(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発せられる光を照明光学系により光学部材に導き、該光学部材の像を投影光学系によりウェハ上に結像せしめる露光装置に対して、投影光学系のウェハ側の実際の開口数ＮＡを測定する露光装置のＮＡ測定方法において、
前記光学部材の倍率をＭ、露光波長をλ、前記照明光学系の前記光学部材側の開口数をＮＡillとしたとき、少なくとも１方向に少なくとも２以上の周期を有する基本パターンが複数配置され、該基本パターンの周期の中に
ｐ1＜Ｍλ／（ＮＡ＋ＮＡill）＜ｐ2
を満たす周期ｐ1とｐ2が含まれた前記光学部材をレチクル面に設置して前記ウェハに前記複数の基本パターンを露光し、該露光された転写パターンの解像の有無の境界におけるパターン周期を同定することによって、前記開口数ＮＡを求めることを特徴とする露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項２】
前記光学部材の基本パターンは、２次元格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンであり、該２次元格子の縦軸及び横軸が直交する２方向上に前記繰り返しパターンが構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項３】
前記光学部材は、前記２次元格子の縦軸及び横軸が前記ウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行な方向又は垂直な方向に設定された繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項２に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項４】
前記光学部材は、前記２次元格子の縦軸及び横軸が前記ウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して±４５°の角度で交わる二つの直線に平行な方向に設定された繰り返しパターンを有することを特徴とする請求項２に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項５】
前記光学部材の繰り返しパターンの２次元格子の縦軸方向及び横軸方向の繰り返し周期が異なることを特徴とする請求項２に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項６】
前記光学部材の基本パターンはライン＆スペースパターンであることを特徴とする請求項１に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項７】
前記複数の基本パターンは、前記光学部材上にラインの長手方向の角度を少なくとも２種類以上に変えて配置されてなることを特徴とする請求項６に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項８】
前記ラインの長手方向の角度は、前記ウェハのノッチまたはオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行、直交または±４５°の角度を持つことを特徴とする請求項６に記載の露光装置のＮＡ測定方法。
【請求項９】
所定の方向に所定の周期を有する基本パターンが複数配置されてなり、かつレチクルの倍率をＭとすると、前記複数の基本パターンはそれぞれ０．００９×Ｍμｍ以下の刻み幅でそれぞれ異なる周期を有していることを特徴とするＮＡ測定用光学部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影露光装置のＮＡ測定方法及びＮＡ測定用光学部材に関するもので、特に露光装置の投影光学系の開口数ＮＡの大きさを測定するために用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスを製作するために用いられる縮小投影型露光装置の投影光学系の開口数ＮＡの検査を、装置全体が組み立てられた後に、装置を解体しないで行う方法は過去に殆ど行われていない。過去に行われていた唯一の方法は、レチクルの裏面に微細な孤立パターンかまたは周期パターンを描き、露光して得たレジストパターンから判断する方法である。例えば、Prog1erらにより二重露光の方法が報告されている（ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃ．Ｖｏ１．３０５１，ｐｐ．６６０−６７１）。
【０００３】
この二重露光の方法では、まず１回目の露光で、周囲が遮光領域である中に、孤立した微細なピンホールパターンを裏面に描いたマスクで露光する。次に２回目の露光では、周囲が透光領域である、孤立したドットパターンを裏面に描いて露光する。１回目のピンホールパターンと２回目のドットパターンは、マスクを入れ替えたときに同じ位置にあるように設置位置調整して露光する。その結果、光源の像がドットパターンにより転写され、投影光学系の瞳の輪郭の像がピンホールパターンにより描かれる。既知の光源の大きさを基準にして、投影光学系のＮＡが測定できる。
【０００４】
しかしながら、この方法には以下の欠点があった。
【０００５】
（１）上記の二重露光の１回目の露光で、単独のピンホールを用いて、投影光学系の瞳の全域に到達する回折光を発生させている。このような回折現象を起こすためにはピンホールの大きさを極端に小さくしなければならない。ここで半径ｒの円形のピンホールを例にとって考える。投影光学系の瞳全体で、あるしきい値以上の光強度を保つ条件として、瞳の端の光強度が、中心の光強度の１／ｅ（＝０．３６，ｅは自然対数の底）になる場合を仮定する。Ｍをレチクルの倍率、ＮＡを投影光学系の倍率、λを露光波長とすると、次の関係が成立する。
【０００６】
ｒ＝０．４１Ｍλ／ＮＡ
ＮＡ＝０．６、Ｍ＝４のＫｒＦエキシマレーザー露光装置（λ＝０．２４８μｍ）の場合、ｒ＝０．６８μｍとなる。レチクルの裏面に存在するこの大きさのサイズのピンホールを露光して、レジストを感光させるためには非常に長い時間を必要とする。実際の実験では、通常半導体デバイスを作成するときに設定する露光量（光のエネルギー）が約２０ｍＪ／ｃｍ2である露光装置及びフォトレジストに対して、レチクル裏面に設置したｒ＝２．５μｍのピンホールでフォトレジストの膜減り状態を作り出すためには、１００００ｍＪ／ｃｍ2という露光量が必要であった。面積が約１／２７であるｒ＝０．６８μｍのピンホールを使用するならば、ｒ＝２．５μｍのピンホールの場合の少なくとも２７倍の露光量（２７００００ｍＪ／ｃｍ2）という露光量が必要であると見積もられる。このような露光量を加えることは、現実の露光装置では非常に困難である。
【０００７】
（２）膜減りの観測は、コントラストのわずかな違いを見分ける必要がある。瞳の形状を判断にはコンピュータを用いた画像処理が必要であり、手間がかかる。
【０００８】
（３）１回目・２回目の露光両方について、膜減り状態を作り出す必要があるため、露光量の調節が極めて微妙なものになる。以上のように、彼らの方法では、露光装置を分解しないで測定するという問題は解決しているが、簡便な方法とは言い難いものであった。
【０００９】
ＮＡの変化は露光装置の性能低下に直結するため、高精度なＮＡの調整が求められる。
【００１０】
また、シミュレーションと実際の結果の不一致の原因になるため、正しいプロセスマージン予測、形状設計に対してもＮＡの正しさが要求されるようになってきている。それにもかかわらず、これまでは装置組み立て後の投影光学系のＮＡを定量的に測定する手軽な手段がなく、現実には行われていなかった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来の露光装置の検査方法では、ＮＡを測定する方法はあっても２重露光が必要であり、またその露光による膜減りを測定するのは非常に困難で、露光量の調節等の手間もかかる。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、露光装置におけるウェハ側の開口数ＮＡを簡便に測定することのできる露光装置のＮＡ測定方法及びＮＡ測定用光学部材を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る露光装置のＮＡ測定方法は、光源から発せられる光を照明光学系により光学部材に導き、該光学部材の像を投影光学系によりウェハ上に結像せしめる露光装置に対して、投影光学系のウェハ側の実際の開口数ＮＡを測定する露光装置のＮＡ測定方法において、前記光学部材の倍率をＭ、露光波長をλ、前記照明光学系の前記光学部材側の開口数をＮＡillとしたとき、少なくとも１方向に少なくとも２以上の周期を有する基本パターンが複数配置され、該基本パターンの周期の中にｐ1＜Ｍλ／（ＮＡ＋ＮＡill）＜ｐ2を満たす周期ｐ1とｐ2が含まれた前記光学部材をレチクル面に設置して前記ウェハに前記複数の基本パターンを露光し、該露光された転写パターンの解像の有無の境界におけるパターン周期を同定することによって、前記開口数ＮＡを求めることを特徴とする。
【００１４】
本発明の望ましい形態を以下に示す。
【００１５】
（１）光学部材の基本パターンは、２次元格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンであり、該２次元格子の縦軸及び横軸が直交する２方向上に繰り返しパターンが構成されてなる。
【００１６】
（２）光学部材は、２次元格子の縦軸及び横軸がウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行な方向又は垂直な方向に設定された繰り返しパターンを有する。
【００１７】
（３）光学部材は、２次元格子の縦軸及び横軸がウェハのノッチ又はオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して±４５°の角度で交わる二つの直線に平行な方向に設定された繰り返しパターンを有する。
【００１８】
（４）光学部材の繰り返しパターンの２次元格子の縦軸方向及び横軸方向の繰り返し周期が異なる。
【００１９】
（５）光学部材の基本パターンはライン＆スペースパターンである。
【００２０】
（６）複数の基本パターンは、光学部材上にラインの長手方向の角度を少なくとも２種類以上に変えて配置されてなる。
【００２１】
（７）ラインの長手方向の角度は、ウェハのノッチまたはオリフラの中央と該ウェハの中心を結ぶ直線に対して平行、直交または±４５°の角度を持つ。
【００２２】
（８）少なくとも２以上の周期を持つ周期パターンが配置されてなり、該周期パターンの周期の刻み幅は０．０９０×Ｍμｍ以下である。Ｍはレチクルの倍率を示す。
【００２３】
また、本発明の請求項９に係るＮＡ測定用光学部材は、所定の方向に所定の周期を有する基本パターンが複数配置されてなり、かつ複数の基本パターンはそれぞれ０．００９×Ｍμｍ（Ｍ：レチクルの倍率）以下の刻み幅でそれぞれ異なる周期を有していることを特徴とする。
【００２４】
（作用）
本発明の対象とする露光装置は、照明光学系、光学部材、投影光学系から構成される。ここで、開口数をＮＡillとしたとき、光源から出た光は光学部材に到達する。光学部材上には異なる周期を有する基本パターンが複数配置されており、この光学部材上のパターンにより光は回折し、投影光学系に入射する。投影光学系の開口数は有限であるため、回折光の高次成分は投影光学系の絞りによって止められ、低次の回折光のみが投影光学系を通り抜けてウェハに到達する。
【００２５】
周期的なパターンが光学部材上に描画されているため、回折光は離散的になる。また、光源が有限の大きさを持つため、各回折光の断面形状は光源の形状を反映した面積を持つ。１次回折光は、０次回折光の断面の中央からある一定の距離だけ離れた位置に到達する。
【００２６】
ここで、ウェハ上に光学部材のパターン像が形成されるためには、２個以上の回折光を必要とする。その理由は、像のコントラストは複数の回折光の干渉により発生するからである。回折光の位置は周期によって定まり、投影光学系の瞳において、瞳の半径を１、開口数をＮＡ、光の波長をλ、光学部材の倍率をＭとすると、回折光間の距離は、
（１／ｐ）・（Ｍλ／ＮＡ）
で表される。また、各回折光の大きさ、すなわち半径はＮＡillとなる。周期が十分に小さく、１次回折光が絞り（瞳）から外れる場合を考える。この場合、ウェハ上に転写される像にはコントラストが無く、光が当たった部分のレジストが一様に感光されるだけである。このような状態に該当する場合の周期の条件は、幾何学的考察により
ｐ＜Ｍλ／（ＮＡ＋ＮＡill）                                  （１）
で表される。次に、周期ｐが上の状態よりも緩和され、１次回折光が少しでも絞りの内部に入る場合を考える。照明光の多くの部分から発した光は０次回折光しかウェハに到達しない。一般の露光装置の光学系においては、同一の点光源から発した光同士は干渉してウェハ上にコントラストを発生させ、異なる点光源から発した光同士は干渉しないことから、この０次回折光しかウェハに到達しないところの光源から発した光は干渉を起こさず、像の形成に寄与しない。しかし、わずかでも１次回折光が瞳を通過したところの光源から発した光は、同一光源から発した０次回折光と１次回折光との干渉によりコントラストを生じさせ、その結果ウェハ上にパターンが転写される。
【００２７】
以上により、照明光学系の開口数ＮＡill、レチクルの倍率Ｍ及び光の波長λが正確にわかっていれば、像のコントラストの有無から投影光学系の開口数ＮＡが求められることが説明される。例えば周期ｐ1のライン＆スペースパターンの転写像にはコントラストがなく、ｐ1をわずかに変えたｐ2の周期のライン＆スペースパターンの転写像にコントラストがある場合（ここで、ｐ1＜ｐ2）は、式（１）を用いてＮＡが次のように求められる。
【００２８】
Ｍλ／ｐ2−ＮＡill＜ＮＡ＜Ｍλ／ｐ1−ＮＡill
これによって、従来のように２重露光の手間を必要とせず１回の露光でＮＡの測定が可能となり、また膜減りの観察等のように手間のかかる画像処理も必要なく、露光量の調節の微妙な調節も必要なくコントラストの解像の有無のみの観察によりＮＡを定量的に測定することができる。この測定は、露光装置を分解する必要なく、普段稼働しているそのままの状態を測定することができるので、比較的簡便かつ迅速に高精度の測定値を得ることができる。
【００２９】
また、この測定値により露光の解像力や公称値とのずれが分かるので、投影光学系に修正を加えるか否かの判断が可能となる。また、シミュレーションにパラメータとして導入することによりデバイスパターンのプロセスマージン予測を精密に行うことが可能になる。
【００３０】
また、上記条件におけるＮＡの誤差の範囲は、次式で表される。
【００３１】
Ｍλ／ｐ1−Ｍλ／ｐ2                                          （２）
従って、測定誤差は、ｐ1とｐ2の差を小さくすることができれば、いくらでも小さくできる。ここで、投影光学系のＮＡの値を測定する際に、少なくとも±０．０１の精度で測定しなければならない。なぜなら、この程度の誤差が露光装置の光学系に存在すると、露光装置のパターン結像性能において無視できない影響が発生すると考えられるからである。
【００３２】
従ってこの測定誤差から光学部材に必要とされる基本パターンの周期の刻み幅が上記式より逆算できる。露光波長の相違より、ｉ線露光装置、ＫｒＦ露光装置、ＡｒＦ露光装置において、必要とされる刻み幅は０．０１３２μｍ以下、０．０１２０μｍ以下、０．０９０μｍ以下となる。この値は、実現可能と考えられるＮＡill、すなわち光源の大きさを規定する絞りの大きさ（σ値）を全て考慮して最も緩くなる場合を示す。従って、パターン周期の刻み幅、すなわちパターンピッチの増加分を０．０９０μｍ以下にしておけば、全ての露光装置に対して適用可能である。
【００３３】
以上説明したように、パターン周期の刻み幅を０．０９０μｍ以下に設定したパターンを有する光学部材を用いることにより、誤差±０．０１以下の精度で投影光学系のＮＡの測定が可能となる。
【００３４】
また、光学部材の基本パターンが、２次元格子上に透光部又は遮光部を有する繰り返しパターンである場合には、２方向上に繰り返しパターンが形成されるため、２方向の開口数ＮＡを同時に測定することが可能となる。このことは、基本パターンがライン＆スペースパターンであり、かつライン幅方向の角度を少なくとも２種類に変えて配置されたパターンを有する光学部材を用いた場合にも同様の効果を奏する。さらにラインの長手方向の角度を３種類以上に変えて配置することにより、さらに多方向のＮＡの同時測定が可能となり、原理的には全ての向きのＮＡの測定が可能とである。
【００３５】
また、２次元格子上のパターンを用いれば、１回の露光で直交する２方向のＮＡの大きさを測定できるため、検査の効率が向上する。さらに、２次元格子パターンであって縦方向と横方向のパターン周期を異なる値にした基本パターンを配置することにより、投影光学系の瞳の形状が円ではなく歪んだ形状をしている場合でも、角度の関数としてのＮＡの高精度の測定が可能となる。
【００３６】
【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。
【００３７】
（第１実施形態）
図１〜図５は本発明の第１実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明するための図である。本実施形態においてはＫｒＦエキシマレーザー露光装置(λ:０．２４８μｍ、ＮＡill:０．４５、公称ＮＡ:０．６）に対して本発明を適用した場合を示し、図１は本実施形態において用いられるレチクルの平面図であり、図１（ａ）はそのレチクルに用いられる基本パターンを示す図であり、図１（ｂ）はレチクルの構成を示す図である。
【００３８】
図１（ａ）に示すように、レチクルの基本パターンは遮光部１と透光部２からなる２０μｍ角のライン＆スペースパターンであり、寸法比は１：１である。このライン＆スペースパターンは、矢印の方向がノッチの方向に合わせて配置される。このようなライン＆スペースの基本パターンを図１（ｂ）に示すようにウェハのノッチを下向きにして、ライン長方向を横向きに合わせ、レチクル（倍率Ｍ：４）上に１１個配置する。
【００３９】
レチクルに配置されたこれら１１個の基本パターンは、それぞれ周期を変えている。図１（ｂ）の左端に示す基本パターンの周期は０．９０４μｍで、右へ向かうにつれて０．００８μｍずつ周期を増加させており、右端の基本パターンでは周期が０．９８４μｍである。このようなパターンを描いたレチクルを、デフォーカスを少しずつ変えて露光を行う。
【００４０】
このようなパターン露光により得られるレジストパターンの平面図を図２に示す。図２に示すように、レジストパターンは光学顕微鏡の暗視野照明での像を示している。縦に並んだ数値は、露光装置で設定したデフォーカス量を示し、横に並んだ数値はレチクル上のライン＆スペースパターンの周期を示している。
【００４１】
デフォーカスが０．０μｍであるとは、露光装置の事前チェックの結果得られた、フォーカスチェックパターンにおけるベストフォーカスの位置を表している。ベストフォーカスは、気圧や気温の変化等で容易に変動するため、事前チェックを行って日々のベストフォーカスの値をあらかじめ求めている。さらに、実際の露光装置では、レンズの収差等の影響でベストフォーカス位置がパターンサイズや形状に依存して変わるため、図２のデフォーカス０．０μｍの位置は必ずしも真のベストフォーカスとは限らない。
【００４２】
図中、２１に示した空白パターンとは、像のコントラストが現れていないこと、すなわち一様にレジストが残っているか、または一様に感光して無くなっていることを表す。逆に、２２に示したライン＆スペースパターンは、像のコントラストが現れていることを表し、従って、基本パターンであるライン＆スペースパターンが形成される。
【００４３】
今回得られたレジストパターンから判断したベストフォーカスは０．０μｍであり、このとき、ライン＆スペースパターン２２は周期が０．９５２μｍ以上に限られ、０．９４４μｍ以下のパターンは見られない。
【００４４】
次に、図２に示す露光結果からＮＡを算出する手法を露光原理に基づいて図３を用いて説明する。
【００４５】
図３は本発明の露光原理を説明するための図であり、本発明の対象とする露光装置の全体構成を概略的に示す模式図である。光源からの光３１はレチクル３２，投影光学系の瞳３３を介してウェハ３４に入射する。光源からの光３１がレチクル３２を通過する際に、レチクル３２に描画された微細パターンにより光は回折し、０次回折光３５，１次回折光３６，０次・１次回折光３５，３６よりもさらに高次の高次回折光３７が生じる。
【００４６】
これら種々の回折光３５〜３７は、高次回折光３７の一部を除いて投影光学系の瞳３３に入射する。すなわち、投影光学系のＮＡは有限であるため、回折光のうち高次回折光３７の一部は投影光学系の瞳３３によって止められ、低次の回折光３５，３６のみが投影光学系を通り抜けてウェハ３４に到達する。レチクル３２とウェハ３４は投影光学系に関して共役の位置にあるため、ウェハ３４上にはレチクル３２に描画されたパターンが再現される。
【００４７】
周期的なパターンがレチクル３２上に描画されている場合は、回折光は離散的になる。離散的な回折光がウェハ３４上に転写される様子を図４に示す。図４では、レチクル３２に周期的なパターンとしてライン＆スペースパターン４１が描かれている場合を示す。
【００４８】
このライン＆スペースパターン４１は、周期がｐ、透光部と遮光部の寸法比が１：１である。このレチクル３２を通過した回折光は、０次回折光、±１次回折光、±２次回折光、±３次回折光、…が生じるが、０次回折光により０次回折パターン４２が、±１次回折光により±１次回折パターン４３が、±２次回折光により±１次回折パターン４４が、±３次回折光により±３次回折パターン４５がそれぞれライン＆スペースパターン４１のライン長方向の向きと直行する直線上に離散的に生じる。
【００４９】
光源の大きさが点である場合には各回折光は点になるが、実際の露光装置では光源が有限の大きさ（開口数はＮＡillと表記する）を持つため、各回折光の形状はその大きさを反映した面積を持つ。０次回折光はレチクル３２を通過して直進する成分で、一般には全ての回折光の中で最も強度が大きい。本実施形態で用いる露光装置は共軸光学系であるため、投影光学系の瞳３３において０次回折パターン４２の位置は中央になる。
【００５０】
１次回折光は、その中央がライン＆スペースパターンの向きに直交する直線上にあり、０次回折パターン４２の中央からある一定の距離だけ離れた位置に到達する。回折光の符号は、投影光学系の瞳３３の中心を対称の原点として、点対称の位置に２つの回折光が存在していることを表す。
【００５１】
次に、図５を用いてレチクルパターンの像が形成されるための条件を説明する。図５は０次回折光及び１次回折光と瞳の位置関係を示す図であり、図５（ａ）はパターン像が形成されない場合を、図５（ｂ）はパターン像が形成される場合を示す。図３に示すウェハ３４上でレチクルパターンの像が形成されるためには、少なくとも２個以上の回折光を必要とする。その理由は、像のコントラストの発生は、複数の回折光の干渉により生じるためである。
【００５２】
ライン＆スペースパターンの回折光の位置はその周期ｐによって定まる。ここで、投影光学系の瞳３３において、瞳の半径を１、開口数をＮＡ、光の波長をλとすると、回折光間の距離は、
１／ｐ・λ／ＮＡで表される。また、各回折光の大きさ、すなわち回折光の半径はＮＡillとなる。
【００５３】
ここで、図５により回折光の半径ＮＡill、瞳の半径ＮＡ、レチクル上のパターンの周期ｐの各パラメータと、像コントラストの発生の関係について考える。図５（ａ）に示すように、周期が小さく
ＮＡ＋ＮＡill＜λ／ｐ1                                    （１）
の条件を満たすｐ1の場合、幾何学的考察により１次回折光３６が投影光学系の瞳３３の外に到達し、絞りにより遮られることが分かる。これに対して周期が充分大きく、
ＮＡ＋ＮＡill＞λ／ｐ2                                    （２）
の条件を満たすｐ2の場合、同様の考察で１次回折光３６の一部分が投影光学系の瞳３３の内側に到達し、瞳を通り抜けることが分かる。
【００５４】
前述の通り、像コントラストが発生するためには少なくとも２個以上の回折光を必要とするところ、図５（ａ）に示すように１次回折光３６が投影光学系の瞳３３に入らない条件では、像コントラストが生ずることなくパターンが形成されない。
【００５５】
これに対して図５（ｂ）に示すように０次回折光３５とともに１次回折光３６がわずかでも投影光学系の瞳３３に入る場合には、照明光の多くの部分から発した光は、０次回折光３５しかウェハ３４に到達しない。しかし、わずかながら同一点光源から発して０次及び１次回折光がともにウェハに到達するところの照明光成分が、レチクルに描かれているライン＆スペースパターンと同じ縞々のコントラストを生じさせる。従ってウェハ３４上にライン＆スペースパターンが転写される。この微小なコントラストのある状態は、通常用いられているＳＥＭでは観察し難いが、光学顕微鏡の暗視野照明を利用すれば容易に観察することができる。
【００５６】
以上のことから、照明光学系の大きさＮＡillと、光の波長λが正確にわかっていれば、ライン＆スペースパターンの像コントラストの有無から、投影光学系の開口数ＮＡが容易に求められることが説明される。すなわち、（１）式と（２）式より
λ／ｐ2−ＮＡill＜ＮＡ＜λ／ｐ1−ＮＡill                     （３）
となる。ここで、ｐ1＜ｐ2である。この条件を満たすＮＡが正確なＮＡとなり、真のＮＡの値はこの条件を満たしているから、ｐ1とｐ2の差が小さければ小さいほど、ＮＡをより精度良く測定できることになる。
【００５７】
次に、基本パターンの周期の刻み幅、すなわち基本パターンの増加分を０．００８μｍに設定した理由を説明する。
【００５８】
、上記条件におけるＮＡの誤差の範囲は、次式で表される。
【００５９】
Ｍλ／ｐ1−Ｍλ／ｐ2                                          （２）
従って、測定誤差は、ｐ1とｐ2の差を小さくすることができれば、いくらでも小さくできる。ここで、投影光学系のＮＡの値を測定する際に、少なくとも±０．０１の精度で測定しなければならない。なぜなら、この程度の誤差が露光装置の光学系に存在すると、露光装置のパターン結像性能において無視できない影響が発生すると考えられるからである。
【００６０】
従ってこの測定誤差から光学部材に必要とされる基本パターンの周期の刻み幅が上記式より逆算できる。露光波長の相違より、ＫｒＦ露光装置において、必要とされる刻み幅は０．０１２０μｍ以下となる。この値は、実現可能と考えられるσ絞り、すなわち光源の大きさを規定する絞りの大きさ（σ値）を全て考慮して最も緩くなる場合を示す。従って、パターン周期の刻み幅、すなわちパターンピッチの増加分を０．０１２０μｍ以下にしておけば、全ての露光装置に対して適用可能である。
【００６１】
以上説明したように、パターン周期の刻み幅を０．０１２０μｍ以下に設定したパターンを有する光学部材を用いることにより、±０．０１以下の精度で投影光学系の開口数ＮＡの測定が可能となる。
【００６２】
なお、以上に示した（１）〜（３）式は、レチクルの倍率を考慮しない場合、すなわちレチクルが１倍の場合で説明したが、λをＭ倍することにより、上記の条件が同様に成立する。
【００６３】
また、像の微妙なコントラストを転写するために、ベストフォーカスの状態で露光しなければならず、デフォーカスした状態では像のコントラスト低下により、１次回折光が投影光学系の瞳３３に入っている場合でも入っていないと判断しかねない。従って、ベストフォーカスが時間とともに変化する事情に対応するため、実際に本実施形態を実施するためにはフォーカスの値を何種類か変えて露光し、その中でコントラストが生じる最小周期のパターンを判断基準としなければならない。
【００６４】
以上に示した露光原理を本実施形態に適用して考えると、次のことが分かる。図２に示すように、ベストフォーカスの状態において、像コントラストの発生の境界におけるライン＆スペースパターンの周期は、０．９４４μｍと０．９５２μｍである。すなわち、０．９４４μｍのライン＆スペースパターンでは、１次回折光３６は全て投影光学系の瞳３３の外側にあり、像コントラストが発生しない。従って、図５（ａ）に示した回折光の位置関係を考慮して
ＮＡ＜Ｍλ／０．９４４−ＮＡill＝０．６０１
が成り立つ。一方、０．９５２μｍのライン＆スペースパターンでは、１次回折光３６の一部分が瞳３３の内側にあると考えられる。図５（ｂ）に示した回折光の位置関係を考慮して、
ＮＡ＞Ｍλ／０．９５２−ＮＡill＝０．５９２
が成り立つ。
【００６５】
以上より、ノッチを下に見た場合の左右方向のＮＡは、
０．９５２＜ＮＡ＜０．６０１
であることがわかる。
【００６６】
このように本実施形態によれば、露光装置の投影光学系のウェハ側の開口数を定量的に精密に測定することができる。従って、得られた開口数より、公称値とのずれを算出し、投影光学系に修正を加える必要があるか否かの判断が可能となる。
【００６７】
（第２実施形態）
図６〜図９は本発明の第２実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明するための図である。ＫｒＦエキシマレーザー露光装置(λ:０．２４８μｍ、ＮＡill:０．４５、公称ＮＡ：０．６)に対して本発明を適用する場合を示す。なお、以下の実施形態では、第１実施形態と共通する部分についての詳細な説明は省略する。
【００６８】
図６は本実施形態で用いられるレチクルの基本パターンを示す図である。図６に示した縦、横、右上左下対角、右下左上対角の４種のライン＆スペースパターンが基本パターンとなる。また、これら４種類の方向を持つ基本パターンを、第１実施形態と同様にレチクル（Ｍ:４)上にそれぞれ周期を変えて配置する。周期を変えて配置されるレチクルの構成を図７に示す。図７に示すように、方向の異なる４種類の基本パターンが、それぞれ異なる周期で１１個ごと配置される。この複数のライン＆スペースパターンを描いたレチクルを、デフォーカス毎に転写位置を変えて露光を行う。
【００６９】
このようなパターン露光により得られるレジストパターンの平面図を図８に示す。図８には各基本パターンのベストフォーカスの図を抽出したものであり、図２と同様のパターンが得られる。２１に示した空白パターンは、像のコントラストが現れていないことを表し、逆に、ライン＆スペースパターンは、像のコントラストが現れていることを表し、従って基本パターンであるライン＆スペースパターンが形成される。
【００７０】
レチクル上の周期パターンの向きを変えれば、それに応じて１次回折光の位置も変わる。従って、上で用いたライン＆スペースパターンの任意の向きに向けて配置すれば、投影光学系の全ての向きの開口数が測定できる。これは、すなわち投影光学系の瞳の形状を測定することと同じ意味である。
【００７１】
従って、本実施形態に示した露光結果から、ノッチを下に見た場合の右上左下対角方向のＮＡは、
０．５９２＜ＮＡ＜０．６０１
ノッチを下に見た場合の左右方向のＮＡの大きさは、
０．５８３＜ＮＡ＜０．５９２
ノッチを下に見た場合の右下左上対角方向のＮＡの大きさは、
９．５９２＜ＮＡ＜０．６０１
ノッチを下に見た場合の上下方向のＮＡの大きさは、
０．６０１＜ＮＡ＜０．６１０
であることがわかる。この投影光学系の瞳の形状を図９に示す。図９（ａ）は理想的な投影光学系の瞳の形状を、図９（ｂ）は本実施形態の測定の結果得られた投影光学系の瞳の形状を示す。図９（ａ）に示すように、理想的な、すなわち公称の投影光学系の瞳の形状は、直径０．６μｍの完全な円の形状をしているのに対し、本実施形態の測定の結果、実際の投影光学系の瞳は縦方向の直径が０．６０３μｍ、横方向の直径が０．５９３μｍという上下に長い楕円形となっていることが分かる。
【００７２】
このように本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、投影光学系のウェハ側の開口数ＮＡを一方向のみならず多方向について同時に求められるため、瞳の形状の概形を知ることができる。
【００７３】
（第３実施形態）
図１０〜図１３は本発明の第３実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明するための図である。ＫｒＦエキシマレーザー露光装置(ＮＡ：０．６、σ：０．７５、公称ＮＡ:０．６)に対して本発明を適用する場合を示す。
【００７４】
図１０は本実施形態で用いられるレチクルの基本パターンを示す図である。この図１０に示す基本パターンを、レチクル（Ｍ：４）上に配置する。この基本パターンは横方向と縦方向で異なる周期を持つ２次元周期パターンである。この周期の縦横比を保ったまま、サイズを変えたパターンを、第１実施形態と同様に周期を変えて配置する。周期を変えて配置されるレチクルの構成を図１１に示す。
【００７５】
図１１に示すように、レチクル上に一列に異なる周期のパターンが配置される。数値は、縦と横のレチクル上の周期を表す。このようなパターンを描いたレチクルを、デフォーカス毎に転写位置を変えて露光を行う。フォーカスの値はベストフォーカス近辺で、デフォーカスの刻み幅を０．０５μｍとする。
【００７６】
このようなパターン露光により得られるレジストパターンの平面図を図１２に示す。図１２に示すように、各周期の２次元周期パターンについて、図２と同様のパターンが得られる。図１２は露光した結果得られたパターンを示す図である。
【００７７】
ベストフォーカスである−０．１５μｍに着目すると、（ｋ）から（ｈ）までは縦横の格子パターン５０が見えるが、それより周期の小さい（ｇ）〜（ｄ）では横のラインのみ現れており、ライン＆スペースパターン２２が見える。さらに周期の小さい（ｃ）〜（ａ）では像のコントラストが見られず、空白パターン２１となる。縦のラインが０．９４４μｍ周期以上では見え、０．９３６μｍ周期以下では見られなかったことから、ノッチを下にして横方向の開口数は次のように求められる。
【００７８】
０．６０１＜ＮＡ＜０．６１０
同様に、横のラインが０．９６０μｍ周期以上では見え、０．９５２μｍ周期以下では見られなかったことから、ノッチを下にして縦方向の開口数は次のように求められる。
【００７９】
０．５８３＜ＮＡ＜０．５９２
すなわち、この装置の投影光学系のウェハ側の開口数は、横に長く縦が短い楕円に近い形状をしていることが分かる。このウェハ側の開口数を図１３に概略的に示す。
【００８０】
このように、本実施形態では、第２実施形態と同様に縦方向と横方向のＮＡを測定できる。また、これら縦方向と横方向のＮＡを複数の方向を持つ周期パターンを配置することなく、１つの周期パターンから同時に測定できるため、第２実施形態のように複数の方向を持つ周期パターンを配置する必要が無く、簡便に測定することが可能となる。また、縦方向と横方向のパターン周期を変えて配置することにより、縦方向と横方向で開口数ＮＡが異なる楕円形状をしている場合にも高精度のＮＡの測定が可能となる。
【００８１】
（第４実施形態）
図１４〜図１６は本発明の第４実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法を説明するための図である。ＫｒＦエキシマレーザー露光装置(ＮＡ：０．６、σ：０．７５、公称ＮＡ:０．６)に対して本発明を適用する場合を示す。
【００８２】
図１４は本実施形態で用いられるレチクルのパターンを示す図である。図１４に示すように、遮光部１と透光部２の比が１：１の市松格子の基本パターンがレチクル上に配置される。この基本パターンは縦と横で異なる周期を持つパターンである。この図１４に示す市松格子の基本パターンを縦横比を保ったままサイズを変えたパターンを、第１実施形態と同様に周期を変えて配置する。
【００８３】
このような市松格子のパターンを通過した回折光による回折パターンと投影光学系の瞳の模式図を図１５に示す。図１５に示すように、投影光学系の瞳３３と同心円上に０次回折パターン４２が現れ、この０次回折パターン４２の中心から４方向に、かつこの０次回折パターン４２を囲むように、１次回折パターン４３が現れる。ノッチを矢印に示す下向きにした場合、１次回折光は斜めの4方向に現れる。また、０次回折光の中心と１次回折光の中心の間の距離は、ライン＆スペースパターンの場合の√２倍になるという特徴がある。
【００８４】
第１〜第３実施形態と同様に、周期を少しずつ変えたパターンをレチクル上に一列に並べて露光する。ベストフォーカス条件で得られたレジストパターンと、それぞれのパターンで使用した市松格子パターンの周期を図１６に示す。像のコントラストが現れたのは１．３３２μｍ周期以上のパターンであった。またこの像のコントラストがなくなる直前まで、縦横のコントラストの現れかたの差は見られなかった。
【００８５】
以上から言えることは、まず、右下左上対角方向の開口数と、右上左下対角方向の開口数に差がないことである。また、１．３３２μｍ周期の市松格子パターンのときにコントラストが見えたことより、
ＮＡ＞√２Ｍλ／１．３３２−ＮＡill＝０．６０３
であり、また、１．３２８μｍ周期の市松格子パターンのときにコントラストが見えなかったことより、
ＮＡ＜√２Ｍλ／１．３２８−ＮＡill＝０．６０６
以上から、この露光装置の投影光学系のウェハ側の開口数は、
０．６０３＜ＮＡ＜０．６０６
であることが分かる。すなわち、公称値より０．８％程度大きい。
【００８６】
本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば露光装置としてＫｒＦ露光装置を用いる場合で示したが、ｉ線露光装置やＡｒＦ露光装置であっても同様に適用可能であることはもちろんである。このように露光装置を他の露光装置で置換して本発明を適用する場合には、露光波長の相違により、必要とされる基本パターンの周期の刻み幅が異なる。例えばｉ線露光装置の場合、０．０１３２μｍ以下、ＡｒＦ露光装置の場合、０．０９０μｍ以下の刻み幅であれば、開口数ＮＡを測定誤差±０．０１以下で測定することができる。
【００８７】
また、ライン＆スペースパターンと２次元格子パターン等により実施形態を説明したが、任意の方向に異なる周期を持つ基本パターンが複数配置されているものであれば、これらパターン種には限定されない。また、２方向あるいは４方向のＮＡを測定する場合を示したが、基本パターンの周期的に並ぶ方向をさらに複数設定した光学部材を用いることにより、さらに多方向のＮＡを測定できることはもちろんである。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、露光装置の投影光学系のウェハ側の開口数ＮＡを露光装置を分解することなく定量的に精密かつ簡便に測定でき、得られた測定値に基づいて投影光学系に修正を加えるか否かの判断が可能となる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図２】同実施形態におけるパターン露光により得られるレジストパターンの平面図。
【図３】本発明の露光原理を説明するための図。
【図４】離散的な回折光がウェハ上に転写される様子を示す図。
【図５】０次回折光及び１次回折光と瞳の位置関係を示す図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図７】同実施形態において周期を変えて配置されるレチクルパターンを示す図。
【図８】同実施形態における露光により得られるレジストパターンの平面図。
【図９】同実施形態における瞳の形状を示す図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図１１】同実施形態において周期を変えて配置されるレチクルパターンを示す図。
【図１２】同実施形態における露光により得られるレジストパターンの平面図。
【図１３】本実施形態で検査された投影光学系のウェハ側の開口数を示す図。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る露光装置のＮＡ測定方法に用いられるレチクルの平面図。
【図１５】同実施形態における市松格子のパターンを通過した回折光による回折パターンと投影光学系の瞳の模式図。
【図１６】同実施形態におけるレチクル上のパターンの周期及び露光により得られるレジストパターンの平面図。
【符号の説明】
１…遮光部
２…透光部
２１…空白パターン
２２…ライン＆スペースパターン
３１…光源からの光
３２…レチクル
３３…投影光学系の瞳
３４…ウェハ
３５…０次回折光
３６…１次回折光
３７…高次回折光
４１…ライン＆スペースパターン
４２…０次回折パターン
４３…±１次回折パターン
４４…±２次回折パターン
４５…±３次回折パターン
５０…格子パターン
５１…市松格子パターン
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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