(57)【要約】【課題】容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を精度良く求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行う。【解決手段】試験用フォトマスク１１は、第１のマスクパターン２１と、第１のマスクパターン２１の中心部位に設けられた第２のマスクパターン２２とが形成されている。第１のマスクパターン２１は、集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する性質を有するパターンであり、ここでは２次元のフレネル輪帯パターンとされている。【選択図】図２
2008026656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光により、被転写体にマスクパターンを転写するフォトマスクであって、
集光作用を有し、前記被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、
露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンと
を含み、
前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを特徴とするフォトマスク。
【請求項２】
前記第１のマスクパターンは、回折による集光作用を有するフレネルゾーンパターンであり、
前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの中央部位に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のフォトマスク。
【請求項３】
集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを有するフォトマスクと、
前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを利用して、前記寸法の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記寸法と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段と
を含むことを特徴とする焦点計測装置。
【請求項４】
前記フォトマスクは、
前記第１のマスクパターンを有する第１のフォトマスクと、
前記第２のマスクパターンを有する第２のフォトマスクと
を有する一組のマスクであり、
前記第１のフォトマスク及び前記第２のフォトマスクを順次用いて２重露光することを特徴とする請求項３に記載の焦点計測装置。
【請求項５】
前記第１のマスクパターンは、回折による集光作用を有するフレネルゾーンパターンであり、
前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの中央部位に形成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の焦点計測装置。
【請求項６】
前記フォトマスクは、前記第２のマスクパターンと同一である寸法測定用の第３のマスクパターンを更に備えており、
前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法の測定値から、前記第３のマスクパターンにおける転写パターンの寸法の測定値を差し引いた差分値を算出する差分値算出手段を更に含み、
前記焦点変動量特定手段は、前記データについて、合焦している場合に対応した前記寸法を、前記各焦点変動量に対応した前記各寸法から差し引いてなる修正データを用いて、前記差分値を前記修正データと照合し、前記焦点変動量を特定することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の焦点計測装置。
【請求項７】
回折による集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンを有するフォトマスクと、
前記フレネルゾーンパターンからの前記被転写体であるレジスト膜への前記露光照射量が前記焦点変動に依存するとともに、現像処理後の前記レジスト膜の膜厚が前記露光照射量に依存することを利用して、前記レジスト膜の膜厚の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記レジスト膜の膜厚と前記焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段と
を含むことを特徴とする焦点計測装置。
【請求項８】
回折による集光作用を有し、露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクと、
前記フレネルゾーンパターンからの露光照射量を測定する露光照射量測定手段と、
前記フレネルゾーンパターンからの前記露光照射量が前記焦点変動に依存することを利用して、前記露光照射量測定手段による前記露光照射量の測定値を、前記フォトマスク及び前記露光照射量測定手段を用いて予め取得された前記露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段と
を含むことを特徴とする焦点計測装置。
【請求項９】
集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを備えたフォトマスクを用いて、
前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを利用して、前記寸法の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記寸法と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップを含むことを特徴とする焦点計測方法。
【請求項１０】
前記第１のマスクパターンは、回折による集光作用を有するフレネルゾーンパターンであり、
前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの中央部位に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の焦点計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスを形成する際のリソグラフィーに用いられるフォトマスク、焦点計測装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、半導体素子のパターンには、厳しい寸法精度が求められている。パターン形成に使用されている投影露光装置(以下、露光装置と呼ぶ)では、マスクパターンを縮小投影露光して、半導体ウェーハ面にパターンを結像させているが、この結像位置、即ち焦点位置がずれた場合、現像後のレジストパターンの寸法が変動するという問題が発生する。
【０００３】
従って、露光装置の焦点位置が変動しないことが望ましいが、現実には、ある程度の焦点位置の変動が発生してしまうため、定期的に露光装置の焦点位置のずれ量を計測して、焦点深度のずれを補正するといった装置管理が必要である。また、実際の製品をパターン形成した際の焦点位置のずれを把握して、次の露光で焦点位置を補正する必要がある。
【０００４】
焦点位置の測定方法として一般的に使用されている方法は、フォーカスを変えながら露光したパターンの寸法を順次測定する方法である。ポジ型のレジストで形成した孤立の残しパターンは、焦点位置で寸法が最大になることを利用して、焦点位置を求めている。
また、位置ずれ検査マークにアシストパターンを付加して、フォーカス変動に応じて変化する位置ずれ量を測定して、デフォーカス量を特定する手法が、特許文献１で提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１７２６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、フォーカスを変えながら露光した転写パターンの寸法を測定する方法では、１回の露光で焦点位置を求めることができないため、製品のパターンを露光した時の焦点位置のずれを求めることができないという問題がある。また、特許文献１の手法では、焦点変動に対する位置ずれ量が小さいため、精度良く焦点変動を特定できないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を精度良く求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことを可能とするフォトマスク、焦点計測装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のフォトマスクは、露光により、被転写体にマスクパターンを転写するフォトマスクであって、集光作用を有し、前記被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを含み、前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化する。
【０００９】
本発明のフォトマスクは、露光により、被転写体にマスクパターンを転写するフォトマスクであって、前記マスクパターンは、回折による集光作用を有し、前記被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンを含む。
【００１０】
本発明の焦点計測装置は、集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを有するフォトマスクと、前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを利用して、前記寸法の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記寸法と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段とを含む。
【００１１】
本発明の焦点計測装置は、回折による集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンを有するフォトマスクと、前記フレネルゾーンパターンからの前記被転写体であるレジスト膜への前記露光照射量が前記焦点変動に依存するとともに、現像処理後の前記レジスト膜の膜厚が前記露光照射量に依存することを利用して、前記レジスト膜の膜厚の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記レジスト膜の膜厚と前記焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段とを含む。
【００１２】
本発明の焦点計測装置は、回折による集光作用を有し、露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクと、前記フレネルゾーンパターンからの露光照射量を測定する露光照射量測定手段と、前記フレネルゾーンパターンからの前記露光照射量が前記焦点変動に依存することを利用して、前記露光照射量測定手段による前記露光照射量の測定値を、前記フォトマスク及び前記露光照射量測定手段を用いて予め取得された前記露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段とを含む。
【００１３】
本発明の焦点計測方法は、集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを備えたフォトマスクを用いて、前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを利用して、前記寸法の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記寸法と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップを含む。
【００１４】
本発明の焦点計測方法は、回折による集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクを用いて、前記フレネルゾーンパターンからの前記被転写体であるレジスト膜への前記露光照射量が前記焦点変動に依存するとともに、現像処理後の前記レジスト膜の膜厚が前記露光照射量に依存することを利用して、前記レジスト膜の膜厚の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記レジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップを含む。
【００１５】
本発明の焦点計測方法は、回折による集光作用を有し、露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクを用いて、前記フレネルゾーンパターンからの露光照射量を測定するステップと、前記フレネルゾーンパターンからの前記露光照射量が前記焦点変動に依存することを利用して、前記露光照射量の測定値を、前記フォトマスクを用いた前記露光照射量の測定によって予め取得された前記露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップとを含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を精度良く求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
−本発明の基本骨子−
リソグラフィーでは、主に露光装置の焦点変動（焦点位置のズレ）及び光源の露光光の照射量（露光照射量）の変動（露光エネルギーの変動）に起因して、フォトマスクに形成されたマスクパターンにおける転写パターン、即ちリソグラフィーによりレジスト膜が加工されてなるレジストパターンの寸法が変化する。
【００１８】
しかしながら、レジストパターンの寸法変化が観察された場合、当該寸法変化が焦点変動に起因するものであるか、露光装置における露光照射量変動に起因するものであるかを判別することは困難である。従って単にレジストパターンの寸法変化量を計測しただけでは、当該寸法変化を正確に是正することは困難である。
【００１９】
近時の露光装置では、レジストパターンの寸法変化の原因としては、露光エネルギーの変動よりも焦点変動の方が支配的であると考えられる。本発明者は、焦点変動に起因する寸法変化を対象として、１回の露光で当該寸法変化量を簡易且つ正確に計測すべく、本発明に想到した。
【００２０】
本発明では、集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する性質を有するパターンをマスクパターンとして備えたフォトマスクを用いて露光を行い、寸法変化量を特定することを基本構成とする。ここで、上記のマスクパターンの具体例としては、回折による集光作用を有するいわゆるフレネルゾーンパターンが好ましい。このフレネルゾーンパターンをマスクパターンとして有するフォトマスクを用いて露光を行うと、被転写体に対するフレネルゾーンパターンからの回折光の照射量が焦点変動に依存して変化する。本発明では、当該基本構成を主軸として、以下のような各具体的構成（１）〜（３）を提示する。
【００２１】
本発明の具体的構成（１）
具体的構成（１）では、上記のマスクパターンを第１のマスクパターンとして、露光された際に第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンを備えたフォトマスク（試験用フォトマスク）を提示する。この試験用フォトマスクを用いて露光することにより、焦点変動に依存して生じる第１のマスクパターンからの露光照射量の変化により、第２のマスクパターンの投影像に対する露光照射量が変化する。この露光照射量の変化により、第２のマスクパターンの投影像の寸法（換言すれば、当該投影像がレジスト膜に転写され、現像により形成されるレジストパターンの寸法）が変化する。第２のマスクパターンとしては、後述する理由から、複数の線状パターンが所定間隔を置いて並列形成されてなるパターン（ライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）パターン）が好ましい。
【００２２】
先ず、この試験用フォトマスクを用いて、焦点変動量を複数値に振って露光し、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示すデータ（第１のデータ）を予め作成しておく。Ｌ＆Ｓパターンを寸法測定用の第２のマスクパターンとして用いる場合、仮に第１のマスクパターンを設けなければ、その焦点変動によるレジストパターンの寸法変化は極めて小さい。第１のマスクパターンを設けることにより、焦点変動により当該寸法が大きく変化する。従って、言わば極めて高い感度で焦点変動を把握することができる。
【００２３】
そして、当該露光装置で試験用フォトマスクを用いて露光し、計測されたレジストパターンの寸法測定値を、第１のデータと照合する。これにより、焦点変動量を特定することができる。即ち、試験用フォトマスクを用いた１回の露光により、当該露光装置の焦点変動量を簡易且つ正確に特定することができる。
【００２４】
更に具体的構成（１）では、以下のように焦点変動量の特定の正確性を可及的に高めることができる。
第１のマスクパターン及び第２のマスクパターン（Ｌ＆Ｓパターン）を有する試験用フォトマスク（第１の試験用フォトマスク）を用いて得られた第１のデータでは、焦点変動量が０である（合焦している）場合に対応したレジストパターンの寸法値は、言わば第１のマスクパターンからの光照射の影響のない状態で計測された値であると見なせる。即ち、合焦状態では、第１の試験用フォトマスクを用いて得られる寸法測定値は、第２のマスクパターンのみをマスクパターンとして有するフォトマスクを用いて得られる寸法測定値にほぼ等しい。
【００２５】
第１の試験用フォトマスクを用いて露光した場合、合焦状態では、第２のマスクパターンの寸法測定値は露光エネルギーの変動のみの影響を受けた値となる。
一方、上述したように、Ｌ＆Ｓパターンでは、焦点変動によるレジストパターンの寸法変化は極めて小さい。従って、第１のマスクパターンを持たず、寸法測定用のＬ＆Ｓパターンである第２のマスクパターンのみをマスクパターンとして有するフォトマスクを用いた場合、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係では、寸法値は焦点変動量に殆ど依存することなく極めて緩やかなカーブを描く。従って、この寸法値を一定値と見なせば、当該一定値は第１の試験用フォトマスクで合焦状態における第２のマスクパターンの寸法測定値と等しいことになる。
【００２６】
本発明では、上記の考察結果を利用して、第１の試験用フォトマスクを用いて得られた第１のデータについて、合焦している場合に対応した前記寸法値を、各焦点変動量に対応した各寸法値から差し引いてなる修正データ（第２のデータ）を予め作成しておく。
【００２７】
第１のデータにおいて、レジストパターンの寸法値は、焦点変動に加えて僅かながら露光エネルギーの変動の影響を受けた値である。一方、第１のデータにおいて、合焦状態におけるレジストパターンの寸法値は、上述のように露光エネルギーの変動の影響が除去された焦点変動のみの影響を受けた値であると見なせる。従って、上記の第２のデータは、第２のマスクパターンについて、露光エネルギーの変動の影響が除去された焦点変動のみの影響を受けた寸法変動値と焦点変動量との関係を示すデータである。
【００２８】
ここでは、第１及び第２のマスクパターン（Ｌ＆Ｓパターン）と共に、これらのマスクパターンと適宜（互いの露光の影響を受けない程度に）離間した箇所に第２のマスクパターンと同一の第３のマスクパターンを備えた第２の測定用フォトマスクを用いて露光する。そして、第２のマスクパターンにおけるレジストパターンの寸法測定値から、第３のマスクパターンにおけるレジストパターンの寸法測定値を差し引いた差分値を算出する。この差分値は、露光エネルギーの変動の影響が除去された焦点変動による影響のみによる寸法変動値である。
【００２９】
この差分値を第２のデータと照合する。これにより、焦点変動量を特定することができる。この焦点変動量は、露光エネルギーの変動の影響が除去されたより正確（純粋）な焦点変動量である。即ち、第２の試験用フォトマスクを用いた１回の露光により、当該露光装置の焦点変動量を簡易且つ極めて正確に特定することができる。
【００３０】
本発明の具体的構成（２）
具体的構成（２）では、焦点変動量が露光照射量に依存して変化する性質を有するパターン、ここではフレネルゾーンパターンのみをマスクパターンとして有するフォトマスク（試験用フォトマスク）を提示する。本発明では、フレネルゾーンパターンからの被転写体であるレジスト膜への露光照射量が焦点変動に依存するとともに、現像処理後のレジスト膜の膜厚が露光照射量に依存することを利用する。
【００３１】
先ず、この試験用フォトマスクを用いて、焦点変動量を複数値に振って露光し、現像後のレジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータを予め取得しておく。ここでは例えば、データ取得の便宜上、レジスト膜の膜厚と露光照射量との関係、及び露光照射量と焦点変動量との関係についてそれぞれデータを取得し、両者を組み合わせることにより、レジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータを作成するようにしても良い。
【００３２】
そして、当該露光装置で試験用フォトマスクを用いて露光し、計測された現像後におけるレジスト膜の膜厚の測定値を、上記のデータと照合する。これにより、焦点変動量を特定することができる。即ち、試験用フォトマスクを用いた１回の露光により、当該露光装置の焦点変動量を簡易且つ正確に特定することができる。
【００３３】
本発明の具体的構成（３）
具体的構成（３）では、具体的構成（２）と同様に、焦点変動量が露光照射量に依存して変化する性質を有するパターン、ここではフレネルゾーンパターンのみをマスクパターンとして有するフォトマスク（試験用フォトマスク）を提示する。本発明では、フレネルゾーンパターンからの被転写体への露光照射量が焦点変動に依存することを利用する。
【００３４】
先ず、試験用フォトマスクと、当該試験用フォトマスクのフレネルゾーンパターンからの露光照射量を測定する露光照射量測定手段とを用いて、焦点変動量を複数値に振って露光し、露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータを予め取得しておく。
【００３５】
そして、露光照射量の測定値を、上記のデータと照合する。これにより、焦点変動量を特定することができる。即ち、試験用フォトマスクを用いた１回の露光により、しかも実際に被転写体にパターン転写することなく、当該露光装置の焦点変動量を簡易且つ正確に特定することができる。
【００３６】
−本発明を適用した具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３７】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による露光システムの概略構成を示す模式図である。
この露光システムは、いわゆる縮小投影露光を行うものであり、露光光を照射する照明光源１と、照射された露光光をフォトマスクの所望部位へ集光する集光光学系２と、フォトマスクが載置固定されるレチクルステージ３と、フォトマスクのマスクパターンを通過した露光光を被転写体の所望部位へ投影する投影光学系４と、被転写体が載置固定されるウェーハステージ５と、被転写体における露光光の焦点変動の計測・補正を行う焦点制御系６とを備えて構成されている。
【００３８】
照明光源１は、例えばＡｒＦエキシマレーザであり、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光を露光光として照射する。
集光光学系２は、フライアイレンズ２ａと、レンズ２ａを通過した露光光を絞り込む照明絞り（照明σ）２ｂと、露光光を集光するレンズ２ｃを有して構成されている。
【００３９】
レチクルステージ３は、縮小投影するための各種のマスクパターンを備えたフォトマスクが載置固定される。本実施形態では、焦点変動の計測・補正を行うための試験用マスクパターンを備えた試験用フォトマスク１１が設置される。
【００４０】
ウェーハステージ５は、被転写体であるレジスト膜が表面に形成された半導体ウェーハ１０が載置固定されるものであり、載置固定されたウェーハステージ５の位置を調節して投影光学系４からの露光光を合焦させる焦点調節機構１２を備えている。
【００４１】
焦点制御系６は、当該露光システムについて、被転写体であるレジスト膜における露光光の焦点変動量を特定する焦点変動特定部１３と、焦点変動特定部１３で使用される、転写パターンの寸法と焦点変動量との関係を示すデータが格納されている記憶部１４と、焦点変動特定部１３による計測に基づいて焦点調節機構１２に焦点補正を指示する焦点補正部１５とを備えて構成されている。
【００４２】
本実施形態の露光システムでは、試験用フォトマスク１１、焦点変動特定部１３及び記憶部１４を有して、焦点計測装置が構成される。
【００４３】
試験用フォトマスク１１は、図２（ａ）に示すように、第１のマスクパターン２１と、第１のマスクパターン２１の中心部位に設けられた第２のマスクパターン２２とが形成されて構成されている。
【００４４】
第１のマスクパターン２１は、集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する性質を有するパターンであり、ここでは２次元のフレネル輪帯パターンとされている。フレネル輪帯パターンとは、輪帯の透過部を以下の（１）式の条件を満たすように同心円状に並列形成したもので、透過部と非透過部が交互に繰り返されたパターンである。
【００４５】
フレネル輪帯パターンに対して平行光（フォトマスク面に対して垂直な光）を入射した場合、透過部を回折した光は、円の中心上の点に集光するように設計されている。フレネル輪帯パターンの同心円の半径Ｒｎは以下の（１）式で表される。
Ｒｎ＝[λＰ（２ｎ−１）／２]1/2  ・・・（１）
ここで、Ｒｎは円の半径、λは光源から照射される露光光の波長、Ｐはフォトマスク面とフレネル輪帯パターンからの回折光が集光する点との距離、即ち焦点距離である。ｎは自然数である。
【００４６】
式（１）を変形して、左辺を（２ｎ−１）1/2とすると、
（２ｎ−１）1/2＝（２／λＰ）1/2・Ｒｎ
となる。図３に、図２（ａ）において、フレネル輪帯パターンである第１のマスクパターン２１の中心を通る線分Ｉ−Ｉにおける露光光の透過率分布を示す。ここで、横軸を（２／λＰ）1/2・Ｒｎとしている。第１のマスクパターン２１は、ｎが偶数の場合、中心から数えて偶数番目の輪帯が透過で中央の円板状部分が非透過となる、負のフレネルゾーンパターンとなる。
【００４７】
本実施形態では、露光光の波長を１９３ｎｍ、焦点距離を１０００ｎｍに設計したフレネル輪帯パターンを使用する。この場合、フレネル輪帯パターンの中心から１つ目の透過輪帯の内径，外形は、それぞれ０．３１１μｍ，０．５３８μｍであり、２つ目の透過輪帯の内径，外形は、それぞれ０．６９５μｍ，０．８２２μｍ、３つ目の透過輪帯の内径，外形は、それぞれ０．９３２μｍ，１．０３０μｍ・・・となる。この寸法は、被転写体上に投影露光された転写パターンの寸法を示しており、フォトマスク上での寸法は投影倍率をかけた値となる。また、輪帯の半径は、必ずしも（１）式に従う必要はなく、使用する光学条件など種々の条件において最適化しても良い。
【００４８】
第２のマスクパターン２２は、図２（ａ），（ｂ）（（ｂ）は第２のマスクパターン２２の拡大図）に示すように、露光された際に第１のマスクパターン２１による集光部位に投影されるように、第１のマスクパターン２１の中央部位に設けられてなる寸法測定用のパターンであり、ここでは複数の線状パターンが所定間隔を置いて並列形成されてなるライン・アンド・スペース（Ｌ＆Ｓ）パターンとされている。ここでは、ライン（線状パターン）寸法が１００ｎｍ、スペース寸法（隣接する線状パターンの間隔）が１００ｎｍのＬ＆Ｓパターンとする。
【００４９】
図４に示すように、第１のマスクパターン２１の透過部を通過した露光光は、回折（ここでは一次回折が支配的となる）により、フォトマスク面から１０００ｎｍの位置で最も露光照射量が強くなり、この位置から離れるに従って露光照射量が弱くなる。フレネル輪帯パターンである第１のマスクパターン２１では、当該露光システムの焦点変動に依存して、被転写体に対する露光照射量が変化する。即ち、試験用フォトマスク１１を用いた露光時において、当該露光システムの焦点位置にズレが生じて、第１のマスクパターン２１の集光位置に近くなるにつれて、結像した第２のマスクパターン２２に対する第１のマスクパターン２１からの回折光が強く照射される。従ってこの場合、第２のマスクパターン２２の転写パターンである現像後のレジストパターンの寸法が大きくなる。
【００５０】
Ｌ＆Ｓパターンを寸法測定用の第２のマスクパターン２２として用いる場合、仮に第１のマスクパターン２１を設けなければ、その焦点変動によるレジストパターンの寸法変化は極めて小さい。第１のマスクパターン２１を設けることにより、焦点変動により当該寸法が大きく変化する。従って、言わば極めて高い感度で焦点変動を把握することができる。
【００５１】
図５は、本実施形態による焦点計測・補正方法を示すフロー図である。
本実施形態では、先ず、試験用フォトマスク１１を用いて、第１及び第２のマスクパターン２１，２２について、焦点変動量を複数値に振って露光し、第２のマスクパターン２２の転写パターンであるレジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示すデータを予め取得しておく（プレステップＰＳ１）。
【００５２】
このデータの一例として、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示す特性図を図６に示す。
図示のように、焦点変動のない状態（合焦状態）で寸法測定値は最小となり、焦点変動量が多いほど、第２のマスクパターン２２の露光部位が第１のマスクパターン２１の集光位置に近くなり、第２のマスクパターン２２の露光部位に対する第１のマスクパターン２１からの回折光が強く照射されるため、寸法測定値が大きくなる。このデータは、記憶部１４に格納される（プレステップＰＳ２）。
【００５３】
プレステップＰＳ１，ＰＳ２を完了した状態にあることを前提として、露光システムの焦点計測を行う。
先ず、焦点変動特定部１３は、記憶部１４から図６のデータを読み出す（ステップＳ１）。
【００５４】
続いて、焦点変動特定部１３は、当該露光システムで試験用フォトマスク１１を用いて露光し、計測されたレジストパターンの寸法の測定値を、記憶部１４から読み出したデータと照合し、当該露光システムの焦点変動量を特定する（ステップＳ２）。
【００５５】
なお、レジストパターンの寸法は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測長される。本実施形態では、試験用フォトマスク１１を用いた１回の露光により、当該露光システムの焦点変動量を簡易且つ正確に特定することができる。
【００５６】
以上説明したプレステップＰＳ１，ＰＳ２を前提とし、ステップＳ１，Ｓ２を有して、本発明の焦点計測方法が構成される。以下の各ステップは、特定された焦点変動量を補正するステップである。
【００５７】
焦点補正部１５は、焦点変動特定部１３で特定された焦点変動を是正すべく、当該焦点変動量の情報を焦点調節機構１２に提供する（ステップＳ３）。そして、この焦点変動量の情報を授受した焦点調節機構１２は、当該焦点変動を是正するようにウェーハステージ５の位置を調節し、投影光学系４からの露光光を合焦させる（ステップＳ４）。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態によれば、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を精度良く求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【００５９】
（変形例）
以下、第１の実施形態の変形例について説明する。ここで、第１の実施形態と同様の構成要素等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００６０】
図７は、第１の実施形態の変形例による露光システムの概略構成を示す模式図である。
この露光システムは、第１の実施形態と同様に、照明光源１、集光光学系２、レチクルステージ３、投影光学系４、及びウェーハステージ５を備え、更に被転写体における露光光の焦点変動の計測・補正を行う焦点制御系７を備えて構成されている。
【００６１】
焦点制御系７は、図１に示した第１の実施形態による露光システムの焦点制御系６の構成要素である、焦点変動特定部１３及び焦点補正部１５に加え、焦点変動特定部１３で使用される、寸法変動量と焦点変動量との関係を示すデータが格納されている記憶部１７と、寸法変動測定値を得るための差分値算出部１８とを備えて構成されている。
【００６２】
図７の露光システムにおいては、試験用フォトマスク１１の代わりに、試験用フォトマスク１６を用いる。この露光システムでは、試験用フォトマスク１６、焦点変動特定部１３、記憶部１７及び差分値算出部１８を有して、本例の焦点計測装置が構成される。
【００６３】
試験用フォトマスク１６は、図８に示すように、第１及び第２のマスクパターン２１，２２と共に、これらのマスクパターンと適宜（互いの露光の影響を受けない程度に）離間した箇所に第２のマスクパターン２２と同一の第３のマスクパターン２３が形成されてなるものである。以下で説明するように、試験用フォトマスク１６は、被転写体における露光光の照射量（露光照射量：以下、露光エネルギーと同義として扱う）の変動（露光量変動）を考慮し、当該露光量変動の影響を除去した、より正確な焦点変動量を得るために用いられる。
【００６４】
図９は、第１の実施形態の変形例による焦点計測方法を示すフロー図である。
本例では、先ず、試験用フォトマスク１６を用いて、第１及び第２のマスクパターン２１，２２について、焦点変動量を複数値に振って露光し、第２のマスクパターン２２の転写パターンであるレジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示すデータ（図６）を取得する（プレステップＰＳ１１）。ここで便宜上、当該データを第１のデータと呼ぶ。図６のように、焦点変動のない状態（合焦状態）で寸法測定値は最小となり、焦点変動量が多いほど、寸法測定値も大きくなる。
【００６５】
第１及び第２のマスクパターン２１，２２を用いて得られた第１のデータでは、焦点変動量が０である（合焦している）場合に対応したレジストパターンの寸法値は、言わば第１のマスクパターン２１からの光照射の影響のない状態で計測された値であると見なせる。即ち、合焦状態では、第１及び第２のマスクパターン２１，２２を用いて得られる寸法測定値は、第２のマスクパターン２２のみをマスクパターンとして有するフォトマスクを用いて得られる寸法測定値にほぼ等しい。
【００６６】
第１及び第２のマスクパターン２１，２２を用いて露光した場合、合焦状態では、第２のマスクパターン２２の寸法測定値は露光エネルギーの変動のみの影響を受けた値となる。
一方、上述したように、Ｌ＆Ｓパターンでは、焦点変動によるレジストパターンの寸法変化は極めて小さい。従って、第１のマスクパターン２１を持たず、寸法測定用のＬ＆Ｓパターンである第２のマスクパターン２２のみをマスクパターンとして有するフォトマスクを用いた場合、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係では、寸法値は焦点変動量に殆ど依存することなく極めて緩やかなカーブを描く。従って、この寸法値を一定値と見なせば、当該一定値は、第１及び第２のマスクパターン２１，２２を用いた合焦状態における第２のマスクパターン２２の寸法測定値と等しいことになる。
【００６７】
本例では、上記の考察結果を利用して、以下のように第１のデータを修正する。
即ち、試験用フォトマスク１６の第１及び第２のマスクパターン２１，２２を用いて得られた第１のデータについて、合焦している場合に対応した寸法値を、各焦点変動量に対応した各寸法値から差し引いてなる修正データ（第２のデータ）を予め作成しておく（プレステップＰＳ１２）。
【００６８】
この第２のデータの一例として、図６の特性図を上記のように修正してなる特性図を図１０に示す。
図６において、第１のデータについて、合焦している場合（焦点変動量が０μｍの場合）に対応した寸法値は０．０８４μｍである。図６の寸法値から、この０．０８４μｍを差し引くことにより、第１のデータの修正データとして図１０の第２のデータが得られる。
【００６９】
第１のデータにおいて、レジストパターンの寸法値は、焦点変動に加えて僅かながら露光エネルギーの変動の影響を受けた値である。一方、第１のデータにおいて、合焦状態におけるレジストパターンの寸法値は、上述のように焦点変動の影響が除去された露光エネルギーの変動のみの影響を受けた値であると見なせる。従って、第２のデータは、第２のマスクパターン２２について、露光エネルギーの変動の影響が除去された焦点変動のみの影響を受けた、レジストパターンの寸法変動値と焦点変動量との関係を示すデータである。
第２のデータは記憶部１７に格納される（プレステップＰＳ１３）。
【００７０】
プレステップＰＳ１１〜ＰＳ１３を完了した状態にあることを前提として、露光システムの焦点計測を行う。
先ず、差分値算出部１８は、当該露光システムで試験用フォトマスク１６を用いて第１及び第２のマスクパターン２１，２２と、第３のマスクパターン２３とを同時に露光し、計測された第２のマスクパターン２２に対応したレジストパターンの寸法の測定値から、同様に計測された第３のマスクパターン２３に対応したレジストパターンの寸法の測定値を差し引いて差分値を算出する（ステップＳ１１）。この差分値は、露光エネルギーの変動の影響が除去された焦点変動による影響のみによる寸法変動値である。なお、各レジストパターンの寸法は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測長される。
【００７１】
続いて、焦点変動特定部１３は、記憶部１７から第２のデータを読み出す（ステップＳ１２）。
【００７２】
続いて、焦点変動特定部１３は、上記の差分値を、記憶部１７から読み出した第２のデータと照合し、当該露光システムの修正焦点変動量を特定する（ステップＳ１３）。この修正焦点変動量は、露光エネルギーの変動の影響が除去されたより正確（純粋）な焦点変動量である。即ち、試験用フォトマスク１６を用いた１回の露光により、当該露光システムの焦点変動量を簡易且つ極めて正確に特定することができる。
【００７３】
しかる後、第１の実施形態と同様に、ステップＳ３，Ｓ４により、当該露光システムの焦点変動を補正する。
【００７４】
以上説明したように、本例によれば、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を極めて高精度に求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【００７５】
（第２の実施形態）
次いで、第２の実施形態について説明する。ここで、第１の実施形態と同様の構成要素等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施形態は、第１の実施形態と同様に構成された露光システムについて、露光光の焦点変動の計測・補正を行うものであるが、試験用フォトマスクの構成が異なる点で相違する。ここでは、複数枚（例えば２枚）の試験用フォトマスクを用いて多重（２重）露光を行う。
【００７６】
半導体素子の高集積化に伴い、リソグラフィーで形成するパターンの微細化が進んでいる。微細パターンを精度良く形成する手法として、レベンソン型位相シフトマスクを用いた多重露光プロセスが提案されている。
【００７７】
この多重露光プロセスの手法について、図１１を用いて説明する。
例えば、シリコン基板上にゲート層、ここでは素子分離領域にゲート配線、活性領域にゲート配線よりも幅狭のゲート電極を一体に形成してゲート層とする際に、多重露光プロセスを適用する場合を例示する。
【００７８】
第１のフォトマスク１０１は、図１１（ａ）に示すように、通常のバイナリマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等である。
【００７９】
第２のフォトマスク１０３は、図１１（ｂ）に示すように、レベンソン型位相シフトマスクであり  レベンソン型位相シフトマスクは、マスクパターンの左右で（隣接するマスクパターン間で）位相がπ（１８０°）ずれるように構成されている。このレベンソン型位相シフトマスクを用いて露光すると、その光強度が非常に急峻となり、また、比較的小さな照明系を用いることによって、非常に広い焦点深度を得ることができる。
【００８０】
第１及び第２のフォトマスク１０１，１０３を用いて２重露光を行うには、先ず、第２のフォトマスク１０３を用いて、シリコン基板のフォトレジスト（不図示）上に、第２のマスクパターン１０４を露光する。その後、第１のフォトマスク１０１を用いて、フォトレジスト上に第１のマスクパターン１０２を第１のマスクパターン１０４と重なるように露光（２重露光）する。
【００８１】
その結果として、図１１（ｃ）に示すように、活性領域１０５上のみで幅狭とされたゲート層１１１が形成される。このように、２重（多重）露光でゲート層を形成する場合、単一露光に比べて極めて広い露光マージンを得ることができる。
【００８２】
図１２に示すように、本実施形態の試験用フォトマスク３１は、レベンソン型位相シフトマスクであり、マスクパターンとして第１のマスクパターン２１のみ形成された第１のフォトマスク３２と、通常のバイナリマスク又はハーフトーン位相シフトマスク等であり、マスクパターンとして第２のマスクパターン２２のみ形成された第２のフォトマスク３３とが一組とされて構成されている。図１２の右側に、第１のフォトマスク３２及び第２のフォトマスク３３を用いて２重露光してなる転写パターンの様子を示す。
【００８３】
本実施形態の露光システムでは、試験用フォトマスク３１、焦点変動特定部１３及び記憶部１４を有して、焦点計測装置が構成される。
【００８４】
図１３は、本実施形態による焦点計測方法を示すフロー図である。
本実施形態では、先ず、試験用フォトマスク３１のうち第２のフォトマスク３３を用い、第２のマスクパターン２２について、ＮＡ（開口率）０．９２、σ０．３０とされた照明光源１で露光する。続いて、第１のフォトマスク３２を用い、第１のマスクパターン２１について、焦点変動量を複数値に振って、０．９２、１／２輪帯照明（外σ０．９５）とされた照明光源１で露光する。このようにして、第２のマスクパターン２２の転写パターンであるレジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示すデータを予め取得しておく（プレステップＰＳ２１）。
【００８５】
このデータの一例として、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示す特性図を図１４に示す。
図示のように、焦点変動のない状態（合焦状態）で寸法測定値は最小となり、焦点変動量が多いほど、焦点変動量が多いほど、第２のマスクパターン２２の露光部位が第１のマスクパターン２１の集光位置に近くなり、第２のフォトマスク３３で露光した第２のマスクパターン２２の露光部位に対する第１のマスクパターン２１からの回折光が強く照射されるため、寸法測定値が大きくなる。このデータは、上記のように記憶部１４に格納される（プレステップＰＳ２２）。
【００８６】
プレステップＰＳ２１，ＰＳ２２を完了したことを前提として、露光システムの焦点変動量を把握する。
先ず、焦点変動特定部１３は、記憶部１４から図１４のデータを読み出す（ステップＳ２１）。
【００８７】
続いて、焦点変動特定部１３は、当該露光システムで試験用フォトマスク３１の第１及び第２のフォトマスク３２，３３をそれぞれ用いて露光し（２重露光後の様子を図１２の右側に示す。）、計測されたレジストパターンの寸法の測定値を、記憶部１４から読み出したデータと照合し、当該露光システムの焦点変動量を特定する（ステップＳ２２）。
【００８８】
なお、レジストパターンの寸法は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測長される。本実施形態では、試験用フォトマスク３１の第１及び第２のフォトマスク３２，３３をそれぞれ１回ずつ用いた露光、即ち試験用フォトマスク３１を用いた１回の２重露光により、当該露光システムの焦点変動量を簡易且つ正確に特定することができる。
【００８９】
しかる後、第１の実施形態と同様に、ステップＳ３，Ｓ４により、当該露光システムの焦点変動を補正する。
【００９０】
以上説明したように、本実施形態によれば、容易且つ確実に１回の２重露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を極めて高精度に求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【００９１】
（第３の実施形態）
次いで、第３の実施形態について説明する。ここで、第１の実施形態と同様の構成要素等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施形態では、露光・現像されたレジスト膜の膜厚を測定し、焦点変動量を特定する。
【００９２】
図１５は、第３の実施形態による露光システムの概略構成を示す模式図である。
この露光システムは、第１の実施形態と同様に、照明光源１、集光光学系２、レチクルステージ３、投影光学系４、及びウェーハステージ５を備え、更に被転写体における露光光の焦点変動の計測・補正を行う焦点制御系８を備えて構成されている。
【００９３】
焦点制御系８は、当該露光システムについて、被転写体であるレジスト膜における露光光の焦点変動量を特定する焦点変動特定部４１と、焦点変動特定部４１で使用される、レジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータが格納されている記憶部４２と、レジスト膜の膜厚を測定する膜厚測定部４３と、焦点変動特定部４１による計測に基づいて焦点調節機構１２に焦点補正を指示する焦点補正部１５とを備えて構成されている。
【００９４】
膜厚測定部４３としては、例えば、レーザ光をレジスト膜に照射して、その干渉光強度の加工時間による変化を検出し、その波形の持つ周波数成分から膜厚の算出を行うものが挙げられる。
【００９５】
本実施形態の露光システムでは、試験用フォトマスク５１、焦点変動特定部４１、記憶部４２、及び膜厚測定部４３を有して、焦点計測装置が構成される。
試験用フォトマスク５１は、図１６に示すように、マスクパターンとして第１のマスクパターン２１のみが形成されてなるものである。
【００９６】
本実施形態では、フレネルゾーンパターンからのレジスト膜への露光照射量が焦点変動に依存するとともに、現像処理後のレジスト膜の膜厚が露光照射量に依存することを利用する。
【００９７】
図１７は、本実施形態による焦点計測方法を示すフロー図である。
本実施形態では、先ず、試験用フォトマスク５１を用いて、第１のマスクパターン２１について、焦点変動量を複数値に振って露光し、現像後のレジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータを予め取得しておく（プレステップＰＳ３１）。レジスト膜の膜厚は、膜厚測定部４３を用いて測定する。
【００９８】
ここでは例えば、データ取得の便宜上、レジスト膜の膜厚と露光照射量との関係、及び露光照射量と焦点変動量との関係についてそれぞれデータを取得し、両者を組み合わせることにより、レジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータを作成する。説明の便宜上、レジスト膜の膜厚と露光照射量との関係を示すデータをデータＡ、露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータをデータＢとする。
本実施形態では、データＡ，Ｂがそれぞれ記憶部４２に格納される（プレステップＰＳ３２）。
【００９９】
データＡについて、レジスト膜の膜厚と露光照射量との関係を示す特性図を図１８に、データＢについて、露光照射量と焦点変動量との関係を示す特性図を図１９にそれぞれ示す。
【０１００】
プレステップＰＳ３１，ＰＳ３２を完了した状態にあることを前提として、露光システムの焦点計測を行う。
先ず、膜厚測定部４３は、試験用フォトマスク５１の第１のマスクパターン２１が露光され、現像されたレジスト膜の膜厚を測定する（ステップＳ３１）。
【０１０１】
続いて、焦点変動特定部４１は、記憶部４２からデータＡを読み出す（ステップＳ３２）。
続いて、焦点変動特定部４１は、レジスト膜の膜厚測定値を、記憶部４２から読み出したデータＡと照合する（ステップＳ３３）。この照合により、当該膜厚測定値に対応した露光照射量が特定される。
【０１０２】
続いて、焦点変動特定部４１は、記憶部４２からデータＢを読み出す（ステップＳ３４）
続いて、焦点変動特定部４１は、特定された露光照射量を、記憶部４２から読み出したデータＢと照合する（ステップＳ３５）。この照合により、当該露光照射量に対応した焦点変動量が特定される。
【０１０３】
しかる後、第１の実施形態と同様に、ステップＳ３，Ｓ４により、当該露光システムの焦点変動を補正する。
【０１０４】
以上説明したように、本実施形態によれば、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を極めて高精度に求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【０１０５】
（第４の実施形態）
次いで、第４の実施形態について説明する。ここで、第３の実施形態と同様の構成要素等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施形態では、当該露光システムの露光照射量を測定し、焦点変動量を特定する。
【０１０６】
図２０は、第４の実施形態による露光システムの概略構成を示す模式図である。
この露光システムは、第１の実施形態と同様に、照明光源１、集光光学系２、レチクルステージ３、投影光学系４、及びウェーハステージ５を備え、更に被転写体における露光光の焦点変動の計測・補正を行う焦点制御系９を備えて構成されている。
【０１０７】
焦点制御系９は、当該露光システムについて、露光光の焦点変動量を特定する焦点変動特定部６１と、焦点変動特定部６１で使用される、露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータが格納されている記憶部６２と、露光照射量を測定する照度センサ６３と、焦点変動特定部６１による計測に基づいて焦点調節機構１２に焦点補正を指示する焦点補正部１５とを備えて構成されている。
【０１０８】
照度センサ６３は、例えば光電検出器を備えて構成されており、照明光源１から半導体ウェーハ表面に照射される露光光の照度（露光エネルギー）を検出するものである。
【０１０９】
本実施形態の露光システムでは、試験用フォトマスク５１、焦点変動特定部６１、記憶部６２、及び照度センサ６３を有して、焦点計測装置が構成される。
試験用フォトマスク５１は、第３の実施形態で説明したように、マスクパターンとして第１のマスクパターン２１のみが形成されてなるものである。
【０１１０】
本実施形態では、フレネルゾーンパターンからのレジスト膜への露光照射量が焦点変動に依存することを利用する。
【０１１１】
図２１は、本実施形態による焦点計測方法を示すフロー図である。
本実施形態では、先ず、試験用フォトマスク５１を用いて、第１のマスクパターン２１について、焦点変動量を複数値に振って露光し、露光照射量（露光エネルギー）と焦点変動量との関係を示すデータを予め取得しておく（プレステップＰＳ４１）。露光照射量は、照度センサ６３を用いて測定する。
【０１１２】
このデータについて、露光照射量と焦点変動量との関係は、例えば第３の実施形態で示した図１８のようになる。
本実施形態では、このデータが記憶部６２に格納される（プレステップＰＳ４２）。
【０１１３】
プレステップＰＳ４１，ＰＳ４２を完了した状態にあることを前提として、露光システムの焦点計測を行う。
先ず、照度センサ６３は、試験用フォトマスク５１の第１のマスクパターン２１からの露光光の回折光の露光照射量を測定する（ステップＳ４１）。本実施形態では、焦点変動を計測するにあたり、実際にレジスト膜に露光することを要しない。
【０１１４】
続いて、焦点変動特定部６１は、記憶部６２からデータを読み出す（ステップＳ４２）。
続いて、焦点変動特定部６１は、露光照射量の測定値を、記憶部６２から読み出したデータと照合する（ステップＳ４３）。この照合により、当該露光照射量の測定値に対応した焦点変動量が特定される。
【０１１５】
しかる後、第１の実施形態と同様に、ステップＳ３，Ｓ４により、当該露光システムの焦点変動を補正する。
【０１１６】
以上説明したように、本実施形態によれば、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を極めて高精度に求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【０１１７】
（第５の実施形態）
次いで、第５の実施形態について説明する。ここで、第１の実施形態と同様の構成要素等については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
本実施形態では、第１の実施形態と同様の露光システム及びこれを用いた焦点計測・補正方法を開示するが、試験用フォトマスクの構成が異なる点で相違する。
【０１１８】
本実施形態の露光システムでは、試験用フォトマスク７１、焦点変動特定部１３及び記憶部１４を有して、焦点計測装置が構成される。
【０１１９】
試験用フォトマスク７１は、図２２に示すように、集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する性質を有するパターンであり、ここでは１次元のフレネルパターンである第１のマスクパターン７２が形成されている。１次元のフレネルパターンとは、線状の透過部である開口スリットを以下の（２）式の条件を満たすように並列形成したもので、透過部と非透過部が交互に繰り返されたパターンである。
【０１２０】
図２２において、１次元のフレネルパターンの中心線Ｉ−Ｉと、開口スリットとの距離は、以下の（２）式で表される。
Ｄｎ＝[λＰ（２ｎ−１）／２]1/2  ・・・（２）
ここで、Ｄｎは中心線Ｉ−Ｉと開口スリットとの距離、λは露光装置で使用している光源の波長、Ｐはマスク面とフレネルゾーンパターンからの回折光が集光する点との距離、即ち焦点距離である。ｎは自然数である。ｎが偶数の場合、中心から数えて偶数番目のラインが透過で中央のラインが非透過になる、負のゾーンプレートとなる。
【０１２１】
透過部を通過した光は、１次元のフレネルパターンの焦点距離で最も光が強くなり、この点から離れるに従って光が弱くなる。
本実施形態では、１次元のフレネルパターンである第１のマスクパターン７２の中心部位（中心線Ｉ−Ｉ）に寸法測定用の第２のマスクパターン７３を設ける。この第２のマスクパターン７３は、例えば、ライン（線状パターン）寸法が１００ｎｍ、スペース寸法（隣接する線状パターンの間隔）が１００ｎｍのＬ＆Ｓパターンとされている。
【０１２２】
一般的にＬ＆Ｓパターンは、孤立パターンに比べて焦点変動に対する寸法変化が小さいパターンである。露光装置の焦点位置がずれて、第１のマスクパターン７２の集光位置に近くなるにつれて、結像した第２のマスクパターン７３に対する第１のマスクパターン７２からの回折光が強く照射される。従ってこの場合、第２のマスクパターン７３の転写パターンである現像後のレジストパターンの寸法が大きくなる。
【０１２３】
Ｌ＆Ｓパターンを寸法測定用の第２のマスクパターン７３として用いる場合、仮に第１のマスクパターン７２を設けなければ、その焦点変動によるレジストパターンの寸法変化は極めて小さい。第１のマスクパターン７２を設けることにより、焦点変動により当該寸法が大きく変化する。従って、言わば極めて高い感度で焦点変動を把握することができる。
【０１２４】
本実施形態では、第１の実施形態の図５と同様に、試験用フォトマスク７１を用いて、プレステップＰＳ１，ＰＳ２を完了した状態にあることを前提として、ステップＳ１，Ｓ２により、当該露光システムの焦点変動量の特定が行われる。
そして、第１の実施形態と同様に、ステップＳ３，Ｓ４により、当該露光システムの焦点変動を補正する。
【０１２５】
以上説明したように、本実施形態によれば、容易且つ確実に１回の露光で合焦位置、即ちベストフォーカス位置を高精度に求めることができ、極めて短時間で高精度の焦点計測を可能として、信頼性の高いパターニングを迅速に行うことが可能となる。
【０１２６】
なお、第１〜第４の実施形態において、マスクパとして２次元のフレネル輪帯パターンの代わりに、本実施形態のように一次元のフレネルゾーンパターンを用いても良い。
また、第１の実施形態の変形例の技術は、第２及び第５の実施形態にそれぞれ適用できることは言うまでもない。
【０１２７】
上述した第１、第２及び第５の実施形態による焦点計測装置の焦点変動特定部１３、第１の実施形態の変形例による焦点計測装置の焦点変動特定部１３及び差分値算出部１８、第３の実施形態による焦点計測装置の焦点変動特定部４１、第４の実施形態による焦点計測装置の焦点変動特定部６１等の機能は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。
【０１２８】
同様に、各実施形態における焦点計測・補正方法の各ステップ（第１及び第５の実施形態では図５のプレステップＰＳ１，ＰＳ２及びステップＳ１〜Ｓ４、第１の実施形態の変形例では図９のプレステップＰＳ１１〜ＰＳ１３、ステップＳ１１〜Ｓ１３，ステップＳ３，４、第２の実施形態では図１３のプレステップＰＳ２１，ＰＳ２２、ステップＳ２１，Ｓ２２，ステップＳ３，４、第３の実施形態では図１７のプレステップＰＳ３１，ＰＳ３２、ステップＳ３１〜Ｓ３５，ステップＳ３，４、第４の実施形態では図２１のプレステップＰＳ４１，ＰＳ４２、ステップＳ４１〜Ｓ４３，ステップＳ３，４等）は、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び当該プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明に含まれる。
【０１２９】
具体的に、上記のプログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。前記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、前記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワークシステムにおける通信媒体を用いることができる。ここで、コンピュータネットワークとは、ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等であり、通信媒体とは、光ファイバ等の有線回線や無線回線等である。
【０１３０】
また、本発明に含まれるプログラムとしては、供給されたプログラムをコンピュータが実行することにより上述の実施形態の機能が実現されるようなもののみではない。例えば、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して上述の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本発明に含まれる。また、供給されたプログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述の実施形態の機能が実現される場合にも、かかるプログラムは本発明に含まれる。
【０１３１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【０１３２】
（付記１）露光により、被転写体にマスクパターンを転写するフォトマスクであって、
集光作用を有し、前記被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、
露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンと
を含み、
前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを特徴とするフォトマスク。
【０１３３】
（付記２）前記フォトマスクは、
前記第１のマスクパターンを有する第１のフォトマスクと、
前記第２のマスクパターンを有する第２のフォトマスクと
を有する一組のマスクであり、
前記第１及び第２のフォトマスクを順次用いて２重露光することを特徴とする付記１に記載のフォトマスク。
【０１３４】
（付記３）前記第１のマスクパターンは、回折による集光作用を有するフレネルゾーンパターンであり、
前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの中央部位に形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載のフォトマスク。
【０１３５】
（付記４）前記第１のマスクパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記３に記載のフォトマスク。
【０１３６】
（付記５）前記第２のマスクパターンは、複数の線状パターンが並列形成されてなるものであることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載のフォトマスク。
【０１３７】
（付記６）露光により、被転写体にマスクパターンを転写するフォトマスクであって、
前記マスクパターンは、回折による集光作用を有し、前記被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンを含むことを特徴とするフォトマスク。
【０１３８】
（付記７）前記フレネルゾーンパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記６に記載のフォトマスク。
【０１３９】
（付記８）集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを有するフォトマスクと、
前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを利用して、前記寸法の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記寸法と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段と
を含むことを特徴とする焦点計測装置。
【０１４０】
（付記９）前記フォトマスクは、
前記第１のマスクパターンを有する第１のフォトマスクと、
前記第２のマスクパターンを有する第２のフォトマスクと
を有する一組のマスクであり、
前記第１のフォトマスク及び前記第２のフォトマスクを順次用いて２重露光することを特徴とする付記８に記載の焦点計測装置。
【０１４１】
（付記１０）前記第１のマスクパターンは、回折による集光作用を有するフレネルゾーンパターンであり、
前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの中央部位に形成されていることを特徴とする付記８又は９に記載の焦点計測装置。
【０１４２】
（付記１１）前記第１のマスクパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記１０に記載の焦点計測装置。
【０１４３】
（付記１２）前記第２のマスクパターンは、複数の線状パターンが並列形成されてなるものであることを特徴とする付記８〜１１のいずれか１項に記載の焦点計測装置。
【０１４４】
（付記１３）前記フォトマスクは、前記第２のマスクパターンと同一である寸法測定用の第３のマスクパターンを更に備えており、
前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法の測定値から、前記第３のマスクパターンにおける転写パターンの寸法の測定値を差し引いた差分値を算出する差分値算出手段を更に含み、
前記焦点変動量特定手段は、前記データについて、合焦している場合に対応した前記寸法を、前記各焦点変動量に対応した前記各寸法から差し引いてなる修正データを用いて、前記差分値を前記修正データと照合し、前記焦点変動量を特定することを特徴とする付記８〜１２のいずれか１項に記載の焦点計測装置。
【０１４５】
（付記１４）回折による集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンを有するフォトマスクと、
前記フレネルゾーンパターンからの前記被転写体であるレジスト膜への前記露光照射量が前記焦点変動に依存するとともに、現像処理後の前記レジスト膜の膜厚が前記露光照射量に依存することを利用して、前記レジスト膜の膜厚の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記レジスト膜の膜厚と前記焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段と
を含むことを特徴とする焦点計測装置。
【０１４６】
（付記１５）回折による集光作用を有し、露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクと、
前記フレネルゾーンパターンからの露光照射量を測定する露光照射量測定手段と、
前記フレネルゾーンパターンからの前記露光照射量が前記焦点変動に依存することを利用して、前記露光照射量測定手段による前記露光照射量の測定値を、前記フォトマスク及び前記露光照射量測定手段を用いて予め取得された前記露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定する焦点変動量特定手段と
を含むことを特徴とする焦点計測装置。
【０１４７】
（付記１６）前記フレネルゾーンパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記１５に記載の焦点計測装置。
【０１４８】
（付記１７）集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化する第１のマスクパターンと、露光された際に前記第１のマスクパターンによる集光部位に投影されるように形成されてなる寸法測定用の第２のマスクパターンとを備えたフォトマスクを用いて、
前記焦点変動に依存して生じる前記第１のマスクパターンからの前記露光照射量の変化により、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法が変化することを利用して、前記寸法の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記寸法と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップを含むことを特徴とする焦点計測方法。
【０１４９】
（付記１８）前記フォトマスクは、
前記第１のマスクパターンを有する第１のフォトマスクと、
前記第２のマスクパターンを有する第２のフォトマスクと
を有する一組のマスクであり、
前記第１及び第２のフォトマスクを順次用いて２重露光することを特徴とする付記１７に記載の焦点計測方法。
【０１５０】
（付記１９）前記第１のマスクパターンは、回折による集光作用を有するフレネルゾーンパターンであり、
前記第２のマスクパターンは、前記第１のマスクパターンの中央部位に形成されていることを特徴とする付記１７又は１８に記載の焦点計測方法。
【０１５１】
（付記２０）前記第１のマスクパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記１９に記載の焦点計測方法。
【０１５２】
（付記２１）前記第２のマスクパターンは、複数の線状パターンが並列形成されてなるものであることを特徴とする付記１８〜２０のいずれか１項に記載の焦点計測方法。
【０１５３】
（付記２２）前記フォトマスクは、前記第２のマスクパターンと同一である寸法測定用の第３のマスクパターンを更に備えており、
前記焦点変動量を特定するステップの前に、前記第２のマスクパターンにおける転写パターンの寸法の測定値から、前記第３のマスクパターンにおける転写パターンの寸法の測定値を差し引いた差分値を算出するステップを更に含み、
前記焦点変動量を特定するステップにおいて、前記データについて、合焦している場合に対応した前記寸法を、前記各焦点変動量に対応した前記各寸法から差し引いてなる修正データを用いて、前記差分値を前記修正データと照合し、前記焦点変動量を特定することを特徴とする付記１８〜２１のいずれか１項に記載の焦点計測方法。
【０１５４】
（付記２３）回折による集光作用を有し、被転写体に対する露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクを用いて、
前記フレネルゾーンパターンからの前記被転写体であるレジスト膜への前記露光照射量が前記焦点変動に依存するとともに、現像処理後の前記レジスト膜の膜厚が前記露光照射量に依存することを利用して、前記レジスト膜の膜厚の測定値を、前記フォトマスクを用いて予め取得された前記レジスト膜の膜厚と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップを含むことを特徴とする焦点計測方法。
【０１５５】
（付記２４）前記フレネルゾーンパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記２３に記載の焦点計測方法。
【０１５６】
（付記２５）回折による集光作用を有し、露光照射量が焦点変動に依存して変化するフレネルゾーンパターンが形成されたフォトマスクを用いて、
前記フレネルゾーンパターンからの露光照射量を測定するステップと、
前記フレネルゾーンパターンからの前記露光照射量が前記焦点変動に依存することを利用して、前記露光照射量の測定値を、前記フォトマスクを用いた前記露光照射量の測定によって予め取得された前記露光照射量と焦点変動量との関係を示すデータと照合し、前記焦点変動量を特定するステップと
を含むことを特徴とする焦点計測方法。
【０１５７】
（付記２６）前記フレネルゾーンパターンは、２次元のフレネル輪帯パターン、又は１次元のフレネルゾーンパターンであることを特徴とする付記２５に記載の焦点計測方法。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】第１の実施形態による露光システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態における試験用フォトマスクの構成を示す概略平面図である。
【図３】第１の実施形態における試験用フォトマスクの露光光の透過率分布を示す特性図である。
【図４】フレネルゾーンパターンにおける光回折の様子を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態による焦点計測・補正方法を示すフロー図である。
【図６】第１の実施形態において、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示す特性図である。
【図７】第１の実施形態の変形例による露光システムの概略構成を示す模式図である。
【図８】第１の実施形態の変形例における試験用フォトマスクの構成を示す概略平面図である。
【図９】第１の実施形態の変形例による焦点計測方法を示すフロー図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例における修正データを示す特性図である。
【図１１】第２の実施形態で用いる２重露光を説明するための概略平面図である。
【図１２】第２の実施形態における試験用フォトマスクの構成を示す概略平面図である。
【図１３】第２の実施形態による焦点計測方法を示すフロー図である。
【図１４】第２の実施形態において、レジストパターンの寸法と焦点変動量との関係を示す特性図である。
【図１５】第３の実施形態による露光システムの概略構成を示す模式図である。
【図１６】第３の実施形態における試験用フォトマスクの構成を示す概略平面図である。
【図１７】第３の実施形態による焦点計測方法を示すフロー図である。
【図１８】第３の実施形態において、レジスト膜の膜厚と露光照射量との関係を示す特性図である。
【図１９】第３の実施形態において、露光照射量と焦点変動量との関係を示す特性図である。
【図２０】第４の実施形態による露光システムの概略構成を示す模式図である。
【図２１】第４の実施形態による焦点計測方法を示すフロー図である。
【図２２】第５の実施形態における試験用フォトマスクの構成を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１  照明光源
２  集光光学系
３  レチクルステージ
４  投影光学系
５  ウェーハステージ
６，７，８，９  焦点制御系
１１，１６，３１，５１，７１  試験用フォトマスク
１２  フォーカス機構
１３，４１，６１  焦点変動特定部
１４，１７，４２，６２  記憶部
１５  焦点補正部
１８  差分値算出部
２１，７２  第１のマスクパターン
２２，７２  第２のマスクパターン
２３  第３のマスクパターン
３２  第１のフォトマスク
３３  第２のフォトマスク
４３  膜厚測定部
６３  照度センサ
【図１】
2008026656.tif 000003
【図２】
2008026656.tif 000004
【図３】
2008026656.tif 000005
【図４】
2008026656.tif 000006
【図５】
2008026656.tif 000007
【図６】
2008026656.tif 000008
【図７】
2008026656.tif 000009
【図８】
2008026656.tif 000010
【図９】
2008026656.tif 000011
【図１０】
2008026656.tif 000012
【図１１】
2008026656.tif 000013
【図１２】
2008026656.tif 000014
【図１３】
2008026656.tif 000015
【図１４】
2008026656.tif 000016
【図１５】
2008026656.tif 000017
【図１６】
2008026656.tif 000018
【図１７】
2008026656.tif 000019
【図１８】
2008026656.tif 000020
【図１９】
2008026656.tif 000021
【図２０】
2008026656.tif 000022
【図２１】
2008026656.tif 000023
【図２２】
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