(57)【要約】【課題】  基板の各々の測定点（繰り返しパターン）における線幅の測定を短時間で簡単に行える線幅測定装置、線幅測定方法、およびレチクルを提供する。【解決手段】  基板の被検査面のうち、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された第１領域３１と、このパターンのライン部３Ａと同じ材料の第２領域３２と、パターンのスペース部３Ｂと同じ材料の第３領域３３に対して、所定光量の照明光を照射する照明手段と、照明手段により照明されているときに、第１領域と第２領域と第３領域の各々の明るさを検出する検出手段と、検出手段により検出された各々の明るさに基づいて、第１領域に形成されたパターンのライン部３Ａとスペース部３Ｂとの比率を算出する算出手段とを備える。【選択図】      図２
2005201683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の被検査面のうち、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された第１領域と、前記パターンのライン部と同じ材料の第２領域と、前記パターンのスペース部と同じ材料の第３領域に対して、所定光量の照明光を照射する照明手段と、
前記照明手段により照明されているときに、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域の各々の明るさを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記各々の明るさに基づいて、前記第１領域に形成された前記パターンの前記ライン部と前記スペース部との比率を算出する算出手段とを備えた
ことを特徴とする線幅測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の線幅測定装置において、
前記パターンのピッチに関する設計情報を用い、前記比率を前記ライン部の線幅に換算する換算手段をさらに備えた
ことを特徴とする線幅測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の線幅測定装置において、
前記照明手段は、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域に対して、同じ光量の照明光を照射し、
前記算出手段は、前記検出手段により検出された前記各々の明るさを比較して、前記比率を算出する
ことを特徴とする線幅測定装置。
【請求項４】
基板の被検査面のうち、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された第１領域と、前記パターンのライン部と同じ材料の第２領域と、前記パターンのスペース部と同じ材料の第３領域に対して、所定光量の照明光が照射されているときに、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域の各々の明るさを検出し、
前記各々の明るさに基づいて、前記第１領域に形成された前記パターンの前記ライン部と前記スペース部との比率を算出する
ことを特徴とする線幅測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の線幅測定方法において、
前記パターンのピッチに関する設計情報を用い、前記比率を前記ライン部の線幅に換算する
ことを特徴とする線幅測定方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の線幅測定方法において、
前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域に対して、同じ光量の照明光が照射されているときに、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域の各々の明るさを検出し、
前記各々の明るさを比較して、前記比率を算出する
ことを特徴とする線幅測定方法。
【請求項７】
線幅測定用のパターン領域を有するレチクルであって、
前記パターン領域には、ライン状の遮光部と光透過部とが各々の幅方向を揃えて交互に配列された矩形状の第１領域と、矩形状の遮光部からなる第２領域と、矩形状の光透過部からなる第３領域とが、隣接して配置されている
ことを特徴とするレチクル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上の繰り返しパターンの線幅検査に用いられる線幅測定装置、線幅測定方法、およびレチクルに関し、特に、半導体回路素子などの製造工程におけるレジスト層の繰り返しパターンの線幅検査に好適な線幅測定装置、線幅測定方法、およびレチクルに関する。
【背景技術】
【０００２】
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レジスト層の繰り返しパターンの線幅検査が行われる。繰り返しパターンとは、配線パターンなどのライン・アンド・スペース状のパターンのことである。また、線幅検査には、一般に、ＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension Scanning Electron Microscope）が用いられる（例えば特許文献１を参照）。ＣＤ−ＳＥＭは、繰り返しパターンを電子線で走査して、そのライン部の線幅を測定する装置である。
【特許文献１】特開２００１−２７３８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ＣＤ−ＳＥＭでは、各々の測定点ごとに電子線の走査を行うため、１つの測定値（ライン部の線幅）を得るだけでも長い時間が掛かってしまう。したがって、工場運用上は測定点数を減らし、最低限の測定点のみで順に線幅を測定していた。
本発明の目的は、基板の各々の測定点（繰り返しパターン）における線幅の測定を短時間で簡単に行える線幅測定装置、線幅測定方法、およびレチクルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の線幅測定装置は、基板の被検査面のうち、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された第１領域と、前記パターンのライン部と同じ材料の第２領域と、前記パターンのスペース部と同じ材料の第３領域に対して、所定光量の照明光を照射する照明手段と、前記照明手段により照明されているときに、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域の各々の明るさを検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記各々の明るさに基づいて、前記第１領域に形成された前記パターンの前記ライン部と前記スペース部との比率を算出する算出手段とを備えたものである。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の線幅測定装置において、前記パターンのピッチに関する設計情報を用い、前記比率を前記ライン部の線幅に換算する換算手段をさらに備えたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の線幅測定装置において、前記照明手段は、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域に対して、同じ光量の照明光を照射し、前記算出手段は、前記検出手段により検出された前記各々の明るさを比較して、前記比率を算出するものである。
【０００６】
請求項４に記載の線幅測定方法は、基板の被検査面のうち、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された第１領域と、前記パターンのライン部と同じ材料の第２領域と、前記パターンのスペース部と同じ材料の第３領域に対して、所定光量の照明光が照射されているときに、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域の各々の明るさを検出し、前記各々の明るさに基づいて、前記第１領域に形成された前記パターンの前記ライン部と前記スペース部との比率を算出するものである。
【０００７】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の線幅測定方法において、前記パターンのピッチに関する設計情報を用い、前記比率を前記ライン部の線幅に換算するものである。
請求項６に記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の線幅測定方法において、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域に対して、同じ光量の照明光が照射されているときに、前記第１領域と前記第２領域と前記第３領域の各々の明るさを検出し、前記各々の明るさを比較して、前記比率を算出するものである。
【０００８】
請求項７に記載の発明は、線幅測定用のパターン領域を有するレチクルであって、前記パターン領域には、ライン状の遮光部と光透過部とが各々の幅方向を揃えて交互に配列された矩形状の第１領域と、矩形状の遮光部からなる第２領域と、矩形状の光透過部からなる第３領域とが、隣接して配置されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、基板の各々の測定点（繰り返しパターン）における線幅の測定を短時間で簡単に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の線幅測定装置１０は、図１に示す通り、基板１１を支持するステージ１２と、基板１１に照明光Ｌ１を照射する照明系(１３〜１６)と、基板１１の光学像を形成する結像系(１６,１７)と、撮像素子１８と、観察用のＴＶモニタ１９と、信号処理部(２０,２１)と、制御部(２２〜２４)とで構成される。基板１１は、半導体ウエハや液晶基板であり、レジスト層に対する露光・現像後で、かつ、被加工層に対するエッチング加工前の状態にある。線幅測定装置１０は、半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程において、基板１１のレジスト層の繰り返しパターンの線幅検査に用いられる。
【００１１】
線幅測定装置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の表面（被検査面）には、予め指定された多数の箇所に、図２(ａ)〜(ｃ)に示す線幅測定用のパターン領域３０が形成されている。図２(ａ),(ｂ)は、パターン領域３０の上面図,断面図である。図２(ｃ)は図２(ｂ)の一部を拡大した図である。基板１１の被検査面の中でパターン領域３０の形成箇所は、例えば基板１１が製品基板の場合、ダイシング用のスクライブ領域内（実パターンを有するチップ領域どうしの間隙部）である。基板１１がテスト基板の場合には、任意の箇所にパターン領域３０が形成される。詳細は後述するように、線幅測定装置１０による線幅測定は、各々のパターン領域３０ごとに順に行われる。
【００１２】
ここで、パターン領域３０の形成に用いられるレチクルの説明を行う。レチクルには、図３に示す線幅測定用のパターン領域４０が少なくとも１つ形成されている。パターン領域４０の形成箇所は、例えば製造用レチクルの場合、スクライブ領域内である。テストレチクルの場合、任意である（例えば全面）。なお、製造用レチクルの場合には、チップ領域内に実パターンも形成されている。
【００１３】
また、レチクルのパターン領域４０には、ライン状の遮光部４Ａと光透過部４Ｂとが各々の幅方向を揃えて交互に配列された矩形状の領域４１と、矩形状の遮光部４Ｃからなる領域４２と、矩形状の光透過部４Ｄからなる領域４３とが、隣接して配置されている。本実施形態において、領域４１〜４３は、略同じ面積を有する。図３では、遮光部４Ａ,４Ｃにハッチングを付した。
【００１４】
このようなパターン領域４０を有するレチクルを用いて、基板１１のレジスト層に対する露光を行う場合、このレチクルが露光装置のレチクルステージに載置され、ウエハステージには基板１１が載置される。そして、パターン領域４０を含むレチクルパターンが、投影光学系を介して、基板１１のレジスト層（未露光）の指定箇所に投影される。その結果、基板１１のレジスト層の指定箇所では、レチクルの光透過部(４Ｂ,４Ｄ)に対応する部分で光の照射を受け、感光したことになる。
【００１５】
本実施形態において、基板１１のレジスト層は、感光した部分が現像により溶解し、光の照射されなかった部分が現像後にパターンとして残るような特性を有している。したがって、現像後、基板１１のレジスト層の指定箇所には、各々、図２(ａ)〜(ｃ)に示す線幅測定用のパターン領域３０が形成される。パターン領域３０には、レチクルのパターン領域４０の領域４１〜４３（図３参照）に対応して、３つの領域３１〜３３が隣接して配置されている。本実施形態において、領域３１〜３３どうしも略同じ面積を有する。領域３１〜３３の各々のサイズは、例えば１０μｍ〜２０μｍである。
【００１６】
パターン領域３０の中央の領域３１は、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された領域であり、ライン部３Ａがレジスト層３４の材料からなる。また、ライン部３Ａどうしの間に位置するスペース部３Ｂは、レジスト層３４の直下に隣接している下地層３５（例えば被加工層や反射防止層など）の材料からなる。ライン・アンド・スペース状のパターンの線幅ＷとピッチＰの設計値は、各々、例えば１００ｎｍ,２００ｎｍである。さらに、図中左側の領域３２は、領域３１のライン部３Ａと同じ材料（レジスト層３４の材料）のみからなる。図中右側の領域３３は、領域３１のスペース部３Ｂと同じ材料（下地層３５の材料）のみからなる。図２では、レジスト層３４にハッチングを付した。
【００１７】
ところで、領域３１に形成されたライン・アンド・スペース状のパターンのライン部３Ａの実際の線幅Ｗは、上記した露光の際にフォーカス(ピント)が適正値から外れていたり、投影光学系の収差補正が不十分だったり、基板１１のレジスト層３４へのドーズ量が適正値から外れていたり、レジスト層３４の厚さが適正値から外れていたりすると、設計値の線幅（例えば１００ｎｍ）とは異なってしまう。ちなみに、工場運用上においては、上記の露光条件（フォーカスなど）が既に略適正な状態であるため、線幅Ｗの変化は「設計値±３０％」の範囲内と考えられる。なお、ライン・アンド・スペース状のパターンのピッチＰの変化は、線幅Ｗの変化と比較して遙かに小さいため、ほぼゼロと考えられる。
【００１８】
本実施形態では、上記のようなライン・アンド・スペース状のパターン（領域３１）を含むパターン領域３０が、基板１１の予め指定された多数の箇所に形成される。そして、次に説明する線幅測定装置１０（図１）により、各々のパターン領域３０ごとに、ライン・アンド・スペース状のパターンの線幅Ｗが順次に測定される（詳細は後述）。本実施形態では、１つのパターン領域３０が１つの測定点に対応する。
【００１９】
線幅Ｗの変化量は、パターン領域３０の基板１１内での位置座標やショット領域内での位置座標に依存して異なることが多い。このため、出来るだけ多くのパターン領域３０を基板１１の被検査面に形成し、全てのパターン領域３０で線幅Ｗの測定を行うことが望まれる。測定点数が多いほど検査品質が向上し、上記した露光条件（フォーカスなど）の良否を正確に評価できるからである。
【００２０】
本実施形態の線幅測定装置１０は、基板１１上のレジスト層３４と下地層３５（図２）の反射率の違いを利用する（詳細は後述）ことによって、各々の測定点（パターン領域３０）における線幅Ｗの測定を短時間で簡単に行えるようにしたものである。このため、基板１１の被検査面に多数のパターン領域３０が形成される場合でも、全ての線幅Ｗを高速に測定することができる。
【００２１】
さて次に、線幅測定装置１０（図１）の具体的な構成説明を行う。
ステージ１２は、基板１１を水平状態に保って支持するホルダと、このホルダを水平方向(ＸＹ方向)に移動させる駆動部とで構成される。ステージ１２のホルダをＸＹ方向に移動させることで、基板１１の被検査面のうち何れか１つの測定点（パターン領域３０）を、結像系(１６,１７)の視野領域内に位置決めすることができる。
【００２２】
照明系(１３〜１６)は、光源１３と照明レンズ１４とハーフミラー１５と対物レンズ１６とで構成される。光源１３は可視光を射出する。光源１３からの可視光は、照明レンズ１４とハーフミラー１５と対物レンズ１６を介した後（照明光Ｌ１）、ステージ１２上に固定された基板１１の被検査面に入射する（落射照明）。このとき、視野領域内に位置決めされた測定点（パターン領域３０）は、照明光Ｌ１により略垂直に照明される。
【００２３】
本実施形態では、視野領域内での照明ムラが非常に小さく、視野領域内の測定点（パターン領域３０）に対する照明光量が略均一であるとする。この場合、パターン領域３０内で隣接して配置された３つの領域３１〜３３（図２）に対し、同じ光量の照明光Ｌ１が照射されたことになる。
既に説明した通り、中央の領域３１には、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成され、ライン部３Ａを構成するレジスト層３４の材料とスペース部３Ｂを構成する下地層３５の材料とが、ライン部３Ａの線幅Ｗに応じた比率で含まれている。また、領域３２にはレジスト層３４の材料のみが含まれ、領域３３には下地層３５の材料のみが含まれている。
【００２４】
このような３つの領域３１〜３３に同じ光量で入射した照明光Ｌ１は、その入射点の材料がレジスト層３４であれば“レジスト層３４の反射率”に応じて反射し、下地層３５であれば“下地層３５の反射率”に応じて反射する。一般に、レジスト層３４の方が下地層３５よりも反射率が低いため、反射光Ｌ２の強弱は、レジスト層３４からの反射光Ｌ２の方が下地層３５からの反射光Ｌ２より弱くなる。
【００２５】
また、３つの領域３１〜３３のうち、レジスト層３４のみの領域３２と、下地層３５のみの領域３３について、反射光Ｌ２の強弱を比較すると、当然、領域３２からの反射光Ｌ２の方が領域３３からの反射光Ｌ２より弱くなる。そして、レジスト層３４と下地層３５とが混在している領域３１（ライン・アンド・スペース状のパターン）からの反射光Ｌ２は、領域３２からの反射光Ｌ２より強く、領域３３からの反射光Ｌ２より弱くなる。これらの反射光Ｌ２は、結像系(１６,１７)に導かれる。
【００２６】
結像系(１６,１７)は、対物レンズ１６と結像レンズ１７とで構成されている（光学顕微鏡部）。結像レンズ１７は、第２対物レンズとして機能する。上記の反射光Ｌ２は、対物レンズ１６とハーフミラー１５と結像レンズ１７とを介した後、撮像素子１８の撮像面に入射する。このとき、撮像素子１８の撮像面上には、反射光Ｌ２に基づく拡大像（つまりパターン領域３０の光学像）が形成される。
【００２７】
撮像素子１８は、複数の画素が２次元配列された白黒のエリアセンサ（例えばＣＣＤカメラ）であり、撮像面上の光学像を撮像して、その画像信号を後段のＴＶモニタ１９と信号処理部(２０,２１)に出力する。撮像素子１８から出力される画像信号は、複数のサンプル点からなり、撮像素子１８の撮像面における各画素ごとの輝度値に関する分布（輝度分布）を表している。各画素ごとの輝度値は、反射光Ｌ２の強弱に比例する。
【００２８】
ここで、撮像素子１８からの画像信号に基づくイメージ（例えばＴＶモニタ１９に表示されるイメージ）には、図４に示す通り、明るさの異なる３つの領域５１〜５３が隣接して現れる。図４では、最も暗い領域５２に濃い点ハッチングを付し、次に暗い中央の領域５１に薄い点ハッチングを付し、最も明るい領域５３のハッチングを省略した。領域５１〜５３の各々は、基板１１のパターン領域３０の領域３１〜３３（図２）の光学像に対応する。なお、領域３１内のライン・アンド・スペース状のパターンは、線幅Ｗが非常に細いため（例えば設計値１００ｎｍ）、可視光を用いる光学顕微鏡様の線幅測定装置１０では解像されない。このため、領域３１の光学像（領域５１）も、他の領域３２,３３の光学像（領域５２,５３）と同様、略均一な明るさを示す。
【００２９】
信号処理部(２０,２１)は、フレームメモリ２０と波形信号演算用のＣＰＵ２１とで構成され、フレームメモリ２０内に撮像素子１８からの画像信号（図４）を記憶する。そしてＣＰＵ２１は、フレームメモリ２０内の画像信号（図４）に対して信号処理範囲５４を定義し、信号処理範囲５４に含まれる各画素の輝度情報を縦方向(図４のＥ方向)に圧縮して、図５に示す信号を生成する。図５の横軸は画素の位置を表し、縦軸は信号レベル（明るさ）を表している。さらに、ＣＰＵ２１は、生成した信号（図５）のうち平坦な部分に基づいて、領域５１〜５３の各々に対応する信号レベルＡ,Ｂ,Ｃを検出する。
【００３０】
最低の信号レベルＣは、図４の最も暗い領域５２に対応し、基板１１のパターン領域３０のうち、レジスト層３４のみの領域３２(図２)の光学像に対応する。つまり、信号レベルＣは、照明光Ｌ１が照射されているときに領域３２のレジスト層３４から発生した反射光Ｌ２の強度に比例し、“領域３２の明るさ”を表している。このため、信号レベルＣの検出により、“領域３２の明るさ”を検出したことになる。
【００３１】
最高の信号レベルＡは、図４の最も明るい領域５３に対応し、基板１１のパターン領域３０のうち、下地層３５のみの領域３３(図２)の光学像に対応する。つまり、信号レベルＡは、照明光Ｌ１が照射されているときに領域３３の下地層３５から発生した反射光Ｌ２の強度に比例し、“領域３３の明るさ”を表している。このため、信号レベルＡの検出により、“領域３３の明るさ”を検出したことになる。
【００３２】
中間の信号レベルＢは、図４の少し暗い(少し明るい)領域５１に対応し、基板１１のパターン領域３０のうち、レジスト層３４と下地層３５とが混在した領域３１（ライン・アンド・スペース状のパターン）の光学像に対応する。つまり、信号レベルＢは、照明光Ｌ１が照射されているときに領域３１のレジスト層３４から発生した反射光Ｌ２と下地層３５から発生した反射光Ｌ２との平均的な強度に比例し、“領域３１の明るさ”を表す。このため、信号レベルＢの検出により、“領域３１の明るさ”を検出したことになる。
【００３３】
また、領域３１では、ライン部３Ａを構成するレジスト層３４の材料とスペース部３Ｂを構成する下地層３５の材料とが、ライン部３Ａの線幅Ｗに応じた比率で含まれている。したがって、ライン部３Ａの線幅Ｗが設計値（例えば１００ｎｍ）より細くなってレジスト層３４の比率が低下すると、領域３１が明るく（信号レベルＢが大きく）なる。逆に、ライン部３Ａの線幅Ｗが設計値より太くなってレジスト層３４の比率が増加すると、領域３１が暗く（信号レベルＢが小さく）なる。
【００３４】
ＣＰＵ２１は、パターン領域３０の領域３１〜３３の各々の明るさ（つまり信号レベルＡ〜Ｃ）を検出し終えると、次の式(１)にしたがって信号レベルＡ〜Ｃを比較し、レジスト層３４のみの領域３２の信号レベルＣと、下地層３５のみの領域３３の信号レベルＡとを基準にして、レジスト層３４と下地層３５とが混在した領域３１（ライン・アンド・スペース状のパターン）の信号レベルＢの比率、つまり、ライン・アンド・スペース状のパターンのライン部３Ａとスペース部３Ｂとの比率（デューティ比Ｄ）を算出する。
【００３５】
Ｄ＝(Ａ−Ｂ)/(Ａ−Ｃ)  …(１)
上記の通り、信号レベルＢの大きさは、ライン部３Ａの線幅Ｗに依存して変化し、線幅Ｗが細いほど大きく、線幅Ｗが太いほど小さくなる。そして、式(１)のデューティ比Ｄは、信号レベルＢが増大して信号レベルＡに近づくと「０」に向けて小さくなり、逆に、信号レベルＢが低下して信号レベルＣに近づくと「１」に向けて大きくなる。このようなデューティ比Ｄの変化（０＜Ｄ＜１）は、ライン部３Ａの線幅Ｗの変化（０＜Ｗ＜ピッチＰ）に対応している。
【００３６】
ここで、図６の計測結果について説明する。この結果は、ライン・アンド・スペース状のパターンのライン部３Ａの線幅ＷとピッチＰの設計値が例えば１００ｎｍ,２００ｎｍの場合において、線幅Ｗの変化とデューティ比Ｄの変化との関係を計測した結果である。図６の横軸は線幅Ｗを表し、１００％が設計値に対応する。縦軸は上記の式(１)に基づいて算出したデューティ比Ｄを表している。
【００３７】
なお図６では、線幅Ｗが「０」に近い場合と「２００」に近い場合を省略している。これは、工場運用上においては、上記の露光条件（フォーカスなど）が既に略適正な状態であるため、線幅Ｗの変化が「設計値±３０％」の範囲内と考えられ、「０」や「２００」の近傍まで変化することは通常あり得ないからである。また、露光装置の光学限界を超えており、レジスト層３４などの他の要因により、どのように観測されるかが不定なためでもある。
【００３８】
図６から分かるように、線幅Ｗが細いほどデューティ比Ｄが小さくなり、線幅Ｗが太いほどデューティ比Ｄが大きくなる。また、線幅Ｗの変化に対してデューティ比Ｄの変化が比例関係にあることも分かる。さらに、線幅Ｗが設計値（１００％）のときにデューティ比Ｄが「０.５」となるため、デューティ比Ｄの値（０＜Ｄ＜１）は、ライン・アンド・スペース状のパターンの「ピッチＰに対する線幅Ｗの比率」と等価である。
【００３９】
このように、デューティ比Ｄの値が「ピッチＰに対する線幅Ｗの比率」と等価なため、ピッチＰの値を用い、次の式(２)にしたがって、デューティ比Ｄを線幅Ｗに換算することができる。ピッチＰの値としては、ピッチＰに関する設計情報（レチクル設計上のピッチ）を用いることができる。上記の通り、ピッチＰの変化は、線幅Ｗの変化と比較して遙かに小さく、ほぼゼロと見なせるからである。
【００４０】
Ｗ＝Ｐ×Ｄ  …(２)
ＣＰＵ２１は、フレームメモリ２０内の１つの画像信号（図４）を取り込んで信号レベルＡ〜Ｃ（図５）を検出し、この検出結果に基づいて上記の式(１)によりデューティ比Ｄを算出し、さらに、上記の式(２)によりデューティ比Ｄを線幅Ｗに換算し終えると、その結果を図１の制御部(２２〜２４)に出力する。
【００４１】
制御部(２２〜２４)は、装置全体を管理する操作コンピュータ２２と、ステージ制御用のＣＰＵ２３と、モニタ２４とで構成される。上記したＣＰＵ２１による演算結果（つまりパターン領域３０内のライン・アンド・スペース状のパターンの線幅Ｗの測定値）は、操作コンピュータ２２に出力され、操作コンピュータ２２を介してモニタ２４に表示される。以上で１つの測定値（ライン部３Ａの線幅Ｗ）を得るための一連の動作が終了する。
【００４２】
既に説明した通り、基板１１の予め指定された多数の箇所には、ライン・アンド・スペース状のパターン（図２の領域３１）を含む線幅測定用のパターン領域３０が形成されている。したがって、操作コンピュータ２２は、ＣＰＵ２３を介してステージ１２を制御し、各々のパターン領域３０を順次に結像系(１６,１７)の視野領域内に位置決めすると共に、視野領域内のライン・アンド・スペース状のパターンのライン部３Ａの線幅Ｗの測定値をＣＰＵ２１から取り込み、モニタ２４に表示する。
【００４３】
本実施形態の線幅測定装置１０では、１つの測定値（ライン部３Ａの線幅Ｗ）を得る際に、基板１１上のレジスト層３４と下地層３５（図２）の反射率の違いを反映した画像信号（図４）を取り込み、パターン領域３０の領域３１〜３３の各々の明るさ（つまり図５の信号レベルＡ〜Ｃ）を検出し、この検出結果に基づいて上記した式(１),(２)の演算を行うため、各々の測定点（ライン・アンド・スペース状のパターン）における線幅Ｗの測定を短時間で簡単に行うことができる。また、平均的な線幅Ｗを精度良く測定できる。
【００４４】
このため、基板１１の多数の箇所に形成された全てのパターン領域３０で、ライン・アンド・スペース状のパターンの線幅Ｗを高速に測定することができ、工場運用上であっても多くの測定点数を確保できる。したがって、検査品質が向上し、パターン領域３０の基板１１内での位置座標やショット領域内での位置座標に依存した線幅Ｗのバラツキを正確に把握することができ、上記した露光条件（フォーカスなど）の良否を正確に評価することができる。
【００４５】
また、本実施形態の線幅測定装置１０は、ライン・アンド・スペース状のパターン（図２の領域３１）に対する照明光として可視光を用い、そのパターンを解像し得ない光学顕微鏡がベースとなっているため、安価に構成することができる。
さらに、本実施形態では、図３のパターン領域４０が形成されたレチクルを用いて、基板１１の被検査面にパターン領域３０を形成するため、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された領域３１と隣接して（数１０μｍ程度の範囲内に）、レジスト層３４のみの領域３２と下地層３５のみの領域３３を配置することができる。したがって、レジスト層３４の膜厚ムラや種類、下地層３５の種類などの影響を受けることなく、正確に線幅Ｗを測定できる。
【００４６】
また、露光装置の位置合わせ光学系や重ね合わせ検査装置などに同様のアルゴリズムを組み込むことで、線幅測定装置１０を兼用することができる。この場合、プロセス変動による線幅Ｗの把握や、露光装置へのフィードバック、レジスト塗布装置へのフィードバックなどが容易になり、デバイス製造をより安定して行うことができる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、ライン・アンド・スペース状のパターンのライン部３Ａの線幅ＷとピッチＰの設計値が１００ｎｍ,２００ｎｍの例を説明したが、本発明はこれに限定されない。線幅ＷとピッチＰの設計値が異なる値でも、同様の効果を得ることができる。当然、ライン部３Ａ：スペース部３Ｂの設計値≠１：１の場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００４７】
また、上記した実施形態では、ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された領域３１を挟んで両側に、レジスト層３４のみの領域３２と下地層３５のみの領域３３とを隣接して配置したが、本発明はこれに限定されない。３つの領域３１〜３３の並び順は図２の例に限定されず何でも構わない。
さらに、上記した実施形態では、線幅測定用のパターン領域３０にライン・アンド・スペース状のパターンを１種類のみ配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば図７に示す通り、ライン部３Ａの長手方向が異なる２種類のライン・アンド・スペース状のパターンを隣接して配置しても良い。一般に、露光装置の転写性能は線幅Ｗの設計値が同じでもライン部３Ａの長手方向によって異なるため、縦方向のパターンと横方向のパターンを組み合わせることで、露光条件（フォーカスなど）の良否判定を良好に行える。縦方向や横方向に限らず、斜め方向（例えば４５度）のパターンを組み合わせてもよい。
【００４８】
また、上記した実施形態では、視野領域内での照明ムラが非常に小さく、隣接して配置された３つ以上の領域３１〜３３（図２,図７）に対して同じ光量の照明光Ｌ１が照射される例で説明したが、本発明はこれに限定されない。視野領域内での照明ムラが大きい場合には、各々の領域ごとに照明光量によって信号レベルを補正し、補正後の信号レベルを比較してデューティ比Ｄや線幅Ｗを計算すれば良い。
【００４９】
さらに、上記した実施形態では、３つ以上の領域３１〜３３（図２,図７）の各々の信号レベルを１つの画像信号から検出したが、本発明はこれに限定されない。ステージ１２を動かして領域３１〜３３の各々の画像信号を順次に取り込み、各々の画像信号から信号レベル（明るさ）を検出してもよい。この場合、領域３１〜３３の各々を視野領域内の同じ位置（例えば視野中心）に位置決めすることが好ましい。視野領域内での照明ムラが大きい場合であっても、領域３１〜３３の各々に同じ光量の照明光Ｌ１を順次に照射でき、撮像素子１８の同じ位置で各々の画像信号を取り込めるため、信号レベルを正確に検出することができる。
【００５０】
また、上記した実施形態では、３つ以上の領域３１〜３３（図２,図７）が隣接して配置されている例を説明したが、本発明はこれに限定されない。これらの領域３１〜３３（図２,図７）が基板１１上で離れている場合にも、本発明を適用できる。この場合には、ステージ１２を動かして領域３１〜３３の各々の画像信号を順次に取り込み、各々の画像信号から信号レベル（明るさ）を検出すれば良い。
【００５１】
さらに、上記した実施形態では、領域３１〜３３（図２,図７）の各々の信号レベルに基づいて上記の式(１)によりデューティ比Ｄを算出した後、上記の式(２)によりデューティ比Ｄを線幅Ｗに換算し、その結果（つまり線幅Ｗの測定値）をＣＰＵ２１から操作コンピュータ２２に出力したが、本発明はこれに限定されない。線幅Ｗへの換算処理を省略し、デューティ比Ｄを測定値として操作コンピュータ２２に出力しても良い。デューティ比Ｄの値（０＜Ｄ＜１）は、ライン・アンド・スペース状のパターンの「ピッチＰに対する線幅Ｗの比率」と等価なため、デューティ比Ｄを得ることができれば線幅Ｗそのものが分からなくても上記と同様の線幅検査を行うことができる。
【００５２】
また、上記した実施形態では、式(１)に基づいて「ピッチＰに対する線幅Ｗの比率」と等価なデューティ比Ｄを算出したが、本発明はこれに限定されない。その他、Ｄ'＝(Ｂ−Ｃ)/(Ａ−Ｃ) に基づいて「ピッチＰに対するスペース部３Ｂの幅の比率」と等価なデューティ比Ｄ'を算出する場合にも、本発明を適用できる。
さらに、上記した実施形態では、撮像素子１８としてＣＣＤなどの２次元センサを用いたが、１次元センサを用いても良い。
【００５３】
また、撮像素子１８から出力される画像信号に基づいて領域３１〜３３の明るさ（図５の信号レベルＡ〜Ｃ）を検出したが、各々の領域３１〜３３から発生した反射光Ｌ２を領域ごとに一括で受光するセンサ（例えば光電子増倍管(ＰＭＴ)など）を用いても良い。
さらに、線幅測定装置１０のＣＰＵ２１により線幅Ｗを算出する場合に限らず、線幅測定装置１０に接続された外部のコンピュータを用いた場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、基板１１上に形成するレジスト層３４として、光の照射されなかった部分が現像により溶解し、感光した部分が現像後にパターンとして残るような特性のものを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第１実施形態の線幅測定装置１０の全体構成を示す図である。
【図２】基板１１上の線幅測定用のパターン領域３０を説明する図である。
【図３】レチクル上の線幅測定用のパターン領域４０を説明する図である。
【図４】撮像素子１８からの画像信号に基づくイメージを説明する図である。
【図５】図４の信号処理範囲５４から生成した信号と、パターン領域３０の領域３１〜３３の各々の明るさ（つまり信号レベルＡ〜Ｃ）を説明する図である。
【図６】ライン・アンド・スペース状のパターンにおける線幅Ｗの変化とデューティ比Ｄの変化との関係を計測した結果を示す図である。
【図７】基板１１上の線幅測定用のパターン領域の変形例を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  線幅測定装置
１１  基板
１２  ステージ
１３  光源
１４  照明レンズ
１５  ハーフミラー
１６  対物レンズ
１７  結像レンズ
１８  撮像素子
２０  フレームメモリ
２１，２３  ＣＰＵ
２２  操作コンピュータ
３０  基板上の線幅測定用のパターン領域
３１  ライン・アンド・スペース状のパターンが形成された領域
４０  レチクル上の線幅測定用のパターン領域
【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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