafer, a transfer system 500 that transfers the wafer between these apparatuses, and a host computer 600 that mediates control information between these apparatuses. I have.
  • the evaluation apparatus 1 includes a stage 5 that supports a substantially disk-shaped wafer 10, and the wafer 10 transferred by the transfer system 500 in FIG. Is mounted and fixed and held, for example, by vacuum suction.
  • the stage 5 rotates through a first drive unit (not shown) that controls an angle ⁇ 1 with the central axis of the stage 5 as a rotation axis, and an axis that passes through the top surface of the stage 5 and is perpendicular to the paper surface of FIG. It is supported by a base member (not shown) via a second drive unit (not shown) that controls a tilt angle ⁇ 2 (tilt angle of the surface of the wafer 10) that is an inclination angle as an axis.
  • the evaluation apparatus 1 further includes an illumination system 20 that irradiates illumination light ILI as parallel light onto the surface (wafer surface) of the wafer 10 supported by the stage 5, and light emitted from the wafer surface that has been irradiated with the illumination light ILI (
  • a light receiving system 30 that collects reflected light or diffracted light
  • an imaging device 35 that receives light collected by the light receiving system 30 and detects an image on the wafer surface, and an image signal output from the imaging device 35
  • an arithmetic unit 50 that performs processing and the like.
  • the imaging device 35 includes an imaging lens 35a that forms an image on the wafer surface and a CCD or CMOS type two-dimensional imaging device 35b.
  • the imaging device 35b collectively captures an image of the entire surface of the wafer 10. Output an image signal. Based on the image signal of the wafer 10 input from the imaging device 35, the calculation unit 50 averages the digital image of the wafer 10 (the luminance for each pixel, the luminance averaged for each shot, or for each region smaller than the shot.
  • Image processing unit 40 that generates information on brightness, etc.
  • an inspection unit 60 that includes arithmetic units 60a, 60b, and 60c that process image information output from the image processing unit 40, and an image processing unit 40 and an inspection unit 60.
  • the calculation unit 50 may be configured as a computer as a whole, and the inspection unit 60, the control unit 80, and the like may be functions on the software of the computer.
  • the illumination system 20 includes an illumination unit 21 that emits illumination light, and an illumination-side concave mirror 25 that reflects the illumination light emitted from the illumination unit 21 toward the wafer surface as parallel light.
  • the illumination unit 21 selects light of a predetermined wavelength (for example, wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, etc.) from light from the light source unit 22 such as a metal halide lamp or a mercury lamp and the light from the light source unit 22 according to a command from the control unit 80.
  • the light control unit 23 that adjusts the intensity, and the light guide fiber 24 that emits light selected by the light control unit 23 and adjusted in intensity from a predetermined emission point to the illumination-side concave mirror 25.
  • the wavelength ⁇ 1 is 248 nm, ⁇ 2 is 265 nm, and ⁇ 3 is 313 nm.
  • the exit portion of the light guide fiber 24 is disposed on the focal plane of the illumination-side concave mirror 25, the illumination light ILI reflected by the illumination-side concave mirror 25 is irradiated as a parallel light beam onto the wafer surface.
  • the incident angle ⁇ 1 of the illumination light with respect to the wafer 10 can be adjusted by controlling the tilt angle ⁇ 2 of the stage 5 according to a command from the control unit 80.
  • an illumination-side polarizing filter 26 is provided on the optical path so that it can be inserted and removed by a drive unit (not shown) based on a command from the control unit 80.
  • a drive unit not shown
  • FIG. 1A in a state where the illumination side polarizing filter 26 is removed from the optical path, an inspection using the diffracted light ILD from the wafer 10 (hereinafter referred to as a diffraction inspection for convenience) is performed.
  • a diffraction inspection for convenience
  • the illumination side polarizing filter 26 is, for example, a linear polarizing plate whose rotation angle can be controlled. Even at the time of diffraction inspection, the illumination side polarization filter 26 is arranged on the optical path so that the illumination light ILI becomes S-polarized light (linearly polarized light in a direction perpendicular to the incident surface) with respect to the surface of the wafer 10. Is also possible. In the diffraction inspection using S-polarized light, it is difficult to be influenced by the underlayer of the wafer 10, and the state of the uppermost layer can be detected.
  • the light receiving system 30 includes a light receiving side concave mirror 31 disposed to face the stage 5 (wafer 10), and an incident portion of the imaging device 35 is disposed on the focal plane of the light receiving side concave mirror 31. For this reason, the parallel light emitted from the wafer surface is collected by the light receiving side concave mirror 31 onto the image pickup device 35, and an image of the wafer 10 is formed on the image pickup surface of the image pickup device 35 b of the image pickup device 35.
  • a light receiving side polarizing filter 32 is provided between the light receiving side concave mirror 31 and the imaging device 35 so that the light receiving side polarizing filter 32 can be inserted into and removed from the optical path by a drive unit (not shown) based on a command from the control unit 80.
  • the diffraction inspection is performed with the light-receiving side polarizing filter 32 taken out from the optical path.
  • the PER inspection is performed with the light receiving side polarizing filter 32 inserted in the optical path.
  • the light-receiving-side polarizing filter 32 is a linear polarizing plate whose rotation angle can be controlled, for example.
  • the polarization direction of the light-receiving side polarizing filter 32 is normally set in a crossed Nicols state orthogonal to the polarization direction of the illumination-side polarizing filter 26.
  • the inspection unit 60 compares the digital image of the wafer 10 supplied from the image processing unit 40 with the image data of the non-defective wafer stored in the storage unit 85 as the most basic operation in response to a command from the control unit 80.
  • the wafer surface is inspected for defects (abnormalities). Then, the inspection result by the inspection unit 60 and the image of the wafer surface at that time are output and displayed by an image display device (not shown).
  • the inspection unit 60 processes the image of the wafer surface as will be described later, the dose amount (exposure amount or exposure energy) of the exposure apparatus 100 that has exposed the wafer 10, and the focus position (projection optics of the exposure surface).
  • the predetermined exposure conditions are evaluated.
  • the evaluation result of the exposure condition is supplied to a control unit (not shown) in the exposure apparatus 100, and the exposure apparatus 100 may correct the exposure condition (for example, correction of offset or variation) according to the evaluation result. it can.
  • the wafer 10 is projected and exposed with a predetermined pattern onto the uppermost resist by the exposure apparatus 100, and after being developed by the coater / developer 200, the wafer 10 is transferred onto the stage 5 of the evaluation apparatus 1.
  • the wafer 10 is aligned on the basis of a pattern in the shot of the wafer 10, a mark on the wafer surface (for example, a search alignment mark), or an outer edge (notch, orientation flat, etc.) by an alignment mechanism (not shown) during the transfer. In the performed state, it is conveyed onto the stage 5.
  • a plurality of shots (shot regions) 11 are arranged at predetermined intervals in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other.
  • a repetitive pattern 12 of irregularities such as a line pattern or a hole pattern is formed as a circuit pattern of a semiconductor device. Note that an axis perpendicular to the XY plane is taken as a Z axis.
  • the repeating pattern 12 may be a resist pattern, for example.
  • one shot 11 often includes a plurality of chip areas, FIG. 2B shows that one chip area is included in one shot for easy understanding.
  • the control unit 80 is stored in the storage unit 85. Recipe information (inspection conditions, procedures, etc.) is read and the following processing is performed.
  • the illumination side polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are taken out from the optical path, and the wafer 10 is transferred onto the stage 5 by the transfer system 500. Note that the wafer 10 is placed at a predetermined position on the stage 5 in a predetermined direction based on position information of the wafer 10 obtained by an alignment mechanism (not shown) during the conveyance.
  • the direction of the incident surface of the illumination light ILI on the wafer surface (illumination direction) and the periodic direction (or repeat direction) of the repetitive pattern 12 in each shot 11 coincide (in the case of a line pattern, the line
  • the angle ⁇ 1 of the stage 5 is adjusted so as to be orthogonal to each other.
  • the pitch of the repetitive pattern 12 is P
  • the wavelength of the illumination light ILI incident on the wafer 10 is ⁇
  • the incident angle of the illumination light ILI is ⁇ 1
  • the nth order of the detection target emitted from the wafer surface (n is an integer other than 0)
  • the tilt angle ⁇ 2 of the stage 5 is adjusted so as to satisfy the following equation (Equation 1).
  • emission of illumination light ILI having a predetermined selected wavelength from the illumination unit 21 is started.
  • the illumination light ILI emitted from the light guide fiber 24 is reflected by the illumination-side concave mirror 25 and is irradiated onto the wafer surface as parallel light.
  • the diffracted light ILD diffracted on the wafer surface is condensed on the image pickup device 35 by the light receiving side concave mirror 31, and an image (diffraction image) of the entire surface of the wafer 10 is formed on the image pickup surface of the image pickup device 35.
  • the imaging device 35 outputs an image signal of the image to the image processing unit 40, and the image processing unit 40 generates a digital image of the wafer surface and outputs information on the image to the inspection unit 60.
  • equation 1 an image of the wafer surface by the diffracted light ILD is formed on the imaging surface.
  • a combination of the tilt angle ⁇ 2 (incident angle ⁇ 1 or diffraction angle ⁇ 2) of the stage 5 is called one diffraction condition.
  • a plurality of diffraction conditions are included in the recipe information.
  • the tilt angle ⁇ 2 of the stage 5 may be adjusted so that the brightness of the image of the corresponding part of the obtained digital image is equal to or higher than a certain brightness on average.
  • Such a method of adjusting the tilt angle ⁇ 2 can also be called a diffraction condition search.
  • the repetitive pattern 12 on the wafer surface of FIG. 2B is arranged along the arrangement direction (here, the X direction) in which the plurality of line portions 2A are short directions, as shown in FIG. It is assumed that the resist patterns (line patterns) are arranged at a constant pitch (period) P with the space portion 2B interposed therebetween.
  • the arrangement direction (X direction) of the line portions 2A is also referred to as a periodic direction (or a repeating direction) of the repeating pattern 12.
  • the design value of the line width D A of the line portion 2A in the repetitive pattern 12 is set to 1 ⁇ 2 of the pitch P. If repeated pattern 12 is formed as designed, the line width D B of the line width D A and the space portion 2B of the line portion 2A are equal, the volume ratio of the line portion 2A and the space portion 2B is substantially 1: 1 become. On the other hand, when the focus position in the exposure apparatus 100 when forming the repeated pattern 12 deviates from the best focus position (appropriate value), the pitch P does not change, but the line width D A of the line portion 2A and the space portion 2B. , D B is becomes different from a design value, the volume ratio of the line portion 2A and the space portion 2B is substantially 1: deviates from 1.
  • the PER inspection uses the change in the polarization state of the reflected light accompanying the change in the volume ratio between the line portion 2A and the space portion 2B in the repetitive pattern 12 as described above to inspect the state (good or bad) of the repetitive pattern 12. Is to do.
  • the ideal volume ratio (design value) is 1: 1.
  • the change in the volume ratio is caused by a shift of the focus position from the appropriate value, and appears for each shot 11 of the wafer 10 and for each of a plurality of regions in the shot 11.
  • the volume ratio can also be referred to as the area ratio of the cross-sectional shape.
  • the control unit 80 reads the recipe information (inspection conditions, procedures, etc.) stored in the storage unit 85 and performs the following processing.
  • the illumination side polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are inserted on the optical path.
  • the wafer 10 is transferred onto the stage 5 by the transfer system 500 of FIG. Note that the wafer 10 is placed at a predetermined position on the stage 5 in a predetermined direction based on position information of the wafer 10 obtained by an alignment mechanism (not shown) during the conveyance.
  • the tilt angle of the stage 5 is set so that the regular reflection light ILR from the wafer 10 can be received by the light receiving system 30, that is, the incident angle of the incident illumination light ILI (the angle in FIG. 2A).
  • the angle of reflection of the light received by the light receiving system 30 with respect to the wafer surface is set to be equal to ⁇ 3).
  • the rotation angle of the stage 5 is such that the periodic direction of the repetitive pattern 12 on the wafer surface is such that the illumination light on the wafer surface (in FIG. 3B, P-polarized linearly polarized light L as shown in FIG. 3B). It is set to incline at 45 degrees with respect to the vibration direction. This is because the signal intensity of the reflected light from the repeated pattern 12 is maximized.
  • the angle between the periodic direction and the vibration direction is 22.5 degrees or 67.5 degrees
  • the angle is set to It may be changed.
  • the angle is not limited to these and can be set to an arbitrary angle.
  • the illumination side polarizing filter 26 is disposed between the light guide fiber 24 and the illumination side concave mirror 25, and its transmission axis is set in a predetermined direction (direction).
  • a polarized component (linearly polarized light) is extracted (transmitted) from the light.
  • light emitted from the light guide fiber 24 becomes P-polarized linearly polarized light L (see FIG. 3B) via the illumination-side polarizing filter 26 and the illumination-side concave mirror 25, and the wafer surface. Is irradiated.
  • the illumination light ILI incident on the wafer surface (here, linearly polarized light L) is P-polarized light, as shown in FIG.
  • the angle formed by the vibration direction of the light L on the wafer surface and the periodic direction of the repeated pattern 12 is also set to 45 degrees.
  • the linearly polarized light L is incident so as to obliquely cross the repetitive pattern 12 in a state where the vibration direction of the light L on the wafer surface is inclined 45 degrees with respect to the periodic direction of the repetitive pattern 12.
  • the specularly reflected light ILR of the parallel light reflected by the wafer surface is collected by the light receiving side concave mirror 31 of the light receiving system 30 and reaches the imaging surface of the imaging device 35 via the light receiving side polarizing filter 32.
  • the polarization state of the specularly reflected light ILR (here, linearly polarized light L) is changed to, for example, elliptically polarized light due to structural birefringence in the repeated pattern 12.
  • the direction of the transmission axis of the light receiving side polarizing filter 32 is set so as to be orthogonal to the transmission axis of the illumination side polarizing filter 26 described above (in a crossed Nicols state).
  • the light receiving side polarization filter 32 extracts a polarized component having a vibration direction substantially perpendicular to the light L from the regular reflected light from the wafer 10 (repeated pattern 12) and guides it to the imaging device 35.
  • the wafer surface is formed of a polarization component (the S polarization component if the light L is P-polarized light) whose oscillation direction is substantially perpendicular to the light L in the regular reflection light from the wafer 10. Is formed.
  • the transmission axis of the light receiving side polarizing filter 32 may be aligned with the minor axis direction of the elliptically polarized light. This may improve the detection sensitivity (the ratio of the change in the detection signal to the change in the exposure condition).
  • the imaging device 35 outputs an image signal of the wafer surface image to the image processing unit 40, and the image processing unit 40 generates a digital image of the wafer surface and outputs the image information to the inspection unit 60.
  • the inspection unit 60 evaluates the exposure conditions and the like in the exposure apparatus used when forming the repetitive pattern 12 of the wafer 10 using the image information. It is also possible to shift the polarization direction of the illumination light ILI incident on the wafer surface by rotating the illumination-side polarization filter 26 from the P-polarized light. However, even in this case, the polarization direction of the light receiving side polarizing filter 32 is set in a crossed Nicols state with respect to the illumination side polarizing filter 26.
  • a combination of the wavelength ⁇ of the illumination light ILI and the angle of the illumination side polarization filter 26 is referred to as one polarization condition.
  • the incident angle ⁇ 3 that is, the reflection angle ⁇ 3
  • the incident angle is also included in one polarization condition.
  • a plurality of polarization conditions are included in the recipe information.
  • an example of a method for detecting light from a pattern on a wafer surface using the evaluation apparatus 1 and evaluating the exposure conditions of the exposure apparatus 100 used when forming the pattern is shown in FIG.
  • This will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • an example of a method for obtaining the evaluation condition (hereinafter also referred to as “conditioning”) will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • the wafer surface diffraction inspection inspection performed by detecting the diffracted light ILD from the wafer 10) is performed using the evaluation apparatus 1.
  • the illumination side polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are taken out from the optical path of the evaluation device 1.
  • the dose amount is evaluated among a plurality of exposure conditions including the dose amount and the focus position of the exposure apparatus 100.
  • the same actual value is applied to each shot SAn while changing the exposure condition so that the focus position changes gradually and the dose amount gradually changes between shots arranged in the non-scanning direction (short shot side direction) orthogonal to the scanning direction.
  • a pattern of a reticle (not shown) for the device is exposed.
  • the scanning speed at the time of scanning exposure may be decreased.
  • a wafer 10a (hereinafter referred to as a “conditional wafer”) in which the pattern 12 is repeatedly formed on each shot SAn under different exposure conditions is created.
  • a reticle for an actual device is formed with a plurality of patterns having the same or orthogonal periodic directions at a plurality of pitches, and each shot SAn has a pattern with a different pitch in addition to the repeating pattern 12 of the pitch P. It is formed. Furthermore, for example, when there is a pattern block in which a repetitive pattern of pitch P is arranged at a larger pitch P1 (> P), the same diffracted light as that generated from the pattern of pitch P1 is generated from this pattern block. It is also possible to perform a diffraction inspection on the assumption that there is a pattern with a pitch P1 substantially.
  • the best focus position is a position where the fluctuation of the line width becomes the smallest when the focus is moved to ⁇ .
  • a defocus amount referred to herein as a focus value
  • the focus position for example, the focus value is set in five steps of ⁇ 60 nm, ⁇ 30 nm, 0 nm, +30 nm, and +60 nm in increments of 30 nm.
  • the horizontal focus value numbers 1 to 5 in FIG. 8A described later correspond to the five focus values (-60 to +60 nm).
  • the focus value can be set in a plurality of stages in increments of 50 nm, for example, and the focus value can be set in 17 stages of ⁇ 200 nm to +200 nm in increments of 25 nm, for example.
  • the dose amount is 9 steps in increments of 1.5 mJ (10.0 mJ, 11.5 mJ, 13.0 mJ, 14.5 mJ, 16.0 mJ, 17.5 mJ, 19.0 mJ, 20.5 mJ, 22 .0mJ).
  • the dose numbers 1 to 9 on the horizontal axis in FIG. 8B described later correspond to the nine levels (10.0 to 22.0 mJ).
  • the optimum exposure amount (best dose) required for exposure of a pattern for an actual semiconductor device is about 5 mJ to 40 mJ depending on the pattern, and the dose amount is 0.5 mJ to 2.0 mJ centering on the best dose of the pattern. It is desirable to change at a certain interval.
  • the condition-controlled wafer 10a of the present embodiment is a so-called FEM wafer (Focus Exposure Matrix wafer) in which a dose amount (exposure amount or exposure energy) and a focus position are exposed in a matrix and developed. If the number of shots with different combinations of exposure conditions obtained by multiplying the number of focus value stages by the number of dose stages is greater than the number of shots on the entire surface of the conditionally adjusted wafer 10a, the conditionally adjusted wafer 10a is Multiple sheets may be created.
  • FEM wafer Focus Exposure Matrix wafer
  • the number of shots SAn in the scanning direction is larger than the number of stages of change in the focus value, and / or when the number of arrangements in the non-scanning direction is larger than the number of stages of change in the dose amount
  • scanning is performed. Only a part of the shots arranged in the direction and / or the non-scanning direction may be exposed. However, in this case, even if a plurality of shots exposed by changing the focus value and the dose amount are provided in the scanning direction or the non-scanning direction, the measurement values obtained for the shots having the same focus value and the dose amount may be averaged. Good.
  • the influence of uneven resist coating between the center and the periphery of the wafer and the influence of the difference in the scanning direction of the wafer (+ Y direction or ⁇ Y direction in FIG. 2B) during scanning exposure are reduced. Therefore, a plurality of shots having different focus values and dose amounts may be arranged at random.
  • the control unit 80 reads out a plurality of diffraction conditions from the recipe information in the storage unit 85.
  • the illumination light ILI is irradiated onto the surface of the conditionally adjusted wafer 10a, and the imaging device 35 picks up an image of the diffracted light of the conditionally adjusted wafer 10a and outputs an image signal to the image processing unit 40 (step). 104).
  • the diffraction condition may be obtained using a diffraction condition search.
  • FIG. 7 shows an example of the luminance distribution of the images A1 to A15 of the conditioned wafer 10a imaged under the 15 diffraction conditions (n-Dm).
  • the image processing unit 40 outputs a digital image of the entire surface of the conditioned wafer 10a with respect to each of a plurality of (here, 15) diffraction conditions. Generate. Then, with respect to the plurality of diffraction conditions, using the corresponding digital images, the signal intensities of all the pixels in all the shots SAn (see FIG. 6B) excluding the scribe line region SL of the conditionally adjusted wafer 10a. The average signal intensity obtained by averaging is calculated, and the calculation result is output to the inspection unit 60 (step 106).
  • the average signal intensity is also referred to as shot average luminance (or in-shot average luminance).
  • the reason why the shot average luminance is calculated in this way is to suppress the influence of the aberration of the projection optical system of the exposure apparatus 100 and the like.
  • an average signal intensity (average luminance) obtained by averaging the signal intensities of all the pixels in the partial area CAn in the central portion of the shot SAn in FIG. It may be calculated.
  • the average signal intensity (average luminance) is set for each of the setting areas 16 (see FIG. 6C) such as a rectangle (I is an integer of several tens) in the shot SAn.
  • the subsequent processing may be performed using, for example, the average luminance of the setting area 16 at the same position in the shot SAn.
  • the arrangement of the setting areas 16 is, for example, 6 rows in the scanning direction and 5 columns in the non-scanning direction, but the size and arrangement are arbitrary.
  • the first calculation unit 60a in the inspection unit 60 has the same dose amount in the exposure conditions from the average shot brightness of all of the conditionally adjusted wafers 10a obtained for each of the plurality of diffraction conditions (n ⁇ Dm).
  • the change characteristic of the average luminance when the focus value changes in five steps is extracted as a focus change curve and stored in the storage unit 85 (step 108).
  • FIG. 8A shows a plurality of (here, 15) focus change curves obtained under the diffraction condition (n ⁇ Dm) when the dose is the best dose.
  • the vertical axis represents the relative value of the shot average luminance
  • the horizontal axis in FIG. 8A represents the first to fifth focus values (-100 to +100 nm).
  • the first calculation unit 60a determines that the focus value in the exposure condition is the same and the dose amount is changed in nine steps from all shot average luminances obtained for each of the plurality of diffraction conditions (n ⁇ Dm). Is extracted as a dose change curve and stored in the storage unit 85 (step 110).
  • FIG. 8B shows a plurality of dose change curves obtained under the diffraction condition (n ⁇ Dm) when the focus value is 0 (best focus position).
  • the horizontal axis of FIG. 8B is the dose amount (10.0 to 22.0 mJ) of the first stage to the ninth stage.
  • the first calculation unit 60a has the same tendency (for example, the characteristic that both shot average luminances increase and decrease in substantially the same manner when the focus value increases) from the plurality of diffraction conditions described above,
  • the first and second diffraction conditions are selected such that the dose change curve has a reverse tendency (for example, the characteristic that one shot average luminance increases substantially and the other shot average luminance decreases approximately when the dose increases).
  • the two selected diffraction conditions are stored in the storage unit 85 (step 112).
  • FIG. 9A shows two focus change curves B2 and B13 obtained under the diffraction conditions (1-D2) and (3-D3) among the 15 focus change curves shown in FIG. 8A.
  • FIG. 9 (b) shows two dose change curves C2 obtained under the diffraction conditions (1-D2) and (3-D3) among the 15 change curves in FIG. 8 (b). And C13. It can be seen that the focus change curves B2 and B13 change with the same tendency, and the dose change curves C2 and C13 change with the opposite tendency.
  • the first calculation unit 60a then corrects the focus change curve B2 obtained under the first diffraction condition (1-D2) with a gain a (arbitrary magnification or proportional coefficient) and an offset b (see FIG. a)) and the focus change curve B13 obtained under the second diffraction condition (3-D3), that is, the difference between the corrected curve B2A and the focus change curve B13 (hereinafter referred to as the focus remaining curve).
  • the gain a and the offset b are determined so that ⁇ B is minimized, and the gain a and the offset b are stored in the storage unit 85 (step 114).
  • the vertical axis on the right side of FIG. 10A is the value of the focus residual ⁇ B.
  • the gain a and the offset b may be determined so as to be minimized.
  • the gain a and the offset b may be determined and stored for each reticle pattern to be exposed. Further, a curve obtained by correcting the focus change curve B12 obtained under the second diffraction condition (3-D3) with the gain a ′ (proportional coefficient or magnification) and the offset b ′, and the first diffraction condition (1-D2). The gain a ′ and the offset b ′ may be determined so that the focus change curve B2 obtained in step 1 matches. Further, even if the curve B2A and the focus change curve B13 are approximated by a high-order polynomial (for example, a fourth-order polynomial) regarding the focus value Fi, the values of a and b are determined so that the square sum of these differences is minimized.
  • a high-order polynomial for example, a fourth-order polynomial
  • the gain a or the offset b may be used to correct one focus change curve, and the value of a or b may be determined so that the corrected curve matches the other focus change curve as much as possible.
  • the coefficient cfi to be multiplied by one focus change curve may be determined independently so that the corrected difference becomes zero. Note that there is a tendency that the characteristics of the two focus change curves are contradictory (for example, one curve FA1 changes to a convex shape and the other curve FB1 changes to a concave shape with respect to a change in the focus value Fx), and a dose.
  • the first calculation unit 60a corrects the dose change curve C2 obtained under the first diffraction condition (1-D2) in FIG. 9B with the gain a and the offset b calculated in step 114.
  • SD1 is calculated, and the calculated reference dose curve SD1 of FIG. 10B is stored in the storage unit 85 (step 116).
  • shaft of the right side of FIG.10 (b) is a value of a dose difference.
  • the reference dose curve SD1 may be approximated by a linear expression or a high-order polynomial regarding the dose amount.
  • the dose amount in the exposure condition of the exposure apparatus 100 is evaluated as follows.
  • This evaluation operation can also be called a dose monitor.
  • the wafer 10 for actual exposure having the same shot arrangement as that of FIG. 6A and coated with a resist is transferred to the exposure apparatus 100 of FIG.
  • the exposure conditions at this time are the best dose determined in accordance with the reticle with respect to the dose amount in all shots, and the best focus position with respect to the focus position.
  • the dose amount is evaluated.
  • the focus position may vary for each shot SAn and for each of the plurality of setting areas 16 in each shot SAn. In this case, if the diffraction inspection is simply performed, the inspection result includes a portion due to the focus position in addition to the dose amount, so the influence of the focus position is eliminated as follows.
  • step 122 The wafer 10 after exposure and development is loaded onto the stage 5 of the evaluation apparatus 1 in FIG. 1A through an alignment mechanism (not shown) (step 122). Then, the control unit 80 reads out the first and second diffraction conditions (1-D2) and (3-D3) determined by the above condition determination from the recipe information in the storage unit 85. Then, the diffraction conditions are sequentially set to the first and second diffraction conditions, and the illumination light ILI is irradiated on the surface of the wafer 10 under each diffraction condition. An image is captured and an image signal is output to the image processing unit 40 (step 124). It should be noted that in step 104 in the condition setting step of FIG.
  • the image obtained under -D2) is image A2
  • the image obtained under the second diffraction condition (3-D3) is image A13.
  • the brightness of the image of each part of the wafer 10 imaged under the first and second diffraction conditions is the dose amount and the focus value of the part of the wafer 10 in the images A2 and A13, respectively. It becomes almost the same as the brightness of the image of the part which becomes almost the same in the conditionally adjusted wafer.
  • the image processing unit 40 generates a digital image of the entire surface of the wafer 10 with respect to each of the first and second diffraction conditions based on the image signal of the wafer 10 input from the imaging device 35. Then, with respect to the first and second diffraction conditions, the average signal intensity for each of the I setting regions 16 (see FIG. 6C) in all shots SAn of the wafer 10 using the corresponding digital images. (Average luminance) is calculated, and the calculation result is output to the inspection unit 60 (step 126). Instead of the setting area 16, an area corresponding to each pixel of the image sensor of the imaging device 35 may be used.
  • Each of these average luminances includes two values, a focus change curve and a dose change curve.
  • the third calculation unit 60c in the inspection unit 60 calculates the average luminance L1ni obtained under the first diffraction condition (1-D2) in the above step 114 for every setting region 16 of the wafer 10.
  • the average luminance difference ⁇ ni is calculated by subtracting the average luminance L2ni obtained under the second diffraction condition (3-D3) from the luminance L1ni ′ corrected with the gain a and the offset b, and the calculation result is stored in the storage unit 85. (Step 128). From this difference ⁇ ni, components corresponding to the corrected focus change curves B2A and B13 in FIG. 10A are substantially removed, and the difference between the corrected dose change curves C2A and C13 in FIG. Only the corresponding component is almost left.
  • the third calculation unit 60c applies the difference ⁇ ni in the average luminance to the reference dose curve SD1 in FIG. 10B stored in the above step 116 for every setting region 16 of the wafer 10 and corresponds.
  • the dose amount Dni is calculated or estimated, and the calculation result or the estimation result is stored in the storage unit 85 (step 130).
  • the component resulting from the focus position is removed from the dose amount Dni calculated or estimated in this way.
  • the control unit 80 converts the dose amount Dni into, for example, brightness (or the color may be changed), and obtains a dose distribution on the entire surface of the wafer 10 (for example, a distribution represented by the image in FIG. 11A).
  • the information is displayed on a display device (not shown) (step 132).
  • control unit 80 information on the dose distribution of the entire surface of the wafer 10 is provided from the signal output unit 90 to the exposure apparatus 100 via the host computer 600 (step 134).
  • a control unit (not shown) of the exposure apparatus 100 obtains, for example, a difference distribution between the dose distribution and the best dose, and when the difference distribution exceeds a predetermined allowable range, for example, scanning exposure is performed. Correction of the distribution of the width in the scanning direction of the illumination area at the time is performed. This reduces errors in dose distribution during subsequent exposure.
  • the wafer 10 on which the pattern for the actual device is formed is subjected to diffraction inspection under two diffraction conditions, whereby the exposure condition of the exposure apparatus 100 used at the time of forming the pattern.
  • the dose amount in the medium can be estimated or evaluated with high accuracy by removing the influence of the focus position.
  • the evaluation apparatus 1 of the present embodiment has the concave and convex repeated pattern 12 (by the exposure under a plurality of exposure conditions including the dose amount and the focus position (first and second exposure conditions)
  • An illumination system 20 that illuminates the wafer 10 having a structure with illumination light, a light receiving system 30 that detects light generated from the surface (exposure surface) of the wafer 10 by the illumination light, and an imaging unit 35 (detection unit); First and second diffraction conditions (evaluation conditions) in which at least one of the illumination conditions (wavelength ⁇ , etc.) of the illumination system 20 and the detection conditions (tilt angle ⁇ 2 of the stage 5) of the light receiving system 30 and the imaging unit 35 are different.
  • the calculation result for calculating or estimating the dose amount at the time of exposure of the wafer 10 from the calculation result obtained by performing the calculation for suppressing the change amount with respect to the change of the focus on the detection result obtained by the imaging unit 35 Part 50.
  • the evaluation method using the evaluation apparatus 1 includes a step 124 of illuminating the wafer 10 with illumination light, detecting light generated from the surface on which the repeated pattern 12 of the wafer 10 is formed, and the illumination light. Focusing on the detection result obtained by detecting the light generated from the surface under the first and second diffraction conditions in which at least one of the illumination condition and the detection condition of the light generated from the surface of the wafer 10 is different. And steps 128 and 130 for calculating or estimating a dose amount at the time of exposure of the wafer 10 from a calculation result obtained by performing a calculation for suppressing a change amount with respect to a change in position.
  • the dose amount of the plurality of exposure conditions can be estimated or evaluated with high accuracy while the influence of the focus position is suppressed.
  • the exposure conditions can be evaluated by detecting light from the wafer on which the actual device pattern is formed. And can be evaluated with high accuracy.
  • the evaluation method exposes the wafer for evaluation while changing at least one of the dose amount and the focus position, and provides a repeated pattern 12 on a plurality of shots on the surface of the wafer to conditionally adjust the wafer 10a (evaluation substrate). , Illuminating the surface of the wafer 10a on which the repeated pattern 12 is provided with illumination light, detecting light generated from the surface by the illumination light, and illumination conditions for the illumination light And a plurality of conditions obtained by detecting light generated from the surface of the conditioned wafer 10a under the first and second diffraction conditions in which at least one of the detection conditions of light generated from the surface of the wafer 10a is different.
  • the device manufacturing system DMS (exposure system) of this embodiment includes an exposure apparatus 100 (exposure unit) having a projection optical system that exposes a pattern on the surface of a wafer, and the evaluation apparatus 1 of this embodiment.
  • the exposure condition (processing condition) in the exposure apparatus 100 is corrected according to the first exposure condition (first processing condition) estimated by the calculation unit 50 of the evaluation apparatus 1.
  • a pattern is provided by exposure on the surface of the wafer (step 120), and the first exposure condition of the wafer is estimated using the evaluation method of the present embodiment (step 122).
  • the exposure condition during the exposure of the wafer is corrected in accordance with the first exposure condition estimated by the evaluation method (step 134).
  • the wafer actually used for device manufacture is used.
  • the exposure condition in the exposure apparatus 100 can be set to a target state efficiently and with high accuracy.
  • the dose amount is evaluated while suppressing the influence of the focus position.
  • This evaluation operation can also be called a focus monitor.
  • the second calculation unit 60b of the inspection unit 60 of FIG. 1A changes the dose from the plurality of diffraction conditions.
  • the first and second diffraction conditions having the same tendency in the curve and the opposite tendency in the focus change curve are selected, and the two selected diffraction conditions are stored in the storage unit 85.
  • the first diffraction condition (1) among the images A1 to A13 of the conditioned wafer shown in FIG. 7 obtained under a plurality of diffraction conditions The image obtained under -D3) is image A3, and the image obtained under the second diffraction condition (1-D4) is image A4.
  • the luminance of the image of each part of the wafer 10 imaged under the first and second diffraction conditions is such that the dose amount and the focus value of the part of the wafer 10 are the images A3 and A4, respectively. It becomes almost the same as the brightness of the image of the part which becomes almost the same in the conditionally adjusted wafer.
  • FIG. 13A shows two dose change curves C2 and C4 obtained under the diffraction conditions (1-D3) and (1-D4) among the 15 dose change curves shown in FIG. 8B.
  • FIG. 13B shows two focus change curves B3 obtained under the diffraction conditions (1-D3) and (1-D4) among the 15 change curves in FIG. 8A.
  • B4 It can be seen that the dose change curves C2 and C4 change with the same tendency, and the focus change curves B3 and B4 change with the opposite tendency.
  • the absolute value of the negative slope of the focus change curve B3 is larger than the absolute value of the negative slope of the focus change curve B4. Therefore, the slope of the curve B3 is within the entire focus value range. It becomes smaller than the slope of the curve B4, and the curves B3 and B4 can be regarded as changing in the opposite tendency.
  • the second calculation unit 60b then adjusts the dose change curve C3 obtained under the first diffraction condition (1-D3) with the gain a and the offset b (not shown), and the second diffraction condition (1
  • the gain a and the offset b are determined so that the dose change curve C4 obtained in ⁇ D4) coincides, that is, the square sum of the residual ⁇ C between the corrected curve and the dose change curve C4 is minimized.
  • the gain a and offset b are stored in the storage unit 85 (step 114A).
  • shaft of the right side of Fig.13 (a) is the value of residual (DELTA) C.
  • the second calculation unit 60b corrects the focus change curve B3 obtained under the first diffraction condition (1-D3) in FIG. 13B with the gain a and the offset b calculated in step 114A. (Not shown) and a curve representing the difference (focus difference) between the focus change curve B4 obtained under the second diffraction condition (1-D4) (hereinafter referred to as a reference focus curve) SF1. And the calculated reference focus curve SF1 is stored in the storage unit 85 (step 116A). The vertical axis on the right side of FIG. 10B is the focus difference value. Further, the reference focus curve SF1 may be approximated by a linear expression or a high-order polynomial regarding the focus value.
  • step 124 of FIG. 5 When the focus position, which is the exposure condition of the wafer, is evaluated by the wafer inspection after exposure and development by the exposure apparatus 100, in step 124 of FIG. 5, the first and second selected in step 112A are used. Then, an image of the wafer 10 is taken under the diffraction conditions (1-D3) and (1-D4), and in step 128 of FIG. 5, using the gain a and offset b stored in step 114A, the wafer 10 For each set region, a difference ⁇ ni between two average luminances obtained under the first and second diffraction conditions is calculated. Then, following step 128, in step 130 ⁇ / b> A of FIG. 12B, the third calculation unit 60 c of the inspection unit 60 stores the entire setting area 16 of the wafer 10 in FIG.
  • the corresponding focus value Fni is calculated or estimated.
  • the calculation result or the estimation result is stored in the storage unit 85. From the focus value Fni calculated or estimated in this way, a component due to the dose is removed.
  • control unit 80 converts the focus value Fni into, for example, brightness (or the color may be changed), and calculates the focus distribution (for example, the distribution represented by the image in FIG. 11B) of the entire surface of the wafer 10.
  • the information is displayed on a display device (not shown) (step 136). Further, information on the focus distribution of the entire surface of the wafer 10 is provided from the signal output unit 90 to the exposure apparatus 100 under the control of the control unit 80 (step 134A).
  • a control unit (not shown) of the exposure apparatus 100 obtains, for example, a difference distribution between the focus distribution and the best focus position, and if the difference distribution exceeds a predetermined allowable range, for example, auto Adjustment (correction) of a focus mechanism (not shown) is performed. This reduces focus distribution errors during subsequent exposure.
  • a calculation is performed to suppress the influence of one exposure condition on the average luminance obtained from the wafer image obtained under the two diffraction conditions.
  • a calculation for suppressing the influence of one exposure condition is performed on three or more brightnesses obtained from an image of a wafer obtained under three or more diffraction conditions.
  • the other exposure condition may be obtained.
  • the exposure condition is inspected using the diffraction inspection of the wafer surface by the evaluation apparatus 1, but the PER inspection of the wafer surface by the evaluation apparatus 1 (inspection based on the change in the polarization state of the reflected light). May be used to inspect the exposure conditions.
  • the first and second diffraction conditions in which, for example, the focus change curve has the same tendency and the dose change curve has the opposite tendency from a plurality of diffraction conditions (or polarization conditions). ) Is selected, it is easy to select the first and second diffraction conditions (or polarization conditions).
  • the difference (or the sum of squares of differences) of the detection result under these conditions for example, the difference (or the sum of squares of the differences) of the difference in the dose amount (or The first and second diffraction conditions (or polarization conditions) may be selected so that the sum of squares of the differences becomes large.
  • the dose amount and the focus position are evaluated as the exposure conditions.
  • the exposure conditions the exposure light wavelength, the illumination conditions (for example, the coherence factor ( ⁇ value), and the projection optical system in the exposure apparatus 100 are evaluated.
  • the diffraction inspection or PER inspection of the above embodiment may be used.
  • the device manufacturing system DMS in FIG. 1B is used, and the evaluation apparatus 1 in FIG. 1A is used to evaluate the processing conditions.
  • the processing conditions of a wafer on which a repetitive pattern with a fine pitch is formed by a so-called spacer double patterning method (or sidewall double patterning method) are evaluated.
  • a plurality of resists are applied to the surface of, for example, the hard mask layer 17 of the wafer 10d by applying resist, exposing the pattern by the exposure apparatus 100, and developing.
  • a repetitive pattern 12 in which the line portions 2A of the pattern are arranged at a pitch P is formed.
  • the pitch P is close to the resolution limit of the exposure apparatus 100.
  • the line portion 2A is reduced to a line portion 12A having a line width of 1/2 by slimming, and a spacer layer 18 is deposited so as to cover the line portion 12A with a thin film forming apparatus (not shown). To do.
  • a repetitive pattern is formed in which a plurality of spacer portions 18A of approximately P / 4 are arranged at a pitch P / 2.
  • the hard mask portions 17A having a line width of approximately P / 4 are arranged at a pitch P / 2.
  • a repeated pattern 17B is formed.
  • the repetitive pattern 17B is used as a mask to etch the device layer 10da of the wafer 10d, thereby forming a repetitive pattern having a pitch that is approximately 1 ⁇ 2 of the resolution limit of the exposure apparatus 100. Furthermore, it is also possible to form a repeated pattern with a pitch of P / 4 by repeating the above steps.
  • the pitch of the repeated pattern must be equal to or greater than 1 ⁇ 2 of the wavelength ⁇ of the illumination light ILI of the evaluation apparatus 1 in order for diffraction to occur. Therefore, when light having a wavelength of 248 nm is used as illumination light, the diffracted light ILD is not generated in the repetitive pattern 12 having a pitch P of 124 nm or less. Therefore, when the pitch P is close to the resolution limit of the exposure apparatus 100 as in the case of FIG. 14A, the diffraction inspection becomes increasingly difficult. Further, as in the case of FIG.
  • FIGS. 15A and 15B steps corresponding to FIGS. 4 and 5 are denoted by the same or similar reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
  • the tilt angle of the stage 5 on which the polarizing filter 26 and the light receiving side polarizing filter 32 are inserted and on which the wafer 10d is mounted has a light receiving system for the regular reflection light ILR from the wafer 10d irradiated with the illumination light ILI from the illumination system 20. 30 so that light can be received. Further, the rotation angle of the stage 5 is set so that the periodic direction of the repetitive pattern 17B and the incident direction of the illumination light ILI intersect at 45 degrees, for example.
  • the wavelength ⁇ a of the illumination light ILI any one of the above ⁇ 1 to ⁇ 3
  • the angle ⁇ b of the illumination side polarization filter 26 for example, rotation of the polarization axis with respect to the periodic direction of the repetitive pattern
  • the deposition time ts (thin film deposition amount) of the spacer layer 18 and the etching time te (etching amount) of the spacer layer 18 in FIG. And the etching time te is evaluated while suppressing the influence of the deposition time ts.
  • the spacer double patterning process of FIGS. 14A to 14D is performed using five kinds of deposition times ts (ts3 to ts7) and five kinds of etching times.
  • the deposition time ts5 is the best deposition time (appropriate amount) and the etching time te5 is the best etching time (appropriate etching amount). In this case, the etching times te3 and te4 are insufficiently etched, and the etching times te6 and te7 are excessively etched.
  • a plurality of (25 in this case) created conditionally adjusted wafers are sequentially transferred onto the stage 5 of the evaluation apparatus 1 in FIG. Then, in each of the plurality of conditionally adjusted wafers, the surface of the conditionally adjusted wafer is irradiated with the illumination light ILI under the plurality of (here, 15) polarization conditions ( ⁇ a, ⁇ b). An image of the specularly reflected light ILR from the swing wafer is captured and an image signal is output to the image processing unit 40 (step 104A).
  • the image processing unit 40 averages the signal intensities of all the pixels in all shots (or the central region of the shots) of the conditioned wafer using the corresponding digital images for the plurality of polarization conditions.
  • the averaged signal strength (average luminance) is calculated, and the calculation result is output to the inspection unit 60 (step 106A).
  • the first calculation unit 60a in the inspection unit 60 determines the etching amount (etching time te) in the processing conditions from the average luminance of all the conditionally adjusted wafers obtained for each of the plurality of polarization conditions ( ⁇ a, ⁇ b).
  • the change characteristic of the average luminance when the deposition amount (deposition time ts) changes in five stages is extracted as a spacer change curve (not shown) and stored in the storage unit 85 (step 108A).
  • the first calculation unit 60a uses the same average amount of brightness obtained for each of the plurality of polarization conditions ( ⁇ a, ⁇ b) when the deposition amount in the processing conditions is the same and the etching amount changes in five stages.
  • the change characteristic of average luminance is extracted as an etching change curve (not shown) and stored in the storage unit 85 (step 110A).
  • the first calculation unit 60a has a tendency that the spacer change curve has the same tendency (for example, when the deposition time ts increases, both average luminances increase / decrease in substantially the same manner from the plurality of polarization conditions ( ⁇ a, ⁇ b).
  • First and second polarizations having a tendency to have opposite characteristics of the etching change curve (for example, a characteristic in which one average luminance is substantially increased and the other average luminance is substantially decreased when the etching time te is increased).
  • the condition is selected, and the two selected polarization conditions are stored in the storage unit 85 (step 112B).
  • FIG. 14 (e) shows two change curves Bk1 and Bk2 obtained under the first and second polarization conditions among the 15 spacer change curves.
  • the first calculation unit 60a includes a change curve (not shown) obtained by correcting the spacer change curve Bk1 obtained under the first polarization condition with the gain a and the offset b, and the spacer change obtained under the second polarization condition.
  • the gain a and the offset b are determined so that the curve Bk2 coincides, that is, the difference ⁇ Bk between the corrected curve and the curve Bk2 is minimized by the least square method, and the gain a and the offset b are stored in the storage unit. 85 (step 114B).
  • shaft of the right side of FIG.14 (e) is the value of difference (DELTA) Bk. If the value of the difference ⁇ Bk becomes relatively large in part, the gain a ′ and the offset b ′ that are different from each other can be set.
  • the first calculation unit 60a includes a curve (not shown) obtained by correcting the etching change curve Ck1 obtained under the first polarization condition of FIG. 14F with the gain a and the offset b calculated in step 114B. Then, a curve (hereinafter referred to as a reference etching curve) SE1 in which the difference from the etching change curve Ck2 obtained under the second polarization condition is expressed as a function of the etching time te (etching amount) is calculated, and the calculated reference etching is performed.
  • the curve SE1 is stored in the storage unit 85 (step 116B). Note that the vertical axis on the right side of FIG. 14F is the value of the reference etching curve SE1.
  • the reference etching curve SE1 may be approximated by a linear expression or a high-order polynomial regarding the etching time te.
  • the wafer 10d on which the repeated pattern 17B is formed by the device manufacturing system DMS in the actual device manufacturing process is subjected to polarization inspection by the evaluation apparatus 1, thereby evaluating the etching amount in the processing conditions as follows. To do.
  • This evaluation operation can also be called an etching monitor.
  • the device manufacturing system DMS performs the spacer double patterning process described with reference to FIGS.
  • a wafer 10d on which 17B is formed is manufactured.
  • the processing conditions at this time are the best deposition time (appropriate amount) for the spacer deposition amount (deposition time ts) and the best etching amount (appropriate amount) for the etching amount (etching time te) in all shots. is there.
  • the manufactured wafer 10d is loaded onto the stage 5 of the evaluation apparatus 1 shown in FIG. 2A via an alignment mechanism (not shown) (step 122A). Then, the evaluation apparatus 1 captures an image of the wafer 10d under the first and second polarization conditions determined by the above conditions and outputs an image signal to the image processing unit 40 (step 124A). . Next, the image processing unit 40 generates a digital image of the entire surface of the wafer 10d with respect to each of the first and second polarization conditions. Then, with respect to the first and second polarization conditions, the average signal intensity (average) for each of a plurality of setting regions 16 (see FIG. 6C) in all shots of the wafer 10d using the corresponding digital images.
  • Luminance is calculated, and the calculation result is output to the inspection unit 60 (step 126).
  • the third calculation unit 60c in the inspection unit 60 calculates the average brightness obtained under the first polarization condition for each of all the setting regions 16 of the wafer 10d by the gain a and the offset b calculated in the above step 114B.
  • the average luminance obtained under the second polarization condition is subtracted from the luminance corrected in step (b) to calculate the average luminance difference ⁇ ni, and the calculation result is stored in the storage unit 85 (step 128). From this difference ⁇ ni, components corresponding to the spacer change curves Bk1 and Bk2 in FIG. 14E are substantially removed, and components corresponding to the corrected difference in the etching change curves Ck1 and Ck2 in FIG. Only almost remains.
  • the third calculation unit 60c applies the difference ⁇ ni in the average brightness to the reference etching curve SE1 in FIG. 14F stored in the step 116B for every setting region 16 of the wafer 10d.
  • the etching amount (etching time) teni is calculated or estimated, and the calculation result or the estimation result is stored in the storage unit 85 (step 140). From the etching amount teni calculated or estimated in this way, components due to the spacer deposition time are removed. Thereafter, the control unit 80 converts the etching amount teni into, for example, brightness (or the color may be changed) and displays etching unevenness on the entire surface of the wafer 10d on a display device (not shown) (step 142).
  • a control unit (not shown) of the etching apparatus 300 obtains, for example, a difference distribution between the etching unevenness and the appropriate etching amount, and if the difference distribution exceeds a predetermined allowable range, for example, etching is performed. Corrections such as part adjustments are performed.
  • the etching unevenness is reduced during the subsequent execution of step 138 (spacer double patterning process), and the repeated pattern 17B having the pitch P / 2 can be manufactured with high accuracy.
  • the etching apparatus 300 used at the time of forming the pattern It is possible to estimate or evaluate the etching amount with high accuracy by removing the influence of the deposition amount of the spacer. Similarly, by performing a PER inspection under two polarization conditions, it is possible to estimate or evaluate the amount of spacer deposition with high accuracy by removing the influence of the etching amount.
  • the exposure apparatus 100 is a scanning stepper that uses an immersion exposure method, but the above-described embodiment is also used when an exposure apparatus such as a dry scanning stepper or a stepper is used as the exposure apparatus 100. The same effect can be obtained by applying.
  • the exposure apparatus 100 uses an EUV exposure apparatus that uses EUV light (Extreme Ultraviolet Light) having a wavelength of 100 nm or less as exposure light, or an electron beam exposure apparatus that uses an electron beam as an exposure beam, the above-described implementation is performed. Form can be applied.
  • EUV light Extreme Ultraviolet Light
  • EUV light Extreme Ultraviolet Light
  • electron beam exposure apparatus that uses an electron beam as an exposure beam
  • a semiconductor device (not shown) includes a design process (step 221) for designing the function and performance of the device, and a mask manufacturing process (mask) for manufacturing a mask (reticle) based on the design process (step 221).
  • Step 222 a substrate manufacturing process (Step 223) for manufacturing a wafer substrate from a silicon material or the like, a substrate processing process (Step 224) for forming a pattern on the wafer by the device manufacturing system DMS or a pattern forming method using the same. It is manufactured through an assembly process (step 225) including a dicing process for assembling a device, a bonding process, a packaging process, and the like, and an inspection process (step 226) for inspecting the device.
  • a resist is applied to the wafer by the device manufacturing system DMS, an exposure step of exposing the reticle pattern to the wafer by the exposure apparatus 100 in the device manufacturing system DMS, and development for developing the wafer.
  • a lithography process including processes and an evaluation process for evaluating exposure conditions and the like using light from the wafer are executed by the evaluation apparatus 1.
  • the exposure conditions and the like are evaluated using the evaluation apparatus 1 described above. For example, by correcting the exposure conditions and the like based on the evaluation result, the manufacturing process becomes a good state, and the final The yield of the semiconductor manufactured can be improved.
  • the device manufacturing method of the present embodiment the method of manufacturing a semiconductor device has been particularly described.
  • the device manufacturing method of the present embodiment can be applied to a semiconductor material such as a liquid crystal panel or a magnetic disk in addition to a device using a semiconductor material.
  • the present invention can also be applied to the manufacture of devices using other materials.

Abstract

　複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を用いて、その複数の加工条件のうちの一つの加工条件を高精度に評価する。　評価装置１は、第１及び第２露光条件を含む複数の露光条件のもとでの露光により設けられたパターンを有するウェハ１０を照明光で照明する照明系２０と、ウェハ１０の表面から発生する光を検出する受光系３０及び撮像部３５と、照明条件と検出条件との少なくとも一方が異なる第１回折条件及び第２回折条件のもとで撮像部３５により得られた検出結果に基づいて、ウェハ１０の露光時のその第１露光条件を推定する演算部５０とを備える。

Description

評価方法及び装置、加工方法、並びに露光システム
　本発明は、複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板の評価技術、この評価技術を用いる加工技術及び露光技術、並びにその加工技術を用いるデバイス製造技術に関する。
　半導体デバイス等を製造するためのリソグラフィー工程で使用されるスキャニングステッパー又はステッパー等の露光装置においては、ドーズ量（露光量）、フォーカス位置（投影光学系の像面に対する露光対象の基板のデフォーカス量）、及び露光波長等の複数の露光条件を高精度に管理する必要がある。そのためには、露光装置で基板を露光して、露光された基板に形成されるパターン等を用いて、その露光装置の実際の露光条件を高精度に評価する必要がある。
　例えば露光装置のフォーカス位置の従来の評価方法として、主光線が傾斜した照明光でレチクルの評価用のパターンを照明し、ステージで基板の高さを変化させながらそのパターンの像をその基板の複数のショットに順次露光し、露光後の現像によって得られたレジストパターンの横ずれ量を計測し、この計測結果から各ショットの露光時のフォーカス位置を評価する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
米国特許出願公開第２００２／０１０００１２号明細書 米国特許出願公開第２００７／２４２２４７号明細書
　従来のフォーカス位置の評価方法においては、計測結果にドーズ量のばらつき等の影響もある程度は含まれている恐れがある。今後、個別の露光条件をより高精度に評価するためには、他の露光条件の影響をできるだけ抑制することが好ましい。
　また、従来のフォーカス位置の評価方法では、専用の評価用のパターンを露光する必要があり、実デバイス用のパターンを露光する場合の評価が困難であった。
　本発明の態様は、このような問題に鑑みてなされたものであり、複数の加工条件（例えば露光条件）のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を用いて、その複数の加工条件のうちの一つの加工条件を高精度に評価することを目的とする。
　本発明の第１の態様によれば、第１及び第２加工条件を含む複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を照明光で照明する照明部と、その照明光によりその基板の被加工面から発生する光を検出する検出部と、その照明部の照明条件とその検出部の検出条件との少なくとも一方が異なる複数の評価条件のもとでその検出部により得られた検出結果に基づいてその基板の加工時のその第１加工条件とその第２加工条件との少なくとも一方を推定する推定部と、を備える評価装置が提供される。
　また、第２の態様によれば、基板の表面にパターンを露光する投影光学系を有する露光部と、その第１の態様の評価装置と、を備え、その評価装置のその推定部によって推定されるその第１加工条件に応じてその露光部における加工条件を補正する露光システムが提供される。
　また、第３の態様によれば、第１及び第２加工条件を含む複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を照明光で照明し、その照明光によりその基板の被加工面から発生する光を検出し、その照明光の照明条件とその被加工面から発生する光の検出条件との少なくとも一方が異なる複数の評価条件のもとでその被加工面から発生する光を検出して得られた検出結果に基づいてその基板の加工時のその第１加工条件とその第２加工条件との少なくとも一方を推定する評価方法が提供される。
　また、第４の態様によれば、基板の表面に加工によりパターンを設け、その第３の態様の評価方法を用いてその基板のその第１加工条件を推定し、その評価方法によって推定されるその第１加工条件に応じてその基板の露光時の加工条件を補正する加工方法が提供される。
　また、第５の態様によれば、基板の表面にパターンを設ける加工工程を有するデバイス製造方法であって、その加工工程で第４の態様の加工方法を用いるデバイス製造方法が提供される。
　また、第６の態様によれば、基板の表面にパターンを設ける加工工程を有するデバイス製造方法であって、その加工工程で第４の態様の加工方法を用い、製造対象のデバイスに応じてその第２加工条件の変化に対する変化量を抑制するために施す演算式を記憶するデバイス製造方法が提供される。
　本発明の態様によれば、複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を用いて、その複数の加工条件のうちの一つの加工条件を高精度に評価できる。
（ａ）は実施形態に係る評価装置の全体構成を示す図、（ｂ）はデバイス製造システムを示すブロック図である。 （ａ）は光路上に偏光フィルタが挿入された評価装置を示す図、（ｂ）は半導体ウェハの表面のパターンの一例を示す平面図である。 （ａ）は繰り返しパターンの凹凸構造を示す拡大斜視図、（ｂ）は直線偏光の入射面と繰り返しパターンの周期方向（又は繰り返し方向）との関係を示す図である。 評価条件を求める方法（条件出し）の一例を示すフローチャートである。 ドーズ量の評価方法を示すフローチャートである。 （ａ）は条件振りウェハ１０の一例を示す平面図、（ｂ）は一つのショットを示す拡大図、（ｃ）はショット中の複数の設定領域の配列の一例を示す拡大図である。 複数の回折条件で撮像されたウェハの像を示す図である。 （ａ）は複数のフォーカス変化曲線を示す図、（ｂ）は複数のドーズ変化曲線を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ２つの回折条件で計測されたフォーカス変化曲線及びドーズ変化曲線を示す図である。 （ａ）はフォーカス位置の残差を示す図、（ｂ）はドーズ量の差分を示す図である。 （ａ）はウェハ面のドーズ量の分布の一例を示す図、（ｂ）はウェハ面のフォーカス値の分布の一例を示す図である。 （ａ）は条件出しの他の例の要部を示すフローチャート、（ｂ）はフォーカス値の評価方法の要部を示すフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ２つの回折条件で計測されたドーズ変化曲線及びフォーカス変化曲線を示す図である。 （ａ）はウェハの要部を示す拡大断面図、（ｂ）は別のウェハの要部を示す拡大断面図、（ｃ）は図１４（ｂ）の後工程のウェハを示す拡大断面図、（ｄ）はウェハに形成されたパターンの一部を示す拡大断面図、（ｅ）は２つのスペーサ変化曲線及びその残差を示す図、（ｆ）は２つのエッチング変化曲線及びその差分を示す図である。 （ａ）は第２の実施形態の条件出しの一例を示すフローチャート、（ｂ）は第２の実施形態のエッチングの評価方法を示すフローチャートである。 半導体デバイス製造方法を示すフローチャートである。
　［第１の実施形態］
　以下、本発明の好ましい第１の実施形態につき図１～図１１を参照して説明する。図１（ａ）は本実施形態に係る評価装置１を示し、図１（ｂ）は本実施形態に係るデバイス製造システムＤＭＳを示す。図１（ｂ）において、デバイス製造システムＤＭＳは、半導体基板である半導体ウェハ（以下、単にウェハという。）の表面（ウェハ面）に薄膜を形成する薄膜形成装置（不図示）、ウェハ面に対するレジスト（感光材料）の塗布及び現像を行うコータ・デベロッパ２００、レジストが塗布されたウェハ面に半導体デバイス等の回路パターンを露光する露光装置１００、並びに露光及び現像後にウェハ面に形成される構造体を用いて加工条件としての露光装置１００における露光条件を評価する評価装置１を備えている。露光装置１００としては、例えば参照として援用する特許文献２等に開示されている液浸型のスキャニングステッパー（走査型の投影露光装置）が使用される。さらに、デバイス製造システムＤＭＳは、現像後のウェハを加工するエッチング装置、これらの装置間でウェハを搬送する搬送系５００、及びこれらの装置間での制御情報の仲介等を行うホスト・コンピュータ６００を備えている。
　図１（ａ）において、評価装置１は、略円板形のウェハ１０を支持するステージ５を備え、図１（ｂ）の搬送系５００によって搬送されてくるウェハ１０は、ステージ５の上面（載置面）に載置され、例えば真空吸着によって固定保持される。ステージ５は、ステージ５の中心軸を回転軸とする角度φ１を制御する第１駆動部（不図示）と、例えばステージ５の上面を通り、図１（ａ）の紙面に垂直な軸を回転軸とする傾斜角であるチルト角φ２（ウェハ１０の表面のチルト角）を制御する第２駆動部（不図示）とを介してベース部材（不図示）に支持されている。
　評価装置１はさらに、ステージ５に支持されたウェハ１０の表面（ウェハ面）に照明光ＩＬＩを平行光として照射する照明系２０と、照明光ＩＬＩの照射を受けたウェハ面から射出する光（反射光又は回折光等）を集光する受光系３０と、受光系３０により集光された光を受けてウェハ面の像を検出する撮像装置３５と、撮像装置３５から出力される画像信号の処理等を行う演算部５０と、を備えている。撮像装置３５は、ウェハ面の像を形成する結像レンズ３５ａと、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ型の２次元の撮像素子３５ｂとを有し、撮像素子３５ｂはウェハ１０の全面の像を一括して撮像して画像信号を出力する。演算部５０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいてウェハ１０のデジタル画像（画素毎の輝度、ショット毎に平均化された輝度、又はショットより小さい領域毎に平均化された輝度等）の情報を生成する画像処理部４０と、画像処理部４０から出力される画像情報を処理する演算部６０ａ，６０ｂ，６０ｃを含む検査部６０と、画像処理部４０及び検査部６０の動作等を制御する制御部８０と、画像に関する情報等を記憶する記憶部８５と、得られる露光条件の評価結果をホスト・コンピュータ６００を介して露光装置１００内の制御部（不図示）に出力する信号出力部９０とを備えている。なお、演算部５０を全体としてコンピュータより構成し、検査部６０及び制御部８０等をコンピュータのソフトウェア上の機能としてもよい。
　照明系２０は、照明光を射出する照明ユニット２１と、照明ユニット２１から射出された照明光をウェハ面に向けて平行光として反射する照明側凹面鏡２５とを有する。照明ユニット２１は、メタルハライドランプ又は水銀ランプ等の光源部２２と、制御部８０の指令により光源部２２からの光のうち所定の波長（例えば波長λ１、λ２、λ３等）の光を選択しその強度を調節する調光部２３と、調光部２３で選択され強度が調節された光を所定の射出点から照明側凹面鏡２５へ射出する導光ファイバ２４とを有する。一例として、波長λ１は２４８ｎｍ、λ２は２６５ｎｍ、λ３は３１３ｎｍである。この場合、導光ファイバ２４の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５で反射される照明光ＩＬＩは平行光束となってウェハ面に照射される。ウェハ１０に対する照明光の入射角θ１は、制御部８０の指令によりステージ５のチルト角φ２を制御することにより調整可能である。
　また、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間には、制御部８０の指令に基づき不図示の駆動部により照明側偏光フィルタ２６が光路上へ挿抜可能に設けられている。図１（ａ）に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上から抜去した状態では、ウェハ１０からの回折光ＩＬＤを利用した検査（以下、便宜的に回折検査という。）が行われる。一方、図２（ａ）に示すように、照明側偏光フィルタ２６を光路上に挿入した状態では、偏光（構造性複屈折による偏光状態の変化）を利用した検査（以下、便宜的にＰＥＲ検査という）が行われる。照明側偏光フィルタ２６は、例えば回転角が制御可能な直線偏光板である。なお、回折検査時においても、照明光ＩＬＩがウェハ１０の表面に対してＳ偏光（入射面に対して垂直な方向の直線偏光）となるように照明側偏光フィルタ２６を光路上に配置することも可能である。Ｓ偏光を用いた回折検査ではウェハ１０の下地層の影響を受けにくく最上層の状態を検出できる。
　受光系３０は、ステージ５（ウェハ１０）に対向して配置された受光側凹面鏡３１を有し、撮像装置３５の入射部は受光側凹面鏡３１の焦点面に配置されている。このため、ウェハ面から射出する平行光は受光側凹面鏡３１により撮像装置３５に集光され、撮像装置３５の撮像素子３５ｂの撮像面にウェハ１０の像が結像される。
　また、受光側凹面鏡３１と撮像装置３５との間には、制御部８０の指令に基づき不図示の駆動部により受光側偏光フィルタ３２が光路へ挿脱可能に設けられている。図１（ａ）に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路から取り出した状態で回折検査が行われる。一方、図２（ａ）に示すように、受光側偏光フィルタ３２を光路に挿入した状態でＰＥＲ検査が行われる。受光側偏光フィルタ３２も、照明側偏光フィルタ２６と同様に、例えば回転角が制御可能な直線偏光板である。ＰＥＲ検査において通常、受光側偏光フィルタ３２の偏光方向は、照明側偏光フィルタ２６の偏光方向に対して直交したクロスニコル状態に設定される。
　制御部８０の指令により検査部６０は、最も基本的な動作として、画像処理部４０から供給されるウェハ１０のデジタル画像と、記憶部８５に記憶されている良品ウェハの画像データとを比較して、ウェハ面における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、検査部６０による検査結果及びそのときのウェハ面の画像が図示しない画像表示装置で出力表示される。本実施形態では、検査部６０は、後述のようにウェハ面の画像を処理して、ウェハ１０を露光した露光装置１００のドーズ量（露光量又は露光エネルギー）、フォーカス位置（露光面の投影光学系の光軸方向の位置）、露光波長（中心波長及び／又は半値幅）、及び液浸法で露光する場合の投影光学系とウェハとの間の液体の温度等の複数の露光条件のうちの所定の露光条件を評価する。その露光条件の評価結果は露光装置１００内の制御部（不図示）に供給され、その評価結果に応じて露光装置１００はその露光条件の補正（例えばオフセット又はばらつき等の補正）を行うことができる。
　また、ウェハ１０は、露光装置１００により最上層のレジストに対して所定のパターンが投影露光され、コータ・デベロッパ２００による現像後、搬送系５００により、評価装置１のステージ５上に搬送される。このとき、ウェハ１０は、搬送途中で不図示のアライメント機構によりウェハ１０のショット内のパターン、ウェハ面のマーク（例えばサーチアライメントマーク）、又は外縁部（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ステージ５上に搬送される。ウェハ面には、図２（ｂ）に示すように、複数のショット（ショット領域）１１が直交する２つの方向（Ｘ方向及びＹ方向とする。）にそれぞれ所定間隔で配列され、各ショット１１中には、半導体デバイスの回路パターンとしてラインパターン又はホールパターン等の凹凸の繰り返しパターン１２が形成されている。なお、ＸＹ面に垂直な軸をＺ軸とする。繰り返しパターン１２は例えばレジストパターンでもよい。なお、一つのショット１１中には複数のチップ領域が含まれていることが多いが、図２（ｂ）では分かりやすく一つのショット中に一つのチップ領域があるものとしている。
　以上のように構成される評価装置１を用いて、ウェハ面の回折検査（ウェハ１０からの回折光ＩＬＤを検出して行う検査）を行うには、制御部８０が記憶部８５に記憶されたレシピ情報（検査条件や手順等）を読み込み、以下の処理を行う。まず、図１（ａ）に示すように照明側偏光フィルタ２６及び受光側偏光フィルタ３２を光路から取り出し、搬送系５００により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送途中で不図示のアライメント機構により得られたウェハ１０の位置情報に基づいて、ウェハ１０はステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置される。
　次に、ウェハ面における照明光ＩＬＩの入射面の方向（照明方向）と、各ショット１１内の繰り返しパターン１２の周期方向（又は繰り返し方向）とが一致するように（ラインパターンの場合、ラインに対して直交するように）ステージ５の角度φ１を調整する。また、繰り返しパターン１２のピッチをＰ、ウェハ１０に入射する照明光ＩＬＩの波長をλ、照明光ＩＬＩの入射角をθ１、ウェハ面から射出する検出対象のｎ次（ｎは０以外の整数）の回折光ＩＬＤの回折角をθ２としたとき、次の数式（数１）を満足するようにステージ５のチルト角φ２を調整する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　次に、照明ユニット２１からの所定の選択された波長の照明光ＩＬＩの射出を開始する。これにより、導光ファイバ２４から射出される照明光ＩＬＩが照明側凹面鏡２５で反射され、平行光となってウェハ面に照射される。ウェハ面で回折した回折光ＩＬＤは、受光側凹面鏡３１により撮像装置３５に集光され、撮像装置３５の撮像面にウェハ１０の全面の像（回折像）が結像される。撮像装置３５はその像の画像信号を画像処理部４０に出力し、画像処理部４０はウェハ面のデジタル画像を生成し、その画像の情報を検査部６０に出力する。この場合、上記数式（数１）の条件を満たすことによって、その撮像面に回折光ＩＬＤによるウェハ面の像が形成される。
　そして、そのウェハ面の像から得られるデジタル画像の個々の画像信号のレベル（対応する部分の画像の輝度）が平均的にある強度（輝度）以上となるときの、照明光ＩＬＩの波長λ及びステージ５のチルト角φ２（入射角θ１又は回折角θ２）の組み合わせを一つの回折条件と呼ぶ。そして、複数の回折条件が上記のレシピ情報に含まれている。なお、実際には、得られるデジタル画像の対応する部分の画像の輝度が平均的にある輝度以上となるように、ステージ５のチルト角φ２を調整してもよい。このようなチルト角φ２の調整方法は回折条件サーチとも呼ぶことができる。
　次に、評価装置１によるウェハ面のＰＥＲ検査（反射光の偏光状態の変化に基づく検査）につき説明する。この場合、図２（ｂ）のウェハ面の繰り返しパターン１２は、図３（ａ）に示すように、複数のライン部２Ａがその短手方向である配列方向（ここではＸ方向）に沿って、スペース部２Ｂを挟んで一定のピッチ（周期）Ｐで配列されたレジストパターン（ラインパターン）であるものとする。ライン部２Ａの配列方向（Ｘ方向）を、繰り返しパターン１２の周期方向（又は繰り返し方向）とも呼ぶ。
　ここで、繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａの線幅ＤAの設計値をピッチＰの１／２とする。設計値通りに繰り返しパターン１２が形成された場合、ライン部２Ａの線幅ＤAとスペース部２Ｂの線幅ＤBは等しくなり、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比は略１：１になる。これに対して、繰り返しパターン１２を形成する際の露光装置１００におけるフォーカス位置がベストフォーカス位置（適正値）から外れると、ピッチＰは変わらないが、ライン部２Ａ及びスペース部２Ｂの線幅ＤA，ＤBが設計値と異なってしまい、ライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比が略１：１から外れる。
　ＰＥＲ検査は、上記のような繰り返しパターン１２におけるライン部２Ａとスペース部２Ｂとの体積比の変化に伴う反射光の偏光状態の変化を利用して、繰り返しパターン１２の状態（良否等）の検査を行うものである。なお、説明を簡単にするため、理想的な体積比（設計値）を１：１とする。体積比の変化は、フォーカス位置の適正値からのずれ等に起因し、ウェハ１０のショット１１ごとに、さらにはショット１１内の複数の領域ごとに現れる。なお、体積比を断面形状の面積比と言い換えることもできる。
　本実施形態の評価装置１を用いて、ウェハ面のＰＥＲ検査を行うには、制御部８０が記憶部８５に記憶されたレシピ情報（検査条件や手順等）を読み込み、以下の処理を行う。まず、図２（ａ）に示すように、照明側偏光フィルタ２６及び受光側偏光フィルタ３２が光路上に挿入される。そして、図１（ｂ）の搬送系５００により、ウェハ１０をステージ５上に搬送する。なお、搬送途中で不図示のアライメント機構により得られたウェハ１０の位置情報に基づいて、ウェハ１０はステージ５上の所定の位置に所定の方向で載置される。また、ＰＥＲ検査を行うとき、ステージ５のチルト角は、受光系３０でウェハ１０からの正反射光ＩＬＲを受光できるように、すなわち入射する照明光ＩＬＩの入射角（図２（ａ）では角度θ３）に対して受光系３０で受光する光のウェハ面に対する反射角が等しくなるように設定される。さらに、ステージ５の回転角は、ウェハ面における繰り返しパターン１２の周期方向が、図３（ｂ）に示すように、ウェハ面における照明光（図３（ｂ）ではＰ偏光の直線偏光の光Ｌとしている）の振動方向に対して、４５度で傾斜するように設定される。繰り返しパターン１２からの反射光の信号強度を最も高くするためである。また、周期方向とその振動方向との角度を２２．５度や６７．５度とすることによって検出感度（露光条件の変化に対する検出信号の変化の比率）が高くなる場合には、その角度を変更してもよい。なお、その角度はこれらに限らず、任意角度に設定可能である。
　照明側偏光フィルタ２６は、導光ファイバ２４と照明側凹面鏡２５との間に配設されるとともに、その透過軸が所定の方位（方向）に設定され、透過軸に応じて照明ユニット２１からの光から偏光成分（直線偏光）を抽出する（透過させる）。本実施形態では、一例として、導光ファイバ２４から射出された光は、照明側偏光フィルタ２６及び照明側凹面鏡２５を介しＰ偏光の直線偏光Ｌ（図３（ｂ）参照）となってウェハ面に照射される。
　このとき、ウェハ面に入射する照明光ＩＬＩ（ここでは直線偏光の光Ｌ）がＰ偏光であるため、図３（ｂ）に示すように、繰り返しパターン１２の周期方向が光Ｌの入射面（ウェハ面における光Ｌの進行方向）に対して４５度の角度に設定された場合、ウェハ面における光Ｌの振動方向と繰り返しパターン１２の周期方向とのなす角度も、４５度に設定される。言い換えると、直線偏光の光Ｌは、ウェハ面における光Ｌの振動方向が繰り返しパターン１２の周期方向に対して４５度傾いた状態で、繰り返しパターン１２を斜めに横切るようにして入射する。
　ウェハ面で反射した平行光の正反射光ＩＬＲは、受光系３０の受光側凹面鏡３１により集光されて受光側偏光フィルタ３２を介して撮像装置３５の撮像面に達する。このとき、繰り返しパターン１２での構造性複屈折により正反射光ＩＬＲ（ここでは直線偏光の光Ｌ）の偏光状態が例えば楕円偏光に変化する。受光側偏光フィルタ３２の透過軸の方位は、上述した照明側偏光フィルタ２６の透過軸に対して直交するように（クロスニコルの状態に）設定されている。従って、受光側偏光フィルタ３２により、ウェハ１０（繰り返しパターン１２）からの正反射光のうち光Ｌと振動方向が略直角な偏光成分が抽出されて、撮像装置３５に導かれる。その結果、撮像装置３５の撮像面には、ウェハ１０からの正反射光のうち光Ｌに対して振動方向が略直角な偏光成分（光ＬがＰ偏光であればＳ偏光成分）によるウェハ面の像が形成される。なお、楕円偏光の短軸方向が光Ｌの偏光方向と直交していない場合は、受光側偏光フィルタ３２の透過軸をその楕円偏光の短軸方向に合わせるようにしてもよい。これによって、検出感度（露光条件の変化に対する検出信号の変化の比率）が向上する場合がある。
　そして、撮像装置３５はそのウェハ面の像の画像信号を画像処理部４０に出力し、画像処理部４０はウェハ面のデジタル画像を生成し、その画像の情報を検査部６０に出力する。検査部６０はその画像の情報を用いてウェハ１０の繰り返しパターン１２を形成する際に使用された露光装置における露光条件等を評価する。なお、照明側偏光フィルタ２６を回転してウェハ面に入射する照明光ＩＬＩの偏光方向をＰ偏光からずらすことも可能である。ただし、この場合でも、受光側偏光フィルタ３２の偏光方向は照明側偏光フィルタ２６に対してクロスニコル状態に設定される。そのようにデジタル画像を生成したときに、照明光ＩＬＩの波長λ及び照明側偏光フィルタ２６の角度の組み合わせを一つの偏光条件と呼ぶ。なお、例えば照明光ＩＬＩの入射角θ３（すなわち反射角θ３）を変更する機構を設けることも可能であり、このように入射角を変更する場合には、入射角も一つの偏光条件に含まれる。そして、複数の偏光条件が上記のレシピ情報に含まれている。
　次に、本実施形態において、評価装置１を用いてウェハ面のパターンからの光を検出して、そのパターンを形成する際に使用した露光装置１００の露光条件を評価する方法の一例につき図５のフローチャートを参照して説明する。また、その評価に際して予め評価条件を求める必要があるため、その評価条件を求める方法（以下、条件出しとも呼ぶ。）の一例につき図４のフローチャートを参照して説明する。ここでは、一例として評価装置１を用いてウェハ面の回折検査（ウェハ１０からの回折光ＩＬＤを検出して行う検査）を行うものとする。このため、図１（ａ）に示すように、評価装置１の光路から照明側偏光フィルタ２６及び受光側偏光フィルタ３２が取り出される。さらに、露光装置１００のドーズ量及びフォーカス位置を含む複数の露光条件のうち、ドーズ量の評価を行うものとする。
　まず、条件出しのために、図４のステップ１０２（条件振りウェハの作成）において、図６（ａ）に示すように、一例としてスクライブライン領域ＳＬを挟んでＮ個（Ｎは例えば数１０～１００程度の整数）のショットＳＡｎ（ｎ＝１～Ｎ）が配列されるウェハ１０ａが用意される。そして、レジストを塗布したウェハ１０ａを図１（ｂ）の露光装置１００に搬送し、露光装置１００によって、ウェハ１０ａの例えば走査露光時の走査方向（ショットの長手方向）に配列されたショット間ではフォーカス位置が次第に変化し、走査方向に直交する非走査方向（ショットの短辺方向）に配列されたショット間ではドーズ量が次第に変化するように、露光条件を変化させながら各ショットＳＡｎに同じ実デバイス用のレチクル（不図示）のパターンを露光する。この際に、フォーカス位置及びドーズ量の制御精度を高めるために、例えば走査露光時の走査速度を遅くしてもよい。その後、露光済みのウェハ１０ａを現像することによって、各ショットＳＡｎに異なる露光条件のもとで繰り返しパターン１２が形成されたウェハ（以下、条件振りウェハという。）１０ａが作成される。
　なお、通常、実デバイス用のレチクルには複数のピッチで周期方向が同一又は直交する複数のパターンが形成されており、各ショットＳＡｎにもピッチＰの繰り返しパターン１２の外に異なるピッチのパターンも形成される。さらに、例えばピッチＰの繰り返しパターンをそれよりも大きいピッチＰ１（＞Ｐ）で配列したパターンブロックがある場合、このパターンブロックからはピッチＰ１のパターンから発生する回折光と同じ回折光が発生するため、実質的にピッチＰ１のパターンがあるとみなして回折検査を行うことも可能である。
　以下では、フォーカス位置として、ベストフォーカス位置（ベストフォーカス位置は、±にフォーカスを振った時に線幅の変動が最も小さくなる位置を言う。ただし、本明細書内では、露光装置１００に設定されているベストフォーカス位置を指す。）に対するデフォーカス量（ここではフォーカス値と呼ぶ。）を用いるものとする。フォーカス位置に関しては、一例としてフォーカス値が３０ｎｍ刻みで－６０ｎｍ，－３０ｎｍ，０ｎｍ，＋３０ｎｍ，＋６０ｎｍの５段階に設定される。後述の図８（ａ）の横軸のフォーカス値の番号１～５は、その５段階のフォーカス値（－６０～＋６０ｎｍ）に対応している。なお、フォーカス値を例えば５０ｎｍ刻みで複数段階に設定することも可能であり、フォーカス値を例えば２５ｎｍ刻みで－２００ｎｍ～＋２００ｎｍの１７段階等に設定することも可能である。
　そして、ドーズ量は、一例として、１．５ｍＪ刻みで９段階（１０．０ｍＪ，１１．５ｍＪ，１３．０ｍＪ，１４．５ｍＪ，１６．０ｍＪ，１７．５ｍＪ，１９．０ｍＪ，２０．５ｍＪ，２２．０ｍＪ）に設定される。後述の図８（ｂ）の横軸のドーズ量の番号１～９は、その９段階のドーズ量（１０．０～２２．０ｍＪ）に対応している。なお、実際の半導体デバイス用のパターンの露光に要する最適な露光量（ベストドーズ）は、パターンによって５ｍＪ～４０ｍＪ程度であり、ドーズ量はそのパターンのベストドーズを中心として０．５ｍＪ～２．０ｍＪ程度の間隔で変化させることが望ましい。
　本実施形態の条件振りウェハ１０ａは、ドーズ量（露光量又は露光エネルギー）とフォーカス位置とをマトリックス状に振って露光し現像したいわゆるＦＥＭウェハ（ Focus Exposure Matrixウェハ）である。なお、フォーカス値の段階数にドーズ量の段階数を掛けて得られる露光条件の組み合わせの異なるショットの個数が、条件振りウェハ１０ａの全面のショット数よりも多い場合には、条件振りウェハ１０ａを複数枚作成してもよい。
　逆に、例えばショットＳＡｎの走査方向の配列数がフォーカス値の変化の段階数よりも大きい場合、及び／又は非走査方向の配列数がドーズ量の変化の段階数よりも大きい場合には、走査方向及び／又は非走査方向に配列されたショットの一部のショットのみを露光してもよい。ただし、この場合、フォーカス値及びドーズ量を変化させて露光した複数のショットを、走査方向又は非走査方向に複数組設け、フォーカス値及びドーズ量が同じショットに関して得られる計測値を平均化してもよい。また、例えばウェハの中心部と周辺部とのレジストの塗布むらの影響、及び走査露光時のウェハの走査方向（図２（ｂ）の＋Ｙ方向又は－Ｙ方向）の相違の影響等を軽減するために、フォーカス値及びドーズ量が異なる複数のショットをランダムに配列してもよい。
　条件振りウェハ１０ａを作成すると、条件振りウェハ１０ａを図１（ａ）の評価装置１のステージ５上に搬送する。そして、制御部８０は記憶部８５のレシピ情報から複数の回折条件を読み出す。複数の回折条件としては、一例として照明光ＩＬＩの波長λが上記のλ１、λ２、λ３のいずれかとなり、ステージ５のチルト角φ２が上記数式（数１）を満たす５つの角度Ｄ１～Ｄ５のいずれかになる１５（＝３×５）個の条件を想定する。ここでは、波長λがλｎ（ｎ＝１～３）で、チルト角φ２がＤｍ（ｍ＝１～５）になる回折条件を図８（ａ）及び（ｂ）の（ｎ－Ｄｍ）で表す。
　そして、回折条件をその１５個の条件のうちのｎ＝１でｍ＝１～５、ｎ＝２でｍ＝１～５、ｎ＝３でｍ＝１～５の条件に順次設定し、各回折条件のもとで、照明光ＩＬＩを条件振りウェハ１０ａの表面に照射し、撮像装置３５が条件振りウェハ１０ａの回折光の像を撮像して画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップ１０４）。なお、このとき、回折条件サーチを利用して回折条件を求めてもよい。図７は、その１５個の回折条件（ｎ－Ｄｍ）で撮像された条件振りウェハ１０ａの像Ａ１～Ａ１５の輝度分布の一例を示す。
　次に、画像処理部４０は、撮像装置３５から入力された条件振りウェハ１０ａの画像信号に基づいて、複数（ここでは１５個）の回折条件のそれぞれに関して条件振りウェハ１０ａの全面のデジタル画像を生成する。そして、その複数の回折条件に関して、それぞれ対応するデジタル画像を用いて、条件振りウェハ１０ａのスクライブライン領域ＳＬを除いた全部のショットＳＡｎ（図６（ｂ）参照）内の全部の画素の信号強度を平均化した平均信号強度を算出し、算出結果を検査部６０に出力する（ステップ１０６）。なお、その平均信号強度をショット平均輝度（又はショット内平均輝度）とも呼ぶ。このようにショット平均輝度を算出するのは、露光装置１００の投影光学系の収差の影響等を抑制するためである。なお、その収差の影響等をさらに抑制するために、例えば図６（ｂ）のショットＳＡｎの中央部の部分領域ＣＡｎ内の全部の画素の信号強度を平均化した平均信号強度（平均輝度）を算出してもよい。
　ただし、予め投影光学系の収差の影響（デジタル画像に与える誤差分布）を求めておき、デジタル画像の段階でその収差の影響を補正することも可能である。この場合には、ショット平均輝度の代わりに、ショットＳＡｎ内のＩ個（Ｉは例えば数１０の整数）の長方形等の設定領域１６（図６（ｃ）参照）毎に平均信号強度（平均輝度）を算出し、例えばショットＳＡｎ内で同じ位置にある設定領域１６の平均輝度を用いてこれ以降の処理を行うようにしてもよい。設定領域１６の配列は、例えば走査方向に６行で非走査方向に５列であるが、その大きさ及び配列は任意である。
　そして、検査部６０内の第１演算部６０ａは、その複数の回折条件（ｎ－Ｄｍ）のそれぞれに関して得られる条件振りウェハ１０ａの全部のショット平均輝度から、露光条件中のドーズ量が同じでフォーカス値が５段階に変化するときの平均輝度の変化特性をフォーカス変化曲線として抽出し、記憶部８５に記憶する（ステップ１０８）。図８（ａ）は、そのうちでドーズ量がベストドーズであるときに回折条件（ｎ－Ｄｍ）で得られる複数（ここでは１５個）のフォーカス変化曲線を示す。図８（ａ）、（ｂ）の縦軸はショット平均輝度の相対値、図８（ａ）の横軸は第１段階～第５段階のフォーカス値（－１００～＋１００ｎｍ）である。
　また、その第１演算部６０ａは、その複数の回折条件（ｎ－Ｄｍ）のそれぞれに関して得られる全部のショット平均輝度から、露光条件中のフォーカス値が同じでドーズ量が９段階に変化するときの平均輝度の変化特性をドーズ変化曲線として抽出し、記憶部８５に記憶する（ステップ１１０）。図８（ｂ）は、そのうちでフォーカス値が０（ベストフォーカス位置）であるときに回折条件（ｎ－Ｄｍ）で得られる複数のドーズ変化曲線を示す。図８（ｂ）の横軸は第１段階～第９段階のドーズ量（１０．０～２２．０ｍＪ）である。
　その後、その第１演算部６０ａは、上記の複数の回折条件から、フォーカス変化曲線が同じ傾向（例えばフォーカス値が増加するときに両方のショット平均輝度がほぼ同じように増減する特性）を持ち、ドーズ変化曲線が逆の傾向（例えばドーズ量が増加するときに一方のショット平均輝度がほぼ増加して他方のショット平均輝度がほぼ減少する特性）を持つ第１及び第２の回折条件を選択し、選択された２つの回折条件を記憶部８５に記憶する（ステップ１１２）。本実施形態では、そのような第１及び第２の回折条件として（ｎ＝１，ｍ＝２）の（１－Ｄ２）及び（ｎ＝３，ｍ＝３）の（３－Ｄ３）を選択する。図９（ａ）は、図８（ａ）の１５個のフォーカス変化曲線のうち、回折条件（１－Ｄ２）及び（３－Ｄ３）のもとで得られた２つのフォーカス変化曲線Ｂ２及びＢ１３を示し、図９（ｂ）は、図８（ｂ）の１５個の変化曲線のうち、回折条件（１－Ｄ２）及び（３－Ｄ３）のもとで得られた２つのドーズ変化曲線Ｃ２及びＣ１３を示す。フォーカス変化曲線Ｂ２及びＢ１３は同じ傾向で変化しており、ドーズ変化曲線Ｃ２及びＣ１３は逆の傾向で変化していることが分かる。
　そして、第１演算部６０ａは、第１の回折条件（１－Ｄ２）で得られたフォーカス変化曲線Ｂ２をゲインａ（任意の倍率又は比例係数）及びオフセットｂで補正した曲線Ｂ２Ａ（図１０（ａ）参照）と、第２の回折条件（３－Ｄ３）で得られたフォーカス変化曲線Ｂ１３とが一致するように、すなわち補正後の曲線Ｂ２Ａとフォーカス変化曲線Ｂ１３との差分（以下、フォーカス残差という。）ΔＢが最小になるようにゲインａ及びオフセットｂを決定し、これらのゲインａ及びオフセットｂを記憶部８５に記憶する（ステップ１１４）。なお、図１０（ａ）の右側の縦軸がフォーカス残差ΔＢの値である。この場合、一例として、フォーカス変化曲線Ｂ２，Ｂ１３のフォーカス値がＦｉ（ｉ＝１～５）のときの値をＬＢ２（Ｆｉ），ＬＢ１３（Ｆｉ）として、次の差分の自乗和である誤差が最小になるようにゲインａ及びオフセットｂを決定してもよい。図９（ａ）の場合、曲線Ｂ２の値は曲線Ｂ１３よりも大きいため、ゲインａは１より小さい値になる。下記数式（数２）中の積算はフォーカス値Ｆｉ（ｉ＝１～５）に関して実行される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　なお、ゲインａ及びオフセットｂは、露光対象のレチクルのパターン毎にそれらの値を決定して記憶してもよい。
　また、第２の回折条件（３－Ｄ３）で得られたフォーカス変化曲線Ｂ１２をゲインａ’（比例係数又は倍率）及びオフセットｂ’で補正した曲線と、第１の回折条件（１－Ｄ２）で得られたフォーカス変化曲線Ｂ２とが一致するようにゲインａ’及びオフセットｂ’を決定してもよい。さらに、曲線Ｂ２Ａ及びフォーカス変化曲線Ｂ１３をフォーカス値Ｆｉに関する高次多項式（例えば４次の多項式）で近似し、これらの差分の自乗和が最小になるようにａ，ｂの値を決定してもよい。また、ゲインａ又はオフセットｂのみを使用して、一方のフォーカス変化曲線を補正し、この補正後の曲線が他方のフォーカス変化曲線とできるだけ一致するようにａ又はｂの値を決定してもよい。さらに、例えばフォーカス値Ｆｉごとに、補正後の差分が０になるように一方のフォーカス変化曲線に掛ける係数ｃｆｉを独立に決定してもよい。
　なお、２つのフォーカス変化曲線の特性が相反する傾向（例えばフォーカス値Ｆｘの変化に対して、一方の曲線ＦＡ１が凸状に変化して他方の曲線ＦＢ１が凹状に変化すること）を持ち、ドーズ変化曲線の特性が同じ傾向（例えばドーズ量の変化に対して、２つの曲線ＤＡ１，ＤＡ２がほぼ単調に増加又は減少すること）を持つ２つの回折条件を用いることも可能である。この場合、一方の曲線ＦＡ１を関数（ｆａ（Ｆｘ）＋ｆｂ１）（ｆｂは定数）とすると、他方の曲線ＦＢ１はほぼ関数（－ｆｂ１・ｆａ（Ｆｘ）＋ｆｂ２）（ｆｂ１，ｆｂ２は定数で、ｆｂ１は正）となり、曲線ＦＢ１を曲線ＦＡ１に合わせるためのゲインａ１は－１／ｆｂ１という負の値になる。このため、上記数式（数２）の右辺の括弧内の演算は、ゲインａ１に関しては、曲線ＦＡ１と、曲線ＦＢ１に定数（１／ｆｂ１）を掛けた値との和になる。
　次に、第１演算部６０ａは、図９（ｂ）の第１の回折条件（１－Ｄ２）で得られたドーズ変化曲線Ｃ２をステップ１１４で算出されたゲインａ及びオフセットｂで補正した曲線Ｃ２Ａ（図１０（ｂ）参照）と、第２の回折条件（３－Ｄ３）で得られたドーズ変化曲線Ｃ１３との差分（ドーズ差分）をドーズ量の関数で表した曲線（以下、基準ドーズ曲線という。）ＳＤ１を算出し、算出された図１０（ｂ）の基準ドーズ曲線ＳＤ１を記憶部８５に記憶する（ステップ１１６）。なお、図１０（ｂ）の右側の縦軸がドーズ差分の値である。また、基準ドーズ曲線ＳＤ１もドーズ量に関する１次式又は高次多項式で近似してもよい。以上の動作によって、露光装置１００の露光条件を評価する際に使用する評価条件である第１及び第２の回折条件を求める条件出しが終了したことになる。
　次に、実際のデバイス製造工程において露光装置１００による露光によってパターンが形成されたウェハに対して、評価装置１によって上記の条件出しで求められた２つの回折条件（１－Ｄ２）及び（３－Ｄ３）を用いる回折検査を行うことによって、露光装置１００の露光条件中のドーズ量を以下のように評価する。この評価動作はドーズモニターと呼ぶこともできる。まず、図５のステップ１２０において、図６（ａ）と同じショット配列を持ち、レジストを塗布した実露光用のウェハ１０を図１（ｂ）の露光装置１００に搬送し、露光装置１００によって、ウェハ１０の各ショットＳＡｎ（ｎ＝１～Ｎ）に実デバイス用のレチクル（不図示）のパターンを露光し、露光後のウェハ１０を現像する。この際の露光条件は、全部のショットにおいて、ドーズ量に関してはそのレチクルに応じて定められているベストドーズであり、フォーカス位置に関してはベストフォーカス位置である。
　しかしながら、実際には露光装置１００における走査露光時のスリット状の照明領域内の例えば非走査方向における僅かな照度むら等の影響によって、ウェハ１０のショットＳＡｎ毎に、さらに各ショットＳＡｎ内の複数の設定領域１６毎にドーズ量にばらつき等が生じる可能性があるため、そのドーズ量の評価を行う。さらに、露光装置１００における振動等の影響によって、ショットＳＡｎ毎に、さらに各ショットＳＡｎ内の複数の設定領域１６毎にフォーカス位置にもばらつき等が生じる可能性がある。この場合、単に回折検査を行うとその検査結果にはドーズ量の外にフォーカス位置に起因する部分も含まれているため、そのフォーカス位置の影響を以下のようにして排除する。
　露光及び現像後のウェハ１０は、不図示のアライメント機構を介して図１（ａ）の評価装置１のステージ５上にロードされる（ステップ１２２）。そして、制御部８０は記憶部８５のレシピ情報から上記の条件出しで決定された第１及び第２の回折条件（１－Ｄ２）及び（３－Ｄ３）を読み出す。そして、回折条件を順次その第１及び第２の回折条件に設定し、各回折条件のもとで、それぞれ照明光ＩＬＩをウェハ１０の表面に照射し、撮像装置３５がウェハ１０の回折光の像を撮像して画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップ１２４）。
　なお、上述の図４の条件出し工程中のステップ１０４において、複数の回折条件のもとで得られた図７に示す条件振りウェハの像Ａ１～Ａ１３のうち、その第１の回折条件（１－Ｄ２）のもとで得られた像が像Ａ２であり、その第２の回折条件（３－Ｄ３）のもとで得られた像が像Ａ１３である。このため、その第１及び第２の回折条件のもとで撮像されたウェハ１０の各部分の像の輝度は、それぞれ像Ａ２及びＡ１３中で、ウェハ１０の当該部分のドーズ量及びフォーカス値が条件振りウェハ中でほぼ同じになる部分の像の輝度とほぼ同じになる。
　次に、画像処理部４０は、撮像装置３５から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、第１及び第２の回折条件のそれぞれに関してウェハ１０の全面のデジタル画像を生成する。そして、その第１及び第２の回折条件に関して、それぞれ対応するデジタル画像を用いて、ウェハ１０の全部のショットＳＡｎ内のＩ個の設定領域１６（図６（ｃ）参照）毎に平均信号強度（平均輝度）を算出し、算出結果を検査部６０に出力する（ステップ１２６）。なお、その設定領域１６の代わりに撮像装置３５の撮像素子の各画素に対応する領域を使用してもよい。ここで、第１及び第２の回折条件のもとでｎ番目のショット内のｉ番目の設定領域１６で得られる平均輝度をそれぞれＬ１ｎｉ及びＬ２ｎｉとする（ｎ＝１～Ｎ，ｉ＝１～Ｉ）。これらの平均輝度にはそれぞれフォーカス変化曲線及びドーズ変化曲線の２つの値が含まれている。
　そして、検査部６０内の第３演算部６０ｃは、ウェハ１０の全部の設定領域１６毎に、第１の回折条件（１－Ｄ２）で得られた平均輝度Ｌ１ｎｉを上記のステップ１１４で算出されたゲインａ及びオフセットｂで補正した輝度Ｌ１ｎｉ’から、第２の回折条件（３－Ｄ３）で得られた平均輝度Ｌ２ｎｉを減算して平均輝度の差分Δｎｉを算出し、算出結果を記憶部８５に記憶する（ステップ１２８）。この差分Δｎｉからは、図１０（ａ）の補正後のフォーカス変化曲線Ｂ２Ａ，Ｂ１３に対応する成分がほぼ除去されており、図１０（ｂ）の補正後のドーズ変化曲線Ｃ２Ａ，Ｃ１３の差分に対応する成分のみがほぼ残されている。
　そこで、第３演算部６０ｃは、ウェハ１０の全部の設定領域１６毎に、上記のステップ１１６で記憶した図１０（ｂ）の基準ドーズ曲線ＳＤ１に上記の平均輝度の差分Δｎｉを当てはめて対応するドーズ量Ｄｎｉを算出又は推定し、算出結果又は推定結果を記憶部８５に記憶する（ステップ１３０）。このように算出又は推定されるドーズ量Ｄｎｉからはフォーカス位置に起因する成分が除去されている。その後、制御部８０がドーズ量Ｄｎｉを例えば明るさ（又は色を変化させてもよい）に換算してウェハ１０の全面のドーズ分布（例えば図１１（ａ）の画像で表される分布）を表示装置（不図示）に表示する（ステップ１３２）。さらに、制御部８０の制御のもとで信号出力部９０からホスト・コンピュータ６００を介して露光装置１００に、ウェハ１０の全面のドーズ分布の情報が提供される（ステップ１３４）。これに応じて露光装置１００の制御部（不図示）では、例えばそのドーズ分布とベストドーズとの差分の分布を求め、この差分の分布が所定の許容範囲を超えている場合に、例えば走査露光時の照明領域の走査方向の幅の分布の補正等を行う。これによって、その後の露光時にドーズ分布の誤差が低減される。
　この実施形態によれば、実デバイス用のパターンが形成されたウェハ１０を用いて２つの回折条件のもとで回折検査を行うことによって、そのパターンの形成時に使用された露光装置１００の露光条件中のドーズ量をフォーカス位置の影響を除去して高精度に推定又は評価できる。
　上述のように、本実施形態の評価装置１は、ドーズ量及びフォーカス位置（第１及び第２露光条件）を含む複数の露光条件のもとでの露光により設けられた凹凸の繰り返しパターン１２（構造体）を有するウェハ１０を照明光で照明する照明系２０と、その照明光によりウェハ１０の表面（露光面）から発生する光を検出する受光系３０及び撮像部３５（検出部）と、その照明系２０の照明条件（波長λ等）とその受光系３０及び撮像部３５の検出条件（ステージ５のチルト角φ２等）との少なくとも一方が異なる第１及び第２の回折条件（評価条件）のもとで撮像部３５により得られた検出結果に、そのフォーカスの変化に対する変化量を抑制する演算を施して得られる演算結果から、ウェハ１０の露光時のドーズ量を算出又は推定する演算部５０と、を備えている。
　また、評価装置１を用いる評価方法は、ウェハ１０を照明光で照明し、その照明光によりウェハ１０の繰り返しパターン１２が形成された表面から発生する光を検出するステップ１２４と、その照明光の照明条件とウェハ１０の表面から発生する光の検出条件との少なくとも一方が異なる第１及び第２の回折条件のもとでその表面から発生する光を検出して得られた検出結果に、フォーカス位置の変化に対する変化量を抑制する演算を施して得られる演算結果から、ウェハ１０の露光時のドーズ量を算出又は推定するステップ１２８，１３０と、を有する。
　この実施形態によれば、複数の加工条件としての複数の露光条件のもとでの露光により設けられた凹凸の繰り返しパターン１２を有するウェハ１０を用いて、その複数の露光条件のうちのドーズ量をフォーカス位置の影響を抑制した状態で高精度に推定又は評価できる。また、別途計測用のパターンを使用する必要がなく、実デバイスのパターンが形成されたウェハからの光を検出することによって露光条件が評価できるため、実際に露光するパターンに関する露光条件を効率的に、かつ高精度に評価できる。
　また、その評価方法は、ドーズ量及びフォーカス位置の少なくとも一方を変えながら評価用のウェハを露光し、このウェハの表面の複数のショットに繰り返しパターン１２を設けて条件振りウェハ１０ａ（評価用基板）を作成するステップ１０２と、ウェハ１０ａの繰り返しパターン１２が設けられた表面を照明光で照明し、その照明光によりその表面から発生する光を検出するステップ１０４．１０６と、その照明光の照明条件とウェハ１０ａの表面から発生する光の検出条件との少なくとも一方が異なる第１及び第２の回折条件のもとで、条件振りウェハ１０ａに関してその表面から発生する光を検出して得られた複数の検出結果を用いて、フォーカス位置の変化に対する変化量を抑制可能な検出結果を生じるその第１及び第２の回折条件を予め求めて記憶するステップ１０８～１１２と、その第１及び第２の回折条件のもとで得られた２つの検出結果に施す演算式の係数（ゲインａ及びオフセットｂ）を求めて記憶するステップ１１４と、を有する。
　従って、予めその第１及び第２の回折条件を求めておくことにより、この後は２回の計測を行うだけで効率的に実デバイスのパターンが形成されたウェハに関して露光条件を効率的に評価できる。
　また、本実施形態のデバイス製造システムＤＭＳ（露光システム）は、ウェハの表面にパターンを露光する投影光学系を有する露光装置１００（露光部）と、本実施形態の評価装置１と、を備え、評価装置１の演算部５０によって推定される第１の露光条件（第１の加工条件）に応じて露光装置１００における露光条件（加工条件）を補正している。
　また、本実施形態の露光方法（加工方法）は、ウェハの表面に露光によりパターンを設け（ステップ１２０）、本実施形態の評価方法を用いてウェハの第１の露光条件を推定し（ステップ１２２～１３０）、その評価方法によって推定される第１の露光条件に応じてウェハの露光時の露光条件を補正している（ステップ１３４）。
　このように、評価装置１又はこれを用いる評価方法によって推定される第１の露光条件に応じて露光装置１００による露光条件を補正することによって、実際にデバイス製造のために使用されるウェハを用いて、効率的に、かつ高精度に露光装置１００における露光条件を目標とする状態に設定できる。
　なお、上記の実施形態では、フォーカス位置の影響を抑制してドーズ量を評価しているが、図１２（ａ）、（ｂ）の変形例の要部のフローチャートで示すように、ドーズ量の影響を抑制してフォーカス位置を評価することも可能である。この評価動作はフォーカスモニターと呼ぶこともできる。この変形例では、図４のステップ１１０に続いて図１２（ａ）のステップ１１２Ａにおいて、図１（ａ）の検査部６０の第２演算部６０ｂが、上記の複数の回折条件から、ドーズ変化曲線が同じ傾向を持ち、フォーカス変化曲線が逆の傾向を持つ第１及び第２の回折条件を選択し、選択された２つの回折条件を記憶部８５に記憶する。そのような第１及び第２の回折条件として、（ｎ＝１，ｍ＝３）の（１－Ｄ３）及び（ｎ＝１，ｍ＝４）の（１－Ｄ４）を選択する。
　なお、上述の図４の条件出し工程中のステップ１０４において、複数の回折条件のもとで得られた図７に示す条件振りウェハの像Ａ１～Ａ１３のうち、その第１の回折条件（１－Ｄ３）のもとで得られた像が像Ａ３であり、その第２の回折条件（１－Ｄ４）のもとで得られた像が像Ａ４である。このため、その第１及び第２の回折条件のもとで撮像されたウェハ１０の各部分の像の輝度は、それぞれ像Ａ３及びＡ４中で、ウェハ１０の当該部分のドーズ量及びフォーカス値が条件振りウェハ中でほぼ同じになる部分の像の輝度とほぼ同じになる。
　図１３（ａ）は、図８（ｂ）の１５個のドーズ変化曲線のうち、回折条件（１－Ｄ３）及び（１－Ｄ４）のもとで得られた２つのドーズ変化曲線Ｃ２及びＣ４を示し、図１３（ｂ）は、図８（ａ）の１５個の変化曲線のうち、回折条件（１－Ｄ３）及び（１－Ｄ４）のもとで得られた２つのフォーカス変化曲線Ｂ３及びＢ４を示す。ドーズ変化曲線Ｃ２及びＣ４は同じ傾向で変化しており、フォーカス変化曲線Ｂ３及びＢ４は逆の傾向で変化していることが分かる。なお、フォーカス値が小さい範囲ではフォーカス変化曲線Ｂ３の負の傾きの絶対値がフォーカス変化曲線Ｂ４の負の傾きの絶対値よりも大きいため、フォーカス値の全部の範囲内で、曲線Ｂ３の傾きは曲線Ｂ４の傾きよりも小さくなり、曲線Ｂ３，Ｂ４は逆の傾向で変化しているとみなすことができる。
　そして、第２演算部６０ｂは、第１の回折条件（１－Ｄ３）で得られたドーズ変化曲線Ｃ３をゲインａ及びオフセットｂで補正した曲線（不図示）と、第２の回折条件（１－Ｄ４）で得られたドーズ変化曲線Ｃ４とが一致するように、すなわち補正後の曲線とドーズ変化曲線Ｃ４との残差ΔＣの自乗和が最小になるようにゲインａ及びオフセットｂを決定し、これらのゲインａ及びオフセットｂを記憶部８５に記憶する（ステップ１１４Ａ）。なお、図１３（ａ）の右側の縦軸が残差ΔＣの値である。
　次に、第２演算部６０ｂは、図１３（ｂ）の第１の回折条件（１－Ｄ３）で得られたフォーカス変化曲線Ｂ３をステップ１１４Ａで算出されたゲインａ及びオフセットｂで補正した曲線（不図示）と、第２の回折条件（１－Ｄ４）で得られたフォーカス変化曲線Ｂ４との差分（フォーカス差分）をフォーカス値の関数で表した曲線（以下、基準フォーカス曲線という。）ＳＦ１を算出し、算出された基準フォーカス曲線ＳＦ１を記憶部８５に記憶する（ステップ１１６Ａ）。なお、図１０（ｂ）の右側の縦軸がフォーカス差分の値である。また、基準フォーカス曲線ＳＦ１もフォーカス値に関する１次式又は高次多項式で近似してもよい。
　そして、露光装置１００の露光及び現像後のウェハの回折検査によってそのウェハの露光条件であるフォーカス位置を評価する場合には、図５のステップ１２４では、ステップ１１２Ａで選択された第１及び第２の回折条件（１－Ｄ３）及び（１－Ｄ４）のもとでウェハ１０の像が撮像され、図５のステップ１２８では、ステップ１１４Ａで記憶されたゲインａ及びオフセットｂを用いて、ウェハ１０の設定領域毎に、その第１及び第２の回折条件のもとで得られた２つの平均輝度の差分Δｎｉが算出される。そして、ステップ１２８に続いて、図１２（ｂ）のステップ１３０Ａにおいて、検査部６０の第３演算部６０ｃは、ウェハ１０の全部の設定領域１６毎に、上記のステップ１１６Ａで記憶した図１３（ｂ）の基準フォーカス曲線ＳＦ１に上記の平均輝度の差分Δｎｉを当てはめて対応するフォーカス値Ｆｎｉを算出又は推定する。算出結果又は推定結果を記憶部８５に記憶する。このように算出又は推定されるフォーカス値Ｆｎｉからはドーズ量に起因する成分が除去されている。
　その後、制御部８０がフォーカス値Ｆｎｉを例えば明るさ（又は色を変化させてもよい）に換算してウェハ１０の全面のフォーカス分布（例えば図１１（ｂ）の画像で表される分布）を表示装置（不図示）に表示する（ステップ１３６）。さらに、制御部８０の制御のもとで信号出力部９０から露光装置１００に、ウェハ１０の全面のフォーカス分布の情報が提供される（ステップ１３４Ａ）。これに応じて露光装置１００の制御部（不図示）では、例えばそのフォーカス分布とベストフォーカス位置との差分の分布を求め、この差分の分布が所定の許容範囲を超えている場合に、例えばオートフォーカス機構（不図示）の調整等（補正）を行う。これによって、その後の露光時にフォーカス分布の誤差が低減される。
　なお、上記の実施形態では、２つの回折条件のもとで得られたウェハの画像から得られる平均輝度に一方の露光条件の影響を抑制するための演算を施している。この外に、例えば３個以上の回折条件のもとで得られたウェハの画像から得られる３個以上の輝度に、一方の露光条件の影響を抑制するための演算を施し、この演算結果から他方の露光条件を求めるようにしてもよい。
　さらに、上記の実施形態では、評価装置１によるウェハ面の回折検査を用いて露光条件を検査しているが、評価装置１によるウェハ面のＰＥＲ検査（反射光の偏光状態の変化に基づく検査）を用いて露光条件を検査してもよい。
　また、上記の実施形態では、複数の回折条件（又は偏光条件）から、例えばフォーカス変化曲線が同じ傾向を持ち、ドーズ変化曲線が逆の傾向を持つ第１及び第２の回折条件（又は偏光条件）を選択しているため、第１及び第２の回折条件（又は偏光条件）の選択が容易である。これ以外に、複数の回折条件（又は偏光条件）から、これらの条件のもとでの検出結果の例えばフォーカス値の変化に対する差分（又は差分の自乗和）よりもドーズ量の変化に対する差分（又は差分の自乗和）が大きくなるように、第１及び第２回折条件（又は偏光条件）を選択するようにしてもよい。
　さらに、上記の実施形態では、露光条件としてドーズ量及びフォーカス位置を評価しているが、露光条件として、露光装置１００における露光光の波長、照明条件（例えばコヒーレンスファクタ（σ値）、投影光学系ＰＬの開口数、又は液浸露光時の液体の温度等を評価するために上記の実施形態の回折検査又はＰＥＲ検査を使用してもよい。
　［第２の実施形態］
　第２の実施形態につき図１４（ａ）～図１５（ｂ）を参照して説明する。本実施形態においても、図１（ｂ）のデバイス製造システムＤＭＳを使用し、加工条件を評価するために図１（ａ）の評価装置１を使用する。また、本実施形態では、いわゆるスペーサ・ダブルパターニング法（又はサイドウォール・ダブルパターニング法）で微細なピッチの繰り返しパターンが形成されたウェハの加工条件を評価する。
　スペーサ・ダブルパターニング法では、まず、図１４（ａ）に示すように、ウェハ１０ｄの例えばハードマスク層１７の表面に、レジストの塗布、露光装置１００によるパターンの露光、及び現像によって、複数のレジストパターンのライン部２ＡをピッチＰで配列した繰り返しパターン１２が形成される。本実施形態では、ピッチＰが露光装置１００の解像限界に近いとする。この後、図１４（ｂ）に示すように、ライン部２Ａをスリミングによって線幅が１／２のライン部１２Ａにし、不図示の薄膜形成装置でライン部１２Ａを覆うようにスペーサ層１８を堆積する。その後、エッチング装置３００でウェハ１０ｄのスペーサ層１８だけをエッチングした後、エッチング装置３００でライン部１２Ａのみを除去することで、図１４（ｃ）に示すように、ハードマスク層１７上に線幅がほぼＰ／４の複数のスペーサ部１８ＡをピッチＰ／２で配列した繰り返しパターンが形成される。その後、複数のスペーサ部１８Ａをマスクとしてハードマスク層１７をエッチングすることによって、図１４（ｄ）に示すように、線幅がほぼＰ／４のハードマスク部１７ＡをピッチＰ／２で配列した繰り返しパターン１７Ｂが形成される。この後、一例として、繰り返しパターン１７Ｂをマスクとして、ウェハ１０ｄのデバイス層１０ｄａのエッチングを行うことで、露光装置１００の解像限界のほぼ１／２のピッチの繰り返しパターンが形成できる。さらに、上記の工程を繰り返すことによって、ピッチがＰ／４の繰り返しパターンを形成することも可能である。
　また、評価装置１を用いて回折検査を行う場合、回折が起こるためには繰り返しパターンのピッチが評価装置１の照明光ＩＬＩの波長λの１／２以上でなければならない。そのため、照明光として波長が２４８ｎｍの光を用いた場合、ピッチＰが１２４ｎｍ以下の繰り返しパターン１２では回折光ＩＬＤが発生しなくなる。このため、図１４（ａ）の場合のように、ピッチＰが露光装置１００の解像限界に近いと、回折検査は次第に困難になる。さらに、図１４（ｄ）の場合のように、ピッチがＰ／２（さらにはＰ／４）の繰り返しパターン１７Ｂに関しては、正反射光ＩＬＲのみが発生するため、回折検査は困難である。ただし、繰り返しパターン１７Ｂがより大きいピッチで配列されたパターンブロックが存在する場合には、このパターンブロックからの回折光を検出することにより、回折検査も可能である。
　本実施形態では、図１４（ｄ）のように、回折光が発生しない繰り返しパターン１７Ｂが各ショットに形成されたウェハ１０ｄからの光を検出して、繰り返しパターン１７Ｂの加工条件を評価するために、評価装置１によるウェハ面のＰＥＲ検査（反射光の偏光状態の変化に基づく検査）を行う。以下、図１５（ａ）のフローチャートを参照して、ＰＥＲ検査を行うときに使用する複数の偏光条件を選択する条件出しにつき説明し、図１５（ｂ）のフローチャートを参照して、その選択された偏光条件を用いてＰＥＲ検査を行って、デバイス製造システムＤＭＳの加工条件を評価する方法につき説明する。なお、図１５（ａ）、（ｂ）において、図４及び図５に対応するステップには同一又は類似の符号を付して、その説明を省略又は簡略化する。
　ここでは、評価装置１を用いてウェハ１０ｄのピッチＰ／２の繰り返しパターン１７Ｂが形成された表面のＰＥＲ検査を行うため、図２（ａ）に示すように、評価装置１の光路に照明側偏光フィルタ２６及び受光側偏光フィルタ３２が挿入され、ウェハ１０ｄが載置されるステージ５のチルト角は、照明系２０からの照明光ＩＬＩが照射されたウェハ１０ｄからの正反射光ＩＬＲを受光系３０で受光できるように設定される。また、ステージ５の回転角は、繰り返しパターン１７Ｂの周期方向と、照明光ＩＬＩの入射方向とが例えば４５度で交差するように設定される。そして、複数の偏光条件としては、一例として、照明光ＩＬＩの波長λａ（上記のλ１～λ３のいずれか）と、照明側偏光フィルタ２６の角度θｂ（例えば繰り返しパターンの周期方向に対する偏光軸の回転角度、回転角３５度＋５度×ｂ（ｂ＝０～４））との組み合わせである１５の条件（λａ，θｂ）（ａ＝１～３，ｂ＝０～４）を想定する。ただし、照明側偏光フィルタ２６の角度が切り換えられたときには、受光側偏光フィルタ３２の角度も、照明側偏光フィルタ２６に対してクロスニコル状態を維持するように切り換えられる。さらに、本実施形態では、デバイス製造システムＤＭＳによる繰り返しパターン１７Ｂの加工条件として、図１４（ｂ）のスペーサ層１８の堆積時間ｔｓ（薄膜堆積量）及びスペーサ層１８のエッチング時間ｔｅ（エッチング量）を想定し、このうちのエッチング時間ｔｅを堆積時間ｔｓの影響を抑制しながら評価するものとする。
　まず、条件出しのために、図１５のステップ１０２Ａにおいて、図１４（ａ）～（ｄ）のスペーサ・ダブルパターニング・プロセスを、５種類の堆積時間ｔｓ（ｔｓ３～ｔｓ７）及び５種類のエッチング時間ｔｅ（ｔｅ３～ｔｅ７）を組み合わせた２５（＝５×５）回のプロセスで実行して、２５枚の条件振りウェハ（不図示）の各ショットにそれぞれ繰り返しパターン１７Ｂを形成する。なお、堆積時間ｔｓ５がベスト堆積時間（適正量）であり、エッチング時間ｔｅ５がベストエッチング時間（適正エッチング量）であるとする。この場合、エッチング時間ｔｅ３，ｔｅ４はエッチング不足であり、エッチング時間ｔｅ６，ｔｅ７はエッチング過剰である。
　作成された複数（ここでは２５枚）の条件振りウェハは順次、図２（ａ）の評価装置１のステージ５上に搬送される。そして、複数の条件振りウェハのそれぞれにおいて、上記の複数（ここでは１５個）の偏光条件（λａ，θｂ）のもとで照明光ＩＬＩを条件振りウェハの表面に照射し、撮像装置３５が条件振りウェハからの正反射光ＩＬＲによる像を撮像して画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップ１０４Ａ）。ここでは２５枚の条件振りウェハに関してそれぞれ１５個の像が撮像されるため、画像処理部４０において、全部で３７５（＝２５×１５）個のデジタル画像が得られる。
　さらに、画像処理部４０は、その複数の偏光条件に関して、それぞれ対応するデジタル画像を用いて、条件振りウェハの全部のショット（又はショットの中央部の領域）内の全部の画素の信号強度を平均化した平均信号強度（平均輝度）を算出し、算出結果を検査部６０に出力する（ステップ１０６Ａ）。
　そして、検査部６０内の第１演算部６０ａは、その複数の偏光条件（λａ，θｂ）のそれぞれに関して得られる全部の条件振りウェハの平均輝度から、加工条件中のエッチング量（エッチング時間ｔｅ）が同じで堆積量（堆積時間ｔｓ）が５段階に変化するときの平均輝度の変化特性をスペーサ変化曲線（不図示）として抽出し、記憶部８５に記憶する（ステップ１０８Ａ）。また、その第１演算部６０ａは、その複数の偏光条件（λａ，θｂ）のそれぞれに関して得られる全部の平均輝度から、加工条件中の堆積量が同じでエッチング量が５段階に変化するときの平均輝度の変化特性をエッチング変化曲線（不図示）として抽出し、記憶部８５に記憶する（ステップ１１０Ａ）。
　その後、その第１演算部６０ａは、上記の複数の偏光条件（λａ，θｂ）から、スペーサ変化曲線が同じ傾向（例えば堆積時間ｔｓが増加するときに両方の平均輝度がほぼ同じように増減する特性）を持ち、エッチング変化曲線が逆の傾向（例えばエッチング時間ｔｅが増加するときに一方の平均輝度がほぼ増加して他方の平均輝度がほぼ減少する特性）を持つ第１及び第２の偏光条件を選択し、選択された２つの偏光条件を記憶部８５に記憶する（ステップ１１２Ｂ）。図１４（ｅ）は、１５個のスペーサ変化曲線のうち、第１及び第２の偏光条件のもとで得られた２つの変化曲線Ｂｋ１及びＢｋ２を示し、図１４（ｆ）は、１５個のエッチング変化曲線のうち、第１及び第２の偏光条件のもとで得られた２つの変化曲線Ｃｋ１及びＣｋ２を示す。変化曲線Ｂｋ１及びＢｋ２は同じ傾向で変化しており、変化曲線Ｃｋ１及びＣｋ２は逆の傾向で変化している。
　そして、第１演算部６０ａは、第１の偏光条件で得られたスペーサ変化曲線Ｂｋ１をゲインａ及びオフセットｂで補正した変化曲線（不図示）と、第２の偏光条件で得られたスペーサ変化曲線Ｂｋ２とが一致するように、すなわち補正後の曲線と曲線Ｂｋ２との差分ΔＢｋが最小自乗法で最小になるようにゲインａ及びオフセットｂを決定し、これらのゲインａ及びオフセットｂを記憶部８５に記憶する（ステップ１１４Ｂ）。なお、図１４（ｅ）の右側の縦軸が差分ΔＢｋの値である。なお、部分的に差分△Ｂｋの値が比較的大きくなってしまう場合は、その部分だけ異なるゲインａ’及びオフセットｂ’とすることも出来る。
　次に、第１演算部６０ａは、図１４（ｆ）の第１の偏光条件で得られたエッチング変化曲線Ｃｋ１をステップ１１４Ｂで算出されたゲインａ及びオフセットｂで補正した曲線（不図示）と、第２の偏光条件で得られたエッチング変化曲線Ｃｋ２との差分をエッチング時間ｔｅ（エッチング量）の関数で表した曲線（以下、基準エッチング曲線という。）ＳＥ１を算出し、算出された基準エッチング曲線ＳＥ１を記憶部８５に記憶する（ステップ１１６Ｂ）。なお、図１４（ｆ）の右側の縦軸が基準エッチング曲線ＳＥ１の値である。また、基準エッチング曲線ＳＥ１もエッチング時間ｔｅに関する１次式又は高次多項式で近似してもよい。以上の動作によって、加工条件を評価する際に使用する評価条件である第１及び第２の偏光条件を求める条件出しが終了したことになる。
　次に、実際のデバイス製造工程においてデバイス製造システムＤＭＳによって繰り返しパターン１７Ｂが形成されたウェハ１０ｄに対して、評価装置１によって偏光検査を行うことによって、加工条件中のエッチング量を以下のように評価する。この評価動作はエッチングモニターと呼ぶこともできる。まず、図１５（ｂ）のステップ１３８において、デバイス製造システムＤＭＳにおいて、図１４（ａ）～（ｄ）を参照して説明したスペーサ・ダブルパターニング・プロセスを実行することによって、各ショットに繰り返しパターン１７Ｂが形成されたウェハ１０ｄを製造する。この際の加工条件は、全部のショットにおいて、スペーサの堆積量（堆積時間ｔｓ）に関してはベスト堆積時間（適正量）であり、エッチング量（エッチング時間ｔｅ）に関してはベストエッチング量（適正量）である。しかしながら、実際には薄膜形成装置（不図示）における膜厚むらによりスペーサの堆積量のばらつきが生じる恐れがあり、エッチング装置３００におけるエッチングむらによってエッチング量のばらつきが生じる恐れがある。この場合、単に偏光検査を行うと、その検査結果にはエッチング量の外にスペーサの堆積量に起因する部分も含まれているため、そのスペーサの堆積量の影響を以下のようにして排除する。
　製造されたウェハ１０ｄは、不図示のアライメント機構を介して図２（ａ）の評価装置１のステージ５上にロードされる（ステップ１２２Ａ）。そして、評価装置１において、上記の条件出しで決定された第１及び第２の偏光条件のもとで、ウェハ１０ｄの像を撮像して画像信号を画像処理部４０に出力する（ステップ１２４Ａ）。
　次に、画像処理部４０は、第１及び第２の偏光条件のそれぞれに関してウェハ１０ｄの全面のデジタル画像を生成する。そして、その第１及び第２の偏光条件に関して、それぞれ対応するデジタル画像を用いて、ウェハ１０ｄの全部のショット内の複数の設定領域１６（図６（ｃ）参照）毎に平均信号強度（平均輝度）を算出し、算出結果を検査部６０に出力する（ステップ１２６）。そして、検査部６０内の第３演算部６０ｃは、ウェハ１０ｄの全部の設定領域１６毎に、第１の偏光条件で得られた平均輝度を上記のステップ１１４Ｂで算出されたゲインａ及びオフセットｂで補正した輝度から、第２の偏光条件で得られた平均輝度を減算して平均輝度の差分Δｎｉを算出し、算出結果を記憶部８５に記憶する（ステップ１２８）。この差分Δｎｉからは、図１４（ｅ）のスペーサ変化曲線Ｂｋ１，Ｂｋ２に対応する成分がほぼ除去されており、図１４（ｆ）のエッチング変化曲線Ｃｋ１，Ｃｋ２の補正後の差分に対応する成分のみがほぼ残されている。
　そこで、第３演算部６０ｃは、ウェハ１０ｄの全部の設定領域１６毎に、上記のステップ１１６Ｂで記憶した図１４（ｆ）の基準エッチング曲線ＳＥ１に上記の平均輝度の差分Δｎｉを当てはめて対応するエッチング量（エッチング時間）ｔｅｎｉを算出又は推定し、算出結果又は推定結果を記憶部８５に記憶する（ステップ１４０）。このように算出又は推定されるエッチング量ｔｅｎｉからはスペーサの堆積時間に起因する成分が除去されている。その後、制御部８０がエッチング量ｔｅｎｉを例えば明るさ（又は色を変化させてもよい）に換算してウェハ１０ｄの全面のエッチングむらを表示装置（不図示）に表示する（ステップ１４２）。さらに、制御部８０の制御のもとで信号出力部９０からホスト・コンピュータ６００を介してエッチング装置３００に、ウェハ１０の全面のエッチングむらの情報が提供される（ステップ１４４）。これに応じてエッチング装置３００の制御部（不図示）では、例えばそのエッチングむらと適正エッチング量との差分の分布を求め、この差分の分布が所定の許容範囲を超えている場合に、例えばエッチング部の調整等の補正を行う。これによって、その後のステップ１３８（スペーサ・ダブルパターニング・プロセス）の実行時にエッチングむらが減少し、ピッチＰ／２の繰り返しパターン１７Ｂを高精度に製造できる。
　この実施形態によれば、実デバイス用の繰り返しパターン１７Ｂが形成されたウェハ１０ｄを用いて２つの偏光条件のもとでＰＥＲ検査を行うことによって、そのパターンの形成時に使用されたエッチング装置３００におけるエッチング量をスペーサの堆積量の影響を除去して高精度に推定又は評価できる。
　なお、同様にして、２つの偏光条件のもとでＰＥＲ検査を行うことによって、スペーサの堆積量をエッチング量の影響を除去して高精度に推定又は評価することもできる。
　また、ダブルパターニング・プロセスでの加工条件としては、エッチング量及びスペーサの堆積量の外に、例えば露光装置１００における露光時のドーズ量及びフォーカス位置等を考慮することもできる。
　また、上述の実施形態において、露光装置１００は液浸露光法を用いるスキャニングステッパーとしたが、露光装置１００としてドライ型のスキャニングステッパー又はステッパー等の露光装置を使用する場合にも上述の実施形態を適用して同様の効果が得られる。さらに、露光装置１００として、露光光として波長が１００ｎｍ以下のＥＵＶ光（Extreme Ultraviolet Light）を使用するＥＵＶ露光装置、又は露光ビームとして電子ビームを用いる電子ビーム露光装置を使用する場合にも上述の実施形態が適用できる。
　また、図１６に示すように、半導体デバイス（図示せず）は、デバイスの機能・性能設計を行う設計工程（ステップ２２１）、この設計工程に基づいたマスク（レチクル）を製作するマスク製作工程（ステップ２２２）、シリコン材料等からウェハ用の基板を製造する基板製造工程（ステップ２２３）、デバイス製造システムＤＭＳ又はこれを用いたパターン形成方法によりウェハにパターンを形成する基板処理工程（ステップ２２４）、デバイスの組み立てを行うダイシング工程、ボンディング工程、及びパッケージ工程等を含む組立工程（ステップ２２５）、並びにデバイスの検査を行う検査工程（ステップ２２６）等を経て製造される。その基板処理工程（ステップ２２４）では、デバイス製造システムＤＭＳによりウェハにレジストを塗布する工程、デバイス製造システムＤＭＳ内の露光装置１００によりレチクルのパターンをウェハに露光する露光工程、及びウェハを現像する現像工程を含むリソグラフィー工程、並びに評価装置１によりウェハからの光を用いて露光条件等を評価する評価工程が実行される。
　このような半導体デバイス製造方法において、前述の評価装置１を用いて露光条件等を評価し、例えばこの評価結果に基づいてその露光条件等を補正することによって、製造工程が良好な状態となり、最終的に製造される半導体の歩留まりを向上できる。
　なお、本実施形態のデバイス製造方法では、特に半導体デバイスの製造方法について説明したが、本実施形態のデバイス製造方法は、半導体材料を使用したデバイスの他、例えば液晶パネルや磁気ディスクなどの半導体材料以外の材料を使用したデバイスの製造にも適用することができる。
　なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
　１…評価装置、５…ステージ、１０…ウェハ、１０ａ…条件振りウェハ、２０…照明系、３０…受光系、３５…撮像部、４０…画像処理部、５０…演算部、６０…検査部、８５…記憶部、１００…露光装置、ＤＭＳ…デバイス製造システム

Claims (18)

  1. 　第１及び第２加工条件を含む複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を照明光で照明する照明部と、
    　前記照明光により前記基板の被加工面から発生する光を検出する検出部と、
    　前記照明部の照明条件と前記検出部の検出条件との少なくとも一方が異なる複数の評価条件のもとで前記検出部により得られた検出結果に基づいて前記基板の加工時の前記第１加工条件と前記第２加工条件との少なくとも一方を推定する推定部と、
    を備える評価装置。
  2. 　前記複数の評価条件は第１及び第２評価条件を含み、
    　前記推定部は、前記第１評価条件で得られた前記検出結果と第２評価条件で得られた前記検出結果の差分から前記第１加工条件と前記第２加工条件との少なくとも一方を推定する請求項１に記載の評価装置。
  3. 　前記第１評価条件で得られた前記検出結果と前記第２の評価条件で得られた前記検出結果との少なくとも一方の検出値に、オフセットを加える処理と任意の倍率を与える処理との少なくとも一方を行った後の差分である請求項２に記載の評価装置。
  4. 　前記基板の加工は投影光学系を介して前記基板を露光することを含み、
    　前記第１及び第２加工条件の一方は、前記基板の露光時の露光量であり、
    　前記第１及び第２加工条件の他方は、前記基板の露光時の前記投影光学系に対する合焦状態である請求項１から３のいずれか一項に記載の評価装置。
  5. 　前記検出部は、前記基板の前記被加工面から発生する回折光を検出し、
    　前記複数の評価条件は、回折条件が異なる請求項１から４のいずれか一項に記載の評価装置。
  6. 　前記検出部は、前記基板の前記被加工面で反射される前記照明光の偏光成分を検出し、
    　前記複数の評価条件は、前記基板に入射する前記照明光の偏光状態及び入射角の少なくとも一方が異なる請求項１から４のいずれか一項に記載の評価装置。
  7. 　基板の表面にパターンを露光する投影光学系を有する露光部と、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の評価装置と、を備え、
    　前記評価装置の前記推定部によって推定される前記第１加工条件に応じて前記露光部における加工条件を補正する露光システム。
  8. 　第１及び第２加工条件を含む複数の加工条件のもとでの加工により設けられた構造体を有する基板を照明光で照明し、
    　前記照明光により前記基板の被加工面から発生する光を検出し、
    　前記照明光の照明条件と前記被加工面から発生する光の検出条件との少なくとも一方が異なる複数の評価条件のもとで前記被加工面から発生する光を検出して得られた検出結果に基づいて前記基板の加工時の前記第１加工条件と前記第２加工条件との少なくとも一方を推定する評価方法。
  9. 　前記複数の評価条件は第１及び第２評価条件を含み、
    　前記推定をするときに、前記第１評価条件で得られた前記検出結果と前記第２評価条件で得られた前記検出結果の差分から前記第１加工条件と前記第２加工条件との少なくとも一方を推定する請求項８に記載の評価方法。
  10. 　前記第１評価条件で得られた前記検出結果と第２の評価条件で得られた前記検出結果との少なくとも一方の検出値に、オフセットを加える処理と任意の倍率を与える処理との少なくとも一方を行った後の差分である請求項９に記載の評価方法。
  11. 　前記基板の加工は投影光学系を介して前記基板を露光することを含み、
    　前記第１及び第２加工条件の一方は、前記基板の露光時の露光量であり、
    　前記第１及び第２加工条件の他方は、前記基板の露光時の前記投影光学系に対する合焦状態である請求項８から１０のいずれか一項に記載の評価方法。
  12. 　前記基板の被加工面から発生する光を検出するときに、前記被加工面から発生する回折光を検出し、
    　前記複数の評価条件は、回折条件が異なる請求項８から１１のいずれか一項に記載の評価方法。
  13. 　前記基板の被加工面から発生する光を検出するときに、前記被加工面で反射される前記照明光の偏光成分を検出し、
    　前記複数の評価条件は、前記基板に入射する前記照明光の偏光状態及び入射角の少なくとも一方が異なる請求項８から１１のいずれか一項に記載の評価方法。
  14. 　前記第１及び第２加工条件の少なくとも一方を変えながら評価用基板を加工して、前記評価用基板の被加工面の複数の領域に前記構造体を設け、
    　前記評価用基板の前記被加工面を前記照明光で照明し、
    　前記照明光により前記評価用基板の前記被加工面から発生する光を検出し、
    　前記照明光の照明条件と前記評価用基板の前記被加工面から発生する光の検出条件との少なくとも一方が異なる複数の条件のもとで、前記評価用基板に関して前記被加工面から発生する光を検出して得られた複数の検出結果を用いて、前記第２加工条件の変化に対する変化量を抑制可能な検出結果を生じる前記複数の評価条件を予め求めて記憶する請求項８から１３のいずれか一項に記載の評価方法。
  15. 　前記複数の評価条件を予め求めて記憶するときに、前記複数の評価条件のもとで前記基板の前記被加工面から発生する光を検出して得られる検出結果に、前記第２加工条件の変化に対する変化量を抑制するために施す演算式を求めて記憶する請求項１４に記載の評価方法。
  16. 　基板の表面に加工によりパターンを設け、
    　請求項８から１５のいずれか一項に記載の評価方法を用いて前記基板の前記第１加工条件を推定し、
    　前記評価方法によって推定される前記第１加工条件に応じて前記基板の露光時の加工条件を補正する加工方法。
  17. 　基板の表面にパターンを設ける加工工程を有するデバイス製造方法であって、
    　前記加工工程で請求項１６に記載の加工方法を用いるデバイス製造方法。
  18. 　基板の表面にパターンを設ける加工工程を有するデバイス製造方法であって、
    　前記加工工程で請求項１６に記載の加工方法を用い、
    　製造対象のデバイスに応じて前記第２加工条件の変化に対する変化量を抑制するために施す演算式を記憶するデバイス製造方法。
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