(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の測定環境のもとで、基準基板に形成された主尺の位置の理想設計座標と実際の座標との座標ズレ量を測定する第１の工程と；
基準レチクルに形成された副尺パターンの位置を測定する第２の工程と；
第１の工程で測定された座標ズレ量に基づいて、前記所定の測定環境のもとで定まる主尺の設計座標の理想設計座標からの理想ズレ量を求め、その理想ズレ量と前記座標ズレ量とのズレ量差を求める第３の工程と；
前記基準基板を被測定露光装置にセットする第４の工程と；
前記基準基板の被測定露光装置に対する位置姿勢値を測定する第５の工程と；
前記基準基板に前記基準レチクルの副尺パターンを投影露光し、前記主尺に重ねて副尺を形成する第６の工程と；
前記主尺と副尺の相対的ズレ量を測定する第７の工程と；
前記ズレ量差と前記位置姿勢値と前記相対的ズレ量とに基づいて被測定露光装置のディストーションを求める第８の工程とを備える；
ディストーション測定方法。
【請求項２】
所定の測定環境のもとで、基準基板に形成された主尺の位置の理想設計座標と実際の座標との座標ズレ量を測定する第１の工程と；
基準レチクルに形成された副尺パターンの位置を測定する第２の工程と；
第１の工程で測定された座標ズレ量に基づいて、前記所定の測定環境のもとで定まる主尺の設計座標の理想設計座標からの理想ズレ量を求め、その理想ズレ量と前記座標ズレ量とのズレ量差を求める第３の工程と；
前記基準基板を被測定露光装置にセットする第４の工程と；
前記基準基板の被測定露光装置に対する位置姿勢値を測定する第５の工程と；
第５の工程で測定した位置姿勢値に基づいて前記被測定露光装置の投影光学系を調整する第９の工程と；
前記基準基板に前記基準レチクルの副尺パターンを投影露光し、前記主尺に重ねて副尺を形成する第６の工程と；
前記主尺と副尺の相対的ズレ量を測定する第７の工程と；
前記ズレ量差と前記相対的ズレ量とに基づいて被測定露光装置のディストーションを求める第１０の工程とを備える；
ディストーション測定方法。
【請求項３】
前記相対的ズレ量に基づいて基準基板の残留変形量を求める第１１の工程と；
前記残留変形量に基づいて、第１０の工程で求められたディストーションを校正する工程を備える；
請求項２に記載のディストーション測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載のディストーション測定方法を用いて投影光学系のディストーションを測定する工程と；
前記ディストーションを測定する工程で得られたディストーションに基づいて前記投影光学系の倍率を調整する工程と；
前記調整する工程で調整された投影光学系により、感光性基板にパターンを投影露光する工程とを備える；
半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影光学系のディストーション測定方法及びディストーションを補正して行う半導体デバイスの製造方法に関し、特に基準ウエハを用いて各点の設計値からのずれを測定するディストション測定方法及びディストーションを補正して行う半導体デバイスの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、投影露光装置中の投影レンズのディストーションを計測するには、基準ウエハを用いて計測するいわゆる基準ウエハ法が用いられている。この方法では、基準ウエハ上の各点の設計値からのずれを、各点毎に座標測定器の座標基準で求めていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来技術によれば、基準ウエハは温度が変化すると伸縮する。座標測定した時の雰囲気と、投影露光装置の雰囲気が一致していれば問題無いが、異なるとレンズの倍率成分が正しく測定できない。また、各点毎に座標測定器の座標基準で求めるので、ディストーションの測定には、１日単位の長時間を要していた。そこで本発明は、座標測定時の雰囲気温度に影響されず、また比較的短時間で計測できる、投影レンズのディストーション測定方法及びそのようにしてディストーションを計測した上で補正して行う半導体デバイスの製造方法を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるディストーション測定方法は、所定の測定環境のもとで、基準基板に形成された主尺の位置の理想設計座標と実際の座標との座標ズレ量を測定する第１の工程と；基準レチクルに形成された副尺パターンの位置を測定する第２の工程と；第１の工程で測定された座標ズレ量に基づいて、前記所定の測定環境のもとで定まる主尺の設計座標の理想設計座標からの理想ズレ量を求め、その理想ズレ量と前記座標ズレ量とのズレ量差を求める第３の工程と；前記基準基板を被測定露光装置にセットする第４の工程と；前記基準基板の被測定露光装置に対する位置姿勢値を測定する第５の工程と；前記基準基板に前記基準レチクルの副尺パターンを投影露光し、前記主尺に重ねて副尺を形成する第６の工程と；前記主尺と副尺の相対的ズレ量を測定する第７の工程と；前記ズレ量差と前記位置姿勢値と前記相対的ズレ量とに基づいて被測定露光装置のディストーションを求める第８の工程とを備える。
【０００５】
このように構成すると、主尺と副尺の相対的ズレ量はレジストレーション測定器で測定でき、迅速な測定が可能である。
また、請求項２に係る発明によるディストーション測定方法は、所定の測定環境のもとで、基準基板に形成された主尺の位置の理想設計座標と実際の座標との座標ズレ量を測定する第１の工程と；基準レチクルに形成された副尺パターンの位置を測定する第２の工程と；第１の工程で測定された座標ズレ量に基づいて、前記所定の測定環境のもとで定まる主尺の設計座標の理想設計座標からの理想ズレ量を求め、その理想ズレ量と前記座標ズレ量とのズレ量差を求める第３の工程と；前記基準基板を被測定露光装置にセットする第４の工程と；前記基準基板の被測定露光装置に対する位置姿勢値を測定する第５の工程と；第５の工程で測定した位置姿勢値に基づいて前記被測定露光装置の投影光学系を調整する第９の工程と；前記基準基板に前記基準レチクルの副尺パターンを投影露光し、前記主尺に重ねて副尺を形成する第６の工程と；前記主尺と副尺の相対的ズレ量を測定する第７の工程と；前記ズレ量差と前記相対的ズレ量とに基づいて被測定露光装置のディストーションを求める第１０の工程とを備える。
【０００６】
このように構成すると、第５の工程で測定した位置姿勢値に基づいて前記被測定露光装置の投影光学系を調整する第９の工程を備えるので、最終的にディストーションを求める第１０の工程で位置姿勢値を取り込む必要がない。
請求項２に記載のディストーション測定方法では、請求項３に記載の方法のように、前記相対的ズレ量に基づいて基準基板の残留変形量を求める第１１の工程と；前記残留変形量に基づいて、第１０の工程で求められたディストーションを校正する工程を備えてもよく、この場合、相対的ズレ量に基づいて基準基板の残留変形量を求め、その残留変形量に基づいて、ディストーションを校正するので、さらに正確にディストーションが調整できる。
【０００７】
請求項４に係る発明による半導体デバイスの製造方法は、請求項１乃至請求項３に記載のディストーション測定方法を用いて投影光学系のディストーションを測定する工程と；前記ディストーションを測定する工程で得られたディストーションに基づいて前記投影光学系の倍率を調整する工程と；前記調整する工程で調整された投影光学系により、感光性基板にパターンを投影露光する工程とを備える。
【０００８】
このようにすると、前述のディストーション測定方法を用いてディストーションを測定し校正するので、ディストーションが座標測定時の雰囲気温度に影響されず、また比較的短時間で計測でき、半導体デバイスの製造のスループットが向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図６に、本発明に用いられる投影露光装置１００の概略構成を示す。図中、照明光学系Ｌ、レチクルＲ、投影レンズ系ＰＬがこの順に配置されており、投影レンズＰＬについてレチクルＲと共役な位置にあるように、ウエハＷがウエハステージＳＴに載置されている。照明光学系Ｌにより一様に照明されたレチクルＲ上のパターン（図示せず）が、投影レンズ系ＰＬによりウエハＷ上に投影露光される。ウエハステージＳＴには移動鏡１５が固設されており、ウエハステージＳＴ用の座標測定機（測長干渉計）１０からのレーザービームが移動鏡１５に照射される。座標測定機（測長干渉計）１０は、移動鏡１５により反射されたレーザービームを受光して、ウエハステージＳＴの位置を計測する。
【００１２】
また、この被測定露光装置１００において、レチクルＲを保持するレチクルステージＲＳは主制御系４００の指示に従ってレチクルステージ駆動系４１０によりＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、該レチクルステージＲＳの位置は、レーザ干渉計３０により正確に測定される。また、ウエハステージＳＴも主制御系４００の指示に従ってウエハステージ駆動系４３０によりＸ方向及びＹ方向に移動可能であり、前述のように、ウエハステージＳＴの位置は、レーザ干渉計１０により正確に測定される。
【００１３】
図中の３５も、レチクルステージＲＳに固設された移動鏡（反射鏡）である。また、副尺パターンの露光に先立って行われるアライメント工程は、アライメント顕微鏡２０を介して行われ、投影光学系ＰＬの結像誤差であるディストーションの調整は、調整系４２０の制御により、投影光学系ＰＬを構成するレンズを該投影光学系ＰＬの光軸方向に移動させたり、傾けたりすることにより行われる。なお、投影光学系ＰＬの具体的な調整方法は、例えば米国特許第5,117,255号に詳述されている。
【００１４】
ここで、本発明の原理を説明する。このような装置において、投影レンズ系ＰＬのディストーションを計測してそれを校正するのに、基準ウエハ法が利用される。基準ウエハ法では、製品ウエハに実パターンを投影露光する前に、基準ウエハＷ１を用いて投影レンズ系ＰＬのディストーションを計測する。
基準ウエハＷ１は温度が変化すると伸縮する。座標測定した時の雰囲気（例えば温度）と、投影露光装置の雰囲気（例えば温度）が一致していれば問題無いが、異なるとレンズの倍率成分が正しく測定できない。本発明ではウエハ全体のスケーリング（伸縮率）を差し引き、残留成分をもって描画誤差とするので、座標測定機２００（図１０参照）と投影露光装置１００との温度差が未知のままであってもほとんど誤差が無い。
【００１５】
一般的に座標測定機（例えば（株）ニコン社製「光波干渉式座標測定器」）では測長干渉計２４０によってウエハステージ座標の位置が測定される。普通、マーク位置は座標測定機の干渉計基準でその位置が測定される。したがって、座標測定機２００の温度が高ければ基準ウエハＷ１は膨張し、それに伴いショット倍率も大きく測定されてしまう。しかしながら基準ウエハＷ１全体も同じ比率で膨張しているので、基準ウエハＷ１全体が設計値に対して伸縮している分をショット倍率から引いてやれば、その値は多少温度が異なっても保存される。投影露光装置１００においてウエハアライメント顕微鏡２０により露光前のアライメントでウエハスケーリングを測定して、それに応じてショット倍率を変えてやれば、やはりウエハ自身の温度は何℃でもよいことになる。
【００１６】
従来の方法では、座標測定機２００の座標系に対して基準ウエハＷ１が回転して載せられた場合、常識的に回転分を差っ引いていたが、スケーリング分の校正は行われていなかった。本発明では、その校正を行う。
具体的に、結像誤差として投影光学系により発生するディストーションを測定する場合、図９に示されるように、本発明は、基準ウエハＷ１（第１基準ウエハ）上に設けられた主尺ＭＭｉｊ（ｉは基準ウエハＷ１上のショット領域ＳＡｉの数、ｊは各ショット領域ＳＡｉ内に設けられた主尺の数）の設計位置からのずれ量を測定し；被測定露光装置１００のウエハステージＳＴに該基準ウエハＷ１を設置するとともに副尺パターンＳＰｊ（ｊは基準レチクルＲ１上に設けられた副尺パターンの数）が設けられた基準レチクルＲ１を所定位置に設置して、これら基準ウエハＷ１と基準レチクルＲ１の位置を調整し（アライメント工程）；該被測定露光装置１００により、実際に基準レチクルＲ１上の副尺パターンＳＰｊを投影光学系ＰＬを介して基準ウエハＷ１上に転写して、主尺ＭＭｉｊに重ねて副尺ＳＭｊが形成された基準ウエハＷ２（第２基準ウエハ）を作成し；そして、該基準ウエハＷ２上の主尺ＭＭｉｊと副尺ＳＭｊとの相対的な位置ずれ量を測定する。なお、この明細書では、便宜上ショット領域ＳＡｉを、単にショットという場合があるが、いずれも基準ウエハＷ１又はＷ２上の、主尺ＭＭｉｊが設けられた領域を意味する。
【００１７】
特に、主尺ＭＭｉｊのずれ量の測定では、第１環境である所定の座標測定器２００（図１０参照）により測定された基準ウエハＷ１における主尺ＭＭｉｊの位置と該主尺ＭＭｉｊの設計位置との位置ずれ量に基づいて、当該測定環境に依存した該基準ウエハＷ１の設計値に対する第１変動成分が除去された、該主尺マークＭＭｉｊの位置ずれ量が計算される。なお、この第１変動成分には、基準ウエハＷ１の測定環境における雰囲気温度に依存した基準ウエハＷ１の設計値に対する伸縮成分が含まれる他、座標測定器２００のウエハステージ２３０へ設置される基準ウエハＷ１の回転成分、該ウエハステージ２３０の直交度誤差成分、該測定器２００のオフセット量（基準ウエハＷ１の平行シフト量）が含まれる。
【００１８】
また、主尺ＭＭｉｊ上へ副尺ＳＭｉｊを形成する工程は、前記第１環境とは異なる第２環境である投影露光装置１００において実施される工程である。そして、この工程では、例えば米国特許第4,780,617号に示されたようないわゆるＥＧＡ(Enhansed Grobal Alignment)に従って、精密なアライメント及び計測が行われる。このため、上記基準ウエハＷ１及び基準レチクルＲ１には、それぞれアライメントマークＡＷ、ＡＲが設けられている。また、この第２環境における基準上は基準ウエハＷ１の伸縮は、ショット領域ＳＡｉの間隔ａｘ及びｂｘを測定することにより、あるいは各アライメントマークＡＷ間の間隔を測定することにより検出される。
さらに、投影露光装置１００により作成された基準ウエハＷ２は、上記第１及び第２環境とは異なる第３環境である重ね合わせ測定器３００（図１１参照）により、基準ウエハＷ２における主尺ＭＭｉｊと副尺ＳＭｊとの相対的なずれ量が測定される。この相対的な位置ずれ量は、少なくとも上記主尺ＭＭｉｊの座標測定器２００における変動成分が除去されたずれ量を利用して校正される。
一方、より正確なディストーション成分の計算を可能にするため、基準レチクルＲ１の投影露光装置１００における設置状態に起因した誤差成分を除去する構成も可能である。すなわち、この発明は、上記第１〜第３環境とは異なる第４環境下において測定された基準レチクルＲ１における副尺パターンＳＰｊの位置と該副尺パターンＳＰｊの設計位置との、該基準レチクルＲ１のたるみに起因した位置ずれ量に基づいて、該基準レチクルＲ１が設置された上記被検露光装置１００により基準ウエハＷ２上に設けられる副尺ＳＭｊの製造位置ずれ量を計算する工程を、さらに備えてもよい。この場合、上記相対的な位置ずれ量は、上記主尺ＭＭｉｊ及び副尺ＳＭｉｊの各ずれ量により校正される。したがって、この基準レチクルＲ１に関する測定工程は、少なくとも相対的なずれ量を求める工程よりも先に実施されるのが好ましい。
【００１９】
さらに、ディストーションの除去は、以上のように測定されたディストーション成分を、例えば米国特許第5,117,255号に詳述されたような手段により、上記被測定露光装置（副尺ＳＭｊを基準ウエハＷ１に形成する露光装置）の投影光学系ＰＬを調整することにより行われる。
本発明では、各測定環境下において得られた測定データから、該測定環境に依存して変化する変動成分が除去することにより、より正確なディストーション成分を得る。したがって、上記第２環境下における変動成分を少なくとも次に実施される第２測定工程に伝搬させないため、この発明は、上記第２環境下のアライメント工程において測定された上記基準ウエハＷ１の設計値に対する伸縮成分に基づいて、被検露光装置における投影光学系のショット倍率が予め調節される構成であってもよい。なお、この倍率調整も上記米国特許第5,117,255号に詳述されたような手段により行うことが可能である。
【００２０】
以下、本発明の第１実施例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明による半導体デバイスの製造方法のうち、基準ウエハＷ１のステージ座標に対する位置・姿勢を測定するところまでの工程を示したものであり、図２は図１の工程に続いて、製品ウエハを投影露光するところまでを示したフローチャートである。
【００２１】
本実施の形態では、第１に基準ウエハＷ１を作成する（図１、工程１１０）。そのために、先ず基準ウエハＷ１となるウエハ材を露光する。即ち最初の露光、いわゆる１ｓｔ露光である。ウエハ材としてはシリコンＳｉ上にＳｉＯ2 膜を均一に形成したもの、またはシリコンそのままのベアＳｉを用いる。
基準ウエハＷ１を作成するために用いる投影露光装置は、精度が高いものである必要はない。特別に、レンズディストーションを小さくする必要もない。不図示のウエハホルダの平面度についても厳しい要求はされない。後述のように、いずれ基準ウエハＷ１上に形成された主尺の位置は座標測定器２００で正確に測定するからである。但し、ウエハＷ１の平面度は高ければ高いほどよい。
図１０は、基準ウエハＷ１上に設けられた主尺ＭＭｉｊの位置の測定動作を説明するための概念図である。作成された基準ウエハＷ１の各主尺ＭＭｉｊは、例えば（株）ニコン社製の「光波干渉式座標測定器」により測定される。このような座標測定器２００は、図１０に示されたように、作成された基準ウエハＷ１をウエハホルダ（不図示）を介して搭載するウエハステージ２３０と、該ウエハステージ２３０の位置を計測するためのレーザ干渉計２４０と、ウエハステージ２３０上に設置された基準ウエハＷ１にプローブ光２５０を照射するとともに該基準ウエハＷ１からの反射光を受光する測定システム２１０（制御系を含む）と、測定光学系２２０とを、少なくとも備えている。したがって、得られた基準ウエハＷ１の測定値（主尺ＭＭｉｊの位置）は、ウエハステージ２３０の座標系を基準とした値である。なお、図１０にはＸ軸方向に沿ったウエハステージ２３０の位置を測定するためレーザ干渉計が示されているが、Ｙ軸方向に沿ったウエハステージ２３０の位置を測定するためのレーザ干渉計も設けられている。
【００２２】
図４の（ａ）に、本実施例で用いる主尺形成用の基準レチクルＲ１上における主尺パターンの例、図４の（ｂ）に基準レチクルＲ１上の副尺パターンの例、図５の（ａ）に基準ウエハＷ１上のショット、図５の（ｂ）にそのショット中に重ね合わせて形成された主尺、副尺の例を示す。なお、図５の（ｂ）は、図５の（ａ）に示されるショットのうちの１ショットの部分拡大図である。ここで、例えばウエハＷ１の直径を８インチ、ショットサイズを２５ｍｍ×３３ｍｍとすれば、ウエハＷ１上に３０以上のショットが形成できるが、ウエハＷ１の外周部ほどウエハＷ１や不図示のウエハホルダの平面度が悪いことが予想されるため、図５の（ａ）に示されるように中心部に１６ショット程度を形成するのが良い。
なお、図４（ａ）中のＡＷＲは、レチクルＲ上に設けられたアライメントマーク、図４（Ｂ）中のＡＲは、基準レチクルＲ１上に設けられたアライメントマーク、図５（Ｂ）中のＡＷは、基準ウエハＷ１上に設けられたアライメントマークをそれぞれ示す。
【００２３】
レチクルＲ上の主尺パターンＭＰjは正方形の枠状のパターンであり、２５ｍｍ×３３ｍｍのショット内に、例えば１ｍｍ間隔で碁盤目状に配置される。このようなレチクルＲのパターンを露光装置により投影露光をした後、現像及びエッチングをすることにより、基準ウエハＷ１は完成する。後で座標測定機２００により各主尺のマーク座標が正確に測定されるため、基準ウエハＷ１を露光する際に用いるレチクルＲは、その上に形成されたパターン位置を事前に計測する必要がないことは先に述べた通りである。
【００２４】
なお、図中のＣ１は、主尺パターンＭＰｊの中心座標を示し、この中心座標が主尺パターンＭＰｉｊの位置として定義される。したがって、基準ウエハＷ１上に形成される主尺ＭＭｉｊの位置も、その中心座標で与えられる。
同様に、基準レチクルＲ１を作成する（図１、工程１１０）。基準レチクルＲ１は電子ビーム露光装置ＥＢなどの露光機によりパターニングされ作成される。基準ウエハＷ１の場合と同様に、電子ビーム露光器ＥＢの描画位置精度は問わない。
【００２５】
こうして、出来上がった基準レチクルＲ１を座標測定器２００において測定する（図１、工程１２０）。座標測定機２００のＸＹ移動ステージの直交度誤差を避けるために、基準レチクルＲ１を０度と９０度で測定して平均するとよい。
また、基準レチクルＲ１のパターン面を上向きにして３点支持で支え、基準レチクルＲ１のたわみ量すなわちＺ方向の変化から、基準レチクルＲ１が無重力状態でどのような形状をしているかを求め、製品ウエハを製造する際に使用される投影露光機（本発明の方法でディストーションを測定される投影露光装置１００）と同じように、パターン面が下向きになるような保持状態で基準レチクルＲ１がどのようにたわみ、各パターン位置がどのようにずれるかを求める。
【００２６】
または、該投影露光機１００と同じになるように、パターン面が下向きになるように基準レチクルＲ１を保持し、下から測定してやるタイプの測定機であれば、そのような計算は不必要となる利点がある。もちろん、ホルダは３点支持でなく、平面度、各接触面間の平行度が良いことが必要である。この基準レチクルＲ１の測定値は（ＣＲＸj，ＣＲＹj）（ｊ＝１，２，・・・ｎ）として保存される。
【００２７】
なお、基準レチクルＲ１の測定値（ＣＲＸj，ＣＲＹj）は、被測定露光装置１００における投影レンズＰＬの倍率（ショット倍率）が１／４倍、１／５倍等の場合、このようなショット倍率で補正される。具体的には、例えば投影レンズＰＬのショット倍率が１／４倍の場合、（ＣＲＸj／４，ＣＲＹj／４）を副尺のずれ量として保存する。
【００２８】
また、基準レチクルＲ１の測定値（ＣＲＸj，ＣＲＹj）はｊ番目の副尺の設計座標からのずれである。基準ウエハＷ１については環境条件特に温度条件の影響を取り除く操作をするが、基準レチクルＲ１では通常は行わない。それは、ウエハに用いる材料は線膨張係数が大きく、例えば摂氏０．１度でも無視できないのに対して、レチクルに用いる材料は、例えば石英硝子のように線膨張係数が小さく温度の影響が小さいからである。そのため、基準レチクルＲ１の測定値（ＣＲＸj，ＣＲＹj）の測定時と、被測定投影露光装置での測定時の温度をほぼ同じにするか、あるいは補正をするにしてもその時の温度差を知り、その分だけ線膨張係数を考慮して計算で補正すれば済む。
【００２９】
次に、基準ウエハＷ１の測定を行う（図１、工程１２０）。高精度の座標測定機２００で基準ウエハＷ１の各ショット、各点即ち主尺の位置を測定する。このときは、基準ウエハＷ１を保持するウエハホルダの平面度は重要で、この後に行われる２ｎｄ露光で用いられる投影露光機１００（図６参照）と表面の接触部形状が同じであるのが望ましい。
【００３０】
ここで測定するのは、各点の主尺の位置が設計値からずれている量である。形成されているパターン位置の設計値は次のように表される。ショットがサイズをａ×ｂ、ショット間隔をａｘ、ｂｘ（ａｘ、ｂｘはそれぞれａ、ｂより僅かに大きい）とし、ショット数をｍ、各ショットの中心位置座標をウエハ中心を原点Ｏとして（ＳＸi、ＳＹi）とする。ｉは１からｍまでの整数である。また、各ショット内には計測用パターンがｎ点あり、各点の位置をショット中心（ＳＸi，ＳＹi）を原点Ｏiとして（ＭＸj，ＭＹj）とする。ｊは１からｎまでの整数である。このようにすると、ｉ番目のショットのｊ番目のマーク設計位置はウエハ中心を原点Ｏとして（ＳＸi＋ＭＸj，ＳＹi＋ＭＹj）と表される。図７に以上の座標の関係を示す。図中Ｒ１は基準レチクル、Ｗ１は基準ウエハを示す。基準ウエハＷ１は、ショット数ｉが１６の場合を示す。
【００３１】
基準ウエハＷ１の測定に際しては、各ショットの各マークを順次検出器に位置決めし、設計座標と実際の座標の差（ΔＸij，ΔＹij）を求めていく。
なお、ΔＸijは実際に測定された位置座標ＸＭijと設計位置座標ＸＤijとの差（ΔＸij＝ＸＭij−ＸＤij）で与えられ、ΔＹijは実際に測定された位置座標ＹＭijと設計位置座標ＹＤijとの差（ΔＹij＝ＹＭij−ＹＤij）で与えられる。ただし、設計位置座標（ＸＤｉｊ，ＹＤｉｊ）は、厳密には図７で説明されたように（ＳＸｉ＋ＭＸｊ，ＳＹｉ＋ＭＹｊ）である。
あるｉについて、ｊ＝１からｎまでの平均を求めることにより、ｉ番目のショットの設計位置からの平均的なずれである実際の測定値（αi, βi）を定義する（図１、工程１２０）。
【００３２】
【数１】
0004182303.tif 000002
【００３３】
特開昭６１−４４４２９号(USP4,780,617)公報に詳述されているＥＧＡ計算に則り、ショット設計位置（ＳＸi，ＳＹi）と、その位置でのショットの設計位置からの理想的なずれ（αMi，βMi）の間には以下の関係があるものとする。
【００３４】
【数２】
0004182303.tif 000003
【００３５】
上式において、Ｘ方向のウエハスケーリングγx、Ｙ方向のウエハスケーリングγy、Ｙ軸のウエハ回転φ、Ｘ軸のウエハ回転θ、Ｘ方向のウエハシフトＯx、Ｙ方向のウエハシフトＯyである。なお、当該座標測定器２００のウエハステージ２３０は、Ｘ軸モータとＹ軸モータにより互いに直交する方向に移動可能になっているが、実際には係るモータの送り込み方向は正確には直交しておらず、僅かながら直交度誤差ｗを含んでいる。式（２）では、この直交度誤差ｗはＹ軸のウエハ回転成分φに含まれているため、Ｙ軸のウエハ回転成分φとＸ軸のウエハ回転成分θとの間には、φ＝ｗ＋θなる関係が成立している。
簡単のために各行列の成分をアルファベット一文字に置き換える。
【００３６】
【数３】
0004182303.tif 000004
【００３７】
理想的なずれ（αMi，βMi）と実際の計測値（αi，βi）との違いは、本当にずれてマークが作られているのと、計測誤差との両方が含まれている。実際に得られるのは実際の計測値（αi，βi）であるから、六つの変換パラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆを最小二乗法で求める。理想的なずれ（αMi，βMi）と実際の計測値（αi, βi）との差を各ｉ毎に取り二乗し、全てのｉについて和を求める。
【００３８】
【数４】
0004182303.tif 000005
【００３９】
（εx，εy）をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆで微分し、＝０と置いて連立方程式を求めることによりＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆが求められる（図１、工程１３０）。
【００４０】
【数５】
0004182303.tif 000006
【００４１】
次に、基準ウエハＷ１の計測値を保存する。先に述べたように、基準ウエハＷ１を座標測定機２００で測定して得られた測定値（ΔＸij，ΔＹij）は、各マークの設計座標に対して実際のマーク位置がどれだけずれているかを表わしている。同じウエハを何度も測定する場合、ウエハが測定機に載せられた姿勢によりウエハ回転成分は異なるし、測定時の環境温度が変わればウエハのスケーリング成分も異なる。
【００４２】
測定機の計測再現精度は仕方ないが、そうでないウエハの回転やウエハのスケーリングなどの変動の影響を受けない形で、基準ウエハＷ１の測定結果を保存しておくのがよい。具体的には以下の計算式によって求められる（ＣＸij，ＣＹij）を計測値として保存する（図１、工程１３０）。
【００４３】
【数６】
0004182303.tif 000007
【００４４】
例えば、前記したとおりＡ＝γx−１である。γxはほぼ１に等しく、例えばウエハ温度が１度高くなるとＳｉウエハは約２．６ｐｐｍだけ膨張する。１ショットの大きさが、２０ｍｍ×２０ｍｍとして、ショット周辺では５２ｎｍもの位置ずれになる。
しかしながら、同時にウエハ全体の伸びを表わすγxも２．６ｐｐｍだけ大きくなり、前式により求められる保存計測値（ＣＸij，ＣＹij）は膨張前後で変化しない。ウエハが計測機に載せられる姿勢により変化するウエハシフト、ウエハ回転分も同様の効果が得られ、前式によれば保存される計測値は、計測時の条件に左右されない。図８に、以上の関係をベクトル表示する。
【００４５】
以上で事前準備は終了して、次にディストーション測定に入る。図の被測定露光装置１００には基準ウエハＷ１を搭載するための不図示のウエハホルダがあって、その平面度は重要である。なぜなら、ウエハＷが曲がると、（ウエハ厚さ）×（傾き）で与えられる量だけウエハ表面のパターンが横ずれを起こすからである。基準レチクルＲ１を載せるためのレチクルホルダも同様の理由から平面度を良くしておく必要がある。
【００４６】
基準レチクルＲ１を投影露光装置１００にセットするとともに、基準ウエハＷ１にレジストを塗布し、投影露光装置１００にローディングする（図１、工程１４０）。投影露光装置１００ではウエハアライメント顕微鏡２０によりウエハＷ１上の位置合わせマークＡwを測定、ウエハＷ１が投影露光装置１００のウエハステージ座標に対してどのような位置、姿勢になっているかを求める。具体的には前述のＥＧＡと呼ばれる方法により定める（図１、工程１４０）。
【００４７】
このとき、ウエハスケーリング量γxEGA、γyEGA、ウエハ回転量φEGA、θEGA、ウエハシフト量ＯxEGA、ＯyEGAが求められ、基準レチクルＲ１を露光する位置にフィードバックされる。なお、このアライメント工程において、ウエハスケーリング量γxEGAは、ショット間隔の設計値ａｘに対する測定されたショット間隔ａｘＭの比（ａｘＭ／ａｘ）で与えられ、γyEGAは、ショット間隔の設計値ｂｘに対する測定されたショット間隔ｂｘＭの比（ｂｘＭ／ｂｘ）で与えられる。ただし、ウエハスケーリング量γxEGA、γyEGは、各アライメントマークＡＷの測定された間隔と設計値から求めてもよい。
【００４８】
１ｓｔ露光において基準ウエハＷ１に形成された主尺パターン上に、２ｎｄ露光として基準レチクルＲ１の副尺パターンの露光が行われる（図２、工程１５０）。
露光終了後基準ウエハＷ１を現像し、出来上がった主尺パターンと副尺パターンを、重ねあわせ測定機（レジストレーション測定器）によって測定する（図２、工程１５０）。全部でｍショットあり、各ショットにはｎ点の測定点がある。主尺と副尺のずれ量は、例えば（株）ニコン製のレジストレーション測定器により測定可能であり、特開平6-168320号公報にその構成が詳述されている。図１１は、相対的なずれ量の測定を説明するための概念図であり、この図におけるレジストレーション測定機３００は、ホルダ３０８に保持された基準ウエハＷ２に光を照明する照明光学系と、基準ウエハＷ２からの反射光を集光する対物レンズ３０６と、この対物レンズ３０６を出た反射光を結像する結像光学系３０９と、結像光学系３０９により結像した像を観察するＣＣＤカメラ３１０を備えている。また、照明光学系を構成する光源３０１の光は、コンデンサレンズ３０２、照明絞り３０３、投影レンズ３０４、及びハーフミラー３０５を経て対物レンズ３０６の瞳面に結像し、基準ウエハＷ２をケーラー照明する。
【００４９】
続いて、ショット内各点毎に全ショット分の平均を求める。その値にはウエハの膨張分が残留している。この重ね合わせ測定器で測定された値は（ＲｅｇＸij，ＲｅｇＹij）として保存される。
最後に校正を行う。即ち、測定値からウエハ膨張分、ウエハ回転分などの残留誤差を取り除く。先の露光前のＥＧＡ計測において、ウエハＷ１のスケーリングなど各成分が求められている。その求められている値の分は当然残留誤差となっているので、計算により取り除いてやることが許される。また、ＥＧＡ測定自身に誤差が含まれていることも予想されるので、重ねあわせ測定機によって求められる残留ウエハスケーリング誤差も一緒に補正するのがよい。
【００５０】
結局、被測定露光装置１００を通して基準ウエハＷ１の主尺に重ねて基準レチクルＲ１の副尺を投影露光し、重ね合わせ測定器、例えば（株）ニコン製のレジストレーション測定器で測定したそれら主尺と副尺のずれ（ＲｅｇＸij，ＲｅｇＹij）及び、基準ウエハの主尺の実際の位置（（ＣＸij，ＣＹij）で与えられた）、基準レチクルの副尺の実際の位置、露光時のウエハの伸縮、に基づきディストーションを求めることになる。
【００５１】
ウエハスケーリングのＸ成分について整理すると、ＥＧＡ計測値γxEGA、重ねあわせ測定機による測定結果より最小二乗法で求めたウエハ残留スケーリング値γxRとすれば、露光時の実際のウエハのスケーリング量は（γxEGA−γxR＋１）で表わされる。なお、ウエハ残留スケーリング値γxRは、測定結果（ＲｅｇＸｉｊ，ＲｅｇＹｉｊ）、そのショット内平均等から、上述された計算（式（１）〜式（５））と同様の手順で求められるパラメータＡ〜Ｆより得られる。
したがって、ｉ番目のショットにおける各マークの重ねあわせ測定値を（Ｒxij,Ｒyij）とすれば、そのマークのショット内相対位置座標（ＭＸj，ＭＹj）から次の式７で表される補正計算により正しいディストーションが求められる。
【００５２】
【数７】
0004182303.tif 000008
【００５３】
結局、Ｘ方向のディストーション即ちＸ方向のずれ量は、次の数８で表される。
【００５４】
【数８】
0004182303.tif 000009
【００５５】
ここで、±の記号は座標の取り方によって変わり、（γxEGA−γxR）・（ＳＸi＋ＭＸj）の項は実施例によって変わる。また、ＣＸijは、ｉ番目のショットのj番目の主尺がウエハ内座標基準でどれくらいずれているかを示す、即ちショット（主尺）のウエハ内非線形ずれを示すものである。
Ｙ方向についても同じである。実際にはスケーリング成分だけでなくウエハ回転成分、ステージ直交度成分、シフト成分も同様に補正される。
【００５６】
このようにして求められたディストーション分だけ、投影露光装置１００の投影レンズ系を調整し（図２、工程１７０）、調整された投影露光装置１００で製品ウエハを投影露光し、半導体デバイスを製造する（図２、工程１８０）。
図３を参照して、本発明の第２実施例を説明する。第１の実施の形態と異なる点は、基準ウエハＷ１を被測定投影露光装置１００で露光する際、ＥＧＡ法により求められたウエハスケーリング値に基づいて投影レンズ系ＰＬの倍率を制御し、基準ウエハＷ１の伸縮に合わせてショット倍率を変える点である（図３、工程１４１）。したがって、真のディストーションを求めるときに倍率補正は不要となる（図３、工程１５１）。即ち、数７に対応する補正計算式は次の式９になる。
【００５７】
【数９】
0004182303.tif 000010
【００５８】
前記パラメータＡ1〜Ｆ1の求め方を以下に説明する。
重ね合わせ測定器３００により測定されたずれ量（ＲｅｇＸij，ＲｅｇＹij）の各ショット領域ＳＡｉにおける平均のずれ量（Ｒｅｇαｉ，Ｒｅｇβｉ）を以下の式（１０）から求める。
【００５９】
【数１０】
0004182303.tif 000011
【００６０】
そして、上記式（２）と同様に、理想的なずれ量（ＲｅｇαＭｉ，ＲｅｇβＭｉ）を以下の式（１１）で与える。
【００６１】
【数１１】
0004182303.tif 000012
【００６２】
この式（１１）において、γxRは露光時のEGA計測誤差による残留スケーリング量、γyRは露光時のEGA計測誤差による残留スケーリング量、φRはＹ軸の露光時のEGA計測誤差による残留ウエハ回転成分、θRはＸ軸の露光時のEGA計測誤差による残留ウエハ回転成分、ＯxRはＸ方向の露光時のEGA計測誤差による残留平行シフト量（重ねあわせ測定器３００のＸ方向のオフセット量）、ＯyRはＹ方向の平行シフト量（測定器３００のＹ方向のオフセット量）である。
さらに、上記式（１１）の各行列成分を以下の式（１２）に示されたようにＡ1〜Ｆ1に置き換える。
【００６３】
【数１２】
0004182303.tif 000013
【００６４】
そして、以下の式（１３）のように、理想的なずれ量（ＲｅｇαMi，ＲｅｇβMi）と実際の平均ずれ量（Ｒｅｇαi, Ｒｅｇβi）との差を各ｉごとに二乗し、全てのｉについて和を求める。
【００６５】
【数１３】
0004182303.tif 000014
【００６６】
ここで、（εx，εy）をそれぞれＡ1〜Ｆ1で微分し、さらに０と置いて上述の式（５）で示された連立方程式を解くことによりパラメータＡ1〜Ｆ1が得られる。
ちなみに、基準ウエハＷ２における伸縮のＸ成分γxRは、得られたパラメータＡ1（Ａ1＝γxR−１）から容易に求められる。
【００６７】
実測された主尺・副尺間のずれ（ＲｅｇＸij、ＲｅｇＹij）からＥＧＡ誤差による残留線形成分すなわち残留スケーリング、残留回転、及び残留平行シフト成分を差し引いたもの（ＲｅｇＸ１ij、ＲｅｇＹ１ij）を求める。
【００６８】
【数１４】
0004182303.tif 000015
【００６９】
第１実施例においては、ＥＧＡ計測により求められたウエハ伸縮量を投影光学系ＰＬの投影倍率に反映させずに露光するため、式１４で求めた（ＲｅｇＸ１ij、ＲｅｇＹ１ij）を式１５のように補正する必要がある。
【００７０】
【数１５】
0004182303.tif 000016
【００７１】
結局、各測定点における諸誤差（基準ウエハ上の主尺位置誤差、基準レチクル上の副尺位置誤差等）を取り除いた純粋な主尺・副尺のずれ、すなわち投影光学系ＰＬのディストーションは、第１実施例については式１６となり、第２実施例においては式１７となる。
【００７２】
【数１６】
0004182303.tif 000017
【００７３】
【数１７】
0004182303.tif 000018
【００７４】
更に、ショット数ｍで平均することにより投影光学系ＰＬのディストーションを求めることができる。
【００７５】
【数１８】
0004182303.tif 000019
【００７６】
このように測定されたディストーションの除去は、以上のように求められたディストーション成分だけ、図６に示された被測定露光装置１００の投影光学系ＰＬを調整系４２０により光学調整することにより、実現される。なお、該投影光学系ＰＬの具体的な調整方法は、例えば米国特許第5,117,255号に詳述されている。
また、この発明では、上記基準ウエハＷ１の伸縮成分のみならず、上述のようにＥＧＡ誤差による残留ウエハ回転成分φR，θR及び残留平行シフト量についても同時に除去することができる。
【００７７】
以上の測定方法は、マスクのパターンを投影光学系（ＰＬ）により基板（Ｗ１，Ｗ２）に露光する露光装置（１００）の投影光学系（ＰＬ）の結像誤差を測定する測定方法であって、基板（Ｗ１）上に形成された第１パターン（ＭＭｉｊ）の位置を基板（Ｗ１）の伸縮に関連して検出する第１ステップ（ステップ１２０、１３０）と、第１パターン（ＭＭｉｊ）を有した基板（Ｗ１）を露光装置（１００）に載置して、第１パターン（ＭＭｉｊ）の位置を基板（Ｗ１）の伸縮に関連して検出する第２ステップ（ステップ１４０）と、投影光学系（ＰＬ）により、第１パターン（ＭＭｉｊ）上に第２パターン（ＳＭｉｊ）を露光する第３ステップと、第１パターン（ＭＭｉｊ）と第２パターン（ＳＭｉｊ）とのずれ量と、基板（Ｗ２）の伸縮とに基づいて投影光学系（ＰＬ）の結像誤差を検出する第４ステップ（ステップ１５０、１６０）とを含んでいる。
以上の測定方法で、第１パターン（ＭＭｉｊ）が基板（Ｗ１）の複数のショット領域に形成されており、この複数のショット領域の間隔に基づいて基板（Ｗ１）の伸縮を検出するステップを含んでいる。
また、以上の測定方法で、基板（Ｗ１）に所定の間隔でアライメントマーク（Ａｗ）が形成されており、この所定の間隔で形成されたアライメントマーク（Ａｗ）の検出に基づいて、基板（Ｗ１）の伸縮を検出するステップを含んでいる。  さらに、以上の測定方法は、請求項８記載の測定方法は、第２パターン（ＳＭｉｊ）を露光する前に、第１ステップの検出結果に基づいて、投影光学系（ＰＬ）を調整するステップを含んでいる。
なお、この発明に係る半導体デバイスの製造方法は、上述のように調整された被検露光装置１００を利用し、製品ウエハ上に所定のパターン（回路パターン等）を投影露光し、半導体デバイスを製造する。
加えて、上述された第２実施例の場合についても言及すると、この第２実施例と上述された第１実施例との異なる点は、基準ウエハＷ１を被検露光装置１００で露光する前に、ＥＧＡ計測により得られた該基準ウエハＷ１のスケーリング成分（ＬＭＸ／ＬＤＸ、ＬＭＹ／ＬＤＹ）に基づいて、投影光学系ＰＬのショット倍率を調整系４２０が制御し、基準ウエハＷ１の伸縮に合わせてショット倍率を変える点である。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、各点の設計値からのずれを、座標測定機の座標系基準で求めるのでなく、ウエハ全体の伸縮を差し引いた相対座標系で求めるので、座標測定した時の雰囲気と、投影露光装置の雰囲気が一致していなくても、ほとんど誤差なくディストーションが測定でき、座標測定機と投影露光装置の温度差が未知のままであっても問題ない。またそれにより投影レンズ系を校正できるので、正確な投影露光が可能となる。また、主尺と副尺を用いて基準ウエハ上の各点の設計値からのずれを計測するので、計測そのものの迅速化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の方法の前半のステップを示すフローチャートである。
【図２】図１のステップに続けて実行するステップを示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施例の方法の前半のステップを示すフローチャートである。
【図４】本発明に用いられる主尺と副尺の例を示す図である。
【図５】本発明に用いられる基準ウエハ及びその上に重ね合わせて形成された主尺と副尺の例を示す図である。
【図６】本発明に用いられる投影露光装置の概略図である。
【図７】基準レチクルと基準ウエハ上に形成された主尺と副尺の座標関係を示す図である。
【図８】基準ウエハ上の主尺の実際の測定値、設計位置からの理想的なずれ、環境条件の排除された保存計測値との関係をベクトル表示した図である。
【図９】本発明に係る測定方法を説明するための概念図である。
【図１０】座標測定器２００を示す概念図である。
【図１１】レジストレーション測定機３００を示す概念図である。
【符号の説明】
Ｌ  照明光学系
Ｒ  レチクル
ＰＬ  投影レンズ系
Ｗ   ウエハ
ＳＴ  ウエハステージ
ＭＭｉｊ 主尺パターン
ＳＭｉｊ 副尺パターン
１０  座標測定機（測長干渉計）
【図１】
0004182303.tif 000020
【図２】
0004182303.tif 000021
【図３】
0004182303.tif 000022
【図４】
0004182303.tif 000023
【図５】
0004182303.tif 000024
【図６】
0004182303.tif 000025
【図７】
0004182303.tif 000026
【図８】
0004182303.tif 000027
【図９】
0004182303.tif 000028
【図１０】
0004182303.tif 000029
【図１１】
0004182303.tif 000030