(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ用フォトマスクであって、
露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備え、
前記フォーカスモニタ用単位マスク構造は、
前記基板の表面に形成された相互の位置関係を計測するための２つの位置計測用パターンと、
前記基板の裏面に形成され、かつ前記２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせるための裏面パターンを有する遮光膜とを有し、かつ
前記裏面パターンは前記裏面の前記遮光膜に形成された正方形開口パターンであり、かつ
前記正方形開口パターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する前記表面の各々の点に、前記２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置していることを特徴とする、フォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項２】
前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、前記裏面パターンとなる前記正方形開口パターンの辺からの距離が、
ｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）
の上式を満たすＲ以内の範囲内は、前記遮光膜が形成された遮光部であることを特徴とする、請求項１に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項３】
前記裏面パターンとなる前記正方形開口パターンの一辺の長さをａ、前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の２．０倍より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項４】
前記裏面パターンとなる前記正方形開口パターンの一辺の長さをａ、前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の３．０倍より小さいことを特徴とする、請求項１に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項５】
パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ用フォトマスクであって、
露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備え、
前記フォーカスモニタ用単位マスク構造は、
前記基板の表面に形成された相互の位置関係を計測するための２つの位置計測用パターンと、
前記基板の裏面に形成され、かつ前記２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせるための裏面パターンを有する遮光膜とを有し、かつ
前記裏面パターンは前記裏面の前記遮光膜に形成された正方形遮光膜残しパターンであり、かつ
前記正方形遮光膜残しパターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する前記表面の各々の点に、前記２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置していることを特徴とする、フォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項６】
前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、前記裏面パターンとなる前記正方形遮光膜残しパターンの辺からの距離が、
ｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）
の上式を満たすＲ以内の範囲内は、前記遮光膜が設けられていない開口部であることを特徴とする、請求項５に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項７】
前記裏面パターンとなる前記正方形遮光膜残しパターンの一辺の長さをａ、前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の２．０倍より大きいことを特徴とする、請求項５に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項８】
前記裏面パターンとなる前記正方形遮光膜残しパターンの一辺の長さをａ、前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の３．０倍より小さいことを特徴とする、請求項５に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項９】
前記２つの位置計測用パターンの一方はbox-in-box型マークのインナーボックスパターンであり、他方はアウターボックスパターンであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１０】
前記インナーボックスパターンおよび前記アウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジをラインパターンで形成したことを特徴とする、請求項９に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１１】
前記インナーボックスパターンおよび前記アウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジをスペースパターンで形成したことを特徴とする、請求項９に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１２】
前記インナーボックスパターンおよび前記アウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジを一定間隔で配置した複数のホールパターンで形成したことを特徴とする、請求項９に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１３】
レジストプロセスおよび結像条件に依存する定数をｋ1、露光光の波長をλ、開口数をＮＡとしたとき、前記インナーボックスパターンおよび前記アウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジにおけるパターンのサイズＳが、Ｓ＝ｋ1×λ／ＮＡ  （０．３＜ｋ1＜０．６）を満たすことを特徴とする、請求項９〜１２のいずれかに記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１４】
前記２つの位置計測用パターン中心間の距離Ｍは、前記基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）とＤとの積（＝ＩＮＡ値×Ｄ）の０．５倍より大きく４倍より小さいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１５】
前記基板の表面に形成される相互の位置関係を計測するための他の２つの位置計測用パターンと、前記他の２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に同等とするために前記基板の裏面に形成された遮光膜に形成されたパターンとを有するウェハ位置ずらし量補正用マスク構造をさらに備えたことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれかに記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１６】
前記ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造が２ヵ所以上に形成されていることを特徴とする、請求項１５に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１７】
２ヵ所以上に形成される前記ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造のうち任意の２つの前記構造間の配置間隔の最大値が１ショット分の露光領域の長手方向の寸法の１／２よりも大きいことを特徴とする、請求項１６に記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１８】
前記フォーカスモニタ用単位マスク構造が前記基板に複数個形成されており、隣り合う２つの前記フォーカスモニタ用単位マスク構造のピッチが８ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれかに記載のフォーカスモニタ用フォトマスク。
【請求項１９】
パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ方法であって、
フォーカスモニタ用フォトマスクに露光光を照射することにより前記フォトマスクのパターンの、前記被露光面に形成された薄膜である感光体の表面において形成される像が、前記感光体表面を光軸方向に移動したときに前記光軸と直角な方向に移動する特性を利用してフォーカスモニタを行ない、
前記フォーカスモニタ用フォトマスクは、露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備え、
前記フォーカスモニタ用単位マスク構造は、
前記基板の表面に形成された相互の位置関係を計測するための２つの位置計測用パターンと、
前記基板の裏面に形成され、かつ前記２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を前記基板に対して実質的に異ならせるための裏面パターンを有する遮光膜とを有し、かつ
前記裏面パターンは正方形の開口パターンおよび遮光膜残しパターンの一方であって、かつ前記正方形開口パターンおよび前記正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する前記表面の各々の点に、前記２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置している、フォーカスモニタ方法。
【請求項２０】
基体に前記感光体としてフォトレジストを塗布する工程と、
塗布された前記フォトレジストに、前記フォーカスモニタ用フォトマスクの前記２つの位置計測用パターンの像を露光する工程と、
露光された前記フォトレジストを現像することによってパターニングして、レジストパターンを形成する工程と、
レジストパターンに転写された前記２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離に基づいてフォーカスモニタする工程とを備えたことを特徴とする、請求項１９に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２１】
塗布された前記フォトレジストに、前記フォーカスモニタ用フォトマスクの前記２つの位置計測用パターンの像を露光する前記工程は、
前記フォトレジストに、前記フォーカスモニタ用フォトマスクの前記２つの位置計測用パターンの像を露光する第１の露光工程と、
前記フォトレジストが塗布された前記基体を前記光軸方向に対して直角方向に移動させる工程と、
前記フォトレジストに、前記フォーカスモニタ用フォトマスクの前記２つの位置計測用パターンの像を露光する第２の露光工程とを備え、
前記第２の露光工程で前記フォトレジストに露光される前記２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像が、前記第１の露光工程で前記フォトレジストに露光された前記２つの位置計測用パターンのいずれか他方の像に重なることを特徴とする、請求項２０に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２２】
前記２つの位置計測用パターンの各々はbox-in-box型マークのインナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの各々であることを特徴とする、請求項２１に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２３】
前記レジストパターンに転写された前記２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、２つの前記像パターンの画像を取り込んで画像処理することで重ね合わせの位置ずれを検査する重ね合せ検査機を用いて行なわれることを特徴とする、請求項２０〜２２のいずれかに記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２４】
前記レジストパターンに転写された前記２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、走査型電子顕微鏡により２つの前記像パターンの位置を観察することにより行なわれることを特徴とする、請求項２０〜２２のいずれかに記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２５】
前記２つの位置計測用パターンの少なくともいずれかの前記像パターンを露光装置に一体的に取りつけられたパターン位置検出機構により読み取り可能とするように、前記２つの位置計測用パターンは構成されていることを特徴とする、請求項２０〜２４のいずれかに記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２６】
前記第１および第２の露光工程により露光された前記フォトレジストを現像することにより得られた前記レジストパターンをマスクとしてエッチングされた前記レジストパターン下層の導電層の電気抵抗を測定することによってフォーカスモニタをすることを特徴とする、請求項２１に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２７】
前記基体を前記光軸方向に対して直角方向に移動させる前記工程における前記基体の移動量の誤差を計測し、
前記第２の露光工程で前記フォトレジストに露光される前記２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像と前記第１の露光工程で前記フォトレジストに露光された前記２つの位置計測用パターンのいずれか他方の像との位置ずれ量から前記移動量の誤差を差し引くことを特徴とする、請求項２１に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２８】
前記フォーカスモニタ用フォトマスクは、前記基板の表面に形成される相互の位置関係を計測するための他の２つの位置計測用パターンと、前記他の２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に同等とするために前記基板の裏面に形成された遮光膜に形成されたパターンとを有するウェハ位置ずらし量補正用マスク構造をさらに備え、
前記他の２つの位置計測用パターンを前記第１および第２の露光工程で前記フォトレジストに露光し、
前記第１の露光工程で前記他の２つの位置計測用パターンのいずれか一方が前記フォトレジストに露光されて形成されたパターンと、前記第２の露光工程で前記他の２つの位置計測用パターンのいずれか他方が前記フォトレジストに露光されて形成されたパターンとの位置ずれ量から前記移動量の誤差を計測することを特徴とする、請求項２７に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項２９】
露光装置のフォーカスオフセット量を変えて前記フォトレジストに露光した複数のショットのパターンを用いてあらかじめパターンの位置ずれ量とフォーカスずれ量との関係を求め、計測されたパターンの位置ずれ量からその関係に基づいてフォーカスずれ量を求めることを特徴とする、請求項２１に記載のフォーカスモニタ方法。
【請求項３０】
パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ用装置であって、
パターンが形成されたフォーカスモニタ用フォトマスクと、
前記フォーカスモニタ用フォトマスクを露光光で照射するための照明光学系と、
前記フォーカスモニタ用フォトマスクのパターンの像を感光体上に投影する投影光学系とを備え、
前記フォーカスモニタ用フォトマスクは、露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備え、
前記フォーカスモニタ用単位マスク構造は、
前記基板の表面に形成された相互の位置関係を計測するための２つの位置計測用パターンと、
前記基板の裏面に形成され、かつ前記２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を前記基板に対して実質的に異ならせるための裏面パターンを有する遮光膜とを有し、かつ
前記裏面パターンは正方形の開口パターンおよび遮光膜残しパターンの一方であって、かつ前記正方形開口パターンおよび前記正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する前記表面の各々の点に、前記２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置している、フォーカスモニタ用装置。
【請求項３１】
請求項１９〜２９のいずれかに記載のフォーカスモニタ方法を用いたことを特徴とする、装置の製造方法。
【請求項３２】
前記フォーカスモニタ方法を用いて形成される前記装置は半導体装置であることを特徴とする、請求項３１に記載の装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォーカスモニタ用フォトマスク、フォーカスモニタ方法、フォーカスモニタ用装置および装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路における高集積化および微細化には目覚しいものがある。それに伴い、半導体基板（以下、単にウェハと称する）上に形成される回路パターンの微細化も急速に進んできている。
【０００３】
中でも、フォトリソグラフィ技術がパターン形成における基本技術として広く認識されるところである。よって、今日までに種々の開発、改良がなされてきている。しかし、パターンの微細化はとどまるところを知らず、パターンの解像度向上への要求もさらに強いものとなってきている。
【０００４】
このフォトリソグラフィ技術とは、ウェハ上に塗布されたフォトレジストにフォトマスク（原画）上のパターンを転写し、その転写されたフォトレジストを用いて下層の被エッチング膜をパターニングする技術である。
【０００５】
このフォトレジストの転写時においては、フォトレジストに現像処理が施されるが、この現像処理によって光の当った部分のフォトレジストが除去されるタイプをボジ型、光の当らない部分のフォトレジストが除去されるタイプをネガ型のフォトレジストという。
【０００６】
一般に、縮小露光方法を用いたフォトリソグラフィ技術における解像限界Ｒ（ｎｍ）は、
Ｒ＝ｋ１・λ／（ＮＡ）
と表わされる。ここで、λは使用する光の波長（ｎｍ）、ＮＡはレンズの投影光学系の開口数、ｋ１は結像条件およびレジストプロセスに依存する定数である。
【０００７】
上式からわかるように、解像限界Ｒの向上を図るためには、すなわち微細パターンを得るためには、ｋ１とλとの値を小さくし、ＮＡの値を大きくする方法が考えられる。つまり、レジストプロセスに依存する定数を小さくするとともに、短波長化や高ＮＡ化を進めればよいのである。
【０００８】
これらのうち、光源の短波長化は技術的に難しく、同一波長での高ＮＡ化によることが必要となっている。しかし、高ＮＡ化を進めると、光の焦点深度δ（δ＝ｋ２・λ／（ＮＡ）２）が浅くなり、形成パターンの形状、寸法精度の劣化を招くといった問題がある。
【０００９】
係るフォトリソグラフィ技術において、フォトマスクのパターンを高い解像度でフォトレジストに露光するには、そのフォトレジストを投影光学系の最良結像面（ベストフォーカス面）に対して焦点深度の範囲内で合致させた状態で露光を行なう必要がある。そのためには、被露光基板面の投影光学系に対する距離を正確に求めることが必要である。この距離を求める処理のことは、フォーカスモニタと呼ばれている。
【００１０】
従来のフォーカスモニタとして、たとえばＩＢＭ社のＢｒｕｎｎｅｒにより開発され、米  Ｂｅｎｃｈｍａｒｋ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社より販売されている位相シフトフォーカスモニタ方法および、この方法に用いられる位相シフトフォーカスモニタマスクがある。
【００１１】
図５６は、位相シフトフォーカスモニタ方法の動作原理を説明するための図である。図５６を参照して、この位相シフトフォーカスモニタ方法では、位相シフトフォーカスモニタマスク１０５が用いられる。この位相シフトフォーカスモニタマスク１０５は、透明基板１０５ａと、所定のパターンを有する遮光膜１０５ｂと、その所定のパターン上に形成された位相シフタ１０５ｃとを有している。
【００１２】
この位相シフトフォーカスモニタマスク１０５は、具体的には図５７に示すように、十分に太い透過部１０５ｄと１０５ｅとの間に細い遮光パターン１０５ｂを配置したパターンを有している。なお、透過部１０５ｄには位相シフタ１０５ｃは配置されておらず、透過部１０５ｅには位相シフタ１０５ｃが配置されている。
【００１３】
この位相シフトフォーカスモニタ方法では、図５６を参照して、まず位相シフトフォーカスモニタマスク１０５に光が照射される。このとき、位相シフタ１０５ｃが透過光の位相を９０°程度シフトさせるように構成されているため、透過部１０５ｅを透過した光が透過部１０５ｄを透過した光よりも光路差で１／４λ、５／４λ、…だけ先に行く場合、または３／４λ、７／４λ、…だけ後に行く場合に、互いの光が相互に強め合う。これにより、位相シフトフォーカスモニタマスク１０５を透過した後の光は、ｚ軸（光軸）に対して非対称の強度分布を有することになる。この位相シフトフォーカスモニタマスク１０５を透過した光は、投影レンズ１１９ａ、１１９ｂにより集光されて、半導体基板１２１ａ上のフォトレジスト１２１ｂに結像する。
【００１４】
この位相シフトフォーカスモニタ方法によれば、回折光の強度分布がｚ軸（光軸：図中縦方向）に対して非対称の状態でフォトレジスト１２１ｂに結像される。このため、ウェハ１２１のｚ方向の移動により、ウェハ１２１でのパターンの像がｚ軸（光軸）と直角な方向（ｘ−ｙ方向：図中横方向）に移動していくことになる。このｘ−ｙ方向へのパターンの像の移動量を測定することにより、ｚ方向の位置の測定、つまりフォーカスの測定が可能となる。
【００１５】
また上記の位相シフトフォーカスモニタ方法以外に、フォーカスモニタ方法として、たとえば特開平６−１２０１１６号公報に開示された方法もある。この方法では、まずフォトマスク表面の第１の所定のパターンを、主光線が第１の傾斜角となる露光光で照明することにより、第１の所定のパターンの第１の像が感光体基板上に露光される。この後、上記第１の所定のパターンとは別の第２の所定のパターンを、主光線が第１の傾斜角とは異なる第２の傾斜角となる露光光で照明することにより、第２の所定のパターンの第２の像が感光体基板上に露光される。露光された第１の像と第２の像との間隔を計測することにより、この間隔とデフォーカス量との関係から、感光体基板の位置から最良結像面までの間隔が求められる。
【００１６】
この方法では、フォトマスク表面の所定のパターンを第１の傾斜角または第２の傾斜角で照明するために、図５８に示すような構成のフォトマスク２０５が用いられる。
【００１７】
図５８を参照して、このフォトマスク２０５は、透明基板２０５ａと、その透明基板２０５ａの表面に形成された位置計測用マーク２０５ｂ１、２０５ｂ２と、透明基板２０５ａの裏面に形成された回折格子パターン２０５ｃとを有している。つまり、フォトマスク２０５に入射した露光光は、回折格子パターン２０５ｃで回折されることにより位置計測用マーク２０５ｂ１を第１の傾斜角で照明し、また位置計測用マーク２０５ｂ２を第２の傾斜角で照明する。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した位相シフトフォーカスモニタでは、フォトマスク１０５として特殊な構造の位相シフトマスクを用いる必要がある。このように特殊な構造のフォトマスクが必要であるため、フォトマスクが高価になるという問題点があった。
【００１９】
また、従来の位相シフトフォーカスモニタ方法では、高いｚ方向の検出感度（ｚ方向への移動量に対するｘ−ｙ方向への移動量の比）を得るためには、等方（瞳面で円形）で角度広がりの小さい、すなわち小さいσ値の照明を用いる必要がある。このことは、Ｔ．Ａ．Ｂｒｕｎｎｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｅｘｒｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｗｉｔｈ  ｔｈｅ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ  ｆｏｃｕｓ  ｍｏｎｉｔｏｒ”，ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．２７２６，ｐｐ．２３６−２４３に記されている。特に上記文献の図４では、σ値が０．３のときに、パターンのｘ−ｙ方向への移動量（Ｆｏｃｕｓ  ｍｏｎｉｔｏｒ  ｏｖｅｒｌａｙ  ｅｒｒｏｒ）が最も大きくなり、ｚ方向の検出感度が高くなることが示されている。
【００２０】
このようにσ値の小さい照明を得るためには、たとえば図５９に示すように照明絞りなどの照明アパチャー１４の開口部１４ｄの径を小さくする必要がある。
【００２１】
しかしながら、σ値が０．３程度と小さい照明を用いてデバイスパターンの形成を行なうと、光の干渉性が強すぎて、フォトレジストに転写された２次元パターンの変形が顕著になる。このような２次元パターンの変形を抑制するためには、デバイスパターン形成時に用いる照明アパチャー１４の開口径を、フォーカスモニタ時に用いる照明アパチャー１４の開口径よりも大きくして、σ値をたとえば０．６以上にする必要がある。このため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャー１４を交換しなければならず、交換のための労力および管理が必要になるという問題がある。
【００２２】
また、その交換時に、照明光学系に混入した酸素が残存していると、レンズが曇ってしまうため、交換後、長時間の窒素導入による酸素のパージを行なう必要があり、作業が煩雑になるという問題もある。
【００２３】
また特開平６−１２０１１６号公報に開示されている方法では、図５８に示すようにフォトマスク２０５の裏面に回折格子パターン２０５ｃを形成する必要がある。この回折格子パターン２０５ｃは光を回折させるために微細なパターンにする必要がある。このように微細なパターンを形成する必要から、加工寸法が小さくなり、フォトマスクの作成が難しくなるという問題点があった。
【００２４】
また、フォトマスク２０５裏面の回折格子パターン２０５ｃの存在する部分のみを露光光で照明する必要があり、照明範囲を狭い一部分に絞らねばならないという問題もあった。
【００２５】
それゆえ本発明の目的は、フォトマスクの作成が容易で、かつ照明アパチャーの交換が不要で、かつｚ方向の検出感度が高いフォーカスモニタを可能とするフォーカスモニタ用フォトマスク、フォーカスモニタ方法、フォーカスモニタ用装置および装置の製造方法を提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一のフォーカスモニタ用フォトマスクは、パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ用フォトマスクであって、露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備えている。フォーカスモニタ用単位マスク構造は、２つの位置計測用パターンと、遮光膜とを備えている。２つの位置計測用パターンは、基板の表面に形成され相互の位置関係を計測するためのものである。遮光膜は、基板の裏面に形成され、かつ２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせるための裏面パターンを有する。裏面パターンは裏面の遮光膜に形成された正方形開口パターンであり、かつ正方形開口パターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置している。
【００２８】
本発明の一のフォーカスモニタ用フォトマスクによれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした位相シフトフォーカスモニタ方法と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、位相シフトフォーカスモニタ方法におけるようにσ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形開口パターンを用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形開口パターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角分布の意味において半分で照明することができる。
【００５１】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、裏面パターンとなる正方形開口パターンの辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の式を満たすＲ以内の範囲内は、遮光膜が形成された遮光部である。
【００５２】
これにより、２つの位置計測用パターンの各々に、正方形開口パターンからの照明光のみを入射させることができ、露光光の非テレセントリックな性質を大きく確保することができる。
【００５７】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形開口パターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の２倍より大きい。
【００５８】
これにより、開口が存在する側の照明の最大入射角成分の全てが、その正方形開口パターンを通して位置計測用パターンに到達し得る。
【００５９】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形開口パターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の３倍より小さい。
【００６０】
ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の３倍以上であると、正方形開口パターンが大きくなりすぎ、これによりフォーカスモニタ用単位マスク構造が大きくなり、多数の上記単位マスク構造を同一マスク上に配置することができなくなり、フォーカスモニタを露光フィールド内の多数の点で行なうことができなくなる。
【００６３】
本発明の他のフォーカスモニタ用フォトマスクは、パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ用フォトマスクであって、露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備えている。フォーカスモニタ用単位マスク構造は、２つの位置計測用パターンと、遮光膜とを備えている。２つの位置計測用パターンは、基板の表面に形成され相互の位置関係を計測するためのものである。遮光膜は、基板の裏面に形成され、かつ２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせるための裏面パターンを有する。裏面パターンは裏面の遮光膜に形成された正方形遮光膜残しパターンであり、かつ正方形遮光膜残しパターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置している。
【００６４】
本発明の他のフォーカスモニタ用フォトマスクによれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした位相シフトフォーカスモニタ方法と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、位相シフトフォーカスモニタ方法におけるようにσ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形遮光膜残しパターンを用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形遮光膜残しパターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角度の意味において半分で照明することができる。
【００６５】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、裏面パターンとなる正方形遮光膜残しパターンの辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の式を満たすＲ以内の範囲内は、遮光膜が設けられていない開口部である。
【００６６】
これにより、位置計測用パターンを十分な光量で露光できるだけの開口部を正方形遮光膜残しパターンの外部に設けることができる。
【００７１】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形遮光膜残しパターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の２倍より大きい。
【００７２】
これにより、遮光パターンが存在する側の照明の入射角成分が完全に遮光され、位置計測用パターンに到達しないようにすることができる。
【００７３】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形遮光膜残しパターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の３倍より小さい。
【００７４】
ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の３倍以上であると、正方形開口パターンが大きくなりすぎ、これによりフォーカスモニタ用単位マスク構造が大きくなり、多数の上記単位マスク構造を同一マスク上に配置することができなくなり、フォーカスモニタを露光フィールド内の多数の点で行なうことができなくなる。
【００７７】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、２つの位置計測用パターンの一方はｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型マークのインナーボックスパターンであり、他方はアウターボックスパターンである。
【００７８】
これにより、位置計測用パターンのｘ‐ｙ面内での位置ずれを容易に測定することができる。
【００７９】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、インナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジがラインパターン、スペースパターン、および一定間隔で配置された複数のホールパターンのいずれかで形成されている。
【００８０】
このように各種のパターンをボックスパターンのボックスエッジに用いることができる。
【００８１】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、レジストプロセスおよび結像条件に依存する定数をｋ１、露光光の波長をλ、開口数をＮＡとしたとき、インナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジにおけるパターンのサイズＳが、Ｓ＝ｋ１×λ／ＮＡ  （０．３＜ｋ１＜０．６）を満たす。
【００８２】
これにより、実際のデバイスに対応したフォーカスの測定が可能となる。
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、２つの位置計測用パターン中心間の距離Ｍは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）とＤとの積（＝ＩＮＡ値×Ｄ）の０．５倍より大きく４倍より小さい。
【００８３】
これにより、位置計測用パターンを適切に照射することができる。２つの位置計測用パターン間の距離ＭがＩＮＡ値×Ｄの０．５倍以下であると、２つの位置計測用パターンの各々を斜めに照射することができなくなる。また、２つの位置計測用パターン間の距離ＭをＩＮＡ値×Ｄの４倍以上に離すことは実質的な意味を持たず、不必要にフォーカスモニタ用単位マスク構造の寸法を大きくすることになり、多くのフォーカスモニタ用単位マスク構造をマスク上に配置できなくする。
【００８４】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、基板の表面に形成される相互の位置関係を計測するための他の２つの位置計測用パターンと、上記他の２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に同等とするために基板の裏面に形成された遮光膜に形成されたパターンとを有するウェハ位置ずらし量補正用マスク構造がさらに備えられている。
【００８５】
少なくとも１つのウェハ位置ずらし量補正用マスク構造を設けたことにより、１回目の露光後に被露光体を移動させて２回目の露光を行なうときに、移動量のずれ量を測定することが可能となる。
【００８６】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造が２ヵ所以上に形成されている。
【００８７】
ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造を２ヵ所以上に設けることにより、被露光体の回転方向のずれ量をも測定することが可能となる。
【００８８】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、２ヵ所以上に形成されるウェハ位置ずらし量補正用マスク構造のうち任意の２つの構造間の配置間隔の最大値が１ショット分の露光領域の長手方向の寸法の１／２よりも大きい。
【００８９】
これにより、１ショット分の露光領域が回転方向にずれて露光された場合に、その回転方向のずれ量の検出感度を大きくすることができる。
【００９０】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、フォーカスモニタ用単位マスク構造が基板に複数個形成されており、隣り合う２つのフォーカスモニタ用単位マスク構造のピッチが８ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。
【００９１】
これにより、光学系と基板表面との距離を必要な空間間隔で計測することが可能となる。
【００９２】
本発明のフォーカスモニタ方法は、パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ方法であって、フォーカスモニタ用フォトマスクに露光光を照射することによりフォトマスクのパターンの、被露光面に形成された薄膜である感光体の表面において形成される像が感光体表面を光軸方向に移動したときに光軸と直角な方向に移動する特性を利用してフォーカスモニタが行なわれる。フォーカスモニタ用フォトマスクは、露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備えている。フォーカスモニタ用単位マスク構造は、２つの位置計測用パターンと、遮光膜とを有している。２つの位置計測用パターンは、基板の表面に形成された相互の位置関係を計測するためのものである。遮光膜は、基板の裏面に形成され、かつ２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を基板に対して実質的に異ならせるための裏面パターンを有する。裏面パターンは正方形の開口パターンおよび遮光膜残しパターンの一方であり、かつ正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置している。
【００９４】
本発明のフォーカスモニタ方法によれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした場合と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、σ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方を用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角度の意味において半分で照明することができる。
【００９５】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、基体に感光体としてフォトレジストを塗布する工程と、塗布されたフォトレジストにフォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する工程と、露光されたフォトレジストを現像することによってパターニングしてレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離に基づいてフォーカスモニタする工程とが備えられている。
【００９６】
このように２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定することなどにより、フォーカスモニタをすることができる。
【００９７】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、塗布されたフォトレジストに、フォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する工程は、フォトレジストに、フォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する第１の露光工程と、フォトレジストが塗布された基体を光軸方向に対して直角方向に移動させる工程と、フォトレジストに、フォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する第２の露光工程とを備えている。第２の露光工程でフォトレジストに露光される２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像が、第１の露光工程でフォトレジストに露光された２つの位置計測用パターンのいずれか他方の像に重なる。
【００９８】
フォーカスがずれている場合、第１の露光工程で露光された２つの位置計測用パターンのいずれかの像と、第２の露光工程で露光される２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像とは、ｘ−ｙ面内で互いに逆方向にずれて配置される。このため、このｘ‐ｙ面内でのずれ量を測定することでフォーカスモニタすることができる。
【００９９】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、２つの位置計測用パターンの各々はｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型マークのインナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの各々である。
【０１００】
このようにｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型マークを用いることで、各像パターンのｘ‐ｙ面内でのずれ量を容易に測定することができる。
【０１０１】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、２つの像パターンの画像を取り込んで画像処理することで重ね合わせの位置ずれを検査する重ね合せ検査機を用いて行なわれる。
【０１０２】
これにより精度良く位置ずれを測定することができる。
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、走査型電子顕微鏡により２つの像パターンの位置を観察することにより行なわれる。
【０１０３】
これにより容易に位置ずれを測定することができる。
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、２つの位置計測用パターンの少なくともいずれかの像パターンを露光装置に一体的に取りつけられたパターン位置検出機構により読み取り可能とするように、２つの位置計測用パターンは構成されている。
【０１０４】
これにより、簡易な構成の装置により計測が可能となる。
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、第１および第２の露光工程により露光されたフォトレジストを現像することにより得られたレジストパターンをマスクとしてエッチングされたレジストパターン下層の導電層の電気抵抗を測定することによってフォーカスモニタが行なわれる。
【０１０５】
このようにして電気的特性を測定することによりフォーカスモニタを行なうこともできる。
【０１０６】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、基体を光軸方向に対して直角方向に移動させる工程における基体の移動量の誤差が計測される。第２の露光工程でフォトレジストに露光される２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像と第１の露光工程でフォトレジストに露光された２つの位置計測用パターンのいずれか他方の像との位置ずれ量から移動量の誤差が差し引かれる。
【０１０７】
これにより、移動量の誤差を差し引くことができるため、より精度よくフォーカスモニタを行なうことができる。
【０１０８】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、フォーカスモニタ用フォトマスクは、基板の表面に形成される相互の位置関係を計測するための他の２つの位置計測用パターンと、上記他の２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に同等とするために基板の裏面に形成された遮光膜に形成されたパターンとを有するウェハ位置ずらし量補正用マスク構造がさらに備えられている。上記他の２つの位置計測用パターンは第１および第２の露光工程でフォトレジストに露光される。第１の露光工程で上記他の２つの位置計測用パターンのいずれか一方がフォトレジストに露光されて形成されたパターンと、第２の露光工程で上記他の２つの位置計測用パターンのいずれか他方がフォトレジストに露光されて形成されたパターンとの位置ずれ量から移動量の誤差が計測される。
【０１０９】
これにより、移動量の誤差を差し引くことができるため、より精度よくフォーカスモニタを行なうことができる。
【０１１０】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、露光装置のフォーカスオフセット量を変えてフォトレジストに露光した複数のショットのパターンを用いてあらかじめパターンの位置ずれ量とフォーカスずれ量との関係が求められ、計測されたパターンの位置ずれ量からその関係に基づいてフォーカスずれ量が求められる。
【０１１１】
このようにしてフォーカスずれ量を較正することができる。
本発明のフォーカスモニタ用装置は、パターンの露光時に光学像のフォーカスを被露光面に合せるために、被露光面の光学系における位置を計測するフォーカスモニタに用いられるフォーカスモニタ用装置であって、フォーカスモニタ用フォトマスクと、照明光学系と、投影光学系とを備えている。フォーカスモニタ用フォトマスクには、パターンが形成されている。照明光学系は、フォーカスモニタ用フォトマスクを露光光で照射するためのものである。投影光学系は、フォーカスモニタ用フォトマスクのパターンの像を感光体上に投影するものである。フォーカスモニタ用フォトマスクは、露光光を透過する基板と、フォーカスモニタ用単位マスク構造とを備えている。フォーカスモニタ用単位マスク構造は、２つの位置計測用パターンと、遮光膜とを有している。２つの位置計測用パターンは、基板の表面に形成され相互の位置関係を計測するためのものである。遮光膜は、基板の裏面に形成され、かつ２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせるための裏面パターンを有する。裏面パターンは正方形の開口パターンおよび遮光膜残しパターンの一方であり、かつ正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置している。
【０１１３】
本発明のフォーカスモニタ用装置によれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした場合と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、σ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方を用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角度の意味において半分で照明することができる。
【０１１４】
本発明の装置の製造方法は、上記各局面のいずれかに記載のフォーカスモニタ方法を用いたことを特徴とする。
【０１１５】
これにより、フォトマスクの作成が容易で、かつ照明アパチャーの交換が不要で、かつｚ方向の検出感度が高いフォーカスモニタが可能となるため、安価で、かつ高い精度でパターンを形成することができる。
【０１１６】
上記装置の製造方法において好ましくは、上記のフォーカスモニタ方法を用いて形成される装置は半導体装置である。
【０１１７】
上記の装置の製造方法は、薄膜磁気ヘッドや液晶表示素子のように半導体製造プロセスを用いて製造可能な装置の製造にも適しているが、半導体装置の製造にも適している。
【０１１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
【０１１９】
（実施の形態１）
まず、本実施の形態のフォーカスモニタ方法の原理について説明する。
【０１２０】
図１は、本発明の実施の形態１におけるフォーカスモニタ方法を説明するための模式図である。図１を参照して、本実施の形態のフォーカスモニタ方法では、裏面遮光膜５ｃに形成されたパターン（以降、裏面パターンと呼称する）５ｄを有するフォーカスモニタ用フォトマスク５が用いられる。このフォトマスク５は、露光光を透過する基板５ａと、基板５ａの裏面に形成された遮光膜５ｃとを有しており、さらに基板５ａの表面に形成された２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２と、裏面の遮光膜５ｃとにより形成されるフォーカスモニタの単位構造（破線枠で囲んだ領域Ｑ）を有している。
【０１２１】
この裏面開口パターン５ｄは、図２に示すように２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々を本来照射する露光光５１の一部を遮光し、残りの部分のみを照射するように形成されている。
【０１２２】
図１を参照して、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々は、裏面開口パターン５ｄを通る光軸（Ａ−Ａ線）を挟んで互いに両側に配置されている。このため、裏面開口パターン５ｄを通って位置計測用パターン５ｂ１に入射される露光光５１の入射方向と位置計測用パターン５ｂ２に入射される露光光５１の入射方向とは互いに異なる。特に、裏面開口パターン５ｄを通る光軸Ａ−Ａに対して位置計測用パターン５ｄ１と５ｄ２とが対称に配置されている場合、位置計測用パターン５ｄ１への露光光５１の入射方向と位置計測用パターン５ｄ２への露光光５１の入射方向とは、光軸方向Ａ−Ａに対して互いに対称となる。
【０１２３】
この裏面開口パターン５ｄの開口寸法Ｌ０は、このフォトマスク５に照射される露光光５１の波長をλとしたとき、Ｌ０／λ≧１０の条件を満たすよう形成されている。
【０１２４】
本実施の形態のフォーカスモニタ方法では、このフォトマスク５の裏面から露光光５１が照射される。これにより、フォトマスク５に入射した露光光５１のうち斜め成分の露光光のみが位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々を照射する。このため、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々によって回折された回折光５２は、投影レンズ１９ａ、１９ｂと瞳面絞り２５とを通過して感光体（たとえばフォトレジスト）２１ｂに斜め方向から結像されることになる。
【０１２５】
感光体２１ａ表面でのパターンの像は、照明光の斜め方向からの入射により形成されるため、ウェハ２１をｚ方向（光軸Ａ−Ａ方向）に移動させると、感光体２１ｂの表面においてｘ−ｙ方向（光軸Ａ−Ａに垂直な方向）に移動する。具体的には、ウェハ２１をフォトマスク５に近づけるようにｚ方向に移動させると、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々の像は互いに離れるように感光体２１ｂ表面を移動する。またウェハ２１をフォトマスク５から離すようにｚ方向に移動させると、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々の像は互いに近づくにように感光体２１ｂ表面を移動する。
【０１２６】
ウェハ２１のｚ方向の移動によって感光体２１ｂに結像される位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の像の相対的なｘ−ｙ面内での位置関係が変化するため、この相対的な位置関係を計測することで、そのパターンが転写されたときのフォーカスのずれ（ｚ方向のずれ）を検出することが可能となる。
【０１２７】
次に、本実施の形態におけるフォーカスモニタ用装置およびフォーカスモニタ用フォトマスクについて具体的に説明する。
【０１２８】
図３は、本発明の実施の形態１におけるフォーカスモニタ用装置の構成を示す概略図である。図３を参照して、このフォーカスモニタ用装置は、縮小投影露光装置（ステッパ）と同様の構成を有し、かつフォトマスク５上のパターンを縮小してウェハ２１表面のフォトレジスト２１ｂに投射するものである。このフォーカスモニタ用装置は、光源１１からフォトマスク５のパターンまでの照明光学系と、フォトマスク５のパターンからウェハ２１までの投射光学系とを有している。
【０１２９】
照明光学系は、光源である水銀ランプ１１と、反射鏡１２と、集光レンズ１８と、フライアイレンズ１３と、絞り１４と、集光レンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、ブラインド絞り１５と、反射鏡１７とを有している。また投射光学系は投影レンズ１９ａ、１９ｂと、瞳面絞り２５とを有している。
【０１３０】
その露光動作においては、まず水銀ランプ１１から発せられた光１１ａは、反射鏡１２により、たとえばｇ線（波長：４３６ｎｍ）のみが反射されて、単波長の光となる。次に、光１１ａは、集光レンズ１８を通過して、フライアイレンズ１３の各フライアイ構成レンズ１３ａの各々に入射し、その後に絞り１４を通過する。
【０１３１】
ここで、光１１ｂは、１個のフライアイ構成レンズ１３ａによって作り出された光路を示し、光１１ｃはフライアイレンズ１３によって作り出される光路を示している。
【０１３２】
絞り１４を通過した光１１ａは、集光レンズ１６ａ、ブラインド絞り１５および集光レンズ１６ｂを通過して、反射鏡１７により所定角度で反射される。
【０１３３】
反射鏡１７により反射された光１１ａは、集光レンズ１６ｃを透過した後、所定のパターンが形成されたフォトマスク５の全面を均一に照射する。この後、光１１ａは投影レンズ１９ａ、１９ｂにより所定の倍率に縮小され、半導体基板２１ａ上のフォトレジスト２１ｂを露光する。
【０１３４】
図４は、本発明の実施の形態１におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図５は、図４（ａ）および（ｂ）のＶ−Ｖ線に沿う概略断面図である。
【０１３５】
図４および図５を参照して、露光光を透過する基板５ａの表面には、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２を有する遮光膜５ｂが形成されている。また基板５ａの裏面には、円形の裏面開口パターン５ｄを有する遮光膜５ｃが形成されている。この２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２と、裏面開口パターン５ｄを有する遮光膜５ｃとからフォーカスモニタ用単位マスク構造が構成されている。
【０１３６】
２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々は、ｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型のマークのインターボックスパターンおよびアウターボックスパターンの各々に対応するものである。インナーボックスパターンとなる位置計測用パターン５ｂ１は略正方形の開口パターンであり、アウターボックスパターンとなる位置計測用パターン５ｂ２は正方形の枠状の開口パターンである。裏面開口パターン５ｄは、この２つの位置計測用パターン５ｂ１と５ｂ２とを結ぶ仮想線の中間点ｃ１に正対する裏面の点ｃ２を中心とした円形に形成されている。
【０１３７】
この裏面開口パターン５ｄの開口寸法Ｌ０（＝２ｒ）は、このフォトマスク５に照射される露光光の波長をλとしたとき、Ｌ０／λ≧１０の条件を満たすよう形成されている。
【０１３８】
この裏面開口パターン５ｄは、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２に対して共通に設けられている。ここで、「共通に設けられている」とは、「２つの位置計測用パターン５ｂ１および５ｂ２の双方に１つの裏面開口パターン５ｄから光を照射できるように設けられている」ことを意味している。
【０１３９】
また、上記において「正対する」とは、点ｃ２が、フォトマスク５の表面に位置する中心点ｃ１の光軸方向の裏面の点であることを意味している。
【０１４０】
次に、本実施の形態における具体的なフォーカスモニタ方法について説明する。
【０１４１】
本実施の形態のフォーカスモニタ方法では、図３のフォーカスモニタ用装置の絞り１４として、たとえば図６に示すような輪帯照明絞りが用いられる。このとき、フォトマスク５の位置計測用パターン５ｂ１からフォトマスク５の裏面に設けられた裏面開口パターン５ｄを見た図が図７であり、フォトマスク５の位置計測用パターン５ｂ２からフォトマスク５の裏面に設けられた裏面開口パターン５ｄを見た図が図８である。
【０１４２】
図７および図８に示すように裏面開口パターン５ｄは円形であるため、絞り１４に通常の絞りを用いた場合には円形の裏面開口パターン５ｄの全体から位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に光が照射される。しかしながら、図６に示すような輪帯照明絞り１４を用いた場合、図９および図１０に示すように、裏面開口パターン５ｄの円形領域の一部（左下向きハッチング領域）を除いた残りの領域から位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に斜め方向から露光光が照射されることになる。そして、図１に示すように位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々によって回折された回折光は、投影レンズ１９ａ、１９ｂと瞳面絞り２５とを通過してフォトレジスト２１ｂに斜め方向から結像される。
【０１４３】
なお、図７および図８に示されている同心の２重の円は、遮光膜がなければ照明光が入射する角度方向を示している。
【０１４４】
ｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型のマークパターンを露光する場合、２重ずらし露光が行なわれる。つまり、上記のようにして１回目の露光を行なった後、図１の最下部に示すようにウェハ２１をｘ−ｙステージによりｘ−ｙ面内で移動させて（ずらして）から２回目の露光が行なわれる。この２回目の露光は１回目の露光と同様にして行なわれる。これにより、たとえば１回目の露光で露光したインナーボックスパターン５ｂ１を、２回目の露光で露光したアウターボックスパターン５ｂ２の中に位置させて、ｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘを形成することができる。
【０１４５】
より具体的には、１回目の露光で、図１１（ａ）に示すようにインナーボックスパターンである位置計測用パターン５ｂ１がフォトレジスト２１ｂに露光される。この後、上述したようにウェハ２１が移動される。この後、２回目の露光で、図１１（ｂ）に示すように位置計測用パターン５ｂ１が露光された領域にアウターボックスパターンとなる位置計測用パターン５ｂ２が露光される。この後、フォトレジスト２１ｂが現像される。これにより、図１２（ａ）、（ｂ）に示すようなインナーボックスパターン２２がアウターボックスパターン２３内に位置するｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘのパターンがフォトレジスト２１ｂに形成される。
【０１４６】
ここで、上記のｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘのインナーボックスパターン２２を形成する光学像を形成する光線は図１において示したように右下向きにフォトレジスト２１ｂに入射され、アウターボックスパターン２３を形成する光学像を形成する光線は左下向きにフォトレジスト２１ｂに入射される。このため、露光時にフォーカスずれがある場合には、インナーボックスパターン２２とアウターボックスパターン２３とは互いにずれて形成される。
【０１４７】
図１において、露光時にウェハ２１がベストフォーカス位置よりもたとえばフォトマスク５側へずれているときには、図１２（ｂ）に示すようにインナーボックスパターン２２はベストフォーカス時よりも右側へずれて形成され、アウターボックスパターン２３はベストフォーカス時よりも左側へずれて形成される。
【０１４８】
なお、図１２（ｂ）中ではベストフォーカスでのインナーボックスパターン２２およびアウターボックスパターン２３の各位置を点線で示しており、フォーカスずれのある状態でのインナーボックスパターン２２およびアウターボックスパターン２３の各位置を実線で示している。
【０１４９】
次に、このようにして形成されたインナーボックスパターン２２とアウターボックスパターン２３との間隔ｘ１、ｘ２が測定される。それらの値からベストフォーカスでのインナーボックスパターン２２とアウターボックスパターン２３との間隔ｘ３（＝（ｘ１＋ｘ２）／２）が求められる。この間隔ｘ３と間隔ｘ１またはｘ２との差を求めることでインナーボックスパターン２２およびアウターボックスパターン２３の横移動量（位置ずれ量）を知ることができる。
【０１５０】
この横移動量を、予め測定された横移動量とフォーカスとの関係に照らし合わせることで、フォーカスずれを検出することが可能となる。後は、このフォーカスずれに基いて、ウェハ２１のｚ方向の位置を調節することでベストフォーカスを得ることができる。
【０１５１】
なお、上記の横移動量とフォーカスとの関係は、露光装置のフォーカスオフセット量を変えてフォトレジストに露光した複数のショットパターンを用いて予めパターンの位置ずれ量とフォーカスずれ量との関係を求めることで得られる。
【０１５２】
また、図１１においては、フォトレジスト２１ｂを二重露光した後に現像する場合について説明したが、露光した後に現像する工程を２回繰返すことでフォトレジスト２１ｂがパターニングされてもよい。つまり、１回目の露光→１回目の現像→ウェハ２１の移動→２回目の露光→２回目の現像の工程でフォトレジスト２１ｂがパターニングされてもよい。
【０１５３】
図１３は、露光した後に現像する工程を２回繰返す工程を示す図である。図１３（ａ）を参照して、まず１回目の露光により、フォトレジスト２１ｂにインナーボックスパターンとなる位置計測用パターン５ｂ１が露光される。この後に１回目の現像が行なわれる。これにより、図１３（ｂ）に示すようにフォトレジスト２１ｂにインナーボックスパターン２２が形成される。このインナーボックスパターン２２が形成された状態でウェハ２１がｘ−ｙ面内で横方向に移動させられる。そして、図１３（ｃ）に示すように２回目の露光としてインナーボックスパターン２２が形成された領域に重ねてアウターボックスパターンとなる位置計測用パターン５ｂ２の露光が行なわれる。この後、フォトレジスト２１ｂに２回目の現像を行なうことにより、図１２（ａ）、（ｂ）に示すようにアウターボックスパターン２３が形成されてレジストパターンが形成される。
【０１５４】
なお、このように露光した後に現像する工程を２回繰返す場合にも、現像後のフォーカスモニタのための処理は２回露光を行なってから１回現像する上記の場合と同じである。
【０１５５】
次に、上記の１回目の露光と２回目の露光との間でウェハ２１を移動させるときの、ウェハ２１の位置合わせ誤差を補正する方法について説明する。
【０１５６】
ずらし２重露光において、第１の露光で形成した第１のパターンに、マスク上の異なる位置に形成された第２のパターンを第２の露光により形成し、重ね合せるときには、ウェハ２１を上記第１のパターンと第２のパターンとのマスク上の位置関係に対応する距離だけ移動させて第２の露光を行なう。しかし、このとき、ウェハ移動量が正確に上記の距離とならなければ、上記の第１のパターンと第２のパターンとは相互にずれた状態で形成されることになる。上記したように、第１のパターンと第２のパターンとの相互の位置ずれによりフォーカスずれを検出する本方法では、このウェハ移動量の誤差によるずれもフォーカスずれとして認識されるため、実際のフォーカスずれ量の計測に誤差を生じることになる。
【０１５７】
図１４は、このウェハ移動量の誤差を、同じマスク上に作り付けた別のマスク構造を使うことにより計測し、このウェハ移動量の誤差による見掛けのフォーカスずれを補正するためのフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す断面図である。図１４を参照して、このフォトマスク５には、上述した位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２と、裏面開口パターン５ｄを有する遮光膜５ｃとを有するフォーカスモニタ用単位マスク構造Ｑの他に、ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造Ｎが２組以上形成されている。
【０１５８】
このウェハ位置ずらし量補正用マスク構造Ｎは、基板５ａの表面側に形成された１対の位置計測用パターン５ｅ１、５ｅ２を有している。このウェハ位置ずらし量補正用マスク構造Ｎにおいては、この１対の位置計測用パターン５ｅ１、５ｅ２への露光光の各入射方向を実質的に同等とするために、基板５ａの裏面側には遮光膜が形成されておらず大きな開口パターンが位置している。
【０１５９】
上記の図１４に示すフォトマスク５を用いたウェハの移動量の誤差による見掛けのフォーカスずれの補正は、図１５に示すように行なわれる。図１５を参照して、１対の位置計測用パターン５ｅ１、５ｅ２を有するフォーカスモニタ用フォトマスク５を用いて１回目の露光が行なわれる。この際、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２には斜め方向から露光光が照射されるが、１対の位置計測用パターン５ｅ１、５ｅ２には光軸に対して対称な分布の照明により、平均的には図に示したように光軸方向からの照明成分のみがある場合と同様になる。
【０１６０】
この１回目の露光後に、フォトレジスト２１ｂを現像し、または現像せずに、ウェハ２１が移動される。この移動は、１回目の露光で位置計測用パターン５ｂ１が露光された領域に２回目の露光で位置計測用パターン５ｂ２の露光領域が重なるように、かつ１回目の露光で位置計測用パターン５ｅ１が露光された領域に２回目の露光で位置計測用パターン５ｅ２の露光領域が重なるように行なわれる。
【０１６１】
この移動の後、２回目の露光が１回目の露光と同様にして行なわれる。この後、フォトレジスト２１ｂが現像される。そして、現像されたレジストパターン２１ｂの１回目の露光による位置計測用パターン５ｅ１の像パターンと２回目の露光による位置計測用パターン５ｅ２の像パターンとの位置ずれ量Ｌ２が測定される。この位置ずれ量Ｌ２は、マスクパターン５ｅ１、５ｅ２により形成される像がフォーカスにより横方向にずれることがないので、ウェハ２１の移動誤差を示している。このようにして検出された移動誤差を上述で求めた２つの位置計測用パターン５ｂ１と５ｂ２との横移動量（位置ずれ量）から差引くことで、デフォーカスによる横移動量を正確に測定することが可能となる。
【０１６２】
なお上記においては、ｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型のパターンを用いた場合について説明したが、ｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型パターンを用いなくても以下の方法によりフォーカスモニタを行なうことができる。
【０１６３】
図１を参照して、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２のフォトレジスト２１ｂに結像した像は、ウェハ２１のｚ方向の移動により図中横方向（ｘ−ｙ方向）に移動する。このため、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の結像したパターンの間隔Ｌ１を測定し、予め測定されたウェハ２１のｚ方向位置と間隔Ｌ１との関係に照らし合わせることで、フォーカスずれを検出することが可能となる。
【０１６４】
また、この方法以外に、以下のようにパターンの電気抵抗を測定することによってフォーカスモニタを行なうこともできる。
【０１６５】
図１６は、パターンの電気抵抗を測定することでフォーカスモニタを行なうためのフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を示す裏面図（ａ）および表面図（ｂ）である。また図１７は図１６（ａ）および（ｂ）のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿う概略断面図である。
【０１６６】
図１６および図１７を参照して、このフォトマスク５では、図４の構成と同様、基板５ａの裏面に裏面開口パターン５ｄを有する遮光膜５ｃが形成されている。また基板５ａの表面には、裏面開口パターン５ｄに対してほぼ対称に配置された２つの開口パターン５ｂ１、５ｂ２を有する遮光膜５ｂが形成されている。
【０１６７】
このようなフォトマスク５を用いて図１に示した原理によりフォトレジスト２１ｂに２重ずらし露光が行なわれる。具体的には、図１８（ａ）で示すように１回目の露光が施された後に、ウェハ２１を横方向（ｘ−ｙ方向）に移動して、図１８（ｂ）に示すように２回目の露光が施される。この２重ずらし露光により、フォトレジスト（ネガ型）に図１８（ｃ）に示すようなパターンが転写されることになる。さらに、このパターンが転写されたレジストパターンをマスクとして、レジストパターン下層の導電膜がエッチングされてパターニングされる。
【０１６８】
これにより、図１８（ｃ）のパターンが導電膜に転写される。導電膜に転写された図１８（ｃ）の中央のパターンの細線部分（線幅Ｗの部分）の右エッジは１回目の露光の開口パターン５ｂ２により、かつ左エッジは２回目の露光の開口パターン５ｂ１により形成されることになる。このため、フォーカスのずれにより、１回目の露光でのパターンの転写位置と２回目の露光でのパターンの転写位置とに位置ずれが生じた場合、細線部分の線幅Ｗが変動することになる。この線幅Ｗが変動することによって、この導電層のパターンの抵抗値が変化するため、その抵抗値を測定することでフォーカスのずれを測定することが可能となる。
【０１６９】
本願発明者らは、本実施の形態の方法を用いて実際にウェハのｚ方向の高さを変えて、そのときの２つの位置計測用パターンの相互位置ずれを計測した。その結果を図１９に示す。
【０１７０】
なお、この計測は、フォーカスモニタ用フォトマスクをフォトレジストに露光するための露光機における開口数ＮＡを０．６８とし、かつσｉｎ／σｏｕｔ＝０．６５／０．８５の輪帯照明を用いて行なった。
【０１７１】
図１９を参照して、ウェハのｚ方向の高さが１μｍ変わると、約０．９μｍだけパターンが相互に移動することがわかる。このことより、本実施の形態のフォーカスモニタ方法におけるｚ検出感度が０．９であり、従来の位相シフトフォーカスモニタにおけるｚ検出感度より高感度であることがわかる。
【０１７２】
次に、図４に示すフォトマスク５の裏面開口パターン５ｄの半径ｒのサイズについて説明する。
【０１７３】
図２０は、図４および図５に示すフォトマスクの一部を拡大して示す断面図である。図２０を参照して、裏面開口パターン５ｄの開口半径をｒ、基板５ａの厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値が、照明の広がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）より小さいことが好ましい。
【０１７４】
上記におけるｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））は、裏面開口パターン５ｄを通して位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）に照射される光成分の広がりの尺度を意味する。このことは以下のように説明される。
【０１７５】
図２０を参照して、まず、裏面開口パターン５ｄを通して位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）に照射される光の角度をφとすると、この光成分の広がりの尺度はｓｉｎ（φ／２）で表わすことができる。このφは裏面開口パターン５ｄを通して光軸方向に照射される光の角度χにほぼ等しくなる。なぜなら、裏面開口パターン５ｄの半径ｒは基板５ａの厚みＤに比べて十分に小さく（Ｄ＞＞ｒ）、かつ裏面開口パターン５ｄの中心に正対する表面の点Ｇと位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）の中心との距離ｄは基板５ａの厚みＤに比べて十分に小さい（Ｄ＞＞ｄ）からである。
【０１７６】
そして、裏面開口パターン５ｄを通して光軸方向に入射する光成分の広がりの尺度はｓｉｎ（χ／２）で表わすことができ、このχ／２はｔａｎ−１（ｒ／Ｄ）に等しい。
【０１７７】
以上より、裏面開口パターン５ｄを通して位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）に照射する光成分の広がりの尺度ｓｉｎ（φ／２）は以下の式からｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））と等しくなる。
【０１７８】
ｓｉｎ（φ／２）＝ｓｉｎ（χ／２）＝ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））
また照明の広がり量であるＩＮＡ値は図２０においてｓｉｎ（θ）で表わされる。よって、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））がＩＮＡ値より小さいということは、位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）に光軸方向に入射される光の成分（角度２θ）の一部を遮光できる裏面開口パターン５ｄの半径ｒを示していることになる。
【０１７９】
つまり、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値がＩＮＡ値以上であると、裏面開口パターン５ｄの配置位置によっては、位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）に入射する露光光の一部を遮光することができなくなり、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２への露光光の入射方向を異ならせることができなくなるということである。
【０１８０】
また、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の０．１倍よりも大きいことが好ましい。なぜなら、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の０．１倍以下であると、露光光の光量が通常転写の場合の１００分の１以下となり、感光体に位置計測用パターン５ｂ１（または５ｂ２）を転写することが困難となり、フォーカス用の計測のスループットが低下するからである。
【０１８１】
なお本実施の形態においては、図４に示すように１つの裏面開口パターン５ｄが２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２に対して共通に設けられた構成について説明したが、フォトマスクの構成はこれに限定されるものではなく、以下の実施の形態２で説明するように２つの裏面開口パターンの各々が２つの位置計測用パターンの各々に対応して設けられていてもよい。
【０１８２】
（実施の形態２）
図２１は、本発明の実施の形態２におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図２２は、図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線に沿う概略断面図である。
【０１８３】
図２１および図２２を参照して、このフォーカスモニタ用フォトマスク５では、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に対して裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２の各々が設けられている。これにより、図２２に示すように位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々は別々の裏面開口パターン５ｄ１または５ｄ２を通過した光成分によって照射されることになる。
【０１８４】
これら２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２の各直径Ｌ０は、このフォトマスク５に照射される露光光の波長をλとしたとき、Ｌ０／λ≧１０の条件を満たすよう形成されている。
【０１８５】
２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２は、２つの位置計測用パターン５ｂ１および５ｂ２を結ぶ仮想線（Ｅ０−Ｅ０）の中心点ｃ１に正対する裏面側の点ｃ２に対して対称に配置されている。また、２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２は、２つの位置計測用パターン５ｂ１および５ｂ２を結ぶ仮想線（Ｅ０−Ｅ０）の垂直二等分線（Ｅ１−Ｅ１）を基板５ａの裏面に投影した仮想線（Ｅ２−Ｅ２）に対して対称に配置されている。
【０１８６】
また、２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２の各々の仮想線（Ｅ２−Ｅ２）からの距離は、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々の仮想線（Ｅ１−Ｅ１）からの距離よりも長くなるよう設定されている。このため、位置計測用パターン５ｂ１には裏面開口パターン５ｄ１のみから光が照射され、位置計測用パターン５ｂ２には裏面開口パターン５ｄ２のみから光が照射されることになる。
【０１８７】
つまり、図２３に示すように位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ１へ露光光を照射可能な範囲内には、裏面開口パターン５ｄ１のみが分布する。また、図２４に示すように位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ２へ露光光を照射可能な範囲内には、裏面開口パターン５ｄ２のみが分布する。
【０１８８】
図２１および図２２に示すフォトマスク５を用いた場合にも、２つの計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々を、露光光の相異なる斜め方向の成分で照射することができる。このため、図４に示すフォトマスク５を用いた場合と同様にしてフォーカスモニタを行なうことが可能である。
【０１８９】
またフォーカス用フォトマスクは、以下の実施の形態３で説明するように２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２から２つの計測用パターン５ｂ１、５ｂ２のそれぞれが照明される構成であってもよい。
【０１９０】
（実施の形態３）
図２５は、本発明の実施の形態３におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、２つの裏面開口パターンから２つの計測用パターンのそれぞれが照明される構成のフォトマスクの裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図２６は、図２５（ａ）および（ｂ）のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線に沿う概略断面図である。
【０１９１】
図２５および図２６を参照して、このフォトマスク５においては、２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２の各々の仮想線（Ｅ２−Ｅ２）からの距離が、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々の仮想線（Ｅ１−Ｅ１）からの距離よりも短くなるよう設定されている。
【０１９２】
このように２つの裏面開口パターン５ｄ１、５ｄ２が配置されているため、図２６に示すように位置計測用パターン５ｂ１は裏面開口パターン５ｄ１および５ｄ２の双方を通過した露光光により照射され、また位置計測用パターン５ｂ２も２つの裏面開口パターン５ｄ１および５ｄ２を通過した露光光により照射される。
【０１９３】
つまり、図２７に示すように位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ１へ露光光を照射可能な範囲内には、裏面開口パターン５ｄ１および５ｄ２が分布する。また、図２８に示すように位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ２へ露光光を照射可能な範囲内には、裏面開口パターン５ｄ１および５ｄ２が分布する。
【０１９４】
これ以外の構成については、図２１および図２２に示す構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１９５】
この図２５および図２６に示すフォトマスク５においても、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々を露光光の相異なる斜め方向の成分で照射することができるため、図４に示すフォトマスク５を用いた場合と同様にしてフォーカスモニタを行なうことが可能である。
【０１９６】
また図４および図５では裏面パターンとして円形の開口パターンについて説明したが、以下の実施の形態４で説明するように円形の遮光膜残しパターンであってもよい。
【０１９７】
（実施の形態４）
図２９は、本発明の実施の形態４におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、裏面パターンが円形の遮光膜残しパターンであるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図３０は、図２９（ａ）および（ｂ）のＸＸＸ−ＸＸＸ線に沿う概略断面図である。
【０１９８】
図２９および図３０を参照して、基板５ａの裏面には円形の遮光膜残しパターン５ｄを構成する遮光膜５ｃが形成されている。またこの遮光膜残しパターン５ｄの形成領域に対向する基板５ａの表面領域内に２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２が配置されている。
【０１９９】
この遮光膜残しパターン５ｄの直径２ｒは、このフォトマスク５に照射される露光光の波長をλとしたとき、２ｒ／λ≧１０の条件を満たすよう形成されている。
【０２００】
なお、これ以外の構成については上述した図４および図５のフォトマスクの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２０１】
このフォトマスク５においては、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の双方が、円形の遮光膜残しパターン５ｄの形成領域に対向する基板５ａの表面領域内に配置されている。このため、これら２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々は、図３０に示すように露光光の相異なる斜め方向の成分によって照射されることになる。
【０２０２】
つまり、図３１に示すように位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときに、位置計測用パターン５ｂ１に露光光が照射可能な領域内の一部にのみ遮光膜残しパターン５ｄが位置している。また、図３２に示すように位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときに、位置計測用パターン５ｂ２に露光光が照射可能な領域内の一部にのみ遮光膜残しパターン５ｄが位置している。
【０２０３】
このフォトマスク５の構成においても、上述したように２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の双方に相異なる斜め方向から露光光を照射することが可能となるため、図４および図５に示すフォトマスク５と同様にしてフォーカスモニタを行なうことが可能となる。
【０２０４】
なお、遮光膜残しパターン５ｄの半径をｒとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値より小さいことが好ましい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値がＩＮＡ値以上であると、遮光膜残しパターン５ｄの配置位置によっては、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２に入射する露光光の一部を照射することができなくなり、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２への露光光の入射方向を異ならせることができなくなるからである。
【０２０５】
またｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の０．５倍より大きいことが好ましい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ｒ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の０．５倍以下であると、遮光部分が小さくなり、露光光の非テレセントリックな性質を確保することが困難となり、フォーカスモニタにおけるパターンの検出感度が低下する。
【０２０６】
また図４および図５では裏面パターンとして円形の開口パターンについて説明したが、以下の実施の形態５で説明するように矩形の遮光パターンであってもよい。
【０２０７】
（実施の形態５）
図３３は、本発明の実施の形態５におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、裏面パターンが矩形の遮光膜残しパターンであるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図３４は、図３３（ａ）および（ｂ）のＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ線に沿う概略断面図である。
【０２０８】
図３３および図３４を参照して、基板５ａの裏面には矩形の遮光膜残しパターン５ｄを構成する遮光膜５ｃが形成されている。またこの遮光膜残しパターン５ｄの形成領域に対向する基板５ａの表面領域内に２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２が配置されている。
【０２０９】
この遮光膜残しパターン５ｄの１辺の長さａは、このフォトマスク５に照射される露光光の波長をλとしたとき、ａ／λ≧１０の条件を満たすよう形成されている。
【０２１０】
なお、これ以外の構成については上述した図４および図５のフォトマスク５の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２１１】
このフォトマスク５においては、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の双方が、矩形の遮光膜残しパターン５ｄの形成領域に対向する基板５ａの表面領域内に配置されている。このため、これら２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々には図３４に示すように露光光の相異なる斜め方向の成分によって照射されることになる。
【０２１２】
つまり、位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときに、位置計測用パターン５ｂ１に露光光が照射可能な領域内の一部にのみ遮光膜残しパターン５ｄが位置している。また、位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときに、位置計測用パターン５ｂ２に露光光が照射可能な領域内の一部にのみ遮光膜残しパターン５ｄが位置している。
【０２１３】
このフォトマスク５の構成においても、上述したように２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の双方に相異なる斜め方向から露光光を照射することが可能となるため、図４および図５に示すフォトマスク５と同様にしてフォーカスモニタを行なうことが可能となる。
【０２１４】
なお、遮光膜残しパターン５ｄの外形をなす辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値の関係を満たすＲ以内の範囲内において、遮光膜が形成されていない開口部であることが好ましい。これにより、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２を十分な光量で露光することができる。
【０２１５】
また、遮光膜残しパターン５ｄの短辺の長さをａとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の０．５倍より大きいことが好ましい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の０．５倍以下であると、遮光部分が小さくなり、露光光の非テレセントリックな性質を確保することが困難となり、フォーカスモニタにおけるパターンの検出感度が低下する。
【０２１６】
また図４および図５では裏面パターンとして円形の開口パターンについて説明したが、以下の実施の形態６で説明するように矩形の開口パターンであってもよい。
【０２１７】
（実施の形態６）
図３５は、本発明の実施の形態６におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、裏面パターンが矩形の開口パターンであるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【０２１８】
図３５を参照して、基板５ａの裏面には矩形の開口パターン５ｄを構成する遮光膜５ｃが形成されている。矩形開口パターン５ｄは、この２つの位置計測用パターン５ｂ１と５ｂ２とを結ぶ仮想線の中間点ｃ１に正対する裏面の点ｃ２を中心とした矩形状（たとえば正方形状）に形成されている。また、図３５（ａ）、（ｂ）のＶ−Ｖ線に対応する断面は図５の構成と同じである。
【０２１９】
この矩形開口パターン５ｄの１辺の長さａは、このフォトマスク５に照射される露光光の波長をλとしたとき、ａ／λ≧１０の条件を満たすよう形成されている。
【０２２０】
なお、これ以外の構成については上述した図４および図５のフォトマスクの構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２２１】
このフォトマスク５においては、図５に示すように位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々は、矩形開口パターン５ｄを通る光軸（Ａ−Ａ線）を挟んで互いに両側に配置されている。このため、矩形開口パターン５ｄを通って位置計測用パターン５ｂ１に入射される露光光の入射方向と位置計測用パターン５ｂ２に入射される露光光の入射方向とは互いに異なる。特に、矩形開口パターン５ｄを通る光軸Ａ−Ａに対して位置計測用パターン５ｂ１と５ｂ２とが対称に配置されている場合、位置計測用パターン５ｂ１への露光光の入射方向と位置計測用パターン５ｂ２への露光光の入射方向とは、光軸方向Ａ−Ａに対して互いに対称となる。
【０２２２】
このように２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々は、露光光の相異なる斜め方向の成分によって照射されることになる。
【０２２３】
このフォトマスク５の構成においても、上述したように２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の双方に相異なる斜め方向から露光光を照射することが可能となるため、図４および図５に示すフォトマスク５と同様にしてフォーカスモニタを行なうことが可能となる。
【０２２４】
なお、矩形開口パターン５ｄの外形をなす辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値の関係を満たすＲ以内の範囲内において、遮光膜が形成された遮光部であることが好ましい。これにより、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に、矩形開口パターン５ｄからの照明光のみを入射させることができ、露光光の非テレセントリックな性質を大きく確保することができる。
【０２２５】
また、矩形開口パターン５ｄの短辺の長さをａとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の０．２倍より大きいことが好ましい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の０．２倍以下であると、露光光の光量が通常転写の場合の１００分の１程度となり、フォトレジストに位置計測用パターンを転写することが困難となり、フォーカスの計測のスループットが低下する。
【０２２６】
（実施の形態７）
図３６は、本発明の実施の形態７におけるフォーカスモニタ方法に用いられるフォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図３７は、図３６（ａ）および（ｂ）のＸＸＸＶＩＩ−ＸＸＸＶＩＩ線に沿う概略断面図である。
【０２２７】
図３６および図３７を参照して、本実施の形態のフォーカスモニタ用フォトマスク５は、図３５に示した構成と比較して、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々が、正方形の開口パターン５ｄの互いに向い合う２つの辺の各々の中点（ｃ３、ｃ４）に正対する基板５ａの表面側に位置している点において異なる。
【０２２８】
なお、これ以外の構成については、上述した図３５の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２２９】
本実施の形態では、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々が正方形開口パターン５ｄの辺の中点（ｃ３、ｃ４）に正対する基板５ａの表面側に位置している。このため、図３７に示すように２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に照射される露光光の相補的な約半分が遮光膜５ｃによって遮られ、残りの半分のみが各位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２のそれぞれに照射されることになる。
【０２３０】
また、このフォトマスク５において位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見た場合には、図３８に示すように正方形開口パターン５ｄが位置している。また、位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見た場合には、図３９に示すように正方形開口パターン５ｄが位置している。このため、図３の絞り１４として図６に示す輪帯照明絞り１４を用いた場合には、位置計測用パターン５ｂ１を照明する光は図４０に示すように輪帯照明の右側半分の照明光のみであり、位置計測用パターン５ｂ２を照射する露光光は図４１に示すように輪帯照明の左側半分の照明光のみである。
【０２３１】
これにより、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２のそれぞれは相異なる斜め方向から照射されることになり、実施の形態１と同様にしてフォーカスモニタを行なうことが可能となる。
【０２３２】
図３６および図３７に示すフォトマスク５を露光する場合において、基板５ａの厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、裏面開口パターン５ｄの外形をなす辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値を満たすＲ以内の範囲内において、遮光膜が形成された遮光部であることが好ましい。これにより、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に、正方形開口パターン５ｄからの照明光のみを入射させることができ、露光光の非テレセントリックな性質を大きく確保することができる。
【０２３３】
また正方形開口パターン５ｄの１辺の長さをａとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の２倍より大きいことが好ましい。これにより、表面の位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２に入射される照明光成分が任意の照明形状に対して常に照明全体の約半分とすることが可能である。
【０２３４】
またｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の３倍よりも小さいことが好ましい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の３倍以上であると、正方形の裏面開口パターン５ｄが大きくなりすぎ、多くのフォーカスモニタ用単位マスク構造をマスク上に配置することが困難となる。
【０２３５】
たとえば本実施の形態のフォトマスクのように右側および左側の各半分照明を用いて１つのパターンを照明した場合、フォーカス位置の変化による像強度の変化は図４２に示すようになる。図４２を参照して、ウェハのｚ方向位置によって右側半分照明と左側半分照明とのトータルの照明による像の強度は異なる。つまり、ウェハがデフォーカスの位置にあるときには、右側半分照明による像と左側半分照明による像とは互いに位置ずれを生じるため、照明全体による像の強度は小さくなる。これに対して、ウェハがベストフォーカス位置にある場合には、右側半分照明による像と左側半分照明による像とが位置ずれを生じることなくほぼ一致するため、照明全体による像が最もシャープとなり、その像強度も最も高くなる。
【０２３６】
このような左右の半分照明を用いて露光を行なった場合でも、そのベストフォーカスの位置（各半分の像の位置が一致するｚ方向の高さ位置）は、全体照明における実転写のベストフォーカス位置（寸法／像の強度などが極値となるｚ方向の高さ位置）と一致する。以下、そのことについて詳細に説明する。
【０２３７】
結像におけるベストフォーカスの位置はレンズ収差により、理想レンズ系でのベストフォーカス位置から変位する。レンズ収差は瞳面での位相誤差として表わされる。この位相誤差は瞳の中心に対して対称な２点で同一となる偶収差と、符号が反転する奇収差とに分解して考えることができる。これらの偶収差および奇収差のうち、フォーカスの変化は偶収差により引起される。一方、奇収差は像の横方向の移動を引起す。
【０２３８】
図４３は、偶収差のみが存在するときの、各半分照明の中の一要素照明での結像の様子を示している。図４３を参照して、右側半分照明および左側半分照明の各要素照明は、瞳面内で瞳中心に対して相互に点対称の位置にある。図に示したように光線は等位相面の法線の方向となる。また、右側および左側の各半分照明の位置が対象な位置にあり、非位相シフトマスクでは回折光は０次（＝非回折照明光）回折光のまわりに対称に生成される。このため、各要素照明による結像では、点線で示すようにｚ方向に同じ量だけベストフォーカス位置がずれるようになる。すなわち、このずれたベストフォーカスの位置では、右側半分照明と左側半分照明とで形成されるパターンの相互の位置ずれが０となり、理想状態（無収差およびベストフォーカス）と同じとなる。
【０２３９】
一方、全体照明は、右側半分照明と左側半分照明との和である。このため、全体照明による結像の場合にも、右側半分照明と左側半分照明とに分けてパターンを照射する場合と同様に考えられる。よって、偶収差のみが存在する場合には、全体照明においても図４３の点線で示すようにベストフォーカス位置がずれる。よって、偶収差があっても、右側半分照明と左側半分照明とが別々に結像された場合のベストフォーカス位置と全体照明で結像した場合のベストフォーカス位置とは同じとなる。よって、偶収差は本フォーカスモニタ方法によるベストフォーカスと、全体照明による実転写におけるベストフォーカスとの間に差を生じさせないことがわかる。
【０２４０】
次に奇収差の影響について考える。
実際の結像においては奇収差によるパターンの横移動を考える必要がある。図４４に示したように、右側半分照明および左側半分照明の各々を構成する各１つの要素照明について考えたとき、回折光および収差の対称性から、２つの要素照明による像は、同じ量および同じ方向だけ横移動する。すなわち、奇収差によっても、右側半分照明で形成されるパターンと左側半分照明で形成されるパターンとは相対的には横方向の移動をしないといえる。
【０２４１】
このことから、奇収差は本実施の形態のフォーカスモニタ方法におけるベストフォーカス位置の測定に対して擾乱を与えないことがわかる。
【０２４２】
以上より、奇収差の存在下でも、ベストフォーカスの位置は、偶収差のみによって決められ、全体照明による像のベストフォーカス位置と、本実施の形態のように右側半分照明および左側半分照明による各パターンの相対位置ずれが０となるｚ方向の基板位置とは一致するといえる。
【０２４３】
次に、本実施の形態のフォーカスモニタ方法でのフォーカスモニタの働きを、概念図を用いて説明する。
【０２４４】
図４５は、偶収差のみが存在するときの本発明の実施の形態７におけるフォーカスモニタ方法でのマスクパターンの転写位置のふるまいを示す図であり、右側半分照明および左側半分照明で結像されるパターンの横移動を被転写基板表面の高さ（光学系との距離）の関数として示した図である。
【０２４５】
図４５を参照して、左上から右下へ延びる実線、点線および破線は左側半分照明による像の位置を示すものであり、右上から左下へ延びる実線、点線および破線は右側半分照明による像の位置を示す線である。偶収差が存在する場合、パターンの横移動が０となる高さは、右側半分照明によるパターンおよび左側半分照明によるパターンのいずれにおいても同様に変化する。
【０２４６】
図４６は、実験計測量である右側および左側の各半分照明によるパターンの相互位置ずれを基板高さの関係として表わした図である。図４６を参照して、相対移動が０となる基板高さから、ベストフォーカスの位置を求められることがわかる。
【０２４７】
図４７は、偶収差に加え、奇収差も存在するときの本発明の実施の形態７におけるフォーカスモニタ方法でのマスクパターンの転写位置のふるまいを示す図である。図４７を参照して、奇収差により、右側半分照明によるパターンおよび左側半分照明によるパターンはいずれも同じ量および同じ方向へ移動する。このため、奇収差が存在する場合には、図４５に示す偶収差のみの場合と比較してベストフォーカスの位置が図中上下方向に一定量シフトした状態となる。
【０２４８】
また、実験計測量である右側および左側の各半分照明によるパターンの相互位置ずれは、図４８に示すように収差分としては右側半分照明によるパターンと左側半分照明によるパターンとが互いに同じように横移動するため、奇収差がない場合（図４６）と同じものとなる。
【０２４９】
上記のフォーカスモニタのふるまいに対応する実転写パターンのふるまいを、ＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）−フォーカス特性を例として図４９に示した。
【０２５０】
図４９（ａ）は実転写パターンにおけるパターンへの露光光の照射の様子を示す図であり、図４９（ｂ）は基板高さのステージ制御値とパターン寸法との関係を示す図である。
【０２５１】
図４９（ａ）を参照して、全体照明は、上述した右側半分照明と左側半分照明とがパターン５ｂ３に同時に照明されるのと同じである。そしてこの場合には、図４９（ｂ）に示すように、偶収差が存在する場合には偶収差がない場合よりもベストフォーカスの位置が光軸方向（ｚ方向）に変動することがわかる。このようにＣＤ−フォーカス特性によっても、ベストフォーカス位置を求めることができるが、たとえばこのような緩やかな特性のピーク位置を求める必要があり、多くの手間がかかるとともに精度も小さくなる。
【０２５２】
以上より、左右の半分照明を用いて露光を行なった場合でも、そのベストフォーカスの位置は、全体照明における実転写のベストフォーカス位置と一致する。これにより、左右の半分照明を用いて全体照明における実転写のベストフォーカス位置を求めることができる。つまり、実転写でのベストフォーカスの位置を、実転写パターンから求める場合には像のコントラストから求めなければならないが、本実施の形態のフォーカスモニタ方法を用いれば２つのパターンの像の相対位置ずれから求めることができるため、実転写パターンから求める場合よりも簡単かつ高精度に求めることが可能となる。
【０２５３】
本実施の形態においては、矩形状（正方形状）の裏面開口パターン５ｄを用いた場合について説明したが裏面パターンの形状はこれに限定されるものではなく、以下の実施の形態８で説明するようなパターンであってもよい。
【０２５４】
（実施の形態８）
図５０は、本発明の実施の形態８におけるフォーカスモニタ方法に用いられるフォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。また図５１は、図５０（ａ）および（ｂ）のＬＩ−ＬＩ線に沿う概略断面図である。
【０２５５】
図５０および図５１を参照して、本実施の形態のフォトマスク５は、裏面パターンとして矩形状（たとえば正方形状）の遮光膜残しパターン５ｄが遮光膜５ｃから形成されている点において図３６および図３７に示すフォトマスク５と異なる。
【０２５６】
この遮光膜残しパターン５ｄが正方形状である場合、その正方形の対向する２辺の各々の中点（ｃ３、ｃ４）に正対する表面側に２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々が配置されている。
【０２５７】
なお、これ以外の構成については、上述した図３６および図３７の構成とほぼ同じであるため、同一の部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０２５８】
この裏面遮光膜残しパターン５ｄの正方形の１辺の長さをａとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の２倍より大きいことが好ましい。これにより、遮光パターンが存在する側の照明の入射角成分が完全に遮光されて、位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２に到達しないようにすることができる。
【０２５９】
またｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の３倍より小さいことが好ましい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、ＩＮＡ値の３倍以上であると、不必要に遮光パターンが大きくなり、フォーカスモニタ用単位マスク構造Ｑの寸法が大きくなり、多くの上記構造Ｑをマスク上に配置できなくなるため、３倍以下にすることが望ましい。
【０２６０】
図５０および図５１に示すフォトマスクにおいても、図５１に示すように位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々に半分照明を照射することができる。このため、図３６および図３７に示すフォトマスク５と同様のフォーカスモニタを行なうことが可能である。
【０２６１】
上記の実施の形態１〜８においては、位置計測用パターン５ｂ１はインナーボックスパターンとして正方形の開口パターンとし、かつ位置計測用パターン５ｂ２はアウターボックスパターンとして正方形の枠状の開口パターンとしたが、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２はこの形状に限定されるものではない。
【０２６２】
２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２は、図５２に示すように正方形の枠状に遮光膜を残したラインパターンであってもよく、図５３に示すように正方形の枠状の開口で形成したスペースパターンであってもよく、また図５４に示すように複数のホールパターンを正方形状に配置したパターンであってもよい。
【０２６３】
また実施の形態１〜８において、レジストプロセスおよび結像条件に依存する定数をｋ１、露光光の波長をλ、開口数をＮＡとしたとき、インナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジにおけるパターンのサイズＳが、Ｓ＝ｋ１×λ／ＮＡ  （０．３＜ｋ１＜０．６）を満たすことが好ましい。これにより、実際のデバイスに対応したフォーカスの測定が可能となる。
【０２６４】
また図４に示した２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２と裏面開口パターン５ｄとからなるフォーカスモニタ単位マスク構造Ｑが、図５５に示すようにフォトマスク５に複数個配置されていてもよい。この場合、フォーカスモニタ単位マスク構造ＱのピッチＰが８ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。このように配置することで露光フィールド内のフォーカス分布を連続的に計測することが可能となるからである。
【０２６５】
また実施の形態１〜８において、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２間の距離Ｍは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）とＤとの積（＝ＩＮＡ値×Ｄ）の０．５倍より大きく４倍より小さいことが好ましい。これにより、位置計測用パターンを適切に照射することができる。２つの位置計測用パターン間の距離ＭがＩＮＡ値×Ｄの０．５倍以下であると、２つの位置計測用パターンに照射される照明光の入射角の差を十分とることができなくなる。また、２つの位置計測用パターン間の距離ＭをＩＮＡ値×Ｄの４倍以上に離すことには実質的には意味がないのみならず、フォーカスモニタ用単位マスク構造の大きさが大きくなり、多くの構造をマスク上に配置することができなくなる。
【０２６６】
また図１４において、任意のウェハ位置ずらし量補正用マスク構造Ｎ間の距離の最大値Ｌｍａｘが、感光体に転写したときの１ショット分の露光領域の長手方向の寸法の１／２よりも大きい。これにより、１ショット分の露光領域が回転方向にずれて露光された場合に、その回転方向のずれ量の検出感度を大きくすることができる。
【０２６７】
また実施の形態１〜８において、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、２つの像パターンの画像を取り込んで画像処理することで重ね合わせの位置ずれを検査する重ね合せ検査機を用いて行なうことが好ましい。これにより精度良く位置ずれを測定することができる。
【０２６８】
また実施の形態１〜８において、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、走査型電子顕微鏡により２つの像パターンの位置を観察することにより行なわれることが好ましい。これにより容易に位置ずれを測定することができる。
【０２６９】
また実施の形態１〜８において、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２の少なくともいずれかの像パターンを露光装置に一体的に取りつけられたパターン位置計測機構により読み取り可能とするように、２つの位置計測用パターン５ｂ１、５ｂ２は構成されていることが好ましい。これにより、簡易な構成の装置により計測が可能となる。
【０２７０】
また、上記においては照明絞り１４として輪帯照明絞りについて説明したが、照明絞り１４はこれに限定されるものではなく、輪帯照明以外の４重極照明絞りなどの変形照明や、通常照明であってもよい。
【０２７１】
実施の形態１〜６で得た結果を参考に正確なフォーカスで実転写が行なえる。なお、上記実施の形態７および８のフォーカスモニタ方法により得られたベストフォーカスでウェハ表面のフォトレジストを露光した後に現像することでパターニングし、そのレジストパターンを用いて下層の膜にエッチング、イオン注入などの処理を施すことにより精度良く所望の半導体装置を製造することができる。
【０２７２】
また、本発明のフォーカスモニタ方法を利用することで、半導体装置以外に、薄膜磁気ヘッドや液晶表示素子などの他の装置も精度良く形成することができる。
【０２７３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【０２７５】
【発明の効果】
本発明の一のフォーカスモニタ用フォトマスクによれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした位相シフトフォーカスモニタ方法と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、位相シフトフォーカスモニタ方法におけるようにσ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形開口パターンを用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形開口パターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角分布の意味において半分で照明することができる。
【０２８７】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、裏面パターンとなる正方形開口パターンの辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の式を満たすＲ以内の範囲内は、遮光膜が形成された遮光部である。これにより、２つの位置計測用パターンの各々に、正方形開口パターンからの照明光のみを入射させることができ、露光光の非テレセントリックな性質を大きく確保することができる。
【０２９０】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形開口パターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の２倍より大きい。これにより、開口が存在する側の照明の最大入射角成分の全てが、その正方形開口パターンを通して位置計測用パターンに到達し得る。
【０２９１】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形開口パターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の３倍以下である。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の３倍より大きいと、正方形開口パターンが大きくなりすぎ、これによりフォーカスモニタ用単位マスク構造が大きくなり、多数の上記単位マスク構造を同一マスク上に配置することができなくなり、フォーカスモニタを露光フィールド内の多数の点で行なうことができなくなる。
【０２９３】
本発明の他のフォーカスモニタ用フォトマスクによれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした位相シフトフォーカスモニタ方法と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、位相シフトフォーカスモニタ方法におけるようにσ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形遮光膜残しパターンを用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形遮光膜残しパターンの互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角度の意味において半分で照明することができる。
【０２９４】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、裏面パターンとなる正方形遮光膜残しパターンの辺からの距離が、ｓｉｎ（ｔａｎ-1（Ｒ／Ｄ））≧ＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の式を満たすＲ以内の範囲内は、遮光膜が設けられていない開口部である。これにより、位置計測用パターンを十分な光量で露光できるだけの開口部を正方形遮光膜残しパターンの外部に設けることができる。
【０２９７】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形遮光膜残しパターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の２倍より大きい。これにより、遮光パターンが存在する側の照明の入射角成分が完全に遮光され、位置計測用パターンに到達しないようにすることができる。
【０２９８】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、裏面パターンとなる正方形遮光膜残しパターンの一辺の長さをａ、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値が、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）の３倍より小さい。ｓｉｎ（ｔａｎ−１（ａ／Ｄ））の値がＩＮＡ値の３倍より大きいと、正方形開口パターンが大きくなりすぎ、これによりフォーカスモニタ用単位マスク構造が大きくなり、多数の上記単位マスク構造を同一マスク上に配置することができなくなり、フォーカスモニタを露光フィールド内の多数の点で行なうことができなくなる。
【０３００】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、２つの位置計測用パターンの一方はｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型マークのインナーボックスパターンであり、他方はアウターボックスパターンである。これにより、位置計測用パターンのｘ−ｙ面内での位置ずれを容易に測定することができる。
【０３０１】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、インナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジがラインパターン、スペースパターン、および一定間隔で配置された複数のホールパターンのいずれかで形成されている。このように各種のパターンをボックスパターンのボックスエッジに用いることができる。
【０３０２】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、レジストプロセスおよび結像条件に依存する定数をｋ１、露光光の波長をλ、開口数をＮＡとしたとき、インナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの少なくともいずれかのボックスエッジにおけるパターンのサイズＳが、Ｓ＝ｋ１×λ／ＮＡ  （０．３＜ｋ１＜０．６）を満たす。これにより、実際のデバイスに対応したフォーカスの測定が可能となる。
【０３０３】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、２つの位置計測用パターン中心間の距離Ｍは、基板の厚みをＤ、開口数をＮＡ、露光光の干渉性指標であるコヒーレンスをσとしたとき、照明の拡がり量であるＩＮＡ値（＝ＮＡ×σ／投影倍率）とＤとの積（＝ＩＮＡ値×Ｄ）の０．５倍より大きく４倍より小さい。これにより、位置計測用パターンを適切に照射することができる。２つの位置計測用パターン間の距離ＭがＩＮＡ値×Ｄの０．５倍以下であると、２つの位置計測用パターンの各々を斜めに照射することができなくなる。また、２つの位置計測用パターン間の距離ＭをＩＮＡ値×Ｄの４倍以上に離すことは実質的な意味を持たず、不必要にフォーカスモニタ用単位マスク構造の寸法を大きくすることになり、多くのフォーカスモニタ用単位マスク構造をマスク上に配置できなくする。
【０３０４】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、基板の表面に形成される相互の位置関係を計測するための他の２つの位置計測用パターンと、上記他の２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に同等とするために基板の裏面に形成された遮光膜に形成されたパターンとを有するウェハ位置ずらし量補正用マスク構造がさらに備えられている。少なくとも１つのウェハ位置ずらし量補正用マスク構造を設けたことにより、１回目の露光後に被露光体を移動させて２回目の露光を行なうときに、移動量のずれ量を測定することが可能となる。
【０３０５】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造が２ヵ所以上に形成されている。ウェハ位置ずらし量補正用マスク構造を２ヵ所以上に設けることにより、被露光体の回転方向のずれ量をも測定することが可能となる。
【０３０６】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、２ヵ所以上に形成されるウェハ位置ずらし量補正用マスク構造のうち任意の２つの構造間の配置間隔の最大値が１ショット分の露光領域の長手方向の寸法の１／２よりも大きい。これにより、１ショット分の露光領域が回転方向にずれて露光された場合に、その回転方向のずれ量の検出感度を大きくすることができる。
【０３０７】
上記のフォーカスモニタ用フォトマスクにおいて好ましくは、フォーカスモニタ用単位マスク構造が基板に複数個形成されており、隣り合う２つのフォーカスモニタ用単位マスク構造のピッチが８ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。これにより、光学系と基板表面との距離を必要な空間間隔で計測することが可能となる。
【０３０９】
本発明のフォーカスモニタ方法によれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした場合と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、σ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方を用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角度の意味において半分で照明することができる。
【０３１０】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、基体に感光体としてフォトレジストを塗布する工程と、塗布されたフォトレジストにフォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する工程と、露光されたフォトレジストを現像することによってパターニングしてレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離に基づいてフォーカスモニタする工程とが備えられている。このように２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定することなどにより、フォーカスモニタをすることができる。
【０３１１】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、塗布されたフォトレジストに、フォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する工程は、フォトレジストに、フォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する第１の露光工程と、フォトレジストが塗布された基体を光軸方向に対して直角方向に移動させる工程と、フォトレジストに、フォーカスモニタ用フォトマスクの２つの位置計測用パターンの像を露光する第２の露光工程とを備えている。第２の露光工程でフォトレジストに露光される２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像が、第１の露光工程でフォトレジストに露光された２つの位置計測用パターンのいずれか他方の像に重なる。フォーカスがずれている場合、第１の露光工程で露光された２つの位置計測用パターンのいずれかの像と、第２の露光工程で露光される２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像とは、ｘ−ｙ面内で互いに逆方向にずれて配置される。このため、このｘ−ｙ面内でのずれ量を測定することでフォーカスモニタすることができる。
【０３１２】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、２つの位置計測用パターンの各々はｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型マークのインナーボックスパターンおよびアウターボックスパターンの各々である。このようにｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘ型マークを用いることで、各像パターンのｘ−ｙ面内でのずれ量を容易に測定することができる。
【０３１３】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、２つの像パターンの画像を取り込んで画像処理することで重ね合わせの位置ずれを検査する重ね合せ検査機を用いて行なわれる。これにより精度良く位置ずれを測定することができる。
【０３１４】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、レジストパターンに転写された２つの位置計測用パターンの各々の像パターンの相互距離を測定する工程は、走査型電子顕微鏡により２つの像パターンの位置を観察することにより行なわれる。これにより容易に位置ずれを測定することができる。
【０３１５】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、２つの位置計測用パターンの少なくともいずれかの像パターンを露光装置に一体的に取りつけられたパターン位置検出機構により読み取り可能とするように、２つの位置計測用パターンは構成されている。これにより、簡易な構成の装置により計測が可能となる。
【０３１６】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、第１および第２の露光工程により露光されたフォトレジストを現像することにより得られたレジストパターンをマスクとしてエッチングされたレジストパターン下層の導電層の電気抵抗を測定することによってフォーカスモニタが行なわれる。このようにして電気的特性を測定することによりフォーカスモニタを行なうこともできる。
【０３１７】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、基体を光軸方向に対して直角方向に移動させる工程における基体の移動量の誤差が計測される。第２の露光工程でフォトレジストに露光される２つの位置計測用パターンのいずれか一方の像と第１の露光工程でフォトレジストに露光された２つの位置計測用パターンのいずれか他方の像との位置ずれ量から移動量の誤差が差し引かれる。これにより、移動量の誤差を差し引くことができるため、より精度よくフォーカスモニタを行なうことができる。
【０３１８】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、フォーカスモニタ用フォトマスクは、基板の表面に形成される相互の位置関係を計測するための他の２つの位置計測用パターンと、上記他の２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に同等とするために基板の裏面に形成された遮光膜に形成されたパターンとを有するウェハ位置ずらし量補正用マスク構造がさらに備えられている。上記他の２つの位置計測用パターンは第１および第２の露光工程でフォトレジストに露光される。第１の露光工程で上記他の２つの位置計測用パターンのいずれか一方がフォトレジストに露光されて形成されたパターンと、第２の露光工程で上記他の２つの位置計測用パターンのいずれか他方がフォトレジストに露光されて形成されたパターンとの位置ずれ量から移動量の誤差が計測される。これにより、移動量の誤差を差し引くことができるため、より精度よくフォーカスモニタを行なうことができる。
【０３１９】
上記のフォーカスモニタ方法において好ましくは、露光装置のフォーカスオフセット量を変えてフォトレジストに露光した複数のショットのパターンを用いてあらかじめパターンの位置ずれ量とフォーカスずれ量との関係が求められ、計測されたパターンの位置ずれ量からその関係に基づいてフォーカスずれ量が求められる。このようにしてフォーカスずれ量を較正することができる。
【０３２１】
本発明のフォーカスモニタ用装置によれば、裏面パターンを設けて２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることにより、通常照明でσ値を小さくした場合と同程度の高いｚ方向の検出感度を得ることができる。また、σ値を小さくする必要がないため、フォーカスモニタ時とデバイスパターン形成時とで照明アパチャーを交換する必要がない。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方を用いても、２つの位置計測用パターンへの露光光の入射方向を実質的に異ならせることができる。
また、正方形開口パターンおよび正方形遮光膜残しパターンの一方の互いに向かい合う２つの辺の各々の中点に正対する表面の各々の点に、２つの位置計測用パターンのそれぞれが位置しているため、２つの位置計測用パターンのそれぞれを、相補的となる、裏面遮光膜が存在しない場合の照明光の入射角度の意味において半分で照明することができる。
【０３２２】
本発明の装置の製造方法は、上記各局面のいずれかに記載のフォーカスモニタ方法を用いたことを特徴とする。これにより、フォトマスクの作成が容易で、かつ照明アパチャーの交換が不要で、かつｚ方向の検出感度が高いフォーカスモニタが可能となるため、安価で、かつ高い精度でパターンを形成することができる。
【０３２３】
上記装置の製造方法において好ましくは、上記のフォーカスモニタ方法を用いて形成される装置は半導体装置である。上記の装置の製造方法は、薄膜磁気ヘッドや液晶表示素子のように半導体製造プロセスを用いて製造可能な装置の製造にも適しているが、半導体装置の製造にも適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるフォーカスモニタ方法を説明するための模式図である。
【図２】図１のフォトマスクの裏面開口パターンの役割を説明するための拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるフォーカスモニタ用装置の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う概略断面図である。
【図６】図３の絞りに用いられる輪帯照明絞りの構成を示す図である。
【図７】位置計測用パターン５ｂ１から基板の裏面を見たときの裏面開口パターンの様子を示す図である。
【図８】位置計測用パターン５ｂ２ら基板の裏面を見たときの裏面開口パターンの様子を示す図である。
【図９】位置計測用パターン５ｂ１から基板の裏面を見たときの位置計測用パターン５ｂ１ヘ光を通す領域を示す図である。
【図１０】位置計測用パターン５ｂ２から基板の裏面を見たときの位置計測用パターン５ｂ２ヘ光を通す領域を示す図である。
【図１１】２重露光の工程を説明するための図である。
【図１２】フォトレジストにｂｏｘ−ｉｎ−ｂｏｘのパターンが形成された様子を示す断面図（ａ）、平面図（ｂ）である。
【図１３】露光と現像とを２回繰返す工程を説明するための図である。
【図１４】ウェハ移動時の位置合わせを正確に行なうためのフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す断面図である。
【図１５】図１４に示すフォトマスクを用いたウェハの位置合わせを説明するための図である。
【図１６】パターンの電気抵抗を測定することでフォーカスモニタを行なうためのフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を示す裏面図（ａ）および表面図（ｂ）である。
【図１７】図１６（ａ）および（ｂ）のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図１８】電気的抵抗値によりフォーカスずれを測定する方法を説明するための図である。
【図１９】本発明の実施の形態１におけるパターン相互のずれと基板高さとの関係を示す図である。
【図２０】図４および図５に示すフォトマスクの一部を拡大して示す断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態２におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図２２】図２１のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図２３】位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ１へ露光光を照射可能な範囲内に裏面開口パターン５ｄ１のみが分布することを説明するための図である。
【図２４】位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ２へ露光光を照射可能な範囲内に裏面開口パターン５ｄ２のみが分布することを説明するための図である。
【図２５】本発明の実施の形態３におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、２つの裏面開口パターンから２つの計測用パターンのそれぞれが照明される構成のフォトマスクの裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図２６】図２５（ａ）および（ｂ）のＸＸＶＩ−ＸＸＶＩ線に沿う概略断面図である。
【図２７】位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ１へ露光光を照射可能な範囲内に裏面開口パターン５ｄ１および５ｄ２が分布することを説明するための図である。
【図２８】位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときの位置計測用パターン５ｂ２へ露光光を照射可能な範囲内に裏面開口パターン５ｄ１および５ｄ２が分布することを説明するための図である。
【図２９】本発明の実施の形態４におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、裏面パターンが円形の遮光膜残しパターンであるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図３０】図２９（ａ）および（ｂ）のＸＸＸ−ＸＸＸ線に沿う概略断面図である。
【図３１】位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見たときに、位置計測用パターン５ｂ１に露光光が照射可能な領域内の一部にのみ遮光膜残しパターン５ｄが位置していることを説明するための図である。
【図３２】位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見たときに、位置計測用パターン５ｂ２に露光光が照射可能な領域内の一部にのみ遮光膜残しパターン５ｄが位置していることを説明するための図である。
【図３３】本発明の実施の形態５におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、裏面パターンが矩形の遮光膜残しパターンであるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図３４】図３３（ａ）および（ｂ）のＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶ線に沿う概略断面図である。
【図３５】本発明の実施の形態６におけるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成であって、裏面パターンが矩形の開口パターンであるフォーカスモニタ用フォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図３６】本発明の実施の形態７におけるフォーカスモニタ方法に用いられるフォトマスクの構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図３７】図３６（ａ）および（ｂ）のＸＸＸＶＩＩ−ＸＸＸＶＩＩ線に沿う概略断面図である。
【図３８】位置計測用パターン５ｂ１から基板５ａの裏面側を見た場合の正方形開口パターン５ｄの位置を示す図である。
【図３９】位置計測用パターン５ｂ２から基板５ａの裏面側を見た場合の正方形開口パターン５ｄの位置を示す図である。
【図４０】位置計測用パターン５ｂ１を照明する光が輪帯照明の右側半分の照明光のみであることを示す図である。
【図４１】位置計測用パターン５ｂ２を照射する光が輪帯照明の左側半分の照明光のみであることを示す図である。
【図４２】右側および左側の各半分照明を用いて１つのパターンを照明した場合のフォーカス位置の変化による像強度の変化を示す図である。
【図４３】偶収差のみが存在するときの、各半分照明の中の一要素照明での結像の様子を示す図である。
【図４４】奇収差のみが存在するときの、各半分照明の中の一要素照明での結像の様子を示す図である。
【図４５】偶収差のみが存在するときの本発明の実施の形態７におけるフォーカスモニタ方法でのマスクパターンの転写位置のふるまいを示す図である。
【図４６】偶収差のみが存在するときの、実験計測量である右側および左側の各半分照明によるパターンの相互位置ずれを基板高さの関係として表わした図である。
【図４７】偶収差に加え、奇収差も存在するときの本発明の実施の形態７におけるフォーカスモニタ方法でのマスクパターンの転写位置のふるまいを示す図である。
【図４８】偶収差に加え、奇収差も存在するときの、実験計測量である右側および左側の各半分照明によるパターンの相互位置ずれを基板高さの関係として表わした図である。
【図４９】実転写パターンにおけるパターンへの露光光の照射の様子を示す図（ａ）、および基板高さのステージ制御値とパターン寸法との関係を示す図（ｂ）である。
【図５０】本発明の実施の形態８におけるフォーカスモニタ方法に用いられるフォトマスクの他の構成を概略的に示す裏面図（ａ）、表面図（ｂ）である。
【図５１】図５０（ａ）および（ｂ）のＬＩ−ＬＩ線に沿う概略断面図である。
【図５２】位置計測用パターンが正方形の枠状に遮光膜を残したラインパターンであることを示す図である。
【図５３】位置計測用パターンが正方形の枠状の開口で形成したスペースパターンであることを示す図である。
【図５４】位置計測用パターンが複数のホールパターンを正方形状に配置したパターンであることを示す図である。
【図５５】フォトマスクに１単位のフォーカスモニタ構造を複数個配置した様子を示す図である。
【図５６】従来の位相シフトフォーカスモニタ方法を説明するための図である。
【図５７】従来の位相シフトフォーカスモニタ方法に用いられるフォトマスクの構成を示す図である。
【図５８】特開平６−１２０１１６号公報に開示されたフォーカスモニタ方法に用いられるフォトマスクの構成を示す概略断面図である。
【図５９】従来の位相シフトフォーカスモニタ方法に用いられる照明絞りの構成を示す図である。
【符号の説明】
５  フォトマスク、５ａ  基板、５ｂ１，５ｂ２  位置計測用パターン、５ｂ，５ｃ  遮光膜、５ｄ，５ｄ１，５ｄ２  裏面パターン、１１  水銀ランプ、１２  反射鏡、１３  フライアイレンズ、１３ａ  フライアイ構成レンズ、１４  照明絞り、１５  ブラインド絞り、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  集光レンズ、１７反射鏡、１８  集光レンズ、１９ａ，１９ｂ  投影レンズ、２１  ウェハ、２１ａ  半導体基板、２１ｂ  フォトレジスト、２２  インナーボックスパターン、２３アウターボックスパターン。
【図１】
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【図２】
0003605064.tif 000003
【図３】
0003605064.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003605064.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
0003605064.tif 000041
【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
0003605064.tif 000046
【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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