(57)【要約】【課題】コストをかけずに露光装置の照明軸ずれの検査を行うこと。【解決手段】フォトマスク１により、感光基板１８の表面と二次光源１４の面とを光学的に共役な状態にし、この状態で、投影光学系１７の瞳の端を含まない領域、および該領域と重ならない、投影光学系１７の瞳の端を含む領域を照明して感光基板１８を露光し、その後、感光基板１８を現像して得られるパターンに基づいて照明軸ずれを検査する。【選択図】　　図２
2004095871.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の設置手段上に設置されたフォトマスクを照明光学系により照明し、前記フォトマスクのパターンの像を、投影光学系を介して、第２の設置手段上に設置された基板上に投影する露光装置の検査方法であって、
前記第２の設置手段上に前記基板として検査用の感光基板を設置し、この感光基板の表面と前記照明光学系の二次光源の面とが光学的に共役な状態で、前記感光基板を二重露光する工程であって、前記二重露光の一方においては、前記投影光学系の瞳の端を含まない第１の領域を照明し、他方においては、前記投影光学系の瞳の端を含む第２の領域を照明し、かつ、前記第１の領域および前記第２の領域として互いに重ならない領域を選ぶ工程と、
前記感光基板を現像して得られたパターンに基づいて、前記露光装置の照明軸ずれを検査する工程と
を有することを特徴とする露光装置の検査方法。
【請求項２】
前記感光基板の表面と前記照明光学系の二次光源の面とを光学的に共役な状態にするために、前記照明光学系と前記投影光学系との間、または前記投影光学系と前記感光基板との間に、表面にパターンが形成されたパターン部材を設けることを特徴とする請求項１に記載の露光装置の検査方法。
【請求項３】
前記パターン部材は検査用フォトマスクであり、かつ、該検査用フォトマスクは、そのパターンが形成された面が、前記投影基板の表面と光学的に共役でない状態に、前記第１の設置手段上に設置されることを特徴とする請求項２に記載の露光装置の検査方法。
【請求項４】
前記検査用フォトマスクの前記パターンは、露光光に対して透明な円形パターンを含むことを特徴とする請求項３に記載の露光装置の検査方法。
【請求項５】
前記円形パターンが設けられた面を前記二次光源の面に向けて、前記検査用フォトマスクを前記第１の設置手段上に設置することにより、前記検査用フォトマスクの前記開口パターンが形成された面と前記感光基板の表面とを光学的に共役でない状態にすることを特徴とする請求項４に記載の露光装置の検査方法。
【請求項６】
前記開口パターンの直径を、４０μｍ以上８０μｍ以下の範囲に設定することを特徴する請求項５に記載の露光装置の検査方法。
【請求項７】
前記円形パターンが設けられた面を前記投影光学系の瞳に向けて、前記検査用フォトマスクを前記第１の設置手段上に設置することを特徴とする請求項４に記載の露光装置の検査方法。
【請求項８】
前記投影光学系の瞳と前記感光基板の表面との間の距離を制御することによって、前記検査用フォトマスクの前記開口パターンが形成された面と前記感光基板の表面とを光学的に共役でない状態にすることを特徴とする請求項７に記載の露光装置の検査方法。
【請求項９】
前記感光基板として、露光光に対して透明な基板と、該基板の前記露光光が入射する側の面と反対の面に設けられ、前記露光光を反射する反射膜とを含むものを用いることを特徴とする請求項７に記載の露光装置の検査方法。
【請求項１０】
前記開口パターンの直径を、１μｍ以上２０μｍ以下の範囲に設定することを特徴する請求項７ないし９のいずれか１項に記載の露光装置の検査方法。
【請求項１１】
前記感光基板は、シリコンウェハと、該シリコンウェハ上に塗布されたフォトレジストとを含むことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の露光装置の検査方法。
【請求項１２】
前記パターン部材はレンズ部材であり、かつ、該レンズ部材は、前記照明光学系の二次光源の面と前記投影光学系との間の光路中、または前記投影光学系と前記感光基板との間の光路中に設置されることを特徴とする請求項２に記載の露光装置の製造方法。
【請求項１３】
前記二次光源により、前記第２の領域を照明して、前記感光基板を露光する際に、前記二次光源の照明形状を輪帯状にすることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の露光装置の検査方法。
【請求項１４】
前記二次光源により、前記第２の領域を照明して、前記感光基板を露光する際に、前記二次光源の照明形状を３方向以上に輝度の極大をもつ形状にすることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の露光装置の検査方法。
【請求項１５】
前記投影光学系の瞳面における前記二次光源の照明形状は、
ＮＡｉ１＞ＮＡｉｎ＞ＮＡｉ２
ＮＡｉｎ：前記投影光学系の入射側開口数
ＮＡｉ１：前記照明光学系の出射側開口数
ＮＡｉ２：前記二次光源の内周に対応する光の入射角を開口数の次元で表した数値
の不等式を満たすことを特徴とする請求項１３または１４に記載の露光装置の検査方法。
【請求項１６】
フォトマスクが設置される第１の設置手段と、
この第１の設置手段上に設置された前記フォトマスクに形成されたパターンを照明するための照明光学系と、
基板が設置される第２の設置手段と、
この第２の設置手段上に設置された前記基板上に、前記フォトマスクのパターンの像を投影するための投影光学系と、
前記照明光学系の二次光源の面と前記投影光学系との間の光路中、または前記投影光学系と前記基板との間の光路中に配置されるレンズ部材と
を具備してなることを特徴とする露光装置。
【請求項１７】
前記レンズ部材は、前記フォトマスクの表面の上方に該表面に対して垂直な方向、または前記基板の表面の上方に該表面に対して垂直な方向に、所定距離離れた位置に設置されることを特徴とする請求項１６に記載の露光装置。
【請求項１８】
前記所定距離は、前記レンズ部材の焦点距離と実質的に同じ距離であることを特徴とする請求項１７に記載の露光装置。
【請求項１９】
前記レンズ部材は、主面を含む基板と、該基板の前記主面上に設けられた複数のレンズとを含み、かつ、前記基板の前記主面と前記感光基板の表面とが平行になるように、前記レンズ部材は設置されることを特徴とする請求項１６ないし請求項１８のいずれか１項に記載の露光装置。
【請求項２０】
前記基板の前記主面のうち、前記複数のレンズが設けられていない領域は、露光光を遮断することを特徴とする請求項１９に記載の露光装置。
【請求項２１】
前記レンズ部材を露光光の光路外に待避する待避手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１６ないし２０のいずれか１項に記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造プロセスに使用される露光装置の検査方法および該検査方法を簡便に行うための露光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの歩留まりを高い状態に維持するために重要なことの一つとして、光リソグラフィの工程に用いられる露光装置を正常な結像状態に保っておくことがあげられる。そのためには、簡単な方法で露光装置の状態を検査・監視する技術が要求される。露光装置においては、二次光源の形状や輝度の分布が変わると、マスクパターンの基板面への結像に関する特性が変化する。したがって、露光装置の照明光学系についても常に検査し、同じ状態を保つ必要がある。
【０００３】
露光装置の結像特性に影響を及ぼす照明光学系の誤差要因としては、二次光源の形状や輝度の分布の他に、フォトマスクに入射する照明光が全体として斜めに傾く現象（照明軸ずれ）がある。
【０００４】
図１９を用いて照明軸ずれの影響を説明すると、照明軸ずれが起きていない状態（図１９（ａ））では、ウェハ上にレジストが塗布された基板（感光基板）１００が像面１０１にある状態（ベストフォーカス）で、光１０２Ａで露光して得られるレジストパターン１０３Ａと、ベストフォーカスから多少デフォーカスした状態で、光１０２Ｂ，１０２Ｃで露光して得られるレジストパターン１０３Ｂ，１０３Ｃとの間には位置ずれがないため、フォーカス変動に対して強固な装置となる。一方、照明軸ずれが起きている状態（図１９（ｂ））においては、感光基板１００のデフォーカスによってレジストパターン１０３Ａ〜１０３Ｃの形成位置が横にずれてしまい、露光領域全体として所望のパターンができにくくなる恐れがある。これは、不良品の数を増加させる原因となる。
【０００５】
このような不都合は、照明軸ずれを検査し、照明軸ずれの存在を確認したら、露光装置を停止してメンテナンスを行うことによって、未然に防止することができる。以下、二次光源の形状、輝度分布、照明軸ずれの検査を、まとめて「照明光学系の検査」と表記する。
【０００６】
半導体デバイスの製造装置の検査方法としては、装置を停止させないで短時間で簡便に計測する方法が望ましい。このような条件を満たす照明光学系の検査法として、周囲を遮光した開口パターン（ピンホールパターン）を用い、この開口パターンを感光基板の表面と共役ではない位置に設置して露光を行うことによって感光基板上に二次光源の像を形成し、二次光源の形状や輝度分布を計測する方法が、ＵＳＰ　５９７３７７１や、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ　ｖｏｌ．３３３４，　ｐｐ．　２８１−２８８に開示されている。これらの方法では、開口パターンをピンホールカメラのレンズとして機能させることにより、感光基板上に二次光源の像を転写させ、転写像を観察することにより検査が行われる。一方、単純な開口パターンではなく、ゾーンプレートを使用して二次光源の転写像を取得し検査する方法が、ＵＳＰ　６０４８６５１に開示されている。
【０００７】
しかしながら、上記の公報等で開示されたいずれの方法でも、照明軸ずれを知ることはできない。何故なら、感光基板上に形成されるパターンは二次光源の輝度分布を表す像であり、投影光学系に関する情報は何も含んでいないため、投影光学系に対して照明光の垂直性が保たれているか否かを判断することができないからである。
【０００８】
二次光源の形状や輝度分布を計測すると同時に、照明軸ずれも計測する方法として、周囲を遮光した開口パターンの内部に回折格子を設置したパターン（グレーティングピンホールパターン、例えば図２０）を用いる方法が、特開２０００−２１７３２に開示されている。この方法では、回折格子により発生した回折光を利用し、投影光学系の開口数を規定する絞りの位置を二次光源の輝度分布と同時に転写させる。
【０００９】
図２１は、この露光によって感光基板上に形成されるパターンの一例である。０次回折光の像１１０は二次光源の輝度分布の情報を含む。１次回折光の像（輪郭像）１１１は絞りの輪郭の位置の情報を含んでいる。０次回折光の像１１０の中央と絞りの輪郭像１１１の中央との間の位置のずれが、照明軸ずれの量をあらわす。
【００１０】
しかしながら、この方法では、検査に使用するフォトマスク上の回折格子の周期を非常に小さくしなければならない。この点について、以下、具体的に説明する。
【００１１】
照明光学系の検査に用いるフォトマスク上の回折格子の周期は、回折光に関する二つの制限条件、すなわち（１）０次回折光の像と１次回折光の像とが重ならないこと、（２）１次回折光が絞り位置（瞳の端）を通過すること、を満たしている必要がある。
【００１２】
例えば、露光波長が１９３ｎｍ、投影縮小率が１／４の露光装置において、投影光学系の射出側開口数（ＮＡ）を０．６８、コヒーレンスファクタ（σ）を０．７５とした状態を検査する場合、上記二つの条件を満たすために必要な適切な回折格子の周期は約０．６４μｍとなる。これは感光基板上のスケールに換算すると、ハーフピッチ０．０８μｍとなり、現在量産されている半導体デバイスにおいて使用される繰り返しパターンの最小線幅、０．１３〜０．１１μｍよりも小さい。
【００１３】
このような微細なパターンをもつフォトマスクの作成は高度な技術が必要であり、コストがかかる。したがって、従来の技術では、露光装置の照明軸ずれをコストをかけずに検査することは困難である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、二次光源の形状や輝度分布を計測すると同時に、照明軸ずれも計測する露光装置の検査方法として、周囲を遮光した開口パターンの内部に回折格子を設置したパターンを用いる方法が知られていたが、検査に使用するフォトマスクの製造コストが高いという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、コストをかけずに照明軸ずれの検査を行える露光装置の検査方法および露光装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る露光装置の検査方法は、第１の設置手段上に設置されたフォトマスクを照明光学系により照明し、前記フォトマスクのパターンの像を、投影光学系を介して、第２の設置手段上に設置された基板上に投影する露光装置の検査方法であって、前記第２の設置手段上に前記基板として検査用の感光基板を設置し、この感光基板の表面と前記照明光学系の二次光源の面とが光学的に共役な状態で、前記感光基板を二重露光する工程であって、前記二重露光の一方においては、前記投影光学系の瞳の端を含まない第１の領域を照明し、他方においては、前記投影光学系の瞳の端を含む第２の領域を照明し、かつ、前記第１の領域および前記第２の領域として互いに重ならない領域を選ぶ工程と、前記感光基板を現像して得られたパターンに基づいて、前記露光装置の照明軸ずれを検査する工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明では、照明光学系の二次光源の面と感光基板の表面とを光学的に共役な状態にして、投影光学系の瞳の端を含まない第１の領域を照明して感光基板を露光し、投影光学系の瞳の端を含む第２の領域を照明して感光基板を露光するという二重露光を行い、該二重露光が行われた感光基板を現像して得られるパターンに基づいて、露光装置の照明軸ずれを検査する。
【００１８】
ここで、上記二つのパターンのうち前者の露光に対応したパターン（第１のパターン）は、照明光学系の情報は含むが、投影光学系の情報を含まない。一方、後者の露光に対応したパターン（第２のパターン）は照明光学系および投影光学系の情報を含む。具体的には、第２のパターンの輪郭は、投影光学系の瞳の端の情報を含み、第２のパターンのうち上記輪郭よりも内側のパターンは、照明光学系の情報を含んでいる。
【００１９】
したがって、照明軸のずれ（照明光学系と投影光学系との光学的なずれ）の検査は、第１のパターンと第２のパターンとを比較することにより可能となる。そして、このような検査は、高価なグレーティングピンホールを用いずに実施できるので、コストをかけずに済む。これらの点については、発明の実施の詳細においてさらに説明する。
【００２０】
また、本発明に係る露光装置は、フォトマスクが設置される第１の設置手段と、この第１の設置手段上に設置された前記フォトマスクに形成されたパターンを照明するための照明光学系と、基板が設置される第２の設置手段と、この第２の設置手段上に設置された前記基板上に、前記フォトマスクのパターンの像を投影するための投影光学系と、前記照明光学系の二次光源の面と前記投影光学系との間の光路中、または前記投影光学系と前記基板との間の光路中に配置されるレンズ部材とを具備してなることを特徴とする。
【００２１】
このような構成であれば、照明光学系の二次光源の面と感光基板の表面とを光学的に共役な状態にするための部材である、レンズ部材を予め備えているので、本発明の検査方法を簡便に行えるようになる。
【００２２】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置の検査方法において使用する検査用フォトマスク（以下、単にフォトマスクという。）を示す平面図である。
【００２５】
フォトマスク１は、厚さが６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の透明基板としての石英基板（不図示）と、この石英基板上に順次堆積されたクロム膜、酸化クロム膜の積層膜からなり、直径が５５μｍの円形開口部２（開口パターン）を有する遮光膜３とを含む。上記石英基板の厚さは６．３５ｍｍに限定されず、１ｍｍ以上１０ｍｍ未満の範囲であれば構わない。
【００２６】
円形開口部２の端から２００μｍ以内の領域には別の円形開口部はない。すなわち、円形開口部２を透過した光と、円形開口部２とは別の円形開口部を透過した光とが、同じ箇所を照射しないように設計されている。また、円形開口部２の内部には回折格子などの遮光領域はない。
【００２７】
フォトマスク１は、微細なパターンを持たないので、製造が容易である。したがって、フォトマスク１は、従来の微細な回折格子パターンを有すフォトマスクに比べて、製造コストはかからない。
【００２８】
次に、フォトマスク１を用いた露光装置の検査方法について説明する。
【００２９】
図２は、検査対象である周知の露光装置内に本実施形態のフォトマスク１をセットした状態を模式的に示す図である。フォトマスク１はピンホールカメラとして機能し、このフォトマスク１の機能により、照明光学系１３の二次光源１４の面と感光基板１８の表面とは光学的に共役な状態になる。
【００３０】
図２において、１１はＫｒＦエキシマレーザー光源や水銀ランプなどの光源を示しており、この光源１１から発した露光光１２は照明光学系１３を経て整形され、二次光源１４が形成される。
【００３１】
二次光源１４の面上には図示しない複数のアパーチャマスクが設けられ、これらのアパーチャマスクの任意の一つを選択できるようなっている。したがって、二次光源１４の照明形状は、選択したアパーチャマスクの開口部（アパーチャ）に対応したものとなる。
【００３２】
そして、二次光源１４から発し、上記アパーチャマスクを通過した光は、コンデンサレンズ１５を経て、マスクステージ１６（第１の設置手段）上に設置されたフォトマスク１をほぼ均一な照度で照明する。
【００３３】
フォトマスク１を通過した光は投影光学系１７により集光され、検査用の感光基板１８上にフォトマスク１のパターンの像を投影する。感光基板１８は基板ステージ１９（第２の設置手段）上に設置されている。ここでは、投影光学系１７の縮小率Ｍを１／４とする。縮小率Ｍは、通常、１／４または１／５である。
【００３４】
投影光学系１７の内部には瞳の大きさを規定する絞りがあって、投影光学系１７の中心軸から遠く離れた光はここで遮光される。したがって、絞りの縁付近を通るような光束を照射した場合、感光基板１８には絞りの縁を表すパターンが転写される。二次光源１４から発した光束が投影光学系１７の瞳のどの領域を通過するかは、上記絞りの縁を表すパターンの転写位置から判明する。
【００３５】
感光基板１８は、直径２００ｍｍのシリコンウェハと、このシリコンウェハ上に塗布されたポジ型フォトレジストとを含む。ポジ型フォトレジストの代わりにネガ型フォトレジストを用いても構わない。本実施形態の検査用の感光基板１８は、汎用品（シリコンウェハ、フォトレジスト）で構成されているので、コストはかからない。
【００３６】
本実施形態では、露光装置を検査するときに、露光装置内にフォトマスク１をセットし、照明光学系１３の二次光源１４の面と感光基板１８の表面とを光学的に共役の状態にする。
【００３７】
なお、半導体デバイスパターンを露光するときは、二次光源１４の面と投影光学系１７の瞳面が光学的に共役、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８の表面が共役の関係にある。この場合、二次光源１４の面の光強度分布とフォトマスク１のパターン面における像強度はフーリエ変換対の関係で表される。投影光学系１７の瞳面における光強度分布と感光基板１８の表面における像強度についてもフーリエ変換対の関係で表される。
【００３８】
本実施形態では、図２に示すように、フォトマスク１のパターン面の向きを、半導体デバイスパターンを露光するときの向き（図３）とは逆に、すなわち裏返しにして設置する。これにより、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８の表面とを光学的に共役な状態にせずに済む。
【００３９】
ここで、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８の表面とを光学的に共役な状態すると、フォトマスク１の情報（パターンの形状・寸法）は、感光基板１８を現像して得られるレジストパターン上に反映される。照明軸ずれの検査に必要な情報は、照明光学系の情報と投影光学系の情報であり、フォトマスク１の情報は不要である。
【００４０】
レジストパターン上にフォトマスク１の情報が反映された場合、フォトマスク１の情報と照明光学系および投影光学系の情報とを区別する必要があり、検査が煩雑になる恐れがある。したがって、検査を簡便に行うためには、レジストパターン上にフォトマスク１の情報を反映させない方が好ましい。
【００４１】
なお、後述する第５の実施形態の場合のように、パターンが無いフォトマスク１つまり透明基板を用いる場合は、フォトマスク１と感光基板１８とを光学的に共役な状態にしても問題はない。
【００４２】
このようにフォトマスク１をマスクステージ１６上に設置し、感光基板１８を基板ステージ１９上に設置し、そして、フォトマスク１および感光基板９が静止した状態で露光を行う。この露光は、二次光源１４の照明形状が異なる二つの状態でそれぞれ１回ずつ行う、二重露光である。
【００４３】
図４に、本実施形態で用いられる二次光源１４の照明形状の平面図を示す。図４（ａ）は１回目の露光で使用される照明形状２１を示し、図４（ｂ）は２回目の露光で使用される照明形状２２を示している。以下、これらの照明形状を用いた二重露光について詳説する。
【００４４】
今、ある半導体デバイスのあるレイヤのパターンの露光を、ＮＡ＝０．５５、σ＝０．８５の状態で行うとして、この状態における露光装置を検査する場合、１回目の露光をＮＡ＝０．５５、σ＝０．８５の状態（状態１）で行う。さらに、この１回目の露光では、照明形状２１（二次光源１４の中心の位置が現れる様な二次光源形状）を用いる。
【００４５】
なお、σは照明光学系の出射側開口数ＮＡｉｌｌ　と投影光学系１７の入射側開口数ＮＡｉｎの比（ＮＡｉｌｌ　／ＮＡｉｎ）である。ＮＡｉｎ＝ＮＡ×Ｍ（Ｍは投影レンズの縮小率）であるから、σ＝ＮＡｉｌｌ　／（ＮＡ・Ｍ）とも表される。上記ＮＡ（０．５５）は投影光学系１７の射出側開口数であり、σ＝０．８５、Ｍ＝１／４であるから、ＮＡｉｎ＝０．１３７５、ＮＡｉｌｌ　＝０．１１６８７５である。したがって、ＮＡｉｎ＞ＮＡｉｌｌ　である。
【００４６】
２回目の露光は、ＮＡを変化させないで、照明形状２１を照明形状２２に変更した状態（状態２とする）で行う。２回目の露光の照明形状２２による照明は輪帯照明であって、輪帯の外周の大きさがσ＝１よりも大きく、かつ、輪帯の内周の大きさがσ＝１よりも小さい輪帯照明である。さらに、２回目の露光の照明形状２２は、１回目の露光の照明形状２１と重ならないように選ばれている。
【００４７】
ここで、輪帯の内周を形成する光と、該光が入射するフォトマスク１の面の法線とがなす角度θｉ２（二次光源の内周に対応する光の入射角）を開口数の次元で表した数値ＮＡｉ２（＝ｓｉｎθｉｎ）は、ＮＡｉｎよりも小さくなる。したがって、本実施形態の場合、ＮＡｉ１＞ＮＡｉｎ＞ＮＡｉ２の不等式を満たす。
【００４８】
１回目の露光がＮＡｉｌｌ　＝０．１１６８７５であることを考慮し、２回目露光における輪帯照明の外周がＮＡｉｎ＝０．１３７５よりも大である位置、内周がＮＡｉｎ＝０．１３７５よりも小でかつＮＡｉｌｌ＝０．１１６８７５よりも大である位置とする。具体的には、例えば、２回目の露光の輪帯照明の外周をＮＡｉｌｌ＝０．１５、内周をＮＡｉｌｌ　＝０．１２５とする。この場合、感光基板１８上に投影される二次光源１４の像は、その外側が投影光学系１７の絞りにより遮られたものとなる。言い換えると、投影光学系１７の瞳の輪郭が感光基板１８上に投影される。
【００４９】
図５（ａ）は、１回目の露光時に二次光源１４から発した光束の投影光学系１７の瞳面における位置（光束位置）３１および絞り位置３２、図５（ｂ）は、２回目の露光時に二次光源１４から発した光束の投影光学系１７の瞳面における位置（光束位置）３３および絞り位置３４を示している。
【００５０】
瞳面においては、１回目の露光時に光束が通過する第１の領域と２回目の露光時に光束が通過する第２の領域とは重なっておらず、２回目の露光時の光束は絞りの輪郭を転写する。なお、状態１での露光と状態２での露光の順序を入れ替えても構わない。また、状態１の露光の露光量と状態２の露光の露光量はほぼ同じ値とする。
【００５１】
１回目、２回目の露光が完了したら、感光基板１８を露光装置から搬出して現像を行う。図６に、感光基板１８上に形成されたレジストパターンを示す。レジストパターンは、中央に状態１の照明形状および輝度分布を反映したパターン（以下、内側パターンという。）４１と、この内側パターン４１の周囲にあり、状態２の照明形状および輝度分布を反映した輪帯状のパターン（以下、外側パターンという。）４２とを含む構造となる。図において、４３は外側パターン４２の外周を表す円、すなわち投影光学系１７の瞳を表す円（投影光学系１７の絞りの縁の像）を示している。
【００５２】
照明光学系の検査は上記レジストパターンを測定することにより行われる。まず、二次光源１４の形状と輝度分布の検査は、内側パターン４１を計測することにより行われる。適切な露光量で露光していれば、高輝度の領域はフォトレジストが溶解し、低輝度の領域はフォトレジストが溶解しない状態となるため、露光量とレジストの溶解分布の関係をもとに照明形状と輝度分布が判明する。
【００５３】
一方、照明軸ずれの検査は、内側パターン４１の外周を表す円の中心と、外側パターン４２の外周を表す円の中心とのずれを計測することにより行われる。照明軸ずれがない理想的な状態では二つの円の中心は一致する。
【００５４】
一方、二つの円の中心のずれが０でない場合、二次光源１４から発した光束が投影光学系１７の瞳の中央からずれた位置を通過していることを意味する。これは、投影光学系１７に入射する照明光が全体として斜めになっている状態（照明軸ずれの状態）であって、二つの円の中心ずれが大きいほど照明軸ずれが大きいことを意味する。
【００５５】
ここで、フォトマスク１に入射する光の軸（正確には、フォトマスク１に入射する有限の広がりを有する円錐状の光の中心軸）と、該光が入射するフォトマスク１の面の法線とのなす角（フォトマスク１に入射する有限の広がりを有する円錐状の光の中心軸の傾き）をθラジアンとすると、照明軸ずれは、下式（１）によって評価することができる。
【００５６】
ｓｉｎθ＝Ｌ×ＮＡ／Ｒ　　　　　　　　　（１）
Ｌ：内側パターン４１の外周を表す円と外側パターン４２の外周を表す円の中心間の距離
Ｒ：投影光学系１７の瞳を表す円の半径
ＬとＲは測定可能であるので、式（１）を使えば、照明軸ずれの大きさ（ｓｉｎθ）が求められる。照明軸ずれの方向は、例えば、内側パターン４１の外周を表す円の中心を原点するＸ−Ｙ座標系における、外側パターン４２の外周を表す円の中心のＸ座標とＹ座標の値で評価することができる。
【００５７】
本実施形態においては状態１、状態２の二つの状態で露光を行っているが、検査対象である状態は状態１であって、状態２の照明光学系１３の検査をするわけではない。
【００５８】
状態２の露光を行う目的は投影光学系１７を状態１と同様に保ったまま露光することによって、状態１での絞りの位置（投影光学系１７の情報）をレジストパターン上に投影することである。したがって、状態２においては、仮に多少の照明軸ずれが発生していたとしても、光束が絞りに投射される状態であれば、計測に関して問題はない。図７に、そのような場合に得られるレジストパターンの例を示す。
【００５９】
以上述べたように、本実施形態によれば、検査に用いるフォトマスクとして、従来法において使用されているような微細な構造を有する製造が困難なフォトマスクを使用する代わりに、製造が容易なフォトマスク１を使用することで、製造コストをかけずに、露光装置の照明軸ずれの検査を行えるようになる。
【００６０】
なお、本実施形態では、円形開口部２（ピンホール）の直径を５５μｍとしたが、円形開口部２の直径は５５μｍに限定されるものではない。以下、この点についてさらに説明する。
【００６１】
二次光源１４の像を感光基板１８上に正確に転写するためには、円形開口部２のサイズを適切にしなければならない。それは大きすぎると感光基板１８上の像のぼけが大きくなり、逆に小さすぎても回折により像がぼけるからである。
【００６２】
適切な円形開口部２のサイズは、円形開口部２からフォトマスク１の下面までの距離（フォトマスク１の透明基板の厚さ）と露光波長とが関係する。本発明者らは、フォトマスク１の厚さが６．３ｍｍで屈折率が約１．５、露光波長が２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザーの波長）の場合、円形開口部２の直径を５０〜６０μｍの範囲内に設定することにより、感光基板１８上に解像度が良好な二次光源１４の像を表すレジストパターンが得られることを実験により確認した。
【００６３】
また、上記５０〜６０μｍの直径条件から多少はずれた場合でも、直径が４０μｍ以上８０μｍ以下の大きさの円形開口部２を用いれば、精度が多少落ちる場合もあるが、実用上必要な精度は得られ、検査が可能であることも確認した。
【００６４】
また、本実施形態のように、フォトマスク１の表面（上面）に円形開口部２を設置して露光装置を検査する場合、円形開口部２の半径ｒは、円形開口部２からフォトマスク１の下面までの距離（透明基板の厚さ）をＤ、露光波長をλ、透明基板の屈折率をｎとすると、
ｒ＝ａ（ｎＤλ）１／２
で与えられる。
【００６５】
ここで、ａは０．５〜０．６程度の値である。
【００６６】
（第２の実施形態）
本実施形態が第１の実施形態の異なる点は、状態２の照明形状を、図８（ｂ）に示すように、縦横４方向に輝度分布の極大をもつ照明形状５２としたことにある。状態２の照明形状は、図８（ａ）に示すように、図４（ａ）の照明形状２１と同様の円形の照明形状５１である。
【００６７】
この場合も，第１の実施形態と同様に、状態１の照明形状５１と状態２の照明形状５２との間に重なりが無いようにし、状態２の照明形状の最外周に対応する円５３の大きさをσ＝１よりも大きな状態、最内周に対応する円５４の大きさをσ＝１よりも小さい状態とする。
【００６８】
この場合、取得されるレジストパターンは、図９に示すように、中央に状態１の照明形状・輝度分布を反映したパターン６１と、このパターン６１の周囲に有り、状態２の照明形状および輝度分布を反映した４個のパターン６２とを含む構造となる。
【００６９】
パターン６２の外周をなぞる仮想的な円６３は、第１の実施形態の図６の円４３に相当し、投影光学系１７の瞳を表す円（投影光学系１７の絞りの縁の像）を示している。
【００７０】
露光装置の検査方法は、第１の実施形態における内側パターン４１、外側パターン４２、円４３を、それぞれ、パターン６１、パターン６２、円６３と読み替えることによって、第１の実施形態と同様に行える。
【００７１】
なお、本実施形態では、縦横４方向に輝度分布の極大をもつ照明形状５２としたが、原理的には３方向以上に輝度分布の極大をもつ照明形状であれば、測定は行える。
【００７２】
（第３の実施形態）
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１に、図１０に示すように、フォトマスク１のパターン面の向きを、半導体デバイスパターンを露光するときの向きと同じに設定することにある。本実施形態のフォトマスク１は、円形開口部の直径が１５μｍであり、第１の実施形態の場合よりも小さくなっている。フォトマスク１に関し、その他の条件は第１の実施形態と同じである。
【００７３】
第２に、このままでは、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８の表面とが光学的に共役の状態になるので、図１０に示すように、感光基板１８の表面位置を、マスクパターン転写時の位置Ｐ１から、感光基板１の表面の法線方向で投影光学系１７から遠ざかる方向に３０μｍ移動させ、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８の表面とを光学的に共役でない状態にする。
【００７４】
このようにフォトマスク１と感光基板１８を設置し、さらにフォトマスク１および感光基板１８を静止させた状態で露光を行う。この露光は、二次光源１４の照明形状が異なる二つの状態でそれぞれ１回ずつ二重露光を行う。
【００７５】
１回目の露光における光学条件は、ＮＡ＝０．５５、ＮＡｉｌｌ　＝０．１１６８７５とし，２回目の露光では、ＮＡ＝０．５５、外周がＮＡｉｌｌ　＝０．１５であり、内周がＮＡｉｌｌ　＝０．１２５である輪帯照明とする。状態１の露光の露光量と状態２の露光の露光量はほぼ同じ値とする。
【００７６】
１回目、２回目の露光が完了したら、感光基板１８を露光装置から搬出して現像を行う。感光基板１８上に形成されるレジストパターンは、図６のそれと相似形のものとなる。上記レジストパターンは、中央に形成された円盤状のパターンと、この円盤状のパターンの周囲にある輪帯状のパターンとを含む構造となる。照明光学系の検査は、第１の実施形態に記載した方法と同様の手順で行われる。
【００７７】
なお、本実施形態では、感光基板１８を投影光学系１７から遠ざかる方向に移動させたが、投影光学系１７に近づく方向に移動させて、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８の表面とを光学的に共役でない状態にすることでも、同様の効果が得られる。
【００７８】
なお、本実施形態では、フォトマスク１の円形開口部（ピンホール）の直径を１５μｍとしたが、円形開口部の直径は１５μｍに限定されるものではない。以下、この点についてさらに説明する。
【００７９】
二次光源１４の像を感光基板１８上に正確に転写するためには、円形開口部２のサイズを適切にしなければならない。それは大きすぎると感光基板１８上の像のぼけが大きくなり、逆に小さすぎても回折により像がぼけるからである。
【００８０】
適切な円形開口部２のサイズは、フォトマスク１のパターン面から感光基板１８の表面までの距離と露光波長に関係する。本発明者らは、感光基板１８のＰ１からのずらし距離（デフォーカス距離）が約３０μｍ、露光波長が２４８ｎｍの場合、フォトマスク１の円形開口部の直径を１０〜１５μｍの範囲内に設定することにより、感光基板１８上に解像度が良好な二次光源１４の像を表すレジストパターンが得られることを実験により確認した。
【００８１】
また、上記１０〜１５μｍの直径条件から多少はずれた場合でも、フォトマスク１の円形開口部の直径が１μｍ以上２０μｍ以下の範囲であれば、精度が多少落ちる場合もあるが、実用上必要な精度は得られ、検査が可能であることも確認した。
【００８２】
（第４の実施形態）
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図である。本実施形態では、フォトマスク１のパターン面の向きを裏返して設置するとともに、感光基板１８’として図１２に示す構造のものを使用する。
【００８３】
感光基板１８’は、露光光（露光波長）に対してほぼ透明な材質、図１２に示すように、溶融石英からなる厚さが１ｍｍの薄い透明基板７０と、この透明基板７０の表面に設けられ、露光光（露光波長）の一部が透過する程度の透明度を有するフォトレジスト（感光剤）７１と、透明基板７０の裏面に設けられ、該裏面を鏡面化して露光光を反射するためのクロム膜（反射膜）７２とを含む。フォトレジスト７１は塗布法で形成され、クロム膜７２は蒸着法で形成される。
【００８４】
フォトマスク１は、第１の実施形態（図１）で説明したように、円形開口部２を有するが、その直径はここでは８０μｍである。フォトマスク１のパターン面と感光基板１８’の表面とは光学的に共役の状態にある。
【００８５】
第３の実施形態に記した光学条件で１回目および２回目の露光を行う。図１２に示すように、感光基板１８’の表面に到達した露光光はフォトレジスト７１を感光してフォトマスク１のパターンの像（第１の像）を形成するとともに、フォトレジスト７１および透明基板７０を通過してクロム膜７２（感光基板１８’の裏面の鏡面）で反射し、再び感光基板１８’の表面に到達して、フォトレジスト７１を感光して像（第２の像）を形成する。
【００８６】
ここで、フォトマスク１のパターン面と感光基板１８’の表面とは光学的に共役の状態にあるので、フォトマスク１のパターン面と第１の像が形成された領域の感光基板１８の表面とは光学的に共役の状態にある。
【００８７】
しかし、感光基板１８’の裏面で反射した光の光路は、感光基板１８’の表面で反射した光の光路よりも長いため、フォトマスク１のパターン面と第２の像が形成された領域の感光基板１８の表面とは光学的に共役の状態にはない。
【００８８】
すなわち、第２の像を形成する光は、実質的に、第３の実施形態と同様に、マスクパターン転写時の位置から投影光学系１７から遠ざかる方向に移動させた感光基板１８を露光することになる。
【００８９】
１回目、２回目の露光が完了したら、感光基板１８を露光装置から搬出して現像を行う。図１３に、感光基板１８’上に形成されるレジストパターンを示す。レジストパターンは、中央にフォトマスク１のパターンの縮小像（第１の像）に対応したパターン８１と、このパターン８１の周囲に有り、感光基板１８’の裏面の鏡面で反射した光により感光して形成された第２の像に対応したパターン８２とを含む構造となる。
【００９０】
図において、８３はパターン８２の外周を表す円、すなわち投影光学系の絞りの縁の像を示している。また、二つのパターン８２のうち内側の円形パターンが図６のパターン４１に相当し、外側の輪帯パターンが図６のパターン４２に相当する。
【００９１】
パターン８２について第１の実施形態に記載した方法と同様の手順で照明光学系の検査が行われる。このとき、パターン８１の直径はパターン８２の１／１００以下となるので、パターン８２の解析においては障害とならない。
【００９２】
（第５の実施形態）
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、フォトマスク１の代わりに、図１４に示すようなレンズアレイ９０を用いて、照明光学系１３の二次光源１４の面と感光基板１８の表面とを光学的に共役な状態にすることにある。また、レンズアレイ９０は露光装置に組み込まれたものである。
【００９３】
レンズアレイ９０は、露光光（露光波長）に対して透明なレンズホルダ９１と、このレンズホルダ９１上にマトリクス状に固定して設置された複数のレンズ９２とを含む。図１４（ａ）は側面図、図１４（ｂ）は上平面図を示している。
【００９４】
レンズホルダ９１は、図示しない駆動機構により制御されるアーム９３（待避手段）により、支持されて光路中に挿入または光路から退避されるようになっている。これにより、レンズアレイ９０は配置された半導体デバイスパターンの露光の際には光路外に退避され、そして、照明光学系の検査をする際には、図１５に示すように、露光光の光路中に挿入される。
【００９５】
このとき、レンズホルダ９１は、レンズ９２が配置された面（レンズ面）が感光基板１８の表面と平行となるように、フォトマスク１の表面の上方に挿入される。なお、ここでは、フォトマスク１はパターンを含まない単なる透明基板であり、省略可能である。
【００９６】
さらに、レンズアレイ９０は、フォトマスクの表面の上方に該表面に対して垂直な方向に、所定距離離れた位置に設置される。所定距離は、露光波長の光に対するレンズ９２の焦点距離もしくは該所定距離に略一致する距離（焦点距離と実質的に同じ距離）である。このような位置にレンズアレイ９０を設置することにより、鮮明なレジストパターン（像）を感光基板１８に形成できるようになる。
【００９７】
この状態では、二次光源１４の面とフォトマスク１の表面（下面）とが光学的に共役となり、さらにフォトマスクの裏面（下面）と感光基板１８の裏面とが光学的に共役となるため、二次光源１４の面と感光基板１８の表面とは光学的に共役となる。
【００９８】
なお、フォトマスク１（透明基板）を用いない場合、フォトマスク１（透明基板）が仮想的にあるとした場合に、該仮想的なフォトマスク１（透明基板）の表面に焦点が位置するように、レンズアレイ９０は設置される。フォトマスク１は省略可能であるが、レンズアレイ９０の位置決めの基準となるフォトマスク１が実際にあった方が、位置決めを容易に正確に行える。
【００９９】
レンズアレイ９０を挿入した状態で、第１の実施形態に記した露光方法を実施し、レジストパターンを取得し、そして、第１の実施形態と同様に、レジストパターンを解析することで、照明光学系の検査を行える。
【０１００】
また、本実施形態によれば、露光装置の照明光学系１３の検査を行うために必要な機構である、レンズアレイ９０およびそれを駆動するための図示しない駆動機構を装置自身に持たせることによって、検査を行う毎に検査に必要な機構を用意する場合に比べて、簡便に検査を行えるようになる。
【０１０１】
なお、図１４、図１５には、厚みのあるレンズ９２が描かれているが、円形開口やゾーンプレートを使用しても同様の効果が得られる。
【０１０２】
また、本実施形態では、レンズアレイ９０を使用しているので、露光フィールド全体の検査を一括して行えるが、１個のレンズを用いても該レンズの配置位置を変えながら複数回の露光を行い、その後、現像を行うことでも、同様の検査結果は得られる。レンズアレイ９０を使用した場合には、短時間で検査を行え、一方、１個のレンズを使用した場合には、装置コストの削減化が可能となる。
【０１０３】
図１６に、レンズアレイ９０の変形例を示す。この変形例のレンズアレイ９０’は、レンズ９２が設けられた領域が露光光に対して透明領域、レンズ９２が設けられていない領域が露光光に対して遮光領域となっている、レンズホルダ９１を含む。
【０１０４】
このようなレンズアレイ９０’は、レンズホルダ９１として、例えば、透明基板と、この透明基板上に形成され、レンズ９２が設けられる領域に開口部を有する遮光膜とを含むものを用いることで実現できる。
【０１０５】
このようなレンズアレイ９０’を使用すれば、レンズ９２が設けられた領域のレンズホルダ９１の表面に照射された露光光のみが、感光基板１８レンズ９２に届く。そのため、不要な露光光が迷光となって感光基板１８に届くのが防止されるので、該迷光による測定パターンの形状劣化を防止でき、より精度の高い測定が可能となる。
【０１０６】
（第６の実施形態）
図１７は、本発明の第６の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図である。
【０１０７】
本実施形態が第５の実施形態と異なる点は、レンズアレイ９０の挿入位置を照明光学系１２と投影光学系１７との間、具体的にはフォトマスク１と投影光学系１７との間にしたことにある。この場合は、フォトマスク１から距離が、露光波長の光に対するレンズ９２の焦点距離の位置もしくはとほぼ一致する位置に、レンズアレイ９０を挿入する。
【０１０８】
このような位置にレンズアレイ９０を挿入することで、第５の実施形態と同様の測定が可能となる。また、第５の実施形態と同様の変形例も可能である。
【０１０９】
（第７の実施形態）
図１８は、本発明の第７の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図である。
【０１１０】
本実施形態が第７の実施形態と異なる点は、レンズアレイ９０の挿入位置を投影光学系１７と感光基板１８との間にしたことにある。この場合は、露光波長の光に対するレンズ９２の焦点が、感光基板１８の表面もしくは表面近傍となる位置に、レンズアレイ９０を挿入することで、第５の実施形態と同様の測定が可能となる。また、第５の実施形態と同様の変形例も可能である。
【０１１１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、照明光学系の二次光源の面と感光基板の表面とを光学的に共役な状態にするために、フォトマスク（ピンホールカメラ）１やレンズアレイ９０を用いたが、他のパターン部材を用いても構わない。
【０１１２】
さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０１１３】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【０１１４】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、コストをかけずに照明軸ずれの検査を行える露光装置の検査方法および露光装置を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る露光装置の検査方法において使用するフォトマスクを示す平面図
【図２】検査対象である周知の露光装置内に同フォトマスクをセットした状態を模式的に示す図
【図３】半導体デバイスパターンを露光するときのフォトマスクのパターン面の向きを示す図
【図４】第１の実施形態で用いられる二次光源の照明形状を示す平面図
【図５】１回目および２回目の露光時に二次光源から発した光束の投影光学系の瞳面における位置および絞り位置を示す図
【図６】図４の二次光源の照明形状を用いた場合に感光基板上に形成されるレジストパターンを示す平面図
【図７】変形例の二次光源の照明形状を用いた場合に感光基板上に形成されるレジストパターンを示す平面図
【図８】本発明の第２の実施形態に係る二次光源の照明形状を示す平面図
【図９】図８の二次光源の照明形状を用いた場合に感光基板上に形成されるレジストパターンを示す平面図
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図
【図１２】同露光装置の検査方法において使用する感光基板を示す断面図
【図１３】同感光基板上に形成されるレジストパターンを示す平面図
【図１４】本発明の第５の実施形態に係るレンズアレイを示す側面図および上面図
【図１５】照明光学系の検査をするために同レンズアレイが光経路中に挿入された露光装置を示す図
【図１６】図１４のレンズアレイの変形例を示す側面図および平面図
【図１７】本発明の第６の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図
【図１８】本発明の第７の実施形態に係る露光装置の検査方法を説明するための図
【図１９】露光装置の照明軸ずれの影響を説明するための図
【図２０】従来の照明軸ずれの計測方法で使用されるグレーティングピンホールを示す平面図
【図２１】従来の照明軸ずれの計測方法で形成される感光基板上のパターンを示す平面図
【符号の説明】
１…フォトマスク（パターン部材）
２…円形開口部
３…遮光膜
１１…光源
１２…露光光
１３…照明光学系
１４…二次光源
１５…コンデンサレンズ
１６…マスクステージ（第１の設置手段）
１７…投影光学系
１８，１８’…感光基板
１９…基板ステージ（第２の設置手段）
２１，２２…照明形状
３１，３３…光束位置
３２，３４…絞り位置
４１…内側パターン
４２…外側パターン
４３…投影光学系の絞りの縁の像
５１，５２…照明形状
６１，６２…パターン
６３…仮想的な円
７０…透明基板
７１…フォトレジスト
７２…クロム膜（反射膜）
８１，８２…パターン
８３…投影光学系の絞りの縁の像
９０，９０’…レンズアレイ（パターン部材）
９１…レンズホルダ
９２…レンズ
９３…アーム（待避手段）
【図１】
2004095871.tif 000003
【図２】
2004095871.tif 000004
【図３】
2004095871.tif 000005
【図４】
2004095871.tif 000006
【図５】
2004095871.tif 000007
【図６】
2004095871.tif 000008
【図７】
2004095871.tif 000009
【図８】
2004095871.tif 000010
【図９】
2004095871.tif 000011
【図１０】
2004095871.tif 000012
【図１１】
2004095871.tif 000013
【図１２】
2004095871.tif 000014
【図１３】
2004095871.tif 000015
【図１４】
2004095871.tif 000016
【図１５】
2004095871.tif 000017
【図１６】
2004095871.tif 000018
【図１７】
2004095871.tif 000019
【図１８】
2004095871.tif 000020
【図１９】
2004095871.tif 000021
【図２０】
2004095871.tif 000022
【図２１】
2004095871.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月28日(2003.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】削除
【補正の内容】