(57)【要約】【課題】計測対象の微細パターンの数に拘わらず高速に線幅変動を計測する。【解決手段】異なるショット領域のそれぞれに繰り返しパターンが転写されている基板の回折画像を取り込む手段１３〜１７と、回折画像の異なるショット領域について、それぞれの繰り返しパターンに対応する部分の輝度情報を比較することにより、異なるショット領域に転写された繰り返しパターンの線幅変動を算出する手段１７とを備える。【選択図】      図１
2004205466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なるショット領域のそれぞれに繰り返しパターンが転写されている基板の回折画像を取り込む画像取込手段と、
前記回折画像の前記異なるショット領域について、それぞれの前記繰り返しパターンに対応する部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする線幅計測装置。
【請求項２】
異なるショット領域のそれぞれに複数種類の繰り返しパターンが転写されている基板から、前記複数種類の繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込む画像取込手段と、
前記回折画像の前記異なるショット領域の部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出手段と
を備えたことを特徴とする線幅計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の線幅計測装置において、
前記画像取込手段は、繰り返し方向が同じで且つ繰り返しピッチおよび設計線幅が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込む
ことを特徴とする線幅計測装置。
【請求項４】
請求項２に記載の線幅計測装置において、
前記画像取込手段は、繰り返しピッチおよび設計線幅が同じで且つ繰り返し方向が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込む
ことを特徴とする線幅計測装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の線幅計測装置において、
前記画像取込手段は、前記繰り返しパターンの前記繰り返し方向および前記繰り返しピッチに応じて画像取り込み時の装置条件を設定する設定部とを有している
ことを特徴とする線幅計測装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の線幅計測装置において、
前記基板は、前記基板の各ショット領域の中に前記繰り返しパターンが前記画像取込手段の撮像分解能より小さいピッチで複数配列されている
ことを特徴とする線幅計測装置。
【請求項７】
異なるショット領域のそれぞれに、繰り返し方向、繰り返しピッチ及び設計線幅とが同じである繰り返しパターンが転写されている基板の回折画像を取り込む画像取込工程と、
前記回折画像の前記異なるショット領域について、それぞれの前記繰り返しパターンに対応する部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出工程と
を備えたことを特徴とする線幅計測方法。
【請求項８】
異なるショット領域のそれぞれに複数種類の繰り返しパターンが転写されており、かつ、あるショット領域に転写された前記複数種類の繰り返しパターンのうちの少なくとも２種類の繰り返しパターンと繰り返し方向、繰り返しピッチ及び設計線幅とが同じである繰り返しパターンが他のショット領域にも転写されている基板から、前記異なるショット領域のそれぞれの前記繰り返し方向、繰り返しピッチ及び設計線幅とが同じである繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込む画像取込工程と、
前記回折画像の前記異なるショット領域の部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出工程と
を備えたことを特徴とする線幅計測方法。
【請求項９】
請求項８に記載の線幅計測方法において、
前記画像取込工程では、前記繰り返し方向が同じで且つ前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込む
ことを特徴とする線幅計測方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の線幅計測方法において、
前記画像取込工程では、前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が同じで且つ前記繰り返し方向が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込む
ことを特徴とする線幅計測方法。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０の何れか１項に記載の線幅計測方法において、
前記画像取込工程では、前記繰り返しパターンの前記繰り返し方向および前記繰り返しピッチに応じて画像取り込み時の装置条件を設定する
ことを特徴とする線幅計測方法。
【請求項１２】
請求項７から請求項１１の何れか１項に記載の線幅計測方法において、
前記基板は、前記基板の各ショット領域の中に前記繰り返しパターンが前記画像取込手段の撮像分解能より小さいピッチで複数配列されている
ことを特徴とする線幅計測方法。
【請求項１３】
繰り返し方向と繰り返しピッチと設計線幅が同じである複数の繰り返しパターンからなるパターン群を複数種類備え、
前記複数種類のパターン群は、前記繰り返し方向が同じで且つ前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が異なる
ことを特徴とする線幅計測用マスク。
【請求項１４】
繰り返し方向と繰り返しピッチと設計線幅が同じである複数の繰り返しパターンからなるパターン群を複数種類備え、
前記複数種類のパターン群は、前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が同じで且つ前記繰り返し方向が異なる
ことを特徴とする線幅計測用マスク。
【請求項１５】
請求項１３または請求項１４に記載の線幅計測用マスクにおいて、
前記複数種類のパターン群は、前記繰り返しパターンの数密度が同じであることを特徴とする線幅計測用マスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上のパターンの線幅変動を計測する線幅計測装置、線幅計測方法および線幅計測用マスクに関し、特に、半導体回路素子などの製造工程における微細パターンの線幅変動の計測に好適な線幅計測装置、線幅計測方法および線幅計測用マスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウエハや液晶基板（総じて「基板」という）の表面に形成された微細パターンの線幅変動の計測が行われている。この計測には、一般に、ＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension Scanning Electron Microscope）が用いられている（例えば特許文献１を参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２７３８６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣＤ−ＳＥＭによる計測は、いわゆる１点計測であり、基板上の微細パターンごとに順に行われるため、計測対象とする微細パターンの数が増えるほど所要時間が増大してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、計測対象とする微細パターンの数に拘わらず高速に線幅変動を計測可能な線幅計測装置および線幅計測用マスクを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の線幅計測装置は、異なるショット領域のそれぞれに繰り返しパターンが転写されている基板の回折画像を取り込む画像取込手段と、前記回折画像の前記異なるショット領域について、それぞれの前記繰り返しパターンに対応する部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出手段とを備えたものである。
【０００７】
請求項２に記載の線幅計測装置は、異なるショット領域のそれぞれに複数種類の繰り返しパターンが転写されている基板から、前記複数種類の繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込む画像取込手段と、前記回折画像の前記異なるショット領域の部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出手段とを備えたものである。
請求項３に記載の線幅計測装置は、請求項２に記載の線幅計測装置において、前記画像取込手段は、繰り返し方向が同じで且つ繰り返しピッチおよび設計線幅が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込むものである。
【０００８】
請求項４に記載の線幅計測装置は、請求項２に記載の線幅計測装置において、前記画像取込手段は、繰り返しピッチおよび設計線幅が同じで且つ繰り返し方向が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込むものである。
請求項５に記載の線幅計測装置は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の線幅計測装置において、前記画像取込手段は、前記繰り返しパターンの前記繰り返し方向および前記繰り返しピッチに応じて画像取り込み時の装置条件を設定する設定部とを有しているものである。
【０００９】
請求項６に記載の線幅計測装置は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載の線幅計測装置において、前記基板は、前記基板の各ショット領域の中に前記繰り返しパターンが前記画像取込手段の撮像分解能より小さいピッチで複数配列されているものである。
【００１０】
請求項７に記載の線幅計測方法は、異なるショット領域のそれぞれに、繰り返し方向、繰り返しピッチ及び設計線幅とが同じである繰り返しパターンが転写されている基板の回折画像を取り込む画像取込工程と、前記回折画像の前記異なるショット領域について、それぞれの前記繰り返しパターンに対応する部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出工程とを備えたものである。
【００１１】
請求項８に記載の線幅計測方法は、異なるショット領域のそれぞれに複数種類の繰り返しパターンが転写されており、かつ、あるショット領域に転写された前記複数種類の繰り返しパターンのうちの少なくとも２種類の繰り返しパターンと繰り返し方向、繰り返しピッチ及び設計線幅とが同じである繰り返しパターンが他のショット領域にも転写されている基板から、前記異なるショット領域のそれぞれの前記繰り返し方向、繰り返しピッチ及び設計線幅とが同じである繰り返しパターンの回折画像を選択的に取り込む画像取込工程と、前記回折画像の前記異なるショット領域の部分の輝度情報を比較することにより、前記異なるショット領域に転写された前記繰り返しパターンの線幅変動を算出する算出工程とを備えたものである。
【００１２】
請求項９に記載の線幅計測方法は、請求項８に記載の線幅計測方法において、前記画像取込工程では、前記繰り返し方向が同じで且つ前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込むものである。
請求項１０に記載の線幅計測方法は、請求項８に記載の線幅計測方法において、前記画像取込工程では、前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が同じで且つ前記繰り返し方向が異なる前記複数種類の繰り返しパターンの前記回折画像を１つずつ選択的に取り込むものである。
【００１３】
請求項１１に記載の線幅計測方法は、請求項７から請求項１０の何れか１項に記載の線幅計測方法において、前記画像取込工程では、前記繰り返しパターンの前記繰り返し方向および前記繰り返しピッチに応じて画像取り込み時の装置条件を設定するものである。
請求項１２に記載の線幅計測方法は、請求項７から請求項１１の何れか１項に記載の線幅計測方法において、前記基板は、前記基板の各ショット領域の中に前記繰り返しパターンが前記画像取込手段の撮像分解能より小さいピッチで複数配列されているものである。
【００１４】
請求項１３に記載の線幅計測用マスクは、繰り返し方向と繰り返しピッチと設計線幅が同じである複数の繰り返しパターンからなるパターン群を複数種類備え、前記複数種類のパターン群は、前記繰り返し方向が同じで且つ前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が異なるものである。
請求項１４に記載の線幅計測用マスクは、繰り返し方向と繰り返しピッチと設計線幅が同じである複数の繰り返しパターンからなるパターン群を複数種類備え、前記複数種類のパターン群は、前記繰り返しピッチおよび前記設計線幅が同じで且つ前記繰り返し方向が異なるものである。
【００１５】
請求項１５に記載の線幅計測用マスクは、請求項１３または請求項１４に記載の線幅計測用マスクにおいて、前記複数種類のパターン群は、前記繰り返しパターンの数密度が同じであるものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１７】
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項８に対応する。
本実施形態の線幅計測装置１０は、図１に示すように、基板１１を保持するステージ１２と、ステージ１２上の基板１１に照明光Ｌ１を照射する照明光学系１３と、照明光Ｌ１が照射された基板１１からの回折光Ｌ２を受光する受光光学系(１４〜１６)と、画像処理部１７とで構成されている。
【００１８】
線幅計測装置１０は、半導体回路素子などの製造工程において、基板１１の表面に形成された微細パターン（後述）の線幅変動を自動的に計測するための装置である。基板１１は、テストウエハであり、最上層に形成されたレジスト膜への露光・現像後で、かつ、レジスト膜の直下に隣接している所定の材料膜へのエッチング加工前の状態にある。
【００１９】
本実施形態の線幅計測装置１０について具体的に説明する前に、基板１１の説明を行う。基板１１の全面（例えば３００ｍｍφ）には、複数のショット領域（不図示）が２次元配列されている。また、各々のショット領域には、線幅計測用のパターン群（次に説明する）が一様に隙間なく転写されている。
これらのパターン群は、図２に示す線幅計測用マスク２０と不図示の露光装置とを用いて転写されたものである。図２は、線幅計測用マスク２０の構成を示す図であり、図２（ａ）は線幅計測用マスク２０の全体像を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）の破線枠２０Ａ内を拡大した図である。
【００２０】
線幅計測用マスク２０のパターン領域は、図２（ｂ）に示すように、２次元配列された複数の基本ブロック２１からなり、基本ブロック２１は、図２（ｃ）に示すように、５種類のセル２２，２３，２４，２５，２６からなる。１つの基本ブロック２１において、図２（ｃ）に示すように、セル２２，２３，２４，２５，２６はそれぞれ２つずつ設けられている。
【００２１】
図３は、線幅計測用マスク２０の１つのセル２２内の構成を示す図である。セル２２には、図３に示すように、４種類の繰り返しパターン３１，３２，３３，３４が設けられている。このうち繰り返しパターン３１は、５本のラインパターン４１からなり、これらのラインパターン４１がその短手方向Ｂ１に沿って一定のピッチＰ１で配列されたものである。５本のラインパターン４１は、その設計線幅Ｄ１が同じである。
【００２２】
他の３種類の繰り返しパターン３２,３３,３４は、各々、上記の繰り返しパターン３１と同様、５本のラインパターン４２,４３,４４からなり、これらのラインパターン４２,４３,４４が一定のピッチで配列されたものである。ラインパターン４２,４３,４４は、何れも、その設計線幅およびピッチが上記ラインパターン４１の設計線幅Ｄ１およびピッチＰ１と同じである。
【００２３】
また、５本のラインパターン４２,４３,４４の配列方向Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４は、互いに異なると共に、上記ラインパターン４１の配列方向Ｂ１とも異なっている。具体的に説明すると、４種類の配列方向Ｂ１,Ｂ２,Ｂ３,Ｂ４どうしは、４５度ずつの角度間隔で異なっている。
本明細書では、ラインパターン４１〜４４の設計線幅Ｄ１,ピッチＰ１,配列方向Ｂ１〜Ｂ４を適宜“繰り返しパターン３１〜３４の設計線幅Ｄ１,繰り返しピッチＰ１,繰り返し方向Ｂ１〜Ｂ４”という。
【００２４】
上記のように、１つのセル２２に設けられた４種類の繰り返しパターン３１〜３４は、その設計線幅Ｄ１および繰り返しピッチＰ１が同じで、且つ、繰り返し方向Ｂ１〜Ｂ４が異なるものである。
さらに、上記セル２２以外のセル２３〜２６（図２(ｃ)）には、図示省略したが、セル２２と同様、設計線幅,繰り返しピッチが同じで且つ繰り返し方向が異なる４種類の繰り返しパターンが設けられている。
【００２５】
ただし、セル２３〜２６どうしで繰り返しパターンを比較すると、その設計線幅,繰り返しピッチは、互いに異なると共に、上記セル２２の繰り返しパターン３１〜３４の設計線幅Ｄ１,繰り返しピッチＰ１とも異なっている。また、セル２３〜２６の各々における繰り返しパターンの繰り返し方向(４種類)は、上記セル２２における繰り返し方向Ｂ１〜Ｂ４と同じである。
【００２６】
このように、５種類のセル２２,２３,２４,２５,２６からなる基本ブロック２１には、設計線幅と繰り返しピッチ(５種類)と繰り返し方向(４種類)の組み合わせにより、２０種類の繰り返しパターン３１,３２,３３,３４,…が設けられていることになる。
【００２７】
また、１つの基本ブロック２１にはセル２２〜２６が２つずつ設けられているため、２０種類の繰り返しパターン３１,３２,３３,３４,…も２つずつ設けられていることになる。
さらに、複数の基本ブロック２１が２次元配列された線幅計測用マスク２０のパターン領域には、２０種類の繰り返しパターン３１,３２,３３,３４,…の各々が、基本ブロック２１の縦横寸法Ｘ21,Ｙ21（図２(ｃ)）に応じた一定のピッチで多数配列されていることになる。
【００２８】
本明細書では、線幅計測用マスク２０のパターン領域に多数配列された繰り返しパターン３１,３２,３３,３４,…の各々を総じて“パターン群(３１),(３２),(３３),(３４),…”という。２０種類のパターン群(３１),(３２),(３３),(３４),…の各々を構成する繰り返しパターン３１,３２,３３,３４,…は、その数密度が同じである。
【００２９】
上記のように構成された線幅計測用マスク２０（図２,図３）と不図示の露光装置を用いることで、基板１１の各々のショット領域のレジスト膜には、順次、２０種類のパターン群が一様に隙間なく転写されることになる。各々のショット領域に転写された２０種類のパターン群は、線幅計測用マスク２０のパターン群(３１),(３２),(３３),(３４),…の各々に対応する。
【００３０】
また、ショット領域は基板１１の全面に２次元配列されているため、上記の線幅計測用マスク２０（図２,図３）を用いた転写の結果、基板１１の全面（複数のショット領域）には、２０種類のパターン群がショット領域と同数だけ混在状態で転写されたことになる。
以下の説明では、基板１１の全面（複数のショット領域）に転写された２０種類のパターン群の各々について、線幅計測用マスク２０（図２,図３）のパターン群(３１),(３２),(３３),(３４),…の各々に“ｗ”の添え字を加えた符号を付すことにする。
【００３１】
ここで、基板１１の全面（複数のショット領域）に転写された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…の各々について説明する。例えばパターン群(３１ｗ)は、基板１１の全面の異なるショット領域に転写された多数の繰り返しパターン３１ｗ（微細パターン）からなり、繰り返しパターン３１ｗの繰り返し方向と繰り返しピッチと設計線幅が同じである。
【００３２】
しかし、繰り返しパターン３１ｗの実際の線幅は、露光フォーカス(ピント)のずれに応じて変動している。一般に、露光フォーカスが適正値からずれていると、そのずれ方向(前ピン,後ピン)に拘わらず、線幅は太くなる。つまり、繰り返しパターン３１ｗの実際の線幅は、露光フォーカスが適正値のときに最も細くなる。このような線幅変動は、基板１１の各々のショット領域ごとに発生する。なお、露光フォーカスのずれに起因して繰り返しパターン３１ｗの繰り返し方向と繰り返しピッチが変動することはないと考えられる。
【００３３】
なお、スペースが極端に広い孤立線状のパターンにおいては、露光フォーカスが適正値のときに最も線幅が太くなり、露光フォーカスがずれると細くなる場合もある。
本実施形態では、例えばパターン群(３１ｗ)を計測対象とし、線幅計測装置１０を用いて、基板１１の全面に転写された多数の繰り返しパターン３１ｗの線幅変動をショット領域ごとに計測する（詳細は後述する）。そして、線幅計測装置１０による計測結果に基づいて、露光装置の転写性能の良否を判断する。
【００３４】
なお、基板１１の全面に転写された他の１９種類のパターン群(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…は、各々、上記パターン群(３１ｗ)と同様、基板１１の全面の異なるショット領域に転写された多数の繰り返しパターン３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…からなり、繰り返しパターン３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…の繰り返し方向と繰り返しピッチと設計線幅が同じである。
【００３５】
また、２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…どうしで繰り返しパターン３１ｗ,３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…を比較すると、その設計線幅,繰り返しピッチ,繰り返し方向のうち少なくとも１つが、互いに異なっている。本実施形態では、２０種類の繰り返しパターン３１ｗ,３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…の中に、５種類の設計線幅および繰り返しピッチと、４種類の繰り返し方向が存在している。
【００３６】
露光装置の転写性能は、一般に、繰り返しパターンの設計線幅によって異なる。また、設計線幅が同じであっても繰り返し方向によって異なる。このため、ある１つのショット領域において露光フォーカスが適正値からずれていると、２０種類の繰り返しパターン３１ｗ,３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…の各々で、異なる線幅変動が発生する。
【００３７】
このため、基板１１の全面に転写された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…を１つずつ計測対象とし、線幅計測装置１０を用いてショット領域ごとに線幅変動を計測することで（詳細は後述する）、露光装置の転写性能の良否判断を様々な角度から行うことができる。
ちなみに、基板１１の各々のショット領域は、最大３０ｍｍ〜４０ｍｍ角であり、基板１１上で上記の基本ブロック２１（図２(ｃ)）に対応する転写部分（以下「基本ブロック２１ｗ」という）は、長手方向の寸法（図２(ｃ)のＸ21に対応）が６０μｍ程度である。このため、１つのショット領域の中に約１００個の基本ブロック２１ｗが含まれていることになる。
【００３８】
また、基板１１に転写された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…は、設計線幅（５種類）が例えば１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度、繰り返しピッチ（５種類）が例えば２００ｎｍ〜６００ｎｍ程度、繰り返し方向（４種類）が４５度ずつの角度間隔となっている。
【００３９】
さて次に、線幅計測装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
ステージ１２は、不図示のチルト機構により、基板１１の表面に平行（紙面に垂直）な軸を中心として所定の角度範囲内でチルト可能である。また、不図示の回転機構により、基板１１の法線方向を中心として回転可能である。このステージ１２では、不図示の搬送装置によって搬送されてきた基板１１を上面に載置し、真空吸着によって固定保持する。
【００４０】
ここで、ステージ１２のチルト軸に平行な方向を「Ｘ方向」とする。また、ステージ１２（基板１１）が水平に保たれた状態での法線（基準法線）に平行な方向を「Ｚ方向」とする。さらに、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向を「Ｙ方向」とする。
照明光学系１３は、ステージ１２の斜め上方に配置されている。つまり、照明光学系１３の光軸Ｏ１は、基準法線(Ｚ方向)に対して所定の角度だけ傾けられている。また、照明光学系１３は、光軸Ｏ１がステージ１２のチルト軸（Ｘ方向）に対して直交するように配置されている。さらに、照明光学系１３は、後側焦点位置が基板１１と略一致するように配置され、基板１１側に対してテレセントリックな光学系となっている。
【００４１】
受光光学系(１４〜１６)は、凹面反射鏡１４と結像レンズ１５と撮像素子１６とで構成された偏心光学系である。凹面反射鏡１４は、ステージ１２の上方に配置される。つまり、凹面反射鏡１４のステージ１２側の光軸Ｏ２がＺ方向に平行となるように配置されている。また、凹面反射鏡１４は、前側焦点位置が基板１１と略一致するように配置されている。このため、受光光学系(１４〜１６)は、基板１１側に対してテレセントリックな光学系となっている。
【００４２】
結像レンズ１５は、凹面反射鏡１４の後側焦点位置と略一致するように、受光光学系(１４〜１６)の瞳位置の近傍に配置されている。撮像素子１６は、複数の画素が２次元配列されたＣＣＤイメージセンサであり、その撮像面を結像レンズ１５の後側焦点位置に略一致させた状態で配置されている。このため、受光光学系(１４〜１６)は、撮像素子１６側に対してもテレセントリックな光学系となっている。なお、撮像素子１６の撮像面は、基板１１の表面に共役である。
【００４３】
上記構成の照明光学系１３から射出される照明光Ｌ１（波長λ）は、ほぼ平行な光であり、ステージ１２上の基板１１の全面（複数のショット領域）に照射される。照明光学系１３の基板１１側がテレセントリック系であるため、照明光Ｌ１の入射角θｉは、基板１１の全面にわたって一様となる。
そして、基板１１の全面に形成された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…のうち、繰り返しパターン３１ｗ,３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…の繰り返し方向がステージ１２のチルト軸に平行なもの（５種類）から、様々な方向に回折光が発生する。
【００４４】
図１に示した回折光Ｌ２は、受光光学系(１４〜１６)の光軸Ｏ２の方向に発生した一部の回折光（例えばパターン群(３１ｗ)の１次回折光）である。ステージ１２のチルト角度θｔの設定を変更することにより、繰り返しピッチの異なるパターン群（本実施形態では設計線幅も異なる）から発生した回折光を受光光学系(１４〜１６)に導くことができる。
【００４５】
ここで、基板１１の全面（複数のショット領域）のうち露光フォーカスが適正値からずれてしまったショット領域では、繰り返しパターンの線幅が太くなっているため（繰り返し方向と繰り返しピッチは不変）、この線幅変動に起因して回折効率が低下し、結果として回折光の強度が減少する。
そして、基板１１から受光光学系(１４〜１６)に導かれた回折光Ｌ２は、凹面反射鏡１４と結像レンズ１５の作用により集光され、撮像素子１６の撮像面に到達する。撮像素子１６は、撮像面に形成された回折像を撮像して、画像信号を画像処理装置１８に出力する。凹面反射鏡１４と結像レンズ１５は、総じて、請求項の「結像光学系」に対応する。
【００４６】
本実施形態では、撮像素子１６の撮像面に基板１１の全面の回折像が形成されるように、凹面反射鏡１４と結像レンズ１５による光学倍率が設定されている。また、この光学倍率を考慮すると、撮像素子１６の１画素に対応する基板１１上での領域（撮像分解能）は、約２５０μｍ角となる。
線幅計測装置１０の撮像分解能（約２５０μｍ角）に対して、上記した基本ブロック２１ｗ（図２(ｃ)の基本ブロック２１の基板１１への転写部分）の大きさは、６０μｍ×２５μｍ程度である。つまり、基本ブロック２１ｗは撮像分解能より十分に小さい。換言すると、基板１１上において繰り返しパターン３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…は撮像分解能より小さいピッチで多数配列されている。
【００４７】
そして、撮像分解能の中には、約４０（４×１０）個の基本ブロック２１ｗ（つまり各々８個の繰り返しパターン３２ｗ,３３ｗ,３４ｗ,…）が含まれることになる。この場合、撮像素子１６からの画像信号には、約４０個の基本ブロック２１ｗから発生した回折光Ｌ２の強度の合計が、１画素の情報として含まれる。
また、受光光学系(１４〜１６)の基板１１側がテレセントリック系であるため、回折光Ｌ２の進行方向は、基板１１の全面にわたって一様となり、撮像素子１６に入射する回折光Ｌ２の強度も、基板１１の繰り返しパターンの状態（線幅変動量）ごとに一様となる。したがって、撮像素子１６からの画像信号の強弱には、繰り返しパターンの状態（線幅変動量）のみが反映されることになる。
【００４８】
画像処理部１７は、線幅計測時、撮像素子１６からの画像信号に基づいて、基板１１の全面に対応する回折画像を取り込む。この回折画像は、基板１１の全面に転写された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…のうち１種類に関するものである。
画像処理部１７に取り込まれる回折画像の選択は、ステージ１２のチルト機構と回転機構を用いて行われる。つまり、チルト機構によって基板１１をチルトさせることで、繰り返しピッチの異なるパターン群（本実施形態では設計線幅も異なる）の何れかを選択できる。また、回転機構によって基板１１を回転させることで、繰り返し方向の異なるパターン群の何れかを選択できる。
【００４９】
また、ステージ１２のチルト機構や回転機構による装置条件(チルト角度θｔ,回転角度)の設定は、予め作成されたレシピに基づいて行えばよい。レシピは、２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…の線幅変動の計測を各々最適に行うために必要な各種の設定条件であり、不図示のメモリに予め記憶されている。
【００５０】
ここで、ステージ１２のチルト角度θtに関するレシピについて説明する。一般に、チルト角度θtは、周知の回折条件式（次式(１)）を用い、計測対象となるパターン群の繰り返しピッチｐの設計値から計算で求められ、この計算結果がレシピに登録されている。
sin(θi−θt) − sin(θd＋θt）＝ ｍλ/ｐ    ……(１)
式(１)は、ステージ１２のチルト角度θtと、パターン群の繰り返しピッチｐと、照明光Ｌ１の波長λおよび入射角θiと、回折光Ｌ２の回折角θdおよび回折次数ｍとの関係を表した式である。チルト角度θｔの基準は、水平面である。入射角θｉ,回折角θｄの基準は、基板１１の基準法線（Ｚ方向）である。
【００５１】
予め作成・登録されたレシピを参照し、計測対象のパターン群の繰り返しピッチｐに対応するチルト角度θｔと繰り返し方向に対応する回転角度とに基づいて、ステージ１２のチルト機構と回転機構により装置条件を設定することで、計測対象のパターン群の回折画像を選択的に取り込むことができる。
このようにして、基板１１の全面に転写された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…のうち１種類に関する回折画像を一括で取り込むと、画像処理部１７では、まず、線幅計測装置１０に固有な感度の不均一性（例えば照明光学系１３の明るさムラなど）を補正する。以下、パターン群(３１ｗ)を計測対象とする場合を例に説明する。
【００５２】
そして、上記の補正処理の結果、パターン群(３１ｗ)を構成する多数の繰り返しパターン３１ｗの線幅変動のみを反映した回折画像が得られる（図４参照）。つまり、補正後の回折画像には、繰り返しパターン３１ｗの線幅変動が局所的な輝度変化として現れている。ただし、線幅変動はショット領域ごとに発生するため、線幅変動に応じた輝度変化もショット領域ごとに現れる。
【００５３】
また、露光フォーカスが適正値からずれてしまったショット領域における線幅変動は“線幅が太くなる変動”であり、この線幅変動に起因して回折効率が低下するため、回折画像における輝度変化は“輝度が低下する変化”となる。
すなわち、図４の回折画像のうち、輝度が大きく低下した黒い部分は露光フォーカスが適正値から大きくずれてしまったショット領域に対応し、輝度が少し低下したグレーの部分は露光フォーカスが適正値から少しずれてしまったショット領域に対応し、輝度が低下していない白い部分は露光フォーカスが適正値であったショット領域に対応する。
【００５４】
画像処理部１７では、補正後の回折画像（図４参照）のうち、各々のショット領域に対応する部分（以下「ショット画像」という）の輝度情報を比較することにより、異なるショット領域に転写された繰り返しパターン３１ｗの線幅変動を算出する（算出手段）。
ショット画像の輝度情報とは、例えば、ショット画像の中心部に位置する３×３画素の平均輝度であり、そのショット領域に転写された多数の繰り返しパターン３１ｗに対応する部分の輝度情報と考えることができる。なお、ショット画像の全画素の平均輝度を“ショット画像の輝度情報”としても構わない。
【００５５】
また、ショット画像の輝度情報の比較とは、例えば、平均輝度が最も高いショット画像を選択して、このショット画像の平均輝度を基準に、他のショット画像の平均輝度の低下量を算出することにより行われる。
このとき、平均輝度の低下量が“０”であれば、そのショット画像に対応する基板１１上でのショット領域は露光フォーカスが適正値であったと考えられ、そのショット領域に転写された繰り返しパターン３１ｗの線幅変動は“０”であると考えられる。
【００５６】
そして、平均輝度の低下量が“大きい”ほど、ショット領域の露光フォーカスが適正値から大きく外れたと考えられ、そのショット領域に転写された繰り返しパターン３１ｗの線幅変動は“大きい”と考えられる。すなわち、ショット画像の平均輝度の低下量は、相対的な線幅変動を表している。
ここで、幾つかのショット領域における露光フォーカスのずれ量（オフセット量）が既知である場合について、基板１１の全面に関わる回折画像を取り込み、ショット画像の平均輝度を算出した結果（図５）について説明する。
【００５７】
図５の横軸は露光フォーカスのオフセット量（μｍ）であり、“オフセット量＝０”は適正値を表している。右側の縦軸はショット画像の平均輝度（階調）であり、図中下方ほど高輝度である。また、図５の左側の縦軸には、比較のため、ＣＤ−ＳＥＭによる計測結果（μｍ）も示してある。
図５から分かるように、本実施形態の線幅計測装置１０によって算出したショット画像の平均輝度（■）は、ＣＤ−ＳＥＭによる計測結果（▲）と非常に相関性のよい線幅変動を示している。また、“オフセット量＝０”のときに、ショット画像の平均輝度（■）は最も高くなり、ＣＤ−ＳＥＭによる計測結果（▲）は最も線幅が狭くなる。
【００５８】
さらに、ショット画像の平均輝度（■）の変化は、線幅変動に比例することも分かる。例えば図５の例では、線幅変動と輝度変化との相関係数が、２０ｎｍ／１００階調程度である。この場合には、ショット画像の平均輝度（■）の変化量の１０階調に対して数ｎｍ以下の精度で線幅変動を計測可能である。
したがって、線幅変動と輝度変化との相関係数（例えば２０ｎｍ／１００階調）を予め測定しておくことにより、上記した回折画像（図４参照）のうち最も高い平均輝度（基準）に対する他のショット画像の平均輝度の低下量に基づいて、線幅変動の絶対値を算出することができる。
【００５９】
本実施形態の線幅計測装置１０では、基板１１の全面の回折画像を一括視野で取り込み、回折画像の中の各々のショット画像の輝度情報を比較することにより線幅変動を計測するため、計測対象とする繰り返しパターンの数（ショット領域の数）に拘わらず高速に線幅変動を計測することができる。
また、本実施形態では、線幅計測用のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…の基本ブロック２１ｗを撮像分解能（約２５０μｍ角）より十分に小さくしたため、回折画像におけるモアレ縞の発生を確実に抑えることができる。つまり、実際のパターン構造に関わるコントラスト以外の疑似コントラストの発生を回避できる。その結果、線幅変動の計測精度が向上する。
【００６０】
さらに、１枚の基板１１（テストウエハ）を用い、回折画像を取り込む際の装置条件（チルト角度θｔ,回転角度）を設定変更するだけで、複数（本実施形態では２０通り）の線幅変動を簡単に計測することができる。このため、露光装置の転写性能の良否判断を様々な角度から簡単に行うことができる。
例えば、繰り返し方向が同じで繰り返しピッチおよび設計線幅が異なる複数種類のパターン群を計測対象とする場合には、装置条件のうちチルト角度θｔを繰り返しピッチに応じて設定変更する（回転角度は固定しておく）だけで、各々の回折画像を１つずつ選択的に取り込むことができ、繰り返し方向が同じ場合の線幅変動の計測（露光装置の転写性能の良否判断）を簡単に行える。
【００６１】
また、繰り返しピッチおよび設計線幅が同じで繰り返し方向が異なる複数種類のパターン群を計測対象とする場合には、装置条件のうち回転角度を繰り返し方向に応じて設定変更する（チルト角度θｔは固定しておく）だけで、各々の回折画像を１つずつ選択的に取り込むことができ、繰り返し方向に起因する線幅変動の計測（露光装置の転写性能の良否判断）を簡単に行える。
【００６２】
（変形例）
なお、上記した実施形態では、線幅計測装置１０に固有な感度の不均一性（例えば照明光学系１３の明るさムラなど）を補正した後の回折画像に基づいて線幅変動を計測したが、本発明はこれに限定されない。例えば、基板１１上のレジスト膜の厚さむらなどに起因する広い範囲での輝度変化や、基板１１の反りなどに起因する広い範囲での輝度変化が、回折画像に現れている場合には、その範囲外のショット画像のみを選択して、線幅変動を計測することが好ましい。
【００６３】
さらに、上記した実施形態では、レジスト段階での繰り返しパターンの線幅計測を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、レジスト膜の直下に隣接している材料膜へのエッチング加工後の状態で、下地層に転写された繰り返しパターンの線幅計測を行うこともできる。
また、上記した実施形態では、基板１１の全面の回折画像を一括視野で取り込むことにより線幅計測を行ったが、本発明はこれに限定されない。例えば、基板１１の中で線幅計測が必要な任意の領域（１つ以上のショット領域を含む）を指定して、その回折画像を一括視野で取り込むことにより線幅計測を行っても構わない。
【００６４】
さらに、上記した実施形態では、ステージ１２のチルト機構と回転機構によって装置条件（チルト角度θｔ,回転角度）を設定変更したが、本発明はこれに限定されない。ステージ１２のチルト機構,回転機構に代えて、照明光学系１３と受光光学系(１４〜１６)にチルト機構,回転機構を設け、同様に装置条件（チルト角度θｔ,回転角度）を設定変更してもよい。
【００６５】
また、上記した実施形態では、図２に示す線幅計測用マスク２０を用いて転写された２０種類のパターン群(３１ｗ),(３２ｗ),(３３ｗ),(３４ｗ),…を１つずつ線幅変動の計測対象としたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６に示すセル５０と他の１つ以上のセル(不図示)を備えた線幅計測用マスクにより転写された複数のパターン群を１つずつ線幅変動の計測対象としてもよい。
【００６６】
図６のセル５０について説明する。セル５０には、２種類の繰り返しパターン５１,５２が設けられている。繰り返しパターン５１,５２は、各々、１１本のラインパターン５３,５４からなり、これらのラインパターン５３,５４がその短手方向に沿って一定のピッチで配列されたものである。また、繰り返しパターン５１,５２は、その設計線幅および繰り返しピッチが同じであり、繰り返し方向が異なっている（９０度の角度間隔）。
【００６７】
さらに、繰り返しパターン５１,５２は、その外形が正方形状となるように設計されている。つまり、ラインパターン５３,５４の長さをＬ、本数をｎ(＝１１)、繰り返しピッチをＰ２、設計線幅をＤ２とするとき、Ｌ＝ｎ×(Ｐ２＋Ｄ２) を満足するように設計されている。そして、繰り返しパターン５１,５２は、縦横方向の千鳥配置となっている。
【００６８】
このように、繰り返しパターン５１,５２の外形を正方形状に設計し、繰り返しパターン５１,５２の占有面積を等しくすることで、繰り返しパターン５１,５２による回折効率が均等になる。その結果、繰り返しパターン５１,５２の繰り返し方向ごとの比較計測が可能となる。
また、繰り返しパターン５１,５２どうしの間隔Δは、例えば、繰り返しピッチ(Ｐ２)の３倍以上となっている。間隔Δを少なくとも繰り返しピッチ(Ｐ２)の１倍より大きく確保して、繰り返しパターン５１,５２をレイアウトすることにより、繰り返しパターン５１,５２どうしの干渉による疑似回折を発生させないようにすることができる。間隔Δは、高次回折条件の除外すべき次数を基準に設定すればよい。
【００６９】
図６に示すセル５０と他の１つ以上のセル（セル５０とは繰り返しピッチと設計線幅が異なるセル）を備えた線幅計測用マスクにより転写された複数のパターン群を１つずつ線幅変動の計測対象とした場合でも、基板１１の全面の回折画像を一括視野で取り込み、回折画像の中の各々のショット画像の輝度情報を比較することにより、高速に線幅変動を計測することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、計測対象とする微細パターンの数に拘わらず高速に線幅変動を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】線幅計測装置１０の全体構成を示す概略図である。
【図２】線幅計測用マスク２０の構成を示す概略図である。
【図３】線幅計測用マスク２０の１つのセル２２の構成を示す概略図である。
【図４】基板１１の全体の回折画像の一例を示す図である。
【図５】露光フォーカスのずれ量（オフセット量）が既知である場合の計測結果の一例を示す図である。
【図６】変形例のセル５０の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１０  線幅計測装置
１１  基板
１２  ステージ
１３  照明光学系
１４  凹面反射鏡
１５  結像レンズ
１６  撮像素子
１７  画像処理部
２０  線幅計測用マスク
２１  基本ブロック
２２，２３，２４，２５，２６，５０  セル
３１，３２，３３，３４，５１，５２  繰り返しパターン
４１，４２，４３，４４，５３，５４  ラインパターン
【図１】
2004205466.tif 000003
【図２】
2004205466.tif 000004
【図３】
2004205466.tif 000005
【図４】
2004205466.tif 000006
【図５】
2004205466.tif 000007
【図６】
2004205466.tif 000008