JP2014178389A - 計測方法および位置調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検面の計測位置のデフォーカス量を比較的簡単に短時間で計測すること
【解決手段】被検面の計測位置における、結像光学系１０４の焦点位置からの光軸方向におけるずれ量であるデフォーカス量を計測する計測方法は、前記結像光学系によって形成されるマスク１０３の像に基づいて評価値を取得するステップと、予め取得された、前記デフォーカス量と前記評価値との関係を用いて、前記評価値に対応する前記デフォーカス量を取得するステップと、を有し、前記マスクは、第１の位相を有する第１の領域３５、３６と、前記第１の位相とは異なる第２の位相３７、３８を有する第２の領域と、を含み、前記評価値は、前記第１の領域に対応する像の結像状態を表す第１の値と、前記第２の領域に対応する像の結像状態を表す第２の値と、に基づいて取得される。
【選択図】図１

Description

本発明は、デフォーカス量を計測する計測方法およびそれを利用した位置調整方法に関する。

バーチャルスライドと呼ばれる病理診断用の顕微鏡システムでは、顕微鏡光学系を通した試料の拡大像を撮像素子で撮像する。バーチャルスライドでは、試料の形状歪みや顕微鏡システムの機械的な誤差、温度の変動に伴う変形や変質に起因して発生するデフォーカス量を補正する必要があり、デフォーカス量の分布の計測が必要となる。特許文献１は、試料に計測用ビームを照射し、その反射光が複数の受光部のいずれにスポットを形成するかに基づいて合焦状態を検出する方法を提案している。

また、半導体露光装置においては、露光ショット領域内の複数箇所におけるデフォーカス（焦点不均一性）を補正するために、それぞれのデフォーカス量（像面湾曲）の計測が必要である。計測方法としては、レジストを塗布したウエハを露光して電子顕微鏡などで観察する方法や、ウエハステージに光電変換素子を併設し、像面の強度分布を直接計測する方法がある。この計測に用いるマスクとして、特許文献２は、非対称回折格子と基準パターンを並置しているマスクを提案し、特許文献３は、孤立線状の遮光領域と微小位相シフターを並置しているマスクを提案している。

特開２００１−３０５４２０号公報 特開２００２−０５５４３５号公報 特開２０１０−２８２１１５号公報

しかし、特許文献１の方法は、１回の計測でデフォーカス量は算出できず、デフォーカスを補正するためには、受光スポットをモニタし続けながら焦点合わせの動作を連続的に行う必要があり、補正に時間を要する。また、この方法では試料上の１点の計測につき１組の受光部が必要であること、この方法を試料からの透過光を観察する明視野顕微鏡に適用する場合には、計測用の照明光学系を別に設けなければならないことから、計測装置のコストとサイズが増大する。

一方、半導体露光装置のデフォーカス量（像面湾曲）の計測において、特許文献２、３に示すマスクを用いると、デフォーカス量に従って移動する２つの計測パターンが近づく場合がある。この場合には、計測パターンのピークまたはエッジが不明瞭になり、計測精度が低下するおそれがある。また、従来のマスクでは、計測結果とデフォーカス量を対応付けるために予め計測した事前情報がなければ、合焦しているか否か、また合焦位置がウエハの前後どちらにずれているかの判定ができない。さらには、特定の照明条件でしか性能を発揮せず、通常の使用時とは照明条件を切り替える必要がある。

本発明は、被検面の計測位置のデフォーカス量を比較的簡単に短時間で計測することが可能な計測方法およびそれを利用した位置調整方法を提供することを例示的な目的とする。

本発明の計測方法は、被検面の計測位置における、結像光学系の焦点位置からの光軸方向におけるずれ量であるデフォーカス量を計測する計測方法であって、前記結像光学系によって形成されるマスクの像に基づいて評価値を取得するステップと、予め取得された、前記デフォーカス量と前記評価値との関係を用いて、前記評価値に対応する前記デフォーカス量を取得するステップと、を有し、前記マスクは、第１の位相を有する第１の領域と、前記第１の位相とは異なる第２の位相を有する第２の領域と、を含み、前記評価値は、前記第１の領域に対応する像の結像状態を表す第１の値と、前記第２の領域に対応する像の結像状態を表す第２の値と、に基づいて取得されることを特徴とすることを特徴とする。

本発明によれば、被検面の計測位置のデフォーカス量を比較的簡単に短時間で計測することが可能な計測方法およびそれを利用した位置調整方法を提供することができる。

本発明が適用可能なバーチャルスライドのブロック図である。 本発明が適用可能な投影露光装置のブロック図である。 本発明の計測方法で使用される計測用マスクの透過率分布と位相分布を示す図である。（実施例１） 図３に示す計測用マスクに対する撮像素子の出力像である。（実施例１） 図３に示す計測用マスクに対する撮像素子のデフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。（実施例１） 本発明の計測方法で使用される計測用マスクの透過率分布と位相分布を示す図である。（実施例２） 図６に示す計測用マスクに対する撮像素子の出力像である。（実施例２） 図６に示す計測用マスクに対する撮像素子のデフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。（実施例２） 本発明の計測方法で使用される計測用マスクの構造を示す図である。（実施例３） 図９に示す計測用マスクに対する撮像素子の出力像である。（実施例３） 図９に示す計測用マスクに対する撮像素子のデフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。（実施例３） 本発明の計測方法で使用される計測用マスクの透過率分布と位相分布を示す図である。（実施例４） 図１２に示す計測用マスクに対する撮像素子の出力像である。（実施例４） 図１２に示す計測用マスクに対する撮像素子のデフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。（実施例４） 本発明の計測方法で使用される計測用マスクの透過率分布と位相分布を示す図である。（実施例５） 図１５に示す計測用マスクに対する撮像素子の出力像である。（実施例５） 図１５に示す計測用マスクに対する撮像素子のデフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。（実施例５） 本発明の計測方法で使用される計測用マスクの透過率分布と位相分布を示す図である。（実施例６） 図１８に示す計測用マスクに対する撮像素子の出力像である。（実施例６） 図１８に示す計測用マスクに対する撮像素子のデフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。（実施例６） 本実施形態の計測方法と位置調整方法のフローチャートである。（実施例１〜６）

図１は、本発明を適用可能なバーチャルスライドと呼ばれる病理診断用の顕微鏡システムのブロック図である。バーチャルスライドは、顕微鏡１００と、搬送部２０１、制御部２０２、画像処理部２０３、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２０４と、を有する。顕微鏡１００は、照明光学系１０１、ステージ１０２、撮像光学系１０４、撮像素子１０５を有する。

照明光学系１０１は、ステージ１０２に搭載された計測用マスク（以下、単に「マスク」と称する）１０３や不図示の人体の組織片等の試料をそれぞれに適した照明条件で照明する。ステージ１０２は、マスク１０３や試料を支持して、照明光学系１０１の光軸方向とそれに直交する二方向に移動する。撮像光学系１０４は、物体であるマスク１０３や試料の光学像を形成する結像光学系である。撮像素子１０５は、撮像光学系１０４が形成した光学像を光電変換する。

搬送部２０１は、制御部２０２の命令に基づいてマスク１０３や試料をステージ１０２に搭載する。制御部２０２は、バーチャルスライドの各部の動作を制御する。画像処理部２０３は、撮像素子１０５の出力（アナログ信号）をＡ／Ｄ変換して得られるデジタル信号に対して各種の処理を施す。

ＰＣ２０４は、演算処理を行うＣＰＵ（演算手段）と、試料の撮像結果を保存する記憶手段を有する。ＰＣ２０４は、インターネットなどのネットワークに接続され、外部からの読み出し要求に対応する画像を提供する。また、記憶手段は予め取得した、後述するデフォーカス量と評価値との関係も保存する。ＰＣ２０４は、後述する計測結果と前記関係から被検面の計測位置におけるデフォーカス量を取得する。また、被検面の計測位置のデフォーカス量が減るように制御部２０２に撮像素子１０５またはステージ１０２の位置を調整するように命令する。

バーチャルスライドでは、視野（試料の観察領域）が１つの撮像素子１０５よりも大きい場合には、撮像素子１０５を複数備えた構成を採用してもよい。マスク１０３または試料と撮像素子１０５の撮像面とは、撮像光学系１０４によって共役な関係（即ち、物体と像の関係）になければならないが、撮像素子１０５の撮像面はデフォーカスする場合がある。このため、各撮像素子１０５の撮像面（被検面）のデフォーカス量を計測して補正する必要がある。ここで、「デフォーカス量」とは、撮像素子１０５の撮像面などの被検面の計測位置における、結像光学系の焦点位置からの光軸方向におけるずれ量である。合焦状態ならば０、光源（物体）に近づく方向にずれた場合を正の値、光源（物体）から遠ざかる方向にずれた場合を負の値とする。

図２１は、本実施形態の計測方法と位置調整方法を説明するためのフローチャートである。

試料を観察して撮像する前に、マスク１０３を用いて被検面の一または複数の計測位置におけるデフォーカス量（またはデフォーカス量の分布）を計測する計測ステップ（Ｓ１０）が行われる。そして、計測ステップによって計測されたデフォーカス量を補正するように撮像素子１０５またはステージ１０２の位置を調整する位置調整ステップ（Ｓ２０）が行われる。

本実施形態の計測ステップ（計測方法）は、マスク１０３を使用して撮像素子１０５の出力を取得し、取得された撮像素子１０５の出力と予め取得した情報に基づいて被検面の計測位置のデフォーカス量を取得する。具体的には、照明光学系１０１は、搬送部２０１によってステージ１０２に搭載されたマスク１０３を計測用の条件で照明し、撮像素子１０５は、撮像光学系１０４によって被検面に結像されたマスク１０３の光学像を光電変換する（露光および撮像）。画像処理部２０３は、複数の撮像素子１０５が撮像したマスクの像に対してデータ処理を行い、被検面の計測位置の合焦状態を評価するための後述する評価値を取得する（Ｓ１２）。ＰＣ２０４は、取得した評価値と、予め取得した情報（デフォーカス量と評価値との関係に係るデータ）とから、評価値に対応する被検面の計測位置のデフォーカス量を取得する（Ｓ１４）。そして、ＰＣ２０４は、この情報に基づき、撮像素子１０５またはステージ１０２の位置を調節し、その後で試料を観察する処理に入る。Ｓ１２とＳ１４は、コンピュータによって実行されるプログラムとして具現化されてもよい。

マスク１０３は、光が通過する光通過部を有しており、以下の実施例では、第１の位相を有する光通過部である第１の領域と、第１の位相とは異なる第２の位相を有する光通過部を第２の領域と、について説明する。照明光学系１０１からの光は、マスク１０３における第１の領域及び第２の領域を通過し、撮像光学系１０４は、第１の領域及び第２の領域の夫々に対応する像を形成する。

第１の領域に対応する像の結像状態がデフォーカス量に従って変化する変化の仕方は、第２の領域に対応する像の結像状態がデフォーカス量に従って変化する変化の仕方とは異なる。一つの像の結像状態のみを指標とすると（例えば、第１の領域に対応する像の結像状態を表す指標のみを用いると）比較基準が存在しないために計測精度が低下したり、複数回の計測が必要になるために計測時間がかかったりする。そこで、本実施形態では、デフォーカス量に対する変化の仕方が異なる二種類の領域の像の結像状態を組み合わせたものを評価値に使用している。評価値は、第１の領域に対応する像の結像状態を表す第１の値と、第２の領域に対応する像の結像状態を表す第２の値と、に基づいて取得される。即ち、第１の値と第２の値を組み合わせることによって生成され、デフォーカス量とユニークに（一対一で）対応している。本実施形態は、このような評価値を使用することによって計測精度を高め、計測時間を短縮している。

マスク１０３は、ある実施例では、取得画像における特徴点（例えば、輝度が極大値をとる点）の位置をデフォーカス量に応じて異なる方向にずらす効果を有する。また、マスク１０３は、別の実施例では、取得画像における複数の特徴点の像強度の大小関係をデフォーカス量に応じて変化させる効果を有する。

第１の領域に対応する第１の光通過部と第２の領域に対応する第２の光通過部は、遮光部によって分離されていてもよいし、一つの連続した光通過部の内部に設けられていてもよい。第１の領域と第２の領域の形状は同じでもよいし、異なっていてもよい。第１の光通過部と第２の光通過部の形状は同じでもよいし、異なっていてもよい。第１の光通過部の透過率と第２の光通過部の透過率は同じでもよいし、異なっていてもよい。第１の光通過部と第２の光通過部がそれぞれペアで設けられると、マスク１０３のパターン像は明瞭になりやすい。即ち、マスク１０３は、第１の領域及び第２の領域の夫々を複数含んでいてもよい。第１の位相と第２の位相はそれぞれ第１の領域と第２の領域において一定でもよいし、分布を有してもよい。第１の領域と第２の領域とを含めて１つのパターンとする時、マスク１０３はパターンを複数有してもよい。これにより、被検面の複数の計測位置のデフォーカス量を１回の計測によって取得することができる。

図２は、本発明を適用可能な露光装置のブロック図である。図１と同様に、被処理体であるウエハや液晶基板を露光する前に、予めデフォーカス量を補正するためのステージ３０１の位置調整量を取得するため、マスク３０３を用いて像強度分布の取得またはレジストを塗布した計測用基板への露光を行う。なお、マスク３０３は、計測終了後は転写すべきパターンが形成されたマスク（レチクル）に交換される。まず、搬送部４０１は制御部４０２の命令に基づきマスク３０３を投影露光装置３００に移動する。次に、照明光学系３０４は通常の露光と同じ条件、または計測用の条件でマスク３０３を照明し、結像光学系としての投影光学系３０２がステージ３０１上の光電変換素子またはレジストを塗布した計測用基板（不図示）に像を形成する。光電変換素子を用いた場合には、ステージ３０１上の複数の位置における像強度分布に関する信号を画像処理部４０３に伝送し、後述する既定のデータ処理を行うことで前記複数の位置のデフォーカス量を算出する。一方、計測用ウエハを用いた場合には、計測用ウエハを現像し、電子顕微鏡でレジスト形状を観察して画像情報を取得し、この画像に対して同様に既定のデータ処理を行うことで被検面の計測位置における評価値を取得する。ＰＣ４０４が、図１と同様に、取得した評価値と、予め取得した情報（デフォーカス量と評価値との関係に係るデータ）とから、デフォーカス量を算出する。この情報に基づき、被処理体を露光する前にステージ３０１またはマスク３０３の位置が補正されるか光学系３０２が調整され、もしくは被処理体の露光中にステージ３０１の位置が補正される。

以下、各実施例において、図１のバーチャルスライドを例として、被検面の計測位置におけるデフォーカス量の計測方法を説明する。

実施例１は、撮像光学系１０４の像側開口数を０．７、結像倍率を２０倍、各撮像素子１０５の画素サイズを１．５μｍ、同画素の面積開口率を８０％とする。波長は白色光を想定した。４００ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍ、６００ｎｍ、７００ｎｍの各波長の相対強度をそれぞれ０．１、１．０、１．５、１．０、０．１とする。

実施例１は、図３に示す（計測用）マスク１０３ａを図１に示すマスク１０３に使用する。図３（ａ）は、マスク１０３ａの透過率分布を示し、図３（ｂ）はマスク１０３ａの位相分布を示す図である。なお、以降では位相分布を示す全ての図における位相の単位はラジアンとする。図３では、複数の第１の領域と複数の第２の領域は交差して配列されており、その交差する部分は遮光部として機能する。

図３（ａ）において、遮光部３０と４つの開口部３１〜３４が設けられている。４つの開口部は十字形状を形成し、十字の交差する部分（図３では中央部）は遮光部である。各開口部は１辺０．２５μｍの正方形形状を有する。（ｘ，ｙ）＝（０，０）を中心とする１辺０．２５μｍの正方形は遮光部である。十字の中央の遮光部のｙ方向（第１の方向）に並ぶ上下の開口部３１、３２がペアであり、第１の開口部（第１の光通過部）として機能する。十字の中央の遮光部のｘ方向（第２の方向）に並ぶ左右の開口部３３、３４がペアであり、第２の開口部（第２の光通過部）として機能する。第１の開口部と第２の開口部の透過率は共に１であり、それ以外は０である。

図３（ｂ）において、各開口部と同一の領域が同一の位置に４つ設けられている。一対の第１の開口部に対応する一対の第１の領域３５、３６の位相は共に１．０２ラジアンであり、一対の第２の開口部３７、３８に対応する一対の第２の領域の位相は共に−１．０２ラジアンである。第１の領域３５、３６と第２の領域３７、３８以外の領域の位相は０である。第１の領域の位相は一定であり、第２の領域の位相は一定である。第１の領域３５、３６と第２の領域３７、３８は角部において（対角方向に）接しているが、離れていてもよい。第１の領域３５、３６と第２の領域３７、３８は、０ラジアン以外の位相差、本実施例では波長５５０ｎｍに対して２．０４ラジアンの位相差を有する。

この位相差は、例えば、マスク１０３ａの透明基板に開口ごとに異なる量の掘り込みを設けることにより実現できる。ここで、掘り込み量に１００ｎｍの製造誤差が加わると仮定した場合でも、位相差の誤差としては０．２９ラジアン以下程度であり、以降の記載と同様の効果を得ることができる。製造誤差を考慮すると、位相差は０．６１ラジアン以上３．２４ラジアン以下であることが好ましい。後述する像形状はこの位相差に依存し、位相差が０．６１ラジアン未満であると、各デフォーカス量に対応する像毎の形状の差が小さくなり、デフォーカス量を取得することが難しくなる。また、３．２４よりも大きいと撮像素子１０５から得られるマスクパターン像が明瞭になりにくくなる。

図４は、マスク１０３ａを垂直入射のコヒーレント光で照明した場合の被検面のデフォーカス量に対する撮像素子１０５の出力像を示す。図５は、この出力像に対し、最大値の３５％の値をしきい値として２値化を行い、得られた楕円領域の水平方向の幅（第２の値）から垂直方向の幅（第１の値）を減算した評価値を前記デフォーカス量に対してプロットした結果を示すグラフである。楕円領域の垂直方向は複数の第１の領域３５、３６の配列方向に対応し、楕円領域の水平方向は複数の第２の領域３７、３８の配列方向に対応する。

図５は、デフォーカス量と評価値の関係を示すグラフである。評価値は、前述したように、ここでは、楕円の形状を示す指標（どれだけ横長かなど）である。楕円は、図４に示す各画像（白色の像）を近似することによって設定される。例えば、図４のデフォーカス量−２００μｍの画像に対しては縦長の楕円が設定され、デフォーカス量０μｍの画像に対してはほぼ真円の楕円が設定され、デフォーカス量２００μｍの画像に対しては横長の楕円が設定される。但し、評価値は、楕円の幅の差分に限定される必要はなく、マスクパターン像の形状を定量的に反映する指標であればよい。

楕円領域の水平および垂直方向の端点を特徴点とすれば、特徴点の位置がデフォーカスに従って移動していることになる。予め既知のデフォーカス量に対する計測を行い、図５に示す情報を取得して不図示の記憶手段に記憶しておけば、本実施例の計測方法によって評価値を取得することによってそれに対応する計測位置のデフォーカス量を取得することができる。例えば、被検面の評価値−６．０μｍと算出された位置のデフォーカス量は−１００μｍと同定される。なお、デフォーカス量と評価値の関係は、グラフに限定されず、表や式であってもよい。

従来の方法に対してマスク１０３ａを用いる利点は、事前情報がなくても合焦しているか否か、もしくは、デフォーカス方向の判定ができることである。例えば本実施例においては、評価値が負ならば、撮像素子１０５が光源から遠ざかる方向にデフォーカスしていると判定できる。なお、評価値が正ならば、光源から遠ざかる方向にデフォーカスしていると判定するように評価値を定義してもよいことはいうまでもない。さらには、図３に示すパターンが複数設けられたマスクを用い、前述の一連の手続きを行うことで、被検面の複数の位置におけるデフォーカス量を同時に計測することができる。

撮像回数は１回に限定される必要はなく、複数枚の画像を取得し、それらから前述の方法を用いて取得したデフォーカス量に対し、平均等の統計的処理を行って最終的な計測値としてもよい。

以上の計測において、マスク１０３ａに合わせて照明条件を切り替える必要は必ずしもなく、通常の試料観察時と同じ照明条件で行ってもよい。また、同じ方法で投影露光装置の像面湾曲も計測可能である。

実施例２は、マスク１０３ａの代わりにマスク１０３Ｂを使用する以外は実施例１と同じ条件を用いている。マスク１０３ｂは、図６（ａ）に示す透過率分布と図６（ｂ）に示す位相分布を有する。これは、非点収差を表すＺｅｒｎｉｋｅ多項式の第５項を位相とする複素数分布をフーリエ変換した結果に対し、振幅については最大値の５０％の値、位相については波長５５０ｎｍに対し±１．５８ラジアンをしきい値として３値化することで得られる。このフーリエ変換の結果はＢｅｓｓｅｌ関数の和で解析的に表される。マスク１０３ｂの位相分布がＢｅｓｓｅｌ関数で表されると、マスク１０３ｂのパターン像が明瞭になりやすい。位相差の実現手段については実施例１と同様である。

図６（ａ）では、透過率１を有する一つの菱形の開口部（光通過部）４１がマスク１０３ｂに設けられており、周囲の黒色部は遮光部４０で透過率は０である。第１の光通過部と第２の光通過部は一つの開口部の内部に設けられる。

図６（ｂ）に示すように、マスク１０３ｂでは、第１の領域４５、４６と第２の領域４７、４８は共に同一のスペード形状を有し、Ｙ方向に並ぶ一対のスペードが第１の領域であり、Ｘ方向に並ぶ一対のスペードが第２の領域である。一対の第１の領域４５、４６はｙ＝０の線に関して対称に設けられ、一対の第２の領域４７、４８はｘ＝０の線に関して対称に設けられている。一対の第１の領域４５、４６の位相は共に１．５８ラジアンであり、一対の第２の領域４７、４８の位相は共に−１．５８ラジアンである。第１の領域と第２の領域以外の領域の位相は０である。第１の領域４５、４６の位相は一定であり、第２の領域４７、４８の位相は一定であり、第１の位相と第２の位相は異なる。第１の領域４５、４６と第２の領域４７、４８は離れて配置されている。

図７に、マスク１０３ｂを垂直入射のコヒーレント光で照明した場合の各デフォーカス量に対する撮像素子１０５の出力像を示す。図８は、この出力像に対し、最大値の３０％の値をしきい値として２値化を行い、得られた楕円領域の水平方向の幅（第２の値）から垂直方向の幅（第１の値）を減算した評価値をデフォーカス量に対してプロットした結果を示すグラフである。楕円領域の垂直方向は複数の第１の領域４５、４６の配列方向に対応し、楕円領域の水平方向は複数の第２の領域４７、４８の配列方向に対応する。

楕円領域の水平および垂直方向の端点を特徴点とすれば、特徴点の位置がデフォーカスに従って移動していることになる。予め既知のデフォーカス量に対する計測を行い、図８に示す情報を取得して不図示の記憶手段に記憶しておけば、本実施例の計測方法によって評価値を取得することによってそれに対応する計測位置のデフォーカス量を同定することができる。例えば、被検面の評価値−６．０μｍと算出された位置のデフォーカス量は−１００μｍと同定される。

評価値は長さの差分に限定されず、像形状を定量的に反映する指標であればよい。また、従来の方法に対する利点、複数の位置における同時計測、複数枚の撮像、照明条件、投影露光装置への適用については実施例１と同様である。

実施例３は、照明条件とマスク１０３ａの代わりにマスク１０３ｃを使用する以外は実施例１と同じ条件を用いている。照明光は５５０ｎｍの単波長とし、マスク１０３ｃは、図９に示す構造を有する。図９（ａ）はマスク１０３ｃの拡大斜視図である。図９（ｂ）はマスク１０３ｃの上面図である。図９（ｃ）はマスク１０３ｃの断面図である。

図９（ｃ）に示すように、マスク１０３ｃは、遮光膜５１と透明基板５２から構成されている。遮光膜５１は、例えば、クロムのような照明光をほとんど通さない材料から構成され、透明基板５２は、例えば、光学ガラスのような屈折率が一定で光の吸収が少ない材料で構成されている。図９では、透明基板５２は吸収がなく、屈折率が１．４の光学ガラス、遮光膜５１は複素屈折率が２．３８＋２．９７ｉのクロムである。

透明基板５２は、ｙ座標が−２μｍから２μｍの範囲に、図９（ｃ）に示すように、側面から見た場合に二種類の交差する傾斜面を有する。図９（ｃ）に示すように、第１の傾斜面は水平面に対する角度がθ１の斜面であり、第２の傾斜面は水平面に対する傾斜角度角度がθ１とは異なるθ２の斜面である。

図９（ａ）と図９（ｃ）に示すように、第１の傾斜面はｘ座標が正の領域に形成されており、第２の傾斜面はｘ座標が負の領域に形成されている。角度θ１とθ２は向きが逆で大きさが同じであることが望ましい。本実施例では、θ１＝０．７９ラジアン（４５°）、θ２＝−０．７９ラジアン（−４５°）であるが、これらに限定されない。

図９（ａ）に示すように、第１の傾斜面の上には一対の矩形状の遮光膜５１が形成され、その間に矩形形状のスリット（第１のスリット）５３が形成されている。同様に、第２の傾斜面の上には一対の矩形状の遮光膜５１が形成され、その間に矩形形状のスリット（第２のスリット）５３が形成されている。２つのスリット５３は、光が透過する開口部（光通過部）である。図９（ｂ）に示す一対のスリット５３は、ｙ方向に異なる位相分布を有する。即ち、２つのスリット５３の一方が第１の領域、他方が第２の領域としても機能し、第１のスリット内部の位相分布と第２のスリット内部の位相分布は異なる。

図１０に、マスク１０３ｃをコヒーレンスファクタ０．７の円形照明で照明した場合の各デフォーカス量に対する撮像素子１０５の出力像を示す。２つのスリット５３の像強度のピーク位置が変化する理由は、合焦しているｚ座標におけるスリット５３のｙ座標が２つのスリット間で異なるためである。この現象を利用すると、２つの像強度ピークのｙ座標（第１の値、第２の値）の差分（距離）を評価値として算出することで、デフォーカス量を判定することができる。

図１１に示すように、被検面のデフォーカス量が正に増大するにつれて、ピークのｙ座標の差分も単調に増加している。ピークを特徴点とすれば、特徴点の位置がデフォーカス量に従って移動していることになる。予め既知のデフォーカス量に対する計測を行い、図１１に示すデータを取得して不図示の記憶手段に記憶しておけば、本実施例の計測方法によって評価値を取得することによってそれに対応する計測位置のデフォーカス量を同定することができる。例えば、被検面の評価値−９．０μｍと算出された位置のデフォーカス量は−１００μｍと同定される。

また、従来の方法に対する利点、複数の位置における同時計測、複数枚の撮像、照明条件、投影露光装置への適用については実施例１と同様である。

本実施例では、θ１およびθ２の絶対値を０．７９ラジアン（４５°）としているが、これらの値を小さくすれば、更に高精度な焦点ずれ測定が可能であり、値を大きくすれば測定可能なデフォーカス量の範囲が拡大する。さらには、透明基板５２の斜面は、これを近似するような階段形状でも同様の効果を得ることが可能である。

実施例４は、マスク１０３ａの代わりにマスク１０３ｄを使用する以外は実施例１と同じ条件を用いている。マスク１０３ｄは、図１２（ａ）に示す透過率分布と図１２（ｂ）に示す位相分布を有する。

図１２（ａ）に示すように、光通過部としての３つの開口部６１、６２、６３がｙ方向に並んでおり、それ以外は遮光部６０となっている。各開口部は１辺１．０μｍの正方形で、間隔は２．０μｍ、中央の開口部６１を第１の開口部（第１の光通過部）とすると両端の開口部６２、６３が第２の開口部（第２の光通過部）である。

図１２（ｂ）に示すように、ｘｙ断面内において中央の開口部６１と同一の位置には、第１の位相を有する第１の領域６５が形成されている。第１の領域６５と第１の開口部とは同一形状で同一位置にあり、第１の位相はｘ軸の正の方向に向かって減少する分布を有する。第１の領域６５のｘ方向の両端の位相差は波長５５０ｎｍに対して４．７１ラジアンであり、線形な傾斜である。中央の開口部のｙ方向において両側にある開口部と同一の位置には第２の位相を有する第２の領域６７が形成されているが、第２の領域６７は第１の領域６５を除くマスク１０３の全面である。また、第２の領域の位相は一定である。第１の位相と第２の位相は異なる。

本実施例では、このような位相の傾斜は、例えば、マスク１０３ｄの透明基板が開口部内において斜面を有するように掘り込まれていることによって実現できる。ここで、位相傾斜または掘り込み量に製造誤差が加わった場合にも、以下と同様の効果を得ることができる。

図１３に、マスク１０３Ｄを垂直入射のコヒーレント光で照明した場合の各デフォーカス量に対する撮像素子１０５の出力像を示す。この出力像に対し、３つのピーク（明るさが最大となる点）を検出する。図１４は、中心のピークと上下のピークを結ぶ線分との相対位置（符号つきの最短距離でもよいし、相対ｘ座標でもよい）を評価値とし、デフォーカス量に対してプロットした結果を示すグラフである。上下の開口部はどちらか一つでもよく、この場合の評価値は、第１の領域に対応する像の明るさが最大となる点と第２の領域に対応する像の明るさが最大となる点との所定方向における相対位置となる。いずれにしても、評価値は、第１の領域に対応する像の明るさが最大となる点と第２の領域に対応する像の明るさが最大となる点との相対位置となる。

３つのピークを特徴点とすれば、特徴点の位置がデフォーカス量に従って移動していることになる。従来の方法に対してマスク１０３ｄを用いる利点は、いかなるデフォーカス量に対しても３つのパターンが近接しすぎることによる像の劣化とそれに伴う計測精度の低下が起こらないこと、およびデフォーカス量の計測可能範囲が拡大されることである。

予め既知のデフォーカス量に対する計測を行い、図１４に示す情報を取得して不図示の記憶手段に記憶しておけば、本実施例の計測方法によって評価値を取得することによってそれに対応する計測位置のデフォーカス量を同定することができる。例えば、被検面の評価値−６．０μｍと算出された位置のデフォーカス量は−２００μｍと同定される。

評価値は位置ずれ量に限定されず、像強度のピークの相対位置を定量的に反映する指標であればよい。

また、従来の方法に対する利点、複数の位置における同時計測、複数枚の撮像、照明条件、投影露光装置への適用については実施例１と同様である。さらには、マスク１０３ｄの位相の傾斜は、これを近似するような階段状の位相分布でもよく、その場合にも同様の効果を得ることができる。

実施例５は、マスク１０３ａの代わりにマスク１０３ｅを使用する以外は実施例１と同じ条件を用いている。マスク１０３ｅは、図１５（ａ）に示す透過率分布と図１５（ｂ）に示す位相分布を有する。図１５（ａ）に示すように、マスク１０３ｅのパターンは、遮光部７０と４つの開口部７１〜７４を有する。４つの開口部は長方形の４つの角部に対応する位置に設けられ、対角方向に配置された一対の開口部がペアとなっている。即ち、左上の開口部７１と右下の開口部７２が第１の開口部（第１の光通過部）として機能し、右上の開口部７３と左下の開口部７４が第２の開口部（第２の光通過部）として機能する。図１５（ｂ）に示すように、第１の開口部と同一の位置に同一形状の第１の領域７５、７６が設けられており、第２の開口部と同一の位置に同一形状の第２の領域７７、７８が設けられている。なお、ペアとなる領域の位相分布は傾斜の方向が同一でさえあればよく、必ずしも完全に一致している必要はない。

各開口部は１辺１．０μｍの正方形であり、間隔は３．０μｍである。第１の位相はｘ方向に減少する分布を有し、第２の位相はｘ方向に増加する逆の分布を有し、第１の位相と第２の位相は異なる。第１の領域と第２の領域のｘ方向の両端の位相差は波長５５０ｎｍに対して４．７１ラジアンであり、線形な傾斜である。位相の傾斜の実現手段については実施例４と同様である。また、上側の第１の領域７５と第２の領域７７は互いに離れるように増加する位相勾配を有し、下側の第１の領域７６と第２の領域７８は互いに近づくように増加する位相勾配を有する。

図１６に、マスク１０３ｅを垂直入射のコヒーレント光で照明した場合の各デフォーカス量に対する撮像素子１０５の出力像を示す。図１７は、この出力像に対し、上側の２つのピーク間距離から下側の２つのピーク間距離を減算した差分を評価値とし、デフォーカス量に対してプロットした結果を示すグラフである。

ピークを特徴点とすれば、特徴点の位置がデフォーカス量に従って移動していることになる。予め既知のデフォーカス量に対する計測を行い、図１７に示す情報を取得して不図示の記憶手段に記憶しておけば、本実施例の計測方法によって評価値を取得することによってそれに対応する計測位置のデフォーカス量を同定することができる。例えば、被検面の評価値−２５μｍと算出された位置のデフォーカス量は−２００μｍと同定される。

評価値は距離の差分に限定される必要はなく、像強度のピークの相対位置を定量的に反映する指標であればよい。また、従来の方法に対する利点、複数の位置における同時計測、複数枚の撮像、照明条件、投影露光装置への適用については実施例１と同様である。さらには、マスク１０３ｅの位相の傾斜は、これを近似するような階段状の位相分布でもよく、その場合にも同様の効果を得ることができる。

実施例６は、計測に使用される波長とマスク１０３ａの代わりにマスク１０３ｆを使用する以外は実施例１と同じ条件を用いている。照明光は５５０ｎｍの単波長とし、マスク１０３ｆは、図１８（ａ）に示す透過率分布と図１８（ｂ）に示す位相分布を有する。図１８（ａ）に示すように、マスク１０３ｆは２つの開口部８１、８２とそれ以外の遮光部８０とを有する。左側の開口部８１が第１の開口部（第１の光通過部）として機能し、右側の開口部８３が第２の開口部（第２の光通過部）として機能する。各開口部は１辺１．０μｍの正方形で、間隔は０．５μｍである。第１の開口部の下には同一位置に同一形状の第１の領域８５が設けられ、−０．７８５ラジアンの第１の位相を有する。第２の開口部の下には同一位置に同一形状の第２の領域８７が設けられ、０．７８５ラジアンの第１の位相を有する。つまり、位相差は１．５７ラジアンである。位相差の実現手段については実施例１と同様である。

図１９に、マスク１０３ｆを垂直入射の単色コヒーレント光で照明した場合のデフォーカス量±２００μｍおよび０μｍに対する撮像素子１０５の出力像の１次元断面を示す。点線がデフォーカス量−２００μｍ、実線が０μｍ、一点鎖線が＋２００μｍに対応する。デフォーカス方向により２つのピークの大小関係が逆転していることが分かる。

図２０は、この出力像の右のピーク位置像強度（第１の値）から左のピーク位置像強度（第２の値）を減算し、全強度の最大値で除して単位を％とした評価値を、デフォーカス量に対してプロットした結果を示すグラフである。

予め既知のデフォーカス量に対する計測を行い、図２０に示す情報を取得して不図示の記憶手段に記憶しておけば、本実施例の計測方法によって評価値を取得することによってそれに対応する評価値に対応する計測位置のデフォーカス量を取得することができる。例えば、被検面の評価値−２．７％と算出された位置のデフォーカス量は−１００μｍと同定される。

従来の方法に対する利点、複数の位置における同時計測、複数枚の撮像、照明条件、投影露光装置への適用については実施例１と同様である。例えば、照明光の波長に対する真空中換算の第１の位相と第２の位相の位相差が０．６１ラジアン以上３．２４ラジアン以下であることが好ましい。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上述した実施例においては撮像素子の撮像面を被検面としているが、これに限られることはなく、試料またはマスクの一部分や、ステージの表面などであってもよい。また、各実施例においては、光が透過する光通過部としての開口部を設けたマスクについて説明したが、本発明はこれに限らず、光を反射するパターンを光通過部として設けてもよい。

本発明は、例えば、バーチャルスライドや露光装置に適用することができる。

１０３…計測用マスク、１０４…撮像光学系（結像光学系）、３５、３６…第１の領域、３７、３８…第２の領域

Claims (20)

1. 被検面の計測位置における、結像光学系の焦点位置からの光軸方向におけるずれ量であるデフォーカス量を計測する計測方法であって、
   前記結像光学系によって形成されるマスクの像に基づいて評価値を取得するステップと、
   予め取得された、前記デフォーカス量と前記評価値との関係を用いて、前記評価値に対応する前記デフォーカス量を取得するステップと、
   を有し、
   前記マスクは、第１の位相を有する第１の領域と、前記第１の位相とは異なる第２の位相を有する第２の領域と、を含み、
   前記評価値は、前記第１の領域に対応する像の結像状態を表す第１の値と、前記第２の領域に対応する像の結像状態を表す第２の値と、に基づいて取得されることを特徴とする計測方法。
2. 前記評価値は、前記デフォーカス量に応じて変化する前記マスクの像の形状を反映する値であることを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
3. 前記マスクは、前記第１の領域及び前記第２の領域の夫々を複数含んでおり、
   前記第１の値は、前記複数の第１の領域の配列方向における前記複数の第１の領域の像の幅であり、前記第２の値は、前記複数の第２の領域の配列方向における前記複数の第２の領域の像の幅であることを特徴とする請求項２に記載の計測方法。
4. 前記複数の第１の領域と前記複数の第２の領域とは交差して配列されており、その交差する部分は遮光部として機能することを特徴とする請求項３に記載の計測方法。
5. 前記第１の位相は前記第１の領域において一定であり、前記第２の位相は前記第２の領域において一定であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測方法。
6. 前記マスクはＢｅｓｓｅｌ関数で表される位相分布を有することを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
7. 前記評価値は、前記デフォーカス量に応じて変化する前記マスクの像強度を反映する値であることを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
8. 前記第１の値は、前記第１の領域に対応する像の明るさが最大となる点の座標から生成され、前記第２の値は、前記第２の領域に対応する像の明るさが最大となる点の座標から生成されることを特徴とする請求項７に記載の計測方法。
9. 前記マスクは、第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面とは異なる傾斜角度を有する第２の傾斜面と、を有し、
   前記第１の傾斜面の上には前記第１の領域として機能する第１のスリットが形成され、前記第２の傾斜面の上には前記第２の領域として機能する第２のスリットが形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の計測方法。
10. 前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面の少なくとも一方は階段形状で近似されていることを特徴とする請求項９に記載の計測方法。
11. 前記第１の位相は前記第１の領域において線形な分布を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測方法。
12. 前記第１の位相は階段形状に近似された分布を有することを特徴とする請求項１１に記載の計測方法。
13. 前記第２の位相は前記第２の領域において線形な分布を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の計測方法。
14. 前記第２の位相は階段形状に近似された分布を有することを特徴とする請求項１３に記載の計測方法。
15. 前記第１の位相は前記第１の領域において線形な分布を有し、前記第２の位相は前記第２の領域において線形な分布を有し、
    前記マスクは、対角方向に配置された複数の第１の領域と、対角方向に配置された複数の第２の領域と、を有する請求項８に記載の計測方法。
16. 前記第１の値は、前記第１の領域に対応する像の明るさが最大となる点の強度から生成され、前記第２の値は、前記第２の領域に対応する像の明るさが最大となる点の強度から生成されることを特徴とする請求項７に記載の計測方法。
17. 前記第１の位相は前記第１の領域において一定であり、前記第２の位相は前記第２の領域において一定であることを特徴とする請求項１６に記載の計測方法。
18. 前記第１の領域と前記第２の領域とを含めて１つのパターンとする時、前記マスクは前記パターンを複数有しており、前記被検面の複数の計測位置のデフォーカス量を１回の計測によって取得することを特徴とする請求項１乃至１７のうちいずれか１項に記載の計測方法。
19. 前記マスクを照明する照明光の波長に対する真空中換算の前記第１の位相と前記第２の位相の位相差が０．６１ラジアン以上３．２４ラジアン以下であることを特徴とする請求項５または１７に記載の計測方法。
20. 請求項１乃至１９のうちいずれか１項に記載の計測方法を利用して前記デフォーカス量を計測する計測ステップと、
    前記計測ステップによって計測された前記デフォーカス量が減るように前記被検面の、前記結像光学系の光軸方向の位置を調整するステップと、
    を有することを特徴とする位置調整方法。