(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影光学系によるパターンの像を所定開口で走査することによって得られる光量情報に基づいて、前記投影光学系の光学特性を求める光学特性計測方法において、
前記所定開口の空間周波数の成分を求める第１工程と、
前記光量情報をフーリエ変換して得られる空間周波数の成分を前記第１工程で求められた前記所定開口の空間周波数の成分で補正し、該補正された空間周波数の成分を逆フーリエ変換して回復された強度分布情報に基づいて前記投影光学系の光学特性を求める第２工程とを有することを特徴とする光学特性計測方法。
【請求項２】
前記第１工程は、第１パターンの空間周波数の成分を推定する推定工程と、前記第１パターンの前記投影光学系による像を前記所定開口で走査することによって得られる光量情報をフーリエ変換して空間周波数の成分を実測する実測工程と、前記推定した空間周波数の成分と、前記実測した空間周波数の成分とに基づいて前記所定開口の空間周波数の成分を算出する算出工程とを備えることを特徴とする請求項１に記載の光学特性計測方法。
【請求項３】
前記第１工程は、前記第１パターンの形状誤差の実測値に基づいて空間周波数の成分を推定する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の光学特性計測方法。
【請求項４】
前記第１パターンの形状誤差は、前記第１パターンの回折光の強度情報を用いて求められることを特徴とする請求項３に記載の光学特性計測方法。
【請求項５】
前記第１パターンの形状誤差は、前記第１パターンの空間像をフーリエ変換して得られる空間周波数の成分中の高調波の振幅を用いて求められることを特徴とする請求項３に記載の光学特性計測方法。
【請求項６】
前記第１パターンは、周期的なパターンを有し、
前記第１パターンの形状誤差は、前記第１パターンからの第１組の回折光を用いて形成される像と、前記第１パターンからの前記第１組の回折光とは異なる第２組の回折光を用いて形成される像とに基づいて求められることを特徴とする請求項３に記載の光学特性計測方法。
【請求項７】
前記第１組の回折光を用いて形成される像の所定次数の空間周波数の成分と、前記第２組の回折光を用いて形成される像の前記所定次数の空間周波数の成分とに基づいて前記第１パターンの形状誤差を求めることを特徴とする請求項６に記載の光学特性計測方法。
【請求項８】
前記第１組の回折光は、０次光及び±１次光であり、前記第２組の回折光は、０次光、±１次光、及び±２次光であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学特性計測方法。
【請求項９】
周期性を持つパターンの像を所定開口で走査することによって得られる光量情報に基づいて、前記パターンの形状誤差を求めるパターン誤差計測方法において、
前記所定開口の空間周波数の成分を求める第１工程と、
前記光量情報のうち、前記パターンの像のピッチのｍ倍（ｍは１以上の整数）の領域の情報をフーリエ変換して得られる空間周波数の成分を前記第１工程で求められた前記所定開口の空間周波数の成分で補正し、該補正された空間周波数の成分を逆フーリエ変換して強度分布を回復する第２工程と、
前記第２工程で回復された強度分布を所定の閾値で２値化して得られる情報に基づいて前記パターンの形状誤差を求める第３工程とを有することを特徴とするパターン誤差計測方法。
【請求項１０】
前記パターンを照明する照明光の波長をλ、前記パターンの像を投影する投影光学系の開口数をＮＡ、前記パターンの像のピッチをＰとして、前記第２工程は、前記光量情報のうち、前記パターンの像のピッチのｍ倍の領域の情報を少なくとも１／（ｍ・Ｐ）から２・ＮＡ／λまでの空間周波数域でフーリエ変換する工程を含むことを特徴とする請求項９に記載のパターン誤差計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマスクパターンを基板上に転写するために使用される投影露光装置に搭載される投影光学系の光学特性及びその光学特性計測用のパターンの誤差を計測する際に使用できる計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子、撮像素子（ＣＣＤ等）、液晶表示素子等を製造するためのリソグラフィ工程中で、マスクパターンを投影光学系を介してレジスト（感光材料）が塗布されたウエハ（又はガラスプレート等）上に転写するために、一括露光型及び走査露光型の投影露光装置が使用されている。これらの投影露光装置においては、半導体素子等の集積度が益々向上するのに応じて、転写後の回路パターンの線幅精度をより高めることが求められている。その線幅精度に影響を与える投影光学系の光学特性の一つが、光学的近接効果（Optical Proximity Effect）特性（以下、ＯＰＥ特性という）である。ＯＰＥ特性とは、投影像を現像して得られるレジストパターンの線幅が、そのパターンのピッチに依存して変化することを言う。
【０００３】
従来はＯＰＥ特性を計測するために、実際に特性評価用のパターンの投影像から形成されるレジストパターンの線幅を走査型電子顕微鏡等で計測していた。また、ＯＰＥ特性の計測とは別に、例えば投影像の位置等を計測するために、所定のマーク像をスリットで走査して得られる検出信号を処理する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２１８０２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＯＰＥ特性の計測方法では、レジストの現像及びレジストパターンの線幅計測を行う必要があるため、計測に時間を要するという不都合があった。更に、従来のマーク像をスリットで走査する方法は、スリット幅によって検出信号が変化するため、そのままではＯＰＥ特性の計測への適用は困難であった。
また、ＯＰＥ特性を評価するために使用する特性評価用のパターンの形状が誤差を含む場合には、それが計測誤差を生ずるため、予めその特性評価用のパターンの形状誤差を正確に計測しておくことが望ましい。
【０００５】
本発明は斯かる点に鑑み、ＯＰＥ特性のような光学特性を効率的に、かつ高精度に計測できる光学特性計測技術を提供することを第１の目的とする。
さらに本発明は、そのような光学特性を計測する際に使用できるパターンの誤差を高精度に計測できるパターン誤差計測技術を提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による光学特性計測方法は、投影光学系（ＰＬ）によるパターンの像を所定開口（１２２）で走査することによって得られる光量情報に基づいて、その投影光学系の光学特性を求める光学特性計測方法において、その所定開口の空間周波数の成分を求める第１工程と、その光量情報をフーリエ変換して得られる空間周波数の成分をその第１工程で求められたその所定開口の空間周波数の成分で補正し、該補正された空間周波数の成分を逆フーリエ変換して回復された強度分布情報に基づいてその投影光学系の光学特性を求める第２工程とを有するものである。
【０００７】
本発明によれば、空間像をその所定開口で走査して得られる光量情報に基づいて、効率的にＯＰＥ特性のような光学特性を計測できる。また、その所定開口の空間周波数の成分を予め求めておくことによって、光学特性の計測精度が向上する。
また、本発明によるパターン誤差計測方法は、周期性を持つパターン（ＰＭ）の像を所定開口（１２２）で走査することによって得られる光量情報に基づいて、そのパターンの形状誤差を求めるパターン誤差計測方法において、その所定開口の空間周波数の成分を求める第１工程と、その光量情報のうち、そのパターンの像のピッチのｍ倍（ｍは１以上の整数）の領域の情報をフーリエ変換して得られる空間周波数の成分をその第１工程で求められたその所定開口の空間周波数の成分で補正し、該補正された空間周波数の成分を逆フーリエ変換して強度分布を回復する第２工程と、その第２工程で回復された強度分布を所定の閾値で２値化して得られる情報に基づいてそのパターンの形状誤差を求める第３工程とを有するものである。本発明によれば、空間周波数の成分が既知の所定開口を用いることによって、そのパターンの形状誤差を高精度に計測できる。
【０００８】
また、本発明による光学特性計測方法において、一例として、その第１工程は、第１パターンの空間周波数の成分を推定する推定工程と、その第１パターンのその投影光学系による像をその所定開口で走査することによって得られる光量情報をフーリエ変換して空間周波数の成分を実測する実測工程と、その推定した空間周波数の成分と、その実測した空間周波数の成分とに基づいてその所定開口の空間周波数の成分を算出する算出工程とを備えるものである。
このとき、その第１工程は、その第１パターンの形状誤差の実測値に基づいて空間周波数の成分を推定する工程を含むことができる。
さらに、その第１パターンが、周期的なパターン（ＰＭ）を有するとき、その第１パターンの形状誤差を、その第１パターンからの第１組の回折光を用いて形成される像と、前記第１パターンからの前記第１組の回折光とは異なる第２組の回折光を用いて形成される像とに基づいて求めるようにしてもよい。このとき、その第１パターンの形状誤差に応じてその２組の回折光の光量等が変化するため、その２組の回折光から形成される像に基づいてその形状誤差を高精度に計測できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい実施形態の一例につき図面を参照して説明する。
図１は、本例のスキャニングステッパー型の投影露光装置１０の概略構成を示す。図１において、投影露光装置１０は、レーザビームＬＢを発生する光源１４（露光光源）、照明光学系１２、マスクとしてのレチクルＲを保持して移動するレチクルステージＲＳＴ、投影光学系ＰＬ、ウエハＷ（基板）を保持して移動するウエハステージＷＳＴ、及びこれらを制御する主制御装置５０等を備えている。光源１４として、ＡｒＦエキシマレーザ光源（発振波長１９３ｎｍ）が用いられているが、その代わりに、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、Ｆ2 レーザ（波長１５７ｎｍ）、固体レーザ（半導体レーザ等）の高調波発生装置、又は水銀ランプ等も使用できる。
【００１０】
照明光学系１２は、ビーム整形光学系１８、オプティカル・インテグレータとしてのフライアイレンズ２２、照明系開口絞り板２４、リレーレンズ２８Ａ及び２８Ｂから成るリレー光学系、照明領域の形状を規定する固定レチクルブラインド３０Ａ、走査露光中に不要な部分への露光を防止するための可動レチクルブラインド３０Ｂ、ミラーＭ、並びにコンデンサレンズ３２等を備えている。以下では、フライアイレンズ２２から射出されるレーザビームＬＢを、露光ビームとしての照明光ＩＬと呼ぶ。
【００１１】
光源１４及び照明光学系１２は、後述の空間像計測時の照明系としても使用される。照明系開口絞り板２４は、フライアイレンズ２２の射出側焦点面の近傍の照明光学系の瞳面上に配置され、ほぼ等角度間隔で、例えば通常照明用、輪帯照明用、変形照明（２極照明等）用等の複数の開口絞りが配置されている。主制御装置５０が駆動装置４０を介して照明系開口絞り板２４を回転することで、照明条件を設定できる。また、照明系開口絞り板２４の射出面側に配置されたビームスプリッタ２６で反射された照明光ＩＬは、集光レンズ４４を介して受光素子から成るインテグレータセンサ４６に入射する。インテグレータセンサ４６の検出信号が信号処理装置８０を介して主制御装置５０に供給され、その検出信号に基づいて、例えばウエハＷに対する露光量制御が行われる。
【００１２】
そして、露光時に照明光学系１２から射出された照明光ＩＬは、レチクルＲのパターン面（下面）の照明領域ＩＡＲを均一な照度分布で照明する。照明光ＩＬのもとで、レチクルＲのパターンは、両側（又はウエハ側に片側）テレセントリックの投影光学系ＰＬを介して、例えば１／４又は１／５等の投影倍率で、レジスト（感光材料）が塗布されたウエハＷ上の露光領域ＩＡに投影される。また、図２に示すように、投影光学系ＰＬの瞳面ＰＰの近傍には、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡを制御するための可変開口絞りＡＳが配置されている。以下、投影光学系ＰＬの光軸ＡＸに平行な方向にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内で図１の紙面に垂直な方向にＸ軸を、図１の紙面に平行な方向にＹ軸を取って説明する。本例では、走査露光時のレチクルＲ及びウエハＷの走査方向はＹ方向であり、照明領域ＩＡＲ及び露光領域ＩＡはそれぞれ走査方向に直交する非走査方向（Ｘ方向）に細長い領域である。
【００１３】
図１において、レチクルステージＲＳＴ上には、レチクルＲが例えば真空吸着により固定されている。レチクルステージＲＳＴは、リニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系５６Ｒにより、レチクルベースＲＢＳ上のＸＹ平面内で２次元的に（Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ軸回りの回転方向に）微少駆動可能であるとともに、レチクルベースＲＢＳ上をＹ方向に指定された走査速度で移動可能である。
【００１４】
また、レチクルステージＲＳＴ上には、レーザ干渉計（以下、「レチクル干渉計」という）５４Ｒからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｒが固定されており、レチクルステージＲＳＴのＸＹ平面内の位置はレチクル干渉計５４Ｒによって、例えば０．１〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計５４ＲからのレチクルステージＲＳＴの位置情報は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に送られる。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示により、レチクルステージ駆動系５６Ｒを介してレチクルステージＲＳＴの移動を制御する。
【００１５】
また、レチクルステージＲＳＴの−Ｙ方向の端部近傍には、空間像計測用のマークが形成されたレチクルマーク板ＲＦＭが、レチクルＲと並ぶように配置されている。なお、その空間像計測用のマークは、レチクルＲのパターン領域の一部に形成しておいてもよい。
図１において、ウエハステージＷＳＴは、ＸＹステージ４２と、このＸＹステージ４２上に搭載されたＺチルトステージ３８とを含んで構成されている。ＸＹステージ４２は、ウエハベース１６上でウエハステージ駆動系５６Ｗを構成する不図示のリニアモータ等によってＸ方向及びＹ方向に２次元的に駆動される。Ｚチルトステージ３８上にウエハホルダ２５を介してウエハＷが真空吸着等により保持されている。Ｚチルトステージ３８は、照射系６０ａと受光系６０ｂとを含むオートフォーカスセンサの計測結果に基づいて、ウエハＷ又は後述のスリット板９０の表面を投影光学系ＰＬの像面に合わせ込む。
【００１６】
図１において、Ｚチルトステージ３８上には、レーザ干渉計（以下、「ウエハ干渉計」という）５４Ｗからのレーザビームを反射する移動鏡５２Ｗが固定されている。ウエハ干渉計５４Ｗによって、Ｚチルトステージ３８（ウエハステージＷＳＴ）のＸ方向、Ｙ方向の位置が、例えば０．１〜１ｎｍ程度の分解能で常時検出される。さらに、ウエハ干渉計の計測値に基づいて、Ｚチルトステージ３８のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の周りの回転角も計測され、ウエハステージＷＳＴの位置及び回転角の情報は、ステージ制御装置７０、及びこれを介して主制御装置５０に供給される。ステージ制御装置７０は、主制御装置５０の指示に応じてウエハステージ駆動系５６Ｗを介してウエハステージＷＳＴのＸＹ平面内の位置を制御する。また、投影光学系ＰＬの側面には、ウエハＷのアライメント用のオフ・アクシス方式のアライメントセンサＡＬＧが設けられている。
【００１７】
露光時には、主制御装置５０の制御のもとで、照明光ＩＬを照射した状態で、レチクルステージＲＳＴ及びウエハステージＷＳＴを駆動して、レチクルＲ及びウエハＷをＹ方向に投影光学系ＰＬの投影倍率を速度比として同期して移動する走査露光動作と、照明光ＩＬの照射を停止して、ウエハステージＷＳＴを駆動してウエハＷをＸ方向、Ｙ方向にステップ移動する動作とがステップ・アンド・スキャン方式で繰り返されて、ウエハＷ上の各ショット領域に順次レチクルＲのパターンの像が露光される。
【００１８】
次に、本例の投影露光装置において、投影光学系ＰＬの光学特性としてのＯＰＥ（Optical Proximity Effect）特性を計測する方法の一例につき説明する。ＯＰＥ特性は、一例として、線幅が同じでピッチが異なる複数のマークを投影光学系ＰＬを介して投影したときに、各マーク像（例えばレジストパターン）の線幅の設計上の線幅に対する誤差とピッチとの関係で表される。そのために、ウエハベース１６上に空間像計測装置５９が備えられ、空間像計測装置５９を構成する光学系の一部がＺチルトステージ３８の内部に配置されている。
【００１９】
図２は、空間像計測装置５９を示す一部を切り欠いた図であり、この図２において、空間像計測装置５９は、Ｚチルトステージ３８に設けられたステージ側構成部分、即ちスリット板９０、レンズ８４，８６から成るリレー光学系、光路折り曲げ用のミラー８８、送光レンズ８７と、ウエハステージＷＳＴ外部に設けられたステージ外構成部分、即ちミラー９６、受光レンズ８９、例えば光電子増倍管からなる光電センサ９４とを含んでいる。受光レンズ８９及び光電センサ９４は、ウエハベース１６に固定されたコラムに、連結部材９３を介して固定された円筒状部材９２中に収納され、ミラー９６も不図示の連結部材を介してその円筒状部材９２に固定されている。
【００２０】
これを更に詳述すると、スリット板９０は、ウエハステージＷＳＴのＺチルトステージ３８上に設けられて上部に開口が形成された突設部５８に対し、その開口を覆う状態で上方から嵌め込まれている。スリット板９０は、ＸＹ平面に平行な平板状の照明光ＩＬを透過するガラス基板８２の上面に遮光膜を兼ねる反射膜８３を形成して構成され、その反射膜８３の一部に、図３（Ａ）に示すように、Ｙ方向の幅２Ｄのスリット状の開口パターン（以下、スリットと呼ぶ）１２２が形成されている。
【００２１】
また、図２の状態では、照明光ＩＬの照明領域に、レチクルマーク板ＲＦＭにＹ方向に所定ピッチで形成されたライン・アンド・スペースパターンよりなる計測用マークＰＭ（特性計測用のパターン）が位置しており、そのマークの投影光学系ＰＬによる像がスリット板９０上に投影されている。なお、レチクルマーク板ＲＦＭには、計測用マークＰＭと同一又は異なる線幅でピッチが異なる多数のマーク（不図示）も形成されている。以下の説明では、計測用マークＰＭの線幅及びピッチ等のデータは、投影光学系ＰＬによる投影像での値とする。そして、ウエハステージＷＳＴを駆動して、図３（Ａ）に示すように、計測用マークＰＭの像ＰＭ’に対してスリット１２２を矢印Ｆで示すＹ方向（−Ｙ方向でもよい）に走査しながら、スリット１２２を通過した光束を、図２のレンズ８４、ミラー８８、レンズ８６、送光レンズ８７、ミラー９６、受光レンズ８９を介して光電センサ９４で受光し、光電センサ９４の検出信号Ｓ３を図１の信号処理装置８０に供給する。信号処理装置８０では、検出信号Ｓ３をウエハステージＷＳＴのＹ座標に対応させてデジタルデータであるＳ３（Ｙ）として取り込み、後述の演算処理を行うことによって、計測用マークＰＭの像の強度分布（光強度分布）を復元する。
【００２２】
先ず、本例のＯＰＥ特性計測の基本的な動作につき説明する。そのために、或る時点での図２のスリット１２２（所定開口）の透過率分布Ｓ２（Ｙ）を、図３（Ｄ）に示すように、Ｙ方向の幅が２Ｄの範囲内で１、それ以外では０であるとする。また、図２の計測用マークＰＭの投影光学系ＰＬによる像ＰＭ’の強度分布を、図３（Ｃ）のピッチＰの強度分布Ｓ１（Ｙ）（実際には投影光学系ＰＬのＯＰＥ特性を含む光学特性の影響でより正弦波に近い波形となる）とすると、図２の検出信号Ｓ３（Ｙ）（光量分布情報）は、所定の比例係数を除いて以下のように強度分布Ｓ１（Ｙ）と透過率分布Ｓ２（Ｙ）とのコンボリューションで表される。なお、積分記号∫の積分範囲は−∞から＋∞である。
【００２３】
Ｓ３（Ｙ）＝∫Ｓ２（Ｙ−ｕ）・Ｓ１（ｕ）ｄｕ  …（１）
即ち、スリット１２２の幅２Ｄの影響によって、図３（Ｂ）に示すように、検出信号Ｓ３（Ｙ）は、像ＰＭ’の強度分布Ｓ１（Ｙ）に対して鈍った波形となる。この場合、像ＰＭ’のＹ軸の空間周波数をｆ［cycle ／μｍ］（１μｍ当たりの明部又は暗部の本数）として、強度分布Ｓ１（Ｙ）、透過率分布Ｓ２（Ｙ）、及び検出信号Ｓ３（Ｙ）をＹ座標に関してフーリエ変換して得られるフーリエ関数（空間周波数の成分）をそれぞれＦＳ１（ｆ）、ＦＳ２（ｆ）、及びＦＳ３（ｆ）とすると、周知のコンボリューション定理から所定の比例係数を除いて次のようになる。図１の信号処理装置８０では、（１）式の検出信号Ｓ３（Ｙ）を離散フーリエ変換することによって、フーリエ関数ＦＳ３（ｆ）を計算することができる。
【００２４】
ＦＳ３（ｆ）＝ＦＳ１（ｆ）・ＦＳ２（ｆ）      …（２）
本例では一例として予め透過率分布Ｓ２（Ｙ）のフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）を求めておき、その逆数の関数を装置関数として例えば図１のメモリ５１に記憶しておく（第１工程）。なお、図２のスリット１２２の後に続く光学系の開口数によっても空間像計測装置５９の空間周波数特性は変わるので、フーリエ関数ＦＳ２（ｆ）は、その光学系の開口数も考慮して求めることが望ましい。その後のＯＰＥ特性の計測時に、信号処理装置８０では、（２）式のフーリエ関数ＦＳ３（ｆ）にその装置関数（１／ＦＳ２（ｆ））を乗じて得られる関数ＦＳ３（ｆ）／ＦＳ２（ｆ）を逆フーリエ変換することによって、次のように像ＰＭ’の強度分布Ｓ１（Ｙ）を回復する（第２工程の前半部）。なお、次式において、記号ｉｎｖＦは逆フーリエ変換を意味する。
【００２５】
ｉｎｖＦ（ＦＳ３（ｆ）／ＦＳ２（ｆ））＝ｉｎｖＦ（ＦＳ１（ｆ））
＝Ｓ１（Ｙ）    …（３）
なお、図２の投影光学系ＰＬの像の空間数周波数の最大値は、投影光学系ＰＬの開口数ＮＡ及び照明光の波長λを用いて２ＮＡ／λである。また、（３）式の計算は、実際にはデジタル処理によって離散的に計算されるため、像ＰＭ’のピッチをＰ、所定の１以上の整数をｍ、整数よりなる変数をｉとして、フーリエ関数ＦＳ２（ｆ），ＦＳ３（ｆ）は、一例として幅Ｐ（又はｍ・Ｐ）の領域において、空間周波数がｉ／Ｐ（又はｉ／ｍＰ）の離散的な位置で計算される。なお、変数ｉの初期値は１、最大値はＩ（又はＩ’）であり、空間周波数の最大値Ｉ／Ｐ（又はＩ’／ｍＰ）は、次のように２ＮＡ／λ以下の最大値である。なお、（３）式のような演算処理の一例が、特開２００２−１４００５号公報、特開２００３−２１８０２４号公報にも開示されている。また、これらの公報の開示である、フーリエ関数ＦＳ２（ｆ），ＦＳ３（ｆ）を計算する際に用いる関数が位置Ｙに関して不等間隔でもよいことは、本例にも適用できる。
【００２６】
Ｉ／Ｐ（又はＩ’／ｍＰ）≦  ２・ＮＡ／λ    …（４）
その回復された強度分布Ｓ１（Ｙ）を所定の閾値で２値化することによって、像ＰＭ’の各明部のＹ方向の線幅を求めることができる。その線幅は主制御装置５０に供給され、主制御装置５０において、例えばその線幅の平均値を計測用マークＰＭのピッチの関数として表すことによって、投影光学系ＰＬのＯＰＥ特性が求められる（第２工程の後半部）。
【００２７】
次に、（２）式におけるスリット１２２のフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）を求める方法につき説明する。第１の方法は、スリット１２２の幅２Ｄを例えば走査型電子顕微鏡等で実測しておき、その幅２Ｄ、図２の空間像計測装置５９内の光学系の開口数、及び照明光の波長λのデータを用いて、理論的にフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）を計算するものである。
第２の方法は、予め図２の計測用マークＰＭのフーリエ関数ＦＳ１（ｆ）を理論的に計算（推定）しておき、その投影光学系ＰＬによる像をスリット１２２で走査して得られる検出信号Ｓ３（Ｙ）を求め、これをフーリエ変換してフーリエ関数ＦＳ３（ｆ）を求め（実測し）、（２）式からスリット１２２のフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）を算出するものである。この場合の計算は、上記のように空間周波数がｉ／Ｐ（又はｉ／ｍＰ）で２・ＮＡ／λ以下の離散的な位置で行われる。また、フーリエ関数は、振幅成分と位相成分とを有するが、近似的に振幅成分（いわゆる空間周波数特性）のみを用いて計算を行ってもよい。
【００２８】
そのようにフーリエ関数を計算する（フーリエ関数が既知の）マークとしては、形状が単純なデューティー５０％のライン・アンド・スペースパターンが望ましい。その計算に際しては、投影光学系ＰＬとともに、図２の空間像計測装置５９内の光学系も含めた光学シミュレーションを行うことが望ましい。
図４の実線のフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）はそのように計算された関数の一例を示し、この図４において、横軸は空間周波数ｆ［cycle ／μｍ］、縦軸はその関数の振幅Ｐである。その関数ＦＳ２（ｆ）の逆数の関数１／ＦＳ２（ｆ）が装置関数として記憶される。
【００２９】
上述のように、予め図２の計測用マークＰＭのフーリエ関数ＦＳ１（ｆ）を理論的に計算しておく際に、そのマークの形状誤差（製造誤差）を計測しておくことが望ましい。通常、レチクルマーク板ＲＦＭ又はレチクル上の周期的マークのピッチ誤差は十分小さく、線幅誤差を計測すれば十分である。これは、現像プロセスでの誤差、電子線描画装置のビームサイズの誤差などで線幅が変化するのに対し、パターンピッチは電子線描画装置の描画位置決定精度にのみ依存するためである。計測用マークＰＭは、通常一辺が数μｍ〜数１０μｍ程度の微小領域内に描画される。このような微小領域内での描画位置決定精度は通常非常に小さい。
【００３０】
一例として、計測用マークの設計上の線幅がデューティー５０％、つまり遮光領域と透過領域との幅が等しいマークの場合、そのマークのデューティーが設計値である５０％からどの程度ずれているかを以下の手法で実測する。
１）２次高調波振幅による計測
図２に示すように、設計上でデューティー５０％の計測用マーク（ＰＭとする）の像を投影光学系ＰＬを介して投影する際に、可変開口絞りＡＳを制御することで、０次光Ｄ０及び±１次光Ｄ（−１），Ｄ（＋１）の３光束干渉状態と、０次光Ｄ０、±１次光Ｄ（−１），Ｄ（＋１）、及び±２次光Ｄ（−２），Ｄ（＋２）の５光束干渉状態との２つの結像状態を順次設定する。デューティーが正確に５０％のマークでは、製造誤差がなければ２次以上の偶数次の回折光は発生しないため、その２つの結像状態でスリット１２２を走査して得られる検出信号Ｓ３から２次高調波を求め、それらの振幅の実測値を設計値（シミュレーションの値）と比較することで、デューティーの５０％からのずれ量、ひいてはそのマークの線幅が推定できる。
【００３１】
その２つの結像状態で検出信号Ｓ３を求める際に、スリット板９０のフォーカス位置（Ｚ位置）を変えながら、２次高調波の振幅が最大になるときの値を採用することで、偶関数成分の収差の影響を受けずに正確な線幅の計測が行える。同様に、そのシミュレーションの際も２次高調波が最大となるフォーカス位置で計算を行うことが望ましい。
２）回折光強度による計測
例えば図２の計測用マークＰＭの形状誤差を計測する際に、図１の照明光学系１２からの照明光の主光線の傾斜角（テレセントリシティ）の調整と図２の投影光学系ＰＬの可変開口絞りＡＳの調整とによって、計測用マークＰＭからの所望の次数の回折光だけを投影光学系ＰＬ内を通過させて、ウエハステージＷＳＴ上の光電センサ（不図示）によってその回折光の強度を計測する。例えば２次回折光の強度を、同じピッチで線幅を次第に変えてシミュレーションを行って計算した２次回折光の強度と比較することで、計測用マークＰＭの線幅を求めることができる。
【００３２】
３）スリット１２２（所定開口）の既知のフーリエ関数を用いる方法
上述のように予めデューティー５０％のマークを用いてスリット１２２のフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）を求めておき（第１工程）、次に計測対象のマークの像をスリット１２２で走査して検出信号Ｓ３（光量情報）を求め、その像のピッチのｍ倍（ｍは１以上の整数）の領域の情報を１／（ｍ・Ｐ）から２・ＮＡ／λまでの空間周波数域でフーリエ変換して得られるフーリエ関数ＦＳ３（ｆ）に、（３）式のようにそのフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）の逆数の関数を乗じて得られる関数を逆フーリエ変換して強度分布Ｓ１（Ｙ）を回復する（第２工程）。その後、回復された強度分布を所定の閾値で２値化して得られる波形に基づいてそのパターンの形状誤差を求める（第３工程）。
【００３３】
４）コマ収差に対する高調波の位相ずれ量の計測
コマ収差の量を空間像の基本波と高調波との位相ずれ量から計測する方法、及びパターンの線幅によってコマ収差の位相差の発生量が異なることも知られている（例えば、特開２００３−２１８０２４号公報参照）。そこで、本例においても、図２の計測用マークＰＭの空間像から基本波と高調波との位相ずれ量を求め、その位相ずれ量からコマ収差を求め、このコマ収差から線幅を推定することができる。なお、このコマ収差はスリット１２２の幅に依存しないので、高精度にパターンの線幅を推定できる。
【００３４】
５）走査型電子顕微鏡によって直接パターン線幅を計測してもよい。
６）図２の投影光学系ＰＬの可変開口絞りＡＳを絞って、計測用マークＰＭからの０次光のみを投影光学系ＰＬを通過させて、０次光の強度の計測値をシミュレーション結果と比較することによってパターン線幅を推定してもよい。
以上に挙げる線幅計測方法のいずれかによって、線幅を計測した後（方法３）を除く）、スリット１２２のフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）を求めることが望ましい。このようにして求められたフーリエ関数ＦＳ２（ｆ）の一例が、図４のフーリエ関数ＦＳ２Ａ（ｆ）として示されている。
【００３５】
次に、図４の装置関数（１／ＦＳ２（ｆ））を用いて実際に像回復を行ったシミュレーション結果を図５〜図８に示す。
図５は、像のピッチＰ１が３５０ｎｍ程度でデューティーが５０％程度の、透過光の設計上の強度分布がＳ１で表される周期的な計測用マークのシミュレーション結果を示し、その横軸はＹ座標［μｍ］、縦軸は光強度又は検出信号の相対値である。その計測用マークの像の周期方向の幅は、数μｍ〜数１０μｍである。図６は、図５の中央の２μｍ幅の領域の拡大図であり、図５及び図６において、検出信号Ｓ３は、その計測用マークの像を図２のスリット１２２で走査して得られる光量分布に対応しており、強度分布Ｓ４は、検出信号Ｓ３のフーリエ関数を（３）式に代入して逆フーリエ変換を行うことによって回復される（３）式のＳ１（Ｙ）に対応している。
【００３６】
その計算に際しては、図６（図５の中央部）の検出信号Ｓ３は正確にピッチＰ１の周期パターンの一部とみなせるため、一例として、そのピッチＰ１の範囲において、空間周波数が１／Ｐ１からＩ１／Ｐ１≦２ＮＡ／λ（Ｉ１はその範囲での最大の整数）までの範囲で１／Ｐ１間隔で計算を行えばよい。この際にピッチＰ１は、検出信号Ｓ３を適当な閾値Ｔｈ１で２値化し、２値化波形の立ち上がりエッジ若しくは立ち下がりエッジの平均ピッチとして求めるか、又は設計値を用いても良い。また、ｎ１を２以上の整数として、ｎ１個のピッチＰ１の波形を平均化した波形をフーリエ変換してもよい。この場合、平均化効果によって電気的及び光学的なノイズが除去できるため、精度が向上する。
【００３７】
また、図５の全体の強度分布Ｓ１に対応するマーク像の回復を行い、長周期の線幅変化も計測したい場合は、前述の方法でピッチＰ１を求め、整数ｍ（図５及び図６では２以上の整数）を用いてＰ１・ｍの領域で、空間周波数が０から２ＮＡ／λまでの範囲で１／（ｍ・Ｐ１）間隔で計算を行ってから、強度分布Ｓ４を回復すればよい。この計算に際して、図４の装置関数（１／ＦＳ２（ｆ））については、最初から１／（ｍ・Ｐ１）間隔で計算しておいてもよいが、計算量を少なくするために、１／Ｐ１間隔で計算してあったデータを補間して用いてもよい。
【００３８】
その回復された強度分布Ｓ４をレジストの感光レベルに対応する閾値Ｔｈ２で２値化し、２値化信号の立ち下がりエッジと立ち上がりエッジとの間隔、即ちレジストパターンの線幅を計測する。以上の線幅計測を様々なピッチの計測用マークについて行うことで、図１の投影光学系ＰＬのＯＰＥ特性が計測ができる。
次に、図７は、像のピッチＰ２が５００ｎｍ程度でデューティーが５０％から外れているとともに、透過光の設計上の強度分布がＳ１Ａで表される周期的な計測用マークのシミュレーション結果を示し、図８は、図７の中央の２μｍ幅の領域の拡大図であり、図７及び図８において、検出信号Ｓ３Ａは、その計測用マークの像を図２のスリット１２２で走査して得られる光量分布に、強度分布Ｓ４Ａは、検出信号Ｓ３Ａのフーリエ関数を（３）式に代入して逆フーリエ変換を行うことによって回復される（３）式のＳ１（Ｙ）に対応している。
【００３９】
その回復に際しても、図８の閾値Ｔｈ３でピッチＰ２を決定し、ピッチＰ２の範囲、又はＰ２・ｍの範囲で、１／Ｐ２間隔又は１／（ｍ・Ｐ２）間隔の空間周波数で計算を行って、強度分布Ｓ４Ａを回復すればよい。その後、回復された強度分布Ｓ４Ａをレジストの感光レベルである閾値Ｔｈ４で２値化して、レジストパターンの線幅を求めることができる。
【００４０】
また、上記実施形態は、本発明を走査露光型の投影露光装置の投影光学系の光学特性を計測する場合に適用したものであるが、本発明は、ステッパー等の一括露光型の投影露光装置や、例えば国際公開第９９／４９５０４号パンフレットに開示されている液浸型露光装置で投影光学系の光学特性を計測する場合にも適用できる。このように本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、半導体デバイス等を製造する際に使用される投影露光装置の投影光学系の光学特性を計測する際に使用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態の一例の投影露光装置を示す図である。
【図２】図１の投影露光装置に備えられた空間像計測装置を示す図である。
【図３】図２のスリット１２２及び検出信号Ｓ３の説明図である。
【図４】本発明の実施形態で像回復を行うために用いる装置関数の一例を示す図である。
【図５】ピッチＰ１の計測用マークの像の検出信号等を示す図である。
【図６】図５の中央部を示す拡大図である。
【図７】ピッチＰ２の計測用マークの像の検出信号等を示す図である。
【図８】図７の中央部を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００４３】
１２…照明光学系、１４…光源、ＰＬ…投影光学系、５０…主制御装置、５９…空間像計測装置、８０…信号処理装置、９０…スリット板、１２２…スリット、ＲＦＭ…レチクルマーク板、ＰＭ…計測用マーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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