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WO2005004211A1 - フォーカステストマスク、フォーカス測定方法、及び露光装置 - Google Patents

フォーカステストマスク、フォーカス測定方法、及び露光装置 Download PDF

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WO2005004211A1
WO2005004211A1 PCT/JP2004/009683 JP2004009683W WO2005004211A1 WO 2005004211 A1 WO2005004211 A1 WO 2005004211A1 JP 2004009683 W JP2004009683 W JP 2004009683W WO 2005004211 A1 WO2005004211 A1 WO 2005004211A1
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WO
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pattern
focus
image
line
optical system
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/009683
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Shinjiro Kondo
Original Assignee
Nikon Corporation
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Publication date
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Priority to JP2005511404A priority patent/JPWO2005004211A1/ja
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Definitions

  • Focus test mask focus measurement method, and exposure equipment
  • the present invention relates to an exposure mask, a focus measurement method, and an exposure apparatus used in the semiconductor field.
  • a test pattern provided on a test reticle is formed on a substrate via a projection optical system, and the imaging characteristics of the projection optical system are measured by measuring the formed marks. .
  • stricter focus accuracy is required, and a more accurate measurement method is also required for the focus position of the projection optical system.
  • the focus measurement method in US Patent No. 5 300786 uses a so-called Levenson-type phase shift mask, and exposes an isolated linear pattern in a defocused state so that the image of the isolated linear pattern is in the horizontal direction ( This is a focus measurement method that utilizes the phenomenon of movement in the direction perpendicular to the optical axis of the projection optical system.
  • FIG. 7 shows an example of a focus measurement pattern used when measuring a focus position by this measurement method.
  • a box-in-box mark-like pattern is generally formed.
  • the position of the inner rectangular pattern (box pattern) and the position of the outer rectangular pattern (box pattern) are shifted in opposite directions.
  • the number of patterns to be measured is only two in each of two orthogonal directions, and it is recognized that measurement accuracy is low when measurement is performed with an alignment-type imaging device arranged in the exposure apparatus. Have been.
  • many measurement patterns are being implemented. Specifically, instead of making measurement marks with edges like a bottas-in-box mark, a verper mark in which a plurality of lines are arranged is used. This makes it possible to measure twice as many measurement patterns as box-in-bottas.
  • the focus measurement method in Japanese Patent No. 3 974 723 is based on different diffraction efficiencies of the + 1st-order light and the 1st-order light in the diffraction grating pattern (ideally, one is set to zero).
  • the asymmetric diffraction grating pattern is used, and when the asymmetric diffraction grating pattern is exposed in a defocused state, the image of the asymmetric diffraction grating pattern moves laterally.
  • Fig. 8A shows an example of the focus measurement pattern used when measuring the focus position using this measurement method.
  • the reference pattern is a large isolated pattern 21a, 21b
  • the asymmetric diffraction grating pattern 10 when the asymmetric diffraction grating pattern 10 is exposed in a defocused state, the position of the image of the asymmetric diffraction grating pattern 10 becomes the isolated pattern 21a, The position of the image of 21b is shifted, for example, in the direction of the arrow.
  • the reference pattern may be a diffraction grating pattern (22a, 22b)
  • the reference pattern may be an asymmetric diffraction grating pattern (23a , 23 b).
  • the exposure amount when exposing the pattern on the substrate may be insufficient.
  • a scanning type exposure apparatus that exposes a mask and substrate by scanning them relative to each other, it is necessary to slow down the scanning speed, and the normal circuit pattern Since the exposure conditions are different, the result may differ from the actual exposure condition.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and has a focus that can expose a pattern under the same conditions as actual exposure conditions and has a test pattern that can be measured by an imaging device provided in an exposure apparatus.
  • An object of the present invention is to provide a test mask, a measurement method using the same, and an exposure apparatus. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a focus test mask provided with a test pattern projected onto a substrate via a projection optical system, and the test pattern is arranged in the measurement direction.
  • a plurality of line patterns, and a phase shift unit provided in a region near each of the plurality of line patterns to shift the phase of light passing therethrough, and an image serving as a reference when measuring a shift of an image of the line pattern.
  • a focus test mask having a reference pattern for obtaining a focus pattern, wherein a distance between a plurality of line patterns is set to a size such that each line pattern can be regarded as being equivalent to an isolated line.
  • each of a plurality of line patterns can be formed as an isolated line, and by detecting the positions of the images of the plurality of line patterns, it is possible to measure the positional deviation from the image of the reference pattern with high accuracy. it can.
  • the plurality of line patterns may be arranged with a plurality of different intervals, or all may be arranged at equal intervals.
  • the plurality of line patterns may be configured such that a pair of line patterns composed of two line patterns arranged at an interval d2 are arranged at an interval d3 larger than the interval d2.
  • the interval between the line patterns is set to be larger than 10 times the width of the line pattern.
  • the interval between the line patterns has a size such that diffracted light of second or higher order from the line pattern is used for image formation via the projection optical system.
  • the focus test mask of the present invention includes a plurality of types of test patterns, It is desirable that the line widths of the line patterns constituting the test pattern be different for each type of test pattern. This makes it possible to select a line pattern having an optimum line width according to the conditions of the exposure apparatus used (for example, the NA of the projection optical system).
  • the present invention provides a focus measuring method for projecting a pattern on a focus test mask through a projection optical system of an exposure apparatus, and measuring a shift of a projected image to measure a focus position of the projection optical system.
  • the present invention provides a focus measuring method having the following.
  • the focus measuring method of the present invention includes an exposure step of exposing a projected image of a pattern of a focus test mask on a substrate, prior to the measuring step, wherein the measuring step includes a step of exposing a line pattern image formed on the substrate to an image of the line pattern. It is desirable to measure the relative distance from the image of the reference pattern.
  • the measurement step is performed by capturing an image of a line pattern formed on the substrate by an imaging element provided in the exposure apparatus and performing image processing.
  • the present invention is an exposure apparatus for projecting a pattern provided on a focus test mask via a projection optical system and measuring a shift of the projected image to measure a focus position of the projection optical system. And a measuring device for detecting an image of the focus test mask having the above-described characteristics projected through the projection optical system, and measuring a relative distance between the image of the line pattern and the image of the reference pattern. .
  • the focus test mask may be a reference plate provided on a mask stage for holding a mask on which a circuit pattern is formed, at a position different from a holding unit for holding the mask.
  • the measurement device detects an image of a pattern projected on the substrate via the projection optical system and formed on the substrate.
  • the measuring device detects an aerial image of the pattern projected via the projection optical system.
  • a focus test mask having a test pattern capable of exposing a pattern under the same conditions as actual exposure conditions and capable of being measured by an alignment microscope provided in an exposure apparatus, and a measuring method using the same , And an exposure apparatus can be provided.
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration diagram of an exposure apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a test reticle according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a plan view showing an embodiment of the focus test pattern of the present invention
  • FIG. 3B is a cross-sectional view of the pattern shown in FIG. 3A
  • FIG. 3C is a view shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a detection signal when a pattern is detected by a photoelectric detection device.
  • FIG. 4A is a plan view showing another embodiment of the focus test pattern of the present invention
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the pattern shown in FIG. 4A.
  • FIG. 5 is a plan view showing another embodiment of the focus test pattern of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing another embodiment of the focus test pattern of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view showing an example of a conventional focus test pattern.
  • FIG. 8A is a plan view showing an example of a focus test pattern when the reference pattern is a large isolated pattern
  • FIG. 8B is an example of a focus test pattern when the reference pattern is a diffraction grating pattern
  • FIG. 8C is a plan view showing an example of a focus test pattern when the reference pattern is an asymmetric diffraction grating pattern.
  • FIGS. 1 to 6 An embodiment in which the present invention is embodied in a scanning exposure type exposure apparatus used for manufacturing a semiconductor element will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
  • the exposure apparatus EX of the present embodiment projects and transfers a circuit pattern drawn on a reticle R as a mask onto a wafer W as a substrate.
  • the Exposure light EL emitted from an illumination optical system 29 including an exposure light source, a collimator lens, an interference filter, a fly-eye lens, and an aperture stop ( ⁇ stop) is reflected by a beam splitter 30.
  • the exposure light EL is, for example, excimer laser light such as KrF, ArF, or F2, harmonics of a metal vapor laser or a YAG laser, or ultra-high pressure mercury lamps such as g-line, h-line, and i-line. It is a bright line.
  • the exposure light EL reflected by the beam splitter 30 draws a circuit pattern such as a semiconductor element through a relay lens 31a, 31b, a reticle blind 32, a mirror 33, and a condenser lens 34.
  • the reticle R (or the focus test reticle TR on which the focus test pattern is drawn) is incident on the reticle R and illuminates the illumination area of the reticle R with substantially uniform illuminance.
  • Reticle R is vacuum-adsorbed to reticle stage R ST as a mask stage provided on base 38.
  • the reticle stage RST is held on a base 38 via an air bearing or the like so as to be finely movable in a two-dimensional direction in order to position the reticle R in a plane orthogonal to the optical axis of the exposure light EL. .
  • a movable mirror 41 that reflects the laser beam from the interferometer 40 is fixed to an end of the reticle stage RST.
  • the position of the reticle stage R ST in the scanning direction is constantly detected by the interferometer 40 with a resolution of, for example, about 0.01 ⁇ m, and the position information is sent to the reticle stage controller 42.
  • Reticle stage control section 42 controls a reticle stage drive section (not shown) based on positional information of reticle stage RST, and moves reticle stage RST.
  • a reference plate 43 provided with a test pattern for measuring the imaging characteristics of the projection optical system PL is provided on the reticle stage RST.
  • the pattern formation surface of the reference plate 43 is provided so as to be substantially the same height as the pattern formation surface of the reticle R.
  • the exposure light EL that has passed through the reticle R enters, for example, a double-sided telecentric projection optical system PL.
  • the projection optical system PL is a wafer on which a circuit pattern on the reticle R is reduced to, for example, 1 Z 5 or 1/4, and a photo resist coated on the surface with photosensitivity to exposure light EL is applied. Form on W.
  • the illumination area on the reticle R is shaped into a rectangle (slit) by the reticle blind 32. Then, run reticle R in the + Y direction at speed Vr during exposure. Accordingly, the circuit pattern on the reticle R is sequentially illuminated from one end to the other end in the slit-shaped illumination area.
  • the wafer W since the wafer W has an inverted imaging relationship with the reticle R, the wafer W is scanned in a direction opposite to the reticle R (_Y direction) at a speed Vw in synchronization with the scanning of the reticle R. As a result, the entire surface of the shot area of the wafer W can be exposed.
  • the running speed ratio VwZVr corresponds to the reduction magnification of the projection optical system PL, and the circuit pattern on the reticle R is accurately reduced and transferred onto each shot area on the wafer W.
  • the wafer W is vacuum-sucked to the wafer holder 45, and is held on the wafer stage WST as a substrate stage via the wafer holder 45.
  • the wafer holder 45 can be tilted in any direction with respect to the optimal image forming plane of the projection optical system PL by a driving unit (not shown), and can be finely moved in the optical axis AX direction (Z direction) of the projection optical system PL. You. Further, the wafer stage WST is moved not only in the scanning direction (Y direction) but also in a direction perpendicular to the scanning direction so as to be able to move arbitrarily to a plurality of shot areas by a wafer stage driving unit 46 composed of a motor or the like. (X direction). This makes it possible to perform a step 'and' scan operation in which the operation of scanning and exposing each shot area on the wafer W and the operation of moving to the start position of the next scanning exposure are repeated.
  • a movable mirror 48 for reflecting the laser beam from the interferometer 47 is fixed to the end of the wafer stage WST, and the position of the wafer stage WST in the XY direction is set to, for example, 0.01 by the interferometer 47. It is always detected with a resolution of about m.
  • stage The position information (or speed information) of the WST is sent to the wafer stage control unit 49, and the wafer stage control unit 49 controls the wafer stage drive unit 46 based on this position information (or speed information). Control.
  • a reference plate 50 having a reference mark for detecting a reference position of the transfer exposure, here, a relative position of the reticle R with respect to the center of the exposure field of the projection optical system PL is provided. I have.
  • the reference plate 50 is provided so as to be substantially the same height as the surface of the wafer W.
  • a projection system 57 and a light reception system 58 are provided to obtain information on the height position of the wafer W (the position of the projection optical system PL in the optical axis AX direction).
  • a point position detection system (57, 58) is provided.
  • the measurement beam from the light projecting system 57 is irradiated onto the wafer W, and the measurement beam reflected by the wafer W is received by the photoelectric detector in the light receiving system 58.
  • the light receiving system 58 detects height position information of the wafer W based on the detection signal of the photoelectric detector, and supplies the information to the main control system 70.
  • Main control system # 0 adjusts the height position and tilt of wafer stage WST based on the height position information, and matches the surface of wafer W with the imaging plane of the projection optical system. Further, the main control system can provide a predetermined offset amount to the focus detection system (57, 58).
  • a photoelectric detection device 51 for detecting an image formation state of a pattern image projected on the wafer W and a WA reference mark on the reference plate 50 is provided.
  • the photoelectric detecting device 51 constitutes a measuring device and a photoelectric detecting device for measuring information relating to distortion, and an image sensor 52 captures a pattern image on the wafer W and a reference mark on the reference plate 50. It is an imaging method that detects by detecting.
  • the photoelectric detection device 51 has an illumination optical system 54 including a halogen lamp, a condenser lens, an optical fiber, an interference filter, and a lens system.
  • an illumination optical system 54 including a halogen lamp, a condenser lens, an optical fiber, an interference filter, and a lens system.
  • the broadband illumination light IL emitted from the halogen lamp light in the photosensitive wavelength region and the infrared wavelength region of the photoresist layer is cut by the interference filter.
  • the illumination light IL emitted from the illumination optical system 54 enters an objective optical system 56 including a beam splitter 55, a mirror, a prism, and an objective lens.
  • the illumination light IL emitted from the objective optical system 56 illuminates the wafer W almost vertically so as not to block the illumination visual field of the projection optical system PL.
  • the irradiation illuminates the projection area on the wafer W, and the reflected light RL reflected from the area according to the illumination is guided to the imaging element 52 via the objective optical system 56 and the beam splitter 55.
  • a transparent window and a lens system are provided in the image sensor 52, and the reflected light RL is formed into an image in the transparent window. Is converted.
  • the imaging signal is supplied to the main control system 70, and the imaging signal is subjected to waveform processing to calculate position information of a pattern image provided on the wafer W.
  • the photoelectric detection device 51 is provided with an alignment mark provided on the wafer W and a test pattern provided on the test reticle R. It is also used to measure the test pattern image when the wafer is exposed on the wafer W.
  • the main control system 70 is connected to input devices 71 such as a keyboard and a barcode reader. Through this input device 71, the size of the wafer W, the projection magnification, the value of the opening (illumination slit width) of the reticle blind 32, the target exposure amount, the running speed, the standard pattern image (the normal pattern image without distortion) ) And various information such as measurement conditions by the photoelectric detection device 51 can be input to the main control system 70.
  • input devices 71 such as a keyboard and a barcode reader.
  • a hard disk unit 72 as a storage device and a parameter calculation device is connected to the main control system 70.
  • the main control system 70 obtains information on the best imaging plane (best focus plane) of the projection optical system based on the information on the positional deviation of the test pattern image calculated by the photoelectric detection device 51, It is stored in the hard disk unit 72 corresponding to the position.
  • the information on the position of the best focus surface calculated in this way is stored in the hard disk unit 72 in a reference data file partitioned for each shot area.
  • FIG. 2 shows a focus test reticle TR according to the present invention.
  • the focus test pattern of the focus test reticle TR has 3 rows x 3 columns.
  • the focus test pattern is FTP1, 1, FTP1, 2, FTP1, 3, FTP21, FTP22, FTP2, FTP31, FTP32.
  • FTP 33 is provided.
  • Each of the focus test patterns FTP 11 to 33 is composed of a pattern extending in the X direction and a pattern extending in the Y direction.
  • a pattern extending in the X direction of the focus test pattern FTP 11 is shown in FIG. 3A, and a cross-sectional view thereof is shown in FIG. 3B.
  • the focus test pattern FTP11 has main scales 1a and lb at both ends, and a sub-scale 1c between them.
  • the main scale la on the left side in FIG. 3A has four line patterns 11a, llb, llc, and 11d arranged side by side. Patterns 11a and 11b are one pair and pattern 1 1 c and 1 1 d are the other pair. The interval d2 between the line patterns in each pair is different from the interval d3 between the pairs.
  • Main scale 1b on the right has the same configuration The description is omitted here.
  • the vernier lc has six line patterns 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, and 12f arranged side by side, and the patterns 12a and 12 b is the first pair, patterns 12c and 12d are the second pair, and patterns 12e and 12f are the third pair.
  • the distance d2 between the line patterns in each pair is different from the distance d3 between the pairs.
  • the pattern interval d2 of each pair is about 5 ⁇ (micrometer), and the interval d3 between each pair is about 12 ⁇ (micrometer).
  • the intervals between patterns and between pairs are much larger than the line widths of the patterns, and each line pattern is almost equivalent to an isolated pattern.
  • the interval between the patterns may be set to be at least 10 times the pattern line width d1.
  • each line pattern becomes one independent pattern, and second-order and higher-order diffracted lights of each line pattern are also formed as a line pattern image via the projection optical system PL.
  • the main scales 1a, 1b and the sub-scale 1c are formed with the same line width d1 because of this configuration, the defocus amount can be increased with higher sensitivity. Is detected.
  • the line width of the line pattern forming the main scales l a and lb may be different from the line width of the line pattern forming the vernier 1c.
  • a phase shift unit 13 is provided on the right side of each of the line patterns of the main scales la and 1b. These phase shift sections 13 are configured to shift the phase of passing light by 90 °. Similarly, a phase shift unit 13 for shifting the phase of passing light by 90 ° is provided on the left side of each line 'pattern of the vernier lc. As described above, since the positions of the phase shift portions 13 provided on the main scales la and 1b and the sub scale 1c are opposite, the focus test patterns FTP 11 to 33 are exposed in a defocused state. Then, the directions in which the positions shift are opposite to each other.
  • FIG. 3C is a distribution of signal intensities when an image of the focus test pattern captured by the image sensor 52 of the photoelectric detection device 51 is scanned by a predetermined scanning line.
  • the intensity of the detection signal is low at each line pattern.
  • the main control system 70 uses the positional deviation information between the main scale 1a, lb and the sub-scale 1c to determine how far from the best focus position the focus test pattern was exposed, that is, the best focus position. Calculate where it is.
  • the focus test reticle TR has box patterns BP11, BP12, BP13, BP21, BP22, BP23, and BP11 near the focus test patterns FTP11 to 33.
  • BP31, BP32 and BP33 are provided.
  • This box pattern is also for measuring the best focus position of the projection optical system, similarly to the focus test patterns FTP 11 to 33 described above.
  • FIG. 4A shows the bottom pattern BP11
  • FIG. 4B shows a sectional view thereof.
  • the outer box pattern 2a and the inner box pattern 2c are each composed of two line patterns 14a, 14b, 14c, and 14d. .
  • the distance d2 between the line patterns in each pair and the distance d3 between each pair are the same as those in FIG. 3A.
  • a phase shift unit 13 is provided on the right side of each line pattern 14a, 14b.
  • each line pattern 14c, 14d A phase shift unit 13 is provided on the left side of.
  • the misalignment direction of the outer box pattern 2a is opposite to the misalignment direction of the inner box pattern 2b.
  • the position of the best focus of the projection optical system PL can be measured.
  • FIGS. 2 to 4 it is preferable to provide a plurality of line width patterns. That is, a plurality of types of focus test patterns having different line widths of the line patterns are provided on the focus test reticle TR.
  • the line width of the pattern to be measured can be selected according to the conditions of the exposure apparatus that performs focus measurement (for example, the NA value of the projection optical system), and the position according to the defocus amount can be selected.
  • a line pattern having a line width with the highest shift sensitivity can be used.
  • the line pattern intervals d2 and d3 may be changed according to the line width of the line pattern.
  • the focus test reticle TR is placed on the reticle stage RST.
  • the test wafer is placed at a predetermined Z position by the focus detection devices 57, 58, and the force test patterns FTP 11 to FTP on the test reticle TR are sequentially applied to a plurality of shot areas on the test wafer. 3 3, and exposes the box pattern BT 1 1 to 3 3.
  • test wafer is developed by a coater developer (not shown) to form each test pattern.
  • replay test wafer is transported to the exposure apparatus, and is placed on the wafer stage WST.
  • the main control system 70 applies an arbitrary test pattern (for example, a focus test pattern FTP 11 to 33) printed on the entire surface of the test wafer to the image sensor 52 of the photoelectric detection device 51 sequentially for each shot.
  • the position information (the relative positional relationship between the main scale and the vernier scale) of the captured test pattern is sent to the main control system 70.
  • the main control system 70 detects the focus offset amount at each position in the shot area from the position information of each test pattern arranged in each shot area. In addition, the main control system 70 calculates the positional deviation of the exposure surface of the wafer W from the optimum imaging plane of the projection optical system PL based on the focus offset amount detection result at each position in the shot area ( Is detected and stored in the node disk 72. When the actual circuit pattern is exposed, the focus offset amount and the image plane deviation amount stored in the hard disk 72 are called. Then, by correcting the position and orientation of the wafer W in the Z direction using this, the wafer W can be arranged at the true best focus position and the optimum image plane.
  • the main control system 70 stores the focus offset amount at each position in the shot area and the type of force test pattern used for detecting the focus offset amount in the hard disk 72 in association with each other. Let it be. Then, the detection results are classified for each type of focus test pattern, and the performance of the projection optical system P is measured in consideration of the position of the focus test pattern in the shot area. For example, the main control system 70 detects the detection result using a focus test pattern having a line pattern parallel to the X-axis direction and the detection result using a focus test pattern having a line pattern parallel to the Y-axis direction. The detection result is classified into types, and position information in the shot area is added to the result to detect the state of astigmatism in the shot area.
  • the main control system 70 determines the shape of the imaging plane (field curvature or image plane) of the projection optical system PL based on the detection result of the focus offset amount at each position in the shot area stored in the hard disk 72. Inclination) can also be detected. In this way, the main control system 70 can measure the performance of the exposure apparatus EX, particularly the projection optical system PL, in cooperation with the focus test reticle TR.
  • the focus test patterns in the present embodiment are not limited to those shown in FIGS. 2 to 4, and for example, as shown in FIG. 5, all the line patterns of the main scale 3a, 3b, and the sub-scale 3c are the same. They may be arranged at a pitch. Also in this case, it is necessary to keep a sufficient space between the line patterns so that each line pattern is equivalent to an isolated line. Further, as shown in FIG. 6, the phase shift portions may not be formed in the line patterns of the main scales 4a and 4b. In FIGS. 5 and 6, the same members as those in FIGS. 2 to 4 are denoted by the same reference numerals.
  • the focus test pattern FTP1 :! on the test reticle TR. 1 to 33 and the box pattern BP11 to 33 are shown, but the present invention is not limited to this.
  • the reference plate 43 provided on the reticle stage RST shown in FIG. May be provided with these patterns. sand That is, a configuration in which the test reticle is provided in advance on the reticle stage may be used. According to such a configuration, there is no need to replace the actual reticle provided with the circuit pattern with a test reticle, and the best focus position can be checked using the reference plate 43 at an arbitrary timing. This is advantageous in throughput.
  • the resist image of the test pattern exposed on the wafer W is detected by the photoelectric detection device 51, and the position information of the test pattern is detected.
  • Other detection methods can be used.
  • an aerial image measurement device composed of a slit through which light is transmitted and a photoelectric sensor that detects light transmitted through the slit is provided near the imaging plane of the projection optical system PL, for example, on a wafer stage WST.
  • the position information of the test pattern (the relative positional relationship between the main scale and the vernier scale) may be obtained by measuring the aerial image of the test pattern using the test pattern. According to this, it is not necessary to expose and develop the wafer W when detecting the position of the test pattern.
  • the present invention relates to a focus test mask provided with a pattern projected on a substrate via a projection optical system, wherein the plurality of line patterns are arranged in a measurement direction, and the plurality of line patterns are arranged.
  • the present invention relates to a focus test mask in which an interval between the plurality of line patterns is sufficiently larger than a width of the line pattern.
  • a pattern on a focus test mask is projected through a projection optical system of an exposure apparatus.
  • a focus test mask having the above characteristics as the focus test mask by measuring the amount of defocus of the substrate by measuring the deviation of the projected image.
  • the present invention relates to a focus measuring method, comprising measuring a relative distance between an image of the line pattern formed on the substrate and an image of the reference pattern.
  • the present invention is an exposure apparatus for projecting a pattern provided on a focus test mask onto a substrate via a projection optical system, and measuring a displacement of the projected image to measure a deformation force amount of the substrate.
  • the present invention relates to an exposure apparatus including a focus test mask having the above configuration, and a measuring device for measuring a relative distance between an image of a line pattern formed on a substrate and an image of a reference pattern.
  • a focus test mask having a test pattern capable of exposing a pattern under the same conditions as actual exposure conditions and capable of being measured by an alignment microscope provided in an exposure apparatus, and a measurement method using the same , And an exposure apparatus can be provided.

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Abstract

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

Description

フォーカステストマスク、 フォーカス測定方法、 及ぴ露光装置 技術分野
本発明は、 半導体分野で使用される露光マスク、 フォーカスの測定;^法、 及び 露光装置に関する。
本願は、 2003年 07月 03日に出願された特願 2003— 1 9079 1号 について優先権を主張し、 その内容をここに援用する。 背景技術
従来から、 テストレチクルに設けられたテストパターンを投影光学系を介して 基板上に形成し、 その形成されたマークを計測することによって投影光学系の結 像特性を計測することが行われている。 近年においては、 より厳しいフォーカス 精度が要求されており、 投影光学系のフォーカス位置も、 より高精度な測定方法 が要求されている。
従来のフォーカス測定方法、 及びフォーカステストパターンとしては、 U.S. P a t e n t No. 5300786、 日本国特許第 3297423号の 2つの文 献に開示された技術が知られている。
U.S. P a t e n t No. 5 300786におけるフォーカス測定方法は、 いわゆるレベンソン型の位相シフトマスクを用い、 孤立線状のパターンをデフォ 一カス状態で露光することによってその孤立線状のパターンの像が横方向 （投影 光学系の光軸に垂直な方向） に移動する現象を利用したフォーカス測定方法であ る。
図 7は、 この測定方法でフオーカス位置を測定する際に用いられるフォーカス 測定パターンの一例を示す。 このパターンを露光すると、 一般的にボックスイン ボックスマーク状のパターンが形成される。 このパターンをデフォーカス状態で 露光すると、 内側の矩形状パターン （ボックスパターン） の位置と外側の矩形状 パターン (ボックスパターン) の位置とが逆方向にずれる。 これらのボックスパ タ一ンの相対的な位置関係を計測することによって、 露光時のデフォーカス量を 測定することができる。
しかしながら、 このボックスパターンの計測では、 測定するパターンの本数が 直交する 2方向においてそれぞれ 2本ずつしかなく、 露光装置内に配置されたァ ライメント系の撮像素子で計測すると、 計測精度が低いと認識されている。 これ を解決するために、 測定パターンの多数本化が行われている。 具体的には、 ボッ タスインボックスマークのようにエツジで測定マークを作るのではなく、 ライン を複数本並べた形状のバーィ.ンパーマークが挙げられる。 これによつてボックス ィンボッタスの 2倍の本数の測定パターンを計測することが可能となる。
しかしながら、 この測定方法においては、 実際には 2回露光を行い、 多数の回 折格子パターンの一部を切り出して測定パターンを形成している。 このため、 デ フォーカス量が大きくて位置ずれが回折格子ピッチの半分を超えると測定できな くなる欠点がある。
日本国特許第 3 2 9 7 4 2 3号におけるフォーカス測定方法は、 回折格子パタ ーンにおける + 1次光と一 1次光の回折効率を異ならせて （理想的には、 一方を 零とする） 非対称回折格子パターンとするもので、 この非対称回折格子パターン をデフォーカス状態で露光すると、 非対称回折格子パターンの像が横方向に移動 する現象を利用したものである。
この測定方法でフォーカス位置を測定する際に用いられるフォーカス測定パタ ーンの一例を図 8 Aに示す。 基準パターンが大きな孤立パターン 2 1 a、 2 1 b である場合、 非対称回折格子パターン 1 0をデフォーカス状態で露光すると、 非 対称回折格子パターン 1 0の像の位置が、 孤立パターン 2 1 a、 2 1 bの像の位 置に対して例えば矢印方向へずれる。 また、 図 8 Bに示すように、 基準パターン が回折格子パターン （2 2 a、 2 2 b ) であっても良く、 図 8 Cに示すように、 基準パターンが非対称回折格子パターン （2 3 a、 2 3 b ) であっても構わない。 しかしながら、 この非対称回折格子パターンにおいては、 ± 1次回折光の何れ か一方をほぼ零とするため、 パターンを基板上に露光する際の露光量が不足して しまう可能性がある。 例えば、 マスクと基板とを相対走査して露光する走査型露 光装置の場合、 スキャンスピードを遅くする必要があり、 通常の回路パターンの 露光条件とは異なってしまうため、 実際の露光時の状態とは異なる結果が生じる 恐れがある。
本発明は上記の如き問題点に鑑みてなされたもので、 実際の露光条件と同じ条 件でパターンを露光でき、 且つ露光装置内に設けられた撮像素子によって計測可 能なテストパターンを有するフォーカステストマスク、 それを用いた測定方法、 及び露光装置を提供することを目的とする。 発明の開示
上述の如き課題を解決するため、 本発明は、 投影光学系を介して基板上に投影 されるテストパターンが設けられたフォーカステストマスクであって、 このテス トパターンは、 計測方向に並んで配置された複数のラインパターンと、 複数のラ ィンパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、 通過する光の位相をずらすため の位相シフト部と、 ラインパターンの像のずれを測定する際の基準となる像を得 るための基準パターンとを有し、 複数のラインパターンの間隔が、 それぞれのラ インパターンを孤立線と等価とみなすことができる大きさに設定されているフォ 一カステストマスクを提供する。
本発明によれば、 複数のラインパターンをそれぞれ孤立線として形成すること ができ、 複数のラインパターンの像の位置を検出することによって高精度に基準 パターンの像との位置ずれを計測することができる。
なお、 複数のラインパターンは、 異なる複数の間隔を持って配置されていても よいし、 すべてが等間隔に並んで配置されていても良い。
また、 複数のラインパターンは、 間隔 d 2で配置された 2本のラインパターン からなる一対のラインパターンが、 間隔 d 2よりも大きな間隔 d 3で複数配置さ れた構成としても良い。
また、 ラインパターンの間隔は、 ラインパターンの幅の 1 0倍よりも大きく設 定されていることが望ましい。
また、 ラインパターンの間隔は、 ラインパターンからの 2次以上の回折光も投 影光学系を介した結像に用いられる大きさを有することが望ましい。
また、本発明のフォーカステストマスクは、複数種類のテストパターンを備え、 テストパターンを構成するラインパターンの線幅が、 テストパターンの種類毎に それぞれ異なることが望ましい。 これによつて、 用いられる露光装置の条件 （例 えば投影光学系の N A等） に応じて最適な線幅のラインパターンを選択すること ができる。
また、 本発明は、 フォーカステストマスク上のパターンを、 露光装置の投影光 学系を介して投影し、 その投影像のずれを測定することによって投影光学系のフ オーカス位置を測定するフォーカス測定方法であって、 フォーカステストマスク として上記のような特徴を有するフォーカステストマスクを用意する準備工程 と、 投影されたラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距離を測定 する測定工程とを有するフォーカス測定方法を提供する。
本発明のフォーカス測定方法は、 測定工程に先立って、 フォーカステストマス クのパターンの投影像を基板上に露光する露光工程を有し、 測定工程は、 基板上 に形成されたラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距離を測定す ることが望ましい。
このとき、 測定工程は、 露光装置内に設けられた撮像素子によって基板上に形 成されたラインパターンの像を撮像し、 画像処理することによって行われること が望ましい。
また、 本発明は、 フォーカステストマスクに設けられたパターンを投影光学系 を介して投影し、 その投影像のずれを測定することによつて投影光学系のフォー カス位置を測定する露光装置であって、 投影光学系を介して投影された、 上記の ような特徴を有するフォーカステストマスクの像を検出し、 ラインパターンの像 と基準パターンの像との相対的な距離を測定する測定装置を有する。
なお、 フォーカステストマスクは、 回路パターンが形成されたマスクを保持す るマスクステージ上に、 マスクを保持する保持部とは異なる位置に設けられた基 準板であっても良い。
また、 測定装置は、 投影光学系を介して基板上に投影され基板上に形成された パターンの像を検出することが望ましい。
また、 測定装置は、 投影光学系を介して投影されたパターンの空間像を検出す ることが望ましい。 本願発明によれば、 実際の露光条件と同じ条件でパターンを露光でき、 且つ露 光装置内に設けられているァライメント顕微鏡によって計測可能なテストパター ンを有するフォーカステストマスク、 それを用いた測定方法、 及び露光装置を提 供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、本発明の実施形態における露光装置の概略構成図を示す平面図である。 図 2は、 本発明の一実施形態におけるテス トレチクルの平面図。
図 3 Aは、 本発明のフォーカステストパターンの一実施形態を示す平面図であ り、 図 3 Bは、 図 3 Aに示すパターンの断面図であり、 図 3 Cは、 図 3 Aに示す パターンを光電検出装置で検出したときの検出信号を示す図である。
図 4 Aは、 本発明のフォーカステストパターンの別の実施形態を示す平面図で あり、 図 4 Bは、 図 4 Aに示すパターンの断面図である。
図 5は、 本発明のフォーカステストパターンの別の実施形態を示す平面図であ る。
図 6は、 本発明のフォーカステストパターンの別の実施形態を示す平面図であ る。
図 7は、 従来のフォーカステストパターンの一例を示す平面図である。
図 8 Aは、 基準パターンが大きな孤立パターンである場合のフォーカステスト パターンの一例を示す平面図であり、 図 8 Bは、 基準パターンが回折格子パター ンである場合のフォーカステストパターンの一例を示す平面図であり、図 8 Cは、 基準パターンが非対称回折格子パターンである場合のフォーカステストパターン の一例を示す平面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下に、 本発明を半導体素子製造に用いられる走査露光方式の露光装置に具体 化した一実施形態について、 図 1ないし図 6に基づいて説明する。
図 1に示すように、 本実施形態の露光装置 E Xは、 マスクとしてのレチクル R 上に描画された回路パターンを基板としてのウェハ W上に投影転写するものであ る。 露光光源、 コリメータレンズ、 干渉フィルター、 フライアイレンズ及び開口 絞り （σ絞り） 等を含む照明光学系 2 9から照射された露光光 E Lは、 ビームス プリッタ 3 0で反射される。 露光光 E Lは、 例えば K r F、 A r F、 F 2 等のェ キシマレーザ光、金属蒸気レーザや Y A Gレ一ザの高調波、 あるいは g線、 h線、 i線等の超髙圧水銀ランプの輝線である。 ビームスプリッタ 3 0で反射された露 光光 E Lは、 リ レーレンズ 3 1 a、 3 1 b、 レチクルブラインド 3 2、 ミラー 3 3、 コンデンサレンズ 3 4を介して半導体素子等の回路パターン等が描かれたレ チクル R (又はフォーカステス トパターンが描かれたフォーカステス トレチクル T R ) に入射し、 レチクル Rの照明領域をほぼ均一な照度で照明する。
レチクル Rは、 ベース 3 8上に設けられたマスクステージとしてのレチクルス テージ R S Tに真空吸着されている。 このレチクルステージ R S Tは、 露光光 E Lの光軸に対して直交する平面内でレチクル Rを位置決めするために、 ベース 3 8上をエアベアリング等を介して 2次元方向に微動可能に保持されている。
レチクルステージ R S Tの端部には、 干渉計 4 0からのレーザビームを反射す る移動鏡 4 1が固定されている。 この干渉計 4 0によって、 レチクルステージ R S Tのスキャン方向の位置が、例えば 0 . 0 1 u m程度の分解能で常時検出され、 その位置情報はレチクルステージ制御部 4 2に送られる。 レチクルステージ制御 部 4 2は、 レチクルステージ R S Tの位置情報に基づいて不図示のレチクルステ ージ駆動部を制御し、 レチクルステージ R S Tを移動させる。
また、 レチクルステージ R S T上には、 投影光学系 P Lの結像特性を計測する ためのテストパターンが設けられた基準板 4 3が設けられている。 この基準板 4 3のパターン形成面は、 レチクル Rのパターン形成面とほぼ同じ高さになるよう に設けられている。
レチクル Rを通過した露光光 E Lは、 例えば両側テレセントリックな投影光学 系 P Lに入射する。 投影光学系 P Lは、 そのレチクル R上の回路パターンを例え ば 1 Z 5あるいは 1 / 4に縮小した投影像を、 表面に露光光 E Lに対して感光性 を有するフォ トレジス トが塗布されたウェハ W上に形成する。
ここで、 レチクル R上の照明領域が、 レチクルブラインド 3 2で長方形 （スリ ット） 状に整形される。 そして、 レチクル Rを露光時に + Y方向に速度 V rで走 查することにより、 レチクル R上の回路パターンをスリット状の照明領域で一端 側から他端側に向かって逐次照明する。 ここで、 ウェハ Wはレチクル Rとは倒立 結像関係にあるため、 レチクル Rとは反対方向 （_ Y方向） に速度 V wでレチク ル Rの走査に同期して走査される。 これにより、 ウェハ Wのショット領域の全面 が露光可能となる。 走查速度の比 V wZV rは投影光学系 P Lの縮小倍率に応じ たものになっており、 レチクル R上の回路パターンがウェハ W上の各ショット領 域上に正確に縮小転写される。
ウェハ Wはウェハホルダ 4 5に真空吸着され、 ウェハホルダ 4 5を介して基板 ステージとしてのウェハステージ W S T上に保持されている。 ウェハホルダ 4 5 は図示しない駆動部により、 投影光学系 P Lの最適結像面に対し、 任意方向に傾 斜可能で、 かつ投影光学系 P Lの光軸 A X方向 （Z方向） に微動可能になってい る。 また、 ウェハステージ W S Tは、 モータ等からなるウェハステージ駆動部 4 6により、 走査方向 （Y方向） の移動のみならず、 複数のショット領域に対し任 意に移動できるように走査方向に垂直な方向 （X方向） にも移動可能に構成され ている。 これにより、 ウェハ W上の各ショット領域を走査露光する動作と、 次の 走查露光の開始位置まで移動する動作とを繰り返すステップ 'アンド 'スキャン 動作が可能になっている。
ウェハステージ W S Tの端部には、 干渉計 4 7からのレーザビームを反射する 移動鏡 4 8が固定されており、 ウェハステージ W S Tの X Y方向の位置は干渉計 4 7によって、 例えば 0 . 0 1 m程度の分解能で常時検出される。 ウエノ、ステ ージ W S Tの位置情報（または速度情報） はウェハステージ制御部 4 9に送られ、 ウェハステージ制御部 4 9はこの位置情報 （または速度情報） に基づいてウェハ ステージ駆動部 4 6を制御する。
また、 ウェハステージ W S T上には、 転写露光の基準位置、 ここでは投影光学 系 P Lの露光フィールドの中心に対するレチクル Rの相対位置を検出するための 基準マークを備えた基準板 5 0が設けられている。 この基準板 5 0は、 ウェハ W の表面とほぼ同じ高さになるように設けられている。
投影光学系 P Lの近傍両側には、 投光系 5 7及び受光系 5 8から構成され、 ゥ ェハ Wの高さ位置 （投影光学系 P Lの光軸 A X方向における位置） 情報を得る焦 点位置検出系 （5 7， 5 8 ) が設けられている。 投光系 5 7からの計測ビームは ウェハ W上に照射され、 ウェハ Wで反射した計測ビームは受光系 5 8内の光電検 出器によって受光される。 受光系 5 8は、 光電検出器の検出信号に基づいてゥェ ハ Wの高さ位置情報を検出し、 主制御系 7 0に供給する。 主制御系 Ί 0は、 この 高さ位置情報に基づいて、 ウェハステージ W S Tの高さ位置及び傾きを調整し、 ウェハ Wの表面を投影光学系の結像面に合致させる。 また、 主制御系は、 所定の オフセット量を焦点検出系 （5 7 , 5 8 ) に対して与えることができる。
投影光学系 P Lの側方には、 ウェハ W上に投影されるパターン像の結像状態及 ぴ基準板 5 0上の WA基準マークを検出するための光電検出装置 5 1が設けられ ている。 この光電検出装置 5 1は、 ディストーションに関する情報を計測する計 測デバイス及び光電検出デバイスを構成し、 撮像素子 5 2によりウェハ W上のパ タ一ン像及び基準板 5 0上の基準マークを撮像して検出する撮像方式となってい る。
この光電検出装置 5 1は、 ハロゲンランプ、 コンデンサレンズ、 光ファイバ、 干渉フィルタ、 及びレンズ系等を含む照明光学系 5 4を有する。 ハロゲンランプ から照射された広帯域の照明光 I Lは、 干渉フィルタによりフォトレジスト層の 感光波長域及び赤外波長域の光がカットされる。 そして、 照明光学系 5 4から照 射された照明光 I Lは、 ビームスプリッタ 5 5、 ミラー、 プリズム、 及び対物レ ンズからなる対物光学系 5 6に入射する。 対物光学系 5 6から射出された照明光 I Lが、 投影光学系 P Lの照明視野を遮光しないようにウェハ Wをほぼ垂直に照 射する。
この照射によりウェハ W上の投影領域が照明され、 その照明に応じて当該領域 から反射された反射光 R Lは対物光学系 5 6、 ビームスプリッタ 5 5を介して撮 像素子 5 2に導かれる。 撮像素子 5 2内には、 図示しない透明窓及びレンズ系が 設けられており、 反射光 R Lは透明窓内に結像され、 その結像はレンズ系を介し て撮影された後に撮像信号に光電変換される。 この撮像信号は主制御系 7 0に供 給され、 その撮像信号を波形処理することにより、 ウェハ W上に設けられたパタ ーン像の位置情報が算出される。 なお、 この光電検出装置 5 1は、 ウェハ W上に 設けられたァライメントマークや、 テストレチクル Rに設けられたテストパター ンをウェハ W上に露光したときのテストパターン像の計測にも用いられる。
また、 主制御系 70には、 キ一ボードやバーコードリーダ等の入力デバイス 7 1が接続されている。 この入力デバイス 71を介して、 ウェハ Wのサイズ、 投影 倍率、 レチクルブラインド 32の開度 （照明スリット幅） の値、 目標露光量、 走 查速度、 標準パターン像 （ディストーションを有しない正常なパターン像） に関 する情報、 光電検出装置 5 1による計測条件等の各種情報を主制御系 70に入力 可能となっている。
また、 主制御系 70には、 記憶デバイス及ぴパラメータ算出デバイスとしての ハードディスク部 72が接続されている。 主制御系 70は、 光電検出装置 5 1で 算出されたテストパターン像の位置ズレに関する情報に基づいて、 投影光学系の 最良結像面 （ベストフォーカス面） に関する情報を得、 これを基板上の位置に対 応してハードディスク部 72に記憶する。 そして、 このように算出されたべスト フォーカス面の位置に関する情報は、 ハードディスク部 72内においてショット 領域毎に区画された基準データファイルに格納されるようになっている。
次に、 本実施形態のフォーカステストマスク、 及ぴそれを用いた測定方法につ いて、 図 2〜図 4に基づいて説明する。
図 2は、 本発明におけるフォーカステストレチクル TRを示す。 フォーカステ ストレチクル TRのパターンエリァ内には、 3行 X 3列のフォーカステストパタ ーン FTP 1 1, FTP 1 2, FTP 1 3, FTP 21, FTP 22, FTP 2 3, FT P 3 1 , FTP 32, F T P 33が設けられている。 それぞれのフォー カステストパターン FTP 1 1〜33は、 X方向に伸びるパターンと Y方向に伸 びるパターンとから構成されている。 ここで例えばフォーカステストパターン F T P 1 1の X方向に伸びるパターンを図 3 A、 その断面図を図 3 Bに示す。
図 3 Aに示すように、 フォーカステストパターン FT P 1 1は、 両端に主尺 1 a、 l bが設けられ、 その間に副尺 1 cが設けられている。 図 3Aにおける左側 の主尺 l aは、 4本のラインパターン 1 1 a、 l l b、 l l c、 1 1 dが並んで 設けられており、 パターン 1 1 aと 1 1 bとが一方のペア、 パターン 1 1 cと 1 1 dとが他方のペアになっている。各ペアにおけるラインパターンの間隔 d 2と、 各ペア間の間隔 d 3とは異なる値となっている。 右側の主尺 1 bも同様の構成で あるのでここでは説明を省略する。
また、 副尺 l cは、 6本のラインパターン 1 2 a、 1 2 b、 1 2 c、 1 2 d、 1 2 e、 1 2 f が並んで設けられており、 パターン 1 2 aと 1 2 bとが第 1のぺ ァ、 パターン 1 2 cと 1 2 dとが第 2のペア、 パターン 1 2 eと 1 2 f とが第 3 のペアになっている。 各ペアにおけるラインパターンの間隔 d 2と、 各ペア間の 間隔 d 3とは異なる値となっている。
次に、 具体的な寸法を以下に説明する。 各ラインパターン 1 1 a〜l 1 d、 1 2 a〜l 2 f は、 それぞれ同じ幅 d 1を有し、 d 1 = 0 . 1 μ m (マイクロメ一 トル） である。 各ペアのパターン間隔 d 2は、 約 5 μ πι (マイクロメートル） で あり、 各ペア間の間隔 d 3は約 1 2 πι (マイクロメートル） となっている。 こ のように、 パターンの線幅に比較して、 パターン間やペア間の間隔は非常に大き くなっており、 各ラインパターンがそれぞれ孤立パターンとほぼ等価となってい る。 各ラインパターンを独立パターンとほぼ等価にするためには、 例えば、 各パ ターンの間隔をパターン線幅 d 1の 1 0倍以上にすれば良い。このことによって、 各ラインパターンが独立した一つのパターンとなり、 各ラインパターンの 2次以 上の回折光も、 投影光学系 P Lを介してラインパターン像として結像される。 なお、 本実施形態において、 主尺 1 a， 1 bおよび副尺 1 cを同一の線幅 d 1 で形成しているのは、 このように構成することによって、 より高い感度でデフォ 一カス量を検出することができるためである。 しかしながら、 主尺 l a， l bを 構成するラインパターンの線幅と、 副尺 1 cを構成するラインパターンの線幅と を異ならせても構わない。
図 3 A, 図 3 Bにおいて、 主尺 l a、 1 bの各ラインパターンの右側には、 そ れぞれ位相シフト部 1 3が設けられている。 これらの位相シフト部 1 3は、 通過 する光の位相を 9 0 ° ずらすように構成されている。 また、 副尺 l cの各ライン' パターンの左側にも同様に、 通過する光の位相を 9 0 ° ずらす位相シフト部 1 3 が設けられている。 このように、 主尺 l a、 1 bと副尺 1 cに設けられた位相シ フト部 1 3の位置が逆であるため、 デフォーカスした状態でフォーカステストパ ターン F T P 1 1〜3 3を露光すると、 位置がシフトする方向がそれぞれ逆方向 となる。 このようなフォーカステストパターン FTP 1 1をウェハ W上に露光して出来 た像を、 図 1に示す露光装置内の光電検出装置 5 1で検出する。 そのときの検出 信号を図 3 Cに示す。 図 3 Cは、 光電検出装置 5 1の撮像素子 52で撮像された フォーカステストパターンの画像を、 所定の走査線で走査した時の信号強度の分 布である。 図 3 Cから分かるように、 各ラインパターンの部分で検出信号の強度 が低くなつている。 本例では、 主尺が合計 8本、 副尺が合計 6本あるので、 これ らのボトム B 1~B 14の部分の位置をそれぞれ検出することにより、 平均化効 果によって主尺と副尺との相対的な位置関係を精度良く検出することが可能とな る。 主制御系 70は、 この主尺 1 a, l bと副尺 1 cとの位置ずれ情報から、 ベ ストフォーカス位置からどれだけずれた位置でフォーカステストパターンを露光 したのか、 即ちべストフォーカス位置がどこであるかを算出する。
図 2に戻り、 フォーカステストレチクル TRには、 各フォーカステストパター ン FTP 1 1〜33の近傍に、 ボックスパターン BP 1 1, B P 1 2, BP 1 3, BP 2 1, BP 22, B P 23 , B P 3 1 , B P 32, BP 33が設けられてい る。 このボックスパターンも先のフォーカステストパターン F T P 1 1〜 33と 同様に、 投影光学系のベストフォーカス位置を計測するためのものである。 ボッ タスパターン B P 1 1を図 4A、 その断面図を図 4 Bに示す。
図 4A、 図 4 Bに示すように、 外側のボックスパターン 2 aと内側のボックス パターン 2 cとは、 それぞれ 2本のラインパターン 14 a、 14 b、 14 c、 1 4 dから構成されている。 各ペアにおけるラインパターンの間隔 d 2と、 各ペア 間の間隔 d 3とは先の図 3 Aと同じ値である。 また、 外側のボックスパターン 2 aにおいては、 各ラインパターン 14 a、 14 bの右側に位相シフト部 1 3が設 けられ、 内側のボックスパターン 2 bにおいては、 各ラインパターン 14 c、 1 4 dの左側に位相シフト部 1 3が設けられている。
このようなボックスパターンにおいても、 デフォーカス状態でパターンを露光 すると、 外側のボックスパターン 2 aの位置ズレ方向と内側のボックスパターン 2 bの位置ズレ方向とが逆方向になるので、 これらのボックスパターンの相対位 置関係を光電検出装置 5 1で検出することによって、 投影光学系 P Lのべストフ オーカス位置を計測することができる。 なお、 図 2ないし図 4においては、 ラインパターンの線幅を 1種類しか開示し ていないが、 複数の線幅のパターンをそれぞれ設けておくことが望ましい。 すな わち、 ラインパターンの線幅がそれぞれ異なる複数種類のフォーカステストパタ ーンをフォーカステストレチクル T Rに設けておく。 このことにより、 例えば、 フォーカス計測する露光装置の条件 （例えば、 投影光学系の N Aの値等） に応じ て、 計測するパターンの線幅を選択することができ、 デフォーカス量に応じた位 置ずれの感度が最も高い線幅のラインパターンを用いることができる。 尚、 ライ ンパターンの線幅に応じて、 ラインパターン間隔 d 2、 d 3を変更しても良い。 次に、 このフォーカステストレチクル T Rを用いて投影光学系のべストフォー カス位置を計測するシーケンスについて説明する。
まず、フォーカステストレチクル T Rをレチクルステージ R S T上に配置する。 次に、 焦点検出装置 5 7， 5 8でテストウェハを所定の Z位置に配置し、 テスト ウェハ上の複数のショット領域に対して、 順次テストレチクル T R上のフォー力 ステストパターン F T P 1 1〜3 3 , 及ぴボックスパターン B T 1 1〜3 3を露 光する。
次に、 このテストウェハを不図示のコータデベロッパで現像処理し、 各テスト パターンを形成する。 その後、 再ぴテストウェハを露光装置に搬送し、 ウェハス テージ W S T上に載置する。 主制御系 7 0は、 テストウェハの全面に焼き付けら れた任意のテストパターン (例えば、 フォーカステストパターン F T P 1 1〜3 3 ) を、 各ショット毎に順次光電検出装置 5 1の撮像素子 5 2で撮像する。 撮像 されたテストパターンの位置情報 （主尺と副尺の相対位置関係） は、 主制御系 7 0に送られる。
主制御系 7 0は、 各ショット領域内に配置されたそれぞれのテストパターンの 位置情報からショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカスオフセット量 を検出する。 また、 主制御系 7 0は、 このショット領域内のそれぞれの位置にお けるフォーカスオフセット量の検出結果から、 投影光学系 P Lの最適結像面に対 するウェハ Wの被露光面の位置ずれ （結像面ずれ量） を検出し、 ノヽ一ドディスク 7 2に記憶させる。 そして、 実際の回路パターンを露光処理する際には、 ハード ディスク 7 2に記憶されているフォーカスオフセット量および結像面ずれ量を呼 び出し、 これを用いてウェハ Wの Z方向位置および姿勢を補正することで、 ゥェ ハ Wを真のべストフオーカス位置およぴ最適結像面に配置することが可能とな る。
また、 主制御系 7 0は、 ショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカス オフセット量と、 そのフォーカスオフセット量を検出するために用いたフォー力 ステストパターンの種類とを対応付けてハードディスク 7 2に記憶させておく。 そして、 フォーカステストパターンの種類毎に検出結果を分類し、 さらにそのフ オーカステストパターンのショット領域内の位置も加味して、 投影光学系 P の 性能計測を行う。 例えば、 主制御系 7 0は、 X軸方向に平行なラインパターンを 有するフォーカステストパターンを用いた検出結果と、 Y軸方向に平行なライン パターンを有するフォーカステストパターンを用いた検出結果との 2種類に検出 結果を分類し、 その結果にショット領域内における位置情報を加えて、 ショット 領域内における非点収差の状態を検出する。 あるいは、 主制御系 7 0は、 ハード ディスク 7 2に記憶させたショット領域内のそれぞれの位置におけるフォーカス オフセット量の検出結果から、 投影光学系 P Lの結像面の形状 （像面湾曲や像面 傾斜） を検出することもできる。 このように、 主制御系 7 0は、 フォーカステス トレチクル T Rと協働して、 露光装置 E X、 特に投影光学系 P Lの性能計測を行 うことができる。
本実施形態におけるフォーカステストパターンは、 図 2ないし図 4に示すもの に限らず、 例えば図 5に示すように、 主尺 3 a、 3 b、 及び副尺 3 cの各ライン パターンが、 全て同じピッチで並んでいても良い。 この場合においても、 各ライ ンパターンが孤立線と等価となるように、 ラインパターン間隔を充分に空けてお く必要がある。 また、 図 6に示すように、 主尺 4 a , 4 bのラインパターンに位 相シフト部が形成されていなくても良い。 尚、 図 5、 図 6においては、 図 2〜図 4と同じ部材に対して同じ符号を付している。
さらに、 本実施形態においては、 テストレチクル T R上にフォーカステストパ ターン F T P 1 ：！〜 3 3やボックスパターン B P 1 1〜3 3が設けられている伊 j を示したが、 本発明はこれに限らず、 例えば図 1に示すレチクルステージ R S T 上に設けられた基準板 4 3上にこれらのパターンが設けられていても良い。 すな わち、 テストレチクルがレチクルステージに予め設けられているような構成でも 良い。 このような構成によれば、 回路パターンが設けられた実レチクルからテス トレチクルに交換する作業が不用となり、 任意のタイミングで基準板 4 3を用い てべストフォーカス位置のチェックを行うことができ、 スループット上有利にな る。
さらに、 本実施形態においては、 ウェハ Wに露光されたテス トパターンのレジ スト像を光電検出装置 5 1で検出し、 テストパターンの位置情報を検出する例を 説明したが、 これに限られず、 他の検出方法を用いることもできる。 例えば、 光 が透過するスリットと、 スリツトを透過した光を検出する光電センサとで構成さ れた空間像計測装置を投影光学系 P Lの結像面近傍、 例えばウェハステージ W S T上に設け、 これを用いてテストパターンの空間像を計測することによりテスト パターンの位置情報（主尺と副尺との相対位置関係）を求めるようにしてもよレ、。 これによれば、 テス トパターンの位置検出に際し、 ウェハ Wを露光し、 現像する 必要がない。
以上、 本発明の実施形態を説明したが、 本発明は上述の実施形態に限るもので はなく、特許請求の範囲に記載されている範囲内で、例えばパターン線幅の寸法、 形状、及び配置等、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。 本発明は前述した説明によって限定されることはなく、 添付のクレームの範囲に よってのみ限定される。 産業上の利用の可能性
本発明は、 投影光学系を介して基板上に投影されるパターンが設けられたフォ 一カステストマスクであって、 計測方向に並んで配置された複数のラインパター ンと、 前記複数のラインパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、 通過する光 の位相をずらすための位相シフト部と、 前記ラインパターンの像のずれを測定す る際の基準となる像を得るための基準パターンとを有し、 前記複数のラインバタ ーンの間隔が、 前記ラインパターンの幅よりも充分に大きいフォーカステス トマ スクに関する。
本発明は、 フォーカステストマスク上のパターンを露光装置の投影光学系を介 して基板上に投影し、 その投影像のずれを測定することによって基板のデフォー カス量を測定するフォーカス測定方法であって、 前記フォーカステストマスクと して上記の特徴を有するフォーカステストマスクを用意し、 前記基板上に形成さ れた前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な距離を測定す ることを特徴とするフォーカス測定方法に関する。
本発明は、 フォーカステストマスクに設けられたパターンを投影光学系を介し て基板上に投影し、 その投影像のずれを測定することによって基板のデフォー力 ス量を測定する露光装置であって、 上記の構成を有するフォーカステストマスク と、 基板上に形成されたラインパターンの像と基準パターンの像との相対的な距 離を測定する測定装置とを有する露光装置に関する。
本願発明によれば、 実際の露光条件と同じ条件でパターンを露光でき、 且つ露 光装置内に設けられているァライメント顕微鏡によって計測可能なテストパター ンを有するフォーカステス トマスク、 それを用いた測定方法、 及ぴ露光装置を提 供することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 投影光学系を介して基板上に投影されるテストパターンが設けられたフォー カステストマスクであって、
前記テストパターンは、
計測方向に並んで配置された複数のラインパターンと、
前記複数のラインパターンのそれぞれの近傍領域に設けられ、 通過する光の位 相をずらすための位相シフト部と、
前記ラインパターンの像のずれを測定する際の基準となる像を得るための基準 パターンとを有し、
前記複数のラインパターンの間隔は、 それぞれのラインパターンを孤立線と等 価とみなすことができる大きさに設定されている。
2 . 請求項 1に記載のフォーカステストマスクにおいて、 前記複数のラインパタ ーンは、 異なる複数の間隔を持って配置されている。
3 . 請求項 1に記載のフォーカステストマスクにおいて、 前記複数のラインパタ ーンは、 すべてが等間隔に並んで配置されている。
4 . 請求項 2に記載のフォーカステストマスクにおいて、 前記複数のラインバタ ーンは、 間隔 d 2で配置された 2本のラインパターンからなる一対のラインパタ ーンが、 間隔 d 2よりも大きな間隔 d 3で複数配置されて構成される。
5 . 請求項 1に記載のフォーカステストマスクにおいて、 前記ラインパターンの 間隔は、 前記ラインパターンの幅の 1 0倍よりも大きく設定されている。
6 . 請求項 1に記載のフォーカステストマスクにおいて、 前記ラインパターンの 間隔は、 前記ラインパターンからの 2次以上の回折光も前記投影光学系を介した 結像に用いられる大きさを有する。
7 . 請求項 1に記載のフォーカステストマスクは、 複数種類の前記テストパター ンを備え、 前記テストパターンを構成する前記ラインパターンの線幅は、 前記テ ストパターンの種類毎にそれぞれ異なる。
8 . フォーカステストマスク上のパターンを、 露光装置の投影光学系を介して投 影し、 その投影像のずれを測定することによつて前記投影光学系のフォー力ス位 置を測定するフォーカス測定方法であって、
前記フォーカステストマスクとして、 請求項 1に記載のフォーカステストマス クを用意する準備工程と、
前記投影された前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な 距離を測定する測定工程とを有する。
9 . 請求項 8記載のフォーカス測定方法において、 前記測定工程に先立って、 前 記フォーカステストマスクのパターンの投影像を基板上に露光する露光工程を有 し、
前記測定工程は、 前記基板上に形成された前記ラインパターンの像と前記基準 パターンの像との相対的な距離を測定する。
1 0 . 請求項 9に記載のフォーカス測定方法において、 前記測定工程は、 前記露 光装置内に設けられた撮像素子によって前記基板上に形成された前記ラインパタ 一ンの像を撮像し、 画像処理することによって行われる。
1 1 . フォーカステストマスクに設けられたパターンを投影光学系を介して投影 し、 その投影像のずれを測定することによつて前記投影光学系のフォー力ス位置 を測定する露光装置であって、
前記投影光学系を介して投影された、 請求項 1に記載のフォーカステストマス クの像を検出し、 前記ラインパターンの像と前記基準パターンの像との相対的な 距離を測定する測定装置を有する。
1 2 . 請求項 1 1に記載の露光装置において、 前記フォーカステストマスクは、 回路パターンが形成されたマスクを保持するマスクステージ上に、 前記マスクを 保持する保持部とは異なる位置に設けられた基準板である。 .
1 3 . 請求項 1 1に記載の露光装置において、 前記測定装置は、 前記投影光学系 を介して基板上に投影され前記基板上に形成された前記パターンの像を検出す る。
1 4 . 請求項 1 1に記載の露光装置において、 前記測定装置は、 前記投影光学系 を介して投影された前記パターンの空間像を検出する。
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